(57)【要約】【課題】サイクル効率を向上することが可能な磁気ヒートポンプ装置を提供すること。【解決手段】装置は、磁気熱量素子１２と容器２１と磁場変調装置と熱輸送装置とを備える。容器２１には、磁気熱量素子１２が配置される作業室１１が形成されている。熱輸送装置は、作業室１１内部に形成した媒体流路１２０において、磁気熱量素子１２に高温端と低温端とを生成するように、磁気熱量素子１２と熱交換する熱輸送媒体を往復移動させる。そして、磁気熱量素子１２の素子熱容量と媒体流路１２０を満たす熱輸送媒体の媒体熱容量とを近似させるように、作業室１１に配置される磁気熱量素子１２の容積が設定されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、２１２、３１２）と、
前記磁気熱量素子が配置される作業室（１１）が形成された容器（２１）と、
前記磁気熱量素子に印加される前記外部磁場を変調する磁場変調装置（１３）と、
前記作業室の内部に形成した媒体流路（１２０）において、前記磁気熱量素子に高温端と低温端とを生成するように、前記磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を往復移動させる熱輸送装置（１４）と、を備え、
前記磁気熱量素子の素子熱容量と前記媒体流路を満たす前記熱輸送媒体の媒体熱容量との比に基づいて、前記作業室に配置される前記磁気熱量素子の容積が設定された磁気ヒートポンプ装置。
【請求項２】
前記媒体流路は、前記熱輸送媒体が前記磁気熱量素子の内部を流れるように形成された内部流路を有しており、
前記磁気熱量素子（１２）は、前記内部流路を区画する板状の区画壁部（１２Ｗ）を備えており、
前記内部流路の等価半径が、前記磁気熱量素子から前記熱輸送媒体への熱浸透距離以下となるように設定され、
前記区画壁部の板厚が、前記内部流路の等価直径以下に設定された請求項１に記載の磁気ヒートポンプ装置。
【請求項３】
前記媒体流路は、前記熱輸送媒体が前記磁気熱量素子の内部を流れるように形成された内部流路を有しており、
前記磁気熱量素子（１２）は、前記内部流路を区画する板状の区画壁部（１２Ｗ）を備えており、
前記区画壁部は、前記熱輸送媒体の往復移動方向に延びて互いに平行に並設された複数の平板部（１２１１）を有し、互いに隣り合う前記平板部の間に前記内部流路が形成されており、
前記内部流路の等価半径が、前記磁気熱量素子から前記熱輸送媒体への熱浸透距離以下となるように設定され、
前記平板部の板厚が、前記平板部の並設方向における前記内部流路の高さ寸法の０．４５倍〜１．５５倍に設定された請求項１に記載の磁気ヒートポンプ装置。
【請求項４】
前記媒体流路は、前記熱輸送媒体が前記磁気熱量素子の内部を流れるように形成された内部流路を有し、
前記内部流路の等価半径が、前記磁気熱量素子から前記熱輸送媒体への熱浸透距離以下となるように設定されており、
前記磁気熱量素子（２１２、３１２）の体積比熱を、前記熱輸送媒体の体積比熱よりも小さく設定した請求項１に記載の磁気ヒートポンプ装置。
【請求項５】
前記磁気熱量素子（２１２）は、磁気熱量効果材と前記磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材とが混合された成形材からなる請求項４に記載の磁気ヒートポンプ装置。
【請求項６】
前記磁気熱量素子（３１２）は、磁気熱量効果材からなる粒子（３１２１）と前記磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材からなる粒子（３１２２）とを混在させて前記作業室に充填してなる請求項４に記載の磁気ヒートポンプ装置。
【請求項７】
前記熱輸送媒体は、水または不凍成分が溶解した水溶液である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の磁気ヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示される技術は、磁気熱量効果型のヒートポンプ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、磁気熱量素子の磁気熱量効果を利用する磁気ヒートポンプ装置が知られている。このような装置は、磁気熱量素子と、容器と、磁場変調装置と、熱輸送装置とを備えている。容器が形成する作業室には、磁気熱量素子が配置されている。磁場変調装置は、磁気熱量素子に印加する外部磁場を変調する。熱輸送装置は、作業室に高温端と低温端とを生成するように、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を、外部磁場の変調に同期して作業室の内部で往復移動させる。作業室に配置される磁気熱量素子として、多数の球形の磁気熱量粒子を作業室に充填してなるものが知られている。このような装置は、例えば下記特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１６−５３０４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術の装置では、磁気熱サイクルの効率が比較的低く、高効率が得難いという不具合を発生する。本発明者は鋭意検討を行ない、磁気熱量素子が発生する温熱や冷熱が大きくても熱輸送媒体に伝わり難く、熱量が磁気熱量素子内に留まることが不具合の原因であることを見出した。これにより、作業室内の磁気熱量効果材を単に増量するのではなく適正量とすることで、磁気熱サイクルの効率を向上することが可能であることを見出した。
【０００５】
ここに開示される技術は、上記点に鑑みてなされたものであり、サイクル効率を向上することが可能な磁気ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、開示される磁気ヒートポンプ装置では、
外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる磁気熱量素子（１２、２１２、３１２）と、
磁気熱量素子が配置される作業室（１１）が形成された容器（２１）と、
磁気熱量素子に印加される外部磁場を変調する磁場変調装置（１３）と、
作業室の内部に形成した媒体流路（１２０）において、磁気熱量素子に高温端と低温端とを生成するように、磁気熱量素子と熱交換する熱輸送媒体を往復移動させる熱輸送装置（１４）と、を備え、
磁気熱量素子の素子熱容量と媒体流路を満たす熱輸送媒体の媒体熱容量との比に基づいて、作業室に配置される磁気熱量素子の容積が設定されている。
【０００７】
これによると、磁気熱量素子の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量との比に応じて決まる磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換特性に基づいて、作業室内に配置される磁気熱量素子の容積を適正に設定することが可能である。したがって、磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換を確実に行なうことで、磁気熱量素子が発生する温熱や冷熱を熱輸送媒体に良好に伝達することができる。このようにして、サイクル効率を向上することができる。
【０００８】
なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、開示技術の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る熱機器のブロック図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】第１実施形態の磁気熱量素子を含む容器を示す斜視図である。
【図４】第１実施形態の磁気熱量素子の一部の斜視図である。
