(57)【要約】  熱電発電の技術について説明する。一例では、発電システム（１００）は熱電ユニット（１０２）、ＤＣブースタ（１０４）、及びスーパーキャパシタユニット（１０６）を含むことがある。熱電ユニット（１０２）は、人体から取得した熱などの熱を使用して電気を生成することができる。ＤＣブースタ（１０４）は、熱電ユニット（１０２）によって生成された電圧を昇圧することができる。スーパーキャパシタユニット（１０６）は、熱電ユニット（１０２）によって生成された電気エネルギーを貯蔵し、閾値レベルの後で放電し始めることができる。この発電システムは、フィットネス・トラッカー及びスマートウォッチなどのウェアラブルデバイス（３０４）に給電するように実装されることがある。
2021507673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電システム（１００）であって、
熱源に結合可能な熱電ユニット（１０２）であって、熱電効果に基づいて、前記熱源から受け取った熱エネルギーを電圧に変換する、熱電ユニット（１０２）と、
前記熱電ユニット（１０２）に接続された直流（ＤＣ）ブースタ（１０４）であって、前記熱電ユニット（１０２）から受け取った前記電圧を昇圧するためのものである、直流（ＤＣ）ブースタ（１０４）と、
前記ＤＣブースタ（１０４）に接続されたスーパーキャパシタユニット（１０６）であって、前記ＤＣブースタ（１０４）からの前記昇圧された電圧を貯蔵するためのものである、スーパーキャパシタユニット（１０６）と、
前記ＤＣブースタ（１０４）と前記スーパーキャパシタユニット（１０６）との間に接続された降圧ＤＣコンバータ（２０２）であって、前記ＤＣブースタ（１０４）によって生成された前記電圧を降圧するためのものである、降圧ＤＣコンバータ（２０２）と、を含む、発電システム（１００）。
【請求項２】
前記熱電ユニット（１０２）は、５０ｍＶ〜６．６Ｖの範囲の前記電圧を生成するためのものである、請求項１に記載の発電システム（１００）。
【請求項３】
前記ＤＣブースタ（１０４）は、前記熱電ユニット（１０２）からの前記電圧の出力を調節するためのものである、請求項１に記載の発電システム（１００）。
【請求項４】
前記ＤＣブースタ（１０４）は、５０ｍＶ〜６．６Ｖの範囲の前記受け取った電圧を昇圧し、且つ、前記熱電ユニット（１０２）からの前記受け取った電圧の前記出力を３．４Ｖの定常電圧供給に調節するためのものである、請求項３に記載の発電システム（１００）。
【請求項５】
前記スーパーキャパシタユニット（１０６）は、前記昇圧された電圧が閾値に達するまで前記ＤＣブースタ（１０４）からの前記昇圧された電圧を貯蔵し、前記閾値に達すると、前記スーパーキャパシタユニット（１０６）は前記貯蔵された電圧を電流の形態で放電し始める、請求項１に記載の発電システム（１００）。
【請求項６】
前記スーパーキャパシタユニット（１０６）は、１つ又は複数のスーパーキャパシタを含む、請求項５に記載の発電システム（１００）。
【請求項７】
前記スーパーキャパシタユニット（１０６）は、５Ｖの前記閾値に達するまで、前記電圧を貯蔵している、請求項６に記載の発電システム（１００）。
【請求項８】
前記スーパーキャパシタユニット（１０６）は、２アンペアの前記電流を供給するためのものである、請求項５に記載の発電システム（１００）。
【請求項９】
前記スーパーキャパシタユニット（１０６）は、４Ｖの前記電圧で２アンペアのパルス出力前記電流を供給するためのチャージポンプ機構を含む、請求項８に記載の発電システム（１００）。
【請求項１０】
前記発電システム（１００）は、前記熱源（１０８）と前記熱電ユニット（１０２）との間の温度差を最大にするためのヒートシンク（２０４）を含む、請求項１に記載の発電システム（１００）。
【請求項１１】
前記降圧ＤＣコンバータ（２０２）は、変圧器ベースの降圧ＤＣコンバータである、請求項１に記載の発電システム（１００）。
【請求項１２】
前記１つ又は複数のスーパーキャパシタの各スーパーキャパシタは、薄いシート状のスーパーキャパシタである、請求項６に記載の発電システム（１００）。
【請求項１３】
各スーパーキャパシタは、０．０２〜０．０５ｍｍの範囲の厚さを有する、請求項１２に記載の発電システム（１００）。
【請求項１４】
各スーパーキャパシタは、異なる形状に適合するように可撓性を有する、請求項１２に記載の発電システム（１００）。
【請求項１５】
前記ヒートシンク（２０４）は、グラファイトヒートシンクである、請求項１０に記載の発電システム（１００）。
【請求項１６】
前記グラファイトヒートシンクは可撓性を有する、請求項１５に記載の発電システム（１００）。
【請求項１７】
前記発電システム（１００）は可撓性を有する、請求項１〜１６の何れか一項に記載の発電システム（１００）。
【請求項１８】
請求項１〜１７の何れか一項に記載の発電システム（１００）によって給電されるウェアラブルデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
