JP2005072244A - Thermoelectric element and thermoelectric apparatus having the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電気素子及び該熱電気素子を備えた熱電気装置に関し、特に、フラーレンを用いたものに係る。 The present invention relates to a thermoelectric device and a thermoelectric device including the thermoelectric device, and particularly relates to a device using fullerene.
従来より、熱電気素子には、例えば、ペルチェ効果を利用し、熱を電気エネルギに直接変換したり、又は電気エネルギを熱に変換するものがある。このペルチェ効果を利用した熱電気素子は、空気調和装置や発電装置などの各種の熱電気装置に用いられている。例えば、熱電気素子を用いた空気調和装置は、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける圧縮機などの可動部を設ける必要がないことから、地球環境に優しいという利点がある（特許文献１参照）。
しかしながら、上述した熱電気素子を用いた空気調和装置は、効率が悪いという問題があった（カルノーサイクルの８％）。また、ペルチェ素子は、熱発電素子としても利用されるが、発電効率が悪いという問題があった（カルノーサイクルの８％）。 However, the air conditioner using the above-described thermoelectric element has a problem of poor efficiency (8% of the Carnot cycle). The Peltier device is also used as a thermoelectric power generation device, but has a problem that power generation efficiency is poor (8% of the Carnot cycle).
この低効率の理由は次の通りである。ペルチェ効果、ゼーベック効果又はトムソン効果を利用した熱電素子は、素子の性質上、高温部と低温部とを接合している。そのため、接合部での温度差によって、熱エネルギが格子振動の形で高温部から低温部へ運ばれていくことになる。 The reason for this low efficiency is as follows. A thermoelectric element using the Peltier effect, Seebeck effect, or Thomson effect joins a high-temperature part and a low-temperature part due to the nature of the element. Therefore, the thermal energy is carried from the high temperature portion to the low temperature portion in the form of lattice vibration due to the temperature difference at the joint.
つまり、移動する熱のエネルギを全て電子だけが担えば問題がないが、実際には格子振動の形で緩和が起こる。このため、冷却素子として熱電気素子を用いた場合、電子移動によって形成された温度差が格子振動の形で熱の緩和が起こる。一方、発電素子として熱電気素子を用いた場合、温度差を電子移動に利用したいが、格子振動による熱拡散を起こしてしまう。 In other words, there is no problem if only the electrons are responsible for all the energy of the moving heat, but in reality, relaxation occurs in the form of lattice vibration. For this reason, when a thermoelectric element is used as the cooling element, the temperature difference formed by electron transfer is relaxed in the form of lattice vibration. On the other hand, when a thermoelectric element is used as a power generation element, it is desired to use the temperature difference for electron transfer, but thermal diffusion due to lattice vibration occurs.
本発明は、斯かる点に鑑みて成されたもので、格子振動による熱伝達を下げて素子性質を向上させることを目的とするものである。 The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to improve the element properties by lowering heat transfer due to lattice vibration.
〈発明の概要〉
本発明は、電気伝導性のフラーレンの導電層を設けるようにしたものであり、その基本原理は次の通りである。
<Summary of invention>
In the present invention, a conductive layer of electrically conductive fullerene is provided, and the basic principle thereof is as follows.
例えば、ペルチェ素子の性能を特徴つける指標に性能指数Ｚがある。この性能指数Ｚは、Ｚ＝（α2σ）／κで表される。ここで、αはゼーベック係数、σは電気伝導度、κは熱伝導率である。 For example, a performance index Z is an index that characterizes the performance of the Peltier element. This figure of merit Z is expressed by Z = (α 2 σ) / κ. Here, α is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, and κ is the thermal conductivity.
このペルチェ素子の性能を向上させるためには、ゼーベック係数αを高くし、電気伝導度σを向上させ、熱伝導率κを小さくすればよいことが分かる。 It can be seen that in order to improve the performance of the Peltier element, the Seebeck coefficient α is increased, the electrical conductivity σ is increased, and the thermal conductivity κ is decreased.
一方、本願発明者は、永年の研究の結果、フラーレンにおいて、電気伝導性を具備させると、熱伝導方向と電気伝導方向とを制御し得る点を新たに見出したものである。 On the other hand, as a result of years of research, the inventor of the present application has newly found that when fullerene is provided with electric conductivity, the heat conduction direction and the electric conduction direction can be controlled.
具体的に、グラファイトシートは、各層内の熱伝導性がよく、且つ各層間の熱伝導が悪い。すなわち、上記グラファイトシートは、熱伝導方向と電気伝導方向とに異方性を有する。 Specifically, the graphite sheet has good thermal conductivity in each layer and poor heat conduction between the layers. That is, the graphite sheet has anisotropy in the heat conduction direction and the electric conduction direction.
グラファイトシートを球体にしたフラーレンの熱伝導も各フラーレンの球面上の熱伝導はよいが、ファンデアワースト力により弱く結合したフラーレンの集合体の熱伝導はよくない。そこで、ドーピングなどにより、フラーレンに電気伝導性を備えるようにすると、熱伝導と電子伝導の伝搬方向を制御することができる。 The heat conduction of fullerenes in which a graphite sheet is a sphere is good on the spherical surface of each fullerene, but the heat conduction of the aggregate of fullerenes weakly coupled by van der Worst force is not good. Therefore, if the fullerene is provided with electric conductivity by doping or the like, the propagation directions of heat conduction and electron conduction can be controlled.
このことから、本願発明者は、電気伝導性を有するフラーレンの集合体によって電気伝導度σを高くし、熱伝導率κを小さくした熱電気素子を開発したものである。 Therefore, the inventor of the present application has developed a thermoelectric element in which the electrical conductivity σ is increased and the thermal conductivity κ is decreased by an aggregate of fullerenes having electrical conductivity.
〈解決手段〉
具体的に、図２に示すように、第１の発明は、互いに対向して配置された陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを備えている。そして、上記陰極（21）と陽極（22）との間に熱又は電気エネルギを加えて熱と電気エネルギとを変換する。
<Solution>
Specifically, as shown in FIG. 2, the first invention is formed between a cathode (21) and an anode (22) arranged opposite to each other, and between the cathode (21) and the anode (22). And a conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity. Then, heat or electric energy is applied between the cathode (21) and the anode (22) to convert heat and electric energy.
第２の発明は、上記第１の発明において、上記陰極（21）と陽極（22）との間の電圧印加により、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）に冷却部を形成し、陽極（22）に加熱部を形成して電気エネルギを熱に変換する構成としている。 According to a second invention, in the first invention, electrons are applied from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23) by applying a voltage between the cathode (21) and the anode (22). Moves to form a cooling part on the cathode (21) and a heating part on the anode (22) to convert electric energy into heat.
第３の発明は、上記第１の発明において、上記陰極（21）を加熱し、陽極（22）を冷却し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して熱を電気エネルギに変換する構成としている。 According to a third invention, in the first invention, the cathode (21) is heated, the anode (22) is cooled, and electrons are transferred from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23). It is configured to move and convert heat into electrical energy.
第４の発明は、上記第１、２又は３の発明において、上記導電層（23）のフラーレン（24）は、金属原子をドーピングして構成されている。 According to a fourth invention, in the first, second or third invention, the fullerene (24) of the conductive layer (23) is constituted by doping a metal atom.
第５の発明は、空調を行う熱電気装置であって、ケーシング（11）と、該ケーシング（11）内に設けられ、熱電気素子（20）を有する熱交換手段（12）と、上記ケーシング（11）の内部に形成されて第１空気が流れる１次側の通路（15）及び第２空気が流れる２次側の通路（16）とを備えている。そして、上記熱交換手段（12）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間に電圧を印加し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、１次側通路（15）の第１空気及び２次側通路（16）の第２空気を冷却又は加熱するように構成されている。 A fifth invention is a thermoelectric device for performing air conditioning, wherein the casing (11), heat exchange means (12) provided in the casing (11) and having a thermoelectric element (20), and the casing A primary side passageway (15) formed inside (11) through which the first air flows and a secondary side passageway (16) through which the second air flows are provided. The thermoelectric element (20) of the heat exchanging means (12) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and between the cathode (21) and the anode (22). And a conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity, wherein the cathode (21) and the anode (22) are arranged facing the passages (15, 16), and the cathode A voltage is applied between (21) and the anode (22), and electrons move from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23) to cool the cathode (21). 22) is heated, and the first air in the primary passage (15) and the second air in the secondary passage (16) are cooled or heated.
