JP2019032115A - 熱移動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成とすることが可能な熱移動装置の一例を開示する。【解決手段】 少なくとも一部が磁性材料にて構成された羽根車２０であって、回転中心側から径方向外側に延びる複数のブレード２１を有する羽根車２０と、羽根車２０を回転可能に収納するポンプ室３１を構成するとともに、羽根車２０の回転中心側に吸熱流体及び放熱流体を導く吸入部３２が設けられたケーシング３０と、ケーシング３０に設けられ、羽根車２０の回転に伴って径方向外側から流出した熱搬送流体を吸熱側に吐出するための吸熱側吐出部３３と、ケーシング３０に設けられ、羽根車２０の回転に伴って径方向外側から流出した熱搬送流体を放熱側に吐出するための放熱側吐出部３４と、ポンプ室３１の一部に磁場を発生させる磁場発生器４０とを備える。【選択図】 図３

Description

本願は、磁気熱量効果を利用した熱移動装置（磁気冷凍機）に関する。

例えば、特許文献１に記載の磁気冷凍機では、永久磁石を有する回転子を回転させるとともに、消磁して温度が低下したダクト及び励磁して温度が上昇したダクトそれぞれに熱搬送流体を循環させることにより、吸熱側の熱を放熱側に移動させている。

特開２０１３−２０４９８４号公報

特許文献１に記載の発明では、熱搬送流体を循環させるポンプ（送風機も含む。）を別途必要とするので、熱移動装置の構成が複雑になる。本願は、左記の点に鑑み、簡素な構成とすることが可能な熱移動装置の一例を開示する。

熱移動装置は、少なくとも一部が磁性材料にて構成された羽根車（２０）であって、回転中心側から径方向外側に延びる複数のブレード（２１）を有する羽根車（２０）と、羽根車（２０）を回転可能に収納するポンプ室（３１）を構成するとともに、羽根車（２０）の回転中心側に吸熱流体及び放熱流体を導く吸入部（３２）が設けられたケーシング（３０）と、ケーシング（３０）に設けられ、羽根車（２０）の回転に伴って径方向外側から流出した熱搬送流体を吸熱側に吐出するための吸熱側吐出部（３３）と、ケーシング（３０）に設けられ、羽根車（２０）の回転に伴って径方向外側から流出した熱搬送流体を放熱側に吐出するための放熱側吐出部（３４）と、ポンプ室（３１）の一部に磁場を発生させる磁場発生器（４０）とを備えることが望ましい。

これにより、「吸熱側にて熱を吸収した熱搬送流体から放熱側にて熱を放出した熱搬送流体に熱を移動させる冷凍機」としての機能、及び「熱搬送流体を循環させるポンプ」としての機能を兼ね備えた装置を得ることが可能となる。延いては、簡素な構成とすることが可能な熱移動装置を得ることができ得る。

因みに、上記各括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記括弧内の符号に示された具体的構成等に限定されるものではない。

本発明の第１実施形態に係る空調装置を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る熱移動装置を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る熱移動装置の中央断面の構成を示す図である。 Ａは本発明の第２実施形態に係る熱移動装置を示す図である。Ｂは本発明の第２実施形態に係る熱移動装置の中央断面の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る熱移動装置の中央断面の構成を示す図である。 本発明のその他の実施形態に係る空調装置を示す図である。 本発明のその他の実施形態に係る磁性材料部分を示す図である。

以下に説明する「発明の実施形態」は、本願発明の技術的範囲に属する実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的構成や構造等に限定されるものではない。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。なお、各図に付された方向を示す矢印等は、各図相互の関係を理解し易くするために記載したものである。本発明は、各図に付された方向に限定されるものではない。

少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「１つの」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。つまり、「１つの」等の断りがない場合には、当該部材は２以上設けられていてもよい。

（第１実施形態）
１．空調装置の概要
本実施形態は、室内の冷房（空調）を行う空調装置に本発明を適用したものである。当該空調装置は、室内の熱を室外に放熱することにより冷房を行う。なお、本実施形態に係る空調装置は、例えばＩＣＴ装置等の発熱体が設置されたサーバ室内の温度を所定範囲内に維持するための空調を行う。

空調装置１は、図１に示すように、室内熱交換器３、室外熱交換器５及び熱移動装置１０等を備える。室内熱交換器３は、サーバ室内の空気と水等の液体（以下、熱搬送流体という。）とを熱交換する。つまり、室内熱交換器３は、室内空気から吸熱する。

