(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに表裏をなす第１の面および第２の面の温度差を電圧に変換する熱電変換素子と、
太陽光を用いて前記第１の面を加熱する第１の加熱部と、
前記第２の面に密着され、温度差のある２点間に電流を流すことで吸熱または放熱を行うトムソン効果を有する熱電材料と、前記熱電変換素子の前記第２の面に密着される該熱電材料の第３の面の裏面側の第４の面を太陽光を用いて加熱する第２の加熱部と、前記第３の面と前記第４の面との間に前記熱電材料が吸熱する方向に電流を流す電流供給部と、を含み、前記熱電材料を用いて吸熱することにより前記第２の面を冷却する冷却部と、
を備える
ことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記第１の加熱部は、
太陽光をレンズを用いて集光して前記熱電変換素子の前記第１の面に照射する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記第１の加熱部は、さらに、
前記レンズの方向を太陽の方向に追随するように駆動するレンズ駆動部を有する
ことを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記第２の加熱部は、
太陽光をミラーを用いて反射させて前記熱電材料の前記第４の面に照射する
ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
前記第２の加熱部は、さらに、
前記ミラーの方向を太陽の方向に追随するように駆動するミラー駆動部を備える
ことを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の発電装置と、
蓄電池に対する充電と、蓄電池からの放電を行う蓄電部と、
前記発電装置の発電出力を外部に供給する第１の経路と、前記蓄電部の放電出力を外部に供給する第２の経路と、前記発電装置の発電出力を前記蓄電部に供給する第３の経路とを切り替える経路切替部と
を備え、
前記蓄電部は、
前記経路切替部が前記第３の経路に切り替えた場合に、前記発電装置の発電出力で前記蓄電池を充電する
ことを特徴とする電源装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電源装置と、
画像データに基づき画像を形成する画像形成部と、
前記画像形成部に供給する電源の供給元を前記電源装置と商用電源とで切り替える電源切替部と
を備え、
前記電源切替部は、
前記画像形成部の動作モードが待機モードの場合に、前記電源の供給元を前記電源装置に切り替える
ことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、電源装置および画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＰ(Laser  Printer)やＭＦＰ(Multi  Function  Printer)といったオフィス機器においては、通常の稼動時は勿論のこと、待機状態においても、消費電力の低減化が望まれている。特に、待機状態での消費電力は、極力削減することが望まれ、スリープモードなどと称して、待機状態において使用していない機能に対して、電源供給の停止やクロック周波数を低くするといった施策がなされている。
【０００３】
一方、近年では、電力を自ら作り出して電源を供給するエネルギ生成技術（以下、創エネ技術と呼ぶ）が注目されている。創エネ技術に適用される電力生成方法としては、太陽電池や燃料電池を用いた方法、動力変換や熱電変換を用いて電力を生成する方法などがある。この創エネ技術を利用して装置の待機状態における電源を賄い、待機状態における商用電源の消費電力を実質的に０にしようとする技術が考えられ、既に知られている。
【０００４】
例えば、オフィス機器に対して、熱電変換素子を用いた創エネ技術を適用することが提案されている。熱電変換素子は、装置の排熱を利用して電力を生成できるので、エネルギの再利用可能なデバイスとして注目されている。
【０００５】
特許文献１は、複写機において、定着装置を囲むようにして構造体を設置し、その内部に熱電変換素子を配置して定着装置の排熱を収集し、収集した排熱を電気変換して低温部を他のエネルギの使用無しに作り出して維持可能とした構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の熱電変換素子による電力生成は、エネルギの変換効率が十分ではなく、この従来の熱電変換素子のみを利用して、ＬＰやＭＦＰといったオフィス機器の待機状態における消費電力を賄うのは、困難であるという問題点があった。
【０００７】
