JP2005137159A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子を用いて連続的に安定して発電を行う。
【解決手段】本発明の一態様は、一端と他端の温度差に基づいて発電する熱電変換モジュール２と、熱電変換モジュール２の一端側を冷却するためのファン４ａと、ファン４ａを回転させるモータ４ｂとを具備する発電装置１である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、機器等の排熱を用いて発電を行う発電装置に関する。

一般的に熱電変換素子には、２つの利用形態がある。

第１の利用形態では、熱電変換素子は、直流電流の供給により冷却又は放熱を起こすペルチェ効果を用いる局部的な冷却装置に利用される。

第２の利用形態では、熱電変換素子は、温度差に基づいて電気を発生するゼーベック効果を用いる発電装置に利用される。

一方、次世代の低環境負荷型電源として、特許文献１〜３に示すような太陽電池を用いた太陽電池システム、特許文献４，５に示すような燃料電池システムが検討されている。
特開２０００−１７４３０８号公報 特開２０００−１７４３１７号公報 特開２０００−１７４３１８号公報 特開２０００−１６４２３２号公報 特開２０００−１６４２３３号公報

従来の太陽発電システムには、日照条件によって太陽電池の発電量が変動するという問題があり、また電源部を外部に設置する必要がある。

また、従来の燃料電池システムには、発電のために水素の供給が必要であり、このために燃料価格が高くなるという問題がある。

本発明を実現するにあたって講じた具体的手段について以下に説明する。

本発明の一態様は、一端と他端の温度差に基づいて発電する熱電変換素子と、熱電変換素子の一端側を冷却するためのファンと、ファンを回転させるモータとを具備する発電装置である。

本発明においては、熱電変換素子の一端側を冷却するファンを具備することにより、熱電変換素子の一端と他端の間の温度差を維持することができ、繰り返し使用、長期連続使用した場合であっても発電効果の低下を抑制できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において同一の要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

（第１の実施の形態）
本実施の形態では、熱電変換素子の一端側に冷却フィンとファンとを具備し、機器の熱源部から熱電変換素子の他端に熱を伝導する熱伝導材料を具備する発電装置について説明する。

図１は、本実施の形態に係る発電装置の構成の一例を示す断面図である。

発電装置１は、熱電変換モジュール２、冷却フィン３、ファン４ａとモータ４ｂを具備するファンユニット４、熱伝導体５を具備する。なお、この図１において、熱電変換モジュール２は熱伝導体５を介して機器の熱源部（放熱部）１２と接している。これに加えて、熱電変換モジュール２と冷却フィン３との間に熱伝導体を具備してもよい。

熱電変換モジュール２は、異種金属を接合した場合に生じるゼーベック効果を用いて発電を行う熱電変換素子を具備する。

本実施の形態では、熱電変換素子の主成分は、ビスマスとテルルから構成されるとし、熱電変換素子として、例えばＢｉＴｅ素子などが用いられる。

図２は、熱電変換素子の一例を示す断面図である。

熱電変換素子７は、π型のような形にＰ型素子８ａとＮ型素子８ｂとが接合されて形成される。熱電変換素子７は、接合されている２種の金属間の温度差に応じて電位差を発生し、発電する。

図３は、熱電変換モジュール２の一例を示す断面図である。

熱電変換モジュール２は、複数の熱電変換素子７を直列に接続した構成である。

熱電変換モジュール２は、熱電変換素子７を多数直列に接続しているため、大きな起電力を得ることができる。

図４は、熱電変換素子の２種金属の接合部間の温度差と電圧との関係の一例を示す図である。

２種の金属間の温度差が大きくなるほど、電圧も大きくなり、大きな電力が発生する。

冷却フィン３は、熱電変換モジュール２の一方の面（熱電変換素子の一端）に具備される。例えば、冷却フィン３の主成分は、銅又はアルミニウムとする。

ファンユニット４は、熱電変換モジュール２の一方の面から冷却フィン３に伝わった熱を冷却する。本実施の形態において、ファンユニット４は、冷却フィン３を介して熱電変換モジュールの一方の面と対向するように設置される。

ファンユニット４のモータ４ｂは、熱電変換モジュール２で発生した電力の一部を配線４ｃ経由で取得し、この電力を用いてファン４ａを回転させる。

熱伝導体５は、熱電変換モジュール２の他方の面（熱電変換素子の他端）に具備される。熱伝導体５の一方の面は、熱電変換モジュール２の他方の面と接する。熱伝導体５の他方の面は、機器の熱源部１２と接する。

