(57)【要約】【課題】従来とまったく異なる新しいメカニズムによりヒートポンプと同様に機能する熱輸送システムを実現する。【解決手段】磁場形成装置４が第１管状体下部に磁場を印加する。磁性流体２により冷やされた非磁性固体３が第１管状体１ａの下端側から上端側へ移動し、非磁性固体３は外部から熱を吸収する。同時に磁性固体５は第２管状体１ｂの右端側から左端側へ移動する。磁気熱量効果により下端側の磁性流体２は高温になっているので、磁性固体５はここで温められる。つぎに磁場形成装置４が第１管状体下部に印加していた磁場を除去する。磁性流体２により温められた磁性固体５が第２管状体１ｂの右端側に移動して外部に熱を放出する。同時に第１管状体１ｂの上端部において外部から吸熱した非磁性固体３が、磁気熱量効果により低温になった磁性流体２中に沈降してきて冷やされる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性流体を充填した管状体と、管状体内の磁性流体中にあって管状体に沿って移動自在な非磁性固体と、管状体の一端側に磁場を印加可能であるとともに磁場を除去可能な磁場形成手段とを備え、
前記管状体は、前記一端側を下にして重力方向に配設され、
前記非磁性固体は、前記磁場形成手段により前記管状体の下端側に磁場が印加された際、磁気的浮力を受けて前記管状体の上端側に移動し、
前記非磁性固体は、前記管状体の下端側に印加されていた磁場が除去された際、重力により下端側に移動し、
前記非磁性固体は、前記管状体の上端側において外部から吸熱もしくは外部へ放熱し、前記管状体の下端側において外部に放熱もしくは外部から吸熱する
熱輸送システム。
【請求項２】
重力方向に配設された第１管状体と、
第１管状体の下端に連通連結された第２管状体と、
第１管状体および第２管状体の内部に充填された磁気熱量効果のある磁性流体と、
第１管状体内にあって第１管状体に沿って移動自在な非磁性固体と、
第２管状体内にあって第２管状体に沿って移動自在な磁性固体と、
第１管状体の下端側に磁場を印加可能であるとともに磁場を除去可能な磁場形成手段と、
前記磁性固体を第２管状体における第１管状体結合部と反対側（放熱端側）に引き寄せる引き寄せ手段と、を備え、
前記磁場形成手段により第１管状体の下端側に磁場が印加された際、前記非磁性固体は磁気浮上力を受けて前記管状体の上端側（吸熱端側）に移動し、
前記磁場形成手段により第１管状体の下端側に磁場が印加された際、前記磁性固体は磁気吸引力を受けて第２管状体における第１管状体結合部側に移動し、
前記磁場形成手段により第１管状体の下端側に磁場が印加された際、当該磁場が印加された部分の前記磁性流体は磁気熱量効果により温度が上昇し、
第１管状体の下端側に印加されていた磁場が除去された際、前記非磁性固体は重力により下端側に移動し、
第１管状体の下端側に印加されていた磁場が除去された際、前記磁性固体は前記引き寄せ手段により第２管状体の放熱端側に移動し、
第１管状体の下端側に印加されていた磁場が除去された際、当該磁場が印加されていた部分の前記磁性流体は磁気熱量効果により温度が低下し、
前記非磁性固体は、第１管状体の吸熱端側において外部から吸熱し、第１管状体の下端側において前記磁性流体に放熱し、
前記磁性固体は、第２管状体の第１管状体結合部側において前記磁性流体から吸熱し、第２管状体の放熱端側において外部に放熱し、
前記磁場形成手段による磁場の印加と除去を繰り返している定常運転状態において、第１管状体の吸熱端側の温度が第２管状体の放熱端側の温度より低い、
熱輸送システム。
【請求項３】
前記引き寄せ手段は、前記磁性固体を磁気吸引力により第２管状体の放熱端側に移動させる
請求項２に記載の熱輸送システム。
【請求項４】
第２管状体は放熱端側を下にして斜めに配設されており、前記磁性固体には重力により第２管状体の放熱端側に引き寄せる力が作用する
請求項２または３に記載の熱輸送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヒートパイプやヒートポンプのような熱輸送の技術分野に関し、とくに、磁性流体中で浮き沈みする非磁性固体を熱輸送の媒体として利用する新規な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
