JPH05167104A - 蓄熱材を備えた熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱電素子を利用した発電装置において、熱電
素子を最大限の発電効率で作動させることを目的とす
る。 【構成】 高温側接合部と低温側接合部とを有する熱電
素子と、該熱電素子の高温側接合部を加熱する手段と、
該熱電素子の低温側接合部を高温側よりも低温に維持す
る手段とを備え、熱電素子の高温側接合部と低温側接合
部との間の温度差によりゼーベック効果を利用して熱電
発電を行うようになった熱電発電装置において：前記熱
電素子は温度に関してピーク的変化を呈する熱起電力特
性を有し、前記加熱手段と熱電素子の高温側接合部との
間には相変化蓄熱材が少なくとも部分的に介在させてあ
り、前記相変化蓄熱材は、熱電素子の熱起電力特性の前
記ピークを中心とする所与の温度範囲のほぼ上限を限定
する温度において相変化を生じるべく選ばれていること
を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の目的】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電素子を用いた発電
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子を利用して発電を行うことは周
知であり、例えば特開昭62-237226号には、給湯機にお
ける湯水の温度差を利用して発電を行うことが提案され
ている。また、太陽エネルギなどによる熱源を利用して
熱電素子に温度差を与え、発電をすることも知られてい
る。

【０００３】今日の高性能の熱電素子は、一般に、化合
物半導体からなり、例えばｐ型半導体とｎ型半導体とを
熱電対の形に接合することにより構成されている。熱電
素子の高温側接合部と低温側接合部との間に温度差を与
えると、熱起電力が生じ、電位差が発生する。この現象
は、ゼーベック効果として知られている。

【０００４】今日では、熱電素子を形成するための種々
の化合物半導体材料が知られており、熱電素子を構成す
る半導体材料に応じ、熱電素子は異なる熱起電力特性を
有する。即ち、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系半導体材料からな
る熱電素子は約２００℃以下の比較的低温で良好な熱起
電力特性を示し、Ｆｅ−Ｓｉ系半導体材料からなる熱電
素子は３００℃以上の比較的高温で最大の熱起電力特性
を呈する。しかし、異なる材料に共通していることは、
図１に一般的に示したように、熱電素子の熱起電力特性
（例えば、ゼーベック係数Ｓ（Ｖ／Ｋ））は、大なり小
なり、或る温度（図１の例ではＴ_S-MAX）においてピー
クを示す傾向にあるということである。

【０００５】他方、熱電素子が発生する電気エネルギは
ゼーベック係数Ｓのカーブを温度について積分したもの
に等しい。即ち、図１に示した例では、熱電素子が発生
する電気エネルギは、熱電素子の低温側接合部の温度Ｔ
_S-Lと高温側接合部の温度Ｔ_S-Hとの間の面積（図１にシ
ングル・ハッチングで示した領域）に等しい。そこで、
従来の熱電発電においては、熱電素子を形成する熱電半
導体材料の特性に応じて最も良い熱電変換効率で熱電素
子を作動させるため、温度範囲Ｔ_S-L〜Ｔ_S-Hの中心がほ
ぼピーク特性温度Ｔ_S-MAXに一致するように半導体材料
を選択するのが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】斯る選択は、低温側接
合部の温度Ｔ_S-Lおよび高温側接合部の温度Ｔ_S-Hが一定
不変である限り、その初期の目的を達成することができ
る。

【０００７】しかしながら、従来技術においては、熱電
素子の高温側接合部を加熱するための熱源の温度が変動
するような条件下において、熱電素子を最大限の発電効
率で作動させるという工夫は全くなされていない。

【０００８】本発明の目的は、熱電素子の高温側接合部
を加熱するための熱源の温度が変動するような条件下で
熱電発電を行う場合において、熱電素子をなるべく常時
最大限の発電効率で作動させ、熱電素子が発生する総電
気エネルギを増加させることの可能な熱電発電装置を提
供することにある。

【０００９】

【発明の構成】

【課題を解決するための手段および作用】このため、本
発明は、次のような新規な知見に立脚するものである。

【００１０】即ち、再び図１を参照するに、本発明の発
明者は、熱電素子の熱起電力特性は前述したように温度
に関してピーク的変化を呈するので、熱電素子の高温側
接合部の温度が理想的温度範囲（Ｔ_S-L〜Ｔ_S-H）の上限
温度Ｔ_S-Hを超えるような条件においては、この温度超
過分の熱エネルギにより発生される追加的電気エネルギ
（図１にクロス・ハッチングで示した領域の面積に等し
い）はそれ程大きいものではなく、従って、より高い発
電効率による熱電変換にこの追加的熱エネルギを有効利
用することにより、熱電素子が発電する電気エネルギを
全体として増加させることができる、ということを見出
したものである。

