JP2009203875A - Thermomagnetic engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、所定の磁性変化温度を越える温度上昇に伴い常磁性から強磁性に変化する熱磁気特性を有する材料を用いた熱磁気エンジンに関する。 The present invention relates to a thermomagnetic engine using a material having thermomagnetic properties that change from paramagnetic to ferromagnetic as the temperature rises above a predetermined magnetic change temperature.
形状記憶された無端ベルトを一対のプーリに巻回してなる形状記憶合金エンジンが提案されている。特許文献1に記載の装置では、一方のプーリから回出する部位で、無端ベルトが記憶された形状である直線形状或いは逆R形状に復帰しようとする曲げモーメントが生じ、この曲げモーメントに基づいて回転力が発生する。 There has been proposed a shape memory alloy engine in which a shape memory endless belt is wound around a pair of pulleys. In the apparatus described in Patent Document 1, a bending moment is generated at a portion that is unwound from one pulley, and the endless belt tries to return to a linear shape or a reverse R shape that is a memorized shape. Based on this bending moment, A rotational force is generated.
他方、温度に応じて磁性が変化する熱磁気特性を有する材料からなる回転体の近傍に、磁極を配置してなる熱磁気エンジンが提案されている。特許文献2に記載の装置では、いわゆるキュリー温度を越えるように回転体の一部を加熱することにより、飽和磁束密度の低い領域と高い領域とを生じさせ、両者の境界部近傍に配置された磁極の作用によって、回転力が発生する。
On the other hand, there has been proposed a thermomagnetic engine in which magnetic poles are arranged in the vicinity of a rotating body made of a material having thermomagnetic characteristics in which magnetism changes according to temperature. In the apparatus described in
ところで、形状記憶合金の復帰力と、熱磁気特性を有する材料の磁性変化の両者を同時に利用することができれば好都合である。しかし、形状記憶合金の変形温度に比べて、磁性変化が生じるキュリー温度は著しく高いため、両者の特性を利用するには運転サイクルにおける加熱及び冷却の温度幅を大きくしなければならず、実現性に乏しいという問題点がある。 By the way, it would be advantageous if both the restoring force of the shape memory alloy and the magnetic change of the material having thermomagnetic properties can be used simultaneously. However, since the Curie temperature at which the magnetic change occurs is significantly higher than the deformation temperature of the shape memory alloy, it is necessary to increase the temperature range of heating and cooling in the operation cycle in order to use both characteristics. There is a problem that it is scarce.
そこで本発明の目的は、形状記憶合金の変形に伴い発生する力と、熱磁気特性を有する材料の磁気特性変化との両者を好適に利用できる熱磁気エンジンを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a thermomagnetic engine that can suitably use both the force generated with deformation of a shape memory alloy and the change in magnetic properties of a material having thermomagnetic properties.
上記課題を解決するために、本発明に係る熱磁気エンジンは、所定の変形温度を越える温度上昇に伴い予め記憶された形状への復元力を発生する形状記憶特性、及び所定の磁性変化温度を越える温度上昇に伴い常磁性から強磁性に変化する熱磁気特性を有する材料を含む無端ベルトと、前記無端ベルトに対し作用可能に配置された熱付与手段及び磁力付与手段と、を備え、前記材料は、前記変形温度と前記磁性変化温度とがほぼ等しいことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the thermomagnetic engine according to the present invention has a shape memory characteristic that generates a restoring force to a pre-stored shape with a temperature rise exceeding a predetermined deformation temperature, and a predetermined magnetic change temperature. An endless belt containing a material having a thermomagnetic property that changes from paramagnetic to ferromagnetic with a temperature rise exceeding the temperature, and a heat applying means and a magnetic force applying means arranged to act on the endless belt. Is characterized in that the deformation temperature and the magnetic change temperature are substantially equal.
本発明では、無端ベルトに含まれる材料に、予め記憶された形状への復元力を発生する変形温度と、常磁性から強磁性に変化する磁性変化温度とがほぼ等しい材料を用いたので、熱付与手段による加熱、及び磁力付与手段による磁界が無端ベルトに作用すると、無端ベルトには予め記憶された形状への復元力と、常磁性から強磁性への磁性の変化とがほぼ等しい温度で生じる。したがって、形状記憶特性と熱磁気特性との両者を、加熱及び冷却の温度幅の比較的小さい運転サイクルによって同時に利用することができる。このことはエネルギ効率及び回転速度の向上に寄与しうる。 In the present invention, as the material included in the endless belt, a material having a deformation temperature that generates a restoring force to a previously stored shape and a magnetic change temperature that changes from paramagnetism to ferromagnetism is approximately equal. When the heating by the applying means and the magnetic field by the magnetic applying means act on the endless belt, the endless belt has a restoring force to a pre-stored shape and a change in magnetism from paramagnetic to ferromagnetic at substantially the same temperature. . Therefore, both shape memory characteristics and thermomagnetic characteristics can be utilized simultaneously by an operation cycle having a relatively small temperature range for heating and cooling. This can contribute to improvement in energy efficiency and rotation speed.