第６の発明は、空気を除湿する熱電気装置であって、ケーシング（31）と、該ケーシング（31）内に設けられ、熱電気素子（20）を有する除湿手段（32）と、上記ケーシング（31）の内部に形成されて空気が流れる空気通路（36）とを備えている。そして、上記除湿手段（32）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間に電圧を印加し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、空気通路（36）の空気を冷却して除湿するように構成されている。 A sixth invention is a thermoelectric device for dehumidifying air, the casing (31), a dehumidifying means (32) provided in the casing (31) and having a thermoelectric element (20), and the casing (31) and an air passage (36) through which air flows. The thermoelectric element (20) of the dehumidifying means (32) is formed between the cathode (21) and the anode (22) disposed opposite to each other and between the cathode (21) and the anode (22). A conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity, the cathode (21) and the anode (22) facing the passage (15, 16), and the cathode ( A voltage is applied between 21) and the anode (22), and electrons move from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23) to cool the cathode (21). ) And the air in the air passage (36) is cooled and dehumidified.
第７の発明は、上記第６の発明において、上記熱電気素子（20）の陰極（21）で冷却された空気が流れて該空気中の臭気物質を吸着する脱臭手段（33）が設けられている。 According to a seventh invention, in the sixth invention, there is provided a deodorizing means (33) for allowing the air cooled by the cathode (21) of the thermoelectric element (20) to flow and adsorb the odorous substance in the air. ing.
第８の発明は、発電を行う熱電気装置であって、熱電気素子（20）を有する変換手段（45）と、該変換手段（45）の片側に配置された加熱手段（42）と、上記変換手段（45）の他の片側に配置された冷却手段（46）とを備えている。そして、上記熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）を加熱手段（42）によって加熱すると共に、陽極（22）を冷却手段（46）によって冷却し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して熱を電気エネルギに変換して負荷（47）に電力を供給するように構成されている。 The eighth invention is a thermoelectric device for generating electric power, comprising a conversion means (45) having a thermoelectric element (20), a heating means (42) disposed on one side of the conversion means (45), Cooling means (46) disposed on the other side of the conversion means (45). The thermoelectric element (20) is formed between the cathode (21) and the anode (22) disposed opposite to each other, and between the cathode (21) and the anode (22), and has electrical conductivity. The cathode (21) is heated by the heating means (42), the anode (22) is cooled by the cooling means (46), and the conductive layer (23) is formed. 23), electrons move from the cathode (21) to the anode (22) through 23 to convert heat into electric energy and supply power to the load (47).
第９の発明は、発電手段（40）及び空調手段（10）とを備えた熱電気装置であって、上記発電手段（40）は、熱電気素子（20）を有する変換手段（45）と、該変換手段（45）の片側に配置された加熱手段（42）と、上記変換手段（45）の他の片側に配置された冷却手段（46）を備え、上記空調手段（10）は、熱電気素子（20）を有する熱交換手段（12）と、ケーシング（11）の内部で且つ熱交換手段（12）の片側に形成された第１空気の１次側の通路（15）と、上記ケーシング（11）の内部で且つ熱交換手段（12）の他の片側に形成された第２空気の２次側の通路（16）とを備えている。そして、上記発電手段（40）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）を加熱手段（42）によって加熱すると共に、陽極（22）を冷却手段（46）によって冷却し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して熱を電気エネルギに変換して空調手段（10）の熱交換手段（12）に電力を供給するように構成されている。加えて、上記空調手段（10）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が各通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間に電圧を印加し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、１次側通路（15）の第１空気及び２次側通路（16）の第２空気を冷却又は加熱するように構成されている。 The ninth invention is a thermoelectric device comprising a power generation means (40) and an air conditioning means (10), wherein the power generation means (40) includes a conversion means (45) having a thermoelectric element (20). The heating means (42) arranged on one side of the conversion means (45) and the cooling means (46) arranged on the other side of the conversion means (45), the air conditioning means (10), A heat exchange means (12) having a thermoelectric element (20), a passage (15) on the primary side of the first air formed inside the casing (11) and on one side of the heat exchange means (12), And a secondary air passage (16) formed in the casing (11) and on the other side of the heat exchange means (12). The thermoelectric element (20) of the power generation means (40) is formed between the cathode (21) and the anode (22) disposed opposite to each other and between the cathode (21) and the anode (22). A conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity, the cathode (21) is heated by the heating means (42), and the anode (22) is cooled by the cooling means (46). Cooling, electrons move from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23), convert the heat into electrical energy, and supply power to the heat exchange means (12) of the air conditioning means (10) Is configured to do. In addition, the thermoelectric element (20) of the air-conditioning means (10) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other, and between the cathode (21) and the anode (22). And a conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity, the cathode (21) and the anode (22) being arranged facing each passage (15, 16), A voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22), and electrons move from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23) to cool the cathode (21). (22) is heated, and the first air in the primary passage (15) and the second air in the secondary passage (16) are cooled or heated.
第１０の発明は、上記第５、６、８又は９の発明において、上記熱電気素子（20）の導電層（23）のフラーレン（24）は、金属原子をドーピングして構成されている。 In a tenth aspect based on the fifth, sixth, eighth or ninth aspect, the fullerene (24) of the conductive layer (23) of the thermoelectric element (20) is doped with a metal atom.
すなわち、本発明では、陰極（21）と陽極（22）との間の導電層（23）において、電子が陰極（21）から陽極（22）に向かって流れるものの、格子振動による熱伝達は、フラーレン（24）で遮断される。この結果、格子振動による熱伝達が下がり、素子性質が向上する。 That is, in the present invention, in the conductive layer (23) between the cathode (21) and the anode (22), electrons flow from the cathode (21) toward the anode (22), but heat transfer by lattice vibration is Cut off by fullerene (24). As a result, heat transfer due to lattice vibration is reduced, and element properties are improved.
また、第２の発明では、陰極（21）と陽極（22）との間に電圧をかけると、電子が陰極（21）から導電層（23）を介して陽極（22）に流れ、電子を放出する陰極（21）が冷却される一方、電子を受け取る陽極（22）が加熱される。 In the second invention, when a voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22), electrons flow from the cathode (21) through the conductive layer (23) to the anode (22), The emitting cathode (21) is cooled while the anode (22) receiving electrons is heated.
また、第３の発明では、電子放出によって陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じ、発電が行われる。 In the third aspect of the invention, a potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22) due to electron emission, and power generation is performed.
第５の発明は、熱電気素子（20）によって空気調和を行うものである。つまり、第１空気はケーシング（11）に吸い込まれ、１次側通路（15）を流れる。上記第１空気は、熱交換手段（12）における熱電気素子（20）の陰極（21）（冷却部）で熱交換して冷却され、冷却空気の調和空気となる。この調和空気は、１次側通路（15）流れ、室内に吹き出し、室内を冷房する。 5th invention performs air conditioning by a thermoelectric element (20). That is, the first air is sucked into the casing (11) and flows through the primary passage (15). The first air is cooled by exchanging heat at the cathode (21) (cooling unit) of the thermoelectric element (20) in the heat exchange means (12), and becomes conditioned air of cooling air. The conditioned air flows through the primary passage (15), blows out into the room, and cools the room.
また、第２空気はケーシング（11）に吸い込まれ、２次側通路（16）を流れる。そして、上記室外空気は、熱交換手段（12）における熱電気素子（20）の陽極（22）（加熱部）で熱交換して加熱され、排熱空気となる。この排熱空気は、２次側通路（16）流れ、室外に吹き出る。 The second air is sucked into the casing (11) and flows through the secondary passage (16). And the said outdoor air is heat-exchanged by the anode (22) (heating part) of the thermoelectric element (20) in a heat exchange means (12), and becomes exhausted hot air. This exhausted hot air flows into the secondary passage (16) and blows out to the outside.
