JP2014229668A

JP2014229668A - ペルチェ素子での融雪等利用に係る方法

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Publication number: JP2014229668A
Application number: JP2013106529A
Authority: JP
Inventors: 幸生隅田; Yukio Sumida
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2014-12-08

Abstract

【課題】簡単な構成で製造の容易な手段を用いて、ペルチェ効果およびゼーベック効果を利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供する。【解決手段】ペルチェ素子を２種類に分けて、片方のペルチェ素子ａ52に温度差をつけて起電力を発生させ、もう片方のペルチェ素子ｂ57をこの起電力を利用して、加熱・冷却の作用のうちの加熱作用による融雪を行う。【効果】外部の電源なしで融雪が可能となる装置を作製でき、省エネ型の融雪装置及び省エネ型の装置が作製可能となる。また、このペルチェ素子a52を直列に複数個連結し、電池の直列と同じ現象となることを利用した起電力増強、また、ペルチェ素子ｂ57でも同様にして加熱・冷却の増強を行うことを可能とする。【選択図】図５

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いた融雪他の省エネを実施する方法に関するものである。

エネルギーは現在の社会においては欠くことのできない必需品である。このエネルギーにおいて電気エネルギーはその便利さから、冷暖房やパソコン、電気製品を動かすことから産業機械の動力源等大きな利用状況にある。しかし、その電気エネルギーは需要増加に伴って、電力不足による計画停電も懸念される状況にある。

本発明は、異種金属の接合部分に生じるペルチェ効果及びゼーベック効果(前者のペルチェ効果は異種金属間に電流を流すとその両接点が加熱または冷却される。後者のゼーベック効果は異種金属の両接点を加熱または冷却することにより、起電力を発生する。)を利用した冷却方法及び加熱方法に関し、特に異種金属の薄膜を接合した部分に生じるペルチェ効果やゼーベック効果を利用して、融雪や冷暖房を行うのに適した装置に関するものである。

従来のペルチェ素子を用いた装置では、冷蔵庫に代表されるように、そのペルチェ素子の電流を通じることによる両端子の冷却または加熱現象を用いて、加熱はフィン等で排熱し、その冷却側のみの現象を利用するものが多かった。

また、熱利用に関してはペルチェ素子の両端の温度差により、その間に起電力が発生するゼーベック効果を利用した例があり、熱電対等もその応用例であるが、大きな起電力の利用というものではない。

このような利用方法は外部からの電気エネルギーを使ったものが多く、省エネとはなりにくいものが多かった。

特許公開２００３−１５５８０２

「酸化物熱電変換素子の量産技術開発」中村倫之他、昭和電線レビュー VOL.58,NO.1(2008)（http://www.swcc.co.jp/company/development/pdf/review58/A_1.pdf）高杉真司地中熱利用促進協会「地下水熱利用」OHP（http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/nestu_energy/004_04_01.pdf）

本発明は上記のような従来技術の課題に鑑み、簡単な構成で製造の容易な手段を用いて、ペルチェ効果およびゼーベック効果を利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、ペルチェ効果およびゼーベック効果の組合せを利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供するものである。

本発明は基本的に２種の金属を接続することにより、両金属内の電子の移動の相違によってその接続部分で生じる吸熱（冷却）、発熱現象を利用したものであるが、その詳細を説明するに際して、最初に本発明に至った技術的な過程を説明する。

２種の金属を接触させて両者の間に温度差をつけると、各金属内電子数の差により、熱電効果が生じる。この熱電効果には、２種の金属の両端を互いに接続させ、その両接続部分を異なった温度に保つことにより起電力が生じるゼーベック効果と、その逆に２種の金属の両端を互いに接続させ、電流を流したときに熱が発生し、もしくは吸熱が生じるペルチェ効果とが存在することが知られている。

このペルチェ効果(またはゼーベック効果)を示す金属は高温部端から低温部端に正孔が移動するｐ型素子と高温部端から低温部端に電子が移動するｎ型素子があり、両者を併用して用いることで起電力が発生する。一例を図1に示す。
＜
より抜粋＞

図1においてこのｐ型素子4とｎ型素子3の１組の組合せたものをペルチェ単体素子とする。このペルチェ単体素子は通常数ｍV程度のものが一般的であり、市販されているペルチェ素子はこのペルチェ単体素子を１０個以上を組合せたもので１V前後のものが多い。図2にその一例を示す。

