(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温端と高温端との間に設けられ、熱交換部を提供する磁気熱量素子（１２）と、
前記磁気熱量素子と熱交換するように前記磁気熱量素子に沿って熱輸送媒体を往復的に流す往復流生成機構（１７、１８）と、
前記熱輸送媒体の往復的な流れに同期して、前記磁気熱量素子へ与えられる磁場の強さを変調する磁場変調装置（１４）とを備え、
前記往復流生成機構は、前記磁気熱量素子を収容し、前記熱輸送媒体が流れることができる作業室（１１）と連通する連通室（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、５４１ａ）を有し、
前記連通室は、くびれ部分を有する開口形状によって、前記作業室が前記連通室の上を通過していく過程において、前記連通室から前記作業室に供給される前記熱輸送媒体の流速を曲線状に変化させ、前記熱輸送媒体の流れに往復流の周波数より高い周波数をもつ高周波成分を生じさせることを特徴とする熱磁気サイクル装置。
【請求項２】
前記高周波成分の周波数は、前記往復流の周波数の２倍を上回る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】
前記高周波成分の振幅は、前記往復流の振幅の１／２以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項４】
前記往復流の流速変化は、曲線状であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項５】
前記熱輸送媒体は、水の凍結温度より低い温度においても凍結しないように不凍化された不凍液であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項６】
前記熱輸送媒体は、溶媒と少なくとも１種類の溶質とを有する溶液であり、
前記少なくとも１種類の溶質は、
前記熱輸送媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、前記溶媒の固液界面（ＩＣＲ）に選択的に近接する第１部位（ＨＤＭ）と、
前記第１部位（ＨＤＭ）に接続されるとともに、前記溶媒に対して疎となる関係を有する第２部位（ＴＬＭ）とを備える分子により構成されてい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】
前記溶媒は水であり、
前記第１部位（ＨＤＭ）は、第４級アンモニウム基、スルホ基、エステル基、カルボキシル基およびヒドロキル基のうちのいずれかであり、
前記第２部位（ＴＬＭ）は、複数の炭素を主鎖とするとともに、各前記炭素と結合される親水基が４個以下であることを特徴とする請求項６に記載の熱磁気サイクル装置。
【請求項８】
前記熱輸送媒体は、エチレングリコール濃度が５０％の水溶液に対して、熱伝導率が高く、および／または粘性係数が低いことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか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、往復的に流れる熱媒体と熱交換する熱磁気サイクル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１および特許文献２には、磁性体の温度特性を利用する熱磁気サイクル装置が記載されている。特許文献３には、液体ピストンを有する熱機関が記載されている。これらの装置は、熱媒体が往復的に流れる熱交換部を有する。熱交換部分における熱交換量は、高い効率の装置を提供するために重要である。
【０００３】
往復流熱交換システムは、熱媒体が第１方向へ流れるときに熱交換部から熱媒体へ熱を放出し、熱媒体が第１方向と反対の第２方向へ流れるときに熱媒体から熱交換部へ熱を吸収する。往復流熱交換システムは、熱的な再生器に利用可能である。往復流熱交換システムは、スターリングエンジンの再生器など、多様な熱機器の熱交換部分に用いることが可能である。従来技術として列挙された先行技術文献の記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−２５５６４２号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０３１５３４８号明細書
【特許文献３】特開２０１３−２１７２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術の構成では、往復的な熱媒体の流れの周波数が高くなると、熱媒体と熱交換部との間の熱交換の効率、すなわち熱伝達率が低下する。周波数が高くなると、熱浸透深さ、すなわち１サイクル当たりの熱が到達可能な深さが小さくなるからである。
【０００６】
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、往復流熱交換システムにはさらなる改良が求められている。
【０００７】
発明の目的のひとつは、熱伝達率が高い熱磁気サイクル装置を提供することである。
【０００８】
発明の目的の他のひとつは、伝達されるエネルギ密度が高い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、小型および／または軽量な熱磁気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】
【００１０】
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、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、発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１１】
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。熱磁気サイクル装置は、低温端と高温端との間に設けられ、熱交換部を提供する磁気熱量素子（１２）と、磁気熱量素子と熱交換するように磁気熱量素子に沿って熱輸送媒体を往復的に流す往復流生成機構（１７、１８）と、熱輸送媒体の往復的な流れに同期して、磁気熱量素子へ与えられる磁場の強さを変調する磁場変調装置（１４）とを備え、往復流生成機構は、磁気熱量素子を収容し、熱輸送媒体が流れることができる作業室（１１）と連通する連通室（４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、５４１ａ）を有し、連通室は、くびれ部分を有する開口形状によって、作業室が連通室の上を通過していく過程において、連通室から作業室に供給される熱輸送媒体の流速を曲線状に変化させ、熱輸送媒体の流れに往復流の周波数より高い周波数をもつ高周波成分を生じさせることを特徴とする。
【００１２】
この構成によると、熱交換部は、往復的に流れる熱輸送媒体と熱交換する。流体制御要素は、熱輸送媒体の流れに、高周波成分を生じさせる。高周波成分は、往復的な流れの周波数よりも高い周波数をもつ。高周波成分は、熱交換部の表面における熱的な境界層の生成および／または成長を抑制する。この結果、熱輸送媒体と熱交換部との間において高い熱伝達率が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
この構成によると、磁気熱量素子は、往復的に流れる熱輸送媒体と熱交換する。往復流生成機構は、熱輸送媒体の流れに、高周波成分を生じさせる。高周波成分は、往復的な流れの周波数よりも高い周波数をもつ。高周波成分は、磁気熱量素子の表面における熱的な境界層の生成および／または成長を抑制する。この結果、熱輸送媒体と磁気熱量素子との間において高い熱伝達率が提供される。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照しながら、ここに開示される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。
【００１５】
（第１実施形態）
図１は、発明を実施するための第１実施形態に係る車両用空調装置１を示す。車両用空調装置１は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２を備える。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２はＭＨＰ（Magneto-caloric effect Heat Pump）装置２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２は、円柱状の外形をもつ。ＭＨＰ装置２は、熱磁気サイクル装置を提供する。熱磁気サイクル装置は、熱機器のひとつである。熱磁気サイクル装置は、往復的に流れる熱媒体と熱交換する往復流熱交換システムを含む。
