(57)【要約】  本発明は、第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）コアを備え、温度の変化に応じてコアの動きをエネルギーに変換するエネルギー回収方法およびシステムを提供し、流体は、第１のコアを作動させ、パワーストロークを生成し、ＳＭＡコアの最大緩和力よりも大きい力で戻り負荷をＳＭＡコアに加える。本発明の利点は、ＳＭＡエンジン上の多段可変負荷レジームによりシステム効率を向上させることを可能にすることである。本発明は、大きな往復力を一定の回転運動に移行させる方法を提供する。
2020534471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度の変化に応じてコアの動きをエネルギーに変換する第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）コアを備え、流体は第１のコアに連通するように構成され、温度変化を付与して第１のコアを周期的に作動させ、パワーストロークを生成し、
油圧トランスミッションモジュールは、所定の時間フレーム間ベース負荷を加えることにより、コアの最大緩和力よりも大きい力でコアに戻り負荷を加えるように構成され、前記時間フレームが経過した後、トランスミッションモジュールは、コア内のＳＭＡ材料が歪んでいるとき背圧と一致するように、別の設定時間フレームにわたって増加負荷を付与するように構成される、
エネルギー回収システム。
【請求項２】
前記システムは、サイクルの緩和段階の間に、前記油圧トランスミッションモジュールから戻り負荷が加えられるように構成された、
請求項１に記載のエネルギー回収システム。
【請求項３】
複数の逆止弁が、流体が流れる一方向主駆動回路を生成するように構成された、
請求項１または２に記載のエネルギー回収システム。
【請求項４】
油圧モーターが、ＳＭＡコアから得られたエネルギーを発電機に伝達するように構成された、
請求項１から３のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項５】
コアに負荷を付与する低圧側と、得られたエネルギーを伴う流れを発電機に進める高圧側とを備える、
請求項１から４のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項６】
前記パワーストロークの往復運動が、少なくとも１つのアキュムレータの使用により円滑化されるように構成された、
請求項１から５のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項７】
モーターを介して一定の流量が付与され、モーターがより高い効率の出力に適した速度で動作するように構成される、
請求項１から６のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項８】
前記コアは、互いに平行に配された複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の細長いワイヤを備える、
請求項１から７のいずれかに記載のエネルギー回収システム。
【請求項９】
第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）コアを備えるシステムにおけるエネルギー回収方法であって、
温度の変化に応じてコアの動きをエネルギーに変換すること、
流体を使用して温度変化を付与して第１のコアを作動させ、パワーストロークを生成すること、および
所定の時間フレームの間ベース負荷を加えることにより、コアの最大緩和力よりも大きい力でコアに戻り負荷を加え、前記時間フレームが経過した後、トランスミッションモジュールは、コア内のＳＭＡ材料が歪んでいるとき背圧と一致するように、別の設定時間フレームにわたって増加負荷を付与するように構成されることを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、エネルギー回収の分野に関し、特に、同エネルギー回収のための形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張材料（ＮＴＥ）の使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、１００度未満と見なされる低位熱は、工業プロセス、発電、輸送での活用における廃エネルギーの流れの多くを占める。かかる廃エネルギーの流れを回収したり再利用したりすることが望ましい。この目的のために提案されてきた技術として、熱電発電機（ＴＥＧ）がある。残念ながら、ＴＥＧは、比較的高価である。かかるエネルギーを回収するために提案されてきた別の主な実験的アプローチとして、形状記憶合金の利用がある。
【０００３】
形状記憶合金（ＳＭＡ）は、元の冷間鍛造形状を「記憶」する合金であり、変形しても、加熱すると元の形状に戻る。この材料は、油圧式、空気圧式、モーターを中心とするシステムなどの従来のアクチュエータに代わる軽量で固体の状態の代替手段である。
【０００４】
形状記憶合金の３つの主要なタイプは、銅−亜鉛−アルミニウム−ニッケル、銅−アルミニウム−ニッケル、及びニッケル−チタン（ＮｉＴｉ）合金であるが、ＳＭＡは、例えば亜鉛、銅、金及び鉄を合金にすることにより生成できる。
