JP6790844B2 - 磁気熱量効果素子および熱磁気サイクル装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、磁気熱量効果素子および熱磁気サイクル装置に関する。

特許文献１、特許文献２、および特許文献３は、熱磁気サイクル装置を開示する。これらの特許文献は、カスケード接続された磁気熱量効果素子を利用している。カスケード接続された磁気熱量効果素子は、高い磁気熱量効果を発揮する高効率温度帯が異なる複数の部分素子を有している。複数の部分素子は、高効率温度帯が連続するように、直列的に配列されている。さらに、熱磁気サイクル装置は、磁気熱量効果素子と熱交換する作業流体を備えている。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２０１６−１０９４１２号公報 特開２０１６−９９０４０号公報 特開２０１６−８０２０５号公報

従来技術の構成では、磁気熱量効果素子の温度に応じて作業流体の粘度が変化する。作業流体の粘度の変化は、低温部における作業流体の流通抵抗の増加を生じる。流通抵抗の増加は、熱交換性能の低下を招くことがある。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、磁気熱量効果素子および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、作業流体の粘度の変化に伴う影響が抑制された磁気熱量効果素子および熱磁気サイクル装置を提供することである。

この開示により、磁気熱量効果素子が提供される。開示される磁気熱量効果素子は、複数の部分素子（３２ｎ）を備える。複数の部分素子は、互いに異なるキュリー温度が単調増加するようにカスケード接続されており、隣接する２つの部分素子は、低温側に位置付けられた低温素子（３２ｃ、２３２ｃ）、および、高温側に位置付けられた高温素子（３２ｈ）を備える。低温素子は、熱輸送媒体と熱交換するように、熱輸送媒体を流すための低温通路（３７ｃ、３３７ｃ、４３７ｃ、５３７ｃ、６３７ｃ、７３７ｃ）と接しており、高温素子は、熱輸送媒体と熱交換するように、熱輸送媒体を流すための高温通路（３７ｈ、５３７ｈ、６３７ｈ）と接している。カスケード接続された複数の部分素子のひとつである低温素子と接する低温通路と、カスケード接続された複数の部分素子のひとつであり、かつ、低温素子に隣接している高温素子と接する高温通路とは、互いに連通しており、低温通路は、高温通路の断面積（Ａ２、Ａ６、Ａ８）より大きい断面積（Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７、Ａ９）を有する。

開示される磁気熱量効果素子は、複数の部分素子をカスケード接続することにより提供されている。複数の部分素子の中には、低温素子と高温素子とが隣接している。低温素子は、低温通路と接し、高温素子は、高温通路と接している。熱輸送媒体は、低温通路および高温通路を流れる。低温通路の断面積は、高温通路の断面積より大きい。熱輸送媒体の温度が低くなると、熱輸送媒体の粘度が高くなる。低温通路において熱輸送媒体の粘度が高くなっても、低温通路における流路抵抗の増加が抑制される。

この開示により、熱磁気サイクル装置が提供される。熱磁気サイクル装置は、上記磁気熱量効果素子（３２）と、磁気熱量効果素子と熱交換し、低温ほど粘度が増加する熱輸送媒体（３３）と、磁気熱量効果素子に与えられる磁場を強弱に変化させる磁場変調装置（４０）と、磁気熱量効果素子に対する熱輸送媒体の相対的な移動を生じさせる熱輸送装置（５０）とを備える。

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。

熱磁気サイクル装置のブロック図である。 磁気熱量効果素子の斜視図である。 第１実施形態の流路を示す断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 第２実施形態の流路を示す断面図である。 第３実施形態の流路を示す断面図である。 第４実施形態の流路を示す断面図である。 第５実施形態の流路を示す断面図である。 第６実施形態の流路を示す断面図である。 第７実施形態の流路を示す断面図である。

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実施形態は熱機器の一例である車両用空調装置１０を提供する。車両用空調装置１０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１０は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２０を備える。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２０はＭＨＰ（Magneto-caloric effect Heat Pump）装置２０とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２０は、熱磁気サイクル装置を提供する。

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２０は、素子ベッド３０、磁場変調装置（ＭＧＦＭ）４０、および熱輸送装置（ＴＨＦＭ）５０を有する。素子ベッド３０は、容器３１の中に磁気熱量効果素子３２を有する。磁気熱量効果素子３２は、ＭＣＥ（Magneto-Caloric Effect）素子３２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２０は、ＭＣＥ素子３２の磁気熱量効果を利用する。素子ベッド３０は、容器３１の中に作業流体としての熱輸送媒体３３を有する。磁場変調装置４０と熱輸送装置５０とは、ＭＣＥ素子３２と熱輸送媒体３３とをＡＭＲ(ActiveMagnetic Refrigeration)サイクルとして機能させる。磁場変調装置４０と熱輸送装置５０とは、磁場の変化と、熱輸送媒体３３の往復流れとを同期的に発生させる。磁場変調装置４０と熱輸送装置５０とは、例えば、動力源としての電動機を備えることができる。ＭＨＰ装置２０は、ＭＣＥ素子３２に対する、磁場の変化と熱輸送媒体３３の往復流との位相を調節する位相調節器を備えていてもよい。

