大分工業高等専門学校紀要

第 46 号(平成 21 年 11 月)

形状記憶材料を用いた熱エンジンの試作

薬師寺祐太郎1・高倉健輔2・青木照子2

1東芝エレベータ，2制御情報工学科

近年，自動車の排気ガスや工場の排煙による大気汚染が問題とされている．ガソリンを使用する自動車エンジンの炭化水素や窒素酸化物が大気汚染の原因となっており，環境にやさしい電気自動車やディーゼルエンジンの開発が進んでいる．本研究では，ガソリンの代わりに熱エネルギーを使用する熱エンジンを製作することを目標とする．熱エンジンには新しい機能材料として注目されている形状記憶合金(SMA)を使う．SMAはインテリジェント材料であり，形状記憶効果や超弾性などの性質を持ち，相変態以上に加熱すると記憶している元の形状に戻る．そのとき大きな形状回復力が発生する．形状回復力は，SMAに5~6%の予ひずみを付与して相変態温度以上に加熱したとき最も大きくなり，数百MPaの大きな力を発生する．この力を効率よくエンジンを駆動させる力にするための基礎的な検討を行い，熱エンジン試作を行ったので報告する．

キーワード：形状記憶合金，形状記憶効果，形状回復力，予ひずみ，熱エンジン

１緒言

重要な問題である．化石燃料をエネルギー源とする問題は，燃料がいつかは枯渇するということである．また，エネル

新しい機能材料として注目されている材料の一つに，形状記憶合金（SMA）がある．SMA はインテリジェント材

ギー化する過程の二酸化炭素排出も，現在社会で大きな問題となっている．

料の一つであり，形状記憶効果（SME）や超弾性（SE）

SMA は形状記憶効果により，非常に大きな形状回復応などの性質をもつものである．近年，この性質を活かした，力を発生する．この回復応力発生に排温水，地熱あるいはアクチュエータとして SMA の応用が期待されており，多太陽熱などの低位熱エネルギーを利用する SMA 熱エンジ

くの研究報告がある．特に，SMA をアクチュエータとしンの開発が期待されている．1973 年にアメリカで世界初て利用した研究には，リハビリテーション用 SMA アクチの Banks エンジンが発表され，その後アメリカを中心にュエータの開発(1),(2)，ロボット用アクチュエータの試作報

世界中で，多数の小型熱エンジンが開発されたが，これら告(3)，さらには，SMA 熱エンジンに関する報告(4)～(6)などは出力が非常に小さく，実用化には至っていない．現在，がある．

この熱エンジンが注目されているのは，これまで捨てられSMA は，その形状を変形させても，相変態温度以上にていた低位エネルギーを有効に利用すること，および，無加熱すると SME により元の形状に戻る．この時に発生す騒音で無公害のクリーンな熱エンジンとなることからでる力を形状回復力という．SMA の形状回復力は，5~6%ある．の予ひずみを付与して逆変態温度以上に加熱したときに形状記憶熱処理によって形状を記憶させた SMA は，形最も大きくなり(7)，数百 MPa の大きな力を発生する．SMA状記憶効果を利用すると，温度に対して，可逆的に繰り返は形状回復後に，冷却すると，また軟らかくなり，形状をし動作するアクチュエータを作ることができる．

簡単に変形することが出来る．この SMA の特性を利用す

図-1 に SMA が熱エネルギーを機械的エネルギーに変換るために，SMA の加熱と冷却を繰返して，熱エンジンをする原理を示す．①は，マルテンサイト変態終了温度（Mf）動作させる．排気ガスを排出しない，環境にやさしいクリ

以下で W1 によって変形した SMA に重り W2 を負荷する．

ーンな熱エンジンを試作したので報告する．

これを Af 以上に加熱すると②に示すように，SMA は変位

２h だけ縮む．このとき熱エネルギーは W2×h の仕事をしたことになる．つまり，熱エネルギーが機械的エネルギーに変換されたことになる．ここで，W2 を外し，冷却すると③のように SMA は W1 によって，再び変形される．もう一度，④で示すように W2 を負荷する．この工程を冷却

