(57)【要約】      （修正有）【課題】温度差−＞仕事−＞温度差−＞仕事…の循環過程においてエネルギーを減衰せず、さらに、エネルギーを増殖することを可能にする。【解決手段】三つの線膨張体をそれぞれの断熱環境に置き、かつ、前記三つの線膨張体のうち、二つの線膨張体相互間でその温度に差があるものとなし、該二線膨張体のそれぞれと第三の線膨張体とを交互に接触させることによって、接触時の双方間の温度差を利用して相互間での熱移動を行い、前記三つの線膨張体相互間の温度差がゼロと見なし得る状態になるまでその交互接触を繰り返し、かつ、その時、該交互接触に伴う三つの線膨張体の温度変化によるそれぞれの膨張または収縮の現象から力学的エネルギーを得る。また、前記線膨張体の代わりに、バイメタルを用いることも有効である。【選択図】図１
2006029282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
なるべく熱膨張率が高く、応力が強い金属で形成した細長い形状の三つの線膨張体（１、２、３）をそれぞれの断熱環境（４、５、６）に置き、かつ、前記三つの線膨張体（１、２、３）のうち、二つの線膨張体（１、２）相互間でその温度に差があるものとなし、該二線膨張体（１、２）のそれぞれと第三の線膨張体３とを交互に接触させることによって接触時の双方の温度差を利用して相互間での熱移動を行い、前記三つの線膨張体（１、２、３）相互間の温度差がゼロと見なし得る状態になるまでその交互接触を繰り返し、かつ、その時、該交互接触に伴う三つの線膨張体（１、２、３）の温度変化によるそれぞれの膨張または収縮の現象から力学的エネルギーを得ることを特徴とする二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法。
【請求項２】
三つのバイメタル（７、８、９）をそれぞれの断熱環境（１０、１１、１２）に置き、かつ、前記三つのバイメタル（７、８、９）のうち、二つのバイメタル（７、８）相互間でその温度に差があるものとなし、該二バイメタル（７、８）のそれぞれと第三のバイメタル（９）とを交互に接触させることによって接触時の双方の温度差を利用して相互間での熱移動を行い、前記三つのバイメタル（７、８、９）相互間の温度差がゼロと見なし得る状態になるまでその交互接触を繰り返し、かつ、その時、該交互接触に伴う三つのバイメタル（７、８、９）の温度変化によるそれぞれの湾曲変化の現象から力学的エネルギーを得ることを特徴とする二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二つの線膨張体またはバイメタル相互間の温度差を第三の線膨張体またはバイメタルを介して、解消する過程で効率的に力学的エネルギーを得るための二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に熱力学では、熱エネルギーを論ずるのみであり、二金属のそれぞれの温度に差がある場合の温度差エネルギーを論じていない。また、前記温度差エネルギーを動力源とする動力機構も現存しない。
【０００３】
そのため、熱を利用して仕事をする場合には、熱エネルギーを直接の動力源とする熱機関を介することになるが、トムソンの原理により仕事が熱に変わる現象は不可逆であるとされるとおり、熱−＞仕事−＞熱−＞仕事…の循環過程をとる場合にエネルギーはたちまち減衰してしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、温度差−＞仕事−＞温度差−＞仕事…の循環過程においてエネルギーを減衰せず、さらにはエネルギーを増殖することを可能にするための二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を解決するために、本発明の二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法においては、なるべく熱膨張率が高く、応力が強い金属で形成した細長い形状の三つの線膨張体をそれぞれの断熱環境に置き、かつ、前記三つの線膨張体のうち、二つの線膨張体相互間でその温度に差があるものとなし、該二線膨張体のそれぞれと第三の線膨張体とを交互に接触させることによって接触時の双方間の温度差を利用して相互間での熱移動を行い、前記三つの線膨張体相互間の温度差がゼロと見なし得る状態になるまでその交互接触を繰り返し、かつ、その時、該交互接触に伴う三つの線膨張体の温度変化によるそれぞれの膨張または収縮の現象から力学的エネルギーを得ることを特徴とするものである。
