JPWO2017171077A1 - 熱交換器、及び磁気ヒートポンプ装置 - Google Patents

Abstract

磁気熱量効果を発現する磁気熱量効果材料で構成された複数の線材１２１と、複数の前記線材１２１が充填されたケース１３とを備える熱交換器１０であって、前記線材１２１の線径が１ｍｍ未満である熱交換器１０を提供する。本発明によれば、装置を大型化することなく、熱交換効率の向上が可能な熱交換器を提供することができる。

Description

本発明は、磁気熱量効果材料で構成された線材を有する熱交換器、及び磁気ヒートポンプ装置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、２０１６年３月３１日に日本国に出願された特願２０１６−０７３４０３に記載された内容、および２０１６年５月３０日に日本国に出願された特願２０１６−１０７６３５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。

磁気熱量効果を発現する磁性体を有する熱交換器として、磁気熱量効果材料で構成された複数の粒子状の磁性体を、筒状のケースに挿入したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−７７４８４号公報

特許文献１に記載の熱交換器では、磁気熱量効果材料として、粒子状の磁性体を使用するものであり、このような粒子状の磁性体においては、粒径を小さくすれば、熱交換媒体との接触面積が増加するため、一定程度までは熱交換効率が増大していくもの、さらに粒径を小さくすると、熱交換媒体の流れを阻害してしまい、熱交換効率が低下してしまう。そのため、粒子状の磁性体を用いた場合には、熱交換効率の向上には限界があった。

一方で、磁気熱量効果材料を用いた熱交換器においては、磁気熱量効果材料に与える磁界の強度を大きくすることで、熱交換効率を高めることが可能であるものの、磁界の強度を大きくするためには、使用する磁石を大型化する必要があり、そのため、装置自体が大型化してしまうという問題がある。

本発明が解決しようとする課題は、装置を大型化することなく、熱交換効率の向上が可能な熱交換器、及び磁気ヒートポンプ装置を提供することである。

[１]本発明に係る熱交換器は、磁気熱量効果を発現する磁気熱量効果材料で構成された複数の線材と、複数の前記線材が充填されたケースとを備える熱交換器であって、前記線材の線径が１ｍｍ未満である。

[２]上記本発明において、前記線材の線径が０．１ｍｍ以上、１ｍｍ未満であってもよい。

[３]上記本発明において、複数の前記線材がそれぞれ撚り合わされて複数の撚線として、前記ケース内に充填されていてもよい。

[４]本発明に係る磁気ヒートポンプ装置は、上記熱交換器を備える。

本発明によれば、磁気熱量効果材料で構成された線材として、線径が１ｍｍ未満である線材を用いるため、熱交換器内における、熱交換媒体の流れが阻害されてしまうことを抑制しながら線材の、熱交換媒体との接触面積を確保することができるため、装置を大型化することなく（磁石を大型化することなく）、熱交換効率を適切に高めることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係るＭＣＭ熱交換器を備え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、本発明の一実施形態に係るＭＣＭ熱交換器を備え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２の位置にある状態を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係るＭＣＭ熱交換器の構成を示す分解斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態に係るＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿った断面図である。 図５は、図４のＶ-Ｖ線に沿った断面図である。 図６は、本発明の一実施形態に係るＭＣＭ熱交換器に充填された複数の撚線を拡大して示す図である。 図７は、他の実施形態に係るＭＣＭ熱交換器の断面図である。 図８は、他の実施形態に係るＭＣＭ熱交換器の断面図である。 図９は、実施例、比較例で使用した試験装置を示す図である。 図１０は、実施例１〜３、比較例１，２における、サイクル周波数（Ｈｚ）と出力密度（Ｗ／ｋｇ）との関係を示すグラフである。 図１１は、参考例１〜３における、流体媒体の接触面積（ｍ^２）と、流体媒体の平均流速（ｍ／ｓｅｃ）との関係を示すグラフである。

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は本発明の実施形態に係る第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０を備える磁気ヒートポンプ装置１の全体構成を示す図である。図３〜図６は本実施形態における第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０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。

図３及び図４に示すように、第１のＭＣＭ熱交換器１０は、複数の撚線（子撚線）１２の束からなる集合体１１と、当該集合体１１が収容されたケース１３と、ケース１３に接続された第１のアダプタ１６及び第２のアダプタ１７とを備え、ケース１３内に複数の撚線１２が充填されている。

