WO2016038797A1 - 熱磁気サイクル装置 - Google Patents

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WO2016038797A1
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WO
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magnetic field
magnetic
outer rotor
motor
heat
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PCT/JP2015/004107
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彰宏 井村
吾朗 上田
Original Assignee
株式会社デンソー
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
    • B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
    • B60H1/32—Cooling devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B21/00—Machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]

Definitions

  • thermomagnetic cycle apparatus that utilizes the temperature characteristics of a magnetic material.
  • Patent Document 1 to Patent Document 7 describe a thermomagnetic cycle apparatus that utilizes the temperature characteristics of a magnetic material.
  • the thermomagnetic cycle apparatus can be used as a heat pump or an engine.
  • a heat pump a low temperature or a high temperature is extracted by a magnetic fluctuation caused by power.
  • power is extracted by magnetic fluctuations caused by temperature differences.
  • These devices utilize a magnetocaloric element as a magnetic material.
  • Patent Document 6 and Patent Document 7 propose a configuration in which a magnetic working substance is arranged in a magnetic circuit for a motor. However, it is difficult to achieve both the performance as a motor and the performance as a thermomagnetic cycle device.
  • thermomagnetic cycle apparatus In the above-mentioned viewpoints or other viewpoints not mentioned, further improvement is required for the thermomagnetic cycle apparatus.
  • thermomagnetic cycle device One of the purposes of the disclosure is to provide a compact thermomagnetic cycle device.
  • the disclosure provides a thermomagnetic cycle device.
  • the thermomagnetism cycle device includes an outer rotor type motor (17) having an inner stator (71) and an outer rotor (72), and magnetocaloric elements (12, 212) that are arranged on the outer side in the radial direction of the outer rotor and exhibit a magnetocaloric effect. ).
  • the thermomagnetism cycle device includes a magnetic field modulation device (13) that modulates the strength of the magnetic field applied to the magnetocaloric element by being driven by the outer rotor.
  • the magnetic field modulation device is disposed outside in the radial direction of the outer rotor, and includes a magnetic force source (13a, 213a) that applies a magnetic field to the magnetocaloric element.
  • ⁇ A magnetocaloric element and a magnetic source are arranged outside the outer rotor in the radial direction.
  • the motor is disposed radially inside the magnetocaloric element and the magnetic force source.
  • thermomagnetic cycle apparatus which concerns on 1st Embodiment. It is sectional drawing of 1st Embodiment. It is sectional drawing of the thermomagnetic cycle apparatus which concerns on 2nd Embodiment. It is sectional drawing of 2nd Embodiment.
  • FIG.1 and FIG.2 shows sectional drawing of embodiment for implementing a thermomagnetic cycle apparatus.
  • FIG. 1 shows a II cross section of FIG.
  • FIG. 2 shows a II-II cross section of FIG.
  • an air conditioner 1 as a thermal device includes a magnetocaloric effect type heat pump device 11.
  • the magnetocaloric effect type heat pump device 11 is also referred to as an MHP (Magneto-caloric effect Heat Pump) device 11.
  • the MHP apparatus 11 provides a thermomagnetic cycle apparatus.
  • heat pump device is used in a broad sense. That is, the term “heat pump device” includes both a device that uses the cold heat obtained by the heat pump device and a device that uses the heat obtained by the heat pump device. An apparatus using cold heat may be referred to as a refrigeration cycle apparatus. Therefore, in this specification, the term heat pump apparatus is used as a concept including a refrigeration cycle apparatus.
  • the term heat pump device includes a device that utilizes both the cold and hot energy obtained thereby.
  • the term heat pump device includes a dehumidifying device.
  • the low temperature system 2 carries the cold energy obtained by the MHP device 11.
  • the thermal device has a high temperature system 3.
  • the high temperature system 3 carries the heat obtained by the MHP device 11.
  • the MHP device 11, the low temperature system 2, and the high temperature system 3 provide the air conditioner 1.
  • the air conditioner 1 is a vehicle air conditioner that is mounted on a vehicle and air-conditions a vehicle interior.
  • the low temperature system 2 is a heat transport device for transporting, using or discarding the low temperature provided by the MHP device 11.
  • the low temperature system 2 includes a flow path through which the heat transport medium flows.
  • the heat transport medium of the low temperature system 2 is called a low temperature secondary medium.
  • the low-temperature system 2 includes a medium heat exchanger 21 disposed so as to be capable of exchanging heat with the low-temperature end 12a of the MHP device 11.
  • the medium heat exchanger 23 provides heat exchange between the low temperature end 12a of the MHP device 11 and the low temperature secondary medium.
  • the low-temperature system 2 includes an air heat exchanger (external heat exchanger) 22 disposed so as to be able to exchange heat with air.
  • the air heat exchanger 22 provides heat exchange between air as a heat source or heat load and a low temperature secondary medium.
  • the high temperature system 3 is a heat transport device for transporting, using or discarding the high temperature provided by the MHP device 11.
  • the high temperature system 3 includes a flow path through which the heat transport medium flows.
  • the heat transport medium of the high temperature system 3 is called a high temperature secondary medium.
  • the high temperature system 3 includes a medium heat exchanger 31 arranged so as to be capable of exchanging heat with the high temperature end 12b of the MHP device 11.
  • the medium heat exchanger 31 provides heat exchange between the high temperature end 12b of the MHP device 11 and the high temperature secondary medium.
