JP2023522006A - 電気エネルギーの生成 - Google Patents

Abstract

電気エネルギーを生成するための回路が開示される。この回路は、導体と組み合わせてパルス発生器を使用する。この回路の導体への冷却効果により、廃熱を使用可能なエネルギーに変換することができる。 負荷に供給される合成エネルギーは、導体による外部エネルギーの吸収により、パルス発生器によって供給されるエネルギーよりも大きくなる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年８月２０日に出願された米国仮出願第６２/８８９，５０６号の優先権を主張して２０２０年８月１９日に出願された米国特許出願第１６/９９７，５５７号（現在、特許第１０，９５１，１３６号）の継続出願である、２０２１年２月１２日に出願された継続出願第１７/１７５，２４８号の継続出願である。さらに、本出願は、２０２０年４月１４日に出願された米国仮出願第６３/００９，８５６号の優先権を主張するものである。これらの出願のすべてが参照により本明細書に組み込まれる。

電気エネルギーの生成は、私たちの社会のエネルギー需要にとって基本的な技術である。内燃機関内におけるシリンダのような、プラズマ炎に含まれる熱エネルギーの変換は、機械エネルギーへの変換をもたらす熱エネルギーの利用の一例である。熱エネルギーが利用できる場合、ホットシンクおよびコールドシンクからの熱エネルギーを機械エネルギーに変換するために、カルノーエンジンやスターリングサイクルエンジンなどの複雑で高価な装置が使用されている。このような装置の制限は、２つの熱源間の温度差が大きくなければならないことである。大型エンジンでは、１５～３０%の範囲の効率が一般的である。数摂氏度などの小さな温度差は、実用価値はほとんどない。熱電対などのデバイスを使用した直接熱電変換などの他の方法は、温度差が小さい場合、同様に実用的ではない。熱エネルギーを電気エネルギーに変換する便利で直接的な方法が、電力を生成するために非常に必要とされ、望まれている。

電気エネルギーを生成するために使用されるカーバーボルタ効果（ＣＶＥ）回路の一例である。 図１のＣＶＥ回路を使用して電気エネルギーを生成するための回路の一般的な実施形態を示す。 電気エネルギーを生成するためのＣＶＥ回路の別の実施形態を示す。 内部の空洞を通って送られる流体を有するエタロンの一例を示す。 電気エネルギーを生成するための別の実施形態による回路である。 電気エネルギーを生成するための別の実施形態によるフローチャートである。 電気エネルギーを生成するための別の実施形態による回路図である。 ＣＶＥ回路の別の実施形態である。 ＣＶＥ回路の応用例である。 光起電力面と共に使用されるＣＶＥ回路の応用例である。 複数の異なる熱源と共に使用されるＣＶＥ回路の応用例である。 原子炉パイルと共に使用されるＣＶＥ回路の応用例である。 ＣＶＥ回路を使用するための実施形態のフローチャートである。

多くの用途で使用するための電気エネルギーを生成するための方法およびシステムが開示される。方法は、その用途において一般的であり、多くの電動装置、例えばポータブルツール、センサー、光学デバイス、照明、加熱、冷却、呼吸装置、医療装置、タイミング装置、ポータブルコンピューター、携帯電話、電動の冷却装置または暖房装置に適用することができるだけでなく、便利で強力な電気エネルギーの供給が必要とされる他の同様のより大きな固定アプリケーションに適用することができる。そのような装置と方法の必要性が十分に記述されている。より具体的には、機械、電気、太陽、電磁気、およびその他のエネルギーを一つの形態から電気エネルギーに変換する、より一般的で優れた変換器が必要とされている。変換器は、可変の周波数、周期、および強度を有するＤＣ、ＡＣ、熱、ＥＭ放射、またはその他のエネルギー源である場合、さまざまなエネルギー形態に対してより優れた入力耐性を有すること、さまざまな電圧、波形および電流をそれらが接続されたアプリケーション負荷へ出力できる機能を有し、単一の単純な電気出力の共通性を有することが非常に必要とされている。さらに、変換器は、周囲温度と熱源との間の温度差が非常に小さい場合に動作する必要がある。そのため、「廃熱変換器」と呼ばれている。

カーバーボルタ効果（ＣＶＥ）は、大量の電力を提供するために使用することができる動的な物理的効果である。ＣＶＥは、導電体内の単一の電力伝送過渡の電力または空間を介しての材料内のエネルギー移動におけるわずかな過渡増加として説明することができる。「動的」という用語は、効果の一時的な性質を説明するために使用されている。それは、材料における、急速な電圧変化、並びにその他の相及び状態の変化などの一時的な事象中に検出され得る。本明細書に記載の装置の実施形態は、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換によってこの現象（すなわち、ＣＶＥ）を利用するように構成される。ＣＶＥの大きさは、大きなｄＶ/ｄｔ値（時間に対する電圧の変化）に比例する。

本装置の動作及び製造を理解することには、出力回路内にエタロンが存在することを認識することが含まれ、エタロンの実施及び製造のための方法が開示される。

図１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するためのＣＶＥ回路１００である。方形波発生器１０５は、結合インダクタ１１０の一次側に入る方形波パルス列（連続パルス）を発生させする。結合インダクタの二次側は、非線形抵抗デバイス、または時々、負性抵抗装置１１２とも呼ばれる、サイリスタなどに接続される。負性抵抗はオプションであり、多くの場合使用されない。負性抵抗素子１１２は、二次側からの電流を、入力電圧に基づいて、その内部構造によって決定される特定の値に制限する素子として機能する。負性抵抗素子１１２は、電圧が正の方向に一定量を超えるまで有意の電流を伝導せず、電圧が一定量よりも負になるまで負の電圧範囲では伝導しない。例えば、２つの電圧は＋２５Ｖと－２５Ｖであり得る。この電圧特性のために、寄生損失を克服するのに十分な電力が利用可能であれば、結合インダクタの二次側の出力は、常に確実に＋２５Vおよび-２５Vを超える。