一方、暖房運転を行う場合、熱交換手段（12）における熱電気素子（20）は、陽極（22）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。そして、冷房運転時とは逆に、第１空気は１次側通路（15）を流れて加熱され、加熱空気の調和空気となって室内に吹き出し、室内を暖房する。一方、第２空気は２次側通路（16）を流れて冷却され、排熱空気となって室外に吹き出る。 On the other hand, when performing the heating operation, the thermoelectric element (20) in the heat exchange means (12) has the anode (22) facing the primary passage (15) and the cathode (21) of the thermoelectric element (20). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the secondary passage (16). Contrary to the cooling operation, the first air flows through the primary side passage (15) and is heated, blown into the room as conditioned air of the heated air, and heats the room. On the other hand, the second air flows through the secondary passage (16), is cooled, and becomes exhaust heat air and blows out of the room.
また、第６及び第７の発明では、熱電気素子（20）によって除湿を行うものである。つまり、除湿手段（32）における熱電気素子（20）は、空気通路（36）に面する陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。空気はケーシング（31）に流入し、空気通路（36）を流れる。そして、上記空気は、除湿手段（32）における熱電気素子（20）の陰極（21）（冷却部）で熱交換して冷却されて除湿され、乾燥した調和空気となる。この調和空気は、脱臭手段（33）を流れ、臭気物質が吸着除去され、空気の除湿及び脱臭が行われる。 In the sixth and seventh inventions, dehumidification is performed by the thermoelectric element (20). That is, the thermoelectric element (20) in the dehumidifying means (32) applies a predetermined voltage between the cathode (21) and the anode (22) facing the air passage (36). Air flows into the casing (31) and flows through the air passage (36). And the said air is heat-exchanged by the cathode (21) (cooling part) of the thermoelectric element (20) in a dehumidification means (32), is cooled and dehumidified, and becomes dry conditioned air. The conditioned air flows through the deodorizing means (33), the odorous substance is adsorbed and removed, and the air is dehumidified and deodorized.
また、第８の発明では、熱電気素子（20）によって発電を行うものである。つまり、例えば、加熱手段（42）でガスを燃焼させる。この燃焼によって変換手段（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱される。一方、１次側通路（15）には、冷却手段（46）によって変換手段（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）が冷却される。上記変換手段（45）の熱電気素子（20）は、陰極（21）が所定温度以上に加熱されると、陰極（21）から陽極（22）に向かって電子が放出される。この電子放出によって上記陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じ、発電が行われる。この変換部で発生した電力が負荷（47）に供給される。 In the eighth invention, power is generated by the thermoelectric element (20). That is, for example, gas is burned by the heating means (42). This combustion heats the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45). On the other hand, the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45) is cooled in the primary passage (15) by the cooling means (46). The thermoelectric element (20) of the conversion means (45) emits electrons from the cathode (21) toward the anode (22) when the cathode (21) is heated to a predetermined temperature or higher. Due to this electron emission, a potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22), and power generation is performed. The electric power generated by the conversion unit is supplied to the load (47).
また、第９の発明では、熱電気素子（20）によって発電及び空気調和を行うものである。つまり、変換手段（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱され、陽極（22）が冷却されるので、電子が陰極（21）から陽極（22）に向かって放出される。この結果、上記陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じる。 In the ninth invention, the thermoelectric element (20) performs power generation and air conditioning. That is, since the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45) is heated and the anode (22) is cooled, electrons are emitted from the cathode (21) toward the anode (22). . As a result, a potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22).
上記変換手段（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）から電子が熱交換手段（12）の熱電気素子（20）の陰極（21）に流れる。この熱交換手段（12）の熱電気素子（20）には、所定電圧が印可されているので、熱電気素子（20）の陰極（21）から電子が陽極（22）に放出される。この結果、上記陰極（21）が冷却され、第１空気が冷却されて調和空気となる。この調和空気は、室内に供給される。 Electrons flow from the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45) to the cathode (21) of the thermoelectric element (20) of the heat exchange means (12). Since a predetermined voltage is applied to the thermoelectric element (20) of the heat exchange means (12), electrons are emitted from the cathode (21) of the thermoelectric element (20) to the anode (22). As a result, the cathode (21) is cooled, and the first air is cooled to become conditioned air. This conditioned air is supplied indoors.
上記熱交換手段（12）の熱電気素子（20）の陽極（22）に流れた電子は、変換手段（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）に流れ、上述の動作が繰り返される。 The electrons flowing to the anode (22) of the thermoelectric element (20) of the heat exchange means (12) flow to the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion means (45), and the above operation is repeated. It is.
また、暖房運転を行う場合、上記変換手段（45）における熱電気素子（20）と熱交換手段（12）の熱電気素子（20）との接続を逆にすればよい。 Moreover, what is necessary is just to reverse the connection of the thermoelectric element (20) in the said conversion means (45) and the thermoelectric element (20) of a heat exchange means (12) when heating operation is performed.
したがって、本発明によれば、陰極（21）と陽極（22）との間に電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）を設けるようにしたために、陰極（21）と陽極（22）との間の熱伝導率を極めて小さくすることができる。この結果、電気エネルギと熱とを高効率で変換することができる。 Therefore, according to the present invention, since the conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity is provided between the cathode (21) and the anode (22), the cathode (21) and the anode The thermal conductivity between (22) can be made extremely small. As a result, electrical energy and heat can be converted with high efficiency.
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成するものに比して冷媒及び圧縮機を設ける必要がないので、脱人工冷媒を図ることができ、地球環境に優しいものとすることができる。 Further, since it is not necessary to provide a refrigerant and a compressor as compared with those constituting a vapor compression refrigeration cycle, a de-artificial refrigerant can be achieved, and the environment can be made friendly.
また、振動及び騒音の低減を図ることができると共に、機械的摺動部がないので、機械的摩耗がなく、しかも、圧縮機の発熱、重量及び容積に関する制約を解消することができる。 Further, vibration and noise can be reduced, and since there is no mechanical sliding portion, there is no mechanical wear, and restrictions on heat generation, weight, and volume of the compressor can be eliminated.
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルの効率より高効率とすることができる。 Also, the efficiency can be higher than that of the vapor compression refrigeration cycle.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
〈発明の実施形態１〉
図１に示すように、空気調和装置（10）は、熱電気素子（20）を備えた熱電気装置であって、冷房運転を行うように構成されている。
<Embodiment 1>
As shown in FIG. 1, the air conditioner (10) is a thermoelectric device including a thermoelectric element (20), and is configured to perform a cooling operation.
上記空気調和装置（10）は、ケーシング（11）と、熱交換手段である熱交換機構（12）とを備えている。上記ケーシング（11）は、前面ケース（11a）と背面ケース（11b）とを備え、上記前面ケース（11a）の内側中央部にコア（11c）が設けられている。 The air conditioner (10) includes a casing (11) and a heat exchange mechanism (12) as heat exchange means. The casing (11) includes a front case (11a) and a back case (11b), and a core (11c) is provided at an inner central portion of the front case (11a).
上記前面ケース（11a）には、コア（11c）の上方に位置して室内空気を吸い込む室内吸込口（13a）が形成されると共に、コア（11c）の下方に位置して調和空気を吹き出す室内吹出口（13b）が形成されている。一方、上記背面ケース（11b）には、上部に室外空気を吸い込む室外吸込口（14a）が形成されると共に、下部に排熱空気を吹き出す室外吹出口（14b）が形成されている。更に、上記背面ケース（11b）の上部及び下部には、前方に突出した突起（11d）が形成されている。 The front case (11a) is formed with an indoor suction port (13a) that is located above the core (11c) and sucks room air, and is located below the core (11c) and blows out conditioned air. An air outlet (13b) is formed. On the other hand, the rear case (11b) has an outdoor suction port (14a) for sucking outdoor air at the upper part and an outdoor outlet (14b) for blowing exhaust heat air at the lower part. Further, projections (11d) projecting forward are formed on the upper and lower portions of the rear case (11b).
上記ケーシング（11）の内部には、室内吸込口（13a）と室内吹出口（13b）とを繋ぐ１次側通路（15）が形成されると共に、室外吸込口（14a）と室外吹出口（14b）とを繋ぐ２次側通路（16）が形成されている。 In the casing (11), a primary passage (15) that connects the indoor suction port (13a) and the indoor air outlet (13b) is formed, and the outdoor air inlet (14a) and the outdoor air outlet ( 14b) is formed in the secondary passage (16).
