JPWO2012056585A1

JPWO2012056585A1 - 熱交換器および磁気冷凍システム

Info

Publication number: JPWO2012056585A1
Application number: JP2012540638A
Authority: JP
Inventors: 斉藤　明子; 明子斉藤; 忠彦小林; 志織加治
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2014-03-20
Also published as: WO2012056585A1; EP2634511A1; EP2634511A4; US20130232993A1

Abstract

本発明の実施形態に係る熱交換器は、熱輸送媒体が導入される容器と、前記容器の内部に所定の間隔をあけて設けられた複数の熱交換要素と、を備え、前記複数の熱交換要素は、前記熱輸送媒体が流れる方向から見て少なくとも一部が重ならないように、前記熱輸送媒体が流れる方向の前後に設けられている。

Description

本発明の実施形態は、熱交換器および磁気冷凍システムに関する。

近年、環境配慮型でかつ効率の高い冷凍技術として、磁気熱量効果を利用して、磁気冷凍サイクルを構成し、高温部と低温部とを生成する磁気冷凍技術への期待が高まり、室温域を対象とした研究開発が活発化してきている。
このような磁気冷凍技術の一つとして、磁気熱量効果を利用した磁気冷凍作業を磁気熱量効果材料を含んだ熱交換要素に行わせるとともに、この磁気冷凍作業により生成された冷熱を蓄える蓄熱効果を同時に担わせるＡＭＲ（Active Magnetic Regenerative Refrigeration）方式と呼ばれる冷凍技術が提案されている。ＡＭＲ方式によれば、気体の圧縮・膨張サイクルを利用した気体冷凍技術と比べて高い熱交換効率を得ることができる。
しかしながら、省エネルギー化などの観点からさらなる熱交換効率の向上が望まれていた。

特開２００２−３５６７４８号公報特開２００７−１５５２３７号公報

本発明の実施形態は、熱交換効率の向上を図ることができる熱交換器および磁気冷凍システムを提供する。

実施形態によれば、熱輸送媒体が導入される容器と、前記容器の内部に所定の間隔をあけて設けられた複数の熱交換要素と、を備え、前記複数の熱交換要素は、前記熱輸送媒体が流れる方向から見て少なくとも一部が重ならないように、前記熱輸送媒体が流れる方向の前後に設けられたことを特徴とする熱交換器が提供される。

（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態に係る熱交換器を例示するための模式断面図である。比較例に係る熱交換器を例示するための模式断面図である。（ａ）は磁気熱量効果材料を含んだ球状の熱交換要素を備えた熱交換器、（ｂ）、（ｃ）は磁気熱量効果材料を含んだ板状の熱交換要素を備えた熱交換器の模式断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、熱交換要素の配設を例示するための模式断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、熱交換要素のｘｙ面に平行な面における断面形状について例示をするための模式断面図である。熱輸送媒体が流動した際に生じる乱流状態を例示をするための模式図である。（ａ）は円形の断面形状を有する熱交換要素を正格子状に配設した場合、（ｂ）は円形の断面形状を有する熱交換要素を千鳥格子状に配設した場合である。熱交換要素の配設形態を例示するための模式図である。（ａ）は本実施の形態に係る熱交換要素の配設形態の一例（実施例１）、（ｂ）は比較例１に係る熱交換要素の配設形態を例示するための模式図である。実施例の熱交換量と比較例の熱交換量との比較を例示するためのグラフ図である。（ａ）は実施例１の熱交換量と比較例１の熱交換量との比較、（ｂ）は実施例２の熱交換量と比較例２の熱交換量との比較を例示するためのグラフ図である。（ａ）〜（ｄ）は、熱交換要素の配設方法を例示するための模式図である。（ａ）〜（ｄ）は、熱交換要素の配設方法を例示するための模式図である。（ａ）、（ｂ）は、熱交換要素の配設方法を例示するための模式図である。異なる磁気熱量効果材料により形成された熱交換要素を配設する場合を例示するための模式断面図である。（ａ）は、ｙ方向に沿って異なる磁気熱量効果材料により形成された熱交換要素の群を設ける場合である。（ｂ）は、異なる磁気熱量効果材料により形成された熱交換要素を混在させる場合である。第２の実施形態に係る磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。第２の実施形態に係る磁気冷凍システムの模式系統図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
また、各図において、矢印ｘ、ｙ、ｚは互いに直交する三方向（軸）を表している。そして、ｚ方向を磁場の方向としている。
また、熱輸送媒体２０が流れる方向は磁気冷凍システムの運転中にｙ方向となったり、ｙ方向の逆方向となったりする場合があるが、一例として、ｙ方向に熱輸送媒体２０が流れる場合を例示する。

