JP6551292B2 - 熱磁気サイクル装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、熱磁気サイクル装置に関する。

特許文献１−３は、熱磁気サイクル装置を開示する。熱磁気サイクル装置は、磁性体の温度特性を利用する。熱磁気サイクル装置に利用される磁性体は、磁気熱量素子と呼ばれる。熱磁気サイクル装置は、例えば、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として利用することができる。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置は、磁気熱量素子に与えられる磁場を変化させる磁場変調装置と、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を流すための熱輸送装置とを備えている。熱輸送装置は、多様なポンプを備えることができる。特許文献２は、容積形ポンプのひとつであるピストンポンプを例示している。特許文献２は、非容積形ポンプのひとつであるタービンポンプを例示している。従来技術として列挙された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２０１５−７５２６１号公報 特開２０１５−１２４９２７号公報 特開２０１６−１１０１号公報

従来技術の構成では、流路の形状に起因する減圧、ポンプの吸込口における減圧などに起因して、熱輸送媒体がキャビテーションを生じることがある。キャビテーションによって生じた気泡は、装置の性能を低下させることがある。例えば、気泡は熱交換性能を低下させる。別の観点では、気泡はベイパーロックを生じることがある。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、熱磁気サイクル装置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、キャビテーションが抑制された熱磁気サイクル装置を提供することである。

ここに開示された熱磁気サイクル装置は、磁気熱量効果を発揮する磁気熱量素子（１２）と、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を流すための通路（１１）を区画形成する通路部材（６）と、熱輸送媒体の圧力が熱輸送媒体の飽和蒸気圧（Ｐｓ）以上に維持されるように、かつ熱輸送媒体が磁気熱量素子と熱交換するように熱輸送媒体を流す熱輸送装置（１６）とを備える。

開示される熱磁気サイクル装置によると、熱輸送装置が熱輸送媒体を流しても、熱輸送媒体の圧力は、熱輸送媒体の飽和蒸気圧を下回らない。この結果、熱輸送媒体のキャビテーションが抑制される。

この明細書における開示された複数の態様は、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実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第１実施形態の作動を示す波形図である。 第１実施形態の作動を示す波形図である。 第２実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第２実施形態の作動を示す波形図である。 第２実施形態の作動を示す波形図である。 第３実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第４実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第５実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。 第５実施形態のＸ−Ｘ線における断面図である。 第５実施形態の圧力分布を示すグラフである。 第６実施形態に係る熱磁気サイクル装置のブロック図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。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、第１実施形態に係る熱機器１が図示されている。熱機器１は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２を備える。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２はＭＨＰ（Magneto-caloric effectHeat Pump）装置２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２は、熱磁気サイクル装置を提供する。

熱機器１は、ＭＨＰ装置２の高温側に得られる高温と、ＭＨＰ装置２の低温側に得られる低温との両方、またはいずれか一方を利用する。熱機器１の一例は車両用空調装置である。車両用空調装置は、車両に搭載され、車両の乗員室の温度を調節する。車両用空調装置は、冷房装置および／または暖房装置として利用される。ＭＨＰ装置２は、車両用空調装置における冷熱供給源、または温熱供給源として利用される。ＭＨＰ装置２は、除湿装置として利用されることもある。熱機器１は、暖房または冷房のための熱交換器を備えることができる。

この明細書においてヒートポンプ装置の語は広義の意味で使用される。すなわち、ヒートポンプ装置の語には、ヒートポンプ装置によって得られる冷熱を利用する装置と、ヒートポンプ装置によって得られる温熱を利用する装置との両方が含まれる。冷熱を利用する装置は、冷凍サイクル装置とも呼ばれることがある。よって、この明細書においてヒートポンプ装置の語は冷凍サイクル装置を包含する概念として使用される。

ＭＨＰ装置２は、動力源を有する。ＭＨＰ装置２は、動力源によって機械的に駆動される。動力源は、電動機、内燃機関など回転機器によって提供される。動力源の一例は、車両に搭載された電池によって駆動される電動機である。

ＭＨＰ装置２は、ハウジング６を備える。ハウジング６は、熱輸送媒体が流れることができる作業室１１を形成する。ひとつの作業室１１は、軸方向に沿って延びている。ハウジング６は、複数の作業室１１を備えることができる。ハウジング６は、作業室１１を含む複数の要素を提供するために複数の部分を有する。例えば、ハウジング６は、後述のポンプを提供するためのポンプハウジング、および通路を提供するパイプを含むことができる。

ハウジング６は、磁気熱量素子１２を備える。磁気熱量素子１２は、ＭＣＥ（Magneto-Caloric Effect）素子１２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２によって低温端と高温端とを生成する。ＭＣＥ素子１２は、低温端と高温端との間に設けられている。図示の例では、図中の右側が低温端であり、図中の左端が高温端である。ＭＣＥ素子１２は、作業室１１内に、熱輸送媒体と熱交換するように配置されている。ＭＣＥ素子１２は、ハウジング６に固定され、保持されている。ＭＣＥ素子１２は、熱輸送媒体の流れ方向に沿って配置されている。ハウジング６は、複数のＭＣＥ素子１２を備えることができる。ハウジング６は、ＭＣＥ素子１２と熱交換する熱輸送媒体を流すための通路を区画形成する通路部材とも呼ばれる。

ＭＣＥ素子１２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１２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１２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、磁気エントロピーが減少し、熱を放出することによって温度が上昇する。また、ＭＣＥ素子１２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、磁気エントロピーが増加し、熱を吸収することによって温度が低下する。ＭＣＥ素子１２は、常温域において高い磁気熱量効果を発揮する磁性体によって作られている。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１２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素子を利用してもよい。

