JP4486212B2 - 熱磁気回転装置を利用したエンジン冷却水の冷却装置 - Google Patents
熱磁気回転装置を利用したエンジン冷却水の冷却装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車等のエンジンから流出する高温冷却水の冷却装置に関し、更に詳細には、高温冷却水の有する熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して高温冷却水を低温冷却水へと冷却循環させる熱磁気回転装置を利用したエンジン冷却水の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエンジン冷却水の冷却方法を自動車エンジンを例にとって説明する。図１３はエンジン部を備えた従来の自動車の概要説明図であり、図１４はその自動車エンジン部の拡大図である。
【０００３】
車体１０のフロント部には、エンジン１２とポンプ１４とファン１６とラジエータ１８が図示のように配設されている。ポンプ１４とファン１６はエンジン１２により想像線で示すように駆動される。
【０００４】
エンジン１２の発熱により高温化した冷却水は、ポンプ１４により矢印ａ方向に送られ、ラジエータ１８内の蛇行管部２０に流入する。ファン１６は外部から冷気を矢印ｂ方向に吸引し、蛇行管部２０を流通する高温冷却水を空冷して低温冷却水にする。この低温冷却水はラジエータ１８から出て、矢印ｃ方向に再びエンジン１２内に流入してエンジンを冷却するために循環使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境問題は益々重要となり、エンジン分野では排ガスを低減させるためにエンジン排気量の低減化が要望されている。エンジン排気量を低減させると、エンジン出力が低下するため、自動車の性能を保持するためには、エンジンの熱効率を向上させる必要がある。
【０００６】
ところが、従来のエンジンでは、前述したように高温冷却水の熱量をラジエータを介して全て大気中に放散させる無駄の多い方式をとっていた。しかも、冷却水の循環用ポンプや空冷用ファンの駆動にはエンジン出力の一部を使っているため、走行用出力を一定度確保するためにエンジン出力をその分だけ過剰に大きくしなければならないという欠点があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、エンジンから発生する高温冷却水の熱量を熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して、高温冷却水の冷却を実現し、同時にこの回転エネルギーをポンプやファンの駆動に利用して高温冷却水の熱量の有効利用を図ることである。
【０００８】
請求項１の発明は、自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数枚のディスクを絶縁体スペーサを介して円筒状に積層し、回転支軸により回転自在に軸支すると共に積層したディスク相互の間隙内に冷却水管を設けた感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の前記冷却水管にエンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の前記冷却水管に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数枚のディスクを円筒状に積層し、回転自在に軸支した感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記エンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００１０】
請求項３の発明は、自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数の円筒を同心状に積層し、回転自在に軸支した感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記エンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者は、エンジンから流出する高温冷却水の熱量を有効利用しながらその低温化を図る方法を鋭意検討した結果、高温冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して高温冷却水を低温化し、この熱磁気回転装置の回転エネルギーを他の装置の駆動に有効利用することを着想するに到った。
【００１６】
図１０に示すように、飽和磁束密度Ｂ1 、Ｂ2 の異なった二種類の強磁性材料Ａ1 、Ａ2 からなる板体Ａを永久磁石Ｍの磁界Ｈによって磁気飽和させると、両磁性材Ａ1 、Ａ2 の境界面Ａ3 にマックスウェル応力が作用し、板体Ａに大きな飽和磁束密度Ｂ2 の方から小さな飽和磁束密度Ｂ1 の方へ向う力Ｆ＝１／２▽（Ｂ・Ｈ）が生ずることは、広く知られた事象である。
