JP6384384B2 - 能動磁気再生器および磁気ヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、磁気熱量効果材料の磁気熱量効果を利用して、磁気熱量効果材料と熱輸送媒体と熱交換させ、熱輸送媒体を用いて対象物を冷却または加熱する能動磁気再生器および磁気ヒートポンプ装置に関する。

近年、環境配慮型でかつ効率の高い冷凍技術の一つとして、磁気冷凍への期待が高まり、常温域を対象とした磁気冷凍技術の研究開発が活発化して来ている。特許文献１に記載のＡＭＲ（ActiveMagnetic Refrigeration：能動磁気再生器）サイクルでは、ＭＣＭ（Magnetocaloric effect materials：磁気熱量効果材料）と熱量を授受する熱輸送媒体として流体が用いられている。

米国特許第４，３３２，１３５号明細書

ＡＭＲサイクルの効率（＝出力／駆動エネルギ）を向上させるには、ＭＣＭと熱輸送媒体間の熱交換効率ηの向上と同時に駆動エネルギの増加を抑制する必要がある。熱輸送媒体として流体を用いる場合、熱交換効率ηはおおよそ熱伝達率と伝熱面積Ａの積に支配される。出力密度向上を狙ってＡＭＲ周波数を高めるため、特許文献１では流路をマイクロチャネル状とする技術が記載されている。このとき、流れは層流域となるため、熱伝達率はほぼ熱伝導率λで決まる。

したがって、熱交換効率ηを向上するためには伝熱面積Ａを増大させる方向となる。しかし、伝熱面積Ａの増大は圧力損失の増大を伴い、流体の駆動に必要なエネルギも増大しサイクルの効率が低下する。おおよそ、出力は伝熱面積Ａに対して１乗以下で増加するが、駆動エネルギは伝熱面積Ａの３乗で増大する。

そこで、本発明は前述の問題点を鑑みてなされたものであり、駆動エネルギの増加を抑制しつつ、磁気熱量効果材料と熱輸送媒体との間の熱交換効率を向上することができる能動磁気再生器および磁気ヒートポンプを提供することを目的とする。

本発明は前述の目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。

本発明は、磁気熱量効果を有する磁気作業物質で形成された磁気作業物質体（２１）と、磁気作業物質体への磁場の印加および除去を繰り返す磁場印加除去手（２２）と、磁気作業物質体と接するように設けられ、磁気作業物質体と熱交換する長手状の熱輸送媒体（２３）と、磁場印加除去手段による磁場の印加および除去に同期して、熱輸送媒体を磁気作業物質体に対して往復移動させる移動手段（２４）と、を含み、熱輸送媒体は、固体であり、熱伝導率に異方性を有し、往復移動する移動方向に交差する交差方向の熱伝導率が、移動方向の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする能動磁気再生器である。
さらに本発明は、磁気熱量効果を有する磁気作業物質で形成された磁気作業物質体（２１）と、磁気作業物質体への磁場の印加および除去を繰り返す磁場印加除去手段（２２）と、磁気作業物質体と接するように設けられ、磁気作業物質体と熱交換する長手状の熱輸送媒体（２３）と、磁場印加除去手段による磁場の印加および除去に同期して、熱輸送媒体を磁気作業物質体に対して往復移動させる移動手段（２４）と、を含み、熱輸送媒体は、固体であり、磁気作業物質体と熱輸送媒体との間には、熱交換を空気よりも促進する流体の促進剤が設けられていることを特徴とする能動磁気再生器である。
また本発明は、磁気熱量効果を有する磁気作業物質で形成された磁気作業物質体（２１）と、磁気作業物質体への磁場の印加および除去を繰り返す磁場印加除去手段（２２）と、磁気作業物質体と接するように設けられ、磁気作業物質体と熱交換する長手状の熱輸送媒体（２３）と、磁場印加除去手段による磁場の印加および除去に同期して、熱輸送媒体を磁気作業物質体に対して往復移動させる移動手段（２４）と、を含み、熱輸送媒体は、固体である能動磁気再生器を備える磁気ヒートホンプであって、熱輸送媒体の一端部は、熱輸送媒体が有する熱を外部へ放熱する放熱部（２３ａ）であり、熱輸送媒体の他端部は、外部の熱を熱輸送媒体に吸熱する吸熱部（２３ｂ）であることを特徴とする磁気ヒートポンプである。

このような本発明に従えば、熱輸送媒体は固体である。熱輸送媒体として固体を用いることで、熱伝導率が熱輸送媒体が流体である場合に比べて、１桁から２桁大きくなる。したがって熱交換効率が向上し、出力が増大する。同時に、固体の熱輸送媒体を往復移動させる場合は、流体の場合と異なり、圧力損失という現象は存在しないので、駆動エネルギの増大比は流体と比較し小さい。したがって熱輸送媒体を固体にすることによって、ＡＭＲサイクル効率を向上することができる。

