JP6388718B2 - 熱交換器、磁気ヒートポンプ装置、及び、熱交換器の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器、その熱交換器を備えた磁気ヒートポンプ装置、及び、その熱交換器の製造方法に関するものである。
文献の参照による組み込みが認められる指定国については、２０１５年６月１９日に日本国に出願された特願２０１５−１２３６２８に記載された内容、及び、２０１５年１０月９日に日本国に出願された特願２０１５−２００８６７に記載された内容を参照により本明細書に組み込み、本明細書の記載の一部とする。

円柱状の複数の磁性体をその長手方向と交差する方向に重ねて構成された集合体と、その集合体が挿入された筒状のケースと、を備えた熱交換器が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−６４５８８号公報

上記の熱交換器では、集合体において最外周に位置する磁性体とケースの内周面との間に間隙が形成されている。そのため、この間隙に液体媒体が多く流れてしまい、磁性体同士の間に形成された流路を通過する液体媒体が少なく、熱交換の効率が高くない、という問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、熱交換の効率の向上を図ることが可能な熱交換器、その熱交換器を備えた磁気ヒートポンプ装置、及び、その熱交換器の製造方法を提供することである。

［１］本発明に係る熱交換器は、磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器であって、前記熱交換器は、複数の線材を束ねて構成される集合体と、前記集合体を被覆する被覆層と、を備え、前記線材は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料から構成されており、前記被覆層は、前記集合体の周囲を囲繞する筒状部と、前記集合体の外周と前記筒状部との間に充填された充填部と、を含む熱交換器である。

［２］上記発明において、前記筒状部と前記充填部とは、一体的に形成されていてもよい。

［３］上記発明において、前記被覆層は、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、シリコーンゴム、又は、フッ素樹脂から構成されていてもよい。

［４］上記発明において、前記被覆層は、一方の端部に位置する第１の開口と、他方の端部に位置する第２の開口と、を有しており、前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向と、前記集合体の延在方向と、が実質的に一致していてもよい。

［５］上記発明において、前記集合体は、複数の前記線材を撚り合わせることで構成されていてもよい。

［６］上記発明において、前記複数の線材は、同心撚り、集合撚り、又は複合撚りにより撚り合わされていてもよい。

［７］上記発明において、下記（１）及び（２）式を満たしてもよい。

１．４×１０≦Ａ≦２．２５×１０^４・・・（１）
Ａ＝Ｐ／Ｒ・・・（２）

但し、上記（２）式において、Ｐは前記複数の線材同士を撚り合わせる撚りピッチであり、Ｒは前記線材の線径である。

［８］本発明に係る磁気ヒートポンプ装置は、上記の少なくとも一つの熱交換器と、前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、前記磁場変更手段の動作に連動して前記熱交換器から前記第１又は第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置である。

［９］本発明に係る熱交換器の製造方法は、磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器の製造方法であって、複数の線材を束ねて、集合体を形成する第１の工程と、前記集合体を被覆する被覆層を形成する第２の工程と、を備え、前記線材は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料から構成されており、前記被覆層は、前記集合体の周囲を囲繞する筒状部と、前記集合体の外周と前記筒状部との間に充填された充填部と、を含む熱交換器の製造方法である。

［１０］上記発明において、前記第２の工程は、前記集合体を移動させながら、前記集合体の外周に樹脂材料を押出成形することで、前記被覆層を形成することを含んでもよい。

［１１］上記発明において、前記第１の工程は、複数の前記線材を撚り合わせることで、前記集合体を形成することを含んでもよい。

［１２］上記発明において、前記熱交換器の製造方法は、前記被覆層により被覆された前記集合体を所定の長さに切断する第３の工程を備えてもよい。

本発明によれば、集合体と筒状部の間が被覆層の充填部で塞がれているので、集合体の線材同士の間に形成された流路に液体媒体を多く通過させることができ、熱交換の効率の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図であり、ピストンが第１の位置にある状態を示す図である。 図２は、本発明の実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図である、ピストンが第２の位置にある状態を示す図である。 図３は、本発明の実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の断面図であり、液体媒体の流通方向に沿って切断した断面図である。 図４は、図３のIV-IV線に沿った断面図である。 図５は、本発明の実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の他の構成を示す分解斜視図である。 図６は、図５のVI-VI線に沿った断面図である。 図７（ａ）は、図５に示すＭＣＭ熱交換器に用いられる集合体の側面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す集合体を構成する一の線材の側面図である。 図８は、本発明の実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の製造方法を示す工程図である。 図９は、図８のステップＳ２０で用いられる樹脂押出被覆装置を断面図である。 図１０は、図５に示すＭＣＭ熱交換器を製造する際に用いられる撚合わせ装置及び樹脂押出被覆装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１及び図２は本実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図、図３及び図４は本実施形態におけるＭＣＭ熱交換器を示す図である。

