JP2022185368A - ヒートポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】排熱の回収効率を向上させることができるヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】本開示の一態様のヒートポンプシステムは、冷媒配管によって順に接続された第１熱交換器と、圧縮機と、第２熱交換器と、膨張機構と、を備えるヒートポンプシステムであって、第１熱交換器または第２熱交換器の少なくとも一方に配置され、温度差を電気エネルギに変換する熱電部材を備える。【選択図】図３

Description

本開示は、ヒートポンプシステムに関する。

ヒートポンプシステムとして、例えば、特許文献１には、冷凍機の運転により発生する排熱を利用する冷凍機が開示されている。

特許文献１には、温度差を電気エネルギに変換する熱電素子を有する冷凍装置が開示されている。特許文献１に記載された冷凍機は複数の熱電素子を有し、一方の熱電素子は冷媒配管に位置し、他方の熱電素子は外気雰囲気中に位置する。

特開２０１３－２５００３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の冷凍機では、エネルギ効率の向上といった点で未だ改善の余地がある。

したがって、本開示の目的は、前記課題を解決することにあって、エネルギ効率を向上させることができるヒートポンプシステムを提供することにある。

本開示の一態様のヒートポンプシステムは、冷媒配管によって順に接続された第１熱交換器と、圧縮機と、第２熱交換器と、膨張機構と、を備えるヒートポンプシステムであって、第１熱交換器または第２熱交換器の少なくとも一方に配置され、温度差を電気エネルギに変換する熱電部材を備える。

本開示によれば、ヒートポンプシステムのエネルギ効率を向上させることができる。

実施の形態１に係るヒートポンプシステムの模式図 第２熱交換器の模式図 熱電部材を有する第２熱交換器を示す図 図３のＡ－Ａ線に沿った断面図 熱電素子の断面図 第２熱交換器の一部の側面図 第２熱交換器に関連する電子部品の模式図 フィンの周囲における外気の温度分布のグラフ 変形例１の熱電部材を示す図 変形例２の熱電部材を示す図 図１０Ａにおける熱電部材の一部の拡大図 変形例３の熱電素子の断面図

（本開示に至った経緯）
ヒートポンプシステムは一般的に高いＣＯＰを有しており、システムの排熱の一部を回収してヒートポンプシステムにおいて再利用することで、ヒートポンプシステムのエネルギ効率を向上させることができる。

しかしながら、近年、ヒートポンプシステムのエネルギ効率をさらに向上させることが求められている。そのため、熱電部材を用いて、より大きい電力を生じさせることが求められている。

そこで、本発明者らは、ヒートポンプシステムにおいて、多くの排熱が行われ、温度差が生じやすい箇所を熱交換器と特定した。本発明者らは、熱電部材を熱交換器に配置することで、熱電部材における温度差を拡大させ、したがって、熱電部材の発電量を増加させる構成を見出した。

これらの新規な知見に基づき、本発明者らは、以下の開示に至った。

本開示の第１態様のヒートポンプシステムは、冷媒配管によって順に接続された第１熱交換器と、圧縮機と、第２熱交換器と、膨張機構と、を備えるヒートポンプシステムであって、第１熱交換器または第２熱交換器の少なくとも一方に配置され、温度差を電気エネルギに変換する熱電部材を備える。

このような構成により、熱交換器において生じる温度差によって、熱電部材は効率良く発電できる。したがって、ヒートポンプシステムのエネルギ効率を向上させることができる。

本開示の第２態様のヒートポンプシステムにおいては、第２熱交換器は、室外に配置され、熱電部材は、第２熱交換器に物理的に接触している第１面と、第１面と対向し、外気に面した第２面とを有してもよい。

このような構成により、第２熱交換器から外気への放熱によって、第１面と第２面との間で温度差が生じるため、熱電部材は効率良く発電できる。

本開示の第３態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は垂直熱電素子であってもよい。

このような構成により、垂直熱電素子は、ヒートポンプシステムの熱交換を阻害しないため、エネルギ効率をさらに向上させることができる。

本開示の第４態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は、磁性体によって形成される磁性膜を有してもよい。

このような構成により、熱電部材は異常ネルンスト効果によって効率良く発電でき、ヒートポンプシステムのエネルギ効率をさらに向上させることができる。

本開示の第５態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は、第１面を形成し、磁性絶縁体によって形成される絶縁膜と、絶縁膜に配置され、第２面を形成し、伝導体で形成される伝導膜と、を有してもよい。

このような構成により、熱電部材はスピンゼーベック効果によって効率良く発電でき、ヒートポンプシステムのエネルギ効率をさらに向上させることができる。

本開示の第６態様のヒートポンプシステムにおいては、第２熱交換器は、複数のフィンと、複数のフィンに接触し、冷媒を循環させる伝熱流路機構と、を有し、複数の熱電部材を有し、複数の熱電部材は、複数のフィンのそれぞれに連続したライン状に配置されてもよい。

このような構成により、外気とフィンとの間で生じる温度差によって、熱電部材は効率良く発電できる。

本開示の第７態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は、フィン毎に直列に接続されてもよい。

このような構成により、熱電部材を長くすることによって、熱電部材における発電量を増加させることができる。

本開示の第８態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は、蛇行してもよい。

このような構成により、熱電部材を長くすることによって、熱電部材における発電量をさらに増加させることができる。

本開示の第９態様のヒートポンプシステムにおいては、複数のフィンに外気を供給するファンをさらに有してもよい。

このような構成により、第２熱交換器に対して外気の流れを形成して、フィンと外気との温度差を維持することができる。したがって、熱電部材における発電量を増加させることができる。

