(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＥＡＰ材料の弾性変形体に基づく可変コンデンサと、電子充電／放電ユニットと、電源／シンクとを備える電気機械エネルギー変換システムであって、
前記電源／シンクが前記電子充電／放電ユニットに接続され、前記電子充電／放電ユニットが前記可変コンデンサに接続され、前記可変コンデンサが第１および第２の電極を備え、これらの電極が、前記第１および第２の電極間に隙間距離を与える中間媒体によって分離され、前記可変コンデンサの前記隙間距離が、外的に印加される機械力に応じて最小距離と最大距離との間で調節でき、
前記電子充電／放電ユニットが、実質的に、前記隙間距離が最小であるおよび／または弾性変形体の面積が最大であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記電源／シンクから前記可変コンデンサを充電するとともに、実質的に、前記隙間距離が最大であるおよび／または前記弾性変形体の面積が最小であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記可変コンデンサを前記電源／シンクに放電するようになっており、
前記電子充電／放電ユニットがステップダウンコンバータとステップアップコンバータとを備え、前記ステップダウンコンバータおよび前記ステップアップコンバータが前記電源／シンクと前記可変コンデンサの電極との間に並列に配置され、前記電子充電／放電ユニットは、前記電源／シンクが前記第１および第２の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源である条件下で、前記可変コンデンサを前記ステップダウンコンバータによって充電するとともに前記可変コンデンサを前記ステップアップコンバータによって放電するようになっており、前記電子充電／放電ユニットが、連続電流モードで充電／放電するようになっている、
電気機械エネルギー変換システム。
【請求項２】
前記ステップダウンコンバータがバックコンバータであり、前記ステップアップコンバータがブーストコンバータである、請求項１に記載の電気機械エネルギー変換システム。
【請求項３】
前記可変コンデンサが充電中に負荷側にあり放電中に電源側にある、請求項１または２に記載の電気機械エネルギー変換システム。
【請求項４】
前記可変コンデンサが、伸縮性合成材料の電気活性高分子の変形可能層を備え、前記第１および第２の電極が前記変形可能層の内面および外面にそれぞれ内側電極層および外側電極層としてそれぞれに形成される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械エネルギー変換システム。
【請求項５】
前記変形可能層が弾性変形体の壁であり、前記弾性変形体が水中に浮くようになっている、請求項４に記載の電気機械エネルギー変換システム。
【請求項６】
外的に印加される前記機械力が水中の波によって生成される、請求項５に記載の電気機械エネルギー変換システム。
【請求項７】
ＥＡＰ材料の弾性変形体に基づく可変コンデンサと、電子充電／放電ユニットと、電源／シンクとを備える電気機械エネルギー変換システムにおける電気機械エネルギー変換のための方法であって、
前記電源／シンクが前記電子充電／放電ユニットに接続され、前記電子充電／放電ユニットが前記可変コンデンサに接続され、前記可変コンデンサが第１および第２の電極を備え、これらの電極が、前記第１および第２の電極間に隙間距離を与える中間媒体によって分離され、前記可変コンデンサの前記隙間距離が、外的に印加される機械力に応じて最小距離と最大距離との間で調節でき、
前記方法が、
実質的に、前記隙間距離が最小であるおよび／または弾性変形体の面積が最大であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記電源から前記可変コンデンサを電子的に充電するステップと、
実質的に、前記隙間距離が最大であるおよび／または前記弾性変形体の面積が最小であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記可変コンデンサを前記電源に電子的に放電するステップと、
