(57)【要約】      （修正有）【課題】高い冷凍効率を発揮する磁気熱量効果素子を提供する。【解決手段】磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１において、ベッド２は、容器３と磁気熱量効果素子（ＭＣＥ素子）４とを備える。容器３は、ＭＣＥ素子４を収容している。ＭＣＥ素子４は、低温端１１と高温端１２と間に配置されている。容器３は、熱輸送媒体５を流すための作業室３ａを区画形成する。ＭＣＥ素子４は、低温端１１と高温端１２との間においてカスケードを形成するように配置されている。カスケードは、高温側ほど磁気熱量的な性能が高くなるように充填量が調整されている。さらに、カスケードは、高温側ほど熱伝達性能が下がるように調整されている。この結果、高温側における圧力損失が抑制される。【選択図】図１
2020077745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気熱量効果を発揮する磁気熱量効果素子において、
低温端（１１）から高温端（１２）に向けてキュリー温度が上昇するカスケードとなるように配置されており、かつ、熱輸送媒体（５）を流すための通路（９）を区画する複数の素子（４１−４５）を有し、
複数の前記素子は、前記通路における流体的抵抗が異なる少なくとも２つの前記素子を含み、相対的に流体的抵抗が低い前記素子は、相対的に流体的抵抗が高い前記素子より高温側に位置している抵抗関係を満たす磁気熱量効果素子。
【請求項２】
複数の前記素子は、断熱温度変化と材料充填量との積が異なる少なくとも２つの前記素子を含み、
相対的に前記積が大きい前記素子は、相対的に前記積が小さい前記素子より高温側に位置している積関係を満たし、かつ、
相対的に流体的抵抗が低い前記素子は、相対的に前記積が大きい前記素子である請求項１に記載の磁気熱量効果素子。
【請求項３】
複数の前記素子のすべては、前記抵抗関係、および前記積関係の両方を満たす請求項２に記載の磁気熱量効果素子。
【請求項４】
複数の前記素子における前記流体的抵抗は、複数の前記素子に必要とされる必要熱交換量（Ｑ）を提供するように熱伝達率（α）および／または熱交換面積（Ａ）を調節するように設定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
【請求項５】
前記流体的抵抗は、前記素子を提供する複数の粒の直径に依存する請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
【請求項６】
前記流体的抵抗は、前記通路の等価直径に依存する請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
【請求項７】
前記流体的抵抗は、前記通路の断面積に依存する請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
【請求項８】
前記流体的抵抗は、前記通路における熱交換要素に依存する請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気熱量効果素子。
【請求項９】
前記熱交換要素は、フィン、および／または、ディンプルによって提供される請求項８に記載の磁気熱量効果素子。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれかに記載の磁気熱量効果素子（４）と、
前記磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体（５）と、
前記磁気熱量効果素子に与えられる磁場を強弱に変化させる磁場変調装置（６）と、
前記磁気熱量効果素子に対する前記熱輸送媒体の相対的な移動を生じさせる熱輸送装置（７）とを備える磁気熱サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この明細書における開示は、磁気熱量効果素子および磁気熱サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、磁気熱量カスケードを開示する。特許文献１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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１６−５１４３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁気熱量効果素子および磁気熱サイクル装置において、カスケードは、効率的な運転のために有効である。
【０００５】
開示されるひとつの目的は、カスケードにおける、熱伝達性能が調整された磁気熱量効果素子および磁気熱サイクル装置を提供することである。
【０００６】
開示される他のひとつの目的は、カスケードにおける磁気熱量的な性能と、カスケードにおける熱伝達性能との両方が調整された磁気熱量効果素子および磁気熱サイクル装置を提供することである。
【０００７】
開示されるさらに他のひとつの目的は、高い冷凍効率を発揮する磁気熱量効果素子および磁気熱サイクル装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示された磁気熱量効果素子は、磁気熱量効果を発揮する磁気熱量効果素子において、低温端（１１）から高温端（１２）に向けてキュリー温度が上昇するカスケードとなるように配置されており、かつ、熱輸送媒体（５）を流すための通路（９）を区画する複数の素子（４１−４５）を有し、複数の素子は、通路における流体的抵抗が異なる少なくとも２つの素子を含み、相対的に流体的抵抗が低い素子は、相対的に流体的抵抗が高い素子より高温側に位置している抵抗関係を満たす。
【０００９】
