(57)【要約】【課題】省スペース化を図ることができる磁気冷凍装置を提供する。【解決手段】ベルト体２０は、表面に各電極２３，２４が設けられ、各電極２３，２４に電圧を印加すると磁力を発生する。各ローラ電極３０，３１は、各電極２３，２４に接触してベルト体２０に電圧を印加可能である。プーリ４０，４１は、ベルト体２０を各ローラ電極３０，３１に対して移動させることで各電極２３，２４と各ローラ電極３０，３１とを接触状態と非接触状態との間で切り替える。第１の熱交換器５０は、ベルト体２０の移動経路上における各電極２３，２４と各ローラ電極３０，３１とが非接触状態から接触状態へ切り替えられるベルト体２０の発熱位置に配置され、第２の熱交換器６０は、ベルト体２０の移動経路上における各電極２３，２４と各ローラ電極３０，３１とが接触状態から非接触状態へ切り替えられるベルト体２０の吸熱位置に配置されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に電極が設けられ、前記電極に電圧を印加すると磁力を発生する電磁体と、
前記電極に接触して前記電磁体に電圧を印加可能な電圧印加機構と、
前記電磁体を前記電圧印加機構に対して移動させることで前記電極と前記電圧印加機構とを接触状態と非接触状態との間で切り替える移動機構と、
前記電磁体の移動経路上における前記電極と前記電圧印加機構とが非接触状態から接触状態へ切り替えられる前記電磁体の発熱位置に配置され、前記電磁体と熱交換可能な第１の熱交換器と、
前記電磁体の移動経路上における前記電極と前記電圧印加機構とが接触状態から非接触状態へ切り替えられる前記電磁体の吸熱位置に配置され、前記電磁体と熱交換可能な第２の熱交換器と、
を備えることを特徴とする磁気冷凍装置。
【請求項２】
前記電磁体は、磁性半導体であることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷凍装置。
【請求項３】
前記電磁体を複数有し、複数の前記電磁体が連なって無端状のベルト体が構成され、前記移動機構は、前記ベルト体が掛装された複数のプーリにより構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示の磁気冷凍機を使用した空気調和装置においては、筒状の断熱容器内に磁気作業物質を断熱容器の軸心方向で移動自在に配置するとともに、断熱容器の外周部に電磁石を配置し、断熱容器内に蓄冷材を充填している。断熱容器の一端側を室内熱交換器側の蓄冷材循環配管途中に介装するとともに断熱容器の他端側を室外熱交換器側の蓄冷材循環配管途中に介装し、かつ、磁気冷凍サイクルの開始前に高温側蓄冷材と低温側蓄冷材との間に温度差を設けている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平３−７０９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、電磁石を断熱容器の外部に配置する必要があり、そのためのスペースが必要となっていた。
本発明の目的は、省スペース化を図ることができる磁気冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の発明では、表面に電極が設けられ、前記電極に電圧を印加すると磁力を発生する電磁体と、前記電極に接触して前記電磁体に電圧を印加可能な電圧印加機構と、前記電磁体を前記電圧印加機構に対して移動させることで前記電極と前記電圧印加機構とを接触状態と非接触状態との間で切り替える移動機構と、前記電磁体の移動経路上における前記電極と前記電圧印加機構とが非接触状態から接触状態へ切り替えられる前記電磁体の発熱位置に配置され、前記電磁体と熱交換可能な第１の熱交換器と、前記電磁体の移動経路上における前記電極と前記電圧印加機構とが接触状態から非接触状態へ切り替えられる前記電磁体の吸熱位置に配置され、前記電磁体と熱交換可能な第２の熱交換器と、を備えることを要旨とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、表面に電極が設けられた電磁体は、電圧印加機構により、電極に接触して電磁体に電圧を印加可能であり、電極に電圧が印加されると磁力を発生する。一方、移動機構により、電磁体を電圧印加機構に対して移動させることで電極と電圧印加機構とを接触状態と非接触状態との間で切り替えることができる。
【０００７】
そして、電磁体の移動経路上における電極と電圧印加機構とが非接触状態から接触状態へ切り替えられる電磁体の発熱位置に第１の熱交換器が配置され、第１の熱交換器において電磁体と熱交換が行われる。
【０００８】
また、電磁体の移動経路上における電極と電圧印加機構とが接触状態から非接触状態へ切り替えられる電磁体の吸熱位置に第２の熱交換器が配置され、第２の熱交換器において電磁体と熱交換が行われる。
【０００９】
