(57)【要約】再充電可能充電器が提供され、グラフェン又はグラフェン含有材料の１つ又は複数のシートを有するスーパーキャパシタと、定格１００Ｖ以上の交流電源からスーパーキャパシタに対して最大４０Ａを出力するように構成された電力モジュールと、スーパーキャパシタから電池式電気機器に接続するための出力ポートへと直流電力を送出するように構成された出力変換器と、充電器自体の各種機能の自動制御及び／又はスーパーキャパシタからの可変出力の管理及び調整を行うように構成された制御モジュールとを備えることを特徴とする。上記充電器は、スマートフォン、タブレット、ラップトップ又は類似のハンドヘルド若しくは着用品目などの携帯型電気機器を再充電するのに特に有用である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
グラフェン又はグラフェン含有材料の１つ又は複数のシートを有するスーパーキャパシタと、
定格１００Ｖ以上の交流電源から前記スーパーキャパシタに対して最大４０Ａを出力するように構成された電力モジュールと、
前記スーパーキャパシタから電池式電気機器に接続するための出力ポートへと直流電力を送出するように構成された出力変換器と、
充電器自体の各種機能の自動制御及び／又は前記スーパーキャパシタからの可変出力の管理及び調整を行うように構成された制御モジュールと
を備えることを特徴とする、再充電可能充電器。
【請求項２】
前記制御モジュールは、前記スーパーキャパシタが既に充電されている程度を検出し、その後、充電率を１００％に戻すように構成された、少なくとも１つの充電回路を備えることを特徴とする、請求項１に記載の再充電可能充電器。
【請求項３】
前記制御モジュールが、前記スーパーキャパシタから帰還電圧又は電流を受け取ることを特徴とする、請求項２に記載の再充電可能充電器。
【請求項４】
前記制御モジュールが、前記充電回路（複数可）に戻る、前記スーパーキャパシタのリーク又は危険な放電を防止するための手段を備えることを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の再充電可能充電器。
【請求項５】
前記制御モジュールと接続され又は一体化している電圧センサ及び熱センサを備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の再充電可能充電器。
【請求項６】
前記電気機器の充電以外による、前記スーパーキャパシタを放電させるためのユーザー操作手段を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の再充電可能充電器。
【請求項７】
前記スーパーキャパシタが、最大１０００ｍＡｈの出力を少なくとも１５分間送出できることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の再充電可能充電器。
【請求項８】
前記スーパーキャパシタが、導電性材料のシート上にグラフェン含有材料の層をそれぞれ備える少なくとも２個の電極と、それらの間に挟まれ、１００℃以下の融点を有するイオン性液体を含浸させたポリマー膜とを具備することを特徴とする、請求項１に記載の再充電可能充電器。
【請求項９】
前記イオン性液体が、アルキル若しくは置換アルキルピリジニウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、チアゾリウム、オキサゾリウム又はトリアゾリウムのカチオンの低融点塩から選択されることを特徴とする、請求項８に記載の再充電可能充電器。
【請求項１０】
前記カチオンが、Ｃ１〜Ｃ４アルキル置換イミダゾリウム、ピペリジニウム又はピロリジニウムのカチオンから選択されることを特徴とする、請求項８又は請求項９に記載の再充電可能充電器。
【請求項１１】
前記カチオンの対アニオンが、ヘキサフルオロホスフェート、ジシアナミド、ビス（フルオロスルホニル）イミド、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド又はビス（ペルフルオロＣ２〜Ｃ４アルキルスルホニル）イミドから選択されることを特徴とする、請求項８、請求項９又は請求項１０に記載の再充電可能充電器。
【請求項１２】
取り付けた前記電気機器を、５〜３０分で少なくとも２０％まで充電できることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の再充電可能充電器。
【請求項１３】
前記電源及び前記出力変換器が、前記スーパーキャパシタ（複数可）の差し込み及び取り外しができるハウジングも備えるケーシングに恒常的に配置されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の再充電可能充電器。
【請求項１４】
前記電源が、家庭又は商業用環状配電系統から交流電力を受け取るように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の再充電可能充電器。
