発電システム
【課題】より優れた効率で発電することのできる発電システムを提供することにある。
【解決手段】発電システム１に、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とを備える発電システム１において、第１デバイス３および第２デバイス４を、交互に積層する。このような発電システム１では、複数の第１デバイス３および第２デバイス４が、交互に積層されているので、複数の第１デバイス３を、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【解決手段】発電システム１に、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とを備える発電システム１において、第１デバイス３および第２デバイス４を、交互に積層する。このような発電システム１では、複数の第１デバイス３および第２デバイス４が、交互に積層されているので、複数の第１デバイス３を、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【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おり、このような方法として、例えば、自動車の排気ガスシステムにおいて、排ガス浄化触媒およびマフラーの間に排気ガス熱交換器を設け、その排気ガス熱交換器において、排気管中の排気ガスを均質化するとともに、排気管および冷却器の間にＢｉ２Ｔｅ３からなる熱電素子（サーモエレクトリックモジュール）を、敷き詰めるように複数配列し、電気的に接続してなるサーモエレクトリックジェネレーター（ＴＥＧ）が、提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
このサーモエレクトリックジェネレータでは、排気ガスにより温められた排気管と、冷却器との間に熱電素子を配置し、その一方面および他方面に温度差を生じさせて、熱電素子のゼーベック効果により、発電している。このようにして得られた電力は、通常、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータなどを介して車載バッテリーなどに蓄電され、必要に応じて、適宜使用される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＭＴＺ Ｍｏｔｏｒｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ０４１２００９ Ｖｏｌｕｍｅ７０（出版社 ｖｉｅｗｅｇ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、このような発電方法では、複数の熱電素子（サーモエレクトリックモジュール）が電気的に接続されているので、大きな電力を取り出せるものの、それら熱電素子が敷き詰められるように配列されているので、設置において広いスペースを要するという不具合がある。
【０００７】
そのため、発電システムを限られたスペース内、例えば、自動車内などに設置する場合には、省スペース化が要求されている。
【０００８】
本発明の目的は、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化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、前記熱源の温度変化により電気分極する複数の第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複数の第２デバイスとを備え、前記第１デバイスおよび前記第２デバイスが、交互に積層されていることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の発電システムでは、前記熱源が、内燃機関であることが好適である。
【００１１】
また、本発明の発電システムでは、前記第１デバイスが、ピエゾ効果により電気分極することが好適である。
【００１２】
また、本発明の発電システムでは、前記第１デバイスが、焦電効果により電気分極することが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の発電システムによれば、複数の第１デバイスおよび第２デバイスが、交互に積層されているので、複数の第１デバイスを、複数の第２デバイスを介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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】図２は、本発明の発電システムに用いられる第１デバイスおよび第２デバイスの一実施形態を示す拡大概略構成図である。
【図３】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】図４は、図３に示す発電システムの要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、図２は、本発明の発電システムに用いられる第１デバイスおよび第２デバイスの一実施形態を示す拡大概略構成図である。
【００１６】
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の温度変化により電気分極する複数の第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複数の第２デバイス４とを備えている。
【００１７】
熱源２としては、温度が経時的に上下する熱源であれば、特に制限されないが、例えば、内燃機関、発光装置などの各種エネルギー利用装置が挙げられる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
熱源２として、好ましくは、経時により周期的に温度変化する熱源が挙げられる。
【００３２】
また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
第１デバイス３としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、体積膨張が抑制された状態において、熱源２の熱を授受し、加熱および／または冷却されるように、配置される。
【００３９】
固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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の熱を授受し、加熱および／または冷却されるように、配置される。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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）などを用いることができる。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
