JP3955437B2

JP3955437B2 - ピロ電気変換システム

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Publication number: JP3955437B2
Application number: JP2000588813A
Authority: JP
Inventors: イクラ，ミチオ; シャーボンニュー，ロバート
Original assignee: カナダ
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2018-12-14
Also published as: DE69837624T2; US6528898B1; EP1145333B1; CA2355314C; CA2355314A1; JP2002532906A; WO2000036656A1; DE69837624D1; EP1145333A1

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、熱から電気エネルギーへの変換性の向上に関し、さらに特定すると高温と低温の流体を交互に供給する手段とともに、薄いピロ電気フィルムのスタック化した層を使用することに関する。循環する流体制御装置に取り付けられた磁気近接スイッチに従って作用する新規の電圧制御装置が、このピロ電気変換装置の熱的および電気的サイクルを同期させる。
【０００２】
（背景技術）
ピロ電気変換システムに温度依存性誘電体キャパシタを使用することは１９８０年９月２日のＤｒｕｍｍｏｎｄによる米国特許第４２２０９０６号および１９８４年４月３日のＯ’Ｈａｒａによる米国特許第４４４１０６７号に教示されている。両方の特許共、このようなシステムがパルプや製紙工場、製鋼所、石油化学プラント、ガラス工場、発電所のような産業からの排熱で稼動させるに適していることを明らかにしている。
【０００３】
残念なことに排熱からさらに多くの熱を抽出することによって熱効率が上がると、余剰の熱利用のための付加的設備のコストがしばしば非常に高くつ。また、処理工程から大量の熱を抽出するときに技術的難題が発生する。すなわち、排ガスからの高効率な熱回収システムを計画するとき、酸性溶液の濃縮およびそれによる設備の腐食が排熱利用の技術を実用化する上で重大なハードルとなる。その上さらに、熱源温度が低いときには、より有用な作業に利用可能な熱がカルノー・サイクル効率によって制限される。
【０００４】
ピロ電気フィルムは温度依存性キャパシタとして機能する。すなわち、熱が加えられて温度が上昇すると、その容量（電荷を蓄積する能力）が減衰する。フィルム温度が上昇すると、電荷はフィルムの表面に留まることができなくなり、電気的エネルギーを外部に出しながら放出される。こうして熱を入力することで電気に変換される。
【０００５】
本発明は、Ｏｌｓｅｎ，Ｒ．Ｂ．，Ｂｒｉｓｃｏ，Ｊ．Ｍ．，Ｂｒｕｎｏ，Ｄ．Ａ．とＢｕｔｌｅｒ，Ｗ．Ｆ．の“Ａｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｈｉｃｈｅｍｐｌｏｙｓｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ”，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ｖｏｌ．３８，ｐｐ．９７５−９７８（１９８１）、およびＯｌｓｅｎ，Ｒ．Ｂ．，Ｂｒｕｎｏ，Ｄ．Ａ．とＢｒｉｓｃｏ，Ｊ．Ｍ．の“Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｃｙｃｌｅｏｆｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ−ｔｒｉｆｌｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅｃｏｐｏｌｙｍｅｒ”，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５７（１１），ｐｐ５０３６−５０４２（１９８５）で検討されているピロ電気変換サイクルを使用するものである。
【０００６】
