JP2017093148A

JP2017093148A - 環境発電装置

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Publication number: JP2017093148A
Application number: JP2015220530A
Authority: JP
Inventors: 上野　武司; Takeshi Ueno; 武司上野; 梅田　俊之; Toshiyuki Umeda; 俊之梅田; 笠見　英男; Hideo Kasami; 英男笠見
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2017-05-25
Also published as: US20170133571A1

Abstract

【課題】筐体の外部の熱源を利用して熱電発電を行うことができる環境発電装置を提供する。【解決手段】環境発電装置は、筐体１と、熱電発電素子２と、を備える。熱電発電素子は、筐体の外面に接するように配置される。熱電材料２３と、熱電材料２４と、は交互に配置されている。各熱電材料２３の一端（上面側）は、その熱電材料２３の右側（又は左側）の熱電材料２４の一端（上面側）と、金属などの導電体（図示省略）により接続されている。また、熱電材料２３の他端（下面側）は、その熱電材料２３の左側（又は右側）の熱電材料２４の他端（下面側）と、金属などの導電体（図示省略）により接続されている。すなわち、複数の熱電材料２３，２４は、直列に接続されている。直列に接続された熱電材料２３，２４の両端には、配線５１が接続されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、環境発電装置に関する。

近年、環境中の微弱なエネルギー源から電力を得る環境発電が注目されている。環境発電の１つの方法として、熱電発電が知られている。

従来、熱電発電を利用する環境発電装置として、筐体と、筐体の内部に配置された熱電発電素子と、筐体の内部に配置された熱源と、を備えたものが提案されている。この環境発電装置では、熱電発電素子は、一端が熱源に接し、他端が筐体の内面に接するように配置されている。このような構成により、熱電発電素子の一端が熱源により加熱され、他端が筐体により冷却される。この結果、熱源発電素子の両端に温度差が生じ、熱電発電が行われる。

しかしながら、上記従来の環境発電装置では、熱電発電素子が筐体の内部に配置されていたため、筐体の外部にある熱源を利用して熱電発電を行うことができなかった。

特開２０１１−１８１８８０号公報

筐体の外部の熱源を利用して熱電発電を行うことができる環境発電装置を提供する。

一実施形態に係る環境発電装置は、筐体と、熱電発電素子と、を備える。熱電発電素子は、筐体の外面に接するように配置される。

第１実施形態に係る環境発電装置の一例を示す図。第１実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図。第２実施形態に係る環境発電装置の一例を示す図。第２実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図。第２実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図。第３実施形態に係る環境発電装置の一例を示す図。第３実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図。第３実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る環境発電装置について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る環境発電装置の一例を示す図である。図１の環境発電装置は、筐体１と、熱電発電素子２と、電源回路３と、出力端子４と、配線５１，５２と、を備える。

筐体１は、内部に電源回路３などの電子機器を収納可能な容器である。筐体１は、熱電発電素子２の一方の面を冷却するヒートシンクとしての役割を果たす。このため、筐体１は、熱伝導率が高い材料により形成されるのが好ましい。具体的には、筐体１は、アルミニウムなどの金属により形成されるのが好ましい。

また、筐体１は、配線孔を有する。配線孔は、配線を通すために筐体１に設けられた貫通孔である。配線孔を設けることにより、筐体１の内部の電子機器と、筐体１の外部の機器（以下、「外部機器」という）と、を配線により接続することができる。

図１の例では、筐体１は、２つの配線孔１１，１２を有する。配線孔１１は、配線５１を通すための貫通孔である。配線孔１２は、配線５２を通すための貫通孔である。

なお、図１の例では、配線孔１１，１２は、いずれも筐体１の側面に設けられているが、筐体１の上面や下面に設けられてもよい。

また、筐体１は、３つ以上の配線孔を設けられてもよいし、後述する図６で示すように、配線孔１２を設けられなくてもよい。

また、筐体１の配線孔と、その配線孔に通された配線と、の間は樹脂製のパッキンなどにより塞がれてもよい。これにより、筐体１の内部を密閉し、環境発電装置の防水性を向上させることができる。

熱電発電素子２は、熱電発電を行う平板状の素子である。熱電発電素子２は、一方の面と、他方の面と、の間に温度差が生じると、生じた温度差に応じた電圧を発生させる。熱電発電素子２は、一方の面又は他方の面が、筐体１の外面に接するように配置される。熱電発電素子２は、絶縁体板２１，２２と、熱電材料２３，２４と、を備える。

