JP2000234584A - 体熱発電ユニット、体熱発電システム、及び体熱発電システムを備えた衣服 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 体熱を効率よく電気エネルギへと変換し、併
せて生体への装着の違和感を軽減した体熱発電デバイス
を実現すること。 【解決手段】 熱電素子１を可とう性のあるコネクタ２
にて接続し、発電ユニット１００を構成する。この発電
ユニット１００を、シャツの襟１５と、シャツの襟取り
付け部１６に装着する。すると、シャツ襟の外界側の面
１５ａとシャツ襟の人体側の面１５ｂとの間に温度差が
生じ、シャツの襟取り付け部１６に組み込まれた発電ユ
ニットにおいては、外気にさらされるシャツ襟取り付け
部の人体側の面１６ｃと、人体の首表皮と近接するシャ
ツ襟取り付け部の人体側にふれる面１６ｄとの間に、そ
れぞれ温度差が生じることになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、人体もしくは生物
器官からの発熱、産業排熱などを利用することにより、
温度差によって利用可能な発電デバイスに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】熱エネルギから電流を発生する熱発電デ
バイスは、カルコゲン化合物等の粉末焼結体を用いたＰ
型熱電材料とＮ型熱電材料とをπ字型に接続した熱電発
電素子単体を、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料との接続部
を高温側、π字型の両端を低温側に配することにより、
起電力を得る。また、この発電単位素子を熱源に複数個
を配置させることによって、発電ユニットとしていた。
熱発電素子の構成材料としては、使用する雰囲気の温度
によっても異なるが、実用的に使用されてきた例として
６００℃以下ではカルコゲン化合物のビスマス−テルル
系と鉛−テルル、６００℃以上では、ＳｉＧｅ合金およ
びＦｅＳｉ₂バルクなどがある。

【０００３】上記熱発電デバイスの原理を応用して、人
体の熱を電気エネルギへと利用することを目的とした従
来の熱発電デバイスとしては、素子の接続部を人体表皮
側に向くように配し、素子の両端を大気中や大気温度に
近い放熱板に配置する事によって、体温と大気温度との
温度差を利用して発電する方式が考案されている。

【０００４】たとえば、熱電素子を腕時計内部に設置
し、腕時計裏蓋と外気温度との温度差を利用した熱発電
デバイスが、特開平１０−１１１３６８号公報、特開平
８−４６２４９号公報、特開平８−１９４０７４号公報
などに掲載されている。

【０００５】また、熱電素子を腕時計のバンド内部に設
置し、腕時計バンドの人体表皮側と外気温度との温度差
を利用した熱発電デバイスとしては、特開平１−１４３
４２１号公報、特開平６−１０９８６８号公報などに掲
載されている。

【０００６】さらに、熱電素子を無線電話表面に設置
し、無線電話の携帯時における、無線電話表面と内部と
の温度差を利用した発電デバイスが、特開平８−５６１
号公報に掲載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
の、このような時計・無線電話等の駆動もしくは電源補
助を目的とした熱電発電装置は、人間の腕や胸ポケット
に装着することになるため、人間の体の部位でも比較的
体温の高い部分を熱源として利用することはできなかっ
た。

【０００８】また、熱電発電装置の表面面積は、内蔵さ
れる機器の表面積に制限されるため、熱電発電装置自身
の表面積を拡大させて、発電量の増加を見ることは困難
であった。

【０００９】また、これら熱電発電装置は、時計本体内
部もしくは無線電話表面に設置されているため、効率よ
く発電させるためには機器本体を体の表面に密着させる
か、十分に近づける必要があった。

【００１０】さらに、時計・無線電話等の駆動もしくは
電源補助を目的とした熱電発電装置は、機器本体に発電
装置が内蔵されているため、機器を駆動もしくは充電さ
せるためには、機器本体を必ず体のある部位に装着させ
る必要があった。

