JP2022012535A - 固体冷媒システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体の温度変動があっても安定的に機能する固体冷媒システムを提供する。【解決手段】固体冷媒システム１は、固体冷媒ヒートポンプ装置２を備える。固体冷媒ヒートポンプ装置２は、固体冷媒が発揮する熱量効果によって低温部材３から高温部材４への熱移動を生成する。低温部材３、または、高温部材４の一方は、利用側熱交換器である。低温部材３、または、高温部材４の他方は、非利用側熱交換器である。固体冷媒システム１は、非利用側熱交換器における熱交換を促進させる支援機器８を備える。支援機器８は、非利用側熱交換器における熱媒体による熱交換量が閾値を下回る場合に、活性化される。この結果、固体冷媒システム１は、熱媒体の温度変動があっても安定的に機能する。【選択図】図１

Description

この明細書における開示は、固体冷媒システムに関する。

特許文献１、特許文献２、および、特許文献３は、磁気熱量効果を利用する冷凍システムを開示する。特許文献４は、電気熱量効果を利用する冷凍システムを開示する。これらは、固体冷媒システムと呼ばれる。固体冷媒システムでは、特許文献１、および、特許文献２に開示されるように、起動の促進が試みられている。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２０１２－２２９８３１号公報 特開２０１４－２１４８８５号公報 特開２０１８－１１２３５９号公報 特表２０１８－５３０７２８号公報

高温を利用する固体冷媒システムは、非利用側熱交換器によって、大気などの熱媒体から吸熱する。逆に、低温を利用する固体冷媒システムは、非利用側熱交換器によって、大気などの熱媒体へ放熱する。よって、固体冷媒システムには、熱媒体の想定される温度変動範囲においても、安定的に機能することが求められる。例えば、大気などの熱媒体の温度が日内変動によって変動する場合、あるいは、固体冷媒システムが移動する場合にも、固体冷媒システムは、安定的に機能することが望ましい。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、固体冷媒システムにはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、熱媒体の温度変動があっても、安定的に機能する固体冷媒システムを提供することである。

この開示は、固体冷媒が発揮する熱量効果によって低温部材（３）から高温部材（４）への熱移動を生成する固体冷媒ヒートポンプ装置（２）と、低温部材、または、高温部材の一方を利用側熱交換器としており、利用側熱交換器と熱交換する負荷機器（５）と、低温部材、または、高温部材の他方を非利用側熱交換器としており、非利用側熱交換器と熱交換する熱媒体（６）と、非利用側熱交換器における熱交換を促進させる支援機器（８）と、非利用側熱交換器における熱媒体による熱交換量が閾値を下回る場合に、支援機器を活性化し、非利用側熱交換器における熱交換を促進させる制御装置（９）とを備える固体冷媒システムを提供する。

ここに開示された固体冷媒システムは、非利用側熱交換器における熱交換を促進させる支援機器を備える。支援機器は、非利用側熱交換器における熱媒体による熱交換量が閾値を下回る場合に活性化される。これにより、非利用側熱交換器における熱交換が促進され、低温部材の温度と高温部材の温度とが維持される。この結果、熱媒体の温度変動があっても、安定的に機能する固体冷媒システムが提供される。

この明細書において開示された複数の形態は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態の固体冷媒システムを示すブロック図である。 磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の断面図である。 磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の断面図である。 支援機器を示すブロック図である。 固体冷媒システムの作動を示すフローチャートである。 第２実施形態の支援機器を示すブロック図である。 第３実施形態の支援機器を示すブロック図である。 第４実施形態の支援機器を示すブロック図である。 第５実施形態の支援機器を示すブロック図である。 固体冷媒システムの作動を示すフローチャートである。 第６実施形態の支援機器を示すブロック図である。 第７実施形態の支援機器を示すブロック図である。 第８実施形態の支援機器を示すブロック図である。

複数の実施形態が、図面を参照しながら説明される。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

第１実施形態
図１において、固体冷媒システム１が図示されている。固体冷媒の語は、蒸気圧縮式の冷媒サイクルにおける冷媒と対比した語である。固体冷媒の語は、熱量効果を発揮する材料が固体であることを限定的に意味するものではない。材料は、例えば、液体のようにふるまう性状を有している場合がある。固体冷媒は、エネルギ状態に対する内部エントロピの依存が大きい材料である。固体冷媒として、圧力熱量効果を発揮する圧力熱量効果材料、電気熱量効果を発揮する電気熱量効果材料、磁気熱量効果を発揮する磁気熱量効果材料などが知られている。

固体冷媒システム１は、固体冷媒ヒートポンプ装置２を備える。以下の説明において、固体冷媒ヒートポンプ装置２は、ＳＨＰ装置２とも呼ばれる。ＳＨＰ装置２は、固体冷媒が発揮する熱量効果を利用する。ＳＨＰ装置２は、低温部材３から高温部材４へ熱を移動させる。ＳＨＰ装置２は、固体冷媒を高エネルギ状態と低エネルギ状態とに交互に切り換えるエネルギ変調装置を備える。ＳＨＰ装置２は、高エネルギ状態における固体冷媒の内部エントロピと、低エネルギ状態における固体冷媒の内部エントロピとの差を熱出力として取り出す熱輸送装置を備える。ＳＨＰ装置２は、エネルギ変調装置と熱輸送装置とを同期的に動作させる。これにより、固体冷媒が発揮する熱量効果によって低温部材３から高温部材４への熱移動が生成される。固体冷媒システム１は、対象物の温度を調節する。対象物は、気体、液体、または、固体である。低温部材３は、対象物から直接的に、または、間接的に吸熱する。低温部材３は、吸熱器とも呼ばれる。高温部材４は、対象物に直接的に、または、間接的に放熱する。高温部材４は、放熱器とも呼ばれる。

