(57)【要約】【課題】相転移を利用してエネルギーを得る装置を提供する。【解決手段】本発明の一態様にかかる装置は、回転可能な感温磁性体１０と、感温磁性体へ磁場Ｈを印加する磁場印加部２０と、感温磁性体へ熱エネルギーＱ１を供給する熱供給部３０と、感温磁性体から熱エネルギーＱ２を受け取る熱受け取り部４０とを備える。感温磁性体内の温度分布の偏りに基づく感温磁性体内の磁化の偏りと、磁場印加部から発生する磁場の方向とに基づいて感温磁性体を回転させる回転エネルギーＥ１が発生する。熱受け取り部は、回転する感温磁性体から熱エネルギーＱ２を受け取る。感温磁性体へ入力されるエネルギーは熱エネルギーＱ１であり、感温磁性体１０から出力されるエネルギーは熱エネルギーＱ２および回転エネルギーＥ１である。エネルギーＱ１、Ｑ２およびＥ１の関係はＱ１＜Ｑ２＋Ｅ１となる。【選択図】図１
2013238154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な感温磁性体と、
前記感温磁性体へ磁場を印加する磁場印加部と、
前記感温磁性体へ熱エネルギーを供給する熱供給部と、
前記感温磁性体から熱エネルギーを受け取る熱受け取り部と、
を備え、
前記熱供給部は、前記磁場印加部の位置を基準としたときの前記感温磁性体内の温度分布に偏りが生じるように、熱エネルギーを前記感温磁性体へ供給し、
前記温度分布の偏りに基づく前記感温磁性体内の磁化の偏りと、前記磁場印加部から発生する前記磁場の方向とに基づいて前記感温磁性体を回転させる回転エネルギーが発生し、
前記熱受け取り部は、回転する前記感温磁性体から熱エネルギーを受け取る、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置を複数備えたシステムであって、
前記複数の装置には、第１装置と第２装置とが含まれており、
前記第１装置の前記熱受け取り部は、前記第２装置の前記熱供給部として前記第２装置の前記感温磁性体へ熱エネルギーを供給する、システム。
【請求項３】
液体のときと固体のときとで体積が変化する体積変化部と、
前記体積変化部を格納するシリンダー部と、
前記シリンダー部内を移動可能なピストン部と、
前記体積変化部へ熱エネルギーを供給する熱供給部と、
前記体積変化部から熱エネルギーを受け取る熱受け取り部と、
を備え、
前記体積変化部から前記熱受け取り部へ熱エネルギーを出力して前記体積変化部が液体から固体へ変化したとき、前記体積変化部の体積変化に応じて前記ピストン部を移動させる運動エネルギーが発生し、
前記熱供給部から前記体積変化部へ熱エネルギーを供給して前記体積変化部が固体から液体へ変化したとき、前記体積変化部の体積変化に応じて前記ピストン部を移動させる運動エネルギーが発生する、装置。
【請求項４】
液体ヘリウムと、
前記液体ヘリウムを格納する容器と
を備えた装置であって、
前記容器は、底部と壁部と天井部とを有し、
前記天井部には突起部が設けられており、
前記容器の底部の超流動状態の液体ヘリウムは、前記壁部を伝って前記突起部に達し、
前記装置は、
前記突起部に達した液体ヘリウムに熱エネルギーを供給して超流動状態から常流動状態へ相転移させる熱供給部と、
前記突起部から落下する液体ヘリウムと接触することにより回転エネルギーを生成する羽根車と、
前記底部に落下した液体ヘリウムから熱エネルギーを受け取る熱受け取り部と
をさらに備えた、装置。
【請求項５】
前記容器の前記壁部と前記突起部との間に設けられたスーパーリークをさらに備えた、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
液体ヘリウムをそれぞれ格納した複数の容器と、
前記複数の容器に格納された常流動状態の液体ヘリウムから熱エネルギーを受け取って超流動状態へ相転移させる熱受け取り部と、
前記複数の容器に格納された超流動状態の液体ヘリウムに熱エネルギーを供給して常流動状態へ相転移させる熱供給部と
を備え、
前記複数の容器は所定の角度間隔で互いに固定され、同じ回転軸で回転可能であり、
前記常流動状態の液体ヘリウムが前記容器を回転させようとする力と、前記超流動状態の液体ヘリウムが前記容器を回転させようとする力との関係から、前記複数の容器を回転させる回転エネルギーが発生する、装置。
【請求項７】
液体のときと気体のときとで体積が変化する体積変化部をそれぞれ格納した複数の容器と、
前記容器に格納された液体の前記体積変化部に熱エネルギーを供給して前記体積変化部の少なくとも一部を気体へ相転移させる熱供給部と、
前記容器に格納された前記気体から熱エネルギーを受け取って液体へ相転移させる熱受け取り部と
を備え、
前記複数の容器は所定の角度間隔で互いに固定され、同じ回転軸で回転可能であり、
前記熱エネルギーを受け取った高温の体積変化部が前記容器を回転させようとする力と、前記熱エネルギーを出力した低温の体積変化部が前記容器を回転させようとする力との関係から、前記複数の容器を回転させる回転エネルギーが発生する、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、相転移を利用してエネルギーを得る装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
