磁気冷暖房装置
【課題】駆動力の変動を小さくする。
【解決手段】磁気熱量効果を有する磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１０Ａ−１０Ｆの熱を輸送する熱伝導部３０Ａ−３０Ｇとを交互に配置する熱輸送器５０−１を、間隔を設けて複数並列に配置する熱輸送ユニット１０００Ａと、熱輸送ユニット１０００Ａの各磁性体１０Ａ−１０Ｆと対峙し各磁性体１０Ａ−１０Ｆに選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する磁気ユニットと、対向して配置する熱輸送ユニット１０００Ａ及び磁気ユニットの少なくともいずれか一方を熱輸送器５０−１の配置方向に相対的に移動させるモータと、を備え、熱輸送ユニット１０００Ａの熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２と間には、磁性体１０Ａ−１０Ｆの透磁率と同等の透磁率を有し、熱伝導を遮断する透磁性断熱部６０を形成する。
【解決手段】磁気熱量効果を有する磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１０Ａ−１０Ｆの熱を輸送する熱伝導部３０Ａ−３０Ｇとを交互に配置する熱輸送器５０−１を、間隔を設けて複数並列に配置する熱輸送ユニット１０００Ａと、熱輸送ユニット１０００Ａの各磁性体１０Ａ−１０Ｆと対峙し各磁性体１０Ａ−１０Ｆに選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する磁気ユニットと、対向して配置する熱輸送ユニット１０００Ａ及び磁気ユニットの少なくともいずれか一方を熱輸送器５０−１の配置方向に相対的に移動させるモータと、を備え、熱輸送ユニット１０００Ａの熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２と間には、磁性体１０Ａ−１０Ｆの透磁率と同等の透磁率を有し、熱伝導を遮断する透磁性断熱部６０を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷暖房装置に係り、特に、駆動力の変動を小さくできる磁気冷暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来用いられている室温域の冷凍機、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍機の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の相変化を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍機に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍機の開発が強く望まれている。
【０００３】
このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度を変化させる、いわゆる磁気熱量効果を発現するものがある。この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。
【０００４】
磁気冷凍技術を応用した冷凍機としては、例えば、下記特許文献１に記載されているような、固体物質の熱伝導を利用して熱を輸送する磁気冷凍機がある。この磁気冷凍機は以下のような構成によって熱を伝導させる。
【０００５】
磁気を印加すると温度が上昇する正の磁性体と、磁気を印加すると温度が下降する負の磁性体とを、所定の間隔で交互に複数一方向に並べて配置する。正負一対の磁性体で１つの磁性体ブロックを形成する。一方向に並ぶ複数の磁性体ブロックを環状に複数配置して磁性体ユニットを形成する。この磁性体ユニットと同心で内径と外径が略等しいハブ状の回転体に永久磁石を配置して磁気ユニットを形成する。正負の磁性体との間を挿脱する熱伝導部材を正負の磁性体との間で摺動自在となるように配置する。
【０００６】
永久磁石が配置されている磁気ユニットを磁性体ユニットと対向するように配置して磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。正負の磁性体との間で挿脱される熱伝導部材を磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。磁気ユニットの回転によって正負の磁性体に同時に磁気が印加されまた除去される。また、熱伝導部材が回転方向に並ぶ正負の磁性体との間で挿脱される。永久磁石と熱伝導部材が回転することで、磁気熱量効果により磁性体が発生する熱を磁性体が配置される一方向に熱伝導部材を介して輸送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１４７２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている発明の場合、磁性体ユニットにおいて磁気ユニットの回転方向に隣り合う磁性体間には、熱伝導を遮断するため空隙が形成されている。そのため、磁性体間を永久磁石が通過するときには磁気ユニットに瞬間的に大きな反力がかかり、磁気ユニットの駆動力が変動する。磁性体間を永久磁石が通過するときには磁力線に乱れが生じるからである。
【０００９】
また、磁性体ユニットと磁気ユニットとは複数積層され、各磁性体ユニットの磁性体の配置と各磁気ユニットの永久磁石の配置が積層方向で全て同一であり、たとえば、前述の磁性体間の空隙の位置が積層方向で一列に並んでいる。そのため、前述の磁気ユニットの駆動力の変動は、積層した磁気ユニットの数だけ累積され、無視できないほど大きくなる。
【００１０】
磁気ユニットの駆動力の変動は次のような不具合を生じさせる。
【００１１】
まず、磁気ユニットを駆動するモータの容量は、駆動力の変動分を考慮して大き目のものを用いることになる。このため、モータは大型になり、消費電力が大きくなり、冷凍機の小型化、冷凍機のエネルギー効率に悪影響を与える。また、駆動力の変動は磁気ユニットが一回転する間に周期的に生じるため、冷凍機の騒音や振動の発生原因となる。
【００１２】
本発明は、上記のような従来の数々の不具合を軽減するために成されたものであり、駆動力の変動を小さくできる磁気冷暖房装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明に係る磁気冷暖房装置は、熱輸送ユニット、磁気ユニット及びモータを備える。
【００１４】
熱輸送ユニットは、磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する熱輸送器を、間隔を設けて複数並列に配置する。磁気ユニットは、熱輸送ユニットの各磁性体と対峙し当該各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する。モータは、対向して配置する熱輸送ユニット及び磁気ユニットの少なくともいずれか一方を熱輸送器の配置方向に相対的に移動させる。熱輸送ユニットの熱輸送器と熱輸送器との間には、磁性体の透磁率と同等の透磁率を有し、熱伝導を遮断する透磁性断熱部を形成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る磁気冷暖房装置によれば、熱輸送ユニットまたは磁気ユニットの駆動力の変動を小さくできるので、磁気冷暖房装置を駆動するためのモータを小型化でき、モータの消費電力を小さくできる。そのため、磁気冷暖房装置のエネルギー効率を高めることができ、磁気冷暖房装置の低騒音化、低振動化をも達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理の説明に供する図であり、複数の熱輸送器を配置した熱輸送ユニットの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理の説明に供する図であり、複数の磁気印加除去部を配置した上側の磁気ユニットの構成を示す図である。
【図３】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理の説明に供する図であり、複数の磁気印加除去部を配置した下側の磁気ユニットの構成を示す図である。
【図４】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作説明に供する図である。
【図５】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作説明に供する図である。
【図６】本発明に係る磁気冷暖房装置において熱が移動していく様子の説明に供する図である。
【図７】本発明に係る磁気冷暖房装置の効果を示すグラフである。
【図８】実施形態１に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。
【図９】図８の熱輸送ユニットを挟む上側の磁気ユニットの構成図である。
【図１０】図８の熱輸送ユニットを挟む下側の磁気ユニットの構成図である。
【図１１】実施形態１に係る磁気冷暖房装置の断面図である。
【図１２】図１１の磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットと両磁気ユニットの断面図である。
【図１３】熱輸送ユニットに設けた透磁性断熱部の効果の説明に供する図である。
【図１４】実施形態１に係る磁気冷暖房装置の制御系のブロック図である。
【図１５】図１４の空調制御部と空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。
【図１６】図１４の磁気冷暖房装置の動作フローチャートである。
【図１７】実施形態２に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。
【図１８】各熱輸送ユニットを積層方向に位相差を持たせて配置した場合の効果の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
各実施形態を説明する前に本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理を説明する。
（磁気冷暖房装置の動作原理）
＜熱輸送ユニットの構成＞
図１は複数の熱輸送器を配置した熱輸送ユニットの構成を示す図である。円形状の熱輸送ユニットは分離部１３０Ａ−１３０Ｄで区分した４つの熱輸送器１−４を有する。各熱輸送器は低温側熱交換部４００Ａから高温側熱交換部４００Ｂに熱を伝導させる。各熱輸送器は磁性体と熱伝導部を交互に配置して形成する。磁性体には、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いる。熱伝導部には、電圧の印加、除去により熱伝導率が大きく変化する特性を持つ材料を用いる。熱伝導部は、電圧を印加（ＯＮ）すると熱伝導率が大きくなり、電圧を除去（ＯＦＦ）すると熱伝導率が小さくなる。このため、熱伝導部は、電圧の印加、除去を制御することで磁性体に熱を伝導させたりさせなかったりすることができ、磁性体の並び方向に向けて効率的に熱を伝達させることができる。
【００１８】
たとえば、熱輸送器１は、磁性体１００Ａ−１００Ｅと熱伝導部３００Ａ−３００Ｇとを交互に配置している。具体的には、低温側熱交換部４００Ａから熱伝導部３００Ａ−磁性体１００Ａ−熱伝導部３００Ｂ−磁性体１００Ｂ−熱伝導部３００Ｃ−磁性体１００Ｃ−熱伝導部３００Ｄ−磁性体１００Ｄ−熱伝導部３００Ｅ−磁性体１００Ｅ−熱伝導部３００Ｆ−磁性体１００Ｆ−熱伝導部３００Ｇの順に配置して高温側熱交換部４００Ｂに至る。低温側熱交換部４００Ａと熱伝導部３００Ａ、熱伝導部３００Ａから熱伝導部３００Ｇまでの各熱伝導部と磁性体、熱伝導部３００Ｇと高温側熱交換部４００Ｂは相互に隙間なく接続してある。熱輸送器２−４の構成も熱輸送器１の構成と同一である。
【００１９】
＜磁気ユニットの構成＞
図２及び図３に示す磁気ユニットは、図１に示した熱輸送ユニットを上下方向の両側から一定の隙間を設けて挟む。磁気ユニットの構成は下記のとおりである。
【００２０】
図２は、複数の磁気印加除去部を配置した上側の磁気ユニットの構成を示す図である。円形状の上側の磁気ユニットは分離部２００ＡＵ−２００ＤＵで区分した４つの磁気印加除去部１Ｕ−４Ｕを有する。図２に示す上側の磁気ユニットは、図の表側を図１に示す熱輸送ユニットの表側に対向して位置させ、上側の磁気ユニットの中心を熱輸送ユニットの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図２は、熱輸送ユニットに対向して位置させた上側の磁気ユニットを熱輸送ユニットに向かって上から透視した状態を表している。
【００２１】
磁気印加除去部１Ｕは、熱輸送器１に磁気印加除去部１Ｕが対峙する時刻Ｔ１の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ａに対向する永久磁石２１０Ａ、磁性体１００Ｃに対向する永久磁石２１０Ｃ、磁性体１００Ｅに対向する永久磁石２１０Ｅを有する。
【００２２】
磁気印加除去部２Ｕは、熱輸送器１に磁気印加除去部２Ｕが対峙する時刻Ｔ２の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ｂに対向する永久磁石２２０Ｂ、磁性体１００Ｄに対向する永久磁石２２０Ｄ、磁性体１００Ｆに対向する永久磁石２２０Ｆを有する。
【００２３】
磁気印加除去部３Ｕと磁気印加除去部４Ｕは上側の磁気ユニットの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｕと磁気印加除去部２Ｕと同一である。磁気印加除去部３Ｕは時刻Ｔ３の時に熱輸送器１と対峙し、磁気印加除去部４Ｕは時刻Ｔ４の時に熱輸送器１と対峙する。
【００２４】
図３は、複数の磁気印加除去部を配置した下側の磁気ユニットの構成を示す図である。円形状の下側の磁気ユニットは分離部２００ＡＤ−２００ＤＤで区分した４つの磁気印加除去部１Ｄ−４Ｄを有する。図３に示す下側の磁気ユニットは、図の表側を図１に示す熱輸送ユニットの裏側に対向して位置させ、下側の磁気ユニットの中心を熱輸送ユニットの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図３は、熱輸送ユニットに対向して位置させた下側の磁気ユニットを熱輸送ユニット側から見た状態を表している。
【００２５】
磁気印加除去部１Ｄは、熱輸送器１に磁気印加除去部１Ｄが対峙する時刻Ｔ１の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ａに対向する永久磁石２６０Ａ、磁性体１００Ｃに対向する永久磁石２６０Ｃ、磁性体１００Ｅに対向する永久磁石２６０Ｅを有する。
【００２６】
磁気印加除去部２Ｄは、熱輸送器１に磁気印加除去部２Ｄが対峙する時刻Ｔ２の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ｂに対向する永久磁石２７０Ｂ、磁性体１００Ｄに対向する永久磁石２７０Ｄ、磁性体１００Ｆに対向する永久磁石２７０Ｆを有する。
【００２７】
磁気印加除去部３Ｄと磁気印加除去部４Ｄは下側の磁気ユニットの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｄと磁気印加除去部２Ｄと同一である。磁気印加除去部３Ｄは時刻Ｔ３の時に熱輸送器１と対峙し、磁気印加除去部４Ｄは時刻Ｔ４の時に熱輸送器１と対峙する。
【００２８】
上側の磁気ユニットの各磁気印加除去部１Ｕ−４Ｕと下側の磁気ユニットの各磁気印加除去部１Ｄ−４Ｄは熱輸送ユニットの各熱輸送器１−４を介して上下方向で対向する。上側の磁気ユニットと下側の磁気ユニットは、上側の磁気ユニットの分離部２００ＡＵ−２００ＤＵと下側の磁気ユニットの分離部２００ＡＤ−２００ＤＤが常に対向するように、相対的な位置を変えずに同期して回転する。
【００２９】
＜熱輸送の原理＞
図４及び図５は、本発明に係る磁気冷暖房装置の動作説明に供する図である。図４は、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２の２つの状態を示す。時刻Ｔ１の状態は、図１の熱輸送ユニットのＡ−Ａ線が図２及び図３の上側と下側の磁気ユニットのＡ−Ａ線と一致している状態である。つまり、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部１Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部１Ｄに対峙している状態である。また、時刻Ｔ２の状態は、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部２Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部２Ｄに対峙している状態である。図５は、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４の２つの状態を示す。時刻Ｔ３の状態は、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部３Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部３Ｄに対峙している状態である。また、時刻Ｔ４の状態は、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部４Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部４Ｄに対峙している状態である。
【００３０】
時刻Ｔ１では、図４に示す通り、磁性体１００Ａに永久磁石２１０Ａと２６０Ａが位置する。また、磁性体１００Ｃに永久磁石２１０Ｃと２６０Ｃが位置する。また、磁性体１００Ｅに永久磁石２１０Ｅと２６０Ｅが位置する。時刻Ｔ１では、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆに電圧を印加して、隣り合う磁性体１００Ａ−１００Ｂ、１００Ｃ−１００Ｄ、１００Ｅ−１００Ｆ間で熱伝導できるようにする。
【００３１】
時刻Ｔ２では、上側と下側の磁気ユニットが時刻Ｔ１から９０度時計方向に回転するので、図４に示す通り、磁性体１００Ｂに永久磁石２２０Ｂと２７０Ｂが位置する。また、磁性体１００Ｄに永久磁石２２０Ｄと２７０Ｄが位置する。また、磁性体１００Ｆに永久磁石２２０Ｆと２７０Ｆが位置する。時刻Ｔ２では、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加して、低温側熱伝導部４００Ａと磁性体１００Ａ、磁性体１００Ｂ−１００Ｃ、１００Ｄ−１００Ｅ、磁性体１００Ｆと高温側熱伝導部４００Ｂそれぞれの間で熱伝導できるようにする。
【００３２】
時刻Ｔ３では、上側と下側の磁気ユニットが時刻Ｔ２からさらに９０度時計方向に回転するので、図５に示す通り、磁性体１００Ａに永久磁石２３０Ａと２８０Ａが位置する。また、磁性体１００Ｃに永久磁石２３０Ｃと２８０Ｃが位置する。また、磁性体１００Ｅに永久磁石２３０Ｅと２８０Ｅが位置する。時刻Ｔ３では、時刻Ｔ１と同じく、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆに電圧を印加して、隣り合う磁性体１００Ａ−１００Ｂ、１００Ｃ−１００Ｄ、１００Ｅ−１００Ｆ間で熱伝導できるようにする。
【００３３】
時刻Ｔ４では、上側と下側の磁気ユニットが時刻Ｔ３からさらに９０度時計方向に回転するので、図５に示す通り、磁性体１００Ｂに永久磁石２４０Ｂと２９０Ｂが位置する。また、磁性体１００Ｄに永久磁石２４０Ｄと２９０Ｄが位置する。また、磁性体１００Ｆに永久磁石２４０Ｆと２９０Ｆが位置する。時刻Ｔ４では、時刻Ｔ２と同じく、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加して、低温側熱伝導部４００Ａと磁性体１００Ａ、磁性体１００Ｂ−１００Ｃ、１００Ｄ−１００Ｅ、磁性体１００Ｆと高温側熱伝導部４００Ｂそれぞれの間で熱伝導できるようにする。
【００３４】
このように、永久磁石の位置関係を追うと、時刻Ｔ１からＴ４に移行する間に、時刻Ｔ１とＴ２における、永久磁石、磁性体、熱伝導部の同じ位置関係が２回繰り返される。
【００３５】
上記のように、各磁性体には正の磁性体を用いているので、磁気が印加されると発熱し、磁気が除去されると吸熱する。また、熱伝導部には磁気の印加除去によって熱伝導率が変化する材料を用いているので、磁気が印加されると熱伝導率が相対的に大きくなり、磁気が除去されると熱伝導率が相対的に小さくなる。
【００３６】
したがって、時刻Ｔ１からＴ４に移行するにしたがって、低温側熱交換部４００Ａから高温側熱交換部４００Ｂに向けて熱が移動し、低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間に温度差ができる。温度差ができる原理は次のとおりである。
【００３７】
図６は、本発明に係る磁気冷暖房装置において熱が移動していく様子の説明に供する図である。熱が移動していく様子は図４と図５を参照しながら説明する。
【００３８】
まず前提として、全ての磁性体が同一材料で形成されており、全ての磁性体の磁気熱量効果が同一の種類であって、温度変化量が５℃のものを用いた場合を想定する。具体的には、全ての磁性体は、磁気が印加されると５℃温度が上昇し、磁気が除去されると５℃温度が下降する特性を持っていると想定する。また、全ての熱伝導部材も電圧の印加、除去によって同じように熱伝導率が大きくなりまた小さくなる特性を持っていると想定する。
