JP2019504275A - 循環プロセス型システムを運転する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、流体（３）用の高温側タンク（１、１１、２１）及び低温側タンク（２、１２、２２）並びにメカノカロリック材料を有する少なくとも一つの熱交換ユニット（４）を有し、その際、熱交換ユニット（４）のメカノカロリック材料は、流体（３）と作用関係にあるように配置され、これにより、メカノカロリック材料と流体（３）との間に熱伝達が生じるように構成された、循環プロセス型システムを運転する方法に関する。メカノカロリック材料と流体（３）との間の熱伝達は、基本的に潜熱伝達によって行われる。本発明はさらに、相応した熱交換ユニット（４）並びに相応した装置に関する。

Description

本発明は、請求項１のプリアンブル記載の循環プロセス型システムを運転する方法、請求項８のプリアンブル記載の熱交換ユニット、並びに請求項１２のプリアンブル記載のエネルギーを移送及び／又は変換する装置に関する。

循環プロセスとは、熱力学から、規則的に初期状態を経過する流体の一連の周期的状態変化として知られている。循環プロセスにあっては、右側プロセスと左側プロセスが区別される。この種の循環プロセスの例は、たとえば熱機関における熱から仕事への変換、又は、たとえばヒートポンプにおけるような、仕事を使用した加熱及び／又は冷却である。

その際、従来の技術から、この種の循環プロセスにおいてメカノカロリック材料を使用することが知られている。

メカノカロリック材料（形状記憶合金としても知られている）は、機械的応力の負荷によって、該材料の温度変化を招来する結晶相転移（結晶構造の変化）を経過する。これは、通例、高温相（オーステナイト）と低温相（マルテンサイト）との間の結晶格子変換である。まったく同様に、反対に、該材料の温度変化によって、形状変化及び／又は体積変化たとえば該材料の膨張又は圧縮を引き起こすことが可能である。したがって、上記結晶相転移は、機械的応力の負荷によっても、同じく、温度変化による反対の効果によっても招来することが可能である。

その際、メカノカロリック材料は、一般に、負荷された機械的応力場に反応して基本的に可逆的な変化を示す。上記メカノカロリック材料に属するのは、エラストカロリック材料及びバロカロリック材料である。エラストカロリック材料は、一軸性機械的応力の変化に反応してメカノカロリック効果を示す（ピエゾカロリックとも称される）。バロカロリック材料は、等方性応力つまり静水圧の変化に対する反応としてメカノカロリック効果を示す。

ここで、機械的応力とは、一般に、機械力、加圧、引張又は圧縮荷重、ねじれ、せん断又は上記メカノカロリック材料への相応した作用として理解される。

こうした上述したメカノカロリック効果は、循環プロセス型システムにおいて、特に、ヒートポンプ及び／又は熱機関によってエネルギーを移送及び／又は変換する方法及び装置に際して使用することが可能である。

そのため、従来の技術から、メカノカロリック材料を冷却システムに使用して、流体循環系を介して熱を低温側から高温側へ移送することが知られている。その際、該メカノカロリック材料は、一般に、熱交換器として、高温側及び低温側と作用関係にあるようにして流体循環系中に配置される。

たとえば米国特許出願公開第２０１２／０２７３１５８号明細書は冷却装置を開示している。該冷却装置は高温側と低温側を有し、その際、熱は該低温側から該高温側へ移送される。そのために、熱弾性材料は機械的応力に曝露される。機械的応力の負荷によって、該熱弾性材料中に相転移が開始される。該相転移時に発生する該温度変化により該高温側は熱せられる。続いて、該機械的応力が除去され、該相転移によって生ずる該温度変化によって該低温側は冷却される。

従来の技術から公知の該装置及び方法の短所は、熱伝達及びそれによるエネルギーの移送又は変換が低い効率つまり低効率でしか行われない点にある。

米国特許出願公開第２０１２／０２７３１５８号明細書

したがって、本発明の目的は、従来公知のシステムに比較して高い効率を実現する、循環プロセス型システムの運転方法、熱交換ユニット及び、エネルギーを移送及び／又は変換する装置を提案することである。

上記目的は、請求項１に記載の循環プロセス型システムの運転方法並びに請求項８に記載のエネルギーを移送及び／又は変換する装置によって達成される。本発明による方法の好ましい実施態様は請求項２から７に記載したとおりである。本発明による装置の好ましい実施態様は請求項９から２３に記載したとおりである。ここに、すべての請求項の文言は、本引証により、明白に本願明細書に含まれることとする。

本発明による方法は、好ましくは、本発明による装置及び／又は該装置の好ましい実施形態によって実施されるべく形成されている。本発明による装置は、好ましくは、本発明による方法及び／又は本発明による方法の好ましい実施形態によって実施されるべく形成されている。

循環プロセス型システムを運転するための本発明による方法は、それ自体として公知のように、流体用の高温側タンク及び低温側タンクと、メカノカロリック材料を有する少なくとも一つの熱交換ユニットとを有する循環プロセス型システムによって実施され、その際、該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料は該流体と作用関係にあるように配置されているため、該メカノカロリック材料と該流体との間に熱伝達が生ずる。

重要なのは、メカノカロリック材料と流体との間の該熱伝達が、基本的に、潜熱伝達つまり気化熱及び凝縮熱によって行われることである。

本発明は、該流体からメカノカロリック材料で構成された該熱交換ユニットへの潜熱伝達による該熱伝達はとりわけ効果的であると同時に、本方法の該効率を著しく改善するという本願出願人の知見に基づいている。該熱移送の該効率は、潜熱（つまり、気化熱及び凝縮熱）による該熱移送の実現によって著しく向上させられる。

それゆえ、本発明による方法は、基本的な着眼点において、従来公知の方法とは相違している。

該流体から該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料への該熱伝達並びに該メカノカロリック材料から該流体への該熱伝達は、本発明による方法において、潜熱によって行われる。該流体は該メカノカロリック材料上で凝縮し、その際、熱を該熱交換ユニットに放出し、又は、凝縮した該流体は該熱交換ユニット上で気化し、その際、熱を吸収する。これは、たとえばポンプによって行われる液体の移送によるよりも約二倍のレベルを超える高さの非常に効果的な熱移送を可能にする。潜熱によるこうした熱伝達はまた、該熱効果材料の冷却・発熱間の頻度の高まりも可能にする。

総じてこれは、従来公知のシステムに比べて、該効率の向上をもたらす。

ヒートポンプ又は熱機関用の該熱交換ユニットはメカノカロリック材料を擁して形成され、その際、該メカノカロリック材料は流体と作用関係にあるように配置されているため、流体とメカノカロリック材料との間で熱交換が可能である。

好ましくは、該熱交換ユニットはメカノカロリック材料から形成されている。ただし、任意のその他の材料からなるホルダが該熱交換ユニットの一部であることも同じく本発明の範囲に含まれる。熱は、該熱交換ユニットにより、直接又は間接の熱的接触によって該メカノカロリック材料から該流体へかつまたその逆に伝達される。本発明によれば、流体とメカノカロリック材料との間の該熱伝達は、基本的に潜熱伝達により、つまり、該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料との熱的接触による該流体の気化及び凝縮によって行われる。

エネルギーを移送及び／又は変換するための本発明による装置は、それ自体として公知のように、流体用の高温側タンク及び低温側タンクと、メカノカロリック材料を有する少なくとも一つの熱交換ユニットとを含んでなる。該メカノカロリック材料は該流体と作用関係にあるように配置されているために、流体とメカノカロリック材料との間で熱交換が可能である。加えてさらに、上記装置は該メカノカロリック材料に機械的応力を発生させる手段を有するために、該メカノカロリック材料は機械的応力場の相互作用領域内に配置されており、あるいは、前記メカノカロリック材料との作用連携によって運動からのエネルギーを応用する手段が配置されている。

重要なのは、流体とメカノカロリック材料との間の熱伝達が基本的に潜熱によって行われることである。

本発明による装置は、同じく、本発明による方法の上述した利点を有する。同じく、本発明による方法は、本発明による装置の上記のすべての利点を有する。

上述したように、メカノカロリック材料は、機械的応力の負荷によって、該材料の温度変化を招来する相転移を経過する。まったく同様に、逆に、該材料の温度変化によって、形状及び／又は体積変化、たとえば該材料の膨張又は圧縮を誘起することが可能である。機械的応力を発生させる手段によって、該メカノカロリック材料に機械的応力を負荷することが可能である。

この種のメカノカロリック材料が流体と作用連携していれば、該機械的応力の負荷時に該メカノカロリック材料は発熱し、該流体は気化し、潜熱伝達によって、該メカノカロリック材料から気化熱を吸収する。こうして、該メカノカロリック材料中に発生する該熱は該流体によって排出されて、該メカノカロリック材料は周囲温度まで冷却する。次いで、該機械的応力場が除去されると、該相転移に基づいて、該材料はさらに冷却されるため、相応して作用連携している流体は冷却されて、該メカノカロリック材料上で凝縮する。該メカノカロリック材料は、潜熱伝達によって、該流体から凝縮熱を吸収する。

