JP3653548B2 - 熱電素子融雪システム - Google Patents
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- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電素子を用いた融雪システム、特に熱電素子のペルチェ効果に基づく吸熱・放熱作用を利用して、地下水に頼ることなしに、地熱で地面（路面）の融雪を行なうことに関する。本明細書においては「融雪」の語を「氷」や「雪」を解かす意で用いる。
【０００２】
冬季の寒冷地における地面の融雪処理を、地盤沈下の原因となる地下水の汲み上げを要することなしに、低コストで効率的に行なうことが望ましく、本発明はこのような要請に応えるものである。
【０００３】
【従来の技術】
図２は、従来の融雪発電装置（特開２０００−１７０１１２号公報参照）を示す説明図であり、５１は両端部の温度差に基づく熱起電力（ゼーベック効果）を生じる複数の熱電素子，５２は当該熱電素子それぞれの上端側を接続して雪の載置面にもなるアルミ板，５３は当該熱電素子それぞれの下端側を接続したアルミ板，５４は上下のアルミ板５２，５３の端部に設けた補強材，５５は下側のアルミ板５３の下面側に地下水を流すためのパイプ，５６は地下水供給用の井戸，５７は井戸５６の地下水を汲み上げてパイプ５５に送るためのポンプをそれぞれ示している。
【０００４】
この融雪発電装置は、冬でも１４℃程度に維持される地下水の熱エネルギーを利用した融雪および発電を行なっている。
【０００５】
すなわち、井戸５６の地下水をポンプ５７で汲み上げてパイプ５５に送ることにより、
・地下水の熱エネルギーを上側のアルミ板５２に伝えてその上の雪を解かし、
・地下水の熱エネルギーを直に受ける下側のアルミ板５３と、雪の載置面でもある上側のアルミ板５２との温度差に基づく各熱電素子５１の熱起電力（ゼーベック効果）を発生させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の地下熱を利用する融雪，発電手法の場合、融雪用の地下水をポンプなどで積極的に汲み上げてから地面近くに流しているので、そのための地下水供給用の設備が新たに必要となり、融雪・発電処理コストが高くなるという問題点があった。
【０００７】
また、積極的な地下水の汲み上げにともなって地盤沈下が生じやすく、自然環境保護の面からも望ましくないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明では、地面の近く（地中）に複数の熱電素子を設置して、もともと地中に潜在している地熱を熱電素子の一方（地中下方側）から吸収して他方（地面側）に放出し、これにより自然環境保護を配慮しつつ処理コストの低減化を図った融雪システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を次のようにして解決する。
（１）熱電素子を用いて地面に対する融雪処理を行なう融雪システムにおいて、通電動作により地中の地熱を吸収して地面側に放出するための複数の前記熱電素子からなる加熱手段を、前記地面に近い地中部分に設置する。
（２）上記（１）の加熱手段として、第１の前記熱電素子および第２の前記熱電素子が順に地面側の金属電極と地中側の金属電極とで交互に直列接続されたものを用いる。
【００１０】
本発明によれば、上記（１），（２）のように、冬季における地中の熱エネルギーを、複数の通電状態の熱電素子でいわば吸い上げてから地面に放出し、これにより熱電素子のヒートポンプ作用を積極的に利用した融雪処理を、地下水の汲み上げを行なうことなしに、実行している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１（ａ）に基づいて説明する。
【００１３】
本発明の対象は、道路，公園，広場，グランドなどであるが、以下の記載では、説明の便宜上、舗装道路の場合について述べる。
【００１４】
図１（ａ）は、舗装道路の路面部分における融雪システムを示す説明図である。なお、（ｂ）は同じく路面部分における熱電素子を用いた発電システムを示している。
【００１５】
図１において、
１０は路面，１１は表層，１２は基層，１３は路盤層，１４は積雪部分，
