(57)【要約】【課題】熱エンジンにおいて、無端ベルトの滑りに起因する損失を抑制する。【解決手段】無端ベルト４は長手方向の断面形状（縦断面形状）がジグザグにされ、これによって無端ベルト４の内周面に凹凸構造が設けられている。プーリ２の外周面には、多数の楔状又はギヤ歯状の突起２ａが等角度間隔に設けられており、これによって、無端ベルト４の内周面の形状と相補的な凹凸構造が提供されている。互いに相補的な凹凸構造による噛み合いによって、回転体（プーリ２）と無端ベルト４との間の滑りが抑制されるので、滑りに起因する損失を抑制することができる。【選択図】図４
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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、
前記回転体の外周面と前記無端ベルトとが噛み合うように、前記回転体の外周面及び前記無端ベルトの内周面に互いに相補的な凹凸構造が設けら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、
前記無端ベルトは、前記変形温度を越えることでその凹凸構造のピッチが変化し、
前記各回転体における凹凸構造のピッチは、当該各回転体への巻き付き点の直前における前記無端ベルトの凹凸構造のピッチにそれぞれ対応してい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、
前記一対の回転体の少なくとも一方の内部に、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。
【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】
【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、形状記憶材料からなる無端ベルトは温度変化に応答して伸縮するため、無端ベルトがプーリ上で伸縮することで両者の間で滑りが生じ、エネルギー伝達効率が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで本発明の目的は、無端ベルトの滑りに起因する損失を抑制することにある。
【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、前記回転体の外周面と前記無端ベルトとが噛み合うように、前記回転体の外周面及び前記無端ベルトの内周面に互いに相補的な凹凸構造が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、互いに相補的な凹凸構造による噛み合いによって、回転体と無端ベルトとの滑りが抑制されるので、滑りに起因する損失を抑制することができる。
【０００８】
無端ベルトの凹凸構造のピッチが、変形温度を越えることで変化する場合に、前記各回転体における凹凸構造のピッチは、当該各回転体への巻き付き点における前記無端ベルトの凹凸構造のピッチにそれぞれ対応しているのが好適である。この場合には回転体と無端ベルトとの噛み合いを好適に行うことができる。
【０００９】
前記一対の回転体の少なくとも一方の内部に、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のが好適である。この場合には、回転体と無端ベルトとの噛み合いによって、回転体の内部と無端ベルトとの熱交換を特に好適に行うことができる。
【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。
【００１１】
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、後述する突起２ａのピッチを除くほか、高温側プーリ３と同一の構造及び大きさである。
【００１２】
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に示されるように非平行であり、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。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。
【００１３】
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。
【００１４】
本実施形態における無端ベルト４は、形状記憶材料の箔からなるベルト、または形状記憶材料の単結晶からなる層と、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。図４及び図５に示されるように、無端ベルト４は長手方向の断面形状（縦断面形状）がジグザグにされ、これによって無端ベルト４の内周面に凹凸構造が設けられている。無端ベルト４は、常温においては縮退状態（ピッチｐｃ１）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（ピッチｐｈ１）になるように、予め形状記憶されている。なお、ここにいう無端ベルト４のピッチは、無端ベルト４の内周面における互いに隣り合う凸部の頂点の間隔である。
