JP7255126B2 - 加熱用器具 - Google Patents

Description

本発明は加熱用器具に関し、特に発電機能を有する加熱用器具に関する。

調理時の熱によって発電を行うことができる発電鍋等の調理器具は、災害等による停電時や、電気の使えないキャンプ場などで、携帯機器の充電等の用途に大変重宝する。特許文献１では、ゼーベック効果に基づく熱電発電機能を備えた調理用鍋が開示されている。調理器具の容器本体の底部に、ビスマス・テルル系のｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子を電極で接合した熱電変換モジュールを取り付ける。調理する食材や水を容器内に入れ、たき火、ガス火、太陽集光熱等の熱源で加熱する。加熱される鍋の底面側の高温部（～500℃）と、食材や水が入った容器内部側の低温部（～100℃）との間には大きな温度差が生じる。この大きな温度差を利用して、30W程度の発電が実証されている。

また特許文献２の熱電発電装置は、直火にかける容器の底面に熱電変換素子を設置固定している。この熱電変換素子は、複合金属酸化物の焼結体に電極を設けたゼーベック素子である。

さらに特許文献３の加熱容器では、金属鍋の底部と取っ手部に熱電変換素子（ペルチエ素子）を用いる。例えば半導体のＰＮ接合部が両面に多数配置された板状のものの片面を高温になる底部に付け、取っ手部にもう片面を付ける。この片面ともう片面の間の温度差で発電する。

国際公開第２０１３／０２７７４９号 特開2009-272584号公報 特開2017-526号公報

特許文献１，２，３は全て熱電変換素子を、調理器具とは別物として取り付けている。そのため調理器具自体では発電できない。本発明の目的は、この問題点を解決し、加熱用器具自体で発電が可能な加熱用器具を提供することである。

本発明は、発電機能を備えた加熱用器具であって、少なくとも直接加熱される箇所に、自発磁化を持ち、加熱により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板を備え、前記磁性金属板または前記加熱用器具の他の部分に、電力を取り出すための電極を設けたことを特徴とする発電機能を備えた加熱用器具である。

本発明によれば、加熱用器具自体で発電することが可能になる。

本発明の第１の実施形態の調理器具を側面から見た概略図である。 本発明の第２の実施形態の調理器具を説明するための断面図である。 本発明の第３の実施形態の調理器具を説明するための断面図である。 図３の調理器具の平面図で、上方から見た図である。 図５は図３，４の磁性合金板の自発磁化の方向を９０度変えて、取っ手と平行な方向にした場合の、上方から見た平面図である。 図４の丸鍋を角鍋に代えた場合の平面図で、上方から見た図である。 図５の丸鍋を角鍋にした場合を示す平面図である。 本発明の第４の実施形態で用いる調理器具を説明するための断面図である。 本発明の第５の実施形態を示す図で、調理器具の裏面の図である。 本発明の第６の実施形態の調理器具を説明するための断面図である。 本発明の第７の実施形態の調理器具を説明するための断面図である。 本発明の第８の実施形態の加熱用器具を側面から見た概略図である。

（第１の実施形態）
図１を用いて本発明の第１の実施形態である調理器具を説明する。図１は本実施形態の調理器具１を側面から見た概略図である。調理器具１は丸鍋である。この調理器具１は、第１層１０、第２層１２、電極１３ａ、１３ｂ、取っ手１４、外部回路１５、出力コネクタ１６、導電線１７ａ、１７ｂを備える。

磁性合金板１２は例えば磁性を持つSUS304である。本実施形態の調理器具１では第１層１０と第２層１２が積層されている。第１層１０は鍋の基体部であり、材料はアルミである。以下基体部１０と呼称する。第２層１２の材料は磁性合金である。以下磁性合金板１２と呼称する。磁性合金板１２は鍋が直接加熱される箇所である平坦な底面に形成され、両端部には電極１３ａ、１３ｂを設ける。このように構成することで鍋自体が熱電発電する。
磁性合金板１２は自発磁化Ｍを持つ。その方向は、図１に示すように、底面の面内方向であり、しかも紙面の裏から表側に向かう方向（取っ手１４に対して直角方向）である。取っ手１４上に外部回路１５を載せ、外部回路１５の出力は出力コネクタ１６経由で外部に取り出す。電極１３ａ、１３ｂと外部回路１５の入力端子（不図示）を導電線１７ａ、１７ｂで接続する。外部回路１５は例えばDC-DCコンバータである。