なお、第１のＭＣＭ熱交換器１０と第２のＭＣＭ熱交換器２０とは、同様の構成であるため、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の構成についての説明は省略して第１のＭＣＭ熱交換器１０の構成についての説明を援用する。また、図３〜図６では、第１のＭＣＭ熱交換器１０を示し、第２のＭＣＭ熱交換器２０については対応する符号を括弧付きで付すに止め、図示を省略する。

図５及び図６に示すように、撚線１２は、相互に撚り合わされた少なくとも２本（例えば、図５に示すように３本）の線材１２１により構成されている。線材１２１は、磁気熱量効果を発現する磁気熱量効果材料（ＭＣＭ：Magnetocaloric Effect Material）から構成された円形の断面形状を有する線状の磁性体である。このＭＣＭから構成される線材１２１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１２１は発熱して温度が上昇する。一方、線材１２１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１２１は吸熱して温度が低下する。

この線材１２１を構成するＭＣＭは、磁性体であれば特に限定しないが、例えば、常温域で高い磁気熱量効果を発現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。

また、本実施形態においては、この線材１２１として、線径（長さ方向と直交する面における、直径）が１ｍｍ未満であるものを用いる。線材１２１の線径は、好ましくは０．１ｍｍ以上、１ｍｍ未満であり、より好ましくは０．１ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下である。なお、第１のＭＣＭ熱交換器１０は、複数の線材１２１を備えるものであるが、製造誤差等により複数の線材１２１の線径にバラツキがある場合には、第１のＭＣＭ熱交換器１０を構成する複数の線材１２１の線径の平均値が上記範囲にあればよい。

本実施形態によれば、線材１２１として、線径が１ｍｍ未満のものを用いることにより、第１のＭＣＭ熱交換器１０内における、液体媒体の流れを良好なものとしながら、線材１２１の表面積を高くすることでき、これにより第１のＭＣＭ熱交換器１０による熱交換効率を高めることができるものである。なお、線材１２１の線径の下限としては、特に限定されないが、好ましくは０．１ｍｍ以上であり、線材１２１の線径が０．１ｍｍ未満であると、液体媒体の流れが阻害されてしまい、熱交換効率が低下してしまうおそれがある。

撚線１２は、液体媒体の流路を適切に確保することができるという観点より、２〜４本の線材１２１を撚り合せたものを使用することが好ましいが、それ以上の本数の線材１２１を撚り合せたものであってもよい。少なくとも２本の線材１２１を撚る方向としては、時計回り方向であっても、反時計回り方向であってもよい。

集合体１１は、相互に並列された複数の撚線１２の束により構成されていてもよいし、複数の撚線１２が撚り合されて構成されていてもよい。集合体１１における複数の撚線１２の撚り方としては、集合撚り、同心撚り等を例示することができる。集合撚りとは、複数の撚線１２を束ねてその束の軸心の周りに撚る撚り方である。同心撚りとは、一の撚線１２に一又は複数の撚線１２を撚り合わせる撚り方である。複数の撚線１２を撚る方向としては、時計回り方向であっても、反時計回り方向であってもよい。

撚線１２を束ねた集合体１１では、隣接する撚線１２同士の側面の間に流路が形成されている。なお、理解を容易にするために、図３及び図５には、実際の本数よりも少ない本数の撚線１２から構成される集合体１１を示しているが、実際には、数百本以上の撚線１２から集合体１１が構成されている。

図３〜図５に示すように、集合体１１は、ケース１３に挿通されている。ケース１３は、矩形筒状に構成されている。このケース１３の軸方向の一端及び他端には、第１の開口１３１及び第２の開口１３２がそれぞれ形成されている。撚線１２は、直線状に延在しており、この撚線１２の延在方向とケース１３の軸方向とは一致している。また、第１及び第２の開口１３１，１３２の中心は、集合体１１の中心と同軸上に位置している。

図３に示すように、ケース１３の第１の開口１３１には第１のアダプタ１６が接続されており、第２の開口１３２には第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としては、例えば、熱収縮チューブや樹脂成型品や金属加工品などを用いることができる。