また、上述した特許文献１は、定着装置の排熱を収集して電気変換し、低温部を作り出すものであり、待機状態における電力供給に適応できるものではない。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、熱電変換素子を用いてより効率的に電力を生成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、互いに表裏をなす第１の面および第２の面の温度差を電圧に変換する熱電変換素子と、太陽光を用いて第１の面を加熱する第１の加熱部と、第２の面に密着され、温度差のある２点間に電流を流すことで吸熱または放熱を行うトムソン効果を有する熱電材料と、熱電変換素子の第２の面に密着される熱電材料の第３の面の裏面側の第４の面を太陽光を用いて加熱する第２の加熱部と、第３の面と第４の面との間に熱電材料が吸熱する方向に電流を流す電流供給部と、を含み、熱電材料を用いて吸熱することにより第２の面を冷却する冷却部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱電変換素子を用いてより効率的に電力を生成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施形態による複合機１の一例の構成を概略的に示すブロック図である。
【図２】図２は、熱電変換モジュールの一例の構成を示す略線図である。
【図３】図３は、発電部の一例の構成を示すブロック図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態による発電部の一例の構成をより詳細に示す略線図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態の変形例による発電部の一例の構成をより詳細に示す略線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照して、本発明に係る電源装置および電源ユニットの実施形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態による複合機（ＭＦＰ：Multi  Function  Printer）１の一例の構成を概略的に示す。ＭＦＰ１は、スキャナ機能、プリンタ機能、複写機能など複数の機能を１台の筐体で実現したものである。図１の例では、ＭＦＰ１は、第１電源部２０、電源切替部２１、第２電源部１０および画像処理部３０を有する。
【００１３】
第１電源部２０は、商用電源からこのＭＦＰ１の内部で用いる電源を生成し、出力する。第１電源部２０の出力は、電源切替部２１に供給される。電源切替部２１は、コントローラ３１の制御に従い、第１電源部２０から供給された電源と、後述する第２電源部１０から供給される電源とのうち一方を選択し、画像処理部３０に供給する。
【００１４】
画像処理部３０は、このＭＦＰ１の画像に関わる処理を行う部分であって、コントローラ３１、プリンタ部３２、スキャナ部３３および操作部３４を含む。コントローラ３１は、例えばＣＰＵ(Central  Processing  Unit)、ＲＯＭ(Read  Only  Memory)、ＲＡＭ(Random  Access  Memory)を有し、ＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従い、ＲＡＭをワークメモリとして動作し、このＭＦＰ１の動作を制御する。また、コントローラ３１は、この画像処理部３０における画像処理も行う。
【００１５】
スキャナ部３３は、原稿を読み取って原稿画像による画像データを出力する。プリンタ部３２は、スキャナ部３３で読み取られた画像データや、ホストコンピュータなど外部から供給された画像データに従い用紙などに対して印字動作を行う。例えば、スキャナ部３３から出力された画像データは、コントローラ３１に供給され、所定に画像処理が施される。同様に、外部から供給された画像データがコントローラ３１に供給され、所定に画像処理が施される。プリンタ部３２は、コントローラ３１で画像処理が施されたこれらの画像データに従い、用紙に対して画像を形成し、印字処理を行う。
【００１６】
操作部３４は、ユーザ操作を行うための操作子や、表示部などが設けられ、ユーザ操作に応じた制御信号をコントローラ３１に対して出力する。ユーザは、操作部３４に対する操作により、このＭＦＰ１に対して動作を指示することができる。
【００１７】
第２電源部１０は、発電部１１、充放電制御部１２および蓄電池１３を含む。発電部１１は、熱電変換素子を用いた発電を行う。蓄電池１３は、電気を充電し、充電した電気を放電し出力する。充放電制御部１２は、蓄電池１３の充電および放電を制御する。
【００１８】
