(57)【要約】【課題】    電子システムが発する廃熱を利用し、熱エネルギーを直接電気エネルギーに転換し、必要な電力を産出して放熱ファン等を動作させ、外部エネルギーを必要とせずに冷却を行なうことのできる、低温固態熱電エネルギー変換器の提供。【解決手段】    人工または自然環境で発生する廃熱を利用し、特定の格子構造材料に温度変化により格子に分極軸方向に応変を起こさせ、格子内で共有結合イオンの正電荷中心と負電荷中心の異方向移動を起こし、電位差を生じさせて電流を発生し、完全な熱源環境下で持続的に熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。廃熱エネルギーを発生する器材や設備に幅広く応用でき、廃熱エネルギーを電気エネルギーに変換して、エネルギーの再利用と補助の目的を達する。また、規模と範囲を拡大し、従来の火力発電や地熱、太陽エネルギー等の発電設備に発電補助として応用することもできる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温固態熱電エネルギー変換器であって、該変換器が、焦電性の熱応変を備えた電子セラミックの発電デバイスを含み、熱を受けると、該発電デバイス元素格子に分極軸方向に応変を発生させ、格子内で共有結合イオンの正電荷中心と負電荷中心の異方向移動を起こし、電位差を生じさせて電流を発生し、発生した電流が発電デバイスの正負両面の導電塗布層を介して引き出され、熱電効果を形成し、廃熱の電気エネルギーへの変換過程を支持することを特徴とする低温固態熱電エネルギー変換器。
【請求項２】
前記発電デバイスが、対流、伝導及び放射作用を経て直接あらゆる環境熱源を吸収し、一定の熱電変換効果を発生し、あらゆる電力駆動設備に応用することができ、且つ、セラミックの焦電特性の作業基本原理を通し、熱エネルギーを電力エネルギーに変換する請求項1に記載の低温固態熱電エネルギー変換器。
【請求項３】
電熱エネルギー源の応用装置であって、特に、熱を受けて発電する装置であり、エネルギー源から負荷端に動エネルギーを供給し、熱電効果を備えた発電デバイスが、該負荷端から廃電を取得した後、熱電効果を形成し電流を発生して、変換回路を介し利用可能電気エネルギーを出力することを特徴とする電熱エネルギー源の応用装置。
【請求項４】
前記発電デバイスが外部に露出した状態の携帯でき、野外での使用や、キャンプ、軍事等の用途に広く応用可能である請求項３に記載の電熱エネルギー源の応用装置。
【請求項５】
前記発電デバイスが、太陽熱輻射波を接取して加温され、反射体によりエネルギーを集める方式で太陽の熱輻射波を収集する請求項３に記載の電熱エネルギー源の応用装置。
【請求項６】
前記エネルギー源が電気エネルギーであって、変換されて出力された電気エネルギーを回収し電力の増加の補助に利用することができる請求項３に記載の電熱エネルギー源の応用装置。
【請求項７】
熱電駆動の放熱装置であって、特に、情報処理器に自己的にエネルギー源供給をさせ、熱電効果を備えた発電デバイスと、放熱ファンを含み、そのうち、該発電デバイスは処理器から電源を取得し、熱電効果を経て電流を発生した後、該電流で放熱装置を駆動し、封鎖式の電気回路を形成して自己給電システムを形成し、放熱の補助を行なうことを特徴とする熱電駆動の放熱装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の低温固態熱電エネルギー変換器は、完全な温熱環境において、電流を発生する固態セラミック熱電エネルギー変換に関し、冷却端を設計する必要がなく、全体を温熱環境に置くことができ、熱源を備えたあらゆるものに広く応用できる、低温域と高温域を含む新しい低温固態熱電エネルギー変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、廃熱機器に関しては、コンピュータのCPUやチップセットの熱量のように、積熱により発生する熱量を、強制的に冷却する必要があり、ファンが主機から電源を得、放熱を行い、CPUを冷却する方法が一般的である。また、熱電冷却チップを用いた冷却方式があるが、必要電力が極めて大きく、電気エネルギーを消耗し、その利用範囲は限られている。さらに、最近では、熱電冷却デバイスが電気エネルギーを得ることを可能にする設計として、台湾特許第90129981号の「高効率熱電冷却器の冷却点設計」、及び第89127635号の「熱電材料の薄板から複数個のチップ部品を製造する方法」等があるが、これらの言うところの熱電部品は、ヒートシンクを備えた熱電冷却端を必要とし、その作業においても、基本的には同様に二次廃熱を生成するか、或いは大きな電気エネルギーを必要とし、外力の補助で冷却を行ない、即ち、その作業条件の基礎として、冷・熱二種類の基本作業模式を必要とする。
【０００３】
本発明によれば、温水中や、その他熱温を有する気態環境のように、温熱中に発電単体全体を置くことができ、約55℃の熱温で十分な電力を発生し、作業エネルギーとして用いることができる。
【０００４】
