(57)【要約】【課題】容器内の対流を制御する技術を提供する。【解決手段】マグネットにより形成される磁化力と重力（Ｇ）の両方の作用環境に容器を配置し、容器内の磁化力と重力の合成体積力が最大または最小となる点を含む部分において対流を抑制することを特徴とする、容器内で部分的に対流を抑制する方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マグネットにより形成される磁化力と重力（Ｇ）の両方の作用環境に容器を配置し、容器内の磁化力と重力の合成体積力が最大または最小となる点を含む部分において対流を抑制することを特徴とする、容器内で部分的に対流を抑制する方法。
【請求項２】
対流が、容器内の合成体積力が最小となる点を含む部分において抑制される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
マグネットにより形成される重力と同方向の最大磁化力点及び重力と逆方向の最小磁化力点の一方または両方を容器内に含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
最大磁化力点または最小磁化力点の方向が重力の方向と平行ないし略平行である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
容器の中心の磁化力が０である、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
容器が密閉容器である請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
容器内の流体が反磁性または常磁性の気体または液体（不溶物を含むことがある）である請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
内部に流体を含む容器であって、容器内に対流が抑制された部分を含む容器
【請求項９】
容器内において、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力の最大値と最小値の差の絶対値が０．５Ｇ以上、好ましくは１．０Ｇ以上である請求項８に記載の容器。
【請求項１０】
容器内において、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力の最大値が１．５Ｇ以上、好ましくは２．０Ｇ以上であることを特徴とする請求項８に記載の容器。
【請求項１１】
容器内において、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力の最小値が０．５Ｇ以下、好ましくは０Ｇ以下であることを特徴とする請求項８に記載の容器。
【請求項１２】
磁化力が最大および／または最小になる点が容器の上端側および／または下端側に存在することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の容器。
【請求項１３】
磁化力が最大および／または最小になる点が容器の中央側に存在することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の容器。
【請求項１４】
容器のアスペクト比（容器直径／容器高さ）が１以下である請求項８〜１３のいずれかに記載の容器。
【請求項１５】
流体が酸素、空気、スピン量子数が０でない核種（１Ｈ、３１Ｐなど）や不対電子対をもつ遷移金属イオン（Ｃｒ３＋，Ｍｎ２＋，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ｇｄ３＋など）を含む常磁性流体である請求項８〜１４のいずれかに記載の容器。
【請求項１６】
流体が窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、水、有機溶剤などの反磁性流体である請求項８〜１４のいずれかに記載の密閉容器。
【請求項１７】
その最大磁化力が重力（Ｇ）の０．５倍（０．５Ｇ）以上の筒状マグネット、該マグネット内の磁化力最大点をその内部に含む位置に容器を固定可能な固定部材を含む、対流制御装置。
【請求項１８】
容器の温度調節機構をさらに含む請求項１７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、磁化力を利用して容器の一部で対流を抑制する技術に関する。
【従来の技術及びその課題】
