(57)【要約】【課題】熱電変換効率を高め、発電能力を向上させるとともに、冷却装置としても使用できる冷却兼発電装置、および該冷却兼発電装置を用いた冷却兼発電システムを提供せんとする。【解決手段】冷却対象物９に当接される当接面を有し、該当接面を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の吸熱体２と、該吸熱体２の外面上に、ｐ型とｎ型とが交互に間隔をあけて並んで複数突設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔３０を有する熱電変換素子３Ａ，３Ｂと、隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材４１，４２と、各熱電変換素子３Ａ，３Ｂの前記貫通孔３０に冷却用流体を流通させる流路５とを備え、吸熱体２から熱が伝達された熱電変換素子３Ａ，３Ｂを冷却用流体により冷却することで温度勾配を付与し、発電と同時に冷却器として機能する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象物に当接される当接面を有し、該当接面を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の吸熱体と、
該吸熱体の外面上に、ｐ型とｎ型とが交互に間隔をあけて並んで突設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子と、
隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材と、
各熱電変換素子の前記貫通孔に冷却用流体を流通させる流路とを備え、
前記吸熱体から熱が伝達された熱電変換素子を冷却用流体により冷却することで温度勾配を付与し、発電と同時に冷却器として機能する、冷却兼発電装置。
【請求項２】
前記電極材が、隣接する各熱電変換素子の対面する貫通孔開口領域の内部又は近傍間に渡設される第１の電極材と、隣接する各熱電変換素子の吸熱体に突設している基端部又は近傍間に渡設される第２の電極材とよりなる請求項１記載の冷却兼発電装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の冷却兼発電装置と、
ｐ型とｎ型とが交互に間隔をあけて並設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子、
隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材、
各熱電変換素子における前記貫通孔が開口する両開口面に、それぞれ第１の流体を通過させる貫通孔が開口している第１の領域と、前記第１の流体よりも低温の第２の流体を通過させる貫通孔が開口しているか、或いは貫通孔が開口しておらず、前記第２の流体がその表面に沿って流れる第２の領域とを設定し、隣接する各熱電変換素子の対面する第１の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第１の領域に対して第１の流体を順次供給する第１の流路、
並びに、隣接する各熱電変換素子の対面する第２の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第２の領域に対して第２の流体を順次供給する第２の流路を備え、前記第１の流体の熱を前記熱電変換素子を通じて第２の流体に排出することで温度勾配を付与し、発電と同時に第１の流体の放熱器として機能する、放熱兼発電装置と、
前記冷却兼発電装置の前記流路から出た冷却用流体を、前記放熱兼発電装置の第１の流体として前記第１の流路に導く排熱流路と、
を備える冷却兼発電システム。
【請求項４】
前記放熱兼発電装置の第１の流路から出た流体を、前記冷却兼発電装置の冷却用流体として前記流路に戻すための戻し流路と、
前記排熱流路および戻し流路を通じて前記冷却兼発電装置と放熱兼発電装置との間で冷却用流体を循環させるポンプと、
をさらに備える請求項３記載の冷却兼発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却を兼ねた発電装置、及び該発電装置を用いたシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電変換を利用した発電装置として、低温側電極と高温側電極の間に、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子が挟持された構造のものが広く知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような熱電変換モジュールは、異なる部位に温度差を与えることで、高温部と低温部との間に電位差を生じさせるゼーベック効果を利用した発電装置として知られている。【０００３】