＝＝＝磁性流体中で浮き沈みする非磁性固体＝＝＝
《神山新一監著「磁性流体の製法・特性とその応用」応用技術出版株式会社１９８９年１２月１０日発行》の２１２〜２２０ページには、磁性流体が勾配をもった磁場の中に置かれた場合、液全体として磁石のように動作する磁性流体は高磁場側に吸引され、この中に非磁性固体が存在すると固体は低磁場側へ磁気的浮力を受けるという現象について詳しく解説されている。磁性流体中の非磁性固体は重力とアルキメデスの原理による浮力を受けるので、これらと上記の磁気的浮力との関係により、非磁性固体は比重により磁性流体液面に浮揚したり液中に沈降したりする。
【０００３】
特開２０００−２７９８４２号公報「非磁性体選別装置および方法」には、磁場がかけられた磁性流体槽に比重の異なる非磁性固体（純粋ガラスと鉛ガラス）を投入し、浮上する純粋ガラスと沈降する鉛ガラスとを選別する発明が記載されている。特開平３−３７４１号公報「ステージ可動支持装置」、特開平４−８７５４９号「アクチュエータ」、特開平８−３３０１３２号公報「磁性流体を用いたアクチュエータ」には、上記の磁気的浮力を利用した機械的作動システムの発明が記載されている。
【０００４】
＝＝＝ヒートパイプと重力の関係＝＝＝
周知のように、発熱機器を冷却するために種々の構造のヒートパイプが広く用いられている。ヒートパイプ関連の技術分野においては、たとえば特開平１０−２６７５７０号公報「ヒートパイプ式放熱器」、特開平１１−１８３０６６号公報「熱輸送用ヒートパイプ装置」、特開平１１−３１６０９４号「ヒートパイプ構造体及び蒸留装置」など、多種多様な数多くの発明がなされている。よく知られているように、ヒートパイプは、重力方向の下方にある高温部から上方にある低温部に効率よく熱を輸送することができるが、逆方向の熱輸送の効率は低下する。
【０００５】
＝＝＝磁気熱量効果を利用したヒートポンプ＝＝＝
周知のように、磁気熱量効果は、磁性体のエントロピーと温度の磁場依存性から生じる性質である。一定温度で磁性体に磁場を加えると、磁気モーメントが磁場方向に向くのでエントロピーは減少する。一方、断熱状態にして磁場を取り除くと、磁性体の温度は低下する。これをカルノーサイクル的に運転すれば、よく知られた断熱消磁による冷却となり、超低温を得るための有効な手段となり得る。
【０００６】
磁気熱量効果を利用したヒートポンプ（冷凍機）の実用化に向けた研究開発が近年さかんに行われている。研究開発の成果は、たとえば、特開２００８−５１４１２号公報「磁気冷凍装置」、特開２０１０−１５１４０７号公報「磁気冷凍デバイスおよび磁気冷凍システム」、特開２００５−７７０３２号公報「熱交換装置」、特開２００２−１９５６８３号公報「磁気温調装置」、特開２０１０−１１０１９１号公報「ヒートポンプ」に詳しく記載されている。この中の特開２００２−１９５６８３号と特開２０１０−１１０１９１号に係る発明では、磁気熱量効果を有する磁性流体を用いている。
【発明の開示】
【０００７】
＝＝＝第１の発明＝＝＝
この発明の顕著な特徴は、磁性流体を充填した管状体を重力方向に配設し、この管の中に適切な比重の非磁性固体を入れて管に沿って上下に移動自在とし、管状体の下端側に磁場を印加すると非磁性固体が磁気的浮力を受けて上端側へ移動し、磁場を除去すると非磁性固体が重力により下端側へ移動するように構成し、管に沿って上下に移動する非磁性固体を熱輸送の媒体として利用する点にある。つまりヒートパイプのように、管状体の一端側において非磁性固体に外部から熱を吸収させ、非磁性固体を他端側へ移動させて外部に熱を放出させる。これが第１発明に係る熱輸送システムの仕組みである。
【０００８】
＝＝＝第２の発明＝＝＝
第２発明に係る熱輸送システムは、第１発明の仕組みに加えて、磁気熱量効果のある磁性流体を利用することにより、磁気熱量効果によりヒートポンプ（冷凍機）と同様に機能するものである。第２発明に係る熱輸送システムは、わかりやすく分説すると、つぎの事項（１）〜（10）により特定されるものである。
【０００９】
