JP5764465B2 - 熱発電携帯機器および熱発電携帯機器の発電制御方法 - Google Patents
熱発電携帯機器および熱発電携帯機器の発電制御方法 Download PDFInfo
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Description
本発明の熱発電携帯機器は、熱源と放熱先との温度差に基づき発電する熱発電素子と、熱源と放熱先との間の伝熱経路の一部である可変抵抗部を移動させる可変抵抗部移動機構と、を備え、可変抵抗部移動機構は、温度変化によって形状変化を起こす熱変形部を有し、形状変化によって可変抵抗部を移動させ、可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を制御することを特徴とする。
かかる特徴によれば、熱源側位置の温度と放熱先側位置の温度が接近して発電効率が低下した際に、可変抵抗部の熱抵抗を変化させることで生体から放熱先への伝熱が一時的に低下し、上記両位置での温度を離反させることができ、その後伝熱を再開することで熱発電素子の発電効率を回復することが可能となる。
かかる特徴によれば、熱源と放熱先との間の伝熱経路での温度分布を変更して、熱発電素子の熱源側位置と放熱先側位置との間に、熱源と放熱先との間の所定の温度差に基づく所望の大きさの温度差を確保することができる。これにより、所望の発電電圧および発電量を確保することができると共に、発電効率の低下を抑制することが可能となる。
かかる特徴によれば、生体の温度によって熱源側熱変形部が変形し、放熱先の温度によって放熱先側熱変形部が変形するため、可変抵抗部移動機構は両変形量の差分を利用することで、生体と放熱先の温度差に対応した移動量を実現することができ、熱発電素子の発電効率に直接相関のある移動動作をすることで、熱発電素子の発電効率を高めることが可能となる。
かかる特徴によれば、温度変化による形状変化の特性が詳しく知られている上に安価に入手できる材料を利用して高性能な熱発電携帯機器を実現することが可能となる。
かかる特徴によれば、わずかな温度変化に対して大きな形状変化を起こす特性を利用して高精度に制御した熱発電が可能となる。
かかる特徴によれば、生体あるいは放熱先の温度ではなく両者の温度差に基づく制御ができ、温度差で発電するという熱発電素子の原理に対応した高性能な熱発電携帯機器を実現することが可能となる。
かかる特徴によれば、生体の温度と放熱先の温度との差に自動的に対応した制御ができる上に、それぞれのぜんまいが常に平衡位置に居るため力がかかっていない状態を維持することができ、ぜんまいの信頼性が高くなることから熱発電携帯機器自体の信頼性も高めることが可能となる。
かかる特徴によれば、熱変形部が軽くなることによって熱発電携帯機器を軽量化することが可能となる。
かかる特徴によれば、回転軸周りに回転可能または所定方向にスライド移動可能な可変抵抗部を備えるだけで、機器構成が複雑化することを抑制しつつ、可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を容易に変更することが可能となる。
かかる特徴によれば、例えば適宜の熱抵抗を有する板状部材による伝熱経路に対する交差状態の有無によって、あるいは、例えば位置に応じて異なる熱抵抗を有する板状部材による伝熱経路に対する交差位置の変化によって、可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を変更することが可能となる。
かかる特徴によれば、可動部材の回転性を向上させることができ、回転に伴う伝熱経路に対する干渉の有無あるいは回転に伴う伝熱経路に対する干渉の位置の変化を容易に生じさせることができ、可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を容易に変更することが可能となる。
かかる特徴によれば、例えば重力の作用による可動部材の回転性を向上させることができ、回転に伴う伝熱経路に対する干渉の有無あるいは回転に伴う伝熱経路に対する干渉の位置の変化を容易に生じさせることができ、可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を容易に変更することが可能となる。
かかる特徴によれば、生体に装着された熱発電携帯機器が熱的平衡状態に向かい変化することに伴い、熱発電素子の熱源側位置と放熱先側位置との間の温度差および熱発電素子の発電電圧が低下した場合であっても、熱発電素子の熱源側位置と放熱先側位置との間の温度差を再度増大させることができる。
これにより、所望の発電電圧および発電量を確保することができると共に、発電効率の低下を抑制することが可能となる。
以下、本発明の第1の実施形態に係る熱発電携帯機器について図1から5を参照しながら説明する。
