JP2003070275A - 携帯用熱電発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 携帯機器の使用可能時間を従来よりも延長す
ることができ発電効率を高くとることができる発電機を
提供しようとするもの。 【解決手段】 この携帯用熱電発電機は、上部カバーと
下部カバーとの間に熱電材料と前記熱電材料を挟む電極
とを備え、前記熱電材料と電極から熱電モジュール１が
形成され、前記熱電モジュール１の上部には触媒２が下
部にはヒートシンク７が配設され且つ前記ヒートシンク
７と下部カバーとは接触し、液体燃料はヒートシンク７
からの熱によって気化され同時にこれによってヒートシ
ンク７が冷却されるようにし、前記熱電材料の低温側は
液体燃料の気化熱で冷却され、気化した前記燃料が前記
熱電材料の高温側で触媒燃焼して前記熱電材料から携帯
機器を補充電できるようにした。前記触媒燃焼の熱から
暖をとれるようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、携帯用熱電発電
機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】昨今の技術革新により、携帯電話は単に
通話する機器から、インターネットに接続して電子メー
ルを送受信したり、種々の情報コンテンツを取得したり
する情報端末へと発展してきた。

【０００３】このような携帯電話の高機能化と併せて、
省電力化とリチウムイオン電池の高エネルギ密度化とが
進んだ結果、現在の携帯電話は約５００時間の連続待ち
受け時間や約２時間の連続通話時間を有しており、これ
らに関して利用者に特に不都合は生じていない。

【０００４】しかし今後、携帯電話がさらに高機能化し
てインターネットへの接続時間や液晶ディスプレイの使
用時間が増大すると、連続待ち受け時間や連続通話時間
の不足が問題となる可能性がある。また発電効率はでき
るだけ高くしたい。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこでこの発明は、携
帯機器の使用可能時間を従来よりも延長することができ
発電効率を高くとることができる発電機を提供しようと
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
この発明では次のような技術的手段を講じている。 この発明の携帯用熱電発電機は、上部カバーと下部
カバーとの間に熱電材料と前記熱電材料を挟む電極とを
備え、前記熱電材料と電極から熱電モジュールが形成さ
れ、前記熱電モジュールの上部には触媒が下部にはヒー
トシンクが配設され且つ前記ヒートシンクと下部カバー
とは接触し、液体燃料はヒートシンクからの熱によって
気化され同時にこれによってヒートシンクが冷却される
ようにし、前記熱電材料の低温側は液体燃料の気化熱で
冷却され、気化した前記燃料が前記熱電材料の高温側で
触媒燃焼して前記熱電材料から携帯機器を補充電できる
ようにした。

【０００７】この携帯用熱電発電機は、熱電材料の低温
側は液体燃料の気化熱で冷却され、気化した前記燃料が
前記熱電材料の高温側で触媒燃焼して前記熱電材料から
携帯機器を補充電できるようにしたので、携帯電話など
の携帯情報端末等を携帯中に補充電することができる。

【０００８】また熱電モジュールの上部には触媒が下部
にはヒートシンクが配設され且つヒートシンクと下部カ
バーとは接触し、液体燃料はヒートシンクからの熱によ
って気化され同時にこれによってヒートシンクが冷却さ
れるようにしており、外部から下部カバーを介してヒー
トシンクに伝導した熱により液体燃料の気化が促進され
結果的に熱電材料の低温側の冷却効率に優れるので、熱
効率がよく発電効率がよい。 前記触媒燃焼の熱から暖をとれるようにしてもよ
い。

【０００９】このように構成すると、冬場などの寒い時
期にはこの熱電発電機は携帯機器の補充電の意義のみな
らず懐炉としての意義がある。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。

【００１１】図１に示すように、この実施形態の熱電発
電機は、熱電材料と前記熱電材料を挟む電極（図示せ
ず）とを備えており、これらにより熱電モジュール１が
形成されている。前記熱電材料の低温側は液体燃料の気
化熱で冷却され、気化した前記燃料が前記熱電材料の高
温側表面で触媒燃焼して、前記熱電材料から携帯機器
（図示せず）を補充電できるようにしている。また、前
記触媒燃焼の熱から暖を取れるようにしている。

【００１２】具体的には、３０×３０×４ｍｍ、７１対
の熱電モジュール１（フェローテック社製、９５００／
０７１／０４０Ｂ）の上部に、白金をグラスウールに担
持させた触媒２と点火用の電熱線（図示せず）が置か
れ、下部に軽量のジュラルミン製のヒートシンク３が配
設されている。

