(57)【要約】本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第１のコアであって、第１の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第１のコアを備えるエネルギー回収システムを提供する。カスケード式のコア構成、コアの予熱／冷却、および形状記憶合金に対してその反応時間を如何に効率的に短縮するかを含め、様々な実施形態を開示する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第１のコアであって、第１の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第１のコアと、
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第２のコアであって、第１のコアと流体連通し、第２の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第２のコア、とを備え、
流体が前記第１および第２のコアを活性化するための温度変化を提供し、前記両コアを活性化する前記第１および第２の温度は前記流体の漸進的な温度変化に対応し、前記流体が前記第２の温度で前記第２のコアに適用される前に、前記第１のコアを活性化する前記第１の温度の前記流体が前記第２のコアを予熱するのに用いられる、エネルギー回収システム。
【請求項２】
追加コアが２つの作動用動力コアの間に設けられている、請求項１に記載のエネルギー回収システム。
【請求項３】
前記追加コアは、少なくとも１つの制御補助システムに動力を供給するよう構成されている、請求項２に記載のエネルギー回収システム。
【請求項４】
前記第１のコアは前記第２のコア内に同心状に取り付けられ、２つの別個のコアとして作用するよう構成されている、先行する請求項のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項５】
前記第１のコアは、前記第２のコアとは異なる活性温度を有する合金を含む、請求項４に記載のエネルギー回収システム。
【請求項６】
２つの流体が異なる温度で存在する混合チャンバ領域を画定するために、コアから流体を受け取り排出するための入口と出口とを含む、先行する請求項のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項７】
前記混合チャンバ領域内の前記流体の前記温度がヒステリシス曲線内に維持される場合、前記流体は前記ワイヤの予熱ステージまたは予冷却ステージを実行することができる、請求項６に記載のエネルギー回収システム。
【請求項８】
前記第１のコアは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の複数の長尺ワイヤを備える、先行する請求項のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項９】
前記第２のコアは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の複数の長尺ワイヤを備える、先行する請求項のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項１０】
前記コアの少なくとも一方は、ドームが頂面に取り付けられたピストンと協働する、先行する請求項のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項１１】
前記ドームは高導電性材料を含む、請求項１０に記載のエネルギー回収システム。
【請求項１２】
前記ドームは、前記ドームの表面に切り込まれた複数の溝または経路を含む、請求項１０もしくは１１に記載の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、そのための、形状記憶合金（（形状記憶合金（ＳＭＡ））または負熱膨張性（Ｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ（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、特許公報ＤＥ３０１４５６０およびＵＳ２００８／０３４７５０に開示されているように、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。開示されたシステムの問題点は、コアの加熱と冷却との間のサイクル時間が長く動作が非効率的となるなど、動力生成のための各コアの反応時間が考慮されていないことである。結果として、作動流体のエネルギーの多くが加熱サイクルを繰り返すうちに浪費されている。
【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されているように、
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第１のコアであって、第１の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第１のコアと、
形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第２のコアであって、第１のコアと連通し、第２の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第２のコア、とを備え、流体が第１および第２のコアを活性化するための温度変化を提供し、この両コアを活性化する第１および第２の温度はこの流体の漸進的な温度変化に対応し、この流体が第２の温度にて第２のコアに適用される前に、第１のコアを活性化する第１の温度の流体が第２のコアを予熱するのに用いられる、エネルギー回収システムが提供される。
