(57)【要約】【課題】より効率よく熱エネルギーを利用でき、効率よく発電できる車載発電システムを提供すること。【解決手段】車載発電システム１に、エンジン１１および排気管１５を備える内燃機関２と、排気管１５内に配置され、温度が経時的に上下する排ガスが供給されること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、排気管１５における第１デバイス３よりも上流側に設けられ、排気管１７内における排ガスの流速を調整するための切替弁７と、切替弁７の動作を制御するための制御ユニット８とを備える。制御ユニット８は、第１デバイス３が冷却され、第１デバイス３の温度が所定の閾値温度に到達したとき、自動車１０が加速状態であれば、第１デバイス３の冷却を停止して、加熱を開始し、一方、第１デバイス３の温度が所定の閾値温度に到達したときに、自動車１０が加速状態でなければ、第１デバイス３の冷却を継続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される車載発電システムであって、
エンジン、および、前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管を備える内燃機関と、
前記排気管内に配置され、排ガスが供給されることにより電気分極する第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、
前記排気管における前記第１デバイスよりも上流側に設けられ、前記排気管内における排ガスの流速を調整するための調整手段と、
前記調整手段の動作を制御するための制御手段と
を備え、
前記制御手段は、
前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の第１温度に到達するまで、前記第１デバイスに対して所定の第１流速で排ガスを供給し、
前記第１デバイスの温度が前記第１温度に到達した後、前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の閾値温度に到達するまで、前記第１デバイスに対する排ガスの流速を、前記第１流速よりも小さい前記第２流速に調整し、
前記第１デバイスの温度が所定の閾値温度に到達したとき、
前記車両が加速状態であれば、前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の第１温度に到達するまで、前記第１デバイスに対して所定の第１流速で排ガスを供給し、
前記車両が加速状態でなければ、引き続き、前記第１デバイスの温度が第１温度よりも小さい所定の第２温度に到達するまで、前記第１デバイスに対する排ガスの流速を、前記第１流速よりも小さい前記第２流速に調整し、
前記第１デバイスの温度が所定の第２温度に到達した後、前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の第１温度に到達するまで、前記第１デバイスに対して所定の第１流速で排ガスを供給する
ことを特徴とする、車載発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載発電システム、詳しくは、自動車などの車両に搭載される車載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（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、および、そのような場合に第１デバイス（誘電体など）を自動車の排ガスが供給される排気管内に配置し、排気管内における排ガスの流速を切替弁により調整することが、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１５９６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、引用文献１に記載の発電システムでは、温度が経時的に上下する熱源として自動車の内燃機関および排ガスが用いられる。このような車載発電システムにおいて、第１デバイスが所定の高温状態（Ｔｍａｘ）に至るまで加熱を続け、また、その後、第１デバイスが所定の低温状態（Ｔｍｉｎ）に至るまで冷却を続けると、自動車の走行状態によっては、比較的低温の排ガス（例えば、減速中の排ガス）が第１デバイスに供給される場合があり、また、比較的高温の排ガス（例えば、加速中の排ガス）が廃棄される場合があるなど、熱エネルギーの利用効率が不十分である。
【０００６】
本発明は、より効率よく熱エネルギーを利用でき、発電効率に優れる車載発電システムである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明［１］は、車両に搭載される車載発電システムであって、エンジン、および、前記エンジンから排ガスを排出させるための排気管を備える内燃機関と、前記排気管内に配置され、排ガスが供給されることにより電気分極する第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、前記排気管における前記第１デバイスよりも上流側に設けられ、前記排気管内における排ガスの流速を調整するための調整手段と、前記調整手段の動作を制御するための制御手段とを備え、前記制御手段は、前