JP2002144297A - 温度差サイクル発電システム、そのための可変容量コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents
温度差サイクル発電システム、そのための可変容量コンデンサ及びその製造方法Info
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- JP2002144297A JP2002144297A JP2000341714A JP2000341714A JP2002144297A JP 2002144297 A JP2002144297 A JP 2002144297A JP 2000341714 A JP2000341714 A JP 2000341714A JP 2000341714 A JP2000341714 A JP 2000341714A JP 2002144297 A JP2002144297 A JP 2002144297A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】従来、単に捨てられてきた常温レベルの廃熱を
再利用することのできる発電システムを提供する。 【解決手段】少なくとも、対向する如く配された高温源
と低温源、固定極板とばねによって可動に配された可動
極板からなる可変容量コンデンサ、バイアス電源、及
び、電力を取り出すためのトランスからなる温度差サイ
クル発電システム。前記可変容量コンデンサは高温源と
低温源の間に該高温源又は低温源に熱伝達可能に配され
ている。また、前記可変容量コンデンサの固定極板と可
動極板の間には、電気的な意味で前記バイアス電源及び
トランスが配されている。可変極板を経由する熱の移動
と、該熱移動に伴う、前記ばねのばね定数又は状態変化
によって引き起される可動極板の運動によって生じるコ
ンデンサの容量変化を、前記トランスから電力として取
り出す。
再利用することのできる発電システムを提供する。 【解決手段】少なくとも、対向する如く配された高温源
と低温源、固定極板とばねによって可動に配された可動
極板からなる可変容量コンデンサ、バイアス電源、及
び、電力を取り出すためのトランスからなる温度差サイ
クル発電システム。前記可変容量コンデンサは高温源と
低温源の間に該高温源又は低温源に熱伝達可能に配され
ている。また、前記可変容量コンデンサの固定極板と可
動極板の間には、電気的な意味で前記バイアス電源及び
トランスが配されている。可変極板を経由する熱の移動
と、該熱移動に伴う、前記ばねのばね定数又は状態変化
によって引き起される可動極板の運動によって生じるコ
ンデンサの容量変化を、前記トランスから電力として取
り出す。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、廃熱のような温度
差熱エネルギーを利用した発電システムに関し、特に、
熱を放出する装置に内蔵させ、該装置が必要とする電気
エネルギーの一部を肩代わりさせるに適したマイクロ発
電システム、そのための可変容量コンデンサ、及びその
製造方法に関する。
差熱エネルギーを利用した発電システムに関し、特に、
熱を放出する装置に内蔵させ、該装置が必要とする電気
エネルギーの一部を肩代わりさせるに適したマイクロ発
電システム、そのための可変容量コンデンサ、及びその
製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】常温レベルの廃熱は、熱機関を構成させ
てもカルノーサイクルの制限があるために効率が悪くな
るので、結局、エネルギー価値が低く、従来、工場や自
動車、電気機器等、あらゆるところから大量に排出され
ているにもかかわらず利用されることはほとんどなかっ
たと言っても過言ではない。近年このような廃熱を温度
差熱サイクル機関を用いて、電力を取り出す試みが行わ
れ始めたが、未だ実現できそうなシステムは提案されて
いない。
てもカルノーサイクルの制限があるために効率が悪くな
るので、結局、エネルギー価値が低く、従来、工場や自
動車、電気機器等、あらゆるところから大量に排出され
ているにもかかわらず利用されることはほとんどなかっ
たと言っても過言ではない。近年このような廃熱を温度
差熱サイクル機関を用いて、電力を取り出す試みが行わ
れ始めたが、未だ実現できそうなシステムは提案されて
いない。
【０００３】一方、マイクロマシン技術の進展に伴い、
マイクロ化された構造体が熱に対して速い速度で応答す
ることが分かってきた。そこで、本発明者は、マイクロ
可動部品をマイクロアクチュエータとして温度差熱サイ
クル機関に組み合わせたところ、マイクロ発電システム
とも言える温度差発電システムが可能となることを見い
出し、本発明に到達した。
マイクロ化された構造体が熱に対して速い速度で応答す
ることが分かってきた。そこで、本発明者は、マイクロ
