JP5776579B2 - 磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ - Google Patents

Description

本発明は、磁気ヒートポンプシステムにおいて熱輸送媒体を移動させるピストンポンプに関するものである。本発明では、磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプによって移動する熱輸送媒体が、ピストンポンプのシリンダを通過する際の温度損失を小さくして、熱輸送媒体の熱伝導率を向上させている。このようなピストンポンプの使用により、冷房能力及び暖房能力を向上させた磁気ヒートポンプシステム及び該磁気ヒートポンプシステムを用いた空気調和装置が提供される。

従来、車両用の空気調和装置、例えば、自動車や鉄道車両の空気調和装置のヒートポンプシステムとして磁気ヒートポンプシステムが知られている。この磁気ヒートポンプシステムを鉄道車両用空調システムに適用したものが特許文献１に記載されている。磁気ヒートポンプシステムとは、ある種の磁性体に磁場を加えていくと磁性体が発熱し、磁場を取り去ると磁性体の温度が下がる現象（磁気熱量効果）を利用したヒートポンプシステムである。特許文献１ではある種の磁性体は磁気作業物質と記載されるが、本願ではこの磁性体を磁気熱量効果材料と呼ぶ。

このような磁気ヒートポンプシステムは、これまでの気体ヒートポンプシステムと比較すると、気体ヒートポンプに使用されるフロンや代替フロンを使用しないので、環境に優しい。また、磁気ヒートポンプシステムは、気体ヒートポンプでは必要なコンプレッサを使用した圧縮過程や膨張過程が不要であり、エネルギー効率が高い。磁気ヒートポンプシステムに必要な構成は、磁気熱量効果材料を通過させて熱交換を行う熱輸送媒体の移動を行うポンプと、磁気熱量効果材料に磁場変化を与える磁場印加装置のみである。従って、磁気ヒートポンプシステムは自動車の空気調和装置への適用が可能である。

磁気ヒートポンプシステムを用いた空気調和装置では、クーラユニットには低温の熱輸送媒体を供給し、ヒータユニットには高温の熱輸送媒体を供給する。磁気熱量効果材料を通過させて熱交換を行う熱輸送媒体としては、水、或いは不凍液（ロングライフクーラント：ＬＬＣ）が使用されている。以後の説明では、空気調和装置が車両（自動車）に搭載され、熱輸送媒体として水が使用されている場合について説明する。

空気調和装置に使用する熱輸送媒体が水である場合、車両のエンジンルーム内には、冷水と温水を製造する冷水製造部と温水製造部、及び冷水と温水を移動させる手段としてピストンポンプが設けられている。冷水製造部と温水製造部には、モータによって駆動される共通の回転軸があり、冷水製造部と温水製造部にある複数の材料容器は、この回転軸に対して放射状に配置されている。また、各材料容器内には磁気熱量効果材料が通水可能な状態で内蔵されている。材料容器は材料ベッドとも呼ばれる。

また、前述の回転軸と各材料容器の間の部分には、磁場印加装置として、回転軸によって回転する永久磁石が設けられており、永久磁石が回転することにより各材料容器内の磁気熱量効果材料に磁場変化が与えられる。そして、磁場の変化で冷却されたり発熱したりする磁気熱量効果材料を水が通過することにより、各材料容器内の水が冷水となったり温水となったりする。従って、ピストンポンプは冷水製造部と温水製造部の間の部分に設けられており、ピストンポンプのシリンダ内を往復動するピストンによって、水をシリンダ内から冷水製造部と温水製造部の各材料容器に供給したり、各材料容器からシリンダ内に吸引したりする。

ピストンポンプとしては、複数のシリンダを備えたラジアルピストンポンプが使用される。ラジアルピストンポンプのシリンダは、前述の回転軸の軸線に対して垂直な方向に設けられており、ピストンは回転軸に取り付けられたカムによってシリンダ内を往復動する。そして、複数のシリンダのピストンの上死点とシリンダの端部との間の空間が水の移動流路となっており、この水の移動流路が冷水製造部と温水製造部の各材料容器に接続している。冷水製造部と温水製造部の各材料容器で冷却された冷水と加熱された温水はこの移動流路内を移動する。

磁気ヒートポンプシステムに使用されるピストンポンプとしては、前述のように構成されたラジアルピストンポンプの他に、特許文献２に開示される斜板式ピストンを用いたものもある。

特許第４３８７８９２号公報

特開２０１０−１９６９１４号公報

ところが、ラジアルピストンポンプの、ピストンの上死点とシリンダの端部との間の移動流路を冷水または温水が往復する際に、水がピストンやシリンダで熱を奪われるので熱損失が発生し、ラジアルピストンポンプで水に温度勾配が生じていた。ラジアルピストンポンプで水の熱損失が発生すると、磁気ヒートポンプシステムの効率が低下するという課題があった。

本発明は、上記課題に鑑み、冷水と温水の両方を製造する磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ、特に、ラジアルピストンポンプにおいて、シリンダ内を通過する熱輸送媒体の、シリンダ内における温度損失を小さくして、磁気ヒートポンプシステムの効率を向上させるピストンポンプを提供するものである。

上記課題を解決する本発明は、磁気ヒートポンプシステム３０の媒体冷却部１１と媒体加熱部１２に対して熱輸送媒体を吸引或いは供給するピストンポンプ１３であって、シリンダブロック３６内に複数設けられたシリンダ３４と、回転軸２１の回転によってシリンダ３４内を往復動するピストン３３と、ピストン３３の上死点とシリンダ３４の端部３１との間に形成される空間３５が、媒体冷却部１１と媒体加熱部１２に連通するピストンポンプ１３において、空間３５に、空間３５を移動する熱輸送媒体の温度変化を抑止する温度変化抑止構造４０を設け、温度変化抑止構造４０を後述する（１）から（９）の形態としたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプである。

