JP2013045929A - 温度差発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロウソクやオイル等の汎用の熱源を利用し、小型で高効率の温度差発電装置を提供する。
【解決手段】熱電変換素子２の両側に加熱板３と放熱板４を張り合わせ、熱源を格納した筐体５の上部開口に配置する。加熱板３は、この開口の一部を塞ぎ、空気が筐体５に出入りするための通気口９を設ける。この通気口９から、熱源へ外気が供給される。同時に、熱源の燃焼による高温ガスが加熱板３を加熱しながらこの通気口９から排出される。放熱板４は、放熱を助長するためにヒートパイプ８が接着され、その近傍にファンが設置される。ファンは、熱電変換素子２から出力される電力で駆動し、その回転で、その周囲の空気を強制的に流し、放熱を助長し、温度差発電装置１の発電効率を向上させる効果を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロウソク等の燃焼時の熱エネルギーを利用して電気エネルギーに変換する温度差発電装置に関する。更に詳しくは、特にロウソク等の燃焼時に排出される高温空気と外気温度の温度差を利用し、熱電変換素子を使用して電気エネルギーに変換する温度差発電装置に関する。

地震、津波等の自然災害、大規模事故のとき、被災者にとっては、通信手段、情報収集手段が求められ、従って、これらの通信手段、情報収集手段用等のための電源確保が重要である。これらの電源は、大きな電圧出力のものは必要ではなく、数ボルト程度の出力があれば、最低限の用途に利用できる。これらの状況を鑑みて、自然エネルギーを利用した装置やシステムがあり、例えば、風力発電装置、太陽光発電装置、熱電変換装置等が多数提案されている。

風力発電装置は、大きなモータを有し、数ボルト程度発電する装置でも、重く携帯用として不向きである。これに比べ、太陽光発電装置は掌程度の小型の装置が実現できるものの、太陽光に頼るので、いつでも利用できるとは限らない。熱電変換装置は、排熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、トムソン効果を伴うもの、ペルチェ効果を伴うもの、ゼーベック効果を伴うものが知られている。この中で特にゼーベック効果を伴う温度差発電素子を組み込んだ温度差発電装置が注目されている。

温度差発電装置の場合は、小型のものができる。温度差発電は、異なる２種類の金属や半導体に温度差を設けると直流の起電圧が発生する物理現象を利用するもので、一般的にゼーベック効果と呼ばれている。このゼーベック効果を利用するゼーベック素子は、ｐ型熱電材料とｎ型熱電材料を交互に配置して構成される素子であり、熱エネルギーの温度差が生じたときに電子が活性化され、ｎ型熱電材料は高温側、ｐ型熱電材料は低温側へ拡散し電流が流れ、電気エネルギーに変換される。

このときの起電圧は、温度差が大きければ大きいほど大きな起電圧が発生する。温度差発電のための温度差を作るためには、必ず高温熱源と低温熱源の２つが必要である。高温熱源には、自然高温熱源と人工高温熱源がある。自然高温熱源の例としては、マグマ熱、太陽熱、温泉の源泉、高熱岩盤、地中熱などある。人工高温熱源の例は、工場や製鉄所の廃熱、エンジン（自動車・バイク）廃熱、電車のモータやブレーキの廃熱、厨房ガスレンジ・給湯器の廃熱、風呂釜の廃熱、パソコンやサーバーの廃熱、摩擦熱、原子力発電所の廃熱、等々、様々な廃熱がある。

低温熱源では、自然冷温熱源の例として空気、地下水、川の水、海水などがある。人工低温熱源には、直流（ＤＣ）ファン、液化天然ガス（ＬＮＧ）基地などがある。ゼーベック温度差発電の利点は、片手で持てるぐらいの小型化可能である点である。更に、ゼーベック素子は、半導体であるため機械稼動部分がなく、低温度差発電では、特に、発電装置の長寿命化が期待できる。被災者が手軽に購入でき、かつ、持ち運びやすい小型の発電ユニットも多数提案されている。

例えば、電気絶縁体間にＮ型半導体とＰ型半導体を有する電極体が設けられ、一方の電気絶縁体に冷水部が設けられ他方の電気絶縁体に温泉等の温水部が設けられるようにした発電ユニットが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３４２７３号公報

以上記載した従来の装置は、自然エネルギーや排熱を利用する技術として提案されているものであるが、ほとんどは発電効率も悪く、まだ改善の余地があるものである。しかしながら、ゼーベック温度差発電は、小型化ができる利点があるが、従来は、ゼーベック素子自体の発電効率の改良の研究がほとんどである。ゼーベック温度差発電の利点を引き出し、発電装置として効率よく発電するものが求められている。無論、災害時、平時でも電源確保ができないときに、携帯できる小型の発電装置が求められている。

本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、汎用の熱源を利用し、小型で高効率の温度差発電装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、特に、ロウソクや汎用オイルの燃焼熱を利用して発電し、携帯することが可能な温度差発電装置を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の温度差発電装置は、温度差により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、前記熱エネルギーを発する熱源を区画するためのもので、上部が開口した中空の筐体と、
外気が前記熱源へ供給され、前記熱源の燃焼による高温の排気ガス及び／又は前記熱源で加熱された空気である高温ガスが前記筐体から排出されるための通気口を設け、かつ、前記開口の一部を塞いで前記筐体の上側に配置されたもので、前記熱電変換素子の高温側に張り合わされた加熱板と、前記熱電変換素子の低温側に張り合わされた放熱板と、前記熱電変換素子から出力される電力で駆動するもので、前記放熱板の周囲に配置され、前記放熱板の空冷を促進するためのファンと、及び、前記ファンの回転速度を制御し、前記放熱板の前記空冷を制御して、前記熱電変換素子の出力電圧又出力電力を最大にするための制御手段とからなることを特徴とする。