[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る熱交換器を例示するための模式断面図である。
図２は、比較例に係る熱交換器を例示するための模式断面図である。なお、図２（ａ）は磁気熱量効果材料を含んだ球状の熱交換要素を備えた熱交換器、図２（ｂ）、（ｃ）は磁気熱量効果材料を含んだ板状の熱交換要素を備えた熱交換器の模式断面図である。
図３は、熱交換要素の配設を例示するための模式断面図である。
まず、比較例に係る熱交換器について例示をする。
図２（ａ）は、第１の比較例に係る熱交換器について例示をするための模式断面図である。
図２（ａ）に示すように、熱交換器（ＡＲＭｂｅｄ）５０には、容器５１、熱交換要素５２、仕切り部５３が設けられている。
容器５１は、ｙ方向から見た断面形状が矩形の筒となっている。
熱交換要素５２は、球状を呈し、Ｇｄ（ガドリニウム）などの磁気熱量効果材料を含んだものとされている。熱交換要素５２は、容器５１の内部に６０％以上の容積充填率で充填されている。

仕切り部５３は、メッシュ状を呈し、容器５１の両端部近傍に設けられている。仕切り部５３のメッシュサイズは熱交換要素５２の大きさよりも小さくされており、容器５１から熱交換要素５２が脱離することを防止するようになっている。熱交換器５０においては、一方の仕切り部５３を介して熱輸送媒体２０が容器５１の内部に導入され、他方の仕切り部５３を介して導入された熱輸送媒体２０が容器５１の外部に排出されるようになっている。なお、一方の方向からの容器５１への熱輸送媒体２０の導入と排出、これとは逆の方向からの容器５１への熱輸送媒体２０の導入と排出、とが１磁気冷凍サイクルとなる。

ここで、熱交換要素５２の粒子径を小さくすると容器５１の内部に熱交換要素５２を高い充填率、且つ表面積が大きい状態で充填することができる。この場合、充填率が高いほど磁気冷凍作業で生成される熱量が大きく、表面積が大きいほど生成された熱を効率良く熱輸送媒体２０に受け渡す(熱交換する)ことができる。

しかしながら、冷凍出力増大のために磁気冷凍サイクルを高周波数化する場合（単位時間当たりの磁気冷凍サイクルの回数を増加させる場合）、周波数が高くなるにつれて熱輸送媒体２０の圧力損失が増大し、冷凍性能の低下をまねいたり、熱交換器５０を備えた磁気冷凍システムの運転が阻害されたりするおそれがある。

すなわち、球状の熱交換要素５２を充填してなる熱交換器５０においては、粒子径が小さい場合には高周波数化による圧力損失の増大によって熱交換器５０を備えた磁気冷凍システムの運転が困難となるおそれがある。一方、粒子径が大きい場合には圧力損失を低減することができるが、表面積の減少により熱交換効率が低下して冷凍性能の低下を招くおそれがある。

図２（ｂ）、（ｃ）は、第２の比較例に係る熱交換器について例示をするための模式断面図である。
図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、熱交換器（ＡＲＭｂｅｄ）６０には、容器５１、熱交換要素６２が設けられている。
熱交換要素６２は、板状を呈し、Ｇｄ（ガドリニウム）などの磁気熱量効果材料を含んだものとされている。熱交換要素６２は、容器５１の内部に複数設けられ、熱交換要素６２同士の間、熱交換要素６２と容器５１の内壁との間が熱輸送媒体２０の流路となっている。

この様に、板状の熱交換要素６２を熱輸送媒体２０の流れに平行に設けるようにすれば、熱輸送媒体２０の圧力損失を低減させることができるので、磁気冷凍サイクルの周波数を高くすることが可能となる。

しかしながら、容器５１の内部に導入された熱輸送媒体２０は、熱交換要素６２同士の間、熱交換要素６２と容器５１の内壁との間の流抵抗の低い部位を高速で流れてしまうため、磁気冷凍サイクルの周波数が高くなると、熱交換要素６２と熱輸送媒体２０との間における熱交換効率が低下し、ひいては、冷凍性能が低下するおそれがある。

また、ＡＭＲ方式の磁気冷凍システムにおいては、熱交換器の両端（高温端と低温端）の間に温度勾配が形成された状態で運転が行われる。すなわち、磁気熱量効果材料を含んだ熱交換要素の蓄熱効果によって温度勾配が形成され、温度勾配が形成された状態で運転が行われる。そして、高温端における発熱と、低温端における吸熱とを利用するようにしている。そのため、高温端と低温端との間に大きな温度差を生成し、両端に形成される温度勾配を安定して保持する必要がある。形成される温度勾配を安定して保持するためには、熱交換要素６２の高温端側に位置する部分と、熱交換要素６２の低温端側に位置する部分との間における熱伝導が低くなるようにすればよい。

ところが、板状の熱交換要素６２とすれば高温端側に位置する部分と低温端側に位置する部分とが一体化されることになるので、熱伝導が高くなってしまう。次に、図１、図３に戻って、第１の実施形態に係る熱交換器について例示をする。
図１（ａ）、（ｂ）に示すように、熱交換器（ＡＲＭｂｅｄ）１には、熱輸送媒体２０が導入される容器１１、熱交換要素１２が設けられている。
容器１１は、ｙ方向から見た断面形状が矩形の筒とすることができる。ただし、ｙ方向から見た断面形状は矩形に限定されるわけではなく適宜変更することができる。
例えば、ｙ方向から見た断面形状が円形の円筒容器とすることで、容器内の圧力を等方的に分散させることができる。また、容器内壁に接した熱交換要素１２と熱輸送媒体２０との間の熱交換効率の観点からも、円筒容器とすることが好ましい。断面形状が矩形の筒の場合、角部に、熱輸送媒体２０と熱交換要素１２との間の熱交換効率が筒中心部よりも低い領域ができるが、円筒容器とすることで、これを改善することが可能となるからである。
熱交換要素１２は、磁気熱量効果材料を含んだものとされている。磁気熱量効果材料としては、例えば、Ｇｄ（ガドリニウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）に各種元素を混合したＧｄ化合物、各種希土類元素と遷移金属元素からなる金属間化合物、Ｎｉ_２ＭｎＧａ合金、ＧｄＧｅＳｉ化合物、ＬａＦｅ_１３系化合物、ＬａＦｅ_１３Ｈなどを例示することができる。ただし、磁気熱量効果材料は、例示をしたものに限定されるわけではなく、磁気熱量効果を発現する材料を適宜選択することができる。