本開示の第１０態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は、複数のフィンの主面において、ファンによって供給される外気に対して上流側に配置されてもよい。

このような構成により、熱電部材は外気が当たり、熱電部材の第１面と第２面との温度差を維持することができるため、熱電部材における発電量を増加させることができる。

本開示の第１１態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は、ファンによって供給される外気に対して上流側の端部に配置されてもよい。

このような構成により、熱電部材はさらに多くの外気が当たり、熱電部材の第１面と第２面との温度差を維持することができるため、熱電部材における発電量をさらに増加させることができる。

本開示の第１２態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材は、伝熱流路機構の周囲の複数のフィンに配置されてもよい。

このような構成により、熱交換が行われる箇所に配置されるため、熱電部材の第１面と第２面との温度差を維持することができる。したがって、熱電部材における発電量を増加させることができる。

本開示の第１３態様のヒートポンプシステムにおいては、複数のフィンは、フィンを形成する主面から突出する突出部を有し、熱電部材は、突出部に沿って配置されてもよい。

このような構成により、熱電部材は外気が当たり、熱電部材の第１面と第２面との温度差を維持することができるため、熱電部材における発電量を増加させることができる。

本開示の第１４態様のヒートポンプシステムにおいては、複数のフィンは、第１列と、第１列の下流側に隣接して配置される第２列と、に配列され、伝熱流路機構は、複数のフィンを貫通する伝熱管を有し、第１列を貫通する伝熱管と、第２列を貫通する伝熱管とは、ファンによる外気の供給方向に対してずれており、熱電部材は、第１列及び第２列における複数のフィンの主面において、前記ファンによって供給される外気に対して上流側に配置されてもよい。

このような構成により、熱電部材を長くすることによって、熱電部材における発電量をさらに増加させることができる。

本開示の第１５態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材に接続され、熱電部材に変換された電気エネルギを蓄える蓄電部をさらに有してもよい。

このような構成により、熱電部材によって発電した電力を蓄電することができる。

本開示の第１６態様のヒートポンプシステムにおいては、冷媒配管内における冷媒が流れる方向を変更する四方弁と、熱電部材に接続され、冷媒が流れる方向に応じて、電流の方向を変更する整流部と、をさらに備えてもよい。

このような構成により、熱電部材を、例えば、冷媒配管における冷媒の流れ方向を変更する空気調和機に適用することができる。

本開示の第１７態様のヒートポンプシステムにおいては、熱電部材に接続される端子は、第２熱交換器の上部に配置されてもよい。

このような構成により、端子が、熱交換によって第２熱交換器に付着する水の排水を阻害することを抑制できる。

（実施の形態）
本開示の実施の形態に係るヒートポンプシステムについて説明する。なお、以下の説明において、実施の形態に係るヒートポンプシステムの一例として冷房運転時の空気調和機について説明するが、ヒートポンプシステムを空気調和機に限定しない。

［全体構成］
図１は、本開示に係る実施の形態のヒートポンプシステム１００の一例を示す模式図である。図１に示すように、ヒートポンプシステム１００は、室内機１と、室外機２とを備える。室内機１と室外機２とは、冷媒配管３を介して接続されている。

室内機１は、第１熱交換器４、及び冷媒配管３の一部を備える。室内機１は室内に配置される。

室外機２は、第２熱交換器５、熱電部材２０、圧縮機６、膨張機構７、四方弁８、ファン９、制御部１０と、及び冷媒配管３の一部を備える。室外機２は室外に配置される。

室内機１及び室外機２の構成要素について説明する。

＜第１熱交換器＞
第１熱交換器４は、例えば冷房運転時には、空気との熱交換を行い、第１熱交換器４に流入する冷媒を蒸発させる。

＜冷媒配管＞
冷媒配管３は、第１熱交換器４、圧縮機６、四方弁８、第２熱交換器５及び膨張機構７を接続するように配置される。例えば、冷媒配管３は、第１熱交換器４、圧縮機６、四方弁８、第２熱交換器５及び膨張機構７を順に接続する。冷媒配管３は、冷媒配管３の内部に冷媒が流れる流路を有し、冷媒を循環させる。例えば、冷媒配管３は中空の円筒形状を有する。

＜第２熱交換器＞
第２熱交換器５は、例えば冷房運転時には、空気との熱交換を行い、第２熱交換器５に流入する冷媒を凝縮させる。後述するように、第２熱交換器５は、複数のフィンと、伝熱管と、を備える。フィンは、複数の薄い金属板で構成され、それぞれの金属板の面が互いに平行になるよう配置される。伝熱管は、フィンの面に直交して配置され、フィンを貫通する。伝熱管は、冷媒配管３に接続され、冷媒を循環させる。

＜熱電部材＞
熱電部材２０は、第２熱交換器５に配置され、温度差を電気エネルギに変換する部材である。言い換えると、熱電部材２０は、熱電部材２０において形成される温度差に応じて発電する。熱電部材２０は、熱電効果を発揮する素子（以下、熱電素子５０）を含む。熱電部材２０は、コネクタ、ワイヤ等の他の電子部品を含んでもよい。後述するように、熱電部材２０は、第２熱交換器５のフィンの表面に物理的に接触するように配置される。

