JP2008041283A - 携帯無線装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】待ち受け時間の短縮化や受信感度の劣化の不具合を防止することができる無線携帯装置を提供すること。
【解決手段】燃料電池セル110による発電のため生じる反応水を、放熱部120、循環部130、吸熱部140に流し、回収部102に回収する。吸熱部140は、放熱部120で冷却された反応水を利用して、マイクロプロセッサ220やRF受信部240を冷却し、受信感度の劣化を防ぎ、またMOSトランジスタでのリーク電流の増大を防止する。充電制御部200は、燃料電池セル110からの電荷で二次電池210を充電するとともに、携帯無線装置1が待ち受け状態か通信状態かに応じて燃料制御部103を制御して燃料電池セル110への燃料供給量を制御し、燃料電池セル110での化学反応の平準化を図り、携帯無線装置1筐体内部の温度上昇を抑制する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池セルを備えた携帯無線装置に関する。
近年、携帯電話やPDAなどの携帯装置での高機能化や長時間使用化の市場ニーズにともなってリチウム二次電池など二次電池の大容量化の要求が高まっている。とりわけ携帯電話では近年始まったディジタル地上波放送の受信機能やGPS機能などへの対応も検討されており、長時間使用のニーズは高まっている。そのニーズを受けて、近年、充電不要でエネルギー密度が高い燃料電池セルの携帯機器への電源としての適用が検討されている。特にメタノール溶液から水素イオンを取り出すダイレクトメタノール(DMFC)やメタノールの水素イオンを取り出して燃料電池セルに供給するメタノール改質方式などが知られており、これらの方式による燃料電池セルは大容量化と小型化が可能であり、携帯装置への応用が期待されている。
燃料電池セルについて説明すると、燃料電池セル内部での化学反応は、負極については式(1)、また正極については式(2)で表すことができる。
Figure 2008041283
Figure 2008041283
式(1)および式(2)に示す化学反応は高温であるほど起電力を取り出す効率は高い。そのため、電子機器へ適応する場合には、例えば携帯型パーソナルコンピュータ(以下、携帯PCという。)において、燃料電池セルを加熱する目的で、携帯PCの中で発熱性の電子部品であるマイクロプロセッサと燃料であるメタノール溶液を熱結合し、加熱されたメタノール溶液を燃料電池セルに供給することが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−308861号公報
しかしながら、従来の携帯無線装置は、単に燃料電池セルの燃料の加熱を目的として熱供給するので、MOSトランジスタのリーク電流を増大させ、無線部を搭載する小型の携帯無線装置において待ち受け時間の短縮化や受信感度の劣化を排除できないという問題点があった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、携帯無線装置における待ち受け時間の短縮化や受信感度の劣化の不具合を防止できる無線携帯装置を提供することを目的とする。
本発明の携帯無線装置は、水溶液状の燃料を蓄える燃料蓄積手段と、前記燃料蓄積手段から供給された燃料と酸素とを化学反応させて反応水を生成するとともに電力を発生する燃料電池セルと、発生した前記電力を蓄積する二次電池と、前記二次電池に蓄積されている電力量に基づいて、前記燃料蓄積手段から前記燃料電池セルへ供給する燃料の流量を調節する燃料調節手段と、前記化学反応により前記反応水に生じる熱を放熱して前記反応水を冷却する放熱手段と、前記放熱手段で冷却された前記反応水により、無線部を構成する半導体部品から生じる熱を吸熱する吸熱手段と、前記吸熱手段で熱を吸熱させた前記反応水を回収する回収手段と、を備える構成を採る。
本発明によれば、燃料電池セルを利用する場合であっても、携帯無線装置における待ち受け時間の短縮化や受信感度の劣化等の不具合を防止することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態)