これにより、媒体冷却部と媒体加熱部との間を往復動する熱輸送媒体の、ピストンポンプの移動流路の部分における温度の変化が小さくなり、磁気ヒートポンプシステムを高効率で運転できる。

ここで、温度変化抑止構造４０には以下の形態が可能である。
（１）移動流路３５の断面積を圧力損失の増大が所定値を越えない範囲まで絞る断面積縮小構造を備える形態。
（２）断面積縮小構造において、絞られた空間３５の熱輸送媒体の移動方向に複数の仕切壁４１を設けて空間３５を細分化し、ピストン３３によって空間３５内を往復動する熱輸送媒体が、細分化された空間内で振動流となるようにし、振動流による熱輸送促進効果によって見かけの熱伝導率を熱輸送媒体の熱伝導率より高くした形態。
（３）断面積縮小構造において、絞った移動流路３５内の熱輸送媒体の移動方向に平行に複数設置した高熱伝導材から成るメッシュシート４２の積層構造とを備える形態。

（４）温度変化抑止構造４０が、空間３５内の熱輸送媒体の移動方向に対して斜めに設置された整流板４３により、媒体冷却部１１からの媒体と媒体加熱部１２からの媒体が混ざり合わない移動流体分離構造である形態。
（５）温度変化抑止構造４０が、空間３５内の熱輸送媒体の移動方向を二分する分流板４４と、分流板４４によって仕切られた各流路３５Ａ，３５Ｂに設けられたリード弁４４Ａ，４４Ｂにより、媒体冷却部１１からの媒体と媒体加熱部１２からの媒体が混ざり合わない移動流体分離構造である形態。

（６）温度変化抑止構造４０が、空間３５内の熱輸送媒体の移動方向に垂直な方向に複数本設置されたフィン４５により、媒体冷却部１１からの媒体と媒体加熱部１２からの媒体の温度変化を抑える温度維持構造を備える形態。
（７）温度変化抑止構造４０が、空間３５内に設けられた一方向に回転する撹拌子４６により、媒体冷却部１１からの媒体と媒体加熱部１２からの媒体が混ざり合わない移動流体分離構造である形態。

（８）仕切壁４１、メッシュシート４２、整流板４３、分流板４４、フィン４５又は撹拌子４６が、高熱伝導材から形成されている形態。
（９）温度変化抑止構造４０が、空間３５を備えるシリンダ３４の外部に設けられた超音波発生装置４７であり、超音波発生装置４７によって発生した超音波を空間３５内に照射する構造である形態。

移動流路の断面積縮小構造を備える形態では、移動流路を通る熱輸送媒体の温度変化が低減される。移動流体分離構造を備える形態では、移動流路を通る低温と高温の熱輸送媒体が混ざり合わないので熱輸送媒体の温度が維持される。温度維持構造を備える形態では、移動流路３５を通る低温と高温の熱輸送媒体の温度変化が抑えられる。超音波発生装置を備える形態では、熱輸送媒体が振動して混ざることにより、温度分布が少なくなり見かけの熱伝導率が向上する。このように、何れの形態でも熱輸送媒体がピストンポンプを通過する時の温度変化が抑えられ、磁気ヒートポンプシステムを高効率で運転できる。

なお、上記に付した符号は、後述する実施形態に記載の具体的実施態様との対応関係を示す一例である。

ピストンポンプを用いた磁気ヒートポンプシステムが車両用空気調和装置に搭載された例を示す説明図である。 （ａ）は図１に示した磁気ヒートポンプシステムに用いられるピストンポンプの詳細な構成の一例を示す断面図、（ｂ）は（ａ）の冷水製造部と温水製造部とを接続する連絡通路とピストンポンプの媒体の移動流路の構成の一例を示す断面図、（ｃ）は（ｂ）に示した連絡通路と媒体の移動流路の接続とピストン位置を示す斜視図である。 （ａ）は図２（ａ）に示した磁気ヒートポンプシステムのＡ−Ａ線における局部断面を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示した磁気熱量効果材料を収容する材料容器の一例の構成を示す組み立て斜視図、（ｃ）は（ａ）に示した磁石を備えたロータの構成の一例を示す斜視図である。 （ａ）は図２（ａ）に示した磁気ヒートポンプの稼動時に、冷水製造部と温水製造部及び両者を接続するピストンポンプの位置と熱輸送媒体の温度の関係を示す特性図、（ｂ）は（ａ）に示したピストンポンプの位置における熱輸送媒体の温度勾配を低減した本発明の効果を示す図である。 本発明の第１の形態のピストンポンプの移動流路の基本構成を説明するものであり、（ａ）はピストンポンプの冷水製造部と温水製造部との接続部の構成を拡大して示す要部断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面の一例を示す断面図、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面の別の例を示す断面図、（ｄ）は（ｃ）に示した連絡通路と媒体の移動流路の接続とピストン位置を示す斜視図である。 本発明に係るピストンポンプの第１の形態の第１の実施例の構成を示すものであり、（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、（ｂ）は（ａ）の水平方向の断面図、（ｃ）は（ａ）、（ｂ）に示した移動流路を仕切る仕切壁を図５（ｃ）に示した移動流路の斜視図に組み込んだ状態を示す斜視図である。 本発明に係るピストンポンプの第１の形態の第２の実施例の構成を示すものであり、（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、（ｂ）は（ａ）の水平方向の断面図、（ｃ）は（ａ）、（ｂ）に示した移動流路に取り付けるメッシュシートを図５（ｃ）に示した移動流路の斜視図に組み込んだ状態を示す組立斜視図である。 本発明に係るピストンポンプの第１の形態の第３の実施例の構成を示すものであり、（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、（ｂ）は（ａ）の水平方向の断面図、（ｃ）は（ａ）の変形例の要部断面図、（ｄ）は（ｃ）の水平方向の断面図、（ｅ）は（ｂ）の構成を本発明の第２の形態に適用した実施例の（ｂ）と同じ部位を示す要部断面図である。 本発明に係るピストンポンプの第１の形態の第４の実施例の構成を示すものであり、（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、（ｂ）は（ａ）の水平方向の断面図であり、変形例の構成を示す図である。 本発明に係るピストンポンプの第１の形態の第５の実施例の構成を示すものであり、（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、（ｂ）は（ａ）の水平方向の断面図、（ｃ）は（ａ）の変形例の要部断面図、（ｄ）は（ｃ）の水平方向の断面図、（ｅ）は（ｄ）の構成を本発明の第２の形態に適用した実施例の（ｄ）と同じ部位を示す要部断面図である。 本発明に係るピストンポンプの第１の形態の第６の実施例の構成を示すものであり、（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、（ｂ）は（ａ）の水平方向の断面図、（ｃ）は（ａ）の変形例の要部断面図、（ｄ）は（ｃ）の水平方向の断面図、（ｅ）は（ｂ）の構成を本発明の第２の形態に適用した実施例の（ｂ）と同じ部位を示す要部断面図である。 本発明に係るピストンポンプの第１と第２の形態の両方に適用できる実施例の構成を示すものであり、図５（ａ）と同じ部位の要部断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を各実施例に基いて説明する。また、各実施例については、同一構成の部分には同一の符号を付してその説明を省略又は簡略化する。本発明のピストンポンプは、冷水を製造する冷水製造部と温水を製造する温水製造部とを備えた磁気ヒートポンプシステムに使用されるが、以下に説明する実施形態では代表例として車両用の空気調和装置に搭載される磁気ヒートポンプシステムを説明する。