２０は基層１２（または表層１１）に設置した加熱・発電手段，２１はこの加熱・発電手段を構成するｐ形熱電半導体（熱電素子），２２は同じくｎ形熱電半導体（熱電素子），２３は上側（路面側）の金属電極，２４は下側（地中側）の金属電極，２５は各熱電半導体に供給する電流Ｉの大きさなどを制御するコントローラ，２６は各熱電半導体の熱起電力Ｅを取り出す出力端子，２７は太陽，
をそれぞれ示している。
【００１６】
加熱・発電手段２０は、ｐ形熱電半導体２１およびｎ形熱電半導体２２を上下交互の金属電極２３，２４で直列に接続したものである。
【００１７】
この接続構造の基本ユニットは、Π型（または逆Π型）の接合回路であり、
・上側の一つの金属電極２３
・この金属電極２３に接続したいわば隣同士のｐ形熱電半導体２１およびｎ形熱電半導体２２
・このｐ形熱電半導体２１に接続した下側の第１の金属電極２４
・このｎ形熱電半導体２２に接続した下側の第２の金属電極２４
からなっている。
【００１８】
熱電半導体としては、例えばビスマス・テルル系（ｎ形）やビスマス・アンチモン・テルル系（ｐ形）の粉末焼結体を用いる。この材料の曲げ強度は８００〜１４００kgf/cm2である。β・FeSi2 系材料などを用いてもよい。
【００１９】
このように曲げ強度が大きいため、熱電素子の厚さは２cm程度にまで薄くすることができる。
【００２０】
金属電極２３，２４の抵抗率および熱伝導率は熱電半導体に比べてはるかに小さく、その接合部（素子接合部）が金属電極２３，２４および熱電半導体２１，２２の端子電極となっている。
【００２１】
加熱・発電手段２０を融雪処理に用いる場合には、図１（ａ）に示すように、そのｐ形熱電半導体２１とｎ形熱電半導体２２との直列回路に直流電流Ｉを流す。
【００２２】
電流Ｉの大きさ，オン・オフのタイミングなどはコントローラ２５によって制御される。例えば外気温度を検出して、コントローラ２５はこれに対応した大きさの電流を設定する。
【００２３】
ここでは、積雪を１時間でとかすために必要なエネルギーを供給することを基本とし、それで不足した場合には付加電流を流す。例えば初期電流は0.01Ａとし、付加電流は１Ａまで上げられるものとする。
【００２４】
この直流電流が流れることにより、各熱電半導体の地中側接合部（金属電極２４）では地熱の吸熱作用が生じ、もう一方の路面側接合部（金属電極２３）では当該吸熱分の発熱作用が生じる。
【００２５】
このようなペルチェ効果に基づくヒートポンプ作用によって路面１０が加熱され、当該路面上の積雪がとけていく。
【００２６】
加熱・発電手段２０による路面発電処理の場合、図１（ｂ）に示すように、各熱電素子の路面側接合部と地中側接合部との温度差に基づく直流電流Ｉ′が、当接素子の接合回路に流れる。
【００２７】
例えば夏期の場合、昼間の地表面（路面）温度は７０℃以上に達し、この地表面と地中との温度差に基づく熱起電力Ｅが加熱・発電手段２０の出力端子２６から取り出される。
【００２８】
そして、この熱起電力Ｅに基づく直流電流が各熱電素子を流れることにより、上述の融雪処理のときと同じように、高温の接合部では吸熱作用が生じ、低温の接合部では発熱作用が生じる。
【００２９】
この夏期の場合の吸熱・発熱作用は、地表面の太陽熱エネルギーを上側の金属電極２３で吸収して下側の金属電極２４から地中に放出する作用となる。
【００３０】
これにより、特に都市部で深刻な問題となっているヒートアイランド現象の程度を抑えて、気温の低減化を図ることができる。
【００３１】
道路の表層（アスファルト舗装）を５cmとし、その下側の基層に、厚さが５，１０，１５，２０cmの各地表面発電システムを設置した場合の地表面温度の最高値は、この発電システムを設置しない場合に比べて 0.8℃〜 3.7℃低下した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、このように、冬季における地中の熱エネルギーを、複数の通電状態の熱電素子でいわば吸い上げてから地面の表面部分に放出しているので、熱電素子のヒートポンプ作用を積極的に利用した融雪処理を、地下水の汲み上げを行なうことなしに、実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の、舗装道路の路面部分における融雪システムを示す説明図（ａ）である。（ｂ）は同じく路面部分における熱電素子を用いた発電システムを示している。
