(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱力学的系又は装置に使用するのに適するエネルギーを蓄積し散逸させるための不均質構造物（10）であって、前記構造物が、多孔質細管固体マトリックス（11）及び前記マトリックス（11）を取り囲む液体（13）を含む種類のものであり、前記マトリックス（11）が前記液体（13）に対して疎液性であり、前記マトリックス（11）が前記取り囲む液体（13）に対して開いている細管通路（12）を有し、細管通路（12）がその長手方向に沿って変化する断面を有し及び／又は互いに連結して迷路を形成しており、そして前記マトリックス（11）を取り囲む液体（13）が固体／液体分離面を画定するように選ばれ、前記固体／液体分離面の面積が当該構造物にかかる外圧の関数として等温的かつ可逆的に変化することを特徴とする不均質構造物。
【請求項２】
細管通路（12.1、12.2）が互いに連通され、且つ、円筒状溝、僅かに曲がった細管、又は溝孔を形成するように組織化されていることを特徴とする、請求項１記載の構造物。
【請求項３】
細管通路（12.4、12.3）がその長手方向に沿って変化する断面を有し、且つ交差する溝の形態又は交替する微小球とネック部分とを含む溝の形態に組織化されていることを特徴とする、請求項１記載の構造物。
【請求項４】
細管通路（12）が、有機シリコーン及び有機フッ素化合物から成る群から選ばれる液体に対してその表面（14）を疎液性にする試薬によりその表面が被覆されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造物。
【請求項５】
マトリックス（11）が、強磁性物質を含有する離散粒子を含むこと及び／又は前記マトリックスを封入するカプセルが強磁性物質を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の構造物。
【請求項６】
マトリックス（11.5）が、液体と協同する離散粒子の形態で作られてサスペンション又はコロイド溶液を形成することを特徴とする、請求項１記載の構造物。
【請求項７】
多孔質細管マトリックス（11）を構成する材料が、シリカゲル、シリカ化合物及びクロム化合物、ケイ酸アルミニウム、アルミナ、多孔質ガラス及びグラファイトから成る群より選ばれ、そして付随する液体（13）が、塩、フラックス、液体金属及びそれらの合金、低温共融混合物、水銀、低融点ウッドメタル合金、水溶液、並びに極性溶液から成る群より選ばれることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の構造物。
【請求項８】
当該熱力学的系又は装置に使用されるものとは別の外部液体と接触することを妨げる可撓性の閉鎖容器等（21、25；21、28；31）の中に封入されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造物。
【請求項９】
エネルギーを蓄積する目的のために請求項１〜８のいずれか１項に記載の不均質構造物を使用する方法であって、その疎液性マトリックスが非単多孔質であって、種々のマトリックスの混合物から成る少なくとも１つの不均質構造物（10）を密閉チャンバー（45、55、65）内に配置し、次いで前記構造物を所定の一定温度で強制圧縮にかけて前記構造物の液体をその多孔質固体マトリックスの細管通路内に押し入れさせ、それにより液体／固体分離面の面積を増加させ、そのような強制圧縮時に蓄積されたエネルギーがその後の自発的等温膨張時に有用な仕事を行うことにより回収可能なものであることを特徴とする方法。
【請求項１０】
強制圧縮時のエネルギー入力が本質的に機械的エネルギーであり、そして一定温度が不均質構造物（10）の液体の臨界温度の半分よりも低いが前記液体の融点よりも高くなるように選ばれ、その後の自発的等温膨張時に回収されるエネルギーが主に機械的エネルギーであることを特徴とする、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
強制圧縮時のエネルギー入力が本質的に熱エネルギーであり、そして一定温度が不均質構造物（10）の液体の臨界温度の0.5倍〜1.0倍の範囲内にあるよう選ばれ、その後の自発的等温膨張時に回収されるエネルギーが主に熱エネルギーであることを特徴とする、請求項９記載の方法。
【請求項１２】
蓄積されたエネルギーを、不均質構造物の液体の融点よりも高い温度に前記構造物を単に加熱することにより所望の瞬間において開放する前に、前記不均質構造物の液体の融点よりも低い温度に前記不均質構造物を冷却することにより強制圧縮段階の最後において貯蔵することを特徴とする、請求項９〜11のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
請求項９〜12のいずれか１項に記載の方法を実施するための装置であって、その中に少なくとも１つの不均質構造物（10）を収容した可変容積の密閉チャンバーを具備し、前記チャンバーが滑りピストン（42、52、62）により又は可撓性膜等（25、28）により画定されていることを特徴とする装置。
【請求項１４】
エネルギーを散逸させるために請求項１〜８のいずれか１項に記載の不均質構造物を使用する方法であって、その疎液性マトリックスが任意に単多孔質である少なくとも１つの不均質構造物（10）を密閉チャンバー（85）内に配置し、次いで前記構造物を衝撃による高圧縮にかけて前記構造物の液体をその多孔質固体マトリックスの細管通路内に押し入れさせ、それにより固体／液体分離面の面積を増加させ、その後に前記構造物を所定の低い圧力で自発的に膨張させることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項14記載の方法を実施するための装置であって、その中に少なくとも１つの不均質構造物（10）を収容した可変容積の密閉チャンバー（85）を具備し、前記チャンバーが滑りピストン（84）により画定され、前記ピストンのロッドが予想される衝撃の方向に向けられている装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、熱力学の分野に関し、より詳細には熱力学的系又は装置に関連するエネルギーを蓄積するか又は散逸させる技術に関する。