【００１５】
プーリ２，３の外周面には、多数の楔状又はギヤ歯状の突起２ａ，３ａが等角度間隔に設けられており、これによって、無端ベルト４の内周面の形状と相補的な凹凸構造が提供されている。低温側プーリ２における突起２ａのピッチｐｃ２は、この低温側プーリ２への巻き付き点の直前における無端ベルト４のピッチ、すなわち伸長状態のピッチｐｈ１とほぼ等しい。他方、高温側プーリ３における突起３ａのピッチｐｈ２は、この高温側プーリ３への巻き付き点の直前における無端ベルト４のピッチ、すなわち縮退状態のピッチｐｃ１とほぼ等しい（すなわち、ｐｃ１≒ｐｈ２＜ｐｃ２≒ｐｈ１）。なお、ここにいうプーリ２，３のピッチは、プーリ２，３の外周面における互いに隣り合う突起３ａの頂点の間隔である。
【００１６】
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。低温水の温度は、雰囲気温度である常温よりも低く、且つ無端ベルト４の逆変態温度よりも低い。高温水の温度は、無端ベルト４の変態温度よりも高い。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の周壁を介して無端ベルト４と熱交換可能である。
【００１７】
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。低温水は、低温側プーリ２の内部の全体を満たす。高温水はその水面が、無端ベルト４の回出点Ｂと等しい高さか、あるいは回出点Ｂの高さから所定範囲内にされる。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。
【００１８】
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）で変態する。しかしながら、無端ベルト４は高温側プーリ３の突起３ａとの噛み合いによって拘束されているため、その形状の変化は抑制されている。無端ベルト４は、高温側プーリ３を離れる回出点Ｂで、高温側プーリ３による拘束を解かれて伸長する。
【００１９】
低温側プーリ２に接する巻き付き点Ｃでは、無端ベルト４は伸長した状態で低温側プーリ２の突起２ａと噛み合う。無端ベルト４は、低温水に沿う部分（Ｃ−Ｄ）で逆変態する。しかしながら、無端ベルト４は低温側プーリ２の突起２ａとの噛み合いによって拘束されているため、その形状の変化は抑制されている。無端ベルト４は、低温側プーリ２を離れる回出点Ｄで、低温側プーリ２による拘束を解かれて縮退する。このような無端ベルトの伸長及び縮退によって、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。
【００２０】
以上のとおり、第１実施形態では、互いに相補的な凹凸構造による噛み合いによって、回転体（プーリ２，３）と無端ベルト４との間の滑りが抑制されるので、滑りに起因する損失を抑制することができる。
【００２１】
また、第１実施形態では無端ベルト４の凹凸構造のピッチが、変形温度を越えることで変化するところ、各回転体における凹凸構造のピッチは、各回転体への巻き付き点Ｃ，Ｅの直前における無端ベルト４の凹凸構造のピッチにそれぞれ対応しているので、回転体と無端ベルト４との噛み合いを好適に行うことができる。
【００２２】
本実施形態による効果を図６に従って説明する。図６においては、ループの内側の面積が、熱エネルギーから機械エネルギーに変換されたエネルギーに対応する。
【００２３】
低温側と高温側のプーリ、及び無端ベルトがいずれも凹凸構造を有せず、且つ無端ベルトがクロス掛けでなくオープン掛け（平行掛け）されている場合、Ｍ相の無端ベルトがストレートな形状からプーリに巻きつけられて弧状に変形すると、無端ベルトに生じる応力は、歪みゼロの点ａから点ｂに移行する。その状態で温水からの熱により変態温度に達すると、滑りのために応力は変化せず横ばいとなり、Ａ相の線に達する（点ｅ）。無端ベルトがプーリを外れると、応力・歪み共にゼロに復帰する（点ａ）。すなわち、応力−歪み曲線はａ−ｂ−ｅの経路を循環することになる。
【００２４】
次に、低温側と高温側のプーリ、及び無端ベルトがいずれも凹凸構造を有せず、且つ無端ベルトがクロス掛けされている場合には、巻き付き角（プーリにおいて無端ベルトが巻き付いている角度）の増大によって滑りがやや低減される。このため、Ｍ相の無端ベルトがプーリに巻きつけられて変形した状態（点ｂ）から、温水からの熱により変態温度に達すると、応力は緩やかに上昇してＡ相の線に達する（点ｄ）。無端ベルトがプーリを外れると、応力・歪み共にゼロに復帰する（点ａ）。すなわち、応力−歪み曲線はａ−ｂ−ｄの経路を循環することになる。
