JP5838911B2 - Cooling system - Google Patents
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Description
本発明は、磁性流体を媒体として用いて発熱体を冷却する冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device that cools a heating element using a magnetic fluid as a medium.
従来、磁性流体を用いて機器を冷却する冷却装置として、特許文献1に記載の装置が知られている。特許文献1によれば、磁性材料の粒子を溶媒中に分散させた磁性流体に対して、外部から磁場を印加することによって、流体中に含まれる複数の粒子同士が連結する連結構造となることが開示されている。この連結構造の形成により、磁性流体の熱交換性能が向上するため、効果的な熱交換を必要とする流路において当該連結構造を形成すれば、冷却装置の熱交換性能向上が図れる。
Conventionally, an apparatus described in
また、非特許文献1によれば、磁性流体に含ませる磁性粒子の形状を球形状よりも繊維状とすることにより、熱交換性能の向上が図れることが開示されている。
Non-Patent
上記特許文献1のように、発熱機器を冷却する媒体として磁性流体を使用する冷却装置においては、発熱機器の高性能化に伴い、さらに高い冷却性能が要求されている。ゆえに、当該冷却装置には、非特許文献1に記載の繊維状の磁性粒子を含む磁性流体を使用した高熱交換性能の実現が求められる。
As in
一方、繊維状、すなわち細長状の粒子を溶媒中に流動させた場合、当該粒子の軸線が流体の流れ方向と平行な方向を向くことが知られている。この粒子の配向に関する特性によれば、磁性粒子の上記連結構造を形成して熱交換性能を向上させる場合には、粒子の軸線の向きを、流体流れ方向に平行な方向から流体流れ方向に対して垂直な方向に変更しなければならない。したがって、高効率な熱交換性能を得るためには、上記連結構造を実現できる粒子の姿勢変更を確実かつ効率的に実施することが必要になる。 On the other hand, when fibrous particles, that is, elongated particles, are flowed into a solvent, it is known that the axis of the particles is directed in a direction parallel to the fluid flow direction. According to the characteristics related to the orientation of the particles, when the above-mentioned connection structure of magnetic particles is formed to improve the heat exchange performance, the direction of the axis of the particles is changed from the direction parallel to the fluid flow direction to the fluid flow direction. Must be changed vertically. Therefore, in order to obtain high-efficiency heat exchange performance, it is necessary to reliably and efficiently change the posture of the particles that can realize the above-described connection structure.
そこで、本発明は上記点に鑑みてなされたものであり、その目的は、針状または繊維状の磁性粒子を含む磁性流体を熱輸送流体として高効率な熱交換性能を発揮する冷却装置を提供することである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a cooling device that exhibits high-efficiency heat exchange performance using a magnetic fluid containing needle-like or fibrous magnetic particles as a heat transport fluid. It is to be.
上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。すなわち、本発明に係る冷却装置は、溶媒(2)と当該溶媒中に分散される針状または繊維状の磁性粒子(3)とを少なくとも含む磁性流体(1)と、磁性流体が循環する流体循環回路(35,45)と、流体循環回路において磁性流体を強制的に循環させるポンプと、流体循環回路の途中で磁性流体によって吸熱される発熱体(34,42,44)と、当該流体循環回路を流れる磁性流体に対して磁場を与える磁場生成装置(20)と、磁場生成装置によって磁性流体に磁場が与えられる前に、磁性流体中の磁性粒子の軸線の向きを磁性流体の流れに平行な向きである状態から不特定な向きとなる状態に変化させるように磁性粒子の姿勢を変更する粒子姿勢変更手段(10,10A,10B,10C,10D,10E,10F)と、を備え、
粒子姿勢変更手段は、流体循環回路において、ポンプとは別個に設けられ、磁場生成装置の直前に隣接することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the following technical means are adopted. That is, the cooling device according to the present invention includes a magnetic fluid (1) including at least a solvent (2) and needle-like or fibrous magnetic particles (3) dispersed in the solvent, and a fluid in which the magnetic fluid circulates. A circulation circuit (35, 45), a pump for forcibly circulating a magnetic fluid in the fluid circulation circuit, a heating element (34, 42, 44) that is absorbed by the magnetic fluid in the middle of the fluid circulation circuit, and the fluid circulation A magnetic field generator (20) that applies a magnetic field to the magnetic fluid flowing through the circuit, and before the magnetic field is applied to the magnetic fluid by the magnetic field generator, the direction of the axis of the magnetic particles in the magnetic fluid is parallel to the flow of the magnetic fluid with such orientation in which particles posture changing means for changing the orientation of the magnetic particles so as to change the state of the unspecified orientation from the state (10,10A, 10B, 10C, 10D , 10E, 10F) and the
The particle posture changing means is provided separately from the pump in the fluid circulation circuit, and is adjacent to the magnetic field generation device immediately before .
