JP2018151118A - 磁気作業体及びこれを使用した磁気ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空隙率を大きくして熱交換効率を向上させることができる磁気作業体及びこれを使用した磁気ヒートポンプ装置を提供する。【解決手段】磁気作業物質で形成され、棒状体の軸方向に当該棒状体を複数隣接させて接合したときの空隙率を調整する空隙率調整用孔３０ａを有する複数の筒状体３０を、隣接する筒状体で囲まれる隙間３１の断面形状が同一形状となるように接合し、前記筒状体の内面と前記隙間とで熱媒体を通す熱媒体通路を形成している。【選択図】図３

Description

本発明は、磁気熱量効果を有する磁気作業体及びこれを使用した磁気ヒートポンプ装置に関する。

フロン等の気体媒体を使用した従来の蒸気圧縮冷凍装置に代わり、磁気作業物質が励磁と消磁の際に大きな温度変化を生じさせる性質である磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置が近年注目されている。
この磁気ヒートポンプ装置では、液媒体の通流路に磁気作業物質を配置し、磁気熱量効果で熱媒体と熱交換するようにしている。従来は、磁気作業物質を粒状に成形し、粒状の磁気作業物質を筒状ケース内に収納し、この筒状ケース内に液媒体を流通させるようにしている。

このように、磁気作業物質を粒状に成形した場合には、液媒体との接触面積を増やすことができる反面、熱媒体の流路抵抗が大きくなり、効率の良い熱交換を行なうことができないという課題がある。
このため、熱媒体の流路抵抗を低減するために、特許文献１及び２に記載された磁気作業体が提案されている。
特許文献１では、磁気作業物質を直方体状に成形し、この直方体にブロングを有するパンチで軸方向に多数の貫通孔を形成するようにしている。
特許文献２では、磁気作業物質を、円形、八角形、十字形等の断面形状を有する柱状体に形成し、この柱状体を複数本円筒ケースや角筒ケース内に収納して柱状体間に熱媒体通路を形成するようにしている。

特開２００８−５２７３０１号公報 特開２０１３−６４５８８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の磁気作業体では、磁気作業物質で形成した直方体に対して多数の貫通孔を形成するので、磁気作業物質の屑が発生するとともに、貫通孔を正確に形成することが困難であるという未解決の課題がある。
これに対して、上記特許文献２に記載の磁気作業体では、磁気作業物質で形成した多数の柱状体を隣接させて、各柱状体の外周面で囲まれる空間を熱媒体通路とするようにしているので、柱状体の断面形状を円形や八角形とした場合には、熱媒体通路となる空隙率が低下し、熱媒体の流通量が少なくなり、多くの流通量を得るためには磁気作業体の断面形状を大きくしなければならないという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記特許文献１及び２に記載された従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、空隙率を大きくして熱交換効率を向上させることができる磁気作業体及びこれを使用した磁気ヒートポンプ装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明に係る磁気作業体の一態様は、磁気作業物質で形成され、棒状体の内部に、貫通する当該棒状体を複数隣接させて接合したときの空隙率を調整する軸方向の空隙率調整用孔を有する筒状体で構成されている。
また、本発明に係る磁気ヒートポンプ装置の一態様は、上述した磁気作業体を熱媒体通流方向に沿って配置したダクトと、このダクトの磁気作業体に印加される磁場の大きさを変更する磁場変更機構と、磁気作業体の高温端及び低温端間で前記熱媒体を移動させる熱媒体移動機構と、高温端側の前記熱媒体を放熱させる放熱側熱交換器と、低温端側の前記熱媒体に吸熱させる吸熱側熱交換とを備えている。

本発明の一態様によれば、磁気作業体を、軸方向に貫通して棒状体を複数隣接させて接合したときの空隙率を調整する空隙率調整用孔を形成した筒状体としたので、隣接する筒状体で形成される空隙と、空隙率調整孔とで熱媒体通路を形成することができ空隙率調整孔の内径を変更することにより、空隙率を任意に調整可能な磁気作業体を構成することができる。
したがって、複数の円筒体を隣接させて磁気作業体を構成する場合に、磁気作業体の外径を変更することなく、空隙率を変化させることが可能となる。
また、空隙率を最適とする磁気作業体を熱媒体が通流するダクトに配置することにより、空隙率と熱媒体の流路抵抗を最適に調整して熱交換効率を向上させることができる磁気ヒートポンプ装置を提供することができる。