以降においてはこの図2のｐ型素子4とｎ型素子3の10個以上を組み合わせた構造の一体のものをペルチェ素子と呼ぶこととする。

次にこのペルチェ素子を直列につないだ時の挙動について説明する。図３にその一例を示す。例えば、ペルチェ素子a28とペルチェ素子b33の高温側に９０℃のお湯の入った金属製容器を乗せ、低温側の導体31と導体36を室温とすると、ペルチェ素子a28の電極端子(黒)A30と電極端子(赤)B29の間にはー７００ｍV程度の起電力が発生する。この時、高温側の導体27と導体32とはつながっていてもよいし、離れていてもよい。ここでは簡単のためにつながっているものとする。ペルチェ素子b33の電極端子(黒)C35と電極端子(赤)D34の間にはペルチェ素子a28と同じようにー７００ｍV程度の起電力が発生する。すなわち、２つを直列につないでいるので、ペルチェ素子a28とペルチェ素子b33の２つの素子の合計起電力は電極端子(黒)A30と電極端子(赤)D34の間でー１４００ｍV程度の起電力が発生する。つまり、ペルチェ素子２つの高温側導体27に９０℃の高温のお湯、低温側を室温とした時には電池２つを直列に接続した時と同じ傾向を示す。つまり、このペルチェ素子を直列につないでいくと、ペルチェ素子の個数に応じた起電力を発生する。

次にこのペルチェ素子を直列につないだままで、抵抗を外した時の挙動について説明する。図4にその一例を示す。
例えば、ペルチェ素子a41のみの高温側の導体40に９０℃のお湯の入った金属容器を乗せ、低温側の導体44を室温とすると、ペルチェ素子a41の電極端子(黒)A43と電極端子(赤)B42の間には約−３５０ｍV程度の起電力が発生する。この時ペルチェ素子b46の電極端子(黒)Cと電極端子(赤)Dの間には−３５０ｍV程度の電圧が印加されている。すなわち、２つのペルチェ素子を直列につないでいるので、ペルチェ素子a41とペルチェ素子b46の２つの素子の合計起電力は電極端子(黒)A43と電極端子(赤)D47の間で−７００ｍV程度の起電力が発生する。つまり、素子２つのうち、ペルチェ素子a41の高温側に高温のお湯の入った金属容器を乗せ、低温側の導体を室温とした時には、ペルチェ素子a41とペルチェ素子b46の２つの素子の間にはペルチェ素子a4１で発生した起電力を２つのペルチェ素子で半分ずつに分配したような結果となる。ペルチェ素子はペルチェ素子自身が抵抗を持っており、市販のものでは１Ω（オーム）程度である。つまり、図４で、ペルチェ素子a41の上にのみお湯の入った金属容器を乗せた場合は２つのペルチェ素子に１つのペルチェ素子の起電力の半分ずつが印加されるという状態となる。

また、図４ではそれ以外にも注目すべき現象が現れる。すなわち、ペルチェ素子b46の高温側の導体45と見なされた側の面は冷却される。つまり、現象としては−０．５℃くらい室温より低下する。また、ペルチェ素子b46の低温側と見なされた面は０．５℃くらいの温度上昇がある。つまり、ペルチェ素子a41はゼーベック効果で発電し、ペルチェ素子b46はペルチェ効果で冷却と発熱の２つの現象が観察される。
なお、この低温側、高温側については上部を低温側、底部を高温側とした時には図３では＋１４００ｍV、図４では＋３５０ｍVの起電力発生のように、起電力がマイナスであったのが、プラスになるだけであり、その現象は同様の傾向を示す。

本発明による加熱・冷却方法について、簡単な手段によりゼーベック効果とペルチェ効果を利用して雪の融雪を行うことができる。

また本発明による融雪装置は、夏での屋根の加熱より生じるゼーベック効果とペルチェ効果を利用して冷却作用を行うことができる。

図１はペルチェ素子の原理図である。図２はペルチェ素子の構造の一例である。図３はペルチェ素子の直列接続（外部抵抗あり）である。図４はペルチェ素子の直列接続(外部抵抗なし)である。図５はペルチェ素子の実施の一例である。（実施例１）図６はペルチェ素子の実施の一例である。（実施例２）

本発明においては、ペルチェ素子ａに温度差をつけてゼーベック効果で発電し、これと初期に温度差のないペルチェ素子ｂを組合せることにより、ペルチェ素子ｂにおいて、冷却・加熱を行わせることが可能な省エネ型の融雪装置が可能となる。
なお、ペルチェ素子1個あたりの起電力は小さいので、これを直列に組合せることにより起電力の増強を行うことが可能となる。

