JP2018146155A - Heat exchanger and magnetic heat pump device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁気熱量効果を利用した磁気ヒートポンプ装置に用いられる熱交換器、及び、その熱交換器を備えた磁気ヒートポンプ装置に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger used in a magnetic heat pump apparatus using a magnetocaloric effect, and a magnetic heat pump apparatus including the heat exchanger.
磁気熱量効果型ヒートポンプ装置に用いられる磁気熱量素子として、連続した温度勾配の発生を容易にするために、第1材料により形成された第1ブロックと、第2材料により形成された第2ブロックと、第1ブロックと第2ブロックとの間の隣接部分に設けられた混合部と、を直列に接続(所謂、カスケード接続)したものが知られている(例えば特許文献1参照)。 As a magnetocaloric element used in a magnetocaloric effect type heat pump device, in order to facilitate the generation of a continuous temperature gradient, a first block formed of a first material and a second block formed of a second material In addition, there is known one in which a mixing unit provided in an adjacent portion between the first block and the second block is connected in series (so-called cascade connection) (see, for example, Patent Document 1).
この磁気熱量素子において、第1材料は、第1温度帯において磁気熱量効果を発揮し、第2材料は、第1温度帯と部分的に重複する第2温度帯において磁気熱量効果を発揮し、混合部には、第1材料と第2材料とが混合状態で存在している。また、第1及び第2ブロックを構成する素子部材の形状として、棒状体が例示されている(特に特許文献1の段落[0107]参照)。 In this magnetocaloric element, the first material exhibits a magnetocaloric effect in the first temperature zone, and the second material exhibits a magnetocaloric effect in a second temperature zone partially overlapping with the first temperature zone, In the mixing portion, the first material and the second material exist in a mixed state. Moreover, a rod-shaped body is illustrated as a shape of the element member which comprises a 1st and 2nd block (refer especially the paragraph [0107] of patent document 1).
上記の第1ブロック、混合部、及び第2ブロックがカスケード接続された熱交換器において、素子部材を棒状とすることで、十分に大きな比表面積を確保しつつ圧力損失の低下を図ることができる。しかしながら、上記の混合部において、第1材料からなる棒状体と、第2材料からなる棒状体を単に収容すると、第1材料と第2材料が偏って分布することで、磁気熱量素子の長手方向に対する直交断面における温度分布が不均一となってしまう場合がある、という問題がある。 In the heat exchanger in which the first block, the mixing unit, and the second block are cascade-connected, the pressure loss can be reduced while securing a sufficiently large specific surface area by forming the element member in a bar shape. . However, when the rod-shaped body made of the first material and the rod-shaped body made of the second material are simply accommodated in the mixing section, the first material and the second material are distributed unevenly, so that the longitudinal direction of the magnetocaloric element is There is a problem in that the temperature distribution in the cross section orthogonal to may become non-uniform.
本発明が解決しようとする課題は、連続した温度勾配の発生を容易にしつつ、長手方向に対する直交断面における温度分布の均一化を図ることが可能な熱交換器、及び、その熱交換器を備えた磁気ヒートポンプ装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention includes a heat exchanger capable of facilitating the generation of a continuous temperature gradient and uniforming the temperature distribution in a cross section perpendicular to the longitudinal direction, and the heat exchanger. Another object is to provide a magnetic heat pump device.
[1]本発明に係る熱交換器は、複数の第1の撚線を束ねて構成された第1の集合体と、前記第1の集合体が収容された容器と、を備え、それぞれの前記第1の撚線は、複数の線材を相互に撚り合わせて構成されており、複数の前記線材は、第1のキュリー点を有する第1の磁気熱量効果材料で構成された第1の線材と、前記第1のキュリー点とは異なる第2のキュリー点を有する第2の磁気熱量効果材料で構成された第2の線材と、を含む熱交換器である。 [1] A heat exchanger according to the present invention includes a first assembly configured by bundling a plurality of first stranded wires, and a container in which the first assembly is accommodated, The first stranded wire is formed by twisting a plurality of wires together, and the plurality of wires are formed of a first magnetocaloric material having a first Curie point. And a second wire made of a second magnetocaloric material having a second Curie point different from the first Curie point.
[2]上記発明において、前記容器は、一方の端部に位置する第1の開口と、他方の端部に位置する第2の開口と、を有しており、前記第1の開口から前記第2の開口に向かう第1の方向と、前記第1の集合体の延在方向とが実質的に平行であってもよい。 [2] In the above invention, the container has a first opening located at one end and a second opening located at the other end, and the first opening The first direction toward the second opening and the extending direction of the first assembly may be substantially parallel.
[3]上記発明において、前記熱交換器は、複数の第2の撚線を束ねて構成された第2の集合体を備え、それぞれの前記第2の撚線は、前記線材を相互に撚り合わせて構成され、前記第2の集合体は、前記第1の方向に沿って前記第1の集合体に対して前記第2の開口側に位置するように、前記容器に収容されており、第1の比は、前記第1の撚線を構成する前記第1の線材の本数と前記第2の線材の本数との比であり、第2の比は、前記第2の撚線を構成する前記第1の線材の本数と前記第2の線材の本数との比であり、前記第1の比と前記第2の比が相互に異なってもよい。 [3] In the above invention, the heat exchanger includes a second assembly configured by bundling a plurality of second stranded wires, and each of the second stranded wires twists the wire together. The second assembly is accommodated in the container so as to be positioned on the second opening side with respect to the first assembly along the first direction, The first ratio is a ratio of the number of the first wires constituting the first stranded wire and the number of the second wires, and the second ratio constitutes the second stranded wire. It is a ratio of the number of the first wire rods to the number of the second wire rods, and the first ratio and the second ratio may be different from each other.
