(57)【要約】【課題】広い温度スパンを得ることができる線材を提供することである。【解決手段】磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料から構成された線材１２Ａの外面１２１は、当該線材１２Ａの径方向に凹んでいる凹部１２２、及び、前記径方向に突出する凸部１２３の少なくとも一方を、線材１２Ａの長手方向に沿って部分的に有している。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料から構成された線材であって、
前記線材の外面は、前記線材の径方向に凹んでいる凹部、及び、前記径方向に突出する凸部の少なくとも一方を、前記線材の長手方向に沿って部分的に有する線材。
【請求項２】
請求項１に記載の線材であって、
前記線材は、非円形の断面形状を有しており、
前記長手方向における一の位置での断面形状と、前記長手方向における他の位置での断面形状とが回転対称の関係を有する線材。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の線材であって、
前記線材は、非円形の断面形状を有しており、
前記線材は、前記線材の周方向に捻じられている線材。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の線材であって、
前記線材の断面形状は、楕円形、半円形、又は、ｎ角形（ｎは３〜８の自然数である）を含む線材。
【請求項５】
請求項１に記載の線材であって、
前記長手方向における一の位置での断面形状と、前記長手方向における他の位置での断面形状とが相違する線材。
【請求項６】
請求項１又は５に記載の線材であって、
前記長手方向における一の位置での断面積と、前記長手方向における他の位置での断面積とが相違する線材。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の線材であって、
前記線材は、前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方を有する円柱状の形状を有する線材。
【請求項８】
請求項５〜７のいずれか一項に記載の線材であって、
前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方は、前記線材の外面に形成された溝及び壁の少なくとも一方を含み、
前記溝及び前記壁の少なくとも一方の延在方向は、少なくとも前記線材の周方向を成分として含む線材。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか一項に記載の複数の線材を束ねて構成された集合体と、
前記集合体を収容するケースと、を備えた熱交換器。
【請求項１０】
請求項９に記載の少なくとも一つの熱交換器と、
前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、
配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、
前記磁場変更手段の動作に連動して前記熱交換器から前記第１又は前記第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置に用いられる線材、並びに、その線材を備えた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。
【背景技術】
【０００２】
圧力損失の増大を抑制するために、複数の線状の磁性体を、当該磁性体の長手方向と交差する方向に重ねて筒状のケースに挿入した熱交換器が知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−６４５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
磁気ヒートポンプ装置が定常状態に達すると、熱交換器の内部に温度勾配が発生し、熱交換器の高温端と低温端との間に一定の温度スパンが形成される。この温度スパンは広い方が好ましく、これにより磁気ヒートポンプの適用可能性が広がる。しかしながら、上記のような線状の磁性体は、粒状の磁性体と比較して、温度スパンが狭くなってしまう、という問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、広い温度スパンを得ることができる線材、並びに、その線材を備えた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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［１］本発明に係る線材は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料から構成された線材であって、前記線材の外面は、前記線材の径方向に凹んでいる凹部、及び、前記径方向に突出する凸部の少なくとも一方を、前記線材の長手方向に沿って部分的に有する線材である。
