JP2014053635A

JP2014053635A - 熱電発電装置

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Inventors: Tadashi Nakanuma; 忠司中沼
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Abstract

【課題】熱電発電装置が配置される環境中の熱電変換モジュールを挟んだ両側に温度差を生じさせるべく、熱電変換モジュールの一端側を加熱し、他端側を冷却しなくても、安定的に発電することができる熱電発電装置を提供する。
【解決手段】環境の温度変化に応じて環境と熱交換し得る導熱体１と、蓄熱体２と、導熱体および蓄熱体間に配置された各１つの熱電変換ユニット３および熱抵抗体６を備える。熱抵抗体と熱電変換ユニットの一端同士３ａ、６ａが接触し、熱抵抗体の他端６ａが導熱体に接触し、熱電変換ユニットの他端６ｂが蓄熱体２に接触するとともに、蓄熱体２の表面が一定の熱絶縁性を有する被覆層４によって覆われる。導熱体と蓄熱体との間に生じる温度差を利用して、熱電変換ユニットから電気エネルギーが取り出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、外部環境の温度変化を利用し、熱電変換モジュールを用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換することで発電を行う熱電発電装置に関するものである。

近年、エネルギー・ハーベスティング技術が注目されつつある。エネルギー・ハーベスティング技術は、熱や振動、光、電磁波といった環境エネルギーを電力に変換するものである。
そして、このエネルギー・ハーベスティング技術の１つとして、熱電変換モジュールを用い、熱エネルギーから電力を得るようにした熱電発電装置がこれまでに提案されている（例えば、特許文献１〜３参照）。

従来の熱電発電装置によれば、発電を行う際には、熱電変換モジュールの一端側に加熱によって熱を供給する一方、他端側から冷却によって熱を排出し、熱電変換モジュールの両側に一定の大きさの温度差を生じさせる必要があった。すなわち、従来の熱電発電装置においては、近接して存在する加熱源と冷却源との間の温度差を利用して発電するので、熱電発電装置の設置場所が制限されていた。

一方、ワイヤレスセンサーやリモートモニター等の消費電力が小さい電子機器においては、メンテナンスの関係上、電源として、商用電源や電池ではなく、環境エネルギーを利用することが望ましい。
そのため、熱電発電装置をこれらの電子機器の電源部に組み込むことが考えられるが、上述のように熱電発電装置の設置場所が制限されることから、電子機器を必要な場所に自由に設置することができないという問題があった。

また、環境エネルギーを利用する技術として、太陽光を電気に変換する太陽電池があるが、日没後は発電できず、昼間においても、日照が天候に左右され、あるいは雲に遮られる等してその発電量は安定せず、そのため、蓄電装置が必要とされ、または他の電源を補助する形での利用に制限されるという問題があった。

特開２００４−４７６３５号公報特開２００５−３４７３４８号公報特開２０１０−４５８８１号公報

したがって、本発明の課題は、熱電発電装置が配置される環境中の熱電変換モジュールを挟んだ両側に温度差を生じさせるべく、熱電変換モジュールの一端側を加熱し、他端側を冷却しなくても、安定的に発電することができる熱電発電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、温度昇降を繰り返す環境中に配置され、前記環境の温度変化を利用して発電を行う熱電発電装置であって、前記環境に接触し、前記環境の温度変化に応じて前記環境と熱交換し得る少なくとも１つの導熱体と、少なくとも１つの蓄熱体と、前記導熱体と前記蓄熱体との対、および前記蓄熱体の対からなる組から選択された少なくとも１つの対の間に配置された少なくとも１つの熱電変換ユニットと、前記導熱体と前記蓄熱体との対、および前記蓄熱体の対、および前記導熱体と前記熱電変換ユニットとの対、および前記蓄熱体と前記熱電変換ユニットとの対からなる組から選択された少なくとも１つの対の間に配置されて、前記対の間の熱移動を制御する少なくとも１つの熱流調節ユニットと、一定の熱絶縁性を有し、前記蓄熱体を被覆する被覆層と、を備えたことにより、前記導熱体および前記蓄熱体間、または前記蓄熱体間、またはそれらの両方に生じる温度差を利用して、前記熱電変換ユニットから電気エネルギーを取り出すものであることを特徴とする熱電発電装置が提供される。
ここで、「温度昇降を繰り返す環境」には、昼夜で周期的に温度変化する屋外の大気中や、屋内に配置され、稼働状態に応じて温度変化する機械設備の近傍および表面上等が含まれる。
また、被覆層は「一定の熱絶縁性」、すなわち一定の熱抵抗を有するが、被覆層の熱抵抗は、導熱体、熱電変換ユニット、熱流調節ユニットおよび蓄熱体から形成される熱経路全体の熱抵抗と比較して十分に（１桁程度）大きければよい。

本発明の好ましい実施例によれば、前記熱電発電装置は、１つの前記導熱体と、１つの前記蓄熱体と、前記導熱体および前記蓄熱体間に配置された少なくとも一対の前記熱電変換ユニットおよび前記熱流調節ユニットと、を備えている。前記熱流調節ユニットは熱抵抗体からなり、前記熱抵抗体と対応する前記熱電変換ユニットの一端同士が接触し、前記熱抵抗体の他端または対応する前記熱電変換ユニットの他端が前記導熱体に接触する一方、前記熱電変換ユニットの他端または対応する前記熱抵抗体の他端が前記蓄熱体に接触する。前記熱電変換ユニットまたは前記熱抵抗体との接触領域を除く前記蓄熱体の全体が前記被覆層によって覆われている。それによって、前記導熱体と前記蓄熱体との間に生じる温度差を利用して、前記熱電変換ユニットから電気エネルギーが取り出される。
この場合、前記熱流調節ユニットとしての前記熱抵抗体が前記熱電変換ユニットに組み込まれていてもよいし、前記熱電変換ユニット自体が前記熱抵抗体の熱抵抗値に相当する熱抵抗値を有していてもよい。

本発明の別の実施例によれば、前記導熱体、前記熱流調節ユニットおよび前記熱電変換ユニットが、熱電発電装置の本体から取り外し可能とされ、それらのパーツが新しいパーツと交換可能になっている。それによって、装置のメンテナンスが容易となり、また将来的な熱電変換ユニットの改良による性能向上にも迅速に適応し得る。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、前記導熱体が前記被覆層の表面の全体を覆っている。
本発明のさらに別の好ましい実施例によれば、少なくとも１つの前記蓄熱体が、異なる相変化温度を有する複数の潜熱蓄熱材から形成されている。

本発明によれば、温度変化を繰り返す環境に接触する導熱体が該環境と熱交換するとともに、導熱体と蓄熱体との対、および蓄熱体の対、および導熱体と熱電変換ユニットとの対、および蓄熱体と熱電変換ユニットとの対からなる組から選択された少なくとも１つの対の間に熱流調節ユニットを配置して当該対の間の熱移動を制御することによって、導熱体および蓄熱体間あるいは蓄熱体間に自動的に温度差を生じさせ、この温度差に比例した電圧を熱電変換ユニットから取り出すことができる。

また、各１つの導熱体および蓄熱体と、蓄熱体および導熱体間に配置された各１つの熱電変換ユニットおよび熱流調節ユニットとを備え、熱流調節ユニットが熱抵抗体からなり、熱抵抗体と熱電変換ユニットの一端同士が接触し、熱抵抗体の他端または熱電変換ユニットの他端が導熱体に接触し、熱電変換ユニットの他端または熱抵抗体の他端が蓄熱体に接触し、熱電変換ユニットとの接触領域を除く蓄熱体の全体が被覆層によって覆われる構成とした場合には、導熱体、熱抵抗体（熱流調節ユニット）、熱電変換ユニットおよび蓄熱体によって形成される熱回路全体の熱抵抗と蓄熱体の熱容量とから定まる熱時定数により、蓄熱体の温度を導熱体の最高温度と最低温度の中間付近の温度に保つことによって、導熱体および蓄熱体間に温度差を自動的に生じさせ、この温度差に比例した電圧を熱電変換ユニットから取り出すことができる。

本発明によれば、温度差を有する導熱体および蓄熱体間、または蓄熱体間、またはそれらの両方に熱電変換ユニットを配置し、当該温度差に基づき熱電変換ユニットを介して熱エネルギーを熱平衡に向かって移動させ、その熱エネルギーの一部を熱電変換ユニットによって電気エネルギーに変換することで発電を行うが、この場合、蓄熱体には、常に、一定量の熱量が蓄積された状態で、発電に必要な温度差が得られる熱量だけが、蓄熱体に蓄積および放出されるようにすることで、より効率的な発電が実現される（いわゆるエクセルギーの概念）。

こうして、温度昇降を繰り返す環境中に熱電発電装置を配置するだけで電気エネルギーを取り出すことができ、従来の熱電発電装置のように、熱電発電装置が配置された環境中の熱電変換ユニットを挟んだ両側に温度差を生じさせるべく、熱電変換ユニットの一端側を加熱し、他端側を冷却する必要がない。

本発明の１実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図１に示した熱電発電装置を屋外の大気中に配置した場合の、導熱体と蓄熱体の温度変化を例示したグラフである。本発明の別の実施例による熱電発電装置を示す図１に類似の図である。図１に示した熱電発電装置を電子機器の電源として使用した場合の該電源の構成例を示す図である。（Ａ）は図１に示した熱電発電装置の蓄熱体の変形例の縦断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の温度変化に伴う蓄熱量（放熱量）の変化を示したグラフである。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の主要部を示す拡大縦断面図である。図６における補助導熱ユニットの取付部の拡大図である。図６における補助導熱ユニットの取付部の拡大図である。図６に示した熱電発電装置を屋外の大気中に配置した場合の、導熱体と蓄熱体の温度変化の一例を示す図２に類似のグラフである。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置を示す図１に類似の図である。図１０に示した熱電発電装置の熱流スイッチの取付部の拡大図である。図１０に示した熱電発電装置の熱流スイッチの取付部の拡大図である。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図１３に示した熱電発電装置を屋外の大気中に配置した場合の、導熱体と第１および第２の蓄熱体の温度変化の一例を示す図２に類似のグラフである。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の斜視図である。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例を説明する。
本発明による熱電発電装置は、温度昇降を繰り返す環境中に配置されるようになっている。ここに、「温度昇降を繰り返す環境」には、昼夜で周期的に温度変化する屋外の大気中や、屋内に配置され、稼働状態に応じて温度変化する機械設備の近傍および表面上等が含まれる。