[4]上記発明において、前記第1の撚線を構成する前記第1の線材の本数は、前記第2の撚線を構成する前記第1の線材の本数に対して相対的に多く、前記第1の撚線を構成する前記第2の線材の本数は、前記第2の撚線を構成する前記第2の線材の本数に対して相対的に少なくてもよい。 [4] In the above invention, the number of the first wire constituting the first stranded wire is relatively larger than the number of the first wire constituting the second stranded wire, The number of the second wires constituting the first stranded wire may be relatively small with respect to the number of the second wires constituting the second stranded wire.
[5]上記発明において、前記熱交換器は、複数の第3の撚線を束ねて構成された第3の集合体と、複数の第4の撚線を束ねて構成された第4の集合体と、を備え、前記第3の撚線は、複数の前記第1の線材を相互に撚り合わせて構成され、前記第4の撚線は、複数の前記第2の線材を相互に撚り合わせて構成されており、前記第3の集合体は、前記第1の方向において前記第1の集合体に対して前記第1の開口側に位置するように、前記容器に収容され、前記第4の集合体は、前記第1の方向において前記第2の集合体に対して前記第2の開口側に位置するように、前記容器に収容されていてもよい。 [5] In the above invention, the heat exchanger includes a third aggregate configured by bundling a plurality of third twisted wires and a fourth aggregate configured by bundling a plurality of fourth twisted wires. And the third twisted wire is formed by twisting the plurality of first wires together, and the fourth twisted wire is twisted by the plurality of second wires. The third assembly is accommodated in the container so as to be positioned on the first opening side with respect to the first assembly in the first direction, and the fourth assembly The assembly may be accommodated in the container so as to be positioned on the second opening side with respect to the second assembly in the first direction.
[6]本発明に係る磁気ヒートポンプ装置は、上記の少なくとも一つの熱交換器と、前記線材に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第1及び第2の外部熱交換器と、前記磁気変更手段により前記線材に印加される磁場の大きさの変更に伴って、前記熱交換器から前記第1の外部熱交換器又は前記第2の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置である。 [6] A magnetic heat pump device according to the present invention includes at least one heat exchanger, a magnetic field changing unit that applies a magnetic field to the wire and changes the magnitude of the magnetic field, and the heat exchange via a pipe. The first and second external heat exchangers respectively connected to the heat exchanger, and the first external heat from the heat exchanger as the magnitude of the magnetic field applied to the wire by the magnetic changing means changes. And a fluid supply means for supplying fluid to the exchanger or the second external heat exchanger.
本発明によれば、相互に異なるキュリー点を有する第1及び第2の線材を含む複数の線材を撚り合わせることで第1の撚線を構成し、さらに、その第1の撚線を複数束ねることで第1の集合体を構成する。これにより、熱交換器内での連続した温度勾配の発生を容易にしつつ、熱交換器の長手方向に対する直交断面における温度分布の均一化を図ることができる。 According to the present invention, a first stranded wire is formed by twisting together a plurality of wires including first and second wires having different Curie points, and a plurality of the first stranded wires are bundled. Thus, the first aggregate is formed. As a result, the temperature distribution in the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the heat exchanger can be made uniform while facilitating the generation of a continuous temperature gradient in the heat exchanger.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1及び図2は本発明の実施形態における磁気ヒートポンプ装置の全体構成を示す図、図3及び図4は本発明の第1実施形態におけるMCM熱交換器を示す図、図5(a)〜図8(a)は本実施形態における第1〜第4の集合体の断面図、図5(b)〜図8(b)は本実施形態における第1〜第4の撚線の断面図である。 1 and 2 are diagrams showing the overall configuration of a magnetic heat pump device according to an embodiment of the present invention, FIGS. 3 and 4 are diagrams showing an MCM heat exchanger according to a first embodiment of the present invention, and FIGS. 8A is a cross-sectional view of the first to fourth aggregates in the present embodiment, and FIGS. 5B to 8B are cross-sectional views of the first to fourth stranded wires in the present embodiment. is there.
