JPH01288331A

JPH01288331A - 熱伝達装置

Info

Publication number: JPH01288331A
Application number: JP11467588A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Kawasaki; 川崎　伸夫; Hisanao Ogata; 久直尾形; Noriyuki Ashiwake; 芦分　範行; Shigekazu Kieda; 茂和木枝; Takahiro Oguro; 崇弘大黒
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1989-11-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は固体間の熱輸送を行う熱伝達装置に係り、特に
反磁性物体を介在させて、自然対流で対応できないとこ
ろの熱伝達促進に好適な、熱伝達装置、ならびに、熱伝
達制御に関する。

〔従来の技術〕

従来、固体間の熱輸送を行う熱伝達装置として、密閉し
た空間に封じこめた気体の自然対流によって行う方法が
、ジエイ・ビー・ホールマン著「ヒート・トランスファ
ーＪ　、２８６頁〜２９０頁。

マグロ−ヒル・インターナショナル・ブック・カンパニ
ー（シンガポール、１９８１年）　　（Ｊ、Ｐ。

１（ｏｌｍａｎ、”Ｉ（ｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ”、
ｐｐ２８６−２９０．　Ｍｅ　Ｇｒａｙ　−Ｈｌｌｌ　
Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｂｏｏｋ　Ｃｏｍｐａｎ
ｙ、　Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ。

１９８１）などに記されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術では、二つの水平面間で熱伝達を行う場合
、上面が下面より冷たくなければ自然対流は起こらず、
従って熱は下面から上面へは良く伝えられるが、逆方向
には伝え難い。

本発明の目的は、重力の方向の影響を受けない熱伝達装
置及び熱伝達の制御を行う手段を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕上記目的は、比較的高温で超電導性を示す酸化物セラミ
ックスの登場により実現できるようになった。

すなわち１分散媒の中に、粒子分散機能を有する物質で
表面を覆った酸化物セラミックスの反磁性微粒子を分散
させた反磁性流体を伝熱面間に密封し、低温面側から高
温面側に向って磁界が低下するような磁界分布を与える
ことにより達成される。

また、この目的は酸化物セラミックスのブロック又は粒
子を伝熱面間に介在させ、低温面側に磁石を設け、高温
面側でも反力を与える機構を備えることによって達成さ
れる。

本願第１番目の発明に係る熱伝達装置は、熱を交換すべ
き二つの面を含む密閉容器に、粒子分散機能を有する物
質で表面を覆った酸化物セラミックスの反磁性微粒子を
分散させた反磁性流体を封入し、前記面間に磁界勾配を
与えたことを特徴とする。

本願第２番目の発明に係る熱伝達装置は、酸化物セラミ
ックのブロックや反磁性粒子を、液中に浸漬された微細
空洞中に封入し、その空洞付近に、磁界発生装置を設け
たことを特徴とする。

本願第３番目の発明に係る熱伝達装置は、酸化物セラミ
ックのブロックや反磁性粒子を、２つの伝熱面間に適量
介在させ、低温の伝熱面側に磁界発生装置を設けたこと
を特徴とする。

本願第４番目の発明に係る熱伝達装置は、熱伝導性金属
で表面を覆った酸化物セラミックのブロックや反磁性粒
子を、真空容器中に設けた２つの伝熱面間に封入し、低
温側の伝熱面に磁界発生装置を設け、さらに、磁界発生
装置にオン・オフ機能を持たせたことを特徴とする。

本願第５番目の発明に係る熱伝達装置は、酸化物セラミ
ックのブロックの外側に良熱伝導性金属を被覆し、２つ
の伝熱面間に介在させ、低温の伝熱面にばね力等によっ
て押し付け、かつ、低温側の伝熱面付近に磁界発生装置
を設けたことを特徴とする。

本願第６番目の発明に係る熱伝達装置は、２つの伝熱面
に各々磁界発生装置を設け、２つの伝熱面間に反磁性体
を介在させ１ｍ界発生装置にオン・オフ機能を持たせた
ことを特徴とする。