図１は、本発明の１実施例による熱電発電装置の構成を示す縦断面図である。
図１に示された実施例では、本発明による熱電発電装置は、環境に接触し、環境の温度変化に応じて環境と熱交換し得る１つの導熱体１と、１つの蓄熱体２と、導熱体１および蓄熱体２間に配置された少なくとも一対（この実施例では一対）の熱電変換ユニット３および熱流調節ユニット６を備えている。熱流調節ユニット６は、この実施例では、熱抵抗体からなっている。

そして、熱抵抗体６の一端６ａと熱電変換ユニット３の一端３ａが接触し、熱抵抗体６の他端６ｂが導熱体１に接触し、熱電変換ユニット３の他端３ｂが蓄熱体２に接触している。なお、熱電変換ユニット３と熱抵抗体６との位置関係は、この実施例に限定されず、熱電変換ユニッ３と熱抵抗体６が上下に逆転して配置されていてもよい。
また、熱抵抗体６は、この実施例では、熱電変換ユニット３とは別個の構成要素となっているが、熱抵抗体６が熱電変換ユニット３に組み込まれていてもよいし、熱電変換ユニット３自体が、熱抵抗体６の熱抵抗値に相当する熱抵抗値を有していてもよい（この場合には、熱抵抗体６は不要）。

また、熱電変換ユニット３との接触領域を除く蓄熱体２の表面が、一定の熱絶縁性を有する被覆層４によって覆われている。
ここで、被覆層４は一定の熱絶縁性、すなわち一定の熱抵抗を有するが、被覆層４の熱抵抗は、導熱体１、熱電変換ユニット３、熱抵抗体６および蓄熱体２から形成される熱経路全体の熱抵抗と比較して十分に（１桁程度）大きければよい。
被覆層４は、一定の熱絶縁性を有し、熱電変換ユニット３との接触領域を除く蓄熱体２の表面を被覆するものであればよく、その形成材料や構造に特に制限はない。この実施例では、被覆層４は、熱電変換ユニット３との接触領域を除く蓄熱体２の表面を被覆する公知の適当な断熱材からなっている。

被覆層４に覆われた蓄熱体２は、好ましくは、角がなく全体に丸味を帯び、表面積が出来るだけ小さくなるような形状とされる。
熱電変換ユニット３としては、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し得る任意のものが使用可能であるが、この実施例では、ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールが使用される。なお、図１中、５は、熱電変換モジュールの一対の電極である。

導熱体１は、環境との熱交換（熱吸収および放熱）がより高い効率で行えるような構成を有していることが好ましい。そのため、例えば、熱電発電装置の設置環境が、温度変化する大気中である場合は、できるだけ大きな導熱体１の表面積を確保すべく、導熱体１の表面が凹凸を有し、または粗面に形成されていることが好ましく（伝導、対流の促進）、また、導熱体１の表面が黒色等の濃い色を有していることが好ましい（放射の促進）。また、例えば、熱電発電装置の設置環境が、稼働状態によって温度変化する機械設備の表面である場合は、導熱体１が機械設備の表面に密着すべく、当該表面に適合する形状を有していることが好ましい（伝導の促進）。

環境が屋外の大気中である場合には、導熱体１または熱電発電装置本体を動かすことができるような構成とし、導熱体１における環境との熱交換面が太陽に向くように調節可能にすれば、季節を通じたまたは１日を通じた日照角度の変化が生じても、日射を効率良く受けることができるので、より好ましい。
別の好ましい実施例によれば、反射板または集光器（集光レンズ）が導熱体１の前面に配置され、それらを通じて導熱体１が環境から熱を受けるようになっている。それによって、導熱体１の受ける熱量がより増加する。

蓄熱体２は、水等の液体によって満たされた、防水性を有する容器からなっていてもよく、この場合、容器の壁の少なくとも熱電変換ユニットとの接触領域は、熱伝導性を有している。
容器を満たす液体は、腐敗しにくく、凍結しにくいものであれば、どのような液体からなっていてもよく、例えば、純水、または純水に不凍液を混合したもの、または純水に防腐剤を混合したものを使用することができる。なお、液体にはゲル状のものも含まれる。

蓄熱体２は、固体状の金属または非金属からなっていてもよく、この場合、蓄熱体２として、アルミニウム塊またはプラスチック塊またはコンクリート塊を用いることが好ましい。
蓄熱体２は、また、潜熱蓄熱材からなっていてもよく、この場合、潜熱蓄熱材の相変化（相転移）物質は、特に限定されない。潜熱蓄熱材は、酢酸ナトリウム水和物、硫酸ナトリウム水和物または石油精製品のパラフィン等の、相変化温度での融解熱または凝固熱を利用するもので、上述の比熱が一定の液体や固体からなる蓄熱体と比べて、より大きな熱容量の蓄熱体とすることができる。

この場合、蓄熱体は、異なる相変化温度を有する複数の蓄熱材から構成されていることがより好ましい。かかる構成の１例を図５に示した。
図５Ａを参照して、この実施例では、蓄熱体２’は、導熱性を有するケーシング４７と、ケーシング４７内に収容され、蓄熱体２の動作温度範囲内の異なる温度で機能する３つの潜熱蓄熱材４８ａ〜４８ｃとからなっている。この実施例では、潜熱蓄熱材４８ａ〜４８ｃは液体状またはゲル状であり、それぞれ専用の容器内に充填されている。そして、ケーシング４７の内部が、導熱性を有する仕切壁によって３つの部屋に仕切られ、部屋毎に異なる潜熱蓄熱材４８ａ〜４８ｃが収容されている。なお、仕切壁は、潜熱蓄熱材４８ａ〜４８ｃの全体が均一に熱交換し得るようにするためのものであり、必要に応じて設けられる。また、潜熱蓄熱材４８ａ〜４８ｃが粒状である場合は、潜熱蓄熱材４８ａ〜４８ｃの混合物がケーシング４７内に収容される。

図５Ｂは、図５Ａに示した蓄熱体２’と、比熱が一定の液体または固体からなる通常の蓄熱体の、温度変化に伴う蓄熱量（または放熱量）の変化を比較したグラフである。グラフ中、直線αは通常の蓄熱体を表し、折れ線βは蓄熱体２’を表し、Ｔ_０〜Ｔ_１は、蓄熱体の動作温度範囲を表し、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４はそれぞれ第１の潜熱蓄熱材４８ａ、第２の潜熱蓄熱材４８ｂおよび第３の潜熱蓄熱材４８ｃが機能する温度を表している。なお、折れ線βにおいては、各潜熱蓄熱材の熱抵抗および熱容量による影響は考慮されていない。

今、例えば、蓄熱体がＴ_０＝５℃からＴ_１＝２５℃の範囲内（温度差２０℃）で動作し、各潜熱蓄熱材４８ａ〜４８ｃの重さが２００ｇであり、融解熱が２００ｋＪ／ｋｇであり、顕熱の比熱が２ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）であるとし、ケーシング４７の比熱等は無視すると、蓄熱体２’に関し、
潜熱の熱量＝２００（ｋＪ／ｋｇ）×０．６（ｋｇ）＝１２０（ｋＪ）
顕熱の熱量＝２（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））×０．６（ｋｇ）×２０（Ｋ）＝２４（ｋＪ）
潜熱と顕熱の合計熱量＝１２０（ｋＪ）＋２４（ｋＪ）＝１４４（ｋＪ）
となる。
一方、水（自然界では最大の比熱を有する）０．６ｋｇからなる通常の蓄熱体で２０℃の温度変化をさせると、
熱量（顕熱のみ）＝４．２（ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ））×０．６（ｋｇ）×２０（Ｋ）
＝５０．４（ｋＪ）
となる。そして、
１４４（ｋＪ）／５０．４（ｋＪ）＝２．８６
であり、水の２．８６倍の比熱をもつ蓄熱体２’が得られたことになる。それによって、よりコンパクトでかつ発電量の大きい熱電発電装置が実現される。

熱抵抗体６は、蓄熱体２の熱容量と、熱電変換ユニット３の発電効率（熱電変換ユニット３による発電に伴う熱移動）を考慮しつつ、蓄熱体２の温度を導熱体１の最高温度と最低温度の中間の温度付近に保つことができる程度の熱抵抗を有しておればよい。
装置設計上、熱抵抗体６の熱抵抗値は、外部環境と導熱体１間の熱抵抗、および導熱体１と熱抵抗体６間の熱抵抗、および熱電変換ユニット３の熱抵抗、および熱抵抗体６と熱電変換ユニット３間の熱抵抗、および熱電変換ユニット３と蓄熱体２間の熱抵抗の総和に、蓄熱体２の熱容量を乗算した値として定まる熱時定数が、熱電発電装置が配置される環境の温度昇降の繰り返し周期（よって、導熱体１の温度昇降の繰り返し周期）と蓄熱体２の温度昇降の繰り返し周期との間に一定程度の遅延を生じさせ、それによって、導熱体１および蓄熱体２間に発電に必要な温度差を生じさせる適当な熱時定数となるように、設定される。
熱抵抗体６としては、例えば、金属製の棒体および板体や、金属ファイバーの集合体や、化学繊維集合体等が使用可能である。

また、装置設計上、あるいは構造上、例えば、蓄熱体２の全体が被覆層４によって完全に覆われず、蓄熱体２の一部が外部の環境に接していても、前記の「一定の熱絶縁性」が確保され、上記の熱抵抗の総和と蓄熱体２の熱容量を乗算した値により適当な熱時定数が実現されておればよい。

次に、本発明による熱電発電装置の動作を説明する。
今、熱電発電装置を屋外の大気中に配置した場合を考える。日本各地の一日の最高気温と最低気温の温度差は、平均すると約１０℃であることが知られているので、本発明の熱電発電装置を配置した環境においても、一日の気温差が約１０℃であるとする。

