(57)【要約】［課題］熱量の移動を維持しつつ、効率的な発電を行うことができる熱交換装置を提供する。［解決手段］熱交換装置を、熱交換部１と、磁性体２を備える構成とする。熱交換部１は、熱源に接する第１の熱伝達界面３と、熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面４を有する。磁性体２は、熱交換部１の第１の熱伝達界面３と第２の熱伝達界面４との間に挟持され、第１の熱伝達界面３と第２の熱伝達界面４との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する。
2018173853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源に接する第１の熱伝達界面と、前記熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面とを有する熱交換手段と、
前記熱交換手段の前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に挟持され、前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体と
を備えることを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記磁性体は、磁性絶縁体と磁性伝導体との集合体であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記磁性体は、少なくとも２種類以上の磁性体伝導体の集合体であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記磁性体の前記集合体は、積層構造を形成していることを特徴とする請求項２または３に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記熱交換手段は、前記熱源または前記熱浴の少なくとも一方の流路を形成していることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記熱交換手段は、円周方向に前記磁化成分を有する前記磁性体の管によって形成され、前記管の内部に前記流路を形成していることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記熱交換装置は、前記熱源または前記熱浴の少なくとも一方の液だめを形成していることを特徴とする請求項１から５いずれかに記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記熱交換手段は、折り曲げ構造を有していることを特徴とする請求項７に記載の熱交換装置。
【請求項９】
複数の前記熱交換手段を有し、それぞれの前記熱交換手段は、前記第１の熱伝達界面どうしおよび前記第２の熱伝達界面どうしの少なくとも一方が互いに対向するように備えられていることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の熱交換装置。
【請求項１０】
前記熱交換手段の前記第１の熱伝達界面と、隣接する前記熱交換手段の前記第２の熱伝達界面の間に熱伝導手段を備えることを特徴とする請求項９に記載の熱交換装置。
【請求項１１】
前記磁性体と外部回路を電気的に接続する接続手段をさらに備え、
前記接続手段は、前記磁性体に発生した電力を前記外部回路に出力し、前記外部回路から入力される電力を元に前記磁性体に送ることを特徴とする請求項１から１０いずれかに記載の熱交換装置。
【請求項１２】
請求項１から１１いずれかに記載の熱交換装置と、
機器に供給する電力を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記熱交換装置の前記磁性体に生じる熱起電力から得られる電力を元に前記機器に電力を供給することを特徴とする熱交換システム。
【請求項１３】
前記制御手段は、前記熱交換装置から得られる電力と、電源から入力される電力を元に前記機器に供給する電力を制御することを特徴とする請求項１２に記載の熱交換システム。
【請求項１４】
前記熱交換装置の前記熱交換手段と温度を計測する温度計測部手段と、
前記熱交換手段に流入する熱流を計測する熱流計測手段と
をさらに備え、
前記制御手段は、前記温度計測手段が計測した温度と、前記熱流計測手段が計測した熱流を基に、前記熱交換装置の制御を行うことを特徴とする請求項１２または１３に記載の熱交換システム。
【請求項１５】
前記制御手段は、前記温度計測手段が計測した温度が基準以上のとき、電源から入力される電力を元にして、前記磁性体に電流が流れるように制御することを特徴とする請求項１４に記載の熱交換システム。
【請求項１６】
複数の前記熱交換装置を備え、
前記制御手段は、前記熱交換装置ごとに前記熱交換装置からの電力の供給を制御することを特徴とする請求項１２から１５いずれかに記載の熱交換システム。
【請求項１７】
熱源に接する第１の熱伝達界面と、前記熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面の間に、
前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体を挟持し、
前記第１の熱伝達界面に前記熱源または前記熱源から送られてくる第１の流体を接触させ、
前記第２の熱伝達界面に前記熱浴または前記熱浴から送られてくる第２の流体を接触させ、
前記磁性体に熱起電力によって生じる電力を外部に出力する熱交換方法。
【請求項１８】
前記第２の熱伝達界面に接する位置に形成された前記熱浴の液だめの液を、前記第１の熱伝達界面に接する前記熱源または前記熱源から流入する流体の熱によって気化させ、前記熱源または前記熱源から流入する流体を冷却することを特徴とする請求項１７に記載の熱交換方法。
【請求項１９】
円周方向に前記磁化成分を有する前記磁性体の管の内部に前記第１の流体または前記第２の流体のいずれか一方の流体を流し、前記管の外側にもう一方の流体を流すことを特徴とする請求項１７に記載の熱交換方法。
【請求項２０】
前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間にそれぞれ挟持された複数の前記磁性体を、前記第１の熱伝達界面どうしおよび前記第２の熱伝達界面どうしが互いに対向するように配置し、
前記第１の熱伝達界面に挟まれた領域に前記熱源から送られてくる前記第１の流体を導入し、
前記第２の熱伝達界面に挟まれた領域に前記熱浴から送られてくる前記第２の流体を導入することを特徴とする請求項１７に記載の熱交換方法。
【請求項２１】
前記磁性体から得られる電力と、電源から入力される電力を元に機器に供給することを特徴とする請求項１７から２０いずれかに記載の熱交換方法。
【請求項２２】
前記磁性体付近の温度を温度し、
前記磁性体に流入する熱流を計測し、
計測した前記温度と前記熱流を基に、前記磁性体における熱電変換動作を制御することを特徴とする請求項１７から２１いずれかに記載の熱交換方法。
【請求項２３】
計測した前記温度が基準以上のとき、電源から入力される電力を元にして、前記磁性体に電流が流れるように制御することを特徴とする請求項１７から２２いずれかに記載の熱交換方法。
【請求項２４】
前記磁性体を有する複数のモジュールに分割し、
前記モジュールからの電力の供給を前記モジュールごとに制御することを特徴とする請求項１７から２３いずれかに記載の熱交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換装置に関するものであり、特に、熱交換の際に熱電変換によって発電を行う技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高温の熱源から低温の熱浴への熱量の移動、すなわち、熱交換を一定以上の大きさで行う目的のシステムがある。例えば、自動車や発電機などに用いる内燃機関は、動力や電力を得るためにエネルギーを消費し、その消費分の少なくない割合は最終的に熱に変換される。熱が生成され続けると内燃機関の内部温度が上昇し、機器に不具合が生じる恐れがあるため、機器の保全の目的で不必要な熱を排出する必要がある。【０００３】
