(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電デバイスを利用して発電をするエネルギー取得デバイスの提供。【解決手段】第１の主表面と第２の主表面との間に温度勾配が課されたときにゼーベック効果によって電気を生じさせる熱電デバイス２０と、相変化材料１４を包囲する筐体１２であって、熱電デバイスの第１の主表面と熱的に連通するように配置された筐体と、熱電デバイスに電気的に結合された無線送信器３０であって、無線信号を伝送することが可能な無線送信器とを含むエネルギー取得デバイス１０が開示される。別の態様では、筐体は、相変化材料への熱分布をより均一にするために、伝導フィン１６を含む。【選択図】図１
2012129519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の主表面と第２の主表面との間に温度勾配が課されたときにゼーベック効果によって電気を生じさせる熱電デバイスと、
相変化材料を包囲する筐体であって、前記熱電デバイスの前記第１の主表面と熱的に連通するように配置された筐体と、
前記熱電デバイスに電気的に結合された無線送信器であって、無線受信器へ信号を伝送することが可能な無線送信器と
を備えるエネルギー取得デバイス。
【請求項２】
前記筐体と前記熱電デバイスの前記第１の主表面との間に配置された第１の熱伝導層をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項３】
前記熱電デバイスの前記第２の主表面と熱的に接触するように配置された第２の熱伝導層であって、温度変化を受ける媒体と熱的に接触するように配置することが可能な第２の熱伝導層をさらに備える、請求項２に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項４】
前記筐体が、熱伝導性の連続気泡発泡体であるか、または熱伝導性の連続気泡発泡体を含み、前記相変化材料が、前記発泡体の前記連続気泡内に包囲される、請求項１に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項５】
前記筐体が、前記相変化材料の熱分布をより均一にするために、少なくとも１つの伝導フィンを含む、請求項１に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項６】
前記伝導フィンが、前記筐体内に収容された概ね螺旋状の伝導材料コイルである、請求項５に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項７】
前記相変化材料が、水であるか、または水を含む、請求項１に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項８】
前記熱電デバイスと前記無線送信器との間で電気的に連通する昇圧デバイスをさらに備える、請求項１に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項９】
前記熱電デバイス、前記筐体、ならびに前記第１および第２の熱伝導層が、約０．２５ｃｍ〜１．０ｃｍ×０．２５ｃｍ〜５．０ｃｍ×５．０ｃｍ〜５．０ｃｍの立方体であるユニットを画定する、請求項２に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項１０】
前記ユニットが断熱層によって少なくとも部分的に取り囲まれる、請求項９に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項１１】
第１の主表面と第２の主表面との間に温度勾配が課されたときにゼーベック効果によって電気を生じさせる熱電デバイスと、
相変化材料を包囲する筐体であって、前記熱電デバイスの前記第１の主表面と熱的に連通するように配置された筐体と、
前記相変化材料への熱分布をより均一にするための前記筐体内の伝導フィンと
を備えるエネルギー取得デバイス。
【請求項１２】
前記筐体と前記熱電デバイスの前記第１の主表面との間に配置された第１の熱伝導層をさらに備える、請求項１１に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項１３】
