JP2009524935A - 双安定強磁性体を利用する熱機械デバイスによるエネルギー収穫 - Google Patents
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Abstract
本発明のエネルギー収穫装置は、熱エネルギー−機械エネルギー−電気エネルギーへと変換する強磁性材料および／または形状記憶合金を含み得る。装置が熱傾斜を受けることにより、梁が曲げられ、圧電材料に歪力／ゆがみが生じるか、または、磁路に磁束が生じる。このプロセスで生じた電荷は、バッテリに転送され得る。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本出願は、２００６年１月２５日に出願された米国特許仮出願番号第６０／７６１、７８９号の優先権を主張し、そのすべての内容は、参照により本願明細書に組み込まれる。
米国政府は、本発明のペイドアップ・ライセンス、および、限定された状況における権利を有し、許可番号ＦＡ９５５０−０４−１−００６７を受けてＡＦＯＳＲによる資金提供契約で規定されている相応の値段で他者にライセンス供与することを特許所有者に要求する。
本発明の実施形態は、機械的動作を提供する強磁性材料、および、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する、圧電、電気活性、電磁、および／または、磁歪ジェネレータを用いる熱エネルギー収穫（または熱エネルギー獲得）技術に関する。さらに、動作効果を高めるべく、形状記憶合金も用いられ得る。
本願明細書中で参照される論文、公開特許公報、および、特許を含むすべての内容は、参照により本願明細書中に組み込まれる。
熱エネルギー収穫（または熱エネルギー獲得）は、例えば、有用な電気エネルギーへの熱の段階的変化を用いた熱エネルギーの変換として定義されるが、これに限定されない。熱の段階的変化は、余熱が油送管、エンジン、および、電気デバイスなどに含まれる場合に見られる。その後、収穫された電気エネルギーは、さまざまな低電力用途の電源として用いられ得る。さまざまな低電力用途は、例えば、これに限定されないが、バッテリなどの他の電源は実用的でない可能性がある無線センサおよび／または通信ノードのネットワークシステムを含み得るリモート用途などである（Ｊ．Ａ．Ｐａｒａｄｉｓｏ、Ｔ．Ｓｔａｒｎｅｒ、ＩＥＥＥ パーベイシブ コンピューティング １月−３月：１８−２７（２００５）、Ｓ．Ｒｏｕｎｄｙ、Ｅ．Ｓ．Ｌｅｌａｎｄ、Ｊ．Ｂａｋｅｒ、Ｅ．Ｃａｒｌｅｔｏｎ、Ｅ．Ｒｅｉｌｌｙ、Ｅ．Ｌａｉ、Ｂ．Ｏｔｉｓ、Ｊ．Ｍ．Ｒａｂａｃｙ，Ｐ．Ｋ．ＷｒｉｇｈｔによるＩＥＥＥ パーベイシブ コンピューティング１月−３月：２８−３５（２００５））。これらの理由により、電力収穫の研究は、急速に拡大している（Ｈ．Ａ．Ｓｏｄａｎｏ、Ｄ．Ｊ．Ｉｎｍａｎ、Ｇ．Ｐａｒｋ、Ｓｈｏｏｋ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ １０ ダイジェスト版 第３６巻、１９７−２０５（２００４））。
熱電材料を用いることにより、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することに成功している。これらの材料は、逆ペルチェ効果を用いる。これに伴い、ギャップ全体を通して温度差がある場合に電圧が生じる。熱電デバイスの効率は、
により付与される材料の性能指数により決定される。α、ρ、κおよびＴは、ゼーベック係数、電気抵抗率、熱伝導率、および、絶対目盛での平均動作温度である。
デバイスの効率は、
で表される。第１項
は、カルノー効率を示し、第２項
