JP2020089117A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体の温度状態に応じて、応答性よく誘電体に電圧を印加することができ、発電効率の向上を図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は、エンジン１１と、排気管１７と、誘電体３および電極４を備える積層デバイス５と、電圧センサ１５と、電圧印加装置９と、制御装置１０とを備え、積層デバイス５は、積層方向における一方側に配置される誘電体３およびその誘電体３に接触配置される電極４により構成され、電圧センサ１５に電気的に接続される温度検知部７と、温度検知部７に対して積層方向における他方側に配置される誘電体３およびその誘電体３に接触配置される電極４により構成され、電圧印加装置９に電気的に接続される電力取出部６とを備え、制御装置１０は、電圧センサ１５で測定される起電力から誘電体３の温度を検知するとともに、誘電体３の温度に応じて電圧印加装置９の作動および停止を制御する。【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）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。）。

さらに、このような発電システムにおいては、より効率的に発電するために、その第１デバイス（誘電体）の温度条件に応じて、第１デバイス（誘電体）に電圧を印加することが提案されている。

具体的には、例えば、温度が経時的に上下する熱源と、その熱源により加熱される熱媒体が通過する流路と、熱媒体の温度変化により温度が経時的に上下され、電気分極する発電素子を備える発電デバイスと、発電デバイスの上流側で熱媒体の温度を検知する温度検知手段と、発電デバイスに電圧を印加する電圧印加手段と、電圧印加手段を制御するための制御手段とを備える発電システムにおいて、温度検知素子による温度検知に応じて電圧印加手段を作動および停止させ、発電素子に電圧を印加することにより発電効率の向上を図る方法が、提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１１−２５０６７５号公報 特開２０１５−１０４１８１号公報

このような発電システムでは、発電素子（誘電体）に温度状態に応じた電圧を印加することができるが、より効率よく電力を取り出すため、さらなる応答性の向上が要求されている。

本発明は、誘電体の温度状態に応じて、応答性よく誘電体に電圧を印加することができ、発電効率の向上を図ることが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、前記熱源により加熱される熱媒体が通過する流路と、前記流路内に配置され、前記熱媒体により温度が経時的に上下されることにより電気分極する誘電体、および、前記誘電体に接触配置される前記電極と、前記誘電体の起電力を測定するための電圧測定手段と、前記誘電体に電圧を印加するための電圧印加手段と、前記電圧測定手段および前記電圧印加手段に電気的に接続されており、前記電圧測定手段で測定される起電力から前記誘電体の温度を検知するとともに、前記誘電体の温度に応じて前記電圧印加手段の作動および停止を制御するための制御手段とを備え、複数の前記誘電体および複数の前記電極は、交互に積層されることにより積層デバイスを形成し、前記積層デバイスは、積層方向における一方側に配置される誘電体、および、その誘電体に接触配置される電極により構成され、前記電圧測定手段に電気的に接続される温度検知部と、前記温度検知部に対して前記積層方向における他方側に配置される誘電体、および、その誘電体に接触配置される前記電極により構成され、前記電圧印加手段に電気的に接続される電力取出部とを備えている、発電システムを含んでいる。

本発明の発電システムでは、複数の誘電体および複数の電極が交互に積層されることにより、積層デバイスが形成されている。また、積層方向における一方側に配置される誘電体と、その誘電体に接触配置される電極とによって温度検知部が構成されており、さらに、温度検知部に対して積層方向における他方側に配置される誘電体と、その誘電体に接触配置される電極とによって、電力取出部が構成されている。加えて、温度検知部が電圧測定手段に電気的に接続されるとともに、電力取出部が電圧印加手段に電気的に接続されており、かつ、これら電圧測定手段および電圧印加手段は、制御手段に電気的に接続されている。

これにより、本発明の発電システムによれば、温度検知部の誘電体の温度を検知して、誘電体の温度に応じて電圧印加手段を制御することができる。

さらに、本発明の発電システムでは、温度検知部の誘電体と、電力取出部の誘電体とが、電極を介して積層されており、これら誘電体および電極が、単一の積層デバイスを形成している。

