(57)【要約】【課題】外部からの電力の供給を受けることなく、単に温度差のみを利用して発電を行い、エネルギの有効活用を図った熱電変換装置を提供する。【解決手段】本発明に係る熱電変換装置は、高温の熱と低温の熱との温度差から発生した電力を取り出す熱電変換装置において、交互に配置したＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間に充填した樹脂１０と、前記Ｐ型熱電変換素子３と前記Ｎ型熱電変換素子４とを接続させて導電路１１を形成する電極２と、この電極２を被覆し、絶縁材１２で形成した絶縁被覆層１３とを備えたものである。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温の熱と低温の熱との温度差から発生した電力を取り出す熱電変換装置において、交互に配置したＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂と、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを接続させて導電路を形成する電極と、この電極を被覆し、絶縁材で形成した絶縁被覆層とを備えたことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
樹脂を充填したＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とは、筺体に収容したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子は、主成分をビスマスとテルルであることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項４】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを接続させて導電路を形成する電極は、２ｍｍ以下の厚みに設定したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項５】
電極に装着し、絶縁材で形成した絶縁被覆層は、２ｍｍ以下の厚みに設定したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項６】
電極に装着し、絶縁被覆層を形成する絶縁材は、２Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率に設定したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項７】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂は、７０００ｋｇ／ｍｍ２以下の弾性係数に設定したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項８】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂は、１．３Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率に設定したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項９】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂は、１５×１０−６以上の熱膨張係数に設定したことを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項１０】
請求項１〜９記載の熱電変換装置を流量計に接続させたことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項１１】
請求項１〜９記載の熱電変換装置とバッテリとを流量計に接続させたことを特徴とする熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電効果を利用して熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、物体を冷却する場合、水やフロン等の冷媒が用いられている。また、物体を加熱する場合、抵抗発熱体等が用いられている。
【０００３】
物体を冷却する場合、あるいは加熱する場合、省エネルギの観点から、例えば高効率のコンプレッサやインバータ等を用いている。
【０００４】
しかし、このような省エネルギ技術を導入しても、物体の冷却や加熱に投入する動力源としての電気消費量は著しく高い。
【０００５】
また、物体の冷却や加熱に投入する電気量が著しく高いことに伴って投入した電気量を有効に活用しないで排熱として大気に放出する排熱エネルギも膨大な量になっている。
【０００６】
例えば、平成６年の政府の試算によれば、国内の一次エネルギの約６割、石油換算で年間約２億キロリットルにもなる膨大な排熱エネルギが大気に放出されていると報告されている。
【０００７】
このように、エネルギの投入といい、エネルギの未利用に基づく浪費といい、地球規模的に考えると、天然資源の枯渇や地球温暖化への影響があり、エネルギの活用にあたり、何らかの対策が求められており、現在、模索の段階である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
天然資源の枯渇防止や地球温暖化防止を考えた次世代の低環境負荷型電源として、例えば、特開２０００−１７４３０８号公報、特開２０００−１７４３１７号公報や特開２０００−１７４３１８号公報に見られるように、太陽電池を用いた太陽発電システムや、例えば、特開２０００−１６４２３２号公報、特開２０００−１６４２３１号公報に見られるように、燃料電池システムが、最近、数多く開示されている。
【０００９】
しかし、これら次世代の低環境負荷型電源のうち、太陽発電システムは、日照条件の影響をまともに受けて発電量に変動が生じる不具合、不都合がある。また、燃料電池システムは、電気化学発電に必要な水素の確保が必要となるが、多量の水素確保が難しく、燃料価格が著しく高くなる等の問題を抱えている。
【００１０】
最近、いわゆるゼーベック効果によって起動力を生じさせる熱電素子を用いた熱電変換装置のエネルギ分野への適用が見直されている。
【００１１】
この熱電変換装置は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とで熱電対を構成し、その両接続部分を異なった温度に保ち、ゼーベック効果による起動力を利用したものである。
【００１２】
この熱電変換装置は、スペースシャトルの補助電源として実用化されたものであるが、例えば地熱、工場の排熱、太陽熱、化石燃料等の燃焼熱から電力を得ることができるので、エネルギの有効利用に有望視されているものの、開発情況が未だ実験室レベルの域を出ていない。
【００１３】
