(57)【要約】【課題】発電用熱電素子を用いた移動体用発電装置において、受熱効果を高め発電効率を向上させる。【解決手段】発電用熱電素子２１は、モータ等の熱源４０を収納しているハウジング部５０に取り付けられている。Ａ部の配置例の場合は、ハウジング部５０の外周面５１側に発電用熱電素子２１の厚さに応じた凹部５２が設けられ、その凹部５２内に発電用熱電素子２１が配置されている。また、Ｂ部の配置例の場合は、ハウジング部５０に発電用熱電素子２１が貫通可能な形状の貫通孔５３を設け、その貫通孔５３の熱源４０側を塞ぐように素子取付用基板５４をハウジング部５０に固定し、その素子取付用基板５４に発電用熱電素子２１を取り付け、貫通孔５３内に発電用熱電素子２１を配置させている。また、Ｃ部の配置例の場合は、ハウジング部５０の内周面５５側に発電用熱電素子２１を取り付けてある。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差によって発電する発電用熱電素子を備え、移動体に搭載されて用いられる移動体用発電装置であって、
前記移動体が有する熱源となる部位のハウジング部の一部を加工あるいは前記ハウジング部に前記発電用熱電素子専用の取付け部を設けることによって、前記ハウジング部の外周面よりも前記熱源近傍に前記発電用熱電素子を配置させたこと
を特徴とする移動体用発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の移動体用発電装置において、
前記ハウジング部の外周面側に前記発電用熱電素子の厚さに応じた凹部を設け、その凹部内に前記発電用熱電素子を配置させたこと
を特徴とする移動体用発電装置。
【請求項３】
請求項１に記載の移動体用発電装置において、
前記ハウジング部に貫通孔を設け、その貫通孔の前記熱源側を塞ぐように素子取付用基板を前記ハウジング部に固定し、その素子取付用基板に前記発電用熱電素子を取り付け、前記貫通孔内に前記発電用熱電素子を配置させたこと
を特徴とする移動体用発電装置。
【請求項４】
請求項３に記載の移動体用発電装置において、
前記素子取付用基板は、前記ハウジング部よりも熱伝導率が高い素材にて構成されていること
を特徴とする移動体用発電装置。
【請求項５】
請求項３に記載の移動体用発電装置において、
前記素子取付用基板と前記ハウジング部の間に断熱材を配置したこと
を特徴とする移動体用発電装置。
【請求項６】
請求項１に記載の移動体用発電装置において、
前記ハウジング部の内周面側に前記発電用熱電素子を取り付けたこと
を特徴とする移動体用発電装置。
【請求項７】
請求項６に記載の移動体用発電装置において、
前記ハウジング部の内周面側に凹部を設け、その凹部内に前記発電用熱電素子を嵌め込んで取り付けたこと
を特徴とする移動体用発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体用の発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両において発電する方法としては、例えば車両にエンジンを搭載し、エンジンの駆動力を利用して発電機を発電させたり、車両に電池やバッテリ、あるいはコンデンサやキャパシタ、フライホイールなどを搭載し、それらを用いて電気を貯蔵する方法がある。
【０００３】
また最近では、移動体に燃料電池を搭載し、燃料電池が発電する際に生じる熱を熱電素子により電気に変換する方法（特許文献１参照）や、自動車エンジンの排ガスをマフラー部で熱電素子により電気に変換する方法（特許文献２参照）が提案されている。
【特許文献１】特開２００１−２８８０５号公報
【特許文献２】特開平７−１２００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱電素子で発電する場合、温度差が大きければ効率が向上するので、熱源が高温であることは好ましいことであるが、熱源に近すぎると熱電素子の破壊進行が早まって寿命が短くなる。その反面、熱源を覆うハウジング部（ケーシング部）の外周面に単に取り付けるだけでは受熱効果が十分ではなくなる。ハウジング部は、外部からの振動や衝撃力から内部機器を守るためにあり、それなりの強度が必要となるため、単純に厚みを薄くするということはできないからである。
【０００５】
そこで、発電用熱電素子を用いた移動体用発電装置において、受熱効果を高め発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた請求項１に係る移動体用発電装置（２０：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄で用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、温度差によって発電する発電用熱電素子（２１）を備え、移動体に搭載されて用いられる。熱電素子表面／裏面に温度差を与えることにより起電力が発生する現象を「ゼーベック効果」というが、発電用熱電素子（２１）はこの効果を利用して発電する。
