ホーム > 特許ランキング > ＣＡＬＡＧＥＮ， ＩＮＣ．
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-03-22
(45)【発行日】2023-03-30
(54)【発明の名称】発振器駆動の熱電発電
(51)【国際特許分類】
H02N 11/00 20060101AFI20230323BHJP
【ＦＩ】
H02N11/00 A
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2020541337
(86)(22)【出願日】2018-09-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-12-10
(86)【国際出願番号】 US2018052048
(87)【国際公開番号】W WO2019070416
(87)【国際公開日】2019-04-11
【審査請求日】2021-08-26
(31)【優先権主張番号】62/568,244
(32)【優先日】2017-10-04
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520119714
【氏名又は名称】カラジェン インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＣＡＬＡＧＥＮ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100139491
【弁理士】
【氏名又は名称】河合 隆慶
(72)【発明者】
【氏名】デイビッド レジナルド カーバー
(72)【発明者】
【氏名】ショーン ウィリアム レイノルズ
(72)【発明者】
【氏名】ショーン クラウディウス ホール
【審査官】三澤 哲也
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１３－５２０９５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００７／０２５３２２７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１２８１４１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００７－１５９３１０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｎ １１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の電力を有する電気パルスの連続ストリームを生成するためのパルス発生器と、負荷と、
を含む回路と、
前記回路に結合された電気素子であって、前記回路によって電気エネルギーに変換される熱を受け取って、前記第１の電力よりも大きい第２の電力を前記負荷に印加するように構成される電気素子と
を備える装置であって、
前記回路は、前記電気素子と直列に接続された第１の発振器および第２の発振器をさらに備え、
前記第１の発振器は、前記電気パルスの立ち上がり電圧により、第１の周波数で発振し、
前記第２の発振器は、前記第１の周波数よりも大きい第２の周波数で発振する、装置。
【請求項2】
前記電気素子の少なくとも一部が、ヒートシンクに結合される、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
熱が、前記電気素子の少なくとも一部の長さにわたって熱勾配が存在するように、前記電気素子に印加される、請求項１又は２に記載の装置。
【請求項4】
前記電気素子が、１０ＡＷＧのゲージ、少なくとも３フィートの長さ、または非円筒形の形状のうちの１つ以上を有するワイヤを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項5】
前記パルス発生器によって生成された前記電気パルスの一部が、少なくとも１００ボルト／μｓの時間に対する電圧の変化を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
電気パルスを回路への入力として生成するステップであって、前記回路が負荷を含む第１の部分と、前記負荷へ接続される電気素子を備える第２の部分を含む、ステップと、前記電気素子内で熱を吸収するステップと、
前記吸収された熱を電気エネルギーに変換して、電気パルスの出力を増加させるステップと、
