特表 2023-528676 熱機関及び製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-07-05

(54)【発明の名称】熱機関及び製造方法

(51)【国際特許分類】

   F03G 7/00 20060101AFI20230628BHJP

【ＦＩ】

F03G7/00 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022576008

(86)(22)【出願日】2020-12-22

(85)【翻訳文提出日】2023-02-01

(86)【国際出願番号】 GB2020053348

(87)【国際公開番号】W WO2021250365

(87)【国際公開日】2021-12-16

(31)【優先権主張番号】2008912.4

(32)【優先日】2020-06-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521338961

【氏名又は名称】カトリック テクノロジーズ リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＫＡＴＲＩＣＫ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001302

【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル

(72)【発明者】

【氏名】ヴェラユサム，カーティキヤン

(57)【要約】

熱機関が開示される。熱機関は、ハウジング（１）と、ハウジング（１）内に配置された第１液体（３）及び第２液体（４）と、を備える。第１液体（３）は、第２液体（４）よりも高い密度及び低い沸点を有する。熱機関は、第１液体（３）に熱を伝達して第１液体（３）を蒸発させ、第１液体蒸気（２０）を生成する熱交換器（６）をさらに備える。熱機関は、第１液体蒸気（２０）及び第２液体（４）の相互作用によって生成された流体流れに応答して移動する少なくとも１つの流体流れ部材（９）も備える。第１液体の気液相変化は、多くの利点を有する、熱を仕事に変換する代替機構を提供する。熱機関は、最小限の可動部品、相対的に長い寿命を有しており、特定の燃料を必要とせず、有毒又は環境に優しくないガスを直接放出せず、かつ、特定の廃熱源に適応可能である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ハウジングと、
前記ハウジング内に配置された第１液体及び第２液体であって、前記第１液体は、前記第２液体よりも高い密度及び低い沸点を有している、第１液体及び第２液体と、
前記第１液体に熱を伝達して前記第１液体を蒸発させ、第１液体蒸気を形成する熱交換器と、
前記第１液体蒸気と前記第２液体との相互作用によって生成された流体流れに応答して移動する少なくとも１つの流体流れ部材と、を備える熱機関。

【請求項2】

前記ハウジングは密閉可能である、及び／又は、前記熱機関は密閉型熱機関である、請求項１に記載の熱機関。

【請求項3】

前記第１液体及び前記第２液体は前記ハウジングの内部容積を占有する、請求項１又は２に記載の熱機関。

【請求項4】

前記第１液体は前記ハウジングの第１部分内に配置され、かつ、前記第２液体は前記ハウジングの第２部分内に配置される、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項5】

前記第１液体は純水であり、かつ、前記第２液体はキシレンであり、及び／又は、前記
熱機関の作動温度範囲は１１０～１５０℃である、請求項１～４のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項6】

前記熱交換器は外部高温熱源から前記第１液体に熱を伝達する、請求項１～５のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項7】

前記熱交換器は、前記ハウジングの前記第１部分及び／又はパイプである、請求項１～６のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項8】

前記熱機関は１以上のペレットをさらに備え、前記１以上のペレットは、前記熱機関の前記内部容積内に配置され、前記第１液体及び／又は前記第２液体内に浮遊し、前記１以上のペレットの密度は前記第１液体の密度と前記第２液体の密度との間である、請求項１～７のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項9】

前記１以上のペレットは磁性を有する、請求項８に記載の熱機関。

【請求項10】

前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のロッドである、請求項１～９のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項11】

１以上のロッドは第１端及び第２端を備え、前記１以上のロッドの各第１端は前記ハウジングの内面に取り付けられ、かつ、前記１以上のロッドの各第２端は自由に動くことができる、請求項１０に記載の熱機関。

【請求項12】

前記１以上のロッドは前記内面周りに均一に分布する、及び／又は、前記１以上のロッドは前記内面に対して垂直に配向される、及び／又は、前記１以上のロッドは均一な寸法を有する、及び／又は、前記１以上のロッドは同じ材料組成を含む、請求項１１に記載の熱機関。

【請求項13】

前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のプレートであり、前記１以上のプレートは１以上の穿孔を備える、請求項１～９のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項14】

前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のダイアフラムであり、前記１以上のダイアフラムは１以上の穿孔を備える、請求項１～９のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項15】

前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のペレットである、請求項９に記載の熱機関。

【請求項16】

前記熱機関は凝縮ループをさらに備え、前記凝縮ループは、前記第１液体蒸気から外部低温ヒートシンク又は熱源に熱を伝達する、請求項１～１５のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項17】

前記熱機関はシンクをさらに備え、前記シンクは前記第１液体を含む、請求項１～１６のいずれか１項に記載の熱機関。

【請求項18】

請求項１～１７のいずれか１項に記載の熱機関と、エネルギー変換手段と、外部高温熱源と、を備える環境発電システム。

【請求項19】

前記環境発電システムは、外部低温ヒートシンク又は熱源をさらに備える、請求項１８に記載の環境発電システム。

【請求項20】

前記環境発電システムは振動レンズをさらに備えてもよい、請求項１８又は１９に記載の環境発電システム。

【請求項21】

前記振動レンズは少なくとも２つの集束部材を備え、前記少なくとも２つの集束部材の各々は、振動源に取り付けるための第１端と第２端とを有し、前記少なくとも２つの集束部材は、前記集束部材間の距離間隔が前記第１端から前記第２端に向かって減少するように配列される、請求項２０に記載の環境発電システム。

【請求項22】

前記少なくとも２つの集束部材は集束プレート及び／又は集束ロッドである、請求項２１に記載の環境発電システム。

【請求項23】

前記振動レンズの前記第１端は前記熱機関に固定され、かつ、前記エネルギー変換手段は、前記少なくとも２つの集束部材の第３部分の間で前記振動レンズの前記第２端に配置される、請求項２１又は２２に記載の環境発電システム。

【請求項24】

前記エネルギー変換手段は１以上の圧電結晶及び／又は１以上のコイルである、請求項１８～２３のいずれか１項に記載の環境発電システム。

【請求項25】

ハウジングを提供するステップと、
前記ハウジング内に配置された第１液体及び第２液体を提供するステップであって、前記第１液体は、前記第２液体よりも高い密度及び低い沸点を有する、提供するステップと、
前記第１液体を蒸発させて第１液体蒸気を形成する熱交換器を提供するステップと、
前記第１液体蒸気と前記第２液体との相互作用によって生成された流体流れに応答して移動する少なくとも１つの流体流れ部材を提供するステップと、を含む熱機関を製造する方法。

【請求項26】

熱機関を製造する前記方法は、外部高温熱源の特性を決定するステップをさらに含む、請求項２５に記載の熱機関を製造する方法。

【請求項27】

熱機関を製造する前記方法は、前記外部高温熱源とともに使用するための熱機関の最適パラメータを決定するステップをさらに含む、請求項２５又は２６に記載の熱機関を製造する方法。

【請求項28】

請求項２５～２７のいずれか１項に記載の方法に従って熱機関を提供するステップと、
外部高温熱源を提供するステップと、
エネルギー変換手段を提供するステップと、を含む、環境発電システムを製造する方法。

