WO2022085567A1 - ヒートポンプ及びこれを用いたヒートポンプユニット - Google Patents

ヒートポンプ及びこれを用いたヒートポンプユニット Download PDF

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heat pump
working fluid
magnetic
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洋志 高瀬
昌輝 東郷
敏祐 若林
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東洋エンジニアリング株式会社
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F23/00—Features relating to the use of intermediate heat-exchange materials, e.g. selection of compositions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • C09K5/047—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for absorption-type refrigeration systems
    • 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
    • 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
    • F25B2321/00—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects
    • F25B2321/002—Details of machines, plants or systems, using electric or magnetic effects by using magneto-caloric 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

  • the present invention relates to a heat pump and a heat pump unit using the same, and more particularly to a heat pump that transfers heat by using a magnetic field and a heat pump unit using the same.
  • a heat pump has been used as a means for transferring heat from a low temperature part to a high temperature part.
  • the heat pump receives heat from the low temperature portion, raises the temperature of the heat and supplies it to the high temperature portion, so that high temperature heat energy can be obtained from the low temperature heat energy.
  • Patent Document 1 discloses a heat pump that transfers heat using a magnetic field.
  • a particulate magnetic solid is filled inside the apparatus, and the magnetic solid and the magnetic solid are removed while applying or removing a magnetic field to the magnetic solid. It exchanges heat with the working fluid of the liquid flowing in the packed layer filled with. Therefore, as compared with a heat pump using a compressor, noise caused by the compressor is not generated and maintenance is facilitated.
  • the amount of heat exchanged is Q
  • the total heat transfer coefficient due to the state of the heat transfer surface is U
  • the heat transfer area is A.
  • Q U ⁇ A ⁇ ⁇ t It is represented by. Therefore, in order to obtain a large amount of heat Q, it is necessary to increase at least one of the heat transfer area A and the temperature difference ⁇ t between the heat transfer surfaces.
  • the present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above, and provides a heat pump capable of transferring heat with high efficiency by using a magnetic field and a heat pump unit using the same.
  • the purpose is to do.
  • the present invention has a heat absorbing part that receives heat from the outside and a heat radiating part that releases heat to the outside, and by applying and reducing a magnetic field to the main working fluid that circulates between the heat absorbing part and the heat radiating part.
  • a heat pump that transfers heat between the endothermic section and the heat dissipation section.
  • the main working fluid is a fluid in which magnetic particles are dispersed in a solvent.
  • the fluid may be a colloidal fluid or a suspension. In the following description, the case of colloidal fluid and the case of suspension are collectively referred to as magnetic particle dispersion.
  • the main working fluid is a magnetic particle dispersion liquid which is a colloidal fluid in which magnetic particles are dispersed in a solvent
  • the size of the magnetic particles in the main working fluid is very small. ..
  • the heat transfer area between the magnetic particles and the solvent becomes extremely large, the efficiency of heat exchange between the magnetic particles and the solvent of the main working fluid is improved, and heat is transferred with high efficiency.
  • the heat absorbing part if the main working fluid that has passed through the temperature lowering part is in a state where the magnetic field is reduced, and in the heat dissipation part, if the main working fluid that has passed through the raising part is in a state where a magnetic field is applied, the magnetic heat effect is achieved. Heat can be transferred using the cycle of.
  • the source of the magnetic field is a permanent magnet, the magnetic field will be generated without the need for a power source.
  • the heat pumps are arranged in a plurality of stages so that the heat released by the heat dissipation portion of the heat pump in the previous stage is received by the heat absorbing portion of the heat pump in the subsequent stage, and are arranged in the plurality of stages. If each is arranged between heat pumps and has a heat transfer assisting part that receives the heat released by the heat dissipation part of the heat pump in the previous stage by the auxiliary working fluid and gives the heat of the auxiliary working fluid to the heat absorbing part of the heat pump in the subsequent stage. , The heat energy can be transferred by a larger temperature difference.
  • the magnetic material constituting the main working fluid in the heat pump is individually selected according to the temperature of the heat absorbed by the endothermic part of the heat pump and released by the heat radiating part. If so, the overall thermal efficiency is improved.
  • the sub-working fluid flows in the same flow path as the main working fluid that transfers heat, and either the main working fluid or the sub-working fluid flowing in the same flow path has hydrophilicity. If the other is hydrophobic, the heat transfer resistance between the main working fluid and the sub-working fluid is reduced, so that heat exchange can be performed more efficiently, but the main working fluid and the side working These can be easily separated after heat transfer with the fluid.
  • the main working fluid that circulates between the endothermic part that receives heat from the outside and the heat dissipation part that releases heat to the outside is a magnetic particle dispersion liquid in which magnetic particles are dispersed in a solvent.
  • the efficiency of heat exchange between the magnetic particles and the solvent of the main working fluid is improved, and heat can be transferred with high efficiency by using a magnetic field.
  • the heat absorbing part makes the main working fluid that has passed through the temperature lowering part into a state in which the magnetic field is reduced
  • the heat radiating part makes the main working fluid that has passed through the raising part into a state in which a magnetic field is applied, it is magnetic. Heat can be transferred using a cycle due to the calorific value effect.
  • the source of the magnetic field is a permanent magnet, the magnetic field can be generated without the need for a power source or the like.
  • the heat pumps are arranged in a plurality of stages so that the heat released by the heat dissipation portion of the heat pump in the previous stage is received by the heat absorbing portion of the heat pump in the subsequent stage, and the heat pumps are arranged in the plurality of stages.
  • the heat pumps are arranged in the plurality of stages.
  • the magnetic material constituting the main working fluid in the heat pump is individually selected according to the temperature of the heat absorbed by the endothermic part of the heat pump and released by the heat radiating part. In some cases, the overall thermal efficiency can be improved.
  • the sub-working fluid flows in the same flow path as the main working fluid that transfers heat, and either the main working fluid or the sub-working fluid flowing in the same flow path has hydrophilicity.
  • the heat transfer resistance between the main working fluid and the sub-working fluid is reduced, so that heat exchange can be performed more efficiently, but the main working fluid and the sub-working fluid can be exchanged more efficiently.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a flow path through which the magnetic particle dispersion liquid of the heat pump and the auxiliary working fluid of the heat transfer assisting portion flow in the heat pump unit shown in FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the heat pump of the present invention.
  • the heat pump in this embodiment uses the magnetic particle dispersion liquid 11 circulating in the flow path, receives heat from the heat giving fluid 20, and releases heat to the heat receiving fluid 30.
  • the flow path of the magnetic particle dispersion liquid 11 is provided with an endothermic unit 12, a temperature rising unit 14, a heat radiating unit 13, a temperature lowering unit 15, and a pump 16.