前記加熱板は、前記熱源から上昇して流れる前記高温ガスの流れと直交するように配置されていると良い。前記加熱板は、前記熱電変換素子の前記高温側に張り合わされず、かつ、前記加熱板と所定の角度を有する１以上のプレートに連続的に接続され、前記高温ガスが前記加熱板と接触した後で、前記プレートを接触しながら流れて前記筐体の外へ排出されると良い。
前記放熱板は、外周に複数のフィン又はヒートパイプを設けた構成のものであると良い。
前記放熱板は、外気側に複数のフィン又はヒートパイプを有して設けられていると良い。

前記筐体は、耐熱ガラスであると良い。
前記放熱板の前記ヒートパイプは、中間部が曲部を有して端部が外方へ張り出し空気との熱交換により放熱する空冷であると良い。
前記加熱板は、前記高温ガスの排気方向に付けた多数の板からなると良い。
前記熱源は、ロウソク、灯油又はナフサを燃料に用いたオイルライタ、及び、ブタンガスを燃料に用いたガスライターから選択される１熱源であると良い。

前記制御手段は、直列に接続された直流−直流変換器、定電流ダイオード、及び前記ファンからなる制御回路からなり、
前記制御回路は、前記熱電変換素子と並列に接続され、
前記温度差発電装置の発電で稼働する負荷を接続するための出力端子は、前記制御回路と前記熱電変換素子の接続点に接続されていると良い。

前記制御手段は、直流−直流変換器、前記ファン、ＣＰＵ、スイッチからなる制御回路からなり、
前記制御回路は、前記熱電変換素子と並列に接続され、
前記直流−直流変換器、前記スイッチ、及び、前記ファンは直列に接続されてから前記熱電変換素子に並列に接続され、
前記ＣＰＵは、前記熱電変換素子の出力端子、前記ファンからデータを取得し、
前記ＣＰＵは、前記ファンへの供給される電流を前記スイッチによって制御し、
前記温度差発電装置の発電で稼働する負荷を接続するための出力端子は、前記制御回路と前記熱電変換素子の接続点に接続されていると良い。

前記制御回路は、直流−直流変換器、前記ファン、及び、ＣＰＵからなる制御回路からなり、
前記直流−直流変換器と前記ファンは、直列に接続されてから前記熱電変換素子に並列に接続され、
前記ＣＰＵは、前記熱電変換素子の出力端子、前記ファンからデータを取得し、
前記ＣＰＵは、前記ファンの回転速度を設定して制御し、
前記温度差発電装置の発電で稼働する負荷を接続するための出力端子は、前記制御回路と前記熱電変換素子の接続点に接続されていると良い。

前記温度差発電装置は、前記ＣＰＵに接続され、前記制御を行うための制御プログラム、及び、前記プログラムの動作中のデータを格納するメモリを有すると良い。
前記負荷は、映像装置、可視光線を発する発光装置若しくは発光素子、前記温度差発電装置で発電された電力を蓄積するためのバッテリ、通信装置、及び、ラジオから選択される１装置であると良い。

本発明によると、次の効果が奏される。
本発明の温度差発電装置によると、ロウソク等の汎用の熱源を利用して発電し、携帯可能なコンパクトな形態にしたことで、小型で高効率の温度差発電装置になった。

図１は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１の概要を図示している投影図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１の空気の流れの概要を示す正面図である。 図３は、本発明の温度差発電装置１のヒートパイプ８が（多数のフィン１０を有する構造例を示す正面図である。 図４は、本発明の温度差発電装置１のプレート３ａがフィン３ｂを有する例を図示した投影図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１の回路の例を示す回路図である。 図６は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１の回路の他の例を示す回路図である。 図７は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１の回路の他の例（ＣＰＵを用いた制御）を示す回路図である。 図８は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１の回路の他の例（ＣＰＵを用いた制御）を示す回路図である。 図９は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１をＣＰＵで制御する手順（図７の回路の例）を示すフローチャートである。 図１０は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１をＣＰＵで制御する手順（図８の回路の例）を示すフローチャートである。 図１１は、本発明の第１の実施の形態の温度差発電装置１に照明５１を付けた実施例を示す正面図である。 図１２は、本発明の実施例の測定回路を示す回路図（ファン無し）である。 図１３は、本発明の実施例の測定回路を示す回路図（ファンあり）である。 図１４は、本発明の実施例の熱電変換素子２の出力電圧を測定した結果を示すグラフである。 図１５は、本発明の実施例の熱電変換素子２（ファンが無い場合）の高温側と低温側の温度を測定した結果を示すグラフである。 図１６は、本発明の実施例の熱電変換素子２（ファンがある場合）の高温側と低温側の温度を測定した結果を示すグラフである。 図１７は、本発明の実施例の熱電変換素子２の出力電力を測定した結果を示すグラフである。

本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１には、本発明の温度差発電装置１の概要を図示している等角投影図である。温度差発電装置１は、熱電変換素子２、加熱板３、放熱板４、筐体５等からなる。熱電変換素子２は、温度差により熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。熱電変換素子２は、図示しないが、発電された電気エネルギーを負荷に供給するために、出力端子を有する。加熱板３は、熱源の熱エネルギーを熱電変換素子２に伝熱するためのものであり、熱電変換素子２の高温側に張り合わされる。

放熱板４は、熱電変換素子２の低温側に張り合わされたもので、熱電変換素子２を冷却し、熱電変換素子２の高温側との温度差を実現するためのものである。筐体５は、熱源を格納するためのものであり、熱源から発された熱エネルギーを、加熱板３に導くためのものでもある。本実施の形態においては、筐体５は、中空の箱形をしている。筐体５の上部は、上部が開口している。筐体５の中には、熱源が配置されている。