また、充放電制御部１２は、発電部１１の出力経路と、蓄電池１３の入出力経路とを制御する。第１の例として、充放電制御部１２は、発電部１１と電源切替部２１とを接続し、発電部１１の発電出力を電源切替部２１に供給する。第２の例として、充放電制御部１２は、蓄電池１３と電源切替部２１とを接続し、蓄電池１３の放電出力を電源切替部２１に供給する。第３の例として、充放電制御部１２は、発電部１１と蓄電池１３とを接続し、発電部１１の発電出力で蓄電池１３を充電するように制御する。第４の例として、充放電制御部１２は、蓄電池１３と電源切替部２１とを接続し、第１電源部２０から供給される電源で蓄電池１３を充電するように制御する。
【００１９】
さらに、充放電制御部１２は、蓄電池１３の放電出力や、発電部１１の発電出力を、所定の電圧に制御して、例えば電源切替部２１に供給する。
【００２０】
なお、電源切替部２１は、例えば、ＭＦＰ１の動作モードが通常モードに対して消費電力を抑えた待機モードの場合に、画像処理部３０の各部のうち、待機モード時に動作させておくべき部分にのみ電源を供給し、不要な部分に対する電源の供給を停止する制御を行うことができる。このとき、さらに、電源の供給元を第１電源部２０から第２電源部１０へと切り替えて、商用電源の消費電力をより削減している。
【００２１】
また、充放電制御部１２によるこれらの経路の切り替えは、例えば、ＭＦＰ１の動作モードが待機モードであるか否か、蓄電池１３の放電出力の大きさ、発電部１１の発電出力の大きさなどに基づき制御することが考えられる。
【００２２】
また、上述では、第２電源部１０がＭＦＰ１の内部に組み込まれているように説明したが、これはこの例に限定されない。例えば、第２電源部１０は、ＭＦＰ１に対して脱着可能な構成とすることや、第２電源部１０と電源切替部２１とをケーブル接続とし、第２電源部１０をＭＦＰ１の設置場所とは異なる場所に設置することも可能である。こうすることで、第２電源部１０内の発電部１１、充放電制御部１２および蓄電池１３の何れかが故障した場合であっても、メンテナンスを容易に行うことができ、ＭＦＰ１の保守費用を抑制できる。
【００２３】
（実施形態に適用される発電方式）
次に、本実施形態による発電部１１における発電方式について説明する。発電部１１は、熱電変換技術を用いて電圧を発生させる。熱電変換技術は、２種類の異なる金属または半導体を接合して、その両端に温度差を生じさせると起電力が生じるというゼーベック効果を利用し、物体の温度差が電圧に直接変換される現象を利用した技術である。
【００２４】
２種類の異なる金属または半導体を接合した熱電変換素子の一方の端を加熱すると、一方および他方の端の間に温度差が生じ、温度の低い方に電子が移動する。この現象により、電子密度の均衡が崩れて電位差Ｖが生じ、それを補うようにして電流が流れる。この電位差Ｖは、温度差ΔＴを用いて下記の式（１）で表される。なお、式（１）中の係数αは、ゼーベック係数であって、熱電変換素子の絶対温度、材質および分子構造に依存する係数である。
Ｖ＝α・ΔＴ    …（１）
【００２５】
式（１）から分かるように、熱電変換素子の両端の温度差ΔＴが大きいほど電位差Ｖが大きくなり、高電圧が得られる。このような熱電変換素子を複数敷き詰めて接続して、熱電変換モジュールが構成される。この熱電変換モジュールの一方の面を加熱し、他方の面を冷却すると温度差ΔＴが生じて電位差Ｖが発生し、電力が生成される。
【００２６】
図２は、熱電変換モジュール１００の一例の構成を示す。図２の例では、熱電変換素子として、ｐ型半導体によるｐ型熱電変換材料と、ｎ型半導体によるｎ型熱電変換材料とを用いる。熱電変換モジュール１００において、これらｐ型熱電変換材料とｎ型熱電変換材料とを直列に接続した組をさらに複数直列に接続すると共に、温度差ΔＴがある方向に対して並行に並べる。このように、ｐ型熱電変換材料とｎ型熱電変換材料とを直列に接続した組をさらに複数直列に接続することで、より高電圧を得ることができる。
【００２７】
上述のようにして並べられたｐ型熱電変換材料とｎ型熱電変換材料との組を、セラミック基板１１１ａおよび１１１ｂで挟み込む。例えばセラミック基板１１１ａ側に熱エネルギを加えて加熱することで、ｐ型熱電変換材料およびｎ型熱電変換材料それぞれの両端に温度差ΔＴを生じさせる。この温度差ΔＴにより発生した電位差Ｖによる電力を、出力端１１０ａおよび１１０ｂから取り出す。
【００２８】
ここで、熱エネルギを加えた面の裏側、すなわち、セラミック基板１１１ｂ側を冷却することで、温度差ΔＴをさらに大きくすることができ、より多くの電力を取り出すことができる。
【００２９】
図３は、発電部１１の一例の構成を示す。発電部１１は、熱電変換モジュール１００と、加熱部１０１と、冷却部１０２とを含む。なお、図３内の矢印は、熱の流れを示している。加熱部１０１は、熱電変換モジュール１００の一方の面に対して熱エネルギを加える。冷却部１０２は、熱電変換モジュール１００の他方の面を冷却する。
