(57)【要約】  熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのデバイスであって、磁性材料で作られた部分（３）を少なくとも含む磁気回路（１）と；磁性材料で作られた前記部分の中の温度を、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に交互に変化させて、それにより、前記磁気回路のレラクタンスを変化させるための、温度変化手段（５）と；前記磁気回路の回りに配置されたコイル（７）と；を有し、このコイルの中で、電気エネルギーが、前記磁気回路の中の変化する磁束に応答して誘起される。このデバイスは、コイルに対して並列に接続され、それにより共鳴回路（１１）を形成するキャパシタ（９）を有していて、ここで、この共鳴回路の共鳴周波数、及び磁性材料の相転移温度の上側及び下側への温度変化の周波数が、互いに依存して、電力出力を最適化する。【選択図】図１
2010523073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのデバイスであって：
−  磁性材料で作られた部分（３）を少なくとも含む磁気回路（１）と；
−  磁性材料で作られた前記部分の中の温度を、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に、交互に変化させて、それにより、前記磁気回路のレラクタンスを変化させるための温度変化手段（５）と；
−前記磁気回路の回りに配置されたコイル（７）と；を有し、
このコイルの中で、電気エネルギーが、前記磁気回路の中で変化する磁束に応答して誘起される、デバイスにおいて、
前記デバイスは、
−前記コイルに対して並列に接続され、それにより、共鳴回路（１１）を形成するキャパシタ（９）を有していて、ここで、
−  相転移温度の上側及び下側への前記温度変化の周波数、及び、前記共鳴回路の共鳴周波数が、前記共鳴回路への共鳴エネルギーの伝達を最適化することを特徴とする、デバイス。
【請求項２】
下記特徴を有する請求項１に記載のデバイス：
前記共鳴回路の共鳴周波数と磁性材料のキューリー温度の上側及び下側への前記温度変化の周波数の比率は、約ｎ／２であり；
ここで、ｎは正の整数である。
【請求項３】
下記特徴を有する請求項１または２に記載のデバイス：
前記キャパシタは、前記コイルの中に誘起された電気エネルギーを交互に貯えて、前記コイルに電流を供給し、それによって、前記磁気回路の中に磁束を発生させるために設けられている。
【請求項４】
下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載のデバイス：
前記キャパシタに接続されたコントロール可能な負荷（１３）と；
この負荷をコントロールするためのコントロール・デバイス（１５）と；を有している。
【請求項５】
下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載のデバイス：
ＡＣ／ＡＣ周波数コンバータ（３５）が、前記キャパシタに接続されている。
【請求項６】
下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載のデバイス：
前記キャパシタに接続された電力電子式コンバータ（３５）を有している。
【請求項７】
下記特徴を有する請求項６に記載のデバイス：
前記コンバータは、電圧源コンバータおよび／または電流源コンバータを有している。
【請求項８】
下記特徴を有する請求項１から３の何れか１項に記載のデバイス：
前記キャパシタに接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ（３５）を有している。
【請求項９】
下記特徴を有する請求項１から８の何れか１項に記載のデバイス：
前記温度変化手段は、高温流体及び低温流体を、磁気回路の磁性材料で作られた前記部分を、またはその中の孔を通って、一方向に、交互に通過させ、それにより、磁性材料で作られた前記部分の中の温度を、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に、交互に変化させるために設けられている。
【請求項１０】
請求項１から９の何れか１項に記載の、熱エネルギーを電気エネルギーを変換するための複数のデバイスを有する多相発電機。
【請求項１１】
下記特徴を有する請求項１０に記載の多相発電機：
前記複数は三つであり、
熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための前記デバイスは、三相ＡＣ電力を供給するために設けられている。
【請求項１２】
下記特徴を有する請求項１０または１１に記載の多相発電機：
前記温度変化手段は、開放流体経路を有していて、この開放流体経路は、熱と寒冷を、磁気回路のそれぞれの磁性材料で作られた前記部分に、交互に供給するために設けられている。
【請求項１３】
下記特徴を有する請求項１０または１１に記載の多相発電機：
前記温度変化手段は、閉鎖流体ループ（２６，２８〜３３）を有し、この閉鎖流体ループは、熱と寒冷を、磁気回路のそれぞれの磁性材料で作られた前記部分に、交互に供給するために設けられている。
【請求項１４】
下記特徴を有する請求項１２または１３に記載の多相発電機：
第一のバルブ装置（３０）を有し、
この第一のバルブ装置は、好ましくは、回転式バルブを含んでいて、
この第一のバルブ装置は、磁気回路のそれぞれについて、それぞれの第三のパイプ（３１，３２，３３）の中への、第一のパイプ（２５）からの高温流体と第二のパイプ（２７）からの低温流体を、交互に切り替えて、磁気回路の磁性材料で作られた前記部分を、交互に高温流体及び低温流体に曝すために設けられ、それによって、磁気回路の磁性材料で作られた前記部分が、磁性材料の相転移温度の上に加熱され及びその下に冷却されるように構成されている。
