JPH0370103A - 磁界に感応する流体 - Google Patents

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 本願の発明は、磁界に感応する流動学的流体に関する。

従来の技術 磁界に感応する流動学的流体は公知である。

又、電界に感応する流動学的流体も公知であり、このよ
うな流体はクラッチ、緩衝器及びその他の装置に使用さ
れている。但し、流動学的流体は適当なエネルギー界に
さらされた場合、流体中の固体粒子が整列してしまい流
動性が大幅に低下するという特徴を有している。

電界に感応する流体及び磁界に感応する流体にはミネラ
ルオイル、シリコンオイルなどの誘電媒質と固体粒子と
が含まれる。磁界に感応する流体に於ける固体↑１′１
．子は磁化可能である。磁界に感応する流体に使用され
るものとして提案されている固体粒子の例としては磁鉄
鉱及びカルボニル鉄などが挙げられる。又、流体には固
体粒子をビヒクル中に懸濁させる為の界面活性剤を含有
してもよい。

ニューシャーシー州ウェイ、ン所在のＧＡＦコーポレー
ションにより出版されたコード番号ＩＭ−７８５　　“
カルボニル鉄粉末”と題する小−冊子には同社より市販
されているカルボニル鉄粉末について記載されている。

ここで鉄の粒子は“ストレート粉末”、″合金”、“還
元粉末”及び“絶縁還元粉末とに分類されており、″ス
トレート粉末”の例としてはカルボニル“Ｅ＃とじて知
られる粉末が挙げられている。

この小冊子では、磁界に感応する流体について以下のよ
うな簡単な記載が成されている；　“カルボニル鉄の球
状粒子は、磁気流体のカップリング装置に於けるボール
ベアリングのような役割りを果たすものと考えられる。

鉄の粒子が小さいことから表面積が大きくなり、他の粉
末よりも接触が多くなる為、噛み合った時によりすぐれ
た力の伝達が達成される。尚、最高の結果を得る為には
通常潤滑剤及び分散剤を必要とする。” 但し、この小冊子では磁界に感応する流体において使用
されるカルボニル鉄又は分散剤の挿類について、何らふ
れていない。

更に、ＡＩＥＥトランスアクションズＪ、　Ｄ。

クーリッジＪｒ、及びＲ，Ｗ、ハルバーブによる“磁気
流体の特性と題する出版物（１９５５年２月発行）の論
文番号第５５〜１７０の１４９〜１５２ページでは、磁
界に感応する流体において異なるカルボニル鉄を使用す
ることについての記載が成されている。

ここで開示されているカルボニル鉄には、いわゆるスト
レート粉末であるカルボニル“Ｅ”とカルボニル“ＳＦ
”、及び還元粉末であるカルボニル“Ｌ”、カルボニル
“ＨＰ”及びカルボニル“Ｃ”とが含まれる。尚、この
論文では、磁界に感応する流体に於いて、どのカルボニ
ル鉄を使用することがより望ましいかという点について
は何ら記載されていない。

又、ＮＢＳテクノロジー、ヤコブ　ラビノウによる“磁
気流体クラッチ″　（Ｒｅｐ、Ｎｏ、１２１３−１９４
８年、及び全米エレクトリックエンジニアリングインス
ティテユート　プレプリント４８−２３８−１９４８年
）と題する論文では水素還元鉄、及び上記ストレート粒
子であるところのカルボニル鉄“ＳＦ“の使用について
開示している。

更に、Ｓ、　Ｆ、ブランデンによる“磁気流体クラッチ
”と題する論文（デイ・エンジニア誌、１９１号及び２
４４号−１９５１年）ではＭＥ”と“ＭＣ”という２つ
の異なるグレードのカルボニル鉄の使用について開示し
ている。グレード“ＭＥ″は機械的には“硬質”であり
、グレード“ＭＣ“は“軟質”であると言われている。

但し、この論文でもいづれのカルボニル鉄が望ましいか
という点についての記載は成されていない。

又、ＮＢＳテクノロジー　ニュースブレティン３４・１
６８号（１９５０年）の“ＮＢＳ磁気流体クラッチの更
なる開発”と題する論文では磁界におけるカルボニル“
Ｅ”粉末の使用について開示しており、流体に関するそ
の他の組成上の情報についても教示している。