【００１１】本発明では、このような従来の体熱を利用
した熱電発電装置の課題を考慮し、体熱を利用した熱電
発電装置の発電効率向上させ、発電装置の装着位置を体
の特定の部位に限定しない携帯型の体熱発電装置を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の体熱発電ユニッ
トは、複数個の熱電素子が、首の周囲を帯状に包むよう
に構成されていて（複数個の熱電素子を生体の首に巻き
付けるように構成されていて）、人体側と外気に曝され
る側との温度差によって、熱電素子内部における温度差
を確保し、電気エネルギを供給するものであって、以下
のような特徴を持つ。

【００１３】（１）熱電素子には、逆電流防止のための
回路デバイス（例えばダイオード）を備えている。これ
によって、温度差が逆転した際に発生する逆起電力を防
止することができる。

【００１４】（２）熱電素子同士を、プラスチック部材
または布やゴム部材などの可とう性を持った部材からな
るコネクタで接続可能に構成する。熱電素子の接点同士
を前記コネクタにて適切に接続することにより、発電回
路を自由に構成できることができる。また、熱電素子回
路は構成自由であるから、熱電素子を備え付けようとす
る場所の面積・容積に応じて熱電素子の数を自由に調整
できる。

【００１５】（３）さらに、熱電素子に正極の接点と負
極の接点とを複数個備えている。そして、熱電素子同士
が前記コネクタにより接合されることにより、これら熱
電素子を首の周囲に巻いたときの違和感を緩和する（締
め付け力を調節する）ことが可能となる。

【００１６】（４）また、熱電素子には正極・負極それ
ぞれの接点が二つずつ備えてある。これにより、複数の
熱電素子を前記のコネクタを用いて接続しようとする場
合に、熱電素子の配置を変えるだけで容易に直列接続・
並列接続が選択できる。

【００１７】（５）また、熱電素子表面には、適切な接
続手段を示すための回路模式図がスクリーン印刷になど
によって記されており、さらに熱電素子の一角が、熱電
素子の厚み方向へカットされ、熱電素子の上下方向を示
す仕組みになっている。このようにして熱電素子同士の
接続方法を容易に示し、接続間違いを防ぐことができ
る。

【００１８】上記構成の体熱発電ユニットを、体の各部
位において比較的体温が高く、かつ、体表皮から放出さ
れる熱エネルギが対流熱伝達により伝播する際に通過す
る首周囲に取り付けることにより、着用者が能動的に作
業することなく、効率よく体熱を電気エネルギへと変換
することが可能となる。

【００１９】特に、体熱発電ユニットをシャツなどの衣
類の襟に縫い込む、もしくはシャツなどの衣類の襟に張
り付けて用いることで、実用上のメリットが大きくな
る。すなわち、体熱発電システムを備えた衣服として取
り扱うことが可能となる。

【００２０】また、より多くの体熱を電気エネルギへと
変換させることを目的として、上記体熱発電ユニットを
首の周囲とシャツなどの衣類の襟とに二重に巻くことに
より、人体の首周囲と襟周りとの温度差と、襟周りと外
気との温度差という二つの温度差を利用する事が可能と
なり、首の周囲のみに体熱発電ユニットを取り付けたと
きよりも多くの電気エネルギを供給することが可能であ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００２２】（実施例１）図１は、本発明の第１の実施
例における体熱発電ユニットの概念を示す斜視図、図２
は体熱発電ユニットを構成する熱電素子の斜視図、図３
は熱電素子内部の回路構成図である。

【００２３】第１の実施例における体熱発電ユニット１
００は、正極と負極の外部端子をそれぞれ複数備える熱
電素子１と、熱電素子同士を結合させるコネクタ２から
なり、複数の熱電素子を違和感無く首の周囲に巻き付け
ることを可能にしたもので、熱電素子が体の表皮から放
出される体熱を熱エネルギとして回収し、熱電素子にて
電気エネルギへと変換し、電流を起こして発電を行う。

