(57)【要約】システムが流体の環境の変化への反応を管理し、これらの反応を変換するようにして、それにより環境条件が所定の閾値を上回る場合に破壊や誤動作から装置を保護しながらエネルギーを採取する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
剛性リザーバ（４、２０４）と、ピストンシステム（１０）と、温度範囲設定システム（３０）と、を含むエネルギーハーベスティングシステム（１００）であり、前記エネルギーハーベスティングシステム（１００）は流体（２）を含み、前記剛性リザーバは、
（ａ）当該流体の体積変化を機械的動きに変換する前記ピストンシステム（１０）、および
（ｂ）少なくとも可撓性チャンバ（２２）と範囲設定機構（２０）とを含む前記温度範囲設定システム（３０）であって、前記可撓性チャンバ（２２）は所定の温度範囲内で前記ピストンシステム（１０）の動きを係合させるために前記範囲設定機構（２０）に接続され、それにより環境状況が所定の閾値を超える場合に装置を破壊や誤動作から保護しながら流体の環境変化への反応を制御しこれらの反応を変換してエネルギーを採取するようにし、それによりエネルギー変換が前記作業温度範囲内では効率的であることを自動的に保証して前記作業温度範囲外の場合には圧力過小／過圧から前記システムを保護する温度範囲設定システム、
と流体連通しているエネルギーハーベスティングシステム。
【請求項２】
前記ピストンシステム（１０）がベローズ（１３２、１３６、１４２、１４６）を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記ピストンシステム（１０）が、異なる活性表面を備える少なくとも２つのベローズ（１３２、１３６、１４２、１４６）を含み、前記ピストンシステムの結果生じる有効面が前記少なくとも２つのベローズの前記活性表面の差異であるように配置される請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも２つのベローズ（１３２、１３６、１４２、１４６）が同心である請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ピストンシステム（１０）による機械的動きがその後、潜在的力学的エネルギーの態様で貯蔵される請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
バネ（３６）を圧縮または伸張させて前記潜在的力学的エネルギーを貯蔵する請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
バレルスプリング（７４）を巻回、または屈曲ビームスプリング（２２４）を曲げることで前記潜在的力学的エネルギーを貯蔵する請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
ダイナモ（５８）で発電したり着用可能な装置（５００）で機械機能をアニメーション化したりするために前記力学的エネルギーを直接用いる請求項１、２、３、４のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項９】
前記着用可能な装置（５００）が時計（５００）である請求項１〜８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記可撓性チャンバ（２２）が、範囲設定カム（３４）に静止するフォロア（３２）でその拡張を制限されるベローズ（２４）を含み、当該範囲設定カムが所定の位置に維持される請求項１〜９のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記所定の位置が自身の形状、前記フォロア（３２）の形状、および予圧トルクを提供するねじりバネ（３６）を組み合わせて維持される請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記フォロア（３２）と前記範囲設定カム（３４）の間の界面が単純な機械接点である請求項１０または１１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記範囲設定カム（３４）の回転が圧力下でも可能であり続けるように摩擦が制御される請求項１０、１１、１２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記可撓性チャンバ（２２）の複数の充填レベルを定義するように、前記範囲設定カム（３４）が異なる高さ形成ステップを有する複数の位置を有する請求項１０〜１３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記充填レベルが前記エネルギーハーベスティングシステム（１００）の前記可撓性チャンバ（２２）の流体（２）の総体積または所定の圧力閾値に対応する請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記可撓性チャンバ（２２）はその拡張が前記範囲設定カム（３４）に静止する前記フォロア（３２）で制限される限り、前記可撓性チャンバ（２２）は剛性チャンバのように挙動し、流体（２）の体積の任意の増加は前記ピストンシステム（１０）で機械拡張動きに変換されるように、前記流体（２）の総体積が前記流体（２）の温度に対応する請求項１０〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記流体（２）の前記温度が上昇する場合、前記流体（２）の前記体積は増加し、当該体積増加は前記ピストンシステム（１０）で、前記機構が巻き取られる反力を受けるシャフト（１２６）の拡張動き（１２）による力学的作用に変換される請求項１〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１８】