上記と逆の効果も、同じく、本発明の範囲に属する。該メカノカロリック材料は、機械的応力の負荷に際して冷却し、該機械的応力が除去されると発熱する。この温度変化はかくて相応して、潜熱伝達により、該材料から該流体に伝達される。

反対に、該流体からの又は該流体への潜熱伝達による該メカノカロリック材料の発熱及び冷却によって、該メカノカロリック材料の形状及び／又は体積変化を発生させることも可能である。

好ましくは、メカノカロリック材料として、異なった結晶相間の転移を有する合金たとえばニッケル・チタン合金（オーステナイト相とマルテンサイト相間の相変態）が使用される。好ましくは、以下の材料すなわちＦｅ６８．８Ｐｄ３１．２、Ｃｕ６９．６Ａｌ２７．７Ｎｉ２．７、Ｃｕ６８．１Ｚｎ１５．８Ａｌ１６．１、Ｃｕ６４．６Ｚｎ３３．７Ｓｎ１．７、Ｆｅ４９Ｒｈ５１、ＺｒＯ２、Ｎｉ４９．２６Ｍｎ３６．０８Ｉｎ１４．６６、Ｇｄ５Ｓｉ２Ｇｅ２、ＬａＦｅ１１．３３Ｃｏ０．４７Ｓｉ１．２が使用される。

上記メカノカロリック材料の該圧縮荷重は、好ましくは、１００〜９００ＭＰａの範囲内にある。たとえば、≒５００ＭＰａの圧縮荷重で、４０℃を超える温度変化を発生させることが可能である。

別法として、該メカノカロリック材料との機械的作用連携によって運動からのエネルギーを応用する手段が配置されていてよい。その際、運動からのエネルギーの応用とは、あらゆるタイプのエネルギー利用、エネルギーの変換又は移送であってよい。

上記運動エネルギーは、たとえば、機械仕事を行うために直接利用することが可能である。該運動により、たとえば、偏心輪を駆動することができよう。

ただし、該運動から電流を誘導することも可能である。これは、たとえば、好ましくは磁化されうるコアを具えたコイルを介して実現可能である。該コイルの該磁化されうるコアは該メカノカロリック材料と機械的作用連携している。それゆえ、該メカノカロリック材料の温度変化によって、該コイル内の該磁化されうるコアの運動が発生させられる。該コイル内の該コアの該運動によって、該コイル内に電流が誘導される。

上記高温側タンクは、好ましくは、１０℃〜１０００℃、好ましくは５０℃〜３５０℃の温度を有していてよい。上記低温側タンクは、好ましくは、０℃〜５００℃、好ましくは１０℃〜２００℃の温度を有していてよい。該支配的圧力は、好ましくは、１ｍｂａｒ〜２００ｂａｒの範囲内にある。

本発明による方法の好ましい実施形態において、該メカノカロリック材料の形状及び／又は体積変化は、該メカノカロリック材料の引張及び／又は圧縮荷重（機械的応力）によって生み出される。該メカノカロリック材料の引張及び／又は圧縮荷重によって、該メカノカロリック材料の温度変化が生み出される。好ましくは、上記装置は、引張及び／又は圧縮荷重を生ずる手段を含んでなる。

好ましくは、該形状変化は、該メカノカロリック材料の圧縮によって行われる。これによって、引張荷重に比べて該材料の微小亀裂がそれほど素早く広がることがなく、それゆえ、該メカノカロリック材料の寿命が伸びるという利点が得られる。

その際、該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料の上記圧縮は、好ましくは、ピストンシステムを介して、特に、少なくとも一つのシリンダ・ピストンユニットによって行われる。その際、該メカノカロリック材料は該シリンダの内部に配置され、該ピストンによって圧縮されるため、該メカノカロリック材料は発熱する。

好ましくは、該ピストンと、少なくとも一つの該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料とは、剛性機械的結合たとえば接着、溶接又は継ぎ合せによって互いに結合されている。

本発明のさらに別の好ましい実施形態において、高温側タンクと熱交換ユニットとの間の該流体の移送は、該熱交換ユニットのメカノカロリック材料と高温側タンクとの間の高温側バルブの開放によって制御され、低温側タンクと熱交換ユニットとの間の該流体の移送は、該熱交換ユニットのメカノカロリック材料と低温側タンクとの間の低温側バルブの開放によって制御される。好ましくは、該高温側バルブ及び該低温側バルブは圧力制御式バルブとして形成されている。好ましくは、たとえば、すでに≪１０ｍｂａｒ又は≪１ｍｂａｒという僅かな圧力差（差圧）で前方方向に開放する一方で、逆方向には流体流れをブロックする受動的安全バルブが使用される。別法として、アクティブ制御型バルブを使用することも可能である。

これにより、該流体はすでに該バルブの上記開放によって、好ましくは気体状の形で、該流体循環系内を流れるために、該流体の移送誘導は行われる必要がないとの利点が得られる。したがって、ポンプは不要である。これは該熱移送の該効率をさら に高め、該メカノカロリック材料の冷却・発熱間の頻度の高まりも可能とする。

好ましくは、上記方法は周期的に反復される。その際、周波数の高まりによって、ヒートポンプの場合には、より大きなヒートポンプ性能を、熱機関の場合には、より高い出力を発生させることが可能である。

本発明のさらに別の好ましい実施形態において、上記方法は、メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニットを有するヒートポンプに適している。好ましくは、第一の熱交換ユニットの該メカノカロリック材料の該圧縮に含まれている該ポテンシャルエネルギーは、第二の熱交換ユニットの該メカノカロリック材料の該圧縮に使用される。最も好ましくは、該双方の熱交換ユニットの該圧縮は、交互に、好ましくはプリセット可能な交替周波数で行われる。これが意味するところは、該メカノカロリック材料の該圧縮によって該材料に蓄積された該弾性（ポテンシャル）エネルギーが放出されて、メカノカロリック材料を有する該第二の熱交換ユニットの該圧縮に使用されるということである。

これは、たとえば、二本の弾性ばね及びその間に配置された錘を有するばね振動子と同様に、該メカノカロリック材料を介した該二つの熱交換ユニットの機械式結合によって実現することが可能である。こうして、該システムを振動させることができれば、それぞれの半周期に、該一方の熱交換ユニットの該エネルギーの一部が該他方の熱交換ユニットに伝達される。

これによって、蓄積された該ポテンシャルエネルギーは失われることなく、圧縮に利用することができるという利点が得られる。これは上記方法の効率を高めることになる。

本発明の別途実施形態において、上記装置は熱機関として形成されて、好ましくは磁化されうるコアを具えたコイルを有する。該コイルの該磁化されうるコアは該ピストンと連結されているか又は該ピストンに対応しており、該メカノカロリック材料と作用連携している。したがって、該メカノカロリック材料の温度変化によって、該コイル内の該磁化されうるコアの運動が生み出される。該コイル内の該コアの該運動によって、該コイル内に電流が誘導される。

別法として、該ピストンの該運動も直接に、利用可能な機械仕事として使用することが可能である。該運動により、たとえば偏心輪が駆動可能であろう。

さらに別の好ましい実施形態において、上記方法は、メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニットを有する熱機関に適している。少なくとも二つの該熱交換ユニットはそれぞれ、コイル内の磁化されうるコアと作用連携している。メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの該熱交換ユニットの好ましくは交互の温度変化によって、該熱交換ユニットは交互に膨張し、そのため、コイル内の該磁化されうるコアは運動させられる。この往復運動により、該コイル内に電流が誘導される。
好ましくは、上記熱機関は、好ましくは一定の交替周波数で互いに交互に開閉される高温側バルブ及び低温側バルブを有する。メカノカロリック材料を有するそれぞれ一方の熱交換ユニットに、一つの高温側バルブと一つの低温側バルブとが配備されている。これらのバルブは交互に開閉されて、メカノカロリック材料を有する双方の該領域が交互に発熱され、冷却される。これによって、該コイル内に該磁化されうるコアの不断の往復運動が生じ、これが交流電流を誘導する。

本発明のさらに別の好ましい実施形態において、該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料は多孔性の材料として、好ましくは開放多孔性の材料として形成されている。これによって、熱交換ユニットとしての該メカノカロリック材料と該流体との間に熱伝達のための大きな表面積が供されることとなり、それゆえ、該熱交換がスピーディーに行われ得るとの利点が得られる。

本発明によれば、単方向性熱移送が行われるのみではない。本発明による方法並びに本発明による装置において、該流体もまた元のタンクから残りの第二のタンクへ連続的に移送される。それゆえ、元の該タンクが干上がってしまう虞がある。上記装置は、好ましくは、該流体用の流体循環系を具備して形成され、特に好ましくは、該流体循環系は高温側タンクと低温側タンクとの間に流体返送系を含んでいるため、双方の該タンクはいずれも干上がることはない。

