JP2014134335A - 磁性流体駆動装置並びにそれを用いた熱輸送装置及び動力発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型で高効率な、磁性流体の流れの方向及び流速・流量を制御可能な磁性流体駆動装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、磁性流体が封入された循環流路と、循環流路中に加熱部と、加熱部にある磁性流体に磁場を印加する磁場印加部とを備えた磁性流体駆動装置において、前記循環流路中の加熱部の加熱領域を制御することにより磁性流体の駆動方向及び／又は駆動速度を、及び／又は前記循環流路中の加熱部の加熱量を制御することにより磁性流体の駆動速度を、任意に可変することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、加熱された磁性流体を移動させてその熱エネルギーまたは運動エネルギーを利用するシステムで使用されている磁性流体駆動装置に関するものである。

従来の磁性流体駆動装置として、磁場印加部に電磁石を使用するものがある。図1(a)の流路右方向の磁場を正、左方向の磁場を負とすると、上記の電磁石は、図1(b)のような流路方向で、磁性流体駆動のために最も理想的な、全領域に渡って極性反転しない略台形型の磁場分布Hを生じる。磁性流体に磁場Hを印加すると磁化Mを持った流体としてふるまう。磁性流体の構成成分である酸化鉄微粒子は室温において超常磁性的振る舞いをする。超常磁性体の磁化は磁場に対してランジュバン関数に従うが、低磁場領域においては、磁化が磁場に比例すると近似できる。また、酸化鉄微粒子のキュリー温度は４７７K（２０４℃）であるために、温度上昇に伴いキュリー温度に向かって磁化が低下する感温特性がある。以上より、局所的な磁性流体の磁化は、下記式で表現できる。

ここで、μ0：真空透磁率、χ：磁化率、α：空隙率、T：加熱部における磁性流体の温度、T0：非加熱部における磁性流体の温度、Tc：磁性微粒子のキュリー温度である。磁場H下の磁性流体には、磁化Mと磁場勾配∇Mに比例する磁気体積力F=M・∇Hが働く。加熱前の段階では、図1(c)の(i)の曲線のように磁気体積力Fは電磁石中心を境界として符号反転する。このとき、トータルの駆動力は(i)の曲線とxで囲まれた体積に比例するが、正負の磁気体積力F1とF2がつりあって磁性流体は流れない。

加熱部は磁場印加部の一端に設置されている。ここで磁性流体が低沸点溶媒の沸点TL未満の温度まで加熱されると、温度Tの増大に伴い加熱部の磁化Mは非加熱部の磁化M0に対して減少するため、図1(c)の(ii)の曲線のように、加熱部の磁気体積力F2は、非加熱部の磁気体積力F1に比べて小さくなるので、トータルの駆動力は正方向となる。これにより磁性流体は正方向に自発的に駆動を始める。さらに磁性流体が低沸点溶媒の沸点TL以上、磁性流体の母液の沸点TH未満まで加熱されると、低沸点溶媒の沸騰により気泡が発生すると同時に、被冷却体は潜熱を奪われる。このとき、低沸点溶媒の沸点未満の場合に比べて、温度Tと空隙率αが増加するため、加熱部の磁化Mはさらに減少し、F1とF2の差が増大するため、トータルの正方向の駆動力も増大する。

特許文献１は、磁性流体にはその母液よりも沸騰点が小さい低沸点溶媒を少なくとも１種混合した作動流体を用いた、磁性流体駆動装置に関するものである。
特許文献２は、磁界が磁性流体の流れの方向と同一の磁場を磁場印加部に用いた磁性流体駆動装置に関するものである。

特開２００３−２４０４６７号公報 特開昭６４−１２８５２号公報

従来の磁性流体駆動装置において、磁性流体が封入された循環流路中の加熱部の加熱を制御して、磁性流体の流れの方向及び流速を制御することはなされていなかった。特に、磁場印加部に永久磁石を用いた場合は、流速の制御が困難であった。

本発明は、この様な問題点に着目したものであり、その目的は、磁性流体駆動装置において、磁性流体が封入された循環流路中の加熱部の加熱を制御して、磁性流体の流れの方向及び流速を制御することである。更には、磁性流体駆動装置の小型化と磁性流体駆動を高効率化することにある。