機械的動き（１２）がその最大高さに近づくまで前記流体（２）の前記温度が上昇する場合、前記ピストンシステムのシャフト（１２６）に付属のフィンガ（４２）は、直接的に、または第２装置（４４）で、前記範囲設定カム（３４）の回転を作動させるシステムであって、前記ピストンシステム（１０）の剛性および表面と、前記可撓性チャンバ（２２）の剛性および表面とが注意深く選択され、任意の予圧バネおよびねじりバネ（３６）とともに、前記可撓性チャンバは、前記範囲設定カム（３４）が定義する次の体積ステップに到達するまで拡張し、その時点で前記可撓性チャンバは剛性チャンバのように挙動するようにする請求項１〜１７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項１９】
流体（２）の体積のさらなる任意の増加は前記ピストンシステム（１０）で機械的動きに変換され、前記流体（２）の前記温度が低下する場合、前記流体（２）の前記体積は減少し、流体（２）の体積の任意の減少は前記ピストンシステム（１０）および前記可撓性チャンバ（２２）の機械的反応動きに変換されるようにする請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
さらに、前記機械的動き（１２）がハードストップ、例えば前記ピストンシステム（１６２）本体に接触する前記フィンガ（４２）で定義されるその最小高さに近づくまで前記流体（２）の前記温度が低下する場合、前記流体（２）のさらなる圧縮は前記可撓性チャンバ（２２）の圧縮に十分に変換される請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記フィンガ（４２）が前記ピストンシステム（１６２）の前記本体に接触する際に前記ハードストップが到達する請求項１７、１８のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記ねじりバネ（３６）による前記範囲設定カム（３４）の前記予圧トルクにより前記範囲設定カム（３４）が前記可撓性チャンバ（２２）の退避に追従することが保証され、フォロア（３２）前の最も近いカムステップが提示されて、前記システムが、可撓性チャンバ（２２）のより低い体積を有する前の体積範囲設定に戻るようにする請求項１〜２１のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２３】
前記範囲設定機構（２０）が複合ニーレバー機構（６０）として構築され、最大位置に達すると前記ニーが前記ピストンシステム（１０）に付属のフィンガ（４２）でオフセットされ、前記流体（２）の温度の低下後に前記可撓性チャンバ（２２）が退避すると同時にバネによってリセットされる請求項１〜２２のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記流体（２）が、液体、コロイド液、気体、または当該要素の任意の数の組合せあるいは混合物を含む流体の群から１つ選択される請求項１〜２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２５】
前記流体（２）が、粒子、着色料、染料、塩、その他の任意の溶解材料、格子構造体、バラストウェイト、アジテータを含む固体要素の群から１つ選択され、環境の変化に反応するように操作された固体要素を含む請求項１〜２３のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２６】
前記温度範囲設定システム（３０）が可撓性チャンバ（２２２）であり、前記可撓性チャンバの前記剛性が前記ピストンシステムの前記剛性よりも高い請求項１〜２５のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２７】
前記温度範囲設定システム（３０）が可撓性チャンバ（２２２）であり、周囲温度が前記作業範囲内である場合に非線形特徴（２２４、２２６）を有するバネシステムで第１位置に維持され、温度が上昇し前記システム内部に結果生じる圧力が所定の閾値を超える場合に当該バネシステムは剛性を急速に失い、温度が低下し前記システム内部に結果生じる圧力が所定の閾値を下回る場合に当該バネシステムが最初の位置に戻る請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
可変熱交換器が前記流体（２）と環境間の熱伝導率変化を生成する請求項１〜２７のいずれか１項に記載のシステム。
【請求項２９】
前記温度範囲設定システム（３０）がパッシブ安全弁を介して前記主流体リザーバ（４０２）に接続される可撓性チャンバ（４２０、４２１）である請求項１〜２８のいずれか１項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本発明は、２０１８年９月１３日に出願された米国仮出願第６２／７３０，８５４号を優先権としてその便益を主張し、参照として組み込まれると共にそれに依拠し、保護を求めるものとされる特徴を定義するために、その内容はそのすべてが発明の根底にある技術的課題の解決に寄与するものと理解され、本文書で言及される特徴には特に重要なものもあるとされる。
【著作権および法的告知】
【０００２】
本特許文書に開示されるものの一部には著作権保護の対象となる資料が含まれている。出願人は、特許商標庁の記録として特許開示されている特許文書に関しては第三者によるファクシミリ複製に異論はないが、そうでない場合はいかなる場合もすべての著作権を留保する。また、本願に記載される第三者の特許又は記事は、先行技術を理由として本発明がその資料を先行する権利がないことを承認するものとして考慮すべきでない。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、環境の変化に反応する液体を用いて、環境から自由に利用できるエネルギーをハーベスト（採取）する装置および方法に関し、当該変化は重力、衝撃、および／または放射線に対する温度変化、配向変化などであってもよい。
