(57)【要約】【課題】外部から電力を供給する必要がなく、かつ、電池交換の不要な報知装置を提供する。【解決手段】熱交換部材１０と、熱電発電モジュール２０と、熱交換部材１０との間に熱電発電モジュール２０を挟む熱伝導体からなる蓄熱部材３０と、熱交換部材１０よりも低い熱伝導率を有し、熱電発電モジュール２０または熱交換部材１０とともに蓄熱部材３０を内包する閉空間を形成する筐体４０と、熱電発電モジュール２０が発電するのに応じて報知フレームを無線送信する回路モジュール５０とにより報知装置を構成した。【選択図】図１
2014187101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換部材と、
熱電発電モジュールと、
前記熱交換部材との間に前記熱電発電モジュールを挟む熱伝導体からなる蓄熱部材と、
前記熱交換部材よりも低い熱伝導率を有し、前記熱電発電モジュールまたは前記熱交換部材とともに前記蓄熱部材を内包する閉空間を形成する筐体と、
を具備することを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記筐体の内壁と前記蓄熱部材または前記熱電発電モジュールとの間の間隙が断熱領域であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記断熱領域が真空領域であることを特徴とする請求項２に記載の報知装置。
【請求項４】
請求項１に記載の発電装置と、
前記熱電発電モジュールが発電するのに応じて報知信号を発生する報知手段と
を具備することを特徴とする報知装置。
【請求項５】
センサをさらに具備し、
前記報知手段は、前記センサの出力信号を含む報知信号を無線送信することを特徴とする請求項４に記載の報知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ゼーベック効果を利用して発電する熱電発電モジュールを含んだ発電装置および報知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
火災報知器等の報知装置は、火災等の所定の事象を検出するためのセンサと、センサの検出結果に基づいて報知を行う報知手段とを備えている。そして、この種の報知装置は、センサや報知手段に電力を供給するための電源を必要とする。このような報知装置の中には、例えば山中等、電力の供給が困難な場所において使用されるものもある。このような電力の供給が困難な環境で使用される報知装置は、電池を内蔵した構成のものが一般的である（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１５９０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した電池を内蔵した報知装置は、電池の寿命が切れるまでしか使用することができないため、継続的に使用するためには電池の交換が必要であり、その作業が煩わしいという問題があった。
【０００５】
この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、電力供給が困難な環境に配置された報知装置等の装置を動作させることができる発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明は、熱交換部材と、熱電発電モジュールと、前記熱交換部材との間に前記熱電発電モジュールを挟む熱伝導体からなる蓄熱部材と、前記熱交換部材よりも低い熱伝導率を有し、前記熱電発電モジュールまたは前記熱交換部材ともに前記蓄熱部材を内包する閉空間を形成する筐体とを具備することを特徴とする発電装置を提供する。
【０００７】
かかる発明によれば、火災等、急激な温度上昇を伴う事象が発生した場合に、熱交換部材の温度が上昇するが、熱伝導率の低い筐体に内包された蓄熱部材の温度上昇は、熱交換部材の温度上昇に対して遅れる。このため、熱交換部材から熱電発電モジュールを介して蓄熱部材に熱流が流れ、熱電発電モジュールが発電する。従って、この発電を利用して報知装置等を動作させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の一実施形態である報知装置の構成を示す断面図である。