【００１７】
一方、近年所謂キュリー温度近傍で飽和磁束密度が急激に減少すると云う温度・磁気特性を備えた感熱磁性材の開発が進み、例えばフェライトや整磁合金材（サーマロイ等）の如く、その成分調整によってキュリー温度を広範囲に亘って任意に設定できるようにした感熱磁性材が出現して来た。
図１０の板体Ａを感熱磁性材により製作し、図１１に示す如く感熱磁性材から成る板体Ｃの片側の端部Ｃ1 を加熱してその飽和磁束密度Ｂ1 を小さくすると共に、他側の端部Ｃ2 を冷却してその飽和磁束密度Ｂ2 を高め、これに永久磁石Ｍの磁界を与えることにより板体Ｃの力Ｆを発生させると云う機構が着想され、本件出願人も当該機構を用いて温排水等の低質エネルギーを回収するようにした熱磁気回転装置を開発し、特開平９−２６８９６８号としてこれを公開している。
【００１８】
この熱磁気回転装置２２は、図１２に示すように、回転支軸１ｃを備えた感熱磁性材製の円筒体１ａと、円筒体１ａと対向状に且つその円周方向に磁極２ａ・２ｂを位置せしめて配設した磁石２と、回転ドラム１を形成する円筒体１ａの一部分を加熱する加熱領域５と、回転ドラム１を形成する円筒体１ａの前記加熱領域５以外の部分を冷却する冷却領域６とから構成されており、工業用温排水５ａ等を熱源とする加熱領域５に於いて円筒体１ａの一部分を加熱すると共に、冷却ファンの冷風等を用いる冷却領域６に於いて円筒体１ａの他の部分を冷却することにより、回転ドラム１を回転させて回転支軸１ｃから回転駆動力を取り出すものである。
【００１９】
また、回転ドラム１は耐熱合成樹脂製の回転子の外周に直径４００ｍｍ、横幅１００ｍｍ、厚さ１ｍｍの感熱磁性材（鉄・ニッケルから成る整磁材料・サーマロイ）製の円筒体１ａを嵌合することにより形成されており、更に、磁石２にはコバルト・サマリウム永久磁石が用いられている。
【００２０】
上記特開平９−２６８９６８号に係る熱磁気エンジンに於いては、磁石２の位置、感熱磁性材（円筒体１ａ）のキュリー温度、円筒体１ａの加熱領域５の面積範囲等を適宜に選定することにより、約８０〜８５℃の温排水を用い且つシロッコファンで約１５〜１８℃の風冷を行なうことにより、静止トルク０．７Ｎ、最高出力０．１７Ｗ（回転速度１２ｒｐｍの時）の回転駆動力が得られている。
【００２１】
以下に、この熱磁気回転装置２２を利用して、エンジンから流出する高温冷却水の冷却装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。但し、図１０〜図１４と同一部分には同一符号を打ってその説明は簡略化する。
【００２２】
図１は本発明の第１実施形態の概要説明図である。
エンジン１２からはエンジン排熱により高温化した高温冷却水が矢印ａ方向に流出する。この高温冷却水はポンプ１４により、熱磁気回転装置２２の加熱領域５に誘導され、感温磁性材からなる円筒体１ａを加熱する。この熱伝達で高温冷却水は一部冷却される。
【００２３】
やや冷却した高温冷却水はラジエータ１８に入り、蛇行管部２０を蛇行しながら、ファン１６が矢印ｂ方向に吸引する外部の冷気により低温冷却水にまで冷却される。この低温冷却水は円筒体１ａの冷却領域６に入り、この領域を冷却した後、矢印ｃ方向に再びエンジン１２に帰還し、エンジン系の冷却水として循環使用される。実線は高温冷却水及び点線は低温冷却水の流路を示す。
【００２４】
円筒体１ａは加熱領域５で加熱され、冷却領域６で冷却される。この２領域には磁石２の磁極２ａ・２ｂが接近配設されているから、マックスウェル応力により回転ドラム１は矢印ｄ方向に回転する。この回転力により前記ポンプ１４およびファン１６を駆動して、エンジン系の自律動作を継続する。
【００２５】
この第１実施形態では、高温冷却水は２段階の冷却を受けて低温冷却水になる。第１段冷却は加熱領域５での熱伝達であり、第２段冷却はラジエータ１８での放熱である。第１段冷却を効率化することにより、第２段冷却、即ちラジエータ１８は不要になる。この時には、熱磁気回転装置２２が完全に熱磁気式ラジエータとして使用できる。また、ポンプ１４やファン１６を熱磁気回転装置２２により駆動することで、高温冷却水の冷却効率が高くなる。
即ち、高温冷却水の熱エネルギーの大部分を回転エネルギーに転換することが本発明の特徴である。
【００２６】
図２は熱磁気回転装置２２の加熱領域５の拡大図である。回転ドラム１はリング状のディスク体１ｄを積層して構成され、ディスク体１ｄ・１ｄの間隙に高温冷却水の蛇行配管部５ｄを設けて加熱領域５を形成している。この蛇行配管部５ｄから高温冷却水の熱をディスク体１ｄに伝達して、高温冷却水の冷却効率を高めている。冷却領域６にも同様の蛇行配管部６ｄが設けられている。また、回転ドラム１の外周に接近して磁石２の磁極２ｂが配設されており、極徴接近させることにより回転ドラム１の回転効率を上げている。