【請求項１５】
２．７〜７Ｖの範囲の電圧で動作できることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の再充電可能充電器。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の複数の再充電可能充電器を備えることを特徴とする、再充電可能充電器アレイ。
【請求項１７】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の再充電可能充電器を差し込んで接続するように構成された間隙を備えることを特徴とする、携帯型電子機器。
【請求項１８】
前記再充電可能充電器の前記制御モジュールが、携帯型電子機器自体の制御モジュールと一体となっている、請求項１７に記載の携帯型電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電話、タブレット、ラップトップ等の携帯型電子機器で使用するための再充電可能充電器に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの先進国において、それらの１６歳より上の人口の９０％超が携帯電話を使用していると概算されるという事実によって示されるように、携帯型電子機器は、現在、社会の至るところに存在している。そのような機器に電力を供給する蓄電池の技術開発は、長年かけて、そのような機器がより長時間使用できるようになっていることを意味しているが、多くの課題が依然として残っている。上記の課題は、（１）電池が古くなるに従い、より頻繁に機器を再充電する必要、及び（２）必然的に電池をより速く消耗させる、現代的ソフトウェアの運用により生じる電力の必要を含む。結果として、現在の大部分のユーザーは、以前よりも頻繁に機器を再充電する必要があると考えるようになっている。
【０００３】
このことが次に、現在使用されている最新のリチウムイオン電池は従来の環状配電系統にプラグ接続したとき再充電に時間、典型的には数時間かかるという、技術的問題につながっている。上記のことは、多数の人々が空港、カフェ、会議センター等で壁埋込み式コンセントを使用するために待っていることから明らかであるように、旅行者にとって特に不便である。従って、旅行者は、電池を安全に再充電でき、それ自体が高速再充電可能である、信頼性の高い携帯型充電器を持つことが有用だろう。そのような多くの機器が市場にあるが、それらの機器は非常にかさばること、及び／又は、それ自体の再充電には依然として時間がかかることがある。
【発明の概要】
【０００４】
より高速な再充電を達成するための１つのアプローチは、大きな電荷を蓄積でき高速な充放電が可能であるスーパーキャパシタを組み込んだ充電器を使用することである。しかし、スーパーキャパシタの蓄積電荷密度は小さいままであり、二重巻きアルミニウム箔シートから作製される従来のスーパーキャパシタは、平均的スマートフォンを充電するのに、小さな飲料缶のサイズ及び約５００ｇの重さを有する必要があると概算されている。このことは、持ち運んで機器に接続することを実行不可能にしている。
【０００５】
従って、本発明の１つの目的は、それ自体高速に再充電され、その後、携帯型電子機器を高速に再充電できる充電器を提供することであり、別の目的は、持ち運びするのに十分軽量であり小型である機器を提供することである。
【０００６】
本発明者等は以前に、任意のタイプの携帯電話又はタブレットを充電する一般的ＵＳＢポートを備えた、定格１５００ｍＡｈのグラフェンスーパーキャパシタ充電器を販売するという当方の意向に、フェイスブック上の注目を引きつけた。しかし、上記の一般的な開示では、以下で請求されている設計、特に、使用される制御モジュールの性質についての教示はない。
【０００７】
キャパシタの構造におけるグラフェンの使用は、国際公開第２０１３１８０６６１号、中国特許第１０４２２９７８０号、米国特許出願公開第２０１２／１７０１７１号、韓国特許第２０１４００９４３４６号、中国特許第１０４０６４３６４号、米国特許出願公開第２０１４／１２７５８４号、米国特許出願公開第２０１２／０４５６８８号及び米国特許第８５０３１６１号に開示されている。
【０００８】
米国特許出願公開第２０１４／０３２１０２７号は、金属箔上に配置された厚さ１００ｎｍ未満の金属酸化物層にカーボンナノチューブを付着させたウルトラキャパシタを備える、携帯機器用再充電可能電源を開示している。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態に係る充電器の模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る充電器のブロック回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
従って、本発明に従い、
グラフェン又はグラフェン含有材料の１つ又は複数のシートを有するスーパーキャパシタと、
