(57)【要約】【課題】  圧電素子を備え、圧電素子の受力に基づいて圧電素子から電気エネルギを生成する圧電発電装置において、熱由来の電気回生を達成し得るものを提供すること。【解決手段】  この圧電発電装置１は、廃熱で液体メタノールを蒸気に変換し昇圧貯留する昇圧貯留部２０と、蒸気が導入される気体導入部３０と、それらを連通する連通部４０と、蒸気の導入量を調整する導入量調整部５０と、圧電素子１４に蒸気の圧力を伝達する圧力伝達部６０と、気体導入部３０から流出させる蒸気の流出量を調整する流出量調整部７０とを備え、導入閉制御と導入開制御を交互に実行し、且つ、流出開制御と流出閉制御を交互に実行する。これにより、伝達する蒸気の圧力が、圧電素子１４に受力されて電気エネルギの生成がされ得、熱由来の電気回生が達成され得る。【選択図】  図１
2013158138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの圧電素子を備え、前記圧電素子の受力に基づいて前記圧電素子から電気エネルギを生成する圧電発電装置であって、
エネルギが供給され、前記エネルギで気体を昇圧し貯留する昇圧貯留部と、
前記気体が導入される気体導入部と、
前記圧力貯留部と、前記気体導入部とを連通する連通部と、
前記連通部に配設されて、前記昇圧貯留部から前記気体導入部への前記気体の導入量を調整する導入量調整部と、
前記気体導入部と、前記圧電素子との間に介装されて、前記導入された気体の圧力を受圧して、前記受圧した圧力を前記圧電素子に伝達する圧力伝達部と、
前記気体導入部へ導入された前記気体を、前記気体導入部から流出させるとともに、前記気体の流出量を調整する流出量調整部と、
前記導入量調整部における前記気体の導入量をゼロとする導入閉制御と、前記導入量をゼロよりも大きい所定導入量とする導入開制御とを交互に切換え実行するよう前記導入量調整部を制御するとともに、
前記流出量調整部における前記気体の流出量をゼロとする流出閉制御を、前記導入開制御が実行されているとき実行し、前記気体の流出量をゼロよりも大きい所定流出量とする流出開制御を、前記導入閉制御が実行されているとき実行するよう前記流出量調整部を制御する制御手段と、
を備え、
前記伝達する気体の圧力を、前記圧電素子に受力させて前記電気エネルギの生成を達成することを特徴とする圧電発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電発電装置において、
前記昇圧貯留部は、
前記供給されるエネルギとして熱が用いられ、前記熱で液体を気体に変換することで前記気体を昇圧し貯留するよう構成され、
前記気体導入部から前記流出量調整部を介して流出した前記気体を、前記液体へ凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮された液体を前記昇圧貯留部へ還流する還流部と、
を更に備えたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電発電装置において、
前記圧力伝達部は、
耐熱性を有する固体材料で構成され、且つ、前記導入された気体の圧力を受圧した際、前記受圧に応じて所定振動数にて共振するよう構成されたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項４】
請求項２に記載の圧電発電装置において、
前記圧力伝達部は、
液体で構成されたことを特徴とする圧電発電装置。
【請求項５】
請求項２乃至請求項４の何れか一項に記載の圧電発電装置において、
前記昇圧貯留部は、
前記液体を気体に変換するために供給される前記熱として、エネルギ変換機器の廃熱を利用するとともに、
前記気体に変換される液体として、環境温度において液状態を呈するものを用いたことを特徴とする圧電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を備え、圧電素子の受力に基づいて圧電素子から電気エネルギを生成する圧電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギを有効に利用するための手法の一つとして、余剰な力学的エネルギからの電気回生が挙げられる。その電気回生のための装置としては、圧電素子を備え、圧電素子の受力に基づいて圧電素子から電気エネルギを生成するものが周知である。
