磁热泵装置的制作方法

本发明涉及一种利用磁工作物质(日文：磁気作業物質)的磁热效应的磁热泵装置。

背景技术：

近年来，关注一种代替使用氟利昂等气体制冷剂的现有的蒸汽压缩制冷装置的磁热泵装置，上述磁热泵装置利用了磁工作物质在励磁和消磁时产生大幅的温度变化的性质(磁热效应)。

与以往相比，在这种磁热泵装置中，通过将磁工作物质填充在磁工作件的导管内，并使永磁体与磁工作件分离、接触，从而改变施加于磁工作物质的磁场。此时，若使施加的磁场增大(励磁)，则磁工作物质的温度上升，若使施加的磁场减小(消磁)，则磁工作物质的温度下降。

另一方面，使用平衡浮子(活塞)或由泵和旋转阀等构成的热介质移动装置，使热介质(水等)在磁工作件的高温端与低温端之间往复移动。在这种情况下，对磁工作物质进行励磁，使其温度上升，使热介质从低温端侧移动至高温端侧，从而使温度因励磁而上升的磁工作物质与低温的热介质热交换。由此，磁工作件产生高温端侧高而低温端侧低的温度梯度。

接着，若对磁工作物质进行消磁，其温度下降，使热介质从高温端侧移动至低温端侧，从而使温度因消磁而下降的磁工作物质与高温的热介质热交换。由此，磁工作件的温度梯度进一步扩大。

这样一来，通过将由磁热效应产生的温度变化蓄热于磁工作件自身，并利用低温端侧和高温端侧的热介质高效地排出至外部，从而利用外部的热交换器进行吸热(制冷)或散热(加热)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2008-51409号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

然而，以往在磁工作物质的励磁的同时使热介质从低温端侧移动至高温端侧，在消磁的同时使热介质从高温端侧移动至低温端侧，因此，热介质(水)会在进行充分的热交换之前流出，使得磁工作物质与热介质的热交换不充分，无法有效地利用磁工作物质的磁热效应所产生的温度变化。

本发明为解决上述现有技术问题而作，其目的在于提供一种磁热泵装置，通过优化施加于磁工作物质的磁场大小的改变和热介质往复移动的时刻来实现效率的提高。

解决技术问题所采用的技术方案

技术方案1的发明的磁热泵装置包括：磁工作件，所述磁工作件包括具有磁热效应的磁工作物质，并供热介质流通；磁场改变装置，所述磁场改变装置改变施加于磁工作物质的磁场的大小；热介质移动装置，所述热介质移动装置使热介质在磁工作件的高温端与低温端之间往复移动；散热侧的热交换器，所述散热侧的热交换器用于使高温端侧的热介质散热；以及吸热侧的热交换器，所述吸热侧的热交换器用于使低温端侧的热介质吸热，其特征是，在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小增大前，热介质移动装置使热介质从磁工作件的低温端侧朝高温端侧移动。

技术方案2的发明的磁热泵装置包括：磁工作件，所述磁工作件包括具有磁热效应的磁工作物质，并供热介质流通；磁场改变装置，所述磁场改变装置改变施加于磁工作物质的磁场的大小；热介质移动装置，所述热介质移动装置使热介质在磁工作件的高温端与低温端之间往复移动；散热侧的热交换器，所述散热侧的热交换器用于使高温端侧的热介质散热；以及吸热侧的热交换器，所述吸热侧的热交换器用于使低温端侧的热介质吸热，其特征是，在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小后，热介质移动装置使热介质从磁工作件的高温端侧朝低温端侧移动。

技术方案3的发明的磁热泵装置包括：磁工作件，所述磁工作件包括具有磁热效应的磁工作物质，并供热介质流通；磁场改变装置，所述磁场改变装置改变施加于磁工作物质的磁场的大小；热介质移动装置，所述热介质移动装置使热介质在磁工作件的高温端与低温端之间往复移动；散热侧的热交换器，所述散热侧的热交换器用于使高温端侧的热介质散热；以及吸热侧的热交换器，所述吸热侧的热交换器用于使低温端侧的热介质吸热，其特征是，在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小增大前，热介质移动装置使热介质从磁工作件的低温端侧朝高温端侧移动，并且在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小后，热介质移动装置使热介质从磁工作件的高温端侧朝低温端侧移动。