【０００８】
本発明の利点は形状記憶合金の反応時間を短縮できることにある。本発明は、ＳＭＡ要素またはワイヤの活性化の概念を用いつつ、コアをカスケード接続することでサイクル時間を短縮し利用可能な流体流れのエネルギーポテンシャルをより有効に利用する。本発明のシステムおよび方法は、ＳＭＡワイヤ内外への熱伝達の効率を改善する。換言すれば、本発明は、伝達機構によって得られるたわみを介して機能するインテリジェント熱交換器であると考えることができる。
【０００９】
一実施形態において、追加コアが２つの作動用動力コア間に設けられている。
【００１０】
一実施形態において、追加コアは、少なくとも１つの制御補助システムに動力を供給するよう構成されている。
【００１１】
一実施形態において、第１のコアは第２のコア内に同心状に取り付けられ、２つの別個のコアとして作用するよう構成されている。
【００１２】
一実施形態において、第１のコアは、第２のコアとは異なる活性温度を有する合金を含む。
【００１３】
一実施形態において、２つの流体が異なる温度で存在する混合チャンバ領域を画定するために、コアから流体を受け取り排出するための入口と出口とが設けられる。
【００１４】
一実施形態において、混合チャンバ領域内の流体の温度がヒステリシス曲線内に維持される場合、この流体はワイヤの予熱ステージまたは予冷却ステージを実行することができる。
【００１５】
一実施形態において、第１のコアは形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の複数の長尺ワイヤを備える。これらの複数のワイヤをバンドルと呼ぶことがある。
【００１６】
一実施形態において、第２のコアは形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の複数の長尺ワイヤを備える。これらの複数のワイヤをバンドルと呼ぶことがある。
【００１７】
一実施形態において、上記コアの少なくとも一方は、ドームが頂面に取り付けられたピストンと協働する。好ましくは、このドームは高導電性材料からなる。このドームは、その表面に切り込まれた経路を有する。
【００１８】
一実施形態において、このドームは高導電性材料を含む。
【００１９】
一実施形態において、ドームは、ドームの表面に切り込まれた複数の溝もしくは経路を含む。
【００２０】
別の実施形態において、冷却負荷を低減するため、そしてこのようにシステムに付随する負荷を低減するために、以前に低温サイクルで使用されていた低温の流体の流れを、形状記憶合金の予冷却と低温サイクルの先取りを目的に、異なるウォームコア（ｗａｒｍ  ｃｏｒｅ）に再誘導することができる。このようにして、冷却装置への戻り温度が高くなり、冷却負荷が低減される。
【００２１】
別の実施形態において、エネルギー回収システムにおける反応時間を短縮する方法が提供される。この方法は、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第１のコアであって、第１の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第１のコアと、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第２のコアであって、第１のコアと連通し、第２の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第２のコアとを備え、異なる温度で第１および第２のコアを活性化する流体を提供するステップを含み、両コアを活性化させる第１および第２の温度は流体の漸進的な温度変化に対応しており、この流体が第２の温度にて第２のコアに適用される前に、第１のコアを活性化する第１の温度の流体が第２のコアを予熱するのに用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
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、本発明の第１の実施形態を示し、第１および第２のコアが直列に接続されている。
【図３】図３ａは、２つのコアを含むエネルギー回収システムにおける流れの循環を示す。図３ｂは、図３ｂの拡大図であり、２つのコアとして作用するように同心状に取り付けられた２つのバンドルを示す。
【図４】図４は、異なる温度にある２つの流体間に混合領域が形成されているコアを収容する流体を受け入れ排出するための入口および出口を示す実施形態を示す。
【図５】図５は、コアと併用するように頂面にドームが取り付けたピストンを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
作動コア内で、複数のワイヤ（もしくはバンドル）として存在するこのような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、特定の構成の要件および必要な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。
【００２８】
