JP4984048B2 - エネルギ貯蔵装置 - Google Patents
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Description
本発明は、液晶を利用してエネルギを貯蔵するエネルギ貯蔵装置に関する。
また、液晶に電圧を加えたときに発生する液晶流動を物体移動に利用する技術も開発されている(特許文献1)。この技術では、液晶に対して電圧を加えたときに配向方向の変化が生じると液晶分子の周りに速度勾配が生じることを明らかにした上で、一対の平板間に挟まれている液晶に対して電圧を加えることによって一方の平板に対して他方の平板を移動させることができることを開示している。
第2発明のエネルギ貯蔵装置は、第1発明において、前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えていることを特徴とする。
第3発明のエネルギ貯蔵装置は、第1発明において、前記転傾形成手段が、該液晶内に、強度の符号が互いに異なる一対の転傾を形成するものであることを特徴とする。
第4発明のエネルギ貯蔵装置は、第3発明において、前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えており、該移動手段は、前記液晶内に形成された一対の転傾を互いに接近離間させるものであり、前記拘束手段は、前記一対の転傾を離間させた状態で保持し得るものであることを特徴とする。
第5発明のエネルギ貯蔵装置は、液晶を内部に保持する保持手段と、該保持手段内の液晶中に配設され、該液晶内に転傾を形成する転傾形成手段と、前記液晶内に形成された転傾を前記液晶中で回転させる回転手段と、前記液晶内に形成された転傾の回転を拘束する拘束手段とを備えていることを特徴とする。
第6発明のエネルギ貯蔵装置は、第1、第2、第3、第4または第5発明において、前記転傾形成手段が、前記液晶中に挿入される挿入部材を備えており、該挿入部材は、その表面に、該挿入部材の周囲に位置する液晶分子が該挿入部材の位置に転傾が存在するときと同等の配向状態となるように、ラビング処理が施されていることを特徴とする。
第7発明のエネルギ貯蔵方法は、液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から移動させ、その状態で転傾の移動を拘束することを特徴とする。
第8発明のエネルギ貯蔵方法は、液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から回転させ、その状態で転傾の回転を拘束することを特徴とする。
第2発明によれば、転傾形成手段によって形成された転傾を、移動手段によって移動させれば、保持手段内における液晶分子の配向状態を変化させることができる。そして、転傾を安定位置から移動させてその移動を拘束すれば、液晶分子の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。
第3発明によれば、一対の転傾を形成し、その位置で両転傾の移動を拘束すれば、転傾を形成する前の状態に対して液晶分子の配向状態が変化するので、その変化に要するエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、両転傾を移動可能な状態とすれば、安定状態となるために両転傾同士が接近し融合しようとするから、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の移動や、転傾の移動に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
第4発明によれば、転傾形成手段によって一対の転傾を形成し、移動手段によって両転傾を接近離間させれば、液晶分子の配向状態が変化するので、液晶中にエネルギを貯蔵したりエネルギを取り出したりすることができる。
第5発明によれば、転傾形成手段によって形成された転傾を、回転手段によって回転させれば、保持手段内における液晶分子の配向状態を変化させることができる。そして、転傾を安定状態から回転させてその回転を拘束すれば、液晶分子の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、転傾が回転できる状態とすれば、安定状態となるように転傾が回転して液晶分子の配向状態が変化する。すると、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の回転や、転傾の回転に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