【００２７】
図３は図２のＩーＩ線断面図である。積層されたディスク体１ｄ・１ｄの間に蛇行配管部５ｄ・５ｄが設けられている。ディスク体１ｄ・１ｄの間には絶縁体スペーサ１ｅが介装され、蛇行配管部５ｄ・６ｄの挿入間隔を設けている。高温冷却水および低温冷却水が内径方向に深く入ることにより熱伝達を確実にしている。
【００２８】
図４は本発明の第２実施形態の概要説明図である。
図１と異なるところは、熱磁気回転装置２２に複数の加熱領域５と冷却領域６が設けられていることである。回転力を増大させるためには、マックスウェル応力を増大させる必要がある。
【００２９】
この増大化は同時に高温冷却水の熱エネルギーを回転ドラム１の回転エネルギーへ転換する効率の増大化を意味する。従って、磁極２ａ・２ｂの配置数及び磁力の増強も転換効率の増大につながる。
換言すれば、高温冷却水の第１段冷却の効率を上昇でき、ラジエータ１８による第２段冷却を不要にすることができる。
【００３０】
図５は図４の熱磁気回転装置２２の簡略断面図である。回転支軸１ｃにより回転子１ｂが軸支され、回転子１ｂの円周に円筒体１ａが巻回形成されている。加熱領域５および冷却領域６は共に円筒体１ａに熱交換板５ｅ・６ｅを接近配置して構成される。
【００３１】
図６は回転ドラム１の円筒体１ａの要部拡大断面図である。
回転ドラム１の構造を詳説すると、薄い感熱磁性材の円筒体１ａ1 〜１ａn を積層固着して成る直径４００ｍｍ、横幅１００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円筒体１ａと、その内方へ嵌合固定した中央部に軸挿通用リブ部を設けた耐熱合成樹脂製の回転子１ｂと、これに挿通固定した回転支軸１ｃとより形成されている。
【００３２】
また、前記薄い円筒体１ａ1 〜１ａn を形成する感温磁性材としては、整磁材料であるサーマロイを使用しており、成分は鉄・ニッケルであって、他の材料に比べて前記各条件の点で優れており、熱的・機械的ショックにも強く、しかも耐食性もよいと云う特徴を有している。
更に、感温磁性材のＴｃ１０００は約８０℃に設定されている。但し、ここでＴｃ１０００とは、磁界Ｈが２５（Ｏｅ）に於いて感熱磁性材料の飽和磁束密度が１０００Ｇになるときの温度のことであり、キュリー温度とは少し異なる。尚、当該サーマロイの物理特性はＴｃ１０００…５０〜２５０（℃）、密度…８．２（ｇ／ｃｃ）、硬さ…１３０（ＨＶ）、弾性係数…８５００（ｋｇ／ｍｍ）、熱膨張係数…０．００００１（１／℃）、比熱…０．１２（Ｃａｌ／ｇ・℃）、熱伝導率１３．６である。
【００３３】
前記磁石２は、コバルト・サマリウム永久磁石から成る磁極２ａ・２ｂとヨーク２ｃとから形成されており、磁極２ａ・２ｂの外形寸法は２５ｍｍ×２０ｍｍ×１００ｍｍ（横幅）に、またヨーク２ｃは２５ｍｍ×１２２ｍｍ×１００ｍｍ（横幅）に、夫々選定されている。
尚、前記コバルト・サマリウム磁石の磁気特性は、最大エネルギー積…２６．６９（ＭＧＯｅ）、残留磁束密度…１．０６６９（ＫＧ）、Ｂ保持力…８．８４９（ＫＯｅ）、Ｊ保持力…１０．０５（ＫＯｅ）、磁束密度の温度係数…３（％／℃）、リコイル比透磁率…１．０２、キュリー温度…８２０（℃）であり、また前記磁石２を形成するヨーク２ｂには、耐食性を考えてＳＵＳ４３０を使用している。
【００３４】
図７は本発明の第３実施形態の概要説明図である。
図１および図４と異なるところは、冷却領域６を冷風で空冷することである。従って、第１および第２実施形態と異なる点を以下に説明する。
【００３５】
この実施形態では、回転ドラム１の円周に多数の加熱領域５が設けられ、高温冷却水の熱量をこの加熱領域５に効率的に伝達して、高温冷却水は低温冷却水となってエンジン１２に帰還する。
【００３６】
回転ドラム１の回転によりファン１６及びポンプ１４を駆動する。ファン１６で外部から吸引された冷気は集風器１６ａで集められ、ダクト１６ｂを介して、円筒体１ａの冷却領域６に誘導される。冷風は冷却ノズル６ｆから円筒体１ａの表面に吹きつけられ、冷却領域を効率的に冷却する。つまり、高温冷却水により加熱領域５を加熱し、冷風により冷却領域６を冷却している。
【００３７】
図８は図７の回転ドラム１の要部断面図である。加熱領域５は熱交換板５ｅを介して加熱される。
一方、冷却領域６はノズル６ｆからの冷風吹付けで冷却されている。
【００３８】
この実施形態では、高温冷却水の熱量は熱磁気回転装置２２の回転、ポンプ１４の駆動およびファン１６の回転に消費され、この過程を通して低温冷却水まで冷却される。熱磁気回転装置の回転エネルギーを更に他のプロセスで消費する構成とすれば、冷却効率の一層の増進を図ることができる。
【００３９】
