JPS59147882A - 熱エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は熱エネルギを機械的エネルギに変換する熱エン
ジンに関する。

従来技術 年々、増大するエネルギ需要の負担の軽減化を図るため
に、従来あまり顧りみられなかった、製鉄所や発電所が
無為に投棄する大量の温排水や温泉〆んが有する膨大な
熱エネルギ、および地球上に限りなくふりそそぐ太陽熱
が見直されつつある。このような熱エネルギの有効利用
を図るための熟エンジンが既にいくつか開発されている
が、特に、製造およびその後の維持が簡単な形状記憶合
金を利用した熱エンジンが脚光を集めている。

ここに、形状記憶合金とは、形状記憶効果を有する合金
のことであり、１９６３年、米国でＴｉ−Ｎｉ合金の形
状記憶効果が発見されて以来、銅系合金で銅−亜鉛、銅
−亜鉛−アルミニウム、鉛−亜鉛−スズ、など７．８種
が知られている。

また、形状記憶効果と言うのは、一般に低温でマルテン
サイト状態にある金属材料を変形後加熱すると、その金
属材料は変形前の元の形に戻る現象をいう。しかるに、
低温状態の形状が記憶され、冷却されることによって変
形前の元の状態に戻る金属材料も僅少ながらその存在が
知られている。従って、以下の説明においては、形状記
憶合金、形状記憶効果というときには後者の場合も含む
ものとする。

このような形状記憶効果による伸縮力を利用して、然エ
ネルギを機械的エネルギに変換するものが形状記憶合金
を利用する熱エンジンである。形状記憶合金で熱機械変
換素子を作る場合、大別して次の３通りの方法かある。

（１）形状記憶合金線を弓型に曲げておき、温水につか
ると直直に戻ろうとする力を利用する方法（パンクス型
）、 （２）形状記憶合金線を引張って、温水部で収縮する際
の力を利用する方法（ウェイマン型）、（３）形状記憶
合金線をあらかじめ高温でコイル形状を記憶した後、引
張ってヘリカルワイヤのループを作り、これに温水をか
けて元のコイルにＤ？る際の収縮力を利用する方法（東
北大）、などがある。

しかしながら、上述の方法を使用する従来型はいずれも
充分なエネルギ変換効率が得られていない。

目的 本発明の目的は、上述の問題点を除去し、エネルギ変換
効率の向上を図った形状記憶合金利用による熱エンジン
な提供することにある。

実施例 以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

（第１実施例） 第１図は本発明熱エンジンの第１実施例を示す。本例は
、熱エネルギを機械的振動エネルギに変換するものであ
る。

第１図（Ａ）において、１は円柱形状の軸体、２は七の
外周壁３にあけられた軸体の軸芯４を通る貫通孔である
。５はこの貫通孔２に摺動自在に挿通したアームであり
、その両端部には錘８（８Ｒ。

８Ｌ）を配設する。？（？Ｒ，７１，）はアーム５に巻
回した形状記憶合金から成るヘリカルワイヤであり、そ
の一端をアーム５の先端部（錘ＳＲ，８Ｌ）に固着し、
他端を軸体１に固着する。

すなわち、第１図（Ｂ）に示すように、軸体１の軸芯４
について左右対称に、ヘリカルワイヤ７Ｒおよび７Ｌを
配設し、軸芯のまわりについての左右の釣合を保つ。こ
こで、ヘリカルワイヤ７は、予め高温下でコイル形状を
記憶させた後、常温下において延伸させてヘリカルルー
プを形成したものである。

次に、このように構成した熱機械変換素子の動作原理を
、第１図（Ｃ）および（Ｄ）にもどづき説明する。

まず、第１図（Ｃ）に示すように、熱エンジンを１′ｒ
！４けて、ヘリカルワイヤ７の加熱手段としての温水８
に浮かべる。形状記憶合金から成るヘリカルワイヤ７の
うち、温水に漬かったワイヤ７Ｒは、加熱されて予め記
憶されたコイル状態に戻ろうとする。この復元力により
、ワイヤ７Ｒには収縮力が生ずる。一方、ヘリカルワイ
ヤ７Ｌは常温下にあるので復元力は生じない。この結果
、アーム５はワイヤ７Ｒの収縮力により、図の矢印し方
向に貫通孔２内を摺動する。＄１図（Ｃ）はかかる移動
後の状態を示したものである。この移動により、ｊ１８
Ｌは錘６Ｒよりも軸芯４から遠ざかり、軸芯のまわりの
釣合が破れ、図示の反時計回りの回転モーメンＩ・が生
じ、これによって軸体ｌは矢印の方向に回動する。