上記熱交換機構（12）は、１次側通路（15）と２次側通路（16）との区画壁を形成し、複数の熱電気素子（20）によって構成され、室内吸込口（13a）の上方から室内吹出口（13b）の下方に亘って形成されている。 The heat exchange mechanism (12) forms a partition wall of the primary side passage (15) and the secondary side passage (16), and is constituted by a plurality of thermoelectric elements (20), and has an indoor suction port (13a) Is formed from above the lower part of the indoor outlet (13b).
上記１次側通路（15）には、コア（11c）に近接して室内ファン（17a）が設けられている。一方、上記２次側通路（16）には、室外吸込口（14a）に吸込ファン（17b）が、室外吹出口（14b）に吹出ファン（17c）が配置されている。 In the primary passage (15), an indoor fan (17a) is provided adjacent to the core (11c). On the other hand, in the secondary side passage (16), a suction fan (17b) is disposed in the outdoor suction port (14a), and a blower fan (17c) is disposed in the outdoor air outlet (14b).
上記熱交換機構（12）は、複数の熱電気素子（20）が縦横に並列に配列された平板状に形成されている。上記各熱電気素子（20）は、図２及び図３に示すように、陰極（21）と陽極（22）とより成る一対の電極と、該陰極（21）と陽極（22）との間に設けられた導電層（23）（23）とを備えている。 The heat exchange mechanism (12) is formed in a flat plate shape in which a plurality of thermoelectric elements (20) are arranged in parallel vertically and horizontally. As shown in FIGS. 2 and 3, each thermoelectric element (20) includes a pair of electrodes composed of a cathode (21) and an anode (22), and a gap between the cathode (21) and the anode (22). And conductive layers (23) and (23).
上記導電層（23）は、電気伝導性を有するフラーレン（24）の集合体により形成されている。上記フラーレン（24）は、球殻状の炭素分子であって、例えば、Ｃ60又はＣ70などが挙げられる。このＣ60などのフラーレン自体は、非常に高い電気抵抗率を持つ半導体であり、このフラーレン自体に金属原子をドーピングすると、フラーレン（24）は、電気伝導性を有することになる。この金属原子としては、例えば、アルカリ金属原子（Ａ＝Ｋ，Ｒb，Ｃs）が挙げられる。 The conductive layer (23) is formed of an aggregate of fullerenes (24) having electrical conductivity. The fullerene (24) is a spherical shell-like carbon molecule, and examples thereof include C 60 and C 70 . Fullerenes such as the C 60 is a semiconductor with a very high electrical resistivity, the doping metal atom in the fullerene itself, fullerene (24) will have an electrical conductivity. Examples of the metal atom include an alkali metal atom (A = K, Rb, Cs).
つまり、グラファイトシートを球体にしたフラーレン（24）の熱伝導は、各フラーレン（24）の球面上の熱伝導はよい。しかし、ファンデアワースト力により弱く結合したフラーレン（24）の集合体の熱伝導はよくない。そこで、金属原子をドーピングすることにより、フラーレン（24）に電気伝導性を具備させると、熱伝導と電子伝導との伝搬方向が制御される。 That is, the heat conduction of the fullerene (24) having a spherical graphite sheet is good on the spherical surface of each fullerene (24). However, the heat conduction of the aggregate of fullerenes (24) weakly bonded by van der Worst force is not good. Therefore, if the fullerene (24) is made electrically conductive by doping metal atoms, the propagation directions of heat conduction and electron conduction are controlled.
上記熱電気素子（20）は、陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加することにより、陰極（21）から陽極（22）に向かって電子が移動する（図２及び図３の矢符Ａ参照）。その際、電子は、フラーレン（24）の表面に沿って流れる。そして、この電子移動によって上記陰極（21）が冷却部に形成され、陽極（22）が加熱部に形成されることになる。 The thermoelectric element (20) moves electrons from the cathode (21) toward the anode (22) by applying a predetermined voltage between the cathode (21) and the anode (22) (see FIG. 2 and FIG. 2). (See arrow A in FIG. 3). At that time, the electrons flow along the surface of the fullerene (24). As a result of this electron movement, the cathode (21) is formed in the cooling section, and the anode (22) is formed in the heating section.
一方、上記陰極（21）及び陽極（22）からフラーレン（24）に熱が伝導することになるが、フラーレン（24）の間の熱伝導がよくないことから、フラーレン（24）相互間の方向の熱伝導は行われ難い。この結果、陰極（21）と陽極（22）との間の熱伝導率が小さく、素子性能が高い。つまり、格子振動（フォノン）による熱伝達は、フラーレン（24）の単体内に止まることになる（図３の矢符Ｂ参照）。 On the other hand, heat is conducted from the cathode (21) and the anode (22) to the fullerene (24), but the heat conduction between the fullerenes (24) is not good. It is difficult to conduct heat. As a result, the thermal conductivity between the cathode (21) and the anode (22) is small, and the device performance is high. That is, heat transfer due to lattice vibration (phonon) stops within the fullerene (24) alone (see arrow B in FIG. 3).
上記熱交換機構（12）は、陰極（21）と陽極（22）とがそれぞれ１次側通路（15）及び２次側通路（16）に面している。つまり、例えば、冷房運転を行う場合、熱電気素子（20）の陰極（21）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陽極（22）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。暖房運転を行う場合、印加電圧を逆にし、熱電気素子（20）の陽極（22）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。 In the heat exchange mechanism (12), the cathode (21) and the anode (22) face the primary side passage (15) and the secondary side passage (16), respectively. That is, for example, when performing a cooling operation, the cathode (21) of the thermoelectric element (20) faces the primary side passage (15), and the anode (22) of the thermoelectric element (20) becomes the secondary side passage ( A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face 16). When heating operation is performed, the applied voltage is reversed, the anode (22) of the thermoelectric element (20) faces the primary passage (15), and the cathode (21) of the thermoelectric element (20) is the secondary side. A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the passage (16).
〈作用〉
次に、上述した空気調和装置（10）の空気調和動作について説明する。
<Action>
Next, the air conditioning operation of the air conditioning apparatus (10) described above will be described.
先ず、冷房運転を行う場合、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）は、陰極（21）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陽極（22）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。この電圧の印加によって陰極（21）から陽極（22）に向かって電子が流れる。その際、電子は、導電層（23）のフラーレン（24）の表面に沿って流れることになる。この電子移動によって陰極（21）が冷却され、陽極（22）が加熱される。 First, when performing the cooling operation, the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12) has the cathode (21) facing the primary passage (15) and the anode (22) of the thermoelectric element (20). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the secondary passage (16). By applying this voltage, electrons flow from the cathode (21) toward the anode (22). At that time, electrons flow along the surface of the fullerene (24) of the conductive layer (23). This electron movement cools the cathode (21) and heats the anode (22).
一方、上記陰極（21）及び陽極（22）からフラーレン（24）に熱が伝導することになるが、格子振動による熱伝導は、フラーレン（24）の単体内に止まる（図３の矢符Ｂ参照）。つまり、上記フラーレン（24）の導電層（23）は、断熱層として機能することになる。この結果、陰極（21）と陽極（22）との間の熱伝導率が小さく抑制される。 On the other hand, heat is conducted from the cathode (21) and the anode (22) to the fullerene (24), but the heat conduction due to lattice vibration stops within the fullerene (24) alone (arrow B in FIG. 3). reference). That is, the conductive layer (23) of the fullerene (24) functions as a heat insulating layer. As a result, the thermal conductivity between the cathode (21) and the anode (22) is suppressed to be small.
一方、室内ファン（17a）を駆動すると、室内空気が室内吸込口（13a）よりケーシング（11）に吸い込まれ、１次側通路（15）を流れる。上記室内空気は、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）の冷却部である陰極（21）で熱交換して冷却され、冷却空気の調和空気となる。この調和空気は、１次側通路（15）流れ、室内吹出口（13b）より室内に吹き出し、室内を冷房する。 On the other hand, when the indoor fan (17a) is driven, room air is sucked into the casing (11) from the indoor suction port (13a) and flows through the primary passage (15). The indoor air is cooled by exchanging heat at the cathode (21), which is a cooling section of the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12), and becomes conditioned air of the cooling air. The conditioned air flows into the primary passage (15), blows out into the room through the indoor outlet (13b), and cools the room.
