JP2018100785A - 熱交換器及び磁気ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換の効率の向上を図ることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器１０は、複数の線材１２を束ねて構成される集合体１１と、集合体１１を収容するケース１３と、ケース１３の端面１３３に接触している共にケース１３の軸方向において集合体１１の一部と重複している閉塞部材１８と、を備え、線材１２は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料で構成されており、閉塞部材１８は、ケース１３の内面と集合体１１の外周との間に形成された第２の流路１１２の少なくとも一部を閉塞している。【選択図】 図３

Description

本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器、及び、その熱交換器を備えた磁気ヒートポンプ装置に関するものである。

円柱状の複数の磁性体をその長手方向と交差する方向に重ねて構成された集合体と、その集合体が挿入された筒状のケースと、を備えた熱交換器が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−６４５８８号公報

上記の熱交換器では、集合体において最外周に位置する磁性体とケースの内周面との間に間隙が形成されている。そのため、この間隙に液体媒体が多く流れてしまい、磁性体同士の間に形成された流路を通過する液体媒体が少なく、熱交換の効率が高くない、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、熱交換の効率の向上を図ることが可能な熱交換器、及び、その熱交換器を備えた磁気ヒートポンプ装置を提供することである。

［１］本発明に係る熱交換器は、磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器であって、前記熱交換器は、複数の線材を束ねて構成される集合体と、前記集合体を収容するケースと、前記ケースの端面に接触している共に、前記ケースの軸方向において前記集合体の一部と重複している閉塞部材と、を備え、前記線材は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料で構成されており、前記閉塞部材は、前記ケースの内面と前記集合体の外周との間に形成された間隙の少なくとも一部を閉塞している熱交換器である。

［２］上記発明において、前記ケースは、一対の側部を有しており、前記閉塞部材は、少なくとも前記側部と前記集合体の外周との間の前記間隙を閉塞していてもよい。

［３］上記発明において、前記閉塞部材は、前記ケースの端部の開口の形状に対応した環状形状を有しており、前記閉塞部材は、前記ケースの内面の全周に亘って前記間隙を閉塞していてもよい。

［４］上記発明において、前記熱交換器は、前記ケースの端部に取り付けられた端末部材を備え、前記閉塞部材は、弾性体から構成されており、前記閉塞部材は、前記端末部材と前記ケースとの間に挟まれていてもよい。

［５］上記発明において、前記ケースは、一方の端部に位置する第１の開口と、他方の端部に位置する第２の開口と、を有しており、前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向と、前記集合体の延在方向とが実質的に一致していてもよい。

［６］本発明に係る磁気ヒートポンプ装置は、上記の少なくとも一つの熱交換器と、前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、前記磁場変更手段の動作に連動して前記熱交換器から前記第１又は前記第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置である。

本発明によれば、前記ケースの内面と前記集合体の外周との間に形成された間隙の少なくとも一部が、閉塞部材により閉塞されているので、集合体の線材同士の間に形成された流路に液体媒体を多く通過させることができ、熱交換の効率の向上を図ることができる。

図１は、本発明の第１実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図であり、ピストンが第１の位置にある状態を示す図である。 図２は、本発明の第１実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図である、ピストンが第２の位置にある状態を示す図である。 図３は、本発明の第１実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の構成を示す分解斜視図である。 図４は、本発明の第１実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の断面図であり、ＭＣＭ熱交換器を長手方向に沿って切断した断面図である。 図５は、図４のV-V線に沿った断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本発明の第１実施形態におけるケースの断面形状の変形例を示す図である。 図７は、本発明の第２実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の構成を示す分解斜視図である。 図８は、本発明の第２実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の断面図であり、ＭＣＭ熱交換器を長手方向に沿って切断した断面図である。 図９は、図８のIX-IX線に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

≪第１実施形態≫
図１及び図２は本発明の第１実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図、図３〜図５は本発明の第１実施形態におけるＭＣＭ熱交換器を示す図である。

本実施形態における磁気ヒートポンプ装置１は、磁気熱量効果（Magnetocaloric effect）を利用したヒートポンプ装置であり、図１及び図２に示すように、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０と、ピストン３０と、永久磁石４０と、低温側熱交換器５０と、高温側熱交換器６０と、ポンプ７０と、配管８１〜８４と、切替弁９０と、を備えている。

