JPS59126689A

JPS59126689A - 太陽熱機関と圧電素子による高電圧発生装置

Info

Publication number: JPS59126689A
Application number: JP58001971A
Authority: JP
Inventors: Toshio Sugita; 杉田利男
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-01-10
Filing date: 1983-01-10
Publication date: 1984-07-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、太陽エネルギーによって太陽熱機関を作動さ
せ、さらにその出力である力学的エネルギーを圧電素子
にて電気エネルギーに変換させて高電圧を発生する装置
に係るもので、特に、構成が簡易で、小形化可能、低価
格の太陽エネルギー利用装置に関する。

〔従来技術〕

現在、エネルギー資源として、主として３石油石炭、天
然ガス、ウラン等が使用されているが。

これらの地下埋蔵資源は、近い将来枯渇すると考えられ
、また、これらを使用することで公害問題が生じている
。このため、新しい種類のエネルギー資源が必要となっ
ている。特に、我が国には。

上記の地下資源は２石炭を除いてはほとんど存在しない
ので、新エネルギー源の開発は火急の問題である。

このような状況下にあって、我が国では、太陽エネルギ
ー、地熱エネルギー、石炭エネルギー及び水素エネルギ
ーの利用技術の開発を柱とした［新エネルギー技術研究
開発計画」（サンシャイン計画）が１９７４年から２０
００年の３年間にわたる国営プロジェクトとして進めら
れている。

このうち、太陽エネルギー利用は、太陽エネルギーが無
尽蔵であり、地球上の人類は誰でも利用でき、かつ無公
害であり、地球上の熱平衡に影響しない特長を持つもの
で、大きな期待が持てるものである。

太陽エネルギーを利用した発電方式として開発されてい
るものに、（１）太陽光→熱変換発電、（２）太陽光→
電気変換発電、の２つの方式がある。前者の太陽光→熱
変換発電には１曲面集光方式〔はう物面鏡の焦点位置に
集熱用パイプを置き、集光によってパイプの温度を上昇
させ、パイプ内の流体を介して熱を外部に取出し、蒸気
を作成し、これで発電機のタービンを回して発電する〕
とタワー集光方式〔多数の平面鏡を地上に置き、この鏡
平原（ミラー・フィールド）の中央に塔をたて、平面鏡
の反射による太陽光を横頂に置かれたボイラーに集光す
る〕とがある。この両方式とも、テストプラントの研究
に引続いて、現在１１０００ＫＷのパイｐソトプラント
が建設され、運転テストが進行中である。いずれにせよ
、この方式は大規模な発電方式であり２国営ないし会社
、法ｆ−的規模を必要とする。後者の太陽光→電気変換
発電は、いわゆる太陽電池による発電である。太陽電池
は。

例えば、Ｎ形半導体表面にＰ形半導体の薄層を形成し、
さらにその表面に金の半透明電極を設けた構造である。

この薄い電極を通して太陽光がＰ−Ｎ接合に入射すると
、電子と正孔の対が生成されこれが接合部に形成されて
いる電場によって、電子は゛ＮＮ領領域、正孔はＰ影領
域に移動し、２つの領域間に電位差を生じ、外部回路に
電流を流させるものである。しかしながら、太陽電池に
は。

出力に対して価格が高い、効率が低い、高電圧の発生が
できない等の不都合点があり、現在、低価格化と高効率
化について研究が進められて℃・る状況にある。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、構成が簡易で、小形化ができ。

低価格とすることができる。太陽熱機関と圧電素子によ
る高電圧発生装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は、上記目的を達成するために。

太陽光を集める集光装置と、この集光された太陽エネル
ギーによって作動する熱機関と１発生した力学的エネル
ギーによって作動してネオン灯、螢光灯の点灯等をなさ
しめるのに充分な高電圧を発生する圧電素子とを備えた
装置とするにある。

〔発明の実施例〕

以下１図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。本
実施例においては、太陽エネルギーによって作動する熱
機関として、いわゆるスターリング・サイクル・エンジ
ン（Ｓｔｉｒｒｉｎｇ　Ｃｙｃｌｅｆｇｇｊ、ｎｅ　）
を使用する。これは、２つの等容変化と２つの等温変化
からなる熱力学サイクルに基づく熱機関であり、外燃機
関であることから、燃料は太陽光のは、か、非化石燃料
、化石燃料のいずれも使用できる利点があり、さらに、
効率が高く、運転が静かであるという利点もある。

