JP5821889B2 - 熱磁気サイクル装置 - Google Patents

Description

ここに開示される発明は、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置に関し、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として利用することができる。

特許文献１、および特許文献２は、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置のひとつである磁気熱量効果型ヒートポンプ装置を開示している。そこには、磁性体である磁気熱量素子の磁気熱量効果を利用したヒートポンプ装置が提案されている。これらの装置では、磁気熱量素子への外部磁場の印加（以下、励磁とも呼ぶ）と、磁気熱量素子への外部磁場の除去（以下、消磁とも呼ぶ）とを周期的に切換えるために、永久磁石および磁路を形成するヨーク部材を有する磁場変調装置を備えている。磁場変調装置は、永久磁石を含む磁気部材を回転させることにより、磁気熱量素子に与えられる外部磁場の強さを周期的に変調している。

特開２０１２−２５５６４２号公報 特許第４５５７８７４号公報

従来技術の構成では、永久磁石を含む磁気回路が大きく、重い。このため、熱磁気サイクル装置としての体格の大型化、重量の増加を招いている。このような観点から、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。

発明の目的のひとつは、軽量な熱磁気サイクル装置を提供することである。

発明の目的の他のひとつは、小型の熱磁気サイクル装置を提供することである。

発明の目的の他のひとつは、励磁期間が消磁期間より短い磁気変調装置の採用が可能な熱磁気サイクル装置を提供することである。

ここに開示される発明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、発明の技術的範囲を限定するものではない。

発明のひとつは、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、磁気熱量素子が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および磁気熱量素子が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように外部磁場を変調するとともに、励磁期間が消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、磁場変調装置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（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、磁気熱量素子は、熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、熱交換部は、消磁期間における熱輸送媒体との熱交換効率より高い熱交換効率を励磁期間において提供することを特徴とする熱磁気サイクル装置である。
発明のひとつは、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、磁気熱量素子が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および磁気熱量素子が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように外部磁場を変調するとともに、励磁期間が消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、磁場変調装置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（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、磁気熱量素子は、熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、熱交換部は、熱輸送媒体の流れの方向に応じて異なる熱交換効率を提供することを特徴とする熱磁気サイクル装置である。
発明のひとつは、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、磁気熱量素子が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および磁気熱量素子が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように外部磁場を変調するとともに、励磁期間が消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、磁場変調装置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（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、磁気熱量素子は、熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、熱交換部は、消磁期間における熱輸送媒体の圧力損失より高い圧力損失を励磁期間において提供することを特徴とする熱磁気サイクル装置である。
発明のひとつは、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、磁気熱量素子が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および磁気熱量素子が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように外部磁場を変調するとともに、励磁期間が消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、磁場変調装置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（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、磁気熱量素子は、熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１）は、往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）の方向に関して非対称となる形状を有することを特徴とする熱磁気サイクル装置である。
発明のひとつは、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、磁気熱量素子が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および磁気熱量素子が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように外部磁場を変調するとともに、励磁期間が消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、磁場変調装置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（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、磁気熱量素子は、熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、熱交換部（５６１）は、往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）のそれぞれにおいて磁気熱量素子を異なる振動状態にする振動子（５６７）を備えることを特徴とする熱磁気サイクル装置である。

この構成によると、励磁期間が消磁期間より短いから、外部磁場を供給するための磁力源を軽量化することができる。

発明の第１実施形態に係る磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（以下、ＭＨＰ装置という）のブロック図である。 第１実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。 第１実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。 第１実施形態の磁気熱量素子の斜視図である。 第１実施形態の磁気熱量素子の断面図である。 発明の第２実施形態の磁気熱量素子の断面図である。 発明の第３実施形態の磁気熱量素子の断面図である。 第３実施形態の磁気熱量素子の断面図である。 発明の第４実施形態の磁気熱量素子の断面図である。 第４実施形態の磁気熱量素子の断面図である。 発明の第５実施形態の磁気熱量素子の斜視図である。 発明の第６実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。

以下に、図面を参照しながら発明を実施するための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。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先行して説明した他の形態を適用することができる。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。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
図１は、発明を適用した第１実施形態に係る車両用空調装置１０を示すブロック図である。車両用空調装置１０は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置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。

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。ＭＣＥ素子１２は、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる。ＭＣＥ素子１２は、外部磁場の印加により発熱し、外部磁場の除去により吸熱する。ＭＣＥ素子１２は、外部磁場が印加されることによって電子スピンが磁場方向に揃うと、磁気エントロピーが減少し、熱を放出することによって温度が上昇する。また、ＭＣＥ素子１２は、外部磁場が除去されることによって電子スピンが乱雑になると、磁気エントロピーが増加し、熱を吸収することによって温度が低下する。ＭＣＥ素子１２は、常温域において高い磁気熱量効果を発揮する磁性体によって作られている。例えば、ガドリウム系材料、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。

