JP2015520947A - 熱動力電池及びそれをベースにした装置 - Google Patents

Abstract

デバイス（１０）を有する装置（１００）であって、デバイス（１０）は、離れて間隔があいている第１の導電性電極（１１）及び第２の導電性電極（１２）、電極（１１、１２）が取り付けられ／貼り付けられる焦電性物質（１３）、及び焦電性物質に熱的に結合される少なくとも１つの熱交換構造体（１４）を備え、装置（１００）は電気発振器回路（２０）をさらに有し、デバイス（１０）は焦電性物質（１３）の振動を提供するために電気発振器回路（２０）に電気的に接続可能である。

Description

本発明は、熱を電気に変えるように設計されたデバイス及び装置に関する。

熱を作り出す技術的及び化学的な工程がたくさんある。確実に工程がそれなりに所望の温度状態に保たれるようにするために、一部の例では、この熱は工程から取り除かれなければならない。作り出される熱が使用されない場合、一般的に多くのエネルギーが無駄にされる。

例えば、工程により作り出されるオフ熱（off-heat）が加熱用途のために使用される多数の取り組みがある。しかし、これは、オフ熱により加熱される建物が、熱が生成される場所から遠く離れすぎていないことを必要とする。より遠い距離を越えて熱を効率良く運ぶ手段はまだない。

無駄な熱の多くを使用可能な電気に変えることにより取り入れることができるようにする既存の解決の必要性がある。熱を効率的な方法で電気に変えることができれば、例えば、それぞれのエネルギーを失うことなく、そのエネルギーを送電網に送り込むことができる。

今日までの問題はこれらの工程の効率性にある。理論では、このような変換工程は、熱の変換を仕事（work）に制限するカルノーリミット（Carnot limit）を決して超えることができない。

例えば、燃料動力自動車の場合、燃焼機関により作り出されるエネルギーの約６０％が使用されない。それと同時に、自動車はその集合体のために電気エネルギーを必要とする。今まで、この電気エネルギーは、オフ熱（off-heat）を使用するのではなく、発生器を使用して単独で作り出されている。この例は、熱を電気に変える効率的な解決を見つけることがどの程度重要であるかを示している。

多数の研究者が彼ら自身、熱を仕事に変換することに関するプロジェクトに従事している。

熱から電気エネルギーを得るために、いわゆるゼーベック効果が使用可能であることが技術的に知られている。それぞれの電気発生器についての詳細が、ドイツのB. Strassmann, Die Zeit、４２／２００８による、ドイツ新聞記事“Aus Freude am Sparen（楽しんで節約するために）”に開示されている。

２００９年１１月１８日のMIT News Office, David L. Chandlerによる出版物「熱を電気に変換する（Turning heat to electricity）」は、出版物が量子結合された単一電子の熱電気変換スキームの詳細を最初に開示する前の技術の現在の状態を記載している。

例えば、２９９８年５月２１日の「Auto Motor und Sport」（１４０ページ）のドイツ記事「Strom auch aus Abwaerme（オフ熱からの電流）」に記載されているように、ドイツ自動車の製造会社ＢＭＷはこの分野で活躍している。この出版物によれば、ＢＭＶは熱を電気に変換するために、排気管周辺に特別な半導体を取り付ける計画を立てているようである。

オークリッジ国立研究所の研究者チームは、２０１１年のVol. 8035, 80350V-1, Proc. Of SPIE, S.R. Hunter 他による科学論文“ＭＥＭＳベースの焦電性熱エネルギー収穫機の開発（Development of MEMS based pyroelectric thermal energy harvesters）”を発表した。これらの研究者は、１０〜１００Ｈｚの非常に低い周波数で作動され、且つ低熱質量の薄膜構造を持つＭＥＭＳ（Microelectromechanical system）デバイスを提案している。それぞれのデバイスは二材料構造であり、共鳴的に駆動されるカンチレバー動作が利用される。

欧州特許ＥＰ１０７４０５３Ｂ１に記載され請求されている別の取り組みがある。発明者／出願人のＳｅｉｂｏｌｄは、ゼーベック効果を利用したような熱電素子又は熱電気エネルギー変換器を記載している。

文書「熱電及び焦電エネルギーの収穫について（On thermoelectric and pyroelectric energy harvesting）」（G. Sebald 他, IOP 出版, イギリス, Smart Materials and Structures, 18, 2009, 125006）は、焦電性スキームが熱電スキームよりも見込みがあることを公開している。この文書には、非線形の取り組みが線形の取り組みよりもさらに見込みがあることが記載されている。

欧州特許第１０７４０５３号明細書

German newspaper article "Aus Freude am Sparen", by B. Strassmann, Die Zeit, 42/2008, Germany Publication "Turning heat to electricity" by David L. Chandler, MIT News Office, 18 November 2009 German article "Strom auch aus Abwaerme", Auto Motor und Sport, 21 May 2998, page 140 Scientific article "Development of MEMS based pyroelectric thermal energy harvesters", S.R. Hunter at el., Proc. Of SPIE, Vol. 8035, 80350V-1, 2011 Paper "On thermoelectric and pyroelectric energy harvesting", G. Sebald et al., IOP Publishing, UK, Smart Materials and Structures, 18, 2009, 125006

