(57)【要約】  異なるゼーベック係数を有する第１導電部材と第２導電部材とを接合部材により接合して熱電変換素子を複数個形成し、それら熱電変換素子を２つ以上の異なる温度環境下に配置する。そして、各熱電変換素子の第１導電部材同士あるいは第２導電部材同士を電気配線で接続し、直接エネルギー変換電気回路系形成すると共に、この電気配線の任意の箇所から電気ポテンシャルエネルギーを取り出す。これにより、熱エネルギーから電気エネルギーへの直接エネルギー変換電気回路系を構成する。また、各熱電変換素子の接続した第１導電部材又は第２導電部材を接続した回路系の通路内に水の電気分解装置を配置することにより、熱エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積できるようにする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なるゼーベック係数を有する第１導電部材と第２導電部材とを接合部材により接合した熱電変換素子一対を備え、
前記各熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部同士を、連結導電部材を介して電気的に接続し、
前記各熱電変換素子端部をそれぞれ温度の異なる温度環境下に配置し、前記高温側の前記熱電変換素子端部の温度Ｔｍと前記低温側の熱電変換素子端部の温度ＴｎとがＴｍ＞Ｔｎの関係を維持できる距離を連結導電部材で接続し、
前記一対の熱電変換素子から成る回路系の全体が閉じるように回路内の開放端を短絡してなる、
外部電源を利用しないで熱エネルギーを遠隔地に転送することを特徴とする熱エネルギー転送回路システム。
【請求項２】
異なるゼーベック係数を有する第１導電部材と第２導電部材とを接合部材により接合した熱電変換素子を複数個備え、
前記各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部に連結導電部材を介して引き出した吸熱端部又は放熱端部を電気的に接続し、
前記吸熱端部又は放熱端部を付けない前記各熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、該熱電変換素子とは異なる他の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部にそれぞれ連結導電部材を介して電気的に接続し、
前記各熱電変換素子端部及び前記吸熱端部又は放熱端部をそれぞれ温度の異なる複数の温度環境下に配置し、
複数の高温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記吸熱端部の温度Ｔｍと複数の低温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記放熱端部の温度ＴｎとがＴｍ＞Ｔｎの関係を維持できる距離を連結導電部材で接続し、
前記各熱電変換素子端子及び前記各吸熱端部又は各放熱端部とから成る回路系の全体が閉じるように回路内の開放端を短絡してなる、
熱エネルギーを電気エネルギーへ変換することを特徴とする熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換システム。
【請求項３】
前記各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、連結導電部材及び回路切換スイッチを介して外部負荷装置に接続すると共に、前記回路切換スイッチを前記温度環境の大小関係の変化に応じて切り換えることにより、前記エネルギー変換回路系による出力電圧の向きを常に同一方向に維持することを特徴とする請求項２に記載の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換システム。
【請求項４】
前記第１導電部材及び／又は第２導電部材は、連結導電部材を介して前記接合部材に接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換システム。
【請求項５】
前記第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して直列に接続されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換システム。
【請求項６】
前記第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して並列に接続されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換システム。
【請求項７】
異なるゼーベック係数を有する第１導電部材と第２導電部材とを接合部材により接合した熱電変換素子を複数個備え、
前記各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部に連結導電部材を介して引き出した吸熱端部又は放熱端部を電気的に接続し、
前記各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、連結導電部材を介して水の電気分解回路の水素発生電極と酸素発生電極に電気的に接続し、かつ、
前記吸熱端部又は放熱端部を付けない前記各熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、該熱電変換素子とは異なる他の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部にそれぞれ連結導電部材を介して電気的に接続し、
前記各熱電変換素子端部及び前記吸熱端部又は放熱端部をそれぞれ温度の異なる複数の温度環境下に配置し、
複数の高温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記吸熱端部の温度Ｔｍと複数の低温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記放熱端部の温度ＴｎとがＴｍ＞Ｔｎの関係を維持できる距離を連結導電部材で接続し、
前記各熱電変換素子端子及び前記各吸熱端部又は各放熱端部とから成る回路系の全体が閉じるように回路内の開放端を短絡してなる、
外部電源を利用しないで熱エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積することを特徴とする熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システム。
【請求項８】
前記各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、連結導電部材及び回路切換スイッチを介して水の電気分解回路の水素発生電極と酸素発生電極に電気的に接続するとともに、
前記回路切換スイッチを前記温度環境の大小関係の変化に応じて切り換えることにより、前記エネルギー変換回路系を流れる電流の向きを常に同一方向に維持することを特徴とする請求項７に記載の熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システム。
【請求項９】
前記第１導電部材及び／又は第２導電部材は、連結導電部材を介して前記接合部材に接続されていることを特徴とする請求項７又は８に記載の熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システム。
【請求項１０】
