(57)【要約】【課題】踏圧によらず、圧電振動子に機械的な振動を与え、発電を行わせる方法及び装置を得る。【解決手段】少なくとも一枚の導電性金属薄板と表裏方向に分極処理を施した少なくとも一枚の圧電体とを積層してなる圧電振動子を準備するステップ、この圧電振動子を流体通過槽中に配置するステップ、及びこの流体通過槽中に、交互に温度差のある液体を流してその温度差によって該圧電振動子を振動させ、該圧電体から電力を取り出すステップ、を有する発電方法。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一枚の導電性金属薄板と表裏方向に分極処理を施した少なくとも一枚の圧電体とを積層してなる圧電振動子を、流体通過槽中に配置し、この流体通過槽中に、交互に温度差のある液体を流して該圧電振動子に温度変化を与えることにより振動させ、該圧電体から電力を取り出すことを特徴とする発電方法。
【請求項２】
少なくとも一枚の導電性金属薄板と表裏方向に分極処理を施した少なくとも一枚の圧電体とを積層してなる圧電振動子；
この圧電振動子を配置した流体通過槽；
この流体通過槽に交互に低温の流体と高温の流体を流す流体選択供給手段；及び
上記流体通過槽中に配置した圧電振動子に上記低温と高温の流体による温度変化を与えて振動させる際に圧電体から電力を取り出す電力取出手段；
を有することを特徴とする発電装置。
【請求項３】
熱源から熱を奪うヒートスプレッダ、放熱するラジエータ、及びこのヒートスプレッダとラジエータとの間で液体を循環させる圧電ポンプを備えた液冷システムにおいて、
同一のヒートスプレッダ及びラジエータに対して、圧電ポンプが複数備えられており、
この複数の圧電ポンプを全て駆動して全圧電ポンプからの流体を全てヒートスプレッダからラジエータに循環させる全力状態と、
この複数の圧電ポンプ中の一部の圧電ポンプを駆動して該一部の圧電ポンプからの流体をヒートスプレッダからラジエータに循環させる余力状態と、
この複数の圧電ポンプ中の一部の圧電ポンプを駆動して該一部の圧電ポンプからの流体をヒートスプレッダからラジエータに循環させる一方、残部の圧電ポンプに、ヒートスプレッダから出てラジエータで冷却された低温液体と、ヒートスプレッダを出てラジエータで冷却される前の高温液体とを交互に流し、圧電振動子が温度変化で振動する際に圧電体から電力を取り出す発電状態と、
を選択する運転状態切換手段を設けたことを特徴とする液冷発電システム。
【請求項４】
熱源から熱を奪うヒートスプレッダ、放熱するラジエータ、及びこのヒートスプレッダとラジエータとの間で液体を循環させる圧電ポンプを備えた液冷システムにおいて、
ヒートスプレッダから出てラジエータで冷却された低温液体と、ヒートスプレッダを出てラジエータで冷却される前の高温液体とを交互に流す流体通過槽を設け、
この流体通過槽中に、少なくとも一枚の導電性金属薄板と表裏方向に分極処理を施した少なくとも一枚の圧電体とを積層してなる圧電振動子を配置し、
この流体通過槽中に配置した圧電振動子が低温液体と高温液体の温度変化で振動する際に圧電体から電力を取り出す電力取出手段を設けたことを特徴とする液冷発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電振動子を用いた発電方法、発電装置及び液冷発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電振動子は例えば圧電ポンプに用いられている。圧電振動子は、周知のように、少なくとも一枚の導電性金属薄板上に、少なくとも一枚のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）等の圧電体を積層したもので、圧電体にはその表裏方向に分極処理が施されている。圧電ポンプは、この圧電振動子とハウジングの間に可変容積室（液体ポンプ室）を形成したもので、圧電体の表裏に交番電界を与えると、圧電体の表裏の一方が伸びて他方が縮むサイクルが繰り返され、シム（圧電振動子１０）が中央部の振幅が最も大きくなるように振動する結果、可変容積室の容積が変化してポンプ作用が得られる。
【０００３】
一方、圧電振動子は、圧電体の表裏の一方が延びて他方が縮む振動を機械的に与えると、同圧電体から電気を取り出すことができる。例えば歩行する人間の体重で圧電振動子に踏圧を与える圧電式踏圧発電機は、この原理によっている。
【特許文献１】特開平5-129788号公報
