(57)【要約】【課題】機械的な摩擦損失が少なく、熱エネルギーの損失も少ない発電効率の高い外燃機関発電装置を提供する。【解決手段】機関外部の熱源により加熱される加熱部１２２と冷却媒体により冷却される冷却部１２４とを有する密閉容器１２０内に一定量の作動流体が封入されている外燃機関によって発電する外燃機関発電装置１００において、作動流体の膨張・収縮により電場応答性高分子１１０が伸張収縮して電気を出力することにより上記の課題を解決する。【選択図】図３
2010138878.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関外部の熱源により加熱される加熱部と冷却媒体により冷却される冷却部とを有する密閉容器内に一定量の作動流体が封入されている外燃機関によって発電する外燃機関発電装置において、
前記作動流体の膨張・収縮により電場応答性高分子が伸張収縮して電気を出力することを特徴とする外燃機関発電装置。
【請求項２】
前記加熱部と冷却部とを電場応答性高分子によって区画し、該電場応答性高分子が前記作動流体の膨張・収縮により伸張収縮することを特徴とする請求項１記載の外燃機関発電装置。
【請求項３】
前記加熱部と冷却部との間に作動流体の膨張・収縮により出退運動するピストンを設け、前記電場応答性高分子がピストンの出退運動により伸張収縮することを特徴とする請求項１記載の外燃機関発電装置。
【請求項４】
前記機関外部の熱源が太陽熱であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の外燃機関発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽熱、地熱、廃熱、排熱などを用いて電力を発電する外燃機関発電装置に関するものであって、さらに詳しくは、発電手段として誘電エラストマーからなる電場応答性高分子（Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ）を用いた外燃機関発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光などの自然エネルギーを熱源として利用して発電する外燃機関発電装置は、資源の枯渇の虞がなく、昼間の電力需要ピークを緩和し、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量削減に貢献する次世代の発電装置として期待されている。
【０００３】
外燃機関発電装置の発電方式としては、例えば、鏡などを用いて太陽光を集光し、その熱でシリンダ内に封入した作動ガスを加熱するとともに、冷却水などで冷却することにより、圧力変動を起こさせてピストンを上下動させ、このピストンの上下運動を回転運動に変換するというスターリングエンジンの基本原理を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方、本発明者らは、誘電エラストマーからなる電場応答性高分子を用いた発電装置を開発した（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００４−３３２６７２号公報
【特許文献２】特開２００８−１４１８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、従来のスターリングエンジン方式の外燃機関発電装置は、機械的な摩擦損失と機構部の大きな熱容量を加熱、冷却するための熱的なエネルギー損失が大きいために発電効率が悪く、実用レベルに達していない。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする技術的課題、すなわち、本発明の目的は、機械的な摩擦損失が少なく、熱エネルギーの損失も少ない発電効率の高い外燃機関発電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、スターリングエンジンの機構に電場応答性高分子を適用することが、前記課題の解決にきわめて効果的であることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成するに到った。
【０００８】
すなわち、本請求項１に係る発明は、機関外部の熱源により加熱される加熱部と冷却媒体により冷却される冷却部とを有する密閉容器内に一定量の作動流体が封入されている外燃機関によって発電する外燃機関発電装置において、前記作動流体の膨張・収縮により電場応答性高分子が伸張収縮して電気を出力することによって、前記課題を解決するものである。
【０００９】
そして、本請求項２に係る発明は、請求項１に係る外燃機関発電装置において、前記加熱部と冷却部とを電場応答性高分子によって区画し、該電場応答性高分子が前記作動流体の膨張・収縮により伸張収縮することによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１０】