【図２】 従来の、融雪発電装置（特開２０００−１７０１１２号公報参照）を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：路面
１１：表層
１２：基層
１３：路盤層
１４：積雪部分
２０：加熱・発電手段
２１：ｐ形熱電半導体（熱電素子）
２２：ｎ形熱電半導体（熱電素子）
２３：上側（路面側）の金属電極
２４：下側（地中側）の金属電極
２５：電流Ｉのコントローラ
２６：各熱電半導体の熱起電力Ｅを取り出す出力端子
２７：太陽
５１：熱電素子
５２，５３：アルミ板
５４：アルミ板の端部に設けた補強材
５５：地下水を流すためのパイプ
５６：地下水供給用の井戸
５７：地下水を汲み上げてパイプに送るためのポンプ
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電素子を用いた融雪システム、特に熱電素子のペルチェ効果に基づく吸熱・放熱作用を利用して、地下水に頼ることなしに、地熱で地面（路面）の融雪を行なうことに関する。本明細書においては「融雪」の語を「氷」や「雪」を解かす意で用いる。
【０００２】
冬季の寒冷地における地面の融雪処理を、地盤沈下の原因となる地下水の汲み上げを要することなしに、低コストで効率的に行なうことが望ましく、本発明はこのような要請に応えるものである。
【０００３】
【従来の技術】
図２は、従来の融雪発電装置（特開２０００−１７０１１２号公報参照）を示す説明図であり、５１は両端部の温度差に基づく熱起電力（ゼーベック効果）を生じる複数の熱電素子，５２は当該熱電素子それぞれの上端側を接続して雪の載置面にもなるアルミ板，５３は当該熱電素子それぞれの下端側を接続したアルミ板，５４は上下のアルミ板５２，５３の端部に設けた補強材，５５は下側のアルミ板５３の下面側に地下水を流すためのパイプ，５６は地下水供給用の井戸，５７は井戸５６の地下水を汲み上げてパイプ５５に送るためのポンプをそれぞれ示している。
【０００４】
この融雪発電装置は、冬でも１４℃程度に維持される地下水の熱エネルギーを利用した融雪および発電を行なっている。
【０００５】
すなわち、井戸５６の地下水をポンプ５７で汲み上げてパイプ５５に送ることにより、
・地下水の熱エネルギーを上側のアルミ板５２に伝えてその上の雪を解かし、
・地下水の熱エネルギーを直に受ける下側のアルミ板５３と、雪の載置面でもある上側のアルミ板５２との温度差に基づく各熱電素子５１の熱起電力（ゼーベック効果）を発生させている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来の地下熱を利用する融雪，発電手法の場合、融雪用の地下水をポンプなどで積極的に汲み上げてから地面近くに流しているので、そのための地下水供給用の設備が新たに必要となり、融雪・発電処理コストが高くなるという問題点があった。
【０００７】
また、積極的な地下水の汲み上げにともなって地盤沈下が生じやすく、自然環境保護の面からも望ましくないという問題点があった。
【０００８】
そこで、本発明では、地面の近く（地中）に複数の熱電素子を設置して、もともと地中に潜在している地熱を熱電素子の一方（地中下方側）から吸収して他方（地面側）に放出し、これにより自然環境保護を配慮しつつ処理コストの低減化を図った融雪システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を次のようにして解決する。
（１）熱電素子を用いて地面に対する融雪処理を行なう融雪システムにおいて、通電動作により地中の地熱を吸収して地面側に放出するための複数の前記熱電素子からなる加熱手段を、前記地面に近い地中部分に設置する。
（２）上記（１）の加熱手段として、第１の前記熱電素子および第２の前記熱電素子が順に地面側の金属電極と地中側の金属電極とで交互に直列接続されたものを用いる。
【００１０】
本発明によれば、上記（１），（２）のように、冬季における地中の熱エネルギーを、複数の通電状態の熱電素子でいわば吸い上げてから地面に放出し、これにより熱電素子のヒートポンプ作用を積極的に利用した融雪処理を、地下水の汲み上げを行なうことなしに、実行している。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１（ａ）に基づいて説明する。
【００１３】