本実施形態における磁気ヒートポンプ装置１は、磁気熱量効果（Magnetocaloric effect）を利用したヒートポンプ装置であり、図１及び図２に示すように、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０と、ピストン３０と、永久磁石４０と、低温側熱交換器５０と、高温側熱交換器６０と、ポンプ７０と、配管８１〜８４と、切替弁９０と、を備えている。

本実施形態における第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０が本発明における熱交換器の一例に相当し、本実施形態におけるピストン３０及び永久磁石４０が本発明における磁気変更手段の一例に相当し、低温側熱交換器５０及び高温側熱交換器６０が本発明における第１及び第２の外部熱交換器の一例に相当し、本実施形態における配管８１〜８４が本発明における配管の一例に相当し、本実施形態におけるポンプ７０及び切替弁９０が本発明における流体供給手段の一例に相当する。

第１のＭＣＭ熱交換器１０は、図３及び図４に示すように、複数の線材１２からなる集合体１１と、当該集合体１１を被覆する被覆層１３と、被覆層１３の両端に接続されたアダプタ１６，１７と、を備えている。なお、第１のＭＣＭ熱交換器１０と第２のＭＣＭ熱交換器２０は同一の構造を有しているので、以下に第１のＭＣＭ熱交換器１０の構成についてのみ説明し、第２のＭＣＭ熱交換器２０の構成については省略する。

線材２１は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料（ＭＣＭ：Magnetocaloric Effect Material）から構成されている。このＭＣＭから構成される線材１２に磁場を印加すると、電子スピンが揃うことで磁気エントロピーが減少し、当該線材１２は発熱して温度が上昇する。一方、線材１２から磁場を除去すると、電子スピンが乱雑となり磁気エントロピーが増加し、当該線材１２は吸熱して温度が低下する。

この線材１２を構成するＭＣＭは、磁性体であれば特に限定されないが、例えば、１０℃〜３０℃程度の常温域にキュリー温度（キュリー点）を有し、常温域で高い磁気熱量効果を発揮する磁性体であることが好ましい。こうしたＭＣＭの具体例としては、例えば、ガドリニウム（Ｇｄ）、ガドリニウム合金、ランタン−鉄−シリコン（Ｌａ−Ｆｅ−Ｓｉ）系化合物等を例示することができる。

本実施形態における線材１２は、円形の断面形状を有する線材である。なお、線材１２同士を束ねた際に当該線材１２の間に流路１１１（後述）を形成可能であれば、線材１２が円形以外の断面形状を有してもよい。

集合体１１は、この線材１２を複数束ねることで構成されている。複数の線材１２は、線材１２の長手方向に対して交差する方向に束ねられている（重ねられている）。換言すれば、線材１２の側面同士が接触するように、複数の線材１２が相互に隣接している。その結果、線材１２の側面同士の間には流路１１１が形成されている。なお、理解を容易にするために、図４に示す例では７本の線材１２から集合体１１が構成されているが、実際には、数千本〜数万本の線材１２を束ねることで集合体１１が構成されている。

なお、図３及び図４に示す集合体１１は、複数の線材１２を単に束ねることで構成されているが、集合体の構成は特にこれに限定されない。例えば、集合体１１に代えて、図５及び図６に示すＭＣＭ熱交換器１０Ｂのように、複数の線材１２Ｂを撚り合わせることで集合体１１Ｂを構成してもよい。

図５は本実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の他の構成を示す分解斜視図、図６は図５のVI-VI線に沿った断面図、図７（ａ）は図５に示すＭＣＭ熱交換器に用いられる集合体の側面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）に示す集合体を構成する一の線材の側面図である。

具体的には、図５及び図６に示す集合体１１Ｂは、複数の上記線材１２Ｂを長手方向に対して交差する方向に束ねて、相互に撚合わせることで構成されている。隣接する撚合わされた線材１２Ｂ同士の側面は相互に接触し、その結果、これらの間に流路１１１Ｂが形成されている。なお、理解を容易にするために、図５及び図６に示す例では１９本の線材１２Ｂから集合体１１Ｂが構成されているが、実際には、数百本〜数万本の線材１２Ｂを束ねることで集合体１１Ｂが構成されている。このような集合体１１Ｂの外径Ｄ（図７（ａ）参照）としては、特に限定しないが、たとえば、磁束密度を確保する観点から、３０ｍｍ以下で設定されていることが好ましい。