そのため、内燃機関を有する機器などは、空冷フィンやラジエータなどと呼ばれる熱交換装置を備え、機器が一定以上の温度に加熱しないように排熱を行う。これらの熱交換装置は、内燃機関内で一定時間内に生じる発熱量と、熱浴となる外気温、許容できる最高温度などの条件に合わせてその構成が決まる。重要な熱交換装置の性能指標の１つは、熱抵抗率であり、熱抵抗率を一定以下に小さくするように熱交換装置が設計される。すなわち、熱交換装置は、熱抵抗率の逆数である熱伝達係数が一定以上となるように設計される。【０００４】
廃熱の活用形態の一つに、電力に変換する試みがある。大型船舶などでは、内燃機関の高温廃熱を利用して、スターリング機関を用いた二次廃熱発電などを行っている例がある。しかし、原動機を用いた発電は、熱源の温度が低下したり、発電規模を小さくしたりすると極端に効率が低下してしまうため、廃熱発電に用いることができるケースは限られている。【０００５】
廃熱を用いた発電に、熱電変換素子を用いる試みがある。熱電変換素子は、固体材料で構成される素子に熱流を印加し、その一部を電流に変換して取り出すものである。熱源の温度が低下したり、発電規模が小さくなったりしても、極端に効率が低下することがないため、比較的、低温・小規模の廃熱であっても発電に用いることができる利点がある。【０００６】
熱電変換素子を用いてより大きな電力を得るためには、ある一定の熱源の温度、環境温度、システムの大きさなどの条件を仮定した上で、熱電変換素子自身の変換効率を高めることと、素子に入力される熱量を大きくすることの２点が重要な要件となる。例えば、熱電変換素子と熱交換装置を組み合わせて用いれば、熱交換装置を用いない場合と比較して素子への熱流の入力量が増大するためより大きな電力を発生できる。【０００７】
効率的な放熱を行う技術としては、例えば、特許文献１のような技術が開示されている。特許文献１の熱交換装置は、放熱用のフィンを有する密閉された放熱器の内部に、冷媒が入れられており、冷媒の気化熱で熱交換装置の周囲の電子部品の冷却を行う。【０００８】
また、熱交換装置に熱電変換素子を取り付けて発電を行う技術としては、例えば、特許文献２のような技術が開示されている。特許文献２の熱交換装置は、熱を帯びた水が内部を流れる放熱チューブの外側の面に熱電変換素子を取り付けることで発電を行っている。【０００９】
また、発電を行う際に用いる熱電変換素子に関する技術としては、特許文献３のような技術が開示されている。特許文献３は、ビスマステルル系の熱電変換素子を用いて発電を行っている。【００１０】
また、熱電変換素子において発電効率を向上させる技術としては、例えば、特許文献４及び５、並びに、非特許文献１のような技術が開示されている。特許文献４及び５、並びに、非特許文献１では、スピンゼーベック効果等を有する磁性体材料を用いた熱電変換素子によって発電が行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開昭６０−７４６５６号公報
【特許文献２】実開昭６２−８７１５６号公報
【特許文献３】特開平１１−３４０５２３号公報
【特許文献４】国際公開第２０１２／１６９３７７号
【特許文献５】特開２０１６−９８３８号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｕｃｈｉｄａ  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｐｉｎ  Ｓｅｅｂｅｃｋ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ”，  Ｎａｔｕｒｅ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，  ２０１０，ｖｏｌ．９，ｐ．８９４−８９７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、各先行技術文献に記載された技術は次のような点で十分ではない。熱交換装置の本来の目的である熱源から熱浴への熱量の移動を、一定以上の大きさで行うことと、熱交換装置への発電用の熱電変換素子の取り付けることには矛盾が生じ得る。例えば、特許文献１の熱交換装置に、特許文献２乃至５および非特許文献１の熱電変換素子を取り付けた場合に、熱交換装置の熱伝達性が大きく低下する。すなわち、熱伝達係数が大きい、すなわち熱抵抗が小さい熱交換装置を用いたとしても、熱伝達システム上において熱交換装置と直列に接続して用いる熱電変換素子の熱抵抗が大きいと、熱電変換素子部分が熱伝達を阻害し、熱量の移動が低下する。そのため、熱交換装置に熱電変換素子を取り付けた構成では、熱電変換による発電と熱交換装置による熱の排出を同時に満たすことは困難である。よって、各先行技術文献に記載の技術は、熱交換装置において熱量の移動を維持しつつ、効率的な発電を行うための技術としては十分ではない。【００１４】
本発明は、上記の課題を解決するため、熱伝達性を維持しつつ効率的に発電を行うことができる熱交換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の課題を解決するため、本発明の熱交換装置は、熱交換部と、磁性体を備えている。熱交換部は、熱源に接する第１の熱伝達界面と、熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面を有する。磁性体は、熱交換部の第１の熱伝達界面と第２の熱伝達界面との間に挟持され、第１の熱伝達界面と第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する。【００１６】
本発明の熱交換方法は、熱源に接する第１の熱伝達界面と、熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面の間に、第１の熱伝達界面と第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体を挟持する。本発明の熱交換方法は、第１の熱伝達界面に熱源または熱源から送られてくる第１の流体を接触させ、第２の熱伝達界面に熱浴または熱浴から送られてくる第２の流体を接触させる。本発明の熱交換方法は、磁性体に熱起電力によって生じる電力を外部に出力する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、熱伝達性を維持しつつ効率的に発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す図である。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態の熱電変換部材を示す斜視図である。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態の熱電変換部材を示す断面図である。
【図４】本発明の第２の実施形態の他の熱電変換部材の例を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態の他の熱電変換部材の例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における熱流を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の構成の概要を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施形態の構成の概要を示す図である。
【図９Ａ】本発明の第４の実施形態の熱電変換チューブを示す斜視図である。
【図９Ｂ】本発明の第４の実施形態の熱電変換チューブを示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態の熱電変換部材を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態の他の構成の例を示す図である。
【図１２Ａ】本発明の第５の実施形態の構成の概要を示す斜視図である。
【図１２Ｂ】本発明の第５の実施形態の構成の概要を示す断面図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態の熱電変換部材を示す図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態の構成の概要を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の熱交換装置の構成の概要を示したものである。本実施形態の熱交換装置は、熱交換部１と、磁性体２を備えている。熱交換部１は、熱源に接する第１の熱伝達界面３と、熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面４を有する。磁性体２は、熱交換部１の第１の熱伝達界面３と第２の熱伝達界面４との間に挟持され、第１の熱伝達界面３と第２の熱伝達界面４との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する。