【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。
【００１７】
車両用空調装置１は、ＭＨＰ装置２の高温側に設けられた熱交換器３を有する。熱交換器３は、ＭＨＰ装置２の高温と、媒体、例えば空気との間の熱交換を提供する。熱交換器３は、主として放熱のために用いられる。図示の例では、熱交換器３は、ＭＨＰ装置２の熱輸送媒体と、空気との熱交換を提供する。熱交換器３は、車両用空調装置１における高温系統機器のひとつである。熱交換器３は、例えば車両の室内に設置され、空調用空気と熱交換することにより空気を温める。
【００１８】
車両用空調装置１は、ＭＨＰ装置２の低温側に設けられた熱交換器４を有する。熱交換器４は、ＭＨＰ装置２の低温端と、媒体、例えば空気との間の熱交換を提供する。熱交換器４は、主として吸熱のために用いられる。図示の例では、熱交換器４は、ＭＨＰ装置２の熱輸送媒体と、熱源媒体との熱交換を提供する。熱交換器４は、車両用空調装置１における低温系統機器のひとつである。熱交換器４は、例えば車両の外部に設置され、外気と熱交換する。
【００１９】
ＭＨＰ装置２は、ＭＨＰ装置２を駆動するための回転軸２ａを有する。回転軸２ａは、動力源５と作動的に連結されている。よって、ＭＨＰ装置２は、動力源５によって回転駆動される。動力源５は、ＭＨＰ装置２に回転動力を提供する。動力源５は、ＭＨＰ装置２の唯一の動力源である。動力源５は、車両に搭載された電池によって駆動される電動機である。動力源５は、電動機、内燃機関など回転機器によって提供される。
【００２０】
ＭＨＰ装置２は、ハウジング６を備える。ハウジング６は回転軸２ａを回転可能に支持している。ＭＨＰ装置２は、ロータ７を備える。ロータ７は、ハウジング６内に回転可能に支持されている。ロータ７は、回転軸２ａから直接的にまたは間接的に回転力を受けて、回転する。ロータ７は、動力源５によって回転させられる回転体である。ロータ７は、円筒状の部材である。
【００２１】
回転軸２ａとロータ７との間には、変速機構９が配置されている。変速機構９は、遊星歯車機構によって提供されている。変速機構９は、ロータ７の径方向内側に配置されている。変速機構９は、ポンプ１７の回転数が、流路切換機構１８および磁場変調装置１４の回転数より高くなるように回転軸２ａから伝達される回転数を調節する。この構成によると、ポンプ１７の回転数が、流路切換機構１８および磁場変調装置１４の回転数より高くなる。これにより、高回転型のポンプ１７を利用することができる。ポンプ１７が高い回転数で回転することにより、ポンプ１７の流量の増加、および／または小型のポンプ１７の利用が可能となる。
【００２２】
ＭＨＰ装置２は、電気的な制御装置（ＣＮＴＬ）１０を備える。制御装置１０は、車両用空調装置１のための制御装置によって提供することができる。制御装置１０は、電子制御装置（Electronic Control Unit）である。制御装置は、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、制御装置によって実行されることによって、制御装置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を機能させる。制御装置は、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。
【００２３】
ロータ７は、熱輸送媒体が流れることができる作業室１１を形成する。熱輸送媒体は、水の凍結温度より低い温度においても凍結しないように不凍化された不凍液である。熱輸送媒体は、車両用のエンジン冷却水として一般的に使用が推奨されているエチレングリコール濃度が５０％の水溶液に対して、熱伝導率が高く、および／または粘性係数が低い。ロータ７は、その円筒状の壁内に複数の作業室１１を有する。ロータ７は、４つの作業室１１を有する。ひとつの作業室１１は、ロータ７の軸方向に沿って延びている。ひとつの作業室１１は、ロータ７の軸方向の両方の端面において開口している。ロータ７は、複数の作業室１１を備えることができる。複数の作業室１１は、ロータ７の回転方向に沿って並列に配列されている。ロータ７は、内外二重の円筒の間に、それらの両端に開口する作業室１１を区画形成する筒状の部材である。ロータ７は、ＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を形成するとともに、回転軸２ａによって回転させられることによってＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに移動させる。
【００２４】
ロータ７は、磁気熱量素子１２を備える。磁気熱量素子１２は、ＭＣＥ（Magneto-Caloric Effect）素子１２とも呼ばれる。ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２の磁気熱量効果を利用する。ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２によって低温端と高温端とを生成する。ＭＣＥ素子１２は、低温端と高温端との間に設けられている。図示の例では、図中の右側が低温端であり、図中の左端が高温端である。
【００２５】
ＭＣＥ素子１２は、作業室１１内に、熱輸送媒体と熱交換するように配置されている。ＭＣＥ素子１２は、往復流熱交換システムにおける熱交換部を提供している。ＭＣＥ素子１２は、ロータ７に固定され、保持されている。ＭＣＥ素子１２は、熱輸送媒体の流れ方向に沿って配置されている。ＭＣＥ素子１２は、ロータ７の軸方向に沿って細長く延在している。ロータ７は、複数のＭＣＥ素子１２を備えることができる。複数のＭＣＥ素子１２は、ロータ７の回転方向に沿って互いに離れて配置されている。
【００２６】
ＭＣＥ素子１２は、外部磁場の強弱の変化に応答して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。ＭＣＥ素子１２には、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素子を利用してもよい。
【００２７】
ひとつの作業室１１の中には、複数のＭＣＥ素子１２が配置されている。複数のＭＣＥ素子１２は、作業室１１の一端と他端との間にわたって配列されている。作業室１１の一端と他端との間に配列された一連のＭＣＥ素子１２の群は、高温端と低温端との間におけるひとつのＭＣＥ素子１２として見ることができる。ひとつの作業室１１の中には、周方向に沿って複数の列をなすように複数のＭＣＥ素子１２が配列されている。
【００２８】
ひとつのＭＣＥ素子１２は、素子片とも呼ぶことができる。複数の素子片は、ロータ７の軸方向、すなわち作業室１１内における熱輸送媒体の流れ方向に沿って配列されている。複数の素子片のそれぞれは、高い磁気熱量効果を発揮する高効率温度帯が異なる。高効率温度帯は、素子片の材料によって調節することができる。ＭＨＰ装置２は、低温端と高温端との間に温度分布を発生させる。複数の素子片のひとつは、それが配置された位置に想定される温度帯において高い磁気熱量効果を発揮するように、その材料が選定されている。この構成は、低温端と高温端との間の全体において高い磁気熱量効果を得ることを可能とする。
【００２９】
ＭＨＰ装置２は、ロータ７と対向して配置されたステータ８を有する。ステータ８は、ハウジング６の一部によって提供されている。ステータ８は、ロータ７の径方向内側および／または径方向外側に配置され、ロータ７と径方向に関して対向する部位を有する。これら径方向に関して対向する部位は、磁場変調装置を提供するために利用される。ステータ８は、ロータ７の軸方向一端および／または軸方向他端に配置され、ロータ７と軸方向に関して対向する部位を有する。これら軸方向に対向する部位は、熱輸送装置、具体的には流路切換機構を提供するために利用される。
【００３０】
ＭＨＰ装置２は、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲ(ActiveMagnetic Refrigeration)サイクルの素子として機能させるための磁場変調装置１４と熱輸送装置１６とを備える。磁場変調装置１４は、ロータ７と、ステータ８とによって提供される。磁場変調装置１４は、ステータ８に対するロータ７の相対的な回転運動によって磁場を周期的に増減させる。磁場変調装置１４は、回転軸２ａに与えられる回転動力によって駆動される。熱輸送装置１６は、ポンプ１７と、流路切換機構１８とを有する。流路切換機構１８は、ロータ７と、ステータ８とによって提供される。流路切換機構１８は、ステータ８に対するロータ７の相対的な回転運動によって機能する。流路切換機構１８は、熱輸送媒体の流路に対する作業室１１の接続状態を切換えることにより、作業室１１およびＭＣＥ素子１２に対する熱輸送媒体の流れ方向を反転するように切換える。
【００３１】