図９は、図７に示す熱磁気回転装置の一部を省略した縦断面図である。非磁性材製の回転子１ｂの外周に固着した感温磁性材製の円筒体１ａは、ディスク体１ｄ1 〜１ｄn を複数枚積層固着することにより形成されており、具体的には厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度のディスク体１ｄ1 〜１ｄn を３０〜５０枚積層することにより、円筒体１ａが形成されている。５ｅは熱交換板、６ｆは冷却ノズルである。
【００４０】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものである。
【００４１】
【発明の効果】
本願発明によれば、エンジンから流出する冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して、前記冷却水を低温冷却水にまで冷却できるから、従来捨てられていた排熱を回転エネルギーとして有効活用することができる。
また、エンジンから流出する冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して、冷却水を低温にまで冷却するとともに、その回転エネルギーをポンプやファン等の駆動に有効利用する。即ち、エンジン発生熱を単に空間に放出するのでなく、自動車等の装置の駆動エネルギー源とすることによってエネルギー効率を上昇させ、また省エネルギー化に貢献できる。
更に、得られた回転エネルギーでファンを駆動し、ファン回転で高温冷却水の冷却を助勢するから、高温冷却水の熱エネルギーを効率的に回転エネルギーに転換できる。
加えて、ディスクとディスクの間隙にエンジンからの冷却水又はラジェターで冷却した後の冷却水を流通させるから、所要部の加熱又は冷却を効率的に行うことができ、エンジン排熱を効率的に回転エネルギーに転換できる。
また、円筒体の円周面にエンジンからの冷却水又はラジェターで冷却した後の冷却水を接近させて加熱又は冷却を行うから、円筒体の任意の構造に対して冷却水の配管設計をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の概要説明図である。
【図２】熱磁気回転装置の加熱領域の拡大図である。
【図３】図２のＩーＩ線断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の概要説明図である。
【図５】図４の熱磁気回転装置の簡略断面図である。
【図６】回転ドラムの円筒体の要部拡大断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態の概要説明図である。
【図８】図７の回転ドラムの要部断面図である。
【図９】図７に示す熱磁気回転装置の一部を省略した縦断面図である。
【図１０】回転体に作用するマックスウェル力の説明用モデルである。
【図１１】回転体に作用するマックスウェル力の説明図である。
【図１２】従前の熱磁気回転装置の要部説明図である。
【図１３】エンジン部を備えた従来自動車の概要説明図である。
【図１４】図１３の自動車エンジン部の拡大図である。
【符号の説明】
１は回転ドラム、１ａは円筒体、１ｂは回転子、１ｃは回転支軸、１ｄ・１ｄ1 〜１ｄn はディスク体、２は磁石、２ａ・２ｂは磁極、２ｃはヨーク、５は加熱領域、５ａは工業用温排水、５ｄは蛇行配管部、５ｅは熱交換板、６は冷却領域、６ｄは蛇行配管部、６ｅは熱交換板、６ｆは冷却水ノズル、１０は車体、１２はエンジン、１４はポンプ、１６はファン、１６ａは集風器、１６ｂはダクト、１８はラジエータ、２０は蛇行管部、２２は熱磁気回転装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は自動車等のエンジンから流出する高温冷却水の冷却装置に関し、更に詳細には、高温冷却水の有する熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して高温冷却水を低温冷却水へと冷却循環させる熱磁気回転装置を利用したエンジン冷却水の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のエンジン冷却水の冷却方法を自動車エンジンを例にとって説明する。図１３はエンジン部を備えた従来の自動車の概要説明図であり、図１４はその自動車エンジン部の拡大図である。
【０００３】
車体１０のフロント部には、エンジン１２とポンプ１４とファン１６とラジエータ１８が図示のように配設されている。ポンプ１４とファン１６はエンジン１２により想像線で示すように駆動される。
【０００４】