【０００７】
［２］上記発明において、前記線材は、非円形の断面形状を有しており、前記長手方向における一の位置での断面形状と、前記長手方向における他の位置での断面形状とが回転対称の関係を有してもよい。
【０００８】
［３］上記発明において、前記線材は、非円形の断面形状を有しており、前記線材は、前記線材の周方向に捻じられていてもよい。
【０００９】
［４］上記発明において、前記線材の断面形状は、楕円形、半円形、又は、ｎ角形（ｎは３〜８の自然数である）を含んでもよい。
【００１０】
［５］上記発明において、前記長手方向における一の位置での断面形状と、前記長手方向における他の位置での断面形状とが相違してもよい。
【００１１】
［６］上記発明において、前記長手方向における一の位置での断面積と、前記長手方向における他の位置での断面積とが相違してもよい。
【００１２】
［７］上記発明において、前記線材は、前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方を有する円柱状の形状を有してもよい。
【００１３】
［８］上記発明において、前記凹部及び前記凸部の少なくとも一方は、前記線材の外面に形成された溝及び壁の少なくとも一方を含み、前記溝及び前記壁の少なくとも一方の延在方向は、少なくとも前記線材の周方向を成分として含んでもよい。
【００１４】
［９］本発明に係る熱交換器は、上記の複数の線材を束ねて構成された集合体と、前記集合体を収容するケースと、を備えた熱交換器である。
【００１５】
［１０］上記発明において、前記ケースは、一方の端部に位置する第１の開口と、他方の端部に位置する第２の開口と、を有しており、前記第１の開口から前記第２の開口に向かう方向と、前記集合体の延在方向とが実質的に一致していてもよい。
【００１６】
［１１］本発明に係る磁気ヒートポンプ装置は、上記の少なくとも一つの熱交換器と、前記磁気熱量効果材料に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、前記磁場変更手段の動作に連動して前記熱交換器から前記第１又は前記第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、凹部及び凸部の少なくとも一方を、線材の外面が当該線材の長手方向に沿って部分的に有している。これにより、線材表面を流れる流体の流れが乱流となり、線材と流体の間の熱伝達率の向上を図ることができるので、広い温度スパンを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態におけ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】図２は、本発明の第１実施形態におけ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】図３は、本発明の第１実施形態におけるＭＣＭ熱交換の構成を示す分解斜視図である。
【図４】図４は、本発明の第１実施形態におけるＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿った断面図であり、図３のIV-IV線に沿った断面図である。
【図５】図５は、図４のV-V線に沿った断面図である。
【図６】図６は、本発明の第１実施形態における線材を示す斜視図である。
【図７】図７（Ａ）は、図６のVIIA-VIIA線に沿って切断した場合の端面図であり、図７（Ｂ）は、図６のVIIB-VIIB線に沿って切断した場合の端面図である。
【図８】図８は、図６のVIII-VIII線に沿って線材を切断した場合の端面図である。
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｌ）は、本発明の第１実施形態における線材の変形例を示す端面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第２実施形態における線材を示す側面図である。
【図１１】図１１（Ａ）は、図１０のXIA- XIA線に沿って切断した場合の断面図であり、図１１（Ｂ）は、図１０のXIB-XIB線に沿って切断した場合の断面図である。
【図１２】図１２は、図１０のXII-XII線に沿って線材を切断した場合の断面図である。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）は、本発明の第２実施形態における線材の変形例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
≪第１実施形態≫
