JPS6335179A

JPS6335179A - 磁性流体駆動装置

Info

Publication number: JPS6335179A
Application number: JP17663086A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Nakatsuka; 勝人中塚; Takeshi Miyazawa; 宮沢　毅
Original assignee: Takata Corp
Current assignee: Takata Corp
Priority date: 1986-07-29
Filing date: 1986-07-29
Publication date: 1988-02-15

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】（技術分野）本発明は、ヒートパイプのような熱交換器の伝熱流体、
流体エンジンの作動流体、潤滑用作動流体等に用いられ
る磁性流体に該磁性流体が流動する力を付与する、磁性
流体駆動装置に関する。

（従来技術）磁性流体は、マグネタイトのような磁性材料から成る１
００八程度の磁性コロイド粒子を、水、エーテル類、エ
ステル類、フルオコカーボン等の溶媒に分散させたもの
である。このような磁性流体は、磁界を印加したり、印
加する磁界の強さに傾度を与えても、磁性コロイド粒子
と溶媒との分離、偏析が起こらず、巨視的には磁界に感
応する均質な液体として作用する。このため、磁性流体
は、液体の保持、液体中の圧力の制御、液体の界面形状
の制御等、従来の液体にない物理的性質を備えており、
また軸のシール手段、比重差選別機の選別用流体、スイ
ッチおよびセンサの作動流体等、種々の用途の開発がな
されている。

磁性流体を用いた装置の一つとして、磁性流体を構成す
る磁性コロイド粒子の温度依存性に着目し、該温度依存
性と磁性流体の流動性との組み合わせによって熱エネル
ギーを磁性流体の運動エネルギーに変換させて、磁性流
体を流動させる第１図に示す駆動装置５０が提案されて
いる。

この駆動装置５０は、ソレノイドまたは永久磁石のよう
な磁界発生器５２と、該磁界発生器により発生された磁
界中を経て該磁界の外部へ伸びる閉ループを構成する、
磁性流体で満たされた導管５４と、前記磁界内に配置さ
れ、導管を経て磁性流体に熱を加えるヒータのような加
熱器５６と、前記磁界の外に配置され、前記導管内の磁
性流体を冷却する冷却器５８とを含み、負荷６ｏは前記
閉ループの途中に配置される。

駆動装置５０が磁性流体を循環させる装置ではなく、第
３図に示すように単に磁性流体を流動させる装置である
と、導管５４は閉ループを構成しない。この場合も加熱
器５６の左方または右方に冷却器を配置してもよい、な
お、第３図の装置では、磁界発生器５２として永久磁石
を用いているが、ソレノイドを用いることもできる。

この駆動装置５０は、磁界発生器５２により磁界を発生
させた状態で、加熱器５６により磁性流体を加熱し、冷
却器５８において磁性流体を冷却する。これにより、加
熱器５６の前後（第１図においては左右）の磁性流体に
温度差が生じることから、磁性流体に該磁性流体がその
温度の低い側から高い側へ移動する力すなわち熱磁気的
駆動力が作用し、磁性流体は循環する。

すなわち、第１図において磁界発生器５２の左側の磁性
流体の温度Ｔｏが右側の磁性流体のそれよりΔＴだけ低
いものとして、磁性流体中に２４している磁性コロイド
粒子に作用するＩａ気力Ｐを以下に考察する。磁界強度
は、磁力線を第２図に符号６２で示すように、磁界発生
器５２の存在により、磁界発生器５２の端部付近で内側
に向かって急激に増大し、磁界発生器５２中ではほぼ一
様である。

また、磁性コロイド粒子一つの磁気モーメントは、磁性
コロイド粒子の磁化の強さを工、体積をＶとすると、Ｖ
Ｉである。また、磁性コロイド粒子に働く磁気力Ｐは、
磁気モーメン）ＶＩと磁界の傾きｄ　Ｈ／　ｄ　ｘとの
積、すなわち、Ｐ＝ＶＩΦｄ　Ｈ／　ｄ　ｘ・赤・Φ・
・（１）である。

次に、この磁気力Ｐが第２図の導管５４中の磁性コロイ
ド粒子の位置によりどのように作用するかを考察する。

磁性コロイド粒子は、通常１００λ程度であって、単磁
区から成るいわゆる微小永久磁石であり、またその磁気
モーメント■Ｉは温度上昇により減少する。そこで、磁
性コロイド粒子の磁化の強さ工が磁性流体の温度差ΔＴ
によりΔ工だけ減少しているとすると、第２図の位置Ａ
では、磁気力Ｐ＝ＶＩ−ｄＨ／ｄｘのうち磁化の強さ工
はある値を持っているが、磁界の傾きｄ　Ｈ／　ｄ　ｘ
が零であることから、磁気力Ｐは磁性コロイド粒子に作
用しない。

