(57)【要約】  熱電変換モジュール（６）を、熱電変換素子（１）と、第１容器（２）と、熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、第１容器よりも熱伝導率が高く、第１容器内で熱電変換素子から離れる方向へ伸びているフィン（３）と、熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、フィンよりも熱伝導率が高く、第１容器内でフィンの熱電変換素子から遠い側まで伸びている第１放熱部材（４）と、第１容器内に設けられ、フィン及び第１放熱部材と熱的に接続された第１蓄熱材（５）とを備えるものとする。
2016132533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換素子と、
第１容器と、
前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、前記第１容器よりも熱伝導率が高く、前記第１容器内で前記熱電変換素子から離れる方向へ伸びているフィンと、
前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、前記フィンよりも熱伝導率が高く、前記第１容器内で前記フィンの前記熱電変換素子から遠い側まで伸びている第１放熱部材と、
前記第１容器内に設けられ、前記フィン及び前記第１放熱部材と熱的に接続された第１蓄熱材とを備えることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記第１容器に設けられ、前記第１容器よりも熱伝導率が高い伝熱部材を備え、
前記熱電変換素子は、前記第１容器内に設けられており、前記一方の側の反対側が前記伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記第１容器外に設けられた伝熱部材を備え、
前記熱電変換素子は、前記第１容器外に設けられており、前記一方の側の反対側が前記伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１容器に設けられ、前記第１容器よりも熱伝導率が高い第１伝熱部材と、
前記第１容器外に設けられた第２伝熱部材とを備え、
前記熱電変換素子は、前記第１容器外に設けられており、前記一方の側が、前記第１伝熱部材を介して、前記フィン及び前記第１放熱部材に熱的に接続されており、前記一方の側の反対側が、前記第２伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
開口部を有し、電子部品が搭載されている基板を備え、
前記熱電変換素子は、前記基板の前記開口部に設けられ、前記基板に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
開口部を有し、電子部品が搭載されている基板を備え、
前記第１伝熱部材は、前記基板の前記開口部に設けられ、
前記熱電変換素子は、前記基板に電気的に接続されていることを特徴とする、請求項４に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記第１放熱部材は、前記フィンの周辺を囲うように設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、前記フィンよりも熱伝導率が高く、かつ、前記第１放熱部材と異なる熱伝導率を有し、前記第１容器内で前記フィンの前記熱電変換素子から遠い側まで伸びている第２放熱部材を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記第１容器内に設けられ、内部に前記フィン、前記第１放熱部材及び前記第１蓄熱材が設けられている第２容器と、
前記第１容器内、かつ、前記第２容器外に設けられ、少なくとも前記第２放熱部材と熱的に接続され、前記第１蓄熱材と異なる融点を有する第２蓄熱材とを備えることを特徴とする、請求項８に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
センサと、
前記センサに電気的に接続された、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールとを備えることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載のセンサモジュールと、
前記センサモジュールによって得られたデータを処理するコンピュータとを備えることを特徴とする情報処理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュール、センサモジュール及び情報処理システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばセンサーネットワークを構築する場合などに課題となる電源線及び信号線が不要となる、環境発電の利用が有望である。環境発電としては、太陽光発電のほかに、温度差があれば発電できる熱電変換素子を用いた発電が有力である。
例えば、熱源の温度の経時変化を利用して熱電変換素子に温度差を生じさせるものがある。この場合、熱電変換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。そして、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変換素子が発電する。【０００３】
しかしながら、蓄熱材は極めて熱伝導率が低いため、熱電変換素子に蓄熱材を接触させただけでは、熱電変換素子に隣接する部分の蓄熱材だけが融解・凝固を繰り返すことになり、熱電変換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る。
そこで、熱電変換素子に接触させたフィンを、蓄熱材内に挿入することで、蓄熱材への熱伝導の効率化を図ったものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６９７３８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７５６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、フィンを用いて蓄熱材への伝熱を行なう場合、フィンの先端側までは熱が伝わりにくいため、蓄熱材の融解は、フィンの熱電変換素子に近い側（熱源に近い側）の周囲でフィンの熱電変換素子から遠い側（先端側）の周囲よりも早くはじまる。そして、蓄熱材の融解が蓄熱材の全体に及ぶ前に、フィンの熱電変換素子に近い側の周囲で顕熱による温度上昇がはじまってしまう。【０００６】
つまり、蓄熱材の全体が融解し終わるまで、潜熱利用によって蓄熱材の温度が融点に維持され、この融点と熱源との温度差を利用して熱電変換素子によって大きな電力を得られるはずである。しかしながら、フィンの熱電変換素子に近い側の周囲から温度上昇がはじまってしまい、熱電変換素子に生じさせることができる温度差が小さくなってしまうため、期待される発電量よりもかなり目減りした発電量しか得られない。【０００７】
そこで、フィンの熱電変換素子から遠い側の蓄熱材にも伝熱されるようにして、熱電変換素子に生じさせることができる温度差を大きくし、発電量を増大させたい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本熱電変換モジュールは、熱電変換素子と、第１容器と、熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、第１容器よりも熱伝導率が高く、第１容器内で熱電変換素子から離れる方向へ伸びているフィンと、熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、フィンよりも熱伝導率が高く、第１容器内でフィンの熱電変換素子から遠い側まで伸びている第１放熱部材と、第１容器内に設けられ、フィン及び第１放熱部材と熱的に接続された第１蓄熱材とを備える。【０００９】
本センサモジュールは、センサと、センサに電気的に接続された、上述の熱電変換モジュールとを備える。
本情報処理システムは、上述のセンサモジュールと、センサモジュールによって得られたデータを処理するコンピュータとを備える。