【００２４】それぞれの熱電素子１の一角には、熱電素
子の厚み方向への切り欠き１ａと、スクリーン印刷など
によって熱電素子表面上に転写された回路模式図５が用
意されている。これによって、熱電素子の接続方向を示
すと同時に、熱電素子の接続状態を目視にて確認でき
る。

【００２５】熱電素子１上には、正極の外部接続端子
（導体）３と負極の外部接続端子（導体）４がそれぞれ
２つずつ備えられている。これら外部接続端子は、金、
銀、銅、ニッケル、アルミニウム等の金属部材を凸型に
板金加工して作製するか、銅などの金属部材を凸型に板
金加工したのちに、金、銀、ニッケル等金属部材をメッ
キ処理もしくは印刷または塗布し、その後乾燥、硬化さ
せて作製しても良い。外部接続端子は、セラミックから
なる熱電素子の表面上に設けられていて、所望の配線回
路と結線されるよになっている。

【００２６】熱電素子１の原理構成を図３に示す。体熱
温度での発電を考慮して、熱電素子１に用いられている
発電単位素子６（ｐ型半導体）、発電単位素子７（ｎ型
半導体）はビスマス−テルル化合物を粉砕・焼結化した
材料からなる。 発電単位素子はそれぞれが高温接合部
９と低温接合部１０とに取り付けられており、熱電素子
内部で直列回路を構成し、発電回路を形成する。熱電素
子１内部には、逆電流防止のためのダイオード８を備え
てあり、温度差が逆転した際に発生する逆起電力を防止
することができる。

【００２７】上記熱電素子に設けられた外部接続端子同
士を（直列や並列に）電気的に結合することにより、電
気回路を自由に構成し、体熱発電ユニットを構成するこ
とが可能である。

【００２８】図４は複数個の熱電素子を接続させるため
のコネクタの要部斜視図、図５はコネクタの要部断面図
を示す。

【００２９】コネクタ端子部１２は、上記接続体１１の
表面上に設けられていて、コネクタ端子部１２同士は、
接続体１１を通る導線１３により結線されている。

【００３０】上記熱電素子１に設けられた外部接続端子
３をコネクタ２で接続し、体熱発電ユニット１００を形
成することが可能である。

【００３１】このコネクタは、可とう性を有する接続体
１１と、端子部１２からなる。接続体１１の材料は、コ
ネクタ２が熱電素子同士を結合させ、体熱発電ユニット
を形成した際の首に掛かる着用感を考慮して決定した。
材料をプラスチックとする場合には、ポリエステル樹
脂、ポリスチレン、ポリプロピレンやナイロン、フッ
素、エポキシなどの材料を任意に用いる。また、プラス
チック以外では、人体への接触を考慮して、木綿などの
植物繊維を素材とする。接続体の断面形状は四角形、円
形、楕円等、任意形状としてよい。

【００３２】コネクタ端子部１２の形状は、上記熱電素
子に取り付けられている外部接続端子３、４と、はめあ
わせが可能なものとする。コネクタ端子部は、上記熱電
素子に取り付けられている外部接続端子と同様に、金、
銀、銅、ニッケル、アルミニウム等の金属部材を凸型に
板金加工し作製するか、銅などの金属部材を凸型に板金
加工したのちに、金、銀、ニッケル等金属部材をメッキ
処理もしくは印刷または塗布し、その後乾燥、硬化させ
て作製しても良い。

【００３３】コネクタ端子部同士をつなぐ導体１３は、
接続体内部に入っており、銅線や銅線に金メッキ、銀メ
ッキ、ニッケルメッキ等の処理をした金属細線や、それ
らを材料とした金属薄膜からなる。接続体１１の材料が
プラスチックであれば、接続体部材表面にあらかじめ
金、銀、ニッケル等の金属を印刷または塗布し、その後
乾燥、硬化させて金属薄膜を形成し、さらに金属薄膜上
にエポキシ樹脂等を１〜１５マイクロメートル程度散布
もしくは印刷して絶縁膜を形成し、導体１３を作ること
ができる。接続体材料が木綿などの植物繊維を用いたも
のであれば、接続体内部に金属細線を挿入して、コネク
タ内部に導体を作ることができる。

