JP6717210B2 - 磁気熱量効果型ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

この明細書における開示は、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムに関する。

特許文献１は、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムを開示する。特許文献１は、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムの空調装置への利用を提案している。特許文献２および特許文献３は、ＡＭＲサイクルの一例を開示する。特許文献２および特許文献３は、磁気熱量効果素子におけるカスケード接続またはカスケード配置を提案する。カスケード配置は、磁気熱量効果を発揮する温度帯が異なる複数の部分素子を直列に配置している。カスケード配置は、大きい温度差におけるヒートポンプ機能の発揮を可能とする。従来技術として列挙された先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特開２０１２−２３７４９６号公報 特開２０１６−８０２０６号公報 特開２０１６−１０９４１２号公報

従来技術では、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムの高温端および／または低温端において、素子の温度維持に関して、考慮が不足している。このため、外部の熱的な負荷の変動、すなわち温度の変動に対して、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムの高温端および／または低温端の機能を適切に維持できない場合がある。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムにはさらなる改良が求められている。

開示されるひとつの目的は、高温端および／または低温端における温度を適切に制御する磁気熱量効果型ヒートポンプシステムを提供することである。

開示される他のひとつの目的は、外部の負荷の変動があっても、高温端および／または低温端の温度が適切に維持される磁気熱量効果型ヒートポンプシステムを提供することである。

この明細書の開示により、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムが提供される。ひとつの実施形態における磁気熱量効果型ヒートポンプシステムは、複数の部分素子（１２ａ）をカスケード配置した磁気熱量効果素子（１２）と、磁気熱量効果素子に磁場の変化を与える磁場変調装置（１３）と、磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体の往復流を生成する熱輸送装置（１４）とを備える磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（４）、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の少なくとも一方の端部に入る、または端部から出る熱輸送媒体の温度を変化させる熱的な負荷としての熱交換器（３１）を有する高温系統（５）または低温系統（６）、および、端部に供給される熱輸送媒体の入口媒体温度と、端部から出る熱輸送媒体の出口媒体温度との間の実温度差が、所定の目標温度差に接近するように、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の運転状態、および／または熱交換器の運転状態を制御する制御装置（４１）を備え、制御装置は、実温度差が目標温度差に接近するように、熱交換器の運転状態を制御し、制御装置は、実温度差が目標温度差に接近するように、熱交換器における熱交換のために有効な伝熱面積を変化させる。
他のひとつの実施形態における磁気熱量効果型ヒートポンプシステムは、複数の部分素子（１２ａ）をカスケード配置した磁気熱量効果素子（１２）と、磁気熱量効果素子に磁場の変化を与える磁場変調装置（１３）と、磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体の往復流を生成する熱輸送装置（１４）とを備える磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（４）、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の少なくとも一方の端部に入る、または端部から出る熱輸送媒体の温度を変化させる熱的な負荷としての熱交換器（３１）を有する高温系統（５）または低温系統（６）、および、端部に供給される熱輸送媒体の入口媒体温度と、端部から出る熱輸送媒体の出口媒体温度との間の実温度差が、所定の目標温度差に接近するように、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の運転状態、および／または熱交換器の運転状態を制御する制御装置（４１）を備え、制御装置は、実温度差が目標温度差に接近するように、熱交換器の運転状態を制御し、熱交換器は、空気と熱交換する媒体を通すための複数のチューブを備え、制御装置は、実温度差が目標温度差に接近するように、複数のチューブのうち、媒体が流れる数を変化させる。
さらに他のひとつの実施形態における磁気熱量効果型ヒートポンプシステムは、複数の部分素子（１２ａ）をカスケード配置した磁気熱量効果素子（１２）と、磁気熱量効果素子に磁場の変化を与える磁場変調装置（１３）と、磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体の往復流を生成する熱輸送装置（１４）とを備える磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（４）、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の少なくとも一方の端部に入る、または端部から出る熱輸送媒体の温度を変化させる熱的な負荷としての熱交換器（３１）を有する高温系統（５）または低温系統（６）、および、端部に供給される熱輸送媒体の入口媒体温度と、端部から出る熱輸送媒体の出口媒体温度との間の実温度差が、所定の目標温度差に接近するように、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の運転状態、および／または熱交換器の運転状態を制御する制御装置（４１）を備え、制御装置は、実温度差が目標温度差に接近するように、熱交換器の運転状態を制御し、熱交換器は、空気と熱交換する媒体を通すための複数のチューブを備え、制御装置は、実温度差が目標温度差に接近するように、空気の通風面積を変化させる。