  • the high-temperature system 3 includes an air heat exchanger (external heat exchanger) 32 disposed so as to be able to exchange heat with air.
  • the air heat exchanger 32 provides heat exchange between air as a heat source or heat load and the high temperature secondary medium.
  • the MHP device 11 includes a magnetocaloric element 12.
  • the magnetocaloric element 12 is also called an MCE (Magneto-Caloric Effect) element 12.
  • the MHP device 11 uses the magnetocaloric effect of the MCE element 12.
  • the MHP device 11 generates a low temperature end 12 a and a high temperature end 12 b by the MCE element 12.
  • the MCE element 12 is provided between the low temperature end 12a and the high temperature end 12b.
  • the MCE element 12 is disposed in the work chamber so as to exchange heat with the heat transport medium.
  • the MCE element 12 generates heat and absorbs heat in response to changes in the strength of the external magnetic field.
  • the MCE element 12 generates heat when an external magnetic field is applied, and absorbs heat when the external magnetic field is removed.
  • the MCE element 12 decreases in magnetic entropy and increases its temperature by releasing heat.
  • the MCE element 12 increases in magnetic entropy and decreases in temperature by absorbing heat.
  • the MCE element 12 exhibits a high magnetocaloric effect in a predetermined high-efficiency temperature zone so as to exhibit the performance required as a thermal device.
  • the MCE element 12 has a gradient in which the high-efficiency temperature zone gradually increases in a continuous or stepwise manner from the low temperature end 12a to the high temperature end 12b.
  • the material of the MCE element 12 is selected so as to exhibit necessary performance.
  • the MCE element 12 is made of a magnetic material that exhibits a high magnetocaloric effect in a normal temperature range.
  • a gadolinium-based material or a lanthanum-iron-silicon compound can be used.
  • a mixture of manganese, iron, phosphorus and germanium can be used.
  • an element that absorbs heat by applying an external magnetic field and generates heat by removing the external magnetic field may be used.
  • the MHP device 11 includes a magnetic field modulation device (MG) 13.
  • the magnetic field modulator 13 periodically increases or decreases the strength of the magnetic field applied to the MCE element 12.
  • the magnetic field modulator 13 applies an external magnetic field to the MCE element 12 and increases or decreases the strength of the external magnetic field.
  • the magnetic field modulator 13 periodically switches between an excitation state in which the MCE element 12 is placed in a strong magnetic field and a demagnetization state in which the MCE element 12 is placed in a weak magnetic field or a zero magnetic field.
  • the magnetic field modulation device 13 modulates the external magnetic field so as to periodically repeat an excitation period in which the MCE element 12 is placed in a strong external magnetic field and a demagnetization period in which the MCE element 12 is placed in an external magnetic field weaker than the excitation period. To do.
  • the magnetic field modulation device 13 repeats application and removal of the magnetic field to the MCE element 12 in synchronization with a reciprocating flow of a heat transport medium described later.
  • the magnetic field modulation device 13 includes a magnetic force source 13a for generating an external magnetic field, for example, a permanent magnet or an electromagnet.
  • the MHP device 11 includes a heat transport device (PM) 14.
  • the heat transport device 14 includes a heat transport medium and a fluid device for flowing the heat transport medium.
  • the heat transport medium exchanges heat with the MCE element 12 and transports heat.
  • the heat transport medium transports heat that the MCE element 12 radiates or absorbs.
  • the heat transport device 14 is a device that flows along the MCE element 12 a heat transport medium that exchanges heat with the MCE element 12.
  • the heat transport device 14 reciprocates the heat transport medium along the MCE element 12.
  • the heat transport device 14 generates a reciprocating flow of the heat transport medium in synchronization with the change of the external magnetic field by the magnetic field modulation device 13.
  • the heat transport device 14 switches the flow direction of the heat transport medium in synchronization with the increase or decrease of the magnetic field by the magnetic field modulation device 13.
  • the heat transport device 14 alternately provides a flow from the low temperature end 12 a to the high temperature end 12 b and a flow from the high temperature end 12 b to the low temperature end 12 a in synchronization with the modulation of the magnetic field by the magnetic field modulation device 13.
  • the heat transport medium that exchanges heat with the MCE element 12 is called a primary medium.
  • the primary medium can be provided by a fluid such as antifreeze, water, oil.
  • the magnetic field modulation device 13 and the heat transport device 14 cause the MCE element 12 to function as an element of an AMR (Active Magnetic Refrigeration) cycle.
  • AMR Active Magnetic Refrigeration
  • the magnetic field modulation device 13 applies a strong magnetic field to the MCE element 12.
  • the first direction is a direction from the low temperature end 12a toward the high temperature end 12b.
  • the magnetic field modulation device 13 applies a weak magnetic field or a zero magnetic field to the MCE element 12.
  • the second direction is a direction from the high temperature end 12b toward the low temperature end 12a.
  • the heat transport device 14 has a pump 41.
  • the pump 41 is a multi-cylinder piston pump.
  • the pump 41 is a radial piston pump in which a plurality of cylinders are arranged radially.
  • the pump 41 may be provided by an axial piston pump in which a plurality of cylinders are arranged along the axial direction.
  • the pump 41 has a plurality of cylinders 42 and a plurality of pistons 43.
  • the pump 41 has a drive mechanism 44 for driving the plurality of pistons 43.
  • the drive mechanism 44 is a cam driven by a power source described later.
  • the magnetic field modulation device 13 may employ a device that modulates the magnetic field by relative movement between the MCE element 12 and the magnetic force source 13a, or a device that modulates the magnetic field by movement of a member that blocks the magnetic flux.