なお、この実施例では、北緯３０〜４５°に位置し海洋に囲まれた日本での気温を前提とするが、地球上のどの地域においても、昼間は太陽の日射による加熱が生じる一方、夜間は放射冷却による冷却が生じ、昼夜の繰り返しが気温変化を生じさせることに変わりはなく、よって、本発明による熱電発電装置は、地域によらず動作することは言うまでもない。

図２は、このような環境中における、本発明の熱電発電装置の導熱体１と蓄熱体２の一日の温度変化を例示したグラフである。図２のグラフ中、縦軸は温度（℃）を、横軸は時刻（時）を表し、曲線Ｘおよび曲線Ｙはそれぞれ導熱体１の温度変化および蓄熱体２の温度変化を示し、また直線Ｚは蓄熱体２の平均温度を示している。
図２Ａ〜Ｃのグラフの曲線Ｘに示すように、熱電発電装置の導熱体１の温度は、気温変化にほぼ追従して、約１０℃の温度範囲内で昇降する。

また、導熱体１と蓄熱体２との間には熱移動が生じ、それによって蓄熱体２の温度も変化するが、この場合、導熱体１、熱抵抗体６、熱電変換ユニット３および蓄熱体２から形成される熱回路全体の熱抵抗に、蓄熱体２の熱容量を乗算した値として定まる熱時定数に応じて、導熱体１の温度変化よりも遅延する（温度変化の位相がずれる）。

さらには、被覆層４の熱抵抗は有限であるから、被覆層４から熱漏洩が生じ、かつ熱電変換ユニット３の発電に伴う熱移動が生じる。
その結果、蓄熱体２の温度は、導熱体１の最高温度と最低温度の中間温度付近で変化し、導熱体１と蓄熱体２の温度差は、導熱体１の最高温度と最低温度の差（約１０℃）の半分の約５℃を最大値として、０℃〜約５℃の範囲内で変動する。

図２Ｂは、発電に必要な導熱体１および蓄熱体２の温度差が得られるように、導熱体１、熱抵抗体６、熱電変換ユニット３および蓄熱体２から形成される熱回路全体の熱抵抗と、蓄熱体２の熱容量が設定された場合のグラフである。
そして、このグラフにおいては、熱時定数は、一日の気温変化（よって、導熱体１の温度変化）のグラフが２４時間の周期をもつ正弦波であるとした場合に、蓄熱体２の温度変化の位相が４５度（３時間）ずれるように設定されている。
この場合、熱時定数は、次のように決定される。すなわち、
Ｒ＝導熱体１、熱抵抗体６、熱電変換ユニット３および蓄熱体２からなる熱回路全体の熱抵抗
Ｃ＝蓄熱体の熱容量
ω＝２πｆ＝角周波数（ｆ：周波数）
として、４５度の位相差が生じているので、熱抵抗Ｒと蓄熱体２の正弦波交流（変化）に対する熱抵抗（インピーダンス）１／ωＣの絶対値は等しい。よって、
Ｒ＝１／ωＣ
であるから、
熱時定数ｔ＝ＲＣ＝１／２πｆ＝２４／２π＝３．８２（時間）
［周期＝２４時間であるから、ｆ＝１／２４］

このグラフにおいては、発電による熱移動量の増大に伴って蓄熱体２の温度変化量が導熱体１の温度変化量の1／２（約５℃）を超えても、蓄熱体２の温度変化と導熱体１の温度変化の位相差があるために、蓄熱体２と導熱体１との温度差ΔＴは、１／２までも低下せず、８０％程度に維持されている。
こうして、１日の気温の変化を通じて、実際に発電に使用可能な、導熱体１と蓄熱体２の温度差約５℃が確保され得る。そして、この温度差ΔＴに応じて、導熱体１の昇温時と降温時の２回にわたって発電が行われ、その積分値が一周期（昼夜１サイクル）の発電電力量となる。

一方、図２Ｃのグラフに示すように、蓄熱体２がより小さい熱容量を有するように設計され、あるいは、導熱体１および蓄熱体２間の熱抵抗が小さくなるように設計された場合、曲線Ｙは次第に曲線Ｘに近づき、その結果、導熱体１と蓄熱体２の温度差は小さくなり、有効な発電はできなくなる。
また、図２Ａのグラフに示すように、蓄熱体２がより大きい熱容量を有するように設計され、あるいは、導熱体１および蓄熱体２間の熱抵抗が大きくなるように設計された場合、曲線Ｙは、曲線Ｘの最大値と最小値の中間値付近において次第にフラットになり平均温度を示す直線Ｚに近づく。その結果、導熱体１と蓄熱体２の温度差が大きくなる。これは発電条件としては問題ないが、現実的な設計であるとは言えない。

こうして、本発明によれば、一日を通じて有効な発電が実現できるようにするため、熱時定数は、一日の温度変化のグラフが周期２４時間の正弦波に一致するとした場合に、当該周期の１／１０の２．４時間以上となるように予め設定されている。

次に、図２Ｂのグラフの場合に、実際にどれくらいの電力量が得られるかを見積もることにする。
例えば、蓄熱体２を１０００ｍＬの水で満たされた容器から構成した場合には、容器の熱容量を小さいとして無視すると、上記考察に基づき、蓄熱体２の温度変化を２℃として、蓄熱体２の熱容量は、水の比熱が１ｃａｌ／ｇであり、１ｃａｌ＝４．２Ｊであるから、次のようになる。
熱容量＝１×１０００×２＝２０００（ｃａｌ）
＝８４００（Ｊ）＝８４００（Ｗｓ）＝２．３３（Ｗｈ）
熱量２０００ｃａｌを電気エネルギーの単位であるジュール（１Ｊ＝１Ｗｓ）に変換すると、２．３３Ｗｈであるが、熱エネルギーを熱電変換ユニット３で電気エネルギーに変換する場合、変換効率には限界がある。
仮に、熱電変換ユニット３の発電効率が５％であるとすると、発電で得られる電力量は１１６．７ｍＷｈとなり、昼夜２回の同量の発電が可能であれば、１日当たり２３３ｍＷｈの電力量を得ることができる。
こうして、一定の熱量の熱エネルギーが、一定の発電効率を有する熱電発電装置の働きによって一定の電力量の電気エネルギーに変換される。

１０００ｍＬの水は、一辺が１０ｃｍの立方体の容器内に充填可能であるが、使用する水の量を１／１０の１００ｍＬとして、２．５ｃｍ×４ｃｍ×１０ｃｍの直方体容器内に充填した蓄熱体２の場合、前と同じ発電効率であれば、１日当たり２３．３ｍＷｈの電力量が得られる。

この電力量は、通常の小電力型の電子機器（消費電力が数μＷ程度）を作動させるのに十分な大きさである。例えば、５０μＷの電子機器を１日（２４時間）動作させるのに必要な電力量は、５０×２４＝１，２００μＷｈ＝１．２ｍＷｈであり、仮に熱電発電装置の発電効率が５％のさらに数分の１であっても十分に供給可能な量である。

また、蓄熱体２を体積１００ｍＬのアルミニウムから構成した場合には、蓄熱体２の温度変化を２℃として、蓄熱体２の熱容量は、アルミニウムの比熱が０．２１ｃａｌ／ｇで、比重が２．７であるから、次のようになる。
熱容量＝０．２１×２．７×１００×２＝１１３．４（ｃａｌ）
＝４７６（Ｊ）＝４７６（Ｗｓ）＝０．１３２（Ｗｈ）
そして、熱電変換ユニット３の発電効率が５％であるとすると、発電で得られる電力量は６．６ｍＷｈとなり、昼夜２回の同量の発電が可能であれば、１日当たり１３．２ｍＷｈの電力量（水の場合の約０．５７倍の電力量）を得ることができる。
この場合、アルミニウムは、水よりも高価であるが、加工等の取扱いが容易であり、水を使用した場合と比較して蓄熱体２の構造を簡略化することができる。

こうして、本発明の熱電発電装置においては、温度昇降を繰り返す環境に熱的に接触する導熱体１と、被覆層４の作用によって該環境から熱的影響を受けにくい蓄熱体２と、一端が熱抵抗体６を介して導熱体１に熱的に接触し、他端が蓄熱体２に熱的に接触する熱電変換ユニット３とを備え、導熱体１の温度を環境の温度変化に従って昇降させる一方、蓄熱体２の温度を導熱体１の最高温度と最低温度の中間付近の温度に保つようにし、導熱体１および蓄熱体２間に自動的に生じた温度差に比例した電圧を熱電変換ユニット３から取り出すことができる。

すなわち、本発明によれば、熱電発電装置を温度昇降を繰り返す環境中に配置するだけで電気エネルギーを取り出すことができ、従来の熱電発電装置のように、熱電発電装置が配置された環境中の熱電変換ユニットを挟んだ両側に温度差を生じさせるべく、熱電変換ユニットの一端側を加熱し、他端側を冷却する必要がない。
そして、本発明による熱電発電装置をワイヤレスセンサーやリモートモニター等の電子機器の電源として使用した場合には、商用電源から電子機器への電力供給配線や電池の交換作業が不要な独立電源が得られ、これらの電子機器を必要な場所に自由に設置することができる。

また、本発明の熱電発電装置を、導熱体１が直射日光や散乱光を受け得る場所に設置するとともに、導熱体１を、日射を受けやすく、しかも夜間には放射冷却されやすいような構造とすることによって、導熱体１の最高温度および最低温度の差をより大きくすれば、発電電力をさらに増大させることができる。

この場合には、導熱体１の表面に凹凸が形成されないようにして、空気との接触面積をできるだけ小さくすることが好ましい。それによって、導熱体１が日射によって空気温度より高温になったときに、空気によって冷却されること、および、導熱体１が放射冷却によって低温になったときに、空気によって暖められることが防止される。
なお、この場合、空気の影響を遮断すべく、ガラス等の透明板を使用し、導熱体１と透明板との間を真空にして断熱してもよい。透明板は、太陽光線や赤外線の透過、反射および吸収の特性を適切に考慮し、適切な材質のものを用いることが好ましい。

