JP2012220184A - 熱弾性冷却 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】熱弾性効果に基づく冷却システムが提供される。システムは、ヒートシンク、冷凍空間、及び冷凍空間からヒートシンクへと熱をくみ上げるために冷凍空間とヒートシンクとに接続される再生器とを備える。再生器は、熱を吸収または放出できる固体熱弾性冷却材料を備える。
【選択図】図4
Description
また、他の形態において、本発明は、ヒートシンクと、冷凍空間と、オーステナイト相及びマルテンサイト相を有し、機械的に応力を加えられた場合、オーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を受け潜熱を放出し、機械的に応力を加えられた状態から弛緩されると、マルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を受け潜熱を吸収する熱弾性材料と、オーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を引き起こし前記ヒートシンクに潜熱を放出するように、前記熱弾性材料に機械的に応力を加え、マルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を引き起こし前記冷凍空間から潜熱を吸収するように、機械的に応力を加えられた前記熱弾性材料を弛緩する応力弛緩手段と、を有する再生器と、を備える冷却システムを提供する。
他の形態において、本発明は、冷凍空間から熱を取り出し、ヒートシンクに熱を放出するために熱交換システムで用いられる再生器であって、オーステナイト相及びマルテンサイト相を有し、機械的に応力を加えられた場合、オーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を受け潜熱を放出し、機械的に応力を加えられた状態から弛緩されると、マルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を受け潜熱を吸収する熱弾性材料と、前記熱弾性材料から潜熱を放出するためのオーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を引き起こすために前記熱弾性材料に機械的に応力を加え、潜熱を吸収するためのマルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を引き起こすために機械的に応力が加えられた熱弾性材料を弛緩する応力弛緩手段と、を備える再生器を提供する。
L=19.7kJ/kg×6450kg/m3×0.01m
×0.1m×0.1m=12.71kJとなる。正方形プレートに応力を加えてマルテンサイトにするのに必要とされるエネルギを推定するために、平均応力を270Mpa、平均歪みを6%と仮定する。正方形プレートの相変態を完了するために必要とされる総機械エネルギは、
W=270×6%×106N/m2×0.01m
×0.1m×0.1m=1.62kJ
である。相変態を誘起するのに必要なエネルギによって除算される吸収潜熱として定義される冷媒のCOPは、COP=L/W=12.71/1.62=7.84となる。第2の条件(システムのCOPが冷媒のCOPの70%)を適用した場合、最終的なシステムのCOPは5.5である。現在の最先端の蒸気圧縮技術(COP=4.5)と比較して、本結果は22%の改善を表す。
Claims (36)
- ヒートシンクと、
冷凍空間と、
熱を前記冷凍空間から前記ヒートシンクへくみ上げるように、前記冷凍空間および前記ヒートシンクと接続された再生器と、を備え、
前記再生器は、熱弾性効果を示すことが可能な複数の固体冷却材料から構成される冷却システム。 - 前記再生器は、直接接触によって、前記冷凍空間および前記ヒートシンクに接続されている請求項1に記載の冷却システム。