本実施形態における磁気ヒートポンプ装置1は、磁気熱量効果(Magnetocaloric effect)を利用したヒートポンプ装置であり、図1及び図2に示すように、第1及び第2のMCM熱交換器10,20と、ピストン30と、永久磁石40と、低温側熱交換器50と、高温側熱交換器60と、ポンプ70と、配管81〜84と、切替弁90と、を備えている。
The magnetic
本実施形態における第1及び第2のMCM熱交換器10,20が本発明における熱交換器の一例に相当し、本実施形態におけるピストン30及び永久磁石40が本発明における磁気変更手段の一例に相当し、低温側熱交換器50及び高温側熱交換器60が本発明における第1及び第2の外部熱交換器の一例に相当し、本実施形態における配管81〜84が本発明における配管の一例に相当し、本実施形態におけるポンプ70及び切替弁90が本発明における流体供給手段の一例に相当する。
The first and second
第1のMCM熱交換器10は、図3及び図4に示すように、第1〜第4の集合体11A〜11Dと、当該集合体11A〜11Dが収容された容器(ケース)13と、容器13の両端の接続された端末部材16,17と、を備えている。第1〜第4の集合体11A〜11Dは、当該集合体11A〜11Dを構成する撚線の種類が異なる点で相違する。
As shown in FIGS. 3 and 4, the first
本実施形態における第1〜第4の集合体11A〜11Dが本発明における第1〜第4の集合体の一例に相当し、本実施形態における容器13が本発明における容器の一例に相当する。
The first to
なお、第1のMCM熱交換器10を構成する集合体の数は、上記の数に特に限定されず、5以上の集合体を用いて第1のMCM熱交換器を構成してもよい。また、本実施形態では第1〜第4の集合体11A〜11Dを一つの容器13に収容しているが、MCM熱交換器の構成は特にこれに限定されない。例えば、第1〜第4の集合体を別々の容器にそれぞれ収容して、これらの容器を相互に連結することでMCM熱交換器を構成してもよい。
In addition, the number of aggregates constituting the first
第1の集合体11Aは、図5(a)及び図5(b)に示すように、複数の第1の撚線12Aを束ねて構成されている。複数の第1の撚線12Aは、当該第1の撚線12Aの長手方向に対して交差する方向に相互に束ねられている。換言すれば、第1の撚線12Aの側面同士が接触するように、複数の第1の撚線12Aが相互に隣接している。その結果、第1の撚線12Aの側面同士の間には流路123(図5(a)参照)が形成されている。
As shown in FIGS. 5A and 5B, the
それぞれの第1の撚線12Aは、3本の線材を相互に撚り合わせて構成されている。具体的には、2本の第1の線材121と1本の第2の線材122を撚り合わせることで第1の撚線12Aが形成されている。すなわち、本実施形態では、それぞれの第1の撚線12Aを構成する第1の線材121の本数(N1)と第2の線材122の本数(N2)の比が、2:1となっている(N1:N2=2:1)。この第1の撚線12Aにおける比(N1:N2=2:1)が、本発明における第1の比の一例に相当する。なお、それぞれの第1の撚線12Aを構成する線材の本数は、複数であれば特に限定されない。
Each first stranded
線材の撚り合わせ方としては、特に限定されないが、例えば、集合撚り、同心撚り、複合撚り等を例示することができる。集合撚りとは、複数の線材を一纏めにして、これらを集合体の軸を中心に同一方向に撚り合わせる撚り方である。同心撚りとは、芯線を中心として当該芯線の周りに複数の線材に同心円状を撚り合わせる撚り方である。複合撚りとは、複数の線材を同心撚り又は集合撚りに撚り合わせた子撚線を、さらに同心撚り又は集合撚りに撚り合わせる撚り方である。 Although it does not specifically limit as how to twist a wire, For example, a collective twist, a concentric twist, a composite twist etc. can be illustrated. Aggregate twisting is a twisting method in which a plurality of wires are gathered together and twisted in the same direction around the axis of the aggregate. Concentric twisting is a twisting method in which concentric circles are twisted around a plurality of wires around the core wire. The composite twist is a twisting method in which a child twisted wire obtained by twisting a plurality of wires into a concentric twist or a collective twist is further twisted into a concentric twist or a collective twist.
本実施形態では、第1及び第2の線材121,122を撚り合わせて第1の撚線12Aを構成し、複数の第1の撚線12Aを複数束ねることで第1の集合体11Aを構成している。このため、図5(a)に示すように、第1の集合体11Aにおいて、第1の線材121が偏ることなく実質的に均等に配置されていると共に、第2の線材122も偏ることなく実質的に均等に配置されている。
In the present embodiment, the first and
第1及び第2の線材121,122は、磁気熱量効果を有する磁気熱量効果材料(MCM:Magnetocaloric Effect Material)から構成されている。このMCMから構成される線材121,122に磁場を印加すると、電子スピンが揃うことで磁気エントロピーが減少し、当該線材121,122は発熱して温度が上昇する。一方、線材121,122から磁場を除去すると、電子スピンが乱雑となり磁気エントロピーが増加し、当該線材121,122は吸熱して温度が低下する。
The 1st and 2nd wire 121,122 is comprised from the magnetocaloric effect material (MCM: Magnetocaloric Effect Material) which has a magnetocaloric effect. When a magnetic field is applied to the
この線材121,122を構成するMCMは、磁性体であれば特に限定されないが、例えば、10℃〜30℃程度の常温域にキュリー点(キュリー温度)を有し、常温域で高い磁気熱量効果を発揮する磁性体であることが好ましい。こうしたMCMの具体例としては、例えば、ガドリニウム(Gd)、ガドリニウム合金、ランタン−鉄−シリコン(La−Fe−Si)系化合物等を例示することができる。
The MCM constituting the
特に、本実施形態では、第1の線材121は、第1のキュリー点TC1を有する第1のMCMから構成されており、この第1のMCMは、第1の温度範囲RTC1において磁気熱量効果を発現する。これに対し、第2の線材122は、第2のキュリー点TC2を有する第2のMCMから構成されており、この第2のMCMは、第2の温度範囲RTC2において磁気熱量効果を発現する。この第2の線材122の第2のキュリー点TC2は、第1の線材121の第1のキュリー点TC1に対して相対的に高くなっている(TC2>TC1)。
In particular, in the present embodiment, the
すなわち、本実施形態では、第1の線材121と第2の線材122は、相互に異なるキュリー点TC1,TC2を有するMCMから構成されている。また、本実施形態では、第1の温度範囲RTC1と第2の温度範囲RTC2とが相互に異なっており、第2の温度範囲RTC2の全体が第1の温度範囲RTC1の全体に対して相対的に高くなっている(RTC2>RTC1)。なお、第2の温度範囲RTC2の少なくとも一部が第1の温度範囲RTC1から逸脱していれば、第1の温度範囲RTC1と第2の温度範囲RTC2が部分的に重複してもよい。
That is, in the present embodiment, the
本実施形態における第1の線材121が本発明における第1の線材の一例に相当し、本実施形態における第2の線材122が本発明における第2の線材の一例に相当する。また、本実施形態における第1のキュリー点TC1が本発明における第1のキュリー点の一例に相当し、本実施形態における第2のキュリー点TC2が本発明における第2のキュリー点の一例に相当する。
The
本実施形態における第1及び第2の線材121,122は、円形の断面形状を有する線材であるが、第1及び第2の線材121,122が円形以外の断面形状を有してもよい。第1及び第2の線材121,122の線径としては、特に限定されないが、例えば、0.01〜1mmであることが好ましい。 Although the 1st and 2nd wire 121,122 in this embodiment is a wire which has circular cross-sectional shape, the 1st and 2nd wire 121,122 may have cross-sectional shapes other than circular. Although it does not specifically limit as a wire diameter of the 1st and 2nd wire 121,122, For example, it is preferable that it is 0.01-1 mm.
