(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電素子と、
前記熱電素子の上方に複数配置され、熱伝導性材料から製造されたフィンと、
前記熱電素子の上方で、前記フィンの間に配置された断熱材と、
前記断熱材の上と前記フィンの間の空間に埋め込まれた蓄熱材と、
を含むことを特徴とする熱電デバイス。
【請求項２】
前記フィンの高さは、前記蓄熱材の高さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の熱電デバイス。
【請求項３】
前記フィンの上部に接続され、前記蓄熱材の上方を覆う連結板を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電デバイス。
【請求項４】
前記フィンの長さ方向の両端に接続された断熱板を含む請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の熱電デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の熱電デバイスと、
前記熱電デバイスから出力される直流電流の変換器と、
前記変換器から電力供給を受けるセンサ回路と、
前記センサ回路に接続されたセンサと、
を含むことを特徴とするセンサシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電デバイス及びセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサを駆動させるシステムには、熱電デバイスで発電した電力を使用してセンサを稼動させるものがある。一般的に、熱電デバイスは、平板形状を有する熱電素子を有し、熱電素子の上下の面に生じる温度差に応じて発電量が変化する。このために、熱電素子の上下の面の間に生じる温度差が大きいほど発電量や電圧が大きくなる。熱電素子の上下面の間に温度差を生じさせる方法としては、熱電素子を高温や低温に保った熱源に接触させることによって温度差を与えることが知られている。このケースでは、温度が異なる熱源として、例えば、熱電素子の一方の面に冷水が流れるプレートを接触させ、熱電素子の他方の面に温水が流れるプレートを接触させる。
【０００３】
一方、温度が異なる２つの熱源を熱電素子に接触させることができないときには、例えば、熱電素子の一方の面を室温より温度が高い高温源に接触させる。さらに、熱電素子の他方の面に、外気に熱を伝達可能なフィンを取り付ける。このようにすると、熱電素子の一方の面の温度が高くなり、他方の面が外気温に近づくので、熱電素子の上下面の間に温度差が生じ、この温度差に応じて電力を発生させられる。
【０００４】
しかしながら、このような熱電デバイスでは、フィンの表面積を大きくしても、フィンが設けられた熱電素子の他方の面を外気温と同一にすることは困難であった。このために、熱電素子の上下面の間に生じる温度差は、外気温と高温熱源との温度差よりも小さくなる。従って、熱電デバイスで発生できる発電量も小さくなる。
【０００５】
また、熱電デバイスには、熱源の温度の経時変化を利用して熱電素子に温度差を生じさせるものがある。このような熱電デバイスでは、熱電素子の一方の面に熱源を接触させ、他方の面には蓄熱材を接触させる。このケースで使用される熱源の温度は一定ではなく、時間によって温度が変化するものが利用される。例えば、熱源には、断続的に稼働と休止を繰り返すモーターやボイラーが用いられる。あるいは、日中と夜間の間の温度変化を利用して、外部に放置されているもの、例えば建物の外壁・屋上や自動車等の乗り物のエンジンや外装などが、熱源として利用される。
【０００６】
ここで、蓄熱材は、材料が相変化を起こすことによって、一定の温度を保つ性質を有する。そのために、熱源の温度が経時的に変化することによって、蓄熱材との間に温度差が発生し、この温度差に応じて熱電素子が発電する。この場合、熱源の温度の時間変化に伴う熱電素子への流入熱量や、熱電素子からの流出熱量を見積もって、これらの熱量が蓄熱材のもつ潜熱量より小さいことが必要であり、これが熱電素子の上下面の間に常に温度差を発生させる条件になる。蓄熱材は、熱源から熱電素子を介して伝達される熱によって溶融するが、蓄熱材は全て溶融し終わるまでは一定の温度を保つ性質を有する。このために、熱電デバイス全体において、熱源以外との熱のやりとりが無視できると考えた場合、熱源から熱電素子を介して蓄熱材に流れ込んだ熱量の積分値が、蓄熱材の潜熱量に達すると蓄熱材が全て融解する。従って、蓄熱材の潜熱量を越えると、蓄熱材が全て溶融してしまって、熱電素子の上下面の間に温度差を生じさせることが困難になるからである。