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の第１温度に到達するまで、前記第１デバイスに対して所定の第１流速で排ガスを供給し、前記第１デバイスの温度が前記第１温度に到達した後、前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の閾値温度に到達するまで、前記第１デバイスに対する排ガスの流速を、前記第１流速よりも小さい前記第２流速に調整し、前記第１デバイスの温度が所定の閾値温度に到達したとき、前記車両が加速状態であれば、前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の第１温度に到達するまで、前記第１デバイスに対して所定の第１流速で排ガスを供給し、前記車両が加速状態でなければ、引き続き、前記第１デバイスの温度が第１温度よりも小さい所定の第２温度に到達するまで、前記第１デバイスに対する排ガスの流速を、前記第１流速よりも小さい前記第２流速に調整し、前記第１デバイスの温度が所定の第２温度に到達した後、前記調整手段の制御によって、前記第１デバイスの温度が所定の第１温度に到達するまで、前記第１デバイスに対して所定の第１流速で排ガスを供給する、車載発電システムを含んでいる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の車載発電システムでは、排気管内の排ガスの流れが相対的に多くなることによる第１デバイスの加熱と、その排ガスの流れが相対的に少なくなることによる第１デバイスの冷却とが、調整手段によって切り替えられる。
【０００９】
そして、第１デバイスが冷却され、第１デバイスの温度が所定の閾値温度に到達したとき、車両が加速状態であれば、第１デバイスの冷却を停止して、加熱を開始する。
【００１０】
一方、第１デバイスが冷却され、第１デバイスの温度が所定の閾値温度に到達したときに、車両が加速状態でなければ、第１デバイスの冷却を継続する。
【００１１】
このような車載発電システムによれば、車両の加速時における排ガスを、第１デバイスに供給することができるため、熱エネルギーを効率よく使用することができ、発電効率に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の車載発電システムの一実施形態の概略構成図である。
【図２】図２は、図１に示される車載発電システムにおいて採用される制御フロー図である。
【図３】図３は、実施例および比較例における車速と温度変化との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
１．車載発電システムの全体構成
図１において、車両としての自動車１０は、車載発電システム１を備えている。
【００１４】
車載発電システム１は、内燃機関２と、内燃機関２から排出され、温度が経時的に上下する排ガスが供給されること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、第１デバイス３の温度を検知する温度センサ５と、排ガスの流速を調整するための調整手段としての切替弁７と、切替弁７の動作を制御するための制御手段としての制御ユニット８とを備えている。
【００１５】
内燃機関２は、エンジン１１と、エンジン１１から排ガスを排出させるための排気管１５とを備えている。
【００１６】
エンジン１１は、自動車１０に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（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。図１には、４気筒型のエンジン１１を示す。また、以下において、各気筒で４サイクル方式が採用される場合について、説明する。
【００１７】
排気管１５は、主排気管２８と、その主排気管２８の下流側において分岐する分岐管としての下流側分岐管２９とを備えている。
【００１８】
主排気管２８は、エキゾーストマニホールド１７、触媒搭載部１２およびエキゾーストパイプ１３を備えている。
【００１９】
エキゾーストマニホールド１７は、エンジン１１の気筒から排出される排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１１の各気筒に接続される複数（４つ）の上流側分岐管１８（これらを区別する必要がある場合には、図１の上側から順に、上流側分岐管１８ａ、上流側分岐管１８ｂ、上流側分岐管１８ｃおよび上流側分岐管１８ｄと称する。）と、それら上流側分岐管１８の下流側において、各上流側分岐管１８を１つに統合する集気管１９とを備えている。
【００２０】
このようなエキゾーストマニホールド１７では、上流側分岐管１８の上流側端部が、それぞれ、エンジン１１の各気筒に接続されるとともに、上流側分岐管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。
【００２１】
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２から排出される排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２（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。
