(57)【要約】【課題】破損を抑制することができる発電システムを提供すること。【解決手段】温度が経時的に上下する熱源２と、熱源２の温度変化により温度が経時的に上下され、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を、筒状とする。この発電システム１では、第１デバイス３が筒状であるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、応力を分散させることができ、破損を抑制することができる。【選択図】図５
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【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１デバイスが、筒状であることを特徴とする、発電システム。
【請求項２】
前記第１デバイスが円筒状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２デバイスが、円筒状の電極を備え、
前記第１デバイスと前記電極とが、前記第１デバイスの軸線方向に沿って交互に配置されている
ことを特徴とする、請求項２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記第２デバイスが、円筒状の電極を備え、
前記第１デバイスと前記電極とが、前記第１デバイスの径方向に沿って交互に配置されている
ことを特徴とする、請求項２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平板状の第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おり、さらに、そのような発電システムにおいて、平板状の第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、特許文献１に記載されるような発電システムでは、第１デバイスが平板状であるため、応力集中を生じやすく、例えば、使用中の振動などにより破損を生じる場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、破損を抑制す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１デバイスが、筒状であることを特徴としている。
【０００８】
また、本発明の発電システムでは、前記第１デバイスが円筒状であることが好適である。
【０００９】
また、本発明の発電システムでは、前記第２デバイスが、円筒状の電極を備え、前記第１デバイスと前記電極とが、前記第１デバイスの軸線方向に沿って交互に配置されている
ことが好適である。
【００１０】
また、本発明の発電システムでは、前記第２デバイスが、円筒状の電極を備え、前記第１デバイスと前記電極とが、前記第１デバイスの径方向に沿って交互に配置されていることが好適である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の発電システムでは、第１デバイスが筒状であるため、第１デバイスが平板状に形成されている場合に比べて、応力を分散させることができ、破損を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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概略斜視図である。
【図３】図３は、図２に示す第１デバイスが直列的に電気接続される形態を示す、軸線方向に沿う概略断面図である。
【図４】図４は、図２に示す第１デバイスが並列的に電気接続される形態を示す、軸線方向に沿う概略断面図である。
【図５】図５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概略斜視図である。
【図６】図６は、図５に示す第１デバイスおよび第２デバイスの、径方向に沿う断面斜視図である。
【図７】図７は、図５に示す第１デバイスが直列的に電気接続される第１形態を示す、軸線方向に沿う概略断面図である。
【図８】図８は、図５に示す第１デバイスが直列的に電気接続される第２形態を示す、軸線方向に沿う概略断面図である。
【図９】図９は、図５に示す第１デバイスが並列的に電気接続される第１形態を示す、軸線方向に沿う概略断面図である。
【図１０】図１０は、図５に示す第１デバイスが並列的に電気接続される第２形態を示す、軸線方向に沿う概略断面図である。
【図１１】図１１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１２】図１２は、図１１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】
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
