(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電対を構成するそれぞれ異種の第1の導電物質体と第２の導電物質体を互いが電気的絶縁状態になるようにして遮熱体の一方側および他方側とに往復して貫通配置し、該遮熱体の一方側と他方側で第１の導電物質体と第２の導電物質体同士の電気的接続箇所を設けてそれぞれ熱電対を構成し、前記遮熱体の一方側と他方側の温度差により前記遮熱体の一方側で構成された熱電対と他方側で構成された熱電対とで起電力を発生させるようにしたことを特徴とする編込み型熱電変換パネル。
【請求項２】
線状の第１の導電物質体と第２の導電物質体は、パネル状の遮熱体を縫うように往復配置し、かつ、該遮熱体の一方側面および他方側面とで第１の導電物質体と第２の導電物質体とを絡めて電気的接続箇所を形成した、編込み型としたことを特徴とする請求項１に記載の編込み型熱電変換パネル。
【請求項３】
遮熱体をパネル状をとし、遮熱体の一方側面に熱吸収体を設け、他方側面にフィンなどの冷却器を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の編込み型熱電変換パネル。
【請求項４】
遮熱体を樹脂絶縁体で構成することを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項に記載の編込み型熱電変換パネル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを電力に変換する編込み型熱電変換パネルに係り、電力エネルギー産業分野における発電システムの新たな一つとして利用可能な編込み型熱電変換パネルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球環境の保全を年頭に置いた産業・工業開発が積極的に行われており、電力エネルギー分野も例外でなく、環境低負荷型の電力エネルギーの開発・研究がなされている。この種の環境低負荷型の電力エネルギー源としては、従来、太陽光発電、風力発電や張力発電などがある。一方、地球上における数十度程度の僅かな温度差は高エントロピー状態として考えられ、その温度差を直接的にエネルギー源として利用することは困難である。しかしながら、この数十度程度の僅かな温度差は地球上に豊富に存在していると思われる。将来、この様な高エントロピーでかつ低エネルギーな状態をかき集めて、利用度の高い電気エネルギーを作り出す技術は地球上でのエネルギー資源の有効利用のみでなく、宇宙開発でも重要になると考えられる。
【０００３】
低温度差による発電としては、ゼーベック効果を利用した熱電発電等が提案されている。つまり、熱エネルギーから起電力を得る熱電変換素子を用いて大電力発生を可能にするものとして、図３に示すように、鉄板１１をアコーディオン状に湾曲させた構造のものが考えられている（鉄と鋼Vol.83，No2「低温用鉄系熱電変換素子」参照）。これによれば、湾曲部分１２および１３にアルミニウムを熱拡散させることで異種金属接合と同様なゼーベック効果を導いている。図３の符号１２と１３の湾曲部分にそれぞれ高温と低温を形成することで熱起電力が発生する。
【０００４】
前記の鉄板を湾曲させた熱電変換素子は、大面積の熱電変換パネルを作成するために有効である。しかしながら、前記の熱電変換素子では、鉄板の重量がそのまま発電パネルの重量となり、建設上における支持方法が困難なものとなる。また、発電の要である熱電対の密度を上げることは、鉄板を湾曲させて製作するものであるため困難になる。
【０００５】
また、他の従来技術の熱電変換素子には、図４に示すように、コンスタンタン金属線２１とステンレス金属板２２を直列に接合する方式のものがある（特開平09-2348487号）。この場合、熱電対を作成する方法は異種の金属線の溶接によるものであり、通常のものである。しかるに、熱電対同士を直列に接続することで、電池に対する充電を容易ならしめる高い電圧を生成可能にしている点に特徴がある。具体的には、図４に示すように、直列に接続された熱電対をガスコンロの周りの金属枠２４に配置することで、金属枠の中心に位置するコンロの火炎とステンレス土台との温度差で発電し、センサー用の電池に蓄電することを目的としている。
【０００６】
しかしながら、上記の熱電変換素子は、熱電対の直列接続は電圧の上昇に寄与するため、重要であると考えられる。熱電変換素子の設置箇所には、コンロ周辺という火炎熱でかなりの高温領域が存在することと、すぐ近くにステンレス土台という室温に近い低温領域があることにより、温度差を大きくしてセンサー用の電池を充電する発電システムの小型化がなされている。