【特許文献２】特開2002-257450号公報
【特許文献３】特開2003-75037号公報
【特許文献４】特表2004-532743号公報
【特許文献５】特許3042333号公報
【特許文献６】特許3646108号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、踏圧によらず、圧電振動子に機械的な振動を与え、発電を行わせる方法及び装置を得ることを目的とする。
また本発明は、発熱源の熱を冷却する圧電ポンプを用いた液冷システムにおいて、液冷能力に余裕があるときには、その能力を発電に振り向けることができる液冷システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、発電方法の態様では、少なくとも一枚の導電性金属薄板と表裏方向に分極処理を施した少なくとも一枚の圧電体とを積層してなる圧電振動子を準備するステップ、この圧電振動子を流体通過槽中に配置するステップ、及びこの流体通過槽中に、交互に温度差のある液体を流して該圧電振動子に温度変化を与えることによって振動させ、該圧電体から電力を取り出すステップ、を有することを特徴としている。
【０００６】
本発明は、発電装置の態様では、少なくとも一枚の導電性金属薄板と表裏方向に分極処理を施した少なくとも一枚の圧電体とを積層してなる圧電振動子；この圧電振動子を配置した流体通過槽；この流体通過槽に交互に低温の流体と高温の流体を流す流体選択供給手段；及び流体通過槽中に配置した圧電振動子に低温と高温の流体の温度変化を与えて振動させる際に圧電体から電力を取り出す電力取出手段；を有することを特徴としている。流体通過槽中に配置する圧電振動子の数に制限はない。
【０００７】
本発明は、液冷発電システムの態様では、熱源から熱を奪うヒートスプレッダ、放熱するラジエータ、及びこのヒートスプレッダとラジエータとの間で液体を循環させる圧電ポンプを備えた液冷システムにおいて、同一のヒートスプレッダ及びラジエータに対して、圧電ポンプが複数備えられており、これら複数の圧電ポンプの運転状態を切り換える運転状態切換手段が、複数の圧電ポンプを全て駆動して全圧電ポンプからの流体を全てヒートスプレッダからラジエータに循環させる全力状態と、複数の圧電ポンプ中の一部の圧電ポンプを駆動して該一部の圧電ポンプからの流体をヒートスプレッダからラジエータに循環させる余力状態と、複数の圧電ポンプ中の一部の圧電ポンプを駆動して該一部の圧電ポンプからの流体をヒートスプレッダからラジエータに循環させる一方、残部の圧電ポンプに、ヒートスプレッダから出てラジエータで冷却された低温液体と、ヒートスプレッダを出てラジエータで冷却される前の高温液体とを交互に流し、圧電振動子が温度変化で振動する際に圧電体から電力を取り出す発電状態と、を選択することを特徴としている。
【０００８】
以上の液冷システムは、一部の圧電ポンプをあるときはポンプとして利用し、あるときは発電機として利用するという着眼に基づいている。本発明による液冷発電システムは、以上の液冷システムのポンプと発電機を兼用するポンプを発電機専用とするもので、熱源から熱を奪うヒートスプレッダ、放熱するラジエータ、及びこのヒートスプレッダとラジエータとの間で液体を循環させる圧電ポンプを備えた液冷システムにおいて、ヒートスプレッダから出てラジエータで冷却された低温液体と、ヒートスプレッダを出てラジエータで冷却される前の高温液体とを交互に流す流体通過槽を設け、この流体通過槽中に、少なくとも一枚の導電性金属薄板と表裏方向に分極処理を施した少なくとも一枚の圧電体とを積層してなる圧電振動子を配置し、この流体通過槽中に配置した圧電振動子が低温液体と高温液体の温度変化で振動する際に圧電体から電力を取り出す電力取出手段を設けたことを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、圧電振動子を温度差のある液体に交互に接触させることにより、圧電振動子を機械的に振動させ、その振動に伴って圧電体に発生する電力を取り出すという技術思想に基づいている。温度差のある液体は、例えば液冷システムのヒートスプレッダ通過後の液体とラジエータ通過後の液体によって得ることができ、簡易な補助発電系としての用途が期待できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、圧電振動子を有する圧電ポンプ１００の一例を示している。一般的に合成樹脂材料から構成するハウジング１０は、アッパハウジング１０ａとロワハウジング１０ｂからなり、アッパハウジング１０ａとロワハウジング１０ｂの間に、Ｏリング１９を介してユニモルフ型の圧電振動子１１が液密に挟着支持されている。圧電振動子１１の厚さは誇張して描いているが実際の厚みは１．５ｍｍ未満である。アッパハウジング１０ａには、この圧電振動子１１との間に可変容積室１２を形成する凹部１３が形成されている。