増加した電力を有する前記電気パルスを前記負荷に印加するステップと、
を含む方法であって、
前記回路の前記第１の部分は、前記電気素子と直列に接続された第１の発振器および第２の発振器をさらに含み、
前記第１の発振器は、前記電気パルスの立ち上がり電圧によって、第１の周波数で発振し、
前記第２の発振器は、前記第１の周波数よりも大きな第２の周波数で発振する、方法。
【請求項7】
前記電気素子の少なくとも一部が、ヒートシンクに結合される、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記ヒートシンクに前記熱を加えるステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項9】
前記電気素子に、前記電気素子の少なくとも一部の長さにわたって熱勾配が存在するように、前記熱を加えるステップをさらに含む、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は発電に関する。より具体的には、本発明は、発振器駆動の熱電発電に関する。
【背景技術】
【0002】
熱電発電機は、電気エネルギーを生成するために、回路の異なるノード間に形成される熱勾配に依存する。場合によっては、ノードは２つ以上の異なる材料を備えることができる。他の例では、ノードは単一の材料の一部である場合がある。
【発明の概要】
【0003】
以下の開示は、熱電発電の改善に関する。本明細書に開示される実施形態は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための方法および装置を提供する。
【0004】
１つの代表的な実施形態では、装置は、回路と、回路に結合された電気素子とを備えることができる。本回路は、第１の電力を有する電気パルスを生成するためのパルス発生器および負荷を含むことができる。電気素子は、本回路によって電気エネルギーに変換される熱を受け取って、第１の電力よりも大きい第２の電力を負荷に印加するように構成することができる。
【0005】
開示される実施形態のいずれにおいても、電気素子の少なくとも一部は、ヒートシンクに結合することができる。開示された実施形態のいずれにおいても、熱はヒートシンクに加えることができる。
【0006】
開示される実施形態のいずれにおいても、少なくとも電気素子の一部の長さに沿って熱勾配が存在するように熱を電気素子に加えることができる。開示された実施形態のいずれにおいても、電気素子は、電気素子を他の回路部品に結合する本回路内の導体よりも重いゲージ（すなわち、より広い直径）を有するワイヤを備えることができる。開示された実施形態のいずれにおいても、パルス発生器によって生成された電気パルスの一部は、少なくとも１００ボルト／秒の時間に対する電圧の変化を有することができる。
【0007】
開示される実施形態のいずれにおいても、本回路は、電気素子と直列に接続される発振器をさらに備えることができる。開示された実施形態のいずれにおいても、本回路は、電気素子と並列に接続された発振器をさらに備えることができる。
【0008】
開示される実施形態のいずれにおいても、本回路は、電気素子と直列に接続された第１の発振器および第２の発振器をさらに備えることができる。開示された実施形態のいずれにおいても、第１の発振器または第２の発振器の少なくとも一方は、ＬＣ回路とすることができる。
【0009】
開示される実施形態のいずれにおいても、電気パルスの立ち上がり電圧は、第１の発振器を第１の周波数で発振させ、第２の発振器を第１の周波数よりも高い第２の周波数で発振させることができる。開示された実施形態のいずれにおいても、本回路は、第２の発振器と直列に接続された誘導素子および／またはキャパシタのタップをさらに備えることができる。
【0010】
別の代表的な実施形態では、方法は、負荷を有する第１の部分と、負荷に接続された電気素子を有する第２の部分とを備える回路への入力として電気パルスを生成するステップと、電気素子内の熱を吸収するステップと、吸収された熱を電気エネルギーに変換して電気パルスの電力を増加させるステップと、電力を増加させた電気パルスを負荷に印加するステップとを含むことができる。
【0011】
開示される実施形態のいずれにおいても、電気要素の少なくとも一部は、ヒートシンクに結合することができる。開示された実施形態のいずれにおいても、本方法は、ヒートシンクに熱を加えるステップをさらに含むことができる。