を備え、
前記電源／シンクが前記第１および第２の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源である条件下で、前記可変コンデンサの電子的な充電がステップダウンコンバータによって行なわれるとともに、前記可変コンデンサの電子的な放電がステップアップコンバータによって行なわれ、前記電子的な充電および放電が連続電流モードで行なわれる、
方法。
【請求項８】
前記ステップダウンコンバータがバックコンバータであり、前記ステップアップコンバータがブーストコンバータである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記可変コンデンサが充電中に負荷側にあり放電中に電源側にある、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ステップダウンコンバータおよび前記ステップアップコンバータが前記電源と前記可変コンデンサの電極との間に並列に配置される、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記ステップダウンコンバータおよび前記ステップアップコンバータが、前記電源と前記可変コンデンサの電極との間に複合型バック／ブーストコンバータとして配置される、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気機械エネルギー変換システムに関する。また、本発明は電気機械エネルギー変換の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械エネルギー変換用途における電気活性高分子（ＥＡＰ）は、それぞれの電気サイクルまたは機械サイクルにおいて能動的な励起を必要とする。一般に、材料は、サイクルの始めに充電され、サイクルの終わりに放電される。この充電バイアスこそが電気機械変換プロセスを可能にする。
【０００３】
比較的小さい変形（＜５０％）を伴うサイクルを有する典型的な用途において、材料にバイアスをかけるために必要とされるエネルギーは、変換されるエネルギーの量よりもかなり多い。現在のＥＡＰデバイスの高い直列抵抗を考えると、放電および充電の局面で失われるエネルギーは、変換されたエネルギーを軽く超える。したがって、高い変換効率は、非常に効率の良い充放電プロセスによってのみ達成することができる。
【０００４】
ＥＡＰ系デバイスを使用する電気機械エネルギー変換システムは例えば国際公開第２０１０／１４６４５７号パンフレットに開示される。そのようなＥＡＰ系デバイスは、ＥＡＰ材料の層に及ぼされる変形の量に応じてそのキャパシタンスが変化する可変コンデンサと見なされ得る。
【０００５】
既に知られたＥＡＰ充電システムおよびＥＡＰ放電システムでは、スイッチングＤＣ／ＤＣまたはＡＤ／ＤＣパワーエレクトロニクスコンバータ（ＰＥＣ）が、電源／シンクからの可変コンデンサの充電、および、電源／シンクへの可変コンデンサの放電を行なう。一般に、充電は、ブーストコンバータなどのステップアップコンバータによって行なわれ、一方、放電は、バックコンバータなどのステップダウンコンバータによって達成される。
【０００６】
図１は、電源／シンクとＥＡＰ系デバイスとの間に並列のブーストコンバータとバックコンバータとを伴う従来技術の電気機械エネルギー変換システムの回路の一部を概略的に示す。
【０００７】
電気機械変換システムの回路１は、低電圧（Ｕｂ＜Ｕｖｃ）電源ＬＶと、ＥＡＰ材料の弾性変形体に基づく可変コンデンサ１０とを備える。電源は、可変コンデンサの充電中に電源として作用するとともに可変コンデンサの放電中に電力シンクとして作用するようになっている。
【０００８】
電源ＬＶおよび可変コンデンサ１０は、ステップアップコンバータ（ブーストコンバータ）Ｌ１，Ｓ１，Ｄ１とステップダウンコンバータ（バックコンバータ）Ｌ２，Ｓ２，Ｄ２との並列構成によって互いに接続される。
【０００９】
