論文 / 著書情報
Article / Book Information
論題

冷却を行いつつ発電する「フロー熱電発電」の創出 〜強制対流冷却の場面からの電気エネルギー回収技術〜

著者

村上陽一

出典

電気評論, Vol. 103, No. 12, pp. 66-69

発行日

2018, 12Powered by T2R2 (Tokyo Institute Research Repository)

論 文

若手研究者を中心とした研究・技術開発の取り組み

冷却を行いつつ発電する「フロー熱電発電」の創出～強制対流冷却の場面からの電気エネルギー回収技術～

東京工業大学村上

陽

一＊

たいない，ありがたいもの」と前提的に捉える論旨

1. は じ め にが見られる。この視点ではしばしば「廃熱」の語が熱エネルギーを電気エネルギーに変換する「熱電使われ，この語は，図１（a）のイメージで描かれる発電技術」が存在する。これまで，この研究開発のような「随意に使える，使わないともったいない資ほぼすべては，固体材料を用いて行われてきている。

源」という印象を与える。確かに，火力発電所やご一方，広く社会と産業において，機器の運転に使うみ焼却所から最終段の冷却水として出た温水を地域

燃料や電力を消費した結果として，熱が出ている。の集合暖房等に使う場合などは，その通りである。

これらの二つのことは，どのように結びつくのであ

これは「環境に放出された後の熱エネルギー」であろうか？すなわち，「機器から熱が出るから，それるため，特に制約なく随意に使えるからである。

をもったいないとして，機器の熱発生面に固体の熱しかし，タービン・エンジン・データセンターの電材料を貼り付ければよい」というシンプルな考え

CPU 群などの機器から発生する熱のほとんどは「排は正しいのだろうか？この問は，理学的な問ではな熱」であり，この熱は上の「廃熱」とは工学的に区く，システムとして考えたときの工学的な問である。

別されるべき熱であることに注意を要する。すなわ

この問に答えるためには，熱の種類を状況によっ

ち，機器から出る「排熱」は，図１（b）のイメージて分類し，その「工学的な性質」を見極める必要がで描かれるような，積極的除去（機器温度抑制）のある。本稿ではまず，このような発生熱が工学的に義務が課された「やっかいな熱」なのである。そのはどのように見なされるべきかを述べた後，上のよ理由を以下に説明する。熱機関（熱を仕事や電力にうなシンプルな結びつけが必ずしも工学的には妥当変換する機械・機器の総称）では，高い効率を追求でないことを示し，最後に，その問題に対するシスし維持するために，熱力学の第二法則の要請により，テム的な考察から筆者が着想・創出した本稿表題の機器における熱を捨てる側の温度（排熱面温度）を「フロー熱電発電」の概略を説明する。

努力して下げる必要がある2）。そのため，すべての本稿は一般向けの解説論文であり，また本成果が熱機関は，熱力学の原理的要請によって，積極的な現在投稿準備中であることから，測定データ等の詳冷却が本質的に必要となっている。一方，CPU や細なデータ提示は行わない。データの一部は，最新パワー素子などの電子機器では，アレニウスの速度ではないものの，既に学会の予稿論文1）として発表

論の式（指数関数型の式）によって，温度が上がるとを行っているので，そちらを参照頂きたい。なお，急激に故障や誤動作の発生率が増大するため，これ本稿は公益財団法人 東電記念財団の財団ニュース

らの機器も積極的冷却が本質的に必要となっている。

（No. 51，2018年８月発行）に筆者が執筆した記事にこのような「やっかいな熱」の除去は，実際の多もとづくものであり，当財団の承諾の上，その一部

くの場合，強制対流冷却3）によって行われている。

を本稿に用いていることをお断りしておく。

自動車やタービンには様々な強制対流冷却機構が搭載され，多くの電子機器にも空冷や液冷の機構が搭2. 発生熱の工学的な分類載されている。このように，熱を発生する多くの機固体の熱電変換材料の研究者や研究領域において，器は，排熱面温度を可能な限り下げるべく，「どんしばしば発生熱を，状況によらず「使わないともっどん発生してしまう熱（図１（b））」と戦っているの＊ むらかみである。従って，このような熱までを，特段の義務