調理器具１に加熱したい食材や水（不図示）などを入れ、ガスレンジ等を使って調理器具１の底部を火で加熱すると、磁性合金板１２の底面側と基体部１０の上側の間に温度差が生じる。火はガス火、たき火、太陽光集熱等を使うことができる。この温度差（温度勾配）によって磁性合金板１２内で異常ネルンスト効果が発現し、磁性合金板１２の面内方向に起電力Ｅが生じる。両端の電極１３ａ、１３ｂからこの起電力Ｅに基づく出力を取り出せば、熱電発電が可能となる。異常ネルンスト効果とは、ある方向に磁化（Ｍ）した磁性体に熱流∇Ｔを加えた際に、磁化Ｍの向きと熱流∇Ｔの向きの双方と直交する向きに起電力Ｅが生じる現象である。磁性合金板は導電体であるため、温度差が小さいと出力電圧をあまり大きくできない。そのため外部回路１５内のDC-DCコンバータで昇圧すると使いやすい。

本実施形態の調理器具１は停電時や野外で電源が取れない場所でも、調理等で加熱するついでに発電することができる。特許文献１～３は全て、熱電変換素子を、調理器具とは別物として取り付けている。また特許文献１～３の熱電変換素子はいずれも素子構造を形成する必要があり、コストが高い。例えば特許文献１ではｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子を電極で接合した熱電変換モジュールを作製する必要があり、調理器具としては破格の高コストになってしまい、一般家庭には普及していない。また、特許文献１～３のような、熱電変換素子を並列に並べたゼーベック素子は、並べた方向の熱伝導性が低い。そのため、調理器具のように加熱が不均一になりがちなものでは、局所的な熱膨張によって壊れたり変形したりしやすく、また通常の鍋に比べて均一に焼けない、時間が掛かる等調理性能が劣っていた。しかし本実施形態のようにすれば調理器具自体で発電でき、また調理器具を構成する金属を一部磁性金属板にするだけで良いので構造が極めて簡単で、低コストにできる。また磁性金属板を設ければよいので、上述の特許文献１～３のように熱電変換素子を並べた方向の熱伝導率が低くなることはなく、均一に加熱できる。

なお磁性合金板１２に用いる磁性合金は、例えば鉄系合金であるステンレス材料を用いることができる。一般にステンレスは金属組織上の分類では大きく５系統（オーステナイト系、フェライトオーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系）に分けられていて、このうち、オーステナイト系以外は強磁性とされており、本実施形態の磁性合金板として用いることができる。

なお図１の例では磁性合金板１２をアルミの基体部１０の底に接合している。基体部１０はアルミ以外に鉄、非磁性合金、銅等で作製してもよい。また底面全体を磁性合金板１２で作製してもよい。更に基体部１０の側面も磁性合金板で作製してもよい。つまり基体部１０の直接加熱される箇所以外の箇所も磁性合金板で構成して、全体を磁性合金板で作製してもよい。側面では発電させてもよいし、させなくてもよい。

また本実施形態では鍋を例として説明したが、フライパン、ホットプレート、薬缶、釜等他の調理器具にも適用できる。
（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態の調理器具１を説明する断面図である。本実施形態は基本的には第１の実施形態と同じであるが、基体部１０の底面上に絶縁層１１を形成している。具体的には陽極酸化処理して形成した酸化アルミ（アルミナ）膜である。この絶縁層１１上に磁性合金板１２を貼り合わせる。

基体部１０の底面と磁性合金板１２の間に絶縁層１１があると電気的設計がしやすい。つまり得られた起電力によって生じる電流がほぼ磁性合金板１２内だけを流れ、基体部１０には流れにくいので発電した電力のロスが少ない。
（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態の調理器具１を説明する断面図である。第１の実施形態では電極１３ａ、１３ｂが底部の磁性合金板１２の両端にあるため、直火に曝される。また導電線１７ａ、１７ｂは底部にある電極１３ａ、１３ｂから引き出すため、電極に近い箇所は同様に直火に曝される。そのため熱損傷の恐れがある。

本実施形態では、調理器具１の上部の縁に電極２３ａ、２３ｂを設置し、調理器具１の側面に導電板２０１ａ，２０１ｂを形成して磁性合金板２２と電極２３ａ、２３ｂを電気的に接続している。本実施形態では基体部２０の外側の底面２０２と側面２０３に絶縁層２１（酸化アルミ）を形成している。図４は図３の調理器具３の平面図で、上方から見た図である。導電板２０１ａ，２０１ｂは、取っ手２４のある側とその反対側の酸化アルミ上に形成する。導電板２０１ａ，２０１ｂは底面２０２の中心から見て図４の角度θで６０°以下に収まるよう形成する。