【０００４】
環境から自由に利用でき、携帯用または着用可能な装置への電力供給を可能にするエネルギーの採取は、遠隔作動や感知装置への電気信号や電力ケーブルの必要性回避とともに、近年ますます関心を集めている。本発明は、流体の環境変化への反応を利用したエネルギーの採取に関し、当該変化は重力、衝撃、および／または放射線に対する温度変化、配向変化などであってもよい。
【発明の開示】
【０００５】
流体の環境変化への反応を管理して、環境条件が所定の閾値を上回る場合に破壊や誤動作から装置を保護しながらエネルギーハーベスティングのためにこれらの反応を変換するようにする方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
添付の図面は、本発明の目的の異なる実施形態を例示するものである。
【図１Ａ−１Ｇ】本発明の好適な実施形態の図である。
【図２Ａ−２Ｃ】本発明の別の実施形態の図である。
【図３Ａ−３Ｄ】本発明の実施形態に追加可能な任意の特徴の図である。
【図４】本発明のまた別の実施形態の切断図である。
【図５】本発明を統合する着用可能な装置の概略図である。
【０００７】
図面に示される要素は単純化及び明確性のために開示され、必ずしも正寸で描かれていないことは、当業者には明らかである。例えば、本発明の様々な実施形態の理解をより深めるために、図面のいくつかの要素の寸法は、その他の要素に対して強調して描かれていることもある。さらに、本件で用いられる「第１」、「第２」やその類の用語は、とりわけ、類似する要素を区別するために使用され、必ずしも順次的または時系的な順番を示すものではない。また、明細書および／または請求項における「正面」、「背面」、「平面」、「底面」やその類の用語は、便宜的な目的で使用され、必ずしも限定的な相対位置を総合的に表わすものではない。上記のように用いられる用語は、例えば、本願で開示される様々な実施形態が、明確に図示又は説明される以外の配向でも操作可能であるような、適切な状況下では置き換えられてもよいことを当業者は理解されたい。
【好適な実施形態の詳細な説明】
【０００８】
以下の説明は本質的に例示的であり、本願が出願された時点で発明者が知り得た本発明の最良の態様を説明するもので、本発明の範囲をいかなる意味でも制限するものではない。その結果として、本願で開示される例示的な実施形態におけるすべての要素の配置および／または機能は、本願発明の精神および範疇から逸脱することなく変更を加えることが可能である。
【０００９】
図１Ａの例では、流体を用いたエネルギーハーベスティングが示されている。エネルギーハーベスティングシステム１００は、剛性リザーバ４内に収容される流体２と、温度範囲設定システム３０と、を含んでなる。リザーバは、流体２の体積の変化を機械的動きに変換するピストンシステム１０と流体連通する。温度範囲設定システム３０は、（ａ）可撓性チャンバ２２と、（ｂ）作業温度範囲内でのエネルギー変換が効率的であることを保証し、作業温度範囲外の場合には圧力下／過圧からシステムを保護する範囲設定機構２０と、からなる。ピストンシステム１０による機械的動きは、微小機械産業で周知のトランスミッション５０で適切な動きに変換され、例えば、バネを圧縮または引き延ばしたり、バレルスプリングを巻回して屈曲ビームスプリング（非開示）、ラック、ピニオンを曲げたり、またはダイナモ５８で発電するため、もしくは腕時計、懐中時計、ハンドバッグなどの着用可能な装置で機械的機能をアニメーション化するために直接用いたりして、力学的エネルギーという態様で貯蔵されるようにする。一変形例では、エネルギーハーベスティングシステムは一方向のみで作動し、その場合ピストンシステム１０による機械的動きは主に温度が上昇するときに用いられ、温度の低下は温度範囲設定システム３０の調整に用いられるが、これは、ベローズ退避に必要な最大利用可能圧力が主に環境とそれらの剛性に起因するためである。本変形例は、単純なエネルギー貯蔵機構のための解決法、例えばトランスミッション５０によるバレルスプリングの巻回を開示する。別の変形例では、ピストンシステム１０は１つ以上の予圧バネを含んでもよく、それによりピストンシステム１０による機械的動きが、温度が上昇する場合と温度が低下する場合のいずれの場合にも利用できる。エネルギーの機械的貯蔵のために、本変形例ではより複雑なトランスミッション機構５０が必要とされ、時計産業で周知のバレルスプリングを巻回するために機械的な遊びと損失を追加する機械方向インバータが含まれる。双方向ダイナモの回転などの他の使用例の場合、本変形例はより効率的であろう。
【００１０】
流体２は、液体、コロイド液、気体、または当該要素の任意の数の組合せまたは混合物であり、粒子、格子構造体、バラストウェイト、アジテータなどの固体要素を含んでもよく、環境の変化に反応するように操作され、当該変化は重力、衝撃、および／または放射線に対する温度変化、配向変化などであってもよい。流体２は、１つ以上のその成分の溶解度の急激な変化を表すために選択されてもよく、またはシステムの作業範囲内の温度閾値に到達する際に可逆機械反応を提供してもよい。流体２は、エネルギーハーベスティングシステムに最適化され本件に開示の種々の実施形態により圧縮と熱拡張の組合せを提示するために、選択および／または操作される。
【００１１】
次に図１Ｂ〜Ｃを参照すると、ピストンシステム１０は流体の体積変化の機械的動きへの変換に極めて効率的であるか、または着用可能な形態に取り付ける必要があり、システムは可能な限り小型に構築されねばならない。ベローズ１３２、１３６、１４２、１４６は、極めて高い液密性とともにピストン機能を提供するが、それらの可撓性側壁を形成する波形が用いるスペースに起因する重要なフットプリントを有する。加えて、それらの剛性は当該波形の大きさに直接関係する。比較的低い流体体積差１５２のために比較的長い動き１２を得るには、小さな作業面が好ましい。短い長さのために比較的広いシステムを、またはより長い長さのために狭い本体を得ることに重点を置く特定用途の場合には、最適化された構造を求めてもよい。