強磁性体を加熱して温度を上げていくと、ある温度で強磁性特性から常磁性特性に変化することが知られている。その転移温度は、キュリー温度（またはキュリー点）と呼ばれている。また、キュリー温度以上の強磁性体を冷却してキュリー温度未満に下げると常磁性特性から強磁性特性に変化することも知られている。
【０００３】
例えば、強磁性体である鉄のキュリー温度は摂氏７７０度（１０４３Ｋ）であり、キュリー温度以上では常磁性を示し、キュリー温度未満では強磁性を示す。鉄以外にも様々な単体、化合物および合金でそのような相転移が発生し、例えば、コバルトのキュリー温度は摂氏１１１５度（１３８８Ｋ）であり、ニッケルのキュリー温度は摂氏３５４度（６２７Ｋ）である。また、このように温度によって磁気特性が変化する材料は感温磁性材料とも呼ばれ、様々な材料が開発されている。本明細書では、温度に応じて磁気特性が変化する単体、化合物および合金等を感温磁性体と呼ぶこととし、強磁性体も感温磁性体に含まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−００９０２２号公報
【特許文献２】特開２００１−１７８１１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、世界中でエネルギーの安定供給の重要性が増してきており、エネルギーの利用効率を上げたり、これまで使用されてこなかった新たなエネルギーを活用したりすることが望まれている。そのような中で、特許文献１および２では、超伝導体が常伝導特性と超伝導特性との間で相転移を起こすことを利用してエネルギーを得る装置が提案されている。
【０００６】
本発明は、相転移を利用してエネルギーを得る装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の装置は、回転可能な感温磁性体と、前記感温磁性体へ磁場を印加する磁場印加部と、前記感温磁性体へ熱エネルギーを供給する熱供給部と、前記感温磁性体から熱エネルギーを受け取る熱受け取り部と、を備え、前記熱供給部は、前記磁場印加部の位置を基準としたときの前記感温磁性体内の温度分布に偏りが生じるように、熱エネルギーを前記感温磁性体へ供給し、前記温度分布の偏りに基づく前記感温磁性体内の磁化の偏りと、前記磁場印加部から発生する前記磁場の方向とに基づいて前記感温磁性体を回転させる回転エネルギーが発生し、前記熱受け取り部は、回転する前記感温磁性体から熱エネルギーを受け取る。
【０００８】
本発明のシステムは、前記装置を複数備えたシステムであって、前記複数の装置には、第１装置と第２装置とが含まれており、前記第１装置の前記熱受け取り部は、前記第２装置の前記熱供給部として前記第２装置の前記感温磁性体へ熱エネルギーを供給する。
【０００９】
本発明の装置は、液体のときと固体のときとで体積が変化する体積変化部と、前記体積変化部を格納するシリンダー部と、前記シリンダー部内を移動可能なピストン部と、前記体積変化部へ熱エネルギーを供給する熱供給部と、前記体積変化部から熱エネルギーを受け取る熱受け取り部と、を備え、前記体積変化部から前記熱受け取り部へ熱エネルギーを出力して前記体積変化部が液体から固体へ変化したとき、前記体積変化部の体積変化に応じて前記ピストン部を移動させる運動エネルギーが発生し、前記熱供給部から前記体積変化部へ熱エネルギーを供給して前記体積変化部が固体から液体へ変化したとき、前記体積変化部の体積変化に応じて前記ピストン部を移動させる運動エネルギーが発生する。
【００１０】
本発明の装置は、液体ヘリウムと、前記液体ヘリウムを格納する容器とを備えた装置であって、前記容器は、底部と壁部と天井部とを有し、前記天井部には突起部が設けられており、前記容器の底部の超流動状態の液体ヘリウムは、前記壁部を伝って前記突起部に達し、前記装置は、前記突起部に達した液体ヘリウムに熱エネルギーを供給して超流動状態から常流動状態へ相転移させる熱供給部と、前記突起部から落下する液体ヘリウムと接触することにより回転エネルギーを生成する羽根車と、前記底部に落下した液体ヘリウムから熱エネルギーを受け取る熱受け取り部とをさらに備える。前記装置は、前記容器の前記壁部と前記突起部との間に設けられたスーパーリークをさらに備えていてもよい。
【００１１】
本発明の装置は、液体ヘリウムをそれぞれ格納した複数の容器と、前記複数の容器に格納された常流動状態の液体ヘリウムから熱エネルギーを受け取って超流動状態へ相転移させる熱受け取り部と、前記複数の容器に格納された超流動状態の液体ヘリウムに熱エネルギーを供給して常流動状態へ相転移させる熱供給部とを備え、前記複数の容器は所定の角度間隔で互いに固定され、同じ回転軸で回転可能であり、前記常流動状態の液体ヘリウムが前記容器を回転させようとする力と、前記超流動状態の液体ヘリウムが前記容器を回転させようとする力との関係から、前記複数の容器を回転させる回転エネルギーが発生する。
