JP2018204434A - 車載発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率の向上を図ることができ、優れた発電出力を得られる車載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が、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、排気管１５内に配置され、排ガスと接触すること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を排気管１５内に固定するための固定治具５とを備え、固定治具５は、排気管１５の内側から排気管１５の外側に突出している。【選択図】図１

Description

本発明は、車載発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される車載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、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、および、そのような場合に第１デバイス（誘電体など）を自動車の排ガスが供給される排気管の内部に固定し、また、排気管の外面に冷却フィンを取り付けることにより、第１デバイスの加熱および冷却を制御することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１３−１３８５５６号公報

一方、発電システムでは、第１デバイス（誘電体など）を冷却するときの冷却効率を向上させ、より高い発電出力を得ることが要求されている。

本発明は、冷却効率の向上を図ることができ、優れた発電出力を得られる車載発電システムである。

本発明［１］は、エンジンと、前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管と、前記排気管内に配置され、排ガスと接触すること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、前記第１デバイスを前記排気管内に固定するための固定治具とを備え、前記固定治具は、前記排気管の内側から前記排気管の外側に突出している、車載発電システムを含んでいる。

本発明の車載発電システムでは、第１デバイスを排気管内に固定するための固定治具が、排気管の内側から排気管の外側に突出している。そのため、固定治具は、排気管の内側において第１デバイスを固定するとともに、排気管の外側において外気に曝露される。

このような車載発電システムでは、第１デバイスを冷却するときには、第１デバイスに接触する固定治具が冷却フィンとして作用するため、より効率的に第１デバイスを冷却することができ、発電出力の向上を図ることができる。

図１は、本発明の車載発電システムの一実施形態の概略構成図である。 図２は、箱型空間を排ガスの流れ方向上流側から見た側面断面図である。 図３は、本発明の車載発電システムの他の実施形態（第２デバイスと固定治具とが共用される形態）の箱型空間を、排ガスの流れ方向上流側から見た側面断面図である。 図４は、本発明の車載発電システムの他の実施形態（第２デバイスと固定治具とが共用され、第１デバイスが複数積層される形態）の箱型空間を、排ガスの流れ方向上流側から見た側面断面図である。

１．車載発電システム１
図１および図２において、自動車１０は、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、エンジン１１を有する内燃機関２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、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と接触すること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を排気管１５内に固定するための固定治具５（図２参照）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、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、エンジン１１（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、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外気に排出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、触媒搭載部１２を通過し、エキゾーストパイプ１３中の箱型空間３３を介して、外気に放出可能とされている。

また、エキゾーストパイプ１３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、エキゾーストパイプ１３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が配置されている。なお、図１および図２においては、複数の第１デバイス３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を示している。

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、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。

また、第１デバイス３の比熱は、例えば、２００Ｊ／ｋｇ℃以上、好ましくは、４００Ｊ／ｋｇ℃以上であり、例えば、１０００Ｊ／ｋｇ℃以下、好ましくは、５００Ｊ／ｋｇ℃以下である。

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、エキゾーストパイプ１３に介装される箱型空間３３内において、固定治具５により、固定されている。これにより、第１デバイス３は、箱型空間３３内において排ガスに接触（曝露）可能とされている。

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。

固定治具５は、図２に示されるように、第１デバイス３を把持し、箱型空間３３（排気管１５）内に固定するための治具であって、第１デバイス３よりも低い比熱を有する材料（例えば、金属材料）から形成されている。

固定治具５の比熱は、例えば、１００Ｊ／ｋｇ℃以上、好ましくは、２００Ｊ／ｋｇ℃以上であり、例えば、８００Ｊ／ｋｇ℃以下、好ましくは、４００Ｊ／ｋｇ℃以下である。

また、固定治具５は、上治具６および下治具７を備えており、第１デバイス３の幅方向一方側（図２の紙面右側）および他方側（図２の紙面左側）に１つずつ（合計２つ）配置されている（これらを区別する必要がある場合には、図２の紙面右側の上治具６および下治具７を、上治具６ａおよび下治具７ａと称し、図２の紙面左側の上治具６および下治具７を、上治具６ｂおよび下治具７ｂと称する。）。