この回動によって、ヘリカルワイヤ７Ｌが温水８に４ｆ
〜かり、今まで温水中にあったワイヤ７Ｒが空気中に出
ることになっる。この結果、温水により加熱されたワイ
ヤ７Ｌに復元力が生じ、ワイヤ７Ｒは空気中で放熱して
その復元力が消失する。これによって、アーム５は矢印
Ｒ方向に押し戻されて、ｊ１８Ｒが５１８Ｌよりも軸芯
４から遠ざかり、時計回りの回転モーメントが生ずる。

第１図（Ｄ）は、このときの状態を示す。その結果、軸
体ｌは矢印の方向に回動することになる。

このように、形状記憶合金から成るヘリカルワイヤへの
熱エネルギの与奪を行う限り、−１−述のｊ７転１反転
を一周期とする振動が継続される。

ここで、形状記憶合金の形状が記憶形状に復元する温度
は、一般に３０℃以上であるが、その組成を変化させる
ことによって復元温度を制御できる。

また、形状記憶合金に熱エネルギの与奪を行う手段とし
ては、上述のように温水を用いる代りに、副油であって
も良く、場合によっては温風や大陽光であっても良い。

更に、形状記憶合金の形状は、常態および記憶形状が上
述のようなヘリカルワイヤおよびコイルに限定されるも
のではなく、加熱によってアームが移動するような復元
力が発生する形状であればいかなる形状であっても良い
。

更にまた、本実施例における錘ＥＩＲ、ｆｌＬは必ずし
も必要ではなく、アーム５の移動のみによって軸体ｌを
回動させるに充分なトルクが得られる場合には必要でな
い。

更に加えて、軸体１は高温側と低温側の境界、またはそ
の近傍に存置するように支持体によって支持され、かつ
、軸体に対する回転力の発生に支障が生じなければ、本
実施例のように液面上に浮、・ている必要はない。むし
ろ、熱エンジンによって発生する機械的エネルギを利用
する場合にあっては、支持体によって支持されるのが常
態である。支持体によって支持する場合においては、例
えば軸体１の軸芯を通る水平線の下半部を太陽熱にさら
し、上半部を太陽光よりしゃ断することにより熱エネル
ギの与奪手段を構成すれば、本実施例のように、液体を
用いなくとも機械的エネルギを取り出すことができる。

なお、上述の実施例においては、温水中において、ヘリ
カルワイヤが記憶形状であるコイルに戻るようにしたが
、温水の代りに冷水を用い、空気中の雰囲気温度を高温
となし、空気中においてコイルが記憶形状（伸長したヘ
リカルワイヤ）に戻るようにしても良いこと勿論である
。すなわち、本実施例に係る熱エンジンの動作は、形状
記憶合金に対して熱エネルギの与奪が交互に行われ、こ
れによって生ずる形状記憶合金の復元力により軸体に回
転力が生ずればよいのである。

従って、かかる動作原理を実現するには、上述の−Ｕ施
例のように加熱して高温になると記憶形状に復元する形
状記憶効果を有する形状記憶合金の利用のみに止まらず
、これとは逆の形状記憶効果を有する形状記憶合金も本
実施例と同様に利用することができる。この場合におい
ては、加熱手段としての温水の代りに、冷却手段として
冷水を用い、冷水中において形状記憶合金が記憶形状に
復元するように構成すれば良い。

第２図および第３図は、第１図の実施例の変形例を示す
。

第２図に示す例は、発生する回転力の増大を図ったもの
であり、軸体１の回動手段としての形状記憶合金線（ヘ
リカルワイヤ）７が巻回されたアーム５を複数本（２本
）配設したものである。

