(57)【要約】【課題】熱力学サイクルを行なうための装置を提供すること。【解決手段】以下の構成からなる熱力学サイクルを行なうための装置: 強磁性相転移温度を具備する試料; 試料の強磁性相転移温度より上で試料を磁化する手段; 及び試料の強磁性相転移温度より下の温度まで試料を冷却する手段、ここで、試料が強磁性相転移温度より下にある時、試料の減磁は独立磁束を発生させる。同じく開示されているのは、以下の工程から成るエネルギーを変換する方法である。すなわち、強磁性相転移温度を具備する試料を供給する工程; 試料がその強磁性相転移温度より上にある時試料を磁化する工程; 試料がその強磁性相転移温度より下にある時に試料を減磁させる工程; ここで、試料の減磁が独立磁束の原因となる; 及び独立磁束の少なくとも一部を電流に変換する工程、である。類似した強誘電性装置及び類似した強誘電性方法が同じく提示されている。【選択図】図１
2014014269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の構成から成り、試料がその強磁性相転移温度より下にある時に、該試料の減磁が独立磁束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
強磁性相転移温度を具備する試料;
試料の強磁性相転移温度より上で試料を磁化する手段; 及び 
試料の強磁性相転移温度より下に試料を冷却する手段。
【請求項２】
試料の磁化に伴う磁熱効果が、試料の磁化に際して試料を加熱することを特徴とする、請求項1による装置。
【請求項３】
試料の磁化に先立って、試料が初期周囲温度になっていることを特徴とする、請求項1又は2による装置。
【請求項４】
試料の強磁性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料とその周囲環境との間の熱交換から成ることを特徴とする、請求項3による装置。
【請求項５】
試料の減磁に際して試料が周囲温度まで加熱されることを特徴とする、請求項3又は4による装置。
【請求項６】
試料の強磁性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料の少なくとも一部の減磁に伴う逆磁熱効果から成ることを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
【請求項７】
試料を磁化する手段が電流の流れであることを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
【請求項８】
試料を磁化する手段が、少なくとも一つの回転する永久磁石から成ることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一つによる装置。
【請求項９】
材料を磁化する手段が、試料に隣接して備え付けられた所定の作用を受けると相転移を示す共用材料、並びに共用材料に該作用を行なう手段から成ることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一つによる装置。
【請求項１０】
所定の作用を行なう手段が、静電場を共用材料に印加する手段から成ることを特徴とする、請求項9による装置。
【請求項１１】
所定の作用を行なう手段が、共用材料にストレスを加える手段から成ることを特徴とする、請求項9による装置。
【請求項１２】
共用材料によって示される相転移が二次相転移であることを特徴とする、請求項9から11のいずれか一つによる装置。
【請求項１３】
以下の構成から成り、試料を減磁することが独立磁束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
一時的残留磁気を示す試料; 及び
サイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料を磁化する手段、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である。
【請求項１４】
試料の減磁の第一部分で試料が冷えることを特徴とする、請求項13による装置。
【請求項１５】
試料の減磁の第二部分で試料の温度が上昇することを特徴とする、請求項14による装置。
【請求項１６】
更に、独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換する手段を備えていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
【請求項１７】
試料が第一透磁率を具備し、且第二透磁率を具備するある量の材料が試料に隣接して備え付けられており、第一透磁率が第二透磁率より低いことを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
【請求項１８】
以下の構成から成り、試料の減極の際に試料がその強誘電性相転移温度より下にある時、試料の減極が独立電束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
強誘電性相転移温度を具備する試料;
試料の強誘電性相転移温度より上で試料中の双極子の配向を分極する手段; 及び 
試料の強誘電性相転移温度より下に試料を冷却する手段。
【請求項１９】
試料の分極に伴う熱電効果が、試料の分極に際して試料を加熱することを特徴とする、請求項18による装置。
【請求項２０】
試料の分極に先立って、試料がその初期周囲温度になっていることを特徴とする、請求項18又は19による装置。
【請求項２１】
試料の強誘電性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料とその周囲環境との間の熱交換から成ることを特徴とする、請求項20による装置。
【請求項２２】
試料の減極に際して試料が周囲温度まで加熱されることを特徴とする、請求項20又は21による装置。
【請求項２３】
試料の強誘電性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料の減極の一部に伴う逆熱電効果から成ることを特徴とする、請求項18から２２のいずれかによる装置。
【請求項２４】
以下の構成から成り、試料を減極することが独立電束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
一時的残留電気を示す試料; 及び
サイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料を分極する手段、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である。
【請求項２５】
試料の減極の第一部分で試料が冷えることを特徴とする、請求項24による装置。
【請求項２６】
試料の減極の第二部分で試料の温度が上昇することを特徴とする、請求項25による装置。
【請求項２７】
試料を分極する手段が電流の流れであることを特徴とする、請求項18から26の内の一つによる装置。
【請求項２８】
試料を分極する手段が、少なくとも一つの回転する永久磁石から成ることを特徴とする、請求項18から26のいずれか一つによる装置。
【請求項２９】
更に、独立電束の少なくとも一部分を電流に変換する手段を備えていることを特徴とする、請求項18から28のいずれか一つによる装置。
【請求項３０】
試料が第一誘電率を具備し、且第二誘電率を具備するある量の材料が試料に隣接して備え付けられており、第一誘電率が第二誘電率より低いことを特徴とする、請求項18から29のいずれか一つによる装置。
【請求項３１】
以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法:  強磁性転移温度を具備する試料を供給すること;
試料の強磁性転移温度上にある時に、試料を磁化すること;
試料がその強磁性転移温度より下にある時に、試料を減磁させること、試料の減磁は独立磁束を生じさせる; 及び
独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【請求項３２】
更に、その強磁性転移温度より高い温度に在る試料の領域内に、周囲温度を維持することを含む請求項31による方法。
【請求項３３】
更に、磁化に引き続いて試料を周囲温度まで冷却する工程を含むことを特徴とする、請求項32による方法。
【請求項３４】
以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法:
一時的残留磁気を示す試料を供給すること;
試料を磁化すること、それによりサイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料は磁化され、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である;
試料を減磁させること、試料の減磁は独立磁束を生じさせる; 及び
独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【請求項３５】
試料を供給する工程が、強磁性流体を供給する工程から成ることを特徴とする、請求項34による方法。
【請求項３６】
試料を供給する工程が、第一透磁率を具備する試料を供給し、更に第二透磁率を具備するある量の材料を該試料に隣接して供給する工程から成り、第一透磁率が第二透磁率より高いことを特徴とする、請求項31から35のいずれか一つによる方法。
【請求項３７】