熱伝導体５を具備することにより、発電装置１の熱伝導の応答性が向上し、熱源部１２の温度が経時変化する場合の有効性が増す。

熱伝導体５の主成分としては、例えば銅、アルミニウム、銀、シリコンを用いることができる。熱伝導体５は、板状、グリース、ゲルなど様々な状態の材質とすることができる。

図５は、熱伝導体５の一例を示す上面図である。

図６は、熱伝導体５の一例を示す断面図である。

本実施の形態では、熱伝導体５は、熱源部１２から熱電変換モジュール２への熱容量を調整するために、低熱伝導体５ａと高熱伝導体５ｂを組み合わせて構成される。この図５，６では、低熱伝導体５ａに、円筒状の高熱伝導体が組込まれた状態を例として表している。

発電装置１は、熱源部１２に対して、磁石、ネジ止め、挟み込み、溶接、ハンダ付け、ロウ付けのうちの少なくとも一つの手法で、取り付けられる。

図７は、ファン４ａによる冷却状態の第１例を示す図である。

この図７では、ファン４ａの回転により、熱電変換モジュール２の一方の面からファンユニット４の方向（吹き付け方向の逆方向）に冷却風が発生する。これにより、熱電変換モジュール２の一方の面の温度が低下する。

図８は、ファン４ａによる冷却状態の第２例を示す図である。

この図８では、ファン４ａの回転により、ファンユニット４から熱電変換モジュール２の一方の面の方向（吹き付け方向）に冷却風が発生する。これにより、熱電変換モジュール２の一方の面の温度が低下する。

以上説明した本実施の形態に係る発電装置１は、熱源部１２からの熱を熱電変換モジュール２が電気に変換し、発電を行う。

熱電変換モジュール２によって発生した電気の一部によってモータ４ｂがファン４ａを回転させる。

このファン４ａの回転により、熱電変換モジュール２の一方の面が空冷され、時間が経過しても熱電変換モジュール２の一方の面と他方の面との温度差が維持される。

したがって、熱電変換モジュール２の一方の面と他方の面との温度差が維持されることにより、連続的な発電が可能となる。

図９は、熱源部１２の温度が８０℃の場合の発電量と時間との関係の一例を示す図である。

熱電変換モジュール２の一方の面がファン４ａの回転により冷却されない場合、熱電変換モジュール２の発電量は、時間の経過とともに低下する。これは、熱電変換モジュール２の一方の面と他方の面との間で温度差が維持されないためである。

しかしながら、本実施の形態に係る発電装置１では、熱電変換モジュール２によって発電された電気の一部がファン４ａを駆動するモータ４ｂに供給され、ファン４ａの回転により熱電変換モジュール２の一方の面が冷却される。

これにより、長時間にわたって発電量を維持することができ、熱源部１２に発電装置１を設置することにより連続的に安定して発電を行うことができる。

なお、本実施の形態に係る発電装置１は、熱電変換モジュール２の一方の面とファンユニット４との間に冷却フィン３を具備している。

しかしながら、この冷却フィン３を削除し、熱電変換モジュール２の一方の面にファンユニット４を設置するとしてもよい。

（第２の実施の形態）
本実施の形態では、上記第１の実施の形態の変形例について説明する。

図１０は、本実施の形態に係る発電装置の構成の一例を示す断面図である。

発電装置１３は、上記第１の実施の形態に係る発電装置１とファンユニット４の位置が異なる構成を持つ。

本実施の形態に係る発電装置１３は、冷却フィン３の側面側にファンユニット４を設置している。

上記第１の実施の形態に係る発電装置１では、熱電変換モジュール２の一方の面とほぼ垂直な方向に冷却風が発生するが、発電装置１３では、熱電変換モジュール２の一方の面とほぼ平行な方向に冷却風が発生する。

なお、発電装置１３で発生する冷却風の向きは、冷却フィン３への吹き付け方向でもよく、吹き付け方向と逆の方向でもよい。

本実施の形態に係る発電装置１３でも、上記第１の実施の形態の場合と同様の作用により、同様の効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
本実施の形態では、上記第１の実施の形態に係る発電装置１又は第２の実施の形態に係る発電装置１３の熱源部１２への設置例について説明する。なお、以下においては、上記第１の実施の形態に係る発電装置１について説明するが、上記第２の実施の形態に係る発電装置１３についても同様の状態で熱源部１２に設置することができる。