従来、対流を制御するためには、部分的に加熱または冷却する方法が一般的に採用されているが、対流を抑制した部分、特に対流が実質的に起こらない部分を容器内で実現することはなされていなかった。
本発明は、磁化力を利用して容器の一部で対流を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の項１〜項１８の発明に関する。
項１．　マグネットにより形成される磁化力と重力（Ｇ）の両方の作用環境に容器を配置し、容器内の磁化力と重力の合成体積力が最大または最小となる点を含む部分において対流を抑制することを特徴とする、容器内で部分的に対流を抑制する方法。
項２．　対流が、容器内の合成体積力が最小となる点を含む部分において抑制される項１に記載の方法。
項３．　マグネットにより形成される重力と同方向の最大磁化力点及び重力と逆方向の最小磁化力点の一方または両方を容器内に含む、項１または２に記載の方法。
項４．　最大磁化力点または最小磁化力点の方向が重力の方向と平行ないし略平行である項３に記載の方法。
項５．　容器の中心の磁化力が０である、項１〜４のいずれかに記載の方法。
項６．　容器が密閉容器である項１〜５のいずれかに記載の方法。
項７．　容器内の流体が反磁性または常磁性の気体または液体（不溶物を含むことがある）である項１〜６のいずれかに記載の方法。
項８．　内部に流体を含む容器であって、容器内に対流が抑制された部分を含む容器
項９．　容器内において、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力の最大値と最小値の差の絶対値が０．５Ｇ以上、好ましくは１．０Ｇ以上である項８に記載の容器。
項１０．　容器内において、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力の最大値が１．５Ｇ以上、好ましくは２．０Ｇ以上であることを特徴とする項８に記載の容器。
項１１．　容器内において、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力の最小値が０．５Ｇ以下、好ましくは０Ｇ以下であることを特徴とする項８に記載の容器。
項１２．　磁化力が最大および／または最小になる点が容器の上端側および／または下端側に存在することを特徴とする項８〜１１のいずれかに記載の容器。
項１３．　磁化力が最大および／または最小になる点が容器の中央側に存在することを特徴とする項８〜１１のいずれかに記載の容器。
項１４．　容器のアスペクト比（容器直径／容器高さ）が１以下である項８〜１３のいずれかに記載の容器。
項１５．　流体が酸素、空気、スピン量子数が０でない核種（１Ｈ、３１Ｐなど）や不対電子対をもつ遷移金属イオン（Ｃｒ３＋，Ｍｎ２＋，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ｇｄ３＋など）を含む常磁性流体である項８〜１４のいずれかに記載の容器。
項１６．　流体が窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、水、有機溶剤などの反磁性流体である項８〜１４のいずれかに記載の密閉容器。
項１７．　その最大磁化力が重力（Ｇ）の０．５倍（０．５Ｇ）以上の筒状マグネット、該マグネット内の磁化力最大点をその内部に含む位置に容器を固定可能な固定部材を含む、対流制御装置。
項１８．　容器の温度調節機構をさらに含む項１７に記載の装置。
【発明の実施の形態】
本発明において、容器とは、内部に流体（気体または液体）を含むことができるものであり、内部の流体を保持することができない、例えば上下２カ所に開口を有する容器、上部のみが開放されている、液体を保有可能な容器、流体の出入りが規制された密閉容器のいずれであってもよいが、密閉容器が好ましい。密閉容器としては、例えば蓋、栓などによって内部の流体が外部に実質的に漏れない容器が例示される。
本発明の容器は、対流が促進される部分と抑制される部分を有するものである。促進部分とは、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力が大きい部分のことであり、抑制部分とは、重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力が小さい部分のことである。重力（Ｇ）と磁化力の合成体積力の最大値と最小値の差の絶対値は、０．３Ｇ以上、好ましくは０．５Ｇ以上、より好ましくは１．０〜２．０Ｇ、或いはそれ以上である。
