JP4752174B2 - Portable thermoelectric generator - Google Patents
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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。 The present invention relates to a portable thermoelectric generator, and more particularly to a cooling structure thereof.
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。 In general, in portable electronic devices such as mobile phones, PDAs, notebook personal computers, and the like, lithium-ion batteries, which are secondary batteries, are mainly used as power sources.
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。 On the other hand, the above-mentioned portable electronic devices will become more sophisticated in the future, such as connecting to the Internet, capturing movies, receiving digital TV broadcasts, increasing the usage time of liquid crystal display play, etc. Is expected to increase even further.
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。 Under such circumstances, if the conventional lithium ion battery is used as it is as a power source, power will be consumed within a short time. For this reason, it is necessary to frequently charge the battery, which is inconvenient to use. Further, since a certain amount of time is required for charging, there is a problem that the use is restricted during that time. For example, in the case of a mobile phone or a notebook personal computer, the usage time is about 2 to 3 hours, and a charging time of about 3 to 5 hours is required.
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。 Therefore, in recent years, as a power source to replace the lithium ion battery and the like as described above, for example, a fuel cell using methanol as a fuel using a polymer electrolyte membrane, or a temperature difference is given to a module of a thermoelectric element by catalytic combustion heat Thermoelectric generators that generate electricity by the so-called Seebeck effect have been studied.
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。 However, the former fuel cell, for example, a direct methanol type, has a very large size of the polymer electrolyte membrane and the cell portion that supplies fuel to the membrane, and it is difficult to reduce the size. In addition, there is a problem of crossover through which methanol permeates through the electrolyte membrane, and there is a problem that platinum or platinum-ruthenium alloy catalyst of the electrolyte membrane is poisoned by carbon monoxide generated when methanol of fuel is decomposed. It is difficult to obtain a lifetime and its reliability.
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。 On the other hand, the latter thermoelectric generator can use, for example, butane, methane, ethanol, methanol, hydrogen, etc. as the fuel, and if these fuels are in a cartridge type that can be replaced with a tank, this tank can be used. Since power can be replenished by simply replacing it, charging as in the case of conventional lithium ion batteries is unnecessary, which is very promising in the future.
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。 By the way, the energy conversion efficiency from heat to electricity in a thermoelectric element used in such a thermoelectric generator is about 10% at present, and the remaining 90% is released to the outside as heat. For example, if the calorific value is 20 W, the thermoelectric element generates 2 W of electrical energy, and the remaining 18 W is released as heat. Thus, since the heat radiation amount is relatively large, conventionally, a thermoelectric generator is provided with heat radiation fins to cool the entire device.
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。 However, in the conventional thermoelectric generator, in order to sufficiently cool the entire device using the radiation fins, the size of the radiation fins becomes very large, and the weight of the radiation fins increases accordingly. Therefore, it is extremely difficult to mount on a small portable electronic device such as a mobile phone.
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。 That is, in the above example, when the calorific value is 20 W and the energy conversion efficiency is 10%, the thermoelectric element generates 2 W of electrical energy. Since the output of the mobile phone is about 1W, it is sufficient as electric power, but the size of the heat dissipation fin to dissipate the remaining 18W is 50mm in length when 1mm thick aluminum comb plate is used and the pitch is 1mm. X 35 mm wide x 20 mm high, and cannot be mounted on a mobile phone.
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)。
Therefore, in the prior art, in order to increase the heat radiation efficiency and reduce the size of the heat radiation fins, the heat radiation fins are immersed in a wick such as cotton impregnated with methanol as a liquid fuel, and the heat transmitted from the heat radiation fins increases the methanol. A structure is proposed in which vaporized methanol is vaporized and the vaporized methanol is guided to the catalytic combustion section and burned (see Patent Document 1,
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)。
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。
However, in the prior art described in
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。
Further, as described in
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。 The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and by applying an optimal structural design by applying the principle of cooling by the heat of vaporization of liquid, it is possible to reduce the size of the entire device including the heat radiating portion as compared with the conventional case. An object of the present invention is to provide a portable thermoelectric generator that can be made thinner, thinner and lighter and can further increase the power generation output of a thermoelectric element.
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。 Another object of the present invention is to provide a portable thermoelectric generator that can be carried and safely carried by a user by improving heat dissipation further than before.
上記の目的を達成するために、本発明は次の構成を採る。 In order to achieve the above object, the present invention adopts the following configuration.