本実施の形態による熱発電携帯機器10は、例えば人体の腕に装着される腕時計であって、図1に示すように、筐体11と、枠体12と、カバーガラス13と、裏蓋14と、保持部材15と、文字盤16と、指針部17と、ムーブメント18と、熱変形部19と、熱発電素子20と、熱源側導熱部材21と、導熱性可動部材22と、放熱先側導熱部材23と、を備えて構成されている。筐体11は、例えば金属などにより筒状に形成され、一方の開口端はカバーガラス13により閉塞され、他方の開口端には筒状の枠体12の一方の開口端が接続されている。枠体12は、例えば合成樹脂などにより筒状に形成され、筐体11に接続されていない開口端は裏蓋14により閉塞されている。保持部材15は、例えばアルミニウム、銅、真鍮等の金属により形成され、筐体11および枠体12の内部に収容されている。文字盤16は、例えば時刻の秒、分、時に係る数字などが表示された表面がカバーガラス13を介して外部から視認可能になるようにして、裏面がムーブメント18により保持されている。指針部17は、例えば、時刻の秒を示す秒針と、時刻の分を示す分針と、時刻の時を示す時針とを備えて構成され、文字盤16の表面上から突出して設けられ、ムーブメント18により回転駆動されて文字盤16の表面上に設けられた時刻に係る適宜の表示を指し示す。ムーブメント18は、例えば、文字盤16の裏面側に配置されて保持部材15により保持されている。ムーブメント18は、例えば図2に示すように、制御部31と、針駆動部32と、昇圧部33と、蓄電部34とを備えて構成されている。制御部31は、例えば蓄電部34から供給される電力により作動する発振回路および分周回路およびモータ駆動パルス出力回路などを備え、分周回路から出力される計時の基準となる信号に応じて、針駆動部32を駆動するための駆動パルスをモータ駆動パルス出力回路から出力する。針駆動部32は、例えばステッピングモータなどを備え、制御部31から出力される駆動パルスに応じて指針部17の秒針と分針と時針とを回転駆動する。昇圧部33は、例えば発振回路およびチャージポンプ回路などを備え、熱発電素子20に接続され、熱発電素子20から出力される発電電圧を昇圧して昇圧電圧を出力する。蓄電部34は、例えば2次電池やコンデンサなどを備え、昇圧部33に接続され、昇圧部33から出力される電力を蓄電する。
熱発電素子20は、例えばペルチェ素子や熱電対などからなり、熱源側導熱部材21と放熱先側導熱部材23によって挟み込まれるようにして保持されている。熱源側導熱部材21は例えば銅などにより板状に形成され、裏蓋14の内面側に配置されている。
熱変形部19は温度によって長さが変化する金属製の板であり、長さが変化することで導熱性可動部材22を図中左右方向に沿って移動させる。
まず、熱発電携帯機器10外部の雰囲気の温度(雰囲気温度)Taに比べて、より高い温度(熱源温度)Tcを有する熱源である生体に対して、熱発電携帯機器10が生体に装着されて裏蓋14が生体に接触すると、裏蓋14および熱源側導熱部材21からなる領域を経由して、熱源から熱発電素子20の熱源側位置に熱流が伝達される。
図7は本発明の第2の実施形態に係る熱発電携帯機器のうち、導熱性可動部材22の一部と熱変形部19の一部、及びムーブメント18の一部の断面を示す図である。本実施形態では図7に示した部分以外は第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図8は本発明の第3の実施形態に係る熱発電携帯機器のうち、熱源側導熱部材21から導熱性可動部材22の一部とその周辺部の断面を示す図である。本実施形態では図8に示した部分以外は第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
図9と図10は本発明の第4の実施形態に係る熱発電携帯機器60の構造を示す。第1の実施形態と同一の部分には同一符号を与えて説明を省略する。図9、図10ともに(a)が熱発電携帯機器60の断面図、(b)が導熱性可動部材61の平面図である。本実施形態では導熱性可動部材61は熱伝導性を持つ材質から成る点は第1の実施形態と同様であるが、図9,図10の下に示すように平面視楕円の板形状であり、中心軸61aの周りに回転可能になっている。図9では導熱性可動部材61は放熱先側導熱部材23の直上に配置した状態、図10では導熱性可動部材61は図9から中心軸61aの周りに90度回転した状態を示す。導熱性可動部材61はバイメタルぜんまい62に固定されており、バイメタルぜんまい62の変形によって中心軸61aの周りに回転する。バイメタルぜんまい62は2種類の金属を貼り合わせた材料から成るぜんまいであり、温度変化によって変形することでそれに固定された導熱性可動部材61を回転させる。所定の温度におけるバイメタルぜんまい62の形状によって導熱性可動部材61は図9と図10のいずれかに示される位置に配向される。