米国特許第４，６０４．２２９号は磁鉄鉱４〜１０パー
セント、導電性のカーボンブラック８〜１２パーセント
を含む炭化水素キャリヤーと分散剤とを組み合わせるこ
とについて開示している。粒子状の磁鉄鉱（Ｆｅ３０４
）とは、鉄、カルボニル鉄又は鉄とニッケルの合金を充
分酸化させた磁性酸化物である。尚、同様の開示は米国
特許第４．８７３．９９７号においても成されている。

一方、米国特許第３．００６．６５８号はカルボニル鉄
、オイル等のビヒクル及び黒鉛とを含むことの可能な組
成物を使用した磁気粒子の緩衝器について開示している
。ここで、カルボニル鉄と磁鉄鉱とは組成物中間等の材
料として記載されている。徂し、この特許においてどの
カルボニル鉄を使用したかについての記載はない。

更に、米国特許第２．５１９，４４９号はカルボニルＥ
と固体粒子黒鉛とを５０　：　５０の比で混合した組み
合わせについて開示している。組成中、連続相又は誘電
媒質は空気であり、黒鉛は潤滑剤として機能する。

又、米国特許第２，６６１．５９６号はカルボニル鉄粉
末１００部、誘電オイルＩＯ部及びオレイン酸鉄などの
分散剤２部から戊る磁気感応性の流体について開示して
いる。一方、米国特許第２．８６３．８０９号及び２．
８８８．１５１号とは流体カップリングにおけるカルボ
ニル鉄の使用について開示しているが、使用したカルボ
ニル鉄のタイプについては記載がない。

米国特許第２，７７２．７６１号では、例としてプラス
ト−鉄（ｐｌａｓｔ−１ｒｏｎ）とカルボニル“Ｅ″と
を８０：２０の割合で混合させた鉄粉末と、黒鉛３９パ
ーセント、ナフサ４６パーセント、アルキル樹脂１５パ
ーセントから成る分散剤とから成る磁気感応型流体を使
った電磁クラッチについて教示している。

米国特許第４，７３７．８８６号では、電気粘性流体が
開示されており、流体は電界に感応する。又、ここでは
磁界に感応する流体についても述べられている。当該特
許によると、上記のような磁界で流体ψに適当な反応を
起こすには比較的大量の電流と本質的な電気回路（例え
ば、大型のコイル巻線など）とが必獣である。

ＴＲＷコーポレーション発行の“Ｑｕｅｓｔ″誌、ｔ９
８６年夏号Ｏ５５〜６３ページ。ジャックＬ、プルメン
ソールによる論文では、炭素不均化反応に於いて作られ
た繊維状炭素粒子から成る炭質材料の組成と物性につい
て開示されている。ここでは、各粒子の炭素繊維がから
み合って多孔質構造を形成しており、粒子は流体中の他
の微粉を混和し、かつ懸濁することが可能である。

発明が解決しようとする問題点 本願の目的は、磁界に対する感応速度が速く、かつその
磁界が少数のコイルを線を通して流れる比較的低い電流
によって作られる、従来の技術に比べよりすぐれた流動
学的磁界感応流体を提供することである。

本発明の流体組成物はビヒクルと、該ビヒクルに懸濁さ
れた固体の磁化可能な粒子とから成るものであり、好ま
しくは、この流体組成物には分散剤が含まれる。

本発明によると、磁化可能な粒子は絶縁され還元された
カルボニル鉄粒子である。

更に本願の発明は磁界に感応する流体に使われる新規な
分散剤の発見に在り、この分散剤とは繊維状の炭素粒子
で、各粒子は長さと直径の比が約ｌＯ：１〜１０００：
１であるところの炭素繊維がからみ合ったものを含んで
いる。但し、繊維は１グラムに付き３００部程度の表面
積を有することが望ましい。