【０００３】
この圧電発電装置では、同装置が備える圧電素子に、力が作用するようになっている。この圧電素子が受力すると、自身の結晶内にて電気分極が誘起されて、正負の電荷が発生する所謂圧電効果を奏する。この圧電効果を利用して、圧電素子から電気エネルギが生成されるようになっている。
【０００４】
この圧電発電装置の具体的な応用事例としては、下記特許文献に示すよう、発電床が挙げられる。この発電床では、少なくとも踏み板と、圧電素子とを備え、この踏み板にかかる荷重が圧電素子へ伝達されるようになっている。これによれば、発電床が人の歩行場所に設置されることで、歩行に伴う踏み板への荷重が発生して圧電素子に伝達される。従って、人の歩行に伴い、電気エネルギが生成され得るので、余剰な力学的エネルギからの有効な電気回生が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２５８３４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池やエンジン等のエネルギ変換機器においては、電気や動力といった高質エネルギが取り出された後、熱が排出される。この廃熱は、熱力学の原理上不可避であるところ、如何にしてその廃熱を有効に使うかが高効率化に重要となる。有効利用の一手法としては、余剰な熱エネルギから電気回生を行うことが挙げられる。この熱由来の電気回生は、エネルギの質を高める観点からも好ましいと言える。
【０００７】
熱由来の電気回生については、熱電素子の利用も考えられるが、その実用例は数例に留まる。上記特許文献に記載の電気回生は、力学的エネルギからのみ達成され得、同文献では、熱由来の電気回生について何ら示唆されていなかった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、圧電素子を備え、圧電素子の受力に基づいて圧電素子から電気エネルギを生成する圧電発電装置において、熱由来の電気回生を達成し得るものを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、少なくとも１つの圧電素子を備え、圧電素子の受力に基づいて圧電素子から電気エネルギを生成する圧電発電装置に適用される。この電気エネルギの生成は、上述した圧電効果を利用したものである。
【００１０】
本発明にかかる圧電発電装置の特徴は、エネルギ（例えば廃熱）が供給されて気体を昇圧し貯留する昇圧貯留部と、気体が導入される気体導入部と、圧力貯留部と気体導入部とを連通する連通部と、連通部に配設されて昇圧貯留部から気体導入部への気体の導入量を調整する導入量調整部と、気体導入部と圧電素子との間に介装されて導入された気体の圧力を受圧して受圧した圧力を圧電素子に伝達する圧力伝達部と、気体導入部へ導入された気体を気体導入部から流出させるとともに気体の流出量を調整する流出量調整部と、導入量調整部における気体の導入量をゼロとする導入閉制御と、導入量をゼロよりも大きい所定導入量とする導入開制御とを交互に切換え実行するよう導入量調整部を制御するとともに、流出量調整部における気体の流出量をゼロとする流出閉制御を、導入開制御が実行されているとき実行し、気体の流出量をゼロよりも大きい所定流出量とする流出開制御を、導入閉制御が実行されているとき実行するよう流出量調整部を制御する制御手段と、を備え、伝達する気体の圧力を、圧電素子に受力させて電気エネルギの生成を達成することにある。
【００１１】
ここにおいて、圧電素子は、周期的な力の作用に対応して周期的に電気エネルギを生成するものが好ましい。即ち、圧電素子の種類としては、圧縮と復元伸長とが周期的に繰り返された場合、それに対応して自身の結晶内にて正負の電気分極が生じ得るものが好ましい。具体的には、例えば、クオーツ、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ポリフッ化ビニリデン等が、圧電素子の材料として利用されると好適である。
