JPH11284235A - 熱電充電器および熱電充電器一体型二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 携帯型機器用の二次電池の充電に用いて好適
であり、かつＡＣ電源が不要な充電器を提供する。 【解決手段】 熱電充電器は、セラミックス製の基板に
熱電半導体が埋め込まれ、該熱電半導体に電極が固定さ
れた熱電素子と、前記熱電素子の一方の面の側に設けら
れた第１の熱交換部と、前記熱電素子の他方の面の側に
設けられた第２の熱交換部と、前記熱電素子の出力を外
部に取り出す手段とを備える。熱電充電器一体型二次電
池は、前記充電器の第２の熱交換部に二次電池を固定
し、かつその熱電素子の出力をその二次電池に供給する
ように構成する。熱電充電器では、第１の熱交換部を高
温状態にし、第２熱交換部を低温状態にすると、熱電素
子が直流電圧を発生する。また、熱電充電器一体型二次
電池では、第１の熱交換部を高温状態にし、第２熱交換
部を低温状態にすると、熱電素子が直流電圧を発生す
る。この直流電圧により二次電池が充電される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ゼーベック効果を
利用した充電器およびその充電器を一体的に組み込んだ
二次電池に関し、特に携帯型機器に用いて好適な充電器
および二次電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】ビスマス・テルル系、鉄・シリサイド系
もしくはコバルト・アンチモン系等の化合物からなる熱
電半導体を利用した熱電素子は既知である。この熱電素
子は、一般的にはｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体に金
属電極を接合してπ型直列回路を構成すると共に、これ
らの熱電半導体及び金属電極をセラミック基板で挟んだ
構成になったものが、熱電モジュールとして広く使用さ
れている。

【０００３】この熱電モジュールの電極に直流電源を接
続して、ｎ型半導体からｐ型半導体の方向へ電流を流す
と、ペルチェ効果によりπ型の上部で吸熱が、π型の下
部では放熱が起こる。この際、電源の接続方向を逆転す
ると、吸熱、放熱の方向が変わる。この現象を利用し
て、熱電素子が冷却・加熱装置に使用される。熱電モジ
ュールは、半導体装置の冷却、冷蔵庫、カーエアコン、
製氷器等、広範囲な用途を有している。

【０００４】また、この熱電素子における一の面を高温
面にし、他の面を低温面にすると、π型の下部の熱電半
導体の間に直流電圧が発生する。この現象はゼーベック
効果として古くから知られている。そして、この現象を
利用し、熱電素子を熱電発電装置として利用することも
知られている。すなわち、例えば特開昭６２−６７８８
８号公報には、フレネルレンズにより集光された太陽光
線の熱エネルギーを熱電素子の一の面に当てて加熱し、
熱電素子の他の面に放熱フィンを取り付けて冷却するこ
とにより、直流電圧を発生させるようにした熱発電装置
が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】携帯電話機、ＰＨＳ
（Personal Handyphone System）、ノートパソコン、携
帯型ＣＤプレーヤやＭＤプレーヤ等のような、携帯型通
信端末、携帯型情報端末、携帯型オーディオ機器等が普
及している。これらの携帯型機器は、通常、リチウムイ
オン電池やニッケル水素電池のような小型の二次電池に
より作動される。したがって、これらの携帯型機器を使
用するためには、これらの二次電池を充電する作業が必
要であった。そして、その充電のためには、ＡＣ電源を
整流し、所定の直流電圧にレギュレートする機能を有す
る充電器が必要であったため、電力を消費し、かつ充電
作業を行う場所にも制約があった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、携帯型機器用の
二次電池の充電に用いて好適であり、かつＡＣ電源等の
電源が不要な充電器を提供することである。また、本発
明の他の目的は、携帯型機器に用いて好適であり、かつ
充電器を用いて充電する作業が不要な二次電池を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電充電器
は、セラミックス製の基板に熱電半導体が埋め込まれ、
該熱電半導体に電極が固定された熱電素子と、前記熱電
素子の一方の面の側に設けられた第１の熱交換部と、前
記熱電素子の他方の面の側に設けられた第２の熱交換部
と、前記熱電素子の出力を外部に取り出す手段とを備え
ることを特徴とするものである。

