JP2014014269A - 発電するための熱力学サイクル及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】以下の構成からなる熱力学サイクルを行なうための装置: 強磁性相転移温度を具備する試料; 試料の強磁性相転移温度より上で試料を磁化する手段; 及び試料の強磁性相転移温度より下の温度まで試料を冷却する手段、ここで、試料が強磁性相転移温度より下にある時、試料の減磁は独立磁束を発生させる。同じく開示されているのは、以下の工程から成るエネルギーを変換する方法である。すなわち、強磁性相転移温度を具備する試料を供給する工程; 試料がその強磁性相転移温度より上にある時試料を磁化する工程; 試料がその強磁性相転移温度より下にある時に試料を減磁させる工程; ここで、試料の減磁が独立磁束の原因となる; 及び独立磁束の少なくとも一部を電流に変換する工程、である。類似した強誘電性装置及び類似した強誘電性方法が同じく提示されている。
【選択図】図1
Description
ΔHは同じではなく、熱容量が上がっているので、同等性を維持するためにはもっと高くなければならない。これは第二の積分においてH’で示されている。二つの半-断熱サイクルが恰も一緒に糊付けられようである: 第一の積分は断熱的磁-熱サイクルの初めの半分におけるエネルギー入力であり、第二の積分はより高い熱容量を有する試料のより高い磁化から生じるサイクルの次の半分を表す。このことは、第一サイクルの第四行程において、磁熱効果が前の行程において等温的に周囲温度まで冷却されたことを「知る」又は「記憶している」必要はないことで、説明できる。熱力学方程式はそれらが経験した変化の「歴史」を持ち続けない。重要なのは、一サイクルの初めと終わりの差そのもの、熱力学恒等式A2.7の熱力学的座標である。即ち
簡単にするために電流は一定と仮定する。これは如何なる場合も電力損失を過大に見積もるであろう。励磁機段階の間に失われる電力P12Rは、「D」(方形波のオン-オフ時の衝撃係数)と乗算される。これは周波数に依存しない。従って:
サイクルが一秒あたりF回繰り返されるとすれば:
・磁場相殺回路
・熱交換/循環装置
・高透磁率材料による材料及び磁場の増強
・強磁性流体の粘度の改質
・熱電池
・非-磁場励磁機の機構
・強誘電エレクトレット及び強誘電流体の機構
磁場発生、励磁機/電力出力のサブシステム
図3を参照すると、磁場発生装置3は電気的又は機械的であり得る。可能な機械的機構は、固定子配置(図5に示すような)における回転磁石(結局この装置により発生する電力で動力が供給される)である。磁石9が磁極10と整列している時、最大磁束が試料1に伝達される。付録1に示したように、この磁束は、周期に比較して比較的急激な立ち上げ及び下降時間を具備しなければならない。これは鋭い磁極設計技術により達成される。
図11を参照すると、この手順は第一サイクルに適用できる。推察されるように、高透磁率材料が機能物質からの磁場を昇圧するのに用いられると、サイクルは絶対磁化ではなく第一サイクルの第四行程における磁化の変化に事実上応答する。
図1は試料1のキュリー温度又はそれより上における第一行程への帰還を示す。キュリー温度より下、従ってより広い温度範囲で作動させるためには、この「基底残留磁気」に高透磁率材料を飽和させてはならない。亦、端から端まで異なった磁化がなされた機能物質と共に、装置はそれを横切る温度差を持つであろう。これ対する解決策は、極端に高い伝導性を有するヒートパイプ8(図4に示された)を使用してこの温度差を小さくすることである。
図3及び4は、試料1を浸漬している循環流体5又は、密接しているヒートパイプ8を示す。流体5は、不活性で、且良好な熱容量及び伝達特性を有している。このような流体の一例は、ダウ・コーニング社で生産されたポリジメチルシロキサン・シリコーン流体200/1cSの低い比率のもので、機能物質は水と反応性がなければならない。もし試料がコイルの下に局在化されないなら、それは流体中に浮遊することが出来る。次の項がこれを(一つの手法として)取り扱う、そして強磁性流体も亦流体5と一体の機能物質の体現するものである。
装置の動作温度が周囲温度より低く保たれると、熱交換器設計はあまり多くを望まないものとなる。
第一サイクル用の高い磁性エントロピー及び適切な温度範囲を具備する適材は、ガドリニウム(キュリー点16℃)、銅-ニッケル合金(それぞれ20-50℃、28-34%Cuで、一般的には1-2%Fe)、又は用途が極端なものであればそれに依存してキュリー点が高いか又は低い材料である。当業者は多くの適切な材料に気づくであろう。このような材料は、磁化容易軸を整列させる(引抜加工により)ことによる高い異方性、又は高い形状異方性を具備するように形成される。第二サイクルに適した材料は、鉄、コバルト又はフェライト基の強磁性流体である。粒子の異方性が高くなるほど、強磁性流体が保持する誘導は大きくなる。コバルトとフェライト強磁性流体はそのため高い誘導を生じさせる。形状異方性を増すために強磁性流体粒子の形状を変えることも役に立つ。
典型的結晶(k1)異方性/(kA/m): Gd 50、CuNi合金30、コバルト60 (強磁性流体) 形状異方性磁場HCは次式で与えられる。
ここでMSは飽和磁化で、減磁因子は図23に示されている。図23は、軸比a/bの関数として二つの主減磁因子の差DZ−DXについて、その変化を示す回転偏長長円面における形状異方性を示す。
