(57)【要約】【課題】熱磁気エンジンの媒体に流体を利用する場合に、流体の飛散を抑制する。【解決手段】回転可能に支持された中空ドラム２に固定され所定の温度を越える温度上昇に伴い強磁性から常磁性に変化する熱磁気特性を有する材料を含む熱磁気材料層４と、熱磁気材料層４の一部を冷却する冷媒１０と、熱磁気材料層４のうち冷媒１０が冷却手段として作用する第１部分と、作用しない第２部分との境界部近傍に作用可能に配置された永久磁石６と、を備えた構成において、冷却部の媒体である冷媒１０（第１流体）を中空ドラム２の内腔内に収容する。冷媒１０の飛散を抑制することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に支持された回転体と、
前記回転体に固定され所定の温度を越える温度変化に伴い磁性の強さが変化する熱磁気特性を有する材料を含む熱磁気材料部と、
前記熱磁気材料部の一部を冷却する冷却部と、
前記熱磁気材料部に対して作用可能に配置された磁気付与部であって、前記熱磁気材料部のうち前記冷却部が作用する第１部分と前記冷却部が作用しない第２部分との境界部近傍に配置された磁気付与部と、を備えた熱磁気エンジンにおいて、
前記冷却部は、前記回転体の内部に収容されていることを特徴とする熱磁気エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の熱磁気エンジンであって、
前記熱磁気材料部は薄膜状に形成されると共に、前記回転体の外周面に配置されていることを特徴とする熱磁気エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱磁気エンジンであって、
前記冷却部は、前記回転体に設けられた内腔に収容される液相の冷媒を含み、当該冷媒は水よりも動粘度が低いことを特徴とする熱磁気エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の熱磁気エンジンであって、
前記冷媒はジエチルエーテルであることを特徴とする熱磁気エンジン。
【請求項５】
請求項１に記載の熱磁気エンジンであって、
前記熱磁気材料部の前記第２部分と熱交換可能に配置された熱付与部を更に備えたことを特徴とする熱磁気エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の温度を越える温度変化に伴い磁性の強さが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。
【背景技術】
【０００２】
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に近づく或いは曲率半径が大きくなる方向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。
【０００３】
他方、温度に応じて磁性の強さ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。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６‐２０７４４１号公報
【特許文献２】特開平９‐２６８９６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１では、媒体として流体を利用する方法は考慮されていない。また特許文献２では、プーリ又は無端ベルトを液体槽に浸漬するため、運転中に液体が飛散するおそれがある。
【０００６】
そこで本発明の目的は、熱磁気エンジンの媒体として流体を利用する場合に、流体の飛散を抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、回転可能に支持された回転体と、前記回転体に固定され所定の温度を越える温度変化に伴い磁性の強さが変化する熱磁気特性を有する材料を含む熱磁気材料部と、前記熱磁気材料部の一部を冷却する冷却部と、前記熱磁気材料部に対して作用可能に配置された磁気付与部であって、前記熱磁気材料部のうち前記冷却部が作用する第１部分と前記冷却部が作用しない第２部分との境界部近傍に配置された磁気付与部と、を備えた熱磁気エンジンにおいて、前記冷却部は、前記回転体の内部に収容されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、冷却部の作用により熱磁気材料部のうち第１部分の少なくとも一部と、第２部分の少なくとも一部との間で温度差が生じると、両者の間で磁性の強さの差が生じ、磁気付与部からの磁界の作用により回転力を生ずる。本発明では冷却部を回転体の内部に収容したので、媒体に流体を利用した場合に、流体の飛散を抑制することができる。
【０００９】