図1は、本発明の実施の形態に係る携帯無線装置1の構成を示すブロック図である。
携帯無線装置1は、電池燃料部100と、燃料電池セル110と、放熱部120と、循環部130と、吸熱部140と、充電制御部200と、二次電池210と、マイクロプロセッサ220と、アンテナ230と、RF受信部240と、ベースバンド受信部250とから主に構成されている。
電池燃料部100は、燃料部101と回収部102とから構成される。燃料部101は、燃料であるエタノール水溶液を蓄積する。回収部102は、燃料電池セル110での発電により生成される反応水を、吸熱部140から回収して蓄える。
燃料電池セル110は、負極111と、セパレータ112と、正極113とを有する。燃料電池セル110は、燃料電池の発電に係る化学反応を行う部分であり、セパレータ112により負極111と正極113に分離されている。負極111は炭素電極であり、式(1)の化学反応が行われ、セパレータ112は、負極111で生じた水素イオンを正極113へ通過させる。正極113では、式(2)の化学反応が行われる。
放熱部120は、燃料電池セル110の正極113で生じた反応水の熱を携帯無線装置1の筐体外部へ放出する。
循環部130は、放熱部120で冷却された反応水を、吸熱部140を介して回収部102に循環させる。
吸熱部140は、循環部130を介して得られた冷却された反応水により、マイクロプロセッサ220や、RF受信部240から発生する熱を吸熱する。これにより、マイクロプロセッサ220やRF受信部240が動作することに起因して生じるマイクロプロセッサ220やRF受信部240の温度の上昇を抑制し、マイクロプロセッサ220やRF受信部240の動作温度を周囲温度と同等に保つことが可能となる。
アンテナ230は、外部から無線信号を受信する。RF受信部240は、アンテナ230から無線信号を受けるアナログ素子を有しており、無線信号を受信処理して、処理結果である受信信号をベースバンド受信部250に出力する。ベースバンド受信部250は、受信信号をベースバンド処理して受信データを得る。アンテナ230、RF受信部240、ベースバンド受信部250は、無線通信機能部を構成する。
マイクロプロセッサ220は、充電制御部200、RF受信部240、ベースバンド受信部250などの携帯無線装置1の電子回路全体の動作状態を管理しており、携帯無線装置1の電子回路全体の動作状態の制御を行う。マイクロプロセッサ220は、携帯無線装置1が待ち受け状態にあるのか、通常の通信状態にあるのかを判断し、充電制御部200に対して充電制御の制御条件を出力する。なお、携帯無線装置1は、ベースバンド受信部250の出力を受けて音声信号や表示信号を出力する出力部などマイクロプロセッサ220が制御する他の電子回路も有するが、図1では図示していない。マイクロプロセッサ220や、RF受信部240の主要部、ベースバンド処理部250など携帯無線装置1の電子回路部は、MOSトランジスタの集積回路で構成されている。
充電制御部200は、正方向の燃料電池セル110の正極113からの電流を一方的に二次電池210へ流し、逆方向の電流は流さないことで、燃料電池セル110が発電した電力を二次電池210に充電する。充電制御部200は、二次電池210の出力電圧を検出し、出力電圧と予め定めた閾値とを比較して、二次電池210の電力残量の過不足を判定する。充電制御部200は、二次電池210の電力の残量に応じて燃料制御部103を制御することにより燃料部101が負極111に対して送るエタノール水溶液の流量を制御する。これによって充電制御部200は、燃料電池セル110が発電する電力を制御することができる。