本実施形態における第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０が本発明における熱交換器の一例に相当し、本実施形態におけるピストン３０及び永久磁石４０が本発明における磁気変更手段の一例に相当し、低温側熱交換器５０及び高温側熱交換器６０が本発明における第１及び第２の外部熱交換器の一例に相当し、本実施形態における配管８１〜８４が本発明における配管の一例に相当し、本実施形態におけるポンプ７０及び切替弁９０が本発明における流体供給手段の一例に相当する。

第１のＭＣＭ熱交換器１０は、図３〜図５に示すように、複数の線材１２からなる集合体１１と、当該集合体１１が収容された筒状のケース（容器）１３と、ケース１３の両端に接続された端末部材１６，１７と、ケース１３と端末部材１６の間に介装された閉塞部材１８と、を備えている。なお、第１のＭＣＭ熱交換器１０と第２のＭＣＭ熱交換器２０は同一の構造を有しているので、以下に第１のＭＣＭ熱交換器１０の構成についてのみ説明し、第２のＭＣＭ熱交換器２０の構成についての説明は省略する。

本実施形態における線材１２が本発明における線材の一例に相当し、本実施形態における集合体１１が本発明における集合体の一例に相当し、本実施形態におけるケース１３が本発明におけるケースの一例に相当する。また、本実施形態における端末部材１６が本発明における端末部材の一例に相当し、本実施形態における閉塞部材１８が本発明における閉塞部材の一例に相当する。

線材１２は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料（ＭＣＭ：Magnetocaloric Effect Material）から構成されている。このＭＣＭから構成される線材１２に磁場を印加すると、電子スピンが揃うことで磁気エントロピーが減少し、当該線材１２は発熱して温度が上昇する。一方、線材１２から磁場を除去すると、電子スピンが乱雑となり磁気エントロピーが増加し、当該線材１２は吸熱して温度が低下する。

この線材１２を構成するＭＣＭは、磁性体であれば特に限定されないが、例えば、１０℃〜３０℃程度の常温域にキュリー温度（キュリー点）を有し、常温域で高い磁気熱量効果を発揮する磁性体であることが好ましい。こうしたＭＣＭの具体例としては、例えば、ガドリニウム（Ｇｄ）、ガドリニウム合金、ランタン−鉄−シリコン（Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ）系化合物等を例示することができる。

本実施形態における線材１２は、円形の断面形状を有する線材である。なお、線材１２同士を束ねた際に当該線材１２同士の間に第１の流路１１１（後述）を形成可能であれば、線材１２が円形以外の断面形状を有してもよい。線材１２の線径としては、特に限定されないが、例えば、０．０１〜１ｍｍであることが好ましい。集合体１１を構成する複数の線材１２は、実質的に同一の線径のものを用いてもよいし、相互に異なる線径のものが混在していてもよい。

集合体１１は、この線材１２を複数束ねることで構成されている。複数の線材１２は、線材１２の長手方向に対して交差する方向に束ねられている（重ねられている）。換言すれば、線材１２の側面同士が接触するように、複数の線材１２が相互に隣接している。その結果、線材１２の側面同士の間には第１の流路１１１（図５参照）が形成されている。なお、理解を容易にするために、図３〜図５では、実際よりも少ない本数の線材１２で集合体１１が構成されているが、実際には、集合体１１は数千本〜数万本の線材１２から構成されている。

なお、図３〜図５に示す集合体１１は、複数の線材１２を単に束ねることで構成されているが、集合体の構成は特にこれに限定されない。特に図示しないが、例えば、複数の線材を相互に撚り合わせることで集合体を構成してもよい。或いは、数本の線材を撚り合わせることで個々の撚線を構成し、当該複数の撚線を相互に束ねることで集合体を構成してもよい。すなわち、本実施形態における「複数の線材を束ねて構成される集合体」は、「撚線」も含む。

線材の撚り合わせ方としては、例えば、集合撚り、同心撚り、複合撚り等を例示することができる。集合撚りとは、複数の線材を一纏めにして、これらを集合体の軸を中心に同一方向に撚り合わせる撚り方である。同心撚りとは、芯線を中心として当該芯線の周りに複数の線材に同心円状を撚り合わせる撚り方である。複合撚りとは、複数の線材を同心撚り又は集合撚りに撚り合わせた子撚線を、さらに同心撚り又は集合撚りに撚り合わせる撚り方である。

