WO2017130626A1 - 発電システム - Google Patents

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WO2017130626A1
WO2017130626A1 PCT/JP2016/088979 JP2016088979W WO2017130626A1 WO 2017130626 A1 WO2017130626 A1 WO 2017130626A1 JP 2016088979 W JP2016088979 W JP 2016088979W WO 2017130626 A1 WO2017130626 A1 WO 2017130626A1
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WO
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electrode
temperature
power generation
generation system
heat source
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/088979
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English (en)
French (fr)
Inventor
暁 山中
允護 金
啓 中島
周永 金
敬典 加藤
田中　裕久
中山　忠親
雅敏 武田
山田　昇
新原　晧一
Original Assignee
ダイハツ工業株式会社
国立大学法人長岡技術科学大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N11/00—Generators or motors not provided for elsewhere; Alleged perpetua mobilia obtained by electric or magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors

Definitions

  • the present invention relates to a power generation system, and more particularly to a power generation system mounted on a vehicle such as an automobile.
  • a heat source whose temperature rises and falls over time, a first device (such as a dielectric) that is electrically polarized by a temperature change of the heat source, and power extraction from the first device.
  • a power generation system is proposed that includes a second device (electrode or the like) that is opposed to the first device. Further, it has been proposed to improve the power generation efficiency by energizing an electrode provided as the second device according to the temperature of the first device and applying a voltage to the first device. . (For example, refer to Patent Document 1).
  • An object of the present invention is to provide a power generation system capable of suppressing creeping discharge and preventing breakage.
  • the present invention [1] includes a heat source whose temperature rises and falls over time, a first device whose temperature rises and falls over time due to a temperature change of the heat source, and a first device for taking out electric power from the first device.
  • Two devices a detecting means for detecting the temperature of the first device, and a voltage applying means for applying a voltage to the first device, wherein the second device has a first electrode and a second electrode having different polarities from each other.
  • the power generation system includes an electrode, and the first electrode and the second electrode are embedded in the first device so as to face each other.
  • the present invention [2] is an internal combustion engine in which the heat source includes an engine and an exhaust pipe for exhausting exhaust gas from the engine, and the first device and the second device are disposed in the exhaust pipe.
  • the power generation system according to the above [1] is included.
  • the first electrode and the second electrode are embedded in the first device and are not exposed to the outside air, creeping discharge is generated even when the first electrode and the second electrode are energized. It is possible to suppress the damage of the power generation device.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a power generation system of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view showing a first device, a first electrode, and a second electrode in another embodiment of the power generation system of the present invention, and FIG. 2A shows a plurality of first electrodes and a plurality of second electrodes. Embedded in the first device, FIG. 2B shows the one end edge in the longitudinal direction of the first electrode and the other edge in the longitudinal direction of the second electrode are the peripheral edges of the first device.
  • FIG. 2C shows a form in which both longitudinal end edges of the first electrode and the longitudinal end edges of the second electrode are exposed from the peripheral edge of the first device.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an embodiment in which the power generation system of the present invention is mounted on a vehicle.
  • FIG. 4 is an enlarged view of a main part of the power generation system shown in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a power generation system of the present invention.
  • a power generation system 1 includes a heat source 2 whose temperature rises and falls over time, a first device 3 whose temperature rises and falls over time due to a temperature change of the heat source 2, and electric power from the first device 3.
  • a control unit 10 for actuating and stopping the device 9.
  • the heat source 2 is not particularly limited as long as it is a heat source whose temperature rises and falls over time, specifically, a heat source whose temperature changes periodically over time.
  • various energy utilization devices such as an internal combustion engine and a light emitting device Is mentioned.
  • An internal combustion engine is a device that outputs power, for example, for a vehicle.
  • a single cylinder type or a multi-cylinder type is adopted, and a multi-cycle type (for example, a 2-cycle type, a 4-cycle type) is used in each cylinder. System, 6-cycle system, etc.) are employed.
  • pistons are repeatedly moved up and down in each cylinder.
  • an intake process, a compression process, an explosion process, an exhaust process, and the like are sequentially performed, and fuel is discharged. It is burned and power is output.
  • the amount of exhaust gas in the exhaust gas pipe is reduced, so that the internal temperature of the exhaust gas pipe decreases compared to the exhaust process.
  • the temperature of the internal combustion engine rises in the exhaust process and falls in the intake process, the compression process, and the explosion process, that is, rises and falls over time.
  • each of the above steps is periodically and sequentially repeated according to the piston cycle
  • the inside of the exhaust gas pipe of each cylinder in the internal combustion engine is periodically cycled with the repetition cycle of each of the above steps.
  • a temperature change more specifically, a high temperature state and a low temperature state are periodically repeated.
  • the temperature of the light emitting device rises due to the heat energy using light such as infrared rays and visible light as a heat medium. Therefore, the temperature of the light emitting device increases and decreases over time by turning on (emitting) and turning off over time.
  • the light-emitting device is a light-emitting device (blinking (flashing) type light-emitting device) in which lighting is turned on and off intermittently over time
  • the light-emitting device is turned on (light-emitting). Due to the thermal energy of the light, a temperature change periodically, more specifically, a high temperature state and a low temperature state are periodically repeated.
  • the heat source 2 for example, a plurality of heat sources can be provided, and a temperature change can be caused by switching between the plurality of heat sources.
  • two heat sources a low-temperature heat source (such as a coolant) and a high-temperature heat source (eg, a heating material) having a higher temperature than the low-temperature heat source, are prepared as the heat source.