一実施形態において、高温の流体および低温の流体の流れに暴露されることでコアが反応する。この反応の時間が、動力生成の効率を改善する際、最も重要となる。本発明は、チャンバ内に予熱または冷却ステップを設けることによって、システムの高温サイクルおよび低温サイクルの反応時間を短縮するシステムおよび方法を提案する。
【００２９】
カスケード構成はコアの直列接続を含み、１つのコアの出口から流れる水は別のコアの入口に送ることができるようになっている。この配置の目的は、利用可能な供給源、この場合は温水から熱を最大に回収できるようにすることによってシステムの効率を高めることである。ＳＭＡ／ＮＴＥエンジンの場合、一実施形態において、異なる活性温度を有する合金からなる連続コアを使用することによって、このように熱回収を高効率に達成することができる。別の実施形態では、同じ合金のコアを使用することができる。さらなる別の実施形態では、異なる合金を含むコアの任意の組み合わせ（例えば、特定の合金を含む複数のコアおよび異なる合金を含む別個の複数のコア）を使用することができる。このように、水がコアを流れると、その水の漸進的な変化温度に対応した異なる温度で一連のコアが活性化される。
【００３０】
コアのカスケード接続は、コアに含まれる合金が異なる温度の流体への暴露に効率的に耐えることができる場合にのみ、すなわち位相を完全に変化させることができて、所望されている利用可能なたわみをもたらすことができる場合にのみ可能である。これを可能にするには２つの手法がある。
１：非常に狭いヒステリシス曲線を有することで漸進的に温度の下がる高温流／温度の上がる低温流に反応できるように（熱処理を介する方法で）合金を調製する。
２：漸進的に温度の下がる高温流／温度の上がる低温流に浸水される一連のコアに対応する異なる活性温度を有する合金を使用する。
【００３１】
図２に図示するのは、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第１のコアであって、第１の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第１のコア１０、および、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の第２のコアであって、第１のコアと連通し、第２の温度に応答して自体の運動をエネルギーに変換するように適合された第２のコア２０である。図２でグラフ表現されているカスケード構成は、以下の点において、合金の活性温度が、主要な動力生成コアを出た後の水を再循環させられる場合のみ可能である。
ａ：有用な出力（合金の狭いヒステリシス）を生成するため、２つの主要動力生成コアの間の再循環を可能にできるほどに十分に低い。
ｂ：主要コアを出る流体で二次的な動力コア内のワイヤの予熱／予冷却を可能にできるほどに十分高い（予熱および予冷却の考え方は、要素の熱伝達のより高い効率化を可能にする点において合金にとって有益であり、相変化に必要なエネルギーが減少されるため、合金は新たな高温／低温流体の流れに暴露されると、より迅速に反応する）。
【００３２】
ワイヤプロセスの形状設定が終了した後の遷移温度は非常に重要である。というのは、熱サイクルが変態温度をシフトさせるので、非サイクルワイヤの作用条件が完全に変更されるからである。動力出力を得るために２つの主要コアをその対象物と共にカスケード接続しながら確実にワイヤを反応させるための安全対策の１つは、未処理の（ａｓ−ｒｅｃｅｉｖｅｄ）ワイヤの焼き戻しを行うことである。この処理を行うと、ヒステリシス曲線の活性温度をシフトさせるので、セトリング過程（ｓｅｔｔｌｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）の後に無反応の合金を含むリスクはさほど高くなくなる。
【００３３】
本発明は、動力コア内の高温／低温流体に含まれるポテンシャル（ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を最大限に利用することに帰する。設備内を流れる流体流の温度がヒステリシス曲線の外にあり、２つの連続した動力コアを介して循環するのに十分な高い値／低い値を有する場合、設備の効率が大幅に向上する。２つの動力コアを出る残留流体／水を第３の動力コアの予熱に使用すれば、サイクル時間も短縮することができる。
【００３４】
上記の記載および図２に示したように、カスケード配列にはコア１０およびコア２０の直列接続が含まれ、１つのコアの出口から流れ出る水を他のコアの入口に送ることができるようになっている。このような構成の目的は、高温／低温の流れに含まれるポテンシャルをより良く利用することによって、システムの効率を高めることである。
【００３５】
本実施形態は、図２のカスケードシステムをＳＭＡ／ＮＴＥエンジンのために使用するものであって、追加チャンバがそのカスケード回路に、２つの作動用動力コアの間に含まれている。各コアは、先行するコアとは異なる温度で活性化するように構成された合金を含む。この追加コアはＳＭＡ／ＮＴＥ動作要素を含んでおり、この要素により、バルブ、ポンプなどの各種付随システムの動作用に動力が供給されるよう、これに限定されるものではないが、寸法と役割が決められている。このコアからの動力取り出しは、機械的でも別の方法でも構わない。
【００３６】
この実施形態は、動力コア内の高温／低温流体に含まれるポテンシャルと、システム内の補助部品（すなわち、バルブ、ポンプなど）に動力を供給するためのコアと、を最大限に利用することに帰する。設備内を流れる流れの温度がヒステリシス曲線の外にあり、２つの連続したコアを介して循環するのに十分な高い値／低い値を有する場合、設備の効率が大幅に向上する。２つの動力コアを出る残留水を第３の動力コアの予熱に使用すれば、サイクル時間も短縮することができる。