＜圧縮機＞
圧縮機６は、冷媒配管３によって第１熱交換器４及び四方弁８に接続される。圧縮機６は、冷媒配管３から流入した冷媒を圧縮するために用いられる。

＜膨張機構＞
膨張機構７は、冷媒配管３によって第１熱交換器４及び第２熱交換器５に接続される。膨張機構７は、冷媒配管３から流入した冷媒を膨張させるために用いられる。例えば、膨張機構７は膨張弁である。

＜四方弁＞
四方弁８は、冷媒配管３によって圧縮機６、第１熱交換器４及び第２熱交換器５に接続される。冷房運転時において、四方弁８は、冷媒の流れ方向に沿って、圧縮機６から流出した冷媒を第２熱交換器５に送る。一方で、四方弁８は、ヒートポンプシステム１００の運転モード（冷房運転、暖房運転）によって、冷媒の流れ方向を変更する。

＜ファン＞
ファン９は、第２熱交換器５の周囲に配置され、第２熱交換器５に対して外気を供給する。供給される外気は、第２熱交換器５の熱交換に使用される。

＜制御部＞
制御部１０は、ヒートポンプシステム１００を制御する電子回路を備える。制御部１０を構成する要素は、例えば、これらの要素を機能させるプログラムを記憶したメモリ（図示せず）と、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのプロセッサに対応する処理回路（図示せず）を備え、プロセッサがプログラムを実行することでこれらの要素として機能してもよい。制御部１０は、例えば、ヒートポンプシステム１００の運転モードを、冷房運転と暖房運転との間で制御する。また、制御部１０は、電気的に熱電部材２０に接続される。

次に、図２から図４を用いて、第２熱交換器５の構成についてより詳細に説明する。

図２は、第２熱交換器５の模式図である。図２において、便宜上、個別のフィン１１ａ、１１ｂ及び熱電部材２０の図示を省略している。図２に示すように、第２熱交換器５において、複数のフィン１１ａは第１列１２を形成し、複数のフィン１１ｂは第２列１３を形成して配置される。それぞれの列において、フィン１１ａ、１１ｂは、それぞれのフィン１１ａ、１１ｂの面が互いに平行になるように配置される。また、第１列１２と、第２列１３とは、フィン１１ａ、１１ｂの短手方向（Ｙ方向）に沿って並び、互いに隣接している。

第２熱交換器５において、伝熱管１４は、第１列１２と、第２列１３とにおけるそれぞれフィン１１ａ、１１ｂを貫通して形成される。

ファン９は、第２熱交換器５の周囲に配置される。ファン９は、第２列１３の－Ｙ方向側に配置される。ファン９の回転によって、外気は吸引され、矢印Ｋに沿って第２熱交換器５に供給される。なお、矢印Ｋは、ファン９による外気の供給方向を示す。本実施の形態においては、外気は、フィン１１ａ、１１ｂの短手方向（Ｙ方向）に沿って、順に第１列１２と、第２列１３とに到達する。即ち、ファン９によって形成される外気の流れに対して、第１列１２は第２列１３の上流側に配置される。

図３は、熱電部材２０を有する第２熱交換器５を示す図である。図４は、図３のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

図３及び図４は、第１列１２における１枚のフィン１１ａと、フィン１１ａに隣接する第２列１３における１枚のフィン１１ｂとを示す。図３に示すように、伝熱管１４は、異なるフィン１１ａ、１１ｂの長手方向（Ｚ方向）の位置においてフィン１１ａ、１１ｂを貫通する。第１列１２を貫通する伝熱管１４と、第２列１３を貫通する伝熱管１４とは、ファン９による外気の供給方向（矢印Ｋ）に対してずれている。より具体的には、ファン９による外気の供給方向（矢印Ｋ）から見て、第２列１３の伝熱管１４は、第１列１２において隣り合う２つの伝熱管１４の間に位置する。

さらに、図３及び図４に示すように、フィン１１ａ、１１ｂは、伝熱管１４の周囲において、それぞれのフィン１１ａ、１１ｂの主面Ｐ１、Ｐ２から突出する突出部１５を形成する。言い換えると、突出部１５はＸ方向に突出する。突出部１５は、伝熱管１４の外周に沿って、その全周にわたって形成されてもよい。突出部１５は、フィン１１ａ、１１ｂの主面Ｐ１、Ｐ２から突出しているため、主面Ｐ１、Ｐ２に沿って流れる外気に当たりやすく、突出部１５に境界層の形成が抑制され、外気が滞留しにくい。そのため、フィン１１ａ、１１ｂと外気との間の温度差を維持することができる。

また、フィン１１ａ、１１ｂは、アルミニウムによって形成される母材１６を有する。図４に示すように、フィン１１ａ、１１ｂは、母材１６を覆う酸化アルミニウムの絶縁膜１７を有する。絶縁膜１７によって、母材１６の腐食を防止することができる。

ここで、図３～図５を参照しながら、熱電部材２０の構成について詳しく説明する。図５は、熱電素子５０の断面図である。

図３及び図４に示すように、熱電部材２０は、熱電素子５０を含む。また、図示していないが、熱電部材２０は、熱電素子５０に加えて、コネクタ、ワイヤ等の他の電子部品を含んでもよい。熱電素子５０は、第２熱交換器５のフィン１１ａに配置される。より具体的には、熱電素子５０は、フィン１１ａの主面Ｐ１に配置される。図４に示すように、熱電素子５０は、フィン１１ａの主面Ｐ１と、主面Ｐ１の反対側の主面との両方に配置される。本実施の形態において、熱電素子５０は、垂直熱電素子である。垂直熱電素子は、温度差が生じる方向に対して垂直に発電する。本実施の形態において、熱電素子５０は、主面Ｐ１に対して垂直に発電する。

