JP2006207441A - 形状記憶合金エンジン - Google Patents

Abstract

【目的】 無端環状ベルトに高い張力を付与しなくても作動可能な長寿命の形状記憶合金エンジンを提供する。
【解決手段】 形状記憶合金製の無端環状ベルト２０は、その変態点よりも高温の状態において第１プーリ（高温側回転体）１６の外周面に沿った湾曲状態よりも大きい曲率半径を有する形状または曲率中心が反対側にある逆Ｒの湾曲形状となるように形状記憶されたものであり、第１プーリ１６から回出する部位（点Ｐ２）でその直線形状或いは逆Ｒ形状に復帰しようとするときの曲げモーメントに基づいて回転力を発生させることから、無端環状ベルト２０が比較的低い張力状態であるときに形状記憶合金エンジン１０が好適に作動するので、高い歪みにより形状記憶合金製の無端環状ベルト２０の寿命が短縮されることがなくなり、形状記憶合金エンジン１０が高寿命の実用性に優れたものとなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、形状記憶合金製無端環状ベルトに温度差が付与されることによって回転駆動力を発生する形状記憶合金エンジンに関するものである。

一対の回転体に巻き掛けられた形状記憶合金製の無端環状ベルトとを有し、該無端環状ベルトに付与される温度差に基づいて回転力を出力する形状記憶合金エンジンが知られている。たとえば、特許文献１、２にそれぞれ記載された形状記憶合金エンジンがそれである。このような形状記憶合金エンジンは、無端環状ベルトに加熱位置および冷却位置間で局部的な温度差が付与されたときの熱収縮差により発生する張力差を回転運動に変換するものであるため、化石燃料を直接用いないでも、廃熱、太陽エネルギ、地熱エネルギなどの熱エネルギから回転エネルギが得られる。
特公昭６１−５８６６９号公報 特開平７−２２４７５４号公報

しかしながら、上記のような形状記憶合金エンジンでは、高い張力下で無端環状ベルトに温度差を付与して作動させる必要があることから、高い歪みによって形状記憶合金製の無端環状ベルトの寿命が短くなるため、実用性に乏しいという欠点があった。

本発明は以上の事情を背景として為されたものであって、その目的とするところは、無端環状ベルトに高い張力を付与しなくても作動可能な長寿命の形状記憶合金エンジンを提供することにある。

本発明者等は、種々の検討を重ねた結果、変態点よりも高温の状態において前記高温側回転体の外周面に沿った湾曲状態よりも大きい曲率半径を有する形状または曲率中心が反対側にある湾曲形状となるように、一対の高温側回転体および低温側回転体に巻き掛けられた無端環状ベルトに形状記憶させると、無端環状ベルトの高温側回転体から回出する部位において記憶形状に復帰しようとする弾性力に基づいて曲げモーメントが発生し、形状記憶合金エンジンが好適に回転作動する点、および、そのときの無端環状ベルトは適度の振幅および周波数で振動を発生させ得る程度に低い張力を有する点を見出した。本発明はこのような知見に基づいて為されたものである。

すなわち、請求項１に係る発明の形状記憶合金エンジンの要旨とするところは、一対の高温側回転体および低温側回転体と、その高温側回転体および低温側回転体に巻き掛けられた形状記憶合金製の無端環状ベルトとを有し、その無端環状ベルトに付与される温度差に基づいて回転力を出力する形状記憶合金エンジンであって、前記無端環状ベルトは、その変態点よりも高温の状態において前記高温側回転体の外周面に沿った湾曲状態よりも大きい曲率半径を有する形状または曲率中心が反対側にある湾曲形状となるように形状記憶されたものであり、前記高温側回転体から回出する部位で記憶形状に復帰しようとするときの曲げモーメントに基づいて前記回転力を発生させることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１にかかる発明の形状記憶合金エンジンにおいて、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、回転中心間距離ｌで幾何的に定められる幾何的巻付距離をＬ₀ としたとき、前記無端環状ベルトは、次式(1) を満足する長さＬを有するものであることを特徴とする。
１．０５Ｌ₀ ≦Ｌ≦１．１５Ｌ₀ ・・・(1)

