JP2003092433A - 熱電効果装置，エネルギー直接変換システム，エネルギー変換システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 再利用可能で無公害かつ無尽蔵に存在する自
然界の熱エネルギーを利用した循環型かつ開放系のエネ
ルギー源を獲得することを可能とした発熱効果装置を用
いて、地球温暖化を抑制できる自己駆動型エネルギー直
接変換系を提供する。 【解決手段】 ペルチェ効果素子群とゼーベック効果素
子群を任意の距離だけ離した熱エネルギー転送部Ｇ１、
電力発生部Ｇ３、電気分解部Ｇ４を備え、熱エネルギー
転送と電気エネルギー変換と加圧圧縮・蓄積・貯蔵・搬
送の容易な水の電気分解回路による水素ガスと酸素ガス
の化学エネルギー源を人工的に作ることにより、熱エネ
ルギーの利用と電力の利用および化学エネルギーの利用
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、異なる形態にある
エネルギーの相互変換もしくは熱エネルギー転送を行う
装置とその系に係り、特に自然界に存在する熱エネルギ
ーを電気エネルギーや化学エネルギーに直接変換もしく
は転送する熱電効果装置，エネルギー直接変換システ
ム，エネルギー変換システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在におけるエネルギーの利用形態は、
化石燃料，原子力，水力等を非可逆的に利用するものが
殆どであり、特に化石燃料の消費は地球の温暖化や環境
破壊を増大させる要因となっている。所謂クリーンエネ
ルギーとして、太陽光発電，風力発電，あるいは水素ガ
スなどを消費することにより、環境への負荷を低減させ
る努力が漸く実現化の緒についたが、化石燃料や原子力
に代替し得るに程度には至っていない。

【０００３】自然界に存在する熱エネルギーを電力等の
直接利用可能な形態に変換するものとして、ゼーベック
効果を利用した熱電変換素子（以下、ゼーベック素子と
称する）が知られ、前記の化石燃料や原子力の代替エネ
ルギーとして研究開発が行われている。前記ゼーベック
素子は、それぞれゼーベック係数が異なる２種類の導体
（または半導体）を接触して構成され、両導体の自由電
子数の差により電子が移動して両導体に間に電位差を生
じるものであり、この接点に熱エネルギーを与えること
によって、自由電子の動きが活発となり、熱エネルギー
を電気エネルギーへ変換することができ、これを熱電効
果という。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記のゼーベ
ック素子のような直接発電素子では十分な電力が得られ
ず、小規模なエネルギー源としての利用に限られるた
め、その応用形態も限定されているのが現状である。

【０００５】一般的に、前記のようなゼーベック素子
は、加熱部と冷却部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効果素子（以下、ペルチェ素
子と称する）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。

【０００６】このため、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。また、一般
的なペルチェ素子とゼーベック素子とを用いたエネルギ
ー利用は一方向的なものであり、例えば一度使用したエ
ネルギーを再度利用するように循環形態を構成するとい
う技術思想は何らなかった。

【０００７】これからのエネルギー開発は、前記のよう
に、地球の温暖化や環境の破壊を引き起こすことなく、
かつ再利用を図る方向でなければならず、これが今後に
おけるエネルギー開発に欠かせない大きな課題となって
いる。

【０００８】本発明は、前記課題の解決を図るものであ
り、自然界において無公害かつ無尽蔵に存在する自然界
の熱エネルギーを利用（再利用）することにより、例え
ば熱エネルギー，電気エネルギー，化学エネルギー等の
種々のエネルギーを獲得することが可能な熱電効果装
置，エネルギー直接変換システム，エネルギー変換シス
テムを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前記の課題の解
決を図るために、請求項１記載の発明は、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成る２つ熱電変換素子を備え、前記
２つの熱電変換素子を、各々の第１導電部材および第２
導電部材における接合部材と対向する側の面同士を導電
材料を介して電気的に接続し、その導電材料の一方に直
流電源を直列接続することによりペルチェ効果熱伝達回
路系を構成し、前記ペルチェ効果熱伝達回路系の吸熱部
と発熱部との間を、吸熱部の温度Ｔ１と発熱部の温度Ｔ
２とがＴ１＜Ｔ２の関係を維持できる距離を確保したこ
とを特徴とする。

【００１０】請求項２に記載の発明は、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
材により接合して成る熱電変換素子を２ｎ個備え、前記
２ｎ個の熱電変換素子を、それぞれ導電材料を介して電
気的に直列接続、かつ隣接する熱電変換素子を交互に振
り分けて吸熱部と発熱部とを形成し、前記導電材料の少
なくとも一部に直流電源を直列接続することにより、吸
熱部と発熱部とをそれぞれｎ個有するペルチェ効果熱伝
達回路系を構成し、前記ペルチェ効果熱伝達回路系の吸
熱部と発熱部との間を、吸熱部の温度Ｔ１と発熱部の温
度Ｔ２とがＴ１＜Ｔ２の関係を維持できる距離を確保し
たことを特徴とする。

【００１１】請求項３に記載の発明は、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
材により接合して成る２つ熱電変換素子を備え、前記２
つの熱電変換素子を、各々の第１導電部材および第２導
電部材における接合部材と対向する側の面同士を導電材
料を介して電気的に接続し、それぞれ温度の異なる温度
環境下に配置し、高温側の熱電変換素子の温度Ｔ１と低
温側の熱電変換素子の温度Ｔ２とがＴ１＜Ｔ２の関係を
維持できる距離を確保し、前記導電材料の任意の箇所か
ら電気ポテンシャルエネルギーを取り出すことにより、
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したことを特徴とす
る。

【００１２】請求項４に記載の発明は、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
材により接合して成る熱電変換素子を２ｎ個備え、前記
２ｎ個の熱電変換素子を、それぞれ導電材料を介して電
気的に直列接続、かつ隣接する熱電変換素子を交互に振
り分けて異なる温度環境下に配置し、高温側の熱電変換
素子の温度Ｔ１と低温側の熱電変換素子の温度Ｔ２とが
Ｔ１＜Ｔ２の関係を維持できる距離を確保し、前記導電
材料の任意の箇所から電気ポテンシャルエネルギーを取
り出すことにより、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し
たことを特徴とする。

【００１３】請求項５に記載の発明は、前記の直接エネ
ルギー変換電気回路系を一組以上用いられ、初期の外部
加熱または外部冷却による温度差を利用した複数の起動
部が備えられ、互いに独立な複数箇所の環境の温度差に
よる環境の熱エネルギー源から直接に電気ポテンシャル
エネルギーへの直接エネルギー変換システムを構成する
ことを特徴とする。

【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項３または
４に係る熱エネルギー直接変換システムから得られた電
気ポテンシャルエネルギーを電気分解することにより、
化学ポテンシャルエネルギーに変換することを特徴とす
る。

【００１５】請求項７に記載の発明は、請求項１または
請求項２に係る熱電効果装置を設け、その熱電変換装置
から得られた熱エネルギーを、請求項３乃至５に係るエ
ネルギー直接変換システムへ供給して電気ポテンシャル
エネルギーを得、その電気ポテンシャルエネルギーの一
部を前記熱電効果装置に帰還し直流電源として用いるこ
とを特徴とする。

【００１６】請求項８に記載の発明は、請求項７に係る
前記電気エネルギーの帰還をオン／オフスイッチの切り
替えによって制御することを特徴とする。

【００１７】請求項９に記載の発明は、請求項７に係る
前記電気エネルギーの帰還をオン／オフスイッチの切り
替えによって制御し、前記電気エネルギーの熱電効果装
置への供給すると共に、前記熱電効果装置の直流電源か
らの電力供給を断つことを特徴とする。