熱源は、熱電変換素子２の高温側を加熱するものであれば、既知の任意の熱源を利用できるが、本実施の形態においては、ロウソク６を熱源として用いている。ロウソク６は、筐体５の底面に配置された置き皿７上に配置されている。ロウソク６は、燃焼すると高温の燃焼ガスを排出すると共に、その燃焼の熱によって周囲の空気も高温になる。これらの高温の燃焼ガスと高温の空気は、合わせて高温ガスとする。熱電変換素子２は、本実施の形態においては、板状の形状をし、その両面には、加熱板３と放熱板４が張り合わされている。熱電変換素子２と加熱板３、熱電変換素子２と放熱板４との接着又は固定は、接着剤を用いる等の既知の任意の接着手段又は固定手段を利用する。

筐体５の上部の開口には、加熱板３、熱電変換素子２、放熱板４の順位に設置される。ロウソク６から見ると、加熱板３のみが見える。筐体５の上部の開口には、この開口を加熱板３で全部塞がれることが無く、新鮮な空気の取り入れ、燃焼した排気ガス等の排出の隙間である通気口９を有するように設置されている。本実施の形態においては、ロウソク６の燃焼には必要な酸素等を含む外気は、通気口９からのみ供給され、ロウソク６の燃焼による高温ガスもこの通気口９から排出される。

筐体５は、本実施の形態では、骨組みは金属製であり、筐体５の各面は、透明板で塞がれている。よって、筐体５内で燃焼しているロウソク６は、この透明板を通してその周囲を照らす役割もする。この透明板は、ロウソク６等の熱源の熱に対して耐熱構造で、透明であれば任意の材料が利用できる。例えば、透明板には耐熱ガラスが利用できる。ロウソク６の炎６ａは、加熱板３を直接加熱させてもよいが、ロウソク６の燃焼による高温ガスが加熱板３と接触し、高温ガスと加熱板３の間に熱交換が行われることで、加熱板３を加熱することが好ましい。

よって、ロウソク６の炎６ａで加熱された空気は、通常は、上側へ上がるので、この加熱効率を上げるためには、加熱板３はロウソク６の炎６ａの燃焼する鉛直方向と直交する面に配置される。よって、図２に図示したように、加熱板３はロウソク６の上に、正確にはロウソク６の炎の上面側に配置されている。加熱板３は、熱電変換素子２の高温側に直接張り合わされている。加熱板３は、プレート３ａに接続されている。プレート３ａは、熱電変換素子２の高温側に張り合わされず、かつ、加熱板３と所定の角度を有する。

加熱板３とプレート３ａは、一枚の金属板であり、図１と図２に示すように、その中部が加熱板３になり、その中部の両側が少し折り曲がって、プレート３ａになったものである。図１の例では、加熱板３が１枚、プレート３ａは加熱板３の両側に設置された２枚になっている。プレート３ａは、熱源で加熱された熱気が、ヒートパイプ８へ直接流れて、接触しないように熱気の流れを変えるためのものである。また、プレート３ａは、加熱板３の熱がプレート３ａを伝熱して放熱され、加熱板３と熱電変換素子２が必要以上に過熱することを防ぐ役割をする。また、プレート３ａは、加熱板３と接触した熱い空気が流れて排出されるための排出路の役割をする。

プレート３ａの下面は、熱い空気が接触しながら流れ、プレート３ａの上面は、外気と接触して、熱を放熱するものである。よって、筐体５内の高温ガスが加熱板３と接触した後で、プレート３ａを接触しながら流れて筐体５からその外へ排出される。ロウソク６等を熱源に用いた温度差発電装置１においては、空気の流れがとても重要である。高温ガスなどの空気は、図２に矢印で図示したように、開口している通気口９から排気され、同じ通気口９から新鮮な空気が供給される。ここでは、筐体５から外側へ向かう矢印９ａで、高温ガスの流れを、外側から筐体５内へ向かう矢印９ｂで外気の流れを図示している。

ロウソク６の燃焼時は、その炎６ａで加熱された高温ガスは上昇して流れるため、通気口９から供給された新鮮な空気は、筐体５の壁とロウソク６の間を流れて下降し、ロウソク６の下からのみロウソク６の燃焼に供給される。加熱板３は、筐体５に既知の固定手段で固定される。例えば、加熱板３は、図示しないが、筐体５の骨組みに固定ネジや接着剤等で固定される。また、加熱板３と筐体５の骨組みは、金属なので互いに溶接で固定することもできる。

放熱板４は、図１の例では、板状の形状をし、その一面は熱電変換素子２の低温側に張り合わされ、その他面は外気に接触するように配置されている。放熱板４は、その放熱機能を高めるために、複数のヒートパイプ８を有する。ヒートパイプ８は、中空の金属パイプであり、その一端が放熱板４に直接固定され、他端が外気に曝されている。ヒートパイプ８は、放熱板４の外周に固定され、その中間部が曲部を有して端部が外方へ張り出し空気に浸る構成のものである。

ヒートパイプ８は放熱板４に溶接で固定される。又は、ヒートパイプ８は放熱板４に接着剤でも固定することができる。図１に図示したように、本実施の形態の例では、プレート３ａが２枚にのみになっているが、加熱板３の周囲に４枚又は１枚を配置する等のように、任意の数にすることができる。加熱板３は、本実施の形態おいては、１枚のみなっているが、排気方向に付けた多数の加熱板３を重なった構造にすることができる。ヒートパイプ８についても、図中８本になっているが、熱電変換素子２の放熱が効率よく行われるのであれば、任意の数にすることができる。

また、ヒートパイプ８は、放熱板４の上側等のように、放熱板４の任意の外気側に設けることができる。図３に図示したように、ヒートパイプ８は、放熱を助長するために複数のフィン１０を有する。温度差発電装置１は、放熱板４及び／又はヒートパイプ８の周囲に配置され、放熱板４の空冷を促進するためのファン１１を有する。図３の例では、ファン１１は、フィン１０の正面に固定されている。ファン１１は、基本的に、熱電変換素子２から出力される電力で駆動する。

