(57)【要約】【課題】  本発明の目的は屋根材自体で発電できる屋根を提供することである。【解決手段】  本発明は、自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板を複数枚、屋根材として設置し、前記複数の磁性金属板のうちの少なくとも２つに電力を取り出すための電極を設けたことを特徴とする屋根である。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板を複数枚、屋根材として設置し、前記複数の磁性金属板のうちの少なくとも２つに電力を取り出すための電極を設けたことを特徴とする屋根。
【請求項２】
前記自発磁化の向きは前記磁性金属板の面内方向である請求項１に記載の屋根。
【請求項３】
前記複数枚の磁性金属板の磁化の向きが同じである請求項２に記載の屋根。
【請求項４】
前記電極は前記複数枚の磁性金属板の両端部それぞれを共通に接続する請求項１から３のいずれか一項に記載の屋根。
【請求項５】
隣り合う前記磁性金属板で磁化の向きが反対である請求項１または２に記載の屋根。
【請求項６】
前記隣り合う磁性金属板の間は電気的に絶縁されている請求項５に記載の屋根。
【請求項７】
前記複数枚の磁性金属板は直列に接続され、直列に接続した両端の磁性金属板に前記電極を設ける請求項５または６に記載の屋根。
【請求項８】
前記磁性金属板の裏側に、冷媒を流す配管を設ける請求項１から７のいずれか一項に記載の屋根。
【請求項９】
自発磁化を有する磁性金属板を複数枚、屋根材として設置し、前記磁性金属板のうちの少なくとも２つそれぞれ電極を設け、前記２つの電極の間に電源を接続して前記屋根材に電流を流し、屋根の厚み方向に熱流を発生させることを特徴とする屋根。
【請求項１０】
自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板と、電力を取り出すための電極を前記磁性金属板に設けたことを特徴とする屋根材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は屋根及び屋根材に関し、特に金属屋根とその屋根材に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属屋根は、軽量で防水性が高いことから、屋根仕上げ材（以下屋根材）として多く用いられつつある。特に、ステンレス屋根は耐久性・耐食性が非常に高く、ほぼメンテナンスフリーという優れた特長を持つ。一方、金属を用いているが故に、日中は太陽光によって屋根表面は大変な高温になることが知られている。しかしこれまでこの熱エネルギーが有効活用されることはほとんど無かった。
【０００３】
特許文献１には次のような金属瓦を用いた瓦葺屋根が開示されている。金属瓦４に隆起部６を設け、屋根下地材２０との間に空気を流通させる流路５（空間）を作り、金属瓦４の内側に熱電素子１０を取り付ける。太陽光が当たる金属瓦４と流路５の温度の差で熱電素子１０が発電する。熱電素子１０としては、スピンゼーベック熱電変換デバイスを用い、電力を取り出すための電極としてコバルト合金を使う。同文献では、このコバルト合金に磁性を与えると、異常ネルンスト効果が表れ、これとスピンゼーベックを併用することで、電極に白金を使った熱電素子よりも大きい熱電変換効率が得られると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−１０６２９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、熱電素子１０は金属瓦４に別物として取り付けられており、屋根材自体で発電することはできない。また屋根自体で熱を発生させることもできない。本発明の目的はこの問題を解決し、屋根材自体で発電できる屋根または屋根自体が熱を発生させることができる屋根を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板を複数枚、屋根材として設置し、前記磁性金属板のうちの少なくとも２つに電力を取り出すための電極を設けたことを特徴とする屋根である。
【０００７】
