JP2005027485A - 携帯用熱電発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来よりも機器全体の小型化、薄型化、軽量化を実現するとともに、熱電素子の発電出力を一層増加させることが可能な携帯用熱電発電機を提供する。
【解決手段】 本発明の熱電発電機１₁は、多数の熱電素子７を有する発電ユニット２が、燃料を燃焼して発電ユニット２を加熱する熱入力部３と発電ユニット２で発生する熱を放熱する放熱部５との間に保持されており、かつ、放熱部５は、その内部に冷却液の流路２３を有し、この流路２３内を流れる冷却液の気化熱で発電ユニット２を冷却する構成となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯用熱電発電機に係り、特にはその冷却構造に関するものである。

一般に、携帯電話、ＰＤＡ、ノートブック型パーソナルコンピュータ等の携帯型電子機器においては、現在、その電源として主に２次電池であるリチウムイオン電池が使用されている。

一方、上記の携帯型電子機器は、今後は高機能化が進み、例えばインターネットヘの接続、動画の取り込み、デシタルテレビ放送の受信、液晶ディスプレイプレイの使用時間の増大など、現在よりも電力使用量がさらに一層増大することが想定される。

このような情況下において、電源として今までのリチウムイオン電池をそのまま使用すると、短時間の内に電力を消費してしまう。そのため、頻繁に充電を行う必要が生じて使い勝手が悪く、しかも、充電にはある程度の時間を必要とするので、その間は使用が制限されるなどの不都合を生じる。例えば、携帯電話やノートブック型パーソナルコンピュータの場合、使用時間が２〜３時間程度で、３〜５時間程度の充電時間を必要とする。

そこで、近年は、上記のようなリチウムイオン電池等に代わる電源として、例えば高分子電解質膜を用いて燃料にメタノールを使用する燃料電池や、触媒燃焼熱によって熱電素子のモジュールに温度差を与えて、いわゆるゼーベック効果によって発電を行う熱電発電機などが検討されている。

しかし、前者の燃料電池、例えばダイレクトメタノール方式のものは、高分子電解質膜と、これに燃料を供給するセル部とが非常に大きなサイズとなり、小型化が難しい。また、この電解質膜をメタノールが透過するクロスオーバーの問題や、電解質膜の白金や白金−ルテニウム合金の触媒が燃料のメタノールが分解する際に生ずる一酸化炭素によって被毒される問題があり、長期寿命およびその信頼性を得ることが困難である。

これに対して、後者の熱電発電機は、燃料として例えばブタン、メタン、エタノール、メタノール、水素などを利用でき、また、これらの燃料をタンク交換が可能なカートリッジ式にしておけば、このタンクを差し替えるだけで電力を補充できるため、今までのリチウムイオン電池のような充電が不要となるため、将来的に非常に有望である。

ところで、このような熱電発電機で使用される熱電素子における熱から電気へのエネルギ変換効率は現在のところ約１０％程度であり、残りの９０％程度は熱として外部に放出される。例えば、発熱量が２０Ｗとすると、熱電素子によって２Ｗ分が電気エネルギとなり、その残りの１８Ｗが熱として放出される。このように放熱量が比較的大きいことから、従来は、熱電発電機に放熱フィンを設けて機器全体を冷却するようにしている。

しかし、従来の熱電発電機において、放熱フィンを用いて機器全体を十分に冷却するためには、放熱フィンの寸法が非常に大きくなり、これに伴って放熱フィンの重量も重くなってしまう。そのため、携帯電話のような小型の携帯型電子機器に搭載することが極めて難しい。

すなわち、上記の例で、発熱量が２０Ｗでエネルギ変換効率が１０％としたとき、熱電素子によって２Ｗ分が電気エネルギとなる。携帯電話の出力は約１Ｗであるから電力としては十分であるが、残りの１８Ｗを放熱するための放熱フィンの寸法は、厚さ１ｍｍのアルミ櫛形板を用いた場合、ピッチを１ｍｍとして縦５０ｍｍ×横３５ｍｍ×高さ２０ｍｍとなり、携帯電話機に搭載することは不可能である。

そこで、従来技術では、放熱効率を高めて放熱フィンの寸法を小さくするために、液体燃料となるメタノールを含漬させた綿などのウィックに放熱フィンを浸漬し、この放熱フィンから伝わる熱によってメタノールを気化させ、気化したメタノールを触媒燃焼部に導いて燃焼させる構成のものが提案されている（特許文献１，特許文献２等参照）。