磁場変調装置１４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１４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１４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１４は、後述する熱輸送媒体の往復的な流れに同期して、ＭＣＥ素子１２への磁場の印加と除去とを繰り返す。磁場変調装置１４は、外部磁場を生成するための磁力源としての永久磁石１３を有する。磁力源は、電磁石によって提供されてもよい。
【００３２】
永久磁石１３は、第１位置に対応する約９０度の角度範囲に設けられている。ＭＨＰ装置２は、その直径上に位置付けられた複数の第１位置と、第１位置と交互に配置された複数の第２位置とを有する。２つの第１位置と、２つの第２位置とは、ＭＨＰ装置２の周方向に沿って交互に配置されている。ハウジング６は、永久磁石１３のためのヨークとしてのアウタコアを提供する。変速機構９は、永久磁石１３のためのヨークとしてのインナーコアを提供する。
【００３３】
磁場変調装置１４は、ひとつの作業室１１およびＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に位置付ける。磁場変調装置１４は、第１位置にあるＭＣＥ素子１２を強い磁場の中に位置付ける。磁場変調装置１４は、第２位置にあるＭＣＥ素子１２を弱い磁場またはゼロ磁場の中に位置付ける。
【００３４】
磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流れるときに、ＭＣＥ素子１２が強い磁場の中に位置付けられるように、ＭＣＥ素子１２を第１位置に位置付ける。第１方向は、低温端から高温端に向かう方向である。磁場変調装置１４は、作業室１１の一端がポンプ１７の吸入口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吐出口に連通するときに、その作業室１１の中のＭＣＥ素子１２が強い磁場の中に置かれるようにＭＣＥ素子１２を第１位置に位置付ける。
【００３５】
磁場変調装置１４は、ＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体が流れるときに、ＭＣＥ素子１２が弱い磁場またはゼロ磁場の中に位置付けられるように、ＭＣＥ素子１２を第２位置に位置付ける。第２方向は、高温端から低温端に向かう方向である。磁場変調装置１４は、作業室１１の一端がポンプ１７の吐出口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吸入口に連通するときに、ＭＣＥ素子１２が弱い磁場またはゼロ磁場の中に置かれるようにＭＣＥ素子１２を第２位置に位置付ける。
【００３６】
熱輸送装置１６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と、この熱輸送媒体を流すための流体機器とを備える。熱輸送装置１６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１６は、ＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体を往復的に流す。熱輸送装置１６は、磁場変調装置１４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を発生させる。熱輸送装置１６は、磁場変調装置１４による磁場の増減に同期して熱輸送媒体の流れ方向を切換える。
【００３７】
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。熱輸送装置１６は、熱輸送媒体を流すためのポンプ１７を備える。ポンプ１７は、一方向に熱輸送媒体を流す一方向ポンプである。ポンプ１７は、熱輸送媒体を吸入する吸入口と、熱輸送媒体を吐出する吐出口とを有する。ポンプ１７は、熱輸送媒体の環状の流れ経路の上に配置されている。ポンプ１７は、環状の流れ経路の中に熱輸送媒体の一方向の流れを生じさせる。ポンプ１７は、回転軸２ａによって駆動される。ポンプ１７は、非容積型ポンプである。ポンプ１７は、回転羽根を有する遠心式ポンプである。
【００３８】
熱輸送装置１６は、流路切換機構１８を備える。流路切換機構１８は、ひとつの作業室１１およびひとつのＭＣＥ素子１２に関する熱輸送媒体の流れ方向を反転させるように、作業室１１に対して熱輸送媒体の流路を切換える。言い換えると、流路切換機構１８は、一方向型のポンプ１７によって生成される熱輸送媒体の一方向の流れの中における作業室１１の配置を流れ方向に関して反転させる。流路切換機構１８は、ポンプ１７を含む環状の流路の中における往路と復路とにひとつの作業室１１を交互に位置付ける。流路切換機構１８は、ひとつの作業室１１およびひとつのＭＣＥ素子１２と、ポンプ１７を含む環状の流路との接続関係を少なくとも２つの状態に切換える。第１の状態は、作業室１１の一端がポンプ１７の吸入口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吐出口に連通した状態である。第２の状態は、作業室１１の一端がポンプ１７の吐出口に連通し、作業室１１の他端がポンプ１７の吸入口に連通した状態である。
【００３９】
具体的には、流路切換機構１８は、ひとつの作業室１１およびＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に位置付ける。流路切換機構１８は、第１位置にあるＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体を流すように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を流れ経路に連通させる。流路切換機構１８は、第２位置にあるＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体を流すように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を流れ経路に連通させる。流路切換機構１８は、ＭＣＥ素子１２に対して熱輸送媒体を往復的に流すように、ポンプ１７を含む熱輸送媒体の流れ経路と、ＭＣＥ素子１２、すなわち作業室１１との接続状態を切換える。
【００４０】
流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第１位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２に沿って第１方向に熱輸送媒体が流れるように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１と流路とを接続する。流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第１位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１の一端とポンプ１７の吸入口とを連通し、他端とポンプ１７の吐出口とを連通する。
【００４１】
流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第２位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２に沿って第１方向とは反対の第２方向に熱輸送媒体が流れるように、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１と流路とを接続する。流路切換機構１８は、ひとつのＭＣＥ素子１２が第２位置にあるときに、そのＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１の一端とポンプ１７の吐出口とを連通し、他端とポンプ１７の吸入口とを連通する。
【００４２】
ＭＨＰ装置２は、熱交換器３から熱輸送媒体を受け入れる高温側入口１６ａを有する。高温側入口１６ａはポンプ１７の吸入口に連通可能である。ＭＨＰ装置２は、熱交換器３へ向けて熱輸送媒体を供給する高温側出口１６ｂを有する。高温側出口１６ｂは、第１位置にある作業室１１の一端に連通可能である。ＭＨＰ装置２は、熱交換器４から熱輸送媒体を受け入れる低温側入口１６ｃを有する。低温側入口１６ｃは、第１位置にある作業室１１の他端に連通可能である。ＭＨＰ装置２は、熱交換器４へ向けて熱輸送媒体を供給する低温側出口１６ｄを有する。低温側出口１６ｄは、第２位置にある作業室１１の他端に連通可能である。第２位置にある作業室１１の一端はポンプ１７の吐出口と連通可能である。
【００４３】
ＭＣＥ素子１２を含むロータ７は、素子ベッドとも呼ばれる。この実施形態では、素子ベッドが回転軸２ａと作動的に連結されている。流路切換機構１８と磁場変調装置１４との両方に関連するＭＣＥ素子１２を含む素子ベッドが回転軸２ａによって移動する。よって効率的な駆動が可能である。
【００４４】