【００２０】
本実施形態の熱交換装置は、熱交換部１の第１の熱伝達界面３と第２の熱伝達界面４の間に、２つの界面の間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体を備えている。そのため、熱源と熱浴の間の温度勾配によって、２つの界面の間に生じる熱流束が生じた際に、磁性体２に熱起電力が生じる。本実施形態の熱交換装置は、熱交換部１において熱起電力によって発電を行うことで、熱電変換素子等をさらに取り付ける必要が無いため、熱抵抗の増加を抑制することができる。また、本実施形態の熱交換装置は、磁性体２を熱交換部１内に有することで大きな熱流を熱電変換素子である磁性体に流入させることができるので、効率的に発電を行うことができる。その結果、本実施形態の熱交換装置は、熱伝達性を維持しつつ効率的に発電を行うことができる。
【００２１】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態の熱交換装置１０の構成の概要を示した図である。熱交換装置１０は、熱交換部１１と、第１の流路１２と、第２の流路１３を備えている。本実施形態の熱交換装置１０は、熱源から送られてくる流体が流れる第１の流路１２と、熱浴から送られてくる流体が流れる第２の流路１３の間に備えられている熱交換部１１において温度差によって生じる熱起電力によって電力を得る平板型熱交換装置である。
【００２２】
熱交換部１１は、温度差によって生じる熱起電力を元に電力を得る平板状の熱電変換部材である。熱交換部１１に用いる熱電変換部材の構成について説明する。図３Ａおよび図３Ｂは、熱電変換部材１００の構成の例を模式的に示した図である。図３Ａは、熱電変換部材１００の概観を示した斜視図である。また、図３Ｂは、熱電変換部材１００の断面図である。
【００２３】
熱電変換部材１００は、強磁性、フェリ磁性または反強磁性などの磁性と、電気伝導性を有する一様な材料で構成されている。熱電変換部材１００は、平板状の構造を有する。熱電変換部材１００は、例えば、Ｍｎ、Ｆｅ、ＣｏまたはＮｉなどの３ｄ軌道の電子を有する磁性遷移金属、もしくは、それらの遷移金属のうち、少なくとも１つを含む磁性金属合金によって形成されている。また、熱電変換部材１００は、平板状構造の面内に平行に配向した磁化または磁気モーメント成分を有する。
【００２４】
熱電変換部材１００は、熱交換部１１として第１の流路１２と第２の流路１３の間に配置されているので、第１の流路１２を流れる流体と第２の流路１３を流れる流体の温度差によって平板の面直方向に突き抜けるように熱流が生じる。熱電変換部材１００の平板の表面と裏面に定常的に温度差が生じる状態となったとき、熱電変換部材１００には、熱流方向と磁化方向の両方に直交する方向に平行な向きに異常ネルンスト効果による熱起電力が生じる。
【００２５】
異常ネルンスト効果による熱起電力は、熱電変換部材１００を構成する材料に依存して符号が変わる性質を有する。そのため、熱電変換部材１００に生じる熱起電力の向きは、図３Ａに示す方向とは反平行方向となることもある。
【００２６】
次に、熱交換部１１が複合材料を用いた熱電変換部材によって構成されている例について説明する。図４は、複合材料を用いた熱電変換部材２００の構成を示す断面図である。
【００２７】
熱電変換部材２００は、絶縁性熱電変換材料２０１と、導電性熱電変換材料２０２によって構成されている。
【００２８】
絶縁性熱電変換材料２０１は、例えば、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ：Yttrium Iron Garnet、Ｙ３Ｆｅ５Ｏ１２）を用いて形成することができる。また、絶縁性熱電変換材料２０１は、ビスマス（Ｂｉ）をドープしたＹＩＧ（Ｂｉ：ＹＩＧ）またはイッテルビウムをドープしたＹＩＧ（ＹｂＹ３Ｆｅ５Ｏ１２）を用いて形成してもよい。また、絶縁性熱電変換材料２０１は、組成ＭＦｅ２Ｏ４（Ｍは金属元素であり、Ｎｉ，ＺｎまたはＣｏのいずれかを含む）からなるスピネルフェライト材料を用いてもよい。また、マグネタイト（Ｆｅ３Ｏ４）もしくはその他のガーネット構造またはスピネル構造を持つ酸化物磁性体に対して元素置換を施した材料は、弱い電気伝導性を有する場合がある。そのような弱い電気伝導性を有する酸化物磁性体材料も、絶縁性熱電変換材料２０１として用いることもできる。
【００２９】
導電性熱電変換材料２０２は、逆スピンホール効果（スピン軌道相互作用）を発現する導電体を用いて形成することができる。導電性熱電変換材料２０２は、例えば、スピン軌道相互作用が比較的大きいＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｂｉ、その他のｄ軌道またはｆ軌道を有する遷移金属もしくはそれらの遷移金属を有する合金材料を用いて形成される。導電性熱電変換材料２０２は、Ｃｕなどの一般的な金属膜材料に、ＦｅまたはＩｒなどの材料を０．５から１０ｍｏｌパーセント程度ドープすることで同様の効果を発現させた金属膜材料を用いて形成することもできる。
【００３０】
また、遷移金属のうち、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＶまたはＴｉを用いると、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄまたはこれらを含有する合金とは、逆符号の電圧を得ることができる。すなわち、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｃｒ、ＶまたはＴｉを用いると、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄまたはこれらを含有する合金とは、逆スピンホール効果によって発生する電流の向きが反対になる。また、導電性熱電変換材料２０２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの酸化物伝導体もしくは組成ＣｕＭｏ２またはＳｒＭＯ３（Ｍは金属元素で、Ｍｎ、Ｎｉ、ＣｏまたはＦｅのいずれかを含む）などの磁性酸化物半導体を用いて形成されていてもよい。
【００３１】
絶縁性熱電変換材料２０１と導電性熱電変換材料２０２は、清浄な界面を介して接合している。そのため、絶縁性熱電変換材料２０１と導電性熱電変換材料２０２は、スピンゼーベック素子として機能する。スピンゼーベック素子として機能することで、絶縁性熱電変換材料２０１と導電性熱電変換材料２０２を形成する材料およびその界面は、熱交換装置１０の熱交換部１１を構成する部材として用いることができる。また、熱電変換部材２００では、導電性熱電変換材料２０２を挟み込むように、２つの絶縁性熱電変換材料２０１が配置されている。このような配置で利用することによって、絶縁性熱電変換材料２０１は、熱起電力が発生する導電体を被覆する機能を有する。
【００３２】
熱交換部１１には、さらに多層の構造の熱電変換部材を用いることもできる。図５は、多層構造を有する熱電変換部材３００の構成の例を示した断面図である。熱電変換部材３００は、第１の熱電変換材料３０１の層と、第２の熱電変換材料３０２の層を交互に備えている。第１の熱電変換材料３０１は、絶縁性熱電変換材料２０１と同様の材料を用いることができる。また、第２の熱電変換材料３０２は、導電性熱電変換材料２０２と同様の材料を用いることができる。
【００３３】
熱電変換部材３００は、両側の表面が第１の熱電変換材料３０１となるように構成され、第１の熱電変換材料３０１の層と、第２の熱電変換材料３０２の層が交互になるように積層されている。第２の熱電変換材料３０２と、第２の熱電変換材料３０２を挟み込む２つの第１の熱電変換材料３０１は、スピンゼーベック素子としての機能を有する。そのため、熱電変換部材３００は、複数のスピンゼーベック素子が積層された構成を有している。図５は、３層の第１の熱電変換材料３０１と、２層の第２の熱電変換材料３０２によって、２つのスピンゼーベック素子が積層されている構成を示している。また、第１の熱電変換材料３０１と、第２の熱電変換材料３０２の各層は、互いに組成の異なる材料によって形成されていてもよい。
【００３４】