熱交換要素１２は、容器１１の内部に所定の間隔をあけて複数設けられている。熱交換要素１２は、容器１１の内部に互いに平行となるように配設されている。熱交換要素１２の最長辺１２ａは磁場の方向（ｚ方向）に平行となるようにされている。最長辺１２ａに垂直な面内における一方の辺１２ｂはｙ方向に平行となるようにされている。

また、図１（ａ）、図３（ａ）〜（ｃ）に例示をするように、複数の熱交換要素１２は、熱輸送媒体２０が流れる方向（ｙ方向）から見て少なくとも一部が重ならないように、熱輸送媒体２０が流れる方向の前後に設けられている。
なお、本明細書において熱輸送媒体２０が流れる方向とは、容器１１内の熱輸送媒体２０の流線をいい、容器１１への熱輸送媒体２０の導入方向ではない。
ここで、流線とは、ｙ方向の中心点をＹ０，ｘとし、Ｙ０，ｘと同じｘ位置におけるｙ方向の端点（容器１１の壁面と接する点）をＹｒ，ｘ、Ｙ−ｒ，ｘ、とした場合、Ｙ０，ｘとＹｒ，ｘとの距離が等距離となる軌跡を書いた線Ｌ１、および、Ｙ０，ｘとＹ−ｒ，ｘとの距離が等距離となる軌跡を描いた線Ｌ２、で定義する。例えば、容器１１の断面が図１のような長方形の場合、Ｌ１、Ｌ２はｘ軸方向に平行である。
この場合、図１（ａ）、図３（ａ）〜（ｃ）に例示をするように、ｘｙ面に平行な面において千鳥格子状となるように配設することができる。ただし、千鳥格子状の配設に限定されるわけではなく、各列毎に熱交換要素１２の配設ピッチが異なっていたり、一つの列において熱交換要素１２の配設ピッチが変化したりしていてもよい。

また、図１（ａ）、図３（ｂ）に例示をするように、ｘ方向における熱交換要素１２同士の間の寸法ｄが、同方向における熱交換要素１２の寸法ａに対してｄ≦ａとなるように配設することができる。
また、この様な寸法関係を有する列をｙ方向に複数列、列間に空隙を設けて配設することができる。
そして、ｙ方向に隣接する列において、互いの列の熱交換要素１２と、熱交換要素１２同士の間の領域１２ｃとが相補関係となるようにすることができる。すなわち、ｙ方向から見て、手前側の列にある熱交換要素１２同士の間の領域１２ｃを、後ろ側の列にある熱交換要素１２で遮るようにすることができる。また、ｙ方向から見て、後ろ側の列にある熱交換要素１２同士の間の領域１２ｃを、手前側の列にある熱交換要素１２で遮るようにすることができる。

つまり、熱輸送媒体２０が流れる方向の前側に設けられた熱交換要素１２同士の間の領域１２ｃは、熱輸送媒体２０が流れる方向から見て、熱輸送媒体２０が流れる方向の後側に設けられた熱交換要素１２により遮られる。

なお、本明細書において、平行とは、完全な平行のほか、後述する作用効果を実質的に得ることができる誤差範囲をも含むものである。また、垂直とは、完全な垂直のほか、後述する作用効果を実質的に得ることができる誤差範囲をも含むものである。

以上のような熱交換要素１２の配設形態とすれば、容器１１の内部において熱輸送媒体２０が流動した際に乱流状態となる部分を多く形成することができる。そのため、熱交換要素１２の近傍において熱交換に寄与する熱輸送媒体２０を増加させることができる。その結果、熱交換要素１２と熱輸送媒体２０との間における熱交換効率の向上を図ることができる。なお、熱輸送媒体２０が流動した際に生じる乱流状態に関する詳細は後述する。
また、熱交換要素１２は、ｙ方向に平行に配設されているため、磁気冷凍システムの運転中における熱輸送媒体２０の圧力損失を抑制することができる。
熱交換要素１２の最長辺１２ａは磁場の方向（ｚ方向）に平行となるようにされているので、熱交換要素１２に磁場を印加する際に反磁場の影響を抑制することができる。そのため、実効的な磁場を高めることができるので、冷凍性能の高い磁気冷凍システムを提供することができる。
この場合、実効的な磁場を高めるためには、熱交換要素１２のアスペクト比は高いほど良いが、例えば、熱交換要素１２が短冊状の形状を有する場合には、最短辺と最長辺（ｚ方向の辺）との比は１：４以上とすることができ、より好ましくは１：７以上とすることができる。