図１は、ピストンポンプを用いた磁気ヒートポンプシステム３０が車両用の空気調和装置（エアコンディショナ）１０に搭載されたときの構成を示すものである。空気調和装置１０は車両の室内側にあり、その装置本体１の中に吸熱手段としてのクーラユニット２がある。また、クーラユニット２の下流側には、冷房通路３と、熱輸送媒体である水が有する熱を外部へ放熱する放熱手段としてのヒータユニット５とヒータコア６を備える暖房通路４とがある。そして、冷房通路３と暖房通路４の入口部にはエアミックスダンパ７が設けられており、エアミックスダンパ７の移動によってクーラユニット２を通過した気流を冷房通路３に流すか、暖房通路４を流すかの調節が行われるようになっている。

一方、車両のエンジンルーム内には、モータ２０によって駆動される回転軸２１によって動作する冷水製造部１１、温水製造部１２及び水移動手段であるピストンポンプ１３がある。ピストンポンプ１３は水を往復移動させる。冷水製造部１１、温水製造部１２及びピストンポンプ１３の内部構造については後述する。冷水製造部１１は磁気の作用で水を冷却するものであり、冷水製造部１１で冷却された水はピストンポンプ１３によって冷水循環路（第１の循環路）１５に吐出され、クーラユニット２に送られた後に冷水製造部１１に戻ってくる。逆に、温水製造部１２は磁気の作用で水を加熱するものであり、温水製造部１２で加熱された水はピストンポンプ１３によって温水循環路（第２の循環路）１６に吐出され、ヒータユニット５に送られた後に温水製造部１２に戻ってくる。

一方、空気調和装置１０では、その暖房通路４に設けられたヒータコア６に、エンジン８を冷却して暖められた冷却水（クーラント）がクーラント循環路９を通じて供給され、ヒータユニット５と共に暖房通路４を通る気流を暖める。ヒータコア６は本発明には直接関係がないので、ヒータコア６についてはこれ以上の説明を省略する。

ここで、冷水循環路１５と温水循環路１６の構成について詳細に説明する。冷水製造部１１には複数の材料容器があり、各材料容器には枝管１５Ａが接続されている。複数の枝管１５Ａは集合され、供給管１５Ｂとなってクーラユニット２に水を供給する。クーラユニット２から排出された水は、戻り管１５Ｃによって冷水製造部１１まで戻り、各材料容器に接続された枝管１５Ｄに分配されて各材料容器に戻る。供給管１５Ｂと戻り管１５Ｃの間には、クーラユニット２をバイパスするバイパス管（第１のバイパス通路）１７Ａが設けられている。バイパス管１７Ａは、戻り管１５Ｃには直接接続されるが、供給管１５Ｂには第１の流路切換弁１７を介して接続されている。

暖房時には、第１の流路切換弁１７の切り換えにより、供給管１５Ｂを流れる水は、クーラユニット２を経由せず、バイパス管１７Ａを経由して冷水製造部１１まで戻ることができる。更に、戻り管１５Ｃの枝管１５Ｄの上流側には、第３の流路切換弁１９があり、第３の流路切換弁１９には室外器１４を経由して第３の戻り管１５Ｃに戻る迂回管（第３のバイパス通路）１９Ａが接続されている。暖房時には、第３の流路切換弁１９の切り換えにより、戻り管１５Ｃを流れてきた水は、第３の流路切換弁１９から迂回管１９Ａに流れ、室外器１４で外気から吸熱して迂回管１９Ａから戻り管１５Ｃに再流入する。戻り管１５Ｃに再流入した水は冷水製造部１１に戻る。