ＭＨＰ装置２は、磁場変調装置（ＭＧＮＴ）１４と熱輸送装置１６とを備える。磁場変調装置１４と熱輸送装置１６とは、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲ(Active Magnetic Refrigeration)サイクルの素子として機能させる。磁場変調装置１４と熱輸送装置１６とは、磁場の増減と、熱輸送媒体の流れ方向とを同期させながら変化させる。

磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２に印加される磁場を周期的に増減させる。磁場変調装置１４は、動力源によって駆動される。磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２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１４は、ＭＣＥ素子１２を強い磁界内に置く励磁状態と、ＭＣＥ素子１２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１４は、ＭＣＥ素子１２が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間、およびＭＣＥ素子１２が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる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１４は、後述する熱輸送媒体の往復的な流れに同期して、ＭＣＥ素子１２への磁場の印加と除去とを繰り返す。磁場変調装置１４は、外部磁場を生成するための磁力源、例えば永久磁石、または電磁石を備える。

熱輸送装置１６は、ＭＣＥ素子１２が放熱または吸熱する熱を輸送するための熱輸送媒体と、この熱輸送媒体を流すための流体機器とを備える。熱輸送装置１６は、ＭＣＥ素子１２と熱交換する熱輸送媒体をＭＣＥ素子１２に沿って流す装置である。熱輸送装置１６は、ＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体の往復流を発生させる。熱輸送装置１６は、磁場変調装置１４による外部磁場の変化に同期して、熱輸送媒体の往復的な流れを発生させる。熱輸送装置１６は、磁場変調装置１４による磁場の増減に同期して熱輸送媒体の流れ方向を切換える。熱輸送媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。熱輸送装置１６は、動力源によって駆動される。

熱輸送装置１６は、ポンプ１６ａ、１６ｂを有する。ポンプ１６ａ、１６ｂは、ＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体の往復流を生成する。ポンプ１６ａ、１６ｂは、作業室１１およびＭＣＥ素子１２に対する熱輸送媒体の流れ方向を反転するように切換える。ポンプ１６ａ、１６ｂは、容積型ポンプである。ポンプ１６ａ、１６ｂは、ピストンポンプである。ポンプ１６ａ、１６ｂは、ＭＨＰ装置２の低温端と高温端とに対向するように配置されている。

ポンプ１６ａが圧縮行程にあるとき、ポンプ１６ｂは、膨張行程にある。ポンプ１６ａが膨張行程にあるとき、ポンプ１６ｂは、圧縮行程にある。ポンプ１６ａとポンプ１６ｂとは、相補的に作動するように配置され、構成されている。ポンプ１６ａとポンプ１６ｂとは、相補的なポンプ機能を提供するために作動位相がずれるように配置され、構成されている。

ポンプ１６ａとポンプ１６ｂとは、同じ要素を有する。ポンプ１６ａの要素に関する説明は、ポンプ１６ｂにも妥当する。ポンプ１６ａは、ピストン２１と、クランク２２と、コンロッド２３と、ピン２４とを有する。ピストン２１は、ハウジング６によって提供されるシリンダ内を往復移動可能である。ピストン２１は、ピン２４によってコンロッド２３に連結されている。クランク２２の回転は、コンロッド２３およびピン２４を介してピストン２１に伝達され、ピストン２１を往復移動させる。クランク２２およびコンロッド２３は、ピストン２１を往復駆動する駆動機構を提供する。図示の例では、クランク２２が時計周り方向に回転する。

熱輸送装置１６によって、作業室１１の中には、熱輸送媒体の往復流が生成される。作業室１１の中に配置されたＭＣＥ素子１２は、熱交換のために比較的大きい圧力損失を発生する。この結果、ＭＣＥ素子１２の両端における熱輸送媒体には、圧力差が生じる。ポンプ１６ａ側の端部における熱輸送媒体の圧力は、Ｐ１で示されている。ポンプ１６ｂ側の端部における熱輸送媒体の圧力は、Ｐ２で示されている。言い換えると、ＭＣＥ素子１２の一端における熱輸送媒体の圧力はＰ１で示されている。ＭＣＥ素子１２の他端における熱輸送媒体の圧力はＰ２で示されている。

図２において、典型的な正常作動状態における熱輸送媒体の圧力ＰＲＳ（ＭＰａ）の変化が示されている。ＭＣＥ素子１２の一端において、圧力Ｐ１は、正弦波に近い波形で変化している。ＭＣＥ素子１２の他端において、圧力Ｐ２は、正弦波に近い波形で変化している。図中下段には、時刻ｔ０、ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４におけるピストン２１の位置が図示されている。

図中には、熱輸送媒体の飽和蒸気圧Ｐｓが図示されている。ここに図示される飽和蒸気圧Ｐｓは、作業室１１の中の熱輸送媒体のうちで、最もキャビテーションを発生しやすい条件下にある熱輸送媒体の飽和蒸気圧である。作業室１１の中の熱輸送媒体は、低温端において低温となり、高温端において高温となる。一般的に、熱輸送媒体が高温になるほど熱輸送媒体の飽和蒸気圧は高くなる。よって、高温端において熱輸送媒体の圧力が飽和蒸気圧を下回りやすいと考えられる。図中における飽和蒸気圧Ｐｓは、高温端において熱輸送媒体がとることのある最高温度における飽和蒸気圧である。