図５及び図６に示す集合体１１Ｂでは、複数の線材１２Ｂ同士が集合撚りにより撚り合わされている。なお、集合体１１Ｂにおける複数の線材１２Ｂ同士の撚り合わせ方としては、特に上述に限定されず、同心撚りや複合撚りでもよい。集合撚りとは、複数の線材１２Ｂ同士を一纏めにして、これらを集合体１１Ｂの軸を中心に同一方向に撚り合わせる撚り方である。同心撚りとは、芯線を中心として当該芯線の周りに複数の線材１２Ｂに同心円状を撚り合わせる撚り方である。複合撚りとは、複数の線材１２Ｂを同心撚り又は集合撚りに撚り合わせた子撚線を、さらに同心撚り又は集合撚りに撚り合わせる撚り方である。なお、同心撚りの芯線は、一の線材１２Ｂにより構成されていてもよいし、複数の線材１２Ｂを撚り合わせて構成されていてもよい。また、複数の線材１２Ｂ同士を撚り合わせる方向としては、右向きでもよいし、左向きでもよい。

線材１２Ｂの線径Ｒ（図７（ｂ）参照）としては、特に限定しないが、たとえば、０．０１〜１ｍｍであることが好ましく、０．０２〜０．５ｍｍのであることがより好ましい。この際、集合体１１Ｂを構成する複数の線材１２Ｂは、実質的に同一の線径のものを用いてもよいし、異なる線径のものが混在していてもよい。また、線材１２Ｂの線径が上記範囲内で設定されている場合、当該線材１２Ｂ同士を撚り合わせる撚りピッチＰ（図７（ｂ）参照）は、１４〜４５０ｍｍであることが好ましい。撚りピッチＰが上記下限値よりも小さいと、線材同士が圧縮されて変形してしまい、流路が潰れるおそれがある。一方、撚りピッチＰが上記上限値よりも大きいと、撚りが解れてしまい、線材同士が互いに保持し合うことができなくなるおそれがある。因みに、本明細書において、「撚りピッチ」とは、一の線材１２Ｂが集合体１１Ｂの周りを一周する間の当該線材１２Ｂの長手方向の長さのことをいう。

また、本実施形態では、撚りピッチＰと、線材１２Ｂの線径Ｒとの関係は、下記（３）及び（４）式が成立するように設定されていることが好ましい。
１．４×１０≦Ａ≦２．２５×１０^４・・・（３）
Ａ＝Ｐ／Ｒ・・・（４）

図３及び図４に戻り、線材１２の集合体１１は、被覆層１３によって被覆されている。この被覆層１３は、筒状部１４と、充填部１５と、を備えている。筒状部１４は、集合体１１の周囲を円筒状に囲繞している。一方、充填部１５は、集合体１１の外周と筒状部１４の内周との間の隙間を埋めるように充填されている。すなわち、本例では、充填部１５は、集合体１１の最外周に位置する線材１２ａと、筒状部１４との間に充填されており、最外周の線材１２ａと筒状部１４との間を塞いでいる。この被覆層１３は、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、シリコーンゴム、又は、フッ素樹脂等の樹脂材料から構成されており、筒状部１４と充填部１５が一体的に形成されている。本実施形態における「一体的に形成」とは、部材同士が分離しておらず、同一の樹脂材料により一体の構造体として形成されていることを意味する。なお、集合体１１に代えて、複数の線材１２Ｂを撚り合わせて構成された集合体１１Ｂを用いる場合も、筒状部１４と充填部１５を備える被覆層１３により集合体１１Ｂが被覆されており、集合体１１Ｂの外周と筒状部１４との間に充填部１５が充填されている（図６参照）。

また、図３及び図４に示すように、この被覆層１３は、一方の端部に位置する第１の開口１３１と、他方の端部に位置する第２の開口１３２と、を有している。この第１の開口１３１から第２の開口１３２に向かう方向ＣＬは、集合体１１の延在方向と実質的に一致している。さらに、被覆層１３の一方の端部には第１のアダプタ１６が接続されている。同様に、被覆層１３の他方の端部にも第２のアダプタ１７が接続されている。