前記熱電デバイスの前記第２の主表面と熱的に接触するように配置された第２の熱伝導層であって、温度変化を受ける媒体と熱的に接触するように配置することが可能な第２の熱伝導層をさらに備える、請求項１２に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項１４】
前記伝導フィンが、前記筐体内に収容された概ね螺旋状の伝導材料コイルである、請求項１１に記載のエネルギー取得デバイス。
【請求項１５】
前記伝導フィンが網目状の伝導材料ネットワークである、請求項１１に記載のエネルギー取得デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、熱電発電器を使用する発電に関し、より詳細には、熱電発電器および相変化材料を使用する発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー取得デバイスは、しばしば見過ごされている未開発のエネルギー源から電力を生成する。電気を変換するエネルギー源および方法の例には、光エネルギーを電気に変換する光起電デバイス、振動エネルギーを電気に変換するカンチレバー式の圧電ビーム、および熱の流れを電気に変換する熱電デバイスが含まれる。これらのエネルギー取得デバイスおよび方法は、様々な用途に適用することができる。
【０００３】
低出力の電子機器がますます普及してきたが、エネルギー取得デバイスおよび方法は、電池またはさらには電力配線を必要とすることなく電子デバイスに電力供給するのに有用な方法を提供する。多くの用途では、電気の配線は、設計および設置するコスト、ならびにその重量および後付けの困難さのために望ましくない。電池は、飛行機上では、たとえば交換が困難であるため、また一部の電池が環境または安全上の危険をもたらすために望ましくない。追加として、電池は、低温では十分に機能できないことがある。場合によっては、ときとして中程度の電力量を必要とする電子デバイスに、低出力のエネルギー取得デバイスを使用して電力供給することができる。これらの場合、エネルギー取得デバイスによって生成された電気エネルギーは、キャパシタまたは充電可能な電池内に蓄積される。
【０００４】
熱電発電器とは、１８２１年に発見されたゼーベック効果として知られている物理の法則を利用するデバイスである。銅と鉄など、異なる材料の２つの導体を端部でつなぎ合わせて２つの接合を形成し、一方の接合を他方の接合より高い温度で保持した場合、２つの接合間で電圧の差が生じる。様々な熱電発電器が市販されている。１つのそのようなモジュールは、Ｈｉ−Ｚ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからのＨＺ−２である。このモジュールの寸法は、１．１５インチ×１．１５インチ×０．２０インチであり、このモジュールは、１４×１４個の熱電要素のアレイを含む。
【発明の概要】
【０００５】
一態様では、第１の主表面と第２の主表面との間に温度勾配が課されたときにゼーベック効果によって電気を生じさせる熱電デバイスと、相変化材料を包囲する筐体であって、相変化材料と熱電デバイスの間を熱的に連通させるために熱電デバイスの第１の主表面と熱的に連通するように配置された筐体と、熱電デバイスに電気的に結合された無線送信器とを含むエネルギー取得デバイスが開示される。無線送信器は、信号を伝送することが可能である。
【０００６】
別の態様では、第１の主表面と第２の主表面との間に温度勾配が課されたときにゼーベック効果によって電気を生じさせる熱電デバイスと、相変化材料を包囲する筐体であって、熱電デバイスの第１の主表面と熱的に連通するように配置された筐体と、相変化材料内の熱分布をより均一にするための筐体内の伝導フィンとを含むエネルギー取得デバイスが開示される。
【０００７】
エネルギー取得デバイスに関して本明細書に開示する実施形態はいずれも、移動デバイスのうち、移動の結果として温度変化を受ける部分である基板に取り付けることができる。
【０００８】