第１図によりスターリング・サイクル・エンジンの作動
原理を説明する。シリンダＣの上部を加熱して高温部Ｈ
に、下部は冷却して低温部り、としこの両部の間を細管
Ｓで接続する。このシリンダＣの内部にディスプレーサ
Ｄとピストンｐ　ＩＪ’−、ｓ、リゾイスプレーサＤに
一体的に取付けた柄Ｄ′は、ピストンＰにあけた貫通孔
を気密状に上下摺動できるようになっている。さらに、
ディスプレーサＤの柄Ｄ′及びピストンＰの柄Ｐ′はシ
リンダＣの底面を貫通して外部に延長されて℃・るが、
この貫通部の間隙はせまく、かつ、グリース等を用いて
シリンダＣ内の封入気体が外部に流出しない構成となっ
て（・る。

■→■　等容加熱過程ディスプレーサＤが下方位置にある状態（１）がら出発
して考える。この状態では、シリンダ内の気体は高温部
Ｈにあって、外部からの加熱を受け、て温度が上昇し、
このため圧力は増大する。気体の圧力ｐと体積Ｖの関係
線図を示すと第２図のようになる。

■→■　等温膨張過程気体の圧力が増大すると、気体は側管Ｃを通って低温部
りに移動し膨張する。このためピストンＰは気体に押さ
れて（２）のように下方位置に下がる。

■→■　等容冷却過程ディスプレーサＤを上方に変位させて（３）の状態にす
ると、気体は全て低温部りに移行する。ここでは気体は
外部から冷却され、る、ので、その圧力は低下する。

■→■　等温圧縮過程気体の圧力が下がると、ビス）７Ｐは上方に戻され、こ
のときディスプレー−４）Ｄを下げると気体は圧縮され
ながら側管Ｓを通って高温部Ｈに移行する。そして（１
）の状態に戻る。

ディスプレーサＤとピストンＰの運動とをある移相差（
例えば９０度の位相差）を持たせるようにすると、上記
の熱力学サイクルは連続的に行なわれることになり、熱
機関として作動することになる。これがスターリング・
サイクル・エンジンであり、この熱サイクルの効率は内
燃機関、蒸気機関の効率よりも高い。シリンダ内に封入
される作動気体は１気圧の空気でよく、他に、水素、ヘ
リウム等であっても差支えない。上記におけるピストン
Ｐの往復運動をその柄Ｐ′を介して外部に取出し、クラ
ンクシャフト等を用いてはずみ車等の回転運動にすると
、毎分１０（１０回転、出力にして約１００ワツトにも
及ぶ回転運動が得られる。

次に、圧電素子について述べる。ある種の物質の結晶に
圧力あるいは張力を加えると、その端面性物質として代
表的なものは、水晶、ロッシェル塩、チタン酸バリウム
で、水晶発振子、ピンクアップ、マイクロフォン等に使
用されているのは周知の通りである。圧電性物質のうち
、特に圧電効果が太き（、かつ、大きな機械的衝撃に耐
える物質１例えば圧電性セラミックス等、では、ばね。

落下球等によって衝撃を与えることによって瞬間的な高
電圧を発生させることができる。この高電圧を用いて２
極間に火花放電を生ぜしめ、ガスの点火に使用している
例もある。

本発明実施例では太陽エネルギーによってスターリング
・サイクル・エンジンを作動せしめ、生じる力学的エネ
ルギーを用いて圧電素子に機械的衝撃を与えて数ＫＶか
ら十数ＫＶに及ぶ高電圧を発生せしめる。さらに、この
発生した高電圧によってガス放電管、ネ°オン管等を点
灯させ照明として利用しようとする。その全体構成図を
第３図に。

第３図中のｘ　−ｘ’断断面面図第４図に示す。第３図
において、ｌは作動気体と・しての空気を１気圧の圧力
で封入した主シリンダである。２はディスプレーサで、
その変位はディスプレーサ・シャフト３によって行なわ
れる。ディスプレーサ２の変位によって作動気曵は主シ
リンダ１の高温部Ｈと低温部りの間を交互に移動させら
れ、その圧力は増減する。この作動気体の圧力変動は動
力用シリンダ４内の圧力変動として導管５によって伝達
されて、動力用ピストン６を往復運動せしめる。この動
力用ピストン６の運動は接手７．ピストン・シャフト８
．クランク９を介してはずみ車１０及び１１を回転させ
る。１２ははずみ車の軸であり、１３はその軸受である
。はずみ車１１のクランク１４は接手１５を介してディ
スプレーサ・シャフト３に接続されている。クランク９
とクランク１４は９０度の位相差をもつ位置にある。１
６及び１６′は、いずれも気密シールである。１７は凹
面鏡で、太陽光１８を主シリンダ１の高温部Ｈに集光さ
せる機能を有する。以上の１〜１８が太陽熱機関を構成
する。

１９はプーリで、はずみ車の軸１２と一体的に回転する
。加はプーリ１９に設げたベルトである。このプーリ１
９とベル）２０によって、太陽熱機関の回転運動が圧電
素子側に伝達される。圧電素子の機構は次の通りである
。２１は、第４図に断面を示すように、金属製円筒で、
その表面に短翼２２がこの実施例では２個植設されてい
る。２３は円筒２１の軸で。