ひとつのＭＣＥ素子１２とそれに関連する要素は、磁気熱量素子ユニットを構成する。磁気熱量素子ユニットは、ＭＣＤ（Magneto-Caloric effectDevice）ユニットとも呼ばれる。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をＡＭＲ(Active Magnetic Refrigeration)サイクルとして機能させるための磁場変調装置１３と熱輸送装置１４とを備える。

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ＰＭ、およびＭＣＥ素子１２が励磁期間ＰＭより弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間ＰＮを周期的に繰り返すように外部磁場を変調する。さらに、磁場変調装置１３においては、励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている。磁場変調装置１３は、外部磁場を生成するための磁力源、例えば永久磁石、または電磁石を備える。この磁力源は励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短くなるように構成されている。

熱輸送装置１４は、ＭＣＥ素子１２が放熱または吸熱する熱を輸送するための熱輸送媒体を流すための流体機器を備える。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、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ＦＭ、ＦＮを発生させる。

この実施形態では、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。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を往復的に移動させる。熱輸送装置１４は、熱輸送媒体を流すためのポンプを含むことができる。熱輸送装置１４は、一次媒体を流すためのポンプ４１、４２を備える。ポンプ４１、４２は、ひとつのＭＣＥ素子１２に関して一次媒体の往復流れを供給する。ポンプ４１、４２は、ＭＣＥ素子１２の両端に配置されている。ポンプ４１、４２は、相補的に吸入行程と吐出工程とを実行するように配置されている。

ＭＨＰ装置１１は、動力源としてのモータ１５を備える。モータ１５は、磁場変調装置１３の動力源である。モータ１５は、熱輸送装置１４の動力源である。

ＭＨＰ装置１１は、ＭＨＰ装置１１によって得られた高温を輸送する高温系統１６を備える。高温系統１６は、ＭＨＰ装置１１によって得られた高温を利用する機器でもある。ＭＨＰ装置１１は、ＭＨＰ装置１１によって得られた低温を輸送する低温系統１７を備える。高温系統１６は、ＭＨＰ装置１１によって得られた低温を利用する機器でもある。

高温系統１６は、一次媒体と二次媒体との間の熱交換を提供する熱交換器５１を備える。二次媒体は、高温系統１６において熱を輸送するために利用される熱輸送媒体である。二次媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。高温系統１６は、二次媒体が循環的に流される経路５２を備える。高温系統１６は、二次媒体と他の媒体との間の熱交換を提供する熱交換器５３を備える。例えば、熱交換器５３は、二次媒体と空気との熱交換を提供する。高温系統１６は、ＭＨＰ装置１１の高温端から熱を持ち去り、高温端を冷却する機器でもある。

低温系統１７は、一次媒体と二次媒体との間の熱交換を提供する熱交換器５４を備える。二次媒体は、低温系統１７において熱を輸送するために利用される熱輸送媒体である。二次媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。低温系統１７は、二次媒体が循環的に流される経路５５を備える。低温系統１７は、二次媒体と他の媒体との間の熱交換を提供する熱交換器５６を備える。例えば、熱交換器５６は、二次媒体と空気との熱交換を提供する。低温系統１７は、ＭＨＰ装置１１の低温端に熱を持ち込み、低温端を加熱する機器でもある。

車両用空調装置１０は、車両に搭載され、車両の乗員室の温度を調節する。２つの熱交換器５３、５６は、車両用空調装置１０の一部を提供する。熱交換器５３は、熱交換器５６より高温になる高温側熱交換器５３である。熱交換器５３は、室内熱交換器５３とも呼ばれる。熱交換器５６は、熱交換器５３より低温になる低温側熱交換器５６である。熱交換器５６は、室外熱交換器５６とも呼ばれる。車両用空調装置１０は、高温側熱交換器５３、および／または低温側熱交換器５６を室内空調のために利用するための空調ダクトおよび送風機などの空気系機器を備える。

車両用空調装置１０は、冷房装置または暖房装置として利用される。車両用空調装置１０は、室内に供給される空気を冷却する冷却器と、冷却器によって冷却された空気を再び加熱する加熱器とを備えることができる。ＭＨＰ装置１１は、車両用空調装置１０における冷熱供給源、または温熱供給源として利用される。すなわち、高温側熱交換器５３は上記加熱器として用いることができる。また、低温側熱交換器５６は上記冷却器として用いることができる。