ポンプ１７、流路切換機構１８、および磁場変調装置１４は、共通のハウジング６の中に収容されている。この構成によると、ポンプ１７を流路切換機構１８の近傍に設置することができる。このため、長い配管を要することなくポンプ１７と流路切換機構１８とが接続される。この結果、ポンプ１７を含む流れ経路の分岐があっても、熱輸送媒体の流れの差を抑制することができる。この構成では、ホースなどの配管を用いることなくハウジング６内の流路を利用できる。よって、分岐した流れ経路の間において、配管に起因する熱輸送媒体の流れの差が抑制される。
【００４５】
ハウジング６とロータ７との間には、ロータ７とハウジング６との間に形成される隙間を適切に維持するための可動シール機構が設けられている。この可動シール機構は、ロータ７の両端における熱輸送媒体の漏洩を抑制するシール機構とも呼ぶことができる。可動シール機構は、ロータ７の両端における摩擦の抑制と、熱輸送媒体の漏洩の抑制とのトレードオフを適切に調節する。可動シール機構は、ロータ７を軸方向に沿って一方向へ押し付ける付勢機構でもある。可動シール機構は、流路切換機構１８の一部でもある。
【００４６】
可動シール機構は、ロータ７の他端側の端面に対向するように配置されたピストン４１を有する。ピストン４１は、ロータ７に対応した環状である。ピストン４１は、軸方向に沿って移動可能にハウジング６に支持されている。ピストン４１は、回転軸２ａの周りにおいて回転不能にハウジング６に支持されている。ピストン４１は、ハウジング６に設けられた環状の溝内に収容されている。ピストン４１は、ハウジング６からロータ７に向けて軸方向に突出可能に支持されている。ピストン４１とハウジング６との間には、複数のシール部材としてのＯリングが設けられている。よって、ピストン４１とハウジング６との間には、ピストン４１をロータ７に向けて押し付ける付勢力を発生するための背圧室が区画形成されている。
【００４７】
さらに、ＭＨＰ装置２は、ロータ７の一端側に分配部材８１を備える。分配部材８１はハウジング６に固定されている。ピストン４１と分配部材８１とは、分配機構を提供する。ピストン４１と分配部材８１とは、流路切換機構１８を提供する。ピストン４１と分配部材８１とは、可動シール機構でもある。
【００４８】
ピストン４１とハウジング６との間にはポンプ１７の吐出口側の圧力が作用する。特に、ピストン４１を軸方向に沿ってロータ７に向けて推進させる端面には、低温側入口１６ｃから導入される熱輸送媒体の圧力が作用する。熱輸送媒体の圧力は、ピストン４１の端面に対して全周にわたって作用する。この結果、ピストン４１は、熱輸送媒体の圧力差によってロータ７に向けて押される。これにより、ロータ７とピストン４１とが適切な力で押し付けられる。また、ロータ７は、ハウジング６に固定された分配部材８１に向けて適切な力で押し付けられる。これにより、ロータ７の両端における摩擦の過剰な増加を抑制しながら、ロータ７の両端における熱輸送媒体の漏れが抑制される。
【００４９】
ハウジング６は、ポンプ１７の吸入口に連通する吸入ギャラリ８２を区画形成するアウタハウジング８３を備える。吸入ギャラリ８２は、熱輸送媒体のリザーバ室としても機能する。吸入ギャラリ８２は、一方においてポンプ１７の吸入口に連通している。吸入ギャラリ８２は、他方においてハウジング６内の空間に連通している。これにより、ハウジング６内の空間は吸入ギャラリ８２を通してポンプ１７の吸入口に連通する。よって、ハウジング６内の空間は、ポンプ１７によって低圧空間とされる。
【００５０】
ハウジング６の中には、空間が形成される。ロータ７の一端面とハウジング６との間の隙間、ロータ７の他端面とピストン４１との間の隙間、および他の隙間を通して、ハウジング６内の空間に熱輸送媒体が漏れ出してくる。ケース２１内の空間は、ポンプ１７の吸入側に連通されている。よって、漏れ出した熱輸送媒体がポンプ１７に回収される。同時に、ケース２１内の空間が低圧に維持されるから、ピストン４１は熱輸送媒体の圧力差によってロータ７に向けて押し付けられる。これにより、ロータ７の一端面とポンプボディ２３との間の隙間、およびロータ７の他端面とピストン４１との間の隙間が望ましい小さい隙間に維持される。この結果、ロータ７の両端における摩擦の抑制と、熱輸送媒体の漏洩の抑制とが図られる。
【００５１】
図２に図示されるように、ピストン４１は、ロータ７に対向する面において開口する４つの連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを有する。４つの連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、周方向に関して互いに仕切られている。４つの連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、それらと対向する作業室１１と連通する。ピストン４１の一端面において連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄが区画形成する開口は、流路切換機構１８を提供する。分配部材８１には、ピストン４１と同様の連通室が設けられている。これにより、ロータ７と分配部材８１とも、流路切換機構１８を提供する。
【００５２】
連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄは、周方向に沿って配列されている。連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄのそれぞれがもつ周方向の長さは、その上を通過する作業室１１の一部分に熱輸送媒体を流す期間を規定する。図示されるように、４つの連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄのそれぞれは、互いに等しい角度範囲にわたって延びている。
【００５３】
連通室４１ａ、４１ｂは、ＭＨＰ装置２における第１位置に対応して設けられている。連通室４１ａと連通室４１ｂは対称に形成されている。連通室４１ａ、４１ｂは、ピストン４１とハウジング６に形成された通路を経由して、低温側入口１６ｃに連通している。よって、連通室４１ａ、４１ｂは、低温側入口１６ｃから導入される熱輸送媒体を第１位置にある作業室１１に供給する。
【００５４】
連通室４１ｃ、４１ｄは、ＭＨＰ装置２における第２位置に対応して設けられている。連通室４１ｃと連通室４１ｄは対称に形成されている。連通室４１ｃ、４１ｄは、ピストン４１とハウジング６とに形成された通路を経由して、低温側出口１６ｄに連通している。よって、連通室４１ｃ、４１ｄは、第２位置にある作業室１１から熱輸送媒体を受け入れ、低温側出口１６ｄへ供給する。
【００５５】
図３は、連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの開口端部における形状を示す。図示されるように連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの開口端部における形状は、周方向に沿って径方向の幅が増減するように形成されている。この結果、作業室１１の一部分が、ひとつの連通室の上を通過していく過程において、連通室から作業室１１の一部分に供給される熱輸送媒体の流量が変化する。流量の変化は、作業室１１の一部分における熱輸送媒体の流速としても把握することができる。この結果、作業室１１の一部分に設けられたＭＣＥ素子１２の表面における熱輸送媒体の流量および／または流速も変化する。
【００５６】
この実施形態では、特殊な形状をもつ連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄを含む流路切換機構１８が、熱輸送媒体の流れに往復流の周波数より高い周波数をもつ高周波成分を生じさせる流体制御要素を提供する。流路切換機構１８は、ポンプ１７とともに、ＭＣＥ素子１２と熱交換するようにＭＣＥ素子１２に沿って熱輸送媒体を往復的に流す往復流生成機構を提供している。
【００５７】
図４は、作業室１１の一部分における磁束ＢＨの変化と、熱輸送媒体の流速ＦＳの変化とを示す。磁束ＢＨは磁場の強さでもある。図示されるように、磁場変調装置１４によって、作業室１１の一部分、すなわちそこに設けられたＭＣＥ素子１２に与えられる磁場の強さは周期的に増減されている。さらに、流路切換機構１８によって、作業室１１の一部分、すなわちそこに設けられたＭＣＥ素子１２に供給される熱輸送媒体の流れ方向は往復的に切換えられている。往復流の流速変化と高周波成分の流速変化とは、曲線状である。
【００５８】
図示されるように、熱輸送媒体の流速ＦＳは、磁場変化に対応する往復流としての変化に加えて、往復流の基礎周波数より高い周波数をもつ高周波成分を含む。高周波成分の周波数は、往復流の基礎周波数の２倍を上回る。高周波成分は、往復流を維持できるように、基礎周波数よりも充分に高い周波数をもつ。高周波成分は、往復流を維持できる振幅を有する。高周波成分の振幅は、往復流の振幅の１／２以下である。ここで、高周波成分の振幅は、その最高値と最低値との差である。往復流の振幅は、その最高値と最低値との差である。高周波成分は、往復流と同期した位相を有する。高周波成分は、連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの開口端部における形状によって与えられている。
