(57)【要約】【課題】小型で、かつ、安定した温度差を維持することのできる熱発電装置を提供する。【解決手段】熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換素子２と、ヒートパイプ３ａとからなり、温度勾配のある筐体Ｈに設けられる熱発電装置１ａであって、前記筐体Ｈの面Ｔｈの一の部分と前記ヒートパイプ３ａの一方の端部、そのヒートパイプ３ａの他方の端部とその熱電変換素子２の一方の面２ａ、その熱電変換素子２の他方の面２ｂとその筐体Ｈの面の一の部分より温度の低い面Ｔｌの他の部分がそれぞれ熱的に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換可能な熱電変換素子と、高伝熱部材とからなり、温度勾配のある面に設けられる熱発電装置であって、
前記面の一の部分と前記高伝熱部材の一方の端部、その高伝熱部材の他方の端部とその熱電変換素子の一方の面、その熱電変換素子の他方の面とその面の一の部分より温度の低い面の他の部分が、それぞれ熱的に接続されていることを特徴とする熱発電装置。  
【請求項２】
熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換可能な熱電変換素子と、高伝熱部材とからなり、温度勾配のある面に設けられる熱発電装置であって、
前記面の一の部分と前記熱電変換素子の一方の面、その熱電変換素子の他方の面とその高伝熱部材の一方の端部、その高伝熱部材の他方の端部とその面の一の部分より温度の低い面の他の部分が、それぞれ熱的に接続されていることを特徴とする熱発電装置。  
【請求項３】
前記高伝熱部材が、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱発電装置。
【請求項４】
前記温度勾配のある面が、照明器具の面であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の熱発電装置。
【請求項５】
前記温度勾配のある面が、情報処理装置の面であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱発電装置。
【請求項６】
前記ヒートパイプの一方の端部が、前記ヒートパイプの他方の端部より重力方向に低い位置にあることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子を用いた熱発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガスのＣＯ２（二酸化炭素）排出の有料化に伴い、世界各国はＣＯ２削減に注力し、地球温暖化の緩和に努めている。ＣＯ２の排出量を削減させるための究極の方法は、ＣＯ２を排出しないクリーンで、かつ、再生可能な新エネルギーを使用することであり、このような新エネルギーの開拓はビジネスとして展開されている。新エネルギーとしては、例えば、風力発電、太陽光発電、海流発電、潮力発電、温度差発電等がある。
【０００３】
上記温度差発電のうち、熱電変換素子を用いる熱発電装置は、人工衛星（ボイジャー）に搭載されて３０年間に及ぶ稼動の実績を有しているが、新エネルギー開拓ブームの最中、再びその開発が脚光を浴びるようになってきている（特許文献１，２参照）。
【０００４】
熱電変換素子は、一般にＰ型素子（Ｐ型半導体）及びＮ型素子（Ｎ型半導体）が予め電極が形成されているセラミックス基板に挟持されたモジュール構造を呈していて、図８には、その熱電変換素子を用いた従来の熱発電装置が示されている。
この熱発電装置１００は、熱源１０１上に高熱伝導性の板材１０２を介して熱電変換素子１０３が設けられているとともに、板材１０２と反対側の熱電変換素子１０３上にはヒートシンク１０４が設けられている。このヒートシンク１０４は、高熱伝導性材の基板１０４ａに互いに所定の間隔を保って設けられている複数のフィン１４ｂ，１０４ｂ…を埴設して構成されている。この熱発電装置１００は、熱源１０１と反対側に設けられているヒートシンク１０４により放熱されることにより、熱電変換素子１０３を挟んだ熱源１０１とヒートシンク１０４との間には、温度差ΔＴが発生する。この温度差ΔＴにより、熱電変換素子１０３の低温側及び高温側間には、起電力が発生して電流が流れて電力が取り出される。
【０００５】