本発明は、このような事情に照らしてなされたもので、外部からの電力の供給を受けることなく、単に温度差のみを利用して発電を行い、エネルギの有効活用を図った熱電変換装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電変換装置は、請求項１に記載したように、高温の熱と低温の熱との温度差から発生した電力を取り出す熱電変換装置において、交互に配置したＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂と、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを接続させて導電路を形成する電極と、この電極を被覆し、絶縁材で形成した絶縁被覆層とを備えたものである。
【００１５】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項２に記載したように、樹脂を充填したＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とは、筺体に収容したものである。
【００１６】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項３に記載したように、Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子は、主成分をビスマスとテルルであることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項４に記載したように、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを接続させて導電路を形成する電極は、２ｍｍ以下の厚みに設定したものである。
【００１８】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項５に記載したように、電極に装着し、絶縁材で形成した絶縁被覆層は、２ｍｍ以下の厚みに設定したものである。
【００１９】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項６に記載したように、電極に装着し、絶縁被覆層を形成する絶縁材は、２Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率に設定したものである。
【００２０】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項７に記載したように、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂は、７０００ｋｇ／ｍｍ２以下の弾性係数に設定したものである。
【００２１】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項８に記載したように、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂は、１．３Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率に設定したものである。
【００２２】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項９に記載したように、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間に充填した樹脂は、１５×１０−６以上の熱膨張係数に設定したものである。
【００２３】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項１０に記載したように、請求項１〜９記載の熱電変換装置を流量計に接続させたものである。
【００２４】
また、本発明に係る熱電変換装置は、請求項１１に記載したように、請求項１〜９記載の熱電変換装置とバッテリとを流量計に接続させたものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る熱電変換装置の実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００２６】
本発明に係る熱電変換装置の実施形態の説明に先立ち、まずその原理を図１に示す従来の熱電変換装置を引用して説明する。
【００２７】
熱電変換装置は、例えばセラミックス製の絶縁性を持つ集熱板１、電極２、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを交互に配置した熱電対５、放熱板６等を備える構成になっている。
【００２８】
なお、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４は、主成分をＢｉ−Ｔｅで構成したものが用いられる。
【００２９】
このような構成を備えた熱電変換装置が、高温熱源７と低温熱源８との間に配置されると、Ｐ型熱電変換素子３では高温側から低温側へ正の電荷を持ったホールが励起し、また、Ｎ型熱電変換素子４では負の電荷を持った電子が励起する。このとき、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを互いに接続すると、電力が発生し、発生した電力を定電圧装置（図示せず）を介して取り出すことができるようになっている。
【００３０】
このような原理に基づいて電力を発生させる本発明に係る熱電変換装置は、図２に示すように、熱電対５のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間に、例えばエポキシ樹脂、シリコン樹脂等の樹脂１０を充填するとともに、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを接続させて導電経路１１を形成する電極２，２と、電極２，２の軸方向に沿って絶縁材１２で形成した絶縁被覆層１３を設けたものである。
【００３１】
この場合、樹脂１０を介装させたＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とは、金属製の筐体１０ａに収容する構成になっている。
【００３２】
また、熱電対５のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間を樹脂１０を充填して塞ぐ一方、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを接続して導電経路１１を形成する電極２，２は、２ｍｍ以下に設定される。電極２，２の厚みが２ｍｍ以上になると、加工、施工性および経済性が悪くなることに基づく。また、電極２，２は、緻密性、薄膜層を必要とする関係上、ペースト、メッキ、焼付け、蒸着等で施行製作される。
【００３３】
また、絶縁被覆層１３の厚みは、２ｍｍ以下に設定される。絶縁被覆層１３の厚みを２ｍｍ以下とするのは、図４に示すように、高い発電量を確保できるからである。なお、図４に示す発電量比線図は、実験によって求めたデータである。
【００３４】
また、絶縁被覆層１３を形成する絶縁材１２は、ゴム、シリコーンシート等が用いられる。熱源部等への密着性を増加させたものである。
【００３５】
図５は、絶縁被覆層１３を形成する絶縁材１２の熱伝導率を変化させた場合の発電量比と時間との関係を示す線図である。
【００３６】
図５から、電極２，２に装着する絶縁被覆層１３を形成する絶縁材１２の熱伝導率は、２Ｗ／ｍＫ以上にすれば最も高い発電量比が得られることがわかった。
【００３７】
