JP2018137842A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー損失を抑制できる発電システムを提供すること。
【解決手段】
車載発電システム１は、温度が経時的に上下する内燃機関２と、内燃機関２によって、互いに異なる位相で温度が経時的に上下され、電気分極する複数の第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の電圧を検知する電圧センサ３５と、第１デバイス３の電圧を互いに電圧印加させるため、複数の第１デバイスを接続する印加導線２２と、印加導線２２を開閉するための印加スイッチ２３と、印加スイッチ２３の開閉を制御するための制御ユニット１０とを備え、制御ユニット１０は、電圧センサ３５によって検知される第１デバイス３の電圧が、他の第１デバイス３に対して印加可能な値である場合に、印加スイッチ２３を閉状態とし、第１デバイス３から取り出された電力を、直接、他の第１デバイス３に印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される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複数の第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の第２デバイス（導線および電極など）とを備え、第１デバイスから取り出された電力をバッテリーなどに回収する発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）
また、そのような発電システムにおいて、より効率的に発電するために、電圧印加装置によって、第１デバイスの昇温中に第１デバイスに電圧を印加し、また、降温中には電圧の印加を停止することが、提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１５−０７０７６２号公報 特開２０１５−０２７２４９号公報

一方、上記した発電システムでは、第１デバイスから電力を取り出し、バッテリーなどに回収するときに、バッテリーの性能に応じて電圧変換（昇圧または降圧）されるため、その変換に伴って、エネルギー損失を生じる場合がある。また、電圧印加装置に蓄電された電力を第１デバイスに印加するときに、通常、電圧変換（昇圧または降圧）されるため、その変換に伴ってエネルギー損失を生じる場合がある。

本発明は、エネルギー損失を抑制できる発電システムである。

本発明［１］は、温度が経時的に上下する熱源と、前記熱源によって、互いに異なる位相で温度が経時的に上下され、電気分極する複数の第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、前記第１デバイスの電圧を検知する電圧検知手段と、前記第１デバイスの電圧を互いに電圧印加させるため、複数の前記第１デバイスを接続する印加導線と、前記印加導線を開閉するための印加スイッチと、前記印加スイッチの開閉を制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、前記電圧検知手段によって検知される第１デバイスの電圧が、他の第１デバイスに対して印加可能な値である場合に、前記印加スイッチを閉状態とし、前記第１デバイスから取り出された電力を、直接、他の前記第１デバイスに印加する、発電システムを含んでいる。

本発明の発電システムでは、複数の第１デバイスが、互いに異なる位相で温度変化し、電気分極する。そして、それら第１デバイスから取り出された電力を、直接、他の第１デバイスに印加する。

そのため、本発明の発電システムでは、別途用意された電圧印加装置の電力を、電圧変換（昇圧）して第１デバイスに印加する場合に比べ、エネルギー損失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の概略構成図である。 図２は、本発明の発電システムの他の実施形態の概略構成図である

図１において、自動車１０は、発電システムとしての車載発電システム１を備えている。

車載発電システム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によって互いに異なる位相で温度が経時的に上下され、電気分極する複数の第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の温度を検知する温度センサ５と、第１デバイス３の温度を検知する電圧検知手段としての電圧センサ３５と、第１デバイスの電圧を互いに電圧印加させるため、複数の第１デバイスを接続する印加導線２２と、印加導線２２を開閉するための印加スイッチ２３と、排ガスの流速を調整するための調整手段としての切替弁７と、切替弁７の動作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と、エンジン１１から排ガスを排出させるための排気管１５とを備えている。

エンジン１１は、自動車１０に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。図１には、４気筒型のエンジン１１を示す。また、以下において、各気筒で４サイクル方式が採用される場合について、説明する。