集合体１１を収容するケース１３は、図３〜図５に示すように、収容部１４と蓋部１５を備えており、断面矩形の筒型の形状を有している。このケース１３は、その一方の端部に第１の開口１３１を有していると共に、その他方の端部に第２の開口１３２を有している。

収容部１４は、ケース１３の底板を構成する底部１４１と、ケース１３の両側の側壁を構成する一対の側部１４２，１４３と、を備えている。一対の側部１４２，１４３の上端の間に開口１４４が形成されており、その結果、収容部１４は、その軸方向に対して実質的に直交する方向に沿った断面において、コ字状（略Ｕ字状）の断面形状を有している。

蓋部１５は、矩形板状の部材である。図３〜図５に示すように、この蓋部１５が一対の側部１４２，１４３の上端に固定されている。収容部１４の開口１４４が蓋部１５により閉塞されることで、ケース１３が形成されている。

本実施形態における一対の側部１４２，１４３が本発明における一対の側部の一例に相当する。また、本実施形態におけるケース１３の第１の開口１３１が本発明におけるケースの第１の開口の一例に相当し、本実施形態におけるケース１３の第２の開口１３２が本発明におけるケースの第２の開口の一例に相当する。

なお、ケース１３の形状は、筒型であれば、特に上記に限定されず、例えば、ケースが図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すような断面形状を有してもよい。図６（ａ）〜図６（ｃ）はＭＣＭ熱交換器のケースの断面形状の変形例を示す図である。なお、図６（ａ）〜図６（ｃ）において、集合体１１は図示していない。

例えば、図６（ａ）に示すように、ケース１３ｂが、円弧状の底部１４１ｂ及び蓋部１５ｂと、直線状の側部１４２ｂ，１４３ｂと、から構成される扇面型の断面形状を有してもよい。円弧状の底部１４１ｂ及び蓋部１５ｂは、相互に平行に延在している。一方の側部１４２ｂは、底部１４１ｂの一方の端部と蓋部１５ｂの一方の端部を連結している。また、他方の側部１４３ｂは、底部１４１ｂの他方の端部と蓋部１５Ｂの他方の端部を連結している。本例（図６（ａ）に示す例）における側部１４２ｂ，１４３ｂが、本発明における一対の側部の一例に相当する。

或いは、図６（ｂ）に示すように、ケース１３ｃが、直線状の底部１４１ｃ及び蓋部１５ｃと、直線状の側部１４２ｃ，１４３ｃと、から構成される台形型の断面形状を有してもよい。長さの異なる直線状の底部１４１ｃ及び蓋部１５ｃは、相互に平行に延在している。一方の側部１４２ｃは、底部１４１ｃの一方の端部と蓋部１５ｃの一方の端部を連結している。また、他方の側部１４３ｃは、底部１４１ｃの他方の端部と蓋部１５ｃの他方の端部を連結している。本例（図６（ｂ）に示す例）における側部１４２ｃ，１４３ｃが、本発明における一対の側部の一例に相当する。

或いは、図６（ｃ）に示すように、ケース１３ｄが、円弧状の底部１４１ｄと、直線状の蓋部１５ｄと、直線状の側部１４２ｄ，１４３ｄと、から構成される略Ｕ字型の断面形状を有してもよい。直線状の側部１４２ｄ，１４３ｄは、相互に平行に延在している。円弧状の底部１４１ｄは、側部１４２ｄの一方の端部と側部１４３ｄの一方の端部を連結している。また、直線状の蓋部１５ｄは、側部１４２ｄの他方の端部と側部１４３ｄの他方の端部を連結している。本例（図６（ｃ）に示す例）における側部１４２ｄ，１４３ｄが、本発明における一対の側部の一例に相当する。

図３〜図５に戻り、集合体１１は、当該集合体１１を構成する線材１２の長手方向（集合体１１の延在方向（長手方向））とケース１３の軸方向（第１の開口１３１から第２の開口１３２に向かう方向）とが実質的に一致するように、ケース１３内に収容されている。また、第１及び第２の開口１３１，１３２の中心は、集合体１１の中心に対して実質的に同軸上に位置している。そして、集合体１１を構成する線材１２同士の間には、第１の流路１１１が形成されている。一方、集合体１１の最も外周側の線材１２とケース１３の内面との間には、第２の流路１１２が形成されている。

