(57)【要約】【課題】エネルギー効率を向上させることができる熱供給装置を提供する。【解決手段】熱供給装置１０は、動力ユニット１と加熱冷却ユニット２とを備えている。動力ユニット１は、熱源部５と動力用放熱部７との間に設けられ、動力用ｎ型熱電変換素子１２と動力用ｐ型熱電変換素子１１とを有する動力用熱電変換素子部３０を備えている。加熱冷却ユニット２は、熱供給部６と加熱冷却用放熱部７との間に設けられ、加熱冷却用ｎ型熱電変換素子２２と加熱冷却用ｐ型熱電変換素子２１とを有する加熱冷却用熱電変換素子部３１を備えている。動力ユニット１の動力用熱電変換素子部３０と、加熱冷却用ユニット２の加熱冷却用熱電変換素子部３１との間は電線３ａ，３ｂにより互いに接続されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
動力用ｐ型熱電変換素子および動力用ｎ型熱電変換素子からなる動力用熱電変換素子部を有する動力ユニットと、
加熱冷却用ｐ型熱電変換素子および加熱冷却用ｎ型熱電変換素子からなる加熱冷却用熱電変換素子部を有する加熱冷却ユニットと、を備え、
前記動力用熱電変換素子部と、前記加熱冷却用熱電変換素子部との間を電気的に接続したことを特徴とする熱供給装置。
【請求項２】
１つの前記動力ユニットに２つ以上の前記加熱冷却ユニットが並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の熱供給装置。
【請求項３】
１つの前記加熱冷却ユニットに２つ以上の前記動力ユニットが並列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の熱供給装置。
【請求項４】
前記動力用熱電変換素子部と前記加熱冷却用熱電変換素子部との間を電気的に接続した部分に、電力を蓄電するバッテリを介在させたことを特徴とする請求項１記載の熱供給装置。
【請求項５】
前記動力ユニットに接合される熱源部は、前記動力用熱電変換素子部にこの動力用熱電変換素子部側の絶縁部と前記熱源部側の低融点合金材料または高熱伝導材料からなる介在部材を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載の熱供給装置。
【請求項６】
前記加熱冷却ユニットに接合される熱供給部は、前記加熱冷却用熱電変換素子部にこの加熱冷却用熱電変換素子部側の絶縁部と前記熱供給部側の低融点合金材料または高熱伝導材料からなる介在部材を介して接合されていることを特徴とする請求項１記載の熱供給装置。
【請求項７】
前記介在部材は、その厚さが２ｍｍ以下となっていることを特徴とする請求項５または６のいずれか記載の熱供給装置。
【請求項８】
前記介在部材は、肉盛り、溶接、ハンダ、またはロウ付けにより形成されていることを特徴とする請求項５または６のいずれか記載の熱供給装置。
【請求項９】
前記低融点合金材料は、錫・アンチモン系合金材料、アルミニウム系材料、銅・鉛合金系材料、カドミウム系材料、銅・カドミウム系合金材料、アルカリ硬化鉛系材料、亜鉛系材料および焼結含油系材料のうち少なくとも一つからなることを特徴とする請求項５または６のいずれか記載の熱供給装置。
【請求項１０】
前記高熱伝導材料は、銀、銅、アルミニウム、金、マグネシウム、モリブデンおよびタングステンのうち少なくとも一つからなることを特徴とする請求項５または６に記載の熱供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電変換素子を用いた熱供給装置に係り、とりわけエネルギー効率を向上させることができる熱供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、物体の冷却においては水またはフロン等の冷媒の循環が用いられ、また物体の加熱においては抵抗発熱が用いられている。近年、冷却および加熱において高効率コンプレッサーまたはインバーターの適用化により、省エネルギー対策が図られている。しかしながら、高効率コンプレッサーまたはインバーターのいずれを用いても、冷却および加熱の動力源において多量の電気が消費され、電気価格の高額化へ繋がっている。
【０００３】
一方、次世代の低環境負荷型電源として、太陽電池を用いた太陽発電システム（特開２０００−１７４３０８，特開２０００−１７４３１７，特開２０００−１７４３１８）または燃料電池システム（特開２０００−１６４２３２，特開２０００−１６４２３１）が提案されている。しかしながら、太陽電池は日照条件により発電量が変動することから、電源部を外部に設置する必要が生じている。また燃料電池については、発電に水素の供給が必要であり、この水素が高価であることから、発電にコストがかかるという問題が生じている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、太陽電池および燃料電池システムのように、コストのかかる発電方法は知られている。しかしながら、温度差により電力を発生する熱電変換素子を用いた動力ユニットおよび加熱冷却ユニットを有し、低コスト化とエネルギー効率を同時に実現した熱供給装置は未だ十分に開発されていないのが実情である。