更に、吸込ファン（17b）及び吹出ファン（17c）を駆動すると、室外空気は室外吸込口（14a）よりケーシング（11）に吸い込まれ、２次側通路（16）を流れる。上記室外空気は、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）の加熱部である陽極（22）で熱交換して加熱され、排熱空気となる。この排熱空気は、２次側通路（16）流れ、室外吹出口（14b）より室外に吹き出る。 Further, when the suction fan (17b) and the blower fan (17c) are driven, outdoor air is sucked into the casing (11) from the outdoor suction port (14a) and flows through the secondary side passage (16). The outdoor air is heated by exchanging heat at the anode (22) which is the heating portion of the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12), and becomes exhausted hot air. The exhaust air flows in the secondary passage (16) and blows out from the outdoor outlet (14b).
また、暖房運転を行う場合、熱交換機構（12）における熱電気素子（20）は、陽極（22）が１次側通路（15）に面し、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（16）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。そして、冷房運転時とは逆に、室内空気は１次側通路（15）を流れて加熱され、加熱空気の調和空気となって室内に吹き出し、室内を暖房する。一方、室外空気は２次側通路（16）を流れて冷却され、排熱空気となって室外に吹き出る。 When heating operation is performed, the thermoelectric element (20) in the heat exchange mechanism (12) has the anode (22) facing the primary passage (15) and the cathode (21) of the thermoelectric element (20). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the secondary passage (16). Contrary to the cooling operation, the indoor air flows through the primary passage (15) and is heated, becomes conditioned air of the heated air, blows out into the room, and heats the room. On the other hand, the outdoor air flows through the secondary passage (16), is cooled, and is exhausted as exhaust heat air.
〈実施形態１の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、陰極（21）と陽極（22）との間に電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）を設けるようにしたために、陰極（21）と陽極（22）との間の熱伝導率を極めて小さくすることができる。この結果、電気エネルギと熱とを高効率で変換することができる。
<Effect of Embodiment 1>
As described above, according to the present embodiment, since the conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity is provided between the cathode (21) and the anode (22), the cathode ( The thermal conductivity between 21) and the anode (22) can be made extremely small. As a result, electrical energy and heat can be converted with high efficiency.
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルを構成するものに比して冷媒及び圧縮機を設ける必要がないので、脱人工冷媒を図ることができ、地球環境に優しいものとすることができる。 Further, since it is not necessary to provide a refrigerant and a compressor as compared with those constituting a vapor compression refrigeration cycle, a de-artificial refrigerant can be achieved, and the environment can be made friendly.
また、振動及び騒音の低減を図ることができると共に、機械的摺動部がないので、機械的摩耗がなく、しかも、圧縮機の発熱、重量及び容積に関する制約を解消することができる。 Further, vibration and noise can be reduced, and since there is no mechanical sliding portion, there is no mechanical wear, and restrictions on heat generation, weight, and volume of the compressor can be eliminated.
また、蒸気圧縮式冷凍サイクルの効率より高効率とすることができる。 Also, the efficiency can be higher than that of the vapor compression refrigeration cycle.
〈発明の実施形態２〉
以下、本発明の実施形態２を図面に基づいて詳細に説明する。
<Embodiment 2 of the invention>
Hereinafter, Embodiment 2 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態は、図４に示すように、実施形態１の空気調和装置（10）に代えて、熱電気装置である脱臭除湿装置（30）に熱電気素子（20）を用いたものである。 In this embodiment, as shown in FIG. 4, a thermoelectric element (20) is used in a deodorizing and dehumidifying device (30) that is a thermoelectric device instead of the air conditioner (10) of the first embodiment. .
上記脱臭除湿装置（30）は、室内と押入との間の仕切部材（34）に取り付けられている。該脱臭除湿装置（30）は、ケーシング（31）と除湿手段である除湿機構（32）と脱臭手段である脱臭機構（33）とを備えている。 The deodorizing and dehumidifying device (30) is attached to a partition member (34) between the room and the press-in. The deodorizing / dehumidifying device (30) includes a casing (31), a dehumidifying mechanism (32) as dehumidifying means, and a deodorizing mechanism (33) as deodorizing means.
上記仕切部材（34）には、空気の流入口（34a）が形成されると共に、該流入口（34a）の上方位置に空気の流出口（34b）が形成されている。上記ケーシング（31）は、流入口（34a）と流出口（34b）とを覆うように仕切部材（34）に取り付けられている。 The partition member (34) has an air inlet (34a) and an air outlet (34b) at a position above the inlet (34a). The casing (31) is attached to the partition member (34) so as to cover the inlet (34a) and the outlet (34b).
また、上記ケーシング（31）の内部には、仕切部材（34）における流入口（34a）の上辺からケーシング（31）内に延びる隔壁（35）が設けられている。該隔壁（35）の先端には、下方に向かって延びる板状の除湿機構（32）が設けられている。 In addition, a partition wall (35) extending from the upper side of the inlet (34a) in the partition member (34) into the casing (31) is provided inside the casing (31). A plate-like dehumidifying mechanism (32) extending downward is provided at the tip of the partition wall (35).
そして、上記ケーシング（31）の内部には、空気通路（36）が形成されている。該空気通路（36）は、流入口（34a）から仕切部材（34）と除湿機構（32）との間で形成される１次側通路（36a）と、該１次側通路（36a）に連通し、ケーシング（31）と除湿機構（32）との間で形成され且つ流出口（34b）に至る２次側通路（36b）とを備えている。 An air passage (36) is formed in the casing (31). The air passage (36) includes a primary side passage (36a) formed between the partition member (34) and the dehumidifying mechanism (32) from the inflow port (34a), and the primary side passage (36a). A secondary side passage (36b) is formed between the casing (31) and the dehumidifying mechanism (32) and reaches the outlet (34b).
上記除湿機構（32）は、図示しないが、実施形態１と同様な熱電気素子（20）を備え、該熱電気素子（20）は、冷却部である陰極（21）が１次側通路（36a）に面し、加熱である陽極（22）が２次側通路（36b）に面するように配置されている。そして、上記除湿機構（32）は、押入から流入する空気を１次側通路（36a）で冷却して除湿した後、この除湿された空気を２次側通路（36b）で加熱して押入に戻すように構成されている。 Although not shown, the dehumidifying mechanism (32) includes a thermoelectric element (20) similar to that of the first embodiment, and the thermoelectric element (20) has a primary passage ( It faces 36a) and is arranged so that the anode (22) for heating faces the secondary passage (36b). The dehumidifying mechanism (32) cools and dehumidifies air flowing in from the primary side passage (36a), and then heats the dehumidified air in the secondary side passage (36b) for intrusion. It is configured to return.
上記ケーシング（31）内の下部には、脱臭機構（33）が１次側通路（36a）に位置して配置されている。該脱臭機構（33）は、臭気物質の吸着剤である活性炭を有し、冷却された空気の流通によって臭気物質を吸着除去するように構成されている。 A deodorizing mechanism (33) is disposed in the lower part in the casing (31) so as to be positioned in the primary passage (36a). The deodorizing mechanism (33) has activated carbon that is an adsorbent for odorous substances, and is configured to adsorb and remove the odorous substances by circulating cooled air.
上記ケーシング（31）の下部には、開口（31a）が形成されると共に、該開口（31a）の下方には、水滴受け（31b）が設けられている。 An opening (31a) is formed in the lower part of the casing (31), and a water droplet receiver (31b) is provided below the opening (31a).
〈作用〉
次に、上述した脱臭除湿装置（30）の脱臭除湿動作である空気調和動作について説明する。
<Action>
Next, the air conditioning operation that is the deodorizing and dehumidifying operation of the deodorizing and dehumidifying device (30) described above will be described.
先ず、除湿機構（32）における熱電気素子（20）は、陰極（21）が１次側通路（36a）に面し、熱電気素子（20）の陽極（22）が２次側通路（36b）に面するように陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加する。押入空気は流入口（34a）よりケーシング（31）に流入し、１次側通路（36a）を流れる。そして、上記押入空気は、除湿機構（32）における熱電気素子（20）の冷却部である陰極（21）で熱交換して冷却されて除湿され、乾燥した調和空気となる。この調和空気は、脱臭機構（33）を流れ、臭気物質が吸着除去される。 First, in the thermoelectric element (20) in the dehumidifying mechanism (32), the cathode (21) faces the primary side passage (36a), and the anode (22) of the thermoelectric element (20) becomes the secondary side passage (36b). A predetermined voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) so as to face the surface. The forced air flows into the casing (31) from the inlet (34a) and flows through the primary passage (36a). The forced air is cooled and dehumidified by heat exchange at the cathode (21), which is a cooling part of the thermoelectric element (20) in the dehumidifying mechanism (32), and becomes dry conditioned air. This conditioned air flows through the deodorizing mechanism (33), and the odorous substances are adsorbed and removed.
