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技術 発電システム

出願人 ダイハツ工業株式会社国立大学法人長岡技術科学大学
発明者 山中暁金允護小川孝中島啓金周永田中裕久中山忠親武田雅敏山田昇新原晧一
出願日 2013年11月22日 (5年5ヶ月経過) 出願番号 2013-241757
公開日 2015年6月4日 (3年10ヶ月経過) 公開番号 2015-104181
状態 特許登録済
技術分野 特殊な電動機、発電機 排気消音装置 熱電素子
主要キーワード 定温状態 温度検知デバイス 傾斜度合 圧力変形 各発電素子 エネルギー回収システム イオン分極 配向分極
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

発電素子温度変化に応じて、応答性よく発電素子に電圧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ステムを提供すること。

解決手段

発電システム1は、エンジン11と、排気管17と、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、排気管17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とを備える。発電素子3と温度検知素子35とは、ともに、キュリー点を有する誘電体であり、温度検知素子35のキュリー点は、発電素子3のキュリー点より50℃低い温度以上である。

概要

背景

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。)。

概要

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印加することができ、発電効率の向上を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は、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、排気管17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とを備える。発電素子3と温度検知素子35とは、ともに、キュリー点を有する誘電体であり、温度検知素子35のキュリー点は、発電素子3のキュリー点より50℃低い温度以上である。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項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、前記発電デバイスに電圧印加する電圧印加手段と、前記温度検知手段によって、前記熱媒体の昇温が検知されたときに、前記電圧印加手段を作動させ、前記熱媒体の降温が検知されたときに、前記電圧印加手段を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電極とを備えることを特徴とする、発電ステム

技術分野

0001

本発明は、発電ステムに関する。

背景技術

0002

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。

0003

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。)。

先行技術

0004

特開2011−250675号公報

発明が解決しようとする課題

0005

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デバイスに電圧印加することが検討される。

0006

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。

0007

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。

0008

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。

課題を解決するための手段

0009

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、前記発電素子に電圧を印加する電圧印加手段と、前記温度検知手段によって、前記熱媒体の昇温が検知されたときに、前記電圧印加手段を作動させ、前記熱媒体の降温が検知されたときに、前記電圧印加手段を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電極とを備えることを特徴としている。

発明の効果

0010

本発明の発電システムでは、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温度検知素子に用いることにより、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。

0011

そのため、発電素子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。

0012

このような発電システムによれば、発電素子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。

図面の簡単な説明

0013

本発明の発電システムが車載された一実施形態を示す概略構成図である。
図1に示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。

実施例

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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。

0018

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。

0019

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。

0020

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。

0021

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。

0022

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。

0023

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。

0024

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。

0025

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、上流側端部が外気開放されている。

0026

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。

0027

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。

0028

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。

0029

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。

0030

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。

0031

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。

0032

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。

0033

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。

0034

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。

0035

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。

0036

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。

0037

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。

0038

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。

0039

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。

0040

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、温度検知デバイス7によって、排気ガスの昇温が検知されたときに、電圧印加装置9を作動させ、排気ガスの降温が検知されたときに、電圧印加装置9を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。

0041

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。

0042

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。

0043

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変位により誘電分極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。

0044

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。

0045

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。

0046

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。

0047

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。

0048

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。

0049

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。

0050

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。

0051

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。

0052

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。

0053

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。

0054

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。

0055

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。

0056

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。

0057

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。

0058

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。

0059

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。

0060

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。

0061

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。

0062

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。

0063

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、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)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)(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)、K0.5Na0.5NbO3(KNN)などを用いることができる。

0064

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。

0065

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。

0066

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。

0067

このような発電システム1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。

0068

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。

0069

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。

0070

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。

0071

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。

0072

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。

0073

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。

0074

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。

0075

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。

0076

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。

0077

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。

0078

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。

0079

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。

0080

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。

0081

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。

0082

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。

0083

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。

0084

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。

0085

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。

0086

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。

0087

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。

0088

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。

0089

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。

0090

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。

0091

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。

0092

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。

0093

電圧印加装置9は、発電素子3(発電デバイス6)に電圧を印加するため、発電素子3(発電デバイス6)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)、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を介在させるように、配置されている。

0094

制御装置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。

0095

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によって排気ガスの昇温または降温が検知されたときに、電圧印加装置9を作動または停止させる。

0096

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。

0097

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。

0098

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、排気管17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。

0099

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。

0100

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)。

0101

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)。

0102

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)。

0103

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)。

0104

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。

0105

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。

0106

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。

0107

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。

0108

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。

0109

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。

0110

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。

0111

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。

0112

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。

0113

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。

0114

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。

0115

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。

0116

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。

0117

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。

0118

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、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。

0119

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。

0120

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、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する。

0121

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。

0122

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。

0123

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。

0124

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。

0125

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。

0126

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。

0127

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。

0128

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。

0129

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。

0130

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。

0131

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。

0132

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。

0133

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。

0134

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。

0135

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。

0136

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。

0137

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。

0138

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。

0139

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。

0140

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。

0141

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

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