第１デバイス３の幅方向一方側（図２の紙面右側）の上治具６ａおよび下治具７ａは、例えば、平面視略長方形の平板形状を有しており、幅方向他方側端部（図２の紙面左側）において、第１デバイス３の一方側端部（図２の紙面右側）を、厚み方向両側（図２の紙面上下）から挟持している。また、それら上治具６ａおよび下治具７ａは、図示しない締結部材などにより締結されている。

また、箱型空間３３（排気管１５）の側壁には、上治具６ａおよび下治具７ａを挿通可能とする貫通孔が形成されている。そして、上治具６ａおよび下治具７ａの幅方向一方側端部（図２の紙面右側）が、箱型空間３３の貫通孔に挿通されている。これにより、上治具６ａおよび下治具７ａは、箱型空間３３の内側から箱型空間３３の外側に突出している。

また、箱型空間３３の貫通孔と、上治具６ａおよび下治具７ａとの隙間には、図示しないガスケットなどが充填される。これにより、上治具６ａおよび下治具７ａは、箱型空間３３の壁面に固定されている。

また、第１デバイス３の幅方向他方側（図２の紙面左側）の上治具６ｂおよび下治具７ｂは、例えば、平面視略長方形の平板形状を有しており、幅方向一方側端部（図２の紙面右側）において、第１デバイス３の他方側端部（図２の紙面左側）を、厚み方向両側（図２の紙面上下）から挟持している。また、それら上治具６ｂおよび下治具７ｂは、図示しない締結部材などにより締結されている。

また、箱型空間３３（排気管１５）の側壁には、上治具６ｂおよび下治具７ｂを挿通可能とする貫通孔が形成されている。そして、上治具６ｂおよび下治具７ｂの幅方向他方側端部（図２の紙面左側）が、箱型空間３３の貫通孔に挿通されている。これにより、上治具６ｂおよび下治具７ｂは、箱型空間３３の内側から箱型空間３３の外側に突出している。

また、箱型空間３３の貫通孔と、上治具６ｂおよび下治具７ｂとの隙間には、図示しないガスケットなどが充填される。これにより、上治具６ｂおよび下治具７ｂは、箱型空間３３の壁面に固定されている。

これにより、固定治具５は、第１デバイス３を箱型空間３３（排気管１５）内に固定している。

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に供給される。

なお、エキゾーストパイプ１３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（エキゾーストパイプ１３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、エンジン１１（内燃機関２）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、エキゾーストパイプ１３の箱型空間３３内に、第１デバイス３が配置されている。

そのため、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排ガスが、エキゾーストパイプ１３の箱型空間３３内に導入されると、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。

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。

そのため、この車載発電システム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。

そして、このような車載発電システム１では、第１デバイス３の冷却時に第１デバイス３の温度が低下するほど、その後、第１デバイス３が加熱されるときに、低温状態と高温状態との温度差が大きくなり、また、その温度の変化勾配も大きくなるため、高い発電出力が得られる。すなわち、第１デバイス３の冷却効率を向上させることにより、発電出力の向上を図ることができる。

この点、上記の車載発電システム１では、第１デバイス３を排気管１５内に固定するための固定治具５が、排気管１５の内側から排気管１５の外側に突出している。そのため、固定治具５は、排気管１５の内側において第１デバイス３を固定するとともに、排気管１５の外側において外気に曝露される。

このような車載発電システム１において、第１デバイス３が誘電体からなる場合は、相対的にゆっくりと温度低下するのに対して、固定治具５が金属からなる場合は、相対的に早く温度低下する。そのため、次に排ガス温度が上昇する直前では、第１デバイス３は固定治具５によってより冷却されるため、低温と高温との差を大きくすることができ、発電出力の向上を図ることができる。

とりわけ、アイドリングストップ時には、走行時に比べて冷却時間が長くなるため、上記の効果が大きく、第１デバイス３は、それ自体の温度低下に加えて、固定治具５によってより一層冷却される。そのため、より一層低温と高温との差を大きくすることができ、発電出力の向上を図ることができる。

また、上記の車載発電システム１では、排気管１５の内側から排気管１５の外側に突出している固定治具５が、箱型空間３３の外側において冷却フィンとして作用するため、排気管１５の内部温度を効率的に低下させることができる。

