(57)【要約】【課題】熱の供給の遮断時にも継続して発電を実現できること。【解決手段】熱電変換材料（ｎ型熱電変換材料１３Ａ、ｐ型熱電変換材料１３Ｂ）の温度差により発電可能な熱電変換モジュール１１と、熱源からの熱を蓄熱可能な熱源タンク１２とを有し、上記熱電変換モジュール１１と上記熱源タンク１２とが組み合わされて構成されたものである。好ましくは、前記熱電変換モジュール１１における熱電変換材料が、ビスマスとテルルを主成分として構成されたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールと、熱源からの熱を蓄熱可能な熱源タンクとを有し、
上記熱電変換モジュールと上記熱源タンクとが組み合わされて構成されたことを特徴とする小容量電源装置。
【請求項２】
熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールと、熱源からの熱を蓄熱可能な熱源タンクと、上記熱電変換モジュールの熱を放熱可能な放熱体とを有し、
上記熱電変換モジュールに上記熱源タンクと上記放熱体とが、互いに対向配置されて組み合わされたことを特徴とする小容量電源装置。
【請求項３】
前記熱電変換モジュールにおける熱電変換材料が、ビスマスとテルルを主成分として構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の小容量電源装置。
【請求項４】
前記熱源タンク内に収容される熱媒体が、水、絶縁油またはシリコンゲルであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の小容量電源装置。
【請求項５】
前記熱源タンクは、熱電変換モジュールと接触する接触面部が、銅、アルミニウムまたはそれらを主成分とする金属材料から構成されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の小容量電源装置。
【請求項６】
前記熱源タンクは、熱電変換モジュールと接触する接触面部以外が、断熱材料により構成されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の小容量電源装置。
【請求項７】
前記熱源タンクは、当該熱源タンクの熱が周囲温度よりも高い場合に熱電変換モジュールの下方に、当該熱源タンクの熱が周囲温度よりも低い場合に上記熱電変換モジュールの上方にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の小容量電源装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の小容量電源が、直接もしくはパワーコンディショナを介して電子機器に接続され、または、コントローラを介してバッテリもしくはコンデンサに接続され、または、コントローラを介してインバータに接続されて構成されたことを特徴とする小容量電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気容量５ｍＷから２０００Ｗの電子機器等へ小容量の電力を供給する小容量電源装置及び小容量電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子機器の稼動には、外部から電源が供給されたり、電池またはバッテリが使用されている。例えば電磁弁を内蔵した自動水洗器の場合には、稼動条件として１００Ｖの電源または電池が必要となる。この電池またはバッテリには、定期的な交換や充電が必要である。
【０００３】
一方、自然エネルギーを利用とした太陽電池や風力発電は、電池のように交換の必要はないが、屋内での適用が困難である。しかし、これらの太陽電池などは屋外であれば、庭先等のガーデンライトや広告器（例えば、特許文献１、２参照）、さらには携帯電話の電源（例えば、特許文献３参照）としての適用が考えられている。
【０００４】
他方、熱電変換モジュールを用い、未利用の廃熱を利用して発電（熱電発電）を実現する電源装置が、省エネルギー対策や地球温暖化緩和策として近年着目されている（特許文献４参照）。この熱電変換モジュールを備えた電源装置は、屋内及び屋外において適用可能な利点がある。
【特許文献１】特開２００３−３４６５２０号公報
【特許文献２】特開２００３−３４３４１９号公報
【特許文献３】特開２００３−３４７５７５号公報
【特許文献４】特開２００４‐２７３４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上述の発電変換モジュールを備えた電源装置は、この発電変換モジュールの高温側部分と低温側部分の温度差により発電がなされるが、例えば高温側部分への熱の供給が遮断されたときには、直ちに発電が停止されてしまう恐れがある。
【０００６】
本発明の目的は、上述の事情を考慮してなされたものであり、熱の供給の遮断時にも継続して発電を実現できる小容量電源装置及び小容量電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、熱電変換材料の温度差により発電可能な熱電変換モジュールと、熱源からの熱を蓄熱可能な熱源タンクとを有し、上記熱電変換モジュールと上記熱源タンクとが組み合わされて構成されたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱電変換モジュールと熱源タンクとが組み合わされて構成されたことから、熱源からの熱の供給が遮断された場合にも、熱源タンクに蓄熱された熱が熱電変換モジュールへ供給されることで、この熱電変換モジュールの熱電変換材料に生じた温度差が保持され、熱電変換モジュールは発電状態を維持できる。従って、熱源からの熱の供給の遮断時にも、小容量電力の発電を継続して実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための最良の形態を、図面に基づき説明する。但し、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではない。