【００１２】
本発明の装置は、液体のときと気体のときとで体積が変化する体積変化部をそれぞれ格納した複数の容器と、前記容器に格納された液体の前記体積変化部に熱エネルギーを供給して前記体積変化部の少なくとも一部を気体へ相転移させる熱供給部と、前記容器に格納された前記気体から熱エネルギーを受け取って液体へ相転移させる熱受け取り部とを備え、前記複数の容器は所定の角度間隔で互いに固定され、同じ回転軸で回転可能であり、前記熱エネルギーを受け取った高温の体積変化部が前記容器を回転させようとする力と、前記熱エネルギーを出力した低温の体積変化部が前記容器を回転させようとする力との関係から、前記複数の容器を回転させる回転エネルギーが発生する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一態様にかかる装置によれば、加熱された感温磁性体内の磁化の偏りと磁場の方向とに基づいて感温磁性体は回転し、その回転する感温磁性体から熱受け取り部は熱エネルギーを受け取る。より具体的には、感温磁性体の高温部分よりも低温部分の方が磁場印加部に強く引き寄せられることにより感温磁性体は回転する。これにより、回転エネルギーと熱エネルギーとの両方を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態にかかる装置を模式的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態にかかる感温磁性体内を出入りする熱エネルギーを説明する図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる装置を模式的に示す図である。
【図４】本発明の実施形態にかかるシステムを模式的に示す図である。
【図５】本発明の実施形態にかかるシステムを模式的に示す図である。
【図６】（ａ）から（ｃ）は本発明の実施形態にかかる装置を模式的に示す図である。
【図７】本発明の実施形態にかかる装置を模式的に示す図である。
【図８】本発明の実施形態にかかる液体ヘリウムのエネルギーの出入りを説明する図である。
【図９】本発明の実施形態にかかる装置を模式的に示す図である。
【図１０】本発明の実施形態にかかる装置を模式的に示す図である。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は本発明の実施形態にかかる液体ヘリウムの振る舞いを模式的に示す図である。
【図１２】本発明の実施形態にかかる装置を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態にかかる装置を説明する。
【００１６】
（実施形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる装置１００を模式的に示す図である。装置１００は、温度に応じて磁気特性が変化する感温磁性体を用いてエネルギーを得る装置である。装置１００は、熱磁気エンジン、熱磁気モーター、キュリーエンジン、キュリーモーターとも呼ぶ。また、装置１００は相転移を利用することから相転移エンジン、相転移モーターと呼ぶこともできる。なお、相転移は相変化と表現されることもある。
【００１７】
装置１００は、回転軸５０を中心に回転可能な感温磁性体１０と、感温磁性体１０へ磁場Ｈを印加する磁場印加部２０と、感温磁性体１０へ熱エネルギーＱ１を供給する熱供給部３０と、感温磁性体１０から熱エネルギーＱ２を受け取る熱受け取り部４０とを備える。
【００１８】
感温磁性体１０としては、キュリー温度を基準として強磁性特性と常磁性特性との間の相転移が起こる強磁性体を用いる。強磁性体は、例えば、鉄、ニッケルまたはコバルトである。磁場印加部２０は永久磁石である。熱供給部３０は、例えば、燃焼熱を発生するバーナーまたは電熱線である。熱受け取り部４０は水等の液体であり、容器６０内で保持されている。
【００１９】
次に、図１および図２を参照して装置１００の動作をより詳細に説明する。図２は、感温磁性体１０内を出入りする熱エネルギーを説明するための線図である。図２の線図の縦軸は感温磁性体１０内部に印加される磁場を示し、横軸は感温磁性体１０内部の温度を示している。
【００２０】
感温磁性体１０は、キュリー温度未満の温度では強磁性特性を示し、磁場印加部２０に引き寄せられる。熱供給部３０は、磁場印加部２０の位置を基準としたときの感温磁性体１０内の温度分布に偏りが生じるように、熱エネルギーＱ１を感温磁性体１０へ供給する。磁場印加部２０から見たときの感温磁性体１０内の温度分布は非対称となる。熱供給部３０が熱エネルギーＱ１を感温磁性体１０に供給すると、感温磁性体１０内の加熱領域１０ＨＨが熱せられて温度が上昇する。加熱領域１０ＨＨの温度がキュリー温度以上になると加熱領域（高温高磁場領域）１０ＨＨは常磁性特性を示すようになり、磁場印加部２０に引き寄せられる力が弱まる。加熱領域１０ＨＨよりも温度が低い低温高磁場領域１０ＬＨ（キュリー温度未満）は強磁性特性を示すので磁場印加部２０に引き寄せられる。感温磁性体１０の加熱領域（高温高磁場領域）１０ＨＨよりも低温高磁場領域１０ＬＨの方が磁場印加部２０に強く引き寄せられることにより、感温磁性体１０は回転する。すなわち回転エネルギーＥ１が発生する。このように、温度分布の偏りに基づく感温磁性体１０内の磁化の偏りと、磁場印加部２０から発生する磁場Ｈの方向とに基づいて、感温磁性体１０を回転させる回転エネルギーＥ１が発生する。