【請求項29】

環境発電システムを製造する前記方法は、振動レンズを提供するステップを含んでもよい、請求項２８に記載の環境発電システムを製造する方法。

【請求項30】

振動レンズを提供するステップは、
各々が第１端及び第２端を有する少なくとも２つの集束部材を提供するステップと、
前記少なくとも２つの集束部材の間の距離間隔が前記第１端から前記第２端に向かって減少するように、前記少なくとも２つの集束部材を配列するステップと、を含む、請求項２９に記載の環境発電システムを製造する方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は熱機関及び製造方法に関する。特に、説明される熱機関は、流体の相変化を利用して熱エネルギーを力学的エネルギーに変換する。

【背景技術】

【0002】

熱機関は、熱を仕事に、すなわち言い換えると、熱エネルギーを力学的エネルギーに変換する循環装置である。概して、熱機関には、ガス又は流体などの作動物質が含まれ、作動物質は、高温のリザーバから熱を吸収し、その周囲に働きかけ、かつ、その初期状態に戻る際に熱を放出する。内燃機関など、この基本原理で作動する当技術分野で知られている多数のさまざまなタイプの熱機関が存在する。

【0003】

熱機関の作動物質は、圧力、温度及び体積の変化と、熱の追加及び除去と、を周期的に受ける。例えば、内燃機関内では、燃料空気混合物を含むガスが圧縮された後に点火され、続いてガスを膨張させてピストンを駆動する。ピストンの運動は、点火されたガスを排出し、かつ、サイクルを継続するために、点火されていないガスを引き込むように構成されている。

【0004】

普及しているにもかかわらず、内燃機関には多くの欠点がある。内燃機関は、作動するために燃料を必要とし、かつ、外部高温（Ｔ_Ｈ）源からの廃熱で作動することはできない。燃料を点火してピストンを駆動する必要があり、これは、騒音を発生させ、かつ、多数の可動部品を必要とする。これらの部品は、経時的な使用によって劣化して破損する可能性があり、定期的なメンテナンスを必要とし、かつ、最終的にエンジンの寿命を制限する。さらに、内燃機関に適した燃料は、典型的には、高価で精製されたガス状又は液体の炭化水素化合物に限定される。さらに、燃料の燃焼により、望ましくない有毒で環境に優しくないガスを生じさせる。内燃機関は、拡張性にも欠けるので、大規模な発電には適していない。

【0005】

外燃機関は、熱交換器又はエンジン壁を通じて作動流体を加熱する外部高温（Ｔ_Ｈ）源によって作動する。熱により作動流体が膨張してピストンを駆動する。蒸気エンジンなどの外燃機関は、多くのタイプの熱源を利用することができ、かつ、このようなエンジンは広く使用されている。それにもかかわらず、これらのエンジンは通常、大規模な発電に適しているので、大きく、重く、高価な装置であり、安全ではなく、相対的に非効率である可能性がある。外燃機関はまた、騒音を発生させ、かつ、メンテナンスを必要とする可動部品を備えている。

【発明の概要】

【0006】

本発明の一態様は、当技術分野で知られている熱機関の前述の欠点のうちの１以上を除去する又は少なくとも軽減する熱機関を提供することを目的とする。

【0007】

本発明の第１態様によれば、熱機関が提供され、前記熱機関は：
ハウジングと；
前記ハウジング内に配置された第１液体及び第２液体であって、前記第１液体は、前記第２液体よりも高い密度及び低い沸点を有している、第１液体及び第２液体と；
前記第１液体に熱を伝達して前記第１液体を蒸発させ、第１液体蒸気を形成する熱交換器と；
前記第１液体蒸気と前記第２液体との相互作用によって生成された流体流れに応答して移動する少なくとも１つの流体流れ部材と、を備える。

【0008】

最も好ましくは、前記ハウジングは密閉可能である。前記熱機関は密閉型熱機関である。この構成では、作動中に前記第１液体及び／又は前記第２液体が追加されない及び／又は除去されない。

【0009】

好ましくは、前記第１液体及び前記第２液体は前記ハウジングの内部容積を占有する。前記第１液体及び前記第２液体は前記ハウジングの前記内部容積内で混ざり得る。

【0010】

好ましくは、前記第１液体は前記ハウジングの第１部分内に配置される。前記第２液体は前記ハウジングの第２部分内に配置される。

【0011】

最も好ましくは、前記第１液体は純水であり、前記第２液体はキシレンである。代替的に、前記第１液体は純水であり、前記第２液体はケロシンである。代替的に、前記第１液体はデカフルオロペンタンであり、前記第２液体は純水である。代替的に、前記第１液体はクロロホルムであり、前記第２液体は純水である。

【0012】

好ましくは、熱機関の作動温度範囲は１１０～１５０℃である。代替的に、熱機関の作動温度範囲は７０～９０℃である。

【0013】

好ましくは、前記熱交換器は外部高温熱源から前記第１液体に熱を伝達する。

【0014】

好ましくは、前記熱交換器は前記ハウジングの前記第１部分である。代替的に、前記熱交換器はパイプである。前記パイプは前記ハウジングの前記第１部分を通過してもよい。

【0015】

任意選択的に、前記熱機関は１以上のペレットをさらに備えてもよい。前記１以上のペレットは前記熱機関の前記内部容積内に配置される。前記１以上のペレットは前記第１液体及び／又は前記第２液体内に浮遊している。前記１以上のペレットの密度は前記第１液体の密度と前記第２液体の密度との間である。前記ペレットは、前記第１液体、前記第２液体及び／又は前記第１液体蒸気と化学的に反応しない。好ましくは、前記ペレットは磁気的に中性を有する。代替的に、前記ペレットは磁性を有する。

【0016】

最も好ましくは、前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のロッドの形態をとってもよい。前記１以上のロッドは第１端及び第２端を備えてもよい。前記１以上のロッドの前記第１端は前記ハウジングの内面に取り付けられることが好ましい。前記１以上のロッドは前記ハウジングの前記内部容積内に延在してもよい。前記１以上のロッドの前記第２端は自由に動くことが好ましい。前記１以上のロッドの前記第２端は前記ハウジングの中心軸線に向かって配置されることが好ましい。

【0017】

好ましくは、前記１以上のロッドは前記内面周りに均一に分布される。代替的に、前記１以上のロッドは前記内面周りに不均一に分布される。

【0018】

好ましくは、前記１以上のロッドは前記内面に対して垂直に配向される。代替的に、前記１以上のロッドは前記内面に対して非垂直に配向される。

【0019】

好ましくは、前記１以上のロッドは均一な寸法を有する。代替的に、前記１以上のロッドは不均一な寸法を有する。

【0020】

好ましくは、前記１以上のロッドは、同じ材料組成を含む。前記１以上のロッドは真ちゅうを含んでもよい。代替的に、前記１以上のロッドは、異なる材料組成を含む。

【0021】

任意選択的に、前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のプレートの形態をとってもよい。前記１以上のプレートは１以上の穿孔を備えることが好ましい。前記１以上のプレートは、前記ハウジングの円形断面の形態の寸法を有することが好ましい。前記１以上のプレートは前記ハウジングの前記内面に取り付けられてもよい。前記１以上のプレートは前記ハウジングの前記中心軸線に交差してもよい。

【0022】

任意選択的に、前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のダイアフラムの形態をとってもよい。前記１以上のダイアフラムは１以上の穿孔を備えてもよい。