mは質量である;
Cは比熱容量である;
Δθは温度差である;
kは熱伝導率である;
Aは熱伝達面積である;
dt/dxは温度変化の空間的速度である;及び
trはその過程に掛かる時間である。
強磁性流体は第二サイクルの試料として用いられる。付録1で説明してあるように、装置からの正味のエネルギー利得があり得るならば、試料からの誘導は独立であるべきである。電子的スイッチングは追従速度に制約され、電力用電子装置では1MHzという典型的な上限がある。強磁性流体の残留磁気緩和時間は、従って10μs又はそれ以上である。非改質強磁性流体は、100ピコ秒又はそれ以上に速い次元の緩和時間を具備している。これは、三つの方法で、数桁以上も応答を低速化することにより達成できる: 磁心の寸法を大きくすること、界面活性重合体の寸法を変えて水力学的半径を大きくすること、粘度増加作用剤を添加すること。緩和時間の差の大部分を取り除き、意図した緩和時間を比較的狭い窓に収めるように処理が実行された。
図3及び4を参考にすると、高い熱容量及び温度の装置に熱交換器を境界面で接続し、熱電池を形成することができる。この装置は貯蔵タンク又は小さな炉として混成作業が出来、電気を発生するために燃料が焚かれる。このように、「必要に応じる装置部品」が作られ、電源から低速熱伝達で装置へとタンクが「電荷を滴らせ」、装置は短時間バーストに対しては熱流をもっと大きくできる。
図18は、第一サイクルの変形である第三サイクルを示し、静電場が、ある手段でストレスを受けた時二次の相転移を生ずる共用材料(液晶又は類似の材料である)と一緒に用いられる。もう一つの例は、機械的引っ張り力を受ける長鎖重合体材料である。
より下にある。
コイルをある回路要素と考えよう。一サイクルに対する正味のエネルギーは次式で与えられる:
図3及び4に示した励磁機回路を考えよう。図24を参照すると、時間軸上に同じ目盛りで表されているのは、励磁機コイルの電流(I)及び試料中の電磁誘導(B)である。電流の完全な追従が示されており、結果としてスイッチを切った点の右側での衰退する電磁誘導は独立である。しかし、電子部品が遅い場合は図25に示した状況が優先し、Bの領域の一部は独立でなく、従って入力されたもの以上の仕事をすることが出来ない。
強磁性材料は幾つかの性質によって特徴付けられている: 1を越える比透磁率、自発磁化、電磁誘導を投入磁場に対して描いた時のヒステリシス-従って磁区、及びそれより上では材料が常磁性になる所謂キュリー点温度。この常磁性状態への相転移が、我々が熱を電気に変えるために活用するものである。しかし最初に、自発磁化が温度とともにいかに変化するかを吟味しよう。強磁性材料の磁区内において、飽和磁化はワイス方程式、式A2.1で上手くモデル化される。式A2.2はブリュアン関数である。式A2.3は、式A2.1が記述する平均スピンの全スピンに対する比である。Hは印加された磁場、αは試料原子間の交換相互作用に関する所謂「分子場」である。
gは「ランデ」又は「分光分裂」因子である;
eは電荷の量子である;
hは2πで割ったプランクの定数である;
meは電子の質量である;
cは光速度である;
kBはボルツマン定数である;
pは格子の最隣接原子の数である; 及び
J は交換エネルギー積分である。
強磁性試料が断熱的に磁場に曝されると、その温度が上がる;磁場が除去されると元の初期温度にまで下がる。我々はこれを以下のようにモデル化できる:
dU = TdS + HdI 〔式A2.7〕
ここで、Hは磁場、Iは磁化である。S及びHを独立変数と見なせば、二次微分は次式を与える:
図27にグラフ表示してあるのは、ニッケル及び鉄における、試料の温度対温度上昇(両者とも℃)である。図示した磁場(H)はエールステッドで測定した。
コイル及び抵抗負荷を考えよう。コイルを貫通して独立磁束φが存在し、負荷を通って流れる電流iを変化させ且始動させる。この配置は、それ自身は磁束の変化によって生じる電流が原因となって発生される、磁場の中の双極子が磁束であるとしてモデル化できる。磁束を発生する磁心のエネルギー変化は次式である:
nは単位長さ当りの巻数である;
Lはコイルの長さである; 及び
Kは結合係数である1≧k≧0。
Claims (60)
- 以下の構成から成り、試料がその強磁性相転移温度より下にある時に、該試料の減磁が独立磁束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
強磁性相転移温度を具備する試料;
試料の強磁性相転移温度より上で試料を磁化する手段; 及び
試料の強磁性相転移温度より下に試料を冷却する手段。 - 試料の磁化に伴う磁熱効果が、試料の磁化に際して試料を加熱することを特徴とする、請求項1による装置。
- 試料の磁化に先立って、試料が初期周囲温度になっていることを特徴とする、請求項1又は2による装置。
- 試料の強磁性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料とその周囲環境との間の熱交換から成ることを特徴とする、請求項3による装置。
- 試料の減磁に際して試料が周囲温度まで加熱されることを特徴とする、請求項3又は4による装置。
- 試料の強磁性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料の少なくとも一部の減磁に伴う逆磁熱効果から成ることを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