【０００６】
さらに、上記の二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法においては、三つの線膨張体の代わりに、三つのバイメタルを用いることも有効である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法を実施する手順として、三つの線膨張体または三つのバイメタルをそれぞれの断熱環境に置き、かつ、前記三つの線膨張体または三つのバイメタルのうち、二つの線膨張体相互間または二つのバイメタル相互間でその温度に差があるものとなし、該二線膨張体のそれぞれまたは二バイメタルのそれぞれと第三の線膨張体またはバイメタルとを交互に繰り返し接触させ、接触時に前記二線膨張体のそれぞれまたは二バイメタルのそれぞれの双方間の温度差を利用して相互間での熱移動を行うと、次第に、前記三つの線膨張体相互間または三つのバイメタル相互間の温度差が縮小し、ついには相互間の温度差がゼロと見なし得る状態に至る。
【０００８】
上記において、三つの線膨張体または三つのバイメタルの質量をそれぞれｍ１、ｍ２、ｍ３であるとし、また、平均比熱をｃ１、ｃ２、ｃ３であるとし、さらにまた、相互の接触による熱移動を開始する前の状態の温度をｔ１、ｔ２、ｔ３（ただし、ｔ１＜ｔ３＜ｔ２とする）であるとし、質量ｍ１および質量ｍ２の線膨張体またはバイメタルと質量ｍ３の線膨張体またはバイメタルとの交互接触を繰り返し、ついにはそれぞれの温度が平均化されて同一と見なし得る温度ｔｎになったとすると、質量ｍ１の線膨張体またはバイメタルが受容した熱量合計はｍ１・ｃ１・（ｔｎ−ｔ１）であり、質量ｍ２の線膨張体またはバイメタルが放出した熱量合計はｍ２・ｃ２・（ｔ２−ｔｎ）であり、その双方の熱移動は質量ｍ３の線膨張体またはバイメタルを介して行われるから、該質量ｍ３の線膨張体またはバイメタルが放出した熱量および受容した熱量の合計は、ｔ３＝ｔｎか、ｔ３≠ｔｎであるかどうかにかかわりなく、ｍ１・ｃ１・（ｔｎ−ｔ１）＋ｍ２・ｃ２・（ｔ２−ｔｎ）である。
【０００９】
なお、上記において、質量ｍ１および質量ｍ２の線膨張体またはバイメタルの温度が、もともと、双方ともｔｎであったものを、質量ｍ１の線膨張体またはバイメタルからは熱を奪い、質量ｍ２の線膨張体またはバイメタルに対しては熱を与えて、それぞれｔ１、ｔ２となしたものであったとすると、その時、前者が放出した熱量はｍ１・ｃ１・（ｔｎ−ｔ１）であり、後者が受容した熱量はｍ２・ｃ２・（ｔ２−ｔｎ）である。
【００１０】
上記における熱の移動に伴う力学的エネルギーは、まず、質量ｍ１および質量ｍ２の線膨張体またはバイメタルの温度をそれぞれｔｎからｔ１、ｔ２に変化させたときと、次に、質量ｍ３の線膨張体またはバイメタルとの交互接触の繰り返しの結果、それぞれｔ１、ｔ２からｔｎに戻るときの膨張・収縮または湾曲の変化によって生ずる。さらに、質量ｍ３の線膨張体またはバイメタルについては、質量ｍ１および質量ｍ２の線膨張体またはバイメタルとの交互接触の繰り返しに伴って熱を放出・受容して、温度が変化するたびに、膨張・収縮または湾曲の変化が起きることによって生ずる。
【００１１】