論じてきた特徴、機能、および利点は、様々な実施形態で独立して実現することができ、またはさらなる他の実施形態で組み合わせることができる。これらの実施形態に関するさらなる詳細は、以下の図面および説明を参照するとわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】エネルギー取得デバイスの一実施形態の斜視図である。
【図２】エネルギー取得デバイスの別の実施形態の斜視図である。
【図３Ａ】デバイス内の固体状態の堆積を比較するエネルギー取得デバイスの１つの実施形態の平面図である。
【図３Ｂ】デバイス内の固体状態の堆積を比較するエネルギー取得デバイスの別の実施形態の平面図である。
【図４】図３の２つのデバイスの温度Ｔ２およびＴ２’の差を示すグラフである。
【図５Ａ】図３のエネルギー取得デバイスに対する熱回路図である。
【図５Ｂ】図３のエネルギー取得デバイスに対する熱回路図である。
【図５Ｃ】図３のエネルギー取得デバイスに対する熱回路図である。
【図６Ａ】対応する熱回路図を含むエネルギー取得デバイスの一実施形態の平面図である。
【図６Ｂ】対応する熱回路図を含むエネルギー取得デバイスの一実施形態の平面図である。
【図７】エネルギー取得デバイスの代替実施形態の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下の詳細な説明は、本発明の一般原則を示し、追加として、これらの原則の例を添付の図面に示す。図面では、同じ参照番号は、同一または機能的に類似の要素を指す。
【００１１】
図１〜３をまず参照すると、例示的なエネルギー取得デバイスについて、全体として、フィン１６が存在するときは参照番号１０で示し、フィンがないときは１０’で示す。エネルギー取得デバイス１０、１０’は、温度の差または勾配から電力を生成するように適合される。これを実現するために、エネルギー取得デバイス１０、１０’は、主表面４０、４２の少なくとも１つを温度変化に露出させることによって第１の主表面４０と第２の主表面４２の間に温度勾配が課されたとき（図３参照）に熱電効果によって電気を生じさせる熱電デバイス２０を含む。本明細書では、「熱電効果」という用語は、ゼーベック効果、ペルティエ効果、および多くの教科書ではペルティエ−ゼーベック効果と呼ばれるトムソン効果を包含する。
【００１２】
熱電デバイス２０が露出される温度変化は、熱電デバイス２０が熱伝導的に取り付けられた基板２４の移動の結果として得ることができる。一実施形態では、基板２４は、航空機などの移動車両の一部とすることができる。基板２４は、離陸、飛行、および／または着陸中に温度変化を受ける航空機の壁とすることができる。通常、航空機の壁は、内部パネルと、航空機の外郭と、内部パネルと航空機の外郭の間の壁空間とを含む。エネルギー取得デバイス１０は、これらの層のいずれか１つに熱伝導的に取り付けることができる。
【００１３】
航空機は、地上の周囲空気の温度から飛行中の約−２８℃までの温度変化を受けることがある。温度変化はまた、地上動作中または航空機の駐機中、航空機の構造上の他の構成要素、たとえばそれだけに限定されるものではないが、油圧配管（通常、約２０°Ｆから周囲温度を上回る約２００°Ｆまでの温度）、エンジン、ＰＡＣ抽気ダクト（通常、約４９０°Ｆの温度）でも存在することがある。これらの温度変化はいずれも、デバイスの構造に対して選択された材料が、そのような温度で劣化、反応、または故障しない限り、エネルギー取得デバイス１０、１０’によって利用することができる。デバイス１０、１０’はまた、何らかのよくある中域の温度で相変化の遷移中にエネルギーを取得できるようにするべきである。
【００１４】
エネルギー取得デバイス１０を取り付けることができる移動車両の一例として航空機を使用したが、「移動車両」はそれだけに限定されるものではない。移動車両は、船舶、潜水艦、自動車、列車、発射物、気球、動物、または宇宙船とすることができる。
【００１５】