熱エンジンの原理

エネルギー問題と地球温暖化問題は，人類にとって最も―23―大分工業高等専門学校紀要①

第 43 号

②SMA

③

W2
W1

Take

W2
W1
T<Mf(平成 18 年 11 月)④

Take off

W1

Take onW2h
T>Af Heating
図-1

W1T<MfT<Mf Cooling

熱エンジンの動作原理と加熱の 1 サイクルとして繰り返すと，各サイクルの W2×h の仕事量でエンジンが動作する．

式(2)となる．

F  k  kr ( 1  cos  ) L 0
３

熱エンジンの製作(2)

一方,回転トルクＴは，形状回復力 F の SMA ホルダーの接線方向成分 F sin  と SMA ホルダーの半径 r の積で（１）第一次試作熱エンジンあるので式(3)となる．

T  rF sin   r sin ・kr( 1  cos  ) L0

図-2 に示すように，SMA ファイバを SMA ホルダー（A）と SMA 引掛けホルダーとの間にセットする． SMA ホル kr 2 sin  ( 1  cos  ) / L0ダー(A)の引掛けピンの位置(半径 r )は，SMA ホルダーが回転して，引掛けピンが上死点 (   180  ) に至ったとき予ひずみが約 6%付与されるように決める．

(3)

式(3)を整理して，新しく定数を K とおくとトルク T は式(4)となる．

初期長 L0 ＝1ｍの直線状に記憶させた SMA ファイバのT  K (sin   0.5 sin 2 )片側を引掛けピンに引掛け，もう一方の片側を SMA 引掛(4)けホルダーに固定する．通電加熱すると予ひずみに比例し図-3 に，形状回復力比例量 K とトルク比例量 T の変化た形状回復力が発生して，シンクロベルトで連結されたフを示す．形状回復力比例量を式(5)に，トルク比例量を式ライホイール(B)に回転エネルギーを蓄える．このような(6)で求めた．

機構を SMA ホルダー(A)の両側に 180 度隔ててセットしK  1  cos (5)T  sin   (sin 2 ) / 2(6)（A）の回転エネルギーを交互にフライホイール(B)に蓄えて連続回転させる．

トルク比例量は，180°までのプラス側は，SMA ホルダ(２)駆動トルクの計算
図-2 のように SMA ホルダー(Ａ)の r に対して SMA のーの引き戻し方向であり，180°から 360°までが回転ト

初期長 L0 が十分長いので SMA の方向は図のように台座ルク形成角度範囲である．図-3 で明らかなように，形状せる．

1/4 低下すると最大トルク点は約 240°である．したがっと平行であると仮定すると，予ひずみ量  は式(1)で表わ  L L0  r( 1  cos  ) L0

回復力最大点ではトルクはゼロである．形状回復力が約て効率的でないが上死点である 180°から 240°の回転角(1)

形状回復力 F は予ひずみ量δ≦６％なら予ひずみ量と度範囲のみ通電加熱し，回転トルクを発生させ，残りの回転角度範囲は SMA を冷却する．

比例関係があるとみなすことが出来るので形状回復力はフライホイール
SMA引掛けホルダー

SMA ホルダー

SMA(L0=1m)
BDD
図-2 熱エンジン第一試作機構図―24―

θr

A

大分工業高等専門学校紀要

比例量3第 43 号

(平成 18 年 11 月)

トルク比例量形状回復力比例量2

図-5 は，予ひずみと通電加熱により発生する形状回復力および電気抵抗値の関係を示す．図-5 の initial は，1通電直後の値を示し，final は長時間通電後の値を表す．
090

180270360

形成するためには約 300MPa の引張応力状態を形成する必

回転角度（度）-2

要がある．すなわち図-3 において最大予ひずみδmax=6%とするためには 6＝2r/L0 ×100[%]となる．したがって，

600

Recoveru stress : σ (MPa)

