(57)【要約】【課題】磁気熱量素子自身の温度調節を可能とした熱磁気サイクル装置を提供する。【解決手段】磁気熱量素子４９、５９は、高温端１１と低温端１２との間に設けられている。熱磁気サイクル装置は、高温端または低温端における外部との熱交換量を調節する熱交換調節器９０を備える。熱交換量が多いときは、熱の供給または熱の利用が促進される。一方で、熱交換量が少ない時は、磁気熱量素子４９、５９により生成された高温および／または低温が熱磁気サイクル装置の内部に滞留し蓄積される。これにより、磁気熱量素子４９、５９の温度分布を望ましい温度分布に接近させることができる。熱交換調節器９０は、定常時において熱交換量を多くするように制御される。熱交換調節器９０は、起動時において熱交換量を定常時より少なくするように制御される。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温端（１１）と低温端（１２）との間に設けられた磁気熱量素子（４９、５９）と、
前記磁気熱量素子に周期的に変動する外部磁場を印加する磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）と、
前記高温端と前記低温端との間において前記磁気熱量素子に沿って熱輸送媒体を往復的に流すポンプ（３０）と、
前記高温端または前記低温端と外部の熱負荷または外部の熱源との間の熱交換量を調節する熱交換調節器（９０、２９０ａ、２９０ｂ、３９０、４９０、５９０）とを備えることを特徴とする熱磁気サイクル装置。
【請求項２】
さらに、熱交換器（３、４）と、
前記熱交換器を通る循環流路（１５、１６）とを備え、
前記ポンプは、
前記熱輸送媒体を一方に向けて流すときに、前記高温端および前記低温端の一方から前記循環流路に前記熱輸送媒体を吐出し、
前記熱輸送媒体を他方に向けて流すときに、前記循環流路から前記高温端および前記低温端の一方に前記熱輸送媒体を吸い込むことを特徴とする請求項１に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項３】
前記熱交換器は、高温側熱交換器（３）と低温側熱交換器（４）とを有し、
前記循環流路は、前記高温側熱交換器を通る高温側循環流路（１５）と前記低温側熱交換器を通る低温側循環流路（１６）とを備え、
前記ポンプは、
前記高温端に向けて前記熱輸送媒体を流すときに、前記高温端から前記高温側循環流路に前記熱輸送媒体を吐出し、
前記低温端に向けて前記熱輸送媒体を流すときに、前記高温側循環流路から前記高温端に前記熱輸送媒体を吸い込み、
前記低温端に向けて前記熱輸送媒体を流すときに、前記低温端から前記低温側循環流路に前記熱輸送媒体を吐出し、
前記高温端に向けて前記熱輸送媒体を流すときに、前記低温側循環流路から前記低温端に前記熱輸送媒体を吸い込むことを特徴とする請求項２に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項４】
前記熱交換調節器（９０、２９０ａ、２９０ｂ）は、
前記循環流路（１５、１６）に設けられ、前記熱交換器をバイパスするバイパス通路（９１、２９１ａ、２９１ｂ）と、
前記バイパス通路を開閉する弁（９２、２９２ａ、２９２ｂ）とを備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項５】
前記熱交換調節器（３９０、４９０、５９０）は、前記磁気熱量素子（４９、５９）の前記高温端または前記低温端と前記循環流路との間に滞留する前記熱輸送媒体の容積（ＶＣ、３９３）を調節する装置であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項６】
前記熱交換調節器（３９０）は、
前記磁気熱量素子（４９、５９）の前記高温端または前記低温端と前記循環流路との間に区画形成された容積室（ＶＣ）と、
前記容積室に連通可能に設けられた付加容積室（３９３）と、
前記容積室と前記付加容積室との間に設けられ、前記容積室と前記付加容積室との間の連通を断続する弁（３９４）とを備えることを特徴とする請求項５に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項７】
前記熱交換調節器（４９０）は、
前記磁気熱量素子（４９、５９）の前記高温端または前記低温端と前記循環流路との間に区画形成された容積室（ＶＣ）と、
前記容積室に挿入可能であって、前記容積室に挿入されることにより前記容積室の容積を減少させる部材（４９５）とを備えることを特徴とする請求項５に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項８】
前記熱交換調節器（５９０）は、
前記磁気熱量素子（４９、５９）の前記高温端または前記低温端と前記循環流路との間に区画形成された容積室（ＶＣ）と、
前記容積室を区画形成し、前記容積室の容積を可変とする可変壁（５９６）とを備えることを特徴とする請求項５に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項９】
さらに、定常時において前記熱交換量を多くするように前記熱交換調節器を制御するとともに、起動時において前記熱交換量を前記定常時より少なくするように前記熱交換調節器を制御する電気的な制御装置（５）または機械的なアクチュエータ（ＷＸ）を備えることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項１０】
前記定常時と前記起動時とは、温度に基づいて決定されることを特徴とする請求項９に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項１１】
前記機械的なアクチュエータ（ＷＸ）は、温度を感知して前記熱交換調節器を駆動する感温式アクチュエータを有することを特徴とする請求項１０に記載の熱磁気サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示される発明は、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置に関し、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、特許文献２、および特許文献３は、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置を開示する。これらの装置では、熱を輸送するための熱輸送媒体が用いられる。熱輸送媒体は、磁気熱量素子に沿って往復的に流れることにより、磁気熱量素子をＡＭＲ(ActiveMagnetic Refrigeration)サイクルとして機能させる。熱輸送媒体は、磁気熱量素子における熱の輸送に利用される。さらに、熱輸送媒体は、外部熱負荷または外部熱源との間の熱の輸送にも利用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２５５６４１号公報
【特許文献２】特開２０１２−２５５６４２号公報
【特許文献３】特開２０１２−２２９６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱磁気サイクル装置の磁気熱量素子は、自らが発熱、吸熱する能力を有している。しかし、外部熱負荷または外部熱源からの熱的な影響によって、磁気熱量素子の温度の望ましい温度への接近が妨げられることがある。
【０００５】
例えば、熱磁気サイクル装置は、設計時に想定された定常運転状態における定常温度分布において高い効率を発揮するように設計され、構成される。このため、定常温度分布へ到達するために要する時間が短いことが望ましい。しかし、熱磁気サイクル装置が停止状態から運転を開始する場合、外部熱負荷および／または外部熱源の高温および／または低温が、起動期間における温度変化を妨げることがある。この場合、起動期間が長くなる。
【０００６】
熱磁気サイクル装置がヒートポンプ装置として利用される場合、磁気熱量素子の一端に高温端が生成され、他端に低温端が生成される。この場合、外部熱負荷から流れ込む低温の熱輸送媒体が高温端の温度上昇を妨げる。また、外部熱源から流れ込む高温の熱輸送媒体が低温端の温度低下を妨げる。
【０００７】
上述の観点において、または言及されていない他の観点において、熱磁気サイクル装置にはさらなる改良が求められている。
【０００８】
発明の目的のひとつは、磁気熱量素子自身の温度調節を可能とした熱磁気サイクル装置を提供することである。
【０００９】
発明の目的の他のひとつは、磁気熱量素子により生成された高温および／または低温の熱磁気サイクル装置の内部への蓄積を調節可能な熱磁気サイクル装置を提供することである。
【００１０】
発明の目的の他のひとつは、起動期間が短い熱磁気サイクル装置を提供することである。
【００１１】
発明の目的の他のひとつは、熱輸送媒体が外部熱負荷または外部熱源との間の熱の輸送にも利用される熱磁気サイクル装置の起動期間を短くすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