【０００７】
このタイプの熱電デバイスでは、蓄熱材と熱電素子、あるいは熱源表面と熱電素子間での熱伝導を利用して熱電素子の上下面の間に温度差を生じさせる。このために、外気との熱伝達を利用するタイプの熱電デバイスに比べて確実に温度差を発生させることができる。ところが、一般的に、蓄熱材は極めて熱伝導率が悪く、代表的な値は０．１Ｗ／ｍＫ〜０．５Ｗ／ｍＫであることが知られている。そのために、熱電素子に蓄熱材を接触させただけでは、熱電素子に隣接した蓄熱材部分のみが融解・凝固を繰り返す。その結果、熱電素子から距離が離れた部分の蓄熱材まで熱が伝わらず、蓄熱材全体としての性能を引き出すことが困難であった。
【０００８】
そこで、従来の熱電デバイスでは、蓄熱材に金属製のフィンを挿入することによって、蓄熱材との間の熱伝導の効率化を図っている。フィンは、熱電素子に接触させられると共に、蓄熱材内に平行に複数挿入される。より詳細には、各々のフィンが蓄熱材の上方から所定の深さまで蓄熱材内に挿入される。このように蓄熱材内にフィンを挿入することによって、蓄熱材が溶融される部分が上表面側からフィンに沿って下側へと進行する。これによって、蓄熱材がより広い領域で融解し易くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−４２９０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のフィンの配置では、蓄熱材がフィンに接触している部分に加えて、蓄熱材の上側部分の溶融も顕著になるので、蓄熱材の全体を均一に溶融することは難しかった。このために、蓄熱材の下方に固体部分が残り易く、熱電素子の上下面の間に十分な温度差を生じさせることが困難であった。
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、蓄熱材を均一に溶融させて十分な発電量を得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
実施形態の一態様によれば、熱電素子と、前記熱電素子の上方に複数配置され、熱伝導性材料から製造されると共に、前記熱電素子に熱的に接続されたフィンと、前記熱電素子の上方で、前記フィンの間に配置された断熱材と、前記断熱材の上と前記フィンの間の空間に埋め込まれた蓄熱材と、を含むことを特徴とする熱電デバイスが提供される。
【発明の効果】
【００１２】
断熱材によって、蓄熱材に伝達される熱の経路がフィン経由になるので、蓄熱材の溶融が均一になる。蓄熱材を一定温度に維持し易くなるので、熱電素子の発電効率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態の原理を説明する図であって、発電システムの原理を説明するためのシステム構成図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の第１の実施の形態の原理を説明する図であって、熱電素子に与えられる温度差と時間の関係を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態の原理を説明する図であって、ＤＣ−ＤＣ変換器への入力電圧と時間の関係を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電デバイスの構成を示す断面図である。
【図４】図４は、本発明の第１の実施の形態の第１の比較例に係る熱電デバイスの構成を示す断面図である。
【図５】図５は、本発明の第１の実施の形態の第２の比較例に係る熱電デバイスの構成を示す断面図である。
【図６】図６は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電デバイスにおける温度差プロファイルを示す図である。
【図７】図７は、本発明の第１の実施の形態の第１の比較例に係る熱電デバイスの温度差プロファイルを示す図である。
【図８】図８は、本発明の第１の実施の形態の第２の比較例に係る熱電デバイスの温度差プロファイルを示す図である。
【図９】図９は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電デバイスの温度変化をシミュレーションするときのモデルを説明する図である。