【００１１】そこで、本発明の原理は、熱源の温度が前
記上限温度Ｔ_S-Hを超える場合には、この上限温度Ｔ_S-H
を超える追加的熱エネルギを一時的に相変化蓄熱材に蓄
えておき、熱源の温度が前記温度Ｔ_S-Hを下回るときに
は蓄熱材に蓄えられた熱エネルギを放出させて熱電素子
の高温側接合部を加熱することにより、出来るだけ熱電
発電効率の良い温度範囲（Ｔ_S-L〜Ｔ_S-H）で熱電素子を
作動させようというものである。

【００１２】このため、本発明の熱電発電装置は、熱電
素子が温度に関してピーク的変化を呈する熱起電力特性
を有し、熱電素子の高温側接合部を加熱する手段と熱電
素子の高温側接合部との間には相変化蓄熱材が少なくと
も部分的に介在させてあり、前記相変化蓄熱材は、熱電
素子の熱起電力特性の前記ピークを中心とする所与の温
度範囲（Ｔ_S-L〜Ｔ_S-H）のほぼ上限を限定する温度（Ｔ
_S-H）において相変化を生じるべく組成が選ばれている
ことを特徴とするものである。

【００１３】図１を参照するに、熱源の温度が上限温度
（Ｔ_S-H）を中心として温度△Ｔだけ変動するような条
件下では、本発明の蓄熱材が無い場合には、熱源温度が
Ｔ_S-HからＴ_S-H＋△Ｔまで増加することにより得られる
追加的電気エネルギは図１にクロス・ハッチングで示し
た領域の面積に等しいにすぎない。

【００１４】これに対して、本発明によれば、蓄熱材は
温度（Ｔ_S-H）において相変化を生じるべく組成が選ば
れているので、熱源温度がＴ_S-HからＴ_S-H＋△Ｔまで増
加する際の追加的熱エネルギは先ず蓄熱材に相変化潜熱
として蓄熱される。この間、熱電素子は図１にシングル
・ハッチングで示した面積に相当する電気エネルギを生
産している。次に、熱源温度がＴ_S-HからＴ_S-H−△Ｔま
で低下する際には、この潜熱は放出され、熱電素子の高
温側接合部を温度Ｔ_S-Hに維持するので、温度Ｔ_S-H−△
Ｔから温度Ｔ_S-Hまでの面積に相当する電気エネルギが
潜熱の放出により得られることになる。明らかに、この
電気エネルギは、本発明の蓄熱材が無い場合に得られる
電気エネルギ（図１にクロス・ハッチングで示した領域
の面積に等しい）より大きいので、本発明によれば、全
体としてより高い効率の熱電変換を行うことができる。

【００１５】本発明の上記特徴や効果、ならびに、他の
特徴や利点は、以下の実施例の記載に従い更に明らかと
なろう。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を示す添付図面を参照
しながら、本発明をより詳しく説明する。

【００１７】図２は本発明の熱電発電装置を給湯用の混
合弁装置に適用した実施例を一部断面図で示す模式図、
図３は図２に示した熱電発電装置の蓄熱槽を取り外した
ところを示す斜視図、図４は図２に示した熱電発電装置
の熱電素子モジュールの部分斜視図である。

【００１８】図２を参照するに、この実施例に係る熱電
発電装置１０は、給湯機（図示せず）から供給される約
７０℃強の湯と水道水との間の温度差を利用して本発明
に従い発電を行い、得られた電力で混合弁装置１２を駆
動するようになっている。

【００１９】即ち、図２に示したように、この発電装置
１０は、熱電素子モジュール１４と、この熱電素子モジ
ュールに伝熱接触関係で配置された２つの熱交換パイプ
１６および１８を備えている。湯用の熱交換パイプ１６
は給湯機（図示せず）から湯の供給を受け、熱電素子モ
ジュール１４の高温側接合部および蓄熱槽２０内の蓄熱
材に熱エネルギの一部を伝えると共に、混合弁装置１２
の湯入口２２に湯を供給する。水道水の供給を受ける水
用の熱交換パイプ１８は、熱電素子モジュール１４の低
温側接合部を冷却すると共に、混合弁装置１２の水入口
２４に水を送る。これらの熱交換パイプ１６、１８は図
３に示したように蛇行させてあり、熱電素子モジュール
と効果的に熱交換を行うようになっている。