第１の端末部材（連結部材）１６は、図３及び図４に示すように、連結口１６１と、当該連結口１６１よりも大きな接続口１６２と、連結口１６１と接続口１６２の間に介在する段差面１６３と、を備えた樹脂成型品である。なお、この第１の端末部材１６として金属加工品を用いてもよい。この第１の端末部材１６の連結口１６１の中心は、集合体１１の中心と同軸上に位置している。

この第１の端末部材１６の連結口１６１には、第１の低温側配管８１が連結されており、図１に示すように、第１のＭＣＭ熱交換器１０は、この第１の低温側配管８１を介して、低温側熱交換器５０に連通している。一方、この第１の端末部材１６の接続口１６２には、ケース１３の一方の端部が挿入され、ケース１３の端部に第１の端末部材１６が固定されている。

閉塞部材１８は、例えば、ゴムから構成される矩形環状のＯリングであり、第１の端末部材１６とケース１３の間に介在している。この閉塞部材１８は、第１の端末部材１６の段差面１６３とケース１３の端面１３３との間で圧縮された状態で、第１の端末部材１６とケース１３の間に保持されている。なお、閉塞部材１８は、弾性材料から構成され、且つ、ケース１３の第１の開口１３１の形状に対応した環状形状の部材であれば、上記のようなＯリングに限定されない。

この圧縮された閉塞部材１８は、ケース１３の端面１３３に全周に亘って接触していると共に、ケース１３の内面よりも径方向に内側に向かって（ケース１３の中心に向かって）突出するような幅を有しており、当該閉塞部材１８の内周がケース１３の内面よりも中心側に位置している。従って、この閉塞部材１８は、ケース１３の軸方向において（図５の紙面手前側から奥側に向かって見た場合において）、集合体１１と部分的に重複しているおり、集合体１１の一部の端面を覆っている。その結果、この閉塞部材１８によって、ケース１３の内面と集合体１１の外周との間に形成された第２の流路１１２が全周に亘って閉塞されている。

第２の端末部材１７も、上述の第１の端末部材１６と同様の構成を有している。この第２の端末部材１７の連結口１７１は、第１の高温側配管８３を介して、高温側熱交換器６０に連通している。この第２の端末部材１７の連結口１７１の中心も、集合体１１の中心と同軸上に位置している。一方、この第２の端末部材１７の接続口１７２には、ケース１３の他方の端部が挿入され、ケース２３の端部に第２の端末部材１７が固定されている。なお、上述した閉塞部材１８を、第２の端末部材１７とケース１３との間に介在させてもよい。

本実施形態では、この第２の端末部材１７とケース１３との間には閉塞部材１８は介在していない。そのため、例えば、熱収縮チューブでこの第２の端末部材１７を構成してもよい。

第２のＭＣＭ熱交換器２０のケース２３にも集合体２１が収容されており（図２参照）、この集合体２１も線材２２を複数束ねることで構成されている。そして、第１のＭＣＭ熱交換器１０と同様、ケース２３の一方の端部が第１の端末部材に挿入されており、第１の端末部材がケース２３に固定されている。また、当該ケース２３の他方の端部が第２の端末部材に挿入されており、第２の端末部材がケース２３に固定されている。この第２のＭＣＭ熱交換器２０は、第１の端末部材の連結口２６１に連結された第２の低温側配管８２を介して、低温側熱交換器５０に連通している。一方、第２のＭＣＭ熱交換器２０は、第２の端末部材の連結口２７１に連結された第２の高温側配管８４を介して、高温側熱交換器６０に連通している。特に図示しないが、この第２のＭＣＭ熱交換器２０においても、第１の端末部材とケース２３との間に閉塞部材が介在している。

なお、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２は、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２と同じ構成を有している。また、第２のＭＣＭ熱交換器２０のケース２３も、第１のＭＣＭ熱交換器１０のケース１３と同じ構成を有している。さらに、第２のＭＣＭ熱交換器２０の端末部材も、第１のＭＣＭ熱交換器１０の端末部材１６，１７と同じ構成を有しており、第２のＭＣＭ熱交換器２０の閉塞部材も、第１のＭＣＭ熱交換器１０の閉塞部材１８と同様の構成を有している。

