JP2019032116A - 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】 磁場空間Ａ１と非磁場空間Ａ２との境界線Ｌｏに対する区画部材３６の傾き角度θが、（ａ）ポンプ室３１内に吸引された放熱流体が放熱側吐出部３５から流出し、かつ、（ｂ）ポンプ室３１内に吸引された吸熱流体が吸熱側吐出部３４から流出するように設定されている。これにより、放熱流体と吸熱流体とが熱移動装置１０内で混合してしまうことを抑制しながら、大流量の放熱流体及び吸熱流体を循環させることができる。延いては、効率よく、吸熱側の熱を放熱側に移動させることが可能となる。【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）を構成するケーシング（３０）と、ケーシング（３０）に設けられ、吸熱側にて熱を吸収した熱搬送流体を羽根車（２０）の回転中心側に導くための吸熱側吸入部（３２）と、ケーシング（３０）に設けられ、放熱側にて熱を放出した熱搬送流体を羽根車（２０）の回転中心側に導くための放熱側吸入部（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吸熱側に吐出するための吸熱側吐出部（３４）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（３５）と、ポンプ室（３１）のうち放熱側吐出部（３５）側に連通する空間に磁場を発生させる磁場発生器（４０）とを備える。

そして、ポンプ室（３１）のうち磁場が形成された空間を磁場空間（Ａ１）とし、ポンプ室（３１）のうち磁場が形成されていない空間を非磁場空間（Ａ２）としたとき、放熱側吸入部（３３）は、ポンプ室（３１）内に吸引された熱搬送流体が磁場空間（Ａ１）を経由して放熱側吐出部（３５）側に流出されるように構成され、さらに、吸熱側吸入部（３２）は、ポンプ室（３１）内に吸引された熱搬送流体が非磁場空間（Ａ２）を経由して吸熱側吐出部（３４）側に流出されるように構成されていることが望ましい。

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。

さらに、放熱流体と吸熱流体とが熱移動装置内で混合してしまうことを抑制しながら、放熱流体及び吸熱流体を循環させることができる。延いては、効率よく、吸熱側の熱を放熱側に移動させることが可能となる。なお、吸熱流体とは、吸熱側にて熱を吸収した熱搬送流体いう。放熱流体とは、放熱側にて熱を放出した熱搬送流体をいう。

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。 本発明の第１実施形態に係る熱移動装置の特徴を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る熱移動装置の特徴を示す図である。 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、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である。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
２．１ 熱移動装置の概要
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、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。ケーシング３０は、吸熱側吸入部３２、放熱側吸入部３３、吸熱側吐出部３４及び放熱側吐出部３５等を有する。

吸熱側吸入部３２は、吸熱流体を羽根車２０の回転中心側に導くための部位である。放熱側吸入部３３は、放熱流体を羽根車２０の回転中心側に導くための部位である。吸熱側吸入部３２と放熱側吸入部３３とは、区画部材３６により仕切られている。

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。

吸熱側吐出部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３５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３４Ａ及び放熱側吐出口３５Ａ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３５Ａ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３４Ａに連通している。

つまり、磁場空間Ａ１は、羽根車２０のうち回転中心側から略１８０度の範囲で放熱側吐出部３５に連なる範囲である。非磁場空間Ａ２は、羽根車２０のうち回転中心側から略１８０度の範囲で吸熱側吐出部３４に連なる範囲である。

２．２ 放熱側吸入部及び吸熱側吸入部の位置（図４参照）
放熱側吸入部３３は、ポンプ室３１内に吸引された熱搬送流体（放熱流体）が磁場空間Ａ１を経由して放熱側吐出部３５から流出されるように構成されている。吸熱側吸入部３２は、ポンプ室３１内に吸引された熱搬送流体（吸熱流体）が非磁場空間Ａ２を経由して吸熱側吐出部３４から流出されるように構成されている。

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、例えば、放熱側吸入部３３からポンプ室３１に流入した放熱流体が非磁場空間Ａ２に移動して吸熱側吐出部３４から吐き出される可能性がある。同様に、吸熱側吸入部３２からポンプ室３１に流入した吸熱流体が磁場空間Ａ１に移動して放熱側吐出部３５から吐き出される可能性がある。

そこで、本実施形態では、磁場空間Ａ１と非磁場空間Ａ２との境界線Ｌｏに対する区画部材３６の傾き角度θが、下記の（ａ）及び（ｂ）を満たす角度に設定されている。
（ａ）ポンプ室３１内に吸引された放熱流体が放熱側吐出部３５から流出する。

