JP6514548B2 - 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）を自動車の排気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。）。

特開２０１１−２５０６７５号公報

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デバイスの温度条件に応じて、第１デバイスに電圧を印加することが検討される。

具体的には、例えば、第１デバイスの温度を温度センサ（熱電対、サーミスタなど）により検知し、温度センサにより検知される温度が上昇する場合に、第１デバイスに電圧を印加することが検討される。このように、発電中の第１デバイスに電圧を印加することによって、第１デバイスの発電効率の向上を図ることができる。

しかしながら、温度センサによる検知温度に基づいて、第１デバイスに電圧を印加すると、温度センサと、誘電体である第１デバイスとでは、温度変化に対する応答性が異なるため、温度検知に対する電圧印加の応答性が十分ではなく、さらなる応答性の向上が要求される場合がある。

本発明の目的は、発電素子の温度変化に応じて、応答性よく発電素子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、前記熱源により加熱される熱媒体が通過する流路と、前記熱媒体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、キュリー点を有する誘電体からなる、発電素子、および、前記発電素子から電力を取り出すための第１電極を備える発電デバイスと、前記流路内において、前記発電デバイスの上流側に配置され、前記流路内を通過する前記熱媒体の温度を検知する、温度検知手段と、前記発電デバイスおよび前記温度検知手段に電気的に接続される電圧印加手段と、前記電圧印加手段を作動または停止させるための制御手段とを備え、前記温度検知手段は、前記熱媒体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、前記発電素子のキュリー点より５０℃低い温度以上のキュリー点を有する誘電体からなる、温度検知素子と、前記温度検知素子から起電力を検出することにより、前記温度検知素子の電気分極を検知する、第２電極とを備え、前記制御手段は、前記電圧印加手段を作動または停止させることにより、少なくとも前記温度検知素子から起電力が発生するときに、前記温度検知素子に電圧を印加し、かつ、前記温度検知手段により前記熱媒体の昇温が検知されたときに、前記発電デバイスに電圧を印加し、前記温度検知手段により前記熱媒体の降温が検知されたときに、前記発電デバイスに対する電圧の印加を停止することを特徴としている。

本発明の発電システムでは、温度検知素子が、熱媒体の温度変化により起電力を生じる。そのため、温度検知素子の起電力を検知することによって、熱媒体の温度変化を検知することができる。さらに、温度検知素子として、発電素子のキュリー点より５０℃低い温度以上のキュリー点を有する誘電体を用いるため、発電素子と温度検知素子と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。

そのため、本発明の発電システムでは、熱媒体の温度変化に対して、応答性よく発電素子に電圧を印加することができる。

また、本発明の発電システムでは、少なくとも前記温度検知素子から起電力が発生するときに、温度検知素子に電圧が印加される。そのため、温度検知素子における温度変化から起電力発生までのタイムラグと、発電素子における温度変化から起電力発生までのタイムラグとを同一または近づけることができる。

そのため、このような本発明の発電システムでは、とりわけ良好に、発電素子と温度検知素子と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、とりわけ応答性よく、発電素子に電圧を印加することができる。

その結果、本発明の発電システムによれば、発電素子から、とりわけ効率的にエネルギーを取り出すことができる。

図１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２は、図１に示す発電システムの箱型収容ケースを表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気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から排気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５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、排気管１７における排気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５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気ガスが通過する。

そして、箱型収容ケース５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から排出される排気ガスを、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、排気ガスの温度変化により温度が経時的に上下される発電素子３、および、発電素子３から電力を取り出すための第１電極４を備える発電デバイス６と、排気管１７内を通過する排気ガスの温度を検知する温度検知手段としての温度検知デバイス７と、発電デバイス６および温度検知デバイス７に電気的に接続され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を作動または停止させるための制御手段としての制御装置１０とを備えている。

発電デバイス６は、箱型収容ケース５内に配置されている。

発電素子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気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。

このような発電素子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発電素子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。

発電素子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、排気ガスに接触（曝露）されるように、箱型収容ケース５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１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、排気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、第１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、後述するように排気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、後述する第１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（絶縁体）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。

発電素子３として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、排気ガスに接触（曝露）されるように、箱型収容ケース５内に配置される。

このような場合において、焦電素子は、排気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１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、後述するように排気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、後述する第１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。

このような発電素子３は、キュリー点を有する誘電体であって、具体的には、上記したように、公知の素子（例えば、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）など）、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）、Ｋ_０．５Ｎａ_０．５ＮｂＯ_３（ＫＮＮ）などを用いることができる。