開示される磁気熱量効果型ヒートポンプシステムによると、磁気熱量効果素子の端部における入口媒体温度と出口媒体温度との実温度差が、所定の目標温度差に維持される。このため、磁気熱量効果素子がカスケード配置されていても、端部の部分素子が、期待される磁気熱量効果を発揮することができる。このため、磁気熱量効果素子の全体としても、期待される能力を発揮することができる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

第１実施形態に係る温度調節システムのブロック図である。 第１実施形態の制御システムを示すブロック図である。 第１実施形態の制御処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の熱交換器を示す断面図である。 第３実施形態の熱交換器を示す断面図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

第１実施形態
図１において、温度調節システム１は、室２の空気を調節対象としている。よって、温度調節システム１は、室２の空気温度を調節する。調節対象は、水、固体物などでもよい。室２は、例えば、車両の乗員室である。乗員室は、車両が室外に置かれるため、また、車両が移動するため、熱負荷の変動が激しい。例えば、室２に導入される空気の温度が大きく変動する。

温度調節システム１は、磁気熱量効果型ヒートポンプシステムを提供する。温度調節システム１は、室２の温度を制御するための空調装置３を有する。空調装置３は、いわゆるＨＶＡＣ装置（Ｈｅａｔｉｎｇ、 Ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｕｎｉｔ）である。空調装置３は、車両に搭載され、車両の乗員室の温度を調節する。

温度調節システム１は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）４を備える。ＭＨＰ装置４は、Ｍａｇｎｅｔｏ−ｃａｌｏｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ Ｈｅａｔ Ｐｕｍｐ装置の略称である。ＭＨＰ装置４は、熱磁気サイクル装置を提供する。

ＭＨＰ装置４は、ヒートポンプ装置として機能する。ＭＨＰ装置４は、高温端と低温端とを生成する。高温端は、高温系統５に熱的に接続されている。低温端は、低温系統６に熱的に接続されている。ＭＨＰ装置４が冷却装置または冷房装置として利用される場合、低温系統６から得られる熱エネルギを、高温系統５へ放出する。高温端と低温端とは、逆に配置されてもよい。ＭＨＰ装置４は、加熱装置または暖房装置として利用されてもよい。高温系統５と低温系統６とは、熱輸送媒体を熱媒体として利用しており、空気との熱交換を提供する。高温系統５および／または低温系統６は、熱輸送媒体を一次媒体として利用し、一次媒体と熱交換する二次媒体を利用してもよい。この場合、二次媒体が熱媒体とされ、空気と熱交換する。

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４は、素子ベッド１１を有する。素子ベッド１１は、作業流体、すなわち熱輸送媒体のための作業室１１ａを形成する。熱輸送媒体は、作業室１１ａの中を流れる。熱輸送媒体は、ＭＣＥ素子１２が放熱または吸熱する熱を輸送する。熱輸送媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。

ＭＨＰ装置４は、磁気熱量効果素子（ＭＣＥ素子）１２を備える。ＭＣＥ素子１２は、Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｃａｌｏｒｉｃ Ｅｆｆｅｃｔ素子の略称である。ＭＣＥ素子１２は、作業室１１ａの中に収容されている。ＭＣＥ素子１２は、熱輸送媒体と熱交換する。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、ガドリニウム系材料、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は、複数の部分素子１２ａを有する。複数の部分素子１２ａは、ＭＣＥ素子１２の長手方向、すなわち熱輸送媒体の流れ方向に沿って配置されている。複数の部分素子１２ａは、高い磁気熱量効果を発揮する温度帯が、それぞれ異なる。複数の部分素子１２ａは、カスケード接続、またはカスケード配置と呼ばれる直列的な配置である。複数の温度帯は、高温端の温度から低温端の温度にわたって直列的に分布している。複数の部分素子１２ａは、高温端と低温端との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されている。

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ユニット（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｃａｌｏｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ Ｄｅｖｉｃｅ）と呼ばれる。ＭＨＰ装置４は、ＭＣＥ素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置４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１３は、外部磁場を生成するための永久磁石１５を備える。永久磁石１５に代えて、他の磁力源、例えば、電磁石を用いることができる。

熱輸送装置１４は、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、往復流を生成する。熱輸送装置１４は、ポンプ１６と、バルブ１７とによって提供することができる。熱輸送装置１４は、多様な構成によって提供することができる。熱輸送装置１４は、ＭＣＥ素子１２に高温端と低温端とを生成するように、熱輸送媒体を流す。