本発明によれば、磁場生成装置によって磁性流体に対して磁場が生成されると、磁場方向に複数の磁性粒子が配列して連結する連結構造を形成する形態変化が起こる。当該形態変化により、磁性粒子は一定の方向に配向するため、その特質から磁性流体の熱伝導率が向上する。当該形態変化によって磁性流体の熱吸収能力が強化されるため、高い熱交換性能を有する磁性流体を流体循環回路に循環させることができる。さらに本発明によれば、磁場生成装置によって当該連結構造を形成する形態変化を起こす前に、粒子姿勢変更手段によって、磁性粒子の軸線の向きを変えることができる。この作用により、流体循環回路を流れる多数の繊維状等の磁性粒子は、その軸線の向きが磁性流体中で流体流れに平行な向きから不特定な向きを示す姿勢に変更されるため、この後に前述の連結構造を形成する形態変化を効率的に実施することができるのである。したがって、本発明によれば、針状または繊維状の磁性粒子を含む磁性流体を熱輸送流体として高効率な熱交換性能を発揮する冷却装置を提供できる。 According to the present invention, when a magnetic field is generated with respect to a magnetic fluid by a magnetic field generation device, a form change that forms a connection structure in which a plurality of magnetic particles are arranged and connected in the magnetic field direction occurs. Due to the shape change, the magnetic particles are oriented in a certain direction, so that the thermal conductivity of the magnetic fluid is improved due to its characteristics. Since the heat absorption capability of the magnetic fluid is enhanced by the shape change, the magnetic fluid having high heat exchange performance can be circulated in the fluid circulation circuit. Furthermore, according to the present invention, the direction of the axis of the magnetic particle can be changed by the particle posture changing means before the form change for forming the connection structure is caused by the magnetic field generation device. Because of this action, the direction of the axis of a large number of fibrous magnetic particles flowing in the fluid circulation circuit is changed from a direction parallel to the fluid flow in the magnetic fluid to a posture indicating an unspecified direction. It is possible to efficiently carry out the shape change that forms the above-described connection structure. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a cooling device that exhibits highly efficient heat exchange performance using a magnetic fluid containing needle-like or fibrous magnetic particles as a heat transport fluid.
以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。 A plurality of modes for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. When only a part of the configuration is described in each mode, the other modes described above can be applied to the other parts of the configuration. Not only combinations of parts that clearly indicate that each embodiment can be specifically combined, but also combinations of the embodiments even if they are not clearly indicated unless there is a problem with the combination. Is also possible.
(第1実施形態)
以下、本発明に係る第1実施形態の磁性流体及び冷却装置について、図1〜図10を参照して説明する。本実施形態の磁性流体は、例えばマグネタイト等の磁性微粒子、その表面を覆う界面活性剤、ベース液等で構成される磁性コロイド溶液であり、熱源からの熱を吸熱して外部に伝達、輸送する。磁性流体は、各種の電子機器、自動車の内燃機関、電気自動車またはハイブリッド自動車が走行するための駆動力を発生する電動機、電動機を駆動するインバータ、二次電池等を冷却する冷却装置に用いられる。
(First embodiment)
Hereinafter, a magnetic fluid and a cooling device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The magnetic fluid of the present embodiment is a magnetic colloid solution composed of, for example, magnetic fine particles such as magnetite, a surfactant that covers the surface of the magnetic fluid, a base liquid, and the like. . The magnetic fluid is used in various electronic devices, an internal combustion engine of an automobile, an electric motor that generates a driving force for running an electric vehicle or a hybrid vehicle, an inverter that drives the electric motor, a cooling device that cools a secondary battery, and the like.