Ｏｌｓｅｎによる１９８７年１月１０日に発行された米国特許第４４２５５４０第および１９８７年３月３日に発行された第４６４７８３６号には排熱を直接的に電気に変換するのに使用できる電力サイクルが開示されており、以降はＯｌｓｅｎサイクルと称する。ピロ電気フィルムの熱応答は外部制御されたバイアス電圧により同期がとられ、それにより熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。このＯｌｓｅｎサイクルは熱エンジンである。
【０００７】
ＰＺＳＴ（ジルコン酸鉛、チタン酸鉛、スズ酸鉛の焼結体）およびＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（ビニリデン・フロリド−トリフロロエチレン共重合体）のような強誘電性材料はピロ電気変換に適している（１９８６年１０月、米国特許第４６２０２６２号）。多くのモノマーが極性基を有している。有用なピエゾ電気性とピロ電気性のポリマーを得るには、その構造はマクロ分子の結晶化を妨げるような又は極性を広範囲に内部補償する（螺旋状のような）形状にするような大きなものであってはならない。フッ素原子は非常に小さくて、そのファン・デル・ワールス半径（１．３５Å）は水素（１．２Å）よりわずかに大きいだけであり、炭素と極性の高い結合を形成して双極子モーメント６．４×１０^-30Ｃｏｕｌｏｍｂ−ｍ（１．９２デバイ）を有する。一般的に得られるフロロカーボン重合体はポリビニリデン・フロリド（ＰＶＦ₂ ）、ポリビニルフロリド（ＰＶＦ）およびポリトリフロロエチレン（ＰＦ₃Ｄ）である。有用なピエゾ電気性とピロ電気性ポリマーを生成可能な他の極性基には２．１デバイを有するＣ−Ｃｌ結合、３．８６デバイを有するＣ−ＣＮ結合および極性の高い水素結合を含んで３．５９デバイを有するＣ＝Ｏ−−Ｈ−Ｎがある。ＰＶＦ₂ を冷却するといくつかの結晶相が形成される。しかしながら、極性化処理なしにはフッ素原子は大部分がトランスおよびゴーシュ位置に配位され、その結果、全体の極性は中性となる。ＰＶＦ₂におけるβ相として知られる最も有用な相は伸長させたＰＶＦ₂フィルムに外部電界を印加することによって増加させることができる。
【０００８】
ビニリデン・フロリドとトリフロロエチレンの共重合体Ｐ（ＶＦ₂-ＴｒＦＥ）は特に有用な性質を有している。それらは通常２０から３０モルのＴｒＦＥを含んでいる。それらが融点温度から室温まで冷却されると、ポリマーを伸長させることなしに、β状の相を形成する。これは、トリフロロエチレン（ＣＦ₂-ＣＨＦ）_nが比較的大きくなったフッ素原子をＰＶＦ₂よりも大きな比率で含有し、その分子鎖はｔｇ⁺ｔｇ^-構造を留めることができないため、全トランス構造がより広がった結晶化が直接的に推進されるからである。さらに、Ｐ（ＶＦ₂-ＴｒＦＥ）鎖中のＴｒＦＥは、外部から逆電界を受けたときに構造変化をするのに適する程度に“トランス”構造を安定化させる。
【０００９】
１２．５〜８５モル％ＶＦ₂のＰ（ＴｒＦＥ−ＶＦ₂）共重合体は常にβ相結晶（トランスまたはトランス類似構造）を示し、いかなる熱処理によっても非極性のα相には転換しない。特に、６５から８０モル％ＶＦ₂ の間では引き延ばさなくても、高い結晶度で自然に全トランスβ構造（強誘電性）へと結晶化する。それらはＶＦ₂ 含有量が増加するにつれて６０℃から１４０℃のキュリー温度で強誘電性相転移をする。
【００１０】
ピロ電気フィルムの電力出力を決定する主要な処理パラメータはピロ電気材料の体積抵抗率、フィルムのピロ電気係数の温度依存性、温度サイクルの長さ（高いフィルム温度と低いフィルム温度の期間）、動作電圧の幅（Ｖ_highとＶ_low の差異）およびＯｌｓｅｎサイクルの周波数である。
【００１１】
米国特許第４６４７８３６号は、ピロ電気変換の全システム効率が熱再生技術の使用で増大することを示しており、Ｏｌｓｅｎ，Ｒ．Ｂ．とＢｒｏｗｎ，Ｄ．Ｄの“Ｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｄｉｒｅｃｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｈｅａｔｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｅｎｅｒｇｙ−ｒｅｌａｔｅｄｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ”，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ｖｏｌ．