  • a low-temperature heat source such as a coolant
  • a high-temperature heat source eg, a heating material
  • the temperature as the heat source can be increased or decreased over time, and in particular, the temperature can be periodically changed by periodically switching the low temperature heat source and the high temperature heat source.
  • the heat source 2 provided with the several heat source which can be switched For example, the high temperature air provided with the low temperature air supply system for combustion, the thermal storage heat exchanger, the high temperature gas exhaust system, and the supply / exhaust switching valve Combustion furnace (for example, a high-temperature gas generator described in Republished No. 96-5474), for example, a seawater exchange device using a high-temperature heat source, a low-temperature heat source, and a hydrogen storage alloy (hydrogen storage alloy actuator type seawater exchange device), etc. Is mentioned.
  • These heat sources 2 can be used alone or in combination of two or more.
  • the heat source 2 is preferably an internal combustion engine.
  • the first device 3 is a device that is electrically polarized in accordance with the temperature change of the heat source 2.
  • the electric polarization referred to here is a phenomenon in which a potential difference occurs due to dielectric polarization due to displacement of positive and negative ions due to crystal distortion, such as a piezo effect and / or a phenomenon in which a dielectric constant changes due to a temperature change and a potential difference occurs, such as pyroelectricity. It is defined as a phenomenon in which an electromotive force is generated in a material, such as an effect.
  • examples of the first device 3 include a device that is electrically polarized by a piezo effect and a device that is electrically polarized by a pyroelectric effect.
  • the piezo effect is an effect (phenomenon) in which when stress or strain is applied, it is electrically polarized according to the magnitude of the stress or strain.
  • the first device 3 that is electrically polarized by such a piezo effect is not particularly limited, and a known piezo element (piezoelectric element) can be used.
  • the piezo element When a piezo element is used as the first device 3, the piezo element, for example, is in contact with the heat source 2 in a state where its periphery is fixed by a known fixing member and volume expansion is suppressed, or It arrange
  • the heat medium exhaust gas mentioned above, light, etc.
  • the piezo element is heated or cooled (possibly via a heat medium (exhaust gas, light, etc.) as described above) due to a change in temperature of the heat source 2 with time, thereby expanding. Or shrink.
  • a heat medium exhaust gas, light, etc.
  • the piezo element is pressed by the fixing member and is electrically polarized by the piezo effect (piezoelectric effect) or phase transformation near the Curie point. . Thereby, as will be described in detail later, power is extracted from the piezo element via the second device 4.
  • such a piezo element is normally maintained in a heated state or a cooled state, and when its temperature becomes constant (that is, a constant volume), the electric polarization is neutralized, and then cooled or heated, Again, it is electrically polarized.
  • the piezo element is periodically heated and cooled. Electrical polarization and its neutralization are repeated periodically.
  • electric power is extracted as a waveform (for example, alternating current, pulsating flow) that periodically fluctuates by the second device 4 described later.
  • a waveform for example, alternating current, pulsating flow
  • the pyroelectric effect is, for example, an effect (phenomenon) in which the insulator is electrically polarized in accordance with a change in temperature when the insulator (dielectric) is heated and cooled, and includes the first effect and the second effect. It is out.
  • the first effect is an effect in which, when the insulator is heated and cooled, it spontaneously polarizes due to the temperature change and generates a charge on the surface of the insulator.
  • the second effect is an effect that pressure deformation occurs in the crystal structure due to temperature changes during heating and cooling of the insulator, and piezoelectric polarization occurs due to stress or strain applied to the crystal structure (piezo effect, piezoelectric effect). ).
  • the device that is electrically polarized by such a pyroelectric effect is not particularly limited, and a known pyroelectric element can be used.
  • the pyroelectric element When a pyroelectric element is used as the first device 3, the pyroelectric element is in contact with the heat source 2 or in contact with a heat medium (exhaust gas, light, or the like described above) that transmits the heat of the heat source 2 ( To be exposed).
  • a heat medium exhaust gas, light, or the like described above
  • the pyroelectric element is heated or cooled (possibly via a heat medium (exhaust gas, light, etc.) described above) due to a change in temperature of the heat source 2 with time, and the pyroelectric effect (first The electric polarization is caused by the first effect and the second effect.
  • electric power is taken out from the pyroelectric element via the second device 4.
  • Such pyroelectric elements are usually maintained in a heated state or a cooled state, and when the temperature becomes constant, the electric polarization is neutralized, and then cooled or heated again to be electrically polarized again. .
  • the pyroelectric element is periodically heated and cooled.
  • the electrical polarization of the element and its neutralization are repeated periodically.
  • electric power is extracted as a waveform (for example, alternating current, pulsating flow) that periodically fluctuates by the second device 4 described later.
  • a waveform for example, alternating current, pulsating flow
  • the first device 3 is a known pyroelectric element (for example, BaTiO 3 , CaTiO 3 , (CaBi) TiO 3 , BaNd 2 Ti 5 O 14 , BaSm 2 Ti 4.
  • a known pyroelectric element for example, BaTiO 3 , CaTiO 3 , (CaBi) TiO 3 , BaNd 2 Ti 5 O 14 , BaSm 2 Ti 4.
  • lead zirconate titanate Pb (Zr, Ti) O 3
  • known piezo elements eg quartz (SiO 2 ), zinc oxide (ZnO), Rochelle salt (potassium tartrate-sodium) (KNaC 4 H 4 O 6)
  • lead zirconate titanate PZT: Pb (Zr, Ti ) O 3
  • lithium niobate LiNbO 3
  • lithium tantalate LiTaO 3
  • lithium tetraborate Li 2 B 4 O 7
  • Langasite La 3 Ga 5 SiO 14
  • Aluminum Nitride AlN
  • Tourmaline Poly Vinylidene fluoride (PVDF), etc.