【0012】
開示される実施形態のいずれにおいても、本方法は、電気素子の少なくとも一部の長さにわたって熱勾配が存在するように電気素子に熱を加えるステップをさらに含むことができる。開示された実施形態のいずれにおいても、電気パルスの一部は、少なくとも１００ボルト／秒の時間に対する電圧の変化を有することができる。開示される実施形態のいずれにおいても、回路の第１の部分は、電気素子と直列に配置された発振器をさらに備えることができる。発振器は、本回路に吸収された熱を有用な電気エネルギーに変換させることができる。
【0013】
開示される実施形態のいずれにおいても、本回路の第１の部分は、電気素子と直列に接続された第１の発振器および第２の発振器をさらに備えることができる。開示される実施形態のいずれにおいても、電気パルスの立ち上がり電圧は、第１の発振器を第１の周波数で発振させ、第２の発振器を第１の周波数よりも高い第２の周波数で発振させることができる。
【0014】
開示される実施形態のいずれかにおいて、電気パルスを生成することは、第１の時間間隔中に、接地された第２のスイッチを開き、次いで電源に接続された第１のスイッチを閉じるステップと、第２の時間間隔中に第１のスイッチを開き、次いで、２番目のスイッチを閉じるステップとを含むことができる。
【0015】
別の代表的な実施形態では、装置は、回路と、本回路に結合された電気素子とを備えることができる。本回路は、電気パルスを生成するためのパルス発生器と、パルス発生器に結合された第１の発振器とを含むことができる。本回路は、パルス発生器によって供給される電力よりも大きい電力で負荷に電気パルスを供給するように構成することができる。開示された実施形態のいずれにおいても、回路は、第１の発振器に結合された第２の発振器をさらに備えることができる。
【0016】
本発明の前述のおよび他の目的、特徴、および利点は、添付の図面を参照して進められる以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
この開示は、熱電発電に使用できる熱電変換器の実施形態に関する。従来の熱電装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する非効率的な手段である。この非効率性の１つの理由は、熱の拡散（たとえば、ニュートン冷却）により、熱源からヒートシンクへの熱力学的に熱を輸送する際の制御の欠如である。しかしながら、熱電導体に適用される発振源は、導体の熱電効率をかなり増加させる結果となり得る。
【0019】
本明細書では、熱電発電に対する様々な改良が開示される。開示された実施形態は、輸送（例えば、海上、地上、フライト）、モノのインターネット装置の自律給電を含む遠隔位置システム、センシングの給電、追跡、通信、分析、装置の処理および相互運用性、ウェアラブル装置への給電、電子機器を組み込んだスマート繊維などの電力を必要とする様々な用途に使用することができる。さらに、本明細書に開示された実施形態は、水の浄化、垂直および伝統的な農業、化学および石油化学における処理、データセンターの電力および冷却、設備および環境の制御（例えば、産業、商業、住宅）などの電力集約型の用途およびプロセスに使用できる。本明細書に開示されている実施形態は、太陽光発電インフラ、風力およびその他の間欠的な再生可能エネルギーシステム、二重目的電源、データセンター、熱管理または冷却メカニズム（たとえば、ヒートシンク）、エネルギー貯蔵装置の充電メカニズム、照明電源、および電気通信装置を含む民生用製品の統合電源として、既存の電力インフラを補完することもできる。加えて、本明細書に記載する実施形態は、冷蔵庫および他の冷房用途（例えば、空調）のような家庭用および産業用の装置とともに使用することが可能であり、また構造または他の表面（例えば、屋根）と組み合わせて使用することが可能である。より一般的には、電気的手段によって給電可能なものはすべて、外部接続される電源があるかどうかに関わらず、本明細書に開示された実施形態によりサポートすることができる。
【0020】