は、熱電材料による限界効率を示す。これらの材料は、役に立つものの、温度差が小さいとエネルギー効率は低くなる。（Ｊ．Ｍ．Ｇｏｒｄｏｎ、Ａｍ．Ｊ．Ｐｈｙｓ、第５９巻、Ｎｏ．６：５５１−５５５（１９９１））。例えば、最近開発された超格子ＡｇＰｂｍＳｂＴｅ２＋ｍ（ＺＴ＝Ｔ）を用いてさえ、限界効率は、ΔＴ＝１００℃およびＴｃ＝０℃に対し１８．３％であるが、これは、市販のチップ（ＺＴ＜１）が１１．４％以下の効率を有することを考えれば、楽観的にみるべきだと考えられる（Ｇ．Ｙｏｎｇｈｕｉ、Ｘ．Ｊｉｎｇｙｉｎｇ、Ｃｈｅｍ．Ｊ、第７巻、Ｎｏ．２：１９（２００５）（インターネット））。
近年では、熱機械デバイスと電気デバイスとを結合させることにより、熱エネルギーを効率よく電気エネルギーに変換できるだろうと提案されている。（米国特許仮出願番号第６０／５５４、７４７、および、米国特許公開公報第２００５／０２０５１２５を参照されたい。これらの内容のすべては本願明細書中に参照により組み込まれる。圧電材料、および、相数変換による大きい熱歪みを示す熱歪み材料を用いることにより、優れた変換パフォーマンスが得られることを請求する。この中の記載の１つは、高温熱源と低温ヒートシンクとの間にバイモルフを配置することにより生じるバイモルフ効果による屈曲に依存する。
機械エネルギーは、圧電材料、電気活性ポリマー、および、電磁誘導を用いて変換され得る。圧電ハーベスタを介し蓄積される電力量は、それを励起する機械的周波数に比例する（Ｈ．Ｗ．Ｋｉｍ、Ａ．Ｂａｔｒａ、Ｓ．Ｐｒｉｙａ、Ｋ．Ｕｃｈｉｎｏ、Ｄ．Ｍａｒｋｌｅｙ、Ｒ．Ｅ．Ｎｅｗｎｈａｍ、Ｈ．Ｆ．Ｈｏｆｍａｎｎ著、社団法人応用物理学会、第４３巻、９Ａ：６１７８−６１８３（２００４））。また、圧電材料内で生じる電圧は、歪力／歪みに比例する。したがって、動作周波数を高め、より大きい歪力／歪みをかけることがより高電力へのカギとなる。圧電材料に加え、機械エネルギーを電気活性ポリマー、電磁誘導、および、磁歪材料などの電気エネルギーに変換する他の材料も存在する。ＰＶＤＦのような電気活性ポリマーは、圧電材料に似た原理を用いて、機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。電磁誘導では、ファラデーの法則に基づき、経路で囲まれた任意の表面を介して磁束に変化が起きたときに電圧が生じる。磁歪材料は、機械的負荷によってその磁性を変化させる。電磁コイルと結合したとき、機械エネルギーは、電気エネルギーに変換され得る。このように、機械エネルギーを電気エネルギーに変えるには何種類もの形式がある。
形状記憶材料は、変態点と呼ばれる特定の温度において結晶構造が変えられるものである。変態点を上回ると、材料は、オーステナイト相と呼ばれる１つの結晶構造を有する。また、比較的低い温度を下回ると、材料は、マルテンサイト相と呼ばれる他の相を有するようになる。各層は、ヤング率および降伏強度などの異なる材料特性を有する。これらのタイプの材料は低温構造を有するので、容易に変形し得る。 形状記憶合金はエネルギー密度が高いので（Ｐ．Ｋｒｕｌｅｖｉｔｃｈ、Ａ．Ｐ．Ｌｅｅ、Ｐ．Ｂ．Ｒａｍｓｅｙ、Ｊ．Ｃ．Ｔｒｅｖｉｎｏ、Ｊ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ、Ｍ．Ａ．Ｎｏｒｔｈｒｕｐ， Ｊ著、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．第４巻、Ｎｏ．５：２７０−２８２（１９９６））、エネルギー収穫システムに付加されることにより、熱循環の間に圧電材料中に生ずる歪力／歪みおよび周波数のどちらも実質的に高めることができる。強磁性材料は、結果としてドメインを形成する磁気モーメントの長期的な秩序を有する。遷移金属である鉄、コバルト、ニッケル、および、ガドリニウムなどの何らかの希土類金属が例に挙げられる。強磁性材料における永久磁気モーメントは、電子スピンによる原子磁気モーメントから生じる。温度の上昇により原子振動がより激しくなると、磁気モーメントはランダム化される傾向がある。飽和磁化は、温度上昇に伴い徐々に低下し、キュリー温度と呼ばれる温度で峻烈にゼロまで下降する。このキュリー温度Ｔｃを上回ると、強磁性およびフェリ磁性材料は、磁気モーメントをごくわずかしか含まない常磁性体となる。