また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、前記請求項２にかかる発明の形状記憶合金エンジンにおいて、前記幾何的巻付距離Ｌ₀ は、式(2) を用いて推定されるものであることを特徴とする。
Ｌ₀ ＝２ｌ＋π（Ｒ＋ｒ） ・・・(2)

また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至３のいずれかにかかる発明の形状記憶合金エンジンにおいて、前記無端環状ベルトの直線部に発生する振動の周波数をｆ（Hz）としたとき、該無端環状ベルトは、周波数ｆが式(3) を満足する値となるように設定された張力Ｔを有するものであることを特徴とする。
０．５Ｈｚ≦ ｆ ≦５０Ｈｚ ・・・(3)

また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至４のいずれかにかかる発明の形状記憶合金エンジンにおいて、前記無端環状ベルトは、長方形断面を有する平ベルトであり、その長方形断面の厚みをｈ、その長方形断面の長さをｂ、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、前記無端環状ベルトのヤング率をＥ、該無端環状ベルトの断面二次モーメントをＩ、前記低温側回転体の回転角速度をωとしたとき、形状記憶合金エンジンの出力Ｐは、式(4) により算出可能であることを特徴とする。
Ｐ＝（ＲＥ／ｒ² ）・Ｉ・ω、 但しＩ＝ｂｈ³ ／１２・・・(4)

また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至４のいずれかにかかる発明の形状記憶合金エンジンにおいて、前記無端環状ベルトは、円形断面を有する丸ベルトであり、その円形断面の太さ（直径）をｄ、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、前記無端環状ベルトのヤング率をＥ、その無端環状ベルトの断面二次モーメントをＩ、前記低温側回転体の回転角速度をωとしたとき、形状記憶合金エンジンの出力Ｐは、式(5) により算出可能であることを特徴とする。
Ｐ＝（ＲＥ／ｒ² ）・Ｉ・ω、 但しＩ＝πｄ⁴ ／６４・・・(5)

また、請求項７に係る発明の要旨とするところは、前記請求項１乃至６のいずれかにかかる発明の形状記憶合金エンジンにおいて、前記高温側回転体は、前記低温側回転体よりも小径の回転体であり、前記無端環状ベルトのうち、該高温側回転体に巻き掛けられた部分を局部加熱する加熱手段を備えたものであることを特徴とする。

また、請求項８に係る発明の要旨とするところは、前記請求項７にかかる発明の形状記憶合金エンジンにおいて、前記加熱手段は、前記高温側回転体を加熱する加熱源を含むものであることを特徴とする。

請求項１に係る発明の形状記憶合金エンジンによれば、前記無端環状ベルトは、その変態点よりも高温の状態において前記高温側回転体の外周面に沿った湾曲状態よりも大きい曲率半径を有する形状または曲率中心が反対側にある逆湾曲形状となるように形状記憶されたものであり、前記高温側回転体から回出する部位で記憶形状に復帰しようとするときの曲げモーメントに基づいて前記回転力を発生させることから、無端環状ベルトが比較的低い張力状態であるときに形状記憶合金エンジンが好適に作動するので、高い歪みにより形状記憶合金製の無端環状ベルトの寿命が短縮されることがなくなり、高寿命の実用性に優れた形状記憶合金エンジンが得られる。

また、請求項２に係る発明によれば、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、回転中心間距離ｌで幾何的に定められる幾何的巻付距離をＬ₀ としたとき、前記無端環状ベルトは、前記式(1) を満足する長さＬを有するものであることから、無端環状ベルトが比較的低い張力状態で作動させられるので、高い歪みにより形状記憶合金製の無端環状ベルトの寿命が短縮されることがなくなり、高寿命の実用性に優れた形状記憶合金エンジンが得られる。

また、請求項３に係る発明によれば、前記幾何的巻付距離Ｌ₀ は、前記式(2) を用いて推定されるものであるので、比較的簡単に無端環状ベルトの張力を設定することができる。