  • the heat transport device 14 can employ a device that uses a reciprocating pump, or a device that uses a bridge-type flow path and a switching valve that switch the flow direction of the heat transport medium.
  • the descriptions of the prior art documents listed in this specification can be referred to. The content of the prior art document is introduced or incorporated by reference as an explanation of the technical elements described in this specification.
  • the MHP device 11 includes a housing 15.
  • the housing 15 accommodates the magnetic field modulation device 13 and the heat transport device 14.
  • the housing 15 accommodates a motor 17 described later.
  • the housing 15 accommodates the MCE element 12 and provides a flow path through which the heat transport medium flows.
  • the housing 15 includes a front housing 51, a center housing 52, a rear housing 53, and an end cap 54.
  • the center housing 52 is also called a magnetic flux path member or a yoke for flowing a magnetic flux supplied by the magnetic force source 13a.
  • the housing 15 includes an element bed 55 that accommodates and holds the MCE element 12.
  • the element bed 55 is cylindrical.
  • the element bed 55 defines a plurality of work chambers 56 extending in the cylindrical wall so as to penetrate the wall in the axial direction.
  • the MCE element 12 is accommodated and fixed in the work chamber 56.
  • the working chamber 56 is also a passage for the heat transport medium.
  • the housing 15 has a shaft 57 for transmitting the rotation of the power source.
  • the shaft 57 is rotatably supported by a plurality of bearings 58.
  • the housing 15 defines a plurality of passages 59 that allow the pump 41 and the working chamber 56 to communicate with each other.
  • a reciprocating heat transport medium flow is supplied to the working chamber 56 by the pump 41 and the passage 59.
  • the MHP device 11 has an electric motor 17 as a power source.
  • the pump 41 is disposed outside the end of the motor 17 in the axial direction.
  • the motor 17 is an outer rotor type motor.
  • the motor 17 has an inner stator 71 and an outer rotor 72.
  • the inner stator 71 is fixed to the housing 15.
  • the outer rotor 72 is rotatably arranged on the radially outer side of the inner stator 71.
  • the outer peripheral surface of the inner stator 71 and the inner peripheral surface of the outer rotor 72 are opposed to each other through a gap.
  • the outer rotor 72 is connected to the shaft 57 and is rotatably supported by the shaft 57.
  • the inner stator 71 has a stator core 73 that forms a plurality of magnetic poles on the outer peripheral surface.
  • the inner stator 71 has a stator coil 74 that excites a plurality of magnetic poles.
  • the stator coil 74 is energized with a current for rotating the motor 17.
  • the outer rotor 72 has a rotor core 75 as a magnetic flux path.
  • the outer rotor 72 has a plurality of permanent magnets 76 arranged on the inner peripheral surface of the rotor core 75.
  • the permanent magnet 76 is a magnetic source for the motor 17 and also a magnetic pole for the outer rotor 72.
  • the outer rotor 72 rotates by electromagnetic interaction between the plurality of magnetic poles and the permanent magnet 76.
  • the rotation of the outer rotor 72 rotates the shaft 57.
  • the pump 41 is disposed outside the end of the motor in the axial direction.
  • the pump 41 is driven by a motor to cause the heat transport medium to flow along the MCE element 12.
  • the heat transport device 14 is driven by the rotation of the outer rotor 72.
  • a magnetic source 13 a for the magnetic field modulator 13 is fixed to the outer peripheral surface of the outer rotor 72.
  • the magnetic source 13a is a partially cylindrical permanent magnet.
  • the magnetic source 13a rotates.
  • a relative movement between the MCE element 12 and the magnetic source 13a is provided, and the strength of the magnetic field applied to the MCE element 12 is modulated. Therefore, the magnetic field modulation device 13 modulates the strength of the magnetic field applied to the MCE element 12 by being driven by the outer rotor 72.
  • the MCE element 12 and the element bed 55 are arranged on the outer side in the radial direction of the magnetic source 13a.
  • the magnetic source 13a and the motor 17 are arranged on the inner side in the radial direction of the element bed 55.
  • the MCE element 12 is disposed on the outer side in the radial direction of the outer rotor 72.
  • the low temperature end 12 a and the high temperature end 12 b are provided apart along the axial direction of the motor 17.
  • the MCE element 12 is disposed between the low temperature end 12a and the high temperature end 12b.
  • a permanent magnet 76 for the motor 17 and a magnetic source 13a for the magnetic field modulator 13 are arranged on the rotor core 75.
  • the rotor core 75 functions as a yoke that provides a magnetic path for the permanent magnet 76 and also as a yoke that provides a magnetic path for the magnetic force source 13a.
  • the rotor core 75 has a cross-sectional area that can provide both a magnetic path for the motor 17 and a magnetic path for the magnetic field modulator 13.
  • the magnetic source 13 a provides two magnetic poles along the rotation direction of the motor 17.
  • the number of magnetic poles for the motor 17 that is, the number of magnetic poles of the inner stator 71 and the number of magnetic poles of the outer rotor 72 are much larger than the number of magnetic poles provided by the magnetic force source 13a.
  • the number of magnetic poles for the motor 17 is more than twice the number of magnetic poles provided by the magnetic source 13a, or more than four times. These numbers are set so as to suppress the interaction between the motor 17 and the magnetic field modulation device 13.
  • the magnetic source 13a is disposed over almost the entire axial length of the outer rotor 72.
