JP2021168336A - 熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールの熱経路における熱電変換素子の熱抵抗とそれ以外の部分の熱抵抗を最適値に近づけることによって最大出力を得る。【解決手段】本発明に係る熱電変換システムは、温熱源と冷熱源との間の第１温度差を計測し、さらに、前記熱電変換素子に対して加えられる第２温度差を計測し、前記第１温度差と前記第２温度差にしたがって前記熱抵抗を制御することにより、前記熱電変換素子の変換効率を最適化する。【選択図】図５

Description

本発明は、熱電変換システムに関する。より具体的には、熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換のシステムに関する。

近年注目されているインフラメンテナンス、都市モニタリング、装置の寿命予測などにおいては、温度や加速度やミリ波など多くのセンサを使ったデータ収集が必須である。センサ端末のデータ送受信と電源供給をワイヤレスで実施することにより、工事コストが減少して低コストなセンサシステムが構築できる。さらに、商用電源を施設することが容易でない屋外等にも設置できるので、多くのデータを取得できる利点がある。一方、電源供給のために電池を使う場合は電池の寿命に伴う電池交換が必要になり、交換のための人員コストがかかる。これに対し、電源供給を環境発電のみで賄い、電池と環境発電を併用することによって電池寿命を延ばすことができるのであれば、電池の交換頻度を減らしてコストを低減させることができる。さらに、電池の使用量を減らすことによって環境負荷低減にも貢献できる。

熱電変換は環境発電のひとつであり、センサ端末の電源や廃熱利用などへ活用することが検討されている。熱電変換モジュールは、熱電変換材料によって構成された熱電変換素子を複数使って電極とともに組み立てたものである。温熱源と冷熱源の間に熱電変換モジュールを設置する。温熱源から熱電変換モジュールを経由して冷熱源へ熱が流れる熱経路において、温度差により熱流が発生した時、熱電変換モジュールはその熱エネルギの一部を電気エネルギに変換して取り出す。熱経路には、発電に寄与する熱電変換素子と、発電に寄与しない部分とが存在している。熱電変換の研究分野では、熱電変換素子の材料や熱電変換モジュールの研究は多いが、熱源を含む熱経路まで考慮した熱電変換システムの最適化についてはまだ少ない。

熱経路における熱電変換素子にかかる温度差を調整する技術として、特許文献１が開示されている。特許文献１においては、熱電変換素子に対して加えられる温度差が低下した場合に、温熱源から低熱源への熱経路における熱電変換素子以外の部分の熱抵抗を変更することにより、熱電変換素子にかかる温度差を確保する。これにより、常に熱電変換素子に対して温度差が加えられるので、発電が継続できる。

特開２０１３−０６２２９９号公報

しかしながら、特許文献１のような従来の方法は、熱経路における熱電変換素子の熱抵抗とそれ以外の部分の熱抵抗は最適化されておらず、最大出力を得る方法を検討していない。また、熱電変換素子の熱抵抗は変更しないので、熱電変換素子以外の部分の熱抵抗の変更だけでは発電効率を最適化できない場合がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、熱電変換モジュールの熱経路における熱電変換素子の熱抵抗とそれ以外の部分の熱抵抗を最適値に近づけることによって最大出力を得ることを目的とする。

本発明に係る熱電変換システムは、温熱源と冷熱源との間の第１温度差を計測し、さらに、前記熱電変換素子に対して加えられる第２温度差を計測し、前記第１温度差と前記第２温度差にしたがって前記熱抵抗を制御することにより、前記熱電変換素子の変換効率を最適化する。

本発明に係る熱電変換システムによれば、高効率な熱電変換システムを提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の発明を実施するための形態の説明により明らかにされる。

熱電変換モジュール１３の構成を説明する断面図である。 熱電変換素子の出力電力を計算した結果を示す。 電気回路と熱回路それぞれの構成要素を対比する図である。 熱回路を模式的に示す回路図である。 実施形態１に係る熱電変換システムの構成図である。 温度センサを設置する箇所に関する変形例を示す。 一般的な熱電変換モジュールの斜視図である。 実施形態２における熱電変換素子の側面図である。 熱電変換素子の高さを短くした状態を示す。 熱電変換素子の変形例を示す。 実施形態３における熱電変換素子の側面図である。 熱電変換素子の素子断面積を変化させた様子を示す。 熱電変換素子の変形例を示す。 実施形態４における熱電変換素子の側面図である。 一部の中空部から充填剤を除去した例である。 中空部の構成例を示す側断面図である。 中空部に液体の充填液６９を充填した例を示す。 中空部に金属粒７０を充填させた例を示す。