本発明に係る磁気ヒートポンプ装置の一実施形態を示す全体構成図である。 図１のヒートポンプ本体の断面図である。 磁気作業体の第１の実施形態を示す斜視図である。 磁気作業体の単体を示す斜視図である。 磁気作業物質の温度とエントロピー変化との関係を示す特性線図である。 円筒体の組み付け誤差範囲を説明する図である。 温度変化が飽和した状態における磁気作業体の高温端と低温端の温度を示す特線図である。 ヒートポンプ本体に組み込む磁気作業体の製造方法を示す説明図である。 磁気作業体の第２の実施形態を示す斜視図である。 図９の要部の拡大図である。 ヒートポンプ本体の他の例を示す斜視図である。 ヒートポンプ本体のさらに他の例を示す斜視図である。

次に、図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

まず、本発明の一の態様を表す磁気ヒートポンプ装置の一実施形態について説明する。
〔磁気ヒートポンプ装置の構成〕
磁気ヒートポンプ装置１０は、図１に示すように、ヒートポンプ本体１１と、高温側切換弁１２と、放熱側熱交換器１３と、ヒータ１４と、循環ポンプ１５と、低温側切換弁１６と、吸熱側熱交換器１７とを備えている。
ヒートポンプ本体１１は、ヒートポンプ用ＡＭＲ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を構成するものである。このヒートポンプ本体１１は、図２に示すように、図示しないサーボモータに減速機を介して連結されて一方向に回転駆動されるロータ２１と、このロータ２１の周囲を囲む円筒状のケース体で構成される円筒状固定部としてのステータ２２とを備えている。

ロータ２１は、回転軸２３に固定された軸方向に延長する直方体状の支持部材２４と、この支持部材２４の対向する長辺上に固定された半径方向及び軸方向に延長する磁場発生部材となる一対の永久磁石２５Ａ及び２５Ｂとを備えている。永久磁石２５Ａ及び２５Ｂのそれぞれは、幅広形状を有し、外周側の先端が回転軸２３の中心を中心する円筒面とされている。
ステータ２２の内周面には、例えば上下位置及び左右位置に中心を挟んで対向するように２つずつ計４つの中空ダクト２６Ａ、２６Ｂ及び２６Ｃ、２６Ｄが円周方向に９０°間隔で永久磁石２５Ａ及び２５Ｂの外周面と対向するようにステータ２２の軸方向に延長して配置されている。これら中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄのそれぞれは、断熱性の高い樹脂材料で形成されている。これにより、後述する磁気熱量効果を有する磁気作業体の外部への熱損失を低減させ、回転軸２３側への伝熱を防いでいる。

各中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄのそれぞれは、回転軸２３の中心を中心とする内側円筒面２６ａと回転軸２３の中心を中心とする外側円筒面２６ｂとこれら内側円筒面２６ａ及び外側円筒面２６ｂの両端部間をそれぞれ連結する円弧状側面部２６ｃ及び２６ｄとで偏平な円弧状の長円形に形成され、円周方向の長さが永久磁石２５Ａ及び２５Ｂの円周方向の長さと略等しく選定されている。
各中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄ内には、励磁と消磁の際に大きな温度変化を生じさせる性質である磁気熱量効果を発揮する磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄが配置されている。

この磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄのそれぞれは、磁気熱量効果を発揮する磁気作業物質で形成され、図３に示すように、棒状体の内部に、棒状体を複数隣接させて接合したときの空隙率を調整する軸方向の空隙率調整用孔３０ａを形成した単体の磁気作業体となる筒状体３０を複数外周面で格子状に接合して構成されている。
ここで、筒状体３０は、スラリー状の磁気作業物質を押出成形機に投入して、押出成形することにより製造する押出成形品で構成され、例えば外径１ｍｍ、内径０．４８５ｍｍ、長さ１００ｍｍの円筒体とされている。この単体の磁気作業体となる筒状体３０は円筒体に限定されるものではなく、楕円筒体や正４ｎ角筒体（ｎは２以上）等で構成することができ、要は複数の単体の磁気作業体を軸方向と直交する方向に隣接させて接合したときに、隣接する単体の磁気作業体で囲まれる隙間３１が均一形状となるものであればよい。また、空隙率調整用孔３０ａの形状は任意形状とすることができる。