【0023】

任意選択的に、前記少なくとも１つの流体流れ部材は１以上のペレットの形態をとってもよい。前記１以上のペレットは磁性を有する。

【0024】

好ましくは、前記ハウジングは入口ポート及び出口ポートを備える。前記入口ポート及び前記出口ポートは密閉可能であることが好ましい。

【0025】

任意選択的に、前記熱機関は凝縮ループをさらに備える。前記凝縮ループは、前記第１液体蒸気から外部低温ヒートシンク又は熱源に熱を伝達する。前記凝縮ループは、前記第１液体蒸気を凝縮し、かつ、前記ハウジングの前記第１部分に前記第１液体を戻すことが好ましい。

【0026】

任意選択的に、前記熱機関はシンクをさらに備える。前記シンクは前記第１液体を含んでもよい。前記シンクは前記ハウジングに接続されることが好ましい。前記シンクは、前記ハウジングの前記第１部分内の前記第１液体のレベルを維持する。

【0027】

本発明の第２態様によれば、本発明の第１態様に係る熱機関と、エネルギー変換手段と、外部高温熱源と、を備える環境発電システムが提供される。

【0028】

任意選択的に、前記環境発電システムは、外部低温ヒートシンク又は熱源をさらに備えてもよい。

【0029】

最も好ましくは、前記環境発電システムは振動レンズをさらに備えてもよい。

【0030】

好ましくは、前記振動レンズは少なくとも２つの集束部材を備え、前記少なくとも２つの集束部材の各々は、振動源に取り付けるための第１端と第２端とを有し、前記少なくとも２つの集束部材は、前記集束部材間の距離間隔が前記第１端から前記第２端に向かって減少するように配列される。

【0031】

最も好ましくは、前記少なくとも２つの集束部材は各々、前記第１端と前記第２端との間に配置された第１部分を備える。前記少なくとも２つの集束部材の前記第１部分は、前記少なくとも２つの集束部材が前記第２端で収束するように互いに対して角度を付けられる。

【0032】

好ましくは、前記少なくとも２つの集束部材は各々、前記第１端に配置された第２部分を備える。好ましくは、前記少なくとも２つの集束部材の前記第２部分は実質的に平行である。

【0033】

最も好ましくは、前記振動レンズはバックプレートをさらに備える。前記少なくとも２つの集束部材の前記第１端は前記バックプレートに固定されてもよい。前記少なくとも２つの集束部材の前記第２部分は前記バックプレートに固定されてもよい。

【0034】

好ましくは、前記少なくとも２つの集束部材は各々、前記第２端に配置された第３部分を備える。前記少なくとも２つの集束部材の前記第３部分は実質的に平行である。前記少なくとも２つの集束部材の前記第３部分は前記振動レンズの焦点を規定する。

【0035】

好ましくは、前記少なくとも２つの集束部材は真ちゅうを含む。

【0036】

任意選択的に、前記少なくとも２つの集束部材は２以上の層及び／又はコーティングを備える。前記２以上の層及び／又はコーティングは、異なる振動特性及び／又は熱特性を示してもよい。前記少なくとも２つの層及び／又はコーティングは、異なる寸法、材料、密度及び／又は結晶粒組織を含んでもよい。

【0037】

任意選択的に、前記少なくとも２つの集束部材は第１層及び第２層を備える。前記第１層は前記第２層に固定される。前記第１層は真ちゅうを含んでもよい。前記第２層は鋼を含んでもよい。

【0038】

任意選択的に、前記振動レンズは１以上のばねをさらに備える。前記１以上のばねは前記少なくとも２つの集束部材を接続する。

【0039】

任意選択的に、前記振動レンズは、前記少なくとも２つの集束部材のうちの１以上に取り付けられた１以上の重りをさらに備える。

【0040】

任意選択的に、前記振動レンズは動的制御システムをさらに備える。前記動的制御システムは、作動中に前記振動レンズの振動特性を変化させる。前記動的制御システムは、前記ばねの剛性を調整してもよい。前記動的制御システムは前記重りの位置及び／又は大きさを調整してもよい。

【0041】

任意選択的に、前記振動レンズは３つの集束部材を備えてもよい。

【0042】

最も好ましくは、前記集束部材は集束プレートである。

【0043】

代替的に、前記集束部材は集束ロッドである。

【0044】

最も好ましくは、前記振動レンズの前記第１端は前記熱機関に固定される。

【0045】

最も好ましくは、前記エネルギー変換手段は前記振動レンズの前記第２端に配置される。好ましくは、前記エネルギー変換手段は、前記少なくとも２つの集束部材の前記第３部分の間に配置される。

【0046】

任意選択的に、前記熱機関の前記ハウジングは、密閉可能な開口部をさらに備える。前記熱機関の前記ロッドは、前記振動レンズの前記集束部材に直接接続される。前記ロッドは前記密閉可能な開口部を通過する。

【0047】

好ましくは、前記エネルギー変換手段は１以上の圧電結晶である。追加的又は代替的に、前記エネルギー変換手段は、１以上のナノコイル及び／又は１以上のコイルである。

【0048】

代替的に、前記エネルギー変換手段はコイルである。前記コイルは、前記熱機関の前記ハウジング周りに巻き付けられてもよい。

【0049】

本発明の第２態様の実施形態は、本発明の第１態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実施するための特徴を備えてもよく又はその逆も同様である。

【0050】

本発明の第３態様によれば、熱機関を製造する方法が提供され、前記方法は、
ハウジングを提供するステップと、
前記ハウジング内に配置された第１液体及び第２液体を提供するステップであって、前記第１液体は前記第２液体よりも高い密度及び低い沸点を有する、提供するステップと、
前記第１液体を蒸発させて第１液体蒸気を形成する熱交換器を提供するステップと、
前記第１液体蒸気と前記第２液体との相互作用によって生成された流体流れに応答して移動する少なくとも１つの流体流れ部材を提供するステップと、を含む。

【0051】

好ましくは、熱機関を製造する前記方法は、外部高温熱源の特性を決定するステップをさらに含んでもよい。

【0052】

好ましくは、前記外部高温熱源の特性を決定するステップは、前記外部高温熱源の温度、エネルギー、出力、変動及び／又は持続時間を決定するステップを含んでもよい。

【0053】

好ましくは、熱機関を製造する前記方法は、前記外部高温熱源とともに使用するための熱機関の最適パラメータを決定するステップをさらに含んでもよい。

【0054】

好ましくは、前記外部高温熱源とともに使用するための熱機関の最適パラメータを決定するステップは、前記外部高温熱源の特性を利用するステップをさらに含んでもよい。

【0055】

好ましくは、熱機関の最適パラメータを決定するステップは、前記熱機関の寸法；前記第１液体及び前記第２液体の体積、相対比及び化学組成；前記少なくとも１つの流体流れ部材の分布、配向、寸法及び／又は材料組成；前記高温（Ｔ_Ｈ）熱源への前記熱機関の作動上の近接性；凝縮ループが必要とされるかどうか；及び、シンクが必要とされるかどうか、を決定するステップを含んでもよい。

【0056】

本発明の第３態様の実施形態は、本発明の第１態様及び／又は第２態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実装するための特徴を備えてもよく又はその逆も同様である。

【0057】

本発明の第４態様によれば、環境発電システムを製造する方法が提供され、前記方法は、
本発明の第３態様に係る熱機関を提供するステップと、
外部高温熱源を提供するステップと、
エネルギー変換手段を提供するステップと、を含む。