第１の流路１２および第２の流路１３は、流体が通る矩形の管を用いて、２つの流路が熱交換部１１で隔てられるように構成されている。第１の流路１２は、熱源からの流体が流れる流路である。また、第２の流路１３は、熱浴からの流体が流れる流路である。よって、第１の流路１２と第２の流路１３を流れる流体には温度差があるため、熱交換部１１の平面に直交する方向に熱流が生じる。
【００３５】
本実施形態の熱交換装置１０の動作について説明する。本実施形態の熱交換装置１０では、第１の流路１２に熱源から送られてくる流体、第２の流路１３に熱浴から送られてくる流体が流れている。第１の流路１２を流れる流体は、第２の流路１３を流れる流体よりも高温である。
【００３６】
温度差のある流体が、熱交換部１１の両面を流れると、熱交換部１１を突き抜ける方向に熱流が発生し、熱交換部１１の平面に直交する方向に温度勾配が生じる。温度勾配が生じると熱交換部１１には、熱流と磁化の方向に直交する方向に熱起電力が生じる。熱起電力によって生じた電力が、磁性体に接続された回路または端子を介して外部に取り出され、他の機器への電源として供給される。
【００３７】
熱交換装置１０についてより詳細に説明する。図６は、熱交換装置１０の断面構造を模式的に示した断面図である。以下では、熱源の温度が熱浴よりも高い場合を例に説明する。熱源の温度が高いとき、熱源からの流体が持つ熱は、第１の流路１２から、熱交換部１１を突き抜けて第２の流路１３に流れる。すなわち、熱交換部１１を構成する熱電変換部材には熱流が存在し、熱電変換部材の熱伝導率の大きさに依存して、熱流方向への温度勾配が生じる。
【００３８】
熱交換部１１は、構成する熱電変換部材の平面内に磁化を有し、また電気伝導性を示す材料を内部に有している。そのため、熱交換部１１には、磁化方向と熱流方向の両方に直交する熱起電力が発生する。電力を取り出す上で、熱交換部１１で発生した熱起電力を短絡しないように熱交換装置１０を構成する周囲の部材の一部に、適切に絶縁を行っておくことが好ましい。
【００３９】
また、熱起電力の向きは、磁化Ｍと熱流ｑのベクトルの外積方向に平行または反平行となる。２枚以上の熱電変換部材を用いる場合については、それぞれの磁化の方向に依存して決まる熱起電力が互いに打ち消しあわないように、直列または並列に２枚の熱電変換部材を接続する必要がある。
【００４０】
通常の熱交換装置の場合、熱電変換部材に相当する部材は、金属製の平板で構成される。平板には、例えば、ステンレス鋼ＳＵＳ３０４が用いられる。ＳＵＳ３０４で形成された平板状の部材の熱伝導率が１６．７Ｗ／ｍＫ、寸法が縦横それぞれ１２０ｍｍ、厚さ１ｍｍと仮定すると、平板状の部材の熱伝達係数は１６．７ｋＷ／ｍ２Ｋ、熱抵抗は４．２×１０−3Ｋ／Ｗとなる。熱伝達係数は、単位Ｗ／ｍ２Ｋで表すことができる物性値であり、単位Ｋ／（Ｗ／ｍ２）で表すことができる熱抵抗率の逆数である。
【００４１】
金属製の平板を有する通常の熱交換装置に、通常の熱電変換素子を付加して用いた場合を考える。例えば、４０ｍｍ×４０ｍｍの大きさの市販のＢｉＴｅ半導体のｐｎ接合を集積した熱電変換モジュールを用い、炭素鋼平板１２０ｍｍ×１２０ｍｍの範囲に密に敷き詰めるとする。そのような構成では、熱電変換モジュール１つあたりの熱抵抗値を約１Ｋ／Ｗとし、炭素鋼平板の熱抵抗および熱電変換モジュールと炭素鋼平板との界面熱抵抗を無視すると考えて試算したとしても、熱伝達係数は６３０Ｗ／ｍ２Ｋ、熱抵抗は約０．１１Ｋ／Ｗまで悪化する。
【００４２】
次に、本実施形態の熱交換装置１０における熱伝達係数を試算する。熱電変換部材１００には、例えば、アルニコ磁石とも呼ばれるＦｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ合金を用いたとする。Ｆｅ−Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ合金の熱伝導率は、約１５Ｗ／ｍＫである。形状が縦横それぞれ１２０ｍｍ、厚さ１ｍｍであったとすると、熱伝達係数は１５ｋＷ／ｍ２Ｋ、熱抵抗は約４．６×１０−３Ｋ／Ｗとなる。
【００４３】
熱交換を効率的に行うためには、熱交換部１１として用いる熱電変換部材の熱伝達係数はできるだけ大きいことが好ましい。本実施形態の熱交換装置１０の熱伝達係数は、発電を行わない場合よりは低いが通常の熱電変換素子を備えた熱交換装置よりも非常に大きい値を有している。そのため、本実施形態の熱交換装置１０を用いることで、熱伝達係数の低下を抑制しつつ発電を行うことができる。
【００４４】
次に、本実施形態の熱交換装置１０における発電量を試算する。熱源の温度は８０度、熱浴の温度は２０度でそれぞれの温度の水を、流露の幅、厚さがそれぞれ１２ｃｍ、０．５ｃｍの熱交換装置に、流量が６．８リットル／分となるように導入したとする。上記の熱源および熱浴の温度、並びに、以下の説明における温度は、セルシウス温度で示している。
【００４５】
平板型の熱交換装置１０において、図２のように熱源と熱浴からの流体を対向させるように導入した場合に、熱交換装置１０の内部の水流方向の各点で、第１の流路１２内部と第２の流路１３内部の温度差は異なるが、各部分でおおよそ一定に保たれているとする。また、熱交換部１１と水流との界面の熱伝達係数が３０００Ｗ／ｍ２Ｋと仮定して試算を行う。
【００４６】
熱交換装置の熱交換部の熱電変換材料にＳＵＳ３０４に用いた場合、熱源からの水が通る第１の流路の出口側の水温は６０度、熱浴からの水が通る第２の流路の出口側の水温は４０度となる。また、熱電変換部材を通過する熱流量は約７９３Ｗとなる。しかし、ＳＵＳ３０４は、有意な異常ネルンスト効果を発現しないため、発電は起きない。
【００４７】
熱交換装置の熱交換部に、通常の熱電変換素子を付加して用いた場合を考える。このとき、熱電変換部材の熱伝達係数は、熱電変換素子を導入した影響で大きく低下する。熱伝達係数が下がることで、第１の流路の出口側の水温は約７２度までしか冷却することができず、熱電変換部材を通過する熱流量は約３２０Ｗとなり、熱電変換素子が無い場合の半分以下まで大きく低下する。
【００４８】
また、第１の流路と第２の流路の水温差は各点において約５２度となり、そのうち約３６度が熱電変換素子の内部に生じる温度差となる。このとき、ＢｉＴｅ系材料のゼーベック効果によって発電が行われると、熱電変換効率として約１．５パーセント、熱電出力として約４．８Ｗの発電を行うことができる。この場合は、熱電変換素子部分の熱抵抗が大きいために、熱電変換素子部分に大きな温度差が生じ、発電量は得られるが、熱交換の量は大きく損なわれる。
【００４９】
一方で、本実施形態の熱交換装置１０を用いた場合は、アルニコ磁石からなる熱電変換部材１００の熱伝導率のＳＵＳ３０４からの低下は小さく、第１の流路１２の出口側の水温は約６０．１度まで冷却することができる。また、熱電変換部材１００を通過する熱流量も約７８８Ｗが得られ、ＳＵＳ３０４と遜色のない冷却性能が得られる。その結果、第１の流路１２と第２の流路１３の水温差は各点において約４０．１度となり、そのうち約３．６度が熱電変換素子の内部の温度差となる。このとき、アルニコ磁石の異常ネルンスト効果による熱電性能指数は、ＢｉＴｅ系材料と比較して、熱電変換係数では劣っているが、抵抗率が大幅に小さくなる分、熱電出力因子としてはほぼ同等の値が得られることが期待される。熱電変換効率および出力を、ＢｉＴｅ系熱電素子と同等の無次元熱電変換性能指数０．７４を用いて算出すると、熱電変換部材１００の熱電変換効率は約０．１５パーセント、熱電出力は約１．２Ｗとなる。
【００５０】
以上のように、本実施形態の熱電変換部材を熱交換部１１として用いた熱交換装置１０によって、熱交換による冷却性能をほとんど損なわない条件で、発電を行うことができる。
【００５１】
本実施形態の熱交換装置１０のより最適な設計を行うには、以下の指針に沿うことが好ましい。熱源と熱浴の温度差をΔＴ、熱交換装置１０を構成する構造体のうち熱電変換素子部分の熱抵抗をθＴＥ、熱交換装置１０を構成する構造体のうち熱電変換素子以外の部分の寄生熱抵抗をθＰとする。また、第１の熱伝達界面に生じる界面熱抵抗をθＩＦ１、第２の熱伝達界面に生じる界面熱抵抗をθＩＦ２とする。そのようなとき、熱源と熱浴の間に流れる熱流ＱとΔＴの関係は、フーリエ則により、ΔＴ＝（θＴＥ＋θＰ＋θＩＦ１＋θＩＦ２）・Ｑと表すことが出来る。第１の熱伝達界面は、熱交換部１１の熱電変換材料が第１の流路１２を流れる流体と接する部分である。また、第２の熱伝達界面は、熱交換部１１の熱電変換材料が第２の流路１３を流れる流体と接する部分である。
【００５２】
熱電変換素子の熱起電力Ｖは、熱電変換係数をＳ、θＯ＝θＰ＋θＩＦ１＋θＩＦ２とすると、Ｖ＝Ｓ・ΔＴ・θＴＥ／（θＴＥ＋θＯ）である。また、最大取り出し電力Ｐｍａｘは、素子の内部抵抗をＲとすると、Ｐｍａｘ＝Ｖ２／４Ｒと仮定して算出することができ、Ｐｍａｘ＝（Ｓ・ΔＴ・θＴＥ）２／（４Ｒ・（θＴＥ＋θＯ）２）となる。