【００３９】
まず、初期の時刻Ｔ１の状態では全ての磁性体１００Ａ−１００Ｆ及び熱伝導部３００Ａ−３００Ｇが室温の２０℃になっている。低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間で、交互に配置した磁性体と熱伝導部は熱輸送器を形成する。
【００４０】
次に、時刻Ｔ２の状態に移行すると、永久磁石、磁性体、熱伝導部の位置関係が、図４の時刻Ｔ１で示す状態から時刻Ｔ２で示すような状態になる。時刻Ｔ２では、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加する。その結果、図６に示すように、磁性体１００Ａの温度が５℃下降し、熱伝導部３００Ａによる熱伝導が可能になって、低温側熱交換部４００Ａから磁性体１００Ａに熱が移動する。また、磁性体１００Ｂ、１００Ｄの温度が５℃上昇し、磁性体１００Ｃ、１００Ｅの温度が５℃下降し、熱伝導部３００Ｃ、３００Ｅによる熱伝導が可能になって、磁性体１００Ｂから磁性体１００Ｃに、磁性体１００Ｄから磁性体１００Ｅに熱が移動する。また、磁性体１００Ｆの温度が５℃上昇し、熱伝導部３００Ｇによる熱伝導が可能になって、磁性体１００Ｆから高温側熱交換部４００Ｂに熱が移動する。
【００４１】
時刻Ｔ２の状態では、磁気が除去された磁性体１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｅの温度が１５℃に下降し、磁気が印加された磁性体１００Ｂ、１００Ｄ、１００Ｆの温度が２５℃に上昇する。このため、図６に示すように、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇを介して温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。
【００４２】
この熱の移動によって、図６のＴ２´の状態で示すように、磁性体１００Ａと低温側熱交換部４００Ａの温度が１７．５℃になり、磁性体１００Ｆと高温側熱交換部４００Ｂの温度が２２．５℃になる。
【００４３】
次に、時刻Ｔ２´の状態からＴ３の状態に移行すると、永久磁石、磁性体、熱伝導部の位置関係が、図４及び図５の時刻Ｔ２に示す状態から時刻Ｔ３で示すような状態になる。時刻Ｔ３では、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆに電圧を印加する。その結果、磁性体１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｅの温度が５℃上昇し、磁性体１００Ｂ、１００Ｄ、１００Ｆの温度が５℃下降し、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆによる熱伝導が可能になって、磁性体１００Ａから磁性体１００Ｂに、磁性体１００Ｃから磁性体１００Ｄに、磁性体１００Ｅから磁性体１００Ｆに熱が移動する。
【００４４】
時刻Ｔ３の状態では、磁気が印加された磁性体１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｅの温度が２２．５℃または２５℃に上昇し、磁気が除去された磁性体１００Ｂ、１００Ｄ、１００Ｆの温度が１５℃または１７．５℃に下降する。このため、図６に示すように、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆを介して温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。
【００４５】
この熱の移動によって、図６のＴ３´に示すように、低温側熱交換部４００Ａの温度が１７．５℃になり、磁性体１００Ａ、１００Ｂの温度が１８．７５℃になる。磁性体１００Ｃ、１００Ｄの温度が２０℃になり、磁性体１００Ｅ、１００Ｆの温度が２１．２５℃になる。高温側熱交換部４０Ｂの温度は２２．５℃のままである。
【００４６】
次に、時刻Ｔ３´の状態からＴ４の状態に移行すると、永久磁石、磁性体、熱伝導部の位置関係が、図４の時刻Ｔ２で示した状態と同一の状態になる。時刻Ｔ４では、時刻Ｔ２と同じく、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加する。その結果、図６のＴ２. Ｔ４に示すような状態となって、低温側熱交換部４００Ａから磁性体１００Ａに熱が移動し、磁性体１００Ｂから磁性体１００Ｃに、磁性体１００Ｄから磁性体１００Ｅに熱が移動し、磁性体１００Ｆから高温側熱交換部４００Ｂに熱が移動する。
【００４７】
以上の通り、上側の磁気ユニットと下側の磁気ユニットが同期して１回転する度に、時刻Ｔ１の状態から時刻Ｔ４の状態が繰り返されて、低温側熱交換部４００Ａから高温側熱交換部４００Ｂに熱が移動する。時間が経過するにしたがって、図７に示すように、低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間の温度差が大きくなっていく。最終的には、低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間の温度差が安定する。この状態で、低温側熱交換部４００Ａの熱を利用して、たとえば室内の温度を下げることができ、高温側熱交換部４００Ｂの熱を利用して、たとえば室内の温度を上げることができる。
【００４８】
なお、図１−図７の説明は、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いた場合に当てはまる。発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として負の磁性体を用いた場合には、熱の移動方向は図４−図６に示した方向とは逆になる。したがって、負の磁性体を用いた場合、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂの位置が図１、図４−図６とは逆になる。
【００４９】
次に、本発明に係る磁気冷暖房装置の実施形態を、［実施形態１］と［実施形態２］に分けて説明する。［実施形態１］に係る磁気冷暖房装置は、熱輸送ユニットの熱輸送器と熱輸送器との間に磁気ユニットの駆動力を低減させる透磁性断熱部を形成する。［実施形態２］に係る磁気冷暖房装置は、複数の熱輸送ユニットを、磁気ユニットの駆動力を低減させるため、各々回転方向に少しずつずらして配置する。
【００５０】
［実施形態１］
次に、図８−図１２を参照して実施形態１に係る磁気冷暖房装置の構成について説明する。以下に説明する実施形態１に係る磁気冷暖房装置の動作原理は上述の熱輸送の原理と同一である。図８は、実施形態１に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。図９は、図８の熱輸送ユニットを挟む上側の磁気ユニットの構成図である。図１０は、図８の熱輸送ユニットを挟む下側の磁気ユニットの構成図である。図１１は、実施形態１に係る磁気冷暖房装置の断面図である。図１２は、図１１の磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットと両磁気ユニットの断面図である。
【００５１】
（磁気冷暖房装置の構成）
＜熱輸送ユニットの構成＞
図８に示すように、磁気冷暖房装置の熱輸送ユニット１０００Ａは中空の円形状に形成する。熱輸送ユニット１０００Ａの中空の部分には円筒状の高温側熱交換部４０Ｂを配置し、高温側熱交換部４０Ｂを取り囲むように低温側熱交換部４０Ａを設ける。低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の空間に１ｍｍ程度の厚みの熱輸送器配置板１５０（図１２参照）をはめ込み、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとで固定する。高温側熱交換部４０Ｂ内にはベアリング４５を介して回転自在にロータ３１０が取り付けてある。
【００５２】
熱輸送器配置板１５０上の中心角３０度の扇状の空間に、図８及び図１２に示すように、磁気熱量効果を有する磁性体１０Ａ−１０Ｆとこれらの磁性体の熱を輸送する熱伝導部３０Ａ−３０Ｇとを交互に配置する。交互に配置した磁性体１０Ａ−１０Ｆと熱伝導部３０Ａ−３０Ｇで１つの熱輸送器５０−１を構成する。熱輸送器５０−１に隣接する中心角３０度の扇状の空間に、図８に示すように、磁気熱量効果を有する磁性体１１Ａ−１１Ｆとこれらの磁性体の熱を輸送する熱伝導部３１Ａ−３１Ｇとを交互に配置する。交互に配置した磁性体１１Ａ−１１Ｆと熱伝導部３１Ａ−３１Ｇで１つの熱輸送器５０−２を構成する。熱輸送器５０−１、５０−２、…は熱輸送器配置板１５０上に間隔を設けて複数並列に環状に配置する。熱輸送器配置板１５０上で環状に間隔を設けて熱輸送器５０−１、５０−２、…を配置したものが熱輸送ユニット１０００となる。
【００５３】
図８、図１２に示すように、熱輸送器５０−１、５０−２、…は、熱輸送器配置板１５０上に中心角３０度ごとに並列に合計１２個配置される。なお、１２個の熱輸送器５０−１、５０−２、…のそれぞれは間隔を設けて配置する。隣り合う熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間には、それぞれの熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２の磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆの透磁率と同等の透磁率を有し、隣り合う熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との熱伝導を遮断できる透磁性断熱部６０を形成する。熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２間の熱伝導を透磁性断熱部６０で遮断すると、冷暖房に寄与しない熱の放出量が減少し、磁気冷暖房装置の熱効率が向上する。
【００５４】
透磁性断熱部６０は隣り合う熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２の磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１１Ａ−１１Ｆとの間を埋めるように形成する。透磁性断熱部６０は、隣り合う熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２の磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１１Ａ−１１Ｆとの間に入り込み、磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１１Ａ−１１Ｆ同士の間に空隙がなくなって磁気ユニットの駆動力のピークが平準化される。平準化される理由については後で詳しく説明する。透磁性断熱部６０は、断熱性樹脂などの断熱性を備える材料内にその断熱性が阻害されない程度に鉄などの透磁率の大きな金属粉を混ぜ込んで形成する。透磁性断熱部６０を複数の材料を配合して形成すると、熱伝導率と透磁率を狙いの値に近づけることができ、透磁性断熱部６０の作成も容易になる。
【００５５】
なお、熱輸送器配置板１５０は、熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…が輸送している熱を奪わないように、断熱性の高い材料で形成する。また、熱輸送器配置板１５０は磁性体に印加される磁束を減少させてはならないので、磁束を通過させやすい材料で形成することが好ましい。熱輸送器５０−１、５０−２、…は熱輸送器配置板１５０の上側に設けたが、熱輸送器配置板１５０の下側に設けても良い。また、熱輸送器５０−１、５０−２、…は上下の熱輸送器配置板１５０に挟まれるように設けても良い。
【００５６】
低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂには、熱交換のための冷媒を流通させる冷媒通路４１と４２（図８、図１１参照）を形成してある。冷媒通路４１と４２に流通させる冷媒は液体でも気体でも良い。本実施形態では冷媒に空気を用いる。低温側熱交換部４０Ａの冷媒通路４１には、冷却される空気が図示矢印方向に吸入されて、冷却された空気が図示矢印方向に排出される。高温側熱交換部４０Ｂの冷媒通路４２には、取り入れた空気が暖められて図８の裏側から表方向（図１１の矢印方向）に排出される。
【００５７】
＜磁性体＞
磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…は、本実施形態では同一材料で形成しており、同一材料として正の磁性体を用いる。正の磁性体は、磁気を印加していないときには常磁性状態（磁気スピンが無秩序の状態）となり、磁気を印加すると強磁性状態（磁気スピンが一方向に揃う状態）となる、常磁性状態と強磁性状態が可逆的に生じる材料を用いて製造する。
【００５８】
正の磁性体の材料は、ＧｄやＧｄをベースとした合金である、Ｇｄ−Ｙ系、Ｇｄ−Ｄｙ系、Ｇｄ−Ｅｒ系、Ｇｄ−Ｈｏ系、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ）１３やＬａ（Ｆｅ，Ａｌ）１３などの磁性材料を用いることができる。
【００５９】
一方、本実施形態では用いていないが、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…に同一材料として負の磁性材料を用いることもできる。負の磁性体の材料としては、ＦｅＲｈ合金、ＣｏＭｎＳｉＧｅ系、ＮｉＭｎＳｎ系などの磁性材料を用いることができる。
【００６０】
一般的に、正の磁性体と負の磁性体は、磁気の印加に対して、熱発生が、発熱するか、吸熱するか反対なので、正の磁性体と負の磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさは相違する。したがって、本実施形態のように、正か負のどちらか一方の磁性体を用いた場合には、全ての磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさが同一になる。したがって、磁気冷暖房装置全体として安定した熱伝達特性が得られ熱輸送効率が向上する。また、正の磁性体の磁気熱量効果に比較して負の磁性体の磁気熱量効果の方が小さいので、熱輸送効率を考慮すると、正の磁性体を用いることが好ましい。さらに、負の磁性体の材料は正の磁性体の材料に比較して希少な材料を用いることになるので、コストの面でも正の磁性体を用いることが好ましい。
【００６１】
また、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…に正または負の磁性体を用い、さらにこれらの磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…の作動温度を全て同一のものとすることができる。しかし、これに限らず、磁性体の作動温度が異なるものを配置することもできる。例えば、高温側熱交換部４０Ｂに隣り合う磁性体１０Ｆから低温側熱交換部４０Ａに隣り合う磁性体１０Ａに向けて段階的に作動温度が低い磁性体を配置することもできる。ここで、作動温度が高い磁性体と作動温度が低い磁性体との相違は、磁気熱量効果を発現する温度域が高い温度であるか低い温度であるかという点にある。
【００６２】
このように、熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…内において、磁性体の位置に応じて最適な作動温度を選択すると、均一の作動温度の磁性体を用いた熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…よりも、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間で、より大きな温度差を得ることができ、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができる。
＜熱伝導部＞
図８、図１２に示したように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置は、熱輸送器５０−１では、低温側熱交換部４０Ｂと磁性体１０Ａとの間に熱伝導部３０Ａを接続する。磁性体１０Ａ−１０Ｆのそれぞれの磁性体間に熱伝導部３０Ｂ−３０Ｆを接続する。磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間に熱伝導部３０Ｇを接続する。熱輸送器５０−２では、低温側熱交換部４０Ｂと磁性体１１Ａとの間に熱伝導部３１Ａを接続する。磁性体１１Ａ−１１Ｆのそれぞれの磁性体間に熱伝導部３１Ｂ−３１Ｆを接続する。磁性体１１Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間に熱伝導部３１Ｇを接続する。その他の熱輸送器の構成も熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２と同様である。
【００６３】
本実施形態に係る熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…は金属／絶縁相転移体によって構成される。熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…とそれらの間に配置する磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…とは接合又は接着によって取り付ける。したがって熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…は一体化されたものとなる。
【００６４】
金属／絶縁相転移体は、電圧を印加すると絶縁体から金属に相転移し、熱伝導率が大きくなる性質を持つものである。逆に、電圧を遮断すると金属から絶縁体に相転移し、熱伝導率が小さくなる性質を持つものである。金属と絶縁体の相互間の相転移を示す絶縁体には、無機酸化物モット絶縁体または有機モット絶縁体がある。無機酸化物モット絶縁体は少なくとも遷移金属元素を含む。モット絶縁体としては、ＬａＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ４、ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ＴＣＮＱ）が知られている。金属と絶縁体の相互間の相転移が可能なデバイスとして現在知られているものは、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子がある。熱は、熱電子および格子結晶によって移送することができる。ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ及びＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子は、電圧を印加すると熱電子が活発に移動するようになる性質を利用する。本実施形態では、金属／絶縁相転移体に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子など、電圧の印加除去によって熱伝導率が大きく変化するものを用いる。
【００６５】
金属／絶縁相転移体の対向する両面に直流電圧Ｖを印加すると、金属／絶縁相転移体の熱伝導率が相対的に大きくなって、磁性体間で熱の移動が起こる。一方、直流電圧Ｖを除去すると、金属／絶縁相転移体の熱伝導率が相対的に小さくなって、磁性体間の熱の移動が阻止される。したがって、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…は、電圧の印加、除去によって熱の移動を制御する熱スイッチとなる。
【００６６】
熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…の熱伝導の断続は、電圧の印加、除去によって制御できるので、磁性体間に熱伝導部を摺動させずに熱を輸送させることができる。このため、熱伝導部に摺動の耐久性を持たせる必要がなく、熱伝導部の信頼性が向上する。また、摩擦による機械的な損失をなくすことができ、熱伝導部を駆動させるための損失を低減できる。さらに、熱伝導部は磁性体との並び方向にのみ熱を輸送でき、熱伝導部の熱伝導率は摺動型のものに比較して大きくできるので、熱の輸送に際して熱的な損失を小さくできる。加えて、熱伝導部は、電圧の印加、除去に応じて、磁性体間を全ての接触面を使って接続できるので、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができる。
【００６７】
熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…のぞれぞれの熱伝導部に電極を設けることで、金属／絶縁相転移体に容易に電圧を印加することができる。また、金属／絶縁相転移体に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子を用いると、熱伝導率の変化の応答性が良好になる。
【００６８】