  • the endothermic unit 12 is provided close to the flow path through which the heating fluid 20 flows.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 receives heat from the heating fluid 20.
  • the temperature raising section 14 is provided downstream of the endothermic section 12 in the flow direction of the magnetic particle dispersion liquid 11.
  • the temperature raising unit 14 raises the temperature of the magnetic particle dispersion liquid 11 that has received heat in the endothermic unit 12.
  • the heat radiating unit 13 is provided close to the flow path through which the heat receiving fluid 30 flows and downstream of the temperature rising unit 14 in the flow direction of the magnetic particle dispersion liquid 11. The heat radiating unit 13 releases heat from the magnetic particle dispersion liquid 11 to the heat receiving fluid 30.
  • the temperature lowering unit 15 is provided downstream of the heat radiating unit 13 in the flow direction of the magnetic particle dispersion liquid 11. The temperature lowering unit 15 lowers the temperature of the magnetic particle dispersion liquid 11 to which heat is released by the heat radiating unit 13.
  • the pump 16 is provided between the temperature lowering portion 15 and the heat absorbing portion 12 in the flow path of the magnetic particle dispersion liquid 11.
  • the pump 16 circulates the magnetic particle dispersion liquid 11 in the flow path.
  • the installation position of the pump 16 is not limited to between the temperature lowering section 15 and the heat absorbing section 12 as long as the magnetic particle dispersion liquid 11 can be circulated in the flow path.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of the magnetic particle dispersion liquid 11 shown in FIG.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 shown in FIG. 1 is the main working fluid in the present invention. As shown in FIG. 2, the magnetic particle dispersion liquid 11 is a fluid in which magnetic particles 11b in which a magnetic material is atomized are dispersed in a solvent 11a.
  • the magnetic moments in the magnetic field are aligned along the direction of the magnetic field when the magnetic material is placed in an environment where a magnetic field exists.
  • the magnetic moment in the magnetic body becomes disjointed as the magnetic field is reduced. This puts the magnetic material in an "disordered" state and increases magnetic entropy.
  • the heat pump 10 shown in FIG. 1 receives heat from the heat-giving fluid 20 and releases heat to the heat-receiving fluid 30 by utilizing the cycle due to the magnetic heat quantity effect of the magnetic particles 11b as described above.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a specific operation of the heat pump 10 shown in FIG. FIG. 3 shows the cycle characteristics of the magnetic particles 11b due to the magnetic calorific value effect. Note that H indicates the strength of the magnetic field, and H 1 ⁇ H 2 .
  • the endothermic unit 12 heat is transferred from the heating fluid 20 to the magnetic particle dispersion 11 in a state where a magnetic field is not applied to the magnetic particle dispersion 11.
  • the entropy S of the magnetic particle dispersion liquid 11 increases, and the characteristic point in FIG. 3 moves from the point A to the point B.
  • the temperature change profile from the point A to the point B depends on both the magnetic heat effect generated in the magnetic particle 11b and the heat transfer between the magnetic particle dispersion liquid 11 and the heating fluid 20. It will be decided. It is also possible to change the strength of the magnetic field from point A to point B. In that case, temperature changes of different profiles occur depending on the mode of change of the magnetic field.
  • a magnetic field 17 is applied to the magnetic particle dispersion liquid 11 that has passed through the endothermic unit 12 under an adiabatic environment. Then, the magnetic moment of the magnetic particle 11b changes, and the characteristic point in FIG. 3 moves from the point B to the point C. In this case, the temperature T of the magnetic particle dispersion liquid 11 rises due to the change of the magnetic moment in the adiabatic environment.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 whose temperature has risen in the temperature raising unit 14 flows in the flow path and is supplied to the heat radiating unit 13.
  • the magnetic field 17 continues to be applied to the magnetic particle dispersion liquid 11 that has passed through the temperature raising unit 14. Then, the entropy of the magnetic particle dispersion liquid 11 decreases, and the characteristic point in FIG. 3 moves from the point C to the point D. In this case, heat is released from the magnetic particle dispersion liquid 11 to the heat receiving fluid 30 according to the decrease in the entropy of the magnetic particle dispersion liquid 11 and the decrease in temperature.
  • the temperature of the heat released from the heat radiating unit 13 to the heat receiving fluid 30 is the endothermic unit.
  • the temperature becomes higher than the temperature of the heat absorbed from the heating fluid 20.
  • the temperature change profile from the point C to the point D depends on both the magnetic heat effect generated in the magnetic particle 11b and the heat transfer between the magnetic particle dispersion liquid 11 and the heat receiving fluid 30. It will be decided. It is also possible to change the strength of the magnetic field from point C to point D. In that case, temperature changes of different profiles occur depending on the mode of change of the magnetic field.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 that has released heat to the heat receiving fluid 30 in the heat radiating unit 13 flows in the flow path and is supplied to the temperature lowering unit 15.
  • the magnetic field 17 applied to the magnetic particle dispersion liquid 11 that has passed through the heat radiating unit 13 is reduced.
  • the magnetic moment of the magnetic particle 11b changes, and the characteristic point in FIG. 3 moves from the point D to the point A.
  • the temperature T of the magnetic particle dispersion liquid 11 decreases due to the change of the magnetic moment in the adiabatic environment.
  • the temperature of the magnetic particle dispersion liquid 11 that passes through the heat absorbing section 15 and is supplied to the heat absorbing section 12 is the temperature of the magnetic particle dispersion liquid 11 that passes through the heat absorbing section 12 and is supplied to the heating section 14.
  • the temperature will be lower than.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 receives heat at a low temperature and dissipates heat at a high temperature.
  • the heat pump 10 shown in FIG. 1 functions as a heat pump that receives heat from the heat giving fluid 20 and releases heat to the heat receiving fluid 30 by utilizing the magnetic heat quantity effect.
  • a permanent magnet or an electromagnet can be considered as a source of the magnetic field 17, but in the heat pump 10 shown in FIG. 1, a permanent magnet may be adopted in view of the fact that the permanent magnet does not require a power source or the like. More preferred.
  • FIG. 4A is a diagram showing the operation of the conventional configuration for explaining the effect of using the magnetic particle dispersion liquid 11 in the heat pump 10 shown in FIG. 1.
  • FIG. 4B is a diagram showing the operation of the heat pump 10 shown in FIG.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 which is a colloidal fluid in which the magnetic particles 11b are dispersed in the solvent 11a is used as the working fluid. Therefore, as shown in FIG. 4B, the magnetic particles 11b are fine particles having a very small size. As a result, the heat transfer area between the magnetic particles 11b and the solvent 11a becomes extremely large. As a result, the efficiency of heat exchange between the magnetic particles 11b and the solvent 11a is improved, and the heat 11c is transferred with high efficiency.