また、請求項４に係る発明によれば、前記無端環状ベルトの直線部に発生する振動の周波数をｆ（Hz）としたとき、その無端環状ベルトは、周波数ｆが前記式(3) を満足する値となるように設定された張力Ｔを有するものであることから、無端環状ベルトが比較的低い張力状態で作動させられるので、高い歪みにより形状記憶合金製の無端環状ベルトの寿命が短縮されることがなくなり、高寿命の実用性に優れた形状記憶合金エンジンが得られる。

また、請求項５に係る発明によれば、前記無端環状ベルトは、長方形断面を有する平ベルトであり、その長方形断面の厚みをｈ、その長方形断面の長さをｂ、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、前記無端環状ベルトのヤング率をＥ、該無端環状ベルトの断面二次モーメントをＩ、前記低温側回転体の回転角速度をωとしたとき、形状記憶合金エンジンの出力Ｐは、前記式(4) により算出可能であるので、実験的要素が極めて少なくなって形状記憶合金エンジンの設計がきわめて容易となる。

また、請求項６に係る発明によれば、前記無端環状ベルトは、円形断面を有する丸ベルトであり、その円形断面の太さ（直径）をｄ、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、前記無端環状ベルトのヤング率をＥ、その無端環状ベルトの断面二次モーメントをＩ、前記低温側回転体の回転角速度をωとしたとき、形状記憶合金エンジンの出力Ｐは、前記式(5) により算出可能であるので、実験的要素が極めて少なくなって形状記憶合金エンジンの設計がきわめて容易となる。

また、請求項７に係る発明によれば、前記高温側回転体は、前記低温側回転体よりも大径の回転体であり、前記無端環状ベルトのうち、該高温側回転体に巻き掛けられた部分を局部加熱する加熱手段を備えたものであるので、高温側回転体を通して加熱する場合に比較して加熱手段の構成が簡単となる。

また、請求項８に係る発明によれば、前記加熱手段は、前記高温側回転体を加熱する加熱源を含むものであるので、高温側回転体を通しても無端環状ベルトを局部加熱することができる。

ここで、好適には、前記無端環状ベルトは、Ｔｉ−Ｎｉ合金で代表されるＮｉ系形状記憶合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金などで代表される銅系形状記憶合金から構成される。無端環状ベルトは、必要に応じて表面加工或いは表面処理された形状記憶合金や、形状記憶合金層を含む複合材から構成されてもよい。また、この無端環状ベルトの断面形状は、長方形、円形だけでなく、三角形、正方形、多角形などの他の形状であってもよい。また、無端環状ベルトは、継ぎ目の有無は関係がなく、無端環状であればよい。

また、好適には、前記無端環状ベルトの記憶形状は、前記高温側回転体の外周面の湾曲の曲率半径よりも大きい曲率半径を有する湾曲形状であればよく、曲率半径が無限大の直線形状であってもよい。また、高温側回転体の外周面とは逆の湾曲形状に形状記憶されていてもよい。また、無端環状ベルトの記憶形状は、その長手方向において一様であることが望ましいが、複数種類の記憶形状が交互に連続させられていてもよい。

また、好適には、前記加熱手段は、前記無端環状ベルトのうち前記高温側回転体に巻き掛けられた部分を形状記憶合金の変態点以上の温度に局部加熱するものであればよく、たとえば、太陽光或いはその集光光を利用して無端環状ベルトの一部を加熱する加熱装置、地熱により加熱された温水或いは水蒸気を利用して無端環状ベルトの一部を加熱する加熱装置、発電所などの熱設備からの温排水、冷却装置の廃熱、焼却炉の熱などの低品位熱源を利用した加熱装置などが用いられる。

また、前記無端環状ベルトのうち前記低温側回転体に巻き掛けられた部分は、好適には、変態点以下の温度に自然冷却により局部的に冷却されるが、積極的にその無端環状ベルトの一部を局部冷却するための冷却手段を設けてもよい。この冷却手段としては、空気流を用いる空冷方式、液体（水）を用いる液（水）冷方式がある。