固体冷媒システム１が低温を利用するサイクルである場合、固体冷媒システム１は、低温部材３を利用側熱交換器として、対象物を冷却する。この場合、固体冷媒システム１は、冷房、冷蔵、または、冷凍のためのサイクルを提供する。低温部材３は、利用側熱交換器を提供する。冷房、冷蔵、または、冷凍のための機器は、負荷機器５と呼ばれる。負荷機器５は、利用側熱交換器と熱交換している。利用側熱交換器は、吸熱している。低温部材３は、例えば、負荷機器５の内部空気と熱交換する。低温部材３は、例えば、負荷機器５の水と熱交換する。この場合、高温部材４は、非利用側熱交換器として、熱媒体６と熱交換する。高温部材４は、熱媒体６に放熱する。熱媒体６は、空気、水、土などである。典型的な例では、熱媒体６は、室外の空気である外気によって提供される。

固体冷媒システム１が高温を利用するサイクルである場合、固体冷媒システム１は、高温部材４を利用側熱交換器として、対象物を加熱する。この場合、固体冷媒システム１は、暖房、温蔵、または、加熱のためのサイクルを提供する。高温部材４は、利用側熱交換器を提供する。暖房、温蔵、または、加熱のための機器は、負荷機器５と呼ばれる。負荷機器５は、利用側熱交換器と熱交換している。利用側熱交換器は、放熱している。高温部材４は、例えば、負荷機器５の内部空気と熱交換する。高温部材４は、例えば、負荷機器５の水と熱交換する。この場合、低温部材３は、非利用側熱交換器として、熱媒体６と熱交換する。低温部材３は、熱媒体６から吸熱する。熱媒体６は、空気、水、土などである。典型的な例では、熱媒体６は、室外の空気である外気によって提供される。

固体冷媒システム１が低温と高温との両方を利用するサイクルである場合、固体冷媒システム１は、低温部材３によって対象物を冷却し、かつ、高温部材４によって対象物を加熱する。この場合、固体冷媒システム１は、例えば、除湿のためのサイクルを提供する。低温部材３は、固体冷媒システム１における吸熱部材、または、熱源部材でもある。高温部材４は、固体冷媒システム１における放熱部材、または、熱供給部材でもある。この明細書において、冷媒サイクルの語は、低温を利用する冷凍サイクル、および、高温を利用するヒートポンプサイクルの両方を包含する語として解釈されるべきである。

固体冷媒システム１は、定置型の冷凍サイクル、または、移動体に搭載された移動型の冷凍サイクルを提供する。ひとつの例において、固体冷媒システム１は、乗り物の冷凍サイクルを提供する。この明細書において乗り物の語は広義の意味で使用される。すなわち、乗り物の語は、乗員室または荷室を有する移動体、例えば、走行車両、船舶、飛行機を含む。さらに、乗り物の語は、シミュレーション機器、アミューズメント機器などを含む。

図示の例は、低温部材３を利用側熱交換器とし、高温部材４を非利用側熱交換器としている。低温部材３は、負荷機器５としての冷蔵庫の空気を冷却する。高温部材４は、熱媒体６である外気と熱交換する。熱媒体６である外気の外気温度は、多様な要因によって変動する。要因は、地球温暖化などによる経年変動を含む場合がある。要因は、季節などによる年内変動を含む場合がある。要因は、日射時間による日内変動を含む場合がある。要因は、さらに、移動体の移動に伴う、地域差、あるいは、高度差を含む場合がある。固体冷媒システム１には、多様な要因によって変動する外気温度の変動範囲において、安定的に機能することが求められる。

固体冷媒システム１は、支援機器８を備える。支援機器８は、高温部材４（非利用側熱交換器）における熱交換を促進させる機器である。支援機器８は、熱交換を促進させる熱媒体７を供給する。熱媒体７は、例えば、外気である。熱媒体７は、熱媒体６よりも熱交換しやすい性質を与えられている。熱媒体７の温度は、例えば、熱媒体６の温度より低い。

固体冷媒システム１は、制御装置９を備える。この明細書における制御装置は、電子制御装置（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）とも呼ばれる場合がある。制御装置、または制御システムは、（ａ）ｉｆ－ｔｈｅｎ－ｅｌｓｅ形式と呼ばれる複数の論理としてのアルゴリズム、または（ｂ）機械学習によってチューニングされた学習済みモデル、例えばニューラルネットワークとしてのアルゴリズムによって提供される。制御装置は、少なくともひとつのコンピュータを含む制御システムによって提供される。制御システムは、データ通信装置によってリンクされた複数のコンピュータを含む場合がある。コンピュータは、ハードウェアである少なくともひとつのプロセッサ（ハードウェアプロセッサ）を含む。ハードウェアプロセッサは、少なくともひとつのメモリに格納されたプログラムを実行する少なくともひとつのプロセッサコアである場合がある。ハードウェアプロセッサは、ハードウェア論理回路である場合がある。ハードウェアプロセッサは、上記の組み合わせである場合がある。

この開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。代替的に、この開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。代替的に、この開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。

