JP5742942B2 - Thermal dielectric generator - Google Patents
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Description
この発明は熱誘電発電装置に関し、特に、コンデンサを冷却して充電する工程とコンデンサを加熱して放電させる工程とを繰り返して電力を発生する熱誘電発電装置に関する。 The present invention relates to a thermal dielectric power generation device, and more particularly to a thermal dielectric power generation device that generates electric power by repeating a process of cooling and charging a capacitor and a process of heating and discharging the capacitor.
エネルギーの有効利用の一環として、排熱利用のニーズが高まっている。排熱利用の形態として、熱として利用する方法と電気に変換する方法とが現実的である。電気に変換すると輸送や蓄積が比較的簡単で利便性が高い。 As part of the effective use of energy, the need for waste heat utilization is increasing. As a form of exhaust heat utilization, a method of utilizing as heat and a method of converting to electricity are realistic. When converted to electricity, transportation and storage are relatively easy and convenient.
熱を電気に変換する際に、大規模で排熱の温度が高い場合には、熱エネルギーにより蒸気を発生させ、該蒸気によりタービンを駆動して発電することが可能となる。しかし、規模が小さい場合や排熱の温度が低い場合には効率的な熱エネルギーの活用が困難で、熱エネルギーの大部分は廃棄される。 When heat is converted into electricity and the temperature of exhaust heat is large and the temperature is high, steam can be generated by heat energy, and the turbine can be driven by the steam to generate electric power. However, when the scale is small or the temperature of exhaust heat is low, it is difficult to efficiently use heat energy, and most of the heat energy is discarded.
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法として、古くから物体の内部に温度差を生じさせ、ゼーベック効果を利用した発電素子が注目されて、開発が進められてきた。しかし、現状では、主として比較的大きな温度差(200℃以上)での利用を想定しており、そのような発電素子の信頼性およびコストの点で、解決すべき課題が多い。 As a method for converting thermal energy into electrical energy, a power generation element using a Seebeck effect by causing a temperature difference inside an object has been developed for a long time. However, under the present circumstances, it is mainly assumed to be used at a relatively large temperature difference (200 ° C. or more), and there are many problems to be solved in terms of the reliability and cost of such power generation elements.
また、200℃以下の低温でも駆動できるタービンの研究も進められ、アンモニアを媒体とする発電システムの提案もあるが、原理的に上記の高熱源体(200℃以上)の場合よりも発電効率が低く、本格的な実用化には至っていない。 In addition, research on turbines that can be driven at low temperatures of 200 ° C. or less is also underway, and there is a proposal for a power generation system using ammonia as a medium. However, in principle, power generation efficiency is higher than in the case of the high heat source body (200 ° C. or higher). It is low and has not yet been put into practical use.
一方、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する他の方法として熱誘電発電が挙げられる。熱誘電発電とは、コンデンサを形成する誘電体の誘電率の温度依存性を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。熱誘電発電に関しては、“赤崎正則、原雅則共著、「電気エネルギー工学」、朝倉書店、1986年、pp.110-111”(非特許文献1)に記載されている。また、概念自体は、“ジェイ.ディ.チルドレス(J.D.Childress)著、「Application of a Ferroelectric Material in an Energy Conversion Device」、J.Appl Phys Vol.33、No.5、pp.1793-1798、1962年”(非特許文献2)で提唱されている。また、実験による検証も、“藤本三治著、「熱誘電直接発電の実験的研究」、電気学会雑誌Vol83-12、No903、p.2080-2088、1963年”(非特許文献3)で報告されている。 On the other hand, another method for converting thermal energy into electrical energy is thermal dielectric power generation. Thermal dielectric power generation is the conversion of thermal energy into electrical energy using the temperature dependence of the dielectric constant of the dielectric forming the capacitor. Regarding thermal dielectric power generation, “Massunori Akasaki and Masanori Hara,“ Electric Energy Engineering ”, Asakura Shoten, 1986, pp. 110-111 "(Non-Patent Document 1) The concept itself is" J. Di. Proposed by JDChildress, “Application of a Ferroelectric Material in an Energy Conversion Device”, J. Appl Phys Vol.33, No.5, pp.1793-1798, 1962 ”(Non-Patent Document 2) In addition, verification by experiment is also written by “Mitsuharu Fujimoto,“ Experimental Study of Thermal Dielectric Direct Power Generation ”, The Institute of Electrical Engineers of Japan Vol83-12, No903, p.2080-2088, 1963” (Non-Patent Document 3) ).