【００１１】
アッパハウジング１０ａには、冷却水（液体）の入口ポート１４Ａと出口ポート１４Ｂが開口していて、入口ポート１４Ａは入口側液溜室１５Ａに連通し、出口ポート１４Ｂは出口側液溜室１５Ｂに連通している。入口側液溜室１５Ａと可変容積室１２の間、出口側液溜室１５Ｂと可変容積室１２の間にはそれぞれ、隔壁１６Ａ、１６Ｂが位置しており、この両隔壁１６Ａ、１６Ｂにアンブレラ（逆止弁）１７Ａ、１７Ｂが設けられている。アンブレラ１７Ａは、入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２への流体流を許してその逆の流体流を許さず、アンブレラ１７Ｂは、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）への流体流を許してその逆の流体流を許さない逆止弁である。
【００１２】
ユニモルフ型圧電振動子１１は、図２、図３に模式的に示すように、中心部のシム１１１と、その表裏の一方に積層形成した圧電体１１２とからなっている。シム１１１は、厚さ３０〜３００μｍ程度のステンレスや４２アロイ等のばね性金属材料（導電性金属薄板）から構成されている。圧電体１１２は、例えば厚さ５０〜６００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3）等の圧電材料から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。
【００１３】
圧電体１１２のシム１１１側の面は、該シム１１１と全面的に導通するように接着され、シム１１１側と反対の露出面には、図示しない膜状電極を介して環状電極１１３が形成されている。シム１１１と環状電極１１３にはそれぞれ、径方向に突出する配線接続部１１４と配線接続部１１５が形成されており、この配線接続部１１４と配線接続部１１５の間には、交番電界印加回路１１６を介して交番電界が印加される。
【００１４】
以上の圧電ポンプ１００は、交番電界印加回路１１６、及び配線接続部（一方の共通電極）１１４と配線接続部（他方の共通電極）１１５を介して圧電体１１２の表裏に交番電界を印加すると、圧電振動子１１の表裏の一方が伸び他方が縮む動作が繰り返され（振動し）、可変容積室１２の容積が拡大する行程では、アンブレラ１７Ａが開いてアンブレラ１７Ｂが閉じるため、冷却水入口ポート１４Ａ（入口側液溜室１５Ａ）から可変容積室１２内に液体が流入し、可変容積室１２の容積が縮小する行程では、アンブレラ１７Ｂが開いてアンブレラ１７Ａが閉じるため、可変容積室１２から出口ポート１４Ｂ（出口側液溜室１５Ｂ）へ液体が流出する。従って、圧電振動子１１を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことでポンプ作用が得られる。
【００１５】
以上は、圧電振動子１１に駆動電圧を与えるポンプ動作である。これに対し、シム１１１と圧電体１１２は、熱膨張係数が異なるため（例えばシム１１１の線膨張係数=１．３×１０6／℃、圧電体１１２の線膨張係数=４．０×１０6／℃）、仮に可変容積室１２に温度の異なる液体を交互に流すと、シム１１１と圧電体１１２の熱膨張係数の差によって、圧電振動子１１が振動する。実際、シム１１１がＦｅ-Ｎｉ合金（４２アロイ）製、厚さ２００μｍ、直径３０ｍｍ、圧電体１１２がチタン酸ジルコン酸鉛製、厚さ２００μｍ、直径２８ｍｍのとき、６５℃の温度変化を与えると、圧電振動子１１が振動し、振動１回で約１００Ｖの電位差が生じた。この圧電振動子（圧電体）は１２０ｎＦの容量を持ち、１回の振動で０．６ｍＷｓの電力が発生することが確認された。すなわち、１秒間で温度を６５℃１回上下させることで圧電振動子は２回振動し、１．２ｍＷの電力が得られる。圧電振動子１１が機械的に振動すると、上記のような起電力が発生し、その電力を電力取出手段１１６Ｇによって取り出すことができる。
【００１６】