  • the main working fluid circulating between the heat absorbing unit 12 that receives heat from the heat giving fluid 20 and the heat radiating unit 13 that releases heat to the heat receiving fluid 30, is the magnetic material particles 11b being the solvent 11a.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 which is a colloidal fluid dispersed therein improves the efficiency of heat exchange between the magnetic particles 11b and the solvent 11a, and can transfer heat with high efficiency by using a magnetic field. can.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a heat pump unit that uses the heat pump 10 shown in FIG. 1 to transfer heat energy with a larger temperature difference.
  • three heat pumps 10a to 10c having the same configuration as the heat pump 10 shown in FIG. 1 and a heat transfer assisting unit 40a arranged between the two heat pumps 10a to 10c, respectively. , 40b and.
  • the arrangement of these three heat pumps 10a to 10c and the two heat transfer assisting parts 40a and 40b is such that the heat pump 10a, the heat transfer assisting part 40a, the heat pump 10b, and the heat transfer assisting part 40b are arranged from the flow path side through which the heating fluid 20 flows.
  • the heat pump 10c is on the flow path side where the heat receiving fluid 30 flows most.
  • the auxiliary working fluid 41 is flowing in the flow path by the pump 42.
  • heat is transferred from the heating fluid 20 to the magnetic particle dispersion liquid 11 in the endothermic portion 12 of the heat pump 10a, and the temperature of the magnetic particle dispersion liquid 11 rises.
  • the heat of the magnetic particle dispersion liquid 11 is released from the heat radiating portion 13 of the heat pump 10a.
  • the heat released from the heat radiating portion 13 of the heat pump 10a is transferred to the auxiliary working fluid 41 of the heat transfer assisting portion 40a arranged between the heat pump 10a and the heat pump 10b.
  • this heat is transferred to the magnetic particle dispersion liquid 11 at the endothermic portion 12 of the heat pump 10b.
  • the heat transferred to the magnetic particle dispersion liquid 11 in the heat absorbing portion 12 of the heat pump 10b is released from the heat radiating portion 13 of the heat pump 10b after the temperature rises in the heat pump 10b. Then, the heat released from the heat radiating portion 13 of the heat pump 10b is transferred to the auxiliary working fluid 41 of the heat transfer assisting portion 40b arranged between the heat pump 10b and the heat pump 10c. Then, this heat is transferred to the magnetic particle dispersion liquid 11 at the endothermic portion 12 of the heat pump 10c.
  • the heat transferred to the magnetic particle dispersion liquid 11 in the heat absorbing portion 12 of the heat pump 10c is released to the heat receiving fluid 30 from the heat radiating portion 13 of the heat pump 10c after the temperature rises in the heat pump 10c.
  • the three heat pumps 10a to 10c are arranged so that the heat absorption unit 12 of the heat pump in the subsequent stage receives the heat released by the heat radiation unit 13 of the heat pump in the previous stage. Then, between the three heat pumps 10a to 10c, the heat released by the heat dissipation unit 13 of the heat pump in the previous stage is received by the auxiliary working fluid 41, and the heat of the auxiliary working fluid 41 is transferred to the heat absorption unit 12 of the heat pump in the subsequent stage.
  • Auxiliary portions 40a and 40b are arranged.
  • the temperature difference between the heat received from the heat receiving fluid 20 and the heat released to the heat receiving fluid 30 can be further increased, and the heat energy can be transferred by a large temperature difference.
  • one heat pump 10a to 10c can transfer heat energy with a temperature difference of 10 ° C.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 flowing through the flow path of the heat pumps 10a to 10c and the heat transfer assisting unit 40a If there is no loss between the auxiliary working fluid 41 flowing through the flow path of 40b, the thermal energy can be transferred by a temperature difference of 30 ° C.
  • a heat pump unit having a three-stage configuration using three heat pumps 10a to 10c has been described as an example, but the number of heat pump stages is not limited to this. As the number of stages increases, the temperature difference between the heat received from the heat receiving fluid 20 and the heat released to the heat receiving fluid 30 can be further increased.
  • the magnetic material constituting the magnetic particles 11b of the magnetic particle dispersion liquid 11 flowing through the flow paths of the three heat pumps 10a to 10c constituting the heat pump unit shown in FIG. 5 is used as the endothermic material 12 of the heat pumps 10a to 10c. It is conceivable to individually select magnetic materials having a large heat dissipation / endothermic effect due to the magnetic heat quantity effect, depending on the temperature of the heat received by the heat dissipation unit 13 and released by the heat dissipation unit 13. For example, it is assumed that one heat pump 10a to 10c can transfer heat energy by a temperature difference of 10 ° C., receives heat from the heating fluid 20 at 20 ° C., and releases heat to the heat receiving fluid 30 at 50 ° C.
  • the magnetic material constituting the magnetic material particles 11b of the magnetic material particle dispersion liquid 11 flowing through the flow path of the heat pump 10a is selected as a magnetic material material having a large heat dissipation / heat absorption due to the magnetic heat quantity effect at 20 ° C. to 30 ° C.
  • the magnetic material constituting the magnetic material particles 11b of the magnetic material particle dispersion liquid 11 flowing through the flow path of the heat pump 10b select a magnetic material material having a large heat dissipation / heat absorption due to the magnetic heat amount effect at 30 ° C. to 40 ° C., and use the heat pump 10c.
  • the magnetic material constituting the magnetic material particles 11b of the magnetic material particle dispersion liquid 11 flowing through the flow path it is conceivable to select a magnetic material material having a large heat dissipation / absorption due to the magnetic heat quantity effect at 40 ° C. to 50 ° C.
  • the magnetic material constituting the magnetic particles 11b of the magnetic particle dispersion liquid 11 in the heat pump is received by the heat absorbing unit 12 of the heat pump and discharged by the heat radiating unit 13. If it is individually selected according to the temperature of the heat to be generated, the overall thermal efficiency can be improved.
  • the heat pump 10 shown in FIG. 1 is arranged in a plurality of stages so that the heat released by the heat radiating unit 13 of the heat pump in the previous stage is received by the heat absorbing unit 12 of the heat pump in the subsequent stage, and is arranged in the plurality of stages.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a flow path through which the magnetic particle dispersion liquid 11 of the heat pumps 10a to 10c and the auxiliary working fluid 41 of the heat transfer assisting portions 40a and 40b flow in the heat pump unit shown in FIG.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 are configured to flow in the same flow path 50.
  • the auxiliary working fluid 41 adopts a fluid having hydrophobicity, and the solvent 11a of the magnetic material particle dispersion liquid 11 is hydrophobic.