【００２２】
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ガスを、下流側分岐管２９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、下流側端部が下流側分岐管２９に接続されている。
【００２３】
下流側分岐管２９は、１つのデバイス配置管３１と、１つのバイパス管３２とを備えている。
【００２４】
デバイス配置管３１は、第１デバイス３（後述）が配置される排ガス流路であって、上流側端部がエキゾーストパイプ１３（主排気管２８）の下流側端部と接続されており、下流側端部が外気に開放されている。
【００２５】
また、デバイス配置管３１の流れ方向途中には、箱型空間３３が備えられている。箱型空間３３は、デバイス配置管３１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、その内側には、複数の第１デバイス３（後述）が配置されている。なお、図１においては、複数の第１デバイス３（後述）を簡略化し、１つの箱型空間３３に対して、１つの第１デバイス３（後述）を示している。
【００２６】
バイパス管３２は、第１デバイス３（後述）を回避するように排ガスを流すために設けられるバイパス流路であって、箱型空間３３が介装されることなく、上流側端部がエキゾーストパイプ１３（主排気管２８）の下流側端部と接続されており、下流側端部が外気に開放されている。
【００２７】
これにより、エンジン１１から排出される排ガスは、主排気管２８を通過し、下流側分岐管２９を介して、外気に放出可能とされている。
【００２８】
第１デバイス３は、内燃機関２（エンジン１１）から排出され、温度が経時的に上下する排ガスが供給されることにより、温度が経時的に上下され、電気分極するデバイスである。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、排ガスに接触（曝露）されるように、箱型空間３３内に配置される。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、このような場合には、ピエゾ素子は、排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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
そのため、上記したように排ガス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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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、排ガスに接触（曝露）されるように、箱型空間３３内に配置される。
【００４５】
このような場合において、焦電素子は、排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デバイス４を介して、焦電素子から電力が取り出される。
【００４６】
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。
【００４７】
そのため、上記したように排ガス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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）、Ｃａ３（ＶＯ４）２、Ｃａ３（ＶＯ４）２／Ｎｉ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３／Ｎｉ、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＴａＯ３／Ｎｉ、Ｌｉ（Ｎｂ０．４Ｔａ０．６）Ｏ３、Ｌｉ（Ｎｂ０．４Ｔａ０．６）Ｏ３／Ｎｉ、Ｃａ３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ４｝２、Ｃａ３｛（Ｎｂ，Ｔａ）Ｏ４｝２／Ｎｉなどを用いることができる。
【００５１】
また、第１デバイス３としては、さらに、ＬａＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＫＮｂＯ３、ＭｇＮｂＯ３、ＣａＮｂＯ３、（Ｋ１／２Ｎａ１／２）ＮｂＯ３、（Ｋ１／２Ｎａ１／２）ＮｂＯ３／Ｎｉ、（Ｂｉ１／２Ｋ１／４Ｎａ１／４）ＮｂＯ３、（Ｓｒ１／１００（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９９／１００）ＮｂＯ３、（Ｂａ１／１００（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９９／１００）ＮｂＯ３、（Ｌｉ１／１０（Ｋ１／２Ｎａ１／２）９／１０）ＮｂＯ３、Ｓｒ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、Ｓｒ１９／１０Ｃａ１／１０ＮａＮｂ５Ｏ１５、Ｓｒ１９／１０Ｃａ１／１０ＮａＮｂ５Ｏ１５／Ｎｉ、Ｂａ２ＮａＮｂＯ１５、Ｂａ２Ｎｂ２Ｏ６、Ｂａ２ＮａＮｂＯ１５／Ｎｉ、Ｂａ２Ｎｂ２Ｏ６／Ｎｉなどの誘電体や、例えば、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｔａ２／３）Ｏ３、Ｐｂ（Ｙｂ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｙｂ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｔａ１／２）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３などのリラクサーペロブスカイト型結晶構造の誘電体などを用いることもできる。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