図１及び図２は本発明の第１実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図、図３〜図５は本発明の第１実施形態におけるＭＣＭ熱交換器を示す図、図６〜図８は本発明の第１実施形態における線材を示す図である。図９（Ａ）〜図９（Ｌ）は本発明の第１実施形態における線材の変形例を示す断面図である。
【００２１】
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、回転ポンプ７０と、配管８１〜８４と、切替弁９０と、を備えている。
【００２２】
本実施形態における第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０が本発明における熱交換器の一例に相当し、本実施形態におけるピストン３０及び永久磁石４０が本発明における磁気変更手段の一例に相当し、低温側熱交換器５０及び高温側熱交換器６０が本発明における第１及び第２の外部熱交換器の一例に相当し、本実施形態における配管８１〜８４が本発明における配管の一例に相当し、本実施形態における回転ポンプ７０及び切替弁９０が本発明における流体供給手段の一例に相当する。
【００２３】
第１のＭＣＭ熱交換器１０は、図３〜図５に示すように、複数の線材１２Ａからなる集合体１１と、当該集合体１１が収容された筒状のケース（容器）１３と、ケース１３の両端に接続された端末部材１７，１８と、を備えている。なお、第１のＭＣＭ熱交換器１０と第２のＭＣＭ熱交換器２０は同一の構造を有しているので、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する。
【００２４】
本実施形態における線材１２Ａが本発明における線材の一例に相当し、本実施形態における集合体１１が本発明における集合体の一例に相当し、本実施形態におけるケース１３が本発明におけるケースの一例に相当する。
【００２５】
線材１２Ａは、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料（ＭＣＭ：Magnetocaloric Effect Material）から構成されている。このＭＣＭから構成される線材１２Ａ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１２Ａは発熱して温度が上昇する。一方、線材１２Ａ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１２Ａは吸熱して温度が低下する。
【００２６】
この線材１２Ａを構成するＭＣＭは、磁性体であれば特に限定されないが、例えば、１０℃〜３０℃程度の常温域にキュリー温度（キュリー点）を有し、常温域で高い磁気熱量効果を発揮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。
【００２７】
図６〜図７（Ｂ）に示すように、線材１２Ａは、当該線材１２Ａの長手方向に対して実質的に直交する方向に沿って切断した場合に、正方形の断面形状を有している。また、この線材１２Ａは、当該線材１２Ａの中心を回転軸として線材１２Ａの両端に逆方向に回転させることで、線材１２Ａの周方向に捻じられている。なお、本実施形態における「正方形の断面形状」には、捻じり加工による若干の変形を伴うもの（例えば、捻じり加工に伴って辺が内側に向かって曲線状に若干凹んでいるもの等）も含む。また、線材１２Ａの形成方法は、直線状の線材に対して捻じり加工を行うことに限定されない。例えば、金型等を用いて直線状の線材を捻じられた形状にプレス加工や圧延加工したり、或いは、線材を捻じられた形状に押出成形してもよい。
【００２８】
このように、本実施形態では線材１２Ａが捻じられているため、図８に示すように、当該線材１２Ａの外面１２１は、凹部１２２と凸部１２３を線材１２Ａの長手方向に沿って部分的に有している。すなわち、本実施形態では、線材１２Ａは、当該線材１２Ａの長手方向に沿って切断した場合に、その外面１２１に凹部１２２と凸部１２３が部分的に形成された断面形状を有している。凸部１２３は、線材１２Ａの稜線によって形成されており、線材１２Ａの径方向に突出している。これに対し、凹部１２２は、線材１２Ａの稜線間の面によって形成されており、線材１２Ａの径方向に凹んでいる。本実施形態では、線材１２Ａを捻じることで凹部１２２と凸部１２３が形成されているため、線材１２Ａの長手方向に沿って、凹部１２２と凸部１２３とが周期的に交互に配置されている。なお、図８は、線材１２Ａの長手方向に沿って切断した場合の端面図である。
【００２９】
また、本実施形態では、正方形の断面形状（すなわち非円形の断面形状）を有する線材１２Ａが捻じられているため、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示すように、長手方向における一の位置（例えば、図６におけるVIIA-VIIA線）での断面形状と、長手方向における他の位置（例えば、図６におけるVIIB-VIIB線）での断面形状とが回転対称の関係を有している。なお、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、線材１２Ａの長手方向に対して実質的に直交する方向に沿って切断した場合の端面図である。