【００１２】
次に図１Ｂを参照すると、短い長さに最適化されたピストンシステム１０の設計は、小さな活性表面１３４を備える小さなベローズ１３２をより大きな活性表面１４４を備える大きなベローズ１４２の中に設置し、それらをベース１２２に密着させることで得られる。その後、両ベローズ１３２、１４２間の体積をピストンとして用いてもよい。両ベローズ１３２、１４２に密着する可動部１２４により、大きなピストン１４２の活性表面よりも小さく流体の体積変化１５２を動き１２に変換するための活性表面が結果として提供されるが、これは、より大きな活性表面１４４と小さな活性表面１３４との差によるためである。
【００１３】
次に図１Ｃを参照すると、狭い本体に最適化されたピストンシステム１０の構造は、小さな活性表面１３４を備える小さなベローズ１３２をより大きな活性表面１４４を備える大きなベローズ１４２の前に設置し、それらを、ロッド１２６を介して機械的動き１２を伝達する可動部１２４に密着させることで得られる。ベローズ１３２、１４２の他端はシステム本体１６２内で密着する。システム本体１６２内部とベローズ１３２、１４２の間の体積は流体を受けてピストンとして作用し、大きなピストン１４２の活性表面より小さく流体の体積変化１５２を動き１２に変換するための活性表面を備える。これはより大きな活性表面１４４と小さな活性表面１３４との差による。当該構造は結果として生じる極めて小さい活性表面への到達が目標である場合に好ましく、これは、それにより小さいベローズ１３２と大きなベローズ１４２がほぼ同じ大きさとなるためである。
【００１４】
次に図１Ｄを参照すると、狭い本体に最適化されたピストンシステム１０の構造にはベローズ座屈の恐れがあるが、これは、ベローズの長さに比べて、結果として生じる小さな活性表面と長い機械的動き１２とが組み合わさり内圧が上昇するためである。解決法には、小さなベローズ１３２と大きなベローズ１４２とを、それぞれベローズ１３６、１４６の２つ以上の部分に分割することが含まれる。これにより、ベローズをその延在方向の横向きに強固にし、ロッド１７２とガイド１７４で直線的動きを保証するガイドを提供する可動接合要素１６４が、挿入できる。ガイド要素１７２、１７４間の摩擦は、動きに変換されるエネルギー量を最大化するために、最小限に抑えられなければならない。当該構造はベローズをその延在方向の横向きに強固にする接合要素を含み、非直線的ピストンシステムの実現、例えば円形の装置内の積分の円周または半径を求める場合に、用いてもよい。
【００１５】
次に図１Ｅを参照すると、範囲設定機構２０は、例えば当該産業界で周知のカム、フォロア、レバー、バネ、ロッカー、および／またはトリガの組合せとして構築される。可撓性チャンバ２２はベローズ２４として実現され、その拡張は範囲設定カム３４に静止するフォロア３２で制限され、当該範囲設定カムは自身の形状、フォロア３２の形状、ガイド機構（非開示）、および予圧トルクを提供する渦巻またはねじりバネ３６を組み合わせて所定の位置に維持される。フォロア３２と範囲設定カムの間の界面は単純な機械接点であってもよいが、いずれの場合においても、範囲設定カムの回転が圧力下でも可能であり続けるように、また切り替え閾値が十分に定義されるように、摩擦は十分に制御される必要がある。当該摩擦を制御する良い方法は、溝付きフィーチャに配置可能なローラの利用である。可撓性チャンバ２２の複数の充填レベルを定義できるように、範囲設定カム３４は、異なる高さ形成ステップを有する複数の位置を有する。充填レベルは、エネルギーハーベスティングシステム１００の流体２の総体積に対応する。異なる充填レベル間の切り替え位置は範囲設定カム３４のための圧力制限を扱うべく設計され、第２カム４４上のフィンガ４２の作用下で回転するようにする。流体２の総体積は流体２の温度に対応する。温度が極めて低い場合（この場合、また流体がシステムの最小体積以上を圧縮させ、蒸発が発生しうる）を除き、少なくとも予想される作業温度範囲において、流体２の体積はシステム１００の内部の体積と一致せねばならない。
【００１６】
可撓性チャンバ２２は、その拡張が範囲設定カム３４に静止するフォロア３２で制限される限り、剛性チャンバのように挙動し、流体２の体積の任意の増加はピストンシステム１０により機械拡張動きに変換される。流体２の温度が上昇する場合、流体２の体積は増加し、当該体積増加はピストンシステム１０により機械拡張動き１２に変換される。機械的動き１２がその最大高さに近づくまで流体２の温度が上昇する場合、ピストンシステムのシャフト１２６に付属のフィンガ４２は、直接的に、または第２カム４４および／またはレバー（非開示）で、範囲設定カム３４の回転を作動させる。ピストンシステム１０の剛性と可撓性チャンバ２２の剛性は注意深く選択され、任意の予圧バネとともに、可撓性チャンバ２２は、範囲設定カム３４が定義する次の体積ステップに到達するまで拡張する。その時点から可撓性チャンバ２２は剛性チャンバのように挙動する。流体２の体積のさらなる任意の増加はピストンシステム１０により機械的動きに変換される。流体２の温度が低下する場合、流体２の体積は減少し、流体２の体積の任意の減少は、それらに対応する剛性および活性表面に比例して、ピストンシステム１０と可撓性チャンバ２２とにより機械退避動きに変換される。機械的動き１２がハードストップ、例えばピストンシステム１６２本体に接触するフィンガ４２で定義されるその最小高さに近づくまで流体２の温度が低下する場合、流体２のさらなる圧縮は可撓性チャンバ２２の圧縮に十分に変換される。ねじりバネ３６による範囲設定カム３４の角予圧により範囲設定カム３４が可撓性チャンバ２２の退避に追従することが保証され、フォロア３２前の最も近いカムステップが提示されて、流体２の温度が再上昇すると同時にシステムが再作動できるようにする。
