JP6060789B2 - 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。

特許文献１は、磁気熱量素子の両側に磁極を配置することにより、強い磁場を印加することを可能とする。特許文献２は、磁気熱量素子の一端に弁機構を設けることにより、熱輸送媒体を外部へ取り出すことを可能としている。

特許第４２８４１８３号公報 特開２０１２−２５５６４２号公報

特許文献１の構成では、外部磁界を与えるための磁極の移動方向と、熱を輸送する熱輸送媒体の流れ方向とが同じである。このため、磁気熱量素子に生じる温度分布の方向と、磁場の変化の方向とが一致する。これでは、熱輸送媒体がひとつの方向に流れるときに、磁気熱量素子の上には磁場強度の分布が生じる。このような磁場強度の分布は、発熱、吸熱のタイミングの不一致を生じ、熱的な能力の低下を生じる。このような観点から、電力変換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、高い能力を発揮する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、磁気熱量素子に強い磁場を印加でき、しかも磁気熱量素子における磁場強度の分布を抑制できる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）と、磁気熱量素子が強い外部磁場の中に置かれる励磁範囲（ＰＭ）、および磁気熱量素子が励磁範囲より弱い外部磁場の中に置かれる消磁範囲（ＰＮ）を形成し、励磁範囲（ＰＭ）と消磁範囲（ＰＮ）とを移動させることにより磁気熱量素子に印加される外部磁場を変調する磁場変調装置（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し、磁場変調装置による外部磁場の変化に同期して往復する往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）とを備え、磁場変調装置（１３）は、磁気熱量素子に外部磁場を印加する一対の磁極の間を磁気的に接続する磁気回路（３４、３５、３６；４３４、４３５、４３６、４６１）を有し、励磁範囲と消磁範囲との移動方向が、熱輸送媒体の流れ方向と交差するように設定されており、磁場変調装置は、内筒（３４ａ、４３４ａ）、および内筒の径方向外側に配置された外筒（３４ｂ、４３４ｂ）を含み、内筒と外筒との間の軸方向一端に閉塞端（３４ｃ；４３４ｃ）を有し、他端に開口端（３４ｅ；４３４ｅ）を有する筒状のヨーク（３４；４３４）を備え、磁気熱量素子は、円筒の周方向の一部を占め、軸方向に延びるように内筒と外筒との間に配置され、開口端の近傍に一端部（１２ａ）を位置付け、閉塞端の近傍に他端部（１２ｂ）を位置付けた素子ベッドであり、磁場変調装置（１３）は、円筒の内側に一対の磁極の一方を配置し、円筒の外側に一対の磁極の他方を配置し、励磁範囲と消磁範囲とを円筒の周方向に沿って回転的に移動させることを特徴とする。

この構成によると、一対の磁極によって、磁気熱量素子に強い外部磁場を印加することができる。磁気熱量素子における外部磁場の強さは、励磁範囲と消磁範囲との移動方向に沿って変化する。一方で、磁気熱量素子には、熱輸送媒体の流れ方向に沿って温度勾配が生じる。外部磁場の変化方向と、温度勾配の方向とは交差している。これにより、磁気熱量素子に生じる発熱と吸熱とが効率的に利用される。

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ＭＨＰ装置の断面図である。 発明の第２実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。 発明の第３実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。 発明の第４実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。 発明の第５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(ActiveMagnetic 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範囲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範囲ＰＮを形成する。磁場変調装置１３は、励磁範囲ＰＭと消磁範囲ＰＮとを移動させることによりＭＣＥ素子１２に印加される外部磁場を変調する。磁場変調装置１３は、励磁範囲ＰＭと消磁範囲ＰＮと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、外部磁場を生成するための磁力源、例えば永久磁石、または電磁石を備える。

熱輸送装置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往復する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を備える。ポンプ４１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は、吸入行程と吐出工程とを周期的に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、ＭＨＰ装置１１に利用される一次媒体を利用する。低温系統１７は、一次媒体が流される経路５５を備える。低温系統１７は、一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、一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、図３、および図４は、第１実施形態のＭＨＰ装置１１の断面図である。図２および図３は、縦断面図であり、図４は横断面図である。図２は、図４に示されたＩＩ−ＩＩ線における断面を示す。図３は、図４に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面を示す。図４は、図２および図３に示されたＩＶ−ＩＶ線における断面を示す。