上記のような目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段から構成される。
〔１〕 磁性流体が封入された循環流路と、循環流路中に加熱部と、加熱部にある磁性流体に磁場を印加する磁場印加部とを備えた磁性流体駆動装置において、
前記循環流路中の加熱部の加熱領域を制御することにより磁性流体の駆動方向及び／又は駆動速度を、及び／又は前記循環流路中の加熱部の加熱量を制御することにより磁性流体の駆動速度を、任意に可変することを特徴とする磁性流体駆動装置。
〔２〕 循環流路に封入される磁性流体が、磁性微粒子を分散させる母液に、母液よりも低沸点の溶媒を少なくとも1種混合した磁性流体であることを特徴とする前記〔１〕に記載の磁性流体駆動装置。
〔３〕前記循環流路中の加熱部の位置を前記磁場印加部領域に対して、相対的に移動させることにより、磁性流体の駆動方向や駆動速度を任意に可変することを特徴とする前記〔１〕又は前記〔２〕に記載の磁性流体駆動装置。
〔４〕 前記循環流路中の加熱部を磁場印加領域付近に複数個設け、任意の加熱部への加熱制御により、磁性流体の駆動方向や駆動速度を任意に可変することを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
〔５〕 前記加熱手段が電気ヒーターであり、前記電気ヒーターの制御を、電圧、On/Offディユーティ比、駆動周波数及びOnタイムのいずれか１つ以上を制御することにより、磁性流体の駆動速度を任意に可変することを特徴とする前記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
〔６〕 前記磁場印加部が、磁場の印加に永久磁石を用い、流路方向と垂直な磁化容易軸を持つ一対の永久磁石を流路方向に沿って互いに異なる磁極面を流路に向けるように並列配置した構成（異極並列配置）したことを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
〔７〕 前記磁性流体が封入された循環流路を並列に複数設けて、それぞれの流路中の磁性流体を実質的に同位相に駆動することを特徴とする前記〔１〕〜〔６〕のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
〔８〕 前記磁性流体が封入された循環流路を並列に複数設けて、隣同士の流路中の磁性流体を実質的に逆位相に駆動することを特徴とする前記〔１〕〜〔６〕のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
〔９〕 前記〔１〕〜〔８〕のいずれかに記載の磁性流体駆動装置を用いたことを特徴とする熱輸送装置。
〔１０〕 前記〔１〕〜〔８〕のいずれかに記載の磁性流体駆動装置を用いたことを特徴とする動力発生装置。

本発明の磁性流体駆動装置は、磁性流体が封入された循環流路中の加熱部の加熱領域を制御して、磁性流体の流れの方向及び流速・流量を制御可能であり、また、循環流路中の加熱部の加熱量を制御して、磁性流体の流速・流量を制御可能であるため、熱輸送装置として用いた場合は、熱輸送先の放熱具合に合わせた熱輸送量に制御できるので、熱制御・徐熱・冷却を効率良くおこなうことが可能となる。
また、動力発生装置として用いた場合は、必要とされる動力に合わせて動力伝達量を効率よく制御することが可能となる。

そして、磁場印加部に大きな磁気体積力が生み出される構成の永久磁石磁気回路を使用することにより、小型で外部電源なしで加熱のみによる半永久機関の磁性流体駆動ポンプが可能となり、小型で高効率な流れ方向及び流速・流量が制御できる磁性流体駆動装置とすることができる。小型で高効率な流れ方向及び流速・流量が制御できる磁性流体駆動装置が可能になれば、例えば、モバイル機器等に使用されている、ＣＰＵ、ＬＳＩなどの電子機器、電子デバイスなどを冷却するための電源の必要のない小型熱輸送装置として、機器に組み込むことが可能になる。
更に、本発明の装置は、駆動源として重力は必須でなく磁気体積力のみを利用するため、設置方向を問わないことから、モバイル機器への搭載に向いている。また、宇宙空間のような無重力環境でも駆動可能である。

従来の磁性流体駆動装置の基本原理を示す図である。 本発明による磁性流体駆動装置の１例の原理を示す断面図である。 本発明による磁性流体駆動装置の１例の原理を示す断面図である。 本発明による磁性流体駆動装置において改良された原理を示す断面図である。 本発明による磁性流体駆動装置において改良された原理を示す断面図である。 本発明による熱輸送装置の１例の模式図である。 本発明による実施例の磁性流体駆動装置を示す図である。 本発明の実施例の試験結果を示す図である。 磁場発生装置として用いる電磁石コイルを示す図である。 本発明の加熱部の１例を示す図である。

本発明は、磁性流体が封入された循環流路と、循環流路中に加熱部と、加熱部にある磁性流体に磁場を印加する磁場印加部とを備えた磁性流体駆動装置において、前記循環流路中の加熱部の加熱領域を制御することにより磁性流体の駆動方向及び／又は駆動速度を、及び／又は前記循環流路中の加熱部の加熱量を制御することにより磁性流体の駆動速度を、任意に可変することを特徴とする磁性流体駆動装置である。