負性抵抗装置は、このタイプの動作を提供できる任意の装置とすることができる。装置の例には次のものが含まれるが、これらに限定されない。
１．ガス放電ランプ
２．スパークギャップ
３．ツェナーダイオード
４．サイリスタ
５．トライアック
６．ガンダイオード
７．ダイオード（各種）
８．シリコン制御整流子（ＳＣＲ）
９．論理回路で制御されるスイッチング素子

変圧器（または結合インダクタ）の駆動電子回路が二次側の出力を正から負にスイングさせると、＞２５Ｖから-２５Ｖより負への非常に速い遷移が起こる。次に、これらの高いｄＶ/ｄｔの過渡変化は、ＣＶＥが利用されるのに必要な高速電圧スイングを生成するために利用される。したがって、ｄＶ/ｄｔが大きいほど(電圧が高く、時間が短いほど)、ＣＶＥがより顕著になる。負性抵抗デバイス１１２と組み合わせた方形波は、この目標を達成するのに役立つ。この例では、キャパシタＣ１ １１４とインダクタ１１６とが発振回路を形成し、その電圧スイングで電流の効果をさらに増幅してＣ２ １１８に有用な出力を生成する。Ｃ２キャパシタ１１８は、次に、全体を１２０で示す１つまたは複数の整流ダイオードに接続され、正の電圧出力Ｖ＋および負の電圧出力Ｖ-の両方をそれぞれ生成する。キャパシタ１１４とインダクタ１１６とによって形成される発振回路は、方形波入力信号の周波数より高い周波数で発振する信号を生成することができる。

熱交換器１３０は、電気エネルギーへの変換のために熱エネルギーの継続的な流入を与える材料のための熱伝導経路を提供する。熱交換器は、回路に熱を受け入れるために使用される任意の装置とすることができる。一例では、所望の誘電率および透磁率を有する材料で満たされた管（例えば、導電性管または非導電性管）が使用される。可能性のある材料には、空気、水、メタノール、エタノール、およびアセトアミド（または水もしくはエタノールなどの液体の溶液）が含まれる。フェライトスラリーも使用できる。材料は、図示されていない外部ポンプを使用して、管を通して送るか、または循環させることができる。あるいは、固体物質を共振空洞内に固定化することができる。続いて、管を通して液体を送り込み、材料と管自体を熱交換させることができる。管は任意の所望の長さにすることができる。例えば、管は長さ１フィートから５フィートにし得る。管は、円形、正方形、長方形、楕円形、平坦側面の楕円形、またはカスタム形状など、任意の所望の断面形状にすることができる。任意の幾何学的形状を使用することもできる（たとえば、Ｎ辺の多角形状または折り畳み形状）。断面がどのようなものであっても、管は、流体が通過できる空洞を備えた状態で引き延ばすことができる。管は、本明細書に記載のエタロンとすることができる。管は、導電性材料で作ることができ、固体の導体とすることができる。

図２は、回路２００の一般的なバージョンを示す。オプションのドライバ２１０は、高いｄＶ/ｄｔのパルスの連続ストリームを供給する連続パルス発生器とすることができる。このドライバが、装置に開始インパルスを提供する。これは、装置を動かすためのオン/オフスイッチとして機能し、装置が動作する周波数を制御するのに役立つ。

ｄＶ/ｄｔ装置２２０が示されている。図１では、ｄＶ/ｄｔ装置を、高いｄＶ/ｄｔパルスまたはパルス列を発生させる少なくとも１つの方法を示すために、変圧器または結合インダクタ１１０として示している。これに代わり、キャパシタまたはキャパシタアレイ、機械的スイッチ、または電場（電荷）または磁場（磁石）を別のコイル、キャパシタ、インダクタ、または別の磁石または磁場に近接させる他のスピン装置または回転装置を使用することもできる。ＣＶＥ装置には、1つまたは複数の重要な能動装置が組み込まれていてもよい。例としては、サイリスタまたはツェナーダイオードなどの負性抵抗装置がある。

ＣＶＥエミッタ２３０が熱交換器２４０に結合されて示されている。次に、熱交換器は、ＣＶＥ受信器２５０に結合され得る。エミッタ２３０におけるｄＶ/ｄｔ電荷の急速な形成が、エミッタからのエネルギーの「波」の発生をもたらす。このアンテナのようなモードでは、エミッタは真空または空気以外の材料とも接触し得る。この材料は、その比誘電率または比透磁率で特徴付けられる、異なる誘電率または透磁率を有する特性を有し得る。この材料は、導電性材料と接触させることもできる。エミッタ２３０及びレシーバ２５０は、エタロンチャンバーの端でインピーダンス変化を生じさせる多種多様な材料（例えば、銅、真ちゅう、青銅、ステンレス鋼、グラフェン）とすることができる。実際、エミッタとレシーバの間の材料に関して、誘電率、透磁率、またはその両方を変化する限り、何でも使用することができる。したがって、エミッタ２３０は、回路を熱交換器２４０（エタロンであり得る）に結合し、信号を熱交換器に送信する。レシーバ２５０は、信号が熱交換器を通過すると、その信号を受信する。

熱交換器２４０は、ＣＶＥエミッタとＣＶＥレシーバとの間にあるものとして示されている。実際には、熱交換器は、エミッタとレシーバを包囲することができる。例えば、熱交換器がその中に空洞を有する管（例えば、エタロン）である場合、エミッタ２３０とレシーバ２５０は、管のそれぞれの端に取り付けることができる。熱交換器は、電気エネルギーへの変換のための熱エネルギーを継続的に流入させるために必要な材料の熱伝導路を提供する。この材料は導電性であってもよい。熱交換器は、回路に熱を注入するために使用される任意の装置とすることができる。一例では、所望の誘電率及び透磁率を有する材料で満たされた管（例えば、導電性管または非導電性管）が使用される。可能な材料には、空気、水、メタノール、エタノール、及びアセトアミド（または水、エタノールなどの液体の溶液）が含まれる。フェライトスラリーを使用することもできる。材料は、図示されていない外部ポンプを使用して、熱交換器を通して、送るか、循環させることができる。あるいは、固体材料を共振空洞内に固定することができる。その後、液体を空洞にポンプで送り、材料と空洞自体を熱交換させることができる。したがって、この材料は、ＣＶＥエミッタとＣＶＥレシーバの間の媒体として機能することと、熱交換器を循環する外部ソースを有する熱交換器として機能することの２つの目的を有し得る。電子波がＣＶＥエミッタとＣＶＥレシーバの間で送信され、そこに含まれる材料の誘電率と透磁率が共振周波数に影響を与え得る。