【発明の効果】
【００１０】
したがって、本熱電変換モジュール、センサモジュール及び情報処理システムによれば、フィンの熱電変換素子から遠い側の蓄熱材にも伝熱されるようにして、熱電変換素子に生じさせることができる温度差を大きくし、発電量を増大させることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図である。
【図２】第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図である。
【図３】（Ａ）は、５月２２日から５月３０日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示す図であり、（Ｂ）は、２月３日から３月３日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示す図である。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の課題を説明するための模式的断面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、第１実施形態にかかる熱電変換モジュールによる作用・効果を説明するための模式的断面図である。
【図６】第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。
【図７】第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。
【図８】第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。
【図９】（Ａ）〜（Ｄ）は、実施例１の熱電変換モジュールによる効果を説明するための図であって、（Ａ）は実施例１の熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図であり、（Ｂ）は実施例１の熱電変換モジュールを用いた場合のヒータの温度変化、蓄熱材の温度変化及び出力電圧（開放電圧）の変化を示す図であり、（Ｃ）は比較例の熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図であり、（Ｄ）は比較例の熱電変換モジュールを用いた場合のヒータの温度変化、蓄熱材の温度変化及び出力電圧（開放電圧）の変化を示す図である。
【図１０】第２実施形態にかかるセンサモジュールの構成を示す模式図である。
【図１１】第２実施形態にかかるセンサモジュールを用いた情報処理システムの構成を示す模式図である。
【図１２】第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第１適用例を示す模式図である。
【図１３】第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第２適用例を示す模式図である。
【図１４】第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第３適用例を示す模式図である。
【図１５】第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第４適用例を示す模式図である。
【図１６】第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第５適用例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる熱電変換モジュール、センサモジュール及び情報処理システムについて説明する。
［第１実施形態］
まず、本実施形態にかかる熱電変換モジュールについて、図１〜図９を参照しながら説明する。
【００１３】
本実施形態にかかる熱電変換モジュールは、環境発電の中の温度差があれば発電できる熱電変換素子を用いた発電に用いられるものである。
本実施形態の熱電変換モジュールは、蓄熱材を用いて熱電変換素子の両側に温度差を生じさせるものであって、図１に示すように、熱電変換素子１と、容器（第１容器）２と、フィン３と、放熱部材（第１放熱部材）４と、蓄熱材（第１蓄熱材）５とを備える。
【００１４】
なお、熱電変換素子１を、熱電変換デバイス、熱電素子又は熱電デバイスともいう。また、熱電変換モジュール６を熱電モジュール、熱電発電モジュール又は電源モジュールともいう。また、フィン３を放熱フィン又は放熱器（第１放熱器）ともいう。また、放熱部材４を放熱器（第２放熱器）ともいう。また、容器２を蓄熱材容器ともいう。
ここで、熱電変換素子１は、例えば、配線を形成した２枚の基板間にｐ型熱電材料とｎ型熱電材料を交互に並べて接続した構造になっている。そして、熱電変換素子１は、一方の側が放熱側となり、一方の側の反対側が熱源側となるように設けられる。つまり、熱電変換素子１の一方の側には、放熱器（後述のフィン３及び放熱部材４）が熱的に接続され、一方の側の反対側には、熱源８が熱的に接続される。
【００１５】
容器２は、例えば樹脂などの断熱材からなる断熱容器（例えば樹脂製容器）である。これにより、容器２内に入れられた蓄熱材５と外部とが断熱されることになる。
フィン３は、熱電変換素子１の一方の側に熱的に接続されており、容器２よりも熱伝導率が高く、容器２内で熱電変換素子１から離れる方向へ伸びている。ここでは、フィン３は、ベース部３Ａにその表面から突出するように設けられており、フィン３及びベース部３Ａの全体が容器２内に設けられている。そして、ベース部３Ａは蓄熱材５に接しないようにしている。ここで、フィン３及びベース部３Ａは、例えば金属等の高熱伝導率の材料からなる。本実施形態では、フィン３及びベース部３Ａをアルミ製としている。なお、フィン３はピンも含むものとする。また、フィン３及びベース部３Ａをまとめてヒートシンク３Ｘともいう。
【００１６】
放熱部材４は、熱電変換素子１の一方の側に熱的に接続されており、フィン３よりも熱伝導率が高く、容器２内でフィン３の熱電変換素子１から遠い側（先端側）まで伸びている。ここでは、放熱部材４は、フィン３の周辺を囲うように設けられている。本実施形態では、放熱部材４は、全体が容器２内に設けられており、フィン３及びベース部３Ａの全体を覆うように設けられている。また、放熱部材４は、熱電変換素子１の一方の側の表面に接しており、フィン３の熱電変換素子１から遠い側の蓄熱材５まで伸びている。
【００１７】
本実施形態では、アルミ製のフィン３を用いているため、これよりも熱伝導率が高い放熱部材４にはグラファイトシートを用いている。ここで、アルミの熱伝導率は約２３８Ｗ／ｍ＊Ｋ（一般的にはアルミ合金を用いるため、これ以下の熱伝導率となる）であるのに対し、グラファイトシートの熱伝導率は約５００〜約１５００Ｗ／ｍ＊Ｋであり、熱伝導率は２倍以上である。
【００１８】
なお、本実施形態では、フィン３をアルミ製とし、放熱部材４をグラファイトシートとしているが、これに限られるものではない。例えば、フィン３をアルミ製とし、放熱部材４を銀シート（銀箔）又は銅シート（銅箔）としても良い。ここで、銀の熱伝導率は約４２０Ｗ／ｍ＊Ｋ、銅の熱伝導率約３９８Ｗ／ｍ＊Ｋである。また、例えば、フィン３を銅製とし、放熱部材４を銀シート（銀箔）又はグラファイトシートとしても良い。また、例えば、フィン３を鉄製とし、放熱部材４をグラファイトシート、アルミシート（アルミ箔）、銀シート（銀箔）又は銅シート（銅箔）としても良い。ここで、鉄の熱伝導率は約８４Ｗ／ｍ＊Ｋである。このように、フィン３の材料には、アルミ、銅、鉄などを用いることができ、放熱部材４の材料には、グラファイト、銀、銅、アルミなどを用いることができる。
【００１９】
蓄熱材５は、容器２内に設けられ、フィン３及び放熱部材４と熱的に接続されている。ここでは、容器２内に入れられた蓄熱材５の中にフィン３及び放熱部材４が部分的に浸漬されている。
ここで、蓄熱材５は、潜熱蓄熱材であって、例えば、無機水和塩、無機塩、金属、水（化学式Ｈ２Ｏ：融点０℃、融解潜熱３３６ｋＪ／ｋｇ）、有機物化合物などを用いることができる。
【００２０】
