熱磁気エンジン装置、および可逆熱磁気サイクル装置
【課題】熱磁気エンジン装置を提供する。
【解決手段】可逆熱磁気サイクル装置２の磁性体４９、５９は、キュリー温度を越えると磁性が低下し、キュリー温度を下回ると磁性が上昇する。ポンプ３０は、高温端から低温端に向けて作業水を流して磁性体を加熱し、低温端から高温端に向けて作業水を流して磁性体を冷却する。加熱と冷却による磁性の変化に起因して、永久磁石４５、５５が回転し、熱磁気エンジン装置として機能する。磁性体は、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素子でもある。ポンプ３０は、磁気熱量素子に外部磁場が印加されているときに低温端から高温端に向けて作業水を流し、磁気熱量素子から外部磁場が除去されているときに高温端から低温端に向けて作業水を流す。磁場切換えによる発熱と吸熱に起因して、温度分布が生じ、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置が提供される。
【解決手段】可逆熱磁気サイクル装置２の磁性体４９、５９は、キュリー温度を越えると磁性が低下し、キュリー温度を下回ると磁性が上昇する。ポンプ３０は、高温端から低温端に向けて作業水を流して磁性体を加熱し、低温端から高温端に向けて作業水を流して磁性体を冷却する。加熱と冷却による磁性の変化に起因して、永久磁石４５、５５が回転し、熱磁気エンジン装置として機能する。磁性体は、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素子でもある。ポンプ３０は、磁気熱量素子に外部磁場が印加されているときに低温端から高温端に向けて作業水を流し、磁気熱量素子から外部磁場が除去されているときに高温端から低温端に向けて作業水を流す。磁場切換えによる発熱と吸熱に起因して、温度分布が生じ、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の温度特性を利用した熱磁気エンジン装置、および熱磁気エンジン装置と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とに切換え可能な可逆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は、磁性体の温度特性を利用した熱磁気エンジンを開示している。これらの装置においては、円筒体に磁場を与え、その回転方向の前後に高温部と低温部とを形成することにより円筒体を回転させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２３４２３５号
【特許文献２】特開２００２−２８１７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の構成では、円筒体が回転すると、高温部と低温部とが移動する。このため、高温部と低温部との間での温度変化が必要であった。このような構成では、高温部と低温部とを作り出すための熱的な効率が低いという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い効率を実現することができる熱磁気エンジン装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、熱磁気エンジン装置と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とに切換え可能な可逆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】
【０００７】
本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。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、温度がキュリー温度を越えると磁性が低下し、温度がキュリー温度を下回ると磁性が上昇する磁性体であって、温熱が供給される高温端（１１、１４）の温度と冷熱が供給される低温端（１２、１３）の温度との間にキュリー温度をもつ磁性体（４９、５９）と、磁性体を加熱するときに高温端から低温端に向けて熱輸送媒体を流し、磁性体を冷却するときに低温端から高温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０）と、磁性体に外部磁場を印加する磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）と、磁性体と磁場印加装置との間に働く磁気的な力を運動エネルギとして取り出す動力機構（３２、４２、５２、７０、８０、２０）とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、熱磁気エンジン装置を提供することができる。ポンプは、磁性体を加熱するときに高温端から低温端に向けて熱輸送媒体を流す。また、ポンプは、磁性体を冷却するときに低温端から高温端に向けて熱輸送媒体を流す。このため、磁性体には高温端と低温端との間の温度差に対応した温度分布が生じる。この結果、効率的な熱の輸送が可能となる。熱輸送媒体の流れによって、磁性体の温度は加熱温度と冷却温度との間で切換えられる。磁性体の温度の変化は、磁性体の少なくとも一部分において、キュリー温度を上回る状態と、キュリー温度を下回る状態とを生じさせる。すなわち、磁性体の少なくとも一部分において、磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とが生じる。このような磁性の変化に起因して、磁性体と磁場印加装置との間に働く磁気的な力が変化する。磁場印加装置と動力機構は、磁気的な力の変化を運動エネルギとして取り出す。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、磁性体は、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもち、ポンプは、熱輸送媒体の流れによって、磁性体の温度がキュリー温度を越える状態と、磁性体の温度がキュリー温度を下回る状態とを切換えることを特徴とする。この構成によると、磁性体は、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもつ。磁性体には、高温端と低温端との間の温度差に対応した温度分布が生じており、さらに、磁性体の温度は加熱温度と冷却温度との間で切換えられる。磁性体の温度が温度分布を有したまま加熱温度に上昇することで、磁性体の多くの部分の温度がキュリー温度を上回る。また、磁性体の温度が温度分布を有したまま冷却温度に低下することで、磁性体の多くの部分の温度がキュリー温度を下回る。この結果、磁性体の多くの部分において、磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とが生じる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、磁性体は、キュリー温度が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、複数の素子ユニットは、高温端と低温端との間においてキュリー温度の順に並ぶように直列に配列されていることを特徴とする。この構成によると、複数の素子ユニットによって、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布が得られる。この結果、複数の素子ユニットのそれぞれにおいて、磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とが生じる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、さらに、冷熱の供給源と熱交換する低温側熱交換器（４）と、低温側熱交換器を通る低温側循環流路（１６）と、温熱の供給源と熱交換する高温側熱交換器（３）と、高温側熱交換器を通る高温側循環流路（１５）とを備え、ポンプは、低温端（１２）から高温端（１１）に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温端から高温側循環流路に熱輸送媒体を吐出するとともに、低温側循環流路から低温端に熱輸送媒体を吸い込み、高温端（１１）から低温端（１２）に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温端から低温側循環流路に熱輸送媒体を吐出するとともに、高温側循環流路から高温端に熱輸送媒体を吸い込むことを特徴とする。この構成によると、磁性体の熱輸送を担う往復流をポンプによって提供することができるとともに、そのポンプを利用して、低温側における循環流と、高温側における循環流とを提供することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、磁性体は、第１の磁性体ユニット（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１の磁気熱量素子（４９）と、第２の磁性体ユニット（５０）に設けられ、一端に前記低温端（１２）を有し、反対の他端に中間高温端（１４）を有する第２の磁気熱量素子（５９）とを備え、磁場印加装置は、第１の磁性体ユニットに設けられ、第１の磁気熱量素子へ磁場を印加する第１の永久磁石（４５）と、第２の磁性体ユニットに設けられ、第２の磁気熱量素子へ磁場を印加する第２の永久磁石（５５）とを備え、ポンプは、第１の磁性体ユニット（４０）において中間低温端（１３）から高温端（１１）に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温端から高温側循環流路に熱輸送媒体を吐出し、第１の磁性体ユニット（４０）において高温端（１１）から中間低温端（１３）に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温側循環流路から高温端に熱輸送媒体を吸い込み、第２の磁性体ユニット（５０）において中間高温端（１４）から低温端（１２）に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温端から低温側循環流路に熱輸送媒体を吐出し、第２の磁性体ユニット（５０）において低温端（１２）から中間高温端（１４）に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温側循環流路から低温端に熱輸送媒体を吸い込むことを特徴とする。この構成によると、第１の磁性体と第２の磁性体とを含む複数の磁性体によって熱磁気エンジン装置を提供することができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱磁気エンジン装置、または熱源（４）の熱を熱負荷（３）に供給する磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として選択的に運転可能な可逆熱磁気サイクル装置であって、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置は、磁性体（４９、５９）によって提供され、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素子と、動力機構（２０）によって提供され、磁気熱量素子と磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）とを相対的に移動させることにより、磁気熱量素子への外部磁場の印加と除去とを切換える磁場切換装置（２０）と、ポンプ（３０）によって提供され、磁気熱量素子に外部磁場が印加されているときに低温端から高温端に向けて熱輸送媒体を流し、磁気熱量素子から外部磁場が除去されているときに高温端から低温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０）とを備えることを特徴とする。
【００１５】
この構成によると、熱磁気エンジン装置（ＴＭＥ装置）と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）とに切換え可能な可逆熱磁気サイクル装置を提供することができる。この構成では、ＴＭＥ装置における磁性体は、ＭＨＰ装置においては磁気熱量素子として利用される。ＴＭＥ装置における動力機構は、ＭＨＰ装置においては磁場印加装置と共同して磁場切換装置を提供し、利用される。ＴＭＥ装置におけるポンプは、ＭＨＰ装置におけるポンプとして利用される。ＭＨＰ装置として運転されるとき、ポンプが提供する熱輸送媒体の流れは、磁気熱量素子に高温端と低温端との間の温度差に対応した温度分布を生じさせる。このため、効率的な熱輸送が可能となる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、磁気熱量素子は、高い磁気熱量効果を示す高効率温度帯が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、複数の素子ユニットは、高温端と低温端との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されていることを特徴とする。この構成によると、複数の素子ユニットのそれぞれにおいて得られる温度において高い磁気熱量効果が得られる。このため、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として運転されるときに高い効果を得ることができる。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、熱磁気エンジン装置と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とを切換えるために、ポンプ（３０、２３０）による熱輸送の位相と磁場印加装置または磁場切換装置による磁場変動の位相とを必要な量だけずらすことを特徴とする。この構成によると、熱輸送の位相と磁場変動の位相とをずらす機構を設けることによってＴＭＥ装置とＭＨＰ装置との切換えが可能となる。
【００１８】
なお、特許請求の範囲および上記手段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、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る可逆熱磁気サイクル装置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実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の断面図である。
【図３】第１実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の永久磁石の配置を示す平面図である。
【図４】第１実施形態の磁気熱量素子のキュリー温度の分布を示すグラフである。
【図５】第１実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の作動を示す状態遷移図であって、５Ａは磁気熱量効果型ヒートポンプ装置としての状態遷移図を示し、５Ｂは熱磁気エンジン装置としての状態遷移図を示す。
【図６】本発明を適用した第２実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の断面図である。
【図７】第１実施形態および第２実施形態に適用可能な磁気熱量素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照しながら本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。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した第１実施形態に係る可逆熱磁気サイクル装置２を含む車両用空調装置１を示すブロック図である。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、車両の室内に設けられ、室内の空気と熱交換する室内熱交換器３を備える。室内熱交換器３は、高温側熱交換器３とも呼ばれる。車両用空調装置２は、車両の室外に設けられ、室外の空気と熱交換する室外熱交換器４を備える。室外熱交換器４は、低温側熱交換器４とも呼ばれる。
【００２２】
車両用空調装置１は、可逆熱磁気サイクル装置２を備える。可逆熱磁気サイクル装置２は、ＲＴＭ（Reversible Thermo-Magnetic）装置２とも呼ばれる。ＲＴＭ装置２は、磁気熱量素子がもつ磁性−温度特性を利用した熱磁気エンジン装置として機能することができる。熱磁気エンジンは、ＴＭＥ（Thermo-Magnetic Engine）装置とも呼ばれる。ＲＴＭ装置２は、磁気熱量素子の磁気熱量効果を利用した磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２として機能することができる。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。ＲＴＭ装置２は、ＴＭＥ装置、またはＭＨＰ装置として選択的に運転可能である。
【００２３】
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。この実施形態では、ＭＨＰ装置は、室外の空気の熱を吸収し、室内の空気を暖める暖房装置を提供する。
【００２４】