少なくとも一つの回転する永久磁石が試料を磁化することを特徴とする、請求項31から36のいずれか一つによる方法。
【請求項３８】
それ自身を貫通して電流の流れを輸送できる輸送体が、試料を磁化することを特徴とする、請求項31から36のいずれか一つによる方法。
【請求項３９】
試料を磁化することが、試料に隣接して共用材料を供給する工程、共用材料は所定の作用を受けると更なる相転移を示す、及び共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程から成ることを特徴とする、請求項31から36のいずれか一つによる方法。
【請求項４０】
共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程が、共用材料に静電場を印加する手段を供給することから成ることを特徴とする、請求項39による方法。
【請求項４１】
共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程が、共用材料にストレスを印加する手段を供給することから成ることを特徴とする、請求項39による方法。
【請求項４２】
磁化する工程及び変換する工程が、試料を磁化し且独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換することが出来る単一の手段により実行されることを特徴とする、請求項31から41のいずれか一つによる方法。
【請求項４３】
以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法:
強誘電性転移温度を具備する試料を供給すること;
試料の強誘電性転移温度上にある時に、試料内の双極子の配向を分極すること;
試料がその強誘電性転移温度より下にある時に、試料を減極させること、試料の減極は独立電束を生じさせる; 及び
独立電束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【請求項４４】
更に、その強誘電性転移温度より高い温度に在る試料の領域内に、周囲温度を維持することを含む請求項43による方法。
【請求項４５】
更に、分極に引き続いて試料を周囲温度まで冷却する工程を含むことを特徴とする、請求項44による方法。
【請求項４６】
以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法:
一時的残留電気を示す試料を供給すること;
サイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料内の双極子の配向を分極すること、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である;
試料を減極させること、試料の減極は独立電束を生じさせる; 及び
独立電束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【請求項４７】
試料を供給する工程が、強誘電性流体を供給する工程から成ることを特徴とする、請求項46による方法。
【請求項４８】
試料を供給する工程が、第一誘電率を具備する試料を供給し、更に第二誘電率を具備するある量の材料を該試料に隣接して供給する工程から成り、第一誘電率が第二誘電率より低いことを特徴とする、請求項43から47のいずれか一つによる方法。
【請求項４９】
少なくとも一つの回転する永久磁石が試料を分極することを特徴とする、請求項43から48のいずれか一つによる方法。
【請求項５０】
それ自身を貫通して電流の流れを輸送できる輸送体が、試料を分極することを特徴とする、請求項43から48のいずれか一つによる方法。
【請求項５１】
分極する工程及び変換する工程が、試料を分極し且独立電束の少なくとも一部分を電流に変換することが出来る単一の手段により実行されることを特徴とする、請求項43から50のいずれか一つによる方法。
【請求項５２】
更に、融点が試料の作動温度範囲に近いマイクロカプセル化した材料から成る、循環装置を供給する工程を含むことを特徴とする、請求項31から51のいずれか一つによる方法。
【請求項５３】
請求項31から52のいずれか一つにより発電する方法。
【請求項５４】
更に、該方法によって発生する熱を利用する工程を含むことを特徴とする、請求項31から52のいずれか一つによる方法。
【請求項５５】
そのための電力が請求項53の方法によって供給されることを特徴とする冷却方法。
【請求項５６】
請求項31から52のいずれか一つの請求項の諸工程を実行できる熱力学サイクル。
【請求項５７】
付随する図面を参考にして実質的に上に記載した装置。
【請求項５８】
付随する図面を参考にして実質的に上に記載した方法。
【請求項５９】
付随する図面を参考にして実質的に上に記載したサイクル。
【請求項６０】
此処に開示したそれぞれの新しい特徴、又は複数の特徴の組み合わせ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、材料をそれらの強磁性又は強誘電相転移点の近傍で使用することにより、熱エネルギーを電気に変換すること並びに冷却のための方法と装置に関する; 非カルノー及び制限されたカルノー熱力学サイクルによる熱電及び磁熱効果又は強磁性、強誘電性流体又は液晶。
【背景技術】
【０００２】
動く部品を最少にした熱の電気への直接変換が望ましく、多分電気は原動力の最も多面的な発現である。熱電対、ゼーベック及びペルチエ装置による熱を電気に直接変換するための多くの案や装置がある。磁熱効果を採用したこのような装置の例は米国特許番号第5,714,829号に開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの案の全てが、貯蔵器-源泉及び吸い込み(sink)の両者間で作動し、それら自体は制限されたカルノーサイクルである。海洋の熱のような低いエンタルピー貯蔵器を扱う場合は、これらの装置では低い効率が問題である。この困難性を軽減する熱力学サイクル及び方法を追及して提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
従って、本発明の一面は、以下の構成から成り、試料がその強磁性相転移温度より下にある時に、該試料の減磁が独立の磁束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置を提供することである: 強磁性相転移温度を具備する試料; 試料の強磁性相転移温度より上で試料を磁化する手段; 及び試料の強磁性相転移温度より下に試料を冷却する手段。
【０００５】
好都合なのは、試料の磁化に伴う磁熱効果が、試料の磁化に際して試料を加熱することである。
【０００６】
好ましくは、試料の磁化に先立って、試料が初期周囲温度になっていることである。
【０００７】
便利なのは、試料の強磁性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料とその周囲環境との間の熱交換から成ることである。
【０００８】
好都合なのは、試料の減磁に際して試料が周囲温度まで加熱されることである。
【０００９】
好ましくは、試料の強磁性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料の少なくとも一部の減磁に伴う逆磁熱効果から成ることである。
【００１０】
便利なのは、試料を磁化する手段が電流の流れであることである。
【００１１】
あるいは、試料を磁化する手段は、少なくとも一つの回転する永久磁石から成る。
【００１２】
あるいは、材料を磁化する手段は、試料に隣接して備え付けられた所定の作用を受けると相転移を示す共用材料、並びに共用材料に該作用を行なう手段から成る。
【００１３】
好都合なのは、所定の作用を行なう手段が、静電場を共用材料に印加する手段から成ることである。
【００１４】
あるいは、所定の作用を行なう手段は、共用材料にストレスを加える手段から成る。
【００１５】
好ましくは、共用材料によって示される相転移が二次相転移である。
【００１６】
本発明のもう一つの側面は、以下の構成から成り、試料を減磁することが独立磁束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置を提供することである: 一時的残留磁気を示す試料; 及びサイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料を磁化する手段、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である。
【００１７】
便利なのは、試料の減磁の第一部分で試料が冷えることである。
【００１８】
好都合なのは、試料の減磁の第二部分で試料の温度が上昇することである。
【００１９】
好ましくは、更に、独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換する手段を備えていること。
【００２０】
便利なのは、試料が第一透磁率を具備し、且第二透磁率を具備するある量の材料が試料に隣接して備え付けられており、第一透磁率が第二透磁率より低いことである。
【００２１】
本発明の更なる一側面は、以下の構成から成り、試料の減極の際に試料がその強誘電性相転移温度より下にある時、試料の減極が独立電束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置を提供することである: 強誘電性相転移温度を具備する試料; 試料の強誘電性相転移温度より上で試料中の双極子の配向を分極する手段; 及び試料の強誘電性相転移温度より下に試料を冷却する手段。
