JP2019092325A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡易な発電装置を提供する。【解決手段】高温側端部９ｃが鉛直方向上方を向き、低温側端部９ｄ、９ｅが鉛直方向下方を向き、液体燃料６の液面の鉛直方向上方に液面から離れて熱電変換素子９が配置され低温側端部９ｄ、９ｅが芯８と接するようにした。そして、芯８で誘導された液体燃料６により低温側端部９ｄ、９ｅを冷却するように構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置に関する。

従来、芯を熱電変換素子で挟み、熱電変換素子の高温側端部を上方に向け、低温側端部を下方に向けて、熱電変換素子の下側を液体燃料の容器に入れ、液体燃料に低温側端部を浸漬させた発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の発電装置では、芯で誘導された液体燃料の燃焼で高温側端部を加熱し、容器内の液体燃料で低温側端部を冷却し、高温側端部と低温側端部との温度差により発電可能としている。
しかし、特許文献１に記載の発電装置では、使用されるうちに、容器内の液体燃料の液面が低下し、浸漬されていた低温側端部が液体燃料から出てしまう可能性がある。それゆえ、液体燃料の液面の高さの検出等が必要となり、構成が複雑化する可能性がある。

特開平９−６９６５２号公報

本発明は、上記のような課題に着目したもので、構成が簡易な発電装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、（ａ）液体燃料を収容している容器と、（ｂ）液体燃料を毛細管現象により液体燃料の液面の上方に誘導する芯と、（ｃ）高温側端部が鉛直方向上方を向き、低温側端部が鉛直方向下方を向き、液面の鉛直方向上方に液面から離れて配置され低温側端部が芯と接している熱電変換素子とを備え、（ｄ）芯で誘導された液体燃料により低温側端部を冷却するように構成されている発電装置であることを要旨とする。

本発明によれば、芯で誘導された液体燃料により低温側端部が冷却されるため、例えば、低温側端部を容器内の液体燃料に浸漬させて冷却する方法と異なり、液体燃料の液面の高さの検出等が必要なく、構成が簡易な発電装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る発電装置の概略構成を示す構成図である。 熱電変換素子を拡大して示す拡大図である。 変形例に係る熱電変換素子を示す拡大図である。 変形例に係る熱電変換素子を示す拡大図である。 変形例に係る発電装置の概略構成を示す構成図である。

以下、本発明の実施形態に係る発電装置について、図面を参照しつつ説明する。
なお、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための方法や装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施形態に係る発電装置１は、図１に示すように、液体燃料６を収容している容器５と、液体燃料６を毛細管現象により液体燃料６の液面の上方に誘導する芯８と、高温側端部９ｃが鉛直方向上方を向き、低温側端部９ｄ、９ｅが鉛直方向下方を向き、液体燃料６の液面の鉛直方向上方に液面から離れて配置され低温側端部９ｄ、９ｅが芯８と接している熱電変換素子９とを備えている。そして、芯８で誘導された液体燃料６により低温側端部９ｄ、９ｅを冷却するように構成されている。

また、芯８は、熱電変換素子９と低温側端部９ｄ、９ｅの端面でのみ接することが好ましい。または、芯８は、図３に示すように、低温側端部９ｄ、９ｅの端面及び側面を外側から覆っている部分８ａを有するようにしても好ましい。
さらに、熱電変換素子９は、ｐ型熱電変換材料からなるｐ型熱電変換材料部９ａと、ｐ型熱電変換材料部９ａに対向して配置されたｎ型熱電変換材料からなるｎ型熱電変換材料部９ｂとを有するようにし、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂの一端側同士が接合され、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂの他端側同士が離間していることがより好ましい。特に、ｐ型熱電変換材料及びｎ型熱電変換材料の少なくとも一方は、クラスレート化合物であることがより好ましい。

また、本発明の実施形態に係る発電装置１は、低温側端部９ｄ、９ｅに接続されているリード線１０ａ、１０ｂを備えるようにし、リード線１０ａ、１０ｂは、容器５内の液体燃料６に浸漬されていることが好ましい。特に、リード線１０ａ、１０ｂは、芯８の内部に配置されていることがより好ましい。
また、電力を消費する電力消費部４を備える場合、電力消費部４は、容器５内に配置され、リード線１０ａ、１０ｂに接続されていることが好ましい。

次に、本発明の実施形態に係る発電装置１について、より詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る発電装置１は、図１に示すように、液体燃料６を燃焼させて熱を発生する熱発生部２と、熱発生部２で発生した熱により発電する発電部３と、発電部３で発電した電力を消費する電力消費部４とを備えている。本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱発生部２として、液体燃料６を燃焼させる燃料ランプを用いている。
熱発生部２は、上端が開口され、下端が閉塞された円筒状の容器５を備えている。容器５としては、例えば、透明なガラス製の瓶を用いることができる。また、容器５の内部には、液体燃料６が収容されている。液体燃料６としては、例えば、エタノール、メタノール、エタノールとメタノールとの混合アルコール等、透明な燃料を用いることができる。