【０００８】本発明に係る熱電充電器一体型二次電池
は、前記本発明に係る充電器の第２の熱交換部に二次電
池を固定し、かつその熱電素子の出力をその二次電池に
供給するように構成したことを特徴とするものである。

【０００９】本発明に係る熱電充電器では、第１の熱交
換部を高温状態にし、第２熱交換部を低温状態にする
と、熱電素子が直流電圧を発生する。この直流電圧を外
部の電気機器に与えることにより、その電気機器を充電
することができる。

【００１０】また、本発明に係る熱電充電器一体型二次
電池では、第１の熱交換部を高温状態にし、第２熱交換
部を低温状態にすると、熱電素子が直流電圧を発生す
る。この直流電圧により二次電池が充電される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１２】本発明による充電器は、本発明者が先に特
許出願（平成１０年特許願第４６６０８号）した「二次
元配列結晶素子およびその製造方法」に開示した技術に
よってのみ製造可能な熱電素子を使用する。そこで、ま
ずこの熱電素子の構造について説明する。なお、この熱
電素子の製造方法については、後で簡単に説明する。図
６はこの熱電素子の構造を示す図である。ここで、
（ａ）はｐ／ｎ一体型熱電素子の平面図であり、（ｂ）
は（ａ）におけるＺ−Ｚ断面図である。また、（ｃ）は
熱電素子、すなわちｐ／ｎ一体型熱電素子に電極を固定
したものの平面図であり、（ｄ）は（ｃ）におけるＤ−
Ｄ断面図である。

【００１３】図６（ａ），（ｂ）に示すように、このｐ
／ｎ一体型熱電素子は、セラミックス製の基板１Ａに多
数（この図では３２個）のｎ型ＢｉＳｂＴｅ（ビスマス
／アンチモン／テルル）の結晶１Ｂとｐ型ＢｉＳｂＴｅ
の結晶１Ｃとが交互にマトリックス状に配列されてい
る。ｎ型ＢｉＳｂＴｅの結晶１Ｂとｐ型ＢｉＳｂＴｅの
結晶１Ｃとはセラミックス製の基板１Ａに埋め込まれた
状態で固定されている。ここで、ｐ／ｎ一体型熱電素子
はサイズが５〜６０ｍｍ×５〜６０ｍｍ×０．５〜２ｍ
ｍｔである。また、ｎ型ＢｉＳｂＴｅの結晶１Ｂとｐ型
ＢｉＳｂＴｅの結晶１Ｃは、例えば直径０．１〜０．５
ｍｍである。なお、セラミックス製の基板１Ａの平面形
状はこの図のような正方形ではなく、長方形や円形であ
っても良い。

【００１４】このｐ／ｎ一体型熱電素子を使用する際に
は、図６（ｃ），（ｄ）に示すように、ｎ型ＢｉＳｂＴ
ｅの結晶１Ｂとｐ型ＢｉＳｂＴｅの結晶１Ｃの両面に上
側電極１Ｆと下側電極１Ｇとを固定し、全ての結晶を電
気的に直列接続する。そして、直列接続の両端には外部
端子としてリード電極１Ｄ，１Ｅを固定する。なお、こ
れらの電極は半田付けもしくはマスクを用いた蒸着ある
いは導電性ペーストにより取り付ける。そして、この熱
電素子１の片側の面を低温にさらし、その反対側の面を
高温にさらすと、リード電極１Ｄ，１Ｅ間に直流電圧が
発生する。この性質を利用することにより、熱電発電装
置として使用することが出来る。

【００１５】図１は本発明による充電器の構造の一例を
示す断面図である。この図に示すように、本発明による
充電器では、熱電素子１の上側の面に、放熱フィン２が
固定されている。また、熱電素子１の下側の面には、吸
熱側金属板３が固定されている。さらに、放熱フィン２
の下端の板状部の近傍の部分から下側が保温材４に囲ま
れている。ただし、吸熱側金属板３の下側の面は外部に
露出している。