上述のように、熱電変換素子を用いる熱発電装置は、熱電変換素子の両端面間に温度差を維持する必要があるが、特許文献１では、この温度差維持のために、工場からの廃熱を熱源にするとともに、その熱源に熱電変換素子の高温側が直接装着するようにしている。そして、熱電変換素子の冷却側には平板長方形フィンからなったヒートシンクを設けて、熱電変換素子の両側に温度差を維持させるようにしている。また、特許文献２では、特許文献１と同様に、受熱部を集熱フィン構造としてより多くの蒸気熱を熱電変換素子の高温側へ運搬できるようにし、熱電変換素子の低温側には冷却体を装着するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２７２３２７号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２５７０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の熱電変換素子を用いる熱発電装置は、装置が大型で省スペースが図りにくいという課題を有するとともに、安定した温度差を維持できないという課題があった。
例えば、上記特許文献１の熱発電装置では、熱電変換素子の両端面の温度差を維持させるために大きなヒートシンクを必要とするので装置が大型化し、さらに、放熱側はフィンを有する冷却デバイスを使用しているために、ヒートシンクは周囲の環境温度に影響され易く、定常状態になりにくく発電性能が不安定になるおそれがあった。
【０００８】
また、上記特許文献２の熱発電装置では、フィンを有する受熱構造を用いて流路を流れる高温流体（水蒸気）から熱を吸収するようにしているので、流路に設置した受熱部は受熱性能を高めるために大型化する必要があるだけでなく、大型化した受熱部は、流路を流れる流体の妨げになるおそれがあった。さらに、気化潜熱を利用するため、熱電変換素子の高温側は常に高温となり熱電変換素子は常に熱応力の印加状態におかれ、したがって、一般市販のＢｉＴｅ系熱電変換素子では、この熱応力によって短期間で破損するおそれがあった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、小型で、かつ、安定した温度差を維持することのできる熱発電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る熱発電装置は、上記課題を解決するために、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換可能な熱電変換素子と、高伝熱部材とからなり、温度勾配のある面に設けられる熱発電装置であって、前記面の一の部分と前記高伝熱部材の一方の端部、その高伝熱部材の他方の端部とその熱電変換素子の一方の面、その熱電変換素子の他方の面とその面の一の部分より温度の低い面の他の部分が、それぞれ熱的に接続されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱発電装置よれば、従来の熱発電装置で用いられていたヒートシンクが不要となるので、装置を小型化することができるとともに、高温部と同一面に設けられている低温部から放熱するようにしているので、従来のヒートシンクを介して放熱するよりも熱抵抗が小さく、安定した温度差で安定した電力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱発電装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る熱発電装置の平面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る熱発電装置を照明器具の反射板に適用した例を示している。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る熱発電装置の断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係る熱発電装置の断面図である。
【図６】（ａ）は、電子機器の筐体の断面図、（ｂ）は、その筐体の斜視図、（ｃ）は、その筐体に本発明に係る熱発電装置を適用したときの斜視図、（ｄ）は、その筐体における温度差を示すグラフである。
【図７】他の電子機器の筐体に本発明に係る熱発電装置を適用したときの裏面図である。
