(57)【要約】【課題】熱電変換素子を用いて燃焼熱によって発電する際に酸素を強制的に送る装置を持たない。【解決手段】２枚の同径の熱電変換素子円板２の間に、上記円板の外径にほぼ等しい外径の通気性中空円筒３とそれより小径の通気性中空円筒４とを挟んで形成した円環状の空間５に燃焼触媒を充填することにより燃焼触媒充填層５ａを形成してなり、一方の上記円板の中央に上記小径の中空円筒４の内部に連通する燃料ガス入口孔７を穿設したものである。燃焼用の酸素は拡散により外周から燃料触媒充填層５ａ内に侵入し触媒燃焼が維持される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の同形の熱電変換素子板の間に、上記板の外形にほぼ等しい外形の通気性中空筒とそれより小さい通気性中空筒とを挟んで形成した環状の空間に燃焼触媒を充填することにより燃焼触媒充填層を形成してなり、上記板の一方の中央に、上記小さい中空筒の内部に連通する燃料ガス入口孔を穿設したことを特徴とする小型携帯用発電機。
【請求項２】
上記熱電変換素子板の外面には多数の放熱フィンを植設してある請求項１記載の小型携帯用発電機。
【請求項３】
２枚の同形の熱電変換素子板の間に、板の外形にほぼ等しい外形の環状に成形した通気性の燃焼触媒を挟んでなり、上記板の一方の中央には燃焼触媒の内部に連通する燃料ガス入口孔を穿設したことを特徴とする小型携帯用発電機。
【請求項４】
上記熱電変換素子板は円板であり、上記通気性中空筒は円筒である請求項１ないし請求項３記載の小型携帯用発電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話やノート型パソコンなどの電源として使用可能な小型携帯用発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話やノート型パソコンなどには乾電池を使用している。これらの乾電池の内、リチュウムイオン電池は高エネルギー密度（単位体積当たりの出力×時間）化が進んでいる。一方、ＩＴ技術の普及により、画像情報のやりとりや処理などでさらに高機能化技術の開発が進められている。
【０００３】
このような高機能化に伴なう電源容量の増大に対応するには、さらに電池の高エネルギー密度化が必要である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、電池の高密度化は近い将来飛躍的に進むことは難しく、必要とされる電源寿命を満たすことができない。また、電池の生産に必要なエネルギーも非常に大きい。
【０００５】
一方、燃料ガスを燃焼させて発生する熱エネルギーは、燃料重量当たりのエネルギーが電池に比べて、数十倍から百倍以上あり、電源として期待されている。しかし、燃焼熱を利用するガスタービンやピストンエンジンなどの従来の熱機関では、小型化をすると作動ガス容積に対する固体壁の面積比が大きくなる。そのため、摩擦損失や熱損失が増大して、効率は急激に低下し、１Ｗ程度の出力では自立作動させることも困難である。
【０００６】
熱電素子を利用する試みは米国などであるが、すべて空気を強制的に供給する必要があり、構造が複雑になってしまう。
【０００７】
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、空気を強制的に供給することなく、燃料ガスを触媒燃焼させて発熱し、その熱により熱電変換素子を作動させて発電を行なうことができる小型携帯用発電機を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本願請求項１記載発明の小型携帯用発電機は、２枚の同形の熱電変換素子板の間に、上記板の外形にほぼ等しい外形の通気性中空筒とそれより小さい通気性中空筒とを挟んで形成した環状の空間に燃焼触媒を充填することにより燃焼触媒充填層を形成してなり、上記板の一方の中央に、上記小さい中空筒の内部に連通する燃料ガス入口孔を穿設したものである。
【０００９】
上記熱電変換素子円板の外面には熱電変換素子円板の温度勾配を大きくするため多数の放熱フィンを植設してあるのが好ましい。
【００１０】
請求項３記載発明の小型携帯用発電機は、２枚の同形の熱電変換素子板の間に、板の外形にほぼ等しい外形の環状に成形した通気性の燃焼触媒を挟んでなり、上記板の一方の中央には燃焼触媒の内部に連通する燃料ガス入口孔を穿設したものである。
【００１１】
上記熱電変換素子板は円板であり、上記通気性中空筒は円筒であるのが好ましい。
【００１２】
次に本発明の作用を説明する。燃料ガスは燃焼触媒充填層の中心から供給され、外周方向へ拡がる。空気中の酸素は燃焼触媒充填層の外周面から内部へ拡散する。燃料ガスの燃焼は燃料ガスと酸素が出会って混合する領域で、燃焼触媒によって維持される。熱電変換素子円板は燃焼触媒に当接する高温側と外面の低温側の温度差により発電を行なう。燃焼触媒充填層内部の温度は３００〜６００℃程度に維持するのが好ましい。
【００１３】