絶縁体板２１は、熱電発電素子２の上面を構成する板状部材であり、絶縁体により形成される。絶縁体板２１は、筐体１の下面に接している。絶縁体板２１により、熱電材料２３，２４と、筐体１と、の間が絶縁される。

絶縁体板２２は、熱電発電素子２の下面を構成する板状部材であり、絶縁体により形成される。絶縁体板２２により、熱電材料２３，２４と、筐体１と、の間が絶縁される。

熱電材料２３は、絶縁体板２１と絶縁体板２２との間に、熱電発電素子２の平面方向に複数配置されている。熱電材料２３は、例えば、Ｎ型半導体、又は金属である。

熱電材料２４は、絶縁体板２１と絶縁体板２２との間に、熱電発電素子２の平面方向に複数配置されている。熱電材料２４は、例えば、Ｐ型半導体、又は熱電材料２３とは異なる金属である。

図１の例では、熱電材料２３と、熱電材料２４と、は交互に配置されている。各熱電材料２３の一端（上面側）は、その熱電材料２３の右側（又は左側）の熱電材料２４の一端（上面側）と、金属などの導電体（図示省略）により接続されている。また、熱電材料２３の他端（下面側）は、その熱電材料２３の左側（又は右側）の熱電材料２４の他端（下面側）と、金属などの導電体（図示省略）により接続されている。すなわち、複数の熱電材料２３，２４は、直列に接続されている。直列に接続された熱電材料２３，２４の両端には、配線５１が接続されている。

熱電発電素子２の下面側に熱源がある場合、熱電発電素子２の下面は、熱源により加熱される。一方、熱電発電素子２の上面は、熱源に加熱されると同時に、筐体１により放熱され、冷却される。結果として、熱電発電素子２の上面の温度が下面の温度より低くなる。すなわち、熱電発電素子２の上面と下面との間に温度差が生じる。

熱電発電素子２は、この温度差に応じた電圧を発生させる。温度差が数Ｋ程度の場合、生じる電圧は、例えば、数１０ｍＶとなる。熱電発電素子２は、発生させた電圧に応じた出力電力を出力する。

なお、図１の例では、熱電発電素子２は、その上面が、筐体１の下面に接するように配置されているが、筐体１の側面又は上面に接するように配置されてもよい。また、熱電発電素子２は、その下面が、筐体１の外面と接するように配置されてもよい。

配線５１は、熱電発電素子２と、電源回路３と、の間を接続する電源線である。配線５１は、筐体１の配線孔１１を通される。熱電発電素子２の出力電力は、配線５１を介して電源回路３に入力される。

電源回路３は、筐体１の内部に配置されている。電源回路３は、昇圧回路を含み、配線５１を介して入力された熱電発電素子２の出力電力を、所望の電圧（例えば、数Ｖ程度）に昇圧する。電源回路３は、昇圧後の電圧に応じた出力電力を出力する。

なお、電源回路３は、熱電発電素子２の出力電力を蓄電する蓄電素子（バッテリやキャパシタ）を備えてもよい。また、筐体１の内部に、電源回路３とは別部材の蓄電素子が設けられてもよい。

また、図１の例では、電源回路３は、筐体１の下面に接するように配置されているが、スペーサなどにより、下面から浮かせて配置されてもよい。これにより、電源回路３の熱を筐体１の下面に伝わりにくくし、筐体１による熱電発電素子２の上面の冷却効率を向上させることができる。また、電源回路３は、筐体１の上面に配置されてもよいし、側面に配置されてもよい。

配線５２は、電源回路３と、出力端子４と、を接続する電源線である。配線５２は、筐体１の配線孔１２を通される。電源回路３の出力電力は、配線５２を介して、出力端子４から出力される。

出力端子４は、外部機器の電源端子に接続可能な端子である。本実施形態に係る環境発電装置は、出力端子４を介して、電源回路３の出力電力を外部機器に供給する。外部機器は、電源端子に出力端子４を接続することにより、電源回路３の出力電力を得ることができる。