この第１及び第２のアダプタ１６，１７の具体例としては、例えば、熱収縮チューブ等を例示することができる。なお、第１及び第２のアダプタ１６，１７として、樹脂成型品を用いたり、金属材料によって第１及び第２のアダプタ１６，１７を構成してもよい。

第１のアダプタ１６は、第１の開口１３１よりも小さな第１の連結口１６１を有している。図１に示すように、この第１の連結口１６１は、第１の低温側配管８１を介して、低温側熱交換器５０に連通している。第２のアダプタ１７も、第２の開口１３２よりも小さな第２の連結口１７１を有している。この第２の連結口１７１は、第１の高温側配管８３を介して、高温側熱交換器６０に連通している。この第１及び第２の連結口１６１，１７１の中心は、集合体１１の中心と同軸上に位置している。

同様に、第２のＭＣＭ熱交換器２０の被覆層２３も、複数の線材２２からなる集合体２１を被覆していると共に、当該被覆層２３の両端に第１及び第２のアダプタが接続されている。図２に示すように、第１のアダプタの第１の連結口２６１は、第２の低温側配管８２を介して、低温側熱交換器５０に連通している。一方、第２のアダプタの第２の連結口２７１は、第２の高温側配管８４を介して、高温側熱交換器６０に連通している。

なお、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２は、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２と同じ構成を有している。また、第２のＭＣＭ熱交換器２０の被覆層２３も、第１のＭＣＭ熱交換器１０の被覆層１３と同じ構成を有している。さらに、第２のＭＣＭ熱交換器２０のアダプタも、第１のＭＣＭ熱交換器１０のアダプタ１６，１７と同じ構成を有している。

例えば、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置１を用いた空気調和装置を冷房として機能させる場合には、低温側熱交換器５０と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を冷やすと共に、高温側熱交換器６０と室外との間で熱交換を行うことで室外に放熱する。

これに対し、当該空気調和装置を暖房として機能させる場合には、高温側熱交換器６０と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を暖めると共に、低温側熱交換器５０と室外の空気との間で熱交換を行うことで室外から吸熱する。

以上のように、２つの低温側配管８１，８２と２つの高温側配管８３，８４によって、４つの熱交換器１０，２０，５０，６０を含む循環路が形成されており、ポンプ７０によって当該循環路内に液体媒体が圧送される。液体媒体の具体例としては、例えば、水、不凍液、エタノール溶液、または、これらの混合物等の液体を例示することができる。本実施形態における液体媒体が、本発明における流体の一例に相当する。

２つのＭＣＭ熱交換器１０，２０は、ピストン３０の内部に収容されている。このピストン３０は、アクチュエータ３５によって、一対の永久磁石４０の間を往復移動することが可能となっている。具体的には、このピストン３０は、図１に示すような「第１の位置」と、図２に示すような「第２の位置」との間を往復移動することが可能となっている。なお、アクチュエータ３５の一例としては、例えば、エアシリンダ等を例示することができる。

ここで、「第１の位置」は、第１のＭＣＭ熱交換器１０が永久磁石４０の間に介在せず、第２のＭＣＭ熱交換器２０が永久磁石４０の間に介在するようなピストン３０の位置である。これに対し、「第２の位置」は、第１のＭＣＭ熱交換器１０が永久磁石４０の間に介在し、第２のＭＣＭ熱交換器２０が永久磁石４０の間に介在しないようなピストン３０の位置である。

なお、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０に代えて、永久磁石４０をアクチュエータ３５により往復移動させてもよい。或いは、永久磁石４０に代えて、コイルを有する電磁石を用いてもよく、この場合には、ＭＣＭ熱交換器１０，２０又は磁石を移動させる機構が不要となる。また、コイルを有する電磁石を用いる場合には、ＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２，２２に対する磁場の印加／除去に代えて、線材１２，２２に印加した磁場の大きさを変更するようにしてもよい。

切替弁９０は、第１の高温側配管８３と第２の高温側配管８４に設けられている。この切替弁９０は、上述のピストン３０の動作に連動して、ポンプ７０により液体媒体の供給先を、第１のＭＣＭ熱交換器１０、又は、第２のＭＣＭ熱交換器２０に切り替えると共に、高温側熱交換器６０の接続先を、第２のＭＣＭ熱交換器２０、又は、第１のＭＣＭ熱交換器１０に切り替えることが可能となっている。

次に、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置１の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。

先ず、ピストン３０を図１に示す「第１の位置」に移動させると、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２が消磁されて温度が低下する一方で、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２が着磁されて温度が上昇する。