図1に示すように、磁性流体1は、溶媒2と、複数の微小粒子とを少なくとも含んで構成されている。複数の微小粒子は、複数の磁性材料の粒子(以下、磁性粒子3ともいう)の集合体であり、溶媒中に分散して存在している。磁性粒子3は、針状または繊維状の形状である。このような複数の磁性粒子3は、溶媒中において、通常は分散して存在しているが、磁化されることにより磁場方向に伴う方向に延びるように連結して配列する構造(以下、連結構造状態4Cともいう)となる。すなわち、針状または繊維状の複数の磁性粒子3は、その軸線が磁場方向に平行な方向または磁場方向に延びるような姿勢で配列する連結構造を呈する。
As shown in FIG. 1, the
この連結構造を示す形態は、残留磁化等の影響があるうちは維持されるが、磁性流体1の流動とともに連結構造状態4Cが解除されると、磁性粒子3間が分離して溶媒2中に複数の磁性粒子3が分散するようになる。この連結構造状態4Cを伴う形態変化に移行したときは磁性流体1の熱伝導率は非連結構造状態4の場合に対して向上する。一方、連結構造が解体されて非連結構造状態4Dである分散状態に移行したときは熱伝導率が連結構造状態4Cの場合に対して低下するが、流体の粘性は小さくなる。このように連結構造状態4Cと非連結構造状態4Dとの間にわたる形態変化は、可逆的であり、磁性流体1に対する磁場の生成、流体の流れの変化(流速変化、流れの向きの変化)や振動、温度変化等のトリガに起因する。
The form showing this connection structure is maintained as long as there is an influence of remanent magnetization or the like. However, when the
この磁性流体1に用いられる溶媒2は、溶媒分子の集合体であり、例えば水または有機物(例えば、エチレングリコール、トルエン等)である。溶媒2は、磁性粒子3を分散させ、磁性粒子3を運搬する流体とすることができる。この流体は、液体、あるいは気体によって提供されうる。流体は、単一もしくは複数の成分から構成されうる。例えば、流体として水、液状の高分子を用いることができる。さらに、流体として、混合物を用いることができる。例えば、混合物には、水と、エチレングリコールと、他の機能成分との混合物を用いることができる。
The
磁性流体1に含まれる複数の磁性粒子3のそれぞれは、球体状ではなく棒状、細長状であり、磁性流体中に溶媒分子に取り囲まれる形態で分散している。磁性粒子3としては、強磁性を有する材料であることが好ましく、例えば、鉄(Fe)、ニッケル(Ni)、マンガン(Mn)、コバルト(Co)等の金属からなる粒子、これらの合金または酸化物を用いることができる。また、磁性粒子3は、2種類以上の物質から構成されてもよい。
Each of the plurality of
磁性粒子3としては、例えば、アスペクト比(棒状の粒子の長辺を短辺で除した値)が2〜3程度の金属ナノロッド(ナノサイズのロッド状金属微粒子)を用いることができる。また、磁性粒子3には、アスペクト比が例えば、数十〜100程度の高アスペクトの粒子を採用してもよい。
As the
磁性性粒子3に用いるマグネタイト(Fe304)は、塩化鉄(II)、塩化鉄(III)の溶液にアンモニアを反応させて得ることができる。また、磁性流子3の一例である磁性金属粒子の原材料酸化物粒子は、例えば、周知の金属イオン還元法で製造することもできる。ここでいう磁性金属粒子の原材料酸化物粒子とは、酸化物が還元によって強磁性の金属あるいは合金になるものである。この磁性金属粒子の原材料酸化物粒子の具体例としては、マグネタイト、Coフェライト、Niフェライト等である。
The magnetite (Fe 3 0 4 ) used for the
磁性流体1は、複数の磁性粒子3の連結構造状態4Cと非連結構造状態4,4Dとの二つの状態を用いてその熱伝導率が増減し、磁性粒子3がなす構造によって熱交換性能が調整可能な媒体となる。図1に示すように、粒子姿勢変更手段10は、磁場生成装置20によって磁性流体1に磁場が与えられる前に、磁性流体1中の磁性粒子3の軸線の向きを変化させるように磁性粒子の姿勢を変更する装置である。したがって、粒子姿勢変更手段10は、配管5において磁場生成装置20の上流側の位置に設けられる。
The
図1に示すように、磁性流体1がX方向に流れる配管5内において、磁場形成部位22よりも上流側では、磁性粒子3はその軸線が流体流れのX方向に沿うような姿勢で溶媒2中に分散している(図1の最も左側で示す第1の非連結構造状態4)。これは、繊維状、すなわち細長状の粒子を溶媒中に流動させた場合、当該粒子は、その軸線が流体流れ方向と平行な方向を向く特性があるためである。第1の非連結構造状態4にある磁性粒子3は、溶媒中で比較的規則的に配列するため、ランダムに動きまわる状態にはない。
As shown in FIG. 1, in the
第1の非連結構造状態4にある磁性粒子3は、粒子姿勢変更手段10によって、その姿勢が強制的に変えられるため、第1の非連結構造状態4よりも、溶媒中で規則的に配列せず、ランダムに動きまわる状態になる(図1において粒子姿勢変更手段10と磁場生成装置20との間に示す第2の非連結構造状態4B)。そして、磁場生成装置20を構成する永久磁石21によって、N極からS極に向かう方向に配管5の壁面(磁場生成部位22)に対して垂直方向に磁場が生成されると、上流では分散していた複数の磁性粒子3は磁化されて集合して磁場方向に並ぶように配列して連結した連結構造状態4Cになる。
The
さらに、この連結構造状態4Cでは、磁性流体1は、磁場方向に伸長して連結した磁性粒子の特質から非連結構造状態4,4Bの場合に比べて熱伝導率が向上するとともに、粘性が大きくなる。次に、磁場生成部位22で連結構造状態4Cとなった磁性粒子3は、その後に流体循環回路35を流れるにつれて、磁化が解かれて磁性粒子3間が離れる第3の非連結構造状態4Dとなる。この第3の非連結構造状態4Dは、連結構造状態4Cの場合に比べて熱伝導率が低下し、かつ粘性が小さくなり、さらに流体流れが進むと第1の非連結構造状態4に変化する。