本発明の目的は、多数の分野に適用可能な効率的且つロバストな熱電気変換スキームを提供することである。

本発明によれば、第１の導電性電極、第２の導電性電極、及び電極が取り付けられ／貼り付けられる焦電性物質を備えたデバイスを有する装置が提供される。電極は離れて間隔があいている。デバイス又は装置は、さらに焦電性物質に（直接的又は間接的に）熱的に結合される少なくとも１つの熱交換構造体を備える。装置は、さらに電気発振器回路を有する。デバイスは、焦電性物質の振動を提供するために、電気発振器回路に電気的に接続可能である。

全ての実施形態において、好ましくは、第１の発振器と第２の発振器を有し、第１の発振器と第２の発振器は、これら２つの発振器が共同して振動できるように、導電接続により結合される。

好ましくは、第１の発振器と第２の発振器は直列に配置される。トランジスタがその中間で用いられて、これら２つの発振器間の接続を切り替え／制御しても良い。

本発明は、電気、熱、及び機械の分野に加えて、結晶及びセラミック物質において、同期電気信号があるという事実を利用する。本発明は、さらに、ある領域（regime）から別の領域にパワーを伝達することができるという事実を利用する。

本発明のデバイス及び装置は、非常に効率的な方法で熱を電気に変える。

本発明によれば、熱は電気に変換されて、利用されうる。

本発明は、これまで無駄にされていたエネルギーのかなりの部分を再生利用することを可能にする。

本発明技術は、手頃な価格のデバイスを作ることを可能にする。

本発明技術は、１５℃〜６００℃の温度範囲のいわゆる低質の熱を“使用”することを可能にする。

本発明は、オフ熱、太陽熱、地熱（geothermal heat）、地中熱（ground heat）、及び水熱と、周囲の熱とを電気に変えるのに使用されうる。

発振器に接続された本発明の第１のデバイスの概略断面図 本発明の第２のデバイスの概略断面図 図２のデバイスを含む第１の装置の概略図 図２のデバイスを含む第２の装置の概略図 取り付け工程中の一列に並んだ４つのデバイスを含む第３の装置の構成要素の概略図 取り付け工程が完了した後の一列に並んだ４つのデバイスを含む第３の装置の概略図 直列に配置された図５Ｂの４つのデバイスの概略回路図 並列に配置された図５Ｂの４つのデバイスの概略回路図 配列構造の３６個のデバイスを含む第４の装置の概略上面図 図６Ａの第４の装置の透視図 本発明の別のデバイスの概略断面図

本発明のいくつかの考えられる実施形態が、添付の図面を参照して、例としてここに記載される。

本発明は、いわゆるヒートトラップ（heat traps）に関する。

本発明のデバイス１０と装置１００はそれぞれ非常に効率的な方法で熱を電気に変換する。これは、デバイス１０の固体状態の焦電性物質１３（好ましくは、結晶状）の内部の電荷の移動により行われる。本発明によれば、この電荷の移動は、熱（熱膨張及び電気分極）によって生じる。

焦電気は、加熱され又は冷却されるときに電位を生成する特定の物質の能力である。温度が変化することにより、正電荷及び負電荷は、移動により（migration）反対端に動き（すなわち、物質１３は電荷の移動により分極し）、電位が確立される。この点において、焦電性物質１３は、コンデンサにように機能する。

本デバイス１０の焦電性物質１３の組成及び／又は濃度は、大きなピエゾ効果がなくても十分顕著な焦電特性を示す（焦電性物質が負荷応力を受けるときに電気分極を示す）ように、選択される。別の組成及び／又は濃度は著しい焦電特性を示すが、ピエゾ効果はない。

下記の物質が本発明の全ての実施形態に非常に良く適している。
・ホウ素結晶ケイ酸塩鉱物
・天然トルマリン
・ニオブ酸ストロンチウムバリウム（ＳＢＮ）
・チタン酸バリウム
・マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛、好ましくは焼結組成物
・チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＴＺ）セラミック又は分極したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＬＺＴ）、好ましくはランタンが修飾又はドープされたもの。適しているのは、ホットプレスされたＰＬＺＴセラミック。
・アラニンがドープされた硫酸トリグリシン（ＡＴＧＳ）などの硫酸トリグリシン結晶（ＴＧＳ）
・ペロブスカイト酸化物結晶
・ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＦ_２）又はポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）のポリマー

適している焦電性物質のさらなる詳細が文書「“焦電性物質、その特性と応用（Pyroelectric materials, their properties and applications）”, J.C. Joshi, A.L. Dawar, physica status solidi (a)、７０巻、第２版、３５３〜３６９ページ、１９８２年４月１６日」に記載されている。

本発明の全ての実施形態に非常に良く適しているのは、２より大きい焦電係数ｐ［１０^−８Ｃ ｃｍ^−２ Ｋ^−１］の物質である。非常に有利なものは、８より大きい焦電係数ｐ［１０^−８Ｃ ｃｍ^−２ Ｋ^−１］の物質である。