本発明の磁場印加部には、電磁石及び永久磁石を用いることができるが、後述するように永久磁石に適用した場合のほうがより効果が大きい。

まず、磁性流体の駆動方向の制御の一例を図１の原理図により説明すると、図１では加熱部は磁気印加部の右側を加熱して、加熱部の流路方向の磁気体積力を減少させることにより図１（ｃ）に示すＦ２が減少し正方向の駆動力（図面右側方向への駆動力）が生ずる。逆に、図１で磁気印加部の左側を加熱部として加熱した場合は負方向の駆動力（図面左側方向への駆動力）が生じさせることができる。そこで、磁気印加部の右側及び左側に加熱部を具備させ、片側への加熱を切り替えることにより磁性流体の駆動方向を逆転させることができるし、切り替えのサイクルによって駆動流量を制御することもできる。
その他、右側及び左側に加熱部の加熱領域を増減させて、駆動流量を制御することもできる。

駆動流量の制御については、上記の方法によっても制御できるが、加熱部の加熱量を制御することでも制御可能である。すなわち、加熱部の加熱量を増大すれば、駆動流量も増大し、循環流路中の加熱部の加熱量を制御することにより、磁性流体の駆動速度を任意に可変することができ、より簡便に駆動速度の制御をすることがでる。

加熱部の加熱手段としては、電気ヒーター、廃熱の熱伝達、エアーヒーター、太陽光の集熱及びランプヒーターなどのいずれであってもよいが、電気ヒーターを用いると加熱量の制御が容易であり、装置が小型化できるという利点がある。

加熱部にヒーター等を設けて加熱量を制御することにより、磁性流体の温度や沸騰による泡の発生量などを任意に制御することについて説明すると、加熱部において磁性流体の温度や泡の発生量によって磁性流体の磁化が変わり、磁気体積力が変化する。さらに、気泡による液体排除効果も加わり、図１（ｃ）の場合のように正方向の磁性流体駆動力を変化させ、駆動速度を任意に制御することが可能になる。

本発明の磁性流体の磁性微粒子としては、酸化鉄系微粒子、スピネルフェライト（MFe₂O₄：M=Fe、Mn、Ni、Mn_xZn_1-x）や、γ-ヘマタイト（γ-Fe₂O₃）等を用いる。より好ましくは、マンガン亜鉛フェライト（Mn_xZn_1-xFe₂O₄）であり、常温域で磁化が比較的大きく、磁化の温度依存性が高く現れ、組成を制御することで、キュリー温度の調整もできるという特徴から、感温性磁性流体の構成要素として適している。磁性流体の母液としては、水、炭化水素系オイル（ケロシン、アルキルナフタレン等）、フッ素系オイル（パープルオロポリエーテル等）を用いる。

本発明の磁性流体駆動装置において、循環流路に封入される磁性流体は、磁性微粒子を分散させる母液に、母液よりも低沸点の溶媒を少なくとも1種混合したことを特徴とする。

低沸点溶媒は、磁性流体の母液よりも低沸点である溶媒が使用される。低沸点溶媒の種類については、特に限定されるものでなく、母液との相性等を考慮して適宜選択され、その混合比については、熱磁気的諸性質を考慮して適宜決定される。

循環流路中の加熱部を加熱することにより、磁性流体中の低沸点溶媒の沸騰により気泡が発生し、その気泡発生部の磁気体積力の低減効果による正方向への磁気体積力が増加し、流体駆動力が増す（図１（ｃ））。また、気泡発生による非圧縮性である液体の排除効果によっても流体駆動力が増し、沸騰の起こらない状態のいわゆる単相流の場合と比較して、効率良く磁性流体を駆動させることが可能になる。

循環流路の加熱部が加熱され、磁性流体が駆動していくうちに、磁性流体中の気泡が凝集されるとともに、凝集潜熱が外部に取り出されていることが好ましい。このようにすると、温度差による熱エネルギーいわゆる顕熱だけでなく、潜熱を利用することができ、高性能・高効率な熱輸送サイクルを構成することが可能となる。

本発明の小型磁性流体駆動装置によると、循環流路中の加熱部の位置を磁場印加部領域に対して、相対的に移動させることにより、磁性流体の駆動方向や駆動速度を任意に可変することができる。

磁場印加部の位置に対して加熱部の位置を変化させることにより、トータルの磁気体積力が変化しそれにより、駆動速度を正方向から負方向まで任意に制御することが可能となる。この場合、磁場印加部が固定で加熱部の位置を移動させても良く、加熱部が固定で磁場印加部を移動させても良い。