このような車載発電システム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。
【００５６】
なお、第１デバイス３（絶縁体（誘電体））は、排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。
【００５７】
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。
【００５８】
このような第１デバイス３は、排気管１５内、具体的には、デバイス配置管３１に介装される箱型空間３３内において、例えば、互いに間隔を隔てて複数整列配置され、第２デバイス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。なお、上記したように、図１においては、１つの第１デバイス３を取り出して示し、その他の第１デバイス３については省略している。
【００５９】
これにより、第１デバイス３は、箱型空間３３内において、第２デバイス４を介して、排ガスに接触（曝露）可能とされている。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
また、第２デバイス４は、必要により、昇圧器（図示せず）、交流／直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバーター）（図示せず）などを介して、バッテリー９に、電気的に接続されている。
【００６３】
温度センサ５は、第１デバイス３の温度を検知するため、各第１デバイス３に対応して、第１デバイス３に近接または接触して複数設けられる。温度センサ５は、第１デバイス３の温度として、第１デバイス３の表面温度を直接検知するか、または、第１デバイス３の周囲の雰囲気温度を検知する。温度センサ５としては、例えば、赤外放射温度計や、熱電対温度計などの公知の温度センサが用いられる。
【００６４】
切替弁７は、排気管１５における排ガスの流速を調整するために設けられており、具体的には、排気管１５内の排ガスの流速をエンジン１１からの排気速度とするか、排ガスの流れを停止させるかを切り替えるために、第１デバイス３よりも上流側に設けられている。
【００６５】
より具体的には、切替弁７は、主排気管２８を通過した排ガスが、デバイス配置管３１を通過する位置と、バイパス管３２を通過する位置とを切り替える三方弁であって、下流側分岐管２９が分岐される分岐部分（すなわち、主排気管２８と各下流側分岐管２９との接続部分）に設けられている。
【００６６】
このような切替弁７は、その切り替えによって、デバイス配置管３１およびバイパス管３２の内のいずれか１つを開状態とするとともに、その他を閉状態とすることができる。
【００６７】
具体的には、切替弁７は、デバイス配置管３１を開通させるとともに、バイパス管３２を閉塞させることができ、これにより、排ガスをデバイス配置管３１のみに供給することができる。この場合、デバイス配置管３１内の第１デバイス３に、排ガスが供給される。
【００６８】
また、切替弁７は、バイパス管３２を開通させるとともに、デバイス配置管３１を閉塞させることができ、これにより、排ガスをバイパス管３２のみに供給することができる。この場合、デバイス配置管３１内の第１デバイス３は、排ガスから回避される。
【００６９】
このように、切替弁７は、その切り替えによって、排ガスの流れ方向を、第１デバイス３に向かって流れる方向と、第１デバイス３を回避する方向とに変更可能としている。
【００７０】
制御ユニット８は、車載発電システム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から構成されている。
【００７１】
この制御ユニット８は、図１において破線で示すように、温度センサ５に電気的に接続されるとともに、切替弁７に電気的に接続されており、後述するように、各温度センサ５による温度検知に基づいて、切替弁７を作動可能としている。
【００７２】
また、制御ユニット８は、図示しない加速度センサなどに電気的に接続されている。これにより、制御ユニット８は、自動車１０が加速状態、減速状態および停止状態のいずれの状態であるかを判断可能としている。
【００７３】
２．発電方法
以下において、上記した車載発電システム１を用いた発電方法について、詳述する。
【００７４】
この車載発電システム１では、エンジン１１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。このとき、エンジン１１の熱が、排ガスを介して伝達される。つまり、排ガスの温度は、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する。