【００２５】
そして、本実施形態のように、低温側と高温側のプーリ２，３、及び無端ベルト４がいずれも凹凸構造を有し、且つ無端ベルト４がクロス掛けされている場合には、両プーリ２，３と無端ベルト４との間の滑りが解消される。このため、Ｍ相の無端ベルト４がプーリに巻き付けられて変形した状態（点ｂ）から、温水からの熱により変態温度に達すると、応力は急峻に上昇してＡ相の線に達する（点ｃ）。無端ベルト４がプーリを外れると、応力・歪み共にゼロに復帰する（点ａ）。すなわち、応力−歪み曲線はａ−ｂ−ｃの経路を循環することになる。上述のとおり、図６においてはループの内側の面積が、熱エネルギーから機械エネルギーに変換されたエネルギーに対応するため、本実施形態の構成によって、損失を抑制して効率を高めることが可能になることがわかる。
【００２６】
また本実施形態では、一対の回転体の一方に高熱源を、また他方に低熱源を配置したので、回転体と無端ベルトとの噛み合いによって、回転体の内部と無端ベルトとの熱交換を特に好適に行うことができる。なお、本発明では一対の回転体の一方に高熱源又は低熱源を配置すると共に、他方には高熱源及び低熱源のいずれも配置しないこととしてもよい。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。すなわち、本発明では一対の回転体の少なくとも一方の内部に、高熱源又は低熱源のうちいずれか一方が配置されていればよい。
【００２７】
また、本実施形態では無端ベルトの縦断面形状をジグザグ状としたが、サイン波状など丸みを帯びた凹凸構造であってもよい。また、平坦な無端ベルトに、これと別部材から構成したスパイク歯状の突起をかしめ止めなどにより固定してもよい。
【００２８】
また、本実施形態では、高温水の水面の高さと無端ベルト４の回出点Ｂの高さをほぼ等しくしたので、熱量の無駄を抑制することができる。すなわち、高温水の水面は回出点Ｂより低い領域では、できるだけ回出点Ｂに近づけるのが好適であるが、水面が回出点Ｂより高くても、回出点Ｂを越えた部分は出力に寄与せず、放熱量が増えるだけで無駄になる。また、Ａ相が１００％を越える温度よりも高温の領域まで無端ベルト４を昇温させても、出力には寄与しない。したがって、高温水の水面を無端ベルト４の回出点Ｂと等しい高さか、あるいは回出点Ｂの高さから所定範囲内にすることにより、大きな出力を得ながら無駄な放熱を抑制することができる。
【００２９】
なお、高温水の水面を無端ベルト４の回出点Ｂと等しい高さにするために、低温側プーリの高さを変更してもよい。すなわち、図７に示されるように、低温側プーリ１０２の軸位置の高さを、高温側プーリ１０３の軸位置よりも高くすることにより、高温水の水面を無端ベルト１０４の回出点Ｂと等しい高さにすることができ、無駄な放熱を抑制することができる。なお、この図７の変形例では低温側と高温側のプーリ１０２，１０３、及び無端ベルト１０４がいずれも上記実施形態におけるプーリ２，３及び無端ベルト１０４と同様の凹凸構造を有するが、無端ベルト１０４をオープン掛けしており、且つ低温側プーリ１０２は高温側プーリ１０３よりも小径となっている。
【００３０】
なお、上記実施形態及び変形例では、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。
【００３１】
また、上記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。
【００３２】
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】
【００３３】
【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】第１実施形態における低温側プーリ、及びその近傍における無端ベルトの形状を示す要部拡大図である。
【図５】第１実施形態における高温側プーリ、及びその近傍における無端ベルトの形状を示す要部拡大図である。
【図６】第１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。
【図７】第１実施形態の変形例を示す正面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      熱エンジン
２，１０２      低温側プーリ
３，１０３      高温側プーリ
４，１０４      無端ベルト
６      中空軸
【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】
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