なお、前述の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

第１実施形態の能動磁気再生器１１の簡略化したモデルを示す。 能動磁気再生器１１を示す断面図である。 磁気ヒートポンプ１０を示す図である。 熱伝導率を示すグラフである。 第２実施形態の能動磁気再生器１１を示す断面図である。 第２実施形態の磁気ヒートポンプ１０を示す図である。 第３実施形態の能動磁気再生器１１を示す断面図である。 第４実施形態の第１実施例の熱輸送媒体２３４を示す図である。 第４実施形態の第２実施例の熱輸送媒体２３４を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に関して、図１〜図４を用いて説明する。図２に示す磁気ヒートポンプ１０は、磁気熱量効果により生成された冷熱および温熱を磁気作業物質（ＭＣＭ）自体に蓄えるＡＭＲ方式を採用している。本実施形態の磁気ヒートポンプ１０は、能動磁気再生器１１、高温側ファン１２および低温側ファン１３を含んで構成される。

能動磁気再生器１１は、磁気熱量効果により冷熱および温熱を生成する。高温側ファン１２は、能動磁気再生器１１における温熱を生成する部分に送風する。これによって温風が生成される。また低温側ファン１３は、能動磁気再生器１１における冷熱を生成する部分に送風する。これによって冷風が生成される。

本実施形態の磁気ヒートポンプ１０は、例えば、車両用の空調装置に適用して好適なシステムである。低温側ファン１３からの冷風は、空調ケース内を流通する空気の冷却に用いられる。また高温側ファン１２からの温風は、空調ケース内を流通する空気の加熱に用いられる。エアコンＥＣＵは、各ファンの制御および能動磁気再生器１１の冷却および加熱を制御し、車室内へ温度調節した空調風を吹き出し、車室内を空調することが可能である。

能動磁気再生器１１は、磁気作業物質体２１、磁場印加除去装置２２、熱輸送媒体２３、および移動装置２４を含んで構成される。熱輸送媒体２３は、図１に示すように、固体である。熱輸送媒体２３と磁気作業物質体２１とは、熱的に接触、たとえば直接接触しており、磁気作業物質体２１からの温熱および冷熱が熱輸送媒体２３に伝わる。

また図１に示すように、磁気作業物質体２１に対して、熱輸送媒体２３を往復運動させている。したがって熱輸送媒体２３は、磁気作業物質体２１に対して接触しながら移動するので、摺動する。このように往復運動させることで、能動磁気再生器１１として機能する。

次に、能動磁気再生器１１に関して、さらに具体的に説明する。磁場印加除去装置２２は、磁場印加除去手段であって、磁気作業物質体２１への磁場の印加および除去を繰り返す。また磁場印加除去装置２２は、印加する磁場の大きさを変更可能である。磁場印加除去装置２２は、回転軸２５、回転軸２５に固定されたロータ２６、およびロータ２６の外周面に設けられた永久磁石２７、および永久磁石２７の外側に間隔をあけて配置されるアウターヨーク２８を含んで構成される。回転軸２５の一端部には、回転軸２５を回転させるモータ３０が接続されている。回転軸２５には、ロータ２６が設けられ、ロータ２６には永久磁石２７が設けられる。したがってモータ３０によって回転軸２５が回転されると、ロータ２６と永久磁石２７も回転する。

ロータ２６および永久磁石２７は、円筒状の収納容器２９の内部に収納されている。収納容器２９の外周には、円筒状の磁気作業物質体２１が配置されている。そして磁気作業物質体２１の外周には、アウターヨーク２８が配置されている。ロータ２６は、外周面に永久磁石２７が設けられた状態で、収納容器２９の内周面に対して所定の空隙を空けて回転するように回転軸２５に固定されている。

永久磁石２７は、ロータ２６の外周面に回転方向に間隔をあけて、回転軸方向に延びるように設けられている。永久磁石２７は、回転軸２５の回転に応じて、収納容器２９の外側の磁気作業物質体２１に周期的に近づくように、ロータ２６における外周面に複数設けられている。ロータ２６には、外周面に永久磁石２７が配設されていない部分に、外周面から凹んで回転軸方向に延びる溝部が形成されている。これによって回転軸２５の回転に応じて、アウターヨーク２８と永久磁石２７の周囲に生ずる磁場が、収容空間の外周にある磁気作業物質に印加および除去されるようになっている。