これに対し第２図の位ｍＢでは、磁化の強さ工の大きさ
は位ｆｉＡでのそれと同じであるが、磁化の傾きｄＨ／
ｄｘが最大であることから、磁性コロイド粒子には磁界
発生器１０２の内側に向かう比較的大きな磁気力Ｐが生
じる。

また、第２図の位置Ｃでは、磁化の傾きｄＨ／ｄｘの大
きさは位置Ｂのそれと同じである。しかし、この位置Ｃ
での磁性コロイド粒子の温度が位置Ｂのそれより△Ｔだ
け高いため、磁化の強さは（■−△工）となり、また磁
性コロイド粒子の温度と磁化強度との関係に依存して位
ｉＢでの値よりも小さい。このため、磁性コロイド粒子
に作用する磁気力Ｐは、Ｐ　＝　−Ｖ　’（Ｉ　−ΔＩ　）　ｄ　Ｈ／　ｄ　ｘ
となり、位置Ｂでのそれより小さい。

さらに、第２図の位置りでは、磁化の傾きｄ　Ｈ／　ｄ
　ｘが零であり、また磁化の強さも（ニーΔＩ）である
ため、磁性コロイド粒子に磁気力Ｐは作用しない。

このように、磁性コロイド粒子に作用する磁気力Ｐは、
粒子のブラウン運動に基づく拡散力を介して、液体分子
が平均化して支えている。従って、第２図の磁界発生器
の左右の磁性コロイド粒子に作用する磁気力の差は、導
管内の磁性流体を流動させようとする力として現れる。

この力が、磁性流体の熱磁気的駆動力であり、結局加熱
器５４から供給される熱エネルギーが磁性流体の持つ熱
エネルギーの増大と、磁性流体の運動エネルギーとに変
換されている。この熱磁気的駆動力により、磁性流体は
、第１図において時計方向に流動される。

このような駆動装置５０における、磁性流体を流動させ
るための熱磁気的駆動力、換言すれば、第３図に示すよ
うに導管５４の端部を切り離し、磁性流体を静止させて
いるときの磁界発生器５２０前後の磁性流体の圧力差Δ
Ｐは、磁界の強さをＨ，磁界発生器の前後の磁性流体の
平衡高さく高さレベルの差）をΔｈとし、磁性コロイド
粒子の磁気モーメントを単位体積の液体中のそれの全量
で換算し、磁性流体の磁化工゛で表わすと、ΔＰ＝ル◇
・Ｈ・Δ工９　・９ｇ・Δｈ壷　　・　　拳　　Φ　　
−（２）で表わされる。ここに、ΔＩ°は磁化強度の温度変化分
である。

上記の式から明らかなように、駆動装置５ｏの熱磁気的
駆動力を増すためには、磁化強度の温度変化分Δ工゛が
大きい、すなわち飼料磁化値が大きくかつその温度依存
性が大きい磁性流体を得ることが重要であり、これに加
えて磁性流体の熱伝導率が大きく、粘性が低いことが望
まれる。また、平衡高さΔｈがの大きいことは、それだ
け圧力差ΔＰが大きく、磁性流体が受ける熱磁気的駆動
力が大きいことを示す。

しかし、従来の装置では、前記（２）式からは予測され
る理論値よりはるかに小さい熱磁気的駆動力を得ること
ができるにすぎなかった。

すなわち、本発明者らは、上記の基本原理に基づいて種
々の研究を行い、実際の装置では熱磁気的駆動力が前記
（２）式からは予測される値よりはるかに小さいことの
原因を検討した結果、以下のことを見出した。

上記の（２）式は、熱伝達の速度が磁性流体の速度より
速いことを前提として導管内の磁性流体の温度が導管の
半径方向で一様であるとしたが。

実際の装置では磁性流体の移動速度は遅く、すなわち第
４図に示すようにある時間経過後の平衡高さΔｈは小さ
く、また平衡したときの圧力差ΔＰも理論値の２５％程
度にしかならない、これは。

伝熱面付近で温度上昇をした磁性流体のみが薄層として
駆動力を受けて流動するためと考えられる。

（発明の目的）従って、本発明の目的は、熱磁気的駆動力が大きく、効
率のよい磁性流体駆動装置を得ることにある。

（発明の構成）本発明の磁性流体駆動装置は、磁性流体に該磁性流体が
流動する力を付与する装置であって、磁界発生手段と、
該磁界発生手段により発生された磁界中を経て前記磁界
の外へ伸びる、前記磁性流体のための導管と、前記磁界
内に配置され、前記導管を経て前記磁性流体に熱を加え
る加熱手段とを含み、前記導管は前記磁界内および前記
加熱手段内を複数回経る。

