JP2014105698A - 熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性材料の磁気特性を応用して熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 金属感温磁性材料で軌道を作りこの軌道を冷却手段を用いて金属感温磁性材料のキュリ−温度以下に保って磁場中に通した後、磁場中の軌道の所定の領域を、加熱手段を用いて金属感温磁性材料のキュリ−温度あるいはそれ以上に加熱することを特徴とする熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法を提供することにより、この議題を解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属感温磁性材料のキュリ−温度前後で示す鋭敏な磁性／非磁性のスイッチング機能の特質的な磁気特性と熱良導材料であることに着眼してなされた、金属感温磁性材料の磁気特性を応用して熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法に関するものである。

従来、磁性体のキュリ−温度近傍における磁化の変位を利用して熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法や熱機関が考案されているが、一般の磁性体で十分な磁化の変位を得るためには、大きな温度差が必要であるためエネルギ−の変換効率が低く、一方感温フェライトは優れた磁気特性がありながらも熱伝導率が小さいため加熱・冷却時の熱交換効率が低い等の課題があり、磁性材料の磁気特性を応用して変換効率が高く実用的な熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法は今だ確立していない。

特開平２−１０６１８３（磁性流体熱機関） 特開平６−１４１５７１（磁性体熱機関） 特開平６−１４１５７２（磁性体エンジン）

見城尚志著、（モ−タ−のＡＢＣ）、講談社出版、Ｐ１９６〜Ｐ１９９ 神山新一著、（磁性流体入門）、産業図書出版、Ｐ１１３〜Ｐ１１７

本発明は、従来の課題を解決し、磁性材料の磁気特性を応用して変換効率が高く実用的な熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法を提供する目的からなされたものである。

上記の課題を解決する本発明は、以下の通りである。
金属感温磁性材料で軌道を作りこの軌道を冷却手段を用いて金属感温磁性材料のキュリ−温度以下に保って磁場中に通した後、磁場中の軌道の所定の領域を、加熱手段を用いて金属感温磁性材料のキュリ−温度あるいはそれ以上に加熱することを特徴とする熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法を提供できたものである。

Ｆｅ，Ｎｉ等の一般的な磁性体の軌道で十分な磁化の変位を得るためには、軌道の低温領域と高温領域で数百度の温度差を必要とするが、金属感温磁性材料で軌道を作った本発明においては、軌道の低温領域と高温領域の温度差は、金属感温磁性材料のキュリ−温度前後の数度の温度差で十分な磁化の変位を得ることができることに加え熱伝導率が大きいので効率良く加熱、冷却ができ、変換効率が高く実用的な熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法を提供できたものである。

現在、Ｆｅ−Ｎｉ，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ等の金属感温磁性材料が生産され、電磁調理器の電磁誘導加熱材料や温度スイッチ材料として使用されているが、用途は限定されており生産量も多くない。

従来、熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換するための作業物質は、蒸気機関を基軸に一般的に気体であり、気体の体積膨張や圧力上昇であったが、本発明の作業物質は金属感温磁性材料であり、その素材のキュリ−温度前後で示す鋭敏な磁性／非磁性のスイッチング機能の特質的な磁気特性と優れた熱伝導によるものであって、エネルギ−変換のメカニズムは、根本的に全く異なる新たな熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法を確立できたものである。

本発明は、金属感温磁性材料のエネルギ−分野でのを利用を確立できたもので、今後はこれらの素材の生産が飛躍的に拡大して産業の発展に寄与できる一方、磁性材料の研究開発に新たなるアプロ−チを提唱できるものである。

本発明によって、産業上「２１世紀は磁石および磁気の時代」と定義付けられる程の磁気応用製品が出現してくるものと思われる。

本発明の直線軌道の実施例の平面図である。 金属感温磁性材料と一般的な磁性体の磁化と温度の相関図である。 本発明の同心環状軌道の実施例の平面図である。 本発明の無限軌道の実施例の平面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の直線軌道の実施例の平面図である。

本実施例は、所定の幅のある金属感温磁性材料薄板を所定の長さで折り曲げて軌道１としたものであるが、実施においては、所定の寸法の金属感温磁性材料薄板を適度な間隔で並べたり、所定の幅と肉厚のある金属感温磁性材料に適度な間隔で溝を入れたり、穴をあけたり、編目としたり、押し出し成形や鋳型での一体成形でもよく、また、無数の棒状、針状、管状、球状等の金属感温磁性材料を容器等に収容して軌道１を作ることもできる。