第2の集合体11Bは、図6(a)及び図6(b)に示すように、複数の第2の撚線12Bを束ねて構成されている。この第2の撚線12Bも、3本の線材を相互に撚り合わせて構成されている。この第2の撚線12bは、1本の第1の線材121と2本の第2の線材122を撚り合わせることで形成されている点で、上述の第1の撚線12Aと相違する。すなわち、本実施形態では、それぞれの第2の撚線12Bを構成する第1の線材121の本数(N1)と第2の線材122の本数(N2)の比が、1:2となっている(N1:N2=1:2)。この第2の撚線12Bにおける比(N1:N2=1:2)が、本発明における第2の比の一例に相当する。なお、それぞれの第2の撚線12Bを構成する線材の本数は、複数であれば特に限定されない。
As shown in FIGS. 6A and 6B, the
複数の第2の撚線12Bは、当該第2の撚線12Bの長手方向に対して交差する方向に相互に束ねられている。その結果、第2の撚線12Bの側面同士の間に流路123(図6(a)参照)が形成されている。
The plurality of second stranded
本実施形態では、上述の第1の集合体11Aと同様に、第1及び第2の線材121,122を撚り合わせて第2の撚線12Bを構成し、複数の第2の撚線12Bを複数束ねることで第2の集合体11Bを構成している。このため、図6(a)に示すように、第2の集合体11Bにおいて、第1の線材121が偏ることなく実質的に均等に配置されていると共に、第2の線材122も偏ることなく実質的に均等に配置されている。
In the present embodiment, similarly to the
第3の集合体11Cは、図7(a)及び図7(b)に示すように、複数の第3の撚線12Cを束ねて構成されている。この第3の撚線12Cも、3本の線材を相互に撚り合わせて構成されている。具体的には、この第3の撚線12Cは、3本の第1の線材121を撚り合わせることで形成されており、第2の線材122を用いていない。すなわち、本実施形態では、それぞれの第3の撚線12Cを構成する第1の線材121の本数(N1)と第2の線材122の本数(N2)の比が、3:0となっている(N1:N2=3:0)。なお、それぞれの第3の撚線12Cを構成する線材の本数は、複数であれば特に限定されない。
As shown in FIG. 7A and FIG. 7B, the third aggregate 11C is configured by bundling a plurality of third stranded
複数の第3の撚線12Cは、当該第3の撚線12Cの長手方向に対して交差する方向に相互に束ねられている。その結果、第3の撚線12Cの側面同士の間に流路123(図7(a)参照)が形成されている。
The plurality of third stranded
第4の集合体11Cは、図8(a)及び図8(b)に示すように、複数の第4の撚線12Dを束ねて構成されている。この第4の撚線12Dも、3本の線材を相互に撚り合わせて構成されている。具体的には、この第4の撚線12Dは、3本の第2の線材122を撚り合わせることで形成されており、第1の線材121を用いていない。すなわち、本実施形態では、それぞれの第4の撚線12Dを構成する第1の線材121の本数(N1)と第2の線材122の本数(N2)の比が、0:3となっている(N1:N2=0:3)。なお、それぞれの第4の撚線12Dを構成する線材の本数は、複数であれば特に限定されない。
As shown in FIGS. 8A and 8B, the
複数の第4の撚線12Dは、当該第4の撚線12Dの長手方向に対して交差する方向に相互に束ねられている。その結果、第4の撚線12Dの側面同士の間に流路123(図8(a)参照)が形成されている。
The plurality of fourth stranded
図3、図4及び図5(a)〜図8(a)に示すように、第1〜第4の集合体11A〜11Dを収容する容器13は、収容部14と蓋部15を備えており、断面矩形の筒型の形状を有している。この容器13は、その一方の端部に第1の開口131を有していると共に、その他方の端部に第2の開口132を有している。なお、容器13の形状は、筒型であれば、特に上記に限定されず、例えば、円形や多角形の断面を有してもよい。
As shown in FIGS. 3, 4, and 5 (a) to 8 (a), the
本実施形態における容器13の第1の開口131が本発明における容器の第1の開口の一例に相当し、本実施形態における容器13の第2の開口132が本発明における容器の第2の開口の一例に相当する。
The
収容部14は、容器13の底板を構成する底部141と、容器13の両側の側壁を構成する一対の側部142,143と、を備えている。一対の側部142,143の上端の間に開口144が形成されており、その結果、収容部14は、その軸方向に対して実質的に直交する方向に沿った断面において、コ字状(略U字状)の断面形状を有している。
The
蓋部15は、矩形板状の部材である。この蓋部15が一対の側部142,143の上端に固定されている。収容部14の開口144が蓋部15により閉塞されることで、容器13が形成されている。
The
第1〜第4の集合体11A〜11Dは、当該集合体11A〜11Dの長手方向(図中のY軸方向)と、容器13の軸方向(第1の開口131から第2の開口132に向かう方向)とが実質的に一致するように、容器13内に収容されている。本実施形態では、第1の開口131から第2の開口132に近づくに従って、第3の集合体11C、第1の集合体11A、第2の集合体11B、及び、第4の集合体11Dの順となるように、第1〜第4の集合体11A〜11Dが並べられている。
The first to
すなわち、本実施形態では、本実施形態では、第1の開口131から第2の開口132に近づくに従って、第1〜第4の撚線12A〜12Dを構成する線材として、第1の線材121の本数(N1)が減少するのに対し、第2の線材122の本数(N2)が増加しており、第1の線材121の本数(N1)と第2の線材122の本数(N2)の比(N1:N2)が、[3:0]→[2:1]→[1:2]→[0:3]と段階的に変化している。