【請求項１５】
下記特徴を有する請求項１４に記載の多相発電機：
第二のバルブ装置（２９）を有し、
この第一のバルブ装置は、好ましくは、回転式バルブを含んでいて、
この第二のバルブ装置は、磁気回路のそれぞれについて、磁気回路の磁性材料で作られたそれぞれの部分に曝された後に、交互に高温流体及び低温流体をそれぞれの第三のパイプ（３１〜３３）の中に受け、その中の高温流体を前記第一のパイプ（２５）の中へと、その中の低温流体を前記第二のパイプ（２７）の中へとの間で切り替えるために設けられている。
【請求項１６】
下記特徴を有する請求項１から９の何れか１項の記載のデバイス、または、請求項１０から１５の何れか１項の記載の多相発電機の、廃熱、燃焼熱、熱貯槽エネルギー、地熱エネルギー、太陽光放射、太陽光熱エネルギー、海洋熱エネルギー、または原子核反応からのエネルギーの内の何れかを使用することによる、電気エネルギーの発生のための使用。
【請求項１７】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法であって：
−  磁性材料で作られた部分（３）を、少なくとも含む磁気回路（１）の中に磁束を供給し；
−  磁性材料で作られた前記部分の中の温度を、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に交互に変化させ、それにより、磁気回路の中に磁束を変化させ；
−  前記磁気回路の回りに配置されたコイル（７）の中に、前記磁気回路の中の変化する磁束に応答して、電気エネルギーを誘起させる；
ステップを有する方法において：
−  前記コイルの中に誘起された電気エネルギーで、キャパシタ（９）を交互にチャージしディスチャージすることにより、前記コイルに電流を供給し、それにより、前記磁気回路の中に磁束を発生させること；及び、
−  キャパシタの交互のチャージ及びディスチャージ、及び、磁性材料で作られた前記部分の中の温度の、磁性材料の相転移温度の上側及び下側への交互の変化が、電力出力を最適化する周波数で、実施されること；
を特徴する方法。
【請求項１８】
下記特徴を有する請求項１７の記載の方法：
前記キャパシタは、交互に、
（ｉ）  正にチャージされ；
（ｉｉ）  ディスチャージされ；
（ｉｉｉ）  前記コイルの中に誘起された電気エネルギーで、負にチャージされ；
（ｉｖ）  ディスチャージされて、第一の選択された周波数で、前記コイルに電流を供給し；
前記温度は、第二の選択された周波数で、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に変えられ、第一の選択された周波数と第二の選択された周波数の比率は約ｎ／２であって、ここで、ｎは正の整数である。
【請求項１９】
下記特徴を有する請求項１７または１８に記載の方法：
前記コイルに接続された負荷（１３）が、前記誘導電流の特性に依存してコントロールされる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのデバイス及び方法に係る。
【背景技術】
【０００２】
最小の運動部分を使用して、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換するための装置が、既に以前から知られている。
【０００３】
１９世紀に、エジソン及びテスラ（Tesla）テスラが、熱エネルギーを電気に変換するための熱磁性（thermomagnetic）材料に基づくデバイスについて記載している。エジソンの熱磁気的な（pyro-magnetic）発電機は、英国特許 No.16709 の中に記載されているように、熱磁性作業材料、作業材料を磁化させるための手段、作業材料に接続された熱と寒冷（cold）の源、及び、作業材料の回りを取り囲む巻線を含んでいて、その中で、作業材料に熱サイクルを与えることにより、交流電流が誘起される。テスラは、米国特許 No. 428,057 の中で、熱交換メカニズムの代替案を示唆することにより、エジソンの発電機の幾つかの改良を開示している。
【０００４】
チロウスキー（Chilowsky）は、米国特許 No. 2,510,806 の中で、熱磁気的なエネルギー変換のためのデバイスを開示している。それによれば、温度変化が、閉鎖流体回路の中の高温流体及び低温流体により実現される。
【０００５】
バーテルス（Bartels）は、独国特許 No. 23 47 377 の中で、エジソンの発電機と同様なデバイスを開示しているが、磁気的な作業媒体としてガドリニウムを示唆している。一つの実施形態において、永久磁石が、熱磁性材料の中に磁束を作り出すために設けられる。また、もう一つの実施形態において、バッテリーが、コイルの中に電流を誘起するために使用され、それにより磁束を作り出すための電磁石が形成される。上述の装置は、確かに、熱エネルギーを直接に電気エネルギーに変換しているが、それらは、効率が高く、コンパクトで、実用のために最適化され、および／または、製造の際のコスト効率が高いとは考えられない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】英国特許第 16709 号明細書
【特許文献２】米国特許第 428,057 号明細書
【特許文献３】米国特許第 2,510,806 号明細書
【特許文献４】独国特許第 23 47 377 号明細書
【発明の概要】
【０００７】
本発明の目的は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのデバイスを提供することにあり、このデバイスは、シンプル化されているにも拘わらず、改善された構造及び運転のやり方を有している。
【０００８】
本発明の更なる目的は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法を提供することにあり、この方法は、より信頼性が高く、且つ、効率良く最適化されることが可能である。