技术方案4的发明的磁热泵装置是在技术方案1或技术方案3的发明的基础上，其特征是，在将磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小增大的时间设为t1的情况下，在比磁场改变装置开始使施加于磁工作物质的磁场的大小增大的0大、0.15×t1以下的时间前，热介质移动装置使热介质从磁工作件的低温端侧朝高温端侧移动。

技术方案5的发明的磁热泵装置是在技术方案2或技术方案3的发明的基础上，其特征是，在将磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小的时间设为t2的情况下，在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小之后的0.25×t2以上、0.33×t2以下的时间后，热介质移动装置使热介质从磁工作件的高温端侧朝低温端侧移动。

技术方案6的发明的磁热泵装置是在技术方案3的发明的基础上，其特征是，在将磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小增大的时间设为t1的情况下，在比磁场改变装置开始使施加于磁工作物质的磁场的大小增大的0大、0.15×t1以下的时间前，热介质移动装置使热介质从磁工作件的低温端侧朝高温端侧移动，并且在将磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小的时间设为t2的情况下，在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小之后的0.25×t2以上、0.33×t2以下的时间后，热介质移动装置使热介质从磁工作件的高温端侧朝低温端侧移动。

发明效果

根据技术方案1或技术方案3的发明，由于磁热泵装置包括：磁工作件，所述磁工作件包括具有磁热效应的磁工作物质，并供热介质流通；磁场改变装置，所述磁场改变装置改变施加于磁工作物质的磁场的大小；热介质移动装置，所述热介质移动装置使热介质在磁工作件的高温端与低温端之间往复移动；散热侧的热交换器，所述散热侧的热交换器用于使高温端侧的热介质散热；以及吸热侧的热交换器，所述吸热侧的热交换器用于使低温端侧的热介质吸热，其中，在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小增大前，热介质移动装置使热介质从磁工作件的低温端侧朝高温端侧移动，因此，能够在施加于磁工作物质的磁场的大小增大前，将低温的热介质送入磁工作物质，能使与因之后的磁场增大而上升的磁工作物质的温度差变大。

由此，能够使磁工作物质与热介质高效地热交换，扩大磁工作件的高温端与低温端之间的温度梯度，从而有效且高效地利用由磁工作物质的磁热效应产生的温度变化。

在这种情况下，如技术方案4或技术方案6的发明这样，在将磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小增大的时间设为t1的情况下，通过在比磁场改变装置开始使施加于磁工作物质的磁场的大小增大的0大、0.15×t1以下的时间前，热介质移动装置使热介质从磁工作件的低温端侧朝高温端侧移动，从而能够高效地利用磁工作物质的温度上升。

根据技术方案2或技术方案3的发明，由于磁热泵装置包括：磁工作件，所述磁工作件包括具有磁热效应的磁工作物质，并供热介质流通；磁场改变装置，所述磁场改变装置改变施加于磁工作物质的磁场的大小；热介质移动装置，所述热介质移动装置使热介质在磁工作件的高温端与低温端之间往复移动；散热侧的热交换器，所述散热侧的热交换器用于使高温端侧的热介质散热；以及吸热侧的热交换器，所述吸热侧的热交换器用于使低温端侧的热介质吸热，其中，在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小后，热介质移动装置使热介质从磁工作件的高温端侧朝低温端侧移动，因此，能够在施加于磁工作物质的磁场的大小减小后使热介质移动，从而能利用温度因磁场减小而下降的磁工作物质，使热介质的温度进一步下降。

由此，能够有效地利用磁工作物质的温度下降，扩大磁工作件的高温端与低温端之间的温度梯度，从而有效且高效地利用由磁工作物质的磁热效应产生的温度变化。

在这种情况下，如技术方案5或技术方案6的发明这样，在将磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小的时间设为t2的情况下，通过在磁场改变装置使施加于磁工作物质的磁场的大小减小之后的0.25×t2以上、0.33×t2以下的时间后，热介质移动装置使热介质从磁工作件的高温端侧朝低温端侧移动，从而能够高效地利用磁工作物质的温度下降。

