JP2019066129A - Magnetocaloric effect element bed and magnetothermal cycle device - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書における開示は、磁気熱量効果素子ベッドおよび磁気熱サイクル装置に関する。 The disclosure in this specification relates to a magnetocaloric effect device bed and a magnetothermal cycler.
特許文献1は、磁気熱量効果素子ベッドおよび磁気熱サイクル装置を開示する。いわゆる磁気熱量効果素子ベッドは、磁気熱量効果素子と、容器とを含む。容器は、磁気熱量効果素子を収容する。容器は、磁気熱量効果素子に磁場を印加することを許容し、しかも、磁気熱量効果素子と熱交換するように熱輸送媒体が流れることを許容する。 Patent Document 1 discloses a magnetocaloric effect device bed and a magnetothermal cycler. The so-called magnetocaloric effect bed comprises a magnetocaloric effect and a container. The container contains the magnetocaloric effect element. The container permits the application of a magnetic field to the magnetocaloric effect element and also allows the heat transport medium to flow so as to exchange heat with the magnetocaloric element.
磁気熱量効果素子は、高温端および/または低温端に端部を有する。ひとつの観点において、熱輸送媒体の流路断面積は、端部において急変する。このため、磁気熱量効果素子の中における流体力学的な条件と、磁気熱量効果素子の端部における流体力学的な条件との差が大きい。この差は、熱機器としての性能に影響する場合がある。 The magnetocaloric effect element has an end at the high temperature end and / or the low temperature end. In one aspect, the flow cross-sectional area of the heat transport medium changes sharply at the end. Therefore, the difference between the hydrodynamic condition in the magnetocaloric effect element and the hydrodynamic condition at the end of the magnetocaloric effect element is large. This difference may affect the performance as a thermal device.
別の観点において、熱輸送媒体と磁気熱量効果素子との間の熱交換状態が、端部において突然に変化する。磁気熱量効果素子の内側では、熱輸送媒体は磁気熱量効果素子と熱交換できる。これに対して、磁気熱量効果素子の外側では、熱輸送媒体は磁気熱量効果素子と熱交換できない。このため、磁気熱量効果素子の中における熱的な条件と、磁気熱量効果素子の端部における熱的な条件との差が大きい。この差は、熱機器としての性能に影響する場合がある。 In another aspect, the heat exchange state between the heat transport medium and the magnetocaloric effect changes suddenly at the end. Inside the magnetocaloric effect element, the heat transport medium can exchange heat with the magnetocaloric element. On the other hand, the heat transport medium can not exchange heat with the magnetocaloric effect element outside the magnetocaloric effect element. For this reason, the difference between the thermal condition in the magnetocaloric effect element and the thermal condition at the end of the magnetocaloric effect element is large. This difference may affect the performance as a thermal device.
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、磁気熱量効果素子ベッドおよび磁気熱サイクル装置にはさらなる改良が求められている。 In the above aspects, or in other aspects not mentioned, there is a need for further improvements in the magnetocaloric element bed and the magnetothermal cycler.
開示されるひとつの目的は、高温端および/または低温端における効率が改良された磁気熱量効果素子ベッドおよび磁気熱サイクル装置を提供することである。 One object disclosed is to provide a magnetocaloric effect device bed and magnetothermal cycler with improved efficiency at the hot end and / or the cold end.
開示される他のひとつの目的は、高温端および/または低温端における流体力学的な条件が改良された磁気熱量効果素子ベッドおよび磁気熱サイクル装置を提供することである。 Another object disclosed is to provide a magnetocaloric effect device bed and a magnetothermal cycler with improved hydrodynamic conditions at the hot end and / or the cold end.
開示されるさらに他のひとつの目的は、高温端および/または低温端における熱的な条件が改良された磁気熱量効果素子ベッドおよび磁気熱サイクル装置を提供することである。 Yet another object disclosed is to provide a magnetocaloric effect device bed and a magnetothermal cycler with improved thermal conditions at the hot end and / or the cold end.
ここに開示された磁気熱量効果素子ベッドは、熱輸送媒体(5)を流すための作業室(3a)を区画形成する容器(3)と、作業室の端部領域である高温端(11)と低温端(12)と間に配置された磁気熱量効果素子(4)とを備え、作業室の中の端部領域の少なくとも一方に配置されており、磁気熱量効果がないかごく小さい補助素子(14)とを備える。 The magnetocaloric effect element bed disclosed herein comprises a container (3) defining a working chamber (3a) for flowing a heat transport medium (5), and a high temperature end (11) which is an end region of the working chamber And a magnetocaloric effect element (4) disposed between the low temperature end (12) and at least one of the end regions in the working chamber, with no or very small magnetocaloric effect And (14).