しかし、このような従来の発電装置の分野では、熱電変換素子の両端に大きな温度差を与えて熱電変換効率を上げるため、素材の熱伝導率を下げ、両端に大きな温度差を与えることにのみ注目されていた。
また、従来のヒートシンク等の冷却装置の分野では、放熱性のみが注視され、廃熱の有効利用がなされていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−１１１３２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、熱電変換効率を高め、発電能力を向上させるとともに、冷却装置としても使用できる冷却兼発電装置、および該冷却兼発電装置を用いた冷却兼発電システムを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下の発明を包含する。
（１）  冷却対象物に当接される当接面を有し、該当接面を通じて冷却対象物の熱が伝達される金属製の吸熱体と、該吸熱体の外面上に、ｐ型とｎ型とが交互に間隔をあけて並んで突設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子と、隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材と、各熱電変換素子の前記貫通孔に冷却用流体を流通させる流路とを備え、前記吸熱体から熱が伝達された熱電変換素子を冷却用流体により冷却することで温度勾配を付与し、発電と同時に冷却器として機能する、冷却兼発電装置。【０００７】
（２）  前記電極材が、隣接する各熱電変換素子の対面する貫通孔開口領域の内部又は近傍間に渡設される第１の電極材と、隣接する各熱電変換素子の吸熱体に突設している基端部又は近傍間に渡設される第２の電極材とよりなる（１）記載の冷却兼発電装置。【０００８】
（３）  （１）又は（２）記載の冷却兼発電装置と、ｐ型とｎ型とが交互に間隔をあけて並設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔を有する複数の熱電変換素子、隣接する前記熱電変換素子同士を電気接続する電極材、各熱電変換素子における前記貫通孔が開口する両開口面に、それぞれ第１の流体を通過させる貫通孔が開口している第１の領域と、前記第１の流体よりも低温の第２の流体を通過させる貫通孔が開口しているか、或いは貫通孔が開口しておらず、前記第２の流体がその表面に沿って流れる第２の領域とを設定し、隣接する各熱電変換素子の対面する第１の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第１の領域に対して第１の流体を順次供給する第１の流路、並びに、隣接する各熱電変換素子の対面する第２の領域間を連通させ、各熱電変換素子の前記第２の領域に対して第２の流体を順次供給する第２の流路を備え、前記第１の流体の熱を前記熱電変換素子を通じて第２の流体に排出することで温度勾配を付与し、発電と同時に第１の流体の放熱器として機能する、放熱兼発電装置と、前記冷却兼発電装置の前記流路から出た冷却用流体を、前記放熱兼発電装置の第１の流体として前記第１の流路に導く排熱流路と、を備える冷却兼発電システム。【０００９】
（４）  前記放熱兼発電装置の第１の流路から出た流体を、前記冷却兼発電装置の冷却用流体として前記流路に戻すための戻し流路と、前記排熱流路および戻し流路を通じて前記冷却兼発電装置と放熱兼発電装置との間で冷却用流体を循環させるポンプと、をさらに備える（３）記載の冷却兼発電システム。
【発明の効果】
【００１０】
以上にしてなる本発明にかかる冷却兼発電装置によれば、熱電変換素子と冷却用流体との間の熱交換が、貫通孔を有する大伝熱面積で行われ、従来の発電装置に比べて熱電変換効率が著しく向上するとともに、冷却対象物から効率よく熱を奪って冷却用流体に伝えることができ、効率よく冷却対象物を冷却するヒートシンクとして機能する、効率の良い冷却兼発電装置を提供することができる。【００１１】
また、本発明にかかる冷却兼発電システムによれば、冷却対称物の熱が、上記のとおり冷却兼発電装置により冷却用流体に効力よく排熱するとともに発電し、さらに、熱を吸収した冷却用流体が通過する放熱兼発電装置により、冷却用流体の熱を放熱するとともに発電し、冷却兼発電装置と放熱兼発電装置の２回にわたって熱電変換されるため、冷却対象物を効率よく冷却すると同時に、より大きな電気エネルギーを回収することができる。また、放熱兼発電装置で冷却用流体の熱が放熱されるため、この冷却用流体を再度、冷却兼発電装置に戻し、効率よく循環利用させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の代表的実施形態に係る冷却兼発電装置を示す斜視図。
【図２】本発明の代表的実施形態に係る冷却兼発電システムを示す説明図。
【図３】同じく冷却兼発電システムに用いる放熱兼発電装置を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。まず、図１に基づき、本発明の代表的実施形態に係る冷却兼発電装置を説明する。
