(57)【要約】  【解決手段】  給電信号を発生させる装置は、加熱／冷却サイクルおよびそれに対応する温度または圧力変化を受ける少なくとも１つの熱機関を含む。前記熱機関の温度または圧力変化に応答して、少なくとも１つの圧電変換器が変形する。電力変換器が、前記圧電変換器の変形に応答して発生した電気信号を所望の給電信号に変換する。前記熱機関は、好ましくは、地熱による冷熱源および周囲環境による温熱源を使用し、その逆もまた可能である。作動流体として水素を使用することができ、前記熱機関の加熱および冷却のサイクル中に水素を吸収および脱離させるための金属水素化物材料を使用することができる。相変化材料を使用することもできる。  【選択図】      図１Ａ
2010503377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を発生させるシステムであって、
加熱および冷却のサイクルおよびそれに対応する圧力変化を受けるチャンバーを有する少なくとも１つの熱機関と、
前記熱機関に動作可能に連結され、前記熱機関の圧力変化に応答して変形し、当該変形の結果として電気出力信号を発生させる、少なくとも１つの圧電変換器と
を有するシステム。
【請求項２】
請求項１記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
前記少なくとも１つの圧電変換器に動作可能に連結され、前記電気出力信号を所望の給電信号に変換する電力変換器を有するものである。
【請求項３】
請求項１記載のシステムにおいて、前記熱機関は、地熱による冷熱源と周囲環境による温熱源とを有するものである。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記熱機関は、地熱による温熱源と周囲環境による冷熱源とを有するものである。
【請求項５】
請求項１記載のシステムにおいて、前記熱機関のチャンバー内に作動流体として水素が配置されるものである。
【請求項６】
請求項５記載のシステムにおいて、前記熱機関内に少なくとも１つの金属水素化物材料が配置され、当該金属水素化物材料は前記熱機関の加熱および冷却のサイクル中に水素を吸収および脱離させるものである。
【請求項７】
請求項６記載のシステムにおいて、前記熱機関のチャンバー内に少なくとも１つの相変化材料が配置されるものである。
【請求項８】
請求項７記載のシステムにおいて、前記金属水素化物材料は、前記チャンバー内の第１の圧力および第１の温度で水素を吸収するものであって、当該第１の温度は前記相変化材料が熱を放出する温度に対応したものである。
【請求項９】
請求項８記載のシステムにおいて、前記金属水素化物材料は、前記チャンバー内の第２の圧力および第２の温度で水素を脱離させるものであって、当該第２の温度は前記相変化材料が熱を吸収する温度に対応したものである。
【請求項１０】
請求項２記載のシステムにおいて、前記電力変換器は、回転エネルギーを貯蔵するフライホイールを備えた電気機械バッテリを有するものである。
【請求項１１】
請求項１０記載のシステムにおいて、前記電力変換器は、前記フライホイールの回転エネルギーを前記所望の給電信号に変換する手段を含むものである。
【請求項１２】
請求項１０記載のシステムにおいて、前記電気機械バッテリは、固定子に電磁的に連結された回転子を含むものであって、当該回転子は前記フライホイールに動作可能に連結しているものであり、前記回転子および固定子のうちの１つは永久磁石配列を有するものである。
【請求項１３】
請求項１０記載のシステムにおいて、前記電力変換器は、前記電気機械バッテリに動作可能に連結した静電気モーターを有し、当該静電気モーターは前記フライホイールに回転エネルギーを加えるものである。
【請求項１４】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記静電気モーターは反発クーロン力によって互いに相対的に回転する回転子と固定子とを含み、当該回転子は前記電気機械バッテリのフライホイールに動作可能に連結されているものである。
【請求項１５】
請求項１３記載のシステムにおいて、前記電力変換器は、前記少なくとも１つの圧電変換素子と前記静電気モーターとの間に動作可能に連結されたインターフェース回路を有するものである。
【請求項１６】
請求項１５記載のシステムにおいて、前記インターフェース回路は、Ｍａｒｘ型発電回路を有するものである。
【請求項１７】
請求項１６記載のシステムにおいて、前記インターフェース回路は、前記Ｍａｒｘ型発電回路への入力のための充電電圧信号を協働して発生させるＡＣ／ＤＣ整流器とフィルターコンデンサとを有するものである。
【請求項１８】
エネルギーを変換する装置であって、
回転エネルギーを貯蔵するフライホイールを有する電気機械バッテリと、
前記電気機械バッテリに動作可能に連結され、前記電気機械バッテリのフライホイールに回転エネルギーを加える静電気モーターと
を有する装置。
【請求項１９】
請求項１８記載の装置において、この装置は、さらに、
前記フライホイールの回転エネルギーを所望の給電信号に変換する手段を有するものである。
【請求項２０】
請求項１８記載の装置において、前記電気機械バッテリは、固定子に電磁的に連結した回転子を含むものであって、当該回転子は前記フライホイールに動作可能に連結しており、前記回転子および固定子のうちの１つは永久磁石配列を有するものである。
【請求項２１】
請求項１８記載の装置において、前記静電気モーターは反発クーロン力によって互いに相対的に回転する回転子と固定子とを含み、当該回転子は前記電気機械バッテリのフライホイールに動作可能に連結されているものである。
【請求項２２】
請求項２１記載の装置において、この装置は、さらに、
少なくとも１つの電気入力と前記静電気モーターとの間に動作可能に連結されたインターフェース回路を有するものである。
【請求項２３】
請求項２２記載の装置において、前記インターフェース回路は、Ｍａｒｘ型発電回路を有するものである。
【請求項２４】
請求項２３記載の装置において、前記インターフェース回路は、前記Ｍａｒｘ型発電回路への入力ための充電電圧信号を協働して発生させるＡＣ／ＤＣ整流器とフィルターコンデンサとを有するものである。
【請求項２５】
電気信号を発生させるシステムであって、
加熱および冷却のサイクル、およびそれに対応する温度変化を受ける少なくとも１つの熱機関と、
前記熱機関に動作可能に連結され、前記熱機関の温度変化に応答して熱音響振動を受けることでそれから音響エネルギーを発生させる少なくとも１つの熱音響素子と、
前記熱音響素子に動作可能に連結され、前記熱音響素子から発生した前記音響エネルギーの圧力変化に応答して変形し、この変形の結果として電気出力信号を発生させる少なくとも１つの圧電変換器と
を有するシステム。
【請求項２６】
請求項２５記載のシステムにおいて、所定の熱音響素子と所定の圧電変換器とが一体部品として一体的に形成されているものである。
【請求項２７】
請求項２５記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
前記少なくとも１つの圧電変換器に動作可能に連結され、前記電気出力信号を所望の給電信号に変換する電力変換器を有するものである。
【請求項２８】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記熱機関は、地熱による冷熱源と周囲環境による温熱源とを有するものである。
【請求項２９】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記熱機関は、地熱による温熱源と周囲環境による冷熱源とを有するものである。
【請求項３０】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記熱機関は、水素を作動流体として利用するものである。
【請求項３１】
請求項３０記載のシステムにおいて、前記熱機関は、前記熱機関の加熱および冷却のサイクル中に、水素を吸収および脱離させる少なくとも１つの金属水素化物材料を利用するものである。
【請求項３２】
請求項３１記載のシステムにおいて、前記熱機関は、少なくとも１つの相変化材料を利用するものである。
【請求項３３】
請求項３２記載のシステムにおいて、前記金属水素化物材料は、第１の圧力および第１の温度で水素を吸収するものであって、当該第１の温度は前記相変化材料が熱を放出する温度に対応したものである。
【請求項３４】
請求項３３記載のシステムにおいて、前記金属水素化物材料は、第２の圧力および第２の温度で水素を脱離させるものであって、当該第２の温度は前記相変化材料が熱を吸収する温度に対応したものである。
【請求項３５】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの熱音響素子は共振空洞の内に圧力定在波を発生させるようになっているものであって、当該共振空洞内には前記少なくとも１つの圧電変換器が配置されているものである。
【請求項３６】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの熱音響素子は、共振空洞の対向する面に第１と第２の熱音響素子を有するものであって、前記第１の熱音響素子は第１の熱機関に動作可能に連結され、前記第２の熱音響素子は第２の熱機関に動作可能に連結され、前記第１および第２の熱音響素子（サーマルスタック）は、前記共振空洞の内に圧力定在波を発生させるものであり、前記共振空洞内には前記少なくとも１つの圧電変換器が配置されているものである。
【請求項３７】
請求項２５記載のシステムにおいて、前記熱機関は少なくとも第１の部分と第２の部分とを有するものであって、前記第１の部分は所定の熱音響素子スタックと熱接触しており、前記第２の部分は前記所定の熱音響素子から熱的に絶縁しているものである。
【請求項３８】
請求項３７記載のシステムにおいて、前記所定の熱音響素子および前記熱機関の前記第１の部分はハウジングの内側に配置されおり、前記熱機関の第２の部分は前記ハウジングの外側に配置されているものである。
【請求項３９】
請求項３７記載のシステムにおいて、前記ハウジングは、冷たいまたは熱い流体の流路を提供するものである。
【請求項４０】
請求項３９記載のシステムにおいて、前記所定の熱音響素子および前記熱機関の第１の部分は、前記熱いまたは冷たい流体の通り抜けを提供するものである。
【請求項４１】
請求項３７記載のシステムにおいて、前記ハウジングはチューブ形状である。
【請求項４２】
請求項３７記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
前記熱機関の第１および第２の部分を流体的に連結する手段を有するものである。
【請求項４３】
請求項３７記載のシステムにおいて、前記熱機関の第２の部分が熱を吸収するときに前記熱機関の第１の部分は熱を発生させ、前記熱機関の第２の部分が熱を発生させるときに前記熱機関の第１の部分は熱を吸収するものである。
【請求項４４】
請求項２５記載のシステムにおいて、このシステムは、さらに、