ここに開示された磁気熱量効果素子ベッドによると、作業室の中の端部領域に磁気熱量効果がないかごく小さい補助素子が配置される。補助素子は、高温端だけ、低温端だけ、または高温端および低温端の両方に配置することができる。補助素子は、いわゆる巨大磁気熱量効果を期待されていない。補助素子は、磁気熱量効果がないかごく小さい。補助素子は、端部領域において所定の容積を占めるから、端部領域における熱輸送媒体の量を抑制する。この結果、端部領域におけるデッドボリュームが抑制される。デッドボリュームの抑制は、高温端および/または低温端における効率を高めるために貢献する。例えば、熱的な運搬効率が高められる。 According to the magnetocaloric effect bed disclosed herein, an auxiliary element which has no or very small magnetocaloric effect is disposed in the end region in the working chamber. The auxiliary element can be located at the hot end only, at the cold end only, or at both the hot end and the cold end. The auxiliary element is not expected to have a so-called giant magnetocaloric effect. The auxiliary element has little or no magnetocaloric effect. Since the auxiliary element occupies a predetermined volume in the end region, the amount of heat transport medium in the end region is reduced. As a result, dead volume in the end area is suppressed. Dead volume suppression helps to increase the efficiency at the hot end and / or the cold end. For example, thermal transport efficiency can be enhanced.
ここに開示された磁気熱サイクル装置は、上記磁気熱量効果素子ベッド(2)と、磁気熱量効果素子に印加される外部磁場を変調する磁場変調装置(6)と、磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体を外部磁場の変化に同期して流す熱輸送装置(7)とを備え、磁場変調装置は、磁気熱量効果素子および端部領域に外部磁場を与える磁性部材(6a)を備える。この磁場変調装置によると、端部領域にも外部磁場が与えられるから、磁気熱量効果素子の全体に強い磁場を与えることができる。 The magnetothermal cycle device disclosed herein comprises the magnetocaloric effect element bed (2), a magnetic field modulator (6) for modulating an external magnetic field applied to the magnetocaloric effect element, heat exchange with the magnetocaloric effect element And a heat transport device (7) for causing the heat transport medium to flow synchronously with the change of the external magnetic field, and the magnetic field modulation device comprises a magnetocaloric effect element and a magnetic member (6a) for applying an external magnetic field to the end region. According to this magnetic field modulation device, since the external magnetic field is also applied to the end region, a strong magnetic field can be applied to the entire magnetocaloric effect element.
この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。 The disclosed aspects in this specification employ different technical means in order to achieve their respective goals. The claims and the reference numerals in parentheses described in this section exemplarily show the correspondence with parts of the embodiments described later, and are not intended to limit the technical scope. The objects, features and advantages disclosed in the present specification will become more apparent by reference to the following detailed description and the accompanying drawings.
図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび/または構造的に対応する部分および/または関連付けられる部分には同一の参照符号、または、百以上の桁が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および/または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。 Several embodiments will be described with reference to the drawings. In embodiments, functionally and / or structurally corresponding portions and / or associated portions may be provided with the same reference symbols, or reference symbols with different hundred or more digits. The description of the other embodiments can be referred to for the corresponding parts and / or parts to be associated.
第1実施形態
図1は、磁気熱サイクル装置を示すブロック図である。磁気熱サイクル装置は、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置1を提供する。磁気熱量効果型ヒートポンプ装置1は、MHP装置1と呼ばれる。MHPは、Magneto−caloric effect Heat Pumpである。MHP装置1は、磁気ヒートポンプ装置とも呼ばれる。MHP装置1は、例えば、空調装置、冷蔵庫、冷凍庫などの熱機器に利用される。この実施形態では、MHP装置1は、乗り物用空調装置を提供する。
First Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing a magneto-thermal cycler. The magnetocaloric cycle device provides a magnetocaloric heat pump device 1. The magnetocaloric heat pump device 1 is called an MHP device 1. MHP is Magneto-caloric effect Heat Pump. The MHP device 1 is also called a magnetic heat pump device. The MHP device 1 is used, for example, as a heating device such as an air conditioner, a refrigerator, and a freezer. In this embodiment, the MHP device 1 provides a vehicle air conditioner.
この明細書において乗り物の語は広義の意味で使用される。すなわち、乗り物の語は、乗員室または荷室を有する移動体、例えば、走行車両、船舶、飛行機を含む。さらに、乗り物の語は、シミュレーション機器、アミューズメント機器などの非移動体を含む。 In this specification the term vehicle is used in a broad sense. That is, the term vehicle includes a moving body having a passenger compartment or a luggage compartment, for example, a traveling vehicle, a ship, an airplane. Furthermore, the term vehicle includes non-moving objects such as simulation devices and amusement devices.