さらに、充電制御部200は、燃料電池セル110での発電を制御するため、二次電池210の電池残量の不足を判定するための閾値を、マイクロプロセッサ220の制御に基づき、携帯無線装置1が待ち受け状態であるのか、通常の通信状態であるのかに応じて設定する。具体的には、携帯無線装置1が通常の通信状態では燃料電池セル110の発電を開始する閾値(これを、通常状態時充電開始閾値という。)を設定し、待ち受け状態では燃料電池セル110の発電を開始する閾値(これを、待ち受け状態時充電開始閾値という。)を設定する。これによって、二次電池210は、待ち受け状態においては、二次電池210の出力電圧が待ち受け状態時充電開始閾値より低い場合には、燃料電池セル110の化学反応により発生した電力により充電が開始される。生じた高温の反応水は放熱部120で常温近くに放熱され循環部130を介して吸熱部140に送られる。吸熱部140ではマイクロプロセッサ220とRF受信部240を冷却する。
一方、通常の通信状態では、充電制御部200は、二次電池210の出力電圧が通常状態時充電開始閾値より低くならない限り、燃料電池セル110による発電を行わない。携帯無線装置1では、このような充電制御部200の制御により、発熱の原因である燃料電池セル110の化学反応が平準化され、燃料電池セル110の化学反応が通常の通信状態で行われる確率が低くなるようにされるので、通信中のマイクロプロセッサ220やRF受信部240など筐体の中の温度上昇を抑えることができる。もし通常の通信状態で通常状態時充電開始閾値より低い場合は、燃料電池セル110による発電が開始される。生じた高温の反応水は放熱部120で常温近くに放熱され循環部130を介して吸熱部140に送られる。吸熱部140ではマイクロプロセッサや220とRF受信部240を冷却する。
このようにして充電のタイミングを制御して、二次電池210は、蓄えた電力を携帯無線装置1のマイクロプロセッサ220やRF受信部240等の各電子回路部に供給する。この結果、二次電池210は待ち受け状態時に充電した電力を利用して通信状態にある各電子回路に電力を供給することになる。すなわち、通常の通信状態において、二次電池210は、燃料電池セル110より優先して携帯無線装置1の各電子回路部に電力を供給することになる。
図2は、本実施の形態にかかる携帯無線装置1の動作を示すフロー図である。以下、図2のフロー図に従い、携帯無線装置1の動作を説明する
携帯無線装置1は、電源が投入されると最初初期動作(S201)を行う。初期動作としては、例えば、二次電池210の出力電圧を検出し、この出力電圧が通常状態時充電開始閾値よりも低く、二次電池210に蓄えられた電力が不十分なことが検出された場合には、携帯無線装置1は、燃料制御部103を制御して、燃料部101に蓄えられるエタノール水溶液を燃料電池セル110の負極111に送り込む。これに伴い燃料電池セル110では、式(1)および式(2)で示す化学反応が起きる。
式(1)と式(2)は燃料電池セル110の発電に係る化学反応であり、負極111で生じた電子が電池外部に放出されて二次電池210と充電制御部200を介して正極113に至ることで二次電池210への充電が行われる。式(2)が示す化学反応は発熱反応であり、正極113で生じる反応水の温度は約80℃の高温となる。
燃料電池セル110による充電により二次電池210に蓄えられた電力は、マイクロプロセッサ220、RF受信部240、ベースバンド受信部250などに供給されて、携帯無線装置1の各電子回路部の駆動に用いられる。
正極113で生じる高温の反応水は、筐体と一体化された放熱部120で熱を筐体の外部に放熱し、携帯無線装置1の周囲温度まで冷却される。冷却された反応水は循環部130を通り吸熱部140に導入される。
吸熱部140は、マイクロプロセッサ220およびRF受信部240と反応水とを熱交換させて、通電により生じる熱を反応水に吸収させた後、反応水を回収部102へ送る。
以上のように、初期動作(S201)のタイミングにおいて携帯無線装置1の電力が不十分な場合は、携帯無線装置1は、燃料電池セル110にて発電して得た電力を二次電池210に蓄積する。
なお、携帯無線装置1の電源投入時に二次電池210の電力が十分である場合には、携帯無線装置1は、燃料電池セル110での化学反応に基づく充電の動作は行わない。多くの場合は、電源投入時において二次電池210の電力が不足している状態は、可能性として少ない。その電源投入の前段の操作である利用者の電源断の操作に伴い、電源断の状態を待ち受け状態とみなして、燃料電池セル110の化学反応に伴う電力により二次電池210を十分な充電状態に保持することができるからである。