排気管１５は、主排気管２８と、その主排気管２８の下流側において分岐する分岐管としての下流側分岐管２９とを備えている。

主排気管２８は、エキゾーストマニホールド１７、触媒搭載部１２およびエキゾーストパイプ１３を備えている。

エキゾーストマニホールド１７は、エンジン１１の気筒から排出される排気ガスを収束するために設けられる排気多岐管であって、エンジン１１の各気筒に接続される複数（４つ）の上流側分岐管１８（これらを区別する必要がある場合には、図１の上側から順に、上流側分岐管１８ａ、上流側分岐管１８ｂ、上流側分岐管１８ｃおよび上流側分岐管１８ｄと称する。）と、それら上流側分岐管１８の下流側において、各上流側分岐管１８を１つに統合する集気管１９とを備えている。

このようなエキゾーストマニホールド１７では、上流側分岐管１８の上流側端部が、それぞれ、エンジン１１の各気筒に接続されるとともに、上流側分岐管１８の下流側端部と集気管１９の上流側端部とが接続されている。また、集気管１９の下流側端部は、触媒搭載部１２の上流側端部に接続されている。

触媒搭載部１２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から排出される排気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、内燃機関２（エキゾーストマニホールド１７）の下流側端部に接続されている。

エキゾーストパイプ１３は、触媒搭載部１２において浄化された排ガスを、下流側分岐管２９に案内するために設けられており、上流側端部が触媒搭載部１２に接続されるとともに、下流側端部が下流側分岐管２９に接続されている。

下流側分岐管２９は、複数（２つ）のデバイス分岐管３１と、１つのバイパス分岐管３２とを備えている。なお、以下において、複数（２つ）のデバイス分岐管３１を区別する必要がある場合には、図１における紙面上側のデバイス分岐管３１を、デバイス分岐管３１ａとし、紙面下側のデバイス分岐管３１を、デバイス分岐管３１ｂとする。

各デバイス分岐管３１は、第１デバイス３（後述）が配置される排ガス流路であって、上流側端部がエキゾーストパイプ１３（主排気管２８）の下流側端部と接続されており、下流側端部が外気に開放されている。

また、デバイス分岐管３１の流れ方向途中には、箱型空間３３が備えられている。箱型空間３３は、デバイス分岐管３１に連通するように介装される略直方体状の空間であって、その内側には、複数の第１デバイス３（後述）が配置されている。なお、図１においては、複数の第１デバイス３（後述）を簡略化し、１つの箱型空間３３に対して、１つの第１デバイス３（後述）を示している。

バイパス分岐管３２は、第１デバイス３（後述）を回避するように排ガスを流すために設けられるバイパス流路であって、箱型空間３３が介装されることなく、上流側端部がエキゾーストパイプ１３（主排気管２８）の下流側端部と接続されており、下流側端部が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は、主排気管２８を通過し、下流側分岐管２９を介して、外気に放出可能とされている。

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、排ガスに接触（曝露）されるように、箱型空間３３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、上記したように排ガスが周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、ピエゾ素子が周期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、周期的に繰り返される。

その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（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、箱型空間３３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、上記したように排ガスが周期的に温度変化し、高温状態と低温状態とが周期的に繰り返される場合などには、焦電素子が周期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、周期的に繰り返される。

その結果、後述する第２デバイス４により、電力が、周期的に変動する波形（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。

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）、Ｃａ_３（ＶＯ_４）_２、Ｃａ_３（ＶＯ_４）_２／Ｎｉ、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３／Ｎｉ、ＬｉＴａＯ_３、ＬｉＴａＯ_３／Ｎｉ、Ｌｉ（Ｎｂ_０．４Ｔａ_０．６）Ｏ_３、Ｌｉ（Ｎｂ_０．４Ｔａ_０．６）Ｏ_３／Ｎｉ、Ｃａ_３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_４｝_２、Ｃａ_３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ_４｝_２／Ｎｉなどを用いることができる。