ＣＶＥレシーバ２５０が熱交換器に結合されて示されている。ＣＶＥレシーバは、熱交換器２４０と接触していても、（例えば、エアギャップまたは間隔を置いて）接触していなくてもよい。レシーバ２５０は、波からの電気誘導、熱交換器との電気接触、またはエミッタ２３０との電気接触によって、ＣＶＥにより提供されるエネルギーの増加を得ることができる。レシーバは、変換された熱を電気伝導路に収集して、負荷２６０によって直接利用するか、または調整回路２７０によって調整することができる。負荷２６０は任意所望の負荷とすることができ、抵抗要素（例えば、電球）を有するものとすることができる。調整回路２７０はＣＶＥレシーバ２５０に接続されて示されている。この回路２７０は、通常、ＡＣ信号（またはパルスＤＣ）を別の周波数範囲に変換するか、または１つまたは複数のＤＣ電圧に変換する回路である。調整回路の一例としては、フルブリッジ整流器及びキャパシタがあり得る。

電気負荷２８０は、調整回路２７０の出力を受け取る。負荷は、電気エネルギーを使用するものであれば何でもよい。これは、電気エネルギー負荷２６０の直接使用に類似するが、モジュール２７０からの調整を必要とし得る。モジュール２６０は、ＣＶＥレシーバ２５０の出力を直接使用する。この出力は、典型的なＡＣ信号特性を有する。抵抗性負荷は、方形波または正弦波のいずれでも、このタイプの電気的特性を許容することができる。

図３は、コンポーネント３２０への接続によって示されるように、負性抵抗装置３４５がｄＶ/ｄｔ波の放射と共に使用される回路３００である。前述したように、負性抵抗装置はオプションである。パルス発生器３１０は、インダクタまたは変圧器３１２に結合される。結合されたインダクタまたは変圧器３１２の二次側の出力は、Ｖ３４０で示される電圧が基準となる。負性抵抗装置３４５は、インダクタに結合される。コンポーネント３２０からの波の放射が受信コンポーネント３５０に結合され得る。受信コンポーネント３５０も、インダクタに結合され得る。受信コンポーネント３２０と受信コンポーネント３５０との間の接続は、破線の双方向矢印によって示され、真空、空気、または均質または不均質の他の誘電体材料とし得る。導電性材料が使用されてもよい。

図４は、増幅のためにエタロンを使用する回路４００である。ｄＶ/ｄｔ装置４１０は、任意のパルス発生器とし得る。あるいは、上で述べたように、ｄＶ/ｄｔ装置は、図３に示されているように、負性抵抗装置に結合された変圧器とし得る。コンポーネント４２０、４３０の組み合わせは、エタロンまたはファブリペロー干渉計と同様の共振空洞を含む。それは、熱交換器１３０の説明と同様であり得、負荷なしで示されている。それは、電気的に誘導された波の放射によって、または単に基準用途のための電圧源基準をより高くすることによって、負荷を付けずに利用することを可能にする。負荷（例えば、抵抗性）がある場合、エタロンは、共振が発生したときに限られないが、特に共振が発生したときに、エミッタ及びレシーバと結合コンポーネント自体との間の熱エネルギーをキャプチャすることにより、ｄＶ/ｄｔ装置から増幅された電力を生成することができる。

光周波数よりはるかに低い活性化周波数を使用することができる。ほとんどの場合、共振空洞内の最低基本波長は、他のコンポーネントの相対的なサイズと比較して非常に長い。共振空洞のサイズを小さくするために、より高い比誘電率または比透磁率の材料を使用して、関連するエタロンの長さを大幅に短くすることができる。装置のこの部分は、コンポーネント４２０と４３０との間の点線の両方向矢印によって示されている。

高誘電率キャパシタの場合、３から≧２０，０００の範囲の比誘電率は珍しいことではない。もっと高い誘電率の材料が知られている。これらの材料は、比誘電率に比透磁率を掛けたものの逆数の平方根などの同様の因子によって、エタロンの長さの大幅な短縮をもたらす。

エタロン４４０は、コンポーネント４２０、４３０の間に示されている。エタロン（波共振空洞）チャンバーは、１つ（または複数）の発振器コンポーネントと見なすことができる。この特定のエタロンは、導体内の電流振動ではなく、放射された電波を含むという点で、ただの電気伝導性の要素とは異なる。中空エタロンはまた、真空または空気よりも大きい誘電率（及び/または透磁率）を有する材料で共振空洞を満たすことができる。この誘電率/透磁率の増加により、基本発振長が減少する。その長さを折りたたむ（または巻く）と、全体のサイズを小さくすることができる。エタロン空洞は、熱の電気エネルギーへの変換のほとんどが行われる場所とすることができる。流体はエタロンの空洞を通って移動することができる。流体はｄＶ/ｄｔ波の共振によって絶えず冷却されるとともに、エタロン流体の動きが、外部ソースから熱を運ぶことによって効果的に熱を共振容積に取り込む手段をもたらす。また、共振空洞容積への単純な熱伝導/対流を使用して外部熱源から熱を提供することもでき、例えば、第２の流体（例えば、水）またはヒートパイプを使用することもできる。

エタロン４４０は、本実施形態では、それを貫通する空洞を備えた円筒管として示されている。ポンプ４５０は、エタロン４４０を通して流体を送るために使用される。ヒートシンク４６０は、周囲環境から熱を抽出し、熱を流体に渡すために使用される。その後、エタロンは熱を電気エネルギーに変換することができる。エタロンは、異なる誘電率及び透磁率を有する材料、例えば、空気、水、メタノール、エタノール、アセトアミド（例えば、水又はエタノールの溶液）などで満たすことができる。より高い誘電率の材料は、より低い駆動周波数を使用して、それでも共振状態にすることができる。エタロンは、コンポーネント４２０とコンポーネント４３０との間の電気的結合として機能し、熱交換器としても機能するという２つの目的を有することができる。

