特許 5968698 発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5968698

(24)【登録日】2016年7月15日

(45)【発行日】2016年8月10日

(54)【発明の名称】発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20160728BHJP

【ＦＩ】

   H02N11/00 A

【請求項の数】2

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2012-147731(P2012-147731)

(22)【出願日】2012年6月29日

(65)【公開番号】特開2014-11898(P2014-11898A)

(43)【公開日】2014年1月20日

【審査請求日】2015年5月25日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100103517

【弁理士】

【氏名又は名称】岡本 寛之

(74)【代理人】

【識別番号】100149607

【弁理士】

【氏名又は名称】宇田 新一

(72)【発明者】

【氏名】金 允護

(72)【発明者】

【氏名】山中 暁

(72)【発明者】

【氏名】金 周永

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕久

(72)【発明者】

【氏名】中山 忠親

(72)【発明者】

【氏名】武田 雅敏

(72)【発明者】

【氏名】山田 昇

(72)【発明者】

【氏名】新原 晧一

【審査官】 宮地 将斗

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１１−３３２２６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１１１０９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００７−２８８９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／０１７５３９２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｎ １／００−９９／００

(57)【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電極は、
前記第１デバイスを外側から挟むように対向配置され、互いに電気的に接続されている２つの外側電極を備え、
前記第２電極は、
２つの前記外側電極の間において、前記第１デバイス内に配置される内側電極を備えていることを特徴とする、発電システム。

【請求項2】

前記第１電極は、さらに、２つの前記外側電極の間において、前記外側電極と電気的に接続され、前記第１デバイス内に配置される少なくとも１つの内側電極を備え、
前記第２電極は、互いに電気的に接続される複数の前記内側電極を備え、
前記第１デバイス内において、前記第１電極の前記内側電極と、前記第２電極の前記内側電極とが、交互に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【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デバイスと、第１デバイスから電力を取り出すため、第１デバイスを挟むように対向配置される第２デバイス（電極など）とを備える発電システムが提案されており、さらに、そのような発電システムにおいて、第１デバイスと第２デバイスとを交互に積層して用いることが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−２５０６７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

一方、このような発電システムとしては、さらに優れた発電性能が要求される場合があり、また、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る場合がある。

【0006】

本発明の目的は、優れた効率で発電することができ、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】

【0007】

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電極は、前記第１デバイスを外側から挟むように対向配置され、互いに電気的に接続されている２つの外側電極を備え、前記第２電極は、２つの前記外側電極の間において、前記第１デバイス内に配置される内側電極を備えていることを特徴としている。

【0008】

このような発電システムでは、第２デバイスが、第１デバイスを外側から挟むように対向配置され、互いに電気的に接続されている２つの外側電極を備える第１電極と、２つの外側電極の間において、第１デバイス内に配置される内側電極を備える第２電極とを備えている。

【0009】

そのため、このような発電システムでは、一方の外部電極および内側電極の間と、他方の外部電極および内側電極の間との少なくとも２つの部分において、第１デバイスにより発電することができる。このような発電システムによれば、例えば、内側電極を設けることなく、互いに別体として２つの外側電極を設け、その間のみで第１デバイスにより発電する場合に比べて、発電効率の向上を図ることができる。

【0010】

その結果、このような発電システムによれば、例えば、同程度のサイズの発電システムであれば、第１デバイスを挟むように第２デバイスを配置し、かつ、第１デバイス内に第２デバイスを配置しない場合に比べ、高い出力を得ることができる。また、発電システムを小型化しても、第１デバイスを挟むように第２デバイスを配置し、かつ、第１デバイス内に第２デバイスを配置しない場合と同程度の出力を得ることができ、省スペース化を図ることができる。

【0011】

また、本発明の発電システムでは、前記第１電極は、さらに、２つの前記外側電極の間において、前記外側電極と電気的に接続され、前記第１デバイス内に配置される少なくとも１つの内側電極を備え、前記第２電極は、互いに電気的に接続される複数の前記内側電極を備え、前記第１デバイス内において、前記第１電極の前記内側電極と、前記第２電極の前記内側電極とが、交互に配置されていることが好適である。