エンジン１２の発熱により高温化した冷却水は、ポンプ１４により矢印ａ方向に送られ、ラジエータ１８内の蛇行管部２０に流入する。ファン１６は外部から冷気を矢印ｂ方向に吸引し、蛇行管部２０を流通する高温冷却水を空冷して低温冷却水にする。この低温冷却水はラジエータ１８から出て、矢印ｃ方向に再びエンジン１２内に流入してエンジンを冷却するために循環使用される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、環境問題は益々重要となり、エンジン分野では排ガスを低減させるためにエンジン排気量の低減化が要望されている。エンジン排気量を低減させると、エンジン出力が低下するため、自動車の性能を保持するためには、エンジンの熱効率を向上させる必要がある。
【０００６】
ところが、従来のエンジンでは、前述したように高温冷却水の熱量をラジエータを介して全て大気中に放散させる無駄の多い方式をとっていた。しかも、冷却水の循環用ポンプや空冷用ファンの駆動にはエンジン出力の一部を使っているため、走行用出力を一定度確保するためにエンジン出力をその分だけ過剰に大きくしなければならないという欠点があった。
【０００７】
従って、本発明の目的は、エンジンから発生する高温冷却水の熱量を熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して、高温冷却水の冷却を実現し、同時にこの回転エネルギーをポンプやファンの駆動に利用して高温冷却水の熱量の有効利用を図ることである。
【０００８】
請求項１の発明は、自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数枚のディスクを絶縁体スペーサを介して円筒状に積層し、回転支軸により回転自在に軸支すると共に積層したディスク相互の間隙内に冷却水管を設けた感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の前記冷却水管にエンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の前記冷却水管に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【０００９】
請求項２の発明は、自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数枚のディスクを円筒状に積層し、回転自在に軸支した感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記エンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００１０】
請求項３の発明は、自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数の円筒を同心状に積層し、回転自在に軸支した感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記エンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを発明の基本構成とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者は、エンジンから流出する高温冷却水の熱量を有効利用しながらその低温化を図る方法を鋭意検討した結果、高温冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して高温冷却水を低温化し、この熱磁気回転装置の回転エネルギーを他の装置の駆動に有効利用することを着想するに到った。
【００１６】
図１０に示すように、飽和磁束密度Ｂ1 、Ｂ2 の異なった二種類の強磁性材料Ａ1 、Ａ2 からなる板体Ａを永久磁石Ｍの磁界Ｈによって磁気飽和させると、両磁性材Ａ1 、Ａ2 の境界面Ａ3 にマックスウェル応力が作用し、板体Ａに大きな飽和磁束密度Ｂ2 の方から小さな飽和磁束密度Ｂ1 の方へ向う力Ｆ＝１／２▽（Ｂ・Ｈ）が生ずることは、広く知られた事象である。
【００１７】
一方、近年所謂キュリー温度近傍で飽和磁束密度が急激に減少すると云う温度・磁気特性を備えた感熱磁性材の開発が進み、例えばフェライトや整磁合金材（サーマロイ等）の如く、その成分調整によってキュリー温度を広範囲に亘って任意に設定できるようにした感熱磁性材が出現して来た。
図１０の板体Ａを感熱磁性材により製作し、図１１に示す如く感熱磁性材から成る板体Ｃの片側の端部Ｃ1 を加熱してその飽和磁束密度Ｂ1 を小さくすると共に、他側の端部Ｃ2 を冷却してその飽和磁束密度Ｂ2 を高め、これに永久磁石Ｍの磁界を与えることにより板体Ｃの力Ｆを発生させると云う機構が着想され、本件出願人も当該機構を用いて温排水等の低質エネルギーを回収するようにした熱磁気回転装置を開発し、特開平９−２６８９６８号としてこれを公開している。
【００１８】