図５に示すように、熱電素子５０は、磁性膜５１を有する。磁性膜５１は、磁性体によって形成される。磁性体として、磁性金属、半金属、ワイル磁性体を用いてもよい。磁性膜５１は、第２熱交換器に物理的に接触している第１面Ｒ１と、外気に面した第２面Ｒ２とを有する。第１面Ｒ１は、フィン１１ａの絶縁膜１７に物理的に接触して配置される。第２面Ｒ２は、第１面Ｒ１と対向し、第２熱交換器５から離れる方向に向かう。第２面Ｒ２は、後述の絶縁膜５２を介して、フィン１１ａの周囲の外気に触れる。第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との間で温度差が形成されると、即ち、フィン１１ａとその周囲の外気との間で温度差が形成されると、熱電素子５０は異常ネルンスト効果によって発電する。

図４に戻ると、熱電素子５０は、電気絶縁性を有する絶縁膜５２に覆われる。このような構成により、熱電素子５０は、フィン１１ａ及びフィン１１ａの熱交換によって生じる水滴から絶縁され、熱電素子５０の短絡を防止することができる。

磁性膜５１は、１μｍ以上１００μｍ以下の厚みを有し、絶縁膜５２は、１μｍ以上５０μｍ以下の厚みを有する。磁性膜５１及び絶縁膜５２は、例えば、スパッタリングによって形成されてもよい。

また、熱電素子５０の発電量は、後述する端子５３の間に延びる熱電素子５０の長さによる。熱電素子５０が長いと、より多くの電力が発電される。

図３に戻ると、熱電素子５０は、フィン１１ａにおいて、連続したライン状に配置される。本明細書にて、「ライン」とは、所定の幅を有して直線状及び／または曲線状に延びる形状を意味する。熱電素子５０のラインは、概ね、フィン１１ａの長手方向（Ｚ方向）に沿って配置される。

本実施の形態においては、熱電素子５０は、フィン１１ａの主面Ｐ１において、ファン９によって供給される外気（矢印Ｋ）に対して上流側に配置される。ここでいう、「上流側」とは、フィン１１ａの主面Ｐ１においてＹ方向の両端部から等しい位置を通るセンターラインＣＬ１から、空気が供給されるフィン１１ａの上流側の端部までの領域を意味する。

より具体的には、熱電素子５０は、第１熱電素子５０Ａと、第２熱電素子５０Ｂとによって構成される。第１熱電素子５０Ａは、フィン１１ａの主面Ｐ１において、上流側の端部に沿って配置される。第２熱電素子５０Ｂは、伝熱管１４の周囲に配置される。第１熱電素子５０Ａと、第２熱電素子５０Ｂとは一体的に形成される。

第１熱電素子５０Ａは、上流側の端部に沿って、－Ｚ方向に向かって直線状に配置される。第２熱電素子５０Ｂは、伝熱管１４の周囲に形成される突出部１５に沿って曲線状に配置される。第２熱電素子５０Ｂは、突出部１５の外周の一部に沿って形成されてもよく、本実施の形態において、突出部１５の上流側の半周に沿って形成される。突出部１５の上流側の半周に沿って形成されるそれぞれの第２熱電素子５０Ｂの部分は、Ｚ方向に延びる第２熱電素子５０Ｂの部分によって互いに連結される。言い換えると、第２熱電素子５０Ｂは、センターラインＣＬ１に沿って直線状に延びる部分と、突出部１５の上流側を弓状に湾曲して延びる部分と、を有する。

第１熱電素子５０Ａは、フィン１１ａの端部の中心付近で、第２熱電素子５０Ｂに連結される。本実施の形態において、熱電素子５０は、フィン１１ａの一部を長手方向に一往復し、１ターンを形成するように配置される。

上記配置において、Ｙ方向において第１熱電素子５０Ａと第２熱電素子５０Ｂとが近接して配置される場合がある。この場合、第１熱電素子５０Ａと第２熱電素子５０Ｂとが接触し、互いに熱伝導することを回避するために、第１熱電素子５０Ａと第２熱電素子５０Ｂの間の距離を確保する。このため、第１熱電素子５０Ａと第２熱電素子５０Ｂのそれぞれのラインの幅は、電気抵抗の増加を抑制できる範囲で小さい方がよい。ラインの幅を小さくすることで、近接する第１熱電素子５０Ａと第２熱電素子５０Ｂの間の距離を確保しやすい。例えば、５μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。

第２熱交換器５は、複数の熱電部材２０を有し、熱電部材２０は、複数のフィン１１ａに配置される。図６を参照しながら、複数の熱電部材２０の構成について説明する。図６は、第２熱交換器５の一部の側面図である。図６において、便宜上、絶縁膜１７、５２との図示を省略している。

図６に示すように、複数の熱電部材２０は、それぞれのフィン１１ａの両面に配置される。また、複数の熱電部材２０は、フィン１１ａ毎に直列に接続される。複数の熱電部材２０は、端子５３によって、フィン１１ａを跨いで直列に電気的に接続される。端子５３は、リード、コネクタ、はんだ付けされたワイヤ等であってもよい。端子５３は、第２熱交換器５の上部に配置される。端子５３は、フィン１１ａの上部に設けられ、フィン１１ａの上部に配置される熱電部材２０に接続される。