  • These first devices 3 can be used alone or in combination of two or more.
  • the Curie point of the first device 3 is, for example, ⁇ 77 ° C. or higher, preferably ⁇ 10 ° C. or higher, for example, 1300 ° C. or lower, preferably 900 ° C. or lower.
  • the relative dielectric constant of the first device 3 is, for example, 1 or more, preferably 100 or more, more preferably 2000 or more.
  • the first device 3 (insulator (dielectric)) is electrically polarized by the temperature change of the heat source 2, and the electrical polarization may be any of electronic polarization, ionic polarization, and orientation polarization.
  • a material for example, a liquid crystal material
  • polarization by orientation polarization it is expected that power generation efficiency can be improved by changing the molecular structure.
  • the shape of the first device 3 is not particularly limited, and various shapes such as a plate shape, a cube shape, a lump shape, and a sheet shape are adopted.
  • a second device 4 described later is embedded in the first device 3.
  • the first device 3 covers the second device 4, and the surface of the first device 3 is exposed to the outside air.
  • the second device 4 includes a first electrode 4a and a second electrode 4b having different polarities.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are, for example, a gold electrode and a silver electrode, and are formed in an arbitrary shape. Although it does not restrict
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are embedded in the first device 3 so as to face each other. Thereby, the first electrode 4a and the second electrode 4b are all covered with the first device 3 on the front surface, the back surface, and the peripheral side surface without being exposed to the outside air.
  • the second device 4 includes a conductive wire connected to the first electrode 4a and the second electrode 4b. Specifically, one end of the conducting wire is embedded in the first device 3 and connected to the first electrode 4a and the second electrode 4b. The other end of the conducting wire is sequentially electrically connected to a booster 5, an AC / DC converter (AC-DC converter) 6, and a battery 7.
  • AC-DC converter AC-DC converter
  • the first electrode 4 a and the second electrode 4 b can be used as electrodes for taking out electric power from the first device 3.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are electrically connected to a voltage applying device 9 (described later) through a conducting wire.
  • the first electrode 4 a and the second electrode 4 b can be used as electrodes for applying a voltage to the first device 3.
  • the temperature sensor 8 is provided close to or in contact with the first device 3 in order to detect the temperature of the first device 3.
  • the temperature sensor 8 directly detects the surface temperature of the first device 3 as the temperature of the first device 3, or detects the ambient temperature around the first device 3, for example, an infrared radiation thermometer, A known temperature sensor such as a thermocouple thermometer is used.
  • the voltage application device 9 includes a voltage application power source 31.
  • the voltage application power source 31 is provided to energize the first electrode 4a and the second electrode 4b and apply a voltage to the first device 3, and to the first electrode 4a and the second electrode 4b via a conducting wire. It is connected.
  • the control unit 10 is a unit (for example, ECU: Electronic Control Unit) that performs electrical control in the power generation system 1, and is configured by a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like.
  • the control unit 10 is electrically connected to the temperature sensor 8 and the voltage application device 9 and operates and stops the voltage application device 9 according to the temperature detected by the temperature sensor 8 as described later.
  • the temperature of the heat source 2 is increased and decreased over time, specifically, periodically, and the first device 3 is heated by the heat source 2. And / or cool.
  • the temperature of the heat source 2 is, for example, 100 to 1200 ° C., preferably 700 to 900 ° C. in the high temperature state, and the temperature in the low temperature state is lower than the temperature in the above high temperature state. More specifically, for example, 50 to 800 ° C., preferably 200 to 500 ° C., and the temperature difference between the high temperature state and the low temperature state is, for example, 10 to 600 ° C., preferably 20 to 500 ° C. is there.
  • the repetition cycle between the high temperature state and the low temperature state is, for example, 10 to 400 cycles / second, preferably 30 to 100 cycles / second.
  • the above-mentioned first device 3 is periodically electrically polarized. Thereafter, via the second device 4, the electric power can be taken out as a waveform (for example, alternating current, pulsating current) that periodically varies according to the periodic electrical polarization of the first device 3.
  • a waveform for example, alternating current, pulsating current
  • a voltage is applied to the first device 3 in accordance with the temperature state of the first device 3 in order to generate power more efficiently.
  • the temperature of the first device 3 is detected by the temperature sensor 8 as well as the heating and / or cooling by the heat source 2, and the voltage application device 9 is operated based on the detection of the temperature. And stop.
  • the temperature of the first device 3 is continuously measured by the temperature sensor 8 together with the heating and / or cooling by the heat source 2 described above, and the first device 3 is in a temperature rising state. Or whether the temperature is in the lowered state. For example, when the temperature of the first device 3 detected by the temperature sensor 8 is increased by a predetermined value (for example, 0.2 ° C./s), it is detected that the temperature has risen. Further, when the temperature of the first device 3 is lowered by a predetermined value (for example, 0.2 ° C./s), it is detected that the temperature is in the lowered state.
  • a predetermined value for example, 0.2 ° C./s
  • the voltage application device 9 when it is detected that the first device 3 is in the temperature rising state, the voltage application device 9 is operated to energize the first electrode 4 a and the second electrode 4 b, and the first device 3. A predetermined voltage is applied to.
  • size of a voltage is suitably set according to the objective and a use. The time for applying the voltage is until the first device 3 reaches the temperature-decreasing state, and specifically, the temperature-rising state.