【０００９】
また、本発明の更なる目的は、そのようなデバイス及び方法を提供することにあり、それによって、エネルギー変換デバイスの磁気回路の磁化のアクティブ・コントロールが可能になる。
【００１０】
また、本発明の更なる目的は、そのようなデバイス及び方法を提供することにあり、それによって、有効電気エネルギーが、エネルギー変換デバイスの磁気回路の熱サイクルを使用して、最適な同期で取り出されることが可能である。
【００１１】
また、更なる目的は、そのようなデバイス及び方法を提供することにあり、それらは、コントロール可能であり、フレキシブルであり、且つコストが合理的である。
【００１２】
これらの目的は、とりわけ、本発明により、添付された特許請求の範囲の中で規定されたデバイス及び方法により実現される。
【００１３】
本発明の一つのアスペクトによれば、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのデバイスが設けられ、このデバイスは、磁性材料で作られた部分を少なくとも含む磁気回路と；磁性材料で作られた前記部分の中の温度を、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に、交互に変化させ、それにより前記磁気回路のレラクタンスを変化させるための温度変化デバイスと；前記磁気回路の回りに配置されたコイルまたは巻線と；を有していて、ここで、磁気回路の中の変化する磁束に応答して、電気エネルギーが交互に誘起される。
【００１４】
そのような相転移温度の例は、キューリー点（またはキューリー温度）、及びネール（Neel）温度である。強磁性材料のキューリー点は、それ以上の温度で、強磁性材料がその特徴的な強磁性的な性質を失う温度である。ネール温度は、反磁性材料（antiferromagnetic）がパラ磁性的（paramagnetic）になる温度であって、即ち、熱エネルギーが、材料の中の微視的な磁気的な秩序を破壊する程に十分に大きくなる温度である。ネール温度は、強磁性材料に対するキューリー温度に類似している。
【００１５】
このデバイスは、コイルに対して並列に接続されたキャパシタを有していて、それにより電気共鳴回路を形成する。ここで、電気的な共鳴回路の共鳴周波数、及び相転移温度の上側及び下側への温度変化の周波数が、電気的な共鳴回路への共鳴エネルギーの伝達を最適化する。
【００１６】
好ましくは、共鳴回路の共鳴周波数と、磁性材料の相転移温度の上側及び下側への温度変化の周波数の比率は、約１／２またはｎ／２であって、ここで、ｎは正の整数である。
【００１７】
これによって、各サイクルからの電気エネルギーがキャパシタの中に貯えられ、以下のサイクルの中で磁気回路を磁化させるために使用される。
【００１８】
そのようなデバイスは、コンパクトであって、運動部分または回転機械的な部分を必要とせず、ＡＣ発電機のような、更なる機械的なエネルギーを電気エネルギーに変換する装置を必要とせず、永久磁石を必要とせず、また、更なるＤＣコイルも必要としない。
【００１９】
一つの実施形態において、各サイクルの間の出力電力を調整するために、コントロール可能な負荷がキャパシタの上に接続され、それにより、デバイスのオペレーションをコントロールする。そのようなやり方において、デバイスが、効率良く最適化されることが可能である。
【００２０】
本発明の更なる実施形態において、温度変化デバイスは、閉鎖流体ループの中で、または場合によれば開放流体ループ中で、流体を一方向に循環させることにより、準連続的なやり方で熱サイクルを引き起こす。
【００２１】
本発明の他のアスペクトによれば、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法が提供される。この方法によれば、磁束が、磁性材料で作られた部分を少なくとも含む磁気回路の中に形成される。磁性材料で作られた前記部分の中の温度が、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に交互に変えられ、それによって、前記磁気回路の中の磁束を変化させる。電気エネルギーが、前記磁気回路の中の変化する磁束に応答して、前記磁気回路の回りに配置された巻線またはコイルの中に誘起される。キャパシタは、コイルの中に誘起された電気エネルギーで、交互にチャージ及びディスチャージが行われて、コイルに電流をもたらし、それにより、前記磁気回路の中に磁束を発生させる。
【００２２】
キャパシタが、選択された周波数で、交互にチャージされ（交互に正に及び負にチャージされ）またディスチャージされ、磁性材料で作られた前記部分の中の温度が、選択された周波数で、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に交互に変えられる。ここで、上記周波数の相互の関係は、好ましくは、下記の式にほぼ従う：
ω０＝ｎ・Ω０／２
ここで、ω０は、コイル及びキャパシタにより形成される共鳴回路の共鳴周波数であり；Ω０は、磁性材料で作られた前記部分の中での温度変化の周波数である。  
上記の周波数は、強制振動の中でのパラメトリック共鳴の現象を記述するマチュー（Mathieu）の式から導かれる。
【００２３】
本発明は、例えば、廃熱、燃焼熱、熱貯槽エネルギー、地熱エネルギー、太陽光放射、太陽光熱エネルギー、海洋熱エネルギー、または原子核反応からのエネルギーを使用することにより、様々な種類の電力発生のために適切である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、本発明の実施形態に基づく、熱磁気的な発電機デバイスを概略的に示す。
【００２５】
【図２】図２は、本発明の更なる実施形態に基づく、熱磁気的な発電機デバイスを概略的に示す。
【００２６】
【図３】図３は、図２の熱磁気的な発電機デバイスで使用可能な回転式バルブの例を、上面図で概略的に示す。
