Shape-MemoryAHoyHeatEngine

愛総研・研究報告
第1
2号 2
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1
0年
69
形状記憧合金を応用したヒートエンジン
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1.緒言
プーリ一式形状記憶合金ヒートエンジンにより駆動するソ
エネルギー資源や地球環境などの問題を解決するために
ーラーカーの作動原理および走行特性を検討する。さらに、
は、合理的なエネルギー利用システムを構築する必要があ
形状記憶合金ヒートエンジンの実用化への課題を検討す
る。各種の熱機関や工場などから出る低温排熱、地熱、太
る
。
7
3K 以下の温度レベルにあり、このような低
陽光などは 3
質のエネルギーは一部分しか有効活用されていない。この
7
3K 以下の低質の熱源を動力に変換する熱効率は
ような 3
2
. 形状記憶合金ヒートエンジンの作動原理
10%以下と小さい。この為、実用化には多くの課題がある。
7
3K 以下の低質の熱源を動力
これに対して、このような 3
形状記憶合金ヒートエンジンの作動原理を図 lに示す。
W 2の重りを加える
に変換するエンジンとして、形状記憶合金 C
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低温で変形した形状記憶合金コイノレに
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1
)-3)を利用する固体ヒートエンジンが提
(
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)。これを加熱すると変位 h だけ縮む(的。従って、この
。 このエンジンはコンパクトで無公害の
聞に w2hの有効な仕事が取り出せる (
b
)。重り 1りを取り除
クリーンなヒートエンジンであることもあり、その開発が
き冷却すると SMAコイルは伸びるい)。この冷却と加熱の
案されている
4
)ー5
)
期待されている。形状記憶合金では低温度、低温度差でマ
工程(a)~(d) を 1 サイクノレとして、これを繰返すと、各サ
ノレテンサイト C
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e以下、 M)変態が起こり、この相変
イクノレにおいて w2h の仕事が取り出せる。これらの熱サ
態に伴い 400~600MPa の大きな回復応力が現れる。この回
イクルをスムーズに行わせるために、種々のタイプのヒー
復応力は繰返し利用することが出来る。
トエンジンが考案されている。
本論文においては、形状記憶合金ヒートエンジンの作動
原理、エンジンの駆動力になる回復応力の特性およびヒー
トエンジンの開発について検討する。斜板オフセットクラ
T 愛知工業大学工学部機械学科(豊田市)
什愛知工業大学大学院(豊田市)
3
. 形状記憶合金ヒートエンジンの駆動力になる回復応力
形状記憶合金ヒートンジンの駆動力になる回復応力の特
性を図 2に示す。回復応力の発生の状況を図 2(
的の応力
愛知工業大学総合技術研究所研究報告，第 12号
， 2010年
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熱・力学条件への依存性を理解することが重要である。
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. 形状記憶合金ヒートエンジンの開発
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これまで種々の形状記憶合金ヒートエンジンが開発され
ているのー 19)。提案された形状記憧合金ヒートエンジンの形
式と出力特性を表 lに要約して示す。
オフセットクランク式エンジンが Banks により最初に提
案された叱このエンジンでは形状記憶合金ワイヤーの曲げ
ひずみ線図に示す。また、図 2(
b
)の応力
温度相図で予負
変形が利用された。形状記憶合金コイルばねを利用する他
s、
荷後の回復応力発生の温度依存性を示す。図において、 M
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e
l
lらによって提案
のオフセットクランク式エンジンがGi
M
t、As、Afはそれぞ、れマノレテンサイト変態の開始と終了の
された
。このエンジンの基本構造と作動原理を図 3 に示
5
)
温度、逆変態の開始と終了の温度を表す。最初に A
s点以下
す。大円板と小円板の中心が距離島だけ偏心している。 2
の温度 T
oで点 Aまで負荷し、除荷する。除荷終了点 Bで残
つの円板の円周上の点が形状記憶合金コイノレばねで連結さ
留ひずみらが現れる。
回復応力
8，を一定に保ち点
C まで加熱すると
σ
Jが増加する。回復応力 σrは、逆変態の領域にお
いて温度の上昇に伴い増加する。回復応力は予負荷時の応
力旬、ひずみ 80、マノレテンサイト相の体積分率 Z。などの
hは空気中で
れている。湯中で生じるコイノレばねの回復力 F
の力凡より大きい。縮もうとする回復力の接線方向成分 Fht
により円板は矢印の方向に回転する。
斜板式エンジンが西川らにより提案された九このエンジ
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値である。円板は収縮力の接線方向成分に基づき回転する。
pだけ傾いている。
2つの円板の円周上の点は、形状記憶合
実験は次の条件で行った-形状記憶合金ワイヤーの直径ェ
金コイノレばねで、連結されている。コイルばねの最大伸びの
0
.