図１〜２に示すエネルギー取得デバイス１０は、熱電デバイス２０の第１の主表面４０と熱的に接触するように配置された第１の熱伝導層１８と、熱電デバイス２０の反対側で第１の熱伝導層１８と熱的に接触するように配置された筐体１２とを含む。筐体１２は、相変化材料（ＰＣＭ）１４を包囲する。この構造により、相変化材料と熱電デバイスの間を熱的に連通させることができ、したがって電力を生成することができる。エネルギー取得デバイス１０内では、筐体１２内にフィン１６が存在し、ＰＣＭ１４と接触する。エネルギー取得デバイス１０は、図６に示すように筐体１２およびＴＥＧ２０を取り囲む断熱材２２を含むことができる。断熱材２２は、周囲の空気を通じた熱損失を最小にし、相変化および発電の持続時間を最大にするため、有利である。一実施形態では、図１に示すように、エネルギー取得デバイス１０は、昇圧デバイス２６および／または信号を伝送することが可能な無線送信器３０に電気的に結合することができる。エネルギー取得デバイス１０、１０’の様々な構成要素それぞれについて、以下でより詳細に論じる。
【００１６】
熱電デバイス２０は、Ｈｉ−Ｚ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ．、ＥｎＯｃｅａｎ  ＧｍｂＨ、および／またはＭｉｃｒｏｐｅｌｔ  ＧｍｂＨから入手可能な熱電発電器などの任意の周知および／または市販のデバイスとすることができる。一実施形態では、熱電デバイス２０は、アルミナセラミック材料上にＢｉＳｎ接合を含むことができる。エネルギー取得デバイス１０、１０’の一態様は、デバイスを小型化するためのものである。したがって、熱電デバイス２０は可能な限り小さく、最大でも約２．５ｍｍ×３．３ｍｍ×１．１ｍｍとすることができる。別の実施形態では、熱電デバイス２０は、最大でも約３．４ｃｍ×３．０ｃｍ×１．０ｃｍとすることができる。
【００１７】
熱電デバイス２０と、その２つの主表面４０、４２が接触する表面との間の熱伝導性を高めるために、熱電デバイス２０に接して熱伝導層１８、１８’が存在することができる。図１〜２に示すように、第１の熱伝導層１８は、熱電デバイス２０とＰＣＭ１４の筐体１２の間に存在することができ、第２の熱伝導層１８’は、基板２４と熱電デバイス２０の間に存在することができる。第１の熱伝導層１８および第２の熱伝導層１８’は、高い熱伝導性、良好なギャップフィル能力、良好な誘電特性、低い接触応力、および長期間の信頼性を有する材料層とすることができる。一実施形態では、熱伝導層１８、１８’は、３Ｍおよび／またはＬａｉｒｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能なものなどの熱伝導界面パッドとすることができる。パッドは、厚さ約０．５ｍｍ〜７ｍｍとすることができる。一実施形態では、パッドは、厚さ約１ｍｍ〜約５ｍｍである。別の実施形態では、熱伝導層１８、１８’は、Ｌａｉｒｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手可能なものなど、動作温度で軟化してわずかな間隙を充填する相変化熱界面材料、または接合表面内の不規則性と共形となる熱伝導グリースなどの熱界面材料とすることができる。別の実施形態では、第１の熱伝導層１８および第２の熱伝導層１８’は、Ａｒｃｔｉｃ  Ｓｉｌｖｅｒから入手可能なものなどの熱化合物または熱接着剤とすることができる。
【００１８】
図１〜２をさらに参照すると、筐体１２は、任意の熱伝導材料から構築することができる。筐体１２はまた、相変化が生じるときのＰＣＭの体積の頻繁な変化に持ちこたえ、ＰＣＭが壁を通過するのを制限し（したがって材料は枯渇しないが、材料が吸湿性である場合は流出する）、また漏れおよび腐食に耐えるのに十分な耐久性を有するべきである。適した熱伝導材料には、それだけに限定されるものではないが、金属、金属含浸プラスチック、および熱伝導性の炭素が含まれる。一実施形態では、筐体１２は、銅またはステンレス鋼とすることができる。別の実施形態では、筐体１２は、ポリプロピレンもしくはポリオレフィンポリマーとすることができ、またはこれらを含むことができる。
【００１９】
図３を次に参照すると、別の実施形態では、筐体のうち、熱電デバイス２０と熱的に接触する面４４だけを熱伝導材料から構築することができ、他の面はすべて熱伝導材料から構築されない。したがって、これらの他の面は、以下により詳細に論じるように、断熱材２２として働くことができる。側面４４は、熱電デバイス２０と熱的に連通しており、熱電デバイス２０の寸法を整合させてその間の熱伝導性を最大にするように寸法設定および／または成形されることが好ましい。筐体１２は、いかなる特定の形状または寸法にも限定されるものではない。一実施形態では、筐体１２は、図１〜３に示すように立方体とすることができる。