ＭＨＰ装置１１が温熱供給源として利用されるとき、高温側熱交換器５３を通過した空気は車両の室内に供給され、暖房のために利用される。このとき、低温側熱交換器５６を通過した空気は車両の室外に排出される。ＭＨＰ装置１１が冷熱供給源として利用されるとき、低温側熱交換器５６を通過した空気は車両の室内に供給され、冷房のために利用される。このとき、高温側熱交換器５３を通過した空気は車両の室外に排出される。ＭＨＰ装置１１は、除湿装置として利用されることもある。この場合、低温側熱交換器５６を通過した空気は、その後に、高温側熱交換器５３を通過し、室内に供給される。ＭＨＰ装置１１は、冬期においても、夏期においても、温熱供給源として利用される。

車両用空調装置１０は、制御装置（ＣＮＴＲ）１８を備える。制御装置１８は、車両用空調装置１０の制御可能な複数の要素を制御する。例えば、制御装置１８は、ＭＨＰ装置１１の作動と停止とを少なくとも切換えるようにモータ１５を制御する。

制御装置１８は、電子制御装置（Electronic Control Unit）である。制御装置１８は、処理装置（ＣＰＵ）と、プログラムを記憶する記憶媒体としてのメモリ（ＭＭＲ）とを有する。制御装置１８は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを非一時的に格納している。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクによって提供されうる。プログラムは、制御装置１８によって実行されることによって、制御装置１８をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される制御方法を実行するように制御装置１８を機能させる。制御装置１８が提供する手段は、所定の機能を達成する機能的ブロック、またはモジュールとも呼ぶことができる。

図２は、第１実施形態のＭＨＰ装置１１の断面図である。図３は、第１実施形態のＭＨＰ装置１１の断面図である。図２は、図３に示されたＩＩ−ＩＩ線における断面を示す。図３は、図２に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面を示す。

ＭＨＰ装置１１の動力源として設けられたモータ１５は、車載の電池によって駆動される。また、モータ１５は、磁場変調装置１３を提供する回転子１３を回転駆動する。これにより、モータ１５と磁場変調装置１３とは、ＭＣＥ素子１２へ外部磁場を印加する状態と、ＭＣＥ素子１２から外部磁場を除去した状態（外部磁場を印加しない状態）との間での周期的な交互切換を生じさせる。モータ１５は、熱輸送装置１４のポンプ４１、４２を駆動する。これにより、モータ１５とポンプ４１、４２とは、ひとつのＭＣＥ素子１２において、一次媒体の往復的な流れを生じさせる。

ポンプ４１、４２は、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲサイクルとして機能させるための一次媒体の往復流をＭＣＤユニット内に生じさせる。ポンプ４１、４２は、容積型の往復流ポンプである。ポンプ４１、４２は、斜板型のピストンポンプである。ポンプ４１、４２は、多気筒のアキシャルピストンポンプである。ひとつのＭＣＥ素子１２に、ポンプ４１のひとつの気筒と、ポンプ４２のひとつの気筒とが対応付けられている。ひとつのＭＣＥ素子１２に対応付けられた２つの気筒は、相補的に作動する。これにより、ひとつのＭＣＥ素子１２の長手方向に沿って流れる一次媒体の往復流が提供される。この実施形態では、ＭＨＰ装置１１は、熱的に並列接続された複数のＭＣＥ素子１２を備える。ＭＨＰ装置１１においては、８つのＭＣＥ素子１２が熱的に並列接続されている。よって、ポンプ４１、４２は８気筒である。

ＭＨＰ装置１１は、円筒状または円柱状と呼びうるハウジング２１を備える。ハウジング２１は、その中心軸上に回転軸２２を回転可能に支持する。回転軸２２は、モータ１５の出力軸に連結されている。ハウジング２１は、回転軸２２の周囲に、磁場変調装置１３を収容するための収容室２３を区画形成している。収容室２３は、円柱状の空間である。回転軸２２には、ロータコア２４が固定されている。ロータコア２４は、ハウジング２１とともに、磁束を通すためのヨークを提供する。ロータコア２４は、その周方向に沿って磁束を通しやすい範囲と、磁束を通しにくい範囲とを形成するように構成されている。ロータコア２４には、永久磁石２５が固定されている。永久磁石２５は、部分円筒状であり、その断面が扇型である。永久磁石２５は、ロータコア２４の外周面に固定されている。