また、筒状体３０は、図４に示すように、軸方向に高い磁気熱量効果を発揮する温度帯が異なる複数例えば第１磁気作業物質ＭＭ１、第２磁気作業物質ＭＭ２及び第３磁気作業物質ＭＭ３の３つの磁気作業物質を例えば温度帯が順に高くなるように軸方向に配列して構成することが好ましい。一例として、３つの磁気作業物質ＭＭ１〜ＭＭ３として、温度Ｔとエントロピー変化（−ΔＳ）〔Ｊ／ｋｇ・Ｋ〕との関係が、図５に表されるものが選択されている。

すなわち、第１磁気作業物質ＭＭ１は図５の特性曲線Ｌ１で示すように、一番低いキュリー点付近の温度Ｔｐ１でエントロピー変化（−ΔＳ）がピークとなる山形特性を有し、第２磁気作業物質ＭＭ２は、図５の特性曲線Ｌ２で示すように、第１磁気作業物質ＭＭ１より高いキュリー点付近の温度Ｔｐ２でエントロピー変化（−ΔＳ）がピークとなる山形特性を有し、第３磁気作業物質ＭＭ３は、第２磁気作業物質ＭＭ２より高いキュリー点付近の温度Ｔｐ３でエントロピー変化（−ΔＳ）がピークとなる山形特性を有するＭｎ系材料又はＬａ系材料が使用されている。

これらＭｎ系材料又はＬａ系材料は、従来使用されていたＧｄ系材料よりも励磁／消磁による磁気エントロピー変化（−ΔＳ）が大きく、吸熱／放熱能力も高い。しかしながら、各材料の高い磁気熱量効果を発揮する稼働温度域（駆動温度スパン）がＧｄ系材料よりも狭いため、単体で使用したのでは常温から必要とする冷凍／放熱（給湯等）温度まで温度変化をさせることができない。
このため、第１磁気作業物質ＭＭ１、第２磁気作業物質ＭＭ２及び第３磁気作業物質ＭＭ３を筒状体３０の軸方向に並べて配置することにより、必要な温度範囲で高い磁気熱量効果を得ることができる。

そして、図６に示すように、上記構成を有する筒状体３０を例えば下側に２本、上側に２本の計４本を各筒状体３０の中心を結ぶ実線図示の格子線Ｌ１１が方形となるように接合することにより、図３に示す４本の筒状体３０で囲まれる菱形状の隙間３１が形成される。この場合の各筒状体３０の接合は、筒状体３０を形成してから接合する場合には、ロウ付け等の接合方法で接合する。
各筒状体３０は、図６に示すように、４つの筒状体３０の中心を結ぶ実線図示の基準格子線Ｌ１１に対して±１０％の許容範囲を設定する点線図示の許容格子線Ｌ１２及びＬ１３を設定し、許容格子線Ｌ１２及びＬ１３の交点で囲まれるハッチングを施した方形領域３２内に中心を配置するように配列させる。このように筒状体３０を配列することにより、所望の空隙率を確保することができる。

例えば、理想的な空隙率は０．４とされているが、この理想的な空隙率０．４を確保するには、筒状体３０が円筒体であるものとして、その外径をＤ_１とし、内径をＤ_２としたとき、両者の比Ｄ_１：Ｄ_２＝１：０．４８５に設定することにより、空隙率０．４を確保することができる。
すなわち、筒状体３０に外接する正方形を考えたときに、筒状体３０の周囲の空隙は（Ｄ_１ ^２−πＤ_１ ^２／４）で表され、これに筒状体３０の内部の空隙πＤ_２ ^２／４を加算した値が０．４Ｄ_１ ^２と等しくなればよい。

このため、（Ｄ_１ ^２−πＤ_１ ^２／４）＋πＤ_２ ^２／４＝０．４Ｄ_１ ^２で表される方程式にＤ_１＝１を代入して解くことにより、Ｄ_２＝０．４８５となる。
このように、理想的な空隙率０．４を得るためには、筒状体３０の外径Ｄ_１と内径Ｄ_２との関係を１：０．４８５に設定するが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、筒状体３０の内径Ｄ_２を０．４８５×０．９〜０．４８５×１．１の範囲に設定することが好ましい。ここで、筒状体３０の内径Ｄ_２が０．４８５×０．９未満となると磁気作業体を通過する熱媒体流量が少なくなり、熱交換効率が低下し、内径Ｄ_２が０．４８５×１．１を超えると、磁気作業体を通過する熱媒体流量が多くなりすぎ、熱交換効率が低下する。