（発明の作用効果）各導管内に磁性流体は、導管が磁界内および加熱手段内
を複数回経るため、磁界内および加熱手段内において熱
磁気的駆動力を受け、磁性流体に作用する熱磁気的駆動
力が導管の数に比例して増大する。

すなわち、磁界内および加熱手段内を経る複数の導管を
設け、各導管を並列に接続した構造であると、駆動装置
としての最終的な熱磁気的駆動力は、各導管内の磁性流
体が受ける熱磁気的駆動力の平均値にすぎない。しかし
１本発明の磁性流体駆動装置のように、導管が磁界内お
よび加熱手段内を複数回経る構造であると、駆動装置と
しての最終的な熱磁気的駆動力は、導管の磁界内に配置
された部位内の磁性流体が受ける熱磁気的駆動力の和に
なる。

また、導管が共通の磁界内および加熱手段内を複数回伸
びるため、複数の磁界発生手段および複数の加熱手段を
設ける場合に比べて、部品点数が少なく構造が簡単であ
り、効率が高い。

（実施例）以下、図面に示す本発明の実施例について説明する。

第５図に示す磁性流体駆動装置１０は、磁界発生器１２
と、該磁界発生器により発生された磁界内を経て該磁界
の外へ伸び、該磁界の外から再び該磁界内へ戻る複数巻
の閉ループを構成する、磁性流体で満たされた導管１４
と、前記磁界内に配置され、導管１４を経て磁性流体に
熱を加えるヒータのような加熱器１６と、前記磁界の外
に配置され、導管１４内の磁性流体を冷却する水冷式の
冷却器１８とを含み、負荷２０は前記閉ループの途中に
配置される。

磁界発生器１２は、図示の例では二つの永久磁石２２．
２４と、該永久磁石をその異磁極面が対向する姿勿に取
り付けたヨーク２６とを含む。永久磁石２２．２４は、
フェライト磁石、希土類金属磁石のように高保磁力の板
状の磁石であり、また厚さ方向に磁化されている。磁界
発生器１２は、ソレノイドであってもよく、この場合ソ
レノイドは、磁界内の導管１４の部位１４ａ。

１４ｂ、１４ｃの伸長方向と平行な磁界を発生するよう
に配置することができる。

導管１４は、図示の例では磁界内を三回経るように配置
されている。導管１４の磁界内の部位Ｌ４ａ、１４ｂ、
１４ｃは、永久磁石２２　、２４の間を磁界と直交する
方向へ伸びる。導管１４の少なくとも磁界内の部位１４
ａ、１４ｂ　、１４ｃは、非磁性材料から成る。さらに
導管１４の加熱器１６内の部分および冷却器１８内の部
位は、相互に接触しないように離されている。

加熱器１６は、交流または直流の加熱電流が供給される
ヒータから成る加熱コイルを含む。該加熱コイルは、導
管１４の磁界発生器１２が磁界内の部位１４ａ、１４ｂ
、１４ｃの方向へ伸びる磁界を発生するように配置され
ているときは、該加熱コイルにより発生される磁界の向
きが導管１４の部位１４ａ、１４ｂ、１４ｃの方向、す
なわち磁界発生器１２により発生される磁界の方向とな
るように配置される。

導管１４内の磁性流体は、酸化鉄のような磁性材料から
成る微小の磁性コロイド粒子を、水、エーテル類、エス
テル類、フルオロカーボン等の溶媒に分散させた既知の
ものである。

作動時、駆動装置１０は、磁界発生器１２により磁界を
発生させた状態で、加熱器１６により磁性流体を加熱し
、冷却器１８において磁性流体を冷却する。加熱器１６
の前後（第５図においては左右）の磁性流体に温度差が
生じるため、磁界発生器１２により発生された磁界に曝
されている導管１４内の磁性流体には、該磁性流体が第
５図において磁界発生器１２の左側から右側へ移動する
力すなわち熱磁気的駆動力が作用し、これにより磁性流
体は第５図において時計方向へ循環する。

磁性流体が駆動装置１０により受ける給熱磁気的駆動力
は、磁性流体が導管１４の部位１４ａ。

Ｌ４ｂ　、１４ｃのそれぞれにおいて熱磁気的駆動力を
受けるため、導管１４の部位１４ａ　。

１４ｂ　、１４ｃのそれぞれで発生する熱磁気的駆動力
の和である。従って、磁性流体が受ける給熱磁気的駆動
力は、導管１４の８１極間および加熱器１４内を経る回
数ｎに比例して増大する。このため、駆動装置１０によ
れば、導管１４の磁界内および加熱器１６内を経る回数
を多くすることにより、大きな熱磁気的駆動力を得るこ
とができる。