〔作用〕

超電導体の性質として自身から磁気を排除する性質−反
磁性またはマイナス−効果−が挙げられている。液体窒
素温度〜常温において超電導となる酸化物セラフックス
を一定サイズ以上に微粒子化してもその特性は失われな
い。粒子分散機能を有する物質で表面を覆うのは、そう
しないと微粒子同志が凝集してしまうからである０分散
媒としては、表面処理済の微粒子と親和性の良い流体媒
体を用うることで１反磁性流体を生成する。

反磁性流体は磁界の高い方から低い方へ押しやられるの
で、低温面側の流体は高温面側へ移動する。超電導転移
温度が低温面側と高温面側の中間にあれば、高温面側で
は磁界力を受けず、自由に動く、すなわち、密閉容器内
では反磁力に基づく流れが生じ、この流れにより熱が輸
送される。

また、反磁性流体のかわりに、反磁性のブロックや粒子
を用いるときは、高温面側で常電導体に転移したブロッ
クや粒子を低温面側に戻すばねや重力などの反力を利用
する。この場合、移動するブロックや粒子が、熱を蓄え
て輸送する。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１の実施例を示す、これは、上部に
高温部１．下部に低温部２があり１両者の間に空間が存
在する場合、その空間部に反磁性流体３を満し、低温部
２の表面付近に磁界発生装置４を設けた構成である。こ
の場合、反磁性流体３に含まれる反磁性粒子５は、高温
部１と低温部２との中間付近の臨界温度（反磁性、即ち
、マイスナー効果を示す温度）特性を持つものを使用す
る。

反磁性流体３は１例えば、炭化水素油からなる分散媒の
中に、粒子分散機能を有する物質（界面活性剤等）で表
面を覆った反磁性微粒子を分散させたものである０反磁
性微粒子としては１例えば。

せ氏６５度で超電導特性を示すイツトリウム・バリウム
・ストロンチウム・銅の酸化物からなる酸素欠損プロブ
スカイト構造のセラミックス（日本経済新聞、昭和６２
年８月４日付）、あるいは。

２２８〜３２３に間に超電導転移を示すランタン・スト
ロンチウム・ニオビウムの酸化物（ジャーナル　オブ　
ロウ　テンペラチュア　フィジックス、６９巻、５／日
号　１９８７年　４５１頁）の如き物質を用いつる。微
粒子の大きさは、あまり小さいと、磁界が侵入するため
反磁性を示さないので、少なくとも０．１　　マイクロ
メートル程度の大きさは必要である。

このような構成にすると、装置の下部にある低温部２付
近に存在する反磁性粒子５は、低温部２によって冷却さ
れて反磁性を示すために、磁界発生装置４によって反発
力を受け、低温部２から離れてゆき、これが、反磁性流
体３に上昇流６を発生させる０次に、装置の上部にある
高温部１付近にある反磁性粒子５は、高温部１によって
加熱されるため１反磁性力を失って、磁界発生袋！！４
の反発力を受けなくなる。その結果、上部の磁性流体３
は、下部からの上昇流６に押されて、下方へ流れる下降
流７となる。この下降流７によって、上部の高温部１の
熱が、下部の低温部２へ運ばれる。このように、高温部
１と低温部２の間に反磁粒子５の臨界温度（反磁性を示
す温度）前後の温度差がある間は、上記の反磁性流°体
３の上昇流６及び下降流７による対流が続くことになる
。この対流の効果によって、上部の高温部１から低温部
２に熱を伝達する効果を生むことができる。

重力場において１通常の対流発生メカニズムは、下部の
温度が高く、これに比べて上部の湿度が低い時に起る（
自然対流）ものである１本発明の構成によって、上部の
方が下部に比べて温度が高く。

自然対流が発生しない構造でも、対向する低温部で高温
部を冷却できるようになった１通常の自然対流（即ち、
下部の方が上部に比べて高温の状態）で熱伝達する場合
は、磁界発生装置４を、例えば。