【００２０】図４に示したように、熱電素子モジュール
１４は、ｐ型半導体２６とｎ型半導体２８とを金属板３
０によって熱電対の形に接合することにより一対の熱電
素子３２を構成してなり、同一列の隣り合う熱電素子３
２は金属端子３４によって互いに直列に電気接続されて
いる。また、前後の列の熱電素子３２も例えば金属板３
６によって互いに直列に電気接続されている。このよう
にして、互いに直列接続された１００以上の対の熱電素
子３２によって１つのモジュール１４を構成することが
できる。夫々の熱電素子モジュール１４は電気絶縁性で
伝熱性のアルミナ・セラミック基板３８および４０によ
って支持されている。湯用の熱交換パイプ１６と伝熱接
触するセラミック基板３８は夫々の熱電素子３２の高温
側接合部としての金属板３０を加熱し、水用の熱交換パ
イプ１８と伝熱接触するセラミック基板４０は夫々の熱
電素子３２の低温側接合部を冷却する。湯用の熱交換パ
イプ１６に供給される湯の温度が約７０℃強と比較的低
温であることに鑑み、熱電素子モジュール１４は、この
前後の温度範囲で良好な熱電変換能力を有するＢｉ−Ｔ
ｅ系の半導体材料で形成するのが好ましい。この半導体
材料は、理想的作動温度範囲の上限温度Ｔ_S-H（図１参
照）が約７０℃となるように組成を選択することができ
る。

【００２１】熱電素子モジュール１４が発生した電力
は、充電可能なバッテリ４２に一旦送られ、そこから混
合弁１２を制御するための制御回路４４に供給される。

【００２２】湯水混合弁１２は従来型のもので、湯入口
２２および水入口２４から夫々の逆止弁４６および４８
を介して流入した湯と水はバランス弁５０によって同一
圧力に調整された後、制御弁５２および５４によって流
量制御される。湯用の制御弁５２と水用の制御弁５４は
同じ構成を有するので、湯用の制御弁５２のみについて
説明するに、制御弁５２はダイアフラム５６に固定され
た可動弁体５８を有し、この可動弁体５８はリニア・ア
クチュエータ６０のモータ６２によって駆動されるプラ
ンジャ６４により出口パイプ６６に押圧されるようにな
っている。可動弁体５８には中央開口６８およびオリフ
ィス７０が設けてある。従って、モータ６２の回転によ
りプランジャ６４が可動弁体５８を押圧して出口パイプ
６６に密着させたときには、弁体５８の開口６８もプラ
ンジャ６４によって閉鎖され、湯の供給は停止する。こ
の状態では、混合弁装置１２の出口７２は大気圧下にあ
り、他方、オリフィス６８を介して圧力室７４内には供
給圧力が作用しているので、可動弁体５８は出口パイプ
６６の断面積に作用する供給圧力とプランジャ６４の圧
力とによって出口パイプ６６に押圧されており、湯の供
給を確実に遮断する。制御回路４４からの指令によりモ
ータ６２が回転してプランジャ６４が図２中右方に退却
すると、可動弁体５８は出口パイプ６６を開放し、湯の
供給が開始される。湯の流量はプランジャ６４の変位に
より定まる。水用の制御弁５４の動作も同様である。従
って、制御回路４４により夫々の制御弁５２および５４
を制御することにより、湯水の供給をオン／オフ制御す
ると共に、湯水の混合比を変えて供給湯温を要求温度に
可変制御することができる。供給湯温はサーミスタ７６
によって検出され、制御回路４４にフィードバックされ
る。斯く温度調節された温水は例えばシャワーヘッド７
８に送られる。

【００２３】図２に示したように、この実施例では、蓄
熱槽２０は、セラミック基板３８と、そこに液密に装着
された断熱材からなるハウジング８０とで形成されてい
る。本発明に従い、蓄熱槽２０内には相変化蓄熱材８２
が装入してある。給湯機（図示せず）から供給される湯
の温度が約７０℃強であることを考慮すれば、蓄熱材８
２は約７０℃の温度で相変化が起こる蓄熱材組成物を選
択するのが好ましく、例えば、Ｃ₃₂Ｈ₆₆をベースとする
融点約７０℃のパラフィンワックス組成物を使用するこ
とができる。