[0001]  本主題は、一般的に、熱電発電システムに関し、特に、ウェアラブルデバイス用の熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
背景
[0002]  熱電効果は、温度勾配を電圧へ変換することに関係している。熱電効果の例には、ゼーベック効果があり、ゼーベック効果によって、２つの異なる導電体又は半導体の間の温度差が、これらの２つの導電体又は半導体の間の電圧差を生じさせることができる。電圧差に起因して生成される電流を、電気で動作する様々なデバイスに給電するために使用することができる。
【０００３】
[0003]  熱電効果から得られる電圧差を用いて動作することができるデバイスの例としては、スマートウォッチ及びウェアラブルバンドなどのウェアラブルデバイスが挙げられる。これらのデバイスに、電気を生成するために人体の熱を利用する熱電効果ベースの発電機によって給電することができる。
【０００４】
図面の簡単な説明
[0004]  詳細な説明を、添付の図を参照して記載する。図では、参照番号の最も左側の数字は、その参照番号が最初に現れる図を特定する。同様の特徴及び部品を参照するために、図全体を通じて、同じ番号が使用される。本主題によるシステムの幾つかの実施形態について、例として、添付の図を参照して、説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】[0005]本主題の例示的な実施態様による、発電システムのブロック図表現を示す。
【図２】[0006]本主題の例示的な実施態様による、発電システムのブロック図表現を示す。
【図３】[0007]本主題の例示的な実施態様による、発電システムの概略表現を示す。
【図４】[0008]本主題の例示的な実施態様による、１つ又は複数のウェアラブルデバイスに給電するための発電システムのブロック図を示す。
【図５】[0009]本主題の別の例示的な実施態様による、１つ又は複数のウェアラブルデバイスに給電するための発電システムのブロック図を示す。
【図６】[0010]本主題の更に別の例示的な実施態様による、１つ又は複数のウェアラブルデバイスに給電するための発電システムのブロック図を示す。
【図７】[0011]本主題の例示的な実施態様による、ウェアラブルデバイスのブロック図を示す。
【図８】[0012]本主題の例示的な実施態様による、別のウェアラブルデバイスのブロック図を示す。
【図９】[0013]本主題の例示的な実施態様による、別のウェアラブルデバイスのブロック図表現を示す。
【図１０】[0014]本主題の例示的な実施態様による、発電システムによってウェアラブルデバイスに給電する方法の流れ図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
詳細な説明
[0015]  スマートウォッチ及びウェアラブルバンドなどのウェアラブルデバイスが、益々人気になっている。これらのデバイスは、一般的に電池によって給電される。しかしながら、電池は、ウェアラブルデバイスで使用するのにはあまり適していないことがある、というのも、電池によってウェアラブルデバイスにかなりの重量が付加され、それによってウェアラブルデバイスがかさばるようになることがあるからである。更に、電池は交換したり、又は頻繁に充電したりする必要があることがあり、これにより、ウェアラブルデバイスを使用するという体験全般が不便になる。
【０００７】
[0016]  或いは、ウェアラブルデバイスは熱電効果に基づいて熱電ユニットによって給電されてもよい。ウェアラブルデバイスは、電気を生成するために人体の熱を使用することがある熱電ユニットによって、給電されることがある。しかしながら、人体と熱電ユニットとの間の温度差が小さいせいで、生成される電圧差が、ウェアラブルデバイスなどのデバイスに給電するのには十分ではないことがある。
【０００８】
[0017]  このため、熱電発電システム（以降では発電システムと呼ぶ）が提案され、このシステムは、異なる要件を有する異なるタイプのデバイスに給電し、また交換又は頻繁な充電のいずれかの必要性を取り除く。発電システムは、生成された電気エネルギーが、ウェアラブルデバイスなどの様々なデバイスに給電するのに十分であるように、熱電効果に基づいて電気エネルギーを生成するために利用される。
本主題の実施態様では、発電システム発電システムは、熱源に結合可能な熱電ユニットを含む。一例では、熱電ユニットは熱電発電機である。熱電ユニットは、熱電効果に基づいて、熱源から受け取った熱エネルギーを電圧に変換する。熱源は、熱を発生させ伝導することができる供給源であり得る。一例では、熱源は人体であり得る。更に、直流（ＤＣ）ブースタが熱電ユニットに接続される。ＤＣブースタは、熱電ユニットから受け取った電圧を昇圧するためのものである。ＤＣブースタは、熱電ユニットから給電される。ＤＣブースタの入力は、熱電ユニットの出力である。更に、スーパーキャパシタユニットがＤＣブースタに接続される。スーパーキャパシタユニットは、ＤＣブースタからの昇圧された電圧を貯蔵するためのものである。スーパーキャパシタユニット電圧は、電流がＤＣブースタから蓄積されるにつれて、増加する。