第１のアダプタ１６は、第１の開口１３１との接続される側の反対側に、第１の連結口１６１を有している。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と接続される側の反対側に、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のケース２３にも、複数の撚線２２を束ねた集合体２１が収容され、ケース２３内に複数の撚線２２が充填されている。そして、第１のＭＣＭ熱交換器１０と同様、ケース２３の第３の開口２３１には第３のアダプタ２６が接続され、当該ケース２３の第４の開口２３２には第４のアダプタ２７が接続されている。この第２のＭＣＭ熱交換器２０は、第３のアダプタ２６の第３の連結口２６１に連結された第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ＭＣＭ熱交換器２０は、第４のアダプタ２７の第４の連結口２７１に連結された第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、本実施形態では、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２１は、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２１と同様の構成であり、同様の線径を有するものである。また、第２のＭＣＭ熱交換器２０の撚線２２は、第１のＭＣＭ熱交換器１０の撚線１２と同様の構成である。また、第２のＭＣＭ熱交換器２０の撚線２２の集合体２１は、第１のＭＣＭ熱交換器１０の撚線１２の集合体１１と同様の構成である。さらに、第２のＭＣＭ熱交換器２０のケース２３は、第１のＭＣＭ熱交換器１０のケース１３と同様の構成である。

例えば、図１及び図２に示すように、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、二つの低温側配管８１，８２と二つの高温側配管８３，８４によって、４つのＭＣＭ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、又は、これらの混合物等の液体を例示することができる。

第１及び第２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。あるいは、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、第１及び第２の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、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２１，２２１に対する磁場の印加／除去に代えて、線材１２１，２２１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。

次に、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置１の動作について説明する。

まず、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１２１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２２１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１２１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。

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２２１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。

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１２１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２２１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２２１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。

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１２１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。

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１２１，２２１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。

本実施形態によれば、ＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２１，２２１として、その線径が１ｍｍ未満であるものを用いるため、液体媒体の流れを良好なものとしながら、線材１２１の表面積を高くすることできるものであり、これによりＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２１，２２１による熱交換効率を高めることができるものである。

特に、本実施形態の磁気ヒートポンプ装置１においては、上述したように、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１２１，２２１に対する磁場の印加・除去を繰り返すことにより、熱交換を行うものである。そのため、このような往復移動の移動速度、すなわち、サイクル周波数（単位時間当たりの往復移動回数）を高めることで、熱交換効率の向上が期待できる。その一方で、磁気熱量効果を発現する磁気熱量効果材料として、粒子状の磁気熱量効果材料を使用した場合には、熱交換媒体としての液体流体の流れを阻害してしまうため、サイクル周波数を高めても、熱交換効率の向上には限界があった。すなわち、粒子状の磁気熱量効果材料を用いた場合において、サイクル周波数を高めると、これに、液体流体が追従することができず、サイクル周波数を高めたことによる効果を得ることができないものであった。なお、粒子状の磁気熱量効果材料を用いた場合において、液体流体の流れを阻害しないように、粒子径の大きなものを用いる方法も考えられるが、粒子状の磁気熱量効果材料の表面積が小さくなってしまい、そもそも、磁気熱量効果材料と、流体媒体との熱交換効率が低下してしまうこととなってしまう。

これに対して、本実施形態によれば、ＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２１，２２１として、その線径が１ｍｍ未満であるものを用いることで、液体媒体の流れを良好なものとしながら、線材１２１，２２１の表面積を高くすることできるため、サイクル周波数を高めた場合でも、これに、液体媒体が適切に追従することができ、結果として、サイクル周波数を高めることによる、熱交換効率の向上を適切に実現できるものである。特に、本実施形態によれば、サイクル周波数を高めることにより、熱交換効率の向上を適切に実現できるため、磁石を大型化することで、磁界の強度を大きくするという方法によらずとも、熱交換効率を高めることができるものである。すなわち、本実施形態によれば、装置を大型化することなく、熱交換効率を適切に高めることができるものである。

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。従って、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。

例えば、上述の実施形態では、３本の線材１２１が撚り合わされた撚線１２を用いたが、図７に示すように、撚線１２を２本の線材１２１を撚り合わせて構成してもよく、あるいは、４本の線材１２１を撚り合わせて構成してもよい。ここで、５、６本の線材１２１を撚り合わせて撚線１２を構成する場合には、撚線１２の外周が円形となるように線材１２１を撚り合わせると、撚線１２の中心にできる隙間が大きくなるので、撚線１２の形状が崩れやすくなってしまう。また、７本以上の線材１２１を撚り合わせて撚線１２を構成する場合には、１本の線材１２１の周りで６本以上の線材１２１を撚り合わせる構成になるので、液体媒体の流路を確保する効果が小さい。それに対して、２〜４本の線材１２１を撚り合わせて撚線１２を構成する場合には、撚線１２の中心にできる隙間が小さくなるので、線材１２１を撚り合わせることが容易であり、撚線１２の形状の崩れを抑制できる。また、液体媒体の流路を確保する効果も大きい。