【0012】

このような発電システムでは、第１デバイス内において、第１電極の内側電極と、第２電極の内側電極とが、交互に配置されているので、発電効率をより一層向上させることができる。そのため、より高い出力を得ることができ、また、省スペース化を図ることができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明の発電システムによれば、発電効率の向上を図ることができるので、より高い出力を得ることができ、また、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、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デバイスの他の実施形態を示す拡大概略構成図である。

【図5】実施例１における温度条件を示すグラフである。

【図6】実施例１において得られた発電電圧を示すグラフである。

【図7】比較例１における温度条件を示すグラフである。

【図8】比較例１において得られた発電電圧を示すグラフである。

【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、ＢａＴｉＯ_３、ＣａＴｉＯ_３、（ＣａＢｉ）ＴｉＯ_３、ＢａＮｄ_２Ｔｉ_５Ｏ_１４、ＢａＳｍ_２Ｔｉ_４Ｏ_１２、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）など）、公知のピエゾ素子（例えば、水晶（ＳｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ロッシェル塩（酒石酸カリウム−ナトリウム）（ＫＮａＣ_４Ｈ_４Ｏ_６）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、リチウムテトラボレート（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ランガサイト（Ｌａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、電気石（トルマリン）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）など）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】

このような第１デバイス３は、必要により第２デバイス４（後述）を介して、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。

【0062】

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。

【0063】

このような第２デバイス４は、電極（例えば、銅電極、銀電極など）、および、電極に接続される導線を備えており、第１デバイス３に接触するように配置されている。

【0064】

より具体的には、第２デバイス４は、図２に示すように、互いに異なる極性を有する第１電極８および第２電極９を備えている。

【0065】

第１電極８は、２つの外側電極２１を備えており、それら外側電極２１は、第１デバイス３を外側（表面および裏面の両側）から挟むように対向配置され、互いに電気的に接続されている。

【0066】

より具体的には、第１電極８は、第１デバイス３の延びる方向と直交する方向に沿うように設けられる底部２２と、底部２２の両端縁から長手方向一方側に向かって延設される２つの壁部２３とを備える断面視略コ字状に形成されている。また、第１電極８において、２つの壁部２３は、外側電極２１として、第１デバイス３の表面および裏面に接触するように配置されている。また、底部２２は、２つの外側電極２１を電気的に接続するとともに、第１デバイス３の長手方向他方側（壁部２３が延設される一方側に対する他方側）の端部に接触するように配置されている。

【0067】

第２電極９は、２つの外側電極２１の間において、第１デバイス３内に配置される内側電極２４を備えている。

【0068】

具体的には、内側電極２４は、対向配置される２つの外側電極２１の間において、それら外側電極２１と平行に延びるように形成され、長手方向一方側端部が第１デバイス３から突出し、また、長手方向他方側端部が、底部２２に接触しないように、第１デバイス３に埋設されている。

【0069】

また、第１電極８および第２電極９には、図２において破線で示すように、導線（第２デバイス４）などが電気的に接続されている。

【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、第１デバイス３を、加熱および／または冷却する。そして、このような温度変化に応じて、上記した第１デバイス３を、好ましくは、周期的に電気分極させる。

【0072】

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、第２デバイス４が、第１デバイス３を外側から挟むように対向配置され、互いに電気的に接続されている２つの外側電極２１を備える第１電極８と、２つの外側電極２１の間において、第１デバイス３内に配置される内側電極２４を備える第２電極９とを備えている。

【0080】

そのため、このような発電システム１では、一方の外部電極２１および内側電極２４の間と、他方の外部電極２１および内側電極２４の間との少なくとも２つの部分において、第１デバイス３により発電することができる。このような発電システム１によれば、例えば、内側電極２４を設けることなく、互いに別体として２つの外側電極２１を設け、その間のみで第１デバイス３により発電する場合に比べて、発電効率の向上を図ることができる。