また、好適には、前記無端環状ベルトは、一対の高温側回転体および低温側回転体に複数本並列的に巻き掛けられてもよい。

形状記憶合金エンジンの出力は、一対の高温側回転体および低温側回転体のうちのいずれか一方、或いは両方から取り出されてもよい。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、図は簡略化されており、それら各部の寸法等は必ずしも正確に描かれていない。

図１および図２は、本発明の一実施例である形状記憶合金エンジン１０の構成を概略説明するための正面図および平面図である。形状記憶合金エンジン１０は、図示しない支持装置によって互いに平行な軸心Ｃ₁ およびＣ₂ まわりに回転可能に支持された第１回転軸１２および第２回転軸１４と、それら一対の第１回転軸１２および第２回転軸１４に固設された一対の第１プーリ１６およびその第１プーリ１２よりも大径の第２プーリ１８と、それら一対の第１プーリ１６および第２プーリ１８の外周に巻き掛けられた形状記憶合金製の無端環状ベルト２０と、その無端環状ベルト２０のうち第１プーリ１６に巻き掛けられた部分を局部的に加熱するための加熱装置２２とを備えている。

上記無端環状ベルト２０は、変態点を越えた温度では直線形状或いは曲率中心が無端環状ベルト２０の外側に位置する逆Ｒ形状に復帰させられるように形状記憶された形状記憶合金により構成され、或いはそれを主体的に有して複合的に構成されている。この形状記憶合金は、たとえばＴｉ−Ｎｉ合金やＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金などである。本実施例の無端環状ベルト２０は、たとえば図３に示すように、長方形断面を有する偏平な平ベルト状に構成されている。

図１および図２に戻って、上記加熱装置２２は、水蒸気、高温ガス、高温油、高温水などを利用して、無端環状ベルト２０のうち第１プーリ１６に巻き掛けられた部分を直接に、及び／または第１プーリ１６を加熱してその無端環状ベルト２０のうち第１プーリ１６に巻き掛けられた部分を間接的に、その無端環状ベルト２０を構成する形状記憶合金の変態点以上の温度へ加熱するものであり、加熱手段として機能している。

前記第１プーリ１６は、無端環状ベルト２０の一部であってそれに巻き掛けられている部分が加熱装置２２により前記変態点以上の温度へ加熱されるので、高温側回転体として機能している。また、第２プーリ１８は、無端環状ベルト２０の一部であってそれに巻き掛けられている部分が前記変態点より低い温度へ自然冷却により或いは図示しない冷却手段による強制冷却により冷却されるので、低温側回転体として機能している。

図２に示すように、上記第２プーリ１８を支持する回転軸１４には発電機２４が連結されており、形状記憶合金エンジン１０から出力される回転力によって回転駆動されるようになっている。

以上のように構成された形状記憶合金エンジン１０において、加熱装置２２によって無端環状ベルト２０のうち第１プーリ１６に巻き掛けられた部分をその無端環状ベルト２０を構成する形状記憶合金の変態点以上の温度へ加熱すると、その第１プーリ１６の回出側に位置する部分が直線的形状或いは逆Ｒ形状へ復帰しようとする。このため、その復帰力に基づく曲げモーメントによって第１プーリ１６に回転力が発生し、第１回転軸１２および第２回転軸１４が回転する。このとき、一対の第１回転軸１２および第２回転軸１４に巻き掛けられた無端環状ベルト２０の直線部には、図４の破線および１点鎖線に示すような振動が発生する。無端環状ベルト２０の張力Ｔを強くすると無端環状ベルト２０のスリップが小さくなって回転力が強くなるが、形状記憶合金製の無端環状ベルト２０の寿命が短くなる。反対に、上記張力Ｔを弱くすると負荷時に無端環状ベルト２０のスリップが大きくなって出力トルクが小さくなる。回転力の基礎となる上記曲げモーメントを振動によって連続的に適切に第１プーリ（高温輪）１６に伝達し、第２プーリ（低温輪）１８から出力トルクを適切に取り出すための条件は以下の通りである。

