(57)【要約】【課題】形状記憶合金の変形に伴う曲げモーメントを利用する熱エンジンにおいて、効率を向上する。【解決手段】無端ベルト４に含まれる材料に、変形温度が周囲の磁界に応じて変更可能である材料を用いる。無端ベルト４に対し作用可能に配置された磁極７（磁力付与手段）と、無端ベルト４に対し作用可能に配置された温水供給器５（熱付与手段）と、温水供給器５の動作状態に応じて磁極７を制御するコントローラ８（制御手段）とを備える。無端ベルト４に対し磁界を作用させることによって変形温度を制御することにより、熱エンジン１のエネルギ効率を向上させることが可能になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対のプーリと、当該一対のプーリに巻回された無端ベルトであって、変形温度を越える温度上昇に伴い予め記憶された形状への復元力を発生する形状記憶特性を有する材料を含む無端ベルトと、を備え、
前記材料は、前記変形温度が周囲の磁界に応じて変更可能であることを特徴とする熱エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の熱エンジンであって、
前記無端ベルトに対し作用可能に配置された磁力付与手段を更に備え、
前記材料の前記変形温度は、周囲の磁界が強くなるほど低下することを特徴とする熱エンジン。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱エンジンであって、
前記無端ベルトに対し作用可能に配置された熱付与手段と、
前記熱付与手段の動作状態に応じて前記磁力付与手段を制御する制御手段と、
を更に備えたことを特徴とする熱エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変形温度を越える温度上昇に伴い予め記憶された形状への復元力を発生する形状記憶特性を有する材料を用いた熱エンジンに関する。
【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、無端ベルトが一方のプーリから回出する部位に、熱付与手段を配置し、変形温度を上回るように加熱すると、無端ベルトが記憶された形状である直線形状或いは逆Ｒ形状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】
【特許文献１】特開２００６‐２０７４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の装置では、熱付与手段の温度が変形温度を下回るとエネルギ効率が低下し、また、変形温度よりも高い領域ではエネルギ効率が上がらないという問題点がある。
【０００５】
そこで本発明の目的は、形状記憶合金の変形に伴う曲げモーメントを利用する熱エンジンにおいて、効率を向上するための新規な手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る熱エンジンは、一対のプーリと、当該一対のプーリに巻回された無端ベルトであって、変形温度を越える温度上昇に伴い予め記憶された形状への復元力を発生する形状記憶特性を有する材料を含む無端ベルトと、を備え、前記材料は、前記変形温度が周囲の磁界に応じて変更可能であることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、無端ベルトに含まれる材料に、変形温度が周囲の磁界に応じて変更可能である材料を用いたので、無端ベルトに対し磁界を作用させることによって変形温度を制御することにより、熱エンジンのエネルギ効率を向上させることが可能になる。
【０００８】
本発明では、無端ベルトに対し作用可能に配置された磁力付与手段を更に備えるのが好適である。また、材料の変形温度は、周囲の磁界が強くなるほど低下するのが好適である。
【０００９】
また本発明では、無端ベルトに対し作用可能に配置された熱付与手段と、前記熱付与手段の動作状態に応じて前記磁力付与手段を制御する制御手段と、を更に備えるのが好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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に示される本発明の実施形態の熱エンジン１は、低温側プーリ２及び高温側プーリ３と、当該一対のプーリ２，３に巻回された無端ベルト４と、無端ベルト４に対し作用可能に配置された温水供給器５、冷水供給器６及び磁極７とを備えている。
【００１１】
低温側プーリ２は高温側プーリ３よりも大径である（ｒc＞ｒh）。低温側プーリ２の軸線は、高温側プーリ３の軸線と並行且つ鉛直上方に配置されている。低温側プーリ２は、支柱１１に固定された軸１２によって支持されており、且つ軸１２に設けられた軸受１３によって回転可能にされている。高温側プーリ３は、出力軸１４に固定されており、出力軸１４は支柱１１に設けられた軸受１５によって回転可能に支持されている。
【００１２】