また本発明は、自発磁化を有する磁性金属板を複数枚、屋根材として設置し、前記磁性金属板のうちの少なくとも２つそれぞれ電極を設け、前記２つの電極の間に電源を接続して前記屋根材に電流を流し、屋根の厚み方向に熱流を発生させることを特徴とする屋根である。
【０００８】
また本発明は、自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板と、電力を取り出すための電極を前記磁性金属板に設けたことを特徴とする屋根材である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、屋根材自体で発電することが可能になる。または屋根自体が熱流を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一般的な木造住宅の屋根の構造（小屋組）の概略を示す斜視図である。
【図２】図１の金属屋根を平側の方向に切断したときの断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の屋根を上方から見た図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の屋根を斜め上方から見た図である。
【図５】図３の屋根をＡ−Ａ’の線で切断したときの断面図である。
【図６】図３の屋根をＢ−Ｂの線で切断したときの断面図である。
【図７】図３の屋根をＣ−Ｃ’の線で切断したときの断面図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の屋根を斜め上方から見た図である。
【図９】本発明の第２の実施形態の屋根を上方から見た図である。
【図１０】図９の屋根をＤ−Ｄ’の線で切断したときの断面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態の屋根の構造を示す断面図である。
【図１２】本発明の第４の実施形態の屋根の構造を示す図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態の屋根の構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
図１〜図７を用いて本発明の第１の実施形態を説明する。図１は一般的な木造住宅の金属屋根１００の構造（小屋組）の概略を示す斜視図である。図２は図１の金属屋根を妻側から見たときの断面図である。屋根の最も高いところに水平に棟木１０６がある。母屋１０３は棟木１０６と平行して配され、軒桁１０４との間で、垂木１０５を支える。小屋裏２０１（屋根裏、天井裏）には小屋束１０２が立てられ、母屋１０３を支えている。垂木１０５の上には野地板１０７を張り、その上には下葺き材１０９（防水シート）を張る。図２に示すように下葺き材１０９は複数枚に分かれていて、その間をタッカー１１５で接続し同時に下の野地板１０７に固定する。下葺き材１０９の上に屋根の仕上げ材１０８（以下屋根材１０８）を張る。本実施形態ではこの屋根材が磁性金属板である。天辺の屋根板に貫板１１１を被せ、それを棟板金１１２で覆う。平側の屋根先には鼻隠し１１３を取り付ける。小屋裏２０１の底面には室内２０２との間を断熱するよう断熱材１１６を敷く。
【００１２】
図２に示すように、長方形の屋根材１０８は、屋根の流れに沿って、隣接する屋根材１０８の端部同士が重なるようにして葺かれ、重なる箇所の下側の屋根材１０８に釘１１４を打って垂木１０５に固定する。図３は本実施形態の屋根を上方から見た図で、図の上方が棟側、下方が軒先側である。図４は本実施形態の屋根を斜め上方から見た図である。図５，６，７はそれぞれ図３の屋根をＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’の線で切断したときの断面図である。
【００１３】
図３〜図７の屋根材である磁性金属板は本実施形態では細長い磁性合金板３０８（以下磁性合金長板３０８）であり、例えばSUS304である。厚さは例えば３ｍｍ程度である。磁性合金長板３０８の表面には、保護のための絶縁層５１０、具体的にはフッ素樹脂等の塗料を例えば厚さ３μｍ程度塗付する。図３、４に矢印で示したように、磁性合金長板３０８は全て、板の面内で板の幅方向に、棟木に向かう方向の自発磁化Ｍを持つ。自発磁化Ｍの向きは棟を挟んだ反対側の屋根でも同じである。磁性合金長板３０８は、金属屋根１００の厚み方向に生じる温度差（図５の∇Ｔ）により異常ネルンスト効果が発現して起電力が生じる。磁性合金長板３０８の妻側の両端には電極３０ａ、３０ｂを取り付けて、磁性合金長板３０８に発生した電力を取り出す。取り出した出力は電池（不図示）に蓄電して家の電気機器を動かす電力等に使うことができる。