【００２７】
【図４】図４は、図２の熱磁気的な発電機デバイス使用可能な回転式バルブの他の例を、斜視図で概略的に示す。
【００２８】
【図５】図５は、本発明の熱磁気的な発電機デバイスで使用可能な温度変化デバイスを、側面図で概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の更なる特徴及びその利点は、以下に示される本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明、及び添付された図１〜５から明らかになるであろう。なお、これらの図は、例示の目的のみで示されたものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【００３０】
本発明の実施形態に基づく、熱の電気エネルギーへの直接変換のための、熱磁気的な（thermomagnetic）または磁気熱的な（magnetothermal）発電機デバイスは、図１に示されているように、磁気的なリングまたは回路１、温度変化デバイス５、及び磁気回路１の回りに配置されたコイルまたは巻線７を有している。
【００３１】
磁気回路は、実質的に、鉄または他の磁性材料２で作られていても良いが、磁性材料で作られた部分３を、少なくとも含んでいて、この磁性材料は、例えば、０〜１００℃の範囲内の、適切な相転移温度を有している。それに代って、磁気回路の本質的部分または全回路が、適切な相転移温度を備えた磁性材料で作られていても良い。
【００３２】
温度変化デバイス５は、適切な相転移温度を備えた磁性材料で作られた部分の中の温度を、磁性材料の磁気的な相転移温度の上側及び下側に、好ましくは約１Ｈｚまたはそれ以上の周波数で、交互に変化させるために設けられている。現在の情報の中で使用されることが可能である温度変化デバイスについては、後に、この明細書の中で説明される。磁気的な相転移温度の例は、キューリー温度及びネール温度である。
【００３３】
相転移温度の上側及び下側への、温度の急速な変化は、磁性材料の透磁率のドラスチックな変化を引き起こし、それにより、磁気回路１の磁気的な抵抗またはレラクタンスの、急速な変化を引き起こす。より具体的には、一定の磁気的な場が形成されたとき、磁化が急速に変化する。
【００３４】
磁束が磁気回路１の中に形成されている場合、レラクタンスの急速な変化が磁束を変化させ、それにより、磁気回路１の中に急速に変化する磁束が得られる。その結果として、起磁性の（magnetomotive）力及び交流がコイル７の中で得られる。
【００３５】
磁束は、永久磁石により、あるいは図１に示されているように、電磁石により、形成されることが可能である。
【００３６】
電磁石のための電流は、新規なやり方で、コイルの中に誘起された電流から、好ましくは、取り出される。この目的のために、キャパシタ９が、コイル７に対して並列に接続され、それによって、共鳴電気回路１１が形成される。ここで、磁性材料の相転移温度の上側及び下側への、温度変化の周波数は、共鳴電気回路１１への共鳴エネルギーの伝達を最適化するために調整される。
【００３７】
好ましくは、共鳴電気回路１１の共鳴周波数と、磁性材料の相転移温度の上側及び下側への温度変化の周波数の比率は、約１／２またはｎ／２であり、ここで、ｎは正の整数である。
【００３８】
これによって、単一のコイルが、熱の電気エネルギーへの変換のために、且つ磁気回路１の中に磁束を形成するために、使用されることになる。そのような、方向が交互に代わる場は、よりコスト効率が高い装置をもたらす。
【００３９】
電流／チャージの、第一の熱サイクルの半分の中で誘起された部分、例えば主要部分は、キャパシタ９により貯えられ、そして、第一の熱サイクルの以下の半分の中で使用されて、磁気回路１の中に磁束を発生させる。この第一の熱サイクルは、電気サイクルの半分に対応する。この手順が、第二の熱サイクルで、電流及び電圧の位相が１８０度シフトされて、繰り返される。
【００４０】
共鳴周波数、及び、コイル７及びキャパシタ９により形成される電気的な回路のリアクタンスをコントロールすることを可能にするために、完全にコントロール可能な負荷または電力電子式（power electronic）回路デバイス１３が、キャパシタ９の上に接続される。好ましくは、負荷は、誘導性コンポーネント／容量性コンポーネント、及び抵抗性コンポーネントを有していて、そのそれぞれは、別個に且つ独立してコントロール可能である。好ましくは、負荷は、有効電力を調整するために使用されることが可能である。適切なコントロール・デバイス１５が、負荷１３をコントロールするために設けられる。
【００４１】
熱センサ１６、電流変換器１７、及び電圧変換器１８などのような、様々な測定デバイスが、コントロール・デバイス１５に適切な測定データを提供するために、設けられても良い。熱センサ１６が、適切な相転移温度を有する磁性材料でまたはその中で、または、温度変化デバイス５でまたはその中で、瞬時に測定された温度データを、コントロール・デバイス１５に供給しても良い。変換器１７，１８が、共鳴電気回路１１の中で、瞬時に測定されたコントロール・デバイス１５に電圧及び電流データを、供給しても良い。
【００４２】
これによって、負荷のインピーダンスの強度及び位相が、動的にコントロールされることが可能になる。インピーダンスの変化の周波数及び期間がコントロール可能であり、同様に、共鳴回路１１の共鳴の周波数及び期間がコントロール可能である。
【００４３】
更なる、コントロール・デバイス１５が、相転移温度の上側及び下側への、温度の急速な変化の強度及び周波数をコントロールするように構成されても良い。
【００４４】
更にまた、コントロール・デバイス１５が、発電機デバイスのオペレーションを開始させるために、即ち、例えば電流パルスを磁気回路１に供給することにより、共鳴振動を開始させるために、設けられても良い。
【００４５】