また、上述の実施形態では、線材１２１として、撚り合わされて撚線１２とされたものを用いたが、図８に示すように、線材１２１として、撚り合わされていない単線の線材１２１の形態とし、単線の線材１２１の集合体１１をケース１３に挿通することにより構成してもよい。

さらに、上述の実施形態では、ケース１３として、矩形筒状に構成されたものを用いたが、矩形筒状に限定されず、例えば、円筒状に構成されたものを用いてもよい。

また、上述した磁気ヒートポンプ装置の構成は一例であり、本発明に係る製造方法で製造した熱交換器をＡＭＲ（Active Magnetic Refrigeration）方式等の他の磁気ヒートポンプ装置に適用してもよい。

以下に、比較例及び参考例とともに、実施例を挙げて、本発明についてより具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に限定されない。

＜実施例・比較例＞
実施例、比較例においては、図９に示す試験装置を使用して評価を行った。図９に示す試験装置は、ＭＣＭ熱交換器１０ａと、ＭＣＭ熱交換器１０ａの両端に接続された環状の流路８０ａと、流路８０ａ内に設けられたピストン３０ａと、永久磁石４０ａとを備える。

本試験装置においては、ＭＣＭ熱交換器１０ａは、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケースを備え、ケース内部に、各実施例・比較例に係る磁性体材料を充填することで、ＭＣＭ熱交換器として作用するものである。永久磁石４０ａは、図中の矢印方向に往復移動することで、ＭＣＭ熱交換器１０ａに対して、接離可能となっている。また、流路８０ａ内には、流体媒体としての水が充填されており、ピストン３０ａが図中の矢印方向に往復移動することで、流体媒体としての水が、図中のＭＣＭ熱交換器１０ａ内に、高温側供給口１０ｂ及び低温側供給口１０ｃから交互に供給可能となっている。

そして、本試験装置においては、永久磁石４０ａと、ピストン３０ａとが互いに同期して図中の矢印方向に往復移動することで、ＭＣＭ熱交換器１０ａ内に備えられた磁性体材料の着磁・消磁と、流体媒体としての水が、ＭＣＭ熱交換器１０ａ内に、高温側供給口１０ｂ及び低温側供給口１０ｃから交互に供給される動作とが行われる。

以下、図９に示す試験装置を用いた実施例、比較例について説明する。

＜実施例１＞
実施例１においては、磁性体材料として、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる線材を３本撚り合わせて撚線としたものを使用した。具体的には、この撚線を束ねて図５に示すような態様にて、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとし、図９に示す試験装置を用いて、出力密度（磁性体材料の単位重量当たりの出力）の測定を行った。なお、実施例１においては、ＭＣＭ熱交換器１０ａに充填する、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる複数の線材として、その平均線径が０．２５ｍｍとなるものを使用した。実施例１における、ケース内部での線材の充填率は５８％であった。ここで、充填率は、ケース内部の容積と、ケースに充填された複数の線材の数及び平均線径とに基づいて算出した（後述する実施例２，３、比較例１，２、及び参考例１〜３においても同様。ただし、比較例１及び参考例３は、平均線径に代えて平均粒径を使用。）。また、実施例１においては、出力密度の測定は、サイクル周波数（１秒当たりに、永久磁石４０ａ及びピストン３０ａを往復移動させる回数）を、それぞれ、１Ｈｚ、５Ｈｚ、及び１０Ｈｚとした条件にて測定を行った。結果を図１０に示す。
なお、各実施例、比較例及び参考例では、使用した線材の線径について、その平均値、すなわち、平均線径で示したが、各実施例、比較例及び参考例で使用した各線材は、製造誤差が含まれている程度の線径バラツキのみを含むものであった。

＜実施例２＞
実施例２においては、磁性体材料として、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる線材を３本撚り合わせて撚線としたものを使用し、これを束ねたものを使用して、これを、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとした以外は、実施例１と同様にして出力密度の測定を行った。実施例２においては、ＭＣＭ熱交換器１０ａに充填する、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる複数の線材として、その平均線径が０．４９ｍｍとなるものを使用した。なお、実施例２における、ケース内部での線材の充填率は５８％であった。また、実施例２においては、出力密度の測定は、サイクル周波数を、それぞれ、１Ｈｚ、３Ｈｚ、及び５Ｈｚとした条件にて測定を行った。結果を図１０に示す。