本発明の全ての実施形態に非常に良く適しているのは、一次の焦電効果と二次の焦電効果を示す物質である。両方の効果を示す物質を利用することが有利である。

本発明の好ましい実施形態は、温度変化にさらされるときに、軸端で、正反対の符号の２つの電極を生じさせる特有の物理的特性を持つ、単結晶、多結晶又はバルクの焦電性物質１３を使用する。これは、焦電気の名前で知られている現象であり、逆の効果は電気熱量効果と呼ばれ、両者は可逆的な性質である。非常に高い効率性及び高振動数が得られる。デバイス１０に加えられる電気インパルスは、吸熱電気熱量効果を生み出すために、非対称である。

本発明と比較すると、古典的な焦電気デバイスは、熱の切り替えにより、２つの熱浴（heat baths）から温度の振動を生成して、直接的な焦電効果を利用する。本発明は、電気の切り替えにより、温度の振動を生成して、逆の効果を利用する。

本発明に関連して使用される焦電性物質１３は、電気の流れ又は熱の流れを示さず、むしろ電場又は熱場を示す。エネルギーは蓄えられ、これらの場から放出される。

デバイス１０の焦電性物質１３は、高利得の電気発振器回路２０内で使用されるか、又は図１に示されるように高利得の電気発振器回路２０に結合される。熱Ｗがデバイス１０の振動している焦電性物質１３に“加えられる（applied）”と、この熱が吸収されて、電子は“エントロピー（entropy）”を輸送する／運ぶことになる。それぞれのデバイス１０が組み立てられて、雰囲気から又は図１のデバイスの場合は熱交換構造体１４から、熱Ｗを集める又は吸収し始める。デバイス１０が熱Ｗを集める又は吸収するという事実が、図１でブロックの矢印により概略的に示されている。熱Ｗは、デバイス１０により吸収される（trapped）。振動が全体の吸熱反応を生じさせるため、デバイス１０では、熱Ｗは仕事（work）（ここでは、電気の形式の仕事）に変換されうるのみである。

デバイス１０において、熱流は、負の再熱を持つ、すなわち熱が積極的に吸収されるように、確立される。負の再熱は、デバイス１０が（例えば、熱交換構造体１４により）周囲の熱Ｗを集めている／吸収していることを意味する。これが起こるようにするために、デバイス１０は平衡状態ではなく、非平衡状態で作動される。

デバイス１０は、第１の導電性電極１１と第２の導電性電極１２を有する。これらの電極１１，１２は、例えば図１に示されるように、離れて間隔があいている。焦電性物質１３は、本実施形態においては、電極１１，１２の間にある。焦電性物質１３に熱的に結合される少なくとも１つの熱交換構造体１４がある。熱交換構造体１４は、焦電性物質１３に直接的に結合されてもいいし、間接的に結合されてもいい。図１は、間接結合の実施形態を示していて、ここでは熱交換構造体１４は焦電性物質１３上にある電極１１の上に位置付けられている。

全ての実施形態において、電極１１，１２及び／又は熱交換構造体１４の領域は、焦電性物質１３の領域よりも小さくてもいいし、大きくてもいいし、又は同じであっても良い。

電極１１，１２は、離れて間隔があいていて、導電接続により短絡されないのであれば、焦電性物質１３の同一側に配置されても良いし、焦電性物質１３の両側に配置されても良い。

本発明の他の実施形態が図２に示されている。デバイス１０は、ここでも、第１の導電性電極１１と第２の導電性電極１２を有する。これらの電極１１，１２は、図２に示されるように、離れて間隔があいている。焦電性物質１３は、ここでは、電極１１，１２の間にある。焦電性物質１３に熱的に結合される２つの対向する熱交換構造体１４．１，１４．２がある。２つの対向する熱交換構造体１４．１，１４．２の領域は、電極１１，１２及び焦電性物質１３の領域よりも大きい。熱交換構造体１４．１，１４．２は、焦電性物質１３に直接的に結合されてもいいし、間接的に結合されてもいい。図２は、間接結合の実施形態を示していて、ここでは熱交換構造体１４．１，１４．２はそれぞれ電極１１，１２の上に位置付けられている。

熱交換構造体１４又は熱交換構造体１４．１，１４．２のサイズ（領域）は、各電極１１，１２のサイズよりも小さくても良いし、大きくても良い（図２参照）。また、熱交換構造体１４又は熱交換構造体１４．１，１４．２は、各電極１１，１２と同じサイズであっても良い（図１参照）。

２つの電極１１，１２は、異なる金属で作られても良い。言い換えると、種々の金属（例えば、銅、アルミニウム、銀、アルミニウム、又は金）が電極１１及び電極１２に使用される。

デバイス１０、及び／又はデバイス１０を使用する装置１００は、筐体（図示せず）の中に入れられても良いし、及び／又はキャリア（基板）上に搭載されても良い。

デバイス１０は、さらに、第１の導電性電極１１に接続された又は接続可能な第１の電気出力又はノードＯ１と、第２の導電性電極１２に接続された又は接続可能な第２の電気出力又はノードＯ２を有する。これらの２つのノードＯ１，Ｏ２は、全ての場合において、電極１１，１２の一部であっても良い。電極１１，１２の接触領域又はパッドがノードＯ１，Ｏ２として機能できる。