しかるに、上記の方式では、熱エネルギーの豊富な環境で僅かな電力をセンサー用として充電することを目的としているため、熱源に対する熱電対群の接触面積が小さく、大電力の発生用には適しないという問題点がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点に着目してなされたもので、地球上に存在する数〜数十度程度の僅かな温度差、例えば大気と水面もしくは地表面等の温度エネルギーを電力に変換可能にし、温度差が存在する広い面積に配置して効率良く発電することを可能にする編込み型熱電変換パネルを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、熱電対を構成するそれぞれ異種の第1の導電物質体と第２の導電物質体を互いが電気的絶縁状態になるようにして遮熱体の一方側および他方側とに往復して貫通配置し、該遮熱体の一方側と他方側で第１の導電物質体と第２の導電物質体同士の電気的接続箇所を設けてそれぞれ熱電対を構成し、前記遮熱体の一方側と他方側の温度差により前記遮熱体の一方側で構成された熱電対と他方側で構成された熱電対とで起電力を発生させるようにしたことを特徴とする編込み型熱電変換パネルである。
本発明によれば、第１の導電物質体と第２の導電物質体を遮熱体に貫通配置しており、遮熱体としてエポキシ樹脂等を利用でき、各導電物質体をこの遮熱体に編込みで配設できるので、支持材として要求される硬度や重量等の耐久性と、熱電変換に要求されるゼーベック係数や抵抗率等の特性を同時に良質とする材料の選択が、独立にかつ最適に選択できる。ところで、従来技術で述べた「低温用鉄系熱電変換素子」ではアコーディオン状に湾曲させた鉄板が熱電対と支持材としての作用を兼ねているため、支持材として要求される硬度や重量等に対する耐久性と、熱電変換に要求されるゼーベック係数や抵抗率等の特性を同時に良質とする材料の選択が困難である。これに対して、本発明の編込み型熱電変換パネルでは、支持材にできる遮熱体と熱電対材料の第１の導電物質体および第２の導電物質体を独立にかつ最適に選択することができる。例えば、遮熱体をエポキシ樹脂で形成すれば、軽量なパネルに構成でき、遮熱体で第1の導電物質体および第２の導電物質体の支持体としてエポキシを選択することは従来にない軽量なパネルとして貢献できる。もちろんその他の樹脂で遮熱体を形成することができる。
【０００９】
なお、本発明においては、線状の第１の導電物質体（例えば金属線）と第２の導電物質体（例えば金属線）は、パネル状の遮熱体を縫うように往復配置し、かつ、該遮熱体の一方側面および他方側面とで第１の導電物質体と第２の導電物質体とを絡めて電気的接続箇所を形成した、編込み型としたことが好適である。このようにすれば、従来技術で述べた「低温用鉄系熱電変換素子」と比較して熱電対の面密度を上げることができる。また、前記従来技術として述べた特開平０９−２３４８４８７号公報に記載の技術では熱電対を直列に並べる点では有用であるが、並列接続についてはまったく発想していない。これに対して、本発明において各導電物質体線を編込み式とした編込み式熱電変換パネルとすれば、熱電対の直列接続と共に、熱電対の並列接続を同時に実現できる。したがって、熱電対の直列接続は電圧の上昇に寄与でき、並列接続は電力の上昇に寄与できる。前記公報では熱電対を直列的に接続しているだけであり電圧上昇のみしかできないが、本発明では電力上昇も合わせて図ることができる。
また、本発明においては、遮熱体をパネル状とし、遮熱体の一方側面に熱吸収体を設け、他方側面にフィンなどの冷却器を設けたことが好適である。このようにすれば、遮熱体と第１の導電物質体および第２の導電物質体との熱電対に光を吸収する黒体とを組み合わせることにより、簡単な太陽電池を構成することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図に基づき本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明の編込み型熱電変換パネルに係る実施形態の編込み型熱電変換パネルの説明図である。この編込み型熱電変換パネルは異種の金属線を編込み方法により直列・並列に熱電対が配置された熱電変換パネルである。熱電対を構成するのはそれぞれ異種のアルメル線（第1の導電物質体に相当）とクロメル線（第２の導電物質体に相当）であり一般的な熱電対材料として用いられている。
【００１１】
図１は、前記編込み型熱電変換パネルの上面視および断面視の説明図であり、網掛け（グレー）で覆って示されているものは支持材としてのエポキシプレート１である。ただし、図１において、（ａ）はエポキシプレート表面を、（ｂ）は同断面を示しており、アルメル線２は太線で示し、クロメル線３を細線として表記している。
【００１２】
また、アルメル線２およびクロメル線３は、エポキシプレート１を貫通してその表面と裏面を縫うように編みこまれるものであり、図１ではアルメル線２およびクロメル線３共に、前記エポキシプレート１の裏面にあるときには破線で示し、表面にあるときには実線で示している。例えば、アルメル線２に注目したときには３０２で表面にあり、３０３でエポキシプレート１を表面から裏面に向けて貫通し３０４で裏面へと縫い込まれる。つまり、符号３０５で示す縦のライン上にアルメル線２が等間隔で編み込まれることとなる。同様にクロメル線３も支持材のエポキシプレート１に対して編み込まれるが、符号３０６で示す領域のようにアルメル線２とクロメル線３の結び目ができる。図２に、この結び目の領域を拡大したものである。