That is, in the present embodiment, in the present embodiment, as the wire constituting the first to fourth stranded
なお、第1の開口131から第2の開口132に近づくに従って、第1の線材121の本数(N1)が減少し、第2の線材122の本数(N2)が増加するのであれば、第1〜第4の撚線12A〜12Dにおける第1の線材121の本数(N1)と第2の線材122の本数(N2)の比(N1:N2)は特に上記に限定されない。
If the number of first wires 121 (N 1 ) decreases and the number of second wires 122 (N 2 ) increases as the
第1の端末部材(連結部材)16は、図3及び図4に示すように、連結口161と、当該連結口161よりも大きな接続口162と、を備えている。この第1の端末部材16としては、例えば、熱収縮チューブ、樹脂成形品、或いは、金属加工品等を用いることができる。
As shown in FIGS. 3 and 4, the first terminal member (connection member) 16 includes a
この第1の端末部材16の接続口162には、容器13の一方の端部が挿入され、容器13の端部に第1の端末部材16が固定されている。また、この第1の端末部材16の連結口161には、第1の低温側配管81が連結されており、図1に示すように、第1のMCM熱交換器10は、この第1の低温側配管81を介して、低温側熱交換器50に連通している。
One end of the
第2の端末部材17も、上述の第1の端末部材16と同様の構成を有している。この第2の端末部材17の接続口172には、容器13の他方の端部が挿入され、容器13の端部に第2の端末部材17が固定されている。また、この第2の端末部材17の連結口171には、第1の高温側配管83が連結されており、図1に示すように、第1のMCM熱交換器10は、この第1の高温側配管83を介して、高温側熱交換器60に連通している。
The
第2のMCM熱交換器20の容器23にも第1〜第4の集合体21A〜21Dが収容されている(図2参照)。そして、第1のMCM熱交換器10と同様、容器23の一方の端部が第1の端末部材に挿入されており、第1の端末部材が容器23に固定されている。また、当該容器23の他方の端部が第2の端末部材に挿入されており、第2の端末部材が容器23に固定されている。この第2のMCM熱交換器20は、第1の端末部材の連結口261に連結された第2の低温側配管82を介して、低温側熱交換器50に連通している。また、この第2のMCM熱交換器20は、第2の端末部材の連結口271に連結された第2の高温側配管84を介して、高温側熱交換器60に連通している。
The
なお、第2のMCM熱交換器20の第1〜第4の集合体21A〜21Dは、第1のMCM熱交換器10の第1〜第4の集合体11A〜11Dと同じ構成を有している。また、第2のMCM熱交換器20の容器23も、第1のMCM熱交換器10の容器13と同じ構成を有している。さらに、第2のMCM熱交換器20の端末部材も、第1のMCM熱交換器10の端末部材16,17と同じ構成を有している。
The first to
例えば、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置1を用いた空気調和装置を冷房として機能させる場合には、低温側熱交換器50と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を冷やすと共に、高温側熱交換器60と室外との間で熱交換を行うことで室外に放熱する。
For example, when the air conditioner using the magnetic
これに対し、当該空気調和装置を暖房として機能させる場合には、高温側熱交換器60と室内の空気との間で熱交換を行うことで室内を暖めると共に、低温側熱交換器50と室外の空気との間で熱交換を行うことで室外から吸熱する。
On the other hand, when the air conditioner functions as heating, the room is warmed by exchanging heat between the high temperature
以上のように、2つの低温側配管81,82と2つの高温側配管83,84によって、4つの熱交換器10,20,50,60を含む循環路が形成されており、ポンプ70によって当該循環路内に液体媒体が圧送される。液体媒体の具体例としては、例えば、水、不凍液、エタノール溶液、または、これらの混合物等の液体を例示することができる。本実施形態における液体媒体が、本発明における流体の一例に相当する。
As described above, a circulation path including the four
2つのMCM熱交換器10,20は、ピストン30の内部に収容されている。このピストン30は、アクチュエータ35によって、一対の永久磁石40の間を往復移動することが可能となっている。具体的には、ピストン30は、図1に示すような「第1の位置」と、図2に示すような「第2の位置」との間を往復移動することが可能となっている。なお、アクチュエータ35の一例としては、例えば、エアシリンダ等を例示することができる。
The two
ここで、「第1の位置」は、第1のMCM熱交換器10が永久磁石40の間に介在せず、第2のMCM熱交換器20が永久磁石40の間に介在するようなピストン30の位置である。これに対し、「第2の位置」は、第1のMCM熱交換器10が永久磁石40の間に介在し、第2のMCM熱交換器20が永久磁石40の間に介在しないようなピストン30の位置である。
Here, the “first position” refers to a piston in which the first