可動部品をマイクロアクチュエータとして温度差熱サイ
クル機関に組み合わせたところ、マイクロ発電システム
とも言える温度差発電システムが可能となることを見い
出し、本発明に到達した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の第一の
目的は、常温レベルの廃熱を再利用することのできる新
規な発電システムを提供することにある。本発明の第２
の目的は、熱を放出する装置に内蔵させることができる
と同時に、該装置が消費する電力の一部を肩代わりする
ことのできるマイクロ発電システムを提供することにあ
る。本発明の第３の目的は、マイクロ発電システムのた
めの、アクチュエータとして機能する可変容量コンデン
サを提供することにある。更に本発明の第４の目的は、
マイクロ発電システムのための、アクチュエータとして
機能する可変容量コンデンサの製造方法を提供すること
にある。
目的は、常温レベルの廃熱を再利用することのできる新
規な発電システムを提供することにある。本発明の第２
の目的は、熱を放出する装置に内蔵させることができる
と同時に、該装置が消費する電力の一部を肩代わりする
ことのできるマイクロ発電システムを提供することにあ
る。本発明の第３の目的は、マイクロ発電システムのた
めの、アクチュエータとして機能する可変容量コンデン
サを提供することにある。更に本発明の第４の目的は、
マイクロ発電システムのための、アクチュエータとして
機能する可変容量コンデンサの製造方法を提供すること
にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の上記の諸目的
は、少なくとも、対向する如く配された高温源と低温
源、固定極板とばねによって可動に配された可動極板か
らなる可変容量コンデンサ、バイアス電源、及び、電力
を取り出すためのトランスからなる温度差サイクル発電
システムであって、前記可変容量コンデンサが高温源と
低温源の間に該高温源又は低温源に熱伝達可能に配され
ると共に、前記可変容量コンデンサの固定極板と可動極
板の間に前記バイアス電源及びトランスが配されてお
り、可変極板を経由する熱の移動と、該熱移動に伴う、
前記ばねのばね定数又は状態変化によって引き起される
可動極板の運動によって生じるコンデンサの容量変化
を、前記トランスを介して電力として取り出すことを特
徴とする温度差サイクル発電システム、及び、それに用
いるための可変容量コンデンサ、並びにその製造方法に
よって達成された。
は、少なくとも、対向する如く配された高温源と低温
源、固定極板とばねによって可動に配された可動極板か
らなる可変容量コンデンサ、バイアス電源、及び、電力
を取り出すためのトランスからなる温度差サイクル発電
システムであって、前記可変容量コンデンサが高温源と
低温源の間に該高温源又は低温源に熱伝達可能に配され
ると共に、前記可変容量コンデンサの固定極板と可動極
板の間に前記バイアス電源及びトランスが配されてお
り、可変極板を経由する熱の移動と、該熱移動に伴う、
前記ばねのばね定数又は状態変化によって引き起される
可動極板の運動によって生じるコンデンサの容量変化
を、前記トランスを介して電力として取り出すことを特
徴とする温度差サイクル発電システム、及び、それに用
いるための可変容量コンデンサ、並びにその製造方法に
よって達成された。
【０００６】
【発明の実施の形態】本発明における高温源とは、例え
ば、各種装置における発熱体、例えば、エンジンやモー
ター或いはコンピュータのＣＰＵ等であり、特に限定さ
れるものではない。排気ガス等の場合であっても、その
熱を熱伝導度の大きい蓄熱体に貯えて使用することがで
きる。一方、低熱源は高熱源に対して相対的に低温であ
れば良く、場合によって、冷却体であったり雰囲気中に
熱を放散し易くするための放熱体である。本発明におい
ては、発電システムの効率の点からこれらの高熱源及び
低熱源としてヒートパイプを使用することが好ましい。
ば、各種装置における発熱体、例えば、エンジンやモー
ター或いはコンピュータのＣＰＵ等であり、特に限定さ
れるものではない。排気ガス等の場合であっても、その
熱を熱伝導度の大きい蓄熱体に貯えて使用することがで
きる。一方、低熱源は高熱源に対して相対的に低温であ
れば良く、場合によって、冷却体であったり雰囲気中に
熱を放散し易くするための放熱体である。本発明におい
ては、発電システムの効率の点からこれらの高熱源及び
低熱源としてヒートパイプを使用することが好ましい。
【０００７】本発明で使用する可変容量コンデンサは、
固定極板と可動極板からなり、可動極板の動きにより両
極板間の距離が変動するので、これによってコンデンサ
としての容量が変化する。また、可動極板の変動には、
形状記憶合金又はバイメタルの復元力の熱依存性を利用
することが好ましい。即ち、可動極板の両端部を、形状
記憶合金又はバイメタルのばねを介して固定し、可動極