また、特許文献としては、特開昭61−097308号公報(特許文献1)、特開平01−133581号公報(特許文献2)、および特開平06−165541号公報(特許文献3)が挙げられる。図14に特許文献1に開示された熱誘電発電装置の基本回路を示し、図15に、熱誘電発電装置の充電、加熱、放電の工程における電荷と電圧との関係を示す。
Patent documents include Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-097308 (Patent Document 1), Japanese Patent Application Laid-Open No. 01-133581 (Patent Document 2), and Japanese Patent Application Laid-Open No. 06-165541 (Patent Document 3). . FIG. 14 shows a basic circuit of the thermal dielectric power generator disclosed in
熱誘電発電技術は、コンデンサを形成する誘電体の温度特性を利用する。図14に示すような基本回路において、図15に示すように、温度T1でコンデンサCAを充電する。その後、スイッチSW1およびスイッチSW2をオフし、コンデンサCAをオープン状態にして、コンデンサCAに電荷を保持したままコンデンサCAの温度をT2まで上昇させる。 Thermal dielectric power generation technology utilizes the temperature characteristics of the dielectric that forms the capacitor. In the basic circuit as shown in FIG. 14, as shown in FIG. 15, the capacitor CA is charged at the temperature T1. Thereafter, the switch SW1 and the switch SW2 are turned off, the capacitor CA is opened, and the temperature of the capacitor CA is raised to T2 while the capacitor CA holds the electric charge.
この際、温度T1におけるコンデンサCAの誘電率が、温度T2におけるコンデンサCAの誘電率より大きくなるように選択する。この結果、図15に示すように、電圧が上昇(V1からV2に上昇)する。温度T1でのコンデンサCAの誘電率をεr1、温度T2でのコンデンサCAの誘電率をεr2、温度T1での充電電圧をV1、温度T2での電圧をV2とすると、V2=V1×(εr1/εr2)の関係が成立する。 At this time, the dielectric constant of the capacitor CA at the temperature T1 is selected to be larger than the dielectric constant of the capacitor CA at the temperature T2. As a result, as shown in FIG. 15, the voltage rises (rises from V1 to V2). Assuming that the dielectric constant of the capacitor CA at the temperature T1 is εr1, the dielectric constant of the capacitor CA at the temperature T2 is εr2, the charging voltage at the temperature T1 is V1, and the voltage at the temperature T2 is V2, V2 = V1 × (εr1 / The relationship of εr2) is established.
温度の変更前後でコンデンサCAの電荷量が同じで、コンデンサCAの電圧が上昇するために、コンデンサCAの持つ電気エネルギーが増幅される。これが熱誘電発電と呼ばれている。論文の中には自発分極の変化にも注目しているものもあり、自発分極の変化による効果もここで述べる熱誘電発電には含まれる。 Since the amount of charge of the capacitor CA is the same before and after the temperature change and the voltage of the capacitor CA rises, the electrical energy of the capacitor CA is amplified. This is called thermal dielectric power generation. Some papers also pay attention to changes in spontaneous polarization, and the effects of changes in spontaneous polarization are also included in the thermoelectric generation described here.
コンデンサCAを用いた熱誘電発電において、効率の高い発電のためには、誘電率自体が高くて電荷保持能力が高いこと、温度に伴う誘電率や自発分極の変化が大きいこと、温度変化の時間が短いこと、充放電の効率が良いことなどの条件が必要となる。 In the thermal dielectric power generation using the capacitor CA, for high-efficiency power generation, the dielectric constant itself is high and the charge holding capability is high, the change of the dielectric constant and spontaneous polarization with temperature is large, the time for the temperature change Are necessary, such as being short and charging / discharging efficiency being good.
しかし、従来の熱誘電発電装置では、コンデンサの温度変化速度が遅く、発電の効率が低いと言う問題がある。コンデンサの温度変化速度を速める方法としては、複数のチップ型コンデンサを並列接続して大面積で薄型のコンデンサを構成し、加熱部および冷却部への接触面積を大きくすることが考えられる。 However, the conventional thermal dielectric power generation apparatus has a problem that the temperature change rate of the capacitor is slow and the power generation efficiency is low. As a method of increasing the temperature change rate of the capacitor, it is conceivable to form a large-area thin capacitor by connecting a plurality of chip-type capacitors in parallel, and to increase the contact area to the heating part and the cooling part.
しかし、複数のチップ型コンデンサを単純に並列接続しただけでは、1つのチップ型コンデンサが故障してショートすると、そのパスに電流が流れ、コンデンサを充電することができなくなり、発電機能が停止する恐れがある。また、発電を再開するためには、ショートしたチップ型コンデンサを取り除く必要がある。このため、人手が必要となり、停止時間も長くなる。 However, simply connecting a plurality of chip type capacitors in parallel, if one chip type capacitor fails and short-circuits, current flows through the path and the capacitor cannot be charged, and the power generation function may stop. There is. Moreover, in order to resume power generation, it is necessary to remove the shorted chip capacitor. For this reason, manpower is required, and the stop time becomes longer.
それゆえに、この発明の主たる目的は、故障による運転停止時間が短く、運転が容易で稼動率の高い熱誘電発電装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a thermal dielectric power generator having a short operation stop time due to a failure, easy operation, and high operation rate.