  • the length of the magnetic pole provided by the magnetic source 13a in the axial direction of the motor 17 is longer than the length of the magnetic pole for the motor 17, that is, the axial length of the stator core 73 and the permanent magnet 76.
  • Such an arrangement enables the use of a large magnetic source 13a and a large MCE element 12.
  • the magnetic field modulation device 13 is driven by the outer rotor type motor 17.
  • the motor 17 provides a relative movement between the MCE element 12 and the magnetic source 13a. Therefore, the outer peripheral surface of the outer rotor type motor 17 can be used.
  • the motor 17 as a power source is arranged on the radially inner side of the MCE element 12 arranged in a cylindrical shape. For this reason, the element for the magnetic field modulation apparatus 13 can be arrange
  • a small thermomagnetic cycle device is provided.
  • a pump 41 is disposed in the axial direction of the motor 17. This configuration enables a compact arrangement of the motor 17 and the pump 41. As a result, a small thermomagnetic cycle device is provided.
  • This embodiment is a modified example based on the preceding embodiment.
  • the magnetic source 13a is moved.
  • the MCE element 212 and the element bed 255 are moved.
  • generates a reciprocating flow is employ
  • a one-way type pump 241 and a valve mechanism 245 are employed.
  • FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views corresponding to FIGS. 1 and 2 of the preceding embodiment.
  • FIG. 3 shows a III-III cross section of FIG.
  • FIG. 4 shows a IV-IV cross section of FIG.
  • the MHP device 11 has a pump 241 that flows a heat transport medium in one direction.
  • the pump 241 can be provided by a positive displacement type or a non positive displacement type pump.
  • the pump 241 can be provided by various pumps such as a centrifugal pump, a vane pump, and a gear pump.
  • the heat transport device 14 is provided by the pump 241 and the valve mechanism 245.
  • the valve mechanism 245 supplies a reciprocating heat transport medium flow to the work chamber 56 by switching the connection state of the passage 59 to the work chamber 56.
  • the magnetic source 213a is fixed to the inner peripheral surface of the center housing 52.
  • the element bed 255 is fixed to the outer peripheral surface of the outer rotor 72. Therefore, the MCE element 212 is also fixed to the outer peripheral surface of the outer rotor 72.
  • the element bed 255 is separated from the front housing 51 and the rear housing 53.
  • Both end surfaces of the element bed 255 are arranged on the inner end surfaces of the front housing 51 and the rear housing 53 so as to allow the movement of the element bed 255 while allowing the flow of the heat transport medium between the working chamber 56 and the passage 59. Opposite. Both end surfaces of the element bed 255 are opposed to the front housing 51 and the rear housing 53 through a slight gap or are slidably in contact with the front housing 51 and the rear housing 53.
  • a rotary valve mechanism 245 is formed between the element bed 255 and the front housing 51 and the rear housing 53.
  • the valve mechanism 245 switches the flow direction of the heat transport medium according to the position related to the rotation direction of the element bed 255.
  • four ports are arranged on the end surfaces of the front housing 51 and the rear housing 53 along the circumferential direction of the element bed 255.
  • the two ports positioned in the radial direction are ports for flowing the heat transport medium from the high temperature end 12b to the low temperature end 12a.
  • the remaining two ports are ports for flowing the heat transport medium from the low temperature end 12a to the high temperature end 12b.
  • thermomagnetic cycle device since the outer peripheral surface of the outer rotor type motor 17 can be used, a small thermomagnetic cycle device is provided. Further, since the pump 241 is arranged in the axial direction of the motor 17, a small thermomagnetic cycle device is provided.
  • both the low temperature system 2 and the high temperature system 3 are employed.
  • the low temperature end 12a or the high temperature end 12b and the heat source or heat load may be directly exchanged with heat.
  • the thermal equipment includes the low temperature system 2 or the high temperature system 3.
  • the startup pre-processing of the MHP device 11 can be executed using only one of the low temperature system 2 and the high temperature system 3.
  • the vehicle air conditioner 4 is provided by the MHP device 11.
  • a residential air conditioner, a refrigeration apparatus for storing food, and the like may be provided.
  • the low temperature system 2 and the high temperature system 3 are fixed.
  • the MHP device 11 may be operated so that the low temperature end 12a and the high temperature end 12b are interchanged.
  • the MHP apparatus 11 can be operated so that the system 2 becomes a low-temperature system in the cooling application, and the MHP apparatus 11 can be operated so that the system 2 becomes the high-temperature system in the heating application.
  • Such a reversible operation can be realized by reversing the phases of the magnetic field modulation device 13 and the heat transport device 14.
  • the magnetic source 13a or the element bed 255 is provided in the outer rotor 72.
  • a magnetic flux control member that is arranged between the magnetic source 13 a and the element bed 55 and increases or decreases the amount of magnetic flux transmitted may be adopted, and this magnetic flux control member may be connected to the outer rotor 72.

