(57)【要約】【課題】継続的に発電を行うことができる熱機関発電装置を提供する。【解決手段】外部の第一気体５１と、シリンダ１１０の内部の気体をピストン１２０で圧縮した第二気体５２と、の温度差を利用して熱電変換素子１３０によって発電する熱機関発電装置１００において、第一気体５１よりも高圧の第三気体５３を貯留する貯留部１４０と、第二気体５２が熱電変換素子１３０による発電に伴って第三気体５３よりも圧力が減少したとき、貯留部１４０の第三気体５３をシリンダ１１０の内部へ供給するための弁部１５０と、を備えることを特徴とする熱機関発電装置１００。【選択図】図１
2016052230.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部の第一気体と、シリンダの内部の気体をピストンで圧縮した第二気体と、の温度差を利用して熱電変換素子によって発電する熱機関発電装置において、
前記第一気体よりも高圧の第三気体を貯留する貯留部と、
前記第二気体が前記熱電変換素子による発電に伴って前記第三気体よりも圧力が減少したとき、前記貯留部の前記第三気体を前記シリンダの内部へ供給するための弁部と、を備えることを特徴とする熱機関発電装置。
【請求項２】
圧力が減少した前記第二気体を前記シリンダの外部に排出するための排出溝が前記シリンダの内部に設けられていることを特徴とする請求項１記載の熱機関発電装置。
【請求項３】
前記シリンダおよび前記ピストンから成る構成が複数設けられており、当該複数のシリンダおよびピストンに対し、前記貯留部が共用されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱機関発電装置。
【請求項４】
前記貯留部の前記第三気体は加熱によって加圧されることを特徴とする請求項３記載の熱機関発電装置。
【請求項５】
前記シリンダの内部の前記ピストンによって隔てられた一方の区画に前記第二気体が収容され、他方の区画を前記貯留部として前記第三気体が収容されていることを特徴とする請求項４記載の熱機関発電装置。
【請求項６】
前記貯留部の前記第三気体は外部から加圧されたものであることを特徴とする請求項３記載の熱機関発電装置。
【請求項７】
前記第三気体は前記貯留部に気体を供給可能な気体加圧手段によって加圧されたものであることを特徴とする請求項６記載の熱機関発電装置。
【請求項８】
前記シリンダと前記ピストンを複数含む構成を第２ピストンとし、該第２ピストンに対応するシリンダを第２シリンダとするとき、前記第２ピストンと前記第２シリンダで隔てられた領域を前記貯留部とすることを特徴とする請求項６記載の熱機関発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱機関発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリンダの内部の気体をピストンで圧縮することで生じる熱を、熱電変換素子を用いて電力に変換することによって発電する、熱機関発電装置が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４４９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の熱機関発電装置では、シリンダの内部の圧縮された気体の温度が熱電変換素子に利用され続けることで、シリンダの内部の温度が外部の温度と同じになるまで低下し続け、外部の気体温度との差がなくなったときに発電が止まる。このため、従来の熱機関発電装置では、発電が継続しないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、継続的に発電を行うことができる熱機関発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る熱機関発電装置は、外部の第一気体と、シリンダの内部の気体をピストンで圧縮した第二気体と、の温度差を利用して熱電変換素子によって発電する熱機関発電装置において、前記第一気体よりも高圧の第三気体を貯留する貯留部と、前記第二気体が前記熱電変換素子による発電に伴って前記第三気体よりも圧力が減少したとき、前記貯留部の前記第三気体を前記シリンダの内部へ供給するための弁部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の熱機関発電装置は、第二気体が熱電変換装置による発電に伴って第三気体よりも圧力が減少したとき、貯留部に貯留された第三気体を、弁部を介してシリンダの内部へ供給できるため、シリンダの内部の気体が第一気体の温度よりも高い状態を維持することができ、第一気体と第二気体との温度差でもって継続的に発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第一の実施形態に係る熱機関発電装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】排出溝の位置を説明するための、ピストンとシリンダの断面図である。
【図３】人間がクッション部に座る前後で、第二気体および第三気体の状態がどう推移するかを説明する、一連の模式図である。
【図４】本発明を用いて継続的に発電を行うことができることを模式的に示すグラフである。
【図５】第二の実施形態に係る熱機関発電装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】人間がシート部材に座る前後で、第二気体および第三気体の状態がどう推移するかを説明する、一連の模式図である。