これと同時に、切替弁９０によって、ポンプ７０→第１の高温側配管８３→第１のＭＣＭ熱交換器１０→第１の低温側配管８１→低温側熱交換器５０→第２の低温側配管８２→第２のＭＣＭ熱交換器２０→第２の高温側配管８４→高温側熱交換器６０→ポンプ７０からなる第１の経路が形成される。

このため、消磁によって温度が低下した第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２によって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器５０に供給されて、当該低温側熱交換器５０が冷却される。

この際、第１のＭＣＭ熱交換器１０の内部において、線材１２の側面の間に形成された流路１１１を液体媒体が通過して線材１２と接触することで、当該液体媒体が線材１２によって冷却される。また、集合体１１の外周と筒状部１４との間は被覆層１３の充填部１５によって塞がれているので、線材１２間の流路１１１を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

これに加えて、集合体１１Ｂが複数の線材１２Ｂを撚り合わせることで構成されている場合（図５及び図６参照）には、当該複数の線材１２Ｂ同士が互いに保持し合っている。このため、液体媒体による外側への押圧力や摩擦力で線材１２Ｂが動いてしまうのを抑制することができる。

一方、着磁されて温度が上昇した第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２によって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器６０に供給されて、当該高温側熱交換器６０が加熱される。

この際、第２のＭＣＭ熱交換器２０の内部において、線材２２の側面の間に形成された流路を液体媒体が通過して線材２２と接触することで、当該液体媒体が線材２２によって加熱される。また、集合体２１の外周と被覆層２３の筒状部との間が被覆層２３の充填部によって塞がれているので、線材２２間の流路を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

これに加えて、第２のＭＣＭ熱交換器の集合体が複数の線材を撚り合わせることで構成されている場合には、当該複数の線材同士を互いに保持し合っている。このため、液体媒体による外側への押圧力や摩擦力で線材が動いてしまうのを抑制することができる。

次いで、ピストン３０を図２に示す「第２の位置」に移動させると、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２が着磁されて温度が上昇する一方で、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２が消磁されて温度が低下する。

これと同時に、切替弁９０によって、ポンプ７０→第２の高温側配管８４→第２のＭＣＭ熱交換器２０→第２の低温側配管８２→低温側熱交換器５０→第１の低温側配管８１→第１のＭＣＭ熱交換器１０→第１の高温側配管８３→高温側熱交換器６０→ポンプ７０からなる第２の経路が形成される。

このため、消磁によって温度が低下した第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２によって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器５０に供給されて、当該低温側熱交換器５０が冷却される。

この際、第２のＭＣＭ熱交換器２０の内部において、線材２２の側面の間に形成された流路を液体媒体が通過して線材２２と接触することで、当該液体媒体が線材２２によって冷却される。また、集合体２１の外周と被覆層２３の筒状部との間が被覆層２３の充填部によって塞がれているので、線材２２間の流路を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

これに加えて、第２のＭＣＭ熱交換器の集合体が複数の線材を撚り合わせることで構成されている場合には、当該複数の線材同士を互いに保持し合っている。このため、液体媒体による外側への押圧力や摩擦力で線材が動いてしまうのを抑制することができる。

一方、着磁されて温度が上昇した第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２によって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器６０に供給されて、当該高温側熱交換器６０が加熱される。

この際、第１のＭＣＭ熱交換器１０の内部において、線材１２の側面の間に形成された流路１１１を液体媒体が通過して線材１２と接触することで、当該液体媒体が線材１２によって加熱される。また、集合体１１の外周と筒状部１４との間は被覆層１３の充填部１５によって塞がれているので、線材１２間の流路１１１を流れる液体媒体が少なくなってしまうことはない。

これに加えて、集合体１１Ｂが複数の線材１２Ｂを撚り合わせることで構成されている場合（図５及び図６参照）には、当該複数の線材１２Ｂ同士を互いに保持し合っている。このため、液体媒体による外側への押圧力や摩擦力で線材１２Ｂが動いてしまうのを抑制することができる。

そして、以上に説明したピストン３０の「第１の位置」と「第２の位置」との間の往復移動を繰り返し、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０内の線材１２，２２に対する磁場の印加・除去を繰り返すことにより、低温側熱交換器５０の冷却と、高温側熱交換器６０の加熱とが継続される。