これら素子ベッド３０、磁場変調装置４０、および熱輸送装置５０の説明として、特許文献に列挙した先行技術文献の記載を参照により導入する。

ＭＣＥ素子３２は、ＡＭＲサイクルとして機能することにより、低温端３４と高温端３５とを生成する。低温端３４と高温端３５とは、ＭＣＥ素子３２の両端に表れる。ＭＨＰ装置２０は、低温端３４が所定の低温ＴＬとなり、かつ高温端３５が所定の高温ＴＨとなるようにＡＭＲサイクルとして機能する。

ＭＣＥ素子３２は、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる。ＭＣＥ素子３２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３２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３２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３２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。

図２は、ＭＣＥ素子３２の斜視図である。ＭＣＥ素子３２は、磁気熱量効果を発揮する材料の塊である。ＭＣＥ素子３２は、材料の粒の集合体である。ＭＣＥ素子３２は、バインダ樹脂により固められた接着物、または材料の粒を焼結した焼結体により提供されている。ＭＣＥ素子３２は、複数の通路壁３６を有する。通路壁３６は、熱輸送媒体３３を流すための通路３７を区画し形成している。通路３７は、マイクロチャネルと呼ばれる。マイクロチャネルは、ＭＣＥ素子３２と熱輸送媒体３３との間の熱交換を提供する。通路３７は、ＭＣＥ素子３２の長さ方向ＬＤに沿って延びている。長さ方向ＬＤは、熱輸送媒体３３の流れ方向に対応している。通路３７の断面は、高さ方向ＨＤまたは幅方向ＷＤに長手軸を有する長方形である。

ＭＣＥ素子３２は、カスケード接続された複数の部分素子３２ｎを有する。複数の部分素子３２ｎは、材料、組成比などが互いに異なっている。複数の部分素子３２ｎは、ＭＣＥ素子３２の長手方向、すなわち熱輸送媒体３３の流れ方向に沿って配置されている。部分素子３２ｎが高い磁気熱量効果を発揮する温度帯は、高効率温度帯と呼ばれる。複数の部分素子３２ｎは、低温端３４と高温端３５との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されている。複数の部分素子３２ｎの複数の高効率温度帯は、互いに異なる。複数の高効率温度帯は、所定の負荷温度差の範囲を覆うように分布している。複数の部分素子３２ｎは、複数の高効率温度帯が連続するように直列的に接続されている。

複数の部分素子３２ｎのそれぞれを構成する材料は、キュリー温度が異なる。キュリー温度は、常磁性状態と強磁性状態との変化点である。カスケード接続された複数の部分素子３２ｎは、それらのキュリー温度が単調増加するように、直列に配置されている。なお、２つの主要な部分素子３２ｎにわたって中間的なキュリー温度の補助的な部分素子３２ｎを重複的に配置してもよい。

複数の部分素子３２ｎは、異なる温度帯において高い磁気熱量効果（ΔＳ（Ｊ／ｋｇＫ））を発揮する。低温端３４に近い部分は、定常運転状態において低温端３４に現れる温度の近傍において高い磁気熱量効果を発揮する材料組成を有する。高温端３５に近い部分は、定常運転状態において高温端３５に現れる温度の近傍において高い磁気熱量効果を発揮する材料組成を有する。中温部に近い部分は、定常運転状態において中温部に現れる温度の近傍において高い磁気熱量効果を発揮する材料組成を有する。

図１に戻り、熱輸送媒体３３は、ＭＣＥ素子３２と熱交換する。熱輸送媒体３３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。

磁場変調装置４０は、ＭＣＥ素子３２に外部磁場を与えるとともに、ＭＣＥ素子３２に与えられる磁場を強弱に変化させる。磁場変調装置４０は、ＭＣＥ素子３２を強い磁界内に置く励磁状態と、ＭＣＥ素子３２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４０は、ＭＣＥ素子３２が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間、およびＭＣＥ素子３２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４０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５０は、ＭＣＥ素子３２に対する熱輸送媒体３３の相対的な移動を生じさせる。熱輸送装置５０は、ＭＣＥ素子３２が放熱または吸熱する熱を輸送するための熱輸送媒体を流すための流体機器を備える。熱輸送装置５０は、ＭＣＥ素子３２と熱交換する熱輸送媒体をＭＣＥ素子３２に沿って流す装置である。熱輸送装置５０は、ＭＣＥ素子３２に高温端と低温端とを生成するように、ＭＣＥ素子３２と熱輸送媒体３３との相対的な変位を生じさせる。この相対的な変位は、ＭＣＥ素子３２に対する熱輸送媒体３３の往復流によって提供される。熱輸送装置５０は、ＭＣＥ素子３２の移動、または熱輸送媒体３３の流れによって提供される。