この熱磁気回転装置２２は、図１２に示すように、回転支軸１ｃを備えた感熱磁性材製の円筒体１ａと、円筒体１ａと対向状に且つその円周方向に磁極２ａ・２ｂを位置せしめて配設した磁石２と、回転ドラム１を形成する円筒体１ａの一部分を加熱する加熱領域５と、回転ドラム１を形成する円筒体１ａの前記加熱領域５以外の部分を冷却する冷却領域６とから構成されており、工業用温排水５ａ等を熱源とする加熱領域５に於いて円筒体１ａの一部分を加熱すると共に、冷却ファンの冷風等を用いる冷却領域６に於いて円筒体１ａの他の部分を冷却することにより、回転ドラム１を回転させて回転支軸１ｃから回転駆動力を取り出すものである。
【００１９】
また、回転ドラム１は耐熱合成樹脂製の回転子の外周に直径４００ｍｍ、横幅１００ｍｍ、厚さ１ｍｍの感熱磁性材（鉄・ニッケルから成る整磁材料・サーマロイ）製の円筒体１ａを嵌合することにより形成されており、更に、磁石２にはコバルト・サマリウム永久磁石が用いられている。
【００２０】
上記特開平９−２６８９６８号に係る熱磁気エンジンに於いては、磁石２の位置、感熱磁性材（円筒体１ａ）のキュリー温度、円筒体１ａの加熱領域５の面積範囲等を適宜に選定することにより、約８０〜８５℃の温排水を用い且つシロッコファンで約１５〜１８℃の風冷を行なうことにより、静止トルク０．７Ｎ、最高出力０．１７Ｗ（回転速度１２ｒｐｍの時）の回転駆動力が得られている。
【００２１】
以下に、この熱磁気回転装置２２を利用して、エンジンから流出する高温冷却水の冷却装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。但し、図１０〜図１４と同一部分には同一符号を打ってその説明は簡略化する。
【００２２】
図１は本発明の第１実施形態の概要説明図である。
エンジン１２からはエンジン排熱により高温化した高温冷却水が矢印ａ方向に流出する。この高温冷却水はポンプ１４により、熱磁気回転装置２２の加熱領域５に誘導され、感温磁性材からなる円筒体１ａを加熱する。この熱伝達で高温冷却水は一部冷却される。
【００２３】
やや冷却した高温冷却水はラジエータ１８に入り、蛇行管部２０を蛇行しながら、ファン１６が矢印ｂ方向に吸引する外部の冷気により低温冷却水にまで冷却される。この低温冷却水は円筒体１ａの冷却領域６に入り、この領域を冷却した後、矢印ｃ方向に再びエンジン１２に帰還し、エンジン系の冷却水として循環使用される。実線は高温冷却水及び点線は低温冷却水の流路を示す。
【００２４】
円筒体１ａは加熱領域５で加熱され、冷却領域６で冷却される。この２領域には磁石２の磁極２ａ・２ｂが接近配設されているから、マックスウェル応力により回転ドラム１は矢印ｄ方向に回転する。この回転力により前記ポンプ１４およびファン１６を駆動して、エンジン系の自律動作を継続する。
【００２５】
この第１実施形態では、高温冷却水は２段階の冷却を受けて低温冷却水になる。第１段冷却は加熱領域５での熱伝達であり、第２段冷却はラジエータ１８での放熱である。第１段冷却を効率化することにより、第２段冷却、即ちラジエータ１８は不要になる。この時には、熱磁気回転装置２２が完全に熱磁気式ラジエータとして使用できる。また、ポンプ１４やファン１６を熱磁気回転装置２２により駆動することで、高温冷却水の冷却効率が高くなる。
即ち、高温冷却水の熱エネルギーの大部分を回転エネルギーに転換することが本発明の特徴である。
【００２６】
図２は熱磁気回転装置２２の加熱領域５の拡大図である。回転ドラム１はリング状のディスク体１ｄを積層して構成され、ディスク体１ｄ・１ｄの間隙に高温冷却水の蛇行配管部５ｄを設けて加熱領域５を形成している。この蛇行配管部５ｄから高温冷却水の熱をディスク体１ｄに伝達して、高温冷却水の冷却効率を高めている。冷却領域６にも同様の蛇行配管部６ｄが設けられている。また、回転ドラム１の外周に接近して磁石２の磁極２ｂが配設されており、極徴接近させることにより回転ドラム１の回転効率を上げている。
【００２７】
図３は図２のＩーＩ線断面図である。積層されたディスク体１ｄ・１ｄの間に蛇行配管部５ｄ・５ｄが設けられている。ディスク体１ｄ・１ｄの間には絶縁体スペーサ１ｅが介装され、蛇行配管部５ｄ・６ｄの挿入間隔を設けている。高温冷却水および低温冷却水が内径方向に深く入ることにより熱伝達を確実にしている。
【００２８】
図４は本発明の第２実施形態の概要説明図である。
図１と異なるところは、熱磁気回転装置２２に複数の加熱領域５と冷却領域６が設けられていることである。回転力を増大させるためには、マックスウェル応力を増大させる必要がある。
【００２９】
この増大化は同時に高温冷却水の熱エネルギーを回転ドラム１の回転エネルギーへ転換する効率の増大化を意味する。従って、磁極２ａ・２ｂの配置数及び磁力の増強も転換効率の増大につながる。
換言すれば、高温冷却水の第１段冷却の効率を上昇でき、ラジエータ１８による第２段冷却を不要にすることができる。
【００３０】
図５は図４の熱磁気回転装置２２の簡略断面図である。回転支軸１ｃにより回転子１ｂが軸支され、回転子１ｂの円周に円筒体１ａが巻回形成されている。加熱領域５および冷却領域６は共に円筒体１ａに熱交換板５ｅ・６ｅを接近配置して構成される。
