(57)【要約】  本発明は、互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして構成された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素と、コアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するように適合された液圧チャンバと、液圧チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されたエネルギー貯蔵デバイスとを備えるエネルギー回収システムを提供する。本発明は、ＳＭＡコアへの流体入力のメカニズムに起因して生じる、ＳＭＡ束にわたる応力分布の不平衡に対処する。流体力学的挙動の最終的な影響は、ワイヤ束内で外側にあるＳＭＡワイヤがワイヤ束内で内側にあるワイヤよりも先に作動することである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして構成された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素と、前記コアの一端と連通し、前記コアの運動をエネルギーに変換するように適合された液圧チャンバと、前記液圧チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されたエネルギー貯蔵デバイスとを備えるエネルギー回収システム。
【請求項２】
前記エネルギー貯蔵デバイスは、圧力アキュムレータを含む、請求項１に記載のエネルギー回収システム。
【請求項３】
前記エネルギー貯蔵デバイスの初期起動時に、前記コアが前記アキュムレータの前記低い圧力のみにさらされ、それにより、作動されている前記ワイヤに対する応力を低減して、緩衝効果を提供する、請求項１または２に記載のエネルギー回収システム。
【請求項４】
弁を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
【請求項５】
前記弁は、一方向弁であり、前記コア内の十分な数のワイヤが作動されると開くように適合されている、請求項４に記載のエネルギー回収システム。
【請求項６】
前記弁は、前記液圧チャンバ内と前記エネルギー貯蔵デバイス内とに等しい圧力が生じるように、出口経路を提供するように開くように構成されている、請求項４または５に記載のエネルギー回収システム。
【請求項７】
前記液圧チャンバは、ピストンを介して前記コアの一端と連通している、請求項１から６のいずれか一項に記載のエネルギー回収システム。
【請求項８】
互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を構成するステップと、液圧チャンバを前記コアの一端と連結し、前記コアの運動をエネルギーに変換するステップと、エネルギー貯蔵デバイスを使用することによって、前記液圧チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するステップと、を含むエネルギー回収方法。
【請求項９】
互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして構成された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素と、前記コアの一端と連通し、前記コアの運動をエネルギーに変換するように適合されたチャンバと、前記チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されたエネルギー貯蔵デバイスとを備えるエネルギー回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、エネルギー回収の分野に関し、特に、エネルギー回収のための形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
低位熱は、産業プロセス、発電、および輸送の用途における重要な廃エネルギーの流れである。低位熱は通常、１００度未満と考えられる。そのような廃エネルギーの流れの回収および再使用が望ましい。この目的のために提案されている技術の一例は、熱電発電機（ＴＥＧ）である。残念ながら、ＴＥＧは比較的高価である。そのようなエネルギーを回収するために提案されている別の多分に実験的な手法は、形状記憶合金の使用である。
【０００３】
形状記憶合金（ＳＭＡ）は、元の冷間鍛造形状を「覚えて」おり、いったん変形された後、加熱すると変形前の形状に戻る合金である。この材料は、液圧式、空気圧式、およびモータ式のシステムなど従来のアクチュエータに代わる軽量の固体代替物である。
【０００４】
形状記憶合金の主な種類は、銅−亜鉛−アルミニウム−ニッケル合金、銅−アルミニウム−ニッケル合金、およびニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）合金の３種であるが、例えば亜鉛、銅、金、および鉄を合金化にすることによってＳＭＡを作製することもできる。
【０００５】
そのような材料の記憶特性は、１９７０年代初頭から、熱回収プロセスにおいて、特に運動として熱からエネルギーを回収するＳＭＡエンジンを構築することによって採用または提案されている。エネルギー回収デバイスに関する最近の刊行物として、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号が挙げられる。ＳＭＡまたはＮＴＥ材料の収縮を機械的な力に効率的に変換することが望ましい。これは容易なことではなく、全体として複雑であり、かなりのエネルギー損失を伴う。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、１つの目的は、エネルギー回収デバイスにおける改良されたシステムおよび方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、添付の特許請求の範囲に記載の通り、互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして構成された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素と、コアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するように適合された液圧チャンバと、液圧チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されたエネルギー貯蔵デバイスとを備えるエネルギー回収システムが提供される。
