JP5708239B2 - 熱エンジン - Google Patents

Description

本発明は、形状記憶合金を用いた熱エンジンに関する。

熱エネルギを電気エネルギ、機械エネルギに変換する装置としては、例えば、コイルバネ形状の形状記憶合金の加熱、冷却を交互に行い、伸縮させ、伸縮するエネルギを電気エネルギ、機械エネルギに変換する（特許文献１および特許文献２参照）。

特開昭６２−６３１８６号公報 特開平２−１４９７７３号公報

ここで、特許文献１や特許文献２に記載されている装置のように、形状記憶合金の加熱、冷却の熱源に水等の液体を用いる構成では、使用場所、用途が限定される。また、特許文献１や特許文献２に記載されている装置のように形状記憶合金をコイルバネ形状にすることで加熱、冷却で生じるひずみを大きくすることができるが、加熱、冷却の効率の向上に限界がある。また、コイルバネ形状の形状記憶合金は、断面の内部と外部とで温度に差ができ、生じるひずみエネルギが不均一になり、変形により生じるエネルギの一部が損失となる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱エネルギを効率よく他のエネルギに変換することができる熱エンジンを提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、熱エンジンであって、土台と、前記土台に直接または他の部材を介して支持され、支持された部分とは異なる部分が往復移動可能な振動子と、前記土台と前記振動子とに直接または他の部材を介して連結され、前記往復移動する方向とは異なる方向に伸縮することで前記振動子とともに往復移動する形状記憶部材と、前記形状記憶部材が往復移動する領域の一方の端部に前記形状記憶部材に対面して配置され、前記形状記憶部材を変態温度よりも高い温度に加熱する加熱部と、を有し、前記形状記憶部材は、前記加熱部に近づき加熱され、前記変態温度よりも低い温度から前記変態温度よりも高い温度に加熱されると長さが縮み、前記振動子とともに前記加熱部から離れる方向に移動し、前記加熱部から離れて冷却され、前記変態温度よりも高い温度から前記変態温度よりも低い温度に冷却されると長さが伸び、前記振動子とともに前記加熱部に近づく方向に移動することを特徴とする。

ここで、前記振動子は、前記支持されている部分が回動可能な状態で支持され、前記先端部が回動する振り子であることが好ましい。

また、前記振動子は、前記支持されている部分が回動できない状態で支持され、前記先端部が往復運動する弾性梁構造であることが好ましい。

また、前記形状記憶部材は、形状記憶合金で形成された一本以上のワイヤ若しくは形状記憶合金で形成された薄板あることが好ましい。

また、前記加熱部は、前記形状記憶部材と対面する面に前記加熱部に近づいた前記形状記憶部材と接触する前記変態温度よりも高い温度の高温伝熱面を有し、前記高温伝熱面は、平面または前記形状記憶部材側に凸の曲面であることが好ましい。

また、前記形状記憶部材が往復移動する方向において、前記加熱部に対して所定距離離れた位置に配置され、前記形状記憶部材を前記変態温度よりも低い温度に冷却する冷却部をさらに有することが好ましい。

また、前記冷却部は、前記形状記憶部材と対面する面に前記冷却部に近づいた前記形状記憶部材と接触する前記変態温度よりも低い温度の低温伝熱面を有し、前記低温伝熱面は、平面または前記形状記憶部材側に凸の曲面であることが好ましい。

また、前記振動子の往復運動を回転運動に変換する動力伝達部をさらに有することが好ましい。

また、前記振動子の往復運動で発生するエネルギを電気エネルギに変換する発電機をさらに有することが好ましい。

本発明にかかる熱エンジンは、熱エネルギを効率よく他のエネルギに変換することができるという効果を奏する。

図１は、熱エンジンの一実施形態の概略構成を示す斜視図である。 図２は、図１に示す熱エンジンの概略構成を示す正面図である。 図３は、図１に示す熱エンジンの動作を説明するための説明図である。 図４は、熱エンジンの他の実施形態の概略構成を示す斜視図である。 図５は、熱エンジンの他の実施形態の概略構成を示す斜視図である。 図６は、図５に示す熱エンジンの他の状態の概略構成を示す斜視図である。 図７は、形状記憶部材の概略構成を示す説明図である。

以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。本実施形態の熱エンジンは、形状記憶部材（形状記憶合金）の加熱と冷却を繰り返し、熱エネルギを他のエネルギ（機械エネルギ、電気エネルギ）に変換する装置であるが、形状記憶部材を加熱する加熱源として種々の熱源を用いることができる。例えば、加熱源としては、エンジン、ガスタービン、ボイラの排熱や、太陽光や地熱などの自然エネルギで生成される熱等を用いることができる。

図１は、熱エンジンの一実施形態の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す熱エンジンの概略構成を示す正面図である。図１および図２に示すように、熱エンジン１０は、土台１２と、熱エネルギを運動エネルギに変換する駆動部１４と、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部１６と、駆動部１４で生成された運動エネルギを発電部１６に伝達する動力伝達部１８と、を有する。土台１２は、駆動部１４と、発電部１６とを支持する支持部材であり、剛性の高い板状部材で構成されている。また、土台１２は、動力伝達部１８も間接的に支持している。

駆動部１４は、支持部２０と、振動子２２と、形状記憶部材２４と、コイルバネ２６と、加熱部２８と、冷却部３０と、を有する。支持部２０は、土台１２に固定された部材であり、振動子２２と加熱部２８と冷却部３０とを支持している。なお、支持部２０は、土台１２の一部としてもよい。