＜実施の形態１＞
図１は、熱電変換モジュール１３の構成を説明する断面図である。熱電変換モジュール１３は、熱電変換素子を組み立てることによって形成されている。熱電変換モジュール１３を温熱源１１と冷熱源１２との間に設置することにより、温熱源１１から熱電変換モジュール１３を経由して冷熱源１２へ流れる熱エネルギの一部を電気エネルギに変換して出力電力が得られることが知られている。ところが実際は、温熱源１１から冷熱源１２までの熱経路には多くの部材による熱抵抗があり、エネルギの損失がある。熱経路に存在する部材の例を図１にしたがって説明する。

熱電変換モジュール１３は、熱電変換材料から作成される複数の熱電変換素子１８、それらを接続する上部電極１７および下部電極１９、それらを支持する上部支持基板１６および下部支持基板２０、によって構成されている。熱電変換素子１８と電極の間や電極と支持基板の間には、接合材が存在する場合もあるが、ここでは接合材の熱抵抗が小さいものとして省略する。各電極と熱電変換素子は、熱を通すとともに電気も通す材料によって構成されている。

熱電変換モジュール１３を温熱源１１と冷熱源１２の間に設置する場合、熱伝導を良くするためにグリースや熱伝導シートなどの温熱源用実装材１５と冷熱源用実装材２１を使用することが多い。温熱源１１と冷熱源１２としては、排ガスや通常の空気などの気体、温水や冷水などの液体、ヒータや蓄熱材などの固体、が用いられる。環境発電によって発電する時には、フィンや配管の中を流れている状態のものを温熱源１１や冷熱源１２として使用する場合が多いので、図１において温熱源１１は温熱供給源７２と配管１４を備え、冷熱源１２は冷熱供給源７３と配管２２を備える。熱経路におけるこれらの部材のうち、発電に寄与するのは熱電変換素子１８のみであり、他の部材は発電に寄与しない。本発明では、発電に寄与しない部材で発生する熱抵抗を、まとめて外部熱抵抗と呼ぶ。配管のかわりにフィンでも同様である。

次に熱電変換素子よる熱電変換出力について説明する。熱電変換素子の出力電圧Ｖは、一般に熱電変換材料のゼーベック係数Ｓを用いると式１のように与えられる。

Ｖ＝Ｓ×Δｔ ・・・式１

熱電変換素子の熱抵抗ＴＲ＿ｅｌと電気抵抗Ｒを、熱伝導率κ、電気抵抗率ρ、素子の断面積Ａ、素子の高さＬであらわすと式２および式３になる。温熱源１１から熱電変換素子あるいはモジュールを経由して冷熱源１２へ熱が流れる熱経路と平行な長さを高さＬと呼び、垂直な面を断面積Ａと呼ぶ。

ＴＲ＿ｅｌ＝Ｌ／（Ａ×κ） ・・・式２
Ｒ＝ρ×Ｌ／Ａ ・・・式３

図２は、熱電変換素子の出力電力を計算した結果を示す。出力電力はＰ＝Ｖ×Ｖ／Ｒなので、これに式１から式３を代入して熱電変換素子の出力電力Ｐを計算したものを図２に示す。外部熱抵抗が３、６、１１Ｋ／Ｗそれぞれの場合における、熱抵抗に対する熱電変換素子の出力電力Ｐを示している。図２によれば、それぞれある素子熱抵抗ＴＲ＿ｅｌの時に出力電力Ｐのピークがあり、それは熱電変換素子の熱抵抗と外部熱抵抗が等しいときであることがわかる。たとえば、外部熱抵抗が３Ｋ／Ｗのときは、熱電変換素子の熱抵抗が３Ｋ／Ｗの場合に出力電力Ｐは最大になる。