【０００９】
[0018]  熱電ユニットは、熱電効果に基づいて熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。熱電ユニットは、熱源から熱エネルギーを受け取ることができる。熱源から受け取った熱を使用して、熱電ユニットは、５０ｍＶ〜６．６Ｖの範囲の電圧を生成することができる。人体の温度差及び周囲の気象条件に応じて、生成される電圧は変化する。例えば、寒い天気では、熱電ユニットは大きな温度差を経験し、より大きな電圧を生成することになり、ここで示される電圧範囲は、ＤＣブースタが所定の位置に配置された状態でのものである。
【００１０】
[0019]  本主題の別の実施態様では、発電システムは、ＤＣブースタとスーパーキャパシタユニットとの間に接続された降圧ＤＣコンバータを含む。降圧ＤＣコンバータは、ＤＣブースタによって生成された電圧を下げるためのものである。一例では、ＤＣブースタの出力は、ＧＰＳ若しくはＧＳＭユニットなどの電子機器に、直接的に、又はスーパーキャパシタユニットと結合されたＤＣ降圧ＤＣコンバータを介して、向けられる。
【００１１】
[0020]  ＤＣブースタは、熱電ユニットから受け取った電圧を昇圧することができる。ＤＣブースタは、熱電ユニットからの電圧出力を調節して、定常電圧出力を供給することもできる。更に、発電システムは、熱電ユニットによって生成された電気エネルギーを貯蔵することができるスーパーキャパシタユニットを含む。スーパーキャパシタは、閾値に達するまで電荷を貯蔵することができ、その後、スーパーキャパシタは、貯蔵された電荷を電流の形態で放電し始めることができる。スーパーチャージャーから結果として得られる電圧は、ウェアラブルデバイスなどの様々なデバイスに電力を供給する。
【００１２】
[0021]  本主題によって説明される発電システムは、スマートウォッチ及びヘルスバンドのようなウェアラブルデバイスなどの様々なデバイスに給電するための代替的な電源を提供する。この発電システムにより、かさばる電池の必要性が取り除かれ、それによってデバイスが小型でより軽量になる。更に、電力は利用可能な熱の差によって生成されるので、この発電システムにより、電池の交換又は頻繁な充電の必要性が取り除かれる。更に、この発電システムは可撓性のある部品を用いており、これにより、この発電システムを採用するデバイスが様々な形状に適合するようになり、それによって、デバイスの汎用性が高まる。この発電システムは、製造が容易な単純な構造を提供する。更に、この発電システムは、要件に応じて変化する電気エネルギーを供給することができ、それによって、この発電システムが、異なる要件を有する異なるタイプのデバイスに給電することが可能になる。
【００１３】
[0022]  本主題のこれらの及び他の利点については、以下の説明において、図１〜図１０に関連してより詳細に説明する。発電システムを実装し動作させる態様について、図１〜図１０に関して詳細に説明する。
【００１４】
[0023]  なお、説明は、本主題の原理を単に示すに過ぎない。従って、当業者であれば、本明細書には明示的に記載されていなくても、本主題の原理を具体化し、且つ本主題の範囲内に含まれる様々な仕組みを考案することができることを、理解されたい。更に、本明細書に挙げられた全ての例は、読者が本主題の原理を理解するのを助けることのみを意図している。更に、本主題の原理、態様、及び実施形態、並びにそれらの具体的な例を挙げている本明細書での記述の全ては、それらの均等物を包含することを意図している。
【００１５】
[0024]  図１は、本主題の実施態様による、熱エネルギーから電気を生成するための、以降では発電システム１００と呼ばれる、発電システム１００のブロック図を示す。発電システム１００は、単独型のデバイスとして実装されることがあり、又は、他の遠隔装置と通信する機能、若しくは、電話、タブレット、及びデスクトップのようなコンピュータ装置などの他のデバイスとの結合を可能にする構成を有することがある。他の例では、発電システム１００は、他のシステムと統合されることがある。
【００１６】
[0025]  図１に示すように、発電システム１００は、とりわけ、熱電ユニット１０２、直流（ＤＣ）ブースタ１０４、及びスーパーキャパシタユニット１０６を含む。一例では、熱電ユニット１０２は、ゼーベック効果に基づく発電機などの、熱電発電機である。熱電ユニット１０２は、熱を電気に変換することにより、ゼーベック効果に基づいて電力を生成する。一例では、電気を生成するために必要な熱エネルギーは、熱源１０８から得られることがある。一例では、熱源１０８は人体であり得る。熱電ユニット１０２は、５０ｍＶ〜６．６Ｖの範囲の電圧を生成できることがある。
【００１７】