【００１４】
本発明の冷却兼発電装置１は、図１に示すように、冷却対象物９に当接される当接面２０を有し、該当接面２０を通じて冷却対象物９の熱が伝達される金属製の吸熱体２と、該吸熱体２の外面２１上に、ｐ型とｎ型とが交互に間隔をあけて並んで突設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔３０を有する複数の熱電変換素子３Ａ，３Ｂと、隣接する熱電変換素子３Ａ，３Ｂ同士を電気接続する電極材４と、各熱電変換素子３Ａ，３Ｂの貫通孔３０に冷却用流体を流通させる流路５とを備えている。
【００１５】
このような冷却兼発電装置１は、吸熱体２から熱が伝達された熱電変換素子３Ａ，３Ｂを、流路５を通過する冷却用流体によって冷却することで温度勾配を生じさせ、発電と同時に冷却器として機能するものである。
【００１６】
熱電変換素子３Ａ，３Ｂは、ｐ型熱電変換素子（３Ａ）とｎ型熱電変換素子（３Ｂ）とが交互に並設されている。熱電変換素子３Ａ／３Ｂの材料としては、ｐ型熱電変換素子又はｎ型熱電変換素子として用いることができる公知の材料を広く適用することができる。
【００１７】
各熱電変換素子３Ａ，３Ｂが有している貫通孔３０は、たとえば熱電変換素子の無垢材にドリル加工やレーザ加工など公知の方法で形成することもできるが、加工コストが高価に及ぶこと、加工時間に長時間を要することなどから量産性に欠く。本例の熱電変換素子３Ａ，３Ｂは、凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス熱電材料成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる貫通孔を有する多孔材で構成され、貫通孔３０は、前記切断により分断された前記気孔である。このようにロータス型ポーラス熱電材料成形体から切り出した多孔材を用いることで、一方向に延びる多数の貫通孔３０を有する熱電変換素子３Ａ／３Ｂを低コスト且つ容易に得ることができる。
【００１８】
このようなロータス型ポーラス熱電材料成形体は、高圧ガス法（Pressurized Gas Method）（例えば特許第３２３５８１３号公報開示の方法）や、熱分解法（Thermal Decomposition Method）など、公知の方法で成形することができる。ロータス型ポーラス熱電材料成形体から切り出した多孔材よりなる熱電変換素子３Ａ／３Ｂには、貫通孔３０以外に貫通していない有底の孔も存在するが、このような有底の孔も開口面の表面積を増大させる効果があり、流体との間の伝熱を促進する効果がある。
【００１９】
熱電変換素子３Ａ／３Ｂの形状は、本例では貫通孔３０の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的小さい扁平な板状とされているが、その他の種々の形状に構成しても勿論よい。例えば、貫通孔の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的長い立体形状などにすることも好ましい例である。
【００２０】
流路５は、具体的には対面する領域Ｒ間に設けられる断熱材からなる複数のチューブ５０（管体）より構成されている。各チューブ５０は、端面が熱電変換素子３Ａ，３Ｂの貫通孔３０が開口する開口面に接合された状態に設けられている。チューブ５０は、冷却用流体を内部に流通させる管である。このようにチューブ５０を用いることで、気孔が形成されやすいロータス型ポーラス熱電材料成形体よりなる熱電変換素子の適所に流路を形成することが容易となる。また、断面積が定まるチューブ５０を用いることで、設計どおりの性能を安定して得ることができる。
【００２１】
より具体的には、チューブ５０は、各熱電変換素子３Ａ，３Ｂの上記開口面に対して流体が管内外に洩れないようにシールされた状態に接合されている。符号５１は当該接合箇所のシール部である。このシール部は、ろう付けでもよいし、流体に応じて最適な公知のシール剤を用いることができる。例えば、フッ素ゴム、シリコーン系ゴム、ニトリルゴムなどを用いることができる。これらシール剤をチューブ５０の端部に塗布して開口面に接合することもできるし、あらかじめ環状に成形したシート状のシール材をチューブ端部と開口面との間に挟み込むように設けてもよい。
【００２２】
電極材４としては、隣接する各熱電変換素子３Ａ，３Ｂの対面する貫通孔開口領域Ｒの内部間に渡設される第１の電極材４１と、隣接する各熱電変換素子３Ａ．３Ｂの吸熱体２に突設している根元部である基端部３１間に渡設される第２の電極材４２とが各熱電変換素子３Ａ，３Ｂ間に交互に設けられている。これら電極材４１、４２により、ｎ型、ｐ型の熱電変換素子が直列に電気接続され、大きい電圧を取り出すことが可能となるように構成されている。
【００２３】