その後、上記調和空気は、２次側通路（36b）を流れ、除湿機構（32）における熱電気素子（20）の加熱部である陽極（22）で熱交換して加熱され、流出口（34b）から押入に戻り、該押入の除湿及び脱臭が行われる。その他の構成、作用及び効果は実施形態１と同様である。 Thereafter, the conditioned air flows through the secondary side passage (36b), is heated by exchanging heat with the anode (22) which is the heating portion of the thermoelectric element (20) in the dehumidifying mechanism (32), and then flows into the outlet (34b ) To the intrusion, and the dehumidification and deodorization of the intrusion is performed. Other configurations, operations, and effects are the same as those in the first embodiment.
〈発明の実施形態３〉
以下、本発明の実施形態３を図面に基づいて詳細に説明する。
Embodiment 3 of the Invention
Hereinafter, Embodiment 3 of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本実施形態は、図５乃至図７に示すように、実施形態１の空気調和装置（10）に代えて、熱電気装置である発電装置（40）に熱電気素子（20）を用いたものである。 In this embodiment, as shown in FIGS. 5 to 7, instead of the air conditioner (10) of the first embodiment, a thermoelectric element (20) is used for a power generation device (40) that is a thermoelectric device. It is.
上記発電装置（40）は、熱電気素子（20）の熱電子放出によって発電を行うように構成されている。つまり、上記熱電気素子（20）は、実施形態１の熱電気素子（20）と同様に構成されているが、実施形態１が熱電気素子（20）の陰極（21）と陽極（22）との間に所定電圧を印加したのに代わり、熱電気素子（20）の陰極（21）を加熱し、陽極（22）を冷却するようにしたものである。上記熱電気素子（20）の陰極（21）を所定温度に加熱すると、導電層（23）を介して陰極（21）から電子が陽極（22）に向かって流れ、陰極（21）と陽極（22）との間に所定の電位差が生じ、熱が電気エネルギに直接変換されて発電が行われる。 The power generator (40) is configured to generate power by thermionic emission of the thermoelectric element (20). That is, the thermoelectric element (20) is configured in the same manner as the thermoelectric element (20) of Embodiment 1, but the cathode (21) and anode (22) of the thermoelectric element (20) according to Embodiment 1 is used. The cathode (21) of the thermoelectric element (20) is heated and the anode (22) is cooled instead of applying a predetermined voltage between the two. When the cathode (21) of the thermoelectric element (20) is heated to a predetermined temperature, electrons flow from the cathode (21) toward the anode (22) through the conductive layer (23), and the cathode (21) and anode ( 22), a predetermined potential difference is generated, and heat is directly converted into electric energy to generate electricity.
上記発電装置（40）は、熱電気素子（20）の熱電気の変換機能を利用したもので、発電機構（41）と燃料部（42）とを備えている。該燃料部（42）は、ガスボンベで構成され、ガス管（42a）が接続されている。 The power generation device (40) utilizes the thermoelectric conversion function of the thermoelectric element (20), and includes a power generation mechanism (41) and a fuel part (42). The fuel part (42) is constituted by a gas cylinder, and a gas pipe (42a) is connected thereto.
上記発電機構（41）は、ケーシング（43）と加熱手段である燃焼部（44）と変換手段である変換部（45）とを備えている。該ケーシング（43）は、円筒状に形成されて一端が開口されている。 The power generation mechanism (41) includes a casing (43), a combustion part (44) as heating means, and a conversion part (45) as conversion means. The casing (43) is formed in a cylindrical shape and is open at one end.
上記燃焼部（44）は、両端が閉鎖されると共に、多数の燃焼孔（44a）が形成された円筒状の燃焼筒で構成されている。該燃焼部（44）は、上記ケーシング（43）の中央部に、該ケーシング（43）と同心上に配置されている。そして、上記燃焼部（44）は、一端にガス管（42a）が接続されて、燃料ガスが燃料部（42）より供給されている。 The combustion section (44) is constituted by a cylindrical combustion cylinder in which both ends are closed and a large number of combustion holes (44a) are formed. The combustion section (44) is disposed concentrically with the casing (43) at the center of the casing (43). The combustion section (44) is connected to a gas pipe (42a) at one end, and fuel gas is supplied from the fuel section (42).
上記変換部（45）は、実施形態１と同様な熱電気素子（20）を備え、両端が開口された円筒状に形成されている。該変換部（45）は、燃焼部（44）とケーシング（43）との間に位置し、それぞれ燃焼部（44）とケーシング（43）との間に所定の間隔が形成されている。そして、上記ケーシング（43）と変換部（45）との間は、外気が流れて冷却手段を構成する１次側通路（46）に形成されている。一方、上記変換部（45）と燃焼部（44）との間は、排気ガスが流れる２次側通路（46a）に形成されている。上記１次側通路（46）と２次側通路（46a）とは、ケーシング（43）の閉塞端側で連通している。 The said conversion part (45) is provided with the thermoelectric element (20) similar to Embodiment 1, and is formed in the cylindrical shape by which both ends were opened. The conversion part (45) is located between the combustion part (44) and the casing (43), and a predetermined interval is formed between the combustion part (44) and the casing (43), respectively. And between the said casing (43) and conversion part (45), it forms in the primary side channel | path (46) which external air flows and comprises a cooling means. On the other hand, between the conversion part (45) and the combustion part (44), a secondary side passage (46a) through which exhaust gas flows is formed. The primary side passage (46) and the secondary side passage (46a) communicate with each other on the closed end side of the casing (43).
上記変換部（45）は、熱電気素子（20）の陰極（21）が２次側通路（46a）に面し、陽極（22）が１次側通路（46）に面している。そして、上記上記熱電気素子（20）の陰極（21）が燃焼部（44）のガス燃焼によって加熱され、陽極（22）が外気によって冷却される。この加熱及び冷却によって熱電気素子（20）が発電を行う。 In the converter (45), the cathode (21) of the thermoelectric element (20) faces the secondary passage (46a), and the anode (22) faces the primary passage (46). And the cathode (21) of the said thermoelectric element (20) is heated by the gas combustion of a combustion part (44), and an anode (22) is cooled by external air. The thermoelectric element (20) generates power by this heating and cooling.
一方、上記変換部（45）には、負荷（47）が配線（47a）を介して接続されている。 On the other hand, a load (47) is connected to the converter (45) via a wiring (47a).
〈作用〉
次に、上述した発電装置（40）の発電動作について説明する。
<Action>
Next, the power generation operation of the power generation device (40) described above will be described.
先ず、燃料部（42）より燃料ガスを燃焼部（44）に供給し、該燃焼部（44）でガスを燃焼させる。この燃焼によって変換部（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱される。一方、１次側通路（46）には、外気が供給されて該外気が１次側通路（46）を流れるので、変換部（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）が冷却される。この１次側通路（46）を流れた室外空気は、２次側通路（46a）流れ、ガスの燃焼に寄与した後、排気される。 First, fuel gas is supplied from the fuel section (42) to the combustion section (44), and the gas is combusted in the combustion section (44). This combustion heats the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the converter (45). On the other hand, since the outside air is supplied to the primary side passage (46) and the outside air flows through the primary side passage (46), the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the converter (45) is cooled. Is done. The outdoor air that has flowed through the primary passage (46) flows into the secondary passage (46a), contributes to gas combustion, and then exhausted.
上記変換部（45）の熱電気素子（20）は、陰極（21）が所定温度以上に加熱されると、陰極（21）から陽極（22）に向かって電子が流れる。この電子移動によって陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じ、発電が行われる。この変換部（45）で発生した電力が負荷（47）に供給される。 In the thermoelectric element (20) of the converter (45), when the cathode (21) is heated to a predetermined temperature or higher, electrons flow from the cathode (21) toward the anode (22). Due to this electron movement, a potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22), and power generation is performed. The electric power generated by the converter (45) is supplied to the load (47).