例えば、無機水和塩としては、塩化カルシウム水和物（化学式ＣａＣｌ２・６Ｈ２Ｏ：融点２８．７℃、融解潜熱１９２ｋＪ／ｋｇ）、硫酸ナトリウム水和物（化学式Ｎａ２ＳＯ４・１０Ｈ２Ｏ：融点３２．４℃、融解潜熱２５１ｋＪ／ｋｇ）、チオ硫酸ナトリウム水和物（化学式Ｎａ２Ｓ２Ｏ４・５Ｈ２Ｏ：融点４８℃、融解潜熱１９７ｋＪ／ｋｇ）、酢酸ナトリウム水和物（化学式ＣＨ３ＣＯＯＨ・３Ｈ２Ｏ：融点５８℃、融解潜熱２６４ｋＪ／ｋｇ）などがある。また、例えば、無機塩としては、塩化ナトリウム（化学式ＮａＣｌ：融点８００℃、融解潜熱４８３ｋＪ／ｋｇ）などがある。また、例えば、金属としては、アルミニウム（化学式Ａｌ：融点６６１℃、融解潜熱３９７ｋＪ／ｋｇ）などがある。また、例えば、有機物化合物としては、パラフィン（化学式ＣｎＨ２ｎ＋２：融点−３０℃〜４５℃、融解潜熱１５０〜２５０ｋＪ／ｋｇ）、エリスリトール（化学式Ｃ４Ｈ１０Ｏ４：融点１１８℃、融解潜熱３１４ｋＪ／ｋｇ）などがある。
【００２１】
本実施形態では、さらに、容器２に設けられ、容器２よりも熱伝導率が高い伝熱部材７を備える。この伝熱部材７は、例えば金属等の高熱伝導率の材料からなる。そして、熱電変換素子１は、容器２内に設けられており、一方の側の反対側、即ち、フィン３及び放熱部材４が熱的に接続されている側の反対側が伝熱部材７に熱的に接続されている。なお、伝熱部材７を伝熱部品ともいう。
【００２２】
ここでは、容器２の開口部に伝熱部材７が設けられており、伝熱部材７は外部の熱源８に熱的に接続されており、容器外の熱源８からの熱が、伝熱部材７を介して熱電変換素子１に伝わり、熱電変換素子１を介してフィン３及び放熱部材４に伝わって、フィン３及び放熱部材４から蓄熱材５へ放熱されるようになっている。
より具体的には、本実施形態では、図２に示すように、開口部１０Ａを有し、電子部品９が搭載されている基板１０を備える。そして、熱電変換素子１は、基板１０の開口部１０Ａに設けられ、基板１０に電気的に接続されている。また、基板１０は、外部接続端子１１に接続されている。なお、基板１０を回路基板ともいう。
【００２３】
特に、本実施形態では、上述のように、熱電変換素子１から蓄熱材５に熱を伝える放熱器として、フィン３に加え、フィン３よりも熱伝導率が高い放熱部材４が設けられている。つまり、熱電変換素子１から蓄熱材５へ放熱するのに用いる放熱器として、熱伝導率が異なる２種類の放熱器３、４を用いるようにしている。
また、熱伝導率が高い放熱器である放熱部材４の少なくとも一部が、これよりも熱伝導率が低い放熱器であるフィン３の周辺（周囲）に位置するように設けられている。
【００２４】
そして、熱伝導率が高い放熱器である放熱部材４は、これよりも熱伝導率が低い放熱器であるフィン３よりも、熱源８からより離れた場所に位置する蓄熱材５に熱を伝えられるように配置されている。
ここでは、熱電変換素子１の一方の側の表面に、グラファイトシート４、アルミ製ヒートシンク３Ｘの順に、例えば放熱グリースなどを介して接続し、グラファイトシート４とアルミ製フィン３の少なくとも一部を蓄熱材５に浸漬させている。そして、グラファイトシート４は、アルミ製フィン３の先端よりもさらに熱電変換素子１から離れた場所に位置する蓄熱材５に届くように設置されている。
【００２５】
これにより、熱源８からの熱が分散して蓄熱材５に伝えられることになる。この結果、フィン３だけが設けられているものと比較して、高効率な発電を行なうことができ、発電量（発電電力量）を増大させることが可能となる。つまり、熱伝導率の異なる２種類の放熱器３、４を用いることによって、１種類の放熱器３を用いる場合と比較して、蓄熱材５に伝えられる熱量は同じであっても、より効率良く分散され、より均一に蓄熱材５が融解することになる。つまり、蓄熱材５の潜熱利用効率が上がる。これにより、顕熱化、即ち、顕熱によって蓄熱材の温度が融点以上の温度に上昇してしまうのが遅くなり、温度差が確保され、熱電変換素子１からより多くの発電量が得られることになる。
【００２６】
このため、例えばマンホールのように、昼夜で構造物の一方の面と他方の面とで温度差が逆転するような環境下で、熱電変換素子１を用いて、昼夜問わず発電することが可能となる。
例えば、マンホールの蓋の温度は、季節ごとに変化するが、１週間〜１ヶ月単位でみると、ほぼ同じような振幅の周期変動をする。晴れの日においては最大値と最小値の差は夏場で２５〜３０℃、冬場で１５〜２０℃とかなり大きい。ここで、図３（Ａ）は、５月２２日から５月３０日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示しており、図３（Ｂ）は、２月３日から３月３日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示している。
【００２７】
このような周期的な温度変化を繰り返すマンホールの蓋が熱源である場合、冷却側（放熱側）に蓄熱材を用いることは最適な選択である。この場合、マンホールの蓋の周期的な温度変化の最大値と最小値の中心となる温度に融点をもつ蓄熱材を使用することで、一日周期で融解・凝固を繰り返し、蓄熱材の潜熱量を最大限利用することができる。
マンホールの蓋の温度を利用した熱電発電では、マンホールの蓋の温度とマンホール内の温度との温度差を利用した発電が考えられるが、蓄熱材を用いずにヒートシンクだけを用いた発電では、熱電変換素子に生じる温度差は、マンホールの蓋の温度とマンホール内の温度との温度差よりもはるかに少ない温度差となってしまう。このため、少ない発電量しか得られない。これに対し、蓄熱材を冷却側に用いることで、熱電変換素子に生じる温度差は、マンホールの蓋の温度と蓄熱材の温度との温度差となり、温度差が大きくなるため、大きな発電量を得ることができる。例えば、無線通信によるデータ送信を想定したマンホールセンサに必要十分な発電量を得ることが可能となる。また、経年劣化なく、大きな発電量を得ることが可能となる。
【００２８】
ところで、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
熱電変換素子は、主に複数のp型熱電半導体及びｎ型熱電半導体から構成されており、熱エネルギーを電気エネルギーに、また、電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する機能を持つ。この熱電変換素子の両側に温度差を与えると、ゼーベック効果によって電圧を発生する。この電圧を電気エネルギーとして取り出すようにしたものが熱電発電装置である。
【００２９】
このような熱電発電装置によって、熱エネルギーから電気エネルギーへの直接エネルギー変換が可能となり、廃熱利用に代表されるような熱エネルギーの有効な利用方法の一つとして注目を浴びている。
一般的な熱電変換素子は、ほぼ同じ長さで柱状のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体の両端部で対にして熱電対を作り、この熱電対を複数個平面的に並べて、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が交互に規則的になるように配置し、この熱電対を電気的に直列に接続した構造を有する。
【００３０】
電気的に接続するための配線を形成するのは、例えばＳｉやセラミック材料などからなる２枚の基板で、この基板は、ｐ型熱電半導体／ｎ型熱電半導体及びこれらを接続する電極の厚さ分の隙間をあけて向かい合った構造となっている。
一枚の基板を熱源（発熱源）に接するようにし、もう一方の基板から放熱するようにすることで、熱電半導体対に温度差が生じる。持続的に温度差を生じさせるためには、放熱側の基板には放熱部品を付けることになる。
【００３１】
自然空冷の場合、放熱部品としては、アルミにアルマイト処理（陽極酸化）し、表面に酸化アルミの膜を形成したヒートシンクを用いるのが一般的である。
熱電変換素子による発電は、温度差のあるとこならどこでも発電することが可能であるが、自然に発生する温度に依存するため、そこはまさに自然任せである。
例えば、熱源として、太陽熱で温められるコンクリートや金属などを選択し、それに熱電変換素子を装着した場合、熱源からの熱をヒートシンクを介して大気に放熱し、熱電変換素子内に温度差を発生させることによって発電する。
【００３２】
しかしながら、熱電変換モジュールでは、ヒートシンクのフィンの表面積を大きくしても、熱電変換素子のヒートシンクが設けられた側を外気温と同一にすることは困難である。
このため、熱電変換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。したがって、熱電変換モジュールで発生できる発電量も小さくなる。