開示される磁気熱量効果素子によると、複数の素子は、カスケードとなるように配置されている。複数の素子は、熱輸送媒体（５）を流すための通路（９）を区画する。さらに、複数の素子は、流体的抵抗が異なる２つの素子を含む。これら２つの素子は、相対的に流体的抵抗が低い素子と、相対的に流体的抵抗が高い素子とを含む。相対的に流体的抵抗が低い素子は、相対的に流体的抵抗が高い素子より高温側に位置している。この位置関係は、抵抗関係とも呼ばれる。言い換えると、高温側の素子における流体的抵抗が抑制され、圧力損失が低減される。
【００１０】
ここに開示された磁気熱サイクル装置は、上記磁気熱量効果素子（４）と、磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体（５）と、磁気熱量効果素子に与えられる磁場を強弱に変化させる磁場変調装置（６）と、磁気熱量効果素子に対する熱輸送媒体の相対的な移動を生じさせる熱輸送装置（７）とを備える。
【００１１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】磁気熱サイクル装置のブロック図である。
【図２】第１実施形態の磁気熱量効果素子の断面図である。
【図３】磁気熱量効果素子の特性を示すグラフである。
【図４】必要熱量Ｑを算出する数式（１）である。
【図５】第２実施形態の磁気熱量効果素子の断面図である。
【図６】第２実施形態の磁気熱量効果素子の斜視図である。
【図７】第３実施形態の磁気熱量効果素子の断面図である。
【図８】第３実施形態の磁気熱量効果素子の斜視図である。
【図９】第４実施形態の磁気熱量効果素子の断面図である。
【図１０】第４実施形態の磁気熱量効果素子の斜視図である。
【図１１】第５実施形態の磁気熱量効果素子の断面図である。
【図１２】第６実施形態の磁気熱量効果素子の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
第１実施形態
図１は、磁気熱サイクル装置を示すブロック図である。磁気熱サイクル装置は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１を提供する。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１は、ＭＨＰ装置１と呼ばれる。ＭＨＰは、Ｍａｇｎｅｔｏ−ｃａｌｏｒｉｃ  ｅｆｆｅｃｔ  Ｈｅａｔ  Ｐｕｍｐである。ＭＨＰ装置１は、磁気ヒートポンプ装置とも呼ばれる。ＭＨＰ装置１は、空調装置のための温熱源および／または冷熱源を提供する。空調装置は、乗り物用空調装置でもある。
【００１５】
この明細書において乗り物の語は広義の意味で使用される。すなわち、乗り物の語は、乗員室または荷室を有する移動体、例えば、走行車両、船舶、飛行機を含む。さらに、乗り物の語は、シミュレーション機器、アミューズメント機器などを含む。
【００１６】
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。
【００１７】
ＭＨＰ装置１は、磁気熱量効果素子のためのベッド２を備える。ベッド２は、素子ベッドとも呼ばれる。ベッド２は、容器３と、磁気熱量素子４を有する。磁気熱量素子４は、ＭＣＥ素子４と呼ばれる。ＭＨＰ装置１は、ＭＣＥ素子４の磁気熱量効果を利用する。容器３は、作業室３ａを内部に区画形成している。容器３は、ＭＣＥ素子４を収容する。ＭＣＥ素子４は、作業室３ａの中に収容されている。容器３は、ＭＣＥ素子４に磁場を印加することを許容し、しかも、ＭＣＥ素子４と熱交換するように熱輸送媒体５が流れることを許容する。熱輸送媒体５は、不凍液、水、油、気体などの流体によって提供することができる。容器３は、非磁性材料により形成されている。
【００１８】
ＭＣＥ素子４は、磁気熱量効果を発揮する磁気作業物質を含む。ＭＣＥは、Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｃａｌｏｒｉｃ  Ｅｆｆｅｃｔとも呼ばれる。ＭＣＥ素子４は、低温端１１と高温端１２と間に配置されている。ＭＣＥ素子４は、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる。容器３とＭＣＥ素子４とは、熱輸送媒体５の流路を形成するように、配置されている。
【００１９】
図１において、ＭＣＥ素子４は、複数の素子４１、４２、４３、４４、４５を有する。図示されている素子の数（５）は、例示である。複数の素子４１−４５は、定常運転時に得られる目標値としての温度勾配を分担する。温度勾配は、ＭＨＰ装置１が長時間にわたって運転される結果として得られる。例えば、定常運転時に得られる温度勾配は、乗り物用空調装置として利用できる低温と高温とを提供する。複数の素子４１−４５は、ＭＣＥ素子４の長手方向ＬＤ、すなわち熱輸送媒体５の流れ方向に沿って配置されている。このようなＭＣＥ素子４における複数の素子４１−４５の配置は、カスケード、カスケード配置、またはカスケード接続と呼ばれる。
【００２０】
複数の素子４１−４５のそれぞれを構成する材料は、キュリー温度が異なる。複数の素子は、異なる温度帯において高い磁気熱量効果（ΔＳ（Ｊ／ｋｇＫ））を発揮する。低温端１１の素子は、定常運転状態において低温端１１に現れる温度の近傍において高い磁気熱量効果を発揮する材料組成を有する。高温端１２の素子は、定常運転状態において高温端１２に現れる温度の近傍において高い磁気熱量効果を発揮する材料組成を有する。低温端１１と高温端１２との間における中温部の複数の素子は、定常運転状態において中温部に現れる温度の近傍において高い磁気熱量効果を発揮する材料組成を有する。よって、複数の素子４１−４５は、低温端１１から高温端１２に向けてキュリー温度が上昇するカスケードとなるように配置されている。