電極２３ａ、２３ｂから導電線２７ａ、２７ｂを引き出して調理器具１の外部回路２５に接続している。外部回路２５から遠い導電線２７ａは調理器具１の少し外側を回している。導電板２０１ａ、２０１ｂは磁性合金板２２と同材料であってもよく、アルミ、非磁性SUS304等別材料でもよい。つまり側面で発電してもよいし、しなくてもよい。

このようにしたため、導電線２７ａ、２７ｂと電極２３ａ、２３ｂは直火に曝されることが殆どなく、熱損傷を受けにくくなる。また磁性合金板２２と電極２３ａ、２３ｂの間を導電板２０１ａ、２０１ｂで接続する際には調理器具１の底部を通らないため、同じく殆ど直火に曝されることがなく、熱損傷を受けにくい。

図５は図３，４の磁性合金板２２の自発磁化の方向を９０度変えて、取っ手２４と平行な方向にした場合の、上方から見た平面図である。導電板２０１ａ、２０１ｂは取っ手２４から見て直角方向に設置する。

また図６は図４の丸鍋を角鍋６に代えた場合の平面図で、上方から見た図である。図７も同様に図５の丸鍋を角鍋７にした場合を示す平面図である。
（第４の実施形態）
熱電変換を効果的に行うためには、調理器具の高温側（底部）の温度が面内である程度均一となることが望ましい。鍋などで火に直接当たっている箇所は、直接当たっていない箇所より高温になる。するとその温度差によって発生した電流が低温側に逃げ、その分だけ電流を外に取り出せなくなる。調理器具全体がアルミやアルミ合金のような熱伝導率が高いものであれば良いが、磁性合金はアルミ合金等と比べて熱伝導率が低い。

そこで、本実施形態では図８に示すように、磁性合金板８２上に、最下部層としてアルミ合金等からなる高熱伝導層８６を設ける。これにより、底部での横方向への熱伝導が促進され、高温側の温度均一性が高まる。なお、電気的設計上、磁性合金板８２と高熱伝導層との間には磁性合金板８２の酸化皮膜等の薄い絶縁層８５（電気を通さない層）を形成する。他の構成要素である基体部８０、絶縁層８１、導電板８０１ａ、８０１ｂ等は第２、第３の実施形態と同様である。
（第５の実施形態）
図９（ａ）、（ｂ）は本発明の第５の実施形態を示す図で、調理器具１の裏面の図である。取っ手などを省略して裏面だけを描いている。本実施形態は第４の実施形態と同じく調理器具の高温側（底部）の温度を面内で均一にするものであり、第４の実施形態の高熱伝導層に代えて、第１～第３の実施形態の磁性合金板をパターン化している。図９（ａ）では磁性合金板を短冊状に細長く５つに分割して、間に隙間を設けている。短冊状の磁性合金板９２の両端は、第３の実施形態と同様に導電板９０１ａ、９０１ｂを形成する。磁性合金板９２の自発磁化Ｍは図３，４と同じく全て面内方向である。

なお、面内の温度分布を均一にするためには、短冊の幅は適度に狭くするとよい。例えば第１～第３の実施形態の磁性合金板１２，２２を一方向に４，５分割する程度に狭くする。

また図９（ｂ）では蛇行した形状（ミアンダ形状）にする。磁性合金板９３ａ、９３ｂの磁化方向Ｍ，Ｍ’は、磁性合金板９３ａ、９３ｂの面内で線幅の方向である。また、磁性合金板９３ａの自発磁化の方向Ｍと、それと逆向きの磁性合金板９３ｂの自発磁化の方向Ｍ’は逆向きにして、得られた起電力Ｅ，Ｅ’が足し合わされるようにする。磁性合金板９３ａ、９３ｂを接続する板９３ｃは非磁性合金とするか、長さを短くすれば任意の磁化方向の磁性合金板でもよい。図９（ｂ）では板９３ｃの自発磁化の方向Ｍ’’をＭ，Ｍ’と同じ面内でかつＭ，Ｍ’と垂直方向にしている。なお磁性合金板９３ａ、９３ｂと板９３ｃは境界線９５で区切ってある。境界線９５は図９（ｂ）の左側の図に示すように９３ｃが短くなるように設定しているが、右側の図に示すように９３ｃを長くするように区切っても良い。また図示しないが、９３ａと９３ｃの境界では９３ｃが短くなるようにし、９３ｂと９３ｃの境界では９３ｂが長くなるようにしてもよい。
本実施形態では前もって磁化させておいた磁性合金板９３ａ、９３ｂを基体部９０の底面に接合する。以上述べたように磁性合金板を曲がりくねった形状にすると、平面全体が磁性合金板である場合に比べて長さを稼ぐことができ、得られる起電力を大きくすることができる。