なお、本実施形態では、電圧の印加、除去によって、熱伝導率が変化する金属／絶縁相転移体を用いた熱伝導部を例示した。しかし、熱伝導部は、電圧を印加することによって熱伝導率が大きくなり、電圧を遮断することによって熱伝導率が小さくなる性質を有するものであればどのような構成のものでも使用できる。また、本実施形態では、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…及び熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…の形状を、扇を径方向に一定の幅で切り取ったような形状とした。しかし、これ以外の形状、例えば、球状、楕円体状、立方体状、円柱状、楕円柱状などの形状を採用しても良い。
【００６９】
＜磁気ユニットの構成＞
図９及び図１０に示す磁気ユニットは、図８に示した熱輸送ユニット１０００Ａを上下方向の両側から一定の隙間を設けて挟む。磁気ユニットの構成は下記のとおりである。
【００７０】
円形状の上側の磁気ユニット２０００Ａは、図９の表側を図８に示す熱輸送ユニット１０００Ａの表側に対向して位置させ、上側の磁気ユニット２０００Ａの中心を熱輸送ユニット１０００Ａの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図９は、熱輸送ユニット１０００Ａに対向して位置させた上側の磁気ユニット２０００Ａを熱輸送ユニット１０００Ａに向かって上から透視した状態を表している。
【００７１】
図９に示す磁気印加除去部１Ｕは、ある時刻で、図８に示した熱輸送器５０−１に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ａの外周から内周に向けて、磁性体１０Ａに対向する永久磁石２１Ａ、磁性体１０Ｃに対向する永久磁石２１Ｃ、磁性体１０Ｅに対向する永久磁石２１Ｅを有する。
【００７２】
図９に示す磁気印加除去部２Ｕは、上記と同じ時刻で図８に示した熱輸送器５０−２に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ａの外周から内周に向けて、磁性体１１Ｂに対向する永久磁石２２Ｂ、磁性体１１Ｄに対向する永久磁石２２Ｄ、磁性体１１Ｆに対向する永久磁石２２Ｆを有する。
【００７３】
磁気ユニット２０００Ａに存在するその他の磁気印加除去部は、磁気ユニット２０００Ａの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｕまたは磁気印加除去部２Ｕと同一である。
【００７４】
円形状の下側の磁気ユニット２０００Ｂは、図１０の表側を図８に示す熱輸送ユニット１０００Ａの裏側に対向して位置させ、下側の磁気ユニット２０００Ｂの中心を熱輸送ユニット１０００Ａの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図１０は、熱輸送ユニット１０００Ａに対向して位置させた下側の磁気ユニット２０００Ｂを熱輸送ユニット１０００側から見た状態を表している。
【００７５】
図１０に示す磁気印加除去部１Ｄは、上記と同じ時刻で、図８に示した熱輸送器５０−１に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ｂの外周から内周に向けて、磁性体１０Ａに対向する永久磁石２６Ａ、磁性体１０Ｃに対向する永久磁石２６Ｃ、磁性体１０Ｅに対向する永久磁石２６Ｅを有する。
【００７６】
図１０に示す磁気印加除去部２Ｄは、上記と同じ時刻で図８に示した熱輸送器５０−２に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ｂの外周から内周に向けて、磁性体１１Ｂに対向する永久磁石２７Ｂ、磁性体１１Ｄに対向する永久磁石２７Ｄ、磁性体１１Ｆに対向する永久磁石２７Ｆを有する。
【００７７】
磁気ユニット２０００Ｂに存在するその他の磁気印加除去部は、磁気ユニット２０００Ｂの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｄまたは磁気印加除去部２Ｄと同一である。
【００７８】
上側の磁気ユニット２０００Ａの各磁気印加除去部１Ｕ、２Ｕ、…と下側の磁気ユニット２０００Ｂの各磁気印加除去部１Ｄ、２Ｄ、…は熱輸送ユニット１０００の各熱輸送器５０−１、５０−２、…を介して上下方向で対向する。上側の磁気ユニット２０００Ａと下側の磁気ユニット２０００Ｂは、磁気印加除去部１Ｕと磁気印加除去部１Ｄを対峙させた状態で相対的な位置を変えずに同期して回転する。
【００７９】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂは中空の円形状に形成され、その内周部には高温側熱交換部４０Ｂの内部に形成した冷媒通路４２（図８、図１２）に空気を流通させるためのファン２１０を設けてある。冷媒通路４２は熱輸送ユニット１０００Ａと磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの積層方向に連通する円筒状の通路である。ファン２１０の内周面は、アウターローターモータ３５０（図１１参照）のローター（回転軸）３１０に固定してある。したがって、ローター３１０が回転すると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂが回転し、ファン２１０によって冷媒通路４２の下から上に向けて空気を流通させる。ファン２１０のブレード２１２は、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの回転によって空気流が生じるように、水平に対して最適な角度に曲げてある。アウターローターモータ３５０とすることによって、磁気冷暖房装置を小型化することができる。
【００８０】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの外周部には、低温側熱交換部４０Ａに形成してある冷媒通路４１に空気を流通させるためのファン２１５を設けてある。冷媒通路４１は、熱輸送ユニット１０００Ａ及び磁気ユニット２０００Ａの外周部に個々に形成した冷媒通路を直列に連通させこの冷媒通路を流れる冷媒を積層方向に流通させる通路である。ファン２１５には多数のブレード２１４が形成してある。したがって、ローター３１０が回転すると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂが回転し、ブレード２１４によって冷媒通路４１内の空気を熱輸送ユニット１０００Ａの外周に沿って流通させる。ブレード２１４は磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの回転によって冷媒通路４１内の空気を効率的に移動させるように、水平に対して直角に曲げてある。このように、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの内周部及び外周部にファン２１０、２１５を設けると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂに、単に磁気を印加・除去する役割だけではなく、冷媒を流通させるためのファンとしての役割も担わせることができる。また、冷媒通路４１、４２によって効率的に冷媒を流通させることができる。
【００８１】
本実施形態では、図１２に示すように、磁気ユニット２０００Ａの基準位置を検出するための基準位置検出センサ２５０を設けてある。また、図１１に示したアウターローターモータ３５０の回転位置を検出するための回転位置検出センサをアウターローターモータ３５０に内蔵してある。
【００８２】
図９、図１０及び図１２に示すように、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ…の両面に、環状かつ放射状に磁石を配置する。磁気ユニット２０００Ａに配置する磁石は、図１２に示すように、Ｎ極とＳ極とが対峙するように極性を考慮して配置する。
【００８３】
熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…と磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…は、図７に示すように、一定の間隔を設けて複数交互に積層する。熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…と磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…を複数積層すると、磁気冷暖房装置の熱容量を大きくすることができ、小さなスペースで効率的に熱を移動させることができる。熱輸送ユニット１０００Ａは、図８に示すように、ローター３１０にベアリング４５を介して固定する。したがって、積層された全ての熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…はローター３１０が回転しても回転することなく静止している。一方、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…は、図８−図１２に示すように、ローター３１０に取り付ける。したがって、積層された全ての磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂはローター３１０の回転と共に回転する。
【００８４】
なお、本実施形態では、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…をアウターローターモータ３５０で回転させる形態を説明したが、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…は固定し、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…を回転させるようにしても良い。磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…と熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の両方を相対的に回転させるようにしても良い。さらに、熱輸送器５０−１、５０−２、…は本実施形態のように環状に配置するのではなく、円筒の外周面に直線状に並列に配置するようにしてもよい。この場合、磁気ユニット２０００Ａは、熱輸送器５０−１、５０−２、…と同心状に熱輸送器５０−１、５０−２、…の外側に位置させた円筒の内周面に磁石を配置したものとなる。なお、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…に配置する磁石は永久磁石であることが好ましいが、電磁石を用いても良い。電磁石を用いた場合には、各磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の構造が複雑になる。回転した状態で、電磁石への給電がきるように配線する必要があるからである。したがって、本実施形態では、永久磁石を用いている。
【００８５】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が回転すると、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体は、３０度回転するごとに、１つおきに交互に磁気が印加または除去される。このとき、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の磁石は、回転方向に隣り合う一方の熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体から他方の熱輸送器５０の磁性体に乗り移る。しかし、本実施形態では磁性体と磁性体との間には、透磁性断熱部６０が存在するので、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の駆動力の変動はわずかなものとなる。駆動力の変動については図１３に基づいて説明する。
【００８６】
図１３は熱輸送ユニット１０００Ａに設けた透磁性断熱部６０の効果の説明に供する図である。図に示すように、磁石が図示の移動方向に移動し、磁石が磁性体を上下方向から挟む位置にあるときには、磁石の磁力線が磁性体を通り抜けて磁性体を発熱させる。このときには、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂに図示のような磁石の移動方向と反対方向の反力がかかる。磁石が移動し続けて、磁石の前部が磁性体と磁性体との間に存在する空隙にさしかかると（図示ａ位置）、反力が次第に大きくなる。本実施形態で設けてある透磁性断熱部６０がないと、図示するように、反力はＦAmaxまで大きくなる。磁石の後部がその空隙を抜ける場合には逆向きの反力が生じる（図示ｂ位置）。この反力の変動は、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂを駆動するアウターローターモータ３５０の必要容量を増加させる。アウターローターモータ３５０の駆動力は、最低限ＦAmax以上の反力以上でなければならないからである。また、反力の変動は、磁石が熱輸送器間を通過する度に生じるので、騒音や振動の発生原因ともなる。
【００８７】
ところが、本実施形態では、熱輸送器間に磁性体と同じ透磁率の透磁性断熱部６０を形成してあるので、図１３の下側の図に示す通り、上記のような反力の変動はかなり小さくなる。このため、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂは比較的スムースに回転でき、アウターローターモータ３５０の駆動力は磁石と磁性体との間に生じる反力よりも大きければ良くなる。このため、アウターローターモータ３５０は必要以上に大きなものを用意しなくても済み、磁気冷暖房装置の小型化が可能になる。また、騒音や振動も極端に少なくなって、静粛性を有する磁気冷暖房装置を実現できる。
【００８８】
熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体は、３０度回転するごとに、１つおきに交互に磁気が印加または除去される。つまり、各熱輸器５０−１、５０−２、…において、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅに磁気が印加される状態と、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆに磁気が印加される状態とが交互に起こる。このため、磁気ユニット２０００Ａが３０度回転するごとに、各熱輸器５０−１、５０−２、…の磁性体が発熱と吸熱を繰り返す。磁性体の単位時間当たりの発熱量は、磁気ユニット２０００Ａの回転速度によって変化する。発熱量を大きくしたければ磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の回転速度を速くする。大きな発熱量が必要なければ磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の回転速度を遅くする。
【００８９】
各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体が発熱しまた吸熱するときの熱を、低温側熱交換器４０Ａから高温側熱交換器４０Ｂに伝達させるには、最適なタイミングで各熱伝導部に電圧を印加または除去しなければならない。全ての熱伝導部の電圧の印加または除去のタイミングを制御するものが、図１４以降に示す制御系である。
【００９０】
図１４は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の制御系のブロック図である。また、図１５は、図１４の空調制御部と空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。
【００９１】
図１４に示すように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の制御系は、基準位置検出センサ２５０、空調情報入力部４６０、アウターローターモータ３５０、モータ制御部３８０、熱伝導部３０Ａから３０Ｇ、電圧印加制御部３８、空調制御部４５０を有する。アウターローターモータ３５０は、自身の回転位置を検出する回転位置検出センサ３７０を備えている。
【００９２】
基準位置検出センサ２５０は磁気ユニット２０００Ａ（図１１、図１２参照）に設定した基準位置を検出する。基準位置は磁気ユニット２０００Ａの外周に設ける。例えば、光を反射する反射体を磁気ユニット２０００Ａの外周に取り付けた場合には、その反射体の取り付け位置が基準位置となる。この場合、基準位置検出センサ２５０には受発光素子を用い、反射体が受発光素子からの光を反射すると、基準位置が検出される。
【００９３】
空調情報入力部４６０は空調に必要な情報を入力する。空調に必要な情報は、設定温度、低温側熱交換部入口温度、低温側熱交換部出口温度、高温側熱交換部入口温度、高温側熱交換部出口温度である。空調情報入力部４６０の具体的な説明は、後述の図１５に基づいて行う。
【００９４】
アウターローターモータ３５０は、熱輸送器５０−１、５０−２、…の各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するため磁石を駆動するモータである。具体的には、アウターローターモータ３５０は、図１２に示したように磁石が配置してある全ての磁気ユニット２０００Ａ、…を同時に回転させる。アウターローターモータ３５０には、自身の回転位置を検出する回転位置検出センサ３７０を設けてある。回転位置検出センサ３７０で検出した回転位置は、磁気ユニット２０００Ａ、…の回転速度を制御するために用いる。
【００９５】
モータ制御部３８０は、回転位置検出センサ３７０で検出した回転位置と、基準位置検出センサ２５０で検出した基準位置を用いて、アウターローターモータ３５０の回転を制御する。
【００９６】
熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、上述の通り、電圧が印加されると熱伝導率が大きくなり、電圧が除去されると熱伝導率が小さくなる。熱輸送器５０−１の磁性体間の熱伝導を断続させるものである。
【００９７】
電圧印加制御部３８は、アウターローターモータ３５０の回転位置に応じて、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに選択的に電圧を印加し除去する。アウターローターモータ３５０の回転位置は、回転位置検出センサ３７０で検出した回転位置と、基準位置検出センサ２５０で検出した基準位置によって判別できる。つまり、各磁石の位置が、各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体に対してどの位置にあるのかが認識できる。電圧印加制御部３８は、各磁石の位置が各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体の位置に対して最適な位置となったときに、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに選択的に電圧を印加し除去する。このように、電圧印加制御部３８は、磁石が各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するタイミングと同期させて各熱伝導部に電圧を印加し除去することにより、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱を輸送させる。
【００９８】
電圧印加制御部３８は、運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングを用いて、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに電圧を印加し除去する。運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングは、磁気冷暖房装置の運転に伴って、最適なタイミングに書き換える。運転条件は、熱輸送器５０−１、５０−２、…の要求熱量、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差または磁石の駆動パターンの少なくともいずれかである。
【００９９】
空調制御部４５０は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作を総括的に制御する。空調制御部４５０の具体的な説明については、後述の図１５に基づいて行う。
【０１００】
図１５に示すように、空調情報入力部４６０は、温度設定部４６２、低温側熱交換部入口温度センサ４６４、低温側熱交換部出口温度センサ４６６、高温側熱交換部入口温度センサ４６８、高温側熱交換部出口温度センサ４７０を有する。
【０１０１】
温度設定部４６２は、磁気冷暖房装置が空調する車室内の温度を設定するコントローラである。低温側熱交換部入口温度センサ４６４は、図８に示した熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の低温側熱交換部４０Ａに供給される冷媒の温度を検出する。低温側熱交換部入口温度センサ４６４は、低温側熱交換部４０Ａの冷媒入口部分に設ける。
【０１０２】
低温側熱交換部出口温度センサ４６６は、図８に示した熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の低温側熱交換部４０Ａから排出される冷媒の温度を検出する。低温側熱交換部出口温度センサ４６６は、低温側熱交換部４０Ａの冷媒出口部分に設ける。高温側熱交換部入口温度センサ４６８は、図１１、図１２に示した高温側熱交換部４０Ｂに供給される冷媒の温度を検出する。高温側熱交換部入口温度センサ４６８は、高温側熱交換部４０Ｂの冷媒入口部分に設ける。高温側熱交換部出口温度センサ４７０は、高温側熱交換部４０Ｂから排出される冷媒の温度を検出する。高温側熱交換部出口温度センサ４７０は、高温側熱交換部４０Ｂの冷媒出口部分に設ける。
