JPS6335180A

JPS6335180A - 磁性流体駆動装置

Info

Publication number: JPS6335180A
Application number: JP17663186A
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、ヒートバイブ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
００Ａ程度の磁性コロイド粒子を、水、エーテル類、エ
ステル類、フルオロ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
ギーを磁性流体の連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５４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６０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図および第３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、磁性流体中に懸濁している磁性コロイド
粒子に作用する磁気力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、
ｍ％モモ−ン）Ｖｌと磁界の傾きｄ　Ｈ／　ｄ　ｘとの
積、すなわち、Ｐ＝ＶＩ＠ｄＨ／ｄｘ・・・會・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１００八程度であって、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ｖ工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・ｄ　Ｈ／　ｄ　ｘのうち磁化の
強さＩ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図の位置Ｂでは、磁化の強さＩの大きさ
は位置Ａでのそれと同じであるが、磁化の傾きｄ　Ｈ／
　ｄ　ｘ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ｉＢのそれよりΔＴだ
け高いため、磁化の強さは（Ｉ−ΔＩ）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
置Ｂ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　−、＝　Ｉ　）　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　Ｈ７′ｄ
　Ｘが零であり、また磁化の強さも（Ｉ−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１
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５２の前後の磁性流体の圧力差Δ
Ｐは、磁界の強さをＨ１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、Δ　ｐ＝　
　　μし　。　　　拳　　Ｈ・　　Δ　Ｉ’　　　　−
ρ　　ｇ　　・　Δ　ｈ・・・・・　（２）で表わされる。ここに、Δ工°は磁化強度の温度変化分
である・上記の式（２）から明らかなように、Ｔ！！ｌ動装置５
０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、すなわち飽和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ｔ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ｌ′Ｊ′］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図に曲線６４で示す
ように所定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、伝熱面付近の表層の磁性流体のみが温
度上昇をし、それにより表層の磁性がこ体のみが薄層と
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、磁界内の磁性流体の熱を効果
的に加える構造とすることにより、磁性流体の作用する
熱磁気的駆動力が大き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少なくとも一つの
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、前記導管の前記
磁界内の第１の部位の熱伝達率は前記導管の前記磁界内
の第２の部位のそれより大きく、前記第１の部位は前記
加熱手段から熱を受けるべく配置されている。

（発明の作用効果）導管内に磁性流体は、導管が磁界内および加熱ｆ膜内を
経るため、磁界内および加熱手段内において熱磁気的駆
動力を受ける。

本発明によれば、導管の磁界内の第１の部位の熱伝達率
が導管の磁界内の第２の部位のそれより大きいため、従
来装置に比べて第１の部位内の磁性流体の多くの分子が
従来装置に比べて高温加熱され、　これにより磁性流体
は従来装置に比べて大きな熱磁気的駆動力を受ける。

（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１
８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勢に取
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、導管１４の磁界内に配置された導管部２８
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の磁界内に配置された部分すなわち導管部２８
は、永久磁石２２．２４の間を磁界と直交する方向へ伸
びる。導管部２８は、非磁性材料から成る。導管部２８
は、第１の部位２８ａと第２の部位２８ｂとを備え、第
１の部位２８ａの熱伝達率は前記第２の部位２８ｂのそ
れより大きい。なお、導管１４は、第５図の例では磁界
内を一回経るように配置されているが、複数回繰るよう
に配置してもよい。

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、該
加熱コイルで発生された熱が＠１の導管部２８ａを経て
磁性流体に伝達されるように、：５１の部位２８ａの周
りに配置されている。

導管部２８を第１の部位２８ａの熱伝達率が前記第２の
部位２８ｂのそれより大きい構造とするには、第６図に
示すように、第１の部位２８ａを第２の部位２８ｂより
熱伝導率の大きい非磁性材料とすればよい。このような
構造であると、導管部２８内の磁性流体は第１の部位２
８ａにおいて急速に加熱される。

