JP7464966B2 - 熱電発電システム - Google Patents
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Description
本発明は、生体に密着させ、生体と外気との温度差により発電できる熱電発電システムに関する。
予防医療の重要性から、生体に常時密着させて、生体の医療データのセンシング、管理、通信機能等を行うウェアラブル・デバイスの研究開発が活発である。生体に常時密着させるため、デバイスの徹底的な小型・省電力化が図られているが、同時にそのデバイスを駆動する電源もウェアラブル化する必要がある。
デバイスを駆動する電源として、従来は、小型電池が検討されている。しかしながら、電池の交換コストが大きな課題になっており、生体の発熱を活かしたエネルギー・ハーベスティング技術による自立電源の開発要望が強い。
ウェアラブル・デバイスを駆動する電源として、熱電素子を用いる場合、生体と外気との温度差が小さいため、熱電素子の出力は非常に小さい。従って、熱電素子の出力を、ウェアラブル・デバイスを駆動できる電圧に昇圧する必要がある。例えば、非特許文献１には、腕時計をつける腕に、熱電素子を装着し、生体の熱を外気に放出することにより得た温度差で発電した出力を、昇圧回路（ＤＣ－ＤＣコンバータ）を用いて１．５Ｖに昇圧し、この昇圧電圧を、腕時計の駆動電源にすることが記載されている。
まてりあ 第３８巻第３号(１９９９年)、頁２５７－２５９
熱電発電モジュールの出力を、ウェアラブル・デバイスの駆動電源とする熱電発電システムでは、熱電発電モジュールを生体に密着させ、生体の熱を発熱源とし、その熱を外気に放出することに得た温度差で発電することを想定している。従って、ＤＣ－ＤＣコンバータは、熱電発電モジュールの正極性の電圧の出力を昇圧する回路である。
しかしながら、使用環境によっては、熱電発電モジュールの出力が、負極性の電圧になることがある。例えば、砂漠等で外気温が体温より高い場合や、太陽光が熱電発電モジュールに当たって吸熱するような場合等では、温度差は逆転し、熱電発電モジュールの出力が逆転して、負極性の電圧となる。このような場合、ＤＣ－ＤＣコンバータは動作しないことになる。
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、その主な目的は、使用環境によって、熱電発電モジュールの出力が正負両極性の電圧に変化しても、生体に装着されるウェアラブル・デバイスを駆動可能な電圧を供給することができる熱電発電システムを提供することにある。
本発明に係る熱電発電システムは、生体に装着されるウェアラブル・デバイスを駆動する熱電発電システムであって、生体に装着して、生体と外気との温度差で発電する熱電発電モジュールと、熱電発電モジュールの出力を、ウェアラブル・デバイスを駆動可能な電圧に昇圧する昇圧回路と、熱電発電モジュールの出力を、昇圧回路の入力電圧に変換する電圧変換回路と、を備え、熱電発電モジュールは、生体と外気との温度差に応じて、正負両極性の電圧が出力され、電圧変換回路は、熱電発電モジュールで出力される正負何れの極性の電圧に対して、正極性の電圧に変換する回路で構成されている。
本発明によれば、使用環境によって、熱電発電モジュールの出力が正負両極性の電圧に変化しても、生体に装着されるウェアラブル・デバイスを駆動可能な電圧を供給することができる熱電発電システムを提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。
図１は、本発明の一実施形態における熱電発電システムの構成を示したブロック図である。なお、本実施形態における熱電発電システムは、生体に装着されるウェアラブル・デバイスを駆動する電圧を供給する。
図１に示すように、本実施形態における熱電発電システム１００は、熱電発電モジュール１と、電圧変換回路２と、昇圧回路３とを備える。昇圧回路３は、具体的には、ＤＣ－ＤＣコンバータで構成される。
熱電発電モジュール１は、生体に装着されて、生体と外気との温度差で発電する。昇圧回路３は、熱電発電モジュール１の出力を、ウェアラブル・デバイスを駆動可能な標準電圧に昇圧する。電圧変換回路２は、熱電発電モジュール１の出力を、昇圧回路３の入力電圧に変換する。
熱電発電モジュール１は、生体と外気との温度差に応じて、正負両極性の電圧が出力される。例えば、生体の温度が外気の温度よりも高い場合には、端子１ａに対して端子１ｂに、正極性の電圧が発生する。一方、外気の温度が生体の温度よりも高い場合には、端子１ａに対して端子１ｂに、負極性の電圧が発生する。