前記第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して直列に接続されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載の熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システム。
【請求項１１】
前記第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して並列に接続されていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のエネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部電源を使用することなく、純粋に地球環境上に排出され生成される熱源を利用して、電気エネルギー又は化学エネルギーに変換するシステム、例えば、各種の電気機器、燃焼装置やその関連機器類、若しくは太陽光や地熱等に由来する外部からの熱が影響する建物や物体等の全ての温度の高くなる部分、空間及び領域（以下、「空間等」という。）にある熱エネルギーを当該空間等から離れた遠隔地に転送する熱エネルギー転送回路システム、及び熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換して供給するシステムに関する。【０００２】
また、上記直接変換された電気エネルギー及び転送された熱エネルギーを有効に利用するために熱エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積する化学エネルギー資源化蓄積システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
現在、世界におけるエネルギーの利用形態としては、非可逆的に熱エネルギーになる利用形態が殆どである。そして、この熱エネルギーの排出を無くすため、あるいは排出した熱エネルギーを除去するために、更に新たな熱機関によるエネルギーや電気エネルギーを使った強制空冷や強制冷却が行われている。その結果、これに伴うエネルギー使用の増加とこれらの冷却装置から発生する雑音及び騒音が問題になっている。【０００４】
また、太陽光の照射や地熱等の影響により、建物やその周りの領域が高温になる場合にも、この高温部の熱エネルギーの排出や除去をするために、更に新たな熱機関によるエネルギーや電気エネルギーを使った強制空冷や強制水冷が行われている。そして、これに伴うエネルギー使用の増加や、冷却装置から発せられる雑音及び騒音が問題になっている。【０００５】
しかし、現状では、これらの熱エネルギーを積極的に再利用して省エネルギー化を行い、また、雑音や騒音を減らし、環境への負荷を低減させる努力は、漸く始まったところである。新たな熱又は電気エネルギーの投入無しで発生する熱エネルギーを積極的に再利用する技術は未だ完成には至っておらず、かつ、冷却装置等から発する雑音や騒音等についても、これを十分に減らし得る段階には至っていない。【０００６】
また、上述したように、自然界には熱エネルギーが無尽蔵に存在しているが、この熱エネルギーを電気エネルギーや化学エネルギーとして取り出す技術の開発は、緒に就いたばかりであり、未だ実用化には遠いところにある。【０００７】
しかし、熱エネルギーを電気エネルギーに変えたり、逆に電気エネルギーを熱エネルギーに変換したりすることができることは、ペルチェ効果あるいはゼーベック効果として古くから知られている物理学の原理である。すなわち、２種類の導体をつなげて全体を一様な温度に保ちながら電流を流すと、ジュール熱以外の放射あるいは吸収する熱が発生する。この現象は、Ｊ．Ｃ．Ａ．Ｐｅｌｔｉｅｒが１８３４年に発見した現象であり、ペルチェ効果と言われる。また、２種類の導線をつなぎ、２つの接点を異なる温度Ｔ１，Ｔ２に保って、一方の導線を切断すると、その切断した端子間に起電力が発生する。この現象は１８２１年にＪ．Ｊ．Ｓｅｅｂｅｃｋにより発見された。この２端子間に発生する起電力を熱起電力といい、この現象は、発明者の名に因んでゼーベック効果と言われている。つまり、ペルチェ効果は電気を熱エネルギーに変換する原理であり、ゼーベック効果は熱エネルギー（温度差）を電気エネルギーに変換する原理であるということができる。【０００８】
ゼーベック効果を利用した熱電変換素子（ゼーベック素子）の開発は、化石燃料や原子力の代替エネルギーとして注目を集めている。ゼーベック素子による熱起電力は、２つの接点温度のほかに、２つの導線の材質にも依存しており、この起電力を温度変化で割った微分値をゼーベック係数と呼んでいる。熱電変換素子は、それぞれゼーベック係数が異なる２種類の導体（又は半導体）を接触させることにより構成される。そして、２種類の導体の自由電子数の差により、両導体間で電子の移動が生じるため結果的に両導体間に電位差が生じる。そこで、一方の接点に熱エネルギーを与えると、一方の接点側で自由電子の動きが活発となるが、他方の接点は熱エネルギーが与えられないため、自由電子の動きは活発にならない。この両接点間の温度の差、すなわち自由電子の活動の差が熱エネルギーから電気エネルギーへの変換となるのである。この効果を、一般的には熱電効果という。【０００９】
一般的に、ゼーベック素子は、加熱部（高温側）と冷却部（低温側）とが一体素子となっており、またペルチェ効果を利用した熱電変換素子（これを「ペルチェ素子」という。）においても、その吸熱部と発熱部は一体素子となっている。すなわち、ゼーベック素子では加熱部と冷却部とが熱的に相互干渉し、ペルチェ素子では吸熱部と発熱部とが熱的に相互干渉するため、それらゼーベック効果、ペルチェ効果は時間経過と共に減衰してしまう。したがって、前記のようなペルチェ素子とゼーベック素子を用いて大規模なエネルギー変換設備を構築しようとした場合、その設備等の設置場所において物理的な制限が加わるため、非現実的である。【００１０】
本発明者（出願人）は、上記のゼーベック効果を利用した熱電変換装置及びそれを利用したエネルギー変換システムを発明し、既に提案している（特許文献１を参照。）この特許文献１に記載されたものは、ゼーベック素子或いはペルチェ素子の回路系を組む場合は、外部電源を組み込んだ系に限られており、その応用形態も限定されている。【００１１】
図１０は、特許文献１において本発明者（出願人）が提案したペルチェ効果を利用した熱エネルギーの遠距離転送システムを示す概略模式図である。この図１０に示すように、２つの熱電変換素子１００と２００が対向して設けられ、それぞれの熱電変換素子１００（２００）は、異なるゼーベック係数を有する第１導電部材Ａ１０１（Ａ２０１）と第２導電部材Ｂ１０２（Ｂ２０２）を、熱伝導及び導電性の良い材料（例えば、銅，金，白金，アルミニウム等）から成る接合部材ｄ１０３（ｄ２０３）で接合することによって構成されている。【００１２】
また、熱電変換素子１００の第１導電部材Ａ１０１と第２導電部材Ｂ１０２の接合部材ｄ１０３と対向する側の面と、熱電変換素子２００の第１導電部材Ａ２０１と第２導電部材Ｂ２０２の接合部材ｄ２０３と対向する側の面とは、それぞれ熱伝導の良い導電材料（例えば、銅，金，白金，アルミニウム等から成る配線材料）を用いて接続されており、その第１の導電部材同士を接続する線の間には、外部直流電源３００（Ｖｅｘ）が設けられている。これにより、接合部材ｄ１０３，ｄ２０３をそれぞれ吸熱側，発熱側にした一対のペルチェ効果熱伝達電気回路系が構成される。【００１３】
ここで、上述した導電材料は、少なくとも熱電変換素子１００と熱電変換素子２００とが熱的に互いに相互干渉を受けない程度の長さにする必要があるが、理論的には数ミクロン前後の微小の長さから数百キロメートルの長さの間で種々設定することが可能である。【００１４】