４０，ｐｐ．１７−２７（１９８２）もまた参照されたい。全体のシステム効率に影響を与える重要なパラメータの１つは利用可能な熱の再生である。熱が利用不可能な状態まで低下する前に可能な限り電気に変換することが極めて重要である。熱再生はこれを可能にするものである。ピロ電気フィルムが高温の加熱流体から熱を受けるとその温度は上昇する。その結果、それら自体がより低い温度の流体に対する熱源となる。この順序が繰り返されると、所定の熱量がピロ電気フィルム構造体を介して熱源温度と熱吸収温度との間を何度も往復移動することが可能となり、それはついには熱が低下して熱の往復移動が不可能になるまで続く。これまでの設計は、ピロ電気フィルムを収容した熱交換器において熱輸送流体の往復移動による高速の熱サイクルに不適切なほどに大きなものであった。
【００１２】
（発明の開示）
本発明は、先行技術のかさばる設計の問題点を克服するような、薄層のピロ電気フィルムの多層スタックで熱を電気エネルギーに変換する改良された方法と装置を提供するものである。このピロ電気フィルム表面は、高温と低温の流体がこのフィルムの表面の上で置き換えられることにより、高温と低温との間でサイクル変化する。本発明による設計はフィルムの表面上で流体の方向を逆転させることなく高温と低温の流体を切り換えるものである。高速の熱サイクルはこの単一方向流体流によって達成される。循環流の制御装置に取り付けられた磁気近接スイッチに支配された新規の電圧制御装置がこのピロ電気フィルムの熱的および電気的サイクルの同期を供給する。
【００１３】
（発明を実施するための最良の方式）
図１はＯｌｓｅｎサイクルからどのようにして電力出力が取り出し得るかを描いたものである。曲線１１は高温における電荷と電圧関係であり、曲線１２は低温における電荷と電圧の関係である。異なる曲線はサイクルが実行されたときの重要なプロセスパラメータの変化を描いている。番号（１）から（４）はピロ電気発生における４つのステップに対応する。
【００１４】
エリアＩはサイクルの冷却ステップ（３）の間に低電圧でフィルムを再充電するために必要なエネルギーを表わしている。低電圧でフィルムが冷却されると、その表面上の電荷はこの材料の固有の性質によって増加する。さらに、電圧を上げながら（ステップ（４））、再充電がなされる。この後のステップで要求されるエネルギーはエリアＩＩによって表わされている。このサイクルが適切に実行されるとき、エリアＩＩＩで示した電気エネルギーがフィルムによる全体の放電量となる。
【００１５】
本発明はスタック化したピロ電気フィルムの組み立て体を使用している。このことはスタック化した超薄層フィルムによる高速の熱伝導という利点を生じ、装置をコンパクトにしている。完全な組み立て体は高速の熱応答、および所定の時間で所定の熱伝導エリアから得られる大きな電気的出力を保持することに適している。
【００１６】
図２は、フィルムの両面が温度のステップ変化を受けたときのＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）共重合体の熱的応答を示すものである。この図はスタック化したフィルムの厚さとフィルムスタック中心部が９５％熱平衡に到達するのに要する時間との間の関係を描いている。例えば、このフィルムの全体の厚さが２５０ミクロンである場合、中心部が最終温度の９５％に到達するためにわずか０．４秒（４００ｍｓ）しか必要としない。フィルムの全体の厚さを３７０ミクロン未満に維持すれば、１秒未満の応答時間を達成することができる。もしも１層のフィルムの厚さが２５ミクロンと仮定すると、高速の熱応答を失わずにおよそ１５のフィルムをスタック化することができる。
【００１７】
低温で低電圧によるピロ電気フィルムの充電と高温で高電圧によるその放電を制御するために外部の電圧を使用した場合、以前の理論的解析よりも数段大きい変換効率が可能であることが判明した。加えて、熱の“再生”技術が熱利用効率を増大させるために使用される。この技術によると、第１のピロ電気素子において使用されなかった熱は第２のピロ電気素子およびカスケード式になって続く素子を加熱するために使用される。例えば、熱源が７０℃であり、熱吸収体が３０℃であり、２つの温度の間に複数のピロ電気素子が挿入されて１０℃刻みで７０から６０、６０から５０、５０から４０、そして４０から３０℃と変化して動作する場合、冷却水（熱吸収体）の温度はそれに対応して３０℃から４０℃、４０℃から５０℃、５０℃から６０℃と上昇していく。こうして、ピロ電気素子は７０℃から４０℃までの温度変化全体に晒されるが、全体の温度低下はわずか７０℃から６０℃までであり、そのとき最終の冷却水温度は６０℃に達していて熱源温度はわずかに低下する。