振動子２２は、細長い棒形状の部材であり、土台１２の表面に立てる向きつまり土台１２の表面から離れる方向が長手方向となる向きで配置されている。振動子２２は、基本的に変形しない剛体で形成されており、棒形状の土台１２側の端部近傍がヒンジ３２を介して支持部２０に支持されている。ヒンジ３２は、図２の紙面に垂直な軸（土台１２の表面に平行で振動子２２の延在方向に直交する軸）を中心として回転自在な状態で支持部２０と振動子２２とを連結している。また、振動子２２は、ヒンジ３２と連結している端部とは反対側の端部（支持部２０から離れている側の端部、先端部）の近傍に支持棒３４が配置されている。振動子２２は、ヒンジ３２を回転軸として、図２の紙面に垂直な軸（土台１２の表面に平行で振動子２２の延在方向に直交する軸）周りに一定の幅、具体的には加熱部２８と冷却部３０との間を往復運動する。

形状記憶部材２４は、形状記憶ワイヤ、つまり形状記憶合金で作成された細長い直線形状（一方向に延在する形状、アスペクト比が大きく異なる形状）の部材であり、一方の端部が振動子２２の支持棒３４に連結され、他方が土台１２に固定されたコイルバネ２６に連結されている。線状の部材は、例えば、径がφ０．１ｍｍ程度である。形状記憶部材２４を構成する形状記憶合金としては、合金変態点（変態温度）を持ち、変態温度より低温となると線方向（細長い直線形状の延在方向、長さ方向）に伸び、変態温度よりも高温となると線方向に縮む特性の形状記憶合金を用いることができる。つまり、形状記憶部材２４は、変態温度よりも低い温度から変態温度よりも高い温度に加熱されると長さが縮み、変態温度よりも高い温度から変態温度よりも低い温度に冷却されると長さが伸びる特性を備える物質である。また、形状記憶合金は、合金変態点（変態温度）が４０℃から６０℃となる物質を用いることが好ましい。具体的には形状記憶部材２４の形状記憶合金としては、ニッケルチタン（ＮｉＴｉ）の形状記憶合金を用いることができる。ニッケルチタン（ＮｉＴｉ）の形状記憶合金は、３０℃付近でＲ（Rhombohedral martensite）相の結晶構造、７０℃付近でオーステナイト相の結晶構造をとり、相変態により１％程度寸法変化を生じる。なお、形状記憶合金の変態温度は、組成、熱処理により調整可能である。したがって、熱エンジン１０は、使用条件（加熱部２８、冷却部３０の温度等）に対応して適切な変態温度の形状記憶合金を使用することが好ましい。

コイルバネ２６は、伸縮する弾性部材の引っ張りコイルバネであり、伸縮方向の一方の端部（コイルバネ基端２６ａ）が土台１２の支持部２０の近傍に固定され、他方の端部が形状記憶部材２４に連結されている。なお、コイルバネ２６は、ヒンジ３２よりも冷却部３０側（加熱部２８から離れた位置）に固定されている。コイルバネ２６をヒンジ３２よりも冷却部３０側に配置し、形状記憶部材２４の線をヒンジ３２に対してオフセットすることにより、形状記憶部材２４により振動子２２にトルクを与えることができる。コイルバネ２６は、自然長よりも長い状態で土台１２と形状記憶部材２４とに連結しており、形状記憶部材２４を土台１２側に引っ張る方向に付勢している。

加熱部２８は、振動子２２および形状記憶部材２４が往復移動する領域の一方の端部（図２中左側の端部）に配置され、形状記憶部材２４を変態温度よりも高い温度に加熱する。加熱部２８は、形状記憶部材２４が延在する方向に伸び、振動子２２の回転方向に直交する面が表面（面積が最も広い面）となる板状の部材であり、形状記憶部材２４と対面する面（形状記憶部材２４が往復運動した場合に接触する面）が高温伝熱面２９となる。加熱部２８は、高温伝熱面２９を図示しない熱源（ボイラ、エンジン、ガスタービンなどの廃熱）に含まれる熱エネルギにより加熱し高温伝熱面２９を形状記憶部材２４の変態温度（少なくとも変態開始温度、より好ましくは高温側の変態終了温度）より高温とする。

加熱部２８は、形状記憶部材２４に合金変態点（変態温度）が４０℃から６０℃となる物質を用いる場合、高温伝熱面２９を６０℃から８０℃の状態とする。また、形状記憶部材２４にニッケルチタン（ＮｉＴｉ）の形状記憶合金を用いる場合、加熱部２８は、高温伝熱面２９を少なくともオーステナイト相への変態開始温度よりも高温とし、好ましくはオーステナイト相への変態終了温度よりも高温とする。

高温伝熱面２９は、熱伝導性のシリコン樹脂など、柔軟で熱伝導性の高いシートが貼られた構成である。高温伝熱面２９は、平坦な平面としてもよいが、形状記憶部材２４が配置されている側に凸の曲面とすることが好ましい。なお、凸の曲面とする場合、形状記憶部材２４が配置されている側にわずかに凸となる形状とすることが好ましい。高温伝熱面２９を凸の曲面とすることで、形状記憶部材２４との接触時に形状記憶部材２４の接触端および支持棒３４との接続部において生じる曲げ、エッジ応力をより少なくすることができ、形状記憶部材２４の損傷を抑制することができる。

冷却部３０は、振動子２２および形状記憶部材２４が往復移動する領域の他方の端部（図２中右側の端部）に配置され、形状記憶部材２４を変態温度よりも低い温度に冷却する。冷却部３０は、形状記憶部材２４の熱を吸収する機構および吸収した熱を他に排出する機構を備え、形状記憶部材２４の熱を吸収する機構で、形状記憶部材２４の熱を吸収することで、形状記憶部材２４を冷却する。また、冷却部３０は、吸収した熱を他に排出する機構で吸収した熱を排出することで形状記憶部材２４の熱を吸収する機構による冷却機能を維持する。