板が変位したときに、高熱源又は低熱源の何れかと熱の
授受ができるように、可変容量コンデンサを高熱源と低
熱源の間に配置する。尚、後述する如く、可動極板とば
ねを一体的に形成させることもできる。
固定極板と可動極板からなり、可動極板の動きにより両
極板間の距離が変動するので、これによってコンデンサ
としての容量が変化する。また、可動極板の変動には、
形状記憶合金又はバイメタルの復元力の熱依存性を利用
することが好ましい。即ち、可動極板の両端部を、形状
記憶合金又はバイメタルのばねを介して固定し、可動極
板が変位したときに、高熱源又は低熱源の何れかと熱の
授受ができるように、可変容量コンデンサを高熱源と低
熱源の間に配置する。尚、後述する如く、可動極板とば
ねを一体的に形成させることもできる。
【０００８】固定極板は、高熱源側及び低熱源側の何れ
に配しても良いが、多くの場合、高熱源側に配し、静電
的に可動極板を高熱源側に移動させ、可動極板に伝わっ
た熱による、前記形状記憶合金やバイメタル等のばねの
復元力の増大を利用して、可動極板を低熱源側に移動さ
せる方が自然である。何れにしても、固定極板は、可動
極板が熱的に低温源及び高温源と接触することを妨げる
ことのないように配される。このことは、熱源と固定極
板とを少なくとも熱的な意味で実質的に一体化すると共
に、固定極板の可動極板側表面、又は可動極板の表面
に、熱伝導性に優れた絶縁層を設けること等によって容
易に実施することができる。
に配しても良いが、多くの場合、高熱源側に配し、静電
的に可動極板を高熱源側に移動させ、可動極板に伝わっ
た熱による、前記形状記憶合金やバイメタル等のばねの
復元力の増大を利用して、可動極板を低熱源側に移動さ
せる方が自然である。何れにしても、固定極板は、可動
極板が熱的に低温源及び高温源と接触することを妨げる
ことのないように配される。このことは、熱源と固定極
板とを少なくとも熱的な意味で実質的に一体化すると共
に、固定極板の可動極板側表面、又は可動極板の表面
に、熱伝導性に優れた絶縁層を設けること等によって容
易に実施することができる。
【０００９】静電的に可動極板を熱源に移動接触させる
ために、本発明においては、可動極板と固定極板の間に
バイアス電源を配し、両極板間にバイアス電圧を印加し
て静電引力を発現させる。熱源と接触することにより、
可動極板の温度変化と伴に形状記憶合金又はバイメタル
等のばねの温度が変化し、ばねとしての復元力が前記引
力より大きくなると、可動極板は他方の熱源の方に移動
する。この接触によってばねの温度が変化し、ばねの復
元力が再び弱まると、前記バイアス電圧の印加による静
電引力によって可動極板が再び他方の極板側に移動する
ので、可動極板は二つの熱源の間を往復運動することに
なる。この可動極板の周期的変動によって可変容量コン
デンサの静電容量が周期的に変化し、これによって交流
電流が発生するので、これを絶縁トランスを介して負荷
から電力として取り出すことができる。以下、本発明を
図に基いて更に詳述するが、本発明はこれによって限定
されるものではない。
ために、本発明においては、可動極板と固定極板の間に
バイアス電源を配し、両極板間にバイアス電圧を印加し
て静電引力を発現させる。熱源と接触することにより、
可動極板の温度変化と伴に形状記憶合金又はバイメタル
等のばねの温度が変化し、ばねとしての復元力が前記引
力より大きくなると、可動極板は他方の熱源の方に移動
する。この接触によってばねの温度が変化し、ばねの復
元力が再び弱まると、前記バイアス電圧の印加による静
電引力によって可動極板が再び他方の極板側に移動する
ので、可動極板は二つの熱源の間を往復運動することに
なる。この可動極板の周期的変動によって可変容量コン
デンサの静電容量が周期的に変化し、これによって交流
電流が発生するので、これを絶縁トランスを介して負荷
から電力として取り出すことができる。以下、本発明を
図に基いて更に詳述するが、本発明はこれによって限定
されるものではない。
【００１０】図１は本発明の発電システムにおける、エ
ネルギー変換の原理図である。図２は廃熱（高温源）側
と空冷（低温源）側に各々１本ずつヒートパイプを設置
し、その間に固定電極と可動電極からなる可変容量コン
デンサを配した、本発明の発電システムの概念図であ
る。尚、図２底部に記載されたトランスは、電力を取り
出すための絶縁トランスである。
ネルギー変換の原理図である。図２は廃熱（高温源）側
と空冷（低温源）側に各々１本ずつヒートパイプを設置
し、その間に固定電極と可動電極からなる可変容量コン
デンサを配した、本発明の発電システムの概念図であ
る。尚、図２底部に記載されたトランスは、電力を取り
出すための絶縁トランスである。
【００１１】可動極板周囲は、熱絶縁するために真空に
することが好ましい。バイアス電源によりバイアス電圧
Vが印加されると、可動極板が低温側から高温側に移動
する。その間、キャパシタのギャップがｘだけ狭くな