本発明の目的は、エネルギーを蓄積するために慣用的な作動流体、すなわち気体及び蒸気、並びにエネルギーを散逸させるための緩衝器又はダンパーにおいて使用されているもののような通常の粘性流体を利用する従来の技術により得られるものよりもかなり高い性能を提供することができるエネルギーを蓄積するか又は散逸させる新規技術を開発することである。
ソ連発明者証発明明細書第338870号及び同第943444号において、発明者は、多孔質細管固体マトリックスを含む種類のエネルギー蓄積性不均質構造物の一般原理を述べている。前記マトリックスはそれを取り囲む液体に対して疎液性である。すなわち前記マトリックスは液体によってぬれない。やはり、細管孔は、一定の断面を有する細管通路を用いて、理論的かつ基本的手法でそれらの明細書中に定義されている。実際には、そのようなマトリックスを製造することは多大な費用がかかり、そしてそのような不均質構造物の性能は、蓄積され得るエネルギー量の点から限界があることが判明している。また、この種のマトリックスは、エネルギーを散逸させる場合に有為な結果を得るには不適切であることも判明している。
従って、本発明は、より優れた性能、すなわち熱力学的可逆プロセスを実施することができ、特に圧縮時の加熱及び／又は乱流の発生を避けることができる不均質構造の装置を得ようとするものである。
また、本発明は、そのような不均質構造物を使用する方法、及びその方法を実施するための付随する装置を提供しようとするものである。
より詳細には、熱力学的系又は装置において使用するのに適するエネルギーを蓄積するため又は散逸させるための不均質構造物であって、前記構造物が、多孔質細管固体マトリックス及び前記マトリックスを取り囲む液体を含む種類のものであり、前記マトリックスが前記液体に対して疎液性であり、前記マトリックスが連続細管孔及び制御されたトポロジーを有し、細管通路が長手方向に沿って変化する断面を有し及び／又は互いに連結して迷路を形成しており、そして前記マトリックスを取り囲む液体が固体／液体分離面を画定するように選ばれ、前記固体／液体分離面の面積が当該構造物にかかる外圧の関数として等温的かつ可逆的に変化することを特徴とする不均質構造物を提供する。
そのような不均質構造物に用いられる主な基準は、固体／液体分離面の面積及び固体との界面での液体の表面張力である。
従って、上記ソ連発明者証発明明細書第338870号及び同第943444号に概説されているのみであるそのようなアプローチは、分子相互作用のポテンシャルエネルギー及びそのようなエネルギーの温度依存性を用いるかぎりにおいて従来の熱力学による教えとは根本的に異なる。従って、気体又は蒸気分子の無秩序運動の運動エネルギーを用いる代わりに、この主題は、適切な液体を微細通路（その寸法は典型的には1/1000〜1/10ミクロンの範囲内にある）に浸透させ、液体を前記微細通路から逃がすことによる分子相互作用のポテンシャルエネルギーに関する。分離面の面積は液体が浸透するにつれて増加し、そして液体が抜け出るにつれて減少する。これは等温的かつ可逆的なプロセスで起こる。固体／液体分離面の温度の値を独立パラメーターとして用い、等圧的かつ等温的であるが相転移させずに作動媒体の圧縮を行うことができる。従って、蓄積される又は散逸するエネルギーは本質的に熱分子（thermomolecular）である。
特別な態様において、前記細管通路は互いに連通され、且つ、円筒状溝、僅かに曲がった細管、又は溝孔を形成するように組織化されており、そのため当該構造物が等温圧縮−膨張プロセスにかけられた場合に小さなヒステリシスを示す。
別の態様において、前記細管通路は長手方向に沿って変化する断面を有し、且つ、交差する溝の形態又は交替する微小球とネック部分とを含む溝の形態に組織化されており、それにより当該構造物が等温圧縮−膨張プロセスにかけられた場合に大きなヒステリシスを示す。この別の態様は、高圧衝撃の作用下で発生するエネルギーを散逸させることが望ましい場合に特に有利である。
長手方向に沿って変化する断面及び／又は迷路のような連結部を有する細管溝の独特の組織は、上記文献に記載の最初の仮定に用いられている「単純な」トポロジーとは対照的に、制御された「複雑な」トポロジーであると見なすことができるものを画定している。
細管通路の表面を、選ばれる液体、例えば有機シリコーン又は有機フッ素化合物に対して疎液性にするように選ばれる試薬で細管通路の表面を被覆することも可能である。このことにより、特に、当該液体により通常ぬれる物質から前記多孔質マトリックスを作ることが可能となる。被覆は前記多孔質マトリックスを基本的な条件を満足しうるものにする効果を有し、そのため前記マトリックスは前記液体に対して疎液性になるはずである。
強磁性物質を含有する離散粒子を前記マトリックスに含めること及び／又は前記マトリックスを封入するカプセルの材料に強磁性物質を含めることも可能である。このことにより、磁場により不均質構造物に影響を及ぼすことが可能となる。例えば、密閉された密閉容器内の前記不均質構造物を移動させることが可能となる。
多孔質細管マトリックスは、必ずしもモノリシックな形態で提供されなくてもよい。特に、液体と協同してサスペンション又はコロイド溶液を形成する離散粒子の形態に作られたマトリックスを提供することが可能である。
多孔質細管マトリックスを構成する材料は、シリカゲル、シリカ化合物及びクロム化合物、ケイ酸アルミニウム、アルミナ、多孔質ガラス及びグラファイトから成る群より選ばれ、そして付随する液体は、塩、フラックス、液体金属及びそれらの合金、低温共融混合物、水銀、低融点ウッドメタル合金、水溶液、並びに極性溶液（例えば、電解液）から成る群より選ばれることが好ましい。
当該熱力学的系又は装置において使用されるものとは別の外部液体と当該不均質構造物が接触することを妨げる可撓性の閉鎖容器等の中に当該不均質構造物を封入することも可能である。
本発明は、上記特性の少なくとも１つを有する不均質構造物を使用する方法も提供する。