次に、熱交換要素のｘｙ面に平行な面における断面形状について例示をする。
図４は、熱交換要素のｘｙ面に平行な面における断面形状について例示をするための模式断面図である。
図１（ａ）、図３（ａ）〜（ｃ）に例示をした熱交換要素１２のｘｙ面に平行な面における断面形状は長方形であるがこれに限定されるわけではない。

例えば、図４（ａ）に例示をするように、熱交換要素２２のｘｙ面に平行な面における断面形状を正方形とすることができる。
また、図４（ｂ）に例示をするように、熱交換要素２３のｘｙ面に平行な面における断面形状を三角形とすることができる。この場合、磁気冷凍システムの運転中に熱輸送媒体２０が流れる方向が変化することを考慮して、熱交換要素２３ａと熱交換要素２３ｂとの向きを異なるものとすることができる。例えば、図４（ｂ）に例示をするように、熱交換要素２３ａの頂点がｙ方向とは逆方向を向くように配設し、熱交換要素２３ｂの頂点がｙ方向を向くように配設することができる。

また、図４（ｃ）に例示をするように、熱交換要素２４のｘｙ面に平行な面における断面形状を六角形とすることができる。
また、図４（ｄ）に例示をするように、熱交換要素２５のｘｙ面に平行な面における断面形状を円形とすることができる。
なお、熱交換要素のｘｙ面に平行な面における断面形状は、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。例えば、五角形などの他の多角形とすることもできるし、楕円などとすることもできる。また、任意の曲線から形成された形状、任意の曲線と任意の直線とから形成された形状などとすることもできる。

この場合、熱交換要素１２、２２のように四角形の断面形状を有するものの場合には、熱輸送媒体２０の圧力損失を低く抑えることができる。また、容器１１の内部において熱輸送媒体２０が流動した際に乱流状態となる部分を多く形成することができる。そのため、熱交換要素１２、２２の近傍において熱交換に寄与する熱輸送媒体２０を増加させることができる。その結果、熱交換要素１２、２２と熱輸送媒体２０との間における熱交換効率の向上を図ることができる。

また、熱交換要素１２、２２の形状加工が簡便となるので、精度の高い熱交換要素１２、２２の製造が可能となる。また、容器１１の内部に熱交換要素１２、２２を配設する際の作業性を向上させることができる。

また、熱交換要素２４のように六角形の断面形状を有するもの、熱交換要素２５のように円形の断面形状を有するものなどのように輪郭がより滑らかな断面形状を有するものとすれば、熱輸送媒体２０の圧力損失をより低く抑えることができる。例えば、熱輸送媒体２０の粘度が高いものほどより輪郭が滑らかな断面形状を選択するようにすることもできる。

また、後述するように熱交換要素同士の間に安定した乱流状態を形成することができる。そのため、熱交換要素の近傍において熱交換に寄与する熱輸送媒体２０を増加させることができる。また、熱交換要素の角が９０度より大きい、または、角がない輪郭が滑らかな断面形状とすれば、熱輸送媒体２０の流動線を滑らかにすることができるので、デッドボリューム（熱交換への寄与が少ない熱輸送媒体２０の体積）をより低く抑えることができる。その結果、熱交換要素と熱輸送媒体２０との間における熱交換効率の向上を図ることができる。

また、断面形状、断面積、配設ピッチなどが異なる熱交換要素を配設することもできる。
例えば、図４（ｅ）に例示をするように、断面形状、断面積、配設ピッチが異なる熱交換要素１２、熱交換要素２２を配設することができる。
この場合、容器１１の熱輸送媒体２０の流入側に設けられる熱交換要素２２の配設ピッチを、熱交換要素１２の配設ピッチよりも小さくすれば、熱交換要素２２が設けられた領域の圧力損失を熱交換要素１２が設けられた領域の圧力損失より高くすることができ、配管から容器１１内へ熱輸送媒体２０が流入した際に不均一になる熱輸送媒体２０の流れを整流することができる。また、流入後はより大きな配設ピッチを有する熱交換要素１２により圧力損失を低減することができる。この場合、磁気冷凍システムの運転中に熱輸送媒体２０が流れる方向が変化することを考慮して、容器１１の両端側に小さな配設ピッチを有する熱交換要素２２を設けるようにすることができる。

なお、熱交換要素の形状、寸法、配設形態（配設ピッチや位置など）、数などは、熱輸送媒体２０の粘度、磁気冷凍システムの運転温度などに応じて適宜変更することができる。

次に、熱輸送媒体２０が流動した際に生じる乱流状態に関してさらに例示をする。
図５は、熱輸送媒体２０が流動した際に生じる乱流状態を例示をするための模式図である。
図５（ａ）は円形の断面形状を有する熱交換要素２５を正格子状に配設した場合、図５（ｂ）は円形の断面形状を有する熱交換要素２５を千鳥格子状に配設した場合である。