また、本請求項３に係る発明は、請求項１に係る外燃機関発電装置において、前記加熱部と冷却部との間に作動流体の膨張・収縮により出退運動するピストンを設け、前記電場応答性高分子がピストンの出退運動により伸張収縮することによって、前記課題をさらに解決するものである。
【００１１】
また、本請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る外燃機関発電装置において、前記機関外部の熱源が太陽熱であることによって、前記課題をさらに解決するものである。  
【００１２】
ここで、本発明における電場応答性高分子とは、米国のカリフォルニア州に本拠を構えるＳＲＩインターナショナルで開発された新素材であって、アクリル系樹脂やシリコーン系樹脂などからなるゴム状の薄い高分子（誘電体）を伸び縮み可能な柔軟な電極で挟んだ構造をしており、ＥＰＡＭ（イーパム：Ｅｌｅｃｔｒｏａｃｔｉｖｅ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ  Ｍｕｓｃｌｅ）という商品名で市販されているものである。
【発明の効果】
【００１３】
本請求項１に係る外燃機関発電装置によれば、機関外部の熱源により加熱される加熱部と冷却媒体により冷却される冷却部とを有する密閉容器内に一定量の作動流体が封入されている外燃機関によって発電するものであって、作動流体の膨張・収縮により電場応答性高分子が伸張収縮して電気を出力することによって、発電機を用いないため機械的な摩擦損失を減少させることができるので、発電効率の高い外燃機関発電装置を実現することができる。
【００１４】
本請求項２に係る外燃機関発電装置によれば、請求項１に係る外燃機関発電装置において、加熱部と冷却部とを電場応答性高分子によって区画し、電場応答性高分子が作動流体の膨張・収縮により伸張収縮することにより、作動流体の体積変化を直接に電場応答性高分子の伸張収縮に変換することができ熱的なエネルギー損失を減少させることができるので、より発電効率の高い外燃機関発電装置を実現することができる。
【００１５】
本請求項３に係る外燃機関発電装置によれば、請求項１に係る外燃機関発電装置において、加熱部と冷却部との間に作動流体の膨張・収縮により出退運動するピストンを設け、電場応答性高分子がピストンの出退運動により伸張収縮することにより、発電に際し、ピストンの出退運動を回転運動に変換する必要がないので装置の構造を簡略化できるとともに、機械的な摩擦損失を減少させることができるので、より発電効率の高い外燃機関発電装置を実現することができる。
【００１６】
本請求項４に係る外燃機関発電装置によれば、請求項１乃至請求項３のいずれかに係る外燃機関発電装置において、機関外部の熱源が太陽熱であることによって、燃料を燃焼させるものでないため、燃料費が不要で、運転に掛かる費用を低く抑えられるとともに、二酸化炭素などの温室効果ガスの排出量削減を実現することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の外燃機関発電装置は、機関外部の熱源により加熱される加熱部と冷却媒体により冷却される冷却部とを有する密閉容器内に一定量の作動流体が封入されている外燃機関によって発電するものであって、作動流体の膨張・収縮により電場応答性高分子が伸張収縮して電気を出力するものであって、機械的な摩擦損失が少なく、熱エネルギーの損失も少ない発電効率の高い外燃機関発電装置を提供するものであれば、その具体的な実施の態様は、如何なるものであっても何ら構わない。
【００１８】
例えば、機関外部の熱源として太陽光熱を利用して外燃機関の加熱部を加熱する方法としては、平面鏡を用いて、中央に設置されたタワーにある集熱器に太陽光を集中することで集光し、その熱で加熱部を加熱するタワー式太陽熱発電や、曲面鏡を用いて、鏡の前に設置されたパイプに太陽光を集中させ、パイプ内を流れる液体（オイルなど）を加熱し、その熱で加熱部を加熱するトラフ式太陽熱発電や、放物曲面状の鏡を用いて、鏡の前に設置された加熱部に太陽光を集中させて加熱するディッシュ式太陽熱発電など、いかなる方式であっても構わない。
【００１９】
また、本発明の外燃機関発電装置に利用される機関外部の熱源としては、太陽光熱、地熱、廃熱、廃熱など如何なる熱源であっても本発明の発電動作に何ら支障はない。
【００２０】
ここで、本発明の外燃機関発電装置の発電要素となる電場応答性高分子膜が、発電する原理の概要について、図１に基づき説明する。
【００２１】
電場応答性高分子膜１０は、２つの柔軟な電極１０ｂ、１０ｃに挟まれたアクリル系樹脂やシリコーン系樹脂等の高分子膜１０ａで構成されている。従来、多用されていた駆動モードでは、図１（ａ）に示すように電極間に電位差を与えると、静電力により高分子膜１０ａが厚さ方向に収縮し、その結果として、電場応答性高分子膜１０が面方向に伸張し、アクチュエータとして機能する。