装置１００は、デバイス１０に接続された又は接続可能な電気発振器回路２０を有する。焦電性物質１３へのそれぞれの電気接触は、第１の導電性電極１１及び第２の導電性電極１２を介して確立される。電気発振器回路２０は、デバイス１０の焦電性物質１３の振動を開始するように設計される。この振動の周波数は、５ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲である。好ましくは、この振動の周波数は５０ｋＨｚを超える。これは、全ての実施形態に適用される。大抵の場合、この振動の周波数は２５０ｋＨｚ未満である。

焦電性物質１３は、共振器として振動させられる。その振動の周波数は、第１の発振器３０の振動周波数を決定する。

好ましくは、デバイス１０を非線形モードにさせる振動の振幅の（熱的及び電気的な）下降スロープを提供することにより、電気発振器回路２０はデバイス１０を非線形モードで駆動する。これは、本発明の全ての実施形態が焦電性物質１３の非線形焦電特性を使用することを意味する。

高すぎる電圧及び温度の状況（regimes）よりも低すぎる電圧及び温度の状況（regimes）のほうが、より長い期間残存する非対照信号が得られる／与えられるように、電気発振器回路２０は設計される。この非対照信号に起因して、各振動サイクル中、より多くのエネルギーが放出するよりも、引き継がれる又は収集される。これは、電気発振器回路２０が、焦電性物質１３からより高いエントロピーの電子を取り出すことにより、デバイス１０から熱エネルギーを効率的に除去する状況を引き起こす。

本発明の全ての実施形態において、熱が吸収されて、エントロピーが電子に“取り込まれる（loaded）”ような方法で、装置１００はデバイス１０と相互作用する。増加したエントロピーを備えた電子は、焦電性物質１３の流出を引き起こす。

大抵の実施及び実施形態は、図３及び図４に関連して示されているように、２つの発振器３０，４０を備えた電気発振器回路２０を有する。２つの発振器３０，４０が接続されることにより、それらの振動の結合は発生する。発振器４０は、全ての実施形態において、共振回路として機能する。

好ましくは、全ての実施形態において、電気発振器回路２０は、わずかにデチューン（de-tuned）された２つの結合された発振器３０，４０を有する。言い換えると、２つの発振器は、わずかに異なる周波数を持つ。共振周波数（ｆ１，ｆ２）の差は、５％〜０．１％である。デチューンは、２つの振動間の干渉（うなり（beat）と呼ばれる）を引き起こす。このうなりは、焦電性物質１３から電気発振器回路２０への（すなわち、発振器３０から発振器４０への）内部抵抗（drag）の生成を引き起こす。この内部抵抗により、増加したエントロピーを備えた電子は焦電性物質１３からの流出を引き起こす。

好ましくは、全ての実施形態は２つのデチューンされた発振器３０，４０を有し、デバイス１０はこれらの発振器のうちの１つの一部である（図３及び図４において、デバイス１０は発振器３０の一部である）。

本特許出願において、発振器３０，４０は、繰り返しの電子信号を生成する電子回路である。

２つの結合された発振器３０，４０間で干渉が生じるという事実により、熱又はエントロピーが非常に効率的な方法で電子に“取り込まれる（loaded）”。

装置１００は、熱又はエントロピーを電子に取り込み、言及した内部抵抗により電子を取り除くことにより、熱交換構造体１４を積極的に冷却するため、アクティブ装置であると見なされる。それ故、本発明は、形成（formation）又はいわゆるコールドトラップ（cold-trap）に基づいている。

２つの結合された発振器３０，４０のうちの１つは、いわゆる３Ｋバス（bath）内にあると見なされる（３Ｋは３ケルビンを意味する）。すなわち、３Ｋ（背景放射線）の空間への放射だけがある。２つの結合された発振器３０，４０のもう一方は、熱交換器１４の温度である。すなわち、この発振器３０又は発振器４０は、１５℃〜６００℃の周囲温度である。第１の発振器３０を流れる電子は、熱又はエントロピーのキャリアとして機能すると考えられる。それ故、第１の発振器３０は、１５℃〜６００℃の周辺温度であると見なされ、他の発振器４０は３Ｋバス内にあると見なされる。

他の言葉で説明すると、振動周期毎に熱又はエントロピーの量子（quantum）を得るために、非線形で非対称の電気的インパルスは、デバイス１０の焦電性物質１３に加えられる。振動が維持されて、装置１００の出力Ｏ３−Ｏ４で利用できるインパルスエネルギー量に移行されるように、熱又はエントロピーの量子はインパルスエネルギー量に変換される／転換される。

本発明のデバイス１０と装置１００は、熱が１５℃〜６００℃の使用可能な温度範囲内のときに、任意のソースからの熱により、活性化され／駆動され／電力供給されうる。

デバイス１０の大きさに理論的制限はない。しかし、提案された出願、製造工程、輸送及び設置の要件に基づく実際的制限はある。

デバイス１０に特有の性質に起因して、デバイス１０は出願の要件に合うように作り上げられうる。例えば、デバイス１０は、水の周囲又は排気管（exhaust pipes）に合うように曲線形状で生産されても良いし、平面（例えば、ソーラーパネルの内側）で使用するために、（例えば図１のような）平らな構造で製造されても良い。また、デバイス１０は、配列に統合されても良い。