【００１８】
本発明のこの特別の構造は、高温と低温の流体の方向を逆転させることなしに熱伝導流体をピロ電気フィルムに供給するという利点を有している。本発明のこのシステムはピロ電気フィルムのスタックに対して熱水と冷水の流れを切り換えて使用している。熱水がピロ電気フィルムのスタック表面上を流れるとき、フィルム温度は上昇する。それに続いて、熱水が閉じられてシステムが冷水に切り換えられると、それはフィルムを冷却すると同時にフィルムから熱を受け取る。この順序が繰り返されるとき、ピロ電気フィルムは熱水と冷水間で熱の受け渡しをすることにより、熱の往来の媒体として作用する。
【００１９】
本発明によるフィルムは、フィルム間で電気的に絶縁することを不要にするために、背中合わせにスタック化することができる。偶数のピロ電気フィルムを背中合わせにスタック化することはまた、外側に面したピロ電気フィルムの電圧を低電圧にすることを可能にする。
【００２０】
図３は本発明の固定プレート型ジェネレータの構造を描いたものである。実線は“流れている”状態を示し、破線は“流れていない”状態を示している。この図に示したように、それぞれのステージは左の縦列の第１のセット３１および右の縦列の第２のセット３２から構成される。各セット（縦列）は多くのプレート型ジェネレータ・ユニットで構成され、縦列の上から第１、第２、第３、等々と番号を付されている。完全なシステムにおいてはステージの番号が増加するにつれてプレート型ジェネレータ・ユニットの数も減少し、最後のステージではわずか１つのジェネレータ・ユニットを残すだけとなる。
【００２１】
固定モードの動作では、このシステムの動作は２つの半周期に分けられる。第１の半周期では正確な量の熱水がステージ１のセットの第１のユニット３１を満たす。このユニットに前からあった温水はステージ１の第２のセットの第１のユニット３２へと押し出される。このユニットにあったすこし温度が低い温水はステージ１の第１のセットの第２のユニット３３へとさらに押し流される。
【００２２】
このプロセスはステージ１の第１のセットの最後のユニットにある冷水が熱吸収体となるステージ２に押し出されるまで繰り返される。第１のセット（縦列）の上側にある第１のユニットから第１のセットの底部にある最後のユニットに至るまでに温度分布があるのでこれが可能となる。ステージ１に入る熱水は冷水として残り、ここでステージ２の熱吸収流体として有用となる。ステージ１が熱水サイクルであるときにステージ２が冷水サイクルとなることにもまた注目すべきである。
【００２３】
図４は第２の半周期を描いたものである。第１の半周期の後、ステージ１にあるすべてのユニットの温度は設計された温度サイクルの半分の期間によって増加している。第２の半分の周期においてステージ１への流れは冷水流に切り換えられる。この切り換えは熱吸収体の下方向への流れをすべて停止させ、熱吸収体の上方向への流れへと逆転させる。この構成において、熱源と熱吸収体は切り換え型であるが、ユニットにおける流れの方向は同じである。その結果、ユニット内部の流体は流入してくる流体により置き換えられる。
【００２４】
２つの半周期が組み合わされるとき、このシステム構成の特徴は、セットの上部からセットの底部への完全な流体移動はないが、すべてのユニットにおいて同時に温度サイクルが生じることである。これは、ピロ電気フィルム組み立て体がその位置を物理的に移動させることなく熱吸収体と熱源の橋渡しとして作用するせいである。
【００２５】
好ましい実施形態においては、熱水と冷水との流れに常に干渉が生じないように、これらのシステムが２つ使用される。このことはオン／オフ・サイクルの惰性的な変化によるエネルギーの損失を防ぐために利点がある。図３および４に示したジェネレータ・ユニットは物理的に独立したユニットである必要はない。それらは分離型のフィルム組み立て体でもよい。それらは熱伝導流体および対応する分離した電気的接続を包含するという点からみると、隣接するフィルム組み立て体からは充分な程度の分離をしているべきなのである。