同様に、温水製造部１２には水を加熱して温水にする複数の材料容器があり、各材料容器には枝管１６Ａが接続されている。複数の枝管１６Ａは集合され、供給管１６Ｂとなってヒータユニット５に水を供給する。ヒータユニット５から排出された水は、戻り管１６Ｃによって温水製造部１２まで戻り、前述の各材料容器に接続された枝管１６Ｄに分配されて各材料容器に戻る。枝管１６Ｄの上流側の戻り管１６Ｃには、第２の流路切換弁１８があり、第２の流路切換弁１８には室外器１４を経由して戻り管１６Ｃに戻る迂回管（第２のバイパス通路）１８Ａが接続されている。第２の流路切換弁１８の切り換えにより、戻り管１６Ｃを流れてきた水は、温水製造部１２に戻る前に迂回管１８Ａに流れ、室外器１４で外気から吸熱してから、温水製造部１２に戻ることができる。

ここで、図２（ａ）〜（ｃ）と図３（ａ）〜（ｃ）を用いて冷水製造部１１、温水製造部１２及びピストンポンプ１３がラジアルピストンポンプ１３である場合の内部構造について説明する。ラジアルピストンポンプ１３に対して左右逆に取り付けられる冷水製造部１１と温水製造部１２の構造は同じであるので、同じ構成部材には同じ符号を付し、冷水製造部１１の構造について説明する。

図２（ａ）に示す冷水製造部１１は、回転軸２１に対して同心円状に配置された円筒状のヨーク部２４を備えており、回転軸２１には図３（ａ）、（ｃ）に示すような、断面が扇状のロータ２２が対向して設けられている。そして、ロータ２２の外周面には永久磁石２３が設置されている。永久磁石２３の一方は外側がＮ極であり、他方は外側がＳ極である。そして、永久磁石２３の回転軌跡の外側とヨーク部２４の内周面との間には、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料２６が充填された複数の材料容器２５が配置される。材料容器２５は材料ベッドと呼ばれることもある。磁気熱量効果材料２６が充填された材料容器２５は水を流通させる。

材料容器２５は図３（ｂ）に示すように、その外形が断面が扇紙型の筒状をしており、内部の空間にペレット状の磁気熱量効果材料２６が充填され、両端部がメッシュ状の端板２５Ｍで塞がれて、磁気熱量効果材料２６を閉じ込めている。水は材料容器２５の一端から端板２５Ｍを通って内部に進入し、磁気熱量効果材料２６の間の隙間を通って反対側の端部から端板２５Ｍを通って外部に抜け出ることができる。この実施例では、ヨーク部２４の内周面に６個の同じ形状の材料容器２５が配置されており、材料容器２５の内周面側を、ロータ２２の外周面に取り付けられた永久磁石２３が回転移動する。ロータ２２、永久磁石２３及びヨーク部２４が、材料容器２５に充填された磁気熱量効果材料２６に与える磁場の大きさを変更する磁場変更手段として機能する。

図２（ａ）に戻って説明を続けると、ラジアルピストンポンプ１３の本体は、冷水製造部１１及び温水製造部１２のヨーク部２４と一体的に形成されている。ラジアルピストンポンプ１３には、冷水製造部１１にある材料容器２５の個数に合わせて６つのシリンダ３４が回転軸２１に対して放射状に設けられており、各シリンダ３４の内部には往復動するピストン３３が設けられている。一方、モータ２０によって回転する回転軸２１には回転軸２１に対して偏心しているカム３２が取り付けられており、カム３２のカムプロファイル（輪郭）に各ピストン３３が係合している。カム３２が１回転すると、各シリンダ３４内のピストン３３が１往復する。

回転軸２１から遠い側の各シリンダ３４の側面は、シリンダブロック３６に設けられた連絡通路３８によって冷水製造部１１と温水製造部１２の各材料容器２５の端面に接続されている。そして、連絡通路３８が接続する各シリンダ３４のピストン３３の上死点（ピストン３３が回転軸２１から最も遠くまで移動した点）とシリンダ端部３１との間の空間は、両製造部間を往復動する水の移動流路３５となっている。

図２（ａ）に示す例では、ラジアルピストンポンプ１３から遠い側の冷水製造部１１の端面には、端面板２９が取り付けられている。端面板２９には、各材料容器２５の端面に水を導き入れる吸入弁２８と、各材料容器２５の端面から排出される水を吐出する吐出弁２７とが設けられている。吐出弁２７には図１で説明した冷水循環路１５の供給管１５Ｂの枝管１５Ａが接続し、吸入弁２８には図１で説明した冷水循環路１５の戻り管１５Ｃの枝管１５Ｄが接続する。以上、冷水製造部１１の構造を説明したが、ラジアルピストンポンプ１３の場合は、冷水製造部１１と温水製造部１２における永久磁石２３の回転軸２１に対する位置は、９０度ずれている。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の冷水製造部１１と温水製造部１２とを接続する連絡通路３８とラジアルピストンポンプ１３の水の移動流路３５の構成の一例を示す断面図である。シリンダブロック３６に設けられた連絡通路３８と、材料容器２５の連絡通路３８との接続通路２５Ｃとは段差無く接続しており、材料容器２５内にある磁気熱量効果材料２６を通過した水をスムーズにシリンダ３４の水の移動流路３５に導くようになっている。図２（ｃ）は、図２（ｂ）に示した材料容器２５の接続通路２５Ｃ、接続通路２５Ｃに接続するシリンダブロック３６の連絡通路３８及びシリンダ３４の水の移動流路３５の接続関係を立体的に示す図である。図２（ｃ）には材料容器２５が二点鎖線で示してあり、シリンダ３４にはピストン３３の位置も示してある。