電圧変換回路２は、熱電発電モジュール１で出力される正負何れの極性の電圧に対して、正極性の電圧に変換する回路で構成されている。電圧変換回路２で出力される正極性の電圧は、昇圧回路３に入力され、昇圧回路３で、ウェアラブル・デバイスを駆動可能な標準電圧に昇圧される。標準電圧としては、１．５Ｖ、３Ｖ、５Ｖ、１２Ｖ等である。昇圧回路３で昇圧された標準電圧は、ウェアラブル・デバイスに供給され、ウェアラブル・デバイスを駆動する。
電圧変換回路２は、例えば、図２に示すように、全波整流回路４で構成することができる。ここで、全波整流回路４は、ブリッジ整流回路からなる。全波整流回路４は、正負両極性の入力電圧に対して、正極性の電圧に変換できる。ただし、出力を得るためには、入力電圧は、整流素子（ダイオード）の順方向電圧ＶＦより大きくなければならない。
熱電発電モジュール１にかかる温度差は１℃程度と極めて小さい。そのため、熱電素子の材料として、主たる適用範囲（室温から１００℃）で最もゼーベック係数が大きい、すなわち温度差１℃あたりの起電力が最も大きいＢｉＴｅ系を用いても、その起電力は１素子当たり約０．２ｍＶと極めて小さい。そのため、多数の熱電素子を直列接続して熱電発電モジュール１を構成する必要があるが、そのような熱電発電モジュール１においても、出力電圧は小さい。それ故、全波整流回路４に使用する整流素子（ダイオード）は、順方向電圧ＶＦの低いものである必要がある。
一般的なＳｉデバイスでは、順方向電圧ＶＦがｐｎ接合ダイオードより約半分の０．４Ｖ程度のショットキーバリアダイオードを用いることが好ましい。あるいは、ｐｎ接合ダイオードを用いる場合には、バンドギャップが小さく、順方向電圧ＶＦが０．２Ｖ程度の、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ等の化合物半導体デバイスを用いることが好ましい。
電圧変換回路２は、図３に示すように、自励発振回路５と、自励発振回路５のＡＣ出力を整流する整流回路６とで構成されていてもよい。熱電発電モジュール１で出力されるＤＣ電圧を、自励発振回路５によりＡＣ電圧に変換し、このＡＣ電圧を整流回路６でＤＣ電圧に整流する。これにより、熱電発電モジュール１で出力される正負何れの極性の電圧に対して、正極性の電圧を得ることができる。
自励発振回路５は、例えば、図４に示すように、正極性のＤＣ電圧入力で発振する自励発振回路（正電圧入力自励発振回路）５１と、負極性のＤＣ電圧入力で発振する自励発振回路（負電圧入力自励発振回路）５２とを並列接続した並列回路で構成することができる。
なお、図５に示すように、自励発振回路５と、整流回路６との間に、トランス７を設けてもよい。自励発振回路５で変換されたＡＣ電圧を、トランス７で昇圧することによって、高いＡＣ電圧を整流回路６に入力することができる。これにより、整流回路６、及び、後段の昇圧回路（ＤＣ－ＤＣコンバータ）３の動作を容易にすることができる。トランス７の巻数比が、例えば１：２０の場合、０．１ＶのＡＣ電圧が、１Ｖ以上のＡＣ電圧に昇圧されるため、汎用的な整流回路６や昇圧回路（ＤＣ－ＤＣコンバータ）を用いることができる。
正電圧入力自励発振回路５１は、例えば、図６に示すような構成の非安定マルチバイブレータを用いることができる。能動素子は、低い正極性の電圧で動作可能なエンハンスメント型Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ８１、８２が用いられる。
同様に、負電圧入力自励発振回路５２は、例えば、図７に示すような構成の非安定マルチバイブレータを用いることができる。能動素子は、低い負極性の電圧で動作可能なエンハンスメント型Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ９１、９２が用いられる。
（本実施形態の変形例）
図８は、自励発振回路５の他の回路構成を示した回路図である。自励発振回路において、ＭＯＳＦＥＴ８１、９１のゲートからドレインへの正帰還回路にトランス７を組み込み、極小のＤＣ電圧入力でも大きなＡＣ電圧出力を得られるようにしたものである。正負両極性のＤＣ電圧に対応してＡＣ電圧出力が得られるように、エンハンスメント型Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ８１で構成される回路と、エンハンスメント型Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ９１で構成される回路とが並列接続されている。