冷却部３０は、形状記憶部材２４が延在する方向に伸び、振動子２２の回転方向に直交する面が表面（面積が最も広い面）となる板状の部材であり、形状記憶部材２４と対面する面（形状記憶部材２４が往復運動した場合に接触する面）が低温伝熱面３１となる。冷却部３０は、低温伝熱面３１が形状記憶部材２４の熱を吸収する機構となる。冷却部３０は、低温伝熱面３１を形状記憶部材２４の変態温度（少なくとも変態開始温度、より好ましくは低温側の変態終了温度）より低温とする。また、吸収した熱を他に排出する機構としては、空冷機構である冷却フィンや、水冷機構等を用いることができる。なお、冷却部３０は、エネルギ効率を向上させるため小型の熱エンジンでは駆動源を備えない冷却機構を用いることが好ましい。冷却部３０は、低温伝熱面３１の温度を、形状記憶部材２４の変態温度（少なくとも変態開始温度、より好ましくは低温側の変態終了温度よりわずかに低い温度）とすることが好ましい。冷却部３０を過剰に冷却し、低い温度としないことで、冷却に用いるエネルギを少なくすることができかつ加熱部２８の熱を奪うことを抑制することができ、効率を向上させることができる。また、形状記憶部材２４にニッケルチタン（ＮｉＴｉ）の形状記憶合金を用いる場合、冷却部３０は、低温伝熱面３１を少なくともＲ相への変態開始温度よりも低温とし、好ましくはＲ相への変態終了温度よりも低温とする。

低温伝熱面３１は、高温伝熱面２９と同様に、熱伝導性のシリコン樹脂など、柔軟で熱伝導性の高いシートが貼られた構成である。低温伝熱面３１は、平坦な平面としてもよいが、形状記憶部材２４が配置されている側に凸の曲面とすることが好ましい。また、低温伝熱面３１は、高温伝熱面２９よりも大きい曲率の曲面とすることが好ましい。低温伝熱面３１を凸の曲面とすることで、形状記憶部材２４との接触時に形状記憶部材２４の接触端および支持棒３４との接続部において生じる曲げ、エッジ応力をより少なくすることができ、形状記憶部材２４の損傷を抑制することができる。低温伝熱面３１を曲面とすることで、形状記憶部材２４の一部のみが冷却された場合に形状記憶部材２４が伸びてたるむことを抑制でき、形状記憶部材２４と低温伝熱面３１とがより接触しやすい状態として形状記憶部材２４の全体をより好適に冷却することができる。

また、本実施形態の低温伝熱面３１は、形状記憶部材２４が往復移動する周方向において、土台１２側が支持棒３４側よりも、加熱部２８側に突出した曲面である。これにより、低温伝熱面３１は、形状記憶部材２４の往復移動時に、土台１２側から徐々に形状記憶部材２４と接触する。これにより、冷却部３０は、低温伝熱面３１の形状によって形状記憶部材２４が冷却部３０に近づくに従って形状記憶部材２４の両端の最小道のりを増加させることができる。これにより、冷却部３０は、形状記憶部材２４の冷却が進むに従って、形状記憶部材２４の両端の最小道のりを増加させることができ、形状記憶部材２４がたるむことを抑制でき、形状記憶部材２４の全体を冷却することができる。

駆動部１４は、以上のような構成であり、振動子２２および形状記憶部材２４が加熱部２８側にある（形状記憶部材２４が加熱部２８に接触している）場合、加熱部２８で形状記憶部材２４を変態温度より高い温度に加熱し形状記憶部材２４を縮めることで、振動子２２を冷却部３０側に移動させ、振動子２２および形状記憶部材２４が冷却部３０側にある（形状記憶部材２４が冷却部３０に接触している）場合、冷却部３０で形状記憶部材２４を変態温度より低い温度に冷却し形状記憶部材２４を伸ばすことで、振動子２２を加熱部２８側に移動させる。駆動部１４は、このようにして振動子２２を加熱部２８と冷却部３０との間で往復運動させる。なお、駆動部１４の動作については後ほど詳細に説明する。

発電部１６は、回転されることで電気エネルギを生成する機構であり支持部４０と、発電機４２と、を有する。支持部４０は、土台１２に固定されており、発電機４２を支持している。発電機４２は、ロータ４４と、ステータ４６と、を有し、ロータ４４とステータ４６とが相対的に回転されることで電気エネルギを発生させる機構である。発電機４２は、ステータ４６が支持部４０に固定されており、ロータ４４が回転されることで電気エネルギを発生させる。

動力伝達部１８は、駆動部１４と発電部１６とを連結し、駆動部１４の振動子２２の往復運動を回転運動に変換して発電部１６に伝達する機構であり、連結棒５０と、クランク５２と、を有する。連結棒５０は、基本的に変形しない剛体で形成されており、一方の端部にベアリング５４が配置され、他方の端部にベアリング５６が配置されている。ベアリング５４は、振動子２２の中腹部（ヒンジ３２と支持棒３４との間）に形成された突起部と回転可能な状態で連結している。また、ベアリング５６は、クランク５２と回転可能な状態で連結している。

クランク５２は、発電部１６のロータ４４とベアリング５６とに連結されている。具体的には、クランク５２は、ロータ４４の回転軸に直交する方向に延在する棒状の部材であり、ロータ４４の回転中心に固定されている。また、クランク５２は、棒状の部材のロータ４４の回転中心から一定距離離れた部分がベアリング５６に回転自在の状態で連結されている。なお、クランク５２のベアリング５６と連結する部分は、ロータ４４の回転軸に平行な方向に延在する棒状の部材である。

動力伝達部１８は、以上のような構成であり、振動子２２が往復運動することで、連結棒５０が図２中左右方向に移動し、連結棒５０と連結しているクランク５２が回転する。クランク５２が回転することで、ロータ４４が回転する。このように、動力伝達部１８は、振動子２２の揺動運動（往復運動）をロータ４４の回転運動へと変換する。また、動力伝達部１８は、振動子２２の往復ストロークを規定している。つまり、距離が変化しない連結棒５０で回転するクランク５２と振動子２２とを連結することで、振動子２２が移動可能な領域をクランク５２の回転する範囲に規制している。なお、本実施形態では、図２における振動子２２の左ストロークの終端で、形状記憶部材２４の両端を結ぶ線が土台１２に対して略垂直となり、クランク５２と連結棒５０が土台１２と略平行となる（以下、この位置をクランク角０°とする。）。熱エンジン１０は以上のような構成である。