このように構成された熱伝達回路系は、吸熱部（すなわち、負の熱エネルギー源）と発熱部（すなわち、正の熱エネルギー源）との間を任意の距離で隔てて、それら２つの正と負の熱エネルギー源を互いに独立して利用することが可能なシステムとなっている。【００１５】
この図１０に示した回路系においては、外部直流電源３００（Ｖｅｘ）から電流を供給したところ、それら熱電変換素子１００と熱電変換素子２００の両端でペルチェ効果による吸熱現象と発熱現象が起こり、吸熱側である熱電変換素子１００と発熱側である熱電変換素子２００とを各々独立した構成においても、ペルチェ効果が失われることなく持続していることを確認している。また、この場合、供給する電流の向きを反転させると、両端の吸熱現象と発熱現象が反転することも確認されている。【００１６】
図１１は、図１０の回路系において、外部直流電源３００を取り外し、ゼーベック効果を確認するための回路系、つまり熱エネルギーの電気エネルギーへの変換回路システムを示す模式図である。図９において、熱電変換素子１００と熱電変換素子２００の両端、すなわち、接合部材ｄ１０３と接合部材ｄ２０３との間に、８０℃前後の温度差を付与したところ、電源を取り外した端子に０．２ミリボルトの起電力が発生することが確認されている。【００１７】
この結果は、冷却側である熱電変換素子１００側と、加熱側である熱電変換素子２００側とを各々独立した構成にしても、同様にゼーベック効果が失われることなく持続していることが確認されている。【００１８】
この図１１に示す回路系では、熱電変換素子１００と熱電変換素子２００とが熱的に互いに相互干渉を受けないように導電材料の長さを調整（例えば、必要に応じて数ミクロン前後の微小の長さから数百キロメートルの長さに調整）し、その導電材料の一部を切断して出力電圧端子としたものである。熱電変換素子１００の端（接合部材ｄ１０３）及び熱電変換素子２００の端（接合部材ｄ２０３）をそれぞれ異なる温度環境に配置し、それぞれの環境の温度Ｔ１およびＴ２における温度差「Ｔ１−Ｔ２」（または、「Ｔ２−Ｔ１」）を有限に保つことにより、異なる環境に存在する熱エネルギーを、電気エネルギーに直接変換させることができ、電力源として利用できる。【００１９】
なお、このゼーベック効果は、温度差を電気エネルギーに直接変換させるものであるため、少なくとも「Ｔ１＞Ｔ４」（または「Ｔ１＜Ｔ４」）の関係が維持される距離を確保することで、その効果を得ることができる。したがって、熱電変換素子１００と熱電変換素子２００とが熱的に相互干渉を受けない距離を確保する必要がある。
【特許文献１】特開２００３−９２４３３号公報。
【００２０】
しかしながら、上述した図１０及び図１１の模式図で説明した回路形においては、熱エネルギー遠距離転送を行うための外部直流電源３００が必要であるか、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するときの起電力を得るための端子が必要になる。この特許文献１に示されるような従来技術を提案した際には、ペルチェ素子とゼーベック素子とを用いたエネルギー利用は一方的なものであり、例えば一度熱化したエネルギーを再度利用するように循環形態を構成したり、使用する外部電源自身をなくし、かつそれに伴う雑音及び騒音を同時に減らしたりするという技術思想は考えられていなかった。【００２１】
しかし、これからの熱エネルギー利用としては、地球の温暖化や環境の破壊を引き起こすことなく、かつ再利用と同時に外部電源を組み込むことによるエネルギー使用を避けることが求められている。さらに、周囲の環境を保護するためにも、雑音や騒音の低減を積極的に図る方向でなければならず、これが今後における熱エネルギー利用の技術開発に欠かせない大きな課題となっている。
【発明の概要】
【００２２】
本発明の目的は、熱エネルギー転送回路システム、熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換供給システム、及び熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システムを提供するものである。
【００２３】
具体的には、使用する電源自身を不要とし、かつ雑音及び騒音を減らすことを目的として、各種の電気機器、燃焼装置やその関連機器類、もしくは太陽光や地熱等に由来する外部からの熱が影響する建物や物体等、温度の高くなる空間等の隣接領域にある熱エネルギーを、新たな電気エネルギーを使うことなく直接電気エネルギーに変換するとともに、熱エネルギーを発生する空間等から離れた空間等へ発生した熱エネルギーを自動的に転送するための系（システム）を提供するものである。また、発生した熱エネルギーを再利用することによって、系全体としての省エネルギー化を図るものである。
【００２４】
より具体的には、熱エネルギー転送回路システムであって、異なるゼーベック係数を有する第１導電部材と第２導電部材とを接合部材により接合した熱電変換素子一対を備え、この各熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部同士を、連結導電部材を介して電気的に接続するとともに、各熱電変換素子端部をそれぞれ温度の異なる温度環境下に配置して、高温側の熱電変換素子端部の温度Ｔｍと低温側の熱電変換素子端部の温度ＴｎとがＴｍ＞Ｔｎの関係を維持できる距離を連結導電部材で接続し、一対の熱電変換素子から成る回路系の全体が閉じるように回路内の開放端を短絡してなる、外部電源を利用しないで熱エネルギーを遠隔地に転送することを特徴とする。
【００２５】
また、熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換供給システムであって、異なるゼーベック係数を有する第１導電部材と第２導電部材とを接合部材により接合した熱電変換素子を複数個備え、これら各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部に連結導電部材を介して引き出した吸熱端部又は放熱端部を電気的に接続し、この吸熱端部又は放熱端部を付けない各熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、該熱電変換素子とは異なる他の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部にそれぞれ連結導電部材を介して電気的に接続し、各熱電変換素子端部及び吸熱端部又は放熱端部をそれぞれ温度の異なる複数の温度環境下に配置し、複数の高温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記吸熱端部の温度Ｔｍと複数の低温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記放熱端部の温度ＴｎとがＴｍ＞Ｔｎの関係を維持できる距離を連結導電部材で接続し、各熱電変換素子端子及び各吸熱端部又は各放熱端部とから成る回路系の全体が閉じるように回路内の開放端を短絡してなる、熱エネルギーを電気エネルギーへ変換することを特徴とする。
【００２６】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換供給システムであって、各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、連結導電部材及び回路切換スイッチを介して外部負荷装置に接続すると共に、この回路切換スイッチを温度環境の大小関係の変化に応じて切り換えることにより、エネルギー変換回路系による出力電圧の向きを常に同一方向に維持することを特徴とする。