【図８】従来の熱発電装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係る熱発電装置の実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る熱発電装置１ａの断面図、図２はその熱発電装置１ａの平面図である。
この熱発電装置１ａは、熱電変換素子２と高伝熱部材に相当するヒートパイプ３ａとから構成されている。熱電変換素子２は、一般に市販されているＢｉＴｅ系熱電変換素子等の周知の熱電変換素子からなり、その平面形状は矩形に形成されているとともに、所定の厚さを有するモジュールに構成されている。なお、ここでは、図面を簡略化するために、熱電変換素子２で生成された電力を取り出すリード線は省略されている。
【００１５】
ヒートパイプ３ａは、長尺状の板材状をなしており、例えばアルミ合金等の熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫ以上の高伝熱性材から構成されている。すなわち、このヒートパイプ３ａの幅は、長手方向の一端側が熱電変換素子２の一方の面（図１においては上面）に形成される吸熱面２ａの全部を覆うように決められているとともに、その長さは、熱電変換素子２の両面間で所定の温度差が得られるように決められている。ヒートパイプ３ａの長さと温度差の関係については後述する。なお、ここでは、内部に空間を有しない長尺状の平板の板材もヒートパイプと称している。後述の表１，２においても同じである。このヒートパイプ３ａは、例えば高伝熱性に優れているグラファイトシートで構成するようにしてもよい。
【００１６】
上記構成からなる熱発電装置１ａは、所定の高温域Ｔｈ及びその高温域Ｔｈより温度の低い所定の低温域Ｔｌを有する筐体Ｈに設けられる。この筐体Ｈは、照明器具、パーソナルコンピュータやサーバー等の電子機器等からなり、内部に熱源を有する機器の筐体で、その筐体に温度勾配があれば採用することができる。このように内部に熱源を有する機器の筐体Ｈにおいては、図示しない熱源に近い箇所では高温域Ｔｈが形成され、その熱源から離れた箇所では低温域Ｔｌが形成される。
【００１７】
筐体Ｈにおける熱発電装置１ａの取り付けは、熱電変換素子２の他方の面（図１においては下面）に形成される放熱面２ｂが筐体Ｈの低温域Ｔｌを形成する面に接合されるとともに、熱電変換素子２の一方の面に形成される吸熱面２ａは、上述したように、ヒートパイプ３ａの長手方向の一端側の面がその吸熱面２ａの全部を覆うように接合されている。そして、このヒートパイプ３ａの長手方向の他端側の面は、ヒートパイプ３ａの長手方向の中間部分を筐体Ｈの面から離れるようにしてその筐体Ｈの高温域Ｔｈを形成する面に接合されている。熱発電装置１ａと筐体Ｈとの接合、熱発電装置１ａとヒートパイプ３ａとの接合及びヒートパイプ３ａと筐体Ｈとの接合は、熱伝導性に優れた接着剤を用いて、又はビス止め等により行われるが、いずれにしても、これら接合面は熱伝導が損なわれないように行われる。
【００１８】
図３は、熱発電装置１ａを照明器具Ｌ１に適用した例を示している。すなわち、この照明器具Ｌ１は、建造物の壁面Ｗに取り付けられていて、その照明器具Ｌ１の内部に設けられている熱源となる図示しないトランス等の電気部品によりランプＬ２が点灯できるように構成され、熱発電装置１ａは、その照明器具Ｌ１の反射板Ｌ３に取り付けられている。反射板Ｌ３における熱発電装置１ａの位置は、熱源によって生成されている高温域及びその位置から少し離れて生成されている低温域を跨ぐように決められている。なお、ここにおける反射板Ｌ３は、上述の温度勾配を有する筐体Ｈに相当している。
【００１９】
上記構成からなる熱発電装置１ａは、熱電変換素子２の放熱面２ｂが筐体Ｈの低温域Ｔｌに設けられるとともに、ヒートパイプ３ａの一端側はその熱電変換素子２の吸熱面２ａに設けられ、さらに、ヒートパイプ３ａの他端側は筐体Ｈの高温域Ｔｈに設けられので、図１に矢印で示されるように、ヒートパイプ３ａの他端側の熱が大気中に逸散する前に熱源の熱を吸収し、ヒートパイプ３ａの一端側に運搬される。
【００２０】
