JP2015070763A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】第１デバイスおよび第２デバイスの劣化および損傷を抑制することができる発電システムを提供すること。【解決手段】発電システム１に、温度が経時的に上下する内燃機関２と、内燃機関２の熱エネルギーが排ガスを介して伝達され、内燃機関２の温度変化により電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、内燃機関２から排ガスを案内するために設けられ、略水平方向に沿って延びるように配置されるとともに、少なくとも鉛直方向上部および鉛直方向下部に分割されるデバイス収容管５と、排ガスの流路を、デバイス収容管５の鉛直方向上部または鉛直方向下部に切り替えるための流路切替弁６と、デバイス収容管５内に水が生じることを予測するための水予測装置７と、水予測装置７の予測に基づいて、流路切替弁６を制御するための制御ユニット８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発電システムに関する。

従来、自動車エンジンなどの内燃機関や、ボイラー、空調設備などの熱交換器、発電機、モータなどの電動機関、照明などの発光装置などの各種エネルギー利用装置では、例えば、排熱、光などとして、多くの熱エネルギーが放出および損失されている。

近年、省エネルギー化の観点から、放出される熱エネルギーを回収し、エネルギー源として再利用することが要求されている。

そのようなシステムとして、具体的には、例えば、温度が経時的に上下する熱源と、その熱源の温度変化に応じて、ピエゾ効果、焦電効果、ゼーベック効果などにより電気分極する第１デバイス（誘電体など）と、第１デバイスから電力を取り出すため、第１デバイスを挟むように対向配置される第２デバイス（電極など）とを備える発電システムが提案されている。また、その発電システムを自動車などに積載すること、さらには、そのような場合に第１デバイス（誘電体など）および第２デバイス（電極など）を自動車の排ガスが供給される排気管内に配置することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−２５０６７５号公報

一方、自動車の排気管内などには、エンジンの状態などに応じて、凝縮水などが生じる場合がある。そのため、引用文献１に記載されるように、第１デバイス（誘電体など）および第２デバイス（電極など）を自動車の排気管内に配置すると、第１デバイスおよび第２デバイスに水滴が付着し、劣化、損傷を生じる場合がある。

本発明の目的は、第１デバイスおよび第２デバイスの劣化および損傷を抑制することができる発電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の発電システムは、温度が経時的に上下する熱源と、前記熱源の熱エネルギーが熱媒体を介して伝達され、前記熱源の温度変化により電気分極する第１デバイスと、前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、前記熱源から前記熱媒体を案内するために設けられ、略水平方向に沿って延びるように配置されるとともに、少なくとも鉛直方向上部および鉛直方向下部に分割される管と、前記熱媒体の流路を、前記管の鉛直方向上部または鉛直方向下部に切り替えるための切替手段と、前記管内に水が生じることを予測するための水予測手段と、前記水予測手段の予測に基づいて、前記切替手段を制御するための制御手段とを備え、前記第１デバイスおよび前記第２デバイスは、前記管の鉛直方向上部に配置されており、前記制御手段は、前記水予測手段により前記管内に水が生じると予測された場合に、前記切替手段によって、前記熱媒体の流路を前記管の鉛直方向下部に切り替え、前記水予測手段により前記管内に水が生じると予測されなかった場合に、前記切替手段によって、前記熱媒体の流路を前記管の鉛直方向上部に切り替えることを特徴としている。

また、本発明の発電システムは、前記熱源が、内燃機関であり、前記熱媒体が、排ガスであることが好適である。

本発明の発電システムによれば、水予測手段により管内に水が生じることが予測される場合には、切替手段の切り替えによって、熱媒体を管中の第１デバイスおよび第２デバイスが配置されている鉛直方向上部から、第１デバイスおよび第２デバイスが配置されていない鉛直方向下部に案内する。

一方、水予測手段により管内に水が生じることが予測されない場合には、切替手段の切り替えによって、熱媒体を管中の第１デバイスおよび第２デバイスが配置されていない鉛直方向下部から、第１デバイスおよび第２デバイスが配置されている鉛直方向上部に案内する。

つまり、このような本発明の発電システムでは、管内に水が生じていない場合にのみ、第１デバイスおよび第２デバイスに熱媒体が供給される。そのため、第１デバイスおよび第２デバイスに水滴が付着することを抑制でき、第１デバイスおよび第２デバイスが劣化および損傷することを抑制することができる。

図１は、本発明の発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。 図２は、図１の制御ユニットにおいて実行される制御処理を示すフロー図である。