ＭＨＰ装置４は、動力源としてのモータ１８を備える。モータ１８は、磁場変調装置１３の動力源である。モータ１８は、熱輸送装置１４の動力源である。ＭＨＰ装置４の動力源として設けられたモータ１８は、車載の電池によって駆動される。磁場変調装置１３と熱輸送装置１４とは、互いに同期した磁場変化と、往復流とを提供する。これにより、ＭＨＰ装置４は、ＡＭＲサイクルとして機能する。図示される例では、ＭＨＰ装置４は、右側を高温端とし、左側を低温端としている。ＭＨＰ装置４は、低温系統６から得た熱エネルギを、高温系統５へ放出する。

高温系統５は、室外熱交換器２１と、ファン２２とを備える。高温系統５は、外気へ放熱する放熱系統でもある。室外熱交換器２１は、外気と熱交換する。室外熱交換器２１は、加熱熱交換器、または非利用側熱交換器とも呼ばれる。ファン２２は、電動機によって駆動される。ファン２２は、室外熱交換器２１を通過する外気の流れを生成する。この例では、室外熱交換器２１は、放熱熱交換器である。

低温系統６は、室内熱交換器３１と、ファン３２とを備える。低温系統６は、空調装置３において利用される利用系統でもある。室内熱交換器３１は、室２に供給される空気と熱交換する。室内熱交換器３１は、吸熱熱交換器、または利用側熱交換器とも呼ばれる。室内熱交換器３１は、室２の温度を調節する空調装置３に設けられた熱交換器である。ファン３２は、電動機によって駆動される。ファン３２は、空調装置３の中を室２に向けて流れる空気の流れを生成する。この例では、室内熱交換器３１は、冷房熱交換器である。

温度調節システム１は、制御装置（ＣＮＴＲ）４１を備える。制御装置４１は、ＭＨＰ装置４のための制御装置でもある。制御装置は、ＭＨＰ装置４をＡＭＲサイクルとして機能させる。制御装置４１は、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）である。

制御装置４１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とを有する。制御装置４１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４１によって実行されることによって、制御装置４１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４１を機能させる。制御装置４１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。制御装置４１は、磁場変調装置１３、熱輸送装置１４、ポンプ１６、バルブ１７、モータ１８、ファン２２、およびファン３２を制御可能である。

温度調節システム１は、複数のセンサを備える。センサは、検出対象として意図された物理量を検出し、検出された物理量を示す電気信号を出力する。物理量は、温度、圧力、回転数、回転位置、位相などである。センサは、制御装置４１と電気的に接続されており、出力信号は、制御装置４１に入力される。室内温度センサ４２は、室２内の空気の温度を、室内温度Ｔｒとして検出する。吹出温度センサ４３は、空調装置３から室２への吹出空気の温度を吹出空気温度Ｔｏｕｔとして検出する。外気温度センサ４４は、室外熱交換器２１と熱交換する外気の温度を外気温度Ｔａｍとして検出する。吸込温度センサ４５は、室内熱交換器３１と熱交換する空気の温度を吸込空気温度Ｔｉｎとして検出する。

ＭＨＰ入口温度センサ４６は、素子ベッド１１の高温端へ入る熱輸送媒体の温度を高温端の入口媒体温度ＴＨｉｎとして検出する。入口媒体温度ＴＨｉｎは、室外熱交換器２１の出口における媒体温度でもある。ＭＨＰ出口温度センサ４７は、素子ベッド１１の高温端から出た熱輸送媒体の温度を高温端の出口媒体温度ＴＨｏｕｔとして検出する。出口媒体温度ＴＨｏｕｔは、室外熱交換器２１の入口における媒体温度でもある。

ＭＨＰ入口温度センサ４８は、素子ベッド１１の低温端へ入る熱輸送媒体の温度を低温端の入口媒体温度ＴＨｉｎとして検出する。入口媒体温度ＴＨｉｎは、室内熱交換器３１の出口における媒体温度でもある。ＭＨＰ出口温度センサ４９は、素子ベッド１１の低温端から出た熱輸送媒体の温度を低温端の出口媒体温度ＴＨｏｕｔとして検出する。出口媒体温度ＴＨｏｕｔは、室内熱交換器３１の入口における媒体温度でもある。

