JP5759865B2 - 発電システム - Google Patents

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おり、このような方法として、焦電素子を用いた熱電変換発電が、知られている。

具体的には、例えば、複数の焦電素子のそれぞれの温度を上昇させる加熱源と、それら焦電素子のそれぞれの温度を低下させる冷却源と、加熱源および冷却源、および／または、焦電素子を移動させる移動手段とを備える発電装置を用い、加熱源および冷却源により焦電素子の温度を周期的に上昇および下降させることによって、焦電素子から直流電力または交流電力を取り出す方法が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１１−３３２２６６号公報

一方、このような発電方法においては、より高温の加熱源および冷却源を用いることが要求される場合がある。

しかしながら、高温下、具体的には、キュリー点以上の環境下において焦電素子を用いると、焦電素子に損傷を生じ、発電性能が低下する場合や、発電不能となる場合がある。

本発明の目的は、高温環境下においても発電することができ、また、デバイスが損傷し、発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制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、前記熱源の温度変化により温度が経時的に上下され、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デバイスの温度を検知する検知手段と、前記第１デバイスに電界を印加する電界印加手段と、前記検知手段による検知温度が、前記第１デバイスのキュリー点以上であるときに、前記電界印加手段を作動させるための制御手段とを備えることを特徴としている。

本発明の発電システムでは、検知手段により第１デバイスの温度が検知され、その検知温度が第１デバイスのキュリー点以上であるときに、制御手段により電界印加手段が作動され、第１デバイスに電界が印加される。

そのため、第１デバイスが、そのキュリー点を越える環境下に曝される場合にも、第１デバイスが損傷することを抑制することができ、発電システムの発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。その結果、高温環境下においても、優れた効率で発電することができる。

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。 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２に示す発電システムの要部拡大図である。 実施例１において得られた発電電圧と温度変化との関係を示すグラフである。

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１において、発電システム１は、温度が経時的に上下する熱源２と、熱源２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の温度を検知する検知手段としての温度センサ８と、第１デバイスに電界を印加する電界印加手段としての電界印加装置９と、温度センサ８による検知温度が、第１デバイス３のキュリー点以上であるときに、電界印加装置９を作動させるための制御手段としての制御ユニット１０とを備えている。

熱源２としては、温度が経時的に上下する熱源であれば、特に制限されないが、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が挙げられる。

内燃機関は、例えば、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。

このような内燃機関では、各気筒において、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、燃料が燃焼され、動力が出力されている。

このような内燃機関において、排気工程では、高温の排気ガスが、排気ガス管を介して排気され、その排気ガスを熱媒体として熱エネルギーが伝達され、排気ガス管の内部温度が上昇する。

一方、その他の工程（排気工程を除く工程）では、排気ガス管中の排気ガス量が低減されるため、排気ガス管の内部温度は、排気工程に比べて、下降する。

このように、内燃機関の温度は、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、内燃機関における各気筒の排気ガス管の内部は、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。

発光装置は、点灯（発光）時には、例えば、赤外線、可視光などの光を熱媒体として、その熱エネルギーにより温度上昇し、一方、消灯時には温度低下する。そのため、発光装置は、経時的に、点灯（発光）および消灯することにより、その温度が経時的に上下する。

とりわけ、例えば、発光装置が、経時的に照明の点灯および消灯が断続的に繰り返される発光装置（明滅（点滅）式の発光装置）である場合には、その発光装置は、点灯（発光）時における光の熱エネルギーにより、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、熱源２としては、さらに、例えば、複数の熱源を備え、それら複数の熱源間の切り替えにより、温度変化を生じることもできる。

より具体的には、例えば、熱源として、低温熱源（冷却材など）と、その低温熱源より温度の高い高温熱源（例えば、加熱材など）との２つの熱源を用意し、経時的に、それら低温熱源および高温熱源を、交互に切り替えて用いる形態が挙げられる。

これにより、熱源としての温度を、経時的に上下させることができ、とりわけ、低温熱源および高温熱源の切り替えを、周期的に繰り返すことにより、周期的に温度変化させることができる。