また、他の従来技術では、冷却ファンをモータで駆動して放熱フィンを冷却するようにした構成のものも提案されている（特許文献３参照）。
特開２００３−７０２７４号公報 特開２００３−７０２７５号公報 特開平１０−２０１２６９号公報

しかしながら、上記の特許文献１，２に記載されている従来のものは、放熱フィンが直接接触しているのはウィック中に含漬されたメタノールの液体であり、放熱フィンが直接に気化したメタノールによって冷却される構造のものではない。つまり、放熱フィンが冷却されるのは、メタノールの液中に放熱フィンが浸漬されているためにその熱が液に伝導して放散されるためであって、気化熱による冷却効果よりもむしろ伝熱面積が増加したことによる冷却効果と考えられる。したがって、特許文献１，２に記載されている従来構成のものは、未だ冷却効果が不十分である。

また、特許文献３に記載されているように、冷却ファンをモータで駆動する場合には、放熱フィンの冷却効率は高められるものの、携帯型電子機器においては、モータ駆動用の電力は熱電発電機から供給されることになるので、発電出力が著しく低下してしまうという課題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、液体の気化熱によって冷却する原理を応用して最適な構造設計を行うことにより、従来よりも放熱部分を含めた機器全体の小型化、薄型化、軽量化を実現するとともに、熱電素子の発電出力を一層増加させることが可能な携帯用熱電発電機を提供することを目的とする。

また、本発明は、従来よりも一層放熱性を向上させることにより、利用者が携帯して安全に持ち運ぶことが可能な携帯用熱電発電機を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は次の構成を採る。

すなわち、請求項１記載の発明に係る携帯用熱電発電機は、多数の熱電素子を有する面状の発電ユニットが、燃料を燃焼して前記発電ユニットを加熱する熱入力部と前記発電ユニットで発生する熱を放熱する放熱部との間に保持された構造を有するもので、前記放熱部は、その内部に冷却液の流路を有し、この流路内を流れる冷却液の気化熱で前記発電ユニットを冷却するものであることを特徴としている。

請求項２記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１記載の発明の構成において、前記放熱部の流路内には、冷却液とこの冷却液が気化した気体とを分離する気液分離膜が設けられており、この気液分離膜を通過した気体が外部に放出されるように構成されていることを特徴としている。

請求項３記載の発明に係る熱電発電機は、請求項２記載の発明の構成において、前記放熱部は、冷却液の流路を有する第１放熱層と、前記冷却液が気化した気体の流路を有する第２放熱層とを備え、両放熱層の流路間に前記気液分離膜が介在されていることを特徴としている。

請求項４記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の発明の構成において、前記放熱部から放出される気体を液化する回収器を備えることを特徴としている。

請求項５記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の発明の構成において、前記冷却液が貯留された冷却液保存タンクを備えるとともに、この冷却液保存タンクと前記放熱部の流路との間には逆止弁が設けられていることを特徴としている。

請求項６記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の発明の構成において、前記放熱部の外側には放熱フィンが設けられていることを特徴としている。

請求項７記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の発明の構成において、前記発電ユニットと前記放熱部の間には、前記放熱部を構成する材料よりも熱伝導率が低い材料よりなる断熱層が介在されていることを特徴としている。

請求項８記載の発明に係る熱電発電機は、請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の発明の構成において、前記回収器は放熱部と一体的に接合されていることを特徴としている。

請求項９記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の発明の構成において、前記熱入力部で燃焼される燃料と、前記放熱部の流路内を流れる冷却液とは、共にメタノールを主成分としていることを特徴とする。

請求項１０記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の発明の構成において、前記放熱部は、前記熱入力部に供給される燃料を気化する気化部として兼用されていることを特徴としている。

請求項１１記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１または請求項２に記載の発明の構成において、前記放熱部は、毛細管構造を有するウィック層と、このウィック層に冷却液を供給する冷却液供給路と、前記ウィック層で気化した気体の排気流路とを備えることを特徴としている。

請求項１２記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１１記載の発明の構成において、前記冷却液供給路は、前記ウィック層と同じ材料からなることを特徴としている。

請求項１３記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１１または請求項１２に記載の発明の構成において、前記冷却液供給路内の冷却液は、前記熱入力部で燃焼された排気ガスにより加圧される構成であることを特徴としている。