附图说明

图1是适用了本发明的实施例的磁热泵装置的整体结构图。

图2是图1的磁热泵用amr(activemagneticregenator：活性蓄冷器)的剖视图。

图3是说明对磁工作物质进行励磁前使热介质移动的动作的磁工作件的剖视图。

图4是对磁工作物质进行励磁后的状态的磁工作件的剖视图。

图5是对磁工作物质进行消磁时的磁工作件的剖视图。

图6是说明对磁工作物质进行消磁后使热介质移动的动作的磁工作件的剖视图。

具体实施方式

以下，基于附图，对本发明一实施方式进行说明。图1是适用了本发明的实施例的磁热泵装置1的整体结构图，图2是磁热泵装置1的磁热泵用amr2的剖视图。

(1)磁热泵装置1的结构

首先，对图2的磁热泵用amr2进行说明。磁热泵装置1的磁热泵用amr2包括：中空筒状的壳体3，上述壳体3的轴向两端封闭；以及旋转件7，上述旋转件7位于上述壳体3内的轴心处，并在轴对称的周面上呈放射状地安装有成对(两个)的永磁体6(磁场产生构件)。旋转件7的轴的两端被壳体3能自由旋转地轴支撑，然后经由未图示的减速机与电动机m(图1。伺服电动机)的转轴10连结，通过上述电动机m控制而旋转。由上述旋转件7、永磁体6和电动机m等构成磁场改变装置，上述磁场改变装置对施加于后述的磁工作物质13的磁场的大小进行改变。此外，电动机m的转轴10还连结有凸轮9(图1)，上述凸轮9对后述的平衡浮子(活塞)8进行驱动。

另一方面，两倍于永磁体6的个数的四根磁工作件11a、11a、11b、11b在靠近永磁体6的外周面的状态下沿周向以等间隔固定于壳体3的内周。在实施例的情况下，磁工作件11a、11a夹着旋转件7配置在轴对称位置处，磁工作件11b、11b夹着旋转件7配置在轴对称位置处(图2)。在各磁工作件11a、11b中，将具有磁热效应的磁工作物质13以使热介质(此处为水)能流通的方式分别填充在中空的导管12内，上述导管12的截面呈沿着壳体3内周的圆弧状。

另外，磁工作件11a、11b实际上如图2所示两个两个地配置在轴对称位置处，但在图1中分别各用一个代表性地示出。此外，在实施例中，由隔热性高的树脂材料构成导管12。由此，如后所述，降低了从温度因磁场的改变(励磁和消磁)而上升或下降的磁工作物质13向大气(外部)的热损失。此外，在实施例中，使用mn系或la系材料作为磁工作物质13。

此外，在组装有上述磁热泵用amr2的图1的磁热泵装置1的整体结构图中，各磁工作件11a、11b在一端(图1中的右端)处具有高温端14，在另一端(图1中的左端)处具有低温端16。此外，高温配管17连接于各磁工作件11a、11a、11b、11b(图1中各用一个代表性地示出)的高温端14，并且从图2的壳体3伸出。此外，低温配管18连接于各磁工作件11a、11a、11b、11b(图1中各用一个代表性地示出)的低温端16，并且从图2的壳体3伸出。

此外，高温配管17连接有散热侧的热交换器19，然后在高温配管17中夹设有循环泵21。此外，低温配管18连接有吸热侧的热交换器22，然后在低温配管18中也夹设有循环泵23。

此外，平衡浮子(活塞)8分别配置于各磁工作件11a、11a、11b、11b的高温端14和低温端16，并且被通过电动机m的转轴10旋转的凸轮8驱动，从而使热介质(水)在各磁工作件11a、11a、11b、11b的高温端14与低温端16之间往复移动。

即，如图1所示，当磁工作件11a、11a的高温端14侧的平衡浮子8后退而低温端16侧的平衡浮子8伸出时，热介质从磁工作件11a的低温端16侧朝高温端14侧移动。另一方面，当磁工作件11b、11b的低温端16侧的平衡浮子8如图1所示后退而高温端14侧的平衡浮子8伸出时，热介质从磁工作件11b的高温端14侧朝低温端16侧移动。由上述平衡浮子8、凸轮9以及电动机m、转轴10等，构成使热介质在各磁工作件11a、11a、11b、11b的高温端14与低温端16之间往复移动的热介质移动装置。

(2)磁热泵装置1的基本动作

对以上结构的磁热泵装置1的基本动作进行说明。首先，在旋转件7位于0°的位置(图2所示的位置)时，永磁体6、6位于0°和180°的位置处，因此，施加于位于上述0°和180°的位置处的磁工作件11a、11a的磁工作物质13的磁场的大小增大，被励磁而使温度上升。另一方面，施加于位于与之相差90°相位的90°和270°的位置处的磁工作件11b、11b的磁工作物质13的磁场的大小减小，被消磁而使温度下降。

此外，在通过电动机m的旋转而使旋转件7位于0°的位置(图2)时，凸轮9、9被电动机m的转轴10驱动，如图1所示使磁工作件11a、11a的高温端14侧的平衡浮子8后退，并使低温端16侧的平衡浮子8伸出。由此，热介质从磁工作件11a的低温端16侧朝高温端14侧移动。