【００２６】
流れの切り換えおよび同期は、図５に示した３つのパイプが接続されるチューブ５２から作製された同期スイッチ５１（または高速水流制御装置）によって制御される。半円柱５３がこのチューブの内部で回転し、出口５４または５５を切り換えてブロックする。水は、周期の最初の半分で出口５４から出て周期の第２の半分で出口５５から出る。Ｏｌｓｅｎサイクルに電気回路の動作を同期させるための電気信号を送る磁気近接スイッチが回転シャフトに取り付けられている。
【００２７】
ピロ電気ジェネレータの動作はＯｌｓｅｎサイクルに対応する４つのステップに分けられ、これは図６から９に描かれている。電力発生サイクルの最初の半分の間に、熱水はプレート型ピロ電気変換器６３に入る。フィルム上を流れる熱水の熱エネルギーが吸収されて電気エネルギーに変換される。この電気エネルギーは抵抗負荷を通って高い電圧で放電され、有用な仕事を行う。このステップは図６のＡ〜Ｂに対応する。磁気近接スイッチ６１が電圧制御装置６２とともに使用され、フィルムの熱的および電気的同期を確実にする。
【００２８】
いったんフィルムの温度が充分に上昇すると、これらに印加される電圧は下げられ、熱フィルムはさらに放電する。このステップは図７のＢ〜Ｃに対応する。
【００２９】
変換サイクルの第２の半分の間で、冷水が変換器に入る。サイクルの最初の半分の間に加熱されていたフィルムは、低電圧下で冷却されると再充電される。このステップは図８のＣ〜Ｄに対応する。
【００３０】
その後、冷えたフィルムの電圧が次のサイクルに備えて上昇させられる。このステップは図９のＤ〜Ａに対応する。
【００３１】
前述したように、外部制御電圧がＯｌｓｅｎサイクルを実施するために必要である。しかしながら、Ｏｌｓｅｎサイクルが適切に実施される場合、フィルムから出力される電気エネルギーは常に入力電気エネルギーよりも大きい。ピロ電気フィルムの熱的および電気的サイクルを適切に実施するためには、ピロ電気変換器の効率的かつ安全な動作にとって電圧制御装置６２が必要となる。
【００３２】
同期の中から熱サイクルの半分の周期を経る２セットのフィルムの電気的サイクルを１つの可変高電圧電源と１つの固定低電圧電源を使用して制御する方法の説明をここで述べる。同期の中から半分の周期で２セットのフィルムをサイクル化することはより規則的な電気エネルギーを出力することを可能にする。ステップ１〜４は最初の半サイクルについて説明するものであり、ステップ５〜８は第２の半サイクルを説明するものである。ここで図１０〜１３を参照する。
【００３３】
ステップ１：フィルムの加熱と冷却（図１０）
第１のフィルム・セットは、外部から高い電圧を印加された状態で加熱されて電気を放電する。この電気は高電圧抵抗負荷１０３に電力供給されて有用な仕事をする。第２のフィルム・セットは冷却されて再充電される。再充電エネルギーは固定低電圧電源によって供給される。接続は、もちろん電源の内部抵抗を除いてであるが、抵抗負荷１０３を通って再充電エネルギーが消散されないようになされる。殆ど半サイクル続くこのステップは、フィルム温度の変化に伴なって進行するのでゆっくりしたものである。
【００３４】
ステップ２：電圧減衰（図１１）
第１のフィルム・セットが充分な時間で温められた後、磁気近接スイッチが電圧制御装置にトリガ信号を送り、制御装置は可変高電圧電源１０１に信号送信して電圧を低下させる。これは、第１のフィルム・セットからさらに放電させる。このステップは非常に高速でなされ、電圧低下の間にフィルム温度が顕著に下がることはない。第２のフィルム・セットでは何も生じない。
【００３５】
ステップ３：低電圧切り換え
切り換えは、火花放電を回避して変換器の安全な動作を確実化するために低電圧でなされる。どのようにして切り換えがなされるかをより理解できるように、以下に部分的ステップおよび追加の図について説明する。この電子的ステップは非常に高速でなされて熱的サイクルは進む機会がなく、図では、電荷ｖｓ電圧のグラフにおいてドットで、またさらに時計図で表わされている。
【００３６】
ステップ３−Ａ：電圧測定（図１２）
切り換えを実行する前に、高電圧電源１０１の電圧が低下する時間があることを確認することが重要である。可変高電圧増幅器は電圧出力をモニタしなければならない。モニタした電圧が固定低電圧の９８％以内になると、切り換えを行っても安全と考えられる。切り換えの前にリレーの位置に注意すべきである。