【００２２】
好都合なのは、試料の分極に伴う熱電効果が、試料の分極に際して試料を加熱することである。
【００２３】
好ましくは、試料の分極に先立って、試料がその初期周囲温度になっていること。
【００２４】
便利なのは、試料の強誘電性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料とその周囲環境との間の熱交換から成ることである。
【００２５】
好都合なのは、試料の減極に際して試料が周囲温度まで加熱されることである。
【００２６】
好ましくは、試料の強誘電性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段は、少なくとも部分的に、試料の減極の一部に伴う逆熱電効果から成る。
【００２７】
本発明のもう一つの側面は、以下の構成から成り、試料を減極することが独立電束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置を提供することである: 一時的残留電気を示す試料; 及びサイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料を分極する手段、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である。
【００２８】
便利なのは、試料の減極の第一部分で試料が冷えることである。
【００２９】
好都合なのは、試料の減極の第二部分で試料の温度が上昇することである。
【００３０】
好ましくは、試料を分極する手段は電流の流れであること。
【００３１】
あるいは、試料を分極する手段は、少なくとも一つの回転する永久磁石から成る。
【００３２】
便利なのは、更に、独立電束の少なくとも一部分を電流に変換する手段を備えていることである。
【００３３】
好都合なのは、試料が第一誘電率を具備し、且第二誘電率を具備するある量の材料が試料に隣接して備え付けられており、第一誘電率が第二誘電率より低いことである。
【００３４】
本発明の更なる一側面は、以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法を提供することである: 強磁性転移温度を具備する試料を供給すること; 試料の強磁性転移温度上にある時に、試料を磁化すること; 試料がその強磁性転移温度より下にある時に、試料を減磁させること、試料の減磁は独立磁束を生じさせる; 及び独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【００３５】
好都合なのは、更に、その強磁性転移温度より高い温度に在る試料の領域内に、周囲温度を維持することである。
【００３６】
好ましくは、更に、磁化に引き続いて試料を周囲温度まで冷却する工程を含むこと。
【００３７】
本発明のもう一つの側面は、以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法を提供することである: 一時的残留磁気を示す試料を供給すること; 試料を磁化すること、それによりサイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料は磁化され、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である; 試料を減磁させること、試料の減磁は独立磁束を生じさせる; 及び独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【００３８】
便利なのは、試料を供給する工程が、強磁性流体を供給する工程から成ることである。
【００３９】
好都合なのは、試料を供給する工程が、第一透磁率を具備する試料を供給し、更に第二透磁率を具備するある量の材料を該試料に隣接して供給する工程から成り、第一透磁率が第二透磁率より高いことである。
【００４０】
好ましくは、少なくとも一つの回転する永久磁石が試料を磁化する。
【００４１】
好都合なのは、それ自身を貫通して電流の流れを輸送できる輸送体が、試料を磁化することである。
【００４２】
便利なのは、試料を磁化することが、試料に隣接して共用材料を供給する工程、共用材料は所定の作用を受けると更なる相転移を示す、及び共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程から成ることである。
【００４３】
好都合なのは、共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程が、共用材料に静電場を印加する手段を供給することから成ることである。
【００４４】
あるいは、共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程は、共用材料にストレスを印加する手段を供給することから成る。
【００４５】
好都合なのは、磁化する工程及び変換する工程が、試料を磁化し且独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換することが出来る単一の手段により実行されることである。
【００４６】
本発明の更なる一側面は、以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法を提供することである: 強誘電性転移温度を具備する試料を供給すること; 試料の強誘電性転移温度上にある時に、試料内の双極子の配向を分極すること; 試料がその強誘電性転移温度より下にある時に、試料を減極させること、試料の減極は独立電束を生じさせる; 及び独立電束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【００４７】
好ましくは、該方法は更に、その強誘電性転移温度より高い温度に在る試料の領域内に、周囲温度を維持する工程を含む。
【００４８】
便利なのは、該方法が更に、分極に引き続いて試料を周囲温度まで冷却する工程を含むことである。
【００４９】
本発明のもう一つの側面は、以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法を提供することである: 一時的残留電気を示す試料を供給すること; サイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料内の双極子の配向を分極すること、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である; 試料を減極させること、試料の減極は独立電束を生じさせる; 及び独立電束の少なくとも一部分を電流に変換すること。
【００５０】
好都合なのは、試料を供給する工程が、強誘電性流体を供給する工程から成ることである。
【００５１】
好ましくは、試料を供給する工程が、第一誘電率を具備する試料を供給し、更に第二誘電率を具備するある量の材料を該試料に隣接して供給する工程から成り、第一誘電率は第二誘電率より低いこと。
【００５２】
便利なのは、少なくとも一つの回転する永久磁石が試料を分極することである。
【００５３】
あるいは、それ自身を貫通して電流の流れを輸送できる輸送体が、試料を分極する。
【００５４】
好都合なのは、分極する工程及び変換する工程が、試料を分極し且独立電束の少なくとも一部分を電流に変換することが出来る単一の手段により実行されることである。
【００５５】
好ましくは、該方法は更に、融点が試料の作動温度範囲に近いマイクロカプセル化した材料から成る、循環装置を供給する工程を含む。
【００５６】
本発明の更なる一側面は、上述の方法のいずれかにより発電する方法を提供する。
【００５７】
本発明のもう一つの側面は、更に、該方法によって発生する熱を利用する工程を含む、上述の方法のいずれかによる方法を提供する。
【００５８】
本発明の更なる一側面は、そのための電力が上述の方法のいずれかによって供給される、冷却方法を提供する。
【００５９】
本発明のもう一つの側面は、上述した方法のいずれの諸工程をも実行できる熱力学サイクルを提供する。
【００６０】
本発明がより一層容易に理解されるように、実施例により、付随する図面を参照して、本発明の実施態様を次に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明を具体的に表現している第一サイクルにいて、温度対磁化のグラフを示す。
【図２】本発明を具体的に表現している第二サイクルにいて、温度対磁化のグラフを示す。
【図３】本発明を具体的に表現している装置の概略配置を示す。
【図４】本発明を具体的に表現しているもう一つの装置の概略配置を示す。
【図５】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための第一磁場発生装置の概略配置を示す。
【図６】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための第二磁場発生装置の概略配置を示す。
【図７】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための第三磁場発生装置の概略配置を示す。
【図８】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための第四磁場発生装置の概略配置を示す。