  • the voltage applying device 9 is stopped by the control unit 10, the energization to the first electrode 4 a and the second electrode 4 b is stopped, and the voltage to the first device 3 is stopped.
  • the application of is stopped.
  • the time for stopping the application of the voltage is until the first device 3 reaches the temperature rising state, specifically, the temperature falling state.
  • the voltage application device 9 when the temperature rise of the first device 3 is detected, the voltage application device 9 is activated and a voltage is applied to the first device 3. On the other hand, when the temperature drop of the first device 3 is detected, the voltage application device 9 is stopped and the application of the voltage is stopped.
  • the extracted power is boosted in a state of a waveform that fluctuates periodically (for example, alternating current, pulsating current) in the booster 5 connected to the second device 4.
  • a booster capable of boosting AC voltage with excellent efficiency by a simple configuration using, for example, a coil and a capacitor is used.
  • the electric power boosted by the booster 5 is converted into a DC voltage by the AC / DC converter 6 and then stored in the battery 7.
  • the power generation system 1 can extract power from the first device 3.
  • the heat source 2 since the heat source 2 whose temperature goes up and down with time is used, a fluctuating voltage (for example, AC voltage) can be taken out, and as a result, it is taken out as a constant voltage (DC voltage). Compared to the case, it is possible to store the voltage by boosting it with excellent efficiency with a simple configuration.
  • the heat source 2 is a heat source that periodically changes in temperature, electric power can be extracted as a waveform that varies periodically. As a result, the electric power can be boosted with higher efficiency and stored with a simple configuration. can do.
  • the first electrode 4 a and the second electrode 4 b are arranged so as to sandwich the first device 3, and the thickness direction one side surface of the first electrode 4 a and the thickness direction other side of the second electrode 4 b are disposed.
  • creeping discharge may occur when the first electrode 4 a and the second electrode 4 b are energized by the voltage application device 9, and the power generation system 1 may be damaged.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are embedded in the first device 3 and are not exposed to the outside air. Even when energized, creeping discharge can be suppressed and damage to the power generation device can be prevented.
  • each of the first electrode 4a and the second electrode 4b is embedded in the first device 3 one by one, but the number of the first electrode 4a and the second electrode 4b is not particularly limited.
  • a plurality of first electrodes 4 a and a plurality of second electrodes 4 b may be embedded in the first device 3.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are embedded in the first device 3 so that the first electrode 4a and the second electrode 4b are alternately arranged in the thickness direction, and the first electrode 4a and the second electrode 4b face each other. To do.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are embedded in the first device 3 and are not exposed to the outside air, the first electrode 4a and the second electrode 4b are energized. However, creeping discharge can be suppressed and damage to the power generation device can be prevented.
  • the first electrode 4 a and the second electrode 4 b are so arranged that all of the front surface, the back surface, and the peripheral side surfaces (entire surface) of the first electrode 4 a and the second electrode 4 b are embedded in the first device 3.
  • 2B for example, as shown in FIG. 2B, the end surface on the one side in the longitudinal direction of the first electrode 4a (the right side on the paper surface), the end surface on the other side in the longitudinal direction of the second electrode 4b (the left side on the paper surface), etc.
  • the first device 3 may be exposed from the peripheral end surface of the first device 3, and as shown in FIG. 2C, both the longitudinal end surfaces of the first electrode 4 a and the longitudinal end surfaces of the second electrode 4 b are the first device 3. It may be exposed from the peripheral end face.
  • the thickness direction of the first electrode 4a Compared to the case where the one side (upper side of the paper) surface, the other side in the thickness direction of the second electrode 4b (lower side of the paper) is exposed to the outside air, creeping discharge can be suppressed and damage to the power generation device can be prevented. it can.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are preferably embedded in the first device 3 (FIGS. 1 and 2A), first, The form (FIG. 2B) with which the longitudinal direction one side end surface of the electrode 4a and the longitudinal direction other side end surface of the 2nd electrode 4b are exposed from the surrounding end surface of the 1st device 3 is mentioned, More preferably, the 1st electrode 4a is mentioned. And the form (FIG. 1, FIG. 2A) with which the whole surface of the 2nd electrode 4b is embed
  • a power generation system 1 can suppress creeping discharge and can prevent damage to a power generation device, it is suitable as a power generation system mounted on a vehicle such as an automobile. Used.
  • FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an embodiment in which the power generation system of the present invention is mounted on a vehicle
  • FIG. 4 is an enlarged view of a main part of the power generation system shown in FIG.
  • the automobile 25 includes an internal combustion engine 11, a catalyst mounting portion 12, an exhaust pipe 13, a muffler 14, and a discharge pipe 15.
  • the internal combustion engine 11 includes an engine 16 and an exhaust manifold 17 as an exhaust pipe for discharging exhaust gas from the engine 16.
  • the engine 16 is a multi-cylinder (4-cylinder) multi-cycle (4-cycle) engine, and an upstream end portion of a branch pipe 18 (described later) of the exhaust manifold 17 is connected to each cylinder.
  • the exhaust manifold 17 is an exhaust manifold provided for converging exhaust gas exhausted from each cylinder of the engine 16, and a plurality of (four) branch pipes 18 (these are connected to each cylinder of the engine 16. 3 are referred to as the branch pipe 18a, the branch pipe 18b, the branch pipe 18c, and the branch pipe 18d in order from the upper side of FIG. 3), and each branch pipe on the downstream side of the branch pipe 18. And an air collecting tube 19 that integrates 18 into one.