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Abstract

　熱機器としての空調装置（１）は、熱磁気サイクル装置としての磁気熱量ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）（１１）を備える。ＭＨＰ装置（１１）は、低温端（１２ａ）と高温端（１２ｂ）との間に配置された磁気熱量素子（ＭＣＥ素子）（１２）の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置（１１）は、ＭＣＥ素子（１２）に印加される磁場を変調する磁場変調装置（１３）を備える。磁場変調装置（１３）は、ＭＣＥ素子（１２）と磁力源（１３ａ）との相対的な移動によって磁場を変調する。ＭＨＰ装置（１１）は、アウタロータ型のモータ（１７）を備える。磁場変調装置（１３）は、アウタロータ（７２）の外周面を利用する。ひとつの例では、磁力源（１３ａ）がアウタロータ（７２）の外周面に設けられる。他の例では、ＭＣＥ素子がアウタロータ（７２）の外周面に設けられる。

Description

熱磁気サイクル装置 関連出願の相互参照
　この出願は、２０１４年９月９日に出願された日本特許出願２０１４－１８３５９０号を基礎出願とするものであり、当該基礎出願の開示内容は参照によってこの出願に組み込まれている。
　この開示は、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置に関する。
　特許文献１－特許文献７には、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置が記載されている。熱磁気サイクル装置は、ヒートポンプまたはエンジンとして利用することができる。ヒートポンプにおいては、動力によって生じる磁気的な変動によって低温または高温が取り出される。エンジンにおいては、温度差に起因して生じる磁気的な変動によって動力が取り出される。これらの装置は、磁性体として、磁気熱量素子を利用する。
特開２０１２－２２９８３１号公報 特開２０１２－２５５６４２号公報 特開２０１２－２２９６３４号公報 特表２０１２－５０３７５４号公報 米国特許第８４４８４５３号明細書 特開２０１０－１０１５７６号公報 特表２０１１－５１９００９号公報
　特許文献６および特許文献７は、モータのための磁気回路の中に磁気作業物質を配置する構成を提案している。しかし、モータとしての性能と、熱磁気サイクル装置としての性能とを両立することは困難である。
　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。
　開示の目的のひとつは、小型の熱磁気サイクル装置を提供することである。
　この開示は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として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ものであって、開示の技術的範囲を限定するものではない。
　開示は、熱磁気サイクル装置を提供する。熱磁気サイクル装置は、インナステータ（７１）とアウタロータ（７２）とを有するアウタロータ型のモータ（１７）と、アウタロータの径方向外側に配置され、磁気熱量効果を発揮する磁気熱量素子（１２、２１２）とを備える。熱磁気サイクル装置は、アウタロータによって駆動されることによって磁気熱量素子に印加される磁場の強さを変調する磁場変調装置（１３）を備える。磁場変調装置は、アウタロータの径方向外側に配置され、磁気熱量素子に磁場を印加する磁力源（１３ａ、２１３ａ）を含む。
　アウタロータの径方向外側に磁気熱量素子と磁力源が配置される。言い換えると、磁気熱量素子および磁力源の径方向内側にモータが配置される。アウタロータの径方向外側を利用することによって、小型の熱磁気サイクル装置が提供される。
第１実施形態に係る熱磁気サイクル装置の断面図である。 第１実施形態の断面図である。 第２実施形態に係る熱磁気サイクル装置の断面図である。 第２実施形態の断面図である。
　図面を参照しながら、複数の形態を説明する。各形態において、先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。また、後続の実施形態においては、先行する実施形態で説明した事項に対応する部分に百以上の位だけが異なる参照符号を付することにより対応関係を示し、重複する説明を省略する場合がある。各形態において、構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については他の形態の説明を参照し適用することができる。
　第１実施形態
　図１および図２は熱磁気サイクル装置を実施するための実施形態の断面図を示す。図１は、図２のＩ－Ｉ断面を示す。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ断面を示す。
　図１において、熱機器としての空調装置１は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１１を備える。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１１はＭＨＰ（Magneto-caloric effect Heat Pump）装置１１とも呼ばれる。ＭＨＰ装置１１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。ヒートポンプ装置の語は、それによって得られる冷熱と温熱との両方を利用する装置を含む。例えば、ヒートポンプ装置の語は、除湿装置を含む。
　図１に図示される熱機器は、低温系統２を有する。低温系統２は、ＭＨＰ装置１１により得られる冷熱を運搬する。熱機器は、高温系統３を有する。高温系統３は、ＭＨＰ装置１１により得られる温熱を運搬する。ＭＨＰ装置１１、低温系統２、および高温系統３は、空調装置１を提供する。空調装置１は、車両に搭載され、車室内を空調する車両用空調装置である。
　低温系統２は、ＭＨＰ装置１１によって提供される低温を運搬し、利用または廃棄するための熱輸送装置である。低温系統２は、熱輸送媒体が循環的に流れる流路を備える。低温系統２の熱輸送媒体は低温二次媒体と呼ばれる。低温系統２は、ＭＨＰ装置１１の低温端１２ａと熱交換可能に配置された媒体熱交換器２１を備える。媒体熱交換器２３は、ＭＨＰ装置１１の低温端１２ａと、低温二次媒体との間の熱交換を提供する。低温系統２は、空気と熱交換可能に配置された空気熱交換器（外部熱交換器）２２を備える。空気熱交換器２２は、熱源または熱負荷としての空気と、低温二次媒体との間の熱交換を提供する。