【図５】磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換特性を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の磁気熱量素子の熱量変化を説明する図である。
【図７】比較例の磁気熱量素子の熱量変化を説明する図である。
【図８】第１実施形態の磁気熱量素子の一例を示す図である。
【図９】第１実施形態の磁気熱量素子の別の一例を示す図である。
【図１０】第２実施形態の磁気熱量素子の一例を示す図である。
【図１１】第３実施形態の磁気熱量素子の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、図面を参照しながら開示技術を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した形態と同様とする。実施の各形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施の形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００１１】
（第１実施形態）
開示技術を適用した第１実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。図１は、開示技術を適用した車両用空調装置１を示すブロック図である。図１に示すように、車両用空調装置１は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１０を備える。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置１０はＭＨＰ（Magneto-caloric effectHeat Pump）装置１０とも呼ばれる。ＭＨＰ装置１０は、磁気ヒートポンプ装置１０とも呼ばれる。ＭＨＰ装置１０は、熱磁気サイクル装置を提供する。
【００１２】
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。
【００１３】
ＭＨＰ装置１０は、磁気熱量素子１２を備える。磁気熱量素子１２は、磁気熱量効果を有する磁気作業物質からなり、ＭＣＥ（Magneto-CaloricEffect）素子１２とも呼ばれる。以下、磁気熱量素子１２を、ＭＣＥ素子１２、又は磁気作業物質１２と呼ぶ場合がある。
【００１４】
ＭＨＰ装置１０は、作業室１１が内部に形成された容器２１を備える。容器２１は、ハウジング２０内に配置され、少なくともひとつの作業室１１を区画形成している。本実施形態では、円筒形状の容器２１が、等間隔に配置された複数の作業室１１を区画形成している。本例では、ひとつの容器２１は、６つの作業室１１を区画形成しており、６つの作業室１１のそれぞれにＭＣＥ素子１２が充填配置されている。容器２１は、素子ベッド又は材料ベッドと呼ばれる場合がある。容器２１は、非磁性材である例えば樹脂により形成されている。
【００１５】
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。
【００１６】
一群のＭＣＥ素子１２は、ＭＣＥ素子１２の長手方向、すなわち一次媒体の流れ方向に沿って配置された複数の部分を有する。複数の部分は、後述する複数の素子ブロックである。複数の部分のそれぞれを構成する材料は、キュリー温度が異なる。複数の部分は、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。高温端に近い部分は、定常運転状態において高温端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。中温部に近い部分は、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。低温端に近い部分は、定常運転状態において低温端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。
【００１７】
ＭＣＥ素子１２のそれぞれの部分が高い磁気熱量効果を発揮する温度帯は、高効率温度帯と呼ばれる。高効率温度帯の上限温度と下限温度とは、ＭＣＥ素子１２の材料組成などに依存する。複数の部分は、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。言い換えると、複数の部分の高効率温度帯は、高温端と低温端との間において、高温端から徐々に低下する分布を示す。この高効率温度帯の分布は、定常状態における高温端と低温端との間の温度分布にほぼ対応する。
【００１８】
この実施形態では、定常運転において高温端と低温端との間に作り出される定常温度差を複数の部分が分担する。これにより、それぞれの部分において高い効率が得られる。言い換えると、ＭＣＥ素子１２は、定常温度差が得られるときに、それぞれの素子ブロックが所定の閾値を上回る磁気熱量効果を発揮するように調節されている。複数の素子ブロックは、作業室１１内に、所謂カスケード配置されている。
【００１９】
ＭＨＰ装置１０は、ＭＣＥ素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置１０は、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲ(Active Magnetic 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。
【００２０】
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磁力源、例えば永久磁石、又は電磁石を備える。本例では、磁力源を永久磁石としている。
【００２１】
熱輸送装置１４は、ＭＣＥ素子１２が放熱または吸熱する熱を輸送するための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、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。熱輸送装置１４は、磁場変調装置１３による外部磁場の変化に同期して、熱輸送媒体の往復的な流れＦＭ、ＦＮを発生させる。以下、ＭＣＥ素子１２の一端から他端へ向かう流れＦＭを往流と呼び、他端から一端へ向かう流れＦＮを復流と呼ぶ場合がある。本例では、往流ＦＭは、高温端１１Ｅ１から低温端１１Ｅ２へ向かう熱輸送媒体流れである。復流ＦＮは、低温端１１Ｅ２から高温端１１Ｅ１へ向かう熱輸送媒体流れである。以下、高温端１１Ｅ１を、端部１１Ｅ１と呼ぶ場合がある。また、低温端１１Ｅ２を、端部１１Ｅ２と呼ぶ場合がある。
【００２２】
この実施形態では、ＭＣＥ素子１２と熱交換する熱輸送媒体は一次媒体と呼ばれる。一次媒体は、不凍液、水、油などの流体によって提供することができる。熱輸送媒体は、水、または、エチレングリコール等の不凍成分が溶解した水溶液であることが好ましい。熱輸送装置１４は、磁場変調装置１３による磁場の増減に同期して熱輸送媒体を往復的に移動させる。熱輸送装置１４は、熱輸送媒体を流すためのポンプを含むことができる。熱輸送装置１４は、一次媒体を流すためのポンプ６２、７２を備える。熱輸送装置１４は、各作業室１１の両端部にそれぞれ設けられた吸入弁１１１と吐出弁１１２とを備える。ポンプ６２、７２は、吸入弁１１１及び吐出弁１１２と協働して、作業室１１のそれぞれに充填されたひとつのＭＣＥ素子１２に関して一次媒体の往復流れを供給する。ひとつのＭＣＥ素子１２は、複数の素子ブロックを組み合わせて提供される。
【００２３】