【００１３】触媒２は、多数の貫通穴が開けられた厚さ
０．７ｍｍの断熱用のガラス板４で熱電モジュール１に
押し付けられているが、これによって触媒２から上部カ
バー５（熱伝導率の小さいステンレス製）への熱の伝達
を一定範囲内に制限している。触媒２から熱電モジュー
ル１に伝導する燃焼熱が発電に寄与し、冬場は触媒２か
らガラス板４を通して上部カバー５に伝わる燃焼熱を懐
炉の熱源として利用する。したがって懐炉としては使用
しない季節は、前記ガラス板４をより断熱性の高いもの
とすることが好ましい。

【００１４】また、上部カバー５にはこれと対になる下
部カバー６を配設し、燃料を染み込ませる綿７を充填し
ている。ヒートシンク３と下部カバー６とは接触させて
おり、熱が良好に伝導できるようにしている。

【００１５】燃料は綿７に染み込ませて搭載されるが、
これは携帯中に燃料が漏洩することを防ぐためである。
燃料は綿７の中に埋め込まれたヒートシンク３からの熱
によって気化され、同時にこれによってヒートシンク３
が冷却される。燃料の最大搭載量は約１０ｃｃとした。

【００１６】ガラス板４に開けられた貫通穴は燃焼ガス
（二酸化炭素・水蒸気）と空気の出入口であり、その個
数・大きさ・配置を変えることによって、燃焼状態を制
御することができる。今回の試作では、直径０．８ｍｍ
の貫通穴を２ｍｍピッチで１４×１４＝１９６個開け
た。

【００１７】組み立てた状態の小形の熱電発電機の外形
は直径６７ｍｍ、高さ２５．５ｍｍであり携帯に適した
大きさであるが、重量は２７０ｇと若干重いきらいがあ
った。したがって、カバーを薄板のプレス加工や深絞り
加工によって製作して軽量化してもよい。

【００１８】次に、この実施形態の熱電発電機の使用状
態を説明する。

【００１９】この携帯用熱電発電機は、熱電材料の低温
側は液体燃料の気化熱で冷却され、気化した前記燃料が
熱電材料の高温側表面で触媒燃焼して前記熱電材料から
携帯機器を補充電できるようにしたので、携帯電話など
の携帯情報端末等を携帯中に補充電することができ、携
帯機器の使用可能時間を従来よりも延長することができ
るという利点がある。

【００２０】また、熱電モジュールの上部には触媒が下
部にはヒートシンクが配設され且つヒートシンクと下部
カバーとは接触し、液体燃料はヒートシンクからの熱に
よって気化され同時にこれによってヒートシンクが冷却
されるようにしており、外部から下部カバーを介してヒ
ートシンクに伝導した熱により液体燃料の気化が促進さ
れ結果的に熱電材料の低温側の冷却効率に優れるので、
熱効率がよく発電効率がよいという利点がある。

【００２１】さらにヒートシンク部で蒸発した液体燃料
は、ケーシングに接触して液化する。液化した液体燃料
は、脱脂綿（ウィックに相当）を介して毛細管現象によ
り内部へ戻る。そして再びヒートシンク部で蒸発した液
体燃料はケーシングに接触して液化する、というループ
によって液体燃料の潜熱はヒートシンクからケーシング
に伝えられる。このループによって非常に高い熱伝導率
が実現でき、ヒートシンクを非常に効率良く冷却するこ
とができる。

【００２２】また触媒燃焼の熱から暖を取れるようにし
たので、冬場などの寒い時期にはこの熱電発電機は携帯
機器の補充電の意義のみならず懐炉としての意義も有し
ているという利点がある。

【００２３】液体燃料を利用するエネルギ源は、燃料補
充を繰り返すことで連続使用することができる。また一
般的に液体燃料に含まれる化学エネルギは、同体積、同
重量の電池に蓄えられている電気エネルギより１桁以上
大きいので、液体燃料から更に効率良くエネルギを取り
出すことができると、より高エネルギ密度のエネルギ源
を実現できる。

【００２４】

【実施例】性能評価試験では、燃料として反応性に優れ
るメタノールを用いた。なおメタノールは劇物指定薬品
であるので、実用化に当たってはベンジンやエタノール
などの燃料も検討するとよい。

【００２５】図２は、負荷を変えたときの発電出力の変
化のグラフを示している。熱電モジュールの内部抵抗と
負荷とがおおよそ一致するときに、最大出力である１１
ｍＷが得られた。

【００２６】図３は、電流−電圧特性のグラフを示して
いる。現在の携帯電話の待ち受け時の消費電力は３０−
４０ｍＷであるので、現状の発電出力は未だ不足である
と考えられる。発電出力を増やすためには熱電モジュー
ルの上下の温度差を大きくすることが有効であるが、そ
のためには触媒と熱電モジュールとの接触面積を増やし
たり、熱電モジュールの下部が十分に冷却されるように
する必要がある。