また、発電素子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などの誘電体を用いることもできる。

これら発電素子３は、単独使用または２種類以上併用することができる。

発電素子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、発電素子３（誘電体（絶縁体））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。

このようなエネルギー回収システム２９では、発電素子３（誘電体（絶縁体））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、発電素子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、発電素子３（誘電体（絶縁体））は、排気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。

このような発電素子３は、箱型収容ケース５内において、例えば、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、後述する第１電極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。

また、複数の発電素子３は、それぞれ、箱型収容ケース５内において、長手方向が排気ガスの流れ方向に沿うように配置されており、各発電素子３は、直接または第１電極４（後述）を介して、排気ガスに接触（曝露）可能とされている。

なお、図１においては、１つの発電素子３（発電デバイス６）を取り出して示し、その他の発電素子３（発電デバイス６）については省略している。

第１電極４は、発電素子３から電力を取り出すために設けられる。

このような第１電極４は、具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の発電素子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、発電素子３に電気的に接続されている。

温度検知デバイス７は、排気管１７内において、発電デバイス６の設置される箱型収容ケース５の上流側に配置され、図示しないフレームを介して排気管１７内の中央付近において支持されている。

具体的には、温度検知デバイス７は、発電素子３（発電デバイス６）との距離は特に制限されないが、例えば、エンジン１１からの排気ガスが５０Ｈｚの周期で温度変化するものであって、その流速が１０ｍ／ｓである場合には、排気管１７内において、箱型収容ケース５内の発電素子３（発電デバイス６）の上流側に、発電素子３の上流側端部に対して、２０ｃｍ以内の間隔を隔てて配置することが好適である。

温度検知デバイス７は、温度検知素子３５と第２電極３６とを備えている。

温度検知素子３５は、エンジン１１から排出され、温度が経時的に上下する排気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する素子である。つまり、温度検知素子３５は、上記した素子（例えば、ピエゾ素子、焦電素子など）であり、具体的には、キュリー点を有する誘電体である。

温度検知素子３５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、排気ガスに接触（曝露）されるように、排気管１７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電極３６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、排気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、第２電極３６を介して、ピエゾ素子から起電力が検出される。

また、温度検知素子３５として焦電素子が用いられる場合には、焦電素子は、排気ガスに接触（曝露）されるように、排気管１７内に配置される。

このような場合において、焦電素子は、排気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電極３６を介して、焦電素子から起電力が検出される。

温度検知素子３５から、第２電極３６により検出される起電力は、上記発電素子３から第１電極４により取り出される電力と同様に、経時的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として検出される。

これら温度検知素子３５は、単独使用または２種類以上併用することができる。

温度検知素子３５を構成する誘電体としては、発電素子３を構成する誘電体として例示されたものが挙げられ、温度検知素子３５を構成する誘電体と、発電素子３を構成する誘電体とは同一種類である。また、温度検知素子３５のキュリー点は、例えば、−７７℃以上、好ましくは、−１０℃以上であり、また、例えば、１３００℃以下、好ましくは、９００℃以下である。

具体的には、発電素子３を構成する誘電体と同一種類の温度検知素子３５を構成する誘電体のキュリー点は、発電素子３を構成する誘電体のキュリー点より、５０℃低い温度以上、好ましくは、１０℃低い温度以上であることが好適である。以後、このような誘電体を、発電素子を構成する誘電体と同一仕様の誘電体であると定義する。

また、発電効率の観点から、好ましくは、温度検知素子３５のキュリー点と、発電素子３のキュリー点とが同一であり、より好ましくは、温度検知素子３５と発電素子３とが同一の素子である。

また、発電素子３（誘電体（絶縁体））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。

第２電極３６は、温度検知素子３５から起電力を検出し、温度検知素子３５の電気分極を検知するために設けられる。

このような第２電極３６は、具体的には、温度検知素子３５から起電力を検出し、温度検知素子３５の電気分極を検知できれば、特に制限されないが、例えば、上記の温度検知素子３５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、温度検知素子３５に電気的に接続されている。

電圧印加装置９は、発電素子３（発電デバイス６）および温度検知素子３５（温度検知デバイス７）に電圧を印加するために、発電素子３（発電デバイス６）および温度検知素子３５（温度検知デバイス７）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１電極４とは別途、上記の発電素子３および第１電極４を挟んで対向配置される２つの電圧印加電極３７（例えば、銅電極、銀電極など）、上記の温度検知素子３５および第２電極３６を挟んで対向配置される２つの温度検知用電圧印加電極３８（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いる。

