(57)【要約】【課題】  熱電変換デバイスに発生した電圧を実用的なレベルに昇圧変換するための技術を提供する。【解決手段】  ＰＷＭ制御回路２は、発熱体の熱を電力に変換するサーモ・モジュールからの入力電圧Ｖｉにより生じる抵抗Ｒ２の両端間の電圧で駆動し、インダクタＬと一方の入力端子間のスイッチングを高い周波数で行う。それにより、インダクタＬに発生する逆起電力によって高い電圧を出力端子間に発生させる。【選択図】図１
2006129658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う熱電発電装置において、
前記発熱体の熱エネルギーを熱電変換により電気エネルギーに変換する熱電変換手段と、
前記熱電変換手段により得ることができる電気エネルギーで駆動し、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを有する昇圧変換手段と、
を具備することを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧を昇圧変換させるＤＣ−ＤＣコンバータを作製するための方法であって、
前記熱電変換デバイスにより得ることができる電圧で駆動する、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路を採用し、
該スイッチング回路がスイッチングを行う周波数を考慮して、該スイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを採用し、
前記熱電変換デバイスにより得られる電圧を前記スイッチング回路に印加させると共に、該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させる位置に前記インダクタを配置する回路構成で作製する、
ことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの作製方法。
【請求項３】
熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧変換させるための方法であって、
前記熱電変換デバイスとして、インダクタに対するスイッチングを行うスイッチング回路の駆動に必要な電圧を発生できる熱電変換デバイスを用意し、
前記ＤＣ−ＤＣコンバータを、前記スイッチング回路、及び前記インダクタとして、該用意する熱電変換デバイスで得ることができる電圧を考慮して決定される周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該電圧を考慮して決定されるインダクタンスを有するインダクタを採用して作製し、
該作製したＤＣ−ＤＣコンバータを用いて前記熱電変換デバイスにより得られる電圧を昇圧変換させる、
ことを特徴とする昇圧変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧をＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧変換させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年，エネルギーの有効利用が強く望まれている。そのために現在では、利用されずに捨てられている熱エネルギーが着目されている。これは、その熱エネルギーを回収し，活用することは非常に有効であるからである。このことから、熱エネルギーを直接、電気エネルギーに変換する熱電発電が注目されている。
【０００３】
熱−電気のエネルギー変換過程は総称して熱電変換と呼ばれる。未利用熱エネルギーの回収では、その熱電変換にゼーベック効果（熱電発電）を有する素子（熱電素子）が用いられるのが普通である（特許文献１〜５）。その熱電素子は、例えば特許文献１に記載されているように、複数個、接続させたデバイス（熱電変換デバイス）として用いられるのが普通である。
【０００４】
そのゼーベック効果と表裏一体の関係にあるペルチェ効果（熱電冷却）は、温度制御の分野で既に広く用いられている。これに対して、熱電発電を行うための技術は，特許文献１〜５を含む様々な文献で提案されているが、熱→電気への変換効率が数％程度と低いことで，実用化に至っていないのが実情である。しかし、熱電変換では原理的には単に熱電変換デバイスに温度差を与えるだけで電力が得られるため、分散型電源のエネルギー源としても期待ができる。そのように幅広い用途に適用可能であることもあって、最近では熱電素子における材料ベースでの高効率化の研究が盛んに行われている。
【０００５】