従って、外部に電磁石を配置する必要がなく、そのためのスペースが不要となり省スペース化を図ることができる。
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の磁気冷凍装置において、前記電磁体は、磁性半導体であることを要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明によれば、電磁体を磁性半導体にて構成することができる。
請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の磁気冷凍装置において、前記電磁体を複数有し、複数の前記電磁体が連なって無端状のベルト体が構成され、前記移動機構は、前記ベルト体が掛装された複数のプーリにより構成されているようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態における磁気冷凍装置の概略正面図。
【図２】図１のＡ−Ａ線での磁気冷凍装置の概略断面図。
【図３】（ａ）は磁気冷凍装置の要部における概略側面図、（ｂ）は磁気冷凍装置の要部における概略正面図。
【図４】（ａ）は磁気冷凍装置の作用説明のための電源が入る前の状態図、（ｂ）は磁気冷凍装置の作用説明のための電源が入った時の状態図、（ｃ）は磁気冷凍装置の作用説明のための電源が切れた状態図。
【図５】磁気冷凍装置の要部を模式的に示す断面図。
【図６】（ａ）は別例の磁気冷凍装置における要部概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部を模式的に示す拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
【００１４】
エンジン車（エンジンを搭載した車両）には図１，２に示す磁気冷凍装置１０が搭載されている。磁気冷凍装置１０は、電磁体としてのベルト体２０と、電圧印加機構としての正極ローラ電極３０，負極ローラ電極３１と、移動機構としてのプーリ４０，４１と、第１の熱交換器５０と、第２の熱交換器６０を備える。一対のプーリ４０，４１に掛装されるベルト体２０は、図３に示すように無端状のベルト体である。ベルト体２０は、表面に各電極２３，２４が設けられ、各電極２３，２４に電圧を印加すると磁力を発生する。プーリ４０，４１の回転によりベルト体２０を各ローラ電極３０，３１に対して移動させることで各電極２３，２４と各ローラ電極３０，３１とを接触状態と非接触状態との間で切り替えることができるようになっている。
【００１５】
各ローラ電極３０，３１により各電極２３，２４に接触してベルト体２０に電圧を印加可能であり、ベルト体２０の移動に伴い、所定の位置に配置した一対の各ローラ電極（接触子）３０，３１を通して電圧印加と遮断が行われることにより、図４に示すように発熱と吸熱が繰り返される。
【００１６】
図５に示すように、ベルト体２０は、磁性半導体よりなる電気二重層型の電磁体である。磁性半導体としてのベルト体２０は、イオン液体２１と、コバルト添加酸化チタン２２との積層体により構成されている。イオン液体２１は陽イオンと陰イオンが常温で混ざっている液体である。イオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２とは絶縁体により区画された収容空間に配されている。ベルト体２０は、帯板状をなし、可撓性を有する。
【００１７】
図３に示すように、無端状のベルト体２０における内周面には正極電極２３が複数配置されるとともに外周面には負極電極２４が複数配置されている。正極電極２３は長方形の板状をなし、短辺がベルト体２０の幅に近い寸法である。同様に、負極電極２４は長方形の板状をなし、短辺がベルト体２０の幅に近い寸法である。
【００１８】
各正極電極２３はベルト体２０の長さ方向において一定の間隔をおいて離間して配置されている。同様に、各負極電極２４もベルト体２０の長さ方向において一定の間隔をおいて離間して配置されている。正極電極２３と負極電極２４とは対向するように配置されている。また、正極電極２３と負極電極２４は薄い金属箔等よりなり、可撓性を有している。
【００１９】
なお、ベルト体２０の長さ方向において隣り合う正極電極２３の間の部位にはゴム材（図示略）が配置され、正極電極２３の表面とゴム材の表面とは面一となっている。同様に、ベルト体２０の長さ方向において隣り合う負極電極２４の間の部位にはゴム材（図示略）が配置され、負極電極２４の表面とゴム材の表面とは面一となっている。
【００２０】
このようにして、ベルト体２０の内周側の表面には、ベルト外部電極としての正極電極２３がベルト体２０の延設方向において複数離間して配置されているとともに、ベルト体２０の外周側の表面には、ベルト外部電極としての負極電極２４がベルト体２０の延設方向において複数離間して配置されている。よって、図５に示すように、正極電極２３と負極電極２４との間に、イオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体が位置している。