【0058】

好ましくは、環境発電システムを製造する方法は、外部低温ヒートシンク又は熱源を提供するステップを含む。

【0059】

好ましくは、環境発電システムを製造する方法は、振動レンズを提供するステップを含んでもよい。

【0060】

好ましくは、振動レンズを提供するステップは、
各々が第１端及び第２端を有する少なくとも２つの集束部材を提供するステップと、
前記少なくとも２つの集束部材の間の距離間隔が前記第１端から前記第２端に向かって減少するように、前記少なくとも２つの集束部材を配置するステップと、を含む。

【0061】

好ましくは、振動レンズを提供するステップは、前記熱機関の特性を決定するステップをさらに含む。

【0062】

好ましくは、前記熱機関の特性を決定するステップは、前記熱機関の寸法、少なくとも１つの流体流れ部材の寸法、及び、任意の機械的振動の周波数特性のパラメータのうちのいずれか１つを定量化するステップを含む。

【0063】

好ましくは、振動レンズを提供するステップは、前記熱機関とともに使用するための前記振動レンズの最適パラメータを決定するステップをさらに含んでもよい。

【0064】

好ましくは、振動レンズの最適パラメータを決定するステップは、前記少なくとも２つの集束部材の最適な長さ、幅及び／又は深さ；及び／又は、前記少なくとも２つの集束部材の前記第１端の最適な距離間隔；及び／又は、前記少なくとも２つの集束部材の前記第２端の最適な距離間隔；及び／又は、前記少なくとも２つの集束部材が収束するための最適な距離；及び／又は、前記少なくとも２つの集束部材に最適な単一の材料又は複数の材料；及び／又は、前記少なくとも２つの集束部材の単一の材料又は複数の材料の最適な熱膨張係数を決定するステップを含む。

【0065】

任意選択的に、最適なパラメータを決定するステップは、前記少なくとも２つの集束プレートの第１層及び第２層の深さ；前記第１層の材料；及び、前記第２層の材料を決定するステップを含んでもよい。前記第１層は真ちゅうを含んでもよい。前記第２層は鋼を含んでもよい。

【0066】

好ましくは、前記熱機関を提供するステップは、振動レンズを提供する前に実行される。

【0067】

任意選択的に、振動環境発電システムを製造する方法は反復的であってもよい。前記振動レンズを提供するステップの後に前記熱機関が最適化されてもよい。

【0068】

本発明の第４態様の実施形態は、本発明の第１態様、第２態様及び／又は第３態様の好ましい又は任意選択的な特徴を実装するための特徴を備えてもよく又はその逆も同様である。

【図面の簡単な説明】

【0069】

ここで、例としてのみ、図面を参照して本発明のさまざまな実施形態を説明する。

【0070】

【図1】本発明の一実施形態に係る熱機関の概略断面図を示している。

【図2】図１の熱機関の切り取り斜視図を示している。

【図3】作動中の図１の熱機関の概略断面図を示している。

【図4】作動中の図１の熱機関の代替の実施形態の概略断面図を示している。

【図5】図１の熱機関の代替の実施形態の切り取り斜視図を示している。

【図6】図１の熱機関を備える環境発電システムの概略断面図を示している。

【図7】図６の振動環境発電システム内で採用される振動レンズの斜視図を示している。

【図8】図７の振動レンズの概略断面図を示している。

【図9A】振動レンズが内燃機関に取り付けられた場合に、図７の振動レンズの第２端に配置された圧電結晶によって生成された電圧のプロットを示している。

【図9B】基準圧電結晶によって生成された電圧のプロットを示している。

【図10】図７の振動レンズの代替の実施形態の概略断面図を示している。

【図11】図７の振動レンズのさらに代替の実施形態の概略断面図を示している。

【図12】図７の振動レンズのさらに別の代替の実施形態の概略断面図を示している。

【図13】図６の環境発電システムの代替の実施形態の概略断面図を示している。

【図14】図１の熱機関を製造する方法のフローチャートを示している。

【図15】図６の代替の環境発電システムの概略断面図を示している。

【0071】

以下の説明において、同様の部品は、明細書及び図面全体を通じて同じ参照符号で示される。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、かつ、本発明の実施形態の詳細及び特徴をよりよく示すために、特定の部分の比率が誇張されている。

【発明を実施するための形態】

【0072】

ここで、図１～図１５を参照して本発明を説明する。

【0073】

熱機関
図１は、実質的に円筒形の密閉可能なハウジング２を備える熱機関１を示している。ハウジング２は、ステンレス鋼、具体的にはＳＡ５１６ ＧＲ．６５を含む。理解を容易にするため、図１には、ｒ、θ及びｚ軸を有する円筒座標系も示されている。

【0074】

熱機関１は、その両方がハウジング２内に配置された第１液体３及び第２液体４を含むことが分かる。第１液体３及び第２液体４はハウジング２の内部容積５を占有する。第１液体３は、第２液体４と比較して密度が高いが沸点が低い。したがって、第１液体３及び第２液体４はハウジング２内で自由に混ざることができるが、第１液体３は、ハウジング２の底部でハウジング２の第１部分６内に位置し、第２液体４は、ハウジング２の第２部分７内で第１液体３の上方に位置する。

【0075】

例として、第１液体３は純水であってもよく、第２液体４はキシレンであってもよい。純水の密度はキシレンの密度の約１．２倍であり、かつ、純水の沸点は、１００℃であり、キシレンの沸点である１３８．５℃よりも低い。純水及びキシレンは両方とも、室温（２０℃）及び室圧で液相状態にある。第１液体３及び第２液体４として純水及びキシレンを含む熱機関１は、１１０℃～１５０℃の温度での作動に適している。

【0076】

第１液体３及び第２液体４のさらなる例が、第１液体３及び第２液体４を含む熱機関１の作動温度範囲とともに表Ｉに提供される。表Ｉの第１液体３及び第２液体４のすべてが、室温（２０℃）及び室圧で液相状態にある。さらに、７０～９０℃より低い作動温度範囲など、表Ｉに詳述されているものとは異なる作動温度範囲が、表Ｉの開示された液体及び組み合わせを超える、さまざまな第１液体３及び第２液体４並びに第１液体３及び第２液体４のさまざまな組み合わせを使用することによって達成され得ることが理解される。

【0077】

表Ｉ：第１液体と、第２液体と、第１液体及び第２液体を含む熱機関の作動温度範囲との例

【0078】

熱機関１は、ある量の第１液体３を蒸発させるため、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８から第１液体３に熱を伝達する熱交換器も備える。第１液体３は、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源に直接曝されない、又は、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８からの熱を運ぶ任意の外部流体に直接曝されない。図１の実施形態では、熱交換器は、ハウジング２の第１部分６の形態をとる。

【0079】

熱機関１は、少なくとも１つの流体流れ部材９をさらに備える。図２から明らかに分かるように、少なくとも１つの流体流れ部材はロッド１０の形態をとる。各ロッド１０は第１端１１及び第２端１２を有する。ロッド１０の第１端１１は、ハウジング２の内面１３に取り付けられる。ロッド１０は、ハウジング２の内部容積５内に延在する。ロッド１０の第２端１２は、自由に動くことができ、かつ、ハウジング２の中心軸線１４に向かって配置される。ロッド１０は、ハウジング２の内面１３にわたってθ方向及びｚ方向の両方に分布している。ロッド１０は、ハウジング２の第２部分７に配置される。図１～図３は、ロッド１０を、内面１３周りに均一に分布し、内面１３に対して垂直に配向され、かつ、長さなどの寸法がすべて均一であるものとして示している。比較的高い密度がすべての移動又は力学的振動を効果的に伝達するので、ロッド１０は青銅及び／又は真ちゅうから形成されてもよい。