- 試料を磁化する手段が電流の流れであることを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
- 試料を磁化する手段が、少なくとも一つの回転する永久磁石から成ることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一つによる装置。
- 材料を磁化する手段が、試料に隣接して備え付けられた所定の作用を受けると相転移を示す共用材料、並びに共用材料に該作用を行なう手段から成ることを特徴とする、請求項1から6のいずれか一つによる装置。
- 所定の作用を行なう手段が、静電場を共用材料に印加する手段から成ることを特徴とする、請求項9による装置。
- 所定の作用を行なう手段が、共用材料にストレスを加える手段から成ることを特徴とする、請求項9による装置。
- 共用材料によって示される相転移が二次相転移であることを特徴とする、請求項9から11のいずれか一つによる装置。
- 以下の構成から成り、試料を減磁することが独立磁束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
一時的残留磁気を示す試料; 及び
サイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料を磁化する手段、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である。 - 試料の減磁の第一部分で試料が冷えることを特徴とする、請求項13による装置。
- 試料の減磁の第二部分で試料の温度が上昇することを特徴とする、請求項14による装置。
- 更に、独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換する手段を備えていることを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
- 試料が第一透磁率を具備し、且第二透磁率を具備するある量の材料が試料に隣接して備え付けられており、第一透磁率が第二透磁率より低いことを特徴とする、先行する請求項のいずれかによる装置。
- 以下の構成から成り、試料の減極の際に試料がその強誘電性相転移温度より下にある時、試料の減極が独立電束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
強誘電性相転移温度を具備する試料;
試料の強誘電性相転移温度より上で試料中の双極子の配向を分極する手段; 及び
試料の強誘電性相転移温度より下に試料を冷却する手段。 - 試料の分極に伴う熱電効果が、試料の分極に際して試料を加熱することを特徴とする、請求項18による装置。
- 試料の分極に先立って、試料がその初期周囲温度になっていることを特徴とする、請求項18又は19による装置。
- 試料の強誘電性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料とその周囲環境との間の熱交換から成ることを特徴とする、請求項20による装置。
- 試料の減極に際して試料が周囲温度まで加熱されることを特徴とする、請求項20又は21による装置。
- 試料の強誘電性相転移温度より下の温度に試料を冷却する手段が、少なくとも部分的に、試料の減極の一部に伴う逆熱電効果から成ることを特徴とする、請求項18から22のいずれかによる装置。
- 以下の構成から成り、試料を減極することが独立電束を発生させることを特徴とする、熱力学サイクルを実施するための装置:
一時的残留電気を示す試料; 及び
サイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料を分極する手段、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である。 - 試料の減極の第一部分で試料が冷えることを特徴とする、請求項24による装置。
- 試料の減極の第二部分で試料の温度が上昇することを特徴とする、請求項25による装置。
- 試料を分極する手段が電流の流れであることを特徴とする、請求項18から26の内の一つによる装置。
- 試料を分極する手段が、少なくとも一つの回転する永久磁石から成ることを特徴とする、請求項18から26のいずれか一つによる装置。
- 更に、独立電束の少なくとも一部分を電流に変換する手段を備えていることを特徴とする、請求項18から28のいずれか一つによる装置。
- 試料が第一誘電率を具備し、且第二誘電率を具備するある量の材料が試料に隣接して備え付けられており、第一誘電率が第二誘電率より低いことを特徴とする、請求項18から29のいずれか一つによる装置。
- 以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法: 強磁性転移温度を具備する試料を供給すること;
試料の強磁性転移温度上にある時に、試料を磁化すること;
試料がその強磁性転移温度より下にある時に、試料を減磁させること、試料の減磁は独立磁束を生じさせる; 及び
独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換すること。 - 更に、その強磁性転移温度より高い温度に在る試料の領域内に、周囲温度を維持することを含む請求項31による方法。