切り替え可能な複数の熱源を備える熱源２としては、特に制限されないが、例えば、燃焼用低温空気供給系、蓄熱式熱交換器、高温ガス排気系、および、供給／排気切替弁を備えた高温空気燃焼炉（例えば、再公表９６−５４７４号公報に記載される高温気体発生装置）、例えば、高温熱源、低温熱源および水素吸蔵合金を用いた海水交換装置（水素吸蔵合金アクチュエータ式海水交換装置）などが挙げられる。

これら熱源２としては、上記熱源を単独使用または２種類以上併用することができる。

熱源２として、好ましくは、経時により周期的に温度変化する熱源が挙げられる。

また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。

第１デバイス３は、熱源２の温度変化に応じて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、熱源２に接触するか、または、熱源２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）されるように配置される。

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、熱源２の経時的な温度変化により、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）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、上記したように熱源２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、熱源２に接触するか、または、熱源２の熱を伝達する熱媒体（上記した排気ガス、光など）に接触（曝露）されるように配置される。

このような場合において、焦電素子は、熱源２の経時的な温度変化により、（場合により熱媒体（上記した排気ガス、光など）を介して）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、上記したように熱源２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。

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、熱源２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。

図１において、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。

温度センサ８は、第１デバイス３の温度を検知するため、第１デバイス３に近接または接触して設けられる。温度センサ８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し、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。

電界印加装置９は、第１デバイス３に電界を印加するため、第１デバイス３に直接または近接して設けられる。具体的には、電界印加装置９は、例えば、上記した第２デバイス４とは別途、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）、電圧印加電源Ｖ、およびそれらに接続される導線などを備えており、第１デバイス３から離間し、それら電極間に第１デバイス３を介在させるように、配置されている。

制御ユニット１０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で構成されている。

この制御ユニット１０は、温度センサ８および電界印加装置９に電気的に接続されており、後述するように、上記した温度センサ８による検知温度が第１デバイス３のキュリー点以上であるときに電界印加装置９を作動させる。

そして、図１に示す発電システム１では、その第２デバイス４が、昇圧器５、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）６およびバッテリー７に、順次、電気的に接続されている。

このような発電システム１により、発電するには、例えば、まず、熱源２の温度を経時的に上下、好ましくは、周期的に温度変化させ、その熱源２により、第１デバイス３を、加熱および／または冷却する。

そして、このような温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、好ましくは、周期的に電気分極させる。その後、第２デバイス４を介することにより、電力を、第１デバイス３の周期的な電気分極に応じて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。

このような発電システム１において、熱源２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。

また、それら高温状態と低温状態との繰り返し周期は、例えば、１０〜４００サイクル／秒、好ましくは、３０〜１００サイクル／秒である。

一方、このような発電システム１では、温度条件によっては、第１デバイス３の温度が、そのキュリー点を超過する場合がある。そして、第１デバイス３のキュリー点以上の環境下において、第１デバイス３を用いると、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、温度センサ８により第１デバイス３の温度を検知し、その検知温度が第１デバイス３のキュリー点以上であるときに、制御ユニット１０により、電界印加装置９を作動させ、第１デバイス３に電界を印加する。

具体的には、熱源２の温度変化により経時的に上下される第１デバイス３の温度を、温度センサ８により連続的に検知し、その検知温度が第１デバイス３のキュリー点以上になった時点からキュリー点未満になる時点まで、電界印加装置９の電極に電圧を印加し、第１デバイス３に電界を印加する。

電界の強さは、例えば、０．１〜５ｋＶ／ｍｍ、好ましくは、０．３〜３．５ｋＶ／ｍｍ、より好ましくは、１〜２ｋＶ／ｍｍである。

そして、温度センサ８により検知される検知温度が第１デバイス３のキュリー点未満になった時点から、再度、キュリー点以上になる時点まで、電界の印加を停止する。

これにより、第１デバイス３が、そのキュリー点を越える環境下に曝される場合にも、第１デバイス３が損傷することを抑制することができる。

そして、このようにして発電システム１により取り出された電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧する。昇圧器５としては、交流電圧を、例えば、コイル、コンデンサなどを用いた簡易な構成により、優れた効率で昇圧できる昇圧器が、用いられる。

次いで、昇圧器５において昇圧された電力を、交流／直流変換器６において直流電圧に変換した後、バッテリー７に蓄電する。

このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出す場合に比べて、簡易な構成により、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。

