JP2001508637A

JP2001508637A - 圧電―焦電エネルギー変換装置と方法

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Publication number: JP2001508637A
Application number: JP52953397A
Authority: JP
Inventors: クチェロフ，ヤン・アール
Original assignee: サーモダイン・テクノロジーズ・インコーポレーテッド
Priority date: 1996-02-15
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 2001-06-26
Also published as: WO1997030508A1; CA2238771A1; EP0954900A1; CN1211353A; US5644184A; AU1960397A

Abstract

(57)【要約】本発明は圧電−焦電エネルギー変換器（10）を実現し、かつ、熱エネルギーを電気エネルギーにそして電気エネルギーを冷却へ変換する方法と装置に関するものである。本発明は熱伝導性の金属電極（14、64、68）を持つ１つ又は複数の圧電−焦電材料（12、62、72）を利用し、それらは高周波で共振し、かつ高温ヒートシンク（16）と低温ヒートシンク（18）に熱伝達して熱勾配と熱流を金属電極（14、64、68）と圧電−焦電材料（12、62、72）に発生する。

Description

【発明の詳細な説明】圧電−焦電エネルギー変換装置と方法発明の分野本発明は圧電−焦電エネルギー変換の方法と装置に関し、特に焦電材料中の誘電熱量効果を熱エネルギーから電気エネルギーに直接変換するために用いる方法と装置に関する、該方法と装置は１個ないし複数個のコンデンサを用いて達成されるが、該コンデンサは温度依存性の焦電特性を持ち、高温のヒートシンクから低温のヒートシンクへ伝搬される熱量のうちエネルギー変換される部分を増加させるため金属接点と熱伝達しており、コンデンサを動作周波数に共振させる手段を持っている。発明の背景本発明は、熱エネルギーを実用に供し得る程度の出力密度を持つ電気エネルギーに高率良く変換する装置の必要性を満たすために開発された。現在の焦電変換装置は、温度依存の静電容量を持った積層されたコンデンサを内蔵し、また、サーマルスイッチとして働き、各段間に熱を運ぶ蒸気流によって振動を生じ、それらによって適正な周波数と位相で熱量を積層されたコンデンサ間に脈動的に通すためのリードの使用を含んでいる。他の既知の装置においては、エネルギー変換システムにいささか異なる概念が利用され、コンデンサの充電に続き、コンデンサの電極間の領域にある第一の材料が該第一の材料より誘電率の低い第二の材料で置き換える。次にコンデンサが放電されると、次の充電のため第一の材料が再びコンデンサ電極間に復元される。別の１つのアプローチは、真空の誘電率と異なる誘電率を持つ材料をコンデンサ電極間に用いる。この場合、機械的仕事が電界に対して行われ、本質的にこの装置は電磁的なモーターと同様である。このアプローチは一定の充電状態における静電容量の変化を用いるので焦電材料と誘電熱量効果を使うものとは異なる。焦電作用の場合、充電は温度変化に伴って変化する。比誘電率も温度によって変化する場合は、それは二次効果である。更に別のアプローチとして、焦電変換によって熱を電気に変化させるために誘電熱量効果を利用する。しかしこのアプローチでは焦電材料が機械的に高温から低温ゾーンへ移動させられるので、時定数が大きい。温度依存特性によってコンデンサを熱的にサイクルすることによって電気エネルギーを取り出す装置に関しては、効率が低く出力密度が小さいために、電気エネルギーを実用的に生産する用途には使うことができなかった。従って、熱エネルギーを電気エネルギーに、あるいは、電気エネルギーを冷却用に変換するにはより良い解決を提供する必要性が残されている。発明の概要本発明は前述のような背景を有する従来の技術において経験したいくつかの問題を解決することを目的としている。具体的には、焦電出力変換技術に重要な進歩をもたらすのが本発明の装置と方法であり、それは背景となる従来の技術を改善する本発明が実現した下記に述べる目的と利点によって明らかになる。本発明の１つの目的は焦電効果と圧電効果を結合することである。本発明のもう１つの目的は、圧電効果から発生する高周波振動により共振を起こすことによって作用効率を高めることにある。本発明のもう１つの目的は、圧電振動の期間中に焦電材料と金属接点を熱伝達させておくことにより、システムの熱的慣性を下げつつ焦電効果を高めることにある。焦電材料に隣接する金属を設けることにより熱の補給の時定数を格段に下げ、それによって発生した電荷の回収作用を高めることができる。本発明のもう１つの目的は装置の熱的慣性を圧電振動と調和させることにより性能を高めることにある。本発明の他の目的と利点は、以下の説明により、また、本発明を実施することによって明らかになるであろう。要するに上記の目的は、１枚あるいは複数枚の圧電−焦電材料でできたプレートを含み、それに付属する熱伝導性の金属電極が高周波で共振し、かつ高温と低温のヒートシンクと熱的に伝達していることにより熱勾配を生じ、その結果、金属電極に沿いまた焦電材料を通る熱流を生じる装置によって実現できる。圧電共振は、焦電作用によるわずかな温度の交番昇降サイクルを生じる。外部の電気回路によって一方の符号の焦電電荷を取り除くことにより、金属電極から圧電−焦電材料への非対称的熱流が発生する。この非対称的熱流は電気エネルギーに変換される。共振は圧電−焦電材料中の散逸損失を減少する。この種の変換器は、焦電及び圧電両特性を示すほとんどの材料を用いて効率を変えることで実現することが可能である。図面の簡単な説明上述のような本発明の利点と目的をより完全に理解するために、添付した図面に図示された特定の実施例を参照して、本発明を更に具体的に説明する。これらの図面は本発明の典型的な実施例を示すにすぎず、従ってその範囲を示すものと考えられるべきではないことを前提にして、現時点で望ましく、かつ、現時点で最良と思われるモードが添付図面を参照して説明される。図１は電子回路部を除いた、本発明に基づく焦電変換器を示す断面図である。図２は本発明に電力を供給する電気回路の電圧対時間曲線である。図３は本発明に電力を供給する電気回路の電圧対時間曲線である。図４は本発明に電力を供給する電気回路の電圧対時間曲線である。図５は特定の圧電セラミック材料の散逸率対電圧曲線を示す。図６は特定の圧電セラミック材料の散逸パワー対電圧曲線を示す。図7aと7bは焦電材料のスタックを支持する役目を果たすヒートシンクを示す。図8aから8eまでは各種の焦電プレートとヒートシンクの組み合わせを示す。図９は液体金属接点を保持する溝を備えた焦電材料のスタックを示す。図10aと図10bは圧電効果を発生するのに用いる内部圧縮フレームを持った圧電材料のスタックを示す。図11aは一体型圧縮フレームを持つ焦電材料のスタックを示す。図11bは図11aの上面図を示す。図12aから12cは一体型ヒートシンクと圧縮フレームを持つ圧電変換器を示す。図14は特定焦電材料の各種振動モード用の周波数表を示す。図15はPSTを基材とする焦電材料を使った変換器の断面図を示す。図16は焦電変換器から電気エネルギーを抽出する電気回路の実施例である。図17は音響結合されたPSTを基材とする焦電変換器の断面図を示す。図18は焦電変換器から電気エネルギーを抽出する電気回路のもう１つの実施例である。図19は焦電変換器から電気エネルギーを抽出する電気回路のもう１つの実施例である。図20は抽出回路抵抗の電圧依存性を計算し直したグラフである。図21はLiTaO₃の変換出力密度の駆動電界強度に対する依存性を示すグラフである。図22はPZSTの変換出力密度の依存性を示すグラフである。図23は焦電変換器の他の実施例の断面図である。図24は焦電変換器の他の実施例の断面図である。図25は焦電変換器の他の実施例の断面図である。図26は図１に示した装置の変換モードを示す。図27は図１に示した装置の変換モードにおいて高低両ヒートシンクの初期温度が等しい場合を示す。図28は周波数調節システムのブロック図を示す。発明の詳細な説明本発明の実施例はその概要を図１に示した圧電−焦電変換器10であり、エネルギー変換の方法と装置を意図したものである。本発明は１個又は複数個の圧電− 焦電材料12を用いており、それに付属する熱伝導性金属電極14は高周波で共振し、かつ高温のヒートシンク16と低温のヒートシンク18に熱的伝達し、金属電極と圧電−焦電材料12に沿い熱勾配および熱流を生じる。