  • a fluid having hydrophilicity is adopted. That is, one of the magnetic particle dispersion liquid 11 and the side working fluid 41 has hydrophilicity, and the other has hydrophobicity.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 are allowed to flow in the flow path 50 processed in this way in a state where a magnetic force is generated in the direction facing the wall surface 51, the magnetic force is as shown in FIG.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 flow along the wall surfaces 51 and 52 in a separated state. At that time, in order to allow the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 to flow along the wall surfaces 51 and 52 in a separated state, the magnetic force due to the magnetic field and the surface tension of the fluid are other.
  • the flow path should be small enough to be superior to force.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 and the side working fluid 41 are separated in the flow path, after that, the magnetic particle dispersion liquid 11 and the side working fluid 41 have an affinity for each other.
  • the high wall surface 51, 52 side it is possible to easily separate and take out after heat exchange between the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 are configured such that one of the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 has hydrophilicity and the other has hydrophobicity.
  • the heat can be exchanged by directly contacting the 41 with the one in one flow path 50.
  • the heat transfer resistance between the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 is reduced, and heat exchange can be efficiently performed with a temperature difference as close to "0" as possible.
  • the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 are configured such that one of the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 has hydrophilicity and the other has hydrophobicity, so that the magnetic material particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 can be combined with each other. These can be easily separated and taken out after heat exchange is performed in. Then, by performing heat exchange between the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 of the heat transfer assisting portion as described above in each of the plurality of stages of heat pumps, the magnetic particle dispersion liquid 11 and the auxiliary working fluid 41 are obtained. It is possible to realize a configuration in which the loss due to the temperature difference required for heat exchange is reduced as much as possible.

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Abstract

外部から熱を受け取る吸熱部１２と、外部に熱を放出する放熱部１３とを有し、吸熱部１２と放熱部１３との間を循環する主作動流体に対して磁場を印加及び除去することで、吸熱部１２と放熱部１３との間にて熱を移動させるヒートポンプ１０であって、主作動流体が、磁性体粒子が溶媒中に分散した磁性体粒子分散液１１である。

Description

ヒートポンプ及びこれを用いたヒートポンプユニット
　本発明は、ヒートポンプ及びこれを用いたヒートポンプユニットに関し、特に、磁場を利用して熱を移動させるヒートポンプ及びこれを用いたヒートポンプユニットに関する。
　従来より、低温部から高温部へ熱を移動させる手段としてヒートポンプが利用されている。ヒートポンプは、低温部から熱を受け取り、この熱の温度を上昇させて高温部に供給することで、低温の熱エネルギーから高温の熱エネルギーを得ることができる。
　このようなヒートポンプとしては、圧縮機を用いたメカニカルなヒートポンプが商業化されている。しかしながら、圧縮機を用いたヒートポンプにおいては、圧縮機に起因する騒音や、メンテナンスの煩雑さが問題やリスクとして認識されている。
　ここで、磁場を利用して熱を移動させるヒートポンプが、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されたヒートポンプは、粒子状の磁性体固体を装置内部に充填しておき、この磁性体固体に磁場を印加したり除去したりしながら、この磁性体固体と、磁性体固体が充填された充填層内を流れる液体の作動流体との間で熱交換を行うものである。そのため、圧縮機を用いたヒートポンプと比べて、圧縮機に起因する騒音が発生しないとともに、メンテナンスが容易となる。