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、発熱と吸熱とによって生じる温度勾配の傾斜方向に沿って、一端部１２ａと他端部１２ｂとを有する。ＭＣＥ素子１２は、円筒の周方向の一部を占め、軸方向に延びるように配置されている。ＭＣＥ素子１２は、作業室２２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。

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を駆動する。これにより、モータ１５とポンプ４１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ＦＭ、ＦＮを生じさせる。

ポンプ４１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は、容積型の往復流ポンプである。ポンプ４１は、斜板型のピストンポンプである。ポンプ４１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のひとつの気筒が対応付けられている。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ＦＭ、ＦＮが提供される。熱輸送装置１４は、ＭＣＥ素子１２の一端部１２ａに連結されたポンプ４１と、ポンプ４１を駆動するモータ１５とを備える。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、６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は６気筒である。

ＭＨＰ装置１１は、円筒状と呼びうるハウジング２１を備える。ハウジング２１は、ポンプ４１と同軸的に配置されている。ハウジング２１の一端は、ポンプ４１に連結されている。図中においては、ハウジング２１の下端がポンプ４１に連結されている。ハウジング２１は、その中心軸を鉛直方向に配置して設置することができる。ハウジング２１は、ポンプ４１に連結された連結端２１ａと、ポンプ４１から離れた反対側の自由端２１ｂとを有する。連結端２１ａは一端２１ａとも呼ばれる。自由端２１ｂは、他端２１ｂとも呼ばれる。

ハウジング２１は、少なくともひとつの作業室２２を区画形成している。作業室２２は、円筒状のハウジング２１の壁内に、軸方向に沿って延びる空洞として形成されている。ハウジング２１は、複数の作業室２２を区画形成している。複数の作業室２２は、周方向に沿って等間隔に配置されている。ひとつのハウジング２１は、６つの作業室２２を区画形成している。作業室２２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２２は、ポンプ４１のひとつの気筒に対応するように設けられている。

作業室２２は、一次媒体が流通する流路を提供する。作業室２２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２２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２２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２２が形成された容器を提供している。作業室２２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。

ハウジング２１は、径方向内側に円筒内面３１を提供する。ハウジング２１は、径方向外側に円筒外面３２を提供する。円筒内面３１と、円筒外面３２とは、磁気変調装置１３が提供する磁極と対向する。

ＭＨＰ装置１１は、ＭＣＥ素子１２の長手方向のひとつの端部に対応して、吐出用の集合通路２３と、吸入用の集合通路２４とを有する。集合通路２３、２４は、ハウジング２１の自由端２１ｂに環状に形成されている。集合通路２３、２４は、互いに独立した一次媒体のための通路を提供する。

集合通路２３と作業室２２との間には逆止弁２５が設けられている。逆止弁２５は、作業室２２から集合通路２３への一次媒体の流出を許容し、集合通路２３から作業室２２への一次媒体の流入を阻止する。集合通路２４と作業室２２との間には逆止弁２６が設けられている。逆止弁２６は、集合通路２４から作業室２２への一次媒体の流入を許容し、作業室２２から集合通路２４への一次媒体の流出を阻止する。逆止弁２５、２６は、一次媒体の流出と流入とを制御する弁機構を提供する。弁機構は、自由端２１ｂに設けられる。ＭＨＰ装置１１は、複数の作業室２２に対応して設けられた複数の弁機構を備える。この結果、集合通路２３、２４の間に、複数の作業室２２が並列的に接続される。

ハウジング２１は、一次媒体を流すための通路２７、２８を備える。通路２７は、集合通路２３に連通する。通路２８は、集合通路２４に連通する。通路２７、２８は、ハウジング２１の長手方向に沿って形成されている。通路２７、２８は、ハウジング２１の自由端２１ｂから連結端２１ａに到達している。通路２７、２８は、集合通路２３、２４を外部に引き出すための通路である。通路２７、２８は、ハウジング２１の一端と他端との間にわたって延びている。通路２７は、経路５５の一方に連通する。通路２７は、経路５５の他方に連通する。通路２７、２８は、連結端２１ａにおいて、自由端２１ｂに得られる高温または低温の一次媒体を取り出し、自由端２１ｂに一次媒体を補給すことを可能とする。