図３は、電気回路と熱回路それぞれの構成要素を対比する図である。熱経路における熱回路は、図３に示すように電気回路に対応して考えることができる。この考え方にしたがって、熱回路を電気回路に対応させて、熱電変換素子の熱抵抗と外部熱抵抗を等しくすることについて、図４を用いてさらに考察する。

図４は、熱回路を模式的に示す回路図である。熱電変換システムの熱回路は、熱電変換素子の熱抵抗ＴＲ＿ｅｌ（２３）、外部熱抵抗ＴＲ＿ｅｘｔ（２４）、温熱源の温度Ｔ＿ｈｉｇｈ、冷熱源の温度Ｔ＿ｌｏｗ、温熱源と冷熱源との間の温度差をΔＴ、熱流をＱとして表される。これより、熱電変換素子の熱抵抗と外部熱抵抗の比は、これらの温度差の比と等しくなることがわかる。したがって、最大出力が得られる条件であるＴＲ＿ｅｌ＝ＴＲ＿ｅｘｔのとき、熱電変換素子ＴＲ＿ｅｌにかかる温度差Δｔは式４で表される。温度差を計測しながら、式４になるように熱抵抗を変動させることができれば、最大出力が得られることになる。

Δｔ＝ΔＴ／２ ・・・式４

図１のように熱電変換モジュール１３を熱源に設置する前には、最大出力が得られるように熱抵抗を最適化して設計するが、熱電変換モジュール１３と温熱源１１および冷熱源１２との接合時の締め具合により、温熱源用実装材１５と冷熱源用実装材２１は厚みが変わる。したがって設計通りの外部熱抵抗になるように設置できる保証はない。また、設置後に温熱供給源７２や冷熱供給源７３のガスや液体などの流量や流速が変動する場合もある。その場合には配管１４、２２との界面部分の熱抵抗が変動するので、外部熱抵抗が全体的に増減し、設置時に設計した最適値からずれる可能性がある。

図５は、本実施形態１に係る熱電変換システムの構成図である。温熱源１１、冷熱源１２、熱電変換モジュール１３、温度計測部２６、熱抵抗制御部２７、蓄電部２８、少なくとも４か所の温度を計測する温度センサ（温熱源１１の温度を計測する温度センサ２９、冷熱源１２の温度を計測する温度センサ３２、熱電変換モジュール１３内の熱電変換素子の高温端部の温度センサ３０と低温端部の温度センサ３１）、熱電変換モジュール１３からの発電出力端子３３、外部デバイスへの出力端子３４、内部装置供給用端子２５、を備える。

温熱源１１は、温水が流れる流路、排ガスなどの高温ガス、ヒータや輻射熱などを蓄熱する蓄熱材、などである。冷熱源１２は、冷水が流れる流路、大気など比較的温度の低いガス、冷却熱を蓄熱する蓄熱材などである。熱電変換モジュール１３は、温熱源１１と冷熱源１２に接触させた状態で設置されている。熱電変換モジュール１３は、熱電変換素子を電極で接続し、さらにそれらを絶縁性の支持基板で挟み込んだ形状となっている。熱電変換モジュール１３は、熱電変換素子の熱電変換に寄与する高さや断面積を調整することによって熱抵抗を可変できる機構を有している。熱電変換モジュール１３の構造と可変方法に関しては後述する。熱電変換モジュール１３を熱源に設置する時には、空気の熱抵抗より小さい熱抵抗性の熱伝導シートや熱伝導グリースを用いる。

温度計測部２６は、温度センサ２９と３２が計測した温度差ΔＴと、熱電変換素子の高温部の温度センサ３０と低温部の温度センサ３１が計測した熱電変換素子の両端の温度差Δｔを算出し、式４にしたがって、ΔｔとΔＴ／２を比較する。ΔｔとΔＴ／２が等しくない場合、熱抵抗制御部２７は、ΔＴ／２＝Δｔに近くなるように、熱電変換素子の熱抵抗を変動させる制御信号を送る。具体的には、Δｔ＜ΔＴ／２の場合は、熱電変換素子の熱抵抗を大きくし、Δｔ＞ΔＴ／２の場合は、熱電変換素子の熱抵抗を小さくさせる。