【００３４】図６に、熱電素子１同士をコネクタ２によ
って接続する例を示す。熱電素子上に用意された外部端
子同士をコネクタ２に用意されたコネクタ端子部に接続
するよって適切に接続することによって電気回路を形成
する。熱電素子１とコネクタ２とは着脱自由であるか
ら、熱電素子１をコネクタ２により電気回路的に直列ま
たは並列に接続したり、熱電素子の数を任意に変更する
ことが可能である。

【００３５】熱電素子を直列に繋いだ回路図を図７
（ａ）に、並列に繋いだ回路図を図７（ｂ）に示す。

【００３６】このような構成の元で、一つの大きさが４
ｃｍ×４ｃｍの熱電デバイスを６個直列に接続し、首表
面に密着させて発電実験を行った。複数の被験者を様々
な雰囲気下におき、そのときの発電量を求めた。その結
果、気温３０℃湿度５０％のときには、発電量は４０μ
Ｗに達した。

【００３７】（実施例２）実施例１よりもさらに多くの
体熱を電気エネルギへと変換させることを目的として、
衣類を代表してシャツの襟に体熱発電デバイスを取り付
けた実施例を示す。図８に、シャツの襟に体熱発電デバ
イスを取り付けた実施例の破断図を、図９にシャツの襟
に体熱発電デバイスを取り付けた実施例の断面図をそれ
ぞれ示す。

【００３８】上記実施例１と同様の手法から成る、複数
個の熱電素子で構成される発電ユニットが、シャツの襟
１５と襟取り付け部１６にそれぞれ取り付けられてい
る。これら発電ユニットは、直接シャツ生地表面に両面
接着テープ等で張り付けるか、発電ユニット周囲をシャ
ツ生地へ縫製して取り付けることも可能である。

【００３９】これにより、シャツの襟１５に取り付けら
れた発電ユニットにおいては、シャツ襟の外界側の面１
５ａとシャツ襟の人体側の面１５ｂとの間に温度差が生
じ、シャツの襟取り付け部１６に組み込まれた発電ユニ
ットにおいては、外気にさらされるシャツ襟取り付け部
の人体側の面１６ｃと、人体の首表皮と近接するシャツ
襟取り付け部の人体側にふれる面１６ｄとの間に、それ
ぞれ温度差が生じることになる。

【００４０】本実施例においては、以上複数の温度差を
利用することにより、一つの発電ユニットを首に密着さ
せたときよりも発電力が向上することが可能である。

【００４１】この発電ユニットを持ったシャツを着用し
実験を行った。シャツの襟１５、襟取り付け部１６へ、
一つの大きさが４ｃｍ×４ｃｍの熱電デバイスを６個直
列に接続した発電ユニットを実施例１にならって取り付
けた。シャツのボタンを全て閉じた状態において、複数
の被験者を様々な雰囲気下におき、そのときの発電量を
求めた。その結果、気温３０℃湿度５０％のときには、
発電量は５５μＷに達した。これにより、発電ユニット
を直接首に巻き付けたときよりも大きい発電量を得られ
ることが確認できた。

【００４２】（実施例３）シャツの襟部に取り付けられ
た発電ユニットから得られた電力を、身体の各部位に取
り付けられた電子機器に安定して供給することを目的と
してシャツ上に電源供給回路を構成する実施例を示す。
電源供給回路の斜視図を図１０に、電源供給回路構成図
を図１１に示す。

【００４３】シャツに設けられた電源供給回路３００
は、第２の実施例における体熱発電ユニットとの接続部
１７と、導体１８、そして、電子機器と導体との接続端
子（ボタン型接続端子）１９、絶縁皮膜２０からなる。