以上のように、本実施形態では、第１のＭＣＭ熱交換器１０において、集合体１１の外周と筒状部１４の間が被覆層１３の充填部１５で塞がれている。これにより、線材１２同士の間に形成された流路１１１に液体媒体を多く通過させることができるので、熱交換の効率の向上を図ることができる。

同様に、第２のＭＣＭ熱交換器２０において、集合体２１の外周と筒状部の間が被覆層の充填部で塞がれている。これにより、線材２２同士の間に形成された流路に液体媒体を多く通過させることができるので、熱交換の効率の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、被覆層１３は、第１及び第２の開口１３１，１３２を有しており、当該第１の開口１３１から第２の開口１３２に向かう方向と、集合体１１の延在方向とが実質的に一致しているので、ＭＣＭ熱交換器１０内を流れる液体媒体の圧力損失が増大するのを抑制することができる。

さらに、図５及び図６に示すように、複数の線材１２Ｂを撚り合わせることで集合体１１Ｂを構成した場合には、以下のような効果を奏する。すなわち、当該複数の線材１２Ｂ同士が互いに保持し合っているので、液体媒体の流体圧によってそれぞれの線材１２Ｂが動いてしまうのを抑えることができ、ＭＣＭ熱交換器の熱交換効率の低下を抑制することができる。

つまり、ＭＣＭ熱交換器に収容される線材の位置と永久磁石の位置とがずれてしまうと線材１２Ｂが発熱／吸熱し難くなってしまい、線材と液体媒体との間で熱エネルギーの交換効率が悪化するおそれがある。これに対し、本実施形態では、このようなＭＣＭ熱交換器における熱エネルギーの交換効率の悪化を抑制することができる。

特に、複数の線材１２Ｂ同士を撚り合わせた集合体１１Ｂを被覆層１３によって覆うことで、最外周に位置する線材１２Ｂが被覆層１３の充填部１５と強固に固着している。このため、隣り合う線材１２Ｂのうち外側の一方が、順次内側の他方を支持することになるので、結果として、集合体１１Ｂ全体が被覆層１３によって保持されることになる。これにより、液体媒体の流体圧より線材１２Ｂが一層動いてしまうのを抑制することができ、熱交換器の熱交換効率の低下をさらに抑制することができる。

また、複数の線材１２Ｂを、同心撚り、集合撚り、又は複合撚りにより撚り合わることで、流路１１１Ｂが潰れてしまうのを防ぎつつ、これら線材１２Ｂ同士を撚り合わせることができる。

さらに、上記（３）式及び（４）式が満たされていることで、流路１１１Ｂが潰れてしまうのをさらに防ぎつつ、これら線材１２Ｂ同士を撚り合わせることができる。

以下に、本実施形態における熱交換器の製造方法について、図８及び図９を参照しながら説明する。

図８は本実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の製造方法を示す工程図、図９は図８のステップＳ２０で用いられる樹脂押出被覆装置を断面図である。

なお、第１のＭＣＭ熱交換器１０と第２のＭＣＭ熱交換器２０は同一の構造を有しているので、以下に第１のＭＣＭ熱交換器１０の製造方法についてのみ説明し、第２のＭＣＭ熱交換器２０の製造方法については省略する。

先ず、図８のステップＳ１０において、複数の線材１２を束ねることで集合体１１を形成する。

具体的には、粉末状のＭＣＭを型に入れて焼結加工により円柱状に成型した後、当該円柱状部材を線状に引き延ばすことで、線材１２を形成する。なお、線材１２の形成方法は、特に上述の方法に限定されず、鋳造した材料を円柱状に成型した後、当該円柱状部材を線状に引き延ばすことで、線材１２を形成してもよい。

次いで、線材１２を複数束ねることで集合体１１を形成する。この際、複数の線材１２を、当該線材１２の長手方向に対して交差する方向に束ねる。この集合体１１を構成する複数の線材１２は、単に束ねられているだけであり、接着剤等を用いて相互に固定されてはいない。

次いで、図８のステップＳ２０において、図９に示すような樹脂押出被覆装置１００を用いて、集合体１１を被覆層１３で被覆する。

この樹脂押出被覆装置１００のクロスヘッド１２０には、ニップル１４０とダイス１５０から構成される成形金型１３０が装着されている。ニップル１４０は、集合体１１が通過する挿通孔１４１を有している。また、このニップル１４０は、ダイス１５０の挿通孔１５１内に配置されており、溶融樹脂ＭＲが通過する流路１５２が、ニップル１４０とダイス１５０の間に形成されている。

