JP2019070455A - 磁性流体熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 磁性流体を利用した自己循環システムにおいて、小型化した場合でも磁気回路の劣化を抑制しシステムを安定させること。【解決手段】磁性流体と、磁性流体が封入された循環流路と、前記循環流路途中に配された永久磁石からなる磁場印加部と、前記循環流路途中に配される放熱部と、放熱の対象となる熱源と、前記磁場印加部近傍の前記循環流路に熱源の熱を伝える熱伝導部と、前記熱伝導部と前記磁場印加部の間に設けられた断熱部とを備えるように磁性流体熱機関を構成した。【選択図】 図１

Description

本発明は、磁性流体熱機関に関するものであり、特に磁性流体熱機関内に設けられた磁場印加部の熱的な構成に関するものである。

近年、多くの電子機器は小型化と高性能化（それにともなう消費電力の増大）により、機器で発生する熱を効率よく排出することがより一層望まれている。オフィスや家庭などで用いる電子機器の場合、多くの熱を排出する方法としてはファンなどを用いた強制空冷が用いられる。強制空冷を効率よく用いるためには、ファンで発生した空気の流れを直接高温部に吹き付けることが都合が良い。

ダクトなどを用いて空気を運搬する方法もあるが、他の方法としてはヒートパイプなどを用いて熱をファン近傍に輸送して熱交換を行う方法も多く用いられている。この方法は、空気を移動させるダクトに比べて体積を小さくできるため、小型の電子機器では多く用いられている。

本発明は磁性流体熱機関と呼ばれる構造を利用して、電力を投入することなく多くの熱を輸送するものに関するものであり、その輸送力発生部である磁場印加部の性能を安定して発揮させるものである。

特開昭６３−３５１８０号公報 特開２０１４−５０１４０号公報

磁性流体は、磁性材料からなる磁性コロイド粒子を溶媒に分散させたものである。磁性流体を用いた装置の一つとして磁性流体熱機関が提案されている。磁性流体熱機関は、磁性流体の温度依存性に着目して熱エネルギーを運動エネルギーに変換する機関である。

特許文献１は、磁性流体熱機関において磁性流体との熱交換に着目し、熱交換部に断熱材や熱伝導材を設けることで、効率よく温度勾配を作り出す方法が開示されている。特許文献２は、磁性流体熱機関において磁気回路の構成に着目し、永久磁石を適当な配置とすることにより、小型で高効率な磁性流体熱機関とする方法が開示されている。

しかしながら、特許文献１および２において、磁場印加部を構成する永久磁石の熱的な特性に関して言及されていない。すなわち、永久磁石の熱的な減磁に関しての言及がないので、小型化した場合に問題が発生する可能性がある。

本発明は、磁性流体を利用した自己循環システム（＝磁性流体熱機関）において、小型化した場合でも磁気回路の劣化を抑制しシステムを安定させることを目的とする。

磁性流体と、磁性流体が封入された循環流路と、前記循環流路途中に配された永久磁石からなる磁場印加部と、前記循環流路途中に配される放熱部と、放熱の対象となる熱源と、前記循環流路の前記磁場印加部近傍に熱源の熱を伝える熱伝導部と、前記熱伝導部と前記磁場印加部の間に設けられた断熱部とを備えるように磁性流体熱機関を構成した。

磁性流体を利用した自己循環システム（＝磁性流体熱機関）において、小型化した場合でも磁気回路の劣化を抑制しシステムを安定させることが出来る。

磁場印加部の構成と熱減磁を説明する図。 本発明の磁性流体熱機関を備えた電子機器の模式図。 磁性流体熱機関の全体構成を説明する図。

［実施例１］
以下、図１から図３を参照して、本発明の第１の実施例による、磁性流体熱機関および磁性流体熱機関を備えた電子機器について説明する。

図２は本発明による磁性流体熱機関を備えた電子機器の模式図である。図２において、１はプロジェクタを、２は照明光学系を、３は光源ユニットを、４は制御ユニットを、５は電源ユニットを、６は吸気口を、７はファンを、８は磁性流体熱機関をそれぞれ示している。

