JP6558296B2 - Magnetic heat pump device - Google Patents
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Description
ここに開示される技術は、磁気作業物質の磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a magnetic heat pump device that uses the magnetocaloric effect of a magnetic working material.
従来技術として、例えば、下記非特許文献１に開示された磁気冷凍装置がある。下記非特許文献１に開示された装置では、作業室に設けられた磁気熱量素子に印加される外部磁場を変調しつつ、作業室の両端に高温端と低温端とを生成するように作業室に熱輸送媒体が流される。その結果、作業室の低温端からは冷熱が出力される。
As a conventional technique, for example, there is a magnetic refrigeration apparatus disclosed in Non-Patent
しかしながら、上記非特許文献１には、例えば空調装置等の熱利用システムに磁気ヒートポンプ装置を適用した際の構成に関して詳細には開示されていない。磁気ヒートポンプ装置からの熱出力を利用する場合には、例えば作業室の両端に高温側熱交換器と低温側熱交換器とを接続する。高温側熱交換器では、作業室の高温端から導かれる熱輸送媒体から温熱を放出して温熱を利用することができる。一方、低温側熱交換器では、作業室の低温端から導かれる熱輸送媒体から冷熱を放出して冷熱を利用することができる。
However, the
本発明者が、磁気ヒートポンプ装置の作業室の両端に熱交換器を接続し、作業室から熱交換器に導かれる熱輸送媒体が有する熱を利用しようとしたところ、磁気ヒートポンプ装置の成績係数が小さいという問題に直面した。本発明者は、この問題点に関して鋭意検討を行ない、成績係数が小さくなってしまう原因が、熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失にあることを見出した。 The inventor connected a heat exchanger to both ends of the work chamber of the magnetic heat pump device and tried to use the heat of the heat transport medium guided from the work chamber to the heat exchanger. I faced the problem of being small. The inventor has conducted extensive studies on this problem and found that the cause of the decrease in the coefficient of performance is the pressure loss of the heat transport medium in the heat exchanger.
磁気ヒートポンプ装置の作業室には、作業室からの目標熱出力や磁気熱量素子の材料特性等から決まる流量の熱輸送媒体を流す必要がある。作業室に接続された熱交換器に作業室流量の熱輸送媒体を流すと、熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失が極めて大きくなる場合がある。比較的小型の熱交換器を用いると、熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失が大きくなり易い。熱交換器が作業室の低温端に接続する低温側熱交換器である場合には、熱輸送媒体の粘性上昇により、熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失が特に大きくなり易い。 In the work chamber of the magnetic heat pump apparatus, it is necessary to flow a heat transport medium having a flow rate determined by the target heat output from the work chamber, the material characteristics of the magnetocaloric element, and the like. When a heat transport medium having a work chamber flow rate is passed through a heat exchanger connected to the work chamber, the pressure loss of the heat transport medium in the heat exchanger may become extremely large. When a relatively small heat exchanger is used, the pressure loss of the heat transport medium in the heat exchanger tends to increase. When the heat exchanger is a low temperature side heat exchanger connected to the low temperature end of the working chamber, the pressure loss of the heat transport medium in the heat exchanger tends to be particularly large due to the viscosity increase of the heat transport medium.
作業室に流す熱輸送媒体の流量である作業室流量が、熱輸送媒体の目標熱交換器流量よりも大きい場合には、熱交換器に過剰な熱輸送媒体が流れ、熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失が大きくなる。熱交換器における圧力損失の増大は、作業室や熱交換器を含む循環回路に熱輸送媒体を流す装置への入力エネルギーの増加を必要とし、磁気ヒートポンプ装置の成績係数の低下を招く。本発明者は、この熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失の増大が、磁気ヒートポンプ装置の成績係数向上の阻害要因であることを見出した。 When the work chamber flow rate, which is the flow rate of the heat transport medium flowing to the work chamber, is larger than the target heat exchanger flow rate of the heat transport medium, excess heat transport medium flows through the heat exchanger, and the heat transport in the heat exchanger The pressure loss of the medium increases. An increase in pressure loss in a heat exchanger requires an increase in input energy to a device that causes a heat transport medium to flow through a circulation circuit including a work chamber and a heat exchanger, resulting in a decrease in the coefficient of performance of the magnetic heat pump device. The present inventor has found that an increase in the pressure loss of the heat transport medium in this heat exchanger is an impediment to improving the coefficient of performance of the magnetic heat pump apparatus.
ここに開示される技術は、上記点に鑑みてなされたものであり、高い成績係数を実現することが可能な磁気ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。 The technology disclosed herein has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a magnetic heat pump device capable of realizing a high coefficient of performance.
上記目的を達成するため、開示される磁気ヒートポンプ装置では、
作業室（１１）の高温端（１１ｂ）及び低温端（１１ａ）の両端部の間に設けられ、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、
磁気熱量素子に印加される外部磁場を変調する磁場変調装置（１４）と、
高温端と低温端とを生成するように、作業室に磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を流す熱輸送装置（１６）と、
熱輸送媒体の冷熱又は温熱を熱交換により放出する熱交換器（２４）と、
作業室の両端部のうち一方の端部から熱交換器へ熱輸送媒体を導く往き経路（５１）と、熱交換器から上記一方の端部へ熱輸送媒体を導く戻り経路（５２）とを有し、上記一方の端部の熱輸送媒体を熱交換器に循環する媒体回路（５０）と、
熱輸送装置が作業室に流す熱輸送媒体の流量である作業室流量が、熱交換器における熱輸送媒体の流れ特性に基づいて定まる熱輸送媒体の目標熱交換器流量よりも大きい場合に、目標熱交換器流量と作業室流量との差分の熱輸送媒体を往き経路から除去し、当該差分の熱輸送媒体を戻り経路に補充して、熱交換器に流れる熱輸送媒体の流量を調節する流量調節装置（７０、１７０）と、を備える。
In order to achieve the above object, in the disclosed magnetic heat pump device,
A magnetocaloric element (12) which is provided between both ends of the high temperature end (11b) and the low temperature end (11a) of the working chamber (11) and generates heat and heat absorption by the strength of an external magnetic field;
A magnetic field modulation device (14) for modulating an external magnetic field applied to the magnetocaloric element;
A heat transport device (16) for flowing a heat transport medium that exchanges heat with the magnetocaloric element in the working chamber so as to generate a high temperature end and a low temperature end;
A heat exchanger (24) for releasing cold or hot heat of the heat transport medium by heat exchange;
A forward path (51) for guiding the heat transport medium from one end of the both ends of the work chamber to the heat exchanger, and a return path (52) for guiding the heat transport medium from the heat exchanger to the one end. A medium circuit (50) for circulating the heat transport medium at one end to the heat exchanger;
If the work chamber flow rate, which is the flow rate of the heat transport medium flowing into the work chamber by the heat transport device, is larger than the target heat exchanger flow rate of the heat transport medium determined based on the flow characteristics of the heat transport medium in the heat exchanger, the target A flow rate that adjusts the flow rate of the heat transport medium flowing in the heat exchanger by removing the heat transport medium of the difference between the heat exchanger flow rate and the work chamber flow rate from the forward path and supplementing the return path with the heat transport medium of the difference. And an adjusting device (70, 170).
これによると、作業室流量が目標熱交換器流量よりも大きい場合には、流量調節装置が、目標熱交換器流量と作業室流量との差分の熱輸送媒体を往き経路から除去するとともに、除去した量と同量の熱輸送媒体を戻り経路に補充することができる。したがって、熱交換器に目標熱交換器流量を超える過剰な熱熱輸送媒体が流れることを抑止することができる。これにより、熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失の増大を抑制して、熱輸送装置への入力エネルギーを抑制することができる。このようにして、熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失を抑制することで磁気ヒートポンプ装置の成績係数を向上させ、高い成績係数を実現することができる。 According to this, when the working chamber flow rate is larger than the target heat exchanger flow rate, the flow control device removes the heat transport medium of the difference between the target heat exchanger flow rate and the working chamber flow rate from the outgoing path and removes it. The same amount of heat transport medium can be replenished in the return path. Therefore, it is possible to prevent an excessive heat and heat transport medium that exceeds the target heat exchanger flow rate from flowing through the heat exchanger. Thereby, the increase in the pressure loss of the heat transport medium in the heat exchanger can be suppressed, and the input energy to the heat transport device can be suppressed. In this way, the coefficient of performance of the magnetic heat pump device can be improved by suppressing the pressure loss of the heat transport medium in the heat exchanger, and a high coefficient of performance can be realized.
なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示技術の範囲を限定するものではない。 In addition, the code | symbol in the parenthesis described in a claim and this clause shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later as one aspect, Comprising: The range of an indication technique is limited It is not a thing.
以下に、図面を参照しながら開示技術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形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分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、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。 Hereinafter, a plurality of modes for carrying out the disclosed technology will be described with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. In the case where only a part of the configuration is described in each embodiment, the other parts of the configuration are the same as those described previously. In addition to the combination of parts specifically described in each embodiment, the embodiments may be partially combined as long as the combination is not particularly troublesome.
（第１実施形態）
図１に示すように、車両用空調装置１は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２を備える。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２は、ＭＨＰ（Magnetic Heat Pump）装置２、または単に磁気ヒートポンプ装置２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２は、熱磁気サイクル装置を提供する。
(First embodiment)
As shown in FIG. 1, the
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。 In this specification, the term heat pump device is used in a broad sense. That is, the term “heat pump device” includes both a device that uses the cold heat obtained by the heat pump device and a device that uses the heat obtained by the heat pump device. An apparatus using cold heat may be referred to as a refrigeration cycle apparatus. Therefore, in this specification, the term heat pump apparatus is used as a concept including a refrigeration cycle apparatus.
車両用空調装置１は、ＭＨＰ装置２の高温側に設けられた熱交換器６０を有する。熱交換器６０は、ＭＨＰ装置２の高温と、媒体、例えば空気との間の熱交換を提供する。熱交換器６０は、主として放熱のために用いられる。図示の例では、熱交換器６０は、ＭＨＰ装置２の熱輸送媒体と、空気との熱交換を提供する。熱交換器６０は、車両用空調装置１における高温系統機器のひとつである。熱交換器６０は、例えば車両の室内に設置され、空調用空気と熱交換することにより空気を温める。熱交換器６０は、作業室１１からの熱出力のうち高温端からの温熱出力を用いて、被加熱流体である例えば空調用空気を加熱する。熱交換器６０は、熱輸送媒体との熱交換により被加熱流体を加熱する高温側熱交換器である。
The
車両用空調装置１は、ＭＨＰ装置２の低温側に設けられた熱交換器２４を有する。熱交換器２４は、ＭＨＰ装置２の低温端と、媒体、例えば空気との間の熱交換を提供する。熱交換器２４は、主として吸熱のために用いられる。図示の例では、熱交換器２４は、ＭＨＰ装置２の熱輸送媒体と、熱源媒体との熱交換を提供する。熱交換器２４は、車両用空調装置１における低温系統機器のひとつである。熱交換器２４は、例えば車両の外部に設置され、外気と熱交換する。熱交換器２４は、作業室１１からの熱出力のうち低温端からの冷熱出力を用いて、被冷却流体である例えば外気を冷却する。熱交換器２４は、熱輸送媒体との熱交換により被冷却流体を冷却する低温側熱交換器である。
The
ＭＨＰ装置２は、ＭＨＰ装置２を駆動するための回転軸２ａを有する。回転軸２ａは、動力源５と作動的に連結されている。よって、ＭＨＰ装置２は、動力源５によって回転駆動される。動力源５は、ＭＨＰ装置２に回転動力を提供する。動力源５は、ＭＨＰ装置２の唯一の動力源である。動力源５は、電動機、内燃機関など回転機器によって提供される。動力源の一例は、車両に搭載された電池によって駆動される電動機である。以下、動力源を、モータと呼ぶ場合がある。
The
ＭＨＰ装置２は、ハウジング６を備える。ハウジング６は回転軸２ａを回転可能に支持している。ＭＨＰ装置２は、ロータ７を備える。ロータ７は、ハウジング６内に回転可能に支持されている。ロータ７は、回転軸２ａから直接的にまたは間接的に回転力を受けて、回転する。ロータ７は、動力源５によって回転させられる回転体である。ロータ７は、円筒状の部材である。
The
ロータ７は、熱輸送媒体が流れることができる作業室１１を形成する。ひとつの作業室１１は、ロータ７の軸方向に沿って延びている。ひとつの作業室１１は、ロータ７の軸方向の両方の端面において開口している。ロータ７は、複数の作業室１１を備えることができる。複数の作業室１１は、ロータ７の回転方向に沿って配列されている。以下、ロータを、容器または素子ベッドと呼ぶ場合がある。
The
ロータ７は、磁気熱量素子１２を備える。磁気熱量素子１２は、ＭＣＥ（Magneto-Caloric Effect）素子１２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２によって低温端と高温端とを生成する。ＭＣＥ素子１２は、低温端と高温端との間に設けられている。図示の例では、図中の右側が低温端であり、図中の左端が高温端である。
The
ＭＣＥ素子１２は、作業室１１内に、熱輸送媒体と熱交換するように配置されている。ＭＣＥ素子１２は、ロータ７に固定され、保持されている。ＭＣＥ素子１２は、熱輸送媒体の流れ方向に沿って配置されている。ＭＣＥ素子１２は、ロータ７の軸方向に沿って細長く延在している。ロータ７は、複数のＭＣＥ素子１２を備えることができる。複数のＭＣＥ素子１２は、ロータ７の回転方向に沿って互いに離れて配置されている。
The
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。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。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。ＭＣＥ素子１２には、外部磁場の印加により吸熱し、外部磁場の除去により発熱する素子を利用してもよい。
The
ＭＨＰ装置２は、ロータ７と対向して配置されたステータ８を有する。ステータ８は、ハウジング６の一部によって提供されている。ステータ８は、ロータ７の径方向内側および／または径方向外側に配置され、ロータ７と径方向に関して対向する部位を有する。これら径方向に関して対向する部位は、磁場変調装置を提供するために利用される。ステータ８は、ロータ７の軸方向一端および／または軸方向他端に配置され、ロータ７と軸方向に関して対向する部位を有する。これら軸方向に対向する部位は、熱輸送装置、具体的には流路切換機構を提供するために利用される。
The
ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲ(Active Magnetic Refrigeration)サイクルの素子として機能させるための磁場変調装置１４と熱輸送装置１６とを備える。磁場変調装置１４は、ロータ７と、ステータ８とによって提供される。磁場変調装置１４は、ステータ８に対するロータ７の相対的な回転運動によって磁場を周期的に増減させる。磁場変調装置１４は、回転軸２ａに与えられる回転動力によって駆動される。熱輸送装置１６は、ポンプ１７と、流路切換機構１８とを有する。流路切換機構１８は、ロータ７と、ステータ８とによって提供される。流路切換機構１８は、ステータ８に対するロータ７の相対的な回転運動によって機能する。流路切換機構１８は、熱輸送媒体の流路に対する作業室１１の接続状態を切換えることにより、作業室１１およびＭＣＥ素子１２に対する熱輸送媒体の流れ方向を反転するように切換える。
The
磁場変調装置１４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１４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１４は、ＭＣＥ素子１２が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間、およびＭＣＥ素子１２が励磁期間より弱い外部磁場の中に置かれる消磁期間を周期的に繰り返すように外部磁場を変調する。磁場変調装置１４は、後述する熱輸送媒体の往復的な流れに同期して、ＭＣＥ素子１２への磁場の印加と除去とを繰り返す。磁場変調装置１４は、外部磁場を生成するための磁力源１３、例えば永久磁石、または電磁石を備える。
The
具体的には、磁場変調装置１４は、ひとつの作業室１１およびＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に位置付ける。磁場変調装置１４は、第１位置にあるＭＣＥ素子１２を強い磁場の中に位置付ける。磁場変調装置１４は、第２位置にあるＭＣＥ素子１２を弱い磁場またはゼロ磁場の中に位置付ける。
Specifically, the magnetic
磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流れるときに、ＭＣＥ素子１２が強い磁場の中に位置付けられるように、ＭＣＥ素子１２を第１位置に位置付ける。第１方向は、低温端から高温端に向かう方向である。磁場変調装置１４は、作業室１１の一端がポンプ１７の吸入口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吐出口に連通するときに、その作業室１１の中のＭＣＥ素子１２が強い磁場の中に置かれるようにＭＣＥ素子１２を第１位置に位置付ける。
The
磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体が流れるときに、ＭＣＥ素子１２が弱い磁場またはゼロ磁場の中に位置付けられるように、ＭＣＥ素子１２を第２位置に位置付ける。第２方向は、高温端から低温端に向かう方向である。磁場変調装置１４は、作業室１１の一端がポンプ１７の吐出口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吸入口に連通するときに、ＭＣＥ素子１２が弱い磁場またはゼロ磁場の中に置かれるようにＭＣＥ素子１２を第２位置に位置付ける。
The
熱輸送装置１６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と、この熱輸送媒体を流すための流体機器とを備える。熱輸送装置１６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１６は、ＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体を往復的に流す。熱輸送装置１６は、磁場変調装置１４による外部磁場の変化に同期して、熱輸送媒体の往復的な流れを発生させる。熱輸送装置１６は、磁場変調装置１４による磁場の増減に同期して熱輸送媒体の流れ方向を切換える。
The
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１６は、熱輸送媒体を流すためのポンプ１７を備える。ポンプ１７は、一方向に熱輸送媒体を流す一方向ポンプである。ポンプ１７は、熱輸送媒体を吸入する吸入口と、熱輸送媒体を吐出する吐出口とを有する。ポンプ１７は、熱輸送媒体の環状の流れ経路の上に配置されている。ポンプ１７は、環状の流れ経路の中に熱輸送媒体の一方向の流れを生じさせる。ポンプ１７は、回転軸２ａによって駆動される。ポンプ１７は、例えば容積型ポンプである。
The heat transport medium that exchanges heat with the
熱輸送装置１６は、流路切換機構１８を備える。流路切換機構１８は、ひとつの作業室１１およびひとつのＭＣＥ素子１２に関する熱輸送媒体の流れ方向を反転させるように、作業室１１に対して熱輸送媒体の流路を切換える。言い換えると、流路切換機構１８は、一方向型のポンプ１７によって生成される熱輸送媒体の一方向の流れの中における作業室１１の配置を流れ方向に関して反転させる。流路切換機構１８は、ポンプ１７を含む環状の流路の中における往路と復路とにひとつの作業室１１を交互に位置付ける。流路切換機構１８は、ひとつの作業室１１およびひとつのＭＣＥ素子１２と、ポンプ１７を含む環状の流路との接続関係を少なくとも２つの状態に切換える。第１の状態は、作業室１１の一端がポンプ１７の吸入口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吐出口に連通した状態である。第２の状態は、作業室１１の一端がポンプ１７の吐出口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吸入口に連通した状態である。
The
具体的には、流路切換機構１８は、ひとつの作業室１１およびＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に位置付ける。流路切換機構１８は、第１位置にあるＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体を流すように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を流れ経路に連通させる。流路切換機構１８は、第２位置にあるＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体を流すように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を流れ経路に連通させる。流路切換機構１８は、ＭＣＥ素子１２に対して熱輸送媒体を往復的に流すように、ポンプ１７を含む熱輸送媒体の流れ経路と、ＭＣＥ素子１２、すなわち作業室１１との接続状態を切換える。
Specifically, the flow
流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第１位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流れるように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１と流路とを接続する。流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第１位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１の一端とポンプ１７の吸入口とを連通し、他端とポンプ１７の吐出口とを連通する。
The flow
流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第２位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体が流れるように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１と流路とを接続する。流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第２位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１の一端とポンプ１７の吐出口とを連通し、他端とポンプ１７の吸入口とを連通する。
The flow
ＭＨＰ装置２は、熱交換器６０から熱輸送媒体を受け入れる高温側入口１６ａを有する。高温側入口１６ａはポンプ１７の吸入口に連通可能である。ＭＨＰ装置２は、熱交換器６０へ向けて熱輸送媒体を供給する高温側出口１６ｂを有する。高温側出口１６ｂは、第１位置にある作業室１１の一端に連通可能である。ＭＨＰ装置２は、熱交換器２４から熱輸送媒体を受け入れる低温側入口１６ｃを有する。低温側入口１６ｃは、第１位置にある作業室１１の他端に連通可能である。ＭＨＰ装置２は、熱交換器２４へ向けて熱輸送媒体を供給する低温側出口１６ｄを有する。低温側出口１６ｄは、第２位置にある作業室１１の他端に連通可能である。第２位置にある作業室１１の一端はポンプ１７の吐出口と連通可能である。
