JP6446312B2 - 発電システム - Google Patents

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おり、さらに、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。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。）。

上記した発電システムでは、得られた電力は、第１デバイスから第２デバイスを介してバッテリーに蓄積され、必要に応じて消費可能とされる。

特開２０１４−１１３０２８号公報

一方、このような発電システムでは、発電効率のさらなる向上が要求されている。

本発明の目的は、より効率よく発電することができる発電システムを提供することにある。

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デバイスに電圧を印加する電圧印加手段と、前記電圧印加手段により電圧を印加するときの昇圧時間を設定する設定手段と、前記設定手段により設定された昇圧時間に従って、前記第１デバイスに電圧を印加するように、前記電圧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、前記設定手段は、前記熱源の温度条件に基づいて前記昇圧時間を設定することが好適である。

本発明の発電システムでは、設定手段によって、電圧印加手段により第１デバイスに印加する電圧の昇圧時間を設定している。

そのため、本発明の発電システムによれば、最適な昇圧時間で第１デバイスに電圧を印加することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。

図１は、本発明の発電システムの一実施形態を示す概略構成図である。 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である。 図３は、図２に示す発電システムの要部拡大図である。

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に電圧を印加する電圧印加手段としての電圧印加装置９と、電圧印加装置９により第１デバイス３に電圧を印加するタイミングを決定するために参照される温度センサ８と、第１デバイス３に電圧を印加するように電圧印加装置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、具体的には、経時により周期的に温度変化する熱源であれば、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。

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、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。

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、（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などの誘電体を用いることもできる。

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。

電圧印加装置９は、第１デバイス３に電圧を印加するため、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、電圧印加装置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、電極間に第１デバイス３および第２デバイス４を介在させるように、配置されている。

温度センサ８は、電圧印加装置９により第１デバイス３に電圧を印加するタイミングを決定するために第１デバイス３の温度を検知する。そのため、温度センサ８は、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ものであって、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。

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、設定手段および制御手段としての中央処理装置（ＣＰＵ）２１とメモリ２３とを備えるマイクロコンピュータで構成されている。

中央処理装置（ＣＰＵ）２１は、温度センサ８、電圧印加装置９およびメモリ２３に電気的に接続されており、メモリ２３に格納されたマッピングデータ（後述）を用いて昇圧時間を設定する。そして、上記した温度センサ８を参照することにより決定されたタイミングで、設定した昇圧時間に従って、第１デバイス３に電圧を印加するように、電圧印加装置９を作動させる。

メモリ２３は、ＲＯＭおよびＲＡＭを備えており、ＲＯＭに各種プログラムや固定データが格納されるとともに、ＲＡＭに一時的な入力データが格納される。

そして、メモリ２３のＲＯＭには、第１デバイス３を構成する誘電体の種類（すなわち、第１デバイス３（誘電体）の電気分極特性）、および、熱源２の温度条件（例えば、最高温度、経時的に上下する温度範囲（変動温度範囲）、温度変化率など）と、第１デバイス３に印加するときの電圧の昇圧時間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、上記した第１デバイス３は、温度が経時的に上下する熱源２の温度変化により、温度が経時的に上下され、それによって電気分極し、起電力を生じる。このとき、第１デバイス３に電圧を印加すると、第１デバイスから取り出せる電力量は増加するが、第１デバイス３を構成する誘電体の種類、および、熱源２の温度条件と、第１デバイス３に印加するときの電圧の昇圧時間との間には関係がある。

具体的には、例えば、実験レベルにおいて、第１デバイス３に印加するときの投入電力に対する第１デバイス３から取り出される回収電力の比で示される発電効率（回収電力／投入電力）について、最適な昇圧時間は、例えば、第１デバイス３を構成する誘電体がＰＺＴであり、熱源２の最高温度が１００℃、変動温度範囲が４０℃である場合には、１．８秒であり、例えば、第１デバイス３を構成する誘電体がＰＺＴであり、熱源２の最高温度が１００℃、変動温度範囲が２０℃である場合には、１．４秒である。

