JP6669256B2 - 熱電変換モジュール、センサモジュール及び情報処理システム - Google Patents

熱電変換モジュール、センサモジュール及び情報処理システム Download PDF

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Description

本発明は、熱電変換モジュール、センサモジュール及び情報処理システムに関する。
例えばセンサーネットワークを構築する場合などに課題となる電源線及び信号線が不要となる、環境発電の利用が有望である。環境発電としては、太陽光発電のほかに、温度差があれば発電できる熱電変換素子を用いた発電が有力である。
例えば、熱源の温度の経時変化を利用して熱電変換素子に温度差を生じさせるものがある。この場合、熱電変換素子の一方の面に熱源を接触させ、他方の面には蓄熱材を接触させる。そして、熱源の温度が経時的に変化することによって、蓄熱材との間に温度差が発生し、この温度差に応じて熱電変換素子が発電する。
また、例えば、発電量を大きくするために、異なる動作温度を有する複数の蓄熱材を用いるものもある。
国際公開第２０１２／１３３７９０号 国際公開第２０１３／０９９９４３号
ところで、発電量を大きくするために、異なる動作温度を有する複数の蓄熱材を用いる場合、複数の蓄熱材を、それぞれ、異なる容器に入れ、容器を介してそれぞれの蓄熱材に伝熱されるようにすることが考えられる。
しかしながら、熱電変換モジュールが大型化してしまうことになる。
本発明は、大型化を招くことなく、発電量を大きくすることを目的とする。
１つの態様では、熱電変換モジュールは、熱電変換素子と、容器と、容器内に設けられた蓄熱材と、熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、かつ、蓄熱材に熱的に接続された第１伝熱部材とを備え、第１伝熱部材は、蓄熱材よりも熱伝導率が高く、かつ、蓄熱材と異なる転移温度を持つ固相−固相相転移系蓄熱材からなる部分を含む。
また、１つの態様では、センサモジュールは、センサと、センサに電気的に接続された、上述の熱電変換モジュールとを備える。
また、１つの態様では、情報処理システムは、上述のセンサモジュールと、センサモジュールによって得られたデータを処理するコンピュータとを備える。
１つの側面として、大型化を招くことなく、発電量を大きくすることができるという効果を有する。
第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールにおける固相−固相相転移系蓄熱材及び液相−固相相転移系蓄熱材の温度変化と潜熱量の関係を示す図である。 （Ａ）は、５月２２日から５月３０日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示す図であり、（Ｂ）は、２月３日から３月３日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示す図である。 金属製のヒートシンクを用いた熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。 第１実施形態にかかる熱電変換モジュールの変形例の構成を示す模式的断面図である。 （Ａ）は実施例１の熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図であり、（Ｂ）は比較例１の熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図であり、（Ｃ）は比較例２の熱電変換モジュールの構成を示す模式的断面図である。 第２実施形態にかかるセンサモジュールの構成を示す模式図である。 第２実施形態にかかるセンサモジュールを用いた情報処理システムの構成を示す模式図である。 第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第１適用例を示す模式図である。 第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第２適用例を示す模式図である。 第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第３適用例を示す模式図である。 第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第４適用例を示す模式図である。 第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムの第５適用例を示す模式図である。