以上のように構成されたラジアルピストンポンプ１３では、磁気熱量効果材料２６に加わる磁場により、冷水製造部１１は低温となり、温水製造部１２は高温となるが、ラジアルピストンポンプ１３は磁場の影響を全く受けない。よって、連絡通路３８及びシリンダ３４の水の移動流路３５を流れる水は、ラジアルピストンポンプ１３のシリンダブロック３６等によって熱を奪われる。図４（ａ）は水が冷水製造部１１から温水製造部１２に流れる場合の、冷水製造部１１とラジアルピストンポンプ１３及び温水製造部１２の位置における水の温度変化を示すものである。このように、従来の磁気ヒートポンプシステムでは、ラジアルピストンポンプ１３における水の熱伝導による熱輸送が損失となっていた。そこで本発明では、図４（ｂ）に示すように、ラジアルピストンポンプ１３における水の熱伝導による熱損失を低減し、この部分における水の温度勾配を無くすことが可能なラジアルピストンポンプ１３の温度変化抑止構造を提供するものである。

図５は本発明の温度変化抑止構造の、第１の形態のラジアルピストンポンプ１３の水の移動流路３５の基本構成である断面積縮小構造を説明するものであり、図５（ａ）はラジアルピストンポンプ１３の冷水製造部１１と温水製造部１２との接続部の構成を示している。また、図５（ｂ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面の一例を示す断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）のＢ−Ｂ線における断面の別の例を示す断面図である。

第１の形態のラジアルピストンポンプ１３では、シリンダ３４におけるピストン３３の上死点とシリンダ端部３１との間に形成される水の移動流路３５の、水が流れる方向の幅を、図５（ｂ）又は図５（ｃ）に示すように狭くしている。即ち、水の流れる方向に直交する方向のシリンダブロック３６をシリンダ３４方向に張り出して、水の移動流路３５の水が流れる方向の幅を狭くして流路の断面積を小さくしている。狭くした水の移動流路３５の幅は、水が流れる方向に対して同じである。そして、材料容器２５に図２（ｂ）に示した従来のものを使用する場合は、図４（ｂ）のように移動流路３５の両側に位置する連絡通路３８を、材料容器２５の接続通路２５Ｃに対して段差がないように接続通路２５Ｃに接続する。また、材料容器２５の接続通路２５Ｃの形状を変更できる場合は、図４（ｃ）のように移動流路３５の両側に位置する連絡通路３８を材料容器２５の接続通路２５Ｃに対して段差がない平面で接続する。

図５（ｄ）は、図５（ｃ）に示した接続通路２５Ｃ、連絡通路３８及び水の移動流路３５の形状を、シリンダ３４を往復動するピストン３３と共に立体的に示す斜視図であり、その輪郭を全て２点鎖線で示してある。また、実際の接続通路２５Ｃの材料容器２５との接続部分は、図２（ｃ）に示したように円弧状であるが、ここでは本発明の容易な理解のために、接続通路２５Ｃの材料容器２５との接続部分は矩形で描いてある。

第１の形態のラジアルピストンポンプ１３においては、シリンダ３４におけるピストン３３の上死点とシリンダ端部３１との間に形成される移動流路３５の、水が流れる方向の幅（開口面積）を小さくしているが、幅の大きさには制限がある。移動流路３５の幅を余り小さくすると、移動流路３５を流れる水の圧力損失が大きくなり、ポンプの動力が増えて性能低下に繋がる。従って、移動流路３５の幅は、ポンプの動力が増えない範囲で小さくする。

図６（ａ）から（ｃ）は、本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の温度変化抑止構造４０の第１の形態の第１の実施例の構成を示すものである。図６（ａ）には図５（ａ）と同じ部位の要部断面図が示してある。また、図６（ｂ）には図６（ａ）の水平方向の断面図が示してある。更に、図６（ｃ）には図６（ａ）、（ｂ）に示した移動流路３５を仕切る仕切壁４１を、図５（ｃ）に示した移動流路３５の斜視図に組み込んだ状態が示してある。第１の形態の第１の実施例では、移動流路３５に複数の仕切壁４１を設けて移動流路３５を、水の移動方向に平行に細分化している。仕切壁４１は移動流路３５内のみに設置することもできるが、第１の実施例では仕切壁４１は連絡通路３８の領域まで延長して設けている。仕切壁４１は銅等の高熱伝導材から形成する。

このように、移動流路３５を水の移動方向に平行に細分化すると、細分化された流路４１Ｄがドリームパイプの機能を果たし、細分化された流路４１Ｄの中の水による熱移送が格段に促進される。ドリームパイプとは、円管内に封入した液体に振動流を与えると、管軸方向への熱輸送が格段に促進される現象のことである。仕切壁４１の枚数は特に限定されるものではなく、ドリームパイプ機能が果たせる枚数とする。また、仕切壁４１の部分が水よりも熱伝導率が高いので、仕切壁４１に沿って流れる水の見かけの熱伝導率を水よりも高くすることができる。このため、ラジアルピストンポンプ１３を流れる水の温度低下が小さくなり、ラジアルピストンポンプ１３における水の熱の温度勾配を、図４（ｂ）に示したようなフラットに近い状態にできる。

続いて、図７（ａ）から（ｃ）を用いて、本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の温度変化抑止構造４０の第１の形態の第２の実施例の構成を説明する。図７（ａ）には図５（ａ）と同じ部位の要部断面図が示してある。また、図７（ｂ）には図７（ａ）の水平方向の断面図が示してある。更に、図７（ｃ）には図７（ａ）、（ｂ）に示した移動流路３５に取り付けるメッシュシートを、図５（ｃ）に示した移動流路３５と連絡通路３８内の点線で示す部分に組み込む状態を示してある。