〈実施形態３の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、陰極（21）と陽極（22）との間に電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）を設けるようにしたために、熱拡散がなく、熱と電気エネルギとを高効率で変換することができる。その他の熱電気素子（20）などの構成、作用及び効果は実施形態１と同様である。
<Effect of Embodiment 3>
As described above, according to this embodiment, since the conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity is provided between the cathode (21) and the anode (22), thermal diffusion is performed. It is possible to convert heat and electric energy with high efficiency. Other configurations, operations, and effects of the thermoelectric element (20) are the same as those of the first embodiment.
〈発明の実施形態４〉
以下、本発明の実施形態４を図面に基づいて詳細に説明する。
<Embodiment 4 of the Invention>
Embodiment 4 of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
本実施形態は、図８に示すように、実施形態１の空気調和装置（10）に代えて、熱電気装置であるガスヒートポンプ装置（50）に熱電気素子（20）を用いたものである。 In this embodiment, as shown in FIG. 8, a thermoelectric element (20) is used in a gas heat pump device (50) which is a thermoelectric device instead of the air conditioner (10) of the first embodiment. .
上記ガスヒートポンプ装置（50）は、発電手段である実施形態３の発電装置（40）と空調手段である実施形態１の空気調和装置（10）とを組み合わせたものであり、実施形態３の負荷（47）として実施形態１の熱交換機構（12）が接続されて電気回路（51）が形成されている。 The gas heat pump device (50) is a combination of the power generation device (40) of the third embodiment, which is power generation means, and the air conditioner (10) of the first embodiment, which is air conditioning means. As (47), the heat exchange mechanism (12) of Embodiment 1 is connected to form an electric circuit (51).
そして、上記実施形態１の２次側通路（16）より吹き出た排出空気が実施形態３の２次側通路（46a）に供給されている。この場合、実施形態３における１次側通路（46）を流れた空気はそのまま排出されている。 And the exhaust air which blown off from the secondary side channel | path (16) of the said Embodiment 1 is supplied to the secondary side channel | path (46a) of Embodiment 3. FIG. In this case, the air flowing through the primary passage (46) in the third embodiment is discharged as it is.
したがって、本実施形態では、実施形態３の変換部（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）が加熱され、陽極（22）が冷却されるので、陰極（21）から電子が陽極（22）に向かって移動する。この結果、陰極（21）と陽極（22）との間に電位差が生じる。 Therefore, in this embodiment, since the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the conversion unit (45) of Embodiment 3 is heated and the anode (22) is cooled, electrons are transferred from the cathode (21) to the anode. Move towards (22). As a result, a potential difference is generated between the cathode (21) and the anode (22).
そして、図８の矢符で示すように、上記変換部（45）における熱電気素子（20）の陽極（22）から電子が空気調和装置（10）における熱交換機構（12）の熱電気素子（20）の陰極（21）に流れる。この空気調和装置（10）の熱電気素子（20）には、所定電圧が印可されているので、熱電気素子（20）の陰極（21）から電子が陽極（22）に流れる。この結果、陰極（21）が冷却され、室内空気が冷却されて調和空気となる。この調和空気は、室内に供給される。 Then, as indicated by the arrows in FIG. 8, the electrons are transferred from the anode (22) of the thermoelectric element (20) in the conversion unit (45) to the heat exchange mechanism (12) in the air conditioner (10). It flows to the cathode (21) of (20). Since a predetermined voltage is applied to the thermoelectric element (20) of the air conditioner (10), electrons flow from the cathode (21) of the thermoelectric element (20) to the anode (22). As a result, the cathode (21) is cooled, and the indoor air is cooled to become conditioned air. This conditioned air is supplied indoors.
一方、上記空気調和装置（10）における熱交換機構（12）の熱電気素子（20）の陽極（22）に流れた電子は、図８の矢符で示すように、発電装置（40）の変換部（45）における熱電気素子（20）の陰極（21）に流れ、上述の動作が繰り返される。 On the other hand, the electrons that flowed to the anode (22) of the thermoelectric element (20) of the heat exchange mechanism (12) in the air conditioner (10), as shown by the arrows in FIG. It flows to the cathode (21) of the thermoelectric element (20) in the converter (45), and the above-described operation is repeated.
尚、暖房運転を行う場合、上記発電装置（40）の変換部（45）における熱電気素子（20）と空気調和装置（10）における熱交換機構（12）の熱電気素子（20）との接続を逆にすればよい。その際、発電装置（40）の燃焼部（44）には、外気を供給することになる。その他の熱電気素子（20）などの構成、作用及び効果は実施形態１及び実施形態３と同様である。 When heating operation is performed, the thermoelectric element (20) in the conversion unit (45) of the power generation device (40) and the thermoelectric element (20) of the heat exchange mechanism (12) in the air conditioner (10) The connection should be reversed. At that time, outside air is supplied to the combustion section (44) of the power generation device (40). Other configurations, operations, and effects of the thermoelectric element (20) are the same as those of the first and third embodiments.
〈発明の他の実施形態〉
上記各実施形態は、空気調和装置（10）や発電装置（40）等について説明したが、本発明は、熱電気素子（20）のみであってもよく、この熱電気素子（20）は、空気調和装置（10）や発電装置（40）等に限られず、各種の装置に適用してもよいものである。
<Other Embodiments of Invention>
Although each said embodiment demonstrated air conditioning apparatus (10), electric power generating apparatus (40), etc., this invention may be only a thermoelectric element (20), and this thermoelectric element (20) The present invention is not limited to the air conditioner (10), the power generator (40), and the like, and may be applied to various devices.
以上説明したように、本発明に係る熱電気素子及び該熱電気素子を備えた熱電気装置は、空気調和装置などに有用である。 As described above, the thermoelectric element according to the present invention and the thermoelectric apparatus including the thermoelectric element are useful for an air conditioner or the like.
10 空気調和装置（熱電気装置）
11 ケーシング
12 熱交換機構（熱交換手段）
15 １次側通路
16 ２次側通路
20 熱電気素子
21 陰極
22 陽極
23 導電層
24 フラーレン
30 脱臭除湿装置（熱電気装置）
31 ケーシング
32 除湿機構（除湿手段）
33 脱臭機構（脱臭手段）
36 空気通路
36a １次側通路
36b ２次側通路
40 発電装置（熱電気装置）
41 発電機構
44 燃焼部（加熱手段）
45 変換部（変換手段）
46 １次側通路（冷却手段）
46a ２次側通路
47 負荷
50 ガスヒートポンプ装置（熱電気装置）
10 Air conditioner (thermoelectric device)
11 Casing
12 Heat exchange mechanism (heat exchange means)
15 Primary passage
16 Secondary passage
20 Thermoelectric element
21 Cathode
22 Anode
23 Conductive layer
24 Fullerene
30 Deodorization dehumidifier (thermoelectric device)
31 Casing
32 Dehumidifying mechanism (dehumidifying means)
33 Deodorization mechanism (deodorization means)
36 Air passage
36a Primary passage
36b Secondary passage
40 Power generation equipment (thermoelectric equipment)
41 Power generation mechanism
44 Combustion section (heating means)
45 Conversion unit (conversion means)
46 Primary passage (cooling means)
46a Secondary passage
47 Load
50 Gas heat pump device (thermoelectric device)
Claims (10)
該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを備え、
上記陰極（21）と陽極（22）との間に熱又は電気エネルギを加えて熱と電気エネルギとを変換する
ことを特徴とする熱電気素子。 A cathode (21) and an anode (22) arranged opposite to each other;
A conductive layer (23) formed between the cathode (21) and the anode (22) and made of fullerene (24) having electrical conductivity;
A thermoelectric element which converts heat and electric energy by applying heat or electric energy between the cathode (21) and the anode (22).
上記陰極（21）と陽極（22）との間の電圧印加により、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）に冷却部を形成し、陽極（22）に加熱部を形成して電気エネルギを熱に変換する
ことを特徴とする熱電気素子。 In claim 1,
By applying a voltage between the cathode (21) and the anode (22), electrons move from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23) to form a cooling part on the cathode (21). And a thermoelectric element characterized by forming a heating part in the anode (22) to convert electric energy into heat.