る。高温側に極板が接触すると極板は吸熱する。吸熱さ
れた熱流Qinは可動極板を経てバイメタルばねに伝熱さ
れる。バイメタルばねは熱膨張により変位し、連結され
ている可動極板を低温熱源側に移動させる。低温熱源に
接触すると排熱により温度が低下する。排熱した熱流Q
outによりバイメタルばねの温度も低下し、初期状態に
戻る。そして、再度静電引力によって、極板が再び高温
熱源に移動する。
することが好ましい。バイアス電源によりバイアス電圧
Vが印加されると、可動極板が低温側から高温側に移動
する。その間、キャパシタのギャップがｘだけ狭くな
る。高温側に極板が接触すると極板は吸熱する。吸熱さ
れた熱流Qinは可動極板を経てバイメタルばねに伝熱さ
れる。バイメタルばねは熱膨張により変位し、連結され
ている可動極板を低温熱源側に移動させる。低温熱源に
接触すると排熱により温度が低下する。排熱した熱流Q
outによりバイメタルばねの温度も低下し、初期状態に
戻る。そして、再度静電引力によって、極板が再び高温
熱源に移動する。
【００１２】このサイクルは、等変位変化と断熱変化か
らなる熱機関としての働きをしている。以上の動作サイ
クルを図３に示す。最終的な電力は、可変コンデンサに
よる静電容量の変化で生じる交流電流から得る。図４
は、本願発電システムの等価回路である。バイアス電源
Vは、可変容量コンデンサにバイアス電圧Vを与えるもの
である。可動極板が振動することによって静電容量Cvが
周期的に変化し、それに応じた交流電流が発生する。電
流は、絶縁トランスを介して負荷から電力として取り出
される。
らなる熱機関としての働きをしている。以上の動作サイ
クルを図３に示す。最終的な電力は、可変コンデンサに
よる静電容量の変化で生じる交流電流から得る。図４
は、本願発電システムの等価回路である。バイアス電源
Vは、可変容量コンデンサにバイアス電圧Vを与えるもの
である。可動極板が振動することによって静電容量Cvが
周期的に変化し、それに応じた交流電流が発生する。電
流は、絶縁トランスを介して負荷から電力として取り出
される。
【００１３】前記図３のグラフにおいて、の過程では
静電吸引力とばね抵抗力が働く。図５のようなモデルを
想定すると、可動極板の運動方程式は以下のようにな
る。 (1)式 ｍ：極板質量、ε：真空の誘電率、ｋ：ばね定数 ｘ０：初期ギャップ、δ：絶縁膜厚さ ｓ：極板面積、V：バイアス電圧 極板周囲が真空である場合には前記可動極板の運動は減
衰しない。式（１）から、極板が高温熱源に接触するま
での時間T1が求まる。
静電吸引力とばね抵抗力が働く。図５のようなモデルを
想定すると、可動極板の運動方程式は以下のようにな
る。 (1)式 ｍ：極板質量、ε：真空の誘電率、ｋ：ばね定数 ｘ０：初期ギャップ、δ：絶縁膜厚さ ｓ：極板面積、V：バイアス電圧 極板周囲が真空である場合には前記可動極板の運動は減
衰しない。式（１）から、極板が高温熱源に接触するま
での時間T1が求まる。
【００１４】の過程では、極板が接触した状態で温度
上昇する。集中熱容量法による非定常熱伝導と仮定する
と、温度応答は以下のようになる。 (2)式 θH：高温、θL：低温、α：熱伝達率 θ：極板温度、ｃ：比熱、ｍ：極板質量 式（２）より、極板が熱応力により高温側から引き離さ
れるまでの時間T2が求まる。
上昇する。集中熱容量法による非定常熱伝導と仮定する
と、温度応答は以下のようになる。 (2)式 θH：高温、θL：低温、α：熱伝達率 θ：極板温度、ｃ：比熱、ｍ：極板質量 式（２）より、極板が熱応力により高温側から引き離さ
れるまでの時間T2が求まる。
【００１５】の過程では、バイメタルによる熱応力が
加わり、以下のようになる。 (3)式 E：バイメタルのヤング率、β：線膨張係数 Δθ：極板温度差、λ：形態係数 式（３）より、極板が低温熱源に接触するまでの時間T
３が求まる。
加わり、以下のようになる。 (3)式 E：バイメタルのヤング率、β：線膨張係数 Δθ：極板温度差、λ：形態係数 式（３）より、極板が低温熱源に接触するまでの時間T
３が求まる。
【００１６】の過程はと同様であり、Ｔ４＝Ｔ２で
ある。以上からまでの、１サイクルに要する時間を
Ttotalとすると、Ttotalは下記のようになる。 (4)式 また、可動極板の動作周波数ｆ及び角振動数ωは次のよ
うになる。 (5)式 の過程の後、可動極板が高温側から引き離されるため
にはバイアス電圧Vが以下の条件を満たす必要がある。 (6)式
ある。以上からまでの、１サイクルに要する時間を
Ttotalとすると、Ttotalは下記のようになる。 (4)式 また、可動極板の動作周波数ｆ及び角振動数ωは次のよ
うになる。 (5)式 の過程の後、可動極板が高温側から引き離されるため
にはバイアス電圧Vが以下の条件を満たす必要がある。 (6)式
【００１７】次に、図４の回路から電力を求める。可動
極板が、熱サイクルにおいて振幅Ｃ ａかつ振動数ωで振