【００７５】
そして、このようにしてエンジン１１の各気筒から排出される排ガスは、エキゾーストマニホールド１７の各上流側分岐管１８に導入され、集気管１９において集気される。その後、排ガスは、触媒搭載部１２を通過するとともに触媒により浄化され、エキゾーストパイプ１３を介して、下流側分岐管２９に供給される。
【００７６】
このような場合、下流側分岐管２９における排ガスの温度は、例えば、自動車１０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。
【００７７】
具体的には、自動車１０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１０の走行および停止が制御される。
【００７８】
このような場合、エンジン１１の駆動時には、エンジン１１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は低温状態とされる。
【００７９】
また、エンジン１１の温度は、例えば、自動車１０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。
【００８０】
このとき、エンジン１１の熱が排ガスを介して伝達されるため、排ガスの温度（下流側分岐管２９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。
【００８１】
内燃機関２（エンジン１１）および排ガスの温度は、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。
【００８２】
そして、この車載発電システム１では、上記したように、デバイス配置管３１内に、第１デバイス３が配置されている。
【００８３】
そのため、例えば、切替弁７の切り替えによって、デバイス配置管３１を開通させるとともに、バイパス管３２を閉塞させると、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排ガスが、所定の第１流速（具体的には、エンジン１１からの排出速度（Ｌ／ｍｉｎ））で、デバイス配置管３１に導入される。これにより、デバイス配置管３１内において、第１デバイス３に排ガスが供給され、第１デバイス３が第２デバイス４を介して排ガスに接触（曝露）され、加熱される。
【００８４】
一方、切替弁７の切り替えによって、デバイス配置管３１を閉塞させるとともに、バイパス管３２を開通させると、エンジン１１（内燃機関２）から排出される排ガスは、バイパス管３２に導入される。また、デバイス配置管３１内の排ガスの流速が、第１流速より小さい所定の第２流速（具体的には、０（Ｌ／ｍｉｎ））に調整される。換言すれば、第１デバイス３には排ガスが供給されない。その結果、第１デバイス３が、冷却される。
【００８５】
このようにして、第１デバイス３が排ガスに曝露される加熱状態と、第１デバイス３が排ガスに曝露されない冷却状態とが、切替弁７によって切り替えられ、第１デバイス３が加熱および冷却される。
【００８６】
また、このような車載発電システム１では、通常、第１デバイス３は、所定の第１温度（高温状態における温度）に到達するまで加熱され、その後、第１温度よりも低い所定の第２温度（低温状態における温度）に到達するまで冷却される。
【００８７】
第１温度は、第１デバイス３の加熱時の目標温度（最高温度、Ｔｍａｘ）であって、例えば、第１デバイス３のキュリー点（以下、Ｔｃと表記する場合がある。）などに応じて、適宜設定される。
【００８８】
第１温度（Ｔｍａｘ）は、第１デバイス３のキュリー点よりも高い温度であり、具体的には、例えば、Ｔｃ＋２０℃以上、好ましくは、Ｔｃ＋３０℃以上であり、例えば、Ｔｃ＋８０℃以下、好ましくは、Ｔｃ＋６０℃以下である。
【００８９】
より具体的には、後述する実施例のように第１デバイス３のキュリー点が１６５℃である場合、第１温度（Ｔｍａｘ）は、例えば、１８５℃以上、好ましくは、１９５℃以上であり、例えば、２４５℃以下、好ましくは、２２５℃以下である。
【００９０】
また、第２温度は、第１デバイス３の冷却時の目標温度（最低温度、Ｔｍｉｎ）であって、例えば、上記の第１温度（Ｔｍａｘ）に対して所定の温度差となるように、適宜設定される。
【００９１】
第１温度（Ｔｍａｘ）と第２温度（Ｔｍｉｎ）との差（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）は、例えば、４０℃以上、好ましくは、５０℃以上であり、例えば、１００℃以下、好ましくは、８０℃以下である。
【００９２】
また、第２温度（Ｔｍｉｎ）は、第１デバイス３のキュリー点（Ｔｃ）以下に設定され、具体的には、例えば、Ｔｃ−５０℃以上、好ましくは、Ｔｃ−３０℃以上であり、例えば、Ｔｃ以下、好ましくは、Ｔｃ−５℃以下である。
【００９３】
より具体的には、後述する実施例のように第１デバイス３のキュリー点が１６５℃である場合、第２温度（Ｔｍｉｎ）は、例えば、１１５℃以上、好ましくは、１３５℃以上であり、例えば、１６５℃以下、好ましくは、１６０℃以下である。
【００９４】