【００３７】
ステップ３−Ｂ：リレーを開く（図１３）
いったん電圧が安全なレベルまで下がると、２セットのフィルムを切り換えることが可能となる。水銀浸潤型のリード・スイッチがこの用途には有用である。すべてのリレーが開き、続いてそれらが完全に開いて水銀がはねるのが止まるのに充分な時間待つことが大切である。これらのリレーは、代表的には、落ち着くのにおよそ２〜３ｍｓを要する。
【００３８】
ステップ３−Ｃ：いくつかのリレーを閉じる（図１４）
すべてのリレーが開くのを待った後、ここで実際に安全に切り換えを行うことが可能となる。切り換えはいくつかのリレーを閉じてその他を開いたままにすることでなされる。切り換えは電気的に火花が飛ぶことを避けるために低電圧で行い、これによりリレーの寿命を長くすることができる。切り換えに続いておよそ１０ｍｓ遅延時間を設けることでリレーが次のステップの前に落ち着くことができる。
【００３９】
ステップ４：電圧上昇（図１５）
フィルム・セットへの接続がいったん切り換えられると、第２のフィルム・セットの電圧は高電圧へと上げられる。ここで第２のフィルム・セットは充分に充電され、電気を発生する準備ができる。
【００４０】
ここで最初の半サイクルは完了する。次の４つのステップは第２の半サイクルを説明するものであり、第１のフィルム・セットが最初の半周期で加熱されたのがここでは冷却され、第２のフィルム・セットが冷却される代わりに加熱されるという事実だけが前述のステップと異なる。
【００４１】
ステップ５：フィルムの冷却と加熱
第１のフィルム・セットはここで外部の低電圧を受けた状態で冷却されながら再充電される。第２のフィルム・セットは加熱されて抵抗負荷に電気エネルギーを放電する。このステップは、第１のフィルム・セットがステップ１では加熱されたがここでは冷却され、第２のフィルム・セットが冷却される代わりにここでは加熱されるということを除いてステップ１と同様である。フィルム温度が変わらなければならないので、もう一度、このステップは殆ど半周期を必要とする。
【００４２】
ステップ６：電圧減衰
いったんフィルム温度が変わってしまうと、加熱されたフィルムに印加される外部電圧は下げられてさらなる放電が可能となる。このステップは非常に高速でステップ２と同様である。
【００４３】
ステップ７：低電圧切り換え
ステップ７−Ａ：電圧測定
高電圧電源が固定低電圧電源の電圧の９８％まで低下すると、回路は切り換えを実行可能となる。
【００４４】
ステップ７−Ｂ：リレーを開く
このステップでは、すべてのスイッチが開かれ、遅延時間によってすべてのリレーが開いて水銀がはねるのを停止することを確実化される。
【００４５】
ステップ７−Ｃ：いくつかのリレーを閉じる
適切なリレーを閉じることで切り換えがなされる。
【００４６】
ステップ８：電圧上昇
第１のフィルム・セットは外部印加電圧をＶ_highに上昇させることにより充分に再充電される。ピロ電気サイクルはここで完了して繰り返すことが可能となる。
【００４７】
伝導損失を削減するために、サイクル周期は可能な限り短縮され、ピロ電気性共重合体は高抵抗率のものを選ばねばならない。程度の小さい温度サイクルは顕著な伝導損失という結果につながる。これは、電気的伝導損失はサイクル周期および選択電圧については一定であるがフィルムの電気的エネルギー出力は温度サイクルの幅に直接的に関係するという理由からである。したがって、温度サイクルの幅が小さいとき、電気的伝導損失は電気的エネルギー出力の大きな比率を占めることになる。フィルムの温度サイクルの幅を減少させると、実際に伝導損失は、電圧、サイクル周期、材料、その他といったさまざまなパラメータに依存して、電気的エネルギー出力よりも大きくなる。
【００４８】