以上説明した通り、本実施形態に係る環境発電装置は、熱電発電素子２により発電した電力を、電源回路３により昇圧し、出力端子４を介して外部機器に供給する。熱電発電素子２の出力電力は、電源回路３により昇圧されるため、環境発電装置は、外部機器に適切な電圧の出力電力を供給することができる。

また、熱電発電素子２は、筐体１の外部に設けられているため、筐体１の外部の熱源を利用して発電することができる。

また、筐体１が熱電発電素子２の上面（又は下面）を冷却するヒートシンクとしての役割を果たすため、熱電発電素子２に専用のヒートシンクを設ける必要がなくなる。これにより、環境発電装置を小型化することができる。

以上説明した本実施形態に係る環境発電装置は、熱源の近くに設置されるセンサや無線通信機など（以下、「センサ等」という）の電源として用いることができる。一例として、図１の環境発電装置を、自動車のエンジン、モータ、排気管など（以下、「エンジン等」という）の近くに設置するセンサ等の電源として用いる場合について説明する。

この場合、環境発電装置のユーザは、熱電発電素子２の下面と、熱源となるエンジン等と、が接する又は近接するように、環境発電装置を設置する。また、ユーザは、センサ等を所望の位置に設置する。そして、ユーザは、出力端子４とセンサ等の電源端子とを接続する。

これにより、エンジン等が加熱している限り、環境発電装置からセンサ等に電力が供給されるようになり、センサ等を駆動させ続けることができる。

図２は、本実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図である。図２の環境発電装置は、筐体１が放熱フィン１３を備えている。放熱フィン１３は、筐体１の外面から突出するように設けられている。他の構成は、図１と同様である。

このように、筐体１の外面に放熱フィン１３を設けることにより、筐体１の表面積が増大する。この結果、筐体１の放熱効率が向上し、筐体１による熱電発電素子２の上面の冷却効果を向上させることができる。

なお、図２の例では、放熱フィン１３は、筐体１の側面及び上面に設けられているが、側面又は上面のいずれか一方に設けられてもよい。また、筐体１とは別部材の放熱フィン１３が、筐体１の外面に接するように取り付けられてもよい。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る環境発電装置について、図３〜図５を参照して説明する。本実施形態に係る環境発電装置は、熱電発電とともに、振動発電を利用する。図３は、本実施形態に係る環境発電装置の一例を示す図である。図３の環境発電装置は、圧電素子６と、スペーサ６１と、錘６２と、配線５３と、を備える。他の構成は、図１と同様である。

圧電素子６は、振動発電を行う板状又は棒状の素子である。圧電素子６は、加えられた圧力に応じた電圧を発生させる。図３の例では、圧電素子６は、筐体１の内部に配置されている。

スペーサ６１は、一端が筐体１の内面の固定された棒状又は板状の部材である。スペーサ６１の他端には、圧電素子６の一端が固定されている。これにより、圧電素子６の一端が、筐体１に対して固定される。

錘６２は、圧電素子６の他端に固定されている。

圧電素子６と、スペーサ６１と、錘６２と、は片持ち梁を構成している。筐体１が振動すると、この振動よって圧電素子６が振動する。圧電素子６は、振動面に発生した圧力に応じた電圧を発生させる。圧電素子６は、電圧を発生させると、発生した電圧に応じた出力電力を出力する。圧電素子６の発電量は、筐体１の振動と、片持ち梁の共振周波数と、が一致したときに最大となる。片持ち梁の共振周波数は、錘６２の重さにより調整可能である。

配線５３は、圧電素子６と、電源回路３と、を接続する電源線である。圧電素子６の出力電力は、配線５３を介して、電源回路３に入力される。

以上説明した通り、本実施形態に係る環境発電装置では、熱電発電素子２が熱電発電により発電した電力と、圧電素子６が振動発電により発電した電力と、が電源回路３に入力される。このように、２種類の環境発電を併用することにより、環境発電装置の発電量を増加させることができる。

また、圧電素子６が振動すると、筐体１の内部の空気が攪拌され、筐体１の内部の熱分布が均一化される。この結果、筐体１の放熱効率が向上し、筐体１による熱電発電素子２の上面の冷却効果を向上させることができる。

なお、図３の例では、環境発電装置は、圧電素子６を１つだけ備えるが、複数の圧電素子６を備えてもよい。この場合、各圧電素子６に対して、スペーサ６１と、錘６２と、配線５３と、を設ければよい。