容器内の流体は、常磁性流体の方が反磁性流体よりも大きな磁化力の作用を受けることになる。比較する常磁性体と反磁性体の性質に依存するが、同じ磁石によって受ける常磁性体の磁化力は反磁性体が受ける磁化力の数倍から数十倍ないし数百倍（通常の上限は２００〜３００倍）になる。
また、重力の倍数として磁化力を表した場合、以下の基礎式の▲５▼に示されるように、磁化力（γ）は密度（ρ）に反比例し、流体が密度の小さい気体の場合、流体が液体の場合よりも数十倍から数百倍大きい磁化力を受ける。
従って、磁化力の大きい順に流体を並べると、
「常磁性気体（磁化力最大）＞（反磁性気体、常磁性液体）＞反磁性液体」となる。
常磁性流体としては、空気、酸素分子、を含む気体、スピン量子数が０でない核種（１Ｈ、３１Ｐなど）を含む物質、不対電子対をもつ遷移金属イオン（Ｃｒ３＋，Ｍｎ２＋，Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ｇｄ３＋など）の塩を含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどの気体または液体が例示される。
反磁性流体としては、水（水蒸気）、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、ヘリウム、ネオン、有機溶剤などの気体または液体が例示される。
本発明の特徴は、重力が磁化力により弱められるか、或いは強められることにより、容器内に対流が抑制される部分が発生する点にある。対流が抑制されるとは、例えば、図１（ｂ）の下側（Ｂを含む）部分、図２（ｄ）の上側（Ａを含む）部分、図３▲２▼の下側部分、図４▲４▼〜▲６▼の上側部分などのように、対流が全く起こらないか、磁化力がない場合（例えば図４の▲３▼）に比較して対流が弱められていることをいう。対流抑制部分は、磁化力のない対照（１００％）に比較して対流速度が７０％以下、好ましくは５０％以下、より好ましくは３０％以下、さらに好ましくは２０％以下、特に１０％以下である。
磁化力を発生させるマグネットとしては、永久磁石、電磁石、超伝導磁石、水冷銅磁石、ハイブリッド磁石（超伝導磁石と水冷銅磁石ないし電磁石を含む）が例示され、これは絶対値が同じで向きが異なる磁化力最大点及び磁化力最小点を有する。
磁化力と重力の方向は、一致しているのが最も好ましいが、磁化力と重力の方向のずれは、通常４５度以下、好ましくは３０度以下、より好ましくは１５度以下、さらに好ましくは１０度以下、特に５度以下である。磁化力と重力の方向がずれると、磁化力の重力方向の成分が小さくなり、対流を抑制するためにより大きな磁化力が必要となる。
本発明では、容器内には磁化力の絶対値の大きな部分を含み、特に１または２の磁化力の絶対値最大点を含むのが好ましい。容器の位置は、２つの磁化力の絶対値最大点のいずれか一方若しくは両方を含むか、２つの磁化力の絶対値最大点の間であるか、一方の磁化力の絶対値最大点よりもさらに離れた位置のいずれであってもよい。容器が一方の磁化力の絶対値最大点よりもさらに離れた位置にある場合、容器の一端は、磁化力の絶対値最大点の近傍にあることが好ましい。
図１〜４において、Ａ，Ｂは，各々上向きまたは下向きの磁化力が最大になる点であり、例えば常磁性流体（空気）の場合（図１）、Ａ点は重力と同じ方向（下向き）の磁化力最大点であり、Ｂ点は重力と反対方向（上向き）の磁化力最大点である。反磁性流体（水）に関する図２では、Ａ点とＢ点の磁化力の向きが反対となるため、対流の抑制される部分が上下反対となっている。
本発明の容器の形状は任意であり、円筒状、角筒状、球状、円錐状などが例示される。容器の形状は、細長い方が、容器内に作用する磁化力の効果を大きくすることができて有利である。容器のアスペクト比（容器直径／容器高さ）は、好ましくは１以下、より好ましくは０．７以下、さらに好ましくは０．５以下、特に０．４以下、最も好ましくは０．３以下である。
以下、図面に基づいて、本発明をより詳細に説明する。
磁化力の方向は常磁性物質または反磁性物質の磁性によって決まり、その大きさは磁化率に比例する。容器中のＡ，　Ｂ点で磁化力と重力がほぼ等しい大きさになるように磁場の強さを調整し、容器内部の磁化力、および磁化力と重力の合成体積力の方向ベクトルを図１，　２に表した。常磁性物質に作用する磁化力のベクトル、および磁化力と重力の合成体積力のベクトルを図１（ａ）、図１（ｂ）に示す。また反磁性物質に作用する磁化力のベクトル、および磁化力と重力の合成体積力のベクトルを図２（ｃ）、図２（ｄ）に示す。このとき常磁性流体の場合と反磁性流体の場合では磁化力の向きがちょうど逆になっていることがわかる。