本発明の目的は、利用可能なエネルギーを増大させること、および、動作周波数を高めることへのアプローチを提供することである。利用可能なエネルギーを増大させることは、圧電／電子活性素子、および、ソレノイドの優れた設計により実現し得る。さらに、高磁束密度値および高熱伝導性を有する新しい強磁性材料を用いることにより、より良い効率および電力出力が得られる。
静的熱電界でエネルギーを生成するデバイスには、物理的に不安定になる構造を防ぐ双安定機構が用いられ得る。この双安定性を実現すべく、強磁性体がシステムに追加されてよい。本発明のいくつかの実施形態によれば、熱源とエネルギー収穫デバイスとの間に優れた接触を有することにより、動作周波数が向上するという追加のメリットを得ることができる。生成された電力密度を高めるべく、圧電／電子活性材料への歪みを増大させること、および／または、動作周波数を向上させることが考えられる。歪みまたは動作周波数を大きくするためには、ＮｉＴｉ、 ＮｉＴｉＣｕ、ＮｉＴｉＰｔ、ＡｕＣｄ、ＩｎＴｉ、ＮｉＭｎＧａ、および、ＦｅＰｔなどの形状記憶合金がシステムに追加されてよい。周波数を向上させることも熱伝導経路の設計に依存する。すなわち、本発明のいくつかの実施形態によれば、熱経路における材料を最少化／除去する設計を用いるのが望ましい。
以下、本発明の特定の実施形態を説明する。エネルギー収穫装置は、熱膨張効果により屈曲可能なバイモルフカンチレバーと、異なるヤング率および形状を有するよう位相変化を受ける形状記憶合金と、バイモルフの屈曲により生じる予め決められた歪みから生じる電荷または電圧を生成することが可能な圧電材料と、特定の温度Ｔｃに達すると強磁性を失う強磁性材料と、磁気高温熱源と、熱伝導プレートを有する低温ヒートシンクとを備える。カンチレバーは、圧電材料および／または形状記憶材料と、強磁性材料とで構成される設計を有する。他の装置は、結合部材のスプリング力により垂直に移動可能な結合部材を有するフラップと、圧電／電気活性材料と、強磁性材料とを備える。圧電／電気活性材料の代わりに、電磁誘導機構が用いられてもよい。圧電材料は、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ、ＰＭＮＴ、ＰＭＮＺ、および、ＰＦＷなどの鉛系セラミックを含む。圧電材料は、ＰＶＤＦなどの電気活性ポリマー、電磁誘導系、または、コイルを有する磁歪材料と直接置き換えることができる。形状記憶材料は、ＮｉＴｉおよびＮｉＴｉＸを含む。Ｘは、Ｐｔ、Ｐｄ、および、Ｃｕなどの他の元素、および、ＮｉＭｎＧａを示す。強磁性材料は、これらに限定されないが、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｈｏ、Ｅｒ、および、ＭｎＢ、ＮｉＭｎＧａ、ＥｕＯ、ＤｙＦｅなどの合金を含み得る。本発明の複数の実施形態におけるシステムは、上記装置のみならず、電気信号を受信するよう結合される電気デバイスも含み得る。本発明の複数の実施形態は、上記装置を実装する方法も含み得る。
以下、本発明のさまざまな実施形態の追加の特徴が図面を参照しながら説明される。さらに、本発明の上記および他の効果については、添付の図面と共に詳細な説明を参照することにより、より理解が深まるであろう。
本発明の複数の実施形態によれば、温度勾配の小さい熱電デバイスに変わるものとして、効率のよい変換器を生成すべく、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが提供され得る。以下の詳細な説明は、本発明における例示的実施形態を記載する。これらは、本発明の多くの考えられる実施形態のほんのいくつかに過ぎず、当然そのようなものとして、以下の説明は、代表例の開示とみなされる。他の実施形態は、本発明の理解する上で必要ないので例示しない。他の例では、よく知られる特徴は詳しく説明されていない。他のそのような修正および変更は、本発明の範囲内に含まれると考えられる。本発明のさまざまな実施形態を示す図は、共通の尺度で描かれていない。