熱電部材２０は、端子５３によって、他の電子部品に電気的に接続されてもよい。

図７は、第２熱交換器５に関連する電子部品の模式図である。図７に示すように、熱電部材２０は、端子５３によって、整流部５４、蓄電部５５、及び制御部１０に電気的に接続される。整流部５４は、冷媒の流れ方向に応じて、電流が流れる方向を変更する。整流部５４は、例えば、全波整流回路である。蓄電部５５は、熱電部材２０において発電される電力を蓄える。ヒートポンプシステム１００は、蓄えた電力を任意の時点で使用してもよい。

［動作］
ここで、図８を参照しながら、ヒートポンプシステム１００の動作及び熱電部材２０による発電について説明する。図８は、フィン１１ａ、１１ｂの周囲における外気の温度分布のグラフである。

ヒートポンプシステム１００の冷房運転において、制御部１０は、圧縮機６を作動させ、冷媒配管３に冷媒を流す。冷媒は、四方弁８によって、冷媒は圧縮機６から第２熱交換器５に向かう。

さらに、制御部１０は、ファン９を回転させ、第２熱交換器５に対して、矢印Ｋに沿って、外気を供給させる。

図８に示すように、供給される外気の温度Ｔは、温度Ｔｅｘであり、フィン１１ａ、１１ｂの温度Ｔｆｉｎより低い。供給される外気は、フィン１１ａの上流において、温度Ｔが温度Ｔｅｘから上昇する境界層５６を形成する。ファン９の回転及び外気の供給によって、境界層５６のＹ方向の厚みＬの増加は抑制される。したがって、フィン１１ａの上流側の端部において、フィン１１ａの温度Ｔｆｉｎと外気の温度Ｔとの間で温度差Ｔ１が形成される。フィン１１ａの上流側の端部に配置される熱電素子５０は、温度差Ｔ１に応じた電力を発電する。

供給される外気がフィン１１ａ、１１ｂに沿って＋Ｙ方向にさらに流れると、外気はフィン１１ａ、１１ｂと熱交換し、フィン１１ａ、１１ｂの熱が外気に移動し、外気の温度Ｔが上昇する。フィン１１ｂの下流側の端部において、外気の温度Ｔは、フィン１１ｂの温度Ｔｆｉｎに近づく。

一方で、フィン１１ａにおいて、突出部１５がＸ方向に突出しているため、より多くの外気が突出部１５に当たる。そのため、突出部１５において、境界層５６の形成及び外気の滞留が抑制され、フィン１１ａと外気の温度Ｔとの温度差Ｔ１を維持される。したがって、突出部１５に配置される熱電素子５０は、温度差Ｔ１に応じた電力を発電する。

熱電素子５０において発電される電力は、ヒートポンプシステム１００の入力として使用されてもよい。また、すぐに使用しない場合、熱電素子５０において発電される電力は、蓄電部５５に送電されてもよい。

［効果］
実施の形態に係るヒートポンプシステム１００によれば、以下の効果を奏するができる。

実施の形態に係るヒートポンプシステム１００は、冷媒配管３によって順に接続された第１熱交換器４と、圧縮機６と、第２熱交換器５と、膨張機構７と、を備える。ヒートポンプシステム１００は、第２熱交換器５に配置され、温度差を電気エネルギに変換する熱電部材２０をさらに備える。

このような構成により、第２熱交換器５において生じる温度差によって、熱電部材２０は効率良く発電できる。したがって、ヒートポンプシステム１００のエネルギ効率を向上させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、第２熱交換器５は、室外に配置される。熱電部材２０は、第２熱交換器５に物理的に接触している第１面Ｒ１と、第１面Ｒ１と対向し、外気に面した第２面Ｒ２とを有する。

このような構成により、熱電部材２０は、第２熱交換器５から外気への放熱によって生じる温度差によって、効率良く発電できる。言い換えると、熱電部材２０は、第２熱交換器５が通常、外気に捨てている熱エネルギを、再利用できる電気エネルギに変換することができる。

ヒートポンプシステム１００においては、熱電素子５０は垂直熱電素子である。

このような構成により、熱電素子５０は、通常のゼーベック素子より小さい厚みと、高い熱伝導率とを有する。そのため、熱電素子５０によるヒートポンプシステム１００の熱交換に対する阻害効果を抑制しつつ、熱電素子５０が発電できる。また、熱電素子５０の厚みが小さいため、第２熱交換器５において、フィン１１ａの間隔によって制限を受けることなく、熱電素子５０を配置することができる。よって、熱電素子５０の長さを増加させ、発電量を増加させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、熱電部材２０は、磁性体によって形成される磁性膜５１を有する。

このような構成により、熱電部材２０は異常ネルンスト効果によって効率良く発電できる。

ヒートポンプシステム１００は、複数の熱電部材２０をさらに有する。第２熱交換器５は、複数のフィン１１ａ、１１ｂと、複数のフィン１１ａ、１１ｂを貫通して、冷媒を循環させる伝熱管１４とを有する。複数の熱電部材２０は、複数のフィン１１ａのそれぞれに連続したライン状に配置される。

このような構成により、熱電部材２０を、外気とフィン１１ａとの間で生じる温度差によって、熱電部材２０は効率良く発電できる。

ヒートポンプシステム１００においては、熱電部材２０は、フィン１１ａ毎に直列に接続される。

このような構成により、熱電部材２０の全長を長くすることによって、熱電部材２０における発電量を増加させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、複数のフィン１１ａ、１１ｂに外気を供給するファン９をさらに有する。

