(57)【要約】【課題】発熱部の放熱を効率よく回収することにより、より大きな電力を発生することのできる熱発電装置を提供すること。【解決手段】熱電変換モジュール２０を、ランプ１２に取り付けて、熱電変換モジュール２０の熱電素子２３におけるランプ１２の発熱により加熱される上基板２１ｂ側の端部と下基板２１ａ側の端部との間に生じる温度差に応じて熱電変換モジュール２０に電力を発生させる熱発電装置を照明装置１０で構成した。そして、ランプ１２における熱電変換モジュール２０と対向する部分を除く部分のうちの所定部分を断熱壁１１ａで覆った。また、断熱壁１１ａに窓部１４を設け、その窓部１４にカバーガラス１５を取り付けた。【選択図】  図１
2004296879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成した熱電変換モジュールを、発熱部の近傍に取り付けて、前記熱電素子における前記発熱部の発熱により加熱される一方の絶縁基板側の端部と他方の絶縁基板側の端部との間に生じる温度差に応じて前記熱電変換モジュールに電力を発生させる熱発電装置であって、前記発熱部における前記熱電変換モジュールと対向する部分を除く部分のうちの所定部分を断熱壁で覆ったことを特徴とする熱発電装置。
【請求項２】
前記断熱壁が、透光用の窓部を備えた箱状体で構成されている請求項１に記載の熱発電装置。
【請求項３】
前記断熱壁が、開閉可能な蓋部を備えた箱状体で構成されている請求項１に記載の熱発電装置。
【請求項４】
前記断熱壁が、二重壁で構成されている請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の熱発電装置。
【請求項５】
前記二重壁の間に隙間が設けられ前記隙間に断熱材が充填されている請求項４に記載の熱発電装置。
【請求項６】
前記二重壁の間に略真空状態の低圧空間部が設けられている請求項４に記載の熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱部の発熱を利用して発電する熱発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ペルチェ効果を利用して熱電気変換を行う熱電変換モジュールが加熱・冷却装置および発電装置等に用いられている。この熱電変換モジュールは、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定して構成されている。
【０００３】
この熱電変換モジュールは、例えば、市街地を照明するガス灯に取り付けられ、バーナーの発熱により加熱される一方の絶縁基板と他方の絶縁基板との間に生じる温度差に応じて発電する。そして、熱電変換モジュールが発生する電力は、バッテリの充電等に利用されている（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−９３２２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の熱電変換モジュールをガス灯のように外部に露呈した装置に取り付けた場合には、発熱部の発熱が周囲に発散されてしまい、熱電変換モジュールが回収できる熱量は僅かなものになってしまう。この結果、熱電変換モジュールの発電量が小さなものになるという問題がある。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、発熱部の放熱を効率よく回収することにより、より大きな電力を発生することのできる熱発電装置を提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる熱発電装置の構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合して構成した熱電変換モジュールを、発熱部の近傍に取り付けて、熱電素子における発熱部の発熱により加熱される一方の絶縁基板側の端部と他方の絶縁基板側の端部との間に生じる温度差に応じて熱電変換モジュールに電力を発生させる熱発電装置であって、発熱部における熱電変換モジュールと対向する部分を除く部分のうちの所定部分を断熱壁で覆ったことにある。