【００１８】請求項１０に記載の発明は、請求項６乃至
９に係るエネルギー変換システムから得られた電気ポテ
ンシャルエネルギーを電気分解することにより、化学ポ
テンシャルエネルギーに変換することを特徴とする。

【００１９】上記目的を満たすエネルギー源を得るシス
テムには、熱的に開放系で、且つ、循環型の形態を持た
せる必要がある。即ち任意に離れた領域間でペルチェ効
果素子により熱エネルギーの転送を行い、ゼーベック効
果素子により熱エネルギーを電気的ポテンシャルエネル
ギーに直接エネルギーに変換し、更に、電解液や水の電
気分解等を利用して電気的ポテンシャルエネルギーを化
学ポテンシャルエネルギーに変換して、エネルギーの貯
蔵，蓄積，運搬を容易に行える電気回路システムを、本
発明は提供している。

【００２０】

【発明の実施の形態】発明が解決しようとする課題の欄
に記載したとおり、ゼーベック素子（またはペルチェ素
子）は加熱部と冷却部（または吸熱部と発熱部）が一体
素子となっていることに起因する問題を有していたこと
から、発明者は、これらの課題を解決するために、ゼー
ベック素子（ペルチェ素子）の加熱部と冷却部（吸熱部
と発熱部）とを分離することに着目した。そこで、素子
がその特性を失うことなく、加熱部と冷却部（吸熱部と
発熱部）とを分離、すなわち加熱部と冷却部（吸熱部と
発熱部）とを各々独立した構成とすることができるかを
確認するための実験を試みた。

【００２１】以下、本発明の実施の形態における熱電効
果装置，エネルギー直接変換システム，エネルギー変換
システムについて、図面等を用いて詳細に説明する。な
お、本実施の形態において、自然エネルギーを利用した
エネルギー直接変換システムは、そのシステム全体が開
放系内で動作していることにより、「閉鎖系でのみ成り
立つエントロピー増大の法則」は適応できないことに留
意する必要がある。

【００２２】まず、本発明の基本的な技術思想（原理）
について説明する。図１はペルチェ効果とゼーベック効
果の物理機構の原理をエネルギーバンドで説明する概略
模式図であり、それぞれ異なるゼーベック係数を有する
導電部材Ａ（例えば、図１ではｐ型半導体；以下、第１
導電部材と称する）と導電部材Ｂ（例えば、図１ではｎ
型半導体；以下、第２導電部材と称する）との間に、金
属等の導電性を有する接合部材Ｍを介在させ、外部電界
を第２導電部材Ｂから第１導電部材Ａ方向へ印加した場
合の模式を示している。なお、図１中の斜線部は自由電
子の無い荷電子帯、一点鎖線はフェルミレベルＶＦ、符
号ＥＶは前記荷電子帯の上端レベル、符号ＥＣは導電帯
の下端レベル、符号ＥＶａｃは真空レベルを示すもので
ある。

【００２３】図１に示すように、外部電界を第２導電部
材Ｂから第１導電部材Ａ方向へ印加した場合、第１導電
部材ＡのフェルミレベルＥＦよりも下のレベル（低いレ
ベル）には、有限の厚さを持つ接合部材Ｍのフェルミレ
ベルＥＦ、更にその下のレベル（低いレベル）には第２
導電部材ＢのフェルミレベルＥＦが並ぶレベル配置とな
る。外部電界を加えない場合には、前記導電部材Ａ，Ｂ
のフェルミレベルＥＦはそれぞれ同等のレベルとなる。
また、外部電界を第１導電部材Ａから第２導電部材Ｂ方
向に印加した場合には、前記の第１導電部材Ａ，接合部
材Ｍ，第２導電部材Ｂの各フェルミレベルＥＦは、それ
ぞれ図１に示したレベル配置の逆の状態となる。

【００２４】図１中の符号φＡ（Ｔ１），φＭ（Ｔ
１），φＢ（Ｔ１）は、それぞれ第１導電部材Ａ，接合
部材Ｍ，第２導電部材Ｂの電気的ポテンシャル（障壁電
位）を示し、外部電界の向きに係わらず、それぞれ第１
導電部材Ａ，接合部材Ｍ，第２導電部材Ｂの温度によっ
て固有に決定される電位である。例えば、電荷ｅを持つ
電子が前記の第１導電部材Ａ，接合部材Ｍ，第２導電部
材Ｂの外部へ飛び出るには、それぞれｅφＡ（Ｔ１），
ｅφＭ（Ｔ１），ｅφＢ（Ｔ１）のエネルギーを必要と
する。

【００２５】前記のように外部電界を加えない場合、第
１導電部材ＡのフェルミレベルＥＦ，接合部材Ｍのフェ
ルミレベルＥＦ，第２導電部材ＡのフェルミレベルＥＦ
がそれぞれ同等のレベルとなるように電子が移動し、第
２導電部材Ｂと接合部材Ｍ間の接触電位差ＶＲＭは「φ
Ｂ（Ｔ１）−φＭ（Ｔ１）」となり、接合部材Ｍと第１
導電部材Ａの接触電位差ＶＭＡは「φＭ（Ｔ１）−φＡ
（Ｔ１）」となる。その状態で、外部電界を第２導電部
材Ｂから第１導電部材Ａ方向へ印加して電流を流すと、
導電帯の自由電子流と荷電子帯内のホールの移動に伴う
電子流とは、それぞれ第１導電部材Ａから接合部材Ｍ方
向へ流れ、更に接合部材Ｍから第２導電部材Ｂ方向へ流
れる。なお、外部電界による自由電子のドリフト速度
は、自由電子の熱速度に比べて小さいため、無視できる
程度である。

【００２６】ここで、前記のように第１導電部材Ａから
接合部材Ｍ方向へ流れ、さらに接合部材Ｍから第２導電
部材Ｂへ流れ込む自由電子流の電子群に着目すると、こ
の着目電子群内の各電子の全エネルギーは電気的ポテン
シャルエネルギーと熱速度による運動論的エネルギーと
の総和に相当する。このように着目電子群が第１導電部
材Ａから接合部材Ｍへ、さらに接合部材Ｍから第２導電
部材Ｂへ流れ込む物理過程は、それぞれの接合面領域が
十分に狭いため、外部からのエネルギーが着目電子群に
加わらない電子的断熱過程となる。

【００２７】すなわち、前記着目電子群は、第１導電部
材Ａから接合部材Ｍ方向へ流れ、さらに接合部材Ｍから
第２導電部材Ｂ側に流れ込むと、各境界面（図１では、
二つの境界面）において電子の電気的ポテンシャルエネ
ルギーが大きくなった分だけ電子の熱エネルギーは減少
し、各境界面に流れ込んだ電子の熱速度は小さくなる。
前記の各境界面で小さくなった着目電子群の熱速度は、
接合部材Ｍ内および第２導電部材Ｂ内に予め存在してい
た自由電子群と導電材原子から、熱エネルギーを極めて
早いエネルギー等配分時間で吸収することによって、接
合部材Ｍの第１導電部材Ａ側と第２導電部材Ｂの金属Ｍ
側との境界付近にて吸熱現象が起こる。このような物理
過程が、ペルチェ効果による吸熱現象が起こる物理機構
である。なお、第１導電部材Ａの接合部材Ｍ側と接合部
材Ｍの第２導電部材側との境界付近においては、前記の
ような吸熱現象は起こらない。