【００３３】
また、熱電変換モジュールには、熱源の温度の経時変化を利用して熱電変換素子に温度差を生じさせるものがある。このような熱電変換モジュールでは、熱電変換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。
【００３４】
ここで、蓄熱材は、有機・無機材料で各々あるが、一般的に用いられているのは扱いが比較的容易な飽和炭化水素系の有機物である。融点は、−３０℃から４０℃くらいまで様々な温度があり、空冷に使用されているほか、建材にも適用が検討されている。
また、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。このため、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変換素子が発電する。
【００３５】
この場合、熱源の温度の時間変化に伴う熱電変換素子への流入熱量や、熱電変換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も小さいことが必要であり、これが熱電変換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、熱源から熱電変換素子を介して伝達される熱によって融解（溶融）するが、蓄熱材は全て融解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、熱電変換モジュール全体において、熱源以外との熱のやりとりが無視できると考えた場合、熱源から熱電変換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。したがって、蓄熱材の潜熱量を越えると、蓄熱材が全て融解してしまって、熱電変換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。
【００３６】
このタイプの熱電変換モジュールでは、蓄熱材と熱電変換素子との間、あるいは、熱源表面と熱電変換素子との間での熱伝導を利用して熱電変換素子の上下面の間に温度差を生じさせる。このため、外気との熱伝達を利用するタイプの熱電変換モジュール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、一般に、蓄熱材は極めて熱伝導率が低く、代表的な値は０．１Ｗ／ｍＫ〜０．５Ｗ／ｍＫであることが知られている。このため、熱電変換素子に蓄熱材を接触させただけでは、熱電変換素子に隣接した蓄熱材部分のみが融解・凝固を繰り返すだけである。この結果、熱電変換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る。
【００３７】
そこで、例えば図４（Ａ）に示すような熱電変換モジュールでは、フィン３及びベース部３Ａを有する金属製のヒートシンク３Ｘのフィン３を蓄熱材５に挿入することによって、蓄熱材５との間の熱伝導の効率化を図っている。フィン３は、熱電変換素子１に接触させられると共に、蓄熱材５内に平行に複数挿入される。より詳細には、各々のフィン３が蓄熱材５の上方から所定の深さまで蓄熱材５内に挿入される。このように蓄熱材５内にフィン３を挿入することによって、蓄熱材５が融解される部分が上表面側からフィン３に沿って下側へと進行する。これによって、蓄熱材５がより広い領域で融解し易くなる。
【００３８】
しかしながら、フィン３を有するヒートシンク３Ｘを用いて、蓄熱材５への伝熱を、フィン３を介して行なう場合も、本質的な課題は残る。
つまり、蓄熱材５は熱伝導率が低く、流動性に劣るため、蓄熱材５の融解はフィン３の周囲からはじまるが、融解がひろがり蓄熱材５の全体に及ぶ前に、フィン３の周囲から温度上昇がはじまり、蓄熱材５の温度は融点以上の温度に上昇してしまう（顕熱化）。融解がすべて終わるまで、潜熱利用により蓄熱材５の温度は融点を維持していて、その融点と熱源との温度差を利用した大きな電力を得られる発電が可能なはずが、フィン３の周囲から温度が上昇してしまうため、期待される発電量よりは、かなり目減りした発電量しか得られない。例えば、蓄熱材５の潜熱量を１００％利用した場合に得られることが期待される発電量に対し、実際に得られる発電量は３０〜４０%程度と低い。
【００３９】
更には、図４（Ｂ）に示すように、ヒートシンク３Ｘは熱源８から近い側から温度上昇するが、ヒートシンク３Ｘに直接接している蓄熱材５は、ヒートシンク３Ｘから熱を奪う。ヒートシンク３Ｘの周囲が空気の場合と比べ、蓄熱材５の熱伝導率は空気の約１０倍近くあるため、ヒートシンク３Ｘのフィン３の熱源８側から先端まで熱伝導する時間が遅くなる。つまり、熱源８に近い側のフィン３の周囲の蓄熱材５における顕熱化が先端と比べて早く、ヒートシンク３Ｘと蓄熱材５の温度差が小さくなって、更にそれが先端に及んでいくため、期待される発電量（開放電圧）が得られない。
【００４０】
この場合、図４（Ｃ）に示すように、ヒートシンク３Ｘのベース部３Ａの側の蓄熱材５の温度、即ち、表面付近の蓄熱材５の温度をＴ１とし、ヒートシンク３Ｘのフィン３の中間部の周囲の蓄熱材の温度、即ち、中間部の蓄熱材５の温度をＴ２とし、ヒートシンク３Ｘのフィン３の先端側の蓄熱材の温度、即ち、底部付近の蓄熱材５の温度をＴ３とすると、底部付近の蓄熱材５の温度Ｔ３がほとんど上がらないのに対し、表面付近の蓄熱材５の温度Ｔ１が非常に高くなってしまう。
【００４１】
そこで、フィン３の熱電変換素子１から遠い側の蓄熱材５にも伝熱されるようにして、熱電変換素子に生じさせることができる温度差を大きくし、発電量を増大させるために、上述のように構成している。
特に、図５（Ａ）に示すように、熱電変換素子１から蓄熱材５に熱を伝える放熱器として、フィン３に加え、フィン３よりも熱伝導率が高い放熱部材４が設けられている。そして、放熱部材４が、フィン３よりも熱源８からより離れた場所に位置する蓄熱材５に熱を伝えられるように配置されている。このため、フィン３だけが設けられているもの［図４（Ａ）、図４（Ｂ）参照］と比較して、図５（Ｂ）に示すように、熱源８からの熱が分散して蓄熱材５に伝えられることになる。
【００４２】
この場合、図５（Ｃ）に示すように、ヒートシンク３Ｘのベース部３Ａの側の蓄熱材５の温度、即ち、表面付近の蓄熱材５の温度をＴ１′とし、ヒートシンク３Ｘのフィン３の中間部の周囲の蓄熱材の温度、即ち、中間部の蓄熱材５の温度をＴ２′とし、ヒートシンク３Ｘのフィン３の先端側の蓄熱材の温度、即ち、底部付近の蓄熱材５の温度をＴ３′とすると、表面付近の蓄熱材５の温度Ｔ１′がそれほど高くならず、また、底部付近の蓄熱材５の温度Ｔ３′も上がることになる。つまり、フィン３だけが設けられているもの［図４（Ａ）、図４（Ｂ）参照］と比較して、表面付近の蓄熱材５の温度Ｔ１′が低くなり（Ｔ１′＜Ｔ１）、底部付近の蓄熱材５の温度Ｔ３′が高くなる（Ｔ３′＞Ｔ３）。
【００４３】
このように、フィン３に加え、フィン３よりも熱伝導率が高い放熱部材４が設け、放熱部材４を、フィン３よりも熱源８からより離れた場所に位置する蓄熱材５に熱を伝えられるように配置することで、フィン３だけが設けられているもの［図４（Ａ）、図４（Ｂ）参照］と比較して、熱源８からの熱を効率良く分散し、より均一に蓄熱材５が融解するようにすることができる。これにより、顕熱によって蓄熱材の温度が融点以上の温度に上昇してしまうのが遅くなり、温度差が確保され、熱電変換素子からより多くの発電量が得られることになる。
【００４４】
さらに、ヒートシンク３Ｘのベース部３Ａは、熱源８に最も近く、体積もあるため、より多くの熱がためられており、ベース部３Ａが蓄熱材５に接していると、まず、ベース部３Ａに接している蓄熱材５から融解が始まり、ほどなく顕熱化して温度上昇に転じてしまう。このため、図１に示すように、本実施形態では、ベース部３Ａと蓄熱材５が接しないように隙間を設けている。なお、これに限られるものではなく、ベース部３Ａと蓄熱材５との間に、断熱材として、例えば樹脂板などを挿入するようにしても良い（例えば図６参照）。
【００４５】
したがって、本実施形態にかかる熱電変換モジュールによれば、フィン３の熱電変換素子１から遠い側の蓄熱材５にも伝熱されるようにして、熱電変換素子１に生じさせることができる温度差を大きくし、発電量を増大させることができるという利点がある。