次に携帯無線装置1は、待ち受け状態であるかどうかを判定する。待ち受け状態の場合(S202:YES)、携帯無線装置1は、図示していないタイマの周期的な起動信号に従ってマイクロプロセッサ220を約1秒周期で起動し、ページングチャネルの受信のためにRF受信部240とベースバンド受信部250を起動する(S203)。
次にマイクロプロセッサ220は、ページングチャネルの受信(S204)後、自己宛の呼び出しがないかを判定する。マイクロプロセッサ220は、受信したページングチャネルの内容から呼び出しがないと判定すると(S205:NO)、RF受信部240とベースバンド受信部250のクロック送出を停止する。これにより携帯無線装置1は通信動作に関してはスリープ状態となる(S206)。これに合わせてマイクロプロセッサ220は、携帯無線装置1がスリープ状態の待ち受け状態に入ったことを記憶する。
このスリープ状態の期間において約1秒周期で行われるページングチャネル受信のための動作を間欠受信と呼ぶ。このような間欠受信を行うスリープ状態時には、マイクロプロセッサ220やRF受信部240など電子回路部の動作は最小限のレベルに抑圧されるので、携帯無線装置1の内部温度が上昇する可能性は低い。
次に、ステップS207でマイクロプロセッサ220は、待ち受け状態であることを充電制御部200に出力する。充電制御部200は、マイクロプロセッサ220からの待ち受け状態であることを示す出力に対応した待ち受け状態時充電開始閾値を設定するとともに、二次電池210の電圧を検出して待ち受け状態時充電開始閾値と比較し二次電池210が蓄積している電力量の過不足を判定する。充電制御部200は、二次電池の電圧が待ち受け状態時充電開始閾値より低く、電力量が不足すると判定した場合には、燃料制御部103を制御して燃料部101から負極111に流れる燃料の量を増加させ燃料電池セル110の化学反応を促進し、燃料電池セル110からの電荷を増大させ、二次電池210を充電する。ただし、充電制御部200は、燃料電池セル110の化学反応の促進により必要以上に温度が上昇しないように、二次電池210の電圧が予め定めた充電停止閾値以上になると、燃料制御部103を制御して負極111に流れ込む燃料を止め、燃料電池セル110の化学反応を抑制する。
このようなスリープ状態の間(S206、S207)においても、二次電池210の出力電圧が待ち受け状態時充電開始閾値より高い場合は、マイクロプロセッサ220にはリーク電流は流れるが、待ち受け状態における間欠受信に要する電力は小さいため、燃料電池セル110からの充電により二次電池210へ補填するべき電力はわずかなものでよい。これに対応してこのわずかな電力を補填するとしても、燃料電池セル110の発電に係る化学反応も小規模で済むため、化学反応による発熱も小さく、反応水の温度上昇は抑えられる。従って、放熱部120を通過した反応水の温度は、携帯無線装置1の筐体の周囲温度近くに保たれる。
携帯無線装置1がスリープ状態の間(S206、S207)にある場合で二次電池210の出力電圧が待ち受け状態時充電開始閾値より低い場合は、充電制御部200は、燃料制御部103を制御して、燃料部101に蓄えられるエタノール水溶液を燃料電池セル110の負極111に送り込む。これに伴い燃料電池セル110では、式(1)および式(2)で示す化学反応が起き、充電制御部200は、化学反応により発電された電力により、二次電池210を充電する。この二次電池210への充電動作においても、急速充電が必要な特別な条件がない限り、燃料電池セル110の発電に係る化学反応も小規模で済むため、化学反応による発熱も小さく、反応水の温度上昇は抑えられる。
この反応水を吸熱部140で用いてマイクロプロセッサ220とRF受信部240と反応水とを熱交換させ、マイクロプロセッサ220とRF受信部240に発生する熱を反応水に吸熱させると、マイクロプロセッサ220とRF受信部240とは反応水によって冷却され、マイクロプロセッサ220のリーク電流の増加を防止することができ、RF受信部240の雑音電力を低く維持することができる。