この発明に係る熱誘電発電装置は、フレキシブル基板と、フレキシブル基板に搭載された第1の端子、第2の端子、複数のチップ型ヒューズ、および複数のコンデンサとを備えたものである。複数のチップ型ヒューズの一方端子はともに第1の端子に接続され、複数のコンデンサの一方端子はそれぞれ複数のチップ型ヒューズの他方端子に接続され、複数のコンデンサの他方端子はともに第2の端子に接続される。複数のコンデンサの各々は、対応のチップ型ヒューズの他方端子と第2の端子との間に並列接続された複数のチップ型コンデンサを含む。複数のチップ型ヒューズの各々の厚さは複数のチップ型コンデンサの各々の厚さ以下である。この熱誘電発電装置は、さらに、複数のコンデンサを冷却する第1の工程と複数のコンデンサを加熱する第2の工程とを交互に行なう冷却/加熱部と、第1および第2の端子に接続され、冷却された複数のコンデンサを充電し、加熱された複数のコンデンサを放電させる充放電部とを備える。 Thermal dielectric power generator according to the present invention are those comprising a flexible substrate, a first terminal mounted on a flexible substrate, a second terminal, a plurality of chip-type fuse, and a plurality of capacitors. One terminals of the plurality of chip-type fuses are all connected to the first terminal, one terminal of the plurality of capacitors is connected to the other terminal of the plurality of chip-type fuses, and the other terminals of the plurality of capacitors are both the second terminals. Connected to. Each of the plurality of capacitors includes a plurality of chip type capacitors connected in parallel between the other terminal and the second terminal of the corresponding chip type fuse. The thickness of each of the plurality of chip-type fuses is equal to or less than the thickness of each of the plurality of chip-type capacitors. The thermal dielectric power generator is further connected to a cooling / heating unit that alternately performs a first step of cooling the plurality of capacitors and a second step of heating the plurality of capacitors, and the first and second terminals. And a charging / discharging unit that charges the cooled capacitors and discharges the heated capacitors.
また好ましくは、冷却/加熱部は、フレキシブル基板の一方側表面に対向して設けられ、第1の温度にされた冷却部材と、フレキシブル基板の他方側表面に対向して設けられ、第1の温度よりも高い第2の温度にされた加熱部材と、フレキシブル基板を冷却部材側に撓ませて複数のコンデンサを冷却し、フレキシブル基板を加熱部材側に撓ませて複数のコンデンサを加熱する駆動部とを含む。 Preferably, the cooling / heating unit is provided to face the one side surface of the flexible substrate, and is provided to face the cooling member having the first temperature and the other side surface of the flexible substrate. A heating member that is set to a second temperature higher than the temperature, and a driving unit that deflects the flexible substrate toward the cooling member to cool the plurality of capacitors and deflects the flexible substrate toward the heating member to heat the plurality of capacitors. Including.
この発明に係る熱誘電発電装置では、第1の端子、第2の端子、複数のヒューズ、および複数のコンデンサが設けられ、複数のヒューズの一方端子はともに第1の端子に接続され、複数のコンデンサの一方端子はそれぞれ複数のヒューズの他方端子に接続され、複数のコンデンサの他方端子はともに第2の端子に接続される。したがって、並列接続された複数のコンデンサを使用するので、各コンデンサを薄型化することができる。よって、各コンデンサの温度変化速度を速めることができ、効率を高めることができる。 In the thermal dielectric power generation device according to the present invention, a first terminal, a second terminal, a plurality of fuses, and a plurality of capacitors are provided, and one terminal of each of the plurality of fuses is connected to the first terminal, One terminal of each capacitor is connected to the other terminal of each of the plurality of fuses, and the other terminals of the plurality of capacitors are both connected to the second terminal. Therefore, since a plurality of capacitors connected in parallel is used, each capacitor can be thinned. Therefore, the temperature change speed of each capacitor can be increased, and the efficiency can be increased.
また、1つのコンデンサが故障してショートした場合は、そのコンデンサに対応するヒューズに大きな電流が流れてそのヒューズが溶断され、故障したコンデンサが他のコンデンサから電気的に切り離される。したがって、運転を継続することができ、運転停止時間を短縮化することができる。 When one capacitor fails and is short-circuited, a large current flows through the fuse corresponding to the capacitor, the fuse is blown, and the failed capacitor is electrically disconnected from the other capacitors. Therefore, the operation can be continued and the operation stop time can be shortened.