  • each branch pipe 18 is provided with one box-shaped space 20 in the middle of the flow direction.
  • the box-shaped space 20 is a substantially rectangular parallelepiped space interposed so as to communicate with the branch pipe 18, and includes a plurality of first devices 3 and second devices 4 inside thereof (see FIG. 4).
  • FIG. 3 a plurality of first devices 3 are simplified, and one first device 3 is shown for one box-shaped space 20.
  • the upstream end of the branch pipe 18 is connected to each cylinder of the engine 16, and the downstream end of the branch pipe 18 and the upstream end of the air collecting pipe 19 are connected to each other. It is connected. Further, the downstream end of the air collecting pipe 19 is connected to the upstream end of the catalyst mounting portion 12.
  • the catalyst mounting unit 12 includes, for example, a catalyst carrier and a catalyst coated on the carrier, and hydrocarbons (HC), nitrogen oxides (NO x ) contained in exhaust gas discharged from the internal combustion engine 11, In order to purify harmful components such as carbon monoxide (CO), it is connected to the downstream end of the internal combustion engine 11 (exhaust manifold 17).
  • HC hydrocarbons
  • NO x nitrogen oxides
  • the exhaust pipe 13 is provided to guide the exhaust gas purified in the catalyst mounting portion 12 to the muffler 14.
  • the upstream end is connected to the catalyst mounting portion 12 and the downstream end is the muffler 14. It is connected to the.
  • the muffler 14 is provided to silence noise generated in the engine 16 (particularly, the explosion process), and an upstream end thereof is connected to a downstream end of the exhaust pipe 13. The downstream end of the muffler 14 is connected to the upstream end of the discharge pipe 15.
  • the exhaust pipe 15 is provided to discharge exhaust gas that has been exhausted from the engine 16 and sequentially passes through the exhaust manifold 17, the catalyst mounting portion 12, the exhaust pipe 13, and the muffler 14, and has been purified and silenced.
  • the upstream end is connected to the downstream end of the muffler 14, and the downstream end is open to the outside air.
  • the automobile 25 is equipped with the above-described power generation system 1.
  • the power generation system 1 includes the heat source 2, the first device 3, the second device 4, the battery 7, the temperature sensor 8, the voltage application device 9, and the control unit 10.
  • an internal combustion engine 11 is used as the heat source 2.
  • the heat source 2 is the internal combustion engine 11 including the engine 16 and the exhaust manifold 17.
  • the first device 3 is disposed in the box-shaped space 20 of each branch pipe 18.
  • a plurality of the first devices 3 are aligned and spaced apart from each other, and are fixed by a fixing member (not shown).
  • both the front and back surfaces of the first device 3 and the peripheral side surface are exposed to the outside air in the box-shaped space 20 and can be exposed (exposed) to the exhaust gas.
  • the second device 4 includes the first electrode 4a, the second electrode 4b, and a conductive wire connecting them.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are not shown, but as the enlarged view of FIG. 3 is referred to, the first electrode 4a and the second electrode 4b are opposed to each other. Embedded in the first device 3.
  • the temperature sensor 8 is arranged in the vicinity of the upstream side (the exhaust gas flow direction) of the plurality of first devices 3 in each branch pipe 18 so that the temperature thereof can be detected. Is provided.
  • the number of the temperature sensors 8 is not particularly limited as long as the temperature sensors 8 can be provided so as to detect the temperatures of the plurality of first devices 3 (see FIG. 4), and one or more temperature sensors 8 are provided as necessary.
  • the voltage application device 9 includes the voltage application power source 31, and is connected to the first electrode 4a and the second electrode 4b via a conducting wire.
  • the control unit 10 is electrically connected to the temperature sensor 8 and the voltage application device 9 as indicated by a broken line outside the box-shaped space 20.
  • control unit 10 is connected in parallel to each of the temperature sensors 8 provided in each box-type space 20 by a branching conductor or the like, and is connected to the voltage application device 9.
  • the power generation system 1 is sequentially electrically connected to the booster 5, the AC / DC converter 6, and the battery 7.
  • the pistons are interlocked to perform the intake process, the compression process, the explosion process, and the exhaust process. , Implemented in phase.
  • the fuel is combusted and power is output, and high-temperature exhaust gas passes through the branch pipe 18a and the branch pipe 18c in the exhaust process.
  • step (5) the heat of the engine 16 is transmitted through the exhaust gas (heat medium), the internal temperatures of the branch pipe 18a and the branch pipe 18c rise in the exhaust process, and other processes (intake process, compression process, explosion) In step (5), it moves up and down with time according to the piston cycle, and the high temperature state and the low temperature state are periodically repeated.
  • step (5) the heat of the engine 16 is transmitted through the exhaust gas (heat medium), the internal temperatures of the branch pipe 18b and the branch pipe 18d rise in the exhaust process, and other processes (intake process, compression process, explosion) In step (5), it moves up and down with time according to the piston cycle, and the high temperature state and the low temperature state are periodically repeated.
  • This periodic temperature change has the same period but a different phase from the periodic temperature changes of the branch pipe 18a and the branch pipe 18c.
  • the 1st device 3 is arrange
  • both the front surface and the back surface of the first device 3 are heated and / or cooled by the temperature change of the engine 16 and the heat medium that transfers the heat of the engine 16 over time.
  • the 1st device 3 can be periodically made into a high temperature state or a low temperature state, and the effect (for example, piezo element, pyroelectric element, etc.) according to the element (for example, piezo element, pyroelectric element, etc.) , Piezo effect, pyroelectric effect, etc.).