ここに開示される発明は上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。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、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、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１３】
開示される発明のひとつにより熱磁気サイクル装置が提供される。発明は、高温端（１１）と低温端（１２）との間に設けられた磁気熱量素子（４９、５９）と、磁気熱量素子に周期的に変動する外部磁場を印加する磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）と、高温端と低温端との間において磁気熱量素子に沿って熱輸送媒体を往復的に流すポンプ（３０）と、高温端または低温端と外部の熱負荷または外部の熱源との間の熱交換量を調節する熱交換調節器（９０、２９０ａ、２９０ｂ、３９０、４９０、５９０）とを備えることを特徴とする。
【００１４】
この構成では、高温端および低温端は、熱磁気サイクル装置の用途に応じて、外部の熱負荷または外部の熱源と熱交換可能に構成される。さらに、高温端または低温端において、外部の熱負荷または外部の熱源との熱交換量が調節される。熱交換量が多いときは、熱の供給または熱の利用が促進される。一方で、熱交換量が少ない時は、磁気熱量素子により生成された高温および／または低温が熱磁気サイクル装置の内部に滞留し蓄積される。これにより、磁気熱量素子の温度分布を望ましい温度分布に接近させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】発明を実施するための第１実施形態に係る磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（以下、ＭＨＰ装置という）を含む車両用空調装置を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。
【図３】第１実施形態のＭＨＰ装置の断面図である。
【図４】第１比較例のＭＨＰ装置の模式的なブロック図である。
【図５】第１比較例の起動過程を示すグラフである。
【図６】第２比較例のＭＨＰ装置の模式的なブロック図である。
【図７】第２比較例の起動過程を示すグラフである。
【図８】第１実施形態のＭＨＰ装置の模式的なブロック図である。
【図９】第１実施形態の制御処理を示すフローチャートである。
【図１０】発明の第２実施形態の構成を示す断面図である。
【図１１】第２実施形態の構成を示す断面図である。
【図１２】第２実施形態の構成を示す断面図である。
【図１３】第２実施形態の構成を示す断面図である。
【図１４】発明の第３実施形態のＭＨＰ装置の模式的なブロック図である。
【図１５】発明の第４実施形態のＭＨＰ装置の模式的なブロック図である。
【図１６】発明の第５実施形態のＭＨＰ装置の模式的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図面を参照しながら、発明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。また、後続の実施形態においては、先行する実施形態で説明した事項に対応する部分に百以上の位だけが異なる参照符号を付することにより対応関係を示し、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他の形態の説明を参照し適用することができる。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、発明を実施するための第１実施形態に係る磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２を含む車両用空調装置１を示すブロック図である。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２はＭＨＰ（Magneto-caloric effectHeat Pump）装置２とも呼ばれる。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。車両用空調装置１は、２つの熱交換器３、４を備える。熱交換器３は、熱交換器４より高温になる高温側熱交換器である。熱交換器４は、熱交換器３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、高温側熱交換器３、および／または低温側熱交換器４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。
【００１８】
車両用空調装置１は、冷房装置また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２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、高温側熱交換器３は上記加熱器として用いることができる。また、低温側熱交換器４は上記冷却器として用いることができる。例えば、ＭＨＰ装置２が暖房装置として利用されるとき、熱交換器３は室内熱交換器を提供する。ＭＨＰ装置２が冷房装置として利用されるとき、熱交換器４は室内熱交換器を提供する。
【００１９】
車両用空調装置１は、磁気熱量素子の磁気熱量効果を利用したＭＨＰ装置２を備える。磁気熱量素子は、ＭＣＥ（Magneto-Caloric Effect）素子とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２は、熱磁気サイクル装置を提供する。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。
【００２０】
ＭＨＰ装置２は、動力源としてのモータ２０と、熱輸送媒体を流すためのポンプ３０と、磁気熱量素子を収容した第１の磁気熱量装置ユニット４０と、磁気熱量素子を収容した第２の磁気熱量装置ユニット５０と、変速機７０、８０と、熱交換調節器９０とを備える。磁気熱量素子は、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。磁気熱量装置ユニット４０、５０は、ＭＣＤ（Magneto-Caloric effectDevice）ユニット４０、５０とも呼ばれる。
【００２１】
ＭＨＰ装置２は、高温端１１に温熱を供給し、低温端１２に冷熱を供給する。ＭＨＰ装置２が運転されると、ＭＨＰ装置２に内蔵された磁気熱量素子は、高温端１１において高温となり、低温端１２において低温となる。ＭＨＰ装置２が供給する冷熱と温熱とは、ポンプ３０によって流される熱輸送媒体によって輸送される。熱輸送媒体は、水である。以下、ＭＨＰ装置２の熱輸送媒体を作業水と呼ぶ。高温端１１から、高温の作業水が流れ出し、温熱が外部に供給される。作業水は、外部に温熱を供給した後に、高温端１１へ戻る。このとき、高温端１１に冷熱が運び込まれる。低温端１２から、低温の作業水が流れ出し、冷熱が外部に供給される。作業水は、外部に冷熱を供給した後に、低温端１２へ戻る。このとき、低温端１２に温熱が運び込まれる。
【００２２】
この実施形態では、ＭＨＰ装置２は、複数のＭＣＤユニット４０、５０を備える。高温側のＭＣＤユニット４０は、中間低温端１３に冷熱を供給する。低温側のＭＣＤユニット５０は、中間高温端１４に温熱を供給する。中間低温端１３と中間高温端１４との間は、変速機７０、８０、ポンプ３０、およびそれらの間に存在する熱輸送媒体によって熱的に結合されている。中間低温端１３と中間高温端１４との間には、高温端１１と低温端１２との間に所定の温度勾配を形成するために十分な熱的な結合が提供されている。
【００２３】
車両用空調装置１は、熱交換器と、熱交換器を通る循環流路とを備えることができる。ポンプ３０は、熱輸送媒体を一方に向けて流すときに、高温端１１および低温端１２の一方から循環流路１５、１６に熱輸送媒体を吐出し、熱輸送媒体を他方に向けて流すときに、循環流路１５、１６から高温端１１および低温端１２の一方に熱輸送媒体を吸い込む。
【００２４】
図示される例では、熱交換器は、高温側熱交換器３と低温側熱交換器４とを有する。循環流路は、高温側熱交換器３を通る高温側循環流路１５と低温側熱交換器４を通る低温側循環流路１６とを備える。ポンプ３０は、高温端１１に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温端１１から高温側循環流路１５に熱輸送媒体を吐出し、低温端１２に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温側循環流路１５から高温端１１に熱輸送媒体を吸い込む。ポンプ３０は、低温端１２に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温端１２から低温側循環流路１６に熱輸送媒体を吐出し、高温端１１に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温側循環流路１６から低温端１２に熱輸送媒体を吸い込む。
【００２５】