第２のチューブの内に第１のチューブが配置されたものであって、前記第１および第２のチューブは少なくとも１つの熱機関のそれぞれに対応する部分を収容しているものである。
【請求項４５】
請求項４４記載のシステムにおいて、
前記第１のチューブは、前記少なくとも１つの熱機関の前記第１のチューブに対応する部分と熱接触した少なくとも１つの圧電変換器と、少なくとも１つのサーマルスタックとを収容し、
前記第２のチューブは、前記少なくとも１つの熱機関の前記第２のチューブに対応する部分と熱接触した少なくとも１つの圧電変換器と、少なくとも１つのサーマルスタックとを収容するものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気を発生させる機構に関する。より具体的には、本発明は圧電材料を使用して電気を発生させる機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電気とは、中心対称性を欠いた結晶構造内の電荷移動の結果である。圧電素子は、機械的負荷（例えば振動、圧縮、および／または曲げ）がかかると、圧電材料の反対側の面上に電荷を誘導する。従来の技術において、圧電素子は、駆動装置、変換器、共振器、変圧器、マイクロ発電機、およびあらゆる種類の検出器に使用されてきた。近年、圧電素子は、エネルギーを取り出すために研究開発されてきた。前記圧電素子は、応力または緊張に応答するコンデンサとして機能する。
【０００３】
圧電材料に圧縮または引っ張り応力がかかると、前記材料の全域で電界が発生し、平衡を求める圧縮または引っ張り応力に起因する電位の傾きおよびそれに続く電流の流れが生成される。前記電流の流れは、前記圧電材料の不均等な電荷を前記圧電材料から移動させることによって、前記不均等な電荷を均等にする導電材料によって提供される。圧電材料は、高電圧および低電流を発生させる。前記圧電効果は、圧電材料に外部から電圧がかかると、形状が変化するという点において可逆的である。幾つかの物質（例えば水晶、ロシェル塩）の直接的圧電気は、数千ボルトの電位差を発生させる。
【０００４】
圧電材料は、電界として、および機械的変位（緊張）としての２つの形態でエネルギーを蓄積する。緊張と前記電界との関係は、ＳＣ＝１／ＳＴ（ＳＲ−（ｄ＊ｅ））で求められ、このとき「ＳＣ」は一定電界内における前記圧電素子の弾力性、「ＳＲ」は機械的変型量であり、「ｄ」は圧電電荷定数である。圧力が加えられたときに発生する電荷は、Ｑ＝ｄ＊Ｐ＊Ａであり、このときＰは前記加えられた圧力、Ａは前記圧力が加えられた面積である。相互に重ねられた複数の圧電層を利用してそれらを並列接続することで圧力に対する電荷が増加する。前記発生した出力電圧は前記積層の総電荷を前記積層の容量で除したものとして表すことができる。
【０００５】
従来技術において、圧電材料は、風、海洋波、環境音、自動車交通、自動車のタイヤの変形、および床上の人の足による衝撃によって誘起される振動エネルギーからエネルギーを取り出すために使用されてきた。しかし、従来技術の方法からは非常に低い電力出力しか得られず、このような解は低電力用途にのみ好適であった。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの観点によれば、圧電材料に循環的な圧力勾配を加えてそれに対応する電気信号を発生させるシステムおよびその方法が提供され、前記対応する電気信号は、住宅用または商業用給電用途などの幅広い給電用途に好適な電力を発生させるために使用できる。
【０００７】
本発明の別の観点によれば、このようなシステムおよび方法は、化学熱機関を利用して前記圧電材料に前記圧力勾配を加える。
【０００８】
本発明の更なる観点によれば、このようなシステムおよび方法は、熱音響素子と組み合わせて熱機関を利用して、前記圧電材料に加えられた前記循環的な圧力勾配を発生させる。
【０００９】
本発明の更なる観点によれば、このようなシステムおよび方法は、環境に優しく安価な地熱および周囲環境による温熱源および冷熱源を利用して前記化学熱機関を駆動するように配列される。
【００１０】
本発明の更なる観点によれば、圧電供給源による電気エネルギー出力を電気機械バッテリの回転しているフライホイールによって貯蔵される機械エネルギーに変換し、前記フライホイールによって貯蔵された前記機械エネルギーをそこから出力される電気エネルギーに変換する発電システムおよびその方法が提供される。
【００１１】
本発明の更なる観点によれば、圧電供給源による電気エネルギー出力の効率的な変換が提供される。
【００１２】
本発明の１実施形態において、電気信号を発生させるシステム（およびそれに対応した方法）は、過熱および冷却のサイクル、およびそれに対応した圧力変化を受けるチャンバーを有する少なくとも１つの熱機関を含む。前記熱機関の圧力変化に応答して、前記熱機関に動作可能に連結した少なくとも１つの圧電変換器が変形する。電力変換器を使用して、前記少なくとも１つの圧電変換器の変形に応答して発生した前記電気信号を所望の給電信号に変換することができる。前記熱機関は、好ましくは、地熱による冷熱源および周囲環境による温熱源を使用し（一般には夏季に使用される）、その逆もまた然りである（一般に冬季に使用される）。
【００１３】
前記熱機関は、大きな高周波圧力変化、従って大きな高周波応力およびそれに対応した前記圧電変換器の大きな循環的変形を受けるようにすることが容易であることが理解されるであろう。このような変形によって、前記電力変換器によって変換される高電圧低電流のパルスが生じる。
【００１４】
別の実施形態において、電気信号を発生させるシステム（およびそれに対応した方法）は、過熱および冷却のサイクル、およびそれに対応した温度変化を受ける少なくとも１つの熱機関と、前記熱機関に熱的に連結した熱音響素子とを含む。前記熱機関の温度変化は、圧力波を形成する前記熱音響素子の熱音響振動を誘起する。前記圧力波によって、少なくとも1つの圧電変換器が変形する。電力変換器を使用して、前記少なくとも１つの圧電変換器の変形に応答して発生した前記電気信号を所望の給電信号に変換することができる。前記熱機関は、好ましくは、地熱による冷熱源および周囲環境による温熱源を使用し（一般に夏季に使用される）、その逆もまた然りである（一般に冬季に使用される）。
【００１５】
前記熱機関は、前記熱音響素子による前記圧力波の発生を誘起する温度変化を受けるようにすることが容易である。このような圧力波は、応力およびそれに対応した前記圧電変換器の変形を生成する。このような変形によって、前記電力変換器によって変換される高電圧低電流のパルスが発生する。
【００１６】
この実施形態において、前記熱音響素子は、共振空洞の中に圧力定在波を発生させる。前記圧電変換器は前記共振空洞内に位置する。前記共振空洞の対向する面には、２つの熱音響素子を配置できる。前記熱音響素子に２つの熱機関を熱的に連結させて、その間の前記共振空洞内に圧力定在波の発生を誘起させることができる。
【００１７】
本発明の１観点によれば、前記電力変換器は、回転エネルギーを貯蔵するフライホイールを有する電気機械バッテリと、前記フライホイールに回転エネルギーを加える静電気モーターとを含む。Ｍａｒｘ型発電機を使用して、増大した一連の電圧パルスを発生させて前記静電気モーターを駆動する反発力を増大させることができる。前記電気機械バッテリは、住宅用または商業用給電用途などの幅広い種類の用途に好適な給電信号を提供するようにすることが容易である。
【００１８】
実例となる実施形態において、前記熱機関は、そのチャンバー内で作動流体としての水素、並びに前記熱機関の加熱および冷却のサイクル中に水素を吸収し、脱離させるための金属水素化物材料を使用する。相変化材料もまた使用できる。別の態様において、エネルギーを変換する装置は、電気機械バッテリと静電気モーターとを含む。前記電気機械バッテリは、回転エネルギーを貯蔵するフライホイールを含む。前記静電気モーターは、前記フライホイールに回転エネルギーを加える。
【００１９】
添付の図面と併用して発明の詳細な説明を参照すると、当業者は本発明の更なる目的およびその利点が明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】図１Ａは、１モードにおいて動作中の本発明による圧電発電システムのブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、第２のモードにおいて動作中の本発明による圧電発電システムのブロック図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、図１Ａおよび１Ｂの熱機関の加熱／冷却／加圧サイクルを図示した例示的な圧力・温度曲線である。
【図２】図２は、図１Ａおよび１Ｂの装置内で使用される例示的な電力変換システムの機能ブロック図である。
【図３】図３は、図２の電力変換装置の概略図である。
【図４】図４は、図３の静電気モーターの構成要素を図示した概略断面図である。
【図５】図５は、図３のインターフェース回路の概略図である。
【図６】図６は、図５のＭａｒｘ型発電機回路の概略図である。
【図７】図７は、別の実施形態の１モードにおいて動作中の本発明による圧電発電システムのブロック図である。
【図８】図８は、図７の熱機関のチャンバーに対して自動圧力調節を実行する制御器のブロック図である。
【図９Ａ】図９Ａおよび９Ｂは図７の熱機関を流体的に連結する流体供給路のためのチューブ内チューブ設計の概略図である。
【図９Ｂ】図９Ａおよび９Ｂは図７の熱機関を流体的に連結する流体供給路のためのチューブ内チューブ設計の概略図である。
【図１０】図１０は、第１および第２の実施形態の熱機関のためのチューブ内チューブ設計の概略図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の第３の例示的実施形態による発電システムのブロック図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の第４の例示的実施形態による発電システムのブロック図である。
【図１２】図１２は、本発明の第５の実施形態による発電装置のブロック図である。
【図１３】図１３は、第３、第４、または第５の実施形態の熱機関のためのチューブ内チューブ設計の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
ここで図１を参照すると、本発明による圧電エネルギー発生システム１０の説明図が示されている。前記システム１０は、エアロゲルまたはその他の好適な断熱材を充填した空間で実現できる断熱ライナー（図示せず）を有するハウジング１４を含む、地熱交換型熱機関１２を含む。前記ハウジング１４の一端は、銅、銅合金類、ステンレススチール、または熱分解グラファイトなどの伝熱材によって実現された冷側熱交換器１６（例えば板状またはチューブ状の熱交換器）を支持している。前記冷側熱交換器１６とその温側熱交換器１８との間には密閉されたチャンバー２０が配置されている。前記チャンバー２０には、水素作動流体２２が充填されている。また、前記チャンバー２０は、少なくとも１つの水素吸収および脱離が可能な金属水素化物２４と、好ましくは少なくとも１つの前記水素作動流体と熱的に接触している相変化材料２６とを含む。