CPUの演算速度が速くなり、相対してその発生する熱量も増加しており、INTEL社のPentium４のCPUを例にとってみると、１GHzの発熱量は５０W以上に達し、より高周波の２〜３GHｚのCPUの発熱量は８０W以上にまでなる。同様の問題が通信業と電気光学業においても発生しており、電子通信業の発達と使用者の増加に伴い、その強制冷却功率の大幅な増大が求められており、その廃熱の累計も相当なものである。
【０００５】
このため、閉鎖回路の閉ループ方式を上述の電子器材に応用することができれば、外来電力による冷却の補助を必要とせず、該電子システムが発する廃熱を利用することができ、直接電気エネルギーに転換し、必要な電力を産出して放熱ファンを動作させ、冷却を行なうことができる。これは、現在の関連器材におけるアプリケーションのまったく新しい開拓領域である。
【０００６】
２００２年９月の台湾資策会の統計数字によれば、２００２年の世界のデスクトップコンピュユータ市場規模は105,655,000台、ノートブックコンピュータは30,003,000台に達しているとされ、各コンピュータが必要とする放熱ファンの消耗エネルギーを3.5Wとして推算すると、世界で放熱に使われるエネルギーは、4.76億ワットの電力を消耗していることになり、50万KW級の発電所に相当する。前述の電子器材に閉鎖式のエネルギーリサイクルを効果的に形成させることができれば、外来エネルギーを必要としないため、地球全体の環境保護に対し、エネルギー節約により、大きく貢献することができる。
【特許文献１】台湾特許第90129981号
【特許文献２】台湾特許第89127635号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本考案は、閉鎖回路の閉ループ方式を電子システムの冷却に応用し、外部電力による冷却の補助を必要とせず、該電子システムが発する廃熱を利用して直接電気エネルギーに転換し、必要な電力を産出して放熱ファンを動作させ、冷却を行なうことのできる、低温固態熱電エネルギー変換器の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の原理は、セラミック材料の周囲環境熱エネルギーによる温度上昇の持続的な吸収を利用して相転移を生じ、同時に格子が分極軸方向に応変し、正電荷中心と負電荷中心が異方向に移動し、電位差を発生し、持続的に電流を産出し、本質的には特に熱源を作る必要はなく、動作過程においていかなる汚染や騒音も発生しないため、環境保護とエネルギー応用において、現在最先端の原理である。本発明の発電デバイスは、熱伝導係数を備えた共有結合イオンを主としたセラミック材料で、価電子数の異なるイオンが発生する空きを利用して導電柱を制御し、異なるエネルギー転換効果を得る。  
【発明の効果】
【０００９】
本発明の低温固態熱電エネルギー変換器は、約55℃という低温でも熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能であり、堅実な構造で、体積の大きさを使用場所に応じて、異なる大きさや形状を採用することができ、小さいものではノートブックパソコンのファンによる放熱補助のための電力産出や、規模の大きいものでは、発電所での利用や、さらには宇宙で太陽熱風の加熱作用を接取して利用することもでき、騒音もなく簡単な構造で、使用寿命が長く、動作時において機械的動態を生じず、発生させる電気エネルギーを蓄電装置に蓄えることもでき、様々な領域で応用可能である。例えば、コンピュータのＣＰＵ等の冷却に応用すれば、外部電力による冷却補助を必要とせず、電子システムが発する廃熱を利用して、熱エネルギーを直接電気エネルギーに転換し、必要な電力を産出して放熱ファンを動作させ、冷却を行なうことができる。また、本発明の低温固態熱電エネルギー変換器全体を温熱環境に置くことができ、熱源を備えたあらゆるものに広く応用でき、エネルギーの節約と環境保護に大きく貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の低温固態熱電エネルギー変換器について、図面に基づき詳細に説明する。
図１に示すように、発電デバイス１の正負両面から導電塗布層１１を介し、DC電流を引き出し、該発電デバイス１は、対流、伝導、放射作用を経て直接あらゆる環境熱源を吸収し、一定の熱電変換を行う。
その作業基本原理は、セラミックの焦電気（PYROELECTRICITY）特性を、熱エネルギーと電気エネルギーの直接変換の基礎として利用しており、その関係は以下の図式の通りである。
【００１１】
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【００１２】
この関係式により、焦電気特性を備えたセラミック材料のエネルギー変換率は、６％以上であることが確認でき、すでに工業的応用価値があることが認められており、材料の性能が改善されるに伴い、今後の利用価値も向上されることは明白である。
【００１３】