ステップアップコンバータＬ１，Ｓ１，Ｄ１は、ブーストインダクタＬ１と、ブーストスイッチング素子Ｓ１と、ブーストダイオードＤ１とを備え、ブーストインダクタＬ１およびブーストダイオードＤ１は、電源ＬＶのプラス端子と可変コンデンサ１０のプラス電極（プレート）との間に直列に配置される。ブーストダイオードＤ１の順方向は、可変コンデンサ１０のプラス端子に向かう方向である。
【００１０】
電源ＬＶのマイナス端子と可変コンデンサ１０のマイナス電極とがライン１１によって直接に接続される。ブーストスイッチング素子Ｓ１、一般的にトランジスタは、スイッチの一方の端子がブーストインダクタＬ１とブーストダイオードｄ１との間に接続されるとともにスイッチの他方の端子がライン１１に接続される状態で配置される。
【００１１】
ステップダウンコンバータＬ２，Ｓ２，Ｄ２は、バックインダクタＬ２と、バックスイッチング素子Ｓ２と、バックダイオードＤ２とを備え、バックインダクタＬ２およびバックスイッチング素子Ｓ２（一般的にトランジスタ）は、電源ＬＶのプラス端子と可変コンデンサ１０のプラス電極（プレート）との間に直列に配置される。電源ＬＶのマイナス端子と可変コンデンサ１０のマイナス電極とが第２のライン１２によって直接に接続される。バックダイオードＤ２は、一方の端子がバックスイッチＳ２とバックインダクタＬ２との間に接続されるとともにダイオードＤ２の他方の端子が第２のライン１２に接続される状態で配置される。
【００１２】
なお、高抵抗ＥＡＰデバイス（可変コンデンサ１０）は、充電中に負荷側にあり、放電中に電源側にある。
【００１３】
スイッチングＤＣ／ＤＣステップアップおよびステップダウンコンバータＬ１，Ｓ１，Ｄ１；Ｌ２，Ｓ２，Ｄ２のこの構成に特有なことは、動作中に、負荷側電流（ステップアップ）または電源側電流（ステップダウン）のいずれかが、スイッチング素子Ｓ１；Ｓ２を用いた高周波ＯＮ／ＯＦＦ切り換えによって遮断されていることである。結果として生じる不連続電流は、より高い有効電流値に起因して、直列構成要素における損失をかなり増大させる。当業者に知られるように、そのようなスイッチングＤＣ／ＤＣステップアップおよびステップダウンコンバータで変換される電力は平均電流に関連付けられ、一方、損失に関しては有効電流が関連する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、従来技術の不都合を克服する電気機械エネルギー変換システムおよびそのようなシステムのための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
目的を達成するために、本発明は、請求項１に規定される電気機械エネルギー変換システムを提供する。
【００１６】
目的は、高抵抗ＥＡＰ系デバイスを充電中に負荷側のステップダウンコンバータの回路部に配置させるとともに放電中に電源側のステップアップコンバータの回路部に配置させることによって達成される。
【００１７】
したがって、好適には、高抵抗ＥＡＰ系デバイスは、電流が連続モードにあるステップアップコンバータまたはステップダウンコンバータのそれぞれの回路部内にあり、一方、（電源の）低抵抗ＤＣバスは、電流が不連続モードにあるそれぞれのコンバータの側にある。結果として、本発明は、有効電流と平均電流との間の比率がかなり減少されるようにし、それにより、損失を少なくして、エネルギー変換効率を更に高くする。
【００１８】
本発明の一態様によれば、前述した電気機械エネルギー変換システムであって、ステップダウンコンバータがバックコンバータであり、ステップダウンコンバータがブーストコンバータである電気機械エネルギー変換システムが提供される。
【００１９】
本発明の一態様によれば、前述した電気機械エネルギー変換システムであって、電子充電／放電ユニットが連続電流モードで充電／放電するようになっている電気機械エネルギー変換システムが提供される。
【００２０】
本発明の一態様によれば、前述した電気機械エネルギー変換システムであって、可変コンデンサが伸縮性合成材料の電気活性高分子の変形可能層を備え、第１および第２の電極が変形可能層の内面および外面にそれぞれ内側電極層および外側電極層としてそれぞれに形成される電気機械エネルギー変換システムが提供される。
【００２１】
