JP2015164393A - ヒートシンク及び複合型太陽エネルギー変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複合型太陽エネルギー変換装置に用いるヒートシンクにおいて、自然対流の条件下における放熱効果を高める。
【解決手段】太陽電池パネルの裏面に設けられたペルチェ素子に接続されるベースプレート２と、ベースプレート２に立設される支柱３と、支柱３に対して当該支柱３の延在方向に配列されて設けられる複数のプレート状のフィン４とを備えるヒートシンク１であって、支柱３の先端３ｂに向かうに連れて、支柱３の延在方向から見たフィン４の面積が減少している。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートシンク及び複合型太陽エネルギー変換装置に関するものである。

近年、クリーンエネルギーへの関心の高まりから、太陽エネルギーを用いた発電に関する開発が盛んに行われている。このような太陽エネルギーを用いた発電を行う装置の代表的なものとしては太陽電池パネルを用いて太陽光を電力に変換する太陽光発電装置が挙げられるが、さらなる発電量の増加を図れる装置として、熱を用いた発電を合わせて行う複合型太陽エネルギー変換装置が着目されている。この複合型太陽エネルギー変換装置は、太陽電池パネルの裏面にペルチェ素子を備え、ペルチェ素子によって熱を電力に変換することで、太陽光のみの発電よりも発電量を増加させる。

ところで、ペルチェ素子は、高温側と低温側との温度差に応じて発電量が変化する。このため、ペルチェ素子の低温側に対してヒートシンクを取り付け、積極的に放熱を行うことで発電量を増加させることができる。このようなヒートシンクとしては、一般的には、非特許文献１に示すように、プレートフィンが平行配列されたプレートフィン型、複数のピンを備えるピン型、円板状のフィンを積層するように配列したタワー型等が知られている。

石塚勝、「熱設計技術解析ハンドブック」、三松株式会社 ２００８年１０月 第２章 ヒートシンクの設計

特開２００９−１８２０５１号公報 特開２００９−１８２１０３号公報

例えば、特許文献１及び特許文献２には、太陽エネルギーを用いた発電装置に対して、タワー型のヒートシンクを用いる構成が開示されている。しかしながら、非特許文献１に記載されているように、タワー型のヒートシンクは、強制空冷に適した形状であり、自然対流の条件下では熱抵抗値が高く、冷却効率が悪い。複合型太陽エネルギー変換装置は、一般的に長時間屋外に設置されるものであることからファンを設置することは難しい。このため、複合型太陽エネルギー変換装置に、従来から用いられているタワー型のヒートシンクを用いた場合には、冷却効率が悪く、ペルチェ素子による発電量の増加は期待できない。また、プレートフィン型のヒートシンクは、指向性が高く、風の向きが一様ではない屋外での使用には向かないことから、強制空冷に適した形状である。また、ピン型のヒートシンクも、自然対流の条件下では中央部に熱が籠るため、タワー型のヒートシンクと同様に、強制空冷に適した形状である。

このように、従来のヒートシンクは、いずれも強制空冷時に効果を発揮する形状であり、自然対流の条件下において効率的な放熱が行えるものではなかった。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、複合型太陽エネルギー変換装置に用いるヒートシンクにおいて、自然対流の条件下における放熱効果を高めることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、太陽電池パネルの裏面に設けられたペルチェ素子に接続されるベースプレートと、上記ベースプレートに立設される支柱と、上記支柱に対して当該支柱の延在方向に配列されて設けられる複数のプレート状のフィンとを備えるヒートシンクであって、 上記支柱の最も先端側に設けられたフィンの面積が他の上記フィンの面積よりも狭いという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記支柱の先端に向かうに連れて、上記支柱の延在方向から見た上記フィンの面積が減少しているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記フィンの配置間隔が、上記支柱の直径以上の距離とされているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記フィンが円板状であり、全てのフィンが上記支柱を中心とする同心状に設けられているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記支柱の延在方向から見た上記フィンの形状が全て矩形であるという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第４いずれかの発明において、上記支柱の最も先端側に設けられた上記フィンを除き、同一の上記支柱に設けられた上記フィンの形状が、上記支柱の延在方向から見て、矩形の対向する一対の角部を切除した形状とされているという構成を採用する。