また、図３に示すブロック状の磁気作業体３３を構成するには、筒状体３０を所要本数接合する場合に限らず、押出成形機で所望数の磁気作業体を同時に押出成形することにより、一体成形のブロック状の磁気作業体３３として構成することができる。
さらに、前述した中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄ内に磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄを収納する場合には、中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄの形状が円弧状であるので、中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄ内に筒状体３０を一本一本挿入しながら接合するには手間が掛かり過ぎるとともに、接合形状にバラツキが生じたり、筒状体３０が変形したりして隙間３１が不均一となる可能性が高い。

このような場合には、図８（ａ）に示すように、複数の筒状体３０を中心が格子の交点となるように互いに隣接させて接合して中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄを囲む大きさの直方体状の磁気作業体３４を一体に形成し、この磁気作業体３４の周囲の筒状体３０を一点鎖線図示の中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄの内面形状に沿わせて軸方向（紙面と直行する方向）に切除することにより、図８（ｂ）に示すように、中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄの内面形状に合わせた外面形状を有する磁気作業体３５を形成し、この磁気作業体３５を中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄ内に収納する。このとき、磁気作業体３５を構成する各筒状体３０の第１磁気作業物質ＭＭ１を低温端側とし、第３磁気作業物質ＭＭ３を高温端側として中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄ内に収納する。

この場合、一体化された磁気作業体３４の外周部を中空ダクトの内部形状に合わせて切除するだけで、中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄに合わせた磁気作業体３５を形成することができるので、磁気作業体３５を構成している多数の筒状体３０に変形や崩れが生じることなく、隙間３１の形状も潰れることなく正確に維持することができる。したがって、熱媒体を流通させたときに、偏りを生じることなく均一な流れを確保することができ、熱交換効率を向上させることができる。

そして、図１に示すように、上記構成を有するヒートポンプ本体１１の中空ダクト２６Ａの高温端２８に高温配管ＰＨ１１，ＰＨ１２が接続され、中空ダクト２６Ａと軸対称位置となる中空ダクト２６Ｂの高温端２８に高温配管ＰＨ２１，ＰＨ２２が接続される。中空ダクト２６Ｃの高温端２８に高温配管ＰＨ３１，ＰＨ３２が接続され、中空ダクト２６Ｃと軸対称位置となる中空ダクト２６Ｄの高温端２８に高温配管ＰＨ４１，ＰＨ４２が接続される。
同様に、磁気作業体２７Ａの低温端２９に低温配管ＰＬ１１，ＰＬ１２が接続され、中空ダクト２６Ａの軸対称位置となる中空ダクト２６Ｂの低温端２９に低温配管ＰＬ２１，ＰＬ２２が接続される。中空ダクト２６Ｃの低温端２９に低温配管ＰＬ３１，ＰＬ３２が接続され、中空ダクト２６Ｃの軸対称位置となる中空ダクト２６Ｄの低温端２９に低温配管ＰＬ４１，ＰＬ４２が接続される。

高温側切換弁１２は、例えばロータリ弁、電磁弁、ポペット弁等で構成され、ロータ２１の回転に伴って切換制御される。この高温側切換弁１２は、中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄと接続される接続ポート１２Ａ及び１２Ｂと、放熱側熱交換器１３の入口に接続される流出ポート１２Ｃと、循環ポンプ１５の吐出側に接続される流入ポート１２Ｄとを備えている。そして、高温側切換弁１２は、前述したロータ２１の回転に同期して接続ポート１２Ａを流出ポート１２Ｃに連通し、且つ、接続ポート１２Ｂを流入ポート１２Ｄに連通する状態と、接続ポート１２Ａを流入ポート１２Ｄに連通し、且つ、接続ポート１２Ｂを流出ポート１２Ｃに連通する状態とに切り換えられる。

接続ポート１２Ａには、ヒートポンプ本体１１から引き出された各高温配管ＰＨ１１〜ＰＨ４１が接続され、接続ポート１２Ｂには、ヒートポンプ本体１１から引き出された高温配管ＰＨ１２〜ＰＨ４２が接続されている。
高温側切換弁１２の流出ポート１２Ｃは、配管４１を介して放熱側熱交換器１３の入口に接続され、この放熱側熱交換器１３の出口は配管４２、この配管４２の途中に配置されたヒータ１４を介して循環ポンプ１５の吸込側に接続されている。そして、この循環ポンプ１５の吐出側が配管４３を介して高温側切換弁１２の流入ポート１２Ｄに接続されて排熱側の循環経路が構成されている。