【図９】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための第五磁場発生装置の概略配置を示す。
【図１０】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための第六磁場発生装置の概略配置を示す。
【図１１】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための磁場相殺回路の概略配置を示す。
【図１２】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための試料と高透磁率材料の第一の配列を示す。
【図１３】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための試料と高透磁率材料の第二の配列を示す。
【図１４】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための試料と高透磁率材料の第三の配列を示す。
【図１５】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための試料と高透磁率材料の第四の配列を示す。
【図１６】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための試料と高透磁率材料の第五の配列を示す。
【図１７】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための試料と高透磁率材料の第六の配列を示す。
【図１８】本発明を具体的に表現している第三サイクルにいて、温度対磁化のグラフを示す。
【図１９】本発明を具体的に表現している第四サイクルにいて、温度対分極のグラフを示す。
【図２０】本発明を具体的に表現している第五サイクルにいて、温度対磁化のグラフを示す。
【図２１】本発明を具体的に表現している装置と共に用いるための静電場発生装置を示す。
【図２２】図21の静電場発生装置の変形を示す。
【図２３】回転偏長長円面における形状異方性のグラフを示す。
【図２４】本発明を具体的に表現している励磁機コイル及び試料のそれぞれについての電流と電磁誘導の第一のグラフを示す。
【図２５】本発明を具体的に表現している励磁機コイル及び試料のそれぞれについての電流と電磁誘導の第二のグラフを示す。
【図２６】本発明を具体的に表現している試料についてのワイス方程式のグラフ表示を示す。
【図２７】ニッケル及び鉄についての温度対温度上昇のグラフ表示を示す。
【発明を実施するための形態】
【００６２】
図1を参照すると、本発明を具体的に表現している第一のサイクルについて、温度対磁化のグラフが示されている。
【００６３】
第一サイクルは、磁熱特性を有する材料、即ち強磁性/常磁性相転移点近傍の材料を採用している。
【００６４】
第一サイクルを始める前は、試料は初期的にその最初の試料の強磁性相転移点(即ちキュリー温度)より上の周囲温度に在る。
【００６５】
第一サイクルの第一行程の間に、磁場が第一の試料に突然印加される。これが第一試料の中の強磁性磁区を整列させて第一試料を磁化させる。これが起ると、磁化に伴う磁熱効果に起因して第一試料の温度が上昇し、周囲温度より上の温度に達する。磁熱効果は、試料中の強磁性磁区の整列又は規則化の結果として、第一試料中のエントロピーの局所的低下に起因して発生し、これは熱エネルギーの増加によって相殺されるが、この効果はより詳細に付録2に記載する。
【００６６】
第一試料の磁化の変化率がゼロまで下がると、第一サイクルの第一行程の間に発生した熱エネルギーは、第一試料と周囲環境(周囲温度に維持されている)との間の熱的勾配に起因して放散されるが、この冷却が第一サイクルの第二行程を構成する。第一試料が冷えると、その磁化は図に示すH > 0曲線に従って増加し、これは第一試料に印加された磁場の存在下においてワイス方程式μ= Bs( h+αμ)により記述される磁化と温度の間の関係を示す。
【００６７】
試料が周囲温度まで冷えると、試料は冷却が止まり系は定常状態に達する。この点で、第一サイクルの第三行程が、印加された磁場の急激な遮断により開始される。このことが第一試料の磁化が低下する原因となる。これが起ると、第一試料の温度は、第一サイクルの第一行程に関連して上述した磁熱効果の逆に起因して、低下する。第一試料内の強磁性磁区が互いに整列から外れて動き始めると、ランダムな方向を向くようになり、第一試料中の規則性が低下し、第一試料中のエントロピーの増加を生じさせる。この増加は第一試料中に存在する熱エネルギーの低下によって相殺される。
【００６８】
図1に示した曲線H = 0は、印加磁場が存在しない場合の、ワイス方程式(上述)により記述される磁化と温度の関係を述べるものである。曲線H = 0は、上述した曲線H > 0に形の上で似ているが、曲線H = 0は、H > 0曲線に関して図1の温度軸上で左に移動している。第一試料の磁化及び温度座標が曲線H = 0に達すると、試料の磁化及び温度座標は、曲線H = 0に従い、これが第一サイクルの第三行程の終点を示す。第三行程における熱エネルギーの減少は、第一試料のキュリー温度より下の温度まで、第一試料を冷却する。そのキュリー温度より下まで第一試料が低下すると、それは磁化される。
【００６９】
第一サイクルの第四行程は、ゼロ磁場でのワイスの法則に従う、第一試料の減磁及び加熱から構成され、第四行程の終点では、第一試料はそれが第一行程の開始以前に有していたのと同じ磁化及び温度座標を具備する、即ちゼロ磁化を有し且周囲温度に在る。第四行程における第一試料の減磁は、独立磁束を発生させる。
【００７０】
独立磁束の必要条件は、それを保持するのに外部磁場を必要としないことである。付録1は、従属磁束は一サイクル内において常に正味の電気的仕事がゼロになることを示す、証明を含んでいる。付録1は、更に、独立磁束は外部磁場の追従速度が遅い場合従属として出現しうることを示す、証明を含んでいる。
【００７１】
付録2の方程式A2.7は変形して、方程式A3.1から付録3において導いた新しいエネルギー項を追加することが出来る。しかし、磁気双極子モーメントを、断面積とソレノイド電流密度の積に等しい単位体積当りの磁気双極子モーメント、Iとして書き換えるなど、比で表した量を考慮しなければならない。
【００７２】
従ってA3.3から、
【数１】
2014014269.tif 000003
式BAをA3.2のφに代入し、次いでA3.1に代入し次式が導かれる:
【数２】
2014014269.tif 000004
これを次いで方程式A2.7に代入し、次式が導かれる:
【数３】
2014014269.tif 000005
方程式A2.7において、付録2におけるような一連の操作が次式を導く:
【数４】
2014014269.tif 000006
従って、CHとの和をとる分母における余分の項のために、「仮想熱容量」が第一サイクルの行程4に存在する; 磁気双極子は、それを取り巻くソレノイド磁場中において無秩序化するのには硬すぎることが分かる。断熱サイクルにおける正味の電気的仕事を考慮すると:
【数５】
2014014269.tif 000007
しかし、熱力学サイクルの第二の積分においては対称性が破れ:
【数６】
2014014269.tif 000008
断熱の場合と同じΔTに対して、熱容量は「仮想熱容量」に変わっている。従って
ΔHは同じではなく、熱容量が上がっているので、同等性を維持するためにはもっと高くなければならない。これは第二の積分においてH’で示されている。二つの半-断熱サイクルが恰も一緒に糊付けられようである: 第一の積分は断熱的磁-熱サイクルの初めの半分におけるエネルギー入力であり、第二の積分はより高い熱容量を有する試料のより高い磁化から生じるサイクルの次の半分を表す。このことは、第一サイクルの第四行程において、磁熱効果が前の行程において等温的に周囲温度まで冷却されたことを「知る」又は「記憶している」必要はないことで、説明できる。熱力学方程式はそれらが経験した変化の「歴史」を持ち続けない。重要なのは、一サイクルの初めと終わりの差そのもの、熱力学恒等式A2.7の熱力学的座標である。即ち
【数７】
2014014269.tif 000009
第一試料はその初期の座標に戻るので、同じ内部エネルギーを有する。しかし、第一試料は仕事をしたので熱を吸収したはずである。
【００７３】
図3は、試料1、電力コイル2、磁場発生装置3、整流器4、循環装置及び熱伝達流体5、ポンプ6、及び熱交換器7の本質的配置を示す。試料1は、電力コイルの内側に局所化される必要はなく、本発明の幾つかの実施態様においては熱交換流体と共に移動することが出来るが、電力は電力コイル2及び磁場発生装置3の内側で変換される。
【００７４】
図4は、試料と密接しているヒートパイプ8で置き換えた循環装置を示す。電力発生コイル2は、適切な電気回路により磁場発生装置3(又は励磁機コイル)として共用できる。磁場発生装置は、回転磁石による非電気的磁場発生の可能性を含んでいる。
【００７５】
試料1を取り巻いている励磁機/電力コイル2、又は磁場発生装置3は、試料1中に独立した磁束を形成するように第一サイクルにより示される方式で上手く操作される。第一サイクルは一秒あたり何回も繰り返される。温まるや否や独立磁束は崩壊し、電力は電力コイル2、整流器4及び負荷に伝達される。熱エネルギーが循環装置5、6、7又は8によって絶えず試料に供給される。装置はこのようにして周囲を冷却する。第一サイクルの電気的損失と利得は此処でモデル化され、これはサイクルの動作周波数と共に増大することが示される。抵抗損、励磁機段階(第一サイクルの行程1、2及び3)の磁場エネルギーが完全に回収されないことによる損失、並びにサイクルにより発現する電力が計算される。    