無端ベルト４は、形状記憶材料を含有する。本実施形態で使用される形状記憶材料としては、ある変形温度を越える温度上昇に伴って、予め記憶された形状への復元力が生じるものを用いる。この変形は、マルテンサイト相（Ｍ相）からオーステナイト相（Ａ相）への変態（逆変態）に伴うものと考えられる。
【００１３】
無端ベルト４に含有される形状記憶材料は、その変形温度が周囲の磁界に応じて変化する特性を有する。図３に示されるように、本実施形態で用いられる形状記憶材料は、無励磁の状態では曲線ａのように、比較的高い温度でＭ相からＡ相への変態が起こるのに対し、中程度の磁界中では曲線ｂ、強い磁界中では曲線ｃのように、Ｍ相からＡ相への変態温度が、周囲の磁界が強くなるほど低下する（磁場誘起逆変態特性）。形状記憶材料の変形及びＭ相からＡ相への変態は可逆的であり、且つ所定のヒステリシスを有している。本実施形態ではこの特性を利用して、磁界の強さを制御することによって、Ｍ相からＡ相への変態温度を変更するものである。
【００１４】
このような形状記憶材料としては、ＮｉＭｎＩｎ合金、ＮｉＣｏＭｎＩｎ合金、ＮｉＭｎＳｎ合金、又はＮｉＭｎＳｂ合金を用いるのが好適であるが、他の材料でもよい。このような形状記憶材料は、所望の質量比で混合した粒子状の原材料をアルゴン雰囲気下で誘導加熱して溶融し、得られたインゴットをスライスし、真空中において１０００°Ｃで１日間均質化したのち水中で焼入れすることによって得ることができる。
【００１５】
本実施形態における無端ベルト４は、図４に示されるように、形状記憶材料の箔または単結晶からなる層４ｐとエラストマ層４ｑとを交互に積層してなり、且つ鋸刃状又はジグザグに変形されたリボン状をなしている。無端ベルト４は、その互いに隣り合う谷部同士の間隔であるピッチｐが、常温においては比較的大きい値をとる伸長状態となり、且つ変形温度（例えば無励磁状態で１００°Ｃ）より高温の領域においては比較的小さい値をとる縮退状態になるように、予め形状記憶されている。
【００１６】
温水供給器５は、例えば車載のラジエータ（不図示）からのエンジン冷却水などの温水を、連続的又は断続的に無端ベルト４に向けて供給可能にされている。温水供給器５からの温水は、無端ベルト４のうち低温側プーリ２から高温側プーリ３に至る直線状の部分４ｈに供給される。
【００１７】
冷水供給器６は、例えば冷水タンク（不図示）からの冷水を連続的又は断続的に無端ベルト４に向けて供給可能にされている。冷水供給器６からの冷水は、上記温水よりも低温であって、無端ベルト４のうち高温側プーリ３から低温側プーリ２に至る部分４ｃに供給される。
【００１８】
磁極７は、無端ベルト４の走行経路の全体に沿ってその外側に配置されており、その磁界が無端ベルト４に作用可能にされている。磁極７は磁極台１６に固定され、また磁極台１６及び支柱１１は基台１７に固定されている。
【００１９】
磁極７は、鉄心７ａと、その内部に固定されたコイル７ｂとを有する。コイル７ｂはコントローラ８及び不図示の電源に接続されている。コントローラ８は、データバスによって相互に接続されたＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インターフェイスを有するワンチップマイクロプロセッサである。コントローラ８の入力インターフェイスには、温度センサ９からの検出信号が入力される。温度センサ９は、温水供給器５による温水供給点の近傍の無端ベルト４の温度を検出するものであり、例えば赤外線式の非接触温度計（放射温度計）を用いるのが好適である。
【００２０】
電源からコイル７ｂへの供給電流は、コントローラ８によって制御される。この制御のために、コントローラ８のＲＯＭには、無端ベルト４の温度とコイル７ｂへの出力電流とが互いに関連付けて記憶された温度−励磁電流マップ（図５参照）が予め記憶されている。この温度−励磁電流マップでは、検出された無端ベルト４の温度が漸減するほどコイル７ｂへの出力電流値が漸増するように、両者の関係が設定されている。
【００２１】
以上の構成において、いま、温水供給器５からの温水が無端ベルト４の高温部分４ｈに供給され、かつ冷水供給器からの冷水が無端ベルト４の低温部分４ｃに供給されると、高温部分４ｈの少なくとも一部の温度がその含有する形状記憶材料の変形温度を越えて上昇し、無端ベルトは予め記憶された縮退状態に変形すると共に、形状記憶材料の磁気的性質がＭ相からＡ相に変化する。他方、低温部分４ｃの少なくとも一部の温度は、冷却によって変形温度及び変態温度を下回って、伸長状態かつＭ相に復帰する。
【００２２】
高温部分４ｈの縮退に伴う曲げモーメントは、低温側プーリ２と高温側プーリ３とを対向方向に回転させる向きに作用するが、低温側プーリ２の半径ｒｃが高温側プーリ３の半径ｒｈよりも大であるため、低温側トルクＦｃが高温側トルクＦｈよりも大となり、無端ベルト４には図中Ｒ方向の回転力が生じる。したがって、熱エンジン１は温水及び冷水の供給が継続している間、図中Ｒ方向に回転することになる。
【００２３】