これによって、第１図の例に比べて、約２倍の回転力が
得られる。

第３図に示す例は、ヘリカルワイヤ７の内側にアーム５
を通さないように構成したものである。

すなわち、２木のアーム５の両端をつなぎ部材８により
連結し、このつなぎ部材９にヘリカルワイヤ７の一端を
固着したものであり、つなぎ部材８を比重の大きな材料
で形成すれば錘としての役割を持たせることができる。

上述したように構成した熱エンジンを用いることにより
、熱エネルギを機械的エネルギに変換できる。しかるに
、変換された機械的エネルギは、軸体１の正逆交互の回
動運動として取り出されるものである。そこで、機械的
エネルギを軸体１の回転連動として取り出すように構成
した第２実施例を次に述べる。

（第２実施例） 第４図（Ａ）は本発明の第２実施例を示し、供給された
熱エネルギを軸体１の持続的な回転運動として取り出す
ように構成したものである。

図示のように、軸体ｌの外周壁３において、軸芯方向に
相互に離間した部位に、軸芯４を通る貫通孔２−１およ
び２−２をあける。更に、両頁通孔２−１および２−２
は相互゛に、所定の角度だけずらせて形成するものとす
る。これら両頁通孔２−１．２−２には両端に錘８Ｒ、
８Ｌを取り付けたアーム５−１および５−２を摺動自在
に挿通する。更に、各アーム５−１．５−２において、
それらが軸芯に対して左右対称と１、なるように、形状
記憶合金から成るへりカルワイヤ？（７Ｒ，，７Ｌ）を
取付け、そのワイヤ７の一端を−に固着し、他端を軸体
１に固着する。へりカルワイヤ７は、予め高温下でコイ
ル形状を記憶させた後、常温下において延伸させてへり
カルループを形成したものである。

このように構成した熱エンジンの動作原理を第４１Ｎ（
Ｂ）ないしくＤ）にもとづき説明する。

まず、持続的回転連動の原理は、形状記憶合金７Ｒ−１
，７Ｒ−２，７Ｌ−１，７Ｌ−２のそれぞれの状態変化
の関係によって生ずる軸体の軸芯４のまわりの回転力が
一方向に働くように構成することにより得られる。すな
わち、自刃的であると他力的であるとを問わず、最初の
回転、例えば、時計回りの回転か９−えられ、温水表面
において第４図（Ｂ）に示す状態になったとする。この
状態では、形状記憶合金のワイヤ７Ｒ−２は温水８に漬
ったばかりなので未だ充分な復元力（収縮力）は発生し
ていない。−未だ収縮した状態を保持する力が残存して
いる。

従って、アーム５−２はワイヤ７Ｒ−２側からワイヤ７
Ｌ−２側に僅かしか押し戻されず、依然時計回りの回転
力が働く。しかるに、形状記憶合金のワイヤ７Ｒ−１は
充分に加熱されているので大きな復元力（収縮力）が働
き、ワイヤ？し−１は充分冷却されているので記憶形状
を保持する力は残っていない。

従って、アーム５−１はワイヤ７Ｌ−１側に強く押され
、軸芯のまわりの釣合が破れて時計回りの回転力が生ず
る。このように、アーム５−１および５−２により時計
回りの回転力が与えられて、軸体１は時計回りの回転を
持続する。この結果、第４図（Ｂ）の状態から第４図（
Ｃ）の状態へと移る。

第４図（Ｃ）に示す状態においては、形状記憶合金のワ
イヤ７Ｒ−２は充分に熱せられて収縮し、アーム５−２
をワイヤ７シー２側に押しやるので、アーム５−２によ
って軸体ｌには時計回りの回転力が生ずる。一方、形状
記憶合金のワイヤ７Ｌ−１は徐々に熱せられ、それに伴
って徐々に復元力を増してぃくが、ワイヤ７Ｒ−１は未
だ余熱があるので、記憶形状を保持しようとする力が僅
かに残存している。

従って、アーム５−１　をワイヤ７Ｒ−１側に押しやる
力が充分でないので、アーム５−１の移動に伴ない時、
１回りおよび反時計回りの回転力が発生する。しかし、
その回転力は僅少なので結局、この場合においても全体
としては軸体１に時計回りの回転力が発生する。従って
、軸体１は時計回りの回転を続け、第４図（Ｄ）に示す
状態へと移行する。