このような構成により、第２熱交換器５に対する外気の流れを形成して、第２熱交換器５において外気の滞留を抑制することができる。そのため、第２熱交換器５と外気との温度差を形成して維持することができる。したがって、熱電部材２０における第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との温度差を維持して、熱電部材２０における発電量を増加させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、複数のフィン１１ａの主面Ｐ１において、ファン９によって供給される外気に対して上流側に配置される。

このような構成により、熱電部材２０は外気が当たる箇所に配置されるため、熱電部材２０の第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との温度差を維持することができる。したがって、熱電部材２０における発電量を増加させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、熱電部材２０は、ファン９によって供給される外気に対して、複数のフィン１１ａの上流側の端部に沿って配置される。

このような構成により、熱電部材２０はさらに多くの外気が当たる箇所に配置されるため、熱電部材２０の第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との温度差を維持することができる。したがって、熱電部材２０における発電量をさらに増加させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、複数のフィン１１ａ、１１ｂは、フィン１１ａ、１１ｂを形成する主面Ｐ１、Ｐ２から突出する突出部１５を有し、熱電部材２０は、フィン１１ａの突出部１５に沿って配置される。

このような構成により、熱電部材２０は外気が当たる箇所に配置されるため、熱電部材２０の第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との温度差を維持することができる。したがって、熱電部材２０における発電量を増加させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、複数のフィン１１ａ、１１ｂは、第１列１２と、第１列１２の下流側に隣接して配置される第２列１３と、に配列される。第１列１２を貫通する伝熱管１４と、第２列１３を貫通する伝熱管１４とは、ファン９による外気の供給方向（矢印Ｋ）に対してずれている。熱電部材２０は、第１列１２における複数のフィン１１ａの主面Ｐ１において、ファン９によって供給される外気に対して上流側に配置される。

このような構成により、第２熱交換器５の熱交換効率を向上させるとともに、熱電部材２０の発電効率を向上させることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、熱電部材２０に接続され、熱電部材２０に変換された電気エネルギを蓄える蓄電部５５をさらに備える。

このような構成により、発電した電力を蓄えることができる。

ヒートポンプシステム１００においては、冷媒配管３内における冷媒が流れる方向を変更する四方弁８と、熱電部材２０に接続され、冷媒が流れる方向に応じて、電流の方向を変更する整流部５４と、をさらに備える。

このような構成により、冷媒が流れる方向が変更され、熱電部材２０における温度勾配が反転しても、熱電部材２０によって発電される電力を、ヒートポンプシステム１００で利用できる。

ヒートポンプシステム１００においては、熱電部材２０に接続される端子５３は、第２熱交換器５の上部に配置される。

このような構成により、熱電部材２０の全長を長くし、発電量を増加させることができる。また、端子５３が、熱交換によって第２熱交換器５に付着する水の排水を阻害することを抑制できる。

なお、本開示は実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。実施の形態では、ヒートポンプシステム１００の一例として冷房運転時の空気調和機について説明したが、これに限定されない。例えば、ヒートポンプシステム１００は、暖房運転時の空気調和機であってもよい。また、ヒートポンプシステム１００は、給湯器であってもよい。

なお、熱電部材２０が、熱電効果を発揮する熱電素子５０を含むと説明したが、これに限定されない。熱電部材２０は、熱電素子５０に代わってまたは加えて、熱エネルギを電気エネルギに変換する他の電子部品、材料等を含んでもよい。例えば、熱電部材２０は、熱エネルギを電気エネルギに変換するフィルムである。また、熱電部材２０は、垂直熱電素子である熱電素子５０に代わってまたは加えて、温度差が生じる方向に沿って発電する素子を有してもよい。

なお、実施の形態では、熱電部材２０が第２熱交換器５に配置される例について説明したが、これに限定されない。例えば、熱電部材２０は、第１熱交換器４に配置されてもよく、また、第１熱交換器４及び第２熱交換器５の両方に配置されてもよい。

なお、実施の形態では、第２熱交換器５がフィン１１ａ、１１ｂと、フィン１１ａ、１１ｂを貫通する伝熱管１４とを有する例について説明したが、これに限定されない。第２熱交換器５は、冷媒を循環させるために、内部に冷媒を流す流路を形成する伝熱流路機構を有していればよい。例えば、伝熱流路機構は、ストレート状の伝熱管１４に代わってまたは加えて、コイルにより構成される。また、第２熱交換器５は、伝熱管１４等の伝熱流路機構がフィンを貫通していない形態の熱交換器でもよい。伝熱流路機構がフィンに接触していればよい。例えば、第２熱交換器５は、プレートフィン熱交換器でもよい。

なお、実施の形態では、フィン１１ａ、１１ｂが、２つの列、第１列１２と、第２列１３とを形成して配置される例について説明したが、これに限定されない。例えば、フィン１１ａ、１１ｂは、１つの列、または３つ以上の列を形成して配置されてもよい。

なお、実施の形態では、フィン１１ａ、１１ｂが突出部１５を形成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、フィン１１ａ、１１ｂは突出部１５を有しない、平坦な板状部材であってもよい。この場合、熱電部材２０は、伝熱管１４の外周における上流側の半周に沿って形成されてもよい。

なお、実施の形態では、熱電部材２０が第１列１２のフィン１１ａに配置される例について説明したが、これに限定されない。例えば、熱電部材２０は、第１列１２における複数のフィン１１ａの上流側、及び第２列１３における複数のフィン１１ｂの上流側に配置されてもよい。このような構成により、熱電部材２０を長くすることによって、発電量をさらに増加させることができる。