動すると、その静電容量ＣＶは下記(７)式のようにな
る。 (7)式 C0；平均静電容量 また、ＣＶに流れる電流は下記(8)式で表される。 (8)式 V；バイアス電圧 (8)式の電流の実行値は以下のようになる。
極板が、熱サイクルにおいて振幅Ｃ ａかつ振動数ωで振
動すると、その静電容量ＣＶは下記(７)式のようにな
る。 (7)式 C0；平均静電容量 また、ＣＶに流れる電流は下記(8)式で表される。 (8)式 V；バイアス電圧 (8)式の電流の実行値は以下のようになる。
【００１８】(9)式 出力電圧は、絶縁トランスを介して負荷RLに発現する。
絶縁トランスの比を１：１としているので、変換される
電力Ｐ[Ｗ]は下記(10)式になる。 (10)式 また、本発明の発電システムのエネルギー効率ηは、熱
/機械エネルギー変換における効率ηｋと機械/電気エネ
ルギー変換における効率ηe掛け合わせたものである。
従って、総合したエネルギー効率ηは次のようになる。 (11)式
絶縁トランスの比を１：１としているので、変換される
電力Ｐ[Ｗ]は下記(10)式になる。 (10)式 また、本発明の発電システムのエネルギー効率ηは、熱
/機械エネルギー変換における効率ηｋと機械/電気エネ
ルギー変換における効率ηe掛け合わせたものである。
従って、総合したエネルギー効率ηは次のようになる。 (11)式
【００１９】熱/機械エネルギー変換における効率は、
図３の動作サイクル曲線から求められる。曲線が囲む面
積は可動極板の変位に仕事をかけたものであり、１サイ
クル中に極板の行った仕事である。この仕事Wk１は前記
した式(1)より以下のようになる。 (12)式 同様にWk２も式(2)より以下のようになる。 (13)式 式(12)及び(13)の仕事を加えたものが、熱/機械エネル
ギー変換過程に行った仕事Wｋである。 (14)式
図３の動作サイクル曲線から求められる。曲線が囲む面
積は可動極板の変位に仕事をかけたものであり、１サイ
クル中に極板の行った仕事である。この仕事Wk１は前記
した式(1)より以下のようになる。 (12)式 同様にWk２も式(2)より以下のようになる。 (13)式 式(12)及び(13)の仕事を加えたものが、熱/機械エネル
ギー変換過程に行った仕事Wｋである。 (14)式
【００２０】即ち、１サイクルに入力された熱量ΔQに
対する仕事Wで効率ηkをもとめることが出来る。入力さ
れた熱量は下記のように表される。 (15)式 ｃ：可動極板の比熱 よって、熱/機械エネルギー変換の効率は、ζ=Δθ／
（θH−θL）とすると以下のようになる。 (16)式
対する仕事Wで効率ηkをもとめることが出来る。入力さ
れた熱量は下記のように表される。 (15)式 ｃ：可動極板の比熱 よって、熱/機械エネルギー変換の効率は、ζ=Δθ／
（θH−θL）とすると以下のようになる。 (16)式
【００２１】一方、機械/電気エネルギー変換における
効率は、絶縁トランスを介して負荷が行った仕事から求
められる。可動極板が、Ttotalの周期で静電容量変化を
しているとき、式(10)から１周期に負荷がした仕事は、 (17)式 となり、機械/電気熱エネルギー変換の効率ηeは、次の
ようになる。 (18)式
効率は、絶縁トランスを介して負荷が行った仕事から求
められる。可動極板が、Ttotalの周期で静電容量変化を
しているとき、式(10)から１周期に負荷がした仕事は、 (17)式 となり、機械/電気熱エネルギー変換の効率ηeは、次の
ようになる。 (18)式
【００２２】式(11)、(16)及び(18)より、効率ηは下記
（１９）式で表され、 (19)式 最大効率ηmaxは、式(6)より次のようになる。 (20)式
（１９）式で表され、 (19)式 最大効率ηmaxは、式(6)より次のようになる。 (20)式
【００２３】本発明においては、上記の如く、高温源と
低温源にヒートパイプを用いることが好ましい。これ
は、ヒートパイプが、１）高い熱伝導率、２）均一な温
度分布、３）速い熱応答性、４）軽量、５）高信頼性、
６）メンテナンスフリー等の利点を有するからである。
しかしながら、本発明の発電システムは、単に、高温源
を装置等の発熱体、低温源を、放熱のための金属板等と
することもできることは前述した通りである。
低温源にヒートパイプを用いることが好ましい。これ
は、ヒートパイプが、１）高い熱伝導率、２）均一な温
度分布、３）速い熱応答性、４）軽量、５）高信頼性、
６）メンテナンスフリー等の利点を有するからである。
しかしながら、本発明の発電システムは、単に、高温源
を装置等の発熱体、低温源を、放熱のための金属板等と
することもできることは前述した通りである。
【００２４】本発明の発電デバイスを実装するには、熱
源と発電デバイス間の熱輸送が必要になる。高温部低温
部の温度差を数十Kであると、想定すると許容できる温
度降下は５ｋ程度までである。熱輸送部分が温度勾配を