【００４４】接続部１７には、正極の端子１７ａと負極
の端子１７ｂが備えてあり、それぞれが第１の実施例に
おける熱電素子上に置かれた正極外部端子３または負極
外部端子４と同一の形状を成すと同時に同一の機能を持
つ。

【００４５】シャツ着用時の導体１８のたわみによる人
体への違和感を軽減し、かつ、導体１８をシャツの日常
の洗濯にも耐えうることを目的として、絶縁皮膜２０は
ポリイミド樹脂等に覆われた導体が電気的に絶縁されて
いる薄膜形状となっている。導体素材としては金、銀、
ニッケル等の金属薄膜を用いる。金、銀、ニッケル等の
金属を印刷または塗布し、その後乾燥、硬化させて金属
薄膜を形成し、さらに金属薄膜上にポリイミド樹脂等を
１〜１５マイクロメートル程度散布もしくは印刷して絶
縁膜を形成し、導体１８を作ることができる。導線１８
は、薄膜形状であるので、シャツに直接、両面接着テー
プで貼り付けるか、縫いつけることにより簡便に取り付
けることが可能である。

【００４６】接続端子１９にも接続部１７と同様に、正
極の接続端子１９ａと負極の接続端子１９ｂが備えてあ
り、それぞれが第１の実施例における熱電素子上に置か
れた正極外部端子３または負極外部端子４と同一の形状
を成すと同時に同一の機能を持つ。

【００４７】第１の実施例におけるコネクタ２を用い
て、正極の端子１７ａを体熱発電ユニットの正極側に、
負極の端子１７ｂを体熱発電ユニットの負極側にそれぞ
れ接続することによって、導体１８は第２の実施例にお
ける体熱発電ユニットと結合される．さらに、正極の端
子１７ａと接続された導体１８は腕部先端と胸ポケット
に設けられた接続端子１９aへと接続され、負極の端子
１７ｂと接続された導体１８は腕部先端と胸ポケットに
設けられた接続端子１９ｂへと接続される．以上の手法
により、電源供給回路３００を構成する。

【００４８】接続端子１９としては、上述した胸ポケッ
トのほかに、シャツのボタンそのものを接続部として利
用するようにしてもよい。すなわち、本来のボタンとし
ての機能を有すると共に、電源の接続部の機能も持たせ
るようにしたものである。

【００４９】以上から構成されるシャツに設けられた電
源供給回路３００を用いれば、腕部や胸ポケットに取り
付けられた携帯情報機器やセンサなどの電子機器２１
を、腕部先端と胸ポケットに設けられた接続端子１９に
適切に接続することにより、それら電子機器に電源を供
給することが可能となる。

【００５０】上記実施例においては、生体として人体を
想定して説明したが、人体以外の動物であってもかまわ
ない（ただし、体熱温度と外気温度との間に温度差を有
するような恒温動物であることが必要である）。例え
ば、シャツの代わりとして、犬や猫などの首に装着する
首輪を利用することができる。

【００５１】

【発明の効果】以上述べたことから明らかなように、本
発明の構成によれば、熱電素子が首の周囲に配置される
ことにより、人体において他の部位より比較的体温が高
いとされる、首の部分から発生する体熱の熱エネルギを
簡単な構成で効率よく電気エネルギとして回収すること
が可能となる。

【００５２】また、本発明の体熱発電ユニットは、複数
の可とう性のあるコネクタによって接続された構成であ
るため、ユニットを連鎖させることにより発電量を調節
したり、生体の首に巻き付ける際の締め付け力を調節
（軽減）することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の、熱電素子を可とう性
のあるコネクタにて接続した熱発電ユニットの要部斜視
図である。