特表２０１９－５０９４６１号公報
　上述した磁性体と作動流体との間にて行われるような熱交換においては、交換される熱量をＱ、伝熱面の状態などに起因する総括伝熱係数をＵ、伝熱面積をＡ、伝熱面間の温度差をΔｔとすると、
　Ｑ＝Ｕ・Ａ・Δｔ
で表される。そのため、大きな熱量Ｑを得るためには、伝熱面積Ａと伝熱面間の温度差Δｔとの少なくともいずれか一方を大きくする必要がある。伝熱面積Ａを大きくする場合は、磁性体粒子のサイズを小さくすることで体積比表面積を大きくする必要がある。ところが、特許文献１に開示されたヒートポンプのように、装置内部に充填された磁性体粒子と液体の作動流体との間で熱交換を行うものにおいては、磁性体粒子のサイズを小さくしてしまうと、液体の作動流体が充填層を流れる際の圧力損失が大きくなる。すると、作動流体を流動させるために投入する仕事が大きくなってしまい、ヒートポンプとしての効率が低下してしまう。そのため、良好な効率を得るためには比較的大きなサイズの磁性体粒子を用いざるを得ない。その結果として、固体の磁性体と液体の作動流体とが接触する面積（伝熱面積Ａ）が限られてしまう。
　一方、大きな熱量Ｑを得るために伝熱面間の温度差Δｔを大きくすることが考えられる。しかしながら、ヒートポンプにおいては、伝熱面間の温度差Δｔが大きいと、その温度差の分だけ余分に作動流体を昇温あるいは降温させる必要が生じ、熱効率が低下してしまうという問題点がある。
　本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、磁場を利用して高い効率で熱を移動させることができるヒートポンプ及びこれを用いたヒートポンプユニットを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために本発明は、
　外部から熱を受け取る吸熱部と、外部に熱を放出する放熱部とを有し、前記吸熱部と前記放熱部との間を循環する主作動流体に対して磁場を印加及び低減することで、前記吸熱部と前記放熱部との間にて熱を移動させるヒートポンプであって、
　前記主作動流体は、磁性体粒子が溶媒中に分散した流体である。なお、この流体はコロイド流体であっても懸濁液であってもよい。以下の説明では、コロイド流体の場合と懸濁液の場合を総称して磁性体粒子分散液と称する。
　上記のように構成された本発明においては、外部から熱を受け取る吸熱部と外部に熱を放出する放熱部との間を循環する主作動流体に対して磁場を印加したり低減したりすると、主作動流体を構成する磁性体粒子の磁気モーメントやエントロピーの変化によって、吸熱、放熱、昇温、降温の作用が生じる。その際、主作動流体が、磁性体粒子が溶媒中に分散したコロイド流体である磁性体粒子分散液であることで、主作動流体内の磁性体粒子のサイズが非常に小さなものとなっている。これにより、磁性体粒子と溶媒との伝熱面積が極めて大きくなっており、磁性体粒子と主作動流体の溶媒との熱交換の効率が向上し、高い効率で熱が移動することになる。
　また、吸熱部を通過した主作動流体に対して断熱環境下で磁場を印加する昇温部と、放熱部を通過した主作動流体に対して断熱環境下で磁場を低減する降温部とを有し、吸熱部では、降温部を通過した主作動流体を、磁場を低減した状態とし、放熱部では、昇温部を通過した主作動流体を、磁場を印加した状態とすれば、磁気熱量効果によるサイクルを利用して熱を移動させることができる。
　また、磁場の発生源が永久磁石であれば、電源などを必要とすることなく、磁場が発生する。
　また、前記ヒートポンプを用いたヒートポンプユニットであって、ヒートポンプが、前段のヒートポンプの放熱部で放出された熱を後段のヒートポンプの吸熱部で受け取るように複数段に配置され、複数段に配置されたヒートポンプ間にそれぞれ配置され、前段のヒートポンプの放熱部が放出した熱を副作動流体にて受け取り、その副作動流体の熱を後段のヒートポンプの吸熱部に与える熱伝達補助部を有する構成とすれば、より大きな温度差で熱エネルギーを移動させることができる。
　また、複数段のヒートポンプのそれぞれについて、当該ヒートポンプにおける主作動流体を構成する磁性体材料が、当該ヒートポンプの吸熱部にて吸熱して放熱部にて放出する熱の温度に応じて個別に選定されていれば、全体の熱効率が向上する。
　また、副作動流体が、熱を授受する主作動流体と同一の流路内を流れ、同一の流路内を流れる主作動流体と副作動流体とが、いずれか一方が親水性を有し、他方が疎水性を有するものとすれば、主作動流体と副作動流体との間の伝熱抵抗が減少することで熱交換をより効率的に行うことができながらも、主作動流体と副作動流体とで熱交換を行った後にこれらを容易に分離することができる。
　本発明によれば、外部から熱を受け取る吸熱部と外部に熱を放出する放熱部との間を循環する主作動流体が、磁性体粒子が溶媒中に分散した磁性体粒子分散液であるため、磁性体粒子と主作動流体の溶媒との熱交換の効率が向上し、磁場を利用して高い効率で熱を移動させることができる。
　また、吸熱部を通過した主作動流体に対して断熱環境下で磁場を印加する昇温部と、放熱部を通過した主作動流体に対して断熱環境下で磁場を低減する降温部とを有し、吸熱部が、降温部を通過した主作動流体を、磁場を低減した状態とし、放熱部が、昇温部を通過した主作動流体を、磁場を印加した状態とするものにおいては、磁気熱量効果によるサイクルを利用して熱を移動させることができる。
　また、磁場の発生源が永久磁石であるものにおいては、電源などを必要とすることなく、磁場を発生させることができる。
　また、前記ヒートポンプを用いたヒートポンプユニットであって、ヒートポンプが、前段のヒートポンプの放熱部が放出した熱を後段のヒートポンプの吸熱部が受け取るように複数段に配置され、複数段に配置されたヒートポンプ間にそれぞれ配置され、前段のヒートポンプの放熱部が放出した熱を副作動流体にて受け取り、その副作動流体の熱を後段のヒートポンプの吸熱部に与える熱伝達補助部を有するものにおいては、より大きな温度差で熱エネルギーを移動させることができる。
　また、複数段のヒートポンプのそれぞれについて、当該ヒートポンプにおける主作動流体を構成する磁性体材料が、当該ヒートポンプの吸熱部にて吸熱して放熱部にて放出する熱の温度に応じて個別に選定されているものにおいては、全体の熱効率を向上させることができる。
　また、副作動流体が、熱を授受する主作動流体と同一の流路内を流れ、同一の流路内を流れる主作動流体と副作動流体とが、いずれか一方が親水性を有し、他方が疎水性を有するものにおいては、主作動流体と副作動流体との間の伝熱抵抗が減少することで熱交換をより効率的に行うことができながらも、主作動流体と副作動流体とで熱交換を行った後にこれらを容易に分離することができる。
本発明のヒートポンプの実施の一形態を示す図である。 図１に示した磁性体粒子分散液の構成を示す図である。 図１に示したヒートポンプの具体的な動作を説明するための図である。 図１に示したヒートポンプにて磁性体粒子分散液を用いたことによる効果を説明するための従来の構成による作用を示す図である。 図１に示したヒートポンプにおける作用を示す図である。 図１に示したヒートポンプを用いてさらに大きな温度差で熱エネルギーを移動させるヒートポンプユニットを示す図である。 図５に示したヒートポンプユニットにてヒートポンプの磁性体粒子分散液と熱伝達補助部の副作動流体とが流れる流路を示す断面図である。
　以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
　図１は、本発明のヒートポンプの実施の一形態を示す図である。
