JP2010110191A - Heat pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ヒートポンプに関し、詳しくは、磁性流体を用いたヒートポンプに関するものである。 The present invention relates to a heat pump, and more particularly to a heat pump using a magnetic fluid.
図4は、磁性流体を用いた従来の駆動装置の一例を示す概要図である。図4において、駆動装置は、充填する作動物質としての磁性流体1と、空隙部2と、パイプ3と、被駆動部4と、磁場装置5と、冷却部6と、加熱部7とで構成されている。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a conventional driving device using a magnetic fluid. In FIG. 4, the driving device includes a magnetic fluid 1 as a working substance to be filled, a
磁場装置5は冷却部6と加熱部7との間に配置され、異なる磁極(N、S)がパイプ3と平行に配置され、パイプ3中の磁性流体1の流れ方向と平行かそれに近い方向の磁界を形成している。パイプ3内には磁性流体1が充填され、空隙部2が形成されるようにしてループが構成されている。そして、パイプ3には、このループの所要の位置で、磁性流体1を加熱および冷却のための冷却部6と加熱部7が配置されている。
The
磁性流体1は、磁場装置5の磁界方向を磁性流体1の流れ方向と同一にすることにより、図4の矢印で示したように、パイプ3中で低温側から高温側に向かって流れる。この流れによって生ずる力で被駆動部4のタービンを回転させ、運動エネルギーとして取り出している。
The magnetic fluid 1 flows from the low temperature side to the high temperature side in the
冷却部6、加熱部7および磁場装置5の位置関係は、磁界をパイプ3と平行にかけるやり方では、両磁性の中央部で最も磁界は強いので、中央部で境を接し、その上流部(図4中の左側)を冷却し、その下流部(図4の右側)を加熱するようにしている。
The positional relationship between the cooling unit 6, the heating unit 7, and the
そして、この磁界に低温冷却域および高温加熱域が形成されるように冷却部6と加熱部7を配置している。 And the cooling part 6 and the heating part 7 are arrange | positioned so that a low temperature cooling area and a high temperature heating area may be formed in this magnetic field.
特許文献1は、磁性流体を作動物質とする熱機関に関するものである。 Patent Document 1 relates to a heat engine using a magnetic fluid as a working substance.
しかし、図4に示す従来の駆動装置は、磁性流体を作動物質とする駆動装置ではあるものの、用いる磁性流体を選択することにより装置の効率を改善することについては検討されていなかった。 However, although the conventional drive device shown in FIG. 4 is a drive device using a magnetic fluid as a working substance, it has not been studied to improve the efficiency of the device by selecting the magnetic fluid to be used.
本発明は、このような問題点に着目したものであり、その目的は、高い効率が得られるヒートポンプを提供することにある。 The present invention pays attention to such problems, and an object thereof is to provide a heat pump capable of obtaining high efficiency.
上記のような目的を達成するために、本発明の請求項1は、
磁性流体を用いたヒートポンプであって、
前記磁性流体は両端に磁性原子が配置された直鎖分子構造であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, claim 1 of the present invention provides:
A heat pump using magnetic fluid,
The magnetic fluid has a linear molecular structure in which magnetic atoms are arranged at both ends.
請求項2では、請求項1記載のヒートポンプにおいて、
前記磁性原子は、ベンゼン環を結合した構造であることを特徴とする。
In
The magnetic atom has a structure in which a benzene ring is bonded.
請求項3では、請求項1または2記載のヒートポンプにおいて、
前記磁性流体は、磁気相転移することを特徴とする。
In
The magnetic fluid undergoes a magnetic phase transition.
請求項4では、請求項1から3のいずれかに記載のヒートポンプにおいて、
前記ヒートポンプは、
磁性流体が循環するパイプと、このパイプ中に互いに間隔をおいて設けられた加熱部および冷却部と、前記パイプの両側に設けられた磁場印加部と、前記パイプ中に設けられた被駆動部とを備え、
前記パイプ中の前記磁性流体の流れ方向と平行かそれに近い方向の磁界が形成されることを特徴とする。
In Claim 4, in the heat pump in any one of Claim 1 to 3,
The heat pump
A pipe through which the magnetic fluid circulates, a heating unit and a cooling unit provided in the pipe at intervals, a magnetic field application unit provided on both sides of the pipe, and a driven unit provided in the pipe And
A magnetic field in a direction parallel to or close to the flow direction of the magnetic fluid in the pipe is formed.
これらにより、磁性流体を用いた高効率のヒートポンプを実現できる。 As a result, a highly efficient heat pump using magnetic fluid can be realized.
以下、図面を用いて、本発明のヒートポンプを説明する。図1は、本発明の一実施例を示すヒートポンプの構成図である。 Hereinafter, the heat pump of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a configuration diagram of a heat pump showing an embodiment of the present invention.