本発明の一態様によれば、前述した電気機械エネルギー変換システムであって、変形可能層が弾性変形体の壁であり、弾性変形体が水中に浮くようになっている電気機械エネルギー変換システムが提供される。
【００２２】
本発明の一態様によれば、前述した電気機械エネルギー変換システムであって、外的に印加される機械力が水中の波によって生成される電気機械エネルギー変換システムが提供される。
【００２３】
本発明の一態様によれば、可変コンデンサと、電子充電／放電ユニットと、電源とを備える電気機械エネルギー変換システムにおける電気機械エネルギー変換のための方法であって、電源が電子充電／放電ユニットに接続され、電子充電／放電ユニットが可変コンデンサに接続され、可変コンデンサが第１および第２の電極を備え、これらの電極は、第１および第２の電極間に隙間距離を与える中間媒体によって分離され、可変コンデンサの隙間距離は、外的に印加される機械力に応じて最小距離と最大距離との間で調節でき、
前記方法は、
実質的に、隙間距離がほぼ最小であるおよび弾性変形体の面積がほぼ最大であるときの可変コンデンサの状態で、電源から可変コンデンサを電子的に充電するステップと、
実質的に、隙間距離がほぼ最大であるおよび弾性変形体の面積がほぼ最小であるときの可変コンデンサの状態で、可変コンデンサを電源に電子的に放電するステップと、
を備え、
電源が第１および第２の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源である条件下で、可変コンデンサの電子的な充電がステップダウンコンバータによって行なわれるとともに、可変コンデンサの電子的な放電がステップアップコンバータによって行なわれ、
ステップダウンコンバータおよびステップアップコンバータが電源と可変コンデンサの電極との間に並列に配置される、
方法が提供される。
【００２４】
以下、本発明の例示的な実施形態が示される図面を参照しながら、本発明を更に詳しく説明する。図面は、専ら例示目的のために意図されており、特許請求の範囲により規定される発明概念を限定しようとするものではない。
【００２５】
以下の図中、同じ参照数字は、それぞれの図において、同様のあるいは同一の構成要素を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】電源とＥＡＰ系デバイスとの間に並列のブーストコンバータとバックコンバータとを伴う従来技術の電気機械エネルギー変換システムの回路の一部を概略的に示す。
【図２】電源とＥＡＰ系デバイスとの間に複合型ブースト／バックコンバータを伴う従来技術の電気機械エネルギー変換システムの回路の一部を概略的に示す。
【図３】従来技術の電気機械エネルギー変換システムで得られる典型的なコンバータ不連続電流波形における平均電流および有効電流の一例を概略的に示す。
【図４】電源と本発明の一実施形態に係るＥＡＰ系デバイスとの間に並列のブーストコンバータとバックコンバータとを伴う電気機械エネルギー変換システムの回路の一部を概略的に示す。
【図５】電源と本発明の一実施形態に係るＥＡＰ系デバイスとの間に複合型ブースト／バックコンバータを伴う電気機械エネルギー変換システムの回路の一部を概略的に示す。
【図６】本発明の一実施形態に係る電気機械エネルギー変換システムで得られる典型的なコンバータ連続電流波形における平均電流および有効電流の一例を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明は、ＥＡＰ系デバイスおよび他の高電圧部品の両方において、直列抵抗における損失をかなり減少させることを提案する。この発明における鍵は、電気的状態が（既に）かなり良好な場所での低下した変換プロセスを犠牲にして、電気的状態が悪い場所で変換プロセスを最適化することである。
【００２８】
図２は、電源とＥＡＰ系デバイスとの間に複合型ブースト／バックコンバータを伴う従来技術の電気機械エネルギー変換システム２の回路の一部を概略的に示す。
【００２９】