よういち

電気評論

工学院

2018．12准教授

JST さきがけ兼務

66

なく使える資源であるかのような印象を与える「廃」

T 排熱面，そこに到来する流体の温度が T 流体なら，排熱と呼ぶのは不適切となる。現在，様々な研究領域

熱面に設置された熱電素子の両面間には T 排熱面 －において，これらの区別されるべき二種類の熱が，T 流体 程度の温度差 ΔT がつく」というものである。

しばしば用語的にも概念的にも混同されている。

この前提に対して，正しい理解の鍵を与えるのは
図２（b）の「熱抵抗」の考え方である。固体では，熱抵抗 R は熱伝導率に反比例し，材料の厚さに比例する。また，熱流 Q の移動方向の温度降下は Rに比例する。すなわち，熱抵抗の考えは，電気におけるオームの法則のアナロジーである（図２（b））。
重要なのは，通常は，図２（a）のように，固体面近傍の流体中に形成される「温度境界層」の熱抵抗が支配的になるという点である（専門的には，Biot 数3）
は通常１より十分小さい，と言う）。このため，通常の対流冷却の状況では，全体の温度降下（熱源→環境の温度降下）に占める固体内での温度降下の割合は小さいものとなる。従って，通常の状況では，排熱面と流体との間に固体の熱電素子板を挿入したとしても，定常状態ではその素子の両面間に有意な大きさの ΔT はつかず（図２（c）），上の前提にもとづいて期待される発電量は得られないことになる。
（注：ステップ状に排熱面温度を上げた直後の過渡的状態の間は一時的に大きな ΔT が得られるが，これは実際の使用を模すものではない。）このことは，熱電素子板を二流体間熱交換器の隔壁に使う場合に図１も同様である。

工学的に性質が異なる二種類の熱の模式図（a）随意に利用可能な熱，（b）努力して除去する義務が課せられた熱熱電素子がそれに期待される発電を行うには，定常状態でつく素子両面間の温度差 ΔT が有意に大きい必要がある。そのため，現在，熱電材料分野では材料パラメーター（ZT 値）の増大が追求されている。

3. 従来研究の期待成果のシステム的考察

そして，そのために，しばしば「材料の熱伝導率を下げる（＝熱抵抗を上げる）」ことを目的とした研上述のように，熱機関や電子機器は，運転に伴い究が行われている。

熱を発生する。これまで，多くの熱電材料研究が，このような機器から出る熱エネルギーを電力としてこのような目的追求を，適用される機器の排熱面回収することを期待成果に掲げ，行われてきている。

まで含めて考えると，以下のようになる。すなわち，

これは，固体熱電材料（以下，素子）の両端につけ熱電発電の量的増大を望み，図２（d）のように熱抵た温度差 ΔT にほぼ比例した電位差が素子両端間に抗が高い（＝熱伝導の悪い）固体素子で排熱面を覆生じ（ゼーベック効果），その間に導線をつなぐとうと，熱電素子には望みに近い ΔT がつくのかもし電力が取り出せるというものである。本節では，これないが，環境の温度（図では T 流体）は一定なので，のような期待成果が妥当なものかどうか，システムこの ΔT は母機器に引き起こされる温度上昇になるの観点から考察してゆく。

（図２（d））。前節で述べたように，機器からの発生システムには，必ず図２（a）のような「固体－流熱は「随意に使えるありがたい熱（図１（a））」では体（液体または気体）の界面」が存在する。熱電材

なく，「積極除去の義務が課せられたやっかいな熱料の研究では，しばしば適用先に熱機関や電子機器（図１（b））
」である。すなわち，熱電素子を有意化などの排熱面が想定される。そこでしばしば明示的するために，機器と環境との間に有意な大きさの熱または暗黙に仮設される前提は，「排熱面温度が抵抗を挿入し，親機器に温度上昇を招くことは，通電気評論