【0080】

ハウジング２は、密閉可能な入口ポート１５及び密閉可能な出口ポート１６を備える。密閉可能な入口ポート１５は、ハウジング２の上端１７に配置されてハウジング２の第２部分７に通じ、かつ、ハウジング２内に第１液体３及び第２液体４を追加するための手段を提供する。同様に、密閉可能な出口ポート１６は、ハウジング２の基端１８に配置され、ハウジング２の第１部分６に通じ、かつ、ハウジング２から第１液体３及び第２液体４を排出するための手段を提供する。ハウジング２を正圧で満たして維持するため、第１液体３及び第２液体４は、ポンピングシステム１９によってハウジング２へ及びハウジング２からポンピングされてもよい。

【0081】

図３は、作動中の図１の熱機関１、言い換えると、熱エネルギーを力学的エネルギーに変換するステップを示している。熱機関１は、作動中に第１液体３及び第２液体４が追加又は除去されない密閉型機関である。ハウジング２の第１部分６は、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８に曝され、その結果、熱エネルギーがハウジング２を通じて第１液体３に伝達される。したがって、第１液体３の一部が蒸発して第１液体蒸気を形成する。第１液体蒸気は気泡２０の形態をとる。気泡２０は、第１液体３及び第２液体４の両方よりも低い密度を有する。したがって、気泡２０は、正のｚ方向に、ハウジング２の第２部分７に入り、かつ、第２液体４を通って移動する。外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８からの熱エネルギーは、気泡２０の運動の形態の運動エネルギーに変換される。

【0082】

相対運動及び／又は熱勾配の形態での、気泡２０と第２液体４との相互作用が流体流れを生成する。より具体的には、流体流れは、第１液体３、第２液体４及び気泡２０の流れを含む。例えば、流体流れは図３において矢印で表される。この流体流れは層流又は乱流であってもよい。流体流れは、ロッド１０の移動を誘導する、又はより具体的には、流体流れは、ロッド１０内の力学的振動を誘導する。したがって、気泡２０の運動エネルギーは力学的振動エネルギーに変換される。例えば、気泡２０の流体層流は、気泡２０がロッド１０に直接衝突し、ロッド１０を偏向させ得る。さらに、気泡２０及び第２液体４の流体乱流は、ロッド１０内に動き及び／又は力学的振動を誘導し得る。

【0083】

各気泡２０は、運動エネルギー及び熱エネルギーを放散する。その結果、各気泡２０は最終的に凝縮して、第１液体３の液泡２１を形成する。液泡２１の密度は第２液体４の密度よりも大きいので、液泡２１は、ハウジング２の第１部分６内に基端１８に向かって沈んで戻る。液泡２１がハウジング２の第２部分７を通って沈んで戻る利点は、液泡２１がさらに流体流れを生成し、かつ、ロッド１０内で移動及び／又は力学的振動を誘導し得ることである。

【0084】

代替の実施形態として、円筒形であることに代えて、ハウジング２は、任意の規則的又は不規則な三次元形状を取り得ることが理解される。

【0085】

追加又は代替の実施形態として、熱交換器は、ハウジング２の第１部分６を通過するパイプ２２の形態をとってもよく、図４を参照されたい。外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８からの熱を運ぶ外部流体は、パイプを通過し、第１液体３に熱を間接的に伝達する。パイプ２２は、第１液体３とより大きな熱接触を有するので、ハウジング２の第１部分６を通じてよりも、第１液体３に熱を伝達するのにより効率的である。

【0086】

追加又は代替の実施形態として、ロッド１０の分布は不均一であってもよい。別の追加又は代替の実施形態として、ロッド１０は、内面１３に対して非垂直に配向されてもよい。さらなる追加又は代替の実施形態として、ロッド長さなどのロッド１０の寸法は変化してもよい。さらに別の追加又は代替の実施形態として、ロッド１０の材料組成が変化してもよい。さらに、ロッド１０の分布、配向、寸法及び材料組成は、計算によって最適化されてもよい。

【0087】

追加又は代替の実施形態として、図４の熱機関１はペレット２３ａをさらに備える。ペレット２３ａは、熱機関１の内部容積５内に配置され、第１液体３及び第２液体４内に浮遊している。ペレット２３ａは、気泡２０と第２液体４との相互作用によって生成された流体流れに応答して、ハウジング２の内部容積５周りを移動する。ペレット２３ａはロッド１０と衝突し、流体流れによって直接誘導される移動に加えて、さらなる移動、又はより具体的には、ロッド１０内の力学的振動を誘導する。ペレット２３ａの密度は、ペレット２３ａが第１液体３及び第２液体４内に浮遊している場合に重すぎたり浮力が強すぎたりしないように、第１液体３及び第２液体４の密度の間にある。さらに、ペレット２３ａは、第１液体３、第２液体４及び気泡２０と化学的に反応しない。ペレット２３ａは磁気的に中性でもある。ペレット２３ａの寸法及び材料組成は、流体流れとの所望の相互作用を達成するために最適化されてもよい。さらなる追加又は代替の実施形態として、ペレット２３ｂは、図１５の文脈において以下でさらに議論されるように、磁性を有してもよい。

【0088】

追加又は代替の実施形態として、図４の熱機関１は凝縮ループ２４をさらに備える。気泡２０がハウジング２内で十分なエネルギーを失って受動的に凝縮することに代えて、凝縮ループ２４は気泡２０を能動的に凝縮させる。より具体的には、気泡２０がハウジング２の第２部分７を通過すると、気泡１６は凝縮ループ２４を通過し、そこで、外部低温（Ｔ_Ｌ）ヒートシンク又は熱源２５が気泡２０を能動的に冷却し、その結果、気泡２０が液泡２１に凝縮する。液泡２１は、ハウジング２の第１部分６に戻される。凝縮ループ２４は、例えば、気泡２０がハウジング２の上端１７に蓄積する場合に有利であり得る。

【0089】

別の追加又は代替の特徴として、図４の熱機関１は、第１液体３のシンク２６をさらに備える。シンク２６は、ハウジング２に接続され、かつ、ハウジング２の第１部分６内の第１液体３のレベルを維持する。第１液体３が熱機関１内で蒸発する際、これは、熱機関１内の圧力及び／又は容積の無視できない変化を誘導し得る。シンク２６は、圧力及び／又は容積の変化を最小限に抑える。

【0090】

追加又は代替の実施形態として、ロッド１０に代えて、少なくとも１つの流体流れ部材は、図５に示すように、穿孔２８を備えるプレート２７の形態をとってもよい。プレート２７は、ハウジング２の円形断面の形態で寸法設定され、ハウジング２の内面１３に取り付けられ、かつ、中心軸線１４に交差するように配向される。流体流れは、プレート２７内で移動及び／又は力学的振動を誘導する。例えば、気泡２０及び液泡２１の流体流れは、プレート２７によって遮断され、かつ、穿孔２８を通って向きを変えられ、プレート２７の移動及び／又は力学的振動を誘導する。穿孔２８のサイズ、分布及び相対位置は、熱機関１内の流体乱流を強化するために最適化され得る。さらなる追加又は代替の特徴として、プレート２７は可撓性を有してもよく、言い換えれば、流体流れ部材は、穿孔を有するダイアフラムの形態をとる。