第７の発明は、上記第６の発明において、上記支柱の延在方向に隣り合う上記フィンにおいて、切除される角部の位置が異なるという構成を採用する。

第８の発明は、太陽光を電力に変換する太陽電池パネルと、上記太陽電池パネルの裏面に設けられると共に熱を電力に変換するペルチェ素子と、上記太陽電池パネルとの間に上記ペルチェ素子を挟んで配置されるヒートシンクとを備える複合型太陽エネルギー変換装置であって、上記ヒートシンクとして、上記第１〜第７いずれかの発明であるヒートシンクを備えるという構成を採用する。

第９の発明は、上記第８の発明において、上記ヒートシンクを複数備えるという構成を採用する。

第１０の発明は、上記第８または第９の発明において、上記太陽電池パネルを傾斜させて支持すると共に太陽に向けて回動させる回動装置を備えるという構成を採用する。

第１１の発明は、上記第１０の発明において、上記太陽電池パネルに合わせて上記ヒートシンクが水平面に対して３０〜３５°の角度で傾斜されているという構成を採用する。

本発明によれば、複数のプレート状のフィンの面積が、支柱の先端に向かうに連れて、減少している。すなわち、本発明においては、支柱の先端に向かうに連れてフィンが小型化する形状を有している。このような本発明のヒートシンクによれば、屋外等の自然対流の条件下に設置されたときに、どのような方向から風を受けた場合であっても、広い面積で風を受けることができ、放熱効果が高まる。つまり、本発明のヒートシンクでは、全てのフィンが同じ形状（すなわち面積）である場合と比較して、どの方向から見た場合であってもフィンの露出面積が広くなり、一様ではない風を効率的にフィンによって受けることができ、放熱効果が高まる。したがって、本発明によれば、複合型太陽エネルギー変換装置に用いるヒートシンクにおいて、自然対流の条件下における放熱効果を高めることが可能となる。

また、同じ形状のフィンを配列した場合には、フィン同士の面が全域において対向しているため、熱源（すなわちベースプレート側）に近いフィンから空間に放出された熱の一部が、隣のフィンに吸収されている。これに対して、本発明によれば、低温側のフィンが高温側のフィンよりも小さいことから、熱源に近いフィンから空間に放出された熱が隣のフィンに吸収され難くなる。この結果、本発明によれば、例えば、同じ形状のフィンを配列した場合と同じ枚数のフィンを設置したときに、フィンの面積の総和は減少するものの、同等の放熱効果を得ることができる。これは、本発明においては、同じ形状のフィンを配列した場合と比較して、放熱に寄与しない無駄な部分が削減されことを意味する。よって、本発明のヒートシンクによれば、無駄な部分が削除され、材料コストの削減及び小型化が可能となる。

また、本発明によれば、さらにフィン同士の間隔を広げる構成や、支柱を水平面に対して傾斜させるように配置することにより、フィン同士の間に熱が籠ることを抑制し、より放熱効果を高めることが可能となる。