すなわち、本発明の発電システムでは、温度検知部および電力取出部が密着しているため、温度検知部により電力取出部の温度状態を精度良く検知することができる。その結果、電力取出部の温度状態に応じて、応答性よく誘電体に電圧を印加することができ、発電効率の向上を図ることができる。

本発明の発電システムが車載された一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示される発電システムにおける積層デバイスの一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示される発電システムにおける積層デバイスの他の実施形態を示す概略構成図である。

１．自動車の構成
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８は、動力システム２と、エネルギー回収システム２９とを備えている。

動力システム２は、温度が経時的に上下する熱源としてのエンジン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により加熱される熱媒体としての排ガスが通過する流路としての排気管１７、および、エンジン１１に燃料を供給するための燃料供給装置２０を備えている。

エンジン１１は、動力を発生する装置であって、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、アクセルペダルの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および箱型収容ケース５０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、エンジン１１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。

箱型収容ケース５０は、排気管１７の触媒搭載部２４よりも下流側の流れ方向途中において、排気管１７に連通するように介装される略直方体状の収容ケースであって、その内部空間において排ガスが通過する。

そして、箱型収容ケース５０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１１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の下流側の吸気管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。

エネルギー回収システム２９は、誘電体３および電極４を備える積層デバイス５と、誘電体３の起電力を測定するための電圧測定手段としての電圧センサ１５と、誘電体３に電圧を印加するための電圧印加手段としての電圧印加装置９と、電圧センサ１５および電圧印加装置９に接続される制御手段としての制御装置１０とを備えている。

積層デバイス５は、排気管１７内に配置されており、より具体的には、箱型収容ケース５０内に収容されている。

より具体的には、積層デバイス５は、図２に示されるように、複数の誘電体３および複数の電極４を備えており、誘電体３および電極４が所定方向（図１では、排ガスの流れ方向）に沿って交互に積層されることにより、単一の積層体として形成されている。

誘電体３は、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、電気分極する素子（発電素子）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。

このような誘電体３として、具体的には、例えば、ピエゾ効果により電気分極する素子、焦電効果により電気分極する素子などが挙げられる。

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誘電体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。

誘電体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、箱型収容ケース５０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、後述する電極４を用いることができる。

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、電極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、後述する電極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、誘電体３などを加熱および冷却する時に、その温度変化に応じて誘電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、誘電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、誘電体の表面に、電荷を生じる効果とされている。

また、第２効果は、誘電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素子としては、特に制限されず、公知の焦電素子を用いることができる。

誘電体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、箱型収容ケース５０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、電極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、後述する電極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。

このような誘電体３は、キュリー点を有する誘電体であって、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。

誘電体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。

これら誘電体３は、単独使用または２種類以上併用することができる。

例えば、全ての誘電体３が互いに同一の種類であってもよく、また、全ての誘電体３が互いに異なる種類であってもよい。また、例えば、後述する電力取出部６における誘電体３が互いに同一の種類であり、後述する温度検知部７の誘電体３とは異なる種類であってもよい。好ましくは、全ての誘電体３が互いに同一の種類である。

誘電体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、誘電体３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。

このようなエネルギー回収システム２９では、誘電体３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、誘電体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、誘電体３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。

このような誘電体３は、例えば、板状、シート状などとして形成され、箱型収容ケース５０内において、図２に示すように、互いに間隔を隔てて複数整列配置されており、各誘電体３は、後述する電極４により、挟持および固定されている。これにより、誘電体３は、それぞれ、箱型収容ケース５０内において、電極４を介して、排ガスに接触（曝露）可能とされている。

なお、誘電体３の層数および厚みは、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。好ましくは、誘電体３の層数および厚みは、目標発電エネルギーや、電圧印加装置９（後述）による印加電圧などに応じて、設定される。

電極４は、誘電体３から電力を取り出すために設けられる金属部材であり、各誘電体３の間において、それぞれ、誘電体３に接触するように配置されている。

より具体的には、電極４は、互いに異なる極性を有する第１電極４ａおよび第２電極４ｂを備えている。

第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、例えば、金電極、銀電極、銅電極などであって、例えば、板状、シート状などに形成されている。なお、第１電極４ａおよび第２電極４ｂ厚みは、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。