車両用空調装置１０は、ＭＨＰ装置２０によって得られた低温ＴＬを輸送する低温系統（ＣＳ）６０を備える。低温系統６０は、ＭＨＰ装置２０によって得られた低温を利用する熱機器でもある。ＭＨＰ装置２０は、ＭＨＰ装置２０によって得られた高温ＴＨを輸送する高温系統（ＨＳ）７０を備える。高温系統７０は、ＭＨＰ装置２０によって得られた高温を利用する熱機器でもある。低温系統６０と高温系統７０とは、熱輸送媒体３３を一次媒体とし、この一次媒体と二次媒体との間の熱交換を提供する熱交換器を備えることができる。低温系統６０は、低温端３４に熱を持ち込み、低温端３４を加熱する機器でもある。高温系統７０は、高温端３５から熱を持ち去り、高温端３５を冷却する機器でもある。

車両用空調装置１０は、制御装置（ＣＮＴ）８０を備える。制御装置８０は、磁場変調装置４０および熱輸送装置５０などの車両用空調装置１０の機器を制御する。制御装置８０は、電子制御装置（Electronic Control Unit）である。制御装置８０は、少なくともひとつの演算処理装置（ＣＰＵ）と、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体としての少なくともひとつのメモリ装置とを有する。制御装置８０は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを非一時的に格納する非遷移的実体的記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって提供されうる。制御装置８０は、ひとつのコンピュータ、またはデータ通信装置によってリンクされた一組のコンピュータ資源によって提供されうる。プログラムは、制御装置８０によって実行されることによって、制御装置８０をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される方法を実行するように制御装置８０を機能させる。

図３は、隣接する２つの部分素子３２ｎの断面を示している。図中には、隣接する２つの部分素子３２ｎであって、低温側に位置付けられた低温素子３２ｃと、高温側に位置付けられた高温素子３２ｈとの断面が図示されている。断面は、ＭＣＥ素子３２の長さ方向ＬＤに対して垂直な断面である。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線における断面を示している。図中には、低温素子３２ｃの断面と、低温通路３７ｃの中に見える高温素子３２ｈの端面とが図示されている。

互いに隣接する２つの部分素子３２ｎは、低温素子３２ｃと、高温素子３２ｈとを提供する。隣接する２つの部分素子３２ｎのうち、低温側の部分素子３２ｎは、低温素子３２ｃである。隣接する２つの部分素子３２ｎのうち、高温側の部分素子３２ｎは、高温素子３２ｈである。低温素子３２ｃは、高温素子３２ｈよりも、低温端３４に近い。高温素子３２ｈは、低温素子３２ｃよりも、高温端３５に近い。

低温素子３２ｃと高温素子３２ｈとは、ＭＣＥ素子３２の中の低温領域と常温領域との境界の両側に位置付けられている。この実施形態では、複数の部分素子３２ｎが低温領域に位置付けられる場合、それらは低温素子３２ｃと同じ断面を有する。複数の部分素子３２ｎが常温領域および高温領域に位置付けられる場合、それらは高温素子３２ｈと同じ断面を有する。

低温領域は、熱輸送媒体３３の粘度がＭＨＰ装置２０の性能に悪影響を及ぼすぐらいに低下する領域として、設定することができる。例えば、低温端３４の温度と高温端３５の温度との間のうち、熱輸送媒体３３の粘性が相対的に急増していると判定できる範囲を、低温領域として設定することができる。例えば、熱輸送媒体３３がエチレングリコールまたはグリセリンのような不凍液である場合、０℃を下回る範囲が低温領域として設定される。

低温素子３２ｃと高温素子３２ｈとの間の境界は、複数の部分素子３２ｎの中の任意の位置に見出すことができる。低温素子３２ｃと高温素子３２ｈとの境界は、複数の部分素子３２ｎの中に少なくとも１箇所見出すことができる。この実施形態では、低温領域に位置付けられたひとつまたは２つ以上の部分素子３２ｎが、低温素子３２ｃと同じ断面を有する。常温領域および高温領域に位置付けられた残りのひとつまたは２つ以上の部分素子３２ｎが、高温素子３２ｈと同じ断面を有する。

複数の部分素子３２ｎは、ひとつの低温素子３２ｃを有する。複数の部分素子３２ｎは、低温素子３２ｃより高温側に隣接して位置付けられた高温素子３２ｈを有する。言い換えると、複数の部分素子３２ｎは、ひとつの高温素子３２ｈを有する。複数の部分素子３２ｎは、高温素子３２ｈより低温側に隣接して位置付けられた低温素子３２ｃを有する。