低温側切換弁１６は、前述した高温側切換弁１２と同様に、例えばロータリ弁、電磁弁、ポペット弁等で構成され、ロータ２１の回転に伴って切換制御される。この低温側切換弁１６は、中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄと接続される接続ポート１６Ａ及び１６Ｂと、吸熱側熱交換器１７と接続される流出ポート１６Ｃ及び流入ポート１６Ｄとを備えている。
接続ポート１６Ａには、ヒートポンプ本体１１から引き出された各低温配管ＰＬ１１〜ＰＬ４１が接続され、接続ポート１６Ｂには、ヒートポンプ本体１１から引き出された低温配管ＰＬ１２〜ＰＬ４２が接続されている。また、流出ポート１６Ｃは配管４４を介して吸熱側熱交換器１７の入口に接続され、流入ポート１６Ｄは配管４５を介して吸熱側熱交換器１７の出口に接続され、吸熱側の循環経路が構成されている。

そして、低温側切換弁１６は、前述したロータ２１の回転に同期して接続ポート１６Ａを流出ポート１６Ｃに連通し、且つ、接続ポート１６Ｂを流入ポート１６Ｄに連通する状態と、接続ポート１６Ａを流入ポート１６Ｄに連通し、且つ、接続ポート１６Ｂを流出ポート１２Ｃ連通する状態とに切り換えられる。
これら循環ポンプ１５、高温側切換弁１２、低温側切換弁１６や各配管により、各磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの高温端２８と低温端２９の間で熱媒体を往復移動させる熱媒体移動機構が構成される。

［磁気ヒートポンプ装置１０の動作］
次に上記構成を有する磁気ヒートポンプ装置１０の動作について説明する。
先ず、ヒートポンプ本体１１のロータ２１が０°の位置（図２に示す位置）にあるとき、永久磁石２５Ａ及び２５Ｂが０°及び１８０°の位置にあるので、この０°及び１８０°の位置にある磁気作業体２７Ａ、２７Ｂに印加される磁場の大きさは増大し、励磁されて温度が上昇する
一方、これと９０°位相が異なる９０°及び２７０°の位置にある磁気作業体２７Ｃ、２７Ｄに印加される磁場の大きさは減少し、消磁されて温度が低下する。
また、ロータ２１が０°の位置（図２）にあるとき、高温側切換弁１２は接続ポート１２Ａを流出ポート１２Ｃに連通し、且つ、接続ポート１２Ｂを流入ポート１２Ｄに連通する状態とし、低温側切換弁１６は接続ポート１６Ａを流入ポート１６Ｄに連通し、且つ、接続ポート１６Ｂを流出ポート１６Ｃに連通する状態とする。

そして、循環ポンプ１５の運転により、熱媒体（水）は図１に実線矢印で示すように、循環ポンプ１５→配管４３→高温側切換弁１２の流入ポート１２Ｄから接続ポート１２Ｂ→高温配管ＰＨ３２及びＰＨ４２→９０°及び２７０°の位置の磁気作業体２７Ｃ及び２７Ｄ→低温配管ＰＬ３２及びＰＬ４２→低温側切換弁１６の接続ポート１６Ｂから流出ポート１６Ｃ→配管４４→吸熱側熱交換器１７→配管４５→低温側切換弁１６の流入ポート１６Ｄから接続ポート１６Ａ→低温配管ＰＬ１１及びＰＬ２１→０°及び１８０°の位置の磁気作業体２７Ａ及び２７Ｂ→高温配管ＰＨ１１及びＰＨ２１→高温側切換弁１２の接続ポート１２Ａから流出ポート１２Ｃ→配管４１→放熱側熱交換器１３→配管４２→ヒータ１４→循環ポンプ１５の順で循環される状態となる。

磁気作業体２７Ａ、２７Ｂ中の熱媒体（水）は磁気作業体２７Ａ、２７Ｂの軸方向に振動し、熱を低温端２９から高温端２８へ伝達し、高温端２８で高温となった熱媒体（水）が高温配管から放熱側熱交換器１３に流出し、仕事分の熱量を外部（外気等）に放出し、低温端２９で低温となった熱媒体（水）が低温配管から吸熱側熱交換器１７に流出し、被冷却体５１から吸熱し、被冷却体５１を冷却する。
すなわち、消磁されて温度が低下した磁気作業体２７Ｃ、２７Ｄに放熱し、冷却された熱媒体（水）は、吸熱側熱交換器１７で被冷却体５１から吸熱し、この被冷却体５１を冷却した後、熱媒体（水）は、励磁されて温度が上昇した磁気作業体２７Ａ、２７Ｂから吸熱してそれを冷却し、放熱側熱交換器１３に戻り、仕事分の熱量を外部（外気等）に放出する。