押出装置１１０によって加熱・混練された溶融樹脂ＭＲが、クロスヘッド１２０に供給される。そして、集合体１１がニップル１４０の挿通孔１４１を通過すると共に、溶融樹脂ＭＲが流路１５２を通過して、集合体１１の外周を覆うように押し出される。そして、当該溶融樹脂ＭＲが押し出し後に直ぐに冷却されることで、被覆層１３が形成される。なお、溶融樹脂ＭＲの冷却方法としては、空冷でもよいし、水冷でもよい。

この樹脂押出の際に、溶融樹脂ＭＲが集合体１１の外周を囲繞することで、被覆層１３の筒状部１４が形成される。また、これと同時に、溶融樹脂ＭＲが集合体１１の最外周の位置する線材１２ａに密着することで、被覆層１３の充填部１５が形成される。

次いで、図５のステップＳ３０において、被覆層１３で被覆された集合体１２を所定の長さに切断する。次いで、被覆層１３の一方の端部と第１の低温側配管８１とを第１のアダプタ１６で連結すると共に、当該被覆層１３の他方の端部と第１の高温側配管８２とを第２のアダプタ１７で連結する。これにより、第１のＭＣＭ熱交換器１０が完成する。なお、線材１２が所定の長さを予め有している場合には、このステップＳ３０での切断工程は不要である。

以上のように、本実施形態では、撚線と被覆層を有する被覆電線と同様の要領で、集合体１１の外周に樹脂材料を押出成形することで被覆層１３を形成する。このため、最外周の線材１２ａと被覆層１３の筒状部１４との間を、充填部１５で容易に埋めることができる。

なお、図８のステップＳ１０において、以下のように、複数の線材１２Ｂを撚り合わせることで、図５及び図６に示す集合体１１Ｂを構成してもよい。図１０は、図５に示すＭＣＭ熱交換器を製造する際に用いられる撚合わせ装置を示す断面図である。

具体的には、準備した複数の線材１２Ｂを、当該線材１２Ｂの長手方向に対して交差する方向に束ねる。そして、束ねた複数の線材１２Ｂを互いに撚り合わせる。撚り方は上述した通り種々のものが存在するが、複数の線材１２Ｂ同士を撚り合わせるに際しては、これらの撚り方について公知の方法を採用することができる。

例えば、図１０に示すような線材１２Ｂが巻かれた複数の送出ボビン１７０から送出される線材１２Ｂ同士を撚り合わせる撚合わせ装置１６０を用いてもよい。この撚合わせ装置１６０は、上述の樹脂押出被覆装置１００の上流側に配置されている。そして、この撚合わせ装置１６０は、複数の挿通孔（不図示）が形成された撚合わせ制御板（不図示）を有しており、この複数の挿通孔のそれぞれに送出ボビン１７０から送出される線材１２Ｂを通して、当該撚合わせ制御板を所定の撚り方向に沿って回転させることで、複数の線材１２Ｂ同士が撚り合わされた集合体１１Ｂを形成することができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

上述した磁気ヒートポンプ装置の構成は一例であり、本発明に係る熱交換器をＡＭＲ（Active Magnetic Refrigerataion）方式の他の磁気ヒートポンプ装置に適用してもよい。

例えば、磁気ヒートポンプ装置が、一つのＭＣＭ熱交換器と、当該ＭＣＭに磁場を印加すると共に磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介してＭＣＭ熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、磁場変更手段の動作に連動してＭＣＭ熱交換器から第１又は第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えてもよい。

また、上述の実施形態では、磁気ヒートポンプ装置を家庭用或いは自動車等の空気調和装置に適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、用途に応じた適切なキュリー温度を有するＭＣＭを選定することで、冷凍機のような極低温域での用途、或いは、ある程度高温域での用途に、本発明に係る磁気ヒートポンプ装置を適用してもよい。

また、本実施形態では、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０が同一の構成を有しているが、特にこれに限定されず、これらが異なる構成を有してもよい。例えば、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０の間で、異なる線径の線材を用いてもよい。また、複数の線材同士の撚り方、撚り方向、又は撚りピッチが、相互に異なっていてもよい。

また、本実施形態では、ＭＣＭ熱交換器は、単一の集合体によって構成していたが、特にこれに限定されず、複数の集合体を当該ＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿って並設して構成してもよい。この場合、複数の集合体は、相互に同一の構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。