The
ロータ７は、ＭＣＥ素子１２を保持するための素子ベッドとも呼ばれる。この実施形態では、ＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を形成する素子ベッドが回転軸２ａと作動的に連結されている。流路切換機構１８と磁場変調装置１４との両方に関連するＭＣＥ素子１２を含む素子ベッドが回転軸２ａによって移動する。よって効率的な駆動が可能である。
The
ポンプ１７、流路切換機構１８、および磁場変調装置１４は、共通のハウジング６の中に収容されている。この構成によると、ポンプ１７を流路切換機構１８の近傍に設置することができる。このため、長い配管を要することなくポンプ１７と流路切換機構１８とが接続される。この結果、ポンプ１７を含む流れ経路の分岐があっても、熱輸送媒体の流れの差を抑制することができる。この構成では、ホースなどの配管を用いることなくハウジング６内の流路を利用できる。よって、分岐した流れ経路の間において、配管に起因する熱輸送媒体の流れの差が抑制される。
The
回転軸２ａとロータ７との間には、変速機構９が配置されている。変速機構９は、例えば遊星歯車機構によって提供される。変速機構９は、ポンプ１７のボディとステータ８との間に配置されている。変速機構９は、ポンプ１７の回転数が、流路切換機構１８および磁場変調装置１４の回転数より高くなるように回転軸２ａから伝達される回転数を調節する。この構成によると、ポンプ１７の回転数が、流路切換機構１８および磁場変調装置１４の回転数より高くなる。これにより、高回転型のポンプ１７を利用することができる。ポンプ１７が高い回転数で回転することにより、ポンプ１７の流量の増加、および／または小型のポンプ１７の利用が可能となる。
A
車両用空調装置１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６０、２４は、車両用空調装置１の一部を提供する。熱交換器６０は、熱交換器２４より高温になる高温側熱交換器６０である。熱交換器２４は、熱交換器６０より低温になる低温側熱交換器２４である。車両用空調装置１は、高温側熱交換器６０、および／または低温側熱交換器２４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。
The
車両用空調装置１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１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加熱する加熱器とを備えることができる。ＭＨＰ装置２は、車両用空調装置１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６０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２４は上記冷却器として用いることができる。
The
ＭＨＰ装置２が温熱供給源として利用される場合、高温側熱交換器６０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２４を通過した空気は車両の室外に排出される。熱交換器６０は、室内熱交換器とも呼ばれる。熱交換器２４は、室外熱交換器とも呼ばれる。
When the
ＭＨＰ装置２が冷熱供給源として利用される場合、低温側熱交換器２４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６０を通過した空気は車両の室外に排出される。熱交換器２４は、室内熱交換器とも呼ばれる。熱交換器６０は、室外熱交換器とも呼ばれる。
When the
ＭＨＰ装置２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２４を通過した空気は、その後に、高温側熱交換器６０を通過し、室内に供給される。ＭＨＰ装置２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。
The
図２に示す車両用空調装置１は、例えば、エンジンとしての電動機から車両走行用の駆動力を得る車両に搭載される空調装置である。
The
車両用空調装置１は、エンジンルーム内に配置されるＭＨＰ装置２、および、車室内に配置される室内空調ユニット２０を備えている。車両用空調装置１は、ＭＨＰ装置２の外部に熱輸送媒体を流すことが可能な熱輸送媒体回路を有している。以下、熱輸送媒体を冷媒と呼ぶことがある。また、熱輸送媒体回路を冷媒回路または媒体回路と呼ぶ場合がある。車両用空調装置１は、車室内を冷房する冷房モード、車室内を暖房する暖房モード、車室内の暖房時等に除湿を行う除湿モードの冷媒回路を切替え可能に構成されており、車室内の冷房、暖房、除湿を行うことができる。
The
図２では、車両用空調装置１が車室内を冷房する冷房モードに設定されたときの構成を模式的に示している。以下の説明では、高温側の熱交換器６０を室外熱交換器６０と呼ぶ場合がある。また、低温側の熱交換器２４を室内熱交換器２４または冷却用熱交換器２４と呼ぶ場合がある。室内熱交換器２４は、本実施形態において熱輸送媒体の冷熱を熱交換により放出する熱交換器に相当する。
FIG. 2 schematically shows a configuration when the
なお、図１に示すＭＨＰ装置２は、磁場変調装置１４と熱輸送装置１６とを共通の動力源５によって駆動する装置であったが、ＭＨＰ装置２はこれに限定されるものではない。例えば、図２に示すように、ポンプ１７を、磁場変調装置１４や流路切換機構１８を含む磁気ヒートポンプユニットとは別に設けてもよい。このように、ポンプ１７を駆動する動力源と、磁場変調装置１４および流路切換機構１８を駆動する動力源とを、別々に設けてもよい。
The
図２に示す室内空調ユニット２０は、例えば、車室内最前部のインストルメントパネルの内側に配置されている。室内空調ユニット２０は、その外殻を形成する空調ケース２１内に送風機２３、冷却用熱交換器２４、加熱用熱交換器等を収容したものである。
The indoor
空調ケース２１は、車室内に送風される送風空気の通風路を内部に形成している。空調ケース２１は、ある程度の弾性を有し、強度的にも優れた樹脂、例えば、ポリプロピレン樹脂にて成形されている。空調ケース２１内の送風空気流れ最上流側には、車室内空気である内気と車室外空気である外気とを切替導入する内外気切替箱が配置されている。内外気切替箱は空調制御装置１００から出力される指令により内気と外気との導入割合を調節する。
The
内外気切替箱の空気流れ下流側には、内外気切替箱を介して吸入した空気を車室内へ向けて送風する送風機２３が配置されている。送風機２３は、例えば遠心多翼ファンの一例であるシロッコファンを電動モータにて駆動する電動送風機である。送風機２３は、車室内へ吹き出す風を送る室内ブロワである。送風機２３は、空調制御装置１００から出力される制御電圧指令によって回転数が制御される。送風機２３は、空調制御装置１００から出力される制御電圧指令によって送風量が制御される。以下、送風機２３を室内ブロワと呼ぶ場合がある。
On the downstream side of the air flow of the inside / outside air switching box, a
空調ケース２１内の通風路において送風機２３の空気流れ下流側には、通風路を流れる空気を冷却するための冷却用熱交換器２４が配置されている。さらに、冷却用熱交換器２４の空気流れ下流側には、冷却用熱交換器２４通過後の空気を加熱するための加熱用熱交換器が配置されている。
A
空調ケース２１内には、加熱用熱交換器をバイパスして送風空気を流すことが可能なバイパス通路が形成されている。空調ケース２１内の冷却用熱交換器２４よりも空気流れ下流側の通風路には、加熱用熱交換器の空気流れ上流側に、エアミックスドア２７が配設されている。エアミックスドア２７は、加熱用熱交換器を通過する送風空気の風量と、バイパス通路を通過する送風空気の風量との風量割合を調節する。エアミックスドア２７の配設位置は、加熱用熱交換器の空気流れ上流側に限定されない。エアミックスドア２７の配設位置は、加熱用熱交換器の空気流れ下流側であってもよい。
In the
空調ケース２１内には、加熱用熱交換器を通過後の空気、および、バイパス通路を通過後の空気を混合させる混合空間が形成されている。空調ケース２１の送風空気流れ最下流部には、この混合空間から空調対象空間である車室内へ温度調整された送風空気を吹き出す複数の吹出口が形成されている。複数の吹出口は、例えば、フェイス吹出口、フット吹出口、デフロスタ吹出口である。各吹出口の空気流れ上流側には、吹出口の開口面積を調整するドアが配置されて、吹出モード設定装置を構成している。吹出モード設定装置２８は、空調制御装置１００から出力される指令により吹出モードを設定する。