【００１２】
また、ここにおいて、昇圧貯留部にて昇圧される気体としては、常温常圧にて気体状態を呈するものでもよいし、常温常圧では液体であるが、昇圧貯留部の受熱により液体が気化したものであってもよい。また、気体を昇圧するためのエネルギとして、熱、機械的エネルギ等が挙げられる。特に、機械的エネルギの場合には、気体のピストン圧縮等により、気体を昇圧してもよい。
【００１３】
また、ここにおいて、導入量調整部および流出量調整部は、気体の流通路の開口断面積を調整することで、その導入量および流出量をそれぞれ調整してもよい。気体の流通路の開口断面積を調整する手法として、気体の流通路のシール形式は、摺動式、ダイヤフラム式等が好適であり、気体の流通路の開閉駆動方式としては、電磁式、圧力式、機械式等であってもよい。
【００１４】
これによれば、圧電素子からの電気エネルギの生成が、昇圧貯留部に供給されるエネルギに基づいてなされ得る。この供給エネルギを、例えば、熱に基づいたものとすることで、熱由来の電気回生を達成することができる。
【００１５】
また、本発明にかかる圧電発電装置においては、昇圧貯留部が、供給されるエネルギとして熱が用いられ熱で液体を気体に変換することで気体を昇圧し貯留するよう構成され、上記圧電発電装置が、気体導入部から流出量調整部を介して流出した気体を液体へ凝縮させる凝縮部と、凝縮された液体を昇圧貯留部へ還流する還流部と、を更に備えると好適である。
【００１６】
また、本発明にかかる圧電発電装置においては、昇圧貯留部が、液体を気体に変換するために供給される熱としてエネルギ変換機器の廃熱を利用するとともに、気体に変換される液体として環境温度において液状態を呈するものを用いると、更に好適である。
【００１７】
エネルギ変換機器の廃熱としては、例えば、燃料電池（例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）等）の廃熱、エンジンの廃熱等が挙げられる。環境温度において液状態を呈する液体としては、例えば、水、メタノール、エタノール、ペンタン等が挙げられる。
【００１８】
これによれば、圧電素子からの電気エネルギの生成が、昇圧貯留部に供給される熱に基づいてなされ得る。また、圧力伝達に使用された気体は凝縮（液化）されて、昇圧貯留部へ再び還流し得るので、発電サイクルの継続を維持することができる。従って、熱由来の継続した電気回生が達成され得る。従って、本発明にかかる圧電発電装置により、例えば、エネルギ変換機器から排出される余剰な熱エネルギから、有効な電気回生を行うことができる。この結果、エネルギ変換器を含むシステム全体でのエネルギ効率を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明にかかる圧電発電装置においては、圧力伝達部が、耐熱性を有する固体材料で構成され、且つ、導入された気体の圧力を受圧した際、受圧に応じて所定振動数にて共振するよう構成されると好適である。
【００２０】
昇圧貯留部では、気体が加熱されるため、気体導入部に導入される気体の温度は高い。他方、一般に圧電素子は熱に対する耐性が小さい。従って、高温気体が圧電素子に直接接触しない方が好ましい。上記構成によれば、気体導入部と圧電素子との間に、圧力伝達部として耐熱性固体材料が介装されて、圧電素子への高温気体の直接接触が抑制され得る。また、共振する圧力伝達部により、圧電素子が振動励起されるので、圧力伝達の減衰が抑制され得る。これらより、熱に対する耐性を持たせつつ、圧電素子への圧力伝達を確実なものとすることができる。従って、より確実に、熱エネルギからの有効な電気回生を行うことができる。
【００２１】
また、本発明にかかる圧電発電装置においては、圧力伝達部が、液体で構成されてもよい。
【００２２】