【００５９】
高周波成分は、ＭＣＥ素子１２の表面における熱的な境界層の発生および／または成長を抑制する。これにより、ＭＣＥ素子１２と熱輸送媒体との間に高い熱伝達率が得られる。また、基礎周波数が高く場合であっても、往復流のそれぞれにおいて熱伝達率が高く維持されるから、ＭＨＰ装置２としての高い性能が得られる。この結果、ＭＨＰ装置２の小型化、および／または軽量化を図ることができる。
【００６０】
図１に戻り、ＭＨＰ装置２の作動を説明する。ＭＨＰ装置２を作動させるために動力源５によって回転軸２ａが回される。回転軸２ａはポンプ１７を作動させる。同時に、回転軸２ａは変速機構９を介してロータ７を回転させる。変速機構９は、ロータ７をＡＭＲサイクルを提供するために適した回転数で駆動しながら、ポンプ１７を高速回転させることを可能とする。磁場変調装置１４は、第１位置にあるＭＣＥ素子１２に強い磁場を与える。磁場変調装置１４は、第２位置にあるＭＣＥ素子１２に弱い磁場またはゼロ磁場を与える。
【００６１】
ポンプ１７は熱輸送媒体を吸入するとともに吐出する。このとき、ポンプ１７は回転軸２ａに直結されており、回転軸２ａと同じ回転数で回される。ポンプ１７は、ロータ７より高い回転数で回される。これにより効率的なポンプ１７の運転が可能となる。ポンプ１７を含む流路に熱輸送媒体が循環的に流される。熱輸送媒体は、ポンプ１７から、第２位置にあるひとつの作業室１１、熱交換器４、第１位置にあるひとつの作業室１１、熱交換器３を順に経由し、ポンプ１７へ戻る。
【００６２】
ＭＣＥ素子１２を収容する作業室１１を形成するロータ７が回転軸２ａによって回転させられる。これにより、ＭＣＥ素子１２は第１位置と第２位置とに移動される。ロータ７は、作業室１１内に収容されたＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に運び込み、位置付ける。ロータ７の回転数は、ポンプ１７の回転数より低い。ロータ７の回転数は、ＭＣＥ素子１２をＡＭＲサイクルとして機能させるための回転数に設定されている。すなわち、磁場の変化と熱輸送媒体による熱の輸送によって大きい温度差が得られるようにロータ７の回転数は設定されている。例えば、ロータ７の回転数は、ＭＣＥ素子１２の特性と、磁場の強さと、熱輸送媒体による熱輸送性能を考慮して設定される。
【００６３】
素子ベッドを回転させることによって、作業室１１における熱輸送媒体の流れ方向が第１方向と第２方向とに切換えられる。流路切換機構１８は、第１位置において作業室１１に熱輸送媒体が第１方向に流れるように流れ経路と作業室とを接続する。流路切換機構１８は、第２位置において作業室１１に熱輸送媒体が第１方向とは逆の第２方向に流れるように流れ経路と作業室とを接続する。
【００６４】
ロータ７は、ひとつの観点では磁場変調装置１４を提供する。磁場変調装置１４は、第１位置と第２位置においてＭＣＥ素子１２に異なる強さの磁場を与える。素子ベッドを回転させることによって、ＭＣＥ素子１２に与えられる磁場の強さが変化させられる。ロータ７は、ＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に運び込むことによって、ＭＣＥ素子１２に加えられる磁場の強さを変化させる。ロータ７は、別の観点では、流路切換機構１８を提供する。ロータ７は、ＭＣＥ素子１２を第１位置と第２位置とに交互に運び込むことによって、ＭＣＥ素子１２に沿って流れる熱輸送媒体の流れ方向を第１方向と第２方向とに切換える。
【００６５】
ひとつのＭＣＥ素子１２が第１位置に運び込まれると、ＭＣＥ素子１２に与えられる磁場は強くなり、ＭＣＥ素子１２は発熱する。このとき、熱輸送媒体はＭＣＥ素子１２に沿って第１方向へ流れる。第１方向は低温端から高温端へ向かう方向である。このため、高温端の温度が上昇する。
【００６６】
ひとつのＭＣＥ素子１２が第２位置に運び込まれると、ＭＣＥ素子１２に与えられる磁場は弱くなり、ＭＣＥ素子１２は吸熱する。このとき、熱輸送媒体はＭＣＥ素子１２に沿って第２方向へ流れる。第２方向は高温端から低温端へ向かう方向である。このため、低温端の温度が低下する。
【００６７】
この実施形態によると、一方向へ熱輸送媒体を流すポンプと、ロータ７とが共通の回転軸２ａによって回される。この結果、磁場変調装置１４と熱輸送装置１６との両方を共通の動力源５によって駆動することができる。ＭＨＰ装置２は、ポンプ１７の回転数をロータ７の回転数より高くする変速機構９を備える。この結果、ＭＣＥ素子１２と熱輸送媒体との間の熱交換に必要な時間をロータ７上において提供しながら、ＭＨＰ装置２に一体化可能な小型のポンプ１７によって必要な流量を得ることができる。
【００６８】
この実施形態によると、ＭＣＥ素子１２に印加される磁場の変化が、ロータ７の回転によって機械的に与えられる。同時に、熱輸送媒体の流れ方向の切換えが、ロータ７の回転によって機能する流路切換機構１８によって与えられる。しかも、流れ方向の切換えは、機械的な分配機構によって実行される。このため、簡単な構成によって、磁場の変化に同期した流れ方向の切換えが実現される。
【００６９】
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３、４は、車両用空調装置１の一部を提供する。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３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４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。
【００７０】
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。
【００７１】
ＭＨＰ装置２が温熱供給源として利用される場合、高温側熱交換器３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。このとき、低温側熱交換器４を通過した空気は車両の室外に排出される。熱交換器３は、室内熱交換器とも呼ばれる。熱交換器４は、室外熱交換器とも呼ばれる。
【００７２】
ＭＨＰ装置２が冷熱供給源として利用される場合、低温側熱交換器４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。このとき、高温側熱交換器３を通過した空気は車両の室外に排出される。熱交換器４は、室内熱交換器とも呼ばれる。熱交換器３は、室外熱交換器とも呼ばれる。
【００７３】
ＭＨＰ装置２は、除湿装置として利用されることもある。この場合、低温側熱交換器４を通過した空気は、その後に、高温側熱交換器３を通過し、室内に供給される。ＭＨＰ装置２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。
【００７４】
（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。図５は、この実施形態のブロック図である。上記実施形態では、連通室４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄの開口端部における形状、すなわち通路の断面積の変化という機械的手段によって高周波成分が与えられた。これに代えて、この実施形態では、ポンプ１７を駆動するための制御装置２１０によって電気的に高周波成分が与えられる。
【００７５】
制御装置２１０は、基本駆動部（ＢＳＣ）１０ａを有する。基本駆動部１０ａは、モータ５を直流的に所定の回転数で回転させるための基本信号ＢＳを出力する。基本信号ＢＳは、ポンプ１７が発揮すべき流量を実現するように設定することができる。例えば、基本信号ＢＳは、基本回転数とも呼ぶことができる。
【００７６】
制御装置２１０は、高周波駆動部（ＣＹＣ）１０ｂを有する。高周波駆動部１０ｂは、モータ５の回転数に高周波の変動を与えるための高周波信号ＣＹを出力する。高周波駆動部１０ｂは、モータ５の回転数を交流的に変動させる。高周波駆動部１０ｂは、モータ５の回転数を周期的に変動させる。高周波信号ＣＹは、高周波成分に相当する周波数と振幅とをもつ。高周波信号ＣＹは、モータ５の回転数の交流的な変動成分に相当するから、変動回転数ＣＹとも呼ぶことができる。高周波信号ＣＹは、ＭＨＰ装置２の往復流の周波数より高い周波数をもつ。高周波信号ＣＹは、基本信号ＢＳより小さい振幅をもつ。これにより、往復流の流れ方向を維持しながら、両方向の流れのそれぞれに高周波の流速変動が与えられる。
【００７７】