本発明の対象は、道路，公園，広場，グランドなどであるが、以下の記載では、説明の便宜上、舗装道路の場合について述べる。
【００１４】
図１（ａ）は、舗装道路の路面部分における融雪システムを示す説明図である。なお、（ｂ）は同じく路面部分における熱電素子を用いた発電システムを示している。
【００１５】
図１において、
１０は路面，１１は表層，１２は基層，１３は路盤層，１４は積雪部分，
２０は基層１２（または表層１１）に設置した加熱・発電手段，２１はこの加熱・発電手段を構成するｐ形熱電半導体（熱電素子），２２は同じくｎ形熱電半導体（熱電素子），２３は上側（路面側）の金属電極，２４は下側（地中側）の金属電極，２５は各熱電半導体に供給する電流Ｉの大きさなどを制御するコントローラ，２６は各熱電半導体の熱起電力Ｅを取り出す出力端子，２７は太陽，
をそれぞれ示している。
【００１６】
加熱・発電手段２０は、ｐ形熱電半導体２１およびｎ形熱電半導体２２を上下交互の金属電極２３，２４で直列に接続したものである。
【００１７】
この接続構造の基本ユニットは、Π型（または逆Π型）の接合回路であり、
・上側の一つの金属電極２３
・この金属電極２３に接続したいわば隣同士のｐ形熱電半導体２１およびｎ形熱電半導体２２
・このｐ形熱電半導体２１に接続した下側の第１の金属電極２４
・このｎ形熱電半導体２２に接続した下側の第２の金属電極２４
からなっている。
【００１８】
熱電半導体としては、例えばビスマス・テルル系（ｎ形）やビスマス・アンチモン・テルル系（ｐ形）の粉末焼結体を用いる。この材料の曲げ強度は８００〜１４００kgf/cm2である。β・FeSi2 系材料などを用いてもよい。
【００１９】
このように曲げ強度が大きいため、熱電素子の厚さは２cm程度にまで薄くすることができる。
【００２０】
金属電極２３，２４の抵抗率および熱伝導率は熱電半導体に比べてはるかに小さく、その接合部（素子接合部）が金属電極２３，２４および熱電半導体２１，２２の端子電極となっている。
【００２１】
加熱・発電手段２０を融雪処理に用いる場合には、図１（ａ）に示すように、そのｐ形熱電半導体２１とｎ形熱電半導体２２との直列回路に直流電流Ｉを流す。
【００２２】
電流Ｉの大きさ，オン・オフのタイミングなどはコントローラ２５によって制御される。例えば外気温度を検出して、コントローラ２５はこれに対応した大きさの電流を設定する。
【００２３】
ここでは、積雪を１時間でとかすために必要なエネルギーを供給することを基本とし、それで不足した場合には付加電流を流す。例えば初期電流は0.01Ａとし、付加電流は１Ａまで上げられるものとする。
【００２４】
この直流電流が流れることにより、各熱電半導体の地中側接合部（金属電極２４）では地熱の吸熱作用が生じ、もう一方の路面側接合部（金属電極２３）では当該吸熱分の発熱作用が生じる。
【００２５】
このようなペルチェ効果に基づくヒートポンプ作用によって路面１０が加熱され、当該路面上の積雪がとけていく。
【００２６】
加熱・発電手段２０による路面発電処理の場合、図１（ｂ）に示すように、各熱電素子の路面側接合部と地中側接合部との温度差に基づく直流電流Ｉ′が、当接素子の接合回路に流れる。
【００２７】
例えば夏期の場合、昼間の地表面（路面）温度は７０℃以上に達し、この地表面と地中との温度差に基づく熱起電力Ｅが加熱・発電手段２０の出力端子２６から取り出される。
【００２８】
そして、この熱起電力Ｅに基づく直流電流が各熱電素子を流れることにより、上述の融雪処理のときと同じように、高温の接合部では吸熱作用が生じ、低温の接合部では発熱作用が生じる。
【００２９】
この夏期の場合の吸熱・発熱作用は、地表面の太陽熱エネルギーを上側の金属電極２３で吸収して下側の金属電極２４から地中に放出する作用となる。
【００３０】
これにより、特に都市部で深刻な問題となっているヒートアイランド現象の程度を抑えて、気温の低減化を図ることができる。
【００３１】