逆止弁２５、２６を含む弁機構は、低温系統１７の経路５５に一次媒体を循環的に流すための流れ制御機構を提供する。作業室２２から逆止弁２５を通過した一次媒体は、集合通路２３、通路２７、および経路５５を経由して熱交換器５６に到達する。熱交換器５６を出た一次媒体は、経路５５、通路２８、および集合通路２４を経由して逆止弁２６から作業室２２へ戻る。

このように、熱輸送装置１４は、閉塞端３４ｃの内部に配置され、熱輸送媒体をＭＣＥ素子１２の他端部１２ｂから開口端３４ｅの外へ引き出す折り返し流路２３、２４、２５、２６、２７、２８を備える。折り返し流路は、ＭＣＥ素子１２の他端部１２ｂからの熱輸送媒体の流出と流入とを制御する弁機構２５、２６を備える。ＭＨＰ装置１１は、互いに並列に配置された複数のＭＣＥ素子１２を有する。折り返し流路は、複数のＭＣＥ素子１２のそれぞれに対応して設けられた複数の弁機構２５、２６を有する。さらに、折り返し流路は、複数の弁機構２５、２６を経由する熱輸送媒体のための集合通路２３、２４を有する。

この構成によると、円筒状のハウジング２１の一端２１ａに連結されたポンプ４１によって作業室２２内に往復流ＦＭ、ＦＮが供給される。よって、ＭＣＥ素子１２の一端２１ａに存在する一次媒体を、ハウジング２１の一端２１ａにおいて、熱交換のために利用することができる。さらに、弁機構２５、２６と通路２３、２４、２７、２８は、ＭＣＥ素子１２の他端２１ｂに存在する一次媒体を、ハウジング２１の一端２１ａに戻す。通路２３、２４、２７、２８は、折り返し通路とも呼ぶことができる。この構成によると、ハウジング２１の他端２１ｂに存在する一次媒体を、ハウジング２１の一端２１ａにおいて、熱交換のために利用することができる。

熱交換器５１は、ハウジング２１の一端２１ａに設けられている。熱交換器５１は、ポンプ４１と作業室２２との間における一次媒体と、高温系統１６に流れる二次媒体との間の熱交換を提供する。熱交換器５１は、円筒状のハウジング２１に対応して、環状に形成されている。熱交換器５１は、一次媒体の高温または低温を取り出すための間接的な熱交換器である。

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３３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。

磁気変調装置１３は、ハウジング２１の円筒内面３１と円筒外面３２との両方にわたって設けられている。ハウジング２１の中心軸に沿って、回転軸３３が配置されている。回転軸３３は、モータ１５の出力軸に連結されている。

回転軸３３には、ロータコア３４が固定されている。ロータコア３４は、円筒状の内筒３４ａを有する。内筒３４ａは、回転軸３３に連結されたボスでもある。ロータコア３４は、円筒状の外筒３４ｂを有する。ロータコア３４は、内筒３４ａと外筒３４ｂとを連結する環状の底壁３４ｃを有する。内筒３４ａと外筒３４ｂとの間には、環状の凹部３４ｄが区画形成されている。ロータコア３４は、凹部３４ｄの環状の開口を提供する開口端３４ｅを有する。よって、ロータコア３４は、一端において開口した環状容器を提供する。

磁場変調装置１３は、ロータコア３４によって、筒状のヨーク３４を提供する。ヨーク３４は、内筒３４ａおよび内筒３４ａの径方向外側に配置された外筒３４ｂを含む。ヨーク３４は、内筒３４ａと外筒３４ｂとの間の軸方向一端に閉塞端３４ｃを有し、他端に開口端３４ｅを有する。ＭＣＥ素子１２は、内筒３４ａと外筒３４ｂとの間に配置されている。ＭＣＥ素子１２は、開口端３４ｅの近傍に一端部１２ａを位置付け、閉塞端３４ｃの近傍に他端部１２ｂを位置付けるように配置されている。