【００５３】
ここで、熱電変換素子の物理的な厚さをｄとすると、Ｓ２／Ｒ∝１／ｄ、θＴＥ＝ｄの関係性がある。これらをＰｍａｘに一部導入し式を簡略化すると、Ｐｍａｘ∝θＴＥ／（θＴＥ＋θＯ）２の関係式が得られる。この関係式は、θＴＥ＝θＯの時に極大となる性質がある。
【００５４】
上記の通り、通常のモジュール型熱電変換素子を用いた場合には、θＴＥがθＯよりも非常に大きい条件となるため、Ｐｍａｘが最大となる条件で用いることが出来ない。また、通常のモジュール型熱電変換素子を用いた場合には、ΔＴ一定の条件では、大きなθＴＥが加わることでＱが小さくなってしまうために熱交換装置としての性能も阻害されてしまう。
【００５５】
本実施形態の熱交換装置１０では、θＴＥ＝θＯが実現するもっとも好ましい条件を満たすように設計することが実質的に可能であるとともに、熱交換装置としての性能を重視して、θＴＥがθＯよりも小さい条件となるように設計して用いることも可能である。よって、本実施形態の熱交換装置１０は、熱交換装置としての性能を維持しつつ、発電効率が高い設計を行うことが可能になる。
【００５６】
本実施形態の熱交換装置１０は、熱電変換部材で構成された熱交換部１１において、第１の流路１２を流れる熱源からの流体と第２の流路１３を流れる熱浴からの流体との間で熱交換をおこなっている。また、本実施形態の熱交換装置１０は、第１の流路１２と第２の流路１３の間の温度差によって熱交換部１１に生じる温度勾配を元に発電を行っている。
【００５７】
本実施形態の熱交換装置１０は、熱交換部１１が磁性体等によって構成されているので、熱交換部１１に熱電変換素子を取り付ける場合と比べて、熱伝達係数の低下を抑制することができる。そのため、本実施形態の熱交換装置１０は、熱交換による冷却性能を低下させることなく発電を行うことができる。また、本実施形態の熱交換装置１０は、熱交換部１１の熱電変換部材に大きな熱流が発生するので発電を効率的に行うことができる。その結果、本実施形態の熱交換装置１０は、熱伝達性を維持しつつ効率的に発電を行うことができる。
【００５８】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図７は、本実施形態の熱交換装置２０の構成の概要を示した図である。本実施形態の熱交換装置２０は、複数の熱交換部２１と、第１の流路２２と、第２の流路２３と、フィン２４を備えている。本実施形態の熱交換装置２０は、熱交換部２１の間の各流路にフィン２４を形成することで、各流体からの熱伝導性を向上させていることを特徴とする。
【００５９】
熱交換部２１には、第２の実施形態の熱交換部１１と同様の熱電変換部材を用いることができる。熱交換部２１の熱電変換部材は熱流が発生する方向と電力を取り出す向きに従って磁化方向が設定されている。熱交換部２１の複数の熱電変換部材を、直列に接続して熱電変換素子としての熱起電力と内部抵抗を大きくしてもよい。また、複数の熱電変換部材を並列に接続して熱励起電流を積算して取り出す構成としてもよい。
【００６０】
第１の流路２２と第２の流路２３は、互いに直交している。第１の流路２２は、熱源から送られてくる流体が流れる経路である。第２の流路２３は、熱浴から送られてくる流体が流れる経路である。本実施形態の熱交換装置２０は、熱源からの流体と熱浴からの流体が互いに直交する向きに流れるので、より大きな熱交換量および発電量を得ることができる。
【００６１】
フィン２４は、熱伝導性を有する金属等によって形成されている。
【００６２】
本実施形態の熱交換装置２０では、第１の流路２２に熱源から送られてくる流体、第２の流路２３に熱浴から送られてくる流体が流れている。また、第１の流路２２を流れる流体は、第２の流路２３を流れる流体よりも高温であるとする。
【００６３】
温度差のある流体が、熱交換部２１の両面を流れると、熱交換部２１を突き抜ける方向に熱流が発生し、熱交換部２１の平面に直交する方向に温度勾配が生じる。また、フィン２４が熱伝導性を有することで流体の熱が熱交換部２１に伝わり易くなるので、熱交換部２１の両界面の温度差は、第１の流路２２と第２の流路２３の間の温度差に近くなる。そのため、本実施形態の熱交換装置２０は、熱交換と発電の効率がより向上する。また、フィン２４は、第１の流路２２および第２の流路２３を流れる流体の清流効果を有するので熱交換や発電の安定性が向上する。
【００６４】
温度勾配が生じると熱交換部２１には、熱流と磁化の方向に直交する方向に熱起電力が生じる。熱起電力によって生じた電力が、磁性体に接続された回路または端子を介して外部に取り出され、他の機器への電源として供給される。
【００６５】
図７では、第１の流路２２と第２の流路２３は、直交する向きに形成されているが、互いに平行な方向であってもよい。また、互いに平行な方向とする場合には、例えば、第１の流路２２と第２の流路２３に対向する向きに流体が流れるようにする。
【００６６】
本実施形態の熱交換装置２０は、第１の流路２２と第２の流路２３に熱伝導性を有するフィン２４が形成されているので、流路をそれぞれ流れる流体の熱が熱交換部２１に伝わり易くなる。その結果、熱交換装置２０は、熱交換と発電の効率より向上する。
【００６７】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図８は、本実施形態の熱交換装置３０の構成の概要を示す図である。本実施形態の熱交換装置３０は、熱電変換チューブ３１と、冷媒分散集電管３２と、冷媒集合集電管３３と、冷媒導入管３４と、冷媒排出管３５、第１の端子３６と、第２の端子３７を備えている。第２および第３の実施形態の熱交換装置は、平板状の熱交換部を有していたが、本実施形態の熱交換装置３０は、ラジエータ型であることを特徴とする。
【００６８】
本実施形態の熱交換装置３０は、複数の熱電変換チューブ３１内を流れる冷媒と熱電変換チューブ３１の外側の空気等の間で熱交換を行うラジエータ型の熱交換装置である。
【００６９】
熱電変換チューブ３１の構成について説明する。図９Ａは、熱電変換チューブ３１の斜視図である。また、図９Ｂは、熱電変換チューブ３１の断面図である。図９Ｂに示したように、熱電変換チューブ３１は、内部に冷媒の流路を有するように管状に形成されている。熱電変換チューブ３１は、例えば、内部に熱源からの流体、外部に熱浴からの流体が流れるように熱交換装置３０に取り付けられる。
【００７０】
また、熱電変換チューブ３１では、円周方向に磁化方向が設定されている。そのため、熱電変換チューブ３１の内部と外部の温度差を元に長手方向に熱起電力が発生する。長手方向における熱起電力の向きは、熱電変換部材の熱電変換係数の符号に応じて決まる。
【００７１】
熱電変換チューブ３１は、図１０に示すような熱電変換部材４００を用いて形成されている。図１０は、熱電変換チューブ３１に用いる熱電変換部材４００の加工前の状態を模式的に示した図である。熱電変換部材４００には、熱電変換部材１００、熱電変換部材２００または熱電変換部材３００と同様の材料で形成された部材を用いることができる。
【００７２】
熱電変換チューブ３１の作成方法について、熱電変換部材２００と同様の材料を用いて作成する場合を例に説明する。
【００７３】
始めに、導電性熱電変換材料として０．１ｍｍ厚の強磁性伝導体であるパーマロイ板を作成する。次に、導電性熱電変換材料の両面に絶縁性熱電変換材料を形成する。絶縁性熱電変換材料は、ＭＯＤ（Metal Organic Decomposition：有機金属分解）法によってビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ：ＹＩＧ、組成はＢｉＹ２Ｆｅ５Ｏ１２）によって成膜され、導電性熱電変換材料の両面にコーティング膜として形成される。
【００７４】
Ｂｉ：ＹＩＧ成膜用のＭＯＤ溶液は、適切なモル比（Ｂｉ：Ｙ：Ｆｅ＝１：２：５）からなる金属原材料が、カルボキシル化された状態で酢酸エステル中に３％の濃度で溶解されている。この溶液をパーマロイ板上に塗布し、１５０℃のオーブンで１５分間乾燥させた後、５００℃で５分間の仮アニールを行い、最後に電気炉中で７００℃の高温かつ大気雰囲気下で１４時間かけて本アニールを行う。このような工程によって、パーマロイ板上に膜厚約３００ｎｍの多結晶性Ｂｉ：ＹＩＧ膜を形成する。平板状の熱電変換部材４００には、折り曲げ加工および溶接が施され、管状の熱電変換チューブ３１が形成される。
【００７５】