また、熱源２として、好ましくは、内燃機関が挙げられる。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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、（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などの誘電体を用いることもできる。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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）９、および、電極に接続される導線２１（後述）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。
【００６２】
具体的には、このような発電システム１では、図２に示すように、複数の第１デバイス３と、複数の第２デバイス４の電極９とによって、発電ユニット８が形成されている。なお、図２では、第２デバイス４の導線２１（後述）は省略して示している。
【００６３】
第１デバイス３は、筒状、好ましくは、円筒状に形成されており、複数設けられている。
【００６４】
なお、第１デバイス３の内径、外径および軸線方向長さは、目的および用途に応じて、適宜設定される。
【００６５】
電極９は、筒状、好ましくは、円筒状に形成されており、複数設けられている。
【００６６】
電極９の内径は、第１デバイス３の内径よりも僅かに小さいか、または、第１デバイス３の内径と略同一となるように、適宜設定される。
【００６７】
また、電極９の外径は、第１デバイス３の外径よりも僅かに大きくなるように、適宜設定される。
【００６８】
また、電極９の軸線方向長さは、目的および用途に応じて、適宜設定される。
【００６９】
そして、この発電システム１では、円筒状の第１デバイス３と、円筒状の電極９とが、その軸線を共有して１列を成し、軸線方向に沿って互いに接触するように、交互に配置されている。これにより、複数の第１デバイス３と、複数の電極９とから、円筒状の発電ユニット８が形成されている。なお、軸線方向両端部には、好ましくは、電極９が配置されている。
【００７０】
得られる発電ユニット８の軸線方向長さは、特に制限されず、第１デバイス３および電極９の軸線方向長さにより、決定される。
【００７１】
また、発電ユニット８には、必要に応じて、カバー材２２が設けられている。
【００７２】
カバー材２２は、例えば、公知の誘電体からなり、筒状、好ましくは、円筒状に形成されている。カバー材２２は、発電ユニット８の径方向内面と接触するように、発電ユニット８の径方向内側、すなわち、発電ユニット８の筒内に配置されている。これにより、発電ユニット８の径方向内面が、カバー材２２によって被覆されている。なお、カバー材２２のサイズは、目的および用途に応じて、適宜設定される。
【００７３】
また、図示しないが、必要に応じて、第１デバイス３および電極９の径方向外面や、さらには、発電ユニット８の軸線方向両端縁にも、カバー材（図示せず）を設けることができる。
【００７４】
そして、このような発電ユニット８において、好ましくは、各第１デバイス３が、各電極９および第２デバイス４の導線などを介して、直列的または並列的に、電気接続されている。
【００７５】
例えば、各第１デバイス３が直列的に電気接続される場合には、例えば、図３に示すように、各第１デバイス３および各電極９に、それらを軸線方向に貫通するビアホールが複数（２つ）形成され、各ビアホール内に、第２デバイス４の導線２１が通される。
【００７６】
また、各第１デバイス３が並列的に電気接続される場合には、例えば、図４に示すように、各電極９に導線２１が接続され、それらが束ねられる。
【００７７】
このような発電ユニット８は、特に制限されないが、例えば、円筒状の第１デバイス３、および、円筒状の電極９が上記したように配置されることにより、製造される。
【００７８】
そして、得られた発電ユニット８（第１デバイス３および第２デバイス４）は、図１に示すように、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、電気的に接続される。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
さらに、このような発電システム１では、第１デバイス３が筒状、とりわけ、円筒状であるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、応力を分散させることができ、破損を抑制することができる。
【００８８】
また、このような発電システム１では、第１デバイス３と電極９とが、第１デバイス３の軸線方向に沿って交互に配置されているため、各第１デバイス３を直列的および／または並列的に電気接続することができ、より効率的に発電することができる。
【００８９】
また、このような発電システム１では、第１デバイス３が筒状、とりわけ、円筒状であるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、配線を単純化およびコンパクト化することができるため、省スペース化を図ることができる。
【００９０】
すなわち、第１デバイス３が平板状に形成されている場合には、各第１デバイス３それぞれに、電極９を介して導線２１を接続する必要がある。一方、第１デバイス３が筒状に形成される発電システム１では、上記したように、すべての第１デバイス３および電極９を貫通するように導線２１を設けることができる。そのため、配線を単純化およびコンパクト化することができ、省スペース化を図ることができる。