車両用空調装置１は、ＭＨＰ装置２と熱交換器３とを通る高温側循環流路１５を備える。高温側循環流路１５を流れる作業水は、ＭＨＰ装置２から熱交換器３へ熱を輸送する。車両用空調装置１は、ＭＨＰ装置２と熱交換器４とを通る低温側循環流路１６を備える。低温側循環流路１６を流れる作業水は、熱交換器４からＭＨＰ装置２へ熱を輸送する。車両用空調装置１は、室外の空気を主たる熱源とする。また、車両用空調装置１は、室内の空気を熱負荷とする。よって、車両用空調装置１は、暖房装置を提供する。ＭＨＰ装置２は、主たる熱源としての熱交換器４の熱を、熱負荷としての熱交換器３に供給する。
【００２６】
ＭＨＰ装置２は、高温端１１に熱交換調節器９０を備える。ＭＨＰ装置２は、低温端１２に熱交換調節器９０を備える。熱交換調節器９０は、高温端１１または低温端１２に設けることができる。熱交換調節器９０は、ＭＣＤユニット４０、５０の外部における作業水の熱交換量を調節する。熱交換調節器９０は、ＭＣＤユニット４０、５０の外部における作業水の熱交換量を、少なくとも大小２段階に調節する。この熱交換量が小さいときの熱負荷および／または熱源からＭＣＤユニット４０、５０への熱的な影響は、熱交換量が大きいときの熱負荷および／または熱源からＭＣＤユニット４０、５０への熱的な影響より抑制される。よって、熱交換量が小さいときは、熱負荷および／または熱源の影響を抑制しながら、磁気熱量素子による温度分布の生成を促進することができる。一方、熱交換量が大きいときには、磁気熱量素子により得られた温度を外部に取り出すことができる。
【００２７】
高温端１１では、熱交換調節器９０は、ＭＣＤユニット４０、５０と、高温側の熱交換器３との間における実質的な流量を調節する。上記実質的な流量は、高温側循環流路１５において、熱交換器３を経由することなく流れるバイパス流量を調節することによって調節される。言い換えると、熱交換調節器９０は、熱交換器３を流れることのない作業水の流量を調節する。すなわち、熱交換調節器９０は、ＭＣＤユニット４０、５０の内部循環量を調節する装置とも呼ぶことができる。熱交換調節器９０は、ＭＣＥ素子４９、５９の高温端１１から吐出される作業水がもつ温熱が到達する範囲を変更する機構とも呼ぶことができる。
【００２８】
低温端１２では、熱交換調節器９０は、ＭＣＤユニット４０、５０と、低温側の熱交換器４との間における実質的な流量を調節する。上記実質的な流量は、低温側循環流路１６において、熱交換器４を経由することなく流れるバイパス流量を調節することによって調節される。言い換えると、熱交換調節器９０は、熱交換器４を流れることのない作業水の流量を調節する。すなわち、熱交換調節器９０は、ＭＣＤユニット４０、５０の内部循環量を調節する装置とも呼ぶことができる。熱交換調節器９０は、ＭＣＥ素子４９、５９の低温端１２から吐出される作業水がもつ冷熱が到達する範囲を変更する機構とも呼ぶことができる。
【００２９】
車両用空調装置１は、電気的な制御装置（ＣＮＴＲ）５を備える。制御装置５は、車両用空調装置１の制御可能な複数の要素を制御する。例えば、制御装置５は、ＭＨＰ装置２の作動と停止とを少なくとも切換えるようにモータ２０を制御する。また、制御装置５は、変速機７０、８０による回転速度および／または回転位相の変換状態を切換えるように変速機７０、８０を制御することができる。制御装置５は、熱交換調節器９０を制御することができる。制御装置５は、ＭＨＰ装置２の起動初期における内部循環量を、ＭＨＰ装置２の定常的な運転状態における内部循環量より多くするように熱交換調節器９０を制御することができる。制御装置５は、ＭＨＰ装置２の各部の温度、特に高温端１１の温度と、低温端１２の温度とを検出するセンサを含むことができる。
【００３０】
制御装置５は、電子制御装置（Electronic Control Unit）である。制御装置５は、少なくともひとつの演算処理装置（ＣＰＵ）と、プログラムとデータとを記憶する記憶媒体としての少なくともひとつのメモリ装置（ＭＭＲ）とを有する。制御装置５は、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を備えるマイクロコンピュータによって提供される。記憶媒体は、コンピュータによって読み取り可能なプログラムを非一時的に格納している。記憶媒体は、半導体メモリまたは磁気ディスクなどによって提供されうる。制御装置５は、ひとつのコンピュータ、またはデータ通信装置によってリンクされた一組のコンピュータ資源によって提供されうる。プログラムは、制御装置５によって実行されることによって、制御装置５をこの明細書に記載される装置として機能させ、この明細書に記載される方法を実行するように制御装置５を機能させる。制御装置５は、多様な要素を提供する。それらの要素の少なくとも一部は、機能を実行するための手段と呼ぶことができ、別の観点では、それらの要素の少なくとも一部は、構成的なブロック、またはモジュールと呼ぶことができる。
【００３１】
図２は、第１実施形態のＭＨＰ装置２の断面図である。図３は、第１実施形態のＭＨＰ装置２の断面図である。図２は、図３に示されたＩＩ−ＩＩ断面を示す。図３は、図２に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す。
【００３２】
ＭＨＰ装置２の動力源として設けられたモータ（ＭＴＲ）２０は、車載の電池によって駆動される。モータ２０は、ポンプ３０を駆動する。これにより、モータ２０とポンプ３０とは、作業水の往復的な流れを生じさせる。また、モータ２０は、ＭＣＤユニット４０、５０における永久磁石を回転駆動する。これにより、モータ２０とＭＣＤユニット４０、５０とは、磁気熱量素子へ外部磁場を印加する状態と、磁気熱量素子から外部磁場を除去した状態（外部磁場を印加しない状態）との間での交互切換を生じさせる。
【００３３】
ポンプ３０は、高温端１１と低温端１２との間においてＭＣＥ素子に沿って作業水を往復的に流す。ポンプ３０は、磁気熱量素子をＡＭＲ(ActiveMagnetic Refrigeration)サイクルとして機能させるための作業水の往復流をＭＣＤユニット４０、５０内に生じさせる。往復流は、作業水がＭＣＤユニット４０、５０内の高温端と低温端との間を往復する流れである。さらに、ポンプ３０は、ＭＣＤユニット４０、５０によって得られた冷熱および／または温熱を、外部に供給するための作業水の循環流を生じさせる。循環流は、作業水がＭＣＤユニット４０、５０から出て、再びＭＣＤユニット４０、５０に戻る流れである。この循環流は、作業水が高温端１１から出て、高温側循環流路１５を通り、再び高温端１１に戻る高温側外部循環流を含むことができる。さらに、循環流は、作業水が低温端１２から出て、低温側循環流路１６を通り、再び低温端に戻る低温側外部循環流を含むことができる。この実施形態では、ポンプ３０は、低温側外部循環流と、高温側外部循環流との両方を生じさせる。
【００３４】
ポンプ３０は、容積型の往復流ポンプである。ポンプ３０は、斜板型のピストンポンプである。ポンプ３０は、円筒状または円柱状と呼びうるハウジング３１を備える。ハウジング３１は、その中心軸上に回転軸３２を回転可能に支持している。ハウジング３１は、少なくともひとつのシリンダ３３を区画形成している。ハウジング３１は、回転軸３２の周囲に、等間隔に配置された複数のシリンダ３３を区画形成している。この実施形態では、ハウジング３１は、５つのシリンダ３３を区画形成している。ハウジング３１は、斜板３４を収容している。斜板３４は、ハウジング３１の中心軸に対して所定角度だけ傾斜して回転可能に支持されている。斜板３４は、回転軸３２とともに回転するように回転軸３２に連結されている。ひとつのシリンダ３３には、２つのピストン３５、３６が配置されている。２つのピストン３５、３６の間には、斜板３４が位置している。
【００３５】
一方のピストン３５は、シリンダ３３の図中の右半部の中を往復移動することができる。他方のピストン３６は、シリンダ３３の図中の左半部の中を往復移動することができる。この結果、ひとつのシリンダ３３の中に、２気筒の容積型のピストンポンプが形成される。これら２気筒の容積は、相補的に増減する。これら２気筒は、低温端１２から中間高温端１４へ向かう流れと、中間低温端１３から高温端１１へ向かう流れとを同時に生成する。また、これら２気筒は、高温端１１から中間低温端１３へ向かう流れと、中間高温端１４から低温端１２へ向かう流れとを同時に生成する。
【００３６】
ハウジング３１は、５つのシリンダ３３を有するから、ポンプ３０は１０気筒のピストンポンプを提供する。別の観点では、ポンプ３０は、斜板３４の両側にピストン３５、３６を持つことにより、右側に位置する第１ポンプ群と、左側に位置する第２ポンプ群とを提供しているといえる。第１ポンプ群は、第１のＭＣＤユニット４０のためのポンプである。第２ポンプ群は、第２のＭＣＤユニット５０のためのポンプである。
【００３７】
ＭＣＤユニット４０と、ＭＣＤユニット５０とは、ポンプ３０の両側に分かれて配置されている。ＭＣＤユニット４０とＭＣＤユニット５０とは、ポンプ３０の両側において、左右対称に構成され、そのように配置されている。ＭＣＤユニット４０とＭＣＤユニット５０とは、それらの全体によって高温端１１に温熱を供給し、低温端１２に冷熱を供給するひとつのＭＣＤユニットを構成しているといえる。
【００３８】