冷媒分散集電管３２は、熱源から冷媒導入管３４を介して送られてくる冷媒を分岐して各熱電変換チューブ３１に導入する。また、冷媒分散集電管３２は、熱電変換チューブ３１と第１の端子３６を電気的に接続し、熱電変換チューブ３１から電力を取り出す回路の一部としての機能を有する。
【００７６】
冷媒集合集電管３３は、各熱電変換チューブ３１を流れてくる冷媒を集約し、熱源に接続されている冷媒排出管３５に送る。また、冷媒集合集電管３３は、熱電変換チューブ３１と第２の端子３７を電気的に接続し、熱電変換チューブ３１から電力を取り出す回路の一部としての機能を有する。
【００７７】
冷媒導入管３４は、熱源に接続され、熱源で温度が上昇した冷媒を熱交換装置３０に導入する。熱源から冷媒導入管３４を流れてきた冷媒は、冷媒分散集電管３２において分岐され各熱電変換チューブ３１に導入される。
【００７８】
冷媒排出管３５は、熱交換装置３０で冷却された冷媒を熱源に供給する。各熱電変換チューブ３１を流れる際に冷却された冷媒は、冷媒集合集電管３３において集約され冷媒排出管３５に排出される。
【００７９】
第１の端子３６および第２の端子３７は、熱電変換チューブ３１から電力を熱交換装置３０の外部に取り出す際の接続端子として形成されている。
【００８０】
また、熱電変換チューブ３１は、冷媒集合集電管３３および冷媒集合集電管３３の内部の空洞部分と開口部が接続するように設置される。また、接続部分において空洞部分から冷媒の漏れが生じないように溶接処理等が施される。
【００８１】
熱交換装置３０の熱電変換チューブ３１の内部には、熱源を冷却する際に温度が上昇した冷媒が流れている。また、熱電変換チューブ３１の外部は、空気等が送り込まれ熱を帯びた空気が滞留しないように構成されている。
【００８２】
熱電変換チューブ３１の内側と外側では温度差があるので、熱電変換チューブ３１を突き抜ける方向に熱流が発生し、熱電変換チューブ３１の表面に直交する方向に温度勾配が生じる。
【００８３】
温度勾配が生じると熱電変換チューブ３１には、熱流と磁化の方向に直交する方向に熱起電力が生じる。熱起電力によって生じた電力は、第１の端子３６および第２の端子３７を介して外部に取り出され、他の機器に電源として供給される。
【００８４】
また、本実施形態の熱交換装置３０において熱電変換チューブ３１間にフィンを設置してもよい。図１１は、熱電変換チューブ３１間にフィン４１を設置した熱交換装置４０の構成を示した図である。熱交換装置４０のフィン４１以外の構成は、熱交換装置３０と同様である。フィン４１は、例えば、熱伝導性を有する金属によって形成されている。フィン４１を備えることで熱交換および熱電変換性能をより向上させることができる。
【００８５】
本実施形態の熱電変換装置は、熱電変換チューブ３１が磁性体等によって構成されているので、熱電変換チューブ３１に熱電変換素子を取り付ける場合と比べて、熱伝達係数の低下を抑制することができる。また、熱電変換チューブ３１の外部を流れる気体等の流れを乱さないので、熱交換性能の低下を抑制することができる。そのため、本実施形態の熱電変換装置は、熱交換による冷却性能を低下させることなく発電を行うことができる。また、本実施形態の熱電変換装置は、熱電変換チューブ３１の熱電変換部材に大きな熱流が発生するので発電を効率的に行うことができる。その結果、本実施形態の熱電変換装置は、ラジエータ型の構成であっても熱伝達性を維持しつつ効率的に発電を行うことができる。
【００８６】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１２Ａは、本実施形態の熱交換装置５０の構成の概要を示した斜視図である。また、図１２Ｂは、本実施形態の熱交換装置５０の断面構造を模式的に示した図である。
【００８７】
熱交換装置５０は、気液熱交換部５１と、冷媒導入管５２と、冷媒排出管５３と、第１の端子５４と、第２の端子５５を備えている。本実施形態の熱交換装置５０は、冷媒を封入した気液熱交換部５１を備え、冷媒の顕熱吸収と潜熱吸収によって熱源または熱源から送られてくる流体の冷却を行うことを特徴とする。
【００８８】
気液熱交換部５１は、熱電変換部材に折り曲げを施しフィン状の表面を有するように加工されている。気液熱交換部５１は、図１３に示すような熱電変換部材５００を加工することで形成される。図１３は、本実施形態の気液熱交換部５１として用いる熱電変換部材５００の加工前の状態を模式的に示した図である。
【００８９】
熱電変換部材５００としては、第２の実施形態の熱電変換部材１００、熱電変換部材２００または熱電変換部材３００と同様の部材を用いることができる。
【００９０】
熱電変換部材３００を用いた場合を例に、気液熱交換部５１の形成方法を説明する。始めに、第１の熱電変換材料３０１として０．１ｍｍ厚の強磁性伝導体であるＦｅ３０Ｃｏ７０合金板と、第２の熱電変換材料３０２として０．１ｍｍ厚の反強磁性相のＭｎ３Ｉｒ合金板をそれぞれ５枚ずつ交互に積層した約１ｍｍ厚の合板を作成する。次に、約０．１ｍｍの厚さになるまで、合板を高温、不活性ガス下で圧延して平板状の熱電変換部材５００を作成する。
【００９１】
熱電変換部材５００に用いる熱電変換材料は、いずれも磁性伝導体として異常ネルンスト効果による熱起電力が発現する材料である。そのため、両材料間の界面には熱流起因のスピン蓄積が生じてスピンゼーベック効果が発現し、熱電変換材料中の逆スピンホール効果による熱起電力が生じる。平板状の熱電変換部材５００に対して、折り曲げ加工および溶接を施し、図１２Ｂのような断面構造を有する気液熱交換部５１を形成する。
【００９２】
気液熱交換部５１は、内部に閉空間を有し、液体状の冷媒６０を一定の水準まで貯める機能を有する。熱交換装置５０の外部には、離間した位置、または直接、接続する位置に熱源が存在し、熱源からの熱流が気液熱交換部５１の外部から内部に向かって流れ込む。その結果、気液熱交換部５１の内部の冷媒６０の温度が上昇する。
【００９３】
このとき、冷媒６０の沸点と内部の圧力を適切に組み合わせることによって、典型的な熱源の稼動状態のときに、冷媒の顕熱吸収に加えて、冷媒が沸騰するときの潜熱吸収を加えた高効率の抜熱を行うことができる。
【００９４】
例えば、室温＋数十度程度の熱源からの抜熱を目的とする場合は、目的の温度帯に沸点を有する冷媒を用いる。そのような冷媒としては、例えば、炭化フッ素系化合物をベースとした冷媒などを用いることができる。
【００９５】
冷媒導入管５２は、液体の冷媒を熱交換装置５０の内部に導入する。
【００９６】
冷媒排出管５３は、気体の冷媒を熱交換装置５０の内部から排出する。冷媒排出管５３から排出された冷媒は、外部の熱浴において冷却されて液体に戻された後、冷媒導入管５２から熱交換装置５０の内部に供給される。
【００９７】
第１の端子５４および第２の端子５５は、気液熱交換部５１の熱電変換部材に発生した起電力を元に生成される電力を外部に取り出す端子である。
【００９８】
本実施形態の熱交換装置５０の動作について説明する。本実施形態の熱交換装置５０には、熱源から熱風等によって熱流が気液熱交換部５１に流れ込む。気液熱交換部５１に流れ込んだ熱流によって冷媒は、沸騰または気化し、冷媒の顕熱吸収と潜熱吸収によって抜熱が行われる。
【００９９】
気化した冷媒は、冷媒排出管５３から気液熱交換部５１の外に排出され、冷却によって液化する。液化した冷媒は、冷媒導入管５２から気液熱交換部５１の内部に供給される。
【０１００】
また、気液熱交換部５１の熱電変換部材を熱流が突き抜ける際に、熱起電力によって電力が発生する。気液熱交換部５１に発生した電力は、第１の端子５４および第２の端子５５を介して取り出され、他の機器に電源として供給される。
【０１０１】
本実施形態の熱交換装置５０は、冷媒の顕熱吸収と潜熱吸収を用いた高効率の抜熱を行うことができる。また、本実施形態の熱交換装置５０は、気液熱交換部５１の外部と内部で安定した温度差を維持することができるので発電を安定して行うことができる。本実施形態の熱交換装置５０は、熱伝達性を維持して効率的に冷却を行いつつ発電を行うことができる。
【０１０２】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１４は、本実施形態の制御システムの構成の概要を示した図である。
【０１０３】
本実施形態の熱交換システムは、熱交換装置７１と、パワーコントロールユニット７２と、制御ユニット７３と、電源７４を備えている。また、熱交換装置７１には、温度センサ７５および熱流センサ７６が取り付けられている。また、パワーコントロールユニット７２は、電力の供給先の機器８０と接続されている。
【０１０４】