低温素子３２ｃと高温素子３２ｈとは、それらの断面によっても特徴付けられている。低温素子３２ｃは、熱輸送媒体３３と熱交換するように、熱輸送媒体３３を流すための低温通路３７ｃと接している。低温素子３２ｃは、複数の低温通路３７ｃを有している。低温通路３７ｃは、通路壁３６によって区画され形成されている。高温素子３２ｈは、熱輸送媒体３３と熱交換するように、熱輸送媒体３３を流すための高温通路３７ｈと接している。高温素子３２ｈは、複数の高温通路３７ｈを有している。高温通路３７ｈは、通路壁３６によって区画され形成されている。

低温通路３７ｃの断面は、第１断面積Ａ１を有する。高温通路３７ｈの断面は、第２断面積Ａ２を有する。低温通路３７ｃは、高温通路３７ｈの第２断面積Ａ２より大きい第１断面積Ａ１を有する。複数の部分素子３２ｎは、温度が低下するにつれて、徐々に大きくなる断面積を有していてもよい。

低温通路３７ｃの断面は、高さ方向ＨＧに長手軸を有する長方形である。高温通路３７ｈの断面は、幅方向ＷＧに長手軸を有する長方形である。低温通路３７ｃの長手軸と高温通路３７ｈの長手軸とは交差している。ひとつの低温通路３７ｃは、複数の高温通路３７ｈにわたって開口している。複数の低温通路３７ｃがこのように開口している。ひとつの高温通路３７ｈは、複数の低温通路３７ｃにわたって開口している。複数の高温通路３７ｈがこのように開口している。

低温通路３７ｃの断面と高温通路３７ｈの断面とは、ひとつの低温通路３７ｃの中に、ひとつまたは２つ以上の高温通路３７ｈが見えるように位置付けられている。低温通路３７ｃの断面と高温通路３７ｈの断面とは、ひとつの低温通路３７ｃが複数の高温通路３７ｈに分岐するように位置付けられている。低温通路３７ｃの断面と高温通路３７ｈの断面とは、ひとつの高温通路３７ｈが複数の低温通路３７ｃに分岐するように位置付けられている。ひとつの高温通路３７ｈと、複数の低温通路３７ｃとが連通している。

低温通路３７ｃの断面と高温通路３７ｈの断面とは、ひとつの低温通路３７ｃの中に、高温素子３２ｈの端面のうちの、ひとつまたは２つ以上の板状端面３８ｈが見えるように位置付けられている。低温通路３７ｃの断面と高温通路３７ｈの断面とは、ひとつの低温通路３７ｃの中に、高温素子３２ｈの複数の板状端面３８ｈが見えるように位置付けられている。低温通路３７ｃの断面と高温通路３７ｈの断面とは、ひとつの高温通路３７ｈの中に、低温素子３２ｃの複数の板状端面３８ｃが見えるように位置付けられている。

低温通路３７ｃと高温通路３７ｈとは、長さ方向ＬＤに関して直線的に連通するように位置付けられている。低温通路３７ｃは、低温素子３２ｃの端面によって、高温通路３７ｈの一部を遮るように位置付けられている。言い換えると、高温通路３７ｈは、高温素子３２ｈの端面によって、低温通路３７ｃの一部を遮るように位置付けられている。

ＭＨＰ装置２０が機能するとき、磁場変調装置４０と熱輸送装置５０とが活性化される。磁場変調装置４０が活性化すると、ＭＣＥ素子３２に与えられる磁場が強弱に変化する。熱輸送装置５０が活性化すると、ＭＣＥ素子３２と熱輸送媒体３３との相対的な位置が往復に変化する。磁場変化と、位置変化とは、同期している。これにより、ＭＣＥ素子３２および熱輸送媒体３３とは、ＡＭＲサイクルとして機能する。この結果、低温端３４において所定の低温ＴＬが得られ、高温端３５において所定の高温ＴＨが得られる。低温ＴＬは低温系統６０によって運び出される。高温ＴＨは高温系統７０によって運び出される。低温系統６０は、車両用空調装置１０における冷房装置を提供する場合がある。高温系統７０は、車両用空調装置１０における暖房装置を提供する場合がある。

熱輸送媒体３３の温度は、低温端３４の近傍では、低温ＴＬとなり、高温端３５の近傍では高温ＴＨとなる。この結果、熱輸送媒体３３の粘度は、低温端３４と高温端３５との間において変化する。典型的な例では、熱輸送媒体３３の粘度は、低温端３４で高く、高温端３５で低い。低温端３４の近傍における熱輸送媒体３３の粘度は、高温端３５の近傍における熱輸送媒体３３の粘度より高い。よって、低温通路３７ｃにおける熱輸送媒体３３の粘度は、高温通路３７ｈにおける熱輸送媒体３３の粘度より高い。熱輸送媒体３３は、ＭＣＥ素子３２と熱交換し、低温ほど粘度が増加する。