次に、ロータ２１を永久磁石２５Ａ、２５Ｂとともに９０°回転させると、０°と１８０°との位置にある磁気作業体２７Ａ、２７Ｂは消磁されて温度が低下し、９０°及び２７０°の位置にある磁気作業体２７Ｃ、２７Ｄは、励磁されて温度が上昇する。このとき、高温側切換弁１２、低温側切換弁１６がロータリ弁で構成される場合、ロータ２１と共にその弁体が９０°回転されるため、今度は熱媒体（水）が図１に点線矢印で示すように、循環ポンプ１５→配管４３→高温側切換弁１２の流入ポート１２Ｄから接続ポート１２Ｂ→高温配管ＰＨ１２及びＰＨ２２→０°及び１８０°の位置の磁気作業体２７Ａ及び２７Ｂ→低温配管ＰＬ１２及びＰＬ２２→低温側切換弁１６の接続ポート１６Ｂから流出ポート１６Ｃ→配管４４→吸熱側熱交換器１７→配管４５→低温側切換弁１６の流入ポート１６Ｄから接続ポート１６Ａ→低温配管ＰＬ３１及びＰＬ４１→９０°及び２７０°の位置の磁気作業体２７Ｃ及び２７Ｄ→高温配管ＰＨ３１及びＰＨ４１→高温側切換弁１２の接続ポート１２Ａから流出ポート１２Ｃ→配管４１→放熱側熱交換器１３→配管４２→ヒータ１４→循環ポンプ１５の順で循環される状態となる。

このロータ２１の回転と高温側切換弁１２及び低温側切換弁１６の切り換えを比較的高速の回転数とタイミングで行い、各磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの高温端２８と低温端２９の間で熱媒体（水）を往復移動させ、励磁／消磁される各磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄからの吸熱／放熱を繰り返すことによって、各磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの高温端２８と低温端２９の温度差が徐々に拡大し、やがて吸熱側熱交換器１７に繋がる各磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの低温端２９の温度は磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの冷凍能力と被冷却体５１の熱負荷とがバランスする温度まで低下し、放熱側熱交換器１３に繋がる各磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの高温端２８の温度は放熱側熱交換器１３の放熱能力と冷凍能力とがバランスして略一定温度になる。

上述した如く吸熱／放熱の繰り返しにより、各磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの高温端２８と低温端２９の温度差は広がり、磁気作業物質の能力に釣り合った温度差になった時点で温度変化は飽和することになる。ここで、図７はこのように温度変化が飽和した状態における高温端２８と低温端２９の温度をＬ２１とＬ２２で示している。この図からも明らかなように高温端２８、低温端２９共に励磁と消磁による吸熱と放熱の影響を受け、所定の温度幅（実施例では２Ｋ程）をもって上下する。

このような小さい温度差で外部（外気や被冷却体５１）と熱交換することができるように、実施例では放熱側熱交換器１３と吸熱側熱交換器１７の双方、又は、何れか一方をマイクロチャンネル型の熱交換器で構成している。マイクロチャンネル型の熱交換器は他の形式の熱交換器と比較して伝熱係数が高い上、単位体積当たりの伝熱面積も広いので、本発明のような磁気ヒートポンプ装置１０により所要の能力を得る上で極めて好適である。
そして、磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの高温端２８又は低温端２９に供給される熱媒体は、隣接する４つの筒状体３０の外周面で構成される隙間３１と筒状体３０の空隙率調整用孔３０ａとで形成される熱媒体通路を通って高温端２８から低温端２９側へ又は低温端２９から高温端２８側へ流れる。このとき、隙間３１及び空隙率調整用孔３０ａはともに直線状に形成されているので、流路抵抗が少なく、圧力損失も少なくなる。

しかも、熱媒体通路が隙間３１と筒状体３０の空隙率調整用孔３０ａとで構成されるので、空隙率を大きく設定することが可能であるとともに、伝熱面積を、磁気作業物質を球状粒子として充填した従来例に比較して３０％以上向上させることができ、特許文献２に記載されているように磁気作業物質を線状体とした従来例に比較して５０％以上向上させることができる。このため、磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄと熱媒体との間で良好な熱交換を行うことができる。