図８は、自励発振回路５の他の回路構成を示した回路図である。自励発振回路において、ＭＯＳＦＥＴ８１、９１のゲートからドレインへの正帰還回路にトランス７を組み込み、極小のＤＣ電圧入力でも大きなＡＣ電圧出力を得られるようにしたものである。正負両極性のＤＣ電圧に対応してＡＣ電圧出力が得られるように、エンハンスメント型Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ８１で構成される回路と、エンハンスメント型Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ９１で構成される回路とが並列接続されている。
図９に示すように、正極性のＤＣ電圧入力に対して、エンハンスメント型Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ８１で構成される回路がアクティブとなる。また、図１０に示すように、負極性のＤＣ電圧入力に対して、エンハンスメント型Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ９１で構成される回路がアクティブとなる。巻数比が、例えば１：２０のトランス７を用いれば、０．１ＶのＡＣ電圧が、１Ｖ以上のＡＣ電圧に昇圧されたＡＣ出力が得られるため、後段に、汎用的な整流回路６や昇圧回路（ＤＣ－ＤＣコンバータ）を用いることができる。
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、もちろん、種々の改変が可能である。
１ 熱電発電モジュール
２ 電圧変換回路
３ 昇圧回路（ＤＣ－ＤＣコンバータ）
４ 全波整流回路（ブリッジ整流回路）
５ 自励発振回路
６ 整流回路
７ トランス
５１ 正電圧入力自励発振回路
５２ 負電圧入力自励発振回路
８１、８２ エンハンスメント型Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
９１、９２ エンハンスメント型Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１００ 熱電発電システム
２ 電圧変換回路
３ 昇圧回路（ＤＣ－ＤＣコンバータ）
４ 全波整流回路（ブリッジ整流回路）
５ 自励発振回路
６ 整流回路
７ トランス
５１ 正電圧入力自励発振回路
５２ 負電圧入力自励発振回路
８１、８２ エンハンスメント型Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ
９１、９２ エンハンスメント型Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ
１００ 熱電発電システム
Claims (4)
- 生体に装着されるウェアラブル・デバイスを駆動する熱電発電システムであって、
生体に装着して、生体と外気との温度差で発電する熱電発電モジュールと、
前記熱電発電モジュールの出力を、前記ウェアラブル・デバイスを駆動可能な電圧に昇圧する昇圧回路と、
前記熱電発電モジュールの出力を、前記昇圧回路の入力電圧に変換する電圧変換回路と、
を備え、
前記熱電発電モジュールは、生体と外気との温度差に応じて、正負両極性の直流電圧が出力され、
前記電圧変換回路は、直流電圧を交流電圧に変換する発振回路と、該発振回路の交流電圧を整流する整流回路とで構成されており、前記熱電発電モジュールで出力される正負何れの極性の電圧に対して、正極性の電圧に変換するように構成されており、
前記発振回路は、該発振回路の交流電圧出力を昇圧するトランスを備える、熱電発電システム。 - 前記発振回路は、自励発振回路で構成されている、請求項１に記載の熱電発電システム。
- 前記発振回路は、正極性の直流電圧入力で発振する発振回路と、負極性の直流電圧入力で発振する発振回路とを並列接続した並列回路で構成されている、請求項１または２に記載の熱電発電システム。
- 前記発振回路において、トランスの昇圧回路が正帰還回路に組み込まれており、入力より大きな交流電圧出力を発生することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の熱電発電システム。
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