【図１０】図１０は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電デバイスの温度変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明の第１の実施の形態の第１の変形例に係る熱電デバイスの温度変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１２】図１２は、本発明の第１の実施の形態の第２の変形例に係る熱電デバイスの温度変化をシミュレーションした結果を示す図である。
【図１３】図１３は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電デバイスの構成を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の第２の実施の形態に係る熱電デバイスの構成を示し、図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
発明の目的及び利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素及び組み合わせによって実現され達成される。
前述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は、典型例及び説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない。
【００１５】
最初に、この実施の形態の原理について説明する。
例えば、図１に例示するような発電システムを参照して発電メカニズムについて説明する。発電システム１は、熱量が一定の熱源２の上に設置される熱電デバイス３と、熱電デバイス３から出力される電流をＤＣ−ＤＣ変換する変換器４とを有する。熱電デバイス３は、熱源２の下面に面接触させる熱電素子５と、熱電素子５の上に配置された蓄熱材６とを有する。熱電素子５は、下面と上面の間の温度差に応じて電流を発生させ、変換器４がＤＣ―ＤＣ変換して直流電流を発生させる。熱電素子５から発生する電気は、その電圧が熱電素子５に加わる温度差に比例した直流になる。
【００１６】
ここで、図２Ａに蓄熱材６を利用した熱電デバイス３を熱源に接触させたときに、熱電素子５に与えられる温度差の時間変化の一例を示す。図２Ａにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は熱電素子５に与えられる温度差を示す。この温度差は、熱源２から与えられる熱量に比例する。ラインＬ１１に示すように、熱電素子５に与えられる温度差は、時間と共に徐々に低下する。
【００１７】
熱電素子５で発電した電力をセンサや無線などに利用することを考えると、発電した電力の電圧を電子回路で必要とする電源電圧（３．３Ｖ、５Ｖなど）に変換する（ＤＣ−ＤＣ変換）必要がある。この変換には、半導体素子等が用いられるが、通常のＤＣ−ＤＣ変換の効率はいずれも入力電圧に大きく依存することが知られている。例えば、熱電素子５としては、米国のLinear Technology社のＬＴＣ３１０８が知られているが、ＤＣ−ＤＣ変換の効率は入力電圧の変化に対して一定ではなく、変換効率が最大になる最適な入力電圧が存在する。図２Ｂに、蓄熱材６を利用した熱電デバイス３を熱源２に接触させたときに、変換器４に入力される電圧の時間変化の一例を示す。図２Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。ラインＬ２１に示すように、電圧プロファイルは、図２Ａに示す温度差プロファイルに比例しており、時間の経過と共に徐々に減少する。
【００１８】
ここで、ＤＣ−ＤＣ変換に最適な入力電圧をＶｅとした場合、入力電圧Ｖｅと電圧プロファイルとの交点と、グラフの原点を頂点とする長方形の領域ＡＲ１は、変換効率が最も良くなる。これに対して、最適な入力電圧Ｖｅよりも低い領域ＡＲ２では、変換効率が大きく減衰するか、ＤＣ−ＤＣ変換できなくなってしまう。一方、最適な入力電圧よりも高い電圧が入力する領域ＡＲ３では、ＤＣ−ＤＣ変換は可能だが変換効率は最適な状態の数分の一にしかならない。
【００１９】
熱電素子５の出力電力を変換器４でＤＣ−ＤＣ変換して活用しなければならないことを考えると、一定時間同じ電圧が得られる電圧プロファイルが得られることが好ましい。そのためには、一定時間同じ温度差を保つようなプロファイルが得られるようにする必要がある。このような理想的な温度差プロファイルは、例えば、図２Ａに破線で示すラインＬ１２のようになる。ラインＬ１２に示す理想的な温度差プロファイルは、発電開始から所定の時間が経過するまでの間は、ΔＴ０の温度差を熱電素子５に与えることができ、所定の時間が経過した後は、温度差がほぼゼロになる。そして、このときの温度差ΔＴ０がＤＣ−ＤＣ変換の最適電圧になるようにすれば、変換効率が良好になる。
