JP4507207B2 - 磁性対流熱循環ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、熱エネルギーを移送する素子に関し、特に、磁場の磁束密度と磁性体の飽和磁化の温度特性を利用した磁性対流熱循環ポンプに関する。

熱を移送する素子の中で、磁場における磁性流体の飽和磁化の温度依存性に起因する磁性対流を利用した熱の移送素子は古くより考案されてきたが、磁性体の微粉末化や磁性体をコートする界面活性剤の塗布精度などに起因する磁性体の分散媒中における不均一な分布や大きな残留磁化が磁性対流を阻害し製品化を妨げてきた。

近年では、上述された問題に対する解決策も試みられ、例えば、特開平１０−２３１８１４号公報や特開平３−１０２８０４号公報に開示されているように、ガス等の常磁性体や残留磁化の非常に小さい磁性流体などの移送手段として、磁場近辺にヒーター等を配置して飽和磁化の温度依存性を利用した装置が開発されている。

しかし、ヒーターなどの熱入力部を構成した場合は移送する素材そのものの温度が上昇してしまう為に使用用途が限られる上に、放熱などを目的とした熱移送では逆に大きな損失を生じることになり、使用に適さないなどの問題があった。

更には、電磁石を所定間隔に並べて順次磁場を移動させる方法なども開示されているが、電磁石の制御や電気配線などが必要となり、装置は複雑で高価な物となる。

そこで本発明は、電気的な駆動源を使わずに、磁場の磁束密度と磁性体の飽和磁化の温度特性を利用して、磁場中における磁性流体の温度勾配を大きく取り、飽和磁化値の差を生じさせることにより効率よく動力に変換できる磁性対流熱循環ポンプを提供することを目的とする。

前記目的を達成する為に、本発明は、受熱部を通過する循環流路内又は循環流路の一部を形成するように磁石を配置することで、磁力が直接的に作用し、前記磁石が作り出す磁場における磁性流体の飽和磁化の温度依存性により、受熱部からの熱入力による温度勾配が継続的な磁性流体の磁性対流を引き起こすことを利用した磁性対流熱循環ポンプを提供する。

本発明の磁性対流熱循環ポンプは受熱部の熱入力が作動源となり、磁性流体が磁場により磁性対流を起して受熱部と放熱部とを循環する構成で、構造が非常に簡単であり、しかも受熱部と放熱部の温度差がある限り動作は継続し、更に温度差が広がれば循環速度が速くなり多くの熱量を容易に運ぶことができる等の利点がある。

循環流路内に磁石を配置した場合の磁性対流熱循環ポンプを示す概要図である。 磁石の配置を例示した概要図である。 循環流路内に磁石を配置した場合の磁性対流熱循環ポンプを示す概要図である。 磁石をハの字形に配置した場合の概要図である。 磁石と磁性体とをコの字形に配置した場合の概要図である。 循環流路内に磁石を配置した場合の磁性対流熱循環ポンプを示す概要図である。 循環流路内に磁石を配置した場合の磁性対流熱循環ポンプを示す概要図である。 循環流路の内壁面の一部に磁石を配置した場合の磁性対流熱循環ポンプを示す概要図である。 循環流路の内壁面の一部に磁石を配置した場合の磁性対流熱循環ポンプを示す概要図である。 ポンプ部の肉厚を薄くした磁性対流熱循環ポンプを一部透視した斜視図である。 ヨークに固定した場合の磁石の配置を示す概要図である。

発明の実施の形態

本発明では、磁性流体の磁場流路内又は流路の内壁面の一部にニッケルメッキ等で表面処理をした磁石を配置し、更に前記磁石若しくは循環流路の内壁面の一部又は全部を前記磁性流体の磁性体をコーティングしている界面活性剤のイオン特性と同種の界面活性剤でコーティングすることにより、前記磁性流体に直接的に磁場が作用する上に、流路抵抗をも軽減する構成とした。

また、磁性体には飽和磁化の温度依存性が高いマンガンと亜鉛と酸化鉄との合金を採用し、その合金の平均粒径を約１０ｎｍ、好ましくは６ｎｍ、更に好ましくは１ｎｍとすることにより、残留磁化を極小に抑えた効率の良い磁性対流熱循環ポンプを実現した。