上述した特許文献2に記載の熱磁気エンジンでは、キュリー点を越えるように回転体の一部を加熱することにより、当該一部の熱磁気材料の飽和磁束密度を低下させ、それ以外の部分との飽和磁束密度の不均衡を利用して回転力を得るものであるが、一般にキュリー点は比較的高温であって、エネルギ効率や装置の耐久性を考慮すれば、より低い温度であることが望ましい。この点、図4に示されるように、従来公知の熱磁気材料(一点鎖線a)がキュリー点を越える温度上昇の際の強磁性から常磁性への変化(領域II)のみを有し、それよりも低温の領域では顕著な磁性変化がなかったのに対し、近年の研究により、特定の熱磁気材料では、実線aで示されるように、キュリー点よりも低温の領域Iにおいて、温度上昇に伴って常磁性(マルテンサイト相、M相)から強磁性(オーステナイト相、A相)への磁性変化が生じることが発見されている。本発明では、このような材料を用いることにより、動作温度を比較的低い値に設定することが可能になる。
In the thermomagnetic engine described in
本発明における磁力付与手段は、前記熱付与手段に対し前記無端ベルトの走行方向に隣接して配置されるのが好適である。この場合には、熱付与手段による加熱が進行し磁性が強まった状態の無端ベルトの部分に、磁力付与手段からの磁界が作用するため、磁界による回転力を好適に付与することができる。 It is preferable that the magnetic force application means in the present invention is disposed adjacent to the heat application means in the traveling direction of the endless belt. In this case, since the magnetic field from the magnetic force applying means acts on the endless belt portion in a state where the heating by the heat applying means has progressed and the magnetism has been strengthened, the rotational force due to the magnetic field can be suitably applied.
本発明における磁力付与手段は、前記無端ベルトによって画成される領域の内側に配置されるのが好適である。この場合には、プーリから回出する部位の近傍で無端ベルトをプーリに引き付ける作用により、滑りを抑制することができる。 The magnetic force application means in the present invention is preferably arranged inside the region defined by the endless belt. In this case, slipping can be suppressed by the action of attracting the endless belt to the pulley in the vicinity of the portion that is circulated from the pulley.
本発明では、無端ベルトは一対のプーリに巻回されており、当該一対のプーリのうちの一方のプーリの近傍に前記熱付与手段が配置され、他方のプーリの近傍に前記磁力付与手段が配置されるのが好適である。この場合には、熱付与手段による加熱が進行し磁性が強まった状態の無端ベルトの部分に、磁力付与手段からの磁界が作用するため、無端ベルトの滑りを好適に抑制することができる。 In the present invention, the endless belt is wound around a pair of pulleys, the heat applying means is disposed in the vicinity of one of the pair of pulleys, and the magnetic force applying means is disposed in the vicinity of the other pulley. It is preferred that In this case, since the magnetic field from the magnetic force applying means acts on the endless belt portion in a state where the heating by the heat applying means has progressed and the magnetism has been strengthened, the endless belt can be suitably prevented from slipping.
この場合には、磁力付与手段は、前記他方のプーリの周面に沿って配置されているのが好適であり、さらに、前記他方のプーリの周面の内側に環状に配置されているのが特に好適である。 In this case, the magnetic force applying means is preferably arranged along the peripheral surface of the other pulley, and is further arranged in an annular shape inside the peripheral surface of the other pulley. Particularly preferred.
