(57)【要約】【課題】熱エンジンの高熱源又は低熱源を、流体を利用するように構成する場合に、流体の飛散を抑制する。【解決手段】プーリ２，３を中空とし、その内部に熱媒体を収容する。低温側プーリ２の内部に、その中空軸６を通じて無端ベルト４の逆変態温度よりも低い温度の低温水を供給し、高温側プーリ３の内部に、その中空軸６を通じて無端ベルト４の変態温度よりも高い温度の高温水を供給する。流体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】
一対の回転体と、当該一対の回転体に巻回され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無端ベルトと、を備え、
前記一対の回転体の一方の内部に、高熱源又は低熱源のうちいずれか一方が配置されてい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、
前記一対の回転体の一方の内部に高熱源が、また他方の内部に低熱源が、それぞれ配置されていることを特徴とする熱エンジン。
【請求項３】
請求項２に記載の熱エンジンであって、
前記高熱源または低熱源が回転体の周面に沿って、前記無端ベルトと熱交換可能に配置されていることを特徴とする熱エンジン。
【請求項４】
内部に空室を有する回転体と、前記回転体内に収容された駆動機構であって所定の温度域で予め記憶された形状への復元力を発生する形状記憶要素によって駆動力を発生する駆動機構と、を備えた熱エンジンであって、
高熱源又は低熱源のいずれか一方が、前記回転体の前記空室内に配置されていることを特徴とする熱エンジン。
【請求項５】
請求項４に記載の熱エンジンであって、
前記駆動機構は、前記回転体内であって当該回転体の軸心からオフセットした位置に保持された偏心軸を備え、前記形状記憶要素は、前記回転体の周面と前記偏心軸とに連結されていることを特徴とする熱エンジン。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の熱エンジンであって、
前記高熱源と低熱源との少なくとも一方の量を調整する調整装置を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、この無端ベルトを高熱源又は低熱源で変形させることで回転力を発生させる形状記憶合金エンジン又は熱エンジンが種々提案されている。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、加熱装置を配置し、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２に記載の装置では、プーリ間の無端ベルトの直線部分の一方を加熱装置で加熱し、他方を冷却装置で冷却すると、無端ベルトの伸縮により回転力が発生する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６‐２０７４４１号公報
【特許文献２】特開平７‐２２４７５４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１，２の装置における高熱源又は低熱源を、例えば液体を利用するように構成する場合に、プーリ又は無端ベルトを液体槽に浸漬するのでは、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、熱エンジンの高熱源又は低熱源を、流体を利用するように構成する場合に、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、本発明に係る熱エンジンは、一対の回転体と、当該一対の回転体に巻回され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無端ベルトと、を備え、前記一対の回転体の一方の内部に、高熱源又は低熱源のうちいずれか一方が配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明では、高熱源又は低熱源のうちいずれか一方を、回転体の内部に配置したので、流体の飛散を抑制することができる。高熱源又は低熱源として用いられる熱媒体は流体、とくに液体とするのが好適である。
【０００９】
本発明では、前記一対の回転体の一方の内部に高熱源が、また他方の内部に低熱源が、それぞれ配置されているのが特に好適である。
【００１０】
前記高熱源または低熱源は、回転体の周面に沿って前記無端ベルトと熱交換可能に配置されているのが特に好適である。
【００１１】
本発明の別の態様は、内部に空室を有する回転体と、前記回転体内に収容された駆動機構であって所定の温度域で予め記憶された形状への復元力を発生する形状記憶要素によって駆動力を発生する駆動機構と、を備えた熱エンジンであって、高熱源又は低熱源のいずれか一方が、前記回転体の前記空室内に配置されていることを特徴とする。この態様においても、本発明に所期の効果を得ることができる。
【００１２】
この態様においては、更に、前記駆動機構は、前記回転体内であって当該回転体の軸心からオフセットした位置に保持された偏心軸を備え、前記形状記憶要素は、前記回転体の周面と前記偏心軸とに連結されていてもよい。この場合には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。
【００１３】
本発明では、高熱源と低熱源との少なくとも一方の量を調整する調整装置を備え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とを備えている。
【００１５】
図３において、高温側プーリ３は、本体部５と中空軸６とを有する。本体部５はほぼ円筒形の中空体である。中空軸６は、本体部５の軸線上に配置されている。高温側プーリ３はアルミニウムなどの軽量かつ熱伝導性の良好な材料から構成するのが好適である。中空軸６は、軸受７を介してハウジング８に回転可能に支持されている。低温側プーリ２は高温側プーリ３と同一の構造及び大きさである。