以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる熱電変換モジュール、センサモジュール及び情報処理システムについて説明する。
［第１実施形態］
まず、本実施形態にかかる熱電変換モジュールについて、図１〜図１２を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる熱電変換モジュールは、環境発電の中の温度差があれば発電できる熱電変換素子を用いた発電に用いられるものである。
本実施形態の熱電変換モジュールは、蓄熱材を用いて熱電変換素子の両側に温度差を生じさせるものであって、図１に示すように、熱電変換素子１と、容器２と、蓄熱材３と、第１伝熱部材４とを備える。
なお、熱電変換素子１を、熱電変換デバイス、熱電素子又は熱電デバイスともいう。また、熱電変換モジュール５を熱電モジュール、熱電発電モジュール、潜熱利用熱電発電モジュール、電源モジュール、熱電変換装置、又は、熱電発電装置ともいう。また、第１伝熱部材４をヒートシンクともいう。
ここで、熱電変換素子１は、例えば、配線を形成した２枚の基板間にｐ型熱電材料とｎ型熱電材料を交互に並べて接続した構造になっている。そして、熱電変換素子１は、一方の側が放熱側となり、一方の側の反対側が熱源側となるように設けられる。つまり、熱電変換素子１の一方の側には、第１伝熱部材４が熱的に接続され、一方の側の反対側には、熱源７が熱的に接続される。
容器２は、例えば樹脂などの断熱材からなる断熱容器（例えば樹脂製容器）である。これにより、容器２内に入れられた蓄熱材３と外部とが断熱されることになる。これにより、蓄熱材３の潜熱を効率良く利用することが可能となる。なお、断熱容器は熱抵抗の高い容器である。
蓄熱材３は、容器２内に設けられている。ここで、蓄熱材３は、潜熱蓄熱材であって、例えば、硫酸ナトリウム水和物や酢酸ナトリウム水和物などの無機水和塩、水、パラフィンなどの有機物化合物などを用いることができる。このような潜熱蓄熱材を、液相−固相相転移系蓄熱材ともいう。なお、液相−固相相転移系蓄熱材を、液相−固相相転移系潜熱蓄熱材ともいう。
ここで、水は、転移温度（融点）０℃、融解潜熱３３６ｋＪ／ｋｇ、熱伝導率２．２／０．６（−１０℃／２０℃）Ｗ／ｍＫ、密度１．０／０．９１７（−１０℃／２０℃）ｇ／ｃｍ３である。
硫酸ナトリウム水和物としての硫酸ナトリウム・１０水塩は、転移温度（融点）３２．４℃、融解潜熱２５１ｋＪ／ｋｇ、熱伝導率０．１９／０．２２（１２℃／３７℃）Ｗ／ｍＫ、密度１．３９／１．４１（１０℃／４０℃）ｇ／ｃｍ３である。
酢酸ナトリウム水和物としての酢酸ナトリウム・３水塩は、転移温度（融点）５５〜５８℃、融解潜熱２４１／２６４ｋＪ／ｋｇ、熱伝導率０．１８／０．３４（３２℃／４９℃）Ｗ／ｍＫ、密度１．３９／１．３５（２５℃／４７℃）ｇ／ｃｍ３である。
パラフィンは、転移温度（融点）−３０℃〜４５℃、融解潜熱１５０〜２５０ｋＪ／ｋｇ、熱伝導率０．１８／０．１５（固相／液相）Ｗ／ｍＫ、密度０．７８７／０．７６５（固相／液相）ｇ／ｃｍ３である。
第１伝熱部材４は、熱電変換素子１の一方の側に熱的に接続され、かつ、蓄熱材３に熱的に接続されている。ここでは、第１伝熱部材４は、容器２よりも熱伝導率が高い。この場合、熱源から熱電変換素子１及び第１伝熱部材４を介して蓄熱材３に伝熱されることになる。
また、第１伝熱部材４は、蓄熱材３よりも熱伝導率が高く、かつ、蓄熱材３と異なる転移温度を持つ固相−固相相転移系蓄熱材からなる部分を含む。なお、固相−固相相転移系蓄熱材は、潜熱蓄熱材であるため、固相−固相相転移系潜熱蓄熱材ともいう。