なお、同体積の空間に同じ流量の熱輸送媒体２０が流れるものとしている。また、流速分布をモノトーン色の濃淡で表し、流速ｖがある閾値ｖｃより速い領域である領域２０１を濃い色で、閾値ｖｃより遅い領域である領域２０２を淡い色で表示した。

図５（ａ）に示すように、熱交換要素２５を正格子状に配設した場合には、ｙ方向に平行な方向に流速の速い領域２０１からなる部分が連なる様にして、熱輸送媒体２０の導入から導出まで連続した流速の速い領域を形成している。すなわち、流路抵抗の低い部分を熱輸送媒体２０が選択的、かつ高速で流れていることが分かる。

一方、図５（ｂ）に示すように、熱交換要素２５を千鳥格子状に配設した場合には、熱輸送媒体２０の導入から導出まで連続した流速の速い領域が形成されておらず、比較的流速の遅い領域２０２からなる部分が大半を占めている。
また、図５（ｂ）に示すように、乱流が発生している地点２０３が多く認められた。

すなわち、熱交換要素２５を正格子状に配設した場合には、流路抵抗の低い部分を熱輸送媒体２０が選択的、かつ高速で流れる。また、デッドボリューム（熱交換への寄与が少ない熱輸送媒体２０の体積）となる部分２７が多くなる。そのため、熱交換要素２５と熱輸送媒体２０との間における熱交換効率が低下してしまうことになる。
これに対して、熱交換要素２５を千鳥格子状に配設した場合には、熱交換要素２５を正格子状に配設した場合に比べて、流速を全体的に遅くすることができる。また、熱交換要素２５同士の間に乱流が発生する地点２０３を多く形成することができ、この乱流は隣り合う熱交換要素２５同士の間の大きな領域で生じるため、デッドボリュームとなる部分２７を少なくすることができる。そのため、熱交換要素２５同士の間における熱交換も促されることになる。その結果、実効的な熱交換効率を高くすることができる。

なお、図５（ａ）に示すように、熱交換要素２５を正格子状に配設した場合には、乱流は熱交換要素２５の端部で僅かに小さな渦を形成するのみであり、隣り合う熱交換要素２５同士の間における熱交換には寄与しないことが分かる。

次に、熱交換要素の配設形態と熱交換量との関係について例示をする。
図６は、熱交換要素の配設形態を例示するための模式図である。なお、図６（ａ）は本実施の形態に係る熱交換要素の配設形態の一例（実施例１）、図６（ｂ）は比較例１に係る熱交換要素の配設形態を例示するための模式図である。

図６（ａ）に示すように、実施例１に係る熱交換要素の配設形態としては、熱交換要素２２を千鳥格子状に周期配列したものとした。熱交換要素２２は、ｙ方向に対して平行、且つ互いに平行となるように配設した。ｘ方向における熱交換要素２２同士の間の寸法ｄ１、ｙ方向における熱交換要素２２同士の間の寸法ｄ２、熱交換要素２２の寸法ａ１は、「ｄ１＝０．７×ａ１」、「ｄ２＝０．５×ａ１」となるようにした。そして、互いに隣接した列をx方向に半位相だけずらして、熱交換要素２２が千鳥格子状に周期配列するようにした。

図６（ｂ）に示すように、比較例１に係る熱交換要素の配設形態としては、熱交換要素２２を正格子状に周期配列したものとした。熱交換要素２２は、ｙ方向に対して平行、且つ互いに平行となるように配設した。ｘ方向における熱交換要素２２同士の間の寸法ｄ１、ｙ方向における熱交換要素２２同士の間の寸法ｄ２、熱交換要素２２の寸法ａ１は、「ｄ１＝０．７×ａ１」、「ｄ２＝０．５×ａ１」となるようにした。

そして、熱交換要素２２以外の部分に熱輸送媒体２０を満たして流動させた場合における熱交換要素２２と熱輸送媒体２０との間の熱交換量をシミュレーションを行うことで求めた。
この場合、熱輸送媒体２０を水、環境温度を２５℃、磁気冷凍サイクルの周波数を１Ｈｚ、熱輸送媒体２０の流動距離を１０×ａ１とし、単位時間当たりにおける熱交換要素２２と熱輸送媒体２０との間の熱交換量を算出した。

なお、図６（ａ）、（ｂ）に例示をした周期構造が無限に繰り返されるものと仮定して熱交換量を算出した。この場合、図６（ａ）、（ｂ）に例示をしたものにおいては、同じ容積中における熱交換要素２２の体積は等しいものとなる。

またさらに、実施例２として、実施例１における寸法関係を「ｄ１＝０．８×ａ１」、「ｄ２＝０．２×ａ１」となるようにした。
また、比較例２として、比較例１における寸法関係を「ｄ１＝０．８×ａ１」、「ｄ２＝０．２×ａ１」となるようにした。
なお、実施例２、比較例２におけるその他の条件は、実施例１、比較例１とそれぞれ同様とした。

図７は、実施例の熱交換量と比較例の熱交換量との比較を例示するためのグラフ図である。なお、図７（ａ）は実施例１の熱交換量と比較例１の熱交換量との比較、図７（ｂ）は実施例２の熱交換量と比較例２の熱交換量との比較を例示するためのグラフ図である。