この実施形態では、低温通路３７ｃの断面積Ａ１は、高温通路３７ｈの断面積Ａ２より大きい（Ａ１＞Ａ２）。一方、熱輸送媒体３３は、ＭＣＥ素子３２に対して往復流である。このため、低温通路３７ｃにおける熱輸送媒体３３の流速は、高温通路３７ｈにおける熱輸送媒体３３の流速より低下する。低温通路３７ｃにおける熱輸送媒体３３の移動距離（流路長さ）は、高温通路３７ｈにおける熱輸送媒体３３の移動距離より短い。この結果、熱輸送媒体３３が低温通路３７ｃにおいて相対的に高い粘度を示しても、低温通路３７ｃにおける流通抵抗の増加が抑制される。 低温通路３７ｃと高温通路３７ｈとの間における断面形状の変化は、熱輸送媒体３３の流れに変化を与える。低温通路３７ｃと高温通路３７ｈとの間における断面形状の変化は、熱輸送媒体３３の流れを撹拌する。このため、熱交換性能の向上が図られる。

さらに、低温素子３２ｃから高温素子３２ｈへ熱輸送媒体３３が流れるとき、複数の板状端面３８ｈは、熱輸送媒体３３の流れに変化を与える。例えば、板状端面３８ｈは、熱輸送媒体３３の流れを撹拌する。この結果、熱交換性能を高める。特に、高温素子３２ｈから低温素子３２ｃへ熱輸送媒体３３が流れるとき、複数の板状端面３８ｃは、熱輸送媒体３３の流れを撹拌する。この結果、低温素子３２ｃと熱交換媒体３３との間の熱交換性能が高められる。

以上に述べた実施形態によると、熱輸送媒体３３の粘度が低温通路３７ｃにおいて高くても、低温通路３７ｃにおける熱輸送媒体３３の流通抵抗の増加が抑制される。この結果、熱交換媒体３３の粘度の変化に伴う流通抵抗の変化を抑制した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、低温素子３２ｃと高温素子３２ｈとは、同じ長さを有している。これに代えて、この実施形態では、低温素子２３２ｃの長さＬｃは、高温素子３２ｈの長さＬｈより短い。

図５は、長さ方向ＬＤにおける複数の部分素子３２ｎの配置を示している。低温素子２３２ｃの断面と、高温素子３２ｈの断面とは、先行する実施形態と同じである。

低温素子２３２ｃは、長さ方向ＬＤに関して長さＬｃを有する。高温素子３２ｈは、長さ方向ＬＤに関して長さＬｈを有する。長さＬｃは、長さＬｈより短い。低温素子２３２ｃは、高温素子３２ｈの長さ方向ＬＤの長さＬｈより短い長さＬｃを有する。長さＬｃ、Ｌｈは、熱輸送媒体３３の移動距離に対応している。

複数の低温素子２３２ｃは、高効率温度帯が異なる。低温素子２３２ｃが分担する温度差（高効率温度帯）は、高温素子３２ｈが分担する温度差（高効率温度帯）より小さい。例えば、低温素子２３２ｃが分担する温度差は２℃であり、高温素子３２ｈが分担する温度差は４℃である。

別の観点では、複数の低温素子２３２ｃは、キュリー温度が異なる。複数のキュリー温度は、低温端３４の低温ＴＬと高温端３５の高温ＴＨとの間の温度差を、数℃の幅に刻んでいる。隣接する２つの部分素子３２ｎの２つのキュリー温度の差は、刻み幅と呼ぶことができる。低温領域を占める複数の低温素子２３２ｃは、第１の刻み幅を提供する。常温領域および高温領域を占める複数の高温素子３２ｈは、第２の刻み幅を提供する。第１の刻み幅は、第２の刻み幅より小さい。

刻み幅は、低温素子２３２ｃと熱輸送媒体３３との相対的な移動距離に対応している。すなわち、低温素子２３２ｃの比較的大きい断面積Ａ１に起因する低い流速と短い移動距離は、比較的短い長さＬｃに対応している。

キュリー温度の刻み幅が小さいことにより、低温領域における磁気熱量効果の密度が高められる。これにより、低温素子２３２ｃと熱輸送媒体３３との間の熱交換量が増加する。

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、複数の部分素子３２ｎは、通路３７が直接的に連通するように直列に配置されている。これに代えて、この実施形態では、低温素子３２ｃと高温素子３２ｈとの間に、撹拌部材３３９が配置されている。