定格１００Ｖ以上の交流電源からスーパーキャパシタに対して最大４０Ａを供給するように構成された電力モジュールと、
スーパーキャパシタから電池式電気機器に接続するための出力ポートへと直流電力を送出するように構成された出力変換器と、
充電器自体の各種機能の自動制御及び／又はスーパーキャパシタからの可変出力の管理及び調整を行うように構成された制御モジュールと
を備えることを特徴とする、再充電可能充電器が提供される。
【００１１】
制御モジュールは、例えば、制御モジュールの各種機能の一部又は全部を自動的に制御し、スーパーキャパシタからの可変出力を管理し調整するための、マイクロプロセッサ及び／又はスイッチングデバイスを備えることが好ましい。
【００１２】
スーパーキャパシタ自体は、少なくとも１０００Ｆ（ファラッド）、好ましくは２０００Ｆ、最も好ましくは３０００Ｆ以上の静電容量を蓄積し、単独で又は組み合わせて少なくとも１０００ｍＡｈの出力を、少なくとも１５分間、例えば１５〜６０分間、或いは６０分間以上送出できるものであるべきことが好適である。スーパーキャパシタはまた、少なくとも２．５Ｖ、例えば２．７〜７Ｖ、３〜７Ｖ、或いは更には７Ｖ超の範囲の電圧で動作できるべきである。スーパーキャパシタは、充電器が接続された電気機器を、その容量の少なくとも２０％、例えば２０％〜５０％、或いは５０％〜１００％まで充電できるべきである。充電時間は、リチウム電池により許容される最大充電速度及び／又は機器の入力ポートの容量に依存するであろう。しかし、充電器は、５〜３０分で２０％まで機器を充電できるべきである。
【００１３】
本明細書で用いられているスーパーキャパシタは、グラフェン又はグラフェン含有材料（軽量であり導電性が高いだけでなく高密度で電荷を蓄積できる材料）の１つ又は複数のシートから好適に作製される。一実施形態において、グラフェン含有材料は、グラフェンの複合シート及び／又は導電性マトリックス中に分散させた典型的に１μｍ未満、好ましくは１００ｎｍ未満のサイズの還元型酸化グラフェン粒子を含む。このような実施形態において、上記のナノ粒子は、２〜５０ｎｍの範囲のサイズのメソ細孔によるメソ多孔性を示すことが好ましい。別の実施形態において、グラフェン含有材料は、カーボンナノチューブ、活性炭、バックミンスターフラーレンを追加的に含有してもよく、及び／又はある程度の擬似容量挙動（ｐｓｅｕｄｏｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ  ｂｅｈａｖｉｏｕｒ）を最終スーパーキャパシタに付与できるナノ粒子材料、例えば、リチウムなどの金属又はニッケル、マンガン、ルテニウム、ビスマス、タングステン若しくはモリブデンを含む、２以上の酸化数を有する遷移金属の塩、水酸化物及び酸化物により、追加的にドープされていてもよい。更に別の実施形態において、グラフェン又はグラフェン含有材料のシートは、銅、ニッケル又はアルミニウムなどの導電性の金属の薄シート上に設置又は印刷されたグラフェン含有薄層として実現される。
【００１４】
好ましい一実施形態において、スーパーキャパシタは、二重層タイプであり、１００℃以下の融点を有するイオン性液体を含浸させたポリマー膜によって分離された、上記のようなグラフェン又はグラフェン含有材料によりコーティングされたアルミニウム箔をそれぞれ備えた、少なくとも２個の電極からなる。好ましい一実施形態において、このイオン性液体は、アルキル若しくは置換アルキルピリジニウム、ピリダジニウム、ピリミジニウム、ピラジニウム、イミダゾリウム、ピペリジニウム、ピロリジニウム、ピラゾリウム、チアゾリウム、オキサゾリウム又はトリアゾリウムのカチオンの低融点塩から選択される。このような場合、対アニオンは、大きく、多原子からなり、５０又は１００Åを超えるファンデルワールス体積を有することが好ましい（例えば、参照により組み込まれ本発明の範囲に含まれることが意図されている例示的実施例を記載した、米国特許第５８２７６０２号を参照されたい）。一実施形態において、上記対アニオンは、例えば、ヘキサフルオロホスフェート、ジシアナミド、ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＦＳＩ）、ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（ＴＦＳＩ）又はビス（ペルフルオロＣ２〜Ｃ４アルキルスルホニル）イミド、例えばビス（ペルフルオロエチルスルホニル）イミドのアニオンから選択される。別の好ましい実施形態において、イオン性液体は、具体的に本明細書にて開示されていると考えられる、前述したカチオン及びアニオンの任意の順列による、上記アニオンのＣ１〜Ｃ４アルキル置換イミダゾリウム、ピペリジニウム（ｐｉｐｅｒｉｄｉｍｉｕｍ）又はピロリジニウムの塩から選択される。