次に、図３を用いて、熱エンジン１０の動作について説明する。ここで、図３は、図１に示す熱エンジンの動作を説明するための説明図である。ステップＳ１のように、振動子２２が左ストローク端部付近へ移動すると、つまりクランク角０°の場合、形状記憶部材２４は、加熱部２８の高温伝熱面２９に接触する。

ステップＳ１の状態で加熱部２８の高温伝熱面２９の熱が形状記憶部材２４に伝わると、形状記憶部材２４が縮む。この縮みは、形状記憶部材２４のひずみエネルギとコイルバネ２６のひずみエネルギとして蓄積される。形状記憶部材２４がヒンジ３２よりも冷却部３０側に配置されたコイルバネ２６と連結されており冷却部３０側にオフセットされているため、蓄積されたエネルギは、振動子２２を右方向（冷却部３０側）に回すトルクを生む。振動子２２を右方向（冷却部３０側）に回すトルクが生じると、ステップＳ２に示すように、振動子２２は右方向（冷却部３０側）に移動する。このトルクにより振動子が右方向へ動き出すと、振動子２２は形状記憶部材２４とコイルバネ２６に蓄えられたひずみエネルギを得ながら加速し、ステップＳ２からステップＳ３の状態へと進み、形状記憶部材２４が冷却部３０と接触する位置まで移動する。振動子２２がステップＳ１からステップＳ３の状態まで移動すると、クランク５２もクランク角０°の状態（ステップＳ１）からクランク角９０°の状態（ステップＳ２）を経て、クランク角１８０°の状態（ステップＳ３）まで回転する。発電機４２は、クランク５２によりロータ４４が回転され、振動子２２の運動を止めない程度にトルクを発生しながら、エネルギを受けて回転し発電を行う。

ここで、ステップＳ３は、振動子２２の右ストローク端である。ステップＳ３の位置よりクランク角がわずかに手前（１８０°未満で１８０°の近傍の角度）になると、形状記憶部材２４は、低温伝熱面３１に接触し始め、冷却され伸びる。また、クランク５２と発電機４２のロータ４４が慣性により回転し続けようとし、クランク角１８０°以上となる。これにより、振動子２２は、連結棒５０との拘束によりクランク５２から加熱部２８側に移動する方向の力を受け、移動方向を加熱部２８側に反転させ、ステップＳ４に示すように加熱部２８側に移動する。このとき、形状記憶部材２４は、冷却されて伸びているので、振動子２２が形状記憶部材２４から受ける力がなくなる、もしくは行き工程（ステップＳ１からステップＳ３までの工程）より弱くなる。したがって、ステップＳ１の位置まで移動する。その後、再び形状記憶部材２４が加熱部２８により加熱され、上述したステップＳ１からの動作を行う。以上により、熱エンジン１０は、ステップＳ１からステップＳ４の動作を繰り返す熱サイクルが成立し、熱エネルギを電気エネルギとして連続して取り出すことが可能となる。

このように、熱エンジン１０は、形状記憶部材２４が加熱部２８に近づき加熱され、変態温度よりも低い温度から変態温度よりも高い温度に加熱されると長さが縮み、振動子２２とともに加熱部２８から離れる方向に移動し、形状記憶部材２４が加熱部２８から離れて冷却され、変態温度よりも高い温度から変態温度よりも低い温度に冷却されると長さが伸び、振動子２２とともに加熱部２８に近づく方向に移動する構成とすることで、加熱部２８で取得した熱エネルギを振動子２２の運動エネルギとして取り出すことができる。また、熱エンジン１０は、振動子２２の往復運動を動力伝達部１８で発電部１６に伝達し電磁誘導作用によって電気エネルギに変換することで、運動エネルギを電気エネルギとして取り出すことができる。

また、熱エンジン１０は、形状記憶部材２４を細長い直線形状とすることで、例えば径をφ０．１ｍｍ程度の細いワイヤとすることで、体積あたりの接触面積を大きくすることができ、すばやい伝熱が可能で、動作を速くし効率を向上させることができる。なお、形状記憶部材２４は、上述した細長い直線形状のワイヤを多数配置してもよい。この場合、複数のワイヤは、振動子２２の回転軸に平行な方向に並列に配置することが好ましい。これにより、振動子２２の回転軸に直交する平面（図２の向きで見た場合）において、複数のワイヤが同一位置となり、往復運動時の動作が一定となる。つまり、複数のワイヤを加熱部２８で同様に加熱し、冷却部３０で同様に冷却することができる。これにより、各ワイヤで生じる伸縮動作のタイミングを同期させることができ、ひずみエネルギの損失を抑制することができる。これにより、形状記憶部材２４の表面積、加熱部２８、冷却部３０との接触面積を大きくすることができ、すばやい熱伝達による高速動作と大きな力の取り出しの両立が可能となる。また、ワイヤではなく、薄板を用いてもよい。薄板を用いる場合も、振動子２２の回転軸に平行な方向が板の幅方向（面積の最も大きい面の短手方向）となる向きで配置することが好ましい。これにより、形状記憶部材２４の体積あたりの表面積、加熱部２８、冷却部３０との接触面積を大きくすることができ、すばやい熱伝達による高速動作と大きな力の取り出しの両立が可能となる。また、薄板とする場合は、厚みを０．１ｍｍから１ｍｍ程度とすることが好ましい。ここで、形状記憶部材２４を薄板形状とする場合、形状記憶部材２４の形状は、必ずしも細長い形状に限定されない。例えば、形状記憶部材２４は、幅（図２の紙面垂直方向の幅）が広い形状を用いることで、より大きな出力を取り出すことが可能となり、熱エンジンの出力を大きくすることが可能となる。