本発明の一実施形態におけるヒートシンクの斜視図である。 タワー型のヒートシンクにおいてフィンの間隔を２ｍｍとした場合の風の流れのシミュレーション結果である。 タワー型のヒートシンクにおいてフィンの間隔を４ｍｍとした場合の風の流れのシミュレーション結果である。 タワー型のヒートシンクにおいてフィンの間隔を６ｍｍとした場合の風の流れのシミュレーション結果である。 タワー型のヒートシンクにおいてフィンの間隔を８ｍｍとした場合の風の流れのシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態におけるヒートシンクを用いた場合の風の流れのシミュレーション結果である。 タワー型のヒートシンクを傾けた場合の風の流れのシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態におけるヒートシンクの熱拡散のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態におけるヒートシンクと同じ枚数のフィンを有するタワー型のヒートシンクの熱拡散のシミュレーション結果である。 タワー型のヒートシンクの熱拡散のシミュレーション結果である。 本発明の一実施形態におけるヒートシンクと、比較例１のヒートシンクと、比較例２のヒートシンクとにおける、加熱時間とヒートシンク温度との関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態におけるヒートシンクを備える複合型太陽エネルギー変換装置の第１実施形態の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるヒートシンクを備える複合型太陽エネルギー変換装置の第２実施形態の概略構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるヒートシンクを備える複合型太陽エネルギー変換装置の第３実施形態の概略構成を示す模式図である。 シミュレーションに用いた丸型モデルの斜視図である。 シミュレーションに用いた角型モデルの斜視図である。 シミュレーションに用いた切欠型モデルの斜視図である。 切欠型モデルが備えるフィンの形状を説明するための模式図である。 シミュレーション結果を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係るヒートシンク及び複合型太陽エネルギー変換装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

［ヒートシンク］
本実施形態のヒートシンク１は、太陽光及び熱を電力に変換する複合型太陽エネルギー変換装置（図２参照）に用いられるものである。なお、複合型太陽エネルギー変換装置の説明については後に行い、まずヒートシンク１について説明を行う。図１は、本実施形態のヒートシンク１の斜視図である。この図に示すように、本実施形態のヒートシンク１は、ベースプレート２と、支柱３と、フィン４とを備えている。

ベースプレート２は、例えばアルミニウムからなる円板状の部材である。このベースプレート２は、表面２ａ側に支柱３が取り付けられている。このようなベースプレート２は、熱源（すなわち冷却対象）に対して裏面２ｂが固定され、熱源からの熱を支柱３及びフィン４に伝達すると共に自らも熱の一部を周囲の空間に放散する。なお、ベースプレート２は、例えば接着剤や締結部材（例えばネジ）によって熱源に対して固定される。本実施形態においては、ベースプレート２は、直径が６０ｍｍ、厚みが５ｍｍとされている。

支柱３は、例えばアルミニウムからなる柱状の部材である。この支柱３は、延在方向（すなわち軸方向）がベースプレート２の表面２ａと直交する方向を向くように、ベースプレート２の中央部に立設されている。これにより、支柱３は、根元部３ａがベースプレート２に固定され、先端３ｂがベースプレート２から遠ざかる方向に向けられている。なお、支柱３は、溶接によってベースプレート２に対して固定しても良いし、支柱３及びベースプレート２に対してネジ溝を形成して螺合させることでベースプレート２に対して固定しても良い。本実施形態においては、支柱３は、直径が１０ｍｍとされている。

フィン４は、例えばアルミニウムからなる円板状（プレート状）の部材であり、支柱３に固定されている。このフィン４は、支柱３から伝達された熱を周囲の空間に放散する。本実施形態においては、このフィン４として、第１フィン４ａと、第２フィン４ｂと、第３フィン４ｃと、第４フィン４ｄと、第５フィン４ｅとが設けられている。これらのフィン４は、支柱３の根元部３ａから先端３ｂ側に向けて、第１フィン４ａ、第２フィン４ｂ、第３フィン４ｃ、第４フィン４ｄ、第５フィン４ｅの順に配列されている。すなわち、本実施形態においては、支柱３に対して、当該支柱３の延在方向に配列されて設けられる複数の円板状のフィン４が設けられている。

第１フィン４ａは、最も支柱３の根元部３ａ側に設けられている。この第１フィン４ａは、中央部が支柱３に固定され、ベースプレート２に対して間隔を空け配置されている。第２フィン４ｂは、中央部が支柱３に固定され、第１フィン４ａに対して間隔を空けて配置されている。第３フィン４ｃは、中央部が支柱３に固定され、第２フィン４ｂに対して間隔を空けて配置されている。第４フィン４ｄは、中央部が支柱３に固定され、第３フィン４ｃに対して間隔を空けて配置されている。第５フィン４ｅは、支柱３の先端３ｂに設けられている。この第５フィン４ｅは、中央部が支柱３に固定され、第４フィンに対して間隔を空けて配置されている。