【０００８】
このように構成した本発明の熱発電装置では、発熱部における熱電変換モジュールと対向する部分以外の部分のうちの所定部分を断熱壁で覆っているため、発熱部の発熱は外部に放出されることなく、効率よく熱電変換モジュールにおける吸熱側の一方の絶縁基板に伝導される。この結果、熱電素子における一方の絶縁基板側の端部と他方の絶縁基板側の端部との間の温度差が大きくなり、熱電変換モジュールの発電量が大きくなる。
【０００９】
この場合、他方の絶縁基板は、冷却用のファン等で冷却して一方の絶縁基板と他方の絶縁基板との間の温度差がより大きくなるようにすることが好ましい。また、本発明での所定部分は、発熱部における熱電変換モジュールと対向する部分以外のすべての部分とすることが好ましいが、設計上の理由等から断熱壁で構成することができない部分がある場合には、その部分を除く部分とする。また、熱電変換モジュールの取り付け位置としては、発熱部に直接取り付けたり、所定間隔を保って取り付けたりすることができる。また、熱伝導性のよい部材を介して取り付けてもよい。
【００１０】
本発明にかかる熱発電装置の他の構成上の特徴は、断熱壁が、透光用の窓部を備えた箱状体で構成されていることにある。この場合、熱発電装置は、レンズやカバーガラス等を備えた光学機器等に取り付けられ、発熱部は、その光学機器が備えるランプなどで構成される。これによると、ランプの放熱を無駄にすることなく電力に変換することができる。そして、熱電変換モジュールの発電は、光学機器等が備える装置の作動に使用することができる外、外部の機器の作動や充電に使用することもできる。
【００１１】
本発明にかかる熱発電装置のさらに他の構成上の特徴は、断熱壁が、開閉可能な蓋部を備えた箱状体で構成されていることにある。この場合、熱発電装置は、オーブントースターや電気ポット等、被処理物を加熱処理するための加熱装置に取り付けることができ、この場合の発熱部はヒーターとすることができる。また、この熱発電装置の断熱壁には、透過用の窓部は必要なく、発熱部を備える装置が処理するものを出し入れするための開口部とその開口部を開閉するための蓋部を備えていればよい。
【００１２】
本発明にかかる熱発電装置のさらに他の構成上の特徴は、断熱壁が、二重壁で構成されていることにある。この場合の二重壁は、同一材料からなる断熱壁を二重にしたり、異なる材料からなる断熱壁で二重壁にしたりすることができる。また、二重壁の間には隙間を設けてもよいし、二重壁を接面させた状態にしてもよい。これによると、さらに、断熱性がよくなって、発熱部から外部への放熱量が少なくなる。この結果、熱電変換モジュールによる熱の回収量がさらに多くなり、より大きな発電量を得ることができる。
【００１３】
本発明にかかる熱発電装置のさらに他の構成上の特徴は、二重壁の間に隙間が設けられ前記隙間に断熱材が充填されていることにある。これによると、二重壁の断熱性がさらに向上する。また、この断熱材に変えて、二重壁の間に略真空状態の低圧空間部を設けることもできる。これによっても、断熱壁の断熱性を向上させることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明にかかる熱発電装置としての照明装置１０を示している。この照明装置１０は、箱状の筺体１１の内部に消費電力が１００Ｗの白熱灯からなる本発明の発熱部としてのランプ１２を収容し、筐体１１の外部側底面に熱電変換モジュール２０を取り付けて構成されている。
【００１５】
筐体１１は、１辺が１００ｍｍからなる立方体に形成され、底面部１３を除く残りの５面が、厚みが１０ｍｍのガラス板からなる断熱壁１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ（残りの１面は図示せず）で構成されている。そして、筐体１１の前面を構成する断熱壁１１ａの中央に窓部１４が形成され、この窓部１４にカバーガラス１５が取り付けられている。また、各断熱壁１１ａ等の内面には、アルミニウムを蒸着して形成された反射面１６が設けられている。底面部１３は、厚みが５ｍｍの銅板からなる熱伝導板で構成されている。