プロジェクタ１の各部の動作を簡単に説明する。光源ユニット３は電源ユニット５から供給された電気を光に変化して、スクリーンに投射すべき像を形成するための光を発生させる。照明光学系２は、光源ユニット３からの光をスクリーンに投射する。制御ユニット４は、光源ユニット３からの光を変調して入力された像がスクリーンに投影されるように制御する。具体的には光源ユニット３に設けられたダイクロプリズムおよびＬＣＯＳにより、ＲＧＢそれぞれの像を入力された信号に従って形成し、カラー画像をスクリーンに投影する。

電源ユニット５は、外部のＡＣ電源などから得られた電源を、プロジェクタ１内で必要な電圧に変換して光源ユニット３、制御ユニット４、ファン７などに供給する。プロジェクタ１内で光源ユニット３は特に多くの熱を発生する。

そのため、本実施例ではファン７と磁性流体熱機関８を備えている。磁性流体熱機関８により光源ユニット３内にある熱源で発生した熱を、ファン７近傍に輸送して強制空冷により冷却を行っている。この時、機器に設けられた吸気口６から空気が取り込まれ（図２の上方から空気が取り込まれ）ファン７により空気が排出される（図２の下方に空気が排出される）。

前述したファン７による強制空冷は冷媒である空気と空気が当たる物質の温度差が大きいほうが熱交換の効率が良い。そこで、磁性流体熱機関８により光源ユニット３内にある熱源で発生した熱を「ファン７の風直下に輸送している。

図３は磁性流体熱機関８の全体構成を説明する図である。図３において図２と同じ機能のものには同じ番号を付した。図３において、１１は光源ユニット３内に設けられた熱源であるランプを、１２は熱輸送部を、１３は熱伝導部を、１４は永久磁石を、１５はヨークを、１６は放熱部を、１７は循環流路を、１８および１９は「磁場印加部付近の磁性流体の磁気体積力を模式的に示す矢印を、２０はファン７による空気の流れを模式的に示す矢印を、２１は磁性流体を、それぞれ示している。磁性流体２１は循環流路１７を満たすように設置されている。

熱源であるランプ１１は熱輸送部１２によって熱的に熱伝導部１３に接続されている。熱伝導部１３は循環流路１７内に存在する磁性流体２１に熱を伝える。

永久磁石１４とヨーク１５は本発明の磁場印加部を構成する要素であり、循環流路１７の一部に影響するように磁場を発生させる。放熱部１６は循環流路１７の一部と接続されるように設けられている。例えば、放熱部１６の循環流路を銅管で形成するとともに、前記銅管とロウ付けされたフィンを設ければよい。図３ではフィンの様に表面積を増して熱交換を効率よく行う構造を波線で模式的に示した。ファン７からの空気２０は前述した放熱部１６のフィンにあたることで冷媒である空気とフィンの間で熱交換を行い、熱を電子機器外に排出する。

磁性流体熱機関８の駆動原理は特許文献１および２に示されているように磁場内で温度勾配が生じることによって磁気体積力の非対称性が発生することによる。すなわち磁場印加部によって発生した磁場が循環流路１７に作用すると、その近傍の磁性流体が永久磁石１４に引き寄せられる。温度勾配が無い場合は引き寄せられる力は釣り合うので磁性流体の運動は起こらない（運動エネルギーが生じない）。

磁場印加部に対して非対称な形で磁性流体２１を熱伝導部１３により温めることを考える。磁性流体２１は一般的にキュリー温度に向かって磁性が低下する感温特性がある。つまり永久磁石１４に引き寄せられにくくなる。図３の例では熱伝導部１３によって磁場印加部の右側だけ温度が上昇している。このため温めていない側から引き寄せられる磁気体積力１８に対して、温めた側から引き寄せられる磁気体積力１９が小さくなり、図３では時計回りに磁性流体が循環する。このように熱エネルギーが運動エネルギーに変換されるため磁性流体熱機関と呼んでいる。