熱電変換モジュールからの出力電力は蓄電部２８に蓄えられ、出力端子３４から外部デバイスへ供給するとともに、内部装置供給用端子２５から本システム自身の温度計測部２６および熱抵抗制御部２７へ供給し、それらの駆動電力として用いる。熱電変換モジュール１３が発電した電力はいったん蓄電部２８に貯めるので、熱源の温度や熱抵抗の変動による出力値が変動しても、外部デバイスへの出力を一定にできるので接続するデバイスへの影響は小さい。

図６は、温度センサを設置する箇所に関する変形例を示す。図５では温熱源１１、冷熱源１２、熱電変換素子の高温端部と低温端部の４か所にそれぞれ１つずつの温度センサを設置しているが、図６のように、それぞれに複数の温度センサを設置してもよい。その場合、温度計測部２６は、複数の温度センサの平均温度を算出して、熱電変換素子部の熱抵抗を一括で変動させる。具体的には、温熱源の温度センサ３５、３６、３７の平均温度と、冷熱源の温度センサ４４、４５、４６の平均温度との間の差をΔＴとし、熱電変換素子の高温部の温度センサ３８、３９、４０の平均温度と低温部の温度センサ４１、４２、４３の平均温度との間の差をΔｔとする。

温熱源１１と冷熱源１２として気体や液体などの流体を用いている場合、流量や流速が変化することにより、熱抵抗が変動する状況がある。たとえば、温熱源１１として流路を流れる温水を使用している場合には、温水使用量に対応する流速によって流路の伝熱性が変わり、熱電変換モジュール１３側に接する界面の熱抵抗が変動し、熱経路における外部熱抵抗の値が変化する。このとき、本実施形態１では、熱抵抗の変化が温度差の変化によって計測される。計測した温度差の関係が式４からずれていた場合、熱抵抗制御部２７は熱電変換素子の熱抵抗を変動させて最適化するための制御信号を送る。その結果、熱電変換素子の熱抵抗値を外部熱抵抗値に近い値にすることができ、温度差が式４に調整されると最大出力が出せるようになる。

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る熱電変換システムは、温度差ΔＴと温度差Δｔを常時計測することによって、熱電変換素子の熱抵抗と外部熱抵抗を常に最適値（式４を満たす値）に近づけるように調整する。これにより、設置環境や熱源の変動に追従して最大出力を得ることができる。

＜実施の形態２＞
本発明の実施形態２では、熱電変換素子の発電に関わる部分の熱抵抗を変動させる可変機構の具体例を説明する。本実施形態２においては、熱電変換モジュール１３の素子の高さを変化させることにより、熱抵抗を変動させる。熱電変換モジュール１３の素子の高さを変化させる構造以外は実施形態１と同様である。

図７は、一般的な熱電変換モジュールの斜視図である。熱電変換モジュールは、Ｐ型とＮ型の各素子を１つずつ接続したπ型素子を複数接続することによって構成されている。以下では簡単のために、１対のモジュールを用いて、熱抵抗の可変機構の実施例を説明する。

図８Ａは、本実施形態２における熱電変換素子の側面図である。高さＬ１のＰ型あるいはＮ型熱電変換素子４７とＮ型あるいはＰ型熱電変換素子４８を上部電極４９によって接続し、下部電極５０および５１で次の素子に接続する。この熱電変換モジュールを、温熱源１１と冷熱源１２の間に設置する。温熱源１１と冷熱源１２との間の間隔は、それらをつなぐバネやねじ５２などのように長さを伸長または短縮できる伸縮部材によって調節可能である。

図８Ｂは、熱電変換素子の高さを短くした状態を示す。バネやねじ５２を縮めることにより、熱電変換素子の一部が熱源の中に侵入する。本実施形態２では温熱源１１と冷熱源１２はガスなどの流体を想定しており、熱電変換素子の周囲５３の温度は、温熱源１１より低く、冷熱源１２より高い。温熱源１１に侵入した熱電変換素子の一部５４および５５は、温熱源１１の中に入れることにより、温熱源１１の温度と等しくなる。これにより温度差が生じる熱電変換素子の高さはＬ２（＜Ｌ１）となり、熱電変換素子の熱抵抗を小さくできる。

図８Ｃは、熱電変換素子の変形例を示す。図８Ｂにおいては上部電極４９を熱電変換素子の端に形成したが、図８Ｃのように温熱源１１（または冷熱源１２）の外壁に構成した電極５６を用いて、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子を接続してもよい。