ロータコア２４と永久磁石２５とは、それらの周囲に、永久磁石２５が提供する外部磁場が強くなる領域と、永久磁石２５が提供する外部磁場が弱くなる領域とを形成する。外部磁場が弱くなる領域では、外部磁場がほぼ除去された状態が提供される。ロータコア２４と永久磁石２５とは、回転軸２２の回転に同期して回転する。よって、外部磁場が強い領域と、外部磁場が弱い領域とは、回転軸２２の回転に同期して回転する。この結果、ロータコア２４と永久磁石２５との周囲の一点においては、外部磁場が強く印加される期間と、外部磁場が弱くなりほぼ除去された期間とが繰り返して生じる。したがって、ロータコア２４と永久磁石２５とは、外部磁場の印加および除去を繰り返す磁場変調装置１３を提供する。ロータコア２４と永久磁石２５とは、ＭＣＥ素子１２への外部磁場の印加と除去とを切換える装置を提供する。なお、磁場の語は磁界と読み替えることができる。

ハウジング２１は、少なくともひとつの作業室２６を区画形成している。作業室２６は、収容室２３に隣接して設けられている。ハウジング２１は、収容室２３の径方向外側に、等間隔に配置された複数の作業室２６を区画形成している。この実施形態では、ひとつのハウジング２１は、８つの作業室２６を区画形成している。作業室２６のそれぞれは、ハウジング２１の軸方向に沿って長手方向を有する柱状空間を形成している。ひとつの作業室２６は、ポンプ４１のひとつの気筒と、ポンプ４２のひとつの気筒とに対応するように設けられている。ひとつの作業室２６の両側に、ふたつの気筒が配置されている。

作業室２６は、一次媒体が流通する流路を提供する。作業室２６内には、その長手方向に沿って一次媒体が流れる。一次媒体は、作業室２６内を長手方向に沿って往復するように流れる。

さらに、作業室２６は、ＭＣＥ素子１２を収容する収容室を提供する。ハウジング２１は、作業室２６が形成された容器を提供している。作業室２６の中には、磁気熱量効果を有する磁気作業物質としてのＭＣＥ素子１２が配置されている。

ひとつのＭＣＥ素子１２は、ＭＨＰ装置１１の軸方向に沿って長手方向を有する棒状に形成されている。ＭＣＥ素子１２は、作業室２６内を流れる一次媒体と十分に熱交換できる形状に形成されている。それぞれのＭＣＥ素子１２は、素子ベッドとも呼ばれる。

ＭＣＥ素子１２は、磁場変調装置１３によって印加、または除去される外部磁場の影響下に置かれる。すなわち、回転軸２２が回転すると、ＭＣＥ素子１２を磁化させるための外部磁場が印加された状態と、ＭＣＥ素子１２から上記外部磁場が除去された状態とが交互に切換えられる。

図３に図示されるように、永久磁石２５が配置された周方向の範囲ＰＭは、永久磁石２５が配置されない周方向の範囲ＰＮより短い。永久磁石２５は回転軸２２の周囲に固定されている。回転軸２２に垂直な面において永久磁石２５が周方向に占める割合は、全周の１／２より小さい。

範囲ＰＭは、ひとつのＭＣＥ素子１２に外部磁場が印加される印加期間、すなわち励磁期間ＰＭとも呼ぶことができる。すなわち、磁場変調装置１３は、励磁期間ＰＭに相当する大きさをもつ永久磁石２５を備える。範囲ＰＮは、ひとつのＭＣＥ素子１２から外部磁場が除去される除去期間、すなわち消磁期間ＰＮとも呼ぶことができる。ここで、消磁は、磁場がゼロである状態を意味するものではなく、励磁期間ＰＭにおける磁場より弱い磁場が印加されている状態を含む。励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短いこと（ＰＭ＜ＰＮ）により、永久磁石２５が配置される範囲ＰＭを小さくすることができる。これにより、永久磁石２５およびロータコア１３を小型化することができる。また、永久磁石２５およびロータコア１３を軽量化することができる。言い換えると、ＭＣＥ素子１２に外部磁場を供給するための磁力源の重量が抑制される。

範囲ＰＭは、範囲ＰＮの３／４より短い。励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮの３／４より短い（ＰＭ＜３／４ＰＮ）から、重量抑制効果および／または小型化効果が顕著になる。

励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短く設定されることに対応して、ポンプ４１、４２の吐出、吸入特性も非対称に設定されている。励磁期間ＰＭにおいては、ＭＣＥ素子１２は発熱するから、ポンプ４１、４２は、一次媒体を高温系統１６に向けて流すように作動する。一方、消磁期間ＰＮにおいては、ＭＣＥ素子１２は吸熱するから、ポンプ４１、４２は、一次媒体を低温系統１７に向けて流すように作動する。励磁期間ＰＭは消磁期間ＰＮより短いから、一次媒体が高温系統１６に向けて流される第１期間は、一次媒体が低温系統１７に向けて流される第２期間より短い。励磁期間ＰＭと第１期間とは多くの範囲で重複する。励磁期間ＰＭと第１期間とは、始期と終期とにおいてわずかにずれる場合がある。消磁期間ＰＮと第２期間とは多くの範囲で重複する。消磁期間ＰＮと第２期間とは、始期と終期とにおいてわずかにずれる場合がある。第１期間において高温系統１６に向けて流れる一次媒体の流量と、第２期間において低温系統１７に向けて流れる一次媒体の流量とは等しい。短い第１期間において、ＭＣＥ素子１２と一次媒体との間で十分な熱交換が実現されることが望ましい。