【図７】第三の実施形態に係る熱機関発電装置の概略構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第一の実施形態］
以下、図１から図４を参照して、本発明の第一の実施形態について説明する。
【００１０】
（熱機関発電装置の構成）
以下、図１および図２を参照して、本実施形態に係る熱機関発電装置の構成について説明する。
【００１１】
図１に示すように、本実施形態に係る熱機関発電装置１００は、シリンダ１１０と、ピストン１２０と、熱電変換素子１３０と、貯留部１４０と、弁部１５０と、を備える。
【００１２】
熱機関発電装置１００は、筐体１０１を備える。筐体１０１は、底板部１０１ａと、側壁部１０１ｂと、内壁部１０１ｃと、を備える。熱機関発電装置１００は、複数の大ピストン１０３を備える。熱機関発電装置１００は、底板部１０１ａ、側壁部１０１ｂ、内壁部１０１ｃ、および一の大ピストン１０３で囲まれた複数の内部空間１０２を備える。
【００１３】
内部空間１０２の各々には、一のシリンダ１１０および一のピストン１２０からなる構成（以下、「気体加圧部」と称する。）が複数設けられている。シリンダ１１０およびピストン１２０は、断熱材で形成されている。複数のシリンダ１１０の底面は、底板部１０１ａの上に載置されている。内部空間１０２から、複数のシリンダ１１０を除いた空間を、貯留部１４０と称する。また、熱機関発電装置１００の外部にある気体を第一気体５１、シリンダ１１０の内部にある気体を第二気体５２、貯留部１４０にある気体を第三気体５３と各々称する。
【００１４】
第二気体５２および第三気体５３は、後述するシート部１０４に人間６１が着座および退座することによって圧縮および膨張される。人間６１が着座および退座する動作は、通常、シリンダ１１０の内外や貯留部１４０の内外で熱のやり取りが行われるよりも速く行われる。そのため、第二気体５２および第三気体５３の圧縮および膨張は、断熱圧縮および断熱膨張と近似される。よって、以下の説明では、第二気体５２および第三気体５３の圧縮および膨張を断熱圧縮および断熱膨張であるとして説明を行う。
【００１５】
熱機関発電装置１００においては、複数のシリンダ１１０およびピストン１２０に対し、貯留部１４０が共用されている。内部空間１０２において、貯留部１４０とシリンダ１１０内部とは、ピストン１２０で隔てられている。したがって、シリンダ１１０の内部の、ピストン１２０によって隔てられた一方の区画に第二気体５２が収容され、他方の区画を貯留部１４０として第三気体５３が収容されている。
【００１６】
それぞれの内部空間１０２において、複数のピストン１２０は、支柱１２１で、一の大ピストン１０３に接続されている。これにより、複数のピストン１２０は、一の大ピストン１０３と連動して鉛直方向に移動する。
【００１７】
大ピストン１０３は、側壁部１０１ｂおよび内壁部１０１ｃに接しつつ、内部空間１０２の上部を塞ぐように配置されている。底板部１０１ａ、側壁部１０１ｂおよび内壁部１０１ｃは、大ピストン１０３が往復する大シリンダを形成する。大ピストン１０３は、例えば銅やアルミニウムのように、熱伝導性の高い材料で形成されている。大ピストン１０３は、大ピストン１０３を厚み方向に貫く通気孔１０３１を備える。通気孔１０３１を通って、貯留部１４０の内外に気体が出入りする。大ピストン１０３と内部空間１０２の底面との間には、ばね１０３２が設けられている。
【００１８】
複数の大ピストン１０３、および側壁部１０１ｂ、内壁部１０１ｃの上には、クッション部１０４が載置される。クッション部１０４は、第一気体５１とクッション部１０４内部側との間において、気密性を有し、かつ、外部から受けた圧力に応じて柔軟に変形する材料で形成されており、例えば、スポンジ、綿といった材料で形成される。クッション部１０４の外面には、シート部材１０４１が取り付けられている。シート部材１０４１は、熱（例えば着座した人間６１の体温）がクッション部１０４の内部に伝導しやすい熱伝導体の膜状部材で構成される。
【００１９】
クッション部１０４は、例えば、人間６１が着座できる程度に、十分広い面積を持つ。大ピストン１０３の熱伝導性が高いため、人間６１がクッション部１０４に座ると、貯留部１４０の第三気体５３は、人間６１の体温によって加熱されるとともに加圧される。また、人間６１がクッション部１０４に座ると、ばね１０３２が縮む。これにより、ばね１０３２から大ピストン１０３に、上方に押し戻そうとする方向へ反発力が働く。
【００２０】
側壁部１０１ｂは、内部流入弁部１０１１を備える。内部流入弁部１０１１は、大ピストン１０３の上限の位置よりも上方に配される。内部流入弁部１０１１は、熱機関発電装置１００の外部と、クッション部１０４とを繋ぐ。内部流入弁部１０１１には、一方の開口に弁が設けられている。第一気体５１は、側壁部１０１ｂの内部流入弁部１０１１、クッション部１０４、大ピストン１０３の通気孔１０３１を経由して、内部空間１０２に流入する。一方、内部流入弁部１０１１は、クッション部１０４から熱機関発電装置１００の外部へ向かう気体の流れを抑止する。
【００２１】
シリンダ１１０の側壁部には、図２に示すように、シリンダ１１０の底部と、ピストン１２０の下限の位置と、の間に、弁部１５０が設けられている。弁部１５０は、貯留部１４０と、シリンダ１１０の内部とを繋ぐ。弁部１５０は、第三気体５３の圧力が第二気体５２の圧力より高い場合に開く。弁部１５０が開くと、貯留部１４０の第三気体５３がシリンダ１１０の内部へ供給される。
【００２２】
シリンダ１１０の側壁部の内側には、排出溝１１１が設けられている。排出溝１１１は、シリンダ１１０の側壁部の上端から下向きに形成されている。排出溝１１１の下端は、ピストン１２０の上限の位置よりも下方に配されている。ピストン１２０が一定の位置以上に上昇すると、排出溝１１１を介して第二気体５２がシリンダ１１０の内部から外部に排出される。