【００２１】
そして、正極電極２３と負極電極２４との間に電圧を印加することにより、図５に示すベルト体２０におけるイオン液体（電気二重層）２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体（強磁性体）は磁化状態となる。一方、正極電極２３と負極電極２４との間の電圧印加を解除することにより、図５に示すベルト体２０におけるイオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体は消磁状態となる。
【００２２】
このようにして、磁性半導体としてのベルト体２０に対し磁化と消磁を切り替えるスイッチングを行うことができる。
一対のプーリ４０，４１のうちのプーリ４０が駆動用プーリであり、プーリ４１が従動用プーリである。プーリ４０とプーリ４１との間にはベルト体２０が掛装されている。
【００２３】
図１において、プーリ４０はエンジン４５のカムシャフト４６に連結されている。つまり、エンジン４５のクランクシャフト４７がタイミングベルト４８によりカムシャフト４６に連結され、クランクシャフト４７の回転駆動に伴いタイミングベルト４８を介してカムシャフト４６が回転駆動される。このカムシャフト４６の回転駆動に伴いプーリ４０が回転駆動される。プーリ４０の回転駆動に伴い、プーリ４０，４１に掛装されたベルト体２０が一方向に移動する（図２，３においてＡで示す矢印方向に移動する）。
【００２４】
なお、クランクシャフト４７とカムシャフト４６とはタイミングチェーンやタイミングギヤを介して連結されていてもよい。
プーリ４０とプーリ４１とに掛装されたベルト体２０における移動経路上に、図１，２に示すように、第１の熱交換器５０が配置されるとともにその下流側に第２の熱交換器６０が配置されている。第１の熱交換器５０をベルト体２０が通過するとともに第２の熱交換器６０をベルト体２０が通過する。
【００２５】
第１の熱交換器５０はラジエータ系の熱交換器である。第２の熱交換器６０はエアコン系の熱交換器である。ラジエータ系において、配管５１と第１の熱交換器５０とラジエータ５２を備えている。配管５１は、エンジン４５と第１の熱交換器５０とラジエータ５２とをつないでおり、エンジン冷却水をエンジン４５、ラジエータ５２、第１の熱交換器５０、そして再びエンジン４５に戻す経路を形成している。
【００２６】
また、エアコン系において、配管６１と第２の熱交換器６０と空気用熱交換器６２を備えている。配管６１は、第２の熱交換器６０と空気用熱交換器６２とをつないでおり、冷媒を空気用熱交換器６２、第２の熱交換器６０、そして再び空気用熱交換器６２に戻す経路を形成している。
【００２７】
また、ベルト体２０の移動経路上における第１の熱交換器５０の配置位置に各ローラ電極３０，３１が配置されている。各ローラ電極３０，３１のうち一方のローラ電極３０が正極ローラ電極であるとともに他方のローラ電極３１が負極ローラ電極である。各ローラ電極３０，３１は円筒状をなし、円筒の軸を中心にして回転可能となっている。
【００２８】
無端状のベルト体２０における内周側には正極ローラ電極３０が配置されるとともに外周側には負極ローラ電極３１が配置されている。正極ローラ電極３０と負極ローラ電極３１とはベルト体２０を挟むようにして配置されている。正極ローラ電極３０と負極ローラ電極３１とは互いに接近する方向に付勢されている。そして、ベルト体２０の移動に伴い正極ローラ電極３０においてはベルト体２０の内側と接触しながら回転するとともに負極ローラ電極３１においてはベルト体２０の外側と接触しながら回転する。これにより、ベルト体２０の移動に伴い正極ローラ電極３０は各正極電極２３と順に接触するとともに負極ローラ電極３１は各負極電極２４と順に接触する。
【００２９】
図４の電源（車載バッテリ）７０における正極端子が正極ローラ電極３０に接続されているとともに電源７０における負極端子が負極ローラ電極３１に接続されている。
第１の熱交換器５０の配置位置において各ローラ電極３０，３１によりベルト体２０に電圧が印加されて磁化が起こり、これが発熱プロセスとなる（図４（ｂ）参照）。
【００３０】
一方、第２の熱交換器６０の配置位置において各ローラ電極３０，３１からベルト体２０への電圧印加が行われずに消磁され、これが吸熱プロセスとなる（図４（ｃ）参照）。
このようにして、第１の熱交換器５０は、ベルト体２０の移動経路上における各電極２３，２４と各ローラ電極３０，３１とが非接触状態から接触状態へ切り替えられるベルト体２０の発熱位置に配置され、ベルト体２０と熱交換可能である。また、第２の熱交換器６０は、ベルト体２０の移動経路上における各電極２３，２４と各ローラ電極３０，３１とが接触状態から非接触状態へ切り替えられるベルト体２０の吸熱位置に配置され、ベルト体２０と熱交換可能である。