【００２２】
前記少なくとも１つの金属水素化物２４は、１若しくはそれ以上の吸着床またはその他の貯蔵容器内に保持されている。前記少なくとも１つの金属水素化物は、以下を有することができる。
【００２３】
ｉ）窒化リチウム、
ｉｉ）水酸化マグネシウム、
ｉｉｉ）水酸化ランシウムニッケル（ＬａＮｉ５Ｈ６）、またはＬａまたはＮｉのどちらかの代替物によって水酸化ランシウムニッケルを改良したもの、
ｉｖ）Ｍを一般にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＭｎなどの第６族から第８族の金属とするとき、一般的化学式（Ｖｌ−ｘＴｉｘ）ｌ-ｙＭｙを有するバナジウムをベースとした固溶体、および／または、
ｖ）Ａを一般に希土類、第３族または第４族の金属とし、Ｂを一般に第８族金属とするが、第５族、第６族、または第７族の金属としてもよいとき、一般的化学式ＡＢ２を有するラーベス相水素化物。
【００２４】
前記少なくとも１つの相変化材料２６は、貯蔵容器内に保持され、沸石と、共融合金類と、パラフィン類と、有機化合物と、含水塩類と、炭酸類と、硝酸類と、多価アルコール類と、金属とを有してもよい。
【００２５】
また、前記熱機関１２は、１若しくはそれ以上の圧電材料からなる圧電変換素子２８を含む。前記圧電材料は、水晶、ロシェル塩、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、ニオブ酸鉛マグネシウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム、タンタル酸ニオブ酸カリウム、ニオブ酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、フッ化物重合体（フッ化ビニリデン）、またはその他の好適な材料であってもよい。前記圧電変換素子２８は、前記チャンバー２０の壁またはライナーに接し、前記水素作動流体２２の圧力変化が前記圧電変換素子２８に加えられてそれに機械的応力を与えるように、前記水素作動流体２２と間接的に接触して、前記チャンバー２０に隣接して配置することができる。あるいは、前記圧電変換素子２８は、前記水素作動流体２２の圧力変化が前記圧電変換素子２８に加えられてそれに機械的応力を与えるように、前記水素作動流体２２と直接接して前記チャンバー２０内に（長手方向または幅方向、またはその両方に）配置することもできる。前記圧電変換素子２８は、隔膜、梁、板、棒、および／または繊維として構成できる。
【００２６】
少なくとも１対の電極３０Ａ、３０Ｂが前記圧電変換素子２８に連結している。前記電極３０Ａ、３０Ｂは、前記水素作動流体２２の圧力変化によって前記圧電変換素子内に誘起された機械的応力の結果として前記圧電変換素子によって発生した電気信号を出力する。
【００２７】
冷たい流体が前記冷側熱交換器１６に供給され、熱い流体が前記温側熱交換器１８に供給される。前記冷たい流体の供給には、前記ヒートポンプエンジン１２の複数の加熱／冷却サイクルに亘って前記冷側熱交換器１６への冷たい流体の継続的な供給を提供する循環器（例えばポンプ、ファン）を含むことが好ましい。前記熱い流体の供給には、前記熱機関１２の複数の加熱／冷却サイクルに亘って前記温側熱交換器１８への熱い流体の継続的な供給を提供する循環器（例えばポンプ、ファン）を含むことが好ましい。図１Ａに示す動作の１モードにおいて、雰囲気が深い地下の温度よりも温かいとき、前記冷たい流体の供給は地熱による冷熱源３２によって生成され、前記熱い流体の供給は雰囲気３４から生成される。前記地熱による冷熱源３２は、井戸から採取された地下水、または水体（例えば池または湖）であってもよい。または、それは、地面に熱接触した導管を通過するときに冷却される水または空気のような流体であってもよい。図１Ｂに示す動作の第２のモードにおいて、深い地下の温度が雰囲気よりも温かいとき、前記冷側熱交換器１６に供給される前記冷たい流体の供給が雰囲気３２’から生成される一方、前記温側熱交換器への前記熱い流体の供給は地熱による「温熱」源３４’によって生成される。前記地熱による温熱源３４’は、井戸から採取された地下水または水体（例えば池または湖）であってよい。また、それは、地面と熱接触した導管を通過するときに加熱される水または空気のような流体であってもよい。前記熱源の相対温度次第で、前記装置のモード間の切り替えを可能とするために、弁およびパイプを利用してもよいことは理解されるであろう。
【００２８】
前記地熱が冷たい温度エネルギーであるが、熱音響冷却を使用して前記装置の効率を上げることもできる。具体的には、衝撃波を発生させることのできる音源を地下井戸内に配置し、前記機関の温側および／または冷側熱交換器に動作可能に連結することができる。音響冷却とは、音波を使用して温度を上昇させ、あるいは低下させる熱増幅の一形態である。一般に、作動流体を充填した容器は、地下井戸内に沈められる。音響変換器は衝撃波を発生させ、それが前記衝撃波の後ろの気体の密度を低下させる一方、前記衝撃波の前の気体を圧縮する。前記気体が前記衝撃波によって圧縮されると、前記気体の温度が上昇する。前記気体が前記衝撃波の後ろで膨張すると、前記気体の温度が低下する。前記衝撃波の前の加熱圧縮された気体は、前記機関２の温側熱交換器１８に供給する温熱源として使用できる。前記衝撃波の後ろの冷たい部分は、前記機関１２の冷側熱交換器１６に供給する冷熱源として使用できる。
【００２９】
流体供給源３８および圧力制御機構４０を提供することができる。前記流体供給源３８および前記圧力制御機構４０は、必要に応じて作動流体２２を前記チャンバー２０に加え、前記チャンバー２０内の前記作動流体２２の圧力を調節するように協働する。水素が前記作動流体として使用されるとき、前記流体供給源３８は、水素の容器、あるいは水の電気分解によって水素を生成する装置によって実現できる。前記圧力制御機構４０は、必要に応じて過剰な圧力を周囲環境に放出する放風弁を含んでもよいポンプおよび弁アセンブリによって実現できる。
【００３０】
前記熱機関１２は、一般に次の通りに動作する。継続的に、前記冷熱源３２は前記冷側熱交換器１６に冷たい流体を連続的に供給し、前記温熱源３４は前記温側熱交換器１８に熱い流体を連続的に供給する。前記温度差を利用して作用が行われる。より具体的には、図１Ｃを参照して以下により詳細に述べるように、前記チャンバー２０内に圧力変化を誘起するために、その中の水素作動流体、金属水素化物、および相変化材料（存在する場合）の温度を循環させるために前記温度差が使用される。前記チャンバー２０内の圧力変化がそれに対応した圧縮力および減圧力を前記圧電変換素子２８に加え、それがその内部に機械的応力を誘起する。このような機械的応力に応答して、前記圧電変換素子２８が循環的に変形する。このような循環的変形は、それに接続された前記電極３０Ａ、３０Ｂによって出力される一連の高電圧低電流の電気パルス（Ｖ＋、Ｖ−）を発生させる。
【００３１】
図１Ｃは、図１Ａおよび１Ｂの熱機関１２の例示的な圧縮／減圧サイクルを図示するものの、前記サイクルの情景は単に概略的であって縮尺ではないことを理解すべきである。前記サイクルは、ＡＢ、ＢＣ、ＣＤ、ＤＡの４区分を含む。説明のために、前記機関１２はＡ点付近の温度および圧力で始まると仮定し、好ましくは、これは前記圧力制御機構４０の動作によって前記容器内の作動流体２２の圧力の調節を制御することによって実現される。また、前記機関１２は以下の特性を有する特性温度ＴＩＮＴを有するとも仮定する。
【００３２】
ｉ）温度ＴＩＮＴについて、前記温側熱交換器１８から前記チャンバー２０に流入する熱は前記チャンバー２０から前記冷側熱交換器１６へと流出する熱と実質的に等しく、これによって前記チャンバー２０内の温度勾配が実質的に一定に維持され、
ｉｉ）温度ＴＩＮＴについて、前記温側熱交換器１８から前記チャンバー２０に流入する熱は、前記チャンバー２０から前記冷側熱交換機１６へと流出する熱を超え、これによって前記チャンバー２０内の温度勾配は上昇し、
ｉｉｉ）温度ＴＩＮＴについて、前記冷側熱交換器１６から前記チャンバー２０に流出する熱は、前記熱側熱交換器１８から前記チャンバー２０内に流入する熱を超える。
【００３３】
前記特性温度ＴＩＮＴは、前記温側熱交換器および冷側熱交換器の温度（ＴＨＯＴおよびＴＣＯＬＤ）、前記温側および冷側熱交換器の相対的な熱伝導性、および前記温側および冷側熱交換器の相対的な大きさによって決定づけられる。
【００３４】
区間ＡＢ−圧電変換素子の圧縮
区間ＡＢの間、前記温側熱交換器１８から前記チャンバー２０に流入する熱は前記チャンバー２０から前記冷側熱交換器１６へと流出する熱よりも優勢であり、これによって前記チャンバー２０内の温度勾配が増加する。このような熱の上昇は前記水素作動流体２２の温度を上昇させ、これに対応して図示したように前記チャンバー２０内の圧力が上昇する。前記水素作動流体２２の体積は実質的に一定に維持される。前記チャンバー２０に流入する熱は、前記密閉されたチャンバー内の温度および圧力を、前記金属水素化物材料２４による水素の吸収にとっての臨界点であるＢ点に到達させる。この点またはそれ以前のある時点において、前記チャンバー内に相変化材料が存在する場合、前記材料は熱を吸収して相を変化させることで熱エネルギーを蓄積する。何れにせよ、前記金属水素化物による水素の吸収にとっての温度／圧力臨界点において、区間ＢＣが始まる。
【００３５】
区間ＢＣ−金属水素化物による水素の吸収
区間ＢＣの間、前記金属水素化物２４が前記水素作動流体２２を吸収する。この吸収は発熱反応であって、前記臨界点において熱を放出し、前記水素作動流体２２の圧力を実質的に一定に維持する。前記吸収反応の間、前記チャンバー２０内の圧力は比較的一定の圧力に維持され、これは前記金属水素化物材料２４の臨界圧力に相当する。前記吸収反応は前記金属水素化物２４が飽和するまで継続する。飽和すると、以前前記発熱反応中に放出された熱が前記チャンバー２０の温度を瞬間上昇させ、または上昇させ、従って図示したように、それに対応して圧力がＣ点まで上昇する。この時に区間ＣＤが始まる。
【００３６】
区間ＣＤ−圧電素子の減圧
区間ＣＤの間、前記チャンバー２０から前記冷側熱交換器１６に流出する熱は、前記熱側熱交換器１８から前記チャンバー２０に流入する熱よりも優勢であり、これによって前記チャンバー２０内の温度勾配が減少する。これによって、図に示すように、前記水素作動流体２２の温度およびそれに対応した前記チャンバー２０内の圧力の低下が減少する。前記チャンバー２０の温度および圧力が水素脱離のための温度および圧力臨界点（Ｄ点）未満に低下すると、区間ＤＡが始まる。
【００３７】
区間ＤＡ−水素化物による水素脱離
前記チャンバー２０内の温度および圧力が前記温度および圧力の臨界点Ｄ未満に低下すると、熱を吸収する吸熱反応によって前記金属水素化物材料が水素を脱離させることで、前記チャンバー２０の温度の低下および前記冷却モードのサイクル時間が加速する。さらに、相変化材料が存在するとき、前記相変化材料はその熱エネルギーを放出し、その元の相に復帰する。前記区間ＤＡは、前記温側熱交換器１８が前記水素作動流体２２の温度上昇を支持できるＡ点まで継続する。この時点で前記サイクルが再開する。