- 前記再生器は、循環熱交換媒体によって、前記冷凍空間および前記ヒートシンクに接続されている請求項1に記載の冷却システム。
- 前記固体冷却材料が応力を加えられている間に、前記固体冷却材料が前記ヒートシンクと熱的に接触する場合、前記固体冷却材料は熱を前記ヒートシンクへ放出し、
前記固体冷却材料があらかじめ応力を加えられた状態から弛緩されている間に、前記固体冷却材料が前記冷凍空間と熱的に接触する場合、前記固体冷却材料は前記冷凍空間から熱を吸収する請求項1に記載の冷却システム。 - 前記固体冷却材料は、張力、圧縮、またはねじりの印加によって、応力を加えられている請求項4に記載の冷却システム。
- 一方の固体冷却材料集合が応力を加えられている場合、他方の固体冷却材料集合は弛緩されるように、2つの固体冷却材料集合が接続される請求項4に記載の冷却システム。
- 前記固体冷却材料は、応力、電界、磁場、温度、光または溶体の使用によって、可逆オーステナイト−マルテンサイト相転移を受ける請求項1に記載の冷却システム。
- 前記固体冷却材料が可逆オーステナイト−マルテンサイト相転移を受けると、熱が放出され、前記熱は1J/gよりも大きい請求項7に記載の冷却システム。
- 前記固体冷却材料は、前記冷凍空間の設計温度以下の温度でマルテンサイトからオーステナイト相に完全に変態する請求項7の冷却システム。
- 前記固体冷却材料は、ニッケルチタン合金、銅・アルミ・ニッケル、ニッケル黄銅、銅・亜鉛・アルミニウム、鉄・パラジウム、金・カドミウム、ニッケル・マンガン・ガリウム、鉄・マンガン、及び、ニッケルチタン合金、銅・アルミ・ニッケル、ニッケル黄銅、鉄・パラジウム、金・カドミウム、鉄・マンガン及びニッケル・マンガン・ガリウムの派生合金のうちの少なくとも一つの合成物から構成される請求項1の冷却システム。
- 前記固体冷却材料は、熱の吸収または放出を伴う可逆固相−固相転移を示すポリマーの合成物から構成される請求項7の冷却システム。
- 前記冷媒は、少なくとも1つの熱弾性材料と、鎖、ベルト、ワイヤー、泡、板、紐、薄膜、シート、棒、チューブまたは管状の構造材料との組み合わせからなる請求項1の冷却システム。
- 第1の固体冷却材料集合を弛緩することによって機械エネルギが生成され、前記機械エネルギは、第2の固体冷却材料集合に応力を加えるのに使用されることができる請求項6の冷却システム。
- 前記再生器は、二つのギア集合と、複数の固体熱弾性冷媒を備えるベルトとを備え、
前記ベルト上の前記固体熱弾性冷媒は、第1のギア集合によって応力を加えられて熱を放出し、第2のギア集合によって弛緩されて熱を吸収する請求項1に記載の冷却システム。 - 前記再生器は、二つのドラムと、ドラムに巻かれた複数の固体冷媒ワイヤーとを備え、
各ドラムは、複数のセクションからなり、
前進するドラムセクションが速く回転するにつれて前記固体冷媒ワイヤーが前記ドラム上に巻かれると、前記固体冷媒ワイヤーが応力を加えられ前記ドラムに熱を放出し、前進するドラムセクションが遅く回転するにつれて前記固体冷媒ワイヤーが前記ドラム上に巻かれると、前記固体冷媒ワイヤーは弛緩され前記ドラムから熱を吸収するように、前記ドラムの各セクションは異なる速度で回転する請求項1の冷却システム。 - 前記再生器は、プレートの集合を備え、
前記プレートは、トルクをかけられて熱を放出し、弛緩されて熱を吸収する請求項1記載の冷却システム。 - 前記再生器は、いずれも可逆相変態の途中にあるように圧縮される2つの固体冷媒集合を備え、
一方の固体冷媒集合は応力を加えられ、熱を放出しながらマルテンサイトへと完全に変態し、もう一方の固体冷媒集合は弛緩され、熱を吸収しながらオーステナイトへと完全に変態する請求項1の冷却システム。 - 前記再生器は、固体冷媒ワイヤーを有する1組の端板を備え、
前記固体冷媒ワイヤーは、初期位置で前記端板の間で、前記端板に取り付けられており、