【００２７】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換供給システムであって、第１導電部材及び／又は第２導電部材が連結導電部材を介して接合部材に接続されていることを特徴とする。
【００２８】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換供給システムであって、第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して直列に接続されていることを特徴とする。
【００２９】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換供給システムであって、第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して並列に接続されていることを特徴とする。
【００３０】
また、熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システムであって、異なるゼーベック係数を有する第１導電部材と第２導電部材とを接合部材により接合した熱電変換素子を複数個備え、各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部に連結導電部材を介して引き出した吸熱端部又は放熱端部を電気的に接続するとともに、各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、連結導電部材を介して水の電気分解回路の水素発生電極と酸素発生電極に電気的に接続し、かつ上述の吸熱端部又は放熱端部を付けない各熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、該熱電変換素子とは異なる他の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部にそれぞれ連結導電部材を介して電気的に接続し、各熱電変換素子端部及び前記吸熱端部又は放熱端部をそれぞれ温度の異なる複数の温度環境下に配置し、複数の高温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記吸熱端部の温度Ｔｍと複数の低温側の前記熱電変換素子端部あるいは前記放熱端部の温度ＴｎとがＴｍ＞Ｔｎの関係を維持できる距離を連結導電部材で接続し、各熱電変換素子端子及び前記各吸熱端部又は各放熱端部とから成る回路系の全体が閉じるように回路内の開放端を短絡してなる、外部電源を利用しないで熱エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積することを特徴とする。
【００３１】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システムであって、各熱電変換素子のうち、一つ以上の熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材対向部を、連結導電部材及び回路切換スイッチを介して水の電気分解回路の水素発生電極と酸素発生電極に電気的に接続するとともに、この回路切換スイッチを温度環境の大小関係の変化に応じて切り換えることにより、エネルギー変換回路系を流れる電流の向きを常に同一方向に維持することを特徴とする。
【００３２】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システムであって、第１導電部材及び／又は第２導電部材が連結導電部材を介して接合部材に接続されていることを特徴とする。
【００３３】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システムであって、第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して直列に接続されていることを特徴とする。
【００３４】
また、別の観点によれば、前記の熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システムであって、第１導電部材及び／又は第２導電部材は、それぞれ複数の第１導電部材又は第２導電部材が連結導電部材を介して並列に接続されていることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の、外部電源のない無電源熱電効果熱エネルギー転送回路システムの模式図である。
【図２】本発明の、外部電源のない無電源熱電効果熱エネルギー転送回路システムの実証実験回路例を示す模式図である。
【図３】図２の外部電源のない無電源熱電効果熱エネルギー転送回路システムの実証実験回路例を用いた実証実験の結果を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態である熱エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に供給するシステムの例を示す模式図である。
【図５】本発明の一実施の形態である熱エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に供給するシステムの変形例を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施の形態である熱エネルギーを化学エネルギーに変換して水素又は酸素として蓄積する化学エネルギー資源化蓄積システムの例を示す模式図である。
【図７】本発明の一実施の形態である熱エネルギーを化学エネルギーに変換して水素又は酸素として蓄積する化学エネルギー資源化蓄積システムの変形例を示す模式図である。
【図８】本発明の一実施の形態である熱エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に供給するシステムと、熱エネルギーを化学エネルギーに変換して水素又は酸素として蓄積するシステムを一つにした熱エネルギー変換電気エネルギー供給及び化学エネルギー資源化蓄積システムの例を示す模式図である。
【図９】本発明の一実施の形態である熱エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に供給するシステムの変形応用例を示す模式図である。
【図１０】従来のペルチェ効果を利用した熱エネルギー転送回路システムの例を示す模式図である。
【図１１】従来のゼーベック効果を利用した熱エネルギーの電気エネルギーへの変換回路システムの例を示す模式図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明に係る熱エネルギー転送回路システム、熱エネルギー資源利用電気エネルギー変換供給システム、及び熱エネルギー資源利用化学エネルギー資源化蓄積システムの実施形態について、図面等にしたがって説明する。【００３７】
図１は、外部電源を用いない無電源熱電効果熱エネルギー転送回路システムの例を示す模式図である。【００３８】
図１に示すように、二つの熱電変換素子１０と２０が対向して設けられ、それぞれの熱電変換素子１０（２０）は、異なるゼーベック係数を有する第１導電部材Ａ１１（Ａ２１）と第２導電部材Ｂ１２（Ｂ２２）を、熱伝導及び導電性の良い材料（例えば、銅，金，白金，アルミニウム等）から成る接合部材ｄ１３（ｄ２３）で接合することによって構成されている。この構成は図１０及び図１１で説明した従来の例と同じである。【００３９】