駆動装置１０は冷房器のような冷却装置、暖房器のよう
な加熱装置、ヒートパイプのような熱交換装置、発電機
、動力源等に適用することができる。たとえば、駆動装
置１０を冷却機に適用するときは加熱器１６の箇所を被
冷却部に配置し、また加熱装置に適用するときは冷却器
１８の箇所を被加熱部に配置し、熱交換装置に適用する
ときは加熱器１６および冷却器１８の箇所を熱交換部に
配置すればよい、駆動装置１０を発電機、動力源に適用
するときは、磁性流体を作動流体として使用すればよい
。

第６図に示す駆動装置３０は、導管１４で閉ループを構
成する代りに、導管１４の両端部１４ｄ　、Ｌ４ｅを上
方へ伸ばしている。

作動時、駆動装置３０も、磁界発生器１２により磁界を
発生させた状態で、加熱器１６により磁性流体を加熱し
、冷却器１８において磁性流体を冷却する。これにより
加熱器１６の前後の磁性流体に温度差が生じるため、磁
界発生器１２により発生された磁界に曝されている導管
１４内の磁性流体には、該磁性流体が第６図において磁
界発生器１２の左側から右側へ移動する力すなわち熱磁
気的駆動力が作用し、磁性流体は端部１４ｄの側から端
部１４ｅの側へ移動される。

磁性流体が駆動装置３０により受ける給熱磁気的駆動力
も、駆動装置１０の場合と同様に、磁性流体が導管１４
の部位１４ａ、１４ｂ、１４ｃのそれぞれにおいて熱磁
気的駆動力を受けるため、導管１４の部位１４ａ、１４
ｂ、１４ｃのそれぞれで発生する熱磁気的駆動力の和で
ある。

従って、磁性流体が受ける給熱磁気的駆動力は、導管１
４の磁極間および加熱器１４内を経る回数ｎが、−回の
場合に比べ、三回のときは約二倍、三回のときは約二倍
と、導管１４の磁極間および加熱器１６内の通過回数に
比例して増大する。このため、駆動装置１０によれば、
導管１４の磁界内および加熱器１６内を経る回数を多く
することにより、大きな熱磁気的駆動力を得ることがで
きる。

駆動装置３０の端部１４ａ、１４ｂ内の磁性流体の平衡
高さΔｈを測定したところ、第７図に示すように、平衡
高さΔｈは、導ｖ１４の磁極間および加熱器１４内を経
る回数ｎが、−回の場合に比べ、三回のときは約二倍、
三回のときは約二倍と、導管１４の磁極間および加熱器
１６内の通過回数に比例して増大した。従って、駆動装
置３０によれば、導管１４の磁界内および加熱器１６内
を経る回数を多くすることにより、大きな熱磁気的駆動
力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は磁性流体駆動装置の原理を説明するための図、
第２図は磁性流体が熱磁気的駆動力を受ける原理を説明
するための図、第３図は平衡高さを説明するための図、
第４図は従来の装置で得られた平衡高さと時間の関係を
示す図、第５図は本発明の駆動装置の一実施例を示す斜
視図、第６図は本発明の駆動装置の他の実施例を示す斜
視図。第７図は導管の磁極間を経る回数と得られた平衡高さの
関係を示す図である。１０．３０：駆動装置、１２：磁界発生器。１４：導管、　　　　　　１６：加熱器。代理人　弁理士　松　永　宣　行第１図第２図位ｉｉ’ｌ　　　　Ｘ第３図第４図時間第７図導管の磁極間を経る回数ｎ手続補正書昭和６１年１０月１４日特許庁審査官　黒　１）明　雄　殿１、事件の表示昭和６１年特許願第１７６６３０号２、発明の名称磁性流体駆動装置３、補正をする者事件との関係　　　特許出願人名称　タカタ株式会社４、代理人住　所　〒１０５東京都港区虎ノ門三丁目４番１７号鹿
友ビル　電話　（４３４）０６６７番（代）氏名　（７
００２）弁理士松永宣行ら、′（自　発）６、補正の対象明細書の発明の詳細な説明の欄７、補正の内容（１）明細書の記載において次の通り訂正する。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）磁性流体に該磁性流体が流動する力を付与する装
置であって、磁界発生手段と、該磁界発生手段により発
生された磁界中を経て前記磁界の外へ伸びる、前記磁性
流体のための導管と、前記磁界内に配置され、前記導管
を経て前記磁性流体に熱を加える加熱手段とを含み、前
記導管は前記磁界内および前記加熱手段内を複数回経る
、磁性流体駆動装置。
（２）前記導管は、前記磁性流体を循環させるべく、前
記磁界の外から該磁界内へ再び戻る閉ループを構成する
、特許請求の範囲第（１）項に記載の磁性流体駆動装置
。
（３）前記導管は一端と他端とを有する、特許請求の範
囲第（１）項に記載の磁性流体駆動装置。