【０１０３】
温度設定部４６２、低温側熱交換部入口温度センサ４６４、低温側熱交換部出口温度センサ４６６、高温側熱交換部入口温度センサ４６８、高温側熱交換部出口温度センサ４７０を設けるのは、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…でどの程度の熱量を低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに移動させなければならないかを知るためである。移動させなければならない熱量がわかれば、アウターローターモータ３５０の回転速度や、熱伝達部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…の電圧のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを調整することができる。
【０１０４】
空調制御部４５０は、スイッチング制御部４５２とスイッチングパターン記憶部４５４を有する。スイッチング制御部４５２は、設定温度、低温側熱交換部入口温度、低温側熱交換部出口温度、高温側熱交換部入口温度、高温側熱交換部出口温度を用いて、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に印加する電圧のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングを制御する。スイッチングパターン記憶部４５４は、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に印加する電圧のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングのパターンを記憶する。
【０１０５】
次に、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作を、図１６のフローチャートに基づいて簡単に説明する。図１６は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作フローチャートである。
（磁気冷暖房装置の動作）
まず、操作者は、温度設定部４６２から車室内の設定温度を入力する。設定温度が入力されると、空調制御部４５０は、要求熱量と要求温度差を入力する（Ｓ１）。空調制御部４５０は、車室内の空間容量、現在の車室内の温度、車室内の設定温度を参照して、車室内を設定温度にするために必要な要求熱量を求める。また、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの温度差を求める。この求めた値を、要求熱量、要求温度差として入力する。
【０１０６】
次に、空調制御部４５０は、入力した要求熱量と要求温度差をあらかじめ記憶しているマップと照合して磁気印加周波数ｆを求め、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンをスイッチングパターン記憶部４５４から取得する（Ｓ２）。スイッチングパターンのＴＳｓは、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…をＯＮさせるタイミング、換言すれば熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に電圧を印加するタイミングである。一方、スイッチングパターンのＴＳｅは、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…による熱伝導をＯＦＦさせるタイミング、換言すれば熱伝導部３０Ａ−３０Ｇから電圧を除去するタイミングである。
【０１０７】
空調制御部４５０は磁気冷暖房装置を運転する（Ｓ３）。つまり、空調制御部４５０は、求めた磁気印加周波数ｆを実現するために、モータ制御部３８０に回転数の指示を出す。磁気印加周波数は、１つの磁性体に対して１秒間に何回磁気の印加除去をするかを示すものである。例えば、磁気印加周波数ｆが６Ｈｚであったとすると、図８−図１２に示す構成の磁気冷暖房装置の場合、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が１秒間に１回転すると６回磁気の印加除去が行われるので、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…に要求される回転数は６０ｒｐｍである。モータ制御部３８０には、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が６０ｒｐｍで回転するために必要なアウターローターモータ３５０の回転数を指示する。また、空調制御部４５０は、スイッチングパターン記憶部４５４から取得したスイッチングパターンを再現するために、電圧印加制御部３８にスイッチングパターンを送る。
【０１０８】
空調制御部４５０はステップＳ３の運転が規定のサイクル行われたか否かを判断する（Ｓ４）。図７に示したように、磁気冷暖房装置の運転が開始された直後から、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間に次第に温度差が拡大していく。この温度差が要求温度差に達するまでには、あらかじめ規定してあるサイクルだけ磁気の印加、除去を繰り返さなければならない。本実施形態の磁気冷暖房装置の場合、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が１回転すると各熱輸送器５０−１、５０−２、…に磁気の印加、除去が６回繰り返される。したがって、例えば、規定サイクルが１２００サイクルに設定されていたとすると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が２００回転したか否かが判断される。
【０１０９】
空調制御部４５０はステップＳ３の運転が規定のサイクルまで達していなければ（Ｓ４：ＮＯ）、Ｓ３のステップの処理を繰り返す。一方、ステップＳ３の運転が規定のサイクルに達したら（Ｓ４：ＹＥＳ）次のステップの処理に進む。
【０１１０】
次に、空調制御部４５０は、出力熱量と出力温度差を演算する（Ｓ５）。出力熱量は、低温側熱交換部入口温度センサ４６４が検出した冷媒の低温側熱交換部入口温度Ｔｃｉと低温側熱交換部出口温度センサ４６６が検出した低温側熱交換部出口冷媒の温度Ｔｃｏとの温度差を求め、その温度差に冷媒の質量ｍｃと比熱Ｃｐを掛けることによって求める。また、出力温度差は、高温側熱交換部出口温度センサ４６８が検出した冷媒の高温側熱交換部出口温度Ｔｈｏと低温側熱交換部出口温度センサ４６６が検出した冷媒の温度低温側熱交換部出口Ｔｃｏとの温度差である。
【０１１１】
次に、空調制御部４５０は、ステップＳ１で入力した要求熱量とステップＳ５で求めた出力熱量との差を演算する。また、ステップＳ１で入力した要求温度差とステップＳ５で求めた出力温度差との差を演算する（Ｓ６）。
【０１１２】
空調制御部４５０は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内であるかを判断する（Ｓ７）。
【０１１３】
空調制御部４５０は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内であれば（Ｓ７：ＹＥＳ）、ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆと、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンを更新してスイッチングパターン記憶部４５４に記憶させる。ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆと、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンを用いて、磁気冷暖房装置の運転を継続する（Ｓ８）。
【０１１４】
空調制御部４５０は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内でなければ、ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆをｆ＋Δｆにし、熱伝導部３０Ａ−３０ＧのＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンのＴＳｓをＴＳｓ＋ΔＴ
Ｓｓに、ＴＳｅをＴＳｅ＋ΔＴＳｅに、それぞれ設定する（Ｓ９）。そして、ステップＳ
３からステップＳ７までの処理を繰り返す。このようにして、最適な磁気印加周波数ｆ及び最適なスイッチングパターンを学習させると、磁性体ごとに異なる熱発生特性及び熱伝導部ごとに異なる熱伝達特性のばらつきを補正することができる。
【０１１５】
以上のように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置では、磁石が配置されている磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…を回転させ、スイッチングパターンに沿って熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に電圧を印加するだけで、低温側熱交換器４０Ａから高温側熱交換器４０Ｂに向けて熱を移動させることができる。また、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の内周部に形成されているファン２１０によって高温側熱交換器４０Ｂの冷媒通路４２に磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…積層方向に空気が流通し暖かい空気を生成する。また、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の外周部に形成されているファン２１５によって低温側熱交換部４０Ａの冷媒通路４１に磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の回転方向に空気が流通し冷たい空気を生成する。
【０１１６】
［実施形態２］
図１７、図１８を参照して実施形態２に係る磁気冷暖房装置の構成について説明する。本実施形態に係る磁気冷暖房装置は、図１１及び図１２に示す構成において、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄのそれぞれを回転方向に僅かにずらして（位相差を持たせて）配置している。実施形態２に係る磁気冷暖房装置の動作は実施形態１に係る磁気冷暖房装置の動作と同一である。
【０１１７】
図１７は、実施形態２に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。図１８は、各熱輸送ユニットの配置に位相差を持たせた場合の効果の説明に供する図である。
【０１１８】
図１７に示す熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄは、実施形態１の熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…とは異なって、透磁性断熱部６０を設けていない。このため、各熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄに、図８で説明したようなFmaxの反力が発生する。単に熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄを積層したのでは、すべての熱輸送ユニット１００に発生する反力の総和が大きくなってしまう。本実施形態では、この反力の総和を小さくしている。
【０１１９】
図１１、図１２に示したように、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…は磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…と交互に積層される。本実施形態では、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…を積層するときには、図１７に示すように、積層方向上から順番に、７.５度ずつ回転方向にずらして配置する。
【０１２０】
図１７に示すように、最初に配置する熱輸送ユニット１０００Ａは、回転方向に位相をずらすことなく配置する。熱輸送ユニット１０００Ａの下には熱輸送ユニット１０００Ｂを７.５度回転方向に位相をずらして配置する。熱輸送ユニット１０００Ｂの下に積層する熱輸送ユニット１０００Ｃ、１０００Ｄ、…も同様に、真上の熱輸送ユニットに対して７.５度回転方向に位相をずらして配置する。このように、各熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…を配置すると、熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間の空隙（図８参照）を積層方向に重ねずに複数枚の熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…を配置することができる。
【０１２１】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が回転すると、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄ、…の各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体１０Ａ−１０Ｆ、１１Ａ−１１Ｆ、…は、３０度回転するごとに、１つおきに交互に磁気が印加または除去される。このとき、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の磁石は、回転方向に隣り合う一方の熱輸送器の磁性体から他方の熱輸送器の磁性体に乗り移る。しかし、本実施形態では熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄをそれぞれ相互に位相をずらして配置しているので、それぞれの熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄの駆動力の変動は分散される。駆動力の変動については図１８に基づいて説明する。
【０１２２】
図１８に示すように、磁石が図示の移動方向に移動し、磁性体と重複する位置にあるときには、磁石の磁力線が磁性体を通り抜けて磁性体を発熱させる。このときには、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂに図示のような磁石の移動方向と反対方向の反力がかかる。磁石が移動し続けて、磁石の前部が磁性体と磁性体との間に存在する空隙にさしかかると（図示ａ位置）、反力が次第に大きくなって、４枚の熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄによって、反力はＦAmax（単層の場合の４倍の大きさの反力）まで大きくなる。続いて磁石の後部がその空隙を抜ける場合には逆向きに同じ大きさの反力が生じる（図示ｂ位置）。この反力の変動は、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂを駆動するアウターローターモータ３５０の必要容量を増加させる。アウターローターモータ３５０の駆動力は、最低限ＦAmax以上の反力以上でなければならないからである。また、反力の変動は、磁石が熱輸送器５０−１、５０−２間を通過する度に生じるので、騒音や振動の発生原因ともなる。
【０１２３】
本実施形態のように、各熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄを積層方向で位相差を持たせて配置するようにすると、図１８の下側の図に示すように、単層の場合と同一の反力はあるものの、それぞれの反力は分散さる。このため、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂは位相差を持たない場合よりも比較的スムースに回転でき、アウターローターモータ３５０の駆動力は単層の場合に生じる反力よりも大きければ良くなる。このため、アウターローターモータ３５０は必要以上に大きなものを用意しなくても済み、磁気冷暖房装置の小型化が可能になる。また、騒音や振動も極端に少なくなって、静粛性を有する磁気冷暖房装置を実現できる。
【０１２４】
なお、本実施形態では、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄの配置に位相差を持たせたが、磁気ユニット２０００Ａ−２０００Ｄの配置に位相差を持たせてもよい。また、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄと磁気ユニット２０００Ａ−２０００Ｄの両方の配置に位相差を持たせてもよい。
【０１２５】
以上のように、本発明に係る磁気冷暖房装置によれば、磁気ユニット２０００Ａ、…の駆動力の変動を小さくできるので、磁気冷暖房装置を駆動するためのモータを小型化することができる。したがってモータの消費電力を小さくできる。したがって、磁気冷暖房装置のエネルギー効率を高めることができ、磁気冷暖房装置を低騒音化、低振動化することができる。
【０１２６】
以上の実施形態では、熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間に透磁性遮断部６０を設けたものと設けないものとを別々に例示した。透磁性遮断部６０を設けたもの（実施形態１）は積層方向で位相を変えずに配置し、透磁性遮断部６０を設けないもの（実施形態２）は積層方向で位相を変えて配置した。しかし、これ以外にも、熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間に透磁性遮断部６０を設け、さらに積層方向で位相を変えて配置する形態も構成できる。この場合には、実施形態１及び実施形態２の場合よりもさらにモータの消費電力を小さくできる。
【符号の説明】
【０１２７】
１０Ａ−１０Ｆ、１１Ａ−１１Ｆ 磁性体、
２１Ａ−２１Ｆ、２２Ａ−２２Ｆ、２６Ａ−２６Ｆ、２７Ａ−２７Ｆ 永久磁石、
３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ 熱伝導部、
４０Ａ 低温側熱交換部、
４０Ｂ 高温側熱交換部、
５０−１、５０−２ 熱輸送器、
６０ 透磁性遮断部、
１０００Ａ−１０００Ｄ 熱輸送ユニット、
２０００Ａ，２０００Ｂ 磁気ユニット、
２１０、２１５ ファン、
２５０ 基準位置検出センサ、
３５０ アウターローターモータ（モータ）、
３１０ ローター（回転軸）、
４５０ 空調制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気冷暖房装置に係り、特に、駆動力の変動を小さくできる磁気冷暖房装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来用いられている室温域の冷凍機、例えば、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどの冷凍機の大半は、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒の相変化を利用している。最近では、フロンガスの排出に伴うオゾン層破壊の問題が露呈し、さらに、代替フロンガスの排出に伴う地球温暖化への影響も懸念されている。このため、フロンガスや代替フロンガスなどの気体冷媒を用いた冷凍機に代わる、クリーンでかつ熱輸送能力の高い、革新的な冷凍機の開発が強く望まれている。
【０００３】
このような背景から、最近になって注目されるようになった冷凍技術が磁気冷凍技術である。磁性体の中には、その磁性体に印加する磁界の大きさが変化すると、その変化に応じて自身の温度を変化させる、いわゆる磁気熱量効果を発現するものがある。この磁気熱量効果を発現する磁性体を利用して熱を輸送する冷凍技術が磁気冷凍技術である。
【０００４】
磁気冷凍技術を応用した冷凍機としては、例えば、下記特許文献１に記載されているような、固体物質の熱伝導を利用して熱を輸送する磁気冷凍機がある。この磁気冷凍機は以下のような構成によって熱を伝導させる。
【０００５】
磁気を印加すると温度が上昇する正の磁性体と、磁気を印加すると温度が下降する負の磁性体とを、所定の間隔で交互に複数一方向に並べて配置する。正負一対の磁性体で１つの磁性体ブロックを形成する。一方向に並ぶ複数の磁性体ブロックを環状に複数配置して磁性体ユニットを形成する。この磁性体ユニットと同心で内径と外径が略等しいハブ状の回転体に永久磁石を配置して磁気ユニットを形成する。正負の磁性体との間を挿脱する熱伝導部材を正負の磁性体との間で摺動自在となるように配置する。
【０００６】