【００１６】ここで、放熱フィン２、および吸熱側金属
板３は、銅やアルミニウムのような熱伝導性の良い金属
を使用する。熱電素子１の上側の電極と放熱フィン２の
下面との間、および熱電素子１の下側の電極と吸熱側金
属板３との間には、電気絶縁性を与えるために、電極、
または放熱フィン２の下面および吸熱側金属板３の上面
に、５μｍ程度の厚みでポリマーをコーティングしてお
く。放熱フィン２または吸熱側金属板３をアルミニウム
製にした場合には、表面を酸化させることで電気絶縁性
を付与することもできる。

【００１７】この充電器を使用する際には、この図に示
すように、充電器に充電の対象となる電気機器を接続す
ると共に、床や畳の上に置く。夜になると室内の温度は
低下するが、昼間、暖まった床や畳はなかなか冷めない
ので、これらの温度差（約５〜１０°Ｃ）により発生し
た電圧を用いて電気機器の充電を行うことができる。な
お、室内の温度のほうが床や畳の温度よりも高くなって
いる場合もあり得る。その場合には吸熱側と放熱側が逆
転するので、熱電素子１が発生する直流電圧の極性が反
転する。そこで、充電器に極性反転回路を設けておき、
それを動作させれば良い。温度センサを設けておき、そ
の出力を用いて、自動的に極性反転回路を動作させるよ
うに構成することも可能である。

【００１８】ここで、熱電素子１として、前述した範囲
内のサイズのものを使用することにより、発生電圧１〜
４Ｖ、出力電流１〜１００ｍＡ、出力電力３〜４００ｍ
Ｗの充電器を実現することが可能であるため、前述した
各種携帯型機器の充電に使用することが可能である。ま
た、この充電器は半永久的に使用することが出来る。さ
らに、この充電器を使用した場合、時間をかけてゆっく
りと充電されるため、二次電池の寿命が長くなる。ま
た、外気温との温度差がある場所であれば、どのような
場所に配置しても、ＡＣ電源等を用いずに充電を行うこ
とが出来る。なお、この充電器には、出力電圧を安定化
するためのレギュレータを設けることが好適である。

【００１９】図２は本発明による充電器の構造の他の一
例を示す断面図である。ここで、図１と同一の部分には
図１で使用した符号と同一の符号を使用した。この充電
器は、熱電素子１の下側の面を熱容量の大きい物質６に
接触させている。熱容量の大きい物質６としては、金属
や液体（水等）が好適である。そして、この熱容量の大
きい物質６における上側の面以外の部分は保温材５で囲
まれている。箱型の保温材に熱容量の大きい物質６を収
納していると考えることもできる。

【００２０】この充電器の使用する際には、この図に示
すように、充電器に充電の対象となる電気機器を接続す
るだけで良い。この充電器では、夜になると室内の温度
は低下するが、昼間、暖まった液体や金属等はなか冷め
ないので、これらの温度差（約５〜１０°Ｃ）により発
生した電圧を用いて電気機器の充電を行うことができ
る。なお、この充電器においても、図１の充電器と同じ
く、極性反転回路やレギュレータを設けておくことが好
適である。

【００２１】図３は本発明による熱電充電器一体型二次
電池の構成を示す図である。ここで、（ａ）は断面図で
あり、（ｂ）は底面図である。この図に示すように、熱
電素子１の下側の面に銅やアルミニウム等の吸熱側金属
板１１が固定されており、上側の面にも銅やアルミニウ
ム等の放熱側金属板１２が固定されている。また、放熱
側金属板１２の上の面には、モールドされた二次電池１
５が一体的に固定されている。また、充電器の左側の端
部には、熱電素子１が発生する電圧を安定化して二次電
池１５に供給するためのレギュレータＩＣ１３と、二次
電池１４の出力電圧を携帯型機器の回路に電源電圧とし
て供給するための端子１４が設けられている。ここで、
熱電素子１と吸熱側金属板１１および放熱側金属板１２
との間は、図１および図２に示した充電器と同様、ポリ
マーのコーティング等により絶縁されている。