また、熱電変換素子１０の第１導電部材Ａ１１と第２導電部材Ｂ１２の接合部材ｄ１３に対向する側の面と、熱電変換素子２０の第１導電部材Ａ２１と第２導電部材Ｂ２２の接合部材ｄ２３に対向する側の面とは、それぞれ熱伝導の良い導電材料（例えば、銅，金，白金，アルミニウム等から成る配線材料）を用いて接続されている。但し、熱電変換素子１０と熱電変換素子２０の第１の導電部材同士あるいは第２の導電部材同士を接続する線の間には、外部直流電源３００（Ｖｅｘ）が設けられておらず、無電源駆動型回路システムを構成している。【００４０】
図１に示す熱電変換素子１０と熱電変換素子２０は、それぞれ異なる温度環境下に配置されており、高温側の熱電変換素子１０の温度Ｔ１と低温側の熱電変換素子２０の温度Ｔ４とがＴ１＞Ｔ４の関係を維持できる距離を確保して、熱エネルギーから電気ポテンシャルエネルギーへの直接エネルギー変換電気回路系を構成するとともに、全体の電気回路系が閉じるように回路内の開放端を短絡している。【００４１】
そして、ゼーベック効果によって発生する電気エネルギーで、その電気回路系に電流を流すことにより、外部電源を用いることなく高温側の熱エネルギーをペルチェ効果とトムソン効果を使って、直接電子的に低温側へ転送することができるようにしている。すなわち、無電源熱電効果熱エネルギー転送回路を実現させている。ここでトムソン効果とは、ゼーベック係数が同じ導線の両端を異なる温度環境において電流を流したとき、高温側で吸熱、及び、低温側で発熱の起こる現象をいう。【００４２】
図１に示す回路システムによれば、冷却ファンや機械的動力部を必要としないため、新たな熱機関による熱エネルギーや、外部電源からの電気エネルギーを使った強制空冷や強制冷却による雑音及び騒音の低減が可能になる。【００４３】
図２は、図１に示す無電源熱電効果熱エネルギー転送回路システムの実証実験のための回路を示す図である。符号は図１と同じ符号を付して説明する。【００４４】
図２の右側の回路は、図１に示す熱エネルギー転送回路にスイッチ１７を取り付けてあり、このスイッチをオン・オフすることにより、回路が短絡（ｓｈｏｒｔ）状態と開放状態に切り替わるようになっている。【００４５】
また、図２の左側の熱電変換素子１０には外部熱供給システム１６が取り付けられるが、この外部熱供給システム１６は、電気的絶縁を保ちかつ熱的に接合したアルマイト層１５を介し、同じく熱電変換素子１０の接合部材１３に取り付けられたアルマイト層１４と接合されている。この熱供給システム１６により、熱電変換素子１０の接合部材１３に温度Ｔ１が供給される。右側の熱電変換素子２０の接合部材２３には電気的絶縁を保ちかつ熱的には熱伝導性が高いアルマイト層２４が接続されている。【００４６】
また、左側の熱電変換素子１０で構成される回路及び右側の熱電変換素子２０で構成される回路は、いずれも、例えば２５対のパイ型ペルチェ素子を直列につないだ回路で構成されており、ペルチェ素子部を含めた回路抵抗は０．３０Ωである。【００４７】
温度Ｔ３の部分と温度Ｔ４の部分とは、ペルチェ効果による吸熱効果と発熱効果が温度Ｔ２の部分とは互いに逆になる回路位置になっていることから、各部の温度の増減は、Ｔ２部分に対してＴ３部分とＴ４部分は逆位相で変化するようになっている。したがって、Ｔ３部分とＴ４部分は、互いに同位相で温度変化をすることが理論的に予想できる。【００４８】
この回路を用いた実験を、以下の手順で行った。【００４９】
まず、（１）不図示の外部電源で外部熱供給システム１６を駆動し、かつ、右側の自己完結駆動型熱エネルギー転送回路のスイッチ１７を開放にした状態で、図２の各部分の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の値がほぼ定常となるように、ペルチェ効果の発熱と回路内の熱伝導、及び回路を囲む空気との間の熱的平衡状態を成立させる。【００５０】
次に、（２）各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４がほぼ熱的平衡状態になった時点で、右側の自己完結駆動型熱エネルギー転送回路のスイッチ１７を短絡（ｃ：ｃｌｏｓｅ）と開放（ｏ：ｏｐｅｎ）を繰り返し、各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４の時間変化を調べる。図３は、スイッチ１７の短絡（ｃｌｏｓｅ）と開放（ｏｐｅｎ）とで、各温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４がどのように変化するかをプロットした図である。図３において、記号（ｃ）と記号（ｏ）で示される縦のラインは、夫々スイッチ１７を短絡（ｃｌｏｓｅ）及び開放（ｏｐｅｎ）した時刻を表している。横軸は経過時間、縦軸は温度（℃）を示す。また、開放（ｏｐｅｎ）状態での右側の自己完結駆動型回路のゼーベック効果による起電圧は約５０ｍＶとなった。【００５１】
この図３から分かるように、スイッチ１７が短絡すると、左側の回路系に近い部分の温度Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３は下がるが、右側の回路の温度Ｔ４は温度が上昇している。このことは、この回路系内においてのペルチェ効果が働いて、熱エネルギーの転送が行われていることを示している。この結果は、理論的予想通りであり、Ｔ２とＴ４の温度変化は互いに逆位相となっている。また、Ｔ３部とＴ４部は互いに同位相で、温度の減少と増加を繰り返すことが分かる。【００５２】
以上の実験結果から、無電源熱電効果熱エネルギー転送回路システムの原理実証を確認できた。なお、ここで用いた右側の無電源熱電効果回路のパイ型ペルチェ素子対の数は２対５と比較的少ないため、ゼーベック効果による起電圧も約５０ｍＶと小さくなっている。また、短絡状態で流れる電流は、０．１７Ａ程度であった。【００５３】
しかし、右側の無電源熱駆動型回路のパイ型ペルチェ素子対の数を、小型のパイ型素子を用いて、本実証実験で用いた熱電変換素子の数の３０倍に相当する数、すなわち、７５０対の回路系を構築することができるならば、パイ型ペルチェ素子の対数に比例するゼーベック効果起電圧は約１．５Ｖとなる。そして、回路抵抗を、例えば０．５オーム程度に低く抑えることができれば、短絡電流も３〜４Ａ程度流すことができ、実験の１０倍の熱エネルギーを転送することができると推定される。【００５４】
次に、図４に基づいて、本発明の第２の実施形態の例について説明する。図４は、熱エネルギー資源を利用してこれを電気エネルギーに変換し、外部負荷回路３７に供給するシステム、すなわち、熱エネルギー資源利用電気エネルギー資源化供給システムの概略模式図を示すものである。【００５５】
図４に示すように、この熱エネルギー資源利用電気エネルギー資源化供給システムにおいては、５段階の異なる温度環境下に１個又は複数の熱電変換素子又は連結導電部材を配置させている。まず、自然界あるいは人工の外部熱源３８から、第１の熱電変換素子グループ３１を構成する熱電変換素子３１ａ〜３１ｃそれぞれの第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂを接合する接合部材ｄに外部温度Ｔ１の熱エネルギーが供給されている。すなわち第１の熱電変換素子グループ３１は最も高温であるＴ１の温度環境下に配置されている。【００５６】
次に高温となるＴ２（Ｔ２＜Ｔ１）の温度環境下には、連結導電部材３２（３２ａ，３２ｂ）が配置されている。この連結導電部材３２は、図示のように互いに平行に位置する２つの導電部材の一端を同じ材質の導電部材で結合したΠ型の導電部材が用いられる。連結導電部材３２を構成する材料としては、例えば、銅，金，白金，アルミニウム等を用いることができる。【００５７】