図11と図12は本発明の第5の実施形態に係る熱発電携帯機器70の構造を示す。第4の実施形態と同一の部分には同一符号を与えて説明を省略する。図11、図12ともに(a)が熱発電携帯機器70の断面図、(b)が導熱性可動部材71の平面図である。本実施形態では導熱性可動部材71は熱伝導性を持つ材質から成り、平面視楕円の板形状である点は第4の実施形態と同様であるが、図11、図12の下に示すように、中心軸72が導熱性可動部材71の重心から所定距離だけずれて位置している。
図13は本発明の第6の実施形態に係る熱発電携帯機器80の構造を示す。第1の実施形態と同一の部分には同一符号を与えて説明を省略する。第1の実施形態との相違点は、第1の実施形態での熱変形部19の代わりに気体封止部81を持つ点である。気体封止部81は略直方体形状であり、注射器のように2個の円筒が図中の左右方向にスライドすることにより、内部の気体が温度によって体積変化した際に導熱性可動部材22を移動させる。これにより第1の実施形態と同様の効果を実現できる。
図14は本発明の第7の実施形態に係る熱発電携帯機器90の構造を示す。第1の実施形態と同一の部分には同一符号を与えて説明を省略する。本実施形態においては、熱源側導熱部材21に接触するように熱源側バイメタルぜんまい93が配置され、ムーブメント18に接触するように放熱先側バイメタルぜんまい92が配置されている。この2つのバイメタルぜんまいは変形部間接続部94によって接続され、温度変化によって回転する方向が互いに反対になるように巻かれている。変形部間接続部94はプラスチックなどの熱伝導率の低い材質から成り、内部に中空部95を持つ。導熱性可動部材91は放熱先側バイメタルぜんまい92と変形部間接続部94に挟まれて配置される。熱源側バイメタルぜんまい93は生体の温度によって決まる角度になるように変形部間接続部94を回転する力をかけるが、放熱先側バイメタルぜんまい92は大気の温度によって決まる角度になるように変形部間接続部94を反対方向に回転する力をかける。これにより両者の力が均衡した位置に変形部間接続部94は停止する。この位置は生体と大気それぞれの温度ではなく、生体と大気の温度差によって決まる。この温度差が大きいときに導熱性可動部材91が放熱先側導熱部材23に接触し、温度差が小さくなってくると離反するように両者を配置していることにより、高効率で発電できる時間は発電を行い、効率が低下すると一旦発電を停止させて内部の温度差が大きくなった時点で再度発電させる、という上述の実施形態と同様の効果を実現できる。
図15は本発明の第8の実施形態に係る熱発電携帯機器のうち、導熱性可動部材100から熱源側導熱部材103までの構造を示す。第7の実施形態と同様に、熱源側バイメタルぜんまい101と放熱先側バイメタルぜんまい102を持ち、両者は温度変化によって回転する方向が互いに反対になるように巻かれているが、以下が異なる。固定されている場所をfixと示した。熱源側バイメタルぜんまい101は熱源側導熱部材103に固定され、生体の温度によって所定の角度Rot101だけ回転する。熱源側バイメタルぜんまい101は熱源側回転軸104に固定されているため、熱源側回転軸104は熱源側導熱部材103に対して同じ角度Rot104だけ回転する。放熱先側バイメタルぜんまい102は熱源側回転軸104に固定されているが、大気の温度によって所定の角度Rot102だけ反対方向に回転するため、その差分だけ熱源側導熱部材103に対して回転する。放熱先側回転軸105は放熱先側バイメタルぜんまい102に固定されているため、同じ角度Rot105だけ回転する。導熱性可動部材100は放熱先側回転軸105に固定されているため、結果として、導熱性可動部材100は熱源側導熱部材103に対して、生体と大気の温度差に対応した角度だけ回転する。このような構成にすることにより、2個のぜんまいは常にその時の温度における平衡位置、すなわち位置エネルギーが最小の位置を維持するために力がかかることが無い。また、熱源側回転軸104に円盤を固定して、それに放熱先側バイメタルぜんまい102を固定することで、円盤と導熱性可動部材100が独立に回転するという、装飾的な効果も実現できる。
10 熱発電携帯機器
11 筐体
12 枠体
13 カバーガラス
14 裏蓋
15 保持部材
16 文字盤
17 指針部
18 ムーブメント
19 熱変形部
20 熱発電素子
21 熱源側導熱部材
22 導熱性可動部材
23 放熱先側導熱部材
31 制御部
32 針駆動部
33 昇圧部
34 蓄電部
41 可動部材突起
42 ムーブメント第一突起
43 ムーブメント第二突起
50 熱発電携帯機器
51 熱源側熱変形部
52 放熱先側熱変形部
53 変形部間接続部
54 中空部
55 熱源側熱変形部51の伸び
56 放熱先側熱変形部52の伸び
60 熱発電携帯機器
61 導熱性可動部材
61a 導熱性可動部材61の中心軸
62 バイメタルぜんまい