（１）重力方向に配設された第１管状体と、第１管状体の下端に連通連結された第２管状体と、第１管状体および第２管状体の内部に充填された磁気熱量効果のある磁性流体と、第１管状体内にあって第１管状体に沿って移動自在な非磁性固体と、第２管状体内にあって第２管状体に沿って移動自在な磁性固体と、第１管状体の下端側に磁場を印加可能であるとともに磁場を除去可能な磁場形成手段と、前記磁性固体を第２管状体における第１管状体結合部と反対側（放熱端側）に引き寄せる引き寄せ手段とを備えること
（２）前記磁場形成手段により第１管状体の下端側に磁場が印加された際、前記非磁性固体は磁気浮上力を受けて前記管状体の上端側（吸熱端側）に移動すること
（３）前記磁場形成手段により第１管状体の下端側に磁場が印加された際、前記磁性固体は磁気吸引力を受けて第２管状体における第１管状体結合部側に移動すること
（４）前記磁場形成手段により第１管状体の下端側に磁場が印加された際、当該磁場が印加された部分の前記磁性流体は磁気熱量効果により温度が上昇すること
（５）第１管状体の下端側に印加されていた磁場が除去された際、前記非磁性固体は重力により下端側に移動すること
（６）第１管状体の下端側に印加されていた磁場が除去された際、前記磁性固体は前記引き寄せ手段により第２管状体の放熱端側に移動すること
（７）第１管状体の下端側に印加されていた磁場が除去された際、当該磁場が印加されていた部分の前記磁性流体は磁気熱量効果により温度が低下すること
（８）前記非磁性固体は、第１管状体の吸熱端側において外部から吸熱し、第１管状体の下端側において前記磁性流体に放熱すること
（９）前記磁性固体は、第２管状体の第１管状体結合部側において前記磁性流体から吸熱し、第２管状体の放熱端側において外部に放熱すること
（10）前記磁場形成手段による磁場の印加と除去を繰り返している定常運転状態において、第１管状体の吸熱端側の温度が第２管状体の放熱端側の温度より低いこと
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１発明の原理的解説図
【図２】第２発明の実施例の磁場除去状態の解説図
【図３】同上実施例の磁場印加状態の解説図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［第１発明の実施例］
図１において、管状体１はガラス・セラミック・アルミニウム等の非磁性体からなる。管状体１は重力に沿ってほぼ垂直に配設されている。管状体１の内部には磁性流体２が充填されているとともに、磁性流体２中に非磁性固体３が入っている。非磁性固体３は、管状体１に沿って障害なくスムーズに磁性流体２中を上下に移動できるような寸法と形態になっている。非磁性固体３としては、たとえば球形や円柱形をなすアルミニウム塊を用いることができる。
【００１２】
管状体１の下端側には磁場形成装置４が配置されている。磁場形成装置４は、管状体１の下端側に磁場を印加することと、その磁場を除去することとが可能な装置である。たとえば、永久磁石を近づけることで管状体１の下端側に磁場を印加し、その永久磁石を遠ざけることで印加した磁場を除去するように、永久磁石を所定の軌跡で変位させる構成を採用することができる。また電磁石を使用し、電気回路により励磁と消磁を切り換えることにより磁場の印加と除去を行う構成とすることができる。また、複数の磁石の位置関係を変化させたり、コアや磁気遮蔽板の位置関係を変化させることにより、管状体１の下端側に磁場を印加することと除去することとを切り換えるように構成することもできる。どのような構成を採用してもよい。
【００１３】
この発明において重要なことはつぎの事項である。ほぼ垂直配置の管状体１内の磁性流体２中にある非磁性固体３には重力とアルキメデスの原理による浮力が作用する。磁場形成装置４が管状体１の下端部に磁場を印加していない状態においては、図１（Ａ）のように非磁性固体３は管状体１の下端部に沈降している。磁場形成装置４が管状体１の下端部に磁場を印加すると、前述した磁気的浮力が非磁性固体３に作用し、これにより非磁性固体３が上方へ移動して図１（Ｂ）のように管状体１の上端側に達する。
【００１４】