図８Ｂにおいては、温熱源１１に対して熱電変換素子を挿入する構成を説明したが、冷熱源１２に対して熱電変換素子を挿入してもよく、さらに温熱源１１と冷熱源１２両側に対して熱電変換素子を挿入してもよい。

本実施形態２においては、熱電変換モジュール１３としてＰ型とＮ型を接続したπ型素子を例示しが、Ｐ型あるいはＮ型のどちらか片方のみを電極で接続したユニレグ型でもよい。

＜実施の形態２：まとめ＞
本実施形態２に係る熱電変換システムは、温熱源１１と冷熱源１２との間の距離を可変にすることにより、熱電変換素子の高さのうち発電（熱電変換）に寄与する部分を変える。これにより熱回路の熱抵抗を調整することができる。したがって、外部熱抵抗と熱電変換素子の熱抵抗の比を最適値に近づけることができ、その結果、状況に応じた最大出力を得ることができる。

＜実施の形態３＞
本発明の実施形態３では、熱電変換モジュール１３の熱電変換素子の断面積を変化させることにより、熱抵抗を変動させる構成例を説明する。温熱源１１から熱電変換モジュール１３を経由して冷熱源１２へ熱が流れる熱経路において、電極が熱電変換素子と接する断面積を変えることにより、発電にかかわる部分の熱抵抗を変える。断面積を変化させる構造以外は実施形態１と同様である。

図９Ａは、本実施形態３における熱電変換素子の側面図である。説明簡略化のため熱源は記載していない。従来の１対モジュールは図７ＢのようにＰ型およびＮ型が１つずつで形成されているが、本実施形態３では図９ＡのようにＰ型の熱電変換素子を５７−１、５７−２、５７−３のように複数に分割し、Ｎ型の熱電変換素子を５８−１、５８−２、５８−３のように複数に分割する。さらに熱電変換素子に接続する電極４９、５０、５１と熱電変換素子を、熱電変換素子の高さと直交する方向にスライドできるようにする。

図９Ｂは、熱電変換素子の素子断面積を変化させた様子を示す。電極と熱電変換素子をスライドさせて、電極と接続する熱電変換素子を５７−１、５７−２、５８−２、５８−３のみとする。これにより、熱経路に含まれる素子の断面積を小さくできる。実際には電極のない部分には熱伝導率の低い支持基板を形成するか、分割した熱電変換素子同士を熱伝導率の低い材料で接続しておくことによって、電極を移動したときに電極に触れていない熱電変換素子５７−３および５８−１が落下することはないようにする。

図９Ｃは、熱電変換素子の変形例を示す。分離した熱電変換素子の端部に、金属からなる接続電極５９、６０、６１、６２を形成してもよい。こうすることによってスライドの界面は金属同士となるので、凹凸が少なくなりスライドによる隙間や異物挟込みが少なくできる。また、金属に比べてもろい熱電変換素子の破損を防止することもできる。

＜実施の形態３：まとめ＞
本実施形態３に係る熱電変換システムは、熱電変換素子の断面積のうち発電（熱電変換）に寄与する部分を可変にすることにより、外部熱抵抗と熱電変換素子の熱抵抗の比を最適値に近づけるように調整でき、その結果、状況に応じた最大出力を得ることができる。

本実施形態３に係る熱電変換システムにおいて、分割されている熱電変換素子間に絶燃部材を配置してもよい。この絶縁部材は、熱電変換素子よりも電気と熱を通しにくい材料を用いて形成する。これにより熱電変換素子間における熱と電気の導通を抑制することができるので、素子断面積のうち発電に寄与する部分を、確実に変化させることができる。絶縁部材がなければ、素子間隙を介してある程度の熱が素子間で伝搬するからである。このことは、熱電変換素子を分割せずに電極と素子その間の接触面積のみを変化させた場合も同様である。ただし熱電変換素子間の熱と電気の導通が十分低ければ、絶縁部材に代えて例えば空気などを配置するのみであってもよい。

＜実施の形態４＞
本発明の実施形態４では、温熱源１１から熱電変換モジュール１３を経由して冷熱源１２へ熱が流れる熱経路の断面積を変えることにより、熱抵抗を変動させる構成例を説明する。断面積を変化させる構造以外は実施形態１と同様である。