熱電素子に与える温度差を大きくし、その熱電素子を多数、接続して熱電変換デバイスを作製すれば、理論的には熱電変換により十分な電圧を得ることができる。しかし、熱電素子にはあまり大きな温度差を与えられないのが普通であり、採用できる熱電素子の数にも制約があるのが普通である。このようなことから、１０〜２０℃程度の小さな温度差を利用して熱電変換デバイスによって得られた電圧を実用的なレベルに昇圧変換することが非常に重要と考えられる。
【０００６】
なお、現在の電子機器には通常、時間を計時しているＲＴＣ（Real Time Clock）やユーザ固有のデータを保存するＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）が搭載されており、機器を動作させるための電源がＯＦＦ時でも、それらには電力を供給することが必要である。現在では、リチウムバッテリがバックアップ電源として使用されることが多いが、環境問題や高温での使用が厳しい、交換が必要、などの課題を有している。最近では、バックアップ電源レスでデータ保持できる不揮発性メモリデバイスとして、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）やＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が有望視され研究が活発に行われているが、ＲＴＣの計時保持用としてのバックアップ電源は必要な存在である。このようなことから、熱電発電はバックアップ電源への適用も望まれている。
【特許文献１】特開２０００−１４０２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３０８３９５号公報
【特許文献３】特開２００１−１５６５７号公報
【特許文献４】特開２００１−２８２３９６号公報
【特許文献５】特表２００２−５１８９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、熱電変換デバイスに発生した電圧を実用的なレベルに昇圧変換するための技術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】
【０００８】
本発明の熱電発電装置は、発熱体の熱エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行うことを前提とし、発熱体の熱エネルギーを熱電変換により電気エネルギーに変換する熱電変換手段と、熱電変換手段により得ることができる電気エネルギーで駆動し、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを有する昇圧変換手段と、を具備する。
【０００９】
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの作製方法は、熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧を昇圧変換させるＤＣ−ＤＣコンバータを作製するための方法であって、熱電変換デバイスにより得ることができる電圧で駆動する、所定の周波数でスイッチングを行うスイッチング回路を採用し、該スイッチング回路がスイッチングを行う周波数を考慮して、該スイッチングにより逆起電力を発生させるインダクタを採用し、熱電変換デバイスにより得られる電圧をスイッチング回路に印加させると共に、該スイッチング回路が行うスイッチングにより逆起電力を発生させる位置にインダクタを配置する回路構成で作製する。
【００１０】
本発明の昇圧変換方法は、熱電変換デバイスが発熱体の熱を熱電変換して得られる電圧をＤＣ−ＤＣコンバータに昇圧変換させるための方法であって、熱電変換デバイスとして、インダクタに対するスイッチングを行うスイッチング回路の駆動に必要な電圧を発生できる熱電変換デバイスを用意し、ＤＣ−ＤＣコンバータを、スイッチング回路、及びインダクタとして、該用意する熱電変換デバイスで得ることができる電圧を考慮して決定される周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及び該電圧を考慮して決定されるインダクタンスを有するインダクタを採用して作製し、該作製したＤＣ−ＤＣコンバータを用いて熱電変換デバイスにより得られる電圧を昇圧変換させる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、インダクタに対するスイッチングを行うスイッチング回路の駆動に必要な電圧を発生できる熱電変換デバイスを用意し、そのデバイスが発生させる電圧は、その電圧を考慮して決定される周波数でスイッチングを行うスイッチング回路、及びその電圧を考慮して決定されるインダクタンスを有するインダクタを採用して作製したＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧変換させる。
【００１２】
ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するスイッチング回路を熱電変換デバイスで駆動できるようにすることにより、スイッチングによりインダクタに発生する逆起電力を利用した昇圧変換をそのＤＣ−ＤＣコンバータに行わせることができる。そのため、他からの電力供給が不要でありながら、電源として必要な電圧を発生させることができる。発生される電圧は、熱電変換デバイスに発生させるべき電圧、スイッチングを行う周波数、インダクタのインダクタンスによって変化することから、必要な電圧が得られるように、それらは決定すれば良い。
【００１３】
インダクタに発生する逆起電力を利用した昇圧変換では、トランスを利用した場合と比較して、より高いスイッチング周波数（１ＭＨｚ以上）を採用することができる。そのため、低インダクタンスのインダクタを採用するなどして、必要な電圧が得られる小型のＤＣ−ＤＣコンバータ（熱電発電装置）をより容易に実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施の形態による熱電発電装置に採用したＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【００１５】
そのＤＣ−ＤＣコンバータ（以降「コンバータ」と略記）１は、図１に示すように、入力端子間にコンデンサＣｉを接続し、出力端子間にコンデンサＣｏと、直列に接続した抵抗Ｒ１、Ｒ２とを並列に接続し、コンデンサＣｉと抵抗Ｒ１間にインダクタＬ、ダイオードＳＢＤを直列に接続し、スイッチング用のＰＷＭ制御回路２をコンデンサＬとダイオードＳＢＤ間、抵抗Ｒ１、Ｒ２間、入力端子の一方にそれぞれ接続した回路構成となっている。
【００１６】
ＰＷＭ制御回路２と接続された入力端子は、例えばグランドレベルとなるものである。その制御回路２は、例えばＩＣの形で作製されたものである。抵抗Ｒ２の両端間の電圧により駆動して、インダクタＬと入力端子の一方の間のスイッチングを予め定められた周波数で行う。コンバータ１は、そのスイッチングによりインダクタＬに発生する逆起電力によって高い電圧を出力端子間に発生させるようになっている。
【００１７】
図２は、本実施の形態による熱電発電装置に採用した、上記コンバータ１に電力を供給するサーモ・モジュールを説明する図である。図２（ａ）は上面透視図、図２（ｂ）は側面図である。
【００１８】
このサーモ・モジュール１０は、図２（ａ）に示すように、例えばペルチェ素子（図中「Ｐ１」等と表記）１１を１０個カスケード接続し、図２（ｂ）に示すように、熱伝導率の大きい平板１２、１３でサンドイッチして一体化したものである。そのペルチェ素子１１はビスマス(Ｂｉ)−テルル(Ｔｅ)系のＰ型・Ｎ型半導体対から構成されている。本実施の形態では、平板１２、１３として銅板を採用している。その平板１２、１３は、６０ｍｍ×２８５ｍｍの大きさとし、それらの間隔は５．５ｍｍとしている。カスケード接続するペルチェ素子１１の数は適宜、決定すれば良いものである。
【００１９】
図３は、上記サーモ・モジュール１０の温度差に対する熱電変換電圧の関係を説明する図である。その図３に示すように、そのモジュール１０は、ゼーベック効果により温度差１５〜２０℃で１Ｖの熱電変換電圧が得られる機能を有している。なお、この時のモジュール１０の両端電圧は無負荷として測定している。
【００２０】
図１に示すコンバータ１は、図３に示す熱電変換機能を備えたサーモ・モジュール（以下「モジュール」と略記）１０が発生させる電圧を入力電圧として入力することを前提として作製している。それにより、熱電変換して得られた１Ｖ程度の低電圧をＲＴＣとＳＲＡＭのデータ保持ができる電圧以上に昇圧させる必要があるため低電圧起動できること、およびバックアップ電源として使われているリチウムバッテリより同等以下のサイズにすれば高密度実装が要求される高速ボード設計ができること、などを配慮して高周波スイッチングを採用している。高周波スイッチングの採用により、ダイオードＳＢＤとしてはショットキーダイオードを採用している。
【００２１】
スイッチング周波数によるコンバータ特性の違いを確認するために、本実施の形態では、スイッチング周波数が異なる２種のコンバータ１を作製している。図４は、スイッチング周波数別の主回路定数を示す図である。図中、「Switching Frequency」は採用したＰＷＭ制御回路２がスイッチングを行う周波数、「Inductance」は採用したインダクタＬが持つインダクタンス、「Input Capacitance」は採用したコンデンサＣｉが持つキャパシタンス、「Output Capacitance」は採用したコンデンサＣｏが持つキャパシタンス、をそれぞれ表している。２種（タイプ（Ｔｙｐｅ）１、２）のコンバータ１の何れにも、入力電圧がＶｉ＝０．８５Ｖから起動でき、起動すればＶｉ＝０．８Ｖ未満でも動作できる性能を持つＰＷＭ制御回路２を採用している。