そして、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、それぞれ複数（図２では、それぞれ４つ）設けられており、互いに対向するように、誘電体３を介して積層されている。また、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、電極４の積層方向に沿って順次、交互に配置されており、誘電体３は、第１電極４ａと第２電極４ｂとによって挟持されている。

つまり、誘電体３からなる層と、電極４（第１電極４ａおよび第２電極４ｂ）からなる層とが、交互に積層されている。これにより、積層デバイス５が形成されている。

換言すれば、積層デバイス５は、複数の電極４（第１電極４ａおよび第２電極４ｂ）と、それらの間に介在される複数の誘電体３とからなる積層体である。

このような積層デバイス５は、例えば、排気管１７中に単数または複数配置され、好ましくは、複数整列配置される。なお、図１においては、１つの積層デバイス５を取り出して示し、その他の積層デバイス５については省略している。

また、図１では、積層デバイス５は、排気管１７中において、誘電体３および電極４の積層方向が、排ガスの流れ方向に沿うように配置される。

そして、積層デバイス５は、図２に示されるように、積層方向における一方側（例えば、排ガスの流れ方向における最上流側）に構成される温度検知部７と、温度検知部７に対して積層方向他方側（例えば、排ガスの流れ方向下流側）に構成される電力取出部６とを備えている。

温度検知部７は、積層方向における一方側（例えば、排ガスの流れ方向における最上流側）に配置される誘電体３、および、その誘電体３に接触配置される一対の電極４（第１電極４ａおよび第２電極４ｂ）により構成されている。

換言すれば、温度検知部７は、一対の電極４と、その電極４に挟持される１つの誘電体３とからなり、積層デバイス５中における積層方向一方側（例えば、排ガスの流れ方向における最上流側）に配置されている。

このような温度検知部７は、一対の検知導線５１により、後述する電圧センサ１５に電気的に接続されている。

より具体的には、図１および図２の二点鎖線が参照されるように、温度検知部７における電極４（各第１電極４ａおよび各第２電極４ｂ）には、検知導線５１の一方側端部がそれぞれ接続されており、また、検知導線５１の他方側端部が、後述する電圧センサ１５に、電気的に接続されている。

これにより、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、温度検知部７の誘電体３の起電力を検知するための電極として使用可能とされている。

電力取出部６は、温度検知部７に対して積層方向他方側（例えば、排ガスの流れ方向下流側）に配置される誘電体３（すなわち、積層方向一方側（例えば、排ガスの流れ方向における最上流側）に配置される誘電体３を除いた誘電体３）、および、それら誘電体３に接触配置される電極４により構成されている。

換言すれば、電力取出部６は、複数対の電極４と、それら電極４に挟持される複数の誘電体３とからなり、積層デバイス５中における温度検知部７の下流側に配置されている。

このような電力取出部６は、一対の取出導線５２により、バッテリー３２に電気的に接続されている。

より具体的には、図１および図２の二点鎖線が参照されるように、電力取出部６における電極４（各第１電極４ａおよび各第２電極４ｂ）には、取出導線５２の一方側端部が、それぞれ接続されている。つまり、取出導線５２の一方側が、電極４の数に応じて分岐し、各電極４に接続されている。また、取出導線５２の他方側端部が、昇圧器３０（後述）、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）３１（後述）およびバッテリー３２（後述）に、順次、電気的に接続されている。

これにより、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、電力取出部６の誘電体３から電力を取り出すための電極として使用可能とされる。

さらに、電力取出部６は、一対の印加導線５３により、後述する電圧印加装置９に電気的に接続されている。

より具体的には、図１および図２の二点鎖線が参照されるように、電力取出部６における電極４（各第１電極４ａおよび各第２電極４ｂ）には、印加導線５３の一方側端部が、それぞれ接続されている。つまり、印加導線５３の一方側が、電極４の数に応じて分岐し、各電極４に接続されている。また、印加導線５３の他方側端部が、後述する電圧印加装置９に、電気的に接続されている。

これにより、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、電力取出部６の誘電体３に電圧を印加するための電極として使用可能とされる。

すなわち、積層デバイス５の電力取出部６では、誘電体３において生じる電力が取り出し可能とされ、かつ、電圧印加装置９（後述）による電圧が誘電体３に対して印加可能とされている。