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、その流路内には放熱部の外部から冷却液が流入され、流路内を流れた冷却液は気体として放熱部の外部に放出された後、液化することにより前記冷却液が流入された流路に還流されるものであり、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り、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。 That is, the portable thermoelectric generator according to the first aspect of the present invention is generated by a planar power generation unit having a large number of thermoelectric elements by a heat input unit that burns fuel and heats the power generation unit and the power generation unit. A portable thermoelectric generator having a structure that is held between a heat dissipating part that dissipates heat and the heat dissipating part has a coolant flow path therein, and the heat dissipating is provided in the flow path. The coolant is introduced from the outside of the part, and the coolant flowing in the flow path is discharged as a gas to the outside of the heat dissipation part and then liquefied to return to the flow path into which the coolant has been introduced. The power generation unit is cooled by the heat of vaporization of the cooling liquid flowing in the flow path, and the liquid and the gas that separates the cooling liquid and the gas evaporated from the cooling liquid are disposed in the flow path of the heat radiating unit. A separation membrane is provided, and the gas that has passed through this gas-liquid separation membrane It is characterized by being configured to be released on.
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。 The thermoelectric generator according to a second aspect of the present invention is the thermoelectric generator according to the first aspect of the present invention, wherein the heat radiating portion includes a first heat radiating layer having a cooling liquid flow path, and a flow of gas vaporized from the cooling liquid. And a second heat radiation layer having a path, and the gas-liquid separation membrane is interposed between the flow paths of both heat radiation layers .
請求項3記載の発明に係る熱電発電機は、請求項1または2のいずれか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。 A thermoelectric generator according to a third aspect of the present invention is characterized in that, in the configuration of the first or second aspect of the present invention, a thermoelectric generator is provided with a recovery device for liquefying the gas released from the heat radiating section.
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。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric generator according to the first to third aspects of the present invention, comprising a coolant storage tank in which the coolant is stored, and the coolant storage tank and the heat radiation. A check valve is provided between the first and second flow paths.
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。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric generator according to any one of the first to fourth aspects, wherein a heat radiating fin is provided outside the heat radiating portion.
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器として兼用されていることを特徴としている。 A thermoelectric generator according to a sixth aspect of the present invention is the thermoelectric generator according to any one of the first to fifth aspects, wherein the heat dissipating part is a vaporizer that vaporizes fuel supplied to the heat input part. It is characterized by being also used.
請求項7記載の発明に係る熱電発電機は、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、その流路内には放熱部の外部から冷却液が流入され、流路内を流れた冷却液は気体として放熱部の外部に放出された後、液化することにより前記冷却液が流入された流路に還流されるものであり、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り、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。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric generator in which a planar power generation unit having a number of thermoelectric elements radiates heat generated by the power generation unit and a heat input unit that burns fuel to heat the power generation unit. A portable thermoelectric generator having a structure held between the heat dissipating part and the heat dissipating part, wherein the heat dissipating part has a coolant flow path therein, and the heat dissipating part is provided outside the heat dissipating part. The cooling liquid is introduced and the cooling liquid flowing in the flow path is released as a gas to the outside of the heat radiating portion and then liquefied to be returned to the flow path into which the cooling liquid has been flown. The power generation unit is cooled by the heat of vaporization of the coolant flowing in the passage, and the heat radiating portion includes a wick layer having a capillary structure, a coolant supply path for supplying the wick layer with the coolant, and the wick. And an exhaust passage for the gas vaporized in the layer. It is characterized in.
請求項8記載の発明に係る熱電発電機は、請求項1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。 The thermoelectric generator according to an eighth aspect of the present invention is the thermoelectric generator according to the first aspect of the present invention, wherein the heat dissipating part is a wick layer having a capillary structure, and a coolant supply path for supplying a coolant to the wick layer. And an exhaust passage for gas vaporized in the wick layer.
請求項9記載の発明に係る熱電発電機は、請求項請求項7または請求項8のいずれか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。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the thermoelectric generator according to the seventh aspect or the eighth aspect , wherein the coolant in the coolant supply path is burned at the heat input portion. It is characterized by being configured to be pressurized by the exhaust gas.
請求項10記載の発明に係る熱電発電機は、請求項7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。 According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric generator according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the exhaust passage has a partition wall that suppresses the flow of gas vaporized in the wick layer. Is provided.
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。 According to the portable thermoelectric generator of the present invention, a power generation unit having a large number of thermoelectric elements, a heat input unit that heats the power generation unit, and a heat dissipation unit that dissipates heat generated by the power generation unit include a MEMS (microelectric mechanical system). ) Everything is made smaller and thinner by using technology. Moreover, since the heat radiating section is structured to directly cool the power generation unit using the heat of vaporization of the coolant, it can be made smaller and lighter than the case where the heat radiating fins are provided. Furthermore, since the temperature difference between the high temperature junction and the low temperature junction of the thermoelectric element can be increased, the power generation output and its efficiency can be further increased.