In the
車両用空調装置１は、高温側冷媒回路４０および低温側冷媒回路５０を備えている。高温側冷媒回路４０は、ＭＨＰ装置２の高温側出口１６ｂから吐出された冷媒を、室外熱交換器６０の冷媒流入口６０ａに導く共に、室外熱交換器６０の冷媒流出口６０ｂから流出した冷媒を高温側入口１６ａに戻す冷媒循環回路である。室外熱交換器６０は、エンジンルーム内に配置されて、その内部を流通する冷媒と外気とを熱交換させる熱交換器である。室外熱交換器６０には、熱交換部への外気の流通量を調節する室外ファン６３が併設されている。
The
低温側冷媒回路５０は、ＭＨＰ装置２の低温側出口１６ｄから吐出された冷媒を、室内熱交換器２４の冷媒流入口２４ａに導く共に、室内熱交換器２４の冷媒流出口２４ｂから流出した冷媒を低温側入口１６ｃに戻す冷媒循環回路である。室内熱交換器２４は、室内空調ユニット２０の空調ケース２１内のうち、加熱用熱交換器の送風空気流れ上流側に配置されて、その内部を流通する冷媒と送風空気とを熱交換させて送風空気を冷却する冷却用熱交換器である。
The low temperature side
低温側冷媒回路５０は、往き経路５１と戻り経路５２とを有している。往き経路５１は、作業室１１の一方の端部である低温端１１ａと冷媒流入口２４ａとを繋ぎ、低温端１１ａから室内熱交換器２４へ熱輸送媒体を導く。戻り経路５２は、作業室１１の低温端１１ａと冷媒流出口２４ｂとを繋ぎ、室内熱交換器２４から低温端１１ａへ熱輸送媒体を導く。低温側冷媒回路５０は、本実施形態における媒体回路に相当する。
The low-temperature side
図２に示すように、ＭＨＰ装置２の低温側出口１６ｄには、低温側出口１６ｄから流出する熱輸送媒体の温度を検出する温度センサ９６が設けられている。温度センサ９６は、作業室１１の低温端１１ａから流出し冷却用熱交換器２４で熱交換する前の熱輸送媒体の温度Ｔｃ１を検出する。温度センサ９６は、低温端温度検出装置である。ＭＨＰ装置２の低温側入口１６ｃには、低温側入口１６ｃへ流入する熱輸送媒体の温度を検出する温度センサ９７が設けられている。温度センサ９７は、冷却用熱交換器２４で熱交換した後に作業室１１の低温端１１ａへ戻る熱輸送媒体の温度Ｔｃ２を検出する。
As shown in FIG. 2, a
低温側冷媒回路５０は、冷却用熱交換器２４に流れる熱輸送媒体の流量を調節する流量調節装置７０を備える。流量調節装置７０は、バイパス流路７１とバルブ７２とを有する。バイパス流路７１の上流端は、往き経路５１に連通している。バイパス流路７１の下流端は、戻り経路５２に連通している。バイパス流路７１は、往き経路５１と戻り経路５２とを接続し、冷却用熱交換器２４をバイパスして熱輸送媒体を流すことができる媒体流路である。
The low-temperature side
バルブ７２は、バイパス流路７１に設けられている。バルブ７２は、開度状態に応じてバイパス流路７１を流れる熱輸送媒体の流量を調節する。バルブ７２は、本実施形態における弁装置に相当する。バルブ７２は、ヒートポンプ制御装置１０１から出力される指令により、弁開度が調節される。
The
図３に示すように、車両用空調装置１の制御系は、空調制御装置１００およびヒートポンプ制御装置１０１を有する。空調制御装置１００は、ヒートポンプ制御装置１０１の上位制御装置である。空調制御装置１００は、ヒートポンプ制御装置１０１に対して各種指令や情報を出力する。車両用空調装置１の制御系は、２つの制御装置を有するものに限らない。例えば制御装置は１つであってもかまわない。以下、空調制御装置をＡＣＥＣＵ、ヒートポンプ制御装置をＨＰＥＣＵと呼ぶ場合がある。
As shown in FIG. 3, the control system of the
空調制御装置１００およびヒートポンプ制御装置１０１は、いずれも、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。空調制御装置１００の入力側には、内気温センサ９１、外気温センサ９２、日射センサ９３および操作パネル９０が接続している。内気温センサ９１は、車室内の空気温度情報を出力する。外気温センサ９２は、車室外の空気温度情報を出力する。日射センサ９３は、車室内への日射量情報を出力する。操作パネル９０は、車室内前部の計器盤付近に配置されており、操作パネル９０に設けられた各種空調操作スイッチからの操作信号が空調制御装置１００に入力される。操作パネル９０には、車両用空調装置１の作動スイッチ、オートスイッチ、空調運転モードの設定スイッチ、車室内温度の設定スイッチ等が設けられている。
Each of the air
空調制御装置１００は、ＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された内外気切替箱２２、送風機２３、エアミックスドア２７、吹出モード設定装置２８等の作動を制御する。また、空調制御装置１００は、ヒートポンプ制御装置１０１に対して、指令信号等を出力する。
The air
ヒートポンプ制御装置１０１の入力側には、温度センサ９６、９７が接続している。温度センサ９６、９７は、それぞれが検出した熱輸送媒体の温度Ｔｃ１、Ｔｃ２情報信号を出力する。ヒートポンプ制御装置１０１は、空調制御装置１００からの指令信号等や温度センサ９６、９７からの入力信号等に基づいて、ＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された機器の作動制御を行なう。出力側に接続された機器は、磁場変調装置１４および流路切換機構１８の動力源５Ａ、ポンプ１７の動力源５Ｂ、室外ファン６３、および、バルブ７２である。
車両用空調装置１では、操作パネル９０からの空調運転モードの設定スイッチ情報、または空調制御装置１００の制御処理の少なくともいずれかに基づいて、ヒートポンプ制御装置１０１は、空調運転モードを設定する。ヒートポンプ制御装置１０１が設定する空調運転モードは、冷房運転モード、暖房運転モード、除湿運転モード等である。
In the
冷房運転モードでは、ＭＨＰ装置２を介して、冷却用熱交換器２４から室外熱交換器６０への熱量の輸送が行なわれる。冷房運転モードでは、作業室１１からの熱出力のうち、作業室１１の低温端１１ａからの冷熱出力を用いて、冷却用熱交換器２４で被冷却流体である送風空気を冷却する。また、作業室１１からの熱出力のうち、作業室１１の高温端１１ｂからの温熱出力を用いて、室外熱交換器６０で被加熱流体である外気風を加熱する。
In the cooling operation mode, the amount of heat is transferred from the
車両用空調装置１では、各運転モードにおいて、ＭＨＰ装置２の作業室１１の高温端側で得られる温熱および低温端側で得られる冷熱を利用して、車室内を空調することができる。
In the
空調制御装置１００は、例えば、操作パネル９０のオートスイッチがオンされ、自動空調を行なうオートモードが設定されているときには、各種センサや設定スイッチ等からの入力情報に基づいて、制御目標値を決定する。例えば、空調制御装置１００は、操作パネル９０の温度設定スイッチの設定状態から設定温度Ｔｓｅｔ信号を入力する。また、空調制御装置１００は、内気温センサ９１から内気温Ｔｒ信号を、外気温センサ９２から外気温Ｔａｍ信号を、日射センサ９３から日射量情報Ｔｓ信号を入力する。日射量情報Ｔｓは、日射熱負荷による温度上昇分に相当する温度情報である。空調制御装置１００は、これらの入力情報に基づいて、車室内へ吹き出す空気温度の目標値である目標吹出温度ＴＡＯ、および、ＭＨＰ装置２からの熱出力の目標値である目標熱出力ＱＯ等を決定する。空調制御装置１００は、下位制御装置であるヒートポンプ制御装置１０１に対して、目標熱出力ＱＯを指令値として出力する。
For example, when the auto switch of the
なお、空調制御装置１００は、例えば算出した目標吹出温度ＴＡＯに基づいて、内外気切替箱２２、送風機２３、エアミックスドア２７、および、吹出モード設定装置２８の作動制御を行なう。操作パネル９０において内外気導入モードや吹出モードが手動設定されている場合には、空調制御装置１００は、目標吹出温度ＴＡＯによらず、手動設定されたスイッチの設定状態に応じたモードを設定する。
The air
ヒートポンプ制御装置１０１は、上位制御装置である空調制御装置１００から指令値等の情報を入力する。また、ヒートポンプ制御装置１０１は、温度センサ９６、９７から熱輸送媒体の温度情報を入力する。ヒートポンプ制御装置１０１は、これらの入力情報に加え、ＲＯＭ等からなる記憶部１０２に予め記憶された熱出力の特性情報やバルブ７２の開度制御マップ等に基づいて、制御対象機器を制御する。
The heat
以下、車両用空調装置１が冷房運転モードに設定されたときのヒートポンプ制御装置１０１の制御動作について説明する。ヒートポンプ制御装置１０１は、空調制御装置１００から冷房運転の開始指令を入力すると、図４に示すように、まず、ステップ１１０において、ＭＨＰ装置２の目標熱出力ＱＯを取得する。