【００３１】
詳しくは、複数のプーリ４０，４１に無端状のベルト体２０が掛装されており、ベルト体２０は、移動可能に配置され、各ローラ電極３０，３１は、ベルト体２０の移動経路に対し固定配置されている。第１の熱交換器５０は、ベルト体２０が電圧印加機構（各ローラ電極３０，３１）に対して非接続状態から接続状態に切り替えられる位置に配置される。第２の熱交換器６０は、ベルト体２０が電圧印加機構（各ローラ電極３０，３１）に対して接続状態から非接続状態に切り替えられる位置に配置される。
【００３２】
次に、このように構成した磁気冷凍装置１０の作用について説明する。
プーリ４０とプーリ４１との間にはベルト体２０が掛装されている。そして、エンジン４５の駆動によりカムシャフト４６が回転する。カムシャフト４６の回転に伴ってプーリ４０が回転してベルト体２０が移動する。
【００３３】
図４（ａ）に示す状態は電源が入る前の状態である。この状態においては、各ローラ電極３０，３１と、ベルト体２０の表面に設けた電極（正極電極２３、負極電極２４）とは接しておらず、ベルト体２０におけるイオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体には電圧が印加されない。したがって、ベルト体２０におけるイオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体は消磁状態となる。
【００３４】
図４（ａ）に示す状態からベルト体２０の移動により、図４（ｂ）に示すようになる。図４（ｂ）に示す状態は電源が入った時の状態である。この状態においては、各ローラ電極３０，３１と、ベルト体２０の表面に設けた電極（正極電極２３、負極電極２４）とが接触する。これにより、電源オン状態となり、ベルト体２０におけるイオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体には電圧が印加されて磁化状態にされる。その結果、第１の熱交換器５０において発熱プロセスとなり、正極電極２３と負極電極２４とに挟まれた領域におけるベルト体２０（イオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体）においては発熱する。
【００３５】
ベルト体２０への電圧印加に切り替えられることによるベルト体２０の発熱に伴い第１の熱交換器５０において熱交換が行われる。即ち、ベルト体２０の熱は、第１の熱交換器５０において、エンジン冷却水と熱交換されてエンジン冷却水が加温される。そのエンジン冷却水はエンジン４５を通り、更に加熱され、ラジエータ５２で外気と熱交換されてエンジン冷却水は冷却され、再び第１の熱交換器５０に戻される。ラジエータ５２で加熱された空気は車両外部に排出される。
【００３６】
さらに図４（ｂ）に示す状態からベルト体２０の移動により、図４（ｃ）に示すようになる。図４（ｃ）に示す状態は電源が切れた状態である。この状態においては、各ローラ電極３０，３１と、ベルト体２０の表面に設けた電極（正極電極２３、負極電極２４）とが非接触状態となる。これにより、電源オフ状態となり、ベルト体２０におけるイオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体には電圧が印加されず消磁状態にされる。即ち、磁場がない状態となる。その結果、第２の熱交換器６０において吸熱プロセスとなり、正極電極２３と負極電極２４とに挟まれた領域におけるベルト体２０（イオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体）においては吸熱する。
【００３７】
ベルト体２０の電圧印加の遮断に切り替えられることによるベルト体２０の吸熱に伴い第２の熱交換器６０において熱交換が行われる。即ち、ベルト体２０の熱は、第２の熱交換器６０において、エアコン系の冷媒と熱交換されて冷媒が冷却される。その冷媒は空気用熱交換器６２で空気と熱交換されて、再び第２の熱交換器６０に戻される。空気用熱交換器６２で冷却された空気は空気吹出口から車室内に冷風として吹き出される。
【００３８】
このようにして、電磁体としてのベルト体（イオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体）２０が、プーリ４０，４１に掛装され、ベルト体２０の移動経路上に接触子としての各ローラ電極３０，３１が固定配置されている。そして、ベルト体２０の移動に連動して各ローラ電極３０，３１とベルト体側の各電極２３，２４との接触／非接触が切り替えられて磁化のスイッチング（オン／オフ）が行われる。
【００３９】
つまり、各ローラ電極３０，３１がベルト体側の各電極２３，２４と接触して電磁体に電圧印加される位置に配置された第１の熱交換器５０において加熱用流体経路で熱交換される。また、各ローラ電極３０，３１がベルト体側の各電極２３，２４と接触から非接触に切り替えられる位置（電磁体に電圧印加が遮断される位置）に配置された第２の熱交換器６０において冷却用流体経路で熱交換される。