図-3 形状回復力比例量とトルク比例量の変化

Stress[MPa]

ことが分かる．図-4 から分かるように常温でひずみ 6％を80℃
65℃
25℃
0℃

5004003003501.33001.2250σmax

σ1.1200

1σfinal150

0.91000.8R200

Electrical resistance : R (Ω）-1

図-5 から,予ひずみが約 6％で形状回復力は最大となる
0R-initial

500.7
R-final

100

00.6

-50

0024680.50102461012Prestrain (%)

Strain[%]
図-48

図-5 予ひずみと形状回復力 & 電気抵抗

SMA の引張特性(φ0.4mm)

r =R-30mm 位置を SMA のホルダー位置とし，標準の通電加熱電流の 2.5～3.0A で駆動した．しかし，図-3 に示す通電条件にした場合，次の通電までの時間が短く通電加熱（３）駆動条件の最適化検討
図-4 は，φ0.4mm SMA の引張り特性と温度の関係を示された SMA が大気中では十分に冷却されず，機械的特性す．本研究で使用した SMA の相変態温度はオーステナイの高い母相状態のまま予ひずみが加わることになる．そのト開始温度 As =309K，オーステナイト終温度 Af ＝328K,ため，フライホイールが回転方向と逆の方向に引き戻されマルテンサイト開始温度 Ms =269K，マルテンサイト終温てしまい，連続回転を実現できなかった．また，6%の予ひ度 Mf =225K でありマルテンサイト相と母相間にはかなりずみ量はかなり大きな負荷となり，少ない予ひずみ量を検大きな温度差がある．したがって，加熱による母相への逆討する必要があることが分かった．
そこで SMA の片端を支持し，もう片側に予ひずみ約 6％変態と冷却によるマルテンサイト相への変態の間にはかを発生させるために約 300MPa の応力となる重りを吊り下なり大きな温度ヒステリシスがある．
表１

形状回復力発生時間と復帰時間(室温 20℃)

線径

通電電流

収縮時間

復帰時間

ストローク300MPa 荷重[mm]

[A]

[ｓ]

[ｓ]

[mm]

[Kg]

0.20.6

1.64.0７0.96

0.42.53.0

30.055

3.8―25―大分工業高等専門学校紀要

第 43 号(平成 18 年 11 月)げ，SMA に標準的な電流を流して形状回復力が形成され，通電電流も同様とする．
図-6 には使用するコイルのバネの引っ張り特性を示す．

バネ長さ[ｍｍ]

SMA が縮む時間と，電流を切って，元に戻る時間を測定した．その結果を表１に示す．この結果から冷却時間の短いφ0.2mm の SMA が使用に適していることを示している．
形状回復力が大きくてもφ0.4mmSMA はすばやい繰り返し動作は困難であることを示している．さらに，フライホイールは慣性モーメントが大きいほど発生した形状回

500
400
300200

復力を回転エネルギーとして蓄え，連続回転を助けると考えていたが，過大な慣性モーメントでは大きな回転開始の100ための駆動力を必要とすることから，形状回復力値に適合0したフライホイールの慣性モーメントを選定する必要の0あることがわかった．

0.20.40.60.8

1

引張り力[Kgf]

以上の検討により，選定した最適化条件は以下のとおりである．

図-6 コイルばねの引張特性(1)最大予ひずみ:4%(2)適用 SMA：直径 0.2mm（相変態温度は 0.4mm 品同等）
(3)通電電流:0.5～0.6A

自由長 250mm で設定し，450mm にする．引張力は約 1Kgf(4)通電時間：上死点から約 60°の範囲

で SMA に約 300MPa の引張応力が発生する．SMA の予ひ(5)フライホイール効果：GD2 ≒397（Kg・cm2）(6)増速比：4.5（SMA ホルダーに対するフライホイー
ルの増速）
上記条件により光センサーによる通電加熱角度の検出と通電加熱による連続回転を得ることが出来た．ただし，
図-3 で明らかなように，本熱エンジンの駆動条件は最大形状回復力発生点（最大予ひずみ点）で駆動トルクがゼロであり非常に効率が悪い構造となっているので次の改良を提案する．