  • the effect for example, piezo element, pyroelectric element, etc.
  • the element for example, piezo element, pyroelectric element, etc.
  • Piezo effect Piezo effect, pyroelectric effect, etc.
  • the waveform (electric power is periodically fluctuate
  • the first device 3 is heated and / or cooled by the internal combustion engine 11. The temperature drop state is repeated.
  • the temperature of the first device 3 is continuously detected by the temperature sensor 8.
  • the voltage application device 9 is activated to apply a voltage to the first device 3.
  • the voltage application device 9 is stopped, and the application of the voltage to the first device 3 is stopped.
  • the electric power obtained as described above is generated in a periodically fluctuating waveform (for example, alternating current, pulsating current, etc.) in a booster (not shown) connected to the second device 4.
  • the voltage is boosted in a state, and then, if necessary, the boosted power is converted into a DC voltage by an AC / DC converter (not shown), and then stored in the battery 7.
  • the electric power stored in the battery 7 can be appropriately used as the power of the automobile 25 or various electric components mounted on the automobile 25.
  • each branch pipe 18 the exhaust gas that has passed through each branch pipe 18 is supplied to the air collecting pipe 19, collected, then supplied to the catalyst mounting section 12, and purified by the catalyst provided in the catalyst mounting section 12. Thereafter, the exhaust gas is supplied to the exhaust pipe 13, silenced in the muffler 14, and then discharged to the outside air through the discharge pipe 15.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are energized because the first electrode 4a and the second electrode 4b are embedded in the first device 3 and not exposed to the outside air. Even in this case, creeping discharge can be suppressed, and damage to the power generation device can be prevented.
  • the internal combustion engine 11 is used as the heat source 2, and the first device 3 and the second device 4 are disposed in the exhaust manifold 17.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b may be contaminated by being exposed to moisture or impurities in the exhaust manifold 17.
  • the first device 3, the first electrode 4a, and the second electrode 4b may be covered with a cover material to prevent contamination by moisture and impurities.
  • the first device 3, the first electrode 4 a, and the second electrode 4 b may be heated and cooled in the exhaust manifold 17 to thermally expand and contract.
  • the first device 3, the first electrode 4a, and the second electrode 4b are used.
  • the cover material may be damaged.
  • the first electrode 4a and the second electrode 4b are embedded in the first device 3 and are not exposed to the outside air. And contamination by impurities can be prevented.

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  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

沿面放電を抑制し、破損を防止することができる発電システムを提供すること。発電システム１が、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の温度を検知する温度センサ８と、第１デバイス３に電圧を印加する電圧印加装置９とを備える。また、第２デバイス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、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが、互いに対向するように、第１デバイス３に埋設される。

Description

発電システム
　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。
　このような方法として、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デバイスを挟んで対向配置される第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、その第１デバイスの温度などに応じて、第２デバイスとして備えられる電極に通電し、第１デバイスに対して電圧を印加することにより、発電効率の向上を図ることが、提案されている。（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０１５－１８６３５１公報
　しかし、特許文献１に記載の発電システムでは、第１デバイスを挟む電極が露出しているため、その電極に通電することにより沿面放電が生じ、発電システムの破損を惹起する場合がある。
　本発明の目的は、沿面放電を抑制し、破損を防止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［１］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デバイスに電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記第２デバイスは、互いに異なる極性を有する第１電極および第２電極を備え、前記第１電極および前記第２電極は、互いに対向するように、前記第１デバイスに埋設されている、発電システムを含んでいる。
　また、本発明［２］は、前記熱源が、エンジン、および、前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管を備える内燃機関であり、前記第１デバイスおよび前記第２デバイスが、前記排気管内に配置される、上記［１］に記載の発電システムを含んでいる。
　本発明の発電システムでは、第１電極および第２電極が第１デバイスに埋設されており、外気に露出していないため、第１電極および第２電極が通電される場合にも、沿面放電を抑制することができ、発電デバイスの損傷を防止することができる。
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の他の実施形態における第１デバイス、第１電極および第２電極を示す概略図であって、図２Ａは、複数の第１電極と、複数の第２電極とが、第１デバイスに埋設されていている形態、図２Ｂは、第１電極の長手方向一方側端縁、および、第２電極の長手方向他方側端縁が、第１デバイスの周端縁から露出している形態、図２Ｃは、第１電極の長手方向両端縁、および、第２電極の長手方向両端縁が、第１デバイスの周端縁から露出している形態をそれぞれ示す。 図３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４は、図３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、その電圧印加装置９を作動および停止させるための制御ユニット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、公知の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。