永久磁石が配置されている磁気ユニットを磁性体ユニットと対向するように配置して磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。正負の磁性体との間で挿脱される熱伝導部材を磁性体ユニットに対し相対的に回転させる。磁気ユニットの回転によって正負の磁性体に同時に磁気が印加されまた除去される。また、熱伝導部材が回転方向に並ぶ正負の磁性体との間で挿脱される。永久磁石と熱伝導部材が回転することで、磁気熱量効果により磁性体が発生する熱を磁性体が配置される一方向に熱伝導部材を介して輸送する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１４７２０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１に記載されている発明の場合、磁性体ユニットにおいて磁気ユニットの回転方向に隣り合う磁性体間には、熱伝導を遮断するため空隙が形成されている。そのため、磁性体間を永久磁石が通過するときには磁気ユニットに瞬間的に大きな反力がかかり、磁気ユニットの駆動力が変動する。磁性体間を永久磁石が通過するときには磁力線に乱れが生じるからである。
【０００９】
また、磁性体ユニットと磁気ユニットとは複数積層され、各磁性体ユニットの磁性体の配置と各磁気ユニットの永久磁石の配置が積層方向で全て同一であり、たとえば、前述の磁性体間の空隙の位置が積層方向で一列に並んでいる。そのため、前述の磁気ユニットの駆動力の変動は、積層した磁気ユニットの数だけ累積され、無視できないほど大きくなる。
【００１０】
磁気ユニットの駆動力の変動は次のような不具合を生じさせる。
【００１１】
まず、磁気ユニットを駆動するモータの容量は、駆動力の変動分を考慮して大き目のものを用いることになる。このため、モータは大型になり、消費電力が大きくなり、冷凍機の小型化、冷凍機のエネルギー効率に悪影響を与える。また、駆動力の変動は磁気ユニットが一回転する間に周期的に生じるため、冷凍機の騒音や振動の発生原因となる。
【００１２】
本発明は、上記のような従来の数々の不具合を軽減するために成されたものであり、駆動力の変動を小さくできる磁気冷暖房装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するための本発明に係る磁気冷暖房装置は、熱輸送ユニット、磁気ユニット及びモータを備える。
【００１４】
熱輸送ユニットは、磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する熱輸送器を、間隔を設けて複数並列に配置する。磁気ユニットは、熱輸送ユニットの各磁性体と対峙し当該各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する。モータは、対向して配置する熱輸送ユニット及び磁気ユニットの少なくともいずれか一方を熱輸送器の配置方向に相対的に移動させる。熱輸送ユニットの熱輸送器と熱輸送器との間には、磁性体の透磁率と同等の透磁率を有し、熱伝導を遮断する透磁性断熱部を形成する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る磁気冷暖房装置によれば、熱輸送ユニットまたは磁気ユニットの駆動力の変動を小さくできるので、磁気冷暖房装置を駆動するためのモータを小型化でき、モータの消費電力を小さくできる。そのため、磁気冷暖房装置のエネルギー効率を高めることができ、磁気冷暖房装置の低騒音化、低振動化をも達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理の説明に供する図であり、複数の熱輸送器を配置した熱輸送ユニットの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理の説明に供する図であり、複数の磁気印加除去部を配置した上側の磁気ユニットの構成を示す図である。
【図３】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理の説明に供する図であり、複数の磁気印加除去部を配置した下側の磁気ユニットの構成を示す図である。
【図４】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作説明に供する図である。
【図５】本発明に係る磁気冷暖房装置の動作説明に供する図である。
【図６】本発明に係る磁気冷暖房装置において熱が移動していく様子の説明に供する図である。
【図７】本発明に係る磁気冷暖房装置の効果を示すグラフである。
【図８】実施形態１に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。
【図９】図８の熱輸送ユニットを挟む上側の磁気ユニットの構成図である。
【図１０】図８の熱輸送ユニットを挟む下側の磁気ユニットの構成図である。
【図１１】実施形態１に係る磁気冷暖房装置の断面図である。
【図１２】図１１の磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットと両磁気ユニットの断面図である。
【図１３】熱輸送ユニットに設けた透磁性断熱部の効果の説明に供する図である。
【図１４】実施形態１に係る磁気冷暖房装置の制御系のブロック図である。
【図１５】図１４の空調制御部と空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。
【図１６】図１４の磁気冷暖房装置の動作フローチャートである。
【図１７】実施形態２に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。
【図１８】各熱輸送ユニットを積層方向に位相差を持たせて配置した場合の効果の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
各実施形態を説明する前に本発明に係る磁気冷暖房装置の動作原理を説明する。
（磁気冷暖房装置の動作原理）
＜熱輸送ユニットの構成＞
図１は複数の熱輸送器を配置した熱輸送ユニットの構成を示す図である。円形状の熱輸送ユニットは分離部１３０Ａ−１３０Ｄで区分した４つの熱輸送器１−４を有する。各熱輸送器は低温側熱交換部４００Ａから高温側熱交換部４００Ｂに熱を伝導させる。各熱輸送器は磁性体と熱伝導部を交互に配置して形成する。磁性体には、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いる。熱伝導部には、電圧の印加、除去により熱伝導率が大きく変化する特性を持つ材料を用いる。熱伝導部は、電圧を印加（ＯＮ）すると熱伝導率が大きくなり、電圧を除去（ＯＦＦ）すると熱伝導率が小さくなる。このため、熱伝導部は、電圧の印加、除去を制御することで磁性体に熱を伝導させたりさせなかったりすることができ、磁性体の並び方向に向けて効率的に熱を伝達させることができる。
【００１８】
たとえば、熱輸送器１は、磁性体１００Ａ−１００Ｅと熱伝導部３００Ａ−３００Ｇとを交互に配置している。具体的には、低温側熱交換部４００Ａから熱伝導部３００Ａ−磁性体１００Ａ−熱伝導部３００Ｂ−磁性体１００Ｂ−熱伝導部３００Ｃ−磁性体１００Ｃ−熱伝導部３００Ｄ−磁性体１００Ｄ−熱伝導部３００Ｅ−磁性体１００Ｅ−熱伝導部３００Ｆ−磁性体１００Ｆ−熱伝導部３００Ｇの順に配置して高温側熱交換部４００Ｂに至る。低温側熱交換部４００Ａと熱伝導部３００Ａ、熱伝導部３００Ａから熱伝導部３００Ｇまでの各熱伝導部と磁性体、熱伝導部３００Ｇと高温側熱交換部４００Ｂは相互に隙間なく接続してある。熱輸送器２−４の構成も熱輸送器１の構成と同一である。
【００１９】
＜磁気ユニットの構成＞
図２及び図３に示す磁気ユニットは、図１に示した熱輸送ユニットを上下方向の両側から一定の隙間を設けて挟む。磁気ユニットの構成は下記のとおりである。
【００２０】
図２は、複数の磁気印加除去部を配置した上側の磁気ユニットの構成を示す図である。円形状の上側の磁気ユニットは分離部２００ＡＵ−２００ＤＵで区分した４つの磁気印加除去部１Ｕ−４Ｕを有する。図２に示す上側の磁気ユニットは、図の表側を図１に示す熱輸送ユニットの表側に対向して位置させ、上側の磁気ユニットの中心を熱輸送ユニットの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図２は、熱輸送ユニットに対向して位置させた上側の磁気ユニットを熱輸送ユニットに向かって上から透視した状態を表している。
【００２１】
磁気印加除去部１Ｕは、熱輸送器１に磁気印加除去部１Ｕが対峙する時刻Ｔ１の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ａに対向する永久磁石２１０Ａ、磁性体１００Ｃに対向する永久磁石２１０Ｃ、磁性体１００Ｅに対向する永久磁石２１０Ｅを有する。
【００２２】
磁気印加除去部２Ｕは、熱輸送器１に磁気印加除去部２Ｕが対峙する時刻Ｔ２の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ｂに対向する永久磁石２２０Ｂ、磁性体１００Ｄに対向する永久磁石２２０Ｄ、磁性体１００Ｆに対向する永久磁石２２０Ｆを有する。
【００２３】
磁気印加除去部３Ｕと磁気印加除去部４Ｕは上側の磁気ユニットの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｕと磁気印加除去部２Ｕと同一である。磁気印加除去部３Ｕは時刻Ｔ３の時に熱輸送器１と対峙し、磁気印加除去部４Ｕは時刻Ｔ４の時に熱輸送器１と対峙する。
【００２４】
図３は、複数の磁気印加除去部を配置した下側の磁気ユニットの構成を示す図である。円形状の下側の磁気ユニットは分離部２００ＡＤ−２００ＤＤで区分した４つの磁気印加除去部１Ｄ−４Ｄを有する。図３に示す下側の磁気ユニットは、図の表側を図１に示す熱輸送ユニットの裏側に対向して位置させ、下側の磁気ユニットの中心を熱輸送ユニットの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図３は、熱輸送ユニットに対向して位置させた下側の磁気ユニットを熱輸送ユニット側から見た状態を表している。
【００２５】
磁気印加除去部１Ｄは、熱輸送器１に磁気印加除去部１Ｄが対峙する時刻Ｔ１の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ａに対向する永久磁石２６０Ａ、磁性体１００Ｃに対向する永久磁石２６０Ｃ、磁性体１００Ｅに対向する永久磁石２６０Ｅを有する。
【００２６】
磁気印加除去部２Ｄは、熱輸送器１に磁気印加除去部２Ｄが対峙する時刻Ｔ２の時に、磁気ユニットの外周から内周に向けて、磁性体１００Ｂに対向する永久磁石２７０Ｂ、磁性体１００Ｄに対向する永久磁石２７０Ｄ、磁性体１００Ｆに対向する永久磁石２７０Ｆを有する。
【００２７】
磁気印加除去部３Ｄと磁気印加除去部４Ｄは下側の磁気ユニットの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｄと磁気印加除去部２Ｄと同一である。磁気印加除去部３Ｄは時刻Ｔ３の時に熱輸送器１と対峙し、磁気印加除去部４Ｄは時刻Ｔ４の時に熱輸送器１と対峙する。
【００２８】
上側の磁気ユニットの各磁気印加除去部１Ｕ−４Ｕと下側の磁気ユニットの各磁気印加除去部１Ｄ−４Ｄは熱輸送ユニットの各熱輸送器１−４を介して上下方向で対向する。上側の磁気ユニットと下側の磁気ユニットは、上側の磁気ユニットの分離部２００ＡＵ−２００ＤＵと下側の磁気ユニットの分離部２００ＡＤ−２００ＤＤが常に対向するように、相対的な位置を変えずに同期して回転する。
【００２９】
＜熱輸送の原理＞
図４及び図５は、本発明に係る磁気冷暖房装置の動作説明に供する図である。図４は、時刻Ｔ１と時刻Ｔ２の２つの状態を示す。時刻Ｔ１の状態は、図１の熱輸送ユニットのＡ−Ａ線が図２及び図３の上側と下側の磁気ユニットのＡ−Ａ線と一致している状態である。つまり、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部１Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部１Ｄに対峙している状態である。また、時刻Ｔ２の状態は、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部２Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部２Ｄに対峙している状態である。図５は、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４の２つの状態を示す。時刻Ｔ３の状態は、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部３Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部３Ｄに対峙している状態である。また、時刻Ｔ４の状態は、熱輸送ユニットの熱輸送器１が上側の磁気ユニットの磁気印加除去部４Ｕと下側の磁気ユニットの磁気印加除去部４Ｄに対峙している状態である。
【００３０】
時刻Ｔ１では、図４に示す通り、磁性体１００Ａに永久磁石２１０Ａと２６０Ａが位置する。また、磁性体１００Ｃに永久磁石２１０Ｃと２６０Ｃが位置する。また、磁性体１００Ｅに永久磁石２１０Ｅと２６０Ｅが位置する。時刻Ｔ１では、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆに電圧を印加して、隣り合う磁性体１００Ａ−１００Ｂ、１００Ｃ−１００Ｄ、１００Ｅ−１００Ｆ間で熱伝導できるようにする。
【００３１】
時刻Ｔ２では、上側と下側の磁気ユニットが時刻Ｔ１から９０度時計方向に回転するので、図４に示す通り、磁性体１００Ｂに永久磁石２２０Ｂと２７０Ｂが位置する。また、磁性体１００Ｄに永久磁石２２０Ｄと２７０Ｄが位置する。また、磁性体１００Ｆに永久磁石２２０Ｆと２７０Ｆが位置する。時刻Ｔ２では、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加して、低温側熱伝導部４００Ａと磁性体１００Ａ、磁性体１００Ｂ−１００Ｃ、１００Ｄ−１００Ｅ、磁性体１００Ｆと高温側熱伝導部４００Ｂそれぞれの間で熱伝導できるようにする。
【００３２】
時刻Ｔ３では、上側と下側の磁気ユニットが時刻Ｔ２からさらに９０度時計方向に回転するので、図５に示す通り、磁性体１００Ａに永久磁石２３０Ａと２８０Ａが位置する。また、磁性体１００Ｃに永久磁石２３０Ｃと２８０Ｃが位置する。また、磁性体１００Ｅに永久磁石２３０Ｅと２８０Ｅが位置する。時刻Ｔ３では、時刻Ｔ１と同じく、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆに電圧を印加して、隣り合う磁性体１００Ａ−１００Ｂ、１００Ｃ−１００Ｄ、１００Ｅ−１００Ｆ間で熱伝導できるようにする。
【００３３】
時刻Ｔ４では、上側と下側の磁気ユニットが時刻Ｔ３からさらに９０度時計方向に回転するので、図５に示す通り、磁性体１００Ｂに永久磁石２４０Ｂと２９０Ｂが位置する。また、磁性体１００Ｄに永久磁石２４０Ｄと２９０Ｄが位置する。また、磁性体１００Ｆに永久磁石２４０Ｆと２９０Ｆが位置する。時刻Ｔ４では、時刻Ｔ２と同じく、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加して、低温側熱伝導部４００Ａと磁性体１００Ａ、磁性体１００Ｂ−１００Ｃ、１００Ｄ−１００Ｅ、磁性体１００Ｆと高温側熱伝導部４００Ｂそれぞれの間で熱伝導できるようにする。
【００３４】
このように、永久磁石の位置関係を追うと、時刻Ｔ１からＴ４に移行する間に、時刻Ｔ１とＴ２における、永久磁石、磁性体、熱伝導部の同じ位置関係が２回繰り返される。
【００３５】
上記のように、各磁性体には正の磁性体を用いているので、磁気が印加されると発熱し、磁気が除去されると吸熱する。また、熱伝導部には磁気の印加除去によって熱伝導率が変化する材料を用いているので、磁気が印加されると熱伝導率が相対的に大きくなり、磁気が除去されると熱伝導率が相対的に小さくなる。
【００３６】
したがって、時刻Ｔ１からＴ４に移行するにしたがって、低温側熱交換部４００Ａから高温側熱交換部４００Ｂに向けて熱が移動し、低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間に温度差ができる。温度差ができる原理は次のとおりである。
【００３７】
図６は、本発明に係る磁気冷暖房装置において熱が移動していく様子の説明に供する図である。熱が移動していく様子は図４と図５を参照しながら説明する。
【００３８】
まず前提として、全ての磁性体が同一材料で形成されており、全ての磁性体の磁気熱量効果が同一の種類であって、温度変化量が５℃のものを用いた場合を想定する。具体的には、全ての磁性体は、磁気が印加されると５℃温度が上昇し、磁気が除去されると５℃温度が下降する特性を持っていると想定する。また、全ての熱伝導部材も電圧の印加、除去によって同じように熱伝導率が大きくなりまた小さくなる特性を持っていると想定する。
【００３９】
まず、初期の時刻Ｔ１の状態では全ての磁性体１００Ａ−１００Ｆ及び熱伝導部３００Ａ−３００Ｇが室温の２０℃になっている。低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間で、交互に配置した磁性体と熱伝導部は熱輸送器を形成する。
【００４０】
次に、時刻Ｔ２の状態に移行すると、永久磁石、磁性体、熱伝導部の位置関係が、図４の時刻Ｔ１で示す状態から時刻Ｔ２で示すような状態になる。時刻Ｔ２では、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加する。その結果、図６に示すように、磁性体１００Ａの温度が５℃下降し、熱伝導部３００Ａによる熱伝導が可能になって、低温側熱交換部４００Ａから磁性体１００Ａに熱が移動する。また、磁性体１００Ｂ、１００Ｄの温度が５℃上昇し、磁性体１００Ｃ、１００Ｅの温度が５℃下降し、熱伝導部３００Ｃ、３００Ｅによる熱伝導が可能になって、磁性体１００Ｂから磁性体１００Ｃに、磁性体１００Ｄから磁性体１００Ｅに熱が移動する。また、磁性体１００Ｆの温度が５℃上昇し、熱伝導部３００Ｇによる熱伝導が可能になって、磁性体１００Ｆから高温側熱交換部４００Ｂに熱が移動する。
【００４１】
時刻Ｔ２の状態では、磁気が除去された磁性体１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｅの温度が１５℃に下降し、磁気が印加された磁性体１００Ｂ、１００Ｄ、１００Ｆの温度が２５℃に上昇する。このため、図６に示すように、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇを介して温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。
【００４２】
この熱の移動によって、図６のＴ２´の状態で示すように、磁性体１００Ａと低温側熱交換部４００Ａの温度が１７．５℃になり、磁性体１００Ｆと高温側熱交換部４００Ｂの温度が２２．５℃になる。
【００４３】
次に、時刻Ｔ２´の状態からＴ３の状態に移行すると、永久磁石、磁性体、熱伝導部の位置関係が、図４及び図５の時刻Ｔ２に示す状態から時刻Ｔ３で示すような状態になる。時刻Ｔ３では、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆに電圧を印加する。その結果、磁性体１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｅの温度が５℃上昇し、磁性体１００Ｂ、１００Ｄ、１００Ｆの温度が５℃下降し、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆによる熱伝導が可能になって、磁性体１００Ａから磁性体１００Ｂに、磁性体１００Ｃから磁性体１００Ｄに、磁性体１００Ｅから磁性体１００Ｆに熱が移動する。
【００４４】
時刻Ｔ３の状態では、磁気が印加された磁性体１００Ａ、１００Ｃ、１００Ｅの温度が２２．５℃または２５℃に上昇し、磁気が除去された磁性体１００Ｂ、１００Ｄ、１００Ｆの温度が１５℃または１７．５℃に下降する。このため、図６に示すように、熱伝導部３００Ｂ、３００Ｄ、３００Ｆを介して温度の高い方から温度の低いほうに熱が移動する。
【００４５】
この熱の移動によって、図６のＴ３´に示すように、低温側熱交換部４００Ａの温度が１７．５℃になり、磁性体１００Ａ、１００Ｂの温度が１８．７５℃になる。磁性体１００Ｃ、１００Ｄの温度が２０℃になり、磁性体１００Ｅ、１００Ｆの温度が２１．２５℃になる。高温側熱交換部４０Ｂの温度は２２．５℃のままである。
【００４６】
次に、時刻Ｔ３´の状態からＴ４の状態に移行すると、永久磁石、磁性体、熱伝導部の位置関係が、図４の時刻Ｔ２で示した状態と同一の状態になる。時刻Ｔ４では、時刻Ｔ２と同じく、熱伝導部３００Ａ、３００Ｃ、３００Ｅ、３００Ｇに電圧を印加する。その結果、図６のＴ２. Ｔ４に示すような状態となって、低温側熱交換部４００Ａから磁性体１００Ａに熱が移動し、磁性体１００Ｂから磁性体１００Ｃに、磁性体１００Ｄから磁性体１００Ｅに熱が移動し、磁性体１００Ｆから高温側熱交換部４００Ｂに熱が移動する。
【００４７】
以上の通り、上側の磁気ユニットと下側の磁気ユニットが同期して１回転する度に、時刻Ｔ１の状態から時刻Ｔ４の状態が繰り返されて、低温側熱交換部４００Ａから高温側熱交換部４００Ｂに熱が移動する。時間が経過するにしたがって、図７に示すように、低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間の温度差が大きくなっていく。最終的には、低温側熱交換部４００Ａと高温側熱交換部４００Ｂとの間の温度差が安定する。この状態で、低温側熱交換部４００Ａの熱を利用して、たとえば室内の温度を下げることができ、高温側熱交換部４００Ｂの熱を利用して、たとえば室内の温度を上げることができる。