ファン１１は、回転するモータ（図示せず。）と、モータのローターに固定された羽根１１ａ、羽根１１ａの周囲に設置された筐体１１ｂからなり、汎用のものである。ファン１１は、汎用の任意のものを用いるが、ファン１１は、その回転数を調整できるものと、できないものがあり、それを制御するための回路を上述する。熱電変換素子２は、異なる種類の半導体からなるゼーベック素子である。ゼーベック素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体を導体でサンドイッチした構造で、ゼーベック素子の下を加熱し、素子の上を吸熱するとＮ型半導体とＰ型半導体の間に直流の起電圧が発生する。

ゼーベック素子の起電圧は、Ｎ型半導体が＋電位、Ｐ型半導体が−電位になり、逆に、ゼーベック素子の上を加熱し、素子の下を吸熱するとＰ型半導体が＋電位に、Ｎ型半導体が−電位になる。このときの起電圧は、温度差が大きければ大きいほど大きな起電圧が発生する。本発明の温度差発電装置１は、熱電変換素子２そのもの発明ではなく、汎用の熱電変換素子２を用いて、効率よく発電する温度差発電装置１の発明なので、熱電変換素子２の詳細な構造及び動作については、省略する。

図４は、フィン３ｂを有するプレート３ａの例を図示している。フィン３ｂは、細長い板状である。フィン３ｂは、プレート３ａに、プレート３ａと加熱板３との接続線に直行するように、配置されている。高温ガスが通気口９から排出されるとき、フィン３ｂの間を流れるように排出される。同じく、新鮮な空気も、フィン３ｂの間を流れながら通気口９から筐体５内に入る。高温ガスがフィン３ｂとは、熱交換しながら流れる。

〔回路〕
温度差発電装置１の電気回路は、図５に例示している。ロウソク６等の熱源２１の熱は、熱電変換素子２を加熱する。熱電変換素子２は、電気回路では、内部抵抗素子Ｒｉと直流起電圧Ｖとして表す。以下、この内部抵抗素子Ｒｉとこの直流起電圧Ｖは、合わせて電源回路２２という。ファン１１は、電源回路２２の出力に並列に接続される。ファン１１は、電源回路２２が出力する電力を受けて回転し、周囲の空気を強制的に流すものである。

ファン１１への電流制限を行うために定電流ダイオード２３をファン１１と直列に接続している。言い換えると、定電流ダイオード２３とファン１１は直列に接続されてから、電源回路２２に並列に接続されている。定電流ダイオード２３は、不安定な電圧でも一定の電流を供給できるものである。電源回路２２の出力電圧が変動するとき、定電流ダイオード２３は、一定の電流をファン１１に供給でき、ファン１１の動作が一定になる。更に、定電流ダイオード２３は、ファン１１の消費電力が一定の値を超えないように制限するものである。温度差発電装置１の電気出力を示す出力端子２５は、電源回路２２の出力になっており、電源回路２２とファン１１の接続点に接続されている。

負荷２７は、この出力端子２５に接続される。これにより、負荷２７は、温度差発電装置１で発電された電力で稼働する。負荷２７は、既知の任意の電気装置や素子が利用できる。負荷２７としては、映像装置、可視光線を発する発光装置若しくは発光素子、バッテリ、通信装置、ラジオ等が例示できる。図６には、直流−直流変換器２４を有する別の回路の例を図示している。図６の回路構成は、図５の回路と同じであるが、直流−直流変換器２４が定電流ダイオード２３とファン１１に直列に接続されている。

直列に接続された直流−直流変換器２４、定電流ダイオイード２３、及びファン１１は、電源回路２２に並列に接続されている。直流−直流変換器２４は、入力された直流電圧を所定の電圧に変換し、一定の電圧の出力をするものである。ファン１１の定格電圧は、例えば、１．２Ｖ、１．５Ｖ、３．５Ｖ、５Ｖ等であり、使用するファンによって異なる。そのため、直流−直流変換器２４は、電源回路２２の出力電圧を、ファン１１の定格電圧に変換するものである。

図７には、温度差発電装置１の別の回路例を図示している。この回路例では、ＣＰＵ（中央処理装置）２６を利用して、温度差発電装置１の回路制御をし、ファン１１の制御動作を実現している。具体的には、ＣＰＵ２６でスイッチ２８を制御して、ファン１１へ供給される電流を制御している。スイッチ２８は、スイッチング動作が高速という特徴がある電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなると良い。スイッチ２８は、それを接続する回路を接続又は遮断するためのものである。直流−直流変換器２４、スイッチ２８、及び、ファン１１は直列に接続されてから、電源回路２２と並列に接続されている。

直流−直流変換器２４とスイッチ２８の接続点は、ＣＰＵ２６に接続され、ＣＰＵ２６に電源供給をする。直流−直流変換器２４は、電源回路２２の出力電圧を、ＣＰＵ２６の動作電圧に変換するものである。つまり、ファン１１もＣＰＵ２６も同じ電圧で稼働する。もし、ファン１１とＣＰＵ２６が異なる電圧で稼働する場合は、図示しないが、必要に応じて抵抗器を用いて電圧降下を実現する。ＣＰＵ２６は、電源回路２２の出力端子、ファン１１に接続され、それらのデータを取得している。

ＣＰＵ２６は、任意のものが利用できるが、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）機能を備えたワンチップＣＰＵが好ましい。このＰＷＭ機能は、パルス信号のパルス幅を長くしたり、短くしたりして、電流や電圧を制御するためのものである。図７の例では、ＣＰＵ２６から出力された制御信号に基いて、スイッチ２８のＦＥＴのゲート入力にＣＰＵ２６からのＰＷＭ信号を加え、ＦＥＴのソース−ドレイン間の電流を制御する。このように、スイッチ２８のＦＥＴをＯＮ／ＯＦＦ動作させる。このＰＷＭ機能による制御は、コイルを含む回路等の電圧制御によく用いられているもので、詳細な説明は省略する。