つまり、熱電変換素子１からの熱を蓄熱材５中に分散して放熱することが可能になるため、ヒートシンク３Ｘのみを備えるものよりも温度差が大きくなり、発電量を増大させることができ、効率良い発電を実現することが可能となる。また、蓄熱材５の融解・凝固の変化が均一に進むため、熱電変換モジュール６の高性能化を実現することも可能となる。
【００４６】
なお、上述の実施形態では、容器２に伝熱部材７を備えるものとし、熱電変換素子１を、容器２内に設け、一方の側の反対側が伝熱部材７に熱的に接続されるようにしているが、これに限られるものではない。
例えば、図６に示すように、容器（第１容器）２外に設けられた伝熱部材７を備えるものとし、熱電変換素子１を、容器２外に設け、一方の側の反対側が伝熱部材７に熱的に接続されるようにしても良い。つまり、伝熱部材７及び熱電変換素子１を容器２外に設け、フィン３及び放熱部材４を部分的に容器２内に入れられている蓄熱材５の中に挿入・浸漬するようにしても良い。ここでは、ヒートシンク３Ｘのベース部３Ａは容器２外に設けられている。なお、熱電変換素子１が設けられる基板１０も容器２外に設けられることになるが、この場合、熱電変換素子１の周囲に空間ができるように封止材１２によって封止するのが好ましい。なお、上述の実施形態のものにおいても、同様に、熱電変換素子１の周囲に空間ができるように封止材によって封止するようにしても良い。
【００４７】
また、例えば、図７に示すように、容器２（第１容器）に設けられ、容器２よりも熱伝導率が高い第１伝熱部材７Ｘと、容器２外に設けられた第２伝熱部材７とを備えるものとし、熱電変換素子１を、容器２外に設け、一方の側が、第１伝熱部材７Ｘを介して、フィン３（ヒートシンク３Ｘ）及び放熱部材４（第１放熱部材）に熱的に接続され、一方の側の反対側が、第２伝熱部材７に熱的に接続されるようにしても良い。つまり、上述の実施形態のものにおいて、熱電変換素子１及び伝熱部材７を容器２外に設け、熱電変換素子１の一方の側とフィン３及び放熱部材４とを他の伝熱部材７Ｘを介して熱的に接続するようにしても良い。この場合、第１伝熱部材７Ｘを、容器２内に設けられた基板１０の開口部１０Ａに設け、熱電変換素子１を、例えばコネクタ１３を介して、基板１０に電気的に接続すれば良い。また、第１伝熱部材７Ｘと第２伝熱部材７との間に挟まれた熱電変換素子１の周囲に空間ができるように封止材１２によって封止するのが好ましい。また、第２伝熱部材７が熱源８に熱的に接続されることになる。なお、第１伝熱部材７Ｘを放熱側伝熱部材ともいい、第２伝熱部材７を熱源側（吸熱側）伝熱部材ともいう。
【００４８】
また、上述の実施形態のものにおいて、さらに、熱電変換素子１の一方の側に熱的に接続され、フィン３よりも熱伝導率が高く、かつ、第１放熱部材４と異なる熱伝導率を有し、容器２内でフィン３の熱電変換素子１から遠い側まで伸びている第２放熱部材４Ｘを備えるものとしても良い（例えば図８参照）。つまり、放熱部材として、熱伝導率の異なる少なくとも２つの放熱部材４、４Ｘを備えるものとしても良い。この場合、少なくとも２つの放熱部材４、４Ｘは、熱伝導率の異なる材料からなるものとすれば良い。
【００４９】
この場合、例えば図８に示すように、第１容器２内に設けられ、内部にフィン３、第１放熱部材４及び第１蓄熱材５が設けられている第２容器２Ｘと、第１容器２内、かつ、第２容器２Ｘ外に設けられ、少なくとも第２放熱部材４Ｘと熱的に接続され、第１蓄熱材５と異なる融点を有する第２蓄熱材５Ｘとを備えるものとしても良い。つまり、放熱部材として、熱伝導率の異なる少なくとも２つの放熱部材４、４Ｘを備え、蓄熱材として、融点の異なる少なくとも２種類の蓄熱材５、５Ｘを備えるものとしても良い。例えば、フィン３の熱伝導率をλ１とし、第１放熱部材４の熱伝導率をλ２とし、第２放熱部材４Ｘの熱伝導率をλ３とした場合、λ１＜λ２＞λ３（λ１＜λ３＜λ２）となるようにすれば良い。また、例えば、第１蓄熱材５の融点をＴｍ１とし、第２蓄熱材５Ｘの融点をＴｍ２とした場合、Ｔｍ１≠Ｔｍ２となるようにすれば良い。また、第１放熱部材４の一端側を第１蓄熱材５に浸漬し、他端側を第２蓄熱材５Ｘに浸漬し、第２放熱部材４Ｘを第２蓄熱材５Ｘに浸漬するようにしても良い。このようにして、第１放熱部材４と第２放熱部材４Ｘを、それぞれ、融点の異なる第１、第２蓄熱材５、５Ｘに浸漬し、第１、第２蓄熱材５、５Ｘの融点の差を利用することで、一日の、もしくは、季節ごとの気温に応じてより長期間発電することが可能となる。
［実施例］
次に、本発明を更に具体的に説明するために実施例を挙げる。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［実施例１］
本実施例１及び比較例では、熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子にＹＡＭＡＨＡ社製ＧＫＢ１０を用い、蓄熱材にＪＸ日航日石エネルギー社製エコジュールＴＳ８（融点２６℃、融解潜熱２５０ｋＪ／ｋｇ）１００ｇを用い、ヒートシンクにアルミ製ヒートシンクであるアルファ社製Ｎ６０−４０Ｂ（ピンタイプヒートシンク：サイズ６０×６０×４０mm）を用い、放熱部材にパナソニック社製ＰＧＳグラファイトシート（厚さ１００μｍ、サイズ６０×１００mm）を用い、伝熱部材にアルミ部材を用い、容器として樹脂製のタッパーウェアを用いた。
【００５０】
図９（Ｃ）に示すように、熱電変換素子１の一方の側にグラファイトシート４を間に挟んでアルミ製ヒートシンク３Ｘを接続し、容器２であるタッパーウェアに入れられた蓄熱材５の中にアルミ製ヒートシンク３Ｘのフィン３及びグラファイトシート４を部分的に浸漬し、タッパーウェア２に取り付けられた伝熱部材７としてのアルミ部材に熱電変換素子１の一方の側の反対側を接続して、本実施例１の熱電変換モジュール６を作製した。
【００５１】
また、図９（Ａ）に示すように、グラファイトシートを挟まずに熱電変換素子１の一方の側にアルミ製ヒートシンク３Ｘを接続し、容器２であるタッパーウェアに入れられた蓄熱材５の中にアルミ製ヒートシンク３Ｘのフィン３を部分的に浸漬し、タッパーウェア２に取り付けられた伝熱部材７としてのアルミ部材に熱電変換素子１の一方の側の反対側を接続して、比較例の熱電変換モジュール６Ｘを作製した。
【００５２】
そして、伝熱部材７としてのアルミ部材を介して熱電変換素子１をヒータ加熱した。このヒータ加熱は、室温から６０℃まで４時間で昇温し、６０℃で３０分維持し、再び室温まで４時間かけて降温する加熱プロファイルとした。
ここで、図９（Ｄ）は、本実施例１の熱電変換モジュール６（グラファイトシート有り）の場合のヒータ温度の変化、蓄熱材の温度の変化、開放電圧（出力電圧）の変化を示している。また、図９（Ｂ）は、比較例の熱電変換モジュール６Ｘ（グラファイトシート無し）の場合のヒータの温度変化、蓄熱材の温度変化、開放電圧（出力電圧）の変化を示している。なお、図９（Ｄ）、図９（Ｂ）では、ヒータの温度変化を実線Ａで示しており、蓄熱材の温度変化を実線Ｂで示しており、開放電圧の変化を実線Ｃで示している。
【００５３】
図９（Ｄ）に示すように、本実施例１の熱電変換モジュール６の場合、比較例の熱電変換モジュール６Ｘと比較して、出力電圧の最大値が約０．５７Ｖから約０．６１Ｖに上がり、また、蓄熱材５の温度変化が遅くなり、全体的に右側にシフトすることによって、ヒータの温度と蓄熱材５の温度との温度差ΔＴが全時間において大きくなり、発電量は約１５％増大した。
［実施例２］
本実施例２では、熱電変換モジュール６を構成する熱電変換素子１にＫＥＬＫ製ＫＴＧ５０６６Ａ００を用い、蓄熱材５にＪＸ日航日石エネルギー社製エコジュールＴＳ２０（融点３６．９℃、融解潜熱２４９ｋＪ／ｋｇ）５０ｇを用い、ヒートシンク３Ｘにアルミ製ヒートシンクであるアルファ社製Ｎ５０−２５Ｂ（ピンタイプヒートシンク：サイズ５０×５０×２５mm）を用い、放熱部材４にパナソニック社製ＰＧＳグラファイトシート（厚さ１００μm、サイズ５０×８０mm）を用い、伝熱部材７にアルミ部材を用い、容器２として樹脂製のタッパーウェアを用いた［図９（Ｄ）参照］。
【００５４】
そして、熱水と冷水が交互に循環する工場の排水管に、本実施例２の熱電変換モジュール６を取り付け、工場内の温湿度センサやガスセンサなどからのデータを取得し、無線通信するための電源として用いた。ここで、熱水温度は８０℃、冷水温度は２０℃で、一時間おきに交互に１０分間程度放出される。