【０００５】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、外部からの電力の供給量を抑えてエネルギー効率を向上させることができる熱供給装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、動力用ｐ型熱電変換素子および動力用ｎ型熱電変換素子からなる動力用熱電変換素子部を有する動力ユニットと、
加熱冷却用ｐ型熱電変換素子および加熱冷却用ｎ型熱電変換素子からなる加熱冷却用熱電変換素子部を有する加熱冷却ユニットと、を備え、
前記動力用熱電変換素子部と、前記加熱冷却用熱電変換素子部との間を電気的に接続したことを特徴とする熱供給装置である。
【０００７】
本発明は、１つの前記動力ユニットに２つ以上の前記加熱冷却ユニットが並列に接続されていることを特徴とする熱供給装置である。
【０００８】
本発明は、１つの前記加熱冷却ユニットに２つ以上の前記動力ユニットが並列に接続されていることを特徴とする熱供給装置である。
【０００９】
本発明は、前記動力用熱電変換素子部と前記加熱冷却用熱電変換素子部との間を電気的に接続した部分に、電力を蓄電するバッテリを介在させたことを特徴とする熱供給装置である。
【００１０】
本発明は、前記動力ユニットに接合される熱源部は、前記動力用熱電変換素子部にこの動力用熱電変換素子部側の絶縁部と前記熱源部側の低融点合金材料または高熱電動材料からなる介在部材を介して接合されていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１１】
本発明は、前記加熱冷却ユニットに接合される熱供給部は、前記加熱冷却用熱電変換素子部にこの加熱冷却用熱電変換素子部側の絶縁部と前記熱供給部側の低融点合金材料または高熱伝導材料からなる介在部材を介して接合されていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１２】
本発明は、前記介在部材は、その厚さが２ｍｍ以下となっていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１３】
本発明は、前記介在部材は、肉盛り、溶接、ハンダ、またはロウ付けにより形成されていることを特徴とする熱供給装置である。
【００１４】
本発明は、前記低融点合金材料は、錫・アンチモン系合金材料、アルミニウム系材料、銅・鉛合金系材料、カドミウム系材料、銅・カドミウム系合金材料、アルカリ硬化鉛系材料、亜鉛系材料および焼結含油系材料のうち少なくとも一つからなることを特徴とする熱供給装置である。
【００１５】
本発明は、前記高熱伝導材料は、銀、銅、アルミニウム、金、マグネシウム、モリブデンおよびタングステンのうち少なくとも一つからなることを特徴とする熱供給装置である。
【００１６】
本発明によれば、温度差が生じた場合に電力を発生する熱電変換素子を有する動力ユニットと、熱電変換素子を有し熱供給を行う加熱冷却ユニットとを電気的に接続する。このことにより、外部からの電力の供給を必要とせず、あるいは外部からの電力の供給量を削減しながら供給を行うことができ、これにより熱供給装置のエネルギー効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
第１の実施の形態
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１乃至図９は本発明による熱供給装置の第１の実施形態を示す図である。
【００１８】
図１および図２に示すように熱供給装置１０は、動力ユニット１と、この動力ユニット１に電気的に接続された加熱冷却ユニット２とを備えている。このうち動力ユニット１は、動力用熱電変換素子部３０を有し、また、加熱冷却ユニット２は加熱冷却用熱電変換素子部３１を有している。さらに動力ユニット１には熱源部５と、放冷フィン７ａを有する動力用放熱部７とが接合され、加熱冷却ユニット２には熱供給部６と、放冷フィン１５ａを有する加熱冷却用放熱部１５とが接合されている。
【００１９】
次に、動力ユニット１および加熱冷却ユニット２について、更に詳述する。図１および図２に示すように、動力ユニット１の動力用熱電変換素子部３０は動力用ｐ型熱電変換素子１１と動力用ｎ型熱電変換素子１２とを有している。ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２は、いずれもＢｉ−Ｔｅを主成分とする組成を有している。図１および図２において、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２が一対示されているが、実際は、動力用熱電変換素子部３０は複数対のｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２とからなっている。
【００２０】