まず第１に、本発明はエネルギーを蓄積するための方法であって、その疎液性マトリックスが非単多孔質（non-monoporous）であって、種々のマトリックスの混合物から成る少なくとも１つの不均質構造物を密閉チャンバー内に配置し、次いで前記構造物を所定の一定温度で強制圧縮にかけて前記構造物の液体をその多孔質マトリックスの細管通路内に押し入れさせ、それにより固体／液体分離面の面積を増加させ、そのような強制圧縮時に蓄積されたエネルギーがその後の自発的等温膨張により有用な仕事を行うことで回収可能なものであることを特徴とする方法を提供する。
特別な場合において、強制圧縮時のエネルギー入力は本質的に機械的エネルギーであり、そして一定温度は当該不均質構造物の液体の臨界温度の半分よりも低いが前記液体の融点よりも高くなるように選ばれ、その後の自発的等温膨張時に回収されるエネルギーは主に機械的エネルギーである。他の特別な場合において、強制圧縮時のエネルギー入力は本質的に熱エネルギーであり、そして一定温度は当該不均質構造物の液体の臨界温度の0.5倍〜1.0倍の範囲内にあるように選ばれ、その後の自発的等温膨張時に回収されるエネルギーは主に熱エネルギーである。
前記不均質構造物の液体の融点よりも高い温度まで前記不均質構造物を単に加熱することによって蓄積されたエネルギーを所望の瞬間において開放する前に、前記不均質構造物の液体の融点よりも低い温度まで前記不均質構造物を冷却することにより強制圧縮段階の最後にエネルギーを蓄積することも可能である。
本発明は、上記方法を実施するための装置であって、少なくとも１つの不均質構造物を収容した可変容積の密閉チャンバーを具備し、前記チャンバーが滑りピストンにより又は可撓性膜等により画定されている装置も提供する。
本発明は、エネルギーを散逸させる方法であって、その疎液性マトリックスが任意に単多孔質（monoporous）である、少なくとも１つの不均質構造物を密閉チャンバー内に配置し、そして前記構造物を衝撃による高圧縮にかけて前記構造物の液体をその多孔質固体マトリックスの細管通路内に押し入れさせ、それにより固体／液体分離面の面積を増加させ、その後に前記構造物を所定の低い圧力で自発的に膨張させることを特徴とする方法も提供する。
本発明は、上記方法を実施するための装置であって、少なくとも１つの不均質構造物を収容する可変容積の密閉チャンバーを具備し、前記チャンバーが滑りピストンにより画定され、前記滑りピストンのロッドが予想される衝撃の方向に向いている装置も提供する。
本発明の他の特性及び利点は、特定の態様に関する以下の記載及び添付の図面によってより詳細に示す。
参考のために示した図面において：
図１は、等温圧縮にかけられた本発明の不均質構造物であって、初期状態ａ）から最終状態ｂ）に増大することにより固体／液体分離面が変化する不均質構造物を示している；
図２は、本発明による制御された複雑なトポロジーを有する多孔質細管マトリックスの種々の実施態様を示しており、実施態様ａ）、ｂ）、ｃ）及びｄ）は、その塊を通り抜ける細管通路を有する固体ブロックに対応し、そして実施態様ｅ）は液体と協同してサスペンション又はコロイド溶液を形成する離散粒子（その細管通路は見えない）に対応する；
図３は、ａ）における液体の強制浸透前及びｂ）における液体の強制浸透後の独立した細管通路の側断面図である；
図4aは、単多孔質マトリックスを有する不均質構造物により実施される等温圧縮を例示する図である；
図4bは、付随する液体が水銀から成り、マトリックスが非単多孔質である多孔質ガラスの細管マトリックス不均質構造物に対応する３つの特性曲線を示す図である；
図５は、本質的に機械的エネルギーであるか又は熱エネルギーであるエネルギーを蓄積する場合に、不均質構造物の液体の臨界温度の半分に対応するしきい値に対して等温圧縮のために選ばれる温度の重要性を示す図である；
図６〜９は種々のエネルギー蓄積器を示し、図７〜９では可撓性又は変形しうる外被の中に本発明の不均質構造物が封入されている；
図10は、一定温度で機械的エネルギーを蓄積する１つの方法を示す図であり、ａ）において蓄積されていたエネルギーはその後ｂ）において開放される（おそらくはある時間貯蔵された後）；
図11は、特定の温度範囲（不均質構造物の液体の融点と前記液体の臨界温度の半分との間に及ぶ）にわたって図10に示した原理を実施する機械的エネルギーを蓄積するための装置を示している；
図12は、図11に示した装置とは異なる温度範囲で本発明の不均質構造物を使用してエネルギーを蓄積するための別の装置を示している（温度は、前記不均質構造物の液体の臨界温度の0.5倍から1.0倍の範囲にわたる）；
図13は、前記不均質構造物のマトリックスの細管孔に採用される個々の複雑なトポロジーに依存して得られるより大きい又はより小さいヒステリシスを示す図であって、これはエネルギーを散逸させる状況においては特に重要であり、そして図14は、熱に変換されることなくどのようにエネルギーが消失するか（「エネルギーブラックホール」）を示す図である；
図15は、本発明の不均質構造物が収容されているエネルギーを散逸させるための装置、例えば緩衝器を示す；
図16及び17は、細管マトリックスが微細孔を有する多孔質ガラスのブロックであり、且つ、液体が低融点を有するウッドメタル合金である特定の不均質構造物を使用して得られた２種の圧縮−膨張図である；
図18〜20は、細管マトリックスが多孔質シリカゲルであり、且つ液体が水である特定の不均質構造物により作動チャンバーが満たされた航空機用のシミー防止ダンパーにより得られた特性を示すグラフである。
図１は、熱力学的系又は装置での使用に適するエネルギーを蓄積するため又は散逸させるための本発明の不均質構造物10の図である。
不均質構造物10は、本質的に多孔質細管固体マトリックス11と前記多孔質細管マトリックスを取り囲む液体13から成り、前記マトリックスは前記液体に対して疎液性である。すなわち表面張力が、前記液体が前記マトリックスの表面と接触したときに、液体がマトリックス表面をぬらさないようなものである。多孔質細管マトリックス11は、制御された複雑なトポロジーを有する連続細管孔を有し、その複雑なトポロジーは当該液体のための排液路を画定している。細孔は図１の図の中で参照番号12で示されているものであって、それらは断面が変化する及び／又は迷路を形成するように連通された細管通路により画定されている。多孔質細管マトリックス11を取り囲む液体13は、当該構造物にかかる外圧の関数として等温的かつ可逆的に変化する領域の固体／液体分離面を画定するように選ばれる。従って、液体13に対して疎液性である多孔質細管マトリックス11を取り囲んでいる液体13は、細孔又は細管中に自発的に浸透することができず、そのような浸透は当該不均質構造物にかけられる適切な圧縮によってのみ強制することができる。