Further, in this
図2では、自動車の駆動力を発生するエンジン34を冷却する冷却装置30と、ハイブリッド自動車の走行用電動機を駆動するインバータ44を冷却する冷却装置40と、を示している。
FIG. 2 shows a
冷却装置30は、磁性流体1と、磁性流体1が循環する流体循環回路35と、流体循環回路35を流れる磁性流体1に対して磁場を生成する磁場生成装置20と、磁場生成装置20の直前の上流側に隣接して設けられる粒子姿勢変更手段10と、流体循環回路35の途中で磁性流体1によって吸熱される発熱体としてのエンジン34と、を備える。さらに冷却装置30は、流体循環回路35で磁性流体1を強制的に循環させるウォータポンプ31と、磁場生成装置20よりも下流に設けられるエンジン用ラジエータ32と、エンジン用ラジエータ32に対し冷却のための空気を送風する送風機33と、磁性流体1の温度に基づいて磁性流体1の流路を切り換えるサーモスタット38と、を備える。
The
磁場生成装置20は、流体循環回路35において発熱体のエンジン34よりも上流側(発熱体の熱を吸熱する部位よりも上流側)に配設される。このため、冷却装置30は、粒子姿勢変更手段10による第2の非連結構造状態4Bへの粒子の姿勢変化を経て、磁場生成装置20の磁場生成によって連結構造状態4Cとなった磁性粒子3により、磁性流体1の熱伝導率が向上してエンジン34の熱を効率的に吸収することができる。
The magnetic
また、磁場生成装置20は、流体循環回路35においてエンジンの34の熱を放熱するエンジン用ラジエータ32よりも上流側(発熱体の熱を放熱する部位よりも上流側)に配設される。このため、粒子姿勢変更手段10による第2の非連結構造状態4Bへの粒子の姿勢変化を経て、冷却装置30は、磁場生成装置20の磁場生成によって連結構造状態4Cとなった磁性粒子3により、磁性流体1の熱伝導率が向上してエンジン34の熱を効率的に放出することができる。
The
冷却装置40は、磁性流体1と、磁性流体1が循環する流体循環回路45と、流体循環回路45を流れる磁性流体1に対して磁場を生成する磁場生成装置20と、磁場生成装置20の直前の上流側に隣接して設けられる粒子姿勢変更手段10と、流体循環回路45の途中で磁性流体1によって吸熱される発熱体としてのインバータ44と、を備える。さらに冷却装置40は、流体循環回路45で磁性流体1を強制的に循環させるウォータポンプ41と、磁場生成装置20及び粒子姿勢変更手段10よりも上流に設けられるHV用ラジエータ43と、インバータ44により駆動される電動機42(または発電機)と、を備える。
The
磁場生成装置20は、流体循環回路45においてインバータ44よりも上流側(発熱体の熱を吸熱する部位よりも上流側)に配設される。このため、冷却装置40は、粒子姿勢変更手段10による第2の非連結構造状態4Bへの粒子の姿勢変化を経て、磁場生成装置20の磁場生成によって連結構造状態4Cとなった磁性粒子3により、磁性流体1の熱伝導率が向上してインバータ44の熱を効率的に吸収することができる。
The magnetic
このように、磁性流体1は、磁場生成装置20よる磁性粒子3の磁化により、非連結構造状態4,4B,4Dよりも高い熱伝導率を有する冷却媒体となり、吸熱または発熱を要する熱交換部位で外部から吸熱し、または外部へ放熱する。さらに磁性流体1は、流体循環回路35,45において吸熱または発熱を要しない部位(例えば図2の符号36,37で指す部位)では、磁化が弱まって非連結構造状態4,4Dとなりうるため、連結構造形成による粘性が低減して、流路抵抗が抑えられた流動性のよい冷却媒体として流体循環回路35,45を循環するものである。
As described above, the
次に、冷却装置30,40における粒子姿勢変更手段の第1の例について、図3を参照して説明する。図3に示すように、粒子姿勢変更手段10は、流体循環回路35,45の流路に設けられる少なくとも1個のフィン部材100から構成される。
Next, a first example of particle posture changing means in the
流体循環回路35,45の流路に少なくとも1個配設されるフィン部材100は、磁性流体1がその近傍を通過する際に、磁性流体1の流れる方向を変える。また、粒子姿勢変更手段10は、図3に示すように、流路に複数個のフィン部材100を千鳥状に配置することにより構成してもよい。
At least one
この構成の粒子姿勢変更手段10によれば、磁性流体1は、フィン部材100によって、その流れの向きが変更されることにより攪拌される。これにより、磁性流体1の効率的な攪拌機構を提供できるので、多数の繊維状等の磁性粒子3に関して、その軸線の向きを、流体流れに平行な向きである状態(第1の非連結構造状態4)から不特定な向きを示す状態(第2の非連結構造状態4B)へ移行することができる。したがって、磁場生成装置20による連結構造状態4Cを確実かつ効率的に形成することに貢献できる。
According to the particle posture changing means 10 having this configuration, the
次に、冷却装置30,40における粒子姿勢変更手段の第2の例について、図4を参照して説明する。図4に示すように、粒子姿勢変更手段10Aは、流体循環回路35,45の流路に設けられる少なくとも1本の円柱部材100Aから構成される。当該円柱部材100Aは、磁性流体1が衝突することにより円柱部材100Aの後流側にカルマン渦を形成する。円柱部材100Aは、図4では、その軸方向を水平方向に向けて設置されているが、鉛直方向を含む任意の方向に軸方向を向けて配置するようにしてもよい。また、粒子姿勢変更手段10Aは、図4に示すように、流路の軸方向(流体の流れ方向)に対して御直交する方向(流路横断方向)に複数本の円柱部材100Aが並ぶような配置により構成してもよい。
