(57)【要約】  本発明は、コアを画定するよう互いに実質的に平行に位置する複数のワイヤとして配置された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）もしくは負熱膨張性（ＮＴＥ）要素を備え、この複数のワイヤは、温度変化に応じて実質的に同時に活性化されるように、異なる寸法を有するように選択されている、エネルギー回収装置を提供する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアを画定するよう互いに実質的に平行に位置する複数のワイヤとして配置された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）もしくは負熱膨張性（ＮＴＥ）要素を備え、前記複数のワイヤは、異なる寸法を有するように選択され、温度変化に応じて実質的に同時に活性化される、エネルギー回収装置。
【請求項２】
前記コアの中央寄りに位置するワイヤほど、コアの外側寄りに位置するワイヤに比べて小さい直径を有する、請求項１に記載のエネルギー回収装置。
【請求項３】
前記ワイヤ径は、前記コアのいずれの点においても流体の流れ特性に適応するように、かつ他のワイヤに対する流れの影響およびバンドルを貫通する際の流れのエネルギー損失を考慮して選択され、前記複数のワイヤについて均一の活性時間が達成される、請求項２に記載のエネルギー回収装置。
【請求項４】
前記複数のワイヤの少なくとも１本は一端にてテーパ状になっている、先行する請求項のいずれかに記載のエネルギー回収装置。
【請求項５】
少なくとも１本のワイヤの活性化が、マルテンサイト状態からオーステナイト状態への変態を含む、先行する請求項のいずれかに記載のエネルギー回収装置。
【請求項６】
エネルギー回収装置で使用されるコアであって、前記コアは互いに実質的に平行に位置する複数のワイヤを備え、前記ワイヤは異なる寸法を有するよう選択され、前記ワイヤは温度変化に応じて実質的に同時に活性化されるコア。
【請求項７】
コアを画定するよう互いに実質的に平行に位置する複数のワイヤとして配置された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）もしくは負熱膨張性（ＮＴＥ）要素を備えるエネルギー回収装置を作成する方法であって、異なる寸法を有する複数のワイヤを選択するステップと、温度変化に応じて実質的に同時に活性化されるように前記複数のワイヤを位置付けるステップとを含む、方法。
【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、そのための、形状記憶合金（（Ｓｈａｐｅ-ｍｅｍｏｒｙ  Ａｌｌｏｙ（ＳＭＡ））または負熱膨張性（負熱膨張性（ＮＴＥ））材料の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に１００度未満とされる低位熱は、工業プロセス、発電および輸送用途における著しい廃棄エネルギー流の代表である。このような廃棄の流れを回収および再利用することが望ましい。この目的のために提案された技術の一例として熱電発電機（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（ＴＥＧ））がある。ただ残念なことにＴＥＧは比較的高価である。このエネルギー回収のために提案されている別の大掛かりな実験的取り組みとして形状記憶合金の使用が挙げられる。
【０００３】
形状記憶合金（ＳＭＡ）は元の冷間鍛造時の形状を「覚えている」合金であり、一旦変形しても加熱されれば変形前の形状に戻る性質がある。この材料は軽量で固体状であり、液圧、空圧、およびモーターに基づくシステムなどの従来型アクチュエータの代替物となりうる。
【０００４】
形状記憶合金のタイプは主として３つあり、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）合金であるが、ＳＭＡは例えば亜鉛、銅、金および鉄を合金化することによっても作り出せる。
【０００５】
このような材料による記憶は、１９７０年代初期から熱回収プロセスで、特に熱からエネルギーを運動として回収するＳＭＡエンジンの構築により、その利用が採用あるいは提案されてきた。エネルギー回収装置に関連する最近の刊行物には、本発明の譲受人に譲渡されたＰＣＴ公開公報ＷＯ２０１３／０８７４９０が含まれる。望ましいのは、効率的な方法でＳＭＡまたはＮＴＥ材料の収縮を機械的な力に変換することである。これは、けっして簡単な作業ではなく、通常は複雑であり、また相当な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、エネルギー回収装置における改善システムおよび方法を提供することを目的とする。
【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しているように、コアを画定するよう互いに実質的に平行に位置する複数のワイヤとして配置された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）もしくは負熱膨張性（ＮＴＥ）要素を備え、当該複数のワイヤは、異なる寸法を有するように選択され、これにより温度変化に応じて実質的に同時に活性化される、エネルギー回収装置が提供される。