図1-1に示すように、本発明の実施応用は、負荷端１３が、モーターやCPUあるいはガソリンエンジン等、エネルギー源１２から動力を得た後、作業効率損耗により発生した廃熱を、廃熱交換器１４（例：放熱器）により集積または導引し、廃熱を発電デバイス１に伝達して熱エネルギーを汲取させ、応変作業を経て電気エネルギーに変換して出力し、出力端は直流変換回路１０を利用し安定した応用電気エネルギーに変換して出力する。上述が本発明の基本的な応用方法であるが、これを基礎とし、人為的に手配した熱源を含め、あらゆる熱エネルギーを有する場合に利用することができる。例えば、油１２１で熱エネルギーのシステムを燃化し、油・電気の変換を行うことで特定の発電目的を達することができる。  
【００１４】
エネルギー源１２が電力源122である場合、負荷端１３を経て損耗された廃熱が、前述のように発電デバイス１を介し電流に変換され、変換回路１０の処理を経た後、直接電力源１２２に戻し、エネルギーの直接回収を行なうことができ、少なくともエネルギー再生の補助作業に利用することができる。
【００１５】
負荷端１３に採用する器材条件（例：モーター）は、機体廃熱を排出するものでなければならず、廃熱交換器１４を利用し、廃熱を強制的に帯離させ、負荷端１３の機体の安全を確保する必要があるため、廃熱交換器１４が必要となる。
【００１６】
発電デバイス１の作業原理については、発電デバイス１は、温度を受けとると、図２及び図３に示すように、格子に応変を発生させる。図2に示すような正電荷中心と負電荷中心が重畳する状況下においては、静電場が発生せず、材料が温度変化により格子に応変を起こさせると、正電荷中心と負電荷中心が分離し、電位差を生じ、熱電変換を発生させる。なお、図２、図３は模擬方式で表示されているが、該正電荷と負電荷は、実際は集体を成しており、図２及び図３における集体の中心位置を、それぞれ正電荷中心及び負電荷中心とここでは定義する。
【００１７】
本発明は、基本の熱電変換機能のほか、４W/cm3に近い極めて高いエネルギー密度を作り出すことができ、約60℃という極めて低い反応温度で、最大出力に達することができる。
【００１８】
本発明によれば、図４に示すように、熱源２の放熱面に、前記発電デバイス１を直接貼り付けて設置し、持続温度を接取し、電流を発生することができる。
【００１９】
その回路形式は、図５に示すような熱電駆動放熱装置に応用することもでき、特にコンピュータのCPUや変圧器等に対し廃熱を利用して熱電変換に用い、熱電変換で電流を発生することができる。説明を簡単にするため、CPUに対する応用を以下のように説明する。  該放熱装置は、固定座３と、内部は熱導管３１を介し熱エネルギーを導流し、CPU等チップセットが発生する熱温を、放熱板３３へ導引し、該放熱板３３の一方に風箱３４を形成し、放熱ファン３５の作用により径流方式で冷風を該放熱板３３に送り放熱させ、前記放熱ファン３５に用いる電気エネルギーは、直接前記発電デバイス１から提供を受ける。本発明は、該発電デバイス１を直接CPU等チップセットの発熱端に圧接し、図４のような結合方式で、閉鎖回路を形成する。前記CPUの動作速度が速くなり、より高い温度を発する場合、発電デバイス１は、より高い温度を接取することもでき、より大きな電気エネルギーを生み、前記放熱ファン３５に送り、該放熱ファン３５もその直流電位の変化により、高低変速で作動し、高温時には、作動速度率が高くなり、放熱板３３に対し、より高効率な放熱を行なわせる。
【００２０】
図６に示すように、本発明の発電デバイス１は、全体表面を完全に環境温度に熱浸させて応用することもでき、デバイスそのものは、熱電冷却端ヒートシンクの作用を必要とせず、熱温を持続して受取り、電流を発生させることができ、熱源を取得可能なあらゆる場所で応用可能であり、給電を行なうことができる。
【００２１】
図６−１に示すように、発電デバイス１を変換回路１０に接続し、全体で携帯に便利なデバイスを構成することもできる。前記発電デバイス１周辺において、野外で木材等を燃焼させるなど、各種燃料による発熱方式等あらゆる方法で取得した熱源２を、該発電デバイス１に作用させ、該発電デバイス１を介して発生する電流は、変換回路１０を経て、安定した電流となり提供される。
【００２２】
熱源２の構成に関しては、さらに密閉吸熱方式を利用してもよく、図６-２に示すように、燃料オイルまたはガス等をエネルギー源とする加熱器２０を利用し、熱触媒２２に作用し、該熱触媒２２が発生する熱温を、箱型の阻熱体２１に導入し、該熱源を前記阻熱体２２内部に停留させ、発電デバイス１に熱エネルギーを提供する。図６-２の実施例によれば、その作業温度は２００℃以下で応用することができ、前記加熱器２０が発生する効率は約７５％で、前記熱触媒２２は、前記加熱器２０の間歇的な加熱を受け、温度が下がり始めると、前記加熱器２０が起動して加熱を行い、前記阻熱体２１内部が約200℃に達すると、該加熱器２０は自動的に停止し、温度条件による間歇的な加熱を行なう。本質的に、前記加熱器２０は無駄なエネルギー源消耗を招くことはなく、この実施例の全体規模を拡大すれば、大きな電力を生むことができ、また、有害な汚染物質を発生することもない。
【００２３】