ここにおいて、圧力伝達部を構成する液体は、気体導入部に導入される気体と同じ組成を有するものでもよいが、異なる組成を有し且つ非相溶性であるものでもよい。この液体としては、例えば、水、メタノール、エタノール、ペンタン、油、エチレングリコール、水銀等が挙げられ、これらに限定されない。
【００２３】
上記構成によれば、圧力伝達部を圧電素子および気体導入部の間に液体を介するに、同間の形状に応じてフレキシブルに隙間なく充填ができる。従って、形状設計の自由度が拡張され得る。また、圧力伝播と圧電素子への圧力印加は、限りなく理論的値に漸近し得る。
【発明の効果】
【００２４】
本発明にかかる圧電発電装置によれば、圧電素子からの電気エネルギの生成が、昇圧貯留部に供給される熱に基づいてなされ得る。従って、本発明にかかる圧電発電装置により、例えば、エネルギ変換機器から排出される余剰な廃熱エネルギから、有効な電気回生を行うことができる。この結果、エネルギ変換器を含むシステム全体でのエネルギ効率を向上させることができる。特に、既存熱駆動発電システムでは駆動不能な１００℃以下の廃熱からの実用的発電が可能で、あらゆる燃料のエネルギ価は低位発熱量から高位発熱量へと転換される。つまり、化石燃料の可採年数は、概ね１５％程度延長可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる圧電発電装置を示す図である。
【図２】図１に示した長軸Ｚを中心とした圧電発電装置の縦断面図である。
【図３】図１に示した圧電発電装置１の作動を説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる圧電発電装置の長軸Ｚを中心とした縦断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１      圧電発電装置
１０    発電スタック部
１４    圧電素子
２０    昇圧貯留部
３０    気体導入部
４０    連通部
４２    上行通路
４４    オリフィス板
４６    オリフィス
５０    導入量調整部
５２    封止部材
５４    重り
５６    軸部材
６０    圧力伝達部
６２    圧力伝達部
７０    流出量調整部
８０    凝縮部
９０    還流部
１００  制御手段
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明による圧電発電装置の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる圧電発電装置１を示す図である。圧電発電装置１は、発電スタック部１０と、昇圧貯留部２０と、気体導入部３０と、連通部４０と、導入量調整部５０と、圧力伝達部６０と、流出量調整部７０と、凝縮部８０と、還流部９０と、制御手段１００とを備えている。
【００２９】
発電スタック部１０は、それぞれ同一寸法を有する４つの直方剛体１２を備えている。各直方剛体１２の一面がそれぞれ隣り合い、４つの面の成す角が相互に直角となるよう、各直方剛体１２がそれぞれ配設されている。これにより、４つの直方剛体１２の各一面にて囲まれた矩形断面空間が、形成されるようになっている。従って、この矩形断面空間の長軸Ｚは、４つの直方剛体１２の各長軸とそれぞれ平行となる。なお、この矩形断面空間には、４つの直方剛体１２の各長軸上における各底面および各頂面と面一となるよう、蓋が形成されている。これにより、矩形断面空間は、容器機能を有するようになっている。
【００３０】
発電スタック部１０は、その水平断面を正方矩形に限るものでなく、３から任意角数の多角形状を呈してもよく、各辺長も同一に限定しない。
【００３１】
直方剛体１２は、圧電素子１４を備えている。圧電素子１４は、ディスク形状のＰＺＴであり、上記長軸Ｚと直角を成す方向に沿って複数個積層されて、各直方剛体１２内にそれぞれ組み込まれている。また、各直方剛体１２に対して、圧電素子１４の積層体が、上記長軸Ｚと平行となる方向に沿って複数組備えられている。
【００３２】