【００１６】
ランプ１２は、球形に形成された外壁部１２ａと、外壁部１２ａの内部における後端部（図１の右側部分）から略中央部に延びる発光部１７とを備えており、外壁部１２ａの後端部には口金１２ｂが設けられている。そして、この口金１２ｂを、筐体１１の後面を構成する断熱壁１１ｃに固定されたソケット１８に着脱可能に取り付けることによってランプ１２は筐体１１内に収容されている。
【００１７】
ソケット１８には、断熱壁１１ｃを貫通して外部に延びる配線コード１８ａが接続されており、この配線コード１８ａを介して電力が供給されることによりランプ１２は発光する。また、発光部１７の先端部にはフィラメントからなる光源１７ａが内蔵されており、点灯時には、光源１７ａ近傍の温度は２５００℃程度に上昇する。また、その際、外壁部１２ａの温度は８０℃程度に上昇する。
【００１８】
熱電変換モジュール２０は、図２および図３に示したように、下基板２１ａと上基板２１ｂとからなる一対の絶縁基板を備えており、下基板２１ａの上面における所定部分に下部電極２２ａが取り付けられ、上基板２１ｂの下面における所定部分に上部電極２２ｂが取り付けられている。そして、チップからなる熱電素子２３が、それぞれ下端面を下部電極２２ａにハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極２２ｂにハンダ付けにより固定されて下基板２１ａと上基板２１ｂとを一体的に連結している。
【００１９】
下部電極２２ａと上部電極２２ｂとは、それぞれ熱電素子２３の略１個分の幅の長さに等しい距離をずらして取り付けられている。各上部電極２２ｂには、それぞれ２個の熱電素子２３の上端面が接合されており、下部電極２２ａには、１個の熱電素子２３の下端面だけが接合されるものと、２個の熱電素子２３の下端面が接合されるものとがある。そして、１個の熱電素子２３の下端面だけが接合される下部電極２２ａは下基板２１ａの一方側（図３の後部側）の２箇所の角部に設けられ、その下部電極２２ａには、リード線２４ａ，２４ｂが取り付けられて通電可能になっている。
【００２０】
下基板２１ａおよび上基板２１ｂはアルミナからなる板で構成され、熱電素子２３は、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなるＰ型の素子とＮ型の素子とからなっている。一般に、熱電材料の性能指数は、その種類により大きさが異なり、また、それぞれ固有の温度依存性と極大値を示す温度も異なるため、照明、プロジェクターなどの民生用機器で、使用温度域が、５００〜６００Ｋより小さいものについては、ビスマス・テルル系（Ｐ型素子については例えば、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３、Ｎ型素子については例えばＢｉ２Ｓｂ２．８Ｓｅ０．２（Ｎ型）等）の合金を用いることが好ましい。
【００２１】
また、この熱電素子２３は、下基板２１ａと上基板２１ｂとの間で下部電極２２ａおよび上部電極２２ｂを介して直列に接続されている。このように構成された熱電変換モジュール２０は、底面部１３の下面に上基板２１ｂを接面させて固定され、ランプ１２の発光により生じる放熱の一部が底面部１３を介して伝導される。そして、ランプ１２からの放熱によって加熱される上基板２１ｂと加熱されない下基板２１ａとの間に生じる温度差に応じた電力を発生する。
【００２２】
また、熱電変換モジュール２０の下基板２１ａの下面には、放熱フィン２５が固定されている。この放熱フィン２５は、アルミニウムからなるブロック体の下面（図１の状態での下面）に左右および前後に一定間隔で複数の放熱ピン２５ａを設けて構成されている。この放熱フィン２５は、複数の放熱ピン２５ａを設けて下面の表面積を大きくすることによって放熱性を向上させるようになっており、熱電変換モジュール２０の下基板２１ａ側の放熱量を多くする。これによって、熱電変換モジュール２０の下基板２１ａ側と上基板２１ｂ側との温度差が大きくなり、熱電変換モジュール２０が発生する電力が大きくなる。