Hereinafter, the control operation of the heat
ステップ１１０を実行したら、次に、ステップ１２０、１３０を実行する。ステップ１２０では、目標熱出力ＱＯをＭＨＰ装置２から出力するために必要な動力源５Ａの駆動制御値を決定し、動力源５Ａに対して制御出力を行なう。ステップ１３０では、目標熱出力ＱＯをＭＨＰ装置２から出力するために必要な動力源５Ｂの駆動制御値を決定し、動力源５Ｂに対して制御出力を行なう。ステップ１３０では、目標熱出力ＱＯ、熱輸送媒体の密度および比熱、印加される磁場変調に伴うＭＣＥ素子１２の断熱温度変化等から決まる好適な作業室流量が得られるようにポンプ１７の動力源５Ｂを駆動制御する。
If
ステップ１２０、１３０を実行したら、ステップ１４０へ進む。ステップ１４０では、温度センサ９６が検出した熱輸送媒体の温度Ｔｃ１情報を取得する。温度Ｔｃ１は、室内熱交換器２４の入口媒体温度でもある。ステップ１４０を実行したら、ステップ１５０へ進む。ステップ１５０では、ステップ１４０で取得した熱輸送媒体の温度Ｔｃ１およびステップ１３０で出力したポンプ１７の動力源５Ｂの駆動制御値に基づいて、バルブ７２の目標開度を算出する。
After executing
ヒートポンプ制御装置１０１の記憶部１０２には、図５に例示するようなバルブ７２の目標開度特性マップが記憶されている。図５に示すように、バルブ７２の目標開度は、室内熱交換器２４の入口媒体温度毎に、ポンプ１７の回転数に対応する値として記憶されている。バルブ７２の目標開度は、ポンプ１７の回転数が大きいときほど大きくなるように設定されている。
The
バルブ目標開度は、ポンプ回転数に基づいて定まる作業室１１の熱輸送媒体流量が大きいときほど大きくなる。一方、室内熱交換器２４の熱輸送媒体の流れ特性に基づいて定まる、熱交換器において好ましい熱輸送媒体流量である目標熱交換器流量は、比較的小さい。室内熱交換器２４は、空調ケース２１内に配設されるため、小型であることが好ましい。これにより、室内熱交換器２４では熱輸送媒体の流通抵抗が大きくなり易く、目標熱交換器流量は小さくなる。また、室内熱交換器２４には作業室１１の低温端１１ａから導かれる低温の熱輸送媒体が流れる。低温の熱輸送媒体は比較的粘性が高い。これによっても、室内熱交換器２４では熱輸送媒体の流通抵抗が大きくなり易く、目標熱交換器流量は小さくなる。バルブ７２の目標開度は、作業室１１における熱輸送媒体の流量である作業室流量と目標熱交換器流量との差分を、バイパス流路７１に流すように設定されている。
The valve target opening degree increases as the heat transport medium flow rate in the working
図５に例示するように、バルブ７２の目標開度は、ポンプ１７の回転数が大きくなるにしたがって、段階的に大きくなるように設定できる。バルブ目標開度を切り替えるポンプ回転数は、ポンプ回転数上昇時とポンプ回転数下降時とでは異なる。これにより、バルブ７２のハンチング動作を防止している。バルブ７２の目標開度は、ポンプ１７の回転数が大きくなるにしたがって、段階的に大きくなるものに限定されない。ポンプ１７の回転数が大きくなるにしたがって、バルブ７２の目標開度を漸次上昇するように設定してもよい。また、図５では、室内熱交換器２４の入口媒体温度が１０℃変化する毎にポンプ回転数とバルブ目標開度との関係を設定していたが、これに限定されるものではない。
As illustrated in FIG. 5, the target opening degree of the
ステップ１５０では、ステップ１４０で取得した熱輸送媒体の温度Ｔｃ１に対応するマップにおいて、ステップ１３０での出力値に対応するポンプ１７の回転数から、バルブ７２の目標開度を算出する。
In
ステップ１５０を実行したら、ステップ１６０へ進む。ステップ１６０では、ステップ１５０で算出した目標開度を制御値として出力して、バルブ７２の開度制御を行なう。ステップ１６０を実行したら、ステップ１１０へリターンする。
When
上述の構成および作動によれば、ＭＨＰ装置２は、熱交換器に相当する室内熱交換器２４と、媒体回路に相当する低温側冷媒回路５０と、流量調節装置７０とを備える。低温側冷媒回路５０は、作業室１１の両端部のうち一方の端部から熱交換器へ熱輸送媒体を導く往き経路５１と、熱交換器から上記一方の端部へ熱輸送媒体を導く戻り経路５２とを有しており、上記一方の端部の熱輸送媒体を熱交換器に循環する。
According to the above configuration and operation, the
流量調節装置７０は、熱輸送装置１６が作業室１１に流す熱輸送媒体の流量である作業室流量が、熱交換器における熱輸送媒体の流れ特性に基づいて定まる熱輸送媒体の目標熱交換器流量よりも大きい場合に、以下のように作動する。流量調節装置７０は、目標熱交換器流量と作業室流量との差分の熱輸送媒体を往き経路５１から除去し、上記差分の熱輸送媒体を戻り経路５２に補充して、室内熱交換器２４に流れる熱輸送媒体の流量を調節する。
The flow
これによると、作業室流量が目標熱交換器流量よりも大きい場合には、流量調節装置７０が、目標熱交換器流量と作業室流量との差分の熱輸送媒体を往き経路５１から除去するとともに、除去した量と同量の熱輸送媒体を戻り経路５２に補充する。したがって、室内熱交換器２４に目標熱交換器流量を超える過剰な熱熱輸送媒体が流れることを抑止することができる。これにより、室内熱交換器２４における熱輸送媒体の圧力損失の増大を抑制して、熱輸送装置１６のポンプ１７への入力エネルギーを抑制することができる。このようにして、室内熱交換器２４における熱輸送媒体の圧力損失を抑制することでＭＨＰ装置２の成績係数を向上させ、高い成績係数を実現することができる。
According to this, when the work chamber flow rate is larger than the target heat exchanger flow rate, the flow
また、上記した作業室１１の一方の端部は、低温端１１ａであり、室内熱交換器２４は、熱輸送媒体の冷熱を熱交換により放出する低温側熱交換器である。これによると、低温側熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失を抑制することでＭＨＰ装置２の成績係数を向上させ、高い成績係数を実現することができる。熱輸送媒体は、低温になるにつれて粘性が上昇するため、低温側熱交換器において圧力損失が大きくなり易い。したがって、低温側熱交換器における熱輸送媒体の圧力損失を抑制することで、ＭＨＰ装置２の成績係数を確実に向上させることができる。
One end of the working
また、流量調節装置７０は、往き経路５１と戻り経路５２とを接続し、室内熱交換器２４をバイパスして熱輸送媒体を流すバイパス流路７１を有する。これによると、バイパス流路７１を設けることで、目標熱交換器流量と作業室流量との差分の熱輸送媒体を往き経路５１から除去するとともに、目標熱交換器流量と作業室流量との差分の熱輸送媒体を戻り経路５２に補充する構成を容易に提供できる。したがって、高い成績係数を容易に実現することができる。
Further, the flow
また、流量調節装置７０は、バイパス流路７１に設けられ、バイパス流路７１を流れる熱輸送媒体の流量を調節する弁装置であるバルブ７２を有する。これによると、バルブ７２の開度を調整することにより、バイパス流路７１に流す熱輸送媒体の流量を好適な流量に調節することが容易である。
Further, the flow
また、流量調節装置７０は、バルブ７２の開度を制御する制御装置としてのＨＰＥＣＵ１０１を備える。ＨＰＥＣＵ１０１は、熱輸送装置１６のポンプ１７による作業室流量が大きいときほど、バルブ７２の開度を大きくするようにバルブ７２を制御する。これによると、ＨＰＥＣＵ１０１は、作業室流量が大きいときほど、バルブ７２の開度を大きくしてバイパス流路７１に流す熱輸送媒体の流量を増大させる。したがって、目標熱交換器流量と作業室流量との差分が大きいときほど、バイパス流路７１に流す熱輸送媒体の流量を大きくすることができる。これにより、作業室流量が変動しても室内熱交換器２４における熱輸送媒体の圧力損失を適切に抑制することができる。
The flow
本実施形態のＭＨＰ装置２によれば、作業室１１の低温端１１ａから流出する熱輸送媒体の流量および低温端１１ａへ流入する熱輸送媒体の流量を確保できる。これに加えて、低温端１１ａから流出する熱輸送媒体と低温端１１ａへ流入する熱輸送媒体との温度差と、外部磁場変調に伴うＭＣＥ素子１２の断熱温度変化との乖離を抑制することができる。
According to the
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図６および図７に基づいて説明する。
(Second Embodiment)
Next, 2nd Embodiment is described based on FIG. 6 and FIG.