【００１６】
低温側プーリ２の軸線は、高温側プーリ３の軸線とほぼ等しい高さに配置されている。無端ベルト４の直線部同士の干渉を抑制するために、低温側プーリ２及び高温側プーリ３の中空軸６は、図２に示されるように互いに非平行にされ、かつ水平方向に対して互いに逆側に傾けられている。いずれか一方の中空軸６は出力軸とされている。
【００１７】
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では、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。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。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。このような形状記憶材料としては、ＮｉＴｉ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、例えば、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。
【００１８】
本実施形態における無端ベルト４は、形状記憶材料の箔または線材からなる層と、エラストマ層とを交互に積層してなるリボン状をなしている。無端ベルト４は概ね平坦であるが、長手方向の断面形状（縦断面形状）が鋸刃状又はジグザグにされていてもよい。無端ベルト４は、常温においては縮退状態となり、且つ変態温度より高温の領域においては伸長状態になるように、予め形状記憶されている。無端ベルト４は、低温用プーリ２及び高温用プーリ３の周面にクロス掛けされている。
【００１９】
低温側プーリ２には、その中空軸６を通じて本体部５の内部に低温水が供給可能とされている。高温側プーリ３には、その中空軸６を通じて本体部５の内部に高温水が供給可能とされている。低温側プーリ２内の低温水、及び高温側プーリ３の高温水は、それぞれプーリ２，３の周面を介して無端ベルト４と熱交換可能である。
【００２０】
第１実施形態の動作について説明する。いま、低温側プーリ２の内部に、その中空軸６を通じて無端ベルト４の逆変態温度よりも低い温度の低温水が供給され、高温側プーリ３の内部に、その中空軸６を通じて無端ベルト４の変態温度よりも高い温度の高温水が供給される。雰囲気温度は常温であって無端ベルト４の逆変態温度よりも低い。この状態において、無端ベルト４は、高温側プーリ３の高温水に沿う部分（Ａ−Ｂ）で変態し、高温側プーリ３を離れる点で高温側プーリ３による拘束を解かれて伸長する。低温側プーリ２に接する部分（Ｃ）では、無端ベルト４は伸長した状態で低温側プーリ２に拘束される。低温水に沿う部分（Ｃ−Ｄ）では無端ベルト４の逆変態が生じ、低温側プーリ２を離れる点で低温側プーリ２による拘束を解かれて縮退する。これによって無端ベルト４に回転力が生じ、プーリ２，３が回転することになる。
【００２１】
以上のとおり、第１実施形態では、一対の回転体の一方の内部に高熱源が、また他方の内部に低熱源が、それぞれ配置されているので、流体の飛散を抑制することができる。
【００２２】
また本実施形態では、高熱源及び低熱源を、プーリ２，３の周面に沿って無端ベルト４と熱交換可能に配置したので、簡易な構成で本発明に所期の効果を得ることができる。
【００２３】
なお、第１実施形態では、一対の回転体のうち一方に高熱源を、また他方に低熱源を配置したが、一対の回転体のうち一方に高熱源又は低熱源を配置すれば、他方には高熱源及び低熱源のいずれも配置しなくても良く、このような構成であっても本発明による効果を得ることができる。また、外気による無端ベルトの冷却が十分に（逆変態温度以下になる程度に）行われる場合には、一対の回転体の両方に高熱源を配置してもよい。また、外気による無端ベルトの加熱が十分に（変態温度以上になる程度に）行われるような高温雰囲気下で運転する場合には、一対の回転体の両方に低熱源を配置してもよい。
【００２４】
次に、第２実施形態について説明する。図４及び図５において、第２実施形態の熱エンジン１１は、形状記憶要素によって駆動力を発生する駆動機構１２を、中空の回転体であるプーリ１３内に備えたものである。
【００２５】
図５に示されるように、プーリ１３は、本体部１５と中空軸１６とを有する。本体部１５はほぼ円筒形の中空体である。中空軸１６は、本体部１５の軸線上に配置されている。プーリ１３は樹脂などの軽量な材料から構成するのが好適である。中空軸１６は、軸受１７を介して、不図示のハウジングに固定された支持管１８に回転可能に支持されている。支持管１８と本体部１５との間は、シール１９によって相対回転可能に密封されている。
【００２６】
支持管１８には隔壁２０が設けられ、隔壁２０の上流側には給水孔２１が、また隔壁２０の下流側には排水孔２２が、それぞれ支持管１８の周面に等角度間隔で設けられている。プーリ１３の本体部１５の内部には、円筒形のボス部２３が固定されている。ボス部２３には給水孔２３ａが設けられ、ボス部２３の端面には円盤状のデフレクタ２３ｂが固定されている。
【００２７】
駆動機構１２は、形状記憶コイル２４、ウエイト２５、及びバイアスバネ２６を直列に接続したものを複数組、プーリ１３内に放射状かつ等角度間隔に配置してなる。形状記憶コイル２４の外端部は本体部１５の外周面に固定され、バイアスバネ２６の内端部はボス部２３に固定されている。
【００２８】