図３には、本発明の別の実施例による熱電発電装置を示した。なお、図３中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下ではそれらの詳細な説明を省略する。
図３Ａを参照して、この実施例では、導熱体１’が被覆層４の表面の全体を覆っている。この構成によれば、熱電発電装置全体の体積はさほど増大させずに、導熱体１’の表面積をかなり増大させることができ、それによって、導熱体１’の環境との熱交換の効率をより高めることができる。さらには、導熱体１’を金属等の硬質の材料から形成した場合には、蓄熱体２、熱抵抗体６、熱電変換ユニット３および被覆層４を導熱体１’によって保護することができる。

また、図３Ｂを参照して、この実施例では、蓄熱体２が、液体７ａで満たされた容器７ｂから構成されている。この場合、容器７ｂの内壁面に、複数の熱交換用フィン８を互いに間隔をあけて設ける等の、液体７ａの熱伝導や対流を促進する手段を容器７ｂ内に設けることがより好ましい。

図４は、本発明による熱電発電装置を低消費電力の電子機器の電源部に組み込んだ場合の構成の１例を示した図である。なお、図４中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下では、それらの詳細な説明を省略する。
図４を参照して、本発明の熱電発電装置においては、設置環境の温度昇降によって一対の電極５に交流が発生するので、電源部１０は、本発明の熱電変換装置のほかに、熱電発電装置の熱電変換ユニット３の一対の電極５に接続された極性・電圧変換回路１１と、極性・電圧変換回路１１の後段に接続されたリチウムイオン電池等の二次電池１２とを備えている。

こうして、本発明の熱電発電装置による発電電力を一旦二次電池１２に蓄え、二次電池１２から電子機器１３に供給することによって、電子機器１３の動作のために必要とされるときに、安定して電力を供給することができる。
この実施例では、本発明の熱電発電装置は電子機器１３に内蔵され、あるいは電子機器１３とは独立に設けられるが、電子機器の一部（例えば筐体）が、熱電発電装置の導熱体の全体あるいは一部を構成するようにしてもよい。
また、電子機器１３を、本発明の熱電発電装置の蓄熱体内に配置することもできる。この構成によれば、電子機器１３の温度を、外部環境の最高温度と最低温度の中間温度付近に保つことができ、それによって、電子機器１３を温度ストレスから保護し、安定的に動作させることができる。

図６は、本発明のさらに別の好ましい実施例による熱電発電装置の主要部を示す拡大縦断面図である。図６の実施例は、熱流調節ユニットとして熱抵抗体６を熱電変換ユニット３に直列に配置する代わりに、補助導熱ユニットを被覆層４の内部に組み込んだ点が、図１の実施例と異なるだけである。よって、図６中、図１に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下では、それらの詳細な説明を省略する。

図６を参照して、この実施例では、熱流調節ユニットとして補助導熱ユニット１４が被覆層４内における導熱体１および蓄熱体２間に組み込まれている。なお、この実施例では、単一の補助導熱ユニット１４が組み込まれているが、必要に応じて、複数の補助導熱ユニット１４が組み込まれ得る。
補助導熱ユニット１４は、被覆層４を貫通して導熱体１および蓄熱体２間にのびる開口９内に取付けられ、熱的に膨張および収縮すること、または熱的に変形することで、導熱体１および蓄熱体２に接触して導熱体１と蓄熱体２の間で熱移動させる第１の位置と、導熱体１および蓄熱体２のうちの少なくとも一方から離間して熱移動を停止させる第２の位置をとる。
そして、補助導熱ユニット１４は、導熱体１の温度が最高温度付近にあるときまたは導熱体１の温度が最低温度付近にあるときは第１の位置をとる一方、それ以外のときは第２の位置をとるように動作する。

図７および図８は、図６における補助導熱ユニットの取付部の拡大図であり、補助導熱ユニット１４を例示したものである。
図７に示した実施例では、補助導熱ユニット１４は、バイメタル１４ａからなっている。バイメタル１４ａは、アーチ状に形成され、導熱体１側が凸になる配置で、下端部が蓄熱体２に接触状態で固定されている。そして、バイメタル９ａは、導熱体１が最高温度付近にあるとき（導熱体１の高温時）または導熱体１が最低温度付近にあるとき（導熱体１の低温時）に大きく変形して、アーチの頂点領域を導熱体１に接触させ、第１の位置をとる（図７Ｂ参照）が、それ以外の期間は、導熱体１に接触しない範囲内で変形し、第２の位置をとる（図７Ａ参照）。

図８に示した実施例では、補助導熱ユニット１４は、熱収縮材料１４ｂからなっている。熱収縮材料１４ｂとしては、例えば、熱収縮ゴムに熱伝導性を高める金属粉を配合したものが使用できる。熱収縮材料１４ｂは、上面が導熱体１に接触状態で固定されている。そして、熱収縮材料１４ｂは、導熱体１が最高温度付近にあるとき（導熱体１の高温時）に大きく膨張して、下面を蓄熱体２に接触させ、第１の位置をとる（図８Ｂ参照）が、それ以外のときは、蓄熱体２に接触しない範囲で膨張・収縮し、第２の位置をとる（図８Ａ参照）。

図９は、図６に示した熱電発電装置を屋外の大気中に配置した場合の、導熱体１と蓄熱体２の温度変化の一例を示す図２に類似のグラフであり、グラフ中、曲線Ｘは導熱体１の温度変化を示し、曲線Ｙは蓄熱体２の温度変化を示している。また、図９のグラフ中、Ｓｈは、補助導熱ユニット１４が第１の位置をとっている期間を示している。

図９のグラフからわかるように、図６の実施例によれば、導熱体１の高温時には、蓄熱体２の温度が導熱体１の温度付近まで上昇し、それによって、導熱体１および蓄熱体２間の、導熱体１の最高温度と最低温度の差に近い温度差ΔＴが得られる。その結果、補助導熱ユニット１４を備えていない場合と比べて約２倍の温度差となり、この温度差に比例して、熱電変換ユニット３の出力電圧が約２倍になる。

この場合、負荷抵抗が一定であれば、得られる電力は電圧の２乗に比例するので、電圧が２倍であれば、熱電発電装置によって得られる電力量は４倍となり、蓄熱体の熱容量が同じであっても、より多くの電力量が得られることになる。

図６に示した実施例では、熱流調節ユニットとして、導熱体１の温度変化（外部環境の温度変化）に応じて、膨張・収縮または変形することによって受動的に熱移動を制御する補助導熱ユニットを配置したが、その代わりに、能動的に熱移動を制御する熱流スイッチを配置することもできる。

図１０には、熱流調節ユニットとして熱流スイッチを備えた熱電発電装置の構成を示した。なお、図１０中、図６に示したものと同じ構成要素には同一番号を付し、以下では、それらの詳細な説明を省略する。
図１０に示した実施例では、被覆層４内における導熱体１および蓄熱体２間に、熱流調節ユニットとして、導熱体１および蓄熱体２に接触して導熱体１と蓄熱体２の間で熱移動させるＯＮ状態と、導熱体１および蓄熱体２のうちの少なくとも一方から離間して前記熱移動を停止させるＯＦＦ状態とをとる熱流スイッチ１５が配置される。なお、この実施例では、単一の熱流スイッチ１５が配置されるが、必要に応じて、複数の熱流スイッチ１５が配置され得る。

また、導熱体１の温度を検出する第１の温度センサー１６と、蓄熱体２の温度を検出する第２の温度センサー１７が備えられる。第１および第２の温度センサー１６、１７は、熱流スイッチ１５からできるだけ離れた位置であって、それぞれ、導熱体１および蓄熱体２の中心または平均温度を示す位置に配置されることが好ましい。
さらに、熱流スイッチ制御部１８が備えられ、第１および第２の温度センサー１６、１７の検出値に基づいて、熱流スイッチ１５のＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替えるようになっている。

熱流スイッチ１５の機能は、基本的に補助導熱ユニットと同様である。
例えば、蓄熱体２の温度を導熱体１の高温側にシフトさせる場合は、熱流スイッチ制御部１８が、第１および第２の温度センサー１６、１７の検出値に基づき、導熱体１の温度が蓄熱体２の温度よりも高く、かつその温度差が予め設定された値以上であると判定したとき、熱流スイッチ１５をＯＮ状態にする一方、導熱体１の温度が蓄熱体２の温度よりも高いが、その温度差が予め設定された値以下であると判定したとき、または、導熱体１の温度が蓄熱体２の温度よりも低いと判定したときは、熱流スイッチ１５をＯＦＦ状態とする。
なお、熱流スイッチ１５の作動は、熱電発電装置が出力する電力の一部を用いてなされる。

もちろん、熱流スイッチ１５によって、蓄熱体２の温度を導熱体１の低温側にシフトさせることもでき、この場合には、熱流スイッチ制御部１８が、第１および第２の温度センサー１６、１７の検出値に基づき、導熱体１の温度が蓄熱体の温度よりも低く、かつその温度差が予め設定された温度以上であると判定したときにのみ、熱流スイッチ１５をＯＮ状態にする。

図１１および図１２は、図１０における熱流スイッチの取付部の拡大図であり、熱流スイッチを例示したものである。
図１１に示した実施例では、熱流スイッチ１５は、リニアアクチュエータ２９ａと、リニアアクチュエータ２９ａの操作ロッドの先端に接続された可動導熱ブロック２９ｂとから構成される。そして、熱流スイッチ１５がＯＦＦ状態にあるときは、図１１Ａに示すように、リニアアクチュエータ２９ａの操作ロッドは引っ込んだ位置にあって、可動導熱ブロック２９ｂは導熱体１および蓄熱体２から離間しているが、例えば、熱流スイッチ制御部１８によって、導熱体１の温度が蓄熱体２の温度よりも高くかつその温度差が予め設定された値以上であると判定されたとき、熱流スイッチ１５はＯＮ状態になり、図１１Ｂに示すように、リニアアクチュエータ２９ａの操作ロッドが突き出し、可動導熱ブロック２９ｂが導熱体１および蓄熱体２に接触し、それによって、導熱体１から蓄熱体２に熱が移動し、蓄熱体２が加熱され、蓄熱体２の温度が導熱体１の高温側にシフトする。