制御装置９は、非利用側熱交換器における熱媒体６による熱交換量が閾値を下回るか否かを判定する。熱媒体６が外気である場合、熱交換量は外気温度により示すことができる。熱交換量は、熱交換能力と呼ばれてもよい。制御装置９は、外気温度が閾値温度を上回る場合に、支援機器８を非活性状態から活性化する。支援機器８の活性化により、非利用側熱交換器である高温部材４における熱交換が促進される。この結果、ＳＨＰ装置２における低温部材３の温度と高温部材４の温度とが維持される。ＳＨＰ装置２は、非利用側熱交換器における熱交換が促進されることにより、固体冷媒の温度が適正温度に維持される。この結果、固体冷媒システム１は、熱媒体の温度変動があっても安定的に機能する。

固体冷媒システム１は、取得器１０を備える。取得器１０は、非利用側熱交換器における熱媒体６による熱交換量を取得する。熱交換量は、熱交換能力とも呼ばれる。取得器１０は、外気の外気温度を検出する温度センサによって提供することができる。取得器１０は、季節、時刻、地域などの気候情報に基づいて、外気温度を推定してもよい。取得器１０は、外部サーバなどとの通信機能を備えたナビゲーション装置から、外気温度を示す情報を取得してもよい。制御装置９は、取得器１０によって取得された熱交換量が閾値を下回る場合に、支援機器８を活性化する。この結果、非利用側熱交換器における熱交換が促進される。

図２、および、図３において、ＳＨＰ装置２は、磁気熱量効果型のヒートポンプ装置（Ｍａｇｎｅｔｏ－ｃａｌｏｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ：ＭＨＰ）によって提供されている。磁気熱量効果型のヒートポンプ装置は、ＭＨＰ装置とも呼ばれる。ＭＨＰ装置は、磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置は、熱磁気サイクル装置を提供する。ＭＨＰ装置は、固体冷媒としての磁気熱量効果素子２１（Ｍａｇｎｅｔｏ－Ｃａｌｏｒｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ：ＭＣＥ）を備える。ＭＨＰ装置は、ＭＣＥ素子２１の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置は、ＭＣＥ素子２１によって高温端と低温端とを生成する。ＭＣＥ素子２１は、高温端と低温端との間に設けられている。

ＭＣＥ素子２１は、外部エネルギとしての外部磁場を受けて熱量効果を発揮する。ＭＣＥ素子２１は、外部磁場の強弱の変化に応答して発熱と吸熱とを生じる。ＭＣＥ素子２１は、外部磁場の印加により発熱し、外部磁場の除去により吸熱する。ＭＣＥ素子２１は、外部磁場が印加されることによって電子スピンが磁場方向に揃うと、磁気エントロピが減少し、熱を放出することによって温度が上昇する。また、ＭＣＥ素子２１は、外部磁場が除去されることによって電子スピンが乱雑になると、磁気エントロピが増加し、熱を吸収することによって温度が低下する。ＭＣＥ素子２１は、常温域において高い磁気熱量効果を発揮するＭＣＥ材料によって作られている。ＭＣＥ材料は、高い磁気熱量効果を発揮する温度帯において磁性体としての性質を発揮する。例えば、ガドリニウム系材料、またはランタン－鉄－シリコン化合物を用いることができる。また、マンガン、鉄、リンおよびゲルマニウムの混合物を用いることができる。ＭＣＥ素子２１には、外部磁場の印加により吸熱し、外部磁場の除去により発熱するＭＣＥ材料を利用してもよい。

ＭＣＥ素子２１は、カスケード接続された複数の部分素子２１ａを備えている。ＭＣＥ素子２１は、カスケード接続素子とも呼ばれる。複数の部分素子２１ａは、互いに異なる温度帯において高い効率で磁気熱量効果を発揮する。複数の部分素子２１ａは、高温端と低温端との間における温度差を分担するように配列されている。ひとつの部分素子２１ａは、ＭＣＥ素子２１が担う広い温度範囲よりも狭い温度範囲において高い効率の磁気熱量効果を発揮する。言い換えると、部分素子２１ａは、ＭＣＥ素子２１の全体よりもピーキーな特性を有している。この結果、高温部材４の温度が外気温度の上昇により反応温度から外れると、効率が大きく低下することがある。

ＭＣＥ素子２１は、熱輸送を担う熱輸送媒体２２と熱交換するように配置されている。図中には、熱輸送媒体２２の流れ方向が矢印記号によって図示されている。熱輸送媒体２２は、ＭＣＥ素子２１と熱交換する。熱輸送媒体２２は、熱を蓄え、熱を輸送する蓄熱要素を提供する。熱輸送媒体２２は一次媒体と呼ばれる。一次媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。

ＭＨＰ装置は、エネルギ変調装置としての磁場変調装置２３と、熱輸送装置２４とを備える。磁場変調装置２３と熱輸送装置２４とは、ＭＣＥ素子２１をＡＭＲ（Ａｃｔｉｖｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）サイクルの素子として機能させる。図示の例では、複数のＭＣＥ素子２１が設けられている。複数のＭＣＥ素子２１における磁場の強さと、熱輸送媒体２２の流れ方向とを周期的に切り換えることにより、ＡＭＲサイクルが実現されている。

磁場変調装置２３は、周期的に変動する磁場をＭＣＥ素子２１に与える。ＭＣＥ素子２１は、磁場の中に配置され、磁気熱量効果を発揮する。磁場変調装置２３は、ＭＣＥ素子２１に外部磁場を与えるとともに、その外部磁場の強さを増減させる。磁場変調装置２３は、ＭＣＥ素子２１を強い磁界内に置く励磁状態と、ＭＣＥ素子２１を弱い磁界内またはゼロ磁界内に置く消磁状態とを周期的に切換える。磁場変調装置２３は、励磁期間、および消磁期間を周期的に繰り返すように外部磁場を変調する。磁場変調装置２３は、ＭＣＥ素子２１と磁力源との間の距離を周期的に変化させる可動機構を含む。可動機構は、ＭＣＥ素子２１、または磁力源のいずれか一方を他方に対して移動させる。可動機構は、例えば、ＭＣＥ素子２１との距離が変動するように磁力源を回転させる回転機構によって提供することができる。