【００２２】
図５は、ＳＲＡＭとＲＴＣのデータ保持に要求される特性を説明する図である。
汎用のＲＴＣとＳＲＡＭは、図５に示すように、データ保持電圧が１．６Ｖであればバックアップできること、バックアップ回路システムに適用した場合のダイオードロス(０．５〜０．６Ｖ)を考慮して、出力電圧Ｖｏとしては２Ｖ以上を確実に確保できるようにＶｏ＝２．８Ｖに設定した。図４に示す主回路定数（コンバータ１を構成するデバイスのパラメータ）は、そのことを考慮して決定している。
【００２３】
図６、及び図７はそれぞれ、スイッチング周波数が３ＭＨｚ、１．４ＭＨｚのコンバータ１の負荷特性を示す図である。出力電流（OutputCurrent）に対する出力電圧（Output Voltage）の関係を、Ｖｉ＝０．８、１．０、及び１．２Ｖの入力電圧別に示したものである。それらは、入力は直流安定化電源が発生させる電圧とした場合のものである。これは、モジュール１０を入力源とした場合の負荷特性と比較するリファレンスとなる。
【００２４】
図６、及び図７に示すように、いずれもＶｏ＝２．８Ｖの定電圧特性範囲は、入力電圧が低いほど狭くなるが、１Ｖ未満の低電圧でも正常に動作している。このことから、いずれのタイプのコンバータ１も１Ｖ程度の熱電変換電圧を昇圧させることができる性能を有していることが判る。また、出力電力は、Ｖｉ＝１．２Ｖで１．４ＭＨｚ時に０．３Ｗが得られていることから、コンバータ１を動作させた時の熱電変換電圧として１．２Ｖを実現すれば、比較的大きな電力を得られることが判る。これは、一般の電子機器で１０〜２０℃程度の温度差を発生させる熱のエネルギーを高効率に回収し、電気エネルギーとして再利用できることを意味する。
【００２５】
図８、及び図９は、スイッチング周波数（ｆｓ）が３ＭＨｚ、１．４ＭＨｚのコンバータ１における出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。図８（ａ）、図９（ａ）には出力電圧波形、図８（ｂ）、図９（ｂ）には出力ノイズの周波数スペクトラムをそれぞれ示してある。それらは何れも、入力は直流安定化電源が発生させる電圧とした場合のものである。ここでは、入力電圧はＶｉ＝０．８Ｖ、負荷はＲＬ＝１３０ｋΩの条件である。
【００２６】
図８、及び図９に示すように、スイッチング周波数ｆｓが３ＭＨｚのコンバータ１が、１．４ＭＨｚのそれと比べてリプル電圧と高調波ノイズが大きくなっている。しかし、何れのコンバータ１もＶｉ＝０．８Ｖで正常に動作し、出力電圧もバックアップ電源（図５参照）として問題ない精度であることが判る。
【００２７】
次に、入力源としてモジュール１０を用いた場合について、図１０〜図１５を参照して具体的に説明する。
図２に示すモジュール１０を入力源としてコンバータ１が起動できるか否かを実験した。モジュール１０は、発熱部品（発熱体：例えば電源のヒートシンクやＣＰＵなど）に貼り付ける形で配置した。その実験を行ったところ、実験開始から１５〜２０分でコンバータ１は起動し、出力電圧が設定電圧値であるＶｏ＝２．８Ｖに達した。起動後は入力電圧がＶｉ＝０．８５Ｖに達してから昇圧動作に入り、出力電圧がＶｏ＝２．８Ｖの設定電圧になると入力電圧はＶｉ＝０．７５Ｖにまで落ち込んだが、動作は維持できた。無負荷時では１Ｖに達していたが、コンバータ１（ＰＷＭ制御回路２）を起動させるために必要なエネルギーで入力電圧が０．７５Ｖにまで低下したものと考えられる。
【００２８】
図１０、及び図１１はそれぞれ、モジュール１０を入力源とした場合のスイッチング周波数ｆｓが３ＭＨｚ、１．４ＭＨｚのコンバータ１の負荷特性を示す図である。図１０、及び図１１では、コンバータ１が起動した直後の特性（丸でプロット）、起動後３０分経過後の特性（四角でプロット）および６０分経過後の特性（三角でプロット）をそれぞれ示している。
【００２９】
図１０、及び図１１から、起動直後では定電圧特性範囲が狭くなる傾向があることがわかる。これは、熱エネルギ−がモジュール１０の高温側と低温側とで定常状態になっていないことにより、安定な電気エネルギーが得られにくい、つまり熱電変換が安定的に行われずに入力電圧の変動が大きいためと考えられる。しかし、ＳＲＡＭとＲＴＣ用のバックアップ電源の負荷は１．２μＡ（図５）程度で、ＳＲＡＭを複数使用していたとしても１０μＡほど見ておけば十分バックアップ可能であることから、コンバータ１起動直後の０．２ｍＡの出力電流でも実際上は問題ない。さらに、熱が定常状態に達した場合には出力電流が０．８ｍＡを越える範囲まで定電圧特性が得られることからバックアップ電源としての機能は十分であると判断できる。ここで、コンバータ１の入力源に直流安定化電源を用いてＶｉ＝０．７５Ｖに設定した場合も出力電流が０．８ｍＡまでの範囲で定電圧特性となり、入力源をモジュール１０とする（熱電変換エネルギーを入力とする）場合と同等の出力特性となることを確認した。すなわち、熱電変換電圧がＶｉ＝１．２Ｖを実現できれば、出力電力として０．３Ｗを得られると判断できる。