カスケード配置されたＭＣＥ素子１２が適正に機能するためには、少なくとも一方の端部における熱輸送媒体の実温度差が所定の目標範囲内に維持されることが望ましい。すなわち、高温端および／または低温端における熱輸送媒体の実温度差が所定の目標範囲内に維持されることが望ましい。例えば、高温端に戻る熱輸送媒体の温度と、高温端から出る熱輸送媒体の温度との絶対値および実温度差が、所定の目標温度差から許容範囲外になると、高温端に近い部分素子１２ａが磁気熱量効果を発揮できない。同様に、低温端に戻る熱輸送媒体の温度と、低温端から出る熱輸送媒体の温度との絶対値および実温度差が、所定の目標温度差から許容範囲外になると、低温端に近い部分素子１２ａが磁気熱量効果を発揮できない。そこで、制御装置４１は、高温端および／または低温端における、入口媒体温度と出口媒体温度との絶対値および実温度差が、所定の目標温度差に接近するように、ＭＨＰ装置４の運転状態を制御する。代替的に、もしくは追加的に、制御装置４１は、高温系統５または低温系統６における熱交換性能を制御する。

図２は、温度調節システム１における制御システムを示す。図示されるように、ＭＨＰ装置４は、位相調節機１９を備えることができる。位相調節機１９は、磁場変調装置１３が提供する磁場変化の位相と、熱輸送装置１４が提供する往復流の位相との位相差を調節する。位相調節機１９は、磁場変調装置１３と熱輸送装置１４との回転位相差を調節する装置によって提供できる。代替的に、位相調節機１９は、素子ベッド１１と磁場変調装置１３との相対的な位置関係をずらす装置によって提供できる。位相調節機１９は、制御装置４１によって制御される。

制御装置４１は、ＭＨＰ装置４の高温端および／または低温端における熱輸送媒体の実温度差を所定の目標温度差の許容範囲内とするように、熱負荷となる高温系統５および／または低温系統６の運転状態を制御することができる。制御装置４１は、ＭＨＰ装置４の高温端および／または低温端における熱輸送媒体の実温度差を所定の目標温度差の許容範囲内とするように、ＭＨＰ装置４の運転状態を制御することができる。

制御装置４１が提供する制御方法は、ＭＨＰ装置４の高温端および／または低温端における熱輸送媒体の実温度差を所定の目標温度差の許容範囲内とするように、高温系統５および／または低温系統６の運転状態および／またはＭＨＰ装置４の運転状態を制御することができる。ここでは、ＭＨＰ装置４の高温端および／または低温端における熱輸送媒体の実温度差を所定の目標温度差の許容範囲内とするように、ＭＨＰ装置４の運転状態が制御される。

制御装置４１は、高温端および低温端における入口媒体温度および出口媒体温度の目標値を有している。入口媒体温度および出口媒体温度は、それらの絶対値の範囲、およびそれらの温度差として設定されている。具体的には、制御装置４１は、温度差記憶部４１ａを有する。温度差記憶部４１ａは、高温端に関して、入口媒体温度の目標値と、出口媒体温度の目標値と、入口媒体温度と出口媒体温度との目標温度差とを記憶している。温度差記憶部４１ａは、低温端に関して、入口媒体温度の目標値と、出口媒体温度の目標値と、入口媒体温度と出口媒体温度との目標温度差とを記憶している。目標値に対する実値の許容範囲は、任意に設定することができる。以下の説明において、目標温度差の語は、許容範囲を含むものである。

さらに、制御装置４１は、高温端および／または低温端における熱輸送媒体の温度の絶対値、および実温度差を所定の目標温度差に維持するための制御部４１ｂを有する。制御部４１ｂは、熱負荷となる高温系統５および／または低温系統６の運転状態を制御することができる。制御部４１ｂは、ＭＨＰ装置４の運転状態を制御することができる。制御部４１ｂは、熱負荷となる高温系統５および／または低温系統６の運転状態、およびＭＨＰ装置４の運転状態の両方を制御してもよい。

ＭＨＰ装置４の制御方法は、ＭＨＰ装置４が起動した後の定常運転状態において実行される。この実施形態は、低温端に熱的な冷房負荷としての室内熱交換器３１が接続されているので、低温端について説明する。高温端でも、入口媒体温度と出口媒体温度との温度差を所定の範囲内に維持するための制御が実行される。なお、高温端に熱的な暖房負荷としての室内熱交換器３１が接続される場合には、高温端について以下の説明が適用される。以下の説明では、高温端または低温端が端部と呼ばれる。