図４および図５は、ＭＣＥ素子１２に設けられた熱交換部６１を示す。図５は、図４のＶ−Ｖ線における断面である。ＭＣＥ素子１２は、熱輸送媒体と熱交換する熱交換部６１を備える。熱交換部６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮの一方の流れＦＭと、他方の流れＦＮとにおいて異なる熱交換効率を提供する。熱交換部６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮの方向に関して非対称となる形状を有する。熱交換部６１は、三角柱状の突起６２を有する。ＭＣＥ素子１２は、複数の突起６２を有する。複数の突起６２の周囲に一次媒体の流路６３が区画形成されている。突起６２は、ひとつの頂点を高温系統１６に向けて指向させるように配置されている。熱交換部６１は、ひとつの側面、すなわち底面を低温系統１７に向けて指向させるように配置されている。

消磁期間ＰＮにおける低温系統１７へ向かう流れＦＮは、突起６２の頂点に衝突する。流れＦＮは、突起６２の斜面に沿って滑らかに流れる。一方、励磁期間ＰＭにおける高温系統１６へ向かう流れＦＭは、突起６２の底面に衝突する。流れＦＭは、突起６２の底面への衝突によって妨げられる。また、流れＦＭは、突起６２の周囲において多くの欄りゅを生じる。

熱交換部６１は、流れＦＭに対して、流れＦＮより大きい圧力損失を生じる。言い換えると、熱交換部６１は、消磁期間ＰＮにおける熱輸送媒体の圧力損失より高い圧力損失を励磁期間ＰＭにおいて提供する。

熱交換部６１は、流れＦＭに対して、流れＦＮより高い熱交換効率を提供する。熱交換部６１は、励磁期間ＰＭにおける一次媒体の流れＦＭ、すなわち高温系統１６へ向かう流れＦＭにおいて、逆の流れＦＮより高い熱交換効率を提供する。熱交換部６１は、消磁期間ＰＮにおける熱輸送媒体との熱交換効率より高い熱交換効率を励磁期間ＰＭにおいて提供する。熱交換部６１は、熱輸送媒体の流れの方向に応じて異なる熱交換効率を提供する。この構成によると、励磁期間ＰＭにおいて消磁期間ＰＮより高い熱交換効率が得られるから、短い励磁期間ＰＭにおいても大きい熱交換量が得られる。これにより、短い第１期間においても、ＭＣＥ素子１２と一次媒体との間で必要な熱交換量が得られる。励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短い磁気変調装置１３を採用しても、熱輸送媒体の往復流れＦＭ、ＦＮにおいて必要な熱交換量を提供できる。

この実施形態では、往復的な流れＦＭ、ＦＮの流量、すなわち一次媒体の往復的な移動量は互いに等しい。流れＦＭの流速と、流れＦＮの流速とは、ポンプ４１、４２の圧送特性、吸引特性によって調節することができる。

突起６２の幅ＷＤは、０．１ｍｍから０．５ｍｍの間の範囲に設定することができる。流路６３の幅ＧＰは、０．１ｍｍから０．５ｍｍの間の範囲に設定することができる。さらに、ＭＣＥ素子１２の流れ方向の長さＭＬは、１００ｍｍから３００ｍｍの間の範囲に設定することができる。

ＭＨＰ装置１１が運転されると、ＭＣＥ素子１２に対して周期的に磁場の印加と除去とが繰り返される。これにより、ＭＣＥ素子１２は、発熱と吸熱とを繰り返す。さらに、ＭＣＥ素子１２の発熱と吸熱とに同期してポンプ４１、４２が一次媒体の往復流を発生する。これにより、ＭＣＥ素子１２の周囲において熱が運搬される。

このようなＭＨＰ装置１１の運転により、ＭＨＰ装置１１に内蔵されたＭＣＥ素子１２は、高温端において高温となり、低温端において低温となる。ＭＨＰ装置１１は、高温端に設けられた高温系統１６に温熱を供給する。ＭＨＰ装置１１は、低温端に設けられた低温系統１７に冷熱を供給する。