【００３０】
図１２、及び図１３はそれぞれ、モジュール１０を入力源とした場合のスイッチング周波数ｆｓが３ＭＨｚ、１．４ＭＨｚのコンバータ１における出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。図８、及び図９と同様に、図１２（ａ）、図１３（ａ）には出力電圧波形、図１２（ｂ）、図１３（ｂ）には出力ノイズの周波数スペクトラムをそれぞれ示してある。ここでは、入力電圧はＶｉ＝０．７５Ｖ、負荷はＲＬ＝１３０ｋΩの条件である。
【００３１】
図１２、及び図１３から、何れのコンバータ１でも出力電圧の精度は実際の使用上問題ないレベルであることがわかる。しかし、直流安定化電源を入力源とした場合（図８、及び図９）には存在しないノイズ成分（図中の○部）が確認される。すなわち、スイッチング周波数ｆｓの基本波と高調波成分以外のノイズであり、これは３ＭＨｚ、１．４ＭＨｚのコンバータ１で同じ周波数帯に存在している。このノイズ成分を調べるためにコンバータ１を接続せず、モジュール１０の両端に１ＭΩの抵抗負荷を接続し、その両端電圧の周波数スペクトラムを調べてみた。比較として直流安定化電源にも同じ１ＭΩの抵抗負荷を接続して調べてみた。モジュール１０では両端電圧は１．２Ｖ、直流安定化電源では両端電圧は１．０Ｖとした。直流安定化電源の周波数スペクトラムは図１４、モジュール１０のそれは図１５にそれぞれ示す。
【００３２】
図１４に示すように、直流安定化電源では、暗ノイズのみ観測される。しかし、モジュール１０では、図１５に示すように、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ全域に渡って、ほぼ等間隔周波数のノイズ成分が観測される。この周波数成分はモジュール１０を入力源として用いたコンバータ１の出力ノイズ（図１２（ｂ）、図１３（ｂ））においてスイッチング周波数ｆｓ以外の成分として観測されたものと一致する。このことから、これは熱雑音であり、熱電変換作用で発生するノイズ成分であることがわかる。また、熱電変換によって発生する熱雑音は、コンバ−タ１のインダクタＬ、コンデンサＣｉで構成されるパッシブフィルタを通過することにより、その周波数成分は低減されている効果も確認することができる。
【００３３】
このように、適切なモジュール１０を採用し、そのモジュール１０によってコンバータ１（ＰＷＭ制御回路２）を起動させ、昇圧変換を行わせることにより、モジュール１０、及びコンバータ１は他からの電力供給が常に全く不要な電源（バックアップ電源）として用いることができる。その電源の電子機器への適用は、例えば以下のようにして行うことができる。図１６〜図１９を参照して具体的に説明する。
【００３４】
図１６は、バックアップ電源としての応用例を説明する図である。
その応用例では、通常動作時には、機器本体の電源ＶＣＣからＳＲＡＭ、ＲＴＣを有する負荷１６０２に電力（エネルギー）が供給される。電源ＶＣＣの電圧Ｖ１は、図中のＡ点では途中の損失による電圧降下分ΔＶｓだけ降下する（Ａ；Ｖ１−ΔＶｓ)。同時に、ダイオードＤ１を介して電気二重層コンデンサＣｅｄへの充電が行われ、そのコンデンサＣｅｄはサブバックアップ電源として機能できるように備えられる。そのコンデンサＣｅｄの充電によって得られる電圧Ｖ３は、図中のＡ点では、ダイオードＤ２による電圧降下分ΔＶｄだけ降下する（Ａ；Ｖ３−ΔＶｄ)。モジュール１０で発電した熱電変換エネルギーを用いたコンバータ１の出力電圧Ｖ２は、図中のＡ点では、ダイオードＤ２による電圧降下分ΔＶｄだけ降下する（Ａ；Ｖ３−ΔＶｄ）。これらのことから、Ａ点における電圧の大小関係は、例えば
Ｖ３−ΔＶＤ  ＜  Ｖ２−ΔＶｄ  ＜  Ｖ１−ΔＶｓ
と設定することで、電子機器へのバックアップ電源として適用しても良い。
【００３５】
図中の１６０１は、スイッチＳ１、ダイオードＤ２を有するシステムＩＣである。電源ＶＣＣと負荷１６０２間をスイッチＳ１により接続し、上記大小関係の設定に従い、実際の大小関係に応じてスイッチＳ１の開閉を行う。それにより、コンバータ１の出力電圧Ｖ２が実用上、利用できる状況では、スイッチＳ１を開にして、コンバータ１の出力電圧Ｖ２をバックアップに用いるようになっている。モジュール１０に対してコンバータ１と並列に接続させたコンデンサＣｓｔは、スタートアップ・キャパシタとして用いられるものである。
【００３６】