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。 The term heat pump device is used in a broad sense in this specification. That is, the term heat pump apparatus includes both an apparatus utilizing cold obtained by the heat pump and an apparatus utilizing thermal obtained by the heat pump. Devices that use cold energy may also be referred to as refrigeration cycle devices. Thus, in this specification, the term heat pump device is used as a concept encompassing a refrigeration cycle device.
MHP装置1は、磁気熱量効果素子ベッド2を備える。磁気熱量効果素子ベッド2は、素子ベッド2と呼ばれる。素子ベッド2は、容器3と、磁気熱量素子4を有する。磁気熱量素子4は、MCE素子4と呼ばれる。MHP装置1は、MCE素子4の磁気熱量効果を利用する。容器3は、作業室3aを内部に区画形成している。容器3は、MCE素子4を収容する。MCE素子4は、作業室3aの中に収容されている。MCE素子4は、作業室3aの一端における端部領域である高温端11と作業室3aの他端における端部領域である低温端12と間に配置されている。容器3は、MCE素子4に磁場を印加することを許容し、しかも、MCE素子4と熱交換するように熱輸送媒体5が流れることを許容する。熱輸送媒体5は、不凍液、水、油、気体などの流体によって提供することができる。容器3は、非磁性材料により形成されている。
The MHP device 1 comprises a magnetocaloric
MCE素子4は、磁気熱量効果を有する磁気作業物質を含む。MCEは、Magneto−Caloric Effectとも呼ばれる。MCE素子4は、高温端11と低温端12と間に配置されている。MCE素子4は、外部磁場の強弱により発熱と吸熱とを生じる。容器3とMCE素子4とは、熱輸送媒体5の流路を形成するように、配置されている。
The
MCE素子4は、複数の素子を有する。図示されている素子の数は、例示である。複数の素子は、定常運転時に得られる目標値としての温度勾配(温度分布)を分担する。温度勾配は、高温端11と低温端12とを生成する。高温端11および低温端12の語は、素子ベッド2の中の部分的な領域を指している。高温端11および低温端12は、長さ方向LDにおけるMCE素子2より外側の領域を指している。高温端11および低温端12よりさらに外側には、多くの場合、配管、ポンプ、弁機構などが配置されている。温度勾配は、MHP装置1が長時間にわたって運転される結果として得られる。例えば、定常運転時に得られる温度勾配は、乗り物用空調装置として利用できる高温と低温とを提供する。複数の素子は、MCE素子4の長手方向、すなわち熱輸送媒体5の流れ方向に沿って配置されている。このようなMCE素子4における複数の素子の配置は、カスケード配置と呼ばれる。
The
複数の素子のそれぞれを構成する材料は、キュリー温度が異なる。複数の素子は、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11に近い素子は、定常運転状態において高温端11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。中温部に近い素子は、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12に近い素子は、定常運転状態において低温端12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。
The materials constituting each of the plurality of elements have different Curie temperatures. The plurality of elements exhibit high magnetocaloric effect (ΔS (J / kg K)) in different temperature zones. The element close to the
この実施形態では、MCE素子4は、複数の粒4aによって提供されている。複数の粒4aは、容器3の中に充填されている。複数の粒4aは、それらの間に、熱輸送媒体5の流路を提供する。MCE素子4が提供する流路断面積A4は、容器3が提供する断面積A3の一部である。MCE素子4は、その設置領域にほぼ一様に配置されている。この結果、MCE素子4と流路とはほぼ均一に分散配置されている。流路断面積A4は、長さ方向LDに垂直な断面における分散した複数の流路の合計である。流路の分散的な配置は、MCE素子4と熱輸送媒体5との間の良好な熱交換を提供する。MCE素子4は、熱輸送媒体5を流すための複数のマイクロチャンネルを形成する板状、ブロック状など多様な形状によって提供することができる。
In this embodiment, the
MCE素子4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4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4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4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。磁性体は、例えばガドリニウム系材料であってもよい。また、マンガン、鉄、リンおよびゲルマニウムの混合物であってもよい。
The