＜実施例３＞
実施例３においては、磁性体材料として、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる線材をそのまま束ねたものを使用して（すなわち、図８に示す態様）、これを、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとした以外は、実施例１と同様にして出力密度の測定を行った。実施例３においては、ＭＣＭ熱交換器１０ａに充填する、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる複数の線材として、その平均線径が０．９９ｍｍとなるものを使用した。なお、実施例３における、ケース内部での線材の充填率は７９％であった。また、実施例３においては、出力密度の測定は、サイクル周波数を、それぞれ、１Ｈｚ、２Ｈｚ、及び５Ｈｚとした条件にて測定を行った。結果を図１０に示す。

＜比較例１＞
比較例１においては、磁性体材料として、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる平均粒径０．３ｍｍの粒子を使用して、これを、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとした以外は、実施例１と同様にして出力密度の測定を行った。なお、比較例１における、ケース内部での粒子の充填率は６０％であった。また、比較例１においては、出力密度の測定は、サイクル周波数を、それぞれ、０．５Ｈｚ、１Ｈｚ、１．５Ｈｚ、２Ｈｚ、３Ｈｚ、５Ｈｚ、７．５Ｈｚ、及び１０Ｈｚとした条件にて測定を行った。結果を図１０に示す。

＜比較例２＞
比較例２においては、磁性体材料として、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる線材をそのまま束ねたものを使用して（すなわち、図８に示す態様）、これを、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとした以外は、実施例１と同様にして出力密度の測定を行った。実施例３においては、ＭＣＭ熱交換器１０ａに充填する、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる複数の線材として、その平均線径が１．９８ｍｍとなるものを使用した。なお、比較例２における、ケース内部での線材の充填率は７９％であった。また、比較例２においては、出力密度の測定は、サイクル周波数を、それぞれ、１Ｈｚ、３Ｈｚ、５Ｈｚ、及び７．５Ｈｚとした条件にて測定を行った。結果を図１０に示す。

＜実施例、比較例の評価＞
図１０は、実施例１〜３、比較例１，２における、サイクル周波数（Ｈｚ）と出力密度（Ｗ／ｋｇ）との関係を示すグラフである。図１０に示すように、磁性体材料として、線径（平均線径）が１ｍｍ未満である線材を使用した実施例１〜３においては、いずれのサイクル周波数においても、粒子状の磁性材料を使用した比較例１及び線径（平均線径）が１ｍｍ以上である線材を使用した比較例２と比較して、同等以上の出力密度が得られることが確認できる。

特に、サイクル周波数を５Ｈｚ以上と高くした場合には、粒子状の磁性材料を使用した比較例１においては、サイクル周波数を高くしているにも拘わらず、出力密度が低下する傾向にあった。その一方で、磁性体材料として、線径（平均線径）が１ｍｍ未満である線材を使用した実施例１〜３においては、サイクル周波数を５Ｈｚ以上と高くした場合でも、これに伴い、出力密度が向上していることが確認できる。すなわち、実施例１〜３の結果より、線径（平均線径）が１ｍｍ未満である線材を使用することで、サイクル周波数を高めることによる、熱交換効率の向上を適切に実現できるものであることが確認できる。

＜参考例＞
参考例においては、図９に示す試験装置において、ＭＣＭ熱交換器１０ａに対して、ポンプにより０．０３ＭＰａの吐出圧力にて、流体媒体としての水を流した際の、流体媒体としての水の平均流速（ｍ／ｓｅｃ）の測定を行った。

＜参考例１＞
参考例１においては、銅（Ｃｕ）からなる線材を３本撚り合わせて撚線としたものを使用し、この撚線を束ねて図５に示すような態様にて、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとし、流体媒体としての水の平均流速の測定を行った。なお、参考例１においては、銅（Ｃｕ）からなる複数の線材として、それぞれ、平均線径が０．１８ｍｍであるもの（流体媒体との接触面積：０．２８ｍ^２、ケース内での充填率：５８％）、及び平均線径が０．２５ｍｍであるもの（流体媒体との接触面積：０．２２ｍ^２、ケース内での充填率：５８％）の２種類について評価を行った。流体媒体との接触面積は、ケース内部の容積と線材の平均線径とに基づいて算出した（後述する参考例２，３においても同様。ただし、参考例３は、平均線径に代えて平均粒径を使用。）。結果を図１１に示す。