磁気作業物質体２１は、磁気熱量効果を有する磁気作業物質で形成されている。磁気作業物質体２１には、回転軸方向に延びる複数の貫通孔３１が形成されている。貫通孔３１の形状は、熱輸送媒体２３の形状に応じて設定される。

熱輸送媒体２３は、図１に示すように、磁気作業物質体２１と接するように設けられ、磁気作業物質体２１と熱交換する。熱輸送媒体２３は、長手状であり、固体である。熱輸送媒体２３の断面形状は、特に限定しないが、好ましくは円状および四角形状である。したがって熱輸送媒体２３は、たとえばワイヤ状、およびフィルム状が選択される。熱輸送媒体２３は、図２に示すように、磁気作業物質体２１に形成される貫通孔３１に挿入されている。熱輸送媒体２３は貫通孔３１の内周面に部分的に接触した状態で、移動装置２４によって回転軸方向に沿って往復移動する。そして熱輸送媒体２３の一端部（図３の左側の端部）２３ａは、熱輸送媒体２３が有する熱を外部へ放熱する放熱部として機能する。また熱輸送媒体２３の他端部（図３の右側の端部）２３ｂは、外部の熱を熱輸送媒体２３に吸熱する吸熱部として機能する。

移動装置２４は、移動手段であって、磁場印加除去装置２２による磁場の印加および除去に同期して、熱輸送媒体２３を磁気作業物質体２１に対して往復移動させる。移動装置２４は、回転軸２５の一端部２３ａに設けられる。移動装置２４は、回転軸２５に対して傾いた傾斜面を有し、回転軸２５と一体的に回転する斜板３２を有する。斜板３２が回転することによって、熱輸送媒体２３の一端部２３ａの位置が左右方向に変位する。これによって熱輸送媒体２３を往復運動することができる。

次に、熱輸送媒体２３に関してさらに説明する。従来技術のように熱輸送媒体として流体を用いる場合、熱交換効率に最も寄与する物性値である熱伝導率は、液体金属を除いて、１Ｗ／ｍＫ未満であるが、金属は１０〜１００Ｗ／ｍＫ以上である。

熱輸送媒体２３は、熱伝導率が好ましくは１Ｗ／ｍＫ以上の材料が選択される。そこで本実施形態の熱輸送媒体２３は、金属からなる。図４に示すように、各材料における熱伝導率は、固体でない場合は、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫのものが多い。そして鉄、アルミニウム、銅およびステンレス鋼（ＳＵＳ）などの金属は、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ以上である。このように熱伝導率が高い材料を用いることによって、磁気作業物質体２１との熱交換効率を高めることができる。

また熱輸送媒体２３の熱伝導率と、磁気作業物質体２１の熱伝導率と差が、所定範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは、熱輸送媒体２３と磁気作業物質体２１との熱伝導率が同程度であることが好ましい。所定範囲内とは、たとえば差が数％以内、差が１Ｗ／ｍＫ以内などである。

たとえば磁気作業物質体２１は、ランタン−鉄−シリコン（Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ）系であり、球状ガドリニウム（Ｇｄ）系合金であれば、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫ程度である。したがって熱輸送媒体２３を図４に示すＳＵＳ３０４を用いることによって、磁気作業物質体２１の熱伝導率と差を所定範囲内にすることができる。

また熱輸送媒体２３と磁気作業物質体２１とは、直接接触していてもよいが、熱輸送媒体２３と磁気作業物質体２１との間に、熱交換を促進する流体の促進剤が設けられていてもよい。促進剤は、たとえばエンジン冷却水に用いられるエチレングリコール濃度５０％の水溶液が用いられる。促進剤によって収納容器２９が満たされていると、熱輸送媒体２３と磁気作業物質体２１と間に空気がある場合に比べて、熱交換効率を向上することができる。

また磁気作業物質体２１と熱輸送媒体２３と間には、潤滑剤を設けてもよい。潤滑剤を設けることによって、熱輸送媒体２３が磁気作業物質体２１に対して往復移動するときの、摩擦抵抗を低減することができる。

潤滑剤は、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。これによって潤滑剤によって熱交換効率が低下することを抑制することができる。潤滑剤は、黒鉛を含む材料を選択することによって、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上を実現することができる。

また熱輸送媒体２３は、表面を滑らかにする表面処理が施されていてもよい。表面処理として、たとえばＤＬＣなどの高熱伝導皮膜および面粗度が向上するメッキなどがある。このように表面処理をすることによって、熱輸送媒体２３が磁気作業物質体２１に対して往復移動するときの、摩擦抵抗を低減することができる。