【００３８】
図示のように、前記サイクルの間、前記圧力レベルはＰＭＩＮからＰＭＡＸへと増加してそれに対応した圧縮力および応力を前記圧電変換素子２８に加える。図示のように、前記サイクルの間、前記圧力レベルはＰＭＡＸからＰＭＩＮまで減少してそれに対応した源圧力および応力を前記圧電変換素子２８に加える。前記熱機関１２の連続した加熱および冷却サイクルの間、前記圧電変換素子２８に加えられる交番する圧縮／減圧力および応力によって前記圧電変換素子２８に循環的な変形が生じる。このような前記圧電材料の循環的変形によって、それに電気的に接続された前記電極３０Ａおよび３０Ｂによって出力される一連の高電圧低電流パルスが発生する。
【００３９】
前述の通り、上述のような熱機関１２の一部として１若しくはそれ以上の相変化材料２６を使用してもよい。前記相変化材料２６は、前記水素作動流体２２と熱的に接して配置されている。前記相変化材料２６は、前記金属水素化物材料２４による水素作動流体２２の吸収のためのＢ点またはその付近の温度において熱を吸収し、区間ＤＡの間に前記金属水素化物材料２４による水素作動流体２２の脱離中に熱を放出するように調整されている。これによって、前記熱機関１２のサイクル時間の低減および前記熱機関１２によって発生する電力が助長される。
【００４０】
前記システム１０の最良の実施形態は、前記圧電変換素子２８によって前記電極の対３０Ａおよび３０Ｂを通って出力される電気信号を所望の電気出力の形態に変換する電力変換器３６を含む。前記電力変換器３６によって生成された電気出力は、住宅用または商業用給電用途などの広い範囲の給電用途に適合できる。それはＡＣ給電信号またはＤＣ給電信号であることができる。本最良の実施形態において、前記電力変換器３６によって生成された電気出力は、一般に幹線電力によって供給される規格ＡＣ給電信号（例えば６０Ｈｚ、１２０ＶＡＣの給電信号）である。
【００４１】
図２に概略的に図示したように、前記電力変換器３６は、好ましくは静電気モーター５１と電気機械バッテリ５３とを含むアセンブリによって実現される。図３に適切に示すように、前記電気機械バッテリ５３は、均一な双極場を提供する永久磁石の配列（即ちハルバックアレイ）を有する円筒形回転子６１を含む。高速フライホイールが前記回転子６１と一体化している。前記回転子とフライホイールは機密密閉されたチャンバー内に磁気軸受け（またはその他の好適な低摩擦支持体）によって浮遊しており、真空内で回転する。前記高速フライホイールは、エネルギー蓄積および抽出のために使用される。前記円筒形回転子６１の内部空間内には固定子巻線６３Ａ、６３Ｂが配置されている。前記固定子巻線６３Ａ、６３Ｂは、前記回転子６１の磁石の回転アレイによって提供される磁界に誘導結合している。電力電子回路５５は固定子巻線６３Ａ、６３Ｂとインターフェースして前記回転しているフライホイールからエネルギーを抽出し、このようなエネルギーをそこから出力される前記所望の給電信号に変換する。前記電気機械バッテリ５３は、この参照によりその全文が本明細書内に組み込まれる米国特許第５，７０５，９０２号明細書および第６，３９６，１８６号明細書に述べられたものと同様である。
【００４２】
回転エネルギーは、静電気モーター５１の動作によって前記電気機械バッテリ５３のフライホイールに加えられる。図４と共に図３を参照して、前記静電気モーター５１は、その内面に均等間隔に配置され相互に電気的に絶縁された複数の導電領域７２を有するように構成された円筒形回転子７１を含む。前記静電気モーター５１の回転子７１は、磁気軸受け（またはその他の好適な低摩擦支持体）上に浮遊しており、前記回転子７１の回転が前記電気機械バッテリ５３の回転子６１の回転を生じさせるように前記電気機械バッテリ５３の回転子６１に連結されている。前記円筒形回転子７１の内部空間内には固定子７３が配置されている。
【００４３】
図４に示す通り、前記固定子アセンブリ７３は、前記回転子７１の導電領域７２の近傍に位置するように相互に均等間隔で配置された複数の電極７４を支持する。前記固定子アセンブリ７３から（または固定子電極７４自体からでもよい）接触刷子７６が延伸している。前記接触刷子７６は対応する固定子電極７４に電気的に接続されており、放射状に外向きに延伸して前記回転子７１の導電領域７２と接している。導体７８が前記固定子の腕に沿って前記電極からその基台まで延伸している。前記固定子アセンブリ７３の導体７８および電極７４は、２つの群に（例えば正および負の極性に）論理的に分割されている。前記正および負の極性の電極７４は、前記固定子アセンブリ７３の周囲に互いに交互に配置されている。前記固定子アセンブリ７３の正電極は正電位に帯電している一方、前記固定子アセンブリ７３の負電極は負電位に帯電している。この構成によって、前記固定子アセンブリ７３の電極７４と前記回転子７１の導電領域７２との間の反発的クーロン力が前記回転子７１の回転を誘起することができる。
【００４４】
別の実施形態において、前記接触刷子７６は省略でき、前記固定子電極７４と前記回転子７１の導電領域７２との間の媒体を渡るコロナ放電を使用して前記回転子７１の導電領域７２上に電荷を蓄積することができる。また、この構成によって、同様に帯電した隣接の固定子電極と反発する前記回転子の交番帯電領域が得られる。
【００４５】
ここで図２および図３を参照して、前記圧電変換素子２８の電極の対３０Ａ、３０Ｂと前記固定子アセンブリ７３の導体７８との間には、インターフェース回路５７が提供されている。前記回転子７１の回転を誘起するために、前記インターフェース回路５は、前記圧電変換素子２８からの電気エネルギー出力を前記固定子アセンブリ７３の導体７８および電極７４に転送する。
【００４６】
図５に示す通り、前記インターフェース回路５７は、好ましくはＡＣ／ＤＣ整流器と、フィルターコンデンサと、図示の通りのＭａｒｘ型発電機回路とを含む。前記ＡＣ／ＤＣ整流器は前記圧電変換素子２８からのＡＣ信号出力をＤＣ電流に変換し、前記フィルターコンデンサはその結果の信号を平滑化してＤＣ充電信号を生成し、前記Ｍａｒｘ型発電回路は前記ＤＣ充電信号を高電圧パルスに変換する。
【００４７】
１９２４年にＥｒｗｉｎ  Ｍａｒｘによって最初に述べられたＭａｒｘ型発電機回路は、高電圧パルスを発生させる。図６に示すように、多数のコンデンサが所定の電圧Ｖに並列に充電され、その後、スパーク・ギャップ・スイッチによって直列に接続されて、理想的にはＶにコンデンサ（または段）の数ｎを乗じた電圧を生成する。種々の現実的な制約により、前記出力電圧は通常ｎ＊Ｖよりも幾分低い。前記理想の場合、前記充電用電源に最も近いスイッチを閉じることで第２のスイッチに２＊Ｖの電圧が印加される。このスイッチが次に閉じ、第３のスイッチに３＊Ｖの電圧が印加される。このスイッチが次に閉じ、（やはり前記理想の場合のみにおいて）前記発電機の出力にｎ＊Ｖを生成する前記発電機を下るカスケード（エレクションという）が得られる。前記出力パルスの絶対タイミングが重要でなければ、充電中に前記第１のスイッチが自発的に降伏（時に自己降伏と呼ぶこともある）することを可能としてもよい。しかし、それは通常、全ての前記コンデンサが完全に充電された後に（そのギャップ距離を縮める）機械的手段によって意図的に始動し、電気的に始動し、パルスレーザーによって始動し、またはそのギャップ内の空気圧を低減することによって始動する。その充電抵抗器Ｒｃは、充電および放電を考慮して大きさが決められる。前記充電抵抗器は、よりよい効率およびより早い充電のためにインダクタで置換することができる。
【００４８】
別の実施形態において、前記静電気モーター５１およびその支持回路は、前記圧電変換素子２８の出力によって提供される電気エネルギーを前記電気機械バッテリ５３の回転子６１の回転エネルギーを誘起する電磁力に変換し、従って前記電気機械バッテリのフライホイールに回転エネルギーを加える構成要素によって代替することができる。例えば、前記圧電変換素子２８によって発生した高電圧低電流信号を前記電気機械バッテリの追加の固定子巻線（または位相設計においてエネルギー抽出に使用される同一の固定子巻線であってもよい）と協働するインターフェース回路に供給し、前記電気機械バッテリ５３の回転子６１の回転を誘起し、そのフライホイールに回転エネルギーを加えるために、前記電気機械バッテリ５３の回転子６１の磁石のアレイを回転させることによって提供される前記磁界に誘導結合された磁界を発生させることができる。
【００４９】
図７は、そのチャンバーが２つの流体導管によって流体的に連結した２つの熱機関１２１および１２２を含む、本発明の別の実施形態を図示する。前記流体導管の１つが作動流体を前記熱機関１２１のチャンバーから熱機関１２２のチャンバーへと運ぶ一方、もう１つの流体導管は作動流体を熱機関１２２のチャンバーから熱機関１２１のチャンバーへと運ぶ。それぞれのチャンバー用の前記２つの流体導管の入力および出力には、流量制御弁４２Ａ１、４２Ａ２、４２Ｂ１、４２Ｂ２が配置されている。流体供給源３８’と圧力制御機構４０’が図示の通りそれぞれの入力および出力弁の間で前記２つの流体導管の一方に流体的に連結している。前記流体供給源３８’および前記圧力制御機構４０’は協働して、必要に応じて作動流体２２を前記２つの機関のチャンバーに加え、前記２つの機関のチャンバー内の作動流体の圧力を調節する。前記作動流体として水素を使用するとき、前記流体供給源３８’は、水素の容器あるいは水の電気分解によって水素を生成する装置によって実現できる。前記圧力制御機構４０’は、必要に応じて過剰な圧力を周囲環境に放出する放風弁を含むことのできるポンプおよび弁アセンブリによって実現できる。前記入力弁および出力弁は、必要に応じて開閉して前記チャンバーの各々の中の作動流体の量／圧力を調節することができる。例えば、図示の構成において、前記機関１２１用のチャンバーの圧力は、前記出力弁４２Ｂ１を開き、その他の弁４２Ｂ２、４２Ａ１、４２Ａ２を閉じることによって調節できる。同様に、前記機関１２２用のチャンバーの圧力は、前記出力弁４２Ｂ２を開き、その他の弁４２Ｂ１、４２Ａ１、４２Ａ２を閉じることによって調節できる。
【００５０】
通常の動作において、前記弁４２Ａ１、４２Ａ２、４２Ｂ１、４２Ｂ２が開かれ、前記２つの熱機関１２１、１２２は、それらの加熱および冷却サイクルが相互から位相がずれているように動作する。例えば前記熱機関１２１および１２２が共に図１Ｃの加熱および冷却サイクルを実行するように構成されていると考慮されたい。この構成において、前記熱機関１２１の初期圧力をＣ点またはその付近において動作を開始するように初期化することができる一方、前記熱機関１２２の初期圧力をＡ点またはその付近において動作を開始するように初期化することができる。前記熱機関１２１および１２２は、それらの加熱および冷却サイクルを下記の通り循環する。
【００５１】
熱機関１２１ 熱機関１２２
区間ＣＤ        区間ＡＢ
区間ＤＡ        区間ＢＣ
区間ＡＢ        区間ＣＤ
区間ＢＣ        区間ＤＡ