【００２３】
熱電変換素子１３０は、平板状の素子であり、一方の主面と他方の主面との温度差を電位差に変換して出力する。熱電変換素子１３０としては、公知のものを用いることができる。熱電変換素子１３０は、図１に示すように、熱機関発電装置１００の底板部１０１ａに複数設けられる。例えば、シリンダ１１０の各々に対応して、ひとつの熱電変換素子１３０が設けられる。熱電変換素子１３０の一方の主面は、熱機関発電装置１００の外部に露出して、第一気体５１に触れている。熱電変換素子１３０の他方の主面は、対応するシリンダ１１０の底面に接している。この熱電変換素子１３０は、外部の第一気体５１と、シリンダ１１０の内部の気体をピストン１２０で圧縮した第二気体５２と、の温度差を利用して発電する。
【００２４】
同じ内部空間１０２に設けられた複数の熱電変換素子１３０は、図１に示すように、直列に接続される。個々の熱電変換素子１３０で発生した電位差を総和して得られる電圧が外部に出力される。直列して接続された複数の熱電変換素子１３０は、整流素子１９２と直列に接続されて、負荷１９１に接続される。負荷１９１の一方の端子（図示例では＋端子）の電位が他方の端子（図示例では−端子）の電位よりも高い場合に、熱電変換素子１３０の生成した電圧が負荷１９１に印加される。内部空間１０２毎に形成された複数の熱電変換素子１３０の直列接続は、負荷１９１に並列接続される。この構成により、複数の内部空間１０２のいずれかにおいて熱電変換素子１３０の不良や断線等が発生しても、安定して電圧を供給することができる。
【００２５】
（熱機関発電装置の作用）
以下、図３および図４を参照して、本実施形態に係る熱機関発電装置の作用について説明する。図３では、ある一組の気体加圧部を、代表として取り出して示している。なお、ばね１０３２は図示を省略している。
【００２６】
図３では、第一気体５１、第二気体５２、第三気体５３の圧力および温度を示している。各状態の圧力および温度を初期状態の値と比較して、相対的な値の高さを各気体に付した＋符号の数で表示する。圧力や温度が高いほど、＋符号の数が多くなる。初期状態から変化がないときは、符号を付さない。圧力の高さを示す符号を丸囲みで、温度の高さを示す符号を四角囲みで示す。
【００２７】
（初期状態）
図３（ａ）に、初期状態を示す。初期状態では、熱機関発電装置１００は力学的にも熱力学的にも定常状態にある。また、人間はクッション部１０４に座っていない。この状態で、第二気体５２および第三気体５３において、圧力や温度の分布は生じていない。第一気体５１、第二気体５２、第三気体５３各々の圧力を、それぞれｐ１，ｐ２，ｐ３と表すと、ｐ１＝ｐ２＝ｐ３である。また、第二気体５２および第三気体５３の温度は、第一気体５１と等しく、人間の体温より低い。第一気体５１、第二気体５２、第三気体５３、人間６１各々の温度を、それぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔｈと表すと、Ｔ１＝Ｔ２＝Ｔ３＜Ｔｈである。初期状態では熱電変換素子１３０は第一気体５１および第二気体５２の温度差が無いため発電しない。
【００２８】
以下、内部空間１０２の底面積をＳ０、定常状態での高さをＨ０と表す。また、シリンダ１１０の内部の空間の底面積をＳ１、定常状態での高さをＨ１と表す。熱機関発電装置１００の構成から、Ｓ０＞Ｓ１、Ｈ０＞Ｈ１である。なお図では、一組の気体加圧部のみ取り出しているため、Ｓ０は便宜上、図の横幅の範囲のみにわたって示している。
【００２９】
（人間が座った直後の状態）
図３（ｂ）に示すように、人間６１がクッション部１０４に座り、圧力がかけられると、当該圧力により大ピストン１０３が大シリンダの内部に押し込まれる。これにより、大ピストン１０３と支柱１２１で連結したピストン１２０も、大ピストン１０３と同じ深さだけシリンダ１１０の内部に押し込まれる。したがって、内部空間１０２の中で、シリンダ１１０内部の第二気体５２、貯留部１４０の第三気体５３は、外部から加圧されて圧縮される。以下、大ピストン１０３およびピストン１２０が押し込まれた深さをＬと表す。Ｈ０＞Ｈ１＞Ｌである。
【００３０】
第三気体５３が断熱圧縮される過程の前後では、気体の圧力ｐ、体積Ｖ、温度Ｔの間に、次式が成り立つ。
ｐＶγ＝一定、ＴＶγ−１＝一定
ここで、γは気体の比熱比である（γ＞１）。
したがって、圧縮によりＶが減少する割合が大きい程、ｐやＴが上昇する割合が大きい。以下、第二気体５２、第三気体５３各々の温度の増分を、それぞれΔＴ２およびΔＴ３と表す（Ｔ２→Ｔ２＋ΔＴ２，Ｔ３→Ｔ３＋ΔＴ３）。また、第二気体５２、第三気体５３各々の圧力の増分をΔｐ２およびΔｐ３と表す（ｐ２→ｐ２＋Δｐ２，ｐ３→ｐ３＋Δｐ３）。
【００３１】
第二気体５２と第三気体５３とで体積の減少する割合を比べる。第二気体５２の体積は、Ｓ０Ｈ０からＳ０（Ｈ０−Ｌ）へと減少する。よって体積が減少する割合は、Ｌ／Ｈ０である。第三気体５３の体積は、複数のシリンダ１１０の体積で控除される分が小さいとして、内部空間１０２の体積で近似すると、Ｓ１Ｈ１からＳ１（Ｈ１−Ｌ）へと減少する。よって体積が減少する割合は、Ｌ／Ｈ１である。したがって、体積が減少する割合は第二気体５２の方が大きくなるため、圧力や温度が上昇する割合は第二気体５２の方が大きくなる。
【００３２】
