JP2018059484A - 磁性流体駆動装置及び磁性流体駆動方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】管の中を流れる熱媒体を熱源として用い、効率よく磁性流体を駆動して熱輸送する手段を提供すること。
【解決手段】内側管１１、及び前記内側管１１の外側に形成された外側管１２を有する二重管１０と、前記二重管１０の外側に配置された磁場印加部３０と、を有し、前記内側管１１は、前記磁場印加部３０によって磁場が印加される領域内に、前記内側管１１の長さ方向に並置された高熱伝導領域２１及び低熱伝導領域２２を有し、前記側管１１の内部は熱媒体の流路であり、且つ前記内側管１１と前記外側管１２との間は磁性流体の流路である、磁性流体駆動装置１００。
【選択図】図２

Description

本発明は、磁性流体駆動装置及び磁性流体駆動方法に関する。
磁性流体が封入された流路に、加熱部及び磁場印加部を備える、磁性流体駆動装置が知られている（特許文献１及び２）。
磁性流体駆動技術では、磁場を印加して磁性流体を磁化し、磁化された磁性流体の一部を加熱して、該加熱された磁性流体の磁化を低下させる。このことにより、磁性流体に作用する磁気体積力に不均衡を生じさせ、磁性流体を駆動することができる。磁性流体は、典型的には、酸化鉄微粒子等の磁性微粒子と、該磁性微粒子が分散された母液とを含有し、任意的に母液よりも低い沸点を有する低沸点溶媒を更に含有してもよい。
公知の磁性流体駆動装置の一例を図１に示した。
図１（ａ）の磁性流体駆動装置において、磁場印加部は、横軸を磁性流体流路上の位置ｘ、縦軸を磁場Ｈとしたときに、理想的には極性反転しない略台形状の分布を示す磁場Ｈを生じる（図１（ｂ））。磁性流体に磁場Ｈを印加すると、該磁性流体は磁化Ｍを持つ流体として振舞う。酸化鉄微粒子は、室温において超常磁性的に振舞う。超常磁性体の磁化は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。酸化鉄微粒子のキュリー温度は４７７Ｋ（２０４℃）であり、キュリー温度Ｔに向かう温度上昇に伴って磁化が低下する感温特性を有する。
以上のことから、磁性流体の局所的な磁化Ｍは、下記数式で表される。
Figure 2018059484
上記数式中の各記号は以下の意味である。
μ0：真空透磁率
χ：磁化率
α：磁性流体の空隙率
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
Ｈ：磁場
磁場Ｈ下にある磁性流体には、磁化Ｍ及び磁場勾配▽Ｈに比例する磁気体積力Ｆが働く（Ｆ＝Ｍ・▽Ｈ）。この磁気体積力Ｆは、横軸を磁性流体流路上の位置ｘ、縦軸を磁気体積力Ｆとしたときに、磁場印加部の中心を境界として符号反転する（図１（ｃ））。磁性流体に働くトータルの駆動力は、図１（ｃ）における、磁気体積力Ｆの曲線と横軸ｘで囲まれた部分の体積に比例する。
加熱前の段階では、図１における右方向の磁気体積力Ｆ１と、左方向の磁気体積力Ｆ２とが釣り合って、磁性流体は駆動しない（図１（ｃ）の「（ｉ）加熱前」）。
磁性流体流路における磁場印加部の一端に配置された加熱部により、磁化された磁性流体の一部が加熱されると、温度Ｔの上昇に伴って加熱部における酸化鉄粒子の磁化が低下し、これによって磁性流体の磁化Ｍが減少する。そしてこのことにより、加熱部の磁気体積力Ｆ２は、非加熱部の磁気体積力Ｆ１と比べて小さくなるから、Ｆ１及びＦ２の両者の差分として、図１の右方向への駆動力が生じる。従って、磁性流体は自発的に図１右方向への駆動を始める（図１（ｃ）の「（ｉｉ）加熱中（Ｔ＜ＴＬ）」）。
磁性流体が上記低沸点溶媒を含有している場合には、磁性流体が該低沸点溶媒の沸点ＴＬ以上、母液の沸点ＴＨ未満の温度まで加熱されると、低沸点溶媒が気化して磁性流体内に気泡が発生する。これにより、磁性流体の空隙率αも増大し、加熱部の磁化Ｍが更に減少する。従って、図１右方向への磁気体積力Ｆ１と図１左方向への磁気体積力Ｆ２との差が更に増大するから、図１右方向へのトータルの駆動力が増大することになる（図１（ｃ）の「（ｉｉｉ）加熱中（Ｔ≦ＴＬ＜ＴＨ）」）。