流体返送系は、特に、熱機関としての実現に際して好適である。というのも、熱機関の場合には、該高温側タンクから該低温側タンクへの該流体の移送が行われるために、該高温側タンクが干上がってしまう虞があるからである。

好ましくは、上記流体返送系は、ループヒートパイプの流体循環と同様に形成されている。ループヒートパイプにおいては、気液循環が互いに分離されている。該流体の該液状領域と気体状領域との分離は、好ましくは、毛細管ないしウィッキング効果又は絞り弁によって行われる。上記流体返送系は、好ましくは、芯で満たされたパイプとして形成されている。これにより、効果的な流体返送と並んで、該高温側タンクと該低温側タンクとの間の圧力差も可能であるとの利点が得られる。該流体返送系によって伝達される熱は無視し得る程度のものであるが、というのもそれはもっぱら該流体の顕熱伝達にのみ基づくものであり、しかもそれは潜熱による熱伝達に比較して何分の一という低いレベルにあるからである。

好ましくは、上記流体返送系は、小直径のパイプ（毛細管）を使用して形成されている。これは、上述したように、すでにループヒートパイプにおける該流体返送によって知られている。毛細管の該使用は、公知のループヒートパイプにおいて、たとえば、重力の克服に使用される、該双方のタンク間の圧力差を可能とする。

したがって、こうした流体返送は、該高温側タンクと該低温側タンクとの間の、たとえば０．１〜６ｂａｒの範囲の大きな圧力差も可能とする。該流体返送系を介した圧力調整は行われないが、それはこうした圧力調整が該毛管力によって妨げられるからである。克服されるべき該圧力差に応じ、相応して、該ループヒートパイプの場合の態様と同様に、該毛細管の該直径ないし該本数が選択される。

該直径は、好ましくは、数ナノメートルから数百マイクロメートルまでの範囲内にある。その際、該毛細管の該直径は、高温側タンクと低温側タンクとの間の克服されるべき圧力差に応じて選択される。たとえば、ナノメートルレベルの直径を有する毛細管を製造することは、従来の技術により、たとえば米国特許第５８３９２９０号明細書又は米国特許出願公開第２０１０／０２００１９９号明細書参照、ずっと以前から知られている。大きな圧力差の克服には、複数の毛細管を並列接続することが可能である。

上記流体返送系は、好ましくは、元の該タンクとりわけ該高温側タンクに、該タンクの該内側面に大きな相互作用面が生ずるようにして、接続されている。これにより、連続運転において該流体の気化と返送との間の平衡状態を可能とすべく、シンプルな方法で該流体の十分な返送を可能とすることができる。

別法として、上記流体返送系は、特にヒートポンプの場合、今日において冷蔵装置及びヒートポンプで使用されているような従来のコンプレッサシステムと同様に、単純な絞り弁として設計されていてよい。

別法として、上記流体返送系は、特に熱機関の場合、該流体を該高温側タンクから該低温側タンクへポンピング返送するアクティブポンプとして設計されていてよい。

その際、上記流体循環系は、高温側タンク、低温側タンク、高温側バルブ、低温側バルブ、メカノカロリック材料及び該流体返送系を具備して、好ましくは耐圧（気密）システムとして形成されている。その際、該耐圧システムは、基本的に該耐圧システムからいっさいの外部気体（つまり、流体３を除くいっさいの気体）が排除されていることにより、該流体から該メカノカロリック材料への該熱伝達が潜熱によって行われるように形成されている。これにより、該耐圧システム中で拡散プロセスがいっさい生じないために、該流体の気化及び凝縮により該熱は潜熱伝達によって非常に効率的に伝達されることが保証される。それゆえ、該耐圧システム中での該熱移送は、ヒートパイプないし熱管内の該熱移送と同様にして行われる。他方、該耐圧システム中になお有意な量の外部気体が存在している場合には、該気化及び凝縮プロセスと並んでさらに、一般に相対的に著しく緩慢な拡散プロセスが生じざるを得ない。

本発明の別途実施形態において、低温側タンク、高温側タンク及びメカノカロリック材料（熱交換ユニット）は一つの共通の閉じたチャンバ内に配置されている。これが意味するところは、低温側タンクと高温側タンクとの間には該熱交換ユニットが存在するだけであり、その他の物理的隔離手段は存在していないということである。該低温側タンクは該チャンバの一領域に配置され、該高温側タンクは、好ましくは、該チャンバ内の対向する一領域に配置されている。これらの領域の間には、該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料が配置されている。

上述したように、本発明によれば、単方向性熱移送が行われるのみではない。該流体もまた元のタンクから残りの他方のタンクへ連続的に移送される。それゆえ、元の該タンクが干上がってしまう虞がある。好ましくは、該チャンバは、該熱移送が気化した該流体の対流によって行われ、元の該タンクが干上がるのを防止するために、凝縮した該流体の逆移送（流体返送）が行われるように形成されている。

本発明の好ましい実施形態において、閉じた該チャンバは、他方の該タンク、好ましくは該高温側タンクの領域の該内側面に疎流体性コーティング及び／又はパターニングを有し及び／又は元の該タンク、好ましくは該低温側タンクの領域に親流体性コーティング及び／又はパターニングを有する。

疎流体性コーティング及び／又はパターニングとは、本願明細書の範囲内で、該表面が、使用された該流体が該表面から反撥されるように、コーティング及び／又はパターン化されていることを意味する。これには、疎水性、超疎水性、疎油性のコーティング及び／又はパターニングも、水又は油以外の流体を反撥するその他のコーティング及び／又はパターニングも含まれる。疎流体性コーティング及び／又はパターニングを説明するために、該文献中では一部、疎液性なる表現も使用される。たとえば以下参照のこと。Ｙ．Ｙｏｏｎ，Ｄ．Ｋｉｍ，ａｎｄ Ｊ．−Ｂ．Ｌｅｅ，Ｍｉｃｒｏ ａｎｄ Ｎａｎｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１４，２（１），１−１８。

親流体性コーティング及び／又はパターニングとは、本願明細書の範囲において、該表面が、使用された該流体が該表面と強度に相互作用するように、コーティング及び／又はパターン化されていることを意味する。これには、親水性、超親水性、親油性のコーティング及び／又はパターニングも、水又は油以外の流体と強度に相互作用するその他のコーティング及び／又はパターニングも含まれる。親流体性コーティング及び／又はパターニングを説明するために、該文献中では一部、親液性なる表現も使用される。たとえば以下参照のこと。Ｙ．Ｙｏｏｎ，Ｄ．Ｋｉｍ，ａｎｄ Ｊ．−Ｂ．Ｌｅｅ，Ｍｉｃｒｏ ａｎｄ Ｎａｎｏ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０１４，２（１），１−１８。

したがって、閉じた該チャンバは該高温側タンクの領域に疎流体性コーティング及び／又はパターニングを具備して形成され、該低温側タンクの領域はコーティング及び／パターニングなしで形成されていてよい。別法として、閉じた該チャンバは該低温側タンクの領域に親流体性コーティング及び／又はパターニングを具備して形成され、該高温側タンクの領域は特別なコーティング及び／又はパターニングなしで形成されていてよい。

閉じた該チャンバが該高温側タンクの領域に疎流体性コーティング及び／又はパターニングを具備し、該低温側タンクの領域に親流体性コーティング及び／又はパターニングを具備して形成されているのも、同じく、本発明の範囲に属する。

該コーティング及び／又はパターニングの上述したバージョンは、Ｂｏｒｅｙｋｏ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ９９に疎水性及び親水性コーティングについて述べられているように、“Ｊｕｍｐｉｎｇ−Ｄｒｏｐ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｉｏｄｅ”の流体循環系を結果する。閉じた該チャンバ内で該流体が気化し、他方の該タンクの領域の該疎流体性コーティング上で凝縮すると、該流体の凝縮した液滴は該コーティングによって相応して反撥されるため、該液滴は元の該タンクの該親流体性領域へと“跳ね戻る”。このジャンピングドロップ型熱ダイオードは該空間中における該ダイオードの該位置とは無関係に機能する。加えてさらに、凝縮した該流体の該逆移送がスピーディーに行われることができるという利点が得られる。

また、Ｘ．−Ｍ．Ｌｉ，Ｄ．Ｒｅｉｎｈｏｕｄｔ，ａｎｄ Ｍ．Ｃｒｅｇｏｎ−Ｃａｌａｍａ，Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ，２００７，３６（８），１３５０−１３６８と同様な親水性及び／又は疎水性パターニングが設けられていてもよい。