（ｂ）ポンプ室３１内に吸引された吸熱流体が吸熱側吐出部３４から流出する。
つまり、区画部材３６は、放熱側吸入部３３のうち吸熱側吸入部３２近傍からポンプ室３１に流入した放熱流体、及び吸熱側吸入部３２のうち放熱側吸入部３３からポンプ室３１に流入した吸熱流体が図４の破線で示すように流通するような傾き角度θに設定されている。

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３５（放熱側吐出口３５Ａ）から流出する熱搬送流体の温度は、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、室内の熱を室外に確実に放出でき得る。

放熱側吸入部３３は、ポンプ室３１内に吸引された放熱流体が放熱側吐出部３５から流出するように構成され、かつ、吸熱側吸入部３２は、ポンプ室３１内に吸引された吸熱流体が吸熱側吐出部３４から流出するように構成されている。

したがって、放熱流体と吸熱流体とが熱移動装置１０内で混合してしまうことを抑制しながら、放熱流体及び吸熱流体を循環させることができる。延いては、熱負荷が大きく循環流量が大きくなる場合であっても、流量効率よく、吸熱側の熱を放熱側に移動させることが可能となる。

（第２実施形態）
上述の実施形態では、区画部材３６の傾き角度θが固定されていた。これに対して、本実施形態は、図５に示すように、羽根車２０の回転速に応じて区画部材３６の傾き角度θを変更するアクチェータ（本実施形態では、電動モータ）３６Ａが設けられている。

アクチェータ３６Ａの作動は制御部（図示せず。）により制御されている。当該制御部は、例えば、羽根車２０の回転速が大きくなるほど、アクチェータ３６Ａの回転角、つまり傾き角度θが大きくなるようにアクチェータ３６Ａの作動を制御する。

これにより、羽根車２０の回転速、つまり熱搬送流体の流量が変動した場合であっても、放熱流体と吸熱流体とが熱移動装置１０内で混合してしまうことを抑制しながら、放熱流体及び吸熱流体を循環させることができる。

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。
（その他の実施形態）
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。

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。

上述の実施形態に係る磁場空間Ａ１は、羽根車２０の中心側から外縁部に至る全範囲に設定されていた。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、羽根車２０の外縁部側のみが磁場空間Ａ１となる構成であってもよい。

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
２３Ａ… 磁性材料 ２４… 電動モータ ３０… ケーシング
３１… ポンプ室 ３２… 吸熱側吸入部 ３３… 放熱側吸入部
３４… 吸熱側吐出部 ３４Ａ… 吸熱側吐出口 ３５… 放熱側吐出部
３５Ａ… 放熱側吐出口 ３６… 区画部材 ４０… 磁場発生器

Claims (3)

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、
   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ケーシングと、
   前記ケーシングに設けられ、吸熱側にて熱を吸収した熱搬送流体を前記羽根車の回転中心側に導くための吸熱側吸入部と、
   前記ケーシングに設けられ、放熱側にて熱を放出した熱搬送流体を前記羽根車の回転中心側に導くための放熱側吸入部と、
   前記ケーシングに設けられ、前記羽根車の回転に伴って当該羽根車の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当該羽根車の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、
   前記ポンプ室のうち前記放熱側吐出部側に連通する空間に磁場を発生させる磁場発生器とを備え、
   前記ポンプ室のうち磁場が形成された空間を磁場空間とし、前記ポンプ室のうち磁場が形成されていない空間を非磁場空間としたとき、
   前記放熱側吸入部は、前記ポンプ室内に吸引された熱搬送流体が前記磁場空間を経由して前記放熱側吐出部側に流出されるように構成され、
   さらに、前記吸熱側吸入部は、前記ポンプ室内に吸引された熱搬送流体が前記非磁場空間を経由して前記吸熱側吐出部側に流出されるように構成されている熱移動装置。
2. 前記吸熱側吸入部と前記放熱側吸入部と仕切る区画部材を有し、
   前記磁場空間と前記非磁場空間との境界線に対する前記区画部材の傾き角度は、前記ポンプ室内に吸引された前記放熱流体が放熱側吐出部から流出し、かつ、前記ポンプ室内に吸引された前記吸熱流体が吸熱側吐出部から流出する要件を満たしている請求項１に記載の熱移動装置。
3. 前記羽根車の回転速に応じて前記傾き角度を変更するアクチェータを備えている請求項２に記載の熱移動装置。

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