図１１は、発電装置１の配電盤への設置状態の一例を示す正面図である。

また、図１２は、発電装置１の配電盤への設置状態の一例を示す側断面図である。

配電盤１４の基盤カバー１４ａの正面外部に、発電装置１と開閉ノブ１４ｂとが備えられている。

また、基盤カバー１４ａ内部の配電盤本体１４ｃに、発電装置１が備えられている。

２台の発電装置１は、それぞれ基盤カバー１４ａと配電盤本体１４ｃからの熱に基づいて発電を行う。

図１３は、発電装置１のコンプレッサへの設置状態の一例を示す正面図である。

また、図１４は、発電装置１のコンプレッサへの設置状態の一例を示す側面図である。

コンプレッサ１５の正面には、取付け台１５ａが設けられている。コンプレッサ１５の上部には、ダクト１６が接続されている。

発電装置１は、コンプレッサ１５に設けられた取付け台１５ａに設置され、コンプレッサ１５からの熱に基づいて発電を行う。

本発明は、熱電変換素子を用いて発電を行う分野に有効である。

本発明の第１の実施の形態に係る発電装置の構成の一例を示す断面図。 熱電変換素子の一例を示す断面図。 熱電変換モジュールの一例を示す断面図。 熱電変換素子の２種金属の接合部間の温度差と電圧との関係の一例を示す図。 熱伝導体の一例を示す上面図。 熱伝導体の一例を示す断面図。 ファンによる冷却状態の第１例を示す図。 ファンによる冷却状態の第２例を示す図。 熱源部の温度が８０℃の場合の発電量と時間との関係の一例を示す図。 本発明の第２の実施の形態に係る発電装置の構成の一例を示す断面図。 発電装置の配電盤への設置状態の一例を示す正面図。 発電装置の配電盤への設置状態の一例を示す側断面図。 発電装置のコンプレッサへの設置状態の一例を示す正面図。 発電装置のコンプレッサへの設置状態の一例を示す側面図。

符号の説明

１，１３…発電装置、２…熱電変換モジュール、３…冷却フィン、４…ファンユニット、４ａ…ファン、４ｂ…モータ、４ｃ…配線、５…熱伝動体、７…熱電変換素子

Claims (13)

1. 一端と他端の温度差に基づいて発電する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子の一端側を冷却するためのファンと、
   前記ファンを回転させるモータと
   を具備する発電装置。
2. 前記モータは、前記熱電変換素子によって発電された電力に基づいて前記ファンを回転させることを特徴とする請求項１記載の発電装置。
3. 前記熱電変換素子の主成分は、ビスマスとテルルとであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の発電装置。
4. 前記熱電変換素子と前記ファンとの間に、前記熱電変換素子の一端側を冷却するための冷却フィンを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発電装置。
5. 前記冷却フィンの主成分は、銅又はアルミニウムであることを特徴とする請求項４記載の発電装置。
6. 前記熱電変換素子の他端は、機器の熱源部側に設置されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の発電装置。
7. 磁石、ネジ止め、挟み込み、溶接、ハンダ付け、ロウ付けのうちの少なくとも一つの手法で、前記機器の熱源部に取り付けられることを特徴とする請求項６記載の発電装置。
8. 前記機器は、配電盤又はコンプレッサであることを特徴とする請求項６又は請求項７記載の発電装置。
9. 前記熱電変換素子の他端側に、熱伝導材料を具備したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の発電装置。
10. 前記熱電変換素子と前記冷却フィンとの間に、熱伝導材料を具備したことを特徴とする請求項４又は請求項５記載の発電装置。
11. 前記熱伝導材料の主成分は、銅、アルミニウム、銀、シリコンのうちの少なくとも一つであり、前記熱伝導材料は、板材、グリース、ゲルのいずれかであることを特徴とする請求項９又は請求項１０記載の発電装置。
12. 前記熱伝導材料は、高熱伝導材料と低熱伝導材料とを組み合わせて構成されることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれか１項に記載の発電装置。
13. 前記熱伝導材料の一方の面は、前記熱電変換素子の他端と接し、前記熱伝導材料の他方の面は、前記機器の熱源部に接することを特徴とする請求項９乃至請求項１２のいずれか１項記載の発電装置。

Images