上述の発電機デバイスは、運動部分が本質的に無く、また、機械的なエネルギーへのまたは機械的なエネルギーからの変換が無いので、コンパクトにすることができる。オペレーションが、容易にコントロールされ、そして、サイクルの間に出力電力を調整することにより、効率が最適化されても良い。
【００４６】
なお留意すべきことは、図１の複数の発電機デバイスが、一緒に接続されて、多相発電機デバイスを形成することが可能であることである。例えば、図１の三つの発電機デバイスが一緒に接続され、そして、互いにに対して１２０°位相がシフトされて、三相発電機デバイスを形成しても良い。
【００４７】
図２を参照しながら、本発明の更なる実施形態に基づく多相の熱磁気的な発電機デバイスを、簡単に説明する。
【００４８】
この実施形態では、同様な部分及び細部を示すために、先の実施形態と同一の参照符号が使用されている。
【００４９】
概略的にのみ示された三つの磁気回路１が設けられ、そのそれぞれは、図１を参照しながら説明された種類のものであって、そのそれぞれは、それぞれのＬＣ回路１１に有効に接続され、このＬＣ回路は、並列に接続された巻線またはコイル７及びキャパシタ９を含んでいる。ＬＣ回路１１のそれぞれの共鳴周波数は、先と同様に、温度変化デバイス５により作り出される温度変化の周波数と本質的に同様である。
【００５０】
温度変化デバイス５は、外側部分を有していて、この外側部分は、その中で高温流体が供給ポンプ２２により循環される第一の外部パイプ装置２１、及び、その中で低温流体供給ポンプ２４により循環される第二の外部パイプ装置２３を含んでいる。外側部分の高温流体及び低温流体は、完全に互いから切り離され、並びに、磁気回路１の材料からも切り離されている。
【００５１】
第一の外部パイプ装置２１の中の高温流体は、第一の熱交換器２６を介して、第一の中間パイプ装置２５の中の流体に、熱を伝達し、他方第二の外部パイプ装置２３の中の低温流体は、第二の熱交換器２８を介して、第二の中間パイプ装置２７の中の流体に、寒冷（cold）を伝達する。第一及び第二の中間パイプ装置２５，２７のそれぞれは、第一のバルブ装置２９と第二のバルブ装置３０の間に接続され、第一のバルブ装置２９から第二のバルブ装置３０へ、流体を移送する。第一及び第二のバルブ装置２９，３０は、好ましくは、回転式バルブに基づくものであって、その例が、図３，４の中に開示されている。
【００５２】
なお留意すべきことは、外側部分が、熱交換器２６及び２８の中で熱と寒冷を伝達するための如何なる種類の装置と取り替えられても良いと言うことである。例えば、熱が、償却装置、ホットサンド（hot sand）、太陽光加熱パネル、などを介して、第一の熱交換器２６の中の第一の中間パイプ装置２５の中の流体に伝達されても良い。
【００５３】
最後に、第一のパイプ装置３１、第二のパイプ装置３２、及び第三の内部パイプ装置は、それぞれ、磁気回路１の内のそれぞれの一つを介して、第二のバルブ装置３０と第一のバルブ装置２９の間に接続されている。
【００５４】
単一の流体が、温度変化デバイス５の内側部分の中に流れ込む、この温度変化デバイスは、中間及び内部パイプ装置、及び第一及び第二のバルブ装置を有している。内側部分は、このようにして、閉鎖流体ループをもたらす。
【００５５】
第二のバルブ装置３０は、第一の中間パイプ装置２５からの高温流体と第二の中間パイプ装置２７からの低温流体を、第一、第二及び第三の内部パイプ装置３１，３２，３３の内のそれぞれ一つの中に、好ましくはそれらの間で１２０°位相をシフトさせて、交互に切り替えるために設けられている。このようにして、第二のバルブ装置３０は、高温流体及び低温流体をチョップして（“chops”）、高温流体パルス及び低温流体パルスが交互に並んだ列を形成し、それらの列が、内部パイプ装置のそれぞれの中に供給される。高温流体パルス及び低温流体パルスが、磁気回路１の磁性材料の脇またはその中の孔を通るとき、磁性材料が、交互に、相転移温度の上に加熱され、そして、相転移温度の下に冷却されることになる。これについては、図１の実施形態に関係して、先に説明したものと同様である。
【００５６】
“高温流体”及び“低温流体”と言う用語は、この明細書の中で使用されるとき、“磁気回路の部分３の磁性材料の相転移温度よりも高い温度を有する流体”、及び、“磁気回路の部分３の磁性材料の相転移温度よりも低い温度を有する流体”を、それぞれ指すことが意図されている。
【００５７】
磁性材料が、好ましくは互いに並列に配置された、平行なシートまたはプレート、粒状、小さな球、ワイヤ、繊維などの形態で、設けられることが可能であり、それらは、流体が、層流または乱流の状態で、広い接触表面で磁性材料との間で熱を交換することを可能にするものである。
【００５８】
磁性材料を通過した後、高温流体パルス及び低温流体パルスの間の温度の相違は、より小さく且つよりスムーズになる。高温流体パルス及び低温流体パルスの列は、次いで、それぞれの内部パイプ装置３１，３２，３３の中で、第一のバルブ装置２９に戻される。この第一のバルブ装置は、高温流体パルス及び低温流体パルスの列と同期が取られている。
【００５９】
第一のバルブ装置２９は、このようにして、高温側の流体パルスを、第一、第二及び第三の内部パイプ装置３１，３２，３３から第一の中間パイプ装置２５の中に、及び、低温側の流体パルスを、第一、第二及び第三の内部パイプ装置３１，３２，３３から第二の中間パイプ装置２７の中に、交互に切り替えるために設けられている。これによって、高温側及び低温側の流体パルスが、それぞれの中間パイプ装置に戻され、そこから、再度送り出される。第一の中間パイプ装置２５の中の流体は、その後、第一の熱交換器２６に戻されて再び加熱され、一方、第二の中間パイプ装置２７の中の流体は、第二の熱交換器２８に戻されて再び冷却される。
【００６０】
内側部分の中の流体は、供給ポンプ３４，３５により、一方向に送り出される。
【００６１】