また、第１デバイス３としては、さらに、ＬａＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＫＮｂＯ_３、ＭｇＮｂＯ_３、ＣａＮｂＯ_３、（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）ＮｂＯ_３、（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）ＮｂＯ_３／Ｎｉ、（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／４Ｎａ_１／４）ＮｂＯ_３、（Ｓｒ_{１／１００}（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_{９９／１００}）ＮｂＯ_３、（Ｂａ_{１／１００}（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_{９９／１００}）ＮｂＯ_３、（Ｌｉ_１／１０（Ｋ_１／２Ｎａ_１／２）_９／１０）ＮｂＯ_３、Ｓｒ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、Ｓｒ_{１９／１０}Ｃａ_１／１０ＮａＮｂ_５Ｏ_１５、Ｓｒ_{１９／１０}Ｃａ_１／１０ＮａＮｂ_５Ｏ_１５／Ｎｉ、Ｂａ_２ＮａＮｂＯ_１５、Ｂａ_２Ｎｂ_２Ｏ_６、Ｂａ_２ＮａＮｂＯ_１５／Ｎｉ、Ｂａ_２Ｎｂ_２Ｏ_６／Ｎｉなどの誘電体や、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｍｇ１_／３Ｔａ２_／３）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｙｂ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｙｂ_１／２Ｔａ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３、Ｐｂ（Ｓｃ_１／２Ｔａ_１／２）Ｏ_３、ＰｂＴｉＯ_３などのリラクサーペロブスカイト型結晶構造の誘電体などを用いることもできる。

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。

このような車載発電システム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、排気管１５内、具体的には、デバイス分岐管３１に介装される箱型空間３３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。なお、上記したように、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。

これにより、第１デバイス３は、箱型空間３３内において、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、以下において、複数の第１デバイス３を区別する必要がある場合、図１の紙面上側のデバイス分岐管３１の箱型空間３３に配置される第１デバイス３を、第１デバイス３ａとする。また、紙面下側のデバイス分岐管３１の箱型空間３３に配置される第１デバイス３を、第１デバイス３ｂとする。

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。

温度センサ５は、第１デバイス３の温度を検知するため、各第１デバイス３に対応して、第１デバイス３に近接または接触して複数設けられる。温度センサ５は、第１デバイス３の温度として、第１デバイス３の表面温度を直接検知するか、または、第１デバイス３の周囲の雰囲気温度を検知する。温度センサ５としては、例えば、赤外放射温度計や、熱電対温度計などの公知の温度センサが用いられる。

電圧センサ３５は、第１デバイス３の電圧を検知するためのセンサであって、第１デバイス３を跨ぐように、第２デバイス４の電極に電気的に接続されている。電圧センサ３５としては、特に制限されず、公知のセンサが用いられる。

印加導線２２は、詳しくは後述するように、第１デバイス３の電圧を互いに電圧印加させるため、複数の第１デバイス３を接続する導線である。印加導線２２は、図１において太破線で示されるように、デバイス分岐管３１ａ内の第１デバイス３ａと、デバイス分岐管３１ｂ内の第１デバイス３ｂとを接続している。

また、印加導線２２は、印加スイッチ２３を備えている。

印加スイッチ２３は、印加導線２２を開閉するためのスイッチであって、特に制限されず、公知のスイッチ機構を採用することができる。

切替弁７は、排気管１５における排ガスの流速を調整するために設けられており、具体的には、排気管１５内の排ガスの流速をエンジン１１からの排気速度とするか、排ガスの流れを停止させるかを切り替えるために、第１デバイス３よりも上流側に設けられている。

より具体的には、切替弁７は、主排気管２８を通過した排ガスが、第１のデバイス分岐管３１ａのみを通過する位置と、第２のデバイス分岐管３１ｂのみを通過する位置と、バイパス分岐管３２のみを通過する位置とを切り替える四方弁であって、下流側分岐管２９が分岐される分岐部分（すなわち、主排気管２８と各下流側分岐管２９との接続部分）に設けられている。

このような切替弁７は、その切り替えによって、デバイス分岐管３１ａ、デバイス分岐管３１ｂおよびバイパス分岐管３２の内のいずれか１つを開状態とするとともに、その他の２つを閉状態とすることができる。

具体的には、切替弁７は、第１のデバイス分岐管３１ａを開通させるとともに、第２のデバイス分岐管３１ｂおよびバイパス分岐管３２を閉塞させることができ、これにより、排ガスを第１のデバイス分岐管３１ａのみに供給することができる。この場合、第１のデバイス分岐管３１ａ内の第１デバイス３に、排ガスが供給される。