第１の形態の第２の実施例では、温度変化抑止構造４０として、水の移動流路３５に連絡通路３８まで延長されたメッシュシート４２を、複数枚だけ間隔を開けた積層状態で設けている。メッシュシート４２は銅等の高熱伝導材から形成されており、移動流路３５内を流れる水の移動方向に平行に複数枚が設置されている。メッシュシート４２の枚数と目の粗さは特に限定されるものではない。メッシュシート４２は水の移動流路３５の中だけに設けても良い。第２の実施例の温度変化抑止構造４０は温度維持構造であり、冷水製造部１１と温水製造部１２の間を流れる水の温度をメッシュシート４２で温度維持している。

このように、移動流路３５に水の移動方向に平行に、複数枚のメッシュシート４２を設置すると、メッシュシート４２の部分が水よりも熱伝導率が高いので、複数枚のメッシュシート４２に沿って流れる水の見かけの熱伝導率を水よりも高くすることができる。このため、ラジアルピストンポンプ１３を流れる水の温度低下が小さくなり、ラジアルピストンポンプ１３における水の熱の温度勾配を、図４（ｂ）に示したようなフラットに近い状態にできる。

図８は、本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第３の実施例の構成を示すものであり、図８（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、図８（ｂ）は図８（ａ）の水平方向の断面図を示している。第３の実施例の温度変化抑止構造４０は往復流体分離構造であり、この構造は、移動流路３５内の水の移動方向に、整流板４３を斜めに設置することにより形成される。整流板４３は、移動流路３５内に、水の流れる方向に対して水平方向に傾斜するように設けられる。整流板４３の傾斜角度は、例えば、４５°とすれば良い。

このように、移動流路３５内の水の移動方向に整流板４３を斜めに設置すると、冷水製造部１１からの冷水ＷＣと温水製造部１２からの温水ＷＨが分離されて混ざり合わなくなり、移動流路３５内を流れる往復流体が分離される構造となる。この結果、移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。整流板４３は、高熱伝導材から形成することができる。

図８（ｃ）は、図８（ａ）、（ｂ）で説明した本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第３の実施例の変形例の構成を示すものであり、図８（ｃ）は図８（ａ）に対応する図、図８（ｄ）は図８（ｂ）に対応する図である。第３の実施例では、整流板４３は移動流路３５内の水の移動方向に対して、水平方向に斜めに設置されていた。一方、第３の実施例の変形例では、整流板４３は、移動流路３５内に、水の流れる方向に対して垂直方向に傾斜するように設けられる。整流板４３の傾斜角度は、例えば、４５°とすれば良い。

第３の実施例では整流板４３により、冷水製造部１１からの冷水ＷＣと温水製造部１２からの温水ＷＨが水平方向で混ざり合わなくなり、移動流路３５内を流れる往復流体が分離されていた。一方、第３の実施例の変形例では、整流板４３により、冷水製造部１１からの冷水ＷＣと温水製造部１２からの温水ＷＨが垂直方向で混ざり合わなくなり、移動流路３５内を流れる往復流体が分離される。この結果、第３の実施例の変形例でも移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。

以上説明した実施例は、ラジアルピストンポンプ１３の水の移動流路３５の断面積を小さくする本発明の第１の形態における実施例である。一方、第１の形態の第３の実施例の温度変化抑止構造４０は、ラジアルピストンポンプ１３の水の移動流路３５の断面積を従来のままの状態とした第２の形態のラジアルピストンポンプ１３に対しても適用できる。図８（ｅ）は、図８（ｂ）で説明した第１の形態の第３の実施例の構造を適用した本発明の第２の形態の第１の実施例を示しており、図８（ｂ）と同じ部位を示している。第１の形態の第３の実施例の構造を第２の形態に適用し、ラジアルピストンポンプ１３の水の移動流路３５内に整流板４３を、水の移動方向に対して水平方向に斜めに設置しても、移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。

図９は、本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第４の実施例の構成を示すものであり、図９（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）の水平方向の断面図で、変形例の構成を示すものである。第４の実施例の温度変化抑止構造４０も往復流体の分離構造であり、この構造は移動流路３５内の水の移動方向に、リード弁４４Ａ，４４Ｂを備える分流板４４を設置することにより形成される。分流板４４は、移動流路３５内に、水の流れを上下方向に二分して２つの流路３５Ａ，３５Ｂを形成するように設けられる。リード弁４４Ａ，４４Ｂは、ストッパ４４Ｓによって、一方向にしか開弁しないようになっている。第４の実施例では、リード弁４４Ａは温水製造部１２からの温水ＷＨを冷水製造部１１の方向にしか流さず、逆にリード弁４４Ａは冷水製造部１１からの冷水ＷＣを温水製造部１２の方向にしか流さない。

このように、移動流路３５内の水の移動方向にリード弁４４Ａ，４４Ｂを備えた分流板４４を設置すると、冷水製造部１１からの冷水ＷＣと温水製造部１２からの温水ＷＨが混ざり合わなくなり、移動流路３５内を流れる往復流体が分離される構造となる。この結果、移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。分流板４４とリード弁４４Ａ，４４Ｂは、高熱伝導材から形成することができる。

図９（ｂ）は、図９（ａ）で説明した本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第４の実施例の変形例の構成を示すものである。第４の実施例では、分流板４４は移動流路３５内の水の移動方向に対して、上下方向に設置されていた。一方、第４の実施例の変形例では、分流板４４は、移動流路３５内に、水の流れを左右に二分して２つの流路３５Ａ，３５Ｂを形成するように設けられる。リード弁４４Ａは分流板４４の一方の側の流路３５Ａに設置され，リード弁４４Ｂは分流板４４の反対側の流路３５Ｂに設置される。リード弁４４Ａ，４４Ｂは第４の実施例と同様に互いに異なる一方向にしか開弁しない。