本願発明の実施の形態について説明する前に、まず本願発明の基礎となる熱誘電発電装置1について説明する(特願2010−165940号参照)。図1〜図4に示すように、この熱誘電発電装置1は、発電部100と、この発電部100に設けられる第1壁部111aに接触するように配置される加熱用ダクト200と、発電部100に設けられる第2壁部111bに接触するように配置される冷却用ダクト300とを備えている。
Before describing the embodiment of the present invention, first, a thermal dielectric
加熱用ダクト200の中には高熱源体として、たとえば約95℃前後の水(温水)が導入され、冷却用ダクト300の中には低熱源体として、たとえば約15℃前後の水(冷水)が導入される。なお、高熱源体として、200℃以下の排ガス、水蒸気、高温水、高温の油(熱輸送媒体)などを導入してもよい。また、加熱用ダクト200の代わりに、炎のような放射熱源によって加熱されたプレートを用いてもよい。また、冷却用ダクト300の代わりに、空冷フィンと接続した空冷プレートを用いてもよい。
For example, water (warm water) at about 95 ° C. is introduced into the
この発電部100は、図2に示すように、直方体形状のチャンバー110を有している。チャンバー110の第1壁部111aとこの第1壁部111aに対向する第2壁部111bとは所定の間隙を隔てて平行に配置され、第1壁部111aおよび第2壁部111bの各々は、矩形の平面形状を有している。
As shown in FIG. 2, the
上記したように第1壁部111aの外面の全面には、加熱用ダクト200が接触配置され、第2壁部111bの外面の全面には、冷却用ダクト300が接触配置される。したがって、第1壁部111aおよび第2壁部111bには、それぞれ熱伝導性の高い材料が用いられることが好ましい。たとえば、金属性のプレートとして、表面処理鋼板、ステンレス等の材料が用いられる。
As described above, the
チャンバー110の周囲を取囲む4側面112a、112b、112c、112dは、チャンバー110内への熱の侵入を遮断することが好ましい。よって、第1壁部111aおよび第2壁部111bに用いられる材料よりも熱伝導性の低い材料が用いられる。たとえば、シリコーン樹脂などの高耐熱性樹脂等が用いられる。
The four
チャンバー110の内部には、チャンバー110の内部を第1壁部111a側の第1空間120aと第2壁部111b側の第2空間120bとに2分割するように、柔軟に変形が可能な可撓性を有する配線基板101が配設されている。この配線基板101の4辺は、第1空間120aと第2空間120bとの間の密閉性が保持されるように、チャンバー110の周囲を取囲む4側面112a、112b、112c、112dの内面に固着されている。
The
配線基板101には、図3に示すように、複数のチップ型コンデンサ102が複数行複数列に搭載される。なお、ここで定義されているチップ型コンデンサ102とは、リード端子を用いることなく半田などを介して端子部を直接配線基板上のランド等に接合するいわゆる面実装型のコンデンサを意味する。
As shown in FIG. 3, a plurality of
また、配線基板101には、ポリイミドを用いた膜厚が約30μm程度のフレキシブル基板が用いられる。ポリイミドを用いたフレキシブル基板は、熱容量が非常に小さい。したがって、加熱時には高熱源体からの熱がチップ型コンデンサ102に効率良く移動する。この時間は熱容量と熱抵抗から見積もることができるが、熱抵抗が同じ場合には、熱容量が2倍になると温度変化を生じるための時定数が2倍になり、同じ温度変化を起こすための時間が2倍になる。この結果、発電効率は1/2になる。同様に熱抵抗が大きい場合も効率が低下するので、熱源とはなるべく広い面積で適切な応力下で熱移動を起こすことが有効となる。
For the
チャンバー110の周囲を取囲む4側面112a、112b、112c、112dのうち、図2においては上側に位置する側面112aおよび下側に位置する側面112cには、それぞれ、第1空間120aに通じる開口部を構成する第1ノズル113および第2空間120bに通じる開口部を構成する第2ノズル114が設けられている。チャンバー110は、第1ノズル113および第2ノズル114を除き、内部空間の密閉が保持されるように構成されている。
Of the four
また、図4に示すように、各第1ノズル113は、配管を介して給排気装置201に接続されている。各第2ノズル114は、配管を介して給排気装置301に接続されている。給排気装置201、301は、制御部400によって制御される。給排気装置201は、第1ノズル113を介して第1空間120a内に空気を供給する給気動作と、第1空間120aから第1ノズル113を介して空気を排出する排気動作とを交互に行なう。給排気装置301は、第2空間120bから第2ノズル114を介して空気を排出する排気動作と、第2ノズル114を介して第2空間120bに空気を供給する給気動作とを交互に行なう。
Moreover, as shown in FIG. 4, each
チャンバー110の内部に収容された配線基板101の第2空間120b側には、複数のチップ型コンデンサ102が配線基板101の可撓性を損なわない程度の間隔で配列されている。チップ型コンデンサ102のサイズは、たとえば、高さ3.2mm×縦1.6mm×横1.6mmである。
On the side of the
なお、チップ型コンデンサ102としては、エネルギー密度が高く、誘電率の温度変化が大きな、積層セラミックを用いたチップ型コンデンサが好ましいが、同様の特徴を持つチップ型コンデンサであればよく、たとえば高分子材料を用いたチップ型コンデンサでもかまわない。
The