【００２８】次に、外部電界を反転させて電流の向きを
逆にすると（外部電界を第１導電部材Ａから導電部材Ｂ
方向へ印加すると）、図１とは逆に、第１導電部材Ａの
フェルミレベルＥＦよりも上のレベル（高いレベル）に
有限の厚さを有する接合部材ＭのフェルミレベルＥＦ、
更にその上のレベル（高いレベル）に第２導電部材Ｂの
フェルミレベルＥＦが並ぶレベル配置となる。それら第
１導電部材Ａ，接合部材Ｍ，第２導電部材Ｂの電気ポテ
ンシャルφＡ（Ｔ１），φＭ（Ｔ１），φＢ（Ｔ１）
は、前記のように第１導電部材Ａ，接合部材Ｍ，第２導
電部材Ｂの各々の温度で固有に決定されるため大小関係
は変わらず、電子流の方向は反転する。

【００２９】その結果、各境界面における運動論的エネ
ルギーは電子の電気的ポテンシャルエネルギーが小さく
なった分だけ増大し、各境界面に流れ込んだ電子の熱速
度が大きくなり、接合部材Ｍの第２導電部材Ｂ側と第１
導電部材Ａの接合部材Ｍ側との各境界付近にて発熱現象
が起こる。また、第２導電部材Ｂの接合部材Ｍ側と接合
部材Ｍの第１導電部材Ａ側との境界付近においては、発
熱現象は起こらない。

【００３０】電流を流すためには閉回路を構成する必要
がある。一般的なペルチェ素子においては、前記のよう
に「導電部材Ａ（Ｔ１），接合部材Ｍ（Ｔ１），導電部
材Ｂ（Ｔ１）」の接合構造で、第１導電部材Ａと導電部
材Ｂとの間に絶対ゼーベック係数の小さい接合部材Ｍを
介在させて構成され、これに外部電源を使って電流が流
れしてペルチェ素子回路が構成される。このように構成
されたペルチェ素子における第１導電部材Ａと第２導電
部材Ｂとの絶対ゼーベック係数の差が大きいほど、ペル
チェ効果による発熱量あるいは吸熱量は大きくなる。こ
の絶対ゼーベック係数は温度依存性を持った導電部材固
有の係数である。

【００３１】このように閉回路が構成されたペルチェ素
子回路では、十分大きな放熱部材（放熱効果の高い部
材）により発熱側の発熱エネルギーを取り除かないと、
例えば図１に示したように導電部材Ａ（Ｔ１），接合部
材Ｍ（Ｔ１），導電部材Ｂ（Ｔ１）はそれぞれ良好な熱
伝導性を有するため、それら三つの導電帯はそれぞれ同
等で極めて高い温度を持つようになる。

【００３２】その結果、荷電子帯の電子が大量に導電帯
へ熱励起されてフェルミレベルＥＦが大きく上昇し、最
終的に電気的ポテンシャルが「φＡ（Ｔ１）＝φＭ（Ｔ
１）＝φＢ（Ｔ１）」のように三つの導体全部が等しく
なってしまう。このような状態になると、前記の原理説
明で述べたペルチェ効果は消滅してしまい、外部から加
えられた電力は、前記の三つの導電帯における電気抵抗
をジュール加熱するだけに消費される。このような状態
にならないようにするため、ペルチェ素子回路を内装し
た一般的な家電製品やコンピュータにおいては、ペルチ
ェ効果素子の発熱側（発熱側付近）に大きな熱吸収体や
放熱材料、あるいは電気ファンを設けることにより、前
記のペルチェ効果が消滅しないよう構造が採られてい
る。

【００３３】これに対して、本発明においては、電気的
特性（例えば、熱伝導性や導電性）の良好な導電材料を
用いて（例えば、2本の配線材料）、ペルチェ素子の発
熱側と吸熱側との間を所定距離隔てて熱的な開放系にす
ることにより（例えば、発熱側と吸熱側との間で熱的な
相互干渉の無い距離を確保することによりされないよう
にすることにより）、発熱側と吸熱側とをそれぞれ独立
させて、前記のペルチェ効果が絶対に消滅しないように
し、且つ同時に利用できるように構成されたものであ
る。

【００３４】このように構成されたペルチェ素子におい
て、図1の外部電界を加えない状態にある場合、温度Ｔ
１が高くなるに連れて熱励起による導電帯の自由電子数
と荷電子帯のホール数は多くなる。その結果、第１導電
部材Ａ側のフェルミレベルＥＦ，接合部材Ｍのフェルミ
レベルＥＦ，第２導電部材Ｂ側のフェルミレベルＥＦが
それぞれ同等のレベルとなるように、電子がより多く移
動し、第１導電部材Ａと接合部材Ｍとの間における接触
電位差ＶＡＭ（すなわち、「ｅφＡ（Ｔ１）−ｅφＭ
（Ｔ１）」）は大きくなる。

【００３５】前記のように電界を加えない場合の図１の
構成２組を直列に接続、すなわち「第1導電部材Ａ（Ｔ
１），第２導電部材Ｂ（Ｔ１）から成るユニット」と
「第１導電部材Ａ（Ｔ２），第２導電部材Ｂ（Ｔ２）か
ら成るユニット」とを連続導体により電気的に直列に接
続した構成の場合、温度差「Ｔ１−Ｔ２」が大きくなる
に連れて、直列電位差電圧Ｖは大きくなる。この電圧Ｖ
はゼーベック効果による出力電圧に相当する。

【００３６】本発明は、前記のように異なるゼーベック
係数を有する２つの導電部材を用いて成るユニット２組
を導電材料で接合することにより構成され、外部電界で
電流を流すペルチェ効果と、外部電界を加えずに接触電
位差を直列につなげたゼーベック効果とは、それぞれ同
じ物理的基礎を持つ。すなわち、本発明におけるペルチ
ェ効果とゼーベック効果とは、同じ物理機構の二つの側
面を活用したものである。

【００３７】[本実施の第１形態]図２は、本実施の第１
形態に関するものであり、２つの熱電変換素子間隔を任
意に設定することが可能な一対のペルチェ効果熱転送回
路系を説明する模式図である。図２に示すように、異な
るゼーベック係数を有する第１導電部材Ａ１１と第２導
電部材Ｂ１２とを、熱伝導およ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を介して接合することにより第１熱電変換素子
１０を形成する。また、前記第１熱電変換素子１０と同
様に、異なるゼーベック係数を有する第１導電部材Ａ２
１と第２導電部材Ｂ２２とを接合部材ｄ２３を介して接
合することにより第２熱電変換素子２０を形成する。さ
らに、前記第１導電部材Ａ１１と第２導電部材Ｂ１２と
における接合部材ｄ１３と対向する側の面と、前記第１
導電部材Ａ２１と第２導電部材Ｂ２２とにおける接合部
材ｄ２３と対向する側の面とを、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）を用いて接合する。そして、前記導電材
料の一部（例えば、一方の導電材料の中央部）に直流電
源を直列接続することにより、前記接合部材１３，２３
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。

【００３８】前記の導電材料は、少なくとも前記第１熱
電変換素子１０と第２熱電変換素子２０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り、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。

【００３９】このように構成された回路系は、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、それら二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である。

【００４０】なお、各熱電変換素子間を導電材料により
接続するにあたっては、可能な場所は各導電部材に直接
接続しても良く、必要に応じて図２中（および図３中）
のｄ１４に示す導電板（例えば、銅，金，白金，アルミ
ニウム等）を接続したり、さらに導電板ｄ１４に端子
（例えば、銅，金，白金，アルミニウム等）ｄ１５を接
続しても良い。また、図２中（および図７中）の符号に
おいて、Ｒ１，Ｒ２は吸熱側と発熱側または高温側と低
温側における導電部材の抵抗、ＩＣは回路電流、ＲＣは
接続導電材料部分の回路抵抗、Ｖ_OUTは電圧出力を示
す。これら各符号においては、以下の実施の形態および
実施例においても同様とする。