　高温系統３は、ＭＨＰ装置１１によって提供される高温を運搬し、利用または廃棄するための熱輸送装置である。高温系統３は、熱輸送媒体が循環的に流れる流路を備える。高温系統３の熱輸送媒体は高温二次媒体と呼ばれる。高温系統３は、ＭＨＰ装置１１の高温端１２ｂと熱交換可能に配置された媒体熱交換器３１を備える。媒体熱交換器３１は、ＭＨＰ装置１１の高温端１２ｂと、高温二次媒体との間の熱交換を提供する。高温系統３は、空気と熱交換可能に配置された空気熱交換器（外部熱交換器）３２を備える。空気熱交換器３２は、熱源または熱負荷としての空気と、高温二次媒体との間の熱交換を提供する。
　ＭＨＰ装置１１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１１は、ＭＣＥ素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置１１は、ＭＣＥ素子１２によって低温端１２ａと高温端１２ｂとを生成する。ＭＣＥ素子１２は、低温端１２ａと高温端１２ｂとの間に設けられている。
　ＭＣＥ素子１２は、作業室内に、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、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、熱機器として必要な性能を発揮するように、所定の高効率温度帯において高い磁気熱量効果を発揮する。ＭＣＥ素子１２は、低温端１２ａから高温端１２ｂに向けて連続的にまたは段階的に高効率温度帯が徐々に高くなる勾配を有する。
　ＭＣＥ素子１２の材料は、必要な性能を発揮するように選定されている。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１１は、磁場変調装置（ＭＧ）１３を備える。磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２に印加される磁場の強さを周期的に増減させる。磁場変調装置１３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１３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１３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１３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１３は、外部磁場を生成するための磁力源１３ａ、例えば永久磁石、または電磁石を備える。
　ＭＨＰ装置１１は、熱輸送装置（ＰＭ）１４を備える。熱輸送装置１４は、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。熱輸送媒体は、ＭＣＥ素子１２と熱交換するとともに熱を輸送する。熱輸送媒体は、ＭＣＥ素子１２が放熱または吸熱する熱を輸送する。熱輸送装置１４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１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体を往復的に流す。熱輸送装置１４は、磁場変調装置１３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１４は、磁場変調装置１３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。熱輸送装置１４は、低温端１２ａから高温端１２ｂに向かう流れと、高温端１２ｂから低温端１２ａに向かう流れとを、磁場変調装置１３による磁場の変調に同期して、交互に提供する。ＭＣＥ素子１２と熱交換する熱輸送媒体は一次媒体と呼ばれる。一次媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。
　磁場変調装置１３と熱輸送装置１４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。熱輸送装置１４によってＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流されるときに、磁場変調装置１３はＭＣＥ素子１２に強い磁場を印加する。第１方向は、低温端１２ａから高温端１２ｂに向かう方向である。熱輸送装置１４によって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されるとき、磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２に弱い磁場またはゼロ磁場を印加する。第２方向は、高温端１２ｂから低温端１２ａに向かう方向である。
　熱輸送装置１４は、ポンプ４１を有する。ポンプ４１は、多気筒のピストンポンプである。ポンプ４１は、複数の気筒が放射状に配置されたラジアルピストンポンプである。ポンプ４１は、複数の気筒が軸方向に沿って配置されたアキシャルピストンポンプによって提供されてもよい。ポンプ４１は、複数のシリンダ４２と、複数のピストン４３とを有する。ポンプ４１は、複数のピストン４３を駆動するための駆動機構４４を有する。駆動機構４４は、後述の動力源によって駆動されるカムである。
　磁場変調装置１３および熱輸送装置１４に関しては、多様な構成を採用することができる。例えば、磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２と磁力源１３ａとの相対的な移動によって磁場を変調する装置、または磁束を遮断する部材の移動によって磁場を変調する装置を採用することができる。また、熱輸送装置１４は、往復型のポンプを利用する装置、または熱輸送媒体の流れ方向を切り換えるブリッジ型流路と切り換え弁とを利用する装置を採用することができる。磁場変調装置１３および熱輸送装置１４に関してはこの明細書に列挙された先行技術文献の記載を参照することができる。先行技術文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用される。