また、必要に応じて、取出導線５２と印加導線５３とは、一部が共用されていてもよい。すなわち、図１および図２が参照されるように、各電極４に接続される導線を、取出導線５２および印加導線５３として共用することができる。

このような場合、取出導線５２および印加導線５３として共用される共用部分５５は、必要に応じて、スイッチ５４により切り替え可能とされる。より具体的には、取出導線５２と印加導線５３との境界部分に、取出導線５２と印加導線５３とを切り替えるスイッチ５４が設けられ、このスイッチ５４の切り替えにより、共用部分５５が取出導線５２または印加導線５３として、切り替えて使用される。

電圧センサ１５は、温度検知部７における誘電体３の電圧を検知するためのセンサである。電圧センサ１５としては、特に制限されず、公知のセンサが用いられる。

電圧センサ１５は、検知導線５１によって、温度検知部７の誘電体３を挟持する一対の電極４に、電気的に接続されている。また、電圧センサ１５は、後述する制御装置１０に電気的に接続されている。

これにより、温度検知部７の誘電体３において生じる起電力が、電極４（第１電極４ａおよび第２電極４ｂ）を介して取り出し可能とされ、電圧センサ１５で計測可能とされている。さらに、電圧センサ１５で得られた誘電体３の起電力が、制御装置１０に対して電気信号として入力可能とされており、この起電力に基づいて、誘電体３の温度を検知可能としている。

電圧印加装置９は、電力取出部６の誘電体３に電圧を印加するために設けられており、電圧印加電源２５を備えている。

電圧印加電源２５は、印加導線５３によって、電力取出部６の複数の誘電体３を挟持する複数の電極４に、電気的に接続されている。また、電圧印加電源２５は、後述する制御装置１０に電気的に接続されている。

これにより、制御装置１０の制御により、電圧印加電源２５の作動および停止が制御可能とされている。そして、電圧印加電源２５において生じる電圧が、電極４（第１電極４ａおよび第２電極４ｂ）を介して、電力取出部６の誘電体３に対して印加可能とされている。

制御装置１０は、自動車８（発電システム１を含む。）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で構成されている。

この制御装置１０は、電圧センサ１５および電圧印加装置９に電気的に接続されており、詳しくは後述するが、上記した電圧センサ１５により検知される起電力から、誘電体３の温度を検知するとともに、その誘電体３の温度に応じて、電圧印加装置９を作動または停止させる。

より具体的には、制御装置１０には、温度検知部７の誘電体３において生じる起電力と、温度検知部７の誘電体３の温度との関係を示すマッピングデータが、格納されている。

すなわち、上記した温度検知部７の誘電体３は、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、それによって電気分極し、起電力を生じさせる。

このとき、温度検知部７の誘電体３の温度と、温度検知部７の誘電体３において生じる起電力との間に、相関がある。

このような相関関係に基づいて、温度検知部７の誘電体３の温度と、温度検知部７の誘電体３において生じる起電力との関係が、予めマッピングされ、そのマッピングデータが、制御装置１０に格納される。

そして、制御装置１０は、上記のマッピングデータに基づいて、温度検知部７の誘電体３において生じる起電力から、温度検知部７の誘電体３の温度を、検出（予測）可能としている。

また、必要により、制御装置１０は、温度検知部７の誘電体３の温度と、電力取出部６の誘電体３の温度との関係を示すマッピングデータを有している。

つまり、温度検知部７の誘電体３の温度変化と、電力取出部６の誘電体３の温度変化とには、相関がある。このような相関関係に基づいて、温度検知部７の誘電体３の温度変化と、電力取出部６の誘電体３の温度変化との関係が、予めマッピングされ、そのマッピングデータが、制御装置１０に格納される。

そのため、制御装置１０では、温度検知部７の誘電体３に基づいて、電力取出部６の誘電体３の温度が、検出（予測）可能とされる。

なお、上記の積層デバイス５において、温度検知部７の誘電体３と、電力取出部６の誘電体３とは、極めて近接しているため、通常、それらの誘電体３の温度は、略同一である。

そのため、温度検知部７の誘電体３の温度と、電力取出部６の誘電体３の温度との関係を示すマッピングデータを用いることなく、例えば、温度検知部７の誘電体３の温度を、電力取出部６の誘電体３の温度とみなすこともできる。