本実施形態において、これらのフィン４は、等間隔で配列されており、その配置間隔の距離が支柱３の直径と同じ（すなわち１０ｍｍ）とされている。また、全てのフィン４は、中央部が支柱３に固定されている。これによって、本実施形態のヒートシンク１においては、支柱３の延在方向（軸方向）から見て、全てのフィン４が支柱３を中心とする同心状に設けられている。

また、本実施形態のヒートシンク１においては、支柱３の最も根元部３ａ側に配置された第１フィン４ａの直径が最も大きく、第２フィン４ｂ、第３フィン４ｃ及び第４フィン４ｄの直径が徐々に小さくなり、支柱３の最も先端３ｂ側に配置された第５フィン４ｅの直径が最も小さくなっている。つまり、本実施形態のヒートシンク１においては、支柱３の先端３ｂに向かうに連れて、支柱３の延在方向（軸方向）から見たフィン４の面積が減少している。

なお、本実施形態においては、第１フィン４ａの直径が６０ｍｍ、第２フィン４ｂの直径が５０ｍｍ、第３フィン４ｃの直径が４０ｍｍ、第４フィン４ｄの直径が３０ｍｍ、第５フィン４ｅの直径が２０ｍｍとされている。すなわち、フィン４は、支柱３の先端３ｂ側に向かうに連れて１０ｍｍずつ縮径されている。また、各フィン４の厚みは１ｍｍとされている。

以上のような本実施形態のヒートシンク１においては、複数の円板状のフィン４の面積が、支柱３の先端３ｂに向かうに連れて、減少している。すなわち、本実施形態のヒートシンク１では、支柱３の先端３ｂに向かうに連れてフィン４が小型化する形状を有している。このため、屋外等の自然対流の条件下に設置されたときに、どのような方向から風を受けた場合であっても、広い面積で風を受けることができ、放熱効果が高まる。

つまり、本実施形態のヒートシンク１では、全てのフィン４が同じ形状（すなわち同じ面積）である場合と比較して、どの方向から見た場合であってもフィン４の露出面積が広くなり、一様ではない風を効率的にフィンによって受けることができ、放熱効果が高まる。したがって、本実施形態のヒートシンク１によれば、複合型太陽エネルギー変換装置に用いるヒートシンクにおいて、自然対流の条件下における放熱効果を高めることが可能となる。

また、同じ形状のフィンを配列した場合には、フィン同士の面が全域において対向することになるため、すなわちベースプレート側に近いフィンから空間に放出された熱の一部が、隣のフィンに吸収される。これに対して、本実施形態のヒートシンク１によれば、低温側（先端３ｂ側）のフィン４が高温側（根元部３ａ側）のフィン４よりも小さいことから、熱源に近いフィン４から空間に放出された熱が隣のフィン４に吸収され難くなる。この結果、例えば、同じ形状のフィンを配列した場合と同じ枚数のフィンを設置したときに、フィンの面積の総和は減少するものの、同等の放熱効果を得ることができる。このため、本実施形態のヒートシンク１によれば、無駄な部分が削除され、材料コストの削減及び小型化が可能となる。

また、本実施形態のヒートシンク１においては、さらにフィン４同士の間隔が支柱３の直径と同一とされている。従来のタワー型のヒートシンクにおけるフィン同士の間隔は支柱３の直径と比較すると遥かに小さいものであったため、フィン同士の間を空気が抜けることができず、フィン同士の間に熱が籠り、放熱効果が低下する原因となっていた。これに対して、本実施形態のヒートシンク１においては、フィン４同士の間隔が従来のタワー型のヒートシンクよりも広くされている。このため、従来のタワー型のヒートシンクよりもフィンの数が減少したとしても、自然対流の条件下では、放熱効果が高くなる。