【００２１】
感温磁性体１０の加熱領域１０ＨＨであった部分は回転により移動して、熱受け取り部４０と接触する冷却領域（高温低磁場領域）１０ＨＬとなる。感温磁性体１０の冷却領域１０ＨＬは、熱エネルギーＱ２を熱受け取り部４０へ出力し、熱受け取り部４０はそれを受け取る。熱受け取り部４０へ熱エネルギーＱ２を出力した冷却領域（高温低磁場領域）１０ＨＬの温度は、キュリー温度未満まで下がり、強磁性特性を示す低温低磁場領域１０ＬＬになる。
【００２２】
感温磁性体１０の低温低磁場領域１０ＬＬは回転により移動して、強磁性特性を示す低温高磁場領域１０ＬＨとなり、磁場印加部２０に引き寄せられる。磁場印加部２０に引き寄せられた部分は熱供給部３０により加熱され、温度がキュリー温度以上になると常磁性特性を示す高温高磁場領域１０ＨＨになる。このようなサイクルにより、感温磁性体１０は回転を続ける。
【００２３】
なお、高温高磁場領域１０ＨＨから高温低磁場領域１０ＨＬへ移動する過程では、感温磁性体１０内の磁束密度が小さくなることにより、温度が低下することが考えられる。すなわち、感温磁性体１０内部の熱エネルギーが減少することが考えられる。このことは、図２に熱エネルギーｑ２として示している。また、低温低磁場領域１０ＬＬから低温高磁場領域１０ＬＨへ移動する過程では、感温磁性体１０内の磁束密度が大きくなることにより温度が上昇し、磁性体１０内部の熱エネルギーは増加することが考えられる。このことは図２に熱エネルギーｑ１として示している。前者の熱エネルギーの減少分ｑ２は、後者の熱エネルギーの増加分ｑ１で相殺されると考えられる。
【００２４】
ここで、装置１００で発生するエネルギーについて説明する。図３は、エネルギーの出入りを分かりやすくする説明するために、図１に示す装置１００から熱受け取り部４０および容器６０を省略した図である。厳密には、熱エネルギーＱ２の一部は熱受け取り部４０外部の空間（感温磁性体１０の周りの空間）にも出力されるため、図３では、熱受け取り部４０の形態を問わない、熱エネルギーＱ２が感温磁性体１０外部に出力される構成を示している。
【００２５】
感温磁性体１０への入力エネルギーは熱エネルギーＱ１であり、感温磁性体１０からの出力エネルギーは熱エネルギーＱ２および回転エネルギーＥ１である。エネルギーＱ１、Ｑ２およびＥ１の関係は、
Ｑ１＜Ｑ２＋Ｅ１                        ・・・（１）
となる。これは、入力エネルギーよりも出力エネルギーの方が大きい関係になっている。また、熱エネルギーｑ１およびｑ２を考慮すると、
Ｑ１＋ｑ１＜Ｑ２＋ｑ２＋Ｅ１              ・・・（２）
となる。
【００２６】
熱エネルギーＱ１の一部は、感温磁性体１０の内部に蓄えられ得るが、その内部に蓄えられたエネルギーは、装置１００の連続回転動作の過程で、熱エネルギーＱ２に含まれる形で感温磁性体１０外部に出力される。また、磁場Ｈ中を移動する感温磁性体１０には渦電流が発生し、その渦電流により熱エネルギーが発生するが、その熱エネルギーは、装置１００の連続回転動作の過程で、熱エネルギーＱ２に含まれる形で感温磁性体１０外部に出力される。
【００２７】
上記式（１）および（２）はエネルギー保存則の破れを示している。このことについて、自発的な対称性の破れの観点から説明する。
【００２８】
エネルギー保存則の成立はネーターの定理に依存している。ネーターの定理によれば、系に連続的な対称性があればそれに対応する保存則が存在する。言い換えると、物理学における保存則の成立は、対称性が成立していることが前提となる。このことから、対称性の破れが発生すれば、保存則の破れも発生する。
【００２９】
強磁性体は、キュリー温度を基準として強磁性特性と常磁性特性との間の相転移が発生する。このような相転移では自発的な対称性の破れが発生していることが、物理学では説明されている。すなわち、強磁性体の強磁性特性と常磁性特性との間の相転移において、エネルギー保存則の自発的な破れが発生していても物理学的に正しいことになる。このように、自発的な対称性の破れから、上記式（１）および（２）に示すような出力エネルギーが入力エネルギーを上回る現象も説明できる。装置１００について説明すれば、外部から磁場が印加された物質に相転移が発生すると、出力エネルギーが入力エネルギーを上回る現象が発生すると言える。磁場下での相転移ではエネルギー保存則が破れていると言える。
【００３０】