電磁石によって構成し同−場で、高温部と低温部が上下
逆転して電流を流さないでおけばよい。

また、第１図に示した如く、本発明の構成を、伝熱面間
に複数構成することによって、不均一な温度分布を改善
できる効果が得られる。

第２図は本発明の第２の実施例を示す、これは。

下部が高温部１．上部が低温部２で、その中間部に反磁
性流体３を満し、低温部２付近に磁界発生装置！ｆｆ１
４を設けた構成である。これによって、通常の構成では
反磁性流体３に発生してしまう自然対流の流れを抑える
ことができる。即ち、下部の高温部１で加熱された反磁
性流体３は、密度変化により軽くなるため、上昇流８を
発生する。しかし、上部の低温部２で冷却された反磁性
流体３は、臨界温度以下であるため、磁界発生袋［１４
の反発力を受けて下降流９を発生する。この結果、この
上昇流８と下降流９の両者が相互に押し合うため、上部
の低温部２と下部の高温部１との間に対流が発生しない
、従って、両者間の熱交換を抑制することができる。こ
れによって、下部の高温部１や上部の低温部２の温度分
布を均一に保つ効果を得ることができる。

第３図と第４図は本発明の第３の実施例を示す。

第３図の場合は、液体中に浸漬された微細空洞１０を有
する沸騰伝熱面１１において、空洞１０内に反磁性粒子
５を封入したものである１反磁性粒子５は内部に空洞１
２を持っている０反磁性粒子５の臨界温度を液体の発泡
開始温度付近とする。

この沸騰伝熱面１１の近くに臨界発生装置４を設置する
０以上の構成によれば、液温が低く、反磁性粒子５の反
磁性が保たれている間は、磁界発生袋［４の反発力１３
により、反磁性粒子５は、空洞１０の一方に押しつけら
れる。液温か上昇し、反磁性粒子５の反磁性が失われる
と、粒子５は浮力１４によって移動を始めて、液体に流
れを誘発する。これによって、液体中に不安定性が生じ
、液体の発泡が促進される。この結果、蒸発伝熱面１１
の過熱防止等の効果が得られ、伝熱性能を改善できる。

第４図は、液体中に浸漬された微細空洞１０を有する沸
騰伝熱面１１において微細空洞１０内に封入する反磁性
粒子５の密度が、液体よりも大きい場合の例である。こ
の構成によれば、液温か低く、反磁性粒子５の反磁性が
保たれている間は、磁界発生装置４の反発力１３によっ
て、反磁性粒子５は、空洞１０の一方に押しつけられる
。液温が上昇し１粒子５の反磁性が失われると、粒子５
は重力１５によって、移動を始め液体に流れを誘発する
。この結果、液体内に不安定性が生じ、液体の発泡が促
進される。さらに、磁界発生装置として４の他に４′を
設けて電磁石とし、磁界発生を交互に繰り返すと、反磁
性粒子５は上昇、下降を交互に繰り返し、液体内に不安
定性を生ずる。

第５図は本発明の第４の実施例を示すにれは、高低２つ
の伝熱面間に反磁性粒子５を介在させて、２面間の熱伝
達を促進するものである。第５図は。

これをＶＬＳＩチップの冷却に実施した例を示す。

ＶＬＳＩチップ１６は発熱して高温度となる。水冷ジャ
ケット１７は、内部を水等の液体が流れて比較的低温に
保たれている。この水冷ジャケット１７の上面１８に、
磁界発生装置４を設ける。このＶＬＳＩチップ３．６を
水冷ジャケット１７の上面１８との間に１反磁性のブロ
ックないしは粒子５を適量介在させる。反磁性粒子５は
、臨界温度がチップ１６とジャケット上面１８との間に
あるものを使用する、また、粒子５の飛散防止のための
覆い１９を構成する。この構成によれば、ジャケット１
７の上面１８で冷却された反磁性粒子５は、磁界発生袋
Ｗ４の反発力を受けて、チップ１６の面まで押しやられ
る。チップ１６の面に接触した反磁性粒子５は、加熱さ
れて反磁性を失い、落下して、再び、ジャケット上面１
８へ戻されて冷却される。この結果、反磁性粒子５が、
チップ１６とジャケット上面１８間の熱の授受を行う。