Next, a second example of the particle posture changing means in the
この構成の粒子姿勢変更手段10Aによれば、流体循環回路35,45を流通する磁性流体1は、少なくとも1本配される円柱部材100Aがカルマン渦を生成することにより、攪拌される。これにより、効率的な攪拌機構を提供できるので、多数の繊維状等の磁性粒子3に関して、第1の非連結構造状態4から第2の非連結構造状態4Bへの形態変化を確実に実現できる。
According to the particle orientation changing means 10A having this configuration, the
次に、冷却装置30,40における粒子姿勢変更手段の第3の例について、図5を参照して説明する。図5に示すように、粒子姿勢変更手段10Bは、流体循環回路35,45の流路を形成する配管5Bの内壁に形成された複数のディンプル100Bにより構成される。複数のディンプル100Bは、配管5Bの内壁の近傍を流れる磁性流体1に対して、流れの乱れを与え、この乱れに伴い磁性粒子3の不規則な挙動を引き起こす。複数のディンプル100Bは、配管5Bの内壁の所定部位において、全周にわたって形成されていてもよいし、部分的に形成されていてもよい。
Next, the 3rd example of the particle | grain attitude | position change means in the
この構成の粒子姿勢変更手段10Bによれば、流体循環回路35,45を流通する磁性流体1の流れは、配管5Bの内壁付近から乱れ、この乱れが発達すると配管5Bの中心軸側にも伝搬するようになる。これにより、効率的な攪拌機構を提供できるので、多数の繊維状等の磁性粒子3に関して、第1の非連結構造状態4から第2の非連結構造状態4Bへの形態変化を確実に実現できる。
According to the particle orientation changing means 10B having this configuration, the flow of the
次に、冷却装置30,40における粒子姿勢変更手段の第4の例について、図6を参照して説明する。図6に示すように、粒子姿勢変更手段10Cは、流体循環回路35,45の流路に設けられ、磁性流体1を攪拌する攪拌子100Cを備えて構成される。攪拌子100Cは、モータ等により回転軸部が強制的に回転駆動されることに伴って羽根部が回転して、磁性流体1をかき混ぜる。
Next, a fourth example of particle posture changing means in the
この構成の粒子姿勢変更手段10Cによれば、流体循環回路35,45を流通する磁性流体1の流れは、攪拌子100Cの回転により、かき乱されるので、効率的な攪拌機構を提供できる。したがって、粒子姿勢変更手段10Cによれば、多数の繊維状等の磁性粒子3に関して、第1の非連結構造状態4から第2の非連結構造状態4Bへの形態変化を確実に実現できる。
According to the particle orientation changing means 10C having this configuration, the flow of the
粒子姿勢変更手段10〜10Fは、流体循環回路35,45において、磁場生成装置20の直前に隣接して設けられるが、磁場生成装置20からどの程度の位置にあることが好ましいかを、検討した結果について図7を参照して説明する。発明者らは、所定条件において演算を行い、検討した結果、以下のような知見を得た。発明者らは、繊維状の磁性粒子3の線径60nm、長さ6μmとし、溶媒を水とし、この磁性流体1が流れる流路径を1.4mmとする条件において、この流路を流れる流体の平均流速を0.025m/s、0.16m/sの2パターンに設定し、流路の軸(流体流れ方向)に垂直な方向(流路横断方向)対する磁性粒子3の軸線の傾き角度が初期角度45度からどのように変化するかを、シミュレーションした。
The particle posture changing means 10 to 10F are provided immediately adjacent to the magnetic
図7に示すように、軸線の傾き角度は、初期位置における45度の状態から、いずれの流速の場合も増加し続け、すなわち、流体流れ方向に平行となる角度に近づき続け、軸線の向きは、例えば、上記の第1の非連結構造状態4に近づくようになる。そして、初期位置から40mm離れた位置では、平均流速を0.025m/sの場合に約54度、平均流速を0.16m/sの場合に約62度まで傾くようになる。以上から、粒子姿勢変更手段10〜10Fは、磁場生成装置20の直前、例えば50mm以内の場所に隣接して配置するのが好ましいと判断できる。これよりも離れた上流に粒子姿勢変更手段10〜10Fを設けた場合、磁性粒子3の軸線の向きを、第1の非連結構造状態4から、確実に第2の非連結構造状態4Bへ移行させることが困難なると考えられるからである。
As shown in FIG. 7, the inclination angle of the axis line continues to increase from the state of 45 degrees at the initial position at any flow velocity, that is, continues to approach the angle parallel to the fluid flow direction, and the direction of the axis line is For example, the first
また、発明者らは、鋭意検討の結果、粒子姿勢変更手段10〜10Fと磁場生成装置20との距離Lと、磁性流体1の各種物性値との間には、以下の数式1を満たすことを知っている。