請求項１４記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１１ないし請求項１３のいずれかに記載の発明の構成において、前記排気流路には、ウィック層で気化した気体の流れを抑制する隔壁が設けられていることを特徴としている。

請求項１５記載の発明に係る熱電発電機は、請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の発明の構成において、放熱部で気化した気体で回転されるタービンを備え、このタービンの回転力により前記放熱部における冷却液および前記熱入力部における燃料の少なくとも一方を供給するものであることを特徴としている。

本発明の携帯用熱電発電機によれば、多数の熱電素子を有する発電ユニット、この発電ユニットを加熱する熱入力部、および発電ユニットで発生する熱を放熱する放熱部がＭＥＭＳ（マイクロエレクトリックメカニカルシステム）技術を用いることで全て小型、薄型化される。しかも、放熱部は冷却液の気化熱を利用して発電ユニットを直接に冷却する構造になっているため、放熱フィンを設ける場合よりも超小型化、軽量化を図ることができる。さらに、熱電素子の高温接合部と低温接合部との温度差を大きくとることができるため、発電出力およびその効率を一層増加させることができる。

また、発電ユニットから伝わる熱は、冷却液の気化熱によって冷却されるために放熱性が一層向上し、例えば、携帯電話やＰＤＡ等の携帯型電子機器に搭載した場合、これを身に付けても衣類に熱がこもることが無く、薄型で小型であることと相俟って利用者は安全に持ち運ぶことができる。

さらに、今までのリチウムイオン電池のエネルギ密度の４倍以上のエネルギー密度を有する燃料を用いることができるので、携帯型電子機器の使用時間を従来よりも大幅に延長することができ、電池充電の手間や、充電中の使用制限などの不都合を解消することができる。

（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１における携帯用熱電発電機の構成図である。

この実施形態１の携帯用熱電発電機１₁は、発電ユニット２を有し、この発電ユニット２が熱入力部３と放熱部４との間に挟持されている。

発電ユニット２は、Ｂｉ−Ｔｅ、Ｆｅ−Ｓｉ_２、Ｐｂ−Ｓｎ−Ｔｅ系の熱電材料からなる柱状をした多数の熱電素子７を有する。そして、これらの熱電素子７のＰ型素子とＮ型素子とがその上下に配置されたセラミックやシリコンからなる基板８，９上に形成された配線パターンと半田付け等によって直列接続されて構成されている。

また、熱入力部３は、例えばガラスやシリコン等でできた一対の下側基板９と上側基板１０とからなり、両基板９，１０が陽極接合などにより一体的に接合されている。そして、下側基板９には、断面凹状の触媒流路１１が螺旋状に形成されている。なお、螺旋状の代わりに櫛状に形成したものであってもよい。この触媒流路１１は、例えばガラス基板の場合にはサンドブラスト方法で、シリコン基板の場合はＫＯＨ等の異方性ウェットエッチング方法によって形成される。そして、触媒流路１１内には、金、白金、または白金−ルテニウム合金等の触媒が担持されて触媒燃焼器が構成されている。また、下側基板９は発電ユニット２の一部を構成している。

触媒流路１１の一端側は下側基板９の中央部から上側基板１０を上下に貫通して外部に開口しており、また、下側基板９の中央部にはＴａやＴｉ等でできた燃料着火用の薄膜のヒータ１４が配置されている。そして、上側基板１０の開口部には燃料供給パイプ１５の一端が接続され、この燃料供給パイプ１５の他端は液体燃料が保存されたカートリッジ式の燃料タンク１６に接続されている。さらに、触媒流路１１の他端側は、上側基板１０の隅部を上下に貫通して外部に開口しており、その開口部に燃焼ガスを外部に排気するための排気パイプ１７が接続されている。

一方、放熱部４は、後述する断熱層２６を介して発電ユニット２の下側の基板８に一体的に結合されている。この放熱部４は、第１放熱層２１と第２放熱層２２とを備え、第１放熱層２１には冷却液の流路２３が形成され、また、第２放熱層２１には冷却液が気化した気体の流路２４が形成されている。

第１，第２放熱層２１，２２の材料としては、熱伝導率が大きい材料が望ましく、例えば、アルミ、銅、ニッケル、ステンレス鋼、鉄、シリコン、窒化アルミ、ＳｉＣ等の基板が適用される。第１放熱層２１の内部に形成された液体の流路２３は、蛇行させた形状の他に、螺旋状や櫛状の形状であってもよい。