【0081】

その結果、このような発電システム１によれば、例えば、同程度のサイズの発電システム１であれば、第１デバイス３を挟むように第２デバイス４を配置し、かつ、第１デバイス３内に第２デバイス４を配置しない場合に比べ、高い出力を得ることができる。また、発電システム１を小型化しても、第１デバイス３を挟むように第２デバイス４を配置し、かつ、第１デバイス３内に第２デバイス４を配置しない場合と同程度の出力を得ることができ、省スペース化を図ることができる。

【0082】

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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

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。

【0087】

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、上記した第１デバイス３および第２デバイス４を備えている。

【0088】

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。

【0089】

触媒搭載部１２は、例えば、触媒担体およびその担体上にコーティングされる触媒を備えており、内燃機関１１から排出される排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）などの有害成分を浄化するために、内燃機関１１（エキゾーストマニホールド１７）の下流側端部に接続されている。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

すなわち、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、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が配置されている。

【0096】

より具体的には、箱型空間２０内において、第２デバイス４の外側電極２１（底部２２）側が、流れ方向上流側に配置され、一方、内側電極２４が、流れ方向下流側に配置されるとともに、それら第２デバイス４に、第１デバイス３が接触配置されている。また、これら第１デバイス３および第２デバイス４は、図示しない固定部材により、固定されている。

【0097】

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。

【0098】

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。

【0099】

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。

【0100】

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。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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および第２デバイス４が配置されている。

【0105】

そのため、エンジン１６（熱源２）から排出される排気ガスが、分岐管１８内に導入され、箱型空間２０内に充填されると、その箱型空間２０内において、第１デバイス３および第２デバイス４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。

【0106】

このとき、上記したように、箱型空間２０内では、第２デバイス４の第１電極８（とりわけ、底部２２側）が、流れ方向上流側に配置され、一方、第２電極９が、流れ方向下流側に配置されるとともに、それら第２デバイス４に、第１デバイス３が接触配置されている。

【0107】

そのため、例えば、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が高温状態であるときには、第１デバイス３は、第１電極８（底部２２）に接触する部分から、第２電極９に接触する部分に向かって、徐々に加熱され、高温状態とされる。

【0108】

また、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が低温状態であるときには、第１デバイス３は、第２電極９に接触する部分から、第１電極８に接触する部分に向かって、徐々に冷却され、低温状態とされる。

【0109】

このように、第１デバイス３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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

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。

【0116】

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、第１デバイス３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。

【0117】

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。

【0118】

一方、上記したように、分岐管１８の内部空間に上記した第１デバイス３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。

【0119】

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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

また、上記の発電システム１では、第１デバイス３が、第１電極８に接触する部分から、第２電極９に接触する部分に向かって、徐々に加熱され、高温状態とされる一方、第２電極９に接触する部分から、第１電極８に接触する部分に向かって、徐々に冷却され、低温状態とされるので、より効率よく第１デバイス３を電気分極させることができる。

【0123】

とりわけ、このような発電システム１では、第２デバイス４が、第１デバイス３を外側から挟むように対向配置され、互いに電気的に接続されている２つの外側電極２１を備える第１電極８と、２つの外側電極２１の間において、第１デバイス３内に配置される内側電極２４を備える第２電極９とを備えている。

【0124】

そのため、上記したように、このような発電システム１では、一方の外部電極２１および内側電極２４の間と、他方の外部電極２１および内側電極２４の間との少なくとも２つの部分において、第１デバイス３により発電することができる。このような発電システム１によれば、例えば、内側電極２４を設けることなく、互いに別体として２つの外側電極２１を設け、その間のみで第１デバイス３により発電する場合に比べて、発電効率の向上を図ることができる。

【0125】

その結果、このような発電システム１によれば、例えば、同程度のサイズの発電システム１であれば、第１デバイス３を挟むように第２デバイス４を配置し、かつ、第１デバイス３内に第２デバイス４を配置しない場合に比べ、高い出力を得ることができる。また、発電システム１を小型化しても、第１デバイス３を挟むように第２デバイス４を配置し、かつ、第１デバイス３内に第２デバイス４を配置しない場合と同程度の出力を得ることができ、省スペース化を図ることができる。