また、本発明の小型磁性流体駆動装置によると、前記循環流路中の加熱部を磁場印加領域付近に複数個設け、任意の加熱部への加熱制御により、磁性流体の駆動方向や駆動速度を任意に可変することができる。

加熱手段は前記した手段であればよいが、電気ヒーターを用いた場合により説明すると、本発明の小型磁性流体駆動装置によれば、循環流路中の加熱部を磁場印加領域付近に複数個設けてあり、任意の加熱部への通電を制御することにより、電気的に加熱領域を変化させることが可能になるので、加熱部の位置を動かさなくても電気的に加熱部の位置をスイッチングにより、応答性良く変化させることができ、これにより磁性流体の駆動方向や駆動速度を任意に簡便に可変するとこが可能になる。発熱部は、ニクロム管や銅管など流路の一部を構成できる材料を複数個設けてあっても良いし、流路上に流路と異なる材料の発熱抵抗体を用いて設置しても良い。好ましくは、発熱部と制御部には、図１０の通り発熱抵抗体とそれに繋がる論理回路で高速にスイッチングを制御することが挙げられる。この場合、発熱抵抗体は、TaSiO2、Ta2N_X、ニクロムなどの既存の薄膜抵抗体材料やRuO2などの既存の厚膜抵抗体材料などを使用しても良い。

更に、具体例で説明してきたように本発明においては、前記加熱手段が電気ヒーターであり、前記電気ヒーターの制御を、電圧、On/Offディユーティ比、駆動周波数及びOnタイムのいずれか１つ以上を制御することにより、磁性流体の駆動速度を任意に可変することが好ましい。

本発明の小型磁性流体駆動装置によれば、加熱部は、特にヒーターなどの発熱体によって加熱させる場合に、その印加条件を制御することにより、発熱量を精密に制御できる。前記電気ヒーターの制御の場合、印加条件として、電圧、On/Offディユーティ比、駆動周波数及びOnタイムなどのいずれか１つ以上を制御することが挙げられる。これらの印加条件によって、発熱量の他にも沸騰状態として、核沸騰や膜沸騰なども制御でき、磁性流体の駆動速度を任意に可変することが可能となる。発熱部は、ニクロム管や銅管など流路の一部を構成できる材料であっても良いし、流路上に流路と異なる材料の発熱抵抗体を用いて設置しても良い。

本発明の磁場印加部には、電磁石及び永久磁石を用いることができるが、より効果が大きい永久磁石を用いた本発明の磁性流体駆動装置について以下詳細に説明する。

本発明の磁性流体駆動装置に永久磁石を用いた場合は、磁場の形成に電源装置を必要としないため、装置の小型化が可能である。磁性流体駆動には、電磁石のように流路方向に全領域に渡って反転しない略台形型の磁場分布が理想的であるが、永久磁石を用いてこの磁場分布を実現することは困難である。そこで、大きな磁気体積力が生み出され、できるだけ台形に近い磁場分布になる様に磁気回路構成を検討した結果、印加部の流路平行方向の磁場分布は、図2(b)、図3(b)のように磁場の反転成分の極小値の絶対値が極大値未満とすることが好ましいと判明した。また、より好ましくは、磁場の反転成分の極小値の絶対値が極大値の1/2以下である。

流路断面内径直径は、好ましくは5mm以下で、流路のレイノルズ数は、好ましくは1000以下である。流路断面内径直径が5mm以下であれば、装置の小型化を可能にし、レイノルズ数1000以下での層流であれば、流路内の流れの乱れが少なく高効率に駆動させることが可能になり、流路内の淀みも少なく、熱により生成した気泡も滞留しにくくなる。また、加熱部に加える熱量も少なくて済み、例えば少量の廃熱などでも高効率での流体駆動が可能になる。

レイノルズ数は、Re=ρｖL/μで表さる。ただし、ｖ：流速、L：流路断面直径、ρ：磁性流体密度、μ：磁性流体粘度である。例えば、流速30mm/ｓ、流路直径1.58mm、磁性流体密度1130kg/m³、粘度0.00125kg/m・sの時にはRe＝43である。レイノルズ数は好ましくは1000以下であるが、より好ましくは500以下である。

本発明の磁場分布を持つ磁性流体駆動装置は、磁性流体の循環流路方向と垂直な磁化容易軸を持つ2個の永久磁石を流路に向かった磁極面が互いに異なる磁極面になるように一対として流路に向けて配設して、すなわち永久磁石を異極並列配置して、磁場印加部としたことを特徴とする。