室外熱交換器５は、室外空気と熱搬送流体とを熱交換する。つまり、室外熱交換器５は、室外空気に放熱する。したがって、本実施形態では、室内（室内熱交換器３）側が吸熱側となり、室外（室外熱交換器５）側が放熱側となる。

熱移動装置１０は、（ａ）吸熱側にて熱を吸収した熱搬送流体（以下、吸熱流体という。）から放熱側にて熱を放出した熱搬送流体（以下、放熱流体という。）に熱を移動させる冷凍機としての機能、及び（ｂ）熱搬送流体を循環させるポンプとしての機能を兼ね備えている。なお、吸熱流体と放熱流体とを総称する際には、熱搬送流体と記す。

２．熱移動装置の構成
熱移動装置１０は、図２及び図３に示すように、羽根車２０、ケーシング３０及び磁場発生器４０等を少なくとも備える。羽根車２０は、図２に示すように、複数のブレード２１を有する。

各ブレード２１は、羽根車２０の回転中心側から径方向外側に延びている。なお、本実施形態に係る各ブレード２１は後向き羽根にて構成されている。なお、各ブレード２１は、ラジアル羽根、又は前向き羽根にて構成されていてもよい。

隣り合うブレード２１間の空間は、図３に示すように、回転軸線方向（紙面上下方向）において、複数の空間２２に仕切られている。各空間２２を仕切る仕切材２３は、電磁鋼板等の強磁性材料にて構成されている。つまり、羽根車２０の一部は、磁性材料にて構成されている。

電動モータ２４は、羽根車２０を回転させる回転力を発生する。ケーシング３０は、図２に示すように、羽根車２０を回転可能に収納するポンプ室３１を構成する。当該ケーシング３０は、吸入部３２、吸熱側吐出部３３及び放熱側吐出部３４等を有する。

吸入部３２は、羽根車２０の回転中心側に熱搬送流体を導く。このため、羽根車２０が回転すると、回転中心側に導かれた熱搬送流体は、複数の空間２２内を回転中心側から径方向外側に流通して羽根車２０から吐き出される。つまり、熱移動装置１０は、熱搬送流体を径方向外側に吐き出す遠心ポンプ機能を発揮する。

本実施形態に係る吸入部３２は、図３に示すように、吸熱流体と放熱流体とを混合し、混合した熱搬送流体を羽根車２０の回転中心側に供給する。このため、羽根車２０から吐き出される熱搬送流体の温度（以下、吐出温度という。）は、吸熱温度の流体温度と放熱流体温度との中間温度となる。

つまり、外気温度が室内より高い場合の吐出温度は、吸熱流体の温度より高く、かつ、放熱流体の温度より低い中間温度である。外気温度が室内より低い場合の吐出温度は、吸熱流体の温度より低く、かつ、放熱流体の温度より高い中間温度である。

なお、「吸熱流体と放熱流体とを混合し、混合した熱搬送流体を羽根車２０の回転中心側に供給する」とは、羽根車２０に供給される時点で吸熱流体と放熱流体とが混合されていることを意図する。つまり、吸熱流体と放熱流体との混合箇所は不問である。

吸熱側吐出部３３は、羽根車２０の回転に伴って当該羽根車２０の径方向外側から流出した熱搬送流体を吸熱側（室内熱交換器３側）に吐出するための吐出部である。放熱側吐出部３４は、羽根車２０の回転に伴って当該羽根車２０の径方向外側から流出した熱搬送流体を放熱側（室外熱交換器５側）に吐出するための吐出部である。

このため、ケーシング３０は、羽根車２０から吐き出された熱搬送流体を集合させて吸熱側吐出口３３Ａ及び放熱側吐出口３４Ａに導く渦巻き状に構成されている。換言すれば、熱移動装置１０は、渦巻きポンプ状に構成されている。

磁場発生器４０は、ポンプ室３１の一部に磁場を発生させる。本実施形態に係る磁場発生器４０は、図２に示すように、ポンプ室３１の略１／２の空間に磁場を発生させる。磁場発生器４０は、電磁石又は永久磁石（本実施形態では、電磁石）にて構成されている。

以下、ポンプ室３１のうち磁場が形成された空間Ａ１（二点鎖線の斜線部分）を磁場空間Ａ１という。ポンプ室３１のうち磁場が形成されていない空間Ａ２（二点鎖線の斜線がない部分）を非磁場空間Ａ２とう。