【０００７】
そして、本発明の移動体用発電装置は、移動体が有する熱源（４０）となる部位のハウジング部（５０）の一部を加工あるいはハウジング部に発電用熱電素子専用の取付け部（５４）を設けることによって、ハウジング部の外周面（５１）よりも熱源（４０）近傍に発電用熱電素子（２１）を配置させている。なお、この場合の熱源とは、例えば移動体の推進力発生装置、推進力伝達装置、車輪の回転部分の軸受等の回転機構等が考えられる。例えば鉄道車両や自動車などの車輪の回転により推進する移動体の場合には、例えばモータやエンジンなどの推進力発生装置、変速装置などの推進力伝達装置、車輪の回転部分の軸受等の回転機構が存在し、これらの部分は、移動体の走行に伴って自然に熱を発生する熱源となる。
【０００８】
このような構成のため、単にハウジング部の外周面に取り付ける場合に比べて高温側と低温側の温度差がより大きくなり、発生電力を高めることができる。具体的な配置に関して、以下の３例を挙げて説明する。
【０００９】
［配置例１］
請求項２に示すように、ハウジング部（５０）の外周面（５１）側に発電用熱電素子（２１）の厚さに応じた凹部（５２）を設け、その凹部内に発電用熱電素子を配置させる構成が考えられる。
【００１０】
この構成の場合は、ハウジング部に部分的に凹部を作るだけなので、発電用熱電素子２１を容易に後付けできる。また、発電用熱電素子はハウジング部の外周面側に配置されるので、ハウジング部の内部の熱源からの熱の影響は相対的に小さいため、高熱による発電用熱電素子への悪影響が相対的に小さい。また、ハウジング部を介して熱源からの熱を受ける発電用熱電素子は他方で外気に触れ易くなるため、大きな温度差を得易くなる。さらに、凹部は発電用熱電素子の厚さに応じた形状となっているため、ハウジング部の外周面（５１）から発電用熱電素子（２１）が突出しないようにすることができる。
【００１１】
［配置例２］
請求項３に示すように、ハウジング部に貫通孔（５３）を設け、その貫通孔の前記熱源側を塞ぐように素子取付用基板（５４）をハウジング部に固定し、その素子取付用基板に発電用熱電素子（２１）を取り付け、貫通孔内に発電用熱電素子を配置させる構成が考えられる。
【００１２】
このような構成の場合には、上述した配置例１の場合よりもさらに熱源に近づけることができる上、外気にも触れ易い位置に発電用熱電素子を配置できるので、大きな温度差を得易くなる。
【００１３】
また、このような構成を前提とした場合、請求項４に示すように、素子取付用基板（５４）をハウジング部（５０）よりも熱伝導率が高い素材にて構成することが好ましい。このような構成にすれば、より大きな温度差を得易くなる。
【００１４】
また、請求項５に示すように、素子取付用基板とハウジング部の間に断熱材を配置することも好ましい。素子取付用基板からハウジング部への熱伝導を減少させることにより、素子取付用基板から発電用熱電素子への熱伝導効率をより大きくでき、より大きな温度差を得易くなる。
【００１５】
［配置例３］
請求項６に示すように、ハウジング部の内周面（５５）側に発電用熱電素子（２１）を取り付ける構成が考えられる。この場合は、発電用熱電素子がより熱源に近くなるため、発電用熱電素子はより多くの熱を受けられるというメリットがある。但し、大きな温度差が得られるか否かは状況次第である。例えばハウジング部の外周面が外部の冷気に触れているような状況であれば、ハウジング部を介して発電用熱電素子の一面が相対的に低温となり、大きな温度差を得られる可能性はある。
【００１６】
なお、この構成の場合は、ハウジング部と熱源の間にある程度の余裕があることが前提である。そして、この構成の場合は、発電用熱電素子がハウジング部内部に存在するため、外部からの影響で発電用熱電素子へ損傷を与えることも少なく、またハウジング部外周面に特段の構成を設けないため、ハウジング部自体の強度も十分確保できる。
【００１７】
なお、ハウジング部内周面に単に発電用熱電素子を貼り付けるような取り付け方法は一般に難しいため、請求項７に示すように、ハウジング部の内周面側に凹部を設け、その凹部内に発電用熱電素子を嵌め込んで取り付けることが考えられる。
【００１８】
以上、代表的な３例を挙げたが、このような配置例に限定されるものではなく、熱源となる部位のハウジング部の一部を加工あるいはハウジング部に発電用熱電素子専用の取付け部を設けることによって、ハウジング部の外周面よりも熱源近傍に発電用熱電素子を配置させればよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。尚、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
【００２０】
［熱発電システムの説明］
図１は本実施形態の移動体用発電装置としての発電部２０の説明図、図２はその発電部２０を備えた熱発電システム１の説明図である。