高温のヒートシンク16と低温のヒートシンク18は２つの熱伝導性材料として定義されている。変換器10は高低両ヒートシンク間に初期温度差が零より大きくそして電圧が加えられる時に熱エネルギーから電気エネルギーへの変換器として作動する。また、変換器10は高温低温両ヒートシンの初期温度が同じであるときそして電圧が加えられる時にヒートポンプ/冷却器として作動する。圧電共振は、焦電作用により焦電材料内にわずかな交番的温度昇降を生じる。このときサイリスタを使ったスイッチ又はしきい値電圧スイッチを持った抵抗型負荷のような、電荷除去用の外部電気回路によって一方の符号の焦電電荷を取り除くことにより、金属電極14から圧電−焦電材料12への非対称的な熱流が発生する。電荷の除去は電気に変換される正負サイクルに電圧差および非対称温度を導く。材料12がその音響的共振周波数で共振することにより、材料12における散逸損失が低下する。この型の変換器は、効率を変えることで焦電及び圧電特性の両方示す材料を用いて利用され得る。 1.作動原理本発明は誘電熱量効果に基づいて作動し、電界の変化による焦電温度の変化をもたらす(ボルン、M．「焦電作用の量子論」レビュー・オブ・モダン・フィジックス、17巻、２及び３号、(1945年4-7月号)、245-251頁参照)。結晶エネルギーのエレメント容積変化は方程式dU=Tds+EdPで与えられる(ラング、S.B．「焦電作用のソースブック」、N．Y．、ゴードン・アンド・ブリーチ、サイエンス・パブリッシャーズ、インコーポレーテッド、1974、1-10頁参照) 、ただしTは温度、Sはエントロピー、Eは電界、Pは圧力である。 ρは密度、Cは比熱容量、Tは絶対温度である。これらの関係から、温度変化が得られる。この方程式は電界Eが変化するときのサンプル温度変化を定義する。この追加の「焦電性質係数」kは0.1から0.9の値を持ち、圧電の電気機械的係数に比較されるものとして導入され、材料の散逸損失を表すものである。Pb(Zr，Sn，Ti)O₃ システム（PZST＿ジルコン酸すず酸チタン酸鉛）における焦電性質係数は約0.1である(タットル、B.A．及びペイン、D.A．「Pb(Zr，Sn，Ti)O₃ セラミックスの誘電熱量特性に微視的構造が及ぼす効果」、フェロエレクトリックス、37巻（1981）603-606頁参照)。また、タットルはPZSTの最大値をΔT=2.6 °Kと提示している。焦電及び圧電特性は１つの結晶格子内の位置変位として定義されているが、これらの効果がほとんどの結晶焦電材料において約４オングストロームの単一原子層まで類似していると想定することは妥当である。結晶構造を持たない有機焦電材料については後述する。両側に金属電極を持つ平プレート状の焦電材料を含むコンデンサにAC電圧をかけると、方程式（１）に基づき、初期温度に対してAC周波数の正弦波形でその温度が変化する。焦電材料は約1-20/W(m・K)の低い熱伝導率で知られている。もし、約50-450W/(m・K)と高い熱伝導率を持つ金属が焦電材料の表面に存在するなら、低温サイクル中にその金属からその焦電材料に、そして高温サイクル中に焦電物質からその金属に熱が流れる。もし以下に述べる方程式（6.1）と（6.2）で定義されるエネルギーが当サイクル中に抽出されるなら、その熱流は非対称的となり、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換を生じる。このとき制限要因となり得るのは、システムの熱的慣性である。温度変化率は非定常的熱伝導性方程式から推定することができる。平面状の物体の場合には、下記のように一次元的な取り扱いで十分である。ここにq_xはx軸に沿った熱流、Cは熱容量、ρは焦電材料の密度である。ここでq_x=-λ∂T/∂xであり、λは熱伝導率である。対称からプレートの中央を考慮すると、２つの金属電極からの２つの等しい熱流は互いに補償し合うので、q_x及び∂T/∂x=0である。これはプレートの表面上のある値から中央の０に向かって熱流が変化することを示唆している。λ_metal>>λ_pyroelectri _c であり、その割合の制限は焦電材料から来ることが推定される。ーターで割ったものに等しく、ΔT=0.1°K及び焦電材料としてPZT-5A（ジルコン酸-チタニウム酸鉛）に対して、勾配値３x10⁸K/mが得られる。最悪の場合で熱流がプレートの表面での最大値からプレートの中央での０に向かって直線的率は10⁵-10⁷K/sある。従って、熱慣性は１メガヘルツの周波数までは制限要因ではない。同様な考慮から、LiTaO₃のような約10-20W/m・Kの優れた熱伝達率を持った焦電材料でも、約３x10^-8sの時定数を持っている。これらの物質に対しては、高い周波数の使用によって、原理的には、特定の変換器の出力を改善することができる。比較すると、Y軸沿いの温度変化が100Kあった場合、１cm長さのPZT-5A プレートτ_yに対する時定数は0.5sである。変換条件はW_xτ_x＞W_yτ_yであり、その場合W_xは焦電変換による熱流であり、W_yは温度勾配による金属電極を通しての熱流である。ここで図１に目を移すと、焦電材料12は、高温ヒートシンク16と低温ヒートシンク18間にあり、それらと熱的に接触したコンデンサとして作用し、熱勾配は矢印20で示された平面に沿って存在している。金属電極14から焦電材料12への熱流が、高温ヒートシンク16から低温ヒートシンク18への熱勾配20によって交換出力で定義された割合で補給される場合、交換効率は係数kに理想的なカルノーサイクル効率を掛けたものとなる。ｋ値は電圧−焦電材料PZT-5Aの場合、0.78ほどに達する。高温ヒートシンク16から低温ヒートシンク18に圧電−焦電材料12を経由して直接流れる熱流（矢印22で示された）は失われる。また、電気回路中の損失は変換器10の総合的な効率を低下させる。結晶構造を持たない有機焦電材料の場合は事情が異なる。これらの材料中の焦電効果は多分温度によって誘導された分子傾斜によるものである(コルブルック、R．など「焦電オルガノ・メタリックラングミュア・ブロジェット膜」フェロエレクトリックス、92巻(1989)、381-386頁)。その場合には比率が特定の分子振動周波数、すなわち約10⁸-10⁹Hzから決まる。この条件はまた誘電率（電気容量）の低い値を伴うので、高い動作周波数を可能にする。有機化合物の焦電特性はセラミックスのそれに比べて劣るが、動作可能な周波数が高いので、効率の良い変換器の作成が可能である。変換器10の駆動AC周波数は以下に述べる外部電気回路によって決まる。誘電損の正接(普通は0.001-0.1)、材料の機械的品質定数Q(10-10⁵)、及び変換器10の設計によってはこの駆動に伴う損失は高いこともあり得る。もし、変換器10が駆動周波数で音響的に共振すると、損失はすべて100以上の除数によって減少することが可能である。従って、図13に示すように、駆動周波数はスタック共振ω₀の主高調波に近くなければならない。駆動周波数は、変換器10の高い方の共振高調波n・ω₀ に近くなければならない。外部電気回路からの駆動電圧が正弦波と仮定すると、電圧はV(t)=V₀sin(ωt) である。面積が１x１cm²、厚さが100ミクロンのLiTaO₃単結晶プレートの焦電作用の例は次のとおりである。この材料の焦電率は230μC/(Km²)、比誘電率は約50、熱伝導率が約20W/(mK)、密度が約4.6x10³kg/m³、熱容量は約500J/（kg K）である。方程式（１）において、k=0.5と仮定すると、作動AC電圧の振幅はV₀=50V、作動温度は700°Kである。コンデ (8.854x10^-12F/m)、σはプレートの面積でdはプレートの厚さである。この場合、プレートの容量は4.16x10^-10Fとなる。方程式(1)を使用すると、１サイクル中の温度低下は0.017°K（精度は計算により定義され、すなわちδ=10^-6である）となる。この温度変化に伴う焦電電圧変化はで、ｐは焦電係数である。変数を代用すると、方程式はとなり、ここにkは材料の品質定数、Tは絶対温度、ｐは焦電係数、εは比誘電率、ε₀は真空の誘電率、ρは密度、Cは熱容量である。この場合V_pは0.97V、又は駆動電圧V₀に対して2％の変化又は駆動サイクル中のエネルギーに対して4%の変化である。この状態は図２と３に示されている。実線の正弦曲線は駆動電圧V₀であり、点線 Vは駆動電圧と焦電電圧V_pの和であり、すなわちV(t)=V₀(t)+V_p(t)である。電圧感知電気回路を使えば、図２のハッチングされた面積26は有用な負荷に当てることができ、駆動損失を補償することができる。