図１は、熱電発電システム又は回路１００の一つの実施形態を示す。回路１００は、パルス発生器１０２、電気素子１０４および負荷１０６を備える。パルス発生器１０２は、電気パルスを発生する装置とすることができる。いくつかの実施形態では、パルス発生器１０２は、周期的な間隔で電気パルスの連続ストリームを生成することができる。理想的には、パルス発生器１０２は、パルス発生器によって出力される電圧が短時間に急速に増加する電気パルスを生成する。これは、立ち上がり時間が短い方形波、または正弦波、のこぎり波、または高周波の同様の出力電圧波で行うことができる。回路１００は、１００ Ｖ／秒程度のｄＶ／ｄｔを有するパルス発生器１０２によって出力される電気パルスによって熱起電力を発生することができる。結果は、４．７ｋＨｚ、場合によっては９００Ｈｚという低い周波数を有する正弦波信号で良好な効率が得られることを示している。しかしながら、理想的には、パルス発生器１０２は、少なくとも１００Ｖ／μｓ、または望ましくは１０，０００から１００，０００Ｖ／μｓ以上のｄＶ／ｄｔを有するパルスを出力する。
【0021】
パルス発生器１０２が高いｄＶ／ｄｔを有する電気パルスを出力するとき、本明細書に記載されるように、電気素子１０４は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。電気素子１０４は、熱を吸収するのに十分な表面積を有する導電性経路を有するべきである。それにより、電気素子がヒートシンクとして機能することが可能となる。これは、電気素子１０４が、より重いゲージ、より長い長さ、またはより大きな表面積を有する非円筒形の形状を有することによって達成することができる。いくつかの例では、電気素子１０４は、電気素子をパルス発生器１０２および負荷１０６に接続するワイヤまたは導電体よりも重いゲージ（例えば、１０ＡＷＧ）を有する銅線とすることができる。他の例では、電気素子１０４は、その他の導電性材料を含むことができる。一例では、電気素子１０４は、回路内の他の信号導体よりも重いゲージワイヤであって、少なくとも３フィートの長さを有する。電気素子１０４は、単純なワイヤ、コイル、または熱を吸収することができる任意の導電性素子とすることができる。高いｄＶ／ｄｔ比を持つパルス発生器１０２によって出力された電気パルスが、電気素子１０４の片側に印加されると、電気素子はより冷たくなり、電圧が、パルス発生器１０２によって生成されたものよりも高い電力レベルを有する電気素子の反対側に現れる。したがって、パルス発生器１０２によって出力される鋭いパルスは、電気素子１０４に熱エネルギーを電気エネルギーに変換させる。パルス発生器１０２が出力するパルスのｄＶ／ｄｔ比が高いほど、電気エネルギーに変換される熱エネルギーの量が多くなる。この現象は、Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ（ＫＰＴ）と呼ばれる。
【0022】
図１に図示された例では、電気素子１０４は、負荷１０６に接続されている。負荷は、電力を消費または保存する任意の装置（例えば、電化製品）とすることができる。動作中、パルス発生器１０２は、第１の電力を有する電気パルスを出力することができる。これにより、電気素子１０４は、熱エネルギーをさらなる電気エネルギーに変換する。したがって、パルスは、第１の電力よりも大きい第２の電力で負荷１０６に印加される。
【0023】
パルス発生器１０２が周期的な間隔で継続的に電気パルスを出力する場合、電気素子１０４は各パルスで熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、負荷１０６に加えられる各パルスの電力を増加させる。しかしながら、電気素子１０４はパルスを受信するたびに、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するため冷却される。これが起こると、電気素子１０４と周囲環境との間の温度勾配により、周囲環境から電気素子に熱が伝達され、電気素子の温度は、環境の温度と等しくなるまで上昇する。パルス発生器１０２によって次の電気パルスが発せられると、電気素子１０４は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するときに再び冷却される。したがって、電気素子１０４が電気エネルギーに変換することができる熱エネルギーの量は、周囲の環境によって制限される。いくつかの例では、この冷却効果により、電気素子を冷却素子または冷蔵素子として使用することができる。
【0024】