[0026]  ＤＣブースタ１０４は、熱電ユニット１０２から受け取った電圧を上げることができる。更に、ＤＣブースタ１０４は、熱電ユニット１０２からの電圧出力を調節して、電圧出力を安定させることができる。例えば、ＤＣブースタ１０４は、電圧を上げ、且つ、５０ｍＶ〜６．６Ｖの範囲内にある熱電ユニット１０２からの電圧出力を３．４Ｖの定常電圧供給に調節することができる。ＤＣブースタ１０４は、調節済の出力を供給するために、ＤＣブースタＩＣを含むことがある。定常電圧供給は、ＤＣブースタ１０４と共にスーパーキャパシタユニット１０６を使用するという設計に起因して、パルス形態である。
【００１８】
[0027]  スーパーキャパシタユニット１０６は、熱電ユニット１０２によって生成された電気エネルギーを貯蔵することができる１つ又は複数のスーパーキャパシタ（図示せず）を含むことがある。スーパーキャパシタユニット１０６の各スーパーキャパシタは、５ボルトの閾値に達するまで、電気エネルギーを貯蔵し続けることができる。一旦この閾値に達すると、スーパーキャパシタは、貯蔵した電気エネルギーを電流の形態で放電し始めることができる。この放電エネルギーを使用して、様々なデバイスに給電することができる。スーパーキャパシタは、活性炭、炭素防火布、グラフェン、カーボンエアロゲル、及びカーボンナノチューブ、カーボンエアロゲルから作製されることがあるが、これらに限定はされない。
【００１９】
[0028]  発電システム１００は、電力を生成するために、熱源１０８から熱供給を受け取ることができる。一例では、発電システム１００は、人体に装着されることになるウェアラブルデバイスとして実装されることがある。
【００２０】
[0029]  動作中、発電システム１００、特に熱電ユニット１０２と熱源１０８との間に温度勾配が存在し、熱源１０８は、熱電ユニット１０２よりも高温になっている。従って、熱源１０８から熱が流れることができ、この熱供給は、熱電ユニット１０２によって受け取ることができる。
【００２１】
[0030]  熱源１０８から熱供給を受け取ると、熱電ユニット１０２は、この熱供給を使用して電圧を生成し始めることができる。前述のように、熱源１０８と熱電ユニット１０２との間の温度差は小さいことがあり、従って、熱電ユニット１０２によって生成される電圧は低いことがある。
【００２２】
[0031]  その後、熱電ユニット１０２によって生成された電圧は、ＤＣブースタ１０４によって昇圧される。例えば、ＤＣブースタ１０４は、熱電ユニット１０２によって生成された、５０ｍＶと小さい電圧を、６．６Ｖもの高さの電圧に変換することができる。
【００２３】
[0032]  発電システム１００は、更にスーパーキャパシタユニット１０６を採用する。スーパーキャパシタユニット１０６は、高い駆動電流供給をもたらす。例えば、スーパーキャパシタユニット１０６は、２Ａ（アンペア）の電流供給を提供することができる。一例では、スーパーキャパシタユニット１０６は、４Ｖの電圧で２Ａの電流のパルス出力を供給するためのチャージポンプ機構を含む。スーパーキャパシタユニット１０６は、変換を達成するための様々な回路素子の組み合わせを更に含むことがある。一実施態様では、スーパーキャパシタユニット１０６は、使用された電力の様々な高出力デバイス、例えば、カメラのフラッシュ、又はスマートフォンなどの手持ち式携帯機器のカメラのフラッシュ、であり得る。
【００２４】
[0033]  図２は、熱エネルギーを電圧に変換するためのブロック図発電システム１００を示す。発電システム１００は、熱電ユニット１０２、ＤＣブースタ、スーパーキャパシタユニット１０６、及びＤＣブースタ１０４とスーパーキャパシタユニット１０６との間に接続された降圧ＤＣコンバータ２０２を含むことがある。更に、発電システム１００は、熱源１０８から熱供給を受け取ることができる。更に、発電システム１００は、熱を小出しに供給するためのヒートシンク２０４を含む。
【００２５】
[0034]  熱電ユニット１０２は、ゼーベック効果に基づいて熱を電圧に変換することにより電力を生成する熱電発電機であることがある。更に、熱電ユニット１０２は、５０ｍＶ〜６．６Ｖの範囲の電圧を生成できることがある。ＤＣブースタ１０４は、熱電ユニット１０２から受け取った電圧を昇圧することができ、また、熱電ユニット１０２からの電圧出力を調節して、電圧出力を安定させることができる。
【００２６】
[0035]  降圧ＤＣコンバータ２０２は、変圧器ベースの降圧ＤＣコンバータであることがあり、また、ＤＣブースタによって生成された電圧を下げるために使用されることがある。
【００２７】
[0036]  従来のシステムは、電圧調節器を使用して、熱電ユニットによって生成された電圧を、生成された電圧が閾値限界を上回ったときに、カットオフすることができる。しかしながら、電圧調節器を使用することは効率的ではないことがある、というのも、電圧生成器は、調節器の熱放散としての使用可能なエネルギーの損失につながることがあるからである。
【００２８】