それを保持するのが軸受２４である。５はプーリで、軸
回に固定されている。２６は打撃子、２７はその保持軸
、２８はスプリングである。２９は圧電素子、３０゜３
１はその電極、３２は突起である。以上の１９〜３２で
。

高電圧発生器を構成している。

太陽熱機関の回転運動はプーリ１９とベルト２０によっ
てプーリ２５に伝達され、金ｓ製円筒２１が回転する。

この円筒２１が回転するとその側面に植設された短翼２
２によって打撃子２６の尾部が押し下げられる。打撃子
２６はスプリング四によって復位するようになって℃・
るので、復位する際にその頭部にて圧電素子２９の上部
の突起３２をｔｉ撃する。こうして、圧電素子２９は衝
撃による高電圧の発生を行なう。発生した高電圧は電極
３０．３１か−ら導線３３によって、ガス放電管３４の
電極３５．３６に印加され、ガス放電管３４を点灯させ
る。

第３図実施例構成をもつ実際装置を製作した結果につい
て説明する。その寸法その他は以下の通りである。太陽
熱機関として主シリンダ１：内径２８　ｍｍ　、外径３２ｍｍ、長さ
１００　ｍｍディスプレーサ２：外径２４　ｍｍ　、長
さ６０　ｍｍ動力用シリンダ４．内径２０　ｍｍ　、外
径２５　ｍｍ　、長さ０　ｍｍ動力用ピストン６：外径１９ｍｍ、長さ２０朋はずみ車
１０．１１　　直径１００ｍｍ凹面鏡】７：直径４５　
ｍｍ　、アルミニウム製金属円筒２１：直径２０　ｘｍ
　、長さ４０罷圧電素子２９として、直径２朋、長さ５
ｍｍ、チタン酸バリウム磁器製のものを、放電管３４と
して直径９ｍ７Ａ、長さ７２關、アルゴンガス封入のも
のを使用した。この装置を、晴天時、午前１０時から午
後３時まで、室外に置き、太陽光を凹面鏡１７にて主シ
リンダ１の高温部Ｈに集光させることにより、太陽熱機
関が回転し、その力学的運動によって圧電素子２９を衝
撃して高電圧を発生し、この高電圧によってガス放電管
３４を点灯させることができた。

朝、晩及び夜間ならびに曇天、雨天においては。

凹面鏡による太陽光の集光の代りに、チルコール等を燃
料にして主シリンダ１の高温部Ｈを加熱することで、同
様に高電圧が発生し、ガス放電管を点灯させることがで
きた。

上記装置における。圧電素子２９に発生する電圧波形例
を実測した結果を第５図、第６図に示す。

第５図は使用した波形測定系の構成図、第６図は記録波
形の一例である。圧電素子２９に発生した電圧を抵抗Ｒ
１＝　１０００　ＭΩ、Ｒ２＝５］Ωで構成される分圧
器によって分圧し、得られた電圧をウェーブ・メモリ４
０に記憶させた後、Ｘ−を記録計５０により波形を記録
させた。なお＋　ＲＢは保護抵抗、Ｒ４とＡはショック
吸収器である。第６図は記録波形の例である。０５ミリ
秒程度の周期をもった減衰振動である。波高値は約１２
ＫＶであった。

なお、上記実施例において、主シリンダ］の作製材料と
しては、鉄、銅等の金属２石英、耐熱ガラス等のガラス
：窒化はう素等のセラミック、のいずれをも採用するこ
とができ、また、主シリンダ１の冷却は空冷、水冷のい
ずれでも差支えなく。

さらに圧電素子２９とし丁は、ジルコン・チタン酸鉛系
磁器［ＰｂＴｉＯ３とＰｂＺｒＯ３との固溶体〕、メタ
ニオフ酸系磁！　ＣＰｂ（Ｍｇ」Ｎｂ　１１　）０５−
ＰｂＴｉＯｓ−ＰｂＺｒＯ。

８の固溶体〕、チタン酸バリウム磁器〔ＢａＴｉ０３−Ｃ
ａＴｉＯ系、　　（Ｂａ　−Ｐｂ　）　ＴｉＯ３系、　
　（Ｂａ−Ｐｂ−Ｃａ）Ｔｉ０３系〕等が採用できる。

また、第３図構成においては、金属製円筒、°２１は軸
２：３にただ１個設けられるとして説明したが、軸２３
に複数個の金属製円筒２１．２１．　−−一を取付け。

各円筒ごとに図の２６〜３２で示される打撃子、圧電素
子系を配置することにより、複数個のガス放電管を同時
に点灯させることも、あるし・は封入ガスを異にする。

即ち発光色の異なる。多種類の放電管を同時に点灯させ
ることも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、太陽光を集光し
て熱サイクル機関の高温部を加熱して熱機関を作動させ
ることで太陽エネルギーを力学的エネルギーに変換し５
発生した力学的エネルギーで圧電素子を衝撃してガス放
電灯や螢光対を点灯させるのに充分なだけの高電圧を発
生させる構成であることから、従来の太陽光→熱変換発
電方式に比較して極めて小規模かつ簡易な、従って小形
。