飽和蒸気圧Ｐｓは、低温端と高温端とのそれぞれに対応して設定されてもよい。例えば、圧力Ｐ１が高温端における圧力を示し、圧力Ｐ２が低温端における圧力を示す場合、低温端の飽和蒸気圧は、図示される飽和蒸気圧Ｐｓより低い場合がある。なお、図中には、説明を簡単にするために、ひとつの飽和蒸気圧Ｐｓだけが図示されている。また、圧力Ｐ１、および圧力Ｐ２の両方が、共通の飽和蒸気圧Ｐｓと対比されている。

以上に述べたように、飽和蒸気圧Ｐｓは、熱輸送媒体の材料と、ＭＨＰ装置２において想定される熱輸送媒体の最高温度とに応じて設定される。熱輸送媒体は、飽和蒸気圧Ｐｓを下回るとキャビテーションを発生する。熱輸送媒体として水が用いられ、熱輸送媒体の最高温度が１００℃である場合、飽和蒸気圧Ｐｓは、標準大気圧である。水が１００℃であるときに、高温端における水の圧力が標準大気圧を下回ると、水は沸騰する、すなわちキャビテーションを生じる。

熱輸送装置１６は、熱輸送媒体の圧力が熱輸送媒体の飽和蒸気圧Ｐｓ以上に維持されるように、熱輸送媒体を流す。熱輸送装置１６は、熱輸送媒体がＭＣＥ素子１２と熱交換するように熱輸送媒体を流す。熱輸送媒体には、予圧Ｐｐが加えられている。これにより、熱輸送媒体の圧力が熱輸送媒体の飽和蒸気圧Ｐｓ以上に維持される。熱輸送媒体は、飽和蒸気圧Ｐｓより予圧Ｐｐだけ高い圧力に加圧されている。熱輸送媒体は、加圧状態で作業室１１を含む通路内に封入されている。熱輸送装置１６は、この予圧Ｐｐを維持するように構成されている。

予圧Ｐｐは、熱輸送媒体の圧力を、飽和蒸気圧Ｐｓより高く調節している。ポンプ１６ａ、ポンプ１６ｂが静止状態にあるとき、熱輸送媒体の圧力は、静止圧力Ｐｓ＋Ｐｐである。よって、予圧Ｐｐは、ポンプ１６ｂが静止状態にあるときに観測可能である。熱輸送媒体は、大気圧下において、ＭＨＰ装置２の中に注入され、さらに、標準大気圧を上回る圧力に加圧されて封止されている。

ＭＨＰ装置２が作動すると、圧力Ｐ１、Ｐ２は、最高圧力ＰＨと最低圧力ＰＬの間で変化する。正常な作動状態において、圧力Ｐ１、Ｐ２は、圧力差ΔＰの間で変化する。予圧Ｐｐは、ＭＨＰ装置２が正常に機能しているときの振幅ΔＰ／２より大きい（Ｐｐ＞ΔＰ／２）。予圧Ｐｐは熱輸送装置１６が通常作動において生成する圧力の振幅ΔＰ／２以上である。最低圧力ＰＬは、ＰＬ＝Ｐｓ＋Ｐｐ−ΔＰ／２で表される。予圧Ｐｐによって、Ｐｓ＋Ｐｐ−ΔＰ／２＞Ｐｓが実現されている。

図示されるように、正常な作動状態において、最低圧力ＰＬは、飽和蒸気圧Ｐｓを上回る圧力に維持されている。正常な作動状態において、最低圧力ＰＬは、飽和蒸気圧Ｐｓを下回ることはない。これにより、熱輸送媒体はキャビテーションの発生を抑制しながら作業室１１内を流れる。正常な作動状態における最低圧力ＰＬは、飽和蒸気圧Ｐｓよりも十分に高く設定されている。正常な作動状態における最低圧力ＰＬと飽和蒸気圧Ｐｓとの差は、流路形状または局所的な高温部などに起因する局所的なキャビテーションを抑制するように設定されている。例えば、熱輸送媒体の流れが曲げられる部分では、キャビテーションが生じやすい。この実施形態では、予圧Ｐｐは、局所的な減圧に起因するキャビテーションを抑制するように設定されている。正常な作動状態において、最低圧力ＰＬは、飽和蒸気圧Ｐｓをいつでも上回っている。

図３は、比較例における熱輸送媒体の圧力変化を示す。圧力Ｐ１、Ｐ２が飽和蒸気圧Ｐｓを下回ろうとする場合が図示されている。例えば、ポンプ１６ａ、１６ｂが、最低圧力Ｐｉを発生するように、異常な高速で運転される場合が図示されている。図示の例では、Ｐｓ＋Ｐｐ−ΔＰ／２＞Ｐｓが実現されていない。図示の例では、Ｐｓ＋Ｐｐ−ΔＰ／２＜Ｐｓが実現されている。

圧力Ｐ１および圧力Ｐ２の一方が、飽和蒸気圧Ｐｓを下回ろうとする場合、熱輸送媒体はキャビテーションを生じる。このため、作業室１１内には気泡が発生する。図中には、キャビテーションが発生している期間Ｔｃａｖが図示されている。作業室１１内に発生した気泡は、熱輸送媒体の圧力の低下を妨げる。この結果、熱輸送媒体の圧力は、飽和蒸気圧Ｐｓにクランプされる。一方、反対側の圧力は、やや高くなる。例えば、圧力Ｐ１が飽和蒸気圧Ｐｓを下回ろうとすると、圧力Ｐ１は飽和蒸気圧Ｐｓにクランプされる。一方、反対側の圧力Ｐ２は、やや高くなる。同様に、圧力Ｐ２が飽和蒸気圧Ｐｓを下回ろうとすると、圧力Ｐ２は飽和蒸気圧Ｐｓにクランプされ、圧力Ｐ１は、やや高くなる。