【００３７】
ワイヤプロセスの形状設定が終了した後の遷移温度は非常に重要である。というのは、熱サイクルが変態温度をシフトさせるので、非サイクルワイヤの作用条件が完全に変更されるからである。動力出力を得るために２つのコア（主、補助、または組合せ）をその対象物と共にカスケード接続しながら確実にワイヤを反応させるための安全対策の１つは、未処理のワイヤの焼き戻しを行うことである。この処理を行うと、ヒステリシス曲線の活性温度をシフトさせるので、セトリング過程の後に無反応の合金を含むリスクはさほど高くなくなる。
【００３８】
図３ａは、カスケードで表される幾つかのコアを含むエネルギー回収システムにおける流れの循環を示す。
【００３９】
図３ｂは、図３ｂに示されるコアの１つを示し、２つのバンドルが２つのコアとして作用するように同心状に取り付けられている。これらのバンドルは異なる活性温度を有する合金を含むことができ、１つのコアをもう一方のコアにスロット挿入できる。
【００４０】
上記ワイヤバンドルコアにおける、２種類の合金の活性温度は以下の通りである。
１：（Ｍｓ-Ｍｆ；Ａｓ-Ａｆ）-  動力生成コア
２：（Ｍｓａｕｘ-Ｍｆａｕｘ；Ａｓａｕｘ-Ａｆａｕｘ）-  補助のコア
【００４１】
補助のコアは、図３ｂに示すように、主動力コアの中心に取り付けられる。主バンドルと補助バンドルで使用される２種類の合金の活性温度には次のような関係がある。
（Ｍｆ-Ｍｓ＜Ｍｆａｕｘ-Ｍｓａｕｘ＜Ａｓａｕｘ-Ａｆａｕｘ＜Ａｓ-Ａｆ）
【００４２】
この流路では、同一の流体の流れが、同じ組み合わせのコアを２回にわたり通過する。高温流体がコアを通る第１の通過において、両方のバンドルが活性化されて仕事が行われる。第２の通過では、補助バンドルの完全な活性化が起こり主バンドルのワイヤの予冷却が達成されるよう、流体の温度は補助コアのオーステナイト仕上げ（Ａｆ）温度より高く、かつ主動力生成コアのオーステナイト開始（Ａｓ）温度よりも低くなければならない。組み合わされバンドルを使用して低温流体を循環させる場合も同様である。
【００４３】
この設計により、ワイヤの反直感的な（ｃｏｕｎｔｅｒｉｎｔｕｉｔｉｖｅ）予熱／予冷却を主要な動力生成バンドルに適用することができる。
【００４４】
図４は、別の一実施形態を示し、流体を受ける入口６０およびコアから排出する出口６１を示している。この高温／低温流体配送システムは、例えば、低温流体がコアに流入している間は高温流体が完全に流出しないように設計されているため（低温流体がコアから流出されないうちに高温流体がコアに入る場合にも同じことが言える）、伝熱領域に最後に入る流体に先行する波の形で、２つの流体の混合領域６２が常に存在することになる。
【００４５】
混合領域６２が興味深いのは、その温度が重要であることである。混合領域の温度がヒステリシス曲線の内側（高温側および低温側）に維持される場合、最適温度レベル（ヒステリシス曲線の外側）の新たな高温流体／低温流体がワイヤの表面に当たる前に、ワイヤの予熱および予冷却を実行することができる。
【００４６】
混合領域の最適温度および最適長さを見つけるように最適化を行うことで、各コアのワイヤの反応時間を最小限にすることができる。
【００４７】
この解決策が幾つかの実施形態より好ましいのは、追加的な構成要素の製作を必要としない点である。最終的には、コア内で留保される蓄熱（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）現象が決め手となる。
【００４８】
別の実施形態では、システムの高温および低温サイクルの反応時間が短縮する方法が提供される。
【００４９】
コアに望ましい特徴の１つは乱流状態である。乱流状態があると、流体とワイヤとの間の熱伝達が増加する。図５は、熱交換器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）として作用するように使用でき、流体の旋回流の促進を補助する実施形態を示す。
【００５０】
図５は、その頂面に取り付けられたドーム７１を備えるピストン７０を示す。ドームは、好ましくは高導電性材料で作られる。ドーム７１は、その表面に切り込まれた経路を有する。これらの経路は２つの目的を提供するものである。第１の目的は、流入する流体が螺旋状の流れパターンとなるように案内することである。第２の目的は、流入する流体と接触するドーム７１の面積を増大させることである。高温の流体が入ると、この経路を辿るだけでなくドーム材料に熱を伝達する。これにより、高温相は予熱相を有するようになる。低温の流体がコアに入ると、ドームに接触して経路を辿る。ドーム７１は、その熱を流体に伝達して予冷却ステージを生成する。
【００５１】
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。
【００５２】
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】
2018519469.tif 000003
【図２】
2018519469.tif 000004
【図３】
2018519469.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018519469.tif 000007
【国際調査報告】
2018519469.tif 000008
2018519469.tif 000009
2018519469.tif 000010