また、容器５の上部には、容器５の開口部を覆う円板状の蓋７が配置されている。蓋７の中央部には、穴７ａが設けられ、ロープ状の芯８が挿通されている。芯８の下端側は、液体燃料６に浸漬されている。芯８の下端側が容器５の燃料が残存する位置、例えば容器５の底部に接していることが好ましい。芯８の上端側は、穴７ａで支持され、蓋７の上面側に突出している。そして、芯８は、毛細管現象によって容器５内から液体燃料６を吸い上げ、吸い上げた液体燃料６を芯８の上端に誘導する。芯８としては、例えば、グラスファイバー等の繊維を撚り合わせた燃焼芯を用いることができる。それゆえ、芯８の上端に着火されると、液体燃料６が燃焼され、芯８の上端に火炎ａが形成される。

発電部３は、図２に示すように、ｐ型熱電変換材料部９ａと、ｐ型熱電変換材料部９ａに対向して配置されたｎ型熱電変換材料部９ｂとが電気的に接続されてなる熱電変換素子９を備えている。熱電変換素子９では、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂの一端側同士が接合され、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂの他端側同士が離間している。ｐ型熱電変換材料部9ａ及びｎ型熱電変換材料部9ｂの接合方法としては、例えば、電極をなくして、ｐ型熱電変換材料部９ａとｎ型熱電変換材料部９ｂをそのまま接合するなどの直接接合、電極、配線を介して接続するなどの間接接合を用いることができる。特に、耐久性を考慮すると直接接合がより好ましい。ｐ型熱電変換材料部９ａを形成する材料としては、例えば、ｐ型熱電変換材料を用いることができる。ｎ型熱電変換材料部９ｂを形成する材料としては、ｎ型熱電変換材料を用いることができる。ｐ型熱電変換材料及びｎ型熱電変換材料としては、例えば、クラスレート化合物を採用できる。クラスレート化合物を採用する場合、ｐ型熱電変換材料及びｎ型熱電変換材料の少なくとも一方がクラスレート化合物であればよい。クラスレート化合物としては、特に、Ｓｉクラスレート化合物が好ましい。

また、熱電変換素子９では、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂが接続されている端部が「高温側端部９ｃ」を形成している。また、高温側端部９ｃと反対側のｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂの端部それぞれが「低温側端部９ｄ、９ｅ」を形成している。そして、熱電変換素子９は、高温側端部９ｃが鉛直方向上方を向き、低温側端部９ｄ、９ｅが鉛直方向下方を向き、低温側端部９ｄ、９ｅの端面が芯８の上端に接して、芯８の上端に配置されている。すなわち、熱電変換素子９は、液体燃料６の液面の鉛直方向上方に液面から離れて配置され、低温側端部９ｄ、９ｅの端面のみが芯８と接する構成となっている。熱電変換素子９は、後述するようにリード線１０ａ、１０ｂに低温側端部９ｄ、９ｅが接続されることにより芯８の上端に固定されている。
それゆえ、低温側端部９ｄ、９ｅの端面に芯８が誘導した液体燃料６が接し、接する液体燃料６により低温側端部９ｄ、９ｅが冷却され、また、芯８の上端に形成された火炎ａにより高温側端部９ｃが加熱される。これにより、高温側端部９ｃと低温側端部９ｄ、９ｅとに温度差が作り出され、これらの温度差により熱電変換素子９で電力が発生される。

熱電変換素子９の低温側端部９ｄ、９ｅのそれぞれには、リード線１０ａ、１０ｂが電気的に接続されている。リード線１０ａ、１０ｂとしては、例えば、エナメル線等、皮膜内での熱伝導性に加え、被膜内と被膜外との熱伝導性も高い配線が好ましい。リード線１０ａ、１０ｂは、図１に示すように、芯８の内部に配置され、容器５内の液体燃料６に浸漬されている。図１では、リード線１０ａ、１０ｂは、芯８の長手方向に沿って配置されている。すなわち、芯８の全長にわたりリード線１０ａ、１０ｂが配置されている。
それゆえ、リード線１０ａ、１０ｂを通じて、低温側端部９ｄ、９ｅのそれぞれと、容器５内の液体燃料６との間で熱伝導が行われ、低温側端部９ｄ、９ｅが冷却される。