このような発電システム１では、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、第１デバイス３の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図１において、第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる。
【００６２】
このような第２デバイス４は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極（例えば、銅電極、銀電極など）、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第１デバイス３に電気的に接続されている。
【００６３】
また、この発電システム１では、図２に示すように、第１デバイス３および第２デバイス４は、交互に積層されている。
【００６４】
具体的には、この発電システム１では、第１デバイス３が薄膜型（シート状）に形成されるとともに、第２デバイス４が薄層型（シート状、例えば、電極など）に形成されている。
【００６５】
そして、第２デバイス４の上に、第１デバイス３および第２デバイス４が順次、積層配置され、さらに、最上層が、第２デバイス４とされる。これにより、第２デバイス４が最上層および最下層となるように、第１デバイス３および第２デバイス４が交互に積層された積層構造体２１が、形成される。
【００６６】
積層構造体２１に含まれる第１デバイス３の数量は、例えば、１０〜１４０、好ましくは、５０〜１００であり、また、第２デバイス４の数量は、例えば、１１〜１６１、好ましくは、５１〜１０１である。
【００６７】
また、積層構造体２１において、第１デバイス３の１つあたりの厚みは、例えば、５〜１５μｍ、好ましくは、８〜１２μｍであり、また、第２デバイス４の１つあたりの厚みは、例えば、０．５〜２μｍ、好ましくは、１〜１．５μｍであり、積層構造体２１の厚みは、例えば、５５〜２０００μｍ、好ましくは、５５０〜１３００μｍである。
【００６８】
なお、このようにして得られた積層構造体２１では、複数の第１デバイス３が、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続されている。
【００６９】
また、積層構造体２１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。
【００７０】
そして、図１に示す発電システム１では、その第２デバイス４が、昇圧器５、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）６およびバッテリー７に、順次、電気的に接続されている。
【００７１】
このような発電システム１により、発電するには、例えば、まず、熱源２の温度を経時的に上下、好ましくは、周期的に温度変化させ、その熱源２により、積層構造体２１（第１デバイス３を含む。）を、加熱および／または冷却する。
【００７２】
そして、このような温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、好ましくは、周期的に電気分極させる。その後、第２デバイス４を介することにより、電力を、第１デバイス３の周期的な電気分極に応じて周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出す。
【００７３】
このような発電システム１において、熱源２の温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。
【００７４】
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。
【００７５】
そして、このようにして発電システム１により取り出された電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧する。昇圧器５としては、交流電圧を、例えば、コイル、コンデンサなどを用いた簡易な構成により、優れた効率で昇圧できる昇圧器が、用いられる。
【００７６】
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。
【００７７】
このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出す場合に比べて、簡易な構成により、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
【００７８】
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。
【００７９】
とりわけ、このような発電システム１では、複数の第１デバイス３および第２デバイス４が、交互に積層されているので、複数の第１デバイス３を、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【００８０】
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。
【００８１】
図３において、自動車１０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。
【００８２】
内燃機関１１は、エンジン１６、および、エキゾーストマニホールド１７を備えている。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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、上記した積層構造体２１（複数の第１デバイス３および複数の第２デバイス４からなる積層構造体２１）を備えている（図４参照）。
【００８６】
このようなエキゾーストマニホールド１７では、分岐部１８の上流側端部が、それぞれ、エンジン１６の各気筒に接続されるとともに、分岐管１８の下流側端部と集気管１９の上流側端部とが接続されている。また、集気管１９の下流側端部は、触媒搭載部１２の上流側端部に接続されている。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
マフラー１４は、エンジン１６（とりわけ、爆発工程）において生じる騒音を、静音化すために設けられており、その上流側端部がエキゾーストパイプ１３の下流側端部に接続されている。また、マフラー１４の下流側端部は、排出パイプ１５の上流側端部に接続されている。
【００９０】
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。
【００９１】
そして、この自動車１０は、図３において点線で示すように、発電システム１を搭載している。
【００９２】
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および第２デバイス４を備えている。
【００９３】
この発電システム１では、熱源２として、内燃機関１１のエンジン１６が用いられており、また、図４が参照されるように、分岐管１８の箱型空間２０内には、第１デバイス３および第２デバイス４を備える積層構造体２１が配置されている。