上記陰極（21）を加熱し、陽極（22）を冷却し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して熱を電気エネルギに変換する
ことを特徴とする熱電気素子。 In claim 1,
The cathode (21) is heated, the anode (22) is cooled, and electrons are transferred from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23) to convert heat into electrical energy. Thermoelectric element.
上記導電層（23）のフラーレン（24）は、金属原子をドーピングして構成されている
ことを特徴とする熱電気素子。 In claim 1, 2 or 3,
The fullerene (24) of the conductive layer (23) is constituted by doping a metal atom, and the thermoelectric element.
ケーシング（11）と、
該ケーシング（11）内に設けられ、熱電気素子（20）を有する熱交換手段（12）と、
上記ケーシング（11）の内部に形成されて第１空気が流れる１次側の通路（15）及び第２空気が流れる２次側の通路（16）とを備え、
上記熱交換手段（12）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間に電圧を印加し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、１次側通路（15）の第１空気及び２次側通路（16）の第２空気を冷却又は加熱するように構成されている
ことを特徴とする熱電気装置。 A thermoelectric device for air conditioning,
A casing (11),
Heat exchange means (12) provided in the casing (11) and having a thermoelectric element (20);
A primary side passage (15) formed in the casing (11) through which the first air flows and a secondary side passage (16) through which the second air flows;
The thermoelectric element (20) of the heat exchanging means (12) is formed between a cathode (21) and an anode (22) arranged to face each other and between the cathode (21) and the anode (22). A conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity, the cathode (21) and the anode (22) are arranged facing the passages (15, 16), and the cathode (21 ) And the anode (22), a voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) through the conductive layer (23) to cool the cathode (21), and the anode (22) The thermoelectric device is configured to heat or cool the first air in the primary passage (15) and the second air in the secondary passage (16).
ケーシング（31）と、
該ケーシング（31）内に設けられ、熱電気素子（20）を有する除湿手段（32）と、
上記ケーシング（31）の内部に形成されて空気が流れる空気通路（36）とを備え、
上記除湿手段（32）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間に電圧を印加し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、空気通路（36）の空気を冷却して除湿するように構成されている
ことを特徴とする熱電気装置。 A thermoelectric device for dehumidifying air,
A casing (31);
A dehumidifying means (32) provided in the casing (31) and having a thermoelectric element (20);
An air passage (36) formed in the casing (31) and through which air flows,
The thermoelectric element (20) of the dehumidifying means (32) is formed between the cathode (21) and the anode (22) arranged to face each other, and between the cathode (21) and the anode (22), A conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity, the cathode (21) and the anode (22) are arranged facing the passages (15, 16), and the cathode (21) A voltage is applied between the anode and the anode (22), electrons move from the cathode (21) to the anode (22) through the conductive layer (23), the cathode (21) is cooled, and the anode (22) is A thermoelectric device configured to heat and cool and dehumidify the air in the air passage (36).
上記熱電気素子（20）の陰極（21）で冷却された空気が流れて該空気中の臭気物質を吸着する脱臭手段（33）が設けられている
ことを特徴とする熱電気装置。 In claim 6,
A thermoelectric device comprising deodorizing means (33) for allowing air cooled by the cathode (21) of the thermoelectric element (20) to flow and adsorb odorous substances in the air.
熱電気素子（20）を有する変換手段（45）と、
該変換手段（45）の片側に配置された加熱手段（42）と、
上記変換手段（45）の他の片側に配置された冷却手段（46）とを備え、
上記熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）を加熱手段（42）によって加熱すると共に、陽極（22）を冷却手段（46）によって冷却し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して熱を電気エネルギに変換して負荷（47）に電力を供給するように構成されている
ことを特徴とする熱電気装置。 A thermoelectric device for generating electricity,
Conversion means (45) having a thermoelectric element (20);
Heating means (42) disposed on one side of the conversion means (45);
Cooling means (46) disposed on the other side of the conversion means (45),
The thermoelectric element (20) includes a cathode (21) and an anode (22) arranged opposite to each other, and a fullerene having electrical conductivity formed between the cathode (21) and the anode (22). (24), the cathode (21) is heated by the heating means (42), and the anode (22) is cooled by the cooling means (46). The thermoelectric device is configured to supply electrons to a load (47) by moving electrons from the cathode (21) to the anode (22) through the heat to convert heat into electric energy.
上記発電手段（40）は、熱電気素子（20）を有する変換手段（45）と、該変換手段（45）の片側に配置された加熱手段（42）と、上記変換手段（45）の他の片側に配置された冷却手段（46）を備え、
上記空調手段（10）は、熱電気素子（20）を有する熱交換手段（12）と、ケーシング（11）の内部で且つ熱交換手段（12）の片側に形成された第１空気の１次側の通路（15）と、上記ケーシング（11）の内部で且つ熱交換手段（12）の他の片側に形成された第２空気の２次側の通路（16）とを備え、
上記発電手段（40）の熱電気素子（20）は、
互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）を加熱手段（42）によって加熱すると共に、陽極（22）を冷却手段（46）によって冷却し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して熱を電気エネルギに変換して空調手段（10）の熱交換手段（12）に電力を供給するように構成され、
上記空調手段（10）の熱電気素子（20）は、互いに対向して配置される陰極（21）及び陽極（22）と、該陰極（21）と陽極（22）との間に形成され、電気伝導性を有するフラーレン（24）より成る導電層（23）とを有し、上記陰極（21）及び陽極（22）が各通路（15，16）に面して配置され、上記陰極（21）と陽極（22）との間に電圧を印加し、導電層（23）を介して陰極（21）から陽極（22）へ電子が移動して陰極（21）を冷却し、陽極（22）を加熱し、１次側通路（15）の第１空気及び２次側通路（16）の第２空気を冷却又は加熱するように構成されている
ことを特徴とする熱電気装置。 A thermoelectric device comprising a power generation means (40) and an air conditioning means (10),
The power generation means (40) includes a conversion means (45) having a thermoelectric element (20), a heating means (42) disposed on one side of the conversion means (45), and the conversion means (45). Cooling means (46) arranged on one side of the
The air conditioning means (10) includes a heat exchanging means (12) having a thermoelectric element (20), and a primary air formed in the casing (11) and on one side of the heat exchanging means (12). A passage (15) on the side, and a passage (16) on the secondary side of the second air formed inside the casing (11) and on the other side of the heat exchange means (12),
The thermoelectric element (20) of the power generation means (40)
A conductive layer (23) formed of a cathode (21) and an anode (22) arranged opposite to each other, and a fullerene (24) having electrical conductivity formed between the cathode (21) and the anode (22). And the cathode (21) is heated by the heating means (42), the anode (22) is cooled by the cooling means (46), and the cathode (21) is anodeed from the cathode (21) through the conductive layer (23). The electron moves to (22), converts heat into electric energy, and supplies power to the heat exchange means (12) of the air conditioning means (10),
The thermoelectric element (20) of the air conditioning means (10) is formed between the cathode (21) and the anode (22) arranged to face each other, and between the cathode (21) and the anode (22), A conductive layer (23) made of fullerene (24) having electrical conductivity, the cathode (21) and the anode (22) are arranged facing each passage (15, 16), and the cathode (21 ) And the anode (22), a voltage is applied between the cathode (21) and the anode (22) through the conductive layer (23) to cool the cathode (21), and the anode (22) The thermoelectric device is configured to heat or cool the first air in the primary passage (15) and the second air in the secondary passage (16).
上記熱電気素子（20）の導電層（23）のフラーレン（24）は、金属原子をドーピングして構成されている
ことを特徴とする熱電気装置。 In claim 5, 6, 8 or 9,
The thermoelectric device, wherein the fullerene (24) of the conductive layer (23) of the thermoelectric element (20) is doped with metal atoms.
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| JP2003299855A JP2005072244A (en) | 2003-08-25 | 2003-08-25 | Thermoelectric element and thermoelectric apparatus having the same |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008291330A (en) * | 2007-05-25 | 2008-12-04 | Ideal Star Inc | Vaporizer, and plasma treatment device having vaporizer |
| JP2014003117A (en) * | 2012-06-18 | 2014-01-09 | Takaya Watanabe | Element-including fullerene thomson element |
-
2003
- 2003-08-25 JP JP2003299855A patent/JP2005072244A/en active Pending
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