更には、受熱部とマグネチックポンプは熱伝導率の異なる素材で形成し、相互に磁場流路を共有する構成を採用した。

本発明による磁性対流熱循環ポンプの１実施例を、図１から図６を参照して以下に説明する。

図１では、受熱部（１）と放熱部（２）とを循環する循環流路（３）が配置されており、循環流路（３）内に伸長方向と平行に磁石Ｎ極（４）とＳ極（５）を配置した例を示している。循環流路（３）には磁性流体が充填されており、受熱部（１）に熱入力があると、受熱部（１）の磁性流体の温度が上昇し、受熱部（１）と放熱部（２）に保持された磁性流体との間に温度勾配が生じ、磁化力の低下した受熱部（１）側の磁性流体が放熱部（２）側の磁性流体に押し出されることにより、磁性対流が生じて熱を伝達する例を示した。

このような循環を生じる構成では、磁石の磁力が直接的に磁性流体に伝わるので効率が良い上に、電子機器などの放熱に利用しても漏れ磁束による影響が著しく軽減される。

本発明の磁性流体は、磁性を有する粒体を磁性体として、適当な分散媒に分散したものであれば用いることができる。磁性を有する粒体は、好ましくは３０ｎｍ未満、更に好ましくは１ｎｍから１０ｎｍの平均粒径を有する粉体として用いられる。

本発明に用いる磁性体は温度依存性の高い合金が好ましく、二価遷移金属と酸化鉄の合金が特に好ましい。

また、磁性体は界面活性剤で被覆（コーティング）されていることが好ましい。被覆に用いる界面活性剤は、陽イオン界面活性剤、陰イオン界面活性剤といったイオン特性を有する界面活性剤を用いることが好ましい。これら界面活性剤の反発力により、磁性体は分散媒中に均一に分布する構成とした。その結果、残留磁化を小さくして大幅に流路抵抗を軽減することができる。

更に好ましくは、循環流路又は前記循環流路に配置される磁石の磁性流体と接する面の一部若しくは全部を、磁性体をコーティングしている界面活性剤のイオン特性と同種の界面活性剤でコーティングすることにより、残留磁化の影響を更に小さくし、更に流路抵抗を軽減することが可能となる。

更に、温度依存性の高い合金を磁性体として採用したことにより、飽和磁化値の温度による大きな変化が磁場において大きな動力となり、磁性対流のポンプとしての効率を大幅に向上せしめた。本実施例ではマンガンと亜鉛と酸化鉄との合金（１／２Ｚｎ１／２ＭｎＦｅ_２Ｏ_４）を用いたが、本発明で使用できる磁性体はこれに限定されるものではなく、磁性体の飽和磁化の温度依存性が１／２Ｚｎ１／２ＭｎＦｅ_２Ｏ_４と同等か若しくは強磁性を示し、より大きな温度依存性を有する二価遷移金属と酸化鉄の合金等が好ましい。

また、本発明の磁性流体として磁性イオン液体を用いることも出来る。磁性イオン液体は典型的な磁性陰イオンの塩化鉄酸イオンと陽イオンの１ブチル３メチルイミダゾリウムなどを組み合わせることが好ましい。

図２から図４は、実施例１〜３の磁石の配置について示した。図２は、受熱部側に磁力の強い磁石（４）（５）を配置し、放熱側には磁力の弱い磁石２（４ｂ）（５ｂ）を配置して磁場の勾配をつけた例を示した。図３では、循環流路内に磁石が対峙する形で配置した例を示した。図４では、更に循環流路（３）内の磁石が受熱部（１）側で狭くなるようにハの字型に配置した例を示した。このようにして磁場の強いところを受熱部側に作ることにより、温度が低く磁化力の強い磁性体が磁場の強いところに移動しやすい構成とした。

図５では、強磁性体（１０）が、例えば鉄などをコの字型に成型して、対峙する面に磁石を配置して磁気回路を構成した磁石の例を示した。この構成では漏れ磁束が非常に小さく、対峙する磁石Ｎ極（４）と磁石Ｓ極（５）の間の磁力が強くなる。

更に、図６では、複数の循環路を構成して、図１に示した構成よりも少ない磁性流体の量で効率よく循環する磁性熱ポンプの構成を示した。図６によれば、磁場流路（６）は第１流路（７）の循環流路内の受熱部（１）に配置された磁石（４）（５）の磁力線に沿うように形成されているが、第２流路（８）、第３流路（９）の経路内に配置してもよく、また、磁石（４）（５）の両側の磁束に沿うように磁場流路（６）を形成しても良い。