形状記憶部材２８は、往復移動する方向の厚みが伸縮する方向に対して短い形状であればよく、振動方向に直交する面（過熱部２８と対面する面）の形状は特に限定されない。例えば、回転軸に平行な方向の長さが回転軸に直交する方向の長さよりも長い形状としてもよい。形状記憶部材は、振動方向の厚みが他の方向の厚み（幅、長さ）に対して短い形状とすることで、加熱部２８の高温伝熱面２９と接する面の面積を、高温伝熱面２９に直交する面の面積よりも大きくすることができ、加熱部２８が加熱できる面積の比率を体積に対して大きくすることができる。また、形状記憶部材２８は、加熱部２８と対面する面を平坦な形状とすることが好ましい。これにより、加熱部２８の接触面積をより大きくすることができる。

また、熱エンジン１０は、形状記憶部材２４として、Ｒ相変態を用いた形状記憶合金を用いることが好ましい。Ｒ相変態を用いる形状記憶合金は変態の温度ヒステリシスが小さいため、効率を向上させることができる。また、Ｒ相変態を用いる形状記憶合金は、繰り返し寿命が長いため、装置を長寿命にすることができるという利点もある。また、本実施形態の熱エンジン１０は、形状記憶部材２４を細長い形状とし、その伸縮で振動子２２を往復運動させる構成であるため、変形量が１％と他の形状記憶効果に比べて小さいＲ相の形状記憶効果を用いた場合でも、十分に動作させることができ、高い出力を得ることができる。これにより、熱エンジン１０は、長寿命、高出力の両立が可能となる。

また、熱エンジン１０は、本実施形態のようにコイルバネ２６を設けることが好ましい。コイルバネ２６の設計により形状記憶合金２４が縮んだ時の引っ張り力が決まる。この設計により引っ張り力による形状記憶合金の応力を、形状記憶合金の繰り返し寿命の限界まで高めることができる。これにより、一回の熱サイクルでコイルバネ２６と形状記憶部材２４とに蓄えるひずみエネルギを材料寿命の点から最大まで高められ、このひずみエネルギを効率よく仕事に変換でき、熱エンジン１０全体として効率をより向上させることができる。例えば、ニッケルチタン（ＮｉＴｉ）の形状記憶合金を用いる場合、１００から３００ＭＰａの応力に設定することが可能であり、大きなエネルギが取り出せる。

また、熱エンジン１０は、形状記憶部材２４の冷却には冷却部３０を用いることで、形状記憶部材２４を効率よく冷却することができる。形状記憶部材２４を効率よく冷却することで、形状記憶部材２４の張力を適切に弱くすることができ、振動子２２が加熱部３０側に戻ろうとする際の抵抗を少なくすることができ、効率をより向上させることができる。なお、上記効果を得ることができるため、冷却部３０を設けることが好ましいが、冷却部３０は必ずしも設けなくてもよい。形状記憶部材２４は、加熱部２８から離れ、加熱されない状態となることで徐々に温度が低下するため、冷却部３０を設けない構成でも形状記憶部材２４を冷却することができる。

また、高温伝熱面２９、低温伝熱面３１は、本実施形態のように柔軟で熱伝導性が高い熱伝熱シートを用いることが好ましい。これにより形状記憶部材２４との接触面積を増加させることができ、より高速での伝熱が可能となる。

図４は、熱エンジンの他の実施形態の概略構成を示す斜視図である。以下、図４を用いて、熱エンジンの他の実施形態について説明する。図４に示す熱エンジン１１０は、土台１２と、熱エネルギを運動エネルギに変換する駆動部１１４と、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部１６と、駆動部１１４で生成された運動エネルギを発電部１６に伝達する動力伝達部１１８と、を有する。なお、土台１２と発電部１６は、図１に示す熱エンジン１０と同様の構成である。以下、熱エンジン１１０に特有の構成について説明する。

駆動部１１４は、支持部２０と、振動子１２２ａ、１２２ｂと、形状記憶部材１２４ａ、１２４ｂと、コイルバネ１２６ａ、１２６ｂと、加熱部２８と、冷却部３０と、を有する。支持部２０は、土台１２に固定された部材であり、振動子１２２ａ、１２２ｂと加熱部２８と冷却部３０とを支持している。駆動部１１４は、振動子１２２ａと形状記憶部材１２４ａとコイルバネ１２６ａとが１つのユニットとして連動して往復運動し、振動子１２２ｂと形状記憶部材１２４ｂとコイルバネ１２６ｂとが１つのユニットとして連動して往復運動する。つまり駆動部１１４は、往復運動するユニットを２つ備えている。また、２つの往復運動するユニットは、振動子１２２ａ、１２２ｂの回転軸が回転軸の延在方向に重なる位置に配置されており、往復運動する領域が回転軸に直交する面において重なる。

振動子１２２ａ、１２２ｂは、上述した振動子２２と同様の構成であり、形状記憶部材１２４ａ、１２４ｂは、上述した形状記憶部材２４と同様の構成であり、コイルバネ１２６ａ、１２６ｂは、上述したコイルバネ２６と同様の構成である。

振動子１２２ａは、土台１２側の端部近傍がヒンジ３２に回転自在の状態で連結されており、他方の端部近傍に支持棒１３４ａが設けられている。形状記憶部材１２４ａは、一方の端部が支持棒１３４ａに連結され、他方の端部が土台１２に固定されたコイルバネ１２６ａに連結している。

振動子１２２ｂは、土台１２側の端部近傍がヒンジ３２に回転自在の状態で連結されており、他方の端部近傍に支持棒１３４ｂが設けられている。形状記憶部材１２４ｂは、一方の端部が支持棒１３４ｂに連結され、他方の端部が土台１２に固定されたコイルバネ１２６ｂに連結している。