図１は、本発明の発電システムの一実施形態の概略構成図である。

図１において、自動車１０は、発電システム１を備えている。

発電システム１は、温度が経時的に上下する熱源としての内燃機関２と、内燃機関２の熱エネルギーが熱媒体としての排ガスを介して伝達され、内燃機関２の温度変化により電気分極する第１デバイス３と、第１デバイス３から電力を取り出すための第２デバイス４と、第１デバイス３および第２デバイス４が配置される管としてのデバイス収容管５と、デバイス収容管５に設けられ、排ガスの流路を切り替えるための切替手段としての流路切替弁６と、デバイス収容管５内に水が生じることを予測するための水予測手段としての水予測装置７と、水予測装置７の予測に基づいて流路切替弁６を制御するための制御手段としての制御ユニット８とを備えている。

内燃機関２は、エンジン１１、エンジン１１に空気を供給するための吸気管１６、エンジン１１から排ガスを排出させるための排気管１７、および、エンジン１１に燃料を供給するための燃料供給手段としての燃料供給装置２０を備えている。

エンジン１１は、車両などの動力を出力する装置であって、例えば、単気筒型または多気筒型（例えば、２気筒型、４気筒型、６気筒型）が採用されるとともに、その各気筒において、多サイクル方式（例えば、２サイクル方式、４サイクル方式、６サイクル方式など）が採用される。

以下において、４気筒型が採用されるとともに、その各気筒で４サイクル方式が採用されるエンジン１１について、説明する。

このエンジン１１は、並列配置される複数（４つ）の気筒１２を備えている。なお、図１においては、１つの気筒１２を取り出して示し、その他の気筒１２については省略している。

各気筒１２は、ピストン１３、燃焼室１４および点火プラグ（図示せず）などを備えており、上流側が吸気管１６に接続されるとともに、下流側が排気管１７に接続されている。

また、各気筒１２は、吸気管１６と接続される接続部分において、吸気バルブ１８を備えるとともに、排気管１７と接続される接続部分において、排気バルブ１９を備えている。

吸気バルブ１８は、気筒１２と吸気管１６との接続部分において、気筒１２を開閉可能に設けられている。

排気バルブ１９は、気筒１２と排気管１７との接続部分において、気筒１２を開閉可能に設けられている。

これら吸気バルブ１８および排気バルブ１９は、図示しないが、スプリングなどの弾性力によって閉方向に付勢されている。これら吸気バルブ１８および排気バルブ１９は、例えば、カムシャフトの回転などによって、気筒１２を開閉可能としている。

吸気管１６は、エンジン１１に空気を供給するために設けられ、その下流側端部がエンジン１１の気筒１２に接続されるとともに、上流側端部が外気に開放されている。

また、吸気管１６は、スロットルバルブ２７を備えている。スロットルバルブ２７は、例えば、アクセルペダルを踏み込みなどの運転操作に伴い、その開閉および開度が調節可能とされており、その開閉によって、エンジン１１に空気を取り込み可能としている。

排気管１７は、エンジン１１から排ガスを排出させるために設けられ、その上流側端部がエンジン１１の気筒１２に接続されている。

また、図示しないが、複数（４つ）の気筒１２に接続される複数（４つ）の排気管１７は、所定の箇所で１つに集合され、その集合された排気管１７の下流側には、触媒搭載部２４が介在されている。

触媒搭載部２４は、例えば、触媒担体およびその担体上にコーティングされる触媒を備えており、内燃機関２から排出される排ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの有害成分を浄化するために、排気管１７における排ガスの流れ方向途中部分に接続されている。

そして、触媒搭載部２４の下流側において、排気管１７の下流側端部は、外気に開放されている。これにより、エンジン１１から排出される排ガスを、外気に放出可能としている。

燃料供給装置２０は、燃料タンク２１および燃料供給管２２を備えている。

燃料タンク２１は、エンジンに供給される燃料（例えば、ガソリンなど）が貯留されるタンクであって、耐熱耐圧容器などから形成されている。

燃料供給管２２は、燃料タンク２１からエンジン１１に燃料を供給するために設けられており、その上流側端部が燃料タンク２１に接続されるとともに、下流側端部が、燃料噴射弁２３に接続されている。

燃料噴射弁２３は、エンジン１１に対する燃料タンク２１からの燃料の供給量を調節するとともに、その燃料をエンジン１１に対して噴射するための弁であって、燃料供給管２２の下流側端部に設けられ、吸気管１６の吸気バルブ１８よりも上流側に接続されている。