この回路は、集積エネルギー損失が１サイクル当たり4%以下であれば、ヒューレットパッカード社製パルス /関数発生器モデル8116A又は正弦波発生器のような外部パルス発生器によって開始されれば、自己持続することができる。LiTaO₃単結晶の場合、tanδの低い値( 10^-4から10^-3)と高いQ_m(10⁵)ので損失は非常に小さい。共振の場合、エネルギー損失は１サイクル当たり0.01%以下であり、無視できる程度である。多結晶材料においては、損失一層高いが、妥当な範囲（例えばPZT-5Aにおいて0.5%程度）であり、焦電作用によって容易に補償できる。焦電係数が高い材料、例えばPZSTの場合、V_p駆動電圧と比較できる。電力電気回路の例を２つ挙げれば、 1.振幅感知（図2） 2.位相及び振幅感知（図3）図３に示した電圧に対する回路は図２に示した電圧に対する回路よりも、同じ変圧器10からより大きい電力が得られる。駆動電圧でコンデンサプレートに蓄積されたエネルギーは下記の方程式に従う。駆動電圧プラス焦電電圧でコンデンサプレートに蓄積されたエネルギーは下記の方程式に従う。これら２つのエネルギーの差は図３に対応し（位相兼振幅感知電力回収電気回路）次のようになる。図３に示した１サイクルに対する変換された電気エネルギーは図２に示した１サイクルに対する変換された電気エネルギーはもしV₀>>V_pであると、(6.2)式の積分の下限はarcsin（1−α）に置き換えられる。幅１cmのスタックプレートに対する高温ヒートシンクの１平方センチメートル当たりの比変換電力はここでωは駆動周波数であり、Nはスタックの１cm当たりのプレート数である。 ω=10⁶HzにおけるLiTaO₃プレートのWは図２のスイッチの場合0.53W/cm²であり、図３のスイッチの場合3.2W/cm²である。計算結果は図21に示してある。正負サイクルの差として蓄えられるエネルギーが共振回路に蓄えられ、また焦電材料に蓄えられる可能性がある。その結果、次のサイクルの間により高い振幅と、より高い値の方に両スイッチの差の等化がある(図４参照)。図４において、実線の正弦波は駆動電圧V₀であり、振幅が次第に増大する点線の曲線Vは駆動電圧V₀と焦電電圧V_pとの和、すなわちV(t)=V₀(t)+V_p(t)である。この振幅は、回路損失が、電圧の振幅に比例し成長に伴う損失を補償するまで増大する。抽出電圧がVz(Vz＞V₀)でスタートする場合、抽出される部分は図４における正弦曲線の下のクロスハッチされた面積30として例示されている。この場合の電気回路は高周波変圧器を持っていなければならず、その巻線の１つは焦電スタックとの共振回路を形成し、第２の巻線はパルス発生器からの駆動電圧をスタートさせ、第３の（抽出）巻線はしきい値電圧Vzを持つツェナーダイオード及び有効負荷に接続された全波整流器と直列に接続されている。共振回路の電圧がVzに達するまで、この回路はエネルギーを抽出しない。 PZST材料と同様な駆動電圧に対して、変換電力Wは管理不能な１平方cm当たり何千ワットに相当する。従って、駆動電圧ははるかに低くしなくてはならない( 図22参照)。変換焦電材料に対する最小感度は6.1と6.2のようにαに依存し、このαは、焦電赤外センサーにおける最小感度である。多くの焦電材料において成り立つように、α<<１の場合は、そ電係数、ρは密度、Cは熱容量である。この場合、物質の最小感度は誘電率には依存しない。もしα>>２（例えばPZST）誘電率である。例えばタンタル酸鉛スカンディウム（PST）又は同様な構造を持つPZSTのような有効な焦電材料に対して計算された出力密度は10-100W/cm²の範囲にあり、低温エネルギー変換にとって非常に好都合である。駆動電界強度が１MV/mで室温においてω₀が２x10⁶Hzに等しいPVDF（重水素化されたフッ化ポリビニリデン）に対する出力密度は約0.5W/cm²である。従来は電極14から焦電材料12への熱流は高温のヒートシンクから低温のヒートシンクへの熱勾配によって補給されると推測されていた。出力密度が高まると、散逸損失は圧電−焦電サイクルのために材料12を加熱する傾向があり、材料12の温度は電力増加に伴って上昇する。この結果、高温ヒートシンクと低温ヒートシンクの温度差に逆らう方向に働く逆勾配が発生する。熱の一部は熱流と共に低温ヒートシンクに向かって散逸し、従って作動に影響を及ぼさない。しかし、一部の熱は留まるので、補給熱流を減少させる。材料12を挟んで存在する温度勾配が焦電勾配を超えると、変換器は作動しなくなる。これは焦電材料12が低温ヒートシンク18とより良い熱伝導状態になければならないことを意味する。これはいくつかの方法で解決することができる。最も簡単であるが、望ましくない方法は高温シンク16上に熱抵抗を追加することである、すなわち、高温ヒートシンク16側の電気絶縁体19の厚さを増して低温ヒートシンク18側の電気絶縁体19の厚さより厚くすることである。これよりも望ましい方法が図23に示してある。この設計は図１と同様だが、その違いは焦電材料12より熱伝導率の低い、例えば圧縮したグラス繊維かマイカのような材料78を追加してある点である。もう１つの実施例は図24に示してある。この設計は、低温ヒートシンクに隣接した電極部分の断面が最も広くなるように、くさび形やその他の幾何学形状に焦電材料12と電極14の両者を成形するのでより複雑な技術を必要とする。この金属電極14は低温ヒートシンクに近い部分でより厚いので、この部分でより大きい熱伝達が生じる。この場合、音響的共振は表面80と82の間ではるかに複雑である。更に別な実施例を図25に示す。ここでは焦電材料12はくさび形である。しかし電極14は平面形である。音響的共振は表面84と86の間で生じる。焦電材料12は低温ヒートシンク18とより良い熱伝導を行う。受動くさび体88は、1500℃までの温度にはマイカ、そして低温（Ｔ<200℃）の場合はKAPTON^TMを含むがそれに制限されない、低熱伝導率の材料を有する。熱伝導率が低くても多孔性の材料は、この種類の材料としては音の減衰が非常に高いので望ましくない。高温側に熱源がなく、駆動電圧V₀がかけられている場合は、駆動電圧とスイッチング装置が電極14から材料12に非対称的な熱流を生じ、しかもヒートシンクから熱の補給を受けるために、結果として冷却効果を生じる。図26は図１に示した装置の変換モードを示す。ここにT₁は駆動電圧がないときのY軸に沿った平衡温度分布を示し、T₂は駆動電圧があるときの平衡温度分布を示し、最高温度は高温ヒートシンクにあり、最低温度は低温ヒートシンク（L₀−プレートの長さ）に示されている。ここで高温と低温ヒートシンクで同じ初期温度が存在する図27を参照する。T₁は駆動電圧が無い場合の温度分布、T₂は駆動電圧がある場合の温度分布を示す。この状態が存在するのは、熱流が非対称的であり、より良い熱伝導でヒートシンクを冷却するようにする。このプロセスはネットプロセスが絶対温度の平方に依存するので、変換プロセスより効率が悪い。言い換えれば、室温で30Kの焦電温度勾配で始まった場合、変換は同じ装置による冷却よりも1.49倍効率が良い。 PZST、PSTなどを含むがこれらに限定されない非常に効率の良い焦電材料に対して、この冷却装置は、外部動力源から電気を供給して周囲空気又は作動流体を冷却して初期始動した後は、環境ヒートポンプとしても働くことができる。 2.熱力学的考慮本装置の主な２つの動作モードは、ヒートポンプ/冷却器と熱−電気エネルギー変換器である。非可逆損に関しては、これらの２つのモードの違いは外部電気回路における外部の抵抗損及び変換損である。本装置の電気リードは十分厚くできる上に、既存の高周波変圧器の効率は0.9-0.95であるから、変換器モードにおける抵抗損は同じ装置に対して約10%高い。１秒間に等しい時間ベースに関して含まれるエネルギーを考えると、入力電気エネルギーはω₀・(C₀V₀ ²)/2であり、ここでω₀は共振周波数、C₀は静電容量、V₀ は駆動電圧振幅、（１-ｋ）は焦電材料中で熱エネルギーの形で散逸される。図１において、高温ヒートシンク温度T₂、低温ヒートシンク温度T₁とすると、本装置への熱流はQ₀=(T₂-T₁)(λ₁S₁+λ₂S₂)であり、ここに２番目の括弧中の記号１は熱伝導度と金属電極の断面積に対応し、記号２は焦電材料に対応する。前述の方程式(6.1)に従い、抽出されるエネルギーはC₀V₀ ²(2α+α²)x0.785xω₀に相当し、ここにαは前述の方程式（4）によって定義される。定義により、抽出されるエネルギーは電極と焦電材料中を流れる熱流の差以上にはなり得ない。本装置を通過する全熱量に対す抽出されるエネルギーの割合ηは変換の効率を定義する。