- 更に、磁化に引き続いて試料を周囲温度まで冷却する工程を含むことを特徴とする、請求項32による方法。
- 以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法:
一時的残留磁気を示す試料を供給すること;
試料を磁化すること、それによりサイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料は磁化され、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である;
試料を減磁させること、試料の減磁は独立磁束を生じさせる; 及び
独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換すること。 - 試料を供給する工程が、強磁性流体を供給する工程から成ることを特徴とする、請求項34による方法。
- 試料を供給する工程が、第一透磁率を具備する試料を供給し、更に第二透磁率を具備するある量の材料を該試料に隣接して供給する工程から成り、第一透磁率が第二透磁率より高いことを特徴とする、請求項31から35のいずれか一つによる方法。
- 少なくとも一つの回転する永久磁石が試料を磁化することを特徴とする、請求項31から36のいずれか一つによる方法。
- それ自身を貫通して電流の流れを輸送できる輸送体が、試料を磁化することを特徴とする、請求項31から36のいずれか一つによる方法。
- 試料を磁化することが、試料に隣接して共用材料を供給する工程、共用材料は所定の作用を受けると更なる相転移を示す、及び共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程から成ることを特徴とする、請求項31から36のいずれか一つによる方法。
- 共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程が、共用材料に静電場を印加する手段を供給することから成ることを特徴とする、請求項39による方法。
- 共用材料に該作用を行なう手段を供給する工程が、共用材料にストレスを印加する手段を供給することから成ることを特徴とする、請求項39による方法。
- 磁化する工程及び変換する工程が、試料を磁化し且独立磁束の少なくとも一部分を電流に変換することが出来る単一の手段により実行されることを特徴とする、請求項31から41のいずれか一つによる方法。
- 以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法:
強誘電性転移温度を具備する試料を供給すること;
試料の強誘電性転移温度上にある時に、試料内の双極子の配向を分極すること;
試料がその強誘電性転移温度より下にある時に、試料を減極させること、試料の減極は独立電束を生じさせる; 及び
独立電束の少なくとも一部分を電流に変換すること。 - 更に、その強誘電性転移温度より高い温度に在る試料の領域内に、周囲温度を維持することを含む請求項43による方法。
- 更に、分極に引き続いて試料を周囲温度まで冷却する工程を含むことを特徴とする、請求項44による方法。
- 以下の諸工程から成ることを特徴とする、エネルギーを変換する方法:
一時的残留電気を示す試料を供給すること;
サイクル継続時間の十分の一未満の時間内において試料内の双極子の配向を分極すること、サイクル継続時間は一秒の一万分の一未満である;
試料を減極させること、試料の減極は独立電束を生じさせる; 及び
独立電束の少なくとも一部分を電流に変換すること。 - 試料を供給する工程が、強誘電性流体を供給する工程から成ることを特徴とする、請求項46による方法。
- 試料を供給する工程が、第一誘電率を具備する試料を供給し、更に第二誘電率を具備するある量の材料を該試料に隣接して供給する工程から成り、第一誘電率が第二誘電率より低いことを特徴とする、請求項43から47のいずれか一つによる方法。
- 少なくとも一つの回転する永久磁石が試料を分極することを特徴とする、請求項43から48のいずれか一つによる方法。
- それ自身を貫通して電流の流れを輸送できる輸送体が、試料を分極することを特徴とする、請求項43から48のいずれか一つによる方法。
- 分極する工程及び変換する工程が、試料を分極し且独立電束の少なくとも一部分を電流に変換することが出来る単一の手段により実行されることを特徴とする、請求項43から50のいずれか一つによる方法。
- 更に、融点が試料の作動温度範囲に近いマイクロカプセル化した材料から成る、循環装置を供給する工程を含むことを特徴とする、請求項31から51のいずれか一つによる方法。
- 請求項31から52のいずれか一つにより発電する方法。
- 更に、該方法によって発生する熱を利用する工程を含むことを特徴とする、請求項31から52のいずれか一つによる方法。
- そのための電力が請求項53の方法によって供給されることを特徴とする冷却方法。
- 請求項31から52のいずれか一つの請求項の諸工程を実行できる熱力学サイクル。
- 付随する図面を参考にして実質的に上に記載した装置。
- 付随する図面を参考にして実質的に上に記載した方法。
- 付随する図面を参考にして実質的に上に記載したサイクル。
- 此処に開示したそれぞれの新しい特徴、又は複数の特徴の組み合わせ。
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