この結果、本実施例２の熱電変換モジュール６では、出力電圧が最大０．８Ｖ得られ、蓄熱材５の温度（融点）と熱水の温度との温度差を確保することができ、十分な発電量を得ることができた。
［実施例３］
本実施例３では、熱電変換モジュール６を構成する熱電変換素子１にＹＡＭＡＨＡ社製ＧＫＢ１０を用い、蓄熱材５にカネカ社製パッサーモＦ１５（融点１５．１℃、融解潜熱１９０ｋＪ／ｋｇ）１００ｇ又はＪＸ日航日石エネルギー社製エコジュールＴＳ９（融点３０℃、融解潜熱１８４ｋＪ／ｋｇ）１００ｇを用い、ヒートシンク３Ｘにアルミ製ヒートシンクであるアルファ社製Ｎ６０−４０Ｂ（ピンタイプヒートシンク：６０×６０×４０mm）を用い、放熱部材４にパナソニック社製ＰＧＳグラファイトシート（厚さ１００μm、サイズ６０×１００mm）を用い、伝熱部材７にアルミ部材を用い、容器２として樹脂製のタッパーウェアを用いた［図９（Ｄ）参照］。
【００５５】
そして、道路に設置された下水管のマンホールの蓋の裏面に、本実施例３の熱電変換モジュール６を取り付け、下水の水量、腐食ガス量、管内温度などをセンシングして、無線送信するための電源として用いた。
ここで、マンホールの蓋の温度は、東京都心で、夏場は２５〜６０℃程度、冬場は５〜２５℃程度であるため、蓄熱材として上述の２種類の蓄熱材５を用いた。つまり、夏場は、蓄熱材５としてＪＸ日航日石エネルギー社製エコジュールＴＳ９（融点３０℃、融解潜熱１８４ｋＪ／ｋｇ）１００ｇを備える熱電変換モジュール６を用い、冬場は、蓄熱材５としてカネカ社製パッサーモＦ１５（融点１５．１℃、融解潜熱１９０ｋＪ／ｋｇ）１００ｇを備える熱電変換モジュール６を用いた。
【００５６】
この結果、本実施例３の熱電変換モジュール６では、出力電圧が夏場で最大０．６Ｖ、冬場で最大０．２Ｖ得られ、蓄熱材５の温度（融点）とマンホールの蓋の温度との温度差を確保することができ、十分な発電量を得ることができた。
［実施例４］
本実施例４では、熱電変換モジュール６を構成する熱電変換素子１にＹＡＭＡＨＡ社製ＧＫＢ１０を用い、第１蓄熱材５にカネカ社製パッサーモＦ１５（融点１５．１℃、融解潜熱１９０ｋＪ／ｋｇ）１００ｇを用い、第２蓄熱材５ＸにＪＸ日航日石エネルギー社製エコジュールＴＳ９（融点３０℃、融解潜熱１８４ｋＪ／ｋｇ）１００ｇを用い、ヒートシンク３Ｘにアルミ製ヒートシンクであるアルファ社製Ｎ６０−４０Ｂ（ピンタイプヒートシンク：６０×６０×４０mm）を用い、第１放熱部材４にパナソニック社製ＰＧＳグラファイトシート（厚さ１００μm、サイズ６０×２００mm）を用い、第２放熱部材４ＸにＡｇシート（厚さ１００μm、サイズ６０×２００mm）を用い、伝熱部材７にアルミ部材を用い、第１容器２及び第２容器２Ｘとして樹脂製容器を用いた（例えば図８参照）。
【００５７】
ここでは、第１容器２の中に、内部に第１蓄熱材５が入れられている第２容器２Ｘを入れ、第１容器２内、かつ、第２容器２Ｘ外に、第２蓄熱材５Ｘを入れた。つまり、第２蓄熱材５Ｘが入れられた第１容器２の中に、内部に第１蓄熱材５が入れられている第２容器２Ｘを入れた入れ子構造とした。第２容器２Ｘとして樹脂製容器を用いているため、第１蓄熱材５と第２蓄熱材５Ｘとはほぼ断熱されている。そして、アルミ製ヒートシンク３Ｘのフィン３を第１蓄熱材５に部分的に浸漬し、第２放熱部材４ＸとしてのＡｇシートを第２蓄熱材５Ｘに部分的に浸漬し、第１放熱部材４としてのグラファイトシートを第１蓄熱材５及び第２蓄熱材５Ｘの両方に部分的に浸漬し、熱電変換素子１からの熱が、アルミ製ヒートシンク３Ｘ、Ａｇシート４Ｘ及びグラファイトシート４のそれぞれを介して、第１蓄熱材５及び第２蓄熱材５Ｘに伝わるようにした。
【００５８】
そして、道路に設置された下水管のマンホールの蓋の裏面に、本実施例４の熱電変換モジュール６を取り付け、下水の水量、腐食ガス量、管内温度などをセンシングして、無線送信するための電源として用いた。
ここで、マンホールの蓋の温度は、東京都心で、夏場は２５〜６０℃程度、冬場は５〜２５℃程度であるため、蓄熱材として上述の第１蓄熱材５及び第２蓄熱材５Ｘを用いた。
【００５９】
また、上述のように入れ子構造とすることで、１つの熱電変換モジュール６で対応できるようにした。
この結果、本実施例４の熱電変換モジュール６では、出力電圧が夏場で最大０．４Ｖ、冬場で最大０．２Ｖ得られ、蓄熱材５、５Ｘの温度（融点）とマンホールの蓋の温度との温度差を確保することができ、十分な発電量を得ることができた。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムについて、図１０〜図１６を参照しながら説明する。
【００６０】
本実施形態にかかるセンサモジュールは、一体型モジュールであって、図１０に示すように、この一体型モジュール１６０は、発電モジュール１６１と、蓄電モジュール１６２と、センサ１６３と、コントローラ１６４と、メモリ１６５と、通信回路１６６と、アンテナ１６７を備える。
発電モジュール１６１には、例えば、上述の第１実施形態の熱電変換モジュール６が適用される。つまり、この発電モジュール１６１は、熱電変換素子１と、容器２と、フィン３と、放熱部材４と、蓄熱材５とを備える。このため、本センサモジュールは、少なくとも、センサ１６３と、センサ１６３に電気的に接続された、上述の第１実施形態の熱電変換モジュール６とを備える。
【００６１】
蓄電モジュール１６２は、発電モジュール１６１に接続され、発電モジュール１６１で発生した電力を蓄える。蓄電モジュール１６２としては、電力を蓄える機能を持つものであれば良い。この蓄電モジュール１６２としては、例えば、全固体二次電池が省スペースで且つ安全性が高い点から好ましい。
発電モジュール１６１及び蓄電モジュール１６２は、電力供給部１６８を構成する。この電力供給部１６８を構成する発電モジュール１６１及び蓄電モジュール１６２の少なくとも一方からは、センサ１６３、コントローラ１６４、及び、通信回路１６６に電力が供給される。発電モジュール１６１によって安定した電力を供給できる場合には、蓄電モジュール１６２が省かれても良い。
【００６２】
センサ１６３には、例えば、温度、湿度、圧力、光、音、電磁波、加速度、振動、ガス、微粒子等を検出するセンサが適用可能である。さらに、センサ１６３には、例えば、赤外線を対象物に出射すると共に対象物から反射した光を受けることで対象物との距離を測定する測距センサ、対象物の重量を測定する重量センサ、及び、水位等のデータを検出する水位センサ等が適用可能である。
【００６３】
コントローラ１６４は、例えば、センサ１６３が検出した各種データを、通信回路１６６及びアンテナ１６７を介してサーバ１７５へ送信する。コントローラ１６４は、例えば、センサ１６３が検出した各種データと他のデータとに基づいた二次データをサーバ１７５へ送信しても良い。また、コントローラ１６４は、例えば、センサ１６３が検出した各種データを用いて所定の演算を行って二次データを算出し、この二次データをサーバ１７５へ送信しても良い。
【００６４】
メモリ１６５は、センサ１６３が検出した各種データや、算出された二次データをコントローラ１６４の命令により記憶する。記憶された情報は、コントローラ１６４の命令により読み出される。
通信回路１６６及びアンテナ１６７は、通信部１６９を構成する。通信部１６９は、コントローラ１６４と図示しないサーバ１７５との間でデータの送受信を行う。なお、図１０に示される例では、アンテナ１６７を用いた無線通信が採用されるが、無線通信の代わりに、有線通信が採用されても良い。
【００６５】
上述の一体型モジュール１６０は、例えば、図１１に示されるように、本実施形態にかかる情報処理システム１７０に適用される。
この情報処理システム１７０は、複数の一体型モジュール１６０と、サーバ１７５とを備える。つまり、本情報処理システム１７０は、上述の一体型モジュール（センサモジュール）１６０と、この一体型モジュール１６０によって得られたデータを処理するサーバ（コンピュータ）１７５とを備える。ここでは、情報処理システム１７０は、マンホール１７６から得られる情報を処理するシステムである。このため、複数の一体型モジュール１６０は、マンホール１７６に設置される。この複数のマンホール１７６に設置された複数の一体型モジュール１６０は、ネットワーク１７７を介してサーバ１７５と接続される。
【００６６】