凹部３４ｄは、ハウジング２１を収容可能な大きさを有する。ロータコア３４は、開口端３４ｅからハウジング２１を受け入れている。ハウジング２１の連結端２１ａは、ロータコア３４の開口端３４ｅの近傍に位置付けられる。ハウジング２１の自由端２１ｂは、ロータコア３４の底壁３４ｃの近傍に位置付けられる。

高温系統１６の機器５１、５２、５３は、開口端３４ｅの近傍に配置され、ＭＣＥ素子１２の一端部１２ａと熱交換する機器を提供している。低温系統１７の機器５５、５６は、開口端３４ｅの近傍に配置され、ＭＣＥ素子１２の他端部１２ｂと熱交換する機器を提供する。この構成は、一端閉塞のヨークであるロータコア３４の開口端において低温と高温とを取り出すことを可能とする。

ロータコア３４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。内筒３４ａの外面には、永久磁石３５が固定されている。外筒３４ｂの内面には、永久磁石３６が固定されている。永久磁石３５、３６は、それらの間にハウジング２１を位置付けて対向するように配置されている。永久磁石３５、３６は、ロータコア３４の周方向の一部にのみ配置されている。永久磁石３５、３６は、部分円筒状であり、その断面が扇型である。永久磁石３５、３６は、ハウジング２１に直接的に対向するように配置されている。

ロータコア３４と永久磁石３５、３６とは、ハウジング２１の径方向外側に位置する外磁極と、ハウジング２１の径方向内側に位置する内磁極とを提供する。この実施形態では、永久磁石３５によって内磁極が形成され、永久磁石３６によって外磁極が形成される。外磁極と内磁極とは、径方向に磁束を供給し、それらの間に強力な磁場を形成する。ロータコア３４は、永久磁石３５、３６の間における磁気回路を提供するバックヨークを提供する。永久磁石３５、３６が配置された周方向の励磁範囲ＰＭと、永久磁石２５が配置されない周方向の消磁範囲ＰＮとは、ほぼ等しい。

永久磁石３５、３６は、ロータコア３４の周方向に沿って外部磁場が強くなる領域と、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３４と永久磁石３５、３６とは、回転軸３３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３３の回転に同期して回転する。この結果、ハウジング２１上の一点、またはハウジング２１の軸方向に延びる線上においては、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。ロータコア３４と永久磁石３５、３６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３４と永久磁石３５、３６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。

この構成によると、ＭＣＥ素子１２は、ハウジング２１の軸方向に沿って細長く延在している。永久磁石３５、３６は、ハウジング２１の軸方向、すなわちＭＣＥ素子１２の長手方向に沿って細長く延在している。言い換えると、永久磁石３５、３６は、一次媒体の往復流の方向に沿って細長く延在している。永久磁石３５、３６、すなわち内磁極と外磁極とは、周方向に移動する。一次媒体はハウジング２１の軸方向、すなわちロータコア３４の回転軸に沿って流れる。よって、磁極の移動方向と、一次媒体の流れ方向とは交差するように設定されている。言い換えると、磁極の移動に伴いＭＣＥ素子１２に生じる磁場強度の分布の傾斜方向と、ＭＣＥ素子１２に表われる温度分布の傾斜方向とが交差する。この結果、一次媒体の流れ方向に沿った磁場強度の分布が抑制される。これにより、ＭＣＥ素子１２において熱的な高い効率を得ることができる。具体的には、磁極の移動方向と、一次媒体の流れ方向とは直交するように設定されている。

この構成では、磁場変調装置１３は、ＭＣＥ素子１２に外部磁場を印加する一対の磁極を有する。磁場変調装置１３は、円筒の内側に一対の磁極の一方を配置し、円筒の外側に一対の磁極の他方を配置している。磁場変調装置１３は、一対の磁極の間を磁気的に接続する磁気回路３４、３５、３６を有する。磁場変調装置１３は、励磁範囲ＰＭと消磁範囲ＰＮとの移動方向が、熱輸送媒体の流れ方向と直交するように設定されている。磁場変調装置１３は、励磁範囲ＰＭと消磁範囲ＰＮとを円筒の周方向に沿って回転的に移動させる。