【００１７】
次に図１Ｆ〜Ｇを参照すると、範囲設定機構２０は、例えば微小機械業界で周知のカム、フォロア、レバー、バネ、ロッカー、および／またはトリガの組合せとして構築される。可撓性チャンバ２２はベローズ２４として実現され、その拡張はストッパ板６６で制限されるが、これはピボットで相互に、また構造に取付けられるニーレバー６２、６４に接続され、ニーレバー機構６０を形成する。エネルギーハーベスティングシステム１００の通常作動時、ニーレバー６２、６４はバネ７４とストッパ７２とで拡張位置に維持され、ベローズストッパ板６６用の強固な取付具を提供して、ピストンシステム１０が流体２の体積変化を機械的動き１２に変換する最大効率が提供されるようにする。流体２の温度が所定の閾値を超えて上昇する場合には、ピストンシステムのシャフト１２６はニーレバー６２、６４のオフセットを作動させる。これは、スライド式フィンガ５４によってニーレバー６２、６４上で押圧するピストンシステムのシャフト１２６に取付けられるカム５２で、または微小機械産業で周知のその他の任意の機械的トランスミッションシステムで、なされてもよい。ニーレバー６２、６４がその拡張位置からオフセットされると同時に、ベローズストッパ板６６用取付具の剛性は低下し、可撓性チャンバ２２の拡張とシステム内での過圧回避とが可能になる。温度が所定の閾値を下回って減少すると同時に、バネ７４はニーレバー６２、６４を所定の位置に戻し、可撓性チャンバはそのストッパ板６６で再度硬化される。
【００１８】
１つ以上の当該ニーレバー機構６０を並行使用してもよく、各機構６０が異なる拡張長さを有して順次起動し、システム１００内での過圧を回避する複数の効率的な作業範囲と安全閾値を提供するようにする。この場合、複数範囲の順序付けは、例えば微小機械産業で周知のカム、フォロア、レバー、バネ、ロッカー、および／またはトリガを組み合わせて保証してもよい。
【００１９】
図２Ａの例では、流体２０２は剛性リザーバ２０４に収容され、剛性リザーバ２０４は主ベローズ２１０および安全ベローズ２２２と流体連通する。主ベローズ２１０は安全ベローズ２２２の剛性よりも低い剛性を有するように寸法決めされる。したがって、環境変化に反応する流体２０２の体積変化は、ベローズ２１０、２２２とそれらの有効面の剛性比に反比例で変換される。主ベローズ２１０は阻止アーム２１２と、トランスミッションシステム２３０を移動させる機械的トランスミッションアーム２２０とに取付けられる。流体２０２の体積が主ベローズ２１０の最大可能拡張を超えて増加する場合、主ベローズ２１０の過拡張は上部ストップ２１６に接近する阻止アーム２１２によって回避される。主ベローズ２１０はさらなる拡張が不可能なため、すべての体積増加が安全ベローズ２２２に変換される。安全ベローズ２２２なしのチャンバシステムに比べ、安全ベローズ２２２があることで昇温に伴う圧力増加は著しく減少する。同様に、流体体積の圧縮が発生する場合、主ベローズ２２０の過圧縮は下部ストップ２１８に接近する阻止アーム２１２によって回避される。安全ベローズ２２２は、残留する流体の体積減少を吸収する。代替的に、液圧が十分に低くなる場合、液相の流体２０２は蒸発してもよく、気相を形成して流体を順応させ、圧力減少を制限してシステムを低温損傷から保護する。本明細書に記載のシステムは単純に構築されるものの安全ベローズ２２２による効率性の損失という欠陥があり、ベローズ２１０、２２２とそれらの有効面積の剛性比が定義する割合で流体の体積変化の一部を絶えず吸収している。
【００２０】
次に図２Ｂ〜Ｃを参照すると、システムの効率性は、安全ベローズ２２２の通常線形剛性挙動を修正し、非線形剛性システムを追加することで改善できる。当該非線形剛性システムは、上記のニーレバー機構、その他の任意の当産業で通常周知のシステム、本明細書に記載のシステム、またはピボット２２６に設置の圧縮バネ２２４という態様を採ってもよい。流体２２２の温度がシステムの作業範囲（図２Ｂ）内に留まる限り、阻止アーム２１２は上部ストップ２１６に接触せず、圧縮バネ２２４を追加することで安全ベローズ２２２の剛性は高まり、システムの効率を高める。流体２２２の温度が主ベローズ２１０の最大可能拡張を超えて上昇し（図２Ｃ）、その後阻止アーム２１２が上部ストップ２１６に到達すると、流体２２２の圧力増加の感度が温度単位まで上昇し、その結果圧縮バネ２２４上に急激な力増大が生じ、圧縮バネ２２４の座屈が作動するように、圧縮バネ２２４の座屈剛性が選択される。圧縮バネがその剛性低下を曲げ、安全ベローズ２２２と圧縮バネ２２４の組合せの全体剛性がほぼ安全ベローズ２２２のみの剛性に低下すると、システムの保護は保証される。
【００２１】
次に図３Ａを参照すると、システムの温度変化への感度を強化するために、本明細書に開示または記載される本発明の任意の実施形態に任意の可変熱交換器を追加してもよい。流体リザーバ３０１は温度変化に有感な流体を含み、その体積変化は、その他の実施形態に記載の機械的動きに変換される。当該被提供力学的エネルギーの一部は熱交換器３０２を移動させるために用いられ、環境と流体リザーバ３０１間の熱伝導率が規則的に変化するようにする。熱交換器本体がリザーバ３０１付近を通過する頻度は、システムの熱力学に従って設定されねばならない。例えば、可変熱交換器が壁時計や腕時計で用いられる場合、熱交換器３０２は分針、時針、時計機構のその他の任意の比較的低速の動き部分と同じ速度で回転する。図３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを参照すると、主熱源３０３は着用者の手首である。サイクルの最初は、図３Ｂに示す通り、熱交換器３０２は、熱源３０３と流体リザーバ３０１の間の熱経路に配置されていない。こうすると、流体リザーバ３０１の温度は周囲温度に向かって展開する。図３Ｃに示す通り、四半サイクル後、熱交換器３０２は、熱源３０３と流体リザーバ３０１の間で半係合となり、熱源３０３から流体リザーバ３０１への熱経路に有利に働く。図３Ｄに示す通り、半サイクル後、熱交換器３０２は、熱源３０３と流体リザーバ３０１の間で全係合となり、その結果流体リザーバ３０１の温度は熱源３０３の温度に近づく。さらなる四半サイクル後、熱交換器３０２は、熱源３０３と流体リザーバ３０１の間で半開放であり、流体リザーバ３０１の温度は周囲温度に近づく。システムを最大限に機能させるためには、熱交換器３０２は低熱容量かつ高伝導でなければならない。真空またはガスバリアは良い断熱材であるため、可変熱交換器は１つ以上の高熱伝導流体を含むリザーバ内で回転する空容器としても実現されてもよい。