なお、実施の形態では、熱電部材２０がフィン１１ａの両面に配置される例について説明したが、これに限定されない。熱電部材２０は、フィン１１ａにおいて、外気が当たりやすい方の面のみに形成されてもよい。

なお、実施の形態では、熱電素子５０のラインが、フィン１１ａの長手方向（Ｚ方向）に沿って配置される例について説明したが、これに限定されない。熱電素子５０は蛇行してもよい。熱電素子５０のラインは、ラインの他の部分との接触を回避しながら、一部または全部が湾曲してもよい。このような構成によって、熱電素子５０の長さをさらに延ばし、発電量を増加させることができる。

なお、実施の形態では、熱電素子５０がフィン１１ａの端部の中心付近で折り返す例について説明したが、これに限定されない。熱電素子５０は、第２熱交換器５の排水性を阻害にないように、フィン１１ａの上部にのみ形成されてもよい。

なお、実施の形態では、熱電部材２０が端子５３によって接続される例について説明したが、これに限定されない。端子５３の代わりに、フィン１１ａを屈曲させて、隣接したフィン１１ａに配置される熱電部材２０を互いに接触させてもよい。

なお、実施の形態では、熱電部材２０の一部が突出部１５に沿って配置される例について説明したが、これに限定されない。熱電部材２０は、突出部１５に代わって、伝熱管１４の外周に接触するフィン１１ａに形成されてもよい。このような構成により、熱電部材２０は熱交換が行われる箇所に配置されるため、熱電部材２０における温度差を増加させることができる。また、後述の変形例１のように、熱電部材２０に含まれる熱電素子５０は、フィン１１ａの上流側の端部に沿って、１ターンを形成するように配置されてもよい。

なお、実施の形態では、熱電素子５０が１ターンを形成するように配置される例について説明したが、これに限定されない。例えば、後述の変形例２のように、熱電素子５０が、２ターンを形成するように配置されてもよい。また、熱電素子５０が、３以上のターンを形成するように配置されてもよい。

（変形例１）
図９は実施の形態の変形例１の熱電素子６０を示す図である。図９に示すように、熱電素子６０は、フィン１１ａにおいて、連続したライン状に配置される。

変形例１では、フィン１１ａの主面Ｐ１において、熱電素子６０のより多くが上流側の端部に配置されている点において、実施形態の熱電素子５０と異なる。より具体的には、熱電素子６０は、第１熱電素子６０Ａと、第２熱電素子６０Ｂとを有する。第１熱電素子６０Ａは、フィン１１ａの主面Ｐ１において、上流側の端部に沿って配置される。第２熱電素子６０Ｂは、伝熱管１４よりも上流側で、第１熱電素子６０Ａに沿って、第１熱電素子６０Ａの下流側に配置される。第１熱電素子６０Ａと、第２熱電素子６０Ｂとは一体的に形成される。

第１熱電素子６０Ａは、上流側の端部に沿って、－Ｚ方向に向かって直線状に延びる。第２熱電素子６０Ｂは、＋Ｚ方向に向かって直線状に延びる。第２熱電素子６０Ｂは、第１熱電素子６０Ａと間隔を有して、第１熱電素子６０Ａより中心側のフィン１１ａに配置される。

このような構成により、即ち、空気の温度Ｔが低いフィン１１ａの箇所に熱電素子６０を配置することにより、熱電素子６０の第１面Ｒ１と第２面Ｒ２との間において温度差を形成することができる。したがって、熱電素子６０の発電量を向上させることができる。

（変形例２）
図１０Ａは実施の形態の変形例２の熱電素子７０を示す図である。図１０Ｂは、図１１Ａにおける熱電素子７０の一部の拡大図である。図１０Ａ及び図１０Ｂに示すように、熱電素子７０は、フィン１１ａにおいて、連続したライン状に配置される。

変形例２では、フィン１１ａの主面Ｐ１において、熱電素子７０のターン数を増やしている点において、実施形態の熱電素子５０と異なる。より具体的には、熱電素子７０は、２ターンによって形成される。熱電素子７０は、１ターン目を構成する第１熱電素子７０A及び第２熱電素子７０Ｂと、２ターン目を構成する第３熱電素子７０Ｃ及び第４熱電素子７０Ｄとを有する。第１熱電素子７０Ａは、フィン１１ａの主面Ｐ１において、上流側の端部に沿って配置される。第２熱電素子７０Ｂ、第３熱電素子７０Ｃ、第４熱電素子７０Ｄは、第１熱電素子７０Ａの下流側に順に配置される。熱電素子７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄは一体的に形成される。

第１熱電素子７０Ａは、フィン１１ａの主面Ｐ１において、上流側の端部に沿って配置される。第２熱電素子７０Ｂは、伝熱管１４よりも上流側で、第１熱電素子６０Ａに沿って、第１熱電素子６０Ａの下流側に配置される。第３熱電素子７０Cは、第２熱電素子７０Ｂと間隔を有して、第２熱電素子７０Ｂより中心側のフィン１１ａに配置され、－Ｚ方向に向かって直線状に延びる。第４熱電素子７０Ｄは、伝熱管１４の周囲に形成される突出部１５に沿って曲線状に配置される。第４熱電素子７０Ｄは、突出部１５の外周の一部に沿って形成されてもよく、変形例２において、突出部１５の上流側の半周に沿って形成される。突出部１５の上流側の半周に沿って形成されるそれぞれの第４熱電素子７０Ｄの部分は、Ｚ方向に延びる第４熱電素子７０Ｄの部分によって互いに連結される。