第４の実施例では分流板４４により、冷水製造部１１からの冷水ＷＣと温水製造部１２からの温水ＷＨが上下方向で混ざり合わなくなり、移動流路３５内を流れる往復流体が分離されていた。同様に、第４の実施例の変形例では、分流板４４により、冷水製造部１１からの冷水ＷＣと温水製造部１２からの温水ＷＨが左右方向で混ざり合わなくなり、移動流路３５内を流れる往復流体が分離される。この結果、第４の実施例の変形例でも移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。往復流体を分離するリード弁４４Ａ，４４Ｂの代わりに、他の一方向弁や電磁弁等を設けても良い。また、第４の実施例及びその変形例は、断面積縮小構造を無くした第２の形態の第２の実施例も可能であるが、第２の形態の第２の実施例はその図示を省略する。

図１０は、本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第５の実施例の構成を示すものであり、図１０（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、図１０（ｂ）は図１０（ａ）の水平方向の断面図である。第５の実施例の温度変化抑止構造４０は温度維持構造であり、移動流路３５内の水の移動方向に垂直な方向に、複数のフィン４５を設置することにより形成される。複数のフィン４５は銅等の高熱伝導材から形成されている。第５の実施例では、複数のフィン４５は平行に向かい合うシリンダ３４の壁の間に掛け渡されて設けられており、移動流路３５内の水の流れる方向に対してこれを横切る方向に設けられる。フィン４５の形状は円柱に限定されず、水が流れる方向に流線型であっても良い。また、フィン４５の本数も特に限定されるものではない。

このように、移動流路３５内の水の移動方向に垂直に複数のフィン４５を設置すると、図７で説明した第２の実施例と同様に、フィン４５の部分が水よりも熱伝導率が高いので、複数枚のフィン４５の間を流れる水の見かけの熱伝導率を水よりも高くすることができる。このため、ラジアルピストンポンプ１３を流れる水の温度低下が小さくなり、ラジアルピストンポンプ１３における水の熱の温度勾配をフラットに近い状態にできる。

図１０（ｃ）は、図１０（ａ）、（ｂ）で説明した本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第５の実施例の変形例の構成を示すものであり、図１０（ｃ）は図１０（ａ）に対応する図、図１０（ｄ）は図１０（ｂ）に対応する図である。第５の実施例では、複数のフィン４５は移動流路３５内の平行に向かい合うシリンダ３４の壁の間に設置されていた。一方、第５の実施例の変形例は、複数のフィン４５は、移動流路３５内に、シリンダ３４の端部３１に突設されて設けられている点が異なる。よって、第５の実施例の変形例においても、ラジアルピストンポンプ１３における水の熱の温度勾配をフラットに近い状態にできる。

また、第５の実施例は、前述の本発明の第２の形態にも適用できる。図１０（ｅ）は、図１０（ｄ）で説明した第１の形態の第５の実施例の変形例の構造を適用した本発明の第２の形態の第３の実施例を示しており、図１０（ｄ）と同じ部位を示している。第１の形態の第５の実施例の変形例の構造を第２の形態に適用し、ラジアルピストンポンプ１３の水の移動流路３５内に複数のフィン４５を、シリンダ３４の端部３１に突設しても、移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。

図１１は、本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第６の実施例の構成を示すものであり、図１１（ａ）は図５（ａ）と同じ部位の要部断面図、図１１（ｂ）は図１１（ａ）の水平方向の断面図である。第６の実施例の温度変化抑止構造４０は、移動流路３５内に撹拌子４６を設置することにより形成される。撹拌子４６の回転軸４６Ａは、第６の実施例ではシリンダ３４の端部３１に突設されている。撹拌子４６は、銅等の高熱伝導材から形成すれば良い。また、撹拌子４６は一方向にしか回転しないように構成されているが、回転方法には特に限定はない。撹拌子４６は、高熱伝導材から形成することができる。

このように、移動流路３５内の水の移動方向に一方向にしか回転しない撹拌子４６を設置すると、図８、図９で説明した第３、第４の実施例と同様に、冷水製造部１１からの冷水ＷＣと温水製造部１２からの温水ＷＨが混ざり合わなくなり、移動流路３５内を流れる往復流体が分離される構造となる。この結果、移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。

図１１（ｃ）は、図１１（ａ）、（ｂ）で説明した本発明に係るラジアルピストンポンプ１３の第１の形態の温度変化抑止構造４０の第６の実施例の変形例の構成を示すものであり、図１１（ｃ）は図１１（ａ）に対応する図、図１１（ｄ）は図１１（ｂ）に対応する図である。第６の実施例では、撹拌子４６の回転軸４６Ａはシリンダ３４の端部３１に突設されており、移動流路３５内の水の移動方向に対して、水平方向に回転するようになっていた。一方、第６の実施例の変形例は、撹拌子４６は、移動流路３５内で対向するシリンダブロック３６の平行面に掛け渡されており、水の流れる方向に対して垂直方向に回転するように設けられている。第６の実施例の変形例では２つの撹拌子４６が移動流路３５内に設けられており、２つの撹拌子４６の回転方向は同じである。２つの撹拌子４６の間の移動流路３５内に、第４の実施例のような分流板４４を設けても良い。よって、第６の実施例の変形例においても、ラジアルピストンポンプ１３における水の熱の温度勾配をフラットに近い状態にできる。

また、第６の実施例は、前述の本発明の第２の形態にも適用できる。図１１（ｅ）は、図１１（ｂ）で説明した第１の形態の第６の実施例の構造を適用した本発明の第２の形態の第４の実施例を示しており、図１１（ｂ）と同じ部位を示している。第１の形態の第６の実施例の構造を第２の形態に適用し、ラジアルピストンポンプ１３の水の移動流路３５内に撹拌子４６を、その回転軸４６Ａをシリンダ３４の端部に突設して設置しても、移動流路３５内を流れる冷水ＷＣと温水ＷＨの温度変化が小さくなる。