熱エネルギーＱ１およびＱ２に対するエネルギーＥ１の比率を一定以上にすることで人間が利用しやすいエネルギー（運動エネルギー、電気エネルギー等）を高効率で得る装置になる。なお、熱エネルギーＱ１およびＱ２に対するエネルギーＥ１の比率の大小に関わらず、感温磁性体１０からの出力エネルギーが入力エネルギーを上回る現象は物理学的に意味のある現象である。
【００３１】
なお、現代の物理学では、各種保存則の破れが確認された場合、その保存則を保つための新たな素粒子、エネルギー、相転移等を探索する流れになる傾向がある。この観点から言えば、上記の現象は、現代物理学では未だ発見されていない新たな素粒子、エネルギー、相転移等の存在を予言するものとも言える。
【００３２】
なお、上述の例では感温磁性体１０として強磁性体を用いたが、別の材料が用いられてもよく、温度に応じて磁気特性が変化する材料を用いることができる。また、磁場印加部２０は、感温磁性体１０に磁場を印加することができるものであればよく、例えば電磁石であってもよい。また、熱供給部３０は、感温磁性体１０の温度を上昇させることができるものであればよく、例えば光やマイクロウェーブ等の電磁波を感温磁性体１０に照射して加熱する装置であってもよい。また、熱受け取り部４０は、熱伝導性を有する流体であればよく、熱受け取り部４０として各種の液体や気体を用いることができる。また、感温磁性体１０は、円板型として説明したが、ドラム型であってもよい。また、円板型またはドラム型の常磁性体の外周面に、感温磁性体を設けた構成であってもよい。この場合、常磁性体の外周面を感温磁性体が覆ってもよいし、複数の感温磁性体が常磁性体の外周面に分散して配置されていてもよい。
【００３３】
（実施形態２）
図４は、本発明の第２の実施形態にかかるシステム２００を模式的に示す図である。システム２００は、実施形態１の装置１００を２個以上備える。図４に示す例ではシステム２００はｎ個の装置１００−１〜１００−ｎを備える（ｎは３以上の整数）。システム２００では、ある装置１００から出力される熱エネルギーを、別の装置１００への入力熱エネルギーとして用いることにより、出力熱エネルギーを有効利用する。
【００３４】
感温磁性体１０を取り囲む媒体（液体または気体）は、自身が含まれる装置の熱受け取り部４０としての機能と、他の装置の熱供給部３０としての機能との両方の機能を兼ねる。図４に示す例では、装置１００−１の出力熱エネルギーＱ２は、装置１００−２の感温磁性体１０を加熱する入力熱エネルギーとして用いられる。装置１００−２の出力熱エネルギーＱ３は、別の装置の感温磁性体１０を加熱する入力熱エネルギーとして用いられ、同様に、出力熱エネルギーＱｎは、装置１００−ｎの感温磁性体１０を加熱する入力熱エネルギーとして用いられる。
【００３５】
なお、ある１つの感温磁性体１０に熱エネルギーを供給する熱供給部３０の温度と、その感温磁性体１０を取り囲む媒体の温度との間の温度差を大きくするために、感温磁性体１０が出力した熱エネルギーの一部はシステム外部へ放出してもよい。
【００３６】
図５は、システム２００の別の例を模式的に示す図である。図５に示すシステム２００では、１つの装置１００−１の出力熱エネルギーは、２つの装置１００−２および１００−３に分散して供給される。図５に示す例では、装置１００−２には熱エネルギーＱ３が供給され、装置１００−３には熱エネルギーＱ５が供給される。このようなシステム２００においても熱エネルギーを有効利用することができる。
【００３７】
（実施形態３）
図６は、本発明の第３の実施形態にかかる装置３００を模式的に示す図である。装置３００は、液体と固体との間の相転移を利用してエネルギーを得る装置である。多くの物質は液体のときと固体のときとで体積が変化することが知られている。装置３００ではそのような体積変化を利用して運動エネルギーを生成する。
【００３８】
装置３００は、液体のときと固体のときとで体積が変化する体積変化部３１０と、体積変化部３１０を格納するシリンダー部３０１と、シリンダー部３０１内を移動可能なピストン部３０２と、体積変化部３１０へ熱エネルギーＱ１を供給する熱供給部３０と、体積変化部３１０から熱エネルギーＱ２を受け取る熱受け取り部４０とを備える。熱受け取り部４０は、例えばシリンダー部３０１の周りに位置する流体であり、図１に示す容器６０のような容器（ここでは図示を省略）で保持されている。ピストン部３０２には、ラックギア３０４を有するシャフト３０３が接続されている。ラックギア３０４は歯車３３０と噛み合っている。
【００３９】
装置３００では、液体のときと固体のときとで体積が変化する体積変化部３１０として、例えばＨ２Ｏ（水、氷）を用いる。水（液体）は氷（固体）に変化すると体積が大きくなる。熱受け取り部４０の温度はＨ２Ｏの凝固点以下である。
【００４０】