熱交換装置７１は、第２乃至第５の実施形態と同様の熱交換装置を用いることができる。
【０１０５】
パワーコントロールユニット７２は、熱交換装置７１の制御および機器８０への電力の供給の制御を行う機能を有する。パワーコントロールユニット７２は、熱交換装置７１の電流、電圧、温度データおよび熱流データについての制御ユニット７３による解析結果を基に、発電電力の効率的な取り出しを可能にする最大電力点追随制御を行う。また、パワーコントロールユニット７２は、機器８０の動作に必要な電圧に合わせて、機器８０に供給する電力を昇圧または減圧する制御を行う。
【０１０６】
パワーコントロールユニット７２は、熱交換装置７１において発電された電力の電流と電圧を計測する。また、熱交換装置７１に取り付けられた温度センサ７５および熱流センサ７６から温度データおよび熱流データを取得する。パワーコントロールユニット７２は、取得したデータを制御ユニット７３に送る。
【０１０７】
パワーコントロールユニット７２は、電源７４からの電力と、熱交換装置７１で発電された電力を合わせて、機器８０に動作に必要な電力を供給する。また、パワーコントロールユニット７２は、熱交換装置７１の温度が冷却を必要とする温度まで上昇しているとき、制御ユニット７３の制御に基づいて、熱交換装置７１に冷却用の電力を供給する。
【０１０８】
制御ユニット７３は、パワーコントロールユニット７２を介して取得する熱交換装置７１の電流、電圧、温度データおよび熱流データを解析し、解析結果を基に機器８０への電力の供給を制御する。また、制御ユニット７３は、熱交換装置７１の温度が基準以上のとき、電源７４から供給される電力を冷却用として熱交換装置７１に供給するようにパワーコントロールユニット７２を制御する。
【０１０９】
熱交換装置７１に電力を供給することで、熱電変換素子を流れる電流によって熱流を発生させるスピンペルチェ効果やエッティングスハウゼン効果により、熱源から熱浴への熱交換を増強して冷却効率を高めることができる。スピンペルチェ効果やエッティングスハウゼン効果による熱流発生の能力指数は、理想的には１に近い値が実現できると予測されている。理想的な状態では、５０Ｗの電力供給を行えば５０Ｗの排熱を行うことができる。
【０１１０】
制御ユニット７３は、例えば、熱交換装置７１の排熱性能を基に、熱源の発熱が小さい場合は発電を行い、熱源の発熱が大きい場合には冷却用の電力を熱交換装置７１に供給する制御を行う。
【０１１１】
制御ユニット７３は、例えば、熱交換装置７１から入力される電力を優先して機器８０の電源供給に用いる制御を行う。熱交換装置７１からの電力では足りないときや冷却を優先するときに電源７４からの電力を機器８０に供給することで、電源７４からの電力の消費を抑えて機器８０へ安定して電源を供給することができる。
【０１１２】
また、制御ユニット７３は、各センサのデータを基に、熱源の動作を予測して制御を行ってもよい。例えば、制御ユニット７３は、熱交換装置７１の排熱性能を上回ることが予測される場合に、冷却を開始するように制御を行ってもよい。
【０１１３】
また、熱交換装置７１を複数のモジュールに分割して、モジュールごとに独立して発電と冷却が排他的に行われるようにしてもよい。そのような構成とすることで、熱交換装置７１からの電力供給および熱交換装置７１の冷却の動作をより適切に制御することができる。また、モジュールごとに発電および冷却のいずれも行わないように制御されてもよい。また、複数の熱交換装置７１を備える構成とした場合にも、熱交換装置７１ごとに同様の制御を行うことができる。
【０１１４】
本実施形態の熱交換システムは、熱交換装置７１の稼動状態において電力の取り出しと冷却のいずれかを優先して動作する。また、本実施形態の熱交換システムは、電源からの電力の供給と熱交換装置７１から取り出した電力によって、機器８０に電源の供給を行うことで、安定した電源供給を効率的に行うことができる。よって、本実施形態の熱交換システムは、安定した冷却性能を維持しつつ、排熱を利用した電力を得ることができる。
【０１１５】
上記の実施形態の一部又は全部は、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。
【０１１６】
（付記１）
熱源に接する第１の熱伝達界面と、前記熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面とを有する熱交換部と、
前記熱交換部の前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に挟持され、前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体と
を備えることを特徴とする熱交換装置。
【０１１７】
（付記２）
前記磁性体は、磁性絶縁体と磁性伝導体との集合体であることを特徴とする付記１に記載の熱交換装置。
【０１１８】
（付記３）
前記磁性体は、少なくとも２種類以上の磁性体伝導体の集合体であることを特徴とする付記１に記載の熱交換装置。
【０１１９】
（付記４）
前記磁性体の前記集合体は、積層構造を形成していることを特徴とする付記２または３に記載の熱交換装置。
【０１２０】
（付記５）
前記熱交換部は、前記熱源または前記熱浴の少なくとも一方の流路を形成していることを特徴とする付記１から４いずれかに記載の熱交換装置。
【０１２１】
（付記６）
前記熱交換部は、円周方向に前記磁化成分を有する前記磁性体の管によって形成され、前記管の内部に前記流路を形成していることを特徴とする付記５に記載の熱交換装置。
【０１２２】
（付記７）
前記熱交換装置は、前記熱源または前記熱浴の少なくとも一方の液だめを形成していることを特徴とする付記１から５いずれかに記載の熱交換装置。
【０１２３】
（付記８）
前記熱交換部は、折り曲げ構造を有していることを特徴とする付記７に記載の熱交換装置。
【０１２４】
（付記９）
複数の前記熱交換部を有し、それぞれの前記熱交換部は、前記第１の熱伝達界面どうしおよび前記第２の熱伝達界面どうしの少なくとも一方が互いに対向するように備えられていることを特徴とする付記１から４いずれかに記載の熱交換装置。
【０１２５】
（付記１０）
前記熱交換部の前記第１の熱伝達界面と、隣接する前記熱交換部の前記第２の熱伝達界面の間に熱伝導部を備えることを特徴とする付記９に記載の熱交換装置。
【０１２６】
（付記１１）
前記磁性体と外部回路を電気的に接続する接続部をさらに備え、
前記接続部は、前記磁性体に発生した電力を前記外部回路に出力し、前記外部回路から入力される電力を元に前記磁性体に送ることを特徴とする付記１から１０いずれかに記載の熱交換装置。
【０１２７】
（付記１２）
付記１から１１いずれかに記載の熱交換装置と、
機器に供給する電力を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記熱交換装置の前記磁性体に生じる熱起電力から得られる電力を元に前記機器に電力を供給することを特徴とする熱交換システム。
【０１２８】
（付記１３）
前記制御部は、前記熱交換装置から得られる電力と、電源から入力される電力を元に前記機器に供給する電力を制御することを特徴とする付記１２に記載の熱交換システム。
【０１２９】
（付記１４）
前記熱交換装置の前記熱交換部と温度を計測する温度計測部と、
前記熱交換部に流入する熱流を計測する熱流計測部と
をさらに備え、
前記制御部は、前記温度計測部が計測した温度と、前記熱流計測部が計測した熱流を基に、前記熱交換装置の制御を行うことを特徴とする付記１２または１３に記載の熱交換システム。
【０１３０】
（付記１５）
前記制御部は、前記温度計測部が計測した温度が基準以上のとき、電源から入力される電力を元にして、前記磁性体に電流が流れるように制御することを特徴とする付記１４に記載の熱交換システム。
【０１３１】
（付記１６）
複数の前記熱交換装置を備え、
前記制御部は、前記熱交換装置ごとに前記熱交換装置からの電力の供給を制御することを特徴とする付記１２から１５いずれかに記載の熱交換システム。
【０１３２】
（付記１７）
熱源に接する第１の熱伝達界面と、前記熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面の間に、
前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体を挟持し、
前記第１の熱伝達界面に前記熱源または前記熱源から送られてくる第１の流体を接触させ、
前記第２の熱伝達界面に前記熱浴または前記熱浴から送られてくる第２の流体を接触させ、