１つ以上のデバイス１０を使用する全ての装置１００は、閉鎖循環の実施である。これは、空気又は液体の排出又は汚染がないことを意味する。

本発明の第１の装置１００が図３に示されている。装置１００は、簡単にするために図２に示されるデバイス１０と同じ１つのデバイス１０を有する。デバイス１０は、第１の導電性電極１１と第２の導電性電極１２を有する。これらの２つの電極１１，１２は、離れて間隔があいている。それらは、焦電性物質１３の両側に配置されても良いし、焦電性物質１３の同一側に配置されても良い。焦電性物質１３に熱的に結合される２つの熱交換構造体１４．１，１４．２がある。本実施形態の場合、熱交換構造体１４．１，１４．２はそれぞれ電極１１，１２を介して焦電性物質１３に接続される。これは、ここで熱交換が電極１１，１２を介して起こることを意味する。

デバイス１０は、図３に示されるように、第１のインダクタＬ１と共に発振器３０（第１の発振器とも呼ばれる）を形成する。本実施形態において、第１のインダクタＬ１は、変圧器３１のコイル又は巻き線の一つである。

本発明の全ての実施形態において、空心変圧器、鉄心変圧器、又はフェライト磁心変圧器が変圧器３１として使用可能である。図３において、コア３２を備えた変圧器が示されている。変圧器３１の第１のインダクタＬ１は、他の２つのインダクタＬｂ、Ｌｃに磁気的に結合される。コイルＬ１，Ｌｂ，Ｌｃのサイズに応じて、装置１００に必要な種々の電圧と電流が得られる。実際、電圧の比率は、インダクタＬ１の第１のコイル巻き線の数対インダクタＬｂ、Ｌｃの第２のコイル巻き線の数によって決まる。ここで、インダクタＬｂ，Ｌｃは、インダクタＬ１よりも巻数（巻き線）が少ない。これは、変圧器３１が、左から右への逓降変圧器として機能することを意味する。逓降変圧器は、第１の回路Ｌ１よりも第２の回路Ｌｂ，Ｌｃにより少ない電圧を提供する構造を持つ。

上述したように、デバイス１０は振動させられる。これは、変圧器３１の第１の巻き線（インダクタＬ１）で交流（ＡＣ）電圧が提供されることを意味する。変圧器３１は交流磁場を生成し、交流磁場は他のコイル（インダクタＬｂ，Ｌｃ）に検知される（誘導される）。インダクタＬｂ及びインダクタＬｃは共に、インダクタＬ１の第１の電圧の波形と同じ波形のＡＣ電圧を生成する。インダクタＬｂ，Ｌｃにより生成されるＡＣ電圧の振幅は、巻数のそれぞれの比率によって決まる。また、電圧は、コア材料、駆動周波数、及び結合によって決まる。

以下において、インダクタＬ１の巻数が６、インダクタＬｂの巻数が１２、インダクタＬｃの巻数が２４の例が示されている。これは、変圧器３１が、左から右への逓昇変圧器として機能することを意味している。

図３の実施形態において、結合変圧器３１が第１の発振器３０をダイオードブリッジ整流器３３に結合するのに使用される。整流器３３は、上側のインダクタＬｂのノードｎ１，ｎ２に結合される。下側のインダクタＬｃのノードｎ４は、トランジスタＴ１（例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ）のゲート３４に接続される。図３に示されているように、整流器３３は、ここでは、交流電流（ＡＣ）入力を直流電流（ＤＣ）出力に変換するために使用される。

図３に示されているように、スーパーキャパシタ（supercapacitor）ＳＣは、整流器３３の正負のノードに接続される。スーパーキャパシタＳＣは、非常に高い静電容量を持つ点で、通常のコンデンサと異なる。スーパーキャパシタＳＣは、静電荷によりエネルギーを蓄える。スーパーキャパシタＳＣの電圧は一般的には２．５Ｖ〜２．７Ｖに限定される。スーパーキャパシタＳＣの２つのノード間のＤＣ電圧が確実に適切な電圧範囲内となるようにするために、インダクタＬｂの巻数は、それに応じて選択されなければならない。

本実施形態において、スーパーキャパシタＳＣの負のノードは、接地に接続される。インダクタＬｃのノードｎ３もまた、接地に接続される。トランジスタＴ１のドレイン３５はノードＯ２に接続され、ソース３６は電気発振器回路４０に接続される。電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の代わりに、バイポーラトランジスタＴ１を使用しても良い。バイポーラトランジスタＴ１の場合、ゲート３４はベース、ドレイン３５はコレクタ、ソースはエミッタと見なされる。

トランジスタＴ１は、電子信号を切り替えるために使用される。ここでは、トランジスタＴ１は、第１の発振器３０と第２の発振器４０の選択的結合を提供する。ゲート端子３４の小さい電流又は電圧は、トランジスタＴ１のドレイン（コレクタ）端子３５及びソース（エミッタ）端子３６間の非常に大きな電流を制御する又は切り替える。