ＭＨＰ装置１０は、動力源としてのモータ１５を備える。モータ１５は、磁場変調装置１３の動力源である。モータ１５は、熱輸送装置１４の動力源である。ＭＨＰ装置１０の動力源として設けられたモータ１５は、例えば、車載の電池によって駆動される。また、モータ１５は、磁場変調装置１３を提供するロータコア３１を回転駆動する。これにより、モータ１５と磁場変調装置１３とは、ＭＣＥ素子１２へ外部磁場を印加する状態と、ＭＣＥ素子１２から外部磁場を除去した状態との間での周期的な交互切換を生じさせる。モータ１５は、熱輸送装置１４のポンプ６２、７２を駆動する。これにより、モータ１５とポンプ６２、７２とは、ひとつのＭＣＥ素子１２において、一次媒体の往復的な流れを生じさせる。ＭＨＰ装置１０は、磁場変調装置１３による磁場の増減と、熱輸送装置１４による熱輸送媒体の往復的移動とを同期させるように、モータ１５の出力軸に変速機構１８を備えている。
【００２４】
ポンプ６２、７２は、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲサイクルとして機能させるための一次媒体の往復流ＦＭ、ＦＮを作業室１１内に生じさせる。ポンプ６２、７２は、例えば、容積型のポンプである。ポンプ６２、７２は、例えば、ピストンポンプである。ポンプ６２、７２は、例えば、多気筒のラジアルピストンポンプである。ひとつのＭＣＥ素子１２に、ポンプ６２のひとつの気筒と、ポンプ７２のひとつの気筒とが対応付けられている。ひとつのＭＣＥ素子１２に対応付けられた２つの気筒は、同期的に作動する。ポンプ６２、７２、吸入弁１１１及び吐出弁１１２の機能により、ひとつのＭＣＥ素子１２の長手方向に沿って流れる一次媒体の往復流ＦＭ、ＦＮが提供される。この実施形態では、ＭＨＰ装置１０は、熱的に並列接続された複数のＭＣＥ素子１２を備える。本例のＭＨＰ装置１０は、熱的に並列接続された６基のＭＣＥ素子１２を有する。ポンプ６２、７２は、６気筒である。
【００２５】
ハウジング２０は、円筒部と端板部とを有する外形円柱状の筐体である。ハウジング２０は、その中心軸上に回転軸２２を回転可能に支持する。回転軸２２は、モータ１５の出力軸に連結されている。ハウジング２０は、回転軸２２の周囲に、磁場変調装置１３を収容する。図２に示すように、磁場変調装置１３は、ロータコア３１、ヨーク部３２、ベアリング３３、及び磁石３４、３５を備える。
【００２６】
ロータコア３１は、回転軸２２に固定されている。ロータコア３１は、磁場変調装置１３のためのインナヨークを提供する。ロータコア３１は、その周方向に沿って磁束を通しやすい範囲と、磁束を通しにくい範囲とを形成するように構成されている。ロータコア３１は、例えば断面が扇状の一対の部材からなる。ロータコア３１には、磁石３４が固定されている。磁石３４は、部分円筒状であり、その断面が扇紙型である。磁石３４は、ロータコア３１の外周面に固定されている。
【００２７】
ヨーク部３２は、円筒形状をなしている。ヨーク部３２は、ハウジング２０の内周面に沿って配置されている。ヨーク部３２は、保持機構であるベアリング３３によってハウジング２０の内周面に回転自在に保持されている。ベアリング３３は、例えばボールベアリングである。ヨーク部３２は、アウタヨークを提供する。ヨーク部３２には、磁石３５が固定されている。
【００２８】
磁場変調装置１３のうち、ロータコア３１及び磁石３４は、容器２１の内周側に配置されている。また、磁場変調装置１３のうち、ヨーク部３２、ベアリング３３及び磁石３５は、容器２１の外周側に配置されている。磁石３４は、容器２１の一側に配置される第１磁石である。磁石３５は、容器２１の他側に配置される第２磁石である。磁石３４と磁石３５とは、容器２１の内外方の両側において、互いに異なる極が対向するように配置される。磁石３４と磁石３５とは、径方向の内側と外側とに配置されることによって、それらの間に位置付けられたＭＣＥ素子１２に強い磁場を供給する。磁石３４、３５には、フェライト磁石や、ネオジム磁石等の希土類磁石を用いることができる。
【００２９】
モータ１５により回転軸２２が回転されると、磁場変調装置１３では、ロータコア３１とともに磁石３４が回転移動する。また、磁石３４の回転移動に伴い、磁石３４に対向する磁石３５が磁石間に働く吸引力によって追従して移動し、ヨーク部３２が回転する。これにより、ロータコア３１、ヨーク部３２、磁石３４及び磁石３５を有する構成が、ＭＣＥ素子１２に対して強力な励磁及び減磁を周期的に提供する磁場変調装置１３となる。ロータコア３１、ヨーク部３２、磁石３４及び磁石３５を有する構成が、本実施形態における磁気回路部１３Ａである。磁気回路部１３Ａは、容器２１に対し相対的に移動する相対的移動体である。容器２１と磁気回路部１３Ａとを容器２１外表面に沿った方向に相対的に移動させることで、磁場変調装置１３はＭＣＥ素子１２に印加される磁場を変調する。
【００３０】
なお、ヨーク部３２は、ベアリング３３によりハウジング２０の内周面に保持されていたが、これに限定されるものではない。例えば、潤滑油層や空気層を介して保持されるものであってもよい。
【００３１】
容器２１と磁石３４とは相互に離間して配設され、ロータコア３１とともに磁石３４が回転しても容器２１に干渉しないようになっている。容器２１の外表面のうち内周側の内周側表面と、磁石３４の外表面のうち外周側の外周側表面との間には、隙間部２３が形成されている。一方、容器２１と磁石３５とも相互に離間して配設され、磁石３４に追従して磁石３５及びヨーク部３２が回転しても容器２１に干渉しないようになっている。容器２１の外表面のうち外周側の外周側表面と、磁石３５の外表面のうち内周側の内周側表面との間には、隙間部２４が形成されている。
【００３２】
ＭＨＰ装置１０は、ＭＨＰ装置１０によって得られた高温の温熱を輸送する高温系統１６を備える。高温系統１６は、ＭＨＰ装置１０によって得られた温熱を利用する熱機器でもある。ＭＨＰ装置１０は、ＭＨＰ装置１０によって得られた低温の冷熱を輸送する低温系統１７を備える。低温系統１７は、ＭＨＰ装置１０によって得られた冷熱を利用する熱機器でもある。
【００３３】
高温系統１６は、一次媒体が循環的に流される通路６１を備える。高温系統１６は、一次媒体と他の媒体との間の熱交換を提供する熱交換器６３を備える。例えば、熱交換器６３は、一次媒体と空気との熱交換を提供する。高温系統１６は、ＭＨＰ装置１０の高温端１１Ｅ１からの温熱出力を利用して、熱交換器６３から放熱して外部媒体を加熱する。高温系統１６は、ＭＨＰ装置１０の高温端１１Ｅ１からの温熱出力を熱交換器６３で外部媒体へ放出する。
【００３４】
低温系統１７は、一次媒体が循環的に流される通路７１を備える。低温系統１７は、一次媒体と他の媒体との間の熱交換を提供する熱交換器７３を備える。例えば、熱交換器７３は、一次媒体と空気との熱交換を提供する。高温系統１６は、ＭＨＰ装置１０の低温端１１Ｅ２からの冷熱出力を利用して、熱交換器６３で吸熱して外部媒体を冷却する。低温系統１７は、ＭＨＰ装置１０の低温端１１Ｅ２からの冷熱出力を熱交換器７３で外部媒体に放出するとも言える。
【００３５】
図３に示すように、容器２１内の作業室１１には、複数の素子ブロックを配列したブロック群からなるＭＣＥ素子１２が配設される。図３では、容器２１のうち、ひとつの作業室１１に対応する部分が図示されている。図中には、ブロック群の素子ブロック１２Ａ、１２Ｂと、スペーサ１２４が図示されている。ひとつの作業室１１に配置される素子ブロックは、２つに限定されるものではない。ひとつの作業室１１に配置される素子ブロックの数は、３つ以上であってもよい。
【００３６】
素子ブロック１２Ａ、１２Ｂのそれぞれは、素子片である素子プレートを積層して構成されている。図３に示すように、複数の素子ブロックは、熱輸送媒体の往復移動方向であるＸＸ方向に配列されている。各素子ブロックの素子プレートは熱輸送媒体の往復移動方向に直交するＹＹ方向に積層されている。以下、熱輸送媒体の往復移動方向でもある素子ブロックの配列方向を、単にＸＸ方向と呼ぶ場合がある。また、素子プレートの積層方向を、単にＹＹ方向と呼ぶ場合がある。また、ＸＸ方向及びＹＹ方向の両者に直交する直交方向を、ＺＺ方向と呼ぶ場合がある。ＺＺ方向は、磁場変調装置１３による磁力線の通過方向でもある。ＺＺ方向は、磁場変調装置１３による外部磁場の印加方向とも言える。外部磁場の印加方向をＹＹ方向とすることもできる。