燃料噴射弁２３としては、特に制限されず、公知の噴射弁を用いることができる。

このような燃料噴射弁２３は、エンジン１１のエンジン制御ユニット２８に電気的に接続されており、エンジン制御ユニット２８によって、その開閉が制御されている。

エンジン制御ユニット２８は、エンジン１１の運転状態（例えば、図示しない回転計により検知されるエンジン１１の回転数、例えば、図示しない圧力センサにより検知されるスロットルバルブ２７下流側の吸気管１６内の圧力など）に基づいて燃料供給量を制御するユニットであって、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

そして、このエンジン制御ユニット２８に燃料噴射弁２３が電気的に接続されることにより、エンジン制御ユニット２８からの制御信号が、燃料噴射弁２３に入力可能とされている。これにより、エンジン制御ユニット２８が、エンジン１１の運転状態に応じて、燃料噴射弁２３の開閉および開度、すなわち、燃料噴射弁２３による燃料の噴射量（エンジン１１に対する燃料の供給量）を制御可能としている。

第１デバイス３は、内燃機関２（エンジン１１）から排出され、温度が経時的に上下する排ガスが供給されることにより、温度が経時的に上下され、電気分極するデバイスである。

ここでいう電気分極とは、結晶の歪みにともなう正負イオンの変位により誘電分極し電位差が生じる現象、例えばピエゾ効果、および／または、温度変化により誘電率が変化し電位差が生じる現象、例えば焦電効果などのように、材料に起電力が発生する現象と定義する。

このような第１デバイス３として、より具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極するデバイス、焦電効果により電気分極するデバイスなどが挙げられる。

ピエゾ効果は、応力または歪みが加えられたときに、その応力または歪みの大きさに応じて電気分極する効果（現象）である。

このようなピエゾ効果により電気分極する第１デバイス３としては、特に制限されず、公知のピエゾ素子（圧電素子）を用いることができる。

第１デバイス３としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、体積膨張が抑制された状態において、排ガスに接触（曝露）されるように、デバイス収容管５（後述）内に配置される。

固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。

そして、このような場合には、ピエゾ素子は、排ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、これにより、膨張または収縮する。

このとき、ピエゾ素子は、固定部材により体積膨張が抑制されているため、ピエゾ素子は、固定部材に押圧され、ピエゾ効果（圧電効果）、または、キュリー点付近での相変態により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、ピエゾ素子から電力が取り出される。

また、このようなピエゾ素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定（すなわち、体積一定）になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。

そのため、後述するように排ガスが経時的に温度変化し、高温状態と低温状態とが経時的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が経時的に繰り返し加熱および冷却されるため、ピエゾ素子の電気分極およびその中和が、経時的に繰り返される。

その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、経時的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。

焦電効果は、例えば、絶縁体（誘電体）などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて絶縁体が電気分極する効果（現象）であって、第１効果および第２効果を含んでいる。

第１効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により自発分極し、絶縁体の表面に、電荷を生じる効果とされている。

また、第２効果は、絶縁体の加熱時および冷却時において、その温度変化により結晶構造に圧力変形が生じ、結晶構造に加えられる応力または歪みにより、圧電分極を生じる効果（ピエゾ効果、圧電効果）とされている。

このような焦電効果により電気分極するデバイスとしては、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。

第１デバイス３として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、排ガスに接触（曝露）されるように、デバイス収容管５（後述）内に配置される。

このような場合において、焦電素子は、排ガスの経時的な温度変化により、加熱または冷却され、その焦電効果（第１効果および第２効果を含む）により、電気分極する。これにより、詳しくは後述するが、第２デバイス４を介して、焦電素子から電力が取り出される。

また、このような焦電素子は、通常、加熱状態または冷却状態が維持され、その温度が一定になると、電気分極が中和され、その後、冷却または加熱されることにより、再度、電気分極する。

そのため、後述するように排ガスが経時的に温度変化し、高温状態と低温状態とが経時的に繰り返される場合などには、焦電素子が経時的に繰り返し加熱および冷却されるため、焦電素子の電気分極およびその中和が、経時的に繰り返される。

その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、経時的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として取り出される。

このような第１デバイス３として、具体的には、上記したように、公知の焦電素子（例えば、ＢａＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ_３、ＢａＮｄ_２Ｔｉ_５Ｏ_１４、ＢａＳｍ_２Ｔｉ_４Ｏ_１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ_４Ｈ_４Ｏ_６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電気石（トルマリン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など）などを用いることができる。