発電機の始動は次のようにして行なう。１つの方法は発電機全体を外部の熱源で６００℃程度に加熱し、その状態で燃料ガスを供給してやれば、燃焼は維持され発電が継続的に行なわれる。他の方法は低温の発電機の中心に燃料ガスを供給してやると、燃焼は燃焼触媒充填層の内部では行なわれず、燃料ガスは外周面から流出する。流出して燃料ガスにマッチで火をつけて燃焼させる。燃焼により燃焼触媒充填層が外周面から内部に向って加熱され、燃料ガスをしぼってやると次第に燃焼領域が燃焼触媒充填層内部へ移動し、内部で燃焼が維持されて発電が行なわれる。
【００１４】
燃焼ガスは小型のボンベなどから供給され、酸素は拡散により供給されるため、これらの供給のための動力装置は不要であり、携帯が可能なまでに小型化が可能になって、携帯電話やノート型パソコンの電源として利用できる。電池などに比べ長時間電気を供給することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の小型携帯用発電機の断面図である。図において、１は小型携帯用発電機である。直径は１〜数ｃｍで、１ｍＷ〜１００Ｗの発電能力を持つ。２は熱電変換素子円板であり、上方板２ａと下方板２ｂとからなる。上方板２ａと下方板２ｂは同径である。３は大径の通気性中空円筒、４は小径の通気性中空円筒である。大径の通気性中空円筒３は熱電変換素子円板２の直径にほぼ等しい。通気性の中空円筒３、４の材質はセラミックスまたは焼結金属が好ましい。
【００１６】
５は２枚の同径の熱電変換素子円板２の間に大径の通気性中空円筒３と小径の通気性中空円筒４とを挟んで形成した円環状の空間である。５ａは上記円環状の空間５に燃焼触媒を充填して形成した燃焼触媒充填層である。燃焼触媒はアルミナなどのセラミックスの顆粒に白金やパラジュームなどの燃焼触媒を担持させたものである。６は放熱フィンである。放熱フィン６の形状は棒状であってもよいし、板状であってもよい。
【００１７】
７は下方の熱電変換素子円板２ｂの中央に穿設された燃料ガスの入口孔であり、小径の中空円筒４の内部に連通している。８は上記入口孔７に挿入された配管であり、図示しない燃料ボンベに接続されている。燃料ガスは配管８の途中に設けられた、図示しないニードル弁により流量調節される。９は燃料ガス、１０は燃焼ガス、１１は空気中の酸素のそれぞれの流れを示す矢印である。
【００１８】
ここで熱電変換素子について簡単に説明する。熱電変換素子は、ペルチェ素子ともいわれるものである。図３はペルチェ素子の概念図である。図において、２ｃはセラミックス板、２ｄは熱電素子であり、Ｎ型半導体とＰ型半導体とからなる。２ｅは接合用金属片である。Ｈは高温側、Ｌは低温側である。１２は負荷である。図のようにペルチェ素子の両側に温度差があると発電が行なわれ、負荷１２に電流が流れる。
【００１９】
次に本実施形態の作用を説明する。燃料ガス９は燃焼触媒充填層５ａの中心から供給され、半径方向へ拡がる。空気中の酸素１１は燃焼触媒充填層５ａの外周面から内部へ拡散する。燃料ガス９の燃焼は燃料ガス９と酸素１１が出会って混合する領域で、燃焼触媒によって維持される。熱電変換素子円板２は燃焼触媒に当接する高温側Ｈと外面の低温側Ｌの温度差により発電を行なう。燃焼触媒充填層５ａ内部の温度は３００〜６００℃程度の維持するのが好ましい。
【００２０】
発電機１の始動は次のようにして行なう。１つの方法は発電機１全体を外部の熱源で６００℃程度に加熱し、その状態で燃料ガス９を供給してやれば燃焼は維持され発電が継続的に行なわれる。他の方法は低温の発電機の中心に燃料ガス９を供給してやると燃料ガス９は燃焼触媒充填層５ａの内部では燃焼せず、外周面から流出する。流出した燃料ガス９にマッチで火をつけて燃焼させる。燃焼により燃焼触媒充填層５ａが外周面から内部に向って加熱され、燃料ガス９をしぼってやると次第に燃焼領域が燃焼触媒充填層５ａ内部へ移動し、内部で燃焼が維持されて発電が行なわれる。
【００２１】
燃料ガス９は燃料（ブタン）のボンベなどから供給され、酸素は拡散により供給されるため、これらの供給のための動力装置は不要であり、携帯が可能なまでに小型化が可能になり、携帯電話やノート型パソコンの電源として利用できる。
【００２２】
物質輸送および熱拡散を考慮した解析結果によれば、燃焼発熱の５０〜８０％を熱電変換素子の熱流束とすることが可能でる。熱電変換素子に与える温度差は２００℃程度となる。現在の熱電変換素子の熱流束に対する発電効率は４〜８％である。したがって、本発明の携帯用発電機の発電効率は燃料の熱エネルギーに対して２〜６％を達成することができる。現在、電池の製造に必要な一次エネルギーで電池の発電効率を評価すると約１％となるので、本発明は、その２〜６倍の効率となる。また、燃料ガス９の流量を変えると触媒層内の反応域が変化し、負荷変動に対応することが可能である。
【００２３】