【００２３】
また、熱電変換モジュール２０から延びるリード線２４ａ，２４ｂの端部は、外部の装置に接続され、熱電変換モジュール２０が発生する電力をその装置に供給して作動させる。このような装置としては、ラジオやテレビ等の家電製品がある。熱電変換モジュール２０が発生する電力は、このような装置を作動させたり、その装置が備えるバッテリを充電したりするために利用される。また、単独で構成されるバッテリを充電するために使用することもできる。
【００２４】
なお、熱電変換モジュール２０の大きさは、縦横の長さがともに８０ｍｍで、高さが５ｍｍである。また、放熱フィン２５の表面積は０．５ｍ２である。また、この照明装置１０は、前述したものの外、ランプ１２をオンオフさせるためのスイッチ（図示せず）も備えている。
【００２５】
このように構成された照明装置１０を使用する際には、スイッチをオン状態にする。これによって、発光部１７の光源１７ａが加熱されて発光し、この発光に伴って発熱が生じる。発光部１７の発光は、筐体１１内の各部分に散乱するが、発光部１７の周囲や上方に散乱した光は反射面１６によって反射されて、窓部１４に取り付けられたカバーガラス１５を通過して外部に放出される。これによって、照明装置１０の前方が照明される。
【００２６】
この場合、ランプ１２の放熱によって、筐体１１内の温度は上昇するが、筐体１１における底面部１３以外の部分は、断熱壁１１ａ等で囲まれているため、筐体１１内の熱の殆どは、底面部１３に伝導される。そして、底面部１３に伝導された熱は、熱電変換モジュール２０の上基板２１ｂに伝導される。なお、窓部１４に取り付けられたカバーガラス１５は、断熱壁１１ａ等と同様の高断熱性を有するガラスで構成されており、窓部１４から外部に放出される熱量は僅かなものとなる。
【００２７】
また、熱電変換モジュール２０の下基板２１ａは、放熱フィン２５による放熱によって冷却される。この結果、熱電素子２３における下基板２１ａ側の端部と上基板２１ｂ側の端部との間には大きな温度差が生じ、この温度差に応じて熱電変換モジュール２０は発電する。この熱電変換モジュール２０が発生する電力は外部の所定の装置に供給され、その装置を作動させる。なお、この照明装置１０における熱電変換モジュール２０の上下の方向は、Ｐ型の素子とＮ型の素子との配列およびリード線２４ａ，２４ｂの接続状態に応じて適宜変更することができる。
【００２８】
このように、本実施形態に係る照明装置１０では、ランプ１２を筐体１１内に収容するとともに、筐体１１の周囲および上面をガラス板からなる断熱壁１１ａ等で構成し、熱電変換モジュール２０との境界部となる底面部１３を銅板からなる熱伝導板で構成している。したがって、ランプ１２から放出される熱の殆どは、底面部１３を介して、熱電変換モジュール２０の上基板２１ｂに伝導することができる。
【００２９】
一方、下基板２１ａは放熱フィン２５による放熱によって、低温状態に維持される。この結果、下基板２１ａと上基板２１ｂとの間の温度差が大きくなり、熱電変換モジュール２０が発生する電力が大きくなる。また、断熱壁１１ａ等の内面には、反射面１６が形成されて、ランプ１２の発光は、効率よく窓部１４のカバーガラス１５を透過して外部に散乱されていくため、筐体１１を設けたことによって、照明装置１０の照明効果に支障が生じることはない。
【００３０】
なお、この反射面１６は、断熱壁１１ｃの内面だけに設けて、他の断熱壁１１ａ等には設けないようにすることができ、すべての断熱壁１１ａ等に設けないようにすることもできる。このすべて断熱壁１１ａ等に反射面１６を設けていない照明装置を用いて排熱回収率および発電量を測定したところ、排熱回収率は６０％で、熱電変換モジュール２０の発電量は２Ｗであった。なお、排熱回収率は、熱電変換モジュール２０の通過熱量を、ランプ１２の発熱量で除した数値とした。
【００３１】