以上より、人間６１が座った直後の状態では、図３（ｂ）に示すように、第二気体５２の圧力、温度ともに、第三気体５３の圧力、温度より高くなる（Δｐ２＞Δｐ３，ΔＴ２＞ΔＴ３）。第二気体５２の温度は第一気体５１よりも高くなるので（Ｔ２＋ΔＴ２＞Ｔ１）、熱電変換素子１３０は発電を開始する。また、第二気体５２および第三気体５３の圧力がともに高くなることで（ｐ２→ｐ２＋Δｐ２，ｐ３→ｐ３＋Δｐ３）、熱機関発電装置１００内部の圧力は、人間６１の体重に起因して増加した外部からの圧力と均衡するようになる。
【００３３】
（人間が座っている間の状態）
図３（ｃ）に示すように、人間６１がクッション部１０４に座っている間、大ピストン１０３およびピストン１２０は常時圧力がかけられている状態にある。
【００３４】
熱電変換素子１３０が発電を続けることにより、第二気体５２の温度は下がるとともに、第一気体５１の温度に近づく（ΔＴ２は減少。Ｔ２＋ΔＴ２→Ｔ１）。他方、第三気体５３は、人間６１がクッション部１０４に座っている間、クッション部１０４、大ピストン１０３を介して、人間の体温によって加熱される。これにより、第三気体５３の温度は人間６１の体温に近似する温度まで上昇する（ΔＴ３は増加。Ｔ３＋ΔＴ３→Ｔｈ）。
【００３５】
この状態において、シリンダ１１０の内部の体積及び内部空間１０２の体積は、概ね変化しない。第二気体５２および第三気体のそれぞれにつき、圧力ｐ、体積Ｖ、温度Ｔの関係は、理想気体の方程式
ｐＶ＝ｎＲＴ
（ｎは物質量、Ｒは気体定数）で近似できるが、Ｖが概ね変化しないとの条件下では、ｐは概ねＴに比例して増減する。したがって、第二気体５２は温度が下がるため、圧力も下がることになる（Δｐ２は減少。）。他方、第三気体５３は温度が人間６１の体温に近似する温度まで上昇するため、圧力も上がる（Δｐ３は増加。）。
【００３６】
人間６１が座った直後の状態では、第二気体５２の圧力、温度ともに、第三気体５３より高くなっていた（図３（ｂ）参照）。これに対し、上述のとおり、人間６１が座っている間、第二気体５２の温度は第一気体５１の温度に近づき（Ｔ２＋ΔＴ２→Ｔ１）、第三気体５３の温度は人間の体温に近づく（Ｔ３＋ΔＴ３→Ｔｈ）。第一気体５１は人間６１の体温よりも低温である（Ｔ１＜Ｔｈ）。また、上述のとおり、人間６１が座っている間、第二気体５２の圧力は、第二気体５２の温度に概ね比例して減少し、第三気体５３の圧力は、第三気体５３の温度に概ね比例して増加する。やがて、図３（ｃ）に示すように、圧力、温度ともに、第二気体５２と第三気体５３とで大小が逆転するようになる（Δｐ２＜Δｐ３，ΔＴ２＜ΔＴ３）。
【００３７】
第二気体５２の圧力が第三気体５３よりも低くなると、シリンダ１１０に設けられた弁部１５０が開く。これにより、シリンダ１１０の内部に、温度が上昇した第三気体５３が流入する。その結果、熱電変換素子１３０の２つの主面の間で温度差が保たれて、発電が継続される。
【００３８】
図４に、熱電変換素子１３０における発電量の時間的変化を模式的に示す。従来の熱機関発電装置では、シリンダの内部の圧縮された気体の温度が熱電変換素子に利用され続けることで、図４の点線のグラフで示すように、シリンダの内部の温度が外部の温度と同じになるまで低下し続け、外部の気体温度との差がなくなったときに発電が止まる。
【００３９】
これに対し、本実施形態に係る熱機関発電装置１００では、人間６１が座っている間、貯留部１４０の第三気体５３が加熱されて温度が上昇し、かつ、シリンダ１１０の内部の第二気体５２の温度が下がると、温度が上昇した第三気体５３が弁部１５０を通じてシリンダ１１０の内部に流入する。したがって、図４の実線のグラフで示すように、時間が経過しても発電量が下がらなくなる。
【００４０】
（人間が退座した後の状態）
図３（ｄ）に示すように、クッション部１０４に人間の体重がかからなくなるため、熱機関発電装置１００の内部の圧力は、外部からの圧力より高くなる。これにより、大ピストン１０３およびピストン１２０は、定常状態の位置に向かって移動する。大ピストン１０３には、ばね１０３２が設けられているため（図１参照）、大ピストン１０３およびピストン１２０の移動は、ばね１０３２の弾性力によって促進される。
【００４１】
第二気体５２および第三気体５３は断熱膨張を開始し、第二気体５２および第三気体５３の体積の増加する割合が大きい程、第二気体５２および第三気体５３の圧力および温度の減少する割合が大きくなる。そして、シリンダ１１０においては、貯留部１４０よりも体積の増加する割合が大きいため、第二気体５２の圧力、温度は、ともに第三気体５３の圧力、温度よりも低くなる。
【００４２】
第二気体５２の圧力が第三気体５３の圧力よりも低くなると、再び弁部１５０が開き、より温度の高い第三気体５３が、シリンダ１１０の内部に流入する。これにより、第二気体５２の温度低下は抑制される。したがって、第二気体５２が第一気体５１より高い温度を維持される限り、熱電変換素子１３０での発電を継続することができる。
【００４３】
なお、第三気体５３が複数のシリンダ１１０の内部に流入するため、貯留部１４０に存在する第三気体５３の量は減少する。しかし他方で、人間が退座した後の状態では、圧縮されることで変形していたクッション部１０４の形状が変形前の形状に戻る。このため、第一気体５１が、側壁部１０１ｂの内部流入弁部１０１１、クッション部１０４、大ピストン１０３の通気孔１０３１を経由して、内部空間１０２に流入することにより（図１参照）、貯留部１４０に存在する第三気体５３の量が補償される。
【００４４】
また、第三気体５３が複数のシリンダ１１０の内部に流入するため、シリンダ１１０の内部に存在する第二気体５２の量は増加する。しかし他方で、人間が退座した後の状態では第二気体５２が膨張するため、第二気体５２の量が増加すると、ある時点でピストン１２０の下端が、シリンダ１１０の側壁部に設けられた排出溝１１１の下端よりも上昇する。膨張し圧力が減少した第二気体５２を、排出溝１１１からシリンダ１１０の内部から外部に排出することができる（図２参照）。