好ましくは、上記の閉じたチャンバは、該低温側タンクの領域に超疎水性コーティングを有し、該高温側タンクの領域に超親水性コーティングを有する。したがって、該装置は、好ましくは、Ｂｏｒｅｙｋｏ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ９９に記述されているように、それぞれの該表面にコーティングないしパターニングを具備した“Ｊｕｍｐｉｎｇ−Ｄｒｏｐ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｉｏｄｅ”として形成されている。この場合、流体としては、好ましくは水又は水系の流体が使用される。該流体が閉じた該チャンバ内で気化し、該超疎水性コーティング上で凝縮すると、該流体の凝縮した該液滴は該コーティングから相応して跳ね飛ばされるために、
該液滴は該超親水性領域に“跳ね戻る”。このジャンピングドロップ型熱ダイオードは該空間中における該ダイオードの該位置とは無関係に機能する。加えてさらに、凝縮した該流体の該逆移送がスピーディーに行われることができるという利点が得られる。

別法として、閉じた該チャンバは、該高温側タンクの領域に親油性コーティング及び／又はパターニングを有し及び／又は該低温側タンクの領域に疎油性コーティング及び／又はパターニングを有する。この場合、流体としては、好ましくは油又は油系の流体が使用される。

上記の親油性コーティング及び／又はパターニング及び／又は疎油性コーティング及び／又はパターニングは、好ましくは、Ｙ．Ｏｈｋｕｂｏ，Ｉ．Ｔｓｕｊｉ，Ｓ．Ｏｎｉｓｈｉ，ａｎｄ Ｋ．Ｏｇａｗａ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１０，４５（１８），４９６３−４９６９並びにＬ．Ｆｅｎｇ，Ｚ．Ｚｈａｎｇ，Ｚ．Ｍａｉ，Ｙ．Ｍａ，Ｂ．Ｌｉｕ，Ｌ．Ｊｉａｎｇ，ａｎｄ Ｄ．Ｚｈｕ，Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ，２００４，４３（１５），２０１２−２０１４のいずれにも述べられているようにして形成されている。

さらに別の実施形態において、該逆移送は該重力を介して行われ、凝縮した該流体が表面上で凝縮し、該重力によって元の該領域に流れ戻る。ただし、このプロセスはむしろ緩慢であり、位置依存的である。

上記の閉じたチャンバは、いずれの実施形態にあっても、該熱流を一方向に制限する熱ダイオードとして形成されている。

本発明のさらに別の好ましい実施形態において、該装置はヒートポンプとして形成され、該メカノカロリック材料に機械的応力を発生させる手段として、引張及び／又は圧縮荷重を負荷する手段、特に、ピストンシステム、好ましくはシリンダピストンユニットを有する。その際、該メカノカロリック材料は該シリンダの内部に配置され、該ピストンによって圧縮される。

好ましくは、上記装置は、二つの異なったシリンダ内に配置された、メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニットを含んでなる。好ましくは、該メカノカロリック材料に機械的応力を発生させる上記手段は該双方の熱交換ユニットと連携するように配置、形成されて、該双方の熱交換ユニットが交互に負荷され得るようにする。そのために、好ましくは、メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの該双方の熱交換ユニットはそれぞれ、片側が閉じたシリンダ内に配置され、その際、該メカノカロリック材料を交互に圧縮するためのピストンが中央に配置されている。その際、好ましくは、メカノカロリック材料を有する、圧縮された一方の該熱交換ユニットの該ポテンシャルエネルギーは、第二の該シリンダ内にある該メカノカロリック材料の該圧縮に使用される。

好ましくは、上記装置は、特に該メカノカロリック材料に引張及び／又は圧縮荷重を負荷するための偏心輪、最も好ましくは、コモンレールポンプを具備して形成されている。

オプショナルに、上記偏心輪は、別法として、その中心点が該偏心シャフトのシャフト軸外に位置する玉軸受を有して形成されている。該玉軸受は、本実施形態において摩擦係合により、好ましくは二つの熱交換ユニットと直接に作用連携している。該シャフトが回転すると、該玉軸受は回転して、それぞれ交互に該双方の熱交換ユニットを圧縮する。その際、該圧縮は、該メカノカロリック材料を包囲する該シリンダの該耐圧チャンバ内で行われる。その際、該玉軸受は該シリンダの外側に位置し、該シリンダにより、たとえば蛇腹を介して、該熱交換ユニットに作用することができる。

本発明の別途発展態様において、上記装置はヒートポンプとして形成されて、好ましくは磁化されうるコアを具えたコイルを有する。該コイルの通電によって、該コイル内の該コアの運動が生み出される。該コアは、好ましくは、該メカノカロリック材料を圧縮するための該ピストンと連結されているか又は該ピストンに等しい。したがって、該コイル内の該磁化されうるコアの該運動によって該メカノカロリック材料の圧縮が行われるために、該メカノカロリック材料の温度変化が生み出される。

好ましくは、上記装置は、この場合にも、二つの異なったシリンダ内に配置された、メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニットを含んでなる。好ましくは、上記磁化されうるコアを具備した上記コイルは該メカノカロリック材料に機械的応力を発生させる手段として、上記双方の熱交換ユニットと連携するように配置、形成されているために、上記双方の熱交換ユニットは交互に負荷されることが可能である。そのために、メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの該熱交換ユニットはそれぞれ、片側が閉じたシリンダ内に配置され、その際、上記磁化されうるコアは該メカノカロリック材料を交互に圧縮するためのピストンとして中央に配置されている。その際、好ましくは、メカノカロリック材料を有する、一方の圧縮された該熱交換ユニットの該ポテンシャルエネルギーは、該第二のシリンダ内の該メカノカロリック材料の該圧縮に使用される。

好ましくは、該熱交換ユニットの、ハニカム構造を有する該メカノカロリック材料は、ピン構造又はばねとして形成されている。該ハニカム構造に際しては、該機械的応力場に負荷される力が該ハニカム構造内に均等に分散されるという利点が得られる。これは、薄肉構造にもかかわらず均等な力の分布と共に、該メカノカロリック材料の長期的耐久性を保証する。ピン構造としての態様に際しては、容易な方法で安定した構造を形成することができるという利点が得られる。ばねとしての形成に際しては、ばね構造が、ピストンシステムによる該メカノカロリック材料の該圧縮に基づいて、相対的に大きなストロークを可能にするという利点が得られる。この場合、該メカノカロリック材料に蓄積された該ポテンシャルエネルギーは、それがさらに他方のメカノカロリック材料を有する熱交換ユニットの圧縮に利用可能であることにより、特に効率的な方法で転生可能である。

好ましくは、該メカノカロリック材料はパターニング及び／又はコーティングを有し、好ましくは、ナノパターニング及び／又は親水性コーティングを有する。これは、均等な湿潤と該流体の良好な分布を可能とする。

好ましい実施形態において、上記方法はヒートポンプを運転するために設けられている。上記方法は、この実施形態において、圧力制御型バルブを有するヒートポンプによって実施され、好ましくは、以下のように進行する：
Ａ 該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料の圧縮。
該圧縮により、該メカノカロリック材料に相転移が生じ、該メカノカロリック材料の該温度が上昇する。
Ｂ 該メカノカロリック材料から該流体への潜熱（気化熱）による熱伝達。
周囲の該流体は熱せられて、気化する。これにより、該熱交換ユニットの該領域内の圧力は上昇する。
Ｃ 該高温側バルブの開放。
一定の圧力（差圧）を超えると、該高温側タンクへの該連結を制御する該高温側バルブが開放する。該流体は該高温側タンク内に流入し、同所で該蓄熱を放出する。
これにより、メカノカロリック材料と高温側タンクとの間の温度均等化が結果する。
Ｄ 該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料への該圧縮圧力が除去される。
該相転移によって、該メカノカロリック材料は冷却する。
Ｅ 該流体から該メカノカロリック材料への潜熱（凝縮熱）による熱伝達。
基本的に蒸気状の該流体は該メカノカロリック材料上で凝縮するため、同所で、該流体から該メカノカロリック材料への潜熱による熱伝達が行われる。
Ｆ 該低温側バルブの開放。
該流体の該凝縮によって、該熱交換ユニットの該領域における圧力が低下し、これにより、該低温側タンクへの該連結を制御する該低温側バルブが開放する。
該低温側タンクから、今や、流体が気化して、該メカノカロリック材料からなる熱交換器に向かって流れる。
これにより、メカノカロリック材料からなる熱交換器と低温側タンクとの間の温度均等化が生ずる。