図１に示されるように、多孔質細管マトリックス11は、連続細孔を有する離散粒子の形態で製造することができ、この粒子は前記マトリックスに付随する周囲液体13中でサスペンションの形態にある。しかしながら、多孔質細管固体マトリックスは、その塊内に細管通路を有するようなブロックの形態であって、前記通路が上記複雑なトポロジーにより組織化されている形態で製造することができることを図２を参照して以下で説明する。
図１において、ａ）で示される状態からｂ）で示される状態への変化で、不均質構造物10に十分な圧縮力が加えられて不均質構造物10の固体マトリックスの細管網状組織中に液体が押し入れられる。この圧縮は等温的である。この強制圧縮は図３に図示されており、この図において、多孔質細管固体マトリックス11中に形成された細管通路の入口に液体13が存在する状態ａ）を確認することができるが、液体13はこの溝内に浸透できず、そのため液体の界面はメニスカス15から成る。状態ｂ）において、等温圧縮が不均質構造物にかけられたために、液体は細管通路12中に浸透する。超える必要のある圧力しきい値は、式：Ｐ＝（２σ・cosθ）/ｒ（式中、σは考慮中の温度での当該不均質構造物の液体の表面張力であり、θは接触角（上記疎液性のためにこの角度は90°以上であることが必要）であり、そしてｒは細管通路の半径である）によりその値が与えられるラプラス−ヤング（Laplace-Young）細管圧力に対応する。図３において状態ａ）から状態ｂ）へ移行することの効果は、Ωで表すことができる液体／固体分離面の面積を、考慮中の細管通路の壁面積に対応するΔΩの変化分増加させることである。従って、固体／液体分離面の面積は当該不均質構造物にかかる外圧の関数として等温的かつ可逆的に変化し、そのため有用な動作を進行させることが可能となる。当該不均質構造物にかかる圧力が開放された時、状態ｂ）から状態ａ）に戻ることが可能となる自発的膨張が起こる。疎液性固体マトリックスの細管細孔内の液体の流れが低層流（infra-laminar）（レイノルズ数（Reynolds number）が実質的に零）であることを観測するのは興味深く、１つの状態から他の状態への遷移は摩擦なしに、従って加熱なしに起こる。この結果は、本発明の不均質構造物に対して考えられる本願における重要な構成要素を構成する。
図２には、当該不均質構造物の制御された複雑なトポロジーを有する多孔質細管マトリックスの種々の態様が示されている。
ａ）において、マトリックス11.1は、その塊を通り且つ細孔を経て延びる細管通路12.1を有するブロックの形態で作られており、これらの通路は２つの垂直な方向に延びる平行溝の形態で作られている。溝12.1は、この場合、一定の断面を有するものであって、迷路状の網状組織を形成するように互いに連結されている。
ｂ）において、示されている態様はブロックの形態にあるマトリックス11.2に関するが、この態様で細管通路12.2は一定断面を有し、且つ互いに連結された溝孔として具備されている。
ａ）及びｂ）に示されている態様又は細管通路が僅かに曲がった別の態様は、等温圧縮−膨張プロセスにかけられた場合にヒステリシスが小さい構造物を提供する効果を有する。ヒステリシスに関する問題は、エネルギーを散逸させようとする状況で特に重要なために、図13を説明する際に述べる。
ｃ）には、断面が変化する溝12.3を有するブロックから成る多孔質細管マトリックス11.3が示されている。特に、前記溝は、連続して配置された交替する小さな細管と微小球から成る。当該不均質構造物がとりわけエネルギーを蓄積するためのものであるならば断面の変化は小さく（すなわち最大断面と最小断面の間の比が２よりもかなり小さく）なるように選ばれ、また当該不均質構造物がとりわけエネルギーを散逸させるためのものであるならば断面の変化は大きく（最大断面と最小断面の比が２以上、可能であれば２よりもかなり大きく）なるように選ばれる。
ｄ）には、迷路を形成するように交差する溝の形態に組織化された細管通路12.4を有するマトリックス11.4が示されている。これらの溝は、一定の断面を有しているように示されているが、溝が互いに連通するように態様ｃ）とｄ）とを組み合わせ、迷路を形成させ、そして断面を変化させることも当然のことながら可能である。
ａ）及びｂ）に示されている態様と比較すると、ｃ）及びｄ）に示されている態様は、当該構造物が等温圧縮膨張過程にかけられた場合に大きなヒステリシスを有する。
ｅ）には、細管孔を有する離散粒子の形態で提供された固体マトリックス11.5が示されており、この固体マトリックスは液体13と協同してサスペンション又はコロイド溶液を形成する。これらの粒子内の細管溝の組織は、個々に制御された複雑なトポロジーを有していてよい。この複雑なトポロジーはこの図では見えない。左図では、離散粒子は凝集しており、これは周囲の液体13が自発的にマトリックスの細管孔に到達することができない限りにおいて最小の液体／固体分離面の面積に対応する。十分な外部圧縮力を加えることにより、液体13が当該マトリックスの細管孔に押し入れられ、従って、液体／固体分離面の面積が増加し、前記分離面の面積が等温的かつ可逆的に変化する。
ある場合において、多孔質マトリックスを製造するための出発原料は、選ばれる液体によりぬれることができる材料である。その場合、当該液体に対して前記マトリックスが疎液性であるべき基本的な条件を満足するようにマトリックスを改質することが適切である。この場合において、当該液体により通常ぬれる材料から作られたマトリックスの細管通路は、その表面が液体13によりぬれない表面になるように選ばれた試薬によってその表面がコーティングされる。図３において、参照番号14は、細管通路12の表面が液体によりぬれないように選ばれた試薬で化学的にコーティングすることができる細管通路の表面を示す。この目的のために、有機シリコーン又は有機フッ素化合物を使用することが可能である。