【００４５】
以上説明したとおり、本実施形態では、第二気体５２が熱電変換素子１３０による発電に伴って第三気体５３よりも圧力が減少したとき、弁部１５０を通じて、温度の高くなった貯留部１４０の第三気体５３がシリンダ１１０の内部へ供給される。その結果、熱電変換素子１３０の２つの主面の間で温度差が保たれるため、発電を継続することができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、熱機関発電装置１００は椅子に設けられているが、この形態に限られない。例えばベッド等、人間や動物の体重によって圧力および体温が加えられるような、任意の家具や装置に対し、熱機関発電装置１００を適用することができる。
【００４７】
［第二の実施形態］
以下、図５および図６を参照して、第二の実施形態について説明する。以下、図１から図４までと共通する構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施形態では、熱機関発電装置２００の筐体２０１は、第三気体５３を貯留する第２シリンダ２８０の内周側に取り付けられた板材２０３の上に載置されている。このため、筐体２０１の内部空間２０２と第２シリンダ２８０の貯留部２４０は、互いに隔てられた別々の空間である。複数のピストン２２０は、互いに独立に移動しながら着座する人間６１を支持することができる。これらの点において、第一の実施形態と異なる。
【００４８】
（熱機関発電装置の構成）
図５に示すように、熱機関発電装置２００は、筐体２０１と、シリンダ２１０と、ピストン２２０と、熱電変換素子１３０と、貯留部２４０と、弁部２５０と、第２シリンダ２８０と、を備える。
【００４９】
筐体２０１は、底板部２０１ａと、側壁部２０１ｂ１と、側壁部２０１ｂ２と、シート部材２０１ｃと、を備える。筐体２０１の外面の一部には、シート部材２０１ｃが取り付けられている。シート部材２０１ｃは、熱（例えば、着座した人間６１の体温）が内部空間２０２に伝導しやすい熱伝導対の膜状部材で形成される。内部空間２０２は、底板部２０１ａ、側壁部２０１ｂ１、側壁部２０１ｂ２、およびシート部材２０１ｃで囲まれた空間である。
【００５０】
第２ピストン２７０は、筐体２０１と、板材２０３と、を備える。筐体２０１は、板材２０３の上に支持固定されている。筐体２０１の底板部２０１ａは、板材２０３に設けられた複数の支柱２０３１と接続されている。筐体２０１の底板部２０１ａと板材２０３との間には空隙があるため、底板部２０１ａの下面は、第一気体５１に触れる。
【００５１】
第２ピストン２７０には、一のシリンダ２１０および一のピストン２２０からなる気体加圧部が複数設けられている。シリンダ２１０およびピストン２２０は、断熱材で形成されている。複数のシリンダ２１０の底面は、底板部２０１ａの上に載置されている。
【００５２】
板材２０３は、鉛直方向に移動可能なように、第２シリンダ２８０に取り付けられている。したがって、第２ピストン２７０は、第２シリンダ２８０に対応するシリンダとして機能する。
【００５３】
以下、第２ピストン２７０と第２シリンダ２８０で隔てられた領域を、貯留部２４０と称する。熱機関発電装置２００においては、シリンダ２１０およびピストン２２０から成る構成が複数設けられており、複数のシリンダ２１０およびピストン２２０に対し、貯留部２４０が共用されている。
【００５４】
以下、熱機関発電装置２００の外部にある気体を第一気体５１、シリンダ２１０の内部にある気体を第二気体５２、貯留部２４０にある気体を第三気体５３と各々称する。本実施形態においても、第二気体５２および第三気体５３は、人間の着座および退座によって圧縮および膨張するが、人間６１が着座および退座する動作は速いので、第二気体５２および第三気体５３の圧縮および膨張は、断熱圧縮および断熱膨張と近似される。よって、以下の説明では、第二気体５２および第三気体５３の圧縮および膨張を断熱圧縮および断熱膨張であるとして説明を行う。
【００５５】
本実施形態では、筐体２０１の内部空間２０２と第２シリンダ２８０の貯留部２４０は、互いに隔てられた別々の空間である。筐体２０１は、板材２０３に固定されており、内部空間２０２と貯留部２４０は板材２０３によって隔てられている。このため、貯留部２４０内の第三気体５３は、筐体２０１によって加重される。人間６１が筐体２０１の上に着座すると、第三気体５３は人間６１によって更に加重される。第三気体５３は弾性を有するため、人間６１や筐体２０１の重さを支えることができる。したがって、貯留部２４０は、着座する人間６１のみならず筐体２０１をも支持する、エアクッションとしての機能を有する。人間６１と筐体の双方をエアクッションとして確実に支持するために、第三気体５３を貯留する貯留部２４０は、鉛直方向に十分な厚さを有する。
【００５６】
複数の熱電変換素子１３０は、筐体２０１の底板部２０１ａに複数設けられる。例えば、シリンダ２１０の各々に対応して、ひとつの熱電変換素子１３０が設けられる。熱電変換素子１３０の一方の主面は、筐体２０１の外部に露出して、第一気体５１に触れる。熱電変換素子１３０の他方の主面は、対応するシリンダ２１０の底面に接する。これらの熱電変換素子１３０は、外部の第一気体５１と、シリンダ２１０の内部の気体をピストン２２０で圧縮した第二気体５２と、の温度差を利用して、熱電変換素子１３０によって発電する。
【００５７】