ＭＣＤユニット４０、５０は、円筒状または円柱状と呼びうるハウジング４１、５１を備える。ハウジング４１、５１は、その中心軸上に回転軸４２、５２を回転可能に支持する。ハウジング４１、５１は、回転軸４２、５２の周囲に、円柱状の空間である磁石収容室４３、５３を区画形成している。回転軸４２、５２には、ロータコア４４、５４が固定されている。ロータコア４４、５４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４４、５４は、その断面において、少なくともひとつの扇状部分を有する。この実施形態では、ロータコア４４、５４は、２つの扇状部分を有する。ロータコア４４、５４には、永久磁石４５、５５が固定されている。永久磁石４５、５５は、部分円筒状であり、その断面が扇型である。永久磁石４５、５５は、ロータコア４４、５４の扇状部分の外周面に固定されている。
【００３９】
ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、それらの周囲に、永久磁石４５、５５が提供する外部磁場が強くなる領域と、永久磁石４５、５５が提供する外部磁場が弱くなる領域とを形成する。外部磁場が弱くなる領域では、外部磁場がほぼ除去された状態が提供される。ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、回転軸４２、５２の回転に同期して回転する。よって、外部磁場が強い領域と、外部磁場が弱い領域とは、回転軸４２、５２の回転に同期して回転する。この結果、ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５との周囲の一点においては、外部磁場が強く印加される期間と、外部磁場が弱くなりほぼ除去された期間とが繰り返して生じる。したがって、ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、外部磁場の印加および除去を繰り返す磁場印加除去手段を提供する。言い換えると、ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、ＭＣＥ素子４９、５９に周期的に変動する外部磁場を印加する磁場印加装置を提供する。
【００４０】
ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、ＭＣＥ素子４９、５９への外部磁場の印加と除去とを切換える磁場切換装置を提供する。磁場切換装置は、第１の永久磁石４５と、第２の永久磁石５５とを備える。第１の永久磁石４５は、第１のＭＣＤユニット４０に設けられ、回転することにより第１のＭＣＥ素子４９への磁場の印加と除去とを切換える。第２の永久磁石５５は、第２のＭＣＤユニットに設けられ、回転することにより第２のＭＣＥ素子５９への磁場の印加と除去とを切換える。なお、磁場の語は磁界と読み替えることができる。ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、ＭＣＥ素子４９、５９へ外部磁場を供給することができる磁場供給装置でもある。ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、磁気熱量素子をＡＭＲサイクルとして機能させるための磁場の影響下に置く磁気装置でもある。
【００４１】
ハウジング４１、５１は、少なくともひとつの作業室４６、５６を区画形成している。作業室４６、５６は、磁石収容室４３、５３に隣接して設けられている。ハウジング４１、５１は、磁石収容室４３、５３の径方向外側に、等間隔に配置された複数の作業室４６、５６を区画形成している。この実施形態では、ひとつのハウジング４１は、５つの作業室４６を区画形成している。ひとつのハウジング５１は、５つの作業室５６を区画形成している。それぞれの作業室４６、５６は、ハウジング４１、５１の軸方向に沿って長手方向を有する柱状空間を形成している。ひとつの作業室４６、５６は、ひとつのシリンダ３３だけに対応するように設けられている。ひとつのシリンダ３３の両側に、作業室４６と作業室５６とが配置されている。
【００４２】
ひとつの作業室４６は、その一端に作業水が出入りする第１の出入口部を有する。第１の出入口部は、室内熱交換器３へ作業水を供給する出口と、室内熱交換器３から戻る作業水を受け入れる入口とを有する。出口には、作業室５６からの作業水の流出だけを許容する逆止弁４７が設けられている。入口には、作業室５６への作業水の流入だけを許容する逆止弁４８が設けられている。これら逆止弁４７、４８は、リードバルブ、またはボールバルブによって提供することができる。また、ひとつの作業室４６は、その他端にポンプ３０に連通する第２の出入口部を有する。第２の出入口部は、ひとつのシリンダ３３とひとつのピストン３５とによって形成されるひとつのポンプ室だけと連通している。
【００４３】
ひとつの作業室５６は、その一端に作業水が出入りする第１の出入口部を有する。第１の出入口部は、室外熱交換器４へ作業水を供給する出口と、室外熱交換器４から戻る作業水を受け入れる入口とを有する。出口には、作業室５６からの作業水の流出だけを許容する逆止弁５７が設けられている。入口には、作業室５６への作業水の流入だけを許容する逆止弁５８が設けられている。これら逆止弁５７、５８は、リードバルブ、またはボールバルブによって提供することができる。また、ひとつの作業室５６は、その他端にポンプ３０に連通する第２の出入口部を有する。第２の出入口部は、ひとつのシリンダ３３とひとつのピストン３６とによって形成されるひとつのポンプ室だけと連通している。
【００４４】
作業室４６、５６は、熱を輸送するための媒体としての作業水が流通する流路を提供する。作業室４６、５６内には、その長手方向に沿って作業水が流れる。作業水は、作業室４６、５６内を長手方向に沿って往復するように流れる。さらに、作業室４６、５６は、ＭＣＥ素子４９、５９を収容する収容室を提供する。ハウジング４１、５１は、作業室４６、５６が形成された容器を提供している。作業室４６、５６の中には、磁気熱量効果を有する磁気作業物質としてのＭＣＥ素子４９、５９が配置されている。
【００４５】
ＭＣＥ素子４９、５９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４９、５９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４９、５９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。ＭＣＥ素子４９、５９は、例えば、ガドリウム系材料、またはランタン−鉄−シリコン化合物により提供することができる。また、ＭＣＥ素子４９、５９は、マンガン、鉄、リンおよびゲルマニウムの混合物により提供することができる。
【００４６】
ＭＣＥ素子４９、５９は、ＭＣＤユニット４０、５０の軸方向に沿って長手方向を有する棒状に形成されている。ＭＣＥ素子４９、５９は、高温端と低温端との間の温度分布の方向に沿って長手方向を有する。ＭＣＥ素子４９、５９は、作業室４６、５６内を流れる作業水と十分に熱交換できる形状に形成されている。それぞれのＭＣＥ素子４９、５９は、素子ベッドとも呼ばれる。この実施形態では、高温端１１と低温端１２との間に設けられたＭＣＥ素子は、第１のＭＣＥ素子４９と、第２のＭＣＥ素子５９とを備える。第１のＭＣＥ素子４９は、第１のＭＣＤユニット４０に設けられ、一端に中間低温端１３を有し、反対の他端に高温端１１を有する。第２のＭＣＥ素子５９は、第２のＭＣＤユニット５０に設けられ、一端に低温端１２を有し、反対の他端に中間高温端１４を有する。
【００４７】
ひとつのＭＣＥ素子４９、５９は、複数の素子ユニット６１−６６を備える。複数の素子ユニット６１−６６は、ＭＣＥ素子４９、５９の長手方向、すなわち作業水の流れ方向に沿って並べられ、互いに熱伝導可能に配置されている。図２には、右上に位置するひとつのＭＣＥ素子４９に属する６つの素子ユニット６１−６６が符号によって示されている。
【００４８】
ＭＣＥ素子４９、５９は、ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とによって印加、または除去される外部磁場の影響下に置かれる。すなわち、回転軸４２、５２が回転すると、ＭＣＥ素子４９、５９を磁化させるための外部磁場が印加された状態と、ＭＣＥ素子４９、５９から上記外部磁場が除去された状態とが交互に切換えられる。
【００４９】
ひとつのＭＣＤユニット４０、５０は、熱的に並列接続された複数のＭＣＥ素子４９、５９を備える。例えば、ＭＣＤユニット４０においては、５つのＭＣＥ素子４９が熱的に並列接続されている。また、ＭＣＤユニット５０においては、５つのＭＣＥ素子５９が熱的に並列接続されている。さらに、複数のＭＣＤユニット４０、５０に属する複数のＭＣＥ素子４９、５９は、熱的に直列接続されたひとつのＭＣＥ素子を構成しているといえる。
【００５０】
変速機７０は、ポンプ３０の回転軸３２とＭＣＤユニット４０の回転軸４２との間に設けられている。変速機７０は、回転軸３２と回転軸４２との間の回転速度、および／または回転位相を調節する。変速機８０は、ポンプ３０の回転軸３２とＭＣＤユニット５０の回転軸５２との間に設けられている。変速機８０は、回転軸３２と回転軸５２との間の回転速度、および／または回転位相を調節する。この実施形態では、回転軸５２にモータ２０が接続されている。変速機７０、８０は、ＡＭＲサイクルが実現されるようにポンプ３０とＭＣＤユニット４０、５０とが運転されるように、回転軸３２と、回転軸４２と、回転軸５２との回転関係を調節する。
