JP2011176970A - エネルギー回生機構、及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器におけるエネルギーを回生すること。
【解決手段】電子機器１００の電子部品１３０が電気的に駆動することによって放出される熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子１４０と、電子部品１３０から放出される熱エネルギーが拡散しないよう、電子部品１３０及び熱電変換素子１４０を収める電子機器１００の筐体１１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー回生機構、及び電子機器に関する。特に本発明は、電子機器におけるエネルギーを回生するエネルギー回生機構、及び電子機器に関する。

ユビキタスコンピューティングの技術分野では、生活や社会の至る所に電子機器が存在し、電子機器同士が自律的に連携して動作することにより、人間の生活を強力にバックアップする情報環境を実現しようとしている。そのために、ユビキタスコンピューティングの技術分野では、電子機器に電気エネルギーを補充する頻度を減らすための技術や、電子機器の駆動時間を延ばすための技術が求められている。

携帯電話等のモバイル機器を例に取ると、エネルギー供給源として、一次電池（乾電池）や二次電池（リチウム電池）の利用が主流であり、これを発展させる技術として燃料電池等の新しい技術の研究も進められている。

電池の駆動時間や寿命を延ばすには、エネルギー密度の向上やパワー密度の向上等、放電容量を増加する必要がある。エネルギー密度を上げるために、様々な正極・負極材料及び電解質材料、例えば、高分子系材料が開発されているが、密度向上に加え、安全性、受電回数、コスト等、携帯端末への実装に不可欠なすべての要求を満足する材料は得られていない状況である。

また、燃料電池についても開発途上の段階で、安全性等、実用化への問題点がある。このため、現状では電極面積を拡大し、放電容量を増加する方法が一般的な方法であるが、電池体積の増加を伴うため、携帯端末への搭載が困難な状況である。

一方、電池性能を向上させる以外の手段として、端末自体の消費電力を低減させることがある。例えば、搭載する機能部品の省電力化を促進する方法も挙げられるが、携帯端末の高機能化に伴い、感度向上等の出力特性向上等が要求され、新技術により駆動源の効率が上がったものの、主力増により相殺されるため、省エネルギー化が促進できない問題点がある。

例えば、電子機器内に備えられた発熱部品の発生熱から発電する発電機構、並びに、その発電機構によって得られた電力を機器内で再利用するコンピュータ装置及び電子機器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この発電機構では、発熱部品に接触し、発熱部品が発生した熱を放熱する放熱部材と、放熱部材に一面側が接触した熱電変換手段と、熱電変換手段の他面側を冷却する冷却手段とを有する。

特開２００１−２８２３９６号公報

上記のように、ユビキタスコンピューティングの技術分野では、電子機器に電気エネルギーを補充する頻度を減らすための技術や、電子機器の駆動時間を延ばすための技術が求められている。電子機器の長時間駆動実現には、一次、二次電池の放電容量を高める手法があるが、体積増加を伴わず、放電容量を大幅に改善する技術がない。また、別のアプローチとして、搭載する機能部品の効率を上げる手法もあるが、端末の高機能化に伴い、部品からの出力が増加するため、長時間駆動を実現する手段として適していない等の問題点がある。従って、携帯端末の長時間駆動を実現する画期的な技術の開発が要求されている。

また、特許文献１に記載の発電機構は、ゼーベック効果を利用することによって電気エネルギーを得るものである。具体的には、特許文献１に記載の発電機構は、パーソナルコンピュータ等のように、熱電変換手段の一面側を冷却するファンユニット等の冷却手段を有する電子機器を対象としており、ヒートシンク等から放出される熱との大きな温度差を得やすく、電気エネルギーを効果的に得ることができる。しかしながら、特許文献１に記載の発電機構では、そのような冷却手段を持たない電子機器においても電気エネルギーを効果的に得るための工夫が何らなされていない。そのため、特許文献１に記載の発電機構では、例えば、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）や携帯電話等に適用されたとしても、電気エネルギーを効果的に得ることはできない。

上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、電子機器におけるエネルギーを回生するエネルギー回生機構であって、電子機器の電子部品が電気的に駆動することによって放出される熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、電子部品から放出される熱エネルギーが拡散しないよう、電子部品及び熱電変換素子を収める電子機器の筐体とを備える。