また、磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの空隙率を調整する場合には、単体の磁気作業体となる筒状体３０の空隙率調整用孔３０ａの内径を変更することにより、空隙率を増加させたり、減少させたりすることが容易に行え、理想的な空隙率（例えば４０％前後）を容易に調整することができる。このとき、単体の磁気作業体となる筒状体３０の外径を変更する必要はないので、磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄの全体の体積を変更することなく、空隙率の調整を行うことができる。
さらに、磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄのように、直方体形状ではなく、円筒面をなどの曲面を有するブロック体を形成する場合に、ブロック体を覆うことが可能な直方体を形成してからその外周面を切除して所望の曲面を有するブロック体を形成することにより、筒状体３０が変形したり、隙間が潰れたりすることがなく、均一な熱媒体通路を確保することができ、熱媒体の偏りを確実に防止することができる。

［第２の実施形態］
次に、本発明に係る磁気作業体の第２の実施形態について図９及び図１０を伴って説明する。
この第２の実施形態では、熱媒体の通流量を変更することなく磁気熱量効果を向上させるようにしたものである。
すなわち、第２の実施形態では、図９及び図１０に示すように、前述した第１の実施形態における隙間３１内における隣接する２つの筒状体３０間に入り込む隅部に磁気作業物質６０を充填して熱液媒体通流制限領域を形成している。
この隙間３１の隣接する２つの筒状体３０間に入り込む隅部では、表面張力によって熱媒体が流れ難く、熱媒体通路としての機能を果たさないので、この領域に磁気作業物質６０を充填することにより、熱媒体通流量を減少させることなく、全体の磁気作業物質量を増加させることができ、この磁気作業物質６０の充填量に応じた分磁気熱量効果を向上させることができる。

このとき、隙間３１の先端側に充填する磁気作業物質６０は、図１０に示すように、円筒内面６１を形成するように充填することで、熱媒体の通流に支障を与えることなく磁気熱量効果を向上させることができる。
なお、上記第２の実施形態では、隙間３１の先端に磁気作業物質６０を充填する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図１０の隙間形状となるように、一体化した押出成形品で構成することもできる。

また、上記第１及び第２の実施形態では、ステータ２２に磁気作業体２７Ａ〜２７Ｄを配置した中空ダクト２６Ａ〜２６Ｄを設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、磁気作業体を配置した中空ダクト数は任意数に設定することができるとともに、ロータ２１に配置する永久磁石数も任意に設定することができる。要は励磁状態の磁気作業体と消磁状態の磁気作業体数が等しくなるようにすればよい。
また、上記第１及び第２の実施形態では、単体の磁気作業体となる筒状体３０が高い磁気熱量効果を発揮する温度帯が異なる３つの磁気作業物質で構成されている場合について説明したが、これに限定されるものではなく、４つ以上の磁気作業物質で構成するようにしてもよい。

また、上記第１及び第２の実施形態では、隣接する単体の磁気作業体が直接接触している場合について説明したが、これに限定されるものではなく、別途接合部材を挟んで隣接させるようにしてもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態では、筒状体３０を中心軸が格子の交点となるように接合した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、垂直方向の奇数段目の筒状体の中心軸に対して偶数段目の筒状体３０の中心軸を筒状体３０の半径分水平方向にずらして千鳥状に配置するようにしてもよい。
また、上記第１及び第２の実施形態では、磁気ヒートポンプ装置をインナーロータ形に構成した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、アウターロータ形に構成することもできる。

さらには、ヒートポンプ本体を、図１１に示すように構成することができる。すなわち、直方体形状に形成した磁気作業体７０Ａ及び７０Ｂを、回転軸７１を挟む円周上の９０°及び２７０°の位置に固定し、これら磁気作業体７０Ａ〜７０Ｄを上下方向から挟むように回転軸７１に固定された回転円板７２Ａ及び７２Ｂを配置し、これら回転円板７２Ａ及び７２Ｂの例えば回転軸７１を挟む０°及び１８０°位置の対向面にそれぞれ一対の永久磁石７３Ａ及び７３Ｂと７４Ａ及び７４Ｂを配置する構成とするようにしてもよい。この場合、上下一対の永久磁石７３Ａ及び７４Ａと７３Ｂ及び７４Ｂとは、永久磁石７３Ａ及び７４Ａの磁気作業体と対向する面がＮ極（又はＳ極）とされ、永久磁石７３Ｂ及び７４Ｂの磁気作業体と対向する他方の面がＳ極（又はＮ極）とされて磁気作業体７０Ａ〜７０Ｄを上下方向に横切る磁束を発生させる。