上記において、三つの線膨張体または三つのバイメタルの温度を変化させるために、外部からエネルギー投入を必要とするものは、質量ｍ１および質量ｍ２の線膨張体またはバイメタルの温度をそれぞれｔｎからｔ１、ｔ２に変化させるときだけである。それに対して、三つの線膨張体または三つのバイメタルに生じている熱の放出・受容量の合計は３・ｍ１・ｃ１・（ｔｎ−ｔ１）＋３・ｍ２・ｃ２・（ｔ２−ｔｎ）であり、そのすべてに伴う膨張・収縮または湾曲の変化から力学的エネルギーが得られるから、その獲得エネルギー量が、直接にその温度変化を起こす場合に必要な熱発生または冷却の仕事をするのに必要な量の１／３以上であれば、本発明の二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法を実施することによって、温度差−＞仕事−＞温度差−＞仕事…の循環過程において熱効率が１００％以上になり、エネルギーを減衰せず、さらには、エネルギーを増殖することが可能になる。
【００１２】
温度変化によるバイメタルの湾曲変化は、その現象が顕著であるので、それから力学的エネルギーを得るのが比較的容易であるが、張り合わせてある二種類の金属板の双方の熱膨張率の差を利用して湾曲変化を得ているので、熱効率は低くなる。それに対して、単純に線膨張体の膨張・収縮を利用して力学的エネルギーを得る場合には、原理的には、その熱効率１００％で膨張・収縮から力学的エネルギーを得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法の実施例を下記で図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は、三つのバイメタルを用いて、上記条件の下における本発明の二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法の最も簡単明快な１実施例を示す説明図である。バイメタルは、単一の材料で構成している線膨張体よりも、力学的エネルギーを得るためには熱効率の点で劣るが、温度変化に対応して敏感に湾曲の変化が起きるので、力学的エネルギーを視覚的に確認しやすいという利点がある。
【００１５】
図１において、１、２、３はそれぞれ第一バイメタル、第二バイメタル、第三バイメタルであり、その三バイメタルのそれぞれの構成が同じで、質量・平均比熱が同一であるとし、また、第一バイメタル、第二バイメタル、第三バイメタルの温度がそれぞれｔｎ−Δｔ、ｔｎ＋Δｔ、ｔｎであるものとする。また、４、５、６はそれぞれのバイメタルが他のバイメタルと接して熱の異動を行うための各接点である。この接点４、５、６を通して熱が移動する場合に、前記の各バイメタル１、２、３それぞれの断熱環境７、８、９が相互に合体するものとしている。ただし、各バイメタル間の熱の移動を早めるためには、一点の接触だけでなく様々な対策を取ることが可能であるが、本例ではその説明は省略し、象徴的に、図の様に接点４、５、６相互の接触によって熱移動をする方法を示すのみとしている。また、断熱環境としては真空で周囲が反射板で囲まれていることが望ましいが、断熱効果が有効であれば、特にその構造を限定するものではない。
【００１６】
図１（イ）において、第一バイメタル１、第二バイメタル２、第三バイメタル３はそれぞれ温度がｔｎ−Δｔ、ｔｎ＋Δｔ、ｔｎであり、それぞれの温度の状態で前記第一バイメタル１および第二バイメタル２は本図に示す湾曲状況をなし、その先端はそれぞれ点１ａ、２ａの位置にあり、第三バイメタル３は本図に示すように直線状をなし、その先端は点３ａの位置にあるものとする。そして、本図は、第一バイメタル用の断熱環境７と第三バイメタル用の断熱環境９が合体し、第一バイメタルの接点４と第三バイメタルの接点６が接触した瞬間で、いま、まさに、第一バイメタル１と第三バイメタル３の間で熱の移動が始まった瞬間を表すものとする。
【００１７】
図１（ロ）は、第一バイメタル１と第三バイメタル３の間で熱が完全に移動し、双方の温度が同じになった状態を表す。実際には熱が完全に移動するのを待つことは必須条件ではないが、本例ではより熱効率を高め、かつ、説明を簡単にするために熱が完全に移動した結果を示すものとし、第一バイメタル１と第三バイメタル３の温度はともに（２ｔｎ−Δｔ）／２になっており、図１（イ）における温度との差は、ともにΔｔ／２である。そして、この温度変化に感応して、この場合、第一バイメタル１は上方に湾曲が変化し、その先端は点１ａから１ｂに移動し、第三バイメタル３は下方に湾曲が変化し、その先端は点３ａから３ｂに移動したものとしている。