【００２２】
図４の例では、流体４０１は主容器４０２に収容されている。主容器４０２は、反対方向に配置される少なくとも２つの逆止弁４１０、４１１を介して、主ベローズ４０３および第２容器４２０と流体連通する。その環境、つまり実施形態４００を囲む環境の変化に反応する流体４０１の体積の変化は、主ベローズ４０３の可動面４０４の動きに変換される。当該動きを、力学的エネルギー貯蔵システムの巻き戻しのための機械システムとして用いたり、発電システムを用いて電気に変換したり、任意の次のシステム（本明細書に非開示）の操作を作動させるために用いたりしてもよい。主ベローズ４０３は機械的ストップ４０５により過圧縮から、別の機械的ストップ４０６により過拡張から保護される。温度が上昇すると主ベローズ４０３は機械的ストップ４０６に到達するまで拡張する。さらに温度が上昇する場合、主容器４０２内で圧力が急速に増大し、システム４００の最大圧力制限を超過する恐れがある。すると、圧力開放逆止弁４１０は第２容器４２０への流体連通を開始し、チャンバ４０２内の圧力を開放する。開放逆止弁４１０による圧力開放は、圧力増大が容器４０２とベローズ４０３の抵抗を超える前に開放するように選択されねばならない。システム４００への損傷を回避するため、第２容器４２０は圧力開放に対応する第２ベローズ４２１に接続される。図２Ｂ〜２Ｃのベローズ２２２と同様の方法で、２２４と同様の線形または非線形バネおよび２２６と同様の固定具を、または図１Ｅ〜１Ｇに記載などの範囲設定機構を、ベローズ４２１に予め装着してもよい。開放逆止弁４１０の当該起動後、ベローズ４０３が機械的ストップ４０６から離れ、温度が上昇し続ける場合により多くのエネルギーを採取できるようになるにつれて、主ベローズ４０３の作業範囲はより高い流体総体積に移動する。システム全体の温度が低下すると、チャンバ４２０内の圧力がチャンバ４０２内の圧力よりも小さいという条件で、チャンバ４２０内の圧力はチャンバ４０２内の圧力よりも低くなる。したがって、容器４２０と主容器４０２の圧力差が逆止弁４１１の開放圧力に達すると、システムをその元の作業範囲に自動的に復元できる。代替的に、外部リセット力を第２ベローズ４２１の表面４１２に加えて弁４１１の圧力開放に達することで、ユーザの要求に応じてリセットが作動する。第２容器４２０と主容器４０２の圧力差がリセット逆止弁４１１の閉止圧力よりも高い限り、主容器４０２により低い圧力が復元されるまで、流体４０１はリセット逆止弁４１１を流れる。時計やその他の高精密機器で用いる場合、環境変化に最大限反応できる作業範囲が設定できるように細心の注意を払ってシステムを設計することが必要である。
【００２３】
実際には出願人は技術水準を知ることができないため、本件に係る発明は、後に審査を通じて新規性および進歩性があると明らかになる機能的独立要素のすべての組み合わせとして解釈すべきである。
【００２４】
上記本明細書のすべての実施形態は、流体が少なくとも１つの液体と当該流体に溶解する少なくとも１つの気体との組合せからなる場合にも応用される。また、液体は固体粒子、着色料、染料、塩、その他の任意の溶解材料を含んでもよい。また、流体は固体、液体、気体など異なる物理状態にある同じ材料部分を含んでもよい。この場合、流体の体積変化は、流体の環境状況変化への複数の反応を組み合わせることで増加しうる。例えば、衝撃と振動により溶存ガスが液体から開放され、放射線により流体の成分間の化学反応が起こり、温度変化により材料の異なる物理状態間の相平衡の変化が生じ、他の効果の中でもとりわけ温度変化により、異なる流体間の化学平衡の変化が生じうる。
【００２５】
本発明のシステムを統合する装置の使用目的に応じて、可逆または不可逆反応を用いてもよい。
【００２６】
化学反応を起こすために太陽の自然紫外光や一定種類の光などの放射線を用いてもよく、この場合少なくとも流体容器の一部はＵＶ透過材料から構築される。
【００２７】
２０１４年３月１７日に出願された米国特許第１０，０３１，４８１号「温度駆動型巻き戻しシステム」の内容は参照として本件に組み込まれると共に、それに依拠する。
【００２８】
本願で開示および説明される特定の実施形態は、本発明の代表的および最適な態様を示すものであって、本発明の範囲を制限することを意図したものでは決してないことを理解されたい。
【００２９】
本発明は以下の特徴セットを備えるものとして要約できる。
１．剛性リザーバ（４、２０４）と、ピストンシステム（１０）と、温度範囲設定システム（３０）と、を含むエネルギーハーベスティングシステム（１００）であり、流体（２）と、
（ａ）当該流体の体積変化を機械的動きに変換する該ピストンシステム（１０）、および
（ｂ）少なくとも可撓性チャンバ（２２）と範囲設定機構（２０）とを含む該温度範囲設定システム（３０）に流体連通する当該リザーバと、を含むエネルギーハーベスティングシステム（１００）であって、該可撓性チャンバ（２２）は所定の温度範囲内で該ピストンシステム（１０）の動きを係合させるために該範囲設定機構（２０）に接続され、それにより環境状況が所定の閾値を超える場合に装置を破壊や誤動作から保護しながら流体の環境変化への反応を制御しこれらの反応を変換してエネルギーを採取するようにし、それによりエネルギー変換が該作業温度範囲内では効率的であることを自動的に保証して該作業温度範囲外の場合には圧力下／過圧から該システムを保護する。