【００３７】
素子ブロック１２Ａ、１２Ｂのそれぞれは、素子プレート１２１、端部素子プレート１２２を有する。素子プレート１２１は、薄い直方体状に形成されている。素子プレート１２１は、ひとつの広い面に凹状に形成された一つの流路溝１２１ａを有する。流路溝１２１ａは、断面形状が矩形状の溝であり、ＸＸ方向に沿って延びている。流路溝１２１ａは、同一の断面形状がＸＸ方向に連続するように形成されている。流路溝１２１ａは、ＸＸ方向における両端に開口している。
【００３８】
流路溝１２１ａは、直方体状の素子プレートの一部を除去加工して形成することができる。除去加工として、ワイヤーカット加工、切削加工、研削加工等を採用することができる。流路溝１２１ａの形成は、除去加工に限定されず、例えば、素子プレート形成時に予め形成してもよい。
【００３９】
素子ブロック１２Ａ、１２Ｂは、それぞれ素子プレート１２１が複数枚積層され、積層構造体の図示上方の端部に板状の端部素子プレート１２２が配置されている。素子ブロック１２Ａ、１２Ｂは、積層されたプレートの間に複数の媒体流路１２０を区画形成する。各素子ブロックのＸＸ方向の両端部には、複数の流路溝１２１ａにより提供される複数の媒体流路１２０が開口している。複数の媒体流路１２０は、素子ブロック１２Ａ、１２Ｂの内部に熱輸送媒体を流す流路である。媒体流路１２０は、熱輸送媒体がＭＣＥ素子１２の内部を流れるように形成された内部流路と呼ぶことができる。媒体流路１２０は、本実施形態における内部流路に相当する。以下、媒体流路１２０を内部流路１２０と呼ぶ場合がある。
【００４０】
スペーサ１２４は、ＸＸ方向において隣り合う２つの素子ブロック１２Ａ、１２Ｂの間に配設されている。スペーサ１２４は、本例では枠状体であり、素子ブロック１２Ａ、１２Ｂの端部に開口した複数の開口を包含する大きな貫通穴を有する。貫通穴は、素子ブロック１２Ａに設けられた複数の媒体流路１２０と、素子ブロック１２Ｂに設けられた複数の媒体流路１２０との連通を可能とする。スペーサ１２４は、例えば、ゴム材、樹脂材、または比較的硬度が低い金属材により形成することができる。スペーサ１２４は、弾性材からなる弾性部材である。スペーサ１２４は、素子ブロック１２Ａ、１２Ｂの間の緩衝部材としても機能する。スペーサ１２４は、断熱性を有することが好ましい。
【００４１】
図４に素子プレート１２１の単体を示す。前述したように、薄い直方体状に形成された素子プレート１２１には、内部流路１２０を提供するための断面矩形状の流路溝１２１ａが形成されている。素子プレート１２１は、流路溝１２１ａの底部側となる部分に、ＸＸ方向およびＺＺ方向に拡がる平板部１２１１を有している。そして、平板部１２１１の板厚Ｔ１２は、流路溝１２１ａの溝深さＤ１２に対して、０．４５倍〜１．５５倍となるように設定されている。
【００４２】
図３に示すように、各素子ブロック１２Ａ、１２Ｂにおいて、複数の素子プレート１２１および一枚の端部素子プレート１２２は、複数の内部流路１２０を区画する板状の区画壁部１２Ｗに相当する。この区画壁部１２Ｗは、熱輸送媒体の往復移動方向であるＸＸ方向に延びて互いに平行に並設された複数の平板部１２１１を有している。そして、互いに隣り合う平板部１２１１の間に内部流路１２０が形成されている。平板部１２１１の並設方向における内部流路１２０の高さ寸法は、流路溝１２１ａの溝深さＤ１２に相当する。以下、内部流路１２０の高さ寸法を、高さ寸法Ｄ１２と呼ぶ場合がある。
【００４３】
本実施形態では、内部流路１２０の流路断面の等価半径が、磁気作業物質からなる素子から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄに基づいて設定されている。
【００４４】
熱浸透距離ｄは、下記の式（１）により求められる。
【００４５】
ｄ＝（α／（π・ｆ））１／２・・・（１）
ここで、αは、熱輸送媒体の熱浸透係数であり、ｆは、磁場変調装置１３の磁場変調周波数である。ｆは、熱輸送装置１４による熱輸送媒体往復移動周波数であるとも言える。
【００４６】
また、式（１）で用いる熱浸透係数αは、下記の式（２）により求められる。
【００４７】
α＝λ／（ρ・Ｃｐ）・・・（２）
ここで、λは、熱輸送媒体の熱伝導率、ρは、熱輸送媒体の密度、Ｃｐは、熱輸送媒体の比熱である。
【００４８】
なお、ここで言う等価半径は、等価水力半径、水力等価半径、または単に水力半径と呼ばれることがある。また、等価半径は、相当半径と呼ばれることもある。したがって、等価直径は、等価水力直径、水力等価直径、または単に水力直径と呼ぶことができる。また、等価直径を、相当直径と呼ぶこともある。
【００４９】
本実施形態では、内部流路１２０は、その流路断面の等価半径が、磁気熱量素子から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定されている。これにより、サイクル運転中において、ＭＣＥ素子１２が発する冷熱や温熱を、内部流路１２０の中央部を流れる熱輸送媒体にまで確実に伝えることができる。すなわち、内部流路１２０内の全域で熱交換を行なうことができる。
【００５０】
また、平板部１２１１の板厚Ｔ１２は、平板部１２１１の並設方向であるＹＹ方向における内部流路１２０の高さ寸法Ｄ１２の０．４５倍〜１．５５倍に設定されている。板厚Ｔ１２は、高さ寸法Ｄ１２の０．４５倍〜１．５５倍に設定することが好ましく、高さ寸法Ｄ１２の０．５倍〜１．２５倍に設定することがより好ましい。さらに、板厚Ｔ１２は、高さ寸法Ｄ１２の０．６５倍〜１倍に設定することがより一層好ましい。
【００５１】
図５は、磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換特性を示すグラフである。横軸は、体積比、すなわち、各素子ブロックの内部流路１２０内の熱輸送媒体体積に対する各素子ブロックを構成する磁気作業物質体積の比である。縦軸は、熱交換特性、すなわち、熱輸送媒体が磁気熱量素子から獲得して利用できる温熱や冷熱の熱量を示している。なお、図５においては、ＭＣＥ素子構成材としてランタン−鉄−シリコン化合物を採用し、熱輸送媒体としてエチレングリコール５０％水溶液を採用した場合の特性を示している。
【００５２】
図５から明らかなように、体積比が０．４５〜１．５５の場合には、比較的高い熱交換特性を得ることができる。また、体積比が０．５〜１．２５の場合には、高い熱交換特性を確実に得ることができる。さらに、体積比が０．６５〜１の場合には、高い熱交換特性をより確実に得ることができる。したがって、平板部１２１１の板厚Ｔ１２は、内部流路１２０の高さ寸法Ｄ１２の０．４５倍〜１．５５倍に設定することが好ましく、０．５倍〜１．２５倍に設定することがより好ましく、０．６５倍〜１倍に設定することがより一層好ましい。
【００５３】
このように、平板部１２１１の板厚Ｔ１２と内部流路１２０の高さ寸法Ｄ１２との対応関係を所定範囲に設定することで、ＭＣＥ素子１２の熱容量である素子熱容量と媒体流路１２０を満たす熱輸送媒体の熱容量である媒体熱容量との比を近似させることができる。換言すれば、素子熱容量と媒体熱容量とを実質的に一致させることができる。したがって、作業室１１に配置されるＭＣＥ素子１２の容積を好適に設定し、素子熱容量と媒体熱容量との比に応じて決まるＭＣＥ素子と熱輸送媒体との熱交換特性を良好なものとすることができる。
【００５４】