【００２１】
この実施形態では、ＭＣＥ素子４は、複数の粒によって提供されている。複数の粒は、容器３の中に充填されている。複数の粒は、それらの間に、熱輸送媒体５の流路を提供する。この結果、ＭＣＥ素子４と熱輸送媒体５との間の良好な熱交換が提供される。ＭＣＥ素子４は、熱輸送媒体５を流すための複数のマイクロチャンネルを形成する板状、ブロック状など多様な形状によって提供することができる。よって、複数の素子４１−４５は、熱輸送媒体５を流すための少なくともひとつの通路９を区画する。
【００２２】
ＭＣＥ素子４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４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４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４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。磁性体は、例えばガドリニウム系材料であってもよい。また、マンガン、鉄、リンおよびゲルマニウムの混合物であってもよい。
【００２３】
ＭＨＰ装置１は、磁場変調装置６（ＭＧＦＭ）と熱輸送装置７（ＦＬＤＭ）とを備える。磁場変調装置６と熱輸送装置７とは、ＭＣＥ素子４をＡＭＲ（Ａｃｔｉｖｅ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ）サイクルとして機能させる。磁場変調装置６と熱輸送装置７とは、同期的に作動する。
【００２４】
磁場変調装置６は、ＭＣＥ素子４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ように外部磁場を変調する。磁場変調装置６は、ＭＣＥ素子４を強い磁界内に置く励磁状態と、ＭＣＥ素子４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６は、ＭＣＥ素子４が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間、およびＭＣＥ素子４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６は、外部磁場を生成するための磁力源、例えば永久磁石、又は電磁石を備えることができる。
【００２５】
磁場変調装置６は、ベッド２および／または永久磁石を移動させ、ベッド２と永久磁石との間の距離を周期的に、かつ相対的に変化させる機構によって提供される。磁場変調装置６は、例えば、固定のベッド２に対して、永久磁石を回転移動させる回転機構を含むことができる。
【００２６】
熱輸送装置７は、ＭＣＥ素子４が放熱または吸熱する熱を輸送するための熱輸送媒体５流すための流体機器を備える。熱輸送装置７は、ＭＣＥ素子４と熱交換する熱輸送媒体５をＭＣＥ素子４に沿って流す装置である。熱輸送装置７は、ＭＣＥ素子４に低温端１１と高温端１２とを生成するように、熱輸送媒体５を流す。熱輸送装置７は、例えば、磁場変調装置６による外部磁場の変化に同期して熱輸送媒体５を往復的に流す。熱輸送装置７は、熱輸送媒体５を流すためのポンプを含むことができる。熱輸送装置７は、熱輸送媒体５の流れを制御するための複数の通路、および弁機構を備えることができる。
【００２７】
ＭＨＰ装置１は、乗り物用空調装置を提供するための空調装置８（ＨＶＡＣ）を有する。空調装置８は、暖房、換気、および空調のためのユニットとも呼ばれる。空調装置８は、低温端１１に得られる低温、および／または高温端１２に得られる高温を利用する。低温および／または高温は、ＭＣＥ素子４から取り出されてもよく、熱輸送媒体５から取り出されてもよい。低温端１１および高温端１２は、ベッド２の両端、および／または、作業室３ａの両端部分、および／または、ＭＣＥ素子４の長手方向ＬＤの両端を指している。
【００２８】
ＭＣＥ素子４は、熱輸送媒体５が流れるための通路９を有する。通路９は、ＭＣＥ素子４の中を長手方向ＬＤに沿って熱輸送媒体５が流れるように、長手方向ＬＤに沿って連続している。通路９は、ＭＣＥ素子４が複数の粒によって提供される場合には、それら複数の粒の間の隙間により提供される。通路９は、ＭＣＥ素子４が塊状（または成形体）の部材によって提供される場合には、それら塊間の隙間、または、塊に形成された溝により提供される。
【００２９】
ＭＨＰ装置１は、制御装置（ＣＮＴ）１０を有する。制御装置１０は、磁場変調装置６、熱輸送装置７、および空調装置８を制御する。この明細書における制御装置１０は、電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）である。制御装置１０は、制御システムを提供する。制御システムは、少なくともひとつのコンピュータまたはマイクロコンピュータを有する。制御システムは、ｉｆ−ｔｈｅｎ−ｅｌｓｅ形式と呼ばれる複数の論理、または機械学習によってチューニングされた学習済みモデル、例えばニューラルネットワークによって提供される。
【００３０】
制御システムの一例は、少なくともプログラムを格納したメモリと、このプログラムを実行する少なくともひとつのプロセッサとを備えるコンピュータである。この場合、コンピュータは、ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ、またはＧＰＵ：Ｇｒａｐｈｉｃｓ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔなどと呼ばれる少なくともひとつのプロセッサコアを備える。メモリは、記憶媒体とも呼ばれる。メモリは、プロセッサによって読み取り可能なプログラムおよび／またはデータを格納する非遷移的かつ実体的な記憶媒体である。記憶媒体は、半導体メモリ、磁気ディスク、または光学ディスクなどによって提供される。プログラムは、それ単体で、またはプログラムが格納された記憶媒体として流通する場合がある。