他の特別な態様において、マトリックス11からなるブロックに強磁性物質を含有する離散粒子を含めてもよい。これによって、多孔質マトリックスからなるブロックに所定の作用を及ぼすことができ、しかも開かれているべきでない密閉された漏れ止め閉鎖容器の内側で前記不均質構造物の位置が変化するように前記不均質構造物を移動させることが望ましい場合に特に有利である。
多孔質細管マトリックス11を構成する材料は、例えば、シリカゲル、シリカ及びクロムの化合物、ケイ酸アルミニウム、アルミナ、多孔質ホウケイ酸ナトリウムガラス、又はグラファイトであることができる。付随する液体は、塩、フラックス、電解液、液体金属、又は液体金属合金、低温共融混合物（例えば、ガリウム−インジウム、又はガリウム−インジウム−鉛、又はガリウム−鉛−スズ）、水銀、水溶液、極性溶液（不凍電解液）、又はウッドメタル若しくは他の低融点合金であることができる。ウッドメタルは、融点が95℃である共融合金であり、そのような合金は往々にして電子部品のはんだ付けを流すために使用される。例示として特に適切な次の固体／液体の「対」について言及しておく：シリカゲル／水銀；アルミノシリケート／ウッドメタル；シロクロム（silochrome）／ガリウム；及びパラフィン／水。
図4aは、体積の関数としての圧力のグラフであって、単多孔質マトリックスを有する不均質構造物に適用される等温圧縮プロセスを示している。曲線の点１と点２の間で、当該不均質構造物の体積が極僅か変化する限りにおいて当該不均質構造物は準凝縮系のようにふるまい、その後、しきい値圧力（このしきい値圧力はラプラス−ヤング（Laplace-Young）細管圧力であるためにＰLと表す）に達すると、有意の体積変化ΔＶに対応して点２と点３を結ぶ線は水平な直線からなる。すなわち、体積変化は一定圧力で起こる。点３において、細管孔は、点３と点４の間で系が再び準凝縮系であるように満たされている。等圧等温圧縮プロセスが相転移なしに得られることを観測することは興味深い。これは多孔質細管マトリックス及び付随する液体により得られ、前記マトリックスは前記液体に対して疎液性であり、一方、液体の組成は等温圧縮プロセス時に変化せず、前記液体の表面張力は温度のみの関数である。当該不均質構造物の等温等圧圧縮に伴う仕事は、圧力Ｐに体積変化ΔＶを掛けることにより与えられる。等温圧力の仕事が圧力の対数に比例する気体又は蒸気を用いる従来の熱力学的系とは異なって、仕事が圧力に比例することを観察することは興味深い。このことは、なぜエネルギーを蓄積する容量が、比較できるほどの最高圧力で気体又は蒸気により得られる容量よりも少なくとも６〜８倍大きいかを説明する。固体／液体分離面の面積の強制増加及び前記分離面の面積の自発的増加が、液体の分離が起こることなく、すなわち乱流およびキャビテーションが発生することなく観測されることも興味深く、このような理由から使用の際にノイズを実質的に発生しない上記種類の不均質構造物の利点が得られる。
既に述べたように、図4aは、当該単多孔質マトリックス不均質構造物が圧縮される（すなわち、マトリックス内の細孔が１つの寸法を有する、すなわちｒ＝一定、又は∂ｒ／∂Ｖ＝０である）プロセスの等温等圧現象を明瞭に表している。実際に、等温現象は実験条件（Ｔ＝一定）によるものであり、一方、等圧現象は、系がＴ＝一定で作動するとラプラス−ヤング細管圧力が必然的にσ＝一定となり、従って使用されるマトリックスの単多孔質の性質のために常にＰ＝一定となる（ｒが一定であるため、∂ｒ／∂Ｖ＝０である）ことに起因する。
それにもかかわらず、Ｖの関数としてのＰを示す図に示されている広範な特性を得るために不均質構造物を使用することができる。
図4bは、多孔質ガラスのマトリックス及び水銀である付随する液体から成る不均質構造物の種々の特性を示している。当該マトリックスは単多孔質ではない。すなわち、ｒは変化し、従って、∂ｒ／∂Ｖ≠０である。種々のマトリックスの混合物から成る非多孔質マトリックスによって、本発明の一態様に従って、エネルギーを蓄積するために本発明の不均質構造物を有効利用することが可能である。図4bにおける曲線１、２及び３は、種類の異なるマトリックス（粉末状、ペレット状）、例えば５〜10種のマトリックスを混合し、各マトリックスの部分体積Ｖiを変化させ、そしてそれらの半径ｒiを一定にすることにより得られる種々の場合を示している：
・凝凸状曲線１は、ｒjが最大（従ってＰが最低）であるマトリックスの体積Ｖjに対し、ｒiが最低（従ってＰが最大）であるマトリックス部分体積Ｖiの割合が高いことに対応し、従って、この不均質構造物はその殆どが高圧で圧縮されることがわかる；
・凝凹状曲線２は、逆に、ｒjが最低（従ってＰが最大）であるマトリックスの体積Ｖjに対し、ｒiが最大（従ってＰが最低）であるマトリックス部分体積Ｖiの割合が高いことに対応し、従って、この不均質構造物はその殆どが低圧で圧縮されることがわかる；及び
・凝直線状曲線３は、種々の大きさの細孔及び細管を有するマトリックス部分体積の釣合いのとれた体積分布により割合が釣合っていることに対応する。
以下で述べるように、可撓性である外被等の中に封入される当該不均質構造物を提供し、当該熱力学的系又は装置において使用されるもの以外の外部液体と当該不均質構造物が接触することを防止することができる。
図6には、上記した種類の不均質構造物10を封入しているエネルギー蓄積器20が示されており、この場合に、管23を通る当該作動流体は当該不均質構造物中で非湿潤液（non-wetting liquid）として使用するのに適するものである。この場合に、不均質構造物を封入する必要はない。従って、容器21は、付随のガスケット22と漏れ止めの態様で集成された２つの部分から成っているように示されており、この場合に多数の個々の区画の形態にあるように示されている疎液性の細管多孔質マトリックス11を含む容器21内に不均質構造物が収容されており、この不均質構造物は管23を通る付随する液体13により濡れない。例えば、この液圧系は、作動流体が周期的にエネルギーを非常に多く又は非常に少なく有するものであってもよい。