図１２に示した実施例では、熱流スイッチ１５は、回転型のアクチュエータ２９ｃと、このアクチュエータ２９ｃによって回転駆動される可動導熱ブロック２９ｄとから構成される。そして、熱流スイッチ１５がＯＦＦ状態にあるときは、図１２Ａに示すように、可動導熱ブロック２９ｄは、導熱体１および蓄熱体２から離間した位置にあるが、例えば、熱流スイッチ制御部１８によって導熱体１の温度が蓄熱体２の温度よりも高くかつその温度差が予め設定された値以上であると判定されたとき、熱流スイッチ１５はＯＮ状態になり、図１２Ｂに示すように、可動導熱ブロック２９ｄがアクチュエータ２９ｃによって回転せしめられて導熱体１および蓄熱体２に接触し、それによって、導熱体１から蓄熱体２に熱が移動し、蓄熱体２が加熱され、蓄熱体２の温度が導熱体１の高温側にシフトする。

図示はしないが、上述したアクチュエータは、いずれも、動作時にのみ、ラチェット機構またはウォームギヤまたはブレーキ機構によって電磁気的に駆動され、非動作時は、電気エネルギーを消費しないような構成であることが好ましい。

図１１および図１２に示した実施例において、熱流スイッチ１５の可動導熱ブロック２９ｂ、２９ｄは、熱伝導性を向上させるべく、導熱体１および蓄熱体２と間の熱流スイッチ１５が接する面が密着しやすい形状を有しかつ弾力性を有していることが好ましく、また、この接触面を除く熱流スイッチ１５の表面が、熱漏洩を抑制すべく、断熱材で覆われていることが好ましい。

図示はしないが、本発明の別の実施例によれば、熱電変換ユニット３が熱流スイッチ１５としても使用される。すなわち、熱電発電装置から出力される電力の一部が使用され、熱流スイッチ制御部１８による制御のもと、ゼーベック効果による熱電変換ユニットに適当な電圧が印加される。それによって、熱電変換ユニットに、ペルチェ効果による発熱（加熱）および吸熱（冷却）作用を生じさせ、熱流スイッチと同等の機能を生じさせることができる。

この場合、熱流スイッチ１５のＯＮ状態は、熱電変換ユニット３を、ペルチェ効果によって、導熱体１および蓄熱体２のうちの温度の高い方から低い方に熱移動が生じるように動作させることによって、逆に、ＯＦＦ状態は、ペルチェ効果によって、温度の低いほうから高い方に熱移動を生じるように動作させることによって実現される。

また、図示はしないが、本発明のさらに別の実施例によれば、熱流スイッチ１５は、導熱体１と熱電変換ユニット３の一端３ａとの間、または蓄熱体２と熱電変換ユニット３の他端３ｂとの間に配置され、ＯＮ状態をとるとき、熱電変換ユニット３を介して導熱体１に接触し、または熱電変換ユニット３を介して蓄熱体２に接触する。

また、図示はしないが、本発明のさらに別の実施例によれば、熱流スイッチ１５は、被覆層４内における導熱体１および蓄熱体２間に配置され、熱伝導性を有する一端面が導熱体に接触し、熱伝導性を有する他端面が蓄熱体に接触する容器と、被覆層４内または被覆層の外面に配置された熱伝導性流体供給源と、熱伝導性流体供給源および容器を接続する管路と、管路の途中に配置され、熱伝導性流体供給源から容器内に伝導性流体を供給し、および容器内に充填された熱伝導性流体を熱伝導性流体供給源に回収するためのポンプと、からなっている。この場合、熱流スイッチ１５のＯＮ状態は、容器内が熱伝導性流体で満たされることによって、ＯＦＦ状態は、容器内が空にされることによって実現される。

また、図示はしないが、本発明のさらに別の実施例によれば、一定程度の熱時定数を確保できる場合には、蓄熱体における熱電変換ユニットとの接触領域を除く表面が鏡面仕上げされ、蓄熱体の鏡面仕上げされた表面が被覆層を形成する。この場合、蓄熱体表面の鏡面仕上げは、表面を研磨することによって、あるいは表面を金属メッキすることによってなされる。

図１３は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図１３に示した実施例では、熱電発電装置は、１つの導熱体１と、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂと、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂ間に配置され、一端３ａが第１の蓄熱体２ａに接触し、他端３ｂが第２の蓄熱体２ｂに熱的に接触する少なくとも１つ（この実施例では１つ）の熱電変換ユニット３（一対の電極は図示を省略した）を備えている。

熱電発電装置は、また、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂのそれぞれと導熱体１との間に配置された少なくとも１つ（この実施例では各１つ）の第１および第２の熱流調節ユニット１５ａ、１５ｂを備えている。
第１の熱流調節ユニット１５ａは、導熱体１および第１の蓄熱体２ａに接触して導熱体１と第１の蓄熱体２ａの間で熱移動させるＯＮ状態と、導熱体１および第１の蓄熱体２ａのうちの少なくとも一方から離間して当該熱移動を停止させるＯＦＦ状態とをとる第１の熱流スイッチからなっている。また、第２の熱流調節ユニット１５ｂは、導熱体１および第２の蓄熱体２ｂに接触して導熱体１と第２の蓄熱体２ｂの間で熱移動させるＯＮ状態と、導熱体１および第２の蓄熱体２ｂのうちの少なくとも一方から離間して当該熱移動を停止させるＯＦＦ状態とをとる第２の熱流スイッチからなっている。

また、第１の熱流スイッチ１５ａおよび熱電変換ユニット３との接触領域を除く第１の蓄熱体２ａの表面と、第２の熱流スイッチ１５ｂおよび熱電変換ユニット３との接触領域を除く第２の蓄熱体２ｂの表面が、一定の熱絶縁性を有する被覆層４によって覆われている。

熱電発電装置は、さらに、導熱体１の温度を検出する第１の温度センサー１９と、第１の蓄熱体２ａの温度を検出する第２の温度センサー２０と、第２の蓄熱体２ｂの温度を検出する第３の温度センサー２１と、第１〜第３の温度センサー１９〜２１の検出値に基づいて、第１および第２の熱流スイッチ１５ａ、１５ｂのＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替える熱流スイッチ制御部２２を備えている。

この実施例においては、導熱体１が最高温度付近にあるとき、第１の熱流スイッチ１５ａがＯＮ状態になる一方、第２の熱流スイッチ１５ｂはＯＦＦ状態となり、それによって、導熱体１および第１の蓄熱体２ａ間で熱移動が生じて、第１の蓄熱体２ａの温度が当該最高温度付近に保たれ、導熱体１が最低温度付近にあるときは、第１の熱流スイッチ１５ａがＯＦＦ状態になる一方、第２の熱流スイッチ１５ｂはＯＮ状態となり、導熱体１および第２の蓄熱体２ｂ間で熱移動が生じて、第２の蓄熱体２ｂの温度が当該最低温度付近に保たれるようになっている。そして、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂ間に生じた温度差を利用して、熱電変換ユニット３によって電気エネルギーが取り出される。

こうして、２４時間（温度変化の全周期）にわたり最高温度と最低温度の差に近い温度差を維持しつつ、当該温度差を利用して安定して大きな発電電力を得ることができる。この場合には、２つの蓄熱体２ａ、２ｂに蓄えられた熱エネルギーによって連続した発電が可能であり、単一の蓄熱体を備えた熱電発電装置においては連続的でかつ安定した電力供給を行うのに必要であった二次電池を省略できる。

図示はしないが、電源供給を受ける負荷装置に対して間欠的に電力供給を行う場合、あるいは軽負荷に対して二次電池を通じて電力供給を行う場合には、熱電変換ユニット３と直列に第３の熱流スイッチを備えることで、発電に伴わない熱電変換ユニットを通じた熱の漏洩を抑制し、蓄えられた熱の有効利用を図ることが好ましい。これは、他の実施例にも当てはまる。

図１４は、図１３に示した熱電発電装置を屋外の大気中に配置した場合の、導熱体１と第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂの温度変化の一例を示す図２に類似のグラフである。図１４のグラフ中、縦軸は温度（℃）を、横軸は時刻（時）を表し、曲線Ｘ、曲線Ｙおよび曲線Ｚは、それぞれ、導熱体１、第１の蓄熱体２ａおよび第２の蓄熱体２ｂの温度変化を示している。また、図１４のグラフ中、Ｓｈは、第１の熱流スイッチ１５ａがＯＮ状態にあり、かつ第２の熱流スイッチ１５ｂがＯＦＦ状態にある期間を示し、Ｓｉは、第１の熱流スイッチ１５ａがＯＦＦ状態にあり、かつ第２の熱流スイッチ１５ｂがＯＮ状態にある期間を示している。

図１４のグラフからわかるように、熱電発電装置の導熱体１の温度は、気温変化にほぼ追従して、約１０℃の温度範囲内で昇降する。
一方、被覆層４の熱抵抗が無限大で、かつ、熱電変換ユニット３の発電に伴う熱移動がない、理想的な条件下では、第１の蓄熱体２ａの温度は、導熱体１の最高温度付近に保たれ、第２の蓄熱体２ｂの温度は、導熱体１の最低温度付近に保たれる。

しかしながら、現実には、被覆層４の熱抵抗は有限であるから、被覆層４から熱漏洩が生じ、さらには、熱電変換ユニット３の発電に伴う熱移動が生じるので、第１の蓄熱体２ａの温度Ｙは、導熱体１の最高温度よりも低い温度範囲で変化し、第２の蓄熱体２ｂの温度Ｚは、導熱体１の最低温度よりも高い温度範囲で変化する。その結果、第１の蓄熱体２ａと第２の蓄熱体２ｂとの温度差ΔＴは、導熱体１の最高温度と最低温度の差（約１０℃）よりも小さい温度範囲で変動する。

そこで、被覆層４からの熱漏洩、および熱電変換ユニット３の発電に伴う熱移動を考慮し、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂの熱容量を、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂが約２℃の範囲内で温度変化し得る大きさに設定すると、１日の気温変化を通じて実際に発電に使用可能な、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂ間の温度差ΔＴとして約８℃を連続して確保することができ、この温度差ΔＴで発電が行われ、その２４時間の積分値が一周期（昼夜１サイクル）の発電電力量となる。