【００９１】
また、このような発電システム１では、発電ユニット８の径方向内面に、カバー材２２が備えられているため、第１デバイス３および電極９を保護することができる。
【００９２】
すなわち、例えば、熱源２として内燃機関が用いられる場合には、発電ユニット８の筒内に排気ガスが導入され、その排気ガスを熱媒体として、熱源２の熱エネルギーが、第１デバイス３に伝達される。
【００９３】
しかし、このように、熱源２として内燃機関が用いられる場合には、熱媒体として用いられる排気ガスが、腐食性ガスである場合や、例えば、水滴や粒子状物質（カーボン含有粒子）などの導電性物質を含むガスである場合がある。
【００９４】
そのため、排気ガスが、第１デバイス３や電極９に接触すると、電極９間に短絡を生じる場合や、第１デバイス３や電極９に損傷を生じる場合がある。
【００９５】
一方、上記の発電システム１では、第１デバイス３や電極９が、カバー材２２により被覆されているため、第１デバイス３および電極９が、排気ガスに接触することを防止することができる。その結果、電極９間の短絡を抑制し、また、第１デバイス３および電極９を保護することができる。
【００９６】
上記した説明では、第１デバイス３と電極９とが、第１デバイス３の軸線方向に沿って交互に配置されているが、図５〜図８に示すように、例えば、第１デバイスと電極９とが、第１デバイス３の径方向に沿って交互に配置されていてもよい。
【００９７】
より具体的には、図５および図６が参照されるように、この発電ユニット８は、複数の第１デバイス３と、複数の電極９とを備えている。なお、図５および図６では、第２デバイス４の導線２１（後述）は省略して示している。
【００９８】
この発電ユニット８において、複数の第１デバイス３は、径方向長さが互いに異なり、軸線方向長さが互いに略同一となるように形成されている。そのため、各第１デバイス３の内径および外径は互いに異なる。なお、第１デバイス３の内径、外径、厚みおよび軸線方向長さは、目的および用途に応じて、適宜設定される。
【００９９】
また、複数の電極９は、径方向長さが互いに異なり、軸線方向長さが互いに略同一となるように形成されている。そのため、各電極９の内径および外径は互いに異なる。なお、電極９の内径、外径、厚みおよび軸線方向長さは、目的および用途に応じて、適宜設定される。また、各電極９の軸線方向長さは、第１デバイス３の軸線方向長さよりも僅かに長くなるよう、適宜設定される。
【０１００】
そして、この発電システム１では、円筒状の第１デバイス３と、円筒状の電極９とが、その軸線を共有するように断面視略同心円状に配置され、また、径方向にそって互いに接触するように、交互に積層配置されている。これにより、複数の第１デバイス３と、複数の電極９とから、円筒状の発電ユニット８が形成されている。なお、径方向両端部には、好ましくは、電極９が配置されている。
【０１０１】
得られる発電ユニット８の軸線方向長さは、特に制限されず、第１デバイス３および電極９の軸線方向長さにより、決定される。
【０１０２】
また、発電ユニット８には、必要に応じて、カバー材２２が設けられている。
【０１０３】
カバー材２２は、例えば、公知の誘電体からなり、発電ユニット８の径方向外面および径方向内面を被覆するとともに、第１デバイス３の軸線方向両端面を被覆している。また、必要により、電極９の軸線方向両端部が、カバー材２２から突出し、外部に露出されていてもよい。外部に露出される電極９の数や位置は、後述する電気接続の方法などに応じて、適宜設計される。なお、図５では、すべての電極９の軸線方向両端部が、カバー材２２から突出し、外部に露出される形態を示している。
【０１０４】
また、カバー材２２の厚みは、目的および用途に応じて、適宜設定される。
【０１０５】
そして、このような発電ユニット８において、好ましくは、各第１デバイス３が、各電極９および第２デバイス４の導線などを介して、直列的または並列的に、電気接続されている。
【０１０６】
例えば、各第１デバイス３が直列的に電気接続される場合には、例えば、図７に示すように、径方向最外の電極９の軸線方向一方側端部と、径方向最内の電極９の軸線方向一方側端部とが、カバー材２２から突出し、外部に露出される。そして、カバー材２２から露出される各電極９の軸線方向一方側端縁に、第２デバイス４の導線２１が接続され、それらが束ねられる。また、詳しくは後述するが、各電極９の軸線方向両端部を露出させ、その軸線方向両端縁に、第２デバイス４としてのメッシュ電極２３（後述）を接続することにより、各第１デバイス３を電気接続することもできる。
【０１０７】
また、例えば、図８に示すように、径方向最外の電極９を被覆するカバー層２２と、径方向最内の電極９を被覆するカバー層２２とに、貫通孔が形成され、その貫通孔内に第２デバイス４の導線２１が通され、電極９に接続されることでも、各第１デバイス３が直列的に電気接続される。また、このような場合、全ての電極９の軸線方向両端部を、カバー層２２に被覆させることができる。
【０１０８】