そして、両放熱層２１，２２の流路２３，２４間には気液分離膜２５が介設されている。この気液分離膜２５は、例えば多孔質ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製で、孔φ０．１〜０．２μｍが開いた厚み８０μｍ〜２００μｍの撥水性の薄膜が適用される。

この放熱部４においては、第１放熱層２１の流路２３内を流れる冷却液が、発電ユニット２から伝わる熱を直接に受けて気化し、その気化熱によって発電ユニット２の低温側が冷却される。そして、気液分離膜２５を透過した気体（水蒸気等）は第２放熱層２２の内部の流路２４を通って外部に放出される。

発電ユニット２の下側の基板８と放熱部４の第１放熱層２１との間には前述のごとく断熱層２６が介在されている。この断熱層２６は、放熱部４を構成する材料よりも熱伝導率が低い材料が使用される。例えば、放熱部４の第１，第２放熱層２１，２２の材料がアルミ、銅、ニッケル、ステンレス鋼、鉄、シリコン、窒化アルミ、ＳｉＣ等であれば、断熱層２６として、例えば珪酸カルシウム系のセラミック層（熱伝導率：０．０５Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系セラミック層やＡｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ系セラミック層（熱伝導率：０．５〜０．６Ｗ／ｍ・Ｋ）等が適用される。その他、ＺｒＯ_２層等であってもよい。

そして、この断熱層２６の厚みを調整することにより、発電ユニット２から放熱部４へ伝導する熱量を制御することができる。例えば、発電ユニット２の熱入力部３における発熱量が少ない場合、その熱は冷却効果が高い放熱部４へ伝導して放熱してしまい、発電ユニット２の高温接合部と低温接合部との温度差ΔＴを十分に確保することができず、発電出力が低下するおそれがある。このようなとき断熱層２６によりΔＴを確保できるので有効である。

また、この実施形態１では、放熱部４を構成する第２放熱層２２の流路２４から放出される気体（水蒸気等）を液化して再利用するための回収器２９が設けられている。この回収器２９は、その内部に蛇行状、または螺旋状の長い流路３０が形成されており、この流路３０を通過する際に熱交換されて気体の大部分は液化して液溜り３１に溜るようになっている。また、液化されなかった気体の一部はそのまま外部に排気される。この回収器２９は、液溜まり３１から逆止弁３２を介して放熱部４の第１放熱層２１内の流路２３に接続されている。さらに、冷却液が貯留された冷却液保存タンク３３も逆止弁３２を介して放熱部４の第１放熱層２１内の流路２３に接続されている。

上記構成の携帯用熱電発電機１₁において、燃料タンク１６に貯留されている液体燃料が例えばブタンであるとした場合、この燃料タンク１６から出たブタンは常温で気体となって放出される。そして、このプタンガスに空気中の酸素が混合された後、これが燃料供給パイプ１５を通って熱入力部３内の触媒流路１１に流入される。

その際、このプタンガスはヒータ１４で着火されて触媒流路１１内の触媒でさらに燃焼される。このブタンガスの触媒燃焼により、約３５０℃〜４５０℃の発熱が行われ、この燃焼により生じた二酸化炭素と水蒸気とは排気パイプ１７を通って外部に排気される。なお、不完全燃焼の場合には、一酸化炭素と燃料の残渣が放出される。

一方、冷却液保存タンク３３および回収器２９から供給される冷却液（例えば水）は、放熱部４の第１放熱層２１の流路２３内に流入する。そして、この冷却液は、発電ユニット２で発生した熱が伝導して気化する。このときの気化熱は水の場合で５４０ｃａｌ／ｇである。そして、この気化熱によって発電ユニット２の低温側が直接に冷却される。

こうして気化した気体（例えば蒸気）は液分離膜２５を透過して第２放熱層２２の内部の流路２４を通って外部の回収器２９に至り、この回収器２９で液化されて液溜まり３１に貯留された後、逆止弁３２を通って、放熱部４の第１放熱層２１内の流路２３に還流される。これにより、冷却液保存タンク３３に貯留されている冷却液の消費量を抑えることができる。また、逆止弁３２によって、放熱部４の第１放熱層２１内にある流路２３内の冷却液が回収器２９に逆流することがなく、常に満水の状態で維持される。なお、回収器２９で液化されなかった気体の一部は外部に排気される。