図１に戻り、車両用空調装置１は、車両に搭載され、車両の乗員室の温度を調節する。２つの熱交換器６３、７３は、車両用空調装置１の一部を提供する。熱交換器６３は、熱交換器７３より高温になる高温側熱交換器である。熱交換器７３は、熱交換器６３より低温になる低温側熱交換器である。車両用空調装置１は、高温側の熱交換器６３、および／または低温側の熱交換器７３を室内空調のために利用するための空調ダクトおよび送風機などの空気系機器を備える。
【００５５】
車両用空調装置１は、冷房装置又は暖房装置として利用される。車両用空調装置１は、室内に供給される空気を冷却する冷却器と、冷却器によって冷却された空気を再び加熱する加熱器とを備えることができる。ＭＨＰ装置１０は、車両用空調装置１における冷熱供給源、または温熱供給源として利用される。すなわち、熱交換器６３は上記加熱器として用いることができる。また、熱交換器７３は上記冷却器として用いることができる。
【００５６】
ＭＨＰ装置１０が温熱供給源として利用されるとき、熱交換器６３を通過した空気は車両の室内に供給され、暖房のために利用される。熱交換器７３を通過した空気は車両の室外に排出される。このとき、熱交換器６３は、室内熱交換器とも呼ばれる。熱交換器７３は、室外熱交換器とも呼ばれる。
【００５７】
ＭＨＰ装置１０が冷熱供給源として利用されるとき、熱交換器７３を通過した空気は車両の室内に供給され、冷房のために利用される。熱交換器６３を通過した空気は車両の室外に排出される。このとき、熱交換器６３は、室外熱交換器とも呼ばれる。熱交換器７３は、室内熱交換器とも呼ばれる。
【００５８】
また、ＭＨＰ装置１０は、除湿装置として利用されることもある。この場合、熱交換器７３を通過した空気は、その後に、熱交換器６３を通過し、室内に供給される。ＭＨＰ装置１０は、冬期においても、夏期においても、温熱供給源として利用される。
【００５９】
上述の構成のＭＨＰ装置１０によれば、以下に述べる効果を得ることができる。
【００６０】
ＭＨＰ装置１０は、磁気熱量素子１２と、容器２１と、磁場変調装置１３と、熱輸送装置１４と、を備える。磁気熱量素子１２は、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる。容器２１には、磁気熱量素子１２が配置される作業室１１が形成されている。磁場変調装置１３は、磁気熱量素子１２に印加される外部磁場を変調する。熱輸送装置１４は、作業室１１内部に形成した媒体流路１２０において、磁気熱量素子１２に高温端と低温端とを生成するように、磁気熱量素子１２と熱交換する熱輸送媒体を往復移動させる。そして、磁気熱量素子１２の素子熱容量と媒体流路１２０を満たす熱輸送媒体の媒体熱容量との比に基づいて、作業室１１に配置される磁気熱量素子１２の容積が設定されている。
【００６１】
これによると、磁気熱量素子１２の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量との比に応じて決まる磁気熱量素子１２と熱輸送媒体との熱交換特性に基づいて、作業室１１内に配置される磁気熱量素子１２の容積を適正に設定することが可能である。したがって、磁気熱量素子１２と熱輸送媒体との熱交換を確実に行なうことで、磁気熱量素子１２が発生する温熱や冷熱を熱輸送媒体に良好に伝達することができる。このようにして、サイクル効率を向上することができる。
【００６２】
また、媒体流路１２０は、熱輸送媒体が磁気熱量素子１２の内部を流れるように形成された内部流路を有している。そして、磁気熱量素子１２は、内部流路１２０を区画する板状の区画壁部１２Ｗを備えている。この区画壁部１２Ｗは、熱輸送媒体の往復移動方向に延びて互いに平行に並設された複数の平板部１２１１を有し、互いに隣り合う平板部１２１１の間に内部流路１２０が形成されている。
【００６３】
内部流路１２０の等価半径が、磁気熱量素子１２から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定され、平板部１２１１の板厚Ｔ１２が、平板部１２１１の並設方向における内部流路１２０の高さ寸法Ｄ１２の０．４５倍〜１．５５倍に設定されている。
【００６４】
これによると、磁気熱量素子１２からの熱を内部流路１２０の熱輸送媒体に確実に伝達できるとともに、平板部１２１１の板厚Ｔ１２の増大を抑制することができる。したがって、磁気熱量素子１２が不必要に大型化することを抑制できる。
【００６５】
図６は、本例のＭＣＥ素子１２のヒートポンプサイクル１サイクル運転中の熱量変化を模式的に示す図である。ＭＣＥ素子１２を励磁状態とする励磁工程では、素子が磁気熱量効果により昇温する。次の熱交換工程では昇温に伴い発生した温熱の一部が熱交換により熱輸送媒体へ移動する。このときの温熱移動量は、素子熱容量と媒体熱容量との比により決まる。本例では、素子熱容量と媒体熱容量とを近似させているので、約半分の温熱を熱輸送媒体へ移動させ、素子に残留する未利用熱量を抑制することができる。
【００６６】
次のＭＣＥ素子１２を消磁状態とする消磁工程では、素子が磁気熱量効果により降温する。次の熱交換工程では降温に伴い発生した冷熱の一部が熱交換により熱輸送媒体へ移動する。このときの冷熱移動量は、前の熱交換工程と同様に素子熱容量と媒体熱容量との比により決まる。本例では、素子熱容量と媒体熱容量とを近似させているので、約半分の冷熱を熱輸送媒体へ移動させ、素子に残留する未利用熱量を抑制することができる。
【００６７】
図７は、比較例のＭＣＥ素子のヒートポンプサイクル１サイクル運転中の熱量変化を模式的に示す図である。比較例は、励磁工程や消磁工程における発熱量を優先して、本例よりもＭＣＥ素子の配置密度を向上させた例である。
【００６８】
比較例では、ＭＣＥ素子を励磁状態とする励磁工程では、素子が磁気熱量効果により昇温する。このとき発生する熱量は、図６で例示した本例の場合よりも大きい。次の熱交換工程では昇温に伴い発生した温熱の一部が熱交換により熱輸送媒体へ移動する。このときの温熱移動量は、素子熱容量と媒体熱容量との比により決まる。比較例では、素子熱容量が媒体熱容量よりも極めて大きいので、一部の温熱を熱輸送媒体へ移動できるものの、素子に残留する未利用熱量が極めて大きくなってしまう。
【００６９】
次のＭＣＥ素子１２を消磁状態とする消磁工程では、素子が磁気熱量効果により降温する。この消磁工程では、比較的大きな冷熱を発生するものの、残留している温熱も大きいために降温の効果が小さくなり易い。次の熱交換工程では降温に伴い発生した冷熱の一部が熱交換により熱輸送媒体へ移動する。このときの冷熱移動量は、前の熱交換工程と同様に素子熱容量と媒体熱容量との比により決まる。比較例では、素子熱容量が媒体熱容量よりも極めて大きいので、一部の冷熱を熱輸送媒体へ移動できるものの、素子に残留する未利用熱量が極めて大きくなってしまう。
【００７０】
このように、発生熱量のみを考慮して作業室内の素子容積を増大させると、発生熱量を有効利用することが困難であり、サイクル効率が悪化してしまう。これに対し、本例のように、作業室内への素子配設容積を適正に設定すれば、サイクル効率を向上することが可能である。
【００７１】
本実施形態では、素子熱容量と媒体熱容量と比に応じて決まる熱交換特性に着目して、作業室に配設される素子容積を設定している。熱容量は、体積比熱と容積との積である。例えば、ランタン−鉄−シリコン化合物の体積比熱は、３６５０ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）であり、エチレングリコール５０％水溶液の体積比熱は、３５２０ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）である。これらの体積比熱から、素子熱容量と媒体熱容量とが近似するように、作業室内への素子配設容積を適正に設定している。
【００７２】