昇圧貯留部２０は、供給される熱で液体メタノールを蒸気（気体）に変換して昇圧し、メタノール蒸気を貯留する機能を有する。昇圧貯留部２０は、メタノール蒸気を貯留する空間である蒸気貯留部２２と、蒸気貯留部２２と隣り合う位置に、外部より熱を享受する受熱部２４とを備えている。
【００３３】
気体導入部３０は、４つの直方剛体１２に囲まれた上記方形断面空間に相当する。連通部４０は、昇圧貯留部２０の蒸気貯留部２２と、気体導入部３０の頂部とを接続し、空間的にそれらを連通するようになっている。また、連通部４０は、サーペンタイン状通路となっており、上記長軸Ｚ方向の上下にて１つずつターン部が形成されている。即ち、連通部４０は、各ターン部の間に上行通路４２を含んでいる。これにより、昇圧貯留部２０にて貯留されていたメタノール蒸気が、連通部４０を通じて気体導入部３０に導入可能になっている。
【００３４】
導入量調整部５０は、連通部４０内の差圧に応じて駆動するバルブであって、連通部４０の上行通路４２に配設されている。導入量調整部５０は、昇圧貯留部２０から気体導入部３０へのメタノール蒸気の導入量を調整するようになっている。詳細な構造、導入量の調整に際する作動については、後述する。
【００３５】
圧力伝達部６０は、耐熱性を有する固体材料であって、板状の共振部材から成り、発電スタック部１０における各直方剛体１２の一面に、それぞれ当接するよう配設されている。即ち、圧力伝達部６０は、圧電素子１４とも当接するようになっており、気体導入部３０と、圧電素子１４との間に介装されることになる。これにより、メタノール蒸気の圧力を受力した際、受圧に応じて所定振動数にて共振するとともに、その振幅をもって圧力を圧電素子１４に伝達するようになっている。つまり、メタノール蒸気の圧力が開放された後も、共振部材が振動を続ける限り圧電発電装置からは、出力（発電）が得られることとなる。
【００３６】
流出量調整部７０は、電磁駆動弁であって、気体導入部３０から昇圧貯留部２０へのメタノールの流通を許容する流出通路７２に配設されている。流出量調整部７０は、気体導入部３０へ導入されたメタノール蒸気を気体導入部３０から流出させるとともに、そのメタノール蒸気の流出量を調整するようになっている。流出量の調整に際する作動については、後述する。
【００３７】
凝縮部８０は、流出通路７２の流出量調整部７０よりも下流側に配設されている。凝縮部８０は、冷却媒体が導入されるようになっており、この媒体とメタノール蒸気とが熱交換するための熱交換部を含んでいる。即ち、凝縮部８０は、気体導入部３０から流出量調整部７０を介して流出したメタノール蒸気を、液体メタノールへ凝縮させるようになっている。
【００３８】
還流部９０は、液送ポンプであり、流出通路７２の凝縮部８０よりも下流側に配設されている。還流部９０は、凝縮部８０にて凝縮された液体メタノールを、昇圧貯留部２０へ還流するようになっている。制御手段１００は、CPU等を含む電子制御ユニットであり、インターフェイスを介して、流出量調整部７０、及び気体導入部３０の圧力検出部（図示しない）と電気的に接続されている。制御手段１００は、上記圧力検出部から気体導入部３０内圧力に相当する電気信号を受信するとともに、流出量調整部７０へ駆動制御のための電気信号を送出するようになっている。
【００３９】
図２は、図１に示した長軸Ｚを中心とした圧電発電装置１の縦断面図である。連通部４０の上行通路４２には、オリフィス板４４が備えられている。オリフィス板４４の中央には、オリフィス４６が、上行通路４２と同軸的に形成されている。導入量調整部５０は、円柱状の封止部材５２と、球状の重り５４と、それらを同軸的に連結する軸部材５６とを備えている。封止部材５２、及び重り５４のそれぞれの径は、オリフィス４６の径よりも大きくなるよう構成されている。オリフィス板４４の下流側に封止部材５２が位置し、オリフィス板４４の上流側に重り５４が位置するように、軸部材５６は、オリフィス４６に対して長軸Ｚ方向に摺動可能、且つ、同軸的にオリフィス４６に勘合されている。従って、導入量調整部５０は、封止部材５２及び重り５４のうち何れかが、オリフィス板４４に係止されるのを限度に、長軸Ｚ方向に上下移動可能となっている。