したがって、ヒートパイプ３ａの一端側に設けられている熱電変換素子２の吸熱面２ａ及び放熱面２ｂ間には、従来のヒートシンクのような大型の機器を用いることなく安定して温度差ΔＴを発生させることができる。この温度差ΔＴにより、熱発電装置１ａの熱電変換素子２は起電力を発生させて電力を取り出すことができる。しかも、ヒートパイプ３ａは、長手方向の一端側と他端側との中間部は筐体Ｈの面から離れているので、効果的に熱源の熱を高温域Ｔｈから低温域Ｔｌに運搬させることができる。また、熱電変換素子２は、筐体Ｈの低温域Ｔｌに設けられるので、熱電変換素子２の劣化を防止することができる。
【００２１】
上記構成からなる熱発電装置１ａを照明器具Ｌ１に適用した例についてさらに説明すると、熱発電装置１ａの熱電変換素子２は、好ましくは熱源を中心した半径１００ｍｍ以下の範囲内の高温域Ｔｈに設けられる。そして、長手方向の他端側は中間部を反射板Ｌ３面から離して熱源から所定距離離れた低温域Ｔｌに設けられる。実験では、照明器具Ｌ１の定常状態において、高温域Ｔｈ及び低温域Ｔｌ間の温度差は、およそ８℃以上得られ、熱電変換素子２の吸熱面２ａ及び放熱面２ｂ間の温度差ΔＴは、０．４℃以上維持できることが確認されている。
【００２２】
（実験例）
表１は、ヒートパイプ３ａを６０６３アルミ合金で構成した際の該ヒートパイプ３ａの長さと熱発電装置１ａ（熱電変換素子２）の出力電圧との関係の実験結果を示している。この表１から分かるように、ヒートパイプ３ａの長さが短くなるほど熱電変換素子２の吸熱面２ａ及び放熱面２ｂ間の温度差ΔＴが大きくなり、出力電圧が大きくなることが分かる。
【表１】
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【００２３】
表２は、ヒートパイプ３ａを６０６３アルミ合金で構成してその長さを３００．０ｍｍとした際の、ニッケル鋼からなる筐体Ｈの成分と熱発電装置１ａ（熱電変換素子２）の出力電圧との関係の実験結果を示している。この表２から分かるように、ニッケルの割合が高くなるほど熱電変換素子２の吸熱面２ａ及び放熱面２ｂ間の温度差ΔＴが大きくなり、出力電圧が大きくなることが分かる。
【表２】
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【００２４】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る熱発電装置１ｂの断面図である。この第２の実施形態に係る熱発電装置１ｂが上記第１の実施形態に係る熱発電装置１ａと異なる点は、熱発電装置１ａが筐体Ｈの上面に設けられているのに対して、熱発電装置１ｂは筐体Ｈの下面に設けられていること、ヒートパイプ３ｂは、ヒートパイプ３ａが平板に形成されているのに対して中空に形成されていて、その中に、住友スリーエム社製の「ノベック」（登録商標）と呼ばれるフッ素系溶剤からなる冷媒、エタノールや純水等からなるが冷媒（動作液）が充填されていること、及びヒートパイプ３ａが筐体Ｈの高温域Ｔｈに直接接合されているのに対して、ヒートパイプ３ｂの他端側が筐体Ｈの高温域Ｔｈに集熱ブロック４を介して接合されていることにある。この集熱ブロック４は、ヒートパイプ３ａ，３ｂと同様の熱伝導性に優れた材料で構成されている。また、このヒートパイプ３ｂは、高温域Ｔｈ及び低温域Ｔｌ間に重力方向に関して高低差Δｈが設けられて、いわゆる、ボトムヒート式で筐体Ｈに設けられている。この高低差Δｈにより、ヒートパイプ３ｂ内の冷媒の移動が円滑に行われ、ボトムヒート効果によりヒートパイプ３ｂの伝熱性能を高めることができる。
【００２５】
上記構成からなる熱発電装置１ｂは、図４に矢印で示されるように、ヒートパイプ３ｂの他端側の熱が大気中に逸散する前に熱源の熱を吸収し、ヒートパイプ３ｂの一端側に運搬される。しかもこの熱発電装置１ｂが照明器具Ｌ１に適用されたときは、ヒートパイプ３ｂにはランプＬ２からも放射熱が入力されるため、熱電変換素子２の吸熱面２ａの入力熱量に増幅効果が得られる。したがって、照明器具Ｌ１の定常状態においても、熱電変換素子２の吸熱面２ａの温度は常に高くなるとともに、放熱面２ｂの温度は常に低くなるという相乗効果が得られ、熱電変換素子２の吸熱面２ａ及び放熱面２ｂ間の温度差ΔＴが安定して維持され、これにより、熱発電装置１ｂの熱電変換素子２は起電力を安定して発生させることができる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る熱発電装置１ｃの断面図である。この第３の実施形態に係る熱発電装置１ｃが上記第２の実施形態に係る熱発電装置１ｂと異なる点は、熱発電装置１ｂでは熱電変換素子２が筐体Ｈの低温域Ｔｌに設けられているのに対して、熱電変換素子２が筐体Ｈの高温域Ｔｈに設けられていること、及び熱発電装置１ｂではヒートパイプ３ｂの他端側が筐体Ｈの高温域Ｔｈに集熱ブロック４を介して接合されているのに対して、ヒートパイプ３ｂの他端側は筐体Ｈの低温域Ｔｌに集熱ブロック４を介して接合されていることにある。この構成からなる熱発電装置１ｃにおいても、上記第２の実施形態の熱発電装置１ｂと同様の効果を得ることができる。