本発明の発電方法及び装置は、以上の圧電振動子１１の性質を利用して、圧電振動子１１に所定値以上の温度変化を与えるべく、高温の液体と低温の液体を交互に与えるものである。図４は、その概念図である。流体通過層３０には、流体の供給口３１と排出口３２が形成されている。供給口３１は、切換弁（三方弁）３３を介して、高温液体源３４と低温液体源３５に接続されており、切換弁３３は、流体選択供給手段３６によって制御される。流体通過槽３０内には、上述の圧電振動子１１が配置されており、その配線接続部１１４と１１５は、電力取出手段１１６Ｇに接続されている。流体通過槽３０内の圧電振動子１１は、必ずしも固定されている必要はなく、図５に示すように、複数枚を収納し、各配線接続部１１４と１１５を電力取出手段１１６Ｇに接続してもよい。
【００１７】
上記構成の本発電装置は、流体選択供給手段３６を介して切換弁３３を制御し、高温液体源３４からの高温流体と低温液体源３５からの低温流体を交互に流体通過槽３０内に導入して、排出口３２から排出すると、圧電振動子１１が温度差を受けて機械的に振動する。圧電振動子１１の振動により、圧電体１１２の表裏の一方が延び他方が縮むことから、起電力が発生し、その電力を電力取出手段１１６Ｇで取り出すことができる。高温流体源３４と低温流体源３５の切替周期、高温流体と低温流体の温度等の各種パラメータは制御部（図示せず）により適宜変更できるので、電力取出手段１１６Ｇから取り出す電力量を調整することができる。また、高温流体源３４と低温流体源３５の切替え、電力取出手段からの電力の取り出し等の各種動作は、制御部（図示せず）によって自動制御することが可能である。
【００１８】
次に、図６ないし図１０について、本発明を液冷発電システムに適用した実施形態を説明する。この実施形態は、熱源４１から熱を奪うヒートスプレッダ（ヒートシンク）４２、放熱するラジエータ４３、及びこのヒートスプレッダ４２とラジエータ４３との間で液体を循環させる液冷システムにおいて、複数（図示例では２つ）の圧電ポンプ１００Ａ、１００Ｂによる複数の循環系を構成し、熱源４１の熱量に応じて、圧電ポンプ１００Ａと１００Ｂの双方を熱源４１の冷却に用いる全力状態、一方のみを熱源４１の冷却に用いる余力状態、及び圧電ポンプ１００Ａと１００Ｂの一方をポンプとして用い、他方を発電機として用いる発電状態の３状態を作り出すシステムである。図６は、全系の系統接続図であり、図７、図８及び図９はそれぞれ、液体が流れる流路を実線で表し、流れない流路を破線で表した全力状態、余力状態及び発電状態の系統（流路）接続図である。
【００１９】
図６について、本液冷発電システムの構成要素を説明する。圧電ポンプ１００Ａは、その吐出側から吸入側に順に、開閉弁Ｄ、熱源４１を搭載したヒートスプレッダ４２、温度センサ４４、開閉弁Ｆ、ラジエータ４３、及びタンク４５が接続されている。圧電ポンプ１００Ｂは、その吐出側から吸入側に、開閉弁Ｇ、ラジエータ４３、タンク４５、開閉弁Ａが接続された第一の系統と、同じく吐出側から吸入側に、開閉弁Ｅ、ヒートスプレッダ４２、温度センサ４４、開閉弁Ｆ、ラジエータ４３、タンク４５、開閉弁Ａが接続された第二の系統とを有している。圧電ポンプ１００Ａの吐出側と圧電ポンプ１００Ｂの吸入側とを接続する流路には開閉弁Ｃが設けられ、圧電ポンプ１００Ｂの吸入側と温度センサ４４と開閉弁Ｆとの間を接続する発電流路４６には、開閉弁Ｂが設けられている。ラジエータ４３には冷却ファン４７が付設されている。
【００２０】
図１０に示す運転状態切換手段５０は、ヒートスプレッダ４２を出た液体（冷媒）の温度を検知する温度センサ４４の出力に応じて、圧電ポンプ１００Ａのドライバ４８Ａ、圧電ポンプ１００Ｂのドライバ４８Ｂ、ドライバ４８Ｂと電力取出手段１１６Ｇの切換スイッチ４９及び開閉弁ＡないしＧを制御して、図７の全力状態、図８の余力状態及び図９の発電状態を作り出す。
【００２１】
図７の全力状態は、圧電ポンプ１００Ａと１００Ｂの双方を運転している状態である。このときの各開閉弁の開閉状況は表１の通りである。○は開、×は閉を示す。
（表１）
圧電ポンプＡ  駆動
圧電ポンプＢ  駆動
開閉弁Ａ  ○
開閉弁Ｂ  ×
開閉弁Ｃ  ×
開閉弁Ｄ  ○
開閉弁Ｅ  ○
開閉弁Ｆ  ○
開閉弁Ｇ  ×
この状態では、圧電ポンプ１００Ａと１００Ｂの双方の循環系が動作し、最大の流量がヒートスプレッダ４２及びラジエータ４３を流れて、大きい冷却能力で熱源４１が冷却される。
【００２２】
図８の余力状態は、圧電ポンプ１００Ａを運転し、圧電ポンプ１００Ｂを運転していない状態である。このときの各開閉弁の開閉状況は表２の通りである。
（表２）