また加熱部２８、冷却部３０は、熱エンジン１０の加熱部２８、冷却部３０と同様の構成である。加熱部２８、冷却部３０は、それぞれ形状記憶部材１２４ａ、１２４ｂを加熱、冷却する。

動力伝達部１１８は、連結棒１５０ａ、１５０ｂと、連結クランク１６０と、クランク５２と、を有する。連結棒１５０ａは、基本的に変形しない剛体で形成されており、一方の端部がベアリングを介して振動子１２２ａの中腹部（ヒンジ３２と支持棒１３４ａとの間）に形成された突起部と回転可能な状態で連結し、他方の端部がベアリングを介して連結クランク１６０と回転可能な状態で連結している。連結棒１５０ｂは、基本的に変形しない剛体で形成されており、一方の端部がベアリングを介して振動子１２２ｂの中腹部（ヒンジ３２と支持棒１３４ｂとの間）に形成された突起部と回転可能な状態で連結し、他方の端部がベアリングを介して連結クランク１６０と回転可能な状態で連結している。

連結クランク１６０は、連結棒１５０ａ、１５０ｂと回転自在な状態で連結し、かつ、クランク５２と連結している。連結クランク１６０は、連結棒１５０ａと連結棒１５０ｂとのクランク角が１８０°オフセットした状態で連結棒１５０ａおよび連結棒１５０ｂと連結している。

クランク５２は、発電部１６のロータ４４と連結クランク１６０とに連結されている。具体的には、クランク５２は、ロータ４４の回転軸に直交する方向に延在する棒状の部材であり、ロータ４４の回転中心に固定されている。また、クランク５２は、棒状の部材のロータ４４の回転中心から一定距離離れた部分が連結クランク１６０に回転自在の状態で連結されている。なお、クランク５２の連結クランク１６０と連結する部分は、ロータ４４の回転軸に平行な方向に延在する棒状の部材である。

熱エンジン１１０は、往復運動するユニットを２つ設け、それぞれのユニットに連結した連結棒１５０ａ、１５０ｂを連結クランク１６０でクランク角が１８０°オフセットした状態で連結させている。これにより、クランク角１８０°毎にどちらか一方のユニットの形状記憶部材２２４が加熱部２８で加熱される。これにより、２つのユニットのうちいずれか一方のユニットで形状記憶部材２２４が加熱されて縮むことで生じるエネルギで振動子２２２を冷却部３０側（加熱部２８から離れる方向）に向かわせる力を発生させることができる。これにより、回転むら、トルクむらを低減させることができる。また、一方のユニットが冷却部３０から加熱部２８に向かって移動する慣性復帰工程の場合、他方のユニットが加熱部２８から冷却部３０に向かって移動する工程である。これにより、加熱部２８から冷却部３０に向かって移動する工程のユニットで生じる力でクランク５２、連結クランク１６０を回転させることができ、１つのユニットの場合に生じる慣性復帰工程での速度低下を解消することができ、サイクル速度を上昇させ、より多くのエネルギを取り出すことが可能となる。なお、熱エンジン１１０では往復運動するユニットを２つ設けた場合としたが、数は限定されず、３個、４個と複数の往復運動するユニットを設けてもよい。クランク５２と連結クランク１６０とは、相対変化しない一体的部材からなっている。なお、この場合は、各ユニットをクランク角が一定間隔で異なる状態で連結することが好ましい。また、複数のユニットを同一のクランク角で連結してもよい。

図５は、熱エンジンの他の実施形態の概略構成を示す斜視図である。図６は、図５に示す熱エンジンの他の状態の概略構成を示す斜視図である。図７は、形状記憶部材の概略構成を示す説明図である。以下、図５から図７を用いて、熱エンジンの他の実施形態について説明する。図５および図６に示す熱エンジン２００は、土台１２と、熱エネルギを運動エネルギに変換する駆動部２１４と、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電部２１６とを有する。土台１２は、駆動部２１４と、発電部２１６（支持機構は図示省略）とを支持する支持部材であり、剛性の高い板状部材で構成されている。

駆動部２１４は、振動子２２２と、形状記憶部材２２４と、加熱部２８と、を有する。振動子２２２は、細長い部材であり、土台１２の表面に立てる向きつまり土台１２の表面から離れる方向が長手方向となる向きで配置されている。振動子２２２は、土台１２の表面に立てる向きに延在する２つの細長い棒状の部材が平行な方向に平行して配置されている。つまり振動子２２２の２つの細長い棒状の部材は、ともに一方の端部が土台に固定されている。また、振動子２２２は、２つの細長い棒状の部材の土台１２から離れた端部が棒状の部材で連結されている。つまり、振動子２２２は、加熱部２８と対面する面が表面となる薄板に大きな開口を形成して、外縁部のみを残した形状である。形状記憶部材２２４は、振動子の先端部２２４ａと、土台の固定部２２４ｂに、その両端が取り付けられている。振動子２２２は、弾性体であり、形状記憶部材２２４の引っ張り力が所定より大きな力となると、図６に示すように撓む。振動子２２２は、図５の状態から図６の状態に変化または図６の状態から図５の状態に変化することで、先端部２２４ａが加熱部２８に対し、近づいたり、遠ざかったりの往復運動を行う。なお、振動子２２２は、外力が加わらなければ、図５に示すように直立した状態となる。