前記二つの端板がそれぞれ反対方向に回転すると、前記固体冷媒ワイヤーは応力を加えられて熱を放出し、前記二つの端板が元の位置に戻ると、前記固体冷媒ワイヤーは弛緩されて熱を吸収する請求項1に記載の冷却システム。 - 前記再生器は、固体冷媒ワイヤーを有する二つの端板を備え、
前記固体冷媒ワイヤーは、前記二つの端板の間に取り付けられており、
第1の端板は、前記第1の端板と非平行の傾いた位置に取り付けられ、
傾けられた板の高い方の端にある固体冷媒ワイヤーは、常に応力が加えられた状態にあり熱を放出し、傾けられた板の低い方の端にある固体冷媒ワイヤーは、常に弛緩された状態にあり熱を吸収する請求項1に記載の冷却システム。 - 前記再生器は、二つの回転ドラムと、前記二つのドラムの間で前記二つのドラムに取り付けられた複数の固体冷媒ワイヤーとを備え、
前記固体冷媒ワイヤーは、ドラムの回転に基づいて、完全に応力が加えられてから完全に弛緩されるまで変化する請求項1に記載の冷却システム。 - ヒートシンクと、
冷凍空間と、
オーステナイト相及びマルテンサイト相を有し、機械的に応力を加えられた場合、オーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を受け潜熱を放出し、機械的に応力を加えられた状態から弛緩された場合、マルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を受け潜熱を吸収する熱弾性材料と、
前記ヒートシンクに潜熱を放出するためのオーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を引き起こすために前記熱弾性材料に機械的に応力を加え、前記冷凍空間から潜熱を吸収するためのマルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を引き起こすために機械的に応力を加えられた前記熱弾性材料を弛緩する応力弛緩手段と、を有する再生器と、
を備える冷却システム。 - 冷凍空間から熱を取り出し、ヒートシンクに熱を放出するために熱交換システムで用いられる再生器であって、
オーステナイト相及びマルテンサイト相を有し、機械的に応力を加えられた場合、オーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を受け潜熱を放出し、機械的に応力を加えられた状態から弛緩されると、マルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を受け潜熱を吸収する熱弾性材料と、
前記熱弾性材料から潜熱を放出するためのオーステナイト相からマルテンサイト相への相転移を引き起こすために前記熱弾性材料に機械的に応力を加え、潜熱を吸収するためのマルテンサイト相からオーステナイト相への相転移を引き起こすために機械的に応力が加えられた前記熱弾性材料を弛緩する応力弛緩手段と、
を備える再生器。 - 前記応力弛緩手段は、前記熱弾性材料に機械的に応力を加えるために、張力、圧縮、ねじり力のうちの少なくとも1つを印加する請求項22に記載の再生器。
- 前記熱弾性材料として、少なくとも二つの熱弾性部材集合を備え、
前記応力弛緩手段は、前記熱弾性部材集合の一方に機械的に応力を加え、同時に、前記少なくとも二つの前記熱弾性部材集合のうち少なくとも一方を弛緩する請求項22に記載の再生器。 - 前記熱弾性材料は、ニッケルチタン合金、銅・アルミ・ニッケル、ニッケル黄銅、銅・亜鉛・アルミニウム、鉄・パラジウム、金・カドミウム、ニッケル・マンガン・ガリウム、鉄・マンガン、および、ニッケルチタン合金、銅・アルミ・ニッケル、ニッケル黄銅、鉄・パラジウム、金・カドミウム、鉄・マンガン及びニッケル・マンガン・ガリウムの派生合金のうちの少なくとも一つの合成物から構成される請求項22に記載の再生器。
- 前記熱弾性材料は、熱の吸収または放出を伴う可逆固相−固相転移を示すポリマーの合成物を含む請求項22に記載の再生器。