図４は本発明の小型携帯用発電機の作動の説明図であり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は触媒充填層内における燃料ガスおよび酸素の濃度変化を示すグラフ、（Ｃ）は温度変化を示すグラフである。これらの図において、ｒ１は触媒充填層の内径、ｒ２は外径、ｈは高さである。また、ｒｆは燃料と酸素とが出会って混合し、燃焼する領域の半径である。Ｙｆは燃料濃度、Ｙｏ２は酸素濃度である。（Ｂ）に示すように、燃焼域ｒｆではＹｆ、Ｙｏ２は燃焼によって消滅している。Ｔｓは燃焼触媒層の内部温度、Ｔａは外部温度である。本来Ｔｓはｒｆで最高になるが、ｒ２が小さいので、この解析では燃焼触媒層内の温度Ｔｓは一様であると仮定している。
【００２４】
次に、燃焼に必要な酸素は強制的に送る必要がないことについて解析結果を説明する。先に述べたように、燃焼ガスは中心から半径方向に拡がり、酸素は外周境界から内側へ拡散する。空隙率ε＝０．３として有効伝達率β＝λｅ０／λｇは、約３０となり、ガス熱伝達より十分大きい。物質輸送については、熱伝達とのアナロジーを仮定する。解析は充填層内の温度を一様と仮定して進める。
【００２５】
充填層内の燃料ガスの保存方程式は（１）式で表される。
【００２６】
【数１】
2004064853.tif 000003
ｒ＝ｒ１において、質量保存法則により（２）式が得られる。
【００２７】
【数２】
2004064853.tif 000004
ｒ１＜ｒ＜ｒｆでは燃焼反応は無いと仮定し、質量が保存されるので、（３）式が得られる。
【００２８】
【数３】
2004064853.tif 000005
数式（１）、（２）、（３）より（４）式が得られる。
【００２９】
【数４】
2004064853.tif 000006
ｒ＝ｒｆでＹｆ＝０を境界条件とし、ρＤＦ＝ｃｏｎｓｔ．を仮定して（４）式を積分すると、（５）、（５）’式が得られる。
【００３０】
【数５】
2004064853.tif 000007
ｒｆ＜ｒ＜ｒ２において、酸素の輸送方程式は、（６）式になる。
【００３１】
【数６】
2004064853.tif 000008
これを積分して、（７）が得られる。
【００３２】
【数７】
2004064853.tif 000009
ｒ＝ｒｆでは、境界条件が（８）式になる。
【００３３】
【数８】
2004064853.tif 000010
よって、（７）式を積分すると（９）、（９）’式が得られる。
【００３４】
【数９】
2004064853.tif 000011
また、境界面（ｒ＝ｒ２）に自然対流により供給される酸素質量流束は、内部で消費される量と等しくなるから（１０）式のように表せる。
【００３５】
【数１０】
2004064853.tif 000012
【００３６】
ここで解析条件を次のように与えて実際に計算してみる。
燃料ガス流量（ｒ１ρ１ν１）：６．７Ｅ−５ｋｇ／ｓ−ｍ
密度×拡散係数　ρＤＦおよびρＤＯ２は、それぞれ約０．３Ｅ−４　ｍ２／ｓ　　　　　
（ｒ１ρ１ｖ１）／（βρＤ）＝７．３ｅ−２
ｒ１＝２ｍｍ，ｒ２＝１０ｍｍ，ｒｆ＝５ｍｍ
外周境界での酸素流束条件（１０）式と連立した場合の解析結果を図５に示す。　図５は充填層内のガス濃度分布を示すグラフである。図５（Ａ）において、横軸はｒ／ｒｆであり、縦軸は燃料質量分率である。図５（Ｂ）において、横軸はｒ／ｒｆであり、縦軸は酸素質量分率である。
【００３７】
以上のように酸素は拡散のみで、充填層内部で触媒燃焼を維持できることがわかる。
【００３８】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。たとえば、燃焼触媒５ｂを通気性のある円環形状に成形したものである場合は、図２に示すような構造になる。すなわち、図１における大径と小径の通気性中空円筒３、４を省略することができる。また、熱電変換素子板は円板であり、通気性中空筒は円筒であるとして説明したが、それぞれ多角形や多角筒など他の形状であってもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の小型携帯用発電機は、燃料ガスが小型のボンベから供給され、酸素が空気中から拡散により供給されるため、これらの供給のための動力装置が不要となり、携帯が可能なまでに小型化可能であり、携帯電話やパソコン用に長時間使用可能な電源として使用することができるなどの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の小型携帯用発電機の断面図である。
【図２】本発明の小型携帯用発電機の他の実施形態の断面図である。
【図３】熱電変換素子の説明図である。
【図４】本発明の作用の解析結果を示す図である。
【図５】本発明の作用の解析結果を示すグラフである
【符号の説明】
１　　小型携帯用発電機
２　　熱電変換素子
３　　大径の通気性中空円筒
４　　小径の通気性中空円筒
５ａ　　燃焼触媒充填層
６　　放熱フィン
７　　燃料ガス入口孔
【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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