この関係に基づいて、第１デバイス３を構成する誘電体の種類（ｘ）、および、熱源２の温度条件（ｙ）と、第１デバイス３に印加するときの電圧の昇圧時間（ｘ、ｙ）との関係が、予めマッピングされ、そのマッピングデータ（ｘ−ｙ座標）が、制御ユニット１０のメモリ２３のＲＯＭに格納される。

また、中央処理装置（ＣＰＵ）２１は、上記したように、温度センサ８や、熱源２の温度計（図示せず）など、種々の検知装置に電気的に接続されており、各種データが入力可能とされている。これにより、メモリ２３のＲＡＭには、第１デバイス３を構成する誘電体の種類、および、上記した熱源２の温度の推移（履歴）などの、最適なマッピングデータを選択するための一時的な数値が入力および格納される。

また、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、具体的には、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、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、例えば、実験レベルでの熱源２の温度は、高温状態における温度が、例えば、８０〜５００℃、好ましくは、１００〜３８０℃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、３０〜４５０℃、好ましくは、５０〜３００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜２００℃、好ましくは、２０〜１００℃である。

また、例えば、自動車２５（後述）に上記の発電システム１を搭載した場合には、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、０．０５〜４００サイクル／秒、好ましくは、０．０５〜１００サイクル／秒である。

また、このような発電システム１では、より効率的に発電するため、第１デバイス３の温度状態に応じて、第１デバイス３に電圧を印加する。

すなわち、この発電システム１では、上記した熱源２による第１デバイス３の加熱および／または冷却とともに、上記した温度センサ８により、第１デバイス３の温度を検知し、第１デバイス３に電圧印加装置９により電圧を印加するタイミングを決定する。

そして、温度センサ８の検知に基づいて決定したタイミングで、中央処理装置（ＣＰＵ）２１の制御により、電圧印加装置９を作動させ、電圧を印加する。

すなわち、第１デバイスの温度が、温度センサ８からの電気信号により、昇温開始状態であると中央処理装置（ＣＰＵ）２１が判断すると、中央処理装置（ＣＰＵ）２１の制御により、電圧印加装置９を作動させ、電圧を印加する。

なお、この発電システム１では、例えば、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℃／ｓｅｃなど）以上に上昇するときに、昇温開始状態であると判断される。

このとき、制御ユニット１０のメモリ２３のＲＯＭには、第１デバイス３を構成する誘電体の種類（すなわち、第１デバイス３（誘電体）の電気分極特性）、および、熱源２の温度条件（例えば、最高温度、経時的に上下する温度範囲（変動温度範囲）、温度変化率など）と、第１デバイス３に印加するときの電圧の昇圧時間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、制御ユニット１０のメモリ２３のＲＡＭに、予め第１デバイス３を構成する誘電体の種類をプリセットしておき、熱源２の温度条件（最高温度、変動温度範囲）を熱源２の温度の推移などから中央処理装置（ＣＰＵ）２１に算出させることにより入力させる。そして、それら入力した第１デバイス３を構成する誘電体の種類および熱源２の温度条件から、上記マッピングデータを参照することにより、発電効率の観点から、最適な昇圧時間が選択され、その昇圧時間で、予め設定された印加電圧の最大値になるように、昇圧速度が、中央処理装置（ＣＰＵ）２１により制御され、電圧印加装置９により電圧が印加される。

印加電圧の最大値としては、電場の強さが、例えば、２００Ｖ／ｍｍ以上、好ましくは、４００Ｖ／ｍｍ以上であり、例えば、５ｋＶ／ｍｍ以下、好ましくは、４ｋＶ／ｍｍ以下である。

印加電圧（電場）が上記範囲であれば、第１デバイス３から取り出されるエネルギー量と、電圧印加装置９により消費されるエネルギー量とのバランスをとることができ、優れた効率で発電することができる。