本発明の実施形態につき、以下に図面に従って説明する。図1ないし図3に示される第1実施形態の熱磁気エンジン1は、低温側プーリ2及び高温側プーリ3と、当該一対のプーリ2,3に巻回された無端ベルト4と、無端ベルト4に対し作用可能に配置された温水供給器5、冷水供給器6及び永久磁石7とを備えている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. A thermomagnetic engine 1 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 includes a low
低温側プーリ2は高温側プーリ3よりも大径である(rc>rh)。低温側プーリ2の軸線は、高温側プーリ3の軸線と並行且つ鉛直上方に配置されている。低温側プーリ2は、支柱11に固定された軸12によって支持されており、且つ軸12に設けられた軸受13によって回転可能にされている。高温側プーリ3は、出力軸14に固定されており、出力軸14は支柱11に設けられた軸受15によって回転可能に支持されている。
The low
無端ベルト4は、形状記憶材料を含有する。本実施形態で使用される形状記憶材料としては、予め記憶された形状への復元力と、常磁性(マルテンサイト相、M相)から強磁性(オーステナイト相、A相)への磁性の変化とが、ほぼ等しい温度(例えば約30°C)を越える温度上昇に伴って生じるもの、例えばNi50Mn50-ySnyまたはNi50Mn50-ySbyを用いるのが好適である。このような形状記憶材料は、所望の質量比で混合した粒子状の原材料をアルゴン雰囲気下で誘導加熱して溶融し、得られたインゴットをスライスし、真空中において1000°Cで1日間均質化したのち水中で焼入れすることによって得ることができる。形状記憶材料の変形及び常磁性から強磁性への変態は可逆的であり、且つ所定のヒステリシスを有していてもよい。 The endless belt 4 contains a shape memory material. As the shape memory material used in the present embodiment, the restoring force to a previously memorized shape and the change in magnetism from paramagnetism (martensite phase, M phase) to ferromagnetism (austenite phase, A phase) but it is preferred to use approximately equal temperature (e.g., about 30 ° C) that occur as the temperature rises in excess of, for example, Ni 50 Mn 50-y Sn y or Ni 50 Mn 50-y Sb y . Such a shape memory material is obtained by inductively heating particulate raw materials mixed at a desired mass ratio in an argon atmosphere, slicing the resulting ingot, and homogenizing at 1000 ° C for one day in a vacuum. After that, it can be obtained by quenching in water. The deformation of the shape memory material and the transformation from paramagnetism to ferromagnetism are reversible and may have a predetermined hysteresis.
本実施形態における無端ベルト4は、図3に示されるように、形状記憶材料の箔または単結晶からなる層4pとエラストマ層4qとを交互に積層してなり、且つ鋸刃状又はジグザグに変形されたリボン状をなしている。無端ベルト4は、その互いに隣り合う谷部同士の間隔であるピッチpが、常温においては比較的大きい値をとる伸長状態となり、且つ変形温度(例えば30°C)より高温の領域においては比較的小さい値をとる縮退状態になるように、予め形状記憶されている。
As shown in FIG. 3, the endless belt 4 in the present embodiment is formed by alternately laminating layers 4p made of a shape memory material foil or a single crystal and an
温水供給器5は、例えば車載のラジエータ(不図示)からのエンジン冷却水などの温水を、連続的又は断続的に無端ベルト4に向けて供給可能にされている。温水供給器5からの温水は、無端ベルト4のうち低温側プーリ2から高温側プーリ3に至る直線状の部分4hに供給される。
The hot water supply device 5 can supply hot water such as engine cooling water from an on-vehicle radiator (not shown) to the endless belt 4 continuously or intermittently. Hot water from the hot water supplier 5 is supplied to a
冷水供給器6は、例えば冷水タンク(不図示)からの冷水を連続的又は断続的に無端ベルト4に向けて供給可能にされている。冷水供給器6からの冷水は、上記温水よりも低温であって、無端ベルト4のうち高温側プーリ3から低温側プーリ2に至る部分4cに供給される。
The cold water feeder 6 can supply cold water from a cold water tank (not shown), for example, continuously or intermittently toward the endless belt 4. The cold water from the cold water feeder 6 is supplied to a
永久磁石7は、高温側プーリ3の下方から、無端ベルト4のうち高温側プーリ3から低温側プーリ2に至る直線状の部分4cまでを覆うように、無端ベルト4の走行経路に沿ってその外側に配置されており、その磁界が無端ベルト4に作用可能にされている。永久磁石7は磁石台16に固定され、また磁石台16及び支柱11は基台17に固定されている。
The