これら第１デバイス３は、単独使用または２種類以上併用することができる。

第１デバイス３のキュリー点は、例えば、−７７℃以上、好ましくは、−１０℃以上であり、例えば、１３００℃以下、好ましくは、９００℃以下である。

また、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率は、例えば、１以上、好ましくは、１００以上、より好ましくは、２０００以上である。

このような発電システム１では、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、第１デバイス３の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。

なお、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））は、排ガスの温度変化によって電気分極するが、その電気分極は、電子分極、イオン分極および配向分極のいずれでもよい。

例えば、配向分極によって分極が発現する材料（例えば、液晶材料など）では、その分子構造を変化させることにより、発電効率の向上を図ることができるものと期待されている。

このような第１デバイス３は、デバイス収容管５（後述）内において、例えば、互いに間隔を隔てて複数整列配置され、第２デバイス４（および必要により設けられる固定部材（図示せず））により、固定されている。

また、複数の第１デバイス３は、それぞれ、デバイス収容管５（後述）内において、長手方向が排ガスの流れ方向に沿うように配置されており、各第１デバイス３は、直接または第２デバイス４を介して、排ガスに接触（曝露）可能とされている。

なお、図１においては、１つの第１デバイス３を取り出して示し、その他の第１デバイス３については省略している。

第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる。

このような第２デバイス４は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極（例えば、銅電極、銀電極など）、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第１デバイス３に電気的に接続されている。

また、第２デバイス４は、必要により、昇圧器（図示せず）、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）（図示せず）などを介して、バッテリー９に、電気的に接続されている。

デバイス収容管５は、内燃機関２（エンジン１１）から排ガス（熱媒体）を案内するために設けられる管状部材であって、排気管１７における触媒搭載部２４よりも流れ方向下流側に介在され、略水平方向に沿って延びるように配置されている。

また、デバイス収容管５の内側には、デバイス収容管５の上下方向途中において水平方向に延びる仕切壁２５が設けられており、この仕切壁２５によって、デバイス収容管５は、鉛直方向上部５Ａ（例えば、鉛直方向上端から径方向長さ２分の１〜５分の４の領域）と、鉛直方向下部５Ｂ（例えば、鉛直方向下端から径方向長さ５分の１〜２分の１）とに、上下方向において分割されている。

そして、このデバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａ（例えば、仕切壁２５の鉛直方向上面）には、第１デバイス３および第２デバイス４が、配置（収容）されている。また、このような第１デバイス３および第２デバイス４は、流路切替弁６（後述）よりも、排ガスの流れ方向下流側に配置されている。

流路切替弁６は、排ガスの流路を、デバイス収容管５における鉛直方向上部５Ａと鉛直方向下部５Ｂとに切り替えるための弁であって、デバイス収容管５の上流側端部に設けられている。

流路切替弁６としては、特に制限されないが、例えば、ロータリーバルブまたはシャッターなどの公知の弁が用いられる。

すなわち、流路切替弁６は、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａを開通させるとともに、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを閉塞させることにより、排ガスを、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａ内に流し、第１デバイス３に供給することができる。また、流路切替弁６は、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａを閉塞させるとともに、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを開通させることにより、排ガスを、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂ内に流し、第１デバイス３を回避させることができる（図１の部分拡大図における矢印参照）。

このように流路切替弁６は、排ガスの流れ方向を、第１デバイス３に向かって流れる方向、および、第１デバイス３を回避する方向に変更可能としている。

水予測装置７は、デバイス収容管５内に水が生じ、デバイス収容管５に配置される第１デバイス３に水が付着すること（すなわち、第１デバイス３の被水の発生）を予測するための装置であって、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

この水予測装置７は、図１において破線で示すように、エンジン制御ユニット２８や、図示しない温度センサ、さらには、図示しない各種制御装置に、電気的に接続されている。そして、水予測装置７は、例えば、スロットルバルブ２７の開度（エンジン１１の吸気量）、燃料噴射弁２３による燃料噴射量などによるエンジン１１の状態、さらには、排ガスの温度、排気管１７およびデバイス収容管５内の温度など、その他、種々の運転状況から、排気管１７およびデバイス収容管５内に凝縮水が生成されることを、予測可能としている。

制御ユニット８は、発電システム１における電気的な制御を実行するユニット（例えば、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