さらに、温度検知部７の誘電体３の温度を、電力取出部６の誘電体３の温度とみなす場合には、制御装置１０は、温度検知部７の誘電体３の温度と、電力取出部６の誘電体３の温度との関係を示すマッピングデータを、備えていなくともよい。

このようにして、制御装置１０は、電圧センサ１５により検知される誘電体３の起電力によって、温度検知部７の誘電体３の温度、および、電力取出部６の誘電体３の温度を、検知可能としている。

また、制御装置１０は、電圧印加装置９に電気的に接続されており、詳しくは後述するように、上記した電力取出部６の誘電体３の温度（および／または、温度検知部７の誘電体３の温度）に基づいて、電圧印加装置９の作動および停止を、制御可能としている。

また、エネルギー回収システム２９は、さらに、昇圧器３０、交流／直流変換器３１（ＡＣ−ＤＣコンバーター）およびバッテリー３２を備えている。

昇圧器３０、交流／直流変換器３１およびバッテリー３２は、第１電極４に電気的に接続されている。

そして、動力システム２およびエネルギー回収システム２９のうち、エンジン１１と、排気管１７と、誘電体３および電極４を備える積層デバイス５と、電圧センサ１５と、電圧印加装置９と、制御装置１０とから、発電システム１が構成されている。

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に排気される。

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、箱型収容ケース５０を通過して、外気に開放される。

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８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８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８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８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および箱型収容ケース５０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、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、排気管１７内において、箱型収容ケース５０と、箱型収容ケース５０の内に配置される積層デバイス５とを備えている。

例えば、図１では、箱型収容ケース５０には、排ガスの流れ方向上流側に温度検知部７が配置され、温度検知部７よりも排ガスの流れ方向下流側に電力取出部６が配置されるように、積層デバイス５が配置されている。そして、温度検知部７は、電圧センサ１５に電気的に接続されており、また、電力取出部６は、バッテリー３２および電圧印加装置９に電気的に接続されている。さらに、電圧センサ１５および電圧印加装置９は、制御装置１０に電気的に接続されている。

そのため、このような発電システム１では、エンジン１１から排出される排ガスが、箱型収容ケース５０において、まず、温度検知部７の誘電体３に接触する。

これにより、エンジン１１の熱エネルギーが、排ガスを介して、温度検知部７の誘電体３に伝達され、誘電体３が加熱および／または冷却される。すなわち、温度検知部７の誘電体３が、エンジン１１、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。

そのため、温度検知部７の誘電体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、誘電体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。

次いで、この発電システム１では、エンジン１１の熱エネルギーが、温度検知部７の誘電体３よりも排ガスの流れ方向下流側において、電力取出部６の誘電体３に順次伝達され、誘電体３が加熱および／または冷却される。すなわち、電力取出部６の誘電体３が、エンジン１１、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、電力取出部６の誘電体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、電力取出部６の誘電体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、電極４および取出導線５２を介して、電力取出部６の各誘電体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。取り出された電力は、図１において点線で示されるように、昇圧器３０および交流／直流変換器３１を介して、バッテリー３２に蓄電される。また、バッテリー３２に蓄電された電力は、自動車８や、自動車８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．電圧印加
上記の発電システム１では、発電効率の向上を図るため、電力取出部６の誘電体３に対して、温度状態に応じた電圧が印加される。

より具体的には、上記の発電システム１では、エンジン１１から排出される排ガスにより、温度検知部７の誘電体３が加熱および／または冷却されると、温度検知部７の誘電体３において生じる起電力が、電極４および検知導線５１を介して、電圧センサ１５で検出される。

電圧センサ１５で検出された起電力は、電気信号として、制御装置１０に伝達される。

このとき、制御装置１０には、上記したように、温度検知部７の誘電体３の温度と、誘電体３において生じる起電力との関係を示すマッピングデータが、格納されている。そのため、上記マッピングデータを参照することにより、温度検知部７の誘電体３の起電力から、温度検知部７の誘電体３の温度状態が検出（予測）される。