第6発明によれば、液晶中に、挿入部材の位置に転傾が存在しているかのような配向状態を形成することができるから、挿入部材を移動させたり回転させたりすることによって、液晶中に、転傾を移動させたり回転させたりした場合と同等の配向状態の変化を生じさせることができる。そして、拘束手段による拘束を解放すれば、安定状態となるように液晶分子の配向状態が変化し、挿入部材が移動したり回転したりするので、貯蔵されているエネルギを容易に取り出すことができる。
第7発明によれば、転傾を安定位置から移動させてその移動を拘束すれば、液晶分子の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、転傾が移動できる状態とすれば、安定状態となるように転傾が移動して液晶分子の配向状態が変化する。すると、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の移動や、転傾の移動に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
第8発明によれば、転傾を安定状態から回転させてその回転を拘束すれば、液晶の配向状態も安定状態から変化した状態で保持される。よって、安定状態から配向状態を変化させるために必要としたエネルギを液晶に貯蔵することができる。また、転傾が回転できる状態とすれば、安定状態となるように転傾が移動して液晶分子の配向状態が変化する。すると、液晶中に貯蔵されていたエネルギを、転傾の回転や、転傾の回転に伴って液晶中に発生する流動を利用して取り出すことができる。
まず、本発明の液晶欠陥を利用してエネルギを貯留する装置であるが、装置について説明する前に、液晶欠陥である転傾について説明する。
図4は転傾が存在する液晶のシュリーレン組織の写真である(出展:C. Destrader, H. -T. Nguyen, H. Gasparoux, J. Malthete, and A. M. Levelunt, Mol. Cryst. Liq. Cryst., 71, 118,(1981) 図2.233)。
転傾とは、液晶における配向ベクトルの場の欠陥、すなわち不連続線をいい、図4では、周囲の液晶分子に対して液晶分子の配向方向が不連続となっている部分が、紙面と垂直な方向に沿って並んで線状に存在することによって形成されている。この図4において、白色と黒色の帯状組織が交差する箇所が欠陥核、つまり、転傾において液晶分子の配向方向の空間的歪みが最も高くなるところである。なお、周囲の液晶分子に対して配向状態が不連続となっているとは、その位置において、紙面内での配向方向が規定できない状態となっていることを意味する。例えば、図4であれば、紙面と垂直な方向、つまり、紙面面外に向かう方向に液晶分子が配向していたり、配向秩序が低下していたりする状態をいう。
図5に、転傾の周囲における液晶分子の配向状態をモデル化した図を示す(出展:液晶辞典)。図5において、点で表されている部分が、転傾が存在する位置である。また、図4において実線が転傾周囲の配向場を示しており、実線に沿って液晶分子は、その配向方向が連続するように配向している。なお、図5中のsは欠陥の強度を示している。
図1は第1実施形態のエネルギ貯蔵装置の概略説明図であり、(A)は縦断面図であり、(B)は平面図であり、(C)は棒状部材4を移動させたときにおける液晶分子の配向状態の変化を示した図である。なお、図1(B)、(C)において、液晶LC中に記載されている実線が転傾周囲の配向場を示しており、液晶分子は、実線に沿って配向方向が連続するように配向している。以下、図2〜図4でも同様である。
なお、保持手段1は、矩形の容器に限られず、液晶をその内部に保持しておくことができるものであればよい。
さらになお、保持手段1の底面および内面には、ラビング処理やラビングレス処理等の液晶分子の配向方向を拘束する処理が行われている。
しかも、棒状部材4は、その移動を拘束する図示しない拘束手段にも連結されている。この拘束手段も特に限定されず、移動手段によって棒状部材4を移動させるときに、その抵抗が少ないものが好ましい。