【0091】

第１液体３への熱伝達、気泡２０を形成するための第１液体３の蒸発、気泡２０から流体流れ部材（言い換えると、ロッド１０、プレート２７及び／又はダイアフラム）へのエネルギー伝達、及び、液泡２１を形成するための気泡２０の凝縮のプロセスは、循環を形成するために繰り返される。力学的エネルギー（言い換えると、移動及び／又は振動）は、電気エネルギーにさらに変換され得る。

【0092】

環境発電システム
図６は、熱機関１及び外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８を、環境発電システム２９、より具体的には、振動環境発電システムの一部として示している。振動環境発電システム２９はエネルギー変換手段３０をさらに備える。環境発電システムは、任意選択的に、気泡２０を凝縮する必要がある場合、外部低温（Ｔ_Ｌ）ヒートシンク又は熱源２５を備えてもよい。さらに、振動環境発電システム２９は、任意選択的に、振動レンズ３１を備えてもよい。

【0093】

図７及び図８は、環境発電システム２９で使用するための適切な振動レンズ３１ａを示している。振動レンズ３１ａは、本出願人の同時係属の英国特許出願第ＧＢ１９１１０１７．０号に記載されているようなタイプのものであってもよい。したがって、振動レンズ３１ａは、バックプレート３２及び２つの集束部材を備える。集束部材は、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の形態をとる。第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４は各々、第１端３５及び第２端３６を有する。第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４は各々、第１端３５の第２部分３８と第２端３６の第３部分３９との間に配置された、長さγを有する第１部分３７を備える。

【0094】

第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第２部分３８はバックプレート３２に固定される。図７に示すように、第２部分３８は、溶接によってバックプレート３２に固定されるように、バックプレート３２に実質的に平行かつ接触するように角度を付けられている。溶接に加えて又は溶接に代えて、固定手段は、接着剤、ナット及びボルト、リベット、それらの組み合わせ又は任意の他の適切な代替物の形態をとってもよい。

【0095】

図８から分かるように、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第２部分３８は、実質的に同じ向きでバックプレート３２に固定され、かつ、距離αだけ離間されている。

【0096】

図８からも分かるように、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第１部分３７は、互いに向かって収束するようにバックプレート３２に対して角度を付けられている。現在説明している実施形態では、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第１部分３７は、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第２部分３８の間の中間（α／２）に配置されたバックプレート３２の法線に沿って距離βの点に向かって収束するように、バックプレート３２に対して角度を付けられている。

【0097】

第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第２端３６の第３部分３９は、バックプレート３２に対して実質的に平行、好ましくは垂直になるように角度を付けられ、かつ、振動レンズ３１ａの焦点として作用する。

【0098】

図６に示すように、振動レンズ３１ａは熱機関１に取り付けられる。振動レンズ３１ａのバックプレート３２は、例えば、ナット及びボルト、溶接及び／又は任意の他の適切な同等の手段又はそれらの組み合わせによって、熱機関１に固定される。熱機関１のロッド１０に誘導された力学的振動は、熱機関１のハウジング１を通じて振動レンズ３１ａに伝達される。

【0099】

図６から明らかに分かるように、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第３部分３９の間に、１以上の圧電結晶４０の形態をとるエネルギー変換手段３０が配置される。圧電結晶４０は、電気部品４１に接続され、かつ、例えば、ケーブル４２によって適切な電気負荷（図示せず）に向けられる。１以上の圧電結晶４０は、熱機関１から生じる振動力学的エネルギーを有用な電気エネルギーに変換する。代替のエネルギー変換手段はナノコイル及び磁石の形態をとり得る。

【0100】

環境発電システム２９の追加又は代替の実施形態では、圧電結晶４０が熱機関１に直接取り付けられてもよいことを理解されたい。ただし、図６によって示される実施形態では、圧電結晶４０は、図９によって全体的に例示されるように、より多くの電気エネルギーが生成可能であるように振動レンズ３１に取り付けられる。

【0101】

図９ａは、圧電結晶４０によって生成される、時間の関数としての電圧を示しており、圧電結晶４０は、熱機関１に代えて振動源として機能する内燃機関に振動レンズ３１ａが取り付けられた場合に、振動レンズ３１ａの第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第３部分３９の間に配置される。図９ａは、０．７４３Ｖの二乗平均平方根電圧を示している。図９ｂは、内燃機関に直接取り付けられた基準圧電結晶（図示せず）によって生成される、時間の関数としての電圧を示している。図９ｂは、二乗平均平方根電圧０．００３Ｖを示している。第３部分３９間の圧電結晶４０は、基準圧電結晶の電圧よりも約２４８倍大きい電圧を生成する。

【0102】

この理由は、振動レンズ３１ａが、集束プレート３３、３４の第１端３５から第２端３６に、振動を伝達し、収束し及び集束させるからである。したがって、集束プレート３３、３４は、各集束プレート３３、３４の第１端３５がバックプレート３２に固定され、かつ、第２端３６が自由に移動して圧電結晶４０を作動させるので、カンチレバーと等価であると考えられ得る。

【0103】

集束プレート３３、３４は、図７から明らかに分かるように、実質的に三角形である。集束プレート３３、３４の第１端３５は三角形の底辺に相当し、第２端３６は三角形の（切頭）先端と同等である。集束プレート３３、３４の三角形状は、機能性を維持しながら、バックプレート３２から垂直距離βで振動レンズ３１ａを収容するのに必要な空間を最小化する。

【0104】

図６～図８に示す振動レンズ３１ａは、振動レンズ３１ａを通る振動力学的エネルギーの効率的な伝達を容易にする、真ちゅうの密度が相対的に高いことに起因して、真ちゅうから形成される。振動レンズ３１ａは、代替的に、振動エネルギーを伝達するのに適した他の金属、合金又はセラミックなどの非金属材料から形成されてもよい。

【0105】

追加又は代替の特徴として、図１０の振動レンズ３１ｂは、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の間にばね４３をさらに備える。振動レンズ３１ｂは複数のばね４３を備え得ることを理解されたい。同様に、さらなる追加又は代替の特徴として、図１１の振動レンズ３１ｃは、第１集束プレート３３に取り付けられた重り４４をさらに備える。再び、振動レンズ３１ｃは、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の両方又は一方のみに配置された、等しい又は等しくない重さの複数の重り４４を備えてもよいことが理解される。さらなる代替として、振動レンズ３１は、ばね４３及び重り４４の両方を備えてもよい。ばね４３及び重り４４の両方が、振動レンズ３１ｂ、３１ｃの共振周波数を減衰及び／又は変更することによって、振動レンズ３１ｂ、３１ｃの振動特性を修正し、そのことが、振動レンズ３１ｂ、３１ｃの特性を最適化する機構を提供する。図１０及び図１１は、振動レンズ３１ｂ、３１ｃが動的制御システム４５をさらに備えてもよいことを示しており、動的制御システム４５は、ばね４３の剛性、及び／又は、第１集束プレート３３及び／又は第２集束プレート３４上の重り４４の位置、及び／又は、第１集束プレート３３及び／又は第２集束プレート３４上の重り４４の大きさを動的に調整する。例えば、重り４４は、動的制御システム４５によって水をポンプで出し入れし得る容器の形態をとってもよい。動的制御システム４５は、作動中の振動レンズ３１ｂ、３１ｃの振動特性の修正を容易にする。