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。 In addition, the heat transferred from the power generation unit is cooled by the heat of vaporization of the coolant, so that the heat dissipation is further improved. For example, when it is mounted on a portable electronic device such as a mobile phone or a PDA, wear it. However, there is no heat accumulation in the clothes, and the user can carry it safely in combination with being thin and small.
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。 Furthermore, since a fuel having an energy density that is four times the energy density of conventional lithium ion batteries can be used, the usage time of portable electronic devices can be greatly extended compared to the prior art, and battery charging Inconveniences such as trouble and use restrictions during charging can be solved.
(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。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a configuration diagram of a portable thermoelectric generator in Embodiment 1 of the present invention.
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。
The portable
発電ユニット2は、Bi−Te、Fe−Si2、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。
The
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。
The
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。
One end of the
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。
On the other hand, the
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。
As the material of the first and second heat radiation layers 21 and 22, a material having a high thermal conductivity is desirable. For example, a substrate such as aluminum, copper, nickel, stainless steel, iron, silicon, aluminum nitride, or SiC is applied. . The
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。
A gas-
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)、Al2O3−SiO2−MgO系セラミック層やAl2O3−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、ZrO2層等であってもよい。
As described above, the
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。
The amount of heat conducted from the
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。
Moreover, in this Embodiment 1, the collection |
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。
In the portable
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。
At this time, the pentane gas is ignited by the
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。
On the other hand, the coolant (for example, water) supplied from the
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。
The gas (e.g., vapor) thus vaporized passes through the
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。
As described above, in the first embodiment, since the
(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。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a configuration diagram of a portable thermoelectric generator according to the second embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the components corresponding to those of the first embodiment shown in FIG.
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。
A feature of the portable
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。
Thus, by combining the
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。 Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.
(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。
(Embodiment 3)
FIG. 3 is a configuration diagram of a portable thermoelectric generator according to
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。
A feature of the portable thermoelectric generator 13 according to the third embodiment is that a
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。
That is, the
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。
The
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。
Thermoelectric generator 1 3 in this configuration, the
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。
Thus, in this
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。 Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.
(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。
(Embodiment 4)
FIG. 4 is a configuration diagram of a portable thermoelectric generator according to
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。
The portable
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。
In the fourth embodiment, the liquid fuel supply path from the
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。
In the
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。
Further, liquid methanol from the
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。
Since the boiling point of water is higher than that of methanol, the water vapor is liquefied in advance in the
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。 Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.
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。
The heat source of the
(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。
(Embodiment 5)
FIG. 5 is a configuration diagram of a portable thermoelectric generator in
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。
Features of Portable thermoelectric generator 1 5 in this
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。
The configuration itself of the
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。
However, the
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。
In the portable
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。
The gas passes through the gas-
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。
On the other hand, the gaseous methanol remaining in the vicinity of the
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。
In the fifth embodiment, liquid methanol is stored in the
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。 Other functions and effects are the same as those of the third embodiment, and thus detailed description thereof is omitted here.
(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。
(Embodiment 6)
FIG. 6 is a configuration diagram of a portable thermoelectric generator according to Embodiment 6 of the present invention, and the same reference numerals are given to components corresponding to those of Embodiment 1 shown in FIG.
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。
The portable thermoelectric generator 16 in the sixth embodiment is basically the same in the configuration of the
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。
That is, in the
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。
The
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。
One end of a
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。
As the coolant stored in the
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。
In the above configuration, the coolant in the
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。
Since other functions and effects are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted here.
(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。
(Embodiment 7)
FIG. 7 is a configuration diagram of a thermoelectric generator according to
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。
Features of Portable thermoelectric generator 1 7 in this
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。
When the coolant is vaporized in the
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。 Other configurations and operational effects are the same as in the case of the sixth embodiment, and a detailed description thereof will be omitted here.
(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。
(Embodiment 8)
FIG. 8 is a configuration diagram of a thermoelectric generator in an eighth embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the components corresponding to those in the seventh embodiment shown in FIG.
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。
Features of Portable thermoelectric generator 1 8 in this
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。
The rotational force of the
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。
Thereby, the cooling capacity for the
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。 Other configurations and operational effects are the same as in the case of the seventh embodiment, and a detailed description thereof will be omitted here.
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。
Note that the rotational force of the
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。
Note that the present invention is not limited to the configuration shown in FIGS. 1 to 8, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. That is, the present invention is characterized by the structure of the
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
1 1 to 18
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