なお、駆動源7がモータの場合には、ネジ軸6の回転によってモータの主軸も回転できるようにしておけば、ネジ軸6の回転によってモータに起電力を発生させることができる。つまり、モータを、エネルギを貯蔵するときには駆動源として利用でき、エネルギを取り出すときには発電機として使用することもできる。
さらになお、棒状部材4の表面に行う処理は、上記の処理に限られず、棒状部材4の側面に沿って液晶分子が欠陥構造と同様の空間的配向状態となる処理、言い換えれば、液晶分子を、棒状部材4の位置に転傾が存在しているかのように配向させることができるのであれば、どのような処理を行ってもよい。
さらになお、棒状部材4は、その軸方向が保持手段1の上面と直交するように配設されている必要はなく、保持手段1の上面に対して傾いていてもよい。
例えば、棒状部材4の表面に、棒状部材4を保持手段1の中心に位置するように液晶LCに浸漬させると安定状態となるような配向拘束処理を行う。そして、この棒状部材4を、保持手段1の中心位置からずれた位置において液晶LCに浸漬させ、その移動を拘束する。すると、棒状部材4を拘束している間は液晶LCの配向状態は不安定な状態に保持されるので、安定状態から不安定な状態に移行するためのエネルギが液晶LC中に貯蔵される。
一方、棒状部材4が移動できるようにすれば、棒状部材4は安定状態となる位置、つまり、保持手段1の中心まで移動される。すると、棒状部材4の移動または、液晶LC中に発生する液晶LCの流動として貯蔵されていたエネルギを取り出すことができる。
なお、上記のごとき構造を採用する場合には、棒状部材4を液晶LCに浸漬離脱させる機構、および、液晶に浸漬していない状態において棒状部材4と保持手段1との相対的位置を移動させる機構が必要となる。
さらになお、図2(B)に示すような配向状態を液晶LC中に形成する場合にも、配向拘束処理は、棒状部材4の内部に欠陥核が仮想的に存在するかのような配向状態となるように液晶分子を配向させる処理を行えばよい。
さらになお、安定状態において、図2(B)に示すような配向状態を有する場合でも、棒状部材4の位置を安定状態(保持部材1の中心)から移動させれば、棒状部材4の位置変化、つまり、転傾の移動によって供給されるエネルギを貯蔵することができる。したがって、棒状部材4の位置を安定状態から移動させながら回転させれば、位置移動による配向状態の変化によって供給されるエネルギと、回転による配向状態の変化よって供給されるエネルギを、両方貯蔵することができる。すると、保持手段1内に収容されている液晶LCの量が同じであっても、棒状部材4の位置移動により供給されるエネルギしか貯蔵できない場合に比べて、貯蔵可能なエネルギ量を多くすることができる。
棒状部材4Aの表面に接する液晶分子を垂直配向させるには、界面活性剤やクロム錯体、酸化ケイ素(SiO)の垂直蒸着を行えばよく、この場合には、棒状部材4Aの位置が、正の符号を有する転傾であるかのように液晶分子は配向する。
一方、棒状部材4Bの表面を、その軸方向に沿って複数の領域に分割し、各領域において異なるラビング処理、例えば、棒状部材4の軸方向に対するラビング方向やラビング強度を軸方向に沿って徐々に変化させる。すると、図5(d)に示すような液晶分子の配向状態を形成させ、かつ、棒状部材4Bの位置が負の符号を有する転傾であるかのように液晶分子を配向状態させることができる。
すると、一対の棒状部材4A,4Bの周囲には、図3(B)に示すような配向状態を形成させることができるのである。
したがって、一対の棒状部材4A,4Bを離間させた状態でその移動を拘束手段によって拘束したり、また、移動手段によって一対の棒状部材4A,4Bを両者間の距離が大きくなるように移動させて拘束手段によって拘束したりすれば、一対の転傾が離間している状態と同等の配向状態を液晶LC中に形成させることができるから、液晶LC中にエネルギを貯蔵することができる。
なお、一対の棒状部材4A,4Bが接近するときに液晶LC中に発生する液晶流動を利用してエネルギを取り出すことも可能であるのは、いうまでもない。
さらになお、一対の棒状部材4A,4Bを液晶LC中に浸漬させる場合には、保持手段1の底面および内面には、配向を拘束する処理は必ずしも行う必要はない。
計算領域は、図6(A)に示す二次元空間を使用し、S=1/2の液晶欠陥を、計算領域中央(0.5H,0.5H)に発生させた場合と、計算領域中央からずれた位置(0.2H,0.5H)に発生させた場合において、液晶欠陥発生後の液晶欠陥の動きを比較した。