この作用によって、気体だけによるものよりも、はるか
に、伝熱性能を向上できると共に、上面の温度が下面の
温度よりも低い場合でも、本来の自然対流の利用により
、伝熱作用を生み出すことができる。

第６図、第７図は本発明の第５の他の実施例を示す、第
６図は高温部１．低温部２の間に反磁性粒子５を封入し
た真空容器２０を設け、低温部２の下部に磁界発生装置
４を構成する。また、この磁界発生装置４には、オン・
オフ機能を持たせる。

この構成によれば、磁界発生装置４がオンしている間は
、真空容器２０中の反磁性粒子５は、低温部２に接触し
て冷却されると、磁界発生装置４から反発力を受けて上
面の高温部１へ押しやられ。

加熱されて反磁性を失い、下部の低温部２へ落下する動
作を繰り返して、高温部１から低温部２へ熱を伝える。

磁界発生装置４をオフにすれば、反磁性粒子５が低温部
２で冷却されても反発力を受けないから、熱の授受が行
われない、この結果、上面の高温部１、あるいは、下面
の低温部２の温度を一定に保つ制御ができる効果が得ら
れる。

第７図は、この作用をグラフ化したものである。

磁界発生装置４にマグネット電流を流したとき、即ち、
磁界発生装置４をオンさせたとき１反磁性粒子５が移動
を繰り返して伝熱作用が働く、マグネット電流を切った
とき、即ち、磁界発生装置４をオフさせたとき、反磁性
粒子５の移動が停止して、熱の授受が行われなくなるこ
とを示した。

この反磁性粒子５は比較的大きな板状、もしくは球状の
かたまりでもよい、この反磁性粒子５の外側を熱伝導性
の良い銀、金、銅、アルミニウムなどの金属で被覆する
と、接触時の熱伝達を良くすることができる。第６図で
は、高温部１からの離脱を重力によって行っているが、
その他の反力を利用することもできる０例えば第６の実
施例として第８図に示したような、非磁性のばねを使っ
てもよい、即ち、低温部２で冷却された反磁性粒子（ブ
ロック状）５は、磁界発生装置４の反発力を受け、ばね
２１の押付力に抗して上面の高温部１に接触する。高温
部１で加熱された反磁性粒子（ブロック状）５は１反磁
性を失って、ばね２１の力で下面へ押し戻される１反磁
性粒子（ブロック状）５の上下面には、良熱伝導材２２
を被覆する。

第９図は、本発明の第７の他の実施例を示す。

この構成は第６図の場合に比べて、電磁石からなる磁界
発生装置４を高低側伝熱面側に設けたこと、及び１反磁
性粒子５の臨界温度が高温部１の温度よりも高い温度に
あるものを使用する。これによれば、伝熱面の上下面の
温度の高低に関係なく、磁界発生装置４の磁界オン・オ
フ操作によって、２つの伝熱面間の伝熱制御が可能とな
った。

第１０図は本発明の第８の他の実施例を示す。

この構成は伝熱面が垂直に構成されている場合のもので
、高低２つの伝熱面間の空間を仕切板２３等で小室に分
割した各室に反磁性粒子５を適量封入した。また、２つ
の伝熱面に各々磁界発生装置４及び４′を設け、磁界発
生装置４及び４′にはオン・オフ機能を持たせる。これ
により、高低２つの伝熱面間の熱伝達制御が可能となる
。