まず、外気温度、設定温度、室内温度など環境条件から、空調装置３の目標吹出温度を決める。目標吹出温度は、熱負荷に対抗して、室２内の温度を設定温度に維持するために必要な空調装置３の吹出温度である。同様に、目標吹出風量が決定される。

目標吹出温度から、端部の出口媒体温度を決める。この実施形態では、低温端に熱的な負荷である室内熱交換器３１が熱的に結合されている。よって、例えば、低温端の出口媒体温度が決められる。出口媒体温度は、室内熱交換器３１の温度効率を含む、外気温度と目標吹出温度との関数によって求めることができる。ＭＨＰ装置４が暖房に利用される場合には、高温端における出口媒体温度が決められる。

出口温度媒体と、所定の目標温度差とから、入口媒体温度が決められる。所定の目標温度差は、予め決められ、制御装置の温度差記憶部４１ａに記憶されている。

出口媒体温度と入口媒体温度との実温度差が所定の目標温度差になるように、熱輸送媒体の媒体流量の範囲が決められる。

媒体流量の範囲から、周波数と、振幅とを決める。周波数は、磁場の変化、および往復流の周波数である。振幅は、往復流の振幅である。よって、制御装置４１は、ＭＨＰ装置４における熱輸送媒体の流量と、磁場の変化および往復流の周波数、ならびに往復流の振幅との関係を利用する。制御装置４１は、実温度差が目標温度差に接近するように、磁場の変化および往復流の周波数と、往復流の振幅とを制御する。この結果、制御装置４１は、ＭＨＰ装置４の能力と、熱輸送媒体の媒体流量とを制御する。大きい流量を実現するには、高い周波数、または大きい振幅が必要である。ここでは、冷凍能力から、周波数と振幅とを決める。ここでは、定常運転時の冷凍能力を実現するように、周波数と振幅とが決められる。

こうして決定された周波数を実現するように、制御装置４１は、磁場変調装置１３を制御する。こうして決定された周波数と振幅との両方を実現するように、制御装置４１は、熱輸送装置１４を制御する。制御装置４１は、位相調節機１９を制御してもよい。この結果、ＭＨＰ装置４の低温端における入口媒体温度と出口媒体温度との実温度差が、所定の目標温度差に維持されるように、ＭＨＰ装置４の運転状態が制御される。

図３は、制御装置４１の制御処理１７０を示す。まず、制御装置４１は、ステップ１７１では、空調装置３に設けられた温度設定器から設定温度Ｔｓｅｔを入力する。制御装置４１は、ステップ１７２では、環境条件を測定する。ここでは、複数のセンサから、外気温度Ｔａｍ、吸込空気温度Ｔｉｎ、室内温度Ｔｒ、吹出空気温度Ｔｏｕｔなどが入力される。制御装置４１は、ステップ１７３では、目標を算出する。ここでは、目標吹出温度Ｔａｏ、および目標風量が算出される。制御装置４１は、ステップ１７４では、ファン３２の風量レベルであるブロワレベルを算出する。これらの処理は、必要な冷凍能力を算出する処理である。言い換えると、室２の空調のためにＭＨＰ装置４が発揮するべき能力を算出する処理である。

制御装置４１は、ステップ１７５では、目標媒体温度を算出する。必要に応じて、高温端および／または低温端における熱輸送媒体の入口媒体温度および／または出口媒体温度が算出される。この実施形態では、少なくとも低温端における入口媒体温度および出口媒体温度が算出される。高温端における入口媒体温度および出口媒体温度が算出されてもよい。制御装置４１は、ステップ１７６では、媒体流量を算出する。制御装置４１は、ステップ１７７では、ＭＨＰ装置４の動力源であるモータ１８の回転数を算出する。これにより、ＭＨＰ装置４の磁場変化および往復流の周波数が調節される。制御装置４１は、ステップ１７８では、往復流の振幅を算出する。制御装置４１は、熱輸送装置１４を制御することにより、往復流の振幅を、算出された値に制御する。

ステップ１７５−１７８の処理は、カスケード接続による高効率の運転を維持するための端部における熱輸送媒体の許容可能な温度差を可能とするＭＨＰ装置４の運転状態を算出し、ＭＨＰ装置４の運転状態を調節する処理である。

制御装置４１は、ステップ１７９では、目標吹出温度Ｔａｏ＝吹出温度Ｔｏｕｔであるか否かを判定する。処理は、目標吹出温度Ｔａｏ＝吹出温度Ｔｏｕｔである場合に、ステップ１８０へ進む。処理は、目標吹出温度Ｔａｏ≠吹出温度Ｔｏｕｔである場合に、ステップ１８１へ進む。