問題点を解決するための手段 上記以外の本発明の特徴についても、添付の図面に従っ
て明細書を読むことにより斯業に通じた者には明白とな
るものと考えられる。

本発明の流体組成物はミネラルオイル、シリコンオイル
、又はＣ０Ｎ０ＣＯＬＶＴオイルなどのビヒクルと、絶
縁還元カルボニル鉄及び望ましくはからみ合った炭素繊
維粒子である分散剤とから成るものである。

カルボニル鉄はペンタカルボニル鉄Ｆｃ（Ｃｏ）５の分
解によって作られる。このプロセスからは、互層に極小
の炭素沈着物が在在することからオニオンスキン組織（
Ｏｎｉｏｎ−ｓｉｎ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅ）と呼ばれる
球状の非還元粒子が得られる。尚、炭素の含有量は約１
８パーセントである。又、非還元粒子の還元又は脱炭は
粒子を水素雰囲気にさらし、その後圧縮することによっ
て行なわれる。この処理によりオニオンスキン組織は破
壊され、微細な鉄粒子がランダムに配置された構造が形
成される。

粒子の炭素含り量は約０．０７５パーセントである。

本発明では、粒子間の接触を防ぐ為、還元粒子に絶縁コ
ーティングが施こされている。粒子は物理的には軟質で
、かつ圧縮性がある。又、形状は球状である。絶縁され
た還元粒子としてはＧＡＦコーポレーション市販の“Ｇ
Ｑ−４”及び“ＧＱ−６”がある。以下の表１に絶縁・
還元粉末の物理的及び化学的特性を示す。

表１のデータは前記のコード番号Ｉ　Ｍ　−７８５ＧＡ
Ｆカタログの４ページに掲載されているものである。こ
こで参考の為ＧＡＦカタログの開示事項について記す。

絶縁コーティングはカルボニル鉄の粒子を絶縁し、かつ
粒子間の渦電流又は絶縁漏洩を防ぐことが可能な物であ
れば、いかなるタイプの粒子コーティング剤でもかまわ
ない。“ＧＱ−４”及び“ＧＱ−６”粉末に付す絶縁コ
ーティングは、シリコン酸化物、主としてシリコン二酸
化物の不連続層とする。シリコンはカルボニル鉄粒子の
表面組成物の約６．９原子パーセントを構成し、シリコ
ン二酸化物は非常に誘電的であり抵抗性も提供する。

還元粉末は、いわゆる“ストレート”粉末よりも鉄の微
粒子がよりランダムに配置されており、この為ストレー
ト粉末に対する場合に比ベヒステリシス効果が低くなる
ものと考えられている。

粉末を絶縁することにより、粒子のまわりの渦電流を下
げるという磁気流体の効果が促進される。

この渦電流は流体中の磁界力に悪影響を及ぼすものであ
る。

本発明の磁気流体組成物をクラッチ等のカップリング装
代に使用する場合には、クラッチの可動部が組成物を効
果的に攪件する為、分散剤は必要としない。

永久磁石を使用する場合は特にそうであり、従ってクラ
ッチは決して減磁されることがない。

このような場合、鉄拉子の沈殿は何ら問題とならない。

分散剤が必要である場合、本発明の組成物では従来磁界
感応流体に使われていたいかなる分散剤又は界面活性剤
をも使用することができる。

従来技術で使用されている界面活性剤の例としては次の
ようなものが挙げられる；オレイン酸第１鉄又はナフテ
ン酸第１鉄などの分散剤；トリステアリン酸アルミニウ
ム又はジステアリン酸アルミニウムなどのアルミニウム
石ケン；チキソトロピー性を付す為に用いられるステア
リン酸リチウム又はステアリン酸ナトリウムなどのアル
カリ石ケン；脂肪酸、すなわちオレイン酸などの界面活
性剤；スルホン酸塩、すなわち石油スルホン酸塩；リン
酸エステル、すなわちエトキシル化したリン酸エステル
のアルコールエステル；及び上記を組み合わせたもの。

より望ましい分散剤材料は繊維状炭素である。

繊維状炭素とは各炭素粒子が小さな炭素繊維が多数から
まった物から成るところの炭素の微粒子である。このよ
うな繊維状炭素の１例としてはＴＲＷコーポレーション
の″ＴＲＷカーボン”（商標）があり、これは前記“Ｑ
ｕｅｓｔ”誌において開示されているものである。この
開示事項を参考の為、ここに記すこととする。