ステップアップコンバータおよびステップダウンコンバータのこの構成では、ステップアップコンバータおよびステップダウンコンバータのインダクタが単一のインダクタＬ１２に組み合わされる。また、ここでは、バックスイッチング素子Ｓ２がブーストダイオードＤ１と並列であり、また、ここでは、ブーストスイッチング素子Ｓ１がバックダイオードＤ２と並列である。ブーストダイオードＤ１の順方向は、可変コンデンサ１０のプラス端子の方へ向いている。
【００３０】
ブーストスイッチング素子Ｓ１およびバックダイオードＤ２はそれぞれ、一方の端子により、インダクタ１２とブーストダイオードＤ１との間の接続ノードＮに接続されるとともに、それぞれの他方の端子により、電源ＬＶのマイナス端子と可変コンデンサ１０のマイナス電極とを接続するライン１１に接続される。
【００３１】
図１の場合と同様に、高抵抗ＥＡＰデバイス（可変コンデンサ１０）は、充電中に負荷側にあるとともに、放電中に電源側にあり、一方、電源ＬＶは、充電中に回路の電源側に配置されるとともに、放電中に負荷側にあり、それにより、図１に示される回路と同様の態様で動作中に比較的高い損失がもたらされる。
【００３２】
図３は、従来技術の電気機械エネルギー変換システムで得られる典型的なコンバータ不連続電流波形における平均電流および有効電流の一例を概略的に示す。
【００３３】
図１または図２の回路は、ＥＡＰ系デバイスの側で典型的な不連続波形をもたらし、そのため、平均電流ＩＡＶＧと有効電流Ｉｒｍｓとの間の差が際立つ。この特定の波形においては、有効電流ＩＲＭＳが平均電流ＩＡＶＧよりも６０％高く、それにより、ＤＣ波形と比べて１５６％多い損失がもたらされる。
【００３４】
図４は、電源と本発明の一実施形態に係るＥＡＰ系デバイスとの間に並列のブーストコンバータとバックコンバータとを伴う電気機械エネルギー変換システムの回路の一部を概略的に示す。
【００３５】
電気機械変換システムの回路５は、高電圧（Ｕｂ＞Ｕｖｃ）電源ＨＶと、ＥＡＰ材料の弾性変形体に基づく可変コンデンサ１０とを備える。
【００３６】
電源ＨＶおよび可変コンデンサ１０は、ステップアップコンバータ（ブーストコンバータ）Ｌ１，Ｓ１，Ｄ１とステップダウンコンバータ（バックコンバータ）Ｌ２，Ｓ２，Ｄ２との並列構成によって互いに接続される。
【００３７】
ステップアップコンバータＬ１，Ｓ１，Ｄ１は、ブーストインダクタＬ１と、ブーストスイッチング素子Ｓ１と、ブーストダイオードＤ１とを備え、ブーストインダクタＬ１およびブーストダイオードＤ１は、電源ＨＶのプラス端子と可変コンデンサ１０のプラス電極（プレート）との間に直列に配置される。
【００３８】
ブーストインダクタＬ１は、一方の端子が可変コンデンサ１０のプラス電極に接続されるとともに、他方の端子がブーストダイオードＤ１のアノード（−）に接続される。ブーストダイオードＤ１のカソード（＋）は、電源ＨＶのプラス端子に接続される。したがって、ブーストコンバータの順方向が可変コンデンサ１０から電源ＨＶに向けられることに留意されたい
【００３９】
電源ＨＶのマイナス端子と可変コンデンサ１０のマイナス電極とがライン１１によって直接に接続される。
【００４０】
ブーストスイッチング素子Ｓ１は、スイッチの一方の端子がブーストインダクタＬ１とブーストダイオードＤ１との間に接続されるとともにスイッチの他方の端子がライン１１に接続される状態で配置される。
【００４１】
ステップダウンコンバータＬ２，Ｓ２，Ｄ２は、バックインダクタＬ２と、バックスイッチング素子Ｓ２と、バックダイオードＤ２とを備え、バックインダクタＬ２およびバックスイッチング素子Ｓ２（一般的にトランジスタ）は、電源ＨＶのプラス端子と可変コンデンサ１０のプラス電極（プレート）との間に直列に配置される。バックスイッチング素子Ｓ２は、一方の端子により電源ＨＶのプラス端子に接続されるとともに、スイッチの他方の端子によりバックインダクタＬ２の一方の端子に接続される。バックインダクタＬ２の他方の端子は、可変コンデンサ１０のプラス電極に接続される。
【００４２】
電源ＨＶのマイナス端子と可変コンデンサ１０のマイナス電極とが第２のライン１２によって直接に接続される。バックダイオードＤ２は、一方の端子がバックスイッチＳ２とバックインダクタＬ２との間に接続されるとともにダイオードＤ２の他方の端子が第２のライン１２に接続される状態で配置される。
【００４３】