【００３０】
特に限定されないが、線材１２Ａは、当該線材１２Ａの矩形の断面形状が外接する外接円の直径が０．０５ｍｍ〜３ｍｍ程度である直径を有していることが好ましい。また、特に限定されないが、線材１２Ａの捻じりのピッチＰは、線材１２Ａの外接円の直径に対して１０倍〜５０倍程度であることが好ましい。
【００３１】
なお、線材の断面形状は、非円形（すなわち真円以外の形状）であれば、特に上記の正方形に限定されない。
【００３２】
例えば、図９（Ａ）に示すように、線材１２Ａａが楕円形の断面形状を有していてもよい。この場合には、円形の断面形状を有する線材を潰した後に捻じり加工を行うだけで線材１２Ａａを作ることができるので、線材の製造容易化を図ることができる。なお、本実施形態における「楕円形の断面形状」には、捻じり加工による若干の変形を伴うものも含む。
【００３３】
或いは、図９（Ｂ）に示すように、線材１２Ａｂが半円形の断面形状を有していてもよい。この場合には、急冷ロール法により線材を形成した後に捻じり加工を行うだけで線材１２Ａｂを作ることができので、線材１２Ａｂの製造容易化を図ることができる。なお、本実施形態における「半円形の断面形状」には、捻じり加工による若干の変形を伴うものも含む。
【００３４】
或いは、図９（Ｃ）〜図９（Ｆ）に示すように、線材１２Ａｃ〜１２Ａｆがｎ角形の断面形状を有してもよい。但し、ｎは３〜８の自然数である。なお、線材の断面形状は、正ｎ角形に限定されない。例えば、図９（Ｇ）に示すように、線材１２Ａｇが長方形の断面形状を有してもよい。或いは、図９（Ｈ）に示すように、線材１２Ａｈが台形の断面形状を有してもよいし、特に図示しないが、線材が平行四辺形や菱形の断面形状を有してもよい。なお、本実施形態における「ｎ角形の断面形状」には、捻じり加工による若干の変形を伴うもの（例えば、捻じり加工に伴って辺が内側に向かって曲線状に若干凹んでいるもの等）も含む。
【００３５】
或いは、図９（Ｉ）に示すように、線材１２Ａｉが十字型の断面形状を有してもよいし、図９（Ｊ）〜図９（Ｌ）に示すように、線材１２Ａｊ〜１２Ａｌが星形の断面形状を有してもよい。図９（Ｉ）〜図９（Ｌ）に示す線材１２Ａｉ〜１２Ａｌの断面形状は、内側に向かって凹んでいる部分を有しているため、線材表面で生じる流体の乱流を一層強めることができる。なお、本実施形態における「星形の断面形状」には、捻じり加工による若干の変形を伴うものも含む。
【００３６】
集合体１１は、線材１２Ａを複数束ねることで構成されている。複数の線材１２Ａは、線材１２Ａの長手方向に対して交差する方向に束ねられている（重ねられている）。換言すれば、線材１２Ａの側面同士が接触するように、複数の線材１２Ａが相互に隣接している。この際、上述のように、線材１２Ａは非円形の断面形状を有していると共に捻じられているため、線材１２Ａの側面同士の間には流路１１１（図５参照）が形成されている。なお、集合体１１を構成する複数の線材１２は、実質的に同一の線径のものを用いてもよいし、相互に異なる線径のものが混在していてもよい。また、理解を容易にするために、図３〜図５では、実際よりも少ない本数の線材１２Ａで集合体１１が構成されているが、実際には、集合体１１は数千本〜数万本の線材１２Ａから構成されている。
【００３７】
なお、図３〜図５に示す集合体１１は、複数の線材１２Ａを単に束ねることで構成されているが、集合体の構成は特にこれに限定されない。特に図示しないが、例えば、複数の線材を相互に撚り合わせることで集合体を構成してもよい。或いは、数本の線材を撚り合わせることで個々の撚線を構成し、当該複数の撚線を相互に束ねることで集合体を構成してもよい。すなわち、本実施形態における「複数の線材を束ねて構成される集合体」は、「撚線」も含む。
【００３８】
線材の撚り合わせ方としては、例えば、集合撚り、同心撚り、複合撚り等を例示することができる。集合撚りとは、複数の線材を一纏めにして、これらを集合体の軸を中心に同一方向に撚り合わせる撚り方である。同心撚りとは、芯線を中心として当該芯線の周りに複数の線材に同心円状を撚り合わせる撚り方である。複合撚りとは、複数の線材を同心撚り又は集合撚りに撚り合わせた子撚線を、さらに同心撚り又は集合撚りに撚り合わせる撚り方である。
【００３９】
集合体１１を収容するケース１３は、図３〜図５に示すように、収容部１４と蓋部１５を備えており、断面矩形の筒型の形状を有している。このケース１３は、その一方の端部に第１の開口１３１を有していると共に、その他方の端部に第２の開口１３２を有している。
【００４０】
収容部１４は、ケース１３の底板を構成する底部１４１と、ケース１３の両側の側壁を構成する一対の側部１４２，１４３と、を備えている。一対の側部１４２，１４３の上端の間に開口１４４が形成されており、その結果、収容部１４は、その軸方向に対して実質的に直交する方向に沿った断面において、コ字状（略Ｕ字状）の断面形状を有している。