ここで、蓄熱材３よりも熱伝導率が高く、かつ、蓄熱材３と異なる転移温度を持つ固相−固相相転移系蓄熱材は、成分の一つとして金属（特に遷移金属）を含む固相−固相相転移系蓄熱材である。
このような固相−固相相転移系蓄熱材としては、例えば、酸化バナジウム（例えばＶO２化合物）、ＢａＴｉＯ３、Ｆｅ−Ｃｏなどがある。
ここで、酸化バナジウムは、転移温度−１００〜２００℃（例えば１０℃、２０℃、３０℃、４０℃等）、潜熱３０〜６０ｋＪ／ｋｇ、熱伝導率５Ｗ／ｍＫ、密度４．３ｇ／ｃｍ３である。
ＢａＴｉＯ３は、転移温度１３０℃、熱伝導率６Ｗ／ｍＫ、密度６．０２ｇ／ｃｍ３である。
Ｆｅ−Ｃｏは、転移温度７００〜１０００℃、熱伝導率１０Ｗ／ｍＫ、密度８ｇ／ｃｍ３である。
このように、発電量を大きくするために、異なる転移温度（動作温度）を有する２種類の蓄熱材を用い、そのうちの１種類を固相−固相相転移系蓄熱材としている。そして、固相−固相相転移系蓄熱材は、蓄熱材３よりも熱伝導率が高く、伝熱部材として機能しうる。そこで、蓄熱材３を容器２に入れ、熱源７から熱電変換素子１を介して蓄熱材３へ伝熱するために第１伝熱部材４を用い、この第１伝熱部材４を、固相−固相相転移系蓄熱材からなる部分を含むものとしている。この場合、固相−固相相転移系蓄熱材は、蓄熱材として機能するとともに、伝熱部材としても機能することになる。これにより、大型化を招くことなく、発電量を大きくすることができる。
本実施形態では、第１伝熱部材４は、熱電変換素子１の一方の側に熱的に接続されたベース部４Ａと、蓄熱材３に熱的に接続されたフィン４Ｂとを備え、ベース部４Ａ及びフィン４Ｂが、固相−固相相転移系蓄熱材からなる。この場合、第１伝熱部材４は、全体が固相−固相相転移系蓄熱材からなることになる。つまり、第１伝熱部材４は、ベース部４Ａ及びフィン４Ｂを有するものとして、固相−固相相転移系蓄熱材によって一体成形された成形体である。なお、フィン４Ｂを放熱フィン又は放熱器ともいう。また、フィン４Ｂはピンも含むものとする。
ここでは、フィン４Ｂは、ベース部４Ａにその表面から突出するように設けられており、フィン４Ｂ及びベース部４Ａの全体が容器２内に設けられている。そして、ベース部４Ａは蓄熱材３に接しないようにし、フィン４Ｂが蓄熱材３の中に浸漬されて、蓄熱材３に熱的に接続されている。このように、熱電変換素子１に熱的に接続されている第１伝熱部材４に備えられるフィン４Ｂの少なくとも一部が蓄熱材３に浸漬されている。
このように、第１伝熱部材４は、蓄熱材３の中に入れられており、かつ、熱電変換素子１から離れる方向へ延びるフィン４Ｂを有する。このようにして、熱電変換素子１に接触させた第１伝熱部材４に備えられるフィン４Ｂを、蓄熱材３内に挿入することで、蓄熱材３への熱伝導の効率化を図ることができる。
ここでは、ベース部４Ａと蓄熱材３が接しないように隙間を設けている。これは、ベース部４Ａは、熱源７に最も近く、体積もあるため、より多くの熱がためられており、ベース部４Ａが蓄熱材３に接していると、まず、ベース部４Ａに接している蓄熱材３から融解が始まり、ほどなく顕熱化して温度上昇に転じてしまうからである。なお、これに限られるものではなく、ベース部４Ａと蓄熱材３との間に、断熱材として、例えば樹脂板などを挿入するようにしても良い（例えば図１０参照）。
なお、これに限られるものではなく、例えば図２に示すように、第１伝熱部材４を、熱電変換素子１の一方の側に熱的に接続されたベース部４Ａと、蓄熱材３に熱的に接続されたフィン４Ｂとを備えるものとし、ベース部４Ａを、固相−固相相転移系蓄熱材からなるものとし、フィン４Ｂを、固相−固相相転移系蓄熱材とは異なる材料からなるものとしても良い。この場合、フィン４Ｂは、例えば金属等の高熱伝導率の材料からなるものとすれば良く、例えばアルミ製とすれば良い。
また、例えば図３に示すように、第１伝熱部材４を、熱電変換素子１の一方の側に熱的に接続されたベース部４Ａと、蓄熱材３に熱的に接続されたフィン４Ｂとを備えるものとし、フィン４Ｂを、固相−固相相転移系蓄熱材からなるものとし、ベース部４Ａを、固相−固相相転移系蓄熱材とは異なる材料からなるものとしても良い。この場合、ベース部４Ａは、例えば金属等の高熱伝導率の材料からなるものとすれば良く、例えばアルミ製とすれば良い。