間欠的に発電が行われ、時間とともに発電電圧が変化する単一の蓄熱体を備えた熱電発電装置と比べて、２つの蓄熱体を備えた熱電発電装置は、約２倍の発電電圧を２４時間継続的に生じさせることから、約２０倍を超える発電電力を発生させることができる。

図１３に示した熱電発電装置においては、製造直後や、一定温度下に長期間保管されていた場合には、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂ間に温度差がなく、熱電発電装置は停止しており、この停止した熱電発電装置の起動法が問題になる。

かかる場合の起動法の１つとして、第１の熱流スイッチ１５ａとして、初期状態または制御されない状態では常にＯＮ状態にある形式のもの（電気回路におけるｂ接点）を使用し、第２の熱流スイッチ１５ｂとして、初期状態または制御されない状態では常にＯＦＦ状態にある形式のもの（電気回路におけるａ接点）を使用する方法が挙げられる。
この方法によれば、熱電発電装置が温度変化する環境中に設置された時点から、第１の蓄熱体２ａの温度が導熱体１の温度変化に追従する一方、第２の蓄熱体２ｂの温度は当初の温度付近にとどまる。そして、環境の温度が最高温度に近づくにつれて、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂ間に一定の温度差が生じ、それによって、熱電変換ユニット３が電圧を発生し、この電圧が熱流スイッチ制御部２２に供給され、熱流スイッチ制御部２２が動作を開始する。

熱流スイッチ制御部２２は、導熱体１の温度が最高温度付近にあるとき、または第１の蓄熱体２ａの温度よりも高いときは、第１の熱流スイッチ１５ａをＯＮ状態に制御し、導熱体１の温度が最低温度付近にあるとき、または第２の蓄熱体２ｂの温度よりも低いときは、第２の熱流スイッチ１５ｂをＯＮ状態に制御する。その結果、第１の蓄熱体２ａの温度は導熱体１の最高温度に近づく一方、第２の蓄熱体２ｂの温度は導熱体１の最低温度に近づき、熱電発電装置が自動的に動作を開始する（起動する）。

別の起動法として、導熱体１と第１または第２の蓄熱体２ａ、２ｂとの間に第３の熱電変換ユニットを配置し、第１および第２の熱流スイッチ１５ａ、１５ｂは、初期状態または制御されない状態でＯＦＦ状態にある形式のもの（電気回路におけるａ接点）を使用する方法が挙げられる。
この方法によれば、熱電発電装置が温度変化する環境中に配置された時点から、導熱体１の温度は環境の温度変化に追従する一方、第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂは、当初の温度付近にとどまる。こうして、時間の経過につれて、導熱体１と第１および第２の蓄熱体２ａ、２ｂとの間の温度差が次第に大きくなる。そして、一定の温度差になると、第３の熱電変換ユニットが電圧を発生し、この電圧が熱流スイッチ制御部２２に供給され、熱流スイッチ制御部２２が動作を開始する。その後は、上述の第１の起動法の場合と同様の動作過程を経て、熱電発電装置が起動する。

本発明のさらに別の実施例によれば、図１３に示した構成において、さらに、第１の熱流スイッチ１５ａおよび第１の蓄熱体２ａ間に配置され、一端が第１の熱流スイッチ１５ａに接触し、他端が第１の蓄熱体２ａに接触する第１のペルチェ素子と、第２の熱流スイッチ１５ｂおよび第２の蓄熱体２ｂ間に配置され、一端が第２の熱流スイッチ１５ｂに接触し、他端が第２の蓄熱体２ｂに接触する第２のペルチェ素子が備えられる。

この実施例によれば、第１の熱流スイッチ１５ａがＯＮ状態にあるとき、第１のペルチェ素子が、一端において吸熱して、他端において発熱し、第２の熱流スイッチ１５ｂがＯＮ状態にあるとき、第２のペルチェ素子が、一端において発熱して、他端において吸熱する。それによって、導熱体１の最高温度付近の温度を有する第１の蓄熱体２ａを加熱してその温度をより上昇させ、導熱体１の最低温度付近の温度を有する第２の蓄熱体２ｂを冷却してその温度をより下降させて、より大きな温度差ΔＴを生じさせることができる。

上述の実施例では、熱電変換ユニットとして、現在市場で入手可能なビスマスやテルル等の半導体を成分とするゼーベック効果を用いた熱電変換モジュールが使用されているが、この種の熱電変換モジュールの発電効率は数％〜十数％にとどまる。そのため、上述の実施例では、熱電変換モジュールの発電効率を約５％と仮定した。これに対し、スピンゼーベック効果やラットリング（かご構造）と呼ばれるクラスレート化合物等の新材料のゼーベック効果を用いた熱電変換モジュールでは、大きな熱抵抗をもつ磁性絶縁体や化合物が使用されるので、熱漏洩が少なく、発電効率の各段の向上が期待される。
ゼーベック効果を用いた熱電変換モジュールによれば、１ｍＷｈ〜数十Ｗｈの発電能力をもつ熱電発電装置が実現可能であるが、スピンゼーベック効果を用いた熱電変換モジュールによれば、数十ｍＷｈ未満から数百Ｗｈ超の発電能力をもつ熱電発電装置が実現可能である。

図１５は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図１５を参照して、この実施例では、熱電発電装置は、１つの導熱体４２と、第１および第２の蓄熱体４３ａ、４３ｂを備えている。そして、第２の蓄熱体４３ｂは、熱電発電装置が設置される構造物からなっている。構造物４３ｂとしては、例えば、機械設備または建造物、または海面上や河川および湖沼の水面上に配置されたブイ等の構造物、または年間を通じてほぼ一定の温度を有する地下熱と熱交換する熱交換機の一部が挙げられる。

熱電発電装置は、また、導熱体４２および第１の蓄熱体４３ａ間に配置され、一端４４ａが導熱体４２に接触し、他端４４ｂが第１の蓄熱体４３ａに接触する少なくとも１つ（この実施例では１つ）の熱流調節ユニット４４を備えている。
熱流調節ユニット４４は、導熱体４２および第１の蓄熱体４３ａに接触して導熱体４２と第１の蓄熱体４３ａの間で熱移動させるＯＮ状態と、導熱体４２および第１の蓄熱体４３ａのうちの少なくとも一方から離間して当該熱移動を停止させるＯＦＦ状態とをとる熱流スイッチからなっている。

また、第１の蓄熱体４３ａおよび構造物４３ｂ間には、少なくとも１つ（この実施例では１つ）の熱電変換ユニット４５が配置され、熱電変換ユニット４５は、一端４５ａが第１の蓄熱体４３ａに接触し、他端４５ｂが構造物４３ｂに接触している。
そして、熱流スイッチ４４および熱電変換ユニット４５との接触領域を除く第１の蓄熱体４３ａの表面が被覆層４６によって覆われている。

図示はしないが、熱電発電装置は、さらに、導熱体４２の温度を検出する第１の温度センサーと、第１の蓄熱体４３ａの温度を検出する第２の温度センサーと、構造物４３ｂの温度を検出する第３の温度センサーと、第１〜第３の温度センサーの検出値に基づいて、前記熱流スイッチの前記ＯＮ状態と前記ＯＦＦ状態を切り替える熱流スイッチ制御部を備えている。
こうして、第１の蓄熱体４３ａおよび構造物４３ｂ間に生じる温度差を利用して、熱電変換ユニット４５から電気エネルギーが取り出される。

図１６は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の斜視図である。この実施例は、図１に示した熱電発電装置を市販の乾電池の形態としている。なお、明瞭にするため、図１６中、熱電発電装置の導熱体および蓄熱体以外の構成要素は省略してある。
図１６において、２３は導熱体であり、２４は蓄熱体である。電池の＋電極２５および−電極２６は、熱電変換ユニットの一対の電極（図１参照）であってもよいし、熱電発電装置が二次電池を備えている場合には、二次電池の出力端子であってもよい（図４参照）。−電極２６は、導熱体１の一部として構成されていてもよい。＋電極２５は、絶縁部分２７によって導熱体２３から電気的に絶縁されている。

図１７は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図１７を参照して、この実施例では、熱電発電装置は、図１に示した実施例の構成に加えて、第１の追加の蓄熱体３０と、第２の追加の蓄熱体３１と、第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１間に配置され、一端３２ａが第１の追加の蓄熱体３０に接触し、他端３２ｂが第２の追加の蓄熱体３１に接触する追加の熱電変換ユニット３２（一対の電極は図示を省略）と、第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１間に配置され、一端３３ａが第１の追加の蓄熱体３０に接触し、他端３３ｂが第２の追加の蓄熱体３１に接触する追加のペルチェ素子３３と、一定の熱絶縁性を有し、追加の熱電変換ユニット３２との接触領域および追加のペルチェ素子３３との接触領域を除く第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１の表面を被覆する追加の被覆層４’とを備えている。

この場合、第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１、追加の熱電変換ユニット３２、追加のペルチェ素子３３、および追加の被覆層４’は、図１７に示すように、熱電発電装置の残りの部分と一体に形成されてもよいし、熱電発電装置の残りの部分とは独立な部分として形成されてもよい。後者の場合には、２つの部分が互いに電線で接続される。

そして、追加の熱電変換ユニット３２以外の熱電変換ユニット３が出力する電気エネルギーを、例えば極性・電圧変換回路２８を介して、追加のペルチェ素子３３に適用し、追加のペルチェ素子３３によって第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１の一方を加熱し、他方を冷却する。こうして、第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１間に温度差を生じさせ、この温度差を利用して、追加の熱電変換ユニット３２から電気エネルギーを取り出す。

この実施例によれば、蓄熱体２の温度が環境の温度変化の範囲内でしか変化しないのに対し、第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１の温度変化の範囲についてはこの制限がなくなるので、第１および第２の蓄熱体３０、３１間により大きな温度差を生じさせてより多くの熱エネルギーを蓄え、追加の熱電変換ユニット３２から、必要なときに、より大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