なお、第1及び第2のMCM熱交換器10,20に代えて、永久磁石40をアクチュエータ35により往復移動させてもよい。或いは、永久磁石40に代えて、コイルを有する電磁石を用いてもよく、この場合には、MCM熱交換器10,20又は磁石を移動させる機構が不要となる。また、コイルを有する電磁石を用いる場合には、MCM熱交換器10,20の線材121,122に対する磁場の印加/除去に代えて、線材121,122に印加した磁場の大きさ(強度)を変更するようにしてもよい。
Note that the
切替弁90は、第1の高温側配管83と第2の高温側配管84に設けられている。この切替弁90は、上述のピストン30の動作に連動して、ポンプ70により液体媒体の供給先を、第1のMCM熱交換器10、又は、第2のMCM熱交換器20に切り替えると共に、高温側熱交換器60の接続先を、第2のMCM熱交換器20、又は、第1のMCM熱交換器10に切り替えることが可能となっている。
The switching
次に、本実施形態における磁気ヒートポンプ装置1の動作について、図1及び図2を参照しながら説明する。
Next, operation | movement of the magnetic
先ず、ピストン30を図1に示す「第1の位置」に移動させると、第1のMCM熱交換器10の第1〜第4の集合体11A〜11Dが消磁されてその温度が低下する。その一方で、第2のMCM熱交換器20の第1〜第4の集合体21A〜21Dが着磁されてその温度が上昇する。
First, when the
これと同時に、切替弁90によって、ポンプ70→第1の高温側配管83→第1のMCM熱交換器10→第1の低温側配管81→低温側熱交換器50→第2の低温側配管82→第2のMCM熱交換器20→第2の高温側配管84→高温側熱交換器60→ポンプ70からなる「第1の経路」が形成される。
At the same time, the switching
このため、消磁によって温度が低下した第1のMCM熱交換器10の第1〜第4の集合体11A〜11Dによって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器50に供給されて、当該低温側熱交換器50が冷却される。
For this reason, the liquid medium is cooled by the first to
一方、着磁されて温度が上昇した第2のMCM熱交換器20の第1〜第4の集合体21A〜21Dによって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器60に供給されて、当該高温側熱交換器60が加熱される。
On the other hand, the liquid medium is heated by the first to fourth assemblies 21 </ b> A to 21 </ b> D of the second
次いで、ピストン30を図2に示す「第2の位置」に移動させると、第1のMCM熱交換器10の第1〜第4の集合体11A〜11Dが着磁されてその温度が上昇する。その一方で、第2のMCM熱交換器20の第1〜第4の集合体21A〜21Dが消磁されてその温度が低下する。
Next, when the
これと同時に、切替弁90によって、ポンプ70→第2の高温側配管84→第2のMCM熱交換器20→第2の低温側配管82→低温側熱交換器50→第1の低温側配管81→第1のMCM熱交換器10→第1の高温側配管83→高温側熱交換器60→ポンプ70からなる「第2の経路」が形成される。
At the same time, the switching
このため、消磁によって温度が低下した第2のMCM熱交換器20の第1〜第4の集合体21A〜21Dによって液体媒体が冷却され、当該液体媒体が低温側熱交換器50に供給されて、当該低温側熱交換器50が冷却される。
For this reason, the liquid medium is cooled by the first to
一方、着磁されて温度が上昇した第1のMCM熱交換器10の第1〜第4の集合体11A〜11Dによって液体媒体が加熱され、当該液体媒体は高温側熱交換器60に供給されて、当該高温側熱交換器60が加熱される。
On the other hand, the liquid medium is heated by the first to
以上に説明したピストン30の「第1の位置」と「第2の位置」との間の往復移動により、第1及び第2のMCM熱交換器10,20の第1〜第4の集合体11A〜11D,21A〜21Dに対する磁場の印加と除去を繰り返す。そして、第1及び第2のMCM熱交換器10,20が定常運転状態に至ると、第1及び第2のMCM熱交換器10,20の第1〜第4の集合体11A〜11D,21A〜21Dに所定の温度勾配が発生する。
By the reciprocation between the “first position” and the “second position” of the
すなわち、第1のMCM熱交換器10の第1〜第4の集合体11A〜11Dにおいて、第1の低温側配管81側の端部が最低温であり、第1の高温側配管83側の端部が最高温である温度勾配が発生する。同様に、第2のMCM熱交換器20の第1〜第4の集合体21A〜21Dにおいても、第2の低温側配管82側の端部が最低温であり、第2の高温側配管84側の端部が最高温である温度勾配が発生する。
That is, in the first to
ここで、一般的に、MCM熱交換器に発生した温度勾配がMCMのキュリー点から外れる部分を含んでいる場合には、十分な磁気熱量効果を得ることができない。 Here, generally, when the temperature gradient generated in the MCM heat exchanger includes a portion that deviates from the Curie point of the MCM, a sufficient magnetocaloric effect cannot be obtained.