【図２】同実施形態における回路モジュールの構成を示すブロック図である。
【図３】同実施形態の動作を示すタイムチャートである。
【図４】同実施形態の効果を確認するためのシミュレーションに用いたモデルの構成を示す回路図である。
【図５】同シミュレーションにおいて熱電発電モジュールに与える熱量の変化を示す図である。
【図６】同シミュレーションの結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態の報知装置の構成例を示す図である。この報知装置は、略ドーム形状をなしている。図１には、このドーム形状をなす報知装置をドームの中心軸を含む平面により切断した断面の構成が示されている。
【００１０】
図１に示すように、本実施形態による報知装置は、熱交換部材１０と、熱電発電モジュール２０と、熱交換部材１０との間に熱電発電モジュール２０を挟む蓄熱部材３０と、熱電発電モジュール２０とともに蓄熱部材３０を内包する閉空間を形成する筐体４０と、この筐体４０内に配置された回路モジュール５０とを有する。
【００１１】
筐体４０は、円板部４１と、ドーム状の上蓋部４２とを接着してなるものであり、ドーム状の空洞を内包している。円板部４１および上蓋部４２は、いずれも熱伝導率が極めて低い断熱材により構成されている。円板部４１の中央には、熱電発電モジュール２０を挿入・固定するための穴が設けられている。
【００１２】
熱交換部材１０は、例えば多数のフィンを有するヒートシンクであり、報知装置の周囲環境との間で熱交換を行う部材である。この熱交換部材１０は、熱伝導率の高い素材（例えば銅やアルミニウムなどの金属）により形成されている。
【００１３】
蓄熱部材３０は、熱交換部材１０と同様な高い熱伝導率を有する素材により構成されている。この蓄熱部材３０は、ドーム形状をなしており、筐体４０の内壁との間に僅かな隙間を空けて筐体４０内に収容されている。このため、蓄熱部材３０は、体積が大きく、高い熱容量を有している。
【００１４】
筐体４０内は気密性が保たれている。筐体４０の内壁と蓄熱部材３０および熱電発電モジュール２０との間の間隙は真空となっている。なお、このように間隙を真空とする代わりに、間隙内を断熱材により満たしてもよい。これらの態様によれば、報知装置の外部から蓄熱部材３０に至るまでの経路の熱伝導率を非常に低くすることができ、熱交換部材１０から蓄熱部材３０までの熱流の経路を熱電発電モジュール２０のみにすることができる。
【００１５】
熱電発電モジュール２０は、セラミック等の高い熱伝導率を有する２枚の絶縁板２１および２２と、複数のｎ型半導体ブロック２３ｎと、複数のｐ型半導体ブロック２３ｐと、複数のホット側電極２４と、複数のクール側電極２５とを有する。
【００１６】
ここで、絶縁板２１は、熱交換部材１０の上面に固定されており、絶縁板２２は、蓄熱部材３０の下面に固定されている。そして、絶縁板２１および２２は所定間隔を空けて対向している。
【００１７】
複数のｎ型半導体ブロック２３ｎと複数のｐ型半導体ブロック２３ｐは、この絶縁板２１および２２間の隙間に交互に挿入されている。そして、全体として、ｎ型半導体ブロック２３ｎとｐ型半導体ブロック２３ｐが交互に並ぶように、複数のｎ型半導体ブロック２３ｎと複数のｐ型半導体ブロック２３ｐはホット側電極２４またはクール側電極２５を介して直列接続されている。さらに詳述すると、絶縁板２１側では、複数のｎ型半導体ブロック２３ｎと複数のｐ型半導体ブロック２３ｐからなる直列回路において、互いに隣り合ったｎ型半導体ブロック２３ｎとｐ型半導体ブロック２３ｐとの組がホット側電極２４により接続され、絶縁板２２側では、互いに隣り合ったｎ型半導体ブロック２３ｎとｐ型半導体ブロック２３ｐとの組がクール側電極２５により接続されている。そして、熱電発電モジュール２０では、絶縁板２１およびホット側電極２４を介して熱交換部材１０と複数のｎ型半導体ブロック２３ｎおよび複数のｐ型半導体ブロック２３ｐとの間の熱交換が行われ、絶縁板２２およびクール側電極２５を介して熱交換部材１０と複数のｎ型半導体ブロック２３ｎおよび複数のｐ型半導体ブロック２３ｐとの間の熱交換が行われるようになっている。