この構成では、ハウジング２１の内側と外側との両方に、すなわちＭＣＥ素子１２の内側と外側との両方に磁極が配置される。このため、ＭＣＥ素子１２を強い磁場の中に置くことができる。また、ハウジング２１の内側と外側との両方に、すなわちＭＣＥ素子１２の内側と外側との両方に永久磁石３５、３６が配置される。これにより、磁束の漏洩を抑制することができる。また、ロータコア３４と永久磁石３５、３６とは、断面がＣ字型であって、Ｃ字の開口部にＭＣＥ素子１２を位置付けることが可能な磁気回路を提供する。これにより、磁束の漏洩が抑制される。

ロータコア３４と永久磁石３５、３６とは、開口端３４ｅにおいて開口した磁場変調装置１３を提供する。逆止弁２５、２６、通路２３、２４、２７、２８は、ハウジング２１の自由端２１ｂ、すなわち磁場変調装置１３の奥に配置された端部から、一次媒体を開口端３４ｅ側へ導出する折り返し流路を提供する。この結果、底壁３４ｃによって閉塞した磁場変調装置１３を用いても、ＭＣＥ素子１２の両端にあらわれる高温と低温との両方を利用することができる。

逆止弁２５、２６を含む弁機構は、ハウジング２１の上部に位置付けられている。また、ロータコア３４は、その開口端３４ｅを重力方向の下に向けて位置付けられている。すなわち、開口端３４ｅが重力方向の下方に配置され、閉塞端３４ｃが重力方向の上方に配置されている。この構成は、ポンプ４１および作業室２２から気泡を排出するために有利である。例えば、この構成によると、エア抜きを容易に、確実に実行することができる。

ハウジング２１は、円周に沿って配置された複数のＭＣＥ素子１２を収容する。このため、大きな熱的な出力を得ることができる。ＭＣＥ素子１２の他端部１２ｂは、低温端である。この結果、ハウジング２１のモータ１５から離れた端部、すなわちハウジング２１の自由端２１ｂが低温端となる。この構成は、発熱部であるモータ１５およびポンプ４１からの熱的な影響を抑制するために有利である。

（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、高温端に間接的な熱交換器５１を採用した。これに代えて、この実施形態では、ＭＣＥ素子１２の高温端においても、一次媒体が引き出され、熱源として利用される。

図５において、ハウジング２１は、連結端２１ａに通路２３７と通路２３８とを有する。通路２３７は、ポンプ４１のひとつの気筒とひとつの作業室２２とを連通する。通路２３７は、ポンプ４１から作業室２２への一次媒体の往路を提供する。通路２３８は、ポンプ４１のひとつの気筒とひとつの作業室２２との間に設けられ、経路５２および熱交換器５３を介して、ポンプ４１と作業室２２とを連通する。通路２３８は、作業室２２からポンプ４１への一次媒体の復路を提供する。通路２３８には、逆止弁２３９が設けられている。通路２３７には、逆止弁２４０が設けられている。

ポンプ４１から吐出された一次媒体は、通路２３７および逆止弁２３９を経由して作業室２２に供給される。ポンプ４１が一次媒体を吸入するとき、一次媒体は、作業室２２から、通路２３８と逆止弁２４０と経路５２と熱交換器５３とを経由して流れる。これにより、熱交換器５３には一次媒体が直接的に供給される。

（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、高温端だけに間接的な熱交換器５１を採用した。これに代えて、この実施形態では、ＭＣＥ素子１２の低温端においても、間接的な熱交換器３５４が採用される。

図６において、低温系統１７には熱交換器３５４が設けられる。熱交換器３５４は、通路２７から通路２８へ流れる一次媒体と、二次媒体との間の熱交換を提供する。二次媒体は経路５５と熱交換器５６とを循環する。この構成によると、低温と高温との両方が間接的な熱交換器５１、３５４によって取り出される。

（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、磁極を回転移動させることにより磁場強度を変調する磁場変調装置１３を採用した。これに代えて、固定された永久磁石４３５、４３６を採用し、磁束の透過を周期的に変化させることにより磁場強度を変調する磁場変調装置１３を採用することができる。