次に高温となるＴ３（Ｔ３＜Ｔ２）の温度環境下には、第２の熱電変換素子グループ３３を構成する熱電変換素子３３ａ〜３３ｂが配置される。これら第２の熱電変換素子３３ａ〜３３ｂそれぞれの第１の導電部材Ａと第２の導電部材Ｂを接合する接合部材ｄは、温度Ｔ３に維持されている。【００５８】
続いて、温度Ｔ３より低い温度Ｔ４の温度環境下に、第３の熱電変換素子グループ３４を構成する熱電変換素子３４ａ，３４ｂが配置される。この第３の熱電変換素子グループ３４を構成する２つの熱電変換素子３４ａ，３４ｂそれぞれの第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂを接合する接合部材ｄが四番目の温度Ｔ４に維持されるようになっている。【００５９】
もっとも、低い温度環境である温度Ｔ５には、連結導電部材３５が配置されている。この連結導電部材３５も、連結導電部材３２と同様に、互いに平行に位置する２つの導電部材の一端を同じ材質の導電部材で結合したΠ型の導電部材が用いられる。連結導電部材３５を構成する材料も連結導電部材３２を構成する材料と同じものであっても、異なるものであってもかまわない。【００６０】
これらの異なる温度環境下（Ｔ１〜Ｔ５）に置かれた熱電変換素子３１，３３，３４及び連結導電部材３２，３５は、図４に示すように導電性の配線材料により持続されている。すなわち、温度環境Ｔ１に配置された複数の熱電変換素子３１のうちの熱電変換素子３１ａ，３１ｂは、温度環境Ｔ４の熱電変換素子３４の各熱電変換素子３４ａ，３４ｂと図示のように接続される。この接続は、それぞれの熱電変換素子を構成する第１導電部材同士及び第２導電部材同士が配線材料によって接続され、結果として各熱電変換素子がカスケード接続された状態として形成される。【００６１】
また、温度環境Ｔ１の熱電変換素子３１ｂの第１導電部材は、温度環境Ｔ５に設置されるパイ型導電連結部材３５の一方の端子に接続されている。そして、この導電連結部材３５の他方の端子が熱電変換素子３１ｃの第２導電部材に接続され、結果として熱電変換素子３１ｂと３１ｃがカスケード接続された状態となる。【００６２】
同様に、温度環境Ｔ１の熱電変換素子３１ｃの第１導電部材は、温度環境Ｔ３の熱電変換素子３３ａの第１導電部材に接続され、さらに、図示のように、温度環境Ｔ３に配置された熱電変換素子３３と温度環境Ｔ２に配置された導電連結部材３２との間で配線材料による接続が繰り返される。そして、温度環境Ｔ３の熱電変換素子３３の最終段の第２導電部材は負荷抵抗３６の一端に接続される。なお、負荷抵抗３６の他端は熱電変換素子３４ａの第１導電部材に接続されている。負荷抵抗３６の両端電圧は外部負荷３７に供給される。【００６３】
図５は、図４に示した、熱エネルギー資源を利用してこれを電気エネルギーに変換し、外部負荷回路３７に供給するシステムの変形例である。すなわち、図４の例では、熱電変換素子３１ｂの第１導電部材Ａと熱電変換素子３１ｃの第２導電部材Ｂは、連結導電部材３５によって接合されているが、図５に示す変形例では、熱電変換素子３１ｂの第１導電部材Ａと熱電変換素子３１ｃの第２導電部材Ｂは、図４の連結導電部材３５の変わりに、回路切換スイッチ５０に接続され、この回路切換スイッチ５０を介して外部負荷回路３７に接続されている。【００６４】
この回路切換スイッチ５０は、熱電変換素子群３１の温度環境Ｔ１と、熱電変換素子３４の温度環境Ｔ４の大小関係が、変化する場合に切り替え、例えば昼と夜で入れ替わる場合に切り換えられ、常に外部負荷回路３７に流れる電流の向きを同じ方向に制御する働きをしている。【００６５】
すなわち、例えば昼間のＴ１＞Ｔ４の大小関係を有する温度環境の間は、回路切換スイッチ５０は図５の（１）側につながり、ゼーベック起電圧の極性により、外部負荷回路３７に流れる電流の向きは、図の回路の矢印の方向を向いて流れる。しかし、温度環境が変化、例えば時間が経過して夜間になり温度関係が逆転すると、Ｔ１＜Ｔ４の大小関係の温度環境に変わるため、ゼーベック起電圧の極性が温度環境変化前（例えば昼間）とは逆極性になる。このため、回路切換スイッチ５０を図５の（２）側に接続するように回路の結線を切り換えると、外部負荷回路３７に流れる電流の向きは温度環境変化前（例えば昼間）と同じ向きになる。すなわち、図の回路の矢印の方向を向いて流れる。このように、温度環境が変化に応じて（例えば昼と夜とで）スイッチ５０の接続を切り換えることにより、外部負荷回路３７を流れる電流の方向が常時一定になるように制御することが可能となる。【００６６】
なお、図５に示す実施の形態では、一組のスイッチ５０を設けただけであるが、異なる温度環境が複数ある場合には、複数組のスイッチを設けることにより、上記と同様な効果を得ることができることは言うまでもない。【００６７】
図６は、外部負荷として水の電気分解装置３９を用いた応用例、すなわち、熱エネルギーを利用してこれを化学エネルギーに変換して化学エネルギーとして蓄積するシステムを示したものである。【００６８】
この図６に示した応用例において、図４に示す第１の実施形態の例と異なるところは、図４において連結導電部材３５がある位置に、水の電気分解装置３９が設けられていることである。【００６９】
図６の化学エネルギー資源化蓄積システムによれば、熱電変換素子３４ａの第１導電部材Ａが水の電気分解装置３９の水素発生側の電極３９ａに接続されており、熱電変換素子３３ｃの第２導電部材Ｂが水電気分解装置の酸素発生側の電極３９ｂに接続されている。【００７０】
そして、熱電変換素子３４ａと３４ｂは、図４の例と同様に、熱電変換素子３１ａと３１ｂとカスケードに接続されている。熱電変換素子３１ｂの第１導電部材Ａは、上述したように水の電気分解装置３９の酸素発生電極３９ｂに接続され、この水電気分解装置３９の水素発生電極３９ａが熱電変換素子３１ｃの第２導電部材に接続されている。【００７１】
熱電変換素子３１ｃの第１導電部材Ａは、熱電変換素子３３ａの第１導電部材Ａに接続される。そして、熱電変換素子３３ａの第２導電部材Ｂは、温度環境Ｔ２に配置された連結導電部材３２を介して、熱電変換素子３３ｃの第１導電部材Ａにカスケードに接続されている。【００７２】
このように構成された熱エネルギー資源を利用する化学エネルギー資源化蓄積システムにおいては、温度環境Ｔ１を熱電変換素子３１に与える熱源３８と、それより低い温度環境下の連結導電部材３２（Ｔ２）、熱電変換素子３３（Ｔ３）、及び熱電変換素子３４（Ｔ４）との温度差に基づいたゼーベック効果によって矢印の向きに電流が流れる。【００７３】
この電流によって、水電気分解装置３９内に蓄えられた水が電気分解され、水素Ｈ2と酸素Ｏ2が発生する。【００７４】
図７は、図５に示した回路切換スイッチを用いた例を、図６の水の電気分解装置３９を用いた例に適用した例である。すなわち、図６の例では、熱電変換素子３１ｂの第１導電部材Ａは、導電性配線材料を用いて水電気分解装置３９の酸素側電極３９ｂに接続され、水電気分解装置３９の水素側電極３９ａが熱電変換素子３１ｃの第２導電部材Ｂに接続されて、回路形が形成されているが、図６においては、熱電変換素子３１ｂの第１導電部材Ａと熱電変換素子３４ａの第１導電部材Ａは、回路切換スイッチ５０を介して、水電気分解装置３９の酸素側電極３９ｂと水素側電極３９ａに接続されている。【００７５】
この回路切換スイッチ５０は、熱電変換素子群３１の温度環境Ｔ１と、熱電変換素子３４の温度環境Ｔ４の大小関係が、変化する場合、例えば昼と夜で入れ替わる場合に、このスイッチ５０を切り換えることにより、常に水電気分解装置３９に流れる電流の向きを同じ方向に制御する働きをしている。これにより、温度環境の変化を問わず（例えば昼夜を問わず）、水の電気分解装置３９によって、水素Ｈ2と酸素Ｏ2が混ざることなく、別々の貯蔵域に貯めることが可能となる。【００７６】