簡単にするために電流は一定と仮定する。これは如何なる場合も電力損失を過大に見積もるであろう。励磁機段階の間に失われる電力P12Rは、「D」(方形波のオン-オフ時の衝撃係数)と乗算される。これは周波数に依存しない。従って:
【数８】
2014014269.tif 000010
BEを磁心に印加される磁場としよう。磁場中のエネルギーは1/2BE2Vで、Vは磁心の体積である。磁場崩壊に際して逆起電力が回収されるならば、このエネルギーのいくらかが回収され得る。ξをこの浪費されたエネルギーの割合としよう。
サイクルが一秒あたりF回繰り返されるとすれば:
【数９】
2014014269.tif 000011
付録3から、そのサイクルで抵抗R内へ伝達される電力は次式で与えられる:
【数１０】
2014014269.tif 000012
Rは、Rcoil＋Rloadの和であることが分かるであろう。この二つの抵抗器が直列であることを考慮し初歩的回路理論を用いて、全電力消費に対する抵抗器で消費される電力の割合はRX/(R1＋R2)であり、ここでRXは抵抗器1又は2である。BMは励磁機段階後の磁心による磁場である。
【００７６】
従って、
【数１１】
2014014269.tif 000013
全電力はP12R＋Pfield＋Ploss＋Pgainの和である。これが正である場合、正味の電力発生がある。発生する最少電力は、直線的である磁場損失に対してFの平方となる点に注目すべきであろう。RcoilをRloadよりずっと小さくするのは、単純に工学的問題である。
【００７７】
図2は、本発明を具体的に表現する第二サイクルについて、温度に対する磁化のグラフを示している。第二サイクルの第一行程の開始前は、第二試料は正味の磁化がゼロで、且初期的周囲温度に在る。第二試料は、磁場を印加し引き続いて除去した後に一時的に残留磁気を保持する性質を具備した材料、例えば強磁性流体で形成されている。
【００７８】
第二サイクルの第一行程は、第二試料に磁場を急激に印加することで開始される。これは第二試料の磁化を増大させる。第一サイクルの第一行程と対照的に、初期温度が第二試料の強磁性相転移点から離れているので、第二試料が磁化されるのに対応する温度上昇がほとんど無い。
【００７９】
第二サイクルの第一行程は、第二試料から印加された磁場の急激な除去によって終わり、この事象が第二サイクルの第二行程である。
【００８０】
第二サイクルの第三行程は、第二試料から磁場の除去後直ちに開始される。第三行程の最初の部分で、残存する磁気によって誘起される磁場に逆らって第二試料中の強磁性磁区を再度無秩序化する仕事において、第二試料中の熱エネルギーが消費されるので、第二試料の温度が下がり始める。
【００８１】
第三行程の第一部分の開始時において磁化が最大の時に、第三行程間の第二試料の温度低下は初期的には最大である。温度の低下は、強磁性磁区が互いに非-整列状態になるにつれて、第二試料の磁化の低下に伴って起る。短時間後に、周囲からの熱が試料を温め、第三行程の第二部分が始まる。同時に、第二試料内の強磁性磁区が無秩序な方位を取り、強磁性体磁区の整列によって起る磁場が崩壊するにつれて、このことが独立磁束を与える。第三行程の最後において、第二試料の磁化及び温度座標は第二サイクルの第一行程開始前のものに等しい。磁化の低下と対になった温度上昇は、第二試料に環形状の磁化曲線をもたらす。第三行程の第二部分で発生する磁束が認知できる程度に大きなものであるためには、第一行程は第二サイクル継続時間の最初の十分の一(又は未満)以内に起ることが好ましい。
【００８２】
第二サイクルの第一行程での磁場発生、及び第二サイクルの第三行程での独立磁束からの電力回収に用いられた構成要素は、第一サイクルの対応する仕事に用いられたものと同じであり、当業者にとって第二サイクルを如何に実行するかは明白であろう。
【００８３】
第一及び第二サイクルに関連して遭遇すると思われる幾つかの技術的問題点を解決策とともに下の一覧表に纏めてある。
【００８４】
【表１】
2014014269.tif 000014
問題点は、全て一つの装置に一体化できる実例を用いてサブシステムに分解される。
【００８５】
・磁場発生、励磁機/電力出力のサブシステム
・磁場相殺回路
・熱交換/循環装置
・高透磁率材料による材料及び磁場の増強
・強磁性流体の粘度の改質
・熱電池
・非-磁場励磁機の機構
・強誘電エレクトレット及び強誘電流体の機構
磁場発生、励磁機/電力出力のサブシステム
図3を参照すると、磁場発生装置3は電気的又は機械的であり得る。可能な機械的機構は、固定子配置(図5に示すような)における回転磁石(結局この装置により発生する電力で動力が供給される)である。磁石9が磁極10と整列している時、最大磁束が試料1に伝達される。付録1に示したように、この磁束は、周期に比較して比較的急激な立ち上げ及び下降時間を具備しなければならない。これは鋭い磁極設計技術により達成される。
【００８６】
図6及び7は、同調された回路(図6に示すように)及び電流源(図7に示すように)による電場発生の本質的概念図を示す。電場発生装置3(図3に示すように)は電力発生コイル2と組み合わされる。
【００８７】
図6に示した回路11は、主として正弦磁場を発生し、独立磁束の崩壊に際して電力を負荷に伝達する。励磁機磁場の急激な立ち上げ及び下降時間を達成するために、高透磁率材料13が試料1に近接して用いられる。
【００８８】
回路12(図6に示された)は、機能物質が曝される磁場がゼロと、正味が正の磁束との間で変化することを補償する、磁場相殺回路である。図7に示された回路は、電流源14で装置の本質的に高いインダクタンスを駆動することにより急激な立ち上げ及び下降時間を達成する。電流源における発散損を回収するために、それは熱交換器7に接続すべきである。
【００８９】
図8は、励磁機磁場を確立するための強引な手法を示す。副回路15は、低抵抗回路における電力/磁場発生コイル2、3の低い巻数に接続された非常に大きなコンデンサから成っている。インダクタンスが低いので電流、延いては磁場を急速に確立させる。ダイオードを介した高いタップは、磁場エネルギー及び独立磁束の崩壊による電力の両者をコンデンサ及び負荷に返す。
【００９０】
図9は、より低い電流を用いて励磁機磁場を発生するもっと上品な機構を示す。より多くの巻数が巻かれているのでインダクタンスは増加するけれども、逓昇変圧器が一次コイルにみられるインダクタンスをL/n2によって低下させるのに用いられる。磁場の従属部分に対してスイッチA(Bは開放)を介して僅かな巻数のところで励磁機/電力発生コイルとタップを取ること、並びに次いで独立磁束のためにスイッチB(Aは開放)を用いることによって、磁場崩壊に際して低い時定数が有効であることが保証される。本質的には装置の周りに数回巻いた円筒状の薄板である別個のコイルを用い、良好な鎖交磁束及び誘導電圧を得ることが可能である。ダイオードは、整流作用を保証する適切なスイッチングの出来るショットキー、バックダイオード又は電界効果トランジスタなどの低電圧降下型である。
【００９１】
高周波逓昇変圧器を注意深く設計して99%を超える効率で巻線することが出来る。磁場エネルギーを多く回収するほど装置はより小型化できる。これは、発現された電力に関しての此処に述べた理論の部分における、Pfieldの項と最少電力の式との間のバランスである。典型的な動作周波数は10-500kHzである。高い方の限度はスイッチング電子装置によって設定され、装置の典型的な体積は10リットルを超える。装置の大きなインダクタンス(ヘンリーの桁の)は、多段変圧器(multi-stage transformer)により低減されマイクロヘンリーの桁になり、電圧源による急速スイッチングを可能にする。例えば、1:10から作製した三段1:1000変圧器は、106だけインピーダンスを変換する。環状形態(高い鎖交磁束)のフェライト磁心、磁心の低磁束密度、低配線損失、及び巻線がスペーサを用いて互いに距離を置くようにされている、間隔を空けて/重ねた低容量巻線の使用による注意深い設計が、この変圧器の製作を可能とする。
【００９２】
急速に変化する励磁機磁場を発生するためのもう一つの機構(図10に示されている)は、より大きなコイル17(19は左へ)に既に確立された電流をスイッチ19(スイッチ18は開放して)で、磁場コイル2、3のより小さいインダクタンスに切り変える(19は右へ)ことである。大きなインダクタンスは良好な高周波性能を具備しなければならず、前に変圧器について議論した方法が当てはまる。独立磁束が崩壊すると、スイッチ18が閉じられて、次いで19は左に倒され、磁場エネルギー及び独立磁束の仕事が回路の残りの部分へ伝達される。
【００９３】
時定数を下げるため磁場崩壊時に励磁機/電力発生コイル2、3の低いインダクタンスにスイッチングすることは、はっきり明示していなくても磁場発生回路の全ての操作において用いられている。
【００９４】
磁場相殺回路
図11を参照すると、この手順は第一サイクルに適用できる。推察されるように、高透磁率材料が機能物質からの磁場を昇圧するのに用いられると、サイクルは絶対磁化ではなく第一サイクルの第四行程における磁化の変化に事実上応答する。
図1は試料1のキュリー温度又はそれより上における第一行程への帰還を示す。キュリー温度より下、従ってより広い温度範囲で作動させるためには、この「基底残留磁気」に高透磁率材料を飽和させてはならない。亦、端から端まで異なった磁化がなされた機能物質と共に、装置はそれを横切る温度差を持つであろう。これ対する解決策は、極端に高い伝導性を有するヒートパイプ8(図4に示された)を使用してこの温度差を小さくすることである。