関連応用実施例を図７、図８、図９及び図１０に示す。まず図７に示すように、熱流体を備えた流体放熱器４内部に通路４１を形成し、該通路４１を利用し熱流体の流通を行ない、且つ、好ましくは高温の位置を選択して、前記発電デバイス１を前記通路４１内部に排列して設置し、熱電反応を得て電流を発生することができる。  
【００２４】
さらに、図7-1に示すように、本発明は、排気管等自動車の廃熱排出経路またはエンジン等高温発生部位に設置してもよく、気熱排出装置４２の位置に、発電デバイス１を設置し、該発電デバイス１の体積は、必要な電力の大きさにより選定し、例えば、本発明を自動車のバッテリの充電に実施する場合、総体積150cm3の発電デバイス１で、約６００Wの功率を発生することができ、一般の自動車のバッテリの規格は１２V-５０A（応用する電流は一般の正常な走行状態下では５０A以下）であり、自動車のエンジンが発電機に発電させる消耗エネルギーは約１HPで、その応用エネルギーは明白であり、また、発電機の効率は約７５％であるから、エンジンの必要出力効率は約８００W必要であり、即ち、約1.0724馬力以上ということになり、燃料オイルの消費も顕著である。
【００２５】
本発明を応用した発電デバイス１の動作エネルギーは、約１cm3の体積につき４Wの電力を発生することができ、自動車のバッテリ充電に応用する場合、150cm3の体積で、バッテリの充電を行なうことができる。また、前記発電デバイス１とバッテリの間において、一般の機電制御方式でバッテリを保護し、エンジンの発動による熱エネルギーは持続するため、前記発電デバイス１の発する電気エネルギーを、回路式に点火プラグ昇圧電源として提供することもでき、または、空調モータ等電力を必要として動作する、自動車のあらゆる装置に電力を供給することができる。
【００２６】
本発明は、一般観念では応用が考慮されない領域にも応用できる。本発明は、あらゆる熱源を発生する場所において、エネルギー収集及び発電変換を行うことができるため、図８に示すように、熱温現象を起こす白熱電灯５の熱量集中端に応用することもでき、反射カバー５１の収集により、熱源を頂部に集中させ、その周辺に発電デバイス１を設置し、前記白熱電灯５の発する熱温を受け、電気エネルギーに変換し、別のニーズに提供することができる。水銀灯や、ナトリウム灯、ヘリウムネオン灯等大型照明灯の作業効率は約５０％で、その功率のニーズは一般的に千ワット以上であり、このため、約５００W以上のエネルギー源の無駄があり、これら関連電灯上で熱源を取得することができれば、照明現場において莫大なエネルギー源を発生させることができる。
【００２７】
図９に示すように、熱流管体６内の孔内部に、複数の発電デバイス１を放射状に設置し、該発電デバイス１は、直接熱流管体６内部流動の熱源を受け、昇温を起こし、電気エネルギーを発生することができる。
【００２８】
図9-1に示すように、熱作業場６１で形成された廃熱は、熱流管体６を介して排出され、該熱流管体６内部に予め複数の発電デバイス１を排列して設置し、前記熱流管体６内部を通過する熱気を集めることにより、その熱エネルギーを集め、電気エネルギーに変換することができる。また、発生させた電気エネルギーを並列方式で該熱作業場６１内部の電気エネルギーの応用を必要とする装置に戻し、該熱作業場６１が発電所である場合、その電力出力端に発電デバイス１の動通回路を接続し、エネルギー源とすることにより、エネルギー源の利用率を向上することができる。火力発電の電場では、煙突の排出温度が低温である状況下においても、本発明の発電デバイス１は、その最低作業温度が約55℃の低温であるため、発電所の廃熱排出経路に応用できる、現段階では唯一の低温を利用可能な設計であり、本発明によれば、約55℃の低温のあらゆる場合に、発電デバイス１を応用することができる。
【００２９】
図１０に示すように、自然環境温度接取の実施方法には、反射体７を利用することができ、光源感知器７１の太陽熱源トラッキングを介し、前記反射体７の反射中心点位置に発電デバイス１を設置し、前記光源感知器７１は、方位調整器７２に対し、太陽の方位への正対を維持するよう指令を送り、光源エネルギー量を増加することができる。本実施方法で接取するのは太陽の熱輻射波であり、太陽の可視光ではなく、太陽の熱輻射波により、前記発電デバイス１に高効率の加熱を行い、同様に電気エネルギーに変換させることができる。より容易に前記発電デバイス１に、自然環境の熱輻射波を接取させるために、前記発電デバイスの表面に熱輻射波を吸収しやすい黒色の塗布層を形成し、熱輻射波の吸収効率を向上してもよい。本図の実施例によれば、気候条件が良好な区域で、全自動の自己発電を行なうことができ、前記方位調整器７２の自動トラッキング機能を利用し、太陽輻射源の位置に正対して、強い熱輻射波を収集し、さらには、該反射体７の機能を上述の各種熱波を反射可能にすることで、熾熱な光波や遠赤外線波を収集することもできる。
【００３０】