図１を用いて磁性流体熱機関１の磁場印加部の構成と熱減磁について説明する。図１において図３と同じ機能のものには同じ番号を付した。図１（ａ）および（ｂ）において、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは永久磁石を、１７ａは循環流路のうち放熱部に熱的に接続された部分を、１７ｂは循環流路のうち熱源に熱的に接続された部分を、３１は断熱部を、３２は空気層をそれぞれ示している。

図１（ｃ）はネオジム磁石の特性と減磁を説明する図であり、左側は残留磁束密度と保持力の関係を、右側は磁束密度と温度の関係を示している。図１（ｃ）において４１，４２，４３はそれぞれ温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３での残留磁束密度と保持力の関係をしめす曲線である。４４，４５はパーミアンス係数Ｐ１，Ｐ２の場合を示す直線である。５１はパーミアンス係数Ｐ１且つ温度Ｔ１での動作点を、５２はパーミアンス係数Ｐ１且つ温度Ｔ３での動作点を、５３は減磁後の動作点を、５４はパーミアンス係数Ｐ１且つ温度Ｔ２での動作点を示している。

６１，６２，６３，６４はそれぞれ５１，５２，５３，５４に対応しており、各動作点を温度と残留磁束密度上での点を示している。７１はパーミアンス係数Ｐ２且つ温度Ｔ１での動作点を、７２はパーミアンス係数Ｐ２且つ温度Ｔ３での動作点をそれぞれ示している。

図１（ａ）および図１（ｂ）を用いて本発明が着目した点と好ましい構成について説明する。磁性流体熱機関の効率を向上させるためには、可能な限り強い磁場を発生させることが都合が良い。このため、先行文献２においても高磁場を実現できるネオジム磁石が都合が良いとされている。

一方で、先行文献では触れられていないがネオジウム磁石を用いる場合は温度による減磁ということに注意する必要がある。後述するようにネオジム磁石は低いパーミアンス係数の状態で高温にさらされるといわゆる高温減磁が生じてしまう。磁性流体熱機関は磁石の近傍で熱交換を行う必要がある（必然的に磁石が高温に晒される可能性が高い）ので、このことに着目する意義は大きいといえる。

図１（ａ），（ｂ）に示すように、本発明の磁場印加部は４つの永久磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄで構成されている。図３では、熱源との接続状態を分かり易く表示する目的と、図が煩雑になることを避ける目的のために、磁場印加部を循環流路１７の片側のみ標記したが、図１の様な配置とすることでより効率よく磁場を活用することが出来る。図１（ａ），（ｂ）の磁場印加部は、対向する１４ａ，１４ｂの組および１４ｃ，１４ｄの組は同極が対向しており、隣接する１４ａと１４ｃの組および１４ｂと１４ｄの組は異極が隣接するように配置されている。

また、隣接する１４ａと１４ｃの組および１４ｂと１４ｄの組はそれぞれヨーク１５を共有するように設けられている。このように配置することで磁性流体２１にはより流路方向（図１では横方向）の磁場が印加されて効率よく磁性流体２１を駆動することが出来る（この原理の詳細については特許文献２に開示されているので割愛する。）。

図１（ａ），（ｂ）に示す１７ａは循環流路を形成する部分のうち放熱部に熱的に接続された部分である。すなわち循環流路１７ａは冷たい部分である。一方で、１７ｂは循環流路を形成する部分のうち熱源に熱的に接続された部分である。すなわち循環流路１７ｂは熱い部分である。熱的な性質の異なる循環流路を形成する部分１７ａと１７ｂの接続部分の１つは磁場印加部８の中央に設ける。他方は、磁場印加部８から放熱部１６に至る経路の任意の部分に設ければよい。