他の熱機械と同様に、その効率は非可逆損失サイクルを乗算した、理想的なカルノーサイクル効率（可逆サイクル）のように見える。前節の各方程式に代入すると、効率を表す式は複雑になりすぎて熱電気エネルギー変換の場合にように簡単に解釈することができない。すべての効率の要素において最良の場合の筋書きを仮定してとなる。冷却の場合には、α<<１とし、ほとんどの焦電材料が低温ヒートシンク温度に留まると仮定した場合、冷却係数ζは次のとおりである。ここでCは焦電材料の熱容量であり、C₀は静電容量、εは比誘電率、ρは密度、p は焦電係数、V₀は駆動電圧振幅、ω₀は駆動周波数である。 3.材料変換器10の材料12の性質として、２つの最小感度F₁とF₂は既述のようにF₁=T_cp² /CρとF₂=T_cp⁴/ερ²C²で表される。ここでT_cは材料12のキューリー温度、pは焦電係数、Cは熱容量、ρは密度（すべての変数はSI単位による変数）である。F₂ は特にp＞10²C/m²・kのような極度に高い焦電係数の材料に適用される。 F₁は材料12の概略評価に使用することができる。評価には他の２つのパラメータ、誘電損失（tanδ）と電気機械的品質パラメーターQ_mが評価のデフォルトにより存在する。材料12自身の内部に散逸される熱量は無駄になるので、両パラメーターは変換器10の効率を定義する。最高のQ_m値は10⁴-10⁶の値の単結晶材料で生じる。PZTのような焼結セラミック材料の場合、tanδ値は0.1-10%の範囲にあり、周波数と共に減少する。これらの損失は駆動電圧に依存する。現実的には、音響共振による損失はごくわずかである。これらの損失は、本発明のエネルギー変換スタックと様々な点で類似するモノリシックな多層アクチュエーターによって例示することができる。図５と６はPZT型の材料により作られるモノリシック圧電アクチュエーター中の発散損失を示す。このスタックの共振周波数は60kHzである。もしこのスタックが固体金属で無被覆の電極のような変換器のすべての特徴を備えているなら、焦電利得が集積損失より大きくなる70ミクロン以下のプレート厚に十分な熱勾配が与えられるとすれば、駆動電圧10Vで自己共振するはずである。 80℃以下の温度では、薄い層として安価に製造できるので重水素化されたフッ化ポリビニリデン（PVDF）が望ましい材料である。もう１つの望ましい材料としては、チタン酸鉛-ジルコニウム（Pb(Ti_.48Zr_.52)O₃すなわちPZT）を基材とするセラミックスが挙げられる。他の材料としてはジルコン酸-スズ酸-チタン酸鉛(P b(Zr_.43Sn_.43Ti_.14)O₃すなわちPZSTセラミックス)、タンタル酸鉛スカジウム(PS T)、LiTaO₃、LiNbO₃が高温用として挙げられる(ラング、S.B．「焦電作用のソースブック」、N.Y.，ゴードン・アンド・ブリーチ、サイエンス・パブリッシャーズ、Inc.、1974，69-79頁、その内容は本出願に取り入れてあるものとする)。表１は選ばれた焦電材料の特性を示す。表１望ましい材料の条件は、高い焦電係数及びF₁＞10^-9を持つことである。 4.電極電極は導電性及び熱伝導性のある材料で、ほとんどの金属、C、TiN、ZiN、HfN 、TiC、ZrC、WCなどの窒化物及び炭化物、又はそれらの組合わせ又はそれらの合金を含むがそれらに限定されない。電極14は、高い機械的、電気的及び熱的ストレスがかかり、金属電極14の材料12への拡散及びその逆拡散が増加する。従って、高温においては、Au、Au-Ni、Ag、Sn、 Cr、Fe、Co、Pd、Ni、Cu、Al、Mg、Ag-Pd又はそれらの組合わせ及び合金などの典型的な材料の電極14は用途が限定される。PtやIrなどを含むがこれに限定されない重金属を電歪スタックに使用すれば、改良が可能であることが望めるが、コスト的に無理かもしれない。SiC、SiN(SiO₂は誘電性)、又はホウ素をドープしたダイヤモンド又はその他のp型ダイヤモンドのようなダイヤモンド状導電被覆を含むがこれらに限定されない、拡散障壁を材料12と電極14の間に設けることによって改良が可能である。その他の材料としてはＷ、Re、Os、Ir、Pt、Ag、Nb、Rh 、Ru、Mo、Th、U又はそれらの組合わせを含む。これらの金属の中には、大気中では作動できず、作動媒体として真空又は不活性ガスを必要とするものもある。より高い機械的な、しかしより低い熱ストレスの下で作動する電歪スタックの公表されている結果は10¹¹-10¹²サイクルであり、これは10kHzの周波数で３年間連続して作動する場合に相当する。焦電エネルギー変換器のライフサイクルもほぼ同様なはずである。電極14の厚さは熱伝導上の考慮から決定することが可能で、それは図１に示してある。ここでT_hotとT_coldは高温ヒートシンク16と低温ヒートシンク18の温度である。矢印20、22、24は熱流伝播を示す。厚さを決定する条件は次の方程式で決まる。ここでΔW_cycleは式（6.1）と（6.2）で定義されており、ωは駆動周波数、λは電極材料の熱伝導度、Lはプレートの高さ、lはプレートの幅(電極はプレート全体を覆う)、dは電極14の厚さである。材料12は前の例からLiTaO₃プレートと電極14の材料として銀を含み、電極14の厚さは約1000オングストロームである。もしヒートシンクの面積が、圧電−焦電材料12のコストよりも重要ならば材料 12の特定の面積を変えることによって特定の出力密度を変えることも可能である (同時に材料12の高さと電極14の厚さを増加させる)。金属/ダイヤモンド電極つきのPZSTの理論的限界は、理論的な熱伝達率の限界のために１x１cm²のプレートに対しておよそ1000W/cm²である。 5.設計以下の例は、100Kの温度差を提供する熱源と、各葉の電気接点（電極）の熱伝導率がそろった100枚（100μm厚）のPZT-5A 1x1cm²プレートのスタックによりエネルギーを変換することを仮定する。接点金属の熱伝導率はPZTのそれに比べて概略100倍も大きいので、スタック厚に対するそれらの寄与は無視できる範囲である。スタックの厚さはほぼ１cmであるので、全体は１cm³の立方体となっている。これらのプレートと電極を通してのこのスタックの熱伝導率は3.4W/cm²（34 k W/m²）の熱流となる。共振の電圧が3Vであると、340kHz以上の共振周波数が必要であり、それはほぼ長さで割った音速周波数（〜400kHz）に近い。これは第１のスタック音響共振高調波に近い値である。圧電スタックの共振周波数は圧縮に依存するので、実際の共振周波数は圧縮フレームと熱接点による影響を受ける。 (青柳、M．ほか、「縦方向及びねじり振動を使った高トルク超音波モータ」1992 IEEE強誘電体の応用に関する会議、541-544頁)。この参考例は力で5%の共振周波数シフトを示している。更に、スタックプレートとヒートシンクの間の摩擦が、追加された質量のように働いて共振周波数をシフトする。非共振回路を平行プレート結合で駆動するために、生成された同量のエネルギーが消費されるであろう、従って装置を無用のものにしてしまう。PZTのtanδ=0 .005であるから、理論的には焦電サイクルの99.5%が有用な負荷から抽出でき、理想カルノーサイクル効率のほぼ50%の効率の装置を与える。現実的には機械的、熱的な損失と外部の電気回路の損失が存在する。しかし、それでも本装置は理想的なカルノーサイクルに近く、唯一の重要な物理的制限は材料12の電気機械的な係数である。 a. 設計要素の説明 (1) ヒートシンク高温ヒートシンク16と低温ヒートシンク18の主な要件は熱伝導率である。圧電−焦電材料12の熱伝導率は低い。例えば、PZT焦電の熱伝導率はわずか1.7W/(m・K)である。基本的に、すべての金属又は合金は、再結晶点（ T₂=0.4T_m）が作動温度より高く、空気中で酸化せず、材料が研磨でき、絶縁材料で被覆できるかぎり、満足する。ヒートシンク16と18はまた図7a及び7bに示したように材料12を支持するように働く。ヒートシンク16と18は、良い熱伝導率と低い電導率を持つ、AIN、BeO、SiO₂、 SiC、MgO、NiO₂、TiB₂、W₂B₅、SiNなどを含むが限定されない、セラミック材で作られても良い。この場合は、内面は研磨する必要があるが、図１の19の電気絶縁体は不要である。窒化アルミニウムはPZTやその他のどの金属よりも硬度が高い材料であり、材料12とヒートシンク16及び18との間の小さい摩擦と、小さい損失を保証する。