図７（ａ）から分かるように、実施例１によれば比較例１と比べて熱交換量を多くすることができる。
また、図７（ｂ）から分かるように、実施例２によれば比較例２と比べて熱交換量を２割以上多くすることができる。

このように、同じ容積中における熱交換要素の体積が等しく、且つ熱交換要素同士の間隔も等しくなるように配置する場合においても、正格子状に周期配列した場合と比べて、千鳥格子状に周期配列した場合には熱交換要素と水との間における熱交換量を多くすることができることが確認できた。

すなわち、複数の熱交換要素を容器内に規則的に配列し、さらに水などの熱輸送媒体２０を容器内に満たして流動させながら熱交換要素と熱輸送媒体２０との間で熱交換を行わせる場合、本実施の形態に係る熱交換要素の配設形態とすれば熱交換量を多くすることができる。

次に、熱交換要素の配設方法に関して例示をする。
図１（ｂ）に例示をしたように、熱交換要素は、ｚ方向の端部において固定するようにすることができる。
この際、容器１１の外部において熱交換要素の群を形成し、これを容器１１の内部に設置するようにすれば生産性を向上させることができる。

図８は、熱交換要素の配設方法を例示するための模式図である。
図８（ａ）に示すように、ｚ方向の一方の端部が固定された熱交換要素２２ａの群と、ｚ方向の他方の端部が固定された熱交換要素２２ｂの群と、を形成し、これを交互に容器１１の内部に設置するようにすることができる。なお、図８は、ｙ方向に沿って熱交換要素の群を形成する場合である。
例えば、図８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に例示をするような熱交換要素２２ａ、２２ｂの群を形成し、これを交互に容器１１の内部に設置するようにすることができる。

図９も、熱交換要素の配設方法を例示するための模式図である。
図９（ａ）に示すように、ｚ方向の一方の端部が固定された熱交換要素２２ａの群と、ｚ方向の他方の端部が固定された熱交換要素２２ｂの群と、を形成し、これを交互に容器１１の内部に設置するようにすることができる。なお、図９は、ｘ方向に沿って熱交換要素の群を形成する場合である。
例えば、図９（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に例示をするような熱交換要素２２ａ、２２ｂの群を形成し、これを交互に容器１１の内部に設置するようにすることができる。

図１０も、熱交換要素の配設方法を例示するための模式図である。
図１０（ａ）に示すように、ｚ方向の一方の端部が固定された熱交換要素２２ａ、２２ｂの群を形成し、これを容器１１の内部に設置するようにすることができる。

例えば、図１０（ｂ）に例示をするような熱交換要素２２ａ、２２ｂの群を形成し、これを容器１１の内部に設置するようにすることができる。

なお、前述した実施形態に係る熱交換要素は、ｚ方向に一体化されたものであるがｚ方向に分割されたものとすることもできる。

以上は、同一の磁気熱量効果材料から形成された熱交換要素を配設する場合であるが、これに限定されるわけではない。
磁気熱量効果材料の特性は、キュリー温度Ｔｃ（Curie temperature）近傍が最も高くなる。そして、キュリー温度Ｔｃから余り離れた温度領域になると特性が著しく低下したり、磁気熱量効果が発揮されなくなったりするおそれがある。

前述したように、ＡＭＲ方式の磁気冷凍システムにおいては、熱交換器の両端（高温端と低温端）の間に温度勾配が形成された状態で運転が行われる。そのため、同一の磁気熱量効果材料から形成された熱交換要素を配設するようにすると、部分的に特性が低くなる部分が生ずるおそれがある。

図１１は、異なる磁気熱量効果材料により形成された熱交換要素を配設する場合を例示するための模式断面図である。
図１１（ａ）は、ｙ方向に沿って異なる磁気熱量効果材料により形成された熱交換要素の群を設ける場合である。すなわち、熱交換要素は、熱輸送媒体２０が流れる方向に沿って設けられた領域毎に異なる磁気熱量効果材料により形成されている。
例えば、図１１（ａ）は温度勾配に適合するキュリー温度Ｔｃを有する磁気熱量効果材料を選定し、選定された磁気熱量効果材料から形成された熱交換要素の群を設ける場合である。
例えば、図１１（ａ）における熱輸送媒体２０の流入側が低温端、流出側が高温端の場合には、低温端の温度に適合するキュリー温度Ｔｃａを有する磁気熱量効果材料を選定し、選定された磁気熱量効果材料から熱交換要素３２ａを形成するようにする。高温端の温度に適合するキュリー温度Ｔｃｃを有する磁気熱量効果材料を選定し、選定された磁気熱量効果材料から熱交換要素３２ｃを形成するようにする。低温端と高温端の間の場合にはその領域における温度に適合するキュリー温度Ｔｃｂを有する磁気熱量効果材料を選定し、選定された磁気熱量効果材料から熱交換要素３２ｂを形成するようにする。
この様にすれば、部分的な特性の劣化を抑制することができるので熱交換効率の向上を図ることができる。