由此，通过使被永磁体6、6励磁的温度上升了的磁工作件11a、11a的磁工作物质13与低温的热介质热交换，从而使磁工作件11a、11a产生高温端14侧高、低温端16侧低的温度梯度。

此外，在通过电动机m的旋转而使旋转件7位于0°的位置(图2)时，凸轮9、9被电动机m的转轴10驱动，如图1所示使磁工作件11b、11b的高温端14侧的平衡浮子8伸出，并使低温端16侧的平衡浮子8后退。由此，热介质从磁工作件11a的高温端14侧朝低温端16侧移动。由此，通过使消磁的温度下降的磁工作件11b、11b的磁工作物质13与高温的热介质热交换，从而使磁工作件11b、11b的温度梯度进一步扩大。

接着，在旋转件7通过电动机m旋转90°时，永磁体6、6来到90°和270°的位置处，因此，施加于位于上述90°和270°的位置处的磁工作件11b、11b的磁工作物质13的磁场的大小增大，被励磁而使温度上升。另一方面，施加于位于与之相差90°相位的0°和180°的位置处的磁工作件11a、11a的磁工作物质13的磁场的大小减小，被消磁而使温度下降。

此外，在通过电动机m的旋转而使旋转件7位于90°的位置时，凸轮9、9被电动机m的转轴10驱动，使磁工作件11a、11a的高温端14侧的平衡浮子8伸出，并使低温端16侧的平衡浮子8后退。由此，热介质从磁工作件11a的高温端14侧朝低温端16侧移动。由此，通过温度因消磁而下降了的磁工作件11a、11a的磁工作物质13与高温的热介质热交换，从而使磁工作件11a、11a的温度梯度进一步扩大。

此外，在通过电动机m的旋转而使旋转件7来到90°的位置时，凸轮9、9被电动机m的转轴10驱动，使磁工作件11b、11b的低温端16侧的平衡浮子8伸出，并使高温端14侧的平衡浮子8后退。由此，热介质从磁工作件11b的低温端16侧朝高温端14侧移动。

由此，通过使被永磁体6、6励磁的温度上升了的磁工作件11b、11b的磁工作物质13与低温的热介质热交换，从而使磁工作件11b、11b的温度梯度进一步扩大。

这样一来，温度上升了的各磁工作件11a、11a、11b、11b的高温端14侧的热介质通过循环泵21经由高温配管17在散热侧的热交换器19中循环。此外，温度下降了的各磁工作件11a、11a、11b、11b的低温端16侧的热介质通过循环泵23经由低温配管18在吸热侧的热交换器22中循环。

以较高速的转速和时刻进行上述由电动机m实施的旋转件7的旋转与平衡浮子8的切换，使热介质(水)在各磁工作件11a、11a、11b、11b的高温端14与低温端16之间往复移动，反复进行励磁/消磁的各磁工作件11a、11a、11b、11b相对于磁工作物质13的吸热/散热，从而各磁工作件11a、11a、11b、11b的高温端14与低温端16的温度差缓缓扩大，最终，与吸热侧的热交换器22连接的各磁工作件11a、11a、11b、11b的低温端16的温度下降至磁工作物质13的制冷能力与被热交换器22冷却的被冷却体的热负载平衡的温度，与散热侧的热交换器19连接的各磁工作件11a、11a、11b、11b的高温端14的温度因热交换器19的散热能力与制冷能力平衡而变成大致恒定的温度。

(3)由平衡浮子8实施的热介质的往复移动的切换控制细节

接着，参照图3～图6，对通过平衡浮子8来切换热介质的移动(往复移动)的时刻进行详述。另外，在各图中对磁工作件11a进行说明，但磁工作件11b也同样如此。此外，在实施例中，以下的切换时刻主要通过凸轮9的形状来实现。

首先，在本发明中，如图1所示对磁工作件11a的磁工作物质14进行励磁(使磁场增大)时，在如图3所示通过永磁体6对磁工作件11a进行励磁前，通过平衡浮子8，使热介质从磁工作件11a的低温端16侧朝高温端14侧移动。在这种情况下，在实施例中，将永磁体6对磁工作件11a的磁工作物质13进行励磁(使施加的磁场的大小增大)的时间设为t1的情况下，在比永磁体6开始对磁工作物质13进行励磁(使施加的磁场的大小增大)的0大、在0.15×t1以下的时间前，通过平衡浮子8，使热介质(水)从磁工作件11a的低温端16侧朝高温端14侧移动。