もう１つの可能性は材料12を熱伝導性がある誘電体、例えばドープしていないダイヤモンド、アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化チタニウム、酸化イットリウム、酸化マグネシウム、酸化ベリリウム、酸化シリコン(ガラス又は水晶)、二酸化ニッケル、酸化スカンジウム、酸化ハフニウム、酸化ランタノイド、酸化トリウム、酸化ウラニウムで被覆することである。この場合、ヒートシンク16と18はグラファイト又は熱伝導性のグラファイト潤滑を施した金属であっても良い。 (2) 電気絶縁材ヒートシンク16と18又は材料12は絶縁材で被覆しても良い。下記の材料はここに示された最大作動温度まで使用することができる：テフロン(<150℃)、カプトン(<250℃)、Al₂O₃又はAIN(<2700℃)、MgO、NiO₂、SiO₂、Be O。材料12を塗布した電極と同時に焼成されるなら、誘電材との熱接触面は、塗布と焼成を同時に行うことが好ましい。塗布された表面は、良好な熱接触とするため研磨される。グラファイト潤滑は熱抵抗率が肝心なので平面と円滑さに関する要求を低める。金属と比較できる、高い熱伝導率を持つ絶縁体（例えばAIN）を持つことは、たとえ薄くても使うことは利益がある。その理由は、熱流全体の半分以上が、優れた熱伝導率を持ち、従って低い接触損を必要とする電極14を通るからである。 (3) 変換器スタック (a) 焦電材料の厚さ材料12の厚さは、許容される電圧、技術及びコストに影響される。材料12の厚さが減るに従って、１サイクル中の単位面積当たりから抽出される電荷が増加し、従って性能が改善される。PZT-5Aにおいて、初期の減極場（depolarization field）は0.5V/ ミクロンである。3Vの作動電圧に対して、それは６ミクロンに対応しそして信頼できる作動のため20ミクロンに対応する。焼結PZTにおいては、望ましい厚さは少なくとも約50ミクロンである、それは減極から設定される限界に近い。薄膜蒸着法を使って材料12は非常に薄く製作することができ、その場合の限界は金属接触から決まる。300Å（オングストローム）以下では、材料12は量子効果を示し、それによって導電率が影響を受ける。これは、少数のボルトの動作電圧により材料12の厚さを1-3ミクロンに制限し、例えば厚さ１ミクロンのPZT-5Aのプレートに対して0.5Vとなる。かつ、電極接点１４に沿った熱流のすべてが電気エネルギーに変換されるとき、最高接触厚さの概略値は次のように定義の厚さ、λ_mとλ₀は電極14と材料12の各々の熱伝導率、kは圧縮モードにおける電気機械的結合係数（効率）を示す。与えられた温度に対する精密な値は前述の方程式（10）で与えられる。変換器10設計のもう１つのオプションは材料12の厚さを増やすことである。同じ平面形状に対しては材料12の厚さが、例えば10倍となっても効果は同じであるべきである。この結果、静電容量は10倍減少し、質量は10倍増加となり、電圧は 10倍増加となる。この結果、温度差とエネルギー抽出分は同じであるが、そのために高い電圧と大きい損失が伴っている。困難さは熱的反応時間が減少することである。また、もう１つの困難さは、材料12の厚さ１mm当たり、数百ボルトもの高電圧があり、スイッチ、変圧器、絶縁物に有害である。これらの問題のために、実際的な最大の材料12の厚さは約１mmに限定される。 (c) 焦電材料長さ温度勾配、焦電材料、必要な出力密度により、ヒートシンク16と18の間の材料12の長さを変化可能であるが、単位面積当たりの高い比熱流量を得る50mm以内とするのがよい。焼結セラミックスにおいては、接触の問題から1-2mm以下の長さは実際的ではない。 (d) 材料の形状材料12の形状はプレート状が望ましいが、図8aから8eに示したような形状にしてもよい。図8bと8cに例示の形状は大きい熱接触表面を有する。図8dと8eに図示した形状は、より小型の圧縮フレーム設計用のプレートに穴を有する。仮説的には、一端から他端まで伝播する音響波を有する中央および表面を持った１以上のロッドを含むがこれに制限されない、スタックプレートとは異なる形状で非常に高い電圧変換器を構成しても良く、それによって低い共振周波数を許容する(例えば、カリフォルニア州レークフォレストのモーガン・マトロック−エレクトロ・セラミックス部が販売する圧電材料を参照のこと)。 (e) 熱接点材料12とヒートシンク16と18の間には乾および液の熱接点を用いることができる。乾燥接点には潤滑は有っても無くてもよい。無潤滑の接点を用いるときは、材料12とヒートシンク16及び18の表面は平坦で研磨されていなければならない。準備期間中に、材料12とヒートシンク16及び18の間に少量の細かい研磨剤を使用すれば、運転中に自動表面仕上げへと導かれる。この目的にはグラファイトとAl₂O₃、又は窒化ホウ素又はダイヤモンド剤の組合わせが適している。液体潤滑剤は次の理由で望ましくないこともあり得る。音響−毛細管効果のために、液体潤滑剤はプレートのすべての間隙を埋めようとし、プレートとプレートの間を押し広げ、その結果、共振周波数を変えてしまう。より低い温度においては、多くの有用な誘電液体があり、液体に浸漬されたスタックが特定の周波数で動作するであろう。上昇した温度において液体金属は１つのオプションである。液体金属を使う場合は、プレートは気密封止、すなわち同時焼成して絶縁しなければならない。同時焼成（co-firing）技術は多重層のスタック構造では標準的なものである。このプロセスは濡れたセラミックス及び金属化したセラミックス剤（電極）の濡れた積層を高温（概略1000℃）で共に圧縮し、モノリシックなスタックを形成する。気密封止された積層プレートを使用する場合、材料12又はヒートシンク16と18は液体金属32を保持する溝が必要となる(図９参照)。 (4) スタックを一体に保持する圧電−焦電プレート材料の種類により、プレートの保持には様々な方法が使われる。これらの方法には、圧縮、接着、焼結、拡散溶接、同時焼成、ハンダづけなどが含まれるが、これに制限されない。たとえプレートが同時焼成された場合でも、長い寿命を確認しそして効率の改善を考慮して圧縮フレームを使用するのが望ましい。圧縮は、プレートの割れや空洞そしてスタックを含む材料の間の空隙を補償する一方、各材料の構造的な品質を保つ。フレームは内フレーム、外フレームいずれでもよいが、内フレームは更にコンパクトな設計となる。変換器のフレームと公知の電歪スタック設計との差（青柳、M.、IEEE 第９回強誘電体の応用に関する会議、1992、541-544頁参照、その内容は本出願に取り入れてあるものとする。）は、変換器のフレームの熱伝導率がスタックに関して小さいこと、そしてフレームの部材が変換器の作動温度に耐えることである。内フレームの設計例を図10aと10bに示す。図10aに示した設計の場合、スタック（材料12）は、スタックが配置された心棒34に付いた締付けナット36を締めることによって圧縮される。プレートのスタックとナット36の間には圧縮座金38とばね40がある。圧縮座金38はナット36と共に断熱材としての役割も果たし、熱伝導率が低い材料、MACOR^TMまたは他のセラミックスを含むがこれに制限されない、によりできている。圧縮座金38は誘電チューブ42の中に収められ、低い熱伝導率の金属(図10b)、Ni-Cr合金を含むがこれに制限されない、により作られても良い。ばね40は広い温度範囲に対して均一な負荷を提供し、特に電気回路に共振に対する電子的な訂正が含まれていない場合に使用が推奨される。フレームの低熱伝導率は上昇した温度（200-300℃以上）での熱交換に基づく損失を最小にする上で欠かせない。圧縮外フレームは１つ又は複数の材料12のいずれかとヒートシンク16又は18のいずれかと共に統合されても良い。図11aと11bはスタック統合フレームの２つの例を示す。図11aに示した実施例において、１つ又は複数の材料12のスタックは圧縮フレーム44の中に配置され、圧縮フレーム44にねじ込まれている締付けボルト48によって圧縮されている。座金46は１つ又は複数の材料12の両端に設けられている。ばね40はボルト48を有するスタックの端部に設けられている。図11bは図11aに示した実施例の上面図であり、ヒートシンク16 及び18と熱接触している。構造部材は熱伝導率が低いことが望ましい。作動温度が十分低い、即ち200-300℃以下であり、スタックの熱伝導率に比べて輻射熱交換が小さい場合は、フレームは金属、セラミックス、複合材、これらを含むがこれに制限されない、により作られていても良い。図12aと12bはヒートシンクと一体化したフレームを示す。図12aは内フレームを示し、12bは外フレームを示す。図12cには簡単な組立体の他の実施例を示す。図12a-12cに示した実施例の場合、１つ又は複数の材料12が圧縮部材54と支持部材50との間に配置されており、圧縮部材54にねじ込まれたボルトを含むがこれに制限されない、締付け圧縮部材54によってスタックに対して圧縮されている。