軌道１の形状や形態には様々あるが、基本的には使用される冷却手段３や加熱手段４によって効率良く熱交換できる形状や形態を選定できる。

冷却手段３としては、自然冷却、空冷、水冷、その他冷却媒体による冷却等様々な冷却手段３がある。

加熱手段４としては、高温気体、高温蒸気、高温液体、可燃物の燃焼熱、可燃ガスの燃焼熱、太陽光の集光熱、レ−ザ−加熱、電磁誘導加熱等様々な加熱手段４がある。

図２は、本発明の軌道１の材料である金属感温磁性材料と一般的な磁性体の磁化と温度の相関図であり、一般的な磁性体の磁化がその素材固有のキュリ−温度に向かって温度上昇と供に指数関数的に減少していくのに対し、金属感温磁性材料はキュリ−温度前後で鋭敏な磁性／非磁性のスイッチング機能の特質的な磁気特性があることがわかる。

図２において、熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換するために必要な十分な磁化の変位を得るために、一般的な磁性体ではキュリ−温度前後で大きな温度差を必要とするのに対して、金属感温磁性材料ではキュリ−温度前後で必要とする温度差は極めて小さいことがわかる。

一般的な磁性体の磁化の変位が、キュリ−温度に対してアナログ的変化であるのに対して金属感温磁性材料はデジタル的変化である。

従って、磁場中の軌道１のキュリ−温度以下の低温域とキュリ−温度以上の高温域の境界域においてミクロ的には、一般的な磁性体では磁性帯・中間磁性帯・弱磁性帯・非磁性帯が混在した複雑なアナログ的な変換形態となるが、金属感温磁性材料では磁性帯／非磁性帯の明確なデジタル的変換形態であり、熱エネルギ−が力学的エネルギ−に変換されるメカニズムはミクロ的には全く異なる形態である。

また金属感温磁性材料は熱良導材料であるので冷却手段３、加熱手段４によって素早く磁性／非磁性にデジタル的に変化し、磁場中の軌道１に明確な磁性領域と非磁性領域の境界ができるので熱エネルギ−を効率良く力学的エネルギ−に変換できる。

金属感温磁性材料はすでに、キュリ−温度が数十度から数百度の広範囲の温度領域で安定した性能の素材が生産されているので、現時点においても、本発明は比較的低温の廃熱から高温の燃焼熱まで幅広い加熱温度帯の熱エネルギ−を効率よく力学的エネルギ−に変換できるものである。

磁場を作るための磁石２には永久磁石、電磁石等があるが、磁石２の温度が上昇すると磁力が低下するので、磁石２の温度上昇を抑える熱対策は重要である。

図３は本発明の同心環状軌道１の実施例の平面図であり、図４は本発明の無限軌道１の実施例の平面図である。

軌道１をこのように同心環状あるいは無限軌道１にすると、熱エネルギ−を容易に回転運動エネルギ−に変換することができる。

本発明のエネルギ−変換は、金属感温磁性材料のキュリ−温度前後の加熱と冷却の熱サイクルによるものであるから、得られる回転運動は基本的に低速である。

実施においては変速機等を接続して目的とする回転速度を得ることもでき、モ−タ−や発電機として利用することもできる。

図３は同心環状軌道１の円周４カ所に、冷却手段３・磁石２・加熱手段４を設けた本発明の実施例であるが、この数には制限がなく、複数個とすることで大きな回転トルクを得ることができる。

本発明は、金属感温磁性材料で直線、曲線、同心円環状あるいは無限軌道等の軌道１を作って磁場中に通し、磁石２を固定局として軌道１を移動局とする、あるいは軌道１を固定局として磁石２を移動局とし、磁場中の軌道１に冷却手段３と加熱手段４を用いて熱エネルギ−を与えて磁性領域と非磁性領域を作ることによって、熱エネルギ−を直線運動あるいは回転運動エネルギ−等の力学的エネルギ−に変換する方法である。

図１、図３、図４は、いずれも磁石２を固定局として軌道１を移動局とした実施例の軌道１の運動方向５を示したものである。

本発明は原理と構成が極めて簡単なものであるから、今後更なる優れた磁性材料が開発されることと相生して、一般産業はもとより医療、宇宙産業等の広範囲の分野で利用できるものである。

１…軌道
２…磁石
３…冷却手段
４…加熱手段
５…運動方向
６…回転軸

Claims (1)

1. 金属感温磁性材料で軌道を作りこの軌道を冷却手段を用いて金属感温磁性材料のキュリ−温度以下に保って磁場中に通した後、磁場中の軌道の所定の領域を、加熱手段を用いて金属感温磁性材料のキュリ−温度あるいはそれ以上に加熱することを特徴とする熱エネルギ−を力学的エネルギ−に変換する方法。

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