ヒートポンプは、冷媒として用いる磁性流体1が循環するパイプ3と、このパイプ3中に互いに間隔をおいて設けられた加熱部7および冷却部6と、パイプ3の両側に設けられたとえば永久磁場を印加する磁場印加部10と、パイプ3中に設けられた被駆動部4とを備えている。パイプ3中の磁性流体1の流れ方向と平行かそれに近い方向の磁界が形成されている。
The heat pump is provided with a
そして、冷却部6と加熱部7との間には、移動する磁性流体1により駆動される被駆動部4が設けられ、この被駆動部4は外部に対して駆動源または動力源となる熱駆動システムとして利用される。 A driven unit 4 driven by the moving magnetic fluid 1 is provided between the cooling unit 6 and the heating unit 7, and the driven unit 4 is a heat source serving as a driving source or a power source for the outside. Used as a drive system.
図2(a),(b)は本発明で用いる磁性流体1の磁気モーメント12の説明図、図3(a),(b)は本発明で用いる磁性流体1の具体例を示す構成図である。
2A and 2B are explanatory views of the
図2(a)に示すように磁場のないところでは磁性流体1の磁気モーメント12(あるいはスピンともいう)は不揃いになっているが、図2(b)に示すように磁場が印加されると一定の方向に磁気モーメント12が揃うことを表している。2つの状態へのそれぞれの遷移において、磁場のない状態への遷移では、図2(a)に示すように磁気モーメント12の向きが揃わなくなる方向であるためエントロピーは増大し、周囲から熱を吸収することにより周囲の温度を下げる。一方、磁場のある状態への遷移では、図2(b)に示すように磁気モーメント12の方向が揃う方向への遷移であるためエントロピーは減少し、周囲へ熱を放出することにより周囲の温度を上昇させる。
As shown in FIG. 2A, the magnetic moment 12 (also referred to as spin) of the magnetic fluid 1 is uneven in the absence of a magnetic field, but when a magnetic field is applied as shown in FIG. It shows that the
次に、図3(a)は磁性流体1がたとえば磁性体原子あるいは化合物を側鎖にもち、磁性流体1の間に非磁性体原子を挟みこまない構造例であるが、図3(b)は磁性流体1がたとえば磁性体原子あるいは化合物を側鎖にもち、磁性流体1の間に非磁性体原子で挟み込んだ構造例である。また、図3(a)、(b)とも磁場のあるなしに拘らず熱振動が行われ、(a)は磁場がかかっていない場合であり、(b)は磁場がかかっている場合である。 Next, FIG. 3A shows an example of a structure in which the magnetic fluid 1 has, for example, a magnetic substance atom or compound in a side chain, and no nonmagnetic substance atoms are sandwiched between the magnetic fluids 1. Is a structural example in which the magnetic fluid 1 has, for example, a magnetic atom or compound in a side chain and is sandwiched between non-magnetic atoms between the magnetic fluid 1. 3 (a) and 3 (b), thermal vibration is performed regardless of whether a magnetic field is present, (a) is when no magnetic field is applied, and (b) is when a magnetic field is applied. .
また、図3(a)は熱振動している分子を磁場の中に入れた場合、磁場がかかっていないため、パイプ3の両側の磁場印加部10により磁気性のもつ磁気モーメント12つまりスピンが磁界の向きに揃わず、熱振動は束縛されない。このように熱振動が束縛されないことにより、エントロピーが増大して内部に熱が吸収される。すなわち、束縛されないことにより強まった熱振動で熱エネルギーは吸収される。
FIG. 3A shows that when a thermally vibrating molecule is placed in a magnetic field, no magnetic field is applied, so that a
一方、図3(b)も図3(a)と同様に熱振動している分子を磁場の中に入れた場合、磁場がかかっているため、パイプ3の両側の磁場印加部10により磁性体のもつ磁気モーメント12、つまりスピンが磁場の方向に揃うようになり、熱振動が束縛される。熱振動が束縛されることにより、エントロピーが減少し外部へ熱が放出される。つまり、束縛されて弱まった熱振動が熱エネルギーとして外部に放出されるため、図3(a)よりも振幅が小さくなっている。
On the other hand, in FIG. 3B as well, as shown in FIG. 3A, when a molecule that is thermally oscillating is placed in a magnetic field, a magnetic field is applied. The
図3において、磁気モーメント12をM、磁場をHとすると、ポテンシャルエネルギーEは、|ΔE|(|E|=|М・H|)だけ増える。このエネルギーを効率的に熱として放出するために、パイプ3の両側に磁性材料を設けている。これにより、熱振動の磁場の有無による変化を大きくすることができる。
In FIG. 3, when the
そして、本発明では、熱交換の効率を上げるために、磁性流体1を工夫し、磁性原子(粒子)を化学的に付加して磁性分子を作製する。 In the present invention, in order to increase the efficiency of heat exchange, the magnetic fluid 1 is devised and magnetic atoms (particles) are added chemically to produce magnetic molecules.