図１−１は、本発明の一実施形態におけるエネルギー収穫デバイス１００の概略図である。図１−１では、バイモルフ片持ち梁１０２は、熱源１１０とヒートシンク１１２との間に配置された圧電層１０４、形状記憶合金層１０６、および、強磁性層１０８で構成され得る。形状記憶合金（ＳＭＡ）１０６は、変態点、すなわち、高温ＴＡで生じるオーステナイト変態点と、低温で生じるマルテンサイト相変態点ＴＭとを有する。ＳＭＡ１０６は、Ｔ＞ＴＡのとき高ヤング率を有し、Ｔ＜ＴＭのとき低ヤング率を有する。ヤング率は、温度が特定の温度に基づきＴＡ＞Ｔ＞ＴＭの間にあるときの２相の混合として表される。強磁性材料１０８は、温度Ｔｃを有し、その場合、材料は強磁性でなくなり、ほぼＴＡである。梁１０２の温度がＴＭを下回ると、梁１０２を撓ませるのに必要なＳＭＡのスプリング力は、ＳＭＡ１０６のヤング率により低くなる。また、強磁性材料１０８の温度がＴｃより低い場合、強磁性材料１０８とマグネット１１４との間の磁力は、梁１０２のスプリング力より強くなる。磁力は、δ２の逆数に比例する。δは、梁１０２と高温熱源１１０との間の距離なので、梁が高温熱源のほうに曲がるにつれて力は大きくなる。したがって、この温度で梁１０２は高温熱源１１０と完全に接触する。
図１−２は、片持ち梁１０２の温度が上昇し始めた後でも、なお熱源１１０に付着していることを示す。この段階では、梁１０２の温度は、ＴＭとＴＡとの間にあり、まだＴＣより低い。ＳＭＡ１０６のヤング率が高くなることと、本来備わっている形状記憶効果のせいでＳＭＡ１０６によるスプリング力は、向上する（すなわち、ＳＭＡは、低温ソースと接触するよう熱形成される）。ＴＣ＝ＴＡに近い臨界温度では、磁力は、高温側１１０に梁を拘束するには不十分である。図１−３は、強磁性材料１０８の常磁性動作に加えて、片持ち梁１０２および本来備わっている形状記憶効果１０８の両方の剛性により梁１０２が移動して低温ヒートシンク１１２に接触することを示す（すなわち、磁力が失われる）。熱源および低温ヒートシンクからの梁の移動は、圧電層１０４における歪力／歪みを生じる。この段階で生成される電荷は、バッテリおよびコンデンサなどの電気ストレージデバイスに転送され得る。この段階において、梁１０２の温度はＴＣおよびＴＡより高くなっており、ＳＭＡ１０６により生じたスプリング力を向上させ、磁力を実質的に消滅させる。スプリング力は磁力に勝るので、バイモルフは、安定した構成に留まる。
梁１０２が低温シンク１１２に接触すると、梁１０２の温度は下がり始める。温度がＴＡより下がり始めると、曲率が減少し、よってδは小さくなる。プレートの機能は、δが変化しても熱伝導を有することである。冷却が続けられる場合、梁１０２の温度はＴＭに近くなるので、δはさらに小さくなり、その間に、強磁性材料１０８の温度がＴＣを下回って磁力が向上し、その後にスプリング力を上回り、梁を熱源およびマグネット１１４の方へ移動させる。
図２−１は、本発明におけるエネルギー収穫デバイス２００の第２の実施形態を示す。図２−１において、装置２００は、動作を垂直方向のみに制限する結合部材（２０４、２０６、２０８、２１０）を有するフラップ２０２と、結合部材に取り付けられ、歪力／歪みが生じる圧電層（２１２、２１４、２１６、２１８）と、フラップ２０２上の強磁性層２２０により構成される。この設計は、低熱伝導係数を有する圧電材料を介した熱移動をなくすことにより、周波数をより速くすることを可能にする。さらに、この設計は、ＳＭＡを含まず、回復力のために結合部材を曲げることに依存する。この設計は、効率の点では、いかなる熱電デバイスにも勝ると思われる。最高の研究レベルの超格子熱電材料の限界効率は、ΔＴ＜１００Ｋに対し２０％を下回る。一方、本発明の限界効率は、２５％を上回る可能性も秘めており、