側壁部２０１ｂ１と支柱２０３１との間にある複数の熱電変換素子１３０および整流素子１９２は直列に接続されて、一方の整流素子１９２を介して負荷１９１に接続される。また、側壁部２０１ｂ２と支柱２０３１との間にある複数の熱電変換素子１３０は直列に接続されて、他方の整流素子１９２を介して負荷１９１に接続される。この構成により、個々の熱電変換素子１３０で発生した電位差を総和して得られる電圧が外部に出力される。また、負荷１９１の一方の端子（図示例では＋端子）の電位が他方の端子（図示例では−端子）の電位よりも高い場合に、熱電変換素子１３０の生成した電圧が負荷１９１に印加される。
【００５８】
板材２０３と、第２シリンダ２８０の底面との間には、ばね２０３３が設けられている。この構成により、人間６１がシート部材２０１ｃから退座した後、ばね２０３３の弾性力によって、板材２０３の高さは、初期の高さに戻る。
【００５９】
板材２０３には、板材２０３を厚さ方向に貫く複数の細管２０３２が設けられている。細管２０３２の一方の端部は、貯留部２４０に挿入されている。細管２０３２の他方の端部は、シリンダ２１０の側壁に設けられた弁部２５０の一方側の端部に取り付けられている。貯留部２４０に貯留された第三気体５３は、細管２０３２及び弁部２５０を経由してシリンダ２１０の内部に流入する。
【００６０】
シリンダ２１０の側壁部には、シリンダ２１０の底部とピストン２２０の下限の位置との間に、弁部２５０が設けられている。弁部２５０は、貯留部２４０と、シリンダ２１０の内部とを繋ぐ。弁部２５０は、第三気体５３の圧力が第二気体５２の圧力より高い場合に開く。弁部２５０が開くと、貯留部２４０の第三気体５３がシリンダ２１０の内部へ供給される。一方、弁部２５０は、シリンダ２１０の内部から貯留部２４０へ向かう気体の流れを抑止する。
【００６１】
シリンダ２１０の側壁部の内側には、排出溝１１１が設けられている（図２参照。ただし、第一実施形態のシリンダ１１０は第二実施形態のシリンダ２１０に対応する。第一実施形態のピストン１２０は第二実施形態のピストン２２０に対応する。第一実施形態の支柱１２１は第二実施形態の支柱２２１に対応する。第一実施形態の弁部１５０は第二実施形態の弁部２５０に対応する。）。排出溝１１１は、シリンダ２１０の側壁部の上端から下向きに形成されている。排出溝１１１の下端は、ピストン２２０の上限の位置よりも下の位置に配されている。この構成により、ピストン２２０が一定の位置以上に上昇すると、排出溝１１１を介して第二気体５２をシリンダ２１０の内部から外部に排出することができる。
【００６２】
内部空間２０２において、ピストン２２０は、支柱２２１により、突起部材２２２に接続されている。複数の突起部材２２２は、シート部材２０１ｃの内側に下方から接触した状態で、シート部材２０１ｃを支持する。ピストン２２０が鉛直方向に移動すると、突起部材２２２が連動して鉛直方向に移動する。複数のピストン２２０は互いに独立に移動するため、複数の突起部材２２２も互いに独立に移動する。シート部材２０１ｃは、複数の突起部材２２２の移動に追随して変形する。
【００６３】
突起部材２２２と、シリンダ２１０の上端との間には、ばね２２２１が設けられている。ばね２２２１は、ばね２２２１が自然長の状態において、すべてのピストン２２０がシリンダ２１０の底面から同じ一定の高さに位置するように設けられる。この構成により、人間６１がシート部材２０１ｃから退座した後、ばね２２２１の弾性力によって、複数のピストン２２０の高さは、すべて同じ高さに戻る。
【００６４】
第２シリンダ２８０の側壁には、内部流入弁部２６１が設けられている。内部流入弁部２６１は、第２シリンダ２８０の外部と、貯留部２４０とを繋ぐ。内部流入弁部２６１には、一方の開口に弁が設けられている。第一気体５１は、内部流入弁部２６１を経由して、貯留部２４０に流入する。一方、内部流入弁部２６１は、貯留部２４０から第２シリンダ２８０の外部へ向かう気体の流れを抑止する。
【００６５】
筐体２０１の側壁部２０１ｂには、外部放出弁部２６２が設けられている。外部放出弁部２６２は、内部空間２０２と、筐体２０１の外部空間とを繋ぐ。外部放出弁部２６２には、一方の開口に弁が設けられている。内部空間２０２の気体は、外部放出弁部２６２を経由して、筐体２０１の外部に排出される。一方、外部放出弁部２６２は、筐体２０１の外部空間から内部空間２０２へ向かう気体の流れを抑止する。
【００６６】
（熱機関発電装置の作用）
以下、図６を参照して、本実施形態に係る熱機関発電装置の作用について説明する。図６（ａ）から図６（ｃ）では、ある一組の気体加圧部を、代表として取り出して示している。図６（ｄ）では、着座されていない場所の一組の気体加圧部を併せて示している。なお、ばね２０３３，２２２１は図示を省略している。
【００６７】
図６では、第一気体５１、第二気体５２、第三気体５３の圧力および温度について、各状態の圧力および温度を初期状態の値と比較して、相対的な値の高さを各気体に付した＋符号の数で表示する。圧力や温度が高いほど、＋符号の数が多くなる。初期状態から変化がないときは、符号を付さない。圧力の高さを示す符号を丸囲みで、温度の高さを示す符号を四角囲みで示す。
【００６８】
（初期状態）
図６（ａ）に、初期状態を示す。初期状態では、熱機関発電装置２００は力学的にも熱力学的にも定常状態にある。また、人間はシート部材２０１ｃに座っていない。この状態で、第二気体５２および第三気体５３において、圧力や温度の分布は生じていない。また、第二気体５２および第三気体５３の温度は、第一気体５１と等しく、人間の体温より低い。このため、初期状態では熱電変換素子１３０は第一気体５１および第二気体５２の温度差が無いため発電しない。
【００６９】
（人間が座った直後の状態）