また磁性合金板９３ａだけ磁化し、磁性合金板９３ｂは磁性でなく非磁性にしてもよい。

これにより、基体部９０の底部の面内で、高温側から低温側への熱伝導が促進され、温度均一性が高まる。
（第６の実施形態）
図１０は本発明の第６の実施形態の調理器具１を説明する断面図である。本実施形態の磁性合金板は薄い磁性合金板を積層したものである。調理器具１００は板厚方向の真ん中に1145アルミ１０１、3004アルミ１０２、1145アルミ１０３の積層構造がある。この積層構造の外側に、304ステンレス１０４、特殊ステンレス１０５（例えばケイ素を数%添加したステンレス）、304ステンレス１０６の積層構造があり、内側には同じく304ステンレス１０４’、特殊ステンレス１０５’、304ステンレス１０６’の積層構造がある。この外側と内側のステンレス積層構造でアルミの積層構造を挟み、圧延することで全体を一枚の板状に加工している。外側のステンレスの積層構造の底面は面内方向に自発磁化Ｍを持つ。内側のステンレスの積層構造の底面も面内方向に自発磁化Ｍを持たせてもよい。

薄い磁性合金を積層した界面では異常ネルンスト効果による熱電変換が起きやすく、大きな起電力を得ることができる。さらに、積層した構造では、形状磁気異方性によって安定に自発磁化を保持できる。強磁性体は、その形状や結晶構造・原子配列に起因して、磁化されやすい方向（磁化容易方向）を持ち、これを磁気異方性と呼ぶ。磁性合金板は板の面内方向に磁化されやすいが、薄板を積層すると、より面内方向に磁化されやすく、面内方向の磁化を安定に保持できる。
（第７の実施形態）
第１、第２の実施形態では、導電線１７ａ、１７ｂが基体部１０の外に出ている。そのため調理やその後食材を取り出す際の邪魔になる可能性がある。そのため本実施形態では導電線が基体部１０に埋め込む。図１１に示すように、耐熱性セラミック１１０１等の内部に導電線１１０２を埋め込み、それを基体部１０の側面に貼り付け、電極１３ａから基体部１０の縁まで這わせ、その後は縁に沿って外部回路１５までさらに這わせる。縁の外部回路１５に相対する箇所まで這わせ、基体部１０の外に引き出して外部回路１５に接続する。電極１３ｂからの導電線１１０３も同様にして耐熱性セラミック１１０１等の内部に埋め込み、それを基体部１０の側面に貼り付け、基体部１０の縁の外部回路１５に相対する箇所まで這わせ、基体部１０の外に引き出して外部回路１５に接続する。本実施形態では導電線が空中を浮くことがないので、調理や調理後に食材を取り出す際の邪魔にならない。

なお基体部１０内に空洞を開け、そこに、導電線１１０２、１１０３の周囲を耐熱性のセラミックでカバーしたものを通しても良い。
（第８の実施形態）
図１２は本発明の第８の実施形態の加熱用器具を示す図である。

本実施形態の発電機能を備えた加熱用器具１２００は、少なくとも直接加熱される箇所に、自発磁化を持ち、加熱により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板１２０１を備えている。さらに磁性金属板１２０１に、電力を取り出すための電極１２０２、１２０３を設けている。本実施形態は加熱用器具自体で発電できる。
（他の実施形態）
上述の実施形態では鍋などの調理用器具で説明したが、例えば水を入れた鍋を加熱してお湯を沸かすのと並行してその熱で発電する、または本発明の加熱用器具に何らかの燃料を入れて加熱して暖を取るとき、その熱で発電することもできる。なお熱源はIH（Induction Heating）ヒーターでもよい。

また上述の実施形態では外部回路と出力コネクタを取っ手上部に設けたが、取っ手内部に埋め込んでもよい。その場合、図１１の導電線１１０２、１１０３をすべて加熱用器具の内部に埋め込むことができる。