したがって、本発明による方法のこの実施形態によって、サイクル運転による該低温側タンクから該高温側タンクへの熱移送を行うことができる。

別途実施形態において、上記方法は、熱機関の運転用に設けられている。上記方法は、この実施形態において、アクティブ制御型バルブを有する電流発生用熱機関によって実施され、好ましくは、以下のように進行する：
Ａ 該高温側バルブの開放。
該流体は該高温側タンクから、該メカノカロリック材料を有する該熱交換ユニットの該領域内へ流入する。
Ｂ 該流体から該メカノカロリック材料への潜熱（凝縮熱）による熱伝達。
基本的に蒸気状の該流体は該メカノカロリック材料上で凝縮するため、同所で、潜熱による熱伝達が行われて、該メカノカロリック材料は加熱される。
該温度変化に基づき、該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料の体積及び／又は形状変化が生ずる。
Ｃ 磁化されうるコアとして上記コイル内に配置され、該メカノカロリック材料と作用連携している該ピストンの運動。
該ピストンは、該メカノカロリック材料の体積及び／又は形状変化に際して運動させられ、該メカノカロリック材料を包囲する該シリンダから外へ押し出される。
Ｄ 上記コイル内での電流誘導。
上記コイル内での該磁化されうるコアの該運動により、上記コイル内に電流が誘導される。
Ｅ 該低温側バルブの開放。
該低温側バルブの開放によって該熱交換ユニットの該領域の圧力が低下し、該流体は気化して、該低温側タンク内へ流入する。
Ｆ 該メカノカロリック材料から該流体への潜熱（気化熱）による熱伝達。
その際、該メカノカロリック材料から該流体への熱伝達は気化熱によって行われる。該メカノカロリック材料のさらなる体積及び／又は形状変化が行われる。
Ｇ 該反対方向への該ピストンの運動。
該ピストンは、該メカノカロリック材料の体積及び／又は形状変化に際して運動させられ、該メカノカロリック材料を包囲する該シリンダ内へ引き込まれる。
Ｄ 上記コイル内での電流誘導。
上記コイル内での該磁化されうるコアの該運動により、上記コイル内に電流が誘導される。

上記方法は、該方法ステップＡから開始して、反復されることができる。

それゆえ、本発明による方法のこの実施形態により、該高温側タンクの該熱から電流を発生させることができる。

本発明による上記方法及び本発明による上記装置は、基本的に、熱から仕事又は電流への変換あるいは仕事を使用した加熱及び／又は冷却を行うことが意図されるアプリケーションに適している。

したがって、本発明による上記方法及び本発明による上記装置は、好ましくは、熱機関及び／又はヒートポンプとして形成されており、あるいは熱機関及び／又はヒートポンプ内で使用される。別法として、アクチュエータとしての使用も可能である。

以下、実施形態及び図面を参照して、本発明による上記方法及び本発明による上記装置のさらにその他の好ましい特徴及び実施形態を説明する。各図は以下を示す。

ヒートポンプとしての本発明による装置の第一の実施形態の概略図である。 ヒートポンプとしての本発明による装置の第二の実施形態の概略図である。 熱機関としての本発明による装置の第三の実施形態の概略図である。 部分図ａ、ｂ及びｃによる流体返送の概略図である。 部分図ａ、ｂ及びｃによる該メカノカロリック材料の概略図である。 部分図ａ、ｂ及びｃによるメカノカロリック材料の種々の実施形態の概略図である。

図１から５において、同一の符号は同一の要素又は同一の機能を有する要素を表す。

図１は、本発明による装置の第一の実施形態として、ヒートポンプの概略図を示す。

上記装置は、本実施形態において、ヒートポンプとして形成され、流体３用の高温側タンク１と低温側タンク２を具備して形成されている。本実施形態において、水が流体３として使用される。高温側タンク１は、本実施形態において、温度１５０℃並びに支配的圧力４．７ｂａｒを有する。低温側タンク２は、本実施形態において、温度２０℃並びに支配的圧力０．０２３ｂａｒを有する。

高温側タンク１と低温側タンク２との間には、メカノカロリック材料による熱交換ユニット４が配置されている。本実施形態において、該メカノカロリック材料４はニッケル・チタン合金である。

上記ヒートポンプは、本実施形態において、流体３用の流体循環系を有する。そのため、高温側タンク１と低温側タンク２との間には、流体返送系６が配置されている。したがって、該流体循環系は、高温側タンク１、低温側タンク２、高温側バルブ、低温側バルブ、熱交換ユニット４の領域及び流体返送系６を含んでいる。該流体循環系は耐圧システムとして形成され、基本的に該耐圧システムからいっさいの外部気体（つまり、流体３を除くいっさいの気体）が排除されている。

上記流体循環系において、熱交換ユニット４の該領域と高温側タンク１との間には、高温側バルブ７が配置され、熱交換ユニット４の該領域と低温側タンク２との間には、低温側バルブ８が配置されている。本実施形態において、高温側バルブ７と低温側バルブ８は圧力制御式バルブとして形成されている。上記双方のバルブが開状態にある際のそれぞれの差圧は調節可能であり、本実施形態において、１０ｍｂａｒである。

上記ヒートポンプは、上記メカノカロリック材料に機械的応力を生み出す手段として、本実施形態において、ピストンシステム５によって上記メカノカロリック材料に引張又は圧縮荷重を負荷する手段を有する。該ピストンシステム５は、該メカノカロリック材料４が内部に配置されたシリンダ５ａと、ピストン５ｂを含み、本実施形態において、該メカノカロリック材料を圧縮するための偏心輪を具備して形成されている。該最大加圧は、本実施形態において、５００ＭＰａである。

熱交換ユニット４の該メカノカロリック材料は、流体３と作用関係にあるように配置されているために、流体３とメカノカロリック材料との間で熱交換が可能である。そのため、上記流体は、熱交換ユニット４の上記メカノカロリック材料を貫流する。上記耐圧システムは、高温側タンク１の該温度、低温側タンク２の該温度並びに流体３の該支配的圧力を経て、流体３から熱交換ユニット４の上記メカノカロリック材料への該熱伝達が潜熱によって行われように形成されている。

上記ヒートポンプの運転時には、以下の方法ステップが反復して経過される：
Ａ 上記ピストンシステム５による熱交換ユニット４の上記メカノカロリック材料の圧縮。
ピストン５ｂは、該偏心輪によって、シリンダ５ａ内へと運動させられる。これにより、熱交換ユニット４の上記メカノカロリック材料は圧縮される。該圧縮によって、上記メカノカロリック材料に相転移が生じ、該メカノカロリック材料の該温度が上昇する。
Ｂ 上記メカノカロリック材料から流体３への潜熱による熱伝達（気化熱）。
周囲の流体３は、熱交換ユニット４の上記メカノカロリック材料との接触によって熱せられて、気化する。これにより、熱交換ユニット４の該領域内の圧力は上昇する。
Ｃ 高温側バルブ７の開放。
熱交換ユニット４の該領域内の該圧力が上記高温側バルブの該差圧を凌駕すると、高温側タンク１への該連結を制御する高温側バルブ７が開放する。気体状の流体３は高温側タンク１内に流入し、同所で該蓄熱を放出する。
別法として、該バルブのアクティブ制御を行うことも可能である。
流体３への上記熱伝達により、上記メカノカロリック材料は周囲温度を帯びた。
Ｄ 熱交換ユニット４の上記メカノカロリック材料への上記圧縮圧力が除去される。
ピストン５ｂは、該偏心輪によって、シリンダ５ａから外へ導出される。これによって、上記メカノカロリック材料に反対の相転移が生じて、該メカノカロリック材料の該温度は低下する。
Ｅ 流体３から上記メカノカロリック材料への潜熱による熱伝達（凝縮熱）。
熱交換ユニット４の該領域における基本的に蒸気状の流体３は該メカノカロリック材料上で凝縮するため、同所で、潜熱による熱伝達が行われる。
Ｆ 上記低温側バルブの開放。
流体３の上記凝縮によって、熱交換ユニット４の該領域における圧力は低下する。熱交換ユニット４の該領域における圧力が上記低温側バルブの該差圧を下回ると、低温側タンク２への該連結を制御する低温側バルブ８が開放する。
低温側タンク２から、新しい低温流体３が流入し、該流体は新たなサイクルで熱せられて、高温側タンク１へ移送されることができる。

流体返送系６を経て、流体３は、高温側タンク１から低温側タンク２へ返送される。高温側タンク１と低温側タンク２との間の圧力差を保持するために、流体返送系６には、一般的なヒートポンプと同様に圧縮器をベースとした絞り弁（図中不図示である）が取り付けられている。この絞り弁は、ヒートポンプ出力２ｋＷにつき、１ｇ／ｓの十分な流体流量があれば、４．７ｂａｒの圧力降下を保証する。

図１に示した上記概略図について、以下、さらに別途空調設備の具体的な実現に依拠して、詳細に説明することとする。そのため、熱交換ユニットとして、該メカノカロリック材料のニチノール４が中空棒（図６ａ、参照）として気密（耐圧）シリンダ５ａに組み込まれる。

その際、上記中空棒は、互いに平行をなして、垂直に配向されて、耐圧シリンダ５ａ内に位置している。シリンダ５ａには、液圧プレスにより、上記中空棒の、本実施形態において７５０ＭＰａにまで達する、加圧を結果する力