＜参考例２＞
参考例２においては、銅（Ｃｕ）からなる線材をそのまま束ねたものを使用して、図８に示すような態様にて、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとし、流体媒体としての水の平均流速の測定を行った。なお、参考例２においては、銅（Ｃｕ）からなる複数の線材として、それぞれ、平均線径が０．１８ｍｍであるのもの（流体媒体との接触面積：０．３３ｍ^２、ケース内での充填率：７９％）、平均線径が０．２５ｍｍであるのもの（流体媒体との接触面積：０．２５ｍ^２、ケース内での充填率：７９％）、平均線径が１．０ｍｍであるのもの（流体媒体との接触面積：０．０６ｍ^２、ケース内での充填率：７９％）、及び平均線径が２．０ｍｍであるのもの（流体媒体との接触面積：０．０３ｍ^２、ケース内での充填率：７９％）の４種類について評価を行った。結果を図１１に示す。

＜参考例３＞
参考例３においては、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる粒子を使用して、これを、内径１４ｍｍ×１４ｍｍ、長さ１００ｍｍの矩形筒状のケース内に充填したものを、ＭＣＭ熱交換器１０ａとし、流体媒体としての水の平均流速の測定を行った。なお、参考例３においては、ガドリニウム（Ｇｄ）からなる粒子として、それぞれ、平均粒径０．３ｍｍ（流体媒体との接触面積：０．３３ｍ^２、ケース内での充填率：６０％）、及び、平均粒径０．５ｍｍ（流体媒体との接触面積：０．１９ｍ^２、ケース内での充填率：６０％）であるものの２種類について評価を行った。結果を図１１に示す。

＜参考例の評価＞
図１１は、参考例１〜３における、流体媒体の接触面積（ｍ^２）と、流体媒体の平均流速（ｍ／ｓｅｃ）との関係を示すグラフである。図１１に示すように、参考例２の結果によれば、ダルシー・ワイズバッハの式を使用することにより、図１１に示すような近似曲線を得ることができる。そして、この参考例２の近似曲線を、参考例１及び参考例３にも適用することで得られた参考例１及び参考例３の近似曲線を図１１に示した。なお、本例では、ダルシー・ワイズバッハの式を使用したが、ダルシー・ワイズバッハの式に代えて、ファニングの式、ハーゲン・ポアズイユの式などを用いても、同様の近似曲線を得ることができる。

ここで、上述の比較例１の結果より、平均粒径０．３ｍｍのガドリニウム（Ｇｄ）からなる粒子を使用した場合には、サイクル周波数を高くした場合における熱交換効率に劣るものであったが、その原因としては、サイクル周波数を高くすると、流体媒体が追従できなくなる（流速が十分でない）ことによると考えられる。そして、図１１に示すように、粒径０．３ｍｍのガドリニウム（Ｇｄ）からなる粒子を使用した場合における、平均流速は０．０４２ｍ／ｓｅｃ程度であり、これを下回ると、サイクル周波数を比較的高くした場合における熱交換効率に劣るものとなるおそれがあると考えられる。

これに対し、図１１に示す、参考例１及び参考例２の近似曲線、特に、参考例２の近似曲線において、平均流速が０．０４２ｍ／ｓｅｃ程度まで低下するのは、流体媒体との接触面積が０．６３ｍ^２程度であって、線径が０．０９８ｍｍ程度であり、このことから、本実施形態における、ＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２１，２２１の線径の下限は、０．１ｍｍ以上であることが好ましいといえる。

１・・・磁気ヒートポンプ装置
１０・・・第１のＭＣＭ熱交換器
１１・・・集合体
１２・・・撚線
１２１・・・線材
１３・・・ケース
１３１・・・第１の開口
１３２・・・第２の開口
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・・・撚線
２２１・・・線材
２３・・・ケース
２３１・・・第３の開口
２３２・・・第４の開口
２６・・・第３のアダプタ
２６１・・・第３の連結口
２７・・・第４のアダプタ
２７１・・・第４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・・・第１の低温側配管
８２・・・第２の低温側配管
８３・・・第１の高温側配管
８４・・・第２の高温側配管
９０・・・切替弁

Claims (4)

1. 磁気熱量効果を発現する磁気熱量効果材料で構成された複数の線材と、
   複数の前記線材が充填されたケースとを備える熱交換器であって、
   前記線材の線径が１ｍｍ未満である熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記線材の線径が０．１ｍｍ以上、１ｍｍ未満である熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器であって、
   複数の前記線材はそれぞれ撚り合わされて複数の撚線として、前記ケース内に充填されている熱交換器。
4. 請求項１又は２に記載の熱交換器を備える磁気ヒートポンプ装置。

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