【００２０】
図６に示す代替実施形態では、図６で全体を６０で示すエネルギー取得デバイスは、ＰＣＭ１４を収納するための伝導性の連続気泡発泡体６２とすることができ、または発泡体６２を含むことができる筐体１２と、筐体１２の側面４４を除いて筐体１２を取り囲む断熱材２２とを含む。筐体１２は第１の熱伝導層１８に接触し、第１の熱伝導層１８は熱電デバイス２０の第１の主表面４０と熱的に接触し、熱電デバイス２０は第２の主表面４２を有し、第２の主表面４２は第２の熱伝導層１８’と熱的に接触し、第２の熱伝導層１８’は、大気４６に露出できる基板２４と熱的に接触する。ＰＣＭ１４は、発泡体６２の気泡内に収容することができ、封止剤、筐体１２、または他の包囲手段によってその中に封止することができる。この実施形態では、発泡体６２は、熱電デバイス２０の寸法を整合させてその間の熱伝導性を最大にするように寸法設定および／または成形することができる。発泡体の筐体は、上述の筐体１２と同様に成形することができ、筐体１２内の空胴を実質上充填して、発泡体６２、ＰＣＭ１４、および熱電デバイス２０の間の熱的連通を最大にすることができる。発泡体６２はまた、筐体１２のうち、熱電発電器２０と熱的に接触する面に、はんだ付け、溶接、蝋付け、接合、または他の方法でつなぎ合わせて、発泡体６２とこの面の間の効率的な熱伝達を促進させることができる。
【００２１】
図６はまた、エネルギー取得デバイス６０に対する熱回路図６４を含む。この図は、ＰＣＭ１４と大気４６の間に位置決めされた各構成要素の抵抗を示す。大気４６は、基板２４に対する温度変化を提供している。この図では、ＰＣＭ１４は水であり、Ｔｗａｔｅｒと呼ばれる温度を有する。大気は、Ｔａｔｍｏｓｐｈｅｒｅと呼ばれる温度を有する。
【００２２】
一実施形態では、伝導性の連続気泡発泡体は炭素発泡体である。炭素発泡体は、グラフェン発泡体とすることができる。１つの例示的な市販の発泡体は、ＧｏｌｕｂｉｃＴＡ＠ｋｏｐｐｅｒｓ．ｃｏｍでＴｈｏｍａｓ  Ｇｏｌｕｂｉｃから入手可能なＫＦＯＡＭという炭素発泡体である。ＫＦＯＡＭは、アルミニウムと同様に、１００Ｗ／ｍ・Ｋを超える高い熱伝導性のために高次グラファイト膜を有するが、密度は５分の１（０．３５〜０．６０ｇ／ｃｃの密度範囲）であり、熱膨張係数はシリコンに近い。この炭素発泡体の開孔率は、約７５〜８０パーセントである。ＫＦＯＡＭは、３．５ＭＰａの圧縮強度を有し、単独の材料として実行することができ、または特性を高めるために他の材料に接合される。炭素発泡体はまた、全体にわたって密度が均一であり、その結果、より一貫した機械加工が得られ、廃棄物がより少なくなる。したがって、ＫＦＯＡＭは、様々な形状および構成に容易に切断することができる。
【００２３】
筐体１２は、約１マイクロリットル〜最高約１０００ｍｌ、より具体的には１／２ミリリットル〜約２０ｍｌのＰＣＭ１４を収納できるようにすることができるが、それだけに限定されるものではない。一実施形態では、筐体は、最高約２ｍｌのＰＣＭ１４を収納することができる。
【００２４】
筐体１２内には、図１〜３に示すように、ＰＣＭ１４と熱的に連通するフィン１６を含むことができる。フィン１６は、ＰＣＭ１４全体にわたって温度をより均一にするために、筐体１２内に様々な構成で位置決めすることができる。図３〜５を参照して説明するように、温度をより均一にすることで、優れたエネルギー取得性能のために電圧がより高くなる。
【００２５】
図３は、フィンをもたないエネルギー取得デバイス１０’と、フィンをもつエネルギー取得デバイス１０を並べて示し、どちらも氷点を上回る定常状態の条件にある時点のものである。図３に示すように、コンテナ１２内には、熱電発電器（ＴＥＧ）などの熱電デバイス２０の片側と熱的に接触するように相変化材料１４（たとえば、水）が収容される。ＴＥＧ２０の反対側は、航空機の構造または構成要素が受けるものなどの温度の変動に露出された基板２４と熱的に接触する。
【００２６】