【００５１】
ポンプ３０とＭＣＤユニット４０との間には、作業水の通路を形成する通路形成部材７１が設けられている。通路形成部材７１は、ひとつのシリンダ３３とひとつの作業室４６とを連通する流路を形成している。ポンプ３０とＭＣＤユニット５０との間には、作業水の通路を形成する通路形成部材８１が設けられている。通路形成部材８１は、ひとつのシリンダ３３とひとつの作業室５６とを連通する流路を形成している。
【００５２】
この実施形態では、ポンプ３０の右半部に形成された多気筒のピストンポンプとＭＣＤユニット４０とによって、複数のＭＨＰユニットが構成されている。具体的には、５つのＭＨＰユニットが構成されている。これら複数のＭＨＰユニットは、熱的に並列接続されている。また。ポンプ３０の左半部に形成された多気筒のピストンポンプとＭＣＤユニット５０とによって、複数のＭＨＰユニットが構成されている。具体的には、５つのＭＨＰユニットが構成されている。これら複数のＭＨＰユニットは、熱的に並列接続されている。さらに、ポンプ３０の両側に配置された複数のＭＨＰユニットは、熱的に直列接続されている。
【００５３】
図４は、第１比較例におけるＭＨＰ装置ＣＭＰ１を示す。図中には、一組のＭＣＥ素子４９、５９と、それに関連する機器とが図示されている。図中では、ポンプ３０は省略されている。また、高温端と低温端とは対称に構成されている。よって、以下の説明では、高温端について説明する。この装置は、ＭＣＤユニット４０、５０の端部に、比較的小さい容積をもつ容積室ＶＣ１を有する。容積室ＶＣ１には、作業水が満たされている。ＭＣＥ素子４９、５９から流出した作業水は、容積室ＶＣ１に流入する。その後、逆止弁４７を経由して、高温側循環流路１５へ流れ出る。しかし、容積室ＶＣ１の中には、容積室ＶＣ１に留まる作業水が存在する。容積室ＶＣ１に滞留する作業水は、高温側循環流路１５および熱交換器３において熱交換することなく、ＭＣＥ素子４９、５９に再び流入する。この第１比較例では、容積室ＶＣ１の容積が小さい。このため、作業水のほとんどは高温側循環流路１５へ流入し、熱交換器３において熱交換する。
【００５４】
図５は、第１比較例が停止状態から起動された場合の温度分布の変化を示す。横軸は、ＭＣＥ素子４９、５９の位置を示し、縦軸は温度を示す。第１比較例のＭＨＰ装置ＣＭＰ１が停止している場合、温度分布は環境温度に依存する。例えば、停止期間が長い場合、ＭＨＰ装置ＣＭＰ１の全体が、環境温度になる。このような初期状態の一例が図中に破線によって示されている。
【００５５】
ＭＨＰ装置ＣＭＰ１がＡＭＲサイクルとして機能すると、高温端の温度が上昇し、低温端の温度が低下する。この結果、ＭＨＰ装置ＣＭＰ１の温度分布は、破線から一点鎖線、さらに一点鎖線から実線へと徐々に変化する。
【００５６】
起動の過程において、熱交換器３によって熱交換された作業水は容積室ＶＣ１に流入し、さらにＭＣＥ素子４９、５９に再び流入する。熱交換器３によって低温になった作業水は、高温端におけるＭＣＥ素子の温度上昇を妨げる。このため、ＭＣＥ素子４９、５９の高温端側の部分には、戻り作業水の影響を受けることによって低温となった領域が生じる。このような影響は、ＭＣＥ素子４９、５９が望ましい温度分布に到達することを阻害する。このため、ＭＣＥ素子４９、５９が定常的な運転状態における望ましい温度分布に到達するまでに長い起動時間を要する。
【００５７】
図６は第２比較例におけるＭＨＰ装置ＣＭＰ２を示す。図６は図４と対比できるように描かれている。この装置は、ＭＣＤユニット４０、５０の端部に、比較的大きい容積をもつ容積室ＶＣ２を有する。ＭＣＥ素子４９、５９から流出した作業水は、容積室ＶＣ２に流入する。その後、逆止弁４７を経由して、高温側循環流路１５へ流れ出る。しかし、容積室ＶＣ２の中には、容積室ＶＣ２に留まる作業水が存在する。容積室ＶＣ２に滞留する作業水は、高温側循環流路１５および熱交換器３において熱交換することなく、ＭＣＥ素子４９、５９に再び流入する。この第２比較例では、容積室ＶＣ２の容積が大きい。このため、ＭＣＥ素子４９、５９から流出した作業水の一部は高温側循環流路１５へ流入することなく、すなわち熱交換器３において熱交換することなく、ＭＣＥ素子４９、５９に再び流入する。よって、第２比較例の内部循環量は、第１比較例の内部循環量より多いといえる。
【００５８】
図７は、第２比較例が停止状態から起動された場合の温度分布の変化を示す。図７は図５と対比できるように描かれている。ＭＨＰ装置ＣＭＰ２がＡＭＲサイクルとして機能すると、高温端の温度が上昇し、低温端の温度が低下する。この結果、ＭＨＰ装置ＣＭＰ２の温度分布は、破線から一点鎖線、さらに一点鎖線から実線へと徐々に変化する。
【００５９】
起動の過程において、熱交換器３によって熱交換された作業水は容積室ＶＣ２に流入する。しかし、容積室ＶＣ２には、高温側循環流路１５に流れ出ることなく容積室ＶＣ２に滞留している作業水が大量に存在する。このため、熱交換器３によって低温になった作業水が容積室ＶＣ２に流れ込んでも、容積室ＶＣ２内の温度低下は抑制される。よって、容積室ＶＣ２内に溜められた比較的高温の作業水がＭＣＥ素子４９、５９に再び流入する。
【００６０】
このように、高温端においては、容積室ＶＣ２は、高温の熱を貯める熱溜めとして機能する。容積室ＶＣ２は、外部の熱負荷および／または熱源からの影響を抑制する。よって、容積室ＶＣ２は、熱的な障壁を提供しているともいえる。ＭＣＥ素子４９、５９の高温端側の部分では、戻り作業水の影響が抑制される。この結果、ＭＣＥ素子４９、５９は、自らが生成する温度によって望ましい温度分布を獲得する。このため、ＭＣＥ素子４９、５９は、比較的短い起動時間によって定常的な運転状態における望ましい温度分布に到達する。低温端においても、同様の容積室が設けられている。よって、低温端においても、低温の熱を貯める熱溜めが提供される。
【００６１】
定常的な運転状態においては、図４−図５に説明したように、ＭＨＰ装置の端部において熱を効率的に伝達することが望ましい。そのためには、ＭＨＰ装置と、外部熱負荷および／または熱源と間における熱的な障壁は低いことが望ましい。その一方で、ＭＨＰ装置の起動時間を短くするためには、図６−図７に説明したように、ＭＨＰ装置の端部において、ＭＨＰ装置と、外部熱負荷および／または熱源と間に、高い熱的な障壁を設けることが望ましい。この熱的な障壁が高いほど、ＭＨＰ装置の内部において生成された低温または高温の外部への持ち出しが抑制される。言い換えると、熱的な障壁が高いほど、ＭＨＰ装置の外部から内部への、望ましくない低温または高温の持ち込みが抑制される。この結果、熱的な障壁が大きいほど、ＭＨＰ装置の内部において生成された低温または高温によって、ＭＨＰ装置の内部の温度分布が定常温度分布へ向けて迅速に推移する。
【００６２】
この第１実施形態では、ＭＨＰ装置の端部における熱的な障壁の高さを少なくとも高低２段階に調節するために、熱交換調節器９０が設けられている。熱的な障壁の高さは、ＭＨＰ装置に端部における作業水の熱交換量を調節することによって調節される。熱交換調節器９０は、高温端１１または低温端１２と外部の熱負荷または外部の熱源との間の熱交換量を調節する。熱交換調節器９０は、起動期間中においては熱的な障壁を高くするように、定常的な運転状態においては熱的な障壁を低くするように制御される。言い換えると、熱交換調節器９０は、起動期間中には熱交換量を少なくするように、定常的な運転状態においては熱交換量を多くするように制御される。
【００６３】
図８は、第１実施形態におけるＭＨＰ装置２を示す。図中には、一組のＭＣＥ素子４９、５９と、それに関連する機器とが図示されている。図中では、ポンプ３０は省略されている。また、高温端と低温端とは対称に構成されている。図中には、右側、すなわち高温端の側に、起動期間中における熱交換調節器９０の状態が図示されている。図中には、左側、すなわち低温端の側に、定常時における熱交換調節器９０の状態が図示されている。
【００６４】
熱交換調節器９０は、高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６に設けられたバイパス通路９１を有する。熱交換調節器９０は、バイパス通路９１に設けられ、バイパス通路９１を開閉する弁９２を有する。バイパス通路９１は、熱交換器３、４を経由することなく作業水が流れることができるように、熱交換器３、４をバイパスするように高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６に設けられている。バイパス通路９１は、逆止弁４７、４８、５７、５８の近傍に設けられている。これにより、高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６内に滞留する作業水の温度からの影響が抑制される。弁９２は電磁式の開閉弁である。弁９２は、少なくとも開弁状態と、閉弁状態とに切替えられる。
【００６５】
作業水は、ポンプ３０のひとつの気筒によって、それに対応するＭＣＥ素子４９、５９から、逆止弁４７、５７を経由して、高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６に押し出される。同時に、作業水は、ポンプ３０の他の気筒によって、高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６から、逆止弁４８、５８を経由して、ＭＣＥ素子４９、５９へ吸い戻される。