以上に述べた実施形態によると、熱輸送媒体の圧力は、熱輸送媒体の飽和蒸気圧Ｐｓ以上に加圧されている。言い換えると、熱輸送媒体は、ＭＨＰ装置２が作動している間中、熱輸送装置１６が通常作動において生成する圧力の振幅ΔＰ／２以上の予圧Ｐｐだけ、飽和蒸気圧Ｐｓよりも高い圧力に加圧されている。ＭＨＰ装置２が正常に作動している間中、熱輸送媒体の圧力は、飽和蒸気圧Ｐｓを下回らない。これにより、キャビテーションが抑制された熱磁気サイクル装置が提供される。熱輸送媒体のキャビテーションが抑制されるから、気泡に起因する性能低下、ベイパーロック等の不具合が抑制される。別の観点では、安定的に機能を発揮できる熱磁気サイクル装置が提供される。

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、予圧Ｐｐによってキャビテーションが抑制されている。これに加えて、この実施形態では、過剰な減圧を抑制するための圧力維持機構が設けられている。圧力維持機構は、熱輸送媒体の圧力が飽和蒸気圧Ｐｓ以上に維持されるように、通路内における熱輸送媒体の減圧を抑制する。圧力維持機構は、熱輸送装置１６に起因する熱輸送媒体の過剰な減圧を抑制する。圧力維持機構は、ポンプ１６ａ、１６ｂの吸入ポートにおける減圧のような位置に起因する減圧、および／またはポンプ１６ａ、１６ｂの吸入行程における減圧のようなポンプ運転行程に起因する減圧を抑制する。圧力維持機構は、キャビテーションを抑制する手段を提供する。

図４に図示されるように、ポンプ１６ａ、１６ｂは、圧力維持機構２３１を備える。圧力維持機構２３１は、ピストン２１を駆動する駆動機構に設けられている。圧力維持機構２３１は、ピストン２１とピン２４とを連結する連結機構によって提供されている。ピストン２１は、スロット２３２を備える。スロット２３２は、ピストン２１の移動方向に沿って延びている。スロット２３２は、その長さ方向に沿ってピストン２１から分離したピン２４の移動を許容する。スロット２３２は、所定の幅ＢＬにわたるピストン２１の自由移動を許容する。

圧力維持機構２３１は、所定の幅ＢＬにわたるピストン２１の自由移動を許容する。圧力維持機構２３１は、クランク２２の回転位置により規定されるピストン２１の通常位置に対して、幅ＢＬにわたるピストン２１の自由移動を許容する。圧力維持機構２３１は、ピストンを所定の幅ＢＬにわたって、駆動機構から浮動可能とする浮動機構によって提供されている。圧力維持機構２３１は、遊び機構とも呼ぶことができる。

圧力維持機構２３１は、背圧機構を備える。背圧機構は、ピストン２１に通路から作用する熱輸送媒体の圧力に抗して、ピストン２１を通路に向けて押す背圧を生成する。背圧機構は、ピストン２１の背面に大気圧Ｐａｔｍを導入する。ピストン２１の自由移動は、ピストン２１に加えられる熱輸送媒体の圧力Ｐ１と、ピストン２１の背後に加えられる背圧Ｐａｔｍとによって設定されている。背圧Ｐａｔｍは、ピストン２１の背面に大気圧Ｐａｔｍを導入する機構と、大気圧Ｐａｔｍとによって与えられる。背圧機構は、ピストン２１に大気圧Ｐａｔｍを作用させるように構成されており、ピストン２１は、熱輸送媒体の圧力と大気圧Ｐａｔｍとが平衡するように駆動機構から浮動する。

圧力維持機構２３１は、熱輸送媒体の圧力Ｐ１と大気圧Ｐａｔｍとによって規定される移動速度でピストン２１が移動することを許容する。この実施形態でも、熱輸送媒体は、予圧Ｐｐによって大気圧Ｐａｔｍを上回るように加圧されている。このため、ピストン２１は、圧力Ｐ１と大気圧Ｐａｔｍとの圧力差に依存した移動速度で移動しようとする。この移動速度は、圧力差速度と呼ぶことができる。圧力維持機構２３１は、ピン２４が圧力差速度を上回る速度で移動しようとする場合に、ピストン２１の自由移動を許容する。特に、圧力維持機構２３１は、ピン２４が圧力差速度を上回る速度でピストン２１を引こうとする場合に、ピストン２１の自由移動を許容する。

圧力維持機構２３１は、ピストン２１の背圧を設定するために多様な機構を用いることができる。例えば、大気圧Ｐａｔｍに加えて、スプリングによる付勢力を利用してもよい。また、所定圧力の気体を封入した圧力室を用いてもよい。さらに、ピストン２１とピン２４との間にスプリングなどの弾性部材を配置してもよい。また、圧力維持機構２３１は、ピストン２１を駆動する駆動機構の多様な部位に設けることができる。例えば、コンロッド２３に圧力維持機構２３１を設けてもよい。

図５は、正常な作動状態の一例を示す。熱輸送媒体は、飽和蒸気圧Ｐｓより予圧Ｐｐだけ高い圧力をもつようにあらかじめ加圧されて作業室１１内に封入されている。図示の例では、飽和蒸気圧Ｐｓは、標準大気圧Ｐａｔｍよりやや低い。圧力Ｐ１、Ｐ２は、飽和蒸気圧Ｐｓを下回ることはない。クランク２２を含む駆動機構によるピン２４の移動速度は、圧力差速度を上回ることはない。よって、ポンプ１６ａ、１６ｂが膨張行程にあるときも、ピン２４はスロット２３２の端部に接触しながら移動する。