上記の塩に基づく具体的な非限定例としては、１−エチル−３−メチル−イミダゾリウム（ＥＭＩＭ）ビス（フルオロスルホニル）イミド；１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド；１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムビス（ペルフルオロエチルスルホニル）イミド；１−メチル−１−プロピルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）イミド；１−メチル−１−ブチルピロリジニウムビス（フルオロスルホニル）イミド；１−メチル−１−プロピルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド；１−メチル−１−ブチルピロリジニウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド；１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート；１−エチル−３−メチル−イミダゾリウムジシアナミド；１−メチル−１−プロピルピロリジニウムヘキサフルオロホスフェート；１−メチル−１−プロピルピロリジニウムジシアナミド；１−メチル−１−ブチルピロリジニウムヘキサフルオロホスフェート又は１−メチル−１−プロピルピロリジニウムジシアナミドが挙げられる。
【００１５】
一実施形態において、前述したスーパーキャパシタは、螺旋状に巻いてそれによりスペースを節約するのに十分な可撓性を有するフラットシート状複合材料として製造される。上記の実施形態において、コイル間の隙間に典型的に絶縁体が充填される。別の実施形態において、スーパーキャパシタは、電気コネクタのみが突出する密封パウチ内部に収容される。
【００１６】
電源は、家庭又は商業用環状配電系統などの、１１０Ｖ、２２０Ｖ、２３０Ｖ、２４０Ｖ又はその他の家庭用規格の定格を有する電源から交流電力を受け取るように好適に構成される。上記のユニットは、最適な電圧でスーパーキャパシタを充電することを可能にする変圧器を追加的に備えていてもよい。別の実施形態において、上記ユニットの構成部品のうち少なくとも１つはまた、グラフェン又はグラフェン含有材料を含んでいてもよい。
【００１７】
出力変換器は、１つ又は複数の標準出力ポートに対して直流電力を送出し、標準出力ポートから、従来型リード線などのコネクタ、例えば従来型ＵＳＢポート又は定格５Ｖの同様のコネクタにより、充電される電気機器の入力に対して直流電力を送出するように好適に構成される。別の実施形態において、出力変換器の構成部品のうち少なくとも１つはまた、グラフェン又はグラフェン含有材料を含んでいてもよい。
【００１８】
制御モジュールについては、スイッチ又はマイクロプロセッサによって制御されてもよい。一実施形態において、制御モジュールは、充電器にプラグが差し込まれたとき、スーパーキャパシタが既に充電されている程度を検出し、その後、充電率を１００％に戻すための電荷のみを供給するように構成された、少なくとも１つの充電回路を備える。好ましい一実施形態において、上記の動作は、スーパーキャパシタから帰還電圧又は電流を受け取る制御モジュールによって発生する。別の実施形態において、制御モジュールは、スーパーキャパシタの充電が完了したことをユーザーに知らせるために、例えば充電器の外部ケーシングの可聴警報又は照明灯表示器に接続される。更に別の実施形態において、制御モジュールは、充電器が充電中であるとき、又は充電が完了したとき、スーパーキャパシタによって関連機器にも電力を供給できるように、追加回路を備える。
【００１９】
制御モジュールは、更に任意選択で、充電回路（複数可）に戻るスーパーキャパシタのリーク又は危険な放電を防止するため、直列のダイオードを備えるか、一方向回路を備える。一実施形態において、制御モジュールは、完全に充電されたかプラグが抜かれたときスーパーキャパシタを隔離する手段を備える。制御モジュールはまた、電圧センサと熱センサの両方を備えることにより、これらの安全機能が自動で作動することを確保してもよい。最後に、一実施形態において、充電器は、緊急時に放電が必要になった場合又は旅行時の制約によりユーザーが放電を求められた場合に、機器の充電以外の手段を通じて（例えばレジスタ又は同等の電気回路構成要素を通じて）スーパーキャパシタを高速で放電させる手段を備えていてもよい。
【００２０】