２．該ピストンシステム（１０）がベローズ（１３２、１３６、１４２、１４６）を含む特徴セット１に記載のシステム。
３．該ピストンシステム（１０）が、異なる活性表面を備える少なくとも２つのベローズ（１３２、１３６、１４２、１４６）を含み、該ピストンシステムの結果生じる有効面が該少なくとも２つのベローズの該活性表面の差異であるように配置される特徴セット１に記載のシステム。
４．該少なくとも２つのベローズ（１３２、１３６、１４２、１４６）が同心である特徴セット１に記載のシステム。
５．該ピストンシステム（１０）による機械的動きがその後、潜在的力学的エネルギーの態様で貯蔵される特徴セット１に記載のシステム。
６．バネ（３６）を圧縮または伸張させて該潜在的力学的エネルギーを貯蔵する特徴セット５に記載のシステム。
７．バレルスプリング（７４）を巻回、または屈曲ビームスプリング（２２４）を曲げることで該潜在的力学的エネルギーを貯蔵する特徴セット５に記載のシステム。
８．ダイナモ（５８）で発電したり着用可能な装置（５００）で機械機能をアニメーション化したりするために該力学的エネルギーを直接用いる特徴セット１、２、３、４のいずれか１つに記載のシステム。
９．該着用可能な装置（５００）が時計（５００）である上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
１０．該可撓性チャンバ（２２）が、範囲設定カム（３４）に静止するフォロア（３２）でその拡張を制限されるベローズ（２４）を含み、当該範囲設定カムが所定の位置に維持される上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
１１．該所定の位置が自身の形状、該フォロア（３２）の形状、および予圧トルクを提供するねじりバネ（３６）を組み合わせて維持される特徴セット１０に記載のシステム。
１２．該フォロア（３２）と該範囲設定カム（３４）の間の界面が単純な機械接点である特徴セット１０または１１のいずれか１つに記載のシステム。
１３．該範囲設定カム（３４）の回転が圧力下でも可能であり続けるように摩擦が制御される特徴セット１０、１１、１２のいずれか１つに記載のシステム。
１４．該可撓性チャンバ（２２）の複数の充填レベルを定義するように、該範囲設定カム（３４）が異なる高さ形成ステップを有する複数の位置を有する特徴セット１０〜１３のいずれか１つに記載のシステム。
１５．該充填レベルが該エネルギーハーベスティングシステム（１００）の該可撓性チャンバ（２２）の流体（２）の総体積または所定の圧力閾値に対応する特徴セット１４に記載のシステム。
１６．該可撓性チャンバ（２２）はその拡張が該範囲設定カム（３４）に静止する該フォロア（３２）で制限される限り、該可撓性チャンバ（２２）は剛性チャンバのように挙動し、流体（２）の体積の任意の増加は該ピストンシステム（１０）で機械拡張動きに変換されるように、該流体（２）の該総体積が該流体（２）の温度に対応する上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
１７．該流体（２）の該温度が上昇する場合、該流体（２）の該体積は増加し、当該体積増加は該ピストンシステム（１０）で、該機構が巻き取られる反力を受けるシャフト（１２６）の該拡張動き（１２）による力学的作用に変換される上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
１８．該機械的動き（１２）がその最大高さに近づくまで該流体（２）の該温度が上昇する場合、該ピストンシステムのシャフト（１２６）に付属のフィンガ（４２）は、直接的に、または第２装置（４４）で、該範囲設定カム（３４）の回転を作動させるシステムであって、該ピストンシステム（１０）の剛性および表面と、該可撓性チャンバ（２２）の剛性および表面とが注意深く選択され、任意の予圧バネおよびねじりバネ（３６）とともに、該可撓性チャンバは、該範囲設定カム（３４）が定義する次の体積ステップに到達するまで拡張し、その時点で該可撓性チャンバは剛性チャンバのように挙動するようにする上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
１９．流体（２）の体積のさらなる任意の増加は該ピストンシステム（１０）で機械的動きに変換され、該流体（２）の該温度が低下する場合、該流体（２）の該体積は減少し、流体（２）の体積の任意の減少は該ピストンシステム（１０）および該可撓性チャンバ（２２）の機械的反応動きに変換されるようにする特徴セット１８に記載のシステム。
２０．さらに、該機械的動き１２がハードストップ、例えば該ピストンシステム（１６２）本体に接触する該フィンガ（４２）で定義されるその最小高さに近づくまで該流体（２）の該温度が低下する場合、該流体（２）のさらなる圧縮は該可撓性チャンバ（２２）の圧縮に十分に変換される特徴セット１９に記載のシステム。
２１．該フィンガ（４２）が該ピストンシステム（１６２）の該本体に接触する際に該ハードストップが到達する特徴セット１７、１８のいずれか１つに記載のシステム。
２２．該ねじりバネ（３６）による該範囲設定カム（３４）の該予圧トルクにより該範囲設定カム（３４）が該可撓性チャンバ（２２）の退避に追従することが保証され、該フォロア（３２）前の最も近いカムステップが提示されて、該システムが、可撓性チャンバ（２２）のより低い体積を有する、以前の体積範囲設定に戻るようにする上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