ここでは例として、基板２４は、飛行機構造の一部である。基板の温度は、様々な温度の大気の一部分に露出されると変化する。たとえば、飛行機が、ある高度から実質上異なる高度へ上昇すると、構造は、大気の異なる部分に露出される。これらの部分は通常、より高い高度でより冷たく、より低い高度でより温かい。したがって、構造の温度は、実質上変動する。構造の温度は、たとえば、飛行機が空港に位置しているときの５０°Ｆから、巡航高度まで上昇した後の−２５°Ｆまで変動することがある。
【００２７】
この例では、熱は、水１４からコンテナ１２、ＴＥＧ２０、および基板２４を通って大気４６中へ伝達する。水１４からの熱エネルギーのこの損失は、最終的に水を氷点まで下げ、氷点で水は相変化し、次いで基板の温度に近い温度（たとえば、この例では−２５°Ｆ）まで引き続き低下する。
【００２８】
図３は、２つのエネルギー取得デバイス１０、１０’内の当該温度を定義する。温度Ｔ１およびＴ１’は、基板２４とＴＥＧ２０の間の表面界面の温度である。Ｔ２およびＴ２’は、ＴＥＧ２０とコンテナ１２の間の表面界面の温度である。この例では、エネルギー取得デバイス１０内のフィン１６は非常に薄く、水１４の量をほとんど変位させないものとする。したがって、２つのデバイス１０、１０’の体積および質量は、非常によく類似している。
【００２９】
図４は、これらの温度Ｔ１、Ｔ１’、Ｔ２、Ｔ２’が通常、上述の飛行機の上昇進路全体にわたってどのように変動するかをグラフで示す。飛行機が大気中を上昇するにつれて、構造の温度は急速に下落し、最終的には、氷点をかなり下回ってほぼ定常状態の温度（この例では、−２５°Ｆ）に到達する。これを、曲線Ｔ１およびＴ１’で示す。曲線Ｔ１およびＴ１’は、実質上類似している。温度Ｔ２およびＴ２’もまた、急速に下落し始めるが、熱が水１４からＴＥＧ２０を通って構造内へ伝導するため、ある程度の遅延時間が生じる。しかし、−３２°Ｆの氷点に到達すると、これらの温度は、水が一期間にわたって過冷却される可能性に耐えるのではなく、相変化の始まりで安定する。
【００３０】
この相変化の始まりは、２つのデバイス１０、１０’が異なり始める箇所である。デバイス１０’内の水は、最も冷たい表面から第１に凝固し始める。この表面は、熱がより著しく失われる表面であるため、ＴＥＧ２０に最も近い表面である。氷がこの表面上に堆積すると、固体の氷は、その厚さｘ’内で温度勾配を支持することが可能であり、液体／固体界面の表面は氷点（−３２°Ｆ）であり、発電器に最も近い表面はこのとき、氷点を下回る何らかの温度である。したがって、デバイス１０’のＴＥＧ２０の両端の温度勾配（ΔＴ’＝Ｔ２’−Ｔ１’）は、低下し始める。
【００３１】
デバイス１０では、内部のフィン１６は、相変化材料１４内でより深く熱を引き寄せることができる。したがって、ＰＣＭの固相（この例では、氷）の堆積は、フィン１６のより大きい表面積にわたって広がり、デバイス１０’内の氷の厚さｘ’より実質上薄い厚さｘになる。デバイス１０のより薄い氷の堆積は、より小さい温度勾配を支持し、したがってＴＥＧ２０の表面で、温度Ｔ２をＴ２’より高くすることができる。デバイス１０内でこうして温度がより高いことで、デバイス１０のＴＥＧ２０の両端の温度勾配がより高くなる（ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１＞ΔＴ’＝Ｔ２’−Ｔ１’）。図４に示すように、時点ｔ１で、温度Ｔ２はＴ１より高い。
【００３２】
ＴＥＧ２０は、その表面の両端の温度勾配に比例する電圧を提供する。したがって、デバイス１０内の電圧は、デバイス１０’内の電圧より高く、したがって優れた性能を提供する。
【００３３】
エネルギー取得デバイス１０には、図５の熱回路図５０および以下の等式（１）で示すように、デバイス１０’に勝る追加の熱的な利点がある。
【数１】
2012129519.tif 000003
Ｔ３、Ｔ３’＝３２°Ｆ、Ｔ１、Ｔ１’＝−２５°Ｆとし、またＲｃｏｎｔａｉｎｅｒとＲＴＥＧがどちらも設計上同じであるものとすると、Ｒｉｃｅは、Ｔ２およびＴ２’の温度を左右する唯一の変数である。Ｒｉｃｅが厚さｘに比例するため、関係式
【数２】
2012129519.tif 000004