以上のように、この実施形態１では、放熱部４において冷却液の気化熱を利用して直接に発電ユニット２を冷却する構造になっているため、放熱フィンを設ける場合よりも超小型化、軽量化を図ることができる。また、熱電素子の高温接合部と低温接合部との温度差を大きくとることができるため、発電出力およびその効率を一層増加させることができる。 なお、燃料タンク１６に貯留されている燃料については．上記のブタンに限らず、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、メタン、水素等を用いることができる。また、冷却液保存タンク３３に貯留されている冷却液については、上記の水に限らず、エタノール、メタノール、イソブタン等の他の冷却液を使用することができ、冷却液の種類は特に限定されない。

（実施形態２）
図２は本発明の実施形態２における携帯用熱電発電機の構成図であり、図１に示した実施形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施形態２における携帯用熱電発電機１₂の特徴は、放熱部４の第２放熱層２２の底面に櫛状の放熱フィン３４が接着あるいは接合により一体的に取り付けられていることである。本例の場合、放熱フィン３４は、例えばアルミや銅等の薄板をほぼ等間隔に並べて櫛状に形成されているが、その他、コルゲート状（波状）やカスケード状（箱型層状）のものであってもよい。

このように、放熱部４と放熱フィン３４とを組み合わせた構成とすることにより、従来の携帯用熱電発電機に設けていた放熱フィンよりも十分小さな寸法であっても、発電ユニット２に対する第２放熱層２２からの放熱効果を一層増大させることができる。

その他の構成、および作用効果は、実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

（実施形態３）
図３は本発明の実施形態３における携帯用熱電発電機の構成図であり、図１に示した実施形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施形態３における携帯用熱電発電機１₃の特徴は、放熱部４の外面側に接してこの放熱部４から放出される気体を液化する回収器３７が設けられていることである。

すなわち、この回収器３７は、上下一対の基板３８，３９が陽極接合等によって一体的に接合されてなる。そして、本例では、上側（第２放熱層側）の基板３８はシリコン、下側の基板３９はガラスでできており、上側のシリコン基板３８が放熱部４を構成する第２放熱層２２の底面に接着あるいは陽極接合により一体的に取り付けられる一方、下側のガラス基板３９には、サンドブラスト方法等によって回収流路４０が形成されている。

この回収流路４０は、蛇行状や螺旋状をしたもので、その一端側が放熱部４の第２放熱層２２に形成されている流路２４に接続され、他端側が外部に引き出されて液溜まり４１および逆止弁４２，３２を介して放熱部４の第１放熱層２１に形成されている流路２３に接続されている。さらに、冷却液が貯留された冷却液保存タンク３３も逆止弁３２を介して第１放熱層２１内の流路２３に接続されている。

この構成の熱電発電機１₃は、放熱部４の第２放熱層２２の流路２４内の気体が、放熱部４の底面に取り付けられた回収器３７の流路４０に流入される。そして、この回収器３７内の流路４０で気体が熱交換されて温度が下がり、液化した冷却液は回収器３７の外に設けられた液溜り４１に溜められる。また、液溜り４１で液化されずに残った気体は外部に放出される。そして、液溜り４１に溜まった冷却液は、逆止弁４２，３２を通過して再び放熱部４の第１放熱層２１の流路２３内に流入される。

このように、この実施形態３では、回収器３７を放熱部４の底面に一体に取り付けたので、水蒸気等の気体から冷却液を回収するシステムを非常にコンパクト化することができる。

その他の構成、および作用効果は、実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

（実施形態４）
図４は本発明の実施形態４における携帯用熱電発電機の構成図であり、図１に示した実施形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施形態４における携帯用熱電発電機１₄の特徴は、燃料タンク１６に貯留されている液体燃料および放熱部４の流路２３，２４内を流す冷却液を共にメタノールを主成分とする液体としていることである。この場合のメタノールの沸点は６４．６℃であり、水（沸点：１００℃）に比べてかなり低い。燃料タンク１６には、メタノールがある一定濃度入っている。メタノールと水とが１対１の等モルで反応すると考えると、メタノール濃度は約７０％（体積濃度）となる。

そして、この実施形態４では、燃料タンク１６からの液体燃料の供給路は、この液体燃料を気化する加熱ヒータ４５を介して燃料供給パイプ１５に接続されるとともに、第１バイパス管４６および逆止弁３２を介して放熱部４の第１放熱層２１の流路２３に接続されている。また、回収器２９の排気口は第２バイパス管４７を経て燃料供給パイプ１５に接続されている。そして、冷却液を貯留する冷却液保存タンクは省略されている。