また、本発明の第２の形態によると、電子機器が上記のエネルギー回生機構を有する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

以上の説明から明らかなように、この発明によれば、電子機器の電子部品が電気的に駆動することによって放出される熱エネルギーを電気エネルギーに変換するにあたり、電子部品から放出される熱エネルギーが拡散しないようにしたので、冷却手段を持たない電子機器においても電気エネルギーを効果的に得ることができる。

一実施形態に係るエネルギー回生機構の利用環境の一例を示す。 熱電変換素子の構造を示す図である。 第２の実施形態の電気音響変換器を示す縦断面図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、一実施形態に係るエネルギー回生機構の利用環境の一例を示す。この例のエネルギー回生機構では、携帯電話１００におけるエネルギーを回生する。なお、携帯電話１００は、この発明における「電子機器」の一例であってよい。

携帯電話１００は、端末筐体１１０の内部に基板１２０、電池１３０、熱電変換素子１４０、及び蓄電器１５０を搭載している。熱電変換素子１４０は、ゼーベック効果を有する熱電変換素子であり、電池等の発熱部品から発生する廃熱を電気エネルギーに変換する機能を有する。これの熱電変換の変換メカニズムを以下に説明する。熱電変換素子は、温度差によって起電力を生じるゼーベック効果を利用している。ゼーベック効果とは、２つの材料（物質ａ、物質ｂ）の温度差により起電力が生じるものであり、式（１）で表される。

ここで、Ｓ_ａｂはゼーベック係数であり、物質ａと物質ｂ固有の値である。すなわち、これはゼーベック効果が高い材料を利用すれば起電力量、すなわち変換効率が上がることを意味し、材料選択が大きなポイントとなる。

本発明のエネルギー回生機構で使用する熱電変換材料は、セーベック効果をもつ機能性材料であれば特に限定されない。但し、式（２）であらわされる熱電材料の性能の目安である性能指数Ｚが高い材料の方がこのましい。

式中、ゼーベック係数Ｓ、電気伝導率σ、熱伝導率κと表される、通常の金属酸化物において、電気伝導率や熱伝導率は素材間で大きな違いはないため、ゼーベック係数の高い材料が使用される。その一例として、アンチモン酸亜鉛や、ビスマス・テルル系材料等が挙げられる。

ところで、熱電変換素子は温度差により起電力を発生させるものであるため、温度が高い部位にゼーベック素子を接合させることが望ましい。従って、発熱部材、例えば電池等に直接、接合することが好ましい。熱電変換素子は図２で示されるように、例えば、ｐ型、ｎ型の半導体から構成される。半導体の熱起電力は、金属よりもかなり大きく。また、ｐ型とｎ型の半導体を組み合わせることで、ｐ型の熱起電力は正の符号を、ｎ型の熱起電力は負の符号を持つので、起電力は大幅に拡大する。

本発明において、回生された廃熱エネルギーは携帯端末の駆動エネルギーとして再利用することができる。例えば、回生エネルギーを蓄電器１−ｄに蓄えることで、端末のエネルギーと使用でき、消費電力の低減により、長時間駆動の実現が可能となる。

本発明に係るエネルギー回生機構は、電子機器（例えば、携帯電話機、小型ゲーム機器等）へも利用可能である。従来の端末に対して、熱電変換素子を搭載するだけであり、部品点数も増えず、スペースも大幅に増加させることがない。このため、端末形状を損なわず、消費電力が低減できることから、携帯型の電子機器に対しても好適に利用することが可能である。

図３は、第２の実施形態のエネルギー回生機構を示す縦断面図である。本実施形態のエネルギー回生機構は、第１の実施形態に対して、高熱伝導材料２６０を介して、熱電変換素子２４０に接合されている。すなわち、携帯の廃熱を熱伝導材料２６０により一箇所に集中させ、効率的に熱エネルギーを変換し、回生エネルギー量を増大化している。ここで、熱伝導材料２６０は、カーボン系素地、金属材料、樹脂−金属複合材料、金属材料等が使用できるが、熱伝導率が高い材料の仕様が好ましく、カーボンファイバー（熱伝導率：１２００Ｗ／ｍＫ）が使用できる。