制御装置４１は、ステップ１８０では、入口媒体温度ＴＣｉｎと出口媒体温度ＴＣｏｕｔとの実温度差が、所定の温度差範囲の中にあるか否かを判定する。所定の温度差範囲は、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２と表記される。この処理では、｜高温端の入口媒体温度ＴＨｉｎ−高温端の出口媒体温度ＴＨｏｕｔ｜＜Ｔｈ１、｜低温端の入口媒体温度ＴＣｉｎ−低温端の出口媒体温度ＴＣｏｕｔ｜＜Ｔｈ２の式が利用される。ステップ１８０における判定が肯定的である場合、ステップ１７２へ戻る。これにより、環境条件の変化に追従して制御が継続される。ステップ１８０における判定が否定的である場合、ステップ１７６へ戻る。すなわち、再びＭＨＰ装置４の運転状態を算出し、ＭＨＰ装置４を制御する。

制御装置４１は、ステップ１８１では、目標吹出温度Ｔａｏと、実際の吹出温度Ｔｏｕｔとに基づいて、モータ１８の回転数を調節する。ステップ１８１では、目標吹出温度Ｔａｏ＞実際の吹出温度Ｔｏｕｔである場合に、回転数を上げる（ＵＰ）指令が設定される。ステップ１８１では、目標吹出温度Ｔａｏ＜実際の吹出温度Ｔｏｕｔである場合に、回転数を下げる（ＤＯＷＮ）指令が設定される。処理は、ステップ１８１の後に、ステップ１７７へ戻る。これにより、目標吹出温度Ｔａｏを実現するように、モータ１８の回転数がフィードバック制御される。

以上に述べた実施形態によると、ＭＨＰ装置４の低温端における入口媒体温度と出口媒体温度との実温度差が、所定の目標温度差に維持されるように、ＭＨＰ装置４の運転状態が制御される。このため、熱負荷の変動、すなわち室内熱交換器３１での熱的な負荷の変動があっても、入口媒体温度と出口媒体温度との温度差が適正に維持される。

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、ＭＨＰ装置４の運転状態が制御される。これに代えて、この実施形態では、熱負荷となる高温系統５および／または低温系統６の運転状態すなわち動作条件が制御される。この実施形態では、室内熱交換器３１の温度効率が調節される。

この実施形態の制御方法では、室内熱交換器３１における温度効率を仮定する。ここでは、室２の温度制御をするために必要な温度効率を仮定する。目標吹出温度から、ＭＨＰ装置４の高温端における出口媒体温度を決める。

必要な冷凍能力をＭＨＰ装置４が発揮できる周波数と振幅とを決める。これらに応じて媒体流量が決定される。制御装置４１は、ＭＨＰ装置４における熱輸送媒体の流量と、磁場の変化および往復流の周波数、ならびに往復流の振幅との関係を利用する。制御装置４１は、実温度差が目標温度差に接近するように、磁場の変化および往復流の周波数と、往復流の振幅とを制御する。この結果、制御装置４１は、ＭＨＰ装置４の能力と、熱輸送媒体の媒体流量とを制御する。

必要な冷凍能力と媒体流量とから、ＭＨＰ装置４の低温端における入口媒体温度と出口媒体温度との温度差を決定する。ＭＨＰ装置４の高温端における入口媒体温度と出口媒体温度との実温度差が、所定の目標温度差の範囲か否かを評価する。

仮定した温度効率となるように室内熱交換器３１を制御する。ここでは、室内熱交換器３１における熱輸送媒体と空気との熱交換量が調節される。この処置は、室内熱交換器３１における伝熱面積を変化させる処理とも呼ばれる。この処理は、室内熱交換器３１における熱輸送媒体の流通面積を変化させる処理によって実現可能である。代替的に、この処理は、室内熱交換器３１における空気の通風面積を変化させる処理によって実現可能である。この実施形態では、前者が利用される。

図４は、熱輸送媒体の流通面積を変化させる室内熱交換器３１の一例を示す。室内熱交換器３１は、ヘッダタンク５１、５２を有する。これら２つのヘッダタンク５１、５２の間を連通するように、複数のチューブ５３が配置されている。複数のチューブ５３は、それらの間に空気の通路を形成するように、所定間隔で積層されている。複数のチューブ５３の間における空気通路には、複数のフィン５４が配置されている。室内熱交換器３１は、空気と熱交換する媒体を通すための複数のチューブ５３を備える。