【００４１】
蓋部１５は、矩形板状の部材である。図３〜図５に示すように、この蓋部１５が一対の側部１４２，１４３の上端に固定されている。収容部１４の開口１４４が蓋部１５により閉塞されることで、ケース１３が形成されている。
【００４２】
集合体１１は、当該集合体１１を構成する線材１２Ａの長手方向（集合体１１の延在方向（長手方向））と、ケース１３の軸方向（第１の開口１３１から第２の開口１３２に向かう方向）とが実質的に一致するように、ケース１３内に収容されている。また、第１及び第２の開口１３１，１３２の中心は、集合体１１の中心に対して実質的に同軸上に位置している。そして、集合体１１を構成する線材１２Ａ同士の間には、流路１１１が形成されている（図５参照）。
【００４３】
図３及び図４に示すように、ケース１３の一方の端部が第１の端末部材１７に挿入されており、第１の端末部材１７がケース１３に固定されている。また、ケース１３の他方の端部が第２の端末部材１８に挿入されており、第２の端末部材１８がケース１３に固定されている。この第１及び第２の端末部材（連結部材）１７，１８としては、例えば、熱収縮チューブ、樹脂成型品、金属加工品等を用いることができる。
【００４４】
第１の端末部材１７は、ケース１３の第１の開口１３１よりも小さな第１の連結口１７１を有している。図１に示すように、この第１の連結口１７１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の端末部材１８も、第２の開口１３２よりも小さな第２の連結口１８１を有している。この第２の連結口１８１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１７１，１８１の中心は、集合体１１の中心と同軸上に位置している。
【００４５】
同様に、第２のＭＣＭ熱交換器２０のケース２３にも集合体２１が収容されており（図２参照）、この集合体２１も線材２２Ａを複数束ねることで構成されている。そして、第１のＭＣＭ熱交換器１０と同様、ケース２３の一方の端部が第１の端末部材に挿入され、第１の端末部材がケース２３に固定されている。また、当該ケース２３の他方の端部が第２の端末部材に挿入され、第２の端末部材がケース２３に固定されている。この第２のＭＣＭ熱交換器２０は、第１の端末部材の第１の連結口２７１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２の端末部材の第２の連結口２８１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。
【００４６】
なお、第２のＭＣＭ熱交換器２０の線材２２Ａは、第１のＭＣＭ熱交換器１０の線材１２Ａと同じ構成を有している。また、第２のＭＣＭ熱交換器２０のケース２３も、第１のＭＣＭ熱交換器１０のケース１３と同じ構成を有しており、第２のＭＣＭ熱交換器２０の端末部材も、第１のＭＣＭ熱交換器１０の端末部材１７，１８と同じ構成を有している。
【００４７】
例えば、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。
【００４８】
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には、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。
【００４９】
以上のように、２つの低温側配管８１，８２と２つの高温側配管８３，８４によって、４つの熱交換器１０，２０，５０，６０を含む循環路が形成されており、回転ポンプ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、または、これらの混合物等の液体を例示することができる。本実施形態における液体媒体が、本発明における流体の一例に相当する。
【００５０】
２つの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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。或いは、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、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、ＭＣＭ熱交換器１０，２０の線材１２Ａ，２２Ａに対する磁場の印加／除去に代えて、線材１２Ａ，２２Ａに印加した磁場の大きさを変更するようにしてもよい。
【００５３】
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、回転ポンプ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に切り替えることが可能となっている。