【００２２】
一方、発電モードでは、図１（ｂ）に示すように駆動モードと逆の動き、すなわち、機関外部の熱源によって機関内部の作動流体を膨張させることによって、電場応答性高分子膜１０を伸張させることにより発電する。
【００２３】
これらモードでは、電場応答性高分子膜１０は、可変容量コンデンサーのように機能していると考えられる。電場応答性高分子膜１０が伸張された際に発電の元となる微量の電荷を電場応答性高分子膜１０に与える。この電荷は、電場応答性高分子膜１０の高分子膜１０ａの表面上に現れる。そして、この膜が弛緩する際、電場応答性高分子膜１０の弾性力が電場圧力に対抗して働き、その結果、電気エネルギーが増加する。ミクロ的には、高分子膜１０ａの弾性力により電荷を各電極１０ｂ、１０ｃに向けて押し出し（収縮状態で高分子膜１０ａの厚さが増加）、また電極１０ｂ、１０ｃ上において各電荷間の距離が短くなる（収縮状態で高分子膜１０ａの平面領域が減少）。
【００２４】
このような電荷の変化が電圧差を増加させ、その結果、静電エネルギー量が増加し、電気エネルギーとして外部の負荷に供給可能になり、電場応答性高分子膜１０が発電要素として機能する。
【００２５】
電場応答性高分子膜１０から電気エネルギーを取り出す具体的回路構成については、前述した特許文献２において開示しているので、説明を割愛する。
【実施例１】
【００２６】
以下、本発明の電場応答性高分子膜を用いた外燃機関発電装置の一実施形態として、機関外部の熱源として太陽光熱を用いた実施例１について、図２及び図３に基づき説明する。
【００２７】
ここで、図２は、実施例１の外燃機関発電装置１００の外燃機関が等温加熱過程にある時の概念図であり、図３は、外燃機関発電装置１００の外燃機関が等温膨張過程を経て等容冷却過程にあり、等温圧縮過程へと移行する直前の概念図である。
【００２８】
外燃機関発電装置１００は、図２に示すように、太陽光熱により加熱される加熱部１２２と水などの冷却媒体により冷却される冷却部１２４とを有する密閉容器１２０内に一定量の空気などの作動流体が封入されている。加熱部１２２と冷却部１２４との間は、電場応答性高分子１１０によって区画されており、密閉容器１２０の加熱部１２２側に作動流体が封入されている。
【００２９】
冷却部１２４の電場応答性高分子１１０と対向する壁面には、冷却水を供給する冷却水供給管１２６が固設されている。そして、この冷却水供給管１２６の内側に位置する冷却部１２４の壁面には冷却水を冷却部１２４内に供給するための供給孔が設けられており、この供給孔には、等温冷却過程以外においては、冷却水が冷却部１２４内に供給されることを阻止するための供給弁１４０が装着されており、スプリング１３０によって、供給孔を塞ぐように加熱部１２２方向に付勢されている。
【００３０】
この状態から、太陽光によって加熱部１２２内の作動流体が加熱されると（等温加熱過程）、作動流体が膨張し電場応答性高分子１１０が冷却部１２４側に拡張する（等温膨張過程）。そして、電場応答性高分子１１０が供給弁１４０に当接すると供給弁１４０が後退し、供給弁１４０と冷却部１２４の壁面との間に隙間が生じ、そこから冷却水が冷却部１２４内に流入する（等容冷却過程）。そして、電場応答性高分子１１０を介して、加熱部１２２内の作動流体が冷やされて収縮する（等温圧縮過程）。そして、再び、図２に示した状態に戻る。電場応答性高分子１１０を冷却して温められた冷却水は、排水管１２８を通じて冷却部１２４の外に排出される。
【００３１】
太陽光が加熱部１２２を照射し続けている間、前述した等温加熱過程、等温膨張過程、等容冷却過程、等温圧縮過程が繰り返されて、電場応答性高分子１１０が伸張収縮し、起電力が発生する。このような密閉容器１２０を複数設けて電場応答性高分子１１０の伸張収縮のタイミングをずらすことによって、出力を平滑化することができる。
【００３２】
以上のように、本発明の実施例１の外燃機関発電装置１００は、加熱部１２２と冷却部１２４とを電場応答性高分子１１０によって区画し、電場応答性高分子１１０が作動流体の膨張・収縮により伸張収縮することにより、作動流体の体積変化を直接に電場応答性高分子１１０の伸張収縮に変換することによって、発電機を使用するときに生じる機械的な摩擦損失及び熱的なエネルギー損失を減少させることができるので、発電効率の高い外燃機関発電装置を実現することができる。
【実施例２】
【００３３】
次に、本発明の電場応答性高分子膜を用いた外燃機関電装置の別の実施形態として、機関外部の熱源として太陽光熱を用いた実施例２について、図４及び図５に基づき説明する。
【００３４】
ここで、図４は、実施例２の外燃機関発電装置２００の外燃機関が等温加熱過程にある時の概念図であり、図５は、外燃機関発電装置２００の外燃機関が等温膨張過程を経て等容冷却過程にあり、等温圧縮過程へと移行する直前の概念図である。
【００３５】