【００６６】
図中右側に図示される開弁状態においては、バイパス通路９１を経由する場合の流路抵抗が、熱交換器３、４を経由する場合の流路抵抗より小さい。このため、弁９２が開弁状態にあるとき、作業水はバイパス通路９１を経由して流れる。弁９２が開弁状態にあるとき、作業水は高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６内に流れることなくＭＣＥ素子４９、５９へ戻る。バイパス通路９１が熱交換器３、４をパイパスするから、熱交換器３、４における熱交換量が抑制される。熱交換器３、４がバイパスされる場合、作業水は、その温度がほとんど変化しないままで、ＭＨＰ装置２に戻る。ここで、熱交換器３、４を経由しない作業水の流れは、ＭＨＰ装置２の内部における作業水の循環量、すなわち内部循環量とみることができる。よって、開弁状態は、内部循環量が多い状態とも呼ぶことができる。言い換えると、ＭＨＰ装置２と高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６との間の熱交換が抑制される。
【００６７】
図中左側に図示される閉弁状態においては、バイパス通路９１を経由する場合の流路抵抗が、熱交換器３、４を経由する場合の流路抵抗より大きい。このため、弁９２が閉弁状態にあるとき、作業水は熱交換器３、４を経由して流れる。弁９２が閉弁状態にあるとき、作業水は高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６内を循環的に流れた後に、ＭＣＥ素子４９、５９へ戻る。この結果、熱交換器３、４における熱交換量は大きく設定される。作業水が熱交換器３、４を経由して流れる場合、作業水は、その温度が変化した後に、ＭＨＰ装置２に戻る。このため、閉弁状態は、内部循環量が上記開弁状態より少ない状態とも呼ぶことができる。言い換えると、ＭＨＰ装置２と高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６との間の熱交換が大きく設定され、抑制されない。
【００６８】
図９は、制御装置５による熱交換調節器９０の制御処理Ｓ５ａを示すフローチャートである。制御処理Ｓ５ａは、高温端のための制御処理Ｓ５ｂ−Ｓ５ｄと、低温端のための制御処理Ｓ５ｅ−Ｓ５ｇとを含む。この実施形態では、ＭＨＰ装置２が安定的に運転される定常時と、ＭＨＰ装置２が定常状態に到達する前の起動時とは、温度に基づいて決定される。この構成は、適切な期間にわたって熱交換量を抑制することにより、ＭＨＰ装置２の内部の温度分布を調節することを可能とする。
【００６９】
この制御処理Ｓ５ａを実行することにより、制御装置５は、定常時において熱交換量を多くするように熱交換調節器９０を制御するとともに、起動時において熱交換量を定常時より少なくするように熱交換調節器９０を制御する。この構成では、定常時においては、熱交換量を多くするように熱交換調節器９０が制御される。これにより、定常時において熱の供給または熱の利用が促進される。なお、定常時は、ＭＨＰ装置２が設計時に想定された温度分布の下で機能している状態を指す。一方で、起動時において熱交換量を定常時より少なくするように熱交換調節器９０が制御される。少ない熱交換量は、ＭＣＥ素子４９、５９により生成された高温および／または低温がＭＨＰ装置２の内部に滞留することを可能とする。このため、ＭＣＥ素子４９、５９の温度分布は、起動後の初期の状態から、迅速に定常的な運転状態へ移行する。これにより、起動期間の短縮が図られる。
【００７０】
まず、ステップＳ５ｂでは、起動期間中であるか否かを判定する起動判定が実行される。ここでは、高温端１１に設けられた熱交換調節器９０のための起動判定が実行される。例えば、起動判定は、高温端１１における作業水の温度Ｔｗ１が、所定の閾値温度Ｔｔｈ１を下回るか否かによって判定することができる。この判定には、図示されるようなヒステリシスを設けることができる。高温端１１では、ＭＨＰ装置２の運転によって作業水の温度が徐々に上昇する。
【００７１】
Ｔｗ１＜Ｔｔｈ１が満たされる場合、すなわち起動期間中と判定できる場合、ＹＥＳに分岐し、ステップＳ５ｃに進む。ステップＳ５ｃでは、高温端１１に設けられた弁９２が開かれる。これにより、内部循環量が多い状態が提供される。
【００７２】
Ｔｗ１＜Ｔｔｈ１が満たされない場合、すなわち起動期間中と判定できない場合、ＮＯに分岐し、ステップＳ５ｄに進む。この状態は、ＭＨＰ装置２の高温端１１の温度が定常運転における定常温度に到達した状態である。ステップＳ５ｄでは、高温端１１に設けられた弁９２が閉じられる。これにより、内部循環量が上記開弁状態より少ない状態が提供される。
【００７３】
ステップＳ５ｅでは、起動期間中であるか否かを判定する起動判定が実行される。ここでは、低温端１２に設けられた熱交換調節器９０のための起動判定が実行される。例えば、起動判定は、低温端１２における作業水の温度Ｔｗ２が、所定の閾値温度Ｔｔｈ２を上回るか否かによって判定することができる。この判定には、図示されるようなヒステリシスを設けることができる。低温端１２では、ＭＨＰ装置２の運転によって作業水の温度が徐々に低下する。
【００７４】
Ｔｗ２＞Ｔｔｈ２が満たされる場合、すなわち起動期間中と判定できる場合、ＹＥＳに分岐し、ステップＳ５ｆに進む。ステップＳ５ｆでは、低温端１２に設けられた弁９２が開かれる。これにより、内部循環量が多い状態が提供される。
【００７５】
Ｔｗ２＞Ｔｔｈ２が満たされない場合、すなわち起動期間中と判定できない場合、ＮＯに分岐し、ステップＳ５ｇに進む。この状態は、ＭＨＰ装置２の低温端１２の温度が定常運転における定常温度に到達した状態である。ステップＳ５ｇでは、低温端１２に設けられた弁９２が閉じられる。これにより、内部循環量が上記開弁状態より少ない状態が提供される。
【００７６】
以上に述べた実施形態によると、ＭＨＰ装置２が起動された直後は、作業水の内部循環量を定常時より多くするように熱交換調節器９０が制御される。このため、ＭＨＰ装置２の内部においてＭＣＥ素子４９、５９により生成された高温および低温が蓄積される。この結果、ＭＨＰ装置２の温度分布が、起動直後の初期温度分布から、定常運転状態における定常温度分布へ到達するための起動時間が短縮される。一方、温度分布が定常温度分布に到達した後は、作業水の内部循環量を起動時より少なくするように熱交換調節器９０が制御される。このため、ＭＨＰ装置２の内部においてＭＣＥ素子４９、５９により生成された高温および低温が、作業水によって効率的に外部へ提供される。
【００７７】
（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、弁９２は電磁式の開閉弁である。これに代えて、この実施形態では、感温式アクチュエータによって駆動される開閉弁が利用される。
【００７８】
図１０および図１１は、この実施形態に係るＭＨＰ装置２の端部を模式的に示すブロック図である。ＭＨＰ装置２の高温端１１には、熱交換調節器２９０ａが設けられている。熱交換調節器２９０ａは、高温側循環流路１５に設けられ、熱交換器３をバイパスする流路を提供するバイパス通路２９１ａを備える。熱交換調節器２９０ａは、バイパス通路２９１ａに設けられた弁２９２ａを備える。弁２９２ａは、可動の弁体ＭＶによってバイパス通路２９１ａを開閉するシャッタ弁である。弁体ＭＶは、板状または棒状など種々の形状をもつことができる。
【００７９】
ＭＨＰ装置２は、温度を感知して熱交換調節器２９０ａを駆動する機械的なアクチュエータを備える。アクチュエータは、機械的な部品によって温度を感知し、弁２９２ａを駆動する。アクチュエータは、感温式アクチュエータである。アクチュエータは、高温端１１における作業水の温度に応じて容積が変化するサーモワックスＷＸによって提供される。サーモワックスＷＸは、作業水の温度が上昇すると膨張し、作業水の温度が低下すると収縮する。サーモワックスＷＸは、弁体ＭＶを開弁状態と閉弁状態との間で移動させる。サーモワックスＷＸは、
図１０は、弁２９２ａの開弁状態を示す。弁２９２ａは、作業水の温度が定常運転状態における温度より低いとき、バイパス通路２９１ａを開くように設定されている。サーモワックスＷＸの収縮により、弁体ＭＶは引き込まれ、バイパス通路２９１ａが開かれている。
【００８０】
図１１は、弁２９２ａの閉弁状態を示す。弁２９２ａは、作業水の温度が定常運転状態における温度に到達すると、バイパス通路２９１ａを閉じるように設定されている。サーモワックスＷＸの膨張により、弁体ＭＶは押し出され、バイパス通路２９１ａが閉じられている。
【００８１】
図１２および図１３に図示されるように、ＭＨＰ装置２の低温端１２には、熱交換調節器２９０ｂが設けられている。熱交換調節器２９０ｂは、低温側循環流路１６に設けられ、熱交換器４をバイパスする流路を提供するバイパス通路２９１ｂを備える。熱交換調節器２９０ｂは、バイパス通路２９１ｂに設けられた弁２９２ｂを備える。弁２９２ｂは、可動の弁体ＭＶによってバイパス通路２９１ｂを開閉するシャッタ弁である。弁体ＭＶは、板状または棒状など種々の形状をもつことができる。弁体ＭＶは、押し出された状態においてバイパス通路２９１ｂを開くために、弁体ＭＶの中間位置に開口部を有する。