なお、例えば、サーバ１７５を備えた車両を走行させ、この車両が各マンホール１７６に設置された一体型モジュール１６０に近接するたびに一体型モジュール１６０からサーバ１７５に近距離無線通信でデータが送信されるようになっていても良い。また、一体型モジュール１６０は、マンホール１７６の構造体であれば、どこに設置されても良い。
この一体型モジュール１６０は、センサ１６３の検出対象又はセンサ１６３の種類に応じて、マンホール１７６の構造体である蓋１７８やコンクリート管１７９などに固定される。一体型モジュール１６０に備えられた熱電変換素子は、マンホール１７６の構造体と熱的に接続され、マンホール１７６の構造体と外気又はマンホール１７６内部の温度との温度差により発電する。
【００６７】
以下、本実施形態にかかる情報処理システム１７０の具体的な適用例について説明する。
［第１適用例］
第１適用例では、図１２に示すように、情報処理システム１７０は、マンホール１７６の構造体（蓋１７８やコンクリート管１７９）の劣化を把握するために利用される。
【００６８】
センサ１６３は、マンホール１７６内の温度、湿度、及び、マンホール１７６の構造体に作用する振動（加速度）等を検出し、センサ１６３で検出されたデータは、メモリ１６５に蓄積される。
道路上を走る測定用の車両１８０がマンホール１７６上を通過する際に、コントローラ１６４は、通信回路１６６及びアンテナ１６７を介してメモリ１６５に蓄積されたデータを送信する。測定用の車両１８０に設けられたサーバ１７５は、データを回収する。
【００６９】
サーバ１７５は、ＧＰＳ（Global Positioning System）による車両１８０の位置情報と回収されたデータとを組み合わせて、車内モニタに映し出された地図上に、回収されたデータを表示させる。温度、湿度、振動等が表示された情報から各マンホール１７６におけるコンクリート管１７９の劣化の度合いを推定することが可能となる。
また、測定用の車両１８０の下部に、受信装置１８１に加え、マンホール１７６の蓋１７８の画像を取得するカメラ１８２を取り付け、マンホール１７６の蓋１７８（鉄部）の劣化を画像認識で判断することができるようにしても良い。この結果を元に、マンホール１７６の蓋１７８の交換時期を自治体に情報として販売するようにしても良い。ここで、データを回収する車両としては、特別な測定用の車両でなくとも、例えば自治体が運用するごみ収集車でも良い。ごみ収集車の底部に受信装置１８１やカメラ１８２を設置することで、回収費用をかけずに定期的にデータを回収することができる。
【００７０】
また、センサ１６３は、マンホール１７６内に発生したガスの濃度を検出するものであっても良い。マンホール１７６内に発生するガスとしては、例えば、硫化水素ガスがある。下水道１８３で発生する硫化水素ガスは、マンホール１７６の構造体を急激に劣化させることが知られている。硫化水素ガスの発生は、近隣住民の苦情要因でもある。センサ１６３として硫化水素ガスセンサを用いることで、マンホール１７６の構造体の劣化予測精度向上とともに、住民の苦情に迅速に対応できるようになる。
【００７１】
なお、第１適用例では、センサ１６３は、マンホール１７６内の温度、湿度、振動、及び、マンホール１７６内に発生したガスの濃度のうち少なくとも一つを検出できるものであれば良い。
また、マンホール１７６内では湿度が常に高く、下水道１８３（又は上水道）の水がマンホール１７６内にあふれる可能性もある。また、マンホール１７６内部はほぼ一定温度だが、例えば蓋１７８では夏は高温、冬は低温になるうえ、さまざまな金属を溶かす硫化水素ガスなどが発生することが知られている。このような過酷な環境にあって、センサ１６３などの電子部品及び熱電変換素子を守り、かつ長期的な信頼性を保つことは重要である。この場合、一体型モジュール１６０を、センサ１６３などの電子部品及び熱電変換素子が樹脂で封止されたものとして構成することで、長期的な信頼性を保つことが可能となる。
［第２適用例］
第２適用例では、図１３に示すように、情報処理システム１７０は、マンホール１７６と接続される下水道１８３の流量を予測するために利用される。
【００７２】
センサ１６３には、例えば、水位計や流量計が用いられる。マンホール１７６に水位計や流量計であるセンサ１６３が設置されることで、きめ細かい下水道１８３の水位や流量の把握が可能となる。なお、図１３において、センサ１６３は一体型モジュール１６０に組み込まれているが、例えば、センサ１６３の代わりに、外部のセンサの動作を制御するセンサ制御部を設けても良い。この場合、センサ制御部は、下水道の１８３に配置された水位計や流量計などの図示していないセンサを制御し、そのセンサが検出した情報を取得するようにすれば良い。また、そのセンサが検出した情報は無線でセンサ制御部に送信されるようにしても良い。
【００７３】
具体的には、下水道１８３の水位や流量は、１日に１回、あるいは１時間に１回、センサ１６３によって検出され、センサ１６３によって検出されたデータは、高速通信回線を通じてデータセンタ１８４のサーバ１７５に集められる。センサ１６３によって検出された下水道１８３の水位や流量のデータは、計測と同時に送信されるようにしても良いし、消費電力を低減するために、１日、あるいは１週間分を蓄積してから送信されるようにしても良い。なお、第１適用例と同様に、測定用の車両がデータを回収するようにしても良い。
【００７４】
通常、雨水は、下水道１８３に流れ込むため、下水道１８３の水位や流量の予測は、降雨データと強く連動する。このため、センサ１６３によって集められた下水道１８３の水位や流量のデータと、気象庁の降雨データとを組み合わせて解析することで、例えば、下水道１８３の水が流れ込む河川の氾濫予測、注意報・警報情報を提供することが可能となる。
【００７５】
下水道１８３の水位や流量のデータと、気象庁の降雨データとの解析結果から気象現象と下水道１８３の水位や流量との関係を確立することも可能となる。そして、気象庁の降雨データから各地における下水道１８３の水位や流量を予測して、この予測データを提供及び配信することに対して課金するようにしても良い。なお、住宅建築や居住状況、土地開発状況に応じて下水道１８３の水位や流量は年々変わるので、継続的なデータの更新が可能な本情報処理システム１７０は有用である。
【００７６】
また、第２適用例において、情報処理システム１７０は、局所的な集中豪雨などが発生した場合における下水道１８３の水位や流量の計測にも利用可能である。都市の局所的な集中豪雨の際には、下水道１８３の作業者の安全確保や下水道１８３の氾濫を防ぐため、分単位で下水道１８３の水位や流量の測定及び情報発信が必要になる。この場合には、相対的に標高の低い少数のマンホール１７６に設置された一体型モジュール１６０に限定してデータを収集するようにすれば良い。
【００７７】
水位を測定する一体型モジュール１６０の蓄電モジュール１６２には、前もって十分な蓄電を行っておくことが好ましい。コントローラ１６４は、通信回路１６６及び高速通信回線を通じて逐次データをサーバ１７５へ送信する。サーバ１７５は、受信したデータを作業者や氾濫近傍の居住者のスマートフォンやタブレットに警報を発させることができる。あるいは、特定のマンホール１７６上に測定用の車両が駐車して、近距離無線通信によって車両に設けたサーバにデータが回収されるようにしても良い。
［第３適用例］
第３適用例では、図１４に示すように、情報処理システム１７０は、マンホール１７６のセキュリティ及び作業履歴に利用される。
【００７８】
センサ１６３は、マンホール１７６の蓋１７８の開閉を検出する。このセンサ１６３には、例えば、加速度センサや開閉スイッチが用いられる。このセンサ１６３は、マンホール１７６の蓋１７８の開閉を検出するために、マンホール１７６の蓋１７８に生ずる加速度、及び、マンホール１７６の蓋１７８の開閉状態のうち少なくとも一つを検出すれば良い。マンホール１７６の蓋１７８の開閉に応じてセンサ１６３から出力されたデータ（信号）は、サーバ１７５にて受信される。
【００７９】
この情報処理システム１７０によれば、下水道１８３等のセキュリティ対策（例えば、対爆弾テロなど）や、下水道１８３の清掃作業における作業履歴の確認を行うことができる。
［第４適用例］
第４適用例では、図１５に示すように、情報処理システム１７０は、道路交通情報の取得に利用される。
【００８０】