以上の構成において、いま、温水供給器5からの温水が無端ベルト4の高温部分4hに供給され、かつ冷水供給器からの冷水が無端ベルト4の低温部分4cに供給されると、高温部分4hの少なくとも一部の温度がその含有する形状記憶材料の変形温度及び磁性変化温度を越えて上昇し、無端ベルトは予め記憶された縮退状態に変形すると共に、形状記憶材料の磁気的性質が常磁性(M相)から強磁性(A相)に変化する。他方、低温部分4cの少なくとも一部の温度は、冷却によって変形温度及び磁性変化温度を下回って、伸長状態かつ常磁性(M相)に復帰する。
In the above configuration, when the hot water from the hot water supply device 5 is supplied to the
高温部分4hの縮退に伴い発生する力は、低温側プーリ2と高温側プーリ3とを対向方向に回転させる向きに作用するが、低温側プーリ2の半径rcが高温側プーリ3の半径rhよりも大であるため、低温側トルクFcが高温側トルクFhよりも大となり、無端ベルト4には図中R方向の回転力が生じる。また、高温部分4hの磁気的性質が強磁性、且つ低温部分4cが常磁性となるため、永久磁石7の吸引力により、無端ベルト4には同じく図中R方向の回転力が生じる。したがって、熱磁気エンジン1は温水及び冷水の供給が継続している間、図中R方向に回転することになる。
The force generated by the contraction of the
以上のとおり、第1実施形態では、無端ベルト4に含まれる形状記憶材料に、予め記憶された形状への復元力を発生する変形温度と、常磁性から強磁性に変化する磁性変化温度とがほぼ等しい材料を用いたので、温水供給器5(熱付与手段)による加熱、及び永久磁石7(磁力付与手段)による磁界が無端ベルト4に作用すると、無端ベルト4には予め記憶された形状への復元力と、常磁性から強磁性への磁性の変化とがほぼ等しい温度で生じる。したがって、形状記憶特性と熱磁気特性との両者を、加熱及び冷却の温度幅の比較的小さい運転サイクルによって同時に利用することができる。このことはエネルギ効率及び回転速度の向上に寄与しうる。 As described above, in the first embodiment, the shape memory material included in the endless belt 4 has a deformation temperature that generates a restoring force to a previously stored shape and a magnetic change temperature that changes from paramagnetic to ferromagnetic. Since substantially the same material is used, when the heating by the hot water supply device 5 (heat applying means) and the magnetic field by the permanent magnet 7 (magnetic force applying means) act on the endless belt 4, the endless belt 4 has a shape stored in advance. And the change in magnetism from paramagnetism to ferromagnetism occur at substantially the same temperature. Therefore, both shape memory characteristics and thermomagnetic characteristics can be utilized simultaneously by an operation cycle having a relatively small temperature range for heating and cooling. This can contribute to improvement in energy efficiency and rotation speed.
また本実施形態では、図4において実線aで示されるように、キュリー点よりも低温の領域Iにおいて温度上昇に伴って常磁性(マルテンサイト相、M相)から強磁性(オーステナイト相、A相)への磁性変化が生じる材料の性質を利用することによって、動作温度をキュリー点近傍の領域IIよりも比較的低い値に設定することが可能になる。このことはエネルギ効率及び装置の耐久性において有利である。 In this embodiment, as indicated by a solid line a in FIG. 4, paramagnetic (martensite phase, M phase) to ferromagnetism (austenite phase, A phase) as the temperature rises in a region I lower than the Curie point. It is possible to set the operating temperature to a relatively lower value than the region II in the vicinity of the Curie point. This is advantageous in terms of energy efficiency and device durability.
また本実施形態では、永久磁石7(磁力付与手段)は、温水供給器5(熱付与手段)に対し無端ベルト4の走行方向に隣接して配置されるので、温水供給器5による加熱が進行し磁性が強まった状態の無端ベルト4の部分に、永久磁石7からの磁界が作用する。したがって、磁界による回転力を好適に付与することができる。
Moreover, in this embodiment, since the permanent magnet 7 (magnetic force provision means) is arrange | positioned adjacent to the running direction of the endless belt 4 with respect to the warm water supply device 5 (heat provision means), the heating by the warm water supply device 5 advances. The magnetic field from the
次に、本発明の第2実施形態について説明する。図5ないし図9に示される第2実施形態の熱磁気エンジン101は、低温側プーリ102及び高温側プーリ103と、当該一対のプーリ102,103に巻回された無端ベルト104と、無端ベルト104に対し作用可能に配置された温水槽105とを備えている。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. A