また、熱源２が、周期的に温度変化する熱源であれば、電力を、周期的に変動する波形として取り出すことができ、その結果、簡易な構成により、より優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。

とりわけ、このような発電システム１では、温度センサ８により第１デバイス３の温度が検知され、その検知温度が第１デバイス３のキュリー点以上であるときに、制御ユニット１０により電界印加装置９が作動され、第１デバイス３に電界が印加される。

そのため、第１デバイス３が、そのキュリー点を越える環境下に曝される場合にも、第１デバイス３が損傷することを抑制することができ、発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。その結果、高温環境下においても、優れた効率で発電することができる。

図２は、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、図３は、図２に示す発電システムの要部拡大図である。

図２において、自動車２５は、内燃機関１１、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５を備えている。

内燃機関１１は、エンジン１６、および、エキゾーストマニホールド１７を備えている。

エンジン１６は、多気筒（４気筒型）多サイクル（４サイクル）方式のエンジンであって、各気筒に、エキゾーストマニホールド１７の分岐管１８（後述）の上流側端部が接続されている。

エキゾーストマニホールド１７は、エンジン１６の各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１６の各気筒に接続される複数（４つ）の分岐管１８（これらを区別する必要がある場合には、図２の上側から順に、分岐管１８ａ、分岐管１８ｂ、分岐管１８ｃおよび分岐管１８ｄと称する。）と、それら分岐管１８の下流側において、各分岐管１８を１つに統合する集気管１９とを備えている。

また、各分岐管１８は、その流れ方向途中において、箱型空間２０を、それぞれ１つ備えている。箱型空間２０は、分岐管１８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、その内側において、複数の第１デバイス３と、図示しない第２デバイス４とを備えている（図３参照）。

なお、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２０に対して、１つの第１デバイス３を示している。

このようなエキゾーストマニホールド１７では、分岐部１８の上流側端部が、それぞれ、エンジン１６の各気筒に接続されるとともに、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１１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（ＮＯ_ｘ）、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１１（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気ガスをマフラー１４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、下流側端部がマフラー１４に接続されている。

マフラー１４は、エンジン１６（とりわけ、爆発工程）において生じる騒音を、静音化すために設けられており、その上流側端部がエキゾーストパイプ１３の下流側端部に接続されている。また、マフラー１４の下流側端部は、排出パイプ１５の上流側端部に接続されている。

排出パイプ１５は、エンジン１６から排出され、エキゾーストマニホールド１７、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３およびマフラー１４を順次通過し、浄化および静音化された排気ガスを、外気に放出するために設けられており、その上流側端部がマフラー１４の下流側端部に接続されるとともに、その下流側端部が、外気に開放されている。

そして、この自動車２５は、図２において点線で示すように、発電システム１を搭載している。

発電システム１は、上記したように、熱源２、第１デバイス３、第２デバイス４、温度センサ８、電界印加装置９および制御ユニット１０を備えている。

この発電システム１では、熱源２として、内燃機関１１のエンジン１６が用いられており、また、拡大図および図３が参照されるように、各分岐管１８の箱型空間２０内には、第１デバイス３が配置されている。

第１デバイス３は、シート状に形成されており、箱型空間２０内において、互いに間隔を隔てて複数整列配置されるとともに、図示しない第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。

これにより、第１デバイス３の表面および裏面の両面、さらには、周側面は、図示しない第２デバイス４を介して、箱型空間２０内の外気に露出され、排気ガスに接触（曝露）可能とされている。

第２デバイス４は、図示しないが、第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極、および、それら電極に接続される導線を備えている。

温度センサ８は、図２の拡大図に示すように、各分岐管１８内において、複数の第１デバイス３の上流側（排気ガスの流れ方向）近傍に配置され、それらの温度を検知可能に設けられている。

なお、温度センサ８は、複数の第１デバイス３（図３参照）の温度を検知できるように設けることができれば、その数は特に制限されず、必要により単数または複数設けられる。

電界印加装置９は、複数（箱型空間１つに対して２つ）の電極２２を備えており、各電極２２は、各箱型空間２０の外側表面において互いに対向するように配置される。

具体的には、各電極２２は、一対が各箱型空間２０に対応するようにそれぞれ設けられ、分岐導線などによって、並列的に接続されている。

そして、これら電極２２に電圧印加電源Ｖから電圧を印加することにより、電極２２間、すなわち、箱型空間２０内に電界を生じさせ、第１デバイス３に電界を印加することができる。