特許文献１は、磁性流体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／又は駆動速度を任意に可変すること、並びに磁性流体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、のうちの少なくとも一方を行う技術に関する。
特許文献２は、磁性流体流路に備える磁場印加部における磁場の印加に永久磁石を用いる技術に関する。
特開２０１４−１３４３３５号公報 特開２０１４−５０１４０号公報
公知文献には、磁性流体駆動技術における加熱部の加熱手段（熱源）として電気ヒーター等が記載されている。しかしながら、加熱手段として管の中を流れる熱流体を用いる場合、これをどのように用いるかは記載されていない。
本発明は、管の中を流れる熱媒体を熱源として用い、効率よく磁性流体を駆動して熱輸送する手段の提供を目的とする。
本発明は、以下の技術的手段から構成される。
［１］ 内側管、及び前記内側管の外側に形成された外側管を有する二重管と、
前記二重管の外側に配置された磁場印加部と、
を有し、
前記内側管は、前記磁場印加部によって磁場が印加される領域内に、前記内側管の長さ方向に並置された高熱伝導領域及び低熱伝導領域を有し、
前記内側管の内部は熱媒体の流路であり、且つ前記内側管と前記外側管との間は磁性流体の流路である、
磁性流体駆動装置。
［２］ 前記内側管と前記外側管との間に磁性流体を流通可能に配置し、且つ
前記磁場印加部によって磁場を印加しつつ、前記内側管の内側に熱媒体を流通させる、
［１］に記載の磁性流体駆動装置を用いて磁性流体を駆動させる方法。
［３］ 前記熱媒体が内燃機関から排出される排ガスである、［２］に記載の方法。
［４］ ［２］又は［３］に記載の方法によって磁性流体を駆動させることにより、前記熱媒体の熱を輸送する、熱輸送方法。
本発明の磁性流体駆動装置は、内側管内に熱媒体を流通させることによって、磁性流体を駆動させることができる。内側管内に熱媒体を流通させ、内側管と外側管の間に磁性流体を配置することにより、熱媒体の熱が内側管を通じて磁性流体に伝熱される際の伝熱面積を大きくとることができ、熱媒体の熱を効率よく磁性流体に伝達することができる。
また、本発明の磁性流体駆動装置は、内側管に熱源があるため、磁場印加部と熱源との距離が長くなり、熱源からの熱によって磁場印加部が影響を受けることが少ないから、磁性流体の駆動を制御し易いとの利点を有する。
図１は、従来の磁性流体駆動の基本原理を説明するための概念図である。 図２は、本発明の磁性流体駆動装置の構造を説明するための概略断面図である。 図３は、実施例で使用した磁性流体駆動装置の構造を説明するための概略断面図である。 図４は、実施例で使用した磁性流体駆動システムの全体像を説明するための概略斜視図である。 図５は、実施例における、磁性流体駆動装置内の壁面温度及び磁性流体駆動速度と、経過時間と、の関係を示すグラフである。 図６は、実施例における、磁性流体駆動装置の各位置における温度を示すグラフである。
本実施形態の磁性流体駆動装置は、
内側管、及び前記内側管の外側に形成された外側管を有する二重管と、
前記二重管の外側に配置された磁場印加部と、
を有し、
前記内側管は、前記磁場印加部によって磁場が印加される領域内に、前記内側管の長さ方向に並置された高熱伝導領域及び低熱伝導領域を有し、
前記内側管の内部は熱媒体の流路であり、且つ前記内側管と前記外側管との間は磁性流体の流路である、
磁性流体駆動装置である。
本実施形態の磁性流体の駆動方法は、
内側管と外側管との間に磁性流体を流通可能に配置し、且つ
磁場印加部によって磁場を印加しつつ、内側管の内側に熱媒体を流通させる、上記の磁性流体駆動装置を用いて行う磁性流体の駆動方法である。
以下、図面を参照しつつ、本実施形態の磁性流体駆動装置及び該装置を用いて行う磁性流体の駆動方法の原理について説明する。
図２に、本発明の磁性流体駆動装置の構造を説明するための概略図を示した。図２（ａ）は、磁性流体駆動装置１００を、その中心軸を含む面で切断した断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図２に示した磁性流体駆動装置１００は、内側管１１及び外側管１２を有する二重管１０と、磁場印加部３０と、を有する。