道路の表層（アスファルト舗装）を５cmとし、その下側の基層に、厚さが５，１０，１５，２０cmの各地表面発電システムを設置した場合の地表面温度の最高値は、この発電システムを設置しない場合に比べて 0.8℃〜 3.7℃低下した。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、このように、冬季における地中の熱エネルギーを、複数の通電状態の熱電素子でいわば吸い上げてから地面の表面部分に放出しているので、熱電素子のヒートポンプ作用を積極的に利用した融雪処理を、地下水の汲み上げを行なうことなしに、実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の、舗装道路の路面部分における融雪システムを示す説明図（ａ）である。（ｂ）は同じく路面部分における熱電素子を用いた発電システムを示している。
【図２】 従来の、融雪発電装置（特開２０００−１７０１１２号公報参照）を示す説明図である。
【符号の説明】
１０：路面
１１：表層
１２：基層
１３：路盤層
１４：積雪部分
２０：加熱・発電手段
２１：ｐ形熱電半導体（熱電素子）
２２：ｎ形熱電半導体（熱電素子）
２３：上側（路面側）の金属電極
２４：下側（地中側）の金属電極
２５：電流Ｉのコントローラ
２６：各熱電半導体の熱起電力Ｅを取り出す出力端子
２７：太陽
５１：熱電素子
５２，５３：アルミ板
５４：アルミ板の端部に設けた補強材
５５：地下水を流すためのパイプ
５６：地下水供給用の井戸
５７：地下水を汲み上げてパイプに送るためのポンプ
Claims (2)
- 熱電素子を用いて地面に対する融雪処理を行なう融雪システムにおいて、
通電動作により地中の地熱を吸収して地面側に放出するための複数の前記熱電素子からなる加熱手段を、前記地面に近い地中部分に設置した、
ことを特徴とする熱電素子融雪システム。 - 前記加熱手段は、第１の前記熱電素子および第２の前記熱電素子が順に地面側の金属電極と地中側の金属電極とで交互に直列接続されたものである、
ことを特徴とする請求項１記載の熱電素子融雪システム。
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|---|---|---|---|
| JP2002197080A JP3653548B2 (ja) | 2002-07-05 | 2002-07-05 | 熱電素子融雪システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002197080A JP3653548B2 (ja) | 2002-07-05 | 2002-07-05 | 熱電素子融雪システム |
Publications (2)
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|---|---|
| JP2004039966A JP2004039966A (ja) | 2004-02-05 |
| JP3653548B2 true JP3653548B2 (ja) | 2005-05-25 |
Family
ID=31704943
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002197080A Expired - Lifetime JP3653548B2 (ja) | 2002-07-05 | 2002-07-05 | 熱電素子融雪システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3653548B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2002
- 2002-07-05 JP JP2002197080A patent/JP3653548B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
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| CN103276652A (zh) * | 2013-05-23 | 2013-09-04 | 陈瑞文 | 应用天然资源的路面自动除冰系统 |
| CN103276652B (zh) * | 2013-05-23 | 2016-04-27 | 陈瑞文 | 应用天然资源的路面自动除冰系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JP2004039966A (ja) | 2004-02-05 |
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