ＲＴＭ装置２は、発電電動機２０と、ポンプ３０と、磁気熱量素子ユニット４０、５０と、変速機７０、８０とを備える。発電電動機２０は、ＴＭＥ装置において磁気的な力を運動エネルギとして取り出す動力機構を提供する。発電電動機２０は、ＭＨＰ装置において動力源を提供する。ポンプ３０は、熱輸送媒体を流す。第１の磁気熱量素子ユニット４０は、磁気熱量素子を収容しており、さらに磁場を切換えるための装置を備える。第２の磁気熱量素子ユニット５０は、磁気熱量素子を収容しており、さらに磁場を切換えるための装置を備える。磁気熱量素子ユニット４０、５０は、磁性体ユニットとも呼ばれる。磁気熱量素子は、磁性体でもある。ＴＭＥ装置における磁性体４９、５９は、ＭＨＰ装置においては磁気熱量素子４９、５９として利用される。磁気熱量素子は、キュリー温度を越えると磁性が低下して、典型的な例においては磁性を失う。磁気熱量素子は、キュリー温度を下回ることで磁性を取り戻し、磁性が上昇して、再び強い磁性を帯びる。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。磁気熱量素子ユニット４０、５０は、ＭＣＤ（Magneto-Caloric effectDevice）ユニット４０、５０とも呼ばれる。変速機７０、８０は、両側の回転軸の回転数、および／または回転位相を変換する。
【００２５】
ＲＴＭ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。ＲＴＭ装置２が運転されると、ＲＴＭ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。ＲＴＭ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、ＲＴＭ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。
【００２６】
この実施形態では、ＲＴＭ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。
【００２７】
車両用空調装置１は、ＲＴＭ装置２と室内熱交換器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、ＲＴＭ装置２から室内熱交換器３へ熱を輸送する。車両用空調装置１は、ＲＴＭ装置２と室外熱交換器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、室外熱交換器４からＲＴＭ装置１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。ＲＴＭ装置２は、主たる熱源としての室外熱交換器４の熱を、熱負荷としての室内熱交換器３に供給する。
【００２８】
車両用空調装置１は、車両に搭載された電池（ＢＡＴＴ）５を備える。電池５は、発電電動機２０が電動機として機能するときには、発電電動機２０に電力を供給する。電池５は、発電電動機２０が発電機として機能するときには、発電電動機２０からの電力を蓄える。
【００２９】
車両用空調装置１は、制御装置（ＣＮＴＲ）１０を備える。制御装置１０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。制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置またはＭＨＰ装置に切換えるように複数の要素を制御する。制御装置１０は、発電電動機２０を電動機または発電機に切換えることができる。制御装置１０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。
【００３０】
例えば、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として作動させるとき、発電電動機２０を電動機として機能させる。また、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として作動させるとき、熱輸送と磁場切換えとの関係が所定の関係になるように、変速機７０、８０を制御する。
【００３１】
例えば、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として作動させるとき、発電電動機２０を発電機として機能させる。また、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として作動させるとき、熱輸送と磁場切換えとの関係が所定の関係になるように、変速機７０、８０を制御する。
【００３２】
制御装置１０は、ＭＨＰ装置とＴＭＥ装置とを切換えるために、熱輸送を実現するポンプ３０の回転と、磁場切換えを実現するＭＣＤユニット４０、５０の回転との関係を、ＭＨＰ装置のための関係と、ＴＭＥ装置のための関係とに切換えることができる。制御装置１０は、回転数および／または位相を切換えることができる。制御装置１０は、ＭＨＰ装置とＴＭＥ装置とを切換えるために、ポンプ３０の回転とＭＣＤユニット４０、５０の回転との位相、すなわち熱輸送の位相と磁場変動の位相とを必要な量だけずらすことができる。これらの位相は、磁場変動周期の１／４、すなわち９０度だけずらされる。熱輸送の位相と磁場変動の位相とを必要な量だけずらす機構は、制御装置１０と変速機７０、８０とによって提供される。
【００３３】
制御装置１０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格納している。記憶媒体は、メモリによって提供されうる。プログラムは、制御装置１０によって実行されることによって、制御装置１０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制御方法を実行するように制御装置１０を機能させる。制御装置１０が提供する手段は、所定の機能を達成する機能的ブロック、またはモジュールとも呼ぶことができる。
【００３４】
図２は、第１実施形態のＲＴＭ装置２の断面図である。図３は、第１実施形態のＲＴＭ装置２の永久磁石の配置を示す平面図である。図３は、図２に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるロータコア４４と永久磁石４５との平面図を示す。なお、図中には、永久磁石４５と磁気熱量素子４９との位置関係を示すために、磁気熱量素子４９が図示されている。
【００３５】
発電電動機（ＭＧ）２０は、ポンプ３０の回転軸３２、またはＭＣＤユニット４０、５０の回転軸４２、５２に連結されている。ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、発電電動機２０は電池５から給電されて回転する。発電電動機２０は、ポンプ３０と、ＭＣＤユニット４０、５０とを駆動する。発電電動機２０によって駆動されたポンプ３０は、作業水の流れを生じさせる。また、ＭＣＤユニット４０、５０における永久磁石が回転する。これにより、発電電動機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。
【００３６】
また、ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、発電電動機２０は、ＭＣＤユニット４０、５０によって回転駆動され、発電する。発電電動機２０によって発電された電力は、負荷に供給される。この実施形態では、負荷として電池５が設けられているから、電池５が充電される。このとき、ＭＣＤユニット４０、５０は、ポンプ３０を駆動する。これにより、ポンプ３０は、作業水の流れを生じさせる。これにより、ＭＣＤユニット４０、５０における磁気熱量素子の温度がキュリー温度を挟んで上下に切換えられる。すなわち磁気熱量素子の温度は、キュリー温度を越える温度と、キュリー温度を下回る温度との間での交互に切換えられる。ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、磁気熱量素子４９、５９に外部磁場を印加する磁場印加装置を提供している。この結果、磁気熱量素子４９、５９と永久磁石４５、５５との間に周期的に磁気的な力が発生し、永久磁石が回転する。この実施形態では、磁気熱量素子４９、５９と永久磁石４５、５５との間に周期的に磁気的な吸引力が発生し、永久磁石が回転する。
【００３７】
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。さらに、ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、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。ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、ポンプ３０は、外部の冷熱冷熱および温熱を取り込み、ＭＣＤユニット４０、５０内の磁気熱量素子に供給するための作業水の循環流を生じさせる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
ハウジング３１は、８つのシリンダ３３を有するから、ポンプ３０は１６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。
【００４１】
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。
【００４２】
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を回転可能に支持している。ハウジング４１、５１は、回転軸４２、５２の周囲に、扁平な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、回転軸４２、５２に直交する断面において花びら状またはデイジー型と呼びうる形状に形成されている。この実施形態では、ロータコア４４、５４は、８つの扇状部分を有する。ロータコア４４、５４には、複数の永久磁石４５、５５が固定されている。永久磁石４５、５５は、回転軸４２、５２に直交する断面において扇型である。永久磁石４５、５５は、ロータコア４４、５４の扇状部分に固定されている。
【００４３】
ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、それらの周辺に、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との周辺の一点においては、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。ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、磁気熱量素子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、発電電動機２０を含むことができる。磁場切換装置は、磁気熱量素子４９、５９と磁場印加装置とを相対的に移動させることにより、磁気熱量素子への外部磁場の印加と除去とを切換える。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の磁気熱量素子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の磁気熱量素子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。
【００４４】
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の横に、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、８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、８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。
【００４５】
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４７と、室内熱交換器３から戻る作業水を受け入れる入口４８とを有する。出口４７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が設けられている。入口４８には、作業室５６への作業水の流入だけを許容する逆止弁が設けられている。これら逆止弁は、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。
【００４６】
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５７と、室外熱交換器４から戻る作業水を受け入れる入口５８とを有する。出口５７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が設けられている。入口５８には、作業室５６への作業水の流入だけを許容する逆止弁が設けられている。これら逆止弁は、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。
【００４７】
作業室４６、５６は、冷媒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。
【００４８】
さらに、作業室４６、５６は、磁気熱量素子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磁気熱量素子４９、５９が配置されている。磁気熱量素子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、磁気熱量素子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。磁気熱量素子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。磁気熱量素子４９、５９は、キュリー温度を越えると急激に磁性が低下し、キュリー温度を下回ると再び磁性が上昇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。
【００４９】
磁気熱量素子４９、５９は、ＭＣＤユニット４０、５０の径方向に沿って長手方向を有する棒状に形成されている。磁気熱量素子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。それぞれの磁気熱量素子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磁気熱量素子は、第１の磁気熱量素子４９と、第２の磁気熱量素子５９とを備える。第１の磁気熱量素子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の磁気熱量素子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。
【００５０】
磁気熱量素子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、ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、回転軸４２、５２が回転すると、磁気熱量素子４９、５９を磁化させるための外部磁場が印加された状態と、磁気熱量素子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。
【００５１】
ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、磁気熱量素子４９、５９の温度がキュリー温度を越える温度と下回る温度とに切換えられることによって磁気熱量素子４９、５９の磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とに交互に切換えられ、磁気熱量素子４９、５９と永久磁石４５、５５との間に働く磁気的な力によって回転軸４２、５２が回転する。
【００５２】
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磁気熱量素子４９、５９を備える。例えば、ＭＣＤユニット４０においては、５つの磁気熱量素子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つの磁気熱量素子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に属する複数の磁気熱量素子４９、５９は、熱的に直列接続されたひとつの磁気熱量素子を構成しているといえる。
【００５３】
ひとつの磁気熱量素子４９、５９は、複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９を備える。複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９は、磁気熱量素子４９の長手方向、すなわち作業水の流れ方向に沿って積層されて配置されている。
【００５４】
複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９のそれぞれは、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に近い素子ユニット６０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。中間低温端１３に近い素子ユニット６４は、定常運転状態において中間低温端１３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。中間高温端１４に近い素子ユニット６５は、定常運転状態において中間高温端１４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に近い素子ユニット６９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。