【0106】

別の追加又は代替の特徴として、集束部材は、複数の層及び／又はコーティングを備えてもよい。さまざまな層及び／又はコーティングは、例えば、さまざまな寸法、材料、密度及び／又は結晶粒組織を含むことに起因して、さまざまな振動特性及び／又は熱特性を示し得る。

【0107】

例えば、図１２は、第１外側層４６と第２内側層４７とを備える集束プレート３３、３４を示している。第２内側層４７は、第１外側層４６より密度が低くてもよい。この構成により、振動レンズ３１ｄを通じた振動の伝達が改善されることが分かる。別の例として、第１外側層４６の結晶粒組織は、第２内側層４７の結晶粒組織と比較して、より整列されていてもよい。さらに、この構成は、振動レンズ３１ｄを通じた振動の伝達を改善する。別の例として、第１層４６は真ちゅうから形成されてもよく、かつ、第２層４７は鋼から形成されてもよい。

【0108】

さらに、例えば、第２内側層４７が第１外側層よりも密度が高くなり得るように、第１外側層４６と第２内側層４７との相対的な物理的特性が逆にされてもよいことにさらに留意されたい。さらなる代替として、第１外側層４６の結晶粒組織は第２内側層４７の結晶粒組織と比較して整列されていなくてもよい。寸法、材料、密度及び／又は結晶粒組織などのさまざまな層の物理的特性は、振動源すなわち熱機関１の周波数特性に最終的に依存する所望の振動特性及び／又は熱特性に従って最適化される。

【0109】

さらなる代替として、振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、３以上の又は１つの集束プレート３３、３４を備えてもよい。例えば、第１集束プレート３３のみを有する振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、第１集束プレート３３の第２端３６に配置された圧電結晶４０を熱機関１に対して、より具体的にはハウジング２の突出部分に対して、作動させることができる。逆に、３つの集束プレート３３、３４を有する振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、２セットの圧電結晶４０、図１３に示すように、第１及び第２集束プレートの第２端３６の間の一方のセットの圧電結晶４０と、第２集束プレート３４及び第３集束プレート４８の間の他方のセットの圧電結晶と、を備えてもよい。

【0110】

さらに別の代替として、バックプレート３２を備える振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに代えて、集束プレート３３、３４は熱機関１に直接固定されてもよい。

【0111】

図１３は別の追加又は代替の実施形態を示しており、ロッド１０が、ハウジング２を通過して振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの集束プレート３３、３４に直接接続するように、熱機関１のハウジング２が密閉可能な開口部４９を備えてもよい。したがって、ロッド１０に誘導された力学的振動は、ロッド１０に沿って、かつ、振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの集束プレート３３、３４に直接沿って伝播することができる。本実施形態では、ロッド１０が集束プレート３３、３４に直接接続するので、バックプレート３２は必要とされない。開口部４９は、ロッド１０が開口部４９を通過してもしなくても、密閉可能であり、ハウジング２が漏れないことを確保する。

【0112】

さらなる代替として、集束プレート３３、３４を備える振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄに代えて、集束部材は集束ロッドの形態をとり得る。集束ロッドは、熱機関１のロッド１０の単なる延長であってもよい。さらに、図１２に示す集束プレート３３、３４の平面層４６、４７は、集束ロッドの同心層及び／又はコーティングと同等である。有利なことに、集束ロッドは、集束プレート３３、３４よりも占めるスペースが少ない。

【0113】

熱機関の製造方法
図１４は、熱機関１を製造する方法のフローチャートを示している。この方法は：ハウジングを提供するステップ（Ｓ１００１）と；ハウジング内に配置された第１液体及び第２液体を提供するステップであって、第１液体は、第２液体よりも高い密度及び低い沸点を有する、提供するステップ（Ｓ１００２）と；第１液体に熱を伝達して第１液体を蒸発させて第１液体蒸気を形成する熱交換器を提供するステップと（Ｓ１００３）と；第１液体蒸気及び第２液体の相互作用によって生成された流体流れに応答して移動する少なくとも１つの流体流れ部材を提供するステップ（Ｓ１００４）と、を含む。

【0114】

さらに、熱機関１を製造する方法は、任意選択的に、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８を特徴付けるステップを含んでもよい。例えば、これは、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８の温度、エネルギー、出力、変動性及び／又は持続時間を特徴付けるステップを含んでもよい。本発明との関連において、高温（Ｔ_Ｈ）という用語は、周囲温度を超える任意の温度を広く指す。

【0115】

さらなる追加として、熱機関１を製造する方法は、任意選択的に、熱機関１の最適パラメータを決定するために、高温（Ｔ_Ｈ）熱源８の特性を利用するステップを含んでもよい。例えば、この最適化プロセスは：熱機関１の寸法；第１液体３及び第２液体４の容積、相対比及び化学組成；ロッド１０の分布、配向、寸法及び材料組成；熱機関１の高温（Ｔ_Ｈ）熱源８への作動上の近接性；凝縮ループ２４が必要とされるかどうか；シンク２６が必要とされるかどうか、を決定するステップを含んでもよい。パラメータ依存性の一例として、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８の温度及び出力が高くなるにつれて、熱機関１の実行可能な最大サイズ（すなわち、寸法、容積）が大きくなる。第１液体３及び第２液体４を選択する場合、熱容量、相対密度及び相対沸点などの要因が重要な考慮事項となる。これにより、熱機関１が作動すること、例えば、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８が、任意の量の第１液体３を蒸発させるのに十分な熱を提供することを保証するので、熱機関１を最適化することは有利である。さらに、最適化は、熱機関１が効率的に作動することができることを保証する。

【0116】

振動環境発電システムの製造方法
環境発電システム２９を製造する方法は、図１４に示されるフローチャートに従って、かつ、上述したように、熱機関１を提供するステップと、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８を提供するステップと、エネルギー変換手段３０を提供するステップと、を含む。

【0117】

追加又は代替の特徴として、環境発電システム２９を製造する方法は、任意選択的に、外部低温（Ｔ_Ｌ）ヒートシンク又は熱源２５を提供するステップを含んでもよい。

【0118】

さらなる追加又は代替の特徴として、環境発電システム２９を製造する方法は、任意選択的に、振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを提供するステップを含んでもよい。振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄは、特定の熱機関１に対して最適化されるように製造される。振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを提供するステップは、熱機関１の寸法、流体流れ部材（すなわち、ロッド１０）の寸法、及び、最も重要な、ロッド１０内で誘導される力学的振動の周波数特性などの、熱機関１の特性を決定するステップを含んでもよい。

【0119】

さらに、振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを提供するステップは、任意選択的に、熱機関１から力学的振動エネルギーを収集するための振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの最適パラメータを決定するステップを含んでもよい。これには、距離α、β及びγなどの振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの形状及び寸法を決定するステップが含まれる。より具体的には、最適化は、熱機関１の作動範囲にわたる平均共振周波数に一致するように、集束プレート３３、３４の長さγを寸法設定するステップを含んでもよい。

【0120】

さらに、振動レンズを提供するステップは、任意選択的に、最適パラメータに従って振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを提供するステップを含んでもよい。より具体的には、振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの集束プレート３３、３４は、真ちゅうプレートを必要な寸法にウォータージェット切断し、かつ、集束プレート３３、３４に適切な曲げを導入することによって提供される。集束プレート３３、３４はバックプレート３２に溶接される。