【００３０】
なお、一般的には、熱電変換モジュール１００の大きさは、例えば数ｃｍ角乃至１０数ｃｍ角程度であり、本実施形態でも、同程度の大きさの熱電変換モジュール１００を用いることができる。また、熱電変換モジュール１００は、１個のみ用いるのに限られず、複数を直列接続または並列接続で用いることもできる。熱電変換モジュール１００の大きさや数は、コストや要求される電力量などに基づき、適宜決めることができる。
【００３１】
図４は、本実施形態による発電部１１の一例の構成を、より詳細に示す。上述したように、熱電変換モジュール１００に電位差Ｖを発生させ、出力端１１０ａおよび１１０ｂから電力を取り出すためには、熱電変換モジュール１００の両端、すなわち、図２に示したセラミック基板１１１ａの面（第１の面と呼ぶ）と、セラミック基板１１１ｂの面（第２の面と呼ぶ）との間に温度差ΔＴを生じさせる必要がある。
【００３２】
本実施形態では、加熱部１０１は、太陽光２２０をレンズ２００で集光して熱電変換モジュール１００の第１の面に照射させることで第１の面を加熱し、温度差ΔＴにおける高温側を生成する。
【００３３】
このとき、レンズ２００の向きを自動的に制御可能な駆動部を加熱部１０１に設け、日中において、レンズ２００の向きを太陽の方向に追随させて変えるようにレンズ２００を駆動すると好ましい。こうすることで、熱電変換モジュール１００の第１の面をより効率的に加熱することが可能となり、熱電変換モジュール１００の変換効率を高めることができる。このとき、熱電変換モジュール１００の第１の面に対して、銅板などの熱伝導率の高い材料を貼り付け、第１の面が均一に加熱されるようにするとより好ましい。
【００３４】
例えば、カメラなどで用いられる光量検知センサを利用して、光量が最大値となる方向にレンズ２００を駆動することが考えられる。レンズ２００を駆動する駆動部は、ステッピングモータを用いて構成し、駆動電源として商用電源を用いることができる。これに限らず、駆動部の駆動電源を電池により供給してもよい。
【００３５】
冷却部１０２の構成について説明する。冷却部１０２は、トムソン効果を有する熱電材料を吸熱材として用いて熱電変換モジュール１００の第２の面の吸熱を行うことで第２の面を冷却し、温度差ΔＴにおける低温側を生成する。
【００３６】
ここで、トムソン効果の概要について説明する。トムソン効果とは、一つの金属上で温度差のある２点間に電流を流すと、熱を吸収したり、放熱したりする効果であり、熱電効果の一つである。温度勾配を加えた物質に電流を流すと、流れる電流量に比例した熱の発生または吸熱が生じる。
【００３７】
トムソン効果においては、使用する金属の種類により次のように特性が異なる。亜鉛や銅は、電位が高い方に熱い端が、低い方に冷たい端があたる金属であって、電流が熱い端から冷たい端に向けて流れるとエネルギが解放され、放熱される。また、電流が冷たい端から熱い端に向けて流れるとエネルギが吸収され、吸熱される。一方、コバルト、ニッケルおよび鉄は、電位が高い方に冷たい端が、低い方に熱い端が当たる金属であって、電流が熱い端から冷たい端に向けて流れるとエネルギが吸収され、吸熱される。また、電流が冷たい端から熱い端に向けて流れると、エネルギが解放され、放熱される。
【００３８】
図４を参照し、冷却部１０２は、吸熱材２１０、電流源２１１および光学系２１２を含む。吸熱材２１０は、トムソン効果を有する金属であって、本実施例においては、上述の亜鉛や銅といった、電位が高い方に熱い端が、低い方に冷たい端があたる金属を用いる。この吸熱材２１０に対して、電流源２１１により、冷たい端から熱い端に向けて電流を流し、吸熱効果を得る。
【００３９】
より具体的には、吸熱材２１０の一方の面（第３の面とする）を熱電変換モジュール１００の第２の面であるセラミック基板１１１ｂに密着させ、吸熱材２１０の他方の面（第４の面とする）を加熱する。これにより、吸熱材２１０において、第４の面の温度が第３の面の温度よりも高くなり、第４の面が熱い端、第３の面が冷たい端となって第３の面と第４の面との間に温度勾配が発生する。そして、電流源２１１により、吸熱材２１０の第３の面から第４の面に向けて電流を流す。これにより、吸熱材２１０においてトムソン効果による吸熱が発生し、熱電変換モジュール１００の第２の面側が冷却される。
【００４０】
なお、電流源２１１は、電池を用いることが考えられる。これに限らず、電流源２１１として商用電源を用いてもよい。
【００４１】
本実施形態では、吸熱材２１０の第４の面の加熱を太陽光２２０を用いて行う。太陽光２２０を光学系２１２を介して吸熱材２１０の第４の面に照射させ、第４の面を加熱させる。例えば、熱電変換モジュール１００の第１の面が太陽の方向を向くように発電部１１を配置する場合、光学系２１２にミラーを設け、太陽光２２０を第４の面の方向に反射させる。光学系２１２に、さらにレンズを設けて、ミラーで反射した太陽光２２０を集光して吸熱材２１０の第４の面に照射することで、加熱効率が高まり、吸熱材２１０における温度勾配を大きくすることができる。