永久磁石としては、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石等が利用可能であるが、最も磁力が大きく高磁場を発生することができるネオジム磁石が好ましい。
また、永久磁石の形状は、どのようなものであっても良いが、通常は、角柱、円柱、楕円柱のものが用いられる。柱状物の高さも断面の長さとの関係で、高さが長いものであっても、短いものであっても良い。その中でも、断面長方形の高さが長方形の長辺よりも長い柱状物を用いるのが好ましい。

前記の磁性流体駆動装置は、磁場印加部を図2(a)及び図3(a)のように、流路方向と垂直な磁化容易軸を持つ一対の永久磁石を流路方向に沿って互いに異なる磁極面を流路に向けた構成、すなわち異極並列配置構成である。このような磁場印加部の構成にすることにより、流路平行方向で、図2(b)及び図3(b)のような、磁場の反転成分の極小値の絶対値が極大値未満である磁場分布を生じさせることが可能となる。

本発明においては永久磁石の配置間隔によって、図2(b)の磁場分布のように磁場強度の極大点が1個になる場合と図3(b)のように磁場強度の極大点が2点となる場合があるが、どちらの場合であっても従来の永久磁石を用いた装置よりも効率よく磁性流体を循環することができる。しかし、図2(b)と図3(b)の磁場分布では、図2(b)の磁場分布で磁性流体を循環するほうがより効果が大きい。
以下、より好ましい図2(b)の磁場分布の本発明について詳細に説明し、併せて図3(b)の磁場分布の本発明についても説明する。

加熱前の段階では、図2(c)の(i)の曲線のように、磁気体積力Fの符号は、磁場Hの符号および磁場勾配∇Hの符号が変わるたびに反転するので、F1〜F6がつりあって磁性流体は動かない。加熱部において磁性流体が低沸点溶媒の沸点TL未満の温度まで加熱されると、温度Tの増大に伴い、加熱部の磁化Mは非加熱部の磁化M0に対して減少するため、図2(c)の(ii)の曲線のように、加熱部の磁気体積力F4、F5、F6は、加熱部とは他端側の非加熱部の磁気体積力F1、F2、F3に比べて小さくなる。加熱部の磁気体積力のうちF2は負の向きであるが、F1と同程度の大きさであることから相殺され、実質的には正方向のF3の磁気体積力が支配的となる。これにより磁性流体は正方向に自発的に駆動を始める。さらに図2(c)の(iii)の曲線のように、磁性流体が低沸点溶媒の沸点TL以上、磁性流体の母液の沸点TH未満まで加熱されると温度Tが増大し、低沸点溶媒の沸騰により気泡が発生すると空隙率αが増大するため、加熱部の磁化Mはさらに減少し、トータルの正方向の駆動力も増大する。

上記の駆動を高効率、つまり実用を視野に入れた流速1500μl/min以上を実現するために、後述の実施例の図８(a)の磁場強度分布のように、流路方向の磁場分布の極大点が1個になり、かつ、その極大値が磁場の極性反転成分の極小値の絶対値の2倍以上となるように磁気回路設計を行うことが好ましい。

極大点1個の磁場分布が2個の磁場分布よりも好ましい理由を記述する。まず、加熱部において磁性流体が低沸点溶媒の沸点TL未満の温度まで加熱されるとき、図3(c)に示すような極大点2個の場合は、図2(c)に示すような極大点1個の場合に比べて、非加熱部における磁気体積力は正方向成分が減少し、負方向成分が増加するため、トータルの正方向の駆動力が減少する。次に、磁性流体が低沸点溶媒の沸点TL以上、磁性流体の母液の沸点TH未満まで加熱されるとき、磁気体積力が互いに離れる方向を向いた境界において、生成した気泡が磁気排斥力により流路内にトラップされて駆動力を阻害する現象がみられる。極大点1個の場合は、図2(c)のように、磁気体積力が互いに離れる方向を向いている境界がF4とF5の間に1か所存在する。この付近に生じた気泡は、非磁性のため磁気体積力とは反対方向の磁気排斥力が働くために、F4とF5の境界にトラップされ、流速を抑制する。ただし、極大点1個を持つ磁場分布の場合、加熱によりF4とF5が小さくなっているため、その影響は小さく、流速の抑制効果は小さい。しかし、極大点2個を持つ磁場分布の場合、図3(c)のように、F4とF5の境界とF6とF7の境界の2か所に気泡トラップ領域が生じ、F4とF5は加熱による磁気体積力の低下がないため、極大点2個の磁場分布の場合よりも気泡トラップ力が増大し、流速も抑制される。

本発明の磁性流体駆動装置によると、一対の永久磁石を異極並列配置して構成された磁気回路を、流路方向の垂直面において等角間隔で、流路中心に向いた各々の永久磁石の磁極が同極になるように複数対配置したことを特徴とする。