この実施例において、熱電発電装置から電気の供給を受ける電子機器の動作が間欠的であり、それに対応して、熱電発電装置による電気の出力が間欠的でもよい場合には、追加のペルチェ素子３３を省略することができる。
この場合、熱電発電装置から電気を出力するときは、ゼーベック素子からなる追加の熱電変換ユニット３２がゼーベック素子として機能し、電気エネルギーが取り出される。一方、熱電発電装置から電気を出力しないときは、追加の熱電変換ユニット３２以外の熱電変換ユニット３から出力される電気エネルギーが、例えば極性・電圧変換回路２８を介して、追加の熱電変換ユニット３２に適用され、追加の熱電変換ユニット３２がペルチェ素子として機能し、蓄熱が行われる。
また、間欠的に電気を出力すればよい場合には、熱電変換ユニットと直列に熱流スイッチを配置することによって、蓄熱体からの熱電発電に寄与しない無駄な熱移動を抑制することができる。

図１８は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図１８から容易にわかるように、この実施例は、図１７に示した実施例において、ペルチェ素子３３を取り除き、その代わりに、ヒーター４０を、第１の追加の蓄熱体３０に接触して配置したものである。
そして、追加の熱電変換ユニット３２以外の熱電変換ユニット３が出力する電気エネルギーを、例えば極性・電圧変換回路２８を介してヒーター４０に適用し、ヒーター４０によって第１の追加の蓄熱体３０を加熱する。それによって、第１の追加の蓄熱体３０は、追加の被覆層４’を介して、熱電発電装置の残りの部分および環境の温度変化範囲の中間付近の温度よりも高い温度となる一方、第２の追加の蓄熱体３１は、追加の被覆層４’を介して、環境および熱電発電装置の残りの部分の温度変化範囲の中間付近の温度に安定する。こうして、第１および第２の追加の蓄熱体３０、３１間に温度差を生じさせ、この温度差を利用して、追加の熱電変換ユニット３２から電気エネルギーを取り出す。

図１９は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図１９を参照して、この実施例では、熱電発電装置は、図１０に示した実施例の構成に加えて（明瞭のために、図１９中、図１０の第１〜第３の温度センサーおよび熱流スイッチ制御部は省略してある。）、第１の追加の蓄熱体３６と、第２の追加の蓄熱体３７と、第１および第２の追加の蓄熱体３６、３７間に配置され、一端３８ａが第１の追加の蓄熱体３６に接触し、他端３８ｂが第２の追加の蓄熱体３７に接触する追加の熱電変換ユニット３８（一対の電極は図示を省略）と、第１および第２の追加の蓄熱体３６、３７間に配置され、一端３９ａが第１の追加の蓄熱体３６に接触し、他端３９ｂが第２の追加の蓄熱体３７に接触する追加のペルチェ素子３９とを備えている。この場合、第２の追加の蓄熱体３７は、熱電発電装置が設置される構造物からなっている。

熱電発電装置は、さらに、一定の熱抵抗を有し、追加の熱電変換ユニット３８との接触領域および追加のペルチェ素子３９との接触領域を除く第１の追加の蓄熱体３６の表面を被覆する追加の被覆層４’を備えている。この場合、追加の熱電変換ユニット３８の他端３８ｂおよび追加のペルチェ素子３９の他端３９ｂを保護するために、必要に応じて、追加の熱電変換ユニット３８および追加のペルチェ素子３９と、第２の追加の蓄熱体３７との間に追加の導熱体が配置される。

そして、追加の熱電変換ユニット３８を除く熱電変換ユニット３が出力する電気エネルギーを、例えば極性・電圧変換回路３４を介して、追加のペルチェ素子３９に適用し、追加のペルチェ素子３９によって第１および第２の追加の蓄熱体３６、３７の一方を加熱し、他方を冷却し、第１および第２の追加の蓄熱体３６、３７間に温度差を生じさせ、この温度差を利用して、追加の熱電変換ユニット３８から電気エネルギーを取り出す。
この実施例によっても、図１７の実施例と同様の効果が得られる。

図１９に示した実施例において、熱電発電装置から電気の供給を受ける電子機器の動作が間欠的であり、それに対応して、熱電発電装置による電気の出力が間欠的でもよい場合には、追加のペルチェ素子３９を省略することができる。
この場合、熱電発電装置から電気を出力するときは、ゼーベック素子からなる追加の熱電変換ユニット３８がゼーベック素子として機能し、電気エネルギーが取り出される。一方、熱電発電装置から電気を出力しないときは、追加の熱電変換ユニット３８以外の熱電変換ユニット３から出力される電気エネルギーが、例えば極性・電圧変換回路３４を介して、追加の熱電変換ユニット３８に適用され、追加の熱電変換ユニット３８がペルチェ素子として機能し、蓄熱が行われる。

図２０は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。図２０から容易にわかるように、この実施例は、図１８に示した実施例において、ペルチェ素子３９を取り除き、その代わりに、ヒーター４１を、第１の追加の蓄熱体３６に接触して配置したものである。
そして、追加の熱電変換ユニット３８以外の熱電変換ユニット３が出力する電気エネルギーを、例えば極性・電圧変換回路３４を介してヒーター４１に適用し、ヒーター４１によって第１の追加の蓄熱体３６を加熱する。それによって、第１の追加の蓄熱体３６は、追加の被覆層４’を介して、熱電発電装置の残りの部分および環境の温度変化範囲の中間付近の温度よりも高い温度となる一方、第２の追加の蓄熱体３７は、熱電発電装置が設置される構造物であって、大きな熱容量を有するから、環境の温度変化範囲の中間付近の温度に安定する。こうして、第１および第２の追加の蓄熱体３６、３７間に温度差を生じさせ、この温度差を利用して、追加の熱電変換ユニット３８から電気エネルギーを取り出す。

本発明のさらに別の実施例によれば、蓄熱体のうちの少なくとも１つが潜熱蓄熱材から形成される。潜熱蓄熱材を使用することで、よりコンパクトに大量の熱を吸収しまたは放出することができ、それによって、よりコンパクトでかつより発電量の大きな熱電発電装置を実現することができる。

図２１は、本発明のさらに別の実施例による熱電発電装置の縦断面図である。この熱電発電装置は、屋外の大気中に配置して使用するのに適している。
図２１を参照して、熱電発電装置は、第１および第２の導熱体４９ａ、４９ｂと、第１および第２の蓄熱体５０ａ、５０ｂと、第１の導熱体４９ａおよび第１の蓄熱体５０ａ間に配置された少なくとも１つ（この実施例では１つ）の第１の熱流調節ユニットと、第２の導熱体４９ｂおよび第２の蓄熱体４９ｂ間に配置された少なくとも１つ（この実施例では１つ）の第２の熱流調節ユニットを備えている。

第１の熱流調節ユニットは、第１の導熱体４９ａおよび第１の蓄熱体５０ａに接触して第１の導熱体４９ａと第１の蓄熱体５０ａの間で熱移動させるＯＮ状態と、第１の導熱体４９ａおよび第１の蓄熱体５０ａのうちの少なくとも一方から離間して前記熱移動を停止させるＯＦＦ状態とをとる第１の熱流スイッチ５１からなっている。また、第２の熱流調節ユニットは、第２の導熱体４９ｂおよび第２の蓄熱体５０ｂに接触して第２の導熱体４９ｂと第２の蓄熱体５０ｂの間で熱移動させるＯＮ状態と、第２の導熱体４９ｂおよび第２の蓄熱体５０ｂのうちの少なくとも一方から離間して前記熱移動を停止させるＯＦＦ状態とをとる第２の熱流スイッチ５２からなっている。

熱電発電装置は、また、第１および第２の蓄熱体５０ａ、５０ｂ間に配置され、一端５３ａが第１の蓄熱体５０ａに接触し、他端５３ｂが第２の蓄熱体５０ｂに接触する少なくとも１つ（この実施例では１つ）の熱電変換ユニット５３を備えている。そして、第１および第２の熱流スイッチ５１、５２、および熱電変換ユニット５３との接触領域を除く第１および第２の蓄熱体５０ａ、５０ｂの表面が、一定の熱絶縁性を有する被覆層５４によって覆われている。

さらに、被覆層５４には、一定の熱絶縁性を有し、第１の導熱体４９ａの周囲を取り囲む壁６０が立設されている。壁６０の上端面は、第１の導熱体４９ａよりも突出しており、当該上端面には、太陽光スペクトルは透過させるが遠赤外線を透過させないフィルター５６が取り付けられている。そして、第１の導熱体４９ａの表面の全体が、空気の層５５を介してフィルター５６によって被覆されている。

被覆層５４には、また、一定の熱絶縁性を有し、第２の導熱体４９ｂの周囲を取り囲む日除け５９が立設されている。日除け５９は、日中、第２の導熱体４９ｂが太陽光の直射を受けないようにするためのものである。そして、日除け５９には、遠赤外線は透過させるが太陽光スペクトルを透過させないフィルター５８が、第２の導熱体４９ｂの表面から間隔をあけて取り付けられ、第２の導熱体４９ｂの表面の全体が、空気の層５７を介してフィルター５８によって被覆されている。

さらに、図示はしないが、熱電発電装置は、第１の導熱体４９ａの温度を検出する第１の温度センサーと、第１の蓄熱体５０ａの温度を検出する第２の温度センサーと、第２の導熱体４９ｂの温度を検出する第３の温度センサーと、記第２の蓄熱体５０ｂの温度を検出する第４の温度センサーと、第１〜第４の温度センサーの検出値に基づいて、第１および第２の熱流スイッチ５１、５２のＯＮ状態とＯＦＦ状態を切り替える熱流スイッチ制御部を備えている。

そして、熱電発電装置は、屋外の大気中において、第１の導熱部４９ａが太陽光の直射を受ける一方、第２の導熱部４９ｂが太陽光の直射を受けないように配置される。それによって、第１の導熱部４９ａは、日中は効率的に熱吸収するが、夜間は放射冷却されにくくなることによって一日を通じて高温に保たれる一方、第２の導熱部４９ｂは、日中は熱吸収を抑制されるが、日没後に効率的に放射冷却されることによって一日を通じて低温に保たれる。それに応じて、熱流スイッチ制御部による第１および第２の熱流スイッチ５１、５２の制御がなされる。