【００５２】
この構成は、前記加熱および冷却サイクル時間を短縮し、従って前記化学熱機関によって生成される圧力変化の頻度を増加させるので有利である。
【００５３】
図８は圧力制御器の概略図を示す。前記圧力制御器は、前記熱機関のチャンバー内の作動流体の圧力をそれらの所望の動作範囲内に自動的に調節し維持するために使用することができる。前記システムから水素が漏出した場合に、および／または温熱および／または冷熱の供給源の温度変化（例えば周囲空気温度の変化）に適応するために、このような制御が必要となるかもしれない。前記制御器は、好ましくは供給される前記高温および低温の温度を測定する温度検出器、並びに前記弁４２Ａ１、４２Ａ２、４２Ｂ１、４２Ｂ２、前記流体供給源３８’、および前記圧力制御機構４０’の作動／制御機能とインターフェースしている。前記制御器は、供給される前記高温および低温の温度に基づいて前記適切なチャンバーの圧力レベルを前記温度検出器による出力として（好ましくは参照表などを使用して）計算する制御アルゴリズムを実施する。前記制御器は、次に、必要に応じて前記弁４２Ａ１、４３Ａ２、４２Ｂ１、４３Ｂ２、前記流体供給源３８’、および前記圧力制御機構４０’の作動／制御機能と自動的に協働して、前記チャンバーの圧力を前記所望のレベルに調節する。図１Ａおよび１Ｂの単一機関の構成内の圧力を自動調節するために、同様の制御スキームを使用できる。
【００５４】
図９Ａは、前記２つの機関を流体的に連結する前記流体供給導管がチューブ内チューブ設計によって実現された、図７のシステムの実施形態を図示する。その外側のチューブは、前記それぞれの機関の１若しくはそれ以上の圧電変換素子２８’を支持する。その内側チューブは、前記機関のチャンバー間を流体的に連結し、従ってこのようなチャンバーの延長となる可撓性のガス圧力チューブである。前記２つの機関の加熱／冷却／圧力サイクルの間、前記２つの機関によって発生した圧力変化の反復が前記可撓性のガス圧力チューブを通って流れ、これによって、本明細書内に述べた通り、前記１若しくはそれ以上の圧電変換素子２８’に対応する圧縮力／減圧力を加える。この構成において、それぞれの前記機関の圧電変換素子２８’は、前記水素化物材料を収容した容器および前記機関のＰＣＭ材料から離れていることができる。
【００５５】
図９Ｂは、前記２つの機関を流体的に連結する流体供給導管が新奇のチューブ内チューブ設計によって実現された、図７のシステムの別の実施形態を図示する。外側のチューブが、その間に１若しくはそれ以上の圧電変換素子を有する２つの内側のチューブを支持する。前記２つの内側チューブは、前記２つの機関のチャンバー間を流体的に連結し、従ってこのようなチャンバーの延長となる。前記２つの機関の加熱／冷却／圧力サイクルの間、前記２つの機関によって発生する圧力変化の反復は、前記可撓性のガス圧力チューブを通って流れる。このような圧力変化は、好ましくは相互に位相がずれており、従ってその間に反復する圧力差が提供される。この反復する圧力差を使用して、前記２つの可撓性ガス圧力チューブ間に配置された前記圧電変換素子を変形させる圧縮力／減圧力が加えられる（例えば、圧電隔膜の反復する変形によって）。この構成において、それぞれの前記機関の圧電変換素子は、前記水素化物材料を収容する容器および前記機関のＰＣＭ材料から離れていることができる。
【００５６】
図１０に示すように、本明細書内に述べた熱機関は、チューブ内チューブ型構成に配置することができる。この構成において、内側チューブ８１は前記温（または冷）熱源を運ぶ。その外側チューブ８３の外面は冷（または温）熱源に晒されている。前記内側チューブ８１および外側チューブ８３は、本明細書内で述べたように熱伝導材料によって実現され、従って熱交換器として機能する。前記機関の水素作動流体、金属水素化物材料、および場合によっては相変化材料は、前記内側チューブ８１と外側チューブ８３との間の閉空間内に配置されている。前記機関の圧電圧力変換器もまた、前記内側チューブ８１と外側チューブ８３との間の閉空間内に位置することができ、あるいは例えば図９Ａおよび９Ｂに示すそれと同様の流体供給導管内のようなこの閉空間に流体的に連結した流体路と共に位置することができる。
【００５７】
ここで図１１Ａを参照して、本発明による電気エネルギー発生システム１１０の説明図が示されている。前記システム１１０は、好ましくはエアロゲルまたはその他の好適な断熱材料で充填された空間によって実現できる外側断熱ライナーを有する管状のハウジング１１２を含む。前記ハウジング１１２は、第１の反応チャンバー１１６と熱的に接する冷側熱交換器１１４をその中に支持する内部空間を規定する。第２の反応チャンバー１２０と熱的に接する温側熱交換器１１８は、前記ハウジング１１２の外面上に支持されている。これらの構成要素を断熱するために、好ましくはエアロゲルまたはその他の好適な断熱材料で充填された空間で実現できる外面断熱ライナー１２２が、前記温側熱交換器１１８および第２の反応チャンバー１２０を囲んでいる。
【００５８】
冷熱源（例えば冷たい空気）１２４が前記冷側熱交換器１１４に供給され、温熱源（例えば熱い空気）１２６が前記温側熱交換器１１８に供給される。前記第１および第２の反応チャンバー１１６、１２０は、ベンチュリ管などのような流体連結機構１２８によって相互に流体的に連結している。前記第１および第２の反応チャンバー１１６、１２０は金属水素化物と、好ましくは、（前記冷熱源１２４によって規定される）前記冷側熱交換器１１４と（温熱源１２６によって規定される）前記温側熱交換器１１８との間の温度差によって駆動される化学熱機関としてその中で水素作動流体と協働する相変化材料とを含む。
【００５９】
前記第１の反応チャンバー１１６は、水素の吸収および脱離を行うことのできる少なくとも１つの金属水素材料と、好ましくは前記水素作動流体と熱接触した少なくとも１つの相変化材料とを含む。同様に、前記第２の反応チャンバー１２０は、水素の吸収および脱離を行うことのできる少なくとも１つの金属水素化物材料と、好ましくは前記水素作動流体と熱接触した少なくとも１つの相変化材料とを含む。前記反応チャンバー１１６、１２０の金属水素化物材料は、前記冷側熱交換器１１４と前記温側熱交換器１１８との間の期待温度差について前記第１の反応チャンバー１１６の金属水素化物材料が（熱を放出して）水素を吸収する一方、前記第２の反応チャンバー１２０の金属水素化物材料が（熱を吸収して）水素を脱離させ、およびその逆であるように選択される。このようにすれば、前記化学熱機関のサイクル時間を最小限とする（頻度を最大化する）ために、前記反応チャンバー１１６および１２０の熱発生動作および熱吸収動作は、相互に１８０度またはその位位相がずれている。
【００６０】
前記熱機関の循環動作の間、熱は前記温側熱交換器１１８から前記第２の反応チャンバー１２０へと流れ、前記第１の反応チャンバー１１６から前記冷側熱交換器１１４へと流れる。前記冷側熱交換器１１４と前記第１の反応チャンバー１１６との間に金属化された二軸延伸のポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＰＥＴ）など薄膜１３０を配置して、前記冷側熱交換器１１４から前記第１の反応チャンバー１１６への不要な熱の流れを最小限に抑えることができる。同様に、前記温側熱交換器１１８と前記第２の反応チャンバー１２０との間に金属化された二軸延伸のポリエチレンテレフタレート（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ：ＰＥＴ）など薄膜１３２を配置して、前記第２の反応チャンバー１２０から前記温側熱交換器１１８への不要な熱の流れを最小限に抑えることができる。
【００６１】
前記ハウジング１１２の内部空間にはサーマルスタック１３４が配置されている。前記サーマルスタック１３４は、好ましくは一連の薄い平行に並んだ羽根、熱伝導材料（銅、銅合金、ステンレススチール、熱分解グラファイトなど）でできた細い棒状部材の相互接続グリッドによって実現される。前記サーマルスタック１３４はまた、ニューヨーク州Ｃｏｒｎｉｎｇ市のＣｏｒｎｉｎｇ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から市販されているＣｅｌｃｏｒｅ（登録商標）などの、蜂の巣状の薄い壁状セラミック構造によっても実現できる。前記サーマルスタック１３４は、一方の面１３６と反対の面１３８とを有する。前記面１３６は前記第１の反応チャンバー１１６と熱的に接している。前記熱機関の加熱および冷却サイクル中の前記反応チャンバー１１６の循環的温度変化は、前記サーマルスタック１３０の面１３６において起こる。このような循環的温度変化は、前記サーマルスタック１３４の熱音響振動を生じさせる。共振空洞１４０は、前記サーマルスタック１３４の面１３８に隣接した前記ハウジング１１２内に規定される。前記サーマルスタック１３４および共振空洞１４０は、前記サーマルスタック１３４の熱音響振動が前記共振空洞１４０内に圧力定在波を形成するように設計されている。前記圧力定在波は、前記熱機関の動作周波数またはそれに近い周波数を有する。本最良の実施形態において、前記共振空洞１４０の有効長は前記圧力定在波の波長の１／２に比例する。前記ハウジング１１２は、前記共振空洞１４０の内面が音を反射し、従ってその内部での一切の音響損失を最小限に抑えることができる。前記共振空洞１４０の前記サーマルスタックとは反対の端には、音響反射素子１４２が配置されている。
【００６２】
前記共振空洞１４０内には少なくとも１つの圧電変換器１４４が配置されている。前記圧電変換器１４４は、水晶、ロシェル塩、チタン酸ランタン、酸化亜鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、ニオブ酸鉛マグネシウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム、タンタル酸ニオブ酸カリウム、ニオブ酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、フッ化物重合体（フッ化ビニリデン）、またはその他好適な材料などの圧電材料によって実現されている。本最良の実施形態において、前記圧電変換器１１４は、細い棒状の圧電部材の相互接続グリッドとして実現されている。前記共振空洞１４０内で発生する前記圧力定在波は、前記圧電変換器１４４に循環的な機械的応力を誘起する。前記圧電変換器１４４には、少なくとも１対の電極１４６Ａ，１４６Ｂが電気的に連結している。前記電極１４６Ａ、１４６Ｂは、前記共振空洞１４０内で発生した前記圧力定在波によってその中に誘起された循環的な機械的応力の結果として、前記圧電変換器１４４によって発生する電気信号を出力する。
【００６３】
図示の例示的実施形態において、前記冷熱源１２４（例えば冷たい空気）が前記管状ハウジング１１２の一端に注入され、または引き込まれ、前記管状ハウジング１１２の内部空間を通って流れ、前記熱機関の動作によって暖められ、前記管状ハウジング１１２の反対側の端から排出され、または引き出される。この構成において、前記ハウジング１１２の内部空間内に配置された前記システムの構成要素（前記冷側熱交換器１１４と、薄膜１３０と、第１の反応チャンバー１１６と、サーマルスタック１３４と、圧電変換器１４４と、音響反射板１４２と）がこのような冷たい流体の通過を可能とする。