上記構成の熱電発電機１₄において、加熱ヒータ４５の温度を約１５０℃〜２５０℃程度に予め加熱した状態で、燃料タンク１６に貯留されている液体のメタノールと水とを加熱ヒータ４５を通すと、水蒸気改質反応によって二酸化炭素と水素とが発生する。そして、この水素に空気中の酸素を混合して熱入力部３の触媒流路１１内へ流入して水素ガスを触媒燃焼させる。なお、加熱ヒータの温度が約１００℃付近に加熱されている場合には、水蒸気改質反応は起こらず、気体のメタノールと水蒸気とが発生するので、この気化したメタノールと空気中の酸素とを混合して触媒流路１１内へ流入してメタノールを触媒燃焼させる。

また、燃料タンク１６からの液体のメタノールは、第１バイパス管４６および逆止弁３２を経由して放熱部４の第１放熱層２１内の流路２３へ流入される。そして、この液体のメタノールは、発電ユニット２から伝熱される熱で加熱されて気化する。放熱部４の発電ユニット側の温度は１５０℃以下になるように予め設定されているので、前述の水蒸気改質反応は起こらず、気体は水蒸気と気化したメタノールである。そして、液体のメタノールが気化するときに周囲の熱を奪って冷却する。水蒸気および気体のメタノールは気液分離膜２５を通って第２放熱層２２内の流路２４に流入し、引き続いて回収器２９へ送り込まれる。

水の沸点はメタノールより高いことから、回収器２９内でメタノールよりも先に水蒸気が液化して水になる。この水は回収器２９の液溜り３１に集められ、逆止弁３２を通って再び放熱部４の第１放熱層２１内の流路２３に送り込まれる。さらに、気体のメタノールは、回収器２９から第２バイパス管４７を通って燃料供給パイプ１５から熱入力部３内に流入されて触媒燃焼される。

その他の構成、および作用効果は、実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

なお、加熱ヒータ４５の熱源は、熱入力部３の触媒燃焼で発生した熱を利用してもよい。

（実施形態５）
図５は本発明の実施形態５における携帯用熱電発電機の構成図であり、図３に示した実施形態３と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施形態５における携帯用熱電発電機１₅の特徴は、放熱部４が熱入力部３に供給される燃料を気化する気化器として兼用されていることである。このため、液体燃料としてメタノール（沸点：６４．６℃）を使用する場合でも、実施形態４のような加熱ヒータ４５が省略されている。

上記の気化器として兼用される放熱部４、およびその底部に取り付けられている回収器３７の構成自体は、図３に示した実施形態３の構成と基本的に同じである。

ただし、燃料タンク１６は、逆止弁３２を介して放熱部４の第１放熱層２１に形成されている流路２３に接続され、また、回収器３７に形成されている流路４０は外部に引き出されて液溜まり４１および逆止弁４２を介して第１放熱層２１の流路２３に接続され、さらに、液溜まり４１から排出される気体の排出口は燃料供給パイプ１５に接続されている。その他の構成は実施形態３の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

上記構成の携帯用熱電発電機１₅において、燃料タンク１６に貯留されている液体燃料がメタノールであるとすると、この液体のメタノールは逆止弁３２を通って第１放熱層２１内の流路２３に流入される。そして、この液体のメタノールは、発電ユニット２から伝熱される熱で加熱されて気化する。この場合の気体は、水蒸気と気化したメタノールである。そして、液体のメタノールが気化するときに周囲の熱を奪って発電ユニット２を冷却する。

気体は気液分離膜２５を通って第２放熱層２２内の流路２４に流入した後、回収器３７へ送り込まれる。この回収器３７内の流路４０で気体が熱交換されて温度が下がり、液化した水は回収器３７の外に設けられた液溜り４１に溜められる。そして、液溜り４１に溜まった水は、逆止弁４２を通って再び放熱部４の第１放熱層２１内の流路２３に流入する。