[0037]  本主題の発電システム１００は、変圧器ベースの降圧ＤＣコンバータを含み、このコンバータは、発電機によって生成された高電圧を、エネルギーを熱として消散させることなく、効率的に遮断する。例えば、降圧ＤＣコンバータ２０２は、１．８Ｖの範囲の電圧をもたらすことができる。結果として得られる電圧は、ＧＰＳユニットなどの様々なデバイスに給電するために利用することができる。別の例では、降圧ＤＣコンバータは、４Ｖの範囲内の電圧をもたらすことができ、この電圧は、グローバル・システム・フォー・モバイル・コミュニケーション（ＧＳＭ：Global System for Mobile communication）又は汎用パケット無線サービス（ＧＰＲＳ：General Packet Radio Service）モデムに給電するために利用することができる。降圧ＤＣコンバータ２０２の機能は、搭載されたポテンショメーターを調節することにより又は抵抗器を設定することにより、電圧を所望の電圧レベルにすることである。更に、ＧＳＭユニットは、２秒間以上に渡って心拍数及び位置情報を送信するために、２Ａ〜３．４Ａを消費することがある。ＤＣブースタ１０４により、５０ｍＶもの低い電圧から６．６Ｖまでの電圧を安定した３．４Ｖに変換することが可能になり、この安定電圧は、次いでスーパーキャパシタ１０６を充電するために使用されることがあり、且つ、送信データパケットのバーストを送るために放電される。
【００２９】
[0038]  降圧ＤＣコンバータからの電気出力を、様々なデバイスに給電するために使用することができる。一例では、発電システム１００の降圧ＤＣコンバータからの電気出力を使用するデバイスは、装着者の心拍数を測定するためのウェアラブルデバイスとして実装されることがある。ウェアラブルデバイスは、装着者の脈拍数を測定することにより、心拍数を測定することができる。更に、ウェアラブルデバイスは、脈拍数を測定するための高電力ＬＥＤベースのモニターを使用することがある。降圧ＤＣコンバータは、高いレベルの輝度を取得し且つ脈拍数を測定するために、高電力ＬＥＤに給電するために必要とされる電圧を供給することができる。
【００３０】
[0039]  電話モデムは、４．４Ｖ以下のピーク電圧を必要とし、４Ｖで動作することが推奨される。降圧ＤＣコンバータは、ＤＣブースタによって生成された高電圧を導くことができる。電圧を５Ｖなどの低電圧にカットオフするための従来の調節器は効率的ではない、というのも、使用可能なエネルギーの多くが、調節器の熱放散として失われるからである。しかしながら、変圧器ベースの降圧ＤＣコンバータは電気エネルギーを効率的に貯蔵し、このエネルギーをＧＰＳユニットに必要とされる１．８ボルト及びＧＳＭ／ＧＰＲＳモデムに必要な４Ｖの使用可能な電圧範囲に変換する。
【００３１】
[0040]  スーパーキャパシタユニット１０６は、熱電ユニット１０２によって生成された電気エネルギーを貯蔵することができる。一例では、スーパーキャパシタユニット１０６は、電気エネルギーを貯蔵するために、ＤＣブースタ及び降圧ＤＣコンバータと共に採用されることがある。スーパーキャパシタ１０６は、閾値に達するまで電気エネルギーを貯蔵し続けることができ、その後は、スーパーキャパシタ１０６は、様々なデバイスに給電するために、貯蔵電気を放電し始めることができる。
【００３２】
[0041]  一例では、スーパーキャパシタユニット１０６は、１つ又は複数のスーパーキャパシタを使用することがある。更に、スーパーキャパシタは薄いシート状のスーパーキャパシタであることがある。一例では、スーパーキャパシタの厚さは、０．０２〜０．０５ｍｍの範囲にある紙の厚さと同程度であり得る。発電システム１００は、最大２Ａまでのパルスモード電流を提供することができることがある。更に、スーパーキャパシタユニット１０６のスーパーキャパシタは、発電システム１００が異なる形状に適合できるように、可撓性を有することがある。
【００３３】
[0042]  一般的に、スーパーキャパシタは、２Ａの高い駆動電流を供給することができないことがある。発電システム１００は、チャージポンプを使用して、２Ａ電流で且つ４Ｖ電圧のパルス出力を与える。このために、回路素子の様々な組み合わせを使用することができる。スーパーキャパシタの１つの用途は、カメラ又は携帯電話のカメラフラッシュを実行することであり得る。発電システム１００は、発電機１０２によって生成された低電流をパルス高出力デバイスに変換することができる。更に、発電機から直接的に生成されるＬＥＤの輝度は、フィットネス・トラッカーなどのウェアラブルデバイスの心拍数モニターを実行するのには不十分であることがある。しかしながら、発電システムは心拍数を測定することができる。更に、発電システム１００は、電圧チャージポンプを使用するおかげで、充電電圧の降下を伴って最大２Ａの電流を供給しながらパルスモードで動作することができる。チャージポンプは、低電力のＧＳＭユニットと組み合わせて、低電力２Ｇ携帯電話に２５０ｍＡで給電することができる。発電システムは、低電力ＧＳＭモバイルユニットと同様に高電力でも動作することができる。
【００３４】