すなわち、例えば昼間のＴ１＞Ｔ４の大小関係を有する温度環境の間は、回路切換スイッチ５０は図７の（１）側につながり、ゼーベック起電圧の極性により、水電気分解装置３９に流れる電流の向きは、図の回路の矢印の方向を向いて流れる。しかし、温度環境が変化、例えば時間が経過して夜間になり温度関係が逆転すると、Ｔ１＜Ｔ４の大小関係の温度環境に変わるため、ゼーベック起電圧の極性が温度環境変化前（例えば昼間）とは逆極性になる。このため、回路切換スイッチ５０を図７の（２）側に接続するように回路の結線を切り換えると、水電気分解装置３９に流れる電流の向きは温度環境変化前（例えば昼間）と同じ向きになる。すなわち、図の回路の矢印の方向を向いて流れる。このように、温度環境が変化に応じて（例えば昼と夜とで）スイッチ５０の接続を切り換えて制御を行うことにより、水の電気分解装置３９で発生される水素Ｈ2と酸素Ｏ2は、例えば昼夜を問わず、別々の貯蔵庫にため続けることが可能となる。【００７７】
なお、図７に示す実施の形態では、一組のスイッチ５０を設けただけであるが、異なる温度環境が複数ある場合には、複数組のスイッチを設けることにより、上記と同様な効果を得ることができる。【００７８】
図８は、図４に示した熱エネルギーから電気エネルギーに変換して負荷に電圧を与える回路と、図６に示す熱エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄積するシステムを合体した例を示すものである。図４，図６と同様な構成部分は同じ記号を付してある。【００７９】
この図８に示すように、負荷抵抗３６の両端は、熱電変換素子３１と熱電変換素子４１に接続されている。この熱電変換素子３１、負荷抵抗３６（外部負荷３７）、熱電変換素子４１、連結導電部材４０、熱電変換素子３４、熱電変換素子３１に至る閉回路が、熱エネルギーの電気エネルギーへの変換回路を構成している。【００８０】
また、熱電変換素子３１、水の電気分解装置３９、熱電変換素子３３、連結導電部材３２、熱電変換素子３３、熱電変換素子３１、水の電気分解装置３９に至る閉回路が化学エネルギー資源化蓄積システムに相当する。それぞれの回路系については、図４と図６において説明しているので、図８ではその説明を省略する。【００８１】
本発明の実施の形態によれば、熱電変換素子の第１導電部材と第２導電部材の接合部材の対向部、すなわち、接合部材がない側の第１ないし第２の導電部材を、他の熱電変換素子の第１又は第２の導電部材、あるいは連結導電部材と電気的に接合している。【００８２】
そして、このように接合した各熱電変換素子あるいは連結導電部材の吸熱端部又は放熱端部を温度の異なる複数の温度環境下に配置している。すなわち、複数の高温側の熱電変換素子或いは吸熱端部の温度Ｔｎと複数の低温側の熱電変換素子あるいは放熱端部の温度ＴｍとがＴｎ＞Ｔｍの関係を維持できる距離を連結導電部材で接続して確保するようにしている。【００８３】
これにより、複数の連結導電部材の任意の箇所から電気ポテンシャルエネルギーを取り出すことができ、熱エネルギーから電気エネルギーへの複数の直接エネルギー変換電気回路系を構成することができる。また、それらの複数の電気回路系の複合回路系全体が閉じるように回路内の開放端を短絡し、それらの複数箇所で変換した電気エネルギーで複合回路系全体の電流を駆動させることにより、複数箇所にある熱エネルギーを統合して電気エネルギーへ直接エネルギー変換する機能を実現することが可能となる。【００８４】
さらに、変換した電気エネルギーを複合回路系内の任意の箇所に取り付けた出力用端子により外部回路へ供給する機能をも持たせた回路システムを実現することができるとともに、複合回路系内の任意の箇所に電気分解装置や蓄電装置を組み込むことにより電気エネルギーを化学エネルギーにして蓄積する機能を持たせた回路システム系が実現される。【００８５】
さらにまた、この二つの機能を統合した機能を実現した熱エネルギー資源利用電気エネルギー資源化供給及び化学エネルギー資源化蓄積システムを実現することができる。【００８６】
図９は、図４に示した熱エネルギー資源利用電気エネルギー資源化供給システムの変形応用例を示す図である。熱電変換素子群３１を構成する熱電変換素子３１ａは、複数（図９中では２個）の第１導電部材Ａの一端が並列に配置されて吸熱端部を構成する接合部材ｄに接続され、同じく接合部材ｄと接続される第２導電部材Ｂとともにペルチェ・ゼーベック素子を形成している。この複数の第１導電部材Ａの他端は連結導電部材を介してもう一つの接合部材ｄに接続されている。【００８７】
また、熱電変換素子群３１を構成する熱電変換素子３１ｂは、複数（図９中では２個）の第２導電部材Ｂの一端が並列に配置されて吸熱端部を構成する接続部材ｄに接続され、同じく接続部材ｄと接続される第２導電部材Ａとともにペルチェ・ゼーベック素子を形成している。【００８８】
これら熱電変換素子３１ａ又は熱電変換素子３１ｂに見られるように、第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂは複数個（２個以上）を並列に配することができる。このように第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂを複数個並列に接続することにより、熱電変換素子の数及び連結導電部材の数を軽減することができるとともに、連結導電部材に流れる電流を増加させることが可能になる。【００８９】
熱電変換素子群３１を構成する熱電変換素子３１ｃは、第１導電部材Ａ及び第２導電部材Ｂのそれぞれ複数個（図９中では２個）が連結導電部材を介して直列に接続されている。そして複数個直列接続された第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂの一端は連結導電部材を介して接合部材ｄに接続され、Π型のペルチェ・ゼーベック素子が形成される。ここで、接合部材ｄは連結導電部材と同じ材質であるので、接合部材自体が連結導電部材と一体化してΠ型に形成されることになる。直列接続された第２導電部材Ｂの他端はΠ型の連結導電部材３５を介して熱電変換素子３１ｂの第１導電部材Ａの他端に接続されている。同様に、熱電変換素子３１ｃの直列接続された第１導電部材Ａの他端は、連結導電部材を介して熱電変換素子群３３の熱電変換素子３３ａの第１導電部材に接続される。【００９０】
また、熱電変換素子群３２の中の熱電変換素子３２ａの構成も図４に示すものと異なっている。図９に示されるように、熱電変換素子３２ａでは、第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂは、連結導電部材ｄを介して接合部材に接続される。ここでも接合部材がΠ型に形成されている。この熱電変換素子３２ａにおいては、第２導電部材Ｂは複数個が直列接続されることなく、１つだけが連結導電部材を介して吸熱端部を形成する接合部材に接続されているが、第１導電部材Ａは、複数個（図９中では２個）が連結導電部材ｄを介して直列に接続され、その一端の第１導電部材Ａが連結導電部材ｄを介して吸熱端部の接合部材ｄに接続されている。【００９１】
また、熱電変換素子群３４の中の熱電変換素子３４ｂは、第１導電部材Ａが複数個（図９中では２個）並列に配置されてその一端が接合部材ｄと接続され、第２導電部材Ｂが複数個（図９中では３個）並列に配置されてその一端が接合部材ｄと接続されている。前記の各第１導電部材Ａ（２個の第１導電部材Ａ）の他端は連結導電部材を介して他の接合部材ｄに接続され、前記の各第２導電部材Ｂ（３個の第２導電部材Ｂ）の他端は連結導電部材を介して他の接合部材ｄに接続されている。【００９２】