【００６４】
図示しない別の実施形態において、前記冷熱源１２４は、流体連結器などによって前記冷側熱交換器１１４に供給される。このような流体連結器が使用されるとき、前記ハウジング１１２の内部空間内に配置された前記システムの構成要素（前記冷側熱交換器１１４と、薄膜１３０と、第１の反応チャンバー１１６と、サーマルスタック１３４と、圧電変換器１４４と、音響反射板１４２と）は、このような冷たい流体の通過を可能とする必要はない。
【００６５】
前記第１および第２の反応チャンバー１１６、１２０の金属水素化物材料は、１若しくはそれ以上の吸着床または貯蔵容器によって保持できる。このような金属水素化物は、以下を有することができる。
【００６６】
ｉ）窒化リチウム、
ｉｉ）水酸化マグネシウム、
ｉｉｉ）水酸化ランシウムニッケル（ＬａＮｉ５Ｈ６）、またはＬａまたはＮｉのどちらかの代替物によって水酸化ランシウムニッケルを改良したもの、
ｉｖ）Ｍを一般にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＭｎなどの第６族から第８族の金属とするとき、一般的化学式（Ｖｌ−ｘＴｉｘ）ｌ-ｙＭｙを有するバナジウムをベースとした固溶体、および／または、
ｖ）Ａを一般に希土類、第３族または第４族の金属とし、Ｂを一般に第８族金属とするが第５族、第６族、または第７族の金属としてもよいとき、一般的化学式ＡＢ２を有するラーベス相水素化物。
【００６７】
前記第１および第２の反応チャンバー１１６，１２０の相変化材料は、沸石、共融合金類、パラフィン類、有機化合物、含水塩類、炭酸類、硝酸類、多価アルコール類、および金属であることができる。
【００６８】
上述のように、冷熱源１２４は前記冷側熱交換器１１６に供給される。温熱源１２６は前記温側熱交換器１１８に供給される。前記冷熱源１２４は、好ましくは、前記化学熱機関の複数の加熱／冷却サイクルに亘って前記冷側熱交換器１１６への冷たい流体の継続的な供給を提供する循環器（例えばポンプ、ファン）を含む。前記温熱源１２６は、好ましくは、前記熱機関の複数の加熱／冷却サイクルに亘って前記温側熱交換器１１８への熱い流体の継続的な供給を提供する循環器（例えばポンプ、ファン）を含む。
【００６９】
（周囲空気が深い地下の温度よりも暖かいときに有用である）例示的な構成において、前記冷熱源１２４は地熱による冷熱源によって生成でき、前記温熱源１２６は周囲空気から生成できる。前記地熱による冷熱源は、地面と熱接触した導管の中を通過するときに冷却される水または空気などの流体であってもよい。それはまた、井戸から採取された地下水または水体（例えば池または湖）であってもよい。
【００７０】
（深い地下の温度が周囲空気よりも温かいときに有用である）別の構成において、前記冷熱源１２４が周囲空気から生成できる一方、前記温熱源１２６は地熱による温熱源によって生成できる。前記地熱による温熱源は、地面と熱接触した導管の中を通過するときに加熱される水または空気などの流体であってよい。それはまた、井戸から採取された地下水または水体（例えば池または湖）であってもよい。
【００７１】
図１Ｂに示すように、前記熱交換器１１８およびそれに関連づけられた反応チャンバー１２０の温側機能は、前記熱交換器１１４およびそれに関連づけられた反応チャンバー１２０の冷側機能と交換できることは理解されるであろう。このようにすれば、前記システムは、前記熱源の相対温度次第で構成間を切り替えることができる。もしくは、弁および配管を温熱源および冷熱源に連結させて、図１Ａのシステムが前記熱源の相対温度次第で構成間を切り替えることを可能とするために利用してもよい。
【００７２】
必要に応じて前記反応チャンバー１１６，１２０に作動流体を加え、このようなチャンバー内の前記作動流体の圧力を調節するように協働する、流体供給源と圧力制御機構（図示せず）とを提供することができる。前記作動流体として水素を使用するとき、前記流体供給源は、水素の容器、あるいは水の電気分解によって水素を生成する装置によって実現できる。前記圧力制御機構は、必要に応じて過剰な圧力を周囲環境に放出する放風弁を含むことのできるポンプおよび弁によって実現できる。
【００７３】
前記冷側熱交換器１１４と、第１の反応チャンバー１１６と、温側熱交換器１１８と、第２の反応チャンバー１２０とによって実現された前記熱機関は、一般に次の通りに動作する。継続的に、前記冷熱源１２４が前記冷側熱交換器１１６に冷たい流体を連続的に供給し、前記温熱源１２６が前記温側熱交換器１１８に熱い流体を連続的に供給する。前記冷熱源１２４と前記温熱源１２６との間の温度差を利用して作用が行われる。より具体的には、および図２を参照して以下により詳細に説明するように、この温度差を使用して、前記反応チャンバー１１６、１２０内の前記水素作動流体、前記金属水素化物、および前記相変化材料（存在する場合）の温度および圧力を循環させて、その中に温度変化を誘起する。前記反応チャンバー１１６の温度変化が、前記共振空洞１４０内に圧力定在波を形成する前記サーマルスタック１３４の熱音響振動を誘起する。前記圧力定在波は、前記熱機関の動作周波数またはそれに近い周波数を有するであろう。前記圧力定在波は、前記圧電変換器１４４に循環的な機械的応力を誘起する。前記電極１４６Ａ、１４６Ｂは、前記共振空洞１４０内に発生した前記圧力定在波によってその中に誘起された前記循環的な機械的応力の結果として、前記圧電変換器１４４によって発生する一連の高電圧低電流パルス（Ｖ＋、Ｖ−）を出力する。
【００７４】
図１Ｃには、図１１Ａおよび１１Ｂの熱機関のそれぞれの反応チャンバー１１６、１２０各々の例示的な温度・圧力サイクルが見られるものの、ここで見られるサイクルは単に概略的であって縮尺ではないことが理解されるべきである。前記サイクルは図１Ｃを参照して以前に説明されたとおりに機能する４区間ＡＢ、ＢＣ、ＣＤ、ＤＡを含む。
【００７５】
図１１Ａおよび１１Ｂの構成において、前記第１の反応チャンバー１１６の初期圧力はＣ点またはその付近において動作を開始するように初期化できる一方、前記第２の反応チャンバー１２０の初期圧力はＡ点またはその付近において動作を開始するように初期化できる。前記２つの反応チャンバー１１６，１２０は、それらの加熱および冷却サイクルを下記の通り循環する。
【００７６】
反応チャンバー１１６ 反応チャンバー１２０
区間ＣＤ                    区間ＡＢ
区間ＤＡ                    区間ＢＣ
区間ＡＢ                    区間ＣＤ
区間ＢＣ                    区間ＤＡ
【００７７】
この構成において、前記冷側熱交換器１１４と前記温側熱交換器１１８との間の期待温度差について、前記第１の反応チャンバー１１６の前記金属水素化物が区間ＢＣの間で（熱を放出して）水素を吸収する一方、前記第２の反応チャンバー１２０の金属水素化物は区間ＣＤの間で（熱を吸収して）水素を脱離させ、その逆もまた然りである。前記第１の反応チャンバーが熱を放出するとき、それは前記作動流体によって前記流体連結機構１２８を通って前記第２の反応チャンバー１２０へと流れ、そこで吸収される。同様に、前記第２の反応チャンバー１２０が熱を放出するとき、それは前記作動流体によって前記流体連結機構１２８を通って前記第１の反応チャンバー１１６へと流れ、そこで吸収される。このようにすれば、前記反応チャンバー１１６および１２０の発熱動作および熱吸収動作は、相互に１８０度（またはその位）位相がずれて、前記化学熱機関のサイクル時間を最小とする（周波数を最大化する）。
【００７８】
前記サーマルスタック１３４と熱接触した前記反応チャンバー１１６の温度レベルは、図示の通り、前記熱機関のサイクル中ＴＭＩＮとＴＭＡＸとの間を循環する。このような温度変化は、前記共振空洞１４０内に圧力定在波を形成する前記サーマルスタック１３４の熱音響振動を誘起する。前記圧力定在波は、前記熱機関の動作周波数またはそれに近い周波数を有するであろう。前記圧力定在波は、前記圧電変換器１４４に循環的な機械的応力を誘起する。前記電極１４６Ａ、１４６Ｂは、前記共振空洞１４０内に発生した前記圧力定在波によってその中に誘起された前記循環的な機械的応力の結果として、前記圧電変換器１４４によって発生する一連の高電圧低電流の電気パルス（Ｖ＋、Ｖ−）を出力する。
【００７９】
前述の通り、上述のような前記反応チャンバー１１６、１２０の一部として１若しくはそれ以上の相変化材料を使用してもよい。前記相変化材料は、前記水素作動流体と熱的に接して配置されている。前記相変化材料は、前記金属水素化物による水素作動流体の吸収のためのＢ点またはその付近の温度における熱を吸収し、区間ＤＡの間における前記金属水素化物による水素作動流体の脱離中に熱を放出するように調整されている。これによって、前記化学熱機関のサイクル時間の低減および前記化学熱機関によって発生する電力が助長される。
【００８０】
前記システム１０の本最良の実施形態は、前記電極の対１４６Ａ、１４６Ｂを介して前記圧電変換器１４４によって前記電気信号を所望の電気出力形態に変換する電力変換器１５０を含む。前記電力変換器１５０によって生成された前記電気出力は、住宅用または商業用給電用途などの幅広い給電用途に適合できる。それは、ＡＣ給電信号またはＤＣ給電信号であることができる。本最良の実施形態において、前記電力変換器１３６によって生成された前記電気出力は、一般に幹線電力によって供給される規格ＡＣ給電信号（例えば６０Ｈｚ、１２０ＶのＡＣ給電信号）である。本最良の実施形態において、前記電力変換器１５０は、前述のような静電気モーターと電気機械バッテリとを含むアセンブリによって実現されている。
【００８１】
本発明によるエネルギー発生システム１１０’の別の実施形態を図１２に示す。前記システム１１０’は、好ましくはエアロゲルまたはその他の好適な断熱材料で充填された空間で実現できる外面断熱ライナーを有する管状ハウジング１１２’を含む。前記ハウジング１１２’は、その一部が共振空洞１４０’を形成する内部空間を規定する。前記ハウジング１１２’の前記共振空洞１４０’の側には、図示の通り、反応チャンバー１１６Ａ’と熱接触した冷側熱交換器１１４Ａ’が支持されている。前記ハウジング１１２’の外面には、反応チャンバー１２０’と熱接触した温側熱交換器１１８Ａ’が支持されている。エアロゲルまたはその他の好適な断熱材料で充填された空間で実現できる外面断熱ライナー１２２Ａ’は、好ましくは前記温側熱交換器１１８Ａ’および第２の反応チャンバー１２０Ａ’を囲むことでこれらの要素を断熱する。前記ハウジング１１２’の内部空間内の前記共振空洞１４０’の反対側には、図示のように、反応チャンバー１１６Ｂと熱接触した冷側熱交換器１１４Ｂ’が支持されている。前記ハウジング１１２’の外面には、反応チャンバー１２０Ｂ’と熱接触した温側熱交換器１１８Ｂ’が支持されている。好ましくは、エアロゲルまたはその他の好適な断熱材料で充填された空間で実現できる外面断熱ライナー１２２Ｂ’が、前記温側熱交換器１１８Ｂ’および第２の反応チャンバー１２０Ｂ’を囲むことで、これらの構成要素を断熱する。