このようにして、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によって、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）で電気分極させることができる。
【００９５】
そのため、この車載発電システム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。
【００９６】
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２デバイス４に接続される昇圧器（図示せず）で昇圧し、交流／直流変換器（図示せず）において直流電圧に変換した後、バッテリー９に蓄電する。
【００９７】
バッテリー９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。
【００９８】
また、詳細は図示しないが、必要に応じて、電圧印加装置（図示せず）を第１デバイス３に接続し、第１デバイス３の昇温時に第１デバイス３に電圧を印加し、また、第１デバイス３の降温時に電圧の印加を停止することもできる。
【００９９】
これにより、第１デバイス３のキュリー点を実質的に上昇（約２０〜３０℃）させることができ、発電効率の向上を図るとともに、加熱による第１デバイス３の損傷を抑制することができる。
【０１００】
３．切替弁の制御
上記したように、この車載発電システム１では、切替弁７の切り替えによって、第１デバイス３が加熱および冷却される。
【０１０１】
しかし、このような車載発電システム１において、第１デバイス３が所定の高温状態（Ｔｍａｘ）に至るまで加熱を続け、また、その後、第１デバイス３が所定の低温状態（Ｔｍｉｎ）に至るまで冷却を続けると、自動車１０の走行状態によっては、比較的低温の排ガス（例えば、減速中の排ガス）が第１デバイス３に供給される場合があり、また、比較的高温の排ガス（例えば、加速中の排ガス）が廃棄される場合があるなど、熱エネルギーの利用効率が不十分である。
【０１０２】
そこで、この車載発電システム１では、以下のように切替弁７を制御することにより、発電効率の向上を図る。
【０１０３】
より具体的には、この制御処理は、図２にスタートとして示されるように、エンジン１１の駆動開始をトリガーとして開始される。
【０１０４】
エンジン１１が駆動開始されると、まず、切替弁７の制御により、デバイス配置管３１を開通させるとともに、バイパス管３２を閉塞させる。
【０１０５】
これにより、排ガスが所定の第１流速（具体的には、エンジン１１からの排出速度（Ｌ／ｍｉｎ））でデバイス配置管３１に案内され、その排ガスによって第１デバイス３が加熱される（ステップＳ１）。
【０１０６】
また、これとともに、この車載発電システム１では、温度センサ５によって、デバイス配置管３１内の第１デバイス３の温度が検知され、制御ユニット８に電気信号として入力される。
【０１０７】
そして、制御ユニット８において、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の第１温度に到達したか否かが判断される（ステップＳ２）。
【０１０８】
第１温度は、上記した通り、第１デバイス３の加熱時の目標温度（最高温度、Ｔｍａｘ）である。
【０１０９】
そして、この制御処理では、第１デバイス３の温度が第１温度（Ｔｍａｘ）に到達していない場合（ステップＳ２のＮＯ）、第１デバイス３の温度が第１温度（Ｔｍａｘ）に到達するまで、第１デバイス３に対して所定の第１流速（エンジン１１からの排出速度（Ｌ／ｍｉｎ））で排ガスを供給する。これにより、第１デバイス３の加熱が継続される。
【０１１０】
一方、第１デバイス３の温度が第１温度（Ｔｍａｘ）に到達した場合（ステップＳ２のＹＥＳ）には、切換弁７の制御により、第１デバイス３の加熱を停止し、第１デバイス３の冷却を開始する（ステップＳ３）。
【０１１１】
具体的には、第１デバイス３の温度が第１温度（Ｔｍａｘ）に到達した後、切替弁７の制御により、デバイス配置管３１を閉塞し、バイパス管３２を開通させる。
【０１１２】
これにより、第１デバイス３に対する排ガスの流速を、上記の第１流速よりも小さい第２流速（具体的には、０（Ｌ／ｍｉｎ））に調整する。つまり、第１デバイス３に対する排ガスの供給を停止する。これにより、第１デバイス３を冷却する。
【０１１３】
そして、この制御処理では、制御ユニット８において、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の閾値温度に到達したか否かが判断される（ステップＳ４）。
【０１１４】
閾値温度は、上記の第１温度（最高温度、Ｔｍａｘ）と、上記の第２温度（最低温度、Ｔｍｉｎ）との間に設定される、第３温度（中間温度、Ｔｍｉｄ）である。
【０１１５】
閾値温度は、上記の第１温度（最高温度、Ｔｍａｘ）および上記の第２温度（最低温度、Ｔｍｉｎ）の温度差（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）や、第１デバイス３のキュリー点（Ｔｃ）などに応じて、適宜設定される。
【０１１６】
例えば、第１温度（Ｔｍａｘ）と閾値温度（Ｔｍｉｄ）との差（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｄ）が、第１温度（Ｔｍａｘ）と第２温度（Ｔｍｉｎ）との差（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｎ）に対して、例えば、４０〜６０％（好ましくは、５０〜５５％）となるように、閾値温度（Ｔｍｉｄ）が設定される。