ＣＰＵ２６は、電源回路２２の出力端子でその出力電圧、ファン１１からはその回転速度等の稼働データを取得して、それらのデータを用いて、ファン１１の稼働最適値を計算し、スイッチ２８をＯＮ／ＯＦＦ制御して、ファン１１への供給電流を制御する。ＣＰＵ２６は、図示しないがメモリに接続され、メモリに格納されている制御プログラムによって動作する。このメモリは、ＥＰＲＯＭ等でできたＲＯＭであることが好ましい。ファン１１がその回転速度を制御する機能を持たない場合、この図７の電気回路による制御が好ましい。

制御プログラムは、基本的に、アセンブラ等の機会言語で記述されてプログラムである。ファン１１としては、例えば、一般的に、パソコン等の内蔵半導体素子を冷却するために利用しているファンが利用できる。ファン１１は、基本的に、モータを有する機械部品であり、所定の一定の電圧にならないと回転しない。よって、熱電変換素子２で発電された電圧を、所定の電圧に変換するために、直流−直流変換器２４を設けている。言い換えると、直流−直流変換器２４は、熱電変換素子２で発電された電圧を、ファン１１の定格電圧になるように、電圧変換するための電圧変換器である。

熱電変換素子２は、一例では、１Ｖ未満から２Ｖ程度の電圧出力であり、これをファン１１の稼働電圧５Ｖ、３．５Ｖに直流−直流変換器２４で昇圧する。ファン１１は、任意の既知のモータを利用できるが、ブラシレスタイプのモータであると稼働時静かであり好ましい。ファン１１は、その回転によってその周囲の空気の流れを助長し、放熱板４、ヒートパイプ８を空冷する働きをする（図３を参照。）。よって、ファン１１は、図５のように必ずしも昇圧回路を必要としないが、直流−直流変換器２４等の昇圧回路を用いると、ファン１１は安定して動作する。

本発明の温度差発電装置１がファン１１を有するので、その発電した電力をファン１１のために使うので、発電効率が悪くなるように思われる。しかし、ファン１１を回転させることで、放熱効率を上げ、従って、温度差発電装置１は、総合的に発電効率が上がる。
図８には、温度差発電装置１の他の回路例を図示している。この回路例では、ＣＰＵ（中央処理装置）２６を利用して、ファン１１の回転速度を制御している。この場合は、ファン１１がその回転速度を調整する機能を有ものである。

直流−直流変換器２４とファン１１は直列に接続されてから、電源回路２２と並列に接続されている。直流−直流変換器２４とファン１１の接続点は、ＣＰＵ２６に接続され、ＣＰＵ２６に電源供給をする。ＣＰＵ２６は、電源回路２２の出力端子、ファン１１に接続され、それらのデータを取得している。ＣＰＵ２６は、電源回路２２の出力端子でその出力電圧、ファン１１からはその回転速度等の稼働データを取得して、それらのデータを用いて、ファン１１の稼働最適値を計算し、ファン１１の回転速度を制御する。

ＣＰＵ２６は、図示しないがメモリに接続され、メモリに格納されている制御プログラムによって動作する。このメモリは、上述した通りである。図９には、制御プログラムの動作を示すフローチャートの一例を図示している。制御プログラムは、図７の回路を例にしている。制御プログラムは、ＲＯＭ等のメモリから読み出されてメモリのＲＡＭ（図示せず。）に展開される（ステップ１、２）。これにより、制御プログラムに記述された命令は、ＣＰＵ２６に順番に読み出されて、それらの命令によって温度差発電装置１を制御し始める（ステップ３）。

まずは、制御プログラムによって、メモリに保存された温度差発電装置１の設定値等を読み出して、初期化を行う（ステップ４）。その後、電源回路２２の出力端子２５のデータを取得する（ステップ５）。データとしては、基本的に、出力端子２５の出力電圧である。最後は、ファン１１の回転速度等の稼働データを取得する（ステップ６）。出力端子２５の出力電圧とファン１１の稼働データを用いて、ファン１１の稼働最適値を計算する（ステップ７）。この稼働最適値とは、温度差発電装置１の発電効率の最大化を意味する。又は、負荷２７が温度差発電装置１に接続された状況では、負荷２７が動作するに最適な温度差発電装置１の発電効率である。

〔稼働最適値の計算〕
ここで、稼働最適値の計算の一例を示す。稼働最適値の計算は、負荷を考慮しなければならないが、基本的に、熱電変換素子２の発電最大値を求めることである。熱電変換素子２が熱源で加熱されていると、徐々に電変換素子２の温度が上昇し、さらに、放熱板４の温度も上昇し、電変換素子２の温度差が縮まってくる。この温度差の縮小は、出力端子２５の電圧の低下を招き、結果的に発電効率が落ちる。そこで、ファン１１を回転させて放熱板４の温度を下げる。ファン１１の回転を大きくすれば、放熱板４の周囲の空気を多く流し、放熱板４の放熱効果が大きくなる。

ファン１１の回転は、その仕様上、消費電力の上限値があり、それ以上に回転速度を上げることはできない。消費電力の上限値は、使用最大電圧と消費最大電流で決まる。直流―直流変換器２４では、電変換素子２の出力電圧を、ファン１１の使用電圧に変換している。CPU２６は、スイッチ２８を制御して、ファン１１へ供給される電流の増減を制御している。よって、CPU２６は、ファン１１の回転数を多くするとき、ファン１１へ供給される電流を増加させるように制御する。また、CPU２６は、ファン１１の回転数を少なくするとき、ファン１１へ供給される電流を減少させるように制御する。

温度差発電装置１の立ち上がりの時は、特に、ファン１１による放熱板４の冷却は必須ではない。しかし、このとき、ファン１１を最低限稼働させることができる。温度差発電装置１が稼働開始してから、通常（室温２５℃で）は、数分で、例えば、１〜２分で、放熱板４の冷却を開始しなければならない。温度差発電装置１が稼働開始してから、出力電圧が上昇し、最大値に達してから下がる。ファン１１があると、その下がり幅が少なくすみ、そしてほぼ一定の電圧になる。結果的に、稼働最適値の計算は、温度差発電装置１が稼働開始してから、ファン１１をいつ稼動させるかを決定する。