なお、この回路では、高抵抗ＥＡＰデバイス（可変コンデンサ１０）は、充電中に負荷側にあり、放電中に電源側にある。結果として、ここでは、コンバータが連続導通モード（ＣＣＭ）で動作されれば、放電動作中の可変コンデンサからの電流がスイッチング素子によって遮断されない。
【００４４】
また、ステップアップコンバータの構成に起因して、電源ＨＶの電圧ＵＢが可変コンデンサ１０の電極間にわたる電圧Ｕｖｃよりも高いという要件が満たされるのが分かる。
【００４５】
図４の回路において、可変コンデンサの充電は、ここでは、ステップダウンコンバータによって行なわれ、また、可変コンデンサの放電がステップアップコンバータによって行なわれる。また、図４の回路において、電源は、可変コンデンサ１０の第１および第２の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源として設けられる。
【００４６】
図５は、電源と本発明の一実施形態に係るＥＡＰ系デバイスとの間に複合型ブースト／バックコンバータを伴う電気機械エネルギー変換システムの回路の一部を概略的に示す。
【００４７】
図５の回路は、電源ＨＶがここではそのプラス端子によりブーストダイオードＤ１のカソードとバックスイッチング素子Ｓ２とに接続された状態で配置される一方で、可変コンデンサ１０がここではインダクタＬ１２の側に配置されることを除き、図２に示される回路と同様である。なお、ブーストおよびバックダイオードＤ１，Ｄ２の順方向は、ここでは、ブーストおよびバックダイオードの順方向が可変コンデンサ１０のプラス電極の方へ向いていた図２の回路とは異なり、電源ＨＶのプラス端子の方へ向いている。
【００４８】
図５の回路において、可変コンデンサの充電は、ここでは、ステップダウンコンバータにより行なわれ、また、可変コンデンサの放電がステップアップコンバータにより行なわれる。図５の回路では、ステップダウンコンバータおよびステップアップコンバータのそれぞれによる充電および放電の結果として、電源は、可変コンデンサ１０の第１および第２の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源として設けられる。
【００４９】
図６は、本発明の一実施形態に係る電気機械エネルギー変換システムで得られる典型的なコンバータ連続電流波形における平均電流および有効電流の一例を概略的に示す。
【００５０】
その目的のため、高い直列抵抗を有するＥＡＰ系デバイスは、充電中および放電中に連続的なスイッチング電流のみが印加されるように配置され、それにより、有効電流と平均電流との間の比率がかなり減少される。その結果、直列抵抗における損失が大幅に減少される。この場合、ＩＲＭＳ／ＩＡＶＧ比率が３０％減少されるときには、５０％の損失減少が予期され得る。ＥＡＰ系デバイスがそこから充放電される電源ＤＣバスの直列抵抗における損失は同じ比率をもって増大されるが、電源ＤＣバスの直列抵抗が一般にＥＡＰデバイス直列抵抗よりも数桁低いため、この部分で有効電流の増大を容易に蓄積できる。
【００５１】
また、本発明は、前述した電気機械エネルギー変換システムにおける電気機械エネルギー変換のための方法であって、該方法が、
実質的に、隙間距離がほぼ最小で且つ弾性体の面積がほぼ最大であるときの可変コンデンサ１０の状態で、電源ＨＶから可変コンデンサ１０を電子的に充電するステップと、
実質的に、隙間距離がほぼ最大で且つ弾性体の面積がほぼ最小であるときの可変コンデンサの状態で、可変コンデンサ１０を電源ＨＶに電子的に放電するステップと、
を備え、
電源が可変コンデンサ１０の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源である条件下で、可変コンデンサの電子的な充電がステップダウンコンバータＬ２，Ｓ２，Ｄ２；Ｌ１２，Ｓ２，Ｄ２によって行なわれるとともに、可変コンデンサの電子的な放電がステップアップコンバータＬ１，Ｓ１，Ｄ１；Ｌ１２，Ｓ１，Ｄ１によって行なわれ、
ステップダウンコンバータおよびステップアップコンバータが電源と可変コンデンサの電極との間に並列に配置される、
方法も提供する。
【００５２】