そして、磁場空間Ａ１は、放熱側（室外熱交換器５側）に接続される放熱側吐出口３４Ａに連通している。非磁場空間Ａ２は、吸熱側（室内熱交換器３側）に接続される吸熱側吐出口３３Ａに連通している。

つまり、磁場空間Ａ１は、羽根車２０のうち吸入部３２（羽根車２０の回転中心側）から略１８０度の範囲で放熱側吐出部３４に連なる範囲である。非磁場空間Ａ２は、羽根車２０のうち吸入部３２から略１８０度の範囲で吸熱側吐出部３３に連なる範囲である。

３．本実施形態に係る熱移動装置及び空調装置の特徴
熱移動装置１０は、吸熱側にて熱を吸収した熱搬送流体から放熱側にて熱を放出した熱搬送流体に熱を移動させる冷凍機としての機能、及び熱搬送流体を循環させるポンプとしての機能を兼ね備えている。したがって、簡素な構成とすることが可能な熱移動装置を得ることができ得る。

すなわち、羽根車２０のうち磁場空間Ａ１に位置する部分は熱を放出する。羽根車２０のうち非磁場空間Ａ２に位置する部分は熱を吸収する。つまり、磁場空間Ａ１にて放熱される熱は、非磁場空間Ａ２にて吸熱された熱である。

非磁場空間Ａ２にて吸熱された熱は、吸熱流体の熱、つまり室内熱交換器３にて吸熱された室内空気の熱である。放熱側吐出部３４（放熱側吐出口３４Ａ）から流出する熱搬送流体の温度は、少なくとも磁場空間Ａ１にて放熱された熱により、放熱流体の温度より上昇している。

したがって、室外熱交換器５には、室外空気の温度より高い温度の熱搬送流体が流入するので、室外熱交換器５から室外空気に熱が放出される。つまり、本実施形態では、熱移動装置１０にて加熱昇温された熱搬送流体が室外熱交換器５に流入するので、室外空気の温度が高い場合であっても、熱搬送流体と室外空気との温度差を確保でき得る。延いては、本実施形態に係る空調装置１では、室外空気の温度が高い場合であっても、室内の冷房を行うことが可能となる。

なお、熱移動装置１０の熱移動量は、羽根車２０の回転数（熱搬送流体の流量）、磁場空間Ａ１の磁界の強さ、及び磁場空間Ａ１の面積等に応じて変化する。例えば、磁場空間Ａ１の面積を縮小させて熱移動量を減少させる際には、羽根車２０の中心から外周に向けて磁場空間Ａ１の面積を縮小させていくことが望ましい。逆に、磁場空間Ａ１の面積を拡大させて熱移動量を増大させる際には、羽根車２０の外周から中心向けて磁場空間Ａ１の面積を拡大させていくことが望ましい。

本実施形態に係る空調装置１では、室外空気の温度が低く、熱搬送流体と室外空気との温度差が所定温度差以上の場合には、電磁石への通電を遮断し、磁場空間Ａ１を消磁する。これにより、磁気熱量効果は消失する。

しかし、本実施形態では、吸熱流体と放熱流体とが混合されて羽根車２０の回転中心側に供給されるので、放熱側吐出部３４（放熱側吐出口３４Ａ）から流出する熱搬送流体の温度は、放熱流体の温度より高い温度である。

したがって、磁気熱量効果が消失した状態であっても、熱搬送流体と室外空気との温度差を確保できるので、室外熱交換器５から室外空気に熱を放出でき得る。延いては、電磁石に通電がされているときに比べて空調装置１の消費電力を低減できる。

（第２実施形態）
第１実施形態に係る磁場空間Ａ１は、羽根車２０のうち放熱側吐出部３４、つまり羽根車２０の外縁から吸入部３２に至る範囲全体に設けられていた。これに対して、本実施形態に係る磁場空間Ａ１は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、羽根車２０の外縁から吸入部３２側に至る範囲のうち予め決められた範囲のみに設けられている。

換言すれば、磁場空間Ａ１を構成する仕切材２３及び磁場発生器４０は、放熱側吐出部３４から吸入部３２に至る範囲のうち羽根車２０の外縁側のみに設けられ、吸入部３２側に設けられていない。