【００４０】
以上のごとく本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）磁気冷凍装置１０の構成として、一対のプーリ４０，４１に掛装されるベルト体２０を用いて、ベルト体２０の移動に伴い、所定の位置に配置した一対の各ローラ電極３０，３１を通して電圧の印加と遮断が行われることにより、発熱と吸熱が繰り返される。
【００４１】
従って、電磁石を用いて電磁体を断熱消磁する場合に比べ、室温での電気的な磁性（磁力）のスイッチングにより電力を極力消費しないで断熱消磁冷凍を行うことができる。詳しくは、電磁石を用いる場合には通電によりコイルの抵抗成分が発熱し（ジュール熱が発生し）、電力消費が大きくなるが、本実施形態ではジュール熱が発生せずに電力消費が小さい。
【００４２】
また、従来での外部に電磁石を配置する必要がなく、各ローラ電極３０，３１のみであり、電磁石の設置のためのスペースが不要となり省スペース化を図ることができる。
また、外部の電磁石を置く必要が無く、スイッチング用の接触子（各ローラ電極３０，３１）は小さくすみ、また、形状のフレキシビリティに優れている。
【００４３】
（２）ベルト体２０（電磁体）は、移動可能に配置され、各ローラ電極３０，３１（電圧印加機構）は、ベルト体２０の移動経路に対し固定配置されているので、ベルト体２０と各ローラ電極３０，３１との相対移動が容易となる。
【００４４】
（３）電磁体は、磁性半導体であり、電磁体を磁性半導体にて構成することができる。
（４）電磁体は、無端状のベルト体２０よりなり、移動機構は、ベルト体２０が掛装された複数のプーリ４０，４１により構成されているので、複数のプーリ４０，４１に掛装された無端状のベルト体２０よりなる電磁体を容易に移動することができる。
【００４５】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・吸熱量を大きくしたい場合には、図６に示すように、ベルト体２０における積層するイオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２を一つの最小単位（セルＣ）として、これを、ベルト体２０の厚さ方向（Ｙ方向）と長手方向（Ｚ方向）に繰り返される構成としてもよい。なお、各セルＣ間は絶縁体により電気的に絶縁されている。
【００４６】
詳しくは、ベルト体２０の内部には図６（ｂ）中Ｙ方向に延びる配線材８０およびＺ方向に延びる配線材８１が設けられ、この配線材８０，８１により各セルＣにおいて正極電極２３と電気的に接続されている。同様に、ベルト体２０の内部には図６（ｂ）中Ｙ方向に延びる配線材９０およびＺ方向に延びる配線材９１が設けられ、この配線材９０，９１により各セルＣにおいて負極電極２４と電気的に接続されている。即ち、各セルＣにおいても、厚さ方向（Ｙ方向）において各ローラ電極３０，３１から電圧が印加される。
【００４７】
・ベルト体２０をタイミングベルトとして用いてもよい。つまり、ベルト体２０を、クランクシャフト４７とカムシャフト４６を連動させるベルトとして用いてもよい。
・エンジンにてベルト体２０を移動させる構成したが、モータ等にてベルト体２０を移動させる構成としてもよい。
【００４８】
・ベルト体２０をプーリ４０，４１に掛装してプーリ４０，４１の回転に伴ってベルト体２０を移動したが、これに代わり、円板の外周面に電磁体を配置して円板の回動にて電磁体を移動させてもよい。他にも、ピストン運動のように往復運動にて電磁体を移動させてもよい。
【００４９】
・接触子としての電極（各ローラ電極３０，３１）は円筒状をなしていたが、板状をなしていてもよい。具体的には、例えば、板材の一端側が固定され他端側が付勢された状態でベルト体２０に接触する構成とすることができる。
【００５０】
・電磁体を複数有し、複数の電磁体が連なって無端状のベルト体が構成され、移動機構は、ベルト体が掛装された複数のプーリにより構成されていてもよい。
・ベルト体２０（イオン液体２１とコバルト添加酸化チタン２２との積層体）に代わり、正極電極２３と負極電極２４との間の部材を電磁石としてもよい。
【００５１】
・車両の空調装置に適用したが、これに限るものではない。
【符号の説明】
【００５２】
１０…磁気冷凍装置、２０…ベルト体、２１…イオン液体、２２…コバルト添加酸化チタン、３０…正極ローラ電極、３１…負極ローラ電極、４０…プーリ、４１…プーリ、５０…第１の熱交換器、６０…第２の熱交換器。
【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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