7m m 、形状記憶合金コイノレばねの平均径二 8
.
7m m、大
位置 BB'は、加熱領域の中心から加熱位相角 φだけシフト
円板の半径九=100mm 、小円板の半径九 =75mm 、大小
している。円板は、湯中においてより強く縮もうとする回
o= 80
円板中心の偏心量 e
x = 5 m m 、両円板の中心距離 L
復力の接線方向成分 Fhtに基づき回転する。
m m、斜板角。 =200 、加熱位相角ゆ =0
。、湯面と大円板
形状記憶合金素子の数が増加すれば、回転応力に基づく
駆動力は大きくなる
1
8
)。従って、
SMA素子が多くなればよ
り高い出力が得られる。
の中心軸との距離 =68mm。実験で得られた斜板オフセッ
トクランク式エンジンの出力と回転速度の関係を図 6 に示
す。図 6において、 Nsは形状記憶合金コイルばねの本数を
表す。図 6 からわかるように、出力は形状記憶合金コイル
ばねの本数 Nsに比例して増加する。最大出力はコイルばね
5
. 斜板オフセットクランク式形状記憶合金ヒート
エンジン
24本で回転速度 6
0rpmにおいて 0
.
1
7W である。本エンジ
ンの出力特性は種々の因子に依存する。出力は、形状記憶
合金コイルばねの形状、 2つの円板の中心間距離、 2つの斜
斜板オフセットクランク式形状記憶合金ヒートエンジン
は戸伏らによって提案された 19)。
板の半径、加熱位相角、高温領域と低温領域の雰囲気媒体
および温度などに影響を受ける。
斜板オフセットクランク式エンジンの写真を図 5に示す。
このエンジンの基本機構は、斜板式エンジンとオフセット
クランク式エンジンの組合せで構成される。形状記憶合金
コイルばねは、 2つの斜板の円周上の点を連結する。コイル
6
. 単純プーリ一式形状記瞳合金ヒートエンジンにより
駆動するソーラーカー
ばねの収縮しようとする回復力がこのエンジンの駆動力で
単純プーリー式形状記憶合金ヒートエンジンにより駆動
ある。コイルばねの回復力は空気中より湯中のほうが強い。
するソーラーカーの写真を図 7 に示す。フレネノレレンズ、を
高温領域と低温領域における形状記憶合金コイルばねの収
用い太陽光で駆動する単純プーリ一式形状記憶合金ヒート
縮しようとする回復力の差が、このエンジンで、最も重要な
エンジンの基本構造と作動原理を図 8に示す。単純プーリ
愛知工業大学総合技術研究所研究報告，第 12号
， 2010年
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49m/minで、あった。
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7
. 形状記憶合金ヒートエンジンの実用化への課題
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これまで検討した通り形状記憶合金ヒートエンジンの開
発への期待は大きい。形状記憶合金ヒートエンジンを実用
化するためには、解決すべき多くの課題がある。形状記憶
合金ヒートエンジンの実用化への主な課題は次の通りであ
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の湯、太陽光等の 373K以下の低質の熱エネノレギーの大
部分は利用されていない。これらの熱エネルギーを形
一式エンジンにおいては、 2つのプーリーに形状記憶合金ベ
状記憶合金ヒートエンジンで有効活用するシステムを
ルトを巻掛けている。形状記憶合金ベルトは直線形状を記
憶している。形状記憶合金ベルトは溶接によりループ形状
構築する必要がある。
(
2
) 形状記憶合金を利用するエネルギーの有効な変換シス
テムの開発
にした。太陽光はフレネノレレンズにより集光する。図 8 に
示すように小プーリー上の形状記憶合金ベルトの左側の部
形状記憶のワイヤーやベルトの曲げおよび合金コイ
分を太陽光により加熱すると、形状記憶合金ベルトは回復
ルばねの伸び術昔みにおけるたわみは非常に大きいが、
力により左方向に動く。形状記憶合金ベルトとプーリーと
生じる回復力は小さい。これに対し、変形量は小さい
の聞の摩擦によりプーリーは反時計方向に回転する。従っ
が形状記憶合金ワイヤーの引張りにおける回復力や形
て、図 7に示すソーラーカーは左方向へ動く。小プーリー
状記憶合金円管のねじりにおける回復トルクは非常に
上の形状記憶合金ベノレトの右側部分を加熱すると、形状記
大きい。形状記憶合金素子に生じる大きな回復力を有
憶合金ベノレトは右方向に動き、プーリーは時計方向に回転