【００１０】
［Ａ］小容量電源装置の第１の実施の形態（図１）
図１は、本発明に係る小容量電源装置の第１の実施の形態を示す概略断面図である。この図１に示す小容量電源装置１０は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものであり、熱電変換材料（後述のｎ型熱電変換材料１３Ａ、ｐ型熱電変換材料１３Ｂ）の温度差により発電可能な熱電変換モジュール１１と、熱源からの熱を蓄熱する熱源タンク１２とが組み合わされて構成される。
【００１１】
熱電変換モジュール１１は、複数本のｎ型熱電変換材料１３Ａとｐ型熱電変換材料１３Ｂが交互に直列接続されて構成され、終端からリード線１４が引き出され、このリード線１４が外部の電子機器など（不図示）に電気的に接続される。これらのｎ型熱電変換材料１３Ａ及びｐ型熱電変換材料１３Ｂは、両端部に与えられた温度差に比例して電位差を生じ（ゼーベック効果）、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して、リード線１４を介し外部の電子機器などへ給電する。
【００１２】
上記ｎ型熱電変換材料１３Ａ及びｐ型熱電変換材料１３Ｂの両端部は、熱電変換モジュール１１において互いに対向して設けられる吸熱面１５と放熱面１６に相当する。吸熱面１５が熱源タンク１２の接触面部１７に接触して、熱源タンク１２から熱を吸熱し、放熱面１６が例えば大気中へ熱を放熱する。これにより、吸熱面１５と放熱面１６との間に温度差が生じ、熱電変換モジュール１１は、この温度差に比例した電位差を発生して発電する。
【００１３】
この熱電変換モジュール１１のｎ型熱電変換材料１３Ａ及びｐ型熱電変換材料１３Ｂは、例えばビスマスとテルルを主成分とする合金からなり、−５０℃以上２２０℃以下の温度範囲において発電が可能となる。従って、熱電変換モジュール１１の吸熱面１５及び放熱面１６は、上記温度範囲（−５０℃以上２２０℃以下）に設定される。
【００１４】
前記熱源タンク１２は箱形状に形成され、熱電変換モジュール１１に接触する接触面部１７が銅、アルミニウムまたはそれらを主成分とする金属材料にて構成される。この接触面部１７により、熱源タンク１２から熱電変換モジュール１１への熱の効率的な移動が果される。また、熱源タンク１２における接触面部１７以外の部分は、断熱材料からなる断熱壁１８にて構成され、熱源タンク１２内の熱が外部へ直接放熱されることが抑制される。これらの接触面部１７及び断熱壁１８の板厚、特に接触面部１７の板厚は、熱源タンク１２の強度が維持される寸法に設定される。
【００１５】
また、熱源タンク１２の内部には熱媒体１９が収容される。この熱媒体１９は、水、絶縁油、シリコンゲルまたはこれらの２以上の混合物である。この熱源タンク１２には熱源（不図示）からの熱を輸送する輸送タイプ２０等が挿通され、この輸送タイプ２０からの熱が熱媒体１９に吸熱されて蓄熱される。
【００１６】
熱源タンク１２の熱媒体１９に蓄熱された熱は、熱源タンク１２の接触面部１７を経て、吸熱面１５から熱電変換モジュール１１内へ伝熱され、主に放熱面１６により大気中などへ放熱される。熱電変換モジュール１１は、この間の、吸熱面１５と放熱面１６との間に生ずる温度差により発電する。
【００１７】
熱電変換モジュール１１と熱源タンク１２の大きさは、熱源の温度と小容量電源装置１０の用途に応じて適宜設定される。例えば、熱電変換モジュール１１に対し熱源タンク１２が大きく設定されることで、熱電変換モジュール１１に対する熱源タンク１２の蓄熱量が増大され、熱源からの熱の供給が遮断された場合にも、熱源タンク１２の蓄熱により熱電変換モジュール１１の発電が継続される。
【００１８】
また、熱源タンク１２には、周囲（例えば大気）温度よりも高い温度の熱が蓄熱される場合と、低い温度の熱が蓄熱される場合とがある。前者の場合、熱源タンク１２は熱電変換モジュール１１の下方に配置される。周囲温度よりも高温の熱は上昇して拡散されるので、上述のような配置によって、熱源タンク１２の熱が効率的に熱電変換モジュール１１へ伝熱されるからである。
【００１９】
また、後者の場合（周囲温度よりも低い温度の熱が熱源タンク１２に蓄熱される場合）には、熱源タンク１２は熱電変換モジュール１１の上方に配置される。周囲温度よりも低温の熱は下降して拡散されるので、上述のような配置によって、熱源タンク１２の熱が効率的に熱電変換モジュール１１へ伝熱されるからである。
【００２０】
以上のように構成されたことから、本実施の形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
【００２１】
（１）小容量電源装置１０は、熱電変換材料（ｎ型熱電変換材料１３Ａ及びｐ型熱電変換材料１３Ｂ）の温度差により発電可能な熱電変換モジュール１１を有することから、外部からの電源の供給や、燃料の供給を受けることなく、工場や自動車などの廃熱、または周囲環境の温度差などを利用して発電を実現でき、電子機器などへ小容量の電力（例えば５０ｍＷ〜２０００Ｗ）を供給することができる。
【００２２】