【００１８】
例えば、バイメタルの形状をその先端を頂点とし、基部を底辺とする三角形の形にすれば、その先端一点の動きの力から、バイメタルの湾曲変化の全エネルギーを得ることができるので便利である。そのような方法によって、図１（イ）から図１（ロ）への変化において、第一バイメタル１および第三バイメタル３の湾曲変化からエネルギーを得ることができ、そのエネルギーを例えばぜんまいを巻くために振り向ける方法などにより、力学的エネルギーとして蓄積することができる。
【００１９】
次に、図１（ハ）は、図１（ロ）の状態から第三バイメタル３を反転させ（その結果、その先端の位置は３ｂ´に移っている）、第二バイメタルの接点５と前記第三バイメタルの接点６とを接触させた瞬間であり、いま、まさに、第二バイメタル２と第三バイメタル３の間で熱の移動が始まった瞬間を表すものとする。本図において、第二バイメタル用の断熱環境８と第三バイメタル用の断熱環境９は合体している。
【００２０】
図１（ニ）は、第二バイメタル２と第三バイメタル３の間で熱が完全に移動し、双方の温度が同一になった状態を表す。実際には熱が完全に移動するのを待つことは必須条件ではないが、図１（イ）から図１（ロ）への変化と同様に、本図でも熱が完全に移動した結果を示すものとし、第二バイメタル２と第三バイメタル３の温度はともに（４ｔｎ＋Δｔ）／４になっており、図１（ハ）における温度との差は、ともに３Δｔ／４である。そして、この温度変化に感応して、この場合、第二バイメタル２は下方に湾曲が変化し、その先端は点２ａから２ｂに移動し、第三バイメタル３は下方への湾曲から上方への湾曲に変化し、その先端は点３ｂ´から３ｃに移動したものとしている。
【００２１】
先に説明した図１（イ）から図１（ロ）への変化におけると同様に、図１（ハ）から図１（ニ）への変化において、第二バイメタル２および第三バイメタル３の湾曲変化からエネルギーを得ることができ、そのエネルギーを例えばぜんまいを巻くために振り向ける方法などにより、力学的エネルギーとして蓄積することができる。
【００２２】
図１（ホ）は、図１（ニ）の状態から、さらに、第一バイメタル１および第二バイメタル２のそれぞれと第三バイメタル３との交互接触を繰り返し、ついに、その三つのバイメタルの温度がともにｔｎであると見なし得るまでに至り、該三バイメタルとも直線状になった状態を示す。
【００２３】
図１（イ）から図１（ホ）の状態に至るまでの第三バイメタル３の温度の変化量をＱ３とおくと
Ｑ３＝Δｔ／２＋３Δｔ／４＋３Δｔ／８＋３Δｔ／１６＋３Δｔ／３２＋・・・
＝２Δｔ
と表すことができる。この第三バイメタル３の温度の変化は、単純に、第一バイメタル１と第二バイメタル２を接触させて、相互間の温度差を解消するのでなく、第三バイメタル３を介してその温度差を解消することによって生ずる。これが、効率的に力学的エネルギーを得られるおおきな要因である。
なお、第一バイメタル１および第二バイメタル２の図１（イ）から図１（ホ）の状態に至るまでの温度の変化量をそれぞれＱ１、Ｑ２とおくと、当然に
Ｑ１＝Ｑ２＝Δｔ
と表すことができる。この温度の変化量は、単純に、第一バイメタル１と第二バイメタル２を接触させて、相互間の温度差を解消する場合と同じである。
【００２４】
図１（ホ）の状態において、第一バイメタル１からＱ１（＝Δｔ）の熱を奪い、第二バイメタル２にはＱ２（＝Δｔ）の熱を与えれば、第一バイメタル１および第二バイメタル２は図１（イ）に示す状態に復帰する。図１（イ）から図１（ロ）への変化および図１（ハ）から図１（ニ）への変化におけると同様に、図１（ホ）から図１（イ）への変化においても前記第一バイメタル１および第二バイメタル２の湾曲変化からエネルギーを得ることができ、そのエネルギーを例えばぜんまいを巻くために振り向ける方法などにより、力学的エネルギーとして蓄積することができる。