第２実施形態は、前述の第１実施形態と比較して、バルブ７２の目標開度の算出方法が異なる。なお、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第２実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。
The second embodiment is different from the first embodiment in the calculation method of the target opening of the
図６に示すように、本実施形態のヒートポンプ制御装置１０１は、ステップ１４０を実行したら、ステップ２４０へ進み、ＭＨＰ装置２の作業室１１からの熱出力Ｑを算出する。ステップ２４０では、熱出力Ｑの関連値を算出するものであってもよい。ステップ２４０では、例えば、サイクル周波数と作業室１１内で往復動する熱輸送媒体の振幅との積を、熱出力Ｑの関連値として算出することができる。ここで、サイクル周波数とは、磁場変調装置１４による磁場の変調周波数である。また、サイクル周波数とは、流路切換機構１８により作業室１１内を流れる熱輸送媒体の往復動周波数でもある。ステップ２４０では、例えばステップ１１０で取得した目標熱出力ＱＯを、熱出力Ｑとしてもかまわない。
As shown in FIG. 6, after executing
ステップ２４０を実行したら、ステップ２５０へ進む。ステップ２５０では、ステップ１４０で取得した熱輸送媒体の温度Ｔｃ１、およびステップ２４０で算出した熱出力Ｑまたはその関連値に基づいて、バルブ７２の目標開度を算出する。本実施形態のヒートポンプ制御装置１０１の記憶部１０２には、図７に例示するようなバルブ７２の目標開度特性マップが記憶されている。図７に示すように、バルブ７２の目標開度は、室内熱交換器２４の入口媒体温度毎に、熱出力Ｑに対応する値として記憶されている。バルブ７２の目標開度は、室内熱交換器２４の入口媒体温度毎に、熱出力Ｑの関連値に対応する値として記憶されていてもよい。バルブ７２の目標開度は、熱出力Ｑが大きいときほど大きくなるように設定されている。本実施形態においても、バルブ７２の目標開度は、作業室１１における熱輸送媒体の流量である作業室流量と目標熱交換器流量との差分を、バイパス流路７１に流すように設定されている。
After executing
図７に例示するように、バルブ７２の目標開度は、熱出力Ｑが大きくなるにしたがって、段階的に大きくなるように設定できる。バルブ目標開度を切り替える熱出力は、熱出力上昇時と熱出力下降時とでは異なる。これにより、バルブ７２のハンチング動作を防止している。バルブ７２の目標開度は、熱出力Ｑが大きくなるにしたがって、段階的に大きくなるものに限定されない。熱出力Ｑが大きくなるにしたがって、バルブ７２の目標開度を漸次上昇するように設定してもよい。また、図７では、室内熱交換器２４の入口媒体温度が１０℃変化する毎に熱出力とバルブ目標開度との関係を設定していたが、これに限定されるものではない。
As illustrated in FIG. 7, the target opening degree of the
ステップ２５０では、ステップ１４０で取得した熱輸送媒体の温度Ｔｃ１に対応するマップにおいて、ステップ２４０で算出した熱出力Ｑから、バルブ７２の目標開度を算出する。ステップ２５０を実行したら、ステップ１６０へ進む。
In
本実施形態のＭＨＰ装置２によれば、流量調節装置７０は、バルブ７２の開度を制御する制御装置としてのＨＰＥＣＵ１０１を備える。ＨＰＥＣＵ１０１は、作業室１１からの熱出力が大きいときほど、バルブ７２の開度を大きくするようにバルブ７２を制御する。これによると、ＨＰＥＣＵ１０１は、作業室１１からの熱出力が大きいときほど、バルブ７２の開度を大きくしてバイパス流路７１に流す熱輸送媒体の流量を増大させる。したがって、作業室１１からの熱出力が増大して作業室流量が大きくなるときほど、バイパス流路７１に流す熱輸送媒体の流量を大きくすることができる。これにより、作業室流量が変動しても室内熱交換器２４における熱輸送媒体の圧力損失を適切に抑制することができる。
According to the
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図８に基づいて説明する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment will be described with reference to FIG.
第３実施形態は、前述の第１実施形態と比較して、媒体回路の構成が異なる。なお、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第３実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。 The third embodiment differs from the first embodiment in the configuration of the medium circuit. In addition, about the part similar to 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted. Components having the same reference numerals as those in the drawing according to the first embodiment, and other configurations not described in the third embodiment are the same as those in the first embodiment, and have the same effects.
図８に示すように、本実施形態の低温側冷媒回路５０は、混合器５３を有している。混合器５３は、戻り経路５２とバイパス流路７１との接続点に設けられている。混合器５３は、例えば、比較的内容積が大きい容器体からなる。混合器５３は、室内熱交換器２４から戻り経路５２を流れ低温端１１ａへ戻る熱輸送媒体と、バイパス流路７１を流れる熱輸送媒体とを、戻り経路５２とバイパス流路７１との合流点において混合する。
As shown in FIG. 8, the low temperature side
混合器５３は、室内熱交換器２４で熱交換により温度上昇した熱輸送媒体と、室内熱交換器２４をバイパスして温度上昇し難い熱輸送媒体とを混合する。混合器５３は、温度差のある２つの熱輸送媒体を混合して、温度が均一となった熱輸送媒体を作業室１１の低温端１１ａに戻す。
The
混合器５３は、戻り経路５２とバイパス流路７１との合流点に設けるものに限定されない。混合器５３は、戻り経路５２において、戻り経路５２とバイパス流路７１との合流点よりも下流側に設けてもよい。混合器５３は、戻り経路５２における戻り経路５２とバイパス流路７１との合流点と低温端１１ａとの間に配設されるものであればよい。
The
本実施形態のＭＨＰ装置２によれば、戻り経路５２におけるバイパス流路７１の合流点と低温端１１ａとの間に設けられ、室内熱交換器２４から低温端１１ａへ戻る熱輸送媒体と、バイパス流路７１を流れる熱輸送媒体とを混合する混合器５３を備える。これによると、混合器５３において、温度差のある室内熱交換器２４から作業室１１へ戻る熱輸送媒体とバイパス流路７１を流れる熱輸送媒体とを混合することができる。したがって、作業室１１の端部へ戻る熱輸送媒体の温度を均一化することができる。
According to the
（他の実施形態）
この明細書に開示される技術は、その開示技術を実施するための実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示される技術は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示技術の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示技術のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。
(Other embodiments)
The technology disclosed in this specification is not limited to the embodiment for carrying out the disclosed technology, and can be implemented with various modifications. The disclosed technology is not limited to the combinations shown in the embodiments, and can be implemented in various combinations. Embodiments can have additional parts. The portion of the embodiment may be omitted. The parts of the embodiments can be replaced or combined with the parts of the other embodiments. The structure, operation, and effect of the embodiment are merely examples. The technical scope of the disclosed technology is not limited to the description of the embodiments. Some technical scope of the disclosed technology is indicated by the description of the claims, and should be understood to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the description of the claims. .