図２の磁性流体駆動装置１００において、二重管１０の内側管１１と外側管１２との間に配置された磁性流体に、磁場印加部３０により磁場Ｈを印加すると、磁性流体に、磁場印加部３０の中心を境界として符号反転する、図２（ａ）の右方向への磁気体積力Ｆ１と図２（ａ）の左方向への磁気体積力Ｆ２とが生じる。熱媒体流通前には、Ｆ１とＦ２とは釣り合っており、磁性流体は駆動しない。
この状態で、二重管１０の内側管１１の内側に熱媒体を流通させる。図２（ａ）において、熱媒体は、矢印５５で示す図面の右から左の方向に流す。このとき、磁性流体は、内側管１１を介して熱媒体と熱的に接している。この内側管１1は高熱伝導領域２１及び低熱伝導領域２２を有する（図２（ｂ）の切断面には、低熱伝導領域２２見えている）。従って、熱媒体から磁性流体に伝達される熱量は、これらの領域間で相違し、高熱伝導領域２１にある磁性流体には大きな熱量Ｃ１が供給され、低熱伝導領域２２にある磁性流体には小さな熱量Ｃ２が供給される。理想的には、高熱伝導領域２１にある磁性流体は熱媒体によって加熱されるが、低熱伝導領域２２にある磁性流体はほとんど加熱されない。このことによって、高熱伝導領域２１にある磁性流体のみがキュリー温度に向かって温度上昇することになる。
そしてこのことにより、高熱伝導領域２１にある磁性流体に働く図２（ａ）の左方向への磁気体積力Ｆ２が減少するから、右方向の磁気体積力Ｆ１と左方向の磁気体積力Ｆ２との差分として右方向の駆動力が働いて、磁性流体は、矢印５０で示す図２（ａ）における左から右の方向へと駆動するのである。
以下、本発明の磁性流体駆動装置及び磁性流体駆動方法、並びにこれらの適用について、好ましい実施形態（以下、「本実施形態」ともいう。）を中心に、順次説明する。
＜磁性流体駆動装置及び磁性流体の駆動方法＞
［二重管］
本実施形態の磁性流体駆動装置における二重管は、内側管と、該内側管の外側に形成された外側管と、を有する。
内側管及び外側管を構成する材料としては、磁性流体及び熱媒体と反応せず、熱媒体の有する熱及び磁性流体の駆動に耐える強度を有しており、高熱伝導領域において熱媒体の有する熱の磁性流体への伝導を妨げない程度の熱伝導率を有している材料のうちから、適宜に選択して使用することができる。そのような材料としては、例えば、金属を挙げることができ、具体的には例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス、真鍮等から適宜に選択して用いることができる。
内側管を構成する材料と、外側管を構成する材料とは、同じであってもよいし、異なっていてもよい。
二重管の内部に磁性流体及び熱媒体それぞれの流路の断面積を確保する観点から、二重管の外径（外側管の外径）は、例えば、５０ｍｍ以上、７５ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、又は１２０ｍｍ以上であってよい。反面、磁性流体駆動装置を過度に嵩高くしない観点から、二重管の外径は、例えば、５００ｍｍ以下、４００ｍｍ以下、３００ｍｍ以下、又は２００ｍｍ以下であってよい。
外側管は、磁性流体の流通に耐える強度を有すべき観点から、壁厚が、例えば、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、又は５ｍｍ以上であってよい。一方で、磁性流体駆動装置を過度に嵩高くしない観点から、外側管の壁厚は、例えば、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下、又は２０ｍｍ以下であってよい。
内側管は、好ましくはその内側に後述の高熱伝導領域及び低熱伝導領域をそれぞれ形成したうえで、熱媒体の流路となる。そのため、高熱伝導領域及び低熱伝導領域の形成後でも、熱媒体の流路となる断面積を確保すべき観点から、内側管の外径は、例えば、５０ｍｍ以上、６０ｍｍ以上、７０ｍｍ以上、８０ｍｍ以上、又は１００ｍｍ以上であってよい。一方で、外側管内壁との間隙を十分に広くして磁性流体の流路の断面積を確保する観点から、内側管の外径は、例えば、１８０ｍｍ以下、１７０ｍｍ以下、１６０ｍｍ以下、又は１５０ｍｍ以下であってよい。