図２は、熱電発電システムまたは回路２００の１つの実施形態を示す。熱エネルギーを電気エネルギーに変換する電気要素の容量を増やすために、外部熱源が使用できる。回路２００は、回路２００が電気素子１０４に結合されたヒートシンク２０２と、電気素子およびヒートシンクに熱を加える外部熱源２０４とを含むことを除いて、回路１００と同様である。ヒートシンク２０２は、熱源２０４からのさらなる熱の吸収を可能にするさらなる表面積を提供する。ヒートシンク２０２は、電気素子１０４に熱的に結合することができる。これはそれらの間の熱伝達（例えば、直接接触）を可能にするためになされる。熱源は、ヒートシンクが存在する周囲の空気を含む電気素子よりも暖かい任意の熱源を含むことができる。図２の例では、パルス発生器１０２は、周期的な間隔で高いｄＶ／ｄｔ比を有する電気パルスを継続的に供給する。各パルスにより、電気素子１０４は冷却を行い、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。これにより、負荷１０６は、パルス発生器１０２によって出力された電力よりも大きな電力を有するパルスを受け取る。外部熱２０４をヒートシンク２０２に加えることにより、電気素子１０４は、電気エネルギーに変換することができるさらなる熱エネルギーの一定の供給源を有する。したがって、電気素子１０４は、負荷１０６に印加されるパルス発生器１０２によって生成されるパルスのエネルギーを継続的に増加させることができる。ヒートシンク２０２は、熱２０４を吸収することができる。いくつかの例では、熱２０４は、電気素子の一部にわたって熱勾配が存在するように、電気素子１０４に加えることができる。ヒートシンクは、液体（例えば、水、油など）、固体（例えば、金属）、または気体（例えば、空気）を含む様々な材料のいずれであってもよい。
【0025】
図３は、熱電発電システム又は回路３００の一つの実施形態を示す。回路３００は、回路３００がパルス発生器１０２と電気素子１０４との間に配置された発振器３０２を含むことを除いて図２の回路２００と同様である。発振器３０２は、高調波発振器とすることができ、パルス発生器１０２によって出力されるパルスによってトリガーされたときに、周期的な発振電圧を出力することができる。発振器３０２は、パルス発生器１０２によって出力されたパルスによってトリガーされると、周期的信号を電気素子１０４に出力する。発振器３０２によって出力される信号の強度は、時間とともに減少する。しかしながら、パルス発生器１０２によって出力される各後続のパルスは、新しい発振サイクルを開始する。したがって、発振器３０２は、パルス発生器１０２が非常に短いパルス幅を有するパルスを出力するときでさえ、入力信号が電気素子１０４に供給される時間を延長するために使用することができる。
【0026】
動作中、図３のパルス発生器１０２は、高いｄＶ／ｄｔ比を有する電気パルスを周期的に出力する。各パルスは、発振器３０２に発振信号を電気素子１０４に出力させることができる。電気素子１０４は、冷却して熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、それが受け取る電気信号の電力を増大させることができる。電気素子１０４に熱３０４を入力して、電気要素が電気エネルギーに変換するためのさらなる熱エネルギーを提供することができる。次いで、電力が増加した信号は負荷１０６で消費することができる。
【0027】
図４は、熱電発電システム又は回路４００の一つの実施形態を示す。回路４００は、回路４００が第１の発振器４０２および第２の発振器４０４を含むことを除いて、図３の回路３００と同様である。第１の発振器４０２は、図３の発振器３０２と同様とすることができる。第２の発振器４０４は、第１の発振器４０２がパルス発生器１０２からのパルスに応答して発振信号を出力するとき、第２の発振器４０４が第１の発振器４０２によって出力される発振信号よりも高い周波数を有する共振発振信号を出力するように構成され得る。このようにして、第２の発振器４０４は、負荷１０６に加えられる信号を拡大することができる。先の実施形態と同様に、負荷１０６における電力出力は、パルス発生器１０２によってシステムに入力されるエネルギーよりも大きい。第１の発振器４０２および第２の発振器４０４は、電気素子１０４の反対の側に直列に結合されるよう示されている。第１の発振器と第２の発振器の両方を電気素子１０４と同じ側にするなど、他の構成も使用することができる。
【0028】