“ＴＲＷカーボン“は触媒炭素不均化反応で作られる。

この反応では、反応供給材として低加熱値燃料ガス又は
その他の炭素源が用いられる。繊維状炭素の各繊維は、
その直径が０．０５〜０．５ミクロンであり、長さは厚
さの数千倍までとなる。

望ましい長さ対直径の平均的割合は約１０＝１〜１００
０：１の範囲である。又、繊維のほとんどは鉄金属（鉄
、ニッケル、コバルト又はこれらの合金）又は鉄金属カ
ーバイドの単結晶を含んでいる。炭素繊維は、単結晶の
反対の面からの不均化反応の際に長くなる。単結晶は通
常材料の１〜１０重量パーセントを占めるが酸抽出によ
って０．１パ一セント位にまで低下させることが可能で
ある。

単結晶を除き、繊維は０．５〜１パーセントと言った少
蛍の水素と純粋な炭素とから成り、中空か、あるいは多
孔質である。

繊維がからみ、粒子の凝集体となるのは不均化反応の進
行中である。炭素粒子におけるからみ合いと小さな隙間
の形成により、繊維状炭素はミクロンサイズのカルボニ
ル鉄粒子を混合し、流体キャリヤー中に分散されたカル
ボニル鉄粒子を機械的に懸濁することが可能となる。繊
維炭素粒子は１グラムあたり３００ｄという大きな表面
積と１ミリリツトルにつき約０．０２〜０．７グラムと
いう低い嵩密度を有するものであり、その気孔の嵩は１
グラムあたり約０．５〜０．９ミリリツトルが皿型的な
値と言える。

繊維状の炭素粒子は流体同様の特徴を有し、かつ黒鉛に
類似した流体のように流動する。

分散量で液体ビヒクル中にこの粒子を入れた場合には、
ビヒクルを濃縮又はゲル化し、カルボニル鉄粒子の沈殿
を妨げる。又、剪断作用にさらされた場合には流動性の
すぐれたビヒクルとともにチソトロピー性の混合物を形
成する。チソトロピー性鹿合物の粘性は比較的温度に左
右されない。

本発明の組成物に使用するビヒクルは磁界に感応する流
体に従来使われていたものであれば、いかなるビヒクル
であってもかまわない。ビヒクルとして適する物質の例
は上記の従来技術中に記載されている。但し、１００°
Ｆで１〜１０００センチポイズの粘性を有するオイルを
ビヒクルとして用いるのが望ましい。尚、以下の表２に
適当なビヒクルの具体例とその粘性について記載する。

表　　　２ 本発明の組成物に使用される含有物の割合は広い範囲に
わたって変わる。例えば分散剤の使用が必要な組成物の
場合にはカルボニル鉄粒子を分散し、その粒子をビヒク
ル中に懸濁するに充分な分量の分散剤を使用することと
する。

使用するビヒクルの量は組成物の連続相として充分機能
するに必要な分量とする。又、組成物中のエアポケット
は避けられなければならない。組成物の残部は本質的に
カルボニル鉄粉末とする。

ここでカルボニル鉄と分散剤の重量比は約９０：工０〜
９９．５　：　０．５の範囲であることが望ましい。ビ
ヒクルの重量は、カルボニル鉄と分散剤の重量を合わせ
た重量の約１５〜５０パーセントとする。

望ましい割合は本発明の組成物に従って決定するものと
する。本発明の組成物がチソトロピー性を有し、かつ長
期間にわたり均質性を維持できる程度に機械的に安定と
なることを可能になるような割合が好ましい。

本質的に絶縁・還元カルボニル鉄とビヒクルから成る組
成物の場合、ビヒクルの量は組成物中で連続相となるよ
うな分量とする。尚、具体的な量は粘性などビヒクルの
物性に従って決定される。