熱輸送装置２４は、熱輸送媒体２２をＭＣＥ素子２１に沿って往復的に流す装置である。熱輸送装置２４は、熱輸送媒体２２を磁場の変動に同期して往復的に流す。熱輸送装置２４は、ＭＣＥ素子２１と熱輸送媒体２２との間に、相対的な、往復移動を生じさせる。熱輸送装置２４は、ＭＣＥ素子２１と熱輸送媒体２２とを収容する素子ベッド２５を含む。熱輸送装置２４は、熱輸送媒体を圧送する圧送装置２６、および、流れを制御する弁機構２７を備える場合がある。圧送装置２６は、一方向の流れを供給する一方向ポンプによって提供することができる。弁機構２７は、切換弁と逆止弁とを含む場合がある。弁機構２７は、熱輸送媒体２２の流れ方向を往復流とする。

熱輸送装置２４は、ＭＣＥ素子２１が発揮する熱出力を低温部材３、および／または、高温部材４に出力する。熱輸送装置２４は、熱出力のために、二次媒体を利用する場合がある。二次媒体は、例えは、一次媒体と熱交換する。

図２、および、図３において、ＭＨＰ装置は、複数の素子ベッド２５を備える。複数の素子ベッド２５は、磁場変調装置２３の移動方向に沿って配置されている。図２に図示される熱輸送媒体２２の流れ、および、磁場供給状態と、図３に図示される熱輸送媒体２２の流れ、および、磁場供給状態とが交互に切り替えられる。この結果、ＭＨＰ装置は、ＡＭＲサイクルとして機能する。

図１に戻り、ＭＨＰ装置の運転が開始される（起動される）と、初期温度においてカスケード接続素子の一部の部分素子２１ａが磁気熱量効果を発揮する。この一部の部分素子２１ａは、初期温度において磁気熱量効果を発揮する高効率温度帯を有しているからである。ＭＨＰ装置の運転が継続されると、カスケード接続素子は、やがて、全体が温度傾斜を獲得する。こうして、ＭＨＰ装置は、起動運転を終了し、定常運転へと移行する。定常運転において、ＭＨＰ装置は、低温部材３に低温を供給し、高温部材４に高温を供給する。

起動時における初期温度がすべての部分素子２１ａの高効率温度帯から外れている場合がある。この場合、ＭＨＰ装置の起動が妨げられる。固体冷媒システム１は、起動のために、補助的な熱源（高温度源、または、低温度源を含む）を利用することにより、起動を支援する。この実施形態では、支援機器８が、起動を支援する場合がある。

定常運転が開始された後に、非利用側熱交換器における熱媒体の温度が変動した場合、非利用側熱交換器に近い部分素子２１ａが高効率温度帯から逸脱する場合がある。この場合、ＭＨＰ装置は、定常運転を継続できない。固体冷媒システム１は、定常運転を継続するために、補助的な熱源（高温度源、または、低温度源を含む）を利用することにより、定常運転の継続を支援する。この実施形態では、支援機器８が、定常運転の継続を支援する場合がある。

熱媒体６の状態は、低温部材３における吸熱、または、高温部材４における放熱に不適切な不適切状態へ変動する場合がある。例えば、熱媒体６が外気である場合、外気温度は、低温部材３における吸熱、または、高温部材４における放熱に不適切な不適切温度範囲へ変動する場合がある。しかし、不適切温度範囲への変動は、稀、または、制限された継続時間であると考えられる。特に、固体冷媒システム１が起動された後に、外気温度が不適切温度範囲に変動する頻度は少ないと考えられる。固体冷媒システム１は、全体のエネルギ効率の低下を許容して、定常運転の継続を可能とする。このために、制御装置９は、支援機器８を活性化することにより、非利用側熱交換器における熱交換を可能とする。これにより、非利用側熱交換器に最も近い部分素子２１ａの温度が高効率温度帯に維持される。これにより、固体冷媒における温度傾斜が維持される。

図４は、支援機器８を示す。支援機器８は、負荷機器５の空気を導入する通路３１を備える。通路３１は、負荷機器５と、非利用側熱交換器としての高温部材４とを流体的に連通している。支援機器８は、送風装置３２と、開閉弁３３とを備える場合がある。制御装置９は、送風装置３２を活性化し、開閉弁３３を開くことにより、支援機器８を活性化する。送風装置３２が活性化され、開閉弁３３が開かれることにより、負荷機器５の空気は、非利用側熱交換器に供給される。

支援機器８は、負荷機器５における空気の一部を非利用側熱交換器に導く。これにより、支援機器８は、非利用側熱交換器における熱輸送媒体２２の温度上昇を抑制する。この結果、非利用側熱交換器に最も近い部分素子２１ａの温度が高効率温度帯に維持される。支援機器８は、利用側熱交換器である低温部材３によって生成された低温により、非利用側熱交換器における熱交換を促進させる。通路３１、送風装置３２、または、開閉弁３３は、空気供給機器である。支援機器８は、負荷機器５における空気を熱媒体６とともに、非利用側熱交換器に供給する空気供給機器である。支援機器８の温度調節能力は、ＳＨＰ装置２の温度調節能力の一部を利用している。よって、支援機器８の温度調節能力は、ＳＨＰ装置２の温度調節能力より小さい。