図２の回転式バルブ２９，３０は、好ましくは、単一のシャフトの上に取り付けられ、それらの間に適切な位相シフトを有して、同時に／同期されて回転される。
【００６２】
代替的な実施形態において、第一のバルブ装置２９は、特に、高温側と低温側の流体パルスの間の温度差が小さい場合において、第一、第二及び第三の内部パイプ装置からの高温側及び低温側の流体パルスが、第二及び第一の中間パイプ装置の中へ切り替えて戻されなくても良い。このようにして、第一のバルブ装置２９が、省略されても良く、それに代わって、他の種類の受動的な分配または混合装置が、流体を第二の及び第一の中間パイプ装置に戻すために、使用されても良い。もし、開放回路が使用される場合には、流体が戻される必要はない。
【００６３】
本発明で使用される回転式バルブ４０の例が、図３の中に開示されている。中空円筒または円筒形のケーシング４１は、非対象に配置された回転可能なシャフト４２を収容していて、このシャフトに、二つのブレードまたはウイング４３が固定状態で取り付けられている。二つのブレード４３は、好ましくは熱的に隔離され、円筒形のケーシング４１に密に装着されて設けられ、回転式バルブの、二つの本質的に分離され且つ同一形状のコンパートメントまたはチャンバ４４ａ〜ｂを規定する。シャフト４２及びブレード４３は、ベアリングにより、好ましくは、円筒形のケーシング４１の中に取り付けられ、そして、例えば電動モータのような手段が、駆動トルクをシャフト４２に与えるために設けられる。代替形態として、駆動トルクが、シャフト４２に取り付けられた内部プロペラなどを介して、および／または、流れの中の自動推進を介して、与えられる。
【００６４】
チャンバの第一のチャンバ４４ａは、第一の中間パイプ装置２５に接続されて、そこから高温流体を受けるように構成され、他方、チャンバの第二のチャンバ４４ｂは、第二の中間パイプ装置２７に接続されて、そこから低温流体を受けるように構成されている。この目的のために、それぞれの半円形のカバープレート（明示的に示されていない）が、回転式バルブのそれぞれの軸方向の端部で、シャフト４２及びブレード４３に対して固定された状態で、設けられている。ここで、これらのカバープレートは、動作の間、シャフト４２及びブレード４３と共に回転する。
【００６５】
これらのカバープレートの内の第一のカバープレートは、第二のチャンバ４４ｂを覆い、且つ、第一の中間パイプ装置２５に接続された軸方向の端部で、高温流体が第二のチャンバ４４ｂの中に入ることを防止する。他方、カバープレートの内の第二のカバープレートは、第一のチャンバ４４ａを覆い、且つ、第二の中間パイプ装置２７に接続され軸方向の端部で、低温流体が第一のチャンバ４４ａの中に入ることを防止する。
【００６６】
ここに示された例において、六つの出口４５ａ〜ｆが、ケーシング４１の中で、好ましくは互いの間に等しい距離を有して、周方向に配置されている。動作の間、シャフト４２及びブレード４３は、ケーシング４１及び出口４５ａ〜ｆに対して、それそれ、チャンバ４４ａ〜ｂの中に定常的に流れ込む高温流体及び低温流体の軸方向の流れで、絶え間なく回転される。それらはまた、ケーシング４１及び出口４５ａ〜ｆに対して回転され、それにより、出口４５ａ〜ｆのそれぞれが、交互に高温流体パルス及び低温流体パルスを出力する状態を生じさせる。回転速度は、高温流体パルス及び低温流体パルスの波長及び周波数をコントロールし、他方、出口の角度的な分離は、位相をコントロールする。
【００６７】
図３において、ブレード４３は、チャンバ４４ａから出口４４ａ〜ｃを通って、高温流体を出力するように、方向付けられている。このチャンバ４４ａは、高温流体を受け取る。これに対して、低温流体は、チャンバ４４ｂから出口４４ｄ〜ｆを通って出力され、このチャンバ４４ｂは、低温流体を受け取る。ブレードが時計回り方向に回転されると、出口４５ａは、高温流体を出力する状態から、低温流体を出力する状態に切り換えられ、これに対して、出口４５ｄは、低温流体を出力する状態から、高温流体を出力する状態に切り換えられる。
【００６８】
回転式バルブは、一般的に、少なくとも二つの出口を有していて、圧力勾配及び変化を最小にするために、好ましくは、更に多くのの出口を有している。図２に示された特定の実施形態に対して、高温流体及び低温流体を交互に出力するための回転式バルブは、三つの出口を有している。
【００６９】
更にまた、回転式バルブは、四枚以上のブレードを有していても良く、その結果として、四個以上のチャンバが、高温流体及び低温流体に交互に接続されることになる。これによって、温度変化の周波数が、増大されることが可能である。
【００７０】
なお、上記の回転式バルブは、異なるチャンバの中に高温流体及び低温流体を受け、そして、回転式バルブの周囲の複数の出口のそれぞれの中に、高温流体及び低温流体を交互に出力するものとして記載されているが、このバルブは、図２の回転式バルブ２９などのような回転式バルブ、即ち、回転式バルブの周囲の複数の入口のそれぞれの中に、高温流体及び低温流体を交互に受け取り、そして、異なるチャンバを介して、軸方向に高温流体及び低温流体を出力する回転式バルブであっても良い。
【００７１】
図２の実施形態に合わせるために、回転式バルブのそれぞれは、好ましくは、その周囲に三つの入口／出口を有していなければならない。
【００７２】
本発明で使用される回転式バルブ４０’の代替的な例が、図４の中に開示されている。この例は、ブレード４３が楕円形のディスク４３’で置き換えられ、このディスクが、傾斜した姿勢でシャフト４２に固定状態で取り付けられている点で、図３の回転式バルブとは異なっている。この楕円形のディスク４３’は、円筒形のケーシング４１に密に装着されて配置されて、第一及び第二のチャンバ４４ａ〜ｂを規定している。この楕円形のディスク４３’は、軸方向の位置に、且つ傾斜角度を有して、配置され、それによって、シャフト４２及び楕円形のディスク４３’が円筒形のケーシング４１に対して回転されたとき、円筒形のケーシング４１の周囲の出口／入口４５ａ〜ｆのそれぞれが、交互に、第一及び第二のチャンバ４４ａ−ｂと流路がつながる状態となるようになっている。