- 前記熱弾性材料は、鎖、ベルト、ワイヤー、泡、板、紐、薄膜、シート、棒、チューブまたは管状の少なくとも一部に成形されている請求項22に記載の再生器。
- 前記熱弾性材料として、複数の固体熱弾性部材を備え、
前記応力弛緩手段は、機械エネルギが前記複数の固体熱弾性部材のうち少なくとも一つを弛緩することによって生成され、前記機械エネルギが前記複数の固体熱弾性部材の少なくとも他の一つに応力を加えるのに使用されるように、前記複数の固体熱弾性部材に接続される請求項22に記載の再生器。 - 前記応力弛緩手段は、第1及び第2のギア集合と、前記熱弾性材料としての複数の熱弾性部材を備えるベルトと、を備え、
前記ベルト上の前記熱弾性部材は、前記第1のギア集合によって応力を加えられて熱を放出し、前記ベルト上の前記熱弾性部材は前記第2のギア集合によって弛緩されて熱を吸収する請求項22に記載の再生器。 - 前記熱弾性材料として複数の熱弾性ワイヤーを備え、
前記応力弛緩手段は、前記複数の熱弾性ワイヤーが巻きつけられた二つのドラムを含み、
各ドラムは複数のセクションを含み、
前進するドラムのセクションが速く回転するにつれて前記熱弾性ワイヤーが前記ドラムに巻きつけられると、前記熱弾性ワイヤーが応力を加えられ前記ドラムに熱を放出し、前進するドラムのセクションが遅く回転するにつれて前記熱弾性ワイヤーがドラムに巻きつけられると、前記熱弾性ワイヤーが弛緩され前記ドラムから熱を吸収するように、前記ドラムの各セクションは異なる速度で回転する請求項22に記載の再生器。 - 前記熱弾性材料として熱弾性プレートを備え、
前記応力弛緩手段は、熱を放出するために前記熱弾性プレートにトルクをかけ、熱を吸収するために前記熱弾性プレートからトルクを解放する請求項22に記載の再生器。 - 前記熱弾性材料として、二つの固体熱弾性部材集合を備え、
前記応力弛緩手段は、前記応力弛緩手段が中立位置にある場合、前記二つの固体熱弾性部材集合がいずれも可逆相変態の途中にあり、一方の固体熱弾性部材集合が応力を加えられて熱を放出する場合、他方の固体熱弾性部材集合は弛緩されて熱を吸収するように、前記二つの固体熱弾性部材集合に接続される請求項22に記載の再生器。 - 前記熱弾性材料として固体冷媒ワイヤーを備え、
前記応力弛緩手段は、固体冷媒ワイヤーを有する1組の端板を含み、
前記固体冷媒ワイヤーは、初期位置で前記端板の間に取り付けられ、
前記固体冷媒ワイヤーは、前記二つの端板がそれぞれ反対の方向に回転した場合、応力を受けて熱を放出し、前記二つの端板が初期位置に戻る場合、弛緩されて熱を吸収する請求項22の再生器。 - 前記熱弾性材料として固体冷媒ワイヤーを備え、
前記応力弛緩手段は、前記固体冷媒ワイヤーを有する第1及び第2の端板を含み、
前記固体冷媒ワイヤーは、前記第1及び第2の端板の間に取り付けられ、
前記第1の端板は、前記第2の端板から非平行に傾けられた位置に設置され、
傾いた前記板の高い方の端の固体冷媒ワイヤーは常に応力を受けている状態で熱を放出し、傾いた前記板の低い方の端の固体冷媒ワイヤーは常に弛緩された状態で熱を吸収する請求項22に記載の再生器 - 二つの回転ドラムと、前記二つの回転ドラムの間で前記二つの回転ドラムに取り付けられる複数の固体冷媒ワイヤーとを備え、
前記固体冷媒ワイヤーは、前記ドラムの回転に基づいて、完全に応力を加えられてから完全に弛緩されるまで変化する請求項22に記載の再生器。 - 前記熱弾性材料として複数の円柱状の熱弾性部材を備え、
前記応力弛緩手段は、中央駆動軸と、前記中央駆動軸に斜めに取り付けられた上部圧縮負荷プレートとを備え、
駆動軸が前記上部圧縮負荷プレートを回転させるように駆動された場合、前記複数の円柱状の熱弾性部材が連続的に応力を受けたり弛緩されたりするように、前記複数の円柱状の熱弾性部材は、それぞれの上面が前記上部圧縮負荷プレートに隣接して前記中央駆動軸の回りに配置される請求項22に記載の再生器。
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