２３．該範囲設定機構（２０）が複合ニーレバー機構（６０）として構築され、最大位置に達すると該ニーが該ピストンシステム（１０）に付属の該フィンガ（４２）でオフセットされ、該流体（２）の温度の低下後に該可撓性チャンバ（２２）が退避すると同時にバネによってリセットされる上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
２４．該流体（２）が、液体、コロイド液、気体、または当該要素の任意の数の組合せあるいは混合物を含む流体の群から１つ選択される上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
２５．該流体（２）が、粒子、着色料、染料、塩、その他の任意の溶解材料、格子構造体、バラストウェイト、アジテータを含む固体要素の群から１つ選択され、環境の変化に反応するように操作された固体要素を含む上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
２６．該温度範囲設定システム（３０）が可撓性チャンバ（２２２）であり、該可撓性チャンバの該剛性が該ピストンシステムの該剛性よりも高い上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
２７．該温度範囲設定システム（３０）が可撓性チャンバ（２２２）であり、周囲温度が該作業範囲内である場合に非線形特徴（２２４、２２６）を有するバネシステムで第１位置に維持され、温度が上昇し該システム内部に結果生じる圧力が所定の閾値を超える場合に当該バネシステムは剛性を急速に失い、温度が低下し該システム内部に結果生じる圧力が所定の閾値を下回る場合に当該バネシステムが最初の位置に戻る特徴セット２６に記載のシステム。
２８．可変熱交換器が該流体（２）と環境間の熱伝導率変化を生成する上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
２９．該温度範囲設定システム（３０）がパッシブ安全弁を介して該主流体リザーバ（４０２）に接続される可撓性チャンバ（４２０、４２１）である上記特徴セットのいずれか１つに記載のシステム。
【００３０】
当業者には理解されるように、本発明はシステム、装置又は方法として具現化することが可能である。
【００３１】
また、本願のシステムは、本願と同様の機能を有するすべての物品、サービス又は情報の使用、販売及び／又は流通を意図したものである。
【００３２】
本願の明細書及び図面は限定するためではなく例示的なものとして理解されたく、本願で説明されるすべての改良は、例えそれが出願時に明確に請求されていない場合でも、本願の請求する発明の範囲に包含されることを意図される。従って、本願発明の範囲は、上記された単なる例示案からではなく、添付される請求項、または後で補正あるいは追加される請求項、又はそれに法的に相当する物によって判断されるべきである。すべての方法又は工程の請求項で記載されるステップは、特に記載のない限りどの順番であっても実行可能であり、請求項に記載される特定の順番に限定されるものではない。さらに、装置の請求項で記載される要素及び／又は部品は、本願と本質的に同様の成果をもたらす様々な置換で組立又は操作的に構成されることも可能である。総じて、本願発明は請求項で記載される特定の構成に限定されるものではない。
【００３３】
本願で記載される便益、利点や解決法は、請求項の必須、重要あるいは不可欠な特徴又は要素であると考慮されるべきでない。
【００３４】
本願で用いられる「からなる」、「から構成される」やその他の同様の言い回しは、要素の非限定的な一覧を表すために用いられ、その要素一覧から構成される本発明の装置、工程、方法、物品、又は構成は記載される要素のみを含むわけではなく、本明細書に記載されるその他の要素を含むことも可能である。また、「を含む」、「を含んでなる」または「本質的に含む」といった言い回しは、別段に指定のない限り、列挙される要素のみに発明の範囲を限定する意図で用いられるものではない。本発明の実施に用いられる上記された要素、材料又は構造の組み合わせまたは改良は、本発明の一般原則から逸脱することなく、当業者によってその他の設計に変更または適応することも可能である。
【００３５】
上記で挙げられた特許及び文献は、別段の記載のない限り、本開示に反しない範囲において参照することにより本件に組み入れられる。
【００３６】
本発明の他の特徴及び実施形態は添付の請求項において説明される。
【００３７】
さらに、本発明は、新規性、進歩性及び産業上の利用性を具備すると考慮される本明細書、添付の請求項及び／又は図面において説明された全ての特徴の可能な全ての組み合わせから構成されることを考慮されたい。
【００３８】
本発明の付加的な特徴及び機能性は添付の請求項において説明される。それらの請求項は参照として本明細書にそのすべてが組み込まれ、提出された出願の一部と考慮されたい。
【００３９】
上述された発明の実施形態において、様々な変更及び改良を加えることが可能である。本発明の特定の具体的な実施形態が開示及び説明されたが、幅広い改良、変更及び置換が上述の実施形態では考慮される。上記の説明には多くの特定事項が含まれるが、発明の範囲を限定するものとしてではなく、むしろ１つ又はその他の好適な実施形態の例示であると考慮されたい。場合によっては、本発明のいくつかの特徴は、対応する他の特徴を使用することなく用いられる。従って、上述の説明は広義に解釈され、単なる実例又は例示として理解され、本発明の精神及び範囲は本出願で最終的に発行される請求項によってのみ限定されるべきである。
【図１Ａ】
2022502593.tif 000003
【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
2022502593.tif 000019
2022502593.tif 000020