【００３１】
制御システムの一例は、多数の論理ユニットを含むデジタル回路、またはアナログ回路を含むコンピュータである。この場合、コンピュータは、ロジック回路アレイ、例えば、ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ、ＦＰＧＡ：Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ、ＰＧＡ：Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ、ＣＰＬＤ：Ｃｏｍｐｌｅｘ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｌｏｇｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅなどと呼ばれる。デジタル回路は、プログラムおよび／またはデータを格納したメモリを備える場合がある。
【００３２】
プロセッサの語は、（１）コンピュータプログラムを読み込み、実行するプロセッサコア、（２）ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等を含むロジック回路アレイ、または、（３）上記（１）と（２）との組み合わせを含む。
【００３３】
図２において、ＭＣＥ素子４の詳細な断面が示されている。ＭＣＥ素子４は、多数の粒４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅの集合体である。図中には、粒の表面が図示されている。多数の粒４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅは、ＭＣＥ素子４としての所定の容積を満たすように充填されている。多数の粒４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅは、互いに接合されていてもよい。多数の粒４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅは、互いに移動可能であってもよい。
【００３４】
カスケードを提供する複数の素子は、それぞれが複数の粒の集合体である。複数の粒の間には、熱輸送媒体５のための通路としての隙間が区画形成されている。素子４１は、複数の粒４ａの集合体である。複数の粒４ａの間には、熱輸送媒体５が通過するための通路９ａが区画されている。通路９ａは、長手方向ＬＤ、すなわち流れ方向に沿って連続している。素子４２は、複数の粒４ｂの集合体である。複数の粒４ｂの間には、熱輸送媒体５が通過するための通路９ｂが区画されている。通路９ｂは、長手方向ＬＤ、すなわち流れ方向に沿って連続している。素子４３は、複数の粒４ｃの集合体である。複数の粒４ｃの間には、熱輸送媒体５が通過するための通路９ｃが区画されている。通路９ｃは、長手方向ＬＤ、すなわち流れ方向に沿って連続している。素子４４は、複数の粒４ｄの集合体である。複数の粒４ｄの間には、熱輸送媒体５が通過するための通路９ｄが区画されている。通路９ｄは、長手方向ＬＤ、すなわち流れ方向に沿って連続している。素子４５は、複数の粒４ｅの集合体である。複数の粒４ｅの間には、熱輸送媒体５が通過するための通路９ｅが区画されている。通路９ｅは、長手方向ＬＤ、すなわち流れ方向に沿って連続している。
【００３５】
素子を提供する複数の粒の材料は、カスケードを提供するための磁気熱量的な性能を有する。粒４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅの材料は、それぞれ異なる磁気熱量的な性能を有している。素子の磁気熱量的な性能は、磁場が変化した場合に材料が発揮する断熱温度変化ΔＴａｄ（℃）と、材料充填量とに依存する。断熱温度変化ΔＴａｄは、例えば、磁場がゼロから所定値に増加する場合に材料が生成する温熱と比例関係にある。断熱温度変化ΔＴａｄは、例えば、磁場が所定値からゼロに減少する場合に材料が生成する冷熱と比例関係にある。素子の磁気熱量的な性能は、断熱温度変化と材料充填量との積によって評価することができる。この実施形態では、素子の磁気熱量的な性能は、断熱温度変化ΔＴａｄと、材料の充填長さＬｘ（ｍｍ）との積によって評価することができる。
【００３６】
ここで、断熱温度変化ΔＴａｄは、複数の素子４１、４２、４３、４４、４５のそれぞれにおいて同一か、近接している。一方で、材料の充填長さＬｘは、調整が容易である。そこで、この実施形態では、複数の素子４１、４２、４３、４４、４５は、異なる充填長さＬｘを有する。複数の素子４１、４２、４３、４４、４５の充填長さの間には、Ｌｘ４１＜Ｌｘ４２＜Ｌｘ４３＜Ｌｘ４４＜Ｌｘ４５の関係がある。
【００３７】
低温端１１に位置する素子４１の磁気熱量的な性能は、カスケードの中において最も低い。高温端１２に位置する素子４５の磁気熱量的な性能は、カスケードの中において最も高い。カスケードにおける任意のひとつの素子の磁気熱量的な性能は、その素子より高温側に位置する他の素子の磁気熱量的な性能より低い。この関係は、ＭＣＥ素子４の全体において提供されている。
【００３８】