【０００８】
一実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスは、圧力アキュムレータを備える。
【０００９】
一実施形態では、エネルギー貯蔵デバイスの初期起動時に、コアがアキュムレータの低圧のみにさらされ、それにより、作動されているワイヤに対する応力を低減して、緩衝効果を提供する。
【００１０】
一実施形態では、エネルギー回収システムは、弁を備える。
【００１１】
一実施形態では、弁は、一方向弁であり、コア内の十分な数のワイヤが作動されると開くように適合されている。
【００１２】
一実施形態では、弁は、液圧チャンバ内とエネルギー貯蔵デバイス内とに実質的に等しいまたは同等の圧力を提供するように開くように構成されている。
【００１３】
一実施形態では、液圧チャンバは、ピストンを介してコアの一端と連通している。
【００１４】
さらなる実施形態では、互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を構成するステップと、液圧チャンバをコアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するステップと、エネルギー貯蔵デバイスを使用することによって、液圧チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するステップと、を含むエネルギー回収方法が提供される。
【００１５】
別の実施形態では、互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして構成された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素と、コアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するように適合されたチャンバと、チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されたエネルギー貯蔵デバイスとを備えるエネルギー回収システムが提供される。
【００１６】
別の実施形態では、互いに実質的に平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤとして構成された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素と、コアの一端と連通し、コアの運動をエネルギーに変換するように適合されたチャンバと、チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されたエネルギー貯蔵デバイスとを備えるエネルギー回収システムのエネルギーを回収する方法が提供される。
【００１７】
本発明は、添付図面を参照して単に例として提示される本発明の実施形態の以下の記載からより明確に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】既知のエネルギー回収システムを示す図である。
【図２】流体入力ダイナミクスによる不均一なワイヤ作動を示す図である。
【図３】ワイヤ束内の全てのＳＭＡワイヤが作動されているわけではない初期行程を示す本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図４】ワイヤ束内の大半または全てのＳＭＡワイヤが作動されている初期行程を示す本発明の第１の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）のいずれかを使用して低位熱から動力を発生させることができる開発中の熱回収システムに関する。
【００２０】
以下、図１を参照して、エネルギー回収デバイスの例示的な既知の実施形態を述べる。この実施形態は、参照番号１で示されるＳＭＡエンジンを採用するエネルギー回収デバイスを提供する。ＳＭＡエンジン１は、ＳＭＡ稼働コアを備える。ＳＭＡ稼働コアは、固定された第１の点にクランプまたは他の方法で固着されたＳＭＡ材料から作製される。反対側の端部では、ＳＭＡ材料は、駆動メカニズム２にクランプまたは他の方法で固着されている。したがって、駆動メカニズム３を引っ張るにもかかわらず、第１の点は固定されており、第２の点は自由に動くことができる。浸漬チャンバ４が、ＳＭＡエンジンを収容するように適合されており、また、流体を順次満たされてＳＭＡエンジンの加熱および／または冷却を可能にするように適合されている。したがって、ＳＭＡコアは、熱を加えられると自由に収縮可能である。適切には、ＳＭＡコアは、ＳＭＡ材料の複数の平行なワイヤ、リボン、またはシートを備える。本発明の文脈において、用語「ワイヤ」は、コアとして作用することができる任意の適切な長さのＳＭＡまたはＮＴＥ材料を意味するものとして使用し、広い解釈を与えられることを理解されたい。
【００２１】
典型的には、そのようなコアでは、４％前後の撓みが一般的である。したがって、長さ１ｍのＳＭＡ材料が採用されるとき、約４ｃｍの直線運動が利用可能であると予想することができる。発生する力は、使用されるワイヤの質量によって決まることを理解されたい。そのようなエネルギー回収デバイスは、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号に記載されており、その特許文献を参照により本明細書に完全に組み込む。
【００２２】
そのような用途では、熱源にさらされたときのそのような材料の収縮が捉えられ、液圧チャンバおよびピストンを使用して、使用可能な機械的仕事に変換される。本発明の文脈において、液圧チャンバおよびピストンは、任意の適切な伝動システムを網羅するものとして広く解釈すべきである。そのようなエンジンの動作要素に有用な材料は、ニッケル−チタン合金（ＮｉＴｉ）であることが分かっている。この合金は、よく知られている形状記憶合金であり、様々な産業にわたる多くの用途がある。本発明の文脈では、任意の適切なＳＭＡまたはＮＴＥ材料を使用することができることを理解されたい。
【００２３】