【００２７】図４は、発電出力と触媒温度の時間変化の
グラフを示している。燃料の量は最大搭載量の１０ｃ
ｃ、負荷は５．４Ω、触媒温度は触媒中に銅−コンスタ
ンタン熱電対を挿入して測定した。

【００２８】触媒を熱電モジュールの上部に置き上部カ
バーを閉めると、電熱線で加熱しなくても自動的に触媒
燃焼が始まった。約４０分後に定常状態に入り、それか
ら約２時間触媒温度は８０℃程度で発電出力は１０ｍＷ
程度でおおよそ安定した。燃焼開始から３時間を過ぎる
と次第に触媒温度と発電出力とが下がり始め、約６時間
度には触媒温度は室温に発電出力は数μＷに下がった。

【００２９】白金懐炉として小形熱電発電機を利用する
場合、勤務時間と通勤時間とを合わせた１０時間程度の
温度維持が望まれるので、ガラス板に開けられている貫
通穴の個数・大きさ・位置、触媒の量・形状、および燃
料の搭載量を最適化して燃焼時間を調整することが好ま
しい。

【００３０】上述の試験での総発電エネルギは約１６０
Ｊであった。１０ｃｃのメタノールに含まれる化学エネ
ルギは約１７５ｋＪであるので、総合発電効率は約０．
０９％である。総合発電効率を上げるためには構造の最
適化によって燃焼熱のうち熱電モジュールを流れる熱の
割合を増やし、同時に燃焼せずに外部に散逸したり燃焼
せずに綿の中に残留する燃料の量を減らすことが好まし
い。また、熱電モジュールの改良や最適化も重要であ
る。これらの対策によって総合発電効率を１桁上げるこ
とができれば、携帯電話の１２時間分の待ち受け消費電
力を供給することが可能になる。

【００３１】以上の通り、液体燃料の触媒燃焼を利用す
る小形の熱電発電機を作り、燃料としてメタノールを用
いて性能評価試験を行った。

【００３２】負荷を変えて発電出力を測定した結果、熱
電モジュールの内部抵抗とおおよそ一致する約５．５Ω
の負荷を接続した場合、最大出力である１１ｍＷが得ら
れた。燃料の量を最大搭載量の１０ｃｃ、負荷を５．４
Ωにして発電出力と触媒温度の時間変化を測定したその
結果、燃焼が６時間程度持続しその間の総発電エネルギ
は約１６０Ｊであった。このときの総合発電効率は約
０．０９％であった。

【００３３】今後構造と熱電モジュールの最適化を行っ
て発電出力と総合発電効率を上げれば、この小形熱電発
電機は白金懐炉のように身に付けて暖を取りながら携帯
電話などの携帯情報端末を携帯中に補充電する装置とし
て実用できるものと考えられる。

【００３４】

【発明の効果】この発明は上述のような構成であり、次
の効果を有する。

【００３５】携帯電話などの携帯情報端末等を携帯中に
補充電することができるので携帯機器の使用可能時間を
従来よりも延長することができ、また発電効率がよい携
帯用熱電発電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の熱電発電機の実施形態の構造の説明
図。

【図２】負荷を変えたときの発電出力の変化を示すグラ
フ。

【図３】電流−電圧特性を示すグラフ。

【図４】発電出力と触媒温度の時間変化を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 熱電モジュール ２ 触媒 ７ ヒートシンク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江刺 正喜 宮城県仙台市太白区八木山南１丁目11番地 ９ (72)発明者 的場 恒夫 大阪府大阪市淀川区野中北１丁目１番76号 株式会社ハクキン内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部カバーと下部カバーとの間に熱電材
   料と前記熱電材料を挟む電極とを備え、前記熱電材料と
   電極から熱電モジュールが形成され、前記熱電モジュー
   ルの上部には触媒が下部にはヒートシンクが配設され且
   つ前記ヒートシンクと下部カバーとは接触し、液体燃料
   はヒートシンクからの熱によって気化され同時にこれに
   よってヒートシンクが冷却されるようにし、前記熱電材
   料の低温側は液体燃料の気化熱で冷却され、気化した前
   記燃料が前記熱電材料の高温側で触媒燃焼して前記熱電
   材料から携帯機器を補充電できるようにしたことを特徴
   とする携帯用熱電発電機。
2. 【請求項２】 前記触媒燃焼の熱から暖をとれるように
   した請求項１記載の携帯用熱電発電機。