本発明の別の態様において、充電器は、機械的に堅牢で耐衝撃性があり接地されているだけでなく、リード線又はハード接続などの取り外し可能なコネクタを使用して、充電される電気機器に接続可能である、ケーシング内部に配置された、軽量の携帯型単独品目として実現される。ケーシング自体は、プラスチック、繊維強化複合材料、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）、セラミック繊維、ガラス繊維及びガラスなどの任意の十分な絶縁材料で製造することができる。ケーシングは、適切に絶縁される場合、アルミニウム、鋼鉄等の材料で製造することもできる。更に別の実施形態において、充電器は、それ自体がモジュール式であり、それが使用できる携帯型電子機器のハウジング内の対応する間隙への取り付けと取り外しができる、若しくはそのようにされる、又はその外部表面へ着脱できる、若しくはそのようにされる。このような実施形態において、制御モジュールの機能の一部又は全部は、一体式のものであってもよく、電気機器自体の機能と共有されるものであってもよい。更に別の実施形態において、充電器は、非携帯型であり、むしろ、建造物の固定位置、例えば交流電力の電源に隣接した壁に、恒久的に取り付けられる。本実施形態の一様式において、本発明の充電器は、一般的な配置を持ち同一の交流電力電源及び／又は同一のスーパーキャパシタ（複数可）を共有する、２個又はそれ以上のそのような充電器素子のアレイとして実現される。このような実施形態では、どの素子が使用可能な状態にあるか又はアレイのユーザーがどの素子を選択することが望ましいかを特定するための手段が、アレイの各素子に関連付けられていてもよい。別の実施形態において、上記のアレイは、関連素子の作動が料金の支払いに付随するようにシステムにリンクされてもよい。そのようなアレイは、空港、駅、会議センター、ホテル、レストラン、カフェ、ショッピングセンター等の、人々が長い時間を過ごすことが予想され得る公共スペース内の場所に特に好適である。
【００２１】
充電器の単独形式の一実施形態において、電源及び出力変換器は、スーパーキャパシタ（複数可）の差し込み及び取り外しが可能な間隙をも備えるケーシングに好適に恒常的に配置される。このことは、故障又はリーク時にスーパーキャパシタ（複数可）が容易に充電されることを可能にする。
【００２２】
充電器は、廃棄電気構成部品の処分に関するＥＵ指令ＥＣ２００２／９６又は世界のその他の司法権における同等の国家又は連邦法制に適合するように設計され製造されることが好適である。充電器はまた、関連する国家及び連邦製品安全法制、例えば欧州ではＥＣ２００１／９５に対応していることが好適である。
【００２３】
本発明の充電器は、当該技術分野において使用される他の材料及び構成部品、例えば、熱管理のための断熱材及び吸熱器と、補助的電気絶縁材と、スイッチと、充電の進捗をモニタするための照明灯、目盛板、メータ等（必要に応じて充電器と電気機器の両方）とを更に備える。
【００２４】
本発明の充電器は、コードレス電動工具（例えば、ドリル、ドライバー、サンダー等）及びコードレス家庭電化製品（真空掃除機等）、特に携帯型又は容易に運搬できる機器を含む、任意の電池式電気機器を再充電するために使用し得る。特に有用な実施形態において、本発明の充電器は、スマートフォン、ラジオ、ＣＤ及びＤＶＤプレーヤー、タブレット、ラップトップ又は類似のハンドヘルド若しくは着用品目などの個人用電気機器を再充電するように設計される。
【００２５】
次に、図１及び２を参照しながら本発明の充電器を例示するが、それらは本発明の範囲を制限するものと解釈すべきではない。
【００２６】
本発明に従う充電器を添付された図１に示す。本充電器は、変圧器（図示せず）を収容する電源４と、３個のスーパーキャパシタ６に対して充放電回路を取り付けた出力変換器５とを収容するケーシング１を備える。スーパーキャパシタはそれぞれ、間に挟まれたポリマー膜を有しイオン性液体ＥＭＩＭ  ＴＦＳＩを含浸させたグラフェン被覆アルミニウム箔電極、又は別の方法として２つのポリマーシート間に挟まれたグラフェンのシートを備える複合材料を螺旋状に巻いた２つのシートのいずれかを収容する、密封ポリマーパウチで構成される。２及び３は、ｉＰｈｏｎｅ（登録商標）又は類似の機器に見られるような３０ピンケーブル受口を備える。６から発生して受口３に向かい放電回路を通って流れる電流を調整するための制御モジュール７は、５と一体になっている。
【００２７】
図２も、本発明に従う充電器のブロック回路図を示している。ブロック回路図は、上記のタイプのスーパーキャパシタ、親システムに対する所要電力を管理するための電源管理用集積回路（ＰＭＩＣ）、低電力マイクロコントローラ、交流幹線及びＤＣ−ＤＣ出力変換器からの電力を供給する電圧調整器を含んでいる。図２には以下のものが示されている。
低電力ＭＣＵ（１０）；
ＰＭＩＣ（１１）；
スーパーキャパシタ（１２）；
ＡＣ／ＤＣ電源（１３）；
ＬＤＯ（１４）；
無帰還（Ｎｏ  ｒｅｔｕｒｎ）（１５）；
出力制御スイッチ（１６）；
出力電力（１７）；
通信及び制御（１８）；
ＤＣ−ＤＣ変換器（１９）；
レガシー電話機出力１（２０）；
ＤＣ−ＤＣ変換器（２１）；
タブレット／スマートフォン出力２（２２）；
ＤＣ−ＤＣ変換器（２３）；
ＱＩ充電ドック送電装置（２４）；及び
センシング及び制御（２５）。
【図１】
2018506248.tif 000003
【図２】
2018506248.tif 000004
【国際調査報告】
2018506248.tif 000005
2018506248.tif 000006
2018506248.tif 000007