これにより、磁場空間Ａ１にて加熱昇温した熱搬送流体が吸熱側吐出部３３から吸熱側に吐出されてしまうことを抑制でき得る。
すなわち、熱搬送流体は、羽根車２０の回転に伴って、羽根車２０と共に当該羽根車２０の回転の向きに移動しながら、回転中心側から羽根車２０の外縁に向けて流通する。以下、「熱搬送流体が羽根車２０の回転の向きに移動すること」を単に「移動」という。

このため、羽根車２０の外縁から吸入部３２に至る全範囲が磁場空間Ａ１であると（図２参照）、回転中心側で加熱昇温した熱搬送流体が非磁場空間Ａ２に移動して吸熱側吐出部３３から吐き出される可能性がある。

これに対して、本実施形態に係る磁場空間Ａ１は、羽根車２０の外縁から吸入部３２側に至る所定の範囲のみに設けられている（図４Ａ参照）。このため、磁場空間Ａ１から非磁場空間Ａ２に移動する熱搬送流体の量は、全範囲が磁場空間Ａ１である場合（図２参照）に比べて少なくなる。

したがって、磁場空間Ａ１にて加熱昇温した熱搬送流体が吸熱側吐出部３３から吸熱側に吐出されてしまうことを抑制でき得る。延いては、吸熱側で回収した熱が再び吸熱側に戻ってしまうことを抑制でき得る。

なお、熱移動装置１０の熱移動量は、羽根車２０の回転数、磁場空間Ａ１の磁界の強さ、及び磁場空間Ａ１の面積等に応じて変化する。そして、本実施形態に係る磁場空間Ａ１の面積は、例えば第１実施形態に係る磁場空間Ａ１の面積より小さいので、本実施形態に係る熱移動装置１０の熱移動量は、第１実施形態に係る熱移動装置１０の熱移動量より小さくなるおそれがある。

そこで、本実施形態では、磁場発生器４０への通電電流値を大きくし、磁場空間Ａ１に発生している磁界の強さを、例えば第１実施形態より大きくしている。このため、本実施形態では、磁場空間Ａ１の面積が小さくなっているものの、必要な熱移動量が確保されている。

なお、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号を付したので、重複する説明は省略する。
（第３実施形態）
本実施形態は、第２実施形態の変形例である。すなわち、第２実施形態では、磁場空間Ａ１は、予め決められた固定範囲であった。これに対して、本実施形態に係る熱移動装置１０は、羽根車２０の回転数等に応じて磁場空間Ａ１の範囲を変更する機能を有する。

すなわち、図５に示すように、仕切材２３は、吸入部３２から羽根車２０の外縁まで設けられている。磁場発生器４０をなす電磁石は、吸入部３２から羽根車２０の外縁に至る範囲に複数設けられている。

そして、羽根車２０の回転数が大きくなるに応じて、吸入部３２に近い磁場発生器４０への通電が遮断される。つまり、羽根車２０の回転数が大きくなるに応じて、回転中心側の電磁石から順に通電が遮断される。これにより、羽根車２０の回転数が大きくなるに応じて、磁場空間Ａ１の範囲が外縁側に向けて縮小していく。

なお、上述の実施形態と同一の構成要件等は、上述の実施形態と同一の符号を付したので、重複する説明は省略する。
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、吸熱流体と放熱流体とが混合されて羽根車２０の回転中心側に供給された。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、吸熱流体と放熱流体とが混合されることなく、吸熱流体が非磁場空間Ａ２側に供給され、放熱流体が磁場空間Ａ１側に供給される構成であってもよい。

上述の第３実施形態では、羽根車２０の回転数が大きくなるに応じて、吸入部３２に近い磁場発生器４０への通電が遮断された。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、例えば、空調装置１の熱負荷又は熱搬送流体の流量に応じて磁場発生器４０への通電が制御される構成であってもよい。

上述の実施形態では、室外空気を冷熱源として、室内の冷房（空調）を行う空調装置に熱移動装置１０を適用した。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、例えば、室外空気を温熱源として、室内の暖房（空調）を行う空調装置、又は空調装置以外の熱利用装置にも適用可能である。なお、図６は、冷房運転と暖房運転とを切替可能な空調装置１である。切替バルブ５０は、熱搬送流体の流通を切り替えるためのバルブである。

上述の実施形態では、熱搬送流体として液体（非圧縮性流体）を用いた。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、空気等の気体（圧縮性流体）を熱搬送流体としてもよい。つまり、液体を介することなく、室内空気と室外空気とが熱移動装置１０にて熱交換される空調装置であってもよい。