外燃機関発電装置２００は、図４に示すように、太陽光熱により加熱される加熱部２２２と水などの冷却媒体により冷却される冷却部２２４とを有する密閉容器２２０内に一定量の空気などの作動流体が封入されている。加熱部２２２と冷却部２２４との間は、ピストン２５０によって区画されており、密閉容器２２０の加熱部２２２側に作動流体が封入されている。
【００３６】
冷却部２２４の側壁には、冷却水を供給する冷却水供給管２２６が固設されている。そして、この冷却水供給管２２６の壁面には冷却水を冷却部２２４内に供給するための供給孔が設けられており、この供給孔には、等温冷却過程以外においては、冷却水が冷却部２２４内に供給されることを阻止するための供給弁２４０が装着されており、スプリング２３０によって、供給孔を塞ぐように加熱部２２２方向に付勢されている。
【００３７】
この状態から、太陽光によって加熱部２２２内の作動流体が加熱されると（等温加熱過程）、作動流体が膨張しピストン２５０が冷却部２２４側に移動する（等温膨張過程）。それに伴いピストン２５０に垂設されたアーム２６０によって、電場応答性高分子２１０が伸張される。そして、ピストン２５０が供給弁２４０に当接すると供給弁２４０が後退し、供給弁２４０と冷却水供給管２２６の壁面との間に隙間が生じ、そこから冷却水が冷却部２２４内に流入する（等容冷却過程）。そして、ピストン２５０を介して、加熱部２２２内の作動流体が冷やされて収縮する（等温圧縮過程）。そして、ピストン２５０が後退して、再び、図４に示した状態に戻る。シリンダ２５０を冷却して温められた冷却水は、排水管２２８を通じて冷却部２２４の外に排出される。ピストン２５０の後退に伴って電場応答性高分子２１０は収縮する。
【００３８】
太陽光が加熱部２２２を照射し続けている間、前述した等温加熱過程、等温膨張過程、等容冷却過程、等温圧縮過程が繰り返されて、電場応答性高分子２１０が伸張収縮し、起電力が発生する。このような密閉容器２２０を複数設けて電場応答性高分子２１０の伸張収縮のタイミングをずらすことによって、出力を平滑化することができる。
【００３９】
以上のように、本発明の実施例２の外燃機関発電装置２００は、加熱部２２２と冷却部２２４との間に作動流体の膨張・収縮により出退運動するピストン２５０を設け、電場応答性高分子２１０がピストン２５０の出退運動により伸張収縮することにより、発電に際し、ピストン２５０の出退運動を回転運動に変換する必要がないので装置の構造を簡略化できるとともに、機械的な摩擦損失を減少させることができるので、より発電効率の高い外燃機関発電装置を実現することができる。また、電場応答性高分子２１０が直接高温にさらされることがないので、装置の耐久性が向上する。また、電場応答性高分子２１０が装置の外側に取り付けられるため、取替作業負担が軽減する。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の電場応答性高分子を用いた外燃機関発電装置は、太陽光が得られる場所であればどこでも発電することができるので、水力や波力を使った自然エネルギー利用発電装置が設置できなかった、砂漠や、風力が少ない地域に設置することができる。
【００４１】
また、既存の太陽電池を用いた太陽光発電では、砂漠などの気温の高い地域では、太陽電池の温度が上昇するため、発電能力が著しく低下する。また、受光面に埃や粉塵・砂塵などが付着することにより、受光量が低下し発電能力が低下する。本発明の外燃機関発電装置によれば、日射を集光することで、高温を作り出すとともに、集光部などで作られる日陰との温度差を利用することにより、前述の影響を軽減した環境適合性に優れた発電装置を実現することができ、その産業上の利用可能性は、きわめて高い。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の動作原理を説明する図であり、（ａ）が駆動モードを示しており、（ｂ）が発電モードを示している。
【図２】実施例１の外燃機関発電装置１００の等温加熱過程時の概念図。
【図３】実施例１の外燃機関発電装置１００の等容冷却過程時の概念図。
【図４】実施例２の外燃機関発電装置２００の等温加熱過程時の概念図。
【図５】実施例２の外燃機関発電装置２００の等容冷却過程時の概念図。
【符号の説明】
【００４３】
１００、２００  ・・・  外燃機関発電装置
１１０、２１０  ・・・  電場応答性高分子（ＥＰＡＭ）
１２２、２２２  ・・・  加熱部
１２４、２２４  ・・・  冷却部
１２６、２２６  ・・・  冷却水供給管
１２８、２２８  ・・・  排水管
１３０、２３０  ・・・  スプリング
１４０、２４０  ・・・  供給弁
２５０  ・・・  ピストン
２６０  ・・・  アーム
【図１】
2010138878.tif 000003
【図２】
2010138878.tif 000004
【図３】
2010138878.tif 000005
【図４】
2010138878.tif 000006
【図５】
2010138878.tif 000007