を及ぼすことができる。これによって、上記中空棒は熱せられあるいは上記の力が除去されると、相応して再び冷却される。

耐圧シリンダ５ａには、メカノカロリック材料４からなる上記中空棒を高温側タンク１及び低温側タンク２から切り離す二つの安全バルブ７、８が組み入れられている。高温側タンク１、低温側タンク２及びシリンダ５ａからなる該システムにおいて、該流体、本実施形態においてエタノール、を除くいっさいの残留ガスは排除されている。

耐圧シリンダ５ａは、低温側バルブ８を経て、低温側タンク２と連結されている。低温側バルブ８は受動的安全バルブとして設計されており、それは≪１ｍｂａｒの僅かな圧力差ですでに前方方向に開放し、他方、後方方向には流体流れを妨げる。同様にして、高温側タンク１への連結には、安全バルブ７が配されている。

耐圧シリンダ５ａへの外力の負荷によって中空棒４は熱せられ、これらの中空棒を取り巻く流れの形で存在する上記流体は気化する。高温側方向の上記安全バルブ７は
開放し、上記流体の該気化を通じた潜熱伝達により、メカノカロリック材料４からなる上記中空棒から高温側タンク１に熱エネルギーが伝達される。

上記外力が除去されると中空棒４は冷える。これにより、上記中空棒周りの気体状流体は凝縮し、耐圧シリンダ５ａ内の該蒸気圧は低下する。これは、低温側タンク２の方向への上記安全バルブ８の開放を結果する。該プロセスのこの段階において、メカノカロリック材料４からなる上記中空棒を含んだ耐圧シリンダ５ａ内の該温度は低温側タンク２内の温度よりも低い。流体３は低温側タンク２で気化し、これによって、上記低温側タンクは冷える。

さらに続くそれぞれのサイクルによって、熱エネルギーは中空棒と流体との間の潜熱伝達によって交換されるため、上記低温側から上記高温側への熱移送が生ずる。このプロセスの周期的反復によって、今やますます多くの熱エネルギーが上記低温側タンクから上記高温側タンクへ移送される。このプロセスの反復速度が速ければ速いほど、つまり、該サイクル周波数が高ければ高いほど、実効冷却能力はますます大きくなる。

外径２．４ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ及び長さ１０ｍｍを有するニチノール（Ｎｉ５５／Ｔｉ４５）製の１８本の中空棒を使用する場合、サイクル周波数０．２５Ｈｚによる７００ＭＰａの加圧時に、高温側タンクと低温側タンクとの間に約１５度の温度差が達成される。これは、たとえば、約３５度の該高温側タンクの温度（圧力１３７ｍｂａｒ）と約２０度の該低温側タンクの温度（圧力５８ｍｂａｒ）に等しい。この温度範囲において、空調設備等としての使用が可能である。

上述したヒートポンプは、基本的に同じ該装置を用いて、熱機関としても運転可能である。それには、高温側及び低温側タンクの機能が交換されなければならない。その場合、該バルブの該制御はアクティブに行われる。

図２は、本発明による装置の第二の実施形態として、ヒートポンプの概略図を示す。

以下では、繰返しを避けるため、図面間の相違にのみ触れることとする。

上記装置は、本実施形態において、ヒートポンプとして形成され、流体３用の高温側タンク１と低温側タンク２を具備して形成されている。高温側タンク１と低温側タンク２との間には、本実施形態において、メカノカロリック材料による二つの熱交換ユニット４．１、４．２が配置されている。熱交換ユニット４．１、４．２は、電流回路に抵抗が並列接続されているのと同様に、流体３によって別々に貫流されるようにして該流体循環系内に配置されている。
上記流体循環系において、第一の熱交換ユニット４．１と高温側タンク１との間には高温側バルブ７．１が配置され、第一の熱交換ユニット４．１と低温側タンク２との間には低温側バルブ８．１が配置されている。同じく上記流体循環系において、第二の熱交換ユニット４．２と高温側タンク１との間には高温側バルブ７．２が配置され、第二の熱交換ユニット４．２と低温側タンク２との間には低温側バルブ８．２が配置されている。本実施形態において、高温側バルブ７．１、７．２及び低温側バルブ８．１、８．２は圧力制御型バルブとして形成されている。

上記ヒートポンプは、上記メカノカロリック材料に引張及び／又は圧縮荷重を負荷する手段としてピストンシステム５を有する。該ピストンシステム５は、ピストン５ｂを含み、本実施形態において、上記メカノカロリック材料を圧縮するための偏心輪として形成されている。カウンターパートとして、それぞれ内部にメカノカロリック材料４．１、４．２の配置された二つのシリンダ５ａ．１、５ａ．２が設けられている。

上記メカノカロリック材料を圧縮するため、ピストンはシリンダ５ａ．１、５ａ．２間を往復運動させられる。したがって、メカノカロリック材料を有する二つの熱交換ユニット４．１、４．２は交互に圧縮される。その際、第一の熱交換ユニット４．１の上記メカノカロリック材料の該圧縮に含まれている該ポテンシャルエネルギーは第二の熱交換ユニット４．２の上記メカノカロリック材料の該圧縮に使用され、またその逆が行われる。

オプショナルに、（ピストン５ｂに代えて）その中心点が該偏心シャフト（図中不図示である）のシャフト軸外に位置する玉軸受を有する該偏心輪が形成されている。該玉軸受は、本実施形態において摩擦係合によって、双方の熱交換ユニット４．１及び４．２と直接に作用連携している。上記シャフトが回転すると、上記玉軸受は回転して、それぞれ交互に、二つの熱交換ユニット４．１及び４．２を圧縮する。その際、該圧縮は、シリンダ５ａ．１及び５ａ．２の上記耐圧チャンバ内で行われる。その際、上記玉軸受はシリンダ５ａ．１と５ａ．２の間に位置し、該シリンダにより、たとえば蛇腹を介して、熱交換ユニット４．１及び４．２に作用することができる。

したがって、メカノカロリック材料を有した二つの熱交換ユニット４．１、４．２はいずれも、ただし時間的にずらされて、図１に関して説明した上記方法ステップを経過する。

バルブ７．１、７．２、８．１、８．２の該開閉は、図１に関して説明したのと同様に、支配的な上記圧力比を経て制御される。これにより、流体３用のアクティブポンプを不要とすることができる。

上述したヒートポンプは、基本的に同じ該装置を用いて、したがって、上記とは逆の循環プロセスにより、熱機関として運転することも可能である。それには、高温側及び低温側タンクの機能が交換されなければならない。その場合、該バルブの該制御はアクティブに行われる。メカノカロリック材料を有した二つの熱交換ユニット４．１、４．２の交互の該温度変化により、熱交換ユニット４．１、４．２は交互に膨張し、こうして、ピストン５ｂは往復運動させられる。この運動は機械仕事として利用することが可能である。

図３は、熱機関又はヒートポンプとして運転可能な、本発明による装置の第三の実施形態の概略図を示す。

上記装置は、本実施形態において、熱機関として形成され、流体３用の高温側タンク１１と低温側タンク１２を具備して形成されている。高温側タンク１１と低温側タンク１２との間には、本実施形態において、メカノカロリック材料による二つの熱交換ユニット１４．１、１４．２が配置されている。熱交換ユニット１４．１、１４．２は、電流回路に抵抗が並列接続されているのと同様に、流体３によって別々に貫流されるようにして該流体循環系内に配置されている。高温側タンク１１と低温側タンク１２との間には流体返送系１６が走っている。これは、本実施形態において、芯が充填された管として形成されている。

上記流体循環系において、第一の熱交換ユニット１４．１と高温側タンク１１との間には、高温側バルブ１７．１が配置され、第一の熱交換ユニット１４．１と低温側タンク１２との間には、低温側バルブ１８．１が配置されている。同様に、上記第二の熱交換ユニット１４．２と高温側タンク１１との間には、高温側バルブ１７．２が配置され、上記第二の熱交換ユニット１４．２と低温側タンク１２との間には、低温側バルブ１８．２が配置されている。本実施形態において、双方のバルブ１７．１、１７．２、１８．１、１８．２はアクティブ制御型バルブとして形成されている。

上記熱機関は、運動から電流を誘導する手段として、磁化されうるコア１５ｂを具備するコイル１９を有する。コイル１９の磁化されうるコア１５ｂはピストンとして形成されている。カウンターパートとして、それぞれ内部にメカノカロリック材料１４．１、１４．２の配置された二つのシリンダ１５ａ．１、１５ａ．２が設けられている。したがって、コイル１９の磁化されうるコア１５ｂは、双方の熱交換ユニット１４．１、１４．２の上記メカノカロリック材料と作用連携している。それゆえ、双方の熱交換ユニット１４．１、１４．２のいずれか一方の上記メカノカロリック材料の温度変化によって、コイル１９内にコア１５ｂの運動が生み出される。コイル１９内のコア１５ｂの運動によって、上記コイル内に電流が誘導される。