【００１８】
複数のｎ型半導体ブロック２３ｎと複数のｐ型半導体ブロック２３ｐの直列回路において、両端のｎ型半導体ブロック２３ｎおよびｐ側半導体ブロック２３ｐに接続された２個のホット側電極２４（図１の例では左右両端のホット側電極２４）は、熱電発電モジュール２０の出力電圧が発生する正極と負極をなしている。この正極および負極は、回路モジュール５０に接続されている。
【００１９】
回路モジュール５０は、熱電発電モジュール２０が発電を行うのに応じて報知信号を発生する報知手段である。図２はこの回路モジュール５０の構成を示す回路図である。図２に示すように回路モジュール５０は、キャパシタ５２と、熱電発電モジュール２０の正極および負極間の電圧を昇圧してキャパシタ５２の充電を行う充電回路５１と、キャパシタ５２の充電電圧ＶＣを電源電圧として動作する電力管理部５３、無線送信部５４およびセンサ５５とを有する。電力管理部５３は、キャパシタ５２の充電電圧ＶＣを監視し、無線送信部５４およびセンサ５５に火災報知のための動作を行わせるのに十分な電気エネルギーがキャパシタ５２に蓄積されたとき、具体的にはキャパシタ５２の充電電圧ＶＣが所定の閾値Ｖｔｈを越えたとき、無線送信部５４およびセンサ５５に起動指令を送る。センサ５５は、例えばＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ  Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ; 全地球測位システム）受信機であり、起動指令が与えられることにより報知装置の現在位置の緯度経度情報を受信して無線送信部５４に供給する。無線送信部５４は、センサ５５から受け取った緯度経度情報と報知装置のＩＤとを含む報知フレームを生成し、この報知フレームによりキャリアを変調して無線送信する。
【００２０】
図３は本実施形態の動作を示すタイムチャートである。このタイムチャートには、報知装置の近くで火災が発生した場合の熱交換部材１０の温度Ｔ１０と、蓄熱部材３０の温度Ｔ３０と、熱交換部材１０から熱電発電モジュール２０を介して蓄熱部材３０に流れる熱量Ｑと、キャパシタ５２の充電電圧ＶＣとの変化と、センサ５５および無線送信部５４の動作が模式的に例示されている。
【００２１】
報知装置の近くで火災が発生すると、まず、熱交換部材１０の温度が上昇する。しかし、熱伝導率の低い筐体４０に内包された蓄熱部材３０の温度Ｔ３０は、熱交換部材１０の温度上昇から遅れ、かつ、緩い時間勾配で上昇する。この結果、熱交換部材１０から熱電発電モジュール２０を介して蓄熱部材３０に継続的に所定量以上の熱量Ｑが流れる。この熱流により熱電発電モジュール２０が発熱し、充電回路５１によりキャパシタ５２の充電が行われる。そして、キャパシタ５２の充電電圧ＶＣが閾値Ｖｔｈを越えると、電力管理部５３から無線送信部５４およびセンサ５５に起動指令が与えられる。この結果、センサ５５は、緯度経度情報を受信し、無線送信部５４はこの緯度経度情報とＩＤとを含む報知フレームを無線送信する。
【００２２】
本実施形態による報知装置の使用例として、山火事の報知への使用が考えられる。本実施形態による複数の報知装置を山中の随所に配置するとともに、各報知装置からの報知フレームを受信する基地局を適当な場所に設け、この基地局が受信した報知フレームを消防署に転送するように構成するのである。この態様によれば、山火事が発生すると、火災にみまわれた場所にある報知装置がその位置の緯度経度情報とＩＤを含む報知フレームを無線送信する。基地局は、このようにして報知装置から送信される報知フレームを受信して消防署に転送する。消防署では、報知フレームから火災場所を特定し、火災場所に赴き、消火活動を行う。
【００２３】