前記磁性体に熱起電力によって生じる電力を外部に出力する熱交換方法。
【０１３３】
（付記１８）
前記第２の熱伝達界面に接する位置に形成された前記熱浴の液だめの液を、前記第１の熱伝達界面に接する前記熱源または前記熱源から流入する流体の熱によって気化させ、前記熱源または前記熱源から流入する流体を冷却することを特徴とする付記１７に記載の熱交換方法。
【０１３４】
（付記１９）
円周方向に前記磁化成分を有する前記磁性体の管の内部に前記第１の流体または前記第２の流体のいずれか一方の流体を流し、前記管の外側にもう一方の流体を流すことを特徴とする付記１７に記載の熱交換方法。
【０１３５】
（付記２０）
前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間にそれぞれ挟持された複数の前記磁性体を、前記第１の熱伝達界面どうしおよび前記第２の熱伝達界面どうしが互いに対向するように配置し、
前記第１の熱伝達界面に挟まれた領域に前記熱源から送られてくる前記第１の流体を導入し、
前記第２の熱伝達界面に挟まれた領域に前記熱浴から送られてくる前記第２の流体を導入することを特徴とする付記１７に記載の熱交換方法。
【０１３６】
（付記２１）
前記磁性体から得られる電力と、電源から入力される電力を元に機器に供給することを特徴とする付記１７から２０いずれかに記載の熱交換方法。
【０１３７】
（付記２２）
前記磁性体付近の温度を温度し、
前記磁性体に流入する熱流を計測し、
計測した前記温度と前記熱流を基に、前記磁性体における熱電変換動作を制御することを特徴とする付記１７から２１いずれかに記載の熱交換方法。
【０１３８】
（付記２３）
計測した前記温度が基準以上のとき、電源から入力される電力を元にして、前記磁性体に電流が流れるように制御することを特徴とする付記１７から２２いずれかに記載の熱交換方法。
【０１３９】
（付記２４）
前記磁性体を有する複数のモジュールに分割し、
前記モジュールからの電力の供給を前記モジュールごとに制御することを特徴とする付記１７から２３いずれかに記載の熱交換方法。
【０１４０】
以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。
【０１４１】
この出願は、２０１７年３月２１日に出願された日本出願特願２０１７−５４４４６を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【符号の説明】
【０１４２】
１    熱交換部
２    磁性体
３    第１の熱伝達界面
４    第２の熱伝達界面
１０    熱交換装置
１１    熱交換部
１２    第１の流路
１３    第２の流路
２０    熱交換装置
２１    熱交換部
２２    第１の流路
２３    第２の流路
２４    フィン
３０    熱交換装置
３１    熱電変換チューブ
３２    冷媒分散集電管
３３    冷媒集合集電管
３４    冷媒導入管
３５    冷媒排出管
３６    第１の端子
３７    第２の端子
４０    熱交換装置
４１    フィン
５０    熱交換装置
５１    気液熱交換部
５２    冷媒導入管
５３    冷媒排出管
５４    第１の端子
５５    第２の端子
６０    冷媒
７１    熱交換装置
７２    パワーコントロールユニット
７３    制御ユニット
７４    電源
７５    温度センサ
７６    熱流センサ
８０    機器
１００    熱電変換部材
２００    熱電変換部材
２０１    絶縁性熱電変換材料
２０２    導電性熱電変換材料
３００    熱電変換部材
３０１    第１の熱電変換材料
３０２    第２の熱電変換材料
４００    熱電変換部材
５００    熱電変換部材
【図１】
2018173853.tif 000003
【図２】
2018173853.tif 000004
【図３Ａ】
2018173853.tif 000005
【図３Ｂ】
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【図４】
2018173853.tif 000007
【図５】
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【図６】
2018173853.tif 000009
【図７】
2018173853.tif 000010
【図８】
2018173853.tif 000011
【図９Ａ】
2018173853.tif 000012
【図９Ｂ】
2018173853.tif 000013
【図１０】
2018173853.tif 000014
【図１１】
2018173853.tif 000015
【図１２Ａ】
2018173853.tif 000016
【図１２Ｂ】
2018173853.tif 000017
【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年9月13日(2019.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源に接する第１の熱伝達界面と、前記熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面とを有する熱交換手段と、
前記熱交換手段の前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に挟持され、前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体と
を備えることを特徴とする熱交換装置。
【請求項２】
前記磁性体は、磁性絶縁体と磁性伝導体との集合体であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記磁性体の前記集合体は、積層構造を形成していることを特徴とする請求項２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記熱交換手段は、円周方向に前記磁化成分を有する前記磁性体の管によって形成され、前記熱源または前記熱浴の少なくとも一方の流路を前記管の内部に形成していることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記熱交換装置は、前記熱源または前記熱浴の少なくとも一方の液だめを形成していることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記熱交換手段は、折り曲げ構造を有していることを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項７】
複数の前記熱交換手段を有し、それぞれの前記熱交換手段は、前記第１の熱伝達界面どうしおよび前記第２の熱伝達界面どうしの少なくとも一方が互いに対向するように備えられ、
前記熱交換手段の前記第１の熱伝達界面と、隣接する前記熱交換手段の前記第２の熱伝達界面の間に熱伝導手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記磁性体と外部回路を電気的に接続する接続手段をさらに備え、
前記接続手段は、前記磁性体に発生した電力を前記外部回路に出力し、前記外部回路から入力される電力を元に前記磁性体に送ることを特徴とする請求項１から７いずれかに記載の熱交換装置。
【請求項９】
請求項１から８いずれかに記載の熱交換装置と、
機器に供給する電力を制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記熱交換装置の前記磁性体に生じる熱起電力から得られる電力を元に前記機器に電力を供給することを特徴とする熱交換システム。
【請求項１０】
熱源に接する第１の熱伝達界面と、前記熱源とは異なる温度を有する熱浴に接する第２の熱伝達界面の間に、
前記第１の熱伝達界面と前記第２の熱伝達界面との間に生じる熱流束に交差する方向に磁化成分を有する磁性体を挟持し、
前記第１の熱伝達界面に前記熱源または前記熱源から送られてくる第１の流体を接触させ、
前記第２の熱伝達界面に前記熱浴または前記熱浴から送られてくる第２の流体を接触させ、
前記磁性体に熱起電力によって生じる電力を外部に出力する熱交換方法。
【国際調査報告】
2018173853.tif 000020
2018173853.tif 000021
2018173853.tif 000022
2018173853.tif 000023