エミッタ４２０及びレシーバ４３０は、エタロンチャンバーの端でインピーダンス変化を生じさせる多様な材料（例えば、銅、真ちゅう、青銅、ステンレス鋼、グラフェン）とすることができる。インダクタ及びキャパシタなどの異なる電気素子をエミッタ４２０及びレシーバ４３０として使用することもできる。実際、エミッタとレシーバの間の材料に関して、それが誘電率、透磁率、またはその両方を変化させる限り、何でも使用することができる。負荷は、レーザーや伝送やアンテナの分野でよく知られているように、ソースと適切なインピーダンス整合が得られるように選択する必要がある。

図５は、エタロンの反射面５２０及び５３０の間にある材料５１０の追加の図式表現である回路５００である。熱エネルギー材料５１０は、エミッタからの到来波またはレシーバからの反射波の透過経路及び/又は反射経路内にある。ＣＶＥにより、波のパワーは、両表面の間で波が横断するごとに増強される。このように、波のエネルギーの増加に必要なエネルギーは、エネルギー保存の法則により材料自体に含まれる熱エネルギーから得られるので、材料５１０は冷却される。

所与の空洞内の共振を達成するためには、空洞の形状を考慮に入れなければならない。正方形または円形の形状はもちろん、長円形、楕円形、多角形、及びその他の幾何学的形状を使用することができる。また、共振空洞を満たす材料は、共振の周波数を決定する役割を果たす。所与の空洞を満たす材料の誘電率または透磁率を増加させると、その共振がより低い周波数に変化する。電波の周波数の場合、空洞の共振周波数は、純粋な真空に対する材料の比誘電率に比透磁率を掛けたものの逆数の平方根に比例する。したがって、より高い透磁率及びより高い誘電率の材料は、エタロン空洞の物理的サイズの縮小をもたらすことができる。

より高い誘電率の材料（熱エネルギー材料）を使用して、真空または空気で満たされた空洞を有するものよりも実質的に短い（よって小さい）エタロン空洞を提供することができる。さらに、材料５１０は、環境または熱源から空洞への熱伝達を容易にするために熱伝導性とすることができる。熱伝達を促進するために循環させることができるという点で液体材料が魅力的である。使用できる材料は、波自体を透過する材料である。使用可能であるいくつかの材料（またはそれらの混合物、懸濁物質、または懸濁液）は以下の通りであるが、これらに限定されない。
１．チタン酸バリウム
２．その他のペロブスカイト混合金属チタン酸塩
３．フェライト
４．無機酸化物
５．空気
６．有機アルコール
７．波を透過し得る有機材料
８．導電性金属
９．半導体材料
１０．炭素の種（グラファイト、グラフェン、フラーレンなど）
１１．高調波発生を介して他の周波数でそれ自体が共振する材料（リン光物質、ローダミンなど）
１２．水または溶解した塩を有する水、液体、または他の種が懸濁されたまたは均質な水

材料を使用して、空洞を部分的に満たすかまたは完全に満たして、エタロン空洞への熱伝導のための経路を提供するにことができる。負荷５４０は、抵抗素子を有する負荷などの任意の所望の電気負荷とし得る。ｄＶ/ｄｔ装置５５０は、上記のものと同様である。

装置の例として、以下のコンポーネントのセットを使用することができる。
１．変圧器（結合インダクタ）、１０：１の変圧比、２Aの定格電流、７００uHの2次インダクタンス
２．０．０１uF、１０００Vセラミックキャパシタ
３．２５４uHフェライトシングルインダクタ、１０Aインダクタ
４．銅管（外径５/８インチ×内径１/２インチ×長さ２４インチ）
５．粉末フェライト（１２５メッシュ）
６．抵抗負荷（１１０オーム、１００W金属皮膜抵抗器）
７．２ピース銅線（１０ＡＷＧ×１インチ長）
８．ツェナーダイオード（１N５３８８）

図１に示される概略図を使用して説明すると、最初に銅管にフェライト粉末が充填される。それぞれ１本の銅線が管の各端に挿入され、回路の残部に接続するために使用される。変圧器は、１Ｈｚから数ギガヘルツの周波数のパルス電流源によって駆動される。必要な正確な周波数は、変圧器の一次側を駆動するために必要な電力に対する、生成される電力の比を最大化することによって調整することができる。変圧器の二次側は、銅管内の一つの銅線に取り付けられる。残りの銅線を有する銅管の他端は、ツェナーダイオードなどの負性抵抗装置に取り付けられる。ダイオードの他端はインダクタに取り付けられる。残りの接続は、変圧器の出力の二次側に戻される。電気エネルギーは、上記の二次回路のほぼすべての部分に、共振回路で生成された電圧へのタップとして、キャパシタを取り付けることによって取得することができる。キャパシタの残りのリード線は、オプションとして、従来の方法で整流回路に接続して、ＡＣ、パルスＤＣ、または平滑化ＤＣの出力にさらに変換することができる。

図６は、一実施形態による電力を発生させるためのフローチャートである。プロセスブロック６１０において、パルス発生器などによって、パルスの連続ストリームが発生される。パルス発生器は、１００V/μｓまたは１０，０００～１００，０００V/μｓまたはそれ以上のｄＶ/ｄｔを持つパルスを発生させることができる。特定の使用例では、３～１０V/μｓが使用される。場合によっては、１Ｖ/μｓを使用することができる。プロセスブロック６２０において、パルスの連続ストリームが貫通空洞を有する管に印加される。管は導電性とすることができ、空洞を通して流体を連続的にポンプで送ることができる（プロセスブロック６３０）。流体は、ヒートシンクまたは他の発熱体によって暖められ得る。流体は管を通過するときにＣＶＥにより冷却され得る。プロセスブロック６４０において、流体の熱エネルギーの電気エネルギーへの変換に起因してパルス発生器によって出力された電力よりも大きな電力を有する電気信号を管から出力することができる。いくつかの実施形態では、発振器を使用して、パルス発生器よりも高い周波数でパルスを発生させることができる。