以上のように、磁場形成装置４により管状体１の下端部に磁場を印加すると非磁性固体３が管状体１の下端側から上端側へ移動し、磁場が除去されると非磁性固体３が管状体１の上端側から下端側へ移動する。この動作が実現するように、磁性流体２の比重、非磁性固体３の比重と大きさ、印加する磁場の強さと印加領域を適切に設定している。これは比較的簡単な計算により設計可能であるとともに実証試験も容易である。
【００１５】
磁場形成装置４により磁場の印加と除去とを適当な間隔で繰り返し、非磁性固体３の上下移動を繰り返す。そして、非磁性固体３が一端側にある状態にて外部から管状体１や磁性流体２を介して非磁性固体３に効率よく熱を伝え（吸熱させる）、非磁性固体３が他端側にある状態にて非磁性固体３から管状体１や磁性流体２を介して外部に効率よく熱を伝える（放熱させる）。こうして非磁性固体３を媒体として高温の一端側から低温の他端側へ熱を輸送するヒートパイプとして機能する。この原理から明らかなように、熱の輸送効率は、高温の下端側から低温の上端側へ輸送する場合とその反対の場合とで変わらない。
【００１６】
この発明の特徴を活かした望ましい形態としては、従来のヒートパイプでは熱輸送効率が低下する形態、つまり高温の上端側から低温の下端側へ熱輸送するのがよい。たとえば電子機器の発熱部位に管状体１の上端部を密に熱結合し、管状体１の下端部に放熱フィンを設ける構成とする。
【００１７】
［第２発明の実施例］
＝＝＝第１管状体１ａと第２管状体１ｂ＝＝＝
図２と図３において、第１管状体１ａと第２管状体１ｂはガラス・セラミック・アルミニウム等の非磁性体からなる。第１管状体１ａは重力に沿ってほぼ垂直に配設されている。第２管状体１ｂはほぼ水平に配設され、その一端が第１管状体１ａの下端に連通連結されている。第１管状体１ａと第２管状体１ｂの内部には磁気熱量効果のある磁性流体２が充填されている。
【００１８】
＝＝＝非磁性固体３のふるまい＝＝＝
第１管状体１ａの磁性流体２中に非磁性固体３が入っている。非磁性固体３は、管状体１に沿って障害なくスムーズに磁性流体２中を上下に移動できるような寸法と形態になっている。非磁性固体３としては、たとえば球形や円柱形をなすアルミニウム塊を用いることができる。
【００１９】
第１管状体１ａの下端側には磁場形成装置４が配置されている。磁場形成装置４は、第１管状体１ａの下端側に磁場を印加することと、その磁場を除去することとが可能な装置である。前述したように、永久磁石を近づけることで第１管状体１ａの下端側に磁場を印加し、その永久磁石を遠ざけることで印加した磁場を除去するように、永久磁石を所定の軌跡で変位させる構成を採用することができる。また電磁石を使用し、電気回路により励磁と消磁を切り換えることにより磁場の印加と除去を行う構成とすることができる。また複数の磁石の位置関係を変化させたり、コアや磁気遮蔽板の位置関係を変化させることにより、第１管状体１ａの下端側に磁場を印加することと除去することとを切り換えるように構成することもできる。どのような構成を採用してもよい。
【００２０】
そして第１発明の実施例で説明したのと同様に、ほぼ垂直配置の第１管状体１ａ内の磁性流体２中にある非磁性固体３には重力とアルキメデスの原理による浮力が作用する。磁場形成装置４が第１管状体１ａの下端部に磁場を印加していない状態においては、図２のように非磁性固体３は第１管状体１ａの下端部に沈降している。磁場形成装置４が第１管状体１ａの下端部に磁場を印加すると、前述した磁気的浮力が非磁性固体３に作用し、これにより非磁性固体３が上方へ移動して図３のように第１管状体１ａの上端側に達する。
【００２１】
＝＝＝磁性固体５のふるまい＝＝＝
第２管状体１ｂの磁性流体２中には磁性固体５が入っている。磁性固体５は、第２管状体１ｂに沿って障害なくスムーズに磁性流体２中を移動できるような寸法と形態になっている。磁性固体５としては、たとえば球形や円柱形をなすパーマロイやけい素鋼を用いることができる。
【００２２】
磁場形成装置４が第１管状体１ａの下端部に磁場を印加すると、第２管状体１ｂ内の磁性固体５は、当該磁場による磁気吸引力を受けて図３に示すように第２管状体１ｂの左端側に移動する。磁場形成装置４が第１管状体１ａの下端部に印加していた磁場を除去すると、第２管状体１ｂの左端側にあった磁性固体５が、第２管状体１ｂの右端側に配置された引き寄せ装置６の作用により第２管状体１ｂの右端側に移動する。