【００５５】
高い磁気熱量効果が発揮される温度帯は、高効率温度帯と呼ばれる。高効率温度帯の上限温度と下限温度とは、磁気熱量素子４９の材料組成などに依存する。複数の素子ユニット６０−６４は、高温端１１と中間低温端１３との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６０−６４の高効率温度帯は、高温端１１と中間低温端１３との間において、高温端１１から徐々に低下する階段状の分布を示す。この高効率温度帯の階段状の分布は、定常状態における高温端１１と中間低温端１３との間の温度分布にほぼ対応する。複数の素子ユニット６５−６９は、中間高温端１４と低温端１２との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６５−６９の高効率温度帯は、中間高温端１４と低温端１２との間において、中間高温端１４から徐々に低下する階段状の分布を示す。この高効率温度帯の階段状の分布は、定常状態における中間高温端１４と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応する。複数の素子ユニット６０−６９は、高温端１１と低温端１２との間において、高効率温度帯がその温度順に並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６０−６９の高効率温度帯は、階段状の分布を示す。この高効率温度帯の階段状の分布は、定常状態における高温端１１と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応する。
【００５６】
図４は、第１実施形態の磁気熱量素子４９の温度分布と、キュリー温度ＴＣの分布とを示すグラフである。横軸は磁気熱量素子の位置（ＰＳＴＮ）を示し、縦軸は温度（ＴＥＭＰ）を示す。磁気熱量素子４９は、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもつ。複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９のそれぞれを構成する材料は、キュリー温度が異なる。複数の素子ユニット６０−６９は、高温端１１と低温端１２との間において、キュリー温度が高温端１１と低温端１２との間において温度順に並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６０−６９のキュリー温度は、階段状の分布を示す。このキュリー温度の配列は、ＴＭＥ装置としての運転状態における高温端１１と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応する。複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９のそれぞれのキュリー温度は、その素子ユニットの位置における加熱温度ＴＨと冷却温度ＴＬとの間に設定されている。これにより、素子ユニット６０−６９のそれぞれは、ＴＭＥ装置として運転されているときに、高温端１１から中間低温端１３へ向かう熱輸送によって僅かに温度が上がるとキュリー温度ＴＣを越え、磁性が低下する。また、素子ユニット６０−６９のそれぞれは、ＴＭＥ装置として運転されているときに、中間低温端１３から高温端１１へ向かう熱輸送によって僅かに温度が下がるとキュリー温度ＴＣを下回り、強い磁性を取り戻す。
【００５７】
図示の例においては、高温端１１に近い素子ユニット６０は、ＴＭＥ装置としての運転状態において高温端１１に得られる温度の近傍、もしくはそれより僅かに低い温度にキュリー温度ＴＣ６０をもつ。素子ユニット６０のキュリー温度ＴＣ６０は、その素子ユニット６４が設けられた範囲における加熱温度ＴＨと冷却温度ＴＬとの間に設定されている。中間低温端１３に近い素子ユニット６４は、ＴＭＥ装置としての運転状態において中間低温端１３に得られる温度の近傍、もしくはそれより僅かに高い温度にキュリー温度ＴＣ６４をもつ。素子ユニット６４のキュリー温度ＴＣ６４は、その素子ユニット６４が設けられた範囲における加熱温度ＴＨと冷却温度ＴＬとの間に設定されている。
【００５８】
図４は、磁気熱量素子４９の場合を示しているが、磁気熱量素子５９においても同様のキュリー温度の分布が実現されている。
【００５９】
図２および図３に戻り、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に発電電動機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。
【００６０】
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。
【００６１】
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ＲＴＭユニットが構成されている。具体的には、８つのＲＴＭユニットが構成されている。これら複数のＲＴＭ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ＲＴＭユニットが構成されている。具体的には、８つのＲＴＭユニットが構成されている。これら複数のＲＴＭ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ＲＴＭユニットは、熱的に直列接続されている。
【００６２】
次に、車両用空調装置１の作動を説明する。発電電動機２０が回転すると、回転軸５２が回転する。回転軸５２の回転により、ロータコア５４と永久磁石５５とが回転する。これにより、複数の磁気熱量素子５９は、永久磁石５５による外部磁場が印加された状態と、永久磁石５５による外部磁場が除去された状態とに交互におかれる。
【００６３】
回転軸５２の回転は、変速機８０を介して回転軸３２に伝達される。回転軸３２が回転すると、斜板３４が回転する。斜板３４が回転すると、斜板３４の径方向外側の部位は、軸方向に移動する。このような斜板３４の軸方向への移動によって、ピストン３５、３６が軸方向に往復移動する。ピストン３５、３６が軸方向に往復移動すると、シリンダ３３内の容積が増減する。シリンダ３３内の容積の増減に応じて、作業水がシリンダ３３内から流出し、または流入する。
【００６４】
図示されたピストン３６は、シリンダ３３の左半部の容積を増減させる。ピストン３６の往復移動により、作業室５６内に作業水の往復流が生成される。作業水が中間高温端１４から低温端１２に向けて流れるとき、磁気熱量素子５９の冷熱が中間高温端１４から低温端１２に向けて輸送される。さらに、低温端１２の付近にある作業水の一部は、出口５７を通して低温側循環流路１６に流出する。低温側循環流路１６に出た作業水は、室外熱交換器４を通過する。このとき作業水は、室外の空気によって加熱される。すなわち、作業水は、室外の空気を冷却する。作業水が低温端１２から中間高温端１４に向けて流れるとき、磁気熱量素子５９の温熱が低温端１２から中間高温端１４に向けて輸送される。このとき、作業水が低温側循環流路１６から作業室５６へ流入する。
【００６５】
さらに、回転軸３２の回転は、変速機７０を介して回転軸４２に伝達される。回転軸４２の回転により、ロータコア４４と永久磁石４５とが回転する。これにより、複数の磁気熱量素子４９は、永久磁石４５による外部磁場が印加された状態と、永久磁石４５による外部磁場が除去された状態とに交互におかれる。
【００６６】
図示されたピストン３５は、シリンダ３３の右半部の容積を増減させる。ピストン３５の往復移動により、作業室４６内に作業水の往復流が生成される。作業水が中間低温端１３から高温端１１に向けて流れるとき、磁気熱量素子４９の温熱が中間低温端１３から高温端１１に向けて輸送される。さらに、高温端１１の付近にある作業水の一部は、出口４７を通して高温側循環流路１５に流出する。高温側循環流路１５に出た作業水は、室内熱交換器３を通過する。このとき作業水は、室内の空気を加熱する。すなわち、作業水は、室内の空気によって冷却される。作業水が高温端１１から中間低温端１３に向けて流れるとき、磁気熱量素子４９の冷熱が高温端１１から中間低温端１３に向けて輸送される。このとき、作業水が高温側循環流路１５から作業室４６へ流入する。
【００６７】
変速機８０は、ＭＣＤユニット５０による外部磁場の印加と除去との切換えと、ポンプ３０による作業水の往復流の方向の切換えとが、ＡＭＲサイクルを実現する組み合わせとなるように、回転軸５２と回転軸３２との回転を同期させる。変速機７０は、ＭＣＤユニット４０による外部磁場の印加と除去との切換えと、ポンプ３０による作業水の往復流の方向の切換えとが、ＡＭＲサイクルを実現する組み合わせとなるように、回転軸４２と回転軸３２との回転を同期させる。
【００６８】
図５は、第１実施形態のＲＴＭ装置２の作動を示す状態遷移図である。図５ＡはＭＨＰ装置としての状態遷移図を示す。図５ＢはＴＭＥ装置としての状態遷移図を示す。なお、図中には、一部の永久磁石４５と、一部の磁気熱量素子４９とだけが図示されている。
【００６９】
まず、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として運転するか、ＴＭＥ装置として運転するかを決定する決定手段を提供する。この決定は、熱源の状態に応じて実行することができる。また、この決定は、利用者がスイッチなどの入力手段によって選択してもよい。これにより、図５Ａと図５Ｂとの間の遷移が提供される。
【００７０】
次に、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として運転するとき、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として機能させるためのＭＨＰ制御手段を提供する。ＭＨＰ制御手段は、発電電動機２０を電動機として運転するとともに、変速機７０、８０をＭＨＰ装置のための変換状態に調節する。また、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として運転するとき、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として機能させるためのＴＭＥ制御手段を提供する。ＴＭＥ制御手段は、発電電動機２０を発電機として運転するとともに、変速機７０、８０をＴＭＥ装置のための変換状態に調節する。
【００７１】
ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、ＡＭＲサイクルを実現するために、外部磁場の印加と除去との切換えと、作業水の往復流の方向の切換えとは、以下の（１）−（４）の工程が繰り返されるように組み合わせられる。この組み合わせは、変速機７０、８０の調節によって得られる。図５Ａは、ＡＭＲサイクルにおける永久磁石４５と磁気熱量素子４９との位置関係の遷移を示している。ＡＭＲサイクルによると、熱が段階的に徐々に輸送されるため、高い効率が得られる。
【００７２】
（１）磁場印加除去手段４４、４５、５４、５５によって磁気熱量素子４９、５９に外部磁場を印加する。
【００７３】
（２）磁場が印加されている期間に、ポンプ３０によって低温端１２、１３から高温端１４、１１へ向けて作業水を流す。
【００７４】
（３）磁場印加除去手段４４、４５、５４、５５によって磁気熱量素子４９、５９から外部磁場を除去する。
【００７５】
（４）外部磁場が除去されている期間に、ポンプ３０によって高温端１１、１４から低温端１３、１２へ向けて作業水を流す。
【００７６】
ポンプ３０の左半部とＭＣＤユニット５０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、磁気熱量効果により生成された冷熱は低温端１２に向けて輸送され、磁気熱量効果により生成された温熱は中間高温端１４に向けて輸送される。このとき、磁気熱量素子５９と作業水とは、それ自身が温熱と冷熱とを蓄える熱溜めとなる。上記工程が繰り返されることにより、作業室５６の内部は徐々に大きい温度勾配をもつ熱溜めとなる。やがて、定常的な運転状態では、両端、すなわち低温端１２と中間高温端１４との間に大きな温度差が生じる。中間高温端１４に輸送された温熱は、変速機８０、ポンプ３０、および変速機７０を経由して、ＭＣＤユニット４０に伝達される。
【００７７】
ポンプ３０の右半部とＭＣＤユニット４０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、磁気熱量効果により生成された冷熱は中間低温端１３に向けて輸送され、磁気熱量効果により生成された温熱は高温端１１に向けて輸送される。このとき、磁気熱量素子４９と作業水とは、それ自身が温熱と冷熱とを蓄える熱溜めとなる。上記工程が繰り返されることにより、作業室４６の内部は徐々に大きい温度勾配をもつ熱溜めとなる。やがて、定常的な運転状態では、両端、すなわち中間低温端１３と高温端１１との間に大きな温度差が生じる。中間低温端１３に輸送された冷熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット５０に伝達される。
【００７８】
このように、この実施形態では、ポンプ３０は、磁気熱量素子４９、５９に外部磁場が印加されているときに低温端１２から高温端１１に向けて作業水を流し、磁気熱量素子４９、５９から外部磁場が除去されているときに高温端１１から低温端１２に向けて熱輸送媒体を流す。さらに、ポンプ３０は、低温端１２から高温端１１に向けて作業水を流すときに、高温端１１から高温側循環流路１５に作業水を吐出するとともに、低温側循環流路１６から低温端１２に作業水を吸い込む。さらに、ポンプ３０は、高温端１１から低温端１２に向けて作業水を流すときに、低温端１２から低温側循環流路１６に作業水を吐出するとともに、高温側循環流路１５から高温端１１に作業水を吸い込む。第１のＭＣＤユニット４０だけに着目すると、ポンプ３０は、中間低温端１３から高温端１１に向けて作業水を流すときに、高温端１１から高温側循環流路１５に作業水を吐出する。さらに、ポンプ３０は、高温端１１から中間低温端１３に向けて作業水を流すときに、高温側循環流路１５から高温端１１に作業水を吸い込む。また、第２のＭＣＤユニット５０だけに着目すると、ポンプ３０は、中間高温端１４から低温端１２に向けて作業水を流すときに、低温端１２から低温側循環流路１６に作業水を吐出する。さらに、ポンプ３０は、低温端１２から中間高温端１４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に作業水を吸い込む。
【００７９】
ＭＣＤユニット４０とポンプ３０とＭＣＤユニット５０とは、一連のＭＨＰ装置として機能する。この結果、低温端１２と高温端１１との間に大きな温度差が生じる。低温端１２から流出した低温の作業水は、室外熱交換器４において室外の空気から熱を吸熱し、再び低温端１２に戻ることによって低温端１２に熱を供給する。ＭＨＰ装置は、低温端１２に供給された熱を高温端１１へ汲み上げる。高温端１１から流出した高温の作業水は、室内熱交換器３において室内の空気に熱を放熱し、再び高温端１１に戻ることによって高温端１１から熱を受け取る。
【００８０】
ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、逆ＡＭＲサイクルを実現するために、永久磁石４５、５５から磁気熱量素子４９、５９への外部磁場の印加と除去との切換えと、作業水の往復流の方向の切換えとは、以下の（１）−（４）の工程が繰り返されるように組み合わせられる。この組み合わせは、変速機７０、８０の調節によって得られる。図５Ｂは、逆ＡＭＲサイクルにおける永久磁石４５と磁気熱量素子４９との位置関係の遷移を示している。逆ＡＭＲサイクルによると、熱が段階的に徐々に輸送されるため、高い効率が得られる。
【００８１】
（１）永久磁石４５、５５と磁気熱量素子４９、５９とが永久磁石４５、５５の磁力により引き合うことにより回転軸４２、５２が回転する。
【００８２】
（２）ポンプ３０によって高温端１１、１４から低温端１３、１２へ向けて作業水を流すことにより磁気熱量素子４９、５９を加熱する。
【００８３】
（３）永久磁石４５、５５と磁気熱量素子４９、５９とが永久磁石４５、５５の磁力により引き合うことなく慣性によって回転軸４２、５２が回転する。
【００８４】
（４）ポンプ３０によって低温端１２、１３から高温端１４、１１へ向けて作業水を流し、磁気熱量素子４９、５９を冷却する。
【００８５】
ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として機能させる初期においては、制御装置１０は発電電動機２０を電動機として機能させる。これにより、ＴＭＥ装置として機能するための初期トルクが与えられ、回転方向が安定する。
【００８６】
ポンプ３０の左半部とＭＣＤユニット５０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、低温の熱源である室外から室外熱交換器４によって取り入れられた冷熱は低温端１２から中間高温端１４に向けて輸送される。中間高温端１４に輸送された冷熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット４０に伝達される。中間高温端１４の温熱は、低温端１２に向けて輸送される。中間高温端１４の温熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット４０から伝達されたものである。ポンプ３０は往復流を提供するから、素子ユニット６５−６９のそれぞれの温度は、キュリー温度を越える温度と、キュリー温度を下回る温度とに交互に切換えられる。ここで、複数の素子ユニット６５−６９のそれぞれにおける温度変化は、低温端１２と中間高温端１４との間に現れる温度差より小さい。このため、小さい温度変化であっても、磁気熱量素子５９の全体において、キュリー温度を越えることによって磁性が低下した状態と、キュリー温度を下回ることによって磁性が上昇した状態との間の交互切換えが得られる。このような磁気熱量素子５９の磁性の変化によって、永久磁石５５と磁気熱量素子５９との間に働く磁気的な力が周期的に変動する。この結果、永久磁石５５に回転トルクが発生し、回転軸５２が回転する。回転軸５２の回転は、発電電動機２０に伝達される。発電電動機２０は、回転軸５２の回転力を電力に変換し、電池５に充電する。