第１１図は第１０図のように、２つの伝熱面間の空間を
小室に分割せずに、熱伝達操作を行えるようにした、本
実の第９の他の実施例を示す、この構成は１反磁性粒子
５をブロック状にして、磁力発生装置４及び４′のオン
・オフに連動してスライドし、一端が他の伝熱面に接触
するものである。ブロックの接触部には良熱伝導体２２
を被覆するにれによって、磁力発生装置４及び４′のオ
ン・オフにより、高低２つの伝熱面の熱伝達を制御する
ことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、２つの伝熱面間において、下部の伝熱
面よりも上部の伝熱面の温度が高く、通常の自然対流に
よる熱伝達が期待できないところにおいても、熱伝達を
促進する手段が得られること、逆に自然対流を抑えるこ
とができること、流体の流れを乱すこと及び伝熱面の熱
伝達を制御できることなどの効果がある。この結果、伝
熱面積の縮少化が可能となり、装置の小形化が可能とな
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す熱伝達装置の部分
断面図、第２図は本発明の第２の実施例を示す熱伝達装
置の断面図、第３図と第４図は夫夫本発明の第３の実施
例を示す熱伝達装置の部分断面図、第５図は本発明の第
４の実施例を示す熱伝達装置の部分断面図、第６図は本
発明の第５の実施例を示す熱伝達装置の断面図、第７図
は本発明の第５の実施例□の動作状態を示す特性図、第
８図は本発明の第６の実施例を示す熱伝達装置の部分断
面図、第９図は本発明の第７の実施例を示す熱伝達装置
の断面図、第１０図は本発明の第８の実施例を示す熱伝
達装置の断面図、第１１図は本発明の第９の実施例を示
す熱伝達装置の断面図である。１・・・高温部、２・・・低温部、３・・・反磁性流体
、４・・・磁界発生装置、５・・・反磁性粒子、６，８
・・・上昇流、７．９・・・下降流、１ｏ・・・微細空
洞、１１・・・蒸発伝熱面、１２・・・空洞、１３・・
・反発力、１４・・・浮力、１５・・・重力（反発力）
、１６・・・ＶＬＳＩチップ、１７・・・冷却ジャケッ
ト、１８・・・ジャケット上面、１９・・・覆い、２０
・・・真空容器、２１・・・ばね、２２第　ｌＩ！１第　２１２１７Ｆ′雪ブー第　３　Σ 璃　４　記第　５　口璃　ｔ　！！］ ′８７　Ｌ溪　３　口第　９　　口２２］ｉＴｈ七ｒ、シ僑％＊

Claims

【特許請求の範囲】１、熱を交換すべき二つの面を含む密閉容器に、粒子分
散機能を有する物質で表面を覆つた酸化物セラミックス
の反磁性微粒子を分散させた反磁性流体を封入し、前記
面間に磁界勾配を与えたことを特徴とする熱伝達装置。２、酸化物セラミックのブロックや反磁性粒子を、液中
に浸漬された微細空洞中に封入し、その空洞付近に、磁
界発生装置を設けたことを特徴とする熱伝達装置。３、酸化物セラミックのブロックや反磁性粒子を、２つ
の伝熱面間に適量介在させ、低温の伝熱面側に磁界発生
装置を設けたことを特徴とする熱伝達装置。４、熱伝導性金属で表面を覆つた酸化物セラミックのブ
ロックや反磁性粒子を、真空容器中に設けた２つの伝熱
面間に封入し、低温側の伝熱面に磁界発生装置を設け、
さらに、磁界発生装置にオン・オフ機能を持たせたこと
を特徴とする熱伝達装置。５、酸化物セラミックのブロックの外側に良熱伝導性金
属を被覆し、２つの伝熱面間に介在させ、低温の伝熱面
にばね力等によつて押し付け、かつ、低温側の伝熱面付
近に磁界発生装置を設けたことを特徴とする熱伝達装置
。６、２つの伝熱面に各々磁界発生装置を設け、２つの伝
熱面間に反磁性体を介在させ、磁界発生装置にオン・オ
フ機能を持たせたことを特徴とする熱伝達装置。