実施例２は、図７を参照して説明する。受熱部（１）と放熱部（２）は、循環流路（３）で接続された構成を採用した。受熱部（１）と放熱部（２）は、循環流路（３）の構成材をフレキシブルパイプや樹脂パイプなど柔軟性に富んだもので構成すると、直線的な配置に限られず任意の位置に配置することが可能となる。

実施例３は、図８を参照して説明する。磁性対流熱循環ポンプは、受熱部（１）と放熱部（２）を接続する配管（１２）内にリング状の磁石（４ａ）（５ａ）を配置した構成とした。このような構成を採用すれば、受熱部（１）放熱部（２）が一つの共用部品で済むほかに、接合部（１１）が磁力による接合で液漏れすることなく簡単に脱着することが実現でき、磁性流体の充填等においても簡便である。

上述された各実施例において配置される磁石の固定方法は特に限定されるものではなく、ガイド溝などへの嵌め合わせにより移動可能に固定する方法や、接着などにより固着して固定する方法等であっても良い。

同様に受熱部（１）や放熱部（２）の構成材は、銅やアルミニウム、グラファイト等の熱伝導率の高い素材を使用することが好ましく、更に透磁率の低い素材であることがより好ましい。

実施例４は、図９〜１１を参照して以下に説明する。なお、本実施例では、磁場流路（６）と磁石（１３）とで構成された部分をマグネチックポンプ（１４）と呼んでいる。その実施例として図９では、磁性流体の逆流を防ぐ為に受熱部（１）側の磁場流路（６）の端部の幅を段階的に狭くなるように構成し、磁場流路（６）を共有するように異なる熱伝導率を有する素材で構成された受熱部（１）とマグネチックポンプ（１４）とが熱的に接続された磁性対流熱循環ポンプを示した。そして、その磁場流路（６）内には、磁石（１３）が設置されて一体に形成されている。

また、受熱部（１）の磁場流路（６）と循環流路（３）はフッ素系の樹脂、例えばＰＦＡなどで構成された接続用循環流路（３）を介して放熱部（２）と接続されており、受熱部（１）に熱入力があると、磁場流路（６）の一部は直接的に熱入力される。しかしながら、マグネチックポンプ（１４）には熱は間接的に伝わる上に、受熱部と比較して熱伝導率が小さな素材で構成されているため、受熱部（１）と比較して伝わる熱量は小さく、その結果、磁場流路（６）内に大きな温度勾配が生じて、温度の高くなり飽和磁化値が低くなった磁性流体が温度の低い飽和磁化値の大きな磁性流体に押しやられることにより循環が開始される。例えば、このような循環を引き起こすためには、アルミニウムと樹脂素材のような熱伝導率の差があればよい。そして、磁性流体の循環が始まると、生じた圧力により、マグネチックポンプ（１４）内に熱入力されていない磁性流体が放熱部（２）側より流れ込むため、更に温度差が大きくなり、この結果、循環スピードが速くなり、より多くの熱を移送することができる。

本実施例では磁石（１３）の着磁方向は特に示していないが、幅方向でも長手方向でも何れでも良い。例えば、長手方向に着磁した磁石を使用した場合の温度差の生じる場所は、熱入力が大きいときにはマグネチックポンプ（１４）の放熱部（２）からの磁場の強いところへ移動し、熱入力が小さいときには磁場の弱い磁石（１３）中央部近傍へ移動することから、適宜用途に合った磁石（１３）を採用しても発熱体の温度を一定に保つような構成を実現できる。

また、図示しないが、流路のせん断応力の軽減や磁性流体の凝集を防ぐために、循環流路の磁性流体が接する面の一部若しくは全部は、例えば旭硝子社製の撥油性と撥水性を有する製品名サイトップのような撥油性を有するコーティング材でコートするか、若しくは磁性流体のイオン特性と同種の界面活性剤、すなわち、磁性流体がカチオン系の界面活性剤でコートされている場合は、これと同じカチオン系の界面活性剤でコートするのが好ましい。

本実施例では、磁場流路（６）を受熱部（１）とマグネチックポンプ（１４）とで共有する例を示したが、受熱部（１）とマグネチックポンプ（１４）を熱伝導率の良い金属などで熱的に接続しても良く、その場合は磁場流路（６）を共有しなくとも良い。