図６は、比較例における熱輸送媒体の圧力変化を示す。圧力Ｐ１および圧力Ｐ２の一方が、ピストン２１の背圧である大気圧Ｐａｔｍを下回ろうとすると、ピストン２１は、ピン２４から離れて移動する。この結果、熱輸送媒体の圧力は大気圧Ｐａｔｍにクランプされる。この実施形態では、背圧を規定する大気圧Ｐａｔｍは飽和蒸気圧Ｐｓより高いから、圧力Ｐ１および圧力Ｐ２は、飽和蒸気圧Ｐｓを下回ることがない。この結果、キャビテーションが抑制される。この実施形態によると、ピストン２１の自由移動によってキャビテーションが抑制される。

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。上記実施形態では、熱輸送媒体が予圧Ｐｐだけ加圧されている。これに加えて、この実施形態では、アキュムレータが設けられている。

図７に図示されるように、ＭＨＰ装置２は、作業室１１に連通するアキュムレータ３３３、３３４を備える。アキュムレータ３３３、３３４は、ＭＣＥ素子１２の両方の端部において通路に連通している。アキュムレータ３３３、３３４は、ポンプ１６ａ、１６ｂの吸入部において通路に連通しているともいえる。アキュムレータ３３３、３３４は、作業室１１内の熱輸送媒体を所定の加圧状態に継続的に維持する。アキュムレータ３３３、３３４は、作業室１１内の熱輸送媒体を、常時、飽和蒸気圧Ｐｓよりも予圧Ｐｐだけ高い圧力に維持する。アキュムレータ３３３は、主としてＭＣＥ素子１２の一端における熱輸送媒体の圧力Ｐ１を上記与圧状態に維持する。アキュムレータ３３４は、主としてＭＣＥ素子１２の他端における熱輸送媒体の圧力Ｐ２を与圧状態に維持する。この実施形態によると、アキュムレータ３３３、３３４によって安定的にキャビテーションを抑制することができる。

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。この実施形態では、ポンプ１６ｂに代えて、圧力ダンパ４３５が設けられている。

図８に図示されるように、ＭＨＰ装置２は、作業室１１を含む通路の一端にポンプ１６ａを有する。ポンプ１６ａは、作業室１１の一端において熱輸送媒体を流入、流出させることにより、ＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体の往復流を生成する。

ＭＨＰ装置２は、作業室１１の他端に圧力ダンパ４３５を有する。圧力ダンパ４３５は、作業室１１の他端に設けられている。圧力ダンパ４３５は、ポンプ１６ａによって生成される熱輸送媒体の圧力の増減に応答して他端における容積を増減させる。圧力ダンパ４３５は、可変容積機構とも呼ぶことができる。圧力ダンパ４３５は、アキュムレータとも呼ぶことができる。

圧力ダンパ４３５は、ピストン４３６と、ピストン４３６を作業室１１に向けて付勢する背圧機構４３７とを有する。背圧機構４３７は、スプリングを有する。背圧機構４３７は、スプリングと大気圧Ｐａｔｍによってピストン４３６を作業室１１に向けて付勢する。背圧機構４３７は、ピストン４３６に背圧を与える。背圧は、熱輸送媒体の圧力が飽和蒸気圧Ｐｓ以上に維持されるように、与えられている。背圧は、ピストン４３６によって熱輸送媒体を加圧する方向へ向けて与えられている。背圧機構４３７は、気体の圧力によってピストン４３６を付勢するガススプリングによって提供されてもよい。

ポンプ１６ａが移動させる熱輸送媒体の容積は、ポンプ有効容積と呼ぶことができる。圧力ダンパ４３５が吸収可能な容積変動は、ダンパ有効容積と呼ぶことができる。ダンパ有効容積は、ポンプ有効容積以上である。この結果、ピストン２１とピストン４３６とは相補的に移動する。アキュムレータ３３３は、ＭＣＥ素子１２の一方の端部において通路に連通している。アキュムレータ３３３は、能動的に容積を変化させるポンプ１６ａの吸入部において通路に連通している。この実施形態では、受動的に容積を変化させる圧力ダンパ４３５の吸入部にはアキュムレータは設けられていない。

さらに、圧力ダンパ４３５は、熱輸送媒体を所定の圧力に加圧し続ける。圧力ダンパ４３５は、熱輸送媒体を、飽和蒸気圧Ｐｓより予圧Ｐｐだけ高い圧力に加圧する。この実施形態でも、安定的にキャビテーションを抑制することができる。

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。上記実施形態では、容積型のポンプ１６ａ、１６ｂが用いられている。これに代えて、非容積型のポンプが用いられてもよい。この実施形態におけるＭＨＰ装置２については、特開２０１６−１１０１号の記載を参照により導入することができる。

図９において、熱機器１は、熱交換器３、４を有する。熱交換器３は、低温端または高温端の一方に得られる温度を利用する熱交換器である。熱交換器４は、低温端または高温端の他方に得られる温度を利用する熱交換器である。図示される実施形態では、熱輸送媒体が熱交換器３、４に供給されることによって冷房および／または暖房が提供されている。ＭＨＰ装置２は、動力源としてのモータ（ＭＴＲ）５を有する。モータ５は、磁場変調装置１４および熱輸送装置１６を駆動する。モータ５は、ポンプ５１６ａを駆動するように連結されている。ポンプ５１６ａは、非容積型のポンプである。ポンプ５１６ａは、一方向へ熱輸送媒体を流す一方向ポンプである。ポンプ５１６ａは、ベーンポンプ、タービンポンプなどによって提供可能である。