また、ｐ型熱電変換素子１１の一端１１ａとｎ型熱電変換素子１２の一端１２ａは、電極部１３により互いに連通している。さらにｐ型熱電変換素子１１の他端１１ｂおよびｎ型熱電変換素子１２の他端１２ｂには、電極部１９ａ，１９ｂが各々連結されている。
【００２１】
また、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２とを連通する電極部１３は、動力用放熱部７に絶縁部１４ａを介して接合されている。一方、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２に取り付けられた電極部１９ａ，１９ｂは、絶縁部１４ｂを介して熱源部５に接合されている。
【００２２】
この場合、動力用熱電変換素子部３０の電極部１９ａ，１９ｂ側の絶縁部１４ｂは熱源部５に低融点合金材料からなる介在部材５ａを介して接合されている。このような低融点合金材料としては、錫（Ｓｎ）・アンチモン（Ｓｂ）系合金材料、アルミニウム（Ａｌ）系材料、銅（Ｃｕ）・鉛（Ｐｂ）系合金材料、カドミウム（Ｃｄ）系材料、銅（Ｃｕ）・カドミウム（Ｃｄ）系合金材料、アルカリ硬化鉛系材料、亜鉛（Ｚｎ）系材料、焼結含油系材料の１種類あるいは２種類以上からなるものが用いられる。
【００２３】
また、介在部材５ａは、ハンダ、肉盛り、溶接、またはロウ付け等により形成されるが、熱伝導性および経済性の観点からその厚みは２ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２４】
なお、介在部材５ａは、低融点合金材料に代えて高熱伝導材料としても良い。このような高熱伝導材料としては、銀、銅、アルミニウム、金、マグネシウム、モリブデン、タングステン系材料の１種類あるいは２種類以上からなるものが用いられる。
【００２５】
次に加熱冷却ユニット２について説明する。この加熱冷却ユニット２は、動力ユニット１と略同様の構成を有している。すなわち、加熱冷却ユニット２の加熱冷却用熱電変換素子部３１は、加熱冷却用ｐ型熱電変換素子２１と加熱冷却用ｎ型熱電変換素子２２とを有している。
【００２６】
ｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２は、いずれもＢｉ−Ｔｅを主成分とする組成を有している。図１および図２において、一対のｐ型熱電変換素子２１およびとｎ型熱電変換素子２２が示されているが、実際は、加熱冷却用熱電変換素子部３１は複数対のｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２とからなっている。
【００２７】
またｐ型熱電変換素子２１の一端２１ａとｎ型熱電変換素子２２の一端２２ａは、電極部２３により互いに連通している。さらにｐ型熱電変換素子２１の他端２１ｂおよびｎ型熱電変換素子１２の他端２２ｂには、電極部２９ａ，２９ｂが各々連結されている。
【００２８】
またｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２とを連通する電極部２３は、加熱冷却用放熱部１５に絶縁部２４ａを介して接合されている。一方、ｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２に取付けられた電極部２９ａ，２９ｂは、絶縁部２４ｂを介して熱供給部６に接合されている。
【００２９】
この場合、加熱冷却用熱電変換素子３１の電極部２９ａ，２９ｂ側の絶縁部２４ｂは熱供給部６に低融点合金材料からなる介在部材６ａを介して接合されている。この低融点合金材料は、前述した動力ユニット１の低融点材料と同様の材料から選ばれた材料になっている。なお、介在部材６ａは、低融点合金材料に代えて前述した動力ユニット１の高熱伝導材料と同様な材料から選ばれた高熱伝導材料としても良い。また、この介在部材６ａは介在部材５ａと同様に、ハンダ、肉盛り、溶接またはロウ付け等により形成され、その厚みは２ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３０】
このように構成された動力ユニット１と加熱冷却ユニット２とは、結線部４を有する電線３ａ，３ｂを介して互いに接続されている。すなわち、図１および図２に示すように、動力ユニット１の電極部１９ａと、加熱冷却ユニット２の電極部２９ｂとが電線３ａを介して接続され、動力ユニット１の電極部１９ｂと加熱冷却ユニット２の電極部２９ａとが電線３ｂを介して接続されている。
【００３１】
次にこのように構成からなる本実施例の作用について説明する。
【００３２】
まず動力ユニット１側において、ｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２は、熱源部５からの熱を吸収するとともに放冷フィン７ａを有する動力用放熱部７から熱を放熱し、熱源部５と動力用放熱部７との間の温度差に基づいてｐ型熱電変換素子１１とｎ型熱電変換素子１２により起電力が生じる（ゼーベック効果）。この場合、動力用放熱部７は放冷フィン７ａにより効率的に放熱することができ、このため、熱源部５と動力用放熱部７との間の温度差を大きく取ることができる。
【００３３】