【００４１】まず、図２に示したように構成された回路
で、第１導電部材Ａ１１，Ａ２１と第２導電部材Ｂ１
２，Ｂ２２として一般的なπ型ｐｎ接合素子（例えば、
米国ＭｅＬＣＯＲ社製のＣＰ−２４９−０６Ｌ，ＣＰ２
−８−３１−０８Ｌ）を２つ使用し、第１熱電変換素子
１０と第２熱電変換素子２０との間（導電材料（銅線）
の長さ）の距離を１メートルおよび５０メートル隔てた
場合において、外部直流電源から電流を供給したとこ
ろ、それら２つのπ型ｐｎ接合素子の両端（第１熱電変
換素子１０と第２熱電変換素子２０の両端；すなわち、
接合部材ｄ１３，ｄ２３）でペルチェ効果による吸熱現
象と発熱現象が起こり、吸熱側である第１熱電変換素子
１０と発熱側である第２熱電変換素子２０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できた。また、前記の供給する
電流の向きを反転させたところ、前記の両端の吸熱現象
と発熱現象が反転することも確認できた。

【００４２】次に、図２の回路で第１熱電変換素子１０
と第２熱電変換素子２０との間の距離を５ｍｍ隔てた場
合において、外部直流電源から電流を供給したところ、
図３に示すように第２熱電変換素子２０側の熱が第１熱
電変換素子１０側に熱伝達してしまい、第１熱電変換素
子１０側の温度Ｔ１が徐々に上がっていることが読み取
れる。一方、前記の第１熱電変換素子１０と第２熱電変
換素子２０との間の距離を２ｍ隔てた場合においては、
図４に示すように第２熱電変換素子２０側の熱が第１熱
電変換素子１０側に熱伝達せず、第１熱電変換素子１０
側と第２熱電変換素子２０側とにおいて熱的に相互干渉
を受けていないことが読み取れる。この結果から外部の
熱エネルギー落差に依存していると言える。

【００４３】次に、図２の回路における第１熱電変換素
子１０側の温度Ｔ１と第２熱電変換素子２０側の温度Ｔ
２とが平衡になった状態で、その第１熱電変換素子１０
側を外部熱源により人為的に加熱（３回加熱）して温度
１０℃上昇させた後、外部直流電源の電流変化に対する
第２熱電変換素子２０側の温度変化（℃）および温度変
化量（ΔＴ２（℃））を測定した。その結果、図５に示
すように、外部電流電源の電流が大きくなるに連れて、
人為的な加熱前と加熱後とにおいて温度が上昇すると共
にその温度差も大きくなることから、第１熱電変換素子
１０側からの熱エネルギーの大きさに応じて転送量が変
化していることが読み取れる。なお、図５において、記
号「◆」，「■」，「▲」はそれぞれ１回目，２回目，
３回目の加熱後における測定値、記号「*」，「○」，
「＋」はそれぞれ１回目，２回目，３回目の加熱前にお
ける測定値、記号「●」，「−」はそれぞれ加熱前およ
び加熱後における測定値の平均値を示すものとする。

【００４４】また、図６に示すように、外部電流電源の
電流が大きくなるに連れて、温度変化量ΔＴ２が大きく
なることも読み取れる。なお、図６において、記号
「*」，「●」，「■」はそれぞれ図５における１回
目，２回目，３回目の加熱後と加熱前との温度差、記号
「▲」は前記の加熱後および加熱前における温度差の平
均値を示すものとする。

【００４５】ゆえに、図２の回路は熱エネルギー転送に
際し外部の熱エネルギー落差（温度）依存性および電流
依存性を有し、その電流が大きくなるに連れて転送量が
大きくなることを確認できた。すなわち、熱エネルギー
がＴ１側からＴ２側へ転送（いわゆる、導体内自由電子
を用いたヒートポンピング）されて、導体内自由電子に
よる熱エネルギー転送が可能であることの原理実証がで
きたと言える。また、熱エネルギーの転送量は電流に依
存し、電流が大きくなるに連れて転送量が大きくなるこ
とを確認した。

【００４６】なお、温度依存性については、少なくとも
「Ｔ１＜Ｔ２」の関係が維持される距離を確保すること
で、ペルチェ効果を得ることができるが、第１熱電変換
素子１０と第２熱電変換素子とが熱的に相互干渉を受け
ない距離を確保することが好ましい。例えば、前記の導
電材料において、少なくとも前記第１熱電変換素子１０
と第２熱電変換素子２０とが熱的に互いに相互干渉を受
けない程度の長さであれば、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、もしくはそれ以上
の長さで種々設定することが可能である。

【００４７】［本実施の第２形態］前記の実施の第１形
態における図２の回路から外部直流電源を取り外し、前
記第１熱電変換素子１０と第２熱電変換素子２０の両
端；すなわち、接合部材ｄ１３，ｄ２３）において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を確認で
き、冷却側である第１熱電変換素子１０と加熱側である
第２熱電変換素子２０とを各々独立した構成において
も、ゼーベック効果が失われることなく持続しているこ
とを確認できた。

【００４８】図７は、本実施の第２形態に関するもので
あり、２つの熱電変換素子間隔を任意に設定することが
可能な一対のペルチェ効果熱転送回路系を説明する模式
図である。なお、図２に示すものと同様なものには同一
符号を用いて、その詳細な説明を省略する。図７に示す
回路系は、前記の図２と同様の回路系から直流電源を取
り除き、少なくとも第１熱電変換素子１０と第２熱電変
換素子２０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。図７の回路系において、第１熱電変換
素子１０の端（接合部材ｄ１３）および第２熱電変換素
子２０の端（接合部材ｄ２３）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」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ゼーベック効果によ
り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。

【００４９】ここで、図７に示したように構成された回
路で、第１導電部材Ａ１１，Ａ２１と第２導電部材Ｂ１
２，Ｂ２２として一般的なπ型ｐｎ接合素子を２つ使用
し、第１熱電変換素子１０と第２熱電変換素子２０との
間（導電材料（銅線）の長さ）の距離を１メートル隔
て、導電材料の一部（例えば、一方の導電材料の中央
部）を切断し、その切断部にてゼーベック効果による電
圧出力を電圧測定器で測定しながら、前記２つのπ型ｐ
ｎ接合素子の両端（第１熱電変換素子１０と第２熱電変
換素子２０の両端；すなわち、接合部材ｄ１３，ｄ２
３）の発熱端子と吸熱端子とを、それぞれ外部から加熱
および冷却したところプラスとマイナスの出力電圧が測
定できた。また、前記の発熱端子を加熱し吸熱端子を冷
却させたところ、出力電圧のプラスとマイナスが反転す
ることを確認できた。

【００５０】なお、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＜Ｔ２」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が、第１熱電変換素子
１０と第２熱電変換素子とが熱的に相互干渉を受けない
距離を確保することが好ましい。例えば、前記の導電材
料において、少なくとも前記第１熱電変換素子１０と第
２熱電変換素子２０とが熱的に互いに相互干渉を受けな
い程度の長さであれば、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、もしくはそれ以上の長
さで種々設定することが可能である。

【００５１】［本実施の第３形態］本実施の第３形態で
は、前記した本発明の基本的な技術思想に基づいて、前
記本発明の目的を達成するための具体的な構成（例え
ば、本実施の第１，第２形態の具体的な構成）を説明す
る。なお、導体あるいは半導体を「導電部材」と表記し
接合した導電材料を吸熱端子、または発熱端子と表記す
る。吸熱部は負の熱エネルギー源、発熱部は正の熱エネ
ルギー源と称する。