図５は、制御装置９によって実行される制御処理１７０を示している。制御装置９は、ステップ１７１において、ＳＨＰ装置２を起動する。ステップ１７１は、ＳＨＰ装置２のカスケード接続された素子をＡＭＲサイクルとして起動する起動処理を提供している。制御装置９は、ステップ１７２において、ＳＨＰ装置２が起動したか否かを判定する。ステップ１７１とステップ１７２とは、ＳＨＰ装置２を起動する起動部を提供している。起動は完了したと判定されない場合（ＮＯ）、処理は、ステップ１７１に戻る。起動は完了したと判定される場合（ＹＥＳ）、処理は、ステップ１７３～１７７の定常運転処理に進む。

制御装置９は、ステップ１７３において、ＳＨＰ装置２を定常運転する。定常運転とは、ＳＨＰ装置２に含まれる固体冷媒素子が、所定の温度勾配を維持し続ける状態である。ステップ１７３は、起動の後に、ＳＨＰ装置２を定常運転する定常運転部を提供する。制御装置９は、ステップ１７４において、外気温度を取得する。ステップ１７４は、ＳＨＰ装置２が定常運転されているときに実行される。ステップ１７４は、非利用側熱交換器である高温部材４における熱媒体６による熱交換量に相当する外気温度を取得する。よって、ステップ１７４は、定常時取得部を提供する。制御装置９は、ステップ１７５において、ＳＨＰ装置２の運転停止がユーザーなどのマニュアル操作によって指示されたか否かを判定する。運転停止が指示されていない場合、処理は、ステップ１７６に進む。運転停止が指示されている場合、処理は、終了する。

制御装置９は、ステップ１７６において、取得された外気温度が、閾値温度を上回るか否か（閾値温度＜外気温度）を判定する。取得された外気温度は、非利用側熱交換器における熱媒体６による熱交換量を示す。閾値温度は、ＳＨＰ装置２の非利用側熱交換器における熱交換の可否を識別するための閾値を示す。外気温度が、閾値温度を上回るとき、放熱を目的とする非利用側熱交換器における熱交換量は、閾値を下回る。よって、ステップ１７６は、定常時判定部を提供している。外気温度が閾値温度を上回る場合（閾値温度＜外気温度）、処理は、ステップ１７７に進む。外気温度が閾値温度を上回らない場合（閾値温度＝外気温度、閾値温度＞外気温度）、処理は、ステップ１７３に戻る。以後、定常運転が継続される。

なお、外気温度が閾値温度に等しい場合、すなわち、熱媒体６による熱交換量が閾値と等しい場合、処理は、ステップ１７７に進んでもよい。閾値温度は、熱交換量が０（ゼロ）となる温度に設定される場合がある。閾値温度は、熱交換量が－（マイナス）となる温度に設定されてもよい。

制御装置９は、ステップ１７７において、支援機器８を非活性状態から活性化する。これにより、非利用側熱交換器における熱交換能力が補われ、熱交換が促進される。ステップ１７７は、熱交換量が閾値を下回る場合に、支援機器８を活性化する定常時制御部を提供している。ステップ１７７の後、処理は、ステップ１７３に戻る。以後、定常運転が継続される。

この実施形態によると、ＳＨＰ装置２の定常運転状態において、熱媒体の状態が変動しても、定常運転状態を継続することができる。支援機器８は、利用側熱交換器によって生成された低温を利用するから、利用側熱交換器における効率は低下する。しかし、ＳＨＰ装置２の定常運転が継続されることにより、ＳＨＰ装置２の機能を喪失する事態が回避される。

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、負荷機器５の空気が非利用側熱交換器に供給される。これに代えて、負荷機器５における低温が非利用側熱交換器に熱的に伝達されてもよい。熱的な伝達は、多様な構成によって提供される場合がある。

図６において、支援機器８は、負荷機器５と、非利用熱交換機（高温部材４）との間に設けられている。支援機器８は、往復通路２３４と、熱交換器２３５とを含む。往復通路２３４は、負荷機器５の内部の低温の空気を熱交換器２３５に供給する。往復通路２３４は、熱交換器２３５から負荷機器５へ空気を戻す。熱交換器２３５は、熱媒体６としての外気を導入し、負荷機器５から供給される空気と熱交換させる。この結果、外気は、低温の空気によって冷却される。熱交換器２３５を通過した後の外気は、非利用側熱交換器における熱交換量を獲得する。支援機器８は、送風装置３２と、開閉弁３３とを備える場合がある。

この実施形態においても、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに、負荷機器５の空気は、往復通路２３４によって戻される。このため、先行する実施形態に比べて、エネルギ効率に優れている。

第３実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態でも、負荷機器５における低温が非利用側熱交換器に熱的に伝達されている。この実施形態では、負荷機器５からの直接的な熱伝達が利用されている。

図７において、支援機器８は、部材３３６によって提供されている。部材３３６は、負荷機器５と、熱媒体７との間における直接的な熱伝達を提供する。熱伝達は、制御装置９によって断続可能である。負荷機器５を非利用側熱交換器の近くに設置される。部材３３６は、例えば、負荷機器５と熱媒体７との間における熱交換を提供する熱交換器によって提供される。熱媒体７は、外気である。

この実施形態においても、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに、比較的簡単な構成によって上記作用効果が得られる。