図６（ａ）は、シリンダー部３０１内に水３１０が存在している状態を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）の状態の水３１０から熱受け取り部４０へ熱エネルギーＱ２が出力され、水（液体）が氷（固体）へ変化した状態を示している。水が氷へ変化するときの体積変化（膨張）に応じてピストン部３０２を移動させる運動エネルギーＫ１が発生する。ピストン部３０２の移動に応じて、ラックギア３０４と噛み合っている歯車３３０は回転し、回転エネルギーＥ１が発生する（運動エネルギーＫ１が回転エネルギーＥ１に変換される）。
【００４１】
図６（ｃ）は、図６（ｂ）の状態の氷３１０へ熱供給部３０から熱エネルギーＱ１を供給して、氷（固体）が水（液体）へ変化した状態を示している。氷が水へ変化するときの体積変化（収縮）に応じてピストン部３０２を移動させる運動エネルギーＫ２が発生する。ピストン部３０２の移動に応じて、ラックギア３０４と噛み合っている歯車３３０は回転し、回転エネルギーＥ２が発生する（運動エネルギーＫ２が回転エネルギーＥ２に変換される）。
【００４２】
図６（ｃ）の体積収縮後の状態は図６（ａ）の状態に等しく、図６（ａ）の状態から図６（ｂ）の状態へ変化することにより、熱エネルギーＱ２および運動エネルギーＫ１が出力される。
【００４３】
体積変化部３１０への入力エネルギーは熱エネルギーＱ１であり、体積変化部３１０からの出力エネルギーは、熱エネルギーＱ２、運動エネルギーＫ１およびＫ２である。エネルギーＱ１、Ｑ２、Ｋ１およびＫ２の関係は、
Ｑ１＜Ｑ２＋Ｋ１＋Ｋ２                  ・・・（３）
となる。このような関係になる理由としては、水と氷との間の相転移では自発的な対称性の破れが発生しているためと考えられる
なお、水から氷へ相転移したときの体積膨張率は約１０％である。氷が膨張するときの圧力は、ギガパスカルオーダーまたはそれ以上となる。また、氷のヤング率は約１００ＧＰａである。そのため、歯車３３０の回転は高トルク低回転となるが、複数のギアを組み合わせることにより、高トルク低回転を低トルク高回転に変換することができる。トルクと回転数を調整するためのギア機構は公知であるためここでは詳細な説明は省略する。
【００４４】
また、体積変化部３１０として液体から固体へ相転移するときに体積が小さくなる物質を用いる場合は、熱エネルギーＱ１と熱エネルギーＱ２との出入りのタイミングは図６とは逆となるが、上記式（３）の関係は同様に得られる。また、本実施形態では、液体と固体との間の相転移を利用したが、液体と気体との間の相転移を利用してもよい。
【００４５】
（実施形態４）
図７は、本発明の第４の実施形態にかかる装置４００を模式的に示す図である。装置４００は、液体ヘリウムの超流動状態と常流動状態との間の相転移を利用してエネルギーを得る装置である。
【００４６】
液体ヘリウムは温度２．１７Ｋ以下の環境では超流動状態になることが知られている。この温度２．１７Ｋ以下の環境は地球上でも人工的に作り出すことが可能である。
【００４７】
また、地球を取り巻く宇宙にはその２．１７Ｋよりも温度が低い自然環境が存在し、例えばブーメラン星雲の温度は約１Ｋである。このような２．１７Ｋよりも温度が低い自然環境下では、液体ヘリウムは超流動状態が普通の状態になっている。そして、そのような温度２．１７Ｋ以下の液体ヘリウムを加熱して温度を上昇させることにより、超流動状態のヘリウムは常流動状態へ相転移する。また、そのような２．１７Ｋよりも温度が低い環境下に位置する惑星や小惑星からは重力を得ることができる。装置４００は、重力が作用する温度２．１７Ｋ以下の環境で動作する。
【００４８】
装置４００は、液体ヘリウムＨｅと、液体ヘリウムＨｅを格納する容器４６０とを備える。容器４６０は、底部４６１と壁部４６２と天井部４６３とを有している。天井部４６３には突起部４６４が設けられている。容器４６０の底部４６１の超流動状態の液体ヘリウムＨｅは、壁部４６２を伝って上方向（＋Ｚ方向）へ上っていき、突起部４６４に到達する。装置４００は、突起部４６４に到達した液体ヘリウムＨｅに熱エネルギーＱ１を供給して超流動状態から常流動状態へ相転移させる熱供給部３０と、突起部４６４から落下する液体ヘリウムと接触することにより回転エネルギーＥ１を生成する羽根車４１０と、底部４６１に落下した液体ヘリウムＨｅから熱エネルギーＱ２を受け取る熱受け取り部４０とをさらに備える。図７に示す例では、容器４６０の底部４６１の液体ヘリウムＨｅが熱受け取り部４０の機能を果たしている。
【００４９】
次に、図７および図８を参照して装置４００の動作をより詳細に説明する。図８は、液体ヘリウムのエネルギーの出入りを説明する線図である。図８の線図の縦軸は液体ヘリウムのポテンシャルエネルギーを示し、横軸は液体ヘリウムの温度を示している。
【００５０】
容器４６０の底部４６１の液体ヘリウムＨｅの温度は２．１７Ｋ以下であり超流動状態になっている。この超流動状態の液体ヘリウムＨｅは、壁部４６２を伝って上方向（＋Ｚ方向）へ上っていく。液体ヘリウムＨｅが壁部４６２を上っていく物理現象の理由としては、上った方がポテンシャルエネルギー的に安定になる（ポテンシャルエネルギーが下がる）ためであり、超流動ヘリウムに見られる現象である。この壁部４６２を上っていく低温で高ポテンシャルエネルギーの液体ヘリウムをＨｅＬＨと表す。