【００８２】
前記冷側熱交換器１１４Ａ’および１１４Ｂ’には、冷熱源１２４’（例えば冷たい空気）が供給される。前記温側熱交換器１１８Ａ’および１１８Ｂ’には、温熱源１２６’（例えば熱い空気）が供給される。前記反応チャンバー１１６Ａ’および１２０Ａ’は、ベンチュリ管などの流体連結機構１２８Ａ’によって相互に流体的に連結している。前記反応チャンバー１１６Ｂ’および１２０Ｂ’は、ベンチュリ管などの流体連結機構１２８Ｂ’によって相互に流体的に連結している。前記反応チャンバー１１６Ａ’および１２０Ａ’は、金属水素化物と、好ましくは、（前記冷熱源１２４’によって規定される）前記冷側熱交換器１１４Ａ’と（前記温熱源１２６’によって規定される）前記温側熱交換器１１８Ａ’との間の温度差によって駆動される化学熱機関としてその中の水素作動流体と協働する相変化材料とを含む。同様に、前記反応チャンバー１１６Ｂ’および１２０Ｂ’は、金属水素化物と、好ましくは、（前記冷熱源１２４’によって規定される）前記冷側熱交換器１１４Ｂ’と（前記温熱源１２６’によって規定される）前記温側熱交換器１１８Ｂ’との間の温度差によって駆動される化学熱機関としてその中の水素作動流体と協働する相変化材料とを含む。
【００８３】
前記反応チャンバー１１６Ａ’は、水素の吸収および脱離を行うことのできる少なくとも１つの金属水素化物材料と、好ましくは前記水素作動流体と熱接触した少なくとも1つの相変化材料とを含む。前記反応チャンバー１２０Ａ’は、水素の吸収および脱離を行うことのできる少なくとも１つの金属水素化物材料と、好ましくは、前記水素作動流体と熱接触した少なくとも１つの相変化材料とを含む。前記反応チャンバー１１６Ａ’、１２０Ａ’の金属水素化物材料は、前記冷側熱交換器１１４Ａ’と前記温側熱交換器１１８Ａ’との間の期待温度差について、前記反応チャンバー１１６Ａ’の金属水素化物材料が（熱を放出して）水素を吸収している間、前記反応チャンバー１２０Ａ’の金属水素化物材料が（熱を吸収して）水素を脱離させており、およびその逆であるように選択される。このようにすれば、前記反応チャンバー１１６Ａ’および１２０Ａ’の発熱動作および吸熱動作は、相互に１８０度（またはその位）位相がずれているので、前記化学熱機関のサイクル時間を最小に抑える（その周波数を最大化する）。
【００８４】
同様に、前記反応チャンバー１１６Ｂ’は、水素の吸収および脱離を行うことのできる少なくとも１つの金属水素化物材料と、好ましくは前記水素作動流体と熱接触した少なくとも１つの相変化材料とを含む。前記反応チャンバー１２０Ｂ’は、水素の吸収および脱離を行うことのできる少なくとも１つの金属水素化物材料と、好ましくは前記水素作動流体と熱接触した少なくとも１つの相変化材料とを含む。前記反応チャンバー１１６Ｂ’および１２０Ｂ’の金属水素化物材料は、前記冷側熱交換器１１４Ｂ’と前記温側熱交換器１１８Ｂ’との間の期待温度差について、前記反応チャンバー１１６Ｂ’の金属水素化物材料が（熱を放出して）水素を吸収している間、前記反応チャンバー１２０Ｂ’の金属水素化物材料が（熱を吸収して）水素を脱離させており、およびその逆であるように選択される。このようにすれば、前記反応チャンバー１１６Ｂ’および１２０Ｂ’の発熱動作および吸熱動作は、相互に１８０度（またはその位）位相がずれているので、前記化学熱機関のサイクル時間が最小に抑えられる（その周波数が最大化する）。
【００８５】
前記反応チャンバー１１６Ａ’および１２０Ａ’によって実現された前記熱機関の循環的動作の間、熱は前記温側熱交換器１１８Ａ’から前記反応チャンバー１２０Ａ’に流れ、前記反応チャンバー１１６Ａ’から前記冷側熱交換器１１４Ａ’に流れる。前記冷側熱交換器１１４Ａ’と前記反応チャンバー１１６Ａ’との間には金属化された二軸延伸のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの薄膜１３０Ａ’を配置して、前記冷側熱交換器１１４Ａ’から前記反応チャンバー１１６Ａ’への不要な熱の流れを最小限に抑えることができる。同様に、前記温側熱交換器１１８Ａ’と前記反応チャンバー１２０Ａ’との間には、金属化された二軸延伸のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの薄膜１３２Ａ’を配置して、前記反応チャンバー１２０Ａ’から前記温側熱交換器１１８Ａ’への不要な熱の流れを最小限に抑えることができる。
【００８６】
反応チャンバー１１６Ｂ’および１２０Ｂ’によって実現された前記熱機関の循環的動作の間、熱は前記温側熱交換器１１８Ｂ’から前記何脳チャンバー１２０Ｂ’へと流れ、前記反応チャンバー１１６Ｂ’から前記冷側熱交換器１１４Ｂ’へと流れる。前記冷側熱交換器１１４Ｂ’と前記反応チャンバー１１６Ｂ’との間には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの薄膜１３０Ｂ’を配置して、前記冷側熱交換器１１４Ｂ’から前記反応チャンバー１１６Ｂ’への不要な熱の流れを最小限に抑えることができる。同様に、前記温側熱交換器１１８Ｂ’と前記反応チャンバー１２０Ｂ’との間には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの薄膜１３２Ｂ’を配置して、前記反応チャンバー１２０Ｂ’から前記温側熱交換器１１８Ｂ’への不要な熱の流れを最小限に抑えることができる。
【００８７】
前記ハウジング１１２’の内部空間の前記共振空洞１４０’と反対側には２つのサーマルスタック１３４Ａ’、１３４Ｂ’が配置されている。前記サーマルスタック１３４Ａ’、１３４Ｂ’は各々、好ましくは、銅、銅合金、ステンレススチール、熱分解グラファイトなどの熱伝導材料からなる一連の薄い平行に並んだ羽根または細い棒状の相互接続グリッドによって実現されている。前記サーマルスタック１３４Ａ’、１３４Ｂ’はまた、ニューヨーク州Ｃｏｒｎｉｎｇ市のＣｏｒｎｉｎｇ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社によって市販されているＣｅｌｃｏｒｅ（登録商標）などの蜂の巣状の薄い壁状セラミック構造によっても実現できる。
【００８８】
前記サーマルスタック１３４Ａ’は、一方の面１３６Ａ’と反対側の面１３８Ａ’とを有する。前記面１３６Ａ’は、前記反応チャンバー１１６Ａ’と熱的に接している。前記サーマルスタック１３４Ａ’の前記面１３６Ａ’において、前記反応チャンバー１１６Ａ’および１２０Ａ’によって実現された前記熱交換器の加熱および冷却サイクル中の前記反応チャンバー１１６Ａ’の循環的温度変化が起こる。このような循環的温度変化は、前記サーマルスタック１３４Ａ’の熱音響振動を生じさせる。
【００８９】
前記サーマルスタック１３４Ｂ’は、一方の面１３６Ｂ’と反対側の面１３８Ｂ’とを有する。前記面１３６Ｂ’は前記反応チャンバー１１６Ｂ’と熱的に接している。前記サーマルスタック１３４Ｂ’の面１３６Ｂ’において、前記反応チャンバー１１６Ｂ’および１２０Ｂ’によって実現された前記熱機関の加熱および冷却サイクル中の前記反応チャンバー１１６Ｂ’の循環的温度変化が起こる。このような循環的温度変化は、前記サーマルスタック１３４Ｂ’の熱音響振動を生じさせる。
【００９０】
前記サーマルスタック１４０Ａ’の面１３８Ａ’と前記サーマルスタック１４０Ｂ’の面１３８Ｂ’との間には前記共振空洞１４０’が延伸する。前記サーマルスタック１３４Ａ’、１３４Ｂ’および共振空洞１４０’は、前記サーマルスタック１３４Ａ’、１３４Ｂ’の熱音響振動が協働して前記共振空洞１４０’内に圧力定在波を形成するように設計されている。前記圧力定在波は、前記熱機関の動作周波数またはそれに近い周波数を有するであろう。本最良の実施形態において、前記共振空洞１４０’の有効長は、前記圧力定在波の波長の１／２に比例する。前記ハウジング１１２’は、前記共振空洞１４０’の内面が音響を反射し、従ってその中の一切の音響損失を最小限に抑えることができる。
【００９１】
前記共振空洞１４０’の内部には、圧電変換器１４４’が配置されている。前記圧電変換器１４４’は、水晶、ロシェル塩、チタン酸バリウム、酸化亜鉛、チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、ニオブ酸鉛マグネシウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸ナトリウムカリウム、タンタル酸ニオブ酸カリウム、ニオブ酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、フッ化物重合体（フッ化ビニリデン）、またはその他の好適な材料などの圧電材料によって実現されている。本最良の実施形態において、前記圧電変換器１４４’は、細い棒状の圧電部材の相互接続グリッドとして実現されている。前記共振空洞１４０’内で発生した前記圧力定在波は、前記圧電変換器１４４’に循環的な機械的応力を誘起する。前記圧電変換器１４４’には、少なくとも１対の電極１４６Ａ’、１４６Ｂ’が電気的に連結している。前記電極１４６Ａ’、１４６Ｂ’は、前記共振空洞１４０’内に発生した前記圧力定在波によってその中に誘起された前記循環的な機械的応力の結果として、前記圧電変換器１４４’によって発生した電気信号を出力する。
【００９２】
図示の実例となる実施形態において、前記冷熱源１２４’（例えば冷たい空気）が前記管状のハウジング１１２’の一端に注入され、または引き込まれ、前記管状ハウジング１１２’の内部空間を通って流れ、そこで前記熱機関の動作によって温められ、前記管状ハウジング１１２’の反対側の端から排出され、または引き出される。この構成において、前記ハウジング１１２’の内部空間内に配置された前記システムの構成要素（冷側熱交換器１１４Ａ’と、薄膜１３０Ａ’と、反応チャンバー１１６Ａ’と、サーマルスタック１３４Ａ’と、圧電変換器１４４’と、サーマルスタック１３４Ｂ’と、反応チャンバー１１６Ｂ’と、薄膜１３０Ｂ’と、冷側熱交換器１１４Ｂ’と）によって、このような冷たい流体の通り抜けが可能となる。
【００９３】
図示しない別の実施形態において、流体連結器などによって、前記冷熱源１２４’を前記冷側熱交換器１１４Ａ’、１１４Ｂ’に供給することができる。このような流体連結器を使用するとき、前記ハウジング１１２’の内部空間内に配置された前記システムの構成要素（冷側熱交換器１１４Ａ’と、薄膜１３０Ａ’と、反応チャンバー１１６Ａ’と、サーマルスタック１３４Ａ’と、圧電変換器１４４’と、サーマルスタック１３４Ｂ’と、反応チャンバー１１６Ｂ’と、薄膜１３０Ｂ’と、冷側熱交換器１１４Ｂ’と）によってこのような冷たい流体の通り抜けを可能とする必要はない。
【００９４】
前記反応チャンバー１１６Ａ’、１２０Ａ’、１１６Ｂ’、１２０Ｂ’の金属水素化物材料は、１若しくはそれ以上の吸着床またはその他の貯蔵容器内に保持することができる。このような金属水素化物材料は、下記を有することができる。
【００９５】
ｉ）窒化リチウム、