第一の高温側バルブ１７．１が開放されると、高温側タンク１１内に気体相で存在する流体３は、上記メカノカロリック材料の配置された第一の熱交換ユニット１４．１の該領域内に流入する。同所で流体３は上記メカノカロリック材料上で凝縮するとともに、該メカノカロリック材料を加熱する。この温度変化に基づいて上記メカノカロリック材料に相転移が招来され、該メカノカロリック材料は膨張する。該メカノカロリック材料はコイル１９内の磁化されうるコア１５ｂと作用連携しているために、該コアはシリンダ１５ａ．１から押し出される。

次いで、高温側バルブ１７．１が閉鎖され、低温側バルブ１８．１が開放されると、上記メカノカロリック材料領域内の該圧力は低下し、凝縮した該流体は気化し、潜熱伝達により、気化熱が上記メカノカロリック材料から放出されるため、該メカノカロリック材料は冷却する。この温度変化に基づいて該メカノカロリック材料に逆の該相転移が招来され、該メカノカロリック材料は収縮する。

同時に、第二の高温側バルブ１７．２が開放されることができる。これにより、高温側タンク１１内に気体相で存在する流体３は、上記メカノカロリック材料の配置された上記第二の熱交換ユニット１４．２の該領域内に流入する。同所で流体３は上記メカノカロリック材料上で凝縮するとともに、該メカノカロリック材料を加熱する。この温度変化に基づいて上記メカノカロリック材料に相転移が招来され、該メカノカロリック材料は膨張する。該メカノカロリック材料はコイル１９内の磁化されうるコア１５ｂと作用連携しているために、該コアはシリンダ１５ａ．２から押し出される。

上記双方の効果は一方向性であり、コイル１９内の磁化されうるコア１５ｂの逆行運動をもたらす。

メカノカロリック材料を具備した二つの熱交換ユニット１４．１、１４．２の上記交互の温度変化によって、熱交換ユニット１４．１、１４．２が交互に膨張するため、コイル１９内の磁化されうるコア１５ｂは往復運動させられる。この運動によって、交流が誘導される。

上記流体返送系１６を経て、流体３は、低温側タンク１２から高温側タンク１１へ返送される。

図３に関連して説明した上記装置は、同じくヒートポンプとして、したがって逆の循環プロセスによって、運転することも可能である。コイル１９の通電により、上記コイル内の磁化されうるコア１５ｂの運動が生み出される。したがって、上記コイル内の磁化されうるコア１５ｂの該運動により、上記メカノカロリック材料の圧縮と共に二つの熱交換ユニット１４．１、１４．２の温度変化が招来されるため、上記メカノカロリック材料の温度変化が生み出される。

こうした温度変化は、図１及び２に関連して説明したように、それぞれ潜熱伝達により流体３に伝達されることができる。該熱は、かくて、流体３により上記高温側タンクに排出されることができる。

図４は、該部分図ａ、ｂ及びｃによって、特に、（熱ダイオードと同様に）潜熱による単方向性熱移送を実現するための、相応した流体返送系を有する実施形態の三つのタイプの概略図を示す。

本実施形態において、高温側タンク２１、低温側タンク２２及び該メカノカロリック材料が、流体３用の一つの共通の閉じたチャンバ２９内に配置されている。低温側タンク２２はチャンバ２９の一領域に配置されるとともに、高温側タンク２１はチャンバ２９の対向する一領域に配置されている。これらの領域の間には、該熱交換ユニット（図中不図示である）の該メカノカロリック材料が配置されている。これが意味するところは、低温側タンク２２と高温側タンク２１との間には該熱交換ユニットが存在するだけであり、その他の物理的隔離手段は存在していないということである。その際、流体３は、該熱交換ユニットの該メカノカロリック材料を支障なく貫流することができる。該流体移送の制御は、圧力、温度及び重力等の該境界条件を介して行われる。

上記の閉じたチャンバは、三つの実施形態のすべてにつき、該熱流を一方向に制限する熱ダイオードとして形成されている。

図４ａには第一の態様が示されている。上記流体の該逆移送は、本実施形態において、凝縮する流体３が他方のタンク４１の表面で凝縮し、重力ｇによって元のタンク４０内に流れ戻ることにより、矢印ｇで示したように重力を経て行われる。

こうして、流体３の元のタンク４０の乾燥を防止するために、凝縮した流体３の逆移送が行われる。しかしながら、このプロセスはむしろ緩慢であり、位置依存的である。

図４ｂには第二の態様が示されている。本実施形態において、閉じたチャンバ２９は、元のタンク４０の領域に、超親水性コーティングを有し、他方のタンク４１の領域に、超疎水性コーティングを有する。該装置は、したがって、Ｂｏｒｅｙｋｏ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ ９９に記述されているように、“Ｊｕｍｐｉｎｇ−Ｄｒｏｐ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｄｉｏｄｅ”と同様に形成されている。

上記流体が上記の閉じたチャンバ内で気化し、他方のタンク４１の領域の該超疎水性コーティング上で凝縮すると、たとえば符号３．１、３．２、３．３を付した流体３の凝縮した該液滴は該コーティングから相応して弾き飛ばされるため、該液滴は元のタンク４０の該超親水性領域へと“跳ね戻る”。本実施形態において、元のタンク４０は高温側タンク２１であり、他方のタンク４１は低温側タンク２２である。上記のジャンピングドロップ型熱ダイオードは該空間中における該ダイオードの該位置とは無関係に機能する。加えてさらに、凝縮した流体３の該逆移送がスピーディーに行われることができるという利点が得られる。

図４ｃには、図１から３に関連して説明した、バルブ制御と外部の流体返送系６を備えた実施形態が概略的に示されている。

図５は、潜熱による上記単方向性熱移送及び該流体返送を実現するためのジャンピングドロップ型熱ダイオードとしての、図４ｂで説明した実施態様の概略図を示す。加えてさらに、それぞれの閉じたチャンバ２９．１、２９．２の内部の二つの熱交換ユニット５４．１、５４．２の該メカノカロリック材料も示されている。二つの熱交換ユニット５４．１、５４．２の間には、それぞれ二つの熱交換ユニット５４．１、５４．２の該メカノカロリック材料と作用連携したピストン５５ｂが設けられている。

上記メカノカロリック材料を圧縮するために、ピストン５５ｂは、双方向矢印で表されているように、往復運動させられる。それゆえ、メカノカロリック材料を有する二つの熱交換ユニット５４．１、５４．２は交互に圧縮される。

したがって、メカノカロリック材料を有する二つの熱交換ユニット５４．１、５４．２はいずれも、図１及び２に関連して説明した該方法ステップを通過する。該熱移送並びに該流体の該返送は図４ｂに述べたようにして行われる。

図６は、部分図ａ、ｂ及びｃにより、上記メカノカロリック材料の種々の実施形態の概略図を示す。

図６ａは、ピン構造を有する該メカノカロリック材料を示す。本実施形態において、たとえば符号６２ａ、６２ｂ、６２ｃを付した、互いに平行をなす複数本のピンによるピン構造としての態様によれば、該熱伝達のための広い表面積を有する安定した構造が容易な方法で形成可能であるという利点が得られる。

図６ｂは、ばね６１として形成された該メカノカロリック材料を示す。該ばね構造により、ピストンシステムによる該メカノカロリック材料の該圧縮に基づいて、相対的に大きなストロークが可能となる。その際、該ばねは圧縮され、該圧縮に起因するポテンシャルエネルギーを蓄積する。ここで、該メカノカロリック材料に蓄積された該ポテンシャルエネルギーは、それがさらに他方のメカノカロリック材料を有する熱交換ユニットの圧縮に利用可能であることにより、特に効率的な方法で転生可能である。

図６ｃは、ハニカム構造を有する該メカノカロリック材料を示す。該ハニカム構造の、たとえば符号６０ａ、６０ｂ、６０ｃを付した個々のセルは、本実施形態において、規則的に六角形として成形されている。該圧縮又は引張荷重に際して該機械的応力場に負荷される力は該ハニカム構造内に均等に分散される。これは、均等な力の分布と同時に、該メカノカロリック材料の長期的耐久性を保証する。こうした均等な力の分布により、薄肉構造とりわけ上記個々のセル間の薄肉隔壁構造を形成することが可能である。これにより、該材料における優れた熱移送が保証される。

Claims (23)