In addition, as a result of intensive studies, the inventors satisfy the following
(数式1)
9×D×(η/η0)1/2 < L < 49×D×(η/η0)1/2
Dは流路径(m)、ηは溶媒2の粘度(m2/s)、η0は、水の粘度(m2/s)である。
(Formula 1)
9 × D × (η / η 0 ) 1/2 <L <49 × D × (η / η 0 ) 1/2
D is the channel diameter (m), η is the viscosity of the solvent 2 (m 2 / s), and η 0 is the viscosity of water (m 2 / s).
次に、冷却装置30,40における粒子姿勢変更手段の第5の例について、図8を参照して説明する。図8に示すように、粒子姿勢変更手段10Dは、磁性流体1が流れる配管5の壁面に対して垂直方向となる磁場を生成する磁場生成装置により構成される。当該磁場生成装置は、印加される電圧によりコイルを流れる電流値に応じて、生成する交流磁場の強さが制御可能な電磁石100Dを備える。この磁場の強さは、印加電圧を制御する制御装置6によって調整される。
Next, a fifth example of the particle posture changing means in the
このような構成によれば、流体循環回路35,45を流通する磁性流体1中の磁性粒子3は、電磁石100Dによる磁場形成によって、粒子の軸線を磁場方向に近づける作用により、非連結構造状態4Aを経由して、第1の非連結構造状態4から第2の非連結構造状態4Bへの確実な形態変化を起こさせやすい。したがって、効率的な流体攪拌機能を発揮することができる。また、電磁石100Dよる磁場生成のため、電流の強さが調整可能であり、製品仕様に応じた所望の強さの磁場を安定して生成することができる。したがって、粒子姿勢変更手段10Dによる粒子の姿勢変更の程度が調整しやすく、冷却装置30、40の熱交換性能のレベル設定を制御しやすい。
According to such a configuration, the
次に、冷却装置30,40における粒子姿勢変更手段の第6の例について、図9を参照して説明する。図9に示すように、粒子姿勢変更手段10Eは、磁性流体1が流れる配管5の壁面に対して垂直方向となる磁場を一組の磁場形成部位101E間に生成する永久磁石100E(磁場生成装置)により構成される。当該磁場生成装置は、流体の流れ方向に一つ配置された単段の直流磁場印加方式を用いた粒子姿勢変更手段である。また、第7の例の粒子姿勢変更手段10Fとして、図10に示すように、磁性流体1が流れる配管5の壁面に対して垂直方向となる磁場を複数組の磁場形成部位101F間のそれぞれに生成する永久磁石100F(磁場生成装置)を採用してもよい。当該磁場生成装置は、流体の流れ方向に複数並んで配置された複数段の直流磁場印加方式を用いた粒子姿勢変更手段である。
Next, a sixth example of the particle posture changing means in the
このような構成によれば、流体循環回路35,45を流通する磁性流体1中の磁性粒子3は、永久磁石100E,100Fによる磁場形成によって、第1の非連結構造状態4から第2の非連結構造状態4Bへの確実な形態変化を起こしやすい。したがって、効率的な流体攪拌機能を発揮することができる。
According to such a configuration, the
以下に、第1実施形態の冷却装置30,40がもたらす作用効果を述べる。冷却装置30は、溶媒2と当該溶媒中に分散される針状または繊維状の磁性粒子3とを少なくとも含む磁性流体1と、磁性流体1が循環する流体循環回路35と、流体循環回路35の途中で磁性流体1によって吸熱される発熱体としてのエンジン34と、流体循環回路35を流れる磁性流体1に対して磁場を与える磁場生成装置20と、磁場生成装置20によって磁性流体1に磁場が与えられる前に、磁性流体1中の磁性粒子3の軸線の向きを変化させるように磁性粒子3の姿勢を変更する粒子姿勢変更手段10と、を備える。
Below, the effect which the
これによれば、磁場生成装置20によって磁性流体1に対して磁場が生成されると、磁場方向に複数の磁性粒子3が並びこれが連結する連結構造をなす形態変化(連結構造状態4C)が起こる。当該形態変化により、磁性粒子3は磁場方向に伴う一定の方向に配向するため、複数の磁性粒子3がひも状につながり、その特質から磁性流体1の熱伝導率が向上するようになる。この連結構造状態4Cはある程度維持されるため、熱伝導率が向上した磁性流体1が流動するようになる。これにより、磁性流体1の熱吸収能力が強化されるため、高い熱吸収性を有する磁性流体1を流体循環回路に循環させることができる。
According to this, when a magnetic field is generated with respect to the
さらに、磁場生成装置20によって連結構造状態4Cを形成する形態変化を起こす前に、粒子姿勢変更手段10によって、磁性粒子3の軸線の向きを変えることができる。この作用により、流体循環回路35を流れる多数の繊維状等の磁性粒子3は、その軸線の向きが磁性流体1中で流体流れに平行な向きから不特定な向きを示す姿勢に変更される。これにより、第1の非連結構造状態4から第2の非連結構造状態4Bを経て、連結構造状態4Cを形成する形態変化を効率的に実施することができるのである。したがって、第1実施形態の冷却装置によれば、針状または繊維状の磁性粒子3を含む磁性流体1を熱輸送流体として高効率な熱交換性能を発揮することができる。
Further, the orientation of the