次に、磁気ヒートポンプ１０の動作に関して説明する。モータ３０の回転軸２５が回転すると、磁気ヒートポンプ１０は、以下に説明する第１ステップ、第２ステップ、第３ステップおよび第４ステップを順に繰り返す。これによって熱輸送媒体２３の他端部２３ｂにおいて外部流体から吸熱した熱量を、熱輸送媒体２３で移送して、熱輸送媒体２３の一端部２３ａにおいて外部流体に放熱する。

第１ステップでは、磁気作業物質体２１には、永久磁石２７によって印加される磁場がほぼ消滅した状態から急激に増加する。すなわち、熱輸送媒体２３の移動をほぼ停止した状態で、磁気作業物質体２１に印加する磁場を増大させる第１ステップが実行される。第１ステップでは、熱輸送媒体２３の移動をほぼ停止して、磁気作業物質を断熱状態として、磁気作業物質に対して印加する磁場を急激に増大させ、磁気作業物質を昇温させることができる。

第２ステップでは、回転軸２５の回転によって、熱輸送媒体２３が他端部２３ｂ側から一端部２３ａ側へ向かう方向に移動する。このとき、磁気作業物質には、永久磁石２７によって印加される磁場が、第１ステップで増加させた磁場（第１ステップ終了時点の磁場）から徐々に増加する。すなわち、第１ステップを開始して、磁気作業物質に印加する磁場を第１ステップ終了時点よりも減少させることなく徐々に増加させて、他端部２３ｂ側から一端部２３ａ側へ熱輸送媒体２３を移動させる第２ステップが実行される。第２ステップでは、他端部２３ｂ側から一端部２３ａ側へ熱輸送媒体２３を移動させ、第１ステップで昇温した磁気作業物質から熱輸送媒体２３へ温熱を伝達して一端部２３ａ側へ運ぶことができる。

第３ステップでは、磁気作業物質体２１には、永久磁石２７によって印加される磁場が、永久磁石２７間の溝によって、第２ステップで増加させた磁場（第２ステップ終了時点の磁場）から急激に減少する。すなわち、熱輸送媒体２３の移動をほぼ停止した状態で、磁気作業物質体２１に印加する磁場を減少させる第３ステップが実行される。このように第３ステップでは、熱輸送媒体２３の移動をほぼ停止して、磁気作業物質体２１を断熱状態として、磁気作業物質体２１に対して印加する磁場を急激に減少させ、磁気作業物質体２１を降温させる。

第４ステップでは、回転軸２５の回転によって、熱輸送媒体２３が一端部２３ａ側から他端部２３ｂ側へ向かう方向に移動する。第４ステップでは、一端部２３ａ側から他端部２３ｂ側へ熱輸送媒体２３を移動させ、第３ステップで降温した磁気作業物質体２１から熱輸送媒体２３へ冷熱を伝達して他端部２３ｂ側へ運ぶことができる。

このような構成および作動によれば、第１ステップ、第２ステップ、第３ステップおよび第４ステップの順で実行するサイクルを繰り返して、他端部２３ｂから吸熱した熱を一端部２３ａから放熱することができる。

以上説明したように本実施形態の熱輸送媒体２３は固体である。熱輸送媒体２３として固体を用いることで、熱伝導率が熱輸送媒体２３が流体である場合に比べて、１桁から２桁大きくなる。したがって熱交換効率が向上し、出力が増大する。同時に、固体の熱輸送媒体２３を往復移動させる場合は、流体の場合と異なり、圧力損失という現象は存在しないので、駆動エネルギの増大比は流体と比較し小さい。したがって熱輸送媒体２３を固体にすることによって、ＡＭＲサイクル効率を向上することができる。

さらに詳細に、本実施形態の能動磁気再生器１１によってサイクル効率が向上する理由に関して説明する。出力を増大させるようにＡＭＲ周波数を増大させる場合。熱輸送媒体２３の種類によらず、流体でも固体でも周波数増大に対する出力の増大比は、１以下となる。

ここで、熱輸送媒体２３の駆動エネルギを考える。この駆動エネルギは、熱輸送媒体２３の慣性力によるものと界面での摩擦力によるものがある。従来技術のように熱輸送媒体２３に流体を用いる場合、この界面での摩擦力は、圧力損失として算出されるように周波数の２乗で増加する。その結果、駆動エネルギもおおよそ周波数の２乗で増大することになる。一方、本実施形態のように熱輸送媒体２３に固体を用いる場合、界面での摩擦力は固体間の摺動摩擦によるものなので、周波数の１乗で増加する。

したがって本実施形態のように熱輸送媒体２３として固体を用いる場合、周波数増大に対するサイクル効率（＝出力／駆動エネルギ）は、従来技術のように熱輸送媒体２３に流体を用いる場合より高くなることが分かる。