スイッチＳ１を開にする状況とは、機器本体が電源ＯＦＦとなっている状況である。電源ＯＦＦ時に機能させるために、モジュール１０には、常時動作しているような別の機器から熱エネルギーを伝達させることが必要である。
【００３７】
図１７は、ファン駆動電源としての応用例を説明する図である。
発熱部品（例えば、電源のヒートシンクやＣＰＵなど）のなかには、ファンによる冷却が必要なものが存在する。この応用例は、冷却が必要な発熱部品１７０１にモジュール１０を貼り付けなどにより配置し、それによってモジュール１０に伝達される熱エネルギーを熱電変換により電気エネルギーに変えてコンバータ１に供給することにより、発熱部品１７０１冷却用のファン（ＦＡＮ）１７０２をコンバータ１の出力電圧により駆動させるものである。部品１７０１が高温でない時は、つまり冷却を行う必要がない時は、モジュール１０からの入力電圧が低いためにファン１７０２は停止することから、モジュール１０に生じる温度差によるセルフ・コントロールを行うことができる。必要な時に必要なだけ駆動することから、ＦＡＮ１７０２の寿命延命（メンテナンス・フリー）を適切な形で実現させることができる。
【００３８】
図１８は、ＬＣＤ搭載の電子機器の構成図である。
その電子機器は、主電源１８１０から電力を高速ボード１８００、及びインバータ１８２０に供給することにより、高速ボード１８００にＬＣＤユニット１８３０のＬＣＤを駆動させ、インバータ１８２０にそのユニット１８３０のバックライトを駆動させるタッチパネルである。高速ボード１８００には、ＰＯＬ(Point of Load)電源である３つのローカル電源１８０１〜１８０３が設けられている。ローカル電源１８０１によりＣＰＵ１８０４に電力を供給し、ローカル電源１８０２によりグラフィックＬＳＩ１８０５に電力を供給し、ローカル電源１８０３によりＣＰＵ１８０４、グラフィックＬＳＩ１８０５、及びメモリロジックＩＣ１８０６にそれぞれ電力を供給できるようになっている。ロジックＩＣや通信ＩＣなどの負荷１８０７には主電源１８１０からの電力が供給されるようになっている。
【００３９】
図１９は、上記電子機器のＰＯＬ電源としての応用例を説明する図である。
ＰＯＬ電源としての応用では、モジュール１０には機器本体の電源がＯＮ時に自己発熱する、図１７に示すような発熱部品１７０１から熱エネルギ−を伝達させる。一般的にＰＯＬ電源は高速ボード上では降圧型のコンバータを用いた構成となっている。図１９に示す応用例は、高速ボード１８００上のＰＯＬ電源であるローカル電源１８０１と、モジュール１０、及びコンバータ１を有する電源と、を切り換えて利用できるようにしたものである。システムＩＣ１６０１は、その切り換えに用いている。スイッチＳ１は、Ａ点における電圧の大小関係がＶ２−ΔＶｄ＜Ｖ１−ΔＶｓを満たしている状況では閉とさせる。それにより、コンバータ１の出力電圧Ｖ２が実用上、利用できる状況では、その出力電圧Ｖ２を利用するため、機器の低消費電力化に貢献することができる。図中のＬＳＩ１９０１は、図１８に示す構成ではＣＰＵ１８０４、及びグラフィックＬＳＩ１８０５の両方、或いはその一方に相当する。
【００４０】
なお、本実施の形態では、コンバータ１としてステップアップ・コンバータを採用しているが、インダクタの逆起電力を利用して昇圧変換を行うものであれば別の種類のコンバータであっても良い。例えばインバーティング・コンバータであっても良い。これは、トランスを用いる種類では、高い周波数でのスイッチングではロスが非常に大きくなるためである。
【００４１】
サーモ・モジュール１０に熱を伝達させる発熱体は、特に限定するものではない。身体に身に付けるタイプの電子機器では、身体の体温を利用しても良い。そのモジュール１０は温度差に応じた熱電変換を行うことから、発熱体は周囲のものより低い温度となっているものであっても良い。このことから、以下のような応用も行うことができる。図２０を参照して具体的に説明する。
【００４２】
地下では、地表から或る程度の深さになると一年を通してほぼ一定の温度（１５℃前後）となる。これに対し、地表は一年を通して比較的に大きく温度が変動する。日本では、冬では地表は地下よりも低い温度となり、夏では逆に、地表は地下よりも高い温度となる。図２０中、「ＴＬ」は相対的に低い温度、「ＴＨ」は相対的に高い温度を表すシンボルである。一日、日による温度変動も大きいのが普通である。
【００４３】
このことから、図２０に示すように、地下と地表との間に発生する温度差による熱電変換をモジュール１０に行わせ、それによってモジュール１０に発生する電圧をコンバータ１に昇圧変換させるようにしても良い。このような応用では、地下と地表の温度の上下関係は一定ではないことから、整流回路、或いはモジュール１０とコンバータ１間の接続を切り換えるための切換回路等を用意して、その上下関係の変化に対応できるようにすることが望ましい。熱エネルギーを電気エネルギーに変換することによる地球温暖化の防止策としても期待できる。