図５は、熱電発電システムまたは回路５００の一つの実施形態を示す。回路５００は、発振器３０２がＬＣまたはタンク回路を形成するためのキャパシタ５０２およびインダクタ５０４を具体的に備えることを除いて、回路３００と同様である。キャパシタ５０２およびインダクタ５０４は、電気素子１０４の反対の側に直列に結合されて示されている。しかし、それらは直列に結合され、電気素子の片方の側に一緒に配置することができる。回路５００は、ヒートシンク２０２と同様のヒートシンク５０６と、熱源２０４と同様の熱源５０８とをさらに備える。回路５００は、図３の回路３００と同様に動作することができる。ここで、パルス発生器１０２は、単一の電気パルス、または高いｄＶ／ｄｔ比を有する一連の電気パルスのいずれかを生成することができる。発振器３０２は、各パルスに応答して発振信号を生成することができる。電気素子１０４は、冷却をし、およびパルス発生器１０２によって出力される電気パルスの電力を増大することによって、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。ヒートシンク５０６は、熱５０８を吸収して、電気素子１０４に、電気エネルギーに変換することができる一定の熱エネルギー源を提供することができる。したがって、負荷１０６に提供される電力は、パルス発生器１０２によって生成される電力よりも大きい。図５のＬＣ回路は、図４の第２の発振器４０４としても使用することができる。
【0029】
図６は、熱電発電システムまたは回路６００の一つの実施形態を示す。回路６００は、パルス発生器１０２、電気素子１０４、ヒートシンク６０２、および熱源６０４を含む。ヒートシンク６０２および熱源６０４は、ヒートシンク２０２および熱源２０４と同様であってもよい。ここで、熱６０４は、電気素子１０４に、電気エネルギーに変換され得る一定の熱エネルギーの供給を与えるために、ヒートシンク６０２に加えられる。パルス発生器１０２は、高いｄＶ／ｄｔ比を有する電気パルスを出力することができる。パルス発生器１０２は、磁芯コアまたは空芯コアの周りに巻かれた２つのコイルを備える変圧器６０６に接続することができる。変圧器６０６は、パルス発生器１０２によって出力される電圧を増幅することができる。
【0030】
電気素子１０４は、インダクタ６０８およびキャパシタ６１０と直列に配置することができる。これらは共に、図５の発振器３０２と同様の発振器を構成することができる。インダクタ６０８およびキャパシタ６１０は、パルス発生器１０２によって受け取られたパルスを発振信号に変換することができる。次いで、この発振信号は電気素子１０４に入力することができる。パルス発生器１０２によって出力されるパルスの高いｄＶ／ｄｔ比および上述のＫＰＴ効果のために、電気素子１０４は、熱源６０４から受け取った熱エネルギーを電気エネルギーに変換できる。それにより、パルス発生器によって出力される電気信号の電力が増加する。
【0031】
追加の変圧器６１２は、電気素子１０４によって出力された信号を受け取ることができる。そして追加の変圧器６１２は、変圧器６１２からのＡＣ信号をＤＣ信号に変換することができるフルブリッジ整流器６１４に接続することができる。いくつかの例では、フルブリッジ整流器６１４は、ハーフブリッジ整流器と置き換えることができる。整流器６１４の出力は、負荷キャパシタ６１６および負荷抵抗６１８に接続することができる。いくつかの例では、回路６００は、負荷６１８ではなく、キャパシタ６１６を含むことができる。他の例では、回路６００は、キャパシタ６１６ではなく負荷６１８を含むことができる。キャパシタ６１６は、整流器６１４によって出力された電気エネルギーを保存することができる。負荷６１８は、整流器６１４によって出力される電気エネルギーを消費することができる。
【0032】
図７は、熱電発電システム又は回路７００の一つの実施形態を示す。回路７００は、パルス発生器１０２及び電気素子１０４を含む。回路７００はまた、ヒートシンク６０２および熱源６０４と同様に、ヒートシンク７０２および熱源７０４を含むことができる。熱源７０４は、ヒートシンク７０２に熱を加え、電気素子１０４に、電気エネルギーに変換可能な熱エネルギーの一定の供給を行うことができる。
【0033】
パルス発生器１０２は、パルス発生器によって出力される電気パルスを増幅することができる変圧器７０６に接続することができる。また、回路７００は、図４の第１の発振器４０２と同様の第１の発振器を構成することができるインダクタ７０８およびキャパシタ７１０を含むことができる。回路７００は、また、キャパシタ７１０とともに、図４の第２の発振器４０４と同様の第２の発振器を構成することができるインダクタ７１２を含むことができる。パルス発生器１０２は、高いｄＶ／ｄｔ比を有する電気パルスを出力することができる。これらのパルスは、インダクタ７０８およびキャパシタ７１０に第１の発振電気信号を生成させることができる。この第１の発振電気信号は、次に、インダクタ７１２およびキャパシタ７１０に、第１の発振信号よりも高い周波数を有する第２の発振信号を生成させることができる。第１および第２の発振信号は、電気素子１０４に熱源７０４からの熱エネルギーを電気エネルギーに変換させ、それにより信号の電力を増加させることができる。