本発明によれば、トランジスタＴ１は正の増幅率を持つ。これは、出力電圧Ｖｏｕｔが入力電圧Ｖｉｎよりも大きく、出力電流は入力電流よりも大きいことを意味する。それ故、トランジスタＴ１は、第１の発振器３０から第２の発振器４０に電流（エントロピーが含まれている電子）を“取り込む（pulls）”。また、トランジスタＴ１は、ソース３６の信号がゲート３４の信号に従うような、いわゆるフォロワ（follower）として機能できる。この場合、ゲート３４を高く上げるのに少ない“揚力（lifting power）”で十分であり、ソース３６はさらなる強さで増加する。これは、トランジスタＴ１が、フォロワとして使用された場合に、より高い出力電圧を生成するのではなく、発振器４０に流れるより多くの出力電流を生成することを意味する。

発振器４０は、全ての実施形態において、図３に示されるように、並列に配置されたコンデンサＣ１（例えば、可変コンデンサ）とインダクタＬ２を有する。さらに図３に示されるように、スーパーキャパシタＳＣ１は、発振器４０のノードｎ６と接地の間に接続される。負荷素子３７は、図３に示されるように、出力ノードＯ３，Ｏ４に接続される。

本発明の他の実施形態が、図４に関連してここに記載される。ここでも、デバイス１０は、インダクタＬ１と共に、第１の発振器３０を形成する。インダクタＬ１は、変圧器３１の１つのコイルである。変圧器３１は、ここでインダクタＬｂと呼ばれる第２のコイルを有する。インダクタＬｂの第１のノードｎ１は、ダイオードブリッジ整流器３３の１つのノードと第２の発振器４０の出力ノードＯ４に接続される。インダクタＬｂの第２のノードｎ２はトランジスタＴ１のゲート３４に接続される。トランジスタＴ１は、ゲート３４に加えられる信号により、制御され／切り替えられる。トランジスタＴ１は、アクティブにされると、第１の発振器３０のノードＯ２を第２の発振器４０のノードｎ５に接続する。

第２の発振器４０は、本実施形態において、並列に配置されたコンデンサＣ２とインダクタＬ２を有する。インダクタＬ２は、変圧器３８の一部である。変圧器３８の第２のコイルＬａは、交流電圧ＡＣを提供する。この電圧ＡＣは、図４に示されるように、整流器３３のＡＣノードに印加される。整流器３３の正のノードは正の出力ノードＯ３に接続され、整流器３３の負のノードは上述したように、ノードｎ１と出力ノードＯ４に接続される。第２の発振器４０の下側のノードｎ６もまた、出力ノードＯ４に接続される。スーパーキャパシタＳＣ１は、ここでは、図４に示されるように、整流器３３の２つのＤＣノード間に配置される。図３のように、このスーパーキャパシタＳＣ１は、２つの出力ノードＯ３，Ｏ４間に位置する。

全ての実施形態において、例えば、第２の発振器４０は、コンデンサダイオード（capacitor diode）、転送コンデンサ（transfer capacitor）、及びチョークコイルなどの付加的な素子を有しても良い。

全ての実施形態において、出力電圧又は出力電流は、第１の発振器３０から又は第２の発振器４０から取り出されても良い。

全ての実施形態において、発振器３０，４０の両方が、１０００より大きいＱ値を持つ。

２つの発振器３０，４０は、ビート周波数が確立されるようにデチューンされる。第２の発振器４０は、第１の発振器３０から（エントロピーが含まれた電子の形状の）エネルギーを“取り出す（draws）”。熱（エントロピー）はデバイス１０の電子に含まれるため、デバイス１０を冷却させ（コールドトラップと表現）、且つさらなる熱を吸収させる一定の抵抗（drag）が確立される。発振器３０から発振器４０に移動したエネルギーは、スーパーキャパシタＳＣ１を充填（load）するのに使用される。スーパーキャパシタＳＣ１は、図３に示されるように、発振器４０のノードｎ６と接地との間に配置されて、充填されうる。又は、スーパーキャパシタＳＣ１は、図４に示されるように、変圧器３１と整流器３３を介して、充填されうる。

第２の発振器４０が第１の発振器３０を減衰させる（damps down）という事実に起因して、熱は循環工程においてデバイス１０に流れていく。

装置１００は、この熱を、出力ノードＯ３，Ｏ４間で利用可能な電気（ここではＤＣ電圧）に変換する。

好ましくは、全ての実施形態の２つの発振器３０，４０は、小さいＴ＝Ｌ／Ｃをもたらす小さなインダクタンスＬと大きな静電容量Ｃを特徴とする。

好ましくは、全ての実施形態の第１の発振器３０は、受動発振器である。

スーパーキャパシタＳＣ１は、全ての実施形態において、中間のエネルギー蓄積部としての機能を果たすために使用されるが、スーパーキャパシタＳＣ１は絶対に必要とは限らない。

本発明の全ての実施形態において、デバイス１０と焦電性物質１３はそれぞれ、環境から又は１以上の熱交換構造体１４から、熱Ｑを集めている又は吸収している。

本発明によれば、図５Ｂに示されるように２以上のデバイス１０が列を成して配置されうるか、図６Ａ及び図６Ｂに示されるように配列状に集められうる。

デバイスは、いくつかの焦電性物質部分又は領域１３を有する。図５Ａ及び図５Ｂに示されている例は、一列に配置された４つの焦電性物質部分又は領域１３を備えるデバイス１０を示している。デバイス１０は、下部から上部に、４つの電極１２及び４つの焦電性物質部分又は領域１３を支える下部熱交換構造体１４．２を有する。４つの対電極１１は、もう一方の熱交換構造体１４．１の一部である。図５Ａは、これらの素子が組み合わさる前の分解図を示す。図５Ｂは、４つの対電極１１を備えた熱交換構造体１４．１が上部に位置付けられた後のデバイス１０を示す。