【００４２】
この光学系２１２も、上述した加熱部１０１の場合と同様に、向きを自動的に制御可能な駆動部を設け、日中において、光学系２１２の向きを入射される太陽光２２０の方向に追随して変えるように駆動すると好ましい。こうすることで、吸熱材２１０の第４の面をより効率的に加熱することが可能となる。これにより、吸熱材２１０による吸熱効果を高めることができ、熱電変換モジュール１００の第２の面をより効率的に冷却可能となって熱電変換モジュール１００の変換効率を向上させることができる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、熱電変換モジュール１００を用いて発電を行う際に、一方の面を、太陽光２２０を利用して加熱し、他方の面を、トムソン効果を利用した吸熱材２１０を用いて冷却するようにしている。そのため、熱電変換モジュール１００による変換効率が向上され、より大きな電力を得ることができる。
【００４４】
また、トムソン効果を利用した吸熱材２１０に温度勾配を発生させるための加熱を、太陽光２２０を利用して行っているため、この加熱のために消費する電力を抑制できる。
【００４５】
（実施形態の変形例）
次に、本実施形態の変形例について説明する。図５は、本変形例による発電部１１’の一例の構成を示す。なお、図５において、上述した図４と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４６】
上述した実施形態では、加熱部１０１において１のレンズ２００を用いて熱電変換モジュール１００の第１の面を加熱していた。これに対して、本変形例では、図５に示されるように、加熱部１０１’に対して複数のレンズ２０１、２０１、…を設け、この複数のレンズ２０１、２０１、…でそれぞれ太陽光２２０を集光して熱電変換モジュール１００の第１の面を加熱する。
【００４７】
複数のレンズ２０１、２０１、…それぞれで太陽光２２０を集光することで集光効果が高まり、熱電変換モジュール１００の第１の面をより効率的に加熱することができる。また、レンズ２０１、２０１、…の数は、多い方が高温を保つ効果が高まり、その結果、熱電変換モジュール１００における変換効率の向上を図ることができる。
【００４８】
また、この変形例においても、上述の実施形態と同様に、太陽の方向に追随させてレンズ２０１、２０１、…の向きを変えるように構成できる。この場合、各レンズ２０１、２０１、…に対してそれぞれ光量検知センサや駆動部を設けることが考えられる。これに限らず、レンズ２０１、２０１、…の全体に対して１の光量検知センサおよび駆動部を適用させてもよいし、各レンズ２０１、２０１、…をグループに分け、グループ毎に光量検知センサおよび駆動部を適用させてもよい。
【００４９】
このように、本実施形態の変形例によれば、熱電変換モジュール１００を加熱する加熱部１０１’において、複数のレンズ２０１、２０１、…を設け、この複数のレンズ２０１、２０１、…それぞれにより太陽光２２０を集光して加熱を行っている。そのため、熱電変換モジュール１００の加熱をより効率的に行うことが可能とされ、熱電変換モジュール１００における変換効率をより高めることができる。
【００５０】
なお、上述では、本発明の実施形態および実施形態の変形例がＭＦＰ１に適用されるとして説明したが、これはこの例に限定されない。すなわち、本発明の実施形態および実施形態の変形例は、レーザプリンタといった印刷装置など、動作モードとして通常モードと、通常モードに対して消費電力を抑えた待機モードを持つ他の機器に対しても適用できる。
【符号の説明】
【００５１】
１  ＭＦＰ
１０  第２電源部
１１  発電部
１２  充放電制御部
１３  蓄電池
２０  第１電源部
２１  電源切替部
３０  画像処理部
３１  コントローラ
３２  プリンタ部
３３  スキャナ部
３４  操作部
１００  熱電変換モジュール
１０１  加熱部
１０２  冷却部
２００，２０１  レンズ
２１０  吸熱材
２１１  電流源
２１２  光学系
２２０  太陽光
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５２】
【特許文献１】特開２００５−８４１２７号公報
【図１】
0005747676.tif 000002
【図２】
0005747676.tif 000003
【図３】
0005747676.tif 000004
【図４】
0005747676.tif 000005
【図５】
0005747676.tif 000006