これに対し、本実施形態では、第1の低温側配管81側に位置する第3の集合体11Cの第3の撚線12Cが、第1のキュリー点TC1を有する第1の線材121で構成されているのに対し、第1の高温側配管83側に位置する第4の集合体11Dの第4の撚線12Dが、第2のキュリー点TC2を有する第2の線材122で構成されており、第2のキュリー点TC2が、第1の線材121の第1のキュリー点TC1に対して相対的に高くなっている(TC2>TC1)。このため、定常運転状態における第1のMCM熱交換器10の第1〜第4の集合体11A〜11Dに発生する温度勾配が広くても、効率的に磁気熱量効果を得ることができる。
In contrast, in the present embodiment, the third
また、例えばMCMのロット毎の性能差等により、MCMのキュリー点が変化することがある。このような場合には、カスケード接続したMCMに発生する温度勾配の連続性が十分でない場合がある。 Further, the Curie point of the MCM may change due to, for example, a difference in performance between lots of the MCM. In such a case, the continuity of the temperature gradient generated in the cascade-connected MCMs may not be sufficient.
これに対し、本実施形態では、第1の線材121と第2の線材122を混在させた第1及び第2の集合体11A,11Bを、第3の集合体11Cと第4の集合体11Dとの間に介在させている。これにより、第1のMCM熱交換器10内に連続した温度勾配を容易に発生させることができる。
On the other hand, in the present embodiment, the first and
さらに、本実施形態では、第1の開口131から第2の開口132に近づくに従って、第3の集合体11C、第1の集合体11A、第2の集合体11B、及び、第4の集合体11Dの順番で、第1〜第4の集合体11A〜11Dが並べられている。
Further, in the present embodiment, as the
すなわち、本実施形態では、第1の開口131から第2の開口132に近づくに従って、第1〜第4の撚線12A〜12Dを構成する線材として、第1の線材121の本数(N1)と第2の線材122の本数(N2)の比(N1:N2)が段階的に変化するように、第1〜第4の集合体11A〜11Dが並べられている。このため、第1のMCM熱交換器10内に発生する温度勾配をスムーズにすることができる。
That is, in this embodiment, the number (N 1 ) of the
さらに、本実施形態では、相互に異なるキュリー点TC1,TC2を有する第1及び第2の線材121,122を撚り合わせて第1の撚線12Aを構成し、複数の第1の撚線12Aを複数束ねることで第1の集合体11Aが構成されている。同様に、第1及び第2の線材121,122を撚り合わせて第2の撚線12Bを構成し、複数の第2の撚線12Bを複数束ねることで第2の集合体11Bが構成されている。
Further, in the present embodiment, the first and
このため、図5(a)及び図6(a)に示すように、第1及び第2の集合体11A,11Bにおいて、第1の線材121が偏ることなく実質的に均等に配置されていると共に、第2の線材122も偏ることなく実質的に均等に配置されているので、第1のMCM熱交換器20内での長手方向に対する直交断面における温度分布の均一化を図ることができる。
For this reason, as shown to Fig.5 (a) and FIG.6 (a), in the 1st and 2nd aggregate |
第2のMCM熱交換器20についても、上述の第1のMCM熱交換器10と同様の効果を得ることができる。
The second
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
上述した磁気ヒートポンプ装置の構成は一例であり、本発明に係る熱交換器をAMR(Active Magnetic Refrigerataion)方式の他の磁気ヒートポンプ装置に適用してもよい。 The configuration of the magnetic heat pump device described above is an example, and the heat exchanger according to the present invention may be applied to other magnetic heat pump devices of an AMR (Active Magnetic Refrigerataion) system.
例えば、磁気ヒートポンプ装置が有するMCM熱交換器の数は特に限定されない。例えば、磁気ヒートポンプ装置が、1個或いは3個以上のMCM熱交換器を備えていてもよい。 For example, the number of MCM heat exchangers included in the magnetic heat pump device is not particularly limited. For example, the magnetic heat pump device may include one or three or more MCM heat exchangers.
また、上述の実施形態では、磁気ヒートポンプ装置を家庭用或いは自動車等の空気調和装置に適用した例について説明したが、特にこれに限定されない。例えば、用途に応じた適切なキュリー温度を有するMCMを選定することで、冷凍機のような極低温域での用途、或いは、ある程度高温域での用途に、本発明に係る磁気ヒートポンプ装置を適用してもよい。 Moreover, although the above-mentioned embodiment demonstrated the example which applied the magnetic heat pump apparatus to air conditioners, such as home use or a motor vehicle, it is not specifically limited to this. For example, by selecting an MCM having an appropriate Curie temperature according to the application, the magnetic heat pump device according to the present invention can be applied to an application in a cryogenic temperature region such as a refrigerator or an application in a certain high temperature region. May be.
また、本実施形態では、第1及び第2のMCM熱交換器10,20が同一の構成を有しているが、特にこれに限定されず、これらが異なる構成を有してもよい。例えば、第1及び第2のMCM熱交換器10,20で、異なる仕様の集合体を用いたり、集合体の数を異ならせてもよい。
Moreover, in this embodiment, although the 1st and 2nd
1…磁気ヒートポンプ装置
10…第1のMCM熱交換器
11A〜11D…第1〜第4の集合体
12A〜12D…第1〜第4の撚線
121…第1の線材
122…第2の線材
123…流路
13…容器
131…第1の開口
132…第2の開口
14…収容部
141底部
142,143…側部
144…開口
15…蓋部
16…第1の端末部材
161…連結口
162…接続口
17…第2の端末部材
171…連結口
172…接続口
20…第2のMCM熱交換器
21A〜21D…第1〜第4の集合体
23…容器
261…第1の連結口
271…第2の連結口
30…ピストン
35…アクチュエータ
40…永久磁石
50…低温側熱交換器
60…高温側熱交換器
70…ポンプ
81〜82…第1〜第2の低温側配管
83〜84…第3〜第4の高温側配管
90…切替弁
DESCRIPTION OF
144 ...