【００４８】
なお、図１−図７の説明は、発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として正の磁性体を用いた場合に当てはまる。発現される磁気熱量効果の種類が同じ同一材料の磁性体として負の磁性体を用いた場合には、熱の移動方向は図４−図６に示した方向とは逆になる。したがって、負の磁性体を用いた場合、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂの位置が図１、図４−図６とは逆になる。
【００４９】
次に、本発明に係る磁気冷暖房装置の実施形態を、［実施形態１］と［実施形態２］に分けて説明する。［実施形態１］に係る磁気冷暖房装置は、熱輸送ユニットの熱輸送器と熱輸送器との間に磁気ユニットの駆動力を低減させる透磁性断熱部を形成する。［実施形態２］に係る磁気冷暖房装置は、複数の熱輸送ユニットを、磁気ユニットの駆動力を低減させるため、各々回転方向に少しずつずらして配置する。
【００５０】
［実施形態１］
次に、図８−図１２を参照して実施形態１に係る磁気冷暖房装置の構成について説明する。以下に説明する実施形態１に係る磁気冷暖房装置の動作原理は上述の熱輸送の原理と同一である。図８は、実施形態１に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。図９は、図８の熱輸送ユニットを挟む上側の磁気ユニットの構成図である。図１０は、図８の熱輸送ユニットを挟む下側の磁気ユニットの構成図である。図１１は、実施形態１に係る磁気冷暖房装置の断面図である。図１２は、図１１の磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットと両磁気ユニットの断面図である。
【００５１】
（磁気冷暖房装置の構成）
＜熱輸送ユニットの構成＞
図８に示すように、磁気冷暖房装置の熱輸送ユニット１０００Ａは中空の円形状に形成する。熱輸送ユニット１０００Ａの中空の部分には円筒状の高温側熱交換部４０Ｂを配置し、高温側熱交換部４０Ｂを取り囲むように低温側熱交換部４０Ａを設ける。低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の空間に１ｍｍ程度の厚みの熱輸送器配置板１５０（図１２参照）をはめ込み、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとで固定する。高温側熱交換部４０Ｂ内にはベアリング４５を介して回転自在にロータ３１０が取り付けてある。
【００５２】
熱輸送器配置板１５０上の中心角３０度の扇状の空間に、図８及び図１２に示すように、磁気熱量効果を有する磁性体１０Ａ−１０Ｆとこれらの磁性体の熱を輸送する熱伝導部３０Ａ−３０Ｇとを交互に配置する。交互に配置した磁性体１０Ａ−１０Ｆと熱伝導部３０Ａ−３０Ｇで１つの熱輸送器５０−１を構成する。熱輸送器５０−１に隣接する中心角３０度の扇状の空間に、図８に示すように、磁気熱量効果を有する磁性体１１Ａ−１１Ｆとこれらの磁性体の熱を輸送する熱伝導部３１Ａ−３１Ｇとを交互に配置する。交互に配置した磁性体１１Ａ−１１Ｆと熱伝導部３１Ａ−３１Ｇで１つの熱輸送器５０−２を構成する。熱輸送器５０−１、５０−２、…は熱輸送器配置板１５０上に間隔を設けて複数並列に環状に配置する。熱輸送器配置板１５０上で環状に間隔を設けて熱輸送器５０−１、５０−２、…を配置したものが熱輸送ユニット１０００となる。
【００５３】
図８、図１２に示すように、熱輸送器５０−１、５０−２、…は、熱輸送器配置板１５０上に中心角３０度ごとに並列に合計１２個配置される。なお、１２個の熱輸送器５０−１、５０−２、…のそれぞれは間隔を設けて配置する。隣り合う熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間には、それぞれの熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２の磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆの透磁率と同等の透磁率を有し、隣り合う熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との熱伝導を遮断できる透磁性断熱部６０を形成する。熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２間の熱伝導を透磁性断熱部６０で遮断すると、冷暖房に寄与しない熱の放出量が減少し、磁気冷暖房装置の熱効率が向上する。
【００５４】
透磁性断熱部６０は隣り合う熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２の磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１１Ａ−１１Ｆとの間を埋めるように形成する。透磁性断熱部６０は、隣り合う熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２の磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１１Ａ−１１Ｆとの間に入り込み、磁性体１０Ａ−１０Ｆと磁性体１１Ａ−１１Ｆ同士の間に空隙がなくなって磁気ユニットの駆動力のピークが平準化される。平準化される理由については後で詳しく説明する。透磁性断熱部６０は、断熱性樹脂などの断熱性を備える材料内にその断熱性が阻害されない程度に鉄などの透磁率の大きな金属粉を混ぜ込んで形成する。透磁性断熱部６０を複数の材料を配合して形成すると、熱伝導率と透磁率を狙いの値に近づけることができ、透磁性断熱部６０の作成も容易になる。
【００５５】
なお、熱輸送器配置板１５０は、熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…が輸送している熱を奪わないように、断熱性の高い材料で形成する。また、熱輸送器配置板１５０は磁性体に印加される磁束を減少させてはならないので、磁束を通過させやすい材料で形成することが好ましい。熱輸送器５０−１、５０−２、…は熱輸送器配置板１５０の上側に設けたが、熱輸送器配置板１５０の下側に設けても良い。また、熱輸送器５０−１、５０−２、…は上下の熱輸送器配置板１５０に挟まれるように設けても良い。
【００５６】
低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂには、熱交換のための冷媒を流通させる冷媒通路４１と４２（図８、図１１参照）を形成してある。冷媒通路４１と４２に流通させる冷媒は液体でも気体でも良い。本実施形態では冷媒に空気を用いる。低温側熱交換部４０Ａの冷媒通路４１には、冷却される空気が図示矢印方向に吸入されて、冷却された空気が図示矢印方向に排出される。高温側熱交換部４０Ｂの冷媒通路４２には、取り入れた空気が暖められて図８の裏側から表方向（図１１の矢印方向）に排出される。
【００５７】
＜磁性体＞
磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…は、本実施形態では同一材料で形成しており、同一材料として正の磁性体を用いる。正の磁性体は、磁気を印加していないときには常磁性状態（磁気スピンが無秩序の状態）となり、磁気を印加すると強磁性状態（磁気スピンが一方向に揃う状態）となる、常磁性状態と強磁性状態が可逆的に生じる材料を用いて製造する。
【００５８】
正の磁性体の材料は、ＧｄやＧｄをベースとした合金である、Ｇｄ−Ｙ系、Ｇｄ−Ｄｙ系、Ｇｄ−Ｅｒ系、Ｇｄ−Ｈｏ系、Ｌａ（Ｆｅ，Ｓｉ）１３やＬａ（Ｆｅ，Ａｌ）１３などの磁性材料を用いることができる。
【００５９】
一方、本実施形態では用いていないが、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…に同一材料として負の磁性材料を用いることもできる。負の磁性体の材料としては、ＦｅＲｈ合金、ＣｏＭｎＳｉＧｅ系、ＮｉＭｎＳｎ系などの磁性材料を用いることができる。
【００６０】
一般的に、正の磁性体と負の磁性体は、磁気の印加に対して、熱発生が、発熱するか、吸熱するか反対なので、正の磁性体と負の磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさは相違する。したがって、本実施形態のように、正か負のどちらか一方の磁性体を用いた場合には、全ての磁性体の磁気熱量効果による温度変化の大きさが同一になる。したがって、磁気冷暖房装置全体として安定した熱伝達特性が得られ熱輸送効率が向上する。また、正の磁性体の磁気熱量効果に比較して負の磁性体の磁気熱量効果の方が小さいので、熱輸送効率を考慮すると、正の磁性体を用いることが好ましい。さらに、負の磁性体の材料は正の磁性体の材料に比較して希少な材料を用いることになるので、コストの面でも正の磁性体を用いることが好ましい。
【００６１】
また、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…に正または負の磁性体を用い、さらにこれらの磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…の作動温度を全て同一のものとすることができる。しかし、これに限らず、磁性体の作動温度が異なるものを配置することもできる。例えば、高温側熱交換部４０Ｂに隣り合う磁性体１０Ｆから低温側熱交換部４０Ａに隣り合う磁性体１０Ａに向けて段階的に作動温度が低い磁性体を配置することもできる。ここで、作動温度が高い磁性体と作動温度が低い磁性体との相違は、磁気熱量効果を発現する温度域が高い温度であるか低い温度であるかという点にある。
【００６２】
このように、熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…内において、磁性体の位置に応じて最適な作動温度を選択すると、均一の作動温度の磁性体を用いた熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…よりも、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間で、より大きな温度差を得ることができ、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができる。
＜熱伝導部＞
図８、図１２に示したように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置は、熱輸送器５０−１では、低温側熱交換部４０Ｂと磁性体１０Ａとの間に熱伝導部３０Ａを接続する。磁性体１０Ａ−１０Ｆのそれぞれの磁性体間に熱伝導部３０Ｂ−３０Ｆを接続する。磁性体１０Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間に熱伝導部３０Ｇを接続する。熱輸送器５０−２では、低温側熱交換部４０Ｂと磁性体１１Ａとの間に熱伝導部３１Ａを接続する。磁性体１１Ａ−１１Ｆのそれぞれの磁性体間に熱伝導部３１Ｂ−３１Ｆを接続する。磁性体１１Ｆと高温側熱交換部４０Ｂとの間に熱伝導部３１Ｇを接続する。その他の熱輸送器の構成も熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２と同様である。
【００６３】
本実施形態に係る熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…は金属／絶縁相転移体によって構成される。熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…とそれらの間に配置する磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…とは接合又は接着によって取り付ける。したがって熱輸送器５０−１、熱輸送器５０−２、…は一体化されたものとなる。
【００６４】
金属／絶縁相転移体は、電圧を印加すると絶縁体から金属に相転移し、熱伝導率が大きくなる性質を持つものである。逆に、電圧を遮断すると金属から絶縁体に相転移し、熱伝導率が小さくなる性質を持つものである。金属と絶縁体の相互間の相転移を示す絶縁体には、無機酸化物モット絶縁体または有機モット絶縁体がある。無機酸化物モット絶縁体は少なくとも遷移金属元素を含む。モット絶縁体としては、ＬａＴｉＯ３、ＳｒＲｕＯ４、ＢＥＤＴ−ＴＴＦ（ＴＣＮＱ）が知られている。金属と絶縁体の相互間の相転移が可能なデバイスとして現在知られているものは、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子がある。熱は、熱電子および格子結晶によって移送することができる。ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ及びＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子は、電圧を印加すると熱電子が活発に移動するようになる性質を利用する。本実施形態では、金属／絶縁相転移体に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子など、電圧の印加除去によって熱伝導率が大きく変化するものを用いる。
【００６５】
金属／絶縁相転移体の対向する両面に直流電圧Ｖを印加すると、金属／絶縁相転移体の熱伝導率が相対的に大きくなって、磁性体間で熱の移動が起こる。一方、直流電圧Ｖを除去すると、金属／絶縁相転移体の熱伝導率が相対的に小さくなって、磁性体間の熱の移動が阻止される。したがって、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…は、電圧の印加、除去によって熱の移動を制御する熱スイッチとなる。
【００６６】
熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…の熱伝導の断続は、電圧の印加、除去によって制御できるので、磁性体間に熱伝導部を摺動させずに熱を輸送させることができる。このため、熱伝導部に摺動の耐久性を持たせる必要がなく、熱伝導部の信頼性が向上する。また、摩擦による機械的な損失をなくすことができ、熱伝導部を駆動させるための損失を低減できる。さらに、熱伝導部は磁性体との並び方向にのみ熱を輸送でき、熱伝導部の熱伝導率は摺動型のものに比較して大きくできるので、熱の輸送に際して熱的な損失を小さくできる。加えて、熱伝導部は、電圧の印加、除去に応じて、磁性体間を全ての接触面を使って接続できるので、熱輸送能力及び熱輸送効率を向上させることができる。
【００６７】
熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…のぞれぞれの熱伝導部に電極を設けることで、金属／絶縁相転移体に容易に電圧を印加することができる。また、金属／絶縁相転移体に、少なくとも遷移金属元素を含む無機酸化物モット絶縁体、有機モット絶縁体、ＺｎＯ単結晶薄膜電気二重層ＦＥＴ、ＴＭＴＳＦ／ＴＣＮＱ積層型ＦＥＴ素子を用いると、熱伝導率の変化の応答性が良好になる。
【００６８】
なお、本実施形態では、電圧の印加、除去によって、熱伝導率が変化する金属／絶縁相転移体を用いた熱伝導部を例示した。しかし、熱伝導部は、電圧を印加することによって熱伝導率が大きくなり、電圧を遮断することによって熱伝導率が小さくなる性質を有するものであればどのような構成のものでも使用できる。また、本実施形態では、磁性体１０Ａ−１０Ｆ、磁性体１１Ａ−１１Ｆ、…及び熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、熱伝導部３１Ａ−３１Ｇ、…の形状を、扇を径方向に一定の幅で切り取ったような形状とした。しかし、これ以外の形状、例えば、球状、楕円体状、立方体状、円柱状、楕円柱状などの形状を採用しても良い。
【００６９】
＜磁気ユニットの構成＞
図９及び図１０に示す磁気ユニットは、図８に示した熱輸送ユニット１０００Ａを上下方向の両側から一定の隙間を設けて挟む。磁気ユニットの構成は下記のとおりである。
【００７０】
円形状の上側の磁気ユニット２０００Ａは、図９の表側を図８に示す熱輸送ユニット１０００Ａの表側に対向して位置させ、上側の磁気ユニット２０００Ａの中心を熱輸送ユニット１０００Ａの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図９は、熱輸送ユニット１０００Ａに対向して位置させた上側の磁気ユニット２０００Ａを熱輸送ユニット１０００Ａに向かって上から透視した状態を表している。
【００７１】
図９に示す磁気印加除去部１Ｕは、ある時刻で、図８に示した熱輸送器５０−１に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ａの外周から内周に向けて、磁性体１０Ａに対向する永久磁石２１Ａ、磁性体１０Ｃに対向する永久磁石２１Ｃ、磁性体１０Ｅに対向する永久磁石２１Ｅを有する。
【００７２】
図９に示す磁気印加除去部２Ｕは、上記と同じ時刻で図８に示した熱輸送器５０−２に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ａの外周から内周に向けて、磁性体１１Ｂに対向する永久磁石２２Ｂ、磁性体１１Ｄに対向する永久磁石２２Ｄ、磁性体１１Ｆに対向する永久磁石２２Ｆを有する。
【００７３】
磁気ユニット２０００Ａに存在するその他の磁気印加除去部は、磁気ユニット２０００Ａの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｕまたは磁気印加除去部２Ｕと同一である。
【００７４】
円形状の下側の磁気ユニット２０００Ｂは、図１０の表側を図８に示す熱輸送ユニット１０００Ａの裏側に対向して位置させ、下側の磁気ユニット２０００Ｂの中心を熱輸送ユニット１０００Ａの中心と一致させて、時計回りに回転自在に支持する。図１０は、熱輸送ユニット１０００Ａに対向して位置させた下側の磁気ユニット２０００Ｂを熱輸送ユニット１０００側から見た状態を表している。
【００７５】
図１０に示す磁気印加除去部１Ｄは、上記と同じ時刻で、図８に示した熱輸送器５０−１に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ｂの外周から内周に向けて、磁性体１０Ａに対向する永久磁石２６Ａ、磁性体１０Ｃに対向する永久磁石２６Ｃ、磁性体１０Ｅに対向する永久磁石２６Ｅを有する。
【００７６】
図１０に示す磁気印加除去部２Ｄは、上記と同じ時刻で図８に示した熱輸送器５０−２に対峙する。その時刻では、磁気ユニット２０００Ｂの外周から内周に向けて、磁性体１１Ｂに対向する永久磁石２７Ｂ、磁性体１１Ｄに対向する永久磁石２７Ｄ、磁性体１１Ｆに対向する永久磁石２７Ｆを有する。
【００７７】
磁気ユニット２０００Ｂに存在するその他の磁気印加除去部は、磁気ユニット２０００Ｂの中心と点対称であるので、永久磁石の並びは、磁気印加除去部１Ｄまたは磁気印加除去部２Ｄと同一である。
【００７８】
上側の磁気ユニット２０００Ａの各磁気印加除去部１Ｕ、２Ｕ、…と下側の磁気ユニット２０００Ｂの各磁気印加除去部１Ｄ、２Ｄ、…は熱輸送ユニット１０００の各熱輸送器５０−１、５０−２、…を介して上下方向で対向する。上側の磁気ユニット２０００Ａと下側の磁気ユニット２０００Ｂは、磁気印加除去部１Ｕと磁気印加除去部１Ｄを対峙させた状態で相対的な位置を変えずに同期して回転する。
【００７９】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂは中空の円形状に形成され、その内周部には高温側熱交換部４０Ｂの内部に形成した冷媒通路４２（図８、図１２）に空気を流通させるためのファン２１０を設けてある。冷媒通路４２は熱輸送ユニット１０００Ａと磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの積層方向に連通する円筒状の通路である。ファン２１０の内周面は、アウターローターモータ３５０（図１１参照）のローター（回転軸）３１０に固定してある。したがって、ローター３１０が回転すると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂが回転し、ファン２１０によって冷媒通路４２の下から上に向けて空気を流通させる。ファン２１０のブレード２１２は、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの回転によって空気流が生じるように、水平に対して最適な角度に曲げてある。アウターローターモータ３５０とすることによって、磁気冷暖房装置を小型化することができる。