　本形態におけるヒートポンプは図１に示すように、流路内を循環する磁性体粒子分散液１１を用いて、与熱流体２０から熱を受け取り、受熱流体３０に熱を放出するものである。磁性体粒子分散液１１の流路には、吸熱部１２と、昇温部１４と、放熱部１３と、降温部１５と、ポンプ１６とが設けられている。
　吸熱部１２は、与熱流体２０が流れる流路に近接して設けられている。吸熱部１２は、与熱流体２０から磁性体粒子分散液１１が熱を受け取る。
　昇温部１４は、磁性体粒子分散液１１の流れ方向において吸熱部１２よりも下流に設けられている。昇温部１４は、吸熱部１２にて熱を受け取った磁性体粒子分散液１１の温度を上昇させる。
　放熱部１３は、受熱流体３０が流れる流路に近接し、かつ、磁性体粒子分散液１１の流れ方向において昇温部１４よりも下流に設けられている。放熱部１３は、磁性体粒子分散液１１から受熱流体３０に熱を放出する。
　降温部１５は、磁性体粒子分散液１１の流れ方向において放熱部１３よりも下流に設けられている。降温部１５は、放熱部１３にて熱が放出された磁性体粒子分散液１１の温度を低下させる。
　ポンプ１６は、磁性体粒子分散液１１の流路において降温部１５と吸熱部１２との間に設けられている。ポンプ１６は、磁性体粒子分散液１１を流路内にて循環させる。なお、ポンプ１６の設置位置は、磁性体粒子分散液１１を流路内にて循環させることができれば、降温部１５と吸熱部１２との間に限らない。
　図２は、図１に示した磁性体粒子分散液１１の構成を示す図である。
　図１に示した磁性体粒子分散液１１は、本願発明にて主作動流体となるものである。磁性体粒子分散液１１は図２に示すように、磁性体材料が微粒子化された磁性体粒子１１ｂが溶媒１１ａ中に分散した流体である。
　ここで、磁性体粒子１１ｂの特性について説明する。
　磁性体粒子１１ｂなどの磁性体は、磁場が存在する環境に置かれている状態においては、磁性体内の磁気モーメントが磁場の方向に沿って整列している。この状態から、環境の磁場を低減すると、磁場の低減に伴って磁性体内の磁気モーメントがバラバラの方向を向くようになる。これにより、磁性体は「秩序のない」状態になり、磁気エントロピーが増大する。
　この過程が断熱環境下で行われると、磁気モーメントの変化に応じて、磁性体の温度が低下する現象がみられる。
　これに対して、磁場が低減した環境に磁性体が置かれている状態にて磁場を印加すると、磁場の印加に伴って磁性体内の磁気モーメントが磁場の方向に沿って整列するようになる。これにより、磁性体は「秩序のある」状態になり、磁気エントロピーが減少する。
　この過程が断熱環境下で行われると、磁気モーメントの変化に応じて、磁性体の温度が上昇する現象がみられる。
　図１に示したヒートポンプ１０は、上述したような磁性体粒子１１ｂの磁気熱量効果によるサイクルを利用して、与熱流体２０から熱を受け取り、受熱流体３０に熱を放出するものである。
　以下に、図１に示したヒートポンプ１０の具体的な動作について説明する。
　図３は、図１に示したヒートポンプ１０の具体的な動作を説明するための図である。図３では、磁性体粒子１１ｂの磁気熱量効果によるサイクル特性を示す。なお、Ｈは磁界の強さを示し、Ｈ1＜Ｈ2となっている。
　吸熱部１２においては、磁性体粒子分散液１１に磁場が印加されていない状態で与熱流体２０から磁性体粒子分散液１１への熱が移動する。それにより、磁性体粒子分散液１１のエントロピーＳが増加し、図３における特性点がＡ点からＢ点に移動する。ここで、Ａ点からＢ点に至るまでの温度変化プロファイルは、磁性体粒子１１ｂで生じる磁気熱量効果、並びに、磁性体粒子分散液１１と与熱流体２０との間の熱移動の双方に依存して定まる。また、Ａ点からＢ点に至るまでに磁場の強さを変化させることも可能である。その場合には、磁場の変化の様態に依存して異なるプロファイルの温度変化が起こる。
　吸熱部１２にて与熱流体２０から熱を受け取った磁性体粒子分散液１１は、流路内を流れて昇温部１４に供給される。昇温部１４においては、吸熱部１２を通過した磁性体粒子分散液１１に対して断熱環境下で磁場１７が印加される。すると、磁性体粒子１１ｂの磁気モーメントが変化し、図３における特性点がＢ点からＣ点に移動する。この場合、断熱環境下にて磁気モーメントが変化することで、磁性体粒子分散液１１の温度Ｔが上昇する。
　昇温部１４にて温度が上昇した磁性体粒子分散液１１は、流路内を流れて放熱部１３に供給される。放熱部１３においては、昇温部１４を通過した磁性体粒子分散液１１に対して磁場１７が印加され続ける。すると、磁性体粒子分散液１１のエントロピーが減少し、図３における特性点がＣ点からＤ点に移動する。この場合、磁性体粒子分散液１１のエントロピーの減少と温度の低下に応じて磁性体粒子分散液１１から受熱流体３０に熱が放出される。この際、放熱部１３が、磁性体粒子分散液１１の流れ方向において昇温部１４よりも下流に設けられているため、放熱部１３から受熱流体３０に放出される熱の温度は、吸熱部１２にて与熱流体２０から吸収される熱の温度よりも高温となる。なお、Ｃ点からＤ点に至るまでの温度変化プロファイルは、磁性体粒子１１ｂで生じる磁気熱量効果、並びに、磁性体粒子分散液１１と受熱流体３０との間の熱移動の双方に依存して定まる。また、Ｃ点からＤ点に至るまでに磁場の強さを変化させることも可能である。その場合には、磁場の変化の様態に依存して異なるプロファイルの温度変化が起こる。
　放熱部１３にて受熱流体３０に熱を放出した磁性体粒子分散液１１は、流路内を流れて降温部１５に供給される。降温部１５においては、放熱部１３を通過した磁性体粒子分散液１１に印加されていた磁場１７が低減される。すると、磁性体粒子１１ｂの磁気モーメントが変化し、図３における特性点がＤ点からＡ点に移動する。この場合、断熱環境下にて磁気モーメントが変化することで、磁性体粒子分散液１１の温度Ｔが低下する。これにより、降温部１５を通過して吸熱部１２に供給される磁性体粒子分散液１１の温度は、吸熱部１２を通過して昇温部１４に供給される磁性体粒子分散液１１の温度よりも低い温度となる。
　このように磁性体粒子分散液１１が流路内を循環することで、磁性体粒子分散液１１が低い温度で受熱して高い温度で放熱することとなる。それにより、図１に示したヒートポンプ１０が、磁気熱量効果を利用して、与熱流体２０から熱を受け取り、受熱流体３０に熱を放出するヒートポンプとして機能することになる。
　なお、磁場１７の発生源としては、永久磁石や電磁石が考えられるが、図１に示したヒートポンプ１０においては、永久磁石は電源などが不要である点を鑑みると、永久磁石を採用することがより好ましい。
　以下に、図１に示したヒートポンプ１０にて磁性体粒子分散液１１を用いたことによる効果について説明する。
　図４Ａは、図１に示したヒートポンプ１０にて磁性体粒子分散液１１を用いたことによる効果を説明するための従来の構成による作用を示す図である。図４Ｂは、図１に示したヒートポンプ１０における作用を示す図である。
　特許文献１などに開示されたヒートポンプは、図４Ａａに示すように、装置内部に充填された磁性体粒子１１１ｂに液体の作動流体１１１ａを接触させた状態で磁場を印加することで、磁性体粒子１１１ｂから液体の作動流体１１１ａに熱１１１ｃが伝達される。ここで、磁性体粒子１１１ｂのサイズを小さくすると、作動流体１１１ａの圧力損失が増大することでヒートポンプとしての効率が低下してしまう。そのため、ヒートポンプとしての効率の低下を防ぐためには、磁性体粒子１１１ｂを比較的大きなサイズにせざるを得ない。その結果として、磁性体１１１ｂと液体の作動流体１１１ａとの間の接触による伝熱面積が小さくなり、磁性体１１１ｂに生じた熱１１１ｃが作動流体１１１ａに効率的に伝達されない。