例えば、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置１を用いた空気調和装置を冷房として機能させる場合には、低温側熱交換器５０と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を冷やすと共に、高温側熱交換器６０と室外との間で熱交換を行うことで室外に放熱する。

これに対し、当該空気調和装置を暖房として機能させる場合には、高温側熱交換器６０と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を暖めると共に、低温側熱交換器５０と室外の空気との間で熱交換を行うことで室外から吸熱する。

以上のように、２つの低温側配管８１，８２と２つの高温側配管８３，８４によって、４つの熱交換器１０，２０，５０，６０を含む循環路が形成されており、ポンプ７０によって当該循環路内に液体媒体が圧送される。液体媒体の具体例としては、例えば、水、不凍液、エタノール溶液、または、これらの混合物等の液体を例示することができる。本実施形態における液体媒体が、本発明における流体の一例に相当する。

２つのＭＣＭ熱交換器１０，２０は、ピストン３０の内部に収容されている。このピストン３０は、アクチュエータ３５によって、一対の永久磁石４０の間を往復移動することが可能となっている。具体的には、このピストン３０は、図１に示すような「第１の位置」と、図２に示すような「第２の位置」との間を往復移動することが可能となっている。なお、アクチュエータ３５の一例としては、例えば、エアシリンダ等を例示することができる。

ここで、「第１の位置」は、第１のＭＣＭ熱交換器１０が永久磁石４０の間に介在せず、第２のＭＣＭ熱交換器２０が永久磁石４０の間に介在するようなピストン３０の位置である。これに対し、「第２の位置」は、第１のＭＣＭ熱交換器１０が永久磁石４０の間に介在し、第２のＭＣＭ熱交換器２０が永久磁石４０の間に介在しないようなピストン３０の位置である。

なお、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０に代えて、永久磁石４０をアクチュエータ３５により往復移動させてもよい。或いは、永久磁石４０に代えて、コイルを有する電磁石を用いてもよく、この場合には、ＭＣＭ熱交換器１０，２０又は磁石を移動させる機構が不要となる。また、コイルを有する電磁石を用いる場合には、ＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２，２２に対する磁場の印加／除去に代えて、線材１２，２２に印加した磁場の大きさを変更するようにしてもよい。

切替弁９０は、第１の高温側配管８３と第２の高温側配管８４に設けられている。この切替弁９０は、上述のピストン３０の動作に連動して、ポンプ７０により液体媒体の供給先を、第１のＭＣＭ熱交換器１０、又は、第２のＭＣＭ熱交換器２０に切り替えると共に、高温側熱交換器６０の接続先を、第２のＭＣＭ熱交換器２０、又は、第１のＭＣＭ熱交換器１０に切り替えることが可能となっている。

次に、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置１の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。

先ず、ピストン３０を図１に示す「第１の位置」に移動させると、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２が消磁されて温度が低下する一方で、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２が着磁されて温度が上昇する。

これと同時に、切替弁９０によって、ポンプ７０→第１の高温側配管８３→第１のＭＣＭ熱交換器１０→第１の低温側配管８１→低温側熱交換器５０→第２の低温側配管８２→第２のＭＣＭ熱交換器２０→第２の高温側配管８４→高温側熱交換器６０→ポンプ７０からなる第１の経路が形成される。

このため、消磁によって温度が低下した第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２によって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器５０に供給されて、当該低温側熱交換器５０が冷却される。

この際、第１のＭＣＭ熱交換器１０の内部において、線材１２同士の間に形成された第１の流路１１１を液体媒体が通過して線材１２と接触することで、当該液体媒体が線材１２によって冷却される。一方、集合体１１の外周とケース１３の内面の間に形成された第２の流路１１２は閉塞部材１８によって塞がれているので、第１の流路１１１を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

一方、着磁されて温度が上昇した第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２によって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器６０に供給されて、当該高温側熱交換器６０が加熱される。

この際、第２のＭＣＭ熱交換器２０の内部において、線材２２同士の間に形成された第１の流路を液体媒体が通過して線材２２と接触することで、当該液体媒体が線材２２によって加熱される。一方、集合体２１の外周とケース２３の内面との間に形成された第２の流路は閉塞部材によって塞がれているので、第１の流路を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