図５Ｃは、４つのサブデバイス全てが、コンデンサＣＩ，ＣＩＩ，ＣＩＩ，ＣＩＶにより表される簡潔な回路図を示している。これらのコンデンサＣＩ，ＣＩＩ，ＣＩＩ，ＣＩＶは図５Ｃに示されるように直列に配置されても良いし、図５Ｄに示されるように並列に配置されても良い。

図６Ａは、配列構造上の３６個の焦電性物質部分又は領域１３を有する第４のデバイス１０の概略的な上面図である。配列構造は、６つの行と６つの列を含む。これらの焦電性物質部分又は領域１３の一つに、参照符号１３が付けられている。この実施形態において、焦電性物質部分又は領域１３の各々は、矩形形状を有する。個々の焦電性物質部分又は領域１３を直列（図５Ｃと同様）に又は並列（図５Ｄと同様）に接続するために、多数の導電接続がある。熱交換構造体１４．１及び／又は１４．２は構造化されうるか又は導電接続としての機能を果たす金属パターンを持つことができる。

図６Ｂに示されるように、第１の導電性電極１１を供給する第１の層と第２の導電性電極１２を供給する第２の層とを提供することも可能である。それぞれの層は、直列又は並列に焦電性物質部分又は領域１３を接続するために、パターン化されるか又は構造化されなければならない。

全ての実施形態の熱交換構造体１４，１４．１及び／又は１４．２は、流体（例えば水又は油）を導いて熱交換構造体１４，１４．１及び／又は１４．２を通り抜けさせるための経路（channel）を有する。図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、上述した経路への流体接続をもつアクセスポイント３９．１，３９．２があっても良い。流体は、例えばアクセスポイント３９．１を通って熱交換構造体１４．２に供給される。それから、流体はアクセスポイント３９．２を通って熱交換構造体１４．２から離れる前は、その経路を流れる。この場合、アクセスポイント３９．１はいわゆる高温端であり、アクセスポイント３９．２は低温端となる。高温端の流体は、低温端の流体よりも熱い。熱Ｗは、流体から、熱交換構造体１４，１４．１，１４．２の物質（及びその中間に位置していれば電極１１，１２）を通り、焦電性物質部分又は領域１３に移動する。焦電性物質部分又は領域１３の内側で、少量の熱（エントロピー）が、上述したように、事実上、電子に移動する（取り込まれる）。

図５Ａ，５Ｂ及び図６Ａ，６Ｂのデバイス１０は、図３，４に示されるように、装置１００の内部で使用されても良い。この場合、単一のデバイス１０は、直列配置又は並列配置の焦電性物質部分又は領域１３に置き換えられる。

デバイス１０が有する焦電性物質部分又は領域１３が増加するほど、装置１００が取り出すことができる電力も増加する。小型のデバイスは、約１ワットの範囲内の出力電力を提供するのに対し、図６Ａ，６Ｂで描写されているもののように、配列は最大１００ワットまでの出力電力を供給することができる。

焦電性物質部分又は領域１３は、数ミリメートルから数センチメートルまでの厚さを持っても良い。それらの表面の平面は、数正方形ミリメートルから数正方形センチメートルの大きさを持っても良い。

図７は、別のデバイス１０の概略的な表現を示している。デバイス１０は、焦電性物質１３、第１の電極１１、及び第２の電極１２を有する。デバイス１０のこれらの素子１１，１２，１３は、２つの熱交換構造体１４．１，１４．２の間に位置付けられる。熱交換構造体１４．１は、第１のアクセスポイント３９．１を有する。この第１のアクセスポイント３９．１は、第２のアクセスポイント３９．２に流体接続する内部経路４１と流体接続する。熱交換構造体１４．２は、第１のアクセスポイント３９．１と第２のアクセスポイント３９．２を有する。熱交換構造体１４．２は、直列に接続される。これは、第１の熱交換構造体１４．１の第２のアクセスポイント３９．２が、第２の熱交換構造体１４．２の第１のアクセスポイント３９．１に接続されることを意味する。第２の熱交換構造体１４．２の第１のアクセスポイント３９．１は、第２のアクセスポイント３９．２に流体接続される内部経路４２に流体接続される。流体（例えば、水又は油）は、入力及び出力の矢印で示されるように、２つの熱交換構造体１４．１，１４．２を通って供給される。

当然、特許請求の範囲で定義された発明の範囲から逸脱することなく、多くの変形が、上述した特定の構造に基づいて、適応されうる。

Claims (24)