図４は、本発明の他の実施形態に係る熱発電装置としての加熱装置を概略的に示したものである。この加熱装置は、例えば粘土等で形作った装飾品をシーズヒーターからなる発熱部で焼結して焼き物にするために使用される加熱炉からなっており、加熱炉の一部を除く周囲を断熱壁で被覆するとともに、その一部に熱伝導板を設け、熱伝導板に、熱電変換モジュールを取り付けたものである。また、断熱壁の一部（加熱炉の開閉蓋に対応する部分）には、装飾品を出し入れするための蓋部が設けられている。
【００３２】
図４に示した加熱装置３０は、前述した加熱炉からなる加熱装置を簡略化するとともに小型化して実験用の装置として準備したものである。この加熱装置３０では、筐体３１の中央部に消費電力が２００Ｗのヒーター３２が設置され、筐体３１の前面を構成する断熱壁３１ａの中央部に窓部３４が設けられている。そして、この窓部３４に、窓部３４の一方の縁部にヒンジ連結されて開閉可能になった蓋部３５が取り付けられている。
【００３３】
また、筐体３１の内面には、反射面は設けられてなく、ヒーター３２は、支持部材（図示せず）を介して筐体３１の後面を構成する断熱壁３１ｃに固定されている。さらに、ヒーター３２は配線コードに接続されて通電可能になっている。この加熱装置３０のそれ以外の部分の構成は、図１に示した照明装置１０と同一であり、各部分を構成する材料も同一のものを使用している。したがって、同一部分に同一符号を記している。
【００３４】
この加熱装置３０を用いて、排熱回収率および発電量を測定したところ、排熱回収率は６０％で、加熱装置３０が備える熱電変換モジュール２０の発電量は４Ｗであった。このように、照明装置１０と加熱装置３０とでは、筐体１１，３１を構成する部分が、窓部１４に固定されたカバーガラス１５と、窓部３４に開閉可能に取り付けられた蓋部３５とが異なる以外は、同じ構成であるため、排熱回収率は同じ値になった。また、発電量は、発熱部であるランプ１２とヒーター３２との発熱量の差に比例した値となり、発熱部の発熱量が増加するにしたがって、熱電変換モジュール２０の発電量も増加することがわかる。
【００３５】
図５は、本発明のさらに他の実施形態に係る熱発電装置としての加熱装置を簡略化した加熱装置４０を示している。この熱発電装置４０では、筐体４１を構成する各断熱壁が、厚みが２ｍｍのガラス板で構成される外部断熱壁４１ａ，４１ｂ，４１ｃ（左右両側の外部断熱壁は図示せず）等と、同じく厚みが２ｍｍのガラス板で構成される内部断熱壁４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ（図５の手前側の内部断熱壁は図示せず）等とからなり、外部断熱壁４１ａ等と内部断熱壁４９ａ等との間には、それぞれ厚みが６ｍｍの空気層が設けられている。
【００３６】
この加熱装置４０のそれ以外の部分の構成は、図４に示した加熱装置３０と同一である。したがって、同一部分に同一符号を記している。この加熱装置４０を用いて、排熱回収率および発電量を測定したところ、排熱回収率は８０％で、加熱装置４０が備える熱電変換モジュール２０の発電量は５．３Ｗであった。このように、断熱壁を構成する部分の全体の厚みが同じであっても、加熱装置４０のように、外部断熱壁４１ａ等と内部断熱壁４９ａ等との間に空気層を設けることによって、排熱回収率および発電量を大幅に増加させることができる。
【００３７】
図６は、本発明のさらに他の実施形態に係る熱発電装置としての加熱装置を簡略化した加熱装置５０を示している。この加熱装置５０では、筐体５１を構成する各断熱壁が、加熱装置４０の外部断熱壁４１ａ等や内部断熱壁４９ａ等と同じ、厚みが２ｍｍのガラス板からなる外部断熱壁５１ａ，５１ｂ，５１ｃ（左右両側の外部断熱壁は図示せず）等と、内部断熱壁５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ（図６の手前側の内部断熱壁は図示せず）等とを備え、外部断熱壁５１ａ等と内部断熱壁５９ａ等との間には、それぞれ厚みが６ｍｍのグラスウールからなる断熱層５２が設けられている。
【００３８】