【００５４】
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、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００５５】
先ず、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１２Ａ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２２が着磁されて温度が上昇する。
【００５６】
これと同時に、切替弁９０によって、回転ポンプ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→回転ポンプ７０からなる第１の経路が形成される。
【００５７】
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１２Ａ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。この際、第１のＭＣＭ熱交換器１０の内部において、線材１２Ａ同士の間に形成された流路１１１を液体媒体が通過して線材１２Ａと接触することで、当該液体媒体が線材１２Ａによって冷却される。
【００５８】
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２２Ａ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。この際、第２のＭＣＭ熱交換器２０の内部において、線材２２Ａ同士の間に形成された流路を液体媒体が通過して線材２２Ａと接触することで、当該液体媒体が線材２２Ａによって加熱される。
【００５９】
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１２Ａ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２２Ａが消磁されて温度が低下する。
【００６０】
これと同時に、切替弁９０によって、回転ポンプ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→回転ポンプ７０からなる第２の経路が形成される。
【００６１】
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２２Ａ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。この際、第２のＭＣＭ熱交換器２０の内部において、線材２２Ａ同士の間に形成された流路を液体媒体が通過して線材２２Ａと接触することで、当該液体媒体が線材２２Ａによって冷却される。
【００６２】
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１２Ａ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。この際、第１のＭＣＭ熱交換器１０の内部において、線材１２Ａ同士の間に形成された第１の流路１１１を液体媒体が通過して線材１２Ａと接触することで、当該液体媒体が線材１２Ａによって加熱される。
【００６３】
以上に説明したサイクルを繰り返すと、磁気熱量効果により生成された冷熱は集合体１１，２１自体に蓄えられ、高温側配管と連結された側が高温となり、低温側配管と連結された側が低温となる。そして、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０内に温度勾配が生じ、定常状態に至ると高温端と低温端との間に一定の温度スパンΔＴが生成される。因みに、この温度スパンΔＴは、下記の（１）式で表される。但し、下記の（１）式において、Ｔｈは定常状態における高温端の温度であり、Ｔｌは定常状態における低温端の温度である。
【００６４】
【数１】
2019035526.tif 000003
【００６５】
ここで、磁気熱量効果材料の単位表面積から液体媒体に移動する単位時間当たりの熱量Δｑは、下記の（２）式で表される。但し、下記の（２）式において、ｈは熱交換率であり、Ｔｓは磁気熱量効果材料の表面温度であり、Ｔｆは液体媒体の温度である。
【００６６】
【数２】
2019035526.tif 000004
【００６７】
そして、上記のサイクルの繰り返しにより温度スパンΔＴが一定となった状態（温度スパンΔＴが飽和した状態）は、上記の（２）式の熱量Δｑが十分に小さくなり、１サイクル当たりの冷媒温度Ｔｆの変化ΔＴｆがなくなった状態である。従って、上記の（１）式によれば、温度スパンΔＴの大きさは、熱伝達率ｈの大きさに依存する。
【００６８】