電力消費部４は、リード線１０ａ、１０ｂに電気的に接続され、熱電変換素子９で発生した電力で動作する電子回路１１と、電子回路１１の動作にともない光や音等を出力する出力部品１２とを備えている。電子回路１１としては、例えば、熱電変換素子９が発生した電力を昇圧する昇圧回路を用いることができる。また、出力部品１２としては、例えば、昇圧回路の出力で発光するＬＥＤを用いることができる。そして、電力消費部４は、容器５内に配置され、液体燃料６に浸漬されている。なお、リード線１０ａ、１０ｂと電力消費部４との接続部、及び電力消費部４の各部１１、１２には、液体燃料６への浸漬によってショートすることがないように、液体燃料６の浸入を防ぐ加工が施されている。
それゆえ、熱電変換素子９から電力が発生されると、発生した電力で電子回路１１や出力部品１２が動作し、光や音等が出力される。その際例えば、容器５として、透明なガラス製の瓶を用い、液体燃料６として、透明な燃料を用い、出力部品１２として、ＬＥＤを用いることで、ＬＥＤの光（出力）を容器５の外側から目視可能とすることができる。

以上のように、本発明の実施形態に係る発電装置１では、高温側端部９ｃが鉛直方向上方を向き、低温側端部９ｄ、９ｅが鉛直方向下方を向き、液体燃料６の液面の鉛直方向上方に液面から離れて熱電変換素子９が配置され低温側端部９ｄ、９ｅが芯８と接するようにした。そして、芯８で誘導された液体燃料６により低温側端部９ｄ、９ｅを冷却するように構成した。それゆえ、高温側端部９ｃと低温側端部９ｄ、９ｅとに温度差を作り出すことができ、これらの温度差により熱電変換素子９で電力を発生できる。また、例えば、低温側端部９ｄ、９ｅを容器５内の液体燃料６に浸漬させて冷却する方法と異なり、液体燃料６の液面の高さの検出等が必要ないため、構成が簡易な発電装置１を提供でき、液体燃料６の量による冷却効率の大幅な変動も回避することができる。

また、例えば、特開平９−６９６５２号公報に記載の従来の発電装置、つまり、芯を熱電変換素子で挟み、液体燃料に低温側端部を浸漬させた発電装置では、低温側端部にある程度の長さ（例えば５［cm］）が必要となるため、熱電変換素子の小型化が困難である。
これに対し、本発明の実施形態に係る発電装置１では、低温側端部９ｄ、９ｅが芯８と接し、芯８で誘導された液体燃料６により低温側端部９ｄ、９ｅを冷却するため、低温側端部９ｄ、９ｅを短くして（例えば５［mm］）、熱電変換素子９を小型化可能である。
また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、芯８は、熱電変換素子９と低温側端部９ｄ、９ｅの端面でのみ接するようにした。そのため、芯８で誘導した液体燃料６により高温側端部９ｃまで冷却されることを防止でき、高温側端部９ｃと低温側端部９ｄ、９ｅとの温度差を増大させて、熱電変換素子９でより大きな電力を発生することができる。

さらに、本発明の実施形態に係る発電装置１では、低温側端部９ｄ、９ｅにリード線１０ａ、１０ｂを接続し、接続したリード線１０ａ、１０ｂが容器５内の液体燃料６に浸漬するようにした。そのため、リード線１０ａ、１０ｂを通じて、低温側端部９ｄ、９ｅから容器５内の液体燃料６へ熱伝導を行い低温側端部９ｄ、９ｅを冷却することができる。
また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、リード線１０ａ、１０ｂは、芯８の内部に配置されている。それゆえ、リード線１０ａ、１０ｂを隠すことができるため、省スペースを実現することができ、発電装置１のデザイン性を向上することができる。

さらに、本発明の実施形態に係る発電装置１では、電力を消費する電力消費部４を容器５内に配置し、リード線１０ａ、１０ｂを接続するようにした。それゆえ、リード線１０ａ、１０ｂを容器５内にすべて収めることができ、装置を小型化でき、配線を短くすることができる。
また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱電変換素子９は、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂの一端側同士が接合され、他端側同士が離間している。それゆえ、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂの接合方法として、直接接合を用いた場合、ｐ型熱電変換材料部９ａ及びｎ型熱電変換材料部９ｂを電極を介して接合する方法（間接接合）と異なり、ｐ型熱電変換材料部９ａと電極との間、及びｎ型熱電変換材料部９ｂと電極との間の接合界面に化合物層が形成されない場合や、線膨張係数の近い材料を使用できる、などの理由から熱耐久性が向上する。そのため、例えば、直火にかけた後、水に漬ける等、熱電変換素子９に高い負荷のかかる使い方がされても、熱電変換素子９に割れやクラックが発生し難く、耐久性を向上させることができる。