ここで、無端ベルト４の温度が無励磁時の変形温度よりも低くなると、コントローラ８の制御によって磁極７のコイル７ｂが励磁され、磁界が強められる。この磁界の漸増に伴ってＭ相からＡ相への変態温度が低下し、且つ、図６に示されるようにエネルギ効率曲線が、無励磁時の効率ηａから、図３の曲線ｂに対応する中程度の磁界中における効率ηｂを経て、図３の曲線ｃに対応する強い磁界中における効率ηｃのように、徐々に低温側に移行する。その結果、装置の運転効率は、磁極７による励磁を全く行わない場合における曲線ηａ（曲線ｐ−ｑ−ｕ）から、曲線ηａ，ηｂ，ηｃの包絡線である曲線ｐ−ｑ−ｒ−ｓ−ｔへと移行することになり、エネルギ効率が両者の差分（すなわち、図６中の斜線を付した領域）に相当する部分、向上することになる。
【００２４】
以上のとおり、第１実施形態では、無端ベルト４に含まれる材料に、変形温度が周囲の磁界に応じて変更可能である材料を用いたので、無端ベルト４に対し磁界を作用させることによって変形温度を制御することにより、熱エンジン１のエネルギ効率を向上させることが可能になる。
【００２５】
また本実施形態では、無端ベルト４に対し作用可能に配置された磁極７（磁力付与手段）と、無端ベルト４に対し作用可能に配置された温水供給器５（熱付与手段）と、温水供給器５の動作状態に応じて磁極７を制御するコントローラ８（制御手段）と、を更に備えたので、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。
【００２６】
なお、第１実施形態では温度センサ９が無端ベルト４の温度を検出することとしたが、温度センサが熱源である温水供給器５の温度を検出すると共にコントローラ８が推定演算を実行することにより、無端ベルト４の温度の値を取得する構成としてもよい。また、無端ベルトの温度の値は車両の状態を示す他のパラメータから推定してもよい。
【００２７】
また、第１実施形態では、温度−励磁電流マップ（図５参照）に従い、無端ベルト４の温度変化に応じてコイル７ｂへの出力電流が連続的に変化するように両者の関係を設定したが、本発明では温度変化に応答した出力電流の変化は連続的でなく離散的であってもよい。
【００２８】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図７ないし図１０に示される第２実施形態の熱エンジン１０１は、上記第１実施形態における磁極７に代えて、永久磁石１０７ｂを有する磁極１０７を用いたものである。磁極１０７は、温水供給器５によって温水が供給される高温部分４ｈの少なくとも一部を覆うように配置されている。また磁極１０７は、アクチュエータ１１０によって突出及び後退方向に移動可能とされている。
【００２９】
磁極１０７は、図８及び図９により詳細に示されるように、無端ベルト４の両側縁に対向する２つの鉄心１０７ａと、これら２つの鉄心１０７ａに挟まれ無端ベルト４の直線部分の外側（プーリ２，３の逆側）に延在する永久磁石１０７ｂとを有する。アクチュエータ１１０は、例えばサーボモータにより回転駆動されるネジ軸とナットとの組合せである。アクチュエータ１１０の作用により、磁極１０７は、図９に示されるように無端ベルト４に接近して無端ベルト４が永久磁石１０７ｂの磁路の一部とされる第１位置と、無端ベルト４から遠ざかっている第２位置との間で、図中Ａ方向に無段階的に駆動される。
【００３０】
第２実施形態のコントローラ１０８は、例えば温度センサ９の検出値に応じて予め定められた目標回転数と、回転数センサ１０９によって検出される出力軸１４の実回転数との偏差が減少するように、アクチュエータ１１０を制御する。なお、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ため、同一符号を付してその詳細の説明を省略する。
【００３１】
以上の構成において、いま、温水供給器５からの温水が無端ベルト４の高温部分４ｈに供給され、かつ冷水供給器からの冷水が無端ベルト４の低温部分４ｃに供給されると、上記第１実施形態と同様の作用により、無端ベルト４は図中Ｒ方向に回転することになる。
【００３２】
ここで、図１０に示されるように、無端ベルト４の全体が無励磁の状態における特性が曲線ａ、無端ベルト４の全体が磁極１０７の突出時（接近時）に相当する磁界中におかれた状態における特性が曲線ｄであるとすると、第２実施形態における無端ベルト４は、高温部分４ｈの少なくとも一部が磁極１０７によって励磁されているので、その特性は図１０で点線で示されるように、高温部分４ｈの最低温度Ｔｔｈの近傍で急峻に上昇し（符号ｅ）、ほぼ１００％がＡ相となった後に、緩やかにＭ相に移行する（符号ｆ）。そして、この特性曲線におけるヒステリシスループに囲まれた領域の面積が装置のエネルギ損失に相当すると考えられるところ、第２実施形態では磁極１０７の励磁によってヒステリシスループに囲まれた領域の面積が、曲線ａで示された無励磁状態の特性における当該面積よりも小さくなる。したがって第２実施形態では、磁極１０７の利用により、装置のエネルギ効率を改善することができる。
【００３３】
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態は、無端ベルト４の高温部分４ｈの温度に応じて、磁極１０７の位置を制御し、温度の低下を補償するように、無端ベルト４中の形状記憶材料の変態温度を制御するものである。第３実施形態の機械的構成は上記第２実施形態と同様であり、制御において異なるのみであるため、同一部材については同一符号を用いて説明する。