低温側プーリ102は高温側プーリ103よりも大径である(rc>rh)。低温側プーリ102の軸線は、高温側プーリ103の軸線と平行且つその鉛直上方からシフトした位置に配置されている。低温側プーリ102は軸112に固定されており、軸112は支柱111(図6参照)に設けられた軸受113によって回転可能に支持されている。高温側プーリ103は、出力軸114に固定されており、出力軸114は支柱111に設けられた軸受115によって回転可能に支持されている。低温側プーリ103は中実であっても中空であってもよい。
The low
無端ベルト104は、形状記憶材料を含有する。本実施形態で使用される形状記憶材料としては、第1実施形態における無端ベルト104と同様のものを用いるのが好適である。本実施形態における無端ベルト104は、例えば形状記憶材料の粒子104pをエラストマ中に分散させたもの(図7)、形状記憶材料の線状成形品104qを束ねてエラストマを含浸させたもの(図8)、あるいは形状記憶材料の箔からなる層104rとエラストマ層104sとを交互に積層したもの(図9)を採用することができるが、これらに限られない。無端ベルト104は、常温においては比較的柔軟(低ヤング率)であり、且つ変形温度(例えば30°C)より高温の領域においては比較的硬質(高ヤング率)な直線状、あるいはプーリ102,103の弧状輪郭と逆向きの逆r形状になるように、予め形状記憶されている。
The
温水槽105は、例えば車載のラジエータ(不図示)からのエンジン冷却水などの温水が連続的に供給されるように構成されている。温水槽105の温水の水位は高温側プーリ103の一部、特に無端ベルト104が高温側プーリ103から回出する部位103aが浸されるように設定されている。
The
低温側プーリ102の周面に沿って、且つ周面の内側に、円筒形の永久磁石107が低温側プーリ102と一体的に配置されている。永久磁石107からの磁界は、無端ベルト104に対して作用可能となっている。
A cylindrical
以上の構成において、いま、温水槽105内の温水からの熱が無端ベルト104に作用すると、無端ベルト104のうち温水に浸された高温部分104hの少なくとも一部の温度がその含有する形状記憶材料の変形温度及び磁性変化温度を越えて上昇し、予め記憶された直線形状又は逆r形状に変形すると共に、形状記憶材料の磁気的性質が常磁性(M相)から強磁性(A相)に変化する。他方、無端ベルト104のうちの残余の部分である低温部分の少なくとも一部の温度は、外気による冷却によって変形温度及び磁性変化温度を下回って、軟質かつ常磁性(M相)に復帰する。
In the above configuration, when the heat from the hot water in the
高温部分104hの変形に伴う曲げモーメントは、無端ベルト104の下側直線部分104sを図中二点鎖線104s’のように外側に膨出させるように作用するが、その際の無端ベルト104全体の張力は、直線形状または逆r形状になろうとする無端ベルト104の部分がプーリ102,103の共通接線領域に位置する安定な姿勢に移行する方向に作用するため、無端ベルト104には図中R方向の回転力が生じる。また、高温部分4hの磁気的性質が強磁性、且つ残余の部分である低温部分が常磁性となるため、永久磁石107の吸引力により、無端ベルト104には同じく図中R方向の回転力が生じる。したがって、熱磁気エンジン1は温水の供給が継続している間、図中R方向に回転することになる。
The bending moment accompanying the deformation of the
以上のとおり、第2実施形態では、無端ベルト104に含まれる形状記憶材料に、予め記憶された形状への復元力を発生する変形温度と、常磁性から強磁性に変化する磁性変化温度とがほぼ等しい材料を用いたので、上記第1実施形態と同様に、形状記憶特性と熱磁気特性との両者を、加熱及び冷却の温度幅の比較的小さい運転サイクルによって同時に利用することができる。このことはエネルギ効率及び回転速度の向上に寄与しうる。
As described above, in the second embodiment, the shape memory material included in the
また本実施形態では、永久磁石107(磁力付与手段)は、温水槽105(熱付与手段)に対し無端ベルト104の走行方向に隣接して配置されるので、温水槽105による加熱が進行し磁性が強まった状態の無端ベルト104の部分に、永久磁石107からの磁界が作用する。したがって、磁界による回転力を好適に付与することができる。
In the present embodiment, the permanent magnet 107 (magnetic force applying means) is arranged adjacent to the hot water tank 105 (heat applying means) in the traveling direction of the
また本実施形態では、永久磁石107(磁力付与手段)を、無端ベルト104によって画成される領域の内側に配置したので、磁力付与手段の設置スペースを抑制できると共に、高温側プーリ103から回出する部位103aの近傍で無端ベルト104を高温側プーリ103に引き付ける作用により、滑りを抑制することができる。
In this embodiment, since the permanent magnet 107 (magnetic force applying means) is disposed inside the region defined by the
また本実施形態では、一対のプーリ102,103のうち一方である高温側プーリ103の近傍に温水槽105(熱付与手段)が配置され、他方である低温側プーリ102の近傍に永久磁石107(磁力付与手段)が配置される。従って、無端ベルトが高温にされて磁性が強まった状態で低温側プーリ102に回入するため、無端ベルト104の滑りを好適に抑制することができる。
In the present embodiment, a hot water tank 105 (heat application means) is disposed in the vicinity of one of the pair of
また本実施形態では、永久磁石107を低温側プーリ102の周面に沿って配置し、且つ低温側プーリ102の周面の内側に環状に配置したので、磁力付与手段の設置スペースを抑制できる。
Moreover, in this embodiment, since the