第４図（Ｄ）に示す状態においては、形状記憶合金のワ
イヤ？Ｌ−１は充分熱せられて、最大限に収縮するので
、アーム５−１は最大限にワイヤ７Ｒ−１側に押しやら
れる。このとき、水平線（温水液面）とアーム５−１　
とのなす角度が小さいので、時計回りに大きな回転力が
得られる。一方、アーム５−２はワイヤ７Ｒ−２側に押
しやられ、反時計回りの回転力が発生するか、アーム５
−２と水平線とのなす角度か直角に近いので反時計回り
には小さな回転力しか生じない。したがって、この場合
においても全体として時計回りの回転力か打勝つので、
軸体１は依然時計回りに回転し、再び第４図（Ｂ）に示
す状態へと移行する。かくして、軸体１の持続的回転が
得られる。

なお、上述の実施例では、アームを２木配股した場合に
ついて述べたが、勿論これのみに限定されるものではな
く、必要に応じてその個数を増やすことができる。また
、アーム相互の位置関係は、軸体に円滑な回転が与えら
れるように、アームの長さ、鐘、形状記憶合金の復元特
性等を考慮して定めるのが好適である。

次に、第５図は、第４図示の例に対して軸体を効率良く
回転させるように改良を図ったものである。

そのために本実施例では、軸体１を不図示の支持部材に
よりその軸芯が温水液面に位置するように軸支し、押え
壁５１を設けて第４図に示した例において生ずる反時計
回りの回転力を時計回りの回転力に変換するようになす
。

そのために、押え壁５１の湾曲面５２に、形状記憶合金
ワイヤ７の復元力による所定の押圧力をもって、アーム
５か当接するようになす。また、アーム５が曲面５２を
垂直に押し付けると、その押圧力の接線分力が生じない
ので、アーム５が常に曲面５２を斜め方向から押し付け
るようにする。更に、その発生した接線分力が軸体１を
時計回りに回転させる向きになるように、曲面５２の曲
率を設定す第５図（Ａ）〜（Ｃ）に示す例においては、
曲面５２のアーム５の接点における接線と、アーム５と
のなす角θが常に鋭角となるように、曲面５２の曲率を
設定したものである。

なお、押え壁５１の配設範囲は、勿論第５図（Ａ）〜（
Ｃ）に示す例に限るものではないが、アーム５により反
時計回りの回転力が生じている範囲に設けるのが好適で
ある。

次に、第６図は、摩擦による回転エネルギの損失を減ら
すために、アーム５の先端に錘を兼ねた滑車６１を設け
たものである。

このようにすることにより、曲面５２とアーム５との摩
擦を減少でき、回転能率を更に高めること（第３実施例
） 第７図は第１図に示した熱エンジンを応用した水上おも
ちゃを示す 第７図（Ａ）において、ハは船体、７２および７３は可
撓性部材から成る水掻きである。７４は曲線形状のアー
ムであり、船体７１にあけた貫通孔７５に摺動自在に挿
通し、その両端を水掻き７２および７３に固着する。ま
た、７６および７７はアーム７４に巻回した形状記憶合
金から成るヘリカルワイヤであり、それぞれその一端を
水掻き７２および７３に固着し、他端を船体７１に固着
する。なお、ワイヤ７Ｂおよび７７は、高温下において
コイル形状か記憶されているものである。

このように構成した水上おもちゃの動作を説明する。第
７図（Ｂ）に示すように、船体７１を傾けると、ヘリカ
ルワイヤ７７が温水７８に漬かって加熱され、記憶形状
であるコイル形状に復元する。この復元力により、アー
ム７４がワイヤ７６側に押しやられると共に、そのアー
ム７４に固着された水掻き７３が船体７１側に撓み、温
水を掻くことになる（第７１Ａ（Ｃ）参照）。これによ
って、船体７１は推力を得て前進する。一方、このよう
な動作が行われると共に、船体ハは重力的釣合を保つべ
く船体７１を中心に第７図（Ｂ）に示す矢印７８方向に
回動する。この結果、船体７１は第７図（Ｄ）に示すよ
うな状態に〜−−−−−−− まで回動し、今夏癲ワイヤ７６が温水７８に漬かって加
熱され、ワイヤ７７は空気中に出て放熱状態になる。従
って、ワイヤ７６が記憶形状に復元しようとする復元力
か生じ、ワイヤ７７にあっては生じていた復元力が消失
する。すなわち、アーム７４がワイヤ７７側に押しやら
れて、水掻き７２が撓み、温水を掻くことになる。この
ような動作が繰返し行われて、船体７１には推力が継続
的に与えられて前進する。