第４実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態でも、負荷機器５における低温が非利用側熱交換器に熱的に伝達されている。この実施形態では、熱を輸送するヒートパイプが利用されている。

図８において、支援機器８は、ヒートパイプ４３７を備える。ヒートパイプ４３７は、負荷機器５に配置された第１熱交換器４３８ａを備える。第１熱交換器４３８ａは、低温部材３、または、負荷機器５の内部の空気と熱交換する。ヒートパイプ４３７は、第２熱交換器４３８ｂを備える。第２熱交換器４３８ｂは、熱媒体７と熱交換する。ヒートパイプ４３７は、熱輸送を断続するための開閉弁４３９を備える。開閉弁４３９は、制御装置９によって制御される。ヒートパイプ４３７は、負荷機器５と、熱媒体７とを熱的に結合する部材を提供している。

この実施形態によると、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに、ヒートパイプ４３７によって比較的大きい量の熱輸送が提供される。

第５実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、負荷機器５から独立した独自の独立熱機器によって、非利用側熱交換器における熱交換が促進される。独立熱機器は、ＳＨＰ装置２から独立している。独立熱機器は、ＳＨＰ装置２から独立して低温、または、高温を提供している。

図９において、支援機器８は、容積室５４１を備える。容積室５４１は、住宅または事務所の部屋、車両の乗員室、工場などによって提供されている。支援機器８は、容積室５４１内の空気を温度調節する熱機器５４２を備える。熱機器５４２は、ＳＨＰ装置２から独立している独立熱機器である。熱機器５４２は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル、ペルチェ効果素子、ＳＨＰ装置２以外の独立している固体冷媒サイクルなどによって提供されている。熱機器５４２を含む支援機器８の温度調節能力は、ＳＨＰ装置２の温度調節能力より小さい場合がある。この場合、エネルギ効率を大幅に低下させることなく、ＳＨＰ装置２の運転を継続することができる。この構成は、外気温度が閾値温度を上回る期間が比較的短い場合に、少ないエネルギ消費の増加で、ＳＨＰ装置２の運転の継続を可能とする。

支援機器８は、通路５４３、送風装置５４４、および、開閉弁５４５を備える。通路５４３は、容積室５４１内の温度調節された空気を非利用側熱交換器に導き、それを熱媒体７として非利用側熱交換器に供給する。通路５４３、送風装置５４４、および、開閉弁５４５は、先行する実施形態における通路３１、送風装置３２、および、開閉弁３３に相当する要素である。

図１０は、制御装置９によって実行される制御処理５７０を示している。制御処理５７０は、先行する実施形態と同様に、ステップ１７１－１７７を備える。さらに、制御処理５７０は、ステップ５８１－５８３を備える。制御装置９は、ステップ１７２において起動が完了したと判定される前の起動運転期間において、ステップ５８１－５８３を実行する。

制御装置９は、ステップ５８１において、外気温度を取得する。ステップ５８１は、ＳＨＰ装置２の起動時に実行される。ステップ５８１は、非利用側熱交換器である高温部材４における熱媒体６による熱交換量に相当する外気温度を取得する。よって、ステップ５８１は、起動時取得部を提供する。

制御装置９は、ステップ５８２において、取得された外気温度が、閾値温度を上回るか否か（閾値温度＜外気温度）を判定する。取得された外気温度は、非利用側熱交換器における熱媒体６による熱交換量を示す。閾値温度は、ＳＨＰ装置２の非利用側熱交換器における熱交換の可否を識別するための閾値を示す。外気温度が、閾値温度を上回るとき、放熱を目的とする非利用側熱交換器における熱交換量は、閾値を下回る。よって、ステップ５８２は、起動時判定部を提供している。外気温度が閾値温度を上回る場合（閾値温度＜外気温度）、処理は、ステップ５８３に進む。外気温度が閾値温度を上回らない場合（閾値温度＝外気温度、閾値温度＞外気温度）、処理は、ステップ１７１に進む。

なお、外気温度が閾値温度に等しい場合、すなわち、熱媒体６による熱交換量が閾値と等しい場合、処理は、ステップ５８３に進んでもよい。閾値温度は、熱交換量が０（ゼロ）となる温度に設定される場合がある。閾値温度は、熱交換量が－（マイナス）となる温度に設定されてもよい。

制御装置９は、ステップ５８３において、支援機器８を非活性状態から活性化する。これにより、非利用側熱交換器における熱交換能力が補われ、熱交換が促進される。ステップ５８３は、熱交換量が閾値を下回る場合に、支援機器８を活性化する起動時制御部を提供している。ステップ５８３の後、処理は、ステップ１７１に進む。

この実施形態では、制御装置９は、ステップ１７１、１７２、５８１、５８２、５８３によって、起動部を提供している。起動部は、支援機器８が活性化されている状態においてＳＨＰ装置２を起動する。起動部は、起動時取得部としてのステップ５８１を備える。これにより、ステップ１７４が提供する定常時取得部と異なる頻度など、起動のための制御に適した特性をもつ情報が取得される。起動部は、起動時判定部としてのステップ５８２を備える。これにより、ステップ１７６が提供する定常時判定部と異なる判定感度など、起動のための制御に適した特性をもつ判定が可能となる。

この実施形態によると、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに、支援機器８は、ＳＨＰ装置２の起動時にも活性化される場合がある。この結果、支援機器８の利用頻度が高められる。

第６実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、独立熱機器は、容積室５４１を介することなく、非利用側熱交換器における熱交換を促進するように作用する。独立熱機器は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルによって提供されている。