ファン１１を稼働させる時期は、上述のように、稼働最適値の計算では、温度差発電装置１が稼働開始してから所定の時間経過後、例えば１〜２分、または、熱電変換素子２の出力電圧が低下し始めたときである。その後は、熱電変換素子２の出力電圧が低下を続けている間は、ファン１１の回転数を増加させる。ファン１１の回転数を変化したらすぐに放熱効果が現れるものではなく、通常は、数秒〜数十秒を要する。そのため、上述のステップ５、６の稼働データの取得は、数秒〜数十秒以上の時間間隔、例えば、１秒、２秒、３秒、５秒、１０秒、３０秒、１分の時間間隔で、取得し、稼働最適値の計算をする。

稼働最適値の計算のもう一つの制御方法は、ファン１１の回転数と熱電変換素子２の出力電圧を、稼働データを取得した最後の時間から遡って、１０秒、２０秒、３０秒、１分、２分等のように、測定所定期間で統計処理して、制御する。このとき、測定所定期間で、熱電変換素子２の出力電圧が低下しているか上昇している安定しているか等の傾向を計算して、ファン１１の回転数を増やすか減らすか維持するかを決定する。この統計処理に関しては、測定所定期間中の出力電圧の平均値、標準偏差値、標準誤差値等のような任意の統計用計算方法が利用できる。

温度差発電装置１が稼働して安定動作になったとき、ファン１１の回転数を増減して、温度差発電装置１の出力電圧を最大値に保つ。このときの制御は、熱電変換素子２の出力電圧が低下したら、ファン１１の回転数を増加させる。この増加によって、熱電変換素子２の出力電圧がさらに低下するようであれば、ファン１１の回転数を減少させる。熱電変換素子２の出力電圧が低下したら、ファン１１の回転数を増加させ、この増加によって、熱電変換素子２の出力電圧が上昇すれば、ファン１１の回転数をさらに増加させる。この制御を繰り返すことで、温度差発電装置１が稼働最適値で稼働する。

ここで、稼働最適値は、熱電変換素子２の出力電圧を監視して行なったが、熱電変換素子２の出力電力で計算しても良い。熱電変換素子２の出力電力の場合は、上述の熱電変換素子２の出力電圧の制御と同じであるが、ファン１１の稼働時の回転数からその消費電力を予想できるので、稼働最適値の計算がより正確になる。つまり、CPU２６は、取得したファン１１の回転数からその消費電力を計算し、熱電変換素子２の出力電圧と、ファン１１の消費電流、熱電変換素子２の内部抵抗から、熱電変換素子２の出力電力を計算する。この計算式の例は、図１３に示している。

上述のステップ４の初期化は、制御プログラムによって、出力端子２５からのデータ取得、ファン１１の回転数の取得が正常に行われるのか、否かを確認し、正常でなければ、通知手段で通知し、終了する。この通知手段は、CPU２６に接続されたＬＥＤ等の点灯手段、スピーカであると良い。正常の場合は、続けて、動作し、ステップ５へ移る。また、初期化では、必要であれば、熱電変換素子２の内部抵抗、最大出力電圧、ファン１１の定格電圧、最大消費電流、最大消費電力、ファン１１の稼動開始時間、出力端子２５からデータを取得する間隔、ファン１１からデータを取得する間隔等がメモリから読み出されて、制御プログラムの初期値として設定される。

温度差発電装置１の発電効率の最大化になったとき、負荷２７に必要な電力以上の電力が発電された場合は、この余分な電力は、図示しないが蓄電池に蓄電されると良い。ファン１１の稼働最適値の計算が終了すると、この計算結果に基いて、ファン１１の動作を制御する。この例では、ファン１１のスイッチ２８を接続、切断することで、ファン１１の稼働を制御、詳しくは、ファン１１の回転速度を制御する（ステップ８）。その後、ステップ５からの制御を再開する。図１０には、制御プログラムの動作を示すフローチャートの他の例を図示している。制御プログラムは、図８の回路を例にしている。

制御のステップは、図９のフローチャートと同じであるがステップ７に示すファン１１の稼働最適値の計算が終了すると、この計算結果に基いて、ファン１１の動作を制御する。この例では、ファン１１を直接制御して、ファン１１の回転速度を制御している（ステップ９）。その後、ステップ５からの制御を再開する。上述の通り、ファン１１の制御は、ファン１１への電流を大きくして、その回転速度の高速化、ファン１１への電流を少なくして、その回転速度の減少化である。図８に示すように、この制御は、回転速度を設定できるファン１１の場合、ファン１１の回転速度を大きく、又は小さくして行われる。

この制御、稼働最適値の計算は、上述の図９のフローチャート、図７の回路と同じである。出力端子２５の電圧に比例して、次のような制御になる。現実的には、出力端子の電圧が上がった場合は、ファン１１の回転数を高速化し、出力端子の電圧が下がった場合は、ファン１１の回転数を少なくする制御になる。というのは、出力端子２５の電圧が上がると、熱電変換素子２の温度差が大きくなったことを意味し、空冷が必要になる。よって、ファン１１を高速回転させて、放熱板４をもっと空冷する必要になるからである。

〔その他〕
加熱板３、放熱板４、ヒートパイプ８等は、銅、アルミ、それらの合金等の伝熱性が良い材料が用いる。熱源は、上述の通り、ロウソク６になっているが、灯油又はナフサを燃料に用いたオイルライタを用いたガスライターが利用できる。また、熱源は、ブタンガスを燃料に用いたガスライターも利用できる。また、これらの液体燃料等を用いた液体キャンドルも用いることができる。