【００２０】
そして、理想的な温度差プロファイルＬ１２によって温度差ΔＴ０が定まれば、ＤＣ−ＤＣ変換の最適電圧は入力側のインダクタの巻き数によって調整可能である。あるいは、多数の熱電素子５を直列接続すれば、発電側で最適電圧に調整することが可能になる。
【００２１】
ここでの例は、米国Linear Technology社のＬＴＣ３１０８を例に挙げたが、基本的なＤＣ−ＤＣ変換の原理は一般的なものである。すなわち、どのような変換器４であっても入力電圧に対して変換効率を最大にする入力電圧が存在し、その最適電圧以外では変換効率が大きく劣化することは一般的な電気回路の現象である。
そのため、可能な限りコスト増加を抑えながら、できるだけ一定時間同じ温度差を保つような、理想的な温度差プロファイルに近いもの、即ち温度差が一定の領域が長くなるような発電システムの実現が望まれている。
【００２２】
次に、実施の形態に係る熱電システムを含むセンサシステムについて以下に説明する。
図１及び図３に示すように、センサシステム１０は、発電システム１を有し、発電システム１の出力はセンサ回路１２を介してセンサ１３に接続されている。発電システム１は、熱電デバイス１１と、変換器４とを有し、変換器４の出力がセンサ回路１２に接続されている。
【００２３】
熱電デバイス１１は、シート状の熱電素子２１を有する。熱電素子２１は、シートの上面２１Ａ（一方の面）と下面２１Ｂ（他方の面）の間に温度差があれば発電できるものであり、厚さは例えば１７０μｍである。また、熱電素子２１の実効的な熱伝導率は、例えば０．１７Ｗ／ｍＫである。さらに、熱電素子２１の上面２１Ａ上には、金属製のベース部２２が固定されている。ベース部２２は、例えば銅製で、厚さは０．５ｍｍとし、熱電素子２１の上面２１Ａの全面を覆うように熱的に密着している。
【００２４】
ベース部２２の上面には、熱伝導性材料から製造されたフィン２３がベース部２２に対して垂直に複数立てられており、熱電素子２１に熱的に接続されている。複数のフィン２３は、所定の間隔で平行に配置されている。フィン２３は、例えば、銅で製造されており、厚さは０．６ｍｍ、高さは１０ｍｍ、長さは５０ｍｍである。また、隣接するフィン２３の間隔は、例えば、１０ｍｍである。
【００２５】
また、ベース部２２の上面で、かつフィン２３の間から露出する部分は、断熱材２４によって覆われている。断熱材２４には、例えばアクリル材が用いられており、その厚さは０．１ｍｍである。断熱材２４は、フィン２３に比べて熱伝導率が大幅に小さい材料であれば良く、アクリル材に限定されない。
【００２６】
さらに、断熱材２４の上方には、蓄熱材２５が設けられている。蓄熱材２５は、フィン２３と蓄熱材２５で形成される空間を埋めるように配置されており、蓄熱材２５の上面は、フィン２３の上面に略等しい。蓄熱材２５としては、例えば、パラフィン系素材（ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社製のパラフィン系潜熱蓄熱材、商品名「エコジュール」）が用いられる。この蓄熱材２５の遷移温度は、２６℃である。また、この蓄熱材２５の融解潜熱は、２４４ｋＪ／ｋｇである。この蓄熱材２５は凝固時には固形であり、融解すると柔らかくなる性質を有する。また、蓄熱材２５は、１００℃以下であれば自立して元の形状を保つことができる。さらに、この蓄熱材２５は、凝固した状態から融解すると体積が膨張する。
【００２７】
次に、センサシステム１０の作用について説明する。
図１及び図３に示すように、最初に熱電デバイス１１を熱源２上に設置する。熱電デバイス１１の熱電素子２１の下面２５Ｂが熱源２に密着させられ、熱的に接続される。一方、熱電素子２１の上面２５Ａは熱源２には接触していない。このために、熱電素子２１の上下面２５Ａ，２５Ｂの間に温度差が生じ、温度差に応じて直流電流が発生する。直流電流は、変換器４によってＤＣ−ＤＣ変換された後、センサ回路１２に入力される。センサ回路１２は、直流電力の入力によってセンサ１３を稼動させる。センサ１３で取得した情報は、センサ回路１２のメモリや、その他の装置に送信される。
【００２８】