なお、熱交換要素の群を設ける領域の数は例示をしたものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。

また、図１１（ｂ）は異なるキュリー温度Ｔｃを有する磁気熱量効果材料から形成された熱交換要素を混在させる場合である。
この様にすれば、磁気冷凍システムの運転温度領域を拡げることができる。
なお、例えば、図１０や図１１に例示をしたように熱交換要素の群を形成した場合でも、磁場の印加方向が、(それぞれの熱交換要素の最長辺と平行)ｚ方向となるように磁場発生部を設けることが好ましい。

[第２の実施形態]
図１２は、第２の実施形態に係る磁気冷凍システムを例示するための模式構成図である。
図１３は、第２の実施形態に係る磁気冷凍システムの模式系統図である。
なお、図１２、図１３は、一例として、熱交換部１において吸熱された熱輸送媒体２０を低温側熱交換部１２５に送り、低温側熱交換部１２５において図示しない熱交換先との間で熱交換を行わせる場合を例示するものである。

図１２、図１３に示すように、磁気冷凍システム１００には、熱交換器１、導入配管１０３、排出配管１０４、磁場発生部１０５ａ、磁場発生部１０５ｂ、回転盤１０６ａ、回転盤１０６ｂ、低温側熱交換部１２５、放熱部１２６が設けられている。

図１２に示すように、２つの熱交換部１を間に挟むように、一対の回転盤１０６ａ、１０６ｂが設けられている。回転盤１０６ａ、１０６ｂは共通の軸１０７で支持されている。この軸１０７は２つの熱交換部１の中央に位置している。回転盤１０６ａ、１０６ｂの周縁近傍の内側には、それぞれ磁場発生部１０５ａ、１０５ｂが保持されている。磁場発生部１０５ａ、１０５ｂは、互いに対向するとともに、ヨーク（図示せず）を介して互いに結合されている。これによって、互いに対を成す磁場発生部１０５ａ、１０５ｂの間隙部分に、磁場空間が形成される。
磁場発生部１０５ａ、１０５ｂは、例えば、永久磁石などとすることができる。永久磁石としては、ＮｄＦｅＢ（ネオジム・鉄・ホウ素）磁石、ＳｍＣｏ（サマリウム・コバルト）磁石、フェライト磁石などを例示することができる。回転盤１０６ａ、１０６ｂを９０度回転させる毎に、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂが熱交換部１に対して接近及び離反を繰り返す。各一対の磁場発生部１０５ａ、１０５ｂが各熱交換部１に最も接近した状態では、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂの間に形成された磁場空間の中に熱交換部１が入り、容器１１の内部に設けられた熱交換要素に磁場が印加される。熱交換要素に対して磁場が印加された状態から、除去された状態に切り替わる際、電子磁気スピン系のエントロピーが増加し、格子系と電子磁気スピン系の間でエントロピーの移動が起こる。それによって、熱交換要素の温度が低下し、それが熱輸送媒体２０に伝達され、熱輸送媒体２０の温度が低下する。このようにして温度が低下した熱輸送媒体２０は、熱交換部１から排出配管１０４を通って排出され、低温側熱交換部１２５に冷媒として供給される。

熱輸送媒体２０は、例えば、空気、窒素ガスなどの気体、水、鉱油やシリコンなどのオイル系媒体、アルコール類（例えば、エチレングリコールなど）などの溶剤系媒体などとすることができる。
この場合、水は最も比熱が高く安価である。ただし、０℃以下の温度域では凍結するおそれがあるのでオイル系媒体、溶剤系媒体、水とオイル系媒体との混合液、水と溶剤系媒体との混合液などとすることができる。そのため、磁気冷凍システム１００の運転温度域に応じて液体の種類や混合比などを適宜変更することができる。

図１２に例示をしたものの場合には、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂ、回転盤１０６ａ、１０６ｂ、軸１０７などが熱交換器１に対する磁場を変化させる磁場変化部となる。

図１２に例示をしたものの場合には、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂ側に機械的変動を与えているが、熱交換器１側に機械的変動を与えても良い。
なお、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとして永久磁石を例示したが、例えば、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとして電磁石などを用いることもできる。磁場発生部１０５ａ、１０５ｂとして電磁石を用いる場合には、磁場発生部１０５ａ、１０５ｂに機械的変動を与えるものを接続することもできるが、電磁石への通電と通電の停止とを切り替えるスイッチなどを設けるようにすることもできる。

導入配管１０３の上流側には、熱輸送媒体２０が貯えられるタンク１２１が設けられ、導入配管１０３の途中には輸送部１２２が設けられている。輸送部１２２は熱交換部１に熱輸送媒体２０を導入する。排出配管１０４は、熱交換部１から出た後に２つの系統に分けられ、２つの循環ラインが構成されている。一方の循環ライン（冷却ライン１２３）の途中には、バルブ１３１、低温側熱交換部１２５及びバルブ１３３が設けられ、冷却ライン１２３の末端はタンク１２１に接続されている。もう一方の循環ライン（予冷ライン１２４）の途中には、バルブ１３２、放熱部１２６及びバルブ１３４が設けられ、予冷ライン１２４の末端はタンク１２１に接続されている。
また、回転盤１０６ａ、１０６ｂの動作、バルブ１３１〜１３４の開閉動作などを制御する図示しない制御部が設けられている。