ビヒクルとカルボニル鉄の望ましい重量比は、ビヒクル
約１５〜５５パーセントに対してカルボニル鉄約８５〜
４５パーセントの範囲である。

実施例 この実施例では、まずカルボニル鉄９９重量パーセント
とＴＲＷカーボン１重量パーセントを混合した。次にＣ
０Ｎ０ＣＯＬＶＴオイル２０重量パーセントと、上で混
合したカルボニル鉄とＴＲＷカーボンとの混合物８０重
量パーセントとを真空下１２〜２４時間ホモジナイザー
で均質化した。

ホモジナイザーでの強力混合によりＴＲＷカーボンとカ
ルボニル鉄は充分に混合され、カルボニル鉄はＴＲＷカ
ーボンの繊維状構造にとじこめられる。又、この混合操
作によりＴＲＷカーボンとカルボニル鉄の表面はすべて
ＬＶＴオイルによって充分に湿潤される。尚、ここでは
ＧＡＦコーポレーションのカルボニル”Ｇ５−６″　（
商標）を使用した。

様々な条件下に於ける組成物のカップリング荷重の特徴
を測定する為、試験装置を組み立てた。

最も望ましい試験装置は、１９８９年４月１４０出願の
出廓第３３９．１２６号（本願の譲受人に譲渡）で開示
されている緩衝器と構造上類似した装置と言える。

尚、この試験装置を本願の図面に記す。

第１．２図に於いて、試験装置には非磁性アルミニウム
ハウジング１４から構成される。ハウジング１４は第１
及び２ハウジング材１６．１８　（第２図）から成り、
これらのハウジング材はボルト２０によって係合されて
いる。又、図に示すとおりハウジング材１８．１８はハ
ウジングの右端部２４において流体チェンバー２２を規
定する。

一方、ハウジング１４の左端部２８からはシャフト２６
が伸びており、シャフト２６にはシャフト末端部３０、
３２　（第２図）とシャフト中央部３４とが存在する。

このシャフト２６はベアリング組立体３８．３８の内部
で回転する。この際シール４０．４２はシャフト２６に
そって起こる液体漏洩を防止する。

シャフト２６の中央部３４は正方形状を成しており、回
転翼４４はシャフトとともに回転するよう中央部３４に
固定されている。尚、回転翼の形状は第３図に示すとお
りであり、シャフト中央部３４から流体チェンバー２２
にむかって放射状に伸びている。

ハウジンク１４の右端部２４には開口部４５．４７があ
り、開口部４５には電磁石５４用のホルダー４６が、開
口部４７には電磁石５６用のホルダー４８がそれぞれ位
置している。又、ホルダー４６．４８は各々チェンバー
５０．５２を有し、このチェンバー内に上記電磁石５４
．５６が位置している。

ホルダー４６．４８はブラケット５８．６０により、そ
れぞれハウジング材１６．１８に固定されている。

又、コイルホルダー４６．４８はねじ６２．６４により
ブラケット５８．６０に固定されている。更にブラケッ
ト５８．６０はねじ６６（第１図）によってハウジング
材１６．１８に固定されている。電磁石５４．５６はホ
ルダー４８．４８に化学的に接続させるか、又はねじ（
図示されていない）でホルダーに固定させることも可能
である。ハウジング１２とホルダー４６゜４８の非磁性
材料は電磁石５４．５６からの磁束の漏洩を最少限とす
る。

第４．５．６図では電磁石５４．５６の詳細が示されて
いる。電磁石５４．５６は周囲に電気コイル７２を巻い
た軟鉄製鉄心７０から構成されている。電気コイル７２
はエポキシなどの対人材料でおおわれている。電磁石５
４．５６はそれぞれ一対のワイヤーエンド７４を有し、
外側の軟鉄枠７６はコイル７２の周囲をとりまくように
伸びている。

電磁石５４．５６は電磁石５４が電磁石５６の極に面す
るように設置されている。回転翼４４と流体チェンバー
２２は電磁石５４．５６の間に設置されており、１つの
電磁石と翼の間のすき間は約０．２５　ミリメートルで
ある。又、翼の厚さは約２ミリメートルである。