熱電デバイス１１の熱電素子２１は熱源２によって温度が上昇するので、熱電素子２１に熱的に接続されているフィン２３の温度も上昇する。フィン２３は、蓄熱材２５に密着しているので、フィン２３から蓄熱材２５に熱が伝達され、蓄熱材２５が溶融し始める。蓄熱材２５が全て溶融するまでの間は、蓄熱材２５の温度は略一定に保たれるので、その間は熱電素子２１の上下面２５Ａ，２５Ｂの間に温度差に起因して電流が発生する。熱電デバイス１１を熱源２から離すか、熱源２が発熱を停止すると、熱電素子２１の温度が低下して蓄熱材２５が凝固し始める。蓄熱材２５が凝固したら、再び熱源２によって熱電素子２１に温度が与えられ、発電が再開される。
【００２９】
続いて、熱電デバイス１１の作用について、図４に示す第１の比較例と、図５に示す第２の比較例と比較しながら説明する。
まず、図４に示す第１の比較例の熱電デバイス３１は、断熱材２４を有しないことを特徴とする。即ち、熱電デバイス３１は、熱電素子２１の上面２１Ａにベース部２２が密着させられており、ベース部２２上にはフィン２３が取り付けられている。フィン２３の間は蓄熱材２５で埋められている。蓄熱材２５の高さはフィン２３の高さに等しい。このような熱電デバイス３１は、断熱材２４を有しない構成である他は、この実施の形態の熱電デバイス１１と同じ材料及び形状で形成されている。
【００３０】
また、図５に示す第２の比較例の熱電デバイス４１は、フィンの高さが低いことを特徴とする。即ち、熱電デバイス４１は、熱電素子２１の一方の面にベース部２２が密着させられており、ベース部２２上にはフィン４３が取り付けられている。フィン４３の間には、断熱材２４が設けられている。さらに、フィン４３の間は、蓄熱材２５で埋められている。フィン４３の高さは、５ｍｍで蓄熱材２５の高さより低い。このような熱電デバイス４１は、フィン４３の高さ以外は、この実施の形態の熱電デバイス１１と同じ材料及び形状で形成されている。ただし、フィン４３の体積が小さくなる分だけ、蓄熱材２５の体積が多くなっている。
【００３１】
これら第１及び第２の比較例に係る熱電デバイス３１，４１と、実施形態の熱電デバイス１１の特性を調べるために、熱電対によって温度が４０℃に制御された不図示のヒートプレートの上に各熱電デバイス１１，３１，４１を設置し、時間の経過と共に変化する熱電素子２１の上下面間の温度差について調べた。
【００３２】
それぞれの熱電デバイス１１，３１，４１の試験結果を図６から図８に示す。図６から図８は、横軸が時間の経過を示し、縦軸が熱電素子２１に加えられる温度差を示す。図６は、実施形態の熱電デバイス１１における温度差プロファイルを示す。熱電デバイス１１では、時間の経過と共に温度差が減少し、温度差の時間変化がなだらかになる領域、即ち温度差の時間変化が平坦とみなせる領域が長い温度差プロファイルが得られた。また、図７は、第１の比較例の熱電デバイス３１の温度差プロファイルを示す。熱電デバイス３１では、初期段階では温度差は大きく、時間の経過と共に温度差が急激に減少する。この温度差プロファイルでは、温度差の時間変化がなだらかになる領域が狭い。さらに、図８は、第２の比較例の熱電デバイス４１の温度差プロファイルを示す。熱電デバイス４１では、初期段階から温度差は小さく、温度差の時間変化がなだらかになる領域が長い。
【００３３】
ここで、温度差プロファイルの評価する際には、ＤＣ−ＤＣ変換の効率を考慮することが好ましい。このために、グラフ上の温度差プロファイルの下方に形成できる長方形の最大面積を熱電デバイスの評価の指標とする。即ち、温度差プロファイルのグラフによって想定される長方形の高さがＤＣ−ＤＣ変換に最適な温度差となり、横の長さがその最適な温度差を維持できる時間になる。この面積が大きいほど、即ち変換効率が最大となる温度差（長方形の高さ）が大きく、かつその維持時間（長方形の横幅）が長いほど、熱電デバイスの発電効率が良いと考える。
【００３４】
このような観点に従って各熱電デバイス１１，３１，４１を評価すると、図６に示すように、実施の形態に係る熱電デバイス１１は、温度差プロファイルがなだらかになる領域が広く、最も面積が大きくなる四角形を想定した場合の面積は１０３４．１Ｋ・ｓｅｃであった。これに対して、図７に示す第１の比較例では、温度差プロファイルがなだらかになる領域が狭いので、最も面積が大きくなる四角形を想定した場合の面積は８６４．１Ｋ・ｓｅｃであった。このことから、実施形態の熱電デバイス１１は、第１の比較例に比べて理想的な温度差プロファイルに近く、より多くの発電量が得られ、約２０％の効率の増加が見込める。
【００３５】