形状記憶部材２２４は、一方の端部が振動子２２２の先端に連結され、他方の端部が土台１２に固定されている。形状記憶部材２２４は、図７に示すように、複数（本実施形態では７本）の形状記憶ワイヤ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇで構成される。形状記憶ワイヤ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇとしては、例えば、φ０．０５ｍｍの形状記憶合金ワイヤを用いることができる。なお、材料等は、上述した形状記憶部材２４と同様である。また、直径も一例であり、これに限定されない。形状記憶部材２２４の、形状記憶ワイヤ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇは、振動子２２２の土台１２の表面に立てる向きに延在する２つの細長い棒状の部材の間に、２つの細長い棒状の部材が並んでいる方向と同じ方向に平行して微小間隔で配置されている。また、形状記憶部材２２４は、他方の端部が、振動子２２２よりも加熱部２８から遠い側に固定されている。つまり、形状記憶ワイヤ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ、２４ｆ、２４ｇの線と、振動子２２２の板厚方向の中心線は、わずかにオフセットしている。なお、形状記憶部材２２４は、７本の形状記憶ワイヤを備える構成としたが、形状記憶ワイヤの本数はこれに限定されない。また、本実施形態では、形状記憶ワイヤが７本であるため形状記憶部材の形状を細長い形状としたが、形状記憶部材は、形状記憶ワイヤの本数によって適宜変更することができる。例えば、形状記憶ワイヤを１０００本を備える形状記憶部材を用いる場合、形状記憶部材、振動子は、形状記憶ワイヤが列状に並んでいる方向に長い形状となる。

加熱部２８は、振動子２２２および形状記憶部材２２４が往復移動する領域の一方の端部（図５中左奥側の端部）に配置され、形状記憶部材２２４を変態温度よりも高い温度に加熱する。加熱部２８は、形状記憶部材２２４が延在する方向に伸び、振動子２２２の回転方向に直交する面が表面（面積が最も広い面）となる板状の部材であり、形状記憶部材２４と対面する面（形状記憶部材２４が往復運動した場合に接触する面）が高温伝熱面となる。なお、加熱部２８は、上述した熱エンジン１０の加熱部２８と同様の構成である。

発電部２１６は、稼動子と固定子とが相対移動することで電気エネルギを生成する機構であり発電機２４２を有する。発電機２４２は、ボイスコイルモータ（ＶＣＭ、発電機）であり、稼動子２４４と、固定子２４６と、を有し、稼動子２４４と固定子２４６とが相対的に移動することで電気エネルギを発生させる。発電機２４２は、稼動子２４４が振動子２２２の先端部に固定され、固定子２４６が図示しない支持構造で土台１２に固定されている。発電機２４２は、振動子２２２が図５に示す状態から図６に示す状態への移動、図６に示す状態から図５に示す状態への移動を繰り返す往復運動を行うと稼動子２４４も振動子２２２の先端と一体で移動し、固定子２４６に対して相対的に移動する。発電機２４２は、稼動子２４４と固定子２４６との相対移動で生じる電磁相互作用により発電を行う。熱エンジン２００は、以上のような構成である。

熱エンジン２００は、図５に示すように振動子２２２および形状記憶部材２２４が加熱部２８側にある（形状記憶部材２２４が加熱部２８に接触している）場合、加熱部２８で形状記憶部材２２４が変態温度より高い温度に加熱され形状記憶部材２２４を縮める力が生じる。このとき、形状記憶部材２２４で生じる力が、振動子２２２の座屈荷重以下の場合、形状記憶部材２２４は、縮む方向の力が生じるが、振動子２２２により支持されているため、縮むことができない。このため、熱エンジン２００は、図５に示す状態で維持され、形状記憶部材２２４にひずみエネルギが蓄えられる。熱エンジン２００は、図５に示す状態が維持されている間は、加熱部２８により形状記憶部材２２２が加熱されるため、形状記憶部２２２の温度が上昇し、蓄えられるひずみエネルギが増加し形状記憶部材２２４で生じる力が増加する。熱エンジン２００は、形状記憶部材２２４で生じる力が振動子２２２の座屈荷重を超えると、振動子２２２が図６に示す状態まで一気に変形する。熱エンジン２００は、このようにして形状記憶部材２２４に蓄えられたひずみエネルギを振動子２２２の運動および振動子２２２自身の変形へと変換する。なお、上述したように図５における形状記憶部材２２４の線と、振動子２２２の板厚方向の中心線は、わずかにオフセットしている。具体的には、形状記憶部材２２４の線は、図５中振動子２２２の右表面側に固定されている。これにより、振動子２２２は、形状記憶部材２２４により引っ張られ変形する場合、図６に示すように加熱部２８から離れる方向に変形する。振動子２２２が変形すると振動子２２２の先端に固定された稼動子２４４も移動する。これにより、振動子２２２の運動エネルギを発電機２４２で電気エネルギに変換できる。

なお、振動子２２２は、形状記憶部材２２４により引っ張られる力でバックリング（座屈）現象が生じるように設計されている。つまり振動子２２２は、形状記憶部材２２４により引っ張られる力でバックリング（座屈）現象が生じるように設計パラメータ（例えば振動子の形状）を設定して作成されている。なお、振動子２２２の座屈荷重は、形状記憶部材２２２の寿命限界応力を超えない値をとることが望ましい。

また、熱エンジン２００は、形状記憶部材２２４が加熱部２８から離れると、形状記憶部材２２４の温度は自然冷却により下がり、形状記憶部材２２４が伸びる。振動子２２２は、形状記憶部材２２４が伸びると、形状記憶部材２２４から受ける力がなくなるので、振動子２２２自身の復元力で再度図５に示す状態まで戻る。熱エンジン２００は、図５に示す状態に戻ると加熱部２８が形状記憶部材２２４を再び加熱する。熱エンジン２００は、以上の動作を繰り返すことで、継続的に熱エネルギを電気エネルギに変換する熱サイクルが成立する。

このように、振動子の往復運動は、任意の軸を中心とした回動動作に限定されず、変形と復元を繰り返す運動としてもよい。また、熱エンジン２００では、振動子２２２を座屈させて変形させたがこれに限定されない。振動子は、形状記憶部材２２４から受ける力が閾値以下の力では図５に示す状態、形状記憶部材２２４から受ける力が閾値以上の力で一気に変形する種々の非線形現象を利用することができる。振動子は、例えば磁石を用いて非線形現象を実現してもよい。このような構成においては、形状記憶部材２２４は、引っ張り力が座屈荷重（しきい値）を超えるまで十分に加熱される。これにより、一回のサイクルでのエネルギが大きくなるため、大きな力が生じるほか、加熱部２８の温度が形状記憶合金の変態温度よりもわずかしか高くない場合でも安定的に動作可能な熱エンジンとなる。