この実施例では、各電磁石の中心７０の直径は１．５イ
ンチで、電磁石の外径は３インチである。

又、外側の極７６の肉厚は０．１８７５インチであり、
電磁コイル７２はそれぞれ８９４のワイヤーターンを有
している。

コイル５４．５６が励磁されると各電磁石はそれぞれの
磁界を生じさせ、２つの電磁石の間に磁力線が形成され
る。この磁力線は流体チェンバー中の流体及び回転翼４
４を通過する。更に磁力線は流体チェンバー２２内の流
体に作用し、流体中の回転翼４４の動きに対する抵抗力
を変える。

磁界にさらされた際の本発明の磁気流体のカップリング
力をテストする為、シャフト２６をアーム７８（第２図
）によってトルクモーター（図示せず）に接続した。更
にトルクモーターをトルク測定手段に接続させた。電磁
石５４．５８に異なる電流をかけ、磁界の影響下にある
チェンバー２２内の磁界において翼を回転させる為に必
要なトルクを測定した。この結果を第７図に示す。

第７図では、アンペアターンによる電流の流れをＸ軸に
あられした。流した電流は０から約３．５アンペア（３
１２９アンペアターン）にわたった。

方、翼４４の回転に対する抵抗力を１平方インチあたり
のボンド値でＹ軸にあられし、０から５０ｐｓｉの目盛
をとった。この値は翼を回転させる為に必要なトルク（
ポンド）値を、チェンバー２２内で磁気感応流体にさら
されている翼の表面積で割ることによって、その商とし
て求められる。又、０．５ヘルツから５ヘルツまでの異
なる振動数における値も測定された。

発四の効果 電流０での回転に対する抵抗がほぼ０に近いことかられ
かるとおり本発明の組成物はすぐれた潤滑性を示してい
る。回転に対する抵抗力は、３１２９アンペアターン（
約３．５アンペア）で１平方インチあたり約３８〜４８
ポンドに至るまで電流の上昇につれ急速に増加した。異
なる振動数における値も測定したがどの値もほぼ同様の
凹線を示し、このことから本発明の組成物が比較的振動
数に左右されないことが判る。

これとは対照的に、従来の磁界感応流体で上記に匹敵す
るカップリングノノを達成するには相当量の電流を必要
とする。すなわち従来型の磁界感応流動学的流体は、約
３１２９アンペアターンの電流によって作られた磁界で
は、わずか１平方インチあたり１ポンド以下のカップリ
ング力しか提供することができない。従って本発明の流
動学的流体によれば比較的高いカップリング力を有する
非常にコンパクトな磁界感応流体装置を製造することが
可能となる。

上記の望ましい具体例より、斯業に技術ををする者には
本発明で成された改良点・従来型との差異・変更点など
が明らかとなるはずである。尚、これら改良点・差異・
変更点については添付のクレーム中に記すこととする。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による流動学的流体を使用した装置の図
である。 第２図は第１図の線２−２に沿って切った断面図である
。 第３図は第１図の装置で使用されている翼の平面図であ
る。 第４図は第１図の装置で使用されている電磁石の透視図
である。 第５図は第４図の線５−５に沿って切った拡大断面図で
ある。 第６図は第４図の電磁石の平面図である。 第７図は第１図の装置の作動上の特徴を示したグラフで
ある。 （外４名） 図画の１７書 ｐｓ＋　（７）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　磁界に感応する流動学的流体組成物であって、
   ビヒクルと該ビヒクル中に懸濁した固体の磁化しうる微
   粒子とを含み、該磁化しうる微粒子は絶縁され、還元さ
   れたカーボニル鉄である、流動学的流体組成物。
2. （２）　上記組成物が磁化しうる微細子をビヒクル全体
   に亘って分散させる分散剤を含み、該ビヒクルは組成連
   続相（ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ
   　ｐｈａｓｅ）であり、そして上記分散剤は繊維状の炭
   素粒子を含み、該炭素粒子の繊維は長さ対直径の比が約
   １０：１から約１０００：１である特許請求の範囲第１
   項記載の流体組成物。
3. （３）　磁界に感応する流動学的流体組成物であって、
   ビヒクル、該ビヒクル中に懸濁した固体の磁化しうる微
   粒子、および分散剤とを含み、該分散剤は長さ対直径の
   比が約１０：１から約１０００：１である繊維状の炭素
   粒子を含むものである流動学的流体組成物。