図７は、ＣＶＥ回路７００の別の実施形態を示す。回路７００は、発振器７０２を含み、発振器７０２は、キャパシタ７０４とインダクタ７０６とを含み、ＬＣまたはタンク回路を形成する。キャパシタ７０４とインダクタ７０６とは、電気素子７０８の両側に直列に結合されて示されているが、それらは直列に結合し、電気素子の片側に一緒に配置することもできる。回路７００は、熱源または複数の異なる熱源からの追加の熱７２２の吸収を可能にする追加の表面積を提供するヒートシンク７２０をさらに備える。ヒートシンク７２０は、電気素子７０８に熱的に結合されて、それらの間の熱伝達（例えば、直接接触）を可能にすることができる。熱源は、ヒートシンクが存在する周囲空気を含む電気素子７０８よりも温かい任意の熱源を含むことができる。回路７００は、前述の回路と同様に動作することができ、パルス発生器７３０は、単一の電気パルス、または高いｄＶ／ｄｔ比を有する一連の電気パルスのいずれかを発生させることができる。発振器７０２は、各パルスに応答して振動信号を発生させることができ、電気素子７０８は、冷却し、パルス発生器７３０によって出力された電気パルスの電力を増加させることによって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。ヒートシンク７２０は、熱７２２を吸収して、電気エネルギーに変換可能な一定の熱エネルギー源を電気素子７０８に提供することができる。したがって、負荷７４０に提供される電力は、パルス発生器７３０によって生成される電力よりも大きくなる。

ＣＶＥ変圧器のさらなる利点は、事実上、任意の周波数または周波数の混合を有する実質的に任意の電気入力の形態（ＡＣ、ＤＣなど）を容易に受け入れることにある。また、電気出力が一貫して既知のＡＣ波形であり、幅広い電気のフォーマットに比較的簡単に変換できるという利点もある。所望の電気出力の波形及び電圧が入力と同じ場合でも、ＣＶＥ変圧器は、入力波形を除去し、「クリーニング」し、より一貫した指定の出力にするという価値をもたらすことができる。スプリアスＡＣ信号、ＤＣオフセット、およびその他の形態の不特定の電力汚染を除去することができる。さらに、入力波形の周波数範囲は、入力の高周波成分と低周波成分との両方を同時に使用するために回路を何ら変更する必要なく、出力の周波数範囲より高くすることも低くすることもできる。したがって、入力の全エネルギー量をより容易に利用することができる。これは、電気信号の単純な整流が非常に非効率であり得る数百ｋＨｚを超える周波数を有する入力電力にとって特に有用である。

ＣＶＥ変圧器から利益を得ることができる用途には、電子機器や電気用品に影響を与える可能性のある、落雷、核爆発、化学兵器、太陽関連現象、およびその他の高エネルギーイベントからの電気エネルギーインパルスに起因する大量の電気輸送における電気ノイズの抑制が含まれるが、これらに限定されない。他の熱またはエネルギー源の電気出力への変換による追加エネルギーとともに、１つ以上の電気入力を補充する必要がある他の用途も有効な用途であり得る。

電気エネルギー以外の他の形態のエネルギーを「ＣＶＥ変圧器」に入力することもできる。エネルギー入力は、熱または熱に変換できるエネルギー源のいずれかである。例としては、運動エネルギー（フライホイール）、音響、光、電磁の放射、磁気、化学、核（原子）、および重力のポテンシャルがある。これらのエネルギー源はすべて、最終的に熱エネルギーの生成につながる。

図８は、使用可能なＣＶＥドライブ８０２（破線で示す）を含むＣＶＥ回路８００の別の例である。この例では、電圧源８１０をスイッチ８１２と共に使用して、パルスのストリームを供給することができる。スイッチ８１２は、マイクロプロセッサ（図示せず）によって制御することができる。スイッチ８１２は、インダクタ８２２の第１の巻線８２０に結合される。インダクタ８２２の第２の巻線８２４は、直列に結合されたキャパシタ８３０とインダクタ８３２に結合され、二次発振器として使用される。エタロン８４０は、電気素子として使用することができ、キャパシタ８３０とインダクタ８３２とによって形成される二次発振器と連動して、電圧源８１０とスイッチ８１２とによって生成されるパルスの冷却効果を使用して、熱から電気エネルギーへのエネルギー変換を提供する。エタロン８４０への熱の注入により、電圧源８１０により供給されるよりも増加したエネルギーを負荷回路８５０に供給することができる。

図９は、エタロンとして機能する銅線９２０に結合されたＣＶＥドライブ９１０（上記の任意のＣＶＥ回路であり得る）を示す。ＣＶＥドライブは電気負荷９３０にも結合することができる。銅線９２０は、絶縁体の周りに巻き付けられ、熱吸収システム９４０内に配置され得る。熱吸収システム９４０は、銅線９２０より大きい表面積および重量を有する金属ヒートシンクとすることができる。あるいは、熱吸収システム９４０は、水が銅線よりも大きな表面積を有するような、例えば銅線が水中に沈められている液体ベースのものとしてもよい。したがって、多様な異なる熱吸収システムを使用することができる。

電気エネルギー以外の他の形態のエネルギーをＣＶＥドライブに入力することができる。エネルギー入力は、熱源または熱に変換できるエネルギー源のいずれかである。例としては、運動エネルギー (フライホイール)、音響、光、電磁の放射、磁気、化学、核（原子）、および重力のポテンシャルがある。これらのエネルギー源はすべて、最終的に熱エネルギーの生成を引き起こす。

ワイヤ９２０と接触できる熱エネルギー源は多数あり得る。任意の数の熱エネルギー源はすべて、熱吸収システム９４０内に含まれる熱エネルギーに均一化される。いかなる熱も電気エネルギーに変換できるため、熱エネルギーの源および特性は重要ではない。この回路は、熱エネルギーの源が既知の方法によって他の形態の電気エネルギーに変換することが通常困難である場合に有利である。例としては、マルチギガヘルツのマイクロ波、低周波ＡＣ、低電圧ＤＣおよびＡＣ、基準化されていないＡＣおよびＤＣ電位、非常に高電圧のＡＣおよびＤＣなどがある。エネルギーは、赤外線、可視光線、紫外線、およびより高い周波数の領域の電磁波の場合、熱に変換されてから電気エネルギーに変換される。さらに、低品位の廃熱を有用な電気出力に変換することができる。