制御装置２１０は、基本信号ＢＳと高周波信号ＣＹとを加算し、モータ５の駆動電力として出力する加算部１０ｃを有する。制御装置２１０は、加算部１０ｃによって算出された駆動電力をモータ５に供給する。モータ５が直流モータである場合、制御装置２１０は、加算部１０ｃの出力に応じてモータ５への印加電圧を設定する。この実施形態では、高周波駆動部１０ｂ、モータ５、およびポンプ１７が、熱輸送媒体の流れに往復流の周波数より高い周波数をもつ高周波成分を生じさせる流体制御要素を提供する。
【００７８】
図６は、この実施形態の作動を示す。基本信号ＢＳだけがモータ５に与えられると、一定の流量ＦＬ０が得られる。この場合、作業室１１内における熱輸送媒体は、高周波成分を含まない往復流となる。往復流の流速ＲＦでは、ＭＣＥ素子１２の表面上に熱的な境界層が成長しやすい。
【００７９】
一方、加算部１０ｃの出力ＢＳ＋ＣＹがモータ５に与えられると、モータ５の回転数は、高周波信号ＣＹに相当する分だけ変動する。モータ５の回転数の変動は、ポンプ１７の回転数の変動である。ポンプ１７は、その回転数の変動に応じた吐出量の変動を生じる。ポンプ１７は、交流的に変動する流量ＦＬを供給する。この場合、作業室１１内に流れる熱輸送媒体の流速ＦＳは、高周波成分の変動を含む。高周波成分は、ＭＣＥ素子１２の表面における熱的な境界層の成長を阻害する。これにより、ＭＣＥ素子１２と熱輸送媒体との間において高い熱伝達率が実現される。
【００８０】
（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。図７は、この実施形態のブロック図である。先の実施形態では、モータ５およびポンプ１７の回転数を変動させることによって高周波成分が与えられた。これに代えて、この実施形態では、熱輸送媒体の流路に設けられた可変流路部材３１７ａによって高周波成分が与えられる。
【００８１】
ポンプ１７を含む流路には、可変流路部材３１７ａが設けられている。可変流路部材３１７ａは、流路に流れる熱輸送媒体の流速を変動させる。可変流路部材３１７ａは、流路の断面積を変化させる弁装置によって提供することができる。代替的に、可変流路部材３１７ａは、可変の絞り装置、流路の容積を変動させる可変容積装置など多様な機器によって提供することができる。また、可変流路部材３１７ａは、熱輸送媒体の流れの中において振動的な挙動を発生する自励的な振動要素によっても提供することができる。
【００８２】
制御装置３１０は、可変流路部材３１７ａを駆動するためのアクチュエータ１０ｄを有する。高周波駆動部１０ｂが出力する高周波信号ＣＹは、アクチュエータ１０ｄに与えられる。高周波駆動部１０ｂが出力する高周波信号ＣＹに応じて可変流路部材３１７ａが制御される。可変流路部材３１７ａは、高周波信号ＣＹに対応する流路断面積の変化、すなわち流路抵抗の変化を発生させる。これにより、ポンプ１７を含む熱輸送媒体の流路には、高周波信号ＣＹに対応する流速変動が生じる。この実施形態では、高周波駆動部１０ｂ、アクチュエータ１０ｄ、および可変流路部材３１７ａが、熱輸送媒体の流れに往復流の周波数より高い周波数をもつ高周波成分を生じさせる流体制御要素を提供する。
【００８３】
図８は、この実施形態の作動を示す。この実施形態によると、流体力学的な調節によって、作業室１１内に流れる熱輸送媒体の流速ＦＳに高周波成分の変動を与えることができる。
【００８４】
（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。図９は、この実施形態のブロック図である。先の実施形態では、電気的な制御によって高周波成分が与えられた。これに代えて、この実施形態では、高周波成分に相当する吐出量変動をもつポンプ４１７によって高周波成分が与えられる。ポンプ４１７は、例えば、容積型ポンプによって提供することができる。この実施形態では、ポンプ４１７が、熱輸送媒体の流れに往復流の周波数より高い周波数をもつ高周波成分を生じさせる流体制御要素を提供する。
【００８５】
図１０において、ポンプ４１７が吐出する熱輸送媒体の流量ＲＰは、高周波成分に相当する変動成分を含んでいる。このような変動成分は、吐出脈動、またはリップルとも呼ばれる。この実施形態によると、ポンプ４１７の構造に起因する回避不能な変動成分によって、作業室１１内に流れる熱輸送媒体の流速ＦＳに高周波成分の変動を与えることができる。
【００８６】
（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。図１１は、図３に相当する平面図である。先の実施形態では、流路切換機構１８における流路形状の中にひとつだけくびれ部分を設けている。これに代えて、この実施形態では、２つ以上のくびれ部分を有する開口形状を提供する連通室５４１ａが採用される。この開口端部における形状によると、図３により与えられる高周波成分より高い周波数をもつ高周波成分を熱輸送媒体の流速に与えることができる。また、熱輸送媒体が往復流のいずれか一方に流れる期間中に、多数の流速変動を生じさせることができる。
【００８７】
（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。図１２は、この実施形態の流速ＦＳと磁束密度ＢＨとの関係を示す。先の実施形態では、往復流のための流れ切換えの位相と、磁場の強さを変化させる磁場切換えの位相とは一致している。これに代えて、流れ切換えの位相と、磁場切換えの位相とをずらしてもよい。例えば、磁場切換えの位相より、流れ切換えの位相を遅れさせることができる。このような構成においても、熱輸送媒体の流速における高周波成分は、ＭＣＥ素子１２と熱輸送媒体との間において高い熱伝達率を提供するから、高効率の提供に貢献する。
【００８８】
（第７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。図１３は、この実施形態の流速ＦＳを示す。先の実施形態では、熱輸送媒体の流速は曲線状の変化を示す。これに代えて、この実施形態では、熱輸送媒体は矩形波状の変化を示すように制御される。往復流の流速変化と高周波成分の流速変化とは、矩形波状である。矩形波状の流速ＦＳは高効率の提供に貢献する。
【００８９】
（第８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。図１４は、この実施形態の流速ＦＳを示す。先の実施形態では、高周波成分の流速の振幅は、往復流の一方における最大流速より小さく設定されている。これに代えて、この実施形態では、高周波成分の流速の振幅は、往復流の一方における最大流速と等しい。この実施形態によると、往復流を維持しながら、一方向の流れにかおける流速の変動幅を大きくすることができる。よって、熱的な境界層の成長をより抑制することができる。
【００９０】
（第９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。図１５は、この実施形態の流速ＦＳを示す。先の実施形態では、高周波成分の流速の振幅は、往復流の一方における最大流速以下に設定されている。これに代えて、この実施形態では、高周波成分の流速の振幅は、往復流の一方における最大流速を上回る。この実施形態によると、一方向の流れにかおける流速の変動幅を大きくすることができる。よって、熱的な境界層の成長をより抑制することができる。
【００９１】
（第１０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。図１６は、この実施形態の流速ＦＳを示す。先の実施形態では、高周波成分は規則的な波形によって与えられる。これに代えて、この実施形態では、高周波成分はランダムな波形によって与えられる。高周波成分は、ランダムに変動する振幅と周波数とを有する。この実施形態でも、ＭＣＥ素子１２の表面における熱的な境界層の成長が抑制され、ＭＣＥ素子１２と熱輸送媒体との間における高い熱伝達率を提供することができる。
【００９２】
（第１１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。図１７は、この実施形態に係るＭＨＰ装置Ｂ０２を示す。先行する実施形態の要素と同一または対応する要素には同一の符号が付されており、先行する説明を参照することができる。
【００９３】
ＭＨＰ装置Ｂ０２は、ロータ７の径方向内側に配置されたステータＢ０８を備える。磁力源は、ロータ７の径方向外側に配置された永久磁石Ｂ１３ａと、ロータ７の径方向内側に配置された永久磁石Ｂ１３ｂとによって提供される。ハウジング６はヨークとしてのアウタコアを提供する。ステータＢ０８は、ヨークとしてのインナーコアを提供する。
【００９４】
ＭＨＰ装置Ｂ０２は、回転軸２ａによって回転させられるポンプＢ１７を有する。ポンプＢ１７は、容積型ポンプである。ポンプＢ１７は、トロコイドギヤポンプなどのギヤポンプによって提供することができる。
【００９５】
ＭＨＰ装置Ｂ０２は、ロータ７の径方向内側であって、ロータ７の軸方向の端部に集中して設けられた変速機構Ｂ０９を備える。変速機構Ｂ０９は遊星歯車機構である。変速機構Ｂ０９は減速機構であって、ロータ７を、ポンプＢ１７の回転数より低い回転数で回す。