図１１において、支援機器８は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル６４６を備える。冷凍サイクル６４６は、圧縮機６４７と、熱交換器６４８とを備える。圧縮機６４７は、電動機、または、内燃機関によって駆動される。圧縮機６４７は、冷凍サイクル６４６内に冷媒を圧縮し、循環させる。熱交換器６４８は、蒸発器である。熱交換器６４８は、熱媒体７を冷却する。熱媒体７は、非利用側熱交換器に供給されることにより、非利用側熱交換器における熱交換を促進する。冷凍サイクル６４６は、放熱器、蒸発器、減圧装置、開閉弁などの構成要素を備えている。制御装置９は、例えば、圧縮機６４７を制御することにより、冷凍サイクル６４６を活性化する。この実施形態によると、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。

第７実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、独立熱機器は、ペルチェ効果素子によって提供されている。

図１２において、支援機器８は、ペルチェ効果素子７４９を備える。ペルチェ効果素子７４９は、低温熱交換器７４９ａと、高温熱交換器７４９ｂとを備える。低温熱交換器７４９ａは、熱媒体７を冷却する。熱媒体７は、非利用側熱交換器に供給されることにより、非利用側熱交換器における熱交換を促進する。制御装置９は、ペルチェ効果素子７４９へ電力を供給することにより、ペルチェ効果素子７４９を活性化する。ペルチェ効果素子７４９の温度調節能力は、ＳＨＰ装置２の温度調節能力より小さい場合がある。この実施形態によると、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。

第８実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、低温部材３を利用側熱交換器としている。これに代えて、この実施形態では、高温部材４を利用側熱交換器としている。よって、低温部材３は非利用側熱交換器である。

図１３において、高温部材４は利用側熱交換器を提供する。負荷機器５は、高温部材４の高温を利用する。負荷機器５は、例えば、空気加熱器、温蔵器などを提供する。低温部材３は、非利用側熱交換器を提供する。低温部材３は、熱媒体６と熱交換するように構成されている。熱媒体６は、外気である。この実施形態では、熱媒体６は、熱源を提供する。

支援機器８は、低温部材３における熱交換を促進するように熱媒体７を供給する。支援機器８は、利用側熱交換器によって生成された高温により非利用側熱交換器における熱交換を促進させる。支援機器８は、先行する実施形態に見られる多様な構成を採用することができる。支援機器８は、例えば、負荷機器５から比較的高温の空気を熱媒体７として導入することができる。支援機器８は、負荷機器５における空気を熱媒体６とともに、非利用側熱交換器に供給する空気供給機器を備える場合がある。支援機器８は、利用側熱交換器によって生成された高温を、熱媒体６に伝達する熱伝達機器を備える場合がある。支援機器８は、例えば、ＳＨＰ装置２から独立した熱機器によって提供されてもよい。

制御装置９は、非利用側熱交換器における熱媒体６による熱交換量が閾値を下回る場合に、支援機器８を活性化する。制御装置９は、外気温度が閾値温度を下回る場合に、熱媒体６による熱交換量、すなわち吸熱量が閾値を下回ると判定する。

この実施形態では、支援機器８は、熱を排熱として排出する排熱機器８５１を備える。支援機器８は、熱媒体６と熱交換する熱交換器８５２を備える。熱交換器８５２は、熱媒体６を加熱することにより、熱媒体６を熱媒体７に変換する。支援機器８は、送風装置８５３、および、開閉弁８５４を備える場合がある。送風装置８５３、および、開閉弁８５４は、制御装置９によって制御される。この実施形態によると、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。

他の実施形態
この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形形態を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

上記実施形態では、ＳＨＰ装置２は、磁気熱量効果を利用するＭＨＰ装置によって提供されている。ＭＨＰ装置は、一方向流を提供する圧送装置２６と、弁機構２７とを備える。これに代えて、ＭＨＰ装置は、多様な構成によって提供することができる。例えば、ＭＨＰ装置は、往復流を提供するピストン型の圧送装置を備えてもよい。特許文献１：特開２０１２－２２９８３１号公報、特許文献２、特開２０１４－２１４８８５号公報、または、特許文献３：特開２０１８－１１２３５９号公報は、ＭＨＰ装置に関するこの明細書の説明として、参照により援用することができる。

上記実施形態では、固体冷媒システム１は、磁気熱量効果を利用している。これに代えて、固体冷媒システム１は、電気熱量効果（ＥＣＥ：ＥｌｅｃｒｔｒｏＣａｌｏｒｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ）を発揮する材料を利用してもよい。固体冷媒システム１は、素子が発揮する電気熱量効果によって得られる高温だけ、低温だけ、または高温と低温との両方を利用する。素子は、電気熱量効果によって吸熱と放熱との両方の作用を発揮する。素子は、電気熱量効果によって、低温部材から高温部材への熱移動を生成する。素子は、電気熱量効果によって、高温部材の温度が、低温部材の温度より高くなるように、熱移動を生成する。特許文献４：特表２０１８－５３０７２８号公報は、電気熱量効果に関するこの明細書の説明として、参照により援用することができる。

電気熱量効果を発揮する素子においても、高温部材４における熱媒体６の温度が閾値温度を上回る場合がある。この場合、ＳＨＰ装置２における温度勾配が失われる場合がある。制御装置９は、支援機器８を活性化することにより、熱媒体６の温度上昇に抗して、高温部材４からの放熱を可能とする。電気熱量効果を発揮する素子においても、低温部材３における熱媒体の温度が閾値温度を下回る場合がある。この場合、ＳＨＰ装置２における温度勾配が失われる場合がある。制御装置９は、支援機器８を活性化することにより、熱媒体の温度低下に抗して、低温部材３からの吸熱を可能とする。