内側管は、磁性流体及び熱媒体の流通に耐える強度を有すべき観点から、壁厚が、例えば、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上、３ｍｍ以上、又は５ｍｍ以上であってよい。一方で、高熱伝導領域において熱媒体の有する熱の磁性流体への伝導を妨げないとの観点から、内側管の壁厚は、例えば、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下、又は２０ｍｍ以下であってよい。
本実施形態の磁性流体駆動装置において、二重管の内側管と外側管との間は、磁性流体の流路となる。
二重管における内側管は、磁場印加部によって磁場が印加される領域内に、内側管の長さ方向に並置された高熱伝導領域及び低熱伝導領域を有する。「長さ方向に並置された」とは、高熱伝導領域及び低熱伝導領域が、内側管の軸方向に並んで配置され、好ましくは両者が互いに接していることをいう。両領域が互いに接して存在することにより、磁気体積力Ｆ１とＦ２との不均衡によって発生する駆動力が、最大限に発現されることとなり、好ましい。
高熱伝導領域を構成する材料としては、２０℃における熱伝導率が、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、又は２００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の高熱伝導性材料が好ましい。この高熱伝導性材料としては、例えば、金属材料を挙げることができ、具体的には例えば、金、銀、銅、アルミニウム、ステンレス等から適宜に選択して用いることができる。
高熱伝導領域は、磁場印加下の磁性流体の一部領域に、熱媒体の有する熱をできるだけ多く伝えることを機能とする。従って、この高熱伝導領域は有意の長さを有することを要し、例えば、５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、１２０ｍｍ以上、又は１５０ｍｍ以上であってよい。一方で、磁場が印加される領域の一部に低熱伝導領域の設置領域を確保する観点から、高熱伝導領域の長さは、例えば、５００ｍｍ以下、４００ｍｍ以下、３００ｍｍ以下、又は２５０ｍｍ以下であってよい。
低熱伝導領域を構成する材料としては、２０℃における熱伝導率が、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ以下、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以下、又は０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導性材料が好ましい。この低熱伝導性材料としては、例えば、非金属材料を挙げることができ、具体的には例えば、グラスウール、ロックウール、発泡プラスチック、木質繊維系断熱材料等から適宜に選択して用いることができる。
低熱伝導領域は、上記のような低熱伝導性材料のみから成っていてもよいし、薄肉中空の構造材中に上記の低熱伝導性材料を充填した構成であってもよい。この場合の構造材は、高熱伝導性材料及び低熱伝導性材料のいずれであってもよく、低熱伝導性材料を充填した構造材が、全体として上記の低い熱伝導率を示せば、本実施形態の好ましい態様である。
低熱伝導領域は、磁場印加下の磁性流体の一部領域に、熱媒体の有する熱をできるだけ伝えないことを機能とする。従って、この低熱伝導領域は有意の長さを有することを要し、例えば、５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、１２０ｍｍ以上、又は１５０ｍｍ以上であってよい。一方で、磁場が印加される領域の一部に高熱伝導領域の設置領域を確保する観点から、低熱伝導領域の長さは、例えば、５００ｍｍ以下、４００ｍｍ以下、３００ｍｍ以下、又は２５０ｍｍ以下であってよい。