【００５２】前記目的を達成するために、前記の実施の
第１，第２形態と同様に、異なるゼーベック係数をもつ
第１導電部材Ａと第２導電部材Ｂとを接合部材ｄ１３を
介して接合することにより第１熱電変換素子１０を形成
する。また、前記第１熱電変換素子１０と同様に、それ
ぞれ異なるゼーベック係数を有する第１導電部材Ａ２１
と第２導電部材Ｂ２２とを熱伝導性および導電性を有す
る材料（例えば、銅，金，白金，アルミニウム等）から
成る接合部材ｄ２３を介して接合することにより第２熱
電変換素子２０を形成する。さらに、前記第１導電部材
Ａ１１と第２導電部材Ｂ１２とにおける接合部材ｄ１３
と対向する側の面と、前記第１導電部材Ａ２１と第２導
電部材Ｂ２２とにおける接合部材ｄ２３と対向する側の
面とを、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
接合する。そして、前記導電材料の一部（例えば、一方
の導電材料の中央部）に直流電源を直列接続することに
より、前記接合部材１３，２３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。

【００５３】前記の導電材料は、少なくとも前記第１熱
電変換素子１０と第２熱電変換素子２０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り、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、もしくはそれ以上の長さの間で種々設定すること
が可能である。

【００５４】このようにペルチェ効果素子とゼーベック
効果素子を構成する導電部材を熱伝導の良い導電材料で
任意の距離だけ分離するという考えは、従来において全
く考慮された事例は無い。このような構成における熱エ
ネルギーの転送は、前記において詳細に説明した電子的
断熱現象と、熱伝導の良い接続導体内を電磁波の速度で
伝わる電流によって、たとえ前記回路系の吸熱側と発熱
側との間が遠距離であっても、瞬時に転送されるという
物理機構を原理とする。

【００５５】この熱エネルギーの転送のメカニズムは、
導体内自由電子群が自ら運ぶのではなく、その電子群が
隣接する電子群を電磁的に推し動かす際の僅かな移動に
よって、電子群が導電材料内を電磁波の速さで伝わるこ
とにより熱エネルギーが転送されているものと推測され
る。物理的には、回路系における発熱と吸熱は、各場所
で互いに独立に起こるが、構成している電気回路系内の
電流連続の法則により、同じ量の電流Ｉが流れる吸熱部
および発熱部での吸熱および発熱のエネルギーは、結果
的に同一量になり、エネルギー保存則が成立している。

【００５６】図８は、本実施の第３形態における熱電効
果装置を用いたエネルギー直接変換システムを説明する
自己駆動熱転送システムの模式回路図である。なお、図
中のＶＳは電圧出力、ＲＣ１，ＲＣ２は回路抵抗、ＩＣ
は回路電流を示す。また、符号３０は、第１熱電変換素
子１０，第２熱電変換素子２０と同様の熱電変換素子を
示すものである。以下の実施例でも同様である。このシ
ステムは、以下の操作手順で動作させる。本構成の操作
とその動作は次の通りである。

【００５７】１．熱エネルギー転送部Ｇ１のスイッチＳ
Ｗ１をオンにして、外部直流電源ＥＸを用い、ペルチェ
効果を使った回路系における任意の距離の間を熱源側か
ら電力帰還部方向に、熱エネルギーを転送する熱エネル
ギー転送部Ｇ１によって熱エネルギー転送する。

【００５８】２．ゼーベック効果による出力電圧を上げ
るために、それぞれ異なるゼーベック係数の第１導電部
材Ａ３１と第２導電部材Ｂ３２とを接合部材ｄ３３で接
合して成る熱電変換素子３０を複数個（２ｎ個（ｎは自
然数）；図中では６個）多段に直列につないで構成され
た電力帰還部Ｇ２の高温側を、熱伝導性が良好でかつ絶
縁性を有する絶縁材Ｉｓ（例えば、シリコーンオイル，
表面をアルマイト加工した金属，絶縁シート等）Ｉｓを
介して転送された熱エネルギーにより温度Ｔ２に加熱
し、低温側を環境温度、もしくは環境温度を必要に応じ
て空冷または水冷することによって温度Ｔ３にし、「Ｔ
２＞Ｔ３」の状態を保つ。前記のように、電力帰還部に
おいて２ｎ個の熱電変換素子を用いた場合、その電力帰
還部にはｎ個のペルチェ効果回路が構成されることにな
る。

【００５９】３．スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３をオ
ン，スイッチＳＷ１をオフにし、外部直流電源を切り離
し、電力発生部Ｇ３で発生した出力電圧を電力帰還部Ｇ
３によって熱エネルギー転送部Ｇ１へ正帰還させること
により、熱エネルギー転送部Ｇ１でのペルチェ効果を使
った回路系に対し電流を流し続けると同時に、熱エネル
ギー転送も持続させる。

【００６０】４．図８に示した回路系は、熱力学的には
開放系で動作するシステムであり、「独立した閉鎖系で
のみ成立するエントロピー増大の法則」をこのシステム
には適用できず、この回路システムは決して永久機関の
ような科学的に不可能な系ではないことに留意すべきで
ある。

【００６１】図８の回路の電力帰還部Ｇ２におけるゼー
ベック効果を調べるために、Ｔ２とＴ３との温度差「Ｔ
２−Ｔ３」に対する起電力を測定したところ、図９に示
すように「Ｔ２−Ｔ３」が大きくなるに連れて得られる
起電力は大きくなることが確認できた。すなわち、図８
のような回路によれば、Ｔ２とＴ３との温度差を保つこ
とにより、ゼーベック効果による起電力が効率良く発生
し維持できることが確認できた。

【００６２】［本実施の第４形態］図１０は、本実施の
第４形態における熱電効果装置を用いたエネルギー直接
変換システムを説明する自己駆動熱転送システムの模式
回路図であり、図８の回路系を更に改良した自己駆動熱
転送システムの模式回路図である。この改良システムは
以下の操作手順で動作させる。

【００６３】１．スイッチＳＷ１をオンにして、ゼーベ
ック効果による電力発生部Ｇ３の熱電効果素子３０を複
数個（図中では６個）多段に直列につないで構成された
回路の出力電圧が、熱エネルギー転送部Ｇ１のペルチェ
効果熱伝達系に正帰還で電力帰還部Ｇ２を構成する。

【００６４】２．電力発生部Ｇ３で、必要に応じて木材
などの燃焼または小型加熱器等の補助加熱器５０によ
り、ゼーベック回路系の高温側の温度をＴ３に加熱し、
その低温側は環境温度、もしくはその環境温度を空冷ま
たは水冷して温度Ｔ４にし、「Ｔ３＞Ｔ４」の状態を保
つ。

【００６５】３．前記１．の正帰還で熱エネルギー転送
部Ｇ１のペルチェ効果熱転送回路に電流が流れて熱エネ
ルギーが転送され、その熱エネルギーにより温度Ｔ２が
上昇し、Ｔ２とＴ３がほぼ同等の温度になったら、Ｔ３
の部分の補助加熱器５０による外部加熱をオフにする。

【００６６】４．図１０の回路系は、初期に投入するエ
ネルギーを局所的に加えることによって、図８の回路系
が初期にペルチェ効果熱エネルギー転送回路内でジュー
ル熱損失として消費するエネルギーと比較して、小さく
抑えることができる。特に、ペルチェ効果熱エネルギー
転送回路の熱エネルギー転送距離が数十キロから数百キ
ロメートル、もしくはそれ以上の長さの大規模なシステ
ムである場合において、顕著な効果を発揮する。