ずみは駆動状態では大きく変わらず，引張応力はほぼ一定であるので，駆動トルクは SMA ホルダの回転によってほとんど変動しない.
図-7 に示すように第一次試作熱エンジン同様，第二次熱エンジンも両側に 2 本の SMA を独立して駆動させる．
そのために，交互にタイミングよく通電する適切なシーケンスが必要なである．なお，形状回復力によって発生する回転トルクは第一次試作より大幅に増大するものと予想されるので，新規に大型のフライホイール（GD２＝594×2=1187Kg・CM2）を製作する必要がある．

（４）第二次試作熱エンジンの提案
ここで，提案する第二次試作熱エンジンは，第一次試作熱エンジンの欠点である形状回復力のロスを防止するために，図-7 のように引張コイルバネで SMA に常時予ひず４．結論みを与えられるようする．SMA ホルダーをプーリ状とし，SMA ホルダーの軸にはフライホイールのワンウエイクラ
ッチを介して，形状回復力を発生させたときのみ一方向に駆動力がフライホイールに伝達できるようにする．SMA
ファイバは，第一次試作と同様に 0.2mm のものを使用し，SMA を用いた熱エンジンの試作をおこない，以下の結論を得ることができた．
(1) 第一次熱エンジンの試作を行い，光センサを利用して連続運転させることができた．
(2) SMA の形状回復力を連続回転させる機械エネルギーとフライホイールし引張コイルバネ

SMA ホルダー
B

Aて取り
出す
た

φ0.2SMAめワンウェイクラッチ
図-7 第二次熱エンジン機構―26―の基大分工業高等専門学校紀要

第 43 号(平成 18 年 11 月)

本的な条件を設定することができた．
(3) 繰り返して形状回復力を利用するためには，マルチサ
参考文献1)

宮崎敦夫，峯村章，湯浅憲豊，中里裕一：小型リハビ
リテーション機器のためのマイクロアクチュエータの開発，日本機械学会福祉工学シンポジウム講演論文集(2006)，pp218-219

2)

遠藤美幸，小川明，加藤明雄，中里裕一，坂田悍教，
竹田悠二：SMA アクチュエータを用いた指リハビリ装置の開発～第一報機構構造に試作検討～：日本機械学会福祉工学シンポジウム講演論文集(2005)，pp31-32

3)内田憲男，三田俊裕：形状記憶合金をアクチュエータとする 8 足走行ロボット，精密工学会誌，Vol.73,No.1,(2007), pp156-160

イト相変態温度と逆変態温度が近いほどよいことが4)分かった．

岩永弘之，戸伏壽昭，伊藤広道：形状記憶合金熱エンジンの出力特性の基礎研究(第一報)，日本機械学会論(4) 提案する第二次熱エンジンの試作において，引張コイルバネを利用すれば，常に SMA の予ひずみによって，文集(A 編)，54 巻，497 号，(1988)，pp177-1805)

効果的に回転トルクを得ることができることが分か

戸伏壽昭，木村君男，岩永弘之，J.R.Cahoon：形状記
憶合金熱エンジンの出力特性(第 2 報)，日本機械学会った．

論文集(A 編)，55 巻，509 号，(1989)，pp165-169(5) 通電加熱ではなく，温泉や太陽熱などの自然熱エネル

6)ギーから，効率的に機械エネルギーに変換する方法を検討していくことができれば，低位熱エネルギーを有本間敏夫，清水謙一，鈴木雄一編：形状記憶合金の応用と開発，エス・ディ・シー社，(1988)，pp279-301

7)

山下恵太郎：TiNi ファイバ強化知的複合材料の形状記効に利用した，無騒音で無公害のクリーンな熱エンジ

憶回復力による機械的特性の向上，埼玉工業学学位論

ンの製作が可能であることが分かった．

文―27―