[0043]  発電システム１００は、熱源と熱電ユニット１０２との間の温度差を最大にするためのヒートシンク２０４を含む。一例では、熱電ユニット１０２は、グラファイトヒートシンクとして実装される。更に、このグラファイトヒートシンクは可撓性を有することがある。ヒートシンク２０４は、ヒートシンク２０４中に水／冷却剤液を有する可撓性の管を含むことがある。一例では、可撓性のアルミニウム層をヒートシンク２０４として使用することがある。フォームファクタの制限によりヒートシンクを特定の場所に収容できない場合に、グラファイトシートを使用して、熱エネルギーを熱源からヒートシンクに伝達することができる。グラファイトヒートシンクは、熱電ユニット１０２の熱を素早く吸収し、熱電ユニット１０２を冷却することができ、それによって、熱電ユニット１０２と人体などの熱源１０８との間の温度差を高める。
【００３５】
[0044]  図３は、ウェアラブルデバイス３０４内で実装される別の例示的な発電システム１００のシステム図表現を示す。図３ａに示すように、ウェアラブルデバイス３０４は、手首及び上腕３０２（肩の近く）などのユーザの身体部分に装着するように適合されていることがある。発電システム１００の可撓性のある構造のおかげで、ウェアラブルデバイスはユーザの形状の異なる身体部分に容易に適合することができる。更に、図３ｂに示すように、ウェアラブルデバイス３０４は発電機１０２を含む。更に、ウェアラブルデバイス３０４はヒートシンク２０４を含む。一例では、ヒートシンク２０４はグラファイトから作製されることがある。
【００３６】
[0045]  図４〜図６は、様々なウェアラブルデバイスに給電するように実装された例示的な発電システム１００のブロック図表現を示す。
【００３７】
[0046]  図４は、本主題の例示的な実施態様による、１つ又は複数のウェアラブルデバイスに給電するための発電システム１００のブロック図を示す。図４では、発電システム１００は、熱電ユニット１０２、ＤＣブースタ１０４、スーパーキャパシタ充電ユニット４０２、及びスーパーキャパシタユニット１０６を含む。発電機１００は、放電電圧調節回路４０４を介して地理的心臓データ記録装置などのウェアラブルデバイス３０４に接続されることがある。ウェアラブルデバイス３０４は、ユーザの身体に装着されるように適合されたタイプのウェアラブルデバイスであり得る。熱電ユニット１０２は、ゼーベック／ペルティエ発電機であり得る。
【００３８】
[0047]  ウェアラブルデバイス３０４は、脈拍数センサ、ＧＰＳノード、及び超低電力マイクロコントローラ／マイクロプロセッサを含むことがある。更に、マイクロコントローラ／マイクロプロセッサは、シリアルポートのＴｘピン及びＲｘピンを介してＧＰＳモジュールと通信する。マイクロコントローラ／マイクロプロセッサは、脈拍数センサから到来するデータを読み取ることもできる。脈拍数センサは、熱電ユニット１０２によって給電される低電力高輝度ＬＥＤを含むことがある。
【００３９】
[0048]  ウェアラブルデバイス３０４は、兵士が彼等の身体統計及び位置情報を監視し、救援機関又は医療チームに送信する必要がある防衛分野において、有用であることがある。これは、アスリート又は運動中の人々が使用して、彼等の身体統計を監視し、彼等の毎日の身体トレーニングを分析することもできる。これにより、彼等が食事計画及び運動スケジュールを管理できるようになる。更に、超低電力マイクロコントローラは、６ヶ月〜１年間の間、単一のコイン電池小型バッテリーで動作することができる。
【００４０】
[0049]  図５は、本主題の別の例示的な実施態様による、１つ又は複数のウェアラブルデバイスに給電するための発電システム１００のブロック図を示す。発電システム１００は、熱電ユニット１０２、ＤＣブースタ１０４、及び降圧ＤＣコンバータ２０２を含む。降圧ＤＣコンバータ２０２は、変圧器ベースの降圧ＤＣコンバータであり得る。降圧ＤＣコンバータ２０２は、１．８ＶのＧＰＳユニット５０２、４ＶのＧＳＭ（Global System for Mobile communication）／ＧＰＲＳ（General Packet Radio Service）モデム５０４、及び１．８Ｖのマイクロコントローラユニット５０６と、それらに給電するために直接的に接続されることがある。
【００４１】