次いで、ピストン３０を図２に示す「第２の位置」に移動させると、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２が着磁されて温度が上昇する一方で、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２が消磁されて温度が低下する。

これと同時に、切替弁９０によって、ポンプ７０→第２の高温側配管８４→第２のＭＣＭ熱交換器２０→第２の低温側配管８２→低温側熱交換器５０→第１の低温側配管８１→第１のＭＣＭ熱交換器１０→第１の高温側配管８３→高温側熱交換器６０→ポンプ７０からなる第２の経路が形成される。

このため、消磁によって温度が低下した第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２によって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器５０に供給されて、当該低温側熱交換器５０が冷却される。

この際、第２のＭＣＭ熱交換器２０の内部において、線材２２同士の間に形成された第１の流路を液体媒体が通過して線材２２と接触することで、当該液体媒体が線材２２によって冷却される。一方、集合体２１の外周とケース２３の内面との間に形成された第２の流路は閉塞部材によって塞がれているので、第１の流路を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

一方、着磁されて温度が上昇した第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２によって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器６０に供給されて、当該高温側熱交換器６０が加熱される。

この際、第１のＭＣＭ熱交換器１０の内部において、線材１２同士の間に形成された流路１１１を液体媒体が通過して線材１２と接触することで、当該液体媒体が線材１２によって加熱される。一方、集合体１１の外周とケース１３の内面との間に形成された第２の流路１１２は閉塞部材１８によって塞がれているので、第１の流路１１１を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

そして、以上に説明したピストン３０の「第１の位置」と「第２の位置」との間の往復移動を繰り返し、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０内の線材１２，２２に対する磁場の印加・除去を繰り返すことにより、低温側熱交換器５０の冷却と、高温側熱交換器６０の加熱とが継続される。

以上のように、本実施形態では、第１のＭＣＭ熱交換器１０に関して、ケース１３と第１の端末部材１６との間に環状の閉塞部材１８が介在しており、この閉塞部材１８によって第２の流路１１２がケース１３の内面の全周に亘って塞がれている。このため、集合体１１の線材１２同士の間に形成された第１の流路１１１に液体媒体を多く通過させることができ、熱交換の効率の向上を図ることができる。

同様に、特に図示しないが、第２のＭＣＭ熱交換器２０に関しても、ケース２３と第１の端末部材との間に閉塞部材が介在しており、この閉塞部材によって第２の流路がケース２３の内面の全周に亘って塞がれている。このため、集合体２１の線材２２同士の間に形成された第１の流路に液体媒体を多く通過させることができ、熱交換の効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、第１のＭＣＭ熱交換器１０に関して、集合体１１を構成する線材１２の長手方向（集合体１１の延在方向）と、ケース１３の軸方向（ケース１３の第１の開口１３１から第２の開口１３２に向かう方向）と、が実質的に一致している。このため、本実施形態では、ＭＣＭ熱交換器１０内を流れる液体媒体の圧力損失が増大するのを抑制することができると共に、閉塞部材１８を介在させるだけで第２の流路１１２を閉塞することが可能となっている。

同様に、第２のＭＣＭ熱交換器２０においても、集合体２１を構成する線材２２の長手方向（集合体２１の延在方向）と、ケース２３の軸方向（ケース２３の第１の開口から第２の開口に向かう方向）と、が実質的に一致している。このため、本実施形態では、ＭＣＭ熱交換器２０内を流れる液体媒体の圧力損失が増大するのを抑制することができると共に、閉塞部材を介在させるだけで第２の流路を閉塞することが可能となっている。

≪第２実施形態≫
図７〜図９は本発明の第２実施形態におけるＭＣＭ熱交換器を示す図である。本実施形態では閉塞部材の形状が第１実施形態と相違するが、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。以下に、第２実施形態におけるＭＣＭ熱交換器について第１実施形態との相違点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成である部分については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態における第１のＭＣＭ熱交換器１０Ｂは、図７〜図９に示すように、Ｏリングからなる閉塞部材１８に代えて、一対の短冊状の板状の部材から構成される閉塞部材１８Ｂを備えている。この閉塞部材１８Ｂは、弾性体ではなく、樹脂或いは金属等の比較的高い剛性を有する材料から形成された剛体で構成されている。本実施形態における閉塞部材１８Ｂが、本発明における閉塞部材の一例に相当する。