一方、図８に示す第２の比較例では、温度差を維持する時間が長い。しかしながら、その間の温度差は小さい。このために、第２の比較例において、最も面積が大きくなる四角形を想定した場合の面積は９３３．５Ｋ・ｓｅｃであった。このことから、実施形態の熱電デバイス１１は、第２の比較例に比べて理想的な温度差プロファイルに近く、より多くの発電量が得られることがわかる。
【００３６】
さらに、温度変化によって蓄熱材２５が一部融解したときの温度分布をシミュレーションした。熱電デバイス１１の構造は、同じ寸法のフィン２３が並んだ構造となっている。このため、図９に示すように、隣り合ったフィン２３の一対を基本単位とするモデルを作成し、周期境界条件を用いた非定常温度分布を計算した。
【００３７】
シミュレーション結果を図１０から図１２に示す。図１０から図１２は、シミュレーション開始から４００秒後の温度分布を表しており、ハッチングの密度が高いほど温度が低く、ハッチングの密度が薄くなるに従って温度が高くなっている。
【００３８】
図１０に示すように、熱電デバイス１１のシミュレーション結果では、最もハッチングの密度が高く温度が低い場所は、一対のフィン２３から同じ距離だけ離れた蓄熱材２５の中央部分である。温度が低い領域は、断熱材２４に接触している蓄熱材２５の下端から、開放されている上端まで、フィン２３と平行に延びている。さらに、このときの中央部分の温度は、蓄熱材２５が融解していない温度であった。
さらに、蓄熱材２５の温度は、温度が最も低い中央部分からフィン２３に近づくにつれて徐々に上昇している。即ち、熱電デバイス１１では、蓄熱材２５の中央部分から左右のフィン２３に近づくにつれて温度が徐々に上昇するが、フィン２３に平行な方向（高さ方向）には温度勾配は生じていない。これは、蓄熱材２５が断熱材２４を介してベース部２２上に配置されており、ベース部２２から蓄熱材２５への熱伝導が遮断され、蓄熱材２５にはフィン２３からのみ熱が伝達されるからである。
【００３９】
このように、シミュレーション結果から、熱電デバイス１１はフィン２３に近接した領域から平行に、かつ均一に融解していることがわかる。即ち、熱電デバイス１１では、フィン２３から平行に蓄熱材２５に熱が伝達され、蓄熱材２５が徐々に、かつ均等に解かされる。このために、この熱電デバイス１１では蓄熱材２５を一定温度に維持し易く、温度差の時間変化がなだらかになる領域を長くできると考えられる。このようなシミュレーション結果から導かれる熱電デバイス１１の挙動は、図６に示す温度差プロファイルに一致する。
【００４０】
一方、図１１に第１の比較例のシミュレーション結果を示すように、第１の比較例では、フィン２３の間の上端部分の温度が最も低く、ここから、フィン２３及びベース部２２に向かって同心円状に徐々に温度が上昇している。これは、蓄熱材２５は、フィン２３に隣接した領域だけでなく、ベース部２２に接している蓄熱材２５の底部も初期段階から融解しているためであると考えられる。一方、蓄熱材２５が低熱伝導性のために、フィン２３間の上部に残留する蓄熱材２５はなかなか融けない。このために、初期段階で、蓄熱材２５の溶融量が多くなるので温度差が生じ易いが、フィン２３やベース部２２の周りの蓄熱材２５が融解した後は温度差が小さくなるので、温度差を一定に保ち難く、融解初期から急速に温度差が減少し易いことがわかる。このようなシミュレーション結果から導かれる第１の比較例の挙動は、図７に示す温度差プロファイルに一致する。
【００４１】
さらに、図１２に第２の比較例のシミュレーション結果を示すように、第２の比較例の熱電デバイス４１では、蓄熱材２５の上方が全体に渡って温度が低く、フィン２３の中間の領域では、温度が低い領域が下方に広がっている。このために、初期段階でフィン２３の間の蓄熱材２５が急速に融解するが、フィン２３から離れた蓄熱材２５には温度が伝導し難いので融け難いため、長時間に渡って融解時間が保たれる。しかしながら、蓄熱材２５が溶融し難いので、温度差は小さくなる。このようなシミュレーション結果から導かれる第２の比較例の挙動は、図８に示す温度差プロファイルに一致する。
【００４２】
以上のように、蓄熱材２５を利用した熱電デバイスにおいて、熱電素子２１の出力を最終的にＤＣ−ＤＣ変換することまで想定すると、本実施例の形態に係る熱電デバイス１１は、他の２つの比較例と比べて大きな電力を発電し易い。このように、この実施の形態に係る熱電デバイス１１及び発電システム１では、熱電素子２１の上方に断熱材２４を介して蓄熱材２５を配置したので、蓄熱材２５の融解が均一になる。従って、熱源２の温度変化に伴って蓄熱材２５の融解と凝固を繰り返しながら発電する発電システム１において、熱電素子２１から出力される電流のＤＣ−ＤＣ変換の効率が良くなる。さらに、発電システム１を備えるセンサシステム１０は、電力を安定して供給できるので、センサ１３でデータを確実に取得できる。
