(57)【要約】【課題】現在ゼーベック素子を用いた発電における課題としては、高温側と低温側の温度差維持にあり、温度差を維持できない要因は、高温側から低温側への熱エネルギーの移動すなわち熱伝導によるもので、前記熱伝導を抑制すること、及び発電素子の発電効率を向上させるため、素子構造を含めた配置及び積層化を課題とする。【解決手段】ゼーベック発電素子の熱伝導を抑制するため、素子の電気及び熱の伝導路を線状にする、又は素子の電気及び熱の伝導路にくびれを設けることで、熱伝導路を狭くすること、及び素子の周りを断熱材で覆うことを第一の特徴とし、発電総量を増加するため、ゼーベック発電素子を複数積層し、多層化による直列配置したことを第二の特徴とする。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゼーベック発電素子の熱伝導を抑制するため、素子の電気及び熱の伝導路を線状にしたことを特徴とするゼーベック発電素子。
【請求項２】
ゼーベック発電素子の熱伝導を抑制するため、素子の電気及び熱の伝導路にくびれを設けたことを特徴とするゼーベック発電素子。
【請求項３】
ゼーベック発電素子を複数積層したことを特徴とするゼーベック発電素子。
【請求項４】
ゼーベック発電素子の周りに断熱材を設けたことを特徴とするゼーベック発電素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は熱エネルギーから温度差を用いて電気エネルギーへ変換するゼーベック素子のエネルギー変換効率を向上させる素子の作成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】発電素子の高温側と低温側の温度差を長時間維持する方法として、低温側を流水等で冷却する手法が既に知られているが、その稼動装置・運用には大きなコスト負担が伴うもので、非効率なものとなっている。また、発電素子の発電効率を考慮したものは、実用化されていない実情にある。【０００３】例えば、特開２０１７−０４１５４０号公報には、電気伝導率の低下を抑制するイオン液体を含む熱電半導体組成物からなり、薄膜を有する熱電変換材料を用いて構成したペルチェ冷却素子及び放熱フィルムとして該薄膜の片面又は両面に高熱伝導部と低熱伝導部とを備えた熱伝導性フィルムを貼付したペルチェ冷却素子に関する技術が開示されているが、温度差維持は充分でないことが予測される。【０００４】一方、特開２０１６−２０７７０８号公報には、発電効率改善のためゼーベック係数とキャリア濃度のトレードオフ、およびゼーベック係数と電気伝導率のトレードオフを改善した高電気伝導率で積層化可能な熱電変換素子に関する技術が公開されているが、充分な発電効果が得られない課題がある。【０００５】高温側と低温側間での熱エネルギー伝達量の低減を断熱構造の採用で実現すると同時に、低温側冷却部自体も外界から断熱し、低温側の保冷時間を長時間化し、発電時間を延長し、総発電量を増加させ、エネルギー変換効率の向上手段を提供するものである。更に素子単体内に多層化構造を持つことで起電力の向上を実現するものとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−０４１５４０号公報（段落００１０、図１）
【特許文献２】特開２０１６−２０７７０８号公報（段落００２３、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】現在ゼーベック素子を用いた発電には、高温側と低温側の温度差維持のために、低温側の冷却機能を必要としているが、初期コスト及び運転コスト負担が大きい事から、実用化の制約となっており、温度差を維持できない要因は、高温側から低温側への熱エネルギーの移動すなわち熱伝導によるもので、前記熱伝導を抑制することを課題とする。【０００８】発電素子の発電効率を向上させるため、素子構造を含めた配置及び積層化を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】ゼーベック発電素子の熱伝導を抑制するため、素子の電気及び熱の伝導路を線状にする、又は素子の電気及び熱の伝導路にくびれを設けることで、熱伝導路を狭くすること、及び素子の周りを断熱材で覆うことを第一の特徴とする。【００１０】発電総量を増加するため、ゼーベック発電素子を複数積層し、多層化による直列配置したことを第二の特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】  素子の熱伝導路を狭くし、素子の周りを断熱材で覆うことで、例えば冷却部からの熱が高温部へ伝達することを抑制でき、冷却部を低温に保つことで高温部との温度差を維持することが可能となる。【００１２】積層化により、水平面での集積度向上のみならず、垂直方向の多層化により三次元的な集積性の向上が実現でき、実用的なゼーベック発電素子での効率の良いエネルギー変換・使用手段が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来のゼーベック素子の正面図と平面図
【図２】素子の電気伝導部にくびれを設けた一例の正面図と平面図
【図３】素子の電気伝導部を線状にした一例の正面図と平面図
【図４】素子を積層した場合の一例の正面図と平面図
【図５】素子周りに断熱構造を設けた一例の正面図と平面図
【図６】素子にくびれを設け素子周りに断熱構造を設けた一例の正面図と平面図
【図７】くびれを設けた素子を用い低温部を保冷した一例の断面図