また、例えば図４に示すように、第１伝熱部材４を、全体が固相−固相相転移系蓄熱材からなるものとし、蓄熱材３の中に入れられて、蓄熱材３に直接接することで、第１伝熱部材４が蓄熱材３に熱的に接続されるようにしても良い。この場合、フィン４Ｂを一体成形しても良いし、フィン４Ｂを備えないものとしても良い。
また、例えば図５に示すように、第１伝熱部材４を、全体が固相−固相相転移系蓄熱材からなるものとし、蓄熱材３と第１伝熱部材４との間に断熱材（例えば樹脂材）１４を設け、さらに、断熱材１４を貫通し、蓄熱材３と第１伝熱部材４とを熱的に接続し、かつ、固相−固相相転移系蓄熱材とは異なる材料からなるフィン１５を備えるものとしても良い。この場合、フィン１５は、例えば金属等の高熱伝導率の材料からなるものとすれば良く、例えばアルミ製とすれば良い。なお、断熱材１４は設けなくても良い。但し、断熱材１４を設けることで、蓄熱材３の第１伝熱部材４に直接接している部分から融解が始まり、ほどなく顕熱化して温度上昇に転じてしまうのを抑制することが可能となる。
本実施形態では、さらに、容器２に設けられ、容器２よりも熱伝導率が高い第２伝熱部材６を備える。この第２伝熱部材６は、例えば金属等の高熱伝導率の材料からなる。そして、熱電変換素子１は、容器２内に設けられており、一方の側の反対側、即ち、第１伝熱部材４が熱的に接続されている側の反対側が第２伝熱部材６に熱的に接続されている。なお、第２伝熱部材６を伝熱部品ともいう。
ここでは、容器２の開口部に第２伝熱部材６が設けられており、第２伝熱部材６は外部の熱源７に熱的に接続されており、容器外の熱源７からの熱が、第２伝熱部材６を介して熱電変換素子１に伝わり、熱電変換素子１を介して第１伝熱部材４に伝わって、第１伝熱部材４から蓄熱材３へ伝熱されるようになっている。
より具体的には、本実施形態では、図６に示すように、開口部１０Ａを有し、電子部品９が搭載されている基板１０を備える。そして、熱電変換素子１は、基板１０の開口部１０Ａに設けられ、基板１０に電気的に接続されている。また、基板１０は、外部接続端子１１に接続されている。なお、基板１０を回路基板ともいう。
以下、蓄熱材３として液相−固相相転移系蓄熱材を用いる場合を例に挙げて、より具体的に説明する。
ここでは、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）の転移温度をＴ１とし、液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）の転移温度をＴ２とする。この場合、Ｔ１≠Ｔ２であり、Ｔ１＞Ｔ２でもＴ１＜Ｔ２でも良いが、ここではＴ１＜Ｔ２とする。また、熱源の温度をＴとし、Ｔ＜Ｔ１からＴ＞Ｔ２まで徐々に上昇するものとする。また、図７は、固相−固相相転移系蓄熱材及び液相−固相相転移系蓄熱材の温度変化と潜熱量の関係を示す図である。
固相−固相相転移系蓄熱材の温度をＴＩ、液相−固相相転移系蓄熱材の温度をＴＩＩとすると、ＴＩ＜Ｔ１の時は、温度Ｔの熱源から熱電変換素子を介して流入する熱量に応じてＴＩは変化するため、熱電変換素子の特性であるゼーベック係数をＺ（Ｖ／Ｋ）とすると、開放電圧ＶＯＣは、次式（１）のようになる。
ＶＯＣ＝Ｚ×（Ｔ−ＴＩ）・・・（１）
少なくとも熱源と固相−固相相転移系蓄熱材の間には熱電変換素子が介在しているため、熱電変換素子の熱抵抗Ｒｔｈに応じて熱源と固相−固相相転移系蓄熱材の間には温度差が発生する。Ｔが変化している間はＴ＝ＴＩとなることはない。
ＴＩ＝Ｔ１に達すると、固相−固相相転移系蓄熱材は相転移を開始し、潜熱量を使い切るまで温度は変化しない（図７中、一点鎖線参照）。
このときの開放電圧ＶＯＣは、次式（２）のようになる。
ＶＯＣ＝Ｚ×（Ｔ−Ｔ１）・・・（２）
Ｔは上昇を続けているため、Ｔ−Ｔ１は大きくなっていき、熱電変換素子によって、大きな発電量を得ることができる。
液相−固相相転移蓄熱材は、熱伝導率が低く、熱抵抗が大きいため、固相−固相相転移系蓄熱材の潜熱を利用している間は、断熱材として働き、効率良く潜熱を利用することが可能となる。
その後、固相−固相相転移系蓄熱材の相転移が終了すると、即ち、潜熱量を使い切ると、ＴＩ＞Ｔ１となり、温度上昇する（図７中、一点鎖線参照）。