次に、磁気冷凍システム１００の運転について例示をする。
磁気冷凍システム１００は、予冷工程及び冷却工程を交互に繰り返すことによって運転される。

まず、予冷工程では、バルブ１３１及びバルブ１３３を閉じた状態で、バルブ１３２及び１３４を開き、熱輸送媒体２０を予冷ライン１２４内で循環させる。この状態で、熱交換部１に磁場発生部１０５ａ、１０５ｂを近付ける。容器１１の内部に設けられた熱交換要素に磁場が印加されると、熱交換要素の温度が上昇し、それが熱輸送媒体２０に伝達され、熱輸送媒体２０の温度が上昇する。このようにして暖められた熱輸送媒体２０は、熱交換部１から排出配管１０４を通って排出され、バルブ１３２を通って放熱部１２６に導入され、そこで冷却される。冷却された熱輸送媒体２０は、バルブ１３４を通ってタンク１２１内へ戻る。

容器１１の内部に設けられた熱交換要素の温度が、導入配管１０３を通って熱交換部１に供給される熱輸送媒体２０の温度の近傍まで低下したところで、バルブ１３２、１３４を閉じ、予冷工程を終了させて冷却工程に移る。

冷却工程では、まず、熱交換部１から磁場発生部１０５ａ、１０５ｂを遠ざける。次いで、バルブ１３１、バルブ１３３を開き、熱輸送媒体２０を冷却ライン１２３内で循環させる。熱交換要素から磁場が除去されると、熱交換要素の温度が低下し、それが熱輸送媒体２０に伝達され、熱輸送媒体２０の温度が低下する。このようにして冷却された熱輸送媒体２０は、熱交換部１から排出配管１０４を通って排出され、バルブ１３１を通って低温側熱交換部１２５に導入される。低温側熱交換部１２５においては、熱交換器１において吸熱された熱輸送媒体２０と図示しない熱交換先との間における熱交換を行う。低温側熱交換部１２５としては、例えば、低温の熱輸送媒体２０と空気との間における熱交換を行うことで、空気を冷却するようなものを例示することができる。
熱輸送媒体２０は、低温側熱交換部１２５で熱交換されて温度が上昇した後、バルブ１３３を通ってタンク１２１内へ戻る。

容器１１の内部に設けられた熱交換要素の温度が、導入配管１０３を通って熱交換部１に供給される熱輸送媒体２０の温度の近傍まで上昇したところで、バルブ１３１、１３３を閉じ、冷却工程を終了させて、再び予冷却工程に移る。

この場合、図示しない制御部は、回転盤１０６ａ、１０６ｂの動作、バルブ１３１〜１３４の開閉動作などを制御し、前述した予冷工程及び冷却工程を交互に繰り返す。

また、一例として、熱交換部１における吸熱作用を利用する磁気冷凍システムを例示したがこれに限定されるわけではない。例えば、熱交換部１における発熱作用を利用する磁気冷凍システムとすることもできるし、熱交換部１における吸熱作用と発熱作用を利用する磁気冷凍システムとすることもできる。例えば、磁気冷凍システム１００に設けられた放熱部１２６を高温側熱交換部として高温の熱輸送媒体２０と空気との間における熱交換を行うことで、空気を加熱するようなものを例示することができる。
なお、熱輸送媒体２０で冷熱や温熱が輸送された低温側熱交換部や高温側熱交換部から、被冷却部や放熱部への熱輸送は、空気、ヘリウム、二酸化炭素などの気体とすることが好ましい。

以上説明した実施形態によれば、熱交換効率の向上を図ることができる熱交換器および磁気冷凍システムを実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びそれと等価とみなされるものの範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

例えば、熱交換器１、磁気冷凍システム１００などが備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１熱交換器
１１容器
１２熱交換要素
１２ｃ領域
２０熱輸送媒体
２２熱交換要素
２３熱交換要素
２４熱交換要素
２５熱交換要素
３２ａ〜３２ｅ熱交換要素
１００磁気冷凍システム
１０５ａ、１０５ｂ磁場発生部
１０６ａ、１０６ｂ回転盤
１２２輸送部
１２５低温側熱交換部

Claims

熱輸送媒体が導入される容器と、
前記容器の内部に所定の間隔をあけて設けられた複数の熱交換要素と、
を備え、
前記複数の熱交換要素は、前記熱輸送媒体が流れる方向から見て少なくとも一部が重ならないように、前記熱輸送媒体が流れる方向の前後に設けられたことを特徴とする熱交換器。
前記熱輸送媒体が流れる方向の前側に設けられた前記熱交換要素同士の間の領域は、前記熱輸送媒体が流れる方向から見て、前記熱輸送媒体が流れる方向の後側に設けられた前記熱交換要素により遮られることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記複数の熱交換要素のいずれかは、前記複数の熱交換要素の他のいずれかとは異なる磁気熱量効果材料により形成されたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記複数の熱交換要素は、前記熱輸送媒体が流れる方向に沿って設けられた領域毎に互いに異なる磁気熱量効果材料により形成されたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
請求項１に記載された熱交換器と、
前記熱交換部に対する磁場を変化させる磁場変化部と、
前記熱交換部に熱輸送媒体を導入する輸送部と、
を備えたことを特徴とする磁気冷凍システム。