本発明者による実験によれば、上記無端環状ベルト２０の直線部の単位時間当たりの振動数（周波数）ｆ（Ｈｚ）が、０．５Ｈｚ以上且つ５０Ｈｚ以下となるように、無端環状ベルト２０の張力Ｔが設定されることが、形状記憶合金エンジン１０の出力を好適に得る上で好ましいことが確認された。すなわち、式(3) を満足するように無端環状ベルト２０の張力Ｔが設定されることが形状記憶合金エンジン１０の出力を好適に得る上で好ましいことが確認された。無端環状ベルト２０の張力Ｔが、０．５Ｈｚを下回るような値とされると、負荷時にベルトスリップが発生して出力トルクが得られなくなり、５０Ｈｚを回るような値とされると、回転力が低下して充分な出力が得られなくなる。

また、図５に示すように、本発明者による実験によれば、第２プーリ１８の半径をＲ、第１プーリ１６の半径をｒ、それらプーリ１６および１８の回転中心間距離或いは無端環状ベルト２０の直線部の距離をｌとしたときに幾何的に定められる幾何的巻付距離をＬ₀ としたとき、無端環状ベルト２０の長さＬを１．０５Ｌ₀ 以上且つ１．１５Ｌ₀ 以下とすることにより得られた無端環状ベルト２０の張力Ｔが形状記憶合金エンジン１０の出力を好適に得る上で好ましいことが確認された。すなわち、式(1) を満足させたときに発生する無端環状ベルト２０の張力Ｔが形状記憶合金エンジン１０の出力を好適に得る上で好ましいことが確認された。なお、上記幾何的巻付距離をＬ₀ は、たとえば式(2) から近似的に算出され得る。

１．０５Ｌ₀ ≦Ｌ≦１．１５Ｌ₀ ・・・(1)
Ｌ₀ ＝２ｌ＋π（Ｒ＋ｒ） ・・・(2)
０．５Ｈｚ≦ｆ≦５０Ｈｚ ・・・(3)

以下、本実施例の形状記憶合金エンジン１０の作動を解析する。図５において、無端環状ベルト２０の直線部と第１プーリ１６側の回曲部との境界点をＰ１およびＰ２、無端環状ベルト２０の直線部と第２プーリ１８側の回曲部との境界点をＰ３およびＰ４とし、点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４の温度をｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４とすると、無端環状ベルト２０は、点Ｐ１において高温側回転体である第１プーリ１６と接触し、熱を受けながら回転して点Ｐ２に到達して変態点温度を超える温度ｔ２となることにより変態（マルテンサイト→オーステナイト）し、直線形状に向かって戻ろうとする。これにより発生する曲げモーメントＭが作用反作用の原理に基づいて第１プーリ１６を蹴ることにより回転モーメントＭ_h を発生させる。無端環状ベルト２０は点Ｐ３で冷却を開始し、点Ｐ４で温度ｔ４まで冷却される。

以上において、上記の現象から、ｔ２≫ｔ１≒ｔ３≒ｔ４を前提として回転力の発生メカニズムを解明し、理論式を求める。図３に示すように無端環状ベルト２０の長方形断面の厚みをｈ、その長方形断面の長さをｂとし、図５に示すように第２プーリ１８の半径をＲ、第１プーリ１６の半径をｒ、無端環状ベルト２０のヤング率をＥ、無端環状ベルト２０の断面二次モーメントをＩ₂₀、第２プー リ１８の回転角速度をωとしたとき、前記点Ｐ２における無端環状ベルト２０の曲げモーメントＭは、材料力学から式(4a)により表される。この曲げモーメントＭは、作用反作用の原理により第１プーリ１６の回転モーメントＭ_h となるので、式(4b)が成立する。一方、回転モーメントＭ_h は無端環状ベルト２０の張力差×半径ｒとしても表されるので、式(4c)が表される。そして、第２プーリ１８を出力輪とすると、その第２プーリ１８の回転モーメントＭ _Lは式(4d)で表される。