1. デバイス（１０）を有する装置（１００）であって、
   前記デバイス（１０）は、
   第１の導電性電極（１１）、
   第２の導電性電極（１２）、
   前記電極（１１、１２）は離れて間隔があいていて、
   前記電極（１１、１２）が取り付けられ／貼り付けられる焦電性物質（１３）、及び
   前記焦電性物質に熱的に結合される少なくとも１つの熱交換構造体（１４）、
   を備え、
   前記装置（１００）は、電気発振器回路（２０）をさらに有し、
   前記デバイス（１０）は、前記焦電性物質（１３）の振動を提供するために、前記電気発振器回路（２０）に電気的に接続可能である、装置（１００）。
2. 第１の発振器（３０）を形成するために、前記デバイス（１０）に結合される第１のインダクタ（Ｌ１）をさらに有することを特徴とする、請求項１に記載の装置（１００）。
3. 前記電気発振器回路（２０）は、コンデンサ（Ｃ２）と第２のインダクタ（Ｌ２）を含む第２の発振器（４０）を有する、請求項１又は請求項２に記載の装置（１００）。
4. 前記第１の発振器（３０）と前記第２の発振器（４０）は、これら２つの発振器（３０、４０）が共同して振動できるように、導電接続により結合される、請求項３に記載の装置（１００）。
5. 前記第１の発振器（３０）と前記第２の発振器（４０）は直列に配置される、請求項３又は請求項４に記載の装置（１００）。
6. 前記第１の発振器（３０）は第１の共振周波数（ｆ１）を持ち、前記第２の発振器（４０）は第２の共振周波数（ｆ２）を持ち、前記第１の共振周波数（ｆ１）と前記第２の共振周波数（ｆ２）は異なる、請求項３から請求項５のいずれかに記載の装置（１００）。
7. 前記第１の共振周波数（ｆ１）と前記第２の共振周波数（ｆ２）は、５ｋＨｚ〜５００ｋＨｚの範囲である、請求項６に記載の装置（１００）。
8. 前記共振周波数（ｆ１、ｆ２）の違いは５％〜０．１％である、請求項６に記載の装置（１００）。
9. 前記第１の発振器（３０）と前記第２の発振器（４０）は、毎秒１０〜１００回のビート周波数で振動する、請求項３から請求項５のいずれかに記載の装置（１００）。
10. 前記第１の発振器（３０）と前記第２の発振器（４０）の間に配置されるトランジスタ（Ｔ１）をさらに有する、請求項３から請求項９のいずれかに記載の装置（１００）。
11. 前記トランジスタ（Ｔ１）は、電流が前記第１の発振器（３０）から前記第２の発振器（４０）に流れるように切り替えられる、請求項１０に記載の装置（１００）。
12. スーパーキャパシタ（ＳＣ１）と整流器（３３）をさらに有し、前記整流器（３３）は直流出力信号を提供するために配置され、前記直流出力信号は前記スーパーキャパシタ（ＳＣ１）に加えられる、請求項１０又は請求項１１に記載の装置（１００）。
13. 前記装置（１０）に結合されるコンデンサ（ＳＣ１）、好ましくはスーパーキャパシタをさらに有し、前記コンデンサ（ＳＣ１）が前記振動のためのエネルギーを提供できるようにされる、請求項１から請求項３のいずれかに記載の装置（１００）。
14. 前記デバイス（１０）を熱源又は熱流にさらすときに、電気エネルギーが前記電気ノード（Ｏ１、Ｏ２）で利用できるようにされる、請求項１から請求項３のいずれかに記載の装置（１００）。
15. 前記電気発振器回路（２０）と前記デバイス（１０）は、前記焦電性物質（１３）を振動させるために、電気的に結合される、請求項１から請求項３のいずれかに記載の装置（１００）。
16. 前記焦電性物質（１３）は５０ｋＨｚを超える周波数で振動させられる、請求項１から請求項１５のいずれかに記載の装置（１００）。
17. 好ましくは、前記デバイス（１０）を非線形モードにさせる振動の振幅の上昇スロープを提供することにより、前記電気発振器回路（２０）は前記デバイス（１０）を非線形モードで駆動する、請求項１から請求項３のいずれかに記載の装置（１００）。
18. 固体結晶が前記焦電性物質（１３）として機能する、請求項１から請求項１７のいずれかに記載の装置（１００）。
19. ケイ酸塩鉱物、好ましくはホウ素結晶ケイ酸塩鉱物、又はトルマリンが前記焦電性物質（１３）として機能する、請求項１８に記載の装置（１００）。
20. 硫酸トリグリシン結晶が前記焦電性物質（１３）として機能する、請求項１８に記載の装置（１００）。
21. ペロブスカイト酸化物結晶が前記焦電性物質（１３）として機能する、請求項１８に記載の装置（１００）。
22. 前記熱交換構造体（１４）はアルミニウム又は銅を含む、請求項１から請求項２１のいずれかに記載の装置（１００）。
23. 第１の導電性電極（１１）、
    第２の導電性電極（１２）、
    前記電極（１１、１２）は離れて間隔があいていて、
    前記電極（１１、１２）が取り付けられ／貼り付けられる焦電性物質（１３）、及び
    前記焦電性物質に熱的に結合される少なくとも１つの熱交換構造体（１４）、
    を備えるデバイス（１０）の熱動力電池としての使用。
24. 前記デバイス（１０）は、前記焦電性物質（１３）を振動させるように設計される発振器（２０）に接続される、請求項２３に記載の使用。

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