さらに、ｐ型熱電変換材料部９ａとｎ型熱電変換材料部９ｂとの接合界面における抵抗値がほぼゼロとなるため、発電量を増大することができ、発電効率を増大することができる。また、部品数が少なくて済むため、組み立てコストを低減することができる。
また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、ｐ型熱電変換材料及びｎ型熱電変換材料の少なくとも一方に、Ｓｉクラスレート化合物を用いることで、耐久性を向上させることができる。

（変形例）
（１）なお、本発明の実施形態に係る発電装置１では、芯８が、熱電変換素子９と低温側端部９ｄ、９ｅでのみ接している例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、図３に示すように、芯８が、熱電変換素子９の低温側端部９ｄ、９ｅの端面及び側面を外側から覆っている部分８ａを有する構成としてもよい。図３では、部分８ａとして芯８の上端を用い、芯８の上端の繊維の撚りが解かれ、撚りが解かれた繊維の中央に熱電変換素子９の低温側端部９ｄ、９ｅが埋め込まれ、さらに、撚りが解かれた繊維により低温側端部９ｄ、９ｅの周囲が囲まれている。芯８が熱電変換素子９の低温側端部９ｄ、９ｅを外側から覆っている構成とした場合、低温側端部９ｄ、９ｅをより適切に冷却することができ、また、熱電変換素子９を衝撃からより確実に保護することができる。

（２）また、例えば、図４に示すように、芯８が、熱電変換素子９の低温側端部９ｄ、９ｅと高温側端部９ｃとの両方に接する構成としてもよい。図４では、芯８の上端と熱電変換素子９の上端との高さが揃えられ、芯８の側面（図４の芯８の背面）に熱電変換素子９の側面（図４の熱電変換素子９の前面）が接するように、熱電変換素子９が配置されている。芯８が熱電変換素子９の低温側端部９ｄ、９ｅと高温側端部９ｃとの両方に接する構成とした場合、高温側端部９ｃは、芯８で誘導された液体燃料６により冷却されるが、液体燃料６の燃焼によって加熱も行われるため、高温側端部９ｃと低温側端部９ｄ、９ｅとに温度差を発生でき、その温度差により熱電変換素子９で電力を発生することができる。

（３）さらに、本発明の実施形態に係る発電装置１では、電力消費部４を容器５内に配置する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、図５に示すように、電力消費部４を容器５外に配置する構成としてもよい。図５では、リード線１０ａ、１０ｂが容器５外に延びて、電力消費部４に電気的に接続されている。電力消費部４を容器５外に配置する構成とした場合、容器５よりも大きな回路等を電力消費部４として使用できる。

１…発電装置、２…熱発生部、３…発電部、４…電力消費部、５…容器、６…液体燃料、７…蓋、７ａ…穴、８…芯、８ａ…芯の部分、９…熱電変換素子、９ａ…ｐ型熱電変換材料部、９ｂ…ｎ型熱電変換材料部、９ｃ…高温側端部、９ｄ、９ｅ…低温側端部、１０ａ、１０ｂ…リード線、１１…電子回路、１２…出力部品、ａ…火炎

Claims (8)

1. 液体燃料を収容している容器と、
   前記液体燃料を毛細管現象により前記液体燃料の液面の上方に誘導する芯と、
   高温側端部が鉛直方向上方を向き、低温側端部が鉛直方向下方を向き、前記液面の鉛直方向上方に前記液面から離れて配置され前記低温側端部が前記芯と接している熱電変換素子とを備え、
   前記芯で誘導された前記液体燃料により前記低温側端部を冷却するように構成されている発電装置。
2. 前記芯は、前記熱電変換素子と前記低温側端部の端面でのみ接している請求項１に記載の発電装置。
3. 前記芯は、前記低温側端部の端面及び側面を外側から覆っている部分を有する請求項１に記載の発電装置。
4. 前記低温側端部に接続されているリード線を備え、
   前記リード線は、前記容器内の前記液体燃料に浸漬されている請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記リード線は、前記芯の内部に配置されている請求項４に記載の発電装置。
6. 電力を消費する電力消費部を備え、
   前記電力消費部は、前記容器内に配置され、前記リード線に接続されている請求項４または５に記載の発電装置。
7. 前記熱電変換素子は、ｐ型熱電変換材料からなるｐ型熱電変換材料部と、前記ｐ型熱電変換材料部に対向して配置されたｎ型熱電変換材料からなるｎ型熱電変換材料部とを有し、前記ｐ型熱電変換材料部及び前記ｎ型熱電変換材料部の一端側同士が接合され、前記ｐ型熱電変換材料部及び前記ｎ型熱電変換材料部の他端側同士が離間している請求項１から６のいずれか１項に記載の発電装置。
8. 前記ｐ型熱電変換材料及び前記ｎ型熱電変換材料の少なくとも一方は、クラスレート化合物である請求項７に記載の発電装置。

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