上述の実施形態では、羽根車２０の磁性材料部分が板状の仕切材２３により構成されていた。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。
すなわち、例えば、図７に示すように、吸入部３２側から外縁側に延びる棒状の磁性材料２３Ａにより磁性材料部分が構成されていてもよい。なお、図７は、複数の磁性材料２３Ａが設けられた例であるが、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。

上述の実施形態に係る空調装置１は、１つの熱移動装置１０を備える構成であった。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、複数の熱移動装置１０を備える空調装置１であってもよい。

上述の実施形態では、略１８０度の範囲で磁場空間Ａ１と非磁場空間Ａ２とが交互に設けられていた。しかし、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、磁場空間Ａ１と非磁場空間Ａ２とが交互に設けられていれば、磁場空間Ａ１及び非磁場空間Ａ２それぞれが２以上設けられた構成でもよい。

また、本願に係る熱移動装置１０は、磁場発生器４０が移動可能な構成、又は複数の電磁石により磁場を発生させる範囲を冷房運転時と暖房運転時とで変更することにより、冷房運転と暖房運転とを切替可能な空調装置１にも適用可能である。

上述の実施形態に係る図に示された磁場発生器４０は、ケーシング３０の下面のみに配設されていた。しかし、当該図は熱移動装置１０を模式的に現したものであり、本願明細書に開示された発明はこれに限定されるものではない。すなわち、磁場空間Ａ１全体を覆うような磁場発生器４０であってもよい。

さらに、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。したがって、上述した複数の実施形態のうち少なくとも２つの実施形態を組み合わせてもよい。

１… 空調装置 ３… 室内熱交換器 ５… 室外熱交換器
１０… 熱移動装置 ２０… 羽根車 ２１… ブレード
２２… 空間 ２３… 仕切材 ２４… 電動モータ
３０… ケーシング ３１… ポンプ室 ３２… 吸入部
３３… 吸熱側吐出部 ３３Ａ… 吸熱側吐出口 ３４… 放熱側吐出部
３４Ａ… 放熱側吐出口 ４０… 磁場発生器 Ａ１… 磁場空間
Ａ２… 非磁場空間

Claims (6)

1. 吸熱側の熱を放熱側に移動させる熱移動装置において、吸熱側にて熱を吸収した熱搬送流体を吸熱流体とし、放熱側にて熱を放出した熱搬送流体を放熱流体としたとき、
   少なくとも一部が磁性材料にて構成された羽根車であって、回転中心側から径方向外側に延びる複数のブレードを有する羽根車と、
   前記羽根車を回転可能に収納するポンプ室を構成するとともに、前記羽根車の回転中心側に前記吸熱流体及び前記放熱流体を導く吸入部が設けられたケーシングと、
   前記ケーシングに設けられ、前記羽根車の回転に伴って径方向外側から流出した熱搬送流体を吸熱側に吐出するための吸熱側吐出部と、
   前記ケーシングに設けられ、前記羽根車の回転に伴って径方向外側から流出した熱搬送流体を放熱側に吐出するための放熱側吐出部と、
   前記ポンプ室の一部に磁場を発生させる磁場発生器と
   を備える熱移動装置。
2. 前記吸入部は、前記吸熱流体と前記放熱流体とを混合し、混合した熱搬送流体を前記羽根車の回転中心側に供給する請求項１に記載の熱移動装置。
3. 前記ポンプ室のうち磁場が形成された磁場空間は、前記放熱側に接続される放熱側吐出口に連通し、
   さらに、前記ポンプ室のうち磁場が形成されていない非磁場空間は、前記吸熱側に接続される吸熱側吐出口に連通している請求項１又は２に記載の熱移動装置。
4. 前記磁場空間は、前記羽根車の外縁から前記吸入部に至る範囲のうち予め設定された範囲のみに設けられている請求項３に記載の熱移動装置。
5. 前記磁場発生器は、前記磁場空間の範囲を変更可能である請求項３又は４に記載の熱移動装置。
6. 室外空気を冷熱源として、室内の空調を行う空調装置において、
   請求項２に記載の熱移動装置であって、室外空気と室内空気との温度差が予め決められた温度差以上の場合には前記磁場発生器を消磁状態とし、前記温度差が予め決められた温度差未満の場合には前記磁場発生器を励磁状態とする熱移動装置を備える空調装置。

Images