また、切替弁７は、第２のデバイス分岐管３１ｂを開通させるとともに、第１のデバイス分岐管３１ａおよびバイパス分岐管３２を閉塞させることができ、これにより、排ガスを第２のデバイス分岐管３１ｂのみに供給することができる。この場合、第２のデバイス分岐管３１ｂ内の第１デバイス３に、排ガスが供給される。

また、切替弁７は、バイパス分岐管３２を開通させるとともに、第１のデバイス分岐管３１ａおよび第２のデバイス分岐管３１ｂを閉塞させることができ、これにより、排ガスをバイパス分岐管３２のみに供給することができる。この場合、第１のデバイス分岐管３１ａおよび第２のデバイス用分岐管３１ｂ内の第１デバイス３は、排ガスから回避される。

このように、切替弁７は、その切り替えによって、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と、第１デバイス３を回避する方向とに変更可能としている。

制御ユニット８は、車載発電システム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、各温度センサ５に電気的に接続されるとともに、切替弁７に電気的に接続されており、後述するように、各温度センサ５による温度検知に基づいて、切替弁７を作動可能としている。

また、制御ユニット８は、図示しないが、各第１デバイス３の電圧を検知する電圧センサ３５に電気的に接続されている。また、制御ユニット８は、図１において破線で示すように、印加スイッチ２３に電気的に接続されている。これにより、後述するように、各電圧センサ３５による電圧検知に基づいて、印加スイッチ２３を開閉可能としている。

また、図示しないが、車載発電システム１における第１デバイス３の下流側には、排気管１５に外気が逆流することを防止するための逆止弁（図示せず）を備えることができる。すなわち、デバイス分岐管３１の下流側は大気開放されているため、切替弁７によりデバイス分岐管３１の上流側が閉塞されると、下流側からデバイス分岐管３１に外気が逆流する可能性がある。デバイス分岐管３１における第１デバイス３の下流側に、外気の逆流を防止するための逆止弁（図示せず）を備えることができる。

２．発電方法
以下において、上記した車載発電システム１を用いた発電方法について、詳述する。

この車載発電システム１では、エンジン１１の駆動により、各気筒において、ピストンの昇降運動が繰り返され、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が順次実施され、その温度が経時的に上下される。

より具体的には、例えば、まず、上流側分岐管１８ａに接続される気筒において、ピストンが昇降運動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が実施される。これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、高温の排気ガスが、上流側分岐管１８ａの内部を排気工程において通過する。

このとき、エンジン１１の熱が、排気ガスを介して伝達され、排気ガスの温度（上流側分岐管１８ａの内部温度）は、排気工程において上昇する。一方、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）では、排気ガス量が低減されるので、排気ガスの温度（上流側分岐管１８ａの内部温度）は下降する。

このように、排気ガスの温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。

とりわけ、上記の各工程は、ピストンサイクルに応じて、周期的に順次繰り返されるため、排気ガスは、上記の各工程の繰り返しの周期に伴って、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。

また、その上流側分岐管１８ａに接続される気筒とはタイミングを異にして、上流側分岐管１８ｃに接続される気筒、上流側分岐管１８ｂに接続される気筒、および、上流側分岐管１８ｄに接続される気筒の３つの気筒において、順次、ピストンが昇降運動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が実施される。

具体的には、上記のピストンの昇降運動は、各気筒において、同一周期であり、かつ、位相が異なる。例えば、まず、上流側分岐管１８ａに接続される気筒で爆発工程が実施され、次いで、上流側分岐管１８ｃに接続される気筒で爆発工程が実施され、次いで、上流側分岐管１８ｂに接続される気筒で爆発工程が実施され、その後、上流側分岐管１８ｄに接続される気筒で爆発工程が実施される。

これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、上流側分岐管１８ａとは異なるタイミングにおいて、高温の排気ガスが、上流側分岐管１８ｃ、上流側分岐管１８ｂおよび上流側分岐管１８ｄの内部を排気工程において通過する。