【００８７】
ポンプ３０の右半部とＭＣＤユニット４０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、高温の熱源である室内から室内熱交換器３によって取り入れられた温熱は高温端１１から中間低温端１３に向けて輸送される。中間低温端１３に輸送された温熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット５０に伝達される。中間低温端１３の冷熱は、高温端１１に向けて輸送される。中間低温端１３の冷熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット５０から伝達されたものである。ポンプ３０は往復流を提供するから、素子ユニット６０−６４のそれぞれの温度は、キュリー温度を越える温度と、キュリー温度を下回る温度とに交互に切換えられる。ここで、複数の素子ユニット６０−６４のそれぞれにおける温度変化は、高温端１１と中間低温端１３との間に現れる温度差より小さい。このため、小さい温度変化であっても、磁気熱量素子４９の全体において、キュリー温度を越えることによって磁性が低下した状態と、キュリー温度を下回ることによって磁性が上昇した状態との間の交互切換えが得られる。このような磁気熱量素子４９の磁性の変化によって、永久磁石４５と磁気熱量素子５９との間に働く磁気的な力が周期的に変動する。この結果、永久磁石４５に回転トルクが発生し、回転軸４２が回転する。回転軸４２の回転は、発電電動機２０に伝達される。発電電動機２０は、回転軸４２の回転力を電力に変換し、電池５に充電する。
【００８８】
このように、この実施形態では、ポンプ３０は、低温端１２から高温端１１に向けて作業水を流すことにより、磁気熱量素子４９、５９を冷却し、強い磁性を帯びた状態にする。また、ポンプ３０は、高温端１１から低温端１２に向けて作業水を流すことにより、磁気熱量素子４９、５９を加熱し、磁性が低下した状態、または磁性を失った状態にする。
【００８９】
ＭＣＤユニット４０とポンプ３０とＭＣＤユニット５０とは、一連のＴＭＥ装置として機能する。この結果、低温端１２と高温端１１との間の温度差を利用して、運動エネルギーを取り出すことができる。
【００９０】
この実施形態によると、ＴＭＥ装置を構成することができる。しかも、高温端１１と低温端１２との間に得られる温度差を有効に利用するＴＭＥ装置を構成することができる。さらに、この実施形態によると、ＴＭＥ装置とＭＨＰ装置とに切換え可能なＲＴＭ装置２を構成することができる。
【００９１】
（第５実施形態）
図６は、本発明を適用した第２実施形態のＲＴＭ装置２０２の断面図である。ＲＴＭ装置２０２は、ＲＴＭ装置２０２に代えて車両用空調装置１に使用される。上記実施形態では、ポンプ３０を斜板式ポンプによって提供した。これに代えて、この実施形態では、ラジアルピストンポンプによってポンプ２３０を提供する。さらに、この実施形態では、ひとつの可変容積室に２つの作業室４６、５６が対応するように接続されている。
【００９２】
ポンプ２３０は、円筒状または円柱状と呼びうるハウジング２３１を備える。ハウジング２３１は、その中心軸上に回転軸２３２を回転可能に支持している。回転軸２３２は、回転軸４２、および回転軸５２に直結されている。ハウジング２３１は、少なくともひとつのシリンダ２３３を区画形成している。ハウジング２３１は、回転軸２３２の周囲に、等間隔に配置された複数のシリンダ２３３を区画形成している。この実施形態では、ハウジング２３１は、５つのシリンダ２３３を区画形成している。ハウジング２３１は、カム２３４を収容している。カム２３４は、その外周面にカム面を有する。カム２３４は、回転軸２３２とともに回転するように回転軸２３２に連結されている。ひとつのシリンダ２３３には、ひとつのピストン２３５が配置されている。ピストン２３５は、シリンダ２３３の中を径方向に往復移動することができる。この結果、ひとつのシリンダ２３３の中に、１気筒の容積型のピストンポンプが形成される。ハウジング２３１は、８つのシリンダ２３３を有するから、ポンプ２３０は８気筒のピストンポンプを提供する。
【００９３】
ポンプ２３０は、一群の容積室によって、第１のＭＣＤユニット４０と第２のＭＣＤユニット５０とに並列的な作業水の流れを提供している。ひとつの気筒は、低温端１２から中間高温端１４へ向かう流れと、高温端１１から中間低温端１３へ向かう流れとを同時に生成する。また、ひとつの気筒は、高温端１１から中間低温端１３へ向かう流れと、低温端１２から中間高温端１４へ向かう流れとを同時に生成する。ポンプ２３０は、中間低温端１３から高温端１１に向けて作業水を流すときに、高温端１１から高温側循環流路１５に作業水を吐出する。また、ポンプ２３０は、中間高温端１４から低温端１２に向けて作業水を流すときに、低温端１２から低温側循環流路１６に作業水を吐出する。ポンプ２３０は、高温端１１から中間低温端１３に向けて作業水を流すときに、高温側循環流路１５から高温端１１に作業水を吸い込む。さらに、ポンプ２３０は、低温端１２から中間高温端１４に向けて作業水を流すときに、低温側循環流路１６から低温端１２に作業水を吸い込む。
【００９４】
ＭＨＰ装置として運転されるとき、ひとつの容積室に対応して設けられた複数の作業室４６、５６のうち、一方の作業室４６に外部磁場が印加されるとき、他方の作業室５６には外部磁場が印加されない。この結果、一方の作業室４６では磁気熱量素子４９が発熱して温熱の輸送が行われ、同時に、他方の作業室５６では磁気熱量素子５９が吸熱して冷熱の輸送が行われる。この実施形態でも、制御装置１０は、ＭＨＰ装置とＴＭＥ装置とを切換えるために、熱輸送の位相と磁場変動の位相とを、それらの周期の１／４、すなわち９０度だけずらす。このような位相変換機能は、ポンプ２３０の制御カムによって実現することができる。熱輸送の位相と磁場変動の位相とを必要な量だけずらす機構は、制御装置１０とポンプ２３０の駆動機構とによって提供される。
【００９５】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、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である。
【００９６】
例えば、上記実施形態では、車両用空調装置１は、室外の空気の熱を吸収し、室内の空気を暖める暖房装置を提供した。これに代えて、車両用空調装置１は、室内の空気の熱を吸収し、室外の空気に熱を放出する冷房装置を提供することもできる。この場合、低温側熱交換器４は室内に配置され、高温側熱交換器３は、室外に配置される。
【００９７】
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ＲＴＭ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ＲＴＭ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との間に室外熱交換器４を設けることができる。
【００９８】
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、磁気熱量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。
【００９９】
また、上記実施形態では、作業水によって、磁気熱量素子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、ＲＴＭ装置２と熱交換器３、４との間の熱輸送を行う熱輸送媒体とを提供した。これに代えて、磁気熱量素子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、ＲＴＭ装置２と熱交換器３、４との間の熱輸送を行う熱輸送媒体とを分離してもよい。例えば、ＲＴＭ装置２とは別に、高温端１１と室内熱交換器３との間の熱輸送を行うための水の循環回路とポンプとを設けることができる。
【０１００】
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、上記第１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。
【０１０１】
また、上記実施形態では、磁気熱量素子４９、５０を複数の素子ユニット６０−６９の集合体とすることにより、高温端１１と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応したキュリー温度の階段状の分布を実現した。これに代えて、一連の連続した磁気熱量素子４９、５９の材料組成を高温端１１と低温端１２との間において連続的に変化させることにより、キュリー温度の連続的な分布を形成してもよい。また、磁気熱量素子４９、５０の全体を同じキュリー温度をもつ材料により作ってもよい。この構成においても、加熱時と冷却時との間で磁性が低下した磁気熱量素子の量が変化するから、永久磁石との間の磁気的な力が変化し、回転力を取り出すことができる。この場合においても、磁気熱量素子４９、５０のキュリー温度は、高温端１１の温度と低温端１２の温度との間に設定される。
【０１０２】
また、上記実施形態では、磁気熱量素子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。より具体的には、例えば、図７に図示される構造を採用することができる。図７は、第１実施形態および第２実施形態に適用可能な磁気熱量素子を示す斜視図である。磁気熱量素子４９は、角柱状に形成されている。磁気熱量素子４９は、複数の板状部材４９ａ、４９ｂを積層して構成されている。複数の板状部材４９ａには、作業水の流路を形成するための溝４９ｃが形成されている。図示の例では、末端の板状部材４９ｂは、溝を備えないが、同一の形状の板状部材だけを積層してもよい。磁気熱量素子４９は、その内部に、作業水を流すための複数の流路を形成している。複数の流路は、磁気熱量素子４９と作業水との熱交換を促進する。作業水の流路は、隣接する板状部材４９ａ、４９ｂの間に区画形成されている。磁気熱量素子５９も同様の構造を採用することができる。
【０１０３】
また、上記実施形態では、車両用空調装置に本発明を適用した。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。
【０１０４】
また、上記実施形態では、室外の空気を主要な熱源とするＲＴＭ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。また、車両の動力装置の廃熱を熱源として利用してもよい。例えば、車両に搭載された内燃機関の廃熱、または電動車両のインバータ装置の廃熱、電動機の廃熱などを利用することができる。
【０１０５】
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。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 車両用空調装置
２ 可逆熱磁気サイクル装置（ＲＴＭ装置）
３ 室内熱交換器
４ 室外熱交換器
５ 電池
１０ 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 発電電動機
３０、２３０ ポンプ
４０ 磁気熱量素子ユニット（ＭＣＤユニット）
４５ 永久磁石
４９ 磁気熱量素子（磁性体）
５０ 磁気熱量素子ユニット（ＭＣＤユニット）
５５ 永久磁石
５９ 磁気熱量素子（磁性体）
６０−６９ 素子ユニット
７０ 変速機
８０ 変速機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁性体の温度特性を利用した熱磁気エンジン装置、および熱磁気エンジン装置と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とに切換え可能な可逆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は、磁性体の温度特性を利用した熱磁気エンジンを開示している。これらの装置においては、円筒体に磁場を与え、その回転方向の前後に高温部と低温部とを形成することにより円筒体を回転させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４２３４２３５号
【特許文献２】特開２００２−２８１７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の構成では、円筒体が回転すると、高温部と低温部とが移動する。このため、高温部と低温部との間での温度変化が必要であった。このような構成では、高温部と低温部とを作り出すための熱的な効率が低いという問題点があった。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い効率を実現することができる熱磁気エンジン装置を提供することである。
【０００６】
本発明の他の目的は、熱磁気エンジン装置と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とに切換え可能な可逆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】
【０００７】
本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。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、温度がキュリー温度を越えると磁性が低下し、温度がキュリー温度を下回ると磁性が上昇する磁性体であって、温熱が供給される高温端（１１、１４）の温度と冷熱が供給される低温端（１２、１３）の温度との間にキュリー温度をもつ磁性体（４９、５９）と、磁性体を加熱するときに高温端から低温端に向けて熱輸送媒体を流し、磁性体を冷却するときに低温端から高温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０）と、磁性体に外部磁場を印加する磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）と、磁性体と磁場印加装置との間に働く磁気的な力を運動エネルギとして取り出す動力機構（３２、４２、５２、７０、８０、２０）とを備えることを特徴とする。
【０００９】
この構成によると、熱磁気エンジン装置を提供することができる。ポンプは、磁性体を加熱するときに高温端から低温端に向けて熱輸送媒体を流す。また、ポンプは、磁性体を冷却するときに低温端から高温端に向けて熱輸送媒体を流す。このため、磁性体には高温端と低温端との間の温度差に対応した温度分布が生じる。この結果、効率的な熱の輸送が可能となる。熱輸送媒体の流れによって、磁性体の温度は加熱温度と冷却温度との間で切換えられる。磁性体の温度の変化は、磁性体の少なくとも一部分において、キュリー温度を上回る状態と、キュリー温度を下回る状態とを生じさせる。すなわち、磁性体の少なくとも一部分において、磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とが生じる。このような磁性の変化に起因して、磁性体と磁場印加装置との間に働く磁気的な力が変化する。磁場印加装置と動力機構は、磁気的な力の変化を運動エネルギとして取り出す。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、磁性体は、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもち、ポンプは、熱輸送媒体の流れによって、磁性体の温度がキュリー温度を越える状態と、磁性体の温度がキュリー温度を下回る状態とを切換えることを特徴とする。この構成によると、磁性体は、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもつ。磁性体には、高温端と低温端との間の温度差に対応した温度分布が生じており、さらに、磁性体の温度は加熱温度と冷却温度との間で切換えられる。磁性体の温度が温度分布を有したまま加熱温度に上昇することで、磁性体の多くの部分の温度がキュリー温度を上回る。また、磁性体の温度が温度分布を有したまま冷却温度に低下することで、磁性体の多くの部分の温度がキュリー温度を下回る。この結果、磁性体の多くの部分において、磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とが生じる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、磁性体は、キュリー温度が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、複数の素子ユニットは、高温端と低温端との間においてキュリー温度の順に並ぶように直列に配列されていることを特徴とする。この構成によると、複数の素子ユニットによって、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布が得られる。