【００８０】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの外周部には、低温側熱交換部４０Ａに形成してある冷媒通路４１に空気を流通させるためのファン２１５を設けてある。冷媒通路４１は、熱輸送ユニット１０００Ａ及び磁気ユニット２０００Ａの外周部に個々に形成した冷媒通路を直列に連通させこの冷媒通路を流れる冷媒を積層方向に流通させる通路である。ファン２１５には多数のブレード２１４が形成してある。したがって、ローター３１０が回転すると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂが回転し、ブレード２１４によって冷媒通路４１内の空気を熱輸送ユニット１０００Ａの外周に沿って流通させる。ブレード２１４は磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの回転によって冷媒通路４１内の空気を効率的に移動させるように、水平に対して直角に曲げてある。このように、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂの内周部及び外周部にファン２１０、２１５を設けると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂに、単に磁気を印加・除去する役割だけではなく、冷媒を流通させるためのファンとしての役割も担わせることができる。また、冷媒通路４１、４２によって効率的に冷媒を流通させることができる。
【００８１】
本実施形態では、図１２に示すように、磁気ユニット２０００Ａの基準位置を検出するための基準位置検出センサ２５０を設けてある。また、図１１に示したアウターローターモータ３５０の回転位置を検出するための回転位置検出センサをアウターローターモータ３５０に内蔵してある。
【００８２】
図９、図１０及び図１２に示すように、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ…の両面に、環状かつ放射状に磁石を配置する。磁気ユニット２０００Ａに配置する磁石は、図１２に示すように、Ｎ極とＳ極とが対峙するように極性を考慮して配置する。
【００８３】
熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…と磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…は、図７に示すように、一定の間隔を設けて複数交互に積層する。熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…と磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…を複数積層すると、磁気冷暖房装置の熱容量を大きくすることができ、小さなスペースで効率的に熱を移動させることができる。熱輸送ユニット１０００Ａは、図８に示すように、ローター３１０にベアリング４５を介して固定する。したがって、積層された全ての熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…はローター３１０が回転しても回転することなく静止している。一方、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…は、図８−図１２に示すように、ローター３１０に取り付ける。したがって、積層された全ての磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂはローター３１０の回転と共に回転する。
【００８４】
なお、本実施形態では、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…をアウターローターモータ３５０で回転させる形態を説明したが、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…は固定し、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…を回転させるようにしても良い。磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…と熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の両方を相対的に回転させるようにしても良い。さらに、熱輸送器５０−１、５０−２、…は本実施形態のように環状に配置するのではなく、円筒の外周面に直線状に並列に配置するようにしてもよい。この場合、磁気ユニット２０００Ａは、熱輸送器５０−１、５０−２、…と同心状に熱輸送器５０−１、５０−２、…の外側に位置させた円筒の内周面に磁石を配置したものとなる。なお、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…に配置する磁石は永久磁石であることが好ましいが、電磁石を用いても良い。電磁石を用いた場合には、各磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の構造が複雑になる。回転した状態で、電磁石への給電がきるように配線する必要があるからである。したがって、本実施形態では、永久磁石を用いている。
【００８５】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が回転すると、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体は、３０度回転するごとに、１つおきに交互に磁気が印加または除去される。このとき、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の磁石は、回転方向に隣り合う一方の熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体から他方の熱輸送器５０の磁性体に乗り移る。しかし、本実施形態では磁性体と磁性体との間には、透磁性断熱部６０が存在するので、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の駆動力の変動はわずかなものとなる。駆動力の変動については図１３に基づいて説明する。
【００８６】
図１３は熱輸送ユニット１０００Ａに設けた透磁性断熱部６０の効果の説明に供する図である。図に示すように、磁石が図示の移動方向に移動し、磁石が磁性体を上下方向から挟む位置にあるときには、磁石の磁力線が磁性体を通り抜けて磁性体を発熱させる。このときには、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂに図示のような磁石の移動方向と反対方向の反力がかかる。磁石が移動し続けて、磁石の前部が磁性体と磁性体との間に存在する空隙にさしかかると（図示ａ位置）、反力が次第に大きくなる。本実施形態で設けてある透磁性断熱部６０がないと、図示するように、反力はＦAmaxまで大きくなる。磁石の後部がその空隙を抜ける場合には逆向きの反力が生じる（図示ｂ位置）。この反力の変動は、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂを駆動するアウターローターモータ３５０の必要容量を増加させる。アウターローターモータ３５０の駆動力は、最低限ＦAmax以上の反力以上でなければならないからである。また、反力の変動は、磁石が熱輸送器間を通過する度に生じるので、騒音や振動の発生原因ともなる。
【００８７】
ところが、本実施形態では、熱輸送器間に磁性体と同じ透磁率の透磁性断熱部６０を形成してあるので、図１３の下側の図に示す通り、上記のような反力の変動はかなり小さくなる。このため、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂは比較的スムースに回転でき、アウターローターモータ３５０の駆動力は磁石と磁性体との間に生じる反力よりも大きければ良くなる。このため、アウターローターモータ３５０は必要以上に大きなものを用意しなくても済み、磁気冷暖房装置の小型化が可能になる。また、騒音や振動も極端に少なくなって、静粛性を有する磁気冷暖房装置を実現できる。
【００８８】
熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体は、３０度回転するごとに、１つおきに交互に磁気が印加または除去される。つまり、各熱輸器５０−１、５０−２、…において、磁性体１０Ａ、１０Ｃ、１０Ｅに磁気が印加される状態と、磁性体１０Ｂ、１０Ｄ、１０Ｆに磁気が印加される状態とが交互に起こる。このため、磁気ユニット２０００Ａが３０度回転するごとに、各熱輸器５０−１、５０−２、…の磁性体が発熱と吸熱を繰り返す。磁性体の単位時間当たりの発熱量は、磁気ユニット２０００Ａの回転速度によって変化する。発熱量を大きくしたければ磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の回転速度を速くする。大きな発熱量が必要なければ磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の回転速度を遅くする。
【００８９】
各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体が発熱しまた吸熱するときの熱を、低温側熱交換器４０Ａから高温側熱交換器４０Ｂに伝達させるには、最適なタイミングで各熱伝導部に電圧を印加または除去しなければならない。全ての熱伝導部の電圧の印加または除去のタイミングを制御するものが、図１４以降に示す制御系である。
【００９０】
図１４は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の制御系のブロック図である。また、図１５は、図１４の空調制御部と空調情報入力部のさらに具体的な制御系のブロック図である。
【００９１】
図１４に示すように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の制御系は、基準位置検出センサ２５０、空調情報入力部４６０、アウターローターモータ３５０、モータ制御部３８０、熱伝導部３０Ａから３０Ｇ、電圧印加制御部３８、空調制御部４５０を有する。アウターローターモータ３５０は、自身の回転位置を検出する回転位置検出センサ３７０を備えている。
【００９２】
基準位置検出センサ２５０は磁気ユニット２０００Ａ（図１１、図１２参照）に設定した基準位置を検出する。基準位置は磁気ユニット２０００Ａの外周に設ける。例えば、光を反射する反射体を磁気ユニット２０００Ａの外周に取り付けた場合には、その反射体の取り付け位置が基準位置となる。この場合、基準位置検出センサ２５０には受発光素子を用い、反射体が受発光素子からの光を反射すると、基準位置が検出される。
【００９３】
空調情報入力部４６０は空調に必要な情報を入力する。空調に必要な情報は、設定温度、低温側熱交換部入口温度、低温側熱交換部出口温度、高温側熱交換部入口温度、高温側熱交換部出口温度である。空調情報入力部４６０の具体的な説明は、後述の図１５に基づいて行う。
【００９４】
アウターローターモータ３５０は、熱輸送器５０−１、５０−２、…の各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するため磁石を駆動するモータである。具体的には、アウターローターモータ３５０は、図１２に示したように磁石が配置してある全ての磁気ユニット２０００Ａ、…を同時に回転させる。アウターローターモータ３５０には、自身の回転位置を検出する回転位置検出センサ３７０を設けてある。回転位置検出センサ３７０で検出した回転位置は、磁気ユニット２０００Ａ、…の回転速度を制御するために用いる。
【００９５】
モータ制御部３８０は、回転位置検出センサ３７０で検出した回転位置と、基準位置検出センサ２５０で検出した基準位置を用いて、アウターローターモータ３５０の回転を制御する。
【００９６】
熱伝導部３０Ａ−３０Ｇは、上述の通り、電圧が印加されると熱伝導率が大きくなり、電圧が除去されると熱伝導率が小さくなる。熱輸送器５０−１の磁性体間の熱伝導を断続させるものである。
【００９７】
電圧印加制御部３８は、アウターローターモータ３５０の回転位置に応じて、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに選択的に電圧を印加し除去する。アウターローターモータ３５０の回転位置は、回転位置検出センサ３７０で検出した回転位置と、基準位置検出センサ２５０で検出した基準位置によって判別できる。つまり、各磁石の位置が、各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体に対してどの位置にあるのかが認識できる。電圧印加制御部３８は、各磁石の位置が各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体の位置に対して最適な位置となったときに、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに選択的に電圧を印加し除去する。このように、電圧印加制御部３８は、磁石が各磁性体に選択的に磁気を印加し除去するタイミングと同期させて各熱伝導部に電圧を印加し除去することにより、低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに熱を輸送させる。
【００９８】
電圧印加制御部３８は、運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングを用いて、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇに電圧を印加し除去する。運転条件ごとに定めた、電圧の印加、除去のタイミングは、磁気冷暖房装置の運転に伴って、最適なタイミングに書き換える。運転条件は、熱輸送器５０−１、５０−２、…の要求熱量、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間の温度差または磁石の駆動パターンの少なくともいずれかである。
【００９９】
空調制御部４５０は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作を総括的に制御する。空調制御部４５０の具体的な説明については、後述の図１５に基づいて行う。
【０１００】
図１５に示すように、空調情報入力部４６０は、温度設定部４６２、低温側熱交換部入口温度センサ４６４、低温側熱交換部出口温度センサ４６６、高温側熱交換部入口温度センサ４６８、高温側熱交換部出口温度センサ４７０を有する。
【０１０１】
温度設定部４６２は、磁気冷暖房装置が空調する車室内の温度を設定するコントローラである。低温側熱交換部入口温度センサ４６４は、図８に示した熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の低温側熱交換部４０Ａに供給される冷媒の温度を検出する。低温側熱交換部入口温度センサ４６４は、低温側熱交換部４０Ａの冷媒入口部分に設ける。
【０１０２】
低温側熱交換部出口温度センサ４６６は、図８に示した熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…の低温側熱交換部４０Ａから排出される冷媒の温度を検出する。低温側熱交換部出口温度センサ４６６は、低温側熱交換部４０Ａの冷媒出口部分に設ける。高温側熱交換部入口温度センサ４６８は、図１１、図１２に示した高温側熱交換部４０Ｂに供給される冷媒の温度を検出する。高温側熱交換部入口温度センサ４６８は、高温側熱交換部４０Ｂの冷媒入口部分に設ける。高温側熱交換部出口温度センサ４７０は、高温側熱交換部４０Ｂから排出される冷媒の温度を検出する。高温側熱交換部出口温度センサ４７０は、高温側熱交換部４０Ｂの冷媒出口部分に設ける。
【０１０３】
温度設定部４６２、低温側熱交換部入口温度センサ４６４、低温側熱交換部出口温度センサ４６６、高温側熱交換部入口温度センサ４６８、高温側熱交換部出口温度センサ４７０を設けるのは、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…でどの程度の熱量を低温側熱交換部４０Ａから高温側熱交換部４０Ｂに移動させなければならないかを知るためである。移動させなければならない熱量がわかれば、アウターローターモータ３５０の回転速度や、熱伝達部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…の電圧のＯＮ、ＯＦＦのタイミングを調整することができる。
【０１０４】
空調制御部４５０は、スイッチング制御部４５２とスイッチングパターン記憶部４５４を有する。スイッチング制御部４５２は、設定温度、低温側熱交換部入口温度、低温側熱交換部出口温度、高温側熱交換部入口温度、高温側熱交換部出口温度を用いて、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に印加する電圧のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングを制御する。スイッチングパターン記憶部４５４は、各熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に印加する電圧のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングのパターンを記憶する。
【０１０５】
次に、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作を、図１６のフローチャートに基づいて簡単に説明する。図１６は、本実施形態に係る磁気冷暖房装置の動作フローチャートである。
（磁気冷暖房装置の動作）
まず、操作者は、温度設定部４６２から車室内の設定温度を入力する。設定温度が入力されると、空調制御部４５０は、要求熱量と要求温度差を入力する（Ｓ１）。空調制御部４５０は、車室内の空間容量、現在の車室内の温度、車室内の設定温度を参照して、車室内を設定温度にするために必要な要求熱量を求める。また、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの温度差を求める。この求めた値を、要求熱量、要求温度差として入力する。
【０１０６】
次に、空調制御部４５０は、入力した要求熱量と要求温度差をあらかじめ記憶しているマップと照合して磁気印加周波数ｆを求め、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンをスイッチングパターン記憶部４５４から取得する（Ｓ２）。スイッチングパターンのＴＳｓは、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…をＯＮさせるタイミング、換言すれば熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に電圧を印加するタイミングである。一方、スイッチングパターンのＴＳｅは、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…による熱伝導をＯＦＦさせるタイミング、換言すれば熱伝導部３０Ａ−３０Ｇから電圧を除去するタイミングである。
【０１０７】
空調制御部４５０は磁気冷暖房装置を運転する（Ｓ３）。つまり、空調制御部４５０は、求めた磁気印加周波数ｆを実現するために、モータ制御部３８０に回転数の指示を出す。磁気印加周波数は、１つの磁性体に対して１秒間に何回磁気の印加除去をするかを示すものである。例えば、磁気印加周波数ｆが６Ｈｚであったとすると、図８−図１２に示す構成の磁気冷暖房装置の場合、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が１秒間に１回転すると６回磁気の印加除去が行われるので、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…に要求される回転数は６０ｒｐｍである。モータ制御部３８０には、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が６０ｒｐｍで回転するために必要なアウターローターモータ３５０の回転数を指示する。また、空調制御部４５０は、スイッチングパターン記憶部４５４から取得したスイッチングパターンを再現するために、電圧印加制御部３８にスイッチングパターンを送る。
【０１０８】
空調制御部４５０はステップＳ３の運転が規定のサイクル行われたか否かを判断する（Ｓ４）。図７に示したように、磁気冷暖房装置の運転が開始された直後から、低温側熱交換部４０Ａと高温側熱交換部４０Ｂとの間に次第に温度差が拡大していく。この温度差が要求温度差に達するまでには、あらかじめ規定してあるサイクルだけ磁気の印加、除去を繰り返さなければならない。本実施形態の磁気冷暖房装置の場合、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が１回転すると各熱輸送器５０−１、５０−２、…に磁気の印加、除去が６回繰り返される。したがって、例えば、規定サイクルが１２００サイクルに設定されていたとすると、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が２００回転したか否かが判断される。
【０１０９】
空調制御部４５０はステップＳ３の運転が規定のサイクルまで達していなければ（Ｓ４：ＮＯ）、Ｓ３のステップの処理を繰り返す。一方、ステップＳ３の運転が規定のサイクルに達したら（Ｓ４：ＹＥＳ）次のステップの処理に進む。
【０１１０】
次に、空調制御部４５０は、出力熱量と出力温度差を演算する（Ｓ５）。出力熱量は、低温側熱交換部入口温度センサ４６４が検出した冷媒の低温側熱交換部入口温度Ｔｃｉと低温側熱交換部出口温度センサ４６６が検出した低温側熱交換部出口冷媒の温度Ｔｃｏとの温度差を求め、その温度差に冷媒の質量ｍｃと比熱Ｃｐを掛けることによって求める。また、出力温度差は、高温側熱交換部出口温度センサ４６８が検出した冷媒の高温側熱交換部出口温度Ｔｈｏと低温側熱交換部出口温度センサ４６６が検出した冷媒の温度低温側熱交換部出口Ｔｃｏとの温度差である。