また、複数のチップ型コンデンサ102の第2壁部111b側には、図3および図4に示すように、複数のチップ型コンデンサ102のすべてを覆う、熱抵抗低減シート103が設けられている。これは、複数のチップ型コンデンサ102の第2壁部111bへの接触面積を拡大するために設けられており、チップ型コンデンサ102と第2壁部111bとの間の熱移動を円滑にするためのシートである。
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, a thermal
熱抵抗低減シート103には、上述したフレキシブル基板と同等の特性を有していることが好ましいことから、たとえば、熱伝達係数を高くするために熱伝導グリスを塗布した、膜厚が約10μm程度のポリイミドを用いたフィルムが用いられる。
Since it is preferable that the thermal
また、第1空間120aにおける第1壁部111aの内表面と配線基板101の表面との間隔は、約0.1mm〜約0.2mm程度である。また、第2空間120bにおける第2壁部111bの内表面と熱抵抗低減シート103の表面との間隔も、約0.1mm〜約0.2mm程度である。
In addition, the distance between the inner surface of the
なお、この熱抵抗低減シート103は、チップ型コンデンサ102側に固定されているが、第2壁部111b側に固定されていてもかまわない。また、チップ型コンデンサ102と第2壁部111bとの間の熱移動が問題とならない場合には、熱抵抗低減シート103を設ける必要はない。
The thermal
図5の基本回路に示すように、複数のチップ型コンデンサ102は、並列に接続され、スイッチSW1およびスイッチSW2の切換により、充電工程(SW1=OFF/SW2=ON)、オープン状態(SW1=OFF/SW2=OFF)、および、電気エネルギー取出工程(SW1=ON/SW2=OFF)が切り換えられる。なお、スイッチSW1およびスイッチSW2のON/OFFの制御は、制御部400において行なわれる。なお、図5において、スイッチSW1には、負荷(または蓄電装置)Lが接続され、スイッチSW2には、バッテリBTが接続されている。
As shown in the basic circuit of FIG. 5, the plurality of
次に、図5〜図7を参照して、上記構成の熱誘電発電装置1における熱誘電発電サイクルについて説明する。図5に示す回路において、充電が行なわれたチップ型コンデンサ102をオープン状態(SW1=OFF、SW2=OFF)にし、図6に示すように、給排気装置201によって第1ノズル113から第1空間120a内の空気を排出し、同時に、給排気装置301によって第2ノズル114から第2空間120b内に空気を導入する。
Next, a thermal dielectric power generation cycle in the thermal dielectric
第2空間120b内への空気の導入により、チップ型コンデンサ102を搭載した配線基板101は第1空間120a側に撓み、配線基板101が、第1壁部111aに当接する状態となる。これにより、チップ型コンデンサ102は、加熱用ダクト200により加熱される。
By introducing air into the
なお、加熱用ダクト200の中には高熱源体として、約95℃前後の水(温水)が導入され、冷却用ダクト300の中には低熱源体として、約15℃前後の水(冷水)が導入されている。
In addition, about 95 ° C. water (hot water) is introduced into the
次に、チップ型コンデンサ102の加熱後に、図5に示す回路において、スイッチSW1をオン状態にし、スイッチSW2をオフ状態にして、チップ型コンデンサ102から電気エネルギーを取り出す。
Next, after heating the
次に、図7を参照して、給排気装置201によって第1ノズル113から第1空間120a内に空気を導入し、同時に、給排気装置301によって第2ノズル114から第2空間120b内の空気を排出する。第1空間120a内への空気の導入により、チップ型コンデンサ102を搭載した配線基板101は第2空間120b側に撓み、配線基板101が第2壁部111bに当接する状態となる。これにより、チップ型コンデンサ102は、冷却用ダクト300により冷却される。
Next, referring to FIG. 7, air is introduced from the
次に、図5に示す回路において、スイッチSW1をオフ状態にし、スイッチSW2をオン状態にして、チップ型コンデンサ102に充電を行なう。その後、上記した加熱工程→電気エネルギー取出工程に移行する。
Next, in the circuit shown in FIG. 5, the switch SW1 is turned off and the switch SW2 is turned on to charge the
このようにして、充電工程→加熱工程→電気エネルギー取出工程→冷却工程の熱誘電発電サイクルを順次繰り返して行なうことにより、熱誘電発電が連続して行なわれ、効率よく発電することが可能となる。 In this way, by performing the thermal dielectric power generation cycle of the charging process → heating process → electrical energy extraction process → cooling process in order, thermal dielectric power generation is continuously performed, and it is possible to generate power efficiently. .