室内熱交換器３１は、チューブ５３を開閉する媒体弁機構２５５を備える。媒体弁機構２５５は、複数のチューブ５３への熱輸送媒体の流入口を開閉する。媒体弁機構２５５は、熱輸送媒体が流入するチューブ５３の数を調節可能である。室内熱交換器３１は、媒体弁機構２５５を駆動するためのアクチュエータ２５６を備える。

制御装置４１は、実温度差が目標温度差に接近するように、アクチュエータ２５６を制御する。制御装置４１は、複数のチューブ５３のうち、熱輸送媒体が流れる数を変化させる。これにより、制御装置４１は、低温系統６における、熱交換のために有効な伝熱面積を変化させる。言い換えると、制御装置４１は、低温系統６の熱交換性能を制御する。

このように、熱交換のために有効なチューブ５３の数を制御することで、室内熱交換器３１における温度効率を調節することができる。有効なチューブ５３の数が多い場合、高い温度効率が提供される。有効なチューブ５３の数が少ない場合、低い温度効率が提供される。

以上に述べた実施形態によると、ＭＨＰ装置４の低温端における入口媒体温度と出口媒体温度との実温度差が、所定の目標温度差に維持されるように、熱的な負荷となる室内熱交換器３１の運転状態が制御される。このため、熱負荷の変動、すなわち室内熱交換器３１での熱的な負荷の変動があっても、入口媒体温度と出口媒体温度との温度差が適正に維持される。

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、有効なチューブ５３の数が調節される。これに代えて、この実施形態では、空気の通風面積が調節される。

図５は、空気の通風面積を変化させる室内熱交換器３１の一例を示す。室内熱交換器３１は、複数のチューブ５３の間の空気通路を開閉する空気弁機構３５５を備える。空気弁機構３５５は、複数の空気通路への空気の流入口を開閉する。空気弁機構３５５は、通風面積を調節可能である。室内熱交換器３１は、空気弁機構３５５を駆動するためのアクチュエータ３５６を備える。なお、空気弁機構３５５は、チューブ５３の長手方向に沿って移動してもよい。この場合、通風面積が連続的に変化する。

制御装置４１は、実温度差が目標温度差に接近するように、アクチュエータ３５６を制御する。これにより、制御装置４１は、低温系統６における空気の通風面積を変化させる。言い換えると、制御装置４１は、低温系統６の熱交換性能を制御する。

このように、通風面積を制御することで、室内熱交換器３１における温度効率を調節することができる。通風面積が広い場合、高い温度効率が提供される。通風面積が小さい場合、低い温度効率が提供される。以上に述べた実施形態でも、先行する実施形態と同様の作用効果が得られる。

他の実施形態
この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに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。

上記実施形態では、ＭＨＰ装置４の周波数および振幅の制御、または熱交換器における温度効率の制御が実行される。なお、熱交換器における温度効率は、熱交換器における熱交換量とも呼ばれる。これに代えて、周波数および振幅の制御、および熱交換器における温度効率の制御の両方が実行されてもよい。これにより、高温端と低温端との両方において、入口媒体温度と出口媒体温度との温度差を所定温度範囲内に維持しやすい。例えば、ＭＨＰ装置４に対して過剰な熱負荷を与える熱交換器の温度効率が、熱負荷を抑制するように制御される。同時に、高温端と低温端との両方において入口媒体温度と出口媒体温度との温度差を所定温度範囲内とするように、ＭＨＰ装置４の周波数と振幅とを制御することができる。

上記実施形態では、車両のための空調装置３が提供される。これに代えて、住宅用の空調装置を提供してもよい。また、水を加熱または冷却する装置、例えば給湯装置または冷水機を提供してもよい。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４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。上記実施形態のポンプ１６は、斜板式ポンプ、多気筒ポンプなどの容積型ポンプ、または非容積型ポンプによって提供されてもよい。上記実施形態では、単一のモータ１８が利用されている。これに代えて、磁場変調装置１３のためのモータと、熱輸送装置１４のためのモータとを採用してもよい。この場合、２つのモータの回転位相を調節することによって、磁場変化の位相と、往復流の位相との位相差を調節することができる。

上記実施形態では、高温系統５または低温系統６の室外熱交換器２１または室内熱交換器３１の熱交換性能を変化させている。これに代えて、高温系統５または低温系統６の循環流量を制御して熱交換性能を制御してもよい。例えば、高温系統５または低温系統６に二次媒体が用いられる場合、二次媒体を循環させるためのポンプを制御することができる。