持ってしまうと、発電効率及び出力を下げてしまう。そ
のため、本発明においては、特に、熱伝導率のよい材料
と機構を選択する必要がある。
源と発電デバイス間の熱輸送が必要になる。高温部低温
部の温度差を数十Kであると、想定すると許容できる温
度降下は５ｋ程度までである。熱輸送部分が温度勾配を
持ってしまうと、発電効率及び出力を下げてしまう。そ
のため、本発明においては、特に、熱伝導率のよい材料
と機構を選択する必要がある。
【００２５】本発明においてアクチュエータとして機能
をする可変容量コンデンサは適宜設計することができる
が、熱伝導性絶縁層を有する電導性基板上に二つの支点
を有するバイメタルを配したものが、量産し易いので好
ましい。特に、表面に、順次窒化ケイ素層及び二酸化ケ
イ素層を設けたシリコン基板上に、二つの支点を有する
バイメタルを配したものが好ましい。
をする可変容量コンデンサは適宜設計することができる
が、熱伝導性絶縁層を有する電導性基板上に二つの支点
を有するバイメタルを配したものが、量産し易いので好
ましい。特に、表面に、順次窒化ケイ素層及び二酸化ケ
イ素層を設けたシリコン基板上に、二つの支点を有する
バイメタルを配したものが好ましい。
【００２６】このような可変容量コンデンサは、「少な
くとも、シリコン基板上に順次窒化ケイ素層及び二酸
化ケイ素層を設ける工程、該二酸化ケイ素層表面にＰ
ＳＧ膜をバイメタルの支点を形成する如くパターニング
する工程、ポリシリコン層をバイメタルの一方を形成
する如く皮膜する工程、該ポリシリコン層の上に、バ
イメタルの他方を形成する如く金属を蒸着する工程、及
びエッチングによって前記ＰＳＧ層を除去する工程」
よって容易に製造することができる。
くとも、シリコン基板上に順次窒化ケイ素層及び二酸
化ケイ素層を設ける工程、該二酸化ケイ素層表面にＰ
ＳＧ膜をバイメタルの支点を形成する如くパターニング
する工程、ポリシリコン層をバイメタルの一方を形成
する如く皮膜する工程、該ポリシリコン層の上に、バ
イメタルの他方を形成する如く金属を蒸着する工程、及
びエッチングによって前記ＰＳＧ層を除去する工程」
よって容易に製造することができる。
【００２７】
【実施例】以下、本発明を実施例によって更に詳述する
が、本発明はこれによって限定されるものではない。 実施例．可動極板を、S-MICSの３層ポリシリコンにより
試作した。図６にプロセスフローを示す。(a)で基盤に
絶縁膜を作製し、(b)でバイメタルを両端支持梁にする
ための犠牲層を作製した後、(c)で極板とバイメタルの
一部をポリシリコンで作製した。次に、(d)で金を乗せ
ることによりバイメタルを形成させ、最後に、(e)で犠
牲層をエッチングして除去することにより、極板が浮い
た状態として、可変容量コンデンサを作製した。
が、本発明はこれによって限定されるものではない。 実施例．可動極板を、S-MICSの３層ポリシリコンにより
試作した。図６にプロセスフローを示す。(a)で基盤に
絶縁膜を作製し、(b)でバイメタルを両端支持梁にする
ための犠牲層を作製した後、(c)で極板とバイメタルの
一部をポリシリコンで作製した。次に、(d)で金を乗せ
ることによりバイメタルを形成させ、最後に、(e)で犠
牲層をエッチングして除去することにより、極板が浮い
た状態として、可変容量コンデンサを作製した。
【００２８】このようにして得た可動極板の寸法を表１
に示した。
に示した。
【表１】
【００２９】図７に可動極板の概略図を示す。極板は図
６の部分要素をアレイ状に5×20個配置したものであ
り、部分要素の形状は表１のようになっており多数のバ
イメタルばねが極板を支持している。バイメタルとして
は高膨張側に金、低膨張側にポリシリコンを使用た。図
８は、静電吸引力が働かない状態で可動極板全体が吸熱
した時の挙動を、有限要素法によってシミュレーション
したときの極板正面方向の変位分布を表示したものであ
る。この結果から、熱応力による可動極板の最大変位は
8μｍと算出された。
６の部分要素をアレイ状に5×20個配置したものであ
り、部分要素の形状は表１のようになっており多数のバ
イメタルばねが極板を支持している。バイメタルとして
は高膨張側に金、低膨張側にポリシリコンを使用た。図
８は、静電吸引力が働かない状態で可動極板全体が吸熱
した時の挙動を、有限要素法によってシミュレーション
したときの極板正面方向の変位分布を表示したものであ
る。この結果から、熱応力による可動極板の最大変位は
8μｍと算出された。
【００３０】
【発明の効果】本発明の温度差サイクル発電システム
は、従来単に捨てられていた廃熱を、新たな環境破壊を
引き起すことなく、クリーンな電力に再成することがで
きるので、地球温暖化防止に寄与するだけでなく、省資
源・省エネルギーの観点からも極めて有意義である。
は、従来単に捨てられていた廃熱を、新たな環境破壊を
引き起すことなく、クリーンな電力に再成することがで
きるので、地球温暖化防止に寄与するだけでなく、省資