とすると、デバイス１０はＴＥＧの両端で、デバイス１０’より高い温度勾配を生じさせることが明らかである。図１〜２に示すフィン１６は、単一の概ね螺旋状の伝導材料コイルとすることができる。別の実施形態では、フィン１６は、複数の螺旋状の伝導材料コイルを含むことができる。代替実施形態では、図３に示すように、フィン１６は、筐体１２の少なくとも一部分を横切って延びる複数の伝導材料フィンガとすることができる。他のフィン構成も可能であること、そして本発明はこれらの特有の構成に限定されるものではないことが、当業者には理解されるであろう。
【００３４】
フィン１６は、筐体１２と同じ伝導材料もしくは異なる伝導材料とすることができ、またはこれらを含むことができる。一実施形態では、フィン１６は、ＰＣＭ１４と熱的に接触するためにより大きい表面積を提供する構造のものとすることができる。一実施形態では、フィン１６は、図６のエネルギー取得デバイス６０に示すように、伝導性の連続気泡発泡体６２とすることができる。伝導性の連続気泡発泡体の一例は、上述のものなどの炭素発泡体である。別の実施形態では、フィン１６は、図７のエネルギー取得デバイス７０に示すように、伝導性の網７２とすることができる。エネルギー取得デバイス７０は、図１〜３に関して上述した他の構成要素を収容する。伝導性の網は、機械加工、エッチング、成型、もしくは他の周知の技法によって伝導材料に形成された伝導材料のネットワークとすることができ、またはこの網は、付加的な製造技法を使用して筐体１２内に形成されたマイクロトラスとすることができる。
【００３５】
エネルギー取得デバイス１０の筐体１２内に収納されてフィン１６と接触する相変化材料１４は、基板２４が受ける温度変化に適した任意の相変化材料とすることができる。一実施形態では、エネルギー取得デバイス１０内に存在するＰＣＭ１４は、移動車両の所期の使用中に基板２４が受ける熱サイクルの中域の温度に反応するものである。ＰＣＭ１４によって提供される利点は、表面温度の変動中にＴＥＧの両端で温度差が生じる時間を延ばして、取得される熱電エネルギーの量を増大させることである。一実施形態では、ＰＣＭ１４は、液体から固体へ、また固体から液体へ遷移する。
【００３６】
水は、ＰＣＭの一例である。水は、水から氷へ相変化するために、３３４ジュール／グラム放出する必要があり、逆に、再び氷から水へ変化するために、３３４ジュール／グラム吸収する必要がある。一実施形態では、別のＰＣＭを水と混合することができる。
【００３７】
他の適したＰＣＭには、それだけに限定されるものではないが、ラウリン酸、トリメチロールエタン（水の約３７重量％）、ヘプタノン−４、ｎ−ウンデカン、ＴＥＡ−１６、エチレングリコール、ｎドデカン、サーマソーブ４３、サーマソーブ６５、リン酸水素ナトリウム、サーマソーブ１７５＋、およびサーマソーブ２１５＋などの有機ＰＣＭ、ならびにそれだけに限定されるものではないがＭｎ（ＮＯ３）２・６ＨＯＨ＋ＭｎＣｌ２・４ＨＯＨ、ケイ酸ナトリウム、亜鉛、アルミニウムなどの無機ＰＣＭが含まれる。ＰＣＭはまた、２元および３元共晶系を含む金属ＰＣＭとすることができる。いくつかの例示的な金属ＰＣＭを、以下の表１に示す。
【表１】
2012129519.tif 000005
【００３８】
エネルギー取得デバイス１０、１０’内のＴＥＧ２０は通常、比較的低い電圧を生じさせるため、エネルギー取得デバイス１０、１０’に昇圧回路２６を電気的に結合させて、選択された末端デバイスの電気負荷に有用な電圧を生じさせることができる。たとえば、実験によれば、上述のエネルギー取得デバイス１０、１０’で使用される典型的なＴＥＧは、０．５Ｖ程度の開回路を生じさせる。昇圧回路２６は、この電圧を４．５Ｖ程度まで上昇させることができる。４．５Ｖは、小さい電池、または無線センサノードの一部であるキャパシタを充電するのに十分である。昇圧回路の効率は、入力電圧に関係することが多く（他はすべて等しい）、したがって、図３および５のデバイス１０はこの場合も、この回路を通じて総出力を生じさせるのに、デバイス１０’より優れている（Ｐｄｅｖｉｃｅ  １０＞Ｐｄｅｖｉｃｅ  １０’）。昇圧回路２６は、ＥｎＯｃｅａｎ  ＧｍｂＨから入手可能なＥｎＯｃｅａｎ（登録商標）という昇圧器などの市販の昇圧器とすることができる。