【００３１】
図６は回転ドラム１の円筒体１ａの要部拡大断面図である。
回転ドラム１の構造を詳説すると、薄い感熱磁性材の円筒体１ａ1 〜１ａn を積層固着して成る直径４００ｍｍ、横幅１００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの円筒体１ａと、その内方へ嵌合固定した中央部に軸挿通用リブ部を設けた耐熱合成樹脂製の回転子１ｂと、これに挿通固定した回転支軸１ｃとより形成されている。
【００３２】
また、前記薄い円筒体１ａ1 〜１ａn を形成する感温磁性材としては、整磁材料であるサーマロイを使用しており、成分は鉄・ニッケルであって、他の材料に比べて前記各条件の点で優れており、熱的・機械的ショックにも強く、しかも耐食性もよいと云う特徴を有している。
更に、感温磁性材のＴｃ１０００は約８０℃に設定されている。但し、ここでＴｃ１０００とは、磁界Ｈが２５（Ｏｅ）に於いて感熱磁性材料の飽和磁束密度が１０００Ｇになるときの温度のことであり、キュリー温度とは少し異なる。尚、当該サーマロイの物理特性はＴｃ１０００…５０〜２５０（℃）、密度…８．２（ｇ／ｃｃ）、硬さ…１３０（ＨＶ）、弾性係数…８５００（ｋｇ／ｍｍ）、熱膨張係数…０．００００１（１／℃）、比熱…０．１２（Ｃａｌ／ｇ・℃）、熱伝導率１３．６である。
【００３３】
前記磁石２は、コバルト・サマリウム永久磁石から成る磁極２ａ・２ｂとヨーク２ｃとから形成されており、磁極２ａ・２ｂの外形寸法は２５ｍｍ×２０ｍｍ×１００ｍｍ（横幅）に、またヨーク２ｃは２５ｍｍ×１２２ｍｍ×１００ｍｍ（横幅）に、夫々選定されている。
尚、前記コバルト・サマリウム磁石の磁気特性は、最大エネルギー積…２６．６９（ＭＧＯｅ）、残留磁束密度…１．０６６９（ＫＧ）、Ｂ保持力…８．８４９（ＫＯｅ）、Ｊ保持力…１０．０５（ＫＯｅ）、磁束密度の温度係数…３（％／℃）、リコイル比透磁率…１．０２、キュリー温度…８２０（℃）であり、また前記磁石２を形成するヨーク２ｂには、耐食性を考えてＳＵＳ４３０を使用している。
【００３４】
図７は本発明の第３実施形態の概要説明図である。
図１および図４と異なるところは、冷却領域６を冷風で空冷することである。従って、第１および第２実施形態と異なる点を以下に説明する。
【００３５】
この実施形態では、回転ドラム１の円周に多数の加熱領域５が設けられ、高温冷却水の熱量をこの加熱領域５に効率的に伝達して、高温冷却水は低温冷却水となってエンジン１２に帰還する。
【００３６】
回転ドラム１の回転によりファン１６及びポンプ１４を駆動する。ファン１６で外部から吸引された冷気は集風器１６ａで集められ、ダクト１６ｂを介して、円筒体１ａの冷却領域６に誘導される。冷風は冷却ノズル６ｆから円筒体１ａの表面に吹きつけられ、冷却領域を効率的に冷却する。つまり、高温冷却水により加熱領域５を加熱し、冷風により冷却領域６を冷却している。
【００３７】
図８は図７の回転ドラム１の要部断面図である。加熱領域５は熱交換板５ｅを介して加熱される。
一方、冷却領域６はノズル６ｆからの冷風吹付けで冷却されている。
【００３８】
この実施形態では、高温冷却水の熱量は熱磁気回転装置２２の回転、ポンプ１４の駆動およびファン１６の回転に消費され、この過程を通して低温冷却水まで冷却される。熱磁気回転装置の回転エネルギーを更に他のプロセスで消費する構成とすれば、冷却効率の一層の増進を図ることができる。
【００３９】
図９は、図７に示す熱磁気回転装置の一部を省略した縦断面図である。非磁性材製の回転子１ｂの外周に固着した感温磁性材製の円筒体１ａは、ディスク体１ｄ1 〜１ｄn を複数枚積層固着することにより形成されており、具体的には厚さ０．１〜０．３ｍｍ程度のディスク体１ｄ1 〜１ｄn を３０〜５０枚積層することにより、円筒体１ａが形成されている。５ｅは熱交換板、６ｆは冷却ノズルである。
【００４０】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものである。
【００４１】
【発明の効果】
本願発明によれば、エンジンから流出する冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して、前記冷却水を低温冷却水にまで冷却できるから、従来捨てられていた排熱を回転エネルギーとして有効活用することができる。
また、エンジンから流出する冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換して、冷却水を低温にまで冷却するとともに、その回転エネルギーをポンプやファン等の駆動に有効利用する。即ち、エンジン発生熱を単に空間に放出するのでなく、自動車等の装置の駆動エネルギー源とすることによってエネルギー効率を上昇させ、また省エネルギー化に貢献できる。