本発明の磁性流体駆動装置は、図4のように磁場印加部において、磁気回路を流路に対して同極対向配置することにより、磁性流体駆動効率を更に向上させることが可能である。磁気回路単独配置の場合は、流路に垂直で、永久磁石の磁極から流路中心に向かう方向成分に大きな磁場勾配を生じている。この磁場勾配は流路垂直方向の磁気体積力を生じるため、磁性流体駆動の妨げとなる。これに対して、2個の磁気回路を同極対向配置することにより、流路垂直方向の磁場強度は相殺されて零磁場となり、流路垂直方向の磁気体積力は消失して、磁性流体駆動の妨げがなくなる。また、2個の磁気回路を同極対向配置することにより、単独配置の場合よりも流路平行方向の磁場強度が2倍となり、磁性流体駆動効率が向上する。本発明においては、2個以上の磁気回路を、流路方向の垂直面において等角間隔で、流路中心に向いた各々の永久磁石の磁極が同極になるように複数対配置（奇数・偶数を問わない）させるとさらに良く、この場合には、更なる磁性流体駆動効率を向上させることが可能となる。

また、本発明においては流路外周に互いに異なる磁極方向に内外単極着磁した一対の異方性ラジアルリング永久磁石を流路方向に沿って配置することも可能である。

異方性ラジアルリング永久磁石を流路方向に沿って配置した本発明の磁性流体駆動装置は、図5のように、磁場印加部は、流路外周に互いに異なる磁極方向に内外単極着磁した異方性ラジアルリング永久磁石を流路方向に沿って2個配置させる。好ましくは、ラジアルリング磁石の内径に対して同等かそれ以上の肉厚の磁石を選択する。このことにより、強い磁場強度を保持し高効率の磁性流体駆動と磁気回路の小型化を可能にする。

更に、本発明の磁性流体駆動装置は、一対の永久磁石の流路とは反対側の磁極面をヨークで結合することが好ましい。
永久磁石をヨークで結合した磁性流体駆動装置は、一対の永久磁石の流路とは反対側の磁極面をヨークで結合したことにより、磁場の閉ループを形成し、流路に対してより強い磁場強度を与えることになり、高効率の磁性流体駆動を実現できる。ヨーク材としては、通常用いられる材料である機械構造用炭素鋼（S10C、S15C等）、一般構造用圧延鋼材（SS400等）等が利用可能である。

好ましい磁性流体駆動装置の形態として、一対の永久磁石の１つの永久磁石の流路方向の幅（Ｗ）と前記一対の永久磁石の流路方向の間隔（ｄｘ）が、Ｗ＞ｄｘであることを特徴とする。

前記のＷとｄｘの関係がＷ＞ｄｘである磁性流体駆動装置によれば、流路方向の磁場分布の極大点が1個になり、かつ、その極大値が磁場の極性反転成分の極小値の絶対値の2倍以上になるように磁気回路設計を行うことができる。また、永久磁石の磁化容易軸方向の厚みLは、駆動に十分な磁場強度の極大値を得るために、磁石端から流路中心までの距離をdzとするとL＞2dz、永久磁石の奥行方向の長さDは、流路径方向に一様な磁場を発生するために、流路内径をφとするとD＞φ、そしてヨーク厚みは素材が磁気飽和しない程度の厚みを確保することが好ましい（上記のＷ、ｄｘ、Ｌ及びｄｚについては、図３（ａ）の図中に表示を参照）。

本発明の磁性流体駆動装置においては、前記磁性流体が封入された循環流路を並列に複数設けて、それぞれの流路中の磁性流体を実質的に同位相に駆動することができる。
具体例として、図6の（a）には、立体的に循環流路を4本並列に設けた磁性流体駆動装置である。本構成は、発熱部を磁気回路の下流側（図では上側）に設け、発熱部を発熱させることにより磁性流体を駆動させる。循環路が4本にすることにより1本1本の流速は同じであるが、1本の場合と比較して流量が4倍に上昇する。熱輸送装置としても性能は、1本の場合と比較すると4倍もの熱輸送能力が稼げることになる。本装置の発熱部の加熱領域や加熱量を制御することにより、任意に駆動速度又は熱輸送量を制御することが可能となる。また、発熱部を磁気回路の上流側（図では下側）に設け、発熱部を発熱させることにより、図とは反対方向に磁性流体を駆動させることが可能になる。