高熱伝導領域及び低熱伝導領域は、それぞれ、その全領域が後述の磁場印加部によって磁場が印加される構成であってもよいし、高熱伝導領域及び低熱伝導領域それぞれのうちの一部領域にのみ磁場が印加される構成であってもよい。しかしながら高熱伝導領域及び低熱伝導領域について、それぞれ有意の長さが磁場印加領域内となる構成であることが好ましい。高熱伝導領域及び低熱伝導領域のうち、磁場印加領域内となる領域の長さは、それぞれ例えば、５０ｍｍ以上、６０ｍｍ以上、７０ｍｍ以上、又は８０ｍｍ以上であってよく、１５０ｍｍ以下、１４０ｍｍ以下、１３０ｍｍ以下、又は１２０ｍｍ以下であってよい。
二重管の内側管は、上記の高熱伝導領域及び低熱伝導領域を、該内側管の内側に有していてもよいし、外側に有していてもよい。これらの領域のうちの一方を内側管の内側に有し、他方を内側管の外側に有する態様も、許容される。
しかしながら、これらの領域の設置場所の選定に際しては、磁性流体の流路をできるだけ滑らかに保ち、磁性流体の駆動を妨げる可能性をできる限り排除すべき要請を考慮することが好ましい。即ち、高熱伝導領域及び低熱伝導領域のうちの少なくとも一方を、磁性流体流路の側（内側管の外側）に設置すると、磁性流体の流路に段差、凹凸等が発生し、磁性流体駆動の妨げとなり得る。従って、高熱伝導領域及び低熱伝導領域は、これらの双方ともを内側管の内側に設置することが好ましい。
高熱伝導領域及び低熱伝導領域は、それぞれに意図される機能を有効に発現するために、所定の厚さを有することができる。
高熱伝導領域は、熱媒体の有する熱をできるだけ効率的に磁性流体に伝導すべき観点から、できるだけ薄い方が好ましい。一方で、低熱伝導性領域は、熱媒体の熱をできるだけ遮断するとの観点から、できるだけ厚い方が好ましい。更に、内側管がその内側に高熱伝導領域及び低熱伝導領域を有する場合には、これらの領域の更に内側が熱媒体の流路となる。従って、該熱媒体の流れを妨げず、乱流、淀み等の発生を避ける観点からは、熱媒体の流路に段差、凹凸等を生じない態様が好ましい。
以上のことを総合的に考慮すると、高熱伝導領域及び低熱伝導領域の設置によっても流路に段差が生じることを回避して熱媒体の流れを妨害しないものとし、且つ、高熱伝導領域における熱の伝導及び低熱伝導領域における熱の遮断の双方の要請を満たす厚さに設定することが望まれる。このような観点から、高熱伝導領域及び低熱伝導領域の厚さは、それぞれ、例えば、３０ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、又は７５ｍｍ以上であってよく、例えば、１５０ｍｍ以下、１２０ｍｍ以下、又は１００ｍｍ以下であってよく、両領域の厚さは略同一であってよい。
［磁場印加部］
磁場印加部は、二重管の外側に配置され、二重管（特に流路中の磁性流体）に磁場を印加することのできる磁石であってよい。印加される磁場の分布は、磁場が印加される全領域にわたって極性反転しない略台形状の磁場分布が理想的である。
磁場印加部を構成する磁石は、電磁石及び永久磁石のどちらであってもよい。
電磁石は、例えばソレノイドコイル等であってよい。磁場印加部として電磁石を使用すると、磁場が印加される全領域にわたって極性反転しない略台形状の磁場分布を容易に形成できる点で好ましい。
永久磁石は、例えば、異方性ラジアルリング型の永久磁石であってよい。永久磁石の素材は、ネオジム磁石、サマリウムコバルト磁石、フェライト磁石等であってよい。これらのうち、磁力が大きく、高磁場を発生可能であることから、ネオジム磁石が好ましい。
磁場印加部として永久磁石を使用すると、磁場の印加に電源装置を要しないため、装置の小型化が可能となる利点を有することの他、省エネルギーの観点からも好ましい。特に、熱媒体として廃熱を利用する場合の磁場印加部に永久磁石を使用すると、追加的なエネルギーの消費を伴わずに磁性流体の駆動を行うことができ、好ましい。
本実施形態の構成においては、内側管内に熱源があるため、磁場印加部と熱源との間の距離が、少なくとも外側管及び磁性流体を挟む分だけ長くなる。従って本実施形態は、熱源からの熱によって磁場印加部の形成する磁場が影響を受けることが少ないから、磁性流体の駆動を制御し易いとの利点を有する。