【００４０】
次に、上述のように構成された第１実施形態にかかる圧電発電装置１の作動について、図２および図３を参照しながら説明する。図３は、図１に示した圧電発電装置１の作動を説明するためのタイムチャートである。
【００４１】
図示しないＰＥＦＣの駆動にともない、略１００℃の廃熱を含むガスが、昇圧貯留部２０に向かって連続的に流通する。これにより、昇圧貯留部２０の受熱部２４は、ガスから熱を享受して、その熱により液体メタノールが蒸気へと相変化（膨張）される。従って、メタノール蒸気は、蒸気貯留部２２にて昇圧された状態で貯留されることになる。
【００４２】
図３の時刻ｔ１において、貯留されているメタノール蒸気は、蒸気貯留部２２から連通部４０へ流出して、上行通路４２のオリフィス４６へ到達する。到達したメタノール蒸気の圧力は、封止部５２の底面５２ａに対して、長軸Ｚ方向上方に作用する。他方、気体導入部３０におけるメタノール蒸気の圧力は、減少してＰ１に達する。これにより、導入量調整部５０にて動圧が発生して、導入量調整部５０が、重り５４の重力に抗しながら長軸Ｚ方向上方に移動する。そして、オリフィス板４４から封止部５２の底面５２ａが離間する（図２の破線を参照）。即ち、導入量調整部５０におけるオリフィス４６の開閉状態は「開」となる。従って、オリフィス４６を介して、メタノール蒸気は気体導入部３０へ導入されていく。
【００４３】
一方で、気体導入部３０の圧力がＰ１となって、制御手段１００は、筒内圧力検出部からの同圧力に相当する信号を受けるとともに、流出量調整部７０における電磁駆動弁の開閉状態が「閉」となるよう、流出量調整部７０に信号を送出する。これにより、流出量調整部７０の開閉状態が「閉」となり、気体導入部３０からのメタノール蒸気の流出量がゼロとなる。以上より、時刻ｔ１以降、気体導入部３０のメタノール蒸気の圧力は、Ｐ１から増大していく。
【００４４】
気体導入部３０へ導入されていくメタノール蒸気は、圧力伝達部６０に衝突する。これにより、圧力伝達部６０は、メタノール蒸気より受力した際、受圧に応じて所定振動数にて共振する。
【００４５】
メタノール蒸気の圧力がＰ２（＞Ｐ１）となる時刻ｔ２にて、圧力伝達部６０の振幅は、上記共振の最大振幅をとる。この振幅をもって、各圧電素子１４がそれぞれ振動励起される。これにより、各圧電素子１４は、減衰なく圧力が伝達される。この結果、各圧電素子１４がそれぞれ圧縮されて、自身の結晶内にて電気分極が誘起され、正電流が発生する。その直後、各圧電素子１４がそれぞれ復元伸長して、圧縮時とは正負逆の電気分極が誘起され、負電流が発生する。これらの電流が、電気エネルギとして取り出される。
【００４６】
他方、時刻ｔ２にて、メタノール蒸気の圧力がＰ２となると、導入量調整部５０の上下流における差圧の減少により、導入量調整部５０が、重り５４の重力に屈しながら長軸Ｚ方向下方に移動する。そして、オリフィス板４４と封止部５２の底面５２ａとが当接する（図２の実線を参照）。即ち、導入量調整部５０におけるオリフィス４６の開閉状態は「閉」となる。従って、メタノール蒸気の気体導入部３０へ導入量はゼロとなる。
【００４７】
一方で、気体導入部３０の圧力がＰ２となって、制御手段１００は、筒内圧力検出部からの同圧力に相当する信号を受けるとともに、流出量調整部７０における電磁駆動弁の開閉状態が「開」となるよう、流出量調整部７０に信号を送出する。これにより、流出量調整部７０の開閉状態が「開」となり、メタノール蒸気は、流出量調整部７０を介して気体導入部３０から凝縮部８０へ流出するようになる。
【００４８】
流出したメタノール蒸気が、凝縮部８０へ到達すると、上述したように冷却媒体との熱交換が実行される。これにより、メタノール蒸気を、液体メタノールへ凝縮させる。この液体メタノールは、還流部９０にて、昇圧貯留部２０へ還流される。
【００４９】