【００２４】この場合、給湯機から約７０℃強の湯が熱
交換パイプ１６に供給されているときには、熱交換パイ
プ１６は熱電素子モジュール１４の基板３８に直接伝熱
接触しているので、湯の熱エネルギの一部は熱交換パイ
プ１６を介して熱電素子モジュール１４の高温側接合部
を直接に加熱し、ゼーベック効果により電力を発生さ
せ、バッテリ４２を充電する。同時に、熱エネルギの一
部は熱交換パイプ１６から蓄熱材８２に伝達され、蓄熱
材を融解するために消費される。融解に消費された熱エ
ネルギは潜熱として蓄熱材８２に蓄えられる。

【００２５】給湯が停止すると、熱交換パイプ１６内の
湯の温度は次第に低下し始めると共に、蓄熱材への熱の
供給も停止する。しかしながら、蓄熱材８２は蓄えた潜
熱の放出を開始するので、潜熱の放出が終了するまでの
間は蓄熱材は熱電素子モジュール１４の高温側接合部お
よび熱交換パイプ１６を７０℃の温度に維持する。従っ
て、その間は、熱電素子モジュール１４は最良の効率で
発電を継続し、発生した電力をバッテリ４２に供給し続
ける。

【００２６】このように、本発明によれば、相変化蓄熱
材８２があるので、給湯が一時的に中断した場合でも、
熱電素子モジュール１４をできるだけ高い発電効率で暫
時作動させることができ、全体として湯の熱エネルギを
有効に熱電変換することができる。また、給湯が一時的
に停止しても、給湯時に蓄熱した潜熱を利用して暫時発
電が行われるという利点もある。

【００２７】図５は本発明の原理を太陽熱発電に適用し
たところを示す模式図である。この実施例では、本発明
の熱電発電装置１００は、太陽の輻射エネルギを熱源と
している。太陽の輻射エネルギは反射鏡１０２によって
収束され、黒色に着色されたホットプレート１０４を加
熱する。後述する理由により、反射鏡１０２は、熱電発
電装置１００の典型的稼働条件においてホットプレート
１０４を平均３５０〜４５０℃に加熱するように設計す
るのが好ましい。ホットプレート１０４の熱は蓄熱槽１
０６に伝えられ、伝熱性で電気絶縁性のハウジング１０
８内に収容された相変化蓄熱材１１０に熱を与える。ホ
ットプレート１０４の反対側において、蓄熱槽１０６に
は熱電素子モジュール１１２が伝熱関係で接触させてあ
る。

【００２８】図６に、熱電素子モジュール１１２の１例
を示す。このモジュール１１２は、高温で良好な熱起電
力特性を呈するＦｅ−Ｓｉ系の半導体材料で形成されて
いると共に、その高温側接合部が３５０〜４５０℃の温
度に耐えられるように設計されている。即ち、熱電素子
モジュール１１２は、ｐ型半導体１１４とｎ型半導体１
１６からなる多数対の熱電素子をアルミナ・セラミック
基板１１８の長手方向に配置してなる。各熱電素子のｐ
型半導体１１４とｎ型半導体１１６とはそれらの上端に
おいてホットプレス法により直接に接合されて高温側接
合部１２０を形成している。このようにホットプレス法
によって接合されているので、高温側接合部１２０は高
温で劣化することがない。前後の熱電素子対のｐ型半導
体１１４とｎ型半導体１１６とは金属端子１２２により
互いに直列に電気接続されている。このようにして、数
十対から１００対の以上の対の熱電素子を直列接続する
ことにより熱電素子モジュール１１２が形成されてい
る。モジュール中の両端の金属端子にはプラス端子１２
４およびマイナス端子１２６が接続され、バッテリまた
は電力消費機器（図示せず）への接続に使用される。セ
ラミック基板１１８はヒートシンクとして作用するもの
で、その裏面に設けた放熱フィン１２８（図５）その他
の冷却手段により冷却される。

【００２９】今日利用可能なＦｅ−Ｓｉ系半導体材料か
らなる熱電素子においては、ゼーベック係数は３００〜
４００℃の温度でピークＴ_S-MAX（図１参照）を示す。
従って、熱電素子モジュール１１２の理想的作動温度範
囲の上限温度Ｔ_S-H（図１参照）は３５０〜４５０℃で
あると考えられる。従って、本発明の目的を達成するた
めには、ホットプレート１０４が３５０〜４５０℃の温
度に加熱され、この温度において相変化蓄熱材１１０が
蓄熱できることが好ましい。斯る条件を充たす蓄熱材と
しては、ＫＣｌ−ＭｎＣｌ₂−ＮａＣｌ混合物、ＫＣｌ
−ＭｇＣｌ₂−ＮａＣｌ混合物、ＫＣｌ−ＭｇＣｌ₂混合
物、等があり、混合比率を変えることにより融点を調節
することができる。約４００℃に融点を有する混合物と
しては、ＫＣｌ（22mol%）−ＭｇＣｌ₂（51mol%）−Ｎ
ａＣｌ（27mol%）が知られており、その融点は３９６℃
であり、潜熱は２９０ＫＪ／Ｋｇ程度である。