この実施形態によると、励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短いことにより、軽量のＭＨＰ装置１１が提供される。この実施形態によると、励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短いことにより、小型のＭＨＰ装置１１が提供される。また、ＭＣＥ素子１２と一次媒体との間には、一次媒体の流れ方向に依存して熱交換効率が高低に変化する熱交換部６１が設けられる。このため、励磁期間ＰＭが消磁期間ＰＮより短い構成においても、ＭＣＥ素子１２と一次媒体との間で必要な熱交換量が得られる。

（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、三角柱状の突起６２を採用した。これに代えて、一次媒体の流れ方向に応じて熱交換効率が変化する種々の形状の熱交換部材を採用することができる。図６に図示されるように、この実施形態では、熱交換部２６１が採用される。熱交換部２６１は、半円柱状の突起２６２を備える。突起２６２は、流れＦＭに対して、流れＦＮよりも高い熱交換効率を発揮する。熱交換部２６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮの方向に関して非対称となる形状を有する。

（第３実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、静的な熱交換部材によって熱交換部６１、２６１を提供した。これに代えて、この実施形態では、一次媒体の流れ方向に応じて能動的に変位する動的な熱交換部材を含む熱交換部３６１が採用される。熱交換部３６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮのそれぞれにおいて形状が変化する。これにより、熱交換部３６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮの方向に関して非対称となる形状を提供する。

図７は、消磁期間ＰＮにおける熱交換部３６１の状態を示す。図８は、励磁期間ＰＭにおける熱交換部３６１の状態を示す。図示されるように、熱交換部３６１は、ＭＣＥ素子１２に設けられた熱交換のための複数の可動片３６４を備える。可動片３６４は、半円柱状である。可動片３６４は、流路６３とＭＣＥ素子１２と境界に配列されている。可動片３６４は、ＭＣＥ素子１２の一部である。可動片３６４は、ＭＣＥ素子１２の主要な本体部分に対して揺動可能に軸支されている。可動片３６４は、駆動機構３６５によって第１位置と、第２位置とに移動可能である。駆動機構３６５は、モータ、ソレノイドなどのアクチュエータと、機械的なリンク機構とによって提供することができる。アクチュエータは、モータ１５の回転と同期するように制御装置１８によって制御することができる。

図７に図示される第１位置において、可動片３６４は、一次媒体の流れＦＮに小さい圧力損失を与える。第１位置において、可動片３６４は、一次媒体の流れＦＮとの間において、低い熱交換効率を提供する。第１位置において、可動片３６４は、ＭＣＥ素子１２の表面に小さい凹凸を提供する。

図８に図示される第２位置において、可動片３６４は、一次媒体の流れＦＭに大きい圧力損失を与える。第２位置において、可動片３６４は、一次媒体の流れＦＭとの間において、高い熱交換効率を提供する。第２位置において、可動片３６４は、ＭＣＥ素子１２の表面に、第１位置において提供される凹凸より大きい凹凸を提供する。この構成によると、熱交換部３６１は、流れＦＭに対して、流れＦＮよりも高い熱交換効率を発揮する。

（第４実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、駆動機構によって変位する熱交換部３６１を提供した。これに代えて、この実施形態では、一次媒体の流れを受けて受動的に変位する動的な熱交換部材を含む熱交換部４６１が採用される。熱交換部４６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮのそれぞれにおいて形状が変化する。これにより、熱交換部４６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮの方向に関して非対称となる形状を提供する。

図９は、消磁期間ＰＮにおける熱交換部４６１の状態を示す。図１０は、励磁期間ＰＭにおける熱交換部４６１の状態を示す。図示されるように、熱交換部４６１は、ＭＣＥ素子１２に設けられた熱交換のための複数の可動片４６６を備える。可動片４６６は、フィン状である。可動片４６６は、流路６３とＭＣＥ素子１２と境界に配列されている。可動片４６６は、ＭＣＥ素子１２の一部である。可動片４６６は、ＭＣＥ素子１２の主要な本体部分に対して揺動可能に軸支されている。可動片４６６は、一次媒体の流れを受けることによって第１位置と、第２位置とに移動可能である。

図９に図示される第１位置において、可動片４６６は、一次媒体の流れＦＮに小さい圧力損失を与える。第１位置において、可動片４６６は、一次媒体の流れＦＮとの間において、低い熱交換効率を提供する。第１位置において、可動片４６６は、ＭＣＥ素子１２の表面に小さい凹凸を提供する。

図１０に図示される第２位置において、可動片４６６は、一次媒体の流れＦＭに大きい圧力損失を与える。第２位置において、可動片４６６は、一次媒体の流れＦＭとの間において、高い熱交換効率を提供する。第２位置において、可動片４６６は、ＭＣＥ素子１２の表面に、第１位置において提供される凹凸より大きい凹凸を提供する。この構成によると、熱交換部４６１は、流れＦＭに対して、流れＦＮよりも高い熱交換効率を発揮する。