また、本実施形態のヒートシンク１においては、支柱３を水平面に対して傾斜させるように配置することが望ましい。支柱３を傾斜させることにより、フィン４同士の間の加熱された空気が上昇気流となってフィン４同士の間から抜け出しやすくなり、より放熱効果を高めることが可能となる。

続いて、本実施形態のヒートシンク１の上述の効果について検証するために行ったシミュレーションの結果について説明する。

図２〜図５は、強制空冷を行わない条件の下、タワー型のヒートシンクにおいて風がどのように通過するかについてシミュレーションした結果である。なお、図２はフィンの間隔を２ｍｍとしたモデルを用いたシミュレーション結果であり、図３はフィンの間隔を４ｍｍとしたモデルを用いたシミュレーション結果であり、図４はフィンの間隔を６ｍｍとしたモデルを用いたシミュレーション結果であり、図５はフィンの間隔を８ｍｍとしたモデルを用いたシミュレーション結果である。これらの図において、線は、風の流れを示している。これらのシミュレーション結果が示すように、フィンの間隔が狭い（例えば、２ｍｍや４ｍｍ）場合には、フィンの間を流れる空気が殆ど存在しないことが分かる。一方、フィンの間隔が広い（例えば６ｍｍや８ｍｍ）場合には、フィンの間を流れる空気の量が増加していることが分かる。

図６は、図２〜図５と同じ条件下において、本実施形態のヒートシンク１において風がどのように通過するかについてシミュレーションした結果である。このシミュレーション結果から、フィンの間隔を支柱の直径と同じ１０ｍｍに拡大することによって、多くの空気がフィンの間に流れ込んでいることが分かる。このような図２〜図６に示すシミュレーション結果から、フィンの間隔を支柱の直径以上の１０ｍｍ以上とすることによって、フィンの間に流れ込む空気の量を極めて多くすることが可能となることが確認された。

図７は、タワー型のヒートシンクを傾けた場合において風がどのように通過するかについてシミュレーションした結果である。この図に示すように、ヒートシンクを傾けた場合には、フィン同士の間で空気が暖められることで形成される上昇気流がフィンによって妨げられにくくなり、フィン同士の間から空気が抜けだしやすくなることが確認された。この結果、ヒートシンクを傾けることにより放熱効果を高めることが可能であることが確認された。なお、ヒートシンクの傾きを水平面に対して３０〜３５°（すなわち支柱の鉛直面に対する角度が３０〜３５°）とすることによって、放熱効果を高めることが可能であることが分かった。これは、本実施形態のヒートシンク１においても同様のことが言える。

図８〜図１０は、本実施形態のヒートシンク１と、本実施形態のヒートシンク１と同じ形状のフィンを本実施形態のヒートシンク１と同様に５枚有するヒートシンク（以下、比較例１と称する）と、従来のタワー型ヒートシンク（比較例２）とにおける熱拡散の様子をシミュレーションした結果を示す図である。なお、図８が本実施形態のヒートシンク１のシミュレーション結果であり、図９が比較例１のシミュレーション結果であり、図１０が比較例２のシミュレーション結果である。

図９と図１０との比較から分かるように、強制空冷を行わない環境においては、フィンを密接に多数配置する場合と比較して、フィンを間引いて間隔を広げて配置することによって、周囲への空間の熱の放散量が増加していることが確認できた。また、図９と図１０との比較から分かるように、フィンを支柱の先端に向けて縮径させた場合であっても、比較例２と同様に、周囲への空間の熱の放散量が減少しないことが確認された。また、図１１は、図８〜図１０に示す本実施形態のヒートシンク１と、比較例１のヒートシンクと、比較例２のヒートシンクとにおける、加熱時間とヒートシンク温度との関係を示すグラフである。この図１１において、グラフＡが本実施形態のヒートシンク１に対応し、グラフＢが比較例１のヒートシンクに対応し、グラフＣが比較例２のヒートシンクに対応している。この図１１から、本実施形態のヒートシンク１の収束温度が最も低いことが分かる。これは、本実施形態のヒートシンク１が、比較例１のヒートシンク及び比較例２のヒートシンクに対して熱交換（熱の流れ）がスムーズに行われていることを意味し、熱の放散に寄与しない無駄な部分が少なくなっていることを意味している。すなわち、本実施形態のヒートシンク１によれば、無駄な部分が削除され、材料コストの削減及び小型化が可能となることが確認された。