また熱輸送媒体２３として流体を用いる従来技術の場合、熱交換効率ηはおおよそ熱伝達率と伝熱面積の積に支配される。ここで熱交換効率ηは、磁気作業物質体２１の発熱および吸熱量に対する熱輸送媒体２３への伝熱量の割合である。

一方、熱輸送媒体２３として流体の代わりに固体を用いる本実施形態の場合、固体には対流現象が無いため、熱交換効率ηはおおよそ熱伝導率λと伝熱面積Ａの積に支配される。一般に、出力密度の向上を狙うときＡＭＲ周波数を高める。

熱輸送媒体２３に流体を用いる従来技術の場合、流路をマイクロチャネル状とする場合がほとんどなので、流れはレイノルズ数が１程度以下の層流域となる。したがって熱伝達率はほぼ熱伝導率λで決まる。結局、簡単のために伝熱面積Ａを固定して考えると、熱交換効率ηは熱輸送媒体２３の熱伝導率λで決まるといえる。したがって熱輸送媒体２３として熱伝導率λの高い固体、特に、金属を用いることで、熱交換効率ηが飛躍的に向上する。即ち、出力密度が増大する。

もう一方の見方として、熱交換効率ηの大小、即ち熱伝導率λの大小は、ある一定の熱量を伝えるのに必要な時間を示している。逆にいえば、磁気作業物質体２１と熱輸送媒体２３との間の伝熱に供せられる時間が決まっていれば、熱伝導率λの大小により伝熱量の多寡が決まることになる。おおよそ、ＡＭＲ周波数の逆数である周期が、その時間である。

また、磁気ヒートポンプ１０の運転条件である温度差を得るためには、ある一定以上の熱量が磁気作業物質体２１から熱輸送媒体２３に伝わらなくてはならない。したがってＡＭＲ周波数を増大させた場合、伝熱に供せられる時間が短くなるため、ある周波数以上では前述の「一定以上の熱量」が磁気作業物質体２１から熱輸送媒体２３へ伝えられなくなる。結果、運転条件である温度差が得られなくなり磁気ヒートポンプ１０が運転できなくなる。したがって熱伝導率λの大きさによりＡＭＲ周波数の上限、すなわち出力密度の上限が決まることが分かる。

以上より、本実施形態のように熱輸送媒体２３として固体を用いることによって熱輸送媒体２３の熱伝導率λを高めることができるので、磁気ヒートポンプ１０の出力密度を増大させることができる。またＡＭＲ周波数増大（出力密度向上）時の駆動エネルギの増加を抑えつつ、磁気作業物質体２１と熱輸送媒体２３間の熱交換効率の向上が可能である。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に関して、図５および図６を用いて説明する。本実施形態では、磁気作業物質体２１および熱輸送媒体２３が同一の熱交換容器４０に収納されている点に特徴を有する。また熱交換容器４０の内部は、熱輸送流体４１が充填されている。

図５に示すように、熱輸送媒体２３の一端部２３ａおよび他端部２３ｂの周囲には、熱輸送流体４１が満たされている。熱輸送流体４１は、たとえばエンジン冷却水によって実現される。したがって熱輸送媒体２３の他端部２３ｂは、周囲の熱輸送流体４１から吸熱し、吸熱した熱量を一端部２３ａの周囲の熱輸送流体４１に放熱する。

そして熱交換容器４０の外部は、図６に示すように、二次流体、たとえば空気が流通するように構成されている。二次流体は、低温側ファン１３および高温側ファン１２によって流れが形成される。これによって熱交換容器４０の外部と二次流体が熱交換して、温風および冷風を作ることができる。

また図６では、二次流体と熱交換する外部熱交換器４２を、高温側および低温側のそれぞれに配置している。これによって二次流体が空気でない場合には、外部熱交換器４２によって熱交換することによって、温風および冷風を作ることができる。また二次流体によって熱量を取り出すので、熱交換部（車室など）と磁気ヒートポンプ１０を、それぞれ任意の場所に設置可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に関して、図７を用いて説明する。本実施形態では、モータ３０用のコイル部５１と、前述の能動磁気再生器１１の永久磁石２７とを共通化している点に特徴を有する。また磁気作業物質体２１を、磁力によって往復運動させている点にも特徴を有する。

磁場印加除去装置２２は、回転軸２５と一体に設けられるロータ２６と、ロータ２６の外周部に周方向に間隔を開けて設けられる複数のコイル部５１と、熱輸送媒体２３および磁気作業物質体２１の外側に設けられるアウターヨーク２８とを有する。またロータ２６と、コイル部５１とアウターヨーク２８とは、モータ３０を構成する部材でもある。またアウターヨーク２８は、ロータ２６の外周に設けられる。