【００６７】［本実施の第５形態］図１１は、本実施の
第５形態における熱電効果装置を用いたエネルギー直接
変換システムを説明する自己駆動熱転送システムの模式
回路図であり、図８と同様の外部直流電源を更に改良し
た自己駆動熱転送システムの模式回路図である。すなわ
ち、図８の外部直流電源を使用した時の回路系において
ゼーベック効果による熱電効果素子３０を複数個多段直
列にした電力発生部Ｇ２の出力電圧の出力端子に、正帰
還回路部と並列に負荷回路６１を設けたものであり、こ
の場合の負荷回路６１の具体例としては、水の電気分解
により電気エネルギーから水素ガス（Ｈ₂）と酸素ガス
（Ｏ₂）の化学ポテンシャルエネルギーへ変換する電気
分解装置が揚げられる。図中の符号において、ＩＬは負
荷電流、ＲＬは負荷抵抗であり、後述の実施例でも同様
である。また、前記負荷回路６１として用いられた電気
分解装置は、一般的に市販されているもの等を用いるこ
とができる。

【００６８】本実施の第５形態においては、電力発生部
Ｇ２で発生した電気ポテンシャルエネルギーを、電気分
解部Ｇ４に設置した水を電気分解する装置で水素ガス
（Ｈ₂）と酸素ガス（Ｏ₂）の化学ポテンシャルエネルギ
ーに変換して利用することができる。

【００６９】熱エネルギー転送部Ｇ１と電力発生部Ｇ２
の構成は図４と同様であるので、その詳細な説明は省略
する。本実施の形態のように電気エネルギーから化学ポ
テンシャルエネルギーに変換することにより、加圧・圧
縮・貯蔵・蓄積・搬送が容易なエネルギーを確保するこ
とができる。

【００７０】［本実施の第６形態］図１２は、本実施の
第６形態における熱電効果装置を用いたエネルギー直接
変換システムを説明する自己駆動熱転送システムの模式
回路図であり、図１１と同様に、図１０のシステムを改
良した自己駆動熱転送システムに負荷回路の具体例とし
て水の電気分解部Ｇ４を設置している。図１２の回路シ
ステムは、図１０で説明したシステムに化学ポテンシャ
ルエネルギーを利用する水の電気分解部Ｇ４を設置した
ものである。すなわち、転送した熱エネルギーの利用，
電力の利用，および電解液や水の電気分解等による化学
ポテンシャルエネルギーを、それぞれ共に利用する場合
において有効な自己駆動熱転送システムである。この図
１２の改良した自己駆動熱転送システムを、例えば日本
のみならず世界中の各地域や地方に設置すれば、そのシ
ステムで得られるエネルギーにより各地域や地方の経済
や食糧生産を活性化すると同時に、地球温暖化の軽減と
環境破壊を抑えることが現実に実行できることは、２１
億人に膨れ上がった人類や他の生物を支えるために、極
めて重要なことであることは明らかである。

【００７１】［本実施の第７形態］図１３は、本実施の
第７形態における熱電効果装置を用いたエネルギー直接
変換システムを説明する自己駆動熱転送システムの模式
回路図である。このシステムは、ペルチェ効果熱エネル
ギー転送回路を用いずに、熱源からの熱エネルギーを、
ゼーベック効果による熱エネルギー直接電力変換部Ｇ５
における熱電効果素子３０を複数個多段直列した回路で
電気ポテンシャルエネルギーに直接変換し、その出力電
圧端に負荷回路の具体例として水の電気分解などによる
化学ポテンシャルエネルギーに変換する水の電気分解部
Ｇ４を設置したものである。本実施の第７形態の構成に
よれば、自己駆動運転が可能な直接変換回路システムに
より、熱エネルギーから電気エネルギー及び化学エネル
ギーを得ることができる。

【００７２】なお、前記の図２，図７，図８，図１０〜
図１３で説明した各構成により、吸熱部と発熱部あるい
は加熱部と冷却部とにおいて所定距離を隔てて配置で
き、熱エネルギーあるいは電気エネルギーを、短距離
（例えば、数ミクロン前後）から遠距離（例えば、数百
キロメートル）まで転送が可能となり、無尽蔵に存在す
る自然界の熱エネルギーを再利用可能で無公害かつ循環
型のエネルギー源獲得システムを構築することができ
る。

【００７３】なお、前記の各実施の形態で用いられる熱
電効果素子を構成する導電部材としては、低温（室温）
領域熱電材料として例えばＢｉ₂Ｔｅ₃，Ｂｉ₂Ｓｅ₃，Ｓ
ｂ₂Ｔｅ₃等の固溶体などが知られており、温度１０００
Ｋを超える高温領域熱電材料としては例えばＳｉＧｅ系
の合金の他のＣｅ₃Ｔｅ₄，Ｌａ₃Ｔｅ₄，Ｎｄ₃Ｔｅ₄系等
が知られており、中温領域熱電材料として例えばＰｂＴ
ｅ，ＡｇＳｂＴｅ−ＧｅＴｅ系多元化合物系化合物，Ｍ
ｇ₂Ｇｅ−Ｍｇ₂Ｓｉ系が知られており、使用環境の温度
等を考慮して任意の導電部材を選択することが好まし
い。

【００７４】また、対をなす熱電効果素子を構成するｐ
型，ｎ型の各導電部材もまた、同一の材料を用いても良
く、異なる材料を用いても良く、使用環境の温度等に応
じて任意の組み合わせを選択することができる。

【００７５】次に、前記実施の第１〜第７形態における
熱電変換装置および循環型のエネルギー源獲得システム
である熱電効果装置を用いたエネルギー直接変換システ
ムにおいて、より具体的な実施例について説明する。

【００７６】［第１実施例］図１４は、実施規模の大き
い本発明の第１実施例の説明図であり、社会エネルギー
供給インフラの具体例である。図１４において、参照符
号１００は吸熱側の熱電効果装置、２００は発熱側の熱
電効果装置を示す。

【００７７】（１）水面下１０メートル前後の海水の温
度は、安定した温度（一定の温度）で絶えず流動してい
るために、安定した熱エネルギー源となることから、ペ
ルチェ効果素子群における吸熱側の熱電効果装置１００
を海水内に配置し、発熱側の熱電効果装置２００を陸上
に配置することにより、前記の実施の第１形態に基づい
て海水における熱エネルギーの長距離エネルギー転送を
発熱側ペルチェ効果素子群に対して行う。この発熱側ペ
ルチェ効果素子群にゼーベック効果素子群を密着させ、
長距離転送された熱エネルギーを前記の実施の第２乃至
第４形態に基づいて電気ポテンシャルエネルギーにエネ
ルギー変換させることによって、例えば年間を通して電
力発電を行うことが可能となる。これによって、日本中
各地に無公害の発電所を建設することも可能となる。

【００７８】（２）前記（１）の海水の替わりに川の水
を適用した場合においても、川の水に含まれる熱エネル
ギーを前述の手段（長距離エネルギー転送と同様の手
段）により中距離エネルギー転送を行い、発熱側ペルチ
ェ効果素子群にゼーベック効果素子群を密着させて、熱
エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換を行
うことにより、各地に発電所を建設することが可能とな
る。

【００７９】（３）前記（２）の海水や川の水の替わり
に、地熱や温泉排水の熱エネルギーを適用することによ
っても、各地に発電所を建設することが可能となる。

【００８０】（４）前記（１）〜（３）の各地の発電所
における電力を利用して、前記の水の電気分解を行うこ
とにより、前記の実施の第５形態乃至第７形態に基づい
て電気エネルギーから水素ガスと酸素ガスの化学ポテン
シャルエネルギーへエネルギー変換を行うことができ
る。化学ポテンシャルエネルギーが蓄えられた前記の水
素ガスと酸素ガスを、それぞれ加圧圧縮してボンベ等に
貯蔵することにより搬送が容易となり、その化学エネル
ギー源を各地に供給および蓄えることができる。この水
素と酸素を再び反応させて、動力エネルギーや推進エネ
ルギー変換を行ったり、水素電池に利用することによ
り、目的に応じたエネルギーとして活用することが可能
となる。