動力ユニット１側において生じた起電力により、加熱冷却ユニット２に電圧が生じ、加熱冷却ユニット２のｐ型熱電変換素子２１とｎ型熱電変換素子２２の一端２１ａ，２２ａ側と他端２１ｂ，２２ｂ側との間に温度差が生じる（ペルチュ効果）。
【００３４】
本実施例においては、加熱冷却ユニット２側において、ｐ型熱電変換素子２１およびｎ型熱電変換素子２２の一端２１ａ，２２ａ側から加熱冷却用放熱部１５を介して放熱が行われ、ｐ型熱電変換素子２１およびｎ型熱電変換素子２２の他端２２ａ，２２ｂ側から熱供給部６に対して冷却を行うことができる。この場合、加熱冷却用放熱部１５は放冷フィン１５ａにより効率的に放熱することができ、加熱冷却用放熱部１５と熱供給部６との間の温度差を高めて熱供給部６に対して効率良く冷却を行うことができる。
【００３５】
本実施の形態によれば、動力ユニット１の熱源部５が約１ＫＷの熱源を有する場合、加熱冷却ユニット２の熱供給部６により約１０Ｗの冷却を外部からの電力なしに行うことができる。
【００３６】
次に図３により、熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとの間に低融点合金材料からなる介在部材５ａを設けるとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとの間に低融点合金材料からなる介在部材６ａを設けた場合の作用効果について説明する。
【００３７】
本実施例において低融点合金材料からなる介在部材５ａ，６ａとして、錫・アンチモン系合金を用い、この低融点合金材料からなる介在部材５ａ，６ａをハンダによって形成した場合のエネルギー変換効率を求めた。
【００３８】
一方、比較例として、介在部材５ａ，６ａを設けることなく、接着剤を用いて熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとを接合するとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとを接着剤により接合した場合のエネルギー変換効率を示す。
【００３９】
図３に示すように、比較例のエネルギー変換効率を１００％とした場合、本実施例によるエネルギー変換効率は、約１７０％となる。
【００４０】
次に図４により、熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとの間に高熱伝導材料からなる介在部材５ａを設けるとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとの間に高熱伝導材料からなる介在部材６ａを設けた場合の作用効果について説明する。高熱伝導材料からなる介在部材５ａ，６ａとして銅系材料を用いハンダにより形成した場合のエネルギー変換効率を求めた。一方、比較例として接着剤を用いて熱源部５と動力ユニット１の絶縁部１４ｂとを接合するとともに、熱供給部６と加熱冷却ユニット２の絶縁部２４ｂとを接着剤により接合した場合のエネルギー変換効率を示す。
【００４１】
図４に示すように、比較例のエネルギー変換効率を１００％とした場合、本実施例によるエネルギー変換効率は約１８０％となる。
【００４２】
なお、動力ユニット１側の熱源部５は、熱源部５と動力用放熱部７との間で一定の温度差を生じさせるものであれば、加熱源であってもよく、また冷熱源であってもよい。また、上記実施の形態において、加熱冷却ユニット２側において、Ｐ型熱電変換素子２２により熱供給部６を冷却する例を示したが、動力ユニット１からの起電力によって発生する加熱冷却ユニット２の電圧の極性を変えることにより、熱供給部６を加熱することも可能である。このため熱供給部６において冷却および加熱のいずれも行うことができる。
【００４３】
さらに動力ユニット１において生じる起電力が不十分な場合は、外部電力を付加的に加熱冷却ユニット２に印加して加熱冷却ユニット２側の熱供給部６から安定した熱供給を行うこともできる。
【００４４】
また、上記実施の形態において、動力ユニット１側の動力用放熱部７が放冷フィン７ａを有し、加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５が放冷フィン１５ａを有しており、これら放冷フィン７ａ，１５ａは銅、銅合金、銀または銀合金からなっている。これに対して、放熱フィン７ａ，１５ａの代わりに、銅、銅合金、銀または銀合金からなるブロック状の放熱要素を用いてもよい。
【００４５】
次に図５および図６により、動力ユニット１側の動力用放熱部７と加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５の変形例について説明する。
【００４６】
図５に示すように、動力ユニット１側の動力用放熱部７は、入口部３５ａと出口部３５ｂとを有し、内部に冷媒が流れる冷媒ケース３５からなっている。冷媒は入口部３５ａから冷媒ケース３５内へ流入し、冷媒ケース３５ａを流れた後、出口部３５ｂから排出される。冷媒ケース３５内を流れる冷媒３６としては、水、油、シリコーン油等の流体冷媒が考えられ、また冷媒３６として空気、窒素等の気体冷媒を用いてもよい。