【００２２】図４は図３に示した熱電充電器一体型二次
電池を携帯電話機に内蔵させた状態を示す。この図に示
すように、図３に示した二次電池は、吸熱側金属板１１
が携帯電話機の筐体の表面側に向くように配置される。
この携帯電話機の使用時にユーザが手で保持したり、待
ち受け時等に衣服のポケット等に入れておくと、吸熱側
金属板１１が高温側になり、放熱側金属電極１２が低温
側になるため、この温度差により熱電素子１が直流電圧
を発生し、二次電池を充電する。これによって、例えば
携帯電話機の待ち受け時間を現在の３００時間から１０
００時間以上へと飛躍的に延ばすことができる。

【００２３】図５は人体等に装着して使用する充電器の
構成を一例を示すものである。この充電器では、熱電素
子１の片面に金属板２１が取り付けられ、その反対側の
面に放熱フィン２２が取り付けられた充電ユニット２０
が、ベルト２３に複数個（図では４個）並べて固定され
ている。ここで、金属板２１は銅またはアルミニウム製
であり、ベルト２３は例えば布製である。そして、充電
ユニット２０の金属板２１の側がベルトに固定される。
ベルト２３の両端にはマジックテープ２４，２５が取り
付けられている。各充電ユニット２０の発生する出力電
圧は、充電器の定格に応じて直列または並列に接続さ
れ、充電ジヤック２６から外部に出力される。

【００２４】この充電器を使用する際には、ベルト２３
を丸めて人体の腕、足、首、額、胴等に装着し、両端を
マジックテープ２４，２５で固定すると共に、充電ジャ
ック２６を充電の対象となる電気機器（図示せず）に接
続する。真夏の炎天下や一部の地域を除けば、人間の体
温は外気の温度よりも高くなっている。したがって、人
体に対向する金属板２１の側が高温となり、放熱フィン
２２の側が低温となるので、この温度差により発生した
電圧を用いて電気機器の充電を行うことができる。この
充電器は、クリーンルームのような一定の温度に維持さ
れている環境や、宇宙空間のような宇宙服を着用する環
境において使用することが好適である。また、別の使用
方法として、家庭内のストーブの近くや温水器の配管に
固定することや、温泉等における熱水の配管に固定して
使用することも出来る。

【００２５】次に、図７〜図１１を参照しながら、図６
（ａ），（ｂ）に示したｐ／ｎ一体型熱電半導体素子の
製造方法について説明する。

【００２６】図７はｐ／ｎ一体型熱電半導体素子の製造
に必要な治具と材料を示す。この図において、（ａ）は
断面図、（ｂ）は第２フィルター３４の平面図、（ｃ）
は孔空き容器３２の平面図、（ｄ）は第１フィルター３
３の平面図である。また、（ａ）の断面図における第２
フィルター３４、孔空き容器３２、および第１フィルタ
ー３３は、それぞれ（ｂ）におけるＡ−Ａ断面、（ｃ）
におけるＢ−Ｂ断面、（ｄ）におけるＣ−Ｃ断面を示し
ている。

【００２７】図７（ａ）に示すように、箱型の容器３１
の内部に順番に第１結晶原料（ｎ型ＢｉＳｂＴｅ）３
５、第１フィルター３３、孔空き容器３２、第２フィル
ター３４、および第２結晶原料（ｐ型ＢｉＳｂＴｅ）３
６を収納する。ここで、容器３１は耐熱性材料、好まし
くはグラファイトで構成されている。また、孔空き容器
３２は耐熱性材料、好ましくはセラミックスの一体型ま
たは孔空きグラスファイバーのような孔空きガラスを束
ねたものにより構成されている。さらに、第１フィルタ
ー３３、および第２フィルター３４は耐熱性材料、好ま
しくはセラミックスまたはグラファイトにより構成され
ている。なお、便宜上、ここでは結晶原料が方形の断面
を有するように図示した。