【図２】 図１における体熱発電ユニットを形成する、
熱電素子を説明するための要部斜視図である。

【図３】 図１における体熱発電ユニットを形成する、
熱電素子を説明するための回路構成図である。

【図４】 図１におけるコネクタを説明するための要部
斜視図である。

【図５】 図１におけるコネクタを説明するための要部
断面図である。

【図６】 本発明の第１実施例の、熱電素子を可とう性
のあるコネクタにて接続し熱発電ユニットの形成する際
の、コネクタの差込みの一例を説明する要部斜視図であ
る。

【図７】 同図（ａ）は、本発明の第１実施例の、熱電
素子を可とう性のあるコネクタにて接続し熱発電ユニッ
トの形成する際の、熱電素子を直列に接続する手法を説
明する回路図である。同図（ｂ）は、本発明の第１実施
例の、熱電素子を可とう性のあるコネクタにて接続し熱
発電ユニットの形成する際の、熱電素子を並列に接続す
る手法を説明する回路図である。

【図８】 本発明の第２実施例の、シャツの襟に体熱発
電ユニットを組み込んだ熱発電デバイスの要部斜視図で
ある。

【図９】 本発明の第２実施例の、シャツの襟に体熱発
電ユニットを組み込んだ熱発電デバイスの断面図であ
る。

【図１０】 本発明の第３実施例の、シャツの襟に体熱
発電ユニットを組み込んだ熱発電デバイスから供給され
る電源をシャツの各部に配電する電源供給回路の斜視図
である。

【図１１】 本発明の第３実施例の、シャツの襟に体熱
発電ユニットを組み込んだ熱発電デバイスから供給され
る電源をシャツの各部に配電する電源供給回路の回路構
成図である。

【符号の説明】

１．熱電素子 １ａ．熱電素子に設けられた切り欠き ２．コネクタ ３．正極外部端子 ４．負極外部端子 ５．スクリーン印刷による回路図 ６．発電単位素子（ｐ型半導体） ７．発電単位素子（ｎ型半導体） ８．コンデンサ ９．高温接合部 １０．低温接合部 １１．接続体 １２．端子部 １３．導体 １４．シャツ １５．シャツの襟 １６．シャツの襟取り付け部 １５ａ．シャツ襟の外界側の面 １５ｂ．シャツ襟の人体側の面 １６ｃ．シャツ襟取り付け部の人体側の面 １６ｄ．シャツ襟取り付け部の人体側にふれる面 １７．体熱発電ユニットへの接続部 １７ａ．体熱発電ユニットへの接続部（正極外部端子） １７ｂ．体熱発電ユニットへの接続部（負極外部端子） １８．導体 １９．接続端子（ボタン形接続端子） １９ａ．ボタン形接続端子の正極 １９ｂ．ボタン形接続端子の負極 ２０．絶縁皮膜 ２１．電子機器 １００．体熱発電ユニット ３００．シャツに取り付けられた電源供給回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電素子を鎖状に接続し、生体の首に巻
   き付けて発電を行うことを特徴とする体熱発電ユニッ
   ト。
2. 【請求項２】 前記熱電素子は、正極の接点と負極の接
   点と、逆電流防止のための回路デバイスを備えてなるこ
   とを特徴とする請求項１記載の体熱発電ユニット。
3. 【請求項３】 前記熱電素子同士を、プラスチック部材
   または布やゴム部材などの可とう性を持った部材からな
   るコネクタで接続可能にすることを特徴とする、請求項
   ２記載の体熱発電ユニット。
4. 【請求項４】 前記熱電素子に正極の接点と負極の接点
   とを複数個備え、これによって、生体の首に巻き付ける
   際の締め付け力を調節することを特徴とする請求項１記
   載の体熱発電ユニット。
5. 【請求項５】 請求項１記載の体熱発電ユニットを、衣
   類の襟に縫い込む、もしくは衣類の襟に張り付けて用い
   ることを特徴とする体熱発電システム。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の携帯型体熱発電システ
   ムを備えたことを特徴とする衣服。
7. 【請求項７】 前記衣服に、電子機器への電源供給回路
   を備えたことを特徴とする請求項６記載の衣服。