以上のように、この熱誘電発電装置1によれば、複数のチップ型コンデンサ102を配線基板101に行列状に搭載し、配線基板101の可撓性を利用して、チップ型コンデンサ102を、加熱用ダクト200が接触する第1壁部111aと、冷却用ダクト300が接触する第2壁部111bとに交互に接触させることで、チップ型コンデンサ102の温度変化を速くすることを可能としている。
As described above, according to the thermal dielectric
これにより、チップ型コンデンサ102の特定の温度に達するまでに要する時間が短くなり、単位時間当たりの加熱冷却サイクル数が増加する。その結果、単位時間当たりにおける電気エネルギーの取出量が多くなり、発電量を大きくすることができる。
Thereby, the time required to reach a specific temperature of the
ところで、この熱誘電発電装置1では、複数のチップ型コンデンサ102を単純に並列接続しただけなので、1つのチップ型コンデンサ102が故障してショートすると、そのパスに電流が流れ、他のチップ型コンデンサ102を充電することができなくなり、発電機能が停止する恐れがある。また、発電を再開するためには、ショートしたチップ型コンデンサ102を取り除く必要がある。このため、人手が必要となり、停止時間も長くなる。本実施の形態では、この問題の解決が図られる。
By the way, in this thermal dielectric
図8は、本発明の一実施の形態による熱誘電発電装置の要部を示す図である。図8を参照して、この熱誘電発電装置が図1〜図7の熱誘電発電装置1と異なる点は、配線基板101および複数のチップ型コンデンサ102が、配線基板501、N個(ただし、Nは2以上の整数であり、たとえば100である)のチップ型ヒューズ510、およびN×M個(ただし、Mは2以上の整数であり、たとえば10である)のチップ型コンデンサ511で置換されている点である。N×M個のチップ型コンデンサ511は、M個ずつグループ化されている。
FIG. 8 is a diagram showing a main part of the thermal dielectric power generation device according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 8, this thermal dielectric power generation device is different from thermal dielectric
配線基板501は、配線基板101と同様、ポリイミドを用いた膜厚が約30μm程度の四角形状のフレキシブル基板である。チップ型ヒューズ510は、リード端子を用いることなく半田などを介して端子部を直接配線基板上のランド等に接合するいわゆる面実装型のヒューズである。また、チップ型コンデンサ511は、チップ型コンデンサ102と同様、リード端子を用いることなく半田などを介して端子部を直接配線基板上のランド等に接合するいわゆる面実装型のコンデンサである。
The
配線基板501の表面の図中の左側の辺に沿って、Y方向に延在する電源配線502が形成される。電源配線502の内側(右側)には、それぞれM個のチップ型ヒューズ510に対応するM個の電極502aが所定のピッチで設けられている。
A
また、配線基板501の図中の右側の辺に沿って、Y方向に延在する接地配線503が形成されている。配線502、503の間には、X方向に延在する複数の接地配線504が所定のピッチでY方向に配列されている。各接地配線504の右側の端部は、接地配線503に接続されている。各接地配線504に対向して、X方向に延在する配線505が形成されている。配線504と505は、所定の間隔を開けて平行に配置されている。また、各配線505の左側の端部は、対応する電極502aに対向して配置されている。
A
各チップ型ヒューズ510の一方電極は対応の電極502aの表面に接合され、その他方電極は配線505の左端部の表面に接合される。各チップ型コンデンサ511の一方電極は対応の配線505の表面に接合され、その他方電極は対応の接地配線504の表面に接合される。
One electrode of each chip-
なお、チップ型ヒューズ510およびチップ型コンデンサ511を配線基板501に搭載したとき、配線基板501の表面から見たチップ型ヒューズ510の上面の高さは、配線基板501の表面から見たチップ型コンデンサ511の上面の高さ以下になるように設定されている。換言すると、チップ型ヒューズ510の厚さは、チップ型コンデンサ511の厚さ以下である。これは、チップ型ヒューズ510の厚さがチップ型コンデンサ511の厚さよりも大きいと、配線基板501を撓ませたときにチップ型コンデンサ511と第2壁部111bの接触がチップ型ヒューズ510によって妨げられ、チップ型コンデンサ511の温度変化が妨げられるからである。
When the
図9は、図8を用いて説明した熱誘電発電装置の構成を示す回路ブロック図である。図9において、コンデンサCGは、並列接続されたM個のチップ型コンデンサ511を示している。N個のチップ型ヒューズ510の一方電極は、電源配線502およびスイッチSW2を介してバッテリBTの正極に接続される。各コンデンサCGの一方電極は対応のチップ型ヒューズ510の他方電極に接続され、コンデンサCGの他方電極はともに接地配線503を介してバッテリBTの負極に接続される。
FIG. 9 is a circuit block diagram showing the configuration of the thermal dielectric power generation apparatus described with reference to FIG. In FIG. 9, a capacitor CG indicates
冷却工程では、スイッチSW1、SW2がともにオフ状態にされるとともに、配線基板501が冷却用ダクト300側に撓まされて各コンデンサCGが冷却される。充電工程では、コンデンサCGが冷却された状態で、スイッチSW1、SW2がそれぞれオフ状態およびオン状態にされる。これにより、バッテリBTから各チップ型ヒューズ510を介して各コンデンサCGに電流が流れ、各コンデンサCGが充電される。
In the cooling process, the switches SW1 and SW2 are both turned off, and the