【００２８】図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、孔空き
容器３２にはその垂直方向に多数（ここでは６４個）の
孔３２ａがマトリックス状に形成されている。また、第
１フィルター３３および第２フィルター３４にも、その
垂直方向に多数（ここでは３２個ずつ）の孔３３ａ，３
４ａがマトリックス状に形成されている。ここで、第１
フィルター３３における孔３３ａと第２フィルター３４
における孔３４ａとは、孔空き容器３２における孔３２
ａの１列置きの孔に対向するように、互いにずれた位置
に配列されている。なお、本明細書では、列とは図のマ
トリックスの縦方向を意味し、行とは横方向を意味する
ものとする。

【００２９】容器３１内に孔空き容器３２、第１，第２
フィルター３３，３４、および第１，第２結晶原料３
５，３６を収納した後、キャップ３７を被せる。キャッ
プ３７の上には加圧棒３８が一体的に固定されている。
このキャップ３７と加圧棒３８も耐熱性材料、好ましく
はグラファイトで構成されている。

【００３０】図８は容器３１内に前述した各治具や結晶
原料等を配置した状態を示す。なお、図示を省略した
が、容器３１は高真空かつ高温の雰囲気中に設定可能な
容器中に配置されている。

【００３１】次に、図９に示すように、容器３１の周囲
に配置されたヒーター３９，４０をオンにして、第１結
晶原料３５および第２結晶原料３６を融解させて融液に
する。そして、加圧棒３８に下向きの外力Ｆを与える。
この外力Ｆを受けると、キャップ３７の下に配置されて
いる第２結晶原料３６の融液は第２フィルター３４の孔
３４ａを通って下降し、孔空き容器３２の孔３２ａの内
部に収納されていく。同様に、容器３１内の底部に配置
されている第１結晶原料３５は第１フィルター３３の孔
３３ａを通って上昇し、孔空き容器３２の孔３２ａの内
部に収納されていく。前述したように、第１フィルター
３３の孔３３ａと第２フィルター３４の孔３４ａとは、
孔空き容器３２における孔３２ａの１列分ずれているの
で、第１結晶原料３５の融液と第２結晶原料３６の融液
とは、１列ずれた孔３２ａに収納される。

【００３２】第１結晶原料３５と第２結晶原料３６の融
液が孔空き容器３２の孔３２ａに収納された後、図１０
に示すように、加圧棒３８に下向きの外力Ｆを与えつつ
引下げ棒４１を徐々に下方に移動させることにより、容
器３１を徐々に下方に移動させる。この移動により、孔
空き容器３２の孔３２ａに収納されている融液が下方か
ら徐々に結晶となる。なお、引下げ棒４１は加圧棒３８
と同様、グラファイト等で構成されている。また、この
時、容器３１を下方に移動させる代わりに、ヒーター３
９，４０の垂直方向の温度勾配を制御することにより、
融液を結晶化させることもできる。

【００３３】孔空き容器３２の孔３２ａ内の結晶が常温
まで冷却された後、孔空き容器３２を容器３１から取り
出す。図１１（ａ）は取り出した孔空き容器３２の断面
図である。次に、この孔空き容器３２を図１１（ｂ）に
示すように、孔３２ａと直交する方向の所定の長さ毎に
スライスする。これによって、断面図が図１１（ｃ）、
平面図が図１１（ｄ）に示すｐ／ｎ一体型熱電半導体素
子の多数個をほぼ同時に製造することができる。

【００３４】図１１（ｄ）の平面図から明らかなよう
に、完成したｐ／ｎ一体型熱電半導体素子は、孔空き容
器３２をスライスしたものが基板３２ｃとして残り、孔
空き容器３２の孔３２ａに第１結晶３５ｃと第２結晶３
６ｃが１列置きのマトリックス状に埋め込まれた状態で
固定されたものとなっている。なお、ここでは説明を分
かりやすくするために、第１結晶３５ｃと第２結晶３６
ｃが１列置きのマトリックス状に配列されたものとして
説明したが、実際には、二種類の結晶がいわゆる市松模
様状に配列されているので、第１フィルター３３と第２
フィルター３４の孔３３ａ，３４ａを市松模様状にずら
すことが必要である。