本発明の形態は、基本的には精密電子セラミックと同類であり、実施においては、高導電導熱質の元素を採用し、格子内共有結合イオンの異なる極性の電荷の異方向移動距離の比較的大きな元素と構成する、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する特性を用いる。この条件に符合する元素はすべて本発明の実施に採用可能であり、さらに本発明の保護範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の基本運用模式図である。
【図１−１】本発明のシステム基礎応用図である。
【図２】本発明の格子の正電荷中心と負電荷中心が重畳する状況における電位差のない状態を示す模式図である。
【図３】本発明の格子の正電荷中心と負電荷中心が分離して電位差を生じた状態を示す模式図である。
【図４】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の単面熱温接取での基本運用模式図である。
【図５】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の実施応用例を示す立体分解図である。
【図６】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器全体を完全に環境温度に熱浸させた状態での実施基礎模式図である。
【図６−１】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の野外での応用例を示す運用模式図である。
【図６−２】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器を熱源に完全に熱浸させた状態での運用模式図である。
【図７】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の熱流体を備えた放熱器における実施例を示す平面部分透視図である。
【図７−１】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の自動車の車体熱回収における実施例を示す立体斜視図である。
【図８】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の白熱電灯における実施例を示す側面断面図である。
【図９】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の熱流管体における実施例を示す立体斜視図である。
【図９−１】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器を発電所の廃熱排出経路である熱流管体における実施例を示す模式図である。
【図１０】本発明の低温固態熱電エネルギー変換器の自然環境温度接取への実施例を示す側面透視図である。
【符号の説明】
【００３２】
１        発電デバイス
１０      変換回路
１１      導電塗布層
１２      エネルギー源
１２１    油
１２２    電力源
１３      負荷端
１４      廃熱交換器
２        熱源
２０      加熱器
２１      阻熱体
２２      熱触媒
３        固定座
３１      熱導管
３３      放熱板
３４      風箱
３５      放熱ファン
４        流体放熱機
４１      通路
４２      気熱排出装置
５        白熱灯
５１      反射カップ
６        熱流管体
６１      熱作業場
７        反射体
７１      光源感知器
７２      方位調整器
【図１】
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【図１−１】
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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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【図６−１】
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【図６−２】
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【図７】
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【図７−１】
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【図８】
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【図９】
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【図９−１】
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【図１０】
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