ところで、一般的に、上記の（２）式における熱交換率ｈは、磁気熱量効果材料の形状や充填方法によって決定されるが、粒状や線状等の一部の形状については、ヌセルト数Ｎｕによって熱交換率ｈが定式化されている。すなわち、ヌセルト数Ｎｕが大きい場合には、熱伝達率ｈも大きいと見做すことができる。そして、液体媒体を同じ速度で流した場合、粒材のヌセルト数Ｎｕ１は下記の（３）式で表すことができ、線材のヌセルト数Ｎｕ２は、下記の（４）式で表すことができる。但し、下記の（３）及び（４）式において、Ｒｅはレイノルズ数であり、Ｐｒはプラントル数である。
【００６９】
【数３】
2019035526.tif 000005
【００７０】
【数４】
2019035526.tif 000006
【００７１】
上記の（３）及び（４）式によれば、線材のヌセルト数Ｎｕ２は、粒材のヌセルト数Ｎｕ１よりも小さいため、線材の方が粒材よりも熱伝達率が低いことが分かる。すなわち、捻じっていない線材は、粒材と比較して温度スパンΔＴが狭くなる。なお、上記の（４）式に示すヌセルト数Ｎｕ２は、線材表面を流れる液体冷媒の流れが層流であり、且つ、線材表面と液体冷媒との間の熱交換は自然対流によって行われるという条件で計算されたものである。
【００７２】
これに対し、本実施形態では、凹部１２２及び凸部１２３を、線材１２Ａの外面１２１が当該線材１２Ａの長手方向に沿って部分的に有している。これにより、線材１２Ａの表面を流れる液体媒体が凹部１２２や凸部１２３に衝突し撹拌され強制対流が生じ、液体媒体の流れが乱流となる。このため、線材１２Ａと液体媒体の間の熱伝達率を高めることができるので、広い温度スパンを得ることが可能となる。
【００７３】
<<第２実施形態>>
図１０〜図１２は本発明の第２実施形態における線材を示す斜視図、図１３（ａ）〜図１３（ｅ）は本発明の第２実施形態における線材の変形例を示す側面図である。本実施形態では、線材の構成が第１実施形態と相違するが、それ以外の構成は第１実施形態と同様である。以下に第２実施形態について第１実施形態との相違点についてのみ説明し、第１実施形態と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７４】
本実施形態における線材１２Ｂは、図１０〜図１１（Ｂ）に示すように、当該線材１２Ｂの長手方向に対して実質的に直交する方向に沿って切断した場合に、円形の断面形状を有している。また、この線材１２Ｂには、周方向に沿って延在する溝１２４が形成されており、この溝１２４は線材１２Ｂの全周に亘って設けられている。すなわち、本実施形態における線材１２Ｂは、複数の環状の溝１２４が形成された円柱状の形状を有している。同図に示すように、本実施形態では、複数の溝１２４が線材１２Ｂの長手方向に沿って実質的に均等な間隔で配置されているが、特にこれに限定されない。本実施形態における線材１２Ｂは、例えば、線材に対して切削加工、プレス加工や圧延加工を施すことで形成されている。
【００７５】
このように、本実施形態では、線材１２Ｂに溝１２４が形成されているため、図１２に示すように、当該線材１２Ｂの外面１２１は、凹部１２２を線材１２Ｂの長手方向に沿って部分的に有している。すなわち、本実施形態では、線材１２Ｂは、当該線材１２Ｂの長手方向に沿って切断した場合に、その外面１２１に凹部１２２を部分的に有する断面形状を有している。なお、図１２は、線材１２Ｂの長手方向に沿って切断した場合の断面図である。
【００７６】
また、本実施形態では、線材１２Ｂに溝１２４が形成されているため、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、長手方向における一の位置（例えば、図１０におけるXIA-XIA線）での断面積と、長手方向における他の位置（例えば、図１０におけるXIB-XIB線）での断面積とが相違している。また、本実施形態では、線材１２Ｂに溝１２４が形成されているため、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、長手方向における一の位置（例えば、図１０におけるXIA-XIA線）での断面形状と、長手方向における他の位置（例えば、図１０におけるXIB-XIB線）での断面形状とが相違している。なお、図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）は、線材１２Ｂの長手方向に対して実質的に直交する方向に沿って切断した場合の断面図である。
【００７７】
このように、本実施形態では、第１実施形態と同様に、凹部１２２を、線材１２Ｂの外面１２１が当該線材１２Ｂの長手方向に沿って部分的に有している。これにより、線材１２Ｂの表面を流れる液体媒体が凹部１２２に衝突し撹拌され強制対流が生じ、液体媒体の流れが乱流となる。このため、線材１２Ｂと液体媒体の間の熱伝達率を高めることができるので、広い温度スパンを得ることが可能となる。
【００７８】