【０００５】
かかる材料の記憶は、１９７０年代初頭から熱回収プロセスでの利用に採用され、あるいは提案されてきており、特に熱からエネルギーを動力として回収するＳＭＡエンジンの構築がある。エネルギー回収装置に関する最近の公報として、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号がある。ＳＭＡまたはＮＴＥ材料の収縮を効率的な方法で機械的な力に変換することが望ましい。これは、ドイツ特許公開第３０１４５６０号および米国特許出願公開第２００８／０３４７５０号に開示されているように、簡単な作業ではなく、大抵は複雑であり、かなりのエネルギー損失を伴う。米国特許出願公開公報第２０１６／１３８５７５号および米国特許第５０７９９２０号明細書は、ＳＭＡ材料の出力を収集するための簡単な油圧システムを有するオプションを開示している。国際公開第２０１８／００２１８２号は、ＳＭＡワイヤが油圧システムによって発生させられる最大力を受ける準備ができていない場合に、低圧アキュムレータによりＳＭＡワイヤの過度のストレスを防ぐことにより、ＳＭＡワイヤが長期間の耐用年数を得られる保護機構を提供することができるとする解決手段について説明している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
開示されたシステムの課題は、大きな往復力をＳＭＡまたはＮＴＥ材料の収縮／膨張から一定の回転運動に移行させることが非常に難しいことである。
【０００７】
したがって、エネルギー回収装置において改善された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】
【０００８】
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、以下を備えるエネルギー回収システムが提供される。同エネルギー回収システムは、温度の変化に応じてコアの動きをエネルギーに変換する、第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）コアを備え、流体は、第１のコアを作動させる温度変化を付与し、ＳＭＡコアの最大緩和力よりも大きな力で、ＳＭＡコアにかかる戻り負荷（back load）が加えられる。
【０００９】
本発明の利点は、ＳＭＡコアまたはエンジン上の多段可変負荷レジームによりシステム効率を高めることを可能にすることである。このシステムは、大きな往復力を一定の回転運動に移行させる方法を提供する。
【００１０】
ＳＭＡに対する戻り負荷は、例えば油圧モーターを介して油圧システムに移行する発電機に加えられる電気負荷需要によって生成される。これは、パワーパックシステム（power pack system）を使用して実行することができる。パワーパックの主な機能は、コアまたはエンジンをリセットするための最小緩和圧力を生成し、失われた流体を一連のバルブを通して補充し、洗浄と冷却によって油を正常に保つことである。
【００１１】
一実施形態では、サイクルの緩和段階中、油圧トランスミッションから戻り負荷が加えられる。
【００１２】
一実施形態では、油圧トランスミッションは、所定の時間フレームの間ベース負荷を提供するように構成され、同時間フレームが経過した後、トランスミッションは、歪んでいるＳＭＡ材料からの背圧に一致するように別の設定時間フレームにわたって増加負荷を提供するように構成される。
【００１３】
一実施形態では、複数の逆止弁は、流体の流れのための一方向主駆動回路を形成するように構成される。
【００１４】
一実施形態では、油圧モーターは、ＳＭＡコアから得られたエネルギーを発電機に伝達するように構成される。
【００１５】
一実施形態では、コアに負荷を付与する低圧側と、得られたエネルギーを伴う流れを発電機へ進める高圧側とがある。
【００１６】
一実施形態では、パワーストロークの往復運動は、少なくとも１つのアキュムレータを使用することにより円滑化される。
【００１７】
一実施形態では、モーターを介して一定の流量が提供され、より効率的な出力に適した速度でモーターが動作することを可能にする。
【００１８】
一実施形態では、流体を流入させコアから流体を排出する流入口と排出口とを設けることにより混合チャンバ領域を形成する。
【００１９】
一実施形態では、混合チャンバ領域内の流体の温度がヒステリシス曲線の内側に維持される場合、流体は、ワイヤの予熱または予冷段階を実行することができる。
【００２０】
一実施形態では、コアは、複数の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）の細長いワイヤを備える。複数のワイヤは、束と呼ぶことができる。
【００２１】
一実施形態では、コアの少なくとも１つがピストンと協働する。
【００２２】
別の実施形態では、以下のステップを含む、第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）コアを備えるシステムにおけるエネルギー回収方法が提供される。同方法は、温度の変化に応じてコアの動きをエネルギーに変換すること、流体を使用して第１のコアを作動させる温度変化を付与してパワーストロークを生成すること、および、作動中にＳＭＡコアの最大緩和力よりも大きな力でＳＭＡコアに戻り負荷を加えることを含む。