［複合型太陽エネルギー変換装置］
（第１実施形態）
図１２は、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置１０の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置１０は、架台１１と、発電モジュール１２と、上述のヒートシンク１とを備えている。

架台１１は、設置面に対して固定されると共に、発電モジュール１２を支持している。なお、本実施形態において架台１１は、水平面に対して発電モジュール１２が３０〜３５°傾斜するように発電モジュール１２を支持している。発電モジュール１２は、太陽光を電力に変換する太陽電池パネル１２ａと、太陽電池パネル１２ａの裏面に設けられると共に熱を電力に変換するペルチェ素子１２ｂとが積層されてなる。ヒートシンク１は、太陽電池パネル１２ａとの間にペルチェ素子１２ｂを挟んで配置されている。これによって、ヒートシンク１は、ペルチェ素子１２ｂに接続されている。

このような本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置１０によれば、ヒートシンク１によってペルチェ素子１２ｂの低温側から積極的な放熱が行われ、ペルチェ素子１２ｂによる発電量を増大させることが可能となる。

また、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置１０では発電モジュール１２に合わせてヒートシンク１が傾斜されている。ヒートシンク１を３０〜３５°傾斜させることによって、放熱効果を高めることができることから、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置１０によれば、ペルチェ素子１２ｂによる発電量を増大させることが可能となる。

（第２実施形態）
図１３は、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置２０の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置２０は、基台２１と、大型の発電モジュール２２と、複数のヒートシンク１とを備えている。

基台２１は、発電モジュール２２を支持している。発電モジュール２２は、上記第１実施形態と同様に、太陽電池パネル及びペルチェ素子からなる。また、本実施形態においては、複数のヒートシンク１が、発電モジュール２２の裏面側に千鳥配置されている。

このような本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置２０によれば、上記第１実施形態と同様にペルチェ素子による発電量を増大させることができる。また、ヒートシンク１は、図１に示すように支柱３の先端３ｂ側に向かうに連れてフィン４が縮径する形状を有している。このため、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置２０のように密接して配列した場合であっても、隣り合うヒートシンク１のフィン４同士の間隔を広く取ることができ、効率的に熱を放散することが可能となる。

（第３実施形態）
図１４は、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置３０の概略構成を示す模式図である。この図に示すように、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置３０は、回動装置３１と、発電モジュール３２と、複数のヒートシンク１とを備えている。

回動装置３１は、発電モジュール３２を傾斜させて支持すると共に太陽に向けて回動させる。発電モジュール３２は、上記第１実施形態と同様に、太陽電池パネル及びペルチェ素子からなる。

このような本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置３０によれば、発電モジュール３２が常に太陽に向くように回動されるため、発電効率を向上させることができる。また、本実施形態の複合型太陽エネルギー変換装置３０によれば、複数のヒートシンク１を備えていることから、上記第１及び第２実施形態と同様にペルチェ素子による発電量を増大させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態におけるフィン４の枚数やフィン４の直径等は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、フィン４の数を４枚以下とすることや６枚以上とすることも可能である。

また、例えば、各フィン４を同心状に配置せずに偏心させて配置する構成、フィン４の平面視形状を円形でなく他の形状（例えば、多角形形状）とする構成、各フィン４の形状が異なる構成、またはフィン４に複数あるいは単一の貫通孔を形成する構成を採用することも可能である。

また、フィン４に対して、多孔質処理を施すことによって、フィン４の表面積を増加させる構成を採用することもできる。このような場合には、フィン４の表面積が増加することで、フィン４からの放散される熱の量も増加し、放熱効果をさらに高めることが可能となる。