また、磁場生成装置20は、磁性流体1が流れる配管5の壁面に対して垂直方向となる磁場を生成する。この構成によれば、このような方向となる磁場を形成することにより、磁性粒子3は好ましい連結構造状態4Cになり、熱伝導にとって好ましい粒子の配向が得られ、配管5の壁との熱交換が効率的に行われる状態を形成できる。
The
また、冷却装置30によれば、磁場生成装置20と粒子姿勢変更手段10とにより、当該冷却水が循環する流体循環回路35の所望の部位(磁場生成部位22)で磁場を生成させれば、連結構造状態4Cの形成により熱伝導率が向上した冷却水とエンジン34の熱とを熱交換させて、エンジン34の熱を効率的に吸熱することが可能になる。したがって、エンジンの冷却性能が向上することによりエンジンの運転性及び信頼性の向上に貢献できる。
Further, according to the
また、冷却装置40によれば、磁場生成装置20と粒子姿勢変更手段10とにより、当該冷却水が循環する流体循環回路45の所望の部位(磁場生成部位22)で磁場を生成させれば、インバータの冷却性能が向上することによりインバータの信頼性の向上に貢献できる。
Further, according to the
(他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
(Other embodiments)
The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. The structure of the said embodiment is an illustration to the last, Comprising: The scope of the present invention is not limited to the range of these description. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.
磁性流体に含まれる溶媒は、上記各実施形態で例示した他、以下の有機溶媒を用いることができる。有機溶媒は、例えば、トルエン、ヘキサン、ジエチルエーテル、クロロホルム、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、塩化メチレン、アセトン、アセトニトリル、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸ブタノール、2プロパノール、1−プロパノール、エタノール、メタノール、ギ酸等である。 As the solvent contained in the magnetic fluid, the following organic solvents can be used in addition to those exemplified in the above embodiments. Examples of the organic solvent include toluene, hexane, diethyl ether, chloroform, ethyl acetate, tetrahydrofuran, methylene chloride, acetone, acetonitrile, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide, butanol acetate, 2propanol, 1-propanol, ethanol, methanol. , Formic acid and the like.
また、磁性流体に含まれる溶媒として、2種類の成分からなるものを用いてもよい。このうち1種類の溶媒としては凝固点降下作用を有するある液体を用いてもよい。例えば溶媒として水を用い、凝固点降下剤として酢酸カリウム、酢酸ナトリウム等を用いることができる。こうした構造によれば、磁性流体の凝固点を降下させることで、寒冷地等における実用性をさらに高めることができる。さらに必要に応じて、凝固点降下剤に加えて防錆剤や酸化防止剤を、添加剤として磁性流体に含有させるようにしてもよい。なお、磁性流体の凝固点降下の必要性がなければ、凝固点降下剤を含有しない2種類以上の溶媒を用いるようにしてもよい。 Moreover, you may use what consists of two types of components as a solvent contained in a magnetic fluid. Of these, one kind of solvent may be a liquid having a freezing point depressing action. For example, water can be used as the solvent, and potassium acetate, sodium acetate, or the like can be used as the freezing point depressant. According to such a structure, the practicality in a cold district etc. can be further improved by lowering the freezing point of the magnetic fluid. Furthermore, if necessary, in addition to the freezing point depressant, a rust inhibitor and an antioxidant may be added to the magnetic fluid as additives. If there is no need to lower the freezing point of the magnetic fluid, two or more types of solvents that do not contain a freezing point depressant may be used.