上記実施形態では、流量調節装置７０は、バルブ７２を備えていたが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、往き経路５１と戻り経路５２とを接続するバイパス流路７１を流量調節装置としてもかまわない。図９に示すバイパス流路７１は、室内熱交換器２４側の流通経路の圧力損失とバイパス流路７１側の流通経路の圧力損失との比が好適になるように設定することが好ましい。室内熱交換器２４を流れる熱輸送媒体流量とバイパス流路７１を流れる熱輸送媒体流量との流量比は、両経路の圧力損失比の逆数となる。したがって、室内熱交換器２４に目標熱交換器流量の熱輸送媒体が流れ、バイパス流路７１に作業室流量と目標熱交換器流量との差分の熱輸送媒体が流れるように、好適な圧力損失を提供するバイパス流路７１を設けることが好ましい。
In the said embodiment, although the flow
また、上記実施形態では、流量調節装置７０は、往き経路５１と戻り経路５２とを接続するバイパス流路７１を有していたが、これに限定されるものではない。例えば、図１０に示すような流量調節装置１７０を用いてもよい。流量調節装置１７０は、回収用タンク１７１と供給用タンク１７２とを有している。回収用タンク１７１は、往き経路５１に接続し、熱輸送媒体の作業室流量が目標熱交換器流量よりも大きいときに、その差分の熱輸送媒体を往き経路５１から除去してタンク内に回収するようになっている。一方、供給用タンク１７２は、戻り経路５２に接続し、熱輸送媒体の作業室流量が目標熱交換器流量よりも大きいときに、その差分の熱輸送媒体をタンク内から戻り経路５２に補充するようになっている。これにより、室内熱交換器２４に流れる熱輸送媒体の流量を調節することができる。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、冷熱出力側の低温側冷媒回路５０に流量調節装置を設けていたが、これに限定されるものではない。例えば、温熱出力側の高温側冷媒回路４０に流量調節装置を設けてもよい。また、高温側冷媒回路４０および低温側冷媒回路５０の両方に流量調節装置を設けてもよい。また、上記実施形態では、車両用空調装置１が冷房運転モードに設定されたときの構成および作動について説明したが、同様の技術的思想を有する構成および作動を冷房運転モード以外の他の運転モードにも適用することができる。
Moreover, in the said embodiment, although the flow volume adjustment apparatus was provided in the low temperature side
また、上記実施形態では、熱輸送装置１６のポンプ１７は一方向ポンプであったが、これに限定されるものではない。例えば熱輸送媒体の吸入と吐出とを交互に繰り返して熱輸送媒体の往復流を形成するポンプを熱輸送装置としてもよい。また、ポンプは、１つではなく２つ以上設けてもかまわない。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、上記実施形態では、作業室１１とＭＣＥ素子１２とを有する素子ベッドが回転する構成を採用した。これに代えて、素子ベッドと磁場変調装置１４との間の相対的な回転と、素子ベッドと流路切換機構１８との間の相対的な回転とを提供するための多様な構成を採用することができる。例えば、素子ベッドを静止させておき、永久磁石を含む磁場変調装置を素子ベッドに対して相対的に回転移動させてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the structure which the element bed which has the working
また、上記実施形態では、車両用空調装置に開示された磁気ヒートポンプ装置を用いた。しかしながら、これに限定されるものではない。例えば船舶や航空機等の車両以外の移動体用の空調装置に開示された磁気ヒートポンプ装置を用いてもよい。また、例えば住宅用等の定置式の空調装置に開示された磁気ヒートポンプ装置を用いてもよい。 Moreover, in the said embodiment, the magnetic heat pump apparatus disclosed by the vehicle air conditioner was used. However, the present invention is not limited to this. For example, you may use the magnetic heat pump apparatus disclosed by the air conditioner for moving bodies other than vehicles, such as a ship and an aircraft. Further, for example, a magnetic heat pump device disclosed in a stationary air conditioner for home use may be used.
また、上記実施形態では、熱交換器６０により加熱される被加熱流体や熱交換器２４により冷却される被冷却流体は空気であったが、これに限定されるものではない。被加熱流体や被冷却流体は、空気以外の気体であってもよい。また、被加熱流体や被冷却流体は、液体であってもかまわない。例えば、被加熱流体を水とする給湯装置に開示された磁気ヒートポンプ装置を用いても有効である。
Moreover, in the said embodiment, although the to-be-heated fluid heated by the
２ 磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（磁気ヒートポンプ装置、ＭＨＰ装置）
１１ 作業室
１２ 磁気熱量素子（ＭＣＥ素子）
１４ 磁場変調装置
１６ 熱輸送装置
２４ 室内熱交換器（熱交換器、冷却用熱交換器）
５０ 低温側冷媒回路（媒体回路）
５１ 往き経路
５２ 戻り経路
７０、１７０ 流量調節装置
2 Magneto-caloric effect type heat pump device (magnetic heat pump device, MHP device)
11
14 Magnetic
50 Low temperature side refrigerant circuit (medium circuit)
51
Claims (7)
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（１４）と、
前記高温端と前記低温端とを生成するように、前記作業室に前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を流す熱輸送装置（１６）と、
前記熱輸送媒体の冷熱又は温熱を熱交換により放出する熱交換器（２４）と、
前記両端部のうち一方の端部から前記熱交換器へ前記熱輸送媒体を導く往き経路（５１）と、前記熱交換器から前記一方の端部へ前記熱輸送媒体を導く戻り経路（５２）とを有し、前記一方の端部の前記熱輸送媒体を前記熱交換器に循環する媒体回路（５０）と、
前記熱輸送装置が前記作業室に流す前記熱輸送媒体の流量である作業室流量が、前記熱交換器における前記熱輸送媒体の流れ特性に基づいて定まる前記熱輸送媒体の目標熱交換器流量よりも大きい場合に、前記目標熱交換器流量と前記作業室流量との差分の前記熱輸送媒体を前記往き経路から除去し、前記差分の前記熱輸送媒体を前記戻り経路に補充して、前記熱交換器に流れる前記熱輸送媒体の流量を調節する流量調節装置（７０、１７０）と、を備える磁気ヒートポンプ装置。 A magnetocaloric element (12) which is provided between both ends of the high temperature end (11b) and the low temperature end (11a) of the working chamber (11) and generates heat and heat absorption by the strength of an external magnetic field;
A magnetic field modulation device (14) for modulating the external magnetic field applied to the magnetocaloric element;
A heat transport device (16) for flowing a heat transport medium that exchanges heat with the magnetocaloric element in the working chamber so as to generate the high temperature end and the low temperature end;
A heat exchanger (24) for releasing cold or hot heat of the heat transport medium by heat exchange;
Outward path (51) for guiding the heat transport medium from one end of the both ends to the heat exchanger, and return path (52) for guiding the heat transport medium from the heat exchanger to the one end A medium circuit (50) for circulating the heat transport medium at the one end to the heat exchanger;
From the target heat exchanger flow rate of the heat transport medium, the work chamber flow rate, which is the flow rate of the heat transport medium flowing through the work chamber by the heat transport device, is determined based on the flow characteristics of the heat transport medium in the heat exchanger. The difference between the target heat exchanger flow rate and the working chamber flow rate is removed from the forward path, and the difference heat transfer medium is replenished to the return path, A magnetic heat pump device comprising: a flow rate adjusting device (70, 170) for adjusting a flow rate of the heat transport medium flowing in the exchanger.
前記熱交換器は、前記熱輸送媒体の冷熱を熱交換により放出する低温側熱交換器である請求項１に記載の磁気ヒートポンプ装置。 The one end is the low temperature end;
The magnetic heat pump device according to claim 1, wherein the heat exchanger is a low-temperature side heat exchanger that releases cold heat of the heat transport medium by heat exchange.
前記往き経路と前記戻り経路とを接続し、前記熱交換器をバイパスして前記熱輸送媒体を流すバイパス流路（７１）を有する請求項１又は請求項２に記載の磁気ヒートポンプ装置。 The flow control device (70) includes:
The magnetic heat pump device according to claim 1 or 2, further comprising a bypass flow path (71) that connects the forward path and the return path, bypasses the heat exchanger, and flows the heat transport medium.
前記バイパス流路に設けられ、前記バイパス流路を流れる前記熱輸送媒体の流量を調節する弁装置（７２）を有する請求項３に記載の磁気ヒートポンプ装置。 The flow rate adjusting device includes:
The magnetic heat pump device according to claim 3, further comprising a valve device (72) that is provided in the bypass channel and adjusts a flow rate of the heat transport medium flowing through the bypass channel.
前記制御装置は、前記熱輸送装置による前記作業室流量が大きいときほど、前記弁装置の開度を大きくするように前記弁装置を制御する請求項４に記載の磁気ヒートポンプ装置。 The flow rate adjusting device includes a control device (101) for controlling the opening degree of the valve device,
The magnetic heat pump device according to claim 4, wherein the control device controls the valve device so that the opening degree of the valve device is increased as the working chamber flow rate by the heat transport device is larger.
前記制御装置は、前記作業室からの熱出力が大きいときほど、前記弁装置の開度を大きくするように前記弁装置を制御する請求項４に記載の磁気ヒートポンプ装置。 The flow rate adjusting device includes a control device (101) for controlling the opening degree of the valve device,
The magnetic heat pump device according to claim 4, wherein the control device controls the valve device so that the opening degree of the valve device is increased as the heat output from the working chamber is larger.
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