図４は、本実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図である。図４の環境発電装置では、圧電素子６が、筐体１の外部に配置されている。このため、筐体１には、配線５３を通すための配線孔１４が設けられている。また、圧電素子６の一端が、筐体１の側面に直接固定されているため、スペーサ６１が設けられていない。他の構成は、図３と同様である。

図４の構成であっても、圧電素子６による振動発電を利用して、環境発電装置の発電量を増加させることができる。また、圧電素子６が放熱フィンとしての役割を果たすため、筐体１の放熱効率が向上し、筐体１による熱電発電素子２の上面の冷却効果を向上させることができる。

なお、図４の例では、環境発電装置は、圧電素子６を１つだけ備えるが、複数の圧電素子６を備えてもよい。この場合、各圧電素子６に対して、錘６２と、配線５３と、配線孔１４と、を設ければよい。また、圧電素子６は、筐体１の外面に一端を固定されたスペーサ６１の他端に固定されてもよい。また、圧電素子６は、筐体１の内部と、筐体１の外部と、にそれぞれ設けられてもよい。

図５は、本実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図である。図５の環境発電装置は、２つの圧電素子６Ａ，６Ｂを備える。圧電素子６Ａ，６Ｂは、重さが異なる錘６２Ａ，６２Ｂを、それぞれ固定されている。他の構成は、図３と同様である。

このような構成により、圧電素子６Ａが構成する片持ち梁の共振周波数と、圧電素子６Ｂが構成する片持ち梁の共振周波数と、が異なる周波数となる。すなわち、圧電素子６Ａの発電量が最大となる筐体１の振動の周波数と、圧電素子６Ｂの発電量が最大となる筐体１の振動の周波数と、が異なる周波数となる。これにより、環境発電装置が振動発電を行うことができる筐体１の振動の周波数帯域を広げることができる。

なお、環境発電装置は、３つ以上の圧電素子６を備え、各圧電素子６にそれぞれ異なる重さの錘６２が固定されてもよい。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る環境発電装置について、図６及び図７を参照して説明する。上記の各実施形態では、環境発電装置が外部機器の電源として利用されることを想定していた。これに対して、本実施形態では、センサや無線通信機などと一体に構成された環境発電装置について説明する。図６は、本実施形態に係る環境発電装置の一例を示す図である。図６の環境発電装置は、センサ７と、無線通信機８と、電波透過部９と、配線５４〜５６と、を備える。また、センサ等は筐体１と一体化されるため、環境発電装置は、出力端子４を備えない。他の構成は、図３と同様である。

センサ７は、筐体１の内部に配置されている。環境発電装置は、センサ７として、例えば、加速度センサ、温度センサ、ガスセンサ、磁気センサ、圧力センサなど、任意のセンサを搭載することができる。また、環境発電装置は、複数のセンサ７を備えてもよい。

無線通信機８は、筐体１の内部に配置されている。無線通信機８は、センサ７のセンシングデータを無線で送信する無線送信機である。無線通信機８は、データを無線で受信可能な無線送受信機であってもよい。

電波透過部９は、筐体１の少なくとも一部に設けられた、電波を透過可能な部分である。図６の例では、電波透過部９は、電波を透過可能な電波透過材料により構成されている。電波透過材料として、樹脂やガラスなどが挙げられる。無線送信機８が出力した電波は、電波透過部９を通って、筐体１の外部に送信される。したがって、電波透過部９は、無線通信機８のアンテナ付近に設けられるのが好ましい。

なお、図６の例では、電波透過部９は、筐体１の上面に設けられているが、側面に設けられてもよい。また、電波透過部９は、１つ設けられてもよいし、複数設けられてもよい。

配線５４は、電源回路３と、センサ７と、を接続する電源線である。電源３の出力電力は、配線５４を介して、センサ７に供給される。センサ７は、電源回路３から供給された電力により駆動される。

配線５５は、電源回路３と、無線通信機８と、を接続する電源線である。電源３の出力電力は、配線５５を介して、無線通信機８に供給される。無線通信機８は、電源回路３から供給された電力により駆動される。

配線５６は、センサ７と、無線通信機８と、を接続する信号線である。センサ７のセンシングデータは、配線５６を介して、無線通信機８に入力される。無線通信機８は、センサ７から入力されたセンシングデータを、無線で送信する。