この加熱装置５０のそれ以外の部分の構成は、図５に示した加熱装置４０と同一である。したがって、同一部分に同一符号を記している。この加熱装置５０を用いて、排熱回収率および発電量を測定したところ、排熱回収率は９０％で、加熱装置５０が備える熱電変換モジュール２０の発電量は６Ｗであった。このように、外部断熱壁５１ａ等と内部断熱壁５９ａ等との間に、空気に代えてグラスウールからなる断熱層５２を設けることによって、排熱回収率および発電量をさらに増加させることができる。
【００３９】
本発明のさらに他の実施形態に係る熱発電装置としての加熱装置を簡略化した加熱装置として、図５に示した加熱装置４０における各外部断熱壁４１ａ等と内部断熱壁４９ａ等との間の空間部を減圧して略真空状態にした加熱装置を準備した。そして、この加熱装置を用いて、排熱回収率および発電量を測定したところ、排熱回収率は９５％で、発電量は６．３Ｗであった。このように、外部断熱壁と内部断熱壁との間に、真空状態の断熱層を設けることによって、加熱装置の排熱回収率および発電量は最も良好な結果になった。
【００４０】
また、比較例として、図４ないし図６に示した加熱装置３０，４０，５０からそれぞれ筐体３１，４１，５１を取り除いて、ヒーター３２を外部に露呈した加熱装置を準備した。そして、この加熱装置を用いて、排熱回収率および発電量を測定したところ、排熱回収率は１％で、発電量は０．１Ｗであった。この結果から分かるように、本発明の各実施形態のように、発熱部を断熱壁で覆うことにより、排熱回収率および発電量を大幅に向上させることができる。
【００４１】
本発明に係る熱発電装置は前述した各実施形態に限定するものでなく適宜変更が可能である。例えば、前述した各実施形態では、熱発電装置を照明装置１０や加熱炉からなる加熱装置３０等としたが、本発明に係る熱発電装置は、このような装置に限定するものでなく、パソコン等の家電製品や半導体ＩＣが実装された基板を含む装置など、発熱部を備えた装置であれば利用することができる。また、二重断熱壁の空間部に形成される断熱層も空気、グラスウール、真空に限らず、プラスチックの発泡材や窒素ガス等の、断熱材やガス等を充填して構成することができる。さらに、底面部１３、熱電変換モジュール２０および放熱フィン２５の形状、大きさ、材料等についても適宜他のものに変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による熱発電装置としての照明装置を示す概略構成図である。
【図２】図１に示した照明装置が備える熱電変換モジュールを示す斜視図である。
【図３】図２に示した熱電変換モジュールの正面図である。
【図４】他の実施形態による熱発電装置としての加熱装置を示す概略構成図である。
【図５】さらに他の実施形態による熱発電装置としての加熱装置を示す概略構成図である。
【図６】さらに他の実施形態による熱発電装置としての加熱装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１０…照明装置、１１，３１，４１，５１…筐体、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，３１ａ，３１ｃ…断熱壁、１２…ランプ、１３…底面部、１４，３４…窓部、１５…カバーガラス、２０…熱電変換モジュール、２１ａ…下基板、２１ｂ…上基板、２２ａ…下部電極、２２ｂ…上部電極、２３…熱電素子、３０，４０，５０…加熱装置、３２…ヒーター、３５…蓋部、４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，５１ａ，５１ｂ，５１ｃ…外部断熱壁、４９ａ，４９ｂ，４９ｃ，４９ｄ，５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄ…内部断熱壁。
【図１】
2004296879.tif 000003
【図２】
2004296879.tif 000004
【図３】
2004296879.tif 000005
【図４】
2004296879.tif 000006
【図５】
2004296879.tif 000007
【図６】
2004296879.tif 000008