そして、印加電圧が予め設定された最大値になった場合には、電圧の印加を開始してから電圧印加時間が経過するまで、その電圧を保持して印加し続ける。

電圧の印加を開始してから、電圧を印加し続ける時間（電圧印加時間）は、昇圧時間と、最大値になった電圧を保持して印加し続ける時間（保持時間）との合計である。

マッピングデータから得られる昇圧時間としては、例えば、０．２秒以上、好ましくは０．５秒以上であり、例えば、９．７秒以下、好ましくは、２．５秒以下である。

保持時間としては、例えば、０．３秒以上、好ましくは０．５秒以上であり、例えば、９．８秒以下、好ましくは、２．５秒以下である。

電圧印加時間としては、例えば、０．５秒以上、好ましくは１．０秒以上であり、例えば、１０．０秒以下、好ましくは、５．０秒以下である。

電圧印加時間が上記範囲であれば、発電効率の向上を図ることができる。

また、電圧印加時間を所定の時間とした場合、電圧印加時間に対する昇圧時間と保持時間との割合（昇圧時間／保持時間）は、第１デバイス３を構成する誘電体の種類や熱源２の温度条件によって様々ではあるが、電圧印加時間を１００とすると、例えば、１０／９０以上、好ましくは、３０／７０以上、より好ましくは、５０／５０以上、さらに好ましくは、７０／３０以上であり、例えば、９０／１０以下である。

電圧印加時間における昇圧時間と保持時間との割合が上記範囲であれば、発電効率の向上を図ることができる。

そして、電圧の印加を開始してから、電圧印加時間を経過した後、中央処理装置（ＣＰＵ）２１の制御により、電圧印加装置９を停止させる。

なお、上記の発電システム１において、電圧印加装置９を停止させてから、電場の大きさが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。

そして、このような発電システム１では、上記したように、電圧印加装置９により電圧を印加するため、効率よく電力を取り出すことができる。

さらに、上記の発電システム１では、第１デバイス３を構成する誘電体の種類、および、熱源２の温度条件により設定される、最適な昇圧時間で、電圧印加装置９により電圧が印加される。

そのため、上記の発電システム１によれば、効率よく電力を取り出すことができ、発電効率を向上させることができる。

そして、このような発電システム１では、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。

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３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、第２デバイス４（図示せず）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を示しており、また、第２デバイス４の記載を省略している。

このようなエキゾーストマニホールド１７では、分岐管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、上記した発電システム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、電圧印加装置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。

電圧印加装置９は、複数（１つの第１デバイス３に対して２つ）の電極２２を備えており、各電極２２は、各第１デバイス３の外側において互いに対向し、第１デバイス３を間に介在させるように配置されている。また、これら各電極２２は、分岐導線などによって、並列的に接続されている。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、第１デバイス３に電圧を印加することができる。

なお、図２では、各箱型空間２０内において、１つの第１デバイス３と、その第１デバイス３を挟んで対向配置される一対の電極２２とを模式的に示している。

制御ユニット１０は、破線で示すように、分岐導線などによって、電圧印加装置９に電気的に接続されている。また、制御ユニット１０は、破線で示すように、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。

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。

また、この発電システム１では、上記したように、温度センサ８により、第１デバイス３の温度が昇温開始状態であると判定されたときに、中央処理装置（ＣＰＵ）２１によって電圧印加装置９が作動され、上記したように、第１デバイス３を構成する誘電体の種類、および、熱源２の温度条件から得られるマッピングデータに従った昇圧時間で、第１デバイス３に電圧が印加される。

そして、上記したように、電圧が、予め設定されている最大値になった場合には、その電圧で、第１デバイス３に電圧が印加されてから上記した電圧印加時間が経過するまで保持され、その後、電圧が印加されてから上記した電圧印加時間が経過すると、中央処理装置（ＣＰＵ）２１の制御により、電圧印加装置９が停止され、第１デバイス３に対する電圧の印加が停止される。

なお、熱源２として内燃機関１１のエンジン１６を用いる場合、発電システム１では、第１デバイス３は、内燃機関により加熱および／または冷却されるため、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。