【００８１】（５）前記（４）の水素と酸素の化学エネ
ルギーを活用した際に発生する廃棄物（生成物）は、水
であることから、公害としての環境負荷はほぼ皆無であ
る。

【００８２】（６）前記（１）から（５）で利用した環
境からのエネルギー源は、太陽から地球上へ注がれた太
陽光が熱エネルギーに変換されたものの一部であり、や
がて放射エネルギーとして地球外へ放出される。上記の
実施形態例は、太陽から得られるエネルギーの流れの一
部を利用した「循環型で持続可能なエネルギー活用」で
ある。

【００８３】なお、吸熱側の熱電効果装置としては、前
述のものの他、図１４中にある太陽光から直接熱エネル
ギーを得る１００のように構成しても良い。

【００８４】［第２実施例］図１５は、実施規模が中程
度である本発明の第２実施例の説明図であり、個人の住
宅におけるエネルギー供給システムの具体例である。図
１５において、参照符号１００は吸熱側の熱電効果装
置、１５０は太陽光発電素子（ソーラーバッテリー）、
２００は発熱側の熱電効果装置、２５０は照明器具を示
す。

【００８５】（１）太陽光発電素子１５０は、太陽光エ
ネルギーの大部分を反射してしまうため、そのエネルギ
ーを有効に活用できない要素を有する。そこで、前記の
太陽光発電素子１５０を家屋の屋根等に張り詰める代わ
りに、黒い色の物質の材料を敷き詰め、ここに吸熱側の
熱電効果装置１００を設置する。これによって、黒体エ
ネルギーを吸収させて、太陽光エネルギーの大部分を熱
エネルギーに変換させる。この変換により得られた熱エ
ネルギーを、前記実施の第１形態に基づいてペルチェ効
果素子群の回路系で吸熱し、発熱側を中小距離のところ
に配置し、熱エネルギーの中小距離エネルギー転送を行
う。この転送された熱エネルギーは、目的に応じて、暖
房器具や加熱機器類に利用できる。本実施例において
は、大きな外部電力を必要とせず、太陽光から得られた
エネルギーを目的に応じて熱エネルギーとし、その熱エ
ネルギーを各種形態で利用できることが重要な要点であ
る。

【００８６】なお、図１５に示した実施例は昼間におけ
る熱エネルギー利用であり、屋内よりも屋外の温度が高
いことを想定しているが、例えば夜間においては前記の
温度関係において逆転現象が起こる。そのため、例えば
図１５のエネルギー供給システムにおいてスイッチング
素子を構成し、その屋内と屋外との温度変化を感知する
センサーによって、または居住者の意志等に応じてスイ
ッチング素子を動作させ、そのエネルギー供給システム
における吸熱側および発熱側を切り替えることにより、
所望の熱エネルギー変換を行うことが可能となる。

【００８７】（２）間隔を開けた一対のペルチェ効果素
子群の回路系は、電流の向きを逆にすることにより、例
えば回路部品の交換等を行うことなく、吸熱側と発熱側
との切り替えができることから、外部に発熱側を配置し
内部に吸熱側を配置することによって、大きな外部電力
を必要としない冷房器や製氷機を構成することができる
（本発明の改良型ペルチェ効果熱転送システムを用いる
と、エアコン装置システムを外部電力なしに構成でき
る）。

【００８８】（３）熱エネルギーを転送した発熱側に対
してゼーベック効果素子群を密着させることにより、例
えば前記図１４で説明した規模の大きい実施例の場合と
全く同様にして、前記の実施の第２乃至第４形態に基づ
いて熱エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変
換を行うことが可能で、中規模発電機を各地域や家庭に
設置することが可能となる。

【００８９】（４）この中規模発電機を使って水の電気
分解を行えば、前記の実施の第５乃至第７形態に基づい
て電気エネルギーから化学ポテンシャルエネルギーへエ
ネルギー変換し貯蔵と搬送が可能な水素と酸素を得るこ
とができ、前記の規模の大きい実施例の場合と全く同様
にして、目的に応じて化学エネルギーを活用するシステ
ムを各地域や家庭に設置することが可能となる。

【００９０】［第３実施例］例えば生活環境の周りの空
気は、絶対零度ケルビンでなければ必ず何らかの熱エネ
ルギーを持っている。この生活環境の空気の持つ熱エネ
ルギーを利用、すなわち小規模な実施例として記述すれ
ば次のとおりである。

【００９１】（１）吸熱側ペルチェ効果素子群と発熱側
ペルチェ効果素子群とを、必要に応じた距離（吸熱側ペ
ルチェ効果素子群と発熱側ペルチェ効果素子群とが熱的
に相互干渉を受けない距離）に置く。この二つのペルチ
ェ効果素子群をそれぞれ独立して利用目的に応じた使用
が可能であるため、前記の実施の第１形態に基づいて例
えば冷却側を室内用エアコンや冷蔵庫または冷凍庫内に
配置し、発熱側を温水器やポットや料理加熱装置に配置
することによって、大きな外部電力を利用しなくとも、
家庭内においてそれぞれ一対の形態で冷房や冷却と加熱
機器を利用することができる（この場合においても、改
良型ペルチェ効果熱転送システムを用いた場合には、外
部電力を利用しなくとも、冷却と加熱が一対になってい
る家庭内の各種機器を使うことができる）。

【００９２】（２）更に、前記の二つのエネルギー効果
素子群を小型化して、持ち運び可能な携帯型にすること
により、例えば屋内及び屋外やキャンプ場などにおい
て、小型冷蔵庫とポットや加熱料理器具などの、冷却と
加熱が一対になっている各種機器を製作することができ
る。

【００９３】（３）大型、中型、小型のコンピュータや
パーソナルコンピュータ類、小型電源器機類、及び、固
体、液体及び気体内の不要な熱除去法と、除去熱の利用
法についての具体例としては下記のとおりである。

【００９４】（４）例えば、コンピュータ類の中には、
中央演算処理（ＣＰＵ）素子が動作時の器機内の大きな
発熱源になっている。このＣＰＵ素子の熱を除去する為
に、現在はペルチェ効果素子を用いた厚さ１ｃｍ以内の
冷却用サーモ・モジュールが使われ、吸熱側をＣＰＵ素
子に密着させて、発熱側に放熱板と熱除去用小型扇風機
（小型ファン）を取り付けて強制廃熱を行っており、電
力の無駄とファンによる気流騒音，雑音が避けられない
問題がある。

【００９５】本発明を利用すれば、ペルチェ効果素子の
吸熱側と発熱側との間を、コンピュータの大きさに応じ
て、例えば十数センチから数メートルに熱伝導の良い導
電材料を用いて隔離して、吸熱側をＣＰＵ素子に密着さ
せ発熱側を表面積の大きいコンピュータボックスや外部
の放熱金属体に密着または温水器に取り付けることによ
って、騒音，雑音の出ない熱除去と省電力を同時に行う
ことができる。

【００９６】また、本発明により、改良型ペルチェ効果
熱転送システムを用い外部電力の必要としない回路系
は、コンピュータの他に、小型電源機器類や、固体，液
体，気体内の不要な熱除去と除去熱の利用のための小型
機器を製品化することが出来る。

【００９７】本発明のその他の応用例として、次のよう
なものがある。液体の場合は、例えば冷たい飲み物と暖
かい飲み物とを両方共販売する自動販売機において、ペ
ルチェ効果素子の吸熱側を冷たい飲み物側に位置させ、
ペルチェ効果素子の発熱側を温かい飲み物側に位置させ
ることによって、外部電力の消費量を極端に減らすこと
ができる販売機や、改良型ペルチェ効果熱転送システム
を用いた外部電力の要らない自動販売機を開発すること
が可能となる。