【0126】

なお、上記した説明では、１つの箱型空間２０に対して、１つの第１デバイス３を配置したが、詳しくは図示しないが、例えば、箱型空間２０内において、複数の第１デバイス３を配置することもできる。そのような場合には、複数の第１デバイス３は、例えば、互いに間隔を隔てて整列配置される。

【0127】

図４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デバイスの他の実施形態を示す拡大概略構成図である。

【0128】

上記した説明では、第１電極８が２つの外側電極２１のみを備え、第２電極９が１つの内側電極２４のみを備えたが、例えば、図４に示すように、第１電極８が、２つの外側電極２１の他、さらに、内側電極２４を備えることができ、また、第２電極９が、複数の内側電極２４を備えることができる。

【0129】

なお、以下において、第１電極８に備えられる内側電極２４と、第２電極９に備えられる内側電極２４とを区別する場合には、第１電極８に備えられる内側電極２４を、第１内側電極２４ａとし、第２電極９に備えられる内側電極２４を、第２内側電極２４ｂとする。

【0130】

図４において、第１電極８は、第１デバイスを外側から挟むように対向配置される２つの外側電極２１と、それら２つの外側電極２１の間において、外側電極２１と電気的に接続され、第１デバイス３内に配置される少なくとも１つ（図４では３つ）の第１内側電極２４ａとを備えている。

【0131】

第１内側電極２４ａは、２つの外側電極２１（壁部２３）の間において、第１電極８の底部２２の途中部分（底部２２が延びる方向における途中部分）から、長手方向一方側に向かって突出するように、複数（３つ）設けられ、互いに間隔を隔てて並列配置されている。これにより、２つの外側電極２１（壁部２３）と、複数（３つ）の第１内側電極２４ａとが、底部２２によって電気的に接続されており、第１電極８が、櫛歯状に形成されている。

【0132】

第２電極９は、底部２５と、複数（図４では４つ）の第２内側電極２４ｂとを備えている。

【0133】

底部２５は、第１電極８の底部２２に対して間隔を隔てて対向配置されている。

【0134】

第２内側電極２４ｂは、底部２５の両端縁および途中部分（底部２５が延びる方向における途中部分）から、長手方向他方側に向かって突出するように形成されている。

【0135】

より具体的には、図４では、２つの第２内側電極２４ｂが、底部２５の両端縁から長手方向他方側に向かって延設されている。また、それら２つの第２内側電極２４ｂの間において、別途、第２内側電極２４ｂが、底部２５の途中部分（底部２５が延びる方向における途中部分）から、長手方向他方側に向かって突出するように、複数（２つ）設けられ、各第２内側電極２４ｂが、互いに間隔を隔てて並列配置されている。

【0136】

これにより、複数（４つ）の第２内側電極２４ｂが、底部２５によって電気的に接続されており、第２電極９が、櫛歯状に形成されている。

【0137】

そして、この実施形態では、第１デバイス３内において、第１電極８の第１内側電極２４ａと、第２電極９の第２内側電極２４ｂとが、交互に配置されている。

【0138】

すなわち、第１電極９の外側電極２１と第１内側電極２４ａとの間、および、第１内側電極２４ａ同士の間のそれぞれに、第２電極９の第２内側電極２４ｂが、挿入される。

【0139】

また、このとき、第１電極８は、外側電極２１の長手方向一方側端部、および、第１内側電極２４ａの長手方向一方側端部が、第２電極９の底部２５に接触しないように、配置される。また、第２電極９は、第２内側電極２４ｂの長手方向他方側端部が、第１電極８の底部２２に接触しないように、配置される。

【0140】

なお、詳しくは図示しないが、このような発電システム１でも、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。

【0141】

そして、このような第１デバイス３および第２デバイス４を備える発電システム１により発電する場合には、上記と同様に、まず、熱源２により、第１デバイス３を加熱および／または冷却し、好ましくは、周期的に電気分極させた後、第２デバイス４を介することにより、電力を周期的に変動する波形として取り出す。その後、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の状態で昇圧し、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。