【００４４】
地表から温度がほぼ一定となる地下の深さまでの長さは、図２に示すような構成を採用しない場合であっても、モジュール１０のサイズと比較して非常に大きくなることから、地表、及び地下のうちの少なくとも一方の熱をモジュール１０に伝達させる仕組みを用意する必要がある。そのような仕組みを用意する必要から、モジュール１０は地表、或いはその近傍の地下に配置しなくとも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本実施の形態による熱電発電装置に採用したＤＣーＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【図２】本実施の形態による熱電発電装置に採用したサーモ・モジュールを説明する図である。
【図３】図２に示すサーモ・モジュールの温度差に対する熱電変換電圧の関係を説明する図である。
【図４】本実施の形態による熱電発電装置に採用したＤＣーＤＣコンバータのスイッチング周波数別の主回路定数を示す図である。
【図５】ＳＲＡＭとＲＴＣのデータ保持に要求される特性を説明する図である。
【図６】スイッチング周波数が３ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータの負荷特性を示す図である。
【図７】スイッチング周波数が１．４ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータの負荷特性を示す図である。
【図８】スイッチング周波数が３ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータにおける出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。
【図９】スイッチング周波数が１．４ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータにおける出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。
【図１０】サーモ・モジュールを入力源とした場合のスイッチング周波数が３ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータの負荷特性を示す図である。
【図１１】サーモ・モジュールを入力源とした場合のスイッチング周波数が１．４ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータの負荷特性を示す図である。
【図１２】サーモ・モジュールを入力源とした場合のスイッチング周波数が３ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータにおける出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。
【図１３】サーモ・モジュールを入力源とした場合のスイッチング周波数が１．４ＭＨｚのＤＣ−ＤＣコンバータにおける出力電圧波形と出力ノイズの周波数スペクトラムを説明する図である。
【図１４】直流安定化電源に１ＭΩの抵抗を接続した場合の両端電圧の周波数スペクトラムを説明する図である。
【図１５】サーモ・モジュールの両端に１ＭΩの抵抗を接続した場合の両端電圧の周波数スペクトラムを説明する図である。
【図１６】本実施の形態による熱電発電装置をバックアップ電源として適用した場合の応用例を説明する図である。
【図１７】本実施の形態による熱電発電装置をファン駆動電源として適用した場合の応用例を説明する図である。
【図１８】ＬＣＤ搭載の電子機器の構成図である。
【図１９】本実施の形態による熱電発電装置を図１８に示す電子機器のＰＯＬ電源として適用した場合の応用例を説明する図である。
【図２０】地下と地表との温度差を利用する応用例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    ＤＣ−ＤＣコンバータ
２    ＰＷＭ制御回路
１０    サーモ・モジュール
１１    ペルチェ素子
１２、１３    平板
Ｌ    インダクタ
Ｃｉ、Ｃｏ    コンデンサ
ＳＢＤ    ダイオード
Ｒ１、Ｒ２    抵抗
【図１】
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【図３】
2006129658.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２】
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