また、制御装置１０には、必要に応じて、温度検知部７の誘電体３の温度状態と、電力取出部６の誘電体３の温度状態との相関を示すマッピングデータが、格納されている。このような場合には、上記マッピングデータを参照することにより、温度検知部７の誘電体３の温度状態から、電力取出部６の誘電体３が、検出（予測）される。

なお、温度検知部７の誘電体３の温度と、電力取出部６の誘電体３の温度との関係を示すマッピングデータを用いることなく、例えば、温度検知部７の誘電体３の温度を、電力取出部６の誘電体３の温度とみなすこともできる。

そして、この発電システム１では、電力取出部６の誘電体３の温度（および／または温度検知部７の誘電体３の温度）が、昇温状態であると検知されたときには、例えば、スイッチ５４を切り替え、印加導線５３を閉状態として、取出導線５２を開状態とする。そして、制御装置１０によって電圧印加装置９を作動させ、電力取出部６の誘電体３に所定の電圧（例えば、５０〜１０００Ｖ）を印加する。

電圧を印加する時間は、電力取出部６の誘電体３が降温状態に至るまでであり、具体的には、昇温状態中である。

そして、電力取出部６の誘電体３が降温状態であると検知されたときには、制御装置１０によって電圧印加装置９を停止させ、電力取出部６の誘電体３に対する電圧の印加を停止する。

電圧の印加を停止する時間は、電力取出部６の誘電体３が昇温状態に至るまでであり、具体的には、降温状態中である。

また、電圧印加装置９を作動させてから上記電圧が印加される（すなわち、電場の強さが上記の所定値に達する）までの所要時間、および、電圧印加装置９を停止させてから、電場の強さが０ｋＶ／ｍｍに達するまでの所要時間は、実質的に０秒とみなすことができる。

すなわち、この発電システム１では、上記所定値に満たない電圧が印加されている時間は、実質的に０秒であって、上記所定値の電圧が印加されている状態（ＯＮ）と、電圧が印加されていない状態（ＯＦＦ）とが、制御装置１０によって切り替えられている。

このように、上記の発電システム１では、電力取出部６の誘電体３の昇温が検知されたときには、電圧印加装置９が作動され、電力取出部６の誘電体３に電圧が印加される。一方、電力取出部６の誘電体３の降温が検知されたときには、電圧印加装置９が停止され、電圧の印加が停止される。

なお、このような発電システム１において、誘電体３は、その加熱および／または冷却の方法によっては、昇温および降温されることなく、定温状態（温度変化が実質的になく、誘電体３から検出された起電力が所定値（例えば、１ｍＶ／ｓ）未満）で一時的に維持される場合がある。そのような場合、電圧は、誘電体３の昇温中およびその昇温後の定温状態中に印加され、降温中およびその降温後の定温状態中に、電圧の印加が停止される。なお、熱源として自動車８の動力システム２が採用される場合などには、誘電体３は、実質的に定温状態になることなく、昇温状態および降温状態が繰り返される。

４．作用・効果
上記したように、電力取出部６の誘電体３に対して、その温度状態に応じて電圧を印加することにより、電力取出部６の誘電体３による発電量を増加させることができ、また、より効率的に発電することができる。

さらに、上記の発電システム１では、複数の誘電体３および複数の電極４が排ガスの流れ方向に沿って交互に積層されることにより、積層デバイス５が形成されている。また、積層方向における一方側（図１では、排ガスの流れ方向における最上流側）に配置される誘電体３と、その誘電体３に接触配置される電極４とによって温度検知部７が構成されている。さらに、温度検知部７に対して、積層方向における他方側（図１では、排ガスの流れ方向下流側）に配置される誘電体３と、その誘電体３に接触配置される電極４とによって、電力取出部６が構成されている。加えて、温度検知部７が電圧センサ１５に電気的に接続されるとともに、電力取出部６が電圧印加装置９に電気的に接続されており、かつ、これら電圧センサ１５および電圧印加装置９は、制御装置１０に電気的に接続されている。

これにより、上記の発電システム１によれば、温度検知部７の誘電体３の温度を検知して、さらに、必要により電力取出部６の誘電体３の温度を検知し、誘電体３の温度に応じて電圧印加装置９を制御することができる。