本実施形態のエネルギー回生機構では、回生エネルギー量が大きいため、第一の実施形態の構成に比べ、端末の消費電力の低減が促進し、より長時間の駆動が実現する。

上述のように、本発明のエネルギー回生機構によれば、廃熱エネルギーを熱電変換素子により、電気エネルギーに変換し、携帯端末のエネルギーとして再利用するため、端末の消費電力が低減し、長時間駆動が実現できる。

本発明のエネルギー回生機構の特性評価を行った。式（３）で示される数式のとおり、熱電変換効率の指標であるエネルギー変換効率ηを算出した。ここで、高温側温度Ｔ_Ｈ、低温側温度Ｔ_Ｌ、性能指数Ｚを示す。変換効率が３％を超えるものを○、３％未満のものを×とした。

本発明の実施の第一の実施形態で記載したエネルギー回生機構の特性評価を実施した。評価結果は以下の通りである。熱電変換材料には、ビスマス・テルル系材料を使用した。
Ｔ_Ｈ：６５℃
Ｔ_Ｌ：３０℃
Ｚ：０．０００４／Ｋ
変換効率：○

上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー回生機構によれば、廃熱エネルギーを電気エネルギーに高効率で率換することができ、携帯端末の低消費電力化が可能であることが実証された。

実施例２として、第２の実施形態のエネルギー回生機構を評価した。
Ｔ_Ｈ：６７℃
Ｔ_Ｌ：３３℃
Ｚ：０．０００４／Ｋ
変換効率：○

上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー回生機構によれば、実施例１と同様に、廃熱エネルギーを電気エネルギーに高効率で率換することができ、携帯端末の低消費電力化が可能であることが実証された。

実施例３として、実施例１の構成に対して熱電変換材料をアンチモン酸亜鉛に変更した。
Ｔ_Ｈ：６５℃
Ｔ_Ｌ：３０℃
Ｚ：０．０００１／Ｋ
変換効率：○

上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー回生機構によれば、実施例１と同様に、熱電変換材料の種類に関係なく、廃熱エネルギーを電気エネルギーに高効率で率換することができ、携帯端末の低消費電力化が可能であることが実証された。

実施例４として、実施例２の構成に対して、熱伝導材料を銅板（熱伝導率３８０Ｗ／ｍＫ）に変更した。
Ｔ_Ｈ：５５℃
Ｔ_Ｌ：３０℃
Ｚ：０．０００１／Ｋ
変換効率：○

上記の結果より明らかのように、本実施例のエネルギー回生機構によれば、実施例１と同様に、熱伝導材料の種類に関係なく、廃熱エネルギーを電気エネルギーに高効率で率換することができ、携帯端末の低消費電力化が可能であることが実証された。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００ 携帯電話
１１０ 筐体
１２０ 基板
１３０ 電池
１４０ 熱電変換素子
１５０ 蓄電器
２００ 携帯電話
２１０ 筐体
２３０ 電池
２４０ 熱電変換素子
２５０ 蓄電器

Claims (8)

1. 電子機器におけるエネルギーを回生するエネルギー回生機構であって、
   前記電子機器の電子部品が電気的に駆動することによって放出される熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、
   前記電子部品から放出される熱エネルギーが拡散しないよう、前記電子部品及び前記熱電変換素子を収める前記電子機器の筐体と
   を備えるエネルギー回生機構。
2. 前記熱電変換素子は、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子である
   請求項１に記載のエネルギー回生機構。
3. 前記熱電変換素子は、ビスマス・テルル系材料を利用した素子である
   請求項１又は２に記載のエネルギー回生機構。
4. 前記熱電変換素子は、アンチモン酸亜鉛を利用した素子である
   請求項１又は２に記載のエネルギー回生機構。
5. 前記電子機器の電子部品が電気的に駆動することによって放出される熱エネルギーを伝導する熱伝導部材を更に備え、
   前記熱電変換素子は、前記熱伝導部材に伝導している熱エネルギーを電気エネルギーに変換する
   請求項１乃至４のいずれかに記載のエネルギー回生機構。
6. 前記熱電変換素子によって変換された 電気エネルギーを蓄電する蓄電手段
   を更に備える請求項１乃至５のいずれかに記載のエネルギー回生機構。
7. 前記電子機器は、前記電子部品を冷却するための手段を備えていない機器である
   請求項１乃至６のいずれかに記載のエネルギー回生機構。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載のエネルギー回生機構を有する電子機器。

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