誘電材座金52は１つ又は複数の材料12の両端部に設けられている。誘電座金５２は１以上の材料１２上に等しく圧力を施すために必要とされる。座金52は機械的強度を持つとともに、約１W/mK以下の熱伝導率を持っていなければならない。座金 52の作動温度範囲は高温シンク温度以上でなければならない。多くの用途において、MACOR^TM機械加工可能セラミックスが適している。マイカを基材とするセラミックス、複合材、高温セラミックスを用いてもよい。 6.共振共振スタック変換器10は長い製造と応用の歴史を持つセラミックフィルターと共振アクティベーターに似ている。もしスタックが均一の材料でできていれば、厚さ共振における共厚さ、λは音響波長、n=1，2，3,...（高調波の次数）である。波長はλ=c/fであり、cは材料中の音速、fは周波数失はn=1(f₀)のときである。われわれの場合、n=１でも、共振周波数はPZT-5Aに対して約10MHz/mmと非常に高いので、それは取るに足らない。実際の周波数f₀は電極の厚さ、電極の材料、圧縮フレーム、圧縮力、環境(ガス、空気、液体)、温度、摩擦などの様々なパラメーターに依存する。10MHz以下の周波数に対しては、スタックは10MHz/mmに耐える十分な厚さでなければならない。約100kHzの共振周波数を持つアクチュエータは約２cmの厚さになる。前述のように、効率の良い変換器作動に必要な最低周波数は焦電材料12に依存する。タンタル酸鉛スカンディウムに対する共振周波数は、同じ形状で同じ電気的入力のPZT-5Aに対する値よりも概算10⁶倍少ない。しかし長いスタック（スタック長さが高さや幅よりも大きいとき）の製造は、プレートの平行度、音の減衰、損失の増大などの問題を生じる。共振の幅は重要な因子である。その理由は、温度や振動が変化すると問題になる要求される電気回路の安定性を制限するからである。共振幅Δfは共振を生じる周波数の偏差である(図13参照)。静電容量は温度と共に変化するので、高温と低温のヒートシンクの温度を一定に保つことが重要である。さもなければ、電気回路に周波数調節手段が必要である。この値は単純なLC回路にも当てはまる。もしこれが1%以下であるなら、各スタックに対して個別の回路調節が必要である。この点について、スタックを外部のばね又は終端部質量で影響を受ける、スタックの純粋な圧縮モードが指定されてきた。このモードは容易に理解でき、制御することができるが、報告されている周波数は明らかに10kHz以上である(図14参照)。図14は、振動モードの如何にかかわらず、10kHz以下の周波数が検討されるべきであることを示している。10kHzの周波数でもPZTで作られたスタックの約30年の寿命に相当することに注意すべきである。広い温度範囲で作動する複雑で、強力なシステム、すなわちW＞1kWに対して、変換器システムに対しては別なアプローチが適用される。温度による音響共振周波数の変動は大きくないが、存在してシフトを生じる。それよりはるかに重要なのは、簡単に２因数により変化をする、焦電の比誘電率εの変化である。従って共振電気回路のインダクタンスLは対応して可変インダクタンス（移動鉄芯を持った変圧器）を使って調節しなければならない。周波数は、また、コンデンサスタックと直列又は並列に接続された可変容量デバイスを使って調節しても良い。可変インダクタンスの場合、スタックの音響共振ω₀とコンデンサC₀はL=L(x)（ただしxは鉄芯の位置）の値によって較正される。周波数の調節には温度センサー、プログラムされた増幅器、ステッピングモータを含む標準の衛星追跡システムを使うことができる。周波数調節全体のブロック図は図28に示されている。更に複雑なシステムにはコンピュータ制御測定システムを含み、それは無負荷の期間中にω₀を測定し、それに応じて可変インダクタンスを調節する。また、駆動電圧、熱源（高温ヒートシンク温度）なども制御される。従って、高温又は低温ヒートシンク温度のいずれかは制御され、または周波数は制御され、又はそれらの組合わせが制御される。 7.PSTに基づく装置タンタル酸鉛スカンディウム（PST）合成における最近の進歩により、焦電係数が極端に高い値を持つ材料が誕生している(パテル、A.ほか「非冷却式サーマル・イメージング・アレイのための薄膜及び強誘電性セラミックス」第９回IEEE 強誘電体の応用に関する国際シンポジウム、ペンシルベニア州立大学、米国1994 年８月7-10日、647-652頁参照)。その性質（p=2.5C/K・cm²）の故に、この材料は非効率性を克服するための共振スタックは必要としない。この結果、その制限因子は金属電極の熱伝導率である。１x１cm²で厚さが１mmのプレートに10kHzの駆動電圧1V当たり、変換電力は30Wである。このシステムは電極長さ1cm当たり約１ mmの厚さの銅又は銀電極を必要とする。この場合の変換器の設計は、図15に示したように、焦電集積体と薄い電極が不要なので、既に開示したスタックとやや異なる。この実施例においては、望ましくはプレート状をしたPST材料62が、高温ヒートシンク56と低温ヒートシンク58に熱接触している U字型をした電極64の中間に配置されている。電極64は大きい接触面を通して接触熱抵抗を克服するためにU字型になっている。電極64とヒートシンク56及び58 の間に電気的絶縁体60が設けられている。電極64は十分に厚くそれ自身で機械的に安定しているので、PST材料62と電気的絶縁体60との間には、空気、ガス、真空又は誘電体のようなブレークダウン抵抗材料などを含む間隙66が存在する。間隙66は両電極64間の電圧に耐えなければならない。間隙66は材料62からヒートシンク56及び58への熱流を除去することによって変換器の効率を増している。間隙 66は低温ヒートシンク58に隣接する側には必要でない。 PSTのためのエネルギー抽出電気回路は図16に示したものと同様である。しかし、この材料に対して数kVの高さにある、焦電電圧からパルス又は正弦波発生器を保護する手段が取られねばならない。従って、電気絶縁体60はこの焦電電圧に耐え得る必要がある。発生器の出力の高電圧を避ける１つの方法は音響結合を使用することである。その場合、発生器はPSTプレートから電気的に絶縁されているが音響的に結合されている圧電プレート（PZT-5A）を駆動する。PSTの音響振動は圧電プレートに振動電圧を発生し、その結果、焦電作用をもたらす。これに対応する設計が図17に示されている。この実施例においては、U字型電極64と圧縮部材74との間に以下の要素が以下の順序で圧縮されて設けられている：PST材料62、電極68、電気的絶縁体70、電極68、圧電材料72、プレート状の電極68。電極68はAg又はAu/Niを含むがこれに制限されない、少なくとも100ミクロンの厚さを持った中実の金属又は合金を含む。電気的絶縁体70は約１kVの高電圧及び180℃までの温度に耐えるものでなければならない。多くのガラス及びセラミック絶縁体は、少なくとも約100ミクロンの厚さで適当である。カプトン又はテフロンなどのプラスチックはまた適当である。電極68は圧電材料上にNi又はAu-Niを約0.25μに被覆した標準電極である。Ag 又はAg/Pd合金は適切である。圧電材料は約180℃温度まで作動可能でなければならない。標準PZT合成材料のほとんどは適当である。図17の設計は高い機械的及び電気的強度を持つ丈夫な設計である。この種の装置における１つの主な考慮はすべてのエアギャップが、約１kVACに耐える間隙、例えば少なくとも約１ｃｍの間隙でなければならない。交換器は湿気に対する被覆保護を持つか、又はフレオンを充満させてブレークダウンを防がねばならない。電極64と加圧部材74の間の上述の構成要素は、圧縮部材74と電極64を通って締結されたボルトを含むがこれに制限されない、圧縮システム76によって圧縮されている。電極64と68は図16に示したような抽出回路に接続されている。誘電層70 はPSTからの１kVレンジの電圧に耐えそして低い超音波減衰を持つことができ、水晶又は高密度酸化アルミニウムを含むがこれに制限されない。圧電プレート72 はPSTのキュリー点（180℃）より高いキュリー点を持つ何らかの材料でできている。圧電プレート電極68は正弦波又はパルス発生器に接続されている。圧縮部材 74は電気的絶縁体でできていることが好ましい。電極64にねじ込まれているボルトはMACOR^TMなどの絶縁体か、又は表面に絶縁処理がされている金属でできている。電極/熱伝導体64は、絶縁物60、好ましくはAlN絶縁体よってヒートシンク56及び58から電気的に絶縁されている。