例えば、素子４１の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４１×Ｌｘ４１）と素子４２の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４２×Ｌｘ４２）との間には、（ΔＴａｄ４１×Ｌｘ４１）＜（ΔＴａｄ４２×Ｌｘ４２）の関係が成立する。例えば、素子４５の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４５×Ｌｘ４５）と素子４４の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４４×Ｌｘ４４）との間には、（ΔＴａｄ４４×Ｌｘ４４）＜（ΔＴａｄ４５×Ｌｘ４５）の関係が成立する。例えば、任意の素子４（ｎ）の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４（ｎ）×Ｌｘ４（ｎ））と、低温側に隣接する素子４（ｎ−１）の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４（ｎ−１）×Ｌｘ４（ｎ−１））との間には、（ΔＴａｄ４（ｎ−１）×Ｌｘ４（ｎ−１））＜（ΔＴａｄ４（ｎ）×Ｌｘ４（ｎ））の関係が成立する。例えば、任意の素子４（ｎ）の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４（ｎ）×Ｌｘ４（ｎ））と、高温側に隣接する素子４（ｎ＋１）の磁気熱量的な性能（ΔＴａｄ４（ｎ＋１）×Ｌｘ４（ｎ＋１））との間には、（ΔＴａｄ４（ｎ）×Ｌｘ４（ｎ））＜（ΔＴａｄ４（ｎ＋１）×Ｌｘ４（ｎ＋１））の関係が成立する。
【００３９】
よって、複数の素子４１−４５は、断熱温度変化ΔＴａｄと材料充填量との積が異なる少なくとも２つの素子を含む。しかも、相対的に積が大きい素子は、相対的に積が小さい素子より高温側に位置している。この関係は、積関係と呼ばれる。よって、上記２つの素子は、積関係を満たす。このような磁気熱量的な性能の傾斜関係は、複数の素子４１、４２、４３、４４、４５の間においても同様に成立する。言い換えると、複数の素子４１−４５のすべては、積関係を満たす。
【００４０】
傾斜関係は、磁気熱量的な性能が低温端１１から高温端１２に向けて増加する増加関係である。この増加関係により、ＭＨＰ装置２の運転状態において、すべての素子の温度がキュリー温度に維持され、期待される性能を発揮することができる。複数の素子における磁気熱量的な性能の関係について、特許文献１：特表２０１６−５１４３６０号公報の記載を参照により導入することができる。
【００４１】
さらに、この実施形態では、カスケードのそれぞれの素子、すなわちそれぞれの段における磁気熱量的な性能に応じて、流体的抵抗を低減させることによって、熱交換性能を維持しつつ、ＭＣＥ素子４の圧力損失を低減することによる動力消費の抑制を図る。圧力損失の低減は、熱輸送装置７の動力消費を抑制し、ＣＯＰ（冷凍効率＝冷凍能力／（磁場仕事＋熱輸送装置７の動力消費））を改善する。この実施形態では、カスケードの複数の素子のそれぞれ、すなわち複数の素子段のそれぞれにおける熱伝達率も考慮に入れた必要熱量によって、上記傾斜関係を設定することにより、圧力損失を低減する。流体的抵抗は、熱輸送媒体５の流れ方向における単位長さあたりの抵抗として評価される。
【００４２】
高い材料充填量、すなわち相対的に長い充填長さＬｘを有する第１素子と、低い材料充填量、すなわち相対的に短い充填長さＬｘを有する第２素子とよって、相対的な流体的抵抗に関する抵抗関係が規定される。この相対的な抵抗関係は、第１素子における流体的抵抗を相対的に低くし、第２素子における流体的抵抗を相対的に高くすることで規定される。言い換えると、第１素子よりも低温側に位置する第２素子における流体的抵抗を相対的に高く調整する。言い換えると、第２素子よりも高温側に位置する第１素子における流体的抵抗を相対的に低く調整する。
【００４３】
よって、複数の素子４１−４５は、通路における流体的抵抗が異なる少なくとも２つの素子を含む。相対的に流体的抵抗が低い素子は、相対的に流体的抵抗が高い素子より高温側に位置している。この関係は、抵抗関係と呼ばれる。よって、上記２つの素子は、抵抗関係を満たす。相対的に流体的抵抗が低い素子は、相対的に流体的抵抗が高い素子より高温側に位置している。この結果、高温側の素子における流体的抵抗が抑制され、圧力損失が低減される。
【００４４】
このような抵抗関係は、複数の素子４１−４５のすべてにおいても満たされる。よって、複数の素子４１−４５のすべては、抵抗関係を満たす。さらに、複数の素子４１−４５のすべては、抵抗関係および積関係の両方を満たす。相対的に流体的抵抗が低い素子は、相対的に積が大きい素子である。相対的に流体的抵抗が高い素子は、相対的に積が小さい素子である。
【００４５】
これにより、熱輸送媒体５を流すための熱輸送装置７における動力消費を抑制する。具体的には、熱輸送装置７において熱輸送媒体５を流すためのポンプの動力消費が抑制される。言い換えると、ＭＨＰ装置１としての動力消費が抑制される。この結果、ＭＨＰ装置１のＣＯＰが改善される。
【００４６】
流体的抵抗は、通路９の流れ方向、すなわち長手方向ＬＤにおける断面積を調整することによって調整されている。通路９の断面積は、複数の粒４ａ−４ｅの直径を調整することによって調整されている。複数の粒４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅの直径Ｄ４ａ、Ｄ４ｂ、Ｄ４ｃ、Ｄ４ｄ、Ｄ４ｅの間には、Ｄ４ａ＜Ｄ４ｂ＜Ｄ４ｃ＜Ｄ４ｄ＜Ｄ４ｅの関係がある。通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅの断面積は、粒４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅの直径に依存する。よって、複数の素子４１−４５の流体的抵抗は、素子を提供する複数の粒４ａ−４ｅの直径に依存している。通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅの断面積は、低温端１１から高温端１２に向けて徐々に増加する。言い換えると、通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅの流体的抵抗は、低温端１１から高温端１２に向けて徐々に低下する。言い換えると、通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅの熱伝達率は、低温端１１から高温端１２に向けて徐々に低下する。