図１０Ａは、本実施形態４における熱電変換素子の側面図である。実施形態３と同様に、Ｐ型熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子のそれぞれを複数に分割する。分割した熱電変換素子と電極との接合面に中空部６３−１〜３、６４−１〜６４−３、６５−１〜６５−３、６６−１〜６６−３を形成する。中空部には、通電可能でかつ熱伝導率の大きい液体や、金属粒等の充填材を出し入れすることができるようにする。

充填材が充填された部分は熱が伝導するので熱経路に含まれて、その経路の熱電変換素子は発電に寄与し、電気的にも接続できるので出力電力を得ることができる。一方、中空部に充填材を入れていない部分の熱電変換素子は電気と熱が伝導しないので、その熱電変換素子は発電に寄与しない。このように充填材の有無によって熱経路の熱電変換素子の断面積を増減することにより、発電する熱電素子の断面積を調整する。

図１０Ａにおいては、すべての中空部６３−１〜３と６４−１〜３、６５−１〜３と６６−１〜６６−３に充填材を充填した状態となっている。したがってすべての熱電変換素子５７−１〜３と５８−１〜３に熱が流れるので、断面積が最大になる。

図１０Ｂは、一部の中空部から充填剤を除去した例である。図１０Ｂにおいては、中空部６３−１、６４−１、６５−１、６６−１には充填材を充填して電気および熱が流れるようにしているが、中空部６３−２〜３、６４−２〜３、６５−２〜３、６６−２〜３は空にして電気および熱が流れない。したがって、発電に寄与するのは熱電変換素子５７−１および５８−３のみになるので、温度差発電にかかわる熱電変換素子の断面積を小さくでき、熱抵抗を増大させることができる。

図１１Ａは、中空部の構成例を示す側断面図である。電極に接触する面６７−１と熱電変換素子に接触する面６７−２は、電気と熱が伝導する金属材料などで形成する。側面６８は電気と熱を通しにくい絶縁材料で形成するのが最も良いが、金属材料であっても薄く形成することにより電気と熱を通しにくい構造にする。こうすることによって、中空部が空の場合はほとんど電気も熱も通さないので、熱経路に含まないようにできる。

図１１Ｂは、中空部に液体の充填液６９を充填した例を示す。充填液６９としては、粘度の小さい高熱伝導導電性グリースや液体金属などを用いることができる。電極に接触する面６７−１と充填液６９と熱電変換素子に接触する面６７−２が連続するので、電気と熱を通すことができ、中空部を熱経路に含めることになる。したがって接続する熱電変換素子から出力電力を取り出すことができるようになる。

図１１Ｃは、中空部に金属粒７０を充填させた例を示す。金属粒の周囲７１は空気等の気体でも液体でもかまわない。金属粒同士が接触する程度に十分に充填することにより、液体の場合と同様に電極に接触する面６７−１と金属粒７０と熱電変換素子に接触する面６７−２が連続するので、電気と熱を通すことができ、中空部を熱経路に含めることになる。これにより、接続する熱電変換素子から出力電力を得ることができるようになる。

充填材の量を調整するためには、例えば以下のような構成を用いることができる。各中空部に接続する配管をあらかじめ配置しておき、充填材を導入するときはその配管を介して充填材を中空部へ配送し、充填材を排出するときはその配管を介して空気や洗浄液を中空部へ配送すればよい。

＜実施の形態４：まとめ＞
本実施形態４に係る熱電変換システムは、中空部に対して充填材を出し入れすることにより、熱経路の断面積を変動させて発電に寄与する熱電変換素子の熱抵抗を変動させることができる。これにより、外部熱抵抗と熱電変換素子の熱抵抗の比を最適値に近づけることができ、その結果、状況に応じた最大出力を得ることができる。また、電極や熱電変換素子のスライドと異なり、充填材の出し入れによって熱電変換モジュールを構成する構造物が動くことはないので、移動時の摩擦力による破損等の可能性はない。また、電極と熱電変換素子の界面に異物を挟んで空隙を作ることもないので、熱抵抗の大きな空気による外部熱抵抗増加を発生させることもない。