【００１４】
電極３０ａは、図３の各磁性合金長板３０８の左側の端を共通に接続し、同様に電極３０ｂは各磁性合金長板３０８の右側の端を共通に接続する。つまり各磁性合金長板３０８は並列接続される。また図５に示すように、隣接する磁性合金長板３０８は長さ方向の端部同士が重なるようにし、重なった部分に図６に示すように釘６１４を打って垂木３０５に固定する。また釘６１４は磁性合金長板３０８の長辺方向に一定の間隔でを打って、垂木３０５に固定する。図７は磁性合金長板３０８の端の断面である。磁性合金長板３０８の、隣と重なる端部の絶縁層５１０を除去し、そこに電極３０ａ、３０ｂとなる導電板３０を載せ、釘６１４を上から打って固定すると、磁性合金長板３０８の両端部がそれぞれ電気的に接続される。太陽光によって屋根の表面が加熱されると、磁性合金長板の厚み方向に温度勾配が生じ、磁性合金における異常ネルンスト効果によって誘起される電流ｊによって、電極３０ａ、３０ｂ間に起電力Ｅが生成される。電力を電極３０ａ、３０ｂから取り出すことにより、熱を電気に変換する熱電発電が可能となり、屋根表面の熱エネルギーを電気として有効活用することが可能となる。
【００１５】
本実施形態の金属屋根１００は、屋根を構成する金属自体で発電しているので、特許文献１とは違って金属瓦とは別物の熱電素子を取り付ける手間が不要になる。[背景技術]で述べたように、金属屋根は、日中は太陽光によって屋根表面は大変な高温になるが、これまでこの熱エネルギーが有効活用されることはほとんど無かった。本実施形態ではこの熱エネルギーを有効活用できる。また日中や暑い時期は、通常は家の外が高温で家の中はそれに比べて低温であり、逆に、夜や寒い時期は、通常は家の外が低温で家の中はそれに比べて高温である。本実施形態の屋根は温度差があれば発電できるので、どちらの場合も発電できる。つまり一般的な太陽光発電のように日照があるときだけ発電できるのではなく、磁性合金長板の厚み方向に温度差さえ発生していれば発電可能である。なお得られる温度差が大きいとその屋根は断熱性が高いということであり、その家の冷暖房に必要なエネルギーが小さいことになり、その家のエコの度合（環境に優しい度合）が分かる。
【００１６】
なお磁性合金長板として用いる磁性合金は、SUS304以外にもSUS630（マルテンサイト系析出硬化ステンレス鋼（17Cr-4Ni-4Cu-Nb)、SUS420J2、SUS430、SUS329J4L、SUS410等も用いることができる。一般にステンレスは金属組織上の分類では大きく５系統（オーステナイト系、フェライトオーステナイト系、フェライト系、マルテンサイト系、析出硬化系）に分けられていて、このうち、オーステナイト系以外は強磁性とされており、本実施形態の外装体として用いることができる。
【００１７】
また磁性合金長板３０８表面の絶縁層５１０は表裏の両面に形成してもよい。
（第２の実施形態）
図８〜図１０は本発明の第２の実施形態を示す図である。第１の実施形態のように、磁性金属板の両端をそれぞれ電気的に接続する構造では、屋根の表面温度に空間的な不均一性がある場合に、効果的な熱電発電ができない。空間的な不均一性とは、日照があると通常は南側の屋根が北側の屋根に比べて高温になることを指す。加えて、電極間の電気抵抗が低いこともあり、電気として活用するのに十分な電圧を得るのが難しいという課題もある。
そこで、第２の実施形態では、磁性合金長板と電極との接続を変えて実効的な電極間距離を長くして、より高い電圧の取り出しを可能とする。つまり複数枚の磁性体金属を直列に接続し、直列に接続した両端に電極を設ける。
【００１８】
図８は本実施形態の屋根を斜め上方から見た図である。図９は同じく上方から見た図で、図の上方が棟側、下方が軒先側である。図９は軒板金の乗っている最上部の屋根材を除き、電極９０ｂを設けた二番目の屋根材から下方を描いている。図１０は図９の屋根をＤ−Ｄ’の線で切断したときの断面図である。