長円筒容器内部の流体に磁化力を印加すると、同一容器内部で局所的に磁化力の強さが異なるために、場所によって対流の抑制と促進が同時に行われる。この現象を三次元数値計算によって示す。基礎式は以下のように与えられる。
＜基礎式＞
▲１▼は連続の式、▲２▼はエネルギー式、▲３▼は運動方程式、▲４▼はビオ・サバールの式、▲５▼は磁化力の大きさを示す無次元数で、磁化力と重力の比で定義している。▲６▼のＣは流体の磁化率と温度の関係あらわす状態量で、常磁性流体の場合はブシネ近似が成り立つためＣ＝２となり、反磁性流体の場合は磁化率に温度依存性がないのでＣ＝１となる。
【数１】
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Ｂ＝ｂ／ｂａ［−］，　ｂ＝磁束密度［Ｔ］，　ｂａ＝μ０　ｉ　／ｈｚ　［Ｔ］，　ｄＳ＝コイル微小線要素［ｍ］，　ｇ＝重力加速度［ｍ／ｓ２］，
ｈ　＝　熱伝達率　［Ｗ／（ｍ２・Ｋ）］，　　ｈｚ＝容器高さ［ｍ］，　ｉ＝電流［Ａ］，　ｋ　＝　熱伝導率　［Ｗ／（ｍ・Ｋ）］，　Ｎｕ　＝ｈ・ｈｚ　／　ｋ　［−］，　Ｐｒ＝ν／α［−］，　Ｒａ＝　ｇβ△Θｈｚ　３／（αν）［−］，　Ｒｂ　＝ｒｂ／ｈｚ［−］，　ｒｂ＝コイル半径［ｍ］，　ｔ　＝時間［ｓ］，　Ｔ＝（Θ−Θ０）／△Θ［−］，　Ｚｂ＝ｚｂ／ｈｚ　［−］，ｚｂ＝代表長さ［ｍ］，　α＝熱拡散率［ｍ２／ｓ］，　β＝空気の体膨張率［１／Ｋ］，γ＝χｍ０　ｂａ２　／（ｇｈｚμ０ρ０）　［−］，Θ＝温度［Ｋ］，
△Θ＝加熱面と冷却面の温度差［Ｋ］，Θ０＝代表温度［Ｋ］，μ０＝透磁率［Ｈ／ｍ］，ρ０＝空気の密度［ｋｇ／ｍ３］，
τ＝（α／ｈｚ２）ｔ［−］，χｍ０　＝空気の体積磁化率［−］．
＜数値計算結果＞
Ｎｕ数は、対流があるときの熱輸送量（熱伝達）と、対流が完全に抑制され伝導のみによって熱が伝わるときの熱輸送量（熱伝導）の比で定義される無次元数で、対流の強さの指標である。そのためＮｕ数が１の場合は対流がなく、１より大きくなるほど、対流が強い状態を表す。
常磁性流体の代表として空気、反磁性流体の代表として水を考え、対流に及ぼす磁化力の効果を三次元数値計算によってもとめた。その結果については表．１に示す。γは前述のように磁化力の大きさを示す無次元数で、磁化力と重力の比で定義している。
【表１】
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＜温度分布、流れの様子、粒子軌跡＞
常磁性流体の場合
常磁性流体としては空気を代表例として考え、Ｐｒ数＝０．７１、Ｒａ数＝１２２１２０とした。磁化力の大きさはＡ点、Ｂ点で重力とほぼ等しい大きさになるようにしている。そのため重力と磁化力の合成体積力は図１（ｂ）のようになっている。そのときの温度分布、流れの様子、粒子軌跡を計算でもとめた。その結果は図３である。切断面は中心軸を通る、流れの様子がよくわかる鉛直断面で切っている。
図３の▲１▼は磁化力を印加させない場合であり、▲２▼は磁化力を印加させた場合である。▲１▼では流れが容器全体にわたっているのに対し、▲２▼では容器下方の等温線分布が水平になっており、また速度ベクトルも容器下方で流れが遅くなっている。また反対に容器上方では流れが強くなっていることも確認できる。これは▲２▼では容器一部で対流が促進され、他の部分で対流が抑制されていることであり、磁化力の大きさと方向の違いを利用した新しい対流制御方法といえる。
反磁性流体の場合
反磁性流体としては水を代表例として考え、Ｐｒ数＝６．０、Ｒａ数＝１２００００とした。反磁性流体であるため磁化力の作用する向きは図２のようになり、常磁性流体の場合と逆である。そのため場所における磁化力の効果も常磁性流体の場合とは異なっている。ここでは磁化力の大きさはＡ点、Ｂ点で、▲４▼重力の半分の大きさ、▲５▼ほぼ等しい大きさ、▲６▼重力の２倍の大きさ、の３通りで数値計算した。▲５▼の場合の重力と磁化力の合成体積力は図２（ｄ）のようになっている。
計算によって温度分布、流れの様子、粒子軌跡をもとめ、その結果を図４にまとめた。切断面は中心軸を通る、流れの様子がよくわかる鉛直断面で切っている。