（２）熱電変換モジュール１１と熱源タンク１２とが組み合わされて小容量電源装置１０が構成されたことから、輸送パイプ２０等を経ての熱源からの熱の供給が遮断された場合にも、熱源タンク１２に蓄熱された熱が熱電変換モジュール１１へ供給されることで、この熱電変換モジュール１１の熱電変換材料（ｎ型熱電変換材料１３Ａ及びｐ型熱電変換材料１３Ｂ）に生じた温度差が保持され、熱電変換モジュール１１は発電状態を維持できる。従って、小容量電源装置１０は、熱源からの熱の供給の遮断時にも、小容量電力の発電を継続して実現できる。
【００２３】
［Ｂ］小容量電源装置の第２の実施の形態（図２）
図２は、本発明に係る小容量電源装置の第２の実施の形態を示す概略断面図である。この第２の実施の形態において、前記第１の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００２４】
本実施の形態の小容量電源装置２５が前記第１の実施の形態の小容量電源装置１０と異なる点は、熱電変換モジュール１１の放熱面１６に、放熱体としての放熱フィン２６が設置された点である。つまり、小容量電源装置２５は、熱電変換モジュール１１に熱源タンク１２と放熱フィン２６とが対向配置されて構成される。上記放熱フィン２６により、熱源タンク１２から熱電変換モジュール１２内に伝熱された熱が周囲の大気、または周囲の液体や固体の媒体へ放熱される。
【００２５】
従って、本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態の効果（１）及び（２）と同様な効果を奏するほか、次の効果（３）を奏する。
【００２６】
（３）熱電変換モジュール１１の放熱面１６に設置された放熱フィン２６が熱電変換モジュール１１内の熱を積極的に放熱することから、この熱電変換モジュール１１の吸熱面１５と放熱面１６との間の温度差がより大きくなる。この結果、熱電変換モジュール１１は上記温度差に比例した大きな発電量を得ることができ、小容量電源装置２５の発電能力を向上させることができる。
【００２７】
［Ｃ］小容量電源システムの第１〜第５の実施の形態（図３）
図３は、本発明に係る小容量電源システムの第１〜第５の実施の形態を示す構成ブロック図である。これらの各実施の形態において、前記小容量電源装置における第１及び第２の実施の形態と同様な部分は、同一の符号を付すことにより説明を省略する。
【００２８】
第１の実施の形態の小容量電源システム３１（図３（Ａ））では、小容量電源装置１０または２５の熱電変換モジュール１１が直接電子機器３６に接続されている。従って、この第１の実施の形態によれば、小容量電源装置１０または２５が外部からの電源の供給や、燃料の供給を受けることなく、廃熱や周囲環境の温度差などを利用して発電し、この発電された電力を用いて電子機器３６を動作させることができる。
【００２９】
また、第２の実施の形態の小容量電源システム３２（図３（Ｂ））では、小容量電源装置１０または２５の熱電変換モジュール１１が電力調整用のパワーコンディショナ３７を経て電子機器３６に接続されている。熱電変換モジュール１１の発電量は温度差によって変化するが、この熱電変換モジュール１１の電力がパワーコンディショナ３７により調整されて平滑化されることで、熱電変換モジュール１１により発電された電力を効率良く電子機器３６へ供給することができる。
【００３０】
第３の実施の形態の小容量電源システム３３（図３（Ｃ））では、小容量電源装置１０または２５の熱電変換モジュール１１が、昇圧用のコントローラ３８を経てバッテリ３９に接続されている。従って、この第３の実施の形態によれば、熱電変換モジュール１１にて発電された電力の電圧をコントローラ３８により昇圧させることで、バッテリ３９に効率良く蓄電させることができる。
【００３１】
また、第４の実施の形態の小容量電源システム３４（図３（Ｄ））では、小容量電源装置１０または２５の熱電変換モジュール１１が、昇圧用のコントローラ３８を用いてインバータ４０に接続されている。従って、この第４の実施の形態によれば、熱電変換モジュール１１にて発電された電力の電圧をコントローラ３８により昇圧させることで、インバータ４０へ効率良く給電して所望の電圧及び周波数の交流電力に変換することができる。
【００３２】
更に、第５の実施の形態の小容量電源システム３５（図３（Ｅ））では、小容量電源装置１０または２５の熱電変換モジュール１１が、昇圧用のコントローラ３８を経てコンデンサ３１に接続されている。従って、この第５の実施の形態によれば、熱電変換モジュール１１にて発電された電力の電圧をコントローラ３８により昇圧させることで、コンデンサ４１に電荷状態で効率良く蓄電させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る小容量電源装置の第１の実施の形態を示す概略断面図。
【図２】本発明に係る小容量電源装置の第２の実施の形態を示す概略断面図。
【図３】本発明に係る小容量電源システムの第１〜第５の実施の形態を示す構成ブロック図。
【符号の説明】
【００３４】
１０  小容量電源装置
１１  熱電変換モジュール
１２  熱源タンク
１３Ａ  ｎ型熱電変換材料
１３Ｂ  ｐ型熱電変換材料
１７  接触面部
１８  断熱壁
１９  熱媒体
２５  小容量電源装置
２６  放熱フィン
３１、３２、３３、３４、３５  小容量電源システム
３６  電子機器
３７  パワーコンディショナ
３８  コントローラ
３９  バッテリ
４０  インバータ
４１  コンデンサ
【図１】
2008251928.tif 000003
【図２】
2008251928.tif 000004
【図３】
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