【００３５】なお、前記説明では孔空き容器３２の孔３
２ａは全て貫通孔であったが、融液が流入する側が空い
ていれば良く、その反対側は孔が空いていなくても良
い。このようにすれば、フィルターを使用せずに融液を
所定の孔に収納させることができる。

【００３６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る熱電充電器によれば、電源が不要であるため、充電時
に電力を消費しない。また、充電作業を行う場所の制約
が極めて小さい。さらに、半永久的に使用することが出
来る。

【００３７】そして、本発明に係る熱電充電器一体型二
次電池によれば、一体的に組み込まれた熱電充電器が動
作する環境に配置するだけで自動的に充電されるため、
充電作業が不要である。また、電源が不要であるため、
充電時に電力を消費しない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による充電器の構造の一例を示す断面図
である。

【図２】本発明による充電器の構造の他の一例を示す断
面図である。

【図３】本発明による充電器を一体的に組み込んだ二次
電池の構成を示す図である。

【図４】図３に示した二次電池を携帯電話機に内蔵させ
た状態を示す図である。

【図５】人体に装着して使用する充電器の構成を一例を
示す図である。

【図６】本発明による充電器に使用する熱電素子の構成
を示す図である。

【図７】図６に示したｐ／ｎ一体型熱電素子の製造に必
要な治具と原料を示す図である。

【図８】図７の容器内に前述した各治具や結晶原料等を
配置した状態を示す図である。

【図９】二種類の結晶原料を融液にする様子を示す図で
ある。

【図１０】二種類の融液を結晶化する様子を示す図であ
る。

【図１１】二種類の結晶を孔空き容器とともにスライス
してｐ／ｎ一体型熱電素子を得るプロセスを示す図であ
る。

【符号の説明】

１…熱電素子、２…放熱フィン、３，１１…吸熱側金属
板、４，５…保温材、６…金属または液体、１２…放熱
側金属板、１３…レギュレータＩＣ、１４…端子、１５
…二次電池。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０２Ｎ 11/00 Ｈ０２Ｎ 11/00 Ａ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）セラミックス製の基板に熱電半導
   体が埋め込まれ、該熱電半導体に電極が固定された熱電
   素子と、 （ｂ）前記熱電素子の一方の面の側に設けられた第１の
   熱交換部と、 （ｃ）前記熱電素子の他方の面の側に設けられた第２の
   熱交換部と、 （ｄ）前記熱電素子の出力を外部に取り出す手段と を備えることを特徴とする熱電充電器。
2. 【請求項２】 前記熱電素子の出力を安定化する手段を
   さらに備える請求項１に記載の熱電充電器。
3. 【請求項３】 前記第１の熱交換部は金属板を有し、前
   記第２の熱交換部は放熱フィンを有する請求項１に記載
   の熱電充電器。
4. 【請求項４】 前記放熱フィン以外の部分が保温部材に
   より囲まれている請求項３に記載の熱電充電器。
5. 【請求項５】 前記第１の熱交換部は保温部材に囲まれ
   た熱容量の大きい物質である請求項１に記載の熱電充電
   器。
6. 【請求項６】 （ａ）セラミックス製の基板に熱電半導
   体が埋め込まれ、該熱電半導体に電極が固定された熱電
   素子と、 （ｂ）前記熱電素子の一方の面の側に設けられた第１の
   熱交換部と、 （ｃ）前記熱電素子の他方の面の側に設けられた第２の
   熱交換部と、 （ｄ）前記第２の熱交換部に固定された二次電池と （ｅ）前記熱電素子の出力を前記二次電池に供給する手
   段と を備えることを特徴とする熱電充電器一体型二次電池。