【００７３】
回転式バルブ４０’の軸方向の端部のそれぞれは、図３の回転式バルブ４０の軸方向の端部と同様に、第一及び第二の中間パイプ装置２５，２７のそれぞれの装置に接続されても良い。
【００７４】
楕円形のプレートは、円筒形のケーシングの内径と比べて僅かに小さい直径を有する、予め孔が加工された中実円筒から切り出すことにより、製造されても良い。
【００７５】
多数の出口は、出口を通り抜ける楕円形のディスク４３’に関係する圧力変化の可能性を、最小限に抑える。そのようなイベントのピークの間に、ディスク４３’が、選択された実際のデザインに依存して、全出口領域を覆っても良く（多少の不安定さは出口流れの中で許容されている）、あるいは、出口領域の一部のみを覆っても（多少の混合は出口流れの中で許容されている）良い。流体圧力が二つのチャンバの中で等しい場合には、対象性のために、ディスク４３’及びシャフト４２に作用する力が、小さくなると予想される。また、同じ理由のために、ディスク４３’と円筒形のケーシング４１の壁の間の小さな分離が許容されても良く、それは、無視し得る程度の量の流体が混合されるだけで、固体対固体の接触力を、減少させまたは取り除く。
【００７６】
ディスク４３’は、適切に形が変えられても良く、例えば、張り出し、曲げ、および／または、ねじりにより形が変えられても良く、それにより、流れの中でシャフト／ディスクの組み合わせの自己推進のために、楕円形以外の形状が要求される。
【００７７】
回転式バルブは、先に図３及び４を参照しながら説明されたように、工業的スケールの量の、異なる特性を備えた流体を、共通の出口に（または、１秒未満の最小の混合で幾つかの共通の出口に）、送ることが可能である。回転式バルブは、切り換えによって最小の擾乱しか伴わない定常的な流体の流れを可能にし、最小限の切り替え電力の要求、及び数百万回サイクルの切り替えを行う能力を備えた長い寿命を可能にする。従来のバルブ及びピストン・ポンプは、遅過ぎて、破損が生じ易く（流れの停止、圧力波）、電力消費が大きく、および／または、比較的僅かなサイクルの後に磨耗し易かった。
【００７８】
回転式バルブは、このようにして、高温流体パルス及び低温流体パルスの列を作り出す用途のために、使用されることが可能であるばかりではなく、共通の出口の中に、異なる特性を備えた流体を交互に送ることを含む、多様な工業的なプロセスに適用することが可能であり、その場合、連続的に数年間、秒当り数サイクルの速度で、最小限の混合量で、流体を分離された状態で維持することが可能である。流体は、例えば、密度、粘土などに関して、好ましくは、ほぼ同様の流体の性質を有している。流体は、水とエタノールのような、異なる物質からなっていても良く、あるいは、高温水と低温水のような、異なる物性状態にある同一物質であっても良い。
【００７９】
図２を参照しながら以上で説明されたような温度変化デバイス５によって、準連続的なまたは連続的な状態の熱サイクルが可能になる。一方向性の閉鎖ループの中で流体を循環させることにより、従来の、流体の流れを入り切りするバルブを使用する、破損が生じ易く且つエネルギー効率の悪いサイクルが、完全に回避される。それにも関わらず、回転式バルブは、上述のオペレーションを得るために開放されまたは閉鎖される通常のバルブの装置により置き換えられても良い。
【００８０】
上述のスムーズな連続的な熱サイクルは、二相の発電機デバイスにおいて、また更には単相の発電機デバイスにおいて、等しく実行されても良い。後者の場合において、まだ二つの回転式バルブが要求され、そのそれぞれは、バルブ・ケーシングの周方向に配置された二つの入口／出口を有している。出口から交互に出力される、高温流体及び低温流体の流れの内の一つは、戻りの回転式バルブの位相に直接に接続されるか、あるいは、適切に遅延され、次いで交互に出力される高温流体及び低温流体の流れの内の他の一つと一緒にされ、それにより、二重の流速を備えた、交互に現れる高温流体及び低温流体の単一の流れが得られる。交互に現れる高温流体及び低温流体の流れの、それぞれの流れの間の圧力差が、好ましくは、更なる循環ポンプによってバランスが取られても良い。
【００８１】
内側の閉鎖ループで使用される流体は、水または他の流体であって良く、オプションとして、添加物が加えられたものであっても良い。磁性材料に対する腐食を減らす添加物が、加えられても良い。他の添加物、例えば、磁性材料の相転移温度に調整された相転移を有し、それにより流体の熱容量を増大するサーマル・ソルト（thermal salts）などが、付加的にまたはその代わりに、加えられても良い。
【００８２】
好ましくは、磁性材料は、ガドリニウム、またはガドリニウムを含む合金である。それに代わる適切な相転移温度を備えた磁性材料は、ビスマス、亜鉛、アンチモン、テルリウム、セレニウム、鉛、シリコン、ゲルマニウム、錫、マグネシウム、マンガン、砒素、ニッケル、ランタン、ガリウム、燐、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、イッテルビウム、鉄、または、それらの合金または合成物の内の何れかである。なお、上記の元素の全てが、磁気的なものではないが、そのような物質の中で、磁性材料とともに使用されて、その磁気的な相転移特性に変化を与えることが可能である。上記の元素の内の幾つかは、酸化物として、あるいは、他の種類の化学的合成物の形で、本発明の磁性材料の中に存在しても良い。
【００８３】
図２の多相発電機デバイスは、更に好ましくは、出力で、三つの発電機ユニットまたは位相のキャパシタ９に接続された電力変換デバイスを有している。コイル７及び電力変換デバイスは、熱変化のサイクルに適合するようにコントロールされ、それにより、最適なエネルギーが回路から取り出されることを可能にする。電力変換デバイスは、ＡＣ／ＤＣまたはＡＣ／ＡＣ周波数コンバータ、または、電流または電圧源コンバータ３６を含む電力電子式コンバータを有していても良い。そのようなコンバータは、整流器のＤＣ側で整流器及びインバータを取り囲む。