【0121】

振動レンズを提供するステップは、任意選択的に、以下のような要因に従って振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄのパラメータをさらに最適化するステップを含んでもよく、要因は：集束プレート３３、３４の第２端３６に配置されたエネルギー変換手段のタイプ；振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄが備える集束プレート３３、３４の数；振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを収容するために利用可能な空間；及び、より一般的には、作動上の制約及び所望の性能特性などである。例えば、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第１部分３７は、第１集束プレート３３及び第２集束プレート３４の第２部分３８の間の中間で収束することに限定されない。言い換えれば、集束プレート３３、３４の第１部分３７は、利用可能な空間内に適合するように及び／又は振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄの所望の性能のために、バックプレート３２に対して非対称に角度を付けられてもよい。

【0122】

上述したように、熱機関１は、特定の外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８に対して最適化されている。したがって、環境発電システム２９を製造する場合、最初に熱機関１を製造して特徴付けることなく、振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを提供することは次善の策であり得る。ただし、この方法は反復的であってもよいことに留意されたい。例えば、熱機関１のパラメータが変更されて、振動レンズ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ及び環境発電システム２９を最適化してもよい。

【0123】

代替の熱機関及び環境発電システム
図１５は、代替の環境発電システム２９の一部としての代替の熱機関１を示している。図１５に示す熱機関１及び環境発電システム２９は、図１～図１４のいずれかに示す熱機関１及び環境発電システム２９と同じ好ましい任意選択的な特徴を備えてもよい。

【0124】

ロッド１０、プレート２７及び／又はダイアフラムの形態をとる少なくとも１つの流体流れ部材９に代えて、図１５の熱機関１の少なくとも１つの流体流れ部材９は、少なくとも１つの磁性ペレット２３ｂの形態をとり、磁性ペレット２３ｂは、熱機関１の内部容積５内に配置され、かつ、第１液体３及び／又は第２液体４内に浮遊している。磁性ペレット２３ｂは、気泡２０と第２液体４との相互作用によって生成される流体流れに応答して、ハウジング２の内部容積５周りを移動する。外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８の熱エネルギーは、磁性ペレット２３ｂの運動の形態で力学的エネルギーに変換される。本実施形態では、ハウジング２が、アルミニウムなどの非磁性材料を含むことが好ましい場合がある。

【0125】

熱機関１と同様に、代替の環境発電システム２９は、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８及びエネルギー変換手段３０を備える。圧電結晶４０に代えて、エネルギー変換手段３０は、熱機関１のハウジング２周りに巻き付けられたコイル５０の形態をとる。コイル５０は銅を含んでもよいが、他の代替の磁性誘導材料が採用されてもよい。コイル５０の配置が図１５に示す配置とは異ってもよいことも当業者には理解されるであろう。例えば、コイル５０又はコイル５０の少なくとも一部はハウジング２内に配置されてもよい。

【0126】

熱機関１内の磁性ペレット２３ｂの運動は、コイル５０内に有用な電気エネルギーを誘導する。この環境発電システム２９は、力学的振動の代わりに磁気誘導に依存して、外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８から生じる熱エネルギーを収集する。

【0127】

追加又は代替の実施形態として、熱機関１の少なくとも１つの流体流れ部材９は、ロッド１０及び磁性ペレット２３ｂの両方の形態をとってもよい。気泡２０と第２液体４との相互作用によって生成される流体流れは、ロッド１０内の力学的振動と磁性ペレット２３ｂの運動との両方を誘導する。それに対応して、環境発電システム２９のエネルギー変換手段３０は圧電結晶４０及びコイル５０の両方であってもよい。圧電結晶４０は、力学的振動エネルギーを有用な電気エネルギーに変換し、かつ、磁性ペレット２３ｂの運動は、コイル５０内に有用な電気エネルギーを誘導する。電気エネルギーを誘導するだけでなく、磁性ペレット２３ｂの運動は、ロッド１０と有利に衝突して、さらなる力学的振動を誘導してもよい。

【0128】

熱機関１は多くの利点を有している。熱機関１は、従来の熱力学的サイクルに依存せず、代わりに、第１液体３の相変化を利用して、流体流れ及びその後のロッド１０と相互作用を利用することによって、熱を仕事に変換する代替機構を提供する。

【0129】

熱機関１は、主に温度変化並びに熱の追加及び除去に基づいて作動する。圧力及び容積の変化は、温度との固有の関係により存在する可能性があるが、熱機関１の作動にとって基本的なものではない。言い換えると、熱機関１は、ガスの膨張に応答して仕事を実行しない。したがって、熱機関１は、最小限の可動構成要素を有し、必要とされ得るメンテナンスの量を減らし、かつ、装置の寿命を最大にする。また、可動部品が最小限であるので、熱機関１は比較的静かである。

【0130】

熱機関１は、特定のタイプの燃料に限定されないので、温度及び出力の範囲を有するさまざまな外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８を利用することができる。外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８の起源に応じて、熱機関１は、有毒で環境に優しくないガスを放出する結果を生じさせない。

【0131】

さらに、熱機関１は、温度及び出力の範囲を有するさまざまな外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８に適応することができるように拡張可能である。したがって、熱機関１の寸法は、所望のサイズ及び結果として生じる費用に適合させられ得る。熱機関１は、最小限の可動構成要素を有する密閉装置であるので、比較的安全である。

【0132】

ロッド１０が特定の外部高温（Ｔ_Ｈ）熱源８に対して最適化され得るので、熱機関１はカスタマイズ可能である。

【0133】

熱機関が開示される。熱機関は、ハウジングと、ハウジング内に配置された第１液体及び第２液体と、を備える。第１液体は、第２液体よりも高い密度及び低い沸点を有している。熱機関は、第１液体に熱を伝達して第１液体を蒸発させて第１液体蒸気を形成する熱交換器をさらに備える。熱機関はまた、第１液体蒸気と第２液体との相互作用によって生成される流体流れに応答して移動する少なくとも１つの流体流れ部材を備える。第１流体の気液相変化は、熱を仕事に変換するための代替機構を提供し、多くの利点を有する。熱機関は、最小限の可動部品、相対的に長い寿命を有しており、特定の燃料を必要とせず、有毒又は環境に優しくないガスを直接放出せず、かつ、特定の廃熱源に適応され得る。

【0134】

明細書全体を通して、文脈上別段の要求がない限り、用語「備える」若しくは「含む」又は「備える」若しくは「備えている」、「含む」若しくは「含んでいる」などの変形は、記載された整数又は整数群を含むことを意味すると理解されるが、任意の他の整数又は整数群を除外するものではない。さらに、文脈上明確に別段の要求がない限り、「又は」という用語は排他的ではなく包括的であると解釈される。

【0135】

本発明の前述の説明は、例示及び説明の目的で提示されたものであり、かつ、包括的であること又は開示された詳細な形態に本発明を限定することを意図するものではない。説明された実施形態は、本発明の原理及びその実際の適用を最もよく説明するために選択されて説明され、それによって、他の当業者が本発明をさまざまな実施形態で及び意図された特定の用途に適したさまざまに変更して最もよく利用することができるようにする。したがって、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、さらなる修正又は改良が組み込まれ得る。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【国際調査報告】