この実施例では、熱電発電装置の運転は次のようになされる。
熱電発電装置が屋外に配置された当初は、第１および第２の蓄熱体４９ａ、４９ｂに一定の熱量が蓄積されて両者の間に所定の温度差が生じるまで、複数日にわたって発電は行われない。そして、第１および第２の蓄熱体４９ａ、４９ｂに前記一定の熱量が蓄積された後、第１および第２の蓄熱体４９ａ、４９ｂに新たに取り込まれた熱量によって両者の間に生じる温度差を利用して、熱電変換ユニット５３から電気エネルギーが取り出され、発電が行われる。

本発明の熱電発電装置は、電子機器の通常の電源に適用できるだけでなく、他の用途にも適用可能である。例えば、本発明の熱電発電装置を大型化し、あるいは多数並べて配置することによって、家庭に必要な電力を賄う太陽熱発電装置として使用することが可能である。また、本発明による熱電発電装置を人工衛星に取り付け、熱電発電装置の導熱体を人工衛星の筐体表面に配置し、被覆層によって被覆された蓄熱体を筐体内部に配置すれば、人工衛星の自転運動に伴って、導熱体は周期的に太陽に晒されたり、太陽の陰に入ったりする。そして、蓄熱体の熱時定数を人工衛星の自転周期よりも長く設定することで、蓄熱体の温度は、導熱体の最高温度と最低温度の中間温度付近に保たれ、それによって発電を安定的に行うことができる。

また、本発明の熱電発電装置を、機械設備の故障時に高温になる部分に設置し、機械設備の常動作時は待機状態としておき、機械設備の故障時にのみ発電を行い、故障検知センサーに電力を供給して、故障検知センサーを動作させることもできる。この構成においては、熱電発電装置の発電電力を蓄えておく必要がなく、そのため、二次電池は不要となる。
また、本発明の熱電発電装置を体温計の電源として使用し、長時間にわたり室温で保管しておき、必要時に、導熱体を身体に接触させることで発電し、体温計を動作させることもできる。この構成においても、二次電池は不要となる。

１、１’ 導熱体
２蓄熱体
３熱電変換ユニット
３ａ一端
３ｂ他端
４被覆層
４’ 追加の被覆層
４ａ開口
５電極
６熱流調節ユニット
６ａ一端
６ｂ他端
７ａ液体状の蓄熱体
７ｂ容器
８熱交換用フィン
９開口
１０電源
１１極性・電圧変換回路
１２二次電池
１３電子機器
１４補助導熱ユニット
１４ａバイメタル
１４ｂ熱収縮性材料
１５熱流スイッチ
１５ａ第１の熱流スイッチ
１５ｂ第２の熱流スイッチ
１６第１の温度センサー
１７第２の温度センサー
１８熱流スイッチ制御部
１９第１の温度センサー
２０第２の温度センサー
２１第３の温度センサー
２２熱流スイッチ制御部
２３導熱体
２４蓄熱体
２５＋電極
２６ −電極
２７絶縁部分
２８極性・電圧変換回路
２９ａリニアアクチュエータ
２９ｂ可動導熱ブロック
２９ｃ回転型アクチュエータ
２９ｄ可動導熱ブロック
３０第１の追加の蓄熱体
３１第２の追加の蓄熱体
３２追加の熱電変換ユニット
３２ａ一端
３２ｂ他端
３３追加のペルチェ素子
３３ａ一端
３３ｂ他端
３４極性・電圧変換回路
３６第１の追加の蓄熱体
３７第２の追加の蓄熱体
３８追加の熱電変換ユニット
３８ａ一端
３８ｂ他端
３９追加のペルチェ素子
３９ａ一端
３９ｂ他端
４０、４１ヒーター
４２導熱体
４３ａ第１の蓄熱体
４３ｂ第２の蓄熱体
４４熱流スイッチ
４４ａ一端
４４ｂ他端
４５熱電変換ユニット
４５ａ一端
４５ｂ他端
４６被覆層
４７容器
４８ａ〜４８ｃ潜熱蓄熱材
４９ａ第１の導熱体
４９ｂ第２の導熱体
５０ａ第１の蓄熱体
５０ｂ第２の蓄熱体
５１第１の熱流スイッチ
５２第２の熱流スイッチ
５３熱電変換ユニット
５３ａ一端
５３ｂ他端
５４被覆層
５５空気の層
５６フィルター
５７空気の層
５８フィルター
５９日除け
６０壁

上記課題を解決するため、本発明によれば、昼夜で周期的に温度変化する屋外の大気中に配置され、該大気の温度変化を利用して発電を行う熱電発電装置であって、前記大気に接触し、前記大気の温度変化に応じて前記大気と熱交換し得る１つの導熱体と、１つの蓄熱体と、前記導熱体および前記蓄熱体間に配置された少なくとも一対の熱電変換ユニットおよび熱流調節ユニットと、を備え、前記熱流調節ユニットは熱抵抗体からなり、前記熱抵抗体と対応する前記熱電変換ユニットの一端同士が接触し、前記熱抵抗体の他端または対応する前記熱電変換ユニットの他端が前記導熱体に接触する一方、前記熱電変換ユニットの他端または対応する前記熱抵抗体の他端が前記蓄熱体に接触し、前記熱電変換ユニットまたは前記熱抵抗体との接触領域を除く前記蓄熱体の全体が、一定の熱絶縁性を有する被覆層によって覆われていることにより、前記導熱体および前記蓄熱体間に生じる温度差を利用して、前記熱電変換ユニットから電気エネルギーを取り出すものであることを特徴とする熱電発電装置が提供される。
ここで、被覆層は「一定の熱絶縁性」、すなわち一定の熱抵抗を有するが、被覆層の熱抵抗は、導熱体、熱電変換ユニット、熱流調節ユニットおよび蓄熱体から形成される熱経路全体の熱抵抗と比較して十分に（１桁程度）大きければよい。

この場合、前記熱流調節ユニットとしての前記熱抵抗体が前記熱電変換ユニットに組み込まれていてもよいし、前記熱電変換ユニット自体が前記熱抵抗体の熱抵抗値に相当する熱抵抗値を有していてもよい。

本発明によれば、昼夜で周期的に温度変化する屋外の大気に接触する導熱体が該大気と熱交換するとともに、導熱体と蓄熱体との間に熱電変換ユニットおよび熱抵抗体（熱流調節ユニット）を配置して熱移動を制御することで、導熱体、熱抵抗体（熱流調節ユニット）、熱電変換ユニットおよび蓄熱体によって形成される熱回路全体の熱抵抗と蓄熱体の熱容量とから定まる熱時定数により、蓄熱体の温度を導熱体の最高温度と最低温度の中間付近の温度に保つことによって、導熱体および蓄熱体間に温度差を自動的に生じさせ、この温度差に比例した電圧を熱電変換ユニットから取り出すことができる。

本発明によれば、温度差を有する導熱体および蓄熱体間に熱電変換ユニットを配置し、当該温度差に基づき熱電変換ユニットを介して熱エネルギーを熱平衡に向かって移動させ、その熱エネルギーの一部を熱電変換ユニットによって電気エネルギーに変換することで発電を行うが、この場合、蓄熱体には、常に、一定量の熱量が蓄積された状態で、発電に必要な温度差が得られる熱量だけが、蓄熱体に蓄積および放出されるようにすることで、より効率的な発電が実現される（いわゆるエクセルギーの概念）。

こうして、温度昇降を繰り返す屋外の大気中に熱電発電装置を配置するだけで電気エネルギーを取り出すことができ、従来の熱電発電装置のように、熱電発電装置が配置された環境中の熱電変換ユニットを挟んだ両側に温度差を生じさせるべく、熱電変換ユニットの一端側を加熱し、他端側を冷却する必要がない。

Claims

温度昇降を繰り返す環境中に配置され、前記環境の温度変化を利用して発電を行う熱電発電装置であって、
前記環境に接触し、前記環境の温度変化に応じて前記環境と熱交換し得る少なくとも１つの導熱体と、
少なくとも１つの蓄熱体と、
前記導熱体と前記蓄熱体との対、および前記蓄熱体の対からなる組から選択された少なくとも１つの対の間に配置された少なくとも１つの熱電変換ユニットと、
前記導熱体と前記蓄熱体との対、および前記蓄熱体の対、および前記導熱体と前記熱電変換ユニットとの対、および前記蓄熱体と前記熱電変換ユニットとの対からなる組から選択された少なくとも１つの対の間に配置されて、前記対の間の熱移動を制御する少なくとも１つの熱流調節ユニットと、
一定の熱絶縁性を有し、前記蓄熱体を被覆する被覆層と、を備えたことにより、前記導熱体および前記蓄熱体間、または前記蓄熱体間、またはそれらの両方に生じる温度差を利用して、前記熱電変換ユニットから電気エネルギーを取り出すものであることを特徴とする熱電発電装置。
１つの前記導熱体と、１つの前記蓄熱体と、前記導熱体および前記蓄熱体間に配置された少なくとも一対の前記熱電変換ユニットおよび前記熱流調節ユニットと、を備え、前記熱流調節ユニットは熱抵抗体からなり、前記熱抵抗体と対応する前記熱電変換ユニットの一端同士が接触し、前記熱抵抗体の他端または対応する前記熱電変換ユニットの他端が前記導熱体に接触する一方、前記熱電変換ユニットの他端または対応する前記熱抵抗体の他端が前記蓄熱体に接触し、前記熱電変換ユニットまたは前記熱抵抗体との接触領域を除く前記蓄熱体の全体が前記被覆層によって覆われていることにより、前記導熱体と前記蓄熱体との間に生じる温度差を利用して、前記熱電変換ユニットから電気エネルギーを取り出すものであることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記導熱体が前記被覆層の表面の全体を覆っていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
少なくとも１つの前記蓄熱体が、異なる相変化温度を有する複数の潜熱蓄熱材から形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱電発電装置。