熱磁気材料部は、薄膜状に形成されると共に、回転体の外周面に配置されるのが好適である。この場合には熱磁気材料部の熱容量が小さいため、温度変化に対する応答性を向上することができる。
【００１０】
冷却部は、回転体に設けられた内腔に収容される液相の冷媒を含み、当該冷媒は水よりも動粘度が低いものとするのが好適である。動粘度が低い冷媒を用いることにより、流動抵抗を小さくして損失を低減することができる。
【００１１】
この場合の冷媒はジエチルエーテルを用いるのが特に好適である。この場合には沸点が低いことから、液相から気相への相変化により冷却を促進することができる。
【００１２】
本発明では、熱磁気材料部の前記第２部分と熱交換可能に配置された熱付与部を更に備えるのが好適である。この場合には、熱付与部による加熱によって、冷却部によって冷却される第１部分との温度差が促進されるため、磁界による回転力を好適に付与することができる。
【００１３】
回転体は内腔を有し、冷却部は内腔内に収容された第１流体であり、内腔内には更に、前記第１流体よりも小熱容量且つ小比重の第２流体が収容されるのが好適である。この態様では、冷却部を内腔内に収容することにより、配置上有利である。また、この場合の前記熱付与部は加熱ランプとすれば、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。回転体の少なくとも一部は透明体又は半透明体とするのが特に好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、中空ドラム２（回転体）と、当該中空ドラム２の周面に配置された熱磁気材料層４と、加熱ランプ５と、永久磁石６とを備えている。
【００１５】
中空ドラム２は中空の円筒形であり、ポリカーボネイトなどの非磁性材からなる。中空ドラム２は円筒状の周面２ａと、側壁２ｂと、筒状の中空軸２ｃとを有する。熱磁気材料層４は、中空ドラム２の周面２ａの外側に全周に亘って密着して固定されており、これによって中空ドラム２の内部と熱交換可能にされている。
【００１６】
中空ドラム２の中空軸２ｃは、軸受７によって基台８に回転可能に支持されている。中空ドラム２は板状の材料からなり、その円筒状の外形に対応した形状の内腔を有する。内腔の一部には、液相の冷媒１０が収容されており、内腔の残余の部分には空気１１が収容されている。
【００１７】
熱磁気材料層４で使用される熱磁気材料としては、温度上昇に応じて磁性が強磁性から常磁性に変化する材料、例えばＦｅ68.5Ｎｉ31.5を用いるのが好適であるが、整磁材料のサーマロイなど他の材料でもよい。熱磁気材料層４は、図３及び図４に示されるように、２枚の透明な高分子シート４ａ，４ａの間に、熱伝導率を高めるためのシリコーングリスを全面に塗布した箔状又は板状の熱磁気材料４ｂを挟み、高分子シート４ａ，４ａの間を真空引きすることで形成することができる。熱磁気材料４ｂは粉状でも良く、この場合にはシリコーングリスを粉状の熱磁気材料４ｂに混合して用いることができる。
【００１８】
冷媒１０は、中空ドラム２の回転に伴う粘性抵抗を低減するため、動粘度の低い材料、例えばアセトンあるいはジエチルエーテルを用いるのが好適である。水の動粘度が０．９×１０-6ｍ2／ｓであるのに対し、アセトンの動粘度は０．４×１０-6ｍ2／ｓである。ジエチルエーテルを用いる場合は、動粘度が低い（０．３×１０-6ｍ2／ｓ）ため粘性抵抗を低減できることに加え、沸点が約３５°Ｃと低いため気化熱により冷媒温度を低く保つことができ特に好適である。
【００１９】
加熱ランプ５は、中空ドラム２の上側であって中空ドラム２内の内側に向けて配置されており、これによって熱磁気材料と熱交換可能にされている。中空ドラム２の周面に沿い、且つ周面２ａの外側に所定間隔を隔てて、複数の永久磁石６が配置されている。
【００２０】
中空ドラム２内の冷媒１０の液面高さは、永久磁石６からの磁界が水面１０ａを挟む上下に亘って作用するような位置に設定される。すなわち、永久磁石６からの磁界は、熱磁気材料層４のうち冷媒１０が冷却手段として作用する第１部分（冷却部分）と、作用しない第２部分（非冷却部分）との境界部を含むその前後の領域に作用可能となっている。
【００２１】
以上の構成において、いま、加熱ランプ５からの熱が熱磁気材料に供給されると、中空ドラム２の周面２ａの熱磁気材料層４のうち、空気１１に接する部分である高温部分４ｈの温度が、その含有する熱磁気材料のキュリー温度を越えて、その磁気的性質が強磁性から常磁性に変化する。他方、熱磁気材料層４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、冷却によってキュリー温度を下回って、強磁性の状態を維持する。
【００２２】