更なる利点として、ＣＶＥ回路は、事実上、任意の周波数または周波数の混合を有する実際に任意の電気入力の形態（ＡＣ、ＤＣなど）を実質的に受け入れる能力を含む。また、ＣＶＥ回路は、その電気出力が一貫して既知のＡＣ波形であり、広範な電気のフォーマットに比較的簡単に変換できるという利点も有する。所望の電気出力の波形および電圧が入力と同じである場合でも、ＣＶＥ回路は、入力波形を除去し、「クリーニング」し、より一貫した指定の出力にするという価値を提供することができる。スプリアスＡＣ信号、ＤＣオフセット、およびその他の形態の不特定の電力汚染を除去することができる。さらに、入力波形の周波数範囲は、入力の高周波成分と低周波成分との両方を同時に使用するために回路を何ら変更する必要なく、出力の周波数範囲より高くすることも低くすることもできる。したがって、入力の全エネルギー量をより容易に利用することができる。これは、電気信号の単純な整流が非常に非効率であり得る数百ｋＨｚを超える周波数を有する入力電力に有用であり得る。

ＣＶＥ回路から利益を得ることができる用途には、電子機器や電気用品に影響を与える可能性のある、落雷、核爆発、化学兵器、太陽関連現象、および他の高エネルギーイベントからの電気エネルギーインパルスに起因する大量電気輸送における電気ノイズの抑制が含まれるが、これらに限定されない。他の熱またはエネルギー源の電気出力への変換からの追加エネルギーとともに、１つまたは複数の電気入力を補充する他の用途も使用することができる。

図１０は、ＣＶＥドライブ１０１０が太陽電池パネルの過熱に適用可能であることを示している。この電気回路は、光起電力面１０３０の背後に取り付けられた銅面などの導電性材料の面１０２０に電気スイッチパルスを提供する能力を有する。導電性材料１０２０は取付面１０３２に取り付けることができる。導電性材料１０２０は、パルスで駆動されるＣＶＥドライブ１０１０に応答して冷却する。導体１０２０は、回路の出力１０４０でＡＣ電圧を発生させながら、光起電力面１０３０から低グレードの廃熱を吸収する。取付面１０３２は、不注意による接触から導体１０２０を保護し、外部環境に対する熱障壁も提供することができる。

図１１は、実質的に任意の周波数の実質的に任意の電圧源または任意の他の潜在的な熱源を単一の制御されたＡＣ電圧出力に変換できる別の実施形態を示す。装置の入力において、装置は、広範囲の電圧、電流、および周波数にわたるＡＣ、ＤＣ、パルスＤＣ、またはそれらの混合の電気エネルギーを吸収し、熱エネルギーを直接または電磁吸収によって吸収する。装置は、入力された電気エネルギーを吸収し、エネルギーを熱エネルギーに変換することができ、その後、熱エネルギーを、その入力にどのような電気、電磁気、または熱エネルギーの混合物が与えられたかによらず、単一の電気エネルギーフォーマットにおける出力として電気エネルギーの形態に変換することができる。

ＣＶＥドライブ１１１０の電気エネルギーの出力をさらに変換するための回路は、電気エネルギーを他の電気仕様に変換するために、オプションとして、接続され得る。ＣＶＥドライブ１１１０のＡＣ出力は、６～３００ｋＨｚで０～６００ＶＡＣの形式から、通常使用のほとんどすべてのＤＣまたはＡＣの電圧および電流に変換されるのに特に適している。６０Ｈｚで１２０ＶＡＣまたは５０Ｈｚで２４０Ｖなどの電圧は、容易にその出力に追加され得る。３.３、５、９、１２、２４、４８、９６、２００、４００ＶＤＣなどのＤＣ電圧も、容易にその出力に追加され得る。

熱吸収システム１１２０は、熱素子を収容するための熱的に隔離された箱、または単に偶発的な接触を防ぐための箱とすることができ、またそれはまったく使用されなくてもよい。複数の抵抗器Ｒ１－ＲＮが、電気エネルギー源の入力用の熱吸収システム内に示されている。入力の数は０～Ｎの範囲とすることができ、Ｎは任意の整数値である。複数の電圧電流源がある場合、入力は、「リターン」のラベル記号で表されるように、さまざまな源のリターンラインに個別に接続された幾つかの異なる抵抗で構成することができる。ある電圧/電流源から他の電圧/電流源への「クロストーク」を防ぐために、複数のリターンが必要になることがあり得る。抵抗の値は、入力源から必要とされる電力、ならびにその電圧および電流の特性によって決まる。典型的には、抵抗加熱素子は、安全のために、熱伝導性であるが電気的に非伝導性であるハウジング内に封入されるように作られる。典型的な抵抗入力に供給された電気信号は、熱に変換される。次いで、熱吸収システム１１２０の非導電性ハウジングの内部は、ＣＶＥドライブ１１１０に結合された導体１１３０と熱的に接触することができ、または代りに、抵抗素子は導体１１３０に直接取り付けられてもよい。抵抗素子は、電気信号をジュール熱により熱エネルギーに変換するためにカーボンコンポジション抵抗などの単純な抵抗素子で構成される。あるいは、抵抗素子は、可変抵抗を有し得るトランジスタなどの能動的に制御される電子素子であってもよい。他の可変抵抗素子が使用されてもよい。抵抗のワット数は、マイクロワットから数キロワット以上であってよい。

導体１１３０は、ＣＶＥドライブ１１１０に応答して冷却され、電気的ではない他の熱源、例えば、冷却モジュールへのインターフェースに適した熱特性を有する、加熱された空気、液体、および／または固体などと接触させることもできる。例として、熱吸収システム１１２０との単純な直接接触は、熱源を導体１１３０と直接熱伝導接触するように取り付けることによって行われてもよい。あるいは、ポンプ輸送液を使用して抵抗素子から導体１１３０へ熱を移動させるより複雑な方法が使用されてもよい。さらに、エリア１１２０は、電磁放射、誘導磁気加温、または他の熱エネルギー源によって加熱されてもよい。