電気的損失は材料の抵抗率を上げることにより低減可能となる。これはＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）中のＶＤＦ含有量を増加させることにより可能である。例えば、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）７３／２７は５２／４８よりも大きな抵抗率を有する。この結果、所定のサイクル周期と温度サイクルにおいて、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）７３／２７の電気的損失は５２／４８のそれよりも小さなものとなる。７３／２７の電気的エネルギー出力は５２／４８のそれよりも４０％少ない（すなわち、７３／２７のゼロ電界ピロ電気係数は５２／４８のそれよりも４０％小さい）けれども、このことは事実である。抵抗率は温度に大きく依存し、７３／２７のキュリー点は５２／４８の約６５℃よりもはるかに高い約１２５℃であることに注目すべきである。同じ温度では、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒｉＦＥ）７３／２７の抵抗率は５２／４８のそれよりも非常に高い（６０℃で約６０倍）。
【００４９】
ピロ電気変換装置の代表的な構成を以下の表Ｉに示す。
【表１】

【００５０】
流体流における電力損失は、プレートを隔てる距離と容積流速の両方に特に依存する。電力損失計算に基づくと、最善のプレート間距離は３ｍｍから５ｍｍの間にある。
【００５１】
フィルム材料の選択に関する限り、６０Ｈｚで高電圧５０ＭＶ／ｍ、および１００℃において６７００万回以上の電気的サイクルの後も、共重合体サンプルの電気的性質は安定に維持され、検出可能な劣化は認められないことが示された。これは２５μｍのピロ電気フィルムに対して１２５０Ｖを１Ｈｚで２年以上印加することに相当する。よりゆるやかな条件（２０および３０ＭＶ／ｍ、６０Ｈｚ、室温）で同じピロ電気フィルムは３億８８００万サイクル後も変化しないままであり、これは１２年以上連続使用することに相当するものであった。
【００５２】
（産業上の利用性）
余分の設備を追加することで排熱を有用な目的に変換または回収することが経済的に不都合という理由で、さまざまな程度の熱が環境中に排出されてきた。排熱は普通は排ガス、処理排水および冷却水によるもので２５℃から２５０℃の範囲にある。例えば、熱機械的なパルプおよび製紙工場は余剰のエネルギーを５０℃から１００℃の熱水として放出している。
【００５３】
さまざまな程度の排熱を放出する産業は発電所、焼却プラント、製紙工場、精錬所および化学プラントを含む。本発明のピロ電気変換装置はポリマー・フィルムを使用するので、動作温度は１２５℃以下に制限され、このような低い熱源に適合する。例えば、焼却プラントは普通は人口の密集したエリアから離れた場所に建設され、その結果、効率的な排熱利用は難しい。ピロ電気変換システムを使用した現場での電力発生は実際的な解決策である。同様に、製紙工場は遠隔地に位置し、その結果、電力に変換する以外に排熱の良い利用法は困難である。
【００５４】
本発明を使用すると、排熱を電気のような価値の高い形に変換することが可能となり、経済性のみの考慮に基づいた資源の利用効率を向上させる手助けとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２つの異なる温度においてピロ電気材料のヒステリシス・ループを示した図である。
【図２】温度のステップ変化に対する共重合体の熱応答時間を示した図である。
【図３】本発明のピロ電気ジェネレータの構造を描いた図である。
【図４】本発明のピロ電気ジェネレータの構造を描いた図である。
【図５】図３および４の装置に対して有用な流体制御装置を示す図である。
【図６】熱的および電気的サイクル間の同期を得るためのピロ電気ジェネレータの動作を描いた図である。
【図７】熱的および電気的サイクル間の同期を得るためのピロ電気ジェネレータの動作を描いた図である。
【図８】熱的および電気的サイクル間の同期を得るためのピロ電気ジェネレータの動作を描いた図である。
【図９】熱的および電気的サイクル間の同期を得るためのピロ電気ジェネレータの動作を描いた図である。
【図１０】ピロ電気ジェネレータの動作にとって必要となる電圧制御の順序を描いた図である。
【図１１】ピロ電気ジェネレータの動作にとって必要となる電圧制御の順序を描いた図である。
【図１２】ピロ電気ジェネレータの動作にとって必要となる電圧制御の順序を描いた図である。
【図１３】ピロ電気ジェネレータの動作にとって必要となる電圧制御の順序を描いた図である。
【図１４】ピロ電気ジェネレータの動作にとって必要となる電圧制御の順序を描いた図である。