なお、磁気ヒートポンプ装置を連続して使用し続けると、ＭＣＭ熱交換器においては、高温側配管と連結された側が高温となり、低温側配管と連結された側低温となる温度勾配が生じる。このため、上記例においては、並設された複数の集合体のうち、高温側に位置する集合体を構成する線材は、比較的キュリー点（キュリー温度）の高い材料を採用し、低温側に位置する集合体を構成する線材は、比較的キュリー点の低い材料を採用することが好ましい。このように、ＭＣＭ熱交換器における温度雰囲気に対応して異なるキュリー点の材料で構成された線材を用いることで、より効率良く磁気熱量効果を作用させることができる。

１…磁気ヒートポンプ装置
１０，１０Ｂ…第１のＭＣＭ熱交換器
１１，１１Ｂ…集合体
１１１，１１１Ｂ…流路
１２，１２Ｂ…線材
１２ａ…最外周の線材
１３…被覆層
１３１，１３２…開口
１４…筒状部
１５…充填部
１６…第１のアダプタ
１６１…第１の連結口
１７…第２のアダプタ
１７１…第２の連結口
２０…第２のＭＣＭ熱交換器
２１…集合体
２２…線材
２３…被覆層
２６…第１のアダプタ
２６１…第１の連結口
２７…第２のアダプタ
２７１…第２の連結口
３０…ピストン
３５…アクチュエータ
４０…永久磁石
５０…低温側熱交換器
６０…高温側熱交換器
７０…ポンプ
８１〜８２…第１〜第２の低温側配管
８３〜８４…第３〜第４の高温側配管
９０…切替弁
１００…樹脂押出被覆装置
１１０…押出機
１２０…クロスヘッド
１３０…成形金型
１４０…ニップル
１４１…挿通孔
１５０…ダイス
１５１…挿通孔
１５２…流路
１６０・・・撚合わせ装置
１７０・・・送出ボビン
ＭＲ…溶融樹脂

Claims (12)

1. 磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器であって、
   前記熱交換器は、
   複数の線材を束ねて構成される集合体と、
   前記集合体を被覆する被覆層と、を備え、
   前記線材は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料から構成されており、
   前記被覆層は、
   前記集合体の周囲を囲繞する筒状部と、
   前記集合体の外周と前記筒状部との間に充填された充填部と、を含む熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記筒状部と前記充填部とは、一体的に形成されている熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   前記被覆層は、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、シリコーンゴム、又は、フッ素樹脂から構成されている熱交換器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
   前記被覆層は、
   一方の端部に位置する第１の開口と、
   他方の端部に位置する第２の開口と、を有しており、
   前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向と、前記集合体の延在方向とが実質的に一致している熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器であって、
   前記集合体は、複数の前記線材を撚り合わせることで構成されている熱交換器。
6. 請求項５に記載の熱交換器であって、
   前記複数の線材は、同心撚り、集合撚り、又は複合撚りにより撚り合わされている熱交換器。
7. 請求項５又は６に記載の熱交換器であって、
   下記（１）及び（２）式を満たす熱交換器。
   １．４×１０≦Ａ≦２．２５×１０^４・・・（１）
   Ａ＝Ｐ／Ｒ・・・（２）
   但し、上記（２）式において、Ｐは前記複数の線材同士を撚り合わせる撚りピッチであり、Ｒは前記線材の線径である。
8. 請求項１〜７のいずれかの記載の少なくとも一つの熱交換器と、
   前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、
   配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、
   前記磁場変更手段の動作に連動して前記熱交換器から前記第１又は第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置。
9. 磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器の製造方法であって、
   複数の線材を束ねて、集合体を形成する第１の工程と、
   前記集合体を被覆する被覆層を形成する第２の工程と、を備え、
   前記線材は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料から構成されており、
   前記被覆層は、
   前記集合体の周囲を囲繞する筒状部と、
   前記集合体の外周と前記筒状部との間に充填された充填部と、を含む熱交換器の製造方法。
10. 請求項９に記載の熱交換器の製造方法であって、
    前記第２の工程は、前記集合体を移動させながら、前記集合体の外周に樹脂材料を押出成形することで、前記被覆層を形成することを含む熱交換器の製造方法。
11. 請求項９又は１０に記載の熱交換器の製造方法であって、
    前記第１の工程は、複数の前記線材を撚り合わせることで、前記集合体を形成することを含む熱交換機の製造方法。
12. 請求項９〜１１のいずれか一項に記載の熱交換器の製造方法であって、
    前記熱交換器の製造方法は、前記被覆層により被覆された前記集合体を所定の長さに切断する第３の工程を備えた熱交換器の製造方法。

Images