なお、熱エンジン２００では、室温による空冷により形状記憶部材２２４を冷却したが、図１に示すように冷却部３０を用いて形状記憶部材２２４を冷却することで、熱エネルギを運動エネルギに変換する効率またはサイクルの効率をさらに向上する。

なお、上記実施形態では、振動子を形状記憶部材と略平行な方向に延在する位置に配置したが、これに限定されない。例えば、図１に示す連結棒を振動子として用い、形状記憶部材の端部を連結棒に連結し、形状記憶部材の伸縮動作で連結棒を移動させるようにしてもよい。ここで、振動子は、土台に直接または他の部材を介して支持され、支持された部分とは異なる部分が往復移動可能であればよく、形状記憶部材の位置や、形状記憶部材の伸縮方向に対して往復移動の方向は、種々の方向とすることができる。また振動子は、１つの棒状の部材に限定されず、複数の部材で構成される動力伝達機構（例えば複数の部材を摺動可能な状態、回動可能な状態で連結させた機構）としてもよい。また、形状記憶部材も、前記土台と前記振動子とに直接または他の部材を介して連結され、前記往復移動する方向とは異なる方向に伸縮することで前記振動子とともに往復移動すれよく、その配置位置や連結される部材としては種々の部材とすることができる。ここで、形状記憶部材は、往復運動することで加熱状態と冷却状態を切り換える必要があるため、形状記憶部材の伸縮方向と往復移動の方向とは、異なる方向となる構成とし、往復移動する領域の一方の端部に加熱部に対面する構成とする必要はある。また、形状記憶部材と振動子との接合点（図２では支持棒３４、振動子接合点）および形状記憶部材と土台との接合店（図２ではコイルバネ基端２６ａ、土台接合点）に関し、振動子接合点が加熱部に近づいたとき、両接合点間距離が長くなり、振動子接合点が加熱部から遠ざかったとき、両接合点間距離が短くなる、ということが必要である。

また、上記実施形態では、いずれも熱エネルギを運動エネルギに変換し、さらに電気エネルギに変換させたがこれに限定されない。熱エネルギを運動エネルギに変換し、運動エネルギを駆動源として用いてもよいし、運動エネルギを電気エネルギ以外のエネルギに変換してもよい。

１０ 熱エンジン
１２ 土台
１４ 駆動部
１６ 発電部
１８ 動力伝達部
２０ 支持部
２２ 振動子
２４ 形状記憶部材
２６ コイルバネ
２８ 加熱部
２９ 高温伝熱面
３０ 冷却部
３１ 低温伝熱面
３２ ヒンジ
３４ 支持棒
４０ 支持部
４２ 発電機
４４ ロータ
４６ ステータ
５０ 連結棒
５２ クランク
５４、５６ ベアリング

Claims (9)

1. 土台と、
   前記土台に直接または他の部材を介して支持され、支持された部分とは異なる部分が往復移動可能な振動子と、
   前記土台と前記振動子とに直接または他の部材を介して連結され、前記往復移動する方向とは異なる方向に伸縮することで前記振動子とともに往復移動する形状記憶部材と、
   前記形状記憶部材が往復移動する領域の一方の端部に前記形状記憶部材に対面して配置され、前記形状記憶部材を変態温度よりも高い温度に加熱する加熱部と、
   一方が前記土台に固定され、他方が前記形状記憶部材に固定され、前記形状記憶部材を前記土台に向けて引っ張るコイルバネと、を有し、
   前記形状記憶部材は、形状記憶合金で形成された一本以上のワイヤ若しくは形状記憶合金で形成された薄板であり、
   前記加熱部に近づき加熱され、前記変態温度よりも低い温度から前記変態温度よりも高い温度に加熱されると長さが縮み、前記振動子とともに前記加熱部から離れる方向に移動し、
   前記加熱部から離れて冷却され、前記変態温度よりも高い温度から前記変態温度よりも低い温度に冷却されると長さが伸び、前記振動子とともに前記加熱部に近づく方向に移動することを特徴とする熱エンジン。
2. 前記振動子は、前記支持されている部分が回動可能な状態で支持され、前記先端部が回動する振り子であることを特徴とする請求項１に記載の熱エンジン。
3. 前記振動子は、前記支持されている部分が回動できない状態で支持され、前記先端部が往復運動する弾性梁構造であることを特徴とする請求項１に記載の熱エンジン。
4. 前記形状記憶部材は、形状記憶合金で形成された一本以上のワイヤであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱エンジン。
5. 前記加熱部は、前記形状記憶部材と対面する面に前記加熱部に近づいた前記形状記憶部材と接触する前記変態温度よりも高い温度の高温伝熱面を有し、
   前記高温伝熱面は、平面または前記形状記憶部材側に凸の曲面であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱エンジン。
6. 前記形状記憶部材が往復移動する方向において、前記加熱部に対して所定距離離れた位置に配置され、前記形状記憶部材を前記変態温度よりも低い温度に冷却する冷却部をさらに有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱エンジン。
7. 前記冷却部は、前記形状記憶部材と対面する面に前記冷却部に近づいた前記形状記憶部材と接触する前記変態温度よりも低い温度の低温伝熱面を有し、
   前記低温伝熱面は、平面または前記形状記憶部材側に凸の曲面であることを特徴とする請求項６に記載の熱エンジン。
8. 前記振動子の往復運動を回転運動に変換する動力伝達部をさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱エンジン。
9. 前記振動子の往復運動で発生するエネルギを電気エネルギに変換する発電機をさらに有することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の熱エンジン。

Images