【００３４】
第３実施形態のコントローラ１０８は、アクチュエータ１１０の動作を制御することにより、磁極１０７の位置を制御する。この制御のために、コントローラ１０８のＲＯＭには、無端ベルト４の温度と磁極１０７の位置とが互いに関連付けて記憶された温度−磁極位置マップ（図１１参照）が予め記憶されている。この温度−磁極位置マップでは、検出された無端ベルト４の温度が漸減するほど、磁極１０７の位置が無端ベルト４に接近するように、両者の関係が設定されている。
【００３５】
以上の構成において、いま、温水供給器５からの温水が無端ベルト４の高温部分４ｈに供給され、かつ冷水供給器からの冷水が無端ベルト４の低温部分４ｃに供給されると、上記第１実施形態と同様の作用により、無端ベルト４は図中Ｒ方向に回転することになる。
【００３６】
ここで、無端ベルト４の温度が無励磁時の変形温度よりも低くなると、コントローラ１０８の制御によって磁極１０７が無端ベルト４に接近させられ、無端ベルト４に作用する磁界が強められる。この磁界の漸増に伴ってＭ相からＡ相への変態温度が低下し、且つ、図６に示されるようにエネルギ効率曲線が、無励磁時の効率ηａから、図３の曲線ｂに対応する中程度の磁界中における効率ηｂを経て、図３の曲線ｃに対応する強い磁界中における効率ηｃのように、徐々に低温側に移行する。その結果、装置の運転効率は、磁極１０７による励磁を全く行わない場合における曲線ηａ（曲線ｐ−ｑ−ｕ）から、曲線ηａ，ηｂ，ηｃの包絡線である曲線ｐ−ｑ−ｒ−ｓ−ｔへと移行することになり、エネルギ効率が両者の差分（すなわち、図６中の斜線を付した領域）に相当する部分、向上することになる。
【００３７】
以上のとおり、第３実施形態では、無端ベルト４の高温部分４ｈの温度に応じて、磁極１０７の位置を制御し、温度の低下を補償するように、無端ベルト４中の形状記憶材料の変態温度を制御することとしたので、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。
【００３８】
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、上記各実施形態における無端ベルトは、縮退状態を形状記憶させたものを使用したが、逆に延伸状態を形状記憶させたものであってもよい。
【００３９】
また、上記各実施形態における無端ベルトは温度に応じて伸縮するものを用いたが、本発明は上記特許文献１のように、プーリからのベルトの回出点の近傍で無端ベルトが記憶された形状である直線形状或いは逆Ｒ形状に復帰しようとする曲げモーメントに基づいて回転力が発生する形式の熱エンジンについても適用することができる。この場合には、無端ベルトの全走行経路の一部又は全部を覆うように、上記第１実施形態におけるものと同様の磁極７、あるいは上記第２・第３実施形態におけるものと同様の磁極１０７を配置し、これらを上記と同様に制御して磁界強度を変更することによって、本発明に所期の効果を得ることができる。
【００４０】
さらに、熱付与手段としてはエンジン冷却水以外の熱源、例えばエンジンの排気管やオイルパン、あるいは専用のヒータを用いてもよく、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】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態の熱エンジンの概略構成を示す正面図である。
【図２】第１実施形態の縦断面を示す側面図である。
【図３】第１実施形態に好適に用いられる材料の温度状態特性の磁界による変化を示すグラフである。
【図４】第１実施形態における無端ベルトを示す斜視図である。
【図５】第１実施形態で用いられる温度−励磁電流マップの設定例を示すグラフである。
【図６】第１実施形態におけるエネルギ効率曲線を示すグラフである。
【図７】第２実施形態の熱エンジンの概略構成を示す正面図である。
【図８】第２実施形態における磁極の構成例を示す側面図である。
【図９】第２実施形態における磁極を示す図８のIX-IX断面図である。
【図１０】第２実施形態に好適に用いられる材料の温度状態特性を示すグラフである。
【図１１】第３実施形態で用いられる温度−磁極位置マップの設定例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４２】
１，１０１      熱エンジン
２      低温側プーリ
３      高温側プーリ
４      無端ベルト
５      温水供給器
６      冷水供給器
７，１０７      磁極
【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】
2009203876.tif 000009
【図８】
2009203876.tif 000010
【図９】
2009203876.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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