ステップS207において、二次電池210の出力電圧が上昇して充電停止閾値に達し、二次電池210が十分に充電されたことを充電制御部200が検出すると、充電制御部200は、燃料制御部103を制御して、燃料電池セル110の発電のための化学反応を停止する。なお、充電制御部200は、受信待ち受け時における燃料電池セル110からの二次電池210に対する充電が急速に行われ、携帯無線装置1筐体内部の温度が急激に上昇しないように、相当の長い時間をかけて充電が行われるように制御する。
一方、携帯無線装置1が通信状態に設定されたとき(S202:NO)、あるいはステップS205で呼び出しが検出されたとき(S205:YES)には、携帯無線装置1は、通話制御など通信状態に対応する処理(S208)を行う。ステップS208の処理の後、携帯無線装置1は、ステップS209の通信状態に対応した電子回路部に対する給電制御を行う。具体的には、通常の通信状態では、充電制御部200は、二次電池210の出力電圧が通常状態時充電開始閾値より低くなるまでは、燃料電池セル110からの電力により二次電池210に対し充電する制御を行わない。従って、マイクロプロセッサ220、RF受信部240やベースバンド受信部250などの電子回路部へは、二次電池210からの電力が優先して連続給電される。すなわち、充電制御部200は、二次電池210から連続給電している間は、燃料制御部103を制御して燃料の負極111への流入量を制限し、燃料電池セル110の発電に係る化学反応を抑えて極力発熱を小さくする。これによって、通信状態時において携帯無線装置1は、マイクロプロセッサ220などが高速動作をし、各電子回路部からの発熱が大きい状態となるが、燃料電池セル110からの発熱が抑えられ、全体として携帯無線装置1筐体内部の温度上昇が抑制される。
ステップS207およびステップ209でのスリープ状態時および通信状態時に応じた充電制御が終了すると、携帯無線装置1はその他の必要な制御を行う(S210)。ステップ210の制御が終了すると、携帯無線装置1は、制御をステップS202に移し、以降、待ち受け状態あるいは通信状態に応じた先述の動作(S203〜S210)を繰り返す。なお、ステップS205で呼び出しが確認されたとき(S205:YES)には、これは通信状態になったことを示すので、携帯無線装置1はステップS208に制御を移し、通信状態の制御を行う。
因みに、携帯電話など携帯無線装置の無線部の受信系は、アンテナ側から受信アンテナ、アンテナ切りかえスイッチ、低雑音アンプ(LNA)、チャネルフィルタ、可変利得アンプ(VGA)などから成り、出力がベースバンド部へ入力される。
ここで、無線部における雑音指数(Noise Figure:NF)は式(3)および式(4)で与えられる。
Figure 2008041283
なお、式(3)では、mは1シンボルあたりのビット数、Tsはシンボル周期[s]、Bnは受信フィルタ等価雑音帯域幅[Hz]とする。
Figure 2008041283
従ってここで、kをボルツマン定数、Tを絶対温度[K]、NFを雑音指数(真数)、とすると、入力換算雑音電力Nは、式(5)および式(6)で表される。
Figure 2008041283
Figure 2008041283
すなわち、式(5)により入力換算雑音Nは絶対温度Tに比例する。従って、例えば携帯無線装置のRF受信部の動作温度の上限が85℃で規定されるデバイスを25℃へ冷却すれば、0.8dBの受信感度の良化を招くことを示している。よって本実施の形態によれば、無線部の温度上昇を抑えて、受信感度の劣化を抑えることができる。また、RF受信部の動作上限温度に対する設計マージンを小さくすることが可能となり、部品のコストダウンにも寄与する。
以上のように本実施の形態によれば、携帯無線装置1が待ち受け状態にある場合に二次電池210への充電を行い、通常の通信状態時には、待ち受け状態時に蓄積した電力を優先的に使用して電子回路を動作させるので、燃料電池セル110における化学反応を平準化できる。また発電時には反応水によりRF受信部240を冷却できる。これらにより携帯無線装置1の筐体内部の温度が一時的に急上昇することが抑えられるので、携帯無線装置1の受信感度の劣化が抑制される。