【0034】
キャパシタタップ７１４は、電気素子１０４によって出力されたエネルギーを回収することができる。キャパシタタップ７１４は、ダイオード７１６および７１８に接続することができる。これらはＡＣ電力をＤＣ電力に変換するハーフブリッジ整流器を構成することができる。回路出力は、電力を消費および／または保存することができる抵抗７２０およびキャパシタ７２２として示されている。いくつかの例では、回路７００は、キャパシタ７２２を伴わない抵抗７２０を含むことができる。他の例では、回路７００は、抵抗７２０を伴わないキャパシタ７２２を含むことができる。
【0035】
図８は、熱電発電システムまたは回路８００の一つの実施形態を示す。回路８００は、上述したように、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電気素子１０４を含むことができる。いくつかの例では、電気素子の２つの端部の温度が２つの異なる温度Ｔ１およびＴ２になるよう、電気素子１０４に熱を加えることができる。これは、電気エネルギーへの変換を可能にする電気素子１０４の長さに沿った温度勾配を作り出す。
【0036】
回路８００は、図１―７のパルス発生器１０２と同様に、入力電圧Ｖｐを受け取り、方形波または高いｄＶ／ｄｔ比を有する他の信号を出力することができるオペアンプ８０２を含むことができる。回路８００は、図８に示すように、オペアンプ８０２に接続することができる抵抗８０４および８０６をさらに含むことができる。回路８００は、キャパシタ８１０と並列に接続するインダクタ８０８と、インダクタ８１４と並列に接続するキャパシタ８１２とをさらに含むことができる。インダクタ８０８およびキャパシタ８１０は第１の発振器を形成することができる。キャパシタ８１２およびインダクタ８１４は第２の発振器を形成することができる。いくつかの例では、第１の発振器または第２の発振器の一方を回路８００から省くことができる。オペアンプ８０２の出力は、第１の発振器を第１の周波数で発振させることができる。そしてオペアンプ８０２の出力は、第２の発振器を第１の周波数よりも高い第２の周波数で発振させることができる。
【0037】
これらの発振およびオペアンプ８０２による信号出力の高いｄＶ／ｄｔ比は、電気素子１０４に熱エネルギーを電気エネルギーに変換させ、受け取った電気信号の電力を増加させることができる。第１および第２の負荷を表すことができる抵抗８１６および８１８は、電気素子１０４によって出力された電力を消費することができる。いくつかの例では、抵抗８１６、８１８は、発振に寄与し得るインダクタンスを有することができる。
【0038】
図９は、熱電発電システム又は回路９００の一つの実施形態を示す。回路９００は、上述のように熱エネルギーを電気エネルギーに変換可能な電気素子１０４を含むことができる。回路９００は、熱エネルギーを電気素子１０４に提供し、電気エネルギーへの変換を可能とするよう、熱源９０２をさらに含むことができる。
【0039】
回路９００は、マイクロプロセッサ９０８によって制御することができる第１のスイッチ９０４および第２のスイッチ９０６を含むことができる。マイクロプロセッサ９０８は、スイッチ９０４、９０６を独立して開閉することができる。第１のスイッチ９０４は電源９１０に接続することができる。第２のスイッチ９０６は接地することができる。スイッチ９０４、９０６は、並列接続可能であり、キャパシタ９１２に接続することができる。マイクロプロセッサは、方形波を出力するようにスイッチ９０４、９０６を交互に開閉することができる。第１の時間間隔中に、マイクロプロセッサ９０８は、スイッチ９０４を閉じ、スイッチ９０６を開くことができる。これにより、電源９１０からの電圧がキャパシタ９１２に印加され、これによって正の電圧がキャパシタの一つのプレート上に蓄積する。第２の時間間隔中に、マイクロプロセッサ９０８は、スイッチ９０４を開き、スイッチ９０６を閉じることができる。これがキャパシタを接地させ、これによってキャパシタプレート上に負の電圧が現れる。次に、マイクロプロセッサ９０８がスイッチ９０４、９０６の１つを繰り返し開き、他の１つを閉じることにより、このプロセスを続けることができる。そのことが、回路９００の点９１４に交互に現れる一連の正および負の電圧を生成する。図１０は、回路９００に沿った様々な点における電圧の時間シーケンスを示す。第１の発振器の電圧プロットは、回路９００の点９１４における電圧に対応する。上述したように、この点の電圧は、ｄＶ／ｄｔ比の高い方形波である。いくつかの例では、スイッチ９０４、９０６は、トランジスタ（例えば、ＣＭＯＳトランジスタ）で置き換えることができる。