以上より、時刻ｔ２以降、気体導入部３０のメタノール蒸気の圧力は、Ｐ２から減少していく。そして、メタノール蒸気の圧力がＰ１となる時刻ｔ３にて、上記時刻ｔ１のときと同様の作動が実行される。即ち、導入量調整部５０におけるオリフィス４６の開閉状態は、「閉」から「開」となり、流出量調整部７０における電磁駆動弁の開閉状態は、「開」から「閉」となる。従って、時刻ｔ３以降、オリフィス４６を介して、メタノール蒸気は気体導入部３０へ再び導入されていき、メタノール蒸気の圧力はＰ１からＰ２へ向かって再び増大していく。そして、メタノール蒸気の圧力が再びＰ２となったとき、圧電素子１４にて発生する正負電流が、電気エネルギとして取り出される。
【００５０】
以上のように、時刻ｔ１〜ｔ２の期間においては、導入量調整部５０におけるメタノール蒸気の導入量を所定導入量（＞０）とする導入開制御が実行される。この導入開制御が実行されているとき、流出量調整部７０におけるメタノール蒸気の流出量をゼロとする流出閉制御が実行される。時刻ｔ２〜ｔ３の期間においては、導入量調整部５０におけるメタノール蒸気の導入量をゼロとする導入閉制御が実行される。この導入閉制御が実行されているとき、前記気体の流出量を所定流出量（＞０）とする流出開制御が実行される。即ち、導入量調整部５０においては、上記導入開制御と、上記導入閉制御とが交互に切換えられて実行され、流出量調整部７０においては、上記流出閉制御と、上記流出開制御とが交互に切換えられて実行される。この結果、気体導入部３０におけるメタノール蒸気の圧力の、周期的な減少・増大が繰り返される。これに基づき、周期的な電気エネルギの生成が達成される。
【００５１】
この制御は、制御手段１００が、気体導入部３０におけるメタノール蒸気の圧力に基づいて、流出量調整部７０を制御することで達成される。即ち、制御手段１００により、導入量調整部５０も制御されることになる。
【００５２】
以上説明したように、本発明の第１実施形態にかかる圧電発電装置１によれば、圧電素子１４からの電気エネルギの生成が、昇圧貯留部２０に供給される熱に基づいてなされ得る。また、圧力伝達に使用されたメタノール蒸気は復液されて、昇圧貯留部２０へ再び還流するので、発電サイクルの継続を維持することができる。即ち、熱由来の継続した電気回生が達成され得る。従って、エネルギ変換機器としてのＰＥＦＣから排出される余剰な低温廃熱エネルギから、有効な電気回生を行うことができる。この結果、ＰＥＦＣを含むシステム全体でのエネルギ効率を向上させることができる。また、導入量調整部５０は、動圧により駆動し得るので、余分な電力消費が抑制され得る。従って、システム全体でのエネルギ効率の低下が、抑制され得る。
【００５３】
（第２実施形態）
次に、本発明による圧電発電装置の第２実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１実施形態と、圧力伝達部の構成が異なる。以下、第２実施形態について、上記第１実施形態と異なる点のみ、図面を参照しつつ説明する。なお、第２実施形態の説明において、その構成のうち、上記第１実施形態が備える構成と同一・等価なものに対しては、上記第１実施形態の説明にて使用した符号と同一のものを付すことで、説明を省略する。
【００５４】
図４は、本発明の第２実施形態にかかる圧電発電装置の長軸Ｚを中心とした縦断面図である。圧力伝達部６２は、液体メタノールで構成されており、各直方剛体１２に囲まれて形成された矩形断面空間に充填されている。この圧力伝達部６２としての液体メタノールは、発電スタック部１０における各直方剛体１２の一面に、それぞれ当接するようになっている。即ち、圧力伝達部６２は、長軸Ｚ方向に沿って配設された各圧電素子１４ともそれぞれ当接し、且つ、長軸Ｚ方向上部に空間が維持されるよう充填されている。なお、この空間が、気体導入部３０に相当する。
【００５５】
気体導入部３０へ導入されていくメタノール蒸気は、圧力伝達部６２の頂面に衝突する。この衝突による圧力は、圧力伝達部６２としての液体メタノール中を音速伝播して、液体メタノールと当接している各圧電素子１４に伝達される。この結果、上記第１実施形態と同様のタイミングにおいて、正負電流が圧電素子１４にて発生し、この正負電流が、電気エネルギとして取り出される。