さらに、第2実施形態における永久磁石107に代えて、もしくはこれに加えて、無端ベルト104の走行経路に沿うその内側であって、高温部分104hに隣接する固定位置に、永久磁石117(図5参照)を配置してもよい。この場合には永久磁石117の吸引力によりプーリ102への巻きかけ角を大きくすることができ、無端ベルト104の滑りを好適に抑制することができる。
Further, instead of or in addition to the
また、図10及び図11に示される変形例の熱磁気エンジン121のように、低温側プーリ102の内部に内部鉄心127を設けると共に、低温側プーリ102の外周面に沿って無端ベルト104の軌道を覆うように、永久磁石128及び外部鉄心129からなる磁路形成器130を配置してもよい。この場合には、永久磁石128・外部鉄心129及び内部鉄心127を通じる磁路の形成が促進されるため、無端ベルト104に対して更に好適に磁力を付与することができる。
10 and 11, the
次に、本発明の第3実施形態について説明する。図12に示される第3実施形態の熱磁気エンジン201は、プーリ202と、当該のプーリ202に巻回された無端ベルト204と、無端ベルト204に対し作用可能に配置された温水槽205を備えている。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. A
無端ベルト204は、上述した第1実施形態における無端ベルト4と同様の形状記憶材料を含み、且つ波状又はジグザグに屈曲された構造を有するが、多数の錘204aが固定されている点でこれと異なる。無端ベルト204は、変形温度(例えば30°C)より高温の領域においては縮退して錘204aの間隔(ピッチ)が比較的小さい値p1となるように、予め形状記憶されている。変形温度以下の常温においては無端ベルト204は伸長し、錘204aのピッチは比較的大きい値p2となる。錘204aのピッチは同一温度において無端ベルト204の全体にわたり等間隔である。
The
プーリ202は、その全体が温水槽205の水面よりも高い位置に配置されている。プーリ202は出力軸212に固定されている。プーリ202の周面には、錘204aが係合するための多数の凹部202aが形成されており、凹部202aは無端ベルト204が伸長した状態のピッチに対応する等角度間隔に配置されている。
The
温水槽205は、例えば車載のラジエータ(不図示)からのエンジン冷却水などの温水が連続的に供給されるように構成されている。温水は供給口205aから温水層205に入り、排出口205bから排出される。温水槽205内には、高温側205hと低温側205cとを隔てるスペーサ205d、及び無端ベルト204を案内する2つの筒状のガイド205eが配置されている。
The hot water tank 205 is configured to be continuously supplied with hot water such as engine cooling water from an on-vehicle radiator (not shown), for example. The hot water enters the hot water layer 205 from the
高温側205hと低温側205cとの中間部である温水槽205の底部に、無端ベルト204がその中を通る螺旋状の冷却パイプ206、及び同じく無端ベルト204がその中を通る筒状の永久磁石207が配置されている。冷却パイプ206は、外部から冷水が供給されて無端ベルト204を変形温度及び磁性変化温度以下に冷却可能である。永久磁石207はその磁界が無端ベルト204に作用可能である。
A
以上の構成において、いま、温水槽205の温水からの熱が無端ベルト204に作用すると、無端ベルト204のうち高温側にある無端ベルト204の高温部分の少なくとも一部の温度がその含有する形状記憶材料の変形温度及び磁性変化温度を越えて上昇し、予め記憶された縮退形状に変形すると共に、形状記憶材料の磁気的性質が常磁性(M相)から強磁性(A相)に変化する。他方、無端ベルト104のうちの残余の部分である低温部分の少なくとも一部の温度は、冷却パイプ206の冷却によって変形温度及び磁性変化温度を下回って、伸長状態かつ常磁性(M相)に復帰する。
In the above configuration, when the heat from the hot water in the hot water tank 205 acts on the
高温部分の縮退に伴って、錘204aのピッチがp2からp1に縮小すると、高温側205hに存在する錘204aの個数が低温側205cに比して大きくなるため、錘204aの自重によって、プーリ202には図中R方向の回転力が生じる。したがって、熱磁気エンジン201は温水の供給が継続している間、図中R方向に回転することになる。
When the pitch of the
以上のとおり、第3実施形態では、無端ベルト204に含まれる形状記憶材料に、予め記憶された形状への復元力を発生する変形温度と、常磁性から強磁性に変化する磁性変化温度とがほぼ等しい材料を用いたので、上記第1実施形態と同様に、形状記憶特性と熱磁気特性との両者を、加熱及び冷却の温度幅の比較的小さい運転サイクルによって同時に利用することができる。このことはエネルギ効率及び回転速度の向上に寄与しうる。
As described above, in the third embodiment, the shape memory material included in the
また本実施形態では、永久磁石207(磁力付与手段)は、無端ベルト204の走行方向に関して温水槽205の高温側205h(熱付与手段)に対し無端ベルト104の走行方向に隣接して、冷却パイプ206とほぼ等しい位置に配置されるので、高温側205hによる加熱が進行し磁性が強まった状態の無端ベルト204の部分に、永久磁石207からの磁界が作用する。したがって、磁界による回転力を好適に付与することができる。
In this embodiment, the permanent magnet 207 (magnetic force applying means) is adjacent to the traveling direction of the
次に、本発明の第4実施形態について説明する。図13に示される第4実施形態の熱磁気エンジン301は、それぞれ回転可能に支持された第1プーリ302及び第2プーリ303と、当該一対のプーリ302,303に巻回された無端ベルト304と、無端ベルト304に対し作用可能に配置された温水槽305とを備えている。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The
第1プーリ302と第2プーリ303とは同径であり、且つ軸の高さ位置が互いに等しい。本実施形態では、形状記憶材料を含む無端ベルト304及びこれを巻回するプーリ302,303(半径r0)とは別に、無端の伝達ベルト324及びこれを巻回する大径伝達プーリ322(半径r1),小径伝達プーリ323(半径r2)が用いられる。第1プーリ302には大径伝達プーリ322が、また第2プーリ303には小径伝達プーリ323がそれぞれ同軸に固定されている。第1プーリ302と第2プーリ303の軸受部の摩擦抵抗は互いに等しくされている。