この結果、複数の素子ユニットのそれぞれにおいて、磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とが生じる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、さらに、冷熱の供給源と熱交換する低温側熱交換器（４）と、低温側熱交換器を通る低温側循環流路（１６）と、温熱の供給源と熱交換する高温側熱交換器（３）と、高温側熱交換器を通る高温側循環流路（１５）とを備え、ポンプは、低温端（１２）から高温端（１１）に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温端から高温側循環流路に熱輸送媒体を吐出するとともに、低温側循環流路から低温端に熱輸送媒体を吸い込み、高温端（１１）から低温端（１２）に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温端から低温側循環流路に熱輸送媒体を吐出するとともに、高温側循環流路から高温端に熱輸送媒体を吸い込むことを特徴とする。この構成によると、磁性体の熱輸送を担う往復流をポンプによって提供することができるとともに、そのポンプを利用して、低温側における循環流と、高温側における循環流とを提供することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、磁性体は、第１の磁性体ユニット（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１の磁気熱量素子（４９）と、第２の磁性体ユニット（５０）に設けられ、一端に前記低温端（１２）を有し、反対の他端に中間高温端（１４）を有する第２の磁気熱量素子（５９）とを備え、磁場印加装置は、第１の磁性体ユニットに設けられ、第１の磁気熱量素子へ磁場を印加する第１の永久磁石（４５）と、第２の磁性体ユニットに設けられ、第２の磁気熱量素子へ磁場を印加する第２の永久磁石（５５）とを備え、ポンプは、第１の磁性体ユニット（４０）において中間低温端（１３）から高温端（１１）に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温端から高温側循環流路に熱輸送媒体を吐出し、第１の磁性体ユニット（４０）において高温端（１１）から中間低温端（１３）に向けて熱輸送媒体を流すときに、高温側循環流路から高温端に熱輸送媒体を吸い込み、第２の磁性体ユニット（５０）において中間高温端（１４）から低温端（１２）に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温端から低温側循環流路に熱輸送媒体を吐出し、第２の磁性体ユニット（５０）において低温端（１２）から中間高温端（１４）に向けて熱輸送媒体を流すときに、低温側循環流路から低温端に熱輸送媒体を吸い込むことを特徴とする。この構成によると、第１の磁性体と第２の磁性体とを含む複数の磁性体によって熱磁気エンジン装置を提供することができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱磁気エンジン装置、または熱源（４）の熱を熱負荷（３）に供給する磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として選択的に運転可能な可逆熱磁気サイクル装置であって、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置は、磁性体（４９、５９）によって提供され、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素子と、動力機構（２０）によって提供され、磁気熱量素子と磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）とを相対的に移動させることにより、磁気熱量素子への外部磁場の印加と除去とを切換える磁場切換装置（２０）と、ポンプ（３０）によって提供され、磁気熱量素子に外部磁場が印加されているときに低温端から高温端に向けて熱輸送媒体を流し、磁気熱量素子から外部磁場が除去されているときに高温端から低温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０）とを備えることを特徴とする。
【００１５】
この構成によると、熱磁気エンジン装置（ＴＭＥ装置）と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置（ＭＨＰ装置）とに切換え可能な可逆熱磁気サイクル装置を提供することができる。この構成では、ＴＭＥ装置における磁性体は、ＭＨＰ装置においては磁気熱量素子として利用される。ＴＭＥ装置における動力機構は、ＭＨＰ装置においては磁場印加装置と共同して磁場切換装置を提供し、利用される。ＴＭＥ装置におけるポンプは、ＭＨＰ装置におけるポンプとして利用される。ＭＨＰ装置として運転されるとき、ポンプが提供する熱輸送媒体の流れは、磁気熱量素子に高温端と低温端との間の温度差に対応した温度分布を生じさせる。このため、効率的な熱輸送が可能となる。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、磁気熱量素子は、高い磁気熱量効果を示す高効率温度帯が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、複数の素子ユニットは、高温端と低温端との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されていることを特徴とする。この構成によると、複数の素子ユニットのそれぞれにおいて得られる温度において高い磁気熱量効果が得られる。このため、磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として運転されるときに高い効果を得ることができる。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、熱磁気エンジン装置と磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とを切換えるために、ポンプ（３０、２３０）による熱輸送の位相と磁場印加装置または磁場切換装置による磁場変動の位相とを必要な量だけずらすことを特徴とする。この構成によると、熱輸送の位相と磁場変動の位相とをずらす機構を設けることによってＴＭＥ装置とＭＨＰ装置との切換えが可能となる。
【００１８】
なお、特許請求の範囲および上記手段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、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用した第１実施形態に係る可逆熱磁気サイクル装置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実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の断面図である。
【図３】第１実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の永久磁石の配置を示す平面図である。
【図４】第１実施形態の磁気熱量素子のキュリー温度の分布を示すグラフである。
【図５】第１実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の作動を示す状態遷移図であって、５Ａは磁気熱量効果型ヒートポンプ装置としての状態遷移図を示し、５Ｂは熱磁気エンジン装置としての状態遷移図を示す。
【図６】本発明を適用した第２実施形態の可逆熱磁気サイクル装置の断面図である。
【図７】第１実施形態および第２実施形態に適用可能な磁気熱量素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、図面を参照しながら本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。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。
【００２１】
（第１実施形態）
図１は、本発明を適用した第１実施形態に係る可逆熱磁気サイクル装置２を含む車両用空調装置１を示すブロック図である。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、車両の室内に設けられ、室内の空気と熱交換する室内熱交換器３を備える。室内熱交換器３は、高温側熱交換器３とも呼ばれる。車両用空調装置２は、車両の室外に設けられ、室外の空気と熱交換する室外熱交換器４を備える。室外熱交換器４は、低温側熱交換器４とも呼ばれる。
【００２２】
車両用空調装置１は、可逆熱磁気サイクル装置２を備える。可逆熱磁気サイクル装置２は、ＲＴＭ（Reversible Thermo-Magnetic）装置２とも呼ばれる。ＲＴＭ装置２は、磁気熱量素子がもつ磁性−温度特性を利用した熱磁気エンジン装置として機能することができる。熱磁気エンジンは、ＴＭＥ（Thermo-Magnetic Engine）装置とも呼ばれる。ＲＴＭ装置２は、磁気熱量素子の磁気熱量効果を利用した磁気熱量効果型ヒートポンプ装置２として機能することができる。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。ＲＴＭ装置２は、ＴＭＥ装置、またはＭＨＰ装置として選択的に運転可能である。
【００２３】
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。この実施形態では、ＭＨＰ装置は、室外の空気の熱を吸収し、室内の空気を暖める暖房装置を提供する。
【００２４】
ＲＴＭ装置２は、発電電動機２０と、ポンプ３０と、磁気熱量素子ユニット４０、５０と、変速機７０、８０とを備える。発電電動機２０は、ＴＭＥ装置において磁気的な力を運動エネルギとして取り出す動力機構を提供する。発電電動機２０は、ＭＨＰ装置において動力源を提供する。ポンプ３０は、熱輸送媒体を流す。第１の磁気熱量素子ユニット４０は、磁気熱量素子を収容しており、さらに磁場を切換えるための装置を備える。第２の磁気熱量素子ユニット５０は、磁気熱量素子を収容しており、さらに磁場を切換えるための装置を備える。磁気熱量素子ユニット４０、５０は、磁性体ユニットとも呼ばれる。磁気熱量素子は、磁性体でもある。ＴＭＥ装置における磁性体４９、５９は、ＭＨＰ装置においては磁気熱量素子４９、５９として利用される。磁気熱量素子は、キュリー温度を越えると磁性が低下して、典型的な例においては磁性を失う。磁気熱量素子は、キュリー温度を下回ることで磁性を取り戻し、磁性が上昇して、再び強い磁性を帯びる。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。磁気熱量素子ユニット４０、５０は、ＭＣＤ（Magneto-Caloric effectDevice）ユニット４０、５０とも呼ばれる。変速機７０、８０は、両側の回転軸の回転数、および／または回転位相を変換する。
【００２５】
ＲＴＭ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。ＲＴＭ装置２が運転されると、ＲＴＭ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。ＲＴＭ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、ＲＴＭ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。
【００２６】
この実施形態では、ＲＴＭ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。
【００２７】
車両用空調装置１は、ＲＴＭ装置２と室内熱交換器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、ＲＴＭ装置２から室内熱交換器３へ熱を輸送する。車両用空調装置１は、ＲＴＭ装置２と室外熱交換器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、室外熱交換器４からＲＴＭ装置１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。ＲＴＭ装置２は、主たる熱源としての室外熱交換器４の熱を、熱負荷としての室内熱交換器３に供給する。
【００２８】
車両用空調装置１は、車両に搭載された電池（ＢＡＴＴ）５を備える。電池５は、発電電動機２０が電動機として機能するときには、発電電動機２０に電力を供給する。電池５は、発電電動機２０が発電機として機能するときには、発電電動機２０からの電力を蓄える。
【００２９】
車両用空調装置１は、制御装置（ＣＮＴＲ）１０を備える。制御装置１０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。制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置またはＭＨＰ装置に切換えるように複数の要素を制御する。制御装置１０は、発電電動機２０を電動機または発電機に切換えることができる。制御装置１０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。
【００３０】
例えば、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として作動させるとき、発電電動機２０を電動機として機能させる。また、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として作動させるとき、熱輸送と磁場切換えとの関係が所定の関係になるように、変速機７０、８０を制御する。
【００３１】
例えば、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として作動させるとき、発電電動機２０を発電機として機能させる。また、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として作動させるとき、熱輸送と磁場切換えとの関係が所定の関係になるように、変速機７０、８０を制御する。
【００３２】
制御装置１０は、ＭＨＰ装置とＴＭＥ装置とを切換えるために、熱輸送を実現するポンプ３０の回転と、磁場切換えを実現するＭＣＤユニット４０、５０の回転との関係を、ＭＨＰ装置のための関係と、ＴＭＥ装置のための関係とに切換えることができる。制御装置１０は、回転数および／または位相を切換えることができる。制御装置１０は、ＭＨＰ装置とＴＭＥ装置とを切換えるために、ポンプ３０の回転とＭＣＤユニット４０、５０の回転との位相、すなわち熱輸送の位相と磁場変動の位相とを必要な量だけずらすことができる。これらの位相は、磁場変動周期の１／４、すなわち９０度だけずらされる。熱輸送の位相と磁場変動の位相とを必要な量だけずらす機構は、制御装置１０と変速機７０、８０とによって提供される。
【００３３】
制御装置１０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格納している。記憶媒体は、メモリによって提供されうる。プログラムは、制御装置１０によって実行されることによって、制御装置１０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制御方法を実行するように制御装置１０を機能させる。制御装置１０が提供する手段は、所定の機能を達成する機能的ブロック、またはモジュールとも呼ぶことができる。
【００３４】
図２は、第１実施形態のＲＴＭ装置２の断面図である。図３は、第１実施形態のＲＴＭ装置２の永久磁石の配置を示す平面図である。図３は、図２に示されたＩＩＩ−ＩＩＩ断面におけるロータコア４４と永久磁石４５との平面図を示す。なお、図中には、永久磁石４５と磁気熱量素子４９との位置関係を示すために、磁気熱量素子４９が図示されている。
【００３５】
発電電動機（ＭＧ）２０は、ポンプ３０の回転軸３２、またはＭＣＤユニット４０、５０の回転軸４２、５２に連結されている。ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、発電電動機２０は電池５から給電されて回転する。発電電動機２０は、ポンプ３０と、ＭＣＤユニット４０、５０とを駆動する。発電電動機２０によって駆動されたポンプ３０は、作業水の流れを生じさせる。また、ＭＣＤユニット４０、５０における永久磁石が回転する。これにより、発電電動機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。
【００３６】
また、ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、発電電動機２０は、ＭＣＤユニット４０、５０によって回転駆動され、発電する。発電電動機２０によって発電された電力は、負荷に供給される。この実施形態では、負荷として電池５が設けられているから、電池５が充電される。このとき、ＭＣＤユニット４０、５０は、ポンプ３０を駆動する。これにより、ポンプ３０は、作業水の流れを生じさせる。これにより、ＭＣＤユニット４０、５０における磁気熱量素子の温度がキュリー温度を挟んで上下に切換えられる。すなわち磁気熱量素子の温度は、キュリー温度を越える温度と、キュリー温度を下回る温度との間での交互に切換えられる。ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、磁気熱量素子４９、５９に外部磁場を印加する磁場印加装置を提供している。この結果、磁気熱量素子４９、５９と永久磁石４５、５５との間に周期的に磁気的な力が発生し、永久磁石が回転する。この実施形態では、磁気熱量素子４９、５９と永久磁石４５、５５との間に周期的に磁気的な吸引力が発生し、永久磁石が回転する。