【００２３】
引き寄せ装置６は、一例として、磁場形成装置４が第１管状体下部に磁場を印加しているときには消磁され、磁場形成装置４が第１管状体下部に印加していた磁場を除去した際に励磁されるように構成された磁石装置である。その構成は先に詳述した磁場形成装置４の構成と同様でよい。
【００２４】
引き寄せ装置６の他の例としては、磁場形成装置４より弱い力で磁性固体５を右側へ引き寄せる永久磁石とすることもできる。磁場形成装置４が第１管状体下部に磁場を印加した際、この磁場による吸引力が勝って磁性固体５が第２管状体左側に移動し、磁場形成装置４が第１管状体下部に印加していた磁場を除去すると、引き寄せ装置６（永久磁石）の磁気吸引力で磁性固体５が第２管状体右側に移動する。この動作が円滑かつ確実に行われるようにするために、第２管状体１ｂをほぼ水平に配置するのではなく、右側を下げて傾斜した配置とし、重力が磁性固体５を右側へ移動させる力を及ぼすように構成することができる。場合によっては、第２管状体１ｂを第１管状体１ａの下方にほぼ垂直に配置し、この配置自体を引き寄せ装置として機能させる構成とし、磁性固体５を重力のみにより下端へ移動させることも可能である。
【００２５】
＝＝＝磁気熱量効果＝＝＝
第２発明においては、磁性流体２は磁気熱量効果を有する材料を使用している。そのため、磁場形成装置４が第１管状体下部に磁場を印加すると、磁性流体２の磁気モーメントが磁力線の方向に規則的にそろえられ、エントロピーの減少分が熱となり、磁場印加部分の磁性流体２の温度が上昇する。磁場形成装置４が第１管状体下部に印加していた磁場を除去すると（ほぼ断熱の環境下でこの操作が行われる）、磁場印加部分の磁性流体の温度は低下する。
【００２６】
＝＝＝熱輸送サイクル＝＝＝
（Ａ）まず、磁場形成装置４が第１管状体下部に磁場を印加している状態を考える。先に説明したように、非磁性固体３は第１管状体１ａの上端側にあり、磁性固体５は第２管状体１ｂの左端側にあり、磁場印加部分の磁性流体２は高温になっている。磁性固体５は高温の磁性流体２から熱を吸収している。
【００２７】
（Ｂ）つぎに磁場形成装置４が第１管状体下部に印加していた磁場を除去する。磁性固体５は第２管状体１ｂの左端側から右端側へ移動し、左端側において磁性流体２から吸収した熱を右端側へ輸送し、右端側において外部に熱を放出する。
同時に、非磁性固体３は第１管状体１ａの上端側から下端側に移動する。磁気熱量効果により下端側の磁性流体２は低温になっているので、非磁性固体３はここで冷やされる。つまり非磁性体３の熱が磁性流体２に移動する。
【００２８】
（Ｃ）つぎに磁場形成装置４が第１管状体下部に磁場を印加する。磁性流体２により冷やされた非磁性固体３が第１管状体１ａの下端側から上端側へ移動し、非磁性固体３は外部から熱を吸収する。つまり外部の熱が非磁性固体３に移動する。
同時に、磁性固体５は第２管状体１ｂの右端側から左端側へ移動する。磁気熱量効果により下端側の磁性流体２は高温になっているので、磁性固体５はここで温められる。つまり磁性流体２の熱が磁性固体５に移動する。
【００２９】
（Ｄ）つぎに磁場形成装置４が第１管状体下部に印加していた磁場を除去する。磁性流体２により温められた磁性固体５が第２管状体１ｂの右端側に移動して外部に熱を放出する。
同時に、第１管状体１ｂの上端部において外部から吸熱した非磁性固体３が、磁気熱量効果により低温になった磁性流体２中に沈降してきて冷やされる。
【００３０】
以上の動作を繰り返している定常運転状態においては、第１管状体１ａの上端側の温度が第２管状体１ｂの右端側の温度より低くなり、低温側の第１管状体上端部において外部から熱を吸収し、その熱を高温側の第２管状体右端部において外部に放出するという、ヒートポンプと同様な熱輸送システムとして機能する。以上のように、第２発明は、従来とまったく異なるメカニズムによりヒートポンプと同様に機能する熱輸送システムを実現するものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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