ｉｉ）水酸化マグネシウム、
ｉｉｉ）水酸化ランシウムニッケル（ＬａＮｉ５Ｈ６）、またはＬａまたはＮｉのどちらかの代替物によって水酸化ランシウムニッケルを改良したもの、
ｉｖ）Ｍを一般にＦｅ、Ｎｉ、Ｃｒ、またはＭｎなどの第６族から８族の金属とするとき、一般的化学式（Ｖｌ−ｘＴｉｘ）ｌ-ｙＭｙを有するバナジウムをベースとした固溶体、および／または、
ｖ）Ａを一般に希土類、第３族または第４族の金属とし、Ｂを一般に第８族金属とするが第５族、第６族、または第７族の金属としてもよいとき、一般的化学式ＡＢ２を有するラーベス相水素化物。
【００９６】
前記反応チャンバー１１６Ａ’、１２０Ａ’、１１６Ｂ’、１２０Ｂ’の相変化材料は、沸石、共融合金類、パラフィン類、有機化合物、含水塩類、炭酸類、硝酸類、多価アルコール類、および金属であることができる。
【００９７】
上述のように、前記冷側熱交換器１１６Ａ’および１１６Ｂ’には、冷熱源１２４’が供給される。前記温側熱交換器１１８Ａ’および１１８Ｂ’には、温熱源１２６’が供給される。前記冷熱源１２４’は、好ましくは、前記化学熱機関の複数の加熱／冷却サイクルに亘って前記冷側熱交換器１１６Ａ’、１１６Ｂ’への冷たい流体の継続的な供給を提供する循環器（例えばポンプ、ファン）を含む。前記温熱源１２６’は、好ましくは、前記熱機関の複数の加熱／冷却サイクルに亘って前記温熱側熱交換器１１８Ａ’、１１８Ｂ’への熱い流体の継続的供給を提供する循環器（例えばポンプ、ファン）を含む。
【００９８】
（周囲空気が深い地下の温度よりも暖かいときに有用である）例示的な構成において、前記冷熱源１２４’は地熱による冷熱源によって生成でき、前記温熱源１２６’は周囲空気より生成できる。前記地熱による冷熱源は、地面と熱接触した導管の中を通過するときに冷却される水または空気などの流体であることができる。それはまた、井戸から採取した地下水または水体（例えば池または湖）であることもできる。
【００９９】
（深い地下の温度が周囲空気よりも温かいときに有用である）別の構成において、前記冷熱源１２４’が周囲空気より生成できる一方、前記温熱源１２６’は地熱による温熱源によって生成できる。前記地熱による温熱源は、地面と熱接触した導管の中を通過するときに加熱される水または空気などの流体であることができる。それはまた、井戸から採取された地下水または水体（例えば池または湖）であることもできる。
【０１００】
図１１に示すそれと同様に、前記熱交換器１１８Ａ’およびそれに関連づけられた反応チャンバー１２０Ａ’の温側機能は、前記熱交換器１１４Ａ’およびそれに関連づけられた反応チャンバー１２０Ａ’の冷側機能と交換できることが理解できるであろう。図１１Ｂに示すそれと同様に、前記熱交換器１１８Ｂ’およびそれに関連づけられた反応チャンバー１２０Ｂ’の温側機能は、前記熱交換器１１４Ｂ’およびそれに関連づけられた反応チャンバー１２０Ｂ’の冷側機能と交換できる。このようにすれば、前記システムは、前記熱源の相対温度次第で、構成間を切り替えることができる。もしくは、温熱源および冷熱源に弁および配管を連結させて、図１２のシステムが前記熱源の相対温度次第で構成間を切り替えることを可能とするために利用してもよい。
【０１０１】
必要に応じて前記反応チャンバー１１６Ａ’、１２０Ａ’、１１６Ｂ’、１２０Ｂ’に作動流体を加え、このようなチャンバー内の前記作動流体の圧力を調節するために、流体供給源および圧力制御機構（図示せず）を提供することができる。前記作動流体として水素を使用するとき、前記流体供給源は、水素の容器、あるいは水の電気分解によって水素を生成する装置によって実現できる。前記圧力制御機構は、必要に応じて周囲環境に過剰な圧力を放出する放風弁を含むことのできるポンプと弁とによって実現できる。
【０１０２】
前記冷側熱交換器１１４Ａ’と、反応チャンバー１１６Ａ’と、温側熱交換器１１８Ａ’と、反応チャンバー１２０Ａ’とによって実現された前記熱機関は、図１１Ａ、１１Ｂ、および図３に関して上述した熱機関と同様の方法で動作する。前記冷側熱交換器１１４Ｂ’と、反応チャンバー１１６Ｂ’と、温側熱交換器１１８Ｂ’と、反応チャンバー１２０Ｂ’とによって実現された前記熱機関はまた、図１１Ａ、１１Ｂ、および図３に関して上述した熱機関と同様の方法で動作する。継続的に、前記冷熱源１２４’が前記冷側熱交換器１１６Ａ’および１１６Ｂ’に冷たい流体を連続的に供給し、前記温熱源１２６’が前記温側熱交換器１１８Ａ’および１１８Ｂ’に熱い流体を連続的に供給する。前記冷熱源１２４’と前記温熱源１２６’との間の温度差を利用して作用が行われる。より具体的には、および図３を参照して詳細に上述したように、この温度差を使用して前記反応チャンバー１１６Ａ’、１１８Ａ’内の前記水素作動流体、前記金属水素化物、および前記相変化材料（存在する場合）の温度および圧力を循環させてその中に温度変化を誘起する。前記反応チャンバー１１６Ａ’の温度変化が前記サーマルスタック１３４Ａ’の熱音響振動を誘起する。前記冷熱源１２４’と前記温熱源１２６’との間の温度差もまた、前記反応チャンバー１１６Ｂ’、１１８Ｂ’内の前記水素作動流体、前記金属水素化物、および前記相変化材料（存在する場合）の温度および圧力を循環させてその中に温度変化を誘起する。前記反応チャンバー１１６Ｂ’の温度変化が、前記サーマルスタック１３４Ｂ’の熱音響振動を誘起する。前記サーマルスタック１３４Ａ’、１３４Ｂ’が協働して前記共振空洞１４０’の中に圧力定在波を形成する。前記圧力定在波は、前記熱機関の動作周波数またはそれに近い周波数を有するであろう。前記圧力定在波は、前記圧電変換器１４４’に循環的な機械的応力を誘起する。前記電極１４６Ａ’、１４６Ｂ’は、前記共振空洞１４０’内で発生した前記圧力定在波によってその中に誘起された前記循環的な機械的応力の結果として前記圧電変換器１４４’によって発生した一連の高電圧低電流の電気パルス（Ｖ＋、Ｖ−）を出力する。
【０１０３】
有利なことに、本発明のエネルギー変換システムおよびその方法は、前記熱音響素子による大きな、および／または高周波の圧力波の発生を誘起する大きな、および／または高周波の温度変化を受けるようにすることが容易である。このような大きな／高周波の圧力波は、前記圧電変換器の大きな／高周波の応力およびそれに対応する大きな／高周波の変形を生成する。このような変形は、前記電力変換器によって変換された高電圧低電流パルスを生じさせ、住宅用または商業用給電用途のような広範囲の給電用途に好適な電力を発生させる。さらには、本発明の前記エネルギー変換システムおよびその方法は、前記システムを駆動するための、環境に優しく安価な地熱および周囲温熱源および冷熱源を利用するようにすることが容易である。
【０１０４】
本明細書内に、圧電材料と共に熱機関を使用して電気を発生させるシステムおよび方法の幾つかの実施形態を説明し図示してきた。前記電気エネルギーは前記圧電材料から採取され、使用可能な形態に変換される。本発明の特定の実施形態を述べてきたが、本発明をこれに制限する意図ではなく、本発明は当該技術が許容する限り広い範囲に亘ることが意図され、本明細書も同様に解釈されることが意図される。従って、特定のシステム構成を述べてきたが、その他のシステム構成もまた使用できることが理解されるであろう。例えば、温側熱交換器および冷側熱交換器を前記サーマルスタックの対向する面に隣接して配置して、前記サーマルスタックの熱音響振動を誘起することができる。別の例において、複数のサーマルスタックおよびそれに関連づけられた熱交換素子を直列に配置して圧力進行波を発生させることができる。１若しくはそれ以上の圧電変換素子を前記圧力進行波の進行路に沿って配置してそこからの電気信号を発生させることができる。図１３に示すようなさらに別の構成において、本明細書内で述べたような化学熱機関および熱音響スタックをチューブ内チューブ構成に配置できると考えられる。この構成において、１若しくはそれ以上の反応チャンバー、熱交換器、サーマルスタック／圧電変換器と同様に内側チューブ１８１が前記温（冷）熱源を運ぶ。前記外側チューブ１８３は、１若しくはそれ以上の反応チャンバー、熱交換器、サーマルスタック／圧電変換器と同様に前記冷（温）熱源を運ぶ。前記内側チューブ１８１の反応チャンバーは、前記外側チューブ１８３の反応チャンバーに流体的に連結している。前記流体的に連結した反応チャンバーによって実現された前記化学熱機関によって発生した前記温度サイクルが、それぞれの前記チューブのサーマルスタック内に熱音響振動を誘起し、それが次に前記それぞれのチューブの圧電変換器の変形およびそこからの給電信号の発生を誘起する。また、特定の温熱源および冷熱源について述べてきたが、前記熱機関はその他の温熱源および冷熱源によって駆動できると考えられる。例えば、冷熱源および温熱源として海水および周囲空気を使用でき、季節によってはその逆もまた然りである。さらに、前記熱機関および圧電変換素子について特定の材料および設計を開示しているが、その他の構成もまた使用できることが理解されるであろう。例えば、前記圧電変換器およびサーマルスタックは、例えば圧電材料をセラミックの熱音響構造に統合することにより、一体部品とすることができると考えられる。前記サーマルスタックによって発生した音響エネルギーもまた、前記システムの圧電変換素子に影響する前に変換し、あるいは変更することができると考えられる。例えば、前記システムの圧電変換素子に影響を与える前に、このような音響エネルギーの振幅を減少させる一方、このような音響エネルギーの周波数を増加させることができる。
【０１０５】
さらに、特定の種類の静電気モーターおよび電気機械バッテリを開示したが、その他の種類を使用できることが理解されるであろう。例えば、前記電気機械バッテリの永久磁石配列をその固定子の一部とすることができ、それに電磁的に連結した巻線をその回転子の一部とすることができる。別の例において、前記静電気モーターの固定子アセンブリを前記静電気モーターの外側に配置することができる。また、最良の電子回路およびその構成要素について述べたが、その他の電子回路およびその構成要素もまた同様に使用できることが理解されるであろう。さらに、前記熱交換器および圧電変換素子について特定の材料および設計を開示したが、その他の構成もまた使用できることが理解されるであろう。
【０１０６】
従って、当業者には、その趣旨および請求の範囲から逸脱することなく、提供された本発明にさらに他の変更を施すことが可能であることが理解されるであろう。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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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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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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