【００８２】
ＭＨＰ装置２は、温度を感知して熱交換調節器２９０ｂを駆動する機械的なアクチュエータを備える。アクチュエータは、機械的な部品によって温度を感知し、弁２９２ｂを駆動する。アクチュエータは、感温式アクチュエータである。アクチュエータは、低温端１２における作業水の温度に応じて容積が変化するサーモワックスＷＸによって提供される。サーモワックスＷＸは、作業水の温度が上昇すると膨張し、作業水の温度が低下すると収縮する。サーモワックスＷＸは、弁体ＭＶを開弁状態と閉弁状態との間で移動させる。
【００８３】
図１２は、弁２９２ｂの開弁状態を示す。弁２９２ｂは、作業水の温度が定常運転状態における温度より高いとき、バイパス通路２９１ｂを開くように設定されている。サーモワックスＷＸの膨張により、弁体ＭＶは押し出され、バイパス通路２９１ｂが開かれている。
【００８４】
図１３は、弁２９２ｂの閉弁状態を示す。弁２９２ｂは、作業水の温度が定常運転状態における温度に到達すると、バイパス通路２９１ｂを閉じるように設定されている。サーモワックスＷＸの収縮により、弁体ＭＶは引き込まれ、バイパス通路２９１ｂが閉じられている。
【００８５】
この実施形態によると、サーモワックスＷＸは、定常時において熱交換量を多くするように熱交換調節器２９０ａ、２９０ｂを制御するとともに、起動時において熱交換量を定常時より少なくするように熱交換調節器２９０ａ、２９０ｂを制御する。この実施形態によると、熱交換調節器２９０ａ、２９０ｂを駆動するためのアクチュエータを感温式アクチュエータによって提供することができる。このため、構造が簡単なＭＨＰ装置２が提供される。
【００８６】
（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、バイパス通路と弁とによって熱交換調節器を提供した。これに代えて、この実施形態では、ＭＣＥ素子４９、５９の高温端１１または低温端１２と循環流路１５、１６との間に滞留する作業水の容積を調節する装置によって熱交換調節器が提供される。
【００８７】
図１４には、一組のＭＣＥ素子４９、５９と、それに関連する機器とが図示されている。図中では、ポンプ３０は省略されている。また、高温端と低温端とは対称に構成されている。図中には、右側、すなわち高温端の側に、起動期間中における熱交換調節器３９０の状態が図示されている。図中には、左側、すなわち低温端の側に、定常時における熱交換調節器３９０の状態が図示されている。
【００８８】
ＭＨＰ装置２は、熱交換調節器３９０を備える。熱交換調節器３９０は、ＭＨＰ装置２の高温端１１と低温端１２とにそれぞれ設けられている。ＭＣＥ素子４９、５９と逆止弁４７、４８との間には、容積室ＶＣが区画形成されている。ＭＣＥ素子４９、５９と逆止弁５７、５８との間にも、容積室ＶＣが区画形成されている。容積室ＶＣには作業水が満たされている。
【００８９】
熱交換調節器３９０は、ＭＣＥ素子４９、５９の端部に区画形成された容積室ＶＣに連通する付加容積室３９３を備える。熱交換調節器３９０は、容積室ＶＣと付加容積室３９３との間の通路に設けられ、容積室ＶＣと付加容積室３９３との間の連通を断続する弁３９４を備える。弁３９４は、容積室ＶＣと付加容積室３９３との間を連通状態と遮断状態とに切替える。弁３９４は、先行する実施形態において例示された電磁式の弁、または感温式アクチュエータを備える弁によって提供されうる。弁３９４が開弁状態にあるとき、付加容積室３９３は容積室ＶＣと連通する。弁３９４が閉弁状態にあるとき、容積室ＶＣと付加容積室３９３とは遮断される。
【００９０】
弁３９４が閉弁状態にあるとき、ＭＣＥ素子４９、５９の端部における作業水の容積は、容積室ＶＣの容積である。弁３９４が開弁状態にあるとき、ＭＣＥ素子４９、５９の端部における作業水の容積は、容積室ＶＣの容積と付加容積室３９３の容積との和である。よって、付加容積室３９３は弁３９４が開弁状態にあるときに、ＭＣＥ素子４９、５９の端部における作業水の容積を増加させる。言い換えると、弁３９４が開弁状態にあるときのＭＣＥ素子４９、５９の端部における作業水の容積は、弁３９４が閉弁状態にあるときのＭＣＥ素子４９、５９の端部における作業水の容積より多い。
【００９１】
付加容積室３９３と弁３９４とは、逆止弁４７より低い流路抵抗を提供し、容積室ＶＣから付加容積室３９３の内部へ作業水を導入する。ポンプ３０によってＭＣＥ素子４９、５９から容積室ＶＣへ作業水が押し出される。弁３９４が開弁状態にあるとき、容積室ＶＣの作業水は、逆止弁４７を押し開くことなく、付加容積室３９３へ流入する。付加容積室３９３の中に作業水を受け入れ可能とするために、付加容積室３９３の中には、容積が可変の空気室が形成されている。付加容積室３９３へ作業水が流れ込むことにより、ＭＨＰ装置２の端部から高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６への作業水の流れが抑制される。この結果、高温端１１においては、高温側循環流路１５からの比較的低温の作業水の流入が抑制される。また、低温端１２においては、低温側循環流路１６からの比較的高温の作業水の流入が抑制される。
【００９２】
この実施形態によると、ＭＣＥ素子４９、５９の端部における作業水の容積、すなわち熱溜めとして機能しうる作業水の容積が少なくとも２段階に調節される。作業水の容積が大きいときは、作業水の容積が少ないときに比べて、実質的に高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６への作業水の流出が抑制される。よって、ＭＨＰ装置２と、高温側循環流路１５および／または低温側循環流路１６との間の熱交換が少なくとも２段階に調節される。作業水の容積が大きいとき、すなわち熱交換が低い水準にあるとき、ＭＣＥ素子４９、５９の起動が促進される。また、作業水の容積が小さいとき、端部の温度が作業水によって効率的に外部へ供給される。
【００９３】
この実施形態によると、高温端１１または低温端１２において、作業水が溜まる容積が調節される。比較的大きい容積は、ＭＣＥ素子４９、５９から出た作業水が循環流路１５、１６に到達する前に、ＭＣＥ素子４９、５９に再び吸い込まれることを可能とする。これにより、ＭＣＥ素子４９、５９の温度は、自らが生成する低温および／または高温によって望ましい温度に到達する。この結果、起動時間の短縮が図られる。しかも定常状態における効率的な運転を提供することができる。
【００９４】
（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、付加容積室３９３と弁３９４とによって熱交換調節器を提供した。これに代えて、この実施形態では、ＭＨＰ装置２の端部の容積ＶＣを可変とし、しかも調節可能とすることによって熱交換調節器が提供される。
【００９５】
図１５には、一組のＭＣＥ素子４９、５９と、それに関連する機器とが図示されている。図中では、ポンプ３０は省略されている。また、高温端と低温端とは対称に構成されている。図中には、右側、すなわち高温端の側に、起動期間中における熱交換調節器４９０の状態が図示されている。図中には、左側、すなわち低温端の側に、定常時における熱交換調節器４９０の状態が図示されている。
【００９６】
ＭＨＰ装置２は、熱交換調節器４９０を備える。熱交換調節器４９０は、ＭＨＰ装置２の高温端１１と低温端１２とにそれぞれ設けられている。ＭＣＥ素子４９、５９と逆止弁４７、４８との間には、容積室ＶＣが区画形成されている。ＭＣＥ素子４９、５９と逆止弁５７、５８との間にも、容積室ＶＣが区画形成されている。容積室ＶＣには作業水が満たされている。
【００９７】
熱交換調節器４９０は、ＭＣＥ素子４９、５９の端部に区画形成された容積室ＶＣの容積を調節する。熱交換調節器４９０は、挿入体４９５を備える。挿入体４９５は、容積室ＶＣ内に向けて挿入可能であって、その挿入量が調節されることによって容積室ＶＣの容積を調節可能である。挿入体４９５は、中実または中空の立体物である。挿入体４９５は、先行する実施形態において例示された電磁式アクチュエータ、または感温式アクチュエータによって移動させることができる。挿入体４９５は、容積室ＶＣに挿入可能であって、容積室ＶＣに挿入されることにより容積室ＶＣの容積を減少させる部材を提供する。
【００９８】
図中右側には、挿入体４９５が容積室ＶＣから最大に引き出された状態、すなわち容積室ＶＣの容積が最大の状態が図示されている。図中左側には、挿入体４９５が容積室ＶＣに最大に挿し込まれた状態、すなわち容積室ＶＣの容積が最小の状態が図示されている。
【００９９】
この実施形態によると、比較的簡単な構成によって容積室ＶＣの容積を調節することができる。
【０１００】
（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、挿入体４９５によって熱交換調節器を提供した。これに代えて、この実施形態では、ＭＨＰ装置２の端部の容積ＶＣを区画する部材を変形可能に構成し、しかも調節可能とすることによって熱交換調節器が提供される。
【０１０１】
図１６には、一組のＭＣＥ素子４９、５９と、それに関連する機器とが図示されている。図中では、ポンプ３０は省略されている。また、高温端と低温端とは対称に構成されている。図中には、右側、すなわち高温端の側に、起動期間中における熱交換調節器５９０の状態が図示されている。図中には、左側、すなわち低温端の側に、定常時における熱交換調節器５９０の状態が図示されている。