【００５１】
この壁部４６２を上った液体ヘリウムをＨｅＬＨは、天井部４６３を通って突起部４６４に到達する。突起部４６４に到達した液体ヘリウムＨｅのポテンシャルエネルギーは下がっている。この低温で低ポテンシャルエネルギーの液体ヘリウムをＨｅＬＬと表す。
【００５２】
熱供給部３０は、突起部４６４に位置する液体ヘリウムＨｅＬＬに熱エネルギーＱ１を供給して温度を上昇させ、超流動状態から常流動状態へ相転移させる。液体ヘリウムの温度は２．１７Ｋよりも高くなる。また、常流動状態になることにより、液体ヘリウムが突起部４６４に吸着しておく力よりも重力の方が強く影響するようになり、この強く影響する重力の観点からポテンシャルエネルギーは高くなる。この高温で高ポテンシャルエネルギーの液体ヘリウムをＨｅＨＨと表す。
【００５３】
液体ヘリウムＨｅＨＨに作用する重力の方向は−Ｚ方向である。液体ヘリウムＨｅＨＨは突起部４６４から落下する。落下の過程で、ポテンシャルエネルギーは運動エネルギーＫ１に変換されていく。羽根車４１０は、落下する液体ヘリウムＨｅと接触することにより液体ヘリウムＨｅから力を受けて回転し、回転エネルギーＥ１を生成する。
【００５４】
落下により底部４６１の液面（熱受け取り部４０表面）に到達した高温で低ポテンシャルエネルギーの液体ヘリウムをＨｅＨＬと表す。
【００５５】
底部４６１の液体ヘリウム（熱受け取り部４０）は、落下した液体ヘリウムＨｅＨＬから熱エネルギーＱ２を受け取り、温度を２．１７Ｋよりも低下させ、常流動状態から超流動状態へ相転移させる。この超流動状態の液体ヘリウムＨｅは、再び壁部４６２を伝って上方向（＋Ｚ方向）へ上っていき、突起部４６４で加熱されて底部４６１へ落下する。
【００５６】
液体ヘリウムＨｅへの入力エネルギーは熱エネルギーＱ１であり、液体ヘリウムＨｅからの出力エネルギーは、熱エネルギーＱ２、運動エネルギーＫ１である。エネルギーＱ１、Ｑ２、Ｋ１の関係は、
Ｑ１＜Ｑ２＋Ｋ１                  ・・・（４）
となる。このような関係になる理由としては、超流動状態と常流動状態との間の相転移では自発的な対称性の破れが発生しているためと考えられる。なお、装置４００では、運動エネルギーＫ１の一部は回転エネルギーＥ１に変換される。また、液体ヘリウムＨｅが壁部４６２を上っていく過程で減少したポテンシャルエネルギーがどのようなエネルギーに変換されて出力されたかについてはさらなる考察が必要である。
【００５７】
なお、突起部４６４に位置する液体ヘリウムＨｅの温度を上昇させたとき、液体ヘリウムＨｅの一部は壁部４６２側へ逆走することも考えられる。そのような逆走を防ぐために、図９に示すスーパーリーク４６５を、壁部４６２と突起部４６４との間に設けてもよい。スーパーリーク４６５は、超流動ヘリウムの噴水効果の実験を行なうときに用いられる部材であり、超流動ヘリウムは通過できるが常流動ヘリウムは通過できない微細粉末を有する部材である。このスーパーリーク４６５により液体ヘリウムＨｅの逆走を防止し、液体ヘリウムＨｅを効率よく突起部４６４から落下させることができる。
【００５８】
なお、超流動特性を示す流体としてヘリウムを例示したが、装置４００に用いる流体はヘリウムに限定されず、超流動特性を示す流体であればよい。例えば、カシオペア座Ａの中心部付近の中性子星の内部には超流動体が存在することが観測結果として得られており、そのような超流動特性を示す流体を用いることができる。
【００５９】
（実施形態５）
図１０は、本発明の第５の実施形態にかかる装置５００を模式的に示す図である。装置５００は、液体ヘリウムの超流動状態と常流動状態との間の相転移を利用してエネルギーを得る装置である。
【００６０】
装置５００は、液体ヘリウムＨｅをそれぞれ格納した複数の筒状の密閉容器５１０を備える。図１１を参照して、容器５１０に格納された液体ヘリウムＨｅのふるまいを説明する。図１１（ａ）は、常流動ヘリウムＨｅＩが格納された容器５１０を示し、図１１（ｂ）は、超流動ヘリウムＨｅＩＩが格納された容器５１０を示している。常流動ヘリウムＨｅＩは、−Ｚ方向に働く重力により容器５１０の下部に位置している。一方、超流動ヘリウムＨｅＩＩの一部は容器５１０の壁部や天井部に移動するため、容器５１０の下部に位置する超流動ヘリウムＨｅＩＩの体積は、容器５１０の下部に位置する常流動ヘリウムＨｅＩの体積よりも小さくなる。すなわち、図１１（ａ）の容器５１０よりも図１１（ｂ）の容器５１０の重心の方が高くなる。
【００６１】
次に、装置５００をより詳細に説明する。装置５００は、複数の容器５１０に格納された常流動状態の液体ヘリウムから熱エネルギーＱ２を受け取って超流動状態へ相転移させる熱受け取り部４０と、複数の容器５１０に格納された超流動状態の液体ヘリウムに熱エネルギーＱ１を供給して常流動状態へ相転移させる熱供給部３０とを備えている。
【００６２】