図１の１７ｂは不図示の熱源からの熱を循環流路内の磁性流体２１に伝えており、熱伝導部１３として振る舞う。循環流路を形成する部分１７ｂは熱伝導部１３としての機能があるので熱伝導率の高い物質で作ると都合が良い。例えば銅管などで形成すると良い。

本発明は循環流路を形成する部分であって熱源に熱的に接続された部分１７ｂの熱が磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄに到達することを妨げるように構成している。図１（ａ）の例では循環流路を形成する部分１７ｂと磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの間に断熱部３１を設けている。

図１（ｂ）の例では循環流路を形成する部分１７ｂと磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの間に空気層３２を設け、これを断熱部として活用している。このように構成することで、熱源から磁性流体への熱抵抗が熱源から磁場印加部への熱抵抗よりも小さくなるようになっており、熱源の熱は磁場印加部よりも磁性流体２１に流れていく。

また、後述するようにネオジム磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは冷却したほうがより高性能になる。そのため循環流路を形成する部分であって放熱部に熱的に接続された部分１７ａと磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは接触するように設けられている。このように構成することで、放熱部から前記磁場印加部への熱抵抗が熱源から磁場印加部への熱抵抗よりも小さくなるようになっており、磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄは低温に保たれ性能を安定して発揮できる。

さらに、循環流路のうち放熱部に熱的に接続された部分１７ａと循環流路のうち熱源に熱的に接続された部分１７ｂの間での熱の移動を遮断するように断熱部３１を設けている。断熱部３１の材質は、熱伝導率が低いものであれば活用可能であるが、磁性流体２１が接続部で漏れないようなものである必要がある。プラスチックやゴムなどで形成すればよい。

装置が大型の場合は明示的に断熱部を設けなくても空隙などによって適当に熱が遮断される場合もあるが、（特許文献１の例では大きな空隙がある）装置を小型化する場合には適当な個所に断熱部を設けることの意義は大きい。

図１（ｃ）を用いてネオジム磁石の熱減磁について説明する。図１（ｃ）の左のグラフはいわゆるＢ−Ｈカーブとして知られる線図である。すなわち、温度とパーミアンス係数から磁石の動作点を定めることが出来る。ここで本発明の磁場印加部のパーミアンス係数がＰ１であると仮定する。温度Ｔ１は常温付近、温度Ｔ３は熱源の温度に近い温度、Ｔ２はＴ１とＴ３の間に存在する温度とする。つまりＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３とする。Ｂ−Ｈカーブは磁石の物性によって決まっており、温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３に対して曲線４１，４２，４３が与えられる。

パーミアンス係数がＰ１で常温Ｔ１の場合、パーミアンス係数Ｐ１を示す直線４４と常温でのＢ−Ｈカーブ４１との交点５１がこの条件での動作点となる。動作点５１を横方向に延ばしてＹ軸との交点がこの動作点での磁束密度となる。これが、図１（ｃ）の右側のグラフ上の点６１で表現されている。

ここから温度がＴ３に変化した場合を考える。常温の場合と同様の考えると、パーミアンス係数Ｐ１且つ温度Ｔ３での動作点は５２となる。ここで着目する点は温度Ｔ３でのＢ−Ｈカーブには屈曲部が存在しており、その動作点５２が屈曲部をまがった先にあることである。これを右側のグラフで考えると、温度が上がるにしたがって、点６１から一定の傾きをもって磁束密度が低下する。（点６１から点６４に向かうように下がっていく。）その後、屈曲点を過ぎるとこの傾きがより大きな傾きになって点６２に至る。

この後温度が再びＴ１に戻る場合は、点６１から点６４に向かう傾きに沿って磁束密度を増しながら戻り、結果として点６３に至る。図１（ｃ）の左側のグラフで見ると点５３に移動したことになり、点５１と点５３のＹ方向の差の分だけ磁力が減じたことなる。これが熱減磁である。常温Ｔ１から温度Ｔ２に変化する場合を考える。この場合は、パーミアンス係数Ｐ１且つ温度Ｔ２での動作点は５４となる。右側のグラフにおいても、点６１から点６４に至る。その後度が再びＴ１に戻る場合は、点６４から点６１に戻り熱減磁は生じない。