（第５実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、ＭＣＥ素子１２の表面形状によって熱交換部を提供した。これに代えて、この実施形態では、ＭＣＥ素子１２を振動させることにより、一次媒体の流れ方向に依存して熱交換効率を変化させる熱交換部５６１が採用される。熱交換部５６１は、往復的な流れＦＭ、ＦＮのそれぞれにおいてＭＣＥ素子１２を異なる振動状態にする振動子５６７を備える。

図１１は、ＭＣＥ素子１２の斜視図を示す。ＭＣＥ素子１２は、複数の板状の壁部材５６２と、壁部材５６２に隣接する一次媒体の流路５６３とを有する。熱交換部５６１は、ＭＣＥ素子１２を振動させる振動子５６７を備える。振動子５６７は、超音波振動子である。振動子５６７は、壁部材５６２を振動させることができるように、ＭＣＥ素子１２の側面に設けられている。振動子５６７は、消磁期間ＰＮにおいてＭＣＥ素子１２を振動させないか、または、小さく振動させる。振動子５６７は、励磁期間ＰＭにおいてＭＣＥ素子１２を大きく振動させる。これにより、ＭＣＥ素子１２と一次媒体との間の熱交換効率は、励磁期間ＰＭにおいて、消磁期間ＰＮより高められる。振動子５６７は、モータ１５の回転と同期するように制御装置１８によって制御することができる。例えば、制御装置１８は、一次媒体が流れＰＭの方向に流れるとき、振動子５６７を振動させ、一次媒体が流れＰＮの方向に流れるとき、振動子５６７を停止させる。この構成によると、熱交換部５６１は、流れＦＭに対して、流れＦＮよりも高い熱交換効率を発揮する。

（第６実施形態）
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。上記実施形態では、ＭＣＥ素子１２の両端にポンプ４１、４２を配置した。これに代えて、この実施形態では、２つのＭＣＥ素子１２ａ、１２ｂを採用し、それらの間に、ポンプ６４３を設ける。

図１２に図示されるように、ＭＨＰ装置１１は、２つのＭＣＥ素子１２ａ、１２ｂを備える。熱輸送装置１４は、２つのＭＣＥ素子１２ａ、１２ｂの間に配置されたポンプ６４３を備える。ポンプ６４３は、両方のＭＣＥ素子１２ａ、１２ｂに一次媒体を流す。ポンプ６４３は、ラジアルピストンポンプによって提供される。この実施形態によると、ひとつのポンプによって２つのＭＣＥ素子１２ａ、１２ｂに一次媒体を供給することができる。

（他の実施形態）
発明は上述した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。上記実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示であって、発明の技術的範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。発明は、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、それぞれ独立して実施可能である。発明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である。

また、上記実施形態では、斜板式ポンプ、またはラジアルピストンポンプによって多気筒ポンプを提供した。これに代えて、他の形式の容積型ポンプを利用してもよい。また、上記第１実施形態では、ポンプの１気筒に、一つの作業室を対応させて配置した。これに代えて、複数の気筒とひとつの作業室、またはひとつの気筒と複数の作業室、または複数の気筒と複数の作業室を対応させて配置してもよい。

また、上記実施形態では、車両用空調装置に本発明を適用した。これに代えて、住宅用の空調装置に本発明を適用してもよい。また、水を加熱する給湯装置として利用してもよい。また、上記実施形態では、室外の空気を主要な熱源とするＭＨＰ装置１１を説明した。これに代えて、水、土などの他の熱源を主要熱源として利用してもよい。

また、上記実施形態では、熱磁気サイクル装置の一形態であるＭＨＰ装置１１を説明した。これに代えて、熱磁気サイクル装置の一形態である熱磁気エンジン装置に本発明を適用してもよい。例えば、上記実施形態のＭＨＰ装置１１の磁場変化と熱輸送媒体の流れとの位相を調節することにより熱磁気エンジン装置を提供することができる。

例えば、制御装置が提供する手段と機能は、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置をアナログ回路によって構成してもよい。