源・省エネルギーの観点からも極めて有意義である。
【図１】本発明の発電システムにおけるエネルギー変換
の原理図である。
の原理図である。
【図２】本発明の発電システムの概念図である。
【図３】本発明における可動極板の動作サイクルを表す
図である。
図である。
【図４】本発明の発電システムの等価回路図である。
【図５】本発明における可動極板の、シュミレーション
のためのモデルである。
のためのモデルである。
【図６】本発明の発電システムに使用するアクチュエー
タ製造プロセスの１例である。
タ製造プロセスの１例である。
【図７】本発明のアクチュエータをアレイ状に配した図
である。
である。
【図８】本発明の可動極板部分の熱ひずみ解析結果を示
す図である。
す図である。
Claims (9)
- 【請求項１】 少なくとも、対向する如く配された高温
源と低温源、固定極板とばねによって可動に配された可
動極板からなる可変容量コンデンサ、バイアス電源、及
び、電力を取り出すためのトランスからなる温度差サイ
クル発電システムであって、前記可変容量コンデンサが
高温源と低温源の間に該高温源又は低温源に熱伝達可能
に配されると共に、前記可変容量コンデンサの固定極板
と可動極板の間に前記バイアス電源及びトランスが配さ
れており、可変極板を経由する熱の移動と、該熱移動に
伴う、前記ばねのばね定数又は状態変化によって引き起
される可動極板の運動によって生じるコンデンサの容量
変化を、前記トランスを介して電力として取り出すこと
を特徴とする温度差サイクル発電システム。 - 【請求項２】 高温源及び低温源としてヒートパイプが
使用されてなる、請求項１に記載された温度差サイクル
発電システム。 - 【請求項３】 ばねとしてバイメタル又は形状記憶合金
が使用されてなる、請求項１又は２に記載された温度差
サイクル発電システム。 - 【請求項４】 可変容量コンデンサの雰囲気が真空であ
る、請求項１〜３の何れかに記載された温度差サイクル
発電システム。 - 【請求項５】 高温源が発熱体、低温源が空気雰囲気で
ある、請求項１〜３の何れかに記載された温度差サイク
ル発電システム。 - 【請求項６】 低温源が放熱用金属板である、請求項５
に記載された温度差サイクル発電システム。 - 【請求項７】 熱伝導性絶縁層を表面に有する電導性基
板の前記絶縁層上に、二つの支点を有するバイメタルが
配されてなることを特徴とする請求項１〜６の何れかに
記載された温度差サイクル発電システムのための可変容
量コンデンサ。 - 【請求項８】 表面に順次窒化ケイ素及び二酸化ケイ素
の層を設けたシリコン基板上に、ポリシリコンからなる
２つの支点を有するポリシリコン層が配されていると共
に、該ポリシリコンの上に金属皮膜が設けられ、ポリシ
リコンと金属皮膜の二重皮膜からなるバイメタルが形成
されていることを特徴とする、請求項７に記載された温
度差サイクル発電システムのための可変容量コンデン
サ。 - 【請求項９】 少なくとも、シリコン基板上に順次窒
化ケイ素層及び二酸化ケイ素層を設ける工程、該二酸
化ケイ素層表面にＰＳＧ膜をバイメタルの支点を形成す
る如くパターニングする工程、ポリシリコン層をバイ
メタルの一方を形成する如く皮膜する工程、該ポリシ
リコン層の上に、バイメタルの他方を形成する如く金属
を蒸着する工程、及びエッチングによって前記ＰＳＧ
層を除去する工程を有する、請求項７に記載された温度
差サイクル発電システムのための可変容量コンデンサの
製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000341714A JP2002144297A (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 温度差サイクル発電システム、そのための可変容量コンデンサ及びその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000341714A JP2002144297A (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 温度差サイクル発電システム、そのための可変容量コンデンサ及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002144297A true JP2002144297A (ja) | 2002-05-21 |
Family
ID=18816414
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000341714A Withdrawn JP2002144297A (ja) | 2000-11-09 | 2000-11-09 | 温度差サイクル発電システム、そのための可変容量コンデンサ及びその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002144297A (ja) |