【００３７】
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。さらに、ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、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。ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、ポンプ３０は、外部の冷熱冷熱および温熱を取り込み、ＭＣＤユニット４０、５０内の磁気熱量素子に供給するための作業水の循環流を生じさせる。
【００３８】
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。
【００３９】
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。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。
【００４０】
ハウジング３１は、８つのシリンダ３３を有するから、ポンプ３０は１６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。
【００４１】
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。
【００４２】
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を回転可能に支持している。ハウジング４１、５１は、回転軸４２、５２の周囲に、扁平な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、回転軸４２、５２に直交する断面において花びら状またはデイジー型と呼びうる形状に形成されている。この実施形態では、ロータコア４４、５４は、８つの扇状部分を有する。ロータコア４４、５４には、複数の永久磁石４５、５５が固定されている。永久磁石４５、５５は、回転軸４２、５２に直交する断面において扇型である。永久磁石４５、５５は、ロータコア４４、５４の扇状部分に固定されている。
【００４３】
ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、それらの周辺に、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との周辺の一点においては、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。ロータコア４４、５４と永久磁石４５、５５とは、磁気熱量素子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、発電電動機２０を含むことができる。磁場切換装置は、磁気熱量素子４９、５９と磁場印加装置とを相対的に移動させることにより、磁気熱量素子への外部磁場の印加と除去とを切換える。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の磁気熱量素子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の磁気熱量素子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。
【００４４】
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の横に、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、８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、８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。
【００４５】
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４７と、室内熱交換器３から戻る作業水を受け入れる入口４８とを有する。出口４７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が設けられている。入口４８には、作業室５６への作業水の流入だけを許容する逆止弁が設けられている。これら逆止弁は、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。
【００４６】
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５７と、室外熱交換器４から戻る作業水を受け入れる入口５８とを有する。出口５７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が設けられている。入口５８には、作業室５６への作業水の流入だけを許容する逆止弁が設けられている。これら逆止弁は、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。
【００４７】
作業室４６、５６は、冷媒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。
【００４８】
さらに、作業室４６、５６は、磁気熱量素子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磁気熱量素子４９、５９が配置されている。磁気熱量素子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、磁気熱量素子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。磁気熱量素子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。磁気熱量素子４９、５９は、キュリー温度を越えると急激に磁性が低下し、キュリー温度を下回ると再び磁性が上昇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。
【００４９】
磁気熱量素子４９、５９は、ＭＣＤユニット４０、５０の径方向に沿って長手方向を有する棒状に形成されている。磁気熱量素子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。それぞれの磁気熱量素子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磁気熱量素子は、第１の磁気熱量素子４９と、第２の磁気熱量素子５９とを備える。第１の磁気熱量素子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の磁気熱量素子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。
【００５０】
磁気熱量素子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、ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、回転軸４２、５２が回転すると、磁気熱量素子４９、５９を磁化させるための外部磁場が印加された状態と、磁気熱量素子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。
【００５１】
ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、磁気熱量素子４９、５９の温度がキュリー温度を越える温度と下回る温度とに切換えられることによって磁気熱量素子４９、５９の磁性が低下した状態と、磁性が上昇した状態とに交互に切換えられ、磁気熱量素子４９、５９と永久磁石４５、５５との間に働く磁気的な力によって回転軸４２、５２が回転する。
【００５２】
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磁気熱量素子４９、５９を備える。例えば、ＭＣＤユニット４０においては、５つの磁気熱量素子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つの磁気熱量素子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に属する複数の磁気熱量素子４９、５９は、熱的に直列接続されたひとつの磁気熱量素子を構成しているといえる。
【００５３】
ひとつの磁気熱量素子４９、５９は、複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９を備える。複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９は、磁気熱量素子４９の長手方向、すなわち作業水の流れ方向に沿って積層されて配置されている。
【００５４】
複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９のそれぞれは、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に近い素子ユニット６０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。中間低温端１３に近い素子ユニット６４は、定常運転状態において中間低温端１３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。中間高温端１４に近い素子ユニット６５は、定常運転状態において中間高温端１４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に近い素子ユニット６９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。
【００５５】
高い磁気熱量効果が発揮される温度帯は、高効率温度帯と呼ばれる。高効率温度帯の上限温度と下限温度とは、磁気熱量素子４９の材料組成などに依存する。複数の素子ユニット６０−６４は、高温端１１と中間低温端１３との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６０−６４の高効率温度帯は、高温端１１と中間低温端１３との間において、高温端１１から徐々に低下する階段状の分布を示す。この高効率温度帯の階段状の分布は、定常状態における高温端１１と中間低温端１３との間の温度分布にほぼ対応する。複数の素子ユニット６５−６９は、中間高温端１４と低温端１２との間において高効率温度帯が並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６５−６９の高効率温度帯は、中間高温端１４と低温端１２との間において、中間高温端１４から徐々に低下する階段状の分布を示す。この高効率温度帯の階段状の分布は、定常状態における中間高温端１４と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応する。複数の素子ユニット６０−６９は、高温端１１と低温端１２との間において、高効率温度帯がその温度順に並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６０−６９の高効率温度帯は、階段状の分布を示す。この高効率温度帯の階段状の分布は、定常状態における高温端１１と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応する。
【００５６】
図４は、第１実施形態の磁気熱量素子４９の温度分布と、キュリー温度ＴＣの分布とを示すグラフである。横軸は磁気熱量素子の位置（ＰＳＴＮ）を示し、縦軸は温度（ＴＥＭＰ）を示す。磁気熱量素子４９は、高温端と低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもつ。複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９のそれぞれを構成する材料は、キュリー温度が異なる。複数の素子ユニット６０−６９は、高温端１１と低温端１２との間において、キュリー温度が高温端１１と低温端１２との間において温度順に並ぶように直列に配列されている。言い換えると、複数の素子ユニット６０−６９のキュリー温度は、階段状の分布を示す。このキュリー温度の配列は、ＴＭＥ装置としての運転状態における高温端１１と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応する。複数の素子ユニット６０−６４、６５−６９のそれぞれのキュリー温度は、その素子ユニットの位置における加熱温度ＴＨと冷却温度ＴＬとの間に設定されている。これにより、素子ユニット６０−６９のそれぞれは、ＴＭＥ装置として運転されているときに、高温端１１から中間低温端１３へ向かう熱輸送によって僅かに温度が上がるとキュリー温度ＴＣを越え、磁性が低下する。また、素子ユニット６０−６９のそれぞれは、ＴＭＥ装置として運転されているときに、中間低温端１３から高温端１１へ向かう熱輸送によって僅かに温度が下がるとキュリー温度ＴＣを下回り、強い磁性を取り戻す。
【００５７】
図示の例においては、高温端１１に近い素子ユニット６０は、ＴＭＥ装置としての運転状態において高温端１１に得られる温度の近傍、もしくはそれより僅かに低い温度にキュリー温度ＴＣ６０をもつ。素子ユニット６０のキュリー温度ＴＣ６０は、その素子ユニット６４が設けられた範囲における加熱温度ＴＨと冷却温度ＴＬとの間に設定されている。中間低温端１３に近い素子ユニット６４は、ＴＭＥ装置としての運転状態において中間低温端１３に得られる温度の近傍、もしくはそれより僅かに高い温度にキュリー温度ＴＣ６４をもつ。素子ユニット６４のキュリー温度ＴＣ６４は、その素子ユニット６４が設けられた範囲における加熱温度ＴＨと冷却温度ＴＬとの間に設定されている。
【００５８】
図４は、磁気熱量素子４９の場合を示しているが、磁気熱量素子５９においても同様のキュリー温度の分布が実現されている。
【００５９】
図２および図３に戻り、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に発電電動機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。
【００６０】
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。
【００６１】
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ＲＴＭユニットが構成されている。具体的には、８つのＲＴＭユニットが構成されている。これら複数のＲＴＭ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ＲＴＭユニットが構成されている。具体的には、８つのＲＴＭユニットが構成されている。これら複数のＲＴＭ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ＲＴＭユニットは、熱的に直列接続されている。
【００６２】
次に、車両用空調装置１の作動を説明する。発電電動機２０が回転すると、回転軸５２が回転する。回転軸５２の回転により、ロータコア５４と永久磁石５５とが回転する。これにより、複数の磁気熱量素子５９は、永久磁石５５による外部磁場が印加された状態と、永久磁石５５による外部磁場が除去された状態とに交互におかれる。
【００６３】
回転軸５２の回転は、変速機８０を介して回転軸３２に伝達される。回転軸３２が回転すると、斜板３４が回転する。斜板３４が回転すると、斜板３４の径方向外側の部位は、軸方向に移動する。このような斜板３４の軸方向への移動によって、ピストン３５、３６が軸方向に往復移動する。ピストン３５、３６が軸方向に往復移動すると、シリンダ３３内の容積が増減する。シリンダ３３内の容積の増減に応じて、作業水がシリンダ３３内から流出し、または流入する。
【００６４】
図示されたピストン３６は、シリンダ３３の左半部の容積を増減させる。ピストン３６の往復移動により、作業室５６内に作業水の往復流が生成される。作業水が中間高温端１４から低温端１２に向けて流れるとき、磁気熱量素子５９の冷熱が中間高温端１４から低温端１２に向けて輸送される。さらに、低温端１２の付近にある作業水の一部は、出口５７を通して低温側循環流路１６に流出する。低温側循環流路１６に出た作業水は、室外熱交換器４を通過する。このとき作業水は、室外の空気によって加熱される。すなわち、作業水は、室外の空気を冷却する。作業水が低温端１２から中間高温端１４に向けて流れるとき、磁気熱量素子５９の温熱が低温端１２から中間高温端１４に向けて輸送される。このとき、作業水が低温側循環流路１６から作業室５６へ流入する。
【００６５】
さらに、回転軸３２の回転は、変速機７０を介して回転軸４２に伝達される。回転軸４２の回転により、ロータコア４４と永久磁石４５とが回転する。これにより、複数の磁気熱量素子４９は、永久磁石４５による外部磁場が印加された状態と、永久磁石４５による外部磁場が除去された状態とに交互におかれる。
【００６６】