ＴＩＩ＜Ｔ２までは、液相−固相相転移系蓄熱材は固体であるが、固相−固相相転移系蓄熱材が更に温度上昇し、ＴＩＩ＝Ｔ２に達すると、液相−固相相転移系蓄熱材は相転移を開始し、即ち、融解が始まり、潜熱量を使い切るまで、即ち、すべて溶融するまで、温度は変わらない（図７中、二点鎖線参照）。
このときの開放電圧ＶＯＣは、次式（３）のようになる。
ここで、熱電変換素子の熱抵抗をＲｔｈ、固相−固相相転移系蓄熱材の熱抵抗をＲｓｏｌとする。
ＶＯＣ＝Ｚ×（Ｔ−ＴＩＩ）＝Ｚ×（Ｒｔｈ×（Ｔ−Ｔ２）／（Ｒｔｈ＋Ｒｓｏｌ））・・・（３）
ここで、開放電圧ＶＯＣの大きさを決めるのは、固相−固相相転移系蓄熱材の熱抵抗Ｒｓｏｌである。
そこで、固相−固相相転移系蓄熱材に必要な潜熱量を５００００Ｊとして、必要な体積及びそのときの熱抵抗を計算する。
例えば、固相−固相相転移系蓄熱材に酸化バナジウムを用いた場合、潜熱が４０ｋＪ／ｋｇなので１．２５ｋｇ必要であるが、密度が４．３ｇ／ｃｍ３であるため、体積は２９０．７ｃｍ３必要である。底面サイズを１０ｃｍ×１０ｃｍとすると２．９１ｃｍの高さである。酸化バナジウムの熱伝導率は、５Ｗ／ｍＫであるため、この熱抵抗は、次式（４）によって求められる。
（１／５）×２．９１×１０−２／（１０×１０−２）−２＝０．５８・・・（４）
このように、固相−固相相転移系蓄熱材に酸化バナジウムを用いた場合、熱抵抗Ｒｓｏｌは０．５８Ｋ／Ｗであり、大変小さいため、大きな開放電圧が得られ、大きな発電量が得られることになる。
また、熱抵抗が大変小さいため、固相−固相相転移系蓄熱材の潜熱を利用するとともに、その低熱抵抗を利用して、固相−固相相転移系蓄熱材の潜熱利用可能温度範囲外では、液相−固相相転移系蓄熱材３への伝熱部材（伝熱部品）として機能させることが可能である。
これに対し、酸化バナジウムの代わりにパラフィンを用いると、潜熱が２００ｋＪ／ｋｇなので０．２５ｋｇ必要であり、少量であるが、密度が０．７７ｇ／ｃｍ３であるため、体積は３２４．７ｃｍ３必要である。底面サイズを１０ｃｍ×１０ｃｍとすると３．２５ｃｍの高さである。パラフィンの熱伝導率は液相で０．１５Ｗ／ｍＫであるため、この熱抵抗は、次式（５）によって求められる。
（１／０．１５）×３．２５×１０−２／（１０×１０−２）−２＝２１．６５・・・（５）
このように、パラフィンを用いた場合、熱抵抗Ｒｓｏｌは２１．６５Ｋ／Ｗであり、酸化バナジウムを用いた場合と比較して、３７倍もの大きい熱抵抗となるため、開放電圧が小さくなり、発電量が小さくなる。
また、熱抵抗が大きいため、熱損失が大きく、熱電変換素子からの熱を蓄熱材に効率的に伝熱することは困難である。このため、転移温度の異なる２種類の蓄熱材を用いる場合に、パラフィンのような液相−固相相転移系蓄熱材を用いても、これを伝熱部材として機能させることは難しい。
したがって、本実施形態にかかる熱電変換モジュールによれば、大型化を招くことなく、発電量を大きくすることができるという効果がある。
特に、熱電変換モジュール５の潜熱利用可能な温度領域を広げることができ、熱電変換モジュール５の１台当たりの発電量を増大することができる。
つまり、上述のように、本実施形態の熱電変換モジュール５は、少なくとも２種類の転移温度の異なる蓄熱材の潜熱を効率よく利用可能とする高効率潜熱利用熱電発電装置である。
熱源７からの加熱によって熱電変換素子１を介して第１伝熱部材４を構成する固相−固相相転移系蓄熱材に伝熱するが、転移熱が利用されるまでは固相−固相相転移系蓄熱材の温度はあまり変化しないため、熱電変換素子１では、第１伝熱部材４を構成する固相−固相相転移系蓄熱材と熱源７との大きな温度差によって、大きな発電量が得られる。
さらに熱源７の温度が上昇すると、第１伝熱部材４を構成する固相−固相相転移系蓄熱材は、熱源７の温度変化に追従して温度変化するが、伝熱性が高いため、熱抵抗が小さく、熱電変換素子１と蓄熱材３との間の伝熱を妨げない。
蓄熱材３の温度は、潜熱を利用することによってあまり変化しないため、熱電変換素子１では、蓄熱材３と熱源７との大きな温度差によって、大きな発電量が得られる。