　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、ＢａＴｉＯ３、ＣａＴｉＯ３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ３、ＢａＮｄ２Ｔｉ５Ｏ１４、ＢａＳｍ２Ｔｉ４Ｏ１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム－ナトリウム）（ＫＮａＣ４Ｈ４Ｏ６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、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）、Ｃａ３（ＶＯ４）２、Ｃａ３（ＶＯ４）２／Ｎｉ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３／Ｎｉ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＴａＯ３／Ｎｉ、Ｌｉ（Ｎｂ０．４Ｔａ０．６）Ｏ３、Ｌｉ（Ｎｂ０．４Ｔａ０．６）Ｏ３／Ｎｉ、Ｃａ３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ４｝２、Ｃａ３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ４｝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、ＬａＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＭｇＮｂＯ３、ＣａＮｂＯ３、（Ｋ１／２Ｎａ１／２）ＮｂＯ３、（Ｂｉ１／２Ｋ１／４Ｎａ１／４）ＮｂＯ３、（Ｓｒ１／１００（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９９／１００）ＮｂＯ３、（Ｂａ１／１００（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９９／１００）ＮｂＯ３、（Ｌｉ１／１０（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９／１０）ＮｂＯ３などの誘電体や、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｔａ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｙｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｙｂ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３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。
　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。
　第１デバイス３の形状は、特に制限されず、板状、立方体状、塊状、シート状など、種々の形状が採用される。
　また、第１デバイス３には、後述する第２デバイス４が埋設されている。換言すれば、第１デバイス３は、第２デバイス４を被覆しており、第１デバイス３の表面が外気に露出されている。
　第２デバイス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、銀電極などであって、任意の形状に形成されている。第１電極４ａおよび第２電極４ｂの形状としては、特に制限されないが、例えば、板状、円盤状、針状などが挙げられ、好ましくは、板状が挙げられる。
　第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、互いに対向するように、第１デバイス３に埋設されている。これにより、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、外気に露出することなく、表面、裏面および周側面のすべて（すなわち、全面）が第１デバイス３に被覆されている。
　また、第２デバイス４は、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに接続される導線を備えている。具体的には、導線の一方側端部が、第１デバイス３に埋設され、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに接続されている。また、導線の他方側端部は、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。
　これにより、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、第１デバイス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。
　また、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、導線を介して、電圧印加装置９（後述）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、第１デバイス３に電圧を印加するための電極として、使用可能とされている。
　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。
　電圧印加装置９は、電圧印加電源３１を備えている。電圧印加電源３１は、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに通電し、第１デバイス３に電圧を印加するために備えられており、導線を介して、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに接続されている。
　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および電圧印加装置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による検知温度に応じて、電圧印加装置９を作動および停止させる。
　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。
　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、１００～１２００℃、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、５０～８００℃、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。
　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、取り出すことができる。
　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、その温度の検知に基づいて、電圧印加装置９を作動および停止させる。
　より具体的には、この発電システム１では、上記した熱源２による加熱および／または冷却とともに、温度センサ８によって、第１デバイス３の温度を連続的に測定し、第１デバイス３が昇温状態であるか、降温状態であるかを検知する。例えば、温度センサ８によって検知される第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℃／ｓなど）以上上昇したときに、昇温状態であると検知され、また、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℃／ｓなど）以上下降したときに、降温状態であると検知される。
　そして、この発電システム１では、第１デバイス３が昇温状態であると検知されたときには、電圧印加装置９を作動させ、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに通電して、第１デバイス３に所定の電圧を印加する。なお、電圧の大きさは、目的および用途に応じて、適宜設定される。電圧を印加する時間は、第１デバイス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、第１デバイス３が降温状態であると検知されたときには、制御ユニット１０によって電圧印加装置９を停止させ、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに対する通電を停止し、第１デバイス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、第１デバイス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。
　すなわち、上記の発電システム１では、第１デバイス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、第１デバイス３に電圧が印加される。一方、第１デバイス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。
　このように電圧印加装置９を作動させ、第１デバイス３に電圧を印加することにより、第１デバイス３から効率的に電力を取り出すことができる。
　また、この発電システム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。
　このようにして、発電システム１では、第１デバイス３から電力を取り出すことができる。
　そして、上記の発電システム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。
　一方、発電システム１において、例えば、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが第１デバイス３を挟むように配置され、第１電極４ａの厚み方向一方側表面、第２電極４ｂの厚み方向他方側表面などが外気に露出している場合、電圧印加装置９によって第１電極４ａおよび第２電極４ｂに通電したときに、沿面放電が生じ、発電システム１の破損を惹起する場合がある。
　これに対して、上記の発電システム１は、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが第１デバイス３に埋設されており、外気に露出していないため、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが通電される場合にも、沿面放電を抑制することができ、発電デバイスの損傷を防止することができる。
　なお、上記した説明では、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、それぞれ１つずつ第１デバイス３に埋設されているが、第１電極４ａおよび第２電極４ｂの数は、特に制限されず、例えば、図２Ａに示すように、複数の第１電極４ａと、複数の第２電極４ｂとが、第１デバイス３に埋設されていてもよい。
　このような場合には、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが厚み方向において交互に配置されるように、第１デバイス３に埋設され、第１電極４ａと第２電極４ｂとが、互いに対向する。