また、支柱３とフィン４とを着脱可能な別体として形成する構成を採用することも可能である。このような構成を採用することにより、ヒートシンク１の使用場所や仕様に応じて、設置現場にて容易に組み立てることが可能となる。したがって、複合型太陽エネルギー変換装置の製造コストを抑えることが可能となる。

次に、図１５〜図１９を参照して、複合型太陽エネルギー変換装置において、フィンの形状を変化させて放熱効果について検証を行ったシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションでは、図１５に示す円板状のフィンを有するモデル（以下、丸型モデルと称する）と、図１６に示す正方形状のフィンを有するモデル（以下、角型モデル）と、図１７に示す正方形の角部が切除された形状のフィンを有するモデル（以下、切欠型モデルと称する）との３つのモデルを用いて解析を行った。

丸型モデルは、１つのベースプレート５０に対して、格子配列された９つの支柱５１が接続され、各支柱５１に対して、先端に向かうに連れて面積が減少する３つの円板状のフィン５２が等間隔で設けられた構造を有している。

角型モデルは、１つのベースプレート５０に対して、格子配列された９つの支柱５１が接続され、各支柱５１に対して、先端に向かうに連れて面積が減少する３つの角板状のフィン５３が等間隔で設けられた構造を有している。つまり、角型モデルは、丸型モデルと同一のベースプレート５０及び支柱５１を有し、支柱５１に対して当該支柱５１の延在から見て正方形状でありかつ面積の異なるフィン５３が設けられた構造とされている。

切欠型モデルは、１つのベースプレート５０に対して、格子配列された９つの支柱５１が接続され、各支柱５１の先端に矩形状のフィン５４が設けられ、当該フィン５４とベースプレート５０との間に等間隔で２枚のフィン５５及びフィン５６が設けられた構造とされている。ここで、図１８（ａ）に示すように、正方形の左上を第１の角Ａとし、右回りに各角を第２の角Ｂ、第３の角Ｃ及び第４の角Ｄとしたときに、先端のフィン５４側のフィン５５は、第１の角Ａと第３の角Ｃとが二等辺三角形状に切除されている。一方、ベースプレート５０側のフィン５６は、図１８（ｂ）に示すように、第２の角Ｂと第４の角Ｄとが二等辺三角形状に切除されている。つまり、フィン５５及びフィン５６は、正方形の対向する一対の角部を切除した形状とされている。さらに、隣り合うフィン５５とフィン５６において、切除される角部の位置が異なっている。なお、これらのフィン５５とフィン５６とは、面積が同一である。

これらの３つのモデルを支柱５１が下を向きかつベースプレート５０が水平面に対して傾いた姿勢（図１５〜図１７に示す姿勢）とし、ベースプレート５０の表面の中心（ベースプレート５０が傾いていない方向における中央）上の温度分布を算出した。図１９は、その算出結果を示すグラフである。なお、図１９に示すグラフにおいて、ベースプレート上の位置の原点は、ベースプレート５０の傾いている方向における最も低い箇所としている。

図１９に示すように、丸型モデルに対して、角型モデルは、ベースプレート５０上の温度が低く、放熱効果が高いことが確認された。これは、丸型モデルでは、フィン５２が円形であるため、ベースプレート５０の垂線方向から見て、隣り合う支柱５１に設けられるフィン５２同士の間に大きな隙間が生じているのに対して、角型モデルではフィン５３同士の隙間が小さくなることによるものと考えられる。つまり、正方形（矩形）のフィンとすることによって放熱を行わない空間（ベースプレート５０の垂線方向から見て全くフィンが存在しない空間）を減少させることができ、放熱効果を高めることが可能になる。

さらに、図１９に示すように、切欠型モデルは、角型モデルよりもさらにベースプレート５０上の温度が低く、放熱効果が高いことが確認された。これは、先端のフィン５４とベースプレート５０との間に乱流が発生していることによるものと考えられる。つまり、フィン５５及びフィン５６の角部が切除されることによって形成された空間によって空気の流れ方向が変更され、他の空気流と衝突等することによって乱流が発生し、この乱流によってフィン５４から空気への放熱効率が高まったためと考えられる。