図１１には、温度差発電装置１の用途の一例を図示している。温度差発電装置１は、上述の通り、フィン１０とファン１１を備え、照明５１に電力供給を行っている。照明５１は、基板５０の上に設置されたもので、基板は、ヒートパイプ８の上部に設置されている。この照明５１は、温度差発電装置１で発電された電力を、電線ケーブル（図示せず。）を介して受け取る。通気口９の大きさを大きくしたり小さくしたりして調整し、筐体５内への空気の供給を調整し、従って、ロウソク６の燃焼熱を調整することができる。

放熱板４は、外周及び／又は外気側に複数のフィン１０を設けた構成のものであることができる。温度差発電装置１は、汎用のロウソク６を内蔵し、掌程度の大きさである。温度差発電装置１は、このように小型であり、携帯し易く、言い換えると持ち運びやすい。熱源も汎用の物を利用するので、自然災害等の非常時に、携帯電話等の通信装置、ラジオ、携帯用テレビ、ランプ等の電源として利用できる。本発明の温度差発電装置１に接続された負荷装置には、１台の温度差発電装置１の出力電力、出力電圧が足りないとき、温度差発電装置１を２台以上（その出力端子）を並列又は直列に接続して、必要な出力電力、出力電圧を負荷装置に供給することができる。

無論、本発明の温度差発電装置１は、平時にも、装置の電力源として利用でき、電気節約にも役立つ。例えば、工事現場、キャンプ場等のように、電源が確保しにくい場面でも、温度差発電装置１を電源として利用できる。このように、温度差発電装置１はその携帯し易さ、使い易さを生かして様々な生活場面で利用できる。本発明の温度差発電装置１は、ロウソク等の汎用の熱源を利用して発電し、携帯可能なコンパクトな形態にしたことで、小型で高効率の温度差発電装置になった。

本実施例は、上述の温度差発電装置１の発電状況を測定したものである。本実施例の温度差発電装置１は、図３に示すものであり、ファン１１を有するものと、ファン１１が無いものの動作を比較したものである。本実施例の温度差発電装置１の回路図を、図１２と図１３に図示している。図１２のファン１１がない場合は、ファン１１、定電流ダイオード２３、直流−直流変換器２４等が無い回路である。図１３のファン１１がある場合は、熱電変換素子２の出力電圧を直接測定し、直流−直流変換器２４とファン１１を直列に接続して、出力端子２５の電圧を測定した。

図１３に示すように、電流計を、直流−直流変換器２４とファン１１に直列に接続して、直流−直流変換器２４へ供給される電流を測定した。電圧の測定は、熱電変換素子２の出力のオープンの電圧を測定した。この測定は、熱電変換素子２の出力電圧が一定の値に落ち着くまで行った。本実施例の温度差発電装置１のロウソク６は、大径が４ｃｍ、長さが２．５ｃｍのものを使用した。ロウソク６の芯は、升田養蜂場（本社：広島県三次市）製、ロウソク専用芯Ｎｏ１にした。また、本実施例の温度差発電装置１の熱電変換素子２の温度を、温度計で測定した。

温度計（熱電対）は、銅製の加熱板３と、アルミニウム製の放熱板４（ヒートシンク）の熱電変換素子２（ゼーべック素子）に一番近い部分に接着した。まず、図１２と図１３の回路で示すように、電圧計と電流計を接続して、熱電変換素子２の出力電圧を測定した。この電圧の測定は、日置電機株式会社（本社：長野県上田市）製のデータロガー（型番MEMORY HiCORDER 8870）を用いて測定した。ファンがある場合は、電流計を目視し１秒毎に記録した。ロウソク６を点灯せずに測定を開始してから、ロウソク６を点火させた。出力端子２５のオープン電圧が所定の値に落ち着いたら、データロガーの測定を停止して、測定を終了した。次の表１には、データロガーの設定を示している。

図１４は、オープン電圧の時間経過の測定結果を示すグラフであり、横軸は測定の経過時間、縦軸は測定された電圧である。このグラフからは、ファンがある温度差発電装置１の場合は、ファンが無い場合と比べて、出力電圧が大きいことが分かる。つまり、温度差発電装置１が起動、言い換えると熱源を点火してから、熱電変換素子２の出力電圧が上昇し、ピーク値に達した後、減少している。この減少幅は、ファンがある場合は、ファンが無い場合と比べて少ない。このピーク値に達する時間は、測定開始から数分、大体２分になっている。

図１５は、ファンが無い場合、熱電変換素子２の高温側と低温側の温度を、測定した結果を示している。図１６、ファンがある場合、熱電変換素子２の高温側と低温側の温度を測定した結果を示している。図１５と図１６の横軸は、測定時間を示し、縦軸は、測定された温度及び、出力電圧を示している。図１５のグラフからみると、熱電変換素子２の低温側の温度は、ずっと上昇し、１００℃を超えており、熱電変換素子２の高温側の温度も同じくずっと上昇し、１４０℃を超えている。

図１６のグラフからみると、熱電変換素子２の低温側の温度は、６０℃前後で一定になっており、熱電変換素子２の高温側の温度も同じく１２０℃前後に一定になっている。出力電圧も、図１５のグラフの場合２．５〜３．０Ｖになっており、図１６のグラフの場合３．０Ｖ以上になっている。高温側温度と低温側温度の差は、図１５のグラフの場合は、４０℃前後で一定なっており、高温側温度も低温側温度も測定中ずっと上昇している。高温側温度と低温側温度の差は、図１６のグラフの場合は、４０℃〜６０℃ある。

この温度差は、ファンなしの図１５のグラフの場合と比べてずっと高い値である。図１６のグラフの場合は、低温側温度が６０℃前後で一定になっており、ファン１１の影響がはっきりと確認できる。また、高温側温度は、ファン１１がある場合（図１６）は、１２０℃前後になり、ファン１１がない場合（図１５）の１４０〜１７０℃と比べ小さい値である。しかし、高温側温度と低温側温度の差は、ファン１１がある場合（図１６）がファン１１がない場合（図１５）よりずっと大きい。