【0040】
回路９００は、電圧源９１０およびスイッチ９０４、９０６によって生成される電圧出力を増幅するための変圧器９１６をさらに備えることができる。変圧器９０６は、インダクタ９２０およびキャパシタ９２２を備える第１の発振器９１８、およびキャパシタ９２２およびインダクタ９２６を備える第２の発振器９２４に接続される。第１の発振器９１８は、図４の第１の発振器４０２と同様とすることができる。図２の第２にお発振器９２４は、図４の第２の発振器４０４と同様とすることができる。第１の発振器９１８は、電圧源９１０およびスイッチ９０４、９０６によって出力された電圧を受け取り、第１の発振信号を生成することができる。次いで第２の発振器９２４は、第１の発振信号よりも高い周波数を有する第２の発振信号を生成することができる。図１０に示される第２の発振器の電圧プロットは、回路９００の点９２８に存在するこの第２の発振に対応する。この二次共振またはリンギング発振は、電気素子１０４によって受け取られた電圧を増幅および拡張する。電気素子１０４はこの電圧を受け取ると、ＫＰＴ効果のために熱エネルギーを電気エネルギーに変換し、それにより電気素子に入力される電力を増加させる。回路９００はさらに、出力ＡＣ信号をＤＣ信号に変換する半波整流器を形成するダイオード９３２、９３４に結合されたコンデンサ９３０を含む。キャパシタ９３６は、回路９００によって生成された電気エネルギーを保存することができる。いくつかの例では、キャパシタ９３６は、回路９００によって生成された電気エネルギーを消費する負荷と置き換えることができる。
【0041】
図１１は、熱電発電システムまたは開示された技術の特定の例において実行され得るような回路を動作させる例示的な方法を概説するフローチャート１１００である。例えば、描かれた方法は、回路２００によって実行することができる。
【0042】
プロセスブロック１１１０で、パルス発生器１０２は、高いｄＶ／ｄｔ比を有する電気パルスを生成する。例えば、図９では、マイクロプロセッサ９０８は、スイッチ９０４、９０６を制御して、スイッチ９０４を閉じ、スイッチ９０６を所定の期間だけ開き、次いでスイッチ９０４を開き、そしてスイッチ９０６を閉じることによって、電気パルスを生成する。そのようなパルスは、負荷にさらに電力を供給するために定期的な間隔で繰り返される。プロセスブロック１１２０では、電気素子１０４は、その周囲環境から熱を吸収する。例えば、図２に示すように、電気素子１０４は、熱源または周囲空気から熱２０４を受け取ることができる。典型的には、電気素子１０４は、熱を吸収するのに十分な表面積を有する。しかし、図２に示されるように、ヒートシンク２０２は、熱吸収のための表面積を提供することができる。プロセスブロック１１３０では、電気素子１０４は、吸収された熱を電気エネルギーに変換する。電気素子１０４に印加されるパルス発生器１０２のパルスは、電気素子を冷却させる。吸収された熱は、それによって電気エネルギーに変換される。プロセスブロック１１４０では、電気素子１０４は、電気パルスを負荷１０６に印加する。ＫＰＴ効果のため、負荷１０６に加えられるパルスのエネルギーは、パルス発生器１０２によって出力されるパルスのエネルギーよりも大きい。
【0043】
開示された発明の原理が適用され得る多くの可能な実施形態を考慮すると、図示された実施形態は発明の望ましい例にすぎず、発明の範囲を限定するものとして取り扱ってはならないことを認識すべきである。むしろ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって規定される。したがって、我々は、これらの特許請求の範囲に含まれる全ての発明を我々の発明として請求する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