上記(4c)式を変形した式(4e)を式(4d)に代入することにより式(4f)が得られる。但し、式(4f)の無端環状ベルト２０の断面二次モーメントＩ₂₀は 材料力学の一般式から式(4g)により表される。そして、出力輪である第２プーリ１８の軸出力Ｐは回転モーメント（回転トルク）Ｍ _Lと回転の角速度ωとの積として求められるので式(4h)が得られて前記式(4) が成立する。従来では、回転メカニズムが解明されず定量的に設計できなかった形状記憶合金エンジンであったが、この式(4) を用いることにより、無端環状ベルト２０の形状（ｄ、ｂ、ｈ）と車輪の大きさ（Ｒ、ｒ）とから形状記憶合金エンジン１０の出力Ｐを算出することができる。

Ｍ＝ＥＩ₂₀／ｒ ・・・(4a)
Ｍ＝Ｍ_h ・・・(4b)
Ｍ＝Ｍ_h ＝ＥＩ₂₀／ｒ＝ｒ（Ｔ₂ −Ｔ₁ ） ・・・(4c)
Ｍ _L＝Ｍ_h ＝Ｒ（Ｔ₂ −Ｔ₁ ） ・・・(4d)
Ｔ₂ −Ｔ₁ ＝ＥＩ₂₀／ｒ² ・・・(4e)
Ｍ _L＝ＲＥＩ₂₀／ｒ² ・・・(4f)
Ｉ₂₀＝ｂｈ³ ／１２ ・・・(4g)
Ｐ＝ω×Ｍ _L＝ω×( ＲＥＩ₂₀／ｒ²) ・・・(4h)
Ｐ＝（ＲＥ／ｒ² ）・Ｉ₂₀・ω、 但しＩ₂₀＝ｂｈ³ ／１２・・・(4)

上述のように、本実施例の形状記憶合金エンジン１０によれば、形状記憶合金製の無端環状ベルト２０は、その変態点よりも高温の状態において第１プーリ（高温側回転体）１６の外周面に沿った湾曲状態よりも大きい曲率半径を有する形状または曲率中心が反対側にある逆Ｒの湾曲形状となるように形状記憶されたものであり、第１プーリ１６から回出する部位（点Ｐ２）でその直線形状或いは逆Ｒ形状に復帰しようとするときの曲げモーメントに基づいて回転力を発生させることから、無端環状ベルト２０が比較的低い張力状態であるときに形状記憶合金エンジン１０が好適に作動するので、高い歪みにより形状記憶合金製の無端環状ベルト２０の寿命が短縮されることがなくなり、形状記憶合金エンジン１０が高寿命の実用性に優れたものとなる。

また、本実施例の形状記憶合金エンジン１０によれば、第２プーリ（低温側回転体）１８の半径をＲ、第１プーリ（高温側回転体）１６の半径をｒ、回転中心間距離ｌで幾何的に定められる幾何的巻付距離をＬ₀ としたとき、無端環状ベルト２０は、前記式(1) を満足する長さＬを有するものであることから、無端環状ベルト２０が比較的低い張力状態で作動させられるので、高い歪みにより形状記憶合金製の無端環状ベルト２０の寿命が短縮されることがなくなり、形状記憶合金エンジン１０が高寿命の実用性に優れたものとなる。

また、本実施例の形状記憶合金エンジン１０によれば、上記幾何的巻付距離Ｌ₀ は、前記式(2) を用いて推定されるものであるので、比較的簡単に無端環状ベルト２０の張力を設定することができる。

また、本実施例の形状記憶合金エンジン１０によれば、無端環状ベルト２０の直線部に発生する振動の周波数をｆ（Hz）としたとき、その無端環状ベルト２０は、周波数ｆが前記式(3) を満足する値となるように設定された張力Ｔを有するものであることから、無端環状ベルト２０が比較的低い張力状態で作動させられるので、高い歪みにより形状記憶合金製の無端環状ベルト２０の寿命が短縮されることがなくなり、形状記憶合金エンジン１０が高寿命の実用性に優れたものとなる。

また、本実施例の形状記憶合金エンジン１０によれば、無端環状ベルト２０は、長方形断面を有する平ベルトであり、その長方形断面の厚みをｈ、その長方形断面の長さをｂ、第１プーリ１６の半径をｒ、第２プーリ１８の半径をＲ、無端環状ベルト２０のヤング率をＥ、無端環状ベルトの断面二次モーメントをＩ、第２プーリ１８の回転角速度をωとしたとき、形状記憶合金エンジン１０の出力Ｐは、前記式(4) により算出可能であるので、実験的要素が極めて少なくなって形状記憶合金エンジン１０の設計がきわめて容易となる。