　一方、図１に示したヒートポンプ１０においては、上述したように、溶媒１１ａに磁性体粒子１１ｂが分散したコロイド流体である磁性体粒子分散液１１を作動流体として用いている。そのため、図４Ｂに示すように、磁性体粒子１１ｂは非常にサイズが小さな微粒子である。その結果、磁性体粒子１１ｂと溶媒１１ａとの伝熱面積が極めて大きなものとなる。これにより、磁性体粒子１１ｂと溶媒１１ａとの熱交換の効率が向上し、高い効率で熱１１ｃが移動することになる。
　このように、本形態においては、与熱流体２０から熱を受け取る吸熱部１２と受熱流体３０に熱を放出する放熱部１３との間を循環する主作動流体が、磁性体粒子１１ｂが溶媒１１ａ中に分散したコロイド流体である磁性体粒子分散液１１であることにより、磁性体粒子１１ｂと溶媒１１ａとの熱交換の効率が向上し、磁場を利用して高い効率で熱を移動させることができる。
　ここで、上述したヒートポンプ１０を用いてさらに大きな温度差で熱エネルギーを移動させる構成について説明する。
　図５は、図１に示したヒートポンプ１０を用いてさらに大きな温度差で熱エネルギーを移動させるヒートポンプユニットの一構成例を示す図である。
　本構成例は図５に示すように、図１に示したヒートポンプ１０と同一の構成をそれぞれ有する３つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃと、２つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃ間にそれぞれ配置された熱伝達補助部４０ａ，４０ｂとを有している。これら３つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃと２つの熱伝達補助部４０ａ，４０ｂとの配置は、与熱流体２０が流れる流路側から、ヒートポンプ１０ａ、熱伝達補助部４０ａ、ヒートポンプ１０ｂ、熱伝達補助部４０ｂ、ヒートポンプ１０ｃと並び、ヒートポンプ１０ｃが最も受熱流体３０が流れる流路側となっている。熱伝達補助部４０ａ，４０ｂはそれぞれ、ポンプ４２によって副作動流体４１が流路内を流れている。
　上記のように構成されたヒートポンプユニットにおいては、まず、ヒートポンプ１０ａの吸熱部１２において与熱流体２０から磁性体粒子分散液１１に熱が移動し、磁性体粒子分散液１１の温度が上昇した後にヒートポンプ１０ａの放熱部１３から磁性体粒子分散液１１の熱が放出される。すると、ヒートポンプ１０ａの放熱部１３から放出された熱が、ヒートポンプ１０ａとヒートポンプ１０ｂとの間に配置された熱伝達補助部４０ａの副作動流体４１に伝達される。そして、この熱が、ヒートポンプ１０ｂの吸熱部１２にて磁性体粒子分散液１１に移動する。
　次に、ヒートポンプ１０ｂの吸熱部１２にて磁性体粒子分散液１１に移動した熱は、ヒートポンプ１０ｂにて温度が上昇した後にヒートポンプ１０ｂの放熱部１３から放出される。すると、ヒートポンプ１０ｂの放熱部１３から放出された熱が、ヒートポンプ１０ｂとヒートポンプ１０ｃとの間に配置された熱伝達補助部４０ｂの副作動流体４１に伝達される。そして、この熱が、ヒートポンプ１０ｃの吸熱部１２にて磁性体粒子分散液１１に移動する。
　その後、ヒートポンプ１０ｃの吸熱部１２にて磁性体粒子分散液１１に移動した熱が、ヒートポンプ１０ｃにて温度が上昇した後にヒートポンプ１０ｃの放熱部１３から受熱流体３０に放出される。
　このように、本構成例におけるヒートポンプユニットにおいては、３つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃが、前段のヒートポンプの放熱部１３が放出した熱を後段のヒートポンプの吸熱部１２が受け取るように配置されている。そして、３つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃ間には、前段のヒートポンプの放熱部１３が放出した熱を副作動流体４１にて受け取り、副作動流体４１の熱を後段のヒートポンプの吸熱部１２に与える熱伝達補助部４０ａ，４０ｂが配置されている。これにより、与熱流体２０から受け取る熱と受熱流体３０に放出する熱との温度差をさらに大きくすることができ、大きな温度差で熱エネルギーを移動させることができる。例えば、１つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃにて１０℃の温度差で熱エネルギーを移動させることができるものとすると、ヒートポンプ１０ａ～１０ｃの流路を流れる磁性体粒子分散液１１と熱伝達補助部４０ａ，４０ｂの流路を流れる副作動流体４１との間にて損失がないとした場合、３０℃の温度差で熱エネルギーを移動させることができる。
　なお、本構成例においては、３つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃを用いた３段構成のヒートポンプユニットを例に挙げて説明したが、ヒートポンプの段数はこれに限らない。段数が多いほど、与熱流体２０から受け取る熱と受熱流体３０に放出する熱との温度差をさらに大きくすることができる。
　ここで、磁気熱量効果に関して、どの温度帯でどの程度の放熱や吸熱が生じるかは、磁性体粒子１１ｂを構成する磁性体の種類ごとに固有であり、合金の場合には、その組成によっても複雑に変化する。そのため、磁気熱量効果を用いたヒートポンプにおいては、一般に、適用する温度レベルに応じて適した磁性体材料が異なる。
　そこで、図５に示したヒートポンプユニットを構成する３つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃの流路を流れる磁性体粒子分散液１１の磁性体粒子１１ｂを構成する磁性体材料を、ヒートポンプ１０ａ～１０ｃの吸熱部１２にて受け取って放熱部１３にて放出する熱の温度に応じて、磁気熱量効果による放熱／吸熱が大きな磁性体材料をそれぞれ個別に選定することが考えられる。例えば、１つのヒートポンプ１０ａ～１０ｃにて１０℃の温度差で熱エネルギーを移動させることができるものとし、与熱流体２０から２０℃で熱を受け取り、５０℃で熱を受熱流体３０に放出する場合を考える。その場合、ヒートポンプ１０ａの流路を流れる磁性体粒子分散液１１の磁性体粒子１１ｂを構成する磁性体材料を２０℃～３０℃において磁気熱量効果による放熱／吸熱が大きな磁性体材料を選定し、ヒートポンプ１０ｂの流路を流れる磁性体粒子分散液１１の磁性体粒子１１ｂを構成する磁性体材料を３０℃～４０℃において磁気熱量効果による放熱／吸熱が大きな磁性体材料を選定し、ヒートポンプ１０ｃの流路を流れる磁性体粒子分散液１１の磁性体粒子１１ｂを構成する磁性体材料を４０℃～５０℃において磁気熱量効果による放熱／吸熱が大きな磁性体材料を選定することが考えられる。
　このように、複数段のヒートポンプのそれぞれについて、そのヒートポンプにおける磁性体粒子分散液１１の磁性体粒子１１ｂを構成する磁性体材料が、そのヒートポンプの吸熱部１２にて受け取って放熱部１３にて放出する熱の温度に応じて個別に選定されていれば、全体の熱効率を向上させることができる。
　また、上述したように、図１に示したヒートポンプ１０が、前段のヒートポンプの放熱部１３が放出した熱を後段のヒートポンプの吸熱部１２が受け取るように複数段に配置され、複数段に配置されたヒートポンプ間に、前段のヒートポンプの放熱部１３が放出した熱を副作動流体４１にて受け取り、副作動流体４１の熱を後段のヒートポンプの吸熱部１２に与える熱伝達補助部４０ａ，４０ｂを有する構成においては、ヒートポンプ１０ａ～１０ｃの磁性体粒子分散液１１と熱伝達補助部４０ａ，４０ｂの副作動流体４１との間にて熱を伝達することになる。その際、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とを直接接触させずにこれらが流れる流路の壁面を介して熱を伝達すると、流路の壁面を介した熱の伝達に損失が生じる。そのため、その損失による温度差の分だけ余分に磁性体粒子分散液１１を昇温あるいは降温させなければならない。この温度差が大きくなるほど、ヒートポンプとしての熱交換の効率が低下してしまう。一方、熱交換の効率を低下させずに流路の壁面を介して磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１との間にて熱を伝達するためには、流路の壁面の材質を高価なものにせざるを得なくなる。すなわち、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とを接触させずに熱を伝達しようとすると、熱交換の効率と経済性の観点で困難が伴ってしまう。