【０１０２】
ＭＨＰ装置２は、熱交換調節器５９０を備える。熱交換調節器５９０は、ＭＨＰ装置２の高温端１１と低温端１２とにそれぞれ設けられている。熱交換調節器５９０は、内部容積を調節可能な蛇腹部材５９６を備える。蛇腹部材５９６は、軸方向に伸縮可能である。蛇腹部材５９６は、ＭＣＥ素子４９、５９と逆止弁４７、４８との間に設けられている。蛇腹部材５９６は、ＭＣＥ素子４９、５９と逆止弁５７、５８との間にも、設けられている。蛇腹部材５９６は、容積室ＶＣを区画形成し、容積室ＶＣの容積を可変とする可変壁を提供する。熱交換調節器５９０は、蛇腹部材５９６を軸方向に伸縮させるアクチュエータ５９７を備える。アクチュエータ５９７は、電磁式アクチュエータ、または感温式アクチュエータによって提供されうる。
【０１０３】
図中右側には、蛇腹部材５９６が最大に引き伸ばされた状態、すなわち容積室ＶＣの容積が最大の状態が図示されている。図中左側には、蛇腹部材５９６が最大に押し縮められた状態、すなわち容積室ＶＣの容積が最小の状態が図示されている。
【０１０４】
この実施形態によると、比較的簡単な構成によって容積室ＶＣの容積を調節することができる。
【０１０５】
（他の実施形態）
ここに開示される発明は、その発明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。開示される発明は、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。開示される発明の技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される発明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。
【０１０６】
例えば、制御装置が提供する手段と機能は、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置をアナログ回路によって構成してもよい。
【０１０７】
また、上記実施形態では、作業水の温度に基づいて、起動期間中であるか否かを判定した。これに代えて、ＭＨＰ装置２の起動後の連続的な運転時間を利用してもよい。この場合、例えば、運転時間が所定の閾値時間を下回るときは起動期間中であると判定し、運転時間が所定の閾値時間を上回ると起動期間が終了したと判定することができる。また、高温端に設けられた熱交換調節器と低温端に設けられた熱交換調節器とを共通の起動判定に基づいて制御してもよい。例えば、高温端と低温端との温度差が所定の閾値温度差を下回るときは起動期間中であると判定し、運転時間が所定の閾値時間を上回ると起動期間が終了したと判定することができる。
【０１０８】
また、上記実施形態では、指標としての温度と閾値との比較に基づいて起動期間と、定常期間とを区別した。これに代えて、定常期間の中の１点または短い期間を定常時として、この定常時を含む所定期間にわたって熱交換量を多くしてもよい。同様に、起動期間の中の１点または短い期間を起動時として、この起動時を含む所定期間にわたって熱交換量を定常時より抑制してもよい。
【０１０９】
上記実施形態では、高温端１１と低温端１２との両方に熱交換調節器９０を設けた。これに代えて、高温端１１または低温端１２だけに熱交換調節器９０を設けてもよい。例えば、ＭＨＰ装置２が暖房装置として利用される場合、高温端１１だけに熱交換調節器９０を設けることにより、外部の熱負荷に起因する起動期間の長期化を抑制することができる。また、ＭＨＰ装置２が冷房装置として利用される場合、低温端１２だけに熱交換調節器９０を設けることにより、外部の熱負荷に起因する起動期間の長期化を抑制することができる。
【０１１０】
また、上記実施形態では、高温側循環通路１５と低温側循環流路１６とを両方を設けた。これに代えて、高温側循環通路１５だけを採用してもよい。また、低温側循環流路１６だけを採用してもよい。
【０１１１】
また、上記第２実施形態では、感温式アクチュエータとしてサーモワックスＷＸを利用した。これに代えて、弁を駆動可能なバイメタル、形状記憶合金など種々の感温式アクチュエータを利用することができる。また、弁は、シャッタ弁に限らず、ロータリ式、バタフライ式など種々の形式の弁によって提供することができる。
【０１１２】
また、ＭＣＥ素子４９、５９と循環流路１５、１６との間に滞留する作業水の容積を調節する場合、蛇腹部材５９６に代えて種々の形状の可変壁を利用することができる。例えば、ゴム等の弾性部材により作られた壁などを採用することができる。また、容積が調節される場合、ＭＨＰ装置２は、余剰の作業水を蓄えるとともに、不足の作業水を補充するリザーバタンク等の自動補給器を備えることが望ましい。
【０１１３】
また、上記実施形態では、熱磁気サイクル装置の一形態であるＭＨＰ装置２を説明した。これに代えて、熱磁気サイクル装置の一形態である熱磁気エンジン装置に発明を適用してもよい。例えば、上記実施形態のＭＨＰ装置２の磁場変化と熱輸送媒体の流れとの位相を調節することにより熱磁気エンジン装置を提供することができる。
【０１１４】
また、上記実施形態では、車両用空調装置に発明を適用した。これに代えて、住宅用の空調装置に発明を適用してもよい。また、水を加熱する給湯装置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２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。
【０１１５】
また、上記実施形態では、磁気熱量素子は、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。これに代えて、外部磁場の印加により吸熱し、外部磁場の除去により発熱する磁気熱量素子を採用してもよい。
【０１１６】
また、上記実施形態では、永久磁石を回転させることにより磁場印加除去手段を構成した。これに代えて、ＭＣＥ素子を移動させることにより磁場印加除去手段を構成してもよい。また、永久磁石に代えて電磁石を使用してもよい。
【０１１７】
また、上記実施形態では、作業水によって、ＭＣＥ素子４９、５９をＡＭＲサイクルとして機能させるための熱輸送媒体と、ＭＨＰ装置２で得られた冷熱および／または温熱を熱交換器３、４に輸送する熱輸送媒体とを提供した。これに代えて、ＭＣＥ素子４９、５９をＡＭＲサイクルとして機能させるための熱輸送媒体と、ＭＨＰ装置２で得られた冷熱および／または温熱を熱交換器３、４に輸送する熱輸送媒体とを分離してもよい。例えば、ＭＨＰ装置２とは別に、高温端１１に得られた高温を輸送するための水の循環回路とポンプとを設けることができる。
【０１１８】
また、上記実施形態では、ポンプ３０を中央に配置して、その両側にＭＣＤユニット４０、５０を配置した。これに代えて、ポンプ３０の半部と、一方のＭＣＤユニットだけでＭＨＰ装置２を構成してもよい。例えば、ポンプ３０の右半部とＭＣＤユニット４０とでＭＨＰ装置２を構成してもよい。この場合、ポンプ３０とＭＣＤユニット４０との間に熱交換器４を設けることができる。
【０１１９】
また、上記実施形態では、斜板式ポンプ、またはラジアルピストンポンプによって多気筒ポンプを提供した。これに代えて、他の形式の容積型ポンプを利用してもよい。また、上記実施形態では、ポンプの１気筒に、一つの作業室４６、５６を対応させて配置した。これに代えて、複数の気筒とひとつの作業室、またはひとつの気筒と複数の作業室、または複数の気筒と複数の作業室を対応させて配置してもよい。
【０１２０】
また、磁気熱量効果を測る指標として種々の物理量を用いることができる。例えば、磁気熱量効果の大きさは、磁場を変化させた際の等温エントロピー変化、または断熱温度変化によって示すことができる。
【０１２１】
また、制御装置が提供する手段と機能は、ソフトウェアのみ、ハードウェアのみ、あるいはそれらの組合せによって提供することができる。例えば、制御装置をアナログ回路によって構成してもよい。
【符号の説明】
【０１２２】
１  車両用空調装置、  ２  磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）、
３  熱交換器（高温側）、  ４  熱交換器（低温側）、  ５  制御装置、
１１  高温端、  １２  低温端、  １３  中間低温端、
１４  中間高温端、  １５  高温側循環流路、  １６  低温側循環流路、
２０  モータ、  ３０  ポンプ、
４０、５０  磁気熱量装置ユニット（ＭＣＤユニット）、  ４５、５５  永久磁石、
４９、５９  磁気熱量素子（ＭＣＥ素子）、  ７０、８０  変速機、
９０  熱交換調節器。
【図１】
2015078790.tif 000003
【図２】
2015078790.tif 000004
【図３】
2015078790.tif 000005
【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】
2015078790.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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