抽出回路は、ツェナーダイオード（実際はショットキーダイオード・スタック）がkVレンジの電圧を扱わねばならないことを除けば基本的には図16と同様であり、抽出変圧器の巻線は高電圧から低電圧であり、そして以前のように逆方向はない。振動電圧発生器は、外部蓄電池から、又は始動時のみ使用される外部蓄電池をを持った抽出回路のいずれかによって駆動することができる。圧電材料８の駆動周波数を変えることよって行うコンピューター制御スターター及び変換器の効率最適化は装置電力がキロワットレンジ内ならば利用できる。 8.電気回路コンデンサ・スタックから電荷を取り除く装置は振幅検知か振幅及び位相検知である。図16は、焦電コンデンサCと、焦電スタックと共に共振形状を形成しているインダクタンスとして巻線No．１により形成された共振回路を示している。この回路の損失（リード線の抵抗）は抵抗R_rに反映されている。インダクタンスLを持つ巻線１は室温におけるこのスタックの共振周波数に実験的に同調される。スタックの温度が上昇すると、その容量がシフトし、従って回路は特定の温度範囲、例えば300-350Kに調整される。原理的には、この条件は可変変圧器（可動鉄芯つき）の使用によって解決される。巻線２はツェナーダイオードと整流器に跨って設けられている。ツェナーは多くのショットキーダイオードを直列に接続して構成される。各ダイード（MBR 340）は制限周波数100MHzを持ち電圧降下は約0.3Vである。整流器は同じショットキーダイオードでできている。整流された電流は負荷R_Lで使われる。巻線３は電流増幅器（エミッタ・リピータ）つきの関数発生器（ヒューレット・パッカード・モデル8116A）による変換器動作に使われる。エミッタ・リピータはNTE-56トランジスターに基づいて使用される。しかし、MHz型の周波数を取り扱うことのできる標準電流増幅器は十分であろう。スタック動作電圧はツェナーダイオード中のダイオードの数を変えることによって調節される。他の装置は、コンデンサと共振形状を形成するインダクタンスと、第1、2、3 巻線を持つ変圧器を含んでいるスイッチを含み、第１の巻線はツェナーダイオードに接続されて共振形状と並行に設けられており、第２の巻線は全波整流器に接続され、第３の巻線は発生器に接続されている。共振周波数はスタックの音響共振により定義され、厚さ、材料、圧縮、温度、摩擦などのパラメーターに依存する。外部回路の共振周波数ω₀は次の方程式で管理される。並列に接続された70ミクロン厚のPZT-5Aプレートからなる長さ１cmのスタックにより、コンデンサは3μＦに等しく、方程式（11）より9.4x10^-8HのインダクタンスLを与える。このインダクタンスは、巻数5、直径約２mmを有する空気充填コイルによって得られる。共振時に、無効インピーダンスは補正されていて、オーム抵抗だけとなる。正弦波交流に対するオーム損は0.5xV₀ ²xR_rに見え、10Vの場合、50R_rワットに相当する。このスタックは方程式（6）により200K温度勾配で0.1Wを与える。ここで、線抵抗は２x10^-3オーム以下でなければならない。直径３mm²の銅線及び巻線ならびに接点長10cmで、抵抗は約0.5x1 0^-4オームそしてオーム損は変換器出力の25%である。プレート上の電極は追加のオーム損の約60%を与え、その結果、総合効率を可能出力の約15%に制限する。更に概ね損失の5%がスタックそのものから発生し、残るのは0.1Wの約10%である。熱流の大半が変換されることなく通過するので、電極の厚さは使用されている厚さより厚いほうが好ましく、このため変換器効率は更に下がる。 PZT-5Aに対する解決策は、ニッケル電極を約0.5から1.0ミクロンの厚さにするが、この金属が両側でヒートシンクに接触しないようにし、このため焦電スタックを通る熱流を制限することである。高い（p>>10^-2-10^-3C/K・m²）焦電係数の材料では、出力が何らかのオーム損を十分に補うのでこれらの問題がない。ツェナーダイオードはしきい値電圧10Vを与え、更に整流器中のダイオードから0.5Vが加えられる。同じ共振周波数を持つパルス発生器からの振幅10Vの駆動電圧が巻線３に加えられる時に、外形に共振が得られる。しかし、巻線２ではそのインピーダンスが無限大に近いので、何も起きない。発生器のパルス振幅が増加すると、図４に示した状態が発生する。パルス振幅がのしきい値電圧に達すると、ツェナーダイオードは電流を導通し始め、DC電流が負荷R_Lを流れる。損失が自動的に焦電作用によって補償されるので、発生器はスイッチを切ってもよい。高周波数(ω₀＞１MHz)、スタックの大きい静電容量（C₀＞１μF）において、共振回路を形成するためい要求される変圧器インダクタンスは１マイクロヘンリーより少ない。変圧器がコイルされた巻線を持つ通常の型式であると、磁力線を変圧器内部に留めるために鉄芯を使用することができないので、高い効率を得ることが困難である。この場合には、図19に示した回路が好ましい。それは抽出用巻線２を持たないが、図16の回路と同様に作動する。その違いは、制限要素は、ショットキーダイオードに対する100MHzと同じ高さにあるダイオードの動作周波数である、ということである。ツェナーダイオードは、ダイオード当たり0.3-0.7Vのショットキーダイオードを直列に結合したもので、例えばV_Z=10Vでは30個のダイオードとなる。図18に示した回路は、電圧の焦電成分がそのまま使用するのに十分な大きさを持っているという仮定の下に設計されている。すなわち、PZSTの場合、その値は駆動電圧の２倍以上、数ボルトである。しかしPZT-5A材の場合のようにこの仮定が正確ではないなら、高周波変圧器を追加する必要が生じる。しかしながら、T₁ と異なり、これは低インダクタンス変圧器である必要はないので、非常に効率が良い(図19参照)。PZT-5Aに対しては、T₂の巻線比率は10²-10³でなければならない。図19は４マイクロファラッドの等価容量を持つ共振スタックを示している。ツェナーダイオードは20個のショットキーダイオード（モトローラMBR 340）を直列に接続したもので、10000V/マイクロ秒の電圧変化率を持っている。このスタックの抵抗の再計算した電圧依存性R_Z・R_Z(V)は図20（Ohm対V_Z）に示されている。実効的に５Vにおける抵抗値は無限大であり、10Vでは０である。高周波（定格１MHz）電力変圧器T₂の１次巻線の抵抗はR₀=10Ωである。整流ブリッジは40MHzの最大動作周波数をもっており、負荷抵抗は10Ωである。変圧器T₁の低抵抗巻線１はスタックCを持つ共振形状を形成する。スタックの共振周波数は500kHzである。共振は関数発生器から巻線３によって開始される。共振電圧V₀が5V以下であると、電流はツェナーダイオードZによってブロックされてしまい変圧器T₂を流れない。電流が流れ始めると、抵抗R₀ +R_Zを流れそして抽出される電力は、ことにより、V₀=10Vでは約.05Wの平均抽出電力を与える。評価部品レーティング回路損は8%であり、より効率の高い変圧器T₂によって低くすることができる。0. 8Wの焦電出力利得と約0.1Wのスタックの内部損失により、適当に有効な抽出回路が実現できる。図18と19に示した回路は図16に示したものと同原理で組立てられている。ツェナーダイオードと整流器はMBR 340ショットキーダイオードだけではなく、何らかの所要電圧と低損失で少なくとも約1000Aまでの電流と高周波数を扱う何らかの市販のダイオードにより構成されることができる。例えば100個のダイオードは10kVを維持することができる。スイッチは様々な回路形式をとることができる。スイッチは、焦電コンデンサとインダクタンスLから形成される共振形状（ｃｏｎｔｏｕｒ）を含むことができ、その場合、形状はパルス/正弦波発生器で駆動される。発生器が高い出力インピーダンス（１＞１ｋΩ）を持つならば、共振形状に直接跨って接続できる。一実施例では、インダクタンスLは高周波変圧器の第１の巻線（少なくともコンデンサの共振周波数の）であり、第２の巻線は発生器に接続されている。他の実施例では、焦電コンデンサとインダクタンスLから形成される共振形状を含み、その場合共振形状はパルス/正弦波発生器によって駆動され、インダクタンスLは波変圧器の第１巻線（少なくともコンデンサの共振周波数の）であり、第２の巻線は発生器に接続される。そしてこの形状は抽出回路に並行に接続され、その抽出回路はツェナーダイオードと高周波変圧器の第１巻線（少なくともコンデンサの共振周波数の）を含み、変圧器の第２巻線は整流器を介して有用な負荷に接続されている。有用な負荷の一部は発生器に供給されて良い。