他の場合において、不均質構造物と作動流体の間のいかなる接触も避ける必要のある場合がある。そのような状況において、不均質構造物は図７〜９の態様に示されているように封入されるか又は容器に入れられる。
例えば、図７は、可撓性ダイヤフラムから成る分離膜25上に固定された２つの部分から成る硬質外被21により構成されたエネルギー蓄積器24を示している。不均質構造物10は、可撓性ダイヤフラムにより画定されたチャンバー内に収容されており、従って、不均質構造物は管23を通る作動流体26と接触しないように隔離されている。この場合において、当該不均質構造物は、制御された複雑なトポロジーを有する連続細管細孔12を有し、且つ、液体13中でサスペンションを形成する離散粒子11から成る種類の不均質構造物として示されている。
図８は、当該不均質構造物を収容するチャンバーが管23を通る作動流体26と接触しないように隔離されている前記のような硬質外被21を含む別のエネルギー蓄積器27を示している。上記可撓性ダイヤフラムの代わりとして、この場合には、不均質構造物10を含むカプセルが通り抜けるのを防止するのに十分にオリフィス29が小さいメッシュを有するグリッド28が具備されている。図８において、制御された複雑なトポロジーを有する連続細管溝12を有する多孔質マトリックス不均質構造物11を含むカプセルが拡大されて（「塊」の形態で）示されており、そしてそれらは前記マトリックスに対して疎液性の付随する液体13により取り囲まれている。この場合に、当該不均質構造物は、オリフィス29の直径よりも大きな直径を有するカプセル内に封入されている。プラスチック材料、ポリマー材料、又は金属から作られたカプセルを使用することができ、それにより硬質外被21内に閉じ込められた不均質構造物の流体26を分離することができる。場合に応じて、各「塊」を構成する外被材料中に磁性粒子を含めることが可能である。
漏れ止め封入（leakproof encapsulation）は、本発明の不均質構造物を図９に示されるような下記金属の中に閉じ込めることによっても提供することができる。図９には、本発明の不均質構造物10により各々の内部容積が占有された３つのベローズ31が示されており、これら３つのベローズは漏れ止め容器32内に収容されており、この容器を通って管23から作動流体26が流入する。
不均質構造物がカプセルに包み込まれる場合には、エネルギーに関してなんら利点を有しない材料を構成するために、空気を除去するために真空処理を施すことが好ましい。
図10は、ピストン−シリンダー系の密閉チャンバー内に収容された本発明に係る種類の不均質構造物を使用して、一定温度で機械的エネルギーを蓄積する方法を示している。図10には、シリンダー41を具備している装置40が示されており、シリンダー41内でピストン42が滑り、ピストン42のロッドが参照番号43で示されている。環状チャンバーが参照番号44で示されており、一方、充填セクションチャンバーが参照番号45で示されている。充填セクションチャンバー内には、制御された複雑なトポロジーを有する多孔質細管マトリックスを有する不均質構造物であって、付随する液体に対して疎液性である不均質構造物が存在する。ａ）の概略図は、液体が圧縮された状態で収容されている疎液性細孔を象徴化した概略図であり、一方、ｂ）の概略図では、液体が細孔から出た結果として自発膨張しているように見える。一定温度で不均質構造物が圧縮されると、液体は当該構造物の固体マトリックスの細管通路中に押し入れられる。これは、固体／液体分離面の面積を増大（ΔΩ＞０）させ、そして系のギプスポテンシャルを増大（ΔＧ＞０）させる効果を有する。従って、ａ）において、分離面の面積が強制的に増大するが、圧力が開放されると、ギプスエネルギーの減少（ΔＧ＜０）と共に分離面の面積が減少（ΔΩ＜０）する。従って、有用な仕事を実施するために、強制圧縮時に蓄積したエネルギーを自発的等温膨張により回収することができる。有用な仕事は、ピストンロッド43の端部が棒46を押して棒46を折っていることにより示されている。この場合に、強制圧縮時のエネルギー入力は本質的に機械的である。圧縮が起こる一定温度が、当該不均質構造物の液体の臨界温度の半分よりも低く、且つ前記液体の融点よりも高くなるように選ぶことも可能である。そのような状況下では、その後の自発的等温膨張時に回収されるエネルギーは本質的に機械的エネルギーである。
図11は、図10を参照して前述した機械的エネルギーを蓄積するための手法を実施する装置50を示している。
図11には、シリンダー51を具備しているシリンダー−ピストン系が示されており、シリンダー51内でピストン52が滑り、ピストン52のピストンロッドは参照番号53で示されている。環状チャンバーは参照番号54で示されており、一方、充填セクションチャンバーは参照番号55で示されている。このチャンバー内には、本発明の不均質構造物10が収容されており、この場合に、チャンバー55内に存在する作動流体と接触することを妨げると同時に圧力を伝達するのに十分に可撓性である外被33内に前記構造物は入れられている。矢印Ａは荷重方向に対応し、一方、矢印Ｂは荷重除去方向に対応する。シリンダーのチャンバー54及び55が可変絞りを通じて互いに連通するように弁59は設けられている。滑り弁56は、ポンプ57.1とその付随する溜め58.1から成る液源又は液圧モーター57.2と参照番号58.2で示されている付随する溜めから成るエネルギー消費手段のいずれかと前記系を連結させる役割を果たす。滑り弁56に基づいて、荷重目的のための左側位置又は荷重除去目的のための右側位置、及びカットオフのための中立位置を選べば十分である。そのような装置50は、種々のモードで作動することができる：
・当該蓄積器は、ピストンロッドを通じて負荷及び荷重除去することが可能なものであって、負荷の際に、前記弁56はその中立位置にあり、そして当該不均質構造物は圧縮されている状態にあり、絞り弁59を閉じることにより細孔浸透位置にピストンを固定することができるものであり、弁59が再び開いた場合に、蓄積されたエネルギーは開放され、そしてピストンロッドは有用な仕事をすることができ、ピストンの行程は、弁59を再び閉じることにより何時でも中断できることが理解されるであろう；
