JP2014138549A - 金属感温磁性材料の磁気特性を応用した熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】金属感温磁性材料の磁気特性を応用した熱機関を提供する。
【解決手段】所定の寸法の金属磁性材料薄板を適度な間隔で環状に並べて磁性体ロ−タ−１を形成し、回転体６で支持し、磁性体ロ−タ−１の円周面近傍あるいは側面近傍に、磁石２を適度な台座等に固定し磁場を作り、磁性体ロ−タ−１を冷却手段３を用いて金属感温磁性材料薄板のキュリ−温度以下に保って磁場中に通した後、磁場中の磁性体ロ−タ−１の所定の領域を、加熱手段４を用いて金属感温磁性材料薄板のキュリ−温度あるいはそれ以上に加熱することで回転運動を得、磁性体ロ−タ−１の加熱された領域を磁場から引き離した後にキュリ−温度以下に冷却する。
【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金属が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た熱機関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た熱機関は今だ実用化されていない。

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）

特願２０１２−２７０７５５（金属感温磁性材料の磁気特性を応用した熱機関） 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、エネルギ−の変換効率が高く実用的な金属感温磁性材料の磁気特性を応用した熱機関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。
（イ）所定の寸法の金属感温磁性材料薄板を適度な間隔で環状に並べて磁性体ロ−タ−を形成し、回転体で支持する。
（ロ）磁性体ロ−タ−の円周面近傍あるいは側面近傍に、磁石を適度な台座等に固定し磁場を作る。
（ハ）磁性体ロ−タ−を冷却手段を用いて金属感温磁性材料薄板のキュリ−温度以下に保って磁場中に通した後、磁場中の磁性体ロ−タ−の所定の領域を、加熱手段を用いて金属感温磁性材料薄板のキュリ−温度あるいはそれ以上に加熱することで回転運動を得、磁性体ロ−タ−の加熱された部分を磁場から引き離した後にキュリ−温度以下に冷却する。
以上を特徴とする熱機関。

Ｆｅ，Ｎｉ等の一般的な磁性体ロ−タ−で十分な磁化の変位を得るためには、磁性体ロ−タ−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、本発明は金属感温磁性材料薄板を適度な間隔で並べて磁性体ロ−タ−を形成したことを特徴とするもので、磁場中の低温領域と高温領域の温度差は、金属感温磁性材料薄板のキュリ−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、金属であるから熱伝導が良く、更に薄板であるから加熱手段や冷却手段を用いて、磁性体ロ−タ−を局部的にほぼ均一に素早く加熱、冷却することができ、磁場中の加熱領域と非加熱領域で明確な非磁性領域と磁性領域の境界を作ることができた結果、エネルギ−の変換効率の高い新たな熱機関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限定的に使用されているが、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、更に特性の優れた磁性材料の開発や応用が促進されるものと期待できる。

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るが、本発明は磁性体ロ−タ−を固体の金属感温磁性材料で肉厚が均一な連続体ではなく、金属感温磁性材料薄板の断続体としたもの、あるいはこれに類似したものとしたことを特徴とするものでエネルギ−変換のメカニズムは、根本的に全く異なる新たな熱機関を確立できたものである。

本発明の熱機関の実施例の平面図である。 本発明の熱機関の実施例の断面図である。 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。 本発明の熱機関で磁性体ロ−タ−を無限軌道とした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は本発明の熱機関の実施例の平面図であり、図２はその断面図である。

本実施例は、所定の寸法の金属感温磁性材料薄板を適度な間隔で環状に並べて同心環状の円筒状の磁性体ロ−タ−１を形成し回転体６で支持して移動局とし、磁石２を鉄心８を経て台座１１に固定して固定局とし、冷却手段３と加熱手段４を金属感温磁性材料薄板のキュリ−温度以下の低温液体とキュリ−温度以上の高温液体とした実施例であるが、実施における磁性体ロ−タ−１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、押し出し成型や鋳型での一体成型でもよく、また、無数の棒状、針状、管状、球状等の金属感温磁性材料片を容器等に収容して磁性体ロ−タ−１を作ったり、金属感温磁性材料の金網あるいはこれに類似したもので作ることもできる。

磁性体ロ−タ−１の形状にはこれ以外に、円盤状、円錐状、無限軌道等様々あるが、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、空冷、水冷、油冷、低温物質との接触冷却、低温液化ガスによる冷却、その他の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、地熱、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３は、本発明の磁性体ロ−タ−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３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、本熱機関の起動時を除いては、磁性体ロ−タ−１の加熱によって生じる加熱手段４で用いられる加熱物質の温度低下は少ないので、本実施例のように回収容器１２等を用いて加熱物質を回収し、本発明の熱機関と同様の他の熱機関の加熱手段４として再利用して、熱機関の多段システムを構築することもできる。

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−に変換できる熱機関を提供できるものである。

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り、熱対策としては磁石２と加熱手段４間の断熱や磁石２を水冷、油冷、空冷あるいはその他の冷却媒体による冷却等の熱対策を講ずることができる。

本実施例は熱対策として、磁性体ロ−タ−１の内側と外側を薄い断熱材で覆い、加熱物質が磁石２にかからない所作を講じた実施例である。

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１は同心環状の磁性体ロ−タ−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。

図４は本発明の熱機関で磁性体ロ−タ−１を無限軌道とした実施例の平面図で、実施においては無数の金属感温磁性材料薄板をベルトに固定したり、複数枚を１ブロックとしてチェ−ンに固定し、回転体６にスプロケットを用いて支持することもできる。

無限軌道の特長は、磁石２の形状が単純であって安価であること、安定した強い磁場が作りやすいこと、エネルギ−変換領域を直線にできること等の利点がある。

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エネルギ−関連、電力、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…磁性体ロ−タ−
２…磁石
３…冷却手段
４…加熱手段
５…運動方向
６…回転体
７…回転軸
８…鉄心
９…軸受
１０…支持体
１１‥台座
１２…回収容器

Claims (1)

1. （イ）所定の寸法の金属感温磁性材料薄板を適度な間隔で環状に並べて磁性体ロ−タ−を形成し、回転体で支持する。
   （ロ）磁性体ロ−タ−の円周面近傍あるいは側面近傍に、磁石を適度な台座等に固定し磁場を作る。
   （ハ）磁性体ロ−タ−を冷却手段を用いて金属感温磁性材料薄板のキュリ−温度以下に保って磁場中に通した後、磁場中の磁性体ロ−タ−の所定の領域を、加熱手段を用いて金属感温磁性材料薄板のキュリ−温度あるいはそれ以上に加熱することで回転運動を得、磁性体ロ−タ−の加熱された領域を磁場から引き離した後にキュリ−温度以下に冷却する。
   以上を特徴とする熱機関。

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