具体的には、各熱電変換素子３Ａ，３Ｂの基端部３１が冷却対象物９の熱を吸熱体２を通じて受け取るとともに、当該熱の温度に対してより低温の冷却用流体を流路５に流すことで、各熱電変換素子１０３Ａ、１０３Ｂ中で基端部３１から領域Ｒの方向に温度差が生じ、ゼーベック効果により各素子に生じた電圧を上記電極材４１、４２を通してまとめて取り出すことができる。
【００２４】
電極材４１は領域Ｒの内部間を接続しているが、領域Ｒの近傍で接続してもよい。電極材４２についても、同じく基端部３１の近傍で接続してもよい。たとえば、本例では基端部３１の基端面に設けられ、各熱電変換素子３Ａ，３Ｂは電極材４２を介して吸熱体２に立設されているが、基端面を直接吸熱体２に密着させ、電極材４２は各熱電変換素子３Ａ，３Ｂの基端部３１に近い開口面又は側端面に接続したものでもよい。
【００２５】
また、本実施形態では、各熱電変換素子３Ａ，３Ｂに冷却用流体を通す貫通孔を有する領域を一つのみ設定し、該領域間に冷却用流体の流路５を設けたものであるが、各熱電変換素子３Ａ，３Ｂに上記領域を複数設け、各領域間に冷却用流体の流路（及び電極材）を設けたものでもよい。
【００２６】
また、流路５はチューブ５０ではなく、板状の隔壁などで構成したものでも勿論よい。たとえば熱電変換素子の前記基端部と反対側である上半分の面を隔壁で囲んで流路とすることも好ましい。貫通孔３０は、流路５を通す領域Ｒ又はその周辺にのみ設けたものでもよい。
【００２７】
次に、本発明に係る冷却兼発電装置に対して放熱兼発電装置を組み合わせてなる、本発明に係る冷却兼発電システムの代表的実施形態について、図２及び図３に基づき説明する。
【００２８】
本実施形態の冷却兼発電システムＳは、図２に示すように、上述の第１実施形態にかかる冷却兼発電装置１に対して、さらに該冷却兼発電装置１の流路５から排出された、冷却対象物９の熱を吸収した冷却用流体を取り込み、その熱を放熱する過程で、さらなる発電を行う放熱兼発電装置１０１を組み合わせたシステムである。
【００２９】
放熱兼発電装置１０１は、図３にも示すように、ｐ型とｎ型とが交互に間隔をあけて並設され、各々対向面に開口する複数の貫通孔１３０を有する複数の熱電変換素子１０３Ａ、１０３Ｂと、隣接する熱電変換素子１０３Ａ，１０３Ｂ同士を電気接続する電極材１０４と、各熱電変換素子１０３における貫通孔１３０が開口する両開口面に、それぞれ第１の流体を通過させる貫通孔１３０が開口している第１の領域Ｒ１、並びに、第１の流体よりも低温の第２の流体を通過させる貫通孔１３０が開口している第２の領域Ｒ２を設定し、隣接する各熱電変換素子１０３Ａ，１０３Ｂの対面する第１の領域Ｒ１間を連通させ、各熱電変換素子の第１の領域Ｒ１に対して第１の流体を順次供給する第１の流路１５１と、隣接する各熱電変換素子の対面する第２の領域Ｒ２間を連通させ、各熱電変換素子の第２の領域Ｒ２に対して第２の流体を順次供給する第２の流路１５２とを備えている。
【００３０】
放熱兼発電装置１０１は、第１の流体の熱を熱電変換素子１０３Ａ，１０３Ｂを通じて第２の流体に排出することで温度勾配を付与し、発電と同時に第１の流体の放熱器として機能する。第２の領域は、貫通孔が開口しておらず、前記第２の流体がその表面に沿って流れる領域としてもよい。
【００３１】
熱電変換素子１０３Ａ，１０３Ｂは、冷却兼発電装置１の熱電変換素子３Ａ，３Ｂと同様、ｐ型熱電変換素子（１０３Ａ）とｎ型熱電変換素子（１０３Ｂ）とが交互に並設され、材料としてはｐ型熱電変換素子又はｎ型熱電変換素子として用いることができる公知の材料を広く適用することができる。また、貫通孔１３０は、たとえば熱電変換素子の無垢材にドリル加工やレーザ加工など公知の方法で形成することもできるが、熱電変換素子３Ａ，３Ｂと同様、凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス熱電材料成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる多孔材で構成され、貫通孔１３０は、前記切断により分断された前記気孔である。
【００３２】
形状についても、熱電変換素子３Ａ／３Ｂと同様、本例では貫通孔１３０の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的小さい扁平な板状とされているが、その他の種々の形状に構成しても勿論よい。例えば、貫通孔の延びている厚み方向の長さの寸法が比較的長い立体形状などにすることも好ましい例である。
【００３３】
第１の流路１５１は、対面する第１の領域Ｒ１間に設けられる複数の断熱材からなるチューブ５０（管体）より構成されている。各チューブ５０は、端面が熱電変換素子１０３Ａ，１０３Ｂの貫通孔１３０が開口する開口面に接合された状態に設けられている。チューブ５０は、第１の流体を内部に流通させる管であるが、外側に第２の流体を流通させる流体間の隔壁として機能する。このようにチューブ５０を用いることで、気孔が形成されやすいロータス型ポーラス熱電材料成形体よりなる熱電変換素子の中央付近に流路を形成することが容易となる。また、断面積が定まるチューブ５０を用いることで、設計どおりの性能を安定して得ることができる。