このとき、エンジン１１の熱が、排気ガスを介して伝達され、排気ガスの温度（上流側分岐管１８ｃ、上流側分岐管１８ｂおよび上流側分岐管１８ｄの内部温度）は、排気工程において上昇する。一方、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）では、排気ガス量が低減されるので、排気ガスの温度（上流側分岐管１８ｃ、上流側分岐管１８ｂおよび上流側分岐管１８ｄの内部温度）は下降する。

このように、排気ガスの温度は、排気工程において上昇し、吸気工程、圧縮工程および爆発工程において下降し、つまり、経時的に上下する。

とりわけ、上記の各工程は、ピストンサイクルに応じて、周期的に順次繰り返されるため、排気ガスは、上記の各工程の繰り返しの周期に伴って、周期的に温度変化、より具体的には、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。

このようなピストンサイクルが繰り返されることにより、上流側分岐管１８ａ、上流側分岐管１８ｂ、上流側分岐管１８ｃおよび上流側分岐管１８ｄが、周期的に温度変化する。また、その温度変化は、上流側分岐管１８ａ、上流側分岐管１８ｂ、上流側分岐管１８ｃおよび上流側分岐管１８ｄのそれぞれにおいて、同一周期であり、かつ、位相が異なる。

そして、このようにしてエンジン１１の各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホールド１７の各上流側分岐管１８に導入され、集気管１９において集気されることにより温度が、幾分、平滑化される。その後、排ガスは、触媒搭載部１２を通過するとともに触媒により浄化され、エキゾーストパイプ１３を介して、下流側分岐管２９に供給される。

なお、下流側分岐管２９における排ガスの温度は、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（下流側分岐管２９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。

このような車載発電システム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、この車載発電システム１では、上記したように、デバイス分岐管３１内に、第１デバイス３が配置されている。

そのため、例えば、切替弁７の切り替えによって、第１のデバイス分岐管３１ａを開通させるとともに、第２のデバイス分岐管３１ｂおよびバイパス分岐管３２を閉塞させると、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排ガスが、第１のデバイス分岐管３１ａに導入される。

これにより、第１のデバイス分岐管３１ａ内において、第１デバイス３に排ガスが供給され、第１デバイス３が、第２デバイス４を介して排ガスに接触（曝露）され、加熱および／または冷却される。

また、上記と同様に、切替弁７の切り替えによって、第２のデバイス分岐管３１ｂを開通させるとともに、第１のデバイス分岐管３１ａおよびバイパス分岐管３２を閉塞させると、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排ガスが、第２のデバイス分岐管３１ｂに導入される。

これにより、第２のデバイス分岐管３１ｂ内において、第１デバイス３に排ガスが供給され、第１デバイス３が、第２デバイス４を介して排ガスに接触（曝露）され、加熱および／または冷却される。

すなわち、切替弁７の制御によって、第１のデバイス分岐管３１ａまたは第２のデバイス分岐管３１ｂを開通させると、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、周期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。

そして、この車載発電システム１では、例えば、第１デバイス３が加熱時に電気分極して生じた電力を、例えば、冷却時に第２デバイス４（導線および電極）を介して、バッテリー９に回収することができる。

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。

３．切替弁の制御
上記したように、この車載発電システム１では、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、発電される。

しかし、本実施形態では、分岐管１８から排出される排ガスが、集気管１９において幾分平滑化されており、また、第１デバイス３は、分岐管１８内ではなく、集気管１９の下流側である下流側分岐管２９内に配置されている。また、車載発電システム１が搭載される自動車１０の走行条件によっては、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温度変化量（ΔＴ）や、温度変化速度（昇温速度および降温速度）が小さくなる場合がある。その結果、第１デバイス３の発電効率が不十分となる場合がある。

そこで、上記の車載発電システム１では、切替弁７の切り替えによって、発電効率の向上を図る。

より具体的には、この車載発電システム１では、例えば、切替弁７の制御により、まず、デバイス分岐管３１ａを開通させるとともに、デバイス分岐管３１ｂおよびバイパス分岐管３２を閉塞させる。これにより、排ガスがデバイス分岐管３１ａに案内される。