センサ１６３は、マンホール１７６上を通過する車両１８５，１８６，１８７を検出する。このセンサ１６３には、例えば、加速度センサ、磁気センサ、マイクロフォン等が用いられる。センサ１６３からは、マンホール１７６上を通過する車両の数に応じた信号が得られる。センサ１６３から出力されたデータ（信号）は、サーバ１７５にて受信される。
【００８１】
この情報処理システム１７０によれば、現在の道路交通情報通信システムでは計測していないような細い道路や路地などでも渋滞情報を得ることができる。これにより、きめ細かい渋滞情報の提供が可能になる。
また、センサ１６３の検出値の強弱から、マンホール１７６上を通過する車両１８５，１８６，１８７の種類（例えば、小型車、普通車、トラック等）を検出するようにしても良い。この場合、センサ１６３の検出値と車両の種類とを関連付けたデータセットを予めメモリ１６５に記憶しておけば良い。そして、コントローラ１６４が、センサ１６３の検出値と上記データセットとから車の種類を判定し、この車の種類の情報をサーバ１７５へ送信するようにすれば良い。これにより、マンホール１７６上を通過する車両の種類を把握することが可能となる。
【００８２】
さらに、センサ１６３によって、マンホール１７６上を通過する車両１８５，１８６，１８７の個体識別情報が検出されても良い。例えば、センサ１６３として磁気センサが用いられた場合には、磁気センサの反応によって、車両の特徴が得られる可能性がある。つまり、例えば、車ごとに特徴的な磁気を発する媒体を車両に搭載することにより、個々の車両を識別できる。車種による都市の車の流れの違いを解析することで、特定の車両を特定の道路に誘導する計画立案など、都市道路のコントロールや都市評価につながる。
【００８３】
なお、第４適用例では、センサ１６３は、マンホール１７６上を通過する車両の数、種類、個体識別情報のうち少なくとも一つを検出できるものであれば良い。
［第５適用例］
第５適用例では、図１６に示すように、情報処理システム１７０は、降雨量の測定に利用される。
【００８４】
センサ１６３には、例えば、気象予測用のＸバンドレーダが用いられる。Ｘバンドレーダの電波は、例えば豪雨時に豪雨エリアの先に届かず、また、山など大きな物体を超えられない。また、現状のレーダでは、突然発生したり急発達したりする豪雨エリアの発見及び追跡が困難なことが多い。高精度予測には高時間空間分解能が必要とされる。
通常、Ｘバンドレーダの分解能は２５０ｍであるが、平均間隔が３０ｍあまりのマンホール１７６にセンサ１６３が設置されることで、はるかにきめ細かい気象観測が可能になり、局所的な集中豪雨などの計測及び予測に役立つと考えられる。センサ１６３から出力されたデータ（信号）は、サーバ１７５にて受信される。
【００８５】
なお、上述の第１〜第５適用例では、専用のサーバ１７５が用いられていたが、汎用のコンピュータがサーバ１７５として利用されても良い。また、サーバ１７５として機能する汎用のコンピュータにコントローラ１６４やサーバ１７５が行った動作を実行させるプログラムがインストールされ実行されても良い。また、この場合に、プログラムは、記録媒体で供給されても良いし、ネットワークからダウンロードされても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能であり、適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１  熱電変換素子
２  容器（第１容器）
２Ｘ  第２容器
３  フィン
３Ａ  ベース部
３Ｘ  ヒートシンク
４  放熱部材（第１放熱部材）
４Ｘ  第２放熱部材
５  蓄熱材（第１蓄熱材）
５Ｘ  第２蓄熱材
６  熱電変換モジュール
７  伝熱部材（第２伝熱部材）
７Ｘ  第１伝熱部材
８  熱源
９  電子部品
１０  基板
１０Ａ  開口部
１１  外部接続端子
１２  封止材
１３  コネクタ
１６０  一体型モジュール
１６１  発電モジュール
１６２  蓄電モジュール
１６３  センサ
１６４  コントローラ
１６５  メモリ
１６６  通信回路（通信部）
１６７  アンテナ
１６８  電力供給部
１６９  通信部
１７０  情報処理システム
１７５  サーバ（コンピュータ）
１７６  マンホール
１７７  ネットワーク
１７８  蓋
１７９  コンクリート管
１８０  車両
１８１  受信装置
１８２  カメラ
１８３  下水道
１８４  データセンタ
１８５，１８６，１８７  車両
【図１】
2016132533.tif 000003
【図２】
2016132533.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】
2016132533.tif 000012
【図１１】
2016132533.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2016132533.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月26日(2017.9.26)
【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】
熱電変換素子と、
第１容器と、
前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、前記第１容器よりも熱伝導率が高く、前記第１容器内で前記熱電変換素子から離れる方向へ伸びているフィンと、
前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、前記フィンよりも熱伝導率が高く、前記第１容器内で前記フィンの前記熱電変換素子から遠い側まで伸びている第１放熱部材と、
前記第１容器内に設けられ、前記フィン及び前記第１放熱部材と熱的に接続された第１蓄熱材とを備えることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記第１容器に設けられ、前記第１容器よりも熱伝導率が高い伝熱部材を備え、
前記熱電変換素子は、前記第１容器内に設けられており、前記一方の側の反対側が前記伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記第１容器外に設けられた伝熱部材を備え、
前記熱電変換素子は、前記第１容器外に設けられており、前記一方の側の反対側が前記伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１容器に設けられ、前記第１容器よりも熱伝導率が高い第１伝熱部材と、
前記第１容器外に設けられた第２伝熱部材とを備え、
前記熱電変換素子は、前記第１容器外に設けられており、前記一方の側が、前記第１伝熱部材を介して、前記フィン及び前記第１放熱部材に熱的に接続されており、前記一方の側の反対側が、前記第２伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記第１放熱部材は、前記フィンの周辺を囲うように設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、前記フィンよりも熱伝導率が高く、かつ、前記第１放熱部材と異なる熱伝導率を有し、前記第１容器内で前記フィンの前記熱電変換素子から遠い側まで伸びている第２放熱部材を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記第１容器内に設けられ、内部に前記フィン、前記第１放熱部材及び前記第１蓄熱材が設けられている第２容器と、
前記第１容器内、かつ、前記第２容器外に設けられ、少なくとも前記第２放熱部材と熱的に接続され、前記第１蓄熱材と異なる融点を有する第２蓄熱材とを備えることを特徴とする、請求項６に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
センサと、
前記センサに電気的に接続された、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールとを備えることを特徴とするセンサモジュール。
【請求項９】
請求項８に記載のセンサモジュールと、
前記センサモジュールによって得られたデータを処理するコンピュータとを備えることを特徴とする情報処理システム。
【国際調査報告】
2016132533.tif 000019
2016132533.tif 000020