この制御ユニット８は、図１において破線で示すように、水予測装置７に電気的に接続されるとともに、流路切替弁６に電気的に接続されており、後述するように、水予測装置７の予測に基づいて、流路切替弁６を切り替え可能としている。

また、この発電システム１が搭載される自動車１０では、エンジン１１の運転条件などによっては、エンジン１１および排ガスの温度が過度に高くなる場合がある。

そして、そのような排ガスが、第１デバイス３に供給され、第１デバイス３の温度が性能低下温度（例えば、キュリー点など）を超過すると、第１デバイス３に損傷を生じ、発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。

そこで、この発電システム１は、さらに、第１デバイス３の温度を予測するためのデバイス温度予測装置２６を備え、第１デバイス３の温度が過度に上昇することを抑制することができる。

具体的には、デバイス温度予測装置２６は、第１デバイス３の温度を予測するための装置であって、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

このデバイス温度予測装置２６は、図１において破線で示すように、エンジン制御ユニット２８や、図示しない温度センサ、ノッキングセンサ、さらには、図示しない各種制御装置に、電気的に接続されている。そして、デバイス温度予測装置２６は、例えば、スロットルバルブ２７の開度（エンジン１１の吸気量）、燃料噴射弁２３による燃料噴射量などによるエンジン１１の状態、排ガスの温度、排気管１７およびデバイス収容管５内の温度、さらには、ノッキングの有無、運転継続時間など、その他、種々の運転状況から、第１デバイス３の温度条件を、予測可能としている。

そして、このようなデバイス温度予測装置２６は、制御ユニット８に電気的に接続されている。そして、制御ユニット８は、後述するように、デバイス温度予測装置２６の予測に基づいて、流路切替弁６を切り替え可能としている。
２．発電方法
以下において、上記した発電システム１を用いた発電方法について、詳述する。

この発電システム１では、エンジン１１の駆動により、気筒１２においてピストンの昇降運動が繰り返されており、これにより、例えば、４サイクル方式では、吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程などが順次実施される。

より具体的には、このエンジン１１では、まず、スロットルバルブ２７が開かれ、吸気管１６から空気が供給されるとともに、燃料供給管２２から所定量の燃料が燃料噴射弁２３によって供給（噴射）され、それらが混合される。そして、空気と燃料との混合気が、吸気バルブ１８が開かれることにより、気筒１２の燃焼室１４に供給される（吸気工程）。

次いで、吸気バルブ１８が閉じられ、ピストン１３が上昇することにより、燃焼室１４の混合気が圧縮され、高温化される（圧縮工程）。

次いで、図示しない点火プラグにより混合気が点火され、爆発的に燃焼されるとともに、ピストン１３が爆発により押し下げられる（爆発工程）。

その後、排気バルブ１９が開かれ、燃焼により生じたガス（排ガス）が、気筒１２から排出される（排気工程）。

このように、エンジン１１では、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、高温の排ガスが、排気管１７の内部を排気工程において通過する。

そして、各気筒１２において生じた排ガスは、各気筒１２に接続される排気管１７内を通過しながら、所定の箇所で１つに集合された後、触媒搭載部２４を通過するとともに触媒により浄化され、デバイス収容管５に供給される。

そして、このようなエンジン１１、および、そのエンジン１１から排出される排ガスの温度は、例えば、自動車１０の運転状態（エンジン１１の駆動状態）などに応じて、経時的に上下する。

具体的には、自動車１０では、エンジン１１の駆動および停止が経時的に繰り返され、これにより、自動車１０の走行および停止が制御される。

このような場合、エンジン１１の駆動時には、エンジン１１の温度は高温状態とされ、また、エンジン１１の停止時には、エンジン１１の温度は低温状態とされる。

また、エンジン１１の温度は、例えば、自動車１０の走行時における負荷（車両重量、路面の傾斜度合など）や、車速、アクセル開度、エンジン１１の回転数、吸気系における吸気圧および吸入空気量、燃料流量、さらには、空燃比（吸入空気量／燃料流量）などによっても変化し、経時的に上下する。

このとき、エンジン１１の熱が排ガスを介して伝達されるため、排ガスの温度（排気管１７およびデバイス収容管５の内部温度）は、エンジン１１の状態に応じて、経時的に上下する。

このような発電システム１において、内燃機関２（エンジン１１）および排ガスの温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。

そして、この発電システム１では、上記したように、デバイス収容管５内の鉛直方向上部５Ａに、第１デバイス３が配置されている。

そのため、流路切替弁６が、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａを開通させるとともに、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを閉塞させる場合には、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排ガスが、第１デバイス３に供給される。