また、本実施例の形状記憶合金エンジン１０によれば、第２プーリ１８は、第１プーリ１６よりも大径の回転体であり、無端環状ベルト２０のうち、第１プーリ１６に巻き掛けられた部分を局部加熱する加熱装置２２を備えたものであるので、第１プーリ１６を通して間接的に加熱する場合に比較して加熱装置２２構成が簡単となり、且つ加熱効率が高められる。

また、本実施例の形状記憶合金エンジン１０によれば、前記加熱装置２２は、第１プーリ１６を加熱する加熱源を含むものであるので、第１プーリ１６を通しても無端環状ベルト２０を局部加熱することができる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、以下の実施例において前述の実施例と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図６は、形状記憶合金エンジン１０において一対の第１プーリ１６および第２プーリ１８に巻き掛けられる他の例の無端環状ベルト３０を示す斜視図である。本実施例の無端環状ベルト３０は、前述の実施例の長方形断面を備えた無端環状ベルト２０とは異なり、円形断面を備えているが、材料や張力等については同様に構成されている。

本実施例では、無端環状ベルト３０の円形断面の太さ（直径）をｄ、ヤング率をＥ、無端環状ベルト３０の断面二次モーメントをＩ₃₀、第２プーリ１８の回転角速度をωとしたときの出力Ｐは、前述の実施例と同様に導かれた式(5) により算出される。本実施例によれば、前述の実施例と同様に、高寿命の実用性に優れた形状記憶合金エンジン１０が得られる。また、次式(5) を用いて、形状記憶合金エンジン１０の出力Ｐを算出可能であるので、実験的要素が極めて少なくなって形状記憶合金エンジン１０の設計がきわめて容易となる。

Ｐ＝（ＲＥ／ｒ² ）・Ｉ₃₀・ω、 但しＩ₃₀＝πｄ⁴ ／６４・・・(5)

図７乃至図９は、形状記憶合金エンジン１０の設置例をそれぞれ示すものである。図７に示す実施例では、高温蒸気が供給されることにより駆動される蒸気タービン４０において、排出された蒸気を図示しない復水器などへ導く一対の排出管４２の熱を受けるように、その排出管４２の外周に第１プーリ１６が回転可能に配設されている。本実施例によれば、蒸気タービン４０の廃熱を利用して一対の形状記憶合金エンジン１０が回転駆動される。本実施例では、蒸気タービン４０の排出管４２が加熱手段として機能している。なお、蒸気タービン４０に替えて、ガスタービンであってもよい。

図８に示す実施例では、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関５０において、オイルパン５２に貯留された潤滑油５４の熱を受けるように、その潤滑油５４に一部若しくは全部が浸漬された状態で第１プーリ１６が回転可能に配設されている。本実施例によれば、内燃機関５０の潤滑油５４の熱を利用して形状記憶合金エンジン１０が回転駆動される。本実施例では、内燃機関５０のオイルパン５２に貯留された潤滑油５４が加熱手段として機能している。

図９に示す実施例では、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの内燃機関５０において、排気を導くためのエキゾーストパイプ６０に連結された排気管６２の熱を受けるように、その排気管６２の外周に第１プーリ１６が回転可能に配設されている。本実施例によれば、内燃機関５０の排気熱を利用して形状記憶合金エンジン１０が回転駆動される。本実施例では、内燃機関５０の排気管６２が加熱手段として機能している。

なお、図示はしないが、蒸気形状記憶合金エンジン１０は、温水が湧き出す温泉、太陽光により局部的に加熱される宇宙船内など、種々の熱源の存在する場所に設置され得る。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