上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
発電機能を備えた加熱用器具であって、少なくとも直接加熱される箇所に、自発磁化を持ち、加熱により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板を備え、前記磁性金属板または前記加熱用器具の他の部分に、電力を取り出すための電極を設けたことを特徴とする発電機能を備えた加熱用器具。
(付記２)
前記電極は前記磁性金属板または前記加熱用器具の他の部分に設ける付記１に記載の加熱用器具。
（付記３）
前記磁性金属板は面内方向に自発磁化を有する付記１または２に記載の加熱用器具。
（付記４）
前記直接加熱される箇所全体が前記磁性金属板である付記１から３のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記５）
前記直接加熱される箇所は非磁性金属板に絶縁層を介して前記磁性金属板が形成されている付記１から４のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記６）
前記磁性金属板上に前記磁性金属板より高熱伝導の金属板を設けた付記１から５のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記７）
前記直接加熱される箇所は、非磁性金属板上に、前記磁性金属板が短冊状に設置されているかまたは前記磁性金属板が蛇行した形状に設置されている付記１から６のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記８）
前記磁性金属板は磁性金属の薄板が積層されている付記１から７のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記９）
前記磁性金属板と前記電極の間を、耐熱性絶縁体の内部に埋め込んだ配線で接続する付記１から８のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記１０）
前記磁性金属板は磁性合金である付記１から９のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記１１）
前記磁性金属板以外の金属部分はアルミまたはアルミ合金であり、前記絶縁層は酸化アルミである付記５に記載の加熱用器具。
（付記１２）
前記電極に出力コネクタが接続される付記１から１１のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記１３）
前記加熱用器具は鍋である付記１から１２のいずれか一項に記載の加熱用器具。
（付記１４）
前記直接加熱される箇所以外の箇所にも前記磁性金属板を備える付記４から１３のいずれか一項に記載の加熱用器具。

１、１００ 調理器具
６、７ 角鍋
１０、２０、８０、９０ 基体部
１１、８１ 絶縁層
１２、２２、８２、９２、９３ａ、９３ｂ 磁性合金板
１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、１２０２、１２０３ 電極
１４、２４ 取っ手
１５、２５ 外部回路
１６ 出力コネクタ
１７ａ、１７ｂ、２７ａ、２７ｂ、１１０２、１１０３ 導電線
２１ 絶縁層
１０１ １１４５アルミ
１０２ ３００４アルミ
１０３ １１４５アルミ
１０４、１０４’、１０６、１０６’ ３０４ステンレス
１０５、１０５’ 特殊ステンレス
２０１ａ、２０１ｂ、８０１ａ、８０１ｂ、９０１ａ、９０１ｂ 導電板
２０２ 底面
１１０１ 耐熱性セラミック
１２００ 加熱用器具
１２０１ 磁性金属板

Claims (9)

1. 発電機能を備えた加熱用器具であって、少なくとも直接加熱される箇所に、自発磁化を持ち、加熱により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板を備え、電力を取り出すための電極を設け、
   前記磁性金属板は、加熱により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属の薄板を積層することにより構成されている、
   ことを特徴とする発電機能を備えた加熱用器具。
2. 前記電極は前記磁性金属板または前記加熱用器具の他の部分に設ける請求項１に記載の加熱用器具。
3. 前記磁性金属板は面内方向に自発磁化を有する請求項１または２に記載の加熱用器具。
4. 前記直接加熱される箇所全体が前記磁性金属板である請求項１から３のいずれか一項に記載の加熱用器具。
5. 加熱対象物を入れる加熱容器は、非磁性金属板で構成され、
   前記直接加熱される箇所には、前記非磁性金属板から見て順に、絶縁層と前記磁性金属板が形成されている請求項１から４のいずれか一項に記載の加熱用器具。
6. 前記磁性金属板の直接加熱される側に、前記磁性金属板より高熱伝導の金属板を設けた請求項１から５のいずれか一項に記載の加熱用器具。
7. 前記直接加熱される箇所は、非磁性金属板上に、前記磁性金属板が短冊状に設置されているかまたは前記磁性金属板が蛇行した形状に設置されている請求項１から６のいずれか一項に記載の加熱用器具。
8. 前記磁性金属板と前記電極の間を、耐熱性絶縁体の内部に埋め込んだ配線で接続する請求項１から７のいずれか一項に記載の加熱用器具。
9. 前記磁性金属板は磁性合金である請求項１から８のいずれか一項に記載の加熱用器具。

Images