【００９６】
この実施形態でも流路切換機構１８は、熱輸送媒体の流速に高周波成分を与える。これにより、ＭＣＥ素子１２と熱輸送媒体との間に、高い熱伝達率が実現される。
【００９７】
（第１２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。図１８は、この実施形態に係るＭＨＰ装置Ｂ０２を示す。先行する実施形態の要素と同一または対応する要素には同一の符号が付されており、先行する説明を参照することができる。先行する実施形態では、機械的な流路切換機構１８によって作業室１１に往復流が供給される。これに代えて、電気的に切換えられる流路切換機構Ｃ１８によって作業室１１に往復流を提供してもよい。流路切換機構Ｃ１８は、ポンプ１７の吐出経路と吸入経路との間に設けられ、ＭＨＰ装置２の素子ベッドに対して往復流を供給する。流路切換機構Ｃ１８は、ポンプ１７が提供する一方向の流れを往復流に変換する変換器でもある。流路切換機構Ｃ１８は、複数の電磁弁によって実現することができる。制御装置Ｃ１０は、流路切換機構Ｃ１８を駆動する往復制御部（ＲＦＣ）Ｃ１０ｅを備える。この実施形態によると、往復流の切換えを電気的に制御することができる。例えば、往復流の切換タイミングを運転状態に応じてずらすなどの制御が可能となる。
【００９８】
（第１３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。図１９は、この実施形態に係る熱機器としてのスターリングエンジンＤ０２を示す。スターリングエンジンＤ０２は、膨張気筒９１および圧縮気筒９２を有する。膨張気筒９１と圧縮気筒９２とは、共通のクランク軸９３に連結されている。膨張気筒９１と圧縮気筒９２との間には、それらを連通するように作動流体が流れる通路９４が設けられている。通路９４には、加熱部９５、および冷却部９６が設けられている。加熱部９５と冷却部９６との間には、熱的な再生器（ＲＧ）９７が配置されている。
【００９９】
再生器９７は、往復流熱交換システムとして機能する。この実施形態では、通路９４に流れる流体、すなわち熱輸送媒体の流速に高周波成分が与えられる。高周波成分は、多様な手法によって与えることができる。例えば、膨張気筒９１と通路９４との連通部分、または圧縮気筒９２と通路９４との連通部分における通路断面積を周期的に変動させることができる。また、図７に例示した可変流路部材３１７ａを通路９４に設けてもよい。加熱部９５、冷却部９６、および再生器９７は、熱輸送媒体と熱交換する熱交換部を提供する。
【０１００】
この実施形態によると、加熱部９５、冷却部９６、および再生器９７における熱的な境界層の成長が抑制され、高い熱伝達率が提供される。この結果、熱伝達率が高い往復流熱交換システムを提供することができる。
【０１０１】
（第１４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。先行する実施形態では、熱輸送媒体として水または不凍液が利用される。不凍液の一例は、凝固点降下剤であるエチレングリコールを水に対して５割程度加えた液体である。これに代えて、以下に述べる液体を熱輸送媒体として利用することができる。この液体は平成２６年５月２３日に特許出願された特願２０１４−１０６７８３号に開示されており、その記載内容は、この明細書に記載された技術的要素の説明として、参照によって導入ないし援用される。
【０１０２】
熱輸送媒体は、水の凍結温度より低い温度においても凍結しないように不凍化された不凍液である。熱輸送媒体は、車両用のエンジン冷却水として一般的に使用が推奨されているエチレングリコール濃度が５０％の水溶液に対して、熱伝導率が高く、および／または粘性係数が低い。熱輸送媒体は、溶媒と１種類の溶質ＡＮＦとを有する溶液により構成されている。図２０に示されるように、熱輸送媒体の溶質ＡＮＦは、第１部位であるヘッドＨＤＭと、第２部位であるテールＴＬＭとを備える分子により構成されている。ヘッドＨＤＭは、熱輸送媒体の温度が予め定めた基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面ＩＣＲに選択的に近接する部位である。テールＴＬＭは、ヘッドＨＤＭに接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有する部位である。
【０１０３】
溶媒として、水を利用することができる。溶質ＡＮＦのヘッドＨＤＭとして、第４級アンモニウム基、スルホ基、エステル基、カルボキシル基およびヒドロキル基のうちのいずれかが採用されている。溶質ＡＮＦのテールＴＬＭとして、複数の炭素を主鎖とするとともに、各炭素と結合される親水基が４個以下であるものが採用されている。
【０１０４】
具体的には、溶質ＡＮＦは、ヘッドＨＤＭがトリメチルアンモニウム基であるとともに、テールＴＬＭが炭素数１６以下の直鎖状炭化水素基である化合物である。具体的には、溶質ＡＮＦは、臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム（以下、Ｃ１６ＴＡＢともいう）である。
【０１０５】
代替的に、溶質ＡＮＦとして、Ｃ１６ＴＡＢの他に、図２１に示されるように、ポリオキシエチレン（１０）オクチルフェニルエーテル（Ｔｒｉｔｏｎ（登録商標）Ｘ−１００）、ポリオキシエチレン（２５）オクチルドデシルエーテル（エマルゲン（登録商標）２０２５Ｇ）、オレイン酸ポリオキシエチレンソルビタン（Ｔｗｅｅｎ（登録商標）８０）、ステアリン酸ＰＥＧ−１５０、ミリスチルスルホベタイン、コール酸ナトリウムを採用することができる。溶質ＡＮＦとして上記に挙げた化合物を採用することで、図２１に示されるように、凍結温度を低下させることができる。
【０１０６】
上記溶質ＡＮＦのうち、Ｃ１６ＴＡＢは親水基を有しておらず、ミリスチルスルホベタインは親水基を１個有しており、コール酸ナトリウムは親水基を３個有している。図２１の破線で囲まれた領域に示されるように、コール酸ナトリウム、ミリスチルスルホベタイン、Ｃ１６ＴＡＢの順に凍結温度が低くなっている。したがって、親水基の数を減らす程、凍結温度を低下させることができる。具体的には、上述したように、溶質ＡＮＦのテールＴＬＭに含まれる親水基の個数を４個以下とすることで、凍結温度を低くすることができる。
【０１０７】
熱輸送媒体における溶質ＡＮＦの濃度は、水に対する溶質ＡＮＦの飽和溶解濃度よりも小さい。これにより、溶質ＡＮＦが再結晶し、その結晶を核として氷が成長することを抑制できる。さらに、熱輸送媒体における溶質ＡＮＦの濃度は、水に対する溶質ＡＮＦの臨界ミセル濃度以下にすることで、溶質ＡＮＦがミセル化し、そのミセルを核として氷が成長することを抑制できる。
【０１０８】
図２２に示されるように、水に対する溶質ＡＮＦの重量パーセント濃度を上昇させていくと、約０．１重量パーセント濃度までは、濃度が高くなるにつれて、凍結温度が低くなっている。しかしながら、水に対する溶質ＡＮＦの重量パーセント濃度が約０．１重量パーセント濃度を超えると、凍結温度が徐々に高くなっている。したがって、本実施形態では、水に対する溶質ＡＮＦの濃度を０．１重量パーセント濃度以下としている。
【０１０９】
ここで、熱輸送媒体中のエチレングリコール濃度に対する液側熱伝達率比および凍結温度の関係を図２３に示す。なお、図２３の上段の縦軸に示す液側熱伝達比とは、車両のエンジン冷却液として現在一般的に使用が推奨されているＬＬＣ（エチレングリコール濃度：５０％）の液側熱伝達率比を１００％として表した液側熱伝達率の値である。ＪＩＳ  Ｋ  ２２３４にて規定された不凍液の性能を確保するためには、凍結温度が−３４℃以下であることが必要である。このため、ＬＬＣでは、水に対するエチレングリコール濃度を５０％としている。
【０１１０】
図２３の上段に示されるように、熱輸送媒体中の水に対するエチレングリコール濃度が低くなる程、熱伝達率は向上する。しかしながら、図２３の下段に示されるように、熱輸送媒体中の水に対するエチレングリコール濃度が低くなる程、凍結温度が高くなる。
【０１１１】
これに対し、熱輸送媒体として、重量パーセント濃度が０．１％であるＣ１６ＴＡＢ水溶液を採用した場合、凍結温度は−２０℃となる。このとき、熱輸送媒体のエチレングリコール濃度は０であるため、熱伝達率を向上させることができる。
【０１１２】
しかしながら、上述したように、ＪＩＳ  Ｋ  ２２３４にて規定された不凍液の性能を確保するためには、凍結温度を−３４℃以下にする必要がある。このため、本実施形態では、熱輸送媒体に、第１溶質であるＣ１６ＴＡＢの他に、Ｃ１６ＴＡＢとは異なるとともに、水と互溶することにより水の凝固点を降下させる第２溶質を加えている。第２溶質としては、アルコール類を採用することができる。本実施形態では、第２溶質として、エチレングリコールを採用している。
【０１１３】
図２３の下段に示されるように、Ｃ１６ＴＡＢ水溶液に対してエチレングリコールを加えることで、凍結濃度を低下させることができる。具体的には、エチレングリコールの熱輸送媒体に対する濃度を、１０重量パーセント濃度以上、４０重量パーセント濃度以下とすることが望ましい。