また、有用な負荷の一部であるタイマを有するスタートアップバッテリーにより発生器は電力供給されても良い。サイリスター電流断続器を含む、更に高度な抽出回路がジョン S．ストラチャンとハロルド・アスプデンに与えられ、「熱電エネルギー変換」と題された、米国特許No．5,288,336によって説明されている。原理的には、初期温度変化が焦電電圧の立ち上がりによる断続器動作により与えられる時に、サイリスタ断続器はスタートアップバッテリーのない回路を許容する。 9.用途近代文明の基礎はエネルギー変換であるから、効率の良いエネルギー変換器には無数の用途が考えられる。例えば、既存の公益事業の発電所、太陽エネルギプラント、住宅用電源、住宅用/太陽エネルギ電源、自動車、船舶、太陽エネルギ/ 船舶、環境ヒートポンプ、冷却(冷房、空調など)、推進、航空宇宙などである。発電所は300℃およびより低いポテンシャルで膨大な量の廃熱を有する。この廃熱をカルノー効率30-50%で変換すれば、燃料の等価な節約により付加的総合プラント効率を15-25%向上させる。低コストの変換器の普及は、現行の蒸気/電気サイクルより高い効率を持つ太陽熱集中装置発電所の設備投資額を低減できる。また、低い動作温度により保守費用も低減できる。熱から電気エネルギへの直接変換に基づく住居用電源は、送電線を敷設するのが困難であったり不便な遠隔地にとって理想的である。熱源は化石燃料でも、太陽熱集中装置の形態いずれでも良い。太陽熱集中装置は昼夜の温度差を利用する、太陽光加熱水プールの形態としても良い。100平方メートルの表面とカバーを持つ数百立方メートルの水は約10℃の温度差がある地域の１軒の家に電力供給を与える。発電機を駆動する普通のエンジンと電動機と組み合せた焦電変換器は、実質的に走行距離を延ばすであろう。直接エネルギー変換は電気自動車に大きな寄与ができる。３つの主なアプローチが可能である。１つのアプローチは、総合的な効率の向上として、約150-300 ℃までの動作温度を持つ安価な材料を使うことを含む。電気駆動自動車は、中間ラジエータ−として変換器アレイを有する発電機に結合された従来のエンジンを持つ。もう１つのアプローチは動作温度約1000℃の高温変換器を使う方法である。この種の自動車は運動部品点数が少なく、燃焼温度が高く、排出は少なくなるだろう。現在高効率の炉は約90-95%の熱効率を実現しているが、これは内燃機関の効率よりはるかに高い。約50%のカルノー効率変換器を持った燃焼エンジンを使えば、走行距離は同様な特性を持つ既存の自動車に対しおおよそ2-3倍改良するだろう。自動車のアプリケーションは、船舶のアプリケーションにも適用できる。更に、太陽熱集中装置は帆型にしても良い。焦電変換器を持った軽量で安価なプラスチック・フレネルレンズは、現代の剛性翼式の帆に組込むことができ、約100-20 0W/m²の帆型ソーラ部品を備えたボートを風と太陽エネルギーの両方を用い推進する。本変換器は、自己保持モードにおいて非常に小さい温度勾配を利用できる、両ヒートシンク間の温度勾配は表面上の非対称熱交換（例えば、１つのヒートシンクを熱的に絶縁され得る）で生成される。また、このシステムは何らかの故障まで、環境を冷却し、発電を続ける。理論的に生じる勾配はわずか数度であるから、電力密度は小さい。しかし、ふつうの意味のエネルギー消費はゼロである。本装置は、破壊動作を生じないために保証された電気負荷のような、付加的特徴を持たなければならない。これは、有効な電力密度を更に低下する。それにもかかわらず、可能な利益はこの技術的な障害にはるかに優る。要約すると、ここに開示した方法と装置は焦電エネルギー変換の技術の現状からの十分な改良である。本発明は、その精神又は基本的な特徴を離れることなく、他の特定な形態で実施することができる。ここに述べた実施例はすべての点において、例示的として捉えられるべきであり、限定的に捉えられるべきではない。従って、本発明の範囲は上記の説明ではなく、以下の特許請求の範囲により示されている。特許請求の範囲と同等な趣旨と範囲内のあらゆる変更は、本特許請求の範囲内に包含される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims

【特許請求の範囲】 1. 圧電−焦電材料で形成された１以上のプレートと、前記１以上のプレートに介在されてコンデンサを形成する熱伝導性の電極と、前記電極と熱伝達する高温及び低温のヒートシンクと、前記１以上のプレートを共に保持する手段と、前記コンデンサに電圧と共振周波数を供給するため前記コンデンサに結合された手段と、前記コンデンサから圧電−焦電効果によって生成された電荷を取り除くために前記コンデンサに結合された手段とを含むことを特徴とするエネルギー変換装置。 2. 前記１以上のプレートと前記電極との間に配置された拡散障壁を更に含むことを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 3. 前記コンデンサと前記ヒートシンクの間に配置された電気的絶縁体を更に含むことを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 4. 前記１以上のプレートに圧縮力を加える手段を更に含むことを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 5. 前記圧縮手段が前記１以上のプレートの内側に圧縮フレームを含むことを特徴とする請求の範囲４項に記載のエネルギー変換装置。 6. 前記圧縮手段が前記１以上のプレートの外側に圧縮フレームを含むことを特徴とする請求の範囲４項に記載のエネルギー変換装置。 7. 電圧と共振周波数ω₀を印加するための前記の手段は関数発生器を含み、共振電圧は方程式V(t)=V₀sin(ωｔ)で支配され、前記共振周波数ω₀はコンデンサの内部音響共振関連づけられており、ここにLは該回路のインダクタンス、Cは該コンデンサの静電容量であることを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 8. 音響共振周波数変動により前記共振周波数を変化させる周波数調節手段をさらに含むことを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 9. 前記高温又は低温ヒートシンクの温度またはそれらの組合わせを制御する手段を更に含むことを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 10. 前記高温ヒートシンクの温度と共振回路の周波数を制御する手段を更に含むことを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 11. 前記電圧が印加されたときに前記高温及び低温ヒートシンクには温度差があることを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 12. 前記電圧が印加されたときに前記高温及び低温ヒートシンクが同じ温度であることを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 13. 前記電極に隣接した電気絶縁体を更に含み、前記高温及び低温ヒートシンクが前記電気絶縁体と熱伝達しており、かつ前記電気絶縁体は前記高温及び低温ヒートシンクと前記電極との間に設けられていることを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 14. 前記１以上のプレートよりも低い熱伝導率を持つ材料を含み、その材料が前記１以上のプレートと前記高温ヒートシンクとの間に設けられたていることを特徴とする請求の範囲１項に記載のエネルギー変換装置。 15. (a) 圧電−焦電材料から形成された１以上のプレートを共に保持し、該圧電−焦電材料はコンデンサを形成する前記１以上のプレートにより介在された導電性及び熱伝導性の電極を有し、前記電極は高温及び低温ヒートシンクと熱伝達し、 (b) 前記コンデンサに電圧と共振周波数を印加し、 (c) 圧電−焦電効果によって生成された電荷を前記コンデンサから取り除く、各ステップを含むことを特徴とするエネルギー変換方法。 16. 前記１以上のプレートに圧縮力を加えるステップを更に含むことを特徴とする請求の範囲17項に記載のエネルギー変換方法。 17. 前記電圧が印加されるとき、前記高温及び低温ヒートシンクは温度差があることを特徴とする請求の範囲17項に記載のエネルギー変換方法。 18. 前記電圧が印加されるとき、前記高温及び低温ヒートシンクが同温度であることを特徴とする請求の範囲17項に記載のエネルギー変換方法。