【００４３】
ここで、フィン２３の高さは蓄熱材２５の高さ以上であることが好ましい。これは、フィン２３の高さが蓄熱材２５の高さよりも低い場合、フィン２３の周囲が先に融解してしまい、フィン２３より高いところにある蓄熱材２５が解け難くなるので、蓄熱材２５が均一に融解することができなくなるからである。このような融解をすると、熱電素子２１に加わる温度差の時間変化を示すプロファイルにおいて、一定温度を保持することなく、時間と共に温度差が急峻に変化してしまう。熱電素子２１の発電電圧は、温度差にほぼ比例するため、出力電圧も時間と共に徐々に減衰することになるからである。
【００４４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。第１の実施の形態と同じ構成要素には同一の符号を付してある。また、第１の実施の形態と重複する説明は省略する。
図１３に正面から見た断面図を示し、図１４に図１３のＡ−Ａ線に沿った断面図を示すように、熱電デバイス５１は、熱伝導性の高い金属製のフィン５２の高さが蓄熱材５３より高く、例えば１５ｍｍである。さらに、フィン５２の上端部同士は、金属製の連結板５５によって接続されている。このために、フィン５２の上端付近には、蓄熱材５３が充填されていない空隙部５６が形成されている。また、フィン５２に垂直な２つの側面は、断熱性のあるアクリル板からなる断熱板５７で覆われている。
【００４５】
蓄熱材５３には、パラフィン系素材（パラフィン系潜熱蓄熱材、商品名「エコジュール」、ＪＸ日鉱日石エネルギー株式会社）が用いられる。蓄熱材５３は、融解して液体になる際に大きな体積膨張を起こす。
フィン５２は、断熱板５７の側面に接し、蓄熱材５３の底面とベース部２２の間には断熱材２４が配置されているため、温度の時間変化は、図６とほぼ同じようになる。
【００４６】
例えば、蓄熱材５３が融解することによって一定温度を保つような場合、蓄熱材５３の融解変化がフィン５２に沿って均一に進む。融解して膨張した蓄熱材５３は、隣接したフィン５２に囲まれた上部空間に逃げる。これは、フィン５２の側面がアクリル製の断熱板５７に固定されており、蓄熱材５３は側方には膨張できないからである。このように蓄熱材５３の上方に空隙部５６が設けられているので、蓄熱材５３が融解して体積が増大しても蓄熱材５３は上方に膨出するのでフィン５２に過度な加重負荷がかかることはない。また、連結板５５によってフィン５２同士が上部で接続されているため、蓄熱材５３の融解に伴ってフィン５２に加重負荷が加わっても変形し難い。
【００４７】
同様のことは、蓄熱材５３が凝固する過程においても成り立つ。例えば、液化して体積膨張した蓄熱材５３がフィン５２間に保持されている場合、フィン５２の温度が低下するのに伴って、フィン５２間や上部の空隙部５６にたまった蓄熱材５３が徐々に凝固してゆく。このとき、フィン５２の側面に接した部分の蓄熱材５３から均一に凝固が始まり、体積が収縮する。蓄熱材５３において最後に凝固するのは、隣接するフィン５２間の中央部になる。
【００４８】
この熱電デバイス５１では、特定の箇所で蓄熱材５３が液体のまま残ったりすることがないので、蓄熱材５３の周辺の構造設計が容易になる。また、体積収縮時のフィン５２に加わる内向きの力に対してもフィン５２同士が上部で接続されているため、より強い耐性を保つことができる。その他の作用及び効果は、第１の実施の形態と同様である。
【００４９】
ここで挙げた全ての例及び条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明及び概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例及び条件に限定することなく解釈するものであり、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換及び変形を施すことができる。
【００５０】
１  発電システム
４  変換器
１０  センサシステム
１１  熱電デバイス
１２  センサ回路
１３  センサ
２１  熱電素子
２３，５２  フィン
２４  断熱材
２５，５２  蓄熱材
５５  連結板
５７  断熱板
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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