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

例えば実施形態１で説明した素子高さを変化させる構成例と、実施形態２〜４で説明した断面積を変化させる構成例を、併用することができる。例えば、１つの熱電変換素子においてこれら構成例を併用してもよいし、実施形態１を採用する熱電変換素子と実施形態２〜４を採用する熱電変換素子を混在させることができる。

以上の実施形態において、熱電変換素子の熱抵抗を制御することを説明したが、これに代えてまたはこれと併用して、外部熱抵抗（ＴＲ＿ｅｘｔ）を変化させることにより、式４を充足させてもよい。例えば温熱源１１や冷熱源１２など熱電変換モジュール１３以外の構成要素における部材の配置、締め付け強度、電気抵抗、などの電気的機械的パラメータのうち可変であるものを制御することにより、外部熱抵抗を実効的に変化させることができる。

以上の実施形態において、温度計測部２６と熱抵抗制御部２７は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアを演算装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵなど）が実行することによって構成することもできる。

以上の実施形態において、熱抵抗と記載されているものは、単位面積当たりの熱抵抗を示すことを付言しておく。

１１ 温熱源
１２ 冷熱源
１３ 熱電変換モジュール
１４ 配管
１５ 温熱源用実装材
１６ 上部支持基板
１７ 上部電極
１８ 熱電変換素子
１９ 下部電極
２０ 下部支持基板
２１ 冷熱源用実装材
２２ 配管
２５ 内部装置供給用端子
２６ 温度計測部
２７ 熱抵抗制御部
２８ 蓄電部
２９ 温度センサ
３０ 温度センサ
３１ 温度センサ
３２ 温度センサ
３３ 発電出力端子
３４ 出力端子
３５〜４６ 温度センサ
４７ Ｐ型あるいはＮ型熱電変換素子
４８ Ｎ型あるいはＰ型熱電変換素子
４９ 上部電極
５０、５１ 下部電極
５２ バネやねじ
５６ 電極
５７−１〜５７−３ Ｐ型熱電変換素子
５８−１〜５８−３ Ｎ型熱電変換素子
５９、６０、６１、６２ 接続電極
６３−１〜６３−３、６４−１〜６４−３、６５−１〜６５−３、６６−１〜６６−３ 中空部
６９ 充填液
７０ 金属粒
７２ 温熱供給源
７３ 冷熱供給源

Claims (15)