在上述时间点由于磁工作物质13未被励磁，因此，如图3中实线l1所示，与在励磁的同时流入的情况(虚线l2)相比，流入的低温热介质(在各图中以w1表示。另外，w2为高温热介质)的温度变低。然后，如图4所示，磁工作件11a的磁工作物质13被永磁体6励磁，因此，其温度成为图4中实线l3所示的状态，但这种情况下的磁工作物质13与热介质的温度差(l3－l1)大于同时流入的情况下的温度差(l3－l2)。

另一方面，在本发明中，在对磁工作件11a的磁工作物质13进行消磁(使磁场减小)之后，如图5所示也不使平衡浮子8动作而是继续热介质与磁工作物质13的热交换。图5所示的虚线l4是这种情况下的热介质的温度，虚线l5是在消磁的同时使热介质移动时的热介质的温度。虚线l4的温度比虚线l5的温度低。

然后，如图6所示，通过平衡浮子8，使热介质从磁工作件11a的高温端14侧朝低温端16侧移动。在这种情况下，在实施例中，在将永磁体6对磁工作物质13进行消磁(使施加的磁场的大小减小)的时间设为t2的情况下，在永磁体6对磁工作物质13进行消磁(使施加的磁场的大小减小)之后的0.25×t2以上、0.33×t2以下的时间后，通过平衡浮子8，使热介质从磁工作件11a的高温端14侧朝低温端16侧移动。另外，图中的l6是此时的磁工作物质13的温度。

如上所述，在本发明中，在使永磁体6施加于磁工作物质13的磁场的大小增大(进行励磁)之前，通过平衡浮子8，使热介质从磁工作件11a、11b的低温端16侧朝高温端14侧移动，因此，能够在施加于磁工作物质13的磁场的大小增大前，将低温的热介质送入磁工作物质13，能使因之后的磁场增大而上升的磁工作物质13的温度差变大。

由此，能够使磁工作物质13与热介质高效地进行热交换，扩大磁工作件11a、11b的高温端14与低温端16之间的温度梯度，从而有效且高效地利用由磁工作物质13的磁热效应产生的温度变化。

在这种情况下，在实施例中，在将永磁体6使施加于磁工作物质13的磁场的大小增大的时间设为t1的情况下，在比永磁体6开始增大施加于磁工作物质13的磁场的大小的0大、0.15×t1以下的时间前，通过平衡浮子8，使热介质从磁工作件11a、11b的低温端16侧朝高温端14侧移动，因此，能够有效地利用磁工作物质13的温度上升。

此外，在使永磁体6施加于磁工作物质13的磁场的大小减小后，通过平衡浮子8，使热介质从磁工作件11a、11b的高温端14侧朝低温端16侧移动，因此，能够在施加于磁工作物质13的磁场的大小减小后使热介质移动，并能利用温度因磁场减小而下降的磁工作物质13，使热介质的温度进一步下降。

由此，能够有效地利用磁工作物质13的温度下降，扩大磁工作件11a、11b的高温端14与低温端16之间的温度梯度，从而有效且高效地利用由磁工作物质13的磁热效应产生的温度变化。

在这种情况下，在实施例中，在将永磁体6使施加于磁工作物质13的磁场的大小减小的时间设为t2的情况下，在永磁体6使施加于磁工作物质13的磁场的大小减小之后的0.25×t2以上、0.33×t2以下的时间后，通过平衡浮子8，使热介质从磁工作件11a、11b的高温端14侧朝低温端16侧移动，因此，能够有效地利用磁工作物质13的温度下降。

另外，在实施例中，实施了在对磁工作物质13进行励磁前使热介质从低温端16侧朝高温端14侧移动的控制和在对磁工作物质13进行消磁后使热介质从高温端14侧朝低温端16侧移动的控制，但并不局限于此，仅实施任一种控制也是有效的。

此外，磁热泵装置的整体结构也不局限于实施例，热介质移动装置也可以由循环泵和旋转阀构成，以代替平衡浮子8。

(符号说明)

1.磁热泵装置

2磁热泵用amr

3壳体

6永磁体(磁场改变装置)

7旋转件(磁场改变装置)

8平衡浮子(热介质移动装置)

9凸轮(热介质移动装置)

11a、11b磁工作件

12导管

13磁工作物质

14高温端

16低温端

19、22热交换器

m电动机。