本願発明者は、本実施形態の効果を確認するためのシミュレーションを実施した。図４はこのシミュレーションに用いたモデルを示す回路図である。図４において、Ｃ１は熱電発電モジュール２０の熱容量、Ｃ２は蓄熱部材３０の熱容量、Ｒ１は熱電発電モジュール２０の熱抵抗、Ｒ２は蓄熱部材３０の熱抵抗、Ｒ３は蓄熱部材３０と間隙（蓄熱部材３０と筐体４０で挟まれたスペース)の熱抵抗、Ｔ３は蓄熱部材３０の環境温度（火災等が発生しない状況での通年平均温度）、Ｔ１Ｈは熱電発電モジュール２０の高温側の絶縁板２１の温度、Ｔ１Ｌは熱電発電モジュール２０の低温側の絶縁板２２の温度、Ｔ２は蓄熱部材３０の表面温度である。シミュレーションでは、Ｃ１＝２Ｗ・ｓｅｃ／℃、Ｃ２＝１０００Ｗ・ｓｅｃ／℃、Ｒ１＝９．２℃／Ｗ、Ｒ２＝１．５℃／Ｗ、Ｒ３＝６．５℃／Ｗ、Ｔ３＝２５℃とした。また、Ｑは、熱電発電モジュール２０の高温側の絶縁板２１に加わる熱量であり、シミュレーションではこの熱量Ｑを図５に示すように変化させた。図６はシミュレーションの結果を示す図である。図５に示すように、熱電発電モジュール２０の高温側の絶縁板２１に加わる熱量Ｑを時刻ｔ＝５ｓｅｃにおいて上昇させると、図６に示すように、熱電発電モジュール２０の高温側の絶縁板２１の温度Ｔ１Ｈ、低温側の絶縁板２２の温度Ｔ１Ｌもそれに応じて上昇した。そして、時刻ｔ＝１０ｓｅｃでは、熱電発電モジュール２０の高温側の絶縁板２１の温度Ｔ１Ｈと低温側の絶縁板２２の温度Ｔ１Ｌとの間に約１００℃の温度差が発生した。熱電発電モジュール２０の高温側の絶縁板２１と低温側の絶縁板２２との間にこの程度の温度差を発生させることができれば、報知動作に必要な１Ｗ程度の十分な大きさの電力を発電することが可能である。
【００２４】
以上のように、本実施形態によれば、山中等、電力の供給が困難な場所において電池を使用することなく、報知装置を使用することができる。
【００２５】
＜他の実施形態＞
以上、この発明の一実施形態について説明したが、この発明には、他にも実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
【００２６】
（１）上記実施形態では、報知装置をドーム形状としたが、報知装置の形状はこれに限定されるものではない。例えば家庭で使用する報知装置を実現する場合、報知装置を円筒形状とし、下面に熱交換部材１０を設け、上面を天井に固定するようにしてもよい。
【００２７】
（２）上記実施形態において示したように、この発明による報知装置は、急激な温度情報を伴う事象を検知するのに有効である。そのような事象は、火災以外にも考えられる。例えば鍋などの調理器具の過熱が考えられる。鍋の取っ手の金属部分を熱交換部材１０として代用した報知装置（図１）を構成してもよい。鍋をコンロで加熱したまま放置し、取っ手部分の温度が異常に上昇した場合に、報知装置にその報知を行わせ、火災を未然に防ぐのである。
【００２８】
（３）上記実施形態では、無線送信により報知を行ったが、報知のための手段はこれに限定されるものではない。例えばＬＥＤを発光させ、あるいはブザーを鳴動させることにより報知を行ってもよい。
【００２９】
（４）上記実施形態では、センサ５５としてＧＰＳ受信機を用いたが、例えば温度、湿度、気圧、歪、電気伝導度等の各種の物理量を測定する他の種類のセンサを用いてもよい。
【００３０】
（５）上記実施形態において、センサ５５を省略し、無線送信部５４は火災発生時に単に火災が起こった旨の報知を行うようにしてもよい。
【００３１】
（６）上記実施形態において、報知装置に太陽電池等を取り付け、熱電発電と太陽光発電を併用したハイブリッド電源により報知装置を動作させてもよい。
【００３２】
（７）上記実施形態では、熱電発電モジュール２０の絶縁板２１を筐体４０の円板部４１に固定したが、熱交換部材１０を円板部４１に固定してもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１０…熱交換部材、２０…熱電発電モジュール、３０…蓄熱部材、４０…筐体、５０…回路モジュール、５１…充電回路、５２…キャパシタ、５３…電力管理部、５４…無線送信部、５５…センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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