ここで、磁性分子の構造は、直鎖分子構造であってもよい。 Here, the structure of the magnetic molecule may be a linear molecular structure.
また、磁性流体1は、できるだけ微細な粒子(たとえば1〜20nm)により構成されることが望ましく、なるべく大きな熱振動を得るためには、磁性原子11を両端に配置する直鎖分子構造の磁性原子11が望ましい。 The magnetic fluid 1 is preferably composed of particles as fine as possible (for example, 1 to 20 nm). In order to obtain as large a thermal vibration as possible, magnetic atoms having a linear molecular structure in which the magnetic atoms 11 are arranged at both ends are used. 11 is desirable.
なお、磁性原子11は、ベンゼン環などを結合した構造であってもよい。これらの構造の磁性原子11を用いることにより、より大きな磁気モーメントが得られ、大きな熱振動を得ることができる。 The magnetic atom 11 may have a structure in which a benzene ring or the like is bonded. By using the magnetic atoms 11 having these structures, a larger magnetic moment can be obtained and a large thermal vibration can be obtained.
また、磁性流体1は、たとえばマグネタイトやマンガン亜鉛フェライトなどの直径10nm程度の強磁性微粒子、その表面を覆う界面活性剤、ベース液(水や油)で構成される磁性コロイド溶液である。磁性流体1を磁性コロイド溶液とするため、側鎖にベンゼン環を結合させ、磁性原子11を液体中に安定に分散させるようにしている。 The magnetic fluid 1 is a magnetic colloid solution composed of ferromagnetic fine particles having a diameter of about 10 nm, such as magnetite and manganese zinc ferrite, a surfactant covering the surface, and a base liquid (water or oil). In order to use the magnetic fluid 1 as a magnetic colloid solution, a benzene ring is bonded to the side chain so that the magnetic atoms 11 are stably dispersed in the liquid.
また、温度の変化に応じて、固体の磁性が常磁性から強磁性もしくは反強磁性へ、または逆に強磁性もしくは反強磁性から常磁性へと相転移する、つまり磁気相転移する磁性流体1を用いてもよい。磁場を加えると、比熱が大きく変化するような相変態する物質を利用してもよい。 Further, the magnetic fluid 1 in which the solid magnetism undergoes a phase transition from paramagnetism to ferromagnetism or antiferromagnetism, or conversely from ferromagnetism or antiferromagnetism to paramagnetism, that is, a magnetic phase transition, in response to changes in temperature May be used. A substance that undergoes phase transformation such that the specific heat changes greatly when a magnetic field is applied may be used.
さらに、磁場印加部10は、複数設けてもよい。 Furthermore, a plurality of magnetic field application units 10 may be provided.
以上説明したように、本発明によれば、磁性体の性質を利用して、磁場を印加する状態としない状態の2つの状態に分けることにより、熱の放出および吸収を交互に行う熱交換機能を有する効率の高いヒートポンプが実現できる。 As described above, according to the present invention, the heat exchange function that alternately releases and absorbs heat by dividing the state into two states of applying a magnetic field and not applying a magnetic field using the properties of the magnetic material. A highly efficient heat pump having the above can be realized.
1 磁性流体
2 空隙部
3 パイプ
4 被駆動部
5 磁場装置
6 冷却部
7 加熱部
10 磁場印加部
11 磁性原子
12 磁気モーメント
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (4)
前記磁性流体は両端に磁性原子が配置された直鎖分子構造であることを特徴とするヒートポンプ。 A heat pump using magnetic fluid,
The heat pump according to claim 1, wherein the magnetic fluid has a linear molecular structure in which magnetic atoms are arranged at both ends.
磁性流体が循環するパイプと、このパイプ中に互いに間隔をおいて設けられた加熱部および冷却部と、前記パイプの両側に設けられた磁場印加部と、前記パイプ中に設けられた被駆動部とを備え、
前記パイプ中の前記磁性流体の流れ方向と平行かそれに近い方向の磁界が形成され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ヒートポンプ。 The heat pump
A pipe through which the magnetic fluid circulates, a heating unit and a cooling unit provided in the pipe at intervals, a magnetic field application unit provided on both sides of the pipe, and a driven unit provided in the pipe And
The heat pump according to any one of claims 1 to 3, wherein a magnetic field in a direction parallel to or close to a flow direction of the magnetic fluid in the pipe is formed.
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2008
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