効活用する形状記 憶合金ヒートエンジンの機構を開発
J
させることによりソーラーカーの走行方向を制御すること
qJ
て、小プーリー上の形状記憶合金ベノレトの加熱位置を変化
，
、/，‘、、
する。この結果、ソーラーカーは右方向に移動する。従っ
i
する必要がある。
形状記憶合金の機能劣化の改善
マルテンサイト変態応力は繰返しの初期において減
が出来る。 2つのプーリー間距離= 115 m m 、 支 柱 角 。 =
少する。回復応力はひずみと温度に比例して増加する
400 、フレネノレレンズと小プーリー聞の匝離 =60mmと 70
が、回復応力が大きい場合繰返しによる回復応力の減
mmの場合について得られたソーラーヵーの走行速度と気
少も大きい。マノレテンサイト変態温度は熱サイクノレと
温との関係を図 9 に示す。フレネルレンズ、の焦点距離と直
力学サイクルにより変化する。熱サイクノレおよび力学
径はそれぞれ 152mmと 76mm で、あった。形状記憶合金ベ
サイクノレによる変態応力、変態ひずみおよび変態温度
ノレトに生じる回復応力は温度に比例して増加するので、走
の変化が少ない材料を開発することが必要である。
形状記憶合金を応用したヒートエンジン
73
8
) Nishikaw
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(
4
) 形状記憶合金の疲労寿命の改善
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る。疲労寿命の長い材料の開発が必要である。
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(
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) エネルギーの変換効率の改善
9
) 本間敏夫、祢津信彦、西国稔、松本実、守護嘉朗、
形状記憶合金ヒートエンジンは低質の熱エネルギー
大川淳、ニチノール熱エンジンの性能に関する研究、
を活用するので、熱エネルギーの力学エネルギーへの
東北大学選鉱製錬研究所報告、 37巻
、 2号
、 (
1
9
8
1
)、
変換効率は基本的に低い。しかしながら、エンジンの
pp.213-222
エネルギ一変換効率の向上が必要である。
1
0
) 田中宏、神田正宣、杉本佐美郎、毛利元男、奥回徹、
田中利之、 TiNi形状記憶合金を用いた熱駆動エンジ
ンの応用研究、日本金属学会秋季大会シンポジウム
講演予稿(
1
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)、 p
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.
1
2
0
1
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. 結言
、
1
1
) 田中誠、将来型エンジン、日本機械学会誌、 93巻
形状記憶合金ヒートエンジンの作動原理およびこれまで
に開発された種々のヒートエンジンの特性を検討した。さ
8
5
5号
、 (
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) 佐藤義久、小林大、小林由和、鈴木将史、形状記憶
合金熱エンジンの出力特性に関する研究、日本機械
文献
学会論文集(B偏
)
、 74巻
、 741号(
2
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0
8
)、pp.1154-1160
1
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) Kaneko，K andEnomoto，K ，Developmentof
1
) 舟久保野手鹿編、形状記憶合金、(19
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熱駆動エンジンの動作特性と駆動素子の動特性、日
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本金属学会秋季大会シンポジウム講演予稿、 (
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p.171-174
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