70 熱発電携帯機器
71 導熱性可動部材
72 導熱性可動部材71の中心軸
80 熱発電携帯機器
81 気体封止部
90 熱発電携帯機器
91 導熱性可動部材
92 放熱先側バイメタルぜんまい
93 熱源側バイメタルぜんまい
94 変形部間接続部
95 中空部
100 導熱性可動部材
101 熱源側バイメタルぜんまい
102 放熱先側バイメタルぜんまい
103 熱源側導熱部材
104 熱源側回転軸
105 放熱先側回転軸
Rot101 熱源側バイメタルぜんまいの回転角
Rot102 放熱先側バイメタルぜんまいの回転角
Rot104 熱源側回転軸の回転角
Rot105 放熱先側回転軸の回転角
Claims (13)
- 熱源と放熱先との温度差に基づき発電する熱発電素子と、
前記熱源と前記放熱先との間の伝熱経路の一部である可変抵抗部を移動させる可変抵抗部移動機構と、を備え、
前記可変抵抗部移動機構は、温度変化によって形状変化を起こす熱変形部を有し、前記形状変化によって前記可変抵抗部を移動させ、前記可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を制御することを特徴とする熱発電携帯機器。 - 前記可変抵抗部移動機構は、前記熱抵抗が第1熱抵抗である第1熱抵抗状態と、前記第1熱抵抗とは異なる第2熱抵抗である第2熱抵抗状態とに切り替える制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の熱発電携帯機器。
- 前記可変抵抗部移動機構は、熱源側熱変形部と放熱先側熱変形部とを有し、
前記熱源と前記熱源側熱変形部とは、熱源側熱変形部支持部を介して接続され、
前記熱源側熱変形部と前記放熱先側熱変形部とは、変形部間接続部を介して接続され、
前記放熱先側熱変形部は、前記可変抵抗部と接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の熱発電携帯機器。 - 前記熱変形部は金属を有し、
前記形状変化は前記金属の熱膨張であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の熱発電携帯機器。 - 前記熱変形部はバイメタルを有し、
前記形状変化は、前記バイメタルの変形であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の熱発電携帯機器。 - 前記熱源側熱変形部と前記放熱先側熱変形部とは、ともにバイメタルを有するぜんまいであり、
両前記ぜんまいは、一つの回転軸を共有して接続され、温度が変化した際に前記回転軸に対して互いに反対方向に回転する力を発生するものであることを特徴とする請求項3に記載の熱発電携帯機器。 - 前記熱源側熱変形部と前記放熱先側熱変形部は、ともにバイメタルを有するぜんまいであり、
前記熱源側熱変形部は、回転軸周りに回転可能であり、
前記回転軸は、前記放熱先側熱変形部を固定し、
前記放熱先側熱変形部は、回転体を固定し、
前記回転体は、前記回転軸周りに回転可能であり、前記可変抵抗部を固定し、
両前記ぜんまいは、温度が変化した際に前記回転軸に対して互いに反対方向に回転する力を発生するものであることを特徴とする請求項3に記載の熱発電携帯機器。 - 前記熱変形部は、気体を封止した気体封止部を有し、
前記形状変化は、前記気体封止部の変形であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の熱発電携帯機器。 - 前記可変抵抗部は、回転軸周りに回転可能または所定方向にスライド移動可能であり、
前記回転または前記スライド移動に伴って、前記伝熱経路に対する干渉の有無または前記伝熱経路に干渉する位置が変化することによって、前記熱抵抗が変更することを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の熱発電携帯機器。 - 前記可変抵抗部は、板状部材であり、
前記板状部材は、前記伝熱経路に交差可能であることを特徴とする請求項9に記載の熱発電携帯機器。 - 前記可変抵抗部は、前記回転軸の軸心に対して点対称な形状を有することを特徴とする請求項9に記載の熱発電携帯機器。
- 前記可変抵抗部は、前記回転軸の軸心に対して非点対称な形状を有することを特徴とする請求項9に記載の熱発電携帯機器。
- 請求項1から12のいずれかに記載の熱発電携帯機器の発電制御方法であって、
前記熱発電素子による発電時に前記可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を変更し、前記変更後に前記可変抵抗部の配置場所における熱抵抗を変更前の値に向かい変更することを特徴とする熱発電携帯機器の発電制御方法。
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