また、本実施形態のＭＨＰ装置１０では、熱輸送媒体は、水または不凍成分が溶解した水溶液である。熱輸送媒体を水または不凍成分が溶解した水溶液とすると、熱輸送媒体の入手が容易であるとともに、比較的体積比熱が大きい熱輸送媒体を用いることで、磁気熱量素子の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量とを近似させることが容易である。
【００７３】
なお、上述した説明では、内部流路１２０の等価半径を、磁気熱量素子１２から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定していた。これに加えて、平板部１２１１の板厚Ｔ１２を、平板部１２１１の並設方向における内部流路１２０の高さ寸法Ｄ１２の所定倍率に設定することで、熱容量比を好適に調節し、サイクル効率を向上させていた。
【００７４】
上述したサイクル効率を向上させる構成は、内部流路を区画する区画壁部１２Ｗの板厚を内部流路の等価直径以下としたものであるとも言える。すなわち、媒体流路は、熱輸送媒体が磁気熱量素子１２の内部を流れるように形成された内部流路１２０を有している。そして、磁気熱量素子１２は、内部流路１２０を区画する板状の区画壁部１２Ｗを備えている。内部流路１２０の等価半径が、磁気熱量素子１２から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定されている。さらに、区画壁部１２Ｗの板厚が、内部流路１２０の等価直径以下に設定されている。
【００７５】
これによると、磁気熱量素子１２からの熱を内部流路１２０の熱輸送媒体に確実に伝達できるとともに、区画壁部１２Ｗの板厚の増大を抑制することができる。区画壁部１２Ｗの板厚を抑制して素子熱容量と媒体熱容量とが近似させ、サイクル効率を向上することができる。
【００７６】
このような特徴的な構成は、例えば、図８に示すように、内部流路１２０を区画する格子形状の区画壁部１２Ｗを有するＭＣＥ素子や、図９に示すように、内部流路１２０を区画するハニカム形状の区画壁部１２Ｗを有するＭＣＥ素子にも適用可能である。これらによっても、前述のプレート積層構造のＭＣＥ素子と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
（第２実施形態）
次に、第２実施形態について図１０に基づいて説明する。
【００７８】
第２実施形態は、前述の第１実施形態と比較して、ＭＣＥ素子及び内部流路の構成が異なる。なお、第１実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第２実施形態において説明しない他の構成は、第１実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。
【００７９】
図１０は、本実施形態のＭＣＥ素子２１２を構成する素子ブロック群のうち一つの素子ブロック２１２Ａを示す斜視図である。本実施形態では、他の素子ブロックにも素子ブロック２１２Ａと同様の構成を採用している。
【００８０】
図１０に示すように、素子ブロック２１２Ａは、素子片である素子プレートを積層して構成されている。素子ブロック２１２Ａは、素子プレート２１２１、端部素子プレート２１２２を有する。素子プレート２１２１は、薄い直方体状に形成されている。素子プレート２１２１は、媒体流路１２０を提供するために、ひとつの広い面に凹状に形成された一つの流路溝１２１ａを有する。
【００８１】
素子ブロック２１２Ａは、それぞれ素子プレート２１２１が複数枚積層され、積層構造体の図示上方の端部に板状の端部素子プレート２１２２が配置されている。素子ブロック２１２Ａは、積層されたプレートの間に複数の媒体流路１２０を区画形成する。各素子ブロックのＸＸ方向の両端部には、複数の流路溝１２１ａにより提供される複数の媒体流路１２０が開口している。複数の媒体流路１２０は、素子ブロック２１２Ａの内部に熱輸送媒体を流す流路である。媒体流路１２０は、熱輸送媒体がＭＣＥ素子２１２の内部を流れるように形成された内部流路と呼ぶことができる。媒体流路１２０は、本実施形態における内部流路に相当する。本実施形態においても、媒体流路１２０を内部流路１２０と呼ぶ場合がある。
【００８２】
本実施形態では、内部流路１２０の流路断面の等価半径が、磁気作業物質を含む素子から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄに基づいて設定されている。内部流路１２０は、流路断面の等価半径が、磁気熱量素子から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定されている。これにより、サイクル運転中において、ＭＣＥ素子２１２が発する冷熱や温熱を、内部流路１２０の中央部を流れる熱輸送媒体にまで確実に伝えることができる。すなわち、内部流路１２０内の全域で熱交換を行なうことができる。
【００８３】
また、素子プレート２１２１、および端部素子プレート２１２２は、いずれも、磁気熱量効果材と磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材とが混合された成形材により構成されている。磁気熱量効果材としては、ガドリニウム系材料、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。樹脂材としては、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂のいずれか１つもしくは複数を用いることができる。
【００８４】
磁気熱量効果材と磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材とを混合した成形材でＭＣＥ素子を構成することで、ＭＣＥ素子の体積比熱を、熱輸送媒体の体積比熱よりも小さくしている。磁気熱量効果材としてランタン−鉄−シリコン化合物を採用し、樹脂材としてエポキシ樹脂を採用した例について説明する。磁気熱効果材の体積比熱は３６５０ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）であり、樹脂材の体積比熱は例えば１４４０ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）である。これによると、ＭＣＥ素子２１２を構成する成形材を、磁気熱量効果材を４０体積％、樹脂材６０体積％の混合材とした場合には、混合成形材の体積比熱は２３２４ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）となる。
【００８５】
なお、熱輸送媒体は、例えば体積比熱が３５２０ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）のエチレングリコール５０％水溶液である。体積比熱が比較的小さい樹脂材を混合した成形材を用いることで、ＭＣＥ素子の体積比熱を、熱輸送媒体の体積比熱よりも容易に小さくできる。
【００８６】
そして、作業室１１内においてＭＣＥ素子２１２が占める容積を６０体積％、媒体流路１２０が占める容積、すなわち媒体流路１２０を満たす熱輸送媒体が占める容積を４０体積％とした場合には、ＭＣＥ素子／熱輸送媒体の熱容積比は、約０．９９となる。すなわち、素子熱容量と媒体熱容量とを実質的に一致させる程度に近似させることができる。
【００８７】
本実施形態のＭＨＰ装置によれば、第１実施形態と同様に、磁気熱量素子２１２の素子熱容量と媒体流路を満たす熱輸送媒体の媒体熱容量との比に基づいて、作業室に配置される磁気熱量素子の容積が設定されている。
【００８８】