また、磁気ヒートポンプ装置として永久磁石を回転させる形式とする場合に限らず、図１２に示すように、直方体形状に形成した磁気作業体８１を固定配置し、この磁気作業体８１に対して例えば上下方向に横切る磁束を発生させる永久磁石８２Ａ及び８２Ｂを対向するように配置した直線移動体８３を、永久磁石８２Ａ及び８２Ｂが磁気作業体８１に対向する位置と、磁気作業体８１と対向しない位置との間で直線的に往復動させるようにした往復動型の磁気ヒートポンプ装置にも本発明を適用することができる。

１０…磁気ヒートポンプ装置、１１…ヒートポンプ本体、１２…高温側切換弁、１３…放熱側熱交換器、１４…ヒータ、１５…循環ポンプ、１６…低温側切換弁、１７…吸熱側熱交換器、２１…ロータ、２２…ステータ、２３…回転軸、２４…支持部材、２５Ａ，２５Ｂ…永久磁石、２６Ａ〜２６Ｄ…中空ダクト、２７Ａ〜２７Ｄ…磁気作業体、３０…筒状体、３０ａ…空隙率調整用孔、３１…隙間、３２…方形領域、３３〜３５…磁気作業体、６０…磁気作業物質、７０Ａ〜７０Ｄ…磁気作業体、７１…回転軸、７２Ａ，７２Ｂ…回転円板、７３Ａ，７３Ｂ，７４Ａ，７４Ｂ…永久磁石、８１…磁気作業体、８２Ａ，８２Ｂ…永久磁石、８３…直線移動体

Claims (10)

1. 磁気作業物質で形成され、棒状体の内部に、当該棒状体を複数隣接させて接合したときの空隙率を調整する軸方向の空隙率調整用孔を形成した筒状体で構成されたことを特徴とする磁気作業体。
2. 磁気作業物質で形成され、棒状体の内部に、当該棒状体を複数隣接させて接合したときの空隙率を調整する軸方向の空隙率調整用孔を形成した複数の筒状体を、隣接する筒状体で囲まれる隙間の断面形状が同一形状となるように接合し、前記筒状体の内面と前記隙間とで熱媒体を通す熱媒体通路を形成したことを特徴とする磁気作業体。
3. 前記隙間は４つの筒状体で囲まれて形成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気作業体。
4. 前記筒状体は、４つの筒状体の中心を結ぶ基準格子線に対して±１０％の許容範囲を設定する許容格子線を設定し、許容格子線の交点で囲まれる領域に中心を配置するように配列されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気作業体。
5. 前記隙間は隣接する２つの筒状体間に入り込む隅部が磁気作業物質を充填した熱媒体通流制限領域とされていることを特徴とする請求項３又は４に記載の磁気作業体。
6. 前記筒状体は、磁気作業物質の押出成形品で構成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の磁気作業体。
7. 前記筒状体は、高い磁気熱量効果を発揮する温度帯が異なる複数の磁気作業物質を前記温度帯が順に高くなるように軸方向に配列して構成されていることを特徴とする請求項２から６の何れか一項に記載の磁気作業体。
8. 前記磁気作業物質は、Ｍｎ系材料及びＬａ系材料の何れかであることを特徴とする請求項２から７の何れか一項に記載の磁気作業体。
9. 円筒状固定部に形成した請求項２から８の何れか一項に記載の磁気作業体を熱媒体の通流方向に沿って配置したダクトと、
   該ダクトの磁気作業体に印加される磁場の大きさを変更する磁場変更機構と、
   前記磁気作業体の高温端及び低温端間で前記熱媒体を移動させる熱媒体移動機構と、
   前記高温端側の前記熱媒体を放熱させる放熱側熱交換器と、
   前記低温端側の前記熱媒体に吸熱させる吸熱側熱交換と
   を備えたことを特徴とする磁気ヒートポンプ装置。
10. 前記磁気作業体は、複数の筒状体を接合して形成した断面長方形状の直方体の外周部を前記ダクトの断面形状に合わせて切除して断面円弧状に構成されていることを特徴とする請求項９に記載の磁気ヒートポンプ装置。

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