【００２７】
（第４の実施形態）
図６（ａ）は、本発明に係る熱発電装置１ａを適用しようとする電子機器の筐体Ｈｂの断面図、（ｂ）は、その筐体Ｈｂの斜視図、（ｃ）は、その筐体Ｈｂの一つの側壁に本発明に係る熱発電装置１ａを適用したときの斜視図、（ｄ）は、その筐体Ｈｂにおける温度差を示すグラフである。
【００２８】
この筐体Ｈｂ内には、多数の電子部品Ｅ，Ｅ…が設けられていて、その内部に発生する熱を放出するために複数の吸気部５，５…及び複数の排気部６，６…が対向関係を保って側壁に設けられている。そして、これら吸気部５，５…及び排気部６，６…には、冷却用のファンＦ，Ｆ…がそれぞれ設けられている。また、吸気部５，５…及び排気部６，６…間の空気の流れと直交する方向のうちの一方の側壁（図６（ｃ）において前面の側壁）Ｈｂ１の内側には、複数（図示の例では３個）の熱発電装置１ａ，１ａ，１ａか排気部６，６…側が少し下方に位置するように、１５℃〜３０℃の角度で傾斜させて設けられている。このように傾斜させることにより、ボトムヒート効果を得ることができる。
【００２９】
上記側壁Ｈｂ１には、図６（ｄ）に示されるように、吸気部５，５…及び排気部６，６…間に冷却用の空気が流れることにより、吸気部５，５…側がの温度が高く、排気部６，６…側がの温度が低くなり温度差ΔＴが生じる。したがって、この側壁Ｈｂ１の吸気部５，５…に熱発電装置１ａの熱電変換素子２を位置させ、ヒートパイプ３ａの他端側を排気部６，６…側に位置させるように設けると、熱電変換素子２から電力を得ることができる。なお、熱発電装置１ａの代わりに、図３及び図４に示される熱発電装置１ｂ又は熱発電装置１ｃを用いることもできる。
【００３０】
（第５の実施形態）
図７は、電子機器を液晶モニタ、プラズマモニタ、有機ＥＬ表示装置等の筐体Ｈｃに本発明に係る熱発電装置を適用した例を示している。この筐体Ｈｃ内には、バックライト等の熱を発生する電子部品が設けられているので、筐体Ｈｃの裏面壁Ｈｃ１の上下には、冷却用の通気孔７，７…、８，８…がそれぞれ設けられている。すなわち、下方の通気孔７，７…から筐体Ｈｃに入った空気は煙突効果により上方の通気孔８，８…から排出されるように構成されている。したがって、この空気の流れにより、裏面壁Ｈｃ１では、下方の通気孔７，７…側の温度が低く、上方の通気孔８，８…側の温度が高くなり温度差ΔＴが生じる。したがって、この側裏面壁Ｈｃ１の通気孔８，８…側に熱発電装置１ａの熱電変換素子２が位置し、ヒートパイプ３ａの他端側が通気孔７，７…側に位置するように設けると、熱電変換素子２から電力を得ることができる。なお、熱発電装置１ａの代わりに、図３及び図４に示される熱発電装置１ｂ又は熱発電装置１ｃを用いることもできる。
【００３１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述の例では、熱電変換素子は一方向性の温度差で発電できる形式のものを示しているが、これを有機熱電変換素子やスピン流熱電変換素子等の両方向の温度差で発電できる熱電変換素子を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１ａ，１ｂ，１ｃ…熱発電装置
２…熱電変換素子
２ａ…吸熱面
２ｂ…放熱面
３ａ，３ｂ…ヒートパイプ（高伝熱部材）
４…集熱ブロック
Ｈ，Ｈｂ，Ｈｃ…筐体
Ｔｈ…高温域
Ｔｌ…低温域
Ｌ１…照明器具
Ｌ３…反射板
【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】
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【図８】
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