また、各第１デバイス３が並列的に電気接続される場合には、例えば、図９に示すように、径方向最内の電極９を１番目として、奇数番目の電極９の軸線方向一方側端部が、カバー材２２から突出し、外部に露出される。そして、それら奇数番目の電極９の軸線方向一方側端縁に、第２デバイス４の導線２１が接続され、それらが束ねられる。また、偶数番目の電極９の軸線方向他方側端部が、カバー材２２から突出し、外部に露出される。そして、それら偶数番目の電極９の軸線方向他方側端縁に、第２デバイス４の導線２１が接続され、それらが束ねられる。また、詳しくは後述するが、各電極９の軸線方向両端縁に、第２デバイス４としてのメッシュ電極２３（後述）を接続することにより、各第１デバイス３を電気接続することもできる。
【０１０９】
また、例えば、図１０に示すように、各第１デバイス３および各電極９に、それらを径方向に貫通するビアホールが複数（２つ）形成され、各ビアホール内に、奇数番目の電極９のみに接触する導線２１と、偶数番目の電極９のみに接触する導線２１とが通されることでも、各第１デバイス３が並列的に電気接続される。
【０１１０】
なお、このような場合、奇数番目の電極９に接触する導線２１が、偶数番目の電極９に接触することを防止するための空隙２５を、各電極９に形成することができる。また、このような場合、全ての電極９の軸線方向両端部を、カバー層２２に被覆させることができる。
【０１１１】
このような発電ユニット８は、特に制限されないが、例えば、半円筒状の第１デバイス３および電極９の積層体を２つ用意し、それらを円筒状となるように繋ぎ合わせることにより、製造される。すなわち、まず、半円筒状の複数の第１デバイス３、および、半円筒状の複数の電極９によって、半円筒状の積層体が形成され、その後、得られた積層体が上記した形状となるように組み合わされることにより、発電ユニット８が製造される。また、発電ユニット８は、例えば、円筒状の電極９の径方向外面に、順次、円筒状の第１デバイス３、および、円筒状の電極９が積層されることによっても、製造される。
【０１１２】
そして、得られた発電ユニット８（第１デバイス３および第２デバイス４）は、図１に示すように、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、電気的に接続される。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
さらに、このような発電システム１でも、第１デバイス３が筒状、とりわけ、円筒状であるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、応力を分散させることができ、破損を抑制することができる。
【０１１６】
さらに、このような発電システム１では、例えば、外径および内径の異なる発電ユニット８を、径方向に沿って多重に配置することができるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、単位体積あたりの第１デバイス３の量を増加させ、また、第１デバイス３の加熱および冷却効率の向上を図ることができるため、発電効率の向上を図ることができる。
【０１１７】
また、このような発電システム１でも、第１デバイス３と電極９とが、第１デバイス３の軸線方向に沿って交互に配置されているため、各第１デバイス３を直列的および／または並列的に電気接続することができ、より効率的に発電することができる。
【０１１８】
また、このような発電システム１でも、第１デバイス３が筒状、とりわけ、円筒状であるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、配線を単純化およびコンパクト化することができるため、省スペース化を図ることができる。
【０１１９】
すなわち、第１デバイス３が平板状に形成されている場合には、各第１デバイス３それぞれに、電極９を介して導線２１を接続する必要がある。一方、第１デバイス３が筒状に形成される発電システム１では、上記したように、すべての第１デバイス３および電極９を貫通するように導線２１を設けることができる。また、詳しくは後述するが、すべての電極９に、メッシュ電極２３（後述）を同時に接続することもできる。そのため、配線を単純化およびコンパクト化することができ、省スペース化を図ることができる。
【０１２０】
また、このような発電システム１でも、カバー材２２が備えられているため、第１デバイス３および電極９を保護することができる。
【０１２１】
そして、このような発電システム１は、図１１に示されるように、好ましくは、車載されて用いられる。
【０１２２】
図１１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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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１１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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
そして、この自動車１０は、発電システム１を搭載している。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