この図４における現象を利用して、本発明となる融雪装置の説明を行う。

装置の一例を図５に示す。図５のペルチェ素子a52では低温側の導体53を家の屋根の面に平行に設置する。高温側の導体は地下１５ｍくらいのところの１５℃程度の温度一定の部分の導体56に熱伝導パイプ55を介して接続する。このペルチェ素子a52で0℃の雪と15℃の地下15ｍのところでの15℃の温度差が発生して、これが起電力となる。
なお、この地下１５ｍくらいの温度一定のデータは例えば、地中熱利用促進協会のデータ等が示されている。＜
参照＞この時ペルチェ素子b57では、初期には屋根に向いた導体58の面と地面に面した導体59は共に0℃の雪と同じ状態にある。しかし、ペルチェ素子a52で起電力が発生するために、徐々に屋根の面の導体58は加熱され、また地面に向いた導体59は冷却される。この状態はすなわちペルチェ素子b57において、屋根に積もった雪の融雪が可能となる。このペルチェ素子は直列に配置してやれば、出力は増強できる。また、冷却側は熱伝導パイプ60を介した導体61は地面に向かっているために氷等の生成はあっても屋根に負担がかかることはない。

本発明の応用例としての装置の一例を図６に示す。図６のペルチェ素子a62では夏の暑い時期には太陽の直射による温度上昇で高温側の導体63となる。低温側の導体64は地下１５ｍくらいのところの15℃程度の温度一定の部分の導体66と熱伝導パイプ65を介して低温側となる。このペルチェ素子a62で30〜50℃の太陽熱と15℃の地下の間で15〜30℃の温度差が発生して、これがゼーベック効果による起電力となる。この時ペルチェ素子b67では、初期には屋根に向いた導体68の面と地面に面した導体69は共に30℃の外気温で屋根と同じ状態にある。しかし、ペルチェ素子a62で起電力が発生するために、徐々に屋根側の導体68は冷却され、また地面に向いた面の導体69は加熱される。この状況はすなわちペルチェ素子b67において、屋根の面の導体68は冷却による温度降下が可能となる。このペルチェ素子は直列に配置してやれば、出力は増強できる。また、加熱側は熱伝導パイプ70を介して導体71は地面に向かっているために屋根に熱の負担がかかることはない。

本発明において、図１の外部抵抗の代わりに並列に蓄電装置を設置して、余剰の起電力が発生した場合には、蓄電を行うことも可能である。

また、原子力発電で発生した使用済み燃料の熱や地熱での熱等温度差のあるシステムを利用したペルチェ素子の回路を用いて、冷却・加熱や蓄電を行うことも可能である。

１アルミナ等の絶縁体(高温)、２電極、３ｎ型素子、４ｐ型素子、
５電極、６電極、７アルミナ等の絶縁体(低温)、８外部抵抗、９電流
１０絶縁体(高温)、１１電極、１２電極、１３電極、１４絶縁体(低温)
１５絶縁体(高温)、１６電極、１７電極、１８電極、１９絶縁体(低温)
２０絶縁体(高温)、２１電極、２２電極、２３電極、２４絶縁体(低温)
２５高温部導体F＜上部＞、２６低温部導体G＜下部＞
２７導体(高温)、２８ペルチェ素子ａ、２９電極端子B(赤)、
３０電極端子A(黒)、３１導体(低温) 、
３２導体(高温)、３３ペルチェ素子ｂ、３４電極端子Ｄ(赤)、
３５電極端子Ｃ(黒)、３６導体(低温) 、３７端子ボックス
３８外部抵抗、３９電流、
４０導体(高温)、４１ペルチェ素子ａ、４２電極端子B(赤)、
４３電極端子A(黒)、４４導体(低温) 、
４５導体(冷却)、４６ペルチェ素子ｂ、４７電極端子Ｄ(赤)、
４８電極端子Ｃ(黒)、４９導体(発熱) 、５０端子ボックス、５１電流、
５２ペルチェ素子a、５３導体(低温側)、５４導体(高温側)、
５５熱伝導パイプ、５６導体(地下15m：温度15℃一定)
５７ペルチェ素子ｂ、５８導体(発熱)、５９導体(冷却)、
６０熱伝導パイプ、６１導体(冷却)
６２ペルチェ素子a、６３導体(低温側)、６４導体(高温側)、
６５熱伝導パイプ、６６導体(地下15m：温度15℃一定)
６７ペルチェ素子ｂ、６８導体(冷却)、６９導体(発熱)、
７０熱伝導パイプ、７１導体(発熱)

Claims

2種類のペルチェ素子の一方に温度差をつけてゼーベック効果に起因する起電力を発生させ、もう1種類のペルチェ素子にペルチェ効果に起因する過熱・冷却を行わせることによる省エネ型の融雪装置及び省エネ型の装置。