一方、液溜り４１の近傍で液化されずに残った気体のメタノールは、空気内の酸素と混合されて燃料供給パイプ１５を経由して熱入力部３に導入されて触媒燃焼される。

なお、この実施形態５では燃料タンク１６には液体のメタノールが貯留されているものとしたが、これに限らずブタンなどの他の燃料を使用することも可能である。

その他の作用効果は、実施形態３の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

（実施形態６）
図６は本発明の実施形態６における携帯用熱電発電機の構成図であり、図１に示した実施形態１と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施形態６における携帯用熱電発電機１₆は、発電ユニット２およびその上側の熱入力部３の構成は、上記の実施形態１〜５の場合と基本的に同じであるが、発電ユニット２下側の放熱部５の構成が大きく相違している。

すなわち、この実施形態６の放熱部５は、発電ユニット２の底部にガラス等からなる放熱用基板４８が一体的に取り付けられ、この放熱用基板４８内には気体の排気流路４９が形成され、さらに当該流路４９の上面側に毛細管構造を有するウィック層５０が設けられている。

このウィック層５０は、金網、繊維、焼結金属などの多孔質状のものや、細い溝構造のものが用いられる。また、ウィック層５０の構成材料としては、例えば４３０ステンレス、ニッケル、銅等の繊維状燐結金属、あるいは、カーボンファイバ、フェライト、脱脂綿等が適用される。

また、この排気流路４９には冷却液供給路５１の一端が接続され、この冷却液供給路５１の他端は冷却液保存タンク５２に接続されている。また、毛細管現象を利用してタンク５２内の冷却液を放熱部５に供給するために、冷却液供給路５１内には上記のウィック層５０と同様な材料からなるウィック層５４が形成されている。さらに、冷却液保存タンク５２には排気パイプ１７が接続されており、これによって排気パイプ１７から放出される排気ガスにより冷却液保存タンク５２内が加圧されてウィック層５４で冷却液が容易に吸い上げられるようにしている。

冷却液保存タンク５２に保存される冷却液としては、−５０℃〜２５０℃の範囲でウィック層５０との濡れ性が良いもの、例えば、メタン、アンモニア、フレオン、メタノール、水等を用いることができる。

上記構成において、冷却液保存タンク５２内の冷却液は、冷却液供給路５１内のウィック層５４で吸い上げられ、放熱部５のウィック層５０に伝わる。このウィック層５０内の冷却液は、発電ユニット２からの熱で加熱されて気化する。その気化熱によって発電ユニット２が冷却される。そして、気化した気体は排気流路４９内を経て外部に放出される。また、熱入力部３で燃料が燃焼した後の排ガスによって冷却液保存タンク５２内が加圧されてウィック層５４で冷却液が容易に吸い上げられるため、ウィック層５０に供給される冷却液の量が増加されて冷却効果が高められる。

その他の作用効果は実施形態１の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

（実施形態７）
図７は本発明の実施形態７における熱電発電機の構成図であり、図６に示した実施形態６と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施形態７における携帯用熱電発電機１₇の特徴は、放熱部５の放熱用基板４８内に形成された気体の排気流路４９に複数の隔壁５３が設けられていることである。これらの隔壁５３は、ウィック層５０と対向する下面側において気体の流れる方向に沿って所定ピッチで配置されている。

ウィック層５０で冷却液が気化すると、この気化した気体は排気流路４９から外部に放出されようとするが、複数の隔壁５３がその気体の流れを抑制するため、気体が放熱部５内に滞留するようになり、放熱部５の温度が均一化される。これにより、複数の熱電素子７からなる発電ユニット２の温度をほぼ均等に冷却できるようになり、発電ユニット２の低温側の冷却効果が向上する。さらに、複数の隔壁５３は、放熱部５の排気流路４９内に配置されているので、放熱部５全体の放熱面積が増加し、放熱効果が向上する。

その他の構成および作用効果は実施形態６の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

（実施形態８）
図８は本発明の実施形態８における熱電発電機の構成図であり、図７に示した実施形態７と対応する構成部分には同一の符号を付す。

この実施形態８における携帯用熱電発電機１₈の特徴は、放熱部５内で気化した気体が排気流路４９から外部に排出される先に、例えば軸流型のタービン（羽根車）５５が配置されており、排気された気体がこのタービン５５を回転させる構成となっている。

そして、このタービン５５の回転力は、例えば図示しない回転軸、歯車、ベルト等を介して放熱部５に供給する冷却液の供給ポンプ５６、あるいは、熱入力部３に供給する燃料の供給ホンプ５７を駆動する動力源として利用している。この場合、タービン５５の回転力は電気等に変換されることなく直接に冷却液供給ポンプ５６や燃料供給ポンプ５７の回転力となるため、タービン５５と各ポンプ５６，５７間のエネルギの伝達損失が非常に少ない。