MHP装置1は、磁場変調装置6(MGFM)と熱輸送装置7(FLDM)とを備える。磁場変調装置6と熱輸送装置7とは、MCE素子4をAMR(Active Magnetic Refrigeration)サイクルとして機能させる。磁場変調装置6と熱輸送装置7とは、同期的に作動する。
The MHP device 1 includes a magnetic field modulator 6 (MGFM) and a heat transport device 7 (FLDM). The magnetic
磁場変調装置6は、MCE素子4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ように外部磁場を変調する。外部磁場は、厚さ方向TDに沿って与えられる。磁場変調装置6は、MCE素子4を強い磁界内に置く励磁状態と、MCE素子4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6は、MCE素子4が強い外部磁場の中に置かれる励磁期間、およびMCE素子4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6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ことができる。
The magnetic
磁場変調装置6は、永久磁石を含む磁性部材6aを備える。磁性部材6aは、MCE素子4の全体に外部磁場を印加可能である。磁性部材6aの全長は、MCE素子4の全長より長い。磁性部材6aは、MCE素子4と重複するように配置されている。磁性部材6aは、素子ベッド2と重複するように配置されている。磁性部材6aは、素子ベッド2のうち、MCE素子4が配置された中央領域と重複するように配置されている。さらに、磁性部材6aは、高温端11と重複するように配置されている。磁性部材6aと高温端11とは、重複距離PLだけ重複している。磁性部材6aは、高温端11にも、外部磁場の変化を与える。磁性部材6aは、低温端12と重複するように配置されている。磁性部材6aと低温端12とは、重複距離PLだけ重複している。磁性部材6aは、低温端12にも、外部磁場の変化を与える。このように、磁場変調装置6は、素子ベッドが提供する端部領域にも、外部磁場の変化を作用させる。この磁場変調装置6によると、端部領域にも外部磁場が与えられるから、MCE素子4の全体に強い磁場を与えることができる。
The magnetic
磁場変調装置6は、素子ベッド2および/または永久磁石を移動させ、素子ベッド2と永久磁石との間の距離を周期的に、かつ相対的に変化させる機構によって提供される。磁場変調装置6は、例えば、固定の素子ベッド2に対して、永久磁石を回転移動させる回転機構を含むことができる。
The magnetic
熱輸送装置7は、MCE素子4が放熱または吸熱する熱を輸送するための熱輸送媒体5流すための流体機器を備える。熱輸送装置7は、MCE素子4と熱交換する熱輸送媒体5をMCE素子4に沿って流す装置である。熱輸送装置7は、MCE素子4に高温端と低温端とを生成するように、熱輸送媒体5を流す。熱輸送装置7は、例えば、磁場変調装置6による外部磁場の変化に同期して熱輸送媒体5を往復的に流す。熱輸送装置7は、熱輸送媒体5を流すためのポンプを含むことができる。熱輸送装置7は、熱輸送媒体5の流れを制御するための複数の通路、および弁機構を備えることができる。
The heat transport device 7 includes a fluid device for flowing the
MHP装置1は、乗り物用空調装置を提供するための空調装置8(HVAC)を有する。空調装置8は、暖房、換気、および空調のためのユニットとも呼ばれる。空調装置8は、高温端11に得られる高温、および/または低温端12に得られる低温を利用する。高温および/または低温は、MCE素子4から取り出されてもよく、熱輸送媒体5から取り出されてもよい。
The MHP device 1 has an air conditioner 8 (HVAC) for providing a vehicle air conditioner. The
素子ベッド2は、補助素子14を有する。補助素子14は、作業室3aの中に配置されている。補助素子14は、MCE素子4の端部より外側に配置されている。補助素子14は、素子ベッド2の中の高温端11に配置されている。補助素子14は、素子ベッド2の中の低温端12に配置されている。補助素子14は、素子ベッド2の中の高温端11と、低温端12との両方に配置されている。補助素子14は、MCE素子4と比べて、磁気熱量効果がないかごく小さい材料製である。補助素子14は、いわゆる巨大な磁気熱量効果をもたない材料である。よって、補助素子14は過剰なコストをかけることなく設けることができる。補助素子14は、所定の容積を有する。補助素子14は、所定の熱容量を有する。補助素子14は、熱輸送媒体5との熱交換によって、熱輸送媒体5から高温または低温を受け取る。補助素子14は、熱輸送媒体5から受け取った高温または低温を一時的に蓄える。また、補助素子14は、熱輸送媒体5との熱交換によって、熱輸送媒体5に高温または低温を渡す。
The
図2は、素子ベッド4の断面を模式的に示している。容器3は、筒状である。容器3は、MCE素子4を収容する作業室3aを区画形成している。容器3は、熱輸送媒体5を流すための作業室3aを区画形成している。作業室3aは、長さ方向LDと垂直な断面、すなわち熱輸送媒体5の流れ方向と垂直な断面において、断面積A3を提供している。
FIG. 2 schematically shows a cross section of the
MCE素子4は、長さ方向LDに沿ってカスケード接続されている。図示されている素子の数は、例示である。MCE素子4は、複数の粒4aによって提供されている。MCE素子4を提供する複数の粒4aは、容器3の中において、流路断面積A4を提供している。
The
補助素子14は、複数の粒14aによって提供されている。複数の粒14aは、容器3の中に充填されている。複数の粒14aは、それらの間に、熱輸送媒体5の流路を提供する。補助素子14は、その設置領域(端部領域)にほぼ一様に配置されている。この結果、補助素子14と流路とは、その設置領域にほぼ均一に分散して配置されている。補助素子14と流路との均一で分散的な配置は、補助素子14と熱輸送媒体5との間の良好な熱交換を提供する。補助素子14は、熱輸送媒体5を流すための複数のマイクロチャンネルを形成する板状、ブロック状など多様な形状によって提供することができる。