これによると、磁気熱量素子の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量との比に応じて決まる磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換特性に基づいて、作業室内に配置される磁気熱量素子の容積を適正に設定することが可能である。したがって、磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換を確実に行なうことで、磁気熱量素子が発生する温熱や冷熱を熱輸送媒体に良好に伝達することができる。このようにして、サイクル効率を向上することができる。
【００８９】
また、媒体流路１２０は、熱輸送媒体が磁気熱量素子２１２の内部を流れるように形成された内部流路を有している。そして、内部流路の等価半径が、磁気熱量素子２１２から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定されている。さらに、磁気熱量素子２１２の体積比熱を、熱輸送媒体の体積比熱よりも小さく設定している。
【００９０】
これによると、磁気熱量素子２１２からの熱を内部流路１２０の熱輸送媒体に確実に伝達できるとともに、磁気熱量素子２１２の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量とを近似させ易い。したがって、磁気熱量素子２１２と熱輸送媒体との間の温熱や冷熱の熱交換を確実に行なうことができ、磁気熱量素子２１２が発生する温熱や冷熱を熱輸送媒体に良好に伝達することができる。
【００９１】
また、磁気熱量素子２１２は、磁気熱量効果材と磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材とが混合された成形材からなる。これによると、磁気熱量効果材に樹脂材を混合した成形材を用いることで、磁気熱量素子２１２の体積比熱を熱輸送媒体の体積比熱よりも小さく設定することが容易である。
【００９２】
また、本実施形態のＭＨＰ装置においても、熱輸送媒体は水または不凍成分が溶解した水溶液である。熱輸送媒体を水または不凍成分が溶解した水溶液とすると、熱輸送媒体の入手が容易であるとともに、比較的体積比熱が大きい熱輸送媒体を用いることで、磁気熱量素子の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量とを近似させることが容易である。
【００９３】
（第３実施形態）
次に、第３実施形態について図１１に基づいて説明する。
【００９４】
第３実施形態は、前述の第２実施形態と比較して、ＭＣＥ素子及び内部流路の構成が異なる。なお、第１、第２実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。第１、第２実施形態に係る図面と同一符号を付した構成部品、第３実施形態において説明しない他の構成は、第１、第２実施形態と同様であり、また同様の作用効果を奏するものである。
【００９５】
図１１は、本実施形態のＭＣＥ素子３１２が作業室１１に収容された容器２１を示す斜視図である。図１１に示すように、容器２１の作業室１１には、粒子群からなるＭＣＥ素子３１２が充填されている。ＭＣＥ素子３１２を構成する粒子群の間には媒体流路１２０が形成されている。本実施形態の媒体流路１２０は、複数の粒子間に熱輸送媒体を流通し、熱輸送媒体が分流や合流を繰り返す内部流路を提供する。媒体流路１２０は、熱輸送媒体がＭＣＥ素子３１２の内部を流れるように形成された内部流路と呼ぶことができる。媒体流路１２０は、本実施形態における内部流路に相当する。本実施形態においても、媒体流路１２０を内部流路１２０と呼ぶ場合がある。
【００９６】
本実施形態では、内部流路１２０は、網目状の各部において流路断面の等価半径が、磁気作業物質を含む素子から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄに基づいて設定されている。内部流路１２０は、流路断面の等価半径が、磁気熱量素子から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定されている。これにより、サイクル運転中において、ＭＣＥ素子３１２が発する冷熱や温熱を、内部流路１２０の中央部を流れる熱輸送媒体にまで確実に伝えることができる。すなわち、内部流路１２０内の全域で熱交換を行なうことができる。
【００９７】
ＭＣＥ素子３１２は、磁気熱量効果材からなる粒子３１２１と磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材からなる粒子３１２２とを混在させて構成されている。粒子３１２１には、ガドリニウム系材料の粒子、ランタン−鉄−シリコン化合物の粒子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の粒子を用いることができる。粒子３１２２には、エポキシ樹脂の粒子を用いることができる。粒子３１２１の粒径と粒子３１２２の粒径とは、ほぼ同一とすることができる。
【００９８】
磁気熱量効果材からなる粒子３１２１と磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材からなる粒子３１２２とを混在させることで、ＭＣＥ素子３１２の体積比熱を、熱輸送媒体の体積比熱よりも小さくしている。粒子３１２１としてランタン−鉄−シリコン化合物の粒子を採用し、粒子３１２２としてエポキシ樹脂の粒子を採用した例について説明する。粒子３１２１を４０体積％、粒子３１２２を６０体積％で混在させた場合には、混在粒子群からなるＭＣＥ素子３１２の平均体積比熱は、第２実施形態のＭＣＥ素子２１２と同様に、２３２４ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）となる。
【００９９】
なお、熱輸送媒体は、例えば体積比熱が３５２０ＫＪ／（ｍ３・Ｋ）のエチレングリコール５０％水溶液である。粒子３１２１に体積比熱が比較的小さい樹脂材の粒子３１２２をほぼ均一に混在させた粒子群を用いることで、ＭＣＥ素子３１２の体積比熱を、熱輸送媒体の体積比熱よりも容易に小さくできる。
【０１００】
そして、作業室１１内においてＭＣＥ素子３１２が占める容積が６０体積％、媒体流路１２０が占める容積、すなわち媒体流路１２０を満たす熱輸送媒体が占める容積が４０体積％である場合には、ＭＣＥ素子／熱輸送媒体の熱容積比は、約０．９９となる。すなわち、素子熱容量と媒体熱容量とをほぼ一致する程度に近似させることができる。
【０１０１】
本実施形態のＭＨＰ装置によれば、第１、第２実施形態と同様に、磁気熱量素子３１２の素子熱容量と媒体流路を満たす熱輸送媒体の媒体熱容量との比に基づいて、作業室に配置される磁気熱量素子の容積が設定されている。
【０１０２】
これによると、磁気熱量素子の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量との比に応じて決まる磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換特性に基づいて、作業室内に配置される磁気熱量素子の容積を適正に設定することが可能である。したがって、磁気熱量素子と熱輸送媒体との熱交換を確実に行なうことで、磁気熱量素子が発生する温熱や冷熱を熱輸送媒体に良好に伝達することができる。このようにして、サイクル効率を向上することができる。
【０１０３】
また、媒体流路１２０は、熱輸送媒体が磁気熱量素子３１２の内部を流れるように形成された内部流路を有している。そして、内部流路の等価半径が、磁気熱量素子３１２から熱輸送媒体への熱浸透距離ｄ以下となるように設定されている。さらに、磁気熱量素子３１２の体積比熱を、熱輸送媒体の体積比熱よりも小さく設定している。
【０１０４】