更に、得られた回転エネルギーでファンを駆動し、ファン回転で高温冷却水の冷却を助勢するから、高温冷却水の熱エネルギーを効率的に回転エネルギーに転換できる。
加えて、ディスクとディスクの間隙にエンジンからの冷却水又はラジェターで冷却した後の冷却水を流通させるから、所要部の加熱又は冷却を効率的に行うことができ、エンジン排熱を効率的に回転エネルギーに転換できる。
また、円筒体の円周面にエンジンからの冷却水又はラジェターで冷却した後の冷却水を接近させて加熱又は冷却を行うから、円筒体の任意の構造に対して冷却水の配管設計をすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の概要説明図である。
【図２】熱磁気回転装置の加熱領域の拡大図である。
【図３】図２のＩーＩ線断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の概要説明図である。
【図５】図４の熱磁気回転装置の簡略断面図である。
【図６】回転ドラムの円筒体の要部拡大断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態の概要説明図である。
【図８】図７の回転ドラムの要部断面図である。
【図９】図７に示す熱磁気回転装置の一部を省略した縦断面図である。
【図１０】回転体に作用するマックスウェル力の説明用モデルである。
【図１１】回転体に作用するマックスウェル力の説明図である。
【図１２】従前の熱磁気回転装置の要部説明図である。
【図１３】エンジン部を備えた従来自動車の概要説明図である。
【図１４】図１３の自動車エンジン部の拡大図である。
【符号の説明】
１は回転ドラム、１ａは円筒体、１ｂは回転子、１ｃは回転支軸、１ｄ・１ｄ1 〜１ｄn はディスク体、２は磁石、２ａ・２ｂは磁極、２ｃはヨーク、５は加熱領域、５ａは工業用温排水、５ｄは蛇行配管部、５ｅは熱交換板、６は冷却領域、６ｄは蛇行配管部、６ｅは熱交換板、６ｆは冷却水ノズル、１０は車体、１２はエンジン、１４はポンプ、１６はファン、１６ａは集風器、１６ｂはダクト、１８はラジエータ、２０は蛇行管部、２２は熱磁気回転装置。
Claims (3)
- 自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数枚のディスクを絶縁体スペーサを介して円筒状に積層し、回転支軸により回転自在に軸支すると共に積層したディスク相互の間隙内に冷却水管を設けた感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の前記冷却水管にエンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の前記冷却水管に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを特徴とする熱磁気回転装置を利用したエンジン冷却水の冷却装置。
- 自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数枚のディスクを円筒状に積層し、回転自在に軸支した感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記エンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを特徴とする熱磁気回転装置を利用したエンジン冷却水の冷却装置。
- 自動車のエンジンからの冷却水を循環ポンプにより風冷式ラジエータを通して循環させることにより冷却するようにしたエンジン冷却水の冷却装置に於いて、前記循環ポンプ及び風冷式ラジエータの送風用ファンを、前記エンジンからの冷却水の熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱磁気回転装置により回転駆動させると共に、前記熱磁気回転装置を、複数の円筒を同心状に積層し、回転自在に軸支した感熱磁性材製の円筒体と，円筒体の円周方向に磁極を位置せしめてその外周面と対抗状に配設した磁石と，円周方向の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記エンジンからの冷却水を流通させる円筒体の加熱領域と，円周方向の他の所定領域内の円周面に近接して設けた熱交換板に前記ラジエータで冷却したあとの冷却水を流通させる円筒体の冷却領域と，から構成し、エンジンからの冷却水の熱エネルギーを熱磁気回転装置の回転エネルギーに転換してこれを冷却すると共に、熱磁気回転装置からの冷却水をラジエータで冷却したあとの冷却水により前記円筒体の低温領域を冷却するようにしたことを特徴とする熱磁気回転装置を利用したエンジン冷却水の冷却装置。
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