図６は、ＭＣＥ素子３２における複数の断面を示している。ＭＣＥ素子３２は、撹拌部材３３９を有する。撹拌部材３３９は、低温素子３２ｃと高温素子３２ｈとの間に直列に配置されている。撹拌部材３３９は、メッシュ状またはグリッド状と呼びうる形状である。撹拌部材３３９は、熱輸送媒体３３の流れと交差する部材を提供している。撹拌部材３３９は、スペーサとも呼ばれる。撹拌部材３３９は、樹脂製である。

低温素子３２ｃは、低温通路３３７ｃを有する。低温通路３３７ｃの断面は、幅方向ＷＤに長手軸を有する長方形である。低温通路３３７ｃの断面は、高温通路３３７ｈの断面と相似である。低温通路３３７ｃの断面積Ａ１は、高温通路３７ｈの断面積Ａ２より大きい。

撹拌部材３３９は、低温通路３３７ｃの中に複数の部材を位置付ける。撹拌部材３３９は、高温通路３７ｈの中に複数の部材を位置付ける。よって、低温通路３３７ｃと高温通路３７ｈとの間を往復的に流れる熱輸送媒体３３は、撹拌部材３３９によって撹拌される。この結果、低温素子３２ｃおよび高温素子３２ｈと、熱交換媒体３３との間の熱交換性能が高められる。なお、低温通路３３７ｃの断面は、先行する実施形態の低温通路３７ｃと同じでもよい。

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。上記実施形態では、低温素子３２ｃの断面と高温素子３２ｈの断面とは、同じ大きさである。これに代えて、この実施形態では、低温素子３２ｃの全体の断面積は、高温素子３２ｈの全体の断面積より大きい。

図７に図示されるように、高温素子３２ｈは、高さＨｈと幅Ｗｈとを有している。高温素子３２ｈは、高さＨｈと幅Ｗｈとで示される断面積（Ｈｈ×Ｗｈ）を有している。低温素子３２ｃは、高さＨｃと幅Ｗｃとを有している。低温素子３２ｃは、高さＨｃと幅Ｗｃとで示される断面積（Ｈｃ×Ｗｃ）を有している。この実施形態では、低温素子３２ｃの高さＨｃは、高温素子３２ｈの高さＨｈより大きい。なお、低温素子３２ｃの幅Ｗｃは、高温素子３２ｈの幅Ｗｈより大きくてもよい。この結果、低温素子３２ｃは、高温素子３２ｈの断面積（Ｈｈ×Ｗｈ）より大きい断面積（Ｈｃ×Ｗｃ）を有する。

低温通路４３７ｃは、断面積Ａ３を有する。断面積Ａ３は、断面積Ａ１より大きい。低温通路４３７ｃは、高温通路３７ｈの断面積Ａ２より大きい断面積Ａ３を有する。低温素子３２ｃは、高温素子３２ｈの高さ方向ＨＤの高さＨｈより大きい高さＨｃを有し、および／または、低温素子３２ｃは、高温素子３２ｈの幅方向の幅Ｗｈより大きい幅Ｗｃを有する。この実施形態によると、先行する実施形態より大きい低温通路４３７ｃを提供することができる。

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、ひとつの低温通路３７ｃと複数の高温通路３７ｈとが連通し、かつ、ひとつの高温通路３７ｈと複数の低温通路３７ｃとが連通している。これに代えて、この実施形態では、ひとつの低温通路５３７ｃと、ひとつの高温通路５３７ｈとが連通している。

図８は、低温素子３２ｃの断面と、高温素子３２ｈの断面とを示す。低温素子３２ｃは、通路壁３６によって、低温通路５３７ｃを区画形成している。ひとつの低温素子３２ｃは、複数の低温通路５３７ｃを有する。複数の低温通路５３７ｃは、高さ方向ＨＤおよび幅方向ＷＤに分布している。高温素子３２ｈは、通路壁３６によって、高温通路５３７ｈを区画形成している。ひとつの高温素子３２ｈは、複数の高温通路５３７ｈを有する。複数の高温通路５３７ｈは、高さ方向ＨＤおよび幅方向ＷＤに分布している。ひとつの低温通路５３７ｃの延長上に、ひとつの高温通路５３７ｈが位置付けられている。言い換えると、ひとつの高温通路５３７ｈの延長上に、ひとつの低温通路５３７ｃが位置付けられている。

低温通路５３７ｃは、高さ方向ＨＤに長手軸を有する長方形である。高温通路５３７ｈは、幅方向ＷＤに長手軸を有する長方形である。低温通路５３７ｃの断面形状と、高温通路５３７ｈの断面形状とは異なる。低温通路５３７ｃと高温通路５３７ｈとは、長さ方向ＬＤに関して直線的に連通するように位置付けられている。低温通路５３７ｃは、低温素子３２ｃの端面によって、高温通路５３７ｈの一部を遮るように位置付けられている。言い換えると、高温通路５３７ｈは、高温素子３２ｈの端面によって、低温通路５３７ｃの一部を遮るように位置付けられている。