さらに、上記の発電システム１では、温度検知部７の誘電体３と、電力取出部６の誘電体３とが、電極４を介して積層されており、これら誘電体３および電極４が、単一の積層デバイス５を形成している。

すなわち、上記の発電システム１では、温度検知部７および電力取出部６が密着しているため、温度検知部７により電力取出部６の温度状態を精度良く検知することができる。その結果、電力取出部６の温度状態に応じて、応答性よく誘電体４に電圧を印加することができ、発電効率の向上を図ることができる。

加えて、温度検知部７の誘電体３と、電力取出部６の誘電体３とを同一種類とすれば、誘電体３の温度変化に対する応答性を同一または近づけることができるため、さらなる応答性の向上を図ることができる。

したがって、上記の発電システム１によれば、電力取出部６の誘電体３から効率的にエネルギーを取り出すことができ、発電効率の向上を図ることができる。

なお、図１および図２では、排ガスの流れ方向上流側に温度検知部７が配置され、温度検知部７よりも排ガスの流れ方向下流側に電力取出部６が配置されるように、積層デバイス５を配置したが、積層方向における一方側が温度検知部７となり、温度検知部７に対する積層方向他方側が電力取出部６となっていれば、積層デバイス５の配置形態は、特に制限されない。

例えば、図３に示すように、積層デバイス５を、その積層方向が排ガスの流れ方向と直交する方向に沿うように、配置することができる。より具体的には、排ガスの流れ方向と直交する方向の一方側（図１における車高方向上側または下側、好ましくは、上側）に温度検知部７が配置され、その他方側（図１における車高方向下側または上側、好ましくは、下側）に電力取出部６が配置されるように、積層デバイス５を配置することができる。

このような場合、温度検知部７および電力取出部６には、エンジン１１の熱エネルギーが同時に供給され、温度検知部７の誘電体３と、電力取出部６の誘電体３とが、同時に加熱および／または冷却される。

すなわち、温度検知部７の誘電体３と、電力取出部６の誘電体３とが、エンジン１１、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。

このような場合でも、温度検知部７の誘電体３と、電力取出部６の誘電体３とが、電極４を介して積層されており、これら誘電体３および電極４が、単一の積層デバイス５を形成している。すなわち、上記の発電システム１では、温度検知部７および電力取出部６が密着している。そのため、温度検知部７により電力取出部６の温度状態を精度良く検知することができる。その結果、電力取出部６の温度状態に応じて、応答性よく誘電体４に電圧を印加することができ、発電効率の向上を図ることができる。

また、上記した説明では、熱源として動力システム２を用いて説明したが、熱源は上記に限定されず、例えば、内燃機関、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、動力システム２であり、熱媒体が排ガスである。より好ましくは、熱源が動力システム２である。

また、上記した説明では、制御装置１０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。

１ 発電システム
３ 誘電体
４ 電極
５ 積層デバイス
６ 電力取出部
７ 温度検知部
９ 電圧印加装置
１０ 制御装置
１１ エンジン
１５ 電圧センサ
１７ 排気管

Claims (1)

1. 温度が経時的に上下する熱源と、
   前記熱源により加熱される熱媒体が通過する流路と、
   前記流路内に配置され、前記熱媒体により温度が経時的に上下されることにより電気分極する誘電体、および、前記誘電体に接触配置される前記電極と、
   前記誘電体の起電力を測定するための電圧測定手段と、
   前記誘電体に電圧を印加するための電圧印加手段と、
   前記電圧測定手段および前記電圧印加手段に電気的に接続されており、前記電圧測定手段で測定される起電力から前記誘電体の温度を検知するとともに、前記誘電体の温度に応じて前記電圧印加手段の作動および停止を制御するための制御手段と
   を備え、
   複数の前記誘電体および複数の前記電極は、交互に積層されることにより積層デバイスを形成し、
   前記積層デバイスは、
   積層方向における一方側に配置される誘電体、および、その誘電体に接触配置される電極により構成され、前記電圧測定手段に電気的に接続される温度検知部と、
   前記温度検知部に対して前記積層方向における他方側に配置される誘電体、および、その誘電体に接触配置される前記電極により構成され、前記電圧印加手段に電気的に接続される電力取出部と
   を備えていることを特徴とする、発電システム。

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