磁場印加部の長さは、例えば、５０ｍｍ以上、１００ｍｍ以上、１２０ｍｍ以上、又は１５０ｍｍ以上であってよく、例えば、５００ｍｍ以下、４００ｍｍ以下、３００ｍｍ以下、又は２５０ｍｍ以下であってよい。
［任意的構成要素］
本実施形態の磁性流体駆動装置は、上記の二重管及び磁場印加部の他、磁場印加部として電磁石を採用する場合には、該電磁石のための電源装置及び制御装置を有していてよい。
本実施形態の磁性流体駆動装置は、更に任意的に、温度測定用の熱電対、磁性流体の流量測定器、熱媒体の流量測定器、熱媒体を流通させるためのポンプ又はブロワー、装置に流入する磁性流体の温度を適切に調節するための補助加熱手段及び補助冷却手段等を有していてよい。
［磁性流体］
本実施形態において使用される磁性流体は、磁性微粒子と、該磁性微粒子を分散して含有する母液とを含有し、任意的に母液よりも沸点の低い低沸点溶媒を更に含有してよい。
磁性微粒子としては、例えば、酸化鉄系微粒子、スピネルフェライト（ＭＦｅ２Ｏ４、Ｍ＝Ｆｅ、Ｍｎ、Ｎｉ、又はＭｎｘＺｎ１−ｘ（０＜ｘ＜１））、γ−ヘマタイト（γ−Ｆｅ２Ｏ３）等を挙げることができる。特に好ましくはマンガン亜鉛フェライト（ＭｎｘＺｎ１−ｘＦｅ２Ｏ４、０＜ｘ＜１）である。マンガン亜鉛フェライトは、常温域における磁化が大きく、磁化の温度依存性が高く、組成の制御によりキュリー温度を適宜に調整できることから、本実施形態における磁性流体の構成要素として適する。
母液としては、例えば、水、炭化水素系オイル（例えば、ケロシン、アルキルナフタレン等）、フッ素系オイル（例えばパーフルオロポリエーテル等）等を挙げることができる。
低沸点溶媒は、母液よりも沸点の低い溶媒から、母液との相溶性等を考慮のうえ、適宜に選択して使用してよい。例えば母液が炭化水素系オイル（例えばケロシン）である場合には、該炭化水素系オイルよりも沸点の低い炭化水素化合物（例えば、ペンタン、ヘキサン、オクタン等）を好適に使用することができる。低沸点溶媒と母液との混合比は、得られる磁性流体の熱磁気的特性等を考慮のうえ、適宜に決定してよい。
内側管と外側管との間への磁性流体の流通可能な配置とは、磁性流体の流路（即ち、二重管の内側管と外側管との間）に磁性流体入口と磁性流体出口とを設け、磁性流体が自己流動する場合に該流動を阻害しない状態として、該流路内に磁性流体を配置することをいう。上記の磁性流体入口と磁性流体出口とを、外部流路を介して連結することによって磁性流体を循環可能とすることは、本実施形態の好ましい態様である。
［磁場の印加］
磁性流体を駆動させる本実施形態においては、二重管の内側管と外側管との間に配置された磁性流体に対し、磁場印加部によって磁場を印加する。
印加される磁場の強度は、磁性流体流路の断面積、熱媒体の温度、所望の流量等を総合的に考慮のうえ、当業者によって適宜に決定されてよい。
［熱媒体］
上記のように、二重管の内側管と外側管との間に磁性流体を流通可能に配置し、磁場印加部によって磁場を印加した状態で、内側管の内側に熱媒体を流通させることにより、磁性流体を駆動することができる。
熱媒体は、流動可能な形態にあるものを使用することが好ましく、例えば、気体若しくは液体、又はこれらの混合物であってよい。気体としては、例えば、空気、水蒸気、アンモニア、フロン、二酸化炭素等を挙げることができる。液体としては、例えば、水、ブライン、オイル、ダウサムＡ（登録商標）等を挙げることができる。
本実施形態における熱媒体としては、上記のものを特別に加熱して用いてもよい。しかしながら、これまでに廃棄されていた熱を有効利用するとの観点から、熱媒体として、例えば、内燃機関から排出される排ガス、ボイラーから排出される排ガス、工場設備から排出される温水等を使用することが好ましい。特に内燃機関から排出される排ガスは、入手が容易であること、排出量が多いこと、温度が高いこと等から好適である。
熱媒体の温度は、例えば、５０℃、７５℃以上、１００℃以上、１５０℃以上、又は２００℃以上であってよく；例えば、１，０００℃以下、８００℃以下、６００℃以下、５００℃以下、又は４００℃以下であってよい。