複数の容器５１０は所定の角度間隔で互いに固定され、同じ回転軸５０で回転可能である。図１０の例では、４個の容器５１０が４５度間隔で固定されている。複数の容器５１０は等間隔で固定されることが望ましく、例えば、容器５１０が３個の場合は６０度間隔で固定され、容器５１０が５個の場合は３６度間隔で固定されることが望ましい。
【００６３】
図１０を参照して、常流動ヘリウムＨｅＩ１は、−Ｚ方向に働く重力により容器５１０の下部に位置している。装置５００が図面上で右回転する場合、常流動ヘリウムＨｅＩ１は装置５００のより下部へ移動し、熱受け取り部４０に熱エネルギーＱ２を出力して超流動ヘリウムＨｅＩＩ１へ相転移する。熱受け取り部４０は例えば容器５１０の周囲に位置する温度２．１７Ｋ以下の媒体である。相転移した液体ヘリウムは、超流動ヘリウムＨｅＩＩ２のように、その一部が容器５１０の壁部や天井部に移動する。すなわち、常流動ヘリウムＨｅＩ１を格納した容器５１０よりも超流動ヘリウムＨｅＩＩ２を格納した容器５１０の重心の方が高くなる。常流動ヘリウムＨｅＩ１に作用する重力が容器５１０を回転させようとする力Ｆ１は、超流動ヘリウムＨｅＩＩ２に作用する重力が容器５１０を回転させようとする力Ｆ２よりも大きくなり、それにより、複数の容器５１０を回転させる回転エネルギーＥ１が発生する。
【００６４】
装置５００の回転により上方向へ移動した超流動ヘリウムＨｅＩＩ２は、熱供給部３０により熱エネルギーＱ１を供給されて常流動ヘリウムＨｅＩ２へ相転移する。装置５００の回転により、常流動ヘリウムＨｅＩ２は常流動ヘリウムＨｅＩ１の位置へ移動し、回転は継続する。
【００６５】
液体ヘリウムＨｅへの入力エネルギーは熱エネルギーＱ１であり、液体ヘリウムＨｅからの出力エネルギーは、熱エネルギーＱ２、回転エネルギーＥ１である。エネルギーＱ１、Ｑ２、Ｅ１の関係は、
Ｑ１＜Ｑ２＋Ｅ１                  ・・・（５）
となる。このような関係になる理由としては、超流動状態と常流動状態との間の相転移では自発的な対称性の破れが発生しているためと考えられる。
【００６６】
（実施形態６）
図１２は、本発明の第６の実施形態にかかる装置６００を模式的に示す図である。装置６００は、物質の液体と気体との間の相転移を利用してエネルギーを得る装置である。図１２の例では、液体のときと気体のときとで体積が変化する体積変化部６１０の一例として水を用いるが、液体と気体との間の相転移を起こす物質であれば、水以外の物質が用いられてもよい。装置６００の熱エネルギーの出入りのタイミングは装置５００とは逆になる。ここでは装置６００の装置５００とは異なる点について主に説明する。
【００６７】
装置６００は、液体のときと気体のときとで体積が変化する体積変化部（水）６１０をそれぞれ格納した複数の容器５１０を備える。複数の容器５１０は所定の角度間隔で互いに固定され、同じ回転軸５０で回転可能である。熱供給部３０は、容器５１０に格納された低温の水６１０に熱エネルギーＱ１を供給して、少なくとも一部を水蒸気（気体）へ相転移させた高温の水６２０に変化させる。熱受け取り部４０は、容器５１０に格納された高温の水６２０（高温の気体含む）から熱エネルギーＱ２を受け取って水蒸気を水６１０へ相転移させる。熱エネルギーＱ１を受け取った高温の水６２０（高温の気体含む）が容器５１０を回転させようとする力と、熱エネルギーＱ２を出力した低温の水６１０が容器５１０を回転させようとする力との関係から、複数の容器５１０を回転させる回転エネルギーＥ１が発生する。装置６００においても装置５００と同様に、エネルギーＱ１、Ｑ２、Ｅ１の関係は、上記式（５）の関係となる。このような関係になる理由としては、水と水蒸気との間の相転移では自発的な対称性の破れが発生しているためと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、熱を用いてエネルギーを得る分野において特に有用である。
【符号の説明】
【００６９】
１０  感温磁性体
２０  磁場印加部
３０  熱供給部
４０  熱受け取り部
５０  回転軸
６０  容器
１００、２００、３００、４００、５００、６００  装置
３１０、６１０、６２０  体積変化部
３０１  シリンダー部
３０２  ピストン部
３０３  シャフト
３０４  ラックギア
３３０  歯車
４６０  容器
４６１  底部
４６２  壁部
４６３  天井部
４６４  突起部
４１０  羽根車
４６５  スーパーリーク
５１０  容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2013238154.tif 000009
【図８】
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【図９】
2013238154.tif 000011
【図１０】
2013238154.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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