なお、本発明は、例えば図４および図５に示されるようなバック／ブーストコンバータ形態に限定されない。本発明によれば、図４および図５に示される回路を、可変コンデンサをステップダウンコンバータにより充電するステップダウンコンバータによって可変コンデンサの充電が行なわれ且つ可変コンデンサの放電がステップアップコンバータにより行なわれるマルチレベルバック／ブーストコンバータおよびインターリーブバック／ブーストコンバータなどの他のバック／ブーストコンバータトポロジーに置き換えることができる。
【００５３】
本発明は、従来技術のシステムに優る様々な利点および利益を与える。
・ＥＡＰ材料の高直列抵抗における損失の大幅な減少、したがって、ＥＡＰ電気機械変換プロセスにおけるより高い効率。
・ケーブル、冷却システム、および、電極材料を含むがこれらに限定されない、主要な電源構成要素のサイズおよびコストの減少。
・材料中の疲労現象を減らす可能性が高い、電流波形における高周波成分の減少
・ＥＡＰデバイスにおける寄生インダクタンスを一次インダクタとして効果的に使用できる一方で、電圧をバッファリングするためにバスの寄生キャパシタンスを効果的に使用できる。
【００５４】
ＥＡＰ系可変コンデンサ１０は、概して弾性変形体であり、この弾性変形体は、ＥＡＰ伸縮性合成材料および複数の電極層が可変コンデンサとして配置された構成を備える。コンデンサ構造のキャパシタンスは、変形体が伸張および弛緩するにつれて変化する。
【００５５】
弾性変形体は、地表水（の層）中に、例えばエネルギーを運ぶ波が生じる海面に配置されてもよい。弾性変形体は、これらの波に晒されることにより変形するように配置される。そのような変形は、一般に周期的であり、波との相互作用によって、伸張中−伸張した状態と、弛緩−ほぼ変形されないあるいは殆ど変形されない状態との両方を成す。弾性変形体は、内側電極層と外側電極層との間に誘電体材料として配置される伸縮性合成材料の層から成る長尺なチューブであってもよい。内側電極層と外側電極層との間の距離は、伸縮性合成材料の層の厚さによって決定される。チューブ形状に起因して、水の波がチューブに入ってチューブを通じて伝搬し、その間に同時に、チューブ壁を変形させる膨出が生じる場合がある。結果として、伸縮性合成材料の層の厚さが変化して内側電極層と外側電極層との間の距離を変える場合があり、それにより、内側電極層および外側電極層が可変コンデンサとして機能できる。
【００５６】
本発明の電気機械エネルギー変換システムは、可変コンデンサとして作用する弾性変形体のその変形サイクル中に生じるキャパシタンスの変化からエネルギーを収穫するためのエネルギーハーベスティングシステムの一部であってもよい。
【００５７】
好ましい実施形態に関して本発明を説明してきた。先の詳細な説明を読んで理解すると、自明な変更および代替を他の者が想起し得る。そのような変更および代替が添付の特許請求の範囲内に入る限りにおいて、本発明がそのような変更および代替の全てを含むように解釈されることが意図される。
［発明の項目］
［項目１］
可変コンデンサと、電子充電／放電ユニットと、電源／シンクとを備える電気機械エネルギー変換システムであって、
前記電源／シンクが前記電子充電／放電ユニットに接続され、前記電子充電／放電ユニットが前記可変コンデンサに接続され、前記可変コンデンサが第１および第２の電極を備え、これらの電極が、前記第１および第２の電極間に隙間距離を与える中間媒体によって分離され、前記可変コンデンサの前記隙間距離が、外的に印加される機械力に応じて最小距離と最大距離との間で調節でき、
前記電子充電／放電ユニットが、実質的に、前記隙間距離が最小であるおよび／または弾性変形体の面積が最大であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記電源／シンクから前記可変コンデンサを充電するとともに、実質的に、前記隙間距離が最大であるおよび／または前記弾性変形体の面積が最小であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記可変コンデンサを前記電源／シンクに放電するようになっており、