このように高温部分４ｈの磁気的性質が常磁性、且つ残余の部分である低温部分が強磁性となるため、永久磁石６の吸引力により、熱磁気材料層４には図１中Ｒ方向（時計方向）の回転力が生じる。したがって熱磁気エンジン１は、高温部分４ｈがキュリー温度を上回り且つ低温部分がキュリー温度を下回っている間、図１中Ｒ方向に回転することになる。
【００２３】
以上のとおり、本実施形態では、回転可能に支持された中空ドラム２（回転体）と、当該中空ドラム２に固定され所定の温度を越える温度上昇に伴い強磁性から常磁性に変化する熱磁気特性を有する材料を含む熱磁気材料層４と、熱磁気材料層４の一部を冷却する冷媒１０と、熱磁気材料層４のうち冷媒１０が冷却手段として作用する第１部分と、作用しない第２部分との境界部近傍に作用可能に配置された永久磁石６と、を備えた構成において、冷却部の媒体である冷媒１０（第１流体）を中空ドラム２の内腔内に収容し、当該内腔内には更に、水よりも小熱容量且つ小比重の第２流体（空気）を収容した。したがって、冷媒１０の飛散を抑制することができ、また配置上も有利である。また、この場合の熱付与部を加熱ランプ５としたので、簡易な構成によって本発明に所期の効果を得ることができる。
【００２４】
次に、第２実施形態について説明する。図５において、第２実施形態の熱磁気エンジン２１は、中空ドラム２２（回転体）と、当該中空ドラム２２の周面２２ａに配置された熱磁気材料層２４と、加熱ランプと、永久磁石とを備えている。加熱ランプ及び永久磁石は図示していないが、第１実施形態におけるものと同様である。中空ドラム２２は上記第１実施形態における中空ドラム２と同様の材料からなり、中空軸２６とを有する。中空軸２６は、円盤状の側壁部２２ｂと同軸に配置されている。
【００２５】
中空軸２６は、軸受２７を介して、不図示のハウジングに固定された支持管２８に回転可能に支持されている。支持管２８と中空軸２６との間は、シール２９によって相対回転可能に密封されている。
【００２６】
本実施形態は、低熱源であるジメチルエーテル１０の量を調整する調整装置５０を有する。調整装置５０は、空気ポンプ５１、冷媒ポンプ５２、空気バルブ５３、冷媒バルブ５４、回転センサ５５、及びコントローラ５６を含む。調整装置５０は更に、中空ドラム２２内に配置された給気管５７、排気管５８、冷媒供給管５９及び冷媒排出管６０を含む。吸気管５７及び排気管５８の内端部は、中空ドラム２２の上端部に向けて開口している。冷媒供給管５９及び冷媒排出管６０の内端部は、中空ドラムの底部に向けて開口している。空気ポンプ５１の吸気側は外気に開放されている。冷媒ポンプ５２及び冷媒バルブ５４は冷媒タンク６１に接続されている。
【００２７】
空気ポンプ５１、冷媒ポンプ５２、空気バルブ５３及び冷媒バルブ５４は、それぞれモータ又はソレノイドを含み、電力によって動作するが、車両の吸気圧や排気圧によって動作するダイヤフラム式であってもよい。空気ポンプ５１、冷媒ポンプ５２、空気バルブ５３及び冷媒バルブ５４は、不図示の駆動回路を介して、コントローラ５６の出力側に接続されている。回転センサ５５はコントローラ５６の入力側に接続されている。コントローラ５６は周知のワンチップマイクロプロセッサであって、データバスによって相互に接続されたＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、不揮発性記憶装置及び入出力インターフェイスを含む。コントローラ５６のＲＯＭには、下記の処理を行う処理プログラム、及び各種の初期値及び基準値が予め格納されている。第２実施形態の残余の構成は上記第１実施形態と同様である。
【００２８】
第２実施形態の動作について説明する。中空ドラム２２の内部に、冷媒供給管５９を通じて、熱磁気材料層４のキュリー温度よりも低い温度の冷媒１０が供給され、冷媒が中空ドラム２２内に所定の深さまで貯留されると、高温部分４ｈの磁気的性質が常磁性、且つ残余の部分である低温部分が強磁性となるため、永久磁石６の吸引力により、熱磁気材料層４には図中Ｒ方向の回転力が生じる。これによって、中空ドラム２２が回転することになる。なお雰囲気温度は常温である。
【００２９】
調整装置５０による冷媒量の調整は、以下のようにして行われる。コントローラ５６の制御によって冷媒ポンプ５２が動作し、冷媒バルブ５４が閉じられ、且つ空気バルブ５３が開かれると、中空ドラム２２内の冷媒量は増えることになる。他方、コントローラ５６の制御によって空気ポンプ５１が動作し、冷媒バルブ５４が開かれ、且つ空気バルブ５３が閉じられると、中空ドラム２２内の空気量が増える結果として冷媒１０が冷媒バルブ５４を通じて外部に押し出され、中空ドラム２２内の冷媒量は減ることになる。
【００３０】