The
第1プーリ302と第2プーリ303との下側に位置する無端ベルト304の下側直線部分304hは、温水槽305内の温水(不図示)に浸されている。他方、第1プーリ302と第2プーリ303との上側に位置する無端ベルト304の直線部分は、3個のアイドラプーリ432によって走行経路が下向きに湾曲され、冷水層306内の冷水(不図示)に浸されている。
A lower
無端ベルト304は、形状記憶材料を含有する。本実施形態で使用される形状記憶材料としては、第1実施形態における無端ベルト4と同様のものを用いるのが好適である。また、無端ベルト304の構造は、第2実施形態における無端ベルト104と同様とするのが好適である。無端ベルト304の上側直線部分の下側、及び下側直線部分の下側には、垂れ下がりを抑制するための支持板306,308が配置されている。
The
温水槽305は、例えば車載のラジエータ(不図示)からのエンジン冷却水などの温水が連続的に供給されるように構成されている。温水槽305の温水の水位はプーリ302,303の一部、特に無端ベルト304がプーリ302,303から回出する部位が浸されるように設定されている。
The
第1プーリ302の周面の上側を含む無端ベルト304の軌道に沿って、永久磁石307が配置されている。永久磁石307からの磁界は、無端ベルト304に対して作用可能となっている。
A
なお第4実施形態では、軸方向に互いに並列に配置された多数の無端ベルト304が用いられており、プーリ302,303はこれら多数の無端ベルト304が巻回されるように多条溝付プーリとなっている。またプーリ302,303のいずれか一方の軸(不図示)は出力軸とされている。
In the fourth embodiment, a large number of
以上の構成において、いま、温水槽305の温水からの熱が無端ベルト304に作用すると、無端ベルト304のうち温水に浸された下側直線部分304h(高温部分)の少なくとも一部の温度がその含有する形状記憶材料の変形温度及び磁性変化温度を越えて、予め記憶された直線形状又は逆r形状に変形すると共に、形状記憶材料の磁気的性質が常磁性(M相)から強磁性(A相)に変化する。他方、無端ベルト304のうちの残余の部分である低温部分の少なくとも一部の温度は、冷却によって変形温度及び磁性変化温度を下回って、軟質かつ常磁性(M相)に復帰する。
In the above configuration, when the heat from the hot water in the
高温部分である下側直線部分304hの変形に伴う曲げモーメントは、下側直線部分304hを図中下側に膨出させるように作用し、その際の無端ベルト304全体の張力は、直線形状になろうとする無端ベルト304の部分がプーリ302,303の間の直線領域に位置する安定な姿勢に移行する方向に作用する。ここで、大径伝達プーリ322の半径r1が、小径伝達プーリ323の半径r2よりも大であるため、大径伝達プーリ322の抗力が相対的に大となり、無端ベルト304には図中R方向の回転力が生じる。また、高温となる下側直線部分304hの磁気的性質が強磁性、且つ残余の部分である低温部分が常磁性となるため、永久磁石307の吸引力により、無端ベルト304には同じく図中R方向の回転力が生じる。したがって、熱磁気エンジン301は温水の供給が継続している間、図中R方向に回転することになる。
The bending moment accompanying the deformation of the lower
以上のとおり、第4実施形態では、無端ベルト304に含まれる形状記憶材料に、予め記憶された形状への復元力を発生する変形温度と、常磁性から強磁性に変化する磁性変化温度とがほぼ等しい材料を用いたので、上記第1実施形態と同様に、形状記憶特性と熱磁気特性との両者を、加熱及び冷却の温度幅の比較的小さい運転サイクルによって同時に利用することができる。このことはエネルギ効率及び回転速度の向上に寄与しうる。
As described above, in the fourth embodiment, the shape memory material included in the
また本実施形態では、永久磁石307(磁力付与手段)は、温水槽305(熱付与手段)に対し無端ベルト304の走行方向に隣接して配置されるので、温水槽305による加熱が進行し磁性が強まった状態の無端ベルト304の部分に、永久磁石307からの磁界が作用する。したがって、磁界による回転力を好適に付与することができる。
In the present embodiment, the permanent magnet 307 (magnetic force applying means) is disposed adjacent to the hot water tank 305 (heat applying means) in the traveling direction of the
なお、上記各実施形態では、本発明をある程度の具体性をもって説明したが、本発明については、特許請求の範囲に記載された発明の精神や範囲から離れることなしに、さまざまな改変や変更が可能であることは理解されなければならない。すなわち、本発明は特許請求の範囲およびその等価物の範囲および趣旨に含まれる修正および変更を包含するものである。例えば、形状記憶材料の変形温度及び熱磁気材料の磁性変化温度は互いに同一である場合に限らず、所定の誤差範囲内で一致すればよい。また、磁力付与手段としては永久磁石に代えて電磁石を用いてもよい。また熱付与手段としてはエンジン冷却水以外の熱源、例えばエンジンの排気管やオイルパンからの熱を用いてもよく、そのような変形も本発明の範疇に属するものである。 