[0050]  図６は、本主題の更に別の例示的な実施態様による、１つ又は複数のウェアラブルデバイスに給電するための発電システム１００のブロック図を示す。発電システム１００は、スーパーキャパシタユニット１０６を含む。発電システム１００は、２ＡのＧＳＭ（Global System for Mobile communication）又はＧＰＲＳ（General Packet Radio Service）デバイス６０２に給電することができる。一例では、スーパーキャパシタユニット１０６は、２アンペアのＧＳＭ又はＧＰＲＳデバイスに直接的に電力を供給することができる。更に、スーパーキャパシタユニット１０６は、１つ又は複数のスーパーキャパシタ及び１つのチャージポンプを含む。チャージポンプにより、デバイスが、充電電圧の降下を伴い最大で２Ａの電流を送達しながらパルスモードで動作することが可能になる。更に、スーパーキャパシタユニット１０６内で使用される１つ又は複数のスーパーキャパシタは、紙の薄さのスーパーキャパシタであることがあり、これにより、かさばってリストバンドに入りきらず、スマートバンド又はスマートウォッチデバイスとして開発することが不可能であった構造を、軽量で小型の構造にできることがある。可撓性のあるスーパーキャパシタは、人体によって生成される熱を最大限に利用するための人体にぴったりと合う設計にとって、極めて重要である。一例では、手の表面は湾曲しており、可撓性のあるペルティエモジュール及び可撓性のあるスーパーキャパシタ及び可撓性のあるヒートシンク設計は、手の表面に容易にフィットし、発電システムの効率を高めることができる。
【００４２】
[0051]  図７〜図９は、地理的心臓データ記録装置などの例示的なウェアラブルデバイス３０４を示す。
【００４３】
[0052]  図７は、本主題の例示的な実施態様による、ウェアラブルデバイス３０４のブロック図を示す。ウェアラブルデバイス３０４は、超低電力マイクロコントローラ７０２、脈拍数センサ７０４、ＧＰＳ受信機７０６、及びＧＳＭ／ＧＰＲＳ送信機７０８を含む。超低電力マイクロコントローラ７０２は、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）機能及び汎用非同期送受信機（ＵＡＲＴ）を有することがある。一例では、ウェアラブルデバイス３０４は、発電システム１００（図示せず）によって給電されることがある。ウェアラブルデバイス３０４は、電力効率を最適化するために、脚又は胸に装着されることがある。ウェアラブルデバイス３０４を使用して体温を読み取るための設備が存在することもある。更に、ウェアラブルデバイス３０４は、ユーザの身体の生体統計及びＧＰＳ位置情報を収集することがある。ウェアラブルデバイス３０４は、（連続モードではなく）パルスで情報を取得することができ、これにより、バーストモードのＧＳＭ／ＧＰＲＳ送信機を含むことが可能になる。
【００４４】
[0053]  更に、発電システム１００を、ウェアラブルデバイス３０４の無線通信デバイスに給電するために使用することができる。更に、無線通信デバイスは、Bluetooth及びBluetoothベースのI-beaconなどの従来から既知の技術のいずれかを採用することがある。
【００４５】
[0054]  図８は、本主題の例示的な実施態様による、別のウェアラブルデバイス３０４のブロック図を示す。一実施態様では、ウェアラブルデバイス３０４は、I-Beacon技術８０２を使用して通信を行うように実装される。ウェアラブルデバイス３０４は、位置感知情報を取得し、位置感知タグを提供することができることがある。更に、発電システム１００は、全地球測位システム（ＧＰＳ）ユニット８０４及び近距離無線通信（ＮＦＣ）ユニット８０６に給電することもある。ＧＰＳユニット８０４及びＮＦＣユニット８０６ベースの信号強度監視装置を、ユーザに位置感知情報を与えるために使用することができる。更に、発電システム１００によって有効にされたウェアラブルデバイスは、物理的な送信機が無くても、世界中の無制限の地理情報タグを提供することができる。また、搭載されたＩＭＵからの推測航法を使用して、屋内でI-beaconを生成することもできる。
【００４６】
[0055]  図９は、本主題の例示的な実施態様による、別のウェアラブルデバイスのブロック図表現を示す。ウェアラブルデバイス３０４は、無線信号を通じて電力を取り入れるように実装されることがある。発電システム１００によって生成される電力は、無線信号を介して取り入れられたエネルギーによって補われることがある。ウェアラブルデバイス３０４は、長さ約１ｍｍで直径が約２サンチームメートルのフェライトコアを有する受信コイル９０２及び銅コイル９０６を含むことがある。受信コイル９０２及び銅コイル９０６は、ローカルの無線又は携帯電話タワー９０４から無線信号を受信し、その無線信号を電流に変換し、それによって、電気出力に上乗せすることができる。銅コイル９０６は、地理的心臓電力センサ９０８に接続されることがある。一例では、地理的心臓電力センサ９０８は、超低電力マイクロコントローラ７０２に接続されることがある。
【００４７】