【００９４】
積層構造体２１は、シート状に形成されており、箱型空間２０内において、互いに間隔を隔てて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。
【００９５】
これにより、積層構造体２１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。
【００９６】
また、発電システム１は、図示しない第２デバイス４（例えば、導線など）を介して、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。
【００９７】
そして、このような自動車１０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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
そして、この発電システム１では、上記したように、各分岐管１８の内部（箱型空間２０内）に、シート状の積層構造体２１が配置されている。
【０１０４】
そのため、エンジン１６（熱源２）から排出される排気ガスが、分岐管１８内に導入され、箱型空間２０内に充填されると、その箱型空間２０内において、積層構造体２１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。
【０１０５】
すなわち、積層構造体２１の表面および裏面の両面が、エンジン１６（熱源２）、および、そのエンジン１６の熱を伝達する熱媒体の経時的な温度変化により、加熱および／または冷却される。
【０１０６】
そして、これにより、積層構造体２１に含まれる第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。
【０１０７】
そのため、この発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１０８】
また、この発電システム１では、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの温度と、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの温度とが、同じ周期、かつ、異なる位相で周期的に変化するため、電力を、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、連続的に取り出すことができる。
【０１０９】
そして、排気ガスは、各分岐管１８を通過した後、集気管１９に供給され、集気された後、触媒搭載部１２に供給され、その触媒搭載部１２に備えられる触媒により浄化される。その後、排気ガスは、エキゾーストパイプ１３に供給され、マフラー１４において静音化された後、排出パイプ１５を介して、外気に排出される。
【０１１０】
このとき、各分岐管１８内を通過する排気ガスは、集気管１９において集気されるので、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５を順次通過する排気ガスは、その温度が、平滑化されている。
【０１１１】
そのため、温度が平滑化されたこのような排気ガスを通過させる集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５の温度は、通常、経時的に上下することなく、ほぼ一定である。
【０１１２】
そのため、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４または排出パイプ１５を熱源２として用い、その周囲または内部に、上記した積層構造体２１（第１デバイス３を含む。）を配置する場合には、第１デバイス３から取り出される電力は、その電圧が小さく、また、一定（直流電圧）である。
【０１１３】
そのため、このような方法では、得られる電力を、簡易な構成で効率良く昇圧することができず、蓄電効率に劣るという不具合がある。
【０１１４】
一方、上記したように、分岐管１８の内部空間に上記した積層構造体２１（第１デバイス３を含む。）を配置すれば、熱源２の経時的な温度変化により、第１デバイス３を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、そのデバイス（例えば、ピエゾ素子、焦電素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果など）により、周期的に電気分極させることができる。
【０１１５】
そのため、この発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１１６】
その後、この方法では、例えば、図３において点線で示すように、上記により得られた電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧し、次いで、昇圧された電力を、交流／直流変換器６において直流電圧に変換した後、バッテリー７に蓄電する。バッテリー７に蓄電された電力は、自動車１０や、自動車１０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。
【０１１７】
そして、このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出し、ＤＣ−ＤＣコンバーターで変換する場合に比べて、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
【０１１８】
とりわけ、このような発電システム１では、複数の第１デバイス３および第２デバイス４が、交互に積層されているので、複数の第１デバイス３を、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１ 発電システム
２ 熱源
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ 昇圧器
６ 交流／直流変換器
７ バッテリー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電システムに関する。
【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おり、このような方法として、例えば、自動車の排気ガスシステムにおいて、排ガス浄化触媒およびマフラーの間に排気ガス熱交換器を設け、その排気ガス熱交換器において、排気管中の排気ガスを均質化するとともに、排気管および冷却器の間にＢｉ２Ｔｅ３からなる熱電素子（サーモエレクトリックモジュール）を、敷き詰めるように複数配列し、電気的に接続してなるサーモエレクトリックジェネレーター（ＴＥＧ）が、提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