なお、固定治具５によって第１デバイス３の露出面積（排気管１５内の空間に対する露出面積）が低減されているため、第１デバイス３の放冷効率が鈍化する場合がある。

しかし、固定治具５が金属材料からなる場合には、排気管１５の外側において冷却された固定治具が、第１デバイス３に直接接触して、第１デバイス３を冷却することができる。

そのため、冷却後に、エンジン１１の始動によって第１デバイス３が加熱されるときの、低温状態と高温状態との温度差を大きくすることができ、また、その温度の変化勾配を大きくすることができるため、高い発電出力を得ることができる。

３．変形例
上記した説明では、第２デバイス４（電極）と固定治具５とが別の部材として用いられているが、例えば、第２デバイス４（電極）と固定治具５とが共用（兼用）されていてもよい。

具体的には、図３に示すように、第１デバイス３を挟み込む第２デバイス４（電極）を、第１デバイス３よりも大きく形成し、その幅方向一方側端部（紙面右側）および他方側端部（紙面左側）を、箱型空間３３の内側から箱型空間３３の外側へ突出するように配置することができる。

以下において、第１デバイス３と、その第１デバイス３を挟む一対の電極（第２デバイス４）とからなる部材を、発電モジュール８と称する場合がある。

そして、この発電モジュール８では、固定治具５として、電極が用いられる。すなわち、この実施形態では、第２デバイス４（電極）は、上記した実施形態（図２）の固定治具５と同様に、ガスケットなどを介して、箱型空間３３の壁面に固定される。

これにより、第２デバイス４（電極）は、第１デバイス３から電力を取り出すための部材として用いられるとともに、第１デバイス３を箱型空間３３内に固定するための固定治具５としても共用される。すなわち、第２デバイス４の正極を上治具６（または下治具７）として用い、また、第２デバイス４の負極を下治具７（または上治具６）として用いることができる。

そして、このような車載発電システム１でも、上記した実施形態と同様、第１デバイス３を排気管１５内に固定するための固定治具５（第２デバイス４）が、排気管１５の内側から排気管１５の外側に突出している。そのため、固定治具５（第２デバイス４）は、排気管１５の内側において第１デバイス３を固定するとともに、排気管１５の外側において外気に曝露される。

このような車載発電システム１では、第１デバイス３を冷却するときには、第１デバイス３に接触する固定治具５（第２デバイス４）が、箱型空間３３の外側において冷却フィンとして作用するため、より効率的に第１デバイス３を冷却することができ、発電出力の向上を図ることができる。

さらに、このような車載発電システム１では、第２デバイス４（電極）における箱型空間３３から突出する部分を介して、第１デバイス３から電力を取り出すことができるため、箱型空間３３内に導線を配置することなく、電力を取り出すことができる。

箱型空間３３内に導線を配置すると、その導線が排ガスに曝露され、電気系統の劣化や損傷を生じる場合がある。これに対して、第２デバイス４（電極）を箱型空間３３から突出させ、その突出部分を介して第１デバイス３から電力を取り出すことにより、電気系統の劣化および損傷を抑制できる。

さらに、図４に示すように、複数（例えば、４つ）の発電モジュール８（第１デバイス３と一対の電極（第２デバイス４）とからなる部材）を箱型空間３３内において、互いに間隔を隔てて配置し、また、必要に応じて、各第１デバイス３を固定する固定治具５同士を締結させることにより、スタックモジュールを形成することもできる。

このような場合、固定治具５（第２デバイス４）の形状は、第１デバイス３の上面および下面の全面を被覆する平板形状であってもよいが、好ましくは、第１デバイス３の上面および下面の少なくとも一部を露出させるように、固定治具５（第２デバイス４）を厚み方向に貫通する貫通孔が形成されていてもよい。

なお、貫通孔の形状は、特に制限されず、矩形貫通孔、円形貫通孔などのいずれであってもよい。

固定治具５（第２デバイス４）に、第１デバイス３を露出させる貫通孔が形成されていれば、第１デバイス３の排ガスによる加熱、および、放冷による冷却を、より効率化することができ、発電効率を向上させることができる。

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
５ 固定治具
１１ エンジン
１５ 排気管

Claims (1)

1. エンジンと、
   前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管と、
   前記排気管内に配置され、排ガスと接触すること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、
   前記第１デバイスを前記排気管内に固定するための固定治具と
   を備え、
   前記固定治具は、前記排気管の内側から前記排気管の外側に突出している
   ことを特徴とする、車載発電システム。

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