【００３４】
第２の流路１５２は、図示しない容器壁面で囲まれた低温の熱浴とされている。容器壁面がなく大気開放の形態としてもよい。このように本例では第２の流路１５２が熱浴となるため、第２の領域Ｒ２は流体通過孔が無くてもよい。すなわち、第２の領域Ｒ２は、流体通過孔が開口しておらず、前記第２の流体がその表面に沿って流れる領域としてもよい。
【００３５】
電極材１０４は、隣接する各熱電変換素子の対面する第１の領域Ｒ１の内部間に渡設される第１の電極材１４３と、隣接する各熱電変換素子の対面する第２の領域Ｒ２の内部又は近傍間に渡設される第２の電極材１４４とよりなり、これら電極材１４３、１４４が交互に設けられている。これら電極材１４３、１４４により、ｎ型、ｐ型の熱電変換素子が直列に電気接続され、大きい電圧を取り出すことが可能となるように構成されている。
【００３６】
具体的には、上述の冷却兼発電装置１から排出された比較的高温の冷却用流体を第１流体として第１の流路１５１に流すとともに、第１の流路１５１を構成する各チューブ５０とともに各熱電変換素子１０３Ａ，１０３Ｂの領域Ｒ２を低温の熱浴中に浸すことで、各熱電変換素子１０３Ａ、１０３Ｂ中で熱流体の流れの中心部（領域Ｒ１）から外向き（周囲の領域Ｒ２）に、熱流体の流れに垂直な方向に温度差が生じ、ゼーベック効果により各素子に生じた電圧をまとめて取り出すことができる。
【００３７】
本例では、各熱電変換素子１０３Ａ／１０３Ｂに、中央部の第１の領域Ｒ１と周囲の第２の領域Ｒ２とがそれぞれ一つづつ設定されているが、このような配置に何ら限定されず、いずれも複数設定されてもよい。たとえば、チューブが接続される第１の領域Ｒ１を複数設けることもできるし、また、たとえば第１の領域Ｒ１で第２の領域を左右に分断するようにして第２の領域を二つ以上設定することもできる。
【００３８】
また、第２の流路１５２として熱浴の代わりに第１の流路１５１と同じく断熱材よりなるチューブで構成したものでもよい。このように双方の流路１５１、１５２をともにチューブで構成することで、流路を形成しやすく、また、設計どおりの性能を安定して得ることができ、さらには、両流路１５１、１５２間、すなわちチューブ間に大きな隙間が維持され、両者間の断熱性が高まり、熱電変換効率をより向上させることができる。
【００３９】
また、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とを左右に区分けする板状の隔壁を、各熱電変換素子１０３Ａ／１０３Ｂの間に設け、これら隔壁を境に第１の流体を流通させる流路１５１と第２の流体を流通させる流路１５２とが左右に設けられるものでもよい。
【００４０】
本実施形態の冷却兼発電システムＳは、図３に示すように、放熱兼発電装置１０１で放熱された冷却用流体を再度、冷却兼発電装置１に戻すようにしている。具体的には、冷却兼発電装置１の流路５から出た冷却用流体を、放熱兼発電装置１０１の第１の流体として第１の流路１５１に導く排熱流路６０と、放熱兼発電装置１０１の第１の流路１５１から出た流体を、冷却兼発電装置１の冷却用流体として流路５に戻すための戻し流路６１と、これら排熱流路６０および戻し流路６１を通じて冷却兼発電装置１と放熱兼発電装置１０１との間で冷却用流体を循環させるポンプ６２とをさらに備えている。ただし、戻し流路６１やポンプ６２を省略し、冷却用流体を循環させない構成としてもよい勿論よい。
【００４１】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、吸熱体２の外面に上記熱電変換素子３Ａ，３Ｂ以外の放熱補助用の別途のヒートシンクフィン等の冷却器を併設したもの、たとえば熱電変換素子３Ａ，３Ｂに続けて従来からのヒートシンクフィンをさらに並設し、流路５を貫通させたものなど、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００４２】
Ｓ  冷却兼発電システム
１  冷却兼発電装置
２  吸熱体
３Ａ，３Ｂ  熱電変換素子
４  電極材
５  流路
９  冷却対象物
２０  当接面
２１  外面
３０  貫通孔
３１  基端部
４１、４２  電極材
５０、５２、５３  チューブ
５１  シール部
６０  排熱流路
６１  流路
６２  ポンプ
１０１  放熱兼発電装置
１０３Ａ，１０３Ｂ  熱電変換素子
１０４  電極材
１３０  貫通孔
１４３  電極材
１４４  電極材
１５１  第１の流路
１５２  第２の流路
Ｒ、Ｒ１、Ｒ２  領域
【図１】
2020138288.tif 000003
【図２】
2020138288.tif 000004
【図３】
2020138288.tif 000005
【国際調査報告】
2020138288.tif 000006
2020138288.tif 000007
2020138288.tif 000008
2020138288.tif 000009