このサーモエレクトリックジェネレータでは、排気ガスにより温められた排気管と、冷却器との間に熱電素子を配置し、その一方面および他方面に温度差を生じさせて、熱電素子のゼーベック効果により、発電している。このようにして得られた電力は、通常、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータなどを介して車載バッテリーなどに蓄電され、必要に応じて、適宜使用される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】ＭＴＺ Ｍｏｔｏｒｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ０４１２００９ Ｖｏｌｕｍｅ７０（出版社 ｖｉｅｗｅｇ）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、このような発電方法では、複数の熱電素子（サーモエレクトリックモジュール）が電気的に接続されているので、大きな電力を取り出せるものの、それら熱電素子が敷き詰められるように配列されているので、設置において広いスペースを要するという不具合がある。
【０００７】
そのため、発電システムを限られたスペース内、例えば、自動車内などに設置する場合には、省スペース化が要求されている。
【０００８】
本発明の目的は、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化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、前記熱源の温度変化により電気分極する複数の第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複数の第２デバイスとを備え、前記第１デバイスおよび前記第２デバイスが、交互に積層されていることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の発電システムでは、前記熱源が、内燃機関であることが好適である。
【００１１】
また、本発明の発電システムでは、前記第１デバイスが、ピエゾ効果により電気分極することが好適である。
【００１２】
また、本発明の発電システムでは、前記第１デバイスが、焦電効果により電気分極することが好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の発電システムによれば、複数の第１デバイスおよび第２デバイスが、交互に積層されているので、複数の第１デバイスを、複数の第２デバイスを介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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】図２は、本発明の発電システムに用いられる第１デバイスおよび第２デバイスの一実施形態を示す拡大概略構成図である。
【図３】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】図４は、図３に示す発電システムの要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、図２は、本発明の発電システムに用いられる第１デバイスおよび第２デバイスの一実施形態を示す拡大概略構成図である。
【００１６】
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の温度変化により電気分極する複数の第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複数の第２デバイス４とを備えている。
【００１７】
熱源２としては、温度が経時的に上下する熱源であれば、特に制限されないが、例えば、内燃機関、発光装置などの各種エネルギー利用装置が挙げられる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
熱源２として、好ましくは、経時により周期的に温度変化する熱源が挙げられる。
【００３２】
また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
第１デバイス３としてピエゾ素子が用いられる場合には、ピエゾ素子は、例えば、その周囲が固定部材により固定され、体積膨張が抑制された状態において、熱源２の熱を授受し、加熱および／または冷却されるように、配置される。
【００３９】
固定部材としては、特に制限されず、例えば、後述する第２デバイス４（例えば、電極など）を用いることもできる。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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の熱を授受し、加熱および／または冷却されるように、配置される。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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）などを用いることができる。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
このような発電システム１では、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））の比誘電率が高いほど、エネルギー変換効率が高く、高電圧で電力を取り出すことができるが、第１デバイス３の比誘電率が上記下限未満であれば、エネルギー変換効率が低く、得られる電力の電圧が低くなる場合がある。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
図１において、第２デバイス４は、第１デバイス３から電力を取り出すために設けられる。
【００６２】
このような第２デバイス４は、より具体的には、特に制限されないが、例えば、上記の第１デバイス３を挟んで対向配置される２つの電極（例えば、銅電極、銀電極など）、例えば、それら電極に接続される導線などを備えており、第１デバイス３に電気的に接続されている。
【００６３】
また、この発電システム１では、図２に示すように、第１デバイス３および第２デバイス４は、交互に積層されている。
【００６４】
具体的には、この発電システム１では、第１デバイス３が薄膜型（シート状）に形成されるとともに、第２デバイス４が薄層型（シート状、例えば、電極など）に形成されている。
【００６５】
そして、第２デバイス４の上に、第１デバイス３および第２デバイス４が順次、積層配置され、さらに、最上層が、第２デバイス４とされる。これにより、第２デバイス４が最上層および最下層となるように、第１デバイス３および第２デバイス４が交互に積層された積層構造体２１が、形成される。
【００６６】
積層構造体２１に含まれる第１デバイス３の数量は、例えば、１０〜１４０、好ましくは、５０〜１００であり、また、第２デバイス４の数量は、例えば、１１〜１６１、好ましくは、５１〜１０１である。
【００６７】
また、積層構造体２１において、第１デバイス３の１つあたりの厚みは、例えば、５〜１５μｍ、好ましくは、８〜１２μｍであり、また、第２デバイス４の１つあたりの厚みは、例えば、０．５〜２μｍ、好ましくは、１〜１．５μｍであり、積層構造体２１の厚みは、例えば、５５〜２０００μｍ、好ましくは、５５０〜１３００μｍである。