【００１３】
図２で示すように、アルメル線２（図２中符号４１で示す）は、エポキシプレート１に空けられた穴４３を通り、裏面から表面に表れ、再び穴４４から裏面へ移る。クロメル線３も同様にエポキシプレート１に空けられた穴４３を通り、裏面から表面に表れ、再び穴４４から裏面へ移る。アルメル線２とクロメル線３の絡み合って交差する箇所４６、４７においては、一方の交差点４６（図２で上側）ではアルメル線２が下に、クロメル線３が上に位置し、他方の交差点４７（図２の下側）ではアルメル線２が上に、クロメル線３が下に位置して互いに接する。厳密には、交差点４６、４７の２点での接合点が形成されるが、実際にはアルメル線２とクロメル線３の各ワイヤーをエポキシプレート１に編み込むと、ワイヤーの太さのために交差点４６から交差点４７にかけて面で接触する。アルメル線２とクロメル線３を結ぶことによって熱電対としての接触面を作成する。図１では、そのような接触面つまり熱電対（の構造）を支持材であるエポキシプレート１の表面と裏面に多数を作成できる。例えば図１の３０７、３０９、３１１は支持材であるエポキシプレート１の裏面にある熱電対、また、３０８、３１０、３１２は該エポキシプレート１の表面にある熱電対となる。
【００１４】
エポキシプレート１は遮熱体であって、エポキシプレート１の一方側と他方側でアロメル線２とクロメル線３同士の電気的接続箇所を設けてそれぞれ熱電対を構成し、前記エポキシプレート１の一方側と他方側の温度差により前記遮熱体の一方側で構成された熱電対と他方側で構成された熱電対とで起電力を発生させるようにしたものである。
詳細には、編込み型熱電変換パネルでは、支持材のエポキシプレート１の表面と裏面で形成された温度差により発電するシステムである。図１において、支持材の表面が高温で、裏面が低温となるような温度差を形成したとすると熱電対のペアは３０７と３０８、３０９と３１０および３１１と３１２にゼーベック効果に伴う起電力が発生する。また、熱電対列３０８、３０７、３１０、３０９では高温と低温にそれぞれ置かれた熱電対列が交互に配置されており、熱起電力が直列に接続されていることが分かる。この直列的な配置は、電圧を向上させるために有効である。また、熱電対は面内で直列および並列にそれぞれ接続されており、発生した起電力は３１３と３１４間に出力される。出力電力量は面内に形成された熱電対の数に比例する。
【００１５】
前記実施形態の編込み型変換パネルによれば、単純な動作である線材の編込みにより容易に熱電対を多数配列することができる。また、熱起電力を有効に利用するために必要な直列的および並列的な熱電対の接続を形成することができる。
また、前記実施形態では、第１と第２の導電物質体にはアルメル線とクロメル線を例としてあげたが、本発明の第１と第２の導電物質体はこれらアルメル線とクロメル線に限定されず、熱電対を構成できる二種類の導電物質体であれば他の導電物質体を用いることも本発明の範囲内である。また、第１の導電物質体の第２の導電物質体の使用形態は、線材で用いることに限定されず、構造的に許容されるならば、帯状、板状その他の構造を採ることができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明によれば、第１の導電物質体と第２の導電物質体を遮熱体に貫通配置しており、遮熱体としてエポキシ樹脂等を利用でき、各導電物質体をこの遮熱体に編込みで配設できるので、支持材として要求される硬度や重量等の耐久性と、熱電変換に要求されるゼーベック係数や抵抗率等の特性を同時に良質とする材料の選択が、独立にかつ最適に選択できる。
ここで、従来技術で述べた「低温用鉄系熱電変換素子」ではアコーディオン状に湾曲させた鉄板が熱電対と支持材としての作用を兼ねているため、支持材として要求される硬度や重量等に対する耐久性と、熱電変換に要求されるゼーベック係数や抵抗率等の特性を同時に良質とする材料の選択が困難である。これに対して、本発明として述べた編込み型熱電変換パネルでは支持材と熱電対材料を独立にかつ最適に選択することができる。例えば、遮熱体をエポキシ樹脂で形成すれば、軽量なパネルに構成でき、遮熱体で第1の導電物質体および第２の導電物質体の支持体としてエポキシを選択することは従来にない軽量なパネルとして貢献できる。もちろんその他の樹脂で遮熱体を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の編込み型熱電変換パネルに係る実施形態の編み込み型熱電変換パネルの説明図である。
【図２】結び目の領域を拡大して示す説明図である。
【図３】従来技術の鉄板をアコーディオン状に湾曲させた熱電対構造の説明図である。
【図４】他の従来技術の説明図である。
【符号の説明】
１  エポキシプレート
２  アルメル線
３  クロメル線
４６、４７  交差点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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