本発明の方法は磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの温度を高くならないようにすることで高温減磁を回避し、動作中の磁束密度低下も回避する。つまり図１（ｃ）において、磁石１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの温度を温度Ｔ３よりも低い温度Ｔ２までに抑えることで前述の効果を得ている。

特許文献１に開示されている磁性流体熱機関においては磁場印加部を含めて装置が大型である。この場合パーミアンス係数は大きくなる。この場合の動作を図１（ｃ）ではパーミアンス係数Ｐ２の場合として示した。パーミアンス係数に関しては、Ｐ１＜Ｐ２が成り立っている。パーミアンス係数がＰ２である場合、温度Ｔ１と温度Ｔ３での動作点はそれぞれ直線４５とＢ−Ｈカーブ４１，４３の交点である点７１，７２となる。

ここでパーミアンス係数Ｐ１の場合と比較すると、温度Ｔ３の場合においても動作点が、屈曲点に至る前の状態にあることが分かる。すなわち、従来の磁性流体熱機関においてはパーミアンス係数が高い（＝装置が大型である）ために、高温になったことによる減磁などが発生しないことを意味している。

パーミアンス係数は、磁場印加部の大きさ（特に磁石の厚み方向の寸法）に依存しており、一般的には装置を薄型化、小型化した場合は小さくなる。そのためパーミアンス係数が小さく減磁しやすい場面は、装置の小型化に伴う課題といえる。さらには、高温減磁はネオジム磁石で顕著に発生する。一方で、高い磁束密度を得るためにはネオジム磁石が適している。

結果として、小型（＝低いパーミアンス係数）で高効率（＝高い磁束を実現するネオジム磁石を活用）な磁性流体熱機関を考えた場合には、高温減磁や動作点が熱的な影響を受けた屈曲部の下に来ることを避けて使うことが重要であり、本発明を適用する価値は大きいといえる。

以上に説明した様に本発明によると、磁性流体を利用した自己循環システムにおいて、小型化した場合でも磁気回路の劣化を抑制しシステムを安定させることが出来る。

７．ファン
８．磁性流体熱機関
１１．熱源
１３．熱伝導部
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ．永久磁石
１５．ヨーク
１６．放熱部
１７．循環流路
２１．磁性流体
３１．断熱部

Claims (6)

1. 磁性流体と、
   磁性流体が封入された循環流路と、
   前記循環流路途中に配された永久磁石からなる磁場印加部と、
   前記循環流路途中に配される放熱部と、
   放熱の対象となる熱源と、
   前記循環流路の前記磁場印加部近傍に熱源の熱を伝える熱伝導部と、
   前記熱伝導部と前記磁場印加部の間に設けられた断熱部と、
   を備えた磁性流体熱機関。
2. 前記熱源から前記磁性流体への熱抵抗は、前記熱源から前記磁場印加部への熱抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の磁性流体熱機関。
3. 前記放熱部から前記磁場印加部への熱抵抗は、前記熱源から前記磁場印加部への熱抵抗よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の磁性流体熱機関。
4. 前記循環流路は少なくとも２つの部分から形成され、一方は前記熱源に熱的に接続された熱伝導部を備えた部分であり、他方は前記放熱部に熱的に接続された部分であるとともに、それぞれの間に断熱部を備えた請求項１に記載の磁性流体熱機関。
5. 前記循環流路を形成する部分のうち前記放熱部に熱的に接続された部分と前記磁場印加部を形成する永久磁石が接触することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁性流体熱機関。
6. 前記循環流路を形成する部分のうち熱源と熱的に接続された熱伝導部を備えた部分と前記磁場印加部を形成する永久磁石の間に空気層を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の磁性流体熱機関。