ＭＨＰ装置２は、複数の作業室１１を区画するロータ７を有する。複数の作業室１１は、周方向に沿って仕切られている。作業室１１にはＭＣＥ素子１２が配置されている。ロータ７は、複数の作業室１１と複数のＭＣＥ素子１２とを有する複数の素子ベッドを提供する。ロータ７は、モータ５によって回転されるようにモータ５と連結されている。ＭＨＰ装置２は、ステータ８を有する。ハウジング６とステータ８は、永久磁石１３を有する。永久磁石１３は、複数の作業室１１のうちの、周方向における一部だけに磁場を供給するように配置されている。ＭＨＰ装置２は、熱輸送媒体の通路を切り換えるための弁機構１８、１９を有する。弁機構１８、１９は、ハウジング６とロータ７との間に設けられている。弁機構１８、１９は、作業室１１内における熱輸送媒体の流れ方向を切り換える。弁機構１８、１９は、ロータ７の回転に同期して通路を切り換える。この実施形態では、ロータ７の回転に同期して磁場の変動と、熱輸送媒体の流れ方向の切り換えとが提供される。

磁場変調装置１４は、ロータ７と永久磁石１３とによって提供されている。磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流れるときに、ＭＣＥ素子１２が強い磁場の中に位置付けられるように、ＭＣＥ素子１２を第１位置に位置付ける。第１方向は、低温端から高温端に向かう方向である。磁場変調装置１４は、作業室１１の一端がポンプ５１６ａの吸入口に連通し、作業室１１の他端がポンプ５１６ａの吐出口に連通するときに、その作業室１１の中のＭＣＥ素子１２が強い磁場の中に置かれるようにＭＣＥ素子１２を第１位置に位置付ける。

磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体が流れるときに、ＭＣＥ素子１２が弱い磁場またはゼロ磁場の中に位置付けられるように、ＭＣＥ素子１２を第２位置に位置付ける。第２方向は、高温端から低温端に向かう方向である。磁場変調装置１４は、作業室１１の一端がポンプ５１６ａの吐出口に連通し、作業室１１の他端がポンプ５１６ａの吸入口に連通するときに、ＭＣＥ素子１２が弱い磁場またはゼロ磁場の中に置かれるようにＭＣＥ素子１２を第２位置に位置付ける。

熱輸送装置１６は、ポンプ５１６ａ、ロータ７、弁機構１８、１９、および通路によって提供されている。弁機構１８、１９は、ひとつの作業室１１およびひとつのＭＣＥ素子１２に関する熱輸送媒体の流れ方向を反転させるように、作業室１１に対して熱輸送媒体の流路を切換える。弁機構１８、１９は、通路とポンプ５１６ａとの接続関係を切換えている。言い換えると、弁機構１８、１９は、ポンプ５１６ａによって生成される熱輸送媒体の一方向の流れ通路の中における作業室１１の配置を流れ方向に関して反転させる。

弁機構１８、１９は、ポンプ５１６ａを含む環状の流路の中における往路と復路とにひとつの作業室１１を交互に位置付ける。弁機構１８、１９は、ひとつの作業室１１およびひとつのＭＣＥ素子１２と、ポンプ５１６ａを含む環状の通路との接続関係を少なくとも２つの状態に切換える。第１の状態は、作業室１１の一端がポンプ５１６ａの吸入口に連通し、作業室１１の他端がポンプ５１６ａの吐出口に連通した状態である。第２の状態は、作業室１１の一端がポンプ５１６ａの吐出口に連通し、作業室１１の他端がポンプ５１６ａの吸入口に連通した状態である。弁機構１８、１９は、ＭＣＥ素子１２に対して熱輸送媒体を往復的に流すように、通路を切換える通路切換機構を提供する。

具体的には、弁機構１８、１９は、ひとつの作業室１１およびＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に位置付ける。弁機構１８、１９は、第１位置にあるＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体を流すように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を流れ経路に連通させる。弁機構１８、１９は、第２位置にあるＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体を流すように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を流れ経路に連通させる。弁機構１８、１９は、ＭＣＥ素子１２に対して熱輸送媒体を往復的に流すように、ポンプ５１６ａを含む熱輸送媒体の流れ経路と、ＭＣＥ素子１２、すなわち作業室１１との接続状態を切換える。

弁機構１８、１９は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第１位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流れるように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１と流路とを接続する。弁機構１８、１９は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第１位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１の一端とポンプ５１６ａの吸入口とを連通し、他端とポンプ５１６ａの吐出口とを連通する。

弁機構１８、１９は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第２位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体が流れるように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１と流路とを接続する。弁機構１８、１９は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第２位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１の一端とポンプ５１６ａの吐出口とを連通し、他端とポンプ５１６ａの吸入口とを連通する。

ＭＨＰ装置２は、アキュムレータ５３８を有する。アキュムレータ５３８は、ポンプ５１６ａの吸入部において通路に連通している。アキュムレータ５３８は、熱輸送媒体が飽和蒸気圧Ｐｓよりも予圧Ｐｐだけ加圧された状態を維持する。

図１０において、図９のＸ−Ｘ断面における通路の対応関係が示されている。ロータ７が回転することにより、複数の作業室１１は、弁機構１８が提供する複数のポートに順に連通する。これにより、弁機構１８は、複数の作業室１１における熱輸送媒体の流れ方向を切り換える。同時に、ロータ７が回転することにより、複数の作業室１１は、永久磁石１３に近い位置と、永久磁石１３から離れた位置とを順に通過する。これにより、永久磁石１３は、作業室１１内のＭＣＥ素子１２に磁場を供給する状態と、作業室１１内のＭＣＥ素子１２に磁場を供給しない状態とを切り換える。