【0142】

このような発電システム１でも、上記と同様に、発電効率の向上を図ることができるので、より高い出力を得ることができ、また、省スペース化を図ることができる。

【0143】

とりわけ、このような発電システム１では、第１デバイス３内において、第１電極８の第１内側電極２４ａと、第２電極９の第２内側電極２４ｂとが、交互に配置されているので、発電効率をより一層向上させることができる。そのため、より高い出力を得ることができ、また、省スペース化を図ることができる。

【実施例】

【0144】

以下において、本発明を実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は下記の実施例によって限定されるものではない。

【0145】

実施例１
バルク型のピエゾ素子（構造：ＮｂおよびＳｎ添加ＰＺＴ（Ｎｂ／Ｓｎ／Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、キュリー点３１５℃、比誘電率：約２５００、製番：Ｈ５Ｃ、住友金属エレクトロデバイス製）を、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１．２ｍｍサイズのシート状にカットしたものを用意した。

【0146】

次いで、ピエゾ素子の側面における厚み方向約半分の位置（一方面側から０．６ｍｍ程度）に、切込みを形成し、その切込みに第２電極（内部電極）を形成するための銀ペーストを注入した。また、ピエゾ素子の両面および周側面（ただし、切込みを形成した側面を除く）を包むように、第１電極（外部電極）を形成するための銀ペーストを塗布し、その後、電気炉によって３００℃で１時間熱処理した。

【0147】

これにより、第１電極および第２電極を備えるサンプルを得た。

【0148】

その後、２つの導線（リード線）を用意し、その一方側を各電極上に貼着させるとともに、他方側をデジタルマルチメータに接続した。そして、得られたサンプルをステンレス製の筒内に配置した。

【0149】

熱源としてヒートガンを用い、その噴射口をサンプルの第１電極の底部に向けるとともに、噴射口がサンプルから５ｃｍ離間するように、ヒートガンおよびサンプルを、それぞれ配置した。

【0150】

また、ヒートガンからの熱風を周期的に遮断するため、サンプルが配置される筒とヒートガンとの間に、プロペラを配置した。

【0151】

そして、ヒートガンから熱風を噴き出すとともに、プロペラを回転させることにより、周期的にヒートガンからの熱風をサンプルに照射し、サンプルの温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧（電力）を取り出した。

【0152】

なお、ピエゾ素子の温度を赤外線放射温度計により測定した。そして、サンプルから取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。温度条件を図５に、発電電圧を図６にそれぞれ示す。

【0153】

比較例１
バルク型のピエゾ素子（構造：ＮｂおよびＳｎ添加ＰＺＴ（Ｎｂ／Ｓｎ／Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、キュリー点３１５℃、比誘電率：約２５００、製番：Ｈ５Ｃ、住友金属エレクトロデバイス製）を、２５ｍｍ×２５ｍｍ×１．２ｍｍサイズのシート状にカットしたものを用意した。

【0154】

次いで、ピエゾ素子の両面に、銀ペーストを２０ｍｍ×２０ｍｍ×０．１ｍｍの大きさとなるように塗布し、電気炉によって３００℃で１時間熱処理した。

【0155】

これにより、互いに別体として設けられ、上記の底部などにより接続されていない２枚の外側電極のみを備えるサンプルを得た。

【0156】

その後、２つの導線（リード線）を用意し、その一方側を各電極上に貼着させるとともに、他方側をデジタルマルチメータに接続した。そして、得られたサンプルをステンレス製の筒内に配置した。

【0157】

そして、実施例１と同様にして、サンプルの温度を経時的に上下させるとともに電気分極させ、電極および導線を介して、発電電圧（電力）を取り出した。

【0158】

なお、ピエゾ素子の温度を赤外線放射温度計により測定した。そして、サンプルから取り出された電力の電圧変化を電圧計により観測した。温度条件を図７に、発電電圧を図８にそれぞれ示す。
（考察）
外側電極および内側電極を備えるサンプルを用いた実施例１によれば、外側電極のみを備えるサンプルを用いた比較例１に比べ、効率良く発電できることが確認された。

【符号の説明】

【0159】

１ 発電システム
２ 熱源
３ 第１デバイス
４ 第２デバイス
５ 昇圧器
６ 交流／直流変換器
７ バッテリー
８ 第１電極
９ 第２電極
２１ 外側電極
２４ 内側電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】