形状記憶コイル２４は、ある変形温度を越える温度上昇に伴って、予め記憶された伸長形状への復元力が生じるものを用いる。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。このような形状記憶材料としては、上記第１実施形態におけるものと同様の材料、例えばＮｉＴｉ合金を用いるのが好適であるが、他の材料でもよい。バイアスバネ２６は圧縮バネである。プーリ１３には、その中空軸１６を通じて本体部１５の内部に高温水が供給可能とされている。
【００２９】
第２実施形態の動作について説明する。いま、プーリ１３の内部に、支持管１８及び中空軸６を通じて、形状記憶コイル２４の変態温度よりも高い温度の高温水が供給される。雰囲気温度は常温である。支持管１８の上流側（図５中左側）から供給された高温水は、給水孔２１，２３ａを通じてプーリ１３内に供給され、本体部１５内に所定の深さまで貯留される。高温水の供給は連続的又は断続的に行うことができ、高温水の外部への排出は排水孔２２及び支持管１８を通じて行われる。デフレクタ２３ｂによって、本体部１５内の高温水の滞留を抑制し流れを一定の方向にすることができる。
【００３０】
この状態において、形状記憶コイル２４は、プーリ１３内の高温水に浸された部分で変態して伸長状態になる。これによってバイアスバネ２６が圧縮されるため、ウエイト２５は軸中心に近づくように移動する。また、形状記憶コイル２４は高温水に浸されていない部分では逆変態により徐々に柔軟化するため、バイアスバネ２６の付勢力によって圧縮され、ウエイト２５は軸中心から離れるように移動する。このようにして、ウエイト２５の軸中心からの距離に、プーリ１３内における不均衡が生じるため、これに起因するトルクの不均衡によってプーリ１３が回転することになる。
【００３１】
以上のとおり、第２実施形態では、内部に空室を有する回転体（プーリ１３）と、回転体内に収容された駆動機構１２であって所定の温度域で予め記憶された形状への復元力を発生する形状記憶要素（形状記憶コイル２６）によって駆動力を発生する駆動機構１２と、を備え、且つ高熱源（高温水）をプーリ１３の空室内に配置したので、流体の飛散を抑制するという本発明に所期の効果を得ることができる。
【００３２】
なお、第２実施形態では、回転体の空室に高熱源を配置したが、また、外気による形状記憶コイル２６の加熱が十分に（変態温度以上になる程度に）行われるような高温雰囲気下で運転する場合には、プーリ１３内に低熱源（逆変態温度以下の低温水など）を配置してもよい。
【００３３】
次に、第３実施形態について説明する。図６及び図７において、第３実施形態の熱エンジン３１は、形状記憶要素によって駆動力を発生する駆動機構３２を、中空の回転体であるプーリ３３内に備えたものである。
【００３４】
図６に示されるように、プーリ３３は、本体部３５と中空軸３６とを有する。本体部３５はほぼ円筒形の中空体である。中空軸３６は、本体部３５の軸線上に配置されている。プーリ３３は樹脂などの軽量な材料から構成するのが好適である。
【００３５】
図７に示されるように、中空軸３６は、軸受３７を介して、不図示のハウジングに固定された支持管３８に回転可能に支持されている。支持管３８と本体部３５との間は、シール３９によって相対回転可能に密封されている。
【００３６】
プーリ３３内であって本体部３５の軸心からオフセットした位置には、偏心軸４２がアーム４０を介して保持されている。この偏心軸４２には、ベアリング４１を介して、複数の形状記憶コイル３４の一端が、放射状かつ等角度間隔に固定されている。形状記憶コイル３４の他端は、本体部３５の周面に固定されている。
【００３７】
形状記憶コイル３４は、ある変形温度を越える温度上昇に伴って、予め記憶された伸長形状への復元力が生じるものを用いる。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。このような形状記憶材料としては、上記第１実施形態におけるものと同様の材料、例えばＮｉＴｉ合金を用いるのが好適であるが、他の材料でもよい。
【００３８】
本実施形態では、高熱源である高温水の量を調整する調整装置５０が設けられている。調整装置５０は、空気ポンプ５１、高温水ポンプ５２、空気バルブ５３、高温水バルブ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、プーリ３３内に配置された給気管５７、排気管５８、給水管５９及び排水管６０を含む。吸気管５７及び排気管５８の内端部は本体部３５の上端部に向けて開口している。給水管５９及び排水管６０の内端部は本体部３５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。高温水ポンプ５２及び高温水バルブ５４は高温水タンク６１に接続されているが、高温水タンク６１に代えて車両のラジエータなどの高温水源に接続されていてもよい。
【００３９】
空気ポンプ５１、高温水ポンプ５２、空気バルブ５３及び高温水バルブ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、高温水ポンプ５２、空気バルブ５３及び高温水バルブ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。
【００４０】
第３実施形態の動作について説明する。プーリ１３の内部に、給水管５９を通じて、形状記憶コイル２４の変態温度よりも高い温度の高温水が供給され、高温水が本体部３５内に所定の深さまで貯留されると、形状記憶コイル３４は、プーリ３３内の高温水に浸された部分で変態して伸長状態になろうとする。これに起因するトルクによって、プーリ３３が図６中反時計方向に回転することになる。なお雰囲気温度は常温である。
【００４１】
調整装置５０による水量の調整は、以下のようにして行われる。コントローラ５６の制御によって高温水ポンプ５２が動作し、高温水バルブ５４が閉じられ、且つ空気バルブ５３が開かれると、本体部３５内の水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、高温水バルブ５４が開かれ、且つ空気バルブ５３が閉じられると、本体部３５内の空気量が増える結果として高温水が高温水バルブ５４を通じて外部に押し出され、本体部３５内の水量は減ることになる。