1. 流体（３）用の高温側タンク（１、１１、２１）及び低温側タンク（２、１２、２２）並びにメカノカロリック材料を有する少なくとも一つの熱交換ユニット（４）を有し、その際、該熱交換ユニット（４）の前記メカノカロリック材料は、前記流体（３）と作用関係にあるように配置され、これにより、前記メカノカロリック材料と前記流体（３）との間に熱伝達が生じるように構成された、循環プロセス型システムを運転する方法であって、
   前記メカノカロリック材料と前記流体（３）との間の前記熱伝達は、基本的に潜熱伝達によって行われることを特徴とする方法。
2. 最も好ましくはピストンシステム（５）を介して、
   好ましくは前記メカノカロリック材料の引張及び／又は圧縮荷重、前記メカノカロリック材料のせん断及び／又は圧縮により、
   前記メカノカロリック材料に機械的応力に起因する前記メカノカロリック材料の形状変化が生み出され、
   その際、前記メカノカロリック材料の前記引張及び／又は圧縮荷重により前記メカノカロリック材料の温度変化が生み出されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記高温側タンク（１、１１、２１）からの又は同所への前記流体（３）の移送は、メカノカロリック材料と高温側タンク（１、１１、２１）との間に配置された高温側バルブ（７、１７）の開放によって制御され、
   前記低温側タンク（２、１２、２２）からの又は同所への前記流体（３）の移送は、メカノカロリック材料と低温側タンク（２、１２、２２）との間に配置された低温側バルブ（８）の開放によって制御されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニット（１４．１、１４．２）を有するヒートポンプに適した方法であって、
   その際、好ましくは、第一の熱交換ユニット（１４．１）の前記メカノカロリック材料の圧縮時の前記メカノカロリック材料の弾性変形に由来する該ポテンシャルエネルギーは、第二の熱交換ユニット（１４．２）の前記メカノカロリック材料の圧縮に使用され、
   好ましくは、前記双方の熱交換ユニット（１４．１、１４．２）の前記圧縮は交互に行われることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニット（１４．１、１４．２）を有する熱機関に適した方法であって、
   前記メカノカロリック材料の温度変化によって磁化されうるコア（１５ｂ）がコイル内を運動することを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
6. メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニット（１４．１、１４．２）を有する熱機関用に形成された方法であって、
   その際、前記高温側バルブ（７）及び前記低温側バルブ（８）は、一定の交替周波数、好ましくは０．１Ｈｚ〜１０ｋＨｚの交替周波数、好ましくは５０Ｈｚの交替周波数で、互いに交互に開閉されることを特徴とする、請求項１から３又は５のいずれ一項に記載の方法。
7. メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニット（１４．１、１４．２）を有するヒートポンプ用に形成された方法であって、
   その際、前記高温側バルブ（７、１７）及び前記低温側バルブ（８、１８）は、一定の交替周波数、好ましくは１０Ｈｚを上回る、好ましくは１００Ｈｚを上回る、特に好ましくは１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚの交替周波数で、互いに交互に開閉されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
8. 流体（３）用の高温側タンク及び低温側タンクと、メカノカロリック材料を有する少なくとも一つの熱交換ユニット（４、１４）とを有し、ヒートポンプ及び／又は熱機関として運転可能な、エネルギーを移送及び／又は変換する装置であって、
   前記メカノカロリック材料は前記流体（３）と作用関係にあるように配置され、これにより流体（３）とメカノカロリック材料との間の熱交換が可能であり、
   前記メカノカロリック材料に機械的応力を発生させる手段（５、１５、１９）を有し、これにより前記メカノカロリック材料は機械的応力場の相互作用領域内に配置され、又は、前記メカノカロリック材料との機械的作用関係によって、運動からのエネルギーを応用する手段（１５、１９）が配置された装置において、
   流体（３）とメカノカロリック材料との間の熱伝達は、基本的に潜熱伝達によって行われることを特徴とする装置。
9. 前記メカノカロリック材料は多孔性の材料として、好ましくは、開放多孔性の材料として形成され、及び／又は、
   ハニカム構造を有する前記メカノカロリック材料は、ピン構造又はばねとして形成され、及び／又は、
   前記メカノカロリック材料はパターニング及び／又はコーティングを有し、好ましくは、ナノパターニング及び／又は親水性コーティングを有することを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 少なくとも一つの高温側バルブ（７、１７）と少なくとも一つの低温側バルブ（８、１８）とを含んでなる装置であって、
    好ましくは、高温側バルブ（７、１７）及び低温側バルブ（８、１８）は、圧力制御型バルブ又はアクティブ制御型バルブとして形成されていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の装置。
11. 前記流体（３）用の流体循環系を有して形成された装置であって、
    好ましくは、流体返送系（６、１６）を含んでなることを特徴とする、請求項８から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 高温側タンク（１、１１、２１）と、低温側タンク（２、１２、２２）と、高温側バルブ（７、１７）と、低温側バルブ（８、１８）と、メカノカロリック材料と、流体返送系（６、１６）とを有する前記流体循環系は、耐圧システムとして形成され、
    該耐圧システムは、前記流体（３）から前記メカノカロリック材料への熱伝達が潜熱によって行われように形成されていることを特徴とする、請求項８から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記耐圧システムから、基本的に、前記流体（３）を除くいっさいの外部気体が排除されていることを特徴とする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記高温側バルブ（７、１７）は、前記メカノカロリック材料の発熱によって前記高温側バルブ（７、１７）が開放されるように形成されるとともに、前記流体循環系内において高温側タンク（１、１１、２１）とメカノカロリック材料との間に配置され、
    前記低温側バルブ（８、１８）は、前記メカノカロリック材料の冷却によって前記低温側バルブ（８、１８）が開放されるように形成されるとともに、前記流体循環系内において低温側タンク（２、１２、２２）とメカノカロリック材料との間に配置されていることを特徴とする、請求項８から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 低温側タンク（２、１２、２２）と、高温側タンク（１、１１、２１）と、メカノカロリック材料とが、閉じられたチャンバ（２９）内に配置され、
    該チャンバは、気化した前記流体（３）の対流による熱移送が行われるとともに、凝縮した前記流体（３）の逆移送が行われるように形成されていることを特徴とする、請求項８から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 閉じられた前記チャンバ（２９）は、前記高温側タンク（１）の領域に疎流体性のコーティング及び／又はパターニングを有し、及び／又は、前記低温側タンク（２）の領域に親流体性のコーティング及び／又はパターニングを有することを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. 閉じられた前記チャンバ（２９）は、前記高温側タンク（１）の領域に親水性のコーティング及び／又はパターニングを有し、及び／又は、前記低温側タンク（２）の領域に疎水性のコーティング及び／又はパターニングを有することを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の装置。
18. 閉じられた前記チャンバ（２９）は、前記高温側タンク（１）の領域に親油性のコーティング及び／又はパターニングを有し、及び／又は、前記低温側タンク（２）の領域に疎油性のコーティング及び／又はパターニングを有することを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の装置。
19. 前記装置は、メカノカロリック材料を有する少なくとも二つの熱交換ユニット（４．１、４．２、１４．１、１４．２）を含み、
    機械的応力を発生させる前記手段（５、１５、１９）は、前記双方の熱交換ユニット（４．１、４．２、１４．１、１４．２）と協働するように配置され、かつ形成され、
    前記双方の熱交換ユニット（４．１、４．２、１４．１、１４．２）は、交互に負荷に耐え得るように構成され、
    好ましくは、メカノカロリック材料を有する前記少なくとも二つの熱交換ユニット（１４．１、１４．２）は、それぞれ、片側が閉鎖されたシリンダ（５ａ．１、５ａ．２）内に配置され、前記メカノカロリック材料を交互に圧縮するためのピストン（５ｂ）が中央に配置されていることを特徴とする、請求項８から１８のいずれか一項に記載の装置。
20. 前記メカノカロリック材料に引張及び／又は圧縮荷重を負荷して機械的応力を発生させるための手段（５、１５、１９）としての偏心輪を有する装置であって、
    該偏心輪は、好ましくは、コモンレールポンプの一部として形成されていることを特徴とする、請求項８から１９のいずれか一項に記載の装置。
21. ヒートポンプとして形成された装置であって、引張及び／又は圧縮荷重を負荷して機械的応力を発生させる手段（５、１５、１９）としてピストンシステム（５、１５、１９）、好ましくはシリンダピストンユニットを有することを特徴とする、請求項８から２０のいずれか一項に記載の装置。
22. ヒートポンプとして形成された装置であって、好ましくは磁化されうるコア（１５）を有するコイル（１９）を有し、
    前記コイルの通電によって、該コイル（１９）内における前記コア（１５）の運動と共に、前記メカノカロリック材料の圧縮及び温度変化が生み出されることを特徴とする、請求項８から２１のいずれか一項に記載の装置。
23. ヒートポンプとして形成された装置であって、好ましくは磁化されうるコア（１５）を有するコイル（１９）を有し、
    前記メカノカロリック材料の温度変化によって、前記コイル（１９）内における前記コア（１５）の運動と共に、電流が発生させられることを特徴とする、請求項８から２０のいずれか一項に記載の装置。

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