出力は接続された負荷を有し、該負荷はＣＶＥドライブ１１１０のＡＣ（交流）電気出力をパルスＤＣ（直流）、ＤＣ、または所望の他の波形に変換する整流回路とすることができる。装置は、ほぼすべての電圧および波形、またはＡＣ／ＤＣ／パルスＤＣ形式の電気エネルギーを吸収することができる。０～５０ＧＨｚの熱エネルギーの入力を手軽に利用することができる。さらに、他の熱エネルギー源を追加して、ＣＶＥドライブ１１１０の出力の電力を高めることができる。熱吸収システム１１２０への光子エネルギーの印加も、追加の熱源として実施することができる。一例として、熱吸収システムの側面がＥＭ放射に対して光学的に透明である場合、導体１１３０は、放射を吸収して熱エネルギーに変換し、次いで電気出力に変換するために直接使用され得る。ＣＶＥドライブ１１１０は非常に低い温度差で作動できるので、通常、高温材料を導体１１３０自体と接触させる必要はない。これに関連して、通常は廃熱としか見なされない熱源からの熱を熱エネルギーの優れた供給源として使用することができる。

図１２は、ＣＶＥドライブ１２１０を使用する別の用途を示す。ＣＶＥドライブ１２１０は、熱吸収システム１２２２内の導体１２２０を冷却することができる。原子炉パイル１２３０は、熱吸収システム１２２２に隣接することができる。導体１２２０の冷却効果は、原子炉パイル１２３０からの廃熱を吸収するために使用することができ、その熱エネルギーをＣＶＥドライブ１２１０によって電気エネルギーに変換して出力に送ることができる。 ＣＶＥドライブは廃熱を電気エネルギーに変換するだけでなく、エネルギー生成装置の安全性も高める。原子炉パイルからの伝熱素子のためのサーキュレータをなくすことによって、装置は、はるかに低い温度レベルで機能し得る固体原子炉とすることができる。原子炉パイルは、熱吸収システム１２２２内で崩壊し、導体１２２０のために熱を生成する放射性物質の容器とすることができる。アクティブ制御チェーンプロセスによるアクティブ核反応は、望ましくなく、不要にすることができる。熱源を大幅に簡素化するために密封された容器の放射性熱源が使用され得る。

原子炉自体からの放射性廃棄物は、この変換器の低レベルの熱源としても機能し、タービンを作動させるための高温蒸気の必要性を回避することができる。この場合、低温原子炉を使用することで、原子炉自体の周囲の物理的安全性を中性子の全体的な密度とともに高めることができる。

核熱源をＣＶＥドライブ１２１０にペアリングするこの方法は、宇宙船に電力を供給するためにも使用することができる。宇宙船が必要とする燃料は核放射性物質であり得るが、低温でのＣＶＥドライブの効率のために原子炉自体ははるかに低い温度で動作する可能性がある。このため、より重いシールドおよび封じ込めの必要性が減り、電力の寿命が長くなる。

ＣＶＥドライブ１２１０からの直接（未修正標準）電気出力は、１０Ｈｚから７５０ＭＨｚの範囲の中周波数ＡＣ信号であり得るが、正確な周波数はこれらの境界の外にあってもよい。正確な周波数は、導体１２２０の形状、長さ、および材料によって決まる。この標準出力は、それを使用できる任意の用途のために、さまざまな「負荷」により直接使用することができる。装置の直接出力を使用できる用途には、抵抗発熱素子、誘導コイル、および ＡＣ整流素子が含まれる。誘導素子および整流素子は、ＣＶＥドライブ１２１０の直接出力（ＡＣ）を他の電気エネルギー波形に変換するためのさらなる回路を含み得る。

図１３は、一実施形態による方法のフローチャートである。プロセスブロック１３１０において、パルスの連続ストリームが発生する。例えば、図１において、パルス発生器１０５がインダクタ１１０へのパルスのストリームを発生させることができる。他の例として、図３のパルス発生器３１０または図７のパルス発生器７３０を使用することができる。さらに、電圧源８１０をスイッチ８１２と共に使用して、パルスの連続ストリームを発生させることができる。プロセスブロック１３２０において、パルスの連続ストリームが、熱源から熱を受け取る導体に印加される。導体は、図４の４４０で示されるように、エタロンとすることができる。あるいは、導体はワイヤとしてもよい。熱源は、複数の異なるタイプの熱源のいずれであってもよい。例えば、熱源は、図１０に示されるように、ソーラーパワーに関連付ける、または図１２に示されるように、原子炉パイルに関連付けることができる。事実上すべての熱源または複数の熱源の組み合わせを使用することができる。プロセスブロック１３３０において、電気信号を導体から出力させ、図７の負荷７４０などの出力負荷に供給することができる。出力電気信号は、１つまたは複数の熱源からの熱を電気エネルギーに変換することによって高めることができる。

以下の番号付きパラグラフは、本明細書の実施形態の要約である

パラグラフ１．パルスの連続ストリームを発生させるためのパルス発生器と、
前記パルス発生器に結合され、前記パルスの連続ストリームに応答して冷却するように構成された導体と、
前記導体に隣接して配置された熱源と、
前記導体から放出された電気出力を受け取るための出力部と、
を備える、電気エネルギーを発生させるための回路。