・当該蓄積器は、液圧により負荷及び荷重除去することができるものであって、負荷前に、滑り弁56はその最も右側に位置し、そのためポンプ57.1が当該不均質構造物を圧縮し、その後に滑り弁がその中立位置に戻り、滑り弁をその最も左側に動かすことにより蓄積されたエネルギーを開放することができ、有用な仕事は液圧モーター57.2により実施される；及び
・当該蓄積器は、機械的且つ液圧による態様で負荷及び荷重除去することができるものであって、上記モードは、滑り弁56がその中立位置の戻った後に絞り弁59を開き、それによりピストンロッドを通じて有用な仕事を回収することによって、上記モードを修飾することができる。
当該不均質構造物は、例えば滑りピストンにより画定された可変容積の密閉チャンバー内に収容される。当然のことながら、別の態様において、可撓性膜25又はグリッド28を使用する図７又は８に示される種類の装置を使用することが可能である。
上記手法の別の態様において、当該不均質構造物の強制圧縮時のエネルギー入力を本質的に熱的なものにすることができる。そのような状況下で、当該不均質構造物中の液体の臨界温度Ｔcの0.5倍から1.0倍の範囲内にあるように選択すべきことが判明した（図５に関して以下で説明する）。その後の自発的等温膨張時に回収されるエネルギーは主に熱エネルギーである。
図12には、本発明の方法を実施する熱エネルギー蓄積器が示されている。図12には、シリンダー61を具備している装置が示されており、このシリンダー61の中でそのロッドが参照番号63で示されているピストン62が滑る。参照番号64及び65は、前記シリンダーの環状チャンバー及び充填セクションチャンバーに対して用いられており、不均質構造物10は前記充填セクションチャンバー内に収容されている。この場合において、熱媒液がシリンダー61の周囲全体を循環しており、当該構造物の全体が断熱閉鎖容器66内に収容されている。入口ダクト68は、冷液の供給源71又は温液の供給源72のいずれかに当該ダクトを連結させる滑り弁69を具備している。前記ピストンを等温圧縮段階の最後に適切に固定することができ、それにより蓄積されたエネルギーを貯蔵させるためのつめ67も示されている。前記エネルギーを回収することが望ましい場合には、つめ67を解放し、それによりマトリックスの細管多孔質構造物から自発的に液体を排出させることができる。熱蓄積器からの有用な出口は参照番号70で示されてる。
等温圧縮に対し、表面形成の潜熱は供給源72を加熱する熱媒を通じて外界から入る。ロッド63に加えられる少量の機械的エネルギーは、熱媒に由来する多量の熱エネルギーと共に入力される。圧縮時に、滑り弁69はその最も左側の位置にあるか又はその最も右側の位置にあり、そのため熱媒に対して選ばれる温度が当該不均質構造物中の液体の臨界温度Ｔcの0.5倍を超える限りにおいて熱エネルギーが蓄積される。この目的のために選ばれる温度が高いほど、エネルギーを蓄積する当該不均質構造物の容量が大きくなる。滑り弁69をその最も右側の位置に移動させることによって、既に蓄積された熱エネルギーは移動し、そして細孔及び細管から抜け出る当該不均質構造物の液体により加えられる圧力下で右側に自発的にピストンが移動することができるようにつめ67が解放される。分離面の面積が自発的に減少すると、表面形成の潜熱が前記分離面の面積の減少時に放出されるため、供給源71を加熱する熱媒の内部エネルギーが増加する。
図５の図は、内部エネルギーの機械的成分と熱的成分の間の関係が温度の関数としてどのように変化するかを示しており、より詳細には、選ばれた一定温度と当該不均質構造物の液体の臨界温度Ｔcとの間の比を示している。この図は、機械的成分と熱的成分が等しい点に対応する点Ａを示しており、これは、温度が上記臨界温度の半分（0.5×Ｔc）に等しい場合に起こる。この範囲よりも高い温度Ｔ1では、得られるプロセスは本質的に熱エネルギーを蓄積するプロセスであり、一方、前記範囲よりも低い温度Ｔ2では、得られるプロセスは本質的に機械的エネルギーを蓄積するプロセスである。
必要であれば、所定の時間を要して当該不均質構造物をその中の液体の融点よりも低い温度に冷却することによって、強制圧縮段階後に貯蔵し、その後、必要時に上記融点よりも高い温度に前記構造物を単に加熱することによりエネルギーを放出することができる貯蔵エネルギーを提供することが可能である。
図13の図は、複数の等温圧縮−膨張サイクルを示しており、この図において４つのサイクルが、異なる一定圧力の値に各々対応する参照符Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３及びＣ４の参照符がつけられている膨張時の折り返し線で示されている。線Ｃ１について、等温圧縮との差が小さく（例えば、約５％）、そしてこれは当該不均質構造物に対する等温圧縮−膨張過程において小さいヒステリシスを示す多孔質細管マトリックスのトポロジーにより得られる。対照的に、直線Ｃ４は最大ヒステリシスに対応し、そしてこれはエネルギーを散逸させるのに特に有利である。
図14は、等温圧縮の２つの異なるサイクルＤ１及びＤ２を示しており、この図において横座標は、当該不均質構造物マトリックスの制御された複雑なトポロジーを有する細管細孔の、当該マトリックスに対して疎液性である付随液体による充填率を表している。この図から、強制圧縮によって、入力エネルギーの全てを吸収することができ、系を膨張させることなく、圧縮状態のまま保つことができることが分かる。これは、大きなヒステリシスを利用できる場合に限り生じる。そのような状況下で、当該不均質構造物は圧縮された状態で本質的に安定である。
例として、図18〜20は、重量物運搬飛行機用の消振ダンパー（「シミー防止」目的用）であって、本発明の不均質構造物を含むダンパーを用いて実施した試験で得られた特性を示している。
より詳細には、当該ダンパーは、シリンダーと、相対する方向に向けられたピストンロッドを有する２つのピストンとを具備し、その変位がシリンダー壁により導かれる２つのピストンの間に画定された空間が作動チャンバーを形成し、この作動チャンバーは、マトリックスが多孔質シリカゲルから成る特別な不均質構造物であって、前記多孔質シリカゲルがガロシリコーン物質に対して疎液性になるよう改質された不均質構造物を収容し、そして当該マトリックスに対して付随する液体は疎液性であり、この液体はこの場合に不凍液を含む水から成る。