In the above embodiments, the present invention has been described with a certain degree of concreteness, but various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims. It must be understood that it is possible. That is, the present invention includes modifications and changes that fall within the scope and spirit of the appended claims and their equivalents. For example, the deformation temperature of the shape memory material and the magnetic change temperature of the thermomagnetic material are not limited to the same, but may be the same within a predetermined error range. Moreover, as a magnetic force provision means, it may replace with a permanent magnet and may use an electromagnet. Further, as the heat applying means, a heat source other than the engine cooling water, for example, heat from an engine exhaust pipe or an oil pan may be used, and such a modification belongs to the category of the present invention.
1,101,121,201,301 熱磁気エンジン
2,102 低温側プーリ
3,103 高温側プーリ
4,104,204,304 無端ベルト
5 温水供給器
6 冷水供給器
7,107,117,128,207,307 永久磁石
14,114,212 出力軸
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101,121,201,301 Thermomagnetic engine 2,102 Low temperature side pulley 3,103 High temperature side pulley 4,104,204,304 Endless belt 5 Hot water supply device 6 Cold water supply device 7,107,117,128,207 , 307
Claims (6)
前記無端ベルトに対し作用可能に配置された熱付与手段及び磁力付与手段と、
を備え、
前記材料は、前記変形温度と前記磁性変化温度とがほぼ等しいことを特徴とする熱磁気エンジン。 A shape memory characteristic that generates a restoring force to a pre-stored shape as the temperature rises above a predetermined deformation temperature, and a thermomagnetic characteristic that changes from paramagnetic to ferromagnetic as the temperature rises above a predetermined magnetic change temperature. An endless belt comprising a material having;
A heat application means and a magnetic force application means arranged so as to act on the endless belt;
With
The thermomagnetic engine, wherein the material has the deformation temperature and the magnetic change temperature substantially equal.
前記磁力付与手段は、前記熱付与手段に対し前記無端ベルトの走行方向に関し隣接して配置されていることを特徴とする熱磁気エンジン。 The thermomagnetic engine according to claim 1,
The thermomagnetic engine, wherein the magnetic force applying means is disposed adjacent to the heat applying means in the traveling direction of the endless belt.
前記磁力付与手段は、前記無端ベルトによって画成される領域の内側に配置されていることを特徴とする熱磁気エンジン。 The thermomagnetic engine according to claim 1 or 2,
The thermomagnetic engine, wherein the magnetic force applying means is disposed inside a region defined by the endless belt.
前記無端ベルトは一対のプーリに巻回されており、
当該一対のプーリのうちの一方のプーリの近傍に前記熱付与手段が配置され、他方のプーリの近傍に前記磁力付与手段が配置されていることを特徴とする熱磁気エンジン。 The thermomagnetic engine according to any one of claims 1 to 3,
The endless belt is wound around a pair of pulleys;
A thermomagnetic engine characterized in that the heat applying means is arranged in the vicinity of one pulley of the pair of pulleys, and the magnetic force applying means is arranged in the vicinity of the other pulley.
前記磁力付与手段は前記他方のプーリの周面に沿って配置されていることを特徴とする熱磁気エンジン。 The thermomagnetic engine according to claim 4,
The thermomagnetic engine, wherein the magnetic force applying means is disposed along a peripheral surface of the other pulley.
前記磁力付与手段は前記他方のプーリの周面の内側に環状に配置されていることを特徴とする熱磁気エンジン。 The thermomagnetic engine according to claim 4,
The thermomagnetic engine, wherein the magnetic force applying means is annularly arranged inside the peripheral surface of the other pulley.
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