パラグラフ２．前記導体がチューブである、パラグラフ１に記載の回路。

パラグラフ３．前記チューブには真空より大きい所定の誘電率または透磁率を有する材料が充填されている、パラグラフ１または２に記載の回路。

パラグラフ４．前記チューブを通して流体を送るポンプをさらに含む、パラグラフ１～３のいずれかに記載の回路。

パラグラフ５．前記流体が前記チューブと熱を交換し、前記熱源が前記流体に熱を供給する、パラグラフ１～４のいずれかに記載の回路。

パラグラフ６．前記導体が内部に空洞を有するチューブであり、半導体または金属が前記空洞を少なくとも部分的に満たしている、パラグラフ１～５のいずれかに記載の回路。

パラグラフ７．前記熱源が光起電力表面から熱を受け取る、パラグラフ１～６いずれかに記載の回路。

パラグラフ８．前記熱源が原子炉パイルから熱を受け取る、パラグラフ１～７のいずれかに記載の回路。

パラグラフ９．パルスの連続入力ストリームを発生させるステップと、
熱源から熱を受け取る導体に前記パルスの入力ストリームを印加するステップであって、前記パルスの入力ストリームが前記導体を冷却するステップと、
前記導体から電気信号を出力するステップと、
を備える、電気エネルギーを発生させる方法。

パラグラフ１０．前記パルスの連続入力ストリームを負性抵抗を介して送信するステップをさらに含む、パラグラフ９に記載の方法。

パラグラフ１１．前記導体が内部に空洞を有するチューブである、パラグラフ９～１０に記載の方法。

パラグラフ１２．前記熱源が光起電力面である、パラグラフ９～１１に記載の方法。

パラグラフ１３．前記熱源が原子炉パイルである、パラグラフ９～１２に記載の方法。

パラグラフ１４．前記パルスの連続ストリームが第１の周波数であり、前記導体に結合された発振器回路を使用して、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の信号を発生させるステップをさらに含む、パラグラフ９～１３に記載の方法。

パラグラフ１５．前記導体がチューブであり、該チューブを通して流体がポンプで送られ、該流体が熱源から熱を受け取る、パラグラフ９～１４に記載の方法。

パラグラフ１６．第１の電力を有する電気パルスの連続ストリームを発生させるパルス発生器と、
前記パルス発生器に結合され、電気エネルギーを負荷に提供するための導体であって、熱源から熱を受け取るように構成され、前記電気パルスの連続ストリームに応答して冷却するように構成された導体と、
を備える、電気エネルギーを発生させるための装置。

パラグラフ１７．前記導体が、前記熱を受け取り、前記熱を電気エネルギーに変換するように構成されたチューブである、パラグラフ１６に記載の装置。

パラグラフ１８．前記チューブと直列に結合された発振器をさらに含み、前記電気パルスが第１の周波数であり、前記発振器が、第１の周波数より高い第２の周波数でパルスを発生させる、パラグラフ１６～１７に記載の装置。

パラグラフ１９．前記発振器と直列に結合されたサイリスタをさらに含む、パラグラフ１６～１８に記載の装置。

パラグラフ２０．前記電気パルスの連続ストリームが第１の周波数であり、前記導体に結合された発振器回路を使用して、前記第１の周波数より高い第２の周波数で信号を発生させるステップをさらに含む、パラグラフ１６～１９に記載の装置。

開示された発明の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すれば、例示された実施形態は、本発明の望ましい例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことを理解されたい。むしろ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって定義される。したがって、我々は、これらの特許請求の範囲内に入るすべてを我々の発明として請求する。

Claims (20)

1. パルスの連続ストリームを発生させるためのパルス発生器と、
   前記パルス発生器に結合され、前記パルスの連続ストリームに応答して冷却するように構成された導体と、
   前記導体に隣接して配置された熱源と、
   前記導体から放出された電気出力を受け取るための出力部と、
   を備える、電気エネルギーを発生させるための回路。
2. 前記導体がチューブである、請求項１に記載の回路。
3. 前記チューブには真空より大きい所定の誘電率または透磁率を有する材料が充填されている、請求項２に記載の回路。
4. 前記チューブを通して流体を送るポンプをさらに含む、請求項２に記載の回路。
5. 前記流体が前記チューブと熱を交換し、前記熱源が前記流体に熱を供給する、請求項４に記載の回路。
6. 前記導体が内部に空洞を有するチューブであり、半導体または金属が前記空洞を少なくとも部分的に満たしている、請求項１に記載の回路。
7. 前記熱源が光起電力表面から熱を受け取る、請求項１に記載の回路。
8. 前記熱源が原子炉パイルから熱を受け取る、請求項１に記載の回路。
9. パルスの連続入力ストリームを発生させるステップと、
   熱源から熱を受け取る導体に前記パルスの入力ストリームを印加するステップであって、前記パルスの入力ストリームが前記導体を冷却するステップと、
   前記導体から電気信号を出力するステップと、
   を備える、電気エネルギーを発生させる方法。
10. 前記パルスの連続入力ストリームを負性抵抗を介して送信するステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記導体が内部に空洞を有するチューブである、請求項９に記載の方法。
12. 前記熱源が光起電力面である、請求項９に記載の方法。
13. 前記熱源が原子炉パイルである、請求項９に記載の方法。
14. 前記パルスの連続ストリームが第１の周波数であり、前記導体に結合された発振器回路を使用して、前記第１の周波数よりも高い第２の周波数の信号を発生させるステップをさらに含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記導体がチューブであり、該チューブを通して流体がポンプで送られ、該流体が熱源から熱を受け取る、請求項９に記載の方法。
16. 第１の電力を有する電気パルスの連続ストリームを発生させるパルス発生器と、
    前記パルス発生器に結合され、電気エネルギーを負荷に提供するための導体であって、熱源から熱を受け取るように構成され、前記電気パルスの連続ストリームに応答して冷却するように構成された導体と、
    を備える、電気エネルギーを発生させるための装置。
17. 前記導体が、前記熱を受け取り、前記熱を電気エネルギーに変換するように構成されたチューブである、請求項１６に記載の装置。
18. 前記チューブと直列に結合された発振器をさらに含み、前記電気パルスが第１の周波数であり、前記発振器が、第１の周波数より高い第２の周波数でパルスを発生させる、請求項１７に記載の装置。
19. 前記発振器と直列に結合されたサイリスタをさらに含む、請求項１８に記載の装置。
20. 前記電気パルスの連続ストリームが第１の周波数であり、前記導体に結合された発振器回路を使用して、前記第１の周波数より高い第２の周波数の信号を発生させるステップをさらに含む、請求項１６に記載の装置。

Images