加熱工程では、スイッチSW1、SW2がともにオフ状態にされるとともに、配線基板501が加熱用ダクト200側に撓まされて各コンデンサCGが加熱される。これにより、コンデンサCGの電気エネルギーが増幅され、コンデンサCGの端子間電圧が上昇する。電気エネルギー取出工程では、コンデンサCGが加熱された状態で、スイッチSW1、SW2がそれぞれオン状態およびオフ状態にされる。これにより、各コンデンサCGからチップ型ヒューズ510を介して負荷Lに電流が流れ、各コンデンサCGが放電される。
In the heating step, the switches SW1 and SW2 are both turned off, and the
図10に示すように、充電工程において1個のチップ型コンデンサ511がショートした場合、電源配線502から対応のチップ型ヒューズ510、ショートしたチップ型コンデンサ511、および接地配線504,503の経路に大きな電流が流れる。
As shown in FIG. 10, when one chip-
また、図11に示すように、電気エネルギー取出工程において1個のチップ型コンデンサ511がショートした場合、充電された他のチップ型コンデンサ511から電源配線502、対応のチップ型ヒューズ510、ショートしたチップ型コンデンサ511の経路に大きな電流が流れる。なお、図10および図11では、上から2行目で左から2列目のチップ型コンデンサ511がショートした場合が示されている。
Further, as shown in FIG. 11, when one
その結果、図12に示すように、上から2行目のチップ型コンデンサ511が溶断され、上から2行目のコンデンサグループ(コンデンサCG)が電源配線502から電気的に切り離される。このため、他のコンデンサグループは、次の充放電サイクルから、ショートしたチップ型コンデンサ511の影響を受けることなく、充放電される。
As a result, as shown in FIG. 12, the
したがって、本実施の形態では、1つのチップ型コンデンサ511が故障してショートした場合でも、その経路に電流が集中して発電機能が停止することを防止することができる。また、発電を再開するために、ショートしたチップ型コンデンサ511を取り除く必要がないので、そのための人手は不要である。
Therefore, in this embodiment, even when one chip-
なお、チップ型コンデンサ511がショート故障を起こした場合、上述のようにコンデンサグループの1つが機能を停止するため、発電量が低下する。そのため用途に応じた余裕を持った設計が必要となるが、本発明によりメンテナンスが容易になり、稼働率の低下を防止することができる。
Note that when a short-circuit failure occurs in the
なお、チップ型ヒューズ510を配線基板501に搭載する代わりに、ヒューズを配線基板501の配線によって形成してもよい。
Instead of mounting the chip-
図13(a)〜(d)は、この熱誘電発電装置の動作を示すタイムチャートである。特に、図13(a)はチップ型コンデンサ511の側面の温度T(℃)を示し、同図(b)はスイッチSW2のオン/オフ動作を示し、同図(c)はスイッチSW1のオン/オフ動作を示し、同図(d)は負荷Lの端子間電圧VL(V)を示している。この図13(a)〜(d)で明らかなように、充放電は必ずしも温度が安定してから行われるのではなく、温度変化の途中で行われることになる。温度変化とともにコンデンサの両端の電圧が変化し、その変化の途中で充電や放電が行われることになる。
FIGS. 13A to 13D are time charts showing the operation of this thermal dielectric power generation apparatus. 13A shows the temperature T (° C.) of the side surface of the chip-
図13(a)に示すように、配線基板501の加熱と冷却は、約5秒間ずつ交互に行なった。また、高熱源体の温度THは150℃とし、低熱源体の温度TLは15℃とした。配線基板501を加熱用ダクト200に接触させるとチップ型コンデンサ511の温度Tは約130℃に上昇し、配線基板501を冷却用ダクト300に接触させるとチップ型コンデンサ511の温度Tは約35℃に下降した。
As shown in FIG. 13A, heating and cooling of the
また図13(b)(c)に示すように、チップ型コンデンサ511の温度Tが低下した期間にスイッチSW2をオンさせてチップ型コンデンサ511を充電し、チップ型コンデンサ511の温度Tが上昇した期間にスイッチSW1をオンさせてチップ型コンデンサ511を放電させた。
Further, as shown in FIGS. 13B and 13C, the switch SW2 is turned on to charge the
また図13(b)〜(d)に示すように、スイッチSW2をオンさせてチップ型コンデンサ511を充電した後に加熱すると、チップ型コンデンサ511の電気エネルギーが増幅されてその端子間電圧が約100Vに上昇する。その状態でスイッチSW1をオンさせると、チップ型コンデンサ511に蓄えられた電気エネルギーが負荷Lに供給され、チップ型コンデンサ511の端子間電圧すなわち負荷Lの端子間電圧VL(V)が急激に下降する。
As shown in FIGS. 13B to 13D, when the switch SW2 is turned on and the
図13(a)〜(d)では、スイッチSW1をオンさせてM×N個のチップ型コンデンサ511の電気エネルギーを負荷Lに供給しているときに(時刻t0)、図11で示したように、1つのチップ型コンデンサ511が故障してショートした場合が示されている。1つのチップ型コンデンサ511がショートすると、そのチップ型コンデンサ511によって負荷Lの端子間がショートされ、負荷Lの端子間電圧VLが0Vになる。
13A to 13D, when the switch SW1 is turned on and the electric energy of the M ×
また、図11および図12で示したように、ショートしたチップ型コンデンサ511に電流が集中してそのチップ型コンデンサ511に対応するチップ型ヒューズ510が溶断される。ショートしたチップ型コンデンサ511を含むグループのコンデンサCGが電源配線502から電気的に切り離される。これにより、他のグループのチップ型コンデンサ511は次の充放電サイクルから正常に動作し、発電が継続される。