2018．1267

に立った新しい熱電発電技術を創出する必要を認識し，その過程で「流体側で熱電発電ができれば有利な点が多い」ことに気づいたのが，表題の研究の着手のきっかけとなった。少し学術的に書くと，機器の積極的冷却の場面（図１（b）の状況）における「もったいない」の本質は，積極的な冷却行為自体にあるのである。すなわち，非平衡熱力学の表現4）を用いれば，自由エネルギーの散逸レートが，流束（今の場合は熱流）×駆動力（今の場合は温度の対数の勾配）に比例するということである。言い換えると，強制対流冷却の場面における「もったいない」は，除かれる熱の量そのものにあるのではなく，急峻な温度差を用いて多量の熱を移動させている強制対流冷却行為にあるのである。（このことは，恐らく一般にはよく認識されていないと思われる。）
具体的に，上述の着想の実現方法として，熱電発電能をもつ液体を冷却の作動流体として機器の排熱面に対流させることで，「冷却を行ないつつ発電する」というのが，筆者の着想である。前述のように，通常の機器の多くには既に強制対流冷却が存在しており，そこには固体－流体界面，すなわち温度境界層があるので，そこには大きな ΔT がついている。
そして，そここそが「もったいない」の発生の場所である。この技術では，固体熱電材料のように大きな ΔT を得るために苦労する必要がなく，かつ，流体側の温度境界層につく ΔT を用いるので前述のシステム上のジレンマを引き起こさない。また，流れ

図２ （a）固体−流体界面の断面模式図，（b）熱抵抗 R の説明，（c）（d）固体素子板（＊印）の挿入による温度分布の変化をデザインすることによる設計自由度も得られる。
筆者は，この着想の具体化において，（現在油冷で主に行われている）200℃程度までの機器排熱面の冷却に適用できるように「イオン液体（難揮発・不燃な常温溶融塩）5）」に酸化還元対を溶解させたもの

常，工学的には許容されないことである。
一方，排熱面を「覆う」ことを嫌い，排熱面の一を作動流体とし，その実証セルの開発と特性解明を部のみに熱電素子を設置するなら，熱流は（電流と行ってきた1），6）。これまでの研究から，本着想によ同様に）ほとんどこの素子を通過しては流れないのって模擬排熱源に対する強制対流冷却から発電を行で素子両端には有意な ΔT はつかず，熱電素子を設えることを実証し，さらに発電セルに作動流体を通置すること自体の意味が薄れる。二流体間熱交換器

過させる必要ポンプ仕事を上回る発電量が得られるの隔壁に熱電素子板を用いる場合にも同じ議論が成ことを見出すなど，当初の期待を上回る有望な結果り立つ。すなわち，このような従来研究では，材料が得られている1），6）。

パラメータ増大の追求は行われていても，システム

5. まとしての妥当性や工学的な成立可能性についてはほとんどと言ってよいほど検証されてこなかった。

本稿で紹介したフロー熱電発電は，本質的に必要だ，システムの観点から成立可能な新技術である。
本発電技術は，適用が主に想定されるタービンやエこのような問題認識から，筆者はシステムの観点
2018．12

めな強制対流冷却に，液体側での熱電発電を組み込ん

4. フロー熱電発電の着想と概説

電気評論と68ンジン等の熱機関・電子機器への適用に加え，ゆく成（基礎研究，2015年４月～2018年３月）の支援に先には，宇宙空間や月面等において自律的な冷却とより着手・実施することができた。本研究提案を採温度制御を行う電力発生システムの創出につながる択して頂いた東電記念財団，および，３年間にわたことが期待される。イオン液体は，液体である温度り数々の有益な助言を賜った当助成の審査員の先生

域が広く蒸気圧は無視できるほど低い ため，真空方に深く感謝申し上げる。

5）

中で配管が破損しても沸騰も蒸発もせず，また，火
参考文献

炎を近づけても着火しない不燃性も有している5）ため，幅広い環境で高い安全性が得られる長所がある。
また，イオン液体に限らず，他の液体を本技術に使３）F. P. Incropera and D. P. DeWitt, Fundamentals of Heat andは根本的に異なるユニークな特長によって，様々なMass Transfer, 4th Ed., Wiley, 1996.

産業場面と宇宙などの極限的な環境において，本技

４）K. S. Førland et al., Irreversible Thermodynamics: Theory andApplications, Wiley, 1988.

術，すなわち「冷却を行いつつ発電する技術」が適５）N. V. Plechkova and K. R. Seddon,“Applications of ionic

用できる場面は，数多く存在すると考えている。

liquids in the chemical industry,”Chem. Soc. Rev., vol. 37,

辞

pp. 123－150, 2008.
６）Y. Ikeda, Y. Murakami et al., to be submitted.

本研究は，公益財団法人 東電記念財団の研究助

電気評論2018．12

文，2017.
２）JSME テキストシリーズ，熱力学，日本機械学会，2002.

用することも可能である。以上のような従来技術と謝

１）池田，福井，村上，第54回日本伝熱シンポジウム講演論

69