図１１は、熱輸送媒体の通路上の複数の位置Ｐａ−Ｐｇにおける熱輸送媒体の圧力ＰＲＳを示す。実線ＥＭＢ５は、この実施形態の圧力を示す。熱輸送媒体は、予圧Ｐｐだけ加圧されている。熱輸送媒体は、位置Ｐａと位置Ｐｂとの間において、ひとつの作業室１１を通過する。作業室１１において比較的大きい圧力損失が発生する。熱輸送媒体は、位置Ｐｂと位置Ｐｃとの間において、熱交換器４を通過する。熱交換器４においても圧力損失が発生する。熱輸送媒体は、位置Ｐｃと位置Ｐｄとの間においても、他のひとつの作業室１１を通過する。この作業室１１においても、比較的大きい圧力損失が発生する。熱輸送媒体は、位置Ｐｄと位置Ｐｆとの間において、熱交換器３を通過する。熱交換器３においても圧力損失が発生する。熱輸送媒体は、位置Ｐｆを通過して、位置Ｐｇに到達する。熱輸送媒体は、位置Ｐｇからポンプ５１６ａによって加圧され、再び位置Ｐａへ供給される。

図示されるように、予圧Ｐｐによって、熱輸送媒体の圧力は、飽和蒸気圧Ｐｓを上回るように維持されている。これによりキャビテーションが抑制される。一方、予圧Ｐｐがない場合、破線ＣＭＰで示されるように、熱輸送媒体の圧力は、飽和蒸気圧Ｐｓを下回る場合がある。この場合、キャビテーションが発生する。

この実施形態では、一方向ポンプ５１６ａの吸入部における熱輸送媒体の圧力が飽和蒸気圧Ｐｓ以上に維持されている。この実施形態によると、非容積型のポンプ５１６ａが用いられる場合でも、予圧Ｐｐはキャビテーションを抑制する。

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。上記実施形態では、ＭＨＰ装置２は、通路の一方の端部に設けられたひとつのポンプ５１６ａを有する。これに代えて、ＭＨＰ装置２は、通路の両方の端部に設けられた複数のポンプを有していてもよい。

図１２において、ＭＨＰ装置２は、ポンプ６１６ｂを有する。ポンプ６１６ｂは、熱交換器４と弁機構１９との間に設けられている。ポンプ６１６ｂは、非容積型のポンプである。ＭＨＰ装置２は、ひとつの作業室１１に熱輸送媒体を流すためのポンプ５１６ａを有する。さらに、ＭＨＰ装置２は、他の作業室１１に熱輸送媒体を流すためのポンプ６１６ｂを有する。ポンプ５１６ａ、６１６ｂは、比較的圧力損失が大きい作業室１１の上流に配置されている。この実施形態でも、熱輸送媒体は予圧Ｐｐだけ加圧されている。よって、ポンプ５１６ａ、６１６ｂは、熱輸送媒体の圧力低下を抑制する。熱輸送媒体の圧力が飽和蒸気圧を下回ることが抑制される。

図１１に戻り、この実施形態による各部への圧力は、一点鎖線ＥＭＢ６によって示されている。熱輸送媒体は、位置Ｐｃの後にポンプ６１６ｂによって加圧される。熱輸送媒体は、ポンプ６１６ｂを通過した後に、作業室１１を通過する。熱輸送媒体の圧力は作業室１１における圧力損失によって低下するが、飽和蒸気圧を下回ることはない。この実施形態でもキャビテーションが抑制される。

他の実施形態
この明細書における開示は、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態様を包含する。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、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と解されるべきである。

例えば、上記実施形態では、熱機器１として車両用空調装置が例示されている。これに代えて、熱機器１は、住宅用の空調装置でもよい。また、熱機器１は、水を加熱する給湯装置でもよい。また、上記実施形態では、室外の空気を主要な熱源とするＭＨＰ装置２を説明した。これに代えて、水、土などの他の熱源を主要熱源として利用してもよい。

上記実施形態では、熱磁気サイクル装置として、ＭＨＰ装置２を例示した。これに代えて、熱磁気サイクル装置は、熱磁気エンジン装置でもよい。例えば、上記実施形態のＭＨＰ装置２の磁場変化と熱輸送媒体の流れとの位相を調節することにより熱磁気エンジン装置を提供することができる。

上記実施形態では、作業室１１とＭＣＥ素子１２とを有するロータ７が回転する構成を採用した。ロータ７は、素子ベッドでもある。これに代えて、素子ベッドと磁場変調装置１４との間の相対的な回転と、素子ベッドと流路切換機構１８との間の相対的な回転とを提供するための多様な構成を採用することができる。例えば、素子ベッドを静止させておき、永久磁石１３を含む磁場変調装置を素子ベッドに対して相対的に回転移動させてもよい。これにより、ひとつのＭＣＥ素子１２に与えられる磁場を変動させることができる。また、素子ベッドを静止させておき、弁機構１８、１９を提供する部材を素子ベッドに対して相対的に回転させてもよい。

上記実施形態では、熱輸送媒体は、作業室１１内に充填されるときに加圧されている。よって、ＭＨＰ装置２が作動しているときと停止しているときとの両方において加圧されている。これに代えて、熱輸送媒体は、ＭＨＰ装置２が作動しているときにだけ、予圧Ｐｐだけ加圧されてもよい。例えば、ＭＨＰ装置２停止しているときには、熱輸送媒体の圧力を大気圧に減圧してもよい。このような構成は、熱輸送媒体の漏れを抑制し、シール機構の簡単化を可能とする。