これにより、エンジン１１（内燃機関２）の熱エネルギーが、排ガスを介して第１デバイス３に伝達され、加熱および／または冷却される。すなわち、第１デバイス３が、エンジン１１（内燃機関２）、および、そのエンジン１１の熱を伝達する排ガスの経時的な温度変化により、加熱および／または冷却される。

そして、これにより、第１デバイス３を、経時的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、その素子（例えば、ピエゾ素子、焦電素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果など）により、電気分極させることができる。

そのため、この発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を経時的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。

その後、この方法では、例えば、図１において点線で示すように、上記により得られた電力を、必要により第２デバイス４に接続される昇圧器（図示せず）で昇圧し、交流／直流変換器（図示せず）において直流電圧に変換した後、バッテリー９に蓄電する。バッテリー９に蓄電された電力は、自動車１０や、自動車１０に搭載される各種電気部品の動力などとして、適宜、用いることができる。

一方、発電に用いられた排ガスは、第１デバイス３を通過した後、外気に排出される。
３．第１デバイスおよび第２デバイスの保護
上記した発電システム１が搭載される自動車１０では、エンジン１１の運転状態などによっては、排気管１７内に凝縮水などが生じる場合がある。

具体的には、例えば、気筒１２から排出される排ガスに含有される水蒸気が、排気管１７およびデバイス収容管５内において冷却され、排気管１７およびデバイス収容管５に凝縮水が生成する場合がある。

このように凝縮水が生成すると、その凝縮水が排ガスにより輸送され、第１デバイス３および第２デバイス３に付着する場合があり、これにより第１デバイス３および第２デバイス４に劣化や損傷を生じる場合がある。

また、上記したように、この発電システム１が搭載される自動車１０では、エンジン１１の運転条件などによっては、エンジン１１および排ガスの温度が過度に高くなる場合がある。そして、そのような排ガスが第１デバイス３に供給され、第１デバイス３の温度が、性能低下温度（例えば、キュリー点など）を超過すると、第１デバイス３に損傷を生じ、発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。

そこで、この発電システム１では、上記した水予測装置７により排気管１７およびデバイス収容管５内に水が生じることを予測し、また、デバイス温度予測装置２６により第１デバイス３の温度を予測する。そして、水の発生の予測、および、第１デバイス３の温度に基づいて、制御ユニット８の制御により流路切替弁６を切り替え、第１デバイス３および第２デバイス４を保護する。

図２は、図１の制御ユニット８において実行される制御処理を示すフロー図である。

この制御処理は、自動車１０の走行中に、スタートおよびリターンが繰り返される。

処理がスタートされると、まず、スロットルバルブ２７の開度（エンジン１１の吸気量）、燃料噴射弁２３による燃料噴射量などによるエンジン１１の状態、さらには、排ガスの温度、排気管１７およびデバイス収容管５内の温度などから、排気管１７およびデバイス収容管５内に凝縮水が生成されることが、水予測装置７により予測される（ステップＳ１）。

より具体的には、例えば、水予測装置７は、エンジン１１の状態から排ガスの温度および流量を予測するとともに、図示しない温度センサにより、第１デバイス３よりも上流側の排気管１７の内壁温度を検知する。そして、水予測装置７において、温度センサによる検知温度が、排ガスの露点または露点近傍の温度以下であるか否かが判断される。このとき、排気管１７の内壁温度が、排ガスの露点または露点近傍の温度以下であれば、気筒１２から排ガスが排気管１７に排出されたときに、排ガス中の水蒸気が冷却され、排ガス中に凝縮水が生成されると予測される。

そして、水予測装置７により排気管１７およびデバイス収容管５内に水の発生が予測された場合（ステップＳ１のＹＥＳ）には、流路切替弁６により、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａを閉塞させるとともに、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを開通させる。これによって、排ガスの流路を、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂ側とする（ステップＳ２）。

なお、排ガスの流路が、既にデバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂ側とされている場合には、流路切替弁６を切り替えることなく、その状態を維持する。

これにより、排気管１７を流れる排ガスは、流路切替弁６によってデバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂに導入され、排ガスの流れ方向が、第１デバイス３および第２デバイス４を回避する方向とされる。そして、排ガスは、第１デバイス３および第２デバイス４を回避するようにデバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを通過する。

また、これとともに、排ガス中に生じた凝縮水は、重力に従って、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを通過する。