また、これとともに、この車載発電システム１では、温度センサ５によって、デバイス分岐管３１ａ内の第１デバイス３の温度が検知され、制御ユニット８に電気信号として入力される。

そして、制御ユニット８において、第１デバイス３の温度変化速度（昇温速度および降温速度）が、所定値（例えば、２℃／秒）以上であるか否かが判断される。

このとき、第１デバイス３の温度変化速度（昇温速度および降温速度）が、所定値以上と判断される場合には、デバイス分岐管３１ａの開通状態が継続され、発電が継続される。

一方、第１デバイス３の温度変化速度（昇温速度および降温速度）が、所定値（例えば、２℃／秒）未満である場合には、切替弁７の制御により、デバイス分岐管３１ａを断続的に閉塞し、閉塞状態と開通状態とを周期的に繰り返す。また、これに対応するように、デバイス分岐管３１ｂを断続的に開通させ、閉塞状態と開通状態とを周期的に繰り返す。

これにより、排ガスが、デバイス分岐管３１ａとデバイス分岐管３１ｂとに交互に供給される。そして、排ガスの流れが相対的に多くなるタイミングでは、そのデバイス分岐管３１内の第１デバイス３が加熱され、一方、排ガスの流れが相対的に少なくなるタイミングでは、第１デバイス３が放冷（冷却）される。

そして、この車載発電システム１では、例えば、第１デバイス３が加熱時に電気分極して生じた電力を、例えば、冷却時に第２デバイス４（導線および電極）を介して、バッテリー９に回収することができる。

４．電圧の印加
また、この車載発電システム１では、より効率的に発電するため、第１デバイス３に電圧を印加する。

すなわち、この車載発電システム１では、温度センサ８によって、第１デバイス３の温度を連続的に測定し、第１デバイス３が昇温状態であるか、降温状態であるかを検知する。より具体的には、例えば、温度センサ８によって検知される第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上上昇したときに、昇温状態であると検知され、また、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の値（例えば、０．２℃／ｓなど）以上下降したときに、降温状態であると検知される。

そして、この車載発電システム１では、第１デバイス３が昇温状態であると検知されたときに、その第１デバイス３に電圧を印加することにより、発電効率の向上を図ることができる。

そこで、外部に電圧印加装置を設け、その電圧印加装置に蓄電された電力を、昇温状態の第１デバイス３に印加することも検討される。

しかし、外部の電圧印加装置に蓄電された電力を第１デバイスに印加する場合、通常、電圧変換（昇圧または降圧）されるため、その変換に伴ってエネルギー損失を生じる場合がある。

そのため、上記の車載発電システム１では、以下の方法により、第１デバイス３に電圧を印加する。

すなわち、上記の車載発電システム１では、複数の第１デバイス３が、互いに異なる位相で加熱および冷却され、それらが互いに異なる位相で電気分極している。

具体的には、上記の切替弁７の制御によって、デバイス分岐管３１ａ内の第１デバイス３が加熱されるとき、デバイス分岐管３１ｂ内の第１デバイス３は冷却される。

また、上記の切替弁７の制御によって、デバイス分岐管３１ａ内の第１デバイス３が冷却されるとき、デバイス分岐管３１ｂ内の第１デバイス３は加熱される。

換言すると、デバイス分岐管３１ａ内の第１デバイス３ａと、デバイス分岐管３１ｂ内の第１デバイス３ｂとが、互いに逆の位相で電気分極する。

このような場合、第１デバイス３ａが冷却され、電力が回収されるタイミングで、第１デバイス３ｂが加熱される。また、第１デバイス３ｂが冷却され、電力が回収されるタイミングで、第１デバイス３ａが加熱される。

そこで、第１デバイス３ａから回収される電力を、直接、第１デバイス３ｂに印加する。

より具体的には、この方法では、まず、第１デバイス３の加熱時に、第１デバイス３に印加する電圧値（要求電圧Ｖ）を設定する。

そして、切換弁７の制御により、第１デバイス３ａが冷却され、かつ、第１デバイス３ｂが加熱されるタイミングで、第１デバイス３ａから回収される電力の電圧値を、電圧センサ３５により測定する。