図６（ｂ）に示すように、人間６１がシート部材２０１ｃに座ると、人間６１の直下にある突起部材２２２が、第２シリンダ２８０の内部に押し込まれる。これにより、突起部材２２２と支柱２２１で連結したピストン２２０も、第２シリンダ２８０と同じ深さだけシリンダ２１０の内部に押し込まれる。したがって、内部空間２０２の中で、シリンダ２１０内部の第二気体５２が圧縮される。
【００７０】
第二気体５２および第三気体５３が断熱圧縮されると、第二気体５２および第三気体５３は、圧力、温度ともに増加する。図６（ｂ）では、第二気体５２の圧力、温度の各増加分が、第三気体５３の圧力、温度の各増加分よりも大きい場合を例示している。
【００７１】
第二気体５２の温度は第一気体５１よりも高くなるので、熱電変換素子１３０は発電を開始する。また、第二気体５２および第三気体５３の圧力がともに高くなることで、筐体２０１および第２シリンダ２８０の内部の圧力は、人間６１の体重に起因して増加した外部からの圧力と均衡するようになる。
【００７２】
（人間が座っている間の状態）
図６（ｃ）に示すように、人間６１がシート部材２０１ｃに座っている間、大ピストン１０３およびピストン１２０は常時圧力がかけられている状態にある。この間、熱電変換素子１３０が発電を続けることにより、第二気体５２の温度は下がるとともに、第一気体５１の温度に近づく。
【００７３】
また、人間６１が着座位置を変えると、押し込まれていたピストン２２０は、元の位置へ向かって上方に移動する。シリンダ２１０の内部の第二気体５２は、断熱膨張を開始し、第二気体５２の温度は下がる。
【００７４】
他方、貯留部２４０の第三気体５３は、熱電変換に用いられていないため、温度は発電によって低下しない。また、板材２０３により第三気体５３に加わる圧力は、概ね人間６１の体重を板材２０３の面積で除したものとなる。このため、人間６１が着座位置を移動しても、第三気体５３の圧力はほぼ変動しない。
【００７５】
具体的には、図６（ｃ）に示すように、第二気体５２の圧力が低下し、第三気体５３の圧力よりも低くなると、弁部２５０が開く。これにより、温度が高く維持された第三気体５３が、細管２０３２を通じて、シリンダ２１０の内部に流入する。その結果、シリンダ２１０の内部の第二気体５２の温度は再び高くなり、熱電変換素子１３０の２つの主面の間で温度差が保たれる。これにより、発電を継続することができる。
【００７６】
なお、図６（ｃ）では、人間６１がピストン２２０を押した状態で、発電の継続によって第二気体５２の温度が低下した場合を例示しているが、人間６１の着座位置が変わったことにより、第二気体５２が膨張して温度が下がる場合にも、貯留部２４０は熱源として機能する。
【００７７】
なお、第三気体５３の少なくとも一部が複数のシリンダ２１０の内部に流入することに伴い、貯留部２４０に存在する第三気体５３の量は減少する。貯留部２４０の第三気体５３の圧力が第一気体５１よりも低くなると、内部流入弁部２６１が開き、貯留部２４０に第一気体５１が流入する。これにより、貯留部２４０に存在する第三気体５３の量は補償される。これにより、筐体２０１や人間６１の重さを支えたり、シリンダ２１０に高温の気体を供給したりするために十分な量の第三気体５３が、常に貯留部２４０内に貯留される。その結果、特別なメンテナンスを行わずに、貯留部２４０のエアクッションおよび熱源としての機能を維持することができる。
【００７８】
また、第三気体５３が複数のシリンダ２１０の内部にさらに流入することに伴い、シリンダ２１０の内部に存在する第二気体５２の量は増加する。第二気体５２の量が多くなると、ある時点でピストン２２０の下端が、シリンダ２１０の側壁部に設けられた排出溝１１１の下端よりも上昇するため、第二気体５２を排出溝１１１からシリンダ１１０の外部に排出することができる。
【００７９】
また、排出された第二気体５２は、内部空間２０２に流入するため、内部空間２０２に存在する気体の量は増加する。内部空間２０２の内圧が、第一気体５１の圧力より高くなると、外部放出弁部２６２が開き、内部空間２０２から気体が排出される。
【００８０】
（人間の体重がかからないシリンダの状態）
図６（ｄ）に示すように、人間６１の体重がかからないシリンダ２１０の第二気体５２は、第三気体５３よりも圧力、温度ともに低くなる。このため、弁部２５０が開き、温度が高く維持された第三気体５３が、細管２０３２を通じて、シリンダ２１０の内部に流入する。ピストン２２０には人間６１の体重がかかっていないため、第二気体５２は膨張し、ピストン２２０は上方へ移動する。これにより、人間６１の体重がかかっていない突起部材２２２は、シート部材２０１ｃを上方に押し上げる。その結果、着座した人間を安定して支持することができる。
【００８１】
以上説明したとおり、本実施形態では、第二気体５２が熱電変換素子１３０による発電に伴って第三気体５３よりも圧力が減少したとき、弁部２５０を通じて、温度の高くなった貯留部２４０の第三気体５３がシリンダ２１０の内部へ供給される。その結果、熱電変換素子１３０の２つの主面の間で温度差が保たれるため、発電を継続することができる。
【００８２】
なお、本実施形態では、熱機関発電装置２００は椅子に設けられているが、この形態に限られない。例えばベッド等、人間や動物の体重によって圧力および体温が加えられるような、任意の家具や装置に対し、熱機関発電装置２００を適用することができる。
【００８３】
［第三の実施形態］
以下、図７を参照して、第三の実施形態について説明する。以下、図１から図６までと共通する構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。本実施形態では、熱機関発電装置３００は車椅子７０に取り付けられ、貯留部３４０の第三気体５３は、車輪７４の回転と連動して作動する気体加圧手段３９０を用いて、貯留部３４０の外部から加圧されている。この点において、第一および第二の実施形態と異なる。