　以下に、図５に示したようにヒートポンプ１０ａ～１０ｃの磁性体粒子分散液１１と熱伝達補助部４０ａ，４０ｂの副作動流体４１との間にて熱を伝達する場合に経済性を損なわせず、かつ、熱交換の効率を低下させない構成について説明する。
　図６は、図５に示したヒートポンプユニットにてヒートポンプ１０ａ～１０ｃの磁性体粒子分散液１１と熱伝達補助部４０ａ，４０ｂの副作動流体４１とが流れる流路を示す断面図である。
　図６に示すように、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とが同一の流路５０内を流れる構成とする。この際、磁性体粒子分散液１１の溶媒１１ａが親水性を有するものであれば、副作動流体４１は疎水性を有する流体を採用し、また、磁性体粒子分散液１１の溶媒１１ａが疎水性を有するものであれば、副作動流体４１は親水性を有する流体を採用する。すなわち、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とが、いずれか一方が親水性を有し、他方が疎水性を有する構成とする。
　また、例えば、断面が正方形の流路において、対向する２組の壁面５１，５２のうち１組の壁面５１に対して、磁場を生じさせる加工と磁性体粒子分散液溶媒に親和的となる加工との少なくとも一方を施すとともに、他の組の壁面５２を、副作動流体４１に親和的に加工する。このように加工された流路５０内に、壁面５１が対向する方向に磁場が生じた状態で、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とを流すと、図６に示すように、磁場による磁力と流体の表面張力との双方の効果により、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とが分離した状態で壁面５１，５２に沿ってそれぞれ流れる。なおその際、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とが分離した状態で壁面５１，５２に沿ってそれぞれ流れるようにするためには、磁場による磁力と流体の表面張力とが、他の力よりも優位となるように十分に小さなサイズの流路とする必要がある。
　そして、流路内にて磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とが分離した状態となっているため、その後、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とを、それぞれの親和性の高い壁面５１，５２側から取り出すことで、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とで熱交換を行った後にこれらを容易に分離して取り出すことができる。
　このように、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とが、いずれか一方が親水性を有し、他方が疎水性を有する構成とすることで、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とを１つの流路５０内にて直接接触させて熱交換を行うことができる。それにより、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１との伝熱抵抗が減少し、限りなく“０”に近い温度差で効率的に熱交換を行うことができる。また、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とが、いずれか一方が親水性を有し、他方が疎水性を有する構成とすることで、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１とで熱交換を行った後にこれらを容易に分離して取り出すことができる。そして、複数段のヒートポンプのそれぞれにおいて磁性体粒子分散液１１と熱伝達補助部の副作動流体４１との熱交換を上記のように行うことで、磁性体粒子分散液１１と副作動流体４１との熱交換にて必要となる温度差に伴う損失を限りなく低減した構成を実現することができる。
　１０，１０ａ～１０ｃ　　ヒートポンプ
　１１　　磁性体粒子分散液
　１１ａ　　溶媒
　１１ｂ　　磁性体粒子
　１１ｃ　　熱
　１２　　吸熱部
　１３　　放熱部
　１４　　昇温部
　１５　　降温部
　１６，４２　　ポンプ
　１７　　磁場
　２０　　与熱流体
　３０　　受熱流体
　４０ａ，４０ｂ　　熱伝達補助部
　４１　　副作動流体
　５０　　流路
　５１，５２　　壁面

Claims (6)

  1. 　外部から熱を受け取る吸熱部と、外部に熱を放出する放熱部とを有し、前記吸熱部と前記放熱部との間を循環する主作動流体に対して磁場を印加及び低減することで、前記吸熱部と前記放熱部との間にて熱を移動させるヒートポンプであって、
    　前記主作動流体は、磁性体粒子が溶媒中に分散した懸濁液またはコロイド流体である、ヒートポンプ。
  2. 　請求項１に記載のヒートポンプにおいて、
    　前記吸熱部を通過した主作動流体に対して断熱環境下で前記磁場を印加する昇温部と、
    　前記放熱部を通過した主作動流体に対して断熱環境下で前記磁場を低減する降温部とを有し、
    　前記吸熱部は、前記降温部を通過した主作動流体を、前記磁場を低減した状態とし、
    　前記放熱部は、前記昇温部を通過した主作動流体を、前記磁場を印加した状態とする、ヒートポンプ。
  3. 　請求項１または請求項２に記載のヒートポンプにおいて、
    　前記磁場の発生源が永久磁石である、ヒートポンプ。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載のヒートポンプを用いたヒートポンプユニットであって、
    　前記ヒートポンプが、前段のヒートポンプの放熱部が放出した熱を後段のヒートポンプの吸熱部が受け取るように複数段に配置され、
    　前記複数段に配置されたヒートポンプ間にそれぞれ配置され、前段のヒートポンプの放熱部が放出した熱を副作動流体にて受け取り、該副作動流体の熱を後段のヒートポンプの吸熱部に与える熱伝達補助部を有する、ヒートポンプユニット。
  5. 　請求項４に記載のヒートポンプユニットにおいて、
    　前記複数段のヒートポンプのそれぞれは、当該ヒートポンプにおける前記主作動流体を構成する磁性体材料が、当該ヒートポンプの吸熱部にて吸熱して放熱部にて放出する熱の温度に応じて個別に選定されている、ヒートポンプユニット。
  6. 　請求項４または請求項５に記載のヒートポンプユニットにおいて、
    　前記副作動流体は、熱を授受する主作動流体と同一の流路内を流れ、
    　前記同一の流路内を流れる主作動流体と副作動流体とは、いずれか一方が親水性を有し、他方が疎水性を有する、ヒートポンプユニット。
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