より具体的には、図１１において部分拡大図として示すように、箱型空間２０内において、上記した発電ユニット８（図５参照）が複数備えられている。なお、図１１の部分拡大図においては、１つの発電ユニット８を取り出して示し、その他の発電ユニット８は省略されている。
【０１３６】
複数の発電ユニット８は、図１２に示すように、その軸線方向が排気ガスの流れ方向に沿うように配置されており、図示しない固定部材によって固定されている。
【０１３７】
また、発電ユニット８の軸線方向両端部には、例えば、第２デバイス４として、金属メッシュなどからなるメッシュ電極２３が、電極９と接触するように配置されている。また、詳しくは図示しないが、電極９とメッシュ電極２３とは、例えば、溶接、導電性接着剤などの公知の方法によって、固定されている。また、メッシュ電極２３は、第２デバイス４の導線（図示せず）などに接続されている。
【０１３８】
そして、図１１に示すように、発電ユニット８は、図示しない導線（第２デバイス４）を介して、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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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、発電ユニット８が配置されている。
【０１４６】
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、発電ユニット８に用いられる第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。
【０１４７】
つまり、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
その後、この方法では、例えば、図１１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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
さらに、このような発電システム１でも、第１デバイス３が筒状、とりわけ、円筒状であるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、応力を分散させることができ、破損を抑制することができる。
【０１６１】
さらに、このような発電システム１では、例えば、外径および内径の異なる発電ユニット８を、径方向に沿って多重に配置することができるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、単位体積あたりの第１デバイス３の量を増加させ、また、第１デバイス３の加熱および冷却効率の向上を図ることができるため、発電効率の向上を図ることができる。
【０１６２】
また、このような発電システム１でも、第１デバイス３と電極９とが、第１デバイス３の軸線方向に沿って交互に配置されているため、各第１デバイス３を直列的および／または並列的に電気接続することができ、より効率的に発電することができる。
【０１６３】
また、このような発電システム１でも、第１デバイス３が筒状、とりわけ、円筒状であるため、第１デバイス３が平板状に形成されている場合に比べて、配線を単純化およびコンパクト化することができるため、省スペース化を図ることができる。
【０１６４】
すなわち、第１デバイス３が平板状に形成されている場合には、各第１デバイス３それぞれに、電極９を介して導線２１を接続する必要がある。一方、第１デバイス３が筒状に形成される発電システム１では、上記したように、すべての電極９に、メッシュ電極２３を同時に接続することができる。そのため、配線を単純化およびコンパクト化することができ、省スペース化を図ることができる。
【０１６５】
また、このような発電システム１でも、カバー材２２が備えられているため、第１デバイス３および電極９を保護することができる。
【０１６６】
なお、上記した説明では、第１デバイス３を円筒状として説明したが、第１デバイス３の形状は、筒状であれば特に限定されず、例えば、四角筒状、六角筒状など、目的および用途に応じて、適宜設計される。
【符号の説明】
【０１６７】
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      発電ユニット
９      電極
【図１】
2015070747.tif 000003
【図２】
2015070747.tif 000004
【図３】
2015070747.tif 000005
【図４】
2015070747.tif 000006
【図５】
2015070747.tif 000007
【図６】
2015070747.tif 000008
【図７】
2015070747.tif 000009
【図８】
2015070747.tif 000010
【図９】
2015070747.tif 000011
【図１０】
2015070747.tif 000012
【図１１】
2015070747.tif 000013
【図１２】
2015070747.tif 000014