圧電ポンプＡ  駆動
圧電ポンプＢ  休止
開閉弁Ａ  ×
開閉弁Ｂ  ×
開閉弁Ｃ  ×
開閉弁Ｄ  ○
開閉弁Ｅ  ×
開閉弁Ｆ  ○
開閉弁Ｇ  ×
この状態では、圧電ポンプ１００Ａによる循環系のみが動作し、小さい冷却能力で熱源４１が冷却される。
【００２３】
図９（Ａ）と（Ｂ）の発電状態では、次の表３（発電１）と表４（発電２）のように、一定周期で開閉弁の開閉を切り換えて、圧電ポンプ１００Ａをポンプとして用い、圧電ポンプ１００Ｂを発電機として用いる。発電機としての動作原理は、図１ないし図３で説明した圧電ポンプ１００と同じであり、電力取出手段１１６Ｇ及び切換スイッチ４９を介して電力が取り出される。
（表３）
発電１（図９（Ａ））
圧電ポンプＡ  駆動
圧電ポンプＢ  発電機として動作
開閉弁Ａ  ×
開閉弁Ｂ  ×
開閉弁Ｃ  ○
開閉弁Ｄ  ×
開閉弁Ｅ  ○
開閉弁Ｆ  ○
開閉弁Ｇ  ×
（表４）
発電２（図９（Ｂ））
圧電ポンプＡ  駆動
圧電ポンプＢ  発電機として動作
開閉弁Ａ  ×
開閉弁Ｂ  ○
開閉弁Ｃ  ×
開閉弁Ｄ  ○
開閉弁Ｅ  ×
開閉弁Ｆ  ×
開閉弁Ｇ  ○
この状態では、圧電ポンプ１００Ａは常時駆動されていて、圧電ポンプ１００Ａからの吐出流体は必ずヒートスプレッダ４２を通り、ラジエータ４３に至ろうとする。このとき、各開閉弁を表３、表４のように開閉制御することにより、圧電ポンプ１００Ｂに、ヒートスプレッダ４２から出てラジエータ４３で冷却された低温液体が流れる状態（図９（Ａ））と、ヒートスプレッダ４２を出てラジエータ４３で冷却される前の高温液体が流れる状態（図９（Ｂ））とが交互に作り出される。従って、圧電ポンプ１００中の圧電振動子１１がこの温度変化で振動し、その結果圧電体１１２から電力取出手段１１６Ｇを介して電力が取り出される。
【００２４】
図６から図１０の実施形態の圧電ポンプ１００Ｂは、図１、図２のアンブレラ１７Ａ、１７Ｂを有する圧電ポンプに代えて、図４、図５に動作原理を示した流体通過槽３０に代えることができる。この構成は、請求項４に相当する。
【００２５】
以上の実施形態では、圧電振動子１１としてユニモルフタイプを示したが、バイモルフタイプでも、表裏の圧電体の大きさや厚さを異ならせることで同様に用いることができ、さらにマルチモルフタイプの圧電振動子も同様に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】圧電振動子を有する圧電ポンプの一実施例を示す概念断面図である。
【図２】図１の圧電ポンプの一部の拡大断面図である。
【図３】図１の圧電ポンプの圧電振動子部分の模式分解斜視図である。
【図４】本発明による発電装置の一実施形態を示す模式図である。
【図５】本発明による発電装置の別の実施形態を示す模式図である。
【図６】本発明による液冷発電システムの一実施形態を示す系統接続図である。
【図７】図６の液冷発電システムの全力状態を示す流路図である。
【図８】図６の液冷発電システムの余力状態を示す流路図である。
【図９】（Ａ）、（Ｂ）は、同発電状態を示す流路図である。
【図１０】図６の液冷発電システムの制御系の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２７】
１００  １００Ａ  １００Ｂ  圧電ポンプ
１１  圧電振動子
１１１  シム
１１２  圧電体
１１３  環状電極
１１４  １１５  配線接続部
１１６Ｇ  電力取出手段
３０  流体通過槽
３１  供給口
３２  排出口
３３  切換弁
３４  高温液体源
３５  低温液体源
３６  流体選択供給手段
４１  熱源
４２  ヒートスプレッダ
４３  ラジエータ
４４  温度センサ
４５  タンク
４６  発電流路
４７  冷却ファン
４８Ａ  ４８Ｂ  ドライバ
４９  切換スイッチ
５０  運転状態切換手段
【図１】
2010031712.tif 000003
【図２】
2010031712.tif 000004
【図３】
2010031712.tif 000005
【図４】
2010031712.tif 000006
【図５】
2010031712.tif 000007
【図６】
2010031712.tif 000008
【図７】
2010031712.tif 000009
【図８】
2010031712.tif 000010
【図９】
2010031712.tif 000011
【図１０】
2010031712.tif 000012