　ＭＨＰ装置１１は、ハウジング１５を備える。ハウジング１５は、磁場変調装置１３および熱輸送装置１４を収容する。ハウジング１５は、後述のモータ１７を収容する。ハウジング１５は、ＭＣＥ素子１２を収容するとともに、熱輸送媒体が流れる流路を提供する。ハウジング１５は、フロントハウジング５１、センタハウジング５２、リアハウジング５３、およびエンドキャップ５４を備える。センタハウジング５２は、磁力源１３ａによって供給される磁束を流すための磁束通路部材またはヨークとも呼ばれる。
　ハウジング１５は、ＭＣＥ素子１２を収容し保持する素子ベッド５５を備える。素子ベッド５５は、円筒状である。素子ベッド５５は、円筒状の壁の中に、軸方向に沿って壁を貫通するように延びる複数の作業室５６を区画形成している。ＭＣＥ素子１２は、作業室５６の中に収容され、固定されている。作業室５６は、熱輸送媒体の通路でもある。ハウジング１５は、動力源の回転を伝達するためのシャフト５７を有する。シャフト５７は、複数のベアリング５８によって回転可能に支持されている。ハウジング１５は、ポンプ４１と作業室５６とを連通する複数の通路５９を区画形成している。ポンプ４１と通路５９とによって、作業室５６には往復的な熱輸送媒体の流れが供給される。
　ＭＨＰ装置１１は、動力源としての電動式のモータ１７を有する。ポンプ４１は、モータ１７の軸方向の端部より外側に配置されている。モータ１７は、アウタロータ型のモータである。モータ１７は、インナステータ７１と、アウタロータ７２とを有する。インナステータ７１は、ハウジング１５に固定されている。アウタロータ７２は、インナステータ７１の径方向外側に回転可能に配置されている。インナステータ７１の外周面と、アウタロータ７２の内周面とは隙間を介して対向している。アウタロータ７２は、シャフト５７に連結され、シャフト５７によって回転可能に支持されている。
　インナステータ７１は、外周面に複数の磁極を形成するステータコア７３を有する。インナステータ７１は、複数の磁極を励磁するステータコイル７４を有する。ステータコイル７４には、モータ１７を回転させるための電流が通電される。
　アウタロータ７２は、磁束通路としてのロータコア７５を有する。アウタロータ７２は、ロータコア７５の内周面に配置された複数の永久磁石７６を有する。永久磁石７６は、モータ１７のための磁力源であり、アウタロータ７２のための磁極でもある。複数の磁極と、永久磁石７６との間の電磁的な相互作用によってアウタロータ７２は回転する。アウタロータ７２の回転は、シャフト５７を回転させる。ポンプ４１は、モータの軸方向の端部より外側に配置されている。ポンプ４１は、モータによって駆動されることによって熱輸送媒体をＭＣＥ素子１２に沿って流す。この結果、アウタロータ７２の回転によって熱輸送装置１４が駆動される。
　アウタロータ７２の外周面には、磁場変調装置１３のための磁力源１３ａが固定されている。磁力源１３ａは部分円筒状の永久磁石である。アウタロータ７２が回転することにより磁力源１３ａが回転する。この結果、ＭＣＥ素子１２と磁力源１３ａとの間の相対的な移動が提供され、ＭＣＥ素子１２に印加される磁場の強さが変調される。よって、磁場変調装置１３は、アウタロータ７２によって駆動されることによってＭＣＥ素子１２に印加される磁場の強さを変調する。
　ＭＣＥ素子１２および素子ベッド５５は、磁力源１３ａの径方向外側に配置されている。言い換えると、素子ベッド５５の径方向内側に磁力源１３ａとモータ１７とが配置されている。ＭＣＥ素子１２はアウタロータ７２の径方向外側に配置されている。低温端１２ａと高温端１２ｂとは、モータ１７の軸方向に沿って離れて設けられている。ＭＣＥ素子１２は、低温端１２ａと高温端１２ｂとの間に配置されている。
　この構成では、ロータコア７５の上にモータ１７のための永久磁石７６と、磁場変調装置１３のための磁力源１３ａとが配置されている。ロータコア７５は、永久磁石７６のための磁路を提供するヨークとして、かつ、磁力源１３ａのための磁路を提供するヨークとして機能する。ロータコア７５は、モータ１７のための磁路と、磁場変調装置１３のための磁路との両方を提供できる断面積を有している。磁力源１３ａは、モータ１７の回転方向に沿って２つの磁極を提供する。モータ１７のための磁極の数、すなわちインナステータ７１の磁極の数と、アウタロータ７２の磁極の数とは、磁力源１３ａが提供する磁極の数より、はるかに多い。モータ１７のための磁極の数は、磁力源１３ａが提供する磁極の数の倍以上、または４倍以上である。これらの数は、モータ１７と磁場変調装置１３との相互作用を抑制するように設定されている。
　磁力源１３ａは、アウタロータ７２の軸方向長さのほぼ全体をわたって配置されている。磁力源１３ａが提供する磁極のモータ１７の軸方向に関する長さは、モータ１７のための磁極、すなわちステータコア７３および永久磁石７６の軸方向の長さよりも長い。このような配置は、大きい磁力源１３ａと、大きいＭＣＥ素子１２の利用を可能とする。
　この実施形態では、アウタロータ型のモータ１７によって磁場変調装置１３が駆動される。具体的には、モータ１７によってＭＣＥ素子１２と磁力源１３ａとの間の相対的な移動が提供される。よって、アウタロータ型のモータ１７の外周面を利用することができる。この構成によると、円筒状に配置されたＭＣＥ素子１２の径方向内側に動力源としてのモータ１７が配置される。このため、磁場変調装置１３のための要素をコンパクトに配置することができる。この結果、小型の熱磁気サイクル装置が提供される。また、モータ１７の軸方向にポンプ４１が配置される。この構成は、モータ１７とポンプ４１とのコンパクトな配置を可能とする。この結果、小型の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、磁力源１３ａを移動させる。これに代えて、この実施形態では、ＭＣＥ素子２１２と素子ベッド２５５とを移動させる。また、上記実施形態では、往復流を生成するピストンポンプが採用されている。これに代えて、この実施形態では、一方向型のポンプ２４１と、弁機構２４５とが採用されている。
　図３、図４は、それぞれが先行する実施形態の図１、図２に対応する断面図である。図３は図４のＩＩＩ－ＩＩＩ断面を示す。図４は図３のＩＶ－ＩＶ断面を示す。