熱媒体の流通速度は、該熱媒体の形態（気体・液体の別）及び温度の他、磁性流体流路の断面積、所望の流量等を総合的に考慮のうえ、当業者によって適宜に決定されてよい。熱媒体として期待を用いる場合、その流通速度は、例えば、１００Ｌ／分以上、２００Ｌ／分以上、３００Ｌ／分以上、又は５００Ｌ／分以上であってよく；１，５００Ｌ／分以下、１，２００Ｌ／分以下、１，０００Ｌ／分以下、又は８００Ｌ／分以下であってよい。
＜熱輸送方法＞
本実施形態の磁性流体の駆動方法は、磁性流体を駆動させることによって熱媒体の熱を他所に輸送する、熱輸送方法として適用することができる。即ち、本実施形態の磁性流体の駆動方法によると、熱媒体が有していた熱量のうちの少なくとも一部が磁性流体に移動するから、該磁性流体を駆動させることによって、熱媒体の熱を、磁性流体とともに他所に輸送することができる。
本実施形態の磁性流体の駆動方法によって輸送された熱は、例えば、暖房の熱源等に利用することができる。
＜実験装置＞
図３に示した磁性流体駆動装置、及び図４に示した磁性流体駆動システムを試作し、磁性流体の駆動試験を行った。
図３は磁性流体駆動装置の構造を示す概略断面図である。図３（ａ）は、磁性流体駆動装置１００を中心軸に平行な面で切断した断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
図３に示した磁性流体駆動装置１００は、
外径１２０ｍｍ及び内径１１０ｍｍの内側管１１と、外径１５０ｍｍ及び内径１４０ｍｍの外側管１２と、を有する、真鍮製の二重管１０の外側に、
単位長さ当たりの巻き数：ｎ＝１０，０００回／ｍのソレノイドコイルを有する長さ２００ｍｍの磁場印加部３０
を有する。
図３の磁性流体駆動装置１００の全長は４００ｍｍである。
図３の磁性流体駆動装置１００は、内側管１１と外側管１２との間隙が、駆動装置１００の片側端部（図３の左側端部）に２つの磁性流体入口１２ａ、及び反対側端部（図３の右側端部）に１つの磁性流体出口１２ｂを有することにより、矢印５０で示す磁性流体の流通を可能としている。
磁性流体駆動装置１００の内側管１１の内側には、磁性流体の流路５１に沿って、管状の高熱伝導領域２１（流路の上流側、長さ：２００ｍｍ）及び管状の低熱伝導領域２２（流路の下流側、長さ：２００ｍｍ）が並置されており、磁場印加部３０の長さ方向の中央を境界として両者が接続されている。
高熱伝導領域２１は銅製である。低熱伝導領域２２は、中空の銅製部材の中に断熱材（グラスウール）を充填したものである。管状の高熱伝導領域２１及び管状の低熱伝導領域２２の壁の厚さは、それぞれ１０ｍｍであり、内側管１１の内側に直径８３ｍｍの中空部が確保されており、熱媒体を矢印５５で示す方向に流すことを可能としている。
図４は、図３の磁性流体駆動装置１００を含む磁性流体駆動システム２００の全体を示す概略斜視図である。
磁性流体駆動システム２００において、磁性流体駆動装置１００の２つの磁性流体入口１２ａと１つの磁性流体出口１２ｂとは、外部流路を介して連結され、磁性流体が循環可能である流路５１が構成されている。流路５１の全長は５ｍである。
磁性流体駆動装置１００の熱媒体流路に、熱媒体としての熱風を矢印５５で示す方向に送るように、熱風ブロワー２５を配置した。
磁性流体の流路５１には、冷却部４０、循環器４１、及びポンプ４２ａ、並びに予備ヒーター６２を設置し、該磁性流体が駆動装置１００へ流入するときの温度調節を可能とした。磁性流体の流量は、流量計６１によって計測可能である。上記冷却部４０は二重管構造となっており、内径：３５ｍｍ、外径：８９ｍｍ、内管長さ：５００ｍｍ、外管長さ：６００ｍｍの対向流式の熱交換器として機能する。
磁性流体の流路５１には、更に、ポンプ４２ｂを設置し、磁性流体の駆動が定常状態に至るまでの初期段階における磁性流体の温度調整等の容易化を図った。磁性流体の流路５１には、上記の他に、圧力計、温度記録器、及びコンピュータ（いずれも図示せず）を配し、各種パラメータの制御及び記録を可能とした。
＜実施例１＞