また、本発明の磁性流体駆動装置においては、前記磁性流体が封入された循環流路を並列に複数設けて、隣同士の流路中の磁性流体を実質的に逆位相に駆動するようにしても良い。
図６の（ｂ）には、図６の（a）と同様に立体的に循環流路を4本並列に設けた磁性流体駆動装置である。本構成は、発熱部を磁気回路の上流側と下流側に（図では上側と下側）に設け、図６の（ｃ）の通り、2本の流路は上側の発熱部に、残りの2本の流路は下側の発熱部にそれぞれ互い違いに接触させ、発熱部を発熱させることにより隣同士の流路中の磁性流体を実質逆位相で駆動させる。熱輸送装置としての性能は、前記７の同位相駆動と比較して、本構成の逆位相駆動では、放熱側に向かう比較的暖かい流路と放熱側から戻ってきた比較的冷めた流路との隣同士の流路の熱交換が起こるので、より効率的に熱輸送が可能となる。

本発明の磁性流体駆動装置は、動力発生装置として用いることができる。

本発明の磁性流体駆動装置を用いた動力発生装置によれば、磁性流体の移動による運動エネルギーを動力源として利用する例として、移動する磁性流体によって駆動されるポンプが循環流路途中に設ける構成とする。この様な構成とすることで、電動モーターを使用せずにポンプを駆動することができる。例えば、廃熱を利用して、電源フリーでポンプを駆動することが可能となる。さらに、流路途中に回転体を設けて、これを駆動軸として使用し回転体に所定の発電機を結合することにより、装置を回転させることにより発電が可能となる。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図７(a)に示す構成の小型磁性流体駆動装置を試作し、供試流体である非共沸混合磁性流体の駆動試験を行った。磁場印加部としては、図７(b)に示す、流路中心方向に磁化容易軸を持ち、着磁方向が互いに反対である10×10×10mmのネオジム磁石２個と10×10×22mmのヨーク材SS400から成る磁気回路を２個同極対向配置させたものを使用した。図７(b)に示す同極配置させた２個の磁気回路の距離を調節することにより、図８(a)に示すように流路方向の磁場極大値H_x,max=415、328、239kA/mを印加した。対向磁石間距離＝7mm（流路中心と磁極面との距離dz=3.5mm）の時、流路方向の磁場極大値H_x,max=415kA/mを持ち、この値は極性反転磁場の極小値の2.4倍であった。流路として、内径1.54mmのテフロン（登録商標）チューブ、加熱管として、内径1.60mm、長さ60.0mmのニクロム管を使用し、全流路長さは、1170mmである。図７(c)に示すように、加熱部は、直流電源に接続された上記ニクロム管から構成され、上記磁気回路との相対位置を任意に変更することが可能である。直流電源よりニクロム管へ入力される電流量を調節することにより、その熱流束qを7.2および31.7kW/m²に調節した。供試流体は、ケロシンベース感温性磁性流体とケロシンより低沸点のヘキサンを混合した非共沸混合磁性流体である。ケロシンベース感温性磁性流体は、分散粒子としてマンガン亜鉛フェライト（Mn_xZn_1-xFe₂O₄）、母液としてケロシンから構成され、フェライト濃度は50wt%である。非共沸混合磁性流体の配合比率は、ケロシンベース感温性磁性流体が80wt%、ヘキサンが20wt%である。上記の小型磁性流体駆動装置を用いて、磁場印加強度、熱流束、加熱管と磁気回路との相対位置を変化させた場合の非共沸混合磁性流体の駆動試験を行った。以下にその試験結果について記述する。

図８(b)に、本小型磁性流体駆動装置の検出流量の時系列試験結果を示す。実験条件は、熱流束q=7.2kW/m²（単相流）、磁場極大値H_x,max=415kA/m、加熱管と磁気回路の相対位置c=11mmである。加熱開始時間（t=0s）から流量が急速に増加し、定常状態になることがわかる。これにより、本小型磁性流体駆動装置が、小径流路において、永久磁石による磁気回路と熱入力のみで供試流体を駆動させ、熱を効率よく輸送している。
図８(c)に、加熱管と磁気回路の相対位置を任意に変化させた場合の駆動試験結果を示す。試験条件は、熱流束q=7.2kW/m²、磁場極大値H_x,max=415kA/mである。加熱管と磁気回路の相対位置c=0mmを境界として、その相対位置に応じて、流速の大きさと向きを能動的に制御可能である。

図８(d)に、熱流束を任意に変化させた場合の駆動試験結果を示す。試験条件は、熱流束q=7.2kW/m²（単相流）および31.7kW/m²（沸騰二相流）、磁場極大値H_x,max=415kA/mである。試験結果より、熱流束の増加に伴い検出流量が増加していることがわかる。これにより、本小型磁性流体駆動装置が入力される熱流束に応じて自己的に流量を制御している。また、試験条件q=31.7kW/m²において、加熱部において低沸点溶液が沸騰し、気液二相流となり、最大流速1500μl/minを得た。これより、供給流体の高効率な駆動と潜熱効果が付加された高効率な熱輸送が実現できる。