そして、電圧印加装置９は、電圧印加電極３７間に発電素子３および第１電極４を介在させ、また、温度検知用電圧印加電極３８間に温度検知素子３５および第２電極３６を介在させるように、配置されている。

制御装置１０は、エネルギー回収システム２９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、温度検知デバイス７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、上記した温度検知デバイス７によって検知される排ガスの温度変化や、温度検知デバイス７における温度検知素子３５の起電力などに応じて、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、温度検知素子３５に供給される排気ガスの温度と、温度検知素子３５の温度と、温度検知素子３５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。

すなわち、上記した温度検知素子３５は、温度が経時的に上下する排気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、排気ガスの温度と、温度検知素子３５の温度との間には、相関がある。また、温度検知素子３５の温度と、温度検知素子３５において生じる起電力との間にも、相関がある。このような相関関係に基づいて、温度検知素子３５に供給される排気ガスの温度と、温度検知素子３５の温度と、温度検知素子３５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、温度検知素子３５において生じる起電力から、温度検知素子３５の温度、および、温度検知素子３５に供給される排気ガスの温度を、予測（算出）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、予測（算出）される排気ガスの温度に基づいて、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、発電素子３および第１電極４を備える発電デバイス６と、温度検知素子３５および第２電極３６を備える温度検知デバイス７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（排気ガス）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、高温の排気ガスが、排気管１７に排気される。

そして、各気筒１２において生じた排気ガスは、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、温度検知デバイス７に接触した後、箱型収容ケース５を介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から排出される排気ガスの温度は、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の熱が排気ガスを介して伝達されるため、排気ガスの温度（排気管１７および箱型収容ケース５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および排気ガスの温度は、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５と、箱型収容ケース５の上流側に、温度検知素子３５および第２電極３６を備える温度検知デバイス７とが配置され、第２電極３６が、制御装置１０と電気的に接続されている。

箱型収容ケース５には、発電素子３および第１電極４を備える発電デバイス６と電圧印加電極３７とが複数整列配置され、電圧印加電極３７（電圧印加装置９）が、制御装置１０と電気的に接続されている。

そのため、エンジン１１から排出される排気ガスが、まず、温度検知素子３５に接触する。

これにより、まず、エンジン１１の熱エネルギーが、排気ガスを介して、温度検知素子３５に伝達され、温度検知素子３５が加熱および／または冷却される。すなわち、温度検知素子３５が、エンジン１１、および、そのエンジン１１の熱を伝達する排気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、温度検知素子３５を、経時的に高温状態または低温状態にすることができ、温度検知素子３５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、第２電極３６を介して、温度検知素子３５から起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、検出することができる。

その後、温度検知素子３５から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、温度検知素子３５が昇温状態であるか、降温状態であるかが検知される。すなわち、温度検知素子３５の状態を検知することにより、排気ガスおよび発電素子３が昇温状態であるか、降温状態であるか判断される。より具体的には、例えば、温度検知素子３５から検出された起電力が、予め設定された所定の値（例えば、＋１ｍＶ／ｓ）以上の変動があった場合に、温度検知素子３５は昇温状態であると検知され、排気ガスおよび発電素子３も昇温状態であると判断される。また、温度検知素子３５から検出された起電力が、予め設定された所定の値（例えば、−１ｍＶ／ｓ）以上の変動があった場合に、温度検知素子３５は降温状態であると検知され、排気ガスおよび発電素子３も降温状態であると判断される。

そして、この発電システム１では、温度検知素子３５が昇温状態であると検知されたときには、排ガスおよび発電素子３が昇温状態であると検知される。このとき、制御装置１０によって電圧印加装置９を作動させ、発電素子３（発電デバイス６）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、温度検知素子３５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、温度検知素子３５が降温状態であると検知されたときには、排ガスおよび発電素子３が降温状態であると検知される。このとき、制御装置１０によって電圧印加装置９を停止させ、発電素子３（発電デバイス６）に対する電圧の印加を停止させる。

電圧の印加を停止する時間は、温度検知素子３５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、温度検知素子３５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、発電素子３（発電デバイス６）に電圧が印加される。一方、温度検知素子３５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。