１０ 車両用空調装置、 １１ 磁気熱量効果型ヒートポンプ（ＭＨＰ）装置、
１２ 磁気熱量（ＭＣＥ）素子、 １３ 磁場変調装置、 １４ 熱輸送装置、
１５ モータ、 １６ 高温系統、 １７ 低温系統、 １８ 制御装置、
２１ ハウジング、 ２２ 回転軸、 ２３ 収容室、 ２４ ロータコア、
２５ 永久磁石、 ２６ 作業室、 ４１、４２、６４３ ポンプ、
５１、５４ 熱交換器、 ５２、５５ 経路、 ５３、５６ 熱交換器、
６１、２６１、３６１、４６１、５６１ 熱交換部、
６２、２６２ 突起、 ６３、５６３ 流路、
３６４、４６６ 可動片、３６５ 駆動機構、
５６２ 壁部材、５６７ 振動子。

Claims (12)

1. 外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、
   前記磁気熱量素子が強い前記外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および前記磁気熱量素子が前記励磁期間より弱い前記外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように前記外部磁場を変調するとともに、前記励磁期間が前記消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、
   前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を前記磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、前記磁場変調装置による外部磁場の変化に同期して、前記熱輸送媒体の往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、
   前記磁気熱量素子は、前記熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、
   前記熱交換部は、前記消磁期間における前記熱輸送媒体との熱交換効率より高い熱交換効率を前記励磁期間において提供することを特徴とする熱磁気サイクル装置。
2. 外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、
   前記磁気熱量素子が強い前記外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および前記磁気熱量素子が前記励磁期間より弱い前記外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように前記外部磁場を変調するとともに、前記励磁期間が前記消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、
   前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を前記磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、前記磁場変調装置による外部磁場の変化に同期して、前記熱輸送媒体の往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、
   前記磁気熱量素子は、前記熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、
   前記熱交換部は、前記熱輸送媒体の流れの方向に応じて異なる熱交換効率を提供することを特徴とする熱磁気サイクル装置。
3. 外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、
   前記磁気熱量素子が強い前記外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および前記磁気熱量素子が前記励磁期間より弱い前記外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように前記外部磁場を変調するとともに、前記励磁期間が前記消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、
   前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を前記磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、前記磁場変調装置による外部磁場の変化に同期して、前記熱輸送媒体の往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、
   前記磁気熱量素子は、前記熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、
   前記熱交換部は、前記消磁期間における前記熱輸送媒体の圧力損失より高い圧力損失を前記励磁期間において提供することを特徴とする熱磁気サイクル装置。
4. 外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、
   前記磁気熱量素子が強い前記外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および前記磁気熱量素子が前記励磁期間より弱い前記外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように前記外部磁場を変調するとともに、前記励磁期間が前記消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、
   前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を前記磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、前記磁場変調装置による外部磁場の変化に同期して、前記熱輸送媒体の往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、
   前記磁気熱量素子は、前記熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、
   前記熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１）は、前記往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）の方向に関して非対称となる形状を有することを特徴とする熱磁気サイクル装置。
5. 外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、１２ａ、１２ｂ）と、
   前記磁気熱量素子が強い前記外部磁場の中に置かれる励磁期間（ＰＭ）、および前記磁気熱量素子が前記励磁期間より弱い前記外部磁場の中に置かれる消磁期間（ＰＮ）を周期的に繰り返すように前記外部磁場を変調するとともに、前記励磁期間が前記消磁期間より短く（ＰＭ＜ＰＮ）設定されている磁場変調装置（１３）と、
   前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を前記磁気熱量素子に沿って流す熱輸送装置（１４）であって、前記磁場変調装置による外部磁場の変化に同期して、前記熱輸送媒体の往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）を備え、
   前記磁気熱量素子は、前記熱輸送媒体と熱交換する熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１、５６１）を備え、
   前記熱交換部（５６１）は、前記往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）のそれぞれにおいて前記磁気熱量素子を異なる振動状態にする振動子（５６７）を備えることを特徴とする熱磁気サイクル装置。
6. 前記熱交換部は、前記熱輸送媒体の流れの方向に応じて異なる熱交換効率を提供す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。
7. 前記熱交換部は、前記消磁期間における前記熱輸送媒体の圧力損失より高い圧力損失を前記励磁期間において提供することを特徴とする請求項１、請求項２、および請求項６のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
8. 前記熱交換部（６１、２６１、３６１、４６１）は、前記往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）の方向に関して非対称となる形状を有することを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項６、および請求項７のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
9. 前記熱交換部（３６１、４６１）は、前記往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）のそれぞれにおいて形状が変化することを特徴とする請求項４または請求項８に記載の熱磁気サイクル装置。
10. 前記熱交換部（５６１）は、前記往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）のそれぞれにおいて前記磁気熱量素子を異なる振動状態にする振動子（５６７）を備えることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
11. 前記熱輸送装置が提供する前記往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）の流量は互いに等しいことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
12. 前記励磁期間（ＰＭ）は、前記消磁期間（ＰＮ）の３／４より短いことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。

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