【００４７】
図３は、ＭＣＥ素子４のひとつの素子における必要熱量Ｑ（Ｗ）、熱伝達率α（アルファ）（Ｗ／ｍＫ）、および圧力損失Ｐ（Ｐａ）を示すグラフである。この実施形態では、必要熱量Ｑを確保するように、カスケードの各段における熱伝達率αが設定されている。熱伝達率αは、流体的抵抗に対して正の相関を有している。よって、熱伝達率αが最適化されることにより、流体的抵抗が抑制される。これにより、ＭＨＰ装置１としての動力消費が抑制される。
【００４８】
図４は、ＭＣＥ素子４のひとつの素子における必要熱量Ｑを算出するための数式（１）を示す。なお、Ｑは必要熱量、αは各素子の熱伝達率、Ａは各素子の熱交換面積、ΔＴａｄは各素子の断熱温度変化、Δｘは各素子４１、４２、４３、４４、４５の材料充填長さＬｘ４１、Ｌｘ４２、Ｌｘ４３、Ｌｘ４４、Ｌｘ４５である。
【００４９】
図３に戻り、ＭＣＥ素子４の全体によって必要熱量Ｑを実現するために、カスケードの各素子の必要熱量Ｑが求められる。必要熱量Ｑは、低温端１１から高温端１２に向けて徐々に増加する。素子４１、４２、４３、４４、４５のそれぞれにおける必要熱量Ｑ４１、Ｑ４２、Ｑ４３、Ｑ４４、Ｑ４５は、Ｑ４１＜Ｑ４２＜Ｑ４３＜Ｑ４４＜Ｑ４５の増加関係に設定される。この必要熱量の増加は、上記の傾斜関係、増加関係を満足している。
【００５０】
材料充填量は、必要熱量Ｑに影響する主要な要因である。ここでは、材料充填量は、材料充填長さΔｘによって代表される。ここでは、上記必要熱量の増加関係を満たすように、材料充填長さΔｘが設定される。長い材料充填長さΔｘは、広い熱交換面積Ａを提供する。広い熱交換面積Ａは、低い熱伝達率αを許容する。図３の熱伝達率αは、許容される熱伝達率を示す。
【００５１】
ＭＣＥ素子４の各段において許容される熱伝達率αは、低温端１１から高温端１２に向けて減少する。許容される熱伝達率αの減少は、通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅの断面積が、低温端１１から高温端１２に向けて徐々に増加することを許容する。通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅの断面積の増加傾斜は、流体的抵抗の減少を与える。通路９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅの断面積の増加に伴う流体的抵抗の減少は、材料充填長さΔｘの増加に伴う流体的抵抗の増加と、少なくとも部分的に相殺され、全体として流体的抵抗の増加を抑制する。よって、複数の素子４１−４５における流体的抵抗は、複数の素子４１−４５に必要とされる必要熱交換量Ｑを提供するように熱伝達率αおよび／または熱交換面積Ａを調節するように設定されている。
【００５２】
この結果、この実施形態のＭＣＥ素子４の全体における圧力損失Ｐは、実線Ｐｅとなる。破線Ｐｃは、比較例の圧力損失を示す。比較例では、熱伝達率を考慮することなく、上記の傾斜関係だけを実現するように材料充填長さΔｘを変化させている。この結果、ＭＨＰ装置１のＣＯＰが改善される。
【００５３】
以上に述べた実施形態によると、カスケードにおける、磁気熱量的な性能と熱伝達性能との両方が調整された磁気熱量効果素子および磁気熱サイクル装置が提供される。しかも、カスケードにおける磁気熱量的な性能と、カスケードにおける熱伝達性能とが対応関係におかれる。すなわち、カスケードの各段における磁気熱量的な性能は、低温端１１から高温端１２に向けて増加関係におかれる。しかも、カスケードの各段における熱伝達性能は、低温端１１から高温端１２に向けて減少関係におかれる。さらに、この実施形態によると、高い冷凍効率（ＣＯＰ）を発揮する磁気熱量効果素子および磁気熱サイクル装置が提供される。
【００５４】
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、素子４１−４５を形成する粒４ａ−４ｅの直径を調節することによって、通路９ａ−９ｅの断面積を調整している。これに代えて、この実施形態では、ＭＣＥ素子４に形成される通路９自体の断面積を低温端１１から高温端１２に向けて増加させている。
【００５５】
図５に図示されるように、素子４１−４５のそれぞれは、対応する磁気熱量材料の成形体２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅによって提供されている。成形体２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅのそれぞれは、対応する通路２０９ａ、２０９ｂ、２０９ｃ、２０４９、２０９ｅを有している。複数の通路２０９ａ−２０９ｅのそれぞれは、異なる等価直径を有している。通路の等価直径は、流体力学上のひとつの指標である。等価直径は、等価内直径、または相当直径とも呼ばれる。等価直径は、低温端１１から高温端１２に向けて段階的に増加している。等価直径の増加は、熱伝達率αを減少させ、流体的抵抗の減少を生じる。この結果、ＭＨＰ装置１のＣＯＰが改善される。
【００５６】
図６は、ひとつの成形体２０４ａの斜視図を例示している。成形体２０４ａは、複数の磁気熱量材料の小片の積層体として提供することができる。通路２０９ａは、小片に形成された溝、または複数の小片の間の隙間によって提供することができる。等価直径は、２０９ａ−２０９ｅの高さに対応している。この実施形態では、複数の通路２０９ａ−２０９ｅの異なる等価直径は、小片の間の間隔、および／または溝の深さによって調整される。よって、複数の素子４１−４５の流体的抵抗は、通路２０９ａ−２０９ｅの等価直径に依存する。