そして、鉛直方向下部５Ｂを通過した排ガスおよび凝縮水は、デバイス収容管５の下流側において、再び排気管１７に導入され、外気に排出される。

その結果、第１デバイス３および第２デバイス４に水滴が付着することを抑制し、第１デバイス３および第２デバイス４が劣化および損傷することを抑制することができる。

なお、上記の制御処理は、自動車１０の走行停止（エンジン１１の駆動停止）まで繰り返される（リターン）。

一方、水予測装置７によって水の発生が予測されなかった場合（ステップＳ１のＮＯ）には、次いで、デバイス温度予測装置２６によって、第１デバイス３に排ガスを供給した場合の、第１デバイス３の温度が予測される（ステップＳ３）。

具体的には、例えば、自動車１０の走行時における負荷（車両重量、路面の傾斜度合など）や、車速、アクセル開度、エンジン１１の回転数などから、エンジン１１の目標出力および加減速状態が、デバイス温度予測装置２６によって予測される。また、これとともに、例えば、エンジン１１の回転数や、吸気系における吸気圧などから、排ガスの温度が、デバイス温度予測装置２６によって予測される。さらに、これとともに、例えば、吸気系における吸入空気量や、エンジン１１における燃料流量、さらには、空燃比（吸入空気量／燃料流量）などから、排ガスの流量が、デバイス温度予測装置２６によって予測される。さらに、上記により予測されたエンジン１１の目標出力および加減速状態、および、排ガスの予測温度（さらには、エンジン１１における燃料の供給状態など）から、排ガスの温度変化が、デバイス温度予測装置２６によって予測される。

そして、予測された排ガスの温度変化、および、排ガスの流量（さらには、例えば、第１デバイス３の熱容量、予め設定される補正係数など）から、排ガスを供給した場合の第１デバイス３の温度が、デバイス温度予測装置２６によって予測される。

なお、上記の各予測における演算方法は、特に制限されず、公知の方法を採用することができる。

そして、この処理では、第１デバイス３に排ガスを供給した場合の、第１デバイス３の温度（予測温度）が、その性能低下温度（例えば、キュリー点など）以上であるか否かが、デバイス温度予測装置２６によって判断される（ステップＳ４）。

第１デバイス３の温度（予測温度）が、その性能低下温度以上である場合（ステップＳ４のＹＥＳ）には、流路切替弁６により、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａを閉塞させるとともに、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを開通させる。これによって、排ガスの流路を、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂ側とする（ステップＳ５）。

なお、排ガスの流路が、既にデバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂ側とされている場合には、流路切替弁６を切り替えることなく、その状態を維持する。

これにより、排気管１７を流れる排ガスは、流路切替弁６によってデバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂに導入され、排ガスの流れ方向が、第１デバイス３および第２デバイス４を回避する方向とされる。

そして、排ガスは、第１デバイス３および第２デバイス４を回避するようにデバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを通過し、デバイス収容管５の下流側において、再び排気管１７に導入され、外気に排出される。

その結果、第１デバイス３に過度に高温の排ガスが供給されることを抑制し、第１デバイス３が劣化および損傷することを抑制することができる。

なお、上記の制御処理は、自動車１０の走行停止（エンジン１１の駆動停止）まで繰り返される（リターン）。

一方、デバイス温度予測装置２６によって、排ガスを供給した場合の第１デバイス３の温度が、その性能低下温度未満であると予測された場合（ステップＳ４のＮＯ）には、流路切替弁６により、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａを開通させるとともに、デバイス収容管５の鉛直方向下部５Ｂを閉塞させる。これによって、排ガスの流路を、デバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａ側とする（ステップＳ６）。

これにより、排気管１７を流れる排ガスは、流路切替弁６によってデバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａに導入され、排ガスの流れ方向が、第１デバイス３および第２デバイス４に供給される方向とされる。そして、排ガスは、第１デバイス３および第２デバイス４に供給されるようにデバイス収容管５の鉛直方向上部５Ａを通過し、デバイス収容管５の下流側において、再び排気管１７に導入され、外気に排出される。

このとき、第１デバイス３は、排ガスを介して伝達されるエンジン１１の熱エネルギーによって温度変化し、電気分極するため、発電システム１において、発電される。

なお、上記の制御処理は、自動車１０の走行停止（エンジン１１の駆動停止）まで繰り返される（リターン）。

このような発電システム１によれば、第１デバイス３および第２デバイス４の損傷を抑制することができる。

つまり、上記の発電システム１によれば、水予測装置７により管内に水が生じることが予測される場合には、流路切替弁６の切り替えによって、排ガス（熱媒体）をデバイス収容管５中の第１デバイス３および第２デバイス４が配置されている鉛直方向上部５Ａから、第１デバイス３および第２デバイス４が配置されていない鉛直方向下部５Ｂに案内する。