【図１５】ピロ電気ジェネレータの動作にとって必要となる電圧制御の順序を描いた図である。

Claims

ピロ電気エネルギー変換器を使用して熱を電気エネルギーに変換する装置であって、
スタック状に配列したピロ電気フィルムの複数の薄層と、
ピロ電気フィルムの表面に交互に熱および冷流体の流れを供給し、高速でフィルム温度をサイクル化するように、流れの方向を逆転させることなく熱および冷流体を切り換える手段と、
ピロ電気エネルギー変換器の熱的および電気的サイクルを同期させる検知用スイッチを有する電圧制御装置を備え、前記スタックに結合されてピロ電気フィルムの表面への電荷を蓄積し、かつそこからの電荷を取り去る手段と
を含む装置。
前記検知用スイッチは磁気近接スイッチである請求項１に記載の装置。
ピロ電気フィルムの層は、電気的絶縁が不要となるように、背中合わせにスタック化されている請求項１に記載の装置。
スタックは偶数のピロ電気フィルムの層が背中合わせになったものを有し、それによって外側に面したピロ電気フィルム表面に蓄積された電荷が低レベルとなる請求項１に記載の装置。
さらに、第１および第２のセットに配列され、前記第２のセットは第１のセットよりも１つ少ないスタックを含んでいるピロ電気フィルムのいくつかのスタックと、
第１のセットの第１のスタックに熱流体を供給する手段と、
前記流体を第２のセットの第１のスタックに流す手段、前記流体を第１のセットの第２のスタックに流す手段、引き続いて流体の同様の移送を、流体が第１のセットの最後のスタックにおいて冷却された流体として流出するまで実施する手段と、
第１のセットの最後のスタックに冷流体を切り換えて供給する手段、前記流体を第２のセットの最後のスタックに流す手段、前記流体を第１のセットの最後のスタックの次へと流す手段、引き続いて前記流体の同様の移送を、流体が第１のセットの第１のスタックにおいて加熱された流体として流出するまで実施する手段と
を備えた請求項１に記載の装置。
ピロ電気フィルムの表面に熱流体および冷流体の流れを切り換えて供給する手段は第１および第２の出口パイプと入り口パイプに接続されたチューブを有し、チューブの中では半円柱が回転して、入り口パイプが第１および第２の出口パイプとの間で切り換え可能なように第１または第２の出口パイプをブロックする請求項５に記載の装置。
磁気近接スイッチが半円柱に取り付けられ、前記磁気近接スイッチは電気的および熱的サイクルの同期をとるために電気信号を電圧制御装置に送る請求項６に記載の装置。
第１および第２のセットはステージを含み、複数のステージがプレート型のジェネレータ・システムを有し、熱流体が第１のセットの第１のスタックから流れて続くステージへ再生された熱流体源として入り、第１のセットの最後のスタックから流れる流体が再生された冷流体源として続くステージに供給される請求項５に記載の装置。
熱流体と冷流体が妨害しないように熱流体と冷流体を切り換えた注入を受けるように２つのプレート型ジェネレータ・システムがある請求項８に記載の装置。
スタックは分離型のフィルム組み立て体であり、隣接するフィルム組み立て体から熱的および電気的に絶縁されている請求項９に記載の装置。
それぞれのスタックは３７０ミクロンよりも小さい厚さを有する請求項１０に記載の装置。
それぞれのスタックは１秒よりも短い熱応答時間を有する請求項５に記載の装置。
複数のピロ電気フィルム薄層の第１および第２のスタックを備えて熱を電気エネルギーに変換する方法であって、
可変の高電圧を供給して第１のスタックに電気エネルギー源を印加し、
一定の低電圧を供給して第２のスタックに電気エネルギー源を印加し、
高い電圧で第１のスタックを加熱して、その後、可変高電圧電源から電圧を低下させ、一定の低い電圧で第２のスタックを冷却し、
一定の低電圧となったときに第１および第２のスタックの電気的接続を切り換え、
第２のスタックの電圧を高電圧に上昇させ、
前記高電圧で第２のスタックを加熱して、その後、可変の高電圧電源を降圧させ、前記一定の低電圧で第１のスタックを冷却するステップから成る方法。
ステップは繰り返され、それによって電気的エネルギーの均一な出力がつくられる請求項１３に記載の方法。
第１または第２のスタックを加熱するステップにおいて、フィルム温度の高速でのサイクル化をするために、流れの方向を逆転させることなく熱流体または冷流体の流れがピロ電気フィルム表面に切り換えて供給する請求項１３に記載の方法。