低価格の太陽エネルギー利用装置とすることができ、ま
た従来の太陽光を直゛接、電気に変換する太陽電池に比
較してはるかに高電圧を発生し得る装置とすることがで
き、一般家庭や小規模工場等にお（・て、採用しても大
きな省エネルギー効果を発揮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はスターリング・サイクル・エンジンの作動原理
説明図、第２図は第１図エンジンの圧力・体積線図、第
３図は本発明の一実施例構成図。第４図は第３図中のｘ　−ｘ’断面図、第５図は第３図
中の圧電素子発生電圧の波形測定構成図、第６図は同じ
（測定波形の一例を示す図である。符号の説明１・主シリンダ　　　　　　２・・・ディスプレーサ３
・・・ディスプレーサ・シャフト４　゛動力用シリンダ　　　　５・・導管６　動力用ピ
ストン８・・ピストン・シャフト　　９，１４　クランク１０
．１１・はずみ車　　　　　１１３．１６’　気密シー
ル１７・・・凹面鏡　　　　　　　　１８・・・太陽光
１９．２５・プーリ　　　　　　２１−金属製円筒２２
・・短翼　　　　　　　　　２６・・・打撃子路・・・
スプリング　　　　　　２９・・・圧電素子刃、　３１
・・・電極　　　　　　　３２・・突起３４・・ガス放
電管３５、’３６・・・ガス放電管の電極４０・・ウェーブ・メモリ　　５０・・・Ｘ−を記録計
Ｃ・・シリンダＤ、Ｄ’・・ディスプレーサとその柄Ｐ、Ｐ’・・ピストンとその柄Ｈ・・高温部　　　　　　　Ｌ・・・低温部Ｓ・・・側
管代理人弁理士　中　村　純之助手続補正書（自発）特許庁長官　殿、お明。名称　　　太陽熱機関と圧電素子による高電圧
発生装置補正をする者事件との関係　　　　　特許ヵ願い代理人１１１．ツ、　　　　　東全部−丁代１１区丸の内　−
１’　ＩＪ　５番１号に１１丸ノ内ビルチング３階４４
１メ（〒１００）（１１話２１４−０５０２）補正の内
容　（１）　　浄書した図面、証明書、宣誓書釜１通を
補充する。手続補正書（自発）昭和５８年３月２９日特許庁長官　殿事件の表示　　昭和５８年特許願第１９７１号事件との
関係　　　　　　特許出願人代理人補正の内容　　添付別紙のとおシ。補正の内容（１）　　特許請求の範囲を添付別紙のように訂正する
（２）明細書第１４頁第５行と第６行との間に次の文章
を加入する。［なお、上記実施例においては圧電素手を繰り返（２衝
撃させて高電圧を発生させたが、圧電素子を押圧するこ
とによυ高電圧を発生させてもよいことはもちろんであ
る。」別　　　　紙特許請求の範囲（１）　　太陽光を受けて加熱される高温部と空冷ある
いは水冷される低温部とをシリンダ外周部に備えて太陽
光により作動する熱サイクル機関と、この熱サイクル機
関から発生する運動エネルギーにより圧電素子を作動さ
せて高電圧を出力する高電圧発生装置とを備えたことを
特徴とする太陽熱機関と圧電素子による高電圧発生装置
。（２、特許請求の範囲第１項記載の装置において。前記熱サイクル機関が１等容加熱５等温膨張１等容冷却
１等温圧縮なる４つの状態変化を組合わゼた可逆サイク
ルを行なうスターリング・サイクル・エンジンであるこ
とを特徴とする太陽熱機関と圧電素子による高電圧発生
装置。

Claims

【特許請求の範囲】＋＋１　　太陽光を受けて加熱される高温部と空冷あ゛
　　るいは水冷される低温部とをシリンダ外周部に備え
て太陽光により作動する熱サイクル機関と、この熱サイ
クル機関から発生する運動エネルギーにより圧電素子を
繰り返し衝撃させて高電圧を出力する高電圧発生装置と
を備えたことを特徴とする太陽熱機関と圧電素子による
高電圧発生装置。（２、特許請求の範囲第１項記載の装置において前記熱
サイクル機関が１等容加熱１等温膨張１等容冷却９等温
圧縮なる４つの状態変化を組合わせた可逆サイクルを行
なうスターリング・サイクル・エンジンであることを特
徴とする太陽熱機関と圧電素子による高電圧発生装置。