【０１１７】
より具体的には、第１温度（Ｔｍａｘ）と閾値温度（Ｔｍｉｄ）との差（Ｔｍａｘ−Ｔｍｉｄ）は、例えば、２０℃以上、好ましくは、２５℃以上であり、例えば、５０℃以下、好ましくは、４０℃以下である。
【０１１８】
また、閾値温度（Ｔｍｉｄ）は、第１デバイス３のキュリー点（Ｔｃ）に応じて設定され、具体的には、例えば、Ｔｃ＋５℃以上、好ましくは、Ｔｃ＋１０℃以上であり、例えば、Ｔｃ＋３０℃以下、好ましくは、Ｔｃ＋２０℃以下である。
【０１１９】
より具体的には、後述する実施例のように第１デバイス３のキュリー点が１６５℃である場合、閾値温度（Ｔｍｉｄ）は、例えば、１７０℃以上、好ましくは、１７５℃以上であり、例えば、１９５℃以下、好ましくは、１８５℃以下である。
【０１２０】
そして、この制御処理では、第１デバイス３の温度が閾値温度（Ｔｍｉｄ）に到達していない場合（ステップＳ４のＮＯ）、第１デバイス３の温度が閾値温度（Ｔｍｉｄ）に到達するまで、排ガスを第２流速（具体的には、０（Ｌ／ｍｉｎ））に維持する。つまり、第１デバイス３に対する排ガスの供給を停止し続ける。これにより、第１デバイス３の冷却が継続される。
【０１２１】
一方、第１デバイス３の温度が閾値温度（Ｔｍｉｄ）に到達した場合（ステップＳ４のＹＥＳ）には、続いて、自動車１０が加速状態であるか否かが判断される（ステップＳ５）。
【０１２２】
そして、この制御処理では、自動車１０が加速状態である場合（ステップＳ５のＹＥＳ）には、第１デバイス３の温度が第２温度（Ｔｍｉｎ）に到達することを待たずに、第１デバイス３を再加熱する。
【０１２３】
すなわち、切替弁７の制御により、デバイス配置管３１を開通させるとともに、バイパス管３２を閉塞させる。これにより、排ガスが所定の第１流速（具体的には、エンジン１１からの排出速度（Ｌ／ｍｉｎ））でデバイス配置管３１に案内され、その排ガスによって第１デバイス３が加熱される（ステップＳ１）。
【０１２４】
また、この加熱は、上記と同様に、第１デバイス３の温度が所定の第１温度に到達するまで、継続される。
【０１２５】
一方、自動車１０が加速状態でない場合（ステップＳ５のＮＯ）には、排ガスを第２流速（具体的には、０（Ｌ／ｍｉｎ））に維持する。つまり、第１デバイス３に対する排ガスの供給を停止し続ける。これにより、第１デバイス３の冷却が継続される。
【０１２６】
続いて、第１デバイス３の温度が、予め設定された所定の第２温度に到達したか否かが判断される（ステップＳ６）。
【０１２７】
第２温度は、上記した通り、第１デバイス３の冷却時の目標温度（最低温度、Ｔｍｉｎ）である。
【０１２８】
そして、この制御処理では、第１デバイス３の温度が第２温度（Ｔｍｉｎ）に到達していない場合（ステップＳ６のＮＯ）、第１デバイス３の温度が第２温度（Ｔｍｉｎ）に到達するまで、第１デバイス３の冷却が継続される。
【０１２９】
換言すれば、第１デバイス３が冷却され、閾値温度（Ｔｍｉｄ）に到達したとき、自動車１０が加速状態でない場合には、第１デバイス３に対する排ガスの流速を、所定の第１流速（具体的には、エンジン１１からの排出速度（Ｌ／ｍｉｎ））よりも小さい第２流速（具体的には、０（Ｌ／ｍｉｎ））に維持する。これにより、第１デバイス３の温度が所定の第２温度に到達するまで、第１デバイス３を冷却する。
【０１３０】
そして、第１デバイス３の温度が第２温度（Ｔｍｉｎ）に到達した場合（ステップＳ６のＹＥＳ）には、続いて、エンジン１１が駆動中であるか否かが判断される（ステップＳ７）。
【０１３１】
そして、この制御処理では、エンジン１１が駆動を継続している場合（ステップＳ７のＹＥＳ）には、第１デバイス３を再加熱する。
【０１３２】
すなわち、切替弁７の制御により、デバイス配置管３１を開通させるとともに、バイパス管３２を閉塞させる。これにより、排ガスが所定の第１流速（具体的には、エンジン１１からの排出速度（Ｌ／ｍｉｎ））でデバイス配置管３１に案内され、その排ガスによって第１デバイス３が加熱される（ステップＳ１）。
【０１３３】
また、この加熱は、上記と同様に、第１デバイス３の温度が所定の第１温度に到達するまで、継続される。
【０１３４】
一方、エンジン１１が駆動を停止している場合（ステップＳ７のＮＯ）には、この制御処理を終了する（エンド）。
【０１３５】
４．作用効果
このような車載発電システム１では、デバイス配置管３１内の排ガスの流れが相対的に多くなることによる第１デバイス３の加熱と、その排ガスの流れが相対的に少なくなることによる第１デバイス３の冷却とが、切替弁７によって切り替えられる。
【０１３６】
そして、第１デバイス３が冷却され、第１デバイス３の温度が所定の閾値温度（Ｔｍｉｄ）に到達したとき、自動車１０が加速状態であれば、第１デバイス３の冷却を停止して、加熱を開始する。
【０１３７】
一方、第１デバイス３が冷却され、第１デバイス３の温度が所定の閾値温度（Ｔｍｉｄ）に到達したときに、自動車１０が加速状態でなければ、第１デバイス３の冷却を継続する。
【０１３８】
このような車載発電システム１によれば、自動車１０の加速時における排ガスを、第１デバイス３に供給することができるため、熱エネルギーを効率よく使用することができ、効率よく発電することができる。