【００２１】
まず、図２を参照して熱発電システム１の構成を説明する。熱発電システム１は、発熱部１０と、その発熱部１０の駆動電力を供給する発電部２０とを備えており、これら発電部２０及び発熱部１０にはいずれも熱電素子が用いられている。具体的には、発電部２０には、温度差によって発電する熱電素子である発電用熱電素子２１が用いられている。つまり、熱電素子の表面／裏面に温度差を与えることにより起電力が発生する現象を「ゼーベック効果」というが、発電部２０に用いた発電用熱電素子２１はこの効果を利用して発電する。一方、発熱部１０には電力供給を受けて発熱する熱電素子である発熱用熱電素子１１が用いられている。これは熱電素子のいわゆる「熱電効果」を利用したものである。材質の異なる２種類の抵抗を直列に接続すると、それぞれの抵抗を通過する電流の大きさは等しいが自由電子が運ぶ運動エネルギの合計に差があるため、抵抗の接続部において熱の発生／吸収が起き、このことにより表面／裏面で温度差が生じる。この現象を利用して発熱させるのである。
【００２２】
本実施形態では、図２に示すように、発電用熱電素子２１の表面と発熱用熱電素子１１の裏面が配線によって電気的に接続されており、発電用熱電素子２１と発熱用熱電素子１１との間の配線中には発光ダイオード３０が設けられている。これにより、発電用熱電素子２１の表面／裏面に温度差が生じると、その発電用熱電素子２１から発熱用熱電素子１１へ電力供給がなされ、発熱用熱電素子１１にて発熱すると共に、電力供給がなされている状態では発光ダイオード３０が発光するよう構成されている。このように発電部２０から発熱部１０への電力供給の有無によって発光ダイオード３０の点灯・消灯が切り替わるため、発電部２０から発熱部１０へ電力供給されているのか否かを視覚的に判断することができる。特に鉄道車両に適用した場合、目視確認で熱発電システム１の健全性が瞬時に確認できるため、鉄道事業者によるメンテナンスビリティの面で有用である。
【００２３】
そして、この発電部２０は発電用熱電素子２１の表面／裏面にて温度差が生じやすい部位に配置する。鉄道車両や自動車などの車輪の回転により推進する移動体に搭載する場合であれば、例えばモータやエンジンなどの推進力発生装置、変速装置などの推進力伝達装置、車輪の回転部分の軸受等の回転機構に配置することが考えられる。これらの部分は、移動体の走行に伴って自然に熱を発生する熱源となる。したがって、外気との相対的な温度差を大きく取り易くなり、発熱度合いも大きくできる。このため、バッテリ等の特段の電力供給源を準備しなくても、温度差が生じさえすれば発電することができる。したがって、省エネルギ且つ確実に発電部２０から駆動電力を供給できる。それだけでなく、移動体が留置あるいは停止状態にあるときには、上述した外気との相対的な温度差は小さくなり、温度差がなくなれば発熱しなくなる。つまり、特段の制御装置を付加しないでも自動的に電力供給が停止されるため、発熱部１０における発熱が停止する。そのため、移動体停止時における発熱による悪影響を排除できて安全面でもより好ましい。一方、発熱部１０は、例えば融雪または着雪を防止したい部位に配置すること等が考えられる。
【００２４】
［発電用熱電素子の配置場所の説明］
それでは次に、発電用熱電素子２１の具体的な配置場所に関し、図１を参照して詳しく説明する。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、発電用熱電素子２１は、モータ等の熱源４０を収納しているハウジング部５０に取り付けられているのであるが、図１（ｂ）に示すように、ハウジング部５０の一部を加工したり、ハウジング部５０に発電用熱電素子２１専用の取付け部を設けることによって、ハウジング部５０の外周面５１よりも熱源４０近傍に発電用熱電素子２１を配置させている。ここでは、図１（ａ）に示すように、Ａ部、Ｂ部、Ｃ部の３つの配置例を説明する。なお、このＡ部、Ｂ部、Ｃ部は、３つの異なる配置例を説明するために便宜的に１つのハウジング部５０に対して適用したものであり、実際に使用する場合には、例えばこれらの３つの配置例の何れか１種類の配置を採用する。
【００２６】
まず、図１（ｂ）を参照してＡ部の詳細を説明する。この配置例の場合は、ハウジング部５０の外周面５１側に発電用熱電素子２１の厚さに応じた凹部５２が設けられている。本実施形態の場合には、発電用熱電素子２１の厚みと同じ深さの凹部５２が設けられており、その凹部５２内に発電用熱電素子２１が配置されている。そのため、ハウジング部５０の外周面５１から発電用熱電素子２１が突出しないようにすることができる。
【００２７】
この構成の場合は、ハウジング部５０に部分的に凹部５２を作るだけなので、発電用熱電素子２１を容易に後付けできる。また、発電用熱電素子２１はハウジング部５０，５１の外周面５１側に配置されるので、ハウジング部５０の内部の熱源４０からの熱の影響は相対的に小さいため、高熱による発電用熱電素子２１への悪影響が相対的に小さくなる。つまり、熱源４０からの熱はハウジング部５０を介して発電用熱電素子２１に伝わることとなる。また、発電用熱電素子２１は他方で外気に触れ易くなるため、相対的に大きな温度差を得易くなる。