別の観点では、素子４１の流体的抵抗は、複数の通路２０９ａの断面積の総和に依存しているとも言える。よって、複数の素子４１−４５の流体的抵抗は、複数の通路２０９ａ−２０９ｅの総断面積に依存している。断面積は、通路の高さと幅との積であるから、流体的抵抗は、高さ、および／または幅に依存するとも言える。
【００５７】
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、通路９ａ−９ｅ、または通路２０９ａ−２０９ｅの断面積を調整している。これに代えて、この実施形態では、熱交換要素としてのフィンを付加することにより、通路９自体の熱伝達率を調整している。
【００５８】
図７に図示されるように、素子４１−４５のそれぞれは、対応する磁気熱量材料の成形体３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ、３０４ｅによって提供されている。成形体３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄ、３０４ｅのそれぞれは、対応する通路３０９ａ、３０９ｂ、３０９ｃ、３０９ｄ、３０９ｅを有している。複数の通路３０９ａ−３０９ｅの全体は、複数のフィン３０９ｆを有している。複数のフィン３０９ｆは、素子４１−４５に分配されて配置されている。フィン３０９ｆの数は、素子４１−４５ごとに異なる。素子４１−４５ごとのフィン３０９ｆの数は、低温端１１から高温端１２に向けて段階的に減少している。熱交換要素（フィン３０９ｆ）の減少は、熱伝達率αを減少させ、流体的抵抗の減少を生じる。この結果、ＭＨＰ装置１のＣＯＰが改善される。
【００５９】
図８は、ひとつの成形体３０４ａの斜視図を例示している。成形体３０４ａは、複数の磁気熱量材料の小片の積層体として提供することができる。通路３０９ａは、小片に形成された溝、または複数の小片の間の隙間によって提供することができる。この実施形態では、小片は、複数の通路３０９ａ−３０９ｅへ突出するフィン３０９ｆを有する。フィン３０９ｆは、ＭＣＥ素子４自体によって提供されてもよい。フィン３０９ｆは、ＭＣＥ素子４とは異なる熱交換部材によって提供されてもよい。フィン３０９ｆは、例えば、通路３０９ａ−３０９ｅに付加された金属製のフィンによって提供されてもよい。また、フィン３０９ｆは、温度境界層の成長を妨げる多数の突起によって提供されてもよい。
【００６０】
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、通路９ａ−９ｅ、または通路２０９ａ−２０９ｅの断面積を調整している。これに代えて、この実施形態では、熱交換要素としてのディンプルを付加することにより、通路９自体の熱伝達率を調整している。
【００６１】
図９に図示されるように、素子４１−４５のそれぞれは、対応する磁気熱量材料の成形体４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄ、４０４ｅによって提供されている。成形体４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｃ、４０４ｄ、４０４ｅのそれぞれは、対応する通路４０９ａ、４０９ｂ、４０９ｃ、４０９ｄ、４０９ｅを有している。複数の通路４０９ａ−４０９ｅの全体は、複数のディンプル４０９ｆを有している。複数のディンプル４０９ｆは、素子４１−４５に分配されて配置されている。ディンプル４０９ｆの数は、素子４１−４５ごとに異なる。素子４１−４５ごとのディンプル４０９ｆの数は、低温端１１から高温端１２に向けて段階的に減少している。熱交換要素（ディンプル４０９ｆ）の減少は、熱伝達率αを減少させ、流体的抵抗の減少を生じる。この結果、ＭＨＰ装置１のＣＯＰが改善される。
【００６２】
図１０は、ひとつの成形体４０４ａの斜視図を例示している。成形体４０４ａは、複数の磁気熱量材料の小片の積層体として提供することができる。通路４０９ａは、小片に形成された溝、または複数の小片の間の隙間によって提供することができる。この実施形態では、小片は、複数の通路４０９ａ−４０９ｅから材料へ向けて凹状であるディンプル４０９ｆを有する。ディンプル４０９ｆは、ＭＣＥ素子４自体によって提供されている。
【００６３】
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、材料充填長さΔｘによって充填量を調節している。これに代えて、この実施形態では、カスケードにおける複数の素子４１、４２、４３、４４、４５は、互いに等しい材料充填長さＬｘ４を有する。ただし、複数の素子４１、４２、４３、４４、４５は、低温端１１から高温端１２に向けて増加する断面積を有している。これにより、カスケードにおける複数の素子４１、４２、４３、４４、４５の充填量は、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。さらに、この実施形態では、通路９の断面積を増加させることにより、通路９の熱伝達率を低温端１１から高温端１２に向けて減少させている。
【００６４】