なお、水掻き７２．７３を形成する部材は、上述した水
掻き動作が円滑に行われるような可撓性を有するものが
好適であるが、例えば船体７１と水掻き７２．７３とを
ピン接合とすれば可撓性部材により形成しなくても良い
。

（第４実施例） 第８図は第５図に示した熱エンジンを搭載した船の一例
を示す。

ここで、８１は第５図に示すように構成した熟エンジン
であり、その出力軸８２の両端には水掻き用の羽根車８
３を配設する。８４は船体８５内部に構成した温排水貯
留槽であり、第５図示の温水と同一の機能をもたせたも
のである。

かかる構成の船においては、温排水の熱エネルギか別車
８３の回転として取り出されて、船の推力が得られる。

効果 以上説明したように本発明によれば、イ＆成簡単にして
エネルギ変換効率の高い熱エンジンを実現でき、以て無
為に投棄されている温排水や太陽光線の熱エネルギの有
効利用を図る上で効果的である。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例を示す斜視図、第１
図（Ｂ）　、　（Ｃ）　、および（Ｄ）はそれぞれその
動作を示す断面図、第２図および第３図はそれぞれ第１
図に示す第１実施例の変形例を示す斜視図、第４図（Ａ
）は本発明の第２実施例を示す斜視図、第４図（Ｂ）　
、　＜Ｃ）および（Ｄ）はそれぞれその動作を示す線図
、第５図（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）は第４図（、’　
Ａ　）に示す第２実施例の変形例の動作を示す線図、第
６図は第４図（Ａ）に示す第２実施例の他の変形例を示
す線図、第７図（Ａ）は第１図（Ａ）に示すＭ！実施例
を応用した水上おもちゃを示す斜視図、第７図（Ｂ）お
よび（Ｃ）は第７図（Ａ）に示すおもちゃの動・作を示
す立面図および平面図、第７図１′Ｄ）および（Ｅ）は
同じくその動作を示す立面図および平面図、第８図（Ａ
）および（Ｂ）は第４図（Ａ）に示す第２実施例を応用
した船の側面図および平面図である。 ｌ・・・軸体、 ２・・・貫通孔、 ３・・・外周壁、 ４・・・軸芯、 ５・・・アーム、 ？・・・ヘリカルワイヤ（形状記憶合金）、８・・・温
水、 ９・・・つなぎ部材、 ５１・・・押え壁、 ５２・・・湾曲面、 ６１・・・滑車、 ７１・・・船体、 ７２．７３・・・水掻き、 ７４・・・アーム、 ７５・・・貫通孔、 １６．１１・・・ヘリカルワイヤ（形状記憶合金）、７
８・・・温水、 ８１・・・熱エンジン、 ８２・・・出力軸、 ８３・・・羽根車、 ８４・・・貯留槽、 ８５・・・船体、 Ｒ，Ｌ・・・矢印。 ４２図 ／Ｌ−Ｚ 第５図 ５−２　　６Ｒ−１ ７Ｒ−２／Ｌ−１ 第７図 ＜Ｂ）　　　　　　　　　　　　　　（Ｃ）７ら 第８図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 部材（Ａ）と、この部材（Ａ）に相対移動するように取
   り付けた部材（Ｂ）と、予め所定の形状を記憶した形状
   記憶合金部材と、該形状記憶合金部材に対して熱エネル
   ギの与奪を行い、当該形状記憶合金部材を記憶形状に復
   元する復元手段とを有し、前記形状記憶合金部材が前記
   記憶形状に復元する際に生ずる復元力により前記部材（
   Ｂ）を移動させて、前記部材（Ａ）の軸芯のまわりに回
   転力が生ずるようにしたことを特徴とする熱エンジン。