【００１９】
本実施形態の屋根は、複数の細長い磁性合金長板９０８から構成されている点は第１の実施形態と同じであるが、隣り合う磁性合金長板が、図９に矢印で示すような、面内方向でしかも幅方向（短手方向）に、互いに逆向きの自発磁化Ｍを持つ点と、磁性合金長板９０８の端部を１つおきに電気的に接続して直列接続にする点で異なる。
【００２０】
各磁性合金長板は、その長手方向の側面においては隣り合う長板と電気的に絶縁され、その長手方向の端においてのみ、図８に示した接続用の導体９０ｃまたは９０ｄで、隣りの磁性合金長板と電気的に接続されている。なお図８では理解しやすいように導体９０ｃ、９０ｄは外に出して示しているが、実際には、図１０の説明で述べるように磁性合金長板の端部を露出させて端部を接触させて電気的な接続を取っている。
【００２１】
磁性合金長板９０８ａ，９０８ｂ，９０８ｃの表面と裏面に、保護と電気的な絶縁のための絶縁層９１０で被覆する。絶縁層９１０は具体的にはフッ素樹脂等の塗料を用い、例えば厚さ３μｍ程度塗付する。また第１の実施形態と同じく、長方形の磁性合金長板は、屋根の流れに沿って、隣接する磁性合金長板の長さ方向の端部同士が重なるようにして葺かれる。重なる箇所の下側の磁性合金長板に釘９１４を打って野地板９０７を貫通させて垂木９０５に固定する。
【００２２】
図１０に示すように、棟板金側の磁性合金長板９０８ａの棟木側の端部に図９の電極９０ｂと接続する導電板９０ｂ’を形成する。同様に、磁性合金長板９０８ｂの軒先側の端部と磁性合金長板９０８ｃの棟木側の端部の両方に、図８の導体９０ｃに相当する導電板９０ｃ’を形成する。一方磁性合金長板９０８ａと磁性合金長板９０８ｂが重なる箇所には導電板はなく、絶縁層９１０で被覆した状態であり、磁性合金長板９０８ａ、ｂは絶縁されている。
図１０において、導電板９０ｂ’は磁性合金長板の上面（外面）に設けているが、下面（野地板側）に設けても良いし、端部から突出させて設けても良い。
図１０では、磁性合金長板９０８ａ、９０８ｂ、９０８ｃはそれぞれ上下面に絶縁層を設けているが、端面を含めて導電板等の外部接続用電極部分等を除いて、全周をコートするように絶縁層を設けても良い。
また図９，１０では磁性合金長板９０８ｂの端部と磁性合金長板９０８ｃの端部にそれぞれ導電板９０ｃ’を形成した。しかし絶縁層９１０が薄ければ、磁性合金長板９０８ｂ側に導電板９０ｃ’を設けなくても、磁性合金長板９０８ｂ側の導電板９０ｃ’と対向する箇所の絶縁層９１０をなくし、磁性合金長板９０８ｂと釘９１４または磁性合金長板９０８ｂと磁性合金長板９０８ｃを直接接触させるだけでもよい。
【００２３】
このような構造では、各磁性合金長板９０８が長手方向に起電力を生成する熱電素子として動作し、その起電力がミアンダ型の電気的構造によって直列に加算される。図８に矢印で示したように、異常ネルンスト効果によって誘起される電流ｊが隣接する磁性合金長板の間で逆方向になる。これにより、図９に示す両端の２つの電極９０ａ、９０ｂから、第１の実施形態より大きな出力電圧を取り出すことが可能となる。
（第３の実施形態）
熱伝導率が比較的高い磁性合金を屋根材に用いる場合、太陽熱で屋根全体が高温となる。そのため図１１に示すように磁性合金長板（屋根材１１００）の裏側に配管１２００を設置して冷媒１３００（通常は冷却水）を循環させ、屋根材１１００の裏面温度を低く抑えるとよい。配管１２００は屋根材１１００の裏に直接接触させる。配管１２００を通すスペースは、例えば、野地板をその部分だけ凹ませ、その形状に合わせて下葺き材を張り、その凹みに通すなどの方法で確保する。
【００２４】
これにより、磁性合金長板の厚さ方向の温度勾配（温度差）を大きく取ることができ、より大きな熱電発電が可能となる。また冷却水が熱を吸収するので、暑い日には室内温度を下げることができる。更に、磁性合金板で温められた水は温水として活用することもできる。
（第４の実施形態）