[0056]  一例では、ウェアラブルデバイス３０４は、機械学習を使用して、位置及び関連サービス、又は特定の場所にある情報タグを識別するように実装されることがある。別の例では、ウェアラブルデバイス３０４は、病院の設備において使用するために実装した。ウェアラブルデバイス３０４は、人の身体の生体統計を測定するのに適したセンサを含むことがあり、これにより、病院の設備において使用するのに適するようになる。例えば、ウェアラブルデバイス３０４は、ウェアラブルデバイス３０４を着用している患者の生体統計を収集し、病院の中央サーバーに送信し、このサーバーはさらに医師又は看護師のタブレットコンピュータに接続しており、医師又は看護師が患者の健康状態をライブで追跡することができる。生体統計の正常範囲からの逸脱がみられる場合、医師のタブレットコンピュータに警告を送信することができる。病院の設備は、この病院の設備内の全ての患者に取り付けられた多数のウェアラブルデバイス３０４を有することがある。様々なウェアラブルデバイス３０４を病院のWi-Fi又はBluetoothインフラストラクチャに接続することができ、全てのデータを中央サーバーに更新して、遠隔で監視することができる。更に別の例では、ウェアラブルデバイス３０４は、子供の安全のためのシステムにおいて実装されることがある。ウェアラブルデバイス３０４を、子供の誘拐を避けるために、子供を追跡するために使用することができる。ウェアラブルデバイス３０４は、親の電話若しくはコンピュータ又は監視ネットワークに生体統計をライブで送信する。バンドが取り外されると、生体統計はオフラインになり、このことを使用して、子供がトラブルに巻き込まれたことを検出することができ、このことを使用して、警備当局者に警告することができる。地理的心臓バンドは、患者／子供の最後に把握された位置を伴う警告も送信する。
【００４８】
[0057]  図１０は、本主題の例示的な実施態様による、発電システムによってウェアラブルデバイスに給電する方法の流れ図を示す。この方法を説明する順序は、制限するものとして解釈されることを意図してはおらず、説明する方法の任意の数のブロックを任意の順序で組み合わせて、前述の方法又は代替の方法を実装することができる。更に、方法１０００は、任意の適切なハードウェア、非一時的な機械可読命令、又はそれらの組み合わせを通じて、処理リソース又はコンピュータ装置によって実装されることがある。方法１０００については、上述したような発電システム１００を参照して、以下で説明する。これらの方法を実行するための他の適切なシステムを利用することもできる。更に、これらの方法の実装は、そのような例に限定はされない。
【００４９】
[0058]  図１０００に戻ると、ブロック１００２で、熱エネルギーが発電システム１００によって熱源１０８から受け取られることがある。一例では、熱源１０８は人体であることがあり、発電システム１００はこの人体の一部に装着されたウェアラブルデバイス内に実装されることがある。更に、発電システム１００は熱電ユニット１０２、ＤＣブースタ、降圧ＤＣコンバータ２０２、スーパーキャパシタユニット１０６、及びヒートシンク２０４を含むことがある。
【００５０】
[0059]  ブロック１００４では、受け取った熱エネルギーを、電圧を生成するために熱電ユニット１０２によって使用することができる。熱電ユニット１０２によって生成される電圧は、５０ｍＶ〜６．６Ｖの範囲内であり得る。ステップ１００６では、熱電ユニット１０２によって生成された電圧は、ＤＣブースタ１０４によって変圧される。更に、電圧は、電圧出力を安定させるために、ＤＣブースタ１０４によって調節されることがある。
【００５１】
[0060]  ステップ１００８では、電圧は、降圧ＤＣコンバータ２０２によって下げられることがある。降圧ＤＣコンバータ２０２は、変圧器ベースの降圧ＤＣコンバータであり得る。生成された電圧は、１．８Ｖの範囲の降圧ＤＣコンバータ２０２によって引き下げられることがある。
【００５２】
[0061]  ステップ１０１０では、生成された電気エネルギーを、スーパーキャパシタユニット１０６によって貯蔵することができる。電気エネルギーは、閾値に達するまでスーパーキャパシタユニット１０６によって貯蔵されることがあり、その後、電気は放電し始める。ステップ１０１２では、放電電気を、様々な電気で動くデバイスに給電するために使用する。電気で動くデバイスには、フィットネスバンド及びスマートウォッチなどのウェアラブルデバイスが含まれることがある。
【００５３】
[0062]  本主題の態様及び特徴を、構造的特徴に固有の言葉で説明してきたが、本主題は、説明した特定の特徴に必ずしも限定されないことを、理解されたい。むしろ、それらの特定の特徴は、本主題の幾つかの態様に関連して開示され説明されている。
【図１】
2021507673.tif 000003
【図２】
2021507673.tif 000004
【図３（ａ）】
2021507673.tif 000005
【図３（ｂ）】
2021507673.tif 000006
【図４】
2021507673.tif 000007
【図５】
2021507673.tif 000008
【図６】
2021507673.tif 000009
【図７】
2021507673.tif 000010
【図８】
2021507673.tif 000011
【図９】
2021507673.tif 000012
【図１０】
2021507673.tif 000013
【国際調査報告】
2021507673.tif 000014
2021507673.tif 000015
2021507673.tif 000016