　このような場合にも、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが第１デバイス３に埋設されており、外気に露出していないため、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが通電される場合にも、沿面放電を抑制することができ、発電デバイスの損傷を防止することができる。
　また、上記した説明では、第１電極４ａおよび第２電極４ｂの表面、裏面および周側面のすべて（全面）が第１デバイス３に埋設されるように、第１電極４ａおよび第２電極４ｂを配置しているが、例えば、図２Ｂに示すように、第１電極４ａの長手方向一方側（紙面右側）側端面、第２電極４ｂの長手方向他方側（紙面左側）側端面などが、第１デバイス３の周端面から露出していてもよく、また、図２Ｃに示すように、第１電極４ａの長手方向両端面、および、第２電極４ｂの長手方向両端面が、第１デバイス３の周端面から露出していてもよい。
　このような場合にも、第１電極４ａおよび第２電極４ｂの大部分が第１デバイス３に埋設されており、外気に露出している面積が少ないため、例えば、第１電極４ａの厚み方向一方側（紙面上側）面、第２電極４ｂの厚み方向他方（紙面下側）面などが外気に露出する場合に比べ、沿面放電を抑制することができ、発電デバイスの損傷を防止することができる。
　沿面放電を抑制し、発電デバイスの損傷を防止する観点から、好ましくは、第１電極４ａおよび第２電極４ｂの全面が第１デバイス３に埋設される形態（図１、図２Ａ）、第１電極４ａの長手方向一方側端面、第２電極４ｂの長手方向他方側端面が、第１デバイス３の周端面から露出している形態（図２Ｂ）が挙げられ、さらに好ましくは、第１電極４ａおよび第２電極４ｂの全面が第１デバイス３に埋設される形態（図１、図２Ａ）が挙げられる。とりわけ好ましくは、複数の第１電極４ａおよび複数の第２電極４ｂの全面が第１デバイス３に埋設される形態（図２Ａ）が挙げられる。
　そして、このような発電システム１は、上記したように、沿面放電を抑制することができ、発電デバイスの損傷を防止することができるため、自動車などの車両に搭載される発電システムとして、好適に用いられる。
　図３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４は、図３に示す発電システムの要部拡大図である。
　図３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、エンジン１６から排ガスを排出させるための排気管としての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とを備えている（図４参照）。
　なお、図３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（ＮＯｘ）、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、静音化する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、バッテリー７、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が用いられている。換言すれば、熱源２は、エンジン１６、および、エキゾーストマニホールド１７を備える内燃機関１１である。また、この発電システム１では、図３および図４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、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、図示しない固定部材により、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、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、上記したように、第１電極４ａ、第２電極４ｂおよびそれらを接続する導線を備えている。図４においては、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは図示されていないが、図３の拡大図が参照されるように、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、互いに対向するように、第１デバイス３に埋設されている。
　温度センサ８は、図３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４参照）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。
　電圧印加装置９は、上記したように、電圧印加電源３１を備えており、導線を介して、第１電極４ａおよび第２電極４ｂに接続されている。
　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、温度センサ８および電圧印加装置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、電圧印加装置９に接続されている。
　また、発電システム１は、図３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、第１デバイス３が配置されている。
　そのため、エンジン１６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、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、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（第１デバイス３に埋設される第１電極４ａおよび第２電極４ｂ）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。
　なお、熱源２として内燃機関１１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１１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。
　また、この発電システム１では、上記したように、第１デバイス３の温度を温度センサ８によって連続的に検知する。そして、第１デバイス３の昇温が検知されたときには、電圧印加装置９を作動させ、第１デバイス３に電圧を印加する。また、第１デバイス３の降温が検知されたときには、電圧印加装置９を停止させ、第１デバイス３に対する電圧の印加を停止させる。
　このように電圧印加装置９を作動させ、第１デバイス３に電圧を印加することにより、第１デバイス３から効率的に電力を取り出すことができる。
　その後、この方法では、必要により、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（図示せず）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、必要により、昇圧された電力を、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、各分岐管１８を通過した排気ガスは、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。
　そして、上記の発電システム１は、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが第１デバイス３に埋設されており、外気に露出していないため、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが通電される場合にも、沿面放電を抑制することができ、発電デバイスの損傷を防止することができる。
　また、上記の発電システム１では、熱源２として内燃機関１１が用いられており、第１デバイス３および第２デバイス４が、エキゾーストマニホールド１７内に配置されている。
　このような場合、例えば、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが第１デバイス３に埋設されておらず、第１デバイス３を挟むようにして外気に露出している場合には、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、エキゾーストマニホールド１７内の水分や不純物に曝露され、汚染される場合がある。
　この点、例えば、第１デバイス３、第１電極４ａおよび第２電極４ｂをカバー材で被覆し、水分や不純物による汚染を防止することも検討される。しかし、第１デバイス３、第１電極４ａおよび第２電極４ｂは、エキゾーストマニホールド１７内において、加熱および冷却され、熱膨張および熱収縮する場合がある。このような場合、第１デバイス３、第１電極４ａおよび第２電極４ｂの熱膨張率と異なる熱膨張率を有するカバー材を用いると、第１デバイス３、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが熱膨張および熱収縮したときに、カバー材が破損する場合がある。
　これらに対して、上記の発電システム１では、第１電極４ａおよび第２電極４ｂが、が第１デバイス３に埋設されており、外気に露出していないため、カバー材を用いることなく、水分や不純物による汚染を防止することができる。
　本国際出願は、２０１６年１月２９日に出願された日本国特許出願である特願２０１６－０１５１４３号に基づく優先権を主張するものであり、当該日本国特許出願である特願２０１６－０１５１４３号の全内容は、本国際出願に援用される。
　本発明の特定の実施の形態についての上記説明は、例示を目的として提示したものである。それらは、網羅的であったり、記載した形態そのままに本発明を制限したりすることを意図したものではない。数多くの変形や変更が、上記の記載内容に照らして可能であることは当業者に自明である。
１　　　発電システム２　　　熱源３　　　第１デバイス４　　　第２デバイス４ａ　　第１電極４ｂ　　第２電極

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デバイスの温度を検知する検知手段と、
    　前記第１デバイスに電圧を印加する電圧印加手段とを備え、
    　前記第２デバイスは、
    　互いに異なる極性を有する第１電極および第２電極を備え、
    　　前記第１電極および前記第２電極は、互いに対向するように、前記第１デバイスに埋設されていることを特徴とする、発電システム。
  2. 　前記熱源が、エンジン、および、前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管を備える内燃機関であり、
    　前記第１デバイスおよび前記第２デバイスが、前記排気管内に配置され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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