低温通路５３７ｃは、断面積Ａ５を有する。高温通路５３７ｈは、断面積Ａ６を有する。断面積Ａ５は、断面積Ａ６より大きい。断面積Ａ５は、断面積Ａ１および断面積Ａ３より小さい。

この実施形態でも、高温通路５３７ｈの断面積Ａ６から、低温通路５３７ｃの断面積Ａ５への通路断面積の増加が提供される。このため、熱輸送媒体３３の流速の低下、および、ＭＣＥ素子３２と熱輸送媒体３３との間の移動距離の減少が提供される。低温通路５３７ｃの断面と高温通路５３７ｈの断面との間において、断面形状の変化が提供される。このため、熱輸送媒体３３が撹拌される。

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。上記実施形態では、低温通路３７ｃと高温通路３７ｈとは、長方形である。これに代えて、この実施形態では、楕円形の低温通路６３７ｃおよび高温通路６３７ｈが採用されている。

図９において、低温素子３２ｃは、通路壁３６を有する。通路壁３６は、楕円形の低温通路６３７ｃを区画形成している。低温通路６３７ｃは、断面積Ａ７を有する。高温素子３２ｈは、通路壁３６を有する。通路壁３６は、楕円形の高温通路６３７ｈを区画形成している。高温通路６３７ｈは、断面積Ａ８を有する。断面積Ａ７は、断面積Ａ８より大きい。この実施形態でも、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。上記実施形態のひとつでは、ひとつの低温通路３７ｃと複数の高温通路３７ｈとが連通し、かつ、ひとつの高温通路３７ｈと複数の低温通路３７ｃとが連通している。また、上記実施形態のひとつでは、ひとつの低温通路５３７ｃとひとつの高温通路５３７ｈとが連通している。これらに代えて、この実施形態では、ひとつの高温通路５３７ｈと、複数の低温通路７３７ｃとが連通し、かつ、ひとつの低温通路７３７ｃと、ひとつの高温通路５３７ｈとが連通している。

図１０において、高温素子３２ｈは、第５実施形態と同じである。低温素子３２ｃは、通路壁３６を有する。通路壁３６は、低温通路７３７ｃを区画し形成している。低温通路７３７ｃは、高温通路５３７ｈと同じ形状である。低温通路７３７ｃと高温通路５３７ｈとは、長方形である。ただし、低温通路７３７ｃの長手軸は高さ方向ＨＤに延びており、高温通路５３７ｈの長手軸は幅方向ＷＤに延びている。

ひとつの低温通路７３７ｃは、断面積Ａ６を有する。この実施形態では、２つの低温通路７３７ｃが一対である。このため、２つの低温通路７３７ｃは、合計断面積Ａ９を有する。断面積Ａ９は、断面積Ａ６の２倍である。断面積Ａ９は、断面積Ａ６より大きい。

ひとつの高温通路５３７ｈと、複数の低温通路７３７ｃとが連通している。ただし、ひとつの低温通路７３７ｃは、ひとつの高温通路５３７ｈと連通している。ひとつの高温通路５３７ｈが、複数の低温通路７３７ｃに分岐する。

この実施形態によると、高温通路５３７ｈから２つの低温通路７３７ｃに向けて、通路３７の断面積が拡大される。低温通路７３７ｃの形状と、高温通路５３７ｈの形状との違いに起因して、熱輸送媒体３３が撹拌される。２つの低温通路７３７ｃの間の隔壁が、板状端面７３８ｃを提供する。このため、板状端面７３８ｃによって、熱輸送媒体３３が撹拌される。

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、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。

上記実施形態では、高温素子３２ｈから低温素子３２ｃへの通路３７の断面積の拡大と、高温素子３２ｈから低温素子３２ｃへの通路３７の形状の変更との両方を採用する。これに代えて、断面積の拡大と、形状の変更とのいずれか一方のみを採用してもよい。さらに、ひとつの高温通路３７ｈ、５３７ｈから、複数の低温通路３７ｃ、４３７ｃ、７３７ｃへ分岐する形状は、一部の高温通路３７ｈ、５３７ｈにおいてのみ実現されてもよい。

上記実施形態では、部分素子３２ｎは塊状である。これに代えて、部分素子３２ｎは、板状に成型された磁気熱量効果材料を積層して形成されてもよい。例えば、通路３７に相当する溝を形成した板状の磁気熱量効果材料を積層することができる。また、部分素子３２ｎは、複数の板状の磁気熱量効果材料を、樹脂製の枠体に固定して形成されてもよい。