図７において、磁場変調装置１３は、ポンプ４１およびハウジング２１に対して固定的に配置されたステータコア４３４を備える。ステータコア４３４は、上述のロータコア３４に相当する形状を有する。ステータコア４３４は、内筒４３４ａ、外筒４３４ｂ、底壁４３４ｃ、凹部４３４ｄ、開口端４３４ｅを有する。底壁４３４ｃは閉塞端を提供する。ステータコア４３４は、ポンプ４１およびハウジング２１に固定されている。ステータコア４３４の開口端４３４ｅは、ポンプ４１によって閉塞されているが、磁気的には開放された端部を提供している。内筒４３４ａの外面には永久磁石４３５が固定されている。外筒４３４ｂの内面には永久磁石４３６が固定されている。永久磁石４３５、４３６は円筒状の永久磁石であって、径方向に着磁されている。永久磁石４３５と永久磁石４３６との間にはハウジング２１が配置されている。

永久磁石４３５、４３６とハウジング２１との間には、磁場遮蔽部材４６１が設けられる。磁場遮蔽部材４６１は、上述のロータコア３４に相当する形状を有する。磁場遮蔽部材４６１は、永久磁石４３５とハウジング２１との間に配置された内筒４６１ａを有する。内筒４６１ａは、回転軸３３に連結されている。磁場遮蔽部材４６１は、永久磁石４３５とハウジング２１との間に配置された内筒４６１ａを有する。磁場遮蔽部材４６１は、永久磁石４３６とハウジング２１との間に配置された外筒４６１ｂを有する。磁場遮蔽部材４６１は、内筒４６１ａと外筒４６１ｂとを連結する底壁４６１ｃを有する。内筒４６１ａと外筒４６１ｂとの間には、凹部４６１ｄが形成されている。凹部４６１ｄには、ハウジング２１が収容されている。

磁場遮蔽部材４６１は、周方向に沿って磁場を透過する透過部４６２と、磁場を遮蔽する遮蔽部４６３とを備える。透過部４６２は、アルミニウム、樹脂などの非磁性材料によって構成することができる。遮蔽部４６３は、磁束を案内する磁性材料によって構成することができる。この場合、遮蔽部４６３は磁束を通すことにより凹部４６１ｄ内の磁場を弱める。また、遮蔽部４６３は、透磁率が低い部材によって構成されてもよい。例えば、遮蔽部４６３は真空容器によって提供することができる。

透過部４６２は、図４に図示される周方向の範囲ＰＭにわたって形成することができる。遮蔽部４６３は、周方向の範囲ＰＮにわたって形成することができる。透過部４６２は、永久磁石４３５、４３６により形成される磁場をＭＣＥ素子１２に印加する。透過部４６２は、磁極を提供し、励磁範囲を提供する。遮蔽部４６３は、凹部４６１ｄ内における磁場を除去するか弱める。遮蔽部４６３は、消磁範囲を提供する。磁場遮蔽部材４６１が回転することにより透過部４６２と遮蔽部４６３とが回転する。これにより、ＭＣＥ素子１２への磁場の印加と除去とが周期的に切換えられる。

（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、逆止弁２５、２６、２３９、２４０としてボールとスプリングとを備えるチェック弁を図示した。これに代えて、種々の形式の逆止弁を利用することができる。図８に図示されるように、この実施形態では、一次媒体の流れ方向に応答して変形することにより通路を開閉するリード弁型の逆止弁５２５、５２６を採用する。図中には、吸入側のリード弁５２６が開いている状態が図示されている。

（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。

上記実施形態では、斜板式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、励磁範囲と消磁範囲との移動方向と、一次媒体の流れ方向とは直交するように設定されている。これに代えて、励磁範囲と消磁範囲との移動方向と一次媒体の流れ方向とが所定の角度をなして交差するように設定されてもよい。例えば、励磁範囲と消磁範囲との移動方向と一次媒体の流れ方向とは、４５°を上回り９０°を下回る角度をなして交差するように設定することができる。

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。

また、上記実施形態では、永久磁石３５、３６、４３５、４３６が提供する磁極とハウジング２１との間の隙間は固定とした。これに代えて、磁極とハウジング２１との間の隙間を変化させることによりＭＣＥ素子１２に印加される外部磁場の強度を変化させる磁場変調装置１３を採用してもよい。