制御ユニット１０は、箱型空間２０の外部において、破線で示すように、全ての温度センサ８および電界印加装置９に電気的に接続されている。

具体的には、制御ユニット１０は、分岐導線などによって、各箱型空間２０に設けられる温度センサ８のそれぞれに並列的に接続されるとともに、電界印加装置９に接続されている。

また、発電システム１は、図２に示すように、昇圧器５、交流／直流変換器６およびバッテリー７に、順次、電気的に接続されている。

そして、このような自動車２５では、エンジン１６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、分岐管１８ａに接続される気筒、および、分岐管１８ｃに接続される気筒の２つの気筒において、ピストンが連動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が、同位相で実施される。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、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの内部を排気工程において通過する。

このとき、エンジン１６の熱が、排気ガス（熱媒体）を介して伝達され、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの内部温度は、排気工程において上昇し、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）において下降するので、ピストンサイクルに応じて、経時的に上下し、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。

一方、それら２つの気筒とはタイミングを異にして、分岐管１８ｂに接続される気筒、および、分岐管１８ｄに接続される気筒の２つの気筒において、ピストンが連動し、吸気工程、圧縮工程、爆発工程および排気工程が、同位相で実施される。これにより、燃料が燃焼され、動力が出力されるとともに、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃとは異なるタイミングにおいて、高温の排気ガスが、分岐管１８ｂおよび分岐管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１６の熱が、排気ガス（熱媒体）を介して伝達され、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの内部温度は、排気工程において上昇し、その他の工程（吸気工程、圧縮工程、爆発工程）において下降するので、ピストンサイクルに応じて、経時的に上下し、高温状態と低温状態とが、周期的に繰り返される。

この周期的な温度変化は、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの周期的な温度変化とは、周期が同じである一方、位相が異なる。

そして、この発電システム１では、上記したように、各分岐管１８の内部（箱型空間２０内）に、シート状の第１デバイス３が配置されている。

そのため、エンジン１６（熱源２）から排出される排気ガスが、分岐管１８内に導入され、箱型空間２０内に充填されると、その箱型空間２０内において、第１デバイス３の表面および裏面の両面（さらには、周側面）が、（第２デバイス４を介して）排気ガス（熱媒体）に接触（曝露）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の表面および裏面の両面が、エンジン１６（熱源２）、および、そのエンジン１６の熱を伝達する熱媒体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。

一方、上記したように、このような発電システム１では、温度条件によっては、第１デバイス３の温度が、そのキュリー点を超過する場合がある。そして、第１デバイス３のキュリー点以上の環境下において、第１デバイス３を用いると、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、上記したように、この発電システム１では、温度センサ８により第１デバイス３の温度を検知し、その検知温度が第１デバイス３のキュリー点以上であるときに、制御ユニット１０により、上記条件で電界印加装置９を作動させ、第１デバイス３に電界を印加する。

これにより、第１デバイス３が、そのキュリー点を越える環境下に曝される場合にも、第１デバイス３が損傷することを抑制することができる。

また、この発電システム１では、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの温度と、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの温度とが、同じ周期、かつ、異なる位相で周期的に変化するため、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、連続的に取り出すことができる。

そして、排気ガスは、各分岐管１８を通過した後、集気管１９に供給され、集気された後、触媒搭載部１２に供給され、その触媒搭載部１２に備えられる触媒により浄化される。その後、排気ガスは、エキゾーストパイプ１３に供給され、マフラー１４において静音化された後、排出パイプ１５を介して、外気に排出される。

このとき、各分岐管１８内を通過する排気ガスは、集気管１９において集気されるので、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５を順次通過する排気ガスは、その温度が、平滑化されている。

そのため、温度が平滑化されたこのような排気ガスを通過させる集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５の温度は、通常、経時的に上下することなく、ほぼ一定である。

そのため、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４または排出パイプ１５を熱源２として用い、その周囲または内部に、上記した第１デバイス３を配置する場合には、第１デバイス３から取り出される電力は、その電圧が小さく、また、一定（直流電圧）である。