液晶分子の長距離効果を表す物理量liは、無次元化した液晶分子の長距離効果を表す物理量li*=2.0×10-1を与えて計算した。なお、計算に使用した液晶は代表的な低分子液晶であるN-(p-methoxybenzylidene)-p’-butyl-aniline(MBBA)であり、実際の液晶ではli*=2.0×10-1以下であるが、計算時間を短縮するために上記のごとき数値を採用している。
また、x軸方向,z軸方向ともに100分割して計算を行っており、境界条件は強アンカリング(液晶分子の配向方向を変化させない)としている。
また、図10〜図12は計算領域中央からずれた位置((0.2,0.5))に液晶欠陥を発生させた場合における計算結果であり、図10は偏光顕微鏡観測画像を模した配向状態の時間変化を示した図、図11は配向秩序度の時間変化を示した図、図12は領域中における各軸の2n(nは整数で0から50の値を取る)の位置における液晶分子の配向状態を棒状分子で描画した図である。
なお、図7および図10では、液晶分子が偏光方向に平行、または垂直に配向している領域は明視野(白)で示され、±45°方向に配向している領域は暗視野(黒)で示され、その他の方向に配向している領域ではグレーで示されている。図8および図11では、配向秩序度の大きさが0に近いほど黒く示され、逆に配向秩序度の大きさが1に近いほど白く示されている。なお、配向秩序度の大きさが大きくなるほど(1に近づくほど)配向方向の長距離秩序を有している、つまり、隣接する液晶分子の方向が揃っていることを意味しており、配向秩序度の大きさが小さくなるほど(0に近づくほど)配向方向の長距離秩序がないことを意味している。
これに対し、図10〜図12に示すように、液晶欠陥を計算領域中央からずれた位置に発生させた場合、液晶欠陥を発生させた後、計算領域中央からずれた位置から計算領域中央にまで移動する。そして、計算領域中央まで移動すると、その後はその場にとどまり続ける。
4 棒状部材
LC 液晶
Claims (8)
- 液晶を内部に保持する保持手段と、
該保持手段内の液晶中に配設され、該液晶内に転傾を形成する転傾形成手段と、
前記液晶内に形成された転傾の移動を拘束する拘束手段とを備えている
ことを特徴とするエネルギ貯蔵装置。 - 前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えている
ことを特徴とする請求項1記載のエネルギ貯蔵装置。 - 前記転傾形成手段が、該液晶内に、強度の符号が互いに異なる一対の転傾を形成するものである
ことを特徴とする請求項1記載のエネルギ貯蔵装置。 - 前記液晶内に形成された転傾を移動させる移動手段を備えており、
該移動手段は、前記液晶内に形成された一対の転傾を互いに接近離間させるものであり、
前記拘束手段は、前記一対の転傾を離間させた状態で保持し得るものである
ことを特徴とする請求項3記載のエネルギ貯蔵装置。 - 液晶を内部に保持する保持手段と、
該保持手段内の液晶中に配設され、該液晶内に転傾を形成する転傾形成手段と、
前記液晶内に形成された転傾を前記液晶中で回転させる回転手段と、
前記液晶内に形成された転傾の回転を拘束する拘束手段とを備えている
ことを特徴とするエネルギ貯蔵装置。 - 前記転傾形成手段が、前記液晶中に挿入される挿入部材を備えており、
該挿入部材は、
その表面に、該挿入部材の周囲に位置する液晶分子が該挿入部材の位置に転傾が存在するときと同等の配向状態となるように、ラビング処理が施されている
ことを特徴とする請求項1、2、3、4または5記載のエネルギ貯蔵装置。 - 液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、
転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から移動させ、その状態で転傾の移動を拘束する
ことを特徴とするエネルギ貯蔵方法。 - 液晶中にエネルギを貯蔵する方法であって、
転傾を有する液晶中において、転傾を安定状態から回転させ、その状態で転傾の回転を拘束する
ことを特徴とするエネルギ貯蔵方法。
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