【０１３９】
また、この車載発電システム１では、自動車１０の走行条件によっては、例えば、デバイス配置管３１内の第１デバイス３が過度に加熱され、第１デバイス３に損傷を生じる場合がある。より具体的には、第１デバイス３がそのキュリー点以上に加熱された状態で維持されると、第１デバイスに損傷を生じ、発電性能の低下を惹起する場合がある。
【０１４０】
このような場合、この車載発電システム１では、温度センサ５によって第１デバイス３の温度が所定値（例えば、キュリー点）以上であると検知されるときには、切替弁７の制御により、デバイス配置管３１を閉塞し、バイパス管３２を開通させる。これにより、第１デバイス３を回避する方向に排ガスを流すことができ、第１デバイス３の損傷を抑制することができる。
【０１４１】
なお、上記した説明では、排ガスの流速を調整するための調整手段として、排ガスの流速をエンジン１１からの排気速度とするか、排ガスの流れを停止させるかを切り替える切替弁７を用いたが、例えば、デバイス配置管３１およびバイパス管３２の開度を任意に調整可能な流量調整弁を用いることもできる。
【０１４２】
このような場合、流量調整弁によって調整される排ガスの第１流速および第２流速は、目的および用途に応じて、適宜設定される。
【実施例】
【０１４３】
次に、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。なお、「部」および「％」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値（「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値（「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。
【０１４４】
実施例１
焦電素子（第１デバイス、構造：ＰＺＴ、キュリー点（Ｔｃ）１６５℃、比誘電率：５５００、製番：Ｃ−９１、富士セラミックス製）を、厚み０．５ｍｍサイズに研削した。
【０１４５】
次いで、その表面および裏面に、銀スパッタを用いて銀イオンを約１０分間蒸着させ、銀電極（第２デバイス）を形成した。
【０１４６】
その後、貼着テープを用いて、２つの導線（リード線）の一方側を各銀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。
【０１４７】
また、熱源として、ガソリンを燃料とするエンジン（排気量６６０ＣＣ）を用いた。また、エンジンの排ガスを焦電素子に任意に照射できるよう、配管を接続した。
【０１４８】
次いで、焦電素子の温度および温度変化率を検知できるよう、熱電対（温度センサ）および制御ユニット（ＣＰＵ）を配置した。
【０１４９】
そして、エンジンからＪＣ０８モードに準拠した排ガスを噴き出し、焦電素子に照射して、その温度を経時的に上下させた。また、焦電素子の温度（平均値）を熱電対により測定した。
【０１５０】
また、ＪＣ０８モード中の２００秒〜３００秒の区間にて、以下の温度条件に従って、焦電素子に排ガスを照射した。
【０１５１】
具体的には、焦電素子が第１温度に至るまで、焦電素子に排ガスを照射し、その後、排ガスの照射を停止した。
【０１５２】
次いで、焦電素子が閾値温度に至ったとき、ＪＣ０８モードの運転状態において加速中と判断される場合には、再度、焦電素子に排ガスを照射し、第１温度まで加熱した。
【０１５３】
一方、焦電素子が閾値温度に至ったとき、ＪＣ０８モードの運転状態において加速中でなければ、排ガスの照射を停止し続け、第２温度まで冷却した。そして、焦電素子が第２温度に至ると、再度、焦電素子に排ガスを照射し、第１温度まで加熱した。
第１温度（Ｔｍａｘ）：２１０℃
第２温度（Ｔｍｉｎ）：１５０℃
閾値温度（Ｔｍｉｄ）：１８０℃
これにより、焦電素子を電気分極させ、得られる電圧を検知した。また、ＪＣ０８モード中の２００秒〜３００秒の区間にて得られた発電エネルギーを、温度凸ピーク毎に計測した。その結果を、表１に示す。
【０１５４】
比較例１
ＪＣ０８モード中の２００秒〜３００秒の区間にて、以下の温度条件に従って、焦電素子に排ガスを照射した以外は、実施例１と同様に操作した。
【０１５５】
具体的には、焦電素子が第１温度に至るまで、焦電素子に排ガスを照射し、その後、排ガスの照射を停止した。
【０１５６】
次いで、焦電素子が第２温度に至ると、再度、焦電素子に排ガスを照射し、第１温度まで加熱した。
第１温度（Ｔｍａｘ）：２１０℃
第２温度（Ｔｍｉｎ）：１５０℃
これにより、焦電素子を電気分極させ、得られる電圧を検知した。また、ＪＣ０８モード中の２００秒〜３００秒の区間にて得られた発電エネルギーを、温度凸ピーク毎に計測した。その結果を、表１に示す。
【０１５７】
【表１】
2019138259.tif 000003
【符号の説明】
【０１５８】
１      車載発電システム
２      内燃機関
３      第１デバイス
４      第２デバイス
７      切替弁
８      制御ユニット
１１    エンジン
１５    排気管
【図１】
2019138259.tif 000004
【図２】
2019138259.tif 000005
【図３】
2019138259.tif 000006