【００９５】
基底残留磁気と反対向きの小さく弱い磁場は、高透磁率材料に対して「ゼロ水準」を提供する。この磁場を提供するのに二つの方法がある: 磁場/電力コイル2、3を再利用しバイアス電流回路12を追加する; 又は追加のコイルを巻く。
【００９６】
磁場相殺装置に制御信号を発生する二つの方法がある: ホール感知器で磁場を測定する、又は電力出力を検出して逆磁場が下がった時にこれを昇圧する。図11は一般的機構を示しており、感知器は、磁場相殺装置と共に厳格な負のフィードバック・ループの中に入れられている。図11は亦、装置を貫通する熱伝達流体5の流れの感知において、磁場の強さを漸進的に増加させる相殺コイル14を巻く可能性を示している。これは、流れの流入側(温かい側)に比べて流れの流出側(冷たい側)に高い基底磁化が存在する装置のそれを横切る温度差を念頭に置いている。
【００９７】
熱交換/循環装置
図3及び4は、試料1を浸漬している循環流体5又は、密接しているヒートパイプ8を示す。流体5は、不活性で、且良好な熱容量及び伝達特性を有している。このような流体の一例は、ダウ・コーニング社で生産されたポリジメチルシロキサン・シリコーン流体200/1cSの低い比率のもので、機能物質は水と反応性がなければならない。もし試料がコイルの下に局在化されないなら、それは流体中に浮遊することが出来る。次の項がこれを(一つの手法として)取り扱う、そして強磁性流体も亦流体5と一体の機能物質の体現するものである。
【００９８】
早い熱の流れを確保するためには機能物質に大きな表面積を持たせることが必要で、この点は以下で焦点を当てる。流体5は局所的熱源を具備することにより、試料1への熱の速い流れを助ける。機能物質の作業点に近いそれの融点において材料をマイクロカプセル化できるので、局所化された熱貯蔵器が存在する。脂肪及び中程度の重量のアルカンが、通常の方法でカプセル化することができる。
【００９９】
大きい熱の流れを可能にするもう一つの方法は、銅より千倍以上もの伝導率を有するヒートパイプを使用することである。機能物質と密接しており大きな表面積を有する細いヒートパイプは、高透磁率磁場増強材料の一部として配置することが出来、これについては次の項で取り扱う。高透磁率材料は細い管に鋳造することが出来、この内面がヒートパイプであり、外表面が機能物質と接触している。
装置の動作温度が周囲温度より低く保たれると、熱交換器設計はあまり多くを望まないものとなる。
【０１００】
高透磁率材料による材料及び磁場の増強
第一サイクル用の高い磁性エントロピー及び適切な温度範囲を具備する適材は、ガドリニウム(キュリー点16℃)、銅-ニッケル合金(それぞれ20-50℃、28-34%Cuで、一般的には1-2%Fe)、又は用途が極端なものであればそれに依存してキュリー点が高いか又は低い材料である。当業者は多くの適切な材料に気づくであろう。このような材料は、磁化容易軸を整列させる(引抜加工により)ことによる高い異方性、又は高い形状異方性を具備するように形成される。第二サイクルに適した材料は、鉄、コバルト又はフェライト基の強磁性流体である。粒子の異方性が高くなるほど、強磁性流体が保持する誘導は大きくなる。コバルトとフェライト強磁性流体はそのため高い誘導を生じさせる。形状異方性を増すために強磁性流体粒子の形状を変えることも役に立つ。
【０１０１】
高透磁率材料は、励磁機磁場を集中させる、及び機能物質による磁化を増強するという二つの機能を満たす(特に第一サイクル)。前者の場合において、より多くの磁束が集中していることは、試料の近く以外の空間で浪費される磁束がより少ないことを意味するであろう。究極的に、我々は小型化された装置を得るために磁場エネルギーを回収することを望み、エネルギーを決して生み出さない非-試料の周りの励磁機磁場を浪費することは無駄なことである。後者の場合において、増強するのは試料の異方性定数によって制約される。高透磁率材料の磁場エネルギーは、試料の等価「異方性磁場エネルギー」を超えることは無く、さもないとそれは強磁性磁区にまでばらばらに分解し静磁気エネルギーを減少させることになる。典型的な異方性磁場は数十kA/mの桁であり、高透磁率材料の体積を動作物質の体積の約十倍に制限している。異方性磁場は、「形状異方性磁場」により、亦機能物質を長く且細くすることにより増強することができる。しかし、この長い材料の等価双極子表示物が、遠く離れた双極子を有し高透磁率材料の中へ磁場を浸透させて低いものにするので、幾分高めの透磁率材料を用いなければならない。妥当な設計基準を下に示す:
典型的結晶(k1)異方性/(kA/m): Gd 50、CuNi合金30、コバルト60  (強磁性流体)  形状異方性磁場HCは次式で与えられる。
【０１０２】
HC  = (DZ−DX)MS
ここでMSは飽和磁化で、減磁因子は図23に示されている。図23は、軸比a/bの関数として二つの主減磁因子の差DZ−DXについて、その変化を示す回転偏長長円面における形状異方性を示す。
【０１０３】
形状異方性は、磁熱材料が用いられる第一サイクルにおいては利用価値が無いように見えるが、それは磁化がとにかく遅いのでk1異方性が第一に当てにされるからである。これは、大きな磁化が発生する強磁性流体の場合とは異なる。
【０１０４】
次の双極子方程式において：
【数１２】
2014014269.tif 000015
磁場の角及び半径部分が示されている。磁気双極子モーメントは、磁極の強さとそれらの間の距離との積である。
【０１０５】
図12-17は、高透磁率材料13と試料1との種々の配置を示す。材料13は渦電流損を低くするために小さな断面になっている。好適な材料は、鉄、ニッケル、ミューメタル、フェライト、ビトロバック(シーメンス社)を含む。種々の形態を以下に説明する。
【０１０６】
図12は、ヒートパイプとして共用できる細い管の配置である。ナイロンの線上へ無電極析出を用いて鉄又はニッケルを析出させることができる。線を加熱してナイロンを焼き飛ばし、高透磁率の管13を残す。第一サイクルと一緒に使うのに適した材料として、更に機能物質1の析出を、無電極析出、電気めっき、蒸着、溶射、結合処理を伴う静電析出により行うことができる。
【０１０７】
図13は、本体と支持体を有し、今述べた析出方法で析出した機能物質(第一サイクル用、強磁性流体がその構造中に流入する)を保持することのできる、目の粗い線の「毛織物」生地(matrix)又は織物(loom)としての、高透磁率材料の配置を示す。熱伝達流体5(図3に示すような)は、容易にその構造を通り抜けることができる。線織物(loom)形状は、鉄又はニッケルの棒を機能物質(もしも靭性であれば、Cu-Ni、Gd)で被覆し、次いで引き伸ばして調製するのに耐えられる。
【０１０８】
図14は、ゆるい螺旋状体としての高透磁率材料の配置を示す。この形態は機能物質をその上にホットプレスで着けるのに耐えられる。
【０１０９】
図15は、熱伝達流体5が貫通して流れる又はヒートパイプ8(図3と4に示したように)が通る孔20を有する高透磁率材料の交互に現れるサンドイッチ構造を示す。
【０１１０】
図16は、高透磁率材料13が機能物質1の上に又は1が13の上になり得る長くて細い物体21としての配列を示す。第二サイクルのために、材料13を将に用いているのである。これらの物体は、分散された時に熱伝達流体5の流れに沿って整列し、意図した方向に最大の磁場を発生するようになる。励磁機磁場の時々行う長時間のバーストも該物体を整列させるのに効果がある。製造方法は、無電極析出、電気めっき、線上への蒸着、線上への被覆と伸延、溶射又は静電析出、成長後の化学処理(Cu-Ni合金を周囲に着けたNi線)、及び熱処理その他による純粋相(例えばCu-Ni合金中のNi)の析出。
【０１１１】
図17は、図15に示したような循環用孔20をドリル穿孔できる塊状固体に整列させた、図16の長細い物体の配置を示す。該物体の周囲には、磁場の閉じ込めと渦電流損を防止するために、非磁性で非導電性の材料22が成長している。材料22はここで吟味した方法で成長させることができる。複数の該物体が、圧着、焼結、又は化学的に接着されて塊状固体を形成する。
【０１１２】
独立磁束が破壊されるための緩和時間は、強磁性流体に特有のものである(以下で吟味する)が、第一サイクル材料に対してはフーリエ熱拡散方程式に支配される寸法に特有のものとなる。粒子がその周囲環境の温度に戻るのに掛かる時間は、簡単な一次元のフーリエの法則及び凡その寸法を得ることによりモデル化され、残りは実験的に得られる。
【０１１３】
従って、
【数１３】
2014014269.tif 000016
ここで、
mは質量である;
Cは比熱容量である;
Δθは温度差である;
kは熱伝導率である;
Aは熱伝達面積である;
dt/dxは温度変化の空間的速度である;及び
trはその過程に掛かる時間である。
【０１１４】
粒子を半径r、長さhの長い円筒にモデル化しよう。面積に対する体積の割合はh>>rの場合r/2である。ρを材料の密度としよう。
【０１１５】
従って、
【数１４】
2014014269.tif 000017
普通の平均的数値を代入すると、trに対して「概算」の数値がえられる。約10μsの数値が10μmの桁の寸法に対して得られた。
【０１１６】
強磁性流体の粘度の改質