【００５６】
以上説明したように、本発明の第２実施形態にかかる圧電発電装置１によっても、上記第１実施形態と同様、熱由来の電気回生が達成され得、ＰＥＦＣを含むシステム全体でのエネルギ効率を向上させることができる。
【００５７】
本発明は、上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記各実施形態では、発電スタック部１０の構成として、直方剛体１２に圧電素子１４が組み込まれていたが、これに代えて、例えば、直方剛体１２そのものが圧電素子積層体であってもよい。
【００５８】
また、上記各実施形態では、圧電素子１４としてＰＺＴのみが用いられていたが、これに代えて、例えば、圧電素子がバイモルフ構成とされてもよい。具体的には、ＰＺＴとチタン酸バリウム等の２種材料を組み合わせて使用してもよい。
【００５９】
また、上記各実施形態では、発電スタック部１０の構成として、４つの直方剛体１２で構成されていたが、これに代えて、例えば、長軸Ｚ方向における断面が等脚台形となる４つの角柱剛体で構成されてもよい。この場合、４つの角柱剛体を、等脚台形の脚線を構成する各面同士を隣り合わせ、中央に矩形断面空間を形成するよう構成すると好適である。これによれば、スタック全体として直方体形状となり得、発電出力も数十％向上なるスケールメリットも所在する。つまり、発電スタック部１０は、廃熱源を含むシステムの導入スペースに合せ、任意の水平断面形状にて構成可能であり、適用システムの任意性は非常に高い。
【００６０】
また、上記各実施形態では、流出量調整部７０として、電磁駆動弁が用いられていたが、これに代えて、差圧で駆動する摺動差圧弁が用いられてもよい。また、上記各実施形態では、導入量調整部５０として、差圧で駆動する摺動差圧弁が用いられていたが、これに代えて、電磁駆動弁が用いられてもよい。この場合、導入量調整部５０および流出量調整部７０ともに、制御手段１００と電気的に接続されて、メタノール蒸気の圧力に基づいて、導入開制御、導入閉制御、流出開制御、及び流出閉制御が実行されるようにしてもよい。
【００６１】
加えて、上記各実施形態では、昇圧貯留部２０に供給される熱として、ＰＥＦＣの廃熱が用いられ、作動媒体としてメタノールが用いられていたが、これに代えて、ＳＯＦＣの廃熱が用いられ、作動媒体として水が用いられてもよい。この場合、ＳＯＦＣの廃熱として、５００℃程度の高温廃熱が、昇圧貯留部２０に供給されることになる。その廃熱温度に対して、水が適切な作動媒体となり得る。つまり、水を作動媒体として用いることが可能な高温廃熱源の場合には、環境への作動媒体（水）の排出が許容されるため、圧電素子１４の共振周波数帯に合せて、導入量調整部５０と流出量調整部７０を制御することで、より高発電密度を得ることが可能である。
【００６２】
以下、上記第２実施形態の圧電発電装置に相当する実施例について説明する。この実施例では、気体導入部へ流入するガス圧力と、圧電素子にて発生する電圧との関係について、試験値（コールドモデル試験）・理論値を取得した。本例におけるガス、及び圧力伝達部の液体は、アルゴン（常温）、及び水とした。圧電素子は、ピエゾにて構成した。ピエゾより発生する電圧の取得は、オシロスコープにより実施した。
【００６３】
本例の条件としては、ガス圧力を、０．０５，０．１０，０．１５，及び０．２０ＭＰａと増大させた。上記各ガス圧力に対応して、試験値は、それぞれ１．８４，２．８８，４．３２，５．４４Ｖとなった。また、上記各ガス圧力に対応して、理論値は、それぞれ１．２５，２．５０，３．７５，５．００Ｖである。本例における試験値は、理論値に比較的良好にフィットした。このことから、試験の有効性が伺える。即ち、本発明の電気エネルギ生成のコンセプトが検証された。
【図１】
2013158138.tif 000003
【図２】
2013158138.tif 000004
【図３】
2013158138.tif 000005
【図４】
2013158138.tif 000006