更に、図１０では、受熱部（１）とマグネチックポンプ（１４）とが同じ熱伝導率を有する素材で構成された場合の構成を示した。受熱部（１）からの熱入力に対して、マグネチックポンプ（１４）を形成している素材の厚みを受熱部（１）よりも薄くすることにより、熱伝達率が小さくなり、熱伝導率の異なる素材を採用した場合と同様の効果を得ることができる。

また、図１１では、磁気回路を構成した１例を示した。磁石（１３）はＮ極とＳ極が対峙するように配置され、ヨーク（１５）により固定されている。このように構成すると非常に強い磁場を得ることができるのみならず、磁場流路（６）はＮ極とＳ極が対峙する面の間に位置するようになるため、流体の流動を妨げる障害が無くなり、ポンプの性能が向上する。更には、マグネチックヒートポンプからの漏れ磁束を著しく軽減することが可能となる。

本発明によれば、本発明のマグネチックヒートポンプは単位面積あたりの熱移送能力が大きく、また、受熱部と放熱部をフレキシブルな樹脂パイプで接続することにより自由な配置が可能であり、更にはポンプ部の構成を非常に小さくすることができる。このため、電子機器の小型化が進み、電子部品の消費電力密度が高くなることから、狭い空間から熱をなるべく外気に触れるところに移送して放熱する必要性があるＣＰＵなどの電子部品、レーザーダイオードなどの光学素子の熱移送及び放熱用途に利用できる。

また、本発明によれば、本発明のマグネチックヒートポンプは電気を使用しないため、無人の施設などの加熱防止対策や、寒冷地における太陽熱の室内への導入用途、排熱を再利用する際の熱移送など多様な用途へ適用できる。

更に、本発明によれば、本発明のマグネチックヒートポンプに使用される磁性流体は揮発性に乏しいため、宇宙などの過酷な条件下でも熱移送が可能であり、宇宙ステーションなどの太陽熱回収手段や人工衛星内の熱移送手段としても利用できる。

Claims (10)

1. 受熱部、放熱部と、前記受熱部及び放熱部とを循環し一部に磁石が配置された循環流路とからなる、循環作動液に磁性流体を用いた熱循環ポンプであって、
   前記磁石及びその周辺を流れる前記磁性流体に温度勾配をつけるため、前記磁石はその一部が前記受熱部内に延びており、かつ、前記循環流路内又は循環流路の内壁面の一部を形成するように配置されていることを特徴とする磁性対流熱循環ポンプ。
2. 受熱部と、
   前記受熱部と熱的に接続され、内部に磁石を有するマグネチックポンプと、
   放熱部と、
   前記受熱部及びマグネチックポンプ、放熱部とを流体連通に接続する循環流路とを有し、そして
   前記循環流路内を流れる循環作動液に磁性流体を用いた熱循環ポンプであって、
   前記マグネチックポンプ内の磁石及びその周辺を流れる前記磁性流体に温度勾配をつけるため、前記磁石はその一部が前記受熱部内に延びており、かつ、前記循環流路内又は循環流路の内壁面の一部を形成するように配置されていることを特徴とする磁性対流熱循環ポンプ。
3. 前記循環流路は、管路により構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。
4. 前記磁性流体の磁性体は、平均粒径が３０ｎｍ未満であり、二価遷移金属と酸化鉄の合金であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。
5. 前記磁性流体は、磁性を有するイオン液体若しくは磁性陰イオンと陽イオンからなる磁性イオン液体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。
6. 前記磁石は、前記受熱部と放熱部を着脱自在に接続するように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。
7. 前記受熱部及びマグネチックポンプは、磁場流路を共有していることを特徴とする請求項２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。
8. 前記受熱部及びマグネチックポンプは、互いに異なる熱伝導率を有する素材で構成されていることを特徴とする請求項２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。
9. 前記循環流路又は前記循環流路に配置される磁石の磁性流体と接する面の一部若しくは全部は、前記磁性流体の磁性体をコーティングしている界面活性剤のイオン特性と同種の界面活性剤でコーティングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。
10. 前記循環流路又は前記循環流路に配置される磁石の磁性流体と接する面の一部若しくは全部は、撥油性を有するコーティング材でコーティングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁性対流熱循環ポンプ。

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