この調整装置５０を利用して、回転数が最大となるように冷媒量をフィードバック制御することができる。そのような制御の具体例について説明する。図６の処理ルーチンは車両のイグニッションスイッチがオンされている間、所定時間おきに繰返し実行される。コントローラ５６は先ずカウンタｉの値を０に初期化し（Ｓ１０）、このカウンタｉの値をインクリメントしながら（Ｓ２０）回転数ｎ（ｉ）を読み込む（Ｓ３０）。回転数ｎ（ｉ）は回転センサ５５によって検出される。はカウンタｉの値が２以上である場合には、回転数の現在値ｎ（ｉ）から前回値ｎ（ｉ−１）を減算して偏差ΔＮを算出する（Ｓ４０）。
【００３１】
次に、コントローラ５６は、現在冷媒量が増加中であるかを判定し（Ｓ６０）、増加中の場合には、偏差ΔＮが０又は正であるか（つまり、冷媒量の増加の結果として回転数が増大しているか）を判断する（Ｓ７０）。そして肯定の場合には、引き続き冷媒量を増加させ（Ｓ８０）、否定すなわち回転数が増大していない場合には、冷媒量を減少させる（Ｓ１１０）。
【００３２】
ステップＳ６０で否定すなわち冷媒量増加中でない場合には、コントローラ５６は、偏差ΔＮが０又は正であるか（つまり、冷媒量の減少又は維持の結果として回転数が増大しているか）を判断する（Ｓ１００）。そして肯定の場合には、引き続き冷媒量を減少させ（Ｓ１１０）、否定すなわち回転数が増大していない場合には、冷媒量を増加させる（Ｓ８０）。
【００３３】
冷媒量の増加及び減少は、上述したとおり空気ポンプ５１、冷媒ポンプ５２、空気バルブ５３及び冷媒バルブ５４の制御によって行われる。なお、車両のエンジン停止や運転者による熱磁気エンジン停止操作などの所定の停止条件が成立した場合には、本ルーチンを抜ける（Ｓ９０）。
【００３４】
中空ドラム２２内のジエチルエーテル量は、多いほど回転抵抗が大きくなり、仕事として取り出せる回転力が最大となる冷媒量はジエチルエーテルの温度によっても異なる。したがって、回転数が最大となるように冷媒量をフィードバックすることによって、熱磁気エンジンを最適な状態で運転することができる。
【００３５】
以上のように、本実施形態では、回転体内に導入される冷媒の量を調整する調整装置を備えたので、熱磁気エンジンを最適な状態で運転することができる。
【００３６】
なお、この調整装置では、フィードバック制御に代えて、冷媒１０の温度及び冷媒量と回転数との関係を予め定めたマップを用いて冷媒量を制御することとしてもよい。
【００３７】
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、上記各実施形態では回転体である中空ドラム２，２２を円筒体としたが、回転体の形状は球状・ドーナツ状などの他の実質的に回転対称な形状であってもよい。
【００３８】
熱付与部（加熱ランプ５）は、雰囲気温度がキュリー温度よりも高い場合には必須でない。
【００３９】
熱磁気材料部は、温度上昇に伴って常磁性から強磁性に変化する材料を用いてもよい。熱磁気材料部の位置は回転体の周面である必要はなく、回転体の回転に伴って位置が変化する場所であれば回転体の側面であってもよい。
【００４０】
磁気付与部は回転体内に配置してもよい。磁気付与部としては永久磁石に代えて電磁石を用いてもよい。
【００４１】
熱付与部としては加熱ランプのほか、エンジン冷却水、エンジンの排気管やオイルパンからの熱を用いてもよい。また冷却手段として用いられる媒体は他の液体（例えば水）あるいは気体であっても良く、そのような変形も本発明の範疇に属するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施形態の熱磁気エンジンの概略構成を示す正面図である。
【図２】第１実施形態の熱磁気エンジンの側面図である。
【図３】熱磁気材料層の形成方法を示す分解側面図である。
【図４】熱磁気材料層の形成方法を示す側面図である。
【図５】第２実施形態の熱磁気エンジンの概略構成を示すブロック図である。
【図６】第２実施形態における制御の一例を示すフロー図である。
【図７】第２実施形態における形状記憶材料の状態変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１，２１      熱磁気エンジン
２，２２      中空ドラム
４      熱磁気材料層
５      加熱ランプ
６      永久磁石
１０      冷媒
【図１】
2009203879.tif 000003
【図２】
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【図３】
2009203879.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2009203879.tif 000008
【図７】
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