The
高温端11および低温端12は、熱輸送媒体5と補助素子14とによって満たされている。熱輸送媒体5と補助素子14とは、MCE素子4に隣接する領域を満たしている。補助素子14は、MCE素子4に隣接する領域にだけ配置されていてもよい。よって、素子ベッド2の両端部分には、熱輸送媒体5だけで満たされる領域があってもよい。
The
補助素子14を提供する複数の粒14aは、容器3の中において、流路断面積A14を提供している。流路断面積A14は、長さ方向LDに垂直な断面における分散した複数の流路の合計である。流路断面積A14は、流路断面積A4より大きい(A4<A14)。ただし、流路断面積A14は、作業室3aの断面積A3より小さい(A14<A3)。よって、補助素子14が提供する熱輸送媒体5のための流路断面積A14は、作業室3aの断面積A3より小さく、かつ、MCE素子4が提供する熱輸送媒体5のための流路断面積A4より大きい(A4<A14<A3)。
The plurality of
高温端11は、作業室3aの一端における端部領域として所定の容積を提供する。補助素子14は、高温端11における所定の容積を占めている。補助素子14は、熱輸送媒体5に代わって高温端11における一部の容積を占めている。高温端11における容積は、熱輸送媒体5と補助素子14とによって満たされている。低温端12は、作業室3aの他端における端部領域として所定の容積を提供する。補助素子14は、低温端12における所定の容積を占めている。補助素子14は、熱輸送媒体5に代わって低温端12における一部の容積を占めている。この結果、高温端11における容積は、熱輸送媒体5と補助素子14とによって満たされている。このように、補助素子14は、素子ベッド2が提供する端部領域に配置されている。補助素子14は、端部領域において熱輸送媒体5の量を減少させる。素子ベッド2が提供する端部領域は、相対的に流動可能な熱輸送媒体5と、流動不可能な補助素子14とによって満たされている。よって、補助素子14は、端部領域における熱輸送媒体5の量を抑制する。この結果、MCE素子4の端部における流体力学的な条件の急変が抑制される。
The
補助素子14は、熱輸送媒体5のための流路を提供している。この結果、熱輸送媒体5は、高温端11から補助素子14の流路を通って、MCE素子4の中に入ることができる。熱輸送媒体5は、MCE素子4の中から補助素子14の流路を通って、高温端11に入ることができる。熱輸送媒体5は、低温端12から補助素子14の流路を通って、MCE素子4の中に入ることができる。熱輸送媒体5は、MCE素子4の中から補助素子14の流路を通って、低温端12に入ることができる。補助素子14が提供する流路断面積A14は、MCE素子4が提供する流路断面積A4より大きい(A4<A14)。補助素子14が提供する流路断面積A14は、作業室3aが提供する断面積A3より小さい(A14<A3)。補助素子14が提供する流路断面積は、容器3が提供する流路断面積の一部である。よって、補助素子14は、端部領域における流路断面積の急激な変化を抑制する。この結果、MCE素子4の端部における流体力学的な条件の急変が抑制される。
The
低温端補助素子14は、熱輸送媒体5と直接的に接触している。補助素子14は、熱輸送媒体5のための流路を提供するように配置されている。補助素子14は、熱輸送媒体5と熱交換する。補助素子14は、熱輸送媒体5との熱交換によって熱輸送媒体5の熱を蓄熱する。この蓄熱には、高温を蓄える蓄熱と、低温を蓄える蓄冷との両方が含まれる。これにより、MCE素子4の外側においても、熱輸送媒体5とは異なる非流動の補助素子14による蓄熱が提供される。
The cold end
熱輸送媒体5は、高温端11に近いMCE素子4から流出した直後に、および、高温端11に近いMCE素子4に流入する直前に、補助素子4と熱交換する。このとき、補助素子14は、熱的な再生器として機能する。この結果、高温端11に近いMCE素子4と接する熱輸送媒体5の温度変動幅が抑制される。熱輸送媒体5は、低温端12に近いMCE素子4から流出した直後に、および、低温端12に近いMCE素子4に流入する直前に、補助素子4と熱交換する。このとき、補助素子14は、熱的な再生器として機能する。この結果、低温端12に近いMCE素子4と接する熱輸送媒体5の温度変動幅が抑制される。
The
補助素子14は、非磁性材料によって提供されている。補助素子14は、非磁性の樹脂材料、または非磁性の金属材料によって提供される。例えば、補助素子14は、樹脂、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、非磁性ステンレスによって提供される。補助素子14は、高い熱伝導率を有する材料で作られることが望ましい。補助素子14の材料は、熱輸送媒体5より高い熱伝導率を有することが望ましい。このような観点から、銅、銅合金、アルミニウム、または、アルミニウム合金は、望ましい材料のひとつである。補助素子14と熱輸送媒体5との間の熱伝達率は、MCE素子4と熱輸送媒体5との間の熱伝達率と同程度であることが望ましい。ただし、補助素子14と熱輸送媒体5との間の熱伝達率は、MCE素子4と熱輸送媒体5との間の熱伝達率より、低くても、高くてもよい。MCE素子4の端部における補助素子14の存在は、MCE素子4の端部における熱的な条件の急変を抑制する。
The
以上に述べたこの実施形態によると、補助素子14によって、端部領域におけるデッドボリュームが抑制される。デッドボリュームの抑制は、高温端11および/または低温端12における効率を高めるために貢献する。例えば、熱的な運搬効率が高められる。高温端11および/または低温端12における熱の取り出し効率が高められる。ひとつの観点では、補助素子14によって、高温端11および/または低温端12における流体力学的な改良が図られる。また、別の観点では、補助素子14によって、高温端11および/または低温端12における流体力学的な改良が図られる。
According to this embodiment described above, the