このように、図９に示す変形応用例においては、熱電変換素子群（３１，３２，３４）を構成する熱電変換素子（Π型ペルチェ・ゼーベック素子）の第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂが、並列又は直列に複数個設けられている点が図４に示す実施例と異なっている。【００９３】
ここで、第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂを複数個設けているのは、連結導電部材に比べて断面積の大きい第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂを１つだけ使った場合、回路系を設置する場所や環境により、その１つが破損され、その機能を発揮できなくなる虞があるからである。すなわち、第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂは、ｐ型又はｎ型半導体であるので、外部衝撃や地震等を原因とする外力によって、その半導体部分にひびが入り、回路系が断線して使用不能になりやすい。本例のように、第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂを複数個設けていれば、その１つにひびが入って断線しても、残りの第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂが回路として接続され、その機能を維持することができる。これによって、回路系の長期信頼性を高めることが可能となる。【００９４】
また、第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂそれぞれを、接合部材ｄを用いて複数個並列に接続する場合には、外部回路へ供給する電流を大きくすることが可能となり、この回路系に定電流源の機能を持たせることができる。逆に、並列率を下げると、相対的に回路のゼーベック起電圧が上がり、連結導電部材を介して外部回路を供給する電圧を高くすることが可能となるので、この回路系に定電圧源の機能を持たせることもできる。【００９５】
このことは、電力を供給する負荷システムの要求が、高電圧なのか、あるいは大電流なのかに応じて、柔軟に対応することができることを意味している。つまり、熱電変換回路系の回路構成の並列率の増減で様々な用途に対応することができるようになる。【００９６】
また、熱電変換素子３１ｃに示すように、吸熱端部を構成する接合部材ｄの構造をΠ型に形成するのは、高温度になると相対的にゼーベック係数が小さくなる素材のｐ型あるいはｎ型の半導体が用いられる第１導電部材Ａあるいは第２導電部材Ｂを、高温度でも材質が劣化しない銅などの連結導電部材ｄを介して高温部から遠ざけて接続するためである。これにより、第１導電部材と第２導電部材を高温部から遠ざけて動作温度領域内で使用することが可能になる。【００９７】
また、第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂの両方あるいは一方を、連結導電部材ｄを介して多段に接続するのは、動作温度領域内で熱電変換素子の直列段数を増やすほど、ゼーベック起電圧を高めることができるからである。これは、連結導電部材ｄよりも約２桁大きいゼーベック係数を有する第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂでは、ゼーベック起電圧がその温度勾配の積分値に比例することに起因している。【００９８】
また、第１導電部材と第２導電部材を長尺にしないで、連結導電部材ｄを介して直列段数を増やしているのは、第１あるいは第２導電部材の材料となる半導体が曲げ応力に弱いからである。つまり、第１導電部材Ａあるいは第２導電部材Ｂを長尺にすると、設置場所や対象により外部衝撃や地震などを原因とする外力により、半導体部分にひびが入ったり、回路系が断線して使用不能になる虞が生じる。そこで、第１導電部材Ａと第２導電部材を短尺で形成し、これを銅線などの柔軟な材質の連結導電部材ｄで接続することにより、外力を吸収させるようにする。これにより、回路系の遮断を防ぎ、回路系の長期使用に対する信頼性を高めることができる。【００９９】
また、熱電変換素子３２ａに示すように、第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂの接続段数が同じである必要は必ずしもなく、第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂの全接続段数を増やすことにより、第１導電部材Ａ又は第２導電部材Ｂが破損して回路系が遮断しても、その破損部分を取り替えることなく、連結導電部材で接続することにより、回路系の遮断を回復させることができる。これにより、回路系の更新費用と回復の為の時間を大幅に削減することが可能となる。【０１００】
なお、図９の記載の変形応用例は、図４に示す熱エネルギーを電気エネルギーに変換して外部負荷に供給するシステムの例として説明したが、図５に示す同変形例、及び図６ないし図７に示す化学エネルギー資源化蓄積システムの例、図８に示す熱エネルギー変換電気エネルギー供給及び化学エネルギー資源化蓄積システムの例に対しても、同様な変形応用例が実現できることは明らかである。【０１０１】
以上、本発明の実施の形態とその変形例について、図面を用いて説明したが、本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、なお考えられる種々の形態を含むものであることは言うまでもない。【０１０２】
本発明のような新たな外部電源を必要としない無電源駆動システムを設置すれば、各種の電気機器、燃焼装置やその関連機器類、太陽光や地熱等に由来する外部からの熱が影響する建物や物体等の全ての温度の高くなる部分や空間や領域にある熱エネルギーを、新たな電気エネルギーを使うことなく直接電気エネルギーに変換することができる。【０１０３】
また、熱エネルギーが発生する空間等から遠く離れた空間等へ自動的に熱エネルギーの転送を行い、そこで転送された熱エネルギーの再利用を図ることができる。そして、この熱エネルギーを再利用することによって、系全体として外部電源を削減して無電源駆動の熱電効果による省エネルギー化と熱エネルギーの有効利用が可能となる。【０１０４】
また、熱エネルギーを、それを必要する空間等へ転送する際に、高温の熱エネルギーを自動転送することができるので、ファンや機械的動力部を必要とすることがない。このため、新たな熱機関によるエネルギーや電気エネルギーを使った強制空冷や強制冷却による雑音及び騒音の低減も可能になる。【０１０５】
さらにまた、地球環境内に無尽蔵に存在し、かつ、互いに離れた領域にある高温度から低温度までの利用しにくい熱エネルギーを、使いやすい電気エネルギーへ直接変換して必要な電気機器類に供給することができるようになるので、蓄積することが困難な熱エネルギーを電気エネルギーの形態で蓄電器に蓄積することができる。また、転送された熱エネルギーを利用して水を電気分解し、水素エネルギーへ変換して貯蔵することも可能となり、これによって、エネルギーの化学エネルギー資源化蓄積自己駆動システムを構築することも可能となる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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