【００４２】
この調整装置５０を利用して、回転数が最大となるように水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８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）。
【００４３】
次に、コントローラ５６は、現在水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、水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、引き続き水量を増加させ（Ｓ８０）、否定すなわち回転数が増大していない場合には、水量を減少させる（Ｓ１１０）。
【００４４】
ステップＳ６０で否定すなわち水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、水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、引き続き水量を減少させ（Ｓ１１０）、否定すなわち回転数が増大していない場合には、水量を増加させる（Ｓ８０）。
【００４５】
水量の増加及び減少は、上述したとおり空気ポンプ５１、高温水ポンプ５２、空気バルブ５３及び高温水バルブ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）。
【００４６】
以上の処理の結果、回転数が最大となるように水量がフィードバック制御されることになる。回転体内の高温水の水量は、多すぎると熱損失が大きくなるため、熱エンジンは適切な温度幅（例えば、形状記憶材料の組織構造が図９におけるａ−ｂ−ｃ−ｄの領域内となるような温度幅ＴＬ−ＴＨ）の範囲内で運転するのが好ましい。また、回転体内の高温水の水量は、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水量は高温水の温度によっても異なるため、回転数が最大となるように水量をフィードバックすることによって、熱エンジンを最適な状態で運転することができる。
【００４７】
以上のように、本実施形態では、高熱源と低熱源との少なくとも一方に導入される熱媒体の量を調整する調整装置を備えたので、熱エンジンを最適な状態で運転することができる。
【００４８】
また、第３実施形態では高熱源を回転体の内部に配置したので、流体の飛散を抑制することができるという本発明に所期の効果を得ることができる。
【００４９】
なお、第３実施形態では、調整装置５０によるフィードバック制御を行わなくても運転することが可能である。また、調整装置５０は、高温水の温度及び水量と回転数との関係を予め定めたマップを用いて水量を制御することとしてもよい。
【００５０】
また、第３実施形態における調整装置５０は、第１及び第２実施形態の熱エンジンに適用することも可能である。
【００５１】
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形状記憶材料は、伸長状態を形状記憶させたものを使用したが、逆に縮退状態を形状記憶させたものであってもよい。
【００５２】
また、上記各実施形態における形状記憶材料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。
【００５３】
さらに、高熱源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からの熱を利用したものを用いてもよい。また高温源又は低温源として用いられる熱媒体は液体のほか気体、あるいは比重の異なる複数種類の流体であっても良く、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】
【００５４】
【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実施形態の側面図である。
【図３】第１実施形態における高温側プーリの断面を示す側面図である。
【図４】本発明の第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５】第２実施形態におけるプーリの断面を示す側面図である。
【図６】第３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７】第３実施形態におけるプーリの断面及び調整装置を示すブロック図である。
【図８】第３実施形態における制御の一例を示すフロー図である。
【図９】第３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】
【００５５】
１，１１，３１      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
６，１８，３８      中空軸
２４，３４      形状記憶コイル
２５      ウエイト
２６      バイアスバネ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2009203877.tif 000006
【図５】
2009203877.tif 000007
【図６】
2009203877.tif 000008
【図７】
2009203877.tif 000009
【図８】
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【図９】
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