この閉塞部材１８Ｂは、例えば接着等により、ケース１３の一方の端部に固定されており、当該ケース１３の端面１３３（主に側部１４２，１４３の端面）に接触している。閉塞部材１８Ｂは、ケース１３の内面よりも反対側の閉塞部材１８Ｂに向かって突出するような幅をそれぞれ有しており、ケース１３の軸方向において集合体１１と部分的に重複し、集合体１１の一部の端面を覆っている。その結果、この閉塞部材１８Ｂは、ケース１３の側部１４２，１４３と集合体１１の外周の側面との間の第２の流路１１２を閉塞している。

本実施形態では、閉塞部材１８Ｂがケース１３の端面１３３に固定されているので、当該閉塞部材１８Ｂは、第１の端末部材１６Ｂとケース１３との間に挟まれていない。このように、本実施形態では、第１の端末部材１６Ｂによって板部材１８Ｂを押圧する必要はないので、第１の端末部材１６Ｂは、熱収縮チューブで構成されている。なお、第１の端末部材１６Ｂを、例えば樹脂成型品や金属加工品で構成してもよい。

第１の端末部材１６Ｂに代えて、段差面１６３を有する上述の第１の端末部材１６を用いて、閉塞部材１８Ｂを第１の端末部材１６とケース１３との間に挟んでもよい。この場合には、閉塞部材１８Ｂをケース１３の一方の端部に固定してなくてもよい。

或いは、閉塞部材１８Ｂを第１の端末部材１６の段差面１６３とケース１３の端面１３３との間に挟んで保持する場合に、閉塞部材１８Ｂを弾性体で構成して、第１の端末部材１６の段差面１６３とケース１３の端面１３３との間で閉塞部材１８Ｂを圧縮させた状態で、当該閉塞部材１８Ｂを第１の端末部材１６とケース１３の間に保持してもよい。

本実施形態では、第１のＭＣＭ熱交換器１０Ｂに関して、ケース１３と第１の端末部材１６との間に短冊状の閉塞部材１８Ｂが介在しており、集合体１１の外周の側面とケース１３の側部１４２，１４３との間の第２の流路１１２が、この閉塞部材１８Ｂによって塞がれている。このため、集合体１１の線材１２同士の間に形成された第１の流路１１１に液体媒体を多く通過させることができ、熱交換の効率の向上を図ることができる。

ここで、ケース１３の収容部１４内に線材１２を上下方向に積み重ねることで、集合体１１を形成する場合がある。この場合には、ケース１３の底部１４１や蓋部１５によって線材１２が整列されるため、当該底部１４１や蓋部１５に隣接する第２の流路１１２と比較して、側部１４２，１４３に隣接する第２の流路１１２が広くなり易い。これに対し、本実施形態では、側部１４２，１４３に隣接する第２の流路１１２のみを短冊状の閉塞部材１８Ｂにより閉塞するので、上記の効果を効率的に得ることができる。

同様に、特に図示しないが、第２のＭＣＭ熱交換器に関しても、ケース２３と第１の端末部材との間に短冊状の閉塞部材が介在しており、集合体２１の外周の側面とケース２３の側部との間の第２の流路が、この閉塞部材によって塞がれている。このため、集合体２１の線材２２同士の間に形成された第１の流路に液体媒体を多く通過させることができ、熱交換の効率の向上を図ることができる。

なお、特に図示しないが、短冊状の閉塞部材１８Ｂに代えて、剛体からなる枠状の閉塞部材をケース１３の端面１３３に固定してもよい。この閉塞部材によって、第２の流路１１２をケース１３の内面の全周に亘って閉塞することができ、第２の流路１１２をより確実に閉塞することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

上述した磁気ヒートポンプ装置の構成は一例であり、本発明に係る熱交換器をＡＭＲ（Active Magnetic Refrigerataion）方式の他の磁気ヒートポンプ装置に適用してもよい。

例えば、磁気ヒートポンプ装置が、一つのＭＣＭ熱交換器と、当該ＭＣＭに磁場を印加すると共に磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介してＭＣＭ熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、磁場変更手段の動作に連動してＭＣＭ熱交換器から第１又は第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えてもよい。