【０１１４】
より詳細には、熱輸送媒体として、重量パーセント濃度が０．１％であるＣ１６ＴＡＢ水溶液を採用した場合、エチレングリコールの重量パーセント濃度を約１８％とすることで、凍結温度を−３４℃とすることができる。このとき、熱伝達率を、ＬＬＣに対して約４割向上させることができる。
【０１１５】
ところで、図２０に示すように、溶質ＡＮＦのヘッドＨＤＭが溶媒の固液界面ＩＣＲに吸着した際に、テールＴＬＭはヘッドＨＤＭを基点として運動する。このとき、隣り合う溶質分子のテールＴＬＭ同士が接触しないようになっている。したがって、溶質分子のテールＴＬＭの長さが長すぎると動径も大きくなり、隣り合う溶質分子同士の距離ｄが長くなるので、溶媒の氷核の成長を阻害し難くなる。これにより、熱輸送媒体の凍結の進行抑制効果が低下してしまう。
【０１１６】
これに対し、上述したように、溶質分子のテールＴＬＭを、炭素数１６以下の直鎖状炭化水素基とすることで、テールＴＬＭの長さが長くなりすぎることを抑制できる。このため、隣り合う溶質分子同士の距離ｄを短くすることができるので、溶媒の氷核の成長を阻害し易くなり、熱輸送媒体の凍結の進行を確実に抑制することができる。
【０１１７】
以上説明したように、熱輸送媒体の溶質ＡＮＦを、熱輸送媒体温度が基準温度以下になった場合に、溶媒の固液界面ＩＣＲに選択的に近接するヘッドＨＤＭと、ヘッドＨＤＭに接続されるとともに、溶媒に対して疎となる関係を有するテールＴＬＭとを備える分子により構成している。これにより、熱輸送媒体の温度が低下して基準温度以下になった場合に、溶質ＡＮＦのヘッドＨＤＭが溶液の固液界面に選択的に近接して吸着する。そして、溶媒の固液界面ＩＣＲに吸着したヘッドＨＤＭにより、溶媒の氷核（凝固核）の成長が阻害されるため、凍結の進行を抑制できる。さらに、溶媒に対して疎となる関係を有するテールＴＬＭにより、溶媒が固液界面ＩＣＲに近づくことが抑制されるので、凍結の進行をより抑制できる。
【０１１８】
したがって、熱輸送媒体に凝固点降下剤（エチレングリコール）を含有させなくても、熱輸送媒体の凍結の進行を遅らせる、すなわち熱輸送媒体の凝固点を低下させることができる。このため、熱輸送媒体の熱物性悪化および粘度増加を抑制できる。
【０１１９】
また、熱輸送媒体の凝固点を低下させるために、過冷却状態を維持する必要はない。すなわち、熱輸送媒体の溶質ＡＮＦは、過冷却を促進させるものではなく、上述したように、氷核の成長を阻害するものである。このため、外乱により熱輸送媒体の過冷却状態が解除されて凍結が進行することはない。
【０１２０】
以上のように、熱輸送媒体の熱物性悪化および粘度増大を抑制しつつ、熱輸送媒体の不凍性能を充分に確保することが可能となる。
【０１２１】
（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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
例えば、上記実施形態では、車両用空調装置にＭＨＰ装置２を利用した。これに代えて、住宅用の空調装置に本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。
【０１２４】
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本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。
【０１２５】
また、上記実施形態では、ＭＨＰ装置２の外部の熱交換器３、４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２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。
【０１２６】
上記実施形態では、容積型のギヤポンプまたは非容積型の遠心式ポンプを採用した。これに代えて、多様な形式のポンプを採用することができる。例えば、ベーン型ポンプ、ターボ型ポンプ、再生ポンプ、ギヤポンプ、レシプロポンプなどを利用することができる。
【０１２７】
また、上記実施形態では、回転軸２ａとロータ７との間に減速型の変速機構９を設けた。これに代えて、回転軸２ａとロータ７とを直結し、回転軸２ａとポンプ１７との間に増速型の変速機構を設けてもよい。また、回転軸２ａとロータとの間、および回転軸２ａとポンプとの間の両方に変速機構を設けてもよい。
【０１２８】
また、上記実施形態では、作業室１１とＭＣＥ素子１２とを有する素子ベッドが回転する構成を採用した。これに代えて、素子ベッドと磁場変調装置１４との間の相対的な回転と、素子ベッドと流路切換機構１８との間の相対的な回転と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、素子ベッドを静止させておき、永久磁石を含む磁場変調装置を素子ベッド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。また、素子ベッドを静止させておき、連通室４１ａ−４１ｄに相当する開口をもつ分配部材を素子ベッドに対して相対的に回転させてもよい。これにより、ひとつのＭＣＥ素子１２に沿って流れる熱輸送媒体の流れ方向を第１方向と第２方向とに交互に切換えることができる。
【０１２９】
また、上記実施形態では、一方向にのみ熱輸送媒体を流すポンプ１７が利用される。これに代えて、往復的に熱輸送媒体を流すポンプを利用してもよい。例えば、ピストンポンプの吸入流れと吐出流れとによって往復流を提供してもよい。
【０１３０】
上記実施形態に加えて、ＭＣＥ素子１２などの熱交換部の表面に熱交換を促進するための凹凸を設けてもよい。また、熱交換のために寄与する表面積を増加させるための付加的なフィンなど熱交換部材をＭＣＥ素子１２の表面に設けてもよい。同様の手法は、スターリングエンジンＤ０２などの熱機器にも適用することができる。
【０１３１】
上記実施形態では、熱機器としてＭＨＰ装置２とスターリングエンジンＤ０２とを例示した。これらに代えて、ここに開示された往復流熱交換システムは、熱媒体が往復的に流れて熱交換する部分を有する多様な熱機器に適用することができる。例えば、ここに開示された往復流熱交換システムは、特開２０１３−２１７２８０号公報に記載される熱機関に適用されてもよい。
【符号の説明】
【０１３２】
１  車両用空調装置、  ２  磁気熱量効果型ヒートポンプ（ＭＨＰ）装置、
２ａ  回転軸、  ３、４  熱交換器、  ５  動力源（モータ）、  ６  ハウジング、
７  ロータ、  ８  ステータ、  ９  変速機構、  １０  制御装置、
１０ａ  基本駆動部、  １０ｂ  高周波駆動部、  １１  作業室、
１２  磁気熱量（ＭＣＥ）素子、  １３  永久磁石、  １４  磁場変調装置、
１６  熱輸送装置、  １７  ポンプ、  １８  流路切換機構、
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ、５４１ａ  連通室、
３１７ａ  可変流路部材、４１７  ポンプ、
Ｂ０２  ＭＨＰ装置、  Ｂ０９  変速機構、  Ｂ１７  ポンプ、
Ｃ１０ｅ  往復制御部、  Ｃ１８  流路切換機構、
Ｄ０２  スターリングエンジン、
９１  膨張気筒、  ９２  圧縮気筒、  ９３  クランク軸、  ９４  通路、
９５  加熱部、  ９６  冷却部、  ９７  再生器。
【図１】
0006344103.tif 000002
【図２】
0006344103.tif 000003
【図３】
0006344103.tif 000004
【図４】
0006344103.tif 000005
【図５】
0006344103.tif 000006
【図６】
0006344103.tif 000007
【図７】
0006344103.tif 000008
【図８】
0006344103.tif 000009
【図９】
0006344103.tif 000010
【図１０】
0006344103.tif 000011
【図１１】
0006344103.tif 000012
【図１２】
0006344103.tif 000013
【図１３】
0006344103.tif 000014
【図１４】
0006344103.tif 000015
【図１５】
0006344103.tif 000016
【図１６】
0006344103.tif 000017
【図１７】
0006344103.tif 000018
【図１８】
0006344103.tif 000019
【図１９】
0006344103.tif 000020
【図２０】
0006344103.tif 000021
【図２１】
0006344103.tif 000022
【図２２】
0006344103.tif 000023
【図２３】
0006344103.tif 000024