次いで、温度検知素子３５に接触した排気ガスは、発電素子３と接触する。

これにより、エンジン１１の熱エネルギーが、排気ガスを介して、発電素子３に伝達され、発電素子３が加熱および／または冷却される。すなわち、発電素子３が、エンジン１１、および、そのエンジン１１の熱を伝達する排気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、発電素子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、発電素子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１電極４を介して、各発電素子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。

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から電圧が印加されるため、発電素子３の発電量が増加し、より効率的に発電することができる。

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１電極４に接続される昇圧器３０で昇圧し、交流／直流変換器３１において直流電圧に変換した後、バッテリー３２に蓄電する。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。

このような発電システム１によれば、発電素子３を構成する誘電体と同一仕様の誘電体から構成される温度検知素子３５を用いているため、発電素子３と温度検知素子３５と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。

具体的には、熱電対を用いた温度センサにより発電素子３の温度を検知する場合や、エンジン１１などの駆動状況などから発電素子３の温度を予測する温度予測システムの技術を用いる場合よりも、この発電システム１を用いれば、温度検知素子３５に、発電素子３と同一種類の素子（キュリー点を有する誘電体）を用いているため、より一層温度変化に対する応答性が向上し、発電素子３の温度変化に対する応答性と同一または近づけることができる。

そのため、発電素子３の温度変化に対して、応答性よく発電素子３に電圧を印加することができる。

したがって、発電素子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。

一方、発電素子３および温度検知素子３５は、排ガス（熱媒体）の温度変化により、発電素子３および温度検知素子３５が温度変化し、起電力を生じるが、発電素子３および温度検知素子３５における温度変化から、起電力の発生までには、わずかに時間を要する（例えば、０．０１〜１秒）。すなわち、温度変化と、起電力の発生との間には、タイムラグがある。

そのため、通常、温度検知素子３５において起電力が検知されると、上記のタイムラグ（例えば、０．０１〜１秒）を遡上（すなわち、逆算）して、温度変化の開始点が検知される。

しかしながら、発電素子３に電圧が印加される場合には、上記のタイムラグの長さは、発電素子３に印加される電圧の大きさや、電圧の印加履歴などによって変化する。

そのため、例えば、発電素子３に対して電圧が印加され、一方、温度検知素子３５に対して電圧が印加されない場合には、温度検知素子３５におけるタイムラグと、発電素子３におけるタイムラグとに差が生じる。その結果、発電素子３と温度検知素子３５との温度変化に対する応答性が異なり、排ガスの温度変化に対して、応答性よく発電素子に電圧を印加できない場合がある。

そこで、この発電システム１では、温度検知素子３５にも電圧を印加する。

より具体的には、上記の発電システム１では、少なくとも温度検知素子３５から起電力が発生するときに、電圧印加装置９を作動させ、温度検知素子３５に電圧を印加する。

温度検知素子３５に起電力が発生するタイミングは、例えば、温度検知素子３５が昇温（または降温）するタイミングであって、公知の方法によって、予測することができる。

具体的には、例えば、自動車８の走行条件などによって、排ガスの温度変化（昇温および降温）を予測することができ、その排ガスの温度変化に基いて、温度検知素子３５温度変化（昇温および降温）を予測することができ、その結果、温度検知素子３５に起電力が発生するタイミングを予測することができる。

そして、その予測に基いて、すなわち、温度検知素子３５に起電力が発生するタイミングで、温度検知素子３５に電圧を印加することができる。

印加される電圧は、通常、発電素子３に印加される電圧の大きさと同じである。

また、電圧を印加する時間は、温度検知素子３５が昇温中と予測される間である。なお、温度検知素子３５が降温中と予測されるときには、温度検知素子３５に対する電圧の印加が停止される。

このような発電システム１では、少なくとも温度検知素子３５から起電力が発生するときに、温度検知素子３５に電圧が印加される。そのため、温度検知素子３５における温度変化から起電力発生までのタイムラグと、発電素子３における温度変化から起電力発生までのタイムラグとを、同一または近づけることができる。

そのため、このような発電システム１によれば、とりわけ良好に、発電素子３と温度検知素子３５と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、とりわけ応答性よく発電素子に電圧を印加することができる。

その結果、このような発電システム１によれば、発電素子から、とりわけ効率的にエネルギーを取り出すことができる。

なお、上記した説明では、温度検知素子３５から起電力が発生するタイミングを予測し、その予測に基いて、温度検知素子３５に電圧を印加している。しかし、発電システム１においては、少なくとも、温度検知素子３５に起電力が発生しているときに、温度検知素子３５に対して電圧が印加されていればよい。そのため、例えば、発電システム１の作動中、すなわち、エンジン１１の駆動中において、温度検知素子３５に電圧を印加し続けることもできる。