図８に図示される実施形態では、容積型のポンプ１６ａが用いられている。これに代えて、非容積型のポンプ５１６ａ、６１６ａと、流路切換機構としての弁機構１８、１９が用いられてもよい。また、図４に図示される実施形態における圧力維持機構２３１は、図７または図８に図示される実施形態に採用されてもよい。

１ 熱機器、 ２ 磁気熱量効果型ヒートポンプ（ＭＨＰ）装置、
３、４ 熱交換器、 ５ 動力源（電動機）、 ６ ハウジング、
７ ロータ、 ８ ステータ、 １１ 作業室、
１２ 磁気熱量（ＭＣＥ）素子、 １３ 永久磁石、 １４ 磁場変調装置、
１６ 熱輸送装置、 １６ａ、１６ｂ ポンプ、 １８、１９ 弁機構、
２１ ピストン、 ２２ クランク、 ２３ コンロッド、 ２４ ピン、
２３１ 圧力維持機構、 ２３２ スロット、
３３３、３３４ アキュムレータ、
４３５ ダンパ機構、 ４３６ ピストン、 ４３７ 背圧機構、
５１６ａ ポンプ、 ５３８ アキュムレータ、
６１６ｂ ポンプ。

Claims (12)

1. 磁気熱量効果を発揮する磁気熱量素子（１２）と、
   前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を流すための通路（１１）を区画形成する通路部材（６）と、
   前記熱輸送媒体の圧力が前記熱輸送媒体の飽和蒸気圧（Ｐｓ）以上に維持されるように、かつ前記熱輸送媒体が前記磁気熱量素子と熱交換するように前記熱輸送媒体を流す熱輸送装置（１６）とを備える熱磁気サイクル装置。
2. 前記熱輸送媒体は、前記飽和蒸気圧（Ｐｓ）よりも予圧（Ｐｐ）だけ高い圧力に加圧されており、前記予圧は前記熱輸送装置が通常作動において生成する圧力の振幅（ΔＰ／２）以上である請求項１に記載の熱磁気サイクル装置。
3. さらに、前記熱輸送媒体の圧力が前記飽和蒸気圧（Ｐｓ）以上に維持されるように、前記通路内における前記熱輸送媒体の減圧を抑制する圧力維持機構（２３１、３３３、３３４、４３７、５３８）を備える請求項１または請求項２に記載の熱磁気サイクル装置。
4. 前記熱輸送装置は、往復移動可能なピストン（２１）と、前記ピストンを往復駆動する駆動機構（２２、２３）とを備え、前記磁気熱量素子に沿って前記熱輸送媒体の往復流を生成するピストンポンプ（１６ａ、１６ｂ）を有し、
   前記圧力維持機構は、前記ピストンを所定の幅（ＢＬ）にわたって浮動可能とする浮動機構（２３１）を備える請求項３に記載の熱磁気サイクル装置。
5. 前記熱輸送装置は、前記ピストンに前記通路から作用する前記熱輸送媒体の圧力に抗して、前記ピストンを前記通路に向けて押す背圧機構を備える請求項４に記載の熱磁気サイクル装置。
6. 前記背圧機構は、前記ピストンに大気圧（Ｐａｔｍ）を作用させるように構成されており、前記ピストンは、前記熱輸送媒体の圧力と前記大気圧とが平衡するように前記駆動機構から浮動する請求項５に記載の熱磁気サイクル装置。
7. 前記熱輸送装置は、
   前記通路の一端に設けられ、当該一端において前記熱輸送媒体を流入、流出させることにより、前記磁気熱量素子に沿って前記熱輸送媒体の往復流を生成するポンプ（１６ａ、１６ｂ、５１６ａ、５１６ｂ）と、
   前記通路の他端に設けられ、前記熱輸送媒体の圧力の増減に応答して前記他端における容積を増減させる可変容積機構（４３５）とを備え、
   前記圧力維持機構は、前記熱輸送媒体の圧力が前記飽和蒸気圧（Ｐｓ）以上に維持されるように前記可変容積機構に背圧を与える背圧機構（４３７）を備える請求項３に記載の熱磁気サイクル装置。
8. 前記熱輸送装置は、
   前記通路における前記磁気熱量素子の一方の端部に、または両方の端部に設けられており、前記熱輸送媒体を一方向に流す一方向ポンプ（５１６ａ、６１６ｂ）と、
   前記磁気熱量素子に対して前記熱輸送媒体を往復的に流すように、前記通路と前記一方向ポンプとの接続関係を切換える通路切換機構（１８、１９）とを備え、
   前記一方向ポンプの吸入部における前記熱輸送媒体の圧力が前記飽和蒸気圧（Ｐｓ）以上に維持されている請求項３に記載の熱磁気サイクル装置。
9. さらに、前記通路内における前記熱輸送媒体を加圧状態に維持するアキュムレータ（３３３、３３４、５３８）を備える請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
10. 前記アキュムレータは、前記磁気熱量素子の一方の端部、もしくは両方の端部において前記通路に連通しているか、または、前記熱輸送装置に設けられ前記熱輸送媒体を流すポンプの吸入部において前記通路に連通している請求項９に記載の熱磁気サイクル装置。
11. 前記磁気熱量素子は、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子であり、
    さらに、前記磁気熱量素子に高温端と低温端とを生成するように、前記磁気熱量素子に印加される前記外部磁場を変調する磁場変調装置（１４）とを備える請求項１から請求項１０のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
12. 前記熱輸送媒体の圧力は、大気圧（Ｐａｔｍ）以上に維持されている請求項１から請求項１１のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。

Images