なお、線材の形状は、特に上記に限定されない。例えば、図１３（Ａ）に示すように、線材１２Ｂａが、螺旋状の溝１２４が形成された円柱状の形状を有してもよい。この螺旋状の溝１２４の延在方向は、当該線材１２Ｂａの周方向を一つの成分として含んでいる。或いは、図１３（Ｂ）に示すように、線材１２Ｂｂが、周方向に部分的に形成された複数の溝１２４を有する円柱状の形状を有してもよい。
【００７９】
或いは、図１３（Ｃ）に示すように、線材１２Ｂｃが、複数の環状の壁１２５が形成された円柱状の形状を有してもよい。或いは、図１３（Ｄ）に示すように、線材１２Ｂｄが、螺旋状の壁１２５が形成された円柱状の形状を有してもよい。この螺旋状の壁１２５の延在方向は、当該線材１２Ｂｄの周方向を一つの成分として含んでいる。或いは、図１３（Ｅ）に示すように、線材１２Ｂｅが、周方向に部分的に形成された複数の壁１２５を有する円柱状の形状を有してもよい。
【００８０】
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。したがって、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。
【００８１】
上述した磁気ヒートポンプ装置の構成は一例であり、本発明に係る熱交換器をＡＭＲ（Active Magnetic Refrigerataion）方式の他の磁気ヒートポンプ装置に適用してもよい。
【００８２】
例えば、磁気ヒートポンプ装置が、一つのＭＣＭ熱交換器と、当該ＭＣＭに磁場を印加すると共に磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介してＭＣＭ熱交換器にそれぞれ接続された第１及び第２の外部熱交換器と、磁場変更手段の動作に連動してＭＣＭ熱交換器から第１又は第２の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えてもよい。また、上述の実施形態では、回転ポンプ７０及び切替弁９０を用いて、液体媒体の流通方向を切り替えたが、回転ポンプ７０及び切替弁９０に代えて、往復ポンプを用いてもよい。
【００８３】
また、上述の実施形態では、磁気ヒートポンプ装置を家庭用或いは自動車等の空気調和装置に適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、用途に応じた適切なキュリー温度を有するＭＣＭを選定することで、冷凍機のような極低温域での用途、或いは、ある程度高温域での用途に、本発明に係る磁気ヒートポンプ装置を適用してもよい。
【００８４】
また、本実施形態では、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０が同一の構成を有しているが、特にこれに限定されず、これらが異なる構成を有してもよい。例えば、第１及び第２のＭＣＭ熱交換器１０，２０の間で、異なる線径の線材を用いてもよい。また、線材の捻じりのピッチが、相互に異なっていてもよい。
【００８５】
また、本実施形態では、ＭＣＭ熱交換器は、単一の集合体によって構成していたが、特にこれに限定されず、複数の集合体を当該ＭＣＭ熱交換器の延在方向に沿って並設して構成してもよい。この場合、複数の集合体は、相互に同一の構成を有していてもよいし、異なる構成を有していてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１…磁気ヒートポンプ装置
１０…第１のＭＣＭ熱交換器
１１…集合体
１１１…流路
１２Ａ，１２Ａａ〜１２Ａｌ，１２Ｂ，１２Ｂａ〜１２Ｂｅ…線材
１２２…凹部
１２３…凸部
１２４…溝
１２５…壁
１３…ケース
１３１…第１の開口
１３２…第２の開口
１４…収容部
１４１…底部
１４２，１４３…側部
１４４…開口
１５…蓋部
１７…第１の端末部材
１７１…第１の連結口
１８…第２の端末部材
１８１…第２の連結口
２０…第２のＭＣＭ熱交換器
２１…集合体
２２Ａ…線材
２３…ケース
２７１…第１の連結口
２８１…第２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…回転ポンプ
８１〜８２…第１〜第２の低温側配管
８３〜８４…第３〜第４の高温側配管
９０…切替弁
【図１】
2019035526.tif 000007
【図２】
2019035526.tif 000008
【図３】
2019035526.tif 000009
【図４】
2019035526.tif 000010
【図５】
2019035526.tif 000011
【図６】
2019035526.tif 000012
【図７】
2019035526.tif 000013
【図８】
2019035526.tif 000014
【図９】
2019035526.tif 000015
【図１０】
2019035526.tif 000016
【図１１】
2019035526.tif 000017
【図１２】
2019035526.tif 000018
【図１３】
2019035526.tif 000019