Further, as shown in FIGS. 11 and 12, the current concentrates on the short-circuited
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 熱誘電発電装置、100 発電部、101,501 配線基板、102,511 チップ型コンデンサ、103 熱抵抗低減シート、110 チャンバー、111a 第1壁部、111b 第2壁部、112a〜112d 側面、113 第1ノズル、114 第2ノズル、120a 第1空間、120b 第2空間、200 加熱用ダクト、201,301 給排気装置、300 冷却用ダクト、400 制御部、501 配線基板、502 電源配線、502a 電極、503,504 接地配線、505 配線、510 チップ型ヒューズ、BT バッテリ、CA コンデンサ、CG コンデンサ、L 負荷、SW1,SW2 スイッチ。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記フレキシブル基板に搭載された第1の端子、第2の端子、複数のチップ型ヒューズ、および複数のコンデンサとを備え、
前記複数のチップ型ヒューズの一方端子はともに前記第1の端子に接続され、
前記複数のコンデンサの一方端子はそれぞれ前記複数のチップ型ヒューズの他方端子に接続され、前記複数のコンデンサの他方端子はともに前記第2の端子に接続され、
前記複数のコンデンサの各々は、対応のチップ型ヒューズの他方端子と前記第2の端子との間に並列接続された複数のチップ型コンデンサを含み、
前記複数のチップ型ヒューズの各々の厚さは前記複数のチップ型コンデンサの各々の厚さ以下であり、
さらに、前記複数のコンデンサを冷却する第1の工程と前記複数のコンデンサを加熱する第2の工程とを交互に行なう冷却/加熱部と、
前記第1および第2の端子に接続され、冷却された前記複数のコンデンサを充電し、加熱された前記複数のコンデンサを放電させる充放電部とを備える、熱誘電発電装置。 A flexible substrate;
A first terminal mounted on the flexible substrate, a second terminal, a plurality of chip-type fuse, and a plurality of capacitors comprising,
One terminal of each of the plurality of chip-type fuses is connected to the first terminal,
One terminal of each of the plurality of capacitors is connected to the other terminal of each of the plurality of chip-type fuses, and the other terminal of each of the plurality of capacitors is connected to the second terminal.
Each of the plurality of capacitors includes a plurality of chip type capacitors connected in parallel between the other terminal of the corresponding chip type fuse and the second terminal;
The thickness of each of the plurality of chip-type fuses is equal to or less than the thickness of each of the plurality of chip-type capacitors,
A cooling / heating unit that alternately performs a first step of cooling the plurality of capacitors and a second step of heating the plurality of capacitors;
And a charge / discharge unit connected to the first and second terminals for charging the cooled capacitors and discharging the heated capacitors.
前記フレキシブル基板の一方側表面に対向して設けられ、第1の温度にされた冷却部材と、
前記フレキシブル基板の他方側表面に対向して設けられ、前記第1の温度よりも高い第2の温度にされた加熱部材と、
前記フレキシブル基板を前記冷却部材側に撓ませて前記複数のコンデンサを冷却し、前記フレキシブル基板を前記加熱部材側に撓ませて前記複数のコンデンサを加熱する駆動部とを含む、請求項1に記載の熱誘電発電装置。 The cooling / heating unit includes:
A cooling member provided opposite to the one side surface of the flexible substrate and having a first temperature;
A heating member provided opposite to the other side surface of the flexible substrate and having a second temperature higher than the first temperature;
Wherein the flexible substrate is bent to the cooling member side to cool the plurality of capacitors, and a driving unit for the flexible substrate to heat the plurality of capacitors by bending to the heating member side, according to claim 1 Thermal dielectric power generator.
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