これにより、冷却液の供給能力を高めることにより発電ユニット２に対する冷却能力を高めることができ、また、燃料の供給速度が高まるので燃焼効率を向上できる。

その他の構成および作用効果は実施形態７の場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

なお、タービン５５の回転力を燃料と混合させる空気を送り込むためのポンプ（図示せず）の駆動力として利用することも可能である。また、この実施形態８のように放熱部５から排気される気体でタービン５５を回転させて冷却液供給ポンプ５６や燃料供給ポンプ５７の駆動力として利用する構成は、前述の実施形態１〜６の構成を備えた携帯用熱電発電機１₁〜１₆についても当然適用が可能である。

なお、本発明は、図１ないし図８に示した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各種の変形を加えることが可能である。すなわち、本発明は、冷却液の気化熱を利用して発電ユニット２を直接に冷却する放熱部４，５の構造に特徴があるので、発電ユニット２が図１ないし図８に示した構成と異なる場合でも本発明を適用できる。

本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態１） 本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態２） 本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態３） 本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態４） 本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態５） 本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態６） 本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態７） 本発明の熱電発電機の構成図である。（実施形態８）

符号の説明

１₁〜１₈ 携帯用熱電発電機
２ 発電ユニット
３ 熱入力部
４，５ 放熱部
７ 熱電素子
２１ 第１放熱層
２２ 第２放熱層
２３ 冷却液の流路
２４ 気体の流路
２５ 気液分離膜
２６ 断熱層
２９ 回収器
３２ 逆止弁
３３ 冷却液保存タンク
３４ 放熱フィン
３７ 回収器
４９ 排気流路
５０，５４ ウィック層
５１ 冷却液供給路
５３ 隔壁
５５ タービン

Claims (15)

1. 多数の熱電素子を有する面状の発電ユニットが、燃料を燃焼して前記発電ユニットを加熱する熱入力部と前記発電ユニットで発生する熱を放熱する放熱部との間に保持された構造を有する携帯用熱電発電機であって、
   前記放熱部は、その内部に冷却液の流路を有し、この流路内を流れる冷却液の気化熱で前記発電ユニットを冷却するものであることを特徴とする携帯用熱電発電機。
2. 前記放熱部の流路内には、冷却液とこの冷却液が気化した気体とを分離する気液分離膜が設けられており、この気液分離膜を通過した気体が外部に放出されるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の携帯用熱電発電機。
3. 前記放熱部は、冷却液の流路を有する第１放熱層と、前記冷却液が気化した気体の流路を有する第２放熱層とを備え、両放熱層の流路間に前記気液分離膜が介在されていることを特徴とする請求項２記載の携帯用熱電発電機。
4. 前記放熱部から放出される気体を液化する回収器を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
5. 前記冷却液が貯留された冷却液保存タンクを備えるとともに、この冷却液保存タンクと前記放熱部の流路との間には逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
6. 前記放熱部の外側には放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
7. 前記発電ユニットと前記放熱部の間には、前記放熱部を構成する材料よりも熱伝導率が低い材料よりなる断熱層が介在されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
8. 前記回収器は、放熱部に一体的に接合されていることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
9. 前記熱入力部で燃焼される燃料と、前記放熱部の流路内を流れる冷却液とは、共にメタノールを主成分としていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
10. 前記放熱部は、前記熱入力部に供給される燃料を気化する気化器として兼用されていることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
11. 前記放熱部は、毛細管構造を有するウィック層と、このウィック層に冷却液を供給する冷却液供給路と、前記ウィック層で気化した気体の排気流路とを備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の携帯用熱電発電機。
12. 前記冷却液供給路は、前記ウィック層と同じ材料からなることを特徴とする請求項１１に記載の携帯用熱電発電機。
13. 前記冷却液供給路内の冷却液は、前記熱入力部で燃焼された排気ガスにより加圧される構成であることを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の携帯用熱電発電機。
14. 前記排気流路には、ウィック層で気化した気体の流れを抑制する隔壁が設けられていることを特徴とする請求項１１ないし請求項１３のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
15. 放熱部で気化した気体で回転されるタービンを備え、このタービンの回転力により前記放熱部における冷却液および前記熱入力部における燃料の少なくとも一方を供給するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の携帯用熱電発電機。
    

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