このような構成により、フィン１１ａと空気との間で温度差が形成されるフィン１１ａの上流側に熱電素子７０を集中させつつ、熱電素子７０を長く形成し、熱電素子７０の発電量を増加させることができる。

なお、２ターン目の熱電素子７０Ｃ、７０Ｄは、１ターン目の熱電素子７０Ａ、７０Ｂと同様に、直線状に延びてもよい。

なお、熱電素子５０が磁性膜５１を有する例について説明したが、これに限定されない。例えば、後述の変形例３のように、熱電素子は磁性膜５１以外の膜を有してもよい。

（変形例３）
図１１は、変形例３の熱電素子８０を示す図である。熱電素子８０は、第１面Ｒ１１を形成し、磁性を有する電気絶縁体によって形成される絶縁膜８７と、絶縁膜８７に配置され、第２面Ｒ１２を形成し、電気伝導体で形成される伝導膜８１と、を有する。このような構成によって、熱電素子８０を含む熱電部材は、スピンゼーベック効果によって、効率良く発電できる。また、熱電素子８０が母材１６との間で絶縁膜８７を有するため、絶縁膜１７を形成しないフィンにも適用することができる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施の形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本開示のヒートポンプシステムは、排熱を電力として回収し、排熱の回収効率を向上させることができるため、空気調和機、給湯器等として有用である。

１００ ヒートポンプシステム
１ 室内機
２ 室外機
３ 冷媒配管
４ 第１熱交換器
５ 第２熱交換器
６ 圧縮機
７ 膨張機構
８ 四方弁
９ ファン
１０ 制御部
１１ａ、１１ｂ フィン
１２ 第１列
１３ 第２列
１４ 伝熱管
１５ 突出部
１６ 母材
２０ 熱電部材
５０ 熱電素子
５１ 磁性膜
５２ 絶縁膜
５３ 端子
５４ 整流部
５５ 蓄電部

Claims (17)

1. 冷媒配管によって順に接続された第１熱交換器と、圧縮機と、第２熱交換器と、膨張機構と、を備えるヒートポンプシステムであって、
   前記第１熱交換器または前記第２熱交換器の少なくとも一方に配置され、温度差を電気エネルギに変換する熱電部材を備える、ヒートポンプシステム。
2. 前記第２熱交換器は、室外に配置され、
   前記熱電部材は、前記第２熱交換器に物理的に接触している第１面と、前記第１面と対向し、外気に面した第２面とを有する、請求項１に記載のヒートポンプシステム。
3. 前記熱電部材は垂直熱電素子である、請求項２に記載のヒートポンプシステム。
4. 前記熱電部材は、磁性体によって形成される磁性膜を有する、請求項３に記載のヒートポンプシステム。
5. 前記熱電部材は、
   前記第１面を形成し、磁性絶縁体によって形成される絶縁膜と、
   前記絶縁膜に配置され、前記第２面を形成し、伝導体で形成される伝導膜と、を有する、請求項３に記載のヒートポンプシステム。
6. 前記第２熱交換器は、複数のフィンと、前記複数のフィンに接触し、冷媒を循環させる伝熱流路機構と、を有し、
   複数の前記熱電部材を有し、
   前記複数の熱電部材は、前記複数のフィンのそれぞれに連続したライン状に配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
7. 前記熱電部材は、フィン毎に直列に接続される、請求項６に記載のヒートポンプシステム。
8. 前記熱電部材は、蛇行する、請求項６または７に記載のヒートポンプシステム。
9. 前記複数のフィンに外気を供給するファンをさらに有する、請求項６から８のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
10. 前記熱電部材は、前記複数のフィンの主面において、前記ファンによって供給される外気に対して上流側に配置される、請求項９に記載のヒートポンプシステム。
11. 前記熱電部材は、前記ファンによって供給される外気に対して上流側の端部に配置される、請求項１０に記載のヒートポンプシステム。
12. 前記熱電部材は、前記伝熱流路機構の周囲の前記複数のフィンに配置される、請求項９から１１のいずれかに記載のヒートポンプシステム。
13. 前記複数のフィンは、フィンを形成する主面から突出する突出部を有し、
    前記熱電部材は、前記突出部に沿って配置される、請求項９から１２のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
14. 前記複数のフィンは、第１列と、前記第１列の下流側に隣接して配置される第２列と、に配列され、
    前記伝熱流路機構は、前記複数のフィンを貫通する伝熱管を有し、
    前記第１列を貫通する前記伝熱管と、前記第２列を貫通する前記伝熱管とは、前記ファンによる外気の供給方向に対してずれており、
    前記熱電部材は、前記第１列及び前記第２列における前記複数のフィンの主面において、前記ファンによって供給される外気に対して上流側に配置される、請求項１３に記載のヒートポンプシステム。
15. 前記熱電部材に接続され、前記熱電部材に変換された電気エネルギを蓄える蓄電部をさらに有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
16. 前記冷媒配管内における冷媒が流れる方向を変更する四方弁と、
    前記熱電部材に接続され、前記冷媒が流れる方向に応じて、電流の方向を変更する整流部と、をさらに備える、請求項１から１５のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。
17. 前記熱電部材に接続される端子は、前記第２熱交換器の上部に配置される、請求項１から１６のいずれか一項に記載のヒートポンプシステム。

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