図示されたピストン３５は、シリンダ３３の右半部の容積を増減させる。ピストン３５の往復移動により、作業室４６内に作業水の往復流が生成される。作業水が中間低温端１３から高温端１１に向けて流れるとき、磁気熱量素子４９の温熱が中間低温端１３から高温端１１に向けて輸送される。さらに、高温端１１の付近にある作業水の一部は、出口４７を通して高温側循環流路１５に流出する。高温側循環流路１５に出た作業水は、室内熱交換器３を通過する。このとき作業水は、室内の空気を加熱する。すなわち、作業水は、室内の空気によって冷却される。作業水が高温端１１から中間低温端１３に向けて流れるとき、磁気熱量素子４９の冷熱が高温端１１から中間低温端１３に向けて輸送される。このとき、作業水が高温側循環流路１５から作業室４６へ流入する。
【００６７】
変速機８０は、ＭＣＤユニット５０による外部磁場の印加と除去との切換えと、ポンプ３０による作業水の往復流の方向の切換えとが、ＡＭＲサイクルを実現する組み合わせとなるように、回転軸５２と回転軸３２との回転を同期させる。変速機７０は、ＭＣＤユニット４０による外部磁場の印加と除去との切換えと、ポンプ３０による作業水の往復流の方向の切換えとが、ＡＭＲサイクルを実現する組み合わせとなるように、回転軸４２と回転軸３２との回転を同期させる。
【００６８】
図５は、第１実施形態のＲＴＭ装置２の作動を示す状態遷移図である。図５ＡはＭＨＰ装置としての状態遷移図を示す。図５ＢはＴＭＥ装置としての状態遷移図を示す。なお、図中には、一部の永久磁石４５と、一部の磁気熱量素子４９とだけが図示されている。
【００６９】
まず、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として運転するか、ＴＭＥ装置として運転するかを決定する決定手段を提供する。この決定は、熱源の状態に応じて実行することができる。また、この決定は、利用者がスイッチなどの入力手段によって選択してもよい。これにより、図５Ａと図５Ｂとの間の遷移が提供される。
【００７０】
次に、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として運転するとき、ＲＴＭ装置２をＭＨＰ装置として機能させるためのＭＨＰ制御手段を提供する。ＭＨＰ制御手段は、発電電動機２０を電動機として運転するとともに、変速機７０、８０をＭＨＰ装置のための変換状態に調節する。また、制御装置１０は、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として運転するとき、ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として機能させるためのＴＭＥ制御手段を提供する。ＴＭＥ制御手段は、発電電動機２０を発電機として運転するとともに、変速機７０、８０をＴＭＥ装置のための変換状態に調節する。
【００７１】
ＲＴＭ装置２がＭＨＰ装置として機能するとき、ＡＭＲサイクルを実現するために、外部磁場の印加と除去との切換えと、作業水の往復流の方向の切換えとは、以下の（１）−（４）の工程が繰り返されるように組み合わせられる。この組み合わせは、変速機７０、８０の調節によって得られる。図５Ａは、ＡＭＲサイクルにおける永久磁石４５と磁気熱量素子４９との位置関係の遷移を示している。ＡＭＲサイクルによると、熱が段階的に徐々に輸送されるため、高い効率が得られる。
【００７２】
（１）磁場印加除去手段４４、４５、５４、５５によって磁気熱量素子４９、５９に外部磁場を印加する。
【００７３】
（２）磁場が印加されている期間に、ポンプ３０によって低温端１２、１３から高温端１４、１１へ向けて作業水を流す。
【００７４】
（３）磁場印加除去手段４４、４５、５４、５５によって磁気熱量素子４９、５９から外部磁場を除去する。
【００７５】
（４）外部磁場が除去されている期間に、ポンプ３０によって高温端１１、１４から低温端１３、１２へ向けて作業水を流す。
【００７６】
ポンプ３０の左半部とＭＣＤユニット５０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、磁気熱量効果により生成された冷熱は低温端１２に向けて輸送され、磁気熱量効果により生成された温熱は中間高温端１４に向けて輸送される。このとき、磁気熱量素子５９と作業水とは、それ自身が温熱と冷熱とを蓄える熱溜めとなる。上記工程が繰り返されることにより、作業室５６の内部は徐々に大きい温度勾配をもつ熱溜めとなる。やがて、定常的な運転状態では、両端、すなわち低温端１２と中間高温端１４との間に大きな温度差が生じる。中間高温端１４に輸送された温熱は、変速機８０、ポンプ３０、および変速機７０を経由して、ＭＣＤユニット４０に伝達される。
【００７７】
ポンプ３０の右半部とＭＣＤユニット４０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、磁気熱量効果により生成された冷熱は中間低温端１３に向けて輸送され、磁気熱量効果により生成された温熱は高温端１１に向けて輸送される。このとき、磁気熱量素子４９と作業水とは、それ自身が温熱と冷熱とを蓄える熱溜めとなる。上記工程が繰り返されることにより、作業室４６の内部は徐々に大きい温度勾配をもつ熱溜めとなる。やがて、定常的な運転状態では、両端、すなわち中間低温端１３と高温端１１との間に大きな温度差が生じる。中間低温端１３に輸送された冷熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット５０に伝達される。
【００７８】
このように、この実施形態では、ポンプ３０は、磁気熱量素子４９、５９に外部磁場が印加されているときに低温端１２から高温端１１に向けて作業水を流し、磁気熱量素子４９、５９から外部磁場が除去されているときに高温端１１から低温端１２に向けて熱輸送媒体を流す。さらに、ポンプ３０は、低温端１２から高温端１１に向けて作業水を流すときに、高温端１１から高温側循環流路１５に作業水を吐出するとともに、低温側循環流路１６から低温端１２に作業水を吸い込む。さらに、ポンプ３０は、高温端１１から低温端１２に向けて作業水を流すときに、低温端１２から低温側循環流路１６に作業水を吐出するとともに、高温側循環流路１５から高温端１１に作業水を吸い込む。第１のＭＣＤユニット４０だけに着目すると、ポンプ３０は、中間低温端１３から高温端１１に向けて作業水を流すときに、高温端１１から高温側循環流路１５に作業水を吐出する。さらに、ポンプ３０は、高温端１１から中間低温端１３に向けて作業水を流すときに、高温側循環流路１５から高温端１１に作業水を吸い込む。また、第２のＭＣＤユニット５０だけに着目すると、ポンプ３０は、中間高温端１４から低温端１２に向けて作業水を流すときに、低温端１２から低温側循環流路１６に作業水を吐出する。さらに、ポンプ３０は、低温端１２から中間高温端１４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に作業水を吸い込む。
【００７９】
ＭＣＤユニット４０とポンプ３０とＭＣＤユニット５０とは、一連のＭＨＰ装置として機能する。この結果、低温端１２と高温端１１との間に大きな温度差が生じる。低温端１２から流出した低温の作業水は、室外熱交換器４において室外の空気から熱を吸熱し、再び低温端１２に戻ることによって低温端１２に熱を供給する。ＭＨＰ装置は、低温端１２に供給された熱を高温端１１へ汲み上げる。高温端１１から流出した高温の作業水は、室内熱交換器３において室内の空気に熱を放熱し、再び高温端１１に戻ることによって高温端１１から熱を受け取る。
【００８０】
ＲＴＭ装置２がＴＭＥ装置として機能するとき、逆ＡＭＲサイクルを実現するために、永久磁石４５、５５から磁気熱量素子４９、５９への外部磁場の印加と除去との切換えと、作業水の往復流の方向の切換えとは、以下の（１）−（４）の工程が繰り返されるように組み合わせられる。この組み合わせは、変速機７０、８０の調節によって得られる。図５Ｂは、逆ＡＭＲサイクルにおける永久磁石４５と磁気熱量素子４９との位置関係の遷移を示している。逆ＡＭＲサイクルによると、熱が段階的に徐々に輸送されるため、高い効率が得られる。
【００８１】
（１）永久磁石４５、５５と磁気熱量素子４９、５９とが永久磁石４５、５５の磁力により引き合うことにより回転軸４２、５２が回転する。
【００８２】
（２）ポンプ３０によって高温端１１、１４から低温端１３、１２へ向けて作業水を流すことにより磁気熱量素子４９、５９を加熱する。
【００８３】
（３）永久磁石４５、５５と磁気熱量素子４９、５９とが永久磁石４５、５５の磁力により引き合うことなく慣性によって回転軸４２、５２が回転する。
【００８４】
（４）ポンプ３０によって低温端１２、１３から高温端１４、１１へ向けて作業水を流し、磁気熱量素子４９、５９を冷却する。
【００８５】
ＲＴＭ装置２をＴＭＥ装置として機能させる初期においては、制御装置１０は発電電動機２０を電動機として機能させる。これにより、ＴＭＥ装置として機能するための初期トルクが与えられ、回転方向が安定する。
【００８６】
ポンプ３０の左半部とＭＣＤユニット５０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、低温の熱源である室外から室外熱交換器４によって取り入れられた冷熱は低温端１２から中間高温端１４に向けて輸送される。中間高温端１４に輸送された冷熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット４０に伝達される。中間高温端１４の温熱は、低温端１２に向けて輸送される。中間高温端１４の温熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット４０から伝達されたものである。ポンプ３０は往復流を提供するから、素子ユニット６５−６９のそれぞれの温度は、キュリー温度を越える温度と、キュリー温度を下回る温度とに交互に切換えられる。ここで、複数の素子ユニット６５−６９のそれぞれにおける温度変化は、低温端１２と中間高温端１４との間に現れる温度差より小さい。このため、小さい温度変化であっても、磁気熱量素子５９の全体において、キュリー温度を越えることによって磁性が低下した状態と、キュリー温度を下回ることによって磁性が上昇した状態との間の交互切換えが得られる。このような磁気熱量素子５９の磁性の変化によって、永久磁石５５と磁気熱量素子５９との間に働く磁気的な力が周期的に変動する。この結果、永久磁石５５に回転トルクが発生し、回転軸５２が回転する。回転軸５２の回転は、発電電動機２０に伝達される。発電電動機２０は、回転軸５２の回転力を電力に変換し、電池５に充電する。
【００８７】
ポンプ３０の右半部とＭＣＤユニット４０とによって上記（１）−（４）の工程が繰り返されると、高温の熱源である室内から室内熱交換器３によって取り入れられた温熱は高温端１１から中間低温端１３に向けて輸送される。中間低温端１３に輸送された温熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット５０に伝達される。中間低温端１３の冷熱は、高温端１１に向けて輸送される。中間低温端１３の冷熱は、変速機７０、ポンプ３０、および変速機８０を経由して、ＭＣＤユニット５０から伝達されたものである。ポンプ３０は往復流を提供するから、素子ユニット６０−６４のそれぞれの温度は、キュリー温度を越える温度と、キュリー温度を下回る温度とに交互に切換えられる。ここで、複数の素子ユニット６０−６４のそれぞれにおける温度変化は、高温端１１と中間低温端１３との間に現れる温度差より小さい。このため、小さい温度変化であっても、磁気熱量素子４９の全体において、キュリー温度を越えることによって磁性が低下した状態と、キュリー温度を下回ることによって磁性が上昇した状態との間の交互切換えが得られる。このような磁気熱量素子４９の磁性の変化によって、永久磁石４５と磁気熱量素子５９との間に働く磁気的な力が周期的に変動する。この結果、永久磁石４５に回転トルクが発生し、回転軸４２が回転する。回転軸４２の回転は、発電電動機２０に伝達される。発電電動機２０は、回転軸４２の回転力を電力に変換し、電池５に充電する。
【００８８】
このように、この実施形態では、ポンプ３０は、低温端１２から高温端１１に向けて作業水を流すことにより、磁気熱量素子４９、５９を冷却し、強い磁性を帯びた状態にする。また、ポンプ３０は、高温端１１から低温端１２に向けて作業水を流すことにより、磁気熱量素子４９、５９を加熱し、磁性が低下した状態、または磁性を失った状態にする。
【００８９】
ＭＣＤユニット４０とポンプ３０とＭＣＤユニット５０とは、一連のＴＭＥ装置として機能する。この結果、低温端１２と高温端１１との間の温度差を利用して、運動エネルギーを取り出すことができる。
【００９０】
この実施形態によると、ＴＭＥ装置を構成することができる。しかも、高温端１１と低温端１２との間に得られる温度差を有効に利用するＴＭＥ装置を構成することができる。さらに、この実施形態によると、ＴＭＥ装置とＭＨＰ装置とに切換え可能なＲＴＭ装置２を構成することができる。
【００９１】
（第５実施形態）
図６は、本発明を適用した第２実施形態のＲＴＭ装置２０２の断面図である。ＲＴＭ装置２０２は、ＲＴＭ装置２０２に代えて車両用空調装置１に使用される。上記実施形態では、ポンプ３０を斜板式ポンプによって提供した。これに代えて、この実施形態では、ラジアルピストンポンプによってポンプ２３０を提供する。さらに、この実施形態では、ひとつの可変容積室に２つの作業室４６、５６が対応するように接続されている。
【００９２】
ポンプ２３０は、円筒状または円柱状と呼びうるハウジング２３１を備える。ハウジング２３１は、その中心軸上に回転軸２３２を回転可能に支持している。回転軸２３２は、回転軸４２、および回転軸５２に直結されている。ハウジング２３１は、少なくともひとつのシリンダ２３３を区画形成している。ハウジング２３１は、回転軸２３２の周囲に、等間隔に配置された複数のシリンダ２３３を区画形成している。この実施形態では、ハウジング２３１は、５つのシリンダ２３３を区画形成している。ハウジング２３１は、カム２３４を収容している。カム２３４は、その外周面にカム面を有する。カム２３４は、回転軸２３２とともに回転するように回転軸２３２に連結されている。ひとつのシリンダ２３３には、ひとつのピストン２３５が配置されている。ピストン２３５は、シリンダ２３３の中を径方向に往復移動することができる。この結果、ひとつのシリンダ２３３の中に、１気筒の容積型のピストンポンプが形成される。ハウジング２３１は、８つのシリンダ２３３を有するから、ポンプ２３０は８気筒のピストンポンプを提供する。
【００９３】
ポンプ２３０は、一群の容積室によって、第１のＭＣＤユニット４０と第２のＭＣＤユニット５０とに並列的な作業水の流れを提供している。ひとつの気筒は、低温端１２から中間高温端１４へ向かう流れと、高温端１１から中間低温端１３へ向かう流れとを同時に生成する。また、ひとつの気筒は、高温端１１から中間低温端１３へ向かう流れと、低温端１２から中間高温端１４へ向かう流れとを同時に生成する。ポンプ２３０は、中間低温端１３から高温端１１に向けて作業水を流すときに、高温端１１から高温側循環流路１５に作業水を吐出する。また、ポンプ２３０は、中間高温端１４から低温端１２に向けて作業水を流すときに、低温端１２から低温側循環流路１６に作業水を吐出する。ポンプ２３０は、高温端１１から中間低温端１３に向けて作業水を流すときに、高温側循環流路１５から高温端１１に作業水を吸い込む。さらに、ポンプ２３０は、低温端１２から中間高温端１４に向けて作業水を流すときに、低温側循環流路１６から低温端１２に作業水を吸い込む。
【００９４】
ＭＨＰ装置として運転されるとき、ひとつの容積室に対応して設けられた複数の作業室４６、５６のうち、一方の作業室４６に外部磁場が印加されるとき、他方の作業室５６には外部磁場が印加されない。この結果、一方の作業室４６では磁気熱量素子４９が発熱して温熱の輸送が行われ、同時に、他方の作業室５６では磁気熱量素子５９が吸熱して冷熱の輸送が行われる。この実施形態でも、制御装置１０は、ＭＨＰ装置とＴＭＥ装置とを切換えるために、熱輸送の位相と磁場変動の位相とを、それらの周期の１／４、すなわち９０度だけずらす。このような位相変換機能は、ポンプ２３０の制御カムによって実現することができる。熱輸送の位相と磁場変動の位相とを必要な量だけずらす機構は、制御装置１０とポンプ２３０の駆動機構とによって提供される。
【００９５】
（他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、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である。
【００９６】
例えば、上記実施形態では、車両用空調装置１は、室外の空気の熱を吸収し、室内の空気を暖める暖房装置を提供した。これに代えて、車両用空調装置１は、室内の空気の熱を吸収し、室外の空気に熱を放出する冷房装置を提供することもできる。この場合、低温側熱交換器４は室内に配置され、高温側熱交換器３は、室外に配置される。
【００９７】
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ＲＴＭ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ＲＴＭ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との間に室外熱交換器４を設けることができる。
【００９８】
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、磁気熱量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。
【００９９】
また、上記実施形態では、作業水によって、磁気熱量素子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、ＲＴＭ装置２と熱交換器３、４との間の熱輸送を行う熱輸送媒体とを提供した。これに代えて、磁気熱量素子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、ＲＴＭ装置２と熱交換器３、４との間の熱輸送を行う熱輸送媒体とを分離してもよい。例えば、ＲＴＭ装置２とは別に、高温端１１と室内熱交換器３との間の熱輸送を行うための水の循環回路とポンプとを設けることができる。