上記実施形態に開示された構成は、互いに組み合わせることができる。例えば、第２実施形態に開示された低温素子３２ｃの長さＬｃと、高温素子３２ｈの長さＬｈとは、他の実施形態にも利用することができる。

１０ 車両用空調装置、２０ 磁気熱量効果型ヒートポンプ装置、
３０ 素子ベッド、３１ 容器、３２ 磁気熱量効果素子、
３２ｎ 部分素子、３２ｃ 低温素子、３２ｈ 高温素子、
３３ 熱輸送媒体、３４ 低温端、３５ 高温端、３６ 通路壁、
３７ 通路、３７ｃ 低温通路、３７ｈ 高温通路、
３８ｃ、３８ｈ 板状端面、４０ 磁場変調装置（ＭＧＦＭ）、
５０ 熱輸送装置（ＴＨＦＭ）、６０ 低温系統（ＣＳ）、
７０ 高温系統（ＨＳ）、８０ 制御装置（ＣＮＴ）、
２３２ｃ 低温素子、
３３７ｃ 低温通路、３３９ 撹拌部材、４３７ｃ 低温通路、
５３７ｃ 低温通路、５３７ｈ 高温通路、６３７ｃ 低温通路、
６３７ｈ 高温通路、７３７ｃ 低温通路、７３８ｃ 板状端面、
Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ５、Ａ６、Ａ７、Ａ８、Ａ９ 断面積。

Claims (10)

1. 複数の部分素子（３２ｎ）を備える磁気熱量効果素子において、
   複数の前記部分素子は、互いに異なるキュリー温度が単調増加するようにカスケード接続されており、
   隣接する２つの前記部分素子は、低温側に位置付けられた低温素子（３２ｃ、２３２ｃ）、および、高温側に位置付けられた高温素子（３２ｈ）を備え、
   前記低温素子は、熱輸送媒体と熱交換するように、前記熱輸送媒体を流すための低温通路（３７ｃ、３３７ｃ、４３７ｃ、５３７ｃ、６３７ｃ、７３７ｃ）と接しており、
   前記高温素子は、前記熱輸送媒体と熱交換するように、前記熱輸送媒体を流すための高温通路（３７ｈ、５３７ｈ、６３７ｈ）と接しており、
   前記カスケード接続された複数の前記部分素子のひとつである前記低温素子と接する前記低温通路と、前記カスケード接続された複数の前記部分素子のひとつであり、かつ、前記低温素子に隣接している前記高温素子と接する前記高温通路とは、互いに連通しており、
   前記低温通路は、前記高温通路の断面積（Ａ２、Ａ６、Ａ８）より大きい断面積（Ａ１、Ａ３、Ａ５、Ａ７、Ａ９）を有する磁気熱量効果素子。
2. 前記低温素子（２３２ｃ）は、前記高温素子の長さ方向（ＬＤ）の長さ（Ｌｈ）より短い長さ（Ｌｃ）を有する請求項１に記載の磁気熱量効果素子。
3. さらに、前記低温素子と前記高温素子との間に前記熱輸送媒体を撹拌する撹拌部材（３３９）を備える請求項１または請求項２に記載の磁気熱量効果素子。
4. 前記低温通路（４３７ｃ）は、前記高温通路（３７ｈ）の断面積（Ａ２）より大きい断面積（Ａ３）を有し、
   前記低温素子は、前記高温素子の断面積（Ｈｈ×Ｗｈ）より大きい断面積（Ｈｃ×Ｗｃ）を有する請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
5. ひとつの前記低温通路（５３７ｃ）と、ひとつの前記高温通路（５３７ｈ）とが連通している請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
6. 前記低温通路、および／または、前記高温通路は、長方形または楕円形の断面を有する請求項１から請求項５のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
7. ひとつの前記高温通路（３７ｈ、５３７ｈ）と、複数の前記低温通路（３７ｃ、７３７ｃ）とが連通している請求項１から請求項６のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
8. 複数の前記低温通路（３７ｃ、７３７ｃ）の間に板状端面（３８ｃ、７３８ｃ）を備える請求項７に記載の磁気熱量効果素子。
9. 前記低温素子は、長手軸を有する複数の前記低温通路を有し、
   前記高温素子は、長手軸を有する複数の前記高温通路を有し、
   前記低温通路の長手軸と、前記高温通路の長手軸とは、交差している請求項１から請求項８のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
10. 請求項１から請求項９のいずれかに記載の磁気熱量効果素子（３２）と、
    前記磁気熱量効果素子と熱交換し、低温ほど粘度が増加する熱輸送媒体（３３）と、
    前記磁気熱量効果素子に与えられる磁場を強弱に変化させる磁場変調装置（４０）と、
    前記磁気熱量効果素子に対する前記熱輸送媒体の相対的な移動を生じさせる熱輸送装置（５０）とを備える熱磁気サイクル装置。

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