一方、熱電対５のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間に充填した樹脂１０には、使用条件により無機材を添加してもよい。
【００３８】
図６は、樹脂１０の弾性係数を変化させた場合の発電量比と温度差０℃から温度差５０℃までの繰返し回数を示す線図である。
【００３９】
図６から樹脂１０の弾性係数は７０００ｋｇ／ｍｍ２以下にすると高い発電量比が得られることがわかった。
【００４０】
図７は、樹脂１０の熱伝導率を変化させた場合の発電量比と時間との関係を示す線図である。この線図から樹脂１０の熱伝導率は１．３Ｗ／ｍＫ以下が望ましい。
【００４１】
図８は、樹脂１０の熱膨張係数を変化させた場合の発電量比と温度差０℃から温度差５０℃までの繰返し回数を示す線図である。
【００４２】
図８から樹脂１０の熱伝導率は１５×１０−６以上にすると高い発電量比が得られることがわかった。
【００４３】
このように、本実施形態は、絶縁被覆層１３の厚さおよび絶縁被覆層１３を形成する絶縁材１２の熱伝導率等を適正値に設定するとともに、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間に充填した樹脂１０の弾性係数、熱伝導率および熱膨張係数等を適正値に設定する一方、熱電対５のＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを接続して導電経路１１を形成する電極２，２の軸方向に沿って絶縁材１２で形成した絶縁被覆層１３を設けたので、図３に示すように、従来の熱電変換装置に較べて発電量をより一層増加させることができた。
【００４４】
図９は、例えば水道用流量計に適用する本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を示す概念図である。
【００４５】
本実施形態に係る熱電変換装置は、水道管１４内を流れる水の水温と大気の大気温度との温度差を利用して電力を発生させる熱電変換部２１ａと、熱電変換部２１ａで発生した電力を導線１５を介して与えて駆動される水道メータ１６とを備えたものである。なお、熱電変換部２１ａは、第１実施形態で示した構成と同一のものである。
【００４６】
このように、本実施形態は、水道メータ１６を電気的に駆動する熱電変換部２１ａを設けたので、自然のエネルギを巧みに利用して外部から供給される電力の省力化を図ることができる。
【００４７】
図１０は、例えばガス用流量計に適用する本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示す概念図である。
【００４８】
本実施形態に係る熱電変換装置は、ガス管１７内を流れるガスの温度と大気の大気温度との温度差を利用して電力を発生させる熱電変換部１８と、熱電変換部１８で発生した電力を導線１９を介して与えて駆動されるガスメータ２０とを備えたものである。なお、熱電変換部１８は、第１実施形態で示した構成と同一のものである。
【００４９】
このように、本実施形態は、ガスメータ２０を電気的に駆動する熱電変換部１８を設けたので、自然のエネルギを巧みに利用して外部から供給される電力の省力化を図ることができる。
【００５０】
図１１は、例えば水道用流量計に適用する本発明に係る熱電変換装置の第４実施形態を示す概念図である。
【００５１】
本実施形態に係る熱電変換装置は、水道管１４内を流れる水の水温と大気の大気温度との温度差を利用して電力を発生させる熱電変換部２１ｂと、熱電変換部２１ｂで発生した電力を一旦蓄えるバッテリ２２と、バッテリ２２で蓄えた電力を導線１５を介して与えて駆動される水道メータ１６とを備えたものである。なお、熱電変換部２１ｂは、第１実施形態で示した構成と同一のものである。また、バッテリ２２は、図示しないが制御装置を備えている。
【００５２】
このように、本実施形態は、水道メータ１６を電気的に駆動する熱電変換部２１ｂと、熱電変換部２１ｂで発生した電力を一旦蓄えるバッテリ２２とを備えたので、水温と大気温度との温度差に変動が出て電力発生の不安定化が伴ってもバッテリ２２から水道メータ１６に常に安定した電力を供給することができ、水道メータ１６を安定状態にして駆動することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明に係る熱電変換装置は、熱電対のＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子との間を樹脂で充填するとともに、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを接続させ導電路を形成する電極の厚みを適正寸法に設定する一方、電極を被覆する絶縁材で形成した絶縁被覆層を設け、絶縁材等の固有の物性値を適正値に設定したので、電力発生量を従来よりも、より一層多く発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の熱電変換装置の原理を説明する概念図。
【図２】本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態を示す概念図。
【図３】従来の熱電変換装置の発電量と本発明に係る熱電変換装置の発電量とを比較したグラフ。
【図４】本発明に係る熱電変換装置に適用する絶縁被覆層の厚みを変化させた場合の発電量と時間との関係を示す線図。
【図５】本発明に係る熱電変換装置に適用する絶縁被覆層に用いる絶縁材の熱伝導率を変化させた場合の発電量と時間との関係を示す線図。
【図６】本発明に係る熱電変換装置に適用する樹脂の弾性係数を変化させた場合の発電量と温度差０℃から温度差５０℃までの繰返し回数を示す線図。
【図７】本発明に係る熱電変換装置に適用する樹脂の熱伝導率を変化させた場合の発電量と時間との関係を示す線図。
【図８】本発明に係る熱電変換装置に適用する樹脂の熱膨張係数を変化させた場合の発電量比と温度差０℃から温度差５０℃までの繰返し回数を示す線図。
【図９】例えば、水道用流量計に適用する本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を示す概念図。
【図１０】例えば、ガス用流量計に適用する本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示す概念図。
【図１１】例えば、水道用流量計に適用する本発明に係る熱電変換装置の第４実施形態を示す概念図。
【符号の説明】
１…集熱板、２…電極、３…Ｐ型熱電変換素子、４…Ｎ型熱電変換素子、５…熱電対、６…放熱板、７…高温熱源、８…低温熱源、１０…樹脂、１０ａ…筐体、１１…導電経路、１２…絶縁材、１３…絶縁被覆層、１４…水道管、１５…導線、１６…水道メータ、１７…ガス管、１８…熱電変換部、１９…導線、２０…ガスメータ、２１ａ，２１ｂ…熱電変換部、２２…バッテリ。
【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】
2004063656.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004063656.tif 000011
【図１０】
2004063656.tif 000012
【図１１】
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