【００３０】この太陽熱利用熱電発電装置１００は、そ
れが設置される場所の気象条件に応じ、ホットプレート
１０４が、日中平均、３５０〜４５０℃、例えば４００
℃、の温度に加熱されるように設定することが望まし
い。夜明けに伴い収集された太陽輻射エネルギがホット
プレート１０４を加熱し始めると、蓄熱材１１０は先ず
顕熱を吸収し、昇温する。蓄熱材の温度が上昇するにつ
れて、発電装置１００は発電し始める。蓄熱材の温度が
その融点（例えば、４００℃）に達すると、蓄熱材は潜
熱を吸収し始めると共に、発電装置１００は最大効率で
発電を行う。好天のためホットプレート１０４からの熱
の供給がさらに続くと、潜熱の蓄積が飽和に達して蓄熱
材は融解し、蓄熱材は顕熱を蓄える。

【００３１】気象が悪化し、ホットプレート１０４の温
度を例えば４００℃に維持できないような曇天になる
と、蓄熱材１１０は潜熱の放出を始め、潜熱の放出が終
了して凝固するまでは、ホットプレート１０４の温度を
４００℃に維持する。従って、その間は、発電装置１０
０は最大効率の発電を継続する。

【００３２】このように、本発明によれば、熱電素子の
熱起電力特性と蓄熱材の相変化温度とを相関させること
により、太陽熱利用発電においては、太陽輻射エネルギ
の量が変動しても最良の発電効率で熱電発電装置を稼働
させることができる。

【００３３】以上の実施例の記載では、本発明は給湯機
および太陽熱利用発電に適用されるものとして説明した
が、本発明は斯る応用分野に限定されるものではなく、
熱源の温度が変動する（熱の供給が中断する場合も含
む）ようなあらゆる環境に本発明を適用することができ
る。

【００３４】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
熱源の温度が変動するような条件下でも、熱電素子を常
時最大限の発電効率で作動させ、熱電素子が発生する総
電気エネルギを増加させることができる。

【００３５】従って、太陽熱利用発電においては、太陽
輻射エネルギの量が変動しても最良の発電効率で熱電発
電装置を稼働させることができる。

【００３６】さらに、給湯機のような応用分野において
は、給湯を一時的に中断した場合でも、良好な発電効率
で発電を暫時継続することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、温度に関する熱電素子の熱起電力特性
の変化を示すグラフであり、縦軸はゼーベック係数を表
し、横軸は温度を表す。

【図２】図２は、本発明の熱電発電装置を給湯用の混合
弁装置に適用した実施例を一部断面図で示す模式図であ
る。

【図３】図３は、図２に示した熱電発電装置の蓄熱槽を
取り外したところを示す斜視図である。

【図４】図４は、図２に示した発電装置の熱電素子モジ
ュールの部分斜視図である。

【図５】図５は、本発明の原理を太陽熱発電に適用した
ところを示す模式図である。

【図６】図６は、図５に示した発電装置の熱電素子モジ
ュールの斜視図である。

【符号の説明】

１０、１００：発電装置 １４、１１２：熱電素子モジュール １６、１０４：高温側接合部加熱手段 １８、１２８：低温側接合部冷却手段 ８２、１１０：相変化蓄熱材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温側接合部と低温側接合部とを有する
   熱電素子と、該熱電素子の高温側接合部を加熱する手段
   と、該熱電素子の低温側接合部を高温側よりも低温に維
   持する手段とを備え、熱電素子の高温側接合部と低温側
   接合部との間の温度差によりゼーベック効果を利用して
   熱電発電を行うようになった熱電発電装置において：前
   記熱電素子は温度に関してピーク的変化を呈する熱起電
   力特性を有し、 前記加熱手段と熱電素子の高温側接合部との間には相変
   化蓄熱材が少なくとも部分的に介在させてあり、 前記相変化蓄熱材は、熱電素子の熱起電力特性の前記ピ
   ークを中心とする所与の温度範囲のほぼ上限を限定する
   温度において相変化を生じるべく選ばれていることを特
   徴とする熱電発電装置。