【０１００】
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、上記第１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。
【０１０１】
また、上記実施形態では、磁気熱量素子４９、５０を複数の素子ユニット６０−６９の集合体とすることにより、高温端１１と低温端１２との間の温度分布にほぼ対応したキュリー温度の階段状の分布を実現した。これに代えて、一連の連続した磁気熱量素子４９、５９の材料組成を高温端１１と低温端１２との間において連続的に変化させることにより、キュリー温度の連続的な分布を形成してもよい。また、磁気熱量素子４９、５０の全体を同じキュリー温度をもつ材料により作ってもよい。この構成においても、加熱時と冷却時との間で磁性が低下した磁気熱量素子の量が変化するから、永久磁石との間の磁気的な力が変化し、回転力を取り出すことができる。この場合においても、磁気熱量素子４９、５０のキュリー温度は、高温端１１の温度と低温端１２の温度との間に設定される。
【０１０２】
また、上記実施形態では、磁気熱量素子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。より具体的には、例えば、図７に図示される構造を採用することができる。図７は、第１実施形態および第２実施形態に適用可能な磁気熱量素子を示す斜視図である。磁気熱量素子４９は、角柱状に形成されている。磁気熱量素子４９は、複数の板状部材４９ａ、４９ｂを積層して構成されている。複数の板状部材４９ａには、作業水の流路を形成するための溝４９ｃが形成されている。図示の例では、末端の板状部材４９ｂは、溝を備えないが、同一の形状の板状部材だけを積層してもよい。磁気熱量素子４９は、その内部に、作業水を流すための複数の流路を形成している。複数の流路は、磁気熱量素子４９と作業水との熱交換を促進する。作業水の流路は、隣接する板状部材４９ａ、４９ｂの間に区画形成されている。磁気熱量素子５９も同様の構造を採用することができる。
【０１０３】
また、上記実施形態では、車両用空調装置に本発明を適用した。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。
【０１０４】
また、上記実施形態では、室外の空気を主要な熱源とするＲＴＭ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。また、車両の動力装置の廃熱を熱源として利用してもよい。例えば、車両に搭載された内燃機関の廃熱、または電動車両のインバータ装置の廃熱、電動機の廃熱などを利用することができる。
【０１０５】
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。
【符号の説明】
【０１０６】
１ 車両用空調装置
２ 可逆熱磁気サイクル装置（ＲＴＭ装置）
３ 室内熱交換器
４ 室外熱交換器
５ 電池
１０ 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 発電電動機
３０、２３０ ポンプ
４０ 磁気熱量素子ユニット（ＭＣＤユニット）
４５ 永久磁石
４９ 磁気熱量素子（磁性体）
５０ 磁気熱量素子ユニット（ＭＣＤユニット）
５５ 永久磁石
５９ 磁気熱量素子（磁性体）
６０−６９ 素子ユニット
７０ 変速機
８０ 変速機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度がキュリー温度を越えると磁性が低下し、温度がキュリー温度を下回ると磁性が上昇する磁性体であって、温熱が供給される高温端（１１、１４）の温度と冷熱が供給される低温端（１２、１３）の温度との間にキュリー温度をもつ磁性体（４９、５９）と、
前記磁性体を加熱するときに前記高温端から前記低温端に向けて熱輸送媒体を流し、前記磁性体を冷却するときに前記低温端から前記高温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０、２３０）と、
前記磁性体に外部磁場を印加する磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）と、
前記磁性体と前記磁場印加装置との間に働く磁気的な力を運動エネルギとして取り出す動力機構（３２、４２、５２、７０、８０、２０）とを備えることを特徴とする熱磁気エンジン装置。
【請求項２】
前記磁性体は、前記高温端と前記低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもち、
前記ポンプは、前記熱輸送媒体の流れによって、前記磁性体の温度がキュリー温度を越える状態と、前記磁性体の温度がキュリー温度を下回る状態とを切換えることを特徴とする請求項１に記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項３】
前記磁性体は、キュリー温度が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、
複数の前記素子ユニットは、前記高温端と前記低温端との間においてキュリー温度の順に並ぶように直列に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項４】
さらに、冷熱の供給源と熱交換する低温側熱交換器（４）と、
前記低温側熱交換器を通る低温側循環流路（１６）と、
温熱の供給源と熱交換する高温側熱交換器（３）と、
前記高温側熱交換器を通る高温側循環流路（１５）とを備え、
前記ポンプは、
前記低温端（１３）から前記高温端（１１）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、
前記高温端（１１）から前記低温端（１３）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、
前記高温端（１４）から前記低温端（１２）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、
前記低温端（１２）から前記高温端（１４）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１から請求項３のいずれかに記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項５】
前記磁性体は、
第１の磁性体ユニット（４０）に設けられ、一端に中間低温端（１３）を有し、反対の他端に前記高温端（１１）を有する第１の磁気熱量素子（４９）と、
第２の磁性体ユニット（５０）に設けられ、一端に前記低温端（１２）を有し、反対の他端に中間高温端（１４）を有する第２の磁気熱量素子（５９）とを備え、
前記磁場印加装置は、
前記第１の磁性体ユニットに設けられ、前記第１の磁気熱量素子へ磁場を印加する第１の永久磁石（４５）と、
前記第２の磁性体ユニットに設けられ、前記第２の磁気熱量素子へ磁場を印加する第２の永久磁石（５５）とを備え、
前記ポンプは、
前記第１の磁性体ユニット（４０）において前記中間低温端（１３）から前記高温端（１１）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、
前記第１の磁性体ユニット（４０）において前記高温端（１１）から前記中間低温端（１３）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、
前記第２の磁性体ユニット（５０）において前記中間高温端（１４）から前記低温端（１２）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、
前記第２の磁性体ユニット（５０）において前記低温端（１２）から前記中間高温端（１４）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４に記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の前記熱磁気エンジン装置、または熱源（４）の熱を熱負荷（３）に供給する磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として選択的に運転可能な可逆熱磁気サイクル装置であって、
前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置は、
前記磁性体（４９、５９）によって提供され、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素子と、
前記動力機構（２０）によって提供され、前記磁気熱量素子と前記磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）とを相対的に移動させることにより、前記磁気熱量素子への外部磁場の印加と除去とを切換える磁場切換装置（２０）と、
前記ポンプ（３０、２３０）によって提供され、前記磁気熱量素子に外部磁場が印加されているときに前記低温端から前記高温端に向けて熱輸送媒体を流し、前記磁気熱量素子から外部磁場が除去されているときに前記高温端から前記低温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０、２３０）とを備えることを特徴とする可逆熱磁気サイクル装置。
【請求項７】
前記磁気熱量素子は、高い磁気熱量効果を示す高効率温度帯が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、
複数の前記素子ユニットは、前記高温端と前記低温端との間において前記高効率温度帯が並ぶように直列に配列されていることを特徴とする請求項６に記載の可逆熱磁気サイクル装置。
【請求項８】
前記熱磁気エンジン装置と前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とを切換えるために、前記ポンプ（３０、２３０）による熱輸送の位相と前記磁場印加装置または前記磁場切換装置による磁場変動の位相とを必要な量だけずらすことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の可逆熱磁気サイクル装置。
【請求項１】
温度がキュリー温度を越えると磁性が低下し、温度がキュリー温度を下回ると磁性が上昇する磁性体であって、温熱が供給される高温端（１１、１４）の温度と冷熱が供給される低温端（１２、１３）の温度との間にキュリー温度をもつ磁性体（４９、５９）と、
前記磁性体を加熱するときに前記高温端から前記低温端に向けて熱輸送媒体を流し、前記磁性体を冷却するときに前記低温端から前記高温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０、２３０）と、
前記磁性体に外部磁場を印加する磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）と、
前記磁性体と前記磁場印加装置との間に働く磁気的な力を運動エネルギとして取り出す動力機構（３２、４２、５２、７０、８０、２０）とを備えることを特徴とする熱磁気エンジン装置。
【請求項２】
前記磁性体は、前記高温端と前記低温端との間の温度分布に対応するキュリー温度の分布をもち、
前記ポンプは、前記熱輸送媒体の流れによって、前記磁性体の温度がキュリー温度を越える状態と、前記磁性体の温度がキュリー温度を下回る状態とを切換えることを特徴とする請求項１に記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項３】
前記磁性体は、キュリー温度が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、
複数の前記素子ユニットは、前記高温端と前記低温端との間においてキュリー温度の順に並ぶように直列に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項４】
さらに、冷熱の供給源と熱交換する低温側熱交換器（４）と、
前記低温側熱交換器を通る低温側循環流路（１６）と、
温熱の供給源と熱交換する高温側熱交換器（３）と、
前記高温側熱交換器を通る高温側循環流路（１５）とを備え、
前記ポンプは、
前記低温端（１３）から前記高温端（１１）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、
前記高温端（１１）から前記低温端（１３）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、
前記高温端（１４）から前記低温端（１２）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、
前記低温端（１２）から前記高温端（１４）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１から請求項３のいずれかに記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項５】
前記磁性体は、
第１の磁性体ユニット（４０）に設けられ、一端に中間低温端（１３）を有し、反対の他端に前記高温端（１１）を有する第１の磁気熱量素子（４９）と、
第２の磁性体ユニット（５０）に設けられ、一端に前記低温端（１２）を有し、反対の他端に中間高温端（１４）を有する第２の磁気熱量素子（５９）とを備え、
前記磁場印加装置は、
前記第１の磁性体ユニットに設けられ、前記第１の磁気熱量素子へ磁場を印加する第１の永久磁石（４５）と、
前記第２の磁性体ユニットに設けられ、前記第２の磁気熱量素子へ磁場を印加する第２の永久磁石（５５）とを備え、
前記ポンプは、
前記第１の磁性体ユニット（４０）において前記中間低温端（１３）から前記高温端（１１）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、
前記第１の磁性体ユニット（４０）において前記高温端（１１）から前記中間低温端（１３）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、
前記第２の磁性体ユニット（５０）において前記中間高温端（１４）から前記低温端（１２）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、
前記第２の磁性体ユニット（５０）において前記低温端（１２）から前記中間高温端（１４）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４に記載の熱磁気エンジン装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の前記熱磁気エンジン装置、または熱源（４）の熱を熱負荷（３）に供給する磁気熱量効果型ヒートポンプ装置として選択的に運転可能な可逆熱磁気サイクル装置であって、
前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置は、
前記磁性体（４９、５９）によって提供され、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素子と、
前記動力機構（２０）によって提供され、前記磁気熱量素子と前記磁場印加装置（４４、４５、５４、５５）とを相対的に移動させることにより、前記磁気熱量素子への外部磁場の印加と除去とを切換える磁場切換装置（２０）と、
前記ポンプ（３０、２３０）によって提供され、前記磁気熱量素子に外部磁場が印加されているときに前記低温端から前記高温端に向けて熱輸送媒体を流し、前記磁気熱量素子から外部磁場が除去されているときに前記高温端から前記低温端に向けて熱輸送媒体を流すポンプ（３０、２３０）とを備えることを特徴とする可逆熱磁気サイクル装置。
【請求項７】
前記磁気熱量素子は、高い磁気熱量効果を示す高効率温度帯が異なる複数の素子ユニット（６０−６９）を有し、
複数の前記素子ユニットは、前記高温端と前記低温端との間において前記高効率温度帯が並ぶように直列に配列されていることを特徴とする請求項６に記載の可逆熱磁気サイクル装置。
【請求項８】
前記熱磁気エンジン装置と前記磁気熱量効果型ヒートポンプ装置とを切換えるために、前記ポンプ（３０、２３０）による熱輸送の位相と前記磁場印加装置または前記磁場切換装置による磁場変動の位相とを必要な量だけずらすことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の可逆熱磁気サイクル装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２２９６３４（Ｐ２０１２−２２９６３４Ａ）
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９７１１５（Ｐ２０１１−９７１１５）
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【公開日】平成２４年１１月２２日（２０１２．１１．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２５日（２０１１．４．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
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