前記電子充電／放電ユニットがステップダウンコンバータとステップアップコンバータとを備え、前記ステップダウンコンバータおよび前記ステップアップコンバータが前記電源／シンクと前記可変コンデンサの電極との間に並列に配置され、前記電子充電／放電ユニットは、前記電源／シンクが前記第１および第２の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源である条件下で、前記可変コンデンサを前記ステップダウンコンバータによって充電するとともに前記可変コンデンサを前記ステップアップコンバータによって放電するようになっている、
電気機械エネルギー変換システム。
［項目２］
前記ステップダウンコンバータがバックコンバータであり、前記ステップダウンコンバータがブーストコンバータである、項目１に記載の電気機械エネルギー変換システム。
［項目３］
前記電子充電／放電ユニットが、連続電流モードで充電／放電するようになっている、項目１または２に記載の電気機械エネルギー変換システム。
［項目４］
前記可変コンデンサが、伸縮性合成材料の電気活性高分子の変形可能層を備え、前記第１および第２の電極が前記変形可能層の内面および外面にそれぞれ内側電極層および外側電極層としてそれぞれに形成される、項目１〜３のいずれか一項に記載の電気機械エネルギー変換システム。
［項目５］
前記変形可能層が弾性変形体の壁であり、前記弾性変形体が水中に浮くようになっている、項目４に記載の電気機械エネルギー変換システム。
［項目６］
外的に印加される前記機械力が水中の波によって生成される、項目５に記載の電気機械エネルギー変換システム。
［項目７］
可変コンデンサと、電子充電／放電ユニットと、電源／シンクとを備える電気機械エネルギー変換システムにおける電気機械エネルギー変換のための方法であって、
前記電源／シンクが前記電子充電／放電ユニットに接続され、前記電子充電／放電ユニットが前記可変コンデンサに接続され、前記可変コンデンサが第１および第２の電極を備え、これらの電極が、前記第１および第２の電極間に隙間距離を与える中間媒体によって分離され、前記可変コンデンサの前記隙間距離が、外的に印加される機械力に応じて最小距離と最大距離との間で調節でき、
前記方法が、
実質的に、前記隙間距離が最小であるおよび／または弾性変形体の面積が最大であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記電源から前記可変コンデンサを電子的に充電するステップと、
実質的に、前記隙間距離が最大であるおよび／または前記弾性変形体の面積が最小であるときの前記可変コンデンサの状態で、前記可変コンデンサを前記電源に電子的に放電するステップと、
を備え、
前記電源／シンクが前記第１および第２の電極間の電圧（Ｕｖｃ）よりも大きい電圧（ＵＢ）を有するＤＣ電源である条件下で、前記可変コンデンサの電子的な充電がステップダウンコンバータによって行なわれるとともに、前記可変コンデンサの電子的な放電がステップアップコンバータによって行なわれる、
方法。
［項目８］
前記ステップダウンコンバータがバックコンバータであり、前記ステップダウンコンバータがブーストコンバータである、項目７に記載の方法。
［項目９］
電子的な充電および放電が連続電流モードで行なわれる、項目７または８に記載の方法。
［項目１０］
前記ステップダウンコンバータおよび前記ステップアップコンバータが前記電源と前記可変コンデンサの電極との間に並列に配置される、項目７〜９のいずれか一項に記載の方法。
［項目１１］
前記ステップダウンコンバータおよび前記ステップアップコンバータが、前記電源と前記可変コンデンサの電極との間に複合型バック／ブーストコンバータとして配置される、項目７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【図１】
0006271522.tif 000002
【図２】
0006271522.tif 000003
【図３】
0006271522.tif 000004
【図４】
0006271522.tif 000005
【図５】
0006271522.tif 000006
【図６】
0006271522.tif 000007