【００６８】
なお、このようにして得られた積層構造体２１では、複数の第１デバイス３が、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続されている。
【００６９】
また、積層構造体２１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。
【００７０】
そして、図１に示す発電システム１では、その第２デバイス４が、昇圧器５、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）６およびバッテリー７に、順次、電気的に接続されている。
【００７１】
このような発電システム１により、発電するには、例えば、まず、熱源２の温度を経時的に上下、好ましくは、周期的に温度変化させ、その熱源２により、積層構造体２１（第１デバイス３を含む。）を、加熱および／または冷却する。
【００７２】
そして、このような温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、好ましくは、周期的に電気分極させる。その後、第２デバイス４を介することにより、電力を、第１デバイス３の周期的な電気分極に応じて周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出す。
【００７３】
このような発電システム１において、熱源２の温度は、高温状態における温度が、例えば、２００〜１２００℃、好ましくは、７００〜９００℃であり、低温状態における温度が、上記の高温状態における温度未満、より具体的には、例えば、１００〜８００℃、好ましくは、２００〜５００℃であり、高温状態と低温状態との温度差が、例えば、１０〜６００℃、好ましくは、２０〜５００℃である。
【００７４】
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。
【００７５】
そして、このようにして発電システム１により取り出された電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧する。昇圧器５としては、交流電圧を、例えば、コイル、コンデンサなどを用いた簡易な構成により、優れた効率で昇圧できる昇圧器が、用いられる。
【００７６】
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。
【００７７】
このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出す場合に比べて、簡易な構成により、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
【００７８】
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。
【００７９】
とりわけ、このような発電システム１では、複数の第１デバイス３および第２デバイス４が、交互に積層されているので、複数の第１デバイス３を、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【００８０】
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。
【００８１】
図３において、自動車１０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。
【００８２】
内燃機関１１は、エンジン１６、および、エキゾーストマニホールド１７を備えている。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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、上記した積層構造体２１（複数の第１デバイス３および複数の第２デバイス４からなる積層構造体２１）を備えている（図４参照）。
【００８６】
このようなエキゾーストマニホールド１７では、分岐部１８の上流側端部が、それぞれ、エンジン１６の各気筒に接続されるとともに、分岐管１８の下流側端部と集気管１９の上流側端部とが接続されている。また、集気管１９の下流側端部は、触媒搭載部１２の上流側端部に接続されている。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
マフラー１４は、エンジン１６（とりわけ、爆発工程）において生じる騒音を、静音化すために設けられており、その上流側端部がエキゾーストパイプ１３の下流側端部に接続されている。また、マフラー１４の下流側端部は、排出パイプ１５の上流側端部に接続されている。
【００９０】
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。
【００９１】
そして、この自動車１０は、図３において点線で示すように、発電システム１を搭載している。
【００９２】
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および第２デバイス４を備えている。
【００９３】
この発電システム１では、熱源２として、内燃機関１１のエンジン１６が用いられており、また、図４が参照されるように、分岐管１８の箱型空間２０内には、第１デバイス３および第２デバイス４を備える積層構造体２１が配置されている。
【００９４】
積層構造体２１は、シート状に形成されており、箱型空間２０内において、互いに間隔を隔てて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。
【００９５】
これにより、積層構造体２１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。
【００９６】
また、発電システム１は、図示しない第２デバイス４（例えば、導線など）を介して、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。
【００９７】
そして、このような自動車１０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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
そして、この発電システム１では、上記したように、各分岐管１８の内部（箱型空間２０内）に、シート状の積層構造体２１が配置されている。
【０１０４】
そのため、エンジン１６（熱源２）から排出される排気ガスが、分岐管１８内に導入され、箱型空間２０内に充填されると、その箱型空間２０内において、積層構造体２１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。
【０１０５】
すなわち、積層構造体２１の表面および裏面の両面が、エンジン１６（熱源２）、および、そのエンジン１６の熱を伝達する熱媒体の経時的な温度変化により、加熱および／または冷却される。