動作中のコア内の（複数のワイヤとして提供される）この合金の収縮および伸張によって、ピストンおよび伝動メカニズムを介して力が生成される。したがって、特定の構成の要件および必要とされるＳＭＡ材料の質量に応じて、複数のＳＭＡワイヤをまとめて採用し、互いに実質的に平行に間隔を空けて配置して、単一のコアを形成することができる。
【００２４】
複数のワイヤを有するコアにおける問題は、図２に示すようなコア内のワイヤの不均一な加熱である。図２には、４つの異なる温度状態がｔ＝０、ｔ＝１、ｔ＝２、およびｔ＝３で示してある。本発明は、ワイヤ要素のＳＭＡ束にわたる応力分布の不平衡に対処する。そのような不平衡は、ＳＭＡコアへの入口での流体力学的挙動により生じ、またコアを通って流体が進むときにも生じる。流体力学的挙動の最終的な影響は、ワイヤ束内で外側にあるＳＭＡワイヤがワイヤ束内で内側にあるワイヤよりも先に作動することである。これは、乱流により、（ワイヤ束を通ってさらに流れる比較的層流に近い流れに比べて）入口での対流熱伝導効率がより大きくなること、およびワイヤ束内で外側にあるワイヤが最も早く影響を及ぼされることに起因する。これは、流体入口に最も近い外側のワイヤの摩耗および疲労を引き起こす。これらのワイヤが疲労すると、外側のワイヤに最も近い次のワイヤが同じメカニズムの影響を受け、その結果、コアは、外側から内側に向けて徐々に破壊される。本発明の目的は、この問題を克服することである。
【００２５】
一実施形態では、実質的に互いに平行に配置されてコアを画定する複数のワイヤ（または要素）として配置された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張（ＮＴＥ）要素を備えるエネルギー回収システムが提供される。液圧チャンバは、コアの一端と連通しており、コアの運動をエネルギーに変換するように適合されている。エネルギー貯蔵デバイス、例えばアキュムレータデバイスは、液圧チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されている。
【００２６】
本発明は、ＳＭＡコアへの流体入力のメカニズムに起因して生じる、ＳＭＡ束にわたる応力分布の不平衡に対処する。コアの入口での流体力学的挙動の最終的な影響は、ワイヤ束内で外側にあるＳＭＡワイヤがワイヤ束内で内側にあるワイヤよりも先に作動することである。
【００２７】
ワイヤ束内の全てのワイヤに均等に負荷が分散されるべきであるが、コアの外側で作動するワイヤがシステムの全負荷を受ける。均等な負荷分散は、ワイヤの全部または大半が連動されているときには自然に生じる。
【００２８】
エネルギー貯蔵デバイスは、液圧チャンバ内の圧力に比べて低い圧力を提供するように適合されている。エネルギー貯蔵デバイスは、一方向弁１３を有する高圧ラインの圧力よりも低い圧力に設定された液圧チャンバ１０の外部にある小型の低圧アキュムレータ１２でよい。あるいは、アキュムレータは、チャンバ内にあってもよいが、チャンバ内の圧力から物理的に切り離されており、弁制御式チャネルなどによって接続されるように構成されてもよい。アキュムレータは、チャンバに対して任意の位置に配置することができる。この最終的な効果は、初期起動時にＳＭＡ束がアキュムレータ１２の低圧のみにさらされ、それにより、緩衝効果を提供することによって、作動されているワイヤに対する応力を低減することである。全てのワイヤが作動または連動されるとき、圧力は、高圧ラインにある一方向弁を開くのに十分なものとなり、コアを連動させて動力行程を生じさせる。
【００２９】
図３に、ワイヤ束内の全てのＳＭＡワイヤが作動されているわけではない初期行程を示す本発明の第１の実施形態を示す。見て分かるように、液圧チャンバ１０は、アキュムレータ１２に接続された出口１１と、一方向弁１３を有する高圧ラインとを備える。図３は、コアの数本のワイヤだけが作動されている場合を示す。アキュムレータが液圧チャンバに比べて低い圧力または負の圧力を提供するので、ワイヤのＳＭＡ束に接続されたピストン１４は稼働されない。
【００３０】
図３と同様の図４には、コア内のワイヤの大部分または全てが稼働されている場合の本発明の動作を示す。大部分のワイヤの収縮による圧力が、アキュムレータ１２によって提供される低圧を克服するので、一方向弁１３は開位置にあり、それにより、ピストン１４が完全に稼働して、コアの収縮／伸張からのエネルギーを、使用可能なエネルギーに変換できるようになる。
【００３１】
コア（ワイヤ要素）が冷却され、したがってワイヤがマルテンサイト状態に戻ると、低圧アキュムレータは、流体を液圧チャンバに戻し、緩和を助ける。緩衝の連鎖的な影響は、動力行程時の使用可能な行程長がなくなることであり、したがって、用途によっては、緩衝の必要性を低減するための努力が成されるべきである。
【００３２】
図面を参照して述べた本発明における実施形態は、コンピュータ装置および／またはコンピュータ装置において実施されるプロセスを含む。しかし、本発明はまた、コンピュータプログラムにまで及び、特に、例えば弁ならびにチャンバおよび／またはアキュムレータデバイス内の圧力を制御する、本発明を実施するように適合された担体上または担体内に格納されたコンピュータプログラムにまで及ぶ。プログラムは、ソースコードの形式、オブジェクトコードの形式、またはソースコードとオブジェクトコードとの中間のコードの形式、例えば、一部コンパイルされた形式、または本発明による方法を実施する際に使用するのに適した任意の他の形式でよい。担体は、記憶媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭなどのＲＯＭ、または磁気記録媒体、例えばメモリスティックやハードディスクを含んでいてよい。担体は、電気ケーブルもしくは光ケーブルを介して、または無線もしくは他の手段によって伝送することができる電気信号または光信号でよい。
【００３３】
本明細書において、用語「備える」またはその任意の活用変化と、用語「含む」またはその任意の活用変化とは、完全に交換可能であるとみなされ、それらは全て、できるだけ広い解釈を与えられるべきである。
【００３４】
本発明は、本明細書で上述した実施形態に限定されず、構成と詳細のどちらについても変更することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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