より具体的には、この方法では、エンジン１１の駆動に伴って、電圧印加装置９が作動され、温度検知素子３５に電圧が印加される。そして、エンジン１１が停止すると、温度検知素子３５に対する電圧の印加が停止される。すなわち、エンジン１１の駆動開始から停止までの間、継続的に、温度検知素子３５に電圧が印加される。

このような発電システム１でも、少なくとも温度検知素子３５から起電力が発生するときに、温度検知素子３５に電圧が印加される。そのため、温度検知素子３５における温度変化から起電力発生までのタイムラグと、発電素子３における温度変化から起電力発生までのタイムラグとを、同一または近づけることができる。

そのため、このような発電システム１によれば、とりわけ良好に、発電素子３と温度検知素子３５と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、とりわけ応答性よく発電素子に電圧を印加することができる。

その結果、このような発電システム１によれば、発電素子から、とりわけ効率的にエネルギーを取り出すことができる。

なお、このような発電システム１において、発電素子３および温度検知素子３５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、温度検知素子３５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、温度検知素子３５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、発電素子３および温度検知素子３５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。

また、上記の説明では、温度検知デバイス７は、箱型収容ケース５内の発電デバイス６の上流側端部に対して、例えば、２０ｃｍ以内の間隔を隔てて配置しているが、温度検知素子３５を昇温状態にした排気ガスが発電素子３を通過するタイミングに合わせるために、制御装置１０により、電圧印加装置９が電圧を印加するタイミングを早めたり、遅らせたりすることもできる。

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。

また、上記した説明では、第１電極４および電圧印加電極３７を、それぞれ別々の電極として説明したが、それらを１つの電極として形成することもできる。

また、上記した説明では、第２電極３６および温度検知用電圧印加電極３８をそれぞれ別々の電極として説明したが、それらを１つの電極として形成することもできる。

また、上記した説明では、電圧印加電源Ｖと電圧印加電極３７とを電気的に接続する導線、電圧印加電源Ｖと温度検知用電圧印加電極３８とを電気的に接続する導線、および、制御装置１０と第２電極３６とを電気的に接続する導線を、それぞれ別々の導線として説明したが、それぞれの導線について、それらの一部を共通化させ、１つの導線として形成することもできる。

また、上記した説明では、１つの電圧印加電源Ｖにより、発電素子３と温度検知素子３５とに電圧を印加したが、例えば、発電素子３に電圧を印加するための電圧印加電源と、温度検知素子３５に電圧を印加するための電圧印加電源とを、それぞれ設けることもできる。

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、熱媒体が排気ガスである。より好ましくは、熱源が動力システム２である。

１ 発電システム
２ 動力システム
３ 発電素子
４ 第１電極
５ 箱型収容ケース
６ 発電デバイス
７ 温度検知デバイス
９ 電圧印加装置
１０ 制御装置
１１ エンジン
１７ 排気管
２９ エネルギー回収システム
３５ 温度検知素子
３６ 第２電極
３７ 電圧印加電極

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、
   前記熱媒体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、キュリー点を有する誘電体からなる、発電素子、および、前記発電素子から電力を取り出すための第１電極を備える発電デバイスと、
   前記流路内において、前記発電デバイスの上流側に配置され、前記流路内を通過する前記熱媒体の温度を検知する、温度検知手段と、
   前記発電デバイスおよび前記温度検知手段に電気的に接続される電圧印加手段と、
   前記電圧印加手段を作動または停止させるための制御手段とを備え、
   前記温度検知手段は、
   前記熱媒体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、前記発電素子と同一のキュリー点を有する誘電体からなる、温度検知素子と、
   前記温度検知素子から起電力を検出することにより、前記温度検知素子の電気分極を検知する、第２電極と
   を備え、
   前記制御手段は、前記電圧印加手段を作動または停止させることにより、
   少なくとも前記温度検知素子から起電力が発生するときに、前記温度検知素子に電圧を印加し、
   かつ、
   前記温度検知手段により前記熱媒体の昇温が検知されたときに、前記発電デバイスに電圧を印加し、
   前記温度検知手段により前記熱媒体の降温が検知されたときに、前記発電デバイスに対する電圧の印加を停止する
   ことを特徴とする、発電システム。
   

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