【００２３】
別の実施形態では、以下を備えるエネルギー回収システムが提供される。同システムは、温度の変化に応じてコアの動きをエネルギーに変換する第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）コアを備え、流体は第１のコアに連通し、温度変化を付与して第１のコアを周期的に作動させ、パワーストロークを生成する。油圧トランスミッションモジュールは、所定の時間フレームの間ベース負荷を加えることにより、コアの最大緩和力よりも大きい力でコアに戻り負荷を加えるように構成され、前記時間フレームが経過した後、トランスミッションモジュールは、コア内のＳＭＡ材料が歪んでいるとき背圧と一致するように、別の設定時間フレームにわたって増加負荷を付与するように構成される。
【００２４】
さらに別の実施形態では、以下のステップを含む、第１の形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性（ＮＴＥ）コアを備えるシステムにおけるエネルギー回収方法が提供される。同方法は、温度の変化に応じてコアの動きをエネルギーに変換すること、流体を使用して温度変化を付与し、第１のコアを作動させてパワーストロークを生成すること、所定の時間フレームの間ベース負荷を加えることにより、コアの最大緩和力よりも大きい力でコアに戻り負荷を加えること、および、前記時間フレームが経過した後、トランスミッションモジュールは、コア内のＳＭＡ材料が歪んでいるとき背圧と一致するように、別の設定時間フレームにわたって増加負荷を加えるように構成されることを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
本発明は、添付の図面を参照し、例示に過ぎない実施形態の以下の説明により、より明確に理解される。
【図１】公知のエネルギー回収システムを示す。
【図２】エネルギー回収システムの基本的な図であり、本発明の第１実施形態を示す。
【図３】図１に示す構成で作動する第２実施形態による油圧回路を示す。
【図４】本発明の第３実施形態による油圧回路であって、閉ループシステムで動作する図２の変形例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図面の詳細な説明
本発明は、形状記憶合金（ＳＭＡ）または負熱膨張性材料（ＮＴＥ）のいずれかを使用して低位熱から電力を発生させることができる開発中の熱回収システムに関する。
【００２７】
図１を参照して公知のエネルギー回収装置の実施形態の例を説明する。同図は、符号１で示されるＳＭＡエンジンを使用するエネルギー回収装置を提供する。ＳＭＡエンジン１は、ＳＭＡ作動コアを備える。ＳＭＡ作動コアは、第１の点でクランプされた、あるいは固定されたＳＭＡ材料で構成される。反対側の端では、ＳＭＡ材料は駆動機構２にクランプされ、あるいは固定されている。したがって、第１の点が固定されている一方で、第２の点は、駆動機構３を引っ張っていても自由に動き、パワーストロークを生成する。浸水チャンバ４はＳＭＡエンジンを収容し、チャンバは、ＳＭＡエンジンを加熱および／または冷却させるために、異なる温度で流体により順次満たされる。流体は、エラー（error）の方向にチャンバ４の上部に入り、チャンバ４の下部近くの出口から流出可能である。したがって、ＳＭＡコアに熱が加えられると、収縮自在となる。好適には、ＳＭＡコアは、ＳＭＡ材料の複数の平行なワイヤ、リボンまたはシートを備える。「ワイヤ」という用語は、コアとして作用することができる任意の適切な長さのＳＭＡまたはＮＴＥ材料を意味するように使用され、広く解釈されるべきことは本発明の文脈から理解される。
【００２８】
このようなコアとしては、約４％の偏位が一般的である。したがって、１ｍの長さのＳＭＡ材料が使用される場合、約４ｃｍの直線運動が可能であると予想される。付与される力は、使用されるワイヤの質量に依存することは理解されるものである。かかるエネルギー回収装置は、本発明の譲受人に譲渡された国際公開第２０１３／０８７４９０号に記載されており、参照により本明細書にすべて組み込まれる。
【００２９】
かかる用途では、熱源にさらされた材料の収縮が得られ、利用可能な機械的仕事に変換される。かかるエンジンの作動要素に有用な材料として、ニッケルチタン合金（ＮｉＴｉ）があることは確認されている。この合金は、公知の形状記憶合金であり、さまざまな業界で多くの用途がある。任意の適切なＳＭＡまたはＮＴＥ材料を使用できることは、本発明の文脈から理解される。
【００３０】
力は、ピストンと伝達機構を使って、作業コア内で複数のワイヤ（または束）として提供されるＳＭＡ材料の収縮と膨張によって生成される。したがって、必要な特定の構成およびＳＭＡ材料の質量の要件に応じて、複数のＳＭＡワイヤを互いにほぼ平行に離して一緒に使用し、単一のコアを形成することができる。
【００３１】
大きな往復力を、ＳＭＡまたはＮＴＥ材料の収縮／膨張から一定の回転運動に移行させることが望ましい。
【００３２】