磁性流体としては、ケロシンベースの感温性磁性流体ＴＳ−５０Ｋ（商品名、（株）イチネンケミカルズ製、キュリー温度：５２８Ｋ）８０質量％及びｎ−ヘキサン（和光純薬工業（株）製）２０質量％の混合物を用いた。熱媒体としては、熱風ブロワー２５によって発生させた、温度：３６０℃、流量：５７０Ｌ／分の熱風を用いた。印加磁場強度は６３．４ｍＴとした。
上記の磁性流体駆動装置１００に上記の磁性流体を充填し、該磁性流体を、ポンプ４２ｂにより、定常状態における磁性流体の駆動方向（矢印５０の方向）と一致する方向に強制駆動して、実験装置内の気泡抜きを行った。その後、駆動装置１００の磁性流体入口１２ａにおける磁性流体温度が２５．０℃の一定温度において安定となるまで、ポンプ４２ｂによる強制駆動を継続した。
磁性流体の入口温度の安定を確認した後、磁場印加部３０（ソレノイドコイル）による磁場の印加を開始し、ポンプ４２ｂを流路５１から遮断し、熱風ブロワー２５による熱風の供給を始めることにより、磁性流体の自己循環実験を開始した。
熱風供給の開始から約１，０００秒経過後に、磁性流体は、図４の矢印５０で示した方向への自己循環を開始した。
上記自己循環実験を行った際の、磁性流体駆動装置１００内の磁性流体流路の内側壁面の温度（即ち、内側管の外側の壁面温度）、及び磁性流体流量の経時変化を図５に示した。図５の横軸における経過時間＝０秒の時点は、熱風ブロワー２５による熱風供給を開始した時点である。
図５を参照すると、磁性流体駆動装置１００内の磁性流体流路の内側壁面の温度は、高熱伝導領域２１、低熱伝導領域２２とも、熱風供給の開始から約５，０００秒まで徐々に増加し、その後昇温速度が緩やかになった。
本実施例１において測定された、高熱伝導領域２１の壁面温度の最大値、このときの高熱伝導領域２１及び低熱伝導領域２２の壁面温度差、及び磁性流体の流量、並びに磁性流体駆動装置１００及び冷却部４０（熱交換器）における熱回収量を、表１にそれぞれ示した。また、高熱伝導領域２１の壁面温度が最大値を示した時点における、壁面温度の位置依存性を表すグラフを図６に示した。図６の横軸における位置＝０ｍｍの地点は、図３（ａ）における左側端部に相当する。
＜実施例２＞
熱風ブロワー２５によって供給される熱風の温度を３１０℃とした他は実施例１と同様にして、磁性流体の自己循環実験を行った。実験結果は、表１及び図５に、実施例１の結果とともに示した。
Figure 2018059484
１０ 二重管
１１ 内側管
１２ 外側管
１２ａ 磁性流体入口
１２ｂ 磁性流体出口
２１ 高熱伝導領域
２２ 低熱伝導領域
２５ 熱風ブロワー
３０ 磁場印加部
３１ 直流電源
４０ 冷却部（熱交換器）
４１ 循環器
４２ａ、４２ｂ ポンプ
５０ 磁性流体の駆動方向を示す矢印
５１ 磁性流体流路
５５ 熱媒体の流れ方向を示す矢印
６１ 流量計
６２ 予備ヒーター
１００ 磁性流体駆動装置
２００ 磁性流体駆動システム
Ｃ１ 高熱伝導領域において磁性流体に供給される熱量
Ｃ２ 低熱伝導領域において磁性流体に供給される熱量
Ｆ１ 右方向への磁気体積力
Ｆ２ 左方向への磁気体積力
Ｈ 磁場

Claims (4)

  1. 内側管、及び前記内側管の外側に形成された外側管を有する二重管と、
    前記二重管の外側に配置された磁場印加部と、
    を有し、
    前記内側管は、前記磁場印加部によって磁場が印加される領域内に、前記内側管の長さ方向に並置された高熱伝導領域及び低熱伝導領域を有し、
    前記内側管の内部は熱媒体の流路であり、且つ前記内側管と前記外側管との間は磁性流体の流路である、
    磁性流体駆動装置。
  2. 前記内側管と前記外側管との間に磁性流体を流通可能に配置し、且つ
    前記磁場印加部によって磁場を印加しつつ、前記内側管の内側に熱媒体を流通させる、
    請求項１に記載の磁性流体駆動装置を用いて磁性流体を駆動させる方法。
  3. 前記熱媒体が内燃機関から排出される排ガスである、請求項２に記載の方法。
  4. 請求項２又は３に記載の方法によって磁性流体を駆動させることにより、前記熱媒体の熱を輸送する、熱輸送方法。
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