【００４７】
また加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５も、図５に示す動力ユニット１側の動力用放熱部７と同様の構造を有している。
【００４８】
さらに、図６に示すように、動力ユニット１側の動力用冷却部７を内部に案内ガイド３６を有する密閉構造の冷媒ケース３５から構成してもよい。
【００４９】
冷媒ケース３５内の冷媒３６は、案内ガイド３５の外面に沿って冷媒ケース３５内を循環する。冷媒ケース３５内を循環する冷媒３６として、上述のように流体冷媒を用いてもよく、気体冷媒を用いてもよい。
【００５０】
また、加熱冷却ユニット２側の加熱冷却用放熱部１５も、図６に示す動力ユニット１側の動力用放熱部７と同様の構造をとることができる。
【００５１】
ところで、図７に示すように、動力ユニット１側の熱源部５から多量の熱を期待することができ、かつ複数の部位を冷却または加熱する場合、１つの動力ユニット１に対して２つ以上の加熱冷却ユニット２を並列に接続してもよい。
【００５２】
また図８に示すように、複数の部位から熱を得る場合、並列に配置された２つ以上の動力ユニット１に対して１つの加熱冷却ユニット２を接続してもよい。
【００５３】
さらに、並列に配置された２つ以上の動力ユニット１に対して、並列に配置された２つ以上の動力ユニット２を接続してもよい。
【００５４】
第２の実施の形態
次に図９により本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００５５】
図９に示す第２の実施の形態は、動力ユニット１と加熱冷却ユニット２とを接続する電線３ａ，３ｂにバッテリ２３を介在させたものであり、他の構成は図１および図２に示す実施の形態と略同一である。
【００５６】
図９において、図１および図２に示す実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５７】
図９において、バッテリ２３に制御装置２４が接続されている。図９に示すように、動力ユニット１において生じた電力は、バッテリ２３内に一時的に蓄電された後、加熱冷却ユニット２へ送られて加熱冷却ユニット２側の熱供給部６から必要な冷却または加熱作用が行われる。
【００５８】
図９において、動力ユニット１側の熱源部５の温度が安定しないために動力ユニット１において生じる電力量が不安定であっても、バッテリ２３から常時一定量の電力を安定して加熱冷却ユニット２側へ送ることができる。このため、加熱冷却ユニット２側の熱供給部６から冷却または加熱作用を安定して行うことができる。
【００５９】
さらに制御装置２４により、バッテリ２３を制御してバッテリ２３から必要な時に加熱冷却ユニット２側へ電力を供給したり、バッテリ２３からの電力量を適宜調整して加熱冷却ユニット２側の熱供給部６による冷却または加熱作用を調整することができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、熱源部からの熱により起電力を生じさせる熱電変換素子を有する動力ユニットと、熱電変換素子を有する加熱冷却ユニットとを電気的に接続することにより、外部からの電力の供給を必要とせず、あるいは外部からの電力の供給量を削減しながら、加熱冷却ユニットにより、冷却または加熱作用を効率良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による熱供給装置の第１の実施の形態を示す全体構成図。
【図２】動力ユニットを示す図。
【図３】介在部材として低融点合金材料を用いた場合のエネルギー変換効率を示す図。
【図４】介在部材として高熱伝導材料を用いた場合のエネルギー変換効率を示す図。
【図５】動力ユニットの動力用熱放熱部の変形例を示す図。
【図６】動力ユニットの動力用熱放熱部の他の変形例を示す図。
【図７】１つの動力ユニットに対して２つの加熱冷却ユニットを接続した状態を示す図。
【図８】２つの動力ユニットに対して１つの加熱冷却ユニットを接続した状態を示す図。
【図９】本発明による熱供給装置の第２の実施の形態を示す全体構成図。
【符号の説明】
１　動力ユニット
２　加熱冷却ユニット
３ａ　電線
３ｂ　電線
５　熱源部
５ａ　介在部材
６　熱供給部
６ａ　介在部材
７　動力用放熱部
７ａ　放冷フィン
１０　熱供給装置
１１　動力用ｐ型熱電変換素子
１２　動力用ｎ型熱電変換素子
１５　加熱冷却用放熱部
１５ａ　放冷フィン
２１　加熱冷却用ｐ型熱電変換素子
２２　加熱冷却用ｎ型熱電変換素子
３０　動力用熱電変換素子部
３１　加熱冷却用熱電変換素子部
【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】
2004023867.tif 000009
【図８】
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【図９】
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