図８(e)、(f)に、磁場極大値を任意に変化させた場合の駆動試験結果を示す。試験条件は、熱流束q=7.2（単相流、図８(e)）および31.7kW/m²（沸騰二相流、図８(f)）、磁場極大値H_x,max=239、328および415kA/mである。試験結果より、単相流（q=7.2kW/m²）および沸騰二相流（q=31.7kW/m²）ともに、磁場極大値の増加に伴い、検出流量が増加していることがわかる。これより、外部磁場により流速を能動的に制御可能であることがいえる。また、熱流束が大きく、かつ沸騰気液二相流において磁場極大値の増加に伴う検出流量の増加率が大きいことがわかる。これより、高熱流束を伴う発熱体（LSIやCPUなど）への冷却への適応が可能である。

磁場発生装置に電磁石を用いた例を以下に示す。上記実施例で永久磁石から成る磁場発生装置による磁場極大値H_x,max=415kA/mを実現するのに必要な電磁石コイルのサイズを概算する。図９に示す有限長多層巻ソレノイドコイルの中心磁場は、H=nIl/(b-a)ln[{(l²+b²)^0.5+b}/{(l²+b²)^0.5+a}]で表される。ここで、a：コイル内径[m]、b：コイル外径[m]、l：コイル長さ[m]、n：巻線密度[回/m²]、I：電流[A]である。コイル内径aは、上記実施例の磁場発生装置の磁気回路ギャップ7mmに固定する。マグネットワイヤーの導体直径をdとして、近似的に絶縁被覆厚みを無視して図９の巻線様式でコイルを形成すると、巻線密度はn=(b-a)/(2d²)[回/m]となる。また、一般的な許容電流密度5A/mm²を用いると電流はI=5×10⁶×p(d/2)²[A]となる。このとき、上記実施例の磁気回路と同じサイズとなるように、コイル外径b=47mm、l=22mmとするとH=51kA/mである。H=415kA/mを実現するためには、例えば、b=270mm、l=200mmが必要である。電磁石の場合、電流電源が必要なため、永久磁石の場合に比べて装置が大きくなる。

本発明の磁性流体駆動装置は、熱輸送装置、エネルギー変換装置、動力変換装置として用いることができる。

Claims (10)

1. 磁性流体が封入された循環流路と、循環流路中に加熱部と、加熱部にある磁性流体に磁場を印加する磁場印加部とを備えた磁性流体駆動装置において、
   前記循環流路中の加熱部の加熱領域を制御することにより磁性流体の駆動方向及び／又は駆動速度を、及び／又は前記循環流路中の加熱部の加熱量を制御することにより磁性流体の駆動速度を、任意に可変することを特徴とする磁性流体駆動装置。
2. 循環流路に封入される磁性流体が、磁性微粒子を分散させる母液に、母液よりも低沸点の溶媒を少なくとも1種混合した磁性流体であることを特徴とする請求項１に記載の磁性流体駆動装置。
3. 前記循環流路中の加熱部の位置を前記磁場印加部領域に対して、相対的に移動させることにより、磁性流体の駆動方向や駆動速度を任意に可変することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の磁性流体駆動装置。
4. 前記循環流路中の加熱部を磁場印加領域付近に複数個設け、任意の加熱部への加熱制御により、磁性流体の駆動方向や駆動速度を任意に可変することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
5. 前記加熱手段が電気ヒーターであり、前記電気ヒーターの制御を、電圧、On/Offディユーティ比、駆動周波数及びOnタイムのいずれか１つ以上を制御することにより、磁性流体の駆動速度を任意に可変することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
6. 前記磁場印加部が、磁場の印加に永久磁石を用い、流路方向と垂直な磁化容易軸を持つ一対の永久磁石を流路方向に沿って互いに異なる磁極面を流路に向けるように並列配置した構成（異極並列配置）したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
7. 前記磁性流体が封入された循環流路を並列に複数設けて、それぞれの流路中の磁性流体を実質的に同位相に駆動することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
8. 前記磁性流体が封入された循環流路を並列に複数設けて、隣同士の流路中の磁性流体を実質的に逆位相に駆動することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の磁性流体駆動装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の磁性流体駆動装置を用いたことを特徴とする熱輸送装置。
10. 請求項１〜８のいずれかに記載の磁性流体駆動装置を用いたことを特徴とする動力発生装置。