また、上述の実施形態では、磁気ヒートポンプ装置を家庭用或いは自動車等の空気調和装置に適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、用途に応じた適切なキュリー温度を有するＭＣＭを選定することで、冷凍機のような極低温域での用途、或いは、ある程度高温域での用途に、本発明に係る磁気ヒートポンプ装置を適用してもよい。

また、本実施形態では、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０が同一の構成を有しているが、特にこれに限定されず、これらが異なる構成を有してもよい。例えば、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０の間で、異なる線径の線材を用いてもよい。また、複数の線材同士の撚り方、撚り方向、又は撚りピッチが、相互に異なっていてもよい。

また、本実施形態では、ＭＣＭ熱交換器は、単一の集合体によって構成していたが、特にこれに限定されず、複数の集合体を当該ＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿って並設して構成してもよい。この場合、複数の集合体は、相互に同一の構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。

なお、磁気ヒートポンプ装置を連続して使用し続けると、ＭＣＭ熱交換器においては、高温側配管と連結された側が高温となり、低温側配管と連結された側低温となる温度勾配が生じる。このため、上記例においては、並設された複数の集合体のうち、高温側に位置する集合体を構成する線材は、比較的キュリー点（キュリー温度）の高い材料を採用し、低温側に位置する集合体を構成する線材は、比較的キュリー点の低い材料を採用することが好ましい。このように、ＭＣＭ熱交換器における温度雰囲気に対応して異なるキュリー点の材料で構成された線材を用いることで、より効率良く磁気熱量効果を作用させることができる。

１…磁気ヒートポンプ装置
１０，１０Ｂ…第１のＭＣＭ熱交換器
１１…集合体
１１１…第１の流路
１１２…第２の流路
１２…線材
１３〜１３ｄ…ケース
１３１…第１の開口
１３２…第２の開口
１３３…端面
１４…収容部
１４１〜１４１ｄ…底部
１４２〜１４２ｄ，１４３〜１４３ｄ…側部
１４４…開口
１５，１５ｂ〜１５ｄ…蓋部
１６，１６Ｂ…第１の端末部材
１６１…連結口
１６２…接続口
１６３…段差面
１７，１７Ｂ…第２の端末部材
１７１…連結口
１７２…接続口
１８，１８Ｂ…閉塞部材
２０…第２のＭＣＭ熱交換器
２１…集合体
２２…線材
２３…ケース
２６１…第１の連結口
２７１…第２の連結口
３０…ピストン
３５…アクチュエータ
４０…永久磁石
５０…低温側熱交換器
６０…高温側熱交換器
７０…ポンプ
８１〜８２…第１〜第２の低温側配管
８３〜８４…第３〜第４の高温側配管
９０…切替弁

Claims (6)

1. 磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器であって、
   前記熱交換器は、
   複数の線材を束ねて構成される集合体と、
   前記集合体を収容するケースと、
   前記ケースの端面に接触している共に、前記ケースの軸方向において前記集合体の一部と重複している閉塞部材と、を備え、
   前記線材は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料で構成されており、
   前記閉塞部材は、前記ケースの内面と前記集合体の外周との間に形成された間隙の少なくとも一部を閉塞している熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記ケースは、一対の側部を有しており、
   前記閉塞部材は、少なくとも前記側部と前記集合体の外周との間の前記間隙を閉塞している熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   前記閉塞部材は、前記ケースの端部の開口の形状に対応した環状形状を有しており、
   前記閉塞部材は、前記ケースの内面の全周に亘って前記間隙を閉塞している熱交換器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
   前記熱交換器は、前記ケースの端部に取り付けられた端末部材を備え、
   前記閉塞部材は、弾性体から構成されており、
   前記閉塞部材は、前記端末部材と前記ケースとの間に挟まれている熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
   前記ケースは、
   一方の端部に位置する第１の開口と、
   他方の端部に位置する第２の開口と、を有しており、
   前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向と、前記集合体の延在方向とが実質的に一致している熱交換器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の少なくとも一つの熱交換器と、
   前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、
   配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、
   前記磁場変更手段の動作に連動して前記熱交換器から前記第１又は前記第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置。

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