【００９８】また、気体の場合は、魚屋の鮮魚陳列器や
肉屋の肉の冷凍庫等に対応させて加熱機器類を一対にす
ることにより、循環型の低エネルギーかつ無公害の冷却
／保存／加熱／保温などの機器を構成できる。

【００９９】以上示した本発明による改良型ペルチェ効
果熱転送システムを利用した全ての実施例は、「化石燃
料などの燃料や外部電力を使う必要が無く、自然界にあ
る熱エネルギーを基にした熱エネルギー転送と、各種タ
イプのエネルギー変換を行う開放型のエネルギーリサイ
クルシステム」であり、「地球温暖化を軽減し、且つ、
公害を伴うような環境負荷の殆ど無いシステム」を提供
することができる。

【０１００】以上、本発明において、記載された具体例
に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範
囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者
にとって明白なことであり、このような変形および修正
が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【０１０１】

【発明の効果】以上示したように本発明によれば、例え
ば化石燃料等を使うことなく、自然界にある熱エネルギ
ーを有効に利用し、かつこれを再利用し、またこの熱エ
ネルギーを電気エネルギーに変換して電力として利用し
たり、さらに、化学エネルギーに変換する事により、開
放型のエネルギーリサイクル系を構築できるものである
ため、地球温暖化を軽減し、且つ、公害を伴うような環
境負荷が殆ど無いエネルギー直接変換系を提供すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ペルチェ効果とゼーベック効果の物理構築の原
理をエネルギーバンドで説明する模式図である。

【図２】本実施の第１形態における任意の間隔を開ける
ことのできる一対のペルチェ効果熱転送回路系を説明す
る模式図である。

【図３】ペルチェ効果における時間変化に対する温度変
化特性図。

【図４】ペルチェ効果における時間変化に対する温度変
化特性図。

【図５】電流変化に対する温度変化特性図。

【図６】電流変化に対する温度変化量特性図。

【図７】本実施の第２形態における任意の間隔を開ける
ことのできる一対のゼーベック効果による熱エネルギー
から電気エネルギーに変換する回路系を説明する模式図
である。

【図８】 本実施の第３形態における熱電効果装置を用
いたエネルギー直接変換システムを説明する自己駆動熱
転送システムの模式回路図である。

【図９】温度差変化に対する起電力特性図。

【図１０】本実施の第４形態における熱電効果装置を用
いたエネルギー直接変換システムを説明する自己駆動熱
転送システムの模式回路図である。

【図１１】本実施の第５形態における熱電効果装置を用
いたエネルギー直接変換システムを説明する自己駆動熱
転送システムの模式回路図である。

【図１２】本実施の第６形態における熱電効果装置を用
いたエネルギー直接変換システムを説明する自己駆動熱
転送システムの模式回路図である。

【図１３】本実施の第７形態における熱電効果装置を用
いたエネルギー直接変換システムを説明する自己駆動熱
転送システムの模式回路図である。

【図１４】実施規模の大きい本発明の実施形態例の説明
図である。

【図１５】中程度の実施規模の大きい本発明の実施形態
例の説明図である。

【符号の説明】

Ａ１１，Ａ２１…第１導電部材 Ｂ１２，Ｂ２２…第２導電部材 １０，２０，３０…熱電変換素子

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【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て成る２
   つ熱電変換素子を備え、 前記２つの熱電変換素子を、各々の第１導電部材および
   第２導電部材における接合部材と対向する側の面同士で
   導電材料を介して電気的に接続し、その導電材料の一方
   に直流電源を直列接続することによりペルチェ効果熱伝
   達回路系を構成し、 前記ペルチェ効果熱伝達回路系の吸熱部と発熱部との間
   を、吸熱部の温度Ｔ１と発熱部の温度Ｔ２とがＴ１＜Ｔ
   ２の関係を維持できる距離を確保したことを特徴とする
   熱電効果装置。
2. 【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て成る熱
   電変換素子を２ｎ個備え、 前記２ｎ個の熱電変換素子を、それぞれ導電材料を介し
   て電気的に直列接続、かつ隣接する熱電変換素子を交互
   に振り分けて吸熱部と発熱部とを形成し、前記導電材料
   の少なくとも一部に直流電源を直列接続することによ
   り、吸熱部と発熱部とをそれぞれｎ個有するペルチェ効
   果熱伝達回路系を構成し、 前記ペルチェ効果熱伝達回路系の吸熱部と発熱部との間
   を、吸熱部の温度Ｔ１と発熱部の温度Ｔ２とがＴ１＜Ｔ
   ２の関係を維持できる距離を確保したことを特徴とする
   熱電効果装置。
3. 【請求項３】 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成る２
   つ熱電変換素子を備え、 前記２つの熱電変換素子を、各々の第１導電部材および
   第２導電部材における接合部材と対向する側の面同士に
   おいて導電材料を介して電気的に接続し、それぞれ温度
   の異なる温度環境下に配置し、高温側の熱電変換素子の
   温度Ｔ１と低温側の熱電変換素子の温度Ｔ２とがＴ１＜
   Ｔ２の関係を維持できる距離を確保し、 前記導電材料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により、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
   を構成したことを特徴とするエネルギー直接変換システ
   ム。
4. 【請求項４】 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成る熱
   電変換素子を２ｎ個備え、 前記２ｎ個の熱電変換素子を、それぞれ導電材料を介し
   て電気的に直列接続、かつ隣接する熱電変換素子を交互
   に振り分けて異なる温度環境下に配置し、高温側の熱電
   変換素子の温度Ｔ１と低温側の熱電変換素子の温度Ｔ２
   とがＴ１＜Ｔ２の関係を維持できる距離を確保し、 前記導電材料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により、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
   を構成したことを特徴とするエネルギー直接変換システ
   ム。
5. 【請求項５】 前記の直接エネルギー変換電気回路系を
   一組以上用いられ、 初期の外部加熱または外部冷却による温度差を利用した
   複数の起動部が備えられ、互いに独立な複数箇所の環境
   の温度差による環境の熱エネルギー源から直接に電気ポ
   テンシャルエネルギーへの直接エネルギー変換システム
   を構成することを特徴とする請求項３記載のエネルギー
   直接変換システム。
6. 【請求項６】 請求項３または４記載の熱エネルギー直
   接変換システムから得られた電気ポテンシャルエネルギ
   ーを電気分解することにより、化学ポテンシャルエネル
   ギーに変換することを特徴とするエネルギー変換システ
   ム。
7. 【請求項７】 請求項１または請求項２記載の熱電効果
   装置を設け、その熱電変換装置から得られた熱エネルギ
   ーを、請求項３乃至５記載のエネルギー直接変換システ
   ムへ供給して電気ポテンシャルエネルギーを得、その電
   気ポテンシャルエネルギーの一部を前記熱電効果装置に
   帰還し直流電源として用いることを特徴とするエネルギ
   ー変換システム。
8. 【請求項８】 前記電気エネルギーの帰還をオン／オフ
   スイッチの切り替えによって制御することを特徴とする
   請求項７記載のエネルギー変換システム。
9. 【請求項９】 前記電気エネルギーの帰還をオン／オフ
   スイッチの切り替えによって制御し、前記電気エネルギ
   ーの熱電効果装置への供給すると共に、前記熱電効果装
   置の直流電源からの電力供給を断つことを特徴とする請
   求項７記載の熱エネルギー変換システム。
10. 【請求項１０】 請求項６乃至９記載のエネルギー変換
    システムから得られた電気ポテンシャルエネルギーを電
    気分解することにより、化学ポテンシャルエネルギーに
    変換することを特徴とするエネルギー変換システム。