各コイル部５１の通電は、制御部（図示せず）によって制御される。各コイル部５１に電流が流れると、各コイル部５１が磁場を有する。各コイル部５１への電流が停止されると各コイル部５１は消磁する。したがって各コイル部５１の磁場の強弱は、個別に制御される。各コイル部５１の通電が制御されて、コイル部５１とアウターヨーク２８とによって形成される回転磁場によって、ロータ２６が回転する。各コイル部５１は周方向に間隔をあけて配置されているので、ロータ２６が回転することによって、磁気作業物質体２１への磁場の印加および除去を繰り返すことになる。換言すると、モータ３０を回転させるための磁場が、磁気作業物質体２１に周期的に作用することになる。

次に、移動装置２４に関して説明する。移動装置２４は、弾性部材６１、強磁性体６２、磁気遮蔽体６３を含んで構成される。弾性部材６１は、弾性力を有する部材、たとえばばね部材によって実現される。弾性部材６１は、熱輸送媒体２３の他端部２３ｂ（図７の右側の端部）に設けられ、熱輸送媒体２３を一端部２３ａ側に押圧する。したがって自然状態では、図７に示す位置にあり、弾性部材６１によって押圧されている位置にある。換言すると、弾性部材６１の押圧力よりも大きい力を他端部２３ｂ側に作用させると、弾性部材６１が弾性変形して、熱輸送媒体２３は他端部２３ｂ側に変位する。

強磁性体６２は、磁力を有し、熱輸送媒体２３の一端部２３ａに設けられる。磁気遮蔽体６３は、強磁性体６２とロータ２６とが対向する部分に設けられ、磁気を遮断する。各コイル部５１の通電が制御されてロータ２６が回転すると、磁気遮蔽体６３の内側では、コイル部５１に対向する場合と、コイル部５１を除く部位と対向する場合とがある。

強磁性体６２と対向する部分がコイル部５１の場合には、コイル部５１が強磁性体６２を弾性部材６１の押圧力に抗して他端部２３ｂ側に吸引して、熱輸送媒体２３を一方に変位させる。磁気遮蔽体６３がない場合には、対向する部分がコイル部５１になると、図７の上下方向に磁力によって近接するので、上下方向にしか変位しない。しかし磁気遮蔽体６３によって、上下方向に吸引する磁力が遮蔽されているので、斜め下方向に吸引されることになる。これによってコイル部５１の磁力によって、熱輸送媒体２３を他端部２３ｂ側に変位させることができる。

またコイル部５１に通電されロータ２６が回転して、強磁性体６２と対向する部分がコイル部５１を除く部位の場合には、吸引している磁力が小さくなり、弾性部材６１の押圧力によって一端部２３ａ側に押圧されて、熱輸送媒体２３を他方に変位させる。前述のようにコイル部５１の磁力によって吸引したので、コイル部５１がさらに回転して、磁力が弱くなるかまたはなくなると、弾性部材６１の押圧力が大きくなり、熱輸送媒体２３が再び自然状態の位置に配置される。

このようにコイル部５１の磁力とコイル部５１の回転によって、熱輸送媒体２３を往復移動させることができる。モータ３０と磁場印加除去装置２２と移動装置２４の部品を共通化して、併用することによって、小型化および低コスト化を実現することができる。

また熱輸送媒体２３を磁力によって往復運動させるので、モータ３０と流路とのシール構造を不要となり、構成を簡略化することができる。したがって低コストを実現することができる。

本実施形態では、強磁性体６２は熱輸送媒体２３の一端部２３ａ側に配置されているが、強磁性体６２と弾性部材６１との配置関係を逆にしてもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態に関して、図８および図９を用いて説明する。本実施形態では、熱輸送媒体２３には、熱伝導率に異方性を有し、往復移動する移動方向に交差する交差方向の熱伝導率が、移動方向の熱伝導率よりも大きい点に特徴を有する。熱伝導率の異方性を実現する構成として、第１実施例を図８に示し、第２実施例を図９に示している。

先ず、第１実施例に関して、図８を用いて説明する。図８に示すように、たとえば熱輸送媒体２３４の内部には、移動方向に間隔をあけて、交差方向に延びる高熱伝導率を有するフィラー７１を複数含有している。図８では、理解を容易にするため、フィラー７１を模式的に示している。フィラー７１は、たとえＣＮＴなど高熱伝導率の材料からなる。熱輸送流体４１のフィラー７１を除く本体部分７２は、フィラー７１よりも熱伝導率が低い材料からなる。したがって移動方向（図８の左右方向）に交差する上下方向（図８の上下方向）には、上下方向に延びるフィラー７１によって熱が伝わりやすい。逆に、移動方向には、本体部分７２によって上下方向よりは熱が伝わりにくい。