そして、上記の発電システム１では、温度センサ８の検知に基づいて第１デバイス３に電圧を印加するタイミングが決定され、制御ユニット１０のメモリ２３のＲＯＭに格納されている上記したマッピングデータを参照して、中央処理装置（ＣＰＵ）２１により、第１デバイス３に電圧を印加するときの昇圧時間が設定される。

そして、上記の発電システム１によれば、温度センサ８の検知に基づいて決定されたタイミングで、中央処理装置（ＣＰＵ）２１により設定された昇圧時間に従って、第１デバイス３に電圧を印加するように、中央処理装置（ＣＰＵ）２１により、電圧印加装置９を作動させることができる。

そのため、上記の発電システム１によれば、最適な昇圧時間で、第１デバイス３に電圧を印加することができ、その結果、発電効率の向上を図ることができる。

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。

なお、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。

また、上記の説明では、第１デバイス３に電圧を印加するタイミングを温度センサ８の検知に基づいて決定したが、温度センサ８に代えて、第１デバイス３の上流側に第１デバイス３と同一材料のデバイスを設けて、そのデバイスを温度センサとして用いてもよく、また、熱源２の稼働状態などから第１デバイスの温度を予測し、その予測に基づいて第１デバイス３に電圧を印加するタイミングを決定してもよい。

また、上記の説明では、第１デバイス３を構成する誘電体の種類、および、熱源２の温度条件からマッピングデータを参照して、第１デバイス３に電圧を印加するときの昇圧時間を設定したが、上記の発電システム１を、例えば、自動車２５などに塔載する場合には、第１デバイス３を取り付けるため、第１デバイス３を構成する誘電体の種類は、第１デバイス３を取り換えない限り、確定する。そのため、第１デバイス３を構成する誘電体の種類は予め確定され、熱源２の温度条件のみから、第１デバイス３に電圧を印加するときの昇圧時間を設定することができる。その場合には、上記マッピングデータとして、熱源２の温度条件と、第１デバイス３に電圧を印加するときの昇圧時間との関係が、マッピングされる。

また、上記の説明では、第１デバイス３に電圧が印加されてから電圧印加時間が経過した場合に、中央処理装置（ＣＰＵ）２１の制御により、電圧印加装置９が停止されるとしたが、温度センサ８を参照して、第１デバイス３の温度の降温が検知されたときに中央処理装置（ＣＰＵ）２１の制御により、電圧印加装置９を停止してもよい。

次に、本発明を参考実施例に基づいて説明するが、本発明は下記の参考実施例によって限定されるものではない。なお、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。
（発電効率の算出）
参考実施例１
バルク型のピエゾ素子（表面および裏面に、銀電極（第２デバイス）が形成された第１デバイス、構造：ＰＺＴ、キュリー点（Ｔｃ）：２７０℃、比誘電率：５１０、製番：Ｃ−３、富士セラミックス社製、以下、素子Ａとする。）を、縦８ｍｍ×横１３ｍｍ×厚み０．５ｍｍサイズのシート状にカットした。

次いで、その素子Ａと並列に、１００ｋΩの抵抗素子を配置した。なお、抵抗素子は、継続的に電圧をモニタリングしており、その値から素子の発電電力を計算するために設けた。

熱源として、ヒートガンを、最高温度１００℃、変動温度範囲（温度変化範囲）４０℃、熱源周波数０．０５Ｈｚで用いた。

次いで、外部ＣＰＵを配置するとともに、電圧を印加できるように素子Ａを電圧印加装置（型番：ＭＯＤＥＬ６７７Ｂ、トレックジャパン社製）の電極で挟み込んだ。そして、電圧印加電源および制御ユニットを、電気的に接続した。

そして、素子Ａに熱源を暴露して、その温度を経時的に上下させ、熱源の温度が昇温し始めたときに所定の昇圧時間（０．２ｓｅｃ）で４００Ｖ／ｍｍまで電圧を昇圧させ、その後、昇圧時間との合計が２．０秒になるまでその電圧（４００Ｖ／ｍｍ）を保持した。