図４の▲３▼は磁化力を印加させない場合であり、▲４▼は重力の半分の磁化力を印加させた場合である。このときまだ流れが容器全体におよび、容器内に水平な等温線分布も見られない。しかし▲５▼では容器上方の等温線分布が水平になっており、また速度ベクトルからも流れが遅くなっているのが解る。▲６▼ではさらにその効果が顕著である。反対に容器下方では、▲５▼、▲６▼において流れが強くなっていることも確認できる。これは常磁性流体の場合のときと同様に、容器一部で対流が促進され、他の部分で対流が抑制されていることであり、常磁性でも反磁性でも磁性を有する流体の制御に、磁化力の大きさと方向の違いを利用する方法が適用できることがわかる。また磁化力の強さを変えて計算した結果、効果的に対流を制御するためには、磁化力の大きさを重力の大きさと同程度か、それよりも大きくした場合に、同一容器内で局所的な対流の加速・抑制が一般的に実現できることが示され、本発明の工学的応用に関する重要な知見といえる。
本発明の装置において、密閉容器の温度調節機構としては、容器の上面ないし下面の加熱ないし冷却機構、容器の側壁の断熱機構などが例示される。
図１〜図４の数値計算は、容器下面を、ある温度に加熱し、上面を、それより低い温度に冷却し、側壁を断熱した場合の結果である。自然対流は、温度差、濃度差など、種々の要因で起きる。しかし、対流の起き方、起きにくさを定量的に表すために、本発明の具体例を示す図では、下面加熱、上面冷却という、対流を起こすための一定の刺激を流体に与えて、その刺激に対する応答としての対流を調べた。このような方法を使うことによって、対流の起きやすさ、起きにくさについて、一般的で定量的な知見が得られる。
本解析では磁化力の大きさと向きの違いを利用したため、磁化力が最大になるＡ点およびＢ点を容器内にともに含む大きさの円筒容器を使用して計算を行ったが、細長い同一容器内に作用する磁化力の大きさと向きの違いを利用した対流制御方法では、必ずしもＡ点とＢ点がともに含まれる必要はない。例えば円筒容器内に磁化力が最大になるＡ点かＢ点のどちらか一方しか含まれていない構造であっても、細長い円筒のもう一端が、磁化力が最大になる点から十分離れている場合は、磁化力の影響が無視でき、流体に作用する体積力は重力のみとなる。このようにしても、同一容器内部で体積力の違いに起因する全く新しい対流が起こる。
従来は磁化力が特定の値の場所に試料を置くという考えのみが注目されていたが、その場合（例えば特開平１０−１７２７２５号公報）は磁化力を均一にすることに意義があった。これに対し本発明は、場所によって異なる磁化力を積極的に活用した制御方法であり、同一容器内の磁化力の不均一性を利用するところに新しさがある。つまり磁化力による不均一場を積極的に利用するという試みは全く新しい着想である。
【発明の効果】
本発明の技術を、晶析装置に応用すると、同一容器内部で対流の強い場所と弱い場所ができ、対流が加速された領域では結晶の成長が進む。そして成長が進んで大きくなった結晶は、比重の違いによって容器下方に沈降集積するか、容器上方に集中する。このとき結晶の集中する領域で流れが弱くなっていると、生成した結晶を効率的に回収することができる。つまり磁化力による同一容器内部の対流強度の差を利用することで、結晶の効率的な生成と回収を一石二鳥に行うことができる。
さらに晶析装置に磁化力を利用することの長所はほかにもある。磁化力によって対流を作動させているので、攪拌翼などの強制的な攪拌装置が不要となるため、結晶が攪拌翼に衝突にして起こる破壊がなくなる。また、完全密閉容器内で晶析作業を実施できるため、不純物の混入がなく、純度の高い結晶を生産するのに適していると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】円筒容器内の常磁性流体に作用する磁化力（ａ）と磁化力と重力の合成体積力（ｂ）。
【図２】円筒容器内の反磁性流体に作用する磁化力（ｃ）と磁化力と重力の合成体積力（ｄ）。
【図３】常磁性流体である空気に磁化力を印加させた場合の対流の等温線分布と速度ベクトル、および粒子軌跡．　▲１▼は磁化力なし、▲２▼は磁化力あり。
【図４】反磁性流体である水に磁化力を印加させた場合の対流の等温線分布と速度ベクトル、および粒子軌跡．　▲３▼は磁化力なし、▲４▼，▲５▼，▲６▼は磁化力あり。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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