図１２は本発明の第４の実施形態を説明するための図である。第１〜第３の実施形態で述べた熱から電気への熱電変換の逆として、電源を第１電極１２０３と第２電極１２０４の間に接続し、磁性合金板１２０８に電流ｉを流すと、屋内から屋外へまたは屋外から屋内への熱流を意図的に発生させることができる。つまり屋根自体で熱流を発生することができる。屋根構造は第１〜第３の実施形態で説明したものと同様である。このように構成すると例えば屋根に積もった雪を融かすことが可能になる。スピン熱電では材料によって熱電変換の符号が異なるので、融雪に使う場合は材料によって、磁性合金長板が発熱するように磁化方向と電流方向を調整すれば良い。
（第５の実施形態）
図１３は本発明の第５の実施形態を説明するための平面図である。磁性金属板１３０８は、自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力Ｅを発生させる。この磁性金属板１３０８を複数枚、屋根材として設置する。磁性金属板１３０８に電力を取り出すための電極１３０３，１３０４を設けて屋根とする。このようにすれば、屋根材自体で発電できるようになる。
（他の実施形態）
上述の実施形態では磁性合金板、電極等で構成される構造を屋根に適用した。しかし屋根に限らず、例えば屋根に乗せる太陽熱温水パネルの太陽熱を受けるパネルとしても用いることができる。
【００２５】
上記の実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板を複数枚、屋根材として設置し、前記磁性金属板に電力を取り出すための電極を設けたことを特徴とする屋根。
（付記２）
前記自発磁化の向きは前記磁性金属板の面内方向である付記１に記載の屋根。
（付記３）
前記複数枚の磁性金属板の磁化の向きが同じである付記２に記載の屋根。
（付記４）
前記電極は前記複数枚の磁性金属板の両端部それぞれを共通に接続する付記１から３のいずれか一項に記載の屋根。
（付記５）
隣り合う前記磁性金属板で磁化の向きが反対である付記１または２に記載の屋根。
（付記６）
前記隣り合う磁性金属板の間は電気的に絶縁されている付記５に記載の屋根。
（付記７）
前記磁性金属板は磁性合金板である付記５または６に記載の屋根。
（付記８）
前記複数枚の磁性金属板は直列に接続され、直列に接続した両端に前記電極を設ける付記５から７のいずれか一項に記載の屋根。
（付記９）
前記磁性金属板の裏側に、冷媒を流す配管を設ける付記１から８のいずれか一項に記載の屋根。
（付記１０）
自発磁化を有する磁性金属板を複数枚、屋根材として設置し、前記磁性金属板のうちの少なくとも２つそれぞれ電極を設け、前記２つの電極の間に電源を接続して前記屋根材に電流を流し、厚み方向に熱流を発生させることを特徴とする屋根。
（付記１１）
自発磁化を有し、厚み方向に生じる温度差により異常ネルンスト効果を発現して起電力が発生する磁性金属板と、電力を取り出すための電極を前記磁性金属板に設けたことを特徴とする屋根材。
【符号の説明】
【００２６】
１００    金属屋根
１０２    小屋束
１０３    母屋
１０４    軒桁
１０５，３０５、９０５    垂木
１０６    棟木
１０７    野地板
１０８    屋根材
１０９    下葺き材
１１０    防水スポンジ
１１１    貫板
１１２    棟板金
１１３    鼻隠し
１１４，６１４    釘
１１６  断熱材
２０１    小屋裏
２０２    室内
３０８、９０８、９０８ａ、９０８ｂ    磁性合金長板
５１０、９１０    絶縁層
３０ａ、３０ｂ、  ９０ａ、９０ｂ、１３０３，１３０４    電極
３０、９０、９０ｃ’    導電板
９０ｃ、９０ｄ    導体
１１００    屋根材
１２００    配管
１２０１    電源
１２０３    第１電極
１２０４    第２電極
１２０８    磁性合金板
１３００    冷媒
１３０８    磁性金属板
【図１】
2020066926.tif 000003
【図２】
2020066926.tif 000004
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2020066926.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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