その後、昇圧時間と保持時間との合計時間が２．０秒になったタイミングで、電圧の印加を停止した。

これにより、素子Ａを電気分極させ、その電圧を検知した。

素子Ａに電圧を印加したときに投入した投入電力、および、ピエゾ素子が発電し回収された回収電力を検知し、発電効率（回収電力／投入電力）を算出したところ、３．４５３０１０であった。

参考実施例２〜２０
表１に記載の素子の種類（第１デバイスの種類）、熱源の温度条件、印加する電圧の昇圧時間および保持時間に変更した以外は、参考実施例１と同様にして、投入電力および回収電力を検知し、発電効率を算出した。

参考実施例１〜２０の試験条件および評価を表１に示す。

なお、表１中の素子の種類の詳細を以下に示す。
素子Ａ：バルク型のピエゾ素子（表面および裏面に、銀電極（第２デバイス）が形成された第１デバイス、構造：ＰＺＴ、キュリー点（Ｔｃ）：２７０℃、比誘電率：５１０、製番：Ｃ−３、富士セラミックス社製）
素子Ｂ：バルク型のピエゾ素子（表面および裏面に、銀電極（第２デバイス）が形成された第１デバイス、構造：ＰＺＴ、キュリー点（Ｔｃ）：１９５℃、比誘電率：３６５０、製番：Ｃ−８２、富士セラミックス社製）
（考察）
表１に示すように、素子（第１デバイスを構成する誘電体）に電圧を印加するときの昇圧時間が、長いほど投入電力が小さくなる傾向が見られた。しかし、参考実施例１６〜２０（素子Ａを、最高温度１００℃、変動温度範囲２０℃の熱源に暴露した場合）において、昇圧時間が１．４秒（参考実施例１９）のときが最も投入電力が少なく、昇圧時間を１．８秒と、参考実施例１９より長くした参考実施例２０では、その投入電力は、参考実施例１９の投入電力より大きくなった。

そのため、誘電体の種類、熱源の温度条件（最高温度、変動温度範囲）の組合せによって、投入電力が最も低減できる昇圧時間は、異なることがわかる。

また、表１に示すように、回収電力量が最大となる、素子に電圧を印加するときの昇圧時間は、誘電体の種類、熱源の温度条件（最高温度、変動温度範囲）の組合せによって、様々であることがわかる。

また、表１に示すように、素子に電圧を印加するときの昇圧時間が、長いほど発電効率がよくなる傾向が見られた。しかし、参考実施例１６〜２０（素子Ａを、最高温度１００℃、変動温度範囲２０℃の熱源に暴露した場合）において、昇圧時間が１．４秒（参考実施例１９）のときが最も発電効率がよく、昇圧時間を１．８秒と、参考実施例１９より長くした参考実施例２０では、その発電効率は、参考実施例１９の発電効率より劣っていた。

そのため、誘電体の種類、熱源の温度条件（最高温度、変動温度範囲）の組合せによって、発電効率が最も向上できる昇圧時間は、異なることがわかる。

以上より、素子の種類や、熱源の温度条件（最高温度、変動温度範囲）の組合せによって、最適な昇圧時間は異なるため、素子の種類や、熱源の温度条件（最高温度、変動温度範囲）の組合せに対応した最適な昇圧時間を設定することにより、投入電力量の低減、回収電力量の向上および発電効率の向上を図ることができる。

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 電圧印加装置
１０ 制御ユニット
２１ 中央処理装置（ＣＰＵ）
２３ メモリ

Claims (2)

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デバイスに電圧を印加する電圧印加手段と、
   前記電圧印加手段により電圧を印加するときの昇圧時間を設定する設定手段と、
   前記設定手段により設定された昇圧時間に従って、前記第１デバイスに電圧を印加するように、前記電圧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。
2. 前記設定手段は、前記熱源の温度条件に基づいて前記昇圧時間を設定することを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。

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