そのため、このような方法では、得られる電力を、簡易な構成で効率良く昇圧することができず、蓄電効率に劣るという不具合がある。

一方、上記したように、分岐管１８の内部空間に第１デバイス３を配置すれば、熱源２の経時的な温度変化により、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、そのデバイス（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、周期的に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２において点線で示すように、上記により得られた電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧し、次いで、昇圧された電力を、交流／直流変換器６において直流電圧に変換した後、バッテリー７に蓄電する。バッテリー７に蓄電された電力は、自動車２５や、自動車２５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、このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出し、ＤＣ−ＤＣコンバーターで変換する場合に比べて、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。

とりわけ、このような発電システム１では、温度センサ８により第１デバイス３の温度が検知され、その検知温度が第１デバイス３のキュリー点以上であるときに、制御ユニット１０により電界印加装置９が作動され、第１デバイス３に電界が印加される。

そのため、第１デバイス３が、そのキュリー点を越える環境下に曝される場合にも、第１デバイス３が損傷することを抑制することができ、発電システム１の発電性能が低下することや、発電不能となることを抑制することができる。その結果、高温環境下においても、優れた効率で発電することができる。

実施例１
バルク型のピエゾ素子（第１デバイス、構造：ＰＺＴ）、キュリー点２９５℃、比誘電率：２１３０、製番：Ｃ−６、富士セラミックス製）を、直径５０ｍｍ×１ｍｍサイズのシート状にカットした。

次いで、そのピエゾ素子と直列に、１００ｋΩの抵抗素子を配置し、表面および裏面に、銀ペーストを直径５０ｍｍの大きさとなるように塗布し、銀電極（第２デバイス）を形成した。これにより、ピエゾ素子表面と銀電極との間に、１００ｋΩの抵抗素子を介在させた。なお、抵抗素子は、電流特性を明確に確認するために設けた。

次いで、得られたピエゾ素子、抵抗素子および銀電極を、電気炉によって２５０℃で１時間熱処理し、サンプルを得た。

その後、同手順によりサンプルを合計４枚形成し、各サンプルの各銀電極上に直列に貼着させるとともに、他方側をデジタルマルチメータに接続した。

熱源として、動力計（型番：ＫＦエンジン、ダイハツ工業社製）に接続したエンジン（３気筒：４サイクル）を用い、排気ガスが通過する配管１つを選択し、エンジンからの配管長さが２．５ｍとなる位置に、箱型空間を形成して、上記４枚のサンプルを配置した。

次いで、各サンプルの温度を検知できるよう、熱電対（温度センサ）を配置するとともに、箱型空間内に電界を印加できるよう、電界印加装置（型番：ＭＯＤＥＬ６７７Ｂ、トレックジャパン社製）および制御ユニットを箱型空間の外部に配置し、それぞれ、電気的に接続した。

その後、エンジンをＪＣ０８モードで運転し、温度が経時的に上下する排ガスにサンプルを曝露した。これにより、ピエゾ素子の温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧（電力）を取り出した。

また、サンプルの温度（平均値）を熱電対により測定し、その温度がキュリー点（２９５℃）以上となったときに、箱型空間内に電界（１．５ｋＶ／ｍｍ）を印加した。

そして、サンプルから取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。

このようにして、ＪＣ０８モードでのエンジン運転を４サイクル繰り返した。

その結果、ＪＣ０８モード１サイクルあたり、平均８回（図４の（１）〜（８）参照）、サンプルの温度がキュリー点（２９５℃）以上となったが、サンプルに損傷は確認されず、優れた発電性能を保つことが確認された。

ＪＣ０８モード１サイクルあたりの発電電圧と温度変化との関係を、図４に示す。

１ 発電システム
２ 熱源
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ 昇圧器
６ 交流／直流変換器
７ バッテリー
８ 温度センサ
９ 電界印加装置
１０ 制御ユニット

Claims (1)

1. 温度が経時的に上下する熱源と、
   前記熱源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デバイスの温度を検知する検知手段と、
   前記第１デバイスに電界を印加する電界印加手段と、
   前記検知手段による検知温度が、前記第１デバイスのキュリー点以上であるときに、前記電界印加手段を作動させるための制御手段とを備えることを特徴とする、発電システム。
   
   

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