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、MCE素子4は、複数の粒4aによって提供されている。これに代えて、MCE素子4は、多様な形状によって提供することができる。
Second Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. In the above embodiment, the
図3において、MCE素子4は、複数の板状部材204aによって提供されている。板状部材204aは、長さ方向LDに沿って広がっている。複数の板状部材204aは、それらの間に複数のマイクロチャンネルを流路として形成している。複数の板状部材204aは、MCE素子4の取扱いを容易にする。また、複数の板状部材204aは、素子ベッド2の中において容易に位置決めすることができる。
In FIG. 3, the
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、補助素子14は、複数の粒14aによって提供されている。これに代えて、補助素子14は、多様な形状によって提供することができる。
Third Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. In the above embodiment, the
図4に図示されるように、補助素子14は、複数の板状部材314aによって提供されている。板状部材314aは、長さ方向LDに沿って広がっている。複数の板状部材314aは、それらの間に複数のマイクロチャンネルを流路として形成している。複数の板状部材314aは、MCE素子4に近接した領域にだけ配置されている。端部領域の中でも作業室3aの両端には、熱輸送媒体5だけで満たされる領域が形成されている。このように、補助素子14は、端部領域の中に偏って設けられても良い。この場合、補助素子14は、MCE素子4に近接するように配置される。複数の板状部材314aは、MCE素子4の取扱いを容易にする。また、複数の板状部材314aは、素子ベッド2の中において容易に位置決めすることができる。
As illustrated in FIG. 4, the
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、高温端11の補助素子14と、低温端12の補助素子14とは、同じ材料製である。これに代えて、高温端11の補助素子14は、磁場変化によって渦電流損による発熱を生じる材料によって提供することができる。
Fourth Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. In the above embodiment, the
図5に図示されるように、高温端11の補助素子14を提供する板状部材414aは、導電性の材料によって提供されている。板状部材414aは、非磁性の材料製である。板状部材414aは、金属製である。板状部材414aは、非磁性のステンレス合金製である。板状部材414aは、磁性部材6aによる磁場変動の影響下にある。ただし、板状部材414aは、非磁性であるから過剰に磁束を引き込まない。板状部材414aは、磁性部材6aから供給される磁束と鎖交するように配置されている。
As illustrated in FIG. 5, the plate-
低温端12の補助素子14を提供する板状部材314aは、非導電性の材料によって提供されている。板状部材314aは、例えば、樹脂製である。板状部材314aは、渦電流損による顕著な発熱を生じない金属材料でもよい。例えば、板状部材314aは、電気抵抗が小さい銅合金製でもよい。
The plate-
図6に図示されるように、板状部材414aは、電磁誘導による渦電流EDCを生じる。板状部材414aには、磁場MGFの変動(鎖交磁束密度の変化)に起因する渦電流EDCが流れる。渦電流EDCは、渦電流損を生じ、板状部材414aにジュール熱を発生させる。ジュール熱は、高温端11において温度上昇を補助する。また、ジュール熱は、高温端11の温度を維持するために貢献する。一方で、板状部材314aは、ほとんどジュール熱を発生しない。このため、低温端12における低温は、損なわれない。
As illustrated in FIG. 6, the plate-
この実施形態によると、補助素子14に起因する流体力学的な改善と、熱的な改善とに加えて、高温端11の補助素子14に渦電流損に起因するジュール熱を発生させることができる。これにより、MHP装置1の起動性能、または温度維持性能が向上する。
According to this embodiment, in addition to the hydrodynamic improvement due to the
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、補助素子14は、粒14aの表面、または板状部材214a、314a、414aの表面で熱輸送媒体5と接触し、熱交換している。これに代えて、補助素子14は、熱交換を促進するために、多様な表面形状を有することができる。
Fifth Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. In the above embodiment, the
図7に図示されるように、補助素子14は、板状部材514aと、複数の突出部514bとを有する。板状部材514aと、複数の突出部514bとは、連続した材料によって一体的に形成されている。板状部材514aは、長さ方向LDに沿って広がっている。複数の突出部514bは、作業室3aの内部に向けて突出している。この実施形態でも、複数の突出部514bの間に、熱輸送媒体5のための流路が形成されている。複数の突出部514bは、高温端11に配置された補助素子14のように板状部材514aの両面に突出してもよい。また、複数の突出部514bは、低温端12に配置された補助素子14のように板状部材514aの両面に突出してもよい。この場合、板状部材514aは、容器3の壁に沿って配置されている。
As illustrated in FIG. 7, the