【図８】積層素子を用い低温部を保冷した一例の断面図
【図９】素子の断面位置を示す図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１４】図面に基づいて本発明の好ましい実施例を説明する。【００１５】図１は、従来のゼーベック素子を示すものである。電気及び熱伝導路１０の面積は高温部２０及び低温部３０と同一であり、例えば、低温部３０の熱が素子を通じて高温部２０へ伝達され易い構造となっている。【００１６】図２は、素子の高温部２０と低温部３０の中間部にくびれを設けることで、電気及び熱の伝導路１０の面積が狭くなり、例えば、低温部３０の熱が素子を通じて高温部２０へ伝達され難い構造とすることができる。【００１７】図３は、素子の電気及び熱伝導路１０を線状にすることで、更に面積を狭くすることができ、例えば、低温部３０の熱が素子を通じて高温部２０へ、図２の形態よりも伝達され難い構造とすることができる。【００１８】熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を向上させるため、ゼーベック素子部分の素材は、例えば、ｐ型熱電材料としてカルシウム・コバルト酸化物、ｎ型熱電材料としてカルシウム・マンガン酸化物があるが、これに限定するものではなく、金属、合金、半導体など温度差による起電力発生を有する素材から採用することができる。【００１９】図５及び図６に示すように、素子の周囲に断熱材を設けることで、素子の周囲からの熱伝導を抑制し、これにより熱の伝導は素子における高温部２０から低温部３０へ、又は低温部３０から高温部２０へ限定することが可能となり、前述の電気及び熱伝導路１０の面積を狭くすることで、素子からの熱伝達も抑制され、断熱材との相乗効果が得られる。断熱効果を発揮するために、高温部２０と低温部３０との距離を長くすることも可能である。断熱材としては、絶縁性を備える例えば、ロックウール、フェノールフォーム、セメント、アルミナ、セラミックなどから選択することができるが、これに限定するものではない。【００２０】図７は、電気及び熱伝導路１０にくびれを設けた素子を用いて、素子の周囲に断熱材を設けたゼーベック発電素子の利用形態の一例を示すもので、下側を低温部３０として、低温部３０の面にヒートシンクを設け、ヒートシンクに冷媒を配置し、ヒートシンクを密閉することで、低温部３０の低温状態を維持するものである。【００２１】冷媒に使用するものとしては、液体窒素、ドライアイス、氷などから選択できる。
ヒートシンクの密閉にも断熱効果のある材料を用いることで、熱伝導を抑制することができる。【００２２】高温部２０は、低温部３０との温度差を確保できればよく、常温であってもよい。高温部２０の面には、吸熱フィンを設け例えば常温を維持できるようにしてもよい。
【実施例２】
【００２３】図４は素子を積層した場合の一例を示すもので、複数積層される各々の高温部２０から低温部３０を電気及び熱伝導路１０により連結する。本例では線状の電気及び熱伝導路１０を用いている。低温部３０は高温部２０の数量分配置するため、その大きさは適宜調整する。【００２４】配線は、複数の対称となる高温部２０と低温部３０の各々を接続することで、複数の発電素子からの総和を発電出力とすることができる。【００２５】高温部２０同士の間は、絶縁性があり熱伝導のある素材で構成する。これにより、積層された高温部２０へ熱が伝導され、低温部３０との温度差を維持し、高温部２０間における電気的導通は遮断される。【００２６】素子の周囲に断熱材を設けることで、素子の周囲からの熱伝導を抑制し、これにより熱の伝導は素子における高温部２０から低温部３０へ、又は低温部３０から高温部２０へ限定することが可能となり、前述の電気及び熱伝導路１０の面積を狭くすることで、素子からの熱伝達も抑制され、断熱材との相乗効果が得られる。【００２７】図８は、素子を積層し電気及び熱伝導路１０を線状にした素子を用いて、素子の周囲に断熱材を設けたゼーベック発電素子の利用形態の一例を示すもので、下側を低温部３０として、低温部３０の面にヒートシンクを設け、ヒートシンクに冷媒を配置し、ヒートシンクを密閉することで、低温部３０の低温状態を維持するものである。【００２８】冷媒に使用するものとしては、液体窒素、ドライアイス、氷などから選択できる。
ヒートシンクの密閉にも断熱効果のある材料を用いることで、熱伝導を抑制することができる。【００２９】高温部２０は、低温部３０との温度差を確保できればよく、常温であってもよい。高温部２０の面には、吸熱フィンを設け例えば常温を維持できるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３０】本発明のゼーベック発電素子は工業生産が可能で、本ゼーベック発電素子を用いた発電機の等への応用も可能である。
【符号の説明】
【００３１】１０  電気及び熱伝導路
２０  高温部
３０  低温部
４０  断熱部
１００  ゼーベック素子
２００  図９に示す素子のＡ−Ｂ断面図
３００  図９に示す素子のＣ−Ｄ断面図
【図１】
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【図２】
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【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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