導管部２８を第１の部位の熱伝達率が前記第２の部位の
それより大きい構造とするには、第７図に示すように、
第２の部位２８ｂの内面を第１の部位２８ａより熱伝導
率の小さく、））つ非磁性部材３０で被覆してもよい。

また、第２の部位２８ａの中空部内に、第８図に示すよ
うに第１の部位２８ａの内周面に接触しかつ磁性流体の
通過を許す穴または空間を有する非磁性部材３２を配置
してもよいし、第９図および第１０図に示すように第１
の部位２８ａの内周面に接触しかつ放熱フィンを有する
複数の非磁性部材３４を配置してもよい。さらに、第１
の部位２８ａの中空部内に銅金属のような非磁性で熱伝
導率の大きい金属粒子を充填してもよい。非磁性部材３
２．３４は、第２の部位２８ｂの内周面を規定する部材
の熱伝導より大きい。

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。これにより
、磁性流体が導管１４の第１の部位２８ａにおいて高温
に加熱されるため、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。この結果、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１
４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、これにより磁注流体は第５図におい
て時計方向へ循環する。

磁性流体が第１の部位２８ａにおいて受ける熱量は、第
１の部位２８ａの熱伝達率が第２の部位２８ｂのそれよ
り大きいため、従来の装置に比べて多くの磁性流体の分
子が従来装置に比べて高速にかつ高温に加熱され、従っ
て磁性流体は従来の装置に比べて大きな熱磁気的駆動力
を受ける。

駆動装置ｌＯ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１１図に示す駆動装ｒａ４０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、１４ｅを
上方へ伸ばしている。

作動時、駆動装置４０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１２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。

駆動装置４０の端部１４ａ、１４ｂ内の磁性流体の平行
高さΔｈを測定したところ、第２の部位２８ａの中空部
内に多数の銅金属粒子を磁性流体が流動可能に充填した
場合、第４図に曲線６６で示すように、従来装置の約二
倍になった。

【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図は導管部
の構造の第１の実施例を示す斜視図、第７図は導管部の
構造の第２の実施例を示す斜視図、第８図は導管部の構
造の第３の実施例を示す盪視図、第９図は導管部の構造
の第４の実施例を示す斜視図、第１０図は第９図の右側
面図、第１１図は本発明の駆動装置の他の実施例を示す
斜視図である。１０．４０＋駆動装置、１２：磁界発生器、１４：導管
、　　　　　　１６：加熱器、２８ａ：第１の部位、　
２８ｂ＝第２の部位。代理人　弁理士　松　永　宣　行第１図第２図位１〆ｌ　−ｘ第３図第４図時間第５図第６図第１０図５Ｌ＋第１１図手続補正書昭和６１年１１月２８日特許庁長官　黒　１）明　雄　殿１、事件の表示昭和６１年特許願第１７６６３１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）０６８７番（代）６、補正
の対象明細書の発明の詳細な説明の欄および図面の７３図７、補正の内容（＋）明細書の記載において次の通り訂正する。（２）図面中、第３図を別紙のとおり訂正する。８、添付書類の目録

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
流体のための少なくとも一つの導管と、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、前記導管の前記磁界内の第１の部位の熱
伝達率は前記導管の前記磁界内の第２の部位のそれより
大きく、前記第１の部位は前記加熱手段から熱を受ける
べく配置されている、磁性流体駆動装置。
（２）前記第１の部位は、前記第２の部位の内周面を規
定する部材の熱伝導率より大きい、特許請求の範囲第（
１）項に記載の磁性流体駆動装置。
（３）前記第２の部位の内周面は、前記第１の部位の材
料の熱伝導率より小さい材料で規定される、特許請求の
範囲第（１）項に記載の磁性流体駆動装置。
（４）前記第１の部位の中空部には、前記第２の部位の
内周面を規定する部材の熱伝導率より大きい熱伝導率の
部材が配置されている、特許請求の範囲第（１）項に記
載の磁性流体駆動装置。
（５）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
。
（６）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。