これによると、磁気熱量素子３１２からの熱を内部流路１２０の熱輸送媒体に確実に伝達できるとともに、磁気熱量素子３１２の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量とを近似させ易い。したがって、磁気熱量素子３１２と熱輸送媒体との間の温熱や冷熱の熱交換を確実に行なうことができ、磁気熱量素子３１２が発生する温熱や冷熱を熱輸送媒体に良好に伝達することができる。
【０１０５】
また、磁気熱量素子３１２は、磁気熱量効果材からなる粒子３１２１と磁気熱量効果材よりも体積比熱が小さい樹脂材からなる粒子３１２２とを混在させて作業室１１に充填してなる。これによると、磁気熱量効果材粒子と樹脂粒子とを混在させることで、磁気熱量素子３１２の体積比熱を熱輸送媒体の体積比熱よりも小さく設定することが容易である。
【０１０６】
また、粒子３１２１の粒径と粒子３１２２の粒径とをほぼ同一としている。これによると、粒子３１２１と粒子３１２２との混合が容易であり、粒子の偏在を抑制し易い。なお、粒子３１２１の粒径と粒子３１２２の粒径とを異ならせてもよい。これによれば、内部流路１２０の等価半径を調節することが容易である。
【０１０７】
また、本実施形態のＭＨＰ装置においても、熱輸送媒体は水または不凍成分が溶解した水溶液である。熱輸送媒体を水または不凍成分が溶解した水溶液とすると、熱輸送媒体の入手が容易であるとともに、比較的体積比熱が大きい熱輸送媒体を用いることで、磁気熱量素子の素子熱容量と熱輸送媒体の媒体熱容量とを近似させることが容易である。
【０１０８】
（他の実施形態）
この明細書に開示される技術は、その開示技術を実施するための実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。開示される技術は、実施形態において示された組み合わせに限定されることなく、種々の組み合わせによって実施可能である。実施形態は追加的な部分をもつことができる。実施形態の部分は、省略される場合がある。実施形態の部分は、他の実施形態の部分と置き換え、または組み合わせることも可能である。実施形態の構造、作用、効果は、あくまで例示である。開示技術の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示技術のいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許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。
【０１０９】
上記各実施形態では、作業室１１内を流れる熱輸送媒体の媒体流路１２０は、ＭＣＥ素子内部の内部流路であったが、これに限定されるものではない。媒体流路は、例えば、ＭＣＥ素子の外表面に沿って熱輸送媒体を流通する媒体流路であってもよい。また、例えば、内部流路に加えて、ＭＣＥ素子の外表面に沿って熱輸送媒体を流通する媒体流路を備えるものであってもよい。
【０１１０】
また、上記第１、第２実施形態では、各素子ブロックにＸＸ方向に延びる複数の媒体流路が形成されていたが、これに限定されるものではない。媒体流路の数は、上記実施形態で例示したものに限定されない。媒体流路の数は、図で例示した数よりも少なくてもかまわない。また、図で例示した数よりも多い微細な媒体流路を設けてもかまわない。さらに、媒体流路は、上記各実施形態のようにＸＸ方向に直線的に延びるものに限定されない。例えば、作業室内においてＸＸ方向に熱輸送媒体の往復流が形成できるのであれば、若干屈曲する媒体流路であってもかまわない。
【０１１１】
また、上記各実施形態では、磁気ヒートポンプ装置の磁場変調装置が、容器の一側に配置された第１磁石及びヨークと、容器の他側で第１磁石に対して異なる極が対向するように配置された第２磁石及びヨークと、を備えている。そして、第１磁石及びヨークに連結された駆動装置と、第２磁石及びヨークを第１磁石及びヨークに追従して回転するように保持する保持機構とを備えるものであった。しかしながら、これに限定されるものではない。
【０１１２】
例えば、第２磁石が取り付けられたヨークを、外部から駆動する外部駆動機構を設けて、第２磁石及びヨークを第１磁石及びヨークに追従して回転させるものであってもよい。この外部駆動機構の駆動源は、第１磁石が取り付けられたヨークを回転させる駆動装置であってもよいし、第１磁石が取り付けられたヨークを回転させる駆動装置とは別の駆動装置であってもよい。
【０１１３】
また、上記各実施形態では、磁気回路部は、容器を間にして相互に対向する第１磁石である磁石３４と第２磁石である磁石３５とを有していたが、これに限定されるものではない。例えば、第１磁石および第２磁石のいずれかのみを備える磁気回路部としてもかまわない。
【０１１４】
また、上記各実施形態では、素子ベッドである容器２１を静止させておき、磁石３４、３５側を回転する構成を採用した。これに代えて、素子ベッドである容器２１と磁場変調装置１３との間の相対的な回転を提供するための多様な構成を採用することができる。例えば、作業室１１とＭＣＥ素子１２とを有する素子ベッドである容器を、永久磁石を含む磁場変調装置に対して相対的に回転移動させてもよい。これにより、ひとつのＭＣＥ素子１２に与えられる磁場を変動させることができる。換言すれば、磁場変調装置は、磁石を有する相対的移動体に対して容器を容器外表面に沿った方向に移動させるものであってもよい。すなわち、容器と相対的移動体とを容器外表面に沿った方向に相対的に移動させて、磁気作業物質へ印加する磁場の大きさを変更するものであればよい。
【０１１５】
また、上記各実施形態では、熱輸送媒体の移動装置としてのポンプを高温端及び低温端を有する容器の両側に設けていたが、これに限定されるものではない。例えば、ポンプの両側に、高温端を有する容器と低温端を有する容器とをそれぞれ配置したものであってもよい。また、ポンプの形態も前述したタイプに限定されるものではない。
【０１１６】
また、上記各実施形態では、磁場変調装置は、磁力源として永久磁石を有する磁気回路部を備え、磁気回路部と容器とを相対的に移動させて磁気作業物質に印加する外部磁場を変調していた。そして、磁力源は永久磁石に限定されず、電磁石でもよいことを説明した。磁力源として電磁石を採用する場合には、磁場変調装置は、磁気回路部と容器との相対的移動を行なわなくてもかまわない。電磁石を採用する場合には、磁気回路部と容器との相対的移動がなくても磁場変調が可能である。
【０１１７】
また、上記各実施形態では、ＭＨＰ装置の外部の熱交換器６３、７３に熱輸送媒体を供給した。これに代えて、一次媒体である熱輸送媒体と、二次媒体とを熱交換する熱交換器をＭＨＰ装置内に設け、二次媒体を低温系統と高温系統とに供給してもよい。
【０１１８】
また、上記各実施形態では、車両用空調装置に開示技術を適用した。これに代えて、車両以外の船舶や航空機等の移動体用の空調装置に開示技術を適用してもよい。また、住宅用等の定置式の空調装置に開示技術を適用してもよい。また、水を加熱する給湯装置や水を冷却する冷水機として利用してもよい。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。
【符号の説明】
【０１１９】
１０  磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置、磁気ヒートポンプ装置）
１１  作業室
１２、２１２、３１２  磁気熱量素子（ＭＣＥ素子、磁気作業物質）
１３  磁場変調装置
１４  熱輸送装置
２１  容器
【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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【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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