　ＭＨＰ装置１１は、一方向に熱輸送媒体を流すポンプ２４１を有する。ポンプ２４１は、容積型または非容積型のポンプによって提供することができる。例えば、ポンプ２４１は、遠心型ポンプ、ベーン式ポンプ、ギヤポンプといった多様なポンプによって提供することができる。この構成では、熱輸送装置１４は、ポンプ２４１と弁機構２４５とによって提供される。弁機構２４５は、作業室５６に対する通路５９の接続状態を切り換えることによって作業室５６に往復的な熱輸送媒体の流れを供給する。
　この実施形態では、磁力源２１３ａはセンタハウジング５２の内周面に固定されている。素子ベッド２５５はアウタロータ７２の外周面に固定されている。よって、ＭＣＥ素子２１２もアウタロータ７２の外周面に固定されている。素子ベッド２５５は、フロントハウジング５１およびリアハウジング５３から分離されている。
　素子ベッド２５５の両端面は、作業室５６と通路５９との間の熱輸送媒体の流れを許容しながら、素子ベッド２５５の移動を許容するように、フロントハウジング５１およびリアハウジング５３の内側端面と対向している。素子ベッド２５５の両端面は、フロントハウジング５１およびリアハウジング５３に対してわずかな隙間を介して対向するか、フロントハウジング５１およびリアハウジング５３に対して摺動可能に接触している。
　素子ベッド２５５と、フロントハウジング５１およびリアハウジング５３との間には、回転型の弁機構２４５が形成されている。弁機構２４５は、素子ベッド２５５の回転方向に関する位置に応じて、熱輸送媒体の流れ方向を切り換える。図示の例では、フロントハウジング５１およびリアハウジング５３の端面には、素子ベッド２５５の周方向に沿って４つのポートが配置されている。径方向に位置づけられた２つのポートは高温端１２ｂから低温端１２ａへ熱輸送媒体を流すためのポートである。残る２つのポートは、低温端１２ａから高温端１２ｂへ熱輸送媒体を流すためのポートである。
　この実施形態でもアウタロータ型のモータ１７の外周面を利用することができるから、小型の熱磁気サイクル装置が提供される。また、モータ１７の軸方向にポンプ２４１が配置されるから、小型の熱磁気サイクル装置が提供される。
　（他の実施形態）
　開示は、実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示の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、低温系統２と高温系統３との両方を採用した。これに代えて、低温端１２ａまたは高温端１２ｂと、熱源または熱負荷とを直接的に熱交換させるように構成されてもよい。この場合、熱機器は、低温系統２または高温系統３を備える。この構成においても、低温系統２または高温系統３の一方だけを利用して、ＭＨＰ装置１１の起動前処理を実行可能である。
　上記実施形態では、ＭＨＰ装置１１によって車両用の空調装置４を提供した。これに代えて、住宅用の空調装置、食品などを貯蔵する冷蔵装置などを提供してもよい。
　上記実施形態では、低温系統２と高温系統３とを固定した。これに代えて、低温端１２ａと高温端１２ｂとを入れ替えるようにＭＨＰ装置１１を運転してもよい。例えば、冷房用途においては系統２が低温系統となるようにＭＨＰ装置１１を運転し、暖房用途においては系統２が高温系統となるようにＭＨＰ装置１１を運転することができる。このような反転可能な運転は、磁場変調装置１３と熱輸送装置１４との位相を反転させることによって実現可能である。
　上記実施形態では、磁場変調装置１３をアウタロータ７２で駆動するために、磁力源１３ａまたは素子ベッド２５５をアウタロータ７２に設けた。これに代えて、磁力源１３ａと素子ベッド５５との間に配置され、磁束の透過量を増減させる磁束制御部材を採用し、この磁束制御部材をアウタロータ７２に連結してもよい。

Claims (6)

  1. 　インナステータ（７１）とアウタロータ（７２）とを有するアウタロータ型のモータ（１７）と、
    　前記アウタロータの径方向外側に配置され、磁気熱量効果を発揮する磁気熱量素子（１２、２１２）と、
    　前記アウタロータの径方向外側に配置され前記磁気熱量素子に磁場を印加する磁力源（１３ａ、２１３ａ）を含み、前記アウタロータによって駆動されることによって前記磁気熱量素子に印加される磁場の強さを変調する磁場変調装置（１３）とを備えることを特徴とする熱磁気サイクル装置。
  2. 　さらに、前記磁気熱量素子と熱交換するとともに熱を輸送する熱輸送媒体と、前記モータの軸方向の端部より外側に配置され、前記モータによって駆動されることによって前記熱輸送媒体を前記磁気熱量素子に沿って流すポンプ（４１、２４１）とを含む熱輸送装置（１４）を備えることを特徴とする請求項１に記載の熱磁気サイクル装置。
  3. 　前記磁気熱量素子は、前記モータの軸方向に沿って離れて設けられた低温端（１２ａ）と高温端（１２ｂ）との間に配置されており、
    　前記熱輸送装置は、前記低温端から前記高温端に向かう流れと、前記高温端から前記低温端に向かう流れとを、前記磁場変調装置による前記磁場の変調に同期して、交互に提供することを特徴とする請求項２に記載の熱磁気サイクル装置。
  4. 　前記磁力源が提供する磁極の前記モータの軸方向に関する長さは、前記モータのための磁極（７３、７６）の長さよりも長いことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
  5. 　さらに、前記モータ、前記磁気熱量素子、および前記磁場変調装置を収容するハウジング（１５）を備え、
    　前記磁気熱量素子（１２）は前記ハウジングに固定されており、
    　前記磁力源は前記アウタロータの外周面に固定されており、前記磁場変調装置は、前記磁気熱量素子と前記磁力源との相対的な移動によって前記磁気熱量素子に印加される磁場を変調することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
  6. 　さらに、前記モータ、前記磁気熱量素子、および前記磁場変調装置を収容するハウジング（１５）を備え、
    　前記磁力源（２１３ａ）は前記ハウジングに固定されており、
    　前記磁気熱量素子（２１２）は前記アウタロータの外周面に固定されており、前記磁場変調装置は、前記磁気熱量素子と前記磁力源との相対的な移動によって前記磁気熱量素子に印加される磁場を変調することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
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