図8に図示されるように、複数の突出部514bは、円柱状に形成されている。複数の突出部514bは、角柱状であってもよい。この実施形態によると、熱輸送媒体5と補助素子14との熱交換が促進される。
As illustrated in FIG. 8, the plurality of
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9に図示されるように、補助素子14は、板状部材614aと、複数の突出部614bとを有する。板状部材614aと、複数の突出部614bとは、連続した材料によって一体的に形成されている。複数の突出部614bは、長さ方向LDに沿って広がっている。複数の突出部614bは、それぞれが、フィン状である。この実施形態でも、熱輸送媒体5と補助素子14との熱交換が促進される。
Sixth Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. As illustrated in FIG. 9, the
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10に図示されるように、補助素子14は、板状部材714aと、突出部714bとを有する。板状部材714aと、突出部714bとは、別体の部材であり、ろう付け、接着などの接合手段によって接合されている。突出部714bが提供する面は、長さ方向LDに沿って広がっている。突出部714bは、いわゆるコルゲートフィンによって提供することができる。この実施形態でも、熱輸送媒体5と補助素子14との熱交換が促進される。
Seventh Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. As illustrated in FIG. 10, the
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。上記実施形態では、固体の材料によって補助素子14を提供している。これに代えて、補助素子14は、内部に流体を備えていてもよい。
Eighth Embodiment This embodiment is a modification based on the preceding embodiment. In the above embodiment, the
図11に図示されるように、補助素子14は、板状部材814aと、複数の突出部814bとを有する。補助素子14は、内部の空洞に、熱媒体814cを収容している。熱媒体814cは、補助素子14の内部に封入されている。熱媒体814cは、流体である。熱媒体814cは、熱湯造媒体5が補助素子14に対して相対的に流れても、補助素子14に対しては固定されている。よって、熱媒体814cも、非流動の補助素子14の一部として考えることができる。この実施形態によると、熱媒体814cによって、補助素子14の熱的な性質を調節することができる。補助素子14は、例えば、蓄熱性能が高い熱媒体814cを収容することができる。この場合、補助素子14の蓄熱性能を調節することができる。
As illustrated in FIG. 11, the
他の実施形態
この明細書における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および/または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および/または要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品および/または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに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。
Other Embodiments The disclosure in this specification is not limited to the illustrated embodiments. The disclosure includes the illustrated embodiments and variations based on them by those skilled in the art. For example, the disclosure is not limited to the combination of parts and / or elements shown in the embodiments. The disclosure can be implemented in various combinations. The disclosure can have additional parts that can be added to the embodiments. The disclosure includes those in which parts and / or elements of the embodiments have been omitted. The disclosure includes replacements or combinations of parts and / or elements between one embodiment and another embodiment. The disclosed technical scope is not limited to the description of the embodiments. It is to be understood that the technical scopes disclosed herein are indicated by the description of the scope of the claims, and further include all modifications within the meaning and scope equivalent to the descriptions of the scope of the claims.