次に、第２実施例に関して、図９を用いて説明する。図９に示すように、熱輸送媒体２３４は、伝熱部７３と断熱部７４とを含んで構成される。伝熱部７３は、熱伝導性に優れる材料、たとえばステンレス鋼からなる。断熱部７４は、熱伝導性に劣る断熱材、たとえば樹脂からなる。伝熱部７３と断熱部７４とは、移動方向に短い単位で交互に積層されている。そしてたとえば、ワイヤや棒状の部材によって、配列方向に貫通させることによって、熱輸送媒体２３４として一体となるように構成している。したがって移動方向（図９の左右方向）に交差する上下方向（図９の上下方向）には、伝熱部７３によって熱が伝わりやすい。逆に、移動方向には、断熱部７４によって上下方向よりは熱が伝わりにくい。

熱輸送媒体２３４は、能動磁気再生器１１が運転中、往復運動方向に温度差がついていることから熱量を汲み上げる（ポンピング）方向とは直交する方向の熱伝導により熱流束が発生し、損失となる。そこで本実施形態のように熱輸送媒体２３４は、熱伝導率が異方性を有するので、損失を抑制することができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許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である。

前述の第１実施形態では、熱輸送媒体２３は、金属によって実現されているが、金属に限るものではない。また熱輸送媒体２３は、固体であるが、固体であるとは流体でないことであり、ゲルおよびガラスも含む。

前述の第１実施形態では、磁場印加除去装置２２は、モータ３０によって永久磁石２７を回転させる構成であったが、このような構成に限るものではない。たとえば磁場印加除去手段は、電磁石を用いて、電磁石に通電する電流値を変化させることで、磁気作業物質体２１へ印加する磁場の大きさを容易に変更してもよい。

１０…磁気ヒートポンプ １１…能動磁気再生器 ２１…磁気作業物質体
２２…磁場印加除去装置（磁場印加除去手段） ２３…熱輸送媒体
２３ａ…一端部（放熱部） ２３ｂ…他端部（吸熱部）
２４…移動装置（移動手段） ２５…回転軸 ２６…ロータ
２７…永久磁石 ２８…アウターヨーク（ヨーク） ３０…モータ
３２…斜板 ４０…熱交換容器 ４１…熱輸送流体
５１…コイル部 ６１…弾性部材 ６２…強磁性体
６３…磁気遮蔽体 ７１…フィラー ７２…本体部分
７３…伝熱部 ７４…断熱部

Claims (18)