本発明は上記の実施の形態に限定されず、数々の変形が可能である。その変形の例として、例えば次のようなものがある。すなわち、燃料部101に搭載される燃料及び燃料電池セル110は、例えばメタノール改質方式の燃料電池システムに置き換えてもよい。また、電池燃料部100は燃料部101と回収部102が分離された構造であってもよい。
また、本実施の形態では、ベースバンド受信部250は吸熱部140による直接の冷却は行わないものとしたが、これはアナログ素子を含むRF受信部240の冷却を優先させたためで、ベースバンド受信部250も、マイクロプロセッサ220、RF受信部240同様吸熱部140と密着させ、反応水により直接冷却されるようにしてもよい。また、マイクロプロセッサ220とRF受信部240とベースバンド受信部250など電子部品と、発熱源である燃料電池セル110とはなるべく離すことが望ましい。さらに、燃料電池セル110からの正方向電流による充電制御部200での電圧降下はなるべく小さいことが望ましい。なお、二次電池210に蓄積されている電力量を監視する方法としては、本実施の形態で説明した二次電池210の出力電圧を検出して監視する方法のほか、二次電池210から携帯無線装置1の各電子回路部などに流れる電流量を検出して順次時間的に積算して消費された電力を算出することにより、二次電池210に残っている電力量を監視する方法を用いることもできる。さらに、二次電池210はリチウム二次電池のほか、ニッケル水素二次電池、ニッケルカドミウム二次電池、鉛二次電池などでも代用できる。また、携帯無線装置の動的な消費電流が比較的小さい場合は、二次電池210は大容量コンデンサで代用できる。
また、吸熱部140を利用してリーク電流を低減する対象は、MOSトランジスタで構成される半導体、例えばベースバンド受信部250やメモリや液晶駆動ドライバなどでもよく、マイクロプロセッサ220やRF受信部240に限定されない。
本発明は、燃料電池セルを備えた携帯無線装置に有用である。
本発明の実施の形態に係る携帯無線装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態に係る携帯無線装置の動作を説明するためのフロー図
符号の説明
1 携帯無線装置
100 電池燃料部
101 燃料部
102 回収部
103 燃料制御部
110 燃料電池セル
111 負極
112 セパレータ
113 正極
120 放熱部
130 循環部
140 吸熱部
200 充電制御部
210 二次電池
220 マイクロプロセッサ
230 アンテナ
240 RF受信部
250 ベースバンド受信部

Claims (5)

  1. 水溶液状の燃料を蓄える燃料蓄積手段と、
    前記燃料蓄積手段から供給された燃料と酸素とを化学反応させて反応水を生成するとともに電力を発生する燃料電池セルと、
    発生した前記電力を蓄積する二次電池と、
    前記二次電池に蓄積されている電力量に基づいて、前記燃料蓄積手段から前記燃料電池セルへ供給する燃料の流量を調節する燃料調節手段と、
    前記化学反応により前記反応水に生じる熱を放熱して前記反応水を冷却する放熱手段と、
    前記放熱手段で冷却された前記反応水により、無線部を構成する半導体部品から生じる熱を吸熱する吸熱手段と、
    前記吸熱手段で熱を吸熱させた前記反応水を回収する回収手段と、
    を備える携帯無線装置。
  2. 前記二次電池は、蓄積した前記電力を電子回路部に給電する請求項1記載の携帯無線装置。
  3. 前記吸熱手段は、前記放熱手段で冷却された前記反応水により、前記半導体部品であるアナログ素子から生じる熱を吸熱する請求項1記載の携帯無線装置。
  4. 前記吸熱手段は、前記放熱手段で冷却された前記反応水により、前記半導体部品であるMOSトランジスタから生じる熱を吸熱する請求項1記載の携帯無線装置。
  5. 前記燃料調節手段は、待ち受け状態および通信状態の区別に応じて、前記燃料蓄積手段から前記燃料電池セルに供給する燃料の流量を調節する請求項1から請求項4のいずれかに記載の携帯無線装置。
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