以上のような構成により、環境発電装置と、センサ７と、無線通信機８と、を一体に構成することができる。

また、センサ７及び無線通信機８を筐体１の内部に配置したことにより、筐体１の外部で電源線や信号線を配線する必要がなくなる。したがって、環境発電装置と、外部機器と、を接続する場合に比べて、センサ７及び無線通信機８の設置の自由度を向上させることができる。

また、図６の環境発電装置では、電波透過部９が、電波透過材料により構成される。これにより、筐体１の内部を密閉し、環境発電装置の防水性を向上させることができる。

図７は、本実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図である。図７の環境発電装置は、センサ７が筐体１の外部に配置されている。このため、筐体１は、配線５４，５５を通すための配線孔１５を設けられている。他の構成は、図６と同様である。

このような構成により、環境発電装置と、無線通信機８と、を一体に構成することができる。また、センサ７を筐体１の外部に配置したことにより、センサ７は、筐体１の外部の環境をセンシングすることができる。

なお、筐体１は、配線５４を通すための配線孔と、配線５６を通すための配線孔と、をそれぞれ設けられてもよい。また、センサ７を筐体１の内部に配置し、無線通信機８を筐体１の外部に配置することも可能である。

図８は、本実施形態に係る環境発電装置の他の例を示す図である。図８の環境発電装置は、電波透過部９の代わりに、通気口１０を備える。通気口１０は、筐体１の上面に設けられた貫通孔であり、図６における電波透過部９の役割を果たす。すなわち、無線通信機８が出力した電波は、通気口１０を通って筐体１の外部に送信される。他の構成は、図６と同様である。

図８の環境発電装置では、筐体１の内部は、密閉されず、電波透過部９（通気口）を介して換気される。これにより、熱電発電素子２により加熱された筐体１の内部の空気が排出されるため、筐体１の放熱効率が向上し、筐体１による熱電発電素子２の上面の冷却効果を向上させることができる。

なお、通気口は、１つ設けられてもよいし、複数設けられてもよい。図８に示すように、通気口を複数設けることにより、筐体１の通気性を向上させ、筐体１による熱電発電素子２の上面の冷却効果をさらに向上させることができる。

また、図８の例では、通気口は、筐体１の上面に設けられているが、筐体１の側面に設けられてもよいし、上面及び側面の両方に設けられてもよい。

なお、本発明は上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることによって種々の発明を形成できる。また例えば、各実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除した構成も考えられる。さらに、異なる実施形態に記載した構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１：筐体、２：熱電発電素子、３：電源回路、４：出力端子、６：圧電素子、７：センサ、８：無線通信機、９：電波透過部、１０：通気口、１１，１２，１４，１５：配線孔、１３：放熱フィン、２１，２２：絶縁体板、２３，２４：熱電材料、５１〜５６：配線、６１：スペーサ、６２：錘

Claims

筐体と、
前記筐体の外面に接するように配置された熱電発電素子と、
を備える環境発電装置。
前記筐体の内部に配置され、前記熱電発電素子の出力電力が入力される電源回路を備える
請求項１に記載の環境発電装置。
前記筐体は、金属により形成される
請求項１又は請求項２に記載の環境発電装置。
前記筐体は、少なくとも１つの配線孔を有する
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の環境発電装置。
前記筐体は、外面の少なくとも一部に放熱フィンを備える
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の環境発電装置。
前記筐体の内部に配置された圧電素子を備え、
前記電源回路は、前記圧電素子の出力電力を入力される
請求項２乃至請求項５のいずれか１項に記載の環境発電装置。
前記圧電素子は、前記筐体に対して一端が固定される
請求項６に記載の環境発電装置。
前記筐体の内部に配置され、前記電源回路から電力を供給される無線通信器を備える
請求項２乃至請求項７のいずれか１項に記載の環境発電装置。
前記筐体の内部に配置され、前記電源回路から電力を供給されるセンサを備える
請求項２乃至請求項８のいずれか１項に記載の環境発電装置。
前記筐体は、電波を透過可能な電波透過部を備える
請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の環境発電装置。
前記電波透過部は、電波を透過可能な電波透過材料により形成される
請求項１０に記載の環境発電装置。
前記筐体は、通気口を備える
請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の環境発電装置。