Claims (6)
前記第1の集合体が収容された容器と、を備え、
それぞれの前記第1の撚線は、複数の線材を相互に撚り合わせて構成されており、
複数の前記線材は、
第1のキュリー点を有する第1の磁気熱量効果材料で構成された第1の線材と、
前記第1のキュリー点とは異なる第2のキュリー点を有する第2の磁気熱量効果材料で構成された第2の線材と、を含む熱交換器。 A first assembly configured by bundling a plurality of first strands;
A container in which the first assembly is accommodated,
Each of the first stranded wires is formed by twisting a plurality of wires together,
The plurality of wires are
A first wire composed of a first magnetocaloric material having a first Curie point;
And a second wire composed of a second magnetocaloric material having a second Curie point different from the first Curie point.
前記容器は、
一方の端部に位置する第1の開口と、
他方の端部に位置する第2の開口と、を有しており、
前記第1の開口から前記第2の開口に向かう第1の方向と、前記第1の集合体の延在方向とが実質的に平行である熱交換器。 The heat exchanger according to claim 1,
The container is
A first opening located at one end;
A second opening located at the other end,
A heat exchanger in which a first direction from the first opening toward the second opening is substantially parallel to an extending direction of the first assembly.
前記熱交換器は、複数の第2の撚線を束ねて構成された第2の集合体を備え、
それぞれの前記第2の撚線は、前記線材を相互に撚り合わせて構成され、
前記第2の集合体は、前記第1の方向に沿って前記第1の集合体に対して前記第2の開口側に位置するように、前記容器に収容されており、
第1の比は、前記第1の撚線を構成する前記第1の線材の本数と前記第2の線材の本数との比であり、
第2の比は、前記第2の撚線を構成する前記第1の線材の本数と前記第2の線材の本数との比であり、
前記第1の比と前記第2の比が相互に異なる熱交換器。 The heat exchanger according to claim 2,
The heat exchanger includes a second aggregate configured by bundling a plurality of second stranded wires,
Each of the second stranded wires is formed by twisting the wires together.
The second assembly is accommodated in the container so as to be positioned on the second opening side with respect to the first assembly along the first direction,
The first ratio is a ratio between the number of the first wires constituting the first stranded wire and the number of the second wires.
The second ratio is a ratio between the number of the first wires constituting the second stranded wire and the number of the second wires,
A heat exchanger in which the first ratio and the second ratio are different from each other.
前記第1の撚線を構成する前記第1の線材の本数は、前記第2の撚線を構成する前記第1の線材の本数に対して相対的に多く、
前記第1の撚線を構成する前記第2の線材の本数は、前記第2の撚線を構成する前記第2の線材の本数に対して相対的に少ない熱交換器。 The heat exchanger according to claim 3,
The number of the first wires constituting the first stranded wire is relatively large with respect to the number of the first wires constituting the second stranded wire,
The number of the 2nd wire which constitutes the 1st twisted wire is a heat exchanger relatively few with respect to the number of the 2nd wire which constitutes the 2nd twisted wire.
前記熱交換器は、
複数の第3の撚線を束ねて構成された第3の集合体と、
複数の第4の撚線を束ねて構成された第4の集合体と、を備え、
前記第3の撚線は、複数の前記第1の線材を相互に撚り合わせて構成され、
前記第4の撚線は、複数の前記第2の線材を相互に撚り合わせて構成されており、
前記第3の集合体は、前記第1の方向において前記第1の集合体に対して前記第1の開口側に位置するように、前記容器に収容され、
前記第4の集合体は、前記第1の方向において前記第2の集合体に対して前記第2の開口側に位置するように、前記容器に収容されている熱交換器。 The heat exchanger according to claim 4,
The heat exchanger is
A third aggregate configured by bundling a plurality of third stranded wires;
A fourth assembly configured by bundling a plurality of fourth stranded wires,
The third stranded wire is formed by twisting a plurality of the first wire rods,
The fourth stranded wire is formed by twisting a plurality of the second wire rods,
The third assembly is accommodated in the container so as to be positioned on the first opening side with respect to the first assembly in the first direction,
The heat exchanger housed in the container so that the fourth aggregate is positioned on the second opening side with respect to the second aggregate in the first direction.
前記線材に磁場を印加すると共に前記磁場の大きさを変更する磁場変更手段と、
配管を介して前記熱交換器にそれぞれ接続された第1及び第2の外部熱交換器と、
前記磁気変更手段により前記線材に印加される磁場の大きさの変更に伴って、前記熱交換器から前記第1の外部熱交換器又は前記第2の外部熱交換器に流体を供給する流体供給手段と、を備えた磁気ヒートポンプ装置。 At least one heat exchanger according to any one of claims 1 to 5;
Magnetic field changing means for applying a magnetic field to the wire and changing the magnitude of the magnetic field;
First and second external heat exchangers respectively connected to the heat exchanger via piping;
Fluid supply for supplying fluid from the heat exchanger to the first external heat exchanger or the second external heat exchanger in accordance with a change in the magnitude of the magnetic field applied to the wire by the magnetic change means And a magnetic heat pump device.
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