Cited By (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008296906A (ja) * | 2008-07-03 | 2008-12-11 | Pirelli Tyre Spa | タイヤの特性パラメーターの監視システム |
| JP2009272354A (ja) * | 2008-04-30 | 2009-11-19 | Omron Corp | 可変容量コンデンサ封止用誘電材料、可変容量コンデンサおよび素子集合体 |
| JP2011135766A (ja) * | 2009-11-27 | 2011-07-07 | Tohoku Gakuin | 昇圧装置 |
| WO2012131911A1 (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-04 | 富士通株式会社 | 電子デバイスとその製造方法 |
| RU2489793C1 (ru) * | 2012-04-28 | 2013-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУВПО "КнАГТУ") | Низкопотенциальный преобразователь энергии перепада температур |
| US8519595B2 (en) | 2010-09-02 | 2013-08-27 | Ut-Battelle, Llc | MEMS based pyroelectric thermal energy harvester |
| FR2990301A1 (fr) * | 2012-05-03 | 2013-11-08 | St Microelectronics Crolles 2 | Dispositif de conversion d'energie thermique en energie electrique en presence d'une source chaude |
| JP2015104181A (ja) * | 2013-11-22 | 2015-06-04 | ダイハツ工業株式会社 | 発電システム |
| RU2557066C1 (ru) * | 2014-03-31 | 2015-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") | Преобразователь энергии перепада температур с электронным управлением |
| RU2559290C1 (ru) * | 2014-03-31 | 2015-08-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") | Пьезоэлектрический первичный источник энергии перепада температур |
| RU2564994C1 (ru) * | 2014-03-31 | 2015-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет" (ФГБОУ ВПО "КнАГТУ") | Низкопотенциальный преобразователь энергии перепада температур с элегазом |
| KR101813731B1 (ko) | 2009-10-08 | 2017-12-29 | 무라타 일렉트로닉스 오와이 | 에너지 획득 방법 및 장치 |
| RU2762537C1 (ru) * | 2021-04-13 | 2021-12-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Комсомольский-на-Амуре государственный университет" (ФГБОУ ВО "КнАГУ") | Электромеханический преобразователь энергии перепада температур ступенчатого типа |
-
2000
- 2000-11-09 JP JP2000341714A patent/JP2002144297A/ja not_active Withdrawn
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| WO2012131911A1 (ja) * | 2011-03-29 | 2012-10-04 | 富士通株式会社 | 電子デバイスとその製造方法 |
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