【００２８】
なお、本実施形態では、発電用熱電素子２１の厚みと同じ深さの凹部５２とすることで、凹部５２内に配置させた発電用熱電素子２１がハウジング部５０の外周面５１から突出しないようにしたが、凹部５２の深さは発電用熱電素子２１の厚みと必ずしも同一でなくてもよい。但し、あまり深くすると、その部分のハウジング部５０が薄くなって強度が相対的に低下する。また、発電用熱電素子２１がハウジング部５０の外周面５１から多少突出してもよいのであれば、凹部５２の深さを発電用熱電素子２１の厚みよりも短くしてもよい。
【００２９】
次に、図１（ｃ）を参照してＢ部の詳細を説明する。この配置例の場合は、ハウジング部５０に発電用熱電素子２１が貫通可能な形状の貫通孔５３を設け、その貫通孔５３の熱源４０側を塞ぐように素子取付用基板５４をハウジング部５０に固定する。この固定方法は例えばボルトによる締結等が考えられる。そして、その素子取付用基板５４に発電用熱電素子２１を取り付け、貫通孔５３内に発電用熱電素子２１を配置させている。
【００３０】
このような構成の場合には、上述したＡ部の配置例の場合よりもさらに発電用熱電素子２１を熱源４０に近づけることができる上、外気にも触れ易い位置に発電用熱電素子２１を配置できるので、大きな温度差を得易くなる。もちろん、この場合も発電用熱電素子２１がハウジング部５０の外周面５１から突出しないようにすることが容易にできる。
【００３１】
また、発電用熱電素子２１は素子取付用基板５４を介して熱源４０からの熱を受けることとなるため、素子取付用基板５４については、ハウジング部５０よりも熱伝導率が高い素材にて構成することが好ましい。このような構成にすれば、より大きな温度差を得易くなるからである。なお、図１（ｃ）では示していないが、素子取付用基板５４とハウジング部５０の間に断熱材を配置することも好ましい。素子取付用基板５４からハウジング部５０への熱伝導を減少させることにより、素子取付用基板５４から発電用熱電素子２１への熱伝導効率をより大きくでき、より大きな温度差を得易くなるからである。
【００３２】
次に、図１（ｄ）を参照してＣ部の詳細を説明する。この配置例の場合は、ハウジング部５０の内周面５５側に発電用熱電素子２１を取り付けてある。具体的には、ハウジング部５０の内周面５５側に浅い凹部（図示せず）を設け、その凹部内に発電用熱電素子２１を嵌め込んで取り付けてある。なお、この構成を採用する場合は、ハウジング部５０と熱源４０の間にある程度の余裕があることが前提である。つまり、発電用熱電素子２１が熱源４０に直接触れたり、近接し過ぎる状態であると発電用熱電素子２１の破壊進行が早まって寿命が短くなるため、ハウジング部５０と熱源４０の間にある程度の余裕があり、そのような危険性が少ない場合に採用可能である。
【００３３】
この場合は、発電用熱電素子２１がより熱源４０に近くなるため、発電用熱電素子２１はより多くの熱を受けられるというメリットがある。但し、大きな温度差が得られるか否かは状況次第である。例えばハウジング部５０の外周面が外部の冷気に触れているような状況であれば、ハウジング部５０を介して発電用熱電素子２１の一面が相対的に低温となり、大きな温度差を得られる可能性はある。また、この構成の場合は、発電用熱電素子２１がハウジング部５０内部に存在するため、外部からの影響で発電用熱電素子２１へ損傷を与えることも少なく、またハウジング部５０外周面に特段の構成を設けないため、ハウジング部５０自体の強度も十分確保できる。
【００３４】
［その他］
熱発電システム１全体に関して補足すれば、発熱部１０に関しては、例えば熱線や面状発熱体、あるいはヒーティングパイプ等種々の発熱機構を用いてもよい。但し、上記実施形態のように熱電素子を用いて発熱部１０を構成した場合には、他の一般的な発熱機構に比べて発熱効率がよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態の発電用熱電素子の配置例の説明図である。
【図２】実施形態の熱発電システムの構成を概略的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…熱発電システム
１０…発熱部
１１…発熱用熱電素子
１５…熱電素子表面温度センサ
２０…発電部
２１…発電用熱電素子
３０…発光ダイオード
４０…熱源
５０…ハウジング部
５１…外周面
５２…凹部
５３…貫通孔
５４…素子取付用基板
５５…内周面
【図１】
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【図２】
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