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、 ２１ａ 連結端、 ２１ｂ 自由端、 ２２ 作業室、
２３、２４ 集合通路、 ２５、２６ 逆止弁、 ２７、２８ 通路、
３３ 回転軸、 ３４ ロータコア、 ３４ｅ 開口端、 ３５、３６ 永久磁石、
４１ ポンプ、 ５１ 熱交換器、 ５２、５５ 経路、 ５３、５６ 熱交換器、
２３７、２３８ 通路、 ２３９、２４０ 逆止弁、
３５４ 熱交換器、
４３４ ステータコア、４３５、４３６ 永久磁石、 ４６１ 磁場遮蔽部材、
５２５、５２６ 逆止弁。

Claims (10)

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）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範囲（ＰＭ）、および前記磁気熱量素子が前記励磁範囲より弱い前記外部磁場の中に置かれる消磁範囲（ＰＮ）を形成し、前記励磁範囲（ＰＭ）と前記消磁範囲（ＰＮ）とを移動させることにより前記磁気熱量素子に印加される前記外部磁場を変調する磁場変調装置（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し、前記磁場変調装置による前記外部磁場の変化に同期して往復する往復的な流れ（ＦＭ、ＦＮ）を発生させる熱輸送装置（１４）とを備え、
   前記磁場変調装置（１３）は、
   前記磁気熱量素子に前記外部磁場を印加する一対の磁極の間を磁気的に接続する磁気回路（３４、３５、３６；４３４、４３５、４３６、４６１）を有し、
   前記励磁範囲と前記消磁範囲との移動方向が、前記熱輸送媒体の流れ方向と交差するように設定されており、
   前記磁場変調装置は、内筒（３４ａ、４３４ａ）、および前記内筒の径方向外側に配置された外筒（３４ｂ、４３４ｂ）を含み、前記内筒と前記外筒との間の軸方向一端に閉塞端（３４ｃ；４３４ｃ）を有し、他端に開口端（３４ｅ；４３４ｅ）を有する筒状のヨーク（３４；４３４）を備え、
   前記磁気熱量素子は、円筒の周方向の一部を占め、軸方向に延びるように前記内筒と前記外筒との間に配置され、前記開口端の近傍に一端部（１２ａ）を位置付け、前記閉塞端の近傍に他端部（１２ｂ）を位置付けた素子ベッドであり、
   前記磁場変調装置（１３）は、前記円筒の内側に前記一対の磁極の一方を配置し、前記円筒の外側に前記一対の磁極の他方を配置し、前記励磁範囲と前記消磁範囲とを前記円筒の周方向に沿って回転的に移動させることを特徴とする熱磁気サイクル装置。
2. 前記励磁範囲と前記消磁範囲との移動方向が、前記熱輸送媒体の流れ方向と直交するように設定されてい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. 前記熱輸送装置は、
   前記閉塞端の内部に配置され、前記熱輸送媒体を前記磁気熱量素子の前記他端部から前記開口端の外へ引き出す折り返し流路（２３、２４、２５、２６、２７、２８；５２５、５２６）を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱磁気サイクル装置。
4. 前記折り返し流路は、前記磁気熱量素子の前記他端部からの前記熱輸送媒体の流出と流入とを制御する弁機構（２５、２６；５２５、５２６）を備えることを特徴とする請求項３に記載の熱磁気サイクル装置。
5. 互いに並列に配置された複数の前記磁気熱量素子を有し、
   前記折り返し流路は、
   複数の前記磁気熱量素子のそれぞれに対応して設けられた複数の前記弁機構を有し、
   さらに、複数の前記弁機構を経由する前記熱輸送媒体のための集合通路（２３、２４）を有することを特徴とする請求項４に記載の熱磁気サイクル装置。
6. 前記磁気熱量素子の前記他端部は、低温端であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
7. 前記開口端が重力方向の下方に配置され、前記閉塞端が重力方向の上方に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
8. 前記熱輸送装置は、
   前記磁気熱量素子の前記一端部（１２ａ）に連結されたポンプ（４１）と、
   前記ポンプを駆動するモータ（１５）とを備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
9. 前記開口端の近傍に配置され、前記磁気熱量素子の前記一端部と熱交換する機器（１６、５１、５２、５３）を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
10. 前記開口端の近傍に配置され、前記磁気熱量素子の前記他端部と熱交換する機器（１７、５５、５６；３５４）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。

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