【０１１１】
次に、空調制御部４５０は、ステップＳ１で入力した要求熱量とステップＳ５で求めた出力熱量との差を演算する。また、ステップＳ１で入力した要求温度差とステップＳ５で求めた出力温度差との差を演算する（Ｓ６）。
【０１１２】
空調制御部４５０は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内であるかを判断する（Ｓ７）。
【０１１３】
空調制御部４５０は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内であれば（Ｓ７：ＹＥＳ）、ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆと、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンを更新してスイッチングパターン記憶部４５４に記憶させる。ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆと、熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…のＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンを用いて、磁気冷暖房装置の運転を継続する（Ｓ８）。
【０１１４】
空調制御部４５０は、要求熱量と出力熱量との差と、要求温度差と出力温度差との差が規定範囲以内でなければ、ステップＳ２で求めた磁気印加周波数ｆをｆ＋Δｆにし、熱伝導部３０Ａ−３０ＧのＯＮ、ＯＦＦのスイッチングパターンのＴＳｓをＴＳｓ＋ΔＴ
Ｓｓに、ＴＳｅをＴＳｅ＋ΔＴＳｅに、それぞれ設定する（Ｓ９）。そして、ステップＳ
３からステップＳ７までの処理を繰り返す。このようにして、最適な磁気印加周波数ｆ及び最適なスイッチングパターンを学習させると、磁性体ごとに異なる熱発生特性及び熱伝導部ごとに異なる熱伝達特性のばらつきを補正することができる。
【０１１５】
以上のように、本実施形態に係る磁気冷暖房装置では、磁石が配置されている磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…を回転させ、スイッチングパターンに沿って熱伝導部３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ、…に電圧を印加するだけで、低温側熱交換器４０Ａから高温側熱交換器４０Ｂに向けて熱を移動させることができる。また、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の内周部に形成されているファン２１０によって高温側熱交換器４０Ｂの冷媒通路４２に磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…積層方向に空気が流通し暖かい空気を生成する。また、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の外周部に形成されているファン２１５によって低温側熱交換部４０Ａの冷媒通路４１に磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の回転方向に空気が流通し冷たい空気を生成する。
【０１１６】
［実施形態２］
図１７、図１８を参照して実施形態２に係る磁気冷暖房装置の構成について説明する。本実施形態に係る磁気冷暖房装置は、図１１及び図１２に示す構成において、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄのそれぞれを回転方向に僅かにずらして（位相差を持たせて）配置している。実施形態２に係る磁気冷暖房装置の動作は実施形態１に係る磁気冷暖房装置の動作と同一である。
【０１１７】
図１７は、実施形態２に係る磁気冷暖房装置の熱輸送ユニットの構成図である。図１８は、各熱輸送ユニットの配置に位相差を持たせた場合の効果の説明に供する図である。
【０１１８】
図１７に示す熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄは、実施形態１の熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、…とは異なって、透磁性断熱部６０を設けていない。このため、各熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄに、図８で説明したようなFmaxの反力が発生する。単に熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄを積層したのでは、すべての熱輸送ユニット１００に発生する反力の総和が大きくなってしまう。本実施形態では、この反力の総和を小さくしている。
【０１１９】
図１１、図１２に示したように、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…は磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…と交互に積層される。本実施形態では、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…を積層するときには、図１７に示すように、積層方向上から順番に、７.５度ずつ回転方向にずらして配置する。
【０１２０】
図１７に示すように、最初に配置する熱輸送ユニット１０００Ａは、回転方向に位相をずらすことなく配置する。熱輸送ユニット１０００Ａの下には熱輸送ユニット１０００Ｂを７.５度回転方向に位相をずらして配置する。熱輸送ユニット１０００Ｂの下に積層する熱輸送ユニット１０００Ｃ、１０００Ｄ、…も同様に、真上の熱輸送ユニットに対して７.５度回転方向に位相をずらして配置する。このように、各熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…を配置すると、熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間の空隙（図８参照）を積層方向に重ねずに複数枚の熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄ、…を配置することができる。
【０１２１】
磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…が回転すると、熱輸送ユニット１０００Ａ、１０００Ｂ、１０００Ｃ、１０００Ｄ、…の各熱輸送器５０−１、５０−２、…の磁性体１０Ａ−１０Ｆ、１１Ａ−１１Ｆ、…は、３０度回転するごとに、１つおきに交互に磁気が印加または除去される。このとき、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂ、…の磁石は、回転方向に隣り合う一方の熱輸送器の磁性体から他方の熱輸送器の磁性体に乗り移る。しかし、本実施形態では熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄをそれぞれ相互に位相をずらして配置しているので、それぞれの熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄの駆動力の変動は分散される。駆動力の変動については図１８に基づいて説明する。
【０１２２】
図１８に示すように、磁石が図示の移動方向に移動し、磁性体と重複する位置にあるときには、磁石の磁力線が磁性体を通り抜けて磁性体を発熱させる。このときには、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂに図示のような磁石の移動方向と反対方向の反力がかかる。磁石が移動し続けて、磁石の前部が磁性体と磁性体との間に存在する空隙にさしかかると（図示ａ位置）、反力が次第に大きくなって、４枚の熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄによって、反力はＦAmax（単層の場合の４倍の大きさの反力）まで大きくなる。続いて磁石の後部がその空隙を抜ける場合には逆向きに同じ大きさの反力が生じる（図示ｂ位置）。この反力の変動は、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂを駆動するアウターローターモータ３５０の必要容量を増加させる。アウターローターモータ３５０の駆動力は、最低限ＦAmax以上の反力以上でなければならないからである。また、反力の変動は、磁石が熱輸送器５０−１、５０−２間を通過する度に生じるので、騒音や振動の発生原因ともなる。
【０１２３】
本実施形態のように、各熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄを積層方向で位相差を持たせて配置するようにすると、図１８の下側の図に示すように、単層の場合と同一の反力はあるものの、それぞれの反力は分散さる。このため、磁気ユニット２０００Ａ、２０００Ｂは位相差を持たない場合よりも比較的スムースに回転でき、アウターローターモータ３５０の駆動力は単層の場合に生じる反力よりも大きければ良くなる。このため、アウターローターモータ３５０は必要以上に大きなものを用意しなくても済み、磁気冷暖房装置の小型化が可能になる。また、騒音や振動も極端に少なくなって、静粛性を有する磁気冷暖房装置を実現できる。
【０１２４】
なお、本実施形態では、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄの配置に位相差を持たせたが、磁気ユニット２０００Ａ−２０００Ｄの配置に位相差を持たせてもよい。また、熱輸送ユニット１０００Ａ−１０００Ｄと磁気ユニット２０００Ａ−２０００Ｄの両方の配置に位相差を持たせてもよい。
【０１２５】
以上のように、本発明に係る磁気冷暖房装置によれば、磁気ユニット２０００Ａ、…の駆動力の変動を小さくできるので、磁気冷暖房装置を駆動するためのモータを小型化することができる。したがってモータの消費電力を小さくできる。したがって、磁気冷暖房装置のエネルギー効率を高めることができ、磁気冷暖房装置を低騒音化、低振動化することができる。
【０１２６】
以上の実施形態では、熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間に透磁性遮断部６０を設けたものと設けないものとを別々に例示した。透磁性遮断部６０を設けたもの（実施形態１）は積層方向で位相を変えずに配置し、透磁性遮断部６０を設けないもの（実施形態２）は積層方向で位相を変えて配置した。しかし、これ以外にも、熱輸送器５０−１と熱輸送器５０−２との間に透磁性遮断部６０を設け、さらに積層方向で位相を変えて配置する形態も構成できる。この場合には、実施形態１及び実施形態２の場合よりもさらにモータの消費電力を小さくできる。
【符号の説明】
【０１２７】
１０Ａ−１０Ｆ、１１Ａ−１１Ｆ 磁性体、
２１Ａ−２１Ｆ、２２Ａ−２２Ｆ、２６Ａ−２６Ｆ、２７Ａ−２７Ｆ 永久磁石、
３０Ａ−３０Ｇ、３１Ａ−３１Ｇ 熱伝導部、
４０Ａ 低温側熱交換部、
４０Ｂ 高温側熱交換部、
５０−１、５０−２ 熱輸送器、
６０ 透磁性遮断部、
１０００Ａ−１０００Ｄ 熱輸送ユニット、
２０００Ａ，２０００Ｂ 磁気ユニット、
２１０、２１５ ファン、
２５０ 基準位置検出センサ、
３５０ アウターローターモータ（モータ）、
３１０ ローター（回転軸）、
４５０ 空調制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する熱輸送器を、間隔を設けて複数並列に配置する熱輸送ユニットと、
前記熱輸送ユニットの各磁性体と対峙し前記各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する磁気ユニットと、
対向して配置する前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの少なくともいずれか一方を前記熱輸送器の配置方向に相対的に移動させるモータと、を備え、
前記熱輸送ユニットの熱輸送器と熱輸送器との間には、前記磁性体の透磁率と同等の透磁率を有し、熱伝導を遮断する透磁性断熱部を形成したことを特徴とする磁気冷暖房装置。
【請求項２】
前記熱輸送ユニットと前記磁気ユニットとを間隔を設けて複数交互に積層し、前記モータは、積層した複数の熱輸送ユニット及び積層した複数の磁気ユニットの少なくともいずれか一方を相対的にかつ一体的に移動させることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項３】
前記透磁性断熱部は隣り合う熱輸送器の磁性体と磁性体との間を埋めるように形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項４】
前記透磁性断熱部は、断熱性を備える材料内にその断熱性が阻害されない程度に透磁率の大きな金属粉を混ぜ込んで形成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項５】
磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する熱輸送器を、複数並列に空隙を設けて配置する熱輸送ユニットと、
前記熱輸送ユニットの各磁性体と対峙し前記各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する磁気ユニットと、を備え、
前記熱輸送ユニットと前記磁気ユニットとを間隔を設けて交互に複数積層した磁気冷暖房装置であって、
少なくとも一部の熱輸送ユニットを他の熱輸送ユニットに対して前記熱輸送器の配置方向にずらして配置するか、少なくとも一部の磁気ユニットを他の磁気ユニットに対して前記熱輸送器の配置方向にずらして配置し、
前記複数積層した熱輸送ユニット及び磁気ユニットの少なくともいずれか一方をモータで一体的に、前記熱輸送器の配置方向に相対的に移動させることを特徴とする磁気冷暖房装置。
【請求項６】
前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットは中空の円形状に形成され前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの少なくともいずれかは回転自在に支持されて前記モータで回転し、
前記熱輸送ユニットの前記熱輸送器の一端に前記熱伝導部を介して配置する低温側熱交換部と、
前記熱輸送器の他端に前記熱伝導部を介して配置する高温側熱交換部と、
をさらに有し、
回転する前記熱輸送ユニット又は前記磁気ユニットの内周部又は外周部には、前記低温側熱交換部または前記高温側熱交換部の冷媒通路に冷媒を供給するファンを設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項７】
前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの内周部に前記高温側熱交換部を配置し、
前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの外周部に前記低温側熱交換部を配置し、
前記高温側熱交換部の冷媒通路は前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの積層方向に連通する円筒状であり、前記低温側熱交換部の冷媒通路は前記熱輸送ユニットの外周部又は前記熱輸送ユニットと前記磁気ユニットのそれぞれの外周部に個々に形成した冷媒通路を直列に連通する形状を有していることを特徴とする請求項６に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項８】
前記モータは、前記磁気ユニットを一体的に回転させる回転軸をローターとするアウターローターモータであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項９】
前記磁気熱量効果を有する磁性体は、磁気を印加すると発熱し除去すると吸熱する正の磁性体、又は、磁気を印加すると吸熱し除去すると発熱する負の磁性体の、いずれか一方の磁性体であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項１】
磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する熱輸送器を、間隔を設けて複数並列に配置する熱輸送ユニットと、
前記熱輸送ユニットの各磁性体と対峙し前記各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する磁気ユニットと、
対向して配置する前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの少なくともいずれか一方を前記熱輸送器の配置方向に相対的に移動させるモータと、を備え、
前記熱輸送ユニットの熱輸送器と熱輸送器との間には、前記磁性体の透磁率と同等の透磁率を有し、熱伝導を遮断する透磁性断熱部を形成したことを特徴とする磁気冷暖房装置。
【請求項２】
前記熱輸送ユニットと前記磁気ユニットとを間隔を設けて複数交互に積層し、前記モータは、積層した複数の熱輸送ユニット及び積層した複数の磁気ユニットの少なくともいずれか一方を相対的にかつ一体的に移動させることを特徴とする請求項１に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項３】
前記透磁性断熱部は隣り合う熱輸送器の磁性体と磁性体との間を埋めるように形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項４】
前記透磁性断熱部は、断熱性を備える材料内にその断熱性が阻害されない程度に透磁率の大きな金属粉を混ぜ込んで形成することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項５】
磁気熱量効果を有する磁性体と当該磁性体の熱を輸送する熱伝導部とを交互に配置する熱輸送器を、複数並列に空隙を設けて配置する熱輸送ユニットと、
前記熱輸送ユニットの各磁性体と対峙し前記各磁性体に選択的に磁気を印加し除去する磁石を複数配置する磁気ユニットと、を備え、
前記熱輸送ユニットと前記磁気ユニットとを間隔を設けて交互に複数積層した磁気冷暖房装置であって、
少なくとも一部の熱輸送ユニットを他の熱輸送ユニットに対して前記熱輸送器の配置方向にずらして配置するか、少なくとも一部の磁気ユニットを他の磁気ユニットに対して前記熱輸送器の配置方向にずらして配置し、
前記複数積層した熱輸送ユニット及び磁気ユニットの少なくともいずれか一方をモータで一体的に、前記熱輸送器の配置方向に相対的に移動させることを特徴とする磁気冷暖房装置。
【請求項６】
前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットは中空の円形状に形成され前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの少なくともいずれかは回転自在に支持されて前記モータで回転し、
前記熱輸送ユニットの前記熱輸送器の一端に前記熱伝導部を介して配置する低温側熱交換部と、
前記熱輸送器の他端に前記熱伝導部を介して配置する高温側熱交換部と、
をさらに有し、
回転する前記熱輸送ユニット又は前記磁気ユニットの内周部又は外周部には、前記低温側熱交換部または前記高温側熱交換部の冷媒通路に冷媒を供給するファンを設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項７】
前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの内周部に前記高温側熱交換部を配置し、
前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの外周部に前記低温側熱交換部を配置し、
前記高温側熱交換部の冷媒通路は前記熱輸送ユニット及び前記磁気ユニットの積層方向に連通する円筒状であり、前記低温側熱交換部の冷媒通路は前記熱輸送ユニットの外周部又は前記熱輸送ユニットと前記磁気ユニットのそれぞれの外周部に個々に形成した冷媒通路を直列に連通する形状を有していることを特徴とする請求項６に記載の磁気冷暖房装置。
【請求項８】
前記モータは、前記磁気ユニットを一体的に回転させる回転軸をローターとするアウターローターモータであることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【請求項９】
前記磁気熱量効果を有する磁性体は、磁気を印加すると発熱し除去すると吸熱する正の磁性体、又は、磁気を印加すると吸熱し除去すると発熱する負の磁性体の、いずれか一方の磁性体であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の磁気冷暖房装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１３−１０８７２８（Ｐ２０１３−１０８７２８Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５６４４４（Ｐ２０１１−２５６４４４）
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
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