【００３９】
ＴＥＧ２０の両端で温度勾配がより高い結果、エネルギー取得デバイス１０によって生じる電圧が増大する。したがって、伝導フィン（複数可）、任意選択で昇圧回路の存在は、ＴＥＧ２０によって生成される全体的なエネルギーを約２０〜約４０％増大させる。
【００４０】
一実施形態では、昇圧回路２６は、無線送信器３０に電気的に結合することができる。無線送信器は、昇圧回路２６からのエネルギーを蓄積するために、キャパシタなどのエネルギー蓄積デバイス３２を含むことができる。元はエネルギー取得デバイス１０、１０’からきた無線送信器３０内に蓄積されるエネルギーは、信号３８を送るように無線送信器からの複数の伝送をトリガするのに十分なものとすることができる。
【００４１】
無線送信器３０の代わりに、独立したエネルギー蓄積デバイス（図示せず）を熱電デバイス２０に電気的に接続して、熱電デバイス２０からの電力を受け取り、かつ／または蓄積することもできる。蓄積された電力は、暗くなってきた窓またはセンサなどの様々な電気デバイスに電力供給するために使用することができる。別の実施形態では、熱電デバイス２０または昇圧回路２６を、通常は配線を通じて、電気デバイスに直接接続し、その電気デバイスに電力供給することもできる。典型的な用途では、エネルギー取得デバイス１０は、選択された１つまたは複数の電気デバイスへの十分な電力供給を確保するために、移動デバイス上の複数の位置（たとえば、航空機の胴体全体）に提供される。
【００４２】
一実施形態では、エネルギー取得デバイス１０からの電力を最終的に受け取る電気デバイスはセンサである。このセンサは、無線センサとすることができ、したがって、無線送信器３０の存在が必要とされる。無線センサは、ワイアの追加または後付けが困難なはずの航空機の翼、尾部、または脚格納部で特に有用である。たとえば、エネルギー取得デバイス１０は、監視されるデバイスまで配線の長さを延ばす必要なくアクチュエータの位置または表面の温度を報告するための飛行試験または健康監視の用途によく適している。１回の飛行サイクルにつき５０ジュールという低さのエネルギーレベルは、最低出力の無線センサを保持するのに有用であろう。例示的なセンサは、１時間に一度、またはトリガ事象時に起動し、センサ変換器をサンプル化し、後の検索のために不揮発性メモリ内にデータをログするセンサとすることができる。
【００４３】
エネルギー取得デバイスおよび方法の特有の例示的な実施形態を参照することによって詳細に説明した本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲の範囲内である。開示した手法を利用して、エネルギー取得デバイスおよび方法の多数の他の修正および変更を加えることができることが企図される。つまり出願人は、本明細書による特許の範囲が、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定されるものとする。
【符号の説明】
【００４４】
１０  エネルギー取得デバイス
１０’  エネルギー取得デバイス
１２  筐体
１４  相変化材料（ＰＣＭ）、水
１６  フィン
１８  第１の熱伝導層
１８’  第２の熱伝導層
２０  熱電デバイス、ＴＥＧ
２２  断熱材
２４  基板
２６  昇圧デバイス、昇圧回路
３０  無線送信器
３２  エネルギー蓄積デバイス
３８  信号
４０  第１の主表面
４２  第２の主表面
４４  側面
４６  大気
６０  エネルギー取得デバイス
６２  伝導性の連続気泡発泡体
７０  エネルギー取得デバイス
７２  伝導性の網
ｔ１  時点
Ｔ１  温度
Ｔ１’  温度
Ｔ２  温度
Ｔ２’  温度
ｘ  厚さ
ｘ’  厚さ
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【外国語明細書】
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2012129519000002.pdf
2012129519000003.pdf
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