強磁性流体は第二サイクルの試料として用いられる。付録1で説明してあるように、装置からの正味のエネルギー利得があり得るならば、試料からの誘導は独立であるべきである。電子的スイッチングは追従速度に制約され、電力用電子装置では1MHzという典型的な上限がある。強磁性流体の残留磁気緩和時間は、従って10μs又はそれ以上である。非改質強磁性流体は、100ピコ秒又はそれ以上に速い次元の緩和時間を具備している。これは、三つの方法で、数桁以上も応答を低速化することにより達成できる: 磁心の寸法を大きくすること、界面活性重合体の寸法を変えて水力学的半径を大きくすること、粘度増加作用剤を添加すること。緩和時間の差の大部分を取り除き、意図した緩和時間を比較的狭い窓に収めるように処理が実行された。
【０１１７】
熱電池
図3及び4を参考にすると、高い熱容量及び温度の装置に熱交換器を境界面で接続し、熱電池を形成することができる。この装置は貯蔵タンク又は小さな炉として混成作業が出来、電気を発生するために燃料が焚かれる。このように、「必要に応じる装置部品」が作られ、電源から低速熱伝達で装置へとタンクが「電荷を滴らせ」、装置は短時間バーストに対しては熱流をもっと大きくできる。
【０１１８】
非-磁場励磁機の機構
図18は、第一サイクルの変形である第三サイクルを示し、静電場が、ある手段でストレスを受けた時二次の相転移を生ずる共用材料(液晶又は類似の材料である)と一緒に用いられる。もう一つの例は、機械的引っ張り力を受ける長鎖重合体材料である。
【０１１９】
第三サイクルの熱サイクルの方式は、ストレス(磁場、張力など)を共用材料に加えて、第三サイクルの第一行程間における二次の相転移によって温めるものである。共用材料は次いで磁場の掛かった状態で周囲温度まで冷却し、この冷却が第三サイクルの第二行程を構成する。磁場は次いでスイッチが切られ、第三サイクル第三行程においては、二次相転移に際して温められたのと逆の過程に起因して、共用材料は周囲温度より下まで下がる。最後に、共用材料は第三サイクルの第四行程の間にその初めの温度に戻る。この方式で、共用材料は第三試料を循環する。
【０１２０】
第三サイクルの第四行程の間に独立磁束が発生し、温度が周囲温度まで上がると破壊される。全ての先に述べた材料の整理事項(大きい表面積、高透磁率材料による磁場増強、熱伝達と循環の方法)は、当てはまる。
【０１２１】
図２１は、静電場発生装置3(共用材料、機能物質、及び熱交換流体5又はヒートパイプ8をその極板間に保持するコンデンサ)が循環される配置を示す。スイッチ25を閉じる(他は全て開放)と、大コンデンサ23は電場発生装置3のより小さい容量を同じ電圧まで持ち上げる。励磁機磁場はスイッチ26によりコンデンサ網24の中に放電される。次いで、コンデンサ網24は再びサイクルを始めるために、スイッチ27を介して大コンデンサ23へ放電して戻す。この方法により電場エネルギーは回収される。第三試料の磁化の変化は、図3及び4で見られるように、電力コイル2によって取り上げられる。図22は、コンデンサ網24がその電荷の大部分を大コンデンサ23へ返すことのできる、配置と手段を示す。電場発生装置3が24中へ放電されると、全てのスイッチ27は閉じられ、スイッチ26はシャシーに切り替えられて、コンデンサ25は並列接続になる。大コンデンサ23に放電して戻す時には、スイッチ27は開放で、スイッチ26はコンデンサ25が直列になるように切り替えられる。10kV/mを超える電場と、始めの方で述べたサイクルの周波数が、共用材料を分極し、且装置の稼動を保証するのには十分である。
【０１２２】
図19及び20に示された第四及び第五サイクルは、第一及び第二サイクルの静電的相似物である。温度と印加された電場によってどのように分極が変化するかは、第一及び第二サイクルにおける磁化との類推によって直ちに理解されるであろう。
【０１２３】
第四サイクルの第一行程の間に、初期的に正味ゼロの分極を具備し周囲温度(強誘電性転移温度より上の)にある第四試料は、外部電場の印加により分極する。第一行程の間に、第四試料は熱電効果(この中に更に詳細に説明した磁熱効果と類似)に起因して、周囲温度より上の温度にまで加熱される。
【０１２４】
第四試料の分極の変化速度がゼロに落ちると、第四試料はその周囲の環境との熱交換に起因して周囲温度まで冷える。この冷却が、第四サイクルの第二行程を構成する。第四試料の分極は、第一サイクルとの関連において上で説明した、「磁場が印加された」ワイスの法則の電気的等価物(E>0で示される)に従って、冷却するとともに増大する。
【０１２５】
第四試料が周囲温度に達するや否や、電場はスイッチが切られて第四試料が減極を始め、熱電効果の逆により減極の間は温度が低下する。この過程は第四サイクルの第三行程を構成し、第三行程は、第四試料の分極及び温度座標が「磁場がゼロの」ワイスの法則の電気的等価物(E=0で示される)により記述される曲線に達した時に終わる。第三行程の最後において、第四試料はその強誘電性転移温度
より下にある。
【０１２６】
第四試料は、次いで完全に減極し、減極するにつれて加熱され周囲温度まで上昇する。この完全な減極は独立電束をもたらす。
【０１２７】
第五サイクルに代って、これは第二サイクルと類似しており、第五試料は一時的残留電気を示し、第五サイクルの開始に先立って初期的温度になっている。第五サイクルの第一行程は、第五試料への外部電場の急激な印加により開始される。第五試料が分極すると、これは第五サイクル全継続時間の最初の十分の一以内に起り、電場のスイッチがきられ、この事象が第五サイクルの第二行程である。
【０１２８】
第五試料は、第五サイクルの第三行程の間に減極し、上述の第二サイクルの第三行程に類似している。第五サイクルを考える場合に心に留めておくべきことは、整列され引き続いて無秩序化されるのは第五試料内の電気双極子であって、強磁性磁区ではないということである。
【０１２９】
第四サイクルの第四行程及び第五サイクルの第三行程における変化している電場は、その電場に垂直な変化している磁場を生じさせる。この変化する磁場は、電場に垂直に配置された電力発生コイルに集められて負荷に電力を伝達する。適切な材料はチタン酸バリウム(BaTiO3)である。材料準備の既出の全方法(大きな表面積、熱伝達及び循環の方法)が適用できる。第四サイクルは、第四サイクルに採用された試料の強誘電性相転移点のすぐ上に周囲温度を保って行なわれる、そして当業者にとっては、第一及び第二サイクルの操作についての理解が、第四及び第五サイクルそれぞれについての理解を深めるのに適用できることは明らかであろう。
【０１３０】
本明細書において、「から構成される」は「を含む又はから成る」を意味し、「から構成されている」は「を含んでいる又はから成っている」を意味する。
【０１３１】
前述の説明、又は後述の特許請求の範囲、又は付随する図面で開示された特徴は、それらの特徴的形態で、又は開示された機能を実行するための手段又は開示された結果を達成するための方法や工程に特有の言葉で、適切に表現されており、単独で又はこのような特徴のいずれかの組み合せにおいて、本発明を実現するために、それらの多様な形態において利用されるであろう。
【０１３２】
付録1．従属束は常に一つのサイクル内で電気的仕事が正味ゼロになることの証明
コイルをある回路要素と考えよう。一サイクルに対する正味のエネルギーは次式で与えられる:
【数１５】
2014014269.tif 000018
右辺は部分積分できる:
【数１６】
2014014269.tif 000019
即ち従属束とすれば、方程式A1.2の二つ目の積分は、連鎖法則を適用してから、再び部分積分できる。
【０１３３】
【数１７】
2014014269.tif 000020
右辺の第一項は、束がサイクルの始めと終わりで同一であることから相殺される。右辺の被積分関数は、同じ理由で相殺される。証明終わり。
【０１３４】
追従速度が遅い場合、いかにして独立束が従属束になるか
図3及び4に示した励磁機回路を考えよう。図24を参照すると、時間軸上に同じ目盛りで表されているのは、励磁機コイルの電流(I)及び試料中の電磁誘導(B)である。電流の完全な追従が示されており、結果としてスイッチを切った点の右側での衰退する電磁誘導は独立である。しかし、電子部品が遅い場合は図25に示した状況が優先し、Bの領域の一部は独立でなく、従って入力されたもの以上の仕事をすることが出来ない。
【０１３５】
付録2．磁熱効果、強磁性、常磁性の背景
強磁性材料は幾つかの性質によって特徴付けられている: １を越える比透磁率、自発磁化、電磁誘導を投入磁場に対して描いた時のヒステリシス-従って磁区、及びそれより上では材料が常磁性になる所謂キュリー点温度。この常磁性状態への相転移が、我々が熱を電気に変えるために活用するものである。しかし最初に、自発磁化が温度とともにいかに変化するかを吟味しよう。強磁性材料の磁区内において、飽和磁化はワイス方程式、式A2.1で上手くモデル化される。式A2.2はブリュアン関数である。式A2.3は、式A2.1が記述する平均スピンの全スピンに対する比である。Hは印加された磁場、αは試料原子間の交換相互作用に関する所謂「分子場」である。
【０１３６】
【数１８】
2014014269.tif 000021
ここで、
gは「ランデ」又は「分光分裂」因子である;
eは電荷の量子である;
hは2πで割ったプランクの定数である;
meは電子の質量である;
cは光速度である;
kBはボルツマン定数である;
pは格子の最隣接原子の数である; 及び
J は交換エネルギー積分である。
【０１３７】
図26は、0ケルビンで得られる最大値に対して規準化したμ及びキュリー温度TCに対して規準化したケルビン温度Tを用いた、第一方程式(h→0)のグラフ表示である。これは、自発磁化がキュリー点近傍で如何に急速に低下するかを示す。