本発明の一実施例である形状記憶合金エンジンの構成を説明する正面図である。 図１の実施例の形状記憶合金エンジンの構成を説明する平面図である。 図１の実施例の形状記憶合金エンジンにおいて、第１プーリおよび第２プーリに巻き掛けられた無端環状ベルトの断面形状を説明する斜視図である。 図１の実施例の形状記憶合金エンジンの作動状態であって、無端環状ベルトの振動状態を説明する図である。 図１の実施例の形状記憶合金エンジンの作動原理を説明する図である。 本発明の他の実施例の無端環状ベルトの断面形状を説明する斜視図であって、図３に相当する図である。 図１の実験例の形状記憶合金エンジンが蒸気タービンの排出管に適用された例を説明する図である。 図１の実験例の形状記憶合金エンジンが内燃機関に適用された例を説明する図である。 図１の実験例の形状記憶合金エンジンが内燃機関の排気管に適用された例を説明する図である。

符号の説明

１０：形状記憶合金エンジン
１６：第１プーリ（第１回転体）
１８：第２プーリ（第２回転体）
２０、３０：無端環状ベルト
２２：加熱装置（加熱手段）

Claims (8)

1. 一対の高温側回転体および低温側回転体と、該高温側回転体および低温側回転体に巻き掛けられた形状記憶合金製の無端環状ベルトとを有し、該無端環状ベルトに付与される温度差に基づいて回転力を出力する形状記憶合金エンジンであって、
   前記無端環状ベルトは、その変態点よりも高温の状態において前記高温側回転体の外周面に沿った湾曲状態よりも大きい曲率半径を有する形状または曲率中心が反対側にある湾曲形状となるように形状記憶されたものであり、前記高温側回転体から回出する部位でより記憶形状に復帰しようとするときの曲げモーメントに基づいて前記回転力を発生させることを特徴とする形状記憶合金エンジン。
2. 前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、回転中心間距離ｌで幾何的に定められる幾何的巻付距離をＬ₀ としたとき、前記無端環状ベルトは、次式(1) を満足する長さＬを有するものである請求項１の形状記憶合金エンジン。
   １．０５Ｌ₀ ≦Ｌ≦１．１５Ｌ₀ ・・・(1)
3. 前記幾何的巻付距離Ｌ₀ は、次式(2) を用いて推定されるものである請求項２の形状記憶合金エンジン。
   Ｌ₀ ＝２ｌ＋π（Ｒ＋ｒ） ・・・(2)
4. 前記無端環状ベルトの直線部に発生する振動の周波数をｆ（Hz）としたとき、該無端環状ベルトは、周波数ｆが次式(3) を満足する値となるように設定された張力Ｔを有するものであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの形状記憶合金エンジン。
   ０．５Ｈｚ≦ ｆ ≦５０Ｈｚ ・・・(3)
5. 前記無端環状ベルトは、長方形断面を有する平ベルトであり、
   該長方形断面の厚みをｈ、該長方形断面の長さをｂ、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、前記無端環状ベルトのヤング率をＥ、該無端環状ベルトの断面二次モーメントをＩ、前記低温側回転体の回転角速度をωとしたときの出力Ｐが、次式(4) により算出可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの形状記憶合金エンジン。
   Ｐ＝（ＲＥ／ｒ² ）・Ｉ・ω、 但しＩ＝ｂｈ³ ／１２・・・(4)
6. 前記無端環状ベルトは、円形断面を有する丸ベルトであり、
   該円形断面の太さをｄ、前記低温側回転体の半径をＲ、前記高温側回転体の半径をｒ、前記無端環状ベルトのヤング率をＥ、該無端環状ベルトの断面二次モーメントをＩ、前記低温側回転体の回転角速度をωとしたときの出力Ｐが、次式(5) により算出可能であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかの形状記憶合金エンジン。
   Ｐ＝（ＲＥ／ｒ² ）・Ｉ・ω、 但しＩ＝πｄ⁴ ／６４・・・(5)
7. 前記高温側回転体は、前記低温側回転体よりも小径の回転体であり、
   前記無端環状ベルトのうち、該高温側回転体に巻き掛けられた部分を局部加熱する加熱手段を備えたものであることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかの形状記憶合金エンジン。
8. 前記加熱手段は、前記高温側回転体を加熱する加熱源を含むものである請求項７の形状記憶合金エンジン。
   
   

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