そして、電圧センサ３５によって検知される第１デバイス３（図１における第１デバイス３ａ）の電圧が、他の第１デバイス３（図１における第１デバイス３ｂ）に対して印加可能な値である場合、すなわち、上記した要求電圧Ｖ以上である場合に、制御ユニット８により、印加スイッチ２３を閉状態とする。

これにより、第１デバイス３ａと第１デバイス３ｂとを接続でき、第１デバイス３ａから取り出された電力を、直接、他方の第１デバイス３ｂに印加することができる。

一方、電圧センサ３５によって検知される第１デバイス３ａの電圧が、他方の第１デバイス３ｂに対して印加可能な値でない場合、すなわち、上記した要求電圧Ｖ未満である場合には、制御ユニット８により、印加スイッチ２３を開状態とする。

これにより、第１デバイス３ａで生じた電力は、バッテリー９に回収される。

また、上記とは逆に、第１デバイス３ｂから回収される電力を、直接、第１デバイス３ａに印加する。

具体的には、切換弁７の制御により、第１デバイス３ａが加熱され、かつ、第１デバイス３ｂが冷却されるタイミングでは、第１デバイス３ｂから回収される電力の電圧値を、電圧センサ３５により測定する。

そして、電圧センサ３５によって検知される第１デバイス３ｂの電圧が、他方の第１デバイス３ａに対して印加可能な値である場合、すなわち、上記した要求電圧Ｖ以上である場合に、制御ユニット８により、印加スイッチ２３を閉状態とする。

これにより、第１デバイス３ａと第１デバイス３ｂとを接続でき、第１デバイス３ｂから取り出された電力を、直接、他方の第１デバイス３ａに印加することができる。

一方、電圧センサ３５によって検知される第１デバイス３ｂの電圧が、他方の第１デバイス３ａに対して印加可能な値でない場合、すなわち、上記した要求電圧Ｖ未満である場合には、制御ユニット８により、印加スイッチ２３を開状態とする。

これにより、第１デバイス３ｂで生じた電力は、バッテリー９に回収される。

このような車載発電システム１では、複数の第１デバイス３が、互いに異なる位相で温度変化し、電気分極する。そして、それら第１デバイス３から取り出された電力を、直接、他の第１デバイス３に印加する（相互印加システム）。

そのため、このような車載発電システム１では、別途用意された電圧印加装置の電力を、電圧変換（昇圧）して第１デバイスに印加する場合に比べ、エネルギー損失を抑制することができる。

なお、場合により、電圧印加装置（図示せず）を用意し、上記の第１デバイス３の相互印加システムと併用することもできる。

すなわち、電圧センサ３５によって検知される第１デバイスａの電圧が、他の第１デバイス３ｂに対して印加可能な値でない場合、上記したように、第１デバイス３ａで生じた電力は、バッテリー９に回収される。

このとき、第１デバイス３ｂに対して、電圧印加装置（図示せず）によって電圧を印加することができる。また、必要により、バッテリー９と電圧印加装置（図示せず）とを接続し、バッテリー９に回収された電力を、電圧印加装置（図示せず）によって使用することもできる。

そして、このように第１デバイス３に電圧を印加することにより、第１デバイス３の発電効率の向上を図ることができる。

また、この車載発電システム１では、自動車１０の走行条件によっては、例えば、デバイス分岐管３１内の第１デバイス３が過度に加熱され、第１デバイス３に損傷を生じる場合がある。より具体的には、第１デバイス３がそのキュリー点以上に加熱された状態で維持されると、第１デバイスに損傷を生じ、発電性能の低下を惹起する場合がある。

このような場合、この車載発電システム１では、温度センサ５によって第１デバイス３の温度が所定値（例えば、キュリー点）以上であると検知されるときには、切替弁７の制御により、デバイス分岐管３１ａおよびデバイス分岐管３１ｂを閉塞し、バイパス分岐管３２を開通させる。これにより、第１デバイス３を回避する方向に排ガスを流すことができ、第１デバイス３の損傷を抑制することができる。