【００２５】
以上により、図１（イ）から図１（ホ）の状態に至り、さらに、図１（イ）の状態に復帰する循環過程で、三つのバイメタルに生ずる熱の受容・放出による温度の変化量の合計は、それぞれ２Δｔであることが分かる。それに対して、その循環を実現するために必要なエネルギー量は、図１（ホ）から図１（イ）に復帰するためにクーラーおよびヒーターを運転するなどの方法により、第一バイメタル１および第二バイメタルタルの温度をそれぞれΔｔだけ変えるために必要な分だけである。
【００２６】
原理的に、エネルギーを消費してクーラーおよびヒーターを運転するなどの仕事を、冷熱・温熱に変える効率は１００％であるから、図１（イ）から図１（ホ）の状態に至り、さらに、図１（イ）の状態に復帰する過程で、それぞれのバイメタルの温度の変化に伴う湾曲の変化から得られるエネルギー量が、熱効率３３．３％以上のものであれば、上記の循環過程でエネルギーの減衰がなく、さらに、力学的エネルギーの増殖が可能となる。
【００２７】
図１ではバイメタルを用いる実施例を示したが、バイメタルの代わりに線膨張体を用いて、線膨張体が温度変化に伴って膨張・収縮する動きからエネルギーを得ることができる。その場合も、図１について説明した原理が同様に当てはまり、二つの線膨張体の温度差を第三の線膨張体を介して解消し、かつ、前記二つの線膨張体の温度差を元に復帰する循環過程において得られるエネルギー量が、熱効率３３．３％以上のものであれば、エネルギーの減衰がなく、さらに、力学的エネルギーの増殖が可能となる。なお、線膨張体を用いるときは、原理的には熱効率１００％で温度変化を力学的エネルギーに変換できる。
【実施例２】
【００２８】
図２は、線膨張体のわずかな膨張・収縮を顕著な仕事量に変え、エネルギーを得やすくする１実施例である。
【００２９】
図２において、１０は線膨張体、１１はその断熱環境、１２は丈夫で、かつ、熱伝導率がゼロであると見なし得る材料で形成した梃子であり、梃子の支点の位置をＰ、梃子の支点から基部までの長さおよび先端までの長さを、それぞれＬ１、Ｌ２で表している。また、前記線膨張体１０の先端が動くとき、その動きによって梃子１２の基部を動かすものとする。
【００３０】
図２（イ）において線膨張体１０の温度がｔ、長さがＬａであったものが、図２（ロ）においては、前記線膨張体１０の温度がｔ´、長さがＬｂに変化した結果を示している。そして、図２（イ）から図２（ロ）への変化において、梃子１２の先端の位置が１２ａから１２ｂに変化したことを示している。
【００３１】
図２において、Ｌ１の長さに比べてＬ２の長さが極めて大きければ、梃子１２の先端の動きが大きくなるので、その動きから力学的エネルギーを得やすくなる。な
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の二金属体の温度差から効率的に力学的エネルギーを得る方法は、熱効率１００％以上の動力機関の実現可能性を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】バイメタルを用いる場合の最も簡単明快な実施例を示す説明図である。（実施例１）
【図２】線膨張体のわずかな膨張・収縮から力学的エネルギーを得やすくする実施例を示す説明図である。（実施例２）
【符号の説明】
【００３４】
１        第一バイメタル
２        第二バイメタル
３        第三バイメタル
４        第一バイメタルの接点
５        第二バイメタルの接点
６        第三バイメタルの接点
７        第一バイメタルの断熱環境
８        第二バイメタルの断熱環境
９        第三バイメタルの断熱環境
１０      線膨張体
１１      線膨張体の断熱環境
１２      梃子
【図１】
2006029282.tif 000003
【図２】
2006029282.tif 000004