上記実施形態では、高温端11と低温端12との両方に補助素子14が配置されている。これに代えて、補助素子14は、高温端11または低温端12のいずれか一方だけに配置されていてもよい。補助素子14は、作業室3aの中の2つの端部領域の少なくとも一方に配置することができる。素子ベッド2は、例えば、高温端11にのみ補助素子14を提供するための板状部材414aを備え、低温端12に補助素子14を備えないことができる。
In the above embodiment, the
上記実施形態では、補助素子14は、一様に配置されている。これに代えて、補助素子14は、長さ方向LDに沿って徐々に変化する密度で配置されてもよい。補助素子14は、例えば、作業室3aの端に向かうほど流路断面線A14が連続的に、または段階的に増加するように配置されてもよい。また、補助素子14は、例えば、容器3の壁から離れるほど、すなわち作業室3aの中央に近いほど流路断面線A14が連続的に、または段階的に増加するように配置されてもよい。
In the above embodiment, the
1 磁気熱量効果型ヒートポンプ装置(MHP装置)、
2 素子ベッド、 3 容器、 3a 作業室、
4 磁気熱量効果素子(MCE素子)、 5 熱輸送媒体、
6 磁場変調装置(MGFM)、 6a 磁性部材、
7 熱輸送装置(FLDM)、 8 空調装置(HVAC)、
11 高温端、 12 低温端、 14 補助素子、
4a MCE素子粒、 204a MCE素子板状部材、
14a 補助素子の粒、
314a−814a 補助素子の板状部材、
514b−814b 補助素子の突出部、
814c 熱媒体、 EDC 渦電流、
A3 作業室の断面積、 A4 MCE素子の流路断面積、
A14 補助素子の流路断面積、
PL 重複範囲、 LD 長さ方向、 TD 厚さ方向。
1 magnetocaloric heat pump system (MHP system),
2 element bed, 3 containers, 3a work room,
4 magnetocaloric effect element (MCE element), 5 heat transport medium,
6 Magnetic Field Modulator (MGFM), 6a Magnetic member,
7 heat transport equipment (FLDM), 8 air conditioner (HVAC),
11 hot end, 12 cold end, 14 auxiliary elements,
4a MCE element grain, 204a MCE element plate member,
14a Grains of auxiliary elements,
314a-814a plate member of auxiliary element,
514b-814b auxiliary element protrusion,
814c heat medium, EDC eddy current,
A3 Cross section of work room, A4 MCE flow path cross section,
A14 Channel cross section of auxiliary element,
PL overlap range, LD length direction, TD thickness direction.
Claims (10)
前記作業室の一端における端部領域である高温端(11)と前記作業室の他端における端部領域である低温端(12)と間に配置された磁気熱量効果素子(4)とを備え、
前記作業室の中の前記端部領域の少なくとも一方に配置されており、磁気熱量効果がないかごく小さい補助素子(14)とを備える磁気熱量効果素子ベッド。 A container (3) defining a working chamber (3a) for flowing the heat transport medium (5);
The magnetocaloric effect element (4) is disposed between the high temperature end (11) which is an end region at one end of the working chamber and the low temperature end (12) which is an end region at the other end of the working chamber. ,
A magnetocaloric effect device bed comprising an auxiliary element (14) arranged in at least one of the end regions in the work chamber and having no or very small magnetocaloric effect.
前記補助素子は、前記端部領域において流動不可能である請求項1から請求項5のいずれかに記載の磁気熱量効果素子ベッド。 The heat transport medium can flow in the end region,
A magnetocaloric effect device bed according to any of the preceding claims, wherein the auxiliary element is non-flowable in the end region.
前記補助素子は、渦電流損に起因するジュール熱を発生する材料製である請求項8に記載の磁気熱量効果素子ベッド。 The auxiliary element is disposed at the high temperature end,
The magneto-caloric effect element bed according to claim 8, wherein the auxiliary element is made of a material that generates Joule heat due to eddy current loss.
前記磁気熱量効果素子に印加される外部磁場を変調する磁場変調装置(6)と、
前記磁気熱量効果素子と熱交換する熱輸送媒体を前記外部磁場の変化に同期して流す熱輸送装置(7)とを備え、
前記磁場変調装置は、前記磁気熱量効果素子および前記端部領域に前記外部磁場を与える磁性部材(6a)を備える磁気熱サイクル装置。 A magnetocaloric effect device bed (2) according to any of claims 1 to 9,
A magnetic field modulator (6) for modulating an external magnetic field applied to the magnetocaloric effect element;
A heat transport device (7) for flowing a heat transport medium which exchanges heat with the magnetocaloric effect element in synchronization with the change of the external magnetic field;
The magneto-optical cycle system includes the magneto-caloric effect element and a magnetic member (6a) for applying the external magnetic field to the end region.
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