図１１に図示されるように、素子４１−４５のそれぞれは、対応する磁気熱量材料の成形体５０４ａ、５０４ｂ、５０４ｃ、５０４ｄ、５０４ｅによって提供されている。成形体５０４ａ、５０４ｂ、５０４ｃ、５０４ｄ、５０４ｅのそれぞれは、対応する通路５０９ａ、５０９ｂ、５０９ｃ、５０９ｄ、５０９ｅを有している。複数の成形体５０４ａ−５０４ｅは、長さ方向ＬＤに対して直交する断面積、すなわち流れ方向に対して直交する断面積が、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。さらに、複数の通路５０９ａ−５０９ｅは、長さ方向ＬＤに対して直交する断面積、すなわち流れ方向に対して直交する断面積が、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。よって、複数の素子４１−４５の流体的抵抗は、通路５０９ａ−５０９ｅの断面積に依存する。断面積は、通路の高さと幅との積であるから、流体的抵抗は、高さ、および／または幅に依存するとも言える。通路９の断面積の増加は、流速の低下によって、熱伝達率αを減少させ、流体的抵抗の減少を生じる。また、追加的に、通路９の断面積の増加は、熱交換面積を増加させるから、熱交換量も増加する。これらの結果、ＭＨＰ装置１のＣＯＰが改善される。
【００６５】
第６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、ＭＣＥ素子４は、複数の成形体５０４ａ−５０４ｅによって提供されている。これに代えて、この実施形態では、ＭＣＥ素子４は、複数の粒６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ、６０４ｄ、６０４ｅの集合体によって提供されている。複数の素子４１、４２、４３、４４、４５は、互いに等しい材料充填長さＬｘ４を有する。ただし、複数の素子４１、４２、４３、４４、４５を形成する複数の粒の充填数は、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。
【００６６】
図１２に図示されるように、素子４１−４５のそれぞれは、対応する磁気熱量材料の粒６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ、６０４ｄ、６０４ｅの集合体として提供されている。複数の粒６０４ａ−６０４ｅは、互いに等しい直径を有する。ただし、複数の粒６０４ａ−６０４ｅの各段における充填数は、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。図示の例では、素子４１-４５のそれぞれは、ｎ個の粒６０４ａの集合体、ｎ＋３個の粒６０４ｂの集合体、ｎ＋５個の粒６０４ｃの集合体、ｎ＋７個の粒６０４ｄの集合体、ｎ＋９個の粒６０４ｅの集合体である。図中のハッチングは付加された粒を例示している。すなわち、カスケードの各段における充填数は、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。言い換えると、カスケードの各段における充填量は、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。
【００６７】
さらに、複数の粒６０４ａ−６０４ｅの各段における充填密度は、低温端１１から高温端１２に向けて低下している。この結果、複数の粒６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃ、６０４ｄ、６０４ｅは、それらの間に、通路６０９ａ、６０９ｂ、６０９ｃ、６０９ｄ、６０９ｅを有している。しかも、それら複数の通路の断面積は、通路６０９ａの断面積＜通路６０９ｂの断面積＜通路６０９ｃの断面積＜通路６０９ｄの断面積＜通路６０９ｅの断面積の関係である。言い換えると、カスケードの各段における通路の断面積は、低温端１１から高温端１２に向けて増加している。複数の通路６０９ａ−６０９ｅの断面積は、長さ方向ＬＤに対して直交する断面積、すなわち流れ方向に対して直交する断面積である。この結果、この実施形態でも、通路９の断面積の増加は、流速の低下によって、熱伝達率αを減少させ、流体的抵抗の減少を生じる。この結果、ＭＨＰ装置１のＣＯＰが改善される。
【００６８】
他の実施形態
この明細書および図面等における開示は、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。
【００６９】
明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。
【００７０】
上記実施形態では、フィン３０９ｆまたはディンプル４０９ｆが利用されている。これに代えて、フィン３０９ｆおよびディンプル４０９ｆの両方を利用してもよい。さらに、フィン３０９ｆおよび／またはディンプル４０９ｆが提供する熱交換要素は、他の実施形態にも利用可能である。例えば、第５実施形態の通路５０９ａ−ｅに、熱交換要素を併用してもよい。さらに、第１実施形態または第６実施形態の粒のそれぞれが、熱交換要素を備えていてもよい。
【符号の説明】
【００７１】
１  磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）、
２  ベッド、  ３  容器、  ３ａ  作業室、
４  磁気熱量効果素子（ＭＣＥ素子）、  ５  熱輸送媒体、
６  磁場変調装置（ＭＧＦＭ）、  ７  熱輸送装置（ＦＬＤＭ）、
８  空調装置（ＨＶＡＣ）、  ９  通路、  １０  制御装置、
１１  低温端、１２  高温端、４ａ−ｅ  粒、９ａ−ｅ  通路、
４１、４２、４３、４４、４５  素子、
２０４ａ−ｅ  成形体、２０９ａ−ｅ  通路、
３０４ａ−ｅ  成形体、３０９ａ−ｅ  通路、３０９ｆ  フィン、
４０４ａ−ｅ  成形体、４０９ａ−ｅ  通路、４０９ｆ  ディンプル、
５０３  容器、５０４ａ−ｅ  成形体、  ５０９ａ−ｅ  通路、
６０３  容器、６０４ａ−ｅ  成形体、  ６０９ａ−ｅ  通路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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