として計算される。ＭＳは飽和磁化、μ０は真空における透磁率、ＣＰは比熱、ρは濃度、Ｔは温度、ｋは圧電係数である。分子は、磁気ポテンシャルエネルギーと等しく、分母は、磁気エネルギーの差をもたらす熱エネルギーと等しく、第２項は、機械から電気への変換率と等しい。強磁性体を支持する層の厚みがごくわずかである場合、熱は、強磁性体に転送される必要がある。強磁性材料にＤｙを用い、圧電材料にはＰＭＺＴを用いる場合（ＭＳ＝２８００ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｃｐ＝１７０Ｊ／ｋｇ−Ｋ、ρ＝８５４０ｋｇ／ｍ３、および、ΔＴ＝１０Ｋ、ｋ３３＝９０％）、限界効率は、２７．５％に達する。より高い飽和磁化値を有する強磁性材料によってさらに高い効果が得られることに注目されたい。
図２−２では、強磁性層上に磁気材料でできた高温熱源２２２が配置され、フラップ２０２の下に低温ヒートシンク２２４が配置される。この段階では、梁の温度は、ＴＣより低く、加熱中である。
図２−３では、温度がＴＣより高くなると、結合部材のスプリング力が磁力に勝る。するとフラップ２０２は、低温ヒートシンク２２４に留まる。この段階では、結合部材（２０４、２０６、２０８、２１０）内に歪力／歪みが生じ、電気ストレージデバイスへと転送される電圧が生成される。梁が十分冷却されると、磁力がスプリング力に勝るようになるので、留まった状態は解消されて前の段階に戻る。
図３−１は、本発明におけるエネルギー収穫デバイス３００の第３の実施形態を示す。図３−１では、装置３００は、ハードマグネット３０２を有する熱源、冷却面３０４、垂直方向のみに動作が制限された強磁性材料３０６、第２のハードマグネット３０８、および、磁路３１２の回りに巻きつけられる電磁誘導コイル３１０により構成される。この設計は、余分な材料による熱移動をなくすことにより、周波数をより速くすることができる。また、デバイスコストを削減することもできる。この段階では、強磁性材料３０６の温度は、ＴＣより低いので、強磁性材料は、熱源３０２に付着する。磁路は、この状況では開いていると考えられる。
図３−２では、スプリング機構または重力により、強磁性材料は冷却面３０４の上にある。この段階では、強磁性材料の温度は、ＴＣを上回り、冷却中である。磁路が閉じると、コイル３１０内部に磁束変化が起きてシステムへの電流／電圧を生じる。
本発明の上記実施形態は、多くの態様で展開し得る。典型的な態様は、低電力の電気システムが熱傾斜のある環境で電力を供給されるようになることである。例えば、このような環境で遠隔感知および／または通信デバイスが配置されてよく（例えば、基準振動を生じる機械類または他のプラットフォームに取り付けられる）、本発明のシステムの実施形態は、このようなデバイスに、バッテリや配線された電源を用いることなく電力を供給するよう用いられ得る。
これまでさまざまな実施形態に関連して本発明を詳細に説明してきたが、当業者にとり、本発明のより広い側面において本発明から逸脱せずに変更および修正がなされうることは上記から明らかであろう。したがって、請求項の範囲で定義された本発明は、そのような変更および修正のすべてを本発明の真の趣旨の範囲内に納まるものとして含むものと意図される。
Claims (13)
- 熱源とヒートシンクとの間に配置されるのに適した強磁性要素と、
前記強磁性要素が前記熱源と熱接触する第１の配置と、前記強磁性要素が前記ヒートシンクと熱接触する第２の配置とにおいて前記強磁性要素を支持する機械アセンブリと、
を備え、