１ 固体冷媒システム、 ２ 固体冷媒ヒートポンプ（ＳＨＰ）装置、
３ 低温部材、 ４ 高温部材、 ５ 負荷機器、 ６ 熱媒体、
７ 熱媒体、 ８ 支援機器、 ９ 制御装置、 １０ 取得器、
２１ 磁気熱量効果（ＭＣＥ）素子、 ２２ 熱輸送媒体、
２３ 磁場変調装置、 ２４ 熱輸送装置、 ２５ 素子ベッド、
２６ 圧送装置、 ２７ 弁機構、
３１ 通路、 ３２ 送風装置、 ３３ 開閉弁、
２３４ 往復通路、 ２３５ 熱交換器、
３３６ 部材、
４３７ ヒートパイプ、 ４３８ａ 第１熱交換器、
４３８ｂ 第２熱交換器、 ４３９ 開閉弁、
５４１ 容積室、 ５４２ 熱機器、
５４３ 通路、 ５４４ 送風装置、 ５４５ 開閉弁、
６４６ 冷凍サイクル、 ６４７ 圧縮機、 ６４８ 熱交換器、
７４９ ペルチェ効果素子、
７４９ａ 低温熱交換器、 ７４９ｂ 高温熱交換器、
８５１ 排熱機器、 ８５２ 熱交換器、
８５３ 送風装置、 ８５４ 開閉弁。

Claims (10)

1. 固体冷媒が発揮する熱量効果によって低温部材（３）から高温部材（４）への熱移動を生成する固体冷媒ヒートポンプ装置（２）と、
   前記低温部材、または、前記高温部材の一方を利用側熱交換器としており、前記利用側熱交換器と熱交換する負荷機器（５）と、
   前記低温部材、または、前記高温部材の他方を非利用側熱交換器としており、前記非利用側熱交換器と熱交換する熱媒体（６）と、
   前記非利用側熱交換器における熱交換を促進させる支援機器（８）と、
   前記非利用側熱交換器における前記熱媒体による熱交換量が閾値を下回る場合に、前記支援機器を活性化し、前記非利用側熱交換器における熱交換を促進させる制御装置（９）とを備える固体冷媒システム。
2. 前記熱媒体は、外気であって、
   前記固体冷媒ヒートポンプ装置は、磁気熱量効果を利用する磁気熱量効果型のヒートポンプ装置である請求項１に記載の固体冷媒システム。
3. 前記制御装置（９）は、
   前記固体冷媒ヒートポンプ装置を起動する起動部（１７１、１７２）と、
   起動の後に、前記固体冷媒ヒートポンプ装置を定常運転する定常運転部（１７３）と、
   前記固体冷媒ヒートポンプ装置が定常運転されているときに、前記非利用側熱交換器における前記熱媒体による熱交換量を取得する定常時取得部（１７４）と、
   前記非利用側熱交換器における前記熱媒体による熱交換量が閾値を下回るか否かを判定する定常時判定部（１７６）と、
   前記熱交換量が閾値を下回る場合に、前記支援機器を活性化する定常時制御部（１７７）とを備える請求項１または請求項２に記載の固体冷媒システム。
4. 前記支援機器は、前記利用側熱交換器によって生成された低温、または、高温により、前記非利用側熱交換器における熱交換を促進させる請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体冷媒システム。
5. 前記支援機器は、前記負荷機器における空気を前記熱媒体とともに、前記非利用側熱交換器に供給する空気供給機器（３１、３２、３３）、または、前記利用側熱交換器によって生成された低温、または、高温を、前記熱媒体に伝達する熱伝達機器（２３４、２３５；３３６；４３７、４３８）を含む請求項４に記載の固体冷媒システム。
6. 前記制御装置（９）は、
   前記固体冷媒ヒートポンプ装置の起動時に、前記非利用側熱交換器における前記熱媒体による熱交換量を取得する起動時取得部（５８１）と、
   前記非利用側熱交換器における前記熱媒体による熱交換量が閾値を下回るか否かを判定する起動時判定部（５８２）と、
   前記熱交換量が閾値を下回る場合に、前記支援機器を活性化する起動時制御部（５８３）とを、さらに備え、
   前記起動部は、前記支援機器が活性化されている状態において前記固体冷媒ヒートポンプ装置を起動する請求項３に記載の固体冷媒システム。
7. 前記支援機器は、前記固体冷媒ヒートポンプ装置以外の熱機器（５４２；６４６；７４９；８５１）を含む請求項１、請求項２、請求項３、および、請求項６のいずれかに記載の固体冷媒システム。
8. 前記熱機器は、空調装置（５４２）、蒸気圧縮式の冷凍サイクル（６４６）、ペルチェ効果素子（７４９）、または、排熱を生じる排熱機器（８５１）を含む請求項７に記載の固体冷媒システム。
9. 前記支援機器の温度調節能力は、前記固体冷媒ヒートポンプ装置の温度調節能力より小さい請求項１から請求項８のいずれかに記載の固体冷媒システム。
10. さらに、前記非利用側熱交換器における前記熱媒体による熱交換量を取得する取得器（１０）を備え、
    前記制御装置は、前記取得器によって取得された前記熱交換量が閾値を下回る場合に、前記支援機器を活性化し、前記非利用側熱交換器における熱交換を促進させるよう構成されている請求項１から請求項９のいずれかに記載の固体冷媒システム。

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