【００８４】
付加的に、またはその代わりに、バッテリーがＤＣ側で接続される。これは、発電機から出力される電力が非常に不安定な場合には、特に好ましい。
【００８５】
変換器３７は、電圧源コンバータ３６の出力に接続されて、多相発電機からの約１ｋＶ，１Ｈｚの出力電圧及び周波数を、通常のグリッド接続のために適切な周波数及び電圧（５０Ｈｚ，１０ｋＶ）に変換する。装置の定格は、典型的には、１ｋＷよりも大きい。
【００８６】
好ましくは、本発明の発電機デバイスは、１００ｋＷから５０ＭＷまでの範囲内の、より好ましくは、１〜５ＭＷの範囲内の、電力発生のために設けられる。数個の発電機デバイスが、モジュールとして一緒に配置されて、約１０〜５０ＭＷの電力を発生させても良い。
【００８７】
プラント・コントロール・システムが、例えば図１を参照しながら説明されたように、発電機デバイスの性能を測定して、電力出力を最適化するために設けられても良い。更なるセンサー・デバイス（図示されていない）が、温度変化流体の流速を測定するために設けられても良い。また、このコントロール・システムは、温度変化流体の流速、並びに、回転式バルブの速度をコントロールするために設けられても良い。
【００８８】
上述の発電機デバイスは、磁性材料の温度変化との間の最適な相関を得るために、電気的な共鳴回路の中の振動のアクティブ・コントロール、を実行することが可能である。有効電力が、サイクルと最適な同期をとることにより出力されることが可能である。
【００８９】
互いから分離された、内側部分と外側部分の準備措置は、必要でない。例えば、高温流体は、例えば、サーマル（ハイドロサーマル）・ボアホールから、直接に抜き出されても良く、そして、二次即ち戻りのボアホールを介して、戻されても良い。
【００９０】
次に図５を参照しながら、本発明の熱磁気的な発電機デバイスの中で使用するための、温度変化デバイスの更なる実施形態について説明する。この実施形態は、流体の機械的なエネルギーを貯える二つの縦の流体カラムの間で、流体を振動させる原理を使用している。
【００９１】
この実施形態は、好ましくは二つのコンテナ５１，５２を有していて、それらは、発電機デバイスの磁気回路の、適切な相転移温度を備えた磁性材料３の上方に配置されている。これら二つのコンテナ５１，５２は、磁性材料３を介して、互いに流路がつながっている。熱の源５３が、コンテナの一方５１の中のまたはそれに隣接する流体を加熱するように構成され、他方寒冷の源５４が、コンテナのもう一方５２の中またはそれに隣接する流体を冷却するように構成されている。
【００９２】
流体が、行ったり来たり振動して、交互に、高温流体及び低温流体が磁性材料３と接触する状態になり、それによって、磁性材料の相転移温度の上側及び下側に、磁性材料を交互に加熱及び冷却する。ポンプ５５または他の供給デバイスが、摩擦のために失われるエネルギーを補うために設けられ、振動する流体の強度を維持する。
【００９３】
本発明の熱磁気的な発電機デバイスの中で使用するための、温度変化デバイスの更なる実施形態は、閉鎖回路の中で、流体を、ピストンにより、またオプションとしてスプリングを使用して、振動させて機械的なエネルギーを貯える工程を有している。適切な駆動機構、例えば磁気的な誘導を介しての駆動機構が、摩擦損失を補償するために、適切に使用される。
【００９４】
本発明の発電機デバイスは、好ましくは、廃熱、燃焼熱、熱貯槽エネルギー、地熱エネルギー、太陽光放射、太陽光熱エネルギー、海洋熱エネルギー、または原子核反応からのエネルギーの内の何れかを使用して、電力を発生させるために使用される。
【図１】
2010523073.tif 000003
【図２】
2010523073.tif 000004
【図３】
2010523073.tif 000005
【図４】
2010523073.tif 000006
【図５】
2010523073.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月30日(2009.11.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
１９世紀に、エジソン及びテスラ（Tesla）テスラが、熱エネルギーを電気に変換するための熱磁性（thermomagnetic）材料に基づくデバイスについて記載している。エジソンの熱磁気的な（pyro-magnetic）発電機は、米国特許 U.S. 0,380,100 の中に記載されているように、熱磁性作業材料、作業材料を磁化させるための手段、作業材料に接続された熱と寒冷（cold）の源、及び、作業材料の回りを取り囲む巻線を含んでいて、その中で、作業材料に熱サイクルを与えることにより、交流電流が誘起される。テスラは、米国特許 No. 428,057 の中で、熱交換メカニズムの代替案を示唆することにより、エジソンの発電機の幾つかの改良を開示している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
チロウスキー（Chilowsky）は、米国特許 U.S. 2,510,801 の中で、熱磁気的なエネルギー変換のためのデバイスを開示している。それによれば、温度変化が、閉鎖流体回路の中の高温流体及び低温流体により実現される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第 0,380,100 号明細書
【特許文献２】米国特許第 428,057 号明細書
【特許文献３】米国特許第 2,510,801 号明細書
【特許文献４】独国特許第 23 47 377 号明細書
【国際調査報告】
2010523073.tif 000008
2010523073.tif 000009