前記機械アセンブリは、第１および第２の状態を満たす前記強磁性要素による運動の過渡状態を有し、すなわち、第１の状態は、前記強磁性要素の強磁性材料の温度ＴがＴＣより低い場合であり、第２の状態は、前記強磁性要素の強磁性材料の温度ＴがＴＣより高い場合であり、
前記機械アセンブリは、電気機械変換器を含み、前記電気機械変換器は、前記機械アセンブリが前記第１の配置と前記第２の配置との間の前記運動の過渡状態にある間に電力を生成するよう配置される、エネルギー収穫デバイス。 - 前記強磁性要素は、前記熱源の温度より低いキュリー温度を有する強磁性材料を含む、請求項１に記載のエネルギー収穫デバイス。
- 前記機械アセンブリは、前記強磁性要素の温度が前記キュリー温度より高くなった後、前記強磁性要素を前記第２の状態に回復させるよう配置されるスプリング構造を含む、請求項２に記載のエネルギー収穫デバイス。
- 前記機械アセンブリは、形状記憶要素を含む、請求項２に記載のエネルギー収穫デバイス。
- 前記形状記憶要素の材料は、前記強磁性材料の前記キュリー温度より高いオーステナイト相変態点を有する形状記憶合金を含み、前記形状記憶要素は、前記第１の配置において少なくとも前記オーステナイト相変態点まで加熱された後、前記第２の配置までの前記過渡状態の間に前記機械アセンブリを前記強磁性要素へと移動させる、請求項４に記載のエネルギー収穫デバイス。
- エネルギーハーベスタと、
前記エネルギーハーベスタに電気的に接続されて前記エネルギーハーベスタから電気エネルギーを受け取る電気的に動作可能なシステムと、を備え、
前記エネルギーハーベスタは、
熱源とヒートシンクとの間に配置されるのに適した強磁性要素と、
前記強磁性要素が前記熱源と熱接触する第１の配置と、前記強磁性要素が前記ヒートシンクと熱接触する第２の配置とにおいて前記強磁性要素を支持する機械アセンブリと、
を備え、
前記機械アセンブリは、前記第１の配置と前記第２の配置との間に運動の過渡状態を有し、
前記機械アセンブリは、電気機械変換器を含み、前記電気機械変換器は、前記機械アセンブリが前記第１の配置と前記第２の配置との間の前記運動の過渡状態にある間に電力を生成するよう配置される、
電気デバイス。 - 前記エネルギーハーベスタおよび前記電気的に動作可能なシステムと少なくとも選択的に電気的に接続される電気エネルギーストレージユニットをさらに備え、前記電気エネルギーストレージユニットは、前記エネルギーハーベスタから電気エネルギーを受け取って蓄積し、前記電気的に動作可能なシステムに電気エネルギーを供給する、請求項６に記載の電気デバイス。
- 前記電気的に動作可能なシステムは、電子部品を含む、請求項６に記載の電気デバイス。
- 前記電気的に動作可能なシステムは、センサを含む、請求項６に記載の電気デバイス。
- 前記電気的に動作可能なシステムは、通信ユニットを含む、請求項８に記載の電気デバイス。
- 前記電気エネルギーストレージユニットは、バッテリを含む、請求項７に記載の電気デバイス。
- 前記電気エネルギーストレージユニットは、コンデンサを含む、請求項７に記載の電気デバイス。
- エネルギーを収穫する方法であって、
熱源とヒートシンクとの間に強磁性要素を有するエネルギーハーベスタを配置することと、
前記エネルギーハーベスタから出力される電気エネルギーを受け取ることと、
を含み、
前記強磁性要素は、機械アセンブリに接続され、前記機械アセンブリは、前記強磁性要素が前記熱源と熱接触する第１の配置と、前記強磁性要素が前記ヒートシンクと熱接触する第２の配置と、前記第１の配置と前記第２の配置との間の運動過渡状態とを有し、
前記機械アセンブリは、電気機械変換器を含み、前記電気機械変換器は、前記機械アセンブリが前記第１の配置と前記第２の配置との間の前記運動の過渡状態にある間に電力を生成するよう配置される、
方法。
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