以上のシミュレーション結果から、支柱５１の延在方向から見たフィンの形状を全て矩形とすることによって、角型モデルで示したように、丸型モデルよりも放熱効果が向上することが分かった。

また、支柱５１の最も先端側に設けられたフィン５４を除き、同一の支柱５１に設けられたフィン５５及びフィン５６の形状が、支柱５１の延在方向から見て、矩形の対向する一対の角部を切除した形状とされ、さらに支柱５１の延在方向に隣り合うフィン５５及びフィン５６において、切除される角部の位置が異なる構成とすることで、切欠モデルで示したように、角型モデルよりも放熱効果が向上することが分かった。

１……ヒートシンク、２……ベースプレート、２ａ……表面、２ｂ……裏面、３……支柱、３ａ……根元部、３ｂ……先端、４……フィン、４ａ……第１フィン、４ｂ……第２フィン、４ｃ……第３フィン、４ｄ……第４フィン、４ｅ……第５フィン、１０……複合型太陽エネルギー変換装置、１１……架台、１２……発電モジュール、１２ａ……太陽電池パネル、１２ｂ……ペルチェ素子、２０……複合型太陽エネルギー変換装置、２１……基台、２２……発電モジュール、３０……複合型太陽エネルギー変換装置、３１……回動装置、３２……発電モジュール、５０……ベースプレート、５１……支柱、５２〜５６……フィン

Claims (11)

1. 太陽電池パネルの裏面に設けられたペルチェ素子に接続されるベースプレートと、前記ベースプレートに立設される支柱と、前記支柱に対して当該支柱の延在方向に配列されて設けられる複数のプレート状のフィンとを備えるヒートシンクであって、
   前記支柱の最も先端側に設けられたフィンの面積が他の前記フィンの面積よりも狭いことを特徴とするヒートシンク。
2. 前記支柱の先端に向かうに連れて、前記支柱の延在方向から見た前記フィンの面積が減少していることを特徴とする請求項１記載のヒートシンク。
3. 前記フィンの配置間隔は、前記支柱の直径以上の距離とされていることを特徴とする請求項１または２記載のヒートシンク。
4. 前記フィンが円板状であり、全てのフィンが前記支柱を中心とする同心状に設けられていることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載のヒートシンク。
5. 前記支柱の延在方向から見た前記フィンの形状が全て矩形であることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載のヒートシンク。
6. 前記支柱の最も先端側に設けられた前記フィンを除き、同一の前記支柱に設けられた前記フィンの形状が、前記支柱の延在方向から見て、矩形の対向する一対の角部を切除した形状とされていることを特徴とする請求項１〜４いずれか一項に記載のヒートシンク。
7. 前記支柱の延在方向に隣り合う前記フィンにおいて、切除される角部の位置が異なることを特徴とする請求項６記載のヒートシンク。
8. 太陽光を電力に変換する太陽電池パネルと、前記太陽電池パネルの裏面に設けられると共に熱を電力に変換するペルチェ素子と、前記太陽電池パネルとの間に前記ペルチェ素子を挟んで配置されるヒートシンクとを備える複合型太陽エネルギー変換装置であって、
   前記ヒートシンクとして、請求項１〜７いずれか一項に記載のヒートシンクを備えることを特徴とする複合型太陽エネルギー変換装置。
9. 前記ヒートシンクを複数備えることを特徴とする請求項８記載の複合型太陽エネルギー変換装置。
10. 前記太陽電池パネルを傾斜させて支持すると共に太陽に向けて回動させる回動装置を備えることを特徴とする請求項８または９記載の複合型太陽エネルギー変換装置。
11. 前記太陽電池パネルに合わせて前記ヒートシンクが水平面に対して３０〜３５°の角度で傾斜されていることを特徴とする請求項１０記載の複合型太陽エネルギー変換装置。