【００８４】
図７に示すように、熱機関発電装置３００は、シリンダ３１０と、ピストン３２０と、複数の熱電変換素子１３０と、加圧タンク（貯留部）３４０と、弁部３５０と、気体加圧手段３９０と、を備える。気体加圧手段３９０は、第二のシリンダ３９１と、第二のピストン３９２と、を備える。熱機関発電装置３００は、車椅子７０に取り付けられている。
【００８５】
シリンダ３１０、ピストン３２０、第二のシリンダ３９１、および第二のピストン３９２は、断熱材で形成される。シリンダ３１０および第二のシリンダ３９１の内部の気体は断熱圧縮および断熱膨張する。シリンダ３１０およびピストン３２０は、車椅子７０の座席シート７１の下方に取り付けられる。
【００８６】
シリンダ３１０は、車椅子７０の車体に設けられた支持部７２によって、底面３を鉛直下方に向けた状態で支持固定される。シリンダ３１０の底面は、外部の第一気体５１に触れるように露出されている。シリンダ３１０の底面には、複数の熱電変換素子１３０が取り付けられる。熱電変換素子１３０の一方の主面は、シリンダ３１０の外部に露出して、外部の第一気体５１に触れている。熱電変換素子１３０の他方の主面は、シリンダ３１０の内部の第二気体５２に触れるように露出されている。
【００８７】
ピストン３２０は、鉛直方向に移動可能なようにシリンダ３１０に取り付けられる。座席シート７１は、支持部７２を介してピストン３２０と接続され、ピストン３２０に支持される。
【００８８】
座席シート７１に人間が座ると、人間の体重によりシリンダ３１０が押され、ピストン３２０の内部の第二気体５２が加圧され、第二気体５２は断熱圧縮される。これにより、第二気体５２の温度が上昇する。熱機関発電装置３００は、外部の第一気体５１と、シリンダ３１０の内部の気体をピストン３２０で圧縮した第二気体５２と、の温度差を利用して熱電変換素子１３０によって発電する。
【００８９】
車椅子７０には、ギヤ７３が設けられる。ギヤ７３は、車椅子７０の車輪７４の回転とリンクして回転する。ギヤ７３は、車輪７４よりも半径が小さい。
【００９０】
車椅子７０には、クランク７５が設けられる。クランク７５の一端は、ギヤ７３に接続される。クランク７５の他端は、第二のピストン３９２に接続される。クランク７５は、ギヤ７３の回転運動を、第二のピストン３９２の往復運動に変換する。第二のピストン３９２は、第二のシリンダ３９１に取り付けられる。第二のピストン３９２が第二のシリンダ３９１の底面に向かって移動することで、第二のシリンダ３９１の内部の気体が断熱圧縮される。
【００９１】
第二のシリンダ３９１には、排出弁部３９３が設けられる。第二のシリンダ３９１には、排出弁部３９３を介して、第一の導管３９４の一端が取り付けられる。第一の導管３９４の他端は、加圧タンク３４０に接続される。排出弁部３９３は、第二のシリンダ３９１の内部の圧力が第一の導管３９４の内部の圧力より高い場合に開く。この構成により、第二のピストン３９２によって圧縮された第二のシリンダ３９１の内部の気体は、第一の導管３９４を通じて、加圧タンク３４０に流入する。他方、第二のピストン３９２が第二のシリンダ３９１の底面から離れる方向に移動しても、加圧タンク３４０から第二のシリンダ３９１の内部に気体は流入しない。
【００９２】
以上により、車椅子７０の車輪７４を回転させることによって、気体加圧手段３９０で高圧の気体を生成し、生成した高圧の気体を加圧タンク（貯留部）３４０に供給することができる。加圧タンク３４０に貯留する気体（第三気体）５３は、第二のシリンダ３９１の内部での断熱圧縮により生成されたものであるため、高圧であるとともに高温である。
【００９３】
加圧タンク３４０は、第三気体５３の温度を維持するため、断熱材で形成される。加圧タンク３４０には、圧力調整弁３４１が設けられている。これにより、加圧タンク３４０に一定以上の圧力がかかることがない。
【００９４】
加圧タンク３４０には、第二の導管３４２の一端が取り付けられる。第二の導管３４２の他端は、弁部３５０を介して、シリンダ３１０に接続される。弁部３５０は、第二の導管３４２の内部の圧力が、シリンダ３１０の内部の圧力より高い場合に開く。
【００９５】
この構成により、座席シート７１に人間が着座して断熱圧縮された第二気体５２が、熱電変換素子１３０の発電とともに温度および圧力が低下すると、加圧タンク３４０に貯留された高温高圧の第三気体５３がシリンダ３１０の内部へと供給される。その結果、熱電変換素子１３０の２つの主面の間で温度差が保たれるため、発電を継続することができる。
【００９６】
なお、本実施形態では、シリンダ３１０および第一のピストンはそれぞれ１つずつ設けられているが、この形態に限られず、第二の実施形態と同様に複数の気体加圧部が設けられてもよい。これにより、座席シート７１の面内の場所ごとにきめ細かく加圧タンク３４０から第三気体５３の供給を行えるため、より安定した電力供給を行うことができる。
【００９７】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１００、２００、３００…熱機関発電装置、１１０、２１０、３１０…シリンダ、１２０、２２０、３２０…ピストン、１３０…熱電変換素子、１４０、２４０、３４０…貯留部、１５０、２５０、３５０…弁部、１１１…排出溝、５１…第一気体、５２…第二気体、５３…第三気体、２７０…第２ピストン、２８０…第２シリンダ、３９０…気体加圧手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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