【０１３８】
磁熱効果
強磁性試料が断熱的に磁場に曝されると、その温度が上がる;磁場が除去されると元の初期温度にまで下がる。我々はこれを以下のようにモデル化できる:
dU = TdS + HdI  〔式A2.7〕
ここで、Hは磁場、Iは磁化である。S及びHを独立変数と見なせば、二次微分は次式を与える:
【数１９】
2014014269.tif 000022
定義により、一定の磁場の強さにおける熱容量は次式である。
【０１３９】
【数２０】
2014014269.tif 000023
これを既出の方程式と組み合わせて、
【数２１】
2014014269.tif 000024
下の二つのグラフが示すように、磁化の変化はキュリー点近傍で最大である。
図27にグラフ表示してあるのは、ニッケル及び鉄における、試料の温度対温度上昇(両者とも℃)である。図示した磁場(H)はエールステッドで測定した。
【０１４０】
これらの温度変化は小さいが、サイクルは一秒当り何千回と繰り返されるので、多量の熱が電気エネルギーに変換され得る。
【０１４１】
付録3．磁場崩壊に際してのエネルギー源及び発生した電力の大きさ
コイル及び抵抗負荷を考えよう。コイルを貫通して独立磁束φが存在し、負荷を通って流れる電流iを変化させ且始動させる。この配置は、それ自身は磁束の変化によって生じる電流が原因となって発生される、磁場の中の双極子が磁束であるとしてモデル化できる。磁束を発生する磁心のエネルギー変化は次式である:
【数２２】
2014014269.tif 000025
従って磁束が、ソレノイドの軸に平行に存在する状態からそれに垂直に存在するように変化すると、磁心はエネルギーを失う。変化する磁束はソレノイド中に電流を誘起し、Bに対する次式となる:
【数２３】
2014014269.tif 000026
ここで、
nは単位長さ当りの巻数である;
Lはコイルの長さである; 及び
Kは結合係数である1≧k≧0。
【０１４２】
磁心は、断面積A及び体積Vの他のソレノイドとただ重ね合わせて、ソレノイドとしてもモデル化できる。このソレノイドからの磁場は、第一法則の論拠から、B(上の)と丁度等しくなければならない。
【０１４３】
ソレノイドを通る電流密度は次式Ａ３．３であって、磁気モーメントは次式Ａ３．４である。
【０１４４】
【数２４】
2014014269.tif 000027
従って、抵抗器で消費されるエネルギーは次式である:
【数２５】
2014014269.tif 000028
熱力学サイクルが毎秒F回完了するとすれば、Bの変化速度は少なくともその時間で除したBでなければならない。
【０１４５】
【数２６】
2014014269.tif 000029
【図１】
2014014269.tif 000030
【図２】
2014014269.tif 000031
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014014269.tif 000035
【図７】
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【図８】
2014014269.tif 000037
【図９】
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【図１０】
2014014269.tif 000039
【図１１】
2014014269.tif 000040
【図１２】
2014014269.tif 000041
【図１３】
2014014269.tif 000042
【図１４】
2014014269.tif 000043
【図１５】
2014014269.tif 000044
【図１６】
2014014269.tif 000045
【図１７】
2014014269.tif 000046
【図１８】
2014014269.tif 000047
【図１９】
2014014269.tif 000048
【図２０】
2014014269.tif 000049
【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2014014269.tif 000055
【図２７】
2014014269.tif 000056
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月18日(2013.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一時的残留磁気及び試料（１）の強磁性相転移温度から離れた初期温度を示す試料（１）と、
試料（１）に熱を供給することによって試料（１）の近傍において実質的に一定の周囲温度を維持する温度維持手段（５、６、７）と、
温度維持手段（５、６、７）から試料（１）に熱が供給されるように試料（１）が温度維持手段（５、６、７）と定期的または一定に接触している間に、試料（１）に突然磁場を印加することによって試料（１）を磁化し、試料（１）が磁化された後に試料（１）から急激に磁場を除去することを繰り返すことにより、試料（１）からの磁場の除去に引き続いて、その中に残存する磁気によって誘起される磁場に逆らって試料（１）の磁区を再度無秩序化する仕事において試料（１）中の熱エネルギーが消費されることに起因して試料（１）の温度が低下し、試料（１）の温度の低下に引き続いて、試料（１）が温度維持手段（５、６、７）からの熱によって温められて試料（１）内の磁区が無秩序な方位をとり、結果として前記磁区の整列によって起る磁場が崩壊して独立磁束を与えるようにする磁化手段（３）と、
独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換する手段（２）と、を含む熱力学サイクルを実施するための装置。
【請求項２】
試料（１）が第一透磁率を具備し、且第二透磁率を具備するある量の材料が試料（１）に隣接して備え付けられており、第一透磁率が第二透磁率より低い、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
磁化手段（３）が電流の流れを含む、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
磁化手段（３）が少なくとも一つの回転する永久磁石を含む、請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
一時的残留磁気及び試料（１）の強磁性相転移温度から離れた初期温度を示す試料（１）を供給する工程と、
熱供給源から試料（１）に熱を供給することによって試料（１）の近傍において実質的に一定の周囲温度を維持する工程と、
熱供給源から試料（１）に熱が供給されるように試料（１）が熱供給源と定期的または一定に接触している間に、試料（１）に突然磁界を印加することによって試料（１）を磁化し、試料（１）が磁化された後に試料（１）から急激に磁場を除去することを繰り返すことにより、試料（１）からの磁場の除去に引き続いて、その中に残存する磁気によって誘起される磁場に逆らって試料（１）の磁区を再度無秩序化する仕事において試料（１）中の熱エネルギーが消費されることに起因して試料（１）の温度が低下し、試料（１）の温度の低下に引き続いて、試料（１）が周囲温度からの熱によって温められて試料（１）内の磁区が無秩序な方位をとり、結果として前記磁区の整列によって起る磁場が崩壊して独立磁束を与えるようにする工程と、
独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換する工程と、を含む熱力学サイクルを実施するための方法。
【請求項６】
試料（１）を供給する工程が、強磁性流体を供給する工程を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
試料（１）を供給する工程が、第一透磁率を有する試料（１）を供給する工程と、さらに第二透磁率を有するある量の材料を試料（１）に隣接して備え付ける工程とを含み、第一透磁率は第二透磁率よりも高い、請求項５または６に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも一つの回転する永久磁石（９）が試料（１）を磁化する、請求項５乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
それ自身を貫通して電流の流れを輸送できる輸送体が試料（１）を磁化する、請求項５乃至７のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
磁化する工程及び変換する工程は、試料（１）を磁化し、かつ独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換することができる単一の手段（２、３）によって実行される、請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
融点が試料（１）の作動温度範囲に近いマイクロカプセル化した材料を含んだ循環装置を供給する工程をさらに含む、請求項５乃至１０のいずれかに記載の方法。
【外国語明細書】
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2014014269.tif 000058
2014014269.tif 000059
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