１ 温度調節システム、 ２ 室、 ３ 空調装置、
４ 磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）、
５ 高温系統、 ６ 低温系統、
１１ 素子ベッド、 １２ ＭＣＥ素子、 １２ａ 部分素子、
１３ 磁場変調装置、 １４ 熱輸送装置、 １５ 永久磁石、
１６ ポンプ、 １７ バルブ、 １８ モータ、 １９ 位相調節機、
２１ 室外熱交換器、 ２２ ファン、
３１ 室内熱交換器、 ３２ ファン、
４１ 制御装置、４２−４９ 温度センサ。

Claims (5)

1. 複数の部分素子（１２ａ）をカスケード配置した磁気熱量効果素子（１２）と、前記磁気熱量効果素子に磁場の変化を与える磁場変調装置（１３）と、前記磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体の往復流を生成する熱輸送装置（１４）とを備える磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（４）、
   前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の少なくとも一方の端部に入る、または前記端部から出る前記熱輸送媒体の温度を変化させる熱的な負荷としての熱交換器（３１）を有する高温系統（５）または低温系統（６）、および、
   前記端部に入る前記熱輸送媒体の入口媒体温度と、前記端部から出る前記熱輸送媒体の出口媒体温度との間の実温度差が、所定の目標温度差に接近するように、前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の運転状態、および／または前記低温系統または前記高温系統における熱交換性能を制御する制御装置（４１）を備え、
   前記制御装置は、前記実温度差が前記目標温度差に接近するように、前記熱交換器の運転状態を制御し、
   前記制御装置は、前記実温度差が前記目標温度差に接近するように、前記熱交換器における熱交換のために有効な伝熱面積を変化させる磁気熱量効果型ヒートポンプシステム。
2. 複数の部分素子（１２ａ）をカスケード配置した磁気熱量効果素子（１２）と、前記磁気熱量効果素子に磁場の変化を与える磁場変調装置（１３）と、前記磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体の往復流を生成する熱輸送装置（１４）とを備える磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（４）、
   前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の少なくとも一方の端部に入る、または前記端部から出る前記熱輸送媒体の温度を変化させる熱的な負荷としての熱交換器（３１）を有する高温系統（５）または低温系統（６）、および、
   前記端部に入る前記熱輸送媒体の入口媒体温度と、前記端部から出る前記熱輸送媒体の出口媒体温度との間の実温度差が、所定の目標温度差に接近するように、前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の運転状態、および／または前記低温系統または前記高温系統における熱交換性能を制御する制御装置（４１）を備え、
   前記制御装置は、前記実温度差が前記目標温度差に接近するように、前記熱交換器の運転状態を制御し、
   前記熱交換器は、空気と熱交換する媒体を通すための複数のチューブを備え、
   前記制御装置は、前記実温度差が前記目標温度差に接近するように、複数の前記チューブのうち、前記媒体が流れる数を変化させる磁気熱量効果型ヒートポンプシステム。
3. 複数の部分素子（１２ａ）をカスケード配置した磁気熱量効果素子（１２）と、前記磁気熱量効果素子に磁場の変化を与える磁場変調装置（１３）と、前記磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体の往復流を生成する熱輸送装置（１４）とを備える磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（４）、
   前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の少なくとも一方の端部に入る、または前記端部から出る前記熱輸送媒体の温度を変化させる熱的な負荷としての熱交換器（３１）を有する高温系統（５）または低温系統（６）、および、
   前記端部に入る前記熱輸送媒体の入口媒体温度と、前記端部から出る前記熱輸送媒体の出口媒体温度との間の実温度差が、所定の目標温度差に接近するように、前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置の運転状態、および／または前記低温系統または前記高温系統における熱交換性能を制御する制御装置（４１）を備え、
   前記制御装置は、前記実温度差が前記目標温度差に接近するように、前記熱交換器の運転状態を制御し、
   前記熱交換器は、空気と熱交換する媒体を通すための複数のチューブを備え、
   前記制御装置は、前記実温度差が前記目標温度差に接近するように、前記空気の通風面積を変化させる磁気熱量効果型ヒートポンプシステム。
4. 前記制御装置は、前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置をＡＭＲサイクルとして機能させる請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気熱量効果型ヒートポンプシステム。
5. 前記熱交換器は、室（２）の温度を調節する空調装置（３）に設けられた室内熱交換器である請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気熱量効果型ヒートポンプシステム。
   

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