【０１０６】
そして、これにより、積層構造体２１に含まれる第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。
【０１０７】
そのため、この発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１０８】
また、この発電システム１では、分岐管１８ａおよび分岐管１８ｃの温度と、分岐管１８ｂおよび分岐管１８ｄの温度とが、同じ周期、かつ、異なる位相で周期的に変化するため、電力を、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、連続的に取り出すことができる。
【０１０９】
そして、排気ガスは、各分岐管１８を通過した後、集気管１９に供給され、集気された後、触媒搭載部１２に供給され、その触媒搭載部１２に備えられる触媒により浄化される。その後、排気ガスは、エキゾーストパイプ１３に供給され、マフラー１４において静音化された後、排出パイプ１５を介して、外気に排出される。
【０１１０】
このとき、各分岐管１８内を通過する排気ガスは、集気管１９において集気されるので、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５を順次通過する排気ガスは、その温度が、平滑化されている。
【０１１１】
そのため、温度が平滑化されたこのような排気ガスを通過させる集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４および排出パイプ１５の温度は、通常、経時的に上下することなく、ほぼ一定である。
【０１１２】
そのため、集気管１９、触媒搭載部１２、エキゾーストパイプ１３、マフラー１４または排出パイプ１５を熱源２として用い、その周囲または内部に、上記した積層構造体２１（第１デバイス３を含む。）を配置する場合には、第１デバイス３から取り出される電力は、その電圧が小さく、また、一定（直流電圧）である。
【０１１３】
そのため、このような方法では、得られる電力を、簡易な構成で効率良く昇圧することができず、蓄電効率に劣るという不具合がある。
【０１１４】
一方、上記したように、分岐管１８の内部空間に上記した積層構造体２１（第１デバイス３を含む。）を配置すれば、熱源２の経時的な温度変化により、第１デバイス３を、周期的に高温状態または低温状態にすることができ、第１デバイス３を、そのデバイス（例えば、ピエゾ素子、焦電素子など）に応じた効果（例えば、ピエゾ効果、焦電効果など）により、周期的に電気分極させることができる。
【０１１５】
そのため、この発電システム１では、第２デバイス４を介して、各第１デバイス３から電力を周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）として、取り出すことができる。
【０１１６】
その後、この方法では、例えば、図３において点線で示すように、上記により得られた電力を、第２デバイス４に接続される昇圧器５において、周期的に変動する波形（例えば、交流、脈流など）の状態で昇圧し、次いで、昇圧された電力を、交流／直流変換器６において直流電圧に変換した後、バッテリー７に蓄電する。バッテリー７に蓄電された電力は、自動車１０や、自動車１０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。
【０１１７】
そして、このような発電システム１によれば、温度が経時的に上下する熱源２を用いるため、変動する電圧（例えば、交流電圧）を取り出すことができ、その結果、一定電圧（直流電圧）として取り出し、ＤＣ−ＤＣコンバーターで変換する場合に比べて、優れた効率で昇圧して、蓄電することができる。
【０１１８】
とりわけ、このような発電システム１では、複数の第１デバイス３および第２デバイス４が、交互に積層されているので、複数の第１デバイス３を、複数の第２デバイス４を介して電気的に接続することができ、優れた効率で発電することができるとともに、省スペース化を図ることができる。
【符号の説明】
【０１１９】
１ 発電システム
２ 熱源
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ 昇圧器
６ 交流／直流変換器
７ バッテリー
【特許請求の範囲】
【請求項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電気分極する複数の第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複数の第２デバイスと
を備え、
前記第１デバイスおよび前記第２デバイスが、交互に積層されていること
を特徴とする、発電システム。
【請求項２】
前記熱源が、内燃機関であることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記第１デバイスが、ピエゾ効果により電気分極することを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記第１デバイスが、焦電効果により電気分極することを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
【請求項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電気分極する複数の第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複数の第２デバイスと
を備え、
前記第１デバイスおよび前記第２デバイスが、交互に積層されていること
を特徴とする、発電システム。
【請求項２】
前記熱源が、内燃機関であることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記第１デバイスが、ピエゾ効果により電気分極することを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記第１デバイスが、焦電効果により電気分極することを特徴とする請求項１または２に記載の発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−７４１６０（Ｐ２０１３−７４１６０Ａ）
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１２６８０（Ｐ２０１１−２１２６８０）
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（３０４０２１２８８）国立大学法人長岡技術科学大学 (458)
【公開日】平成２５年４月２２日（２０１３．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２８日（２０１１．９．２８）
【出願人】（０００００２９６７）ダイハツ工業株式会社 (2,560)
【出願人】（３０４０２１２８８）国立大学法人長岡技術科学大学 (458)
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