JP2014155428A - 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】磁石２で磁場を作り、この磁場中に、適度な間隔で適度な幅と深さの溝あるいは穴のある金属感温磁性材料の軌道１を、金属感温磁性材料のキュリ−温度以下にして通して磁化した後、磁場中の軌道の所定の領域を、加熱手段４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して消磁して、軌道を磁場中に引き込む力を生じさせ、磁石を固定して軌道を移動局とする、あるいは軌道を固定し磁石を移動局として移動局が移動できる機構を具備する。軌道の加熱された領域を磁場から引き離した後に金属感温磁性材料のキュリ−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、−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） 特願２０１２−８５８８０（熱磁気アクチュエ−タ−） 特願２０１２−８５８８１（熱磁気アクチュエ−タ−） 見城尚志著、（モ−タ−のＡＢＣ）、講談社出版、Ｐ１９６〜Ｐ１９９

本発明は、従来の課題を解決し、エネルギ−の変換効率が高く産業上利用できる新たな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。
磁石で磁場を作り、この磁場中に、適度な間隔で適度な幅と深さの溝あるいは穴のある金属感温磁性材料の軌道を、金属感温磁性材料のキュリ−温度以下にして通して磁化した後、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して消磁して、軌道を磁場中に引き込む力を生じさせ、磁石を固定して軌道を移動局とする、あるいは軌道を固定し磁石を移動局として移動局が移動できる機構を具備し、軌道の加熱された領域を磁場から引き離した後に金属感温磁性材料のキュリ−温度以下に冷却することを特徴とする熱機関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、肉厚が均一で連続した固体の軌道ではなく、軌道を適度な間隔で溝あるいは穴がある形状として加熱、冷却効率を高め、低温領域と高温領域間の熱伝導を低減できたことで、エネルギ−変換効率の高い新たな熱機関を確立できたものである。

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貢献でき、更なる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機関を確立できたものである。

本発明の直線軌道の実施例の平面図である。 本発明の直線軌道の他の実施例の平面図である。 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、適度な間隔で適度な幅と深さの溝のある金属感温磁性材料の軌道１を用いた実施例であるが、実施においては、図２に図示したように適度な間隔で穴のある金属感温磁性材料の軌道１を用いることもできる。

軌道１の形状や形態にはこれ以外にも様々あるが、基本的には使用される冷却手段３や加熱手段４、冷却手段５によって素早く効率良く熱交換でき、且つ、冷却手段３と加熱手段４および加熱手段４と冷却手段５の相互間の熱伝導を抑制できる形状が望ましい。

本発明は軌道１を直線・曲線・同心環状あるいは無限軌道にして熱エネルギ−をそれぞれ直線運動・往復運動あるいは回転運動エネルギ−等の力学的エネルギ−に変換する熱機関とすることができる。

冷却手段３、冷却手段５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手段がある。

冷却手段３と冷却手段５は、軌道１が直線あるいは曲線の場合は、加熱手段４を挟んで両端にあることが望ましいが、軌道１が同心環状あるいは無限軌道の場合は、冷却手段３と冷却手段５を兼用することもでき、冷却手段３または冷却手段５のいずれか一方だけでもよい。

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手段がある。

本発明は、キュリ−温度前後で鋭敏な磁性／非磁性特性を示す金属感温磁性材料を軌道１の材料とし、軌道１を適度な間隔で適度な幅と深さの溝あるいは穴のある形状とすることによって、加熱、冷却効率を高め、磁場中の軌道１に明確な磁性領域と非磁性領域の境界を作ることができた結果、エネルギ−変換効率の高い熱機関を提供できたものである。

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、実施においては、磁石２を加熱領域と断熱したり、磁石２を水冷、空冷、油冷あるいはそれ以外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。

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・冷却手段５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力を得ることができる。

図１、図３、図４は、いずれも磁石２を固定して軌道１を移動局とした実施例で、軌道１の移動方向６を示したものである。

本発明は、金属感温磁性材料の優れた磁気特性と熱伝導に基づくものであるが、今後開発される可能性のある、磁気特性に優れ且つ熱伝導の良い非金属系の感温磁性材料を用いた熱機関にも適応できるものである。

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エネルギ−関連、電力、遊具、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…冷却手段
６…移動方向
７…回転軸

Claims (1)

1. 磁石で磁場を作り、この磁場中に、適度な間隔で適度な幅と深さの溝あるいは穴のある金属感温磁性材料の軌道を、金属感温磁性材料のキュリ−温度以下にして通して磁化した後、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して消磁して、軌道を磁場中に引き込む力を生じさせ、磁石を固定して軌道を移動局とする、あるいは軌道を固定し磁石を移動局として移動局が移動できる機構を具備し、軌道の加熱された領域を磁場から引き離した後に金属感温磁性材料のキュリ−温度以下に冷却することを特徴とする熱機関。

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