【０００８】
一実施形態において、コアの中央寄りに位置するワイヤほど、コアの外側寄りに位置するワイヤに比べて小さい直径を有する。
【０００９】
一実施形態において、ワイヤ径は、コアのいずれの点においても流体の流れ特性に適応するように、かつ他のワイヤに対する流れの影響およびバンドルを貫通する際の流れのエネルギー損失を考慮して、複数のワイヤについて均一の活性時間が達成されるように選択される。
【００１０】
一実施形態において、複数のワイヤの少なくとも１本は一端にてテーパ状になっている。
【００１１】
別の実施形態において、エネルギー回収装置で使用されるコアが提供され、当該コアは互いに実質的に平行に位置する複数のワイヤを備え、温度変化に応じて実質的に同時に活性化されるように、当該複数のワイヤは寸法が異なるように選択されている。
【００１２】
一実施形態において、少なくとも１本のワイヤの活性化はマルテンサイトからオーステナイトへの組織の変態を含む。
【００１３】
別の実施形態において、コアを画定するよう互いに実質的に平行に位置する複数のワイヤとして配置された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）もしくは負熱膨張性（ＮＴＥ）要素を備えるエネルギー回収装置を作成する方法が提供され、当該方法は、温度変化に応じて実質的に同時に活性化されるように、異なる寸法を有する複数のワイヤを選択し、位置付けることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明は、添付の図面を参照しながら、単に例示的に示される実施形態についての以下の記載によってより明確に理解されるものである。
【図１】図１は公知のエネルギー回収システムを示す。
【図２】図２はコアを構成する複数のワイヤ、および異なる温度での流体流入力学の結果として起こる不均一なワイヤ活性化を示す。
【図３】図３は本発明の第１の実施形態に係り、ワイヤバンドルの中央に向かうにつれて直径サイズが減少するコアＳＭＡワイヤを示す。
【図４】図４は本発明の第２の実施形態に係り、その直径幅が流体入口から出口にかけて減少する複数のテーパ付きコアＳＭＡワイヤを示す。
【図５】図５は図３および図４で説明したコアにおけるテーパリングおよびワイヤ径減少の組み合わせを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）もしくは負熱膨張性（ＮＴＥ）材料を使用して低位熱から動力を生成することのできる、目下開発中の熱回収システムに関する。
【００１６】
以下、エネルギー回収装置の公知の例示的な実施態様を図１を参照して説明する。図１は、参照番号１で示すＳＭＡエンジンを採用したエネルギー回収装置を示している。このＳＭＡエンジン１はＳＭＡ活性コアを備える。ＳＭＡ活性コアは、固定された第１の点でクランプした、すなわち留めたＳＭＡ材料から成る。このＳＭＡ材料は、反対側の端部において、駆動機構２にクランプ、すなわち留められている。このように、第１の点がアンカーとなり、第２の点は駆動機構３を牽引しながらも自由に移動可能である。浸漬チャンバ４はＳＭＡエンジンを収容するようになっており、かつ、ＳＭＡエンジンの加熱および／または冷却を可能とするように流体で順次充填されるようになっている。したがって、熱がＳＭＡコアに加えられれば自在に収縮する。好適には、ＳＭＡコアは複数の平行なワイヤ、リボンまたはシート状のＳＭＡ材料を備える。本発明の説明において用語「ワイヤ」を使用するが、これには、コアとして作用可能であれば任意適当な長さのＳＭＡまたはＮＴＥ材料を意味するよう、広義に解釈が与えられるべきであることは理解されよう。
【００１７】
一般に、このようなコアは４％程度たわむ。したがって、１ｍの長さのＳＭＡ材料を使用する場合、およそ４ｃｍの線形移動が利用可能と予測できる。当然のことながら、この移動から生じる力は、使用するワイヤの質量に依存する。このようなエネルギー回収装置は、本発明の譲受人に譲渡されたＰＣＴ公開公報ＷＯ２０１３／０８７４９０に記載されており、その内容を参照により本明細書に包含する。
【００１８】
このような用途では、こうした材料を熱源に暴露することで、その収縮をとらえて、利用可能な機械的動作へと変換する。ニッケル-チタン合金（ＮｉＴｉ）がこのようなエンジンの動作要素に有用な材料であることは証明されている。この合金は周知の形状記憶合金であり、異業種にわたり多くの使用例がある。本発明の説明において、任意適当なＳＭＡもしくはＮＴＥ材料をいずれも使用可能であることは理解されよう。
【００１９】
作動コア内におけるこのような（複数のワイヤとして提供される）合金の収縮および伸長から、ピストンおよび伝達機構を介して力が生成される。したがって、特定の構成要件、および必要なＳＭＡ材料の質量に応じて、長尺のＳＭＡもしくはＮＴＥワイヤの複数本を一緒に用い、互いを実質的に平行に配置することにより単一のコアを形成する。好ましくは、複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）あるいは負熱膨張性（ＮＴＥ）要素を、コアもしくはコアエンジンを画定するように、互いに実質的に平行に位置する複数の長尺ワイヤとして配置する。これは、図１を参照して説明されるＳＭＡエンジン１と等価なものである。
【００２０】