1. 磁気熱量効果を有する磁気作業物質で形成された磁気作業物質体（２１）と、
   前記磁気作業物質体への磁場の印加および除去を繰り返す磁場印加除去手段（２２）と、
   前記磁気作業物質体と接するように設けられ、前記磁気作業物質体と熱交換する長手状の熱輸送媒体（２３）と、
   前記磁場印加除去手段による磁場の印加および除去に同期して、前記熱輸送媒体を前記磁気作業物質体に対して往復移動させる移動手段（２４）と、を含み、
   前記熱輸送媒体は、固体であり、熱伝導率に異方性を有し、前記往復移動する移動方向に交差する交差方向の熱伝導率が、前記移動方向の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする能動磁気再生器。
2. 磁気熱量効果を有する磁気作業物質で形成された磁気作業物質体（２１）と、
   前記磁気作業物質体への磁場の印加および除去を繰り返す磁場印加除去手段（２２）と、
   前記磁気作業物質体と接するように設けられ、前記磁気作業物質体と熱交換する長手状の熱輸送媒体（２３）と、
   前記磁場印加除去手段による磁場の印加および除去に同期して、前記熱輸送媒体を前記磁気作業物質体に対して往復移動させる移動手段（２４）と、を含み、
   前記熱輸送媒体は、固体であり、
   前記磁気作業物質体と前記熱輸送媒体との間には、熱交換を空気よりも促進する流体の促進剤が設けられていることを特徴とする能動磁気再生器。
3. 前記熱輸送媒体は、熱伝導率に異方性を有し、前記往復移動する移動方向に交差する交差方向の熱伝導率が、前記移動方向の熱伝導率よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の能動磁気再生器。
4. 前記熱輸送媒体の内部には、前記移動方向に間隔をあけて、前記交差方向に延びる高熱伝導率を有するフィラー（７１）を複数含有していることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の能動磁気再生器。
5. 前記熱輸送媒体は、熱輸送する伝熱部（７３）と断熱材からなる断熱部（７４）とが、前記移動方向に交互に積層されていることを特徴とする請求項１または請求項３に記載の能動磁気再生器。
6. 前記熱輸送媒体は、金属からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の能動磁気再生器。
7. 前記熱輸送媒体は、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項６に記載の能動磁気再生器。
8. 前記熱輸送媒体の熱伝導率と、前記磁気作業物質体の熱伝導率との差が、１Ｗ／ｍＫ以内であることを特徴とする請求項７に記載の能動磁気再生器。
9. 前記磁気作業物質体と前記熱輸送媒体との間には、熱交換を空気よりも促進する流体の促進剤が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の能動磁気再生器。
10. 前記磁気作業物質体と前記熱輸送媒体との間には、潤滑剤が設けられていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の能動磁気再生器。
11. 前記潤滑剤の熱伝導率は、１Ｗ／ｍＫ以上であることを特徴とする請求項１０に記載の能動磁気再生器。
12. 前記潤滑剤は、黒鉛を含む材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の能動磁気再生器。
13. 前記熱輸送媒体は、表面を滑らかにする表面処理が施されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１つに記載の能動磁気再生器。
14. 磁気熱量効果を有する磁気作業物質で形成された磁気作業物質体（２１）と、
    前記磁気作業物質体への磁場の印加および除去を繰り返す磁場印加除去手段（２２）と、
    前記磁気作業物質体と接するように設けられ、前記磁気作業物質体と熱交換する長手状の熱輸送媒体（２３）と、
    前記磁場印加除去手段による磁場の印加および除去に同期して、前記熱輸送媒体を前記磁気作業物質体に対して往復移動させる移動手段（２４）と、を含み、
    前記熱輸送媒体は、固体である能動磁気再生器を備える磁気ヒートホンプであって、
    前記熱輸送媒体の一端部は、前記熱輸送媒体が有する熱を外部へ放熱する放熱部（２３ａ）であり、
    前記熱輸送媒体の他端部は、外部の熱を前記熱輸送媒体に吸熱する吸熱部（２３ｂ）であることを特徴とする磁気ヒートポンプ。
15. 請求項１〜１３のいずれか１つに記載の能動磁気再生器を備え、
    前記熱輸送媒体の一端部は、前記熱輸送媒体が有する熱を外部へ放熱する放熱部（２３ａ）であり、
    前記熱輸送媒体の他端部は、外部の熱を前記熱輸送媒体に吸熱する吸熱部（２３ｂ）であることを特徴とする磁気ヒートポンプ。
16. 前記熱輸送媒体および前記磁気作業物質体を収容する熱交換容器（４０）と、
    前記熱交換容器内に満たされる熱輸送流体（４１）と、を含むことを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の磁気ヒートポンプ。
17. 前記磁場印加除去手段は、
    回転軸（２５）と一体に設けられるロータ（２６）と、
    前記ロータの外周部に周方向に間隔を開けて設けられる複数のコイル部（５１）と、
    前記ロータの外周であって、前記熱輸送媒体および前記磁気作業物質体の外側に設けられるヨーク（２８）と、
    前記各コイル部の通電を制御して、前記各コイル部と前記ヨークに回転磁場を発生させて前記ロータを回転させる制御部と、を有することを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１つに記載の磁気ヒートポンプ。
18. 前記熱輸送媒体の他端部に設けられ、前記熱輸送媒体を一端部側に押圧する弾性部材（６１）と、
    前記熱輸送媒体の一端部に設けられる強磁性体（６２）と、
    回転軸（２５）と一体に設けられるロータ（２６）と、
    前記ロータの外周であって、前記熱輸送媒体および前記磁気作業物質体の外側に設けられるヨーク（２８）と、
    前記ロータの外周部に周方向に間隔を開けて設けられる複数のコイル部（５１）と、
    前記強磁性体と前記ロータとが対向する部分に設けられ、磁気を遮断する磁気遮蔽体（６３）と、
    前記各コイル部の通電を制御して、前記各コイル部と前記ヨークに回転磁場を発生させて前記ロータを回転させる制御部と、をさらに含み、
    前記各コイル部の通電が制御されて前記ロータが回転して、前記強磁性体と対向する部分が通電されている前記コイル部の場合には、前記コイル部が前記強磁性体を前記弾性部材の押圧力に抗して前記一端部側に吸引して、前記熱輸送媒体を一方に変位させ、
    前記各コイル部の通電が制御されて前記ロータが回転して、前記強磁性体と対向する部分が前記コイル部を除く部位の場合には、前記吸引している磁力が小さくなり、前記弾性部材の押圧力によって前記他端部側に押圧されて、前記熱輸送媒体を他方に変位させることを特徴とする請求項１４〜１６のいずれか１つに記載の磁気ヒートポンプ。

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