一方、水予測装置７により管内に水が生じることが予測されない場合には、流路切替弁６の切り替えによって、排ガス（熱媒体）をデバイス収容管５中の第１デバイス３および第２デバイス４が配置されていない鉛直方向下部５Ｂから、第１デバイス３および第２デバイス４が配置されている鉛直方向上部５Ａに案内する。

すなわち、この発電システム１では、デバイス収容管５内に水が生じていない場合にのみ、第１デバイス３および第２デバイス４に排ガス（熱媒体）が供給される。そのため、第１デバイス３および第２デバイス４に水滴が付着することを抑制でき、第１デバイス３および第２デバイス４が劣化および損傷することを抑制することができる。

また、上記の発電システム１によれば、デバイス温度予測装置２６により予測される第１デバイス３の温度が、性能低下温度以上である場合には、流路切替弁６の制御によって、排ガス（熱媒体）をデバイス収容管５中の第１デバイス３および第２デバイス４が配置されていない側、すなわち、鉛直方向下部５Ｂ側に案内する。

一方、デバイス温度予測装置２６により予測される第１デバイス３の温度が、性能低下温度未満である場合には、流路切替弁６の制御によって、排ガス（熱媒体）をデバイス収容管５中の第１デバイス３および第２デバイス４が配置されている側、すなわち、鉛直方向上部５Ａ側に案内する。

すなわち、この発電システム１では、デバイス温度予測装置２６により予測される第１デバイス３の温度が、性能低下温度未満である場合にのみ、第１デバイス３に排ガス（熱媒体）が供給される。そのため、第１デバイス３の温度が性能低下温度以上となることを抑制でき、第１デバイス３が、劣化および損傷することを抑制することができる。

なお、上記した説明では、熱源として内燃機関２を用いて説明したが、熱源は上記に限定されず、例えば、発光装置などの各種エネルギー利用装置を用いることができる。なお、このような場合、熱媒体は、例えば、光、空気など、種々選択される。

好ましくは、熱源が内燃機関２であり、熱媒体が排ガスである。

また、上記した説明では、デバイス収容管５を２つに分割したが、デバイス収容管５の分割数は、特に制限されず、目的および用途に応じて、適宜設定される。

また、上記した説明では、水予測装置７、制御ユニット８、デバイス温度予測装置２６およびエンジン制御ユニット２８を、それぞれ別々の装置として説明したが、それらを
１つの制御部（ＥＣＵなど）として形成することもできる。また、そのような場合、水の発生や、デバイス温度などを、制御部のメモリに格納されるプログラムに従って予測することができ、また、制御部の中央処理装置（ＣＰＵ）によって、流路切替弁６を切り替えることができる。

１ 発電システム
２ 内燃機関
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ デバイス収容管
６ 流路切替弁
７ 水予測装置
８ 制御ユニット

Claims (2)

1. 温度が経時的に上下する熱源と、
   前記熱源の熱エネルギーが熱媒体を介して伝達され、前記熱源の温度変化により電気分極する第１デバイスと、
   前記第１デバイスから電力を取り出すための第２デバイスと、
   前記熱源から前記熱媒体を案内するために設けられ、略水平方向に沿って延びるように配置されるとともに、少なくとも鉛直方向上部および鉛直方向下部に分割される管と、
   前記熱媒体の流路を、前記管の鉛直方向上部または鉛直方向下部に切り替えるための切替手段と、
   前記管内に水が生じることを予測するための水予測手段と、
   前記水予測手段の予測に基づいて、前記切替手段を制御するための制御手段と
   を備え、
   前記第１デバイスおよび前記第２デバイスは、前記管の鉛直方向上部に配置されており、
   前記制御手段は、
   前記水予測手段により前記管内に水が生じると予測された場合に、前記切替手段によって、前記熱媒体の流路を前記管の鉛直方向下部に切り替え、
   前記水予測手段により前記管内に水が生じると予測されなかった場合に、前記切替手段によって、前記熱媒体の流路を前記管の鉛直方向上部に切り替える
   ことを特徴とする、発電システム。
2. 前記熱源が、内燃機関であり、
   前記熱媒体が、排ガスであることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。

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