図１２は、本発明に係るラジアルピストンポンプの第１と第２の形態の両方に適用できる共通実施例の構成を示すものであり、図５（ａ）と同じ部位の要部断面図である。第１の形態では前述のように、移動流路３５の水が流れる方向の幅を狭くした断面積縮小構造を備えるものであり、第２の形態にはこの断面積縮小構造はない。この共通実施例では、ラジアルピストンポンプ１３のシリンダ３４の端部３１の外側の部分のシリンダブロック３６に超音波発生装置４７を設けている。超音波発生装置４７からは、ラジアルピストンポンプ１３の移動流路３５に向けて超音波が出射される。この超音波により、移動流路３５を通過する水が振動して混ざることにより、温度分布が少なくなって見かけの熱伝導率が向上する。この結果、移動流路３５内を流れる冷水と温水の温度変化が小さくなる。

以上説明した本発明の磁気ヒートポンプシステムのラジアルピストンポンプは、自動車の空気調和装置以外にも、冷水と温水をそれぞれ循環させる磁気ヒートポンプシステムであれば有効に適用することができる。また、磁気ヒートポンプシステムに使用されるピストンポンプはラジアルピストンポンプに限られるものではなく、斜板式のアキシャルピストンポンプ等も使用可能である。

１０ 空気調和装置
１１ 冷水製造部
１２ 温水製造部
１３ ピストンポンプ（ラジアルピストンポンプ）
２１ 回転軸
２３ 永久磁石
２５ 材料容器
２６ 磁気熱量効果材料
３０ 磁気ヒートポンプシステム
３３ ピストン
３４ シリンダ
３５ 移動流路
３８ 連絡通路
４０ 温度変化抑止構造
４１ 仕切壁
４２ メッシュシート
４３ 整流板
４４ 分流板
４５ フィン
４６ 撹拌子
４７ 超音波発生装置

Claims (9)

1. 磁気ヒートポンプシステム（３０）の媒体冷却部（１１）と媒体加熱部（１２）に対して熱輸送媒体を吸引或いは供給するピストンポンプ（１３）であって、
   シリンダブロック（３６）内に複数設けられたシリンダ（３４）と、
   回転軸（２１）の回転によって前記シリンダ（３４）内を往復動するピストン（３３）と、
   前記ピストン（３３）の上死点と前記シリンダ（３４）の端部（３１）との間に形成される空間（３５）が、前記媒体冷却部（１１）と前記媒体加熱部（１２）に連通するピストンポンプ（１３）において、
   前記空間（３５）に、前記空間（３５）を移動する前記熱輸送媒体の温度変化を抑止する温度変化抑止構造（４０）を設け、
   前記温度変化抑止構造（４０）を、前記空間（３５）の前記熱輸送媒体の移動方向の断面積を圧力損失の増大が所定値を越えない範囲まで絞る断面積縮小構造としたことを特徴とする磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
2. 前記断面積縮小構造において、絞られた前記空間（３５）の前記熱輸送媒体の移動方向に複数の仕切壁（４１）を設けて前記空間（３５）を細分化し、前記ピストン（３３）によって前記空間（３５）内を往復動する前記熱輸送媒体が、細分化された前記空間内で振動流となるようにし、振動流による熱輸送促進効果によって見かけの熱伝導率を前記熱輸送媒体の熱伝導率より高くしたことを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
3. 前記断面積縮小構造において、絞られた前記空間（３５）の前記熱輸送媒体の移動方向に平行に複数設置されたメッシュシート（４２）の積層構造を設けたことを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
4. 前記温度変化抑止構造（４０）が、前記空間（３５）内の前記熱輸送媒体の移動方向に対して斜めに設置された整流板（４３）により、前記媒体冷却部（１１）からの媒体と前記媒体加熱部（１２）からの媒体が混ざり合わない移動流体分離構造であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
5. 前記温度変化抑止構造（４０）が、前記空間（３５）内の前記熱輸送媒体の移動方向を二分する分流板（４４）と、前記分流板（４４）によって仕切られた各流路（３５Ａ，３５Ｂ）に設けられたリード弁（４４Ａ，４４Ｂ）により、前記媒体冷却部（１１）からの媒体と前記媒体加熱部（１２）からの媒体が混ざり合わない移動流体分離構造であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
6. 前記温度変化抑止構造（４０）が、前記空間（３５）内の前記熱輸送媒体の移動方向に垂直な方向に複数本設置されたフィン（４５）により、前記媒体冷却部（１１）からの媒体と前記媒体加熱部（１２）からの媒体の温度変化を抑える温度維持構造であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
7. 前記温度変化抑止構造（４０）が、前記空間（３５）内に設けられた一方向に回転する撹拌子（４６）により、前記媒体冷却部（１１）からの媒体と前記媒体加熱部（１２）からの媒体が混ざり合わない移動流体分離構造であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
8. 前記仕切壁（４１）、前記メッシュシート（４２）、前記整流板（４３）、前記分流板（４４）、前記フィン（４５）又は撹拌子（４６）が、高熱伝導材から形成されていることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。
9. 前記温度変化抑止構造（４０）が、前記空間（３５）を備えるシリンダ（３４）の外部に設けられた超音波発生装置（４７）であり、前記超音波発生装置（４７）によって発生した超音波を前記空間（３５）内に照射する構造であることを特徴とする請求項１に記載の磁気ヒートポンプシステムのピストンポンプ。

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