1. 温度差を起電力に変換する熱電変換素子、
   温度差を計測する計測部、
   前記計測部が計測した前記温度差にしたがって前記熱電変換素子の熱抵抗を制御する制御部、
   を備え、
   前記熱電変換素子は、温熱源に対して熱的に接するとともに、冷熱源に対して熱的に接しており、
   前記計測部は、前記温熱源と前記冷熱源との間の第１温度差を計測し、
   前記計測部はさらに、前記熱電変換素子に対して加えられる第２温度差を計測し、
   前記制御部は、前記第１温度差と前記第２温度差にしたがって前記熱抵抗を制御することにより、前記熱電変換素子の変換効率を最適化する
   ことを特徴とする熱電変換システム。
2. 前記制御部は、前記温熱源と前記熱電変換素子との間の接触面または前記冷熱源と前記熱電変換素子との間の接触面のうち少なくともいずれかを素子高さ方向に移動して、前記変換に寄与する前記熱電変換素子の素子高さを変化させることにより、前記熱電変換素子の熱抵抗を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の熱電変換システム。
3. 前記熱電変換システムはさらに、
   前記温熱源と前記冷熱源との間に配置され、前記熱電変換素子の素子高さ方向において伸縮可能に構成された、伸縮部材を備え、
   前記制御部は、前記伸縮部材の長さを伸長または短縮することにより、前記変換に寄与する前記熱電変換素子の素子高さを変化させる
   ことを特徴とする請求項２記載の熱電変換システム。
4. 前記熱電変換素子は、前記温熱源または前記冷熱源のうち少なくともいずれかに対して部分的に侵入することにより、前記変換に寄与する前記熱電変換素子の素子高さが変化するように構成されている
   ことを特徴とする請求項２記載の熱電変換システム。
5. 前記熱電変換素子は、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子を接続する電極を備え、
   前記電極は、前記Ｐ型熱電変換素子の頂部と前記Ｎ型熱電変換素子の頂部を架橋する位置に配置されており、
   前記熱電変換素子は、前記電極、前記Ｐ型熱電変換素子の一部と前記Ｎ型熱電変換素子の一部が前記温熱源または前記冷熱源のうち少なくともいずれかに対して侵入することにより、前記変換に寄与する前記熱電変換素子の素子高さが変化するように構成されている
   ことを特徴とする請求項４記載の熱電変換システム。
6. 前記熱電変換素子は、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子を備え、
   前記熱電変換システムは、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子を接続する電極を備え、
   前記電極は、前記温熱源の外壁に配置されており、
   前記熱電変換素子は、前記伸縮部材が圧縮することにともなって、前記前記Ｐ型熱電変換素子の一部と前記Ｎ型熱電変換素子の一部が前記温熱源または前記冷熱源のうち少なくともいずれかに対して侵入するとともに、前記電極と前記冷熱源との間の距離が短縮することにより、前記変換に寄与する前記熱電変換素子の素子高さが変化するように構成されている
   ことを特徴とする請求項３記載の熱電変換システム。
7. 前記制御部は、前記温熱源と前記熱電変換素子との間の接触面または前記冷熱源と前記熱電変換素子との間の接触面のうち少なくともいずれかを素子高さに対して垂直な方向に移動して、前記変換に寄与する前記熱電変換素子の素子断面積を変化させることにより、前記熱電変換素子の熱抵抗を制御する
   ことを特徴とする請求項１記載の熱電変換システム。
8. 前記熱電変換素子は、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子を備え、
   前記熱電変換システムは、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子を接続する電極を備え、
   前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子のうち少なくともいずれかは、複数の熱電素子によって構成されており、
   前記制御部は、前記接触面を素子高さに垂直な方向に移動して、前記複数の熱電素子のうち前記電極と接触するものの個数を変化させることにより、前記変換に寄与する前記熱電変換素子の素子断面積を変化させる
   ことを特徴とする請求項７記載の熱電変換システム。
9. 前記複数の熱電素子それぞれと、前記電極との間には、金属電極が配置されている
   ことを特徴とする請求項８記載の熱電変換システム。
10. 前記複数の熱電素子の間には、絶縁部材が配置されており、
    前記絶縁部材は、前記熱電変換素子よりも電気と熱を通しにくい材料によって形成されている
    ことを特徴とする請求項８記載の熱電変換システム。
11. 前記熱電変換素子は、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子を備え、
    前記熱電変換システムは、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子を接続する電極を備え、
    前記熱電変換素子と前記電極との間には、中空部材が配置されており、
    前記制御部は、前記中空部材のなかに充填する充填材の量を調整することにより、前記熱抵抗を変化させる
    ことを特徴とする請求項１記載の熱電変換システム。
12. 前記熱電変換素子は、複数の熱電素子によって構成されており、
    前記複数の熱電素子それぞれと、前記電極との間には、中空部材が配置されており、
    前記制御部は、各前記中空部材のうち一部には充填材を充填するとともに、各前記中空部材のうち残部には充填材を充填しないことにより、前記熱抵抗を変化させる
    ことを特徴とする請求項１１記載の熱電変換システム。
13. 前記中空部材は、
    前記温熱源または前記冷熱源と接触する第１金属面、
    前記熱電変換素子と接触する第２金属面、
    前記第１金属面と前記第２金属面との間の空間の側面を覆い、前記第１金属面と前記第２金属面よりも電気と熱を通しにくい材料によって形成された、側面部材、
    を備える
    ことを特徴とする請求項１１記載の熱電変換システム。
14. 前記充填材は、導電性の液体または金属粒によって構成されており、
    前記制御部は、前記中空部材のなかへ充填する前記液体または前記金属粒の量を調整することにより、前記熱抵抗を変化させる
    ことを特徴とする請求項１１記載の熱電変換システム。
15. 前記制御部は、前記温熱源から前記冷熱源までの間の熱経路上に存在する熱抵抗のうち前記熱電変換素子による発電に寄与しない外部熱抵抗を変化させることにより、前記熱電変換素子の熱抵抗を制御する
    ことを特徴とする請求項１記載の熱電変換システム。

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