また、上記の実施形態において、溶媒としてエチレングリコールを用いた場合には、凝固点降下作用を有し、溶媒の凝固点を例えば−20℃程度まで降下させることが可能である。すなわち、例えば、冷却装置がエンジンを冷却対象とする場合に、車載用の冷却水やオイル等のように寒冷地等における実用性においてより優れたものとなる。 In the above embodiment, when ethylene glycol is used as the solvent, it has a freezing point lowering action, and the freezing point of the solvent can be lowered to, for example, about −20 ° C. That is, for example, when the cooling device targets the engine for cooling, the practicality in a cold district such as in-vehicle cooling water or oil becomes better.
上記の実施形態における磁場生成装置20は、磁場生成部位22に対して、1個設けられている。しかしながら、熱交換を要する部位の範囲が長いまたは大きい場合、または高温発熱の部位など物理的に磁場生成装置を設置することが困難な部位の場合には、磁場生成装置は当該要求を満たせるように流体循環回路35,45に複数個設置するようにしてもよい。
One magnetic
また、上記各実施形態の冷却装置は、エンジン、インバータ、二次電池、電子機器等の熱源の放熱を行う装置の他、CPU、LSI、CCD等の半導体部品の冷却装置、モータの冷却装置に適用することもできる。 In addition, the cooling device of each of the above embodiments is used in a cooling device for a semiconductor component such as a CPU, LSI, CCD, etc., as well as a device for radiating heat from an engine, an inverter, a secondary battery, an electronic device, etc., and a cooling device for a motor. It can also be applied.
1…磁性流体
2…溶媒
3…磁性粒子
10,10A,10B,10C,10D,10E,10F…粒子姿勢変更手段
20…磁場生成装置
30,40…冷却装置
35,45…流体循環回路
34…エンジン(発熱体)
42…電動機(発熱体)
44…インバータ(発熱体)
DESCRIPTION OF
42 ... Electric motor (heating element)
44 ... Inverter (heating element)
Claims (5)
前記磁性流体が循環する流体循環回路(35,45)と、
前記流体循環回路において前記磁性流体を強制的に循環させるポンプと、
前記流体循環回路の途中で前記磁性流体によって吸熱される発熱体(34,42,44)と、
当該流体循環回路を流れる前記磁性流体に対して磁場を与える磁場生成装置(20)と、
前記磁場生成装置によって前記磁性流体に磁場が与えられる前に、前記磁性流体中の前記磁性粒子の軸線の向きを前記磁性流体の流れに平行な向きである状態から不特定な向きとなる状態に変化させるように前記磁性粒子の姿勢を変更する粒子姿勢変更手段(10,10A,10B,10C,10D,10E,10F)と、
を備え、
前記粒子姿勢変更手段は、前記流体循環回路において、前記ポンプとは別個に設けられ、前記磁場生成装置の直前に隣接することを特徴とする冷却装置。 A magnetic fluid (1) comprising at least a solvent (2) and acicular or fibrous magnetic particles (3) dispersed in the solvent;
A fluid circulation circuit (35, 45) through which the magnetic fluid circulates;
A pump for forcibly circulating the magnetic fluid in the fluid circulation circuit;
A heating element (34, 42, 44) that is absorbed by the magnetic fluid in the middle of the fluid circulation circuit;
A magnetic field generator (20) for applying a magnetic field to the magnetic fluid flowing through the fluid circulation circuit;
Before the magnetic field is applied to the magnetic fluid by the magnetic field generation device, the direction of the axis of the magnetic particles in the magnetic fluid is changed from a state parallel to the flow of the magnetic fluid to an unspecified direction. Particle posture changing means (10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F) for changing the posture of the magnetic particles so as to change;
Equipped with a,
In the fluid circulation circuit, the particle posture changing means is provided separately from the pump, and is adjacent to the magnetic field generation device immediately before the cooling device.
当該円柱部材は、前記磁性流体が衝突することによりカルマン渦を形成することを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。 The particle posture changing means (10A) is composed of at least one cylindrical member (100A) provided in the flow path of the fluid circulation circuit,
The cooling apparatus according to claim 1, wherein the cylindrical member forms a Karman vortex by the collision of the magnetic fluid.
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