これより、ファン１１がある場合（図１６）は、出力電圧が高いことがすぐ理解できる。図１７のグラフは、ファンがある場合とファンが無い場合の温度差発電装置１の出力電力を示すグラフである。このグラフの横軸は時間を示し、縦軸は出力電力を示している。このグラフからは、ファンがある場合は、測定開始直後の場合を除いて、ずっと高い値を示していることが分かる。出力電力のピーク値に達する時間は、ファンある場合とファンが無い場合の両方にとって、ほぼ同じ時間で、測定開始から数分、大体２分になっている。

本発明は、小型熱源を利用した発電する電源を用いる分野に利用するとよい。特に、自然災害や通常の電源が確保しにくい場合に、携帯用電源として利用する分野で利用すると良い。

１…温度差発電装置
２…熱電変換素子
３…加熱板
３ａ…プレート
４…放熱板
５…筐体
６…ロウソク
８…ヒートパイプ
９…通気口
１０…フィン
１１…ファン
２２…電源回路
２３…定電流ダイオード
２４…直流―直流変換器
２５…出力端子
２６…ＣＰＵ
２７…負荷
２８…スイッチ

Claims (13)

1. 温度差により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、
   前記熱エネルギーを発する熱源を区画するためのもので、上部が開口した中空の筐体と、
   外気が前記熱源へ供給され、前記熱源の燃焼による高温の排気ガス及び／又は前記熱源で加熱された空気である、高温ガスが前記筐体から排出されるための通気口を設け、かつ、前記開口の一部を塞いで前記筐体の上側に配置されたもので、前記熱電変換素子の高温側に張り合わされた加熱板と、
   前記熱電変換素子の低温側に張り合わされた放熱板と、
   前記熱電変換素子から出力される電力で駆動するもので、前記放熱板の周囲に配置され、前記放熱板の空冷を促進するためのファンと、
   前記ファンの回転速度を制御し、前記放熱板の前記空冷を制御して、前記熱電変換素子の出力電圧又出力電力を最大にするための制御手段と
   からなることを特徴とする温度差発電装置。
2. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記加熱板は、前記熱源から上昇して流れる前記高温ガスの流れと直交するように配置され、
   前記加熱板は、前記熱電変換素子の前記高温側に張り合わされず、かつ、前記加熱板と所定の角度を有する１以上のプレートに連続的に接続され、
   前記高温ガスが前記加熱板と接触した後で、前記プレートを接触しながら流れて前記筐体の外へ排出される
   ことを特徴とする温度差発電装置。
3. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記放熱板は、外周に複数のフィン又はヒートパイプを設けた構成のものである
   ことを特徴とする温度差発電装置。
4. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記放熱板は、外気側に複数のフィン又はヒートパイプを有して設けられている
   ことを特徴とする温度差発電装置。
5. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記筐体は、耐熱ガラスである
   ことを特徴とする温度差発電装置。
6. 請求項３又は４に記載の温度差発電装置において、
   前記放熱板の前記ヒートパイプは、中間部が曲部を有して端部が外方へ張り出し空気との熱交換により放熱する空冷である
   ことを特徴とする温度差発電装置。
7. 請求項２に記載の温度差発電装置において、
   前記加熱板は、前記高温ガスの排気方向に付けた多数の板からなる
   ことを特徴とする温度差発電装置。
8. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記熱源は、ロウソク、灯油又はナフサを燃料に用いたオイルライタ、及び、ブタンガスを燃料に用いたガスライターから選択される１熱源である
   ことを特徴とする温度差発電装置。
9. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
   前記制御手段は、直列に接続された直流−直流変換器、定電流ダイオード、及び前記ファンからなる制御回路からなり、
   前記制御回路は、前記熱電変換素子と並列に接続され、
   前記温度差発電装置の発電で稼働する負荷を接続するための出力端子は、前記制御回路と前記熱電変換素子の接続点に接続されている
   ことを特徴とする温度差発電装置。
10. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
    前記制御手段は、直流−直流変換器、前記ファン、ＣＰＵ、スイッチからなる制御回路からなり、
    前記制御回路は、前記熱電変換素子と並列に接続され、
    前記直流−直流変換器、前記スイッチ、及び、前記ファンは直列に接続されてから前記熱電変換素子に並列に接続され、
    前記ＣＰＵは、前記熱電変換素子の出力端子、前記ファンからデータを取得し、
    前記ＣＰＵは、前記ファンへの供給される電流を前記スイッチによって制御し、
    前記温度差発電装置の発電で稼働する負荷を接続するための出力端子は、前記制御回路と前記熱電変換素子の接続点に接続されている
    ことを特徴とする温度差発電装置。
11. 請求項１に記載の温度差発電装置において、
    前記制御回路は、直流−直流変換器、前記ファン、及び、ＣＰＵからなる制御回路からなり、
    前記直流−直流変換器と前記ファンは、直列に接続されてから前記熱電変換素子に並列に接続され、
    前記ＣＰＵは、前記熱電変換素子の出力端子、前記ファンからデータを取得し、
    前記ＣＰＵは、前記ファンの回転速度を設定して制御し、
    前記温度差発電装置の発電で稼働する負荷を接続するための出力端子は、前記制御回路と前記熱電変換素子の接続点に接続されている
    ことを特徴とする温度差発電装置。
12. 請求項１０又は１１に記載の温度差発電装置において、
    前記ＣＰＵに接続され、前記制御を行うための制御プログラム、及び、前記プログラムの動作中のデータを格納するメモリを有する
    ことを特徴とする温度差発電装置。
13. 請求項９乃至１２の中から選択される１項に記載の温度差発電装置において、
    前記負荷は、映像装置、可視光線を発する発光装置若しくは発光素子、前記温度差発電装置で発電された電力を蓄積するためのバッテリ、通信装置、及び、ラジオから選択される１装置である
    ことを特徴とする温度差発電装置。

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