一実施形態では、本発明は、ＳＭＡエンジンに多段可変負荷レジームを付与して、システム効率を向上させる。大きな往復力を一定の回転運動に移行させる方法について、図２を参照して説明する。このシステムは、ＳＭＡエンジンまたはコア内のＳＭＡ（形状記憶合金）ワイヤの束に可変負荷レジームを付与する。
【００３３】
サイクルの緩和段階の間、油圧トランスミッションモジュールが多段階の負荷をかけるように調整される。パターンには、所定の時間フレームの間のベース負荷を含み、同時間フレームが経過した後に、トランスミッションは、歪んでいるＳＭＡ材料からの背圧に一致するように、別の設定時間フレームにわたって増加負荷を加えることができるようにする。この設計により、さまざまな時間フレームが可能になる。
【００３４】
エンジンからのパワーストロークでは、最大緩和力よりも大きな力でＳＭＡ材料に戻り負荷が加えられる。そして、ＳＭＡから生成されたトランスミッションのエネルギーゲインは発電機に伝達できる。
【００３５】
図２は、油圧システム１２に接続された複数のコア１１およびパワーパックシステム１３を示す回路１０の基本的な概略図を示す。マニホルド内の制御弁１４の機能は、温水および冷水をＳＭＡエンジン１１に供給して、制御された温度変化を付与し、ＳＭＡエンジン１１の膨張および収縮を付与して、発電のためのパワーストロークを生成する。
【００３６】
パワーパックシステム１３は、タンク、電気モーター１６、ポンプ１５、および、ろ過回路１７を備え、これにより、初期緩和段階でＳＭＡ材料に最小限の負荷を付与し、オイル調整用のフィルタとクーラーを通る最小限の流量を許容する。
【００３７】
一連の逆止弁１４を使用して、流体の流れに一方向の主駆動回路を生成でき、この回路で油圧モーター１８を使用して、回路で得られたエネルギーをＳＭＡから発電機に伝達する。この回路は、２つの主要なセクションに分割される。コアに供給する低圧側と、エネルギーゲインを伴う流れをモーターと発電機への進める高圧側である。
【００３８】
緩和ストロークの第２フェーズの増加圧力レジームを供給するため、主駆動回路の高い側から少量の流れを取り込むように増圧器１９を組み込み、低い側からの蓄積された量の油に対する圧力を増加させて、ＳＭＡエンジンを装着するピストンにポンプで送り出す。ピストンへの流れと圧力は、パイロット作動弁によって調整される。作動時間フレームは、電磁弁２０によって決定される。
【００３９】
ピストンの往復運動は、アキュムレータ１２を使用して円滑化され、モーターを介して安定的な流量を促進し、発電機とモーターをより高い効率の出力に適した速度で作動させることができる。
【００４０】
流体供給システムのバルブ操作は、追加のソレノイドと可変流量制限器によって操作可能である。
【００４１】
一実施形態では、カスケード構成は、コアの直列接続を含み、その結果、１つのコアの出口から流れる水を別のコアの入口に送ることができる。
【００４２】
図３は、符号３０で示される基本構成において油圧回路がどのように作動するかを示し、共通の要素については図２と同じ符号を使用する。この回路３０は、低圧の所定量の油をコアに送り、コアが作動すると、ピストンがアクチュエータの圧力を増加させて、それを逆止弁システムを通してモーターに送り出す。これにより、モーターの入口とタンクへの出口の間に圧力差が生じる。この圧力差により、モーターシャフトにトルクが発生し、これを使用して発電機を回転させることができる。
【００４３】
図４は、図３に示される実施形態の変形例を示し、回路は、符号４０で示される閉ループシステムに変換することができる。モーターの出口は、タンク内の圧力を大気圧まで降下させず、コアに送られる低圧に一致させる。これにより、モーターでの圧力降下が削減されるが、タンクからポンプで注入する必要がある流量も減少させる。その後、システムはモーターシャフトでの出力が少なくなるが、ポンプへの寄生負荷は減少する。低圧ポンプは、コアにかかる圧力を最小限に抑え、オイルを良好な状態に保つために、ろ過システムまたは冷却システムを介して最小限の量の流体を送る。また、これは、安全弁による損失に代わるものである。この流量は、通常、コアアクチュエータから送り出される主駆動ラインの流れよりもはるかに少ないため、システム全体における正味のパワーゲインを生成する。
【００４４】
本明細書において、用語「備える（comprise, comprises)、備えた（comprised)、備えている（comprising)」またはその任意の変形、および用語「含む（include, includes)、含んだ(included)、含んでいる（including)」またはその任意の変形は、完全に交換可能であるとみなされ、それらの用語はすべて可能な限り広い解釈を与えられるべきであり、その逆も可能である。
【００４５】
本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、構造においても具体的な内容においても変形可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2020534471.tif 000008
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