複数のワイヤを有するコアの問題として、図２に示すように、コア内でのワイヤの加熱が不均一となることが挙げられる。一実施形態において、本発明は、ＳＭＡバンドルにわたる応力分布の不均衡に対処するものである。この不均衡は、ＳＭＡコアへの入口から流体がコアを通って上に移動するときに流体力学の結果として起きる。図示のように、ｔ＝０の時点で、ＳＭＡワイヤは冷たい状態にある。高温の流体がコアに入ると、コアの外側端部のワイヤが最初に加熱される一方、中央側に位置するワイヤはｔ＝１の時点で冷たい状態のままである。ｔ＝２の時点では、外側のワイヤは状態が変化し活性化されるものの、中央側のワイヤについては依然として冷たい状態に置かれる。ｔ＝３の時点でも、全てのワイヤが活性化される訳ではない。流体力学により起こる最終的結果は、（バンドルの上方での比較的層状の流れに比して）乱流が生じやすい入口では対流熱伝達係数が大きいために、バンドル外側のＳＭＡワイヤがバンドル内側のワイヤより前に活性化するということであり、バンドル外側のワイヤが最も早く影響を受けるという事実である。本発明は、この問題を克服することを目的とする。
【００２１】
第１の実施形態
一実施形態において、コアを構成するワイヤバンドルの中央に向かって比例的に直径が減少するＳＭＡワイヤが使用される。
【００２２】
図３は、本発明の第１の実施形態を示す。ワイヤバンドル１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄがコアを構成しており、そのコアＳＭＡのワイヤ径が中央に向けて減少している。ＳＭＡのワイヤがオーステナイト開始（Ａｓ）温度を上回るように加熱されると、ワイヤはマルテンサイトからオーステナイトへの変態を開始する。ワイヤの加熱速度は、バンドル全体の材料特性や過渡流動特性などの他の要因もある中で、ワイヤの体積に対するワイヤ表面積の関数である。
【００２３】
ワイヤは、その直径が大きくなるにつれて体積に対する表面積の比が減少するため、オーステナイト状態となって活性化するまでに長い加熱時間を要することになる。他のワイヤへの流れの影響とバンドルを貫通する際の流れのエネルギー損失を考慮し、ＳＭＡワイヤバンドルの任意点での流れの特性と一致するようにＳＭＡワイヤのワイヤ径を選択すれば、コア内のすべてのワイヤの活性時間を均一にすることができる。これにより、あらゆるクッション要件の最小化を達成することでより効率的なパワーストロークがもたらされ、活性化中のより均一な応力分布が可能となる。
【００２４】
流体を流動させるために、バンドル長に沿って多数の流体流入点を有するＳＭＡコア、または高密度ＳＭＡバンドルの外側に大きな空隙を設けたＳＭＡコアであれば、ＳＭＡバンドル全体の長さにわたりバンドルの外側における熱伝達率が中央側に比較して高まるため、エネルギー回収システムは良好に動作する。
【００２５】
第２の実施形態
一実施形態において、コアを構成するＳＭＡワイヤは、流体入口から出口に向かってテーパするよう寸法決めされている。
【００２６】
図４は、複数のテーパ付きコアＳＭＡワイヤのサイズが流体入口から出口に向かって小さくなる、本発明の第２の実施形態を示す。この構成は、流れ特性の関数として、ワイヤへの熱伝達率の変化の影響を均衡させることを目指している。一実施形態において、流体は、コアを上昇するにつれてより層状に流れるのに比較すると、コアへの流入点にてチャンバに入る際にはその流れの乱れが大きく、ワイヤと実質的に垂直に相互作用する。そしてコア内の上方へと向きを変える。
【００２７】
乱流領域では、対流熱伝達係数がより大きいため、ワイヤの加熱は、流体がコアをさらに上昇して層流領域で起こる加熱よりも速い。
【００２８】
したがって、予測される熱伝達特性に応じてワイヤにテーパを付けることにより、コア全長にわたって均一な活性化率を達成することができ、結果的に、連結される伝達機構において必要となりそうな補正が少ない、より滑らかなパワーストロークプロファイルが得られる。
【００２９】
第３の実施形態
一実施形態において、熱伝達効果を埋め合わせるためにテーパ付けおよびＳＭＡワイヤ径の変化が利用される。
【００３０】
図５は、図３および図４で説明したコアにテーパリングとワイヤ径の減少とを組み合わせたものを示す。図示の構成は、図３および図４に示した構成の要素を組み合わせたものである。
【００３１】
直径は、入口での流れ特性を補償するように、外側のＳＭＡワイヤほど大きくなっているが、テーパ角度については、流体が内部のワイヤと相互作用する際の熱伝達の減少に対してバランスをとるように、ワイヤバンドルの中心、すなわちコアの中心に向けて小さくなっている。
【００３２】
本明細書において、用語「備える、備えられ、備えている」またはそれらの語尾変化と、用語「含む、含まれ、含んでいる」またはそれらの語尾変化とは、完全に互換性があるとみなされ、あらゆる可能な限り広い解釈を与えられるべきであって、その逆もまた同様である。
【００３３】
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、構造および詳細のいずれにおいても変更可能なものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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