不均質構造物を備えたそのようなダンパーは、ピストンに結合したロッドの端部に加えられた正弦波励振（約20Hzの周波数）を受ける。前記ピストンの直径は30mmであり、そして各ピストン（そのロッドと共に）の最大行程は8.5mmである。
図18には、得られる力／行程図が示されており、この図は、当該不均質構造物がシミー振動エネルギーを吸収する際の高い性能を提供することを示している。ダンパーに対してこのように準静的特性が得られる。1.8mm／分〜48mm／分の範囲にわたって変位速度を変えることによって、異なる速度で測定される特性の全てが一致することを観察することができる。
図19の図は、準静的サイクル時の行程の関数として吸収されたエネルギーを示しており、またこの図は、約２mm以上の変位では吸収されたエネルギーがピストンの行程の関数として直線的に変化することを示している。
図20の図は、適用される周波数の関数として吸収されるエネルギーを示しており、またこの図は、吸収されるエネルギーの量が実質的に周波数に依存しないことを示している。周波数通過帯域は、考慮中のエネルギー及び力に対して十分に広いことが分かる。
図15は、上記した種類の不均質構造物を使用するエネルギー散逸装置80を示している。典型的な応用分野は緩衝器から成る。従って、装置80は、保護すべき物体82にしっかり固定された容器81を具備し、且つ、端板83により密閉されており、前記端板内でガスケット87を通してシールされた態様でピストンロッド84が滑る。参照番号89で示されている内部迫持受が具備されている。不均質構造物10は、容器81の内側に配置されているものであって、容器81の内周に配置された液体に対して浸透性であり、且つ、疎液性細管多孔質マトリックス又は他の態様において細管構造物86（不均質構造物の疎液性マトリックス11を成す）から成る粉末粒子を含む可撓性外被の形態にあることができると共に、前記チャンバーは液体85（当該不均質構造物に付随する液体13を形成している）で満たされている。可撓性外被に対し、液圧により浸透しうる支持体インサート88を具備することができる。
そのような状況下において、疎液性であり且つ制御された複雑なトポロジーを有する多孔質細管マトリックスを有する少なくとも１つの不均質構造物を含むことにより密閉チャンバー85は有効になり、そして前記構造物は衝撃により高圧縮にかけられる。この衝撃は矢印Ｆにより示されているものであって、ピストンロッド84の端部に作用する。この衝撃によって、当該不均質構造物の液体はその多孔質マトリックスの細管通路内に押し入れられ、それにより固体／液体分離面の面積が増加し、その後、当該構造物を所定の低い圧力で自発的に膨張させることができる。ピストンロッド84は予想される衝撃の方向に向けられていることが観察されるであろう。
最後に、細管マトリックスが細孔を有する多孔質ガラスのブロックである特別な不均質構造物であって、制御された複雑なトポロジーを有し、且つ低融点（95℃）ウッドメタルから成る液体と協同する不均質構造物を使用して得られた等温圧縮−膨張図（ΔＶ／Ｖの関数としての圧力（MPa単位））を参照して本発明の２つの特別な態様を説明する。例示として、細孔の大きさは約２×10-8mであった。
図16には、凝固した状態にある固体／液体マトリックス集成体の周囲温度（22℃）での圧縮曲線である曲線Ｆが示されている。
前記集成体は、最初に、ウッドメタルの融点である95℃の温度まで加熱される。次いで、当該不均質構造物が、図示されている曲線Ｅ１上の点２、３、４及び５を通過するように圧縮される。その後、圧力は、ラプラス−ヤング圧力よりも僅かに高い値まで僅かに下げられ、点Ａに達し、その後、前記集成体は、凝固した液体が長期間の貯蔵に適するものになるよう周囲温度まで冷却される。凝固した液体の融点まで前記集成体を加熱すると、点Ａから始まって点６、７及び８を通過する膨張サイクルが可能となる。この場合にように、プロセスが可逆的である限り、点８は出発点２と一致する。
図17は、上記図の別の態様を示しており、曲線Ｅ２は、その圧縮サイクルの最後において、ラプラス−ヤング圧力よりも低い圧力に下げられる。この装置は、冷却されると凝固するものであって、かなり長時間固体状態のまま存在することができる。試料の温度がウッド合金の融点まで上昇すると、系は開放され、そして長い行程（点Ｂ、６、７及び８）にわたって強い力で機械的仕事を行う。
そのようなエネルギー貯蔵は多くの用途があり、例えば、人工衛星上のソーラーパネル（solar panel）を展開させること、又は必要なエネルギーに関して完全に自給式である自動安全装置を製造することが挙げられる。
特に、図16及び17の図を参照すると、本発明の不均質構造物は、いわゆる「形状記憶」材料の特性に匹敵する特性を有することが分かる。しかしながら、従来の形状記憶は、マルテンサイト状態からオーステナイト状態に遷移することからなるのに対し、この場合には、外力の存在下で接触面の面積（又は分離面の面積）が変化し、その後にエネルギーが自発的に開放され（接触面の面積が減少する）、そしてエネルギーは有用な機械的仕事をすることにより回収される。更に、本発明の不均質構造物は、得られる力及び膨張行程が本発明の不均質構造物ではかなり大きいという点で、従来の形状記憶材料（例えば、Ｔｉ−Ｎｉ、銅合金）にまさる重要な利点を有する。比較のため、従来の形状記憶材料の膨張率は２％〜８％の範囲に及ぶのに対し、本発明の不均質構造物によると40％〜80％の範囲にわたる値が得られる。当該不均質構造物により発生する力が大きな値（数千から数百万ニュートン（Ｎ））を取りうるのに対し、Ｔｉ−Ｎｉ合金は10Ｎ〜100Ｎを殆ど超えることはできない。
本発明は上記態様に限定されないが、等価手段を用いて上記の基本的な特徴を再現するいかなる態様も含有する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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