なお、上記した説明では、第１デバイス３の温度を温度センサ５により検知し、その温度に基づいて切替弁７を切り替えているが、温度センサ５を用いなくともよく、例えば、第１デバイス３の温度によらず、車載発電システム１の稼働中には常時、切替弁７を切り替え、排ガスをデバイス分岐管３１ａとデバイス分岐管３１ｂとに交互に供給することもできる。

また、上記した説明では、排ガスの流速を調整するための調整手段として、排ガスの流速をエンジン１１からの排気速度とするか、排ガスの流れを停止させるかを切り替える切替弁７を用いたが、例えば、デバイス分岐管３１ａ、デバイス分岐管３１ｂおよびバイパス分岐管３２の開度を任意に調整することができる調整弁を用いることもできる。

また、上記した説明では、デバイス分岐管３１として、第１のデバイス分岐管３１ａと第２のデバイス分岐管３１ｂとの２つを用いたが、デバイス分岐管３１の数は、特に制限されず、１つであってもよく、また３つ以上であってもよい。

５．変形例
上記した実施形態では、第１デバイス３ａと第１デバイス３ｂとを、それぞれ異なるデバイス分岐管３１（デバイス分岐管３１ａおよびデバイス分岐管３１ｂ）に配置し、切換弁７を制御することによって、それら第１デバイス３ａと第１デバイス３ｂとを、互いに異なる位相で温度変化させたが、第１デバイス３の配置方法は、互いに異なる位相で温度変化させることができれば、上記に限定されず、種々の方法を採用することができる。

例えば、図２に示されるように、排気管１５が下流側分岐管２９を備えることなく、主排気管２８のみを備える場合には、その主排気管２８内の比較的上流側に第１デバイス３ａを配置し、また、比較的下流側に第１デバイス３ｂを配置することができる。

このように第１デバイス３を配置すると、排気管１５に排ガスが供給される場合、まず、比較的上流側に配置される第１デバイス３ａが、排ガスに接触（曝露）され、加熱される。

次いで、第１デバイス３ａを排ガスが通過し、第１デバイス３が冷却（放冷）されるとき、比較的下流側に配置される第１デバイス３ｂが、排ガスに接触（曝露）され、加熱される。

このような動作を繰り返すことにより、第１デバイス３ａと、デバイス分岐管３１ｂ内の第１デバイス３とが、互いに逆の位相で電気分極する。

このような場合にも、上記した実施形態と同様、第１デバイス３ａが冷却され、電力が回収されるタイミングで、第１デバイス３ｂが加熱される。また、第１デバイス３ｂが冷却され、電力が回収されるタイミングで、第１デバイス３ａが加熱される。

そのため、第１デバイス３ａから回収される電力を、直接、第１デバイス３ｂに印加することができる。また、第１デバイス３ｂから回収される電力を、直接、第１デバイス３ａに印加することができる（相互印加システム）。

そのため、このようなこのような車載発電システム１でも、別途用意された電圧印加装置の電力を、電圧変換（昇圧）して第１デバイスに印加する場合に比べ、エネルギー損失を抑制することができる。

また、上記した説明では、発電システムの一例としての車載発電システム１を、熱源としての内燃機関２を備える自動車１０に発電システムを搭載したが、発電システムとしては上記に限定されず、例えば、熱源として、ボイラー、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。

１ 車載発電システム
２ 内燃機関
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
２２ 印加導線
２３ 印加スイッチ

Claims (1)

1. 温度が経時的に上下する熱源と、
   前記熱源によって、互いに異なる位相で温度が経時的に上下され、電気分極する複数の第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、
   前記第１デバイスの電圧を検知する電圧検知手段と、
   前記第１デバイスの電圧を互いに電圧印加させるため、複数の前記第１デバイスを接続する印加導線と、
   前記印加導線を開閉するための印加スイッチと、
   前記印加スイッチの開閉を制御するための制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記電圧検知手段によって検知される第１デバイスの電圧が、他の第１デバイスに対して印加可能な値である場合に、前記印加スイッチを閉状態とし、前記第１デバイスから取り出された電力を、直接、他の前記第１デバイスに印加する
   ことを特徴とする、発電システム。
   

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