このように、熱源７の温度範囲が異なる場合であっても、即ち、熱源７の平均温度が変化するような場合であっても、大きな発電量が得られることになる。
このため、例えばマンホールのように、昼夜で構造物の一方の面と他方の面とで温度差が逆転するような環境下で、熱電変換素子１を用いて、昼夜問わず発電することが可能となる。
例えば、マンホールの蓋の温度は、季節ごとに変化するが、１週間〜１ヶ月単位でみると、ほぼ同じような振幅の周期変動をする。晴れの日においては最大値と最小値の差は夏場で２５〜３０℃、冬場で１５〜２０℃とかなり大きい。ここで、図８（Ａ）は、５月２２日から５月３０日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示しており、図８（Ｂ）は、２月３日から３月３日に測定したマンホールの蓋の温度変化を示している。
このような周期的な温度変化を繰り返すマンホールの蓋が熱源である場合、冷却側（放熱側）に蓄熱材を用いることは最適な選択である。この場合、マンホールの蓋の周期的な温度変化の最大値と最小値の中心となる温度に融点をもつ蓄熱材を使用することで、一日周期で融解・凝固を繰り返し、蓄熱材の潜熱量を最大限利用することができる。
マンホールの蓋の温度を利用した熱電発電では、マンホールの蓋の温度とマンホール内の温度との温度差を利用した発電が考えられるが、蓄熱材を用いずにヒートシンクだけを用いた発電では、熱電変換素子に生じる温度差は、マンホールの蓋の温度とマンホール内の温度との温度差よりもはるかに少ない温度差となってしまう。このため、少ない発電量しか得られない。これに対し、蓄熱材を冷却側に用いることで、熱電変換素子に生じる温度差は、マンホールの蓋の温度と蓄熱材の温度との温度差となり、温度差が大きくなるため、大きな発電量を得ることができる。例えば、無線通信によるデータ送信を想定したマンホールセンサに必要十分な発電量を得ることが可能となる。また、経年劣化なく、大きな発電量を得ることが可能となる。
特に、上述のように、転移温度の異なる２種類の蓄熱材を用いることで、熱源７の平均温度が変化するような場合であっても、大きな発電量が得られることになる。
ところで、上述のように構成しているのは、以下の理由による。
熱電変換素子は、主に複数のp型熱電半導体及びｎ型熱電半導体から構成されており、熱エネルギーを電気エネルギーに、また、電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する機能を持つ。この熱電変換素子の両側に温度差を与えると、ゼーベック効果によって電圧を発生する。この電圧を電気エネルギーとして取り出すようにしたものが熱電発電装置である。
このような熱電発電装置によって、熱エネルギーから電気エネルギーへの直接エネルギー変換が可能となり、廃熱利用に代表されるような熱エネルギーの有効な利用方法の一つとして注目を浴びている。
一般的な熱電変換素子は、ほぼ同じ長さで柱状のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体の両端部で対にして熱電対を作り、この熱電対を複数個平面的に並べて、ｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体が交互に規則的になるように配置し、この熱電対を電気的に直列に接続した構造を有する。
電気的に接続するための配線を形成するのは、例えばＳｉやセラミック材料などからなる２枚の基板で、この基板は、ｐ型熱電半導体／ｎ型熱電半導体及びこれらを接続する電極の厚さ分の隙間をあけて向かい合った構造となっている。
一枚の基板を熱源（発熱源）に接するようにし、もう一方の基板から放熱するようにすることで、熱電半導体対に温度差が生じる。持続的に温度差を生じさせるためには、放熱側の基板には放熱部品を付けることになる。
自然空冷の場合、放熱部品としては、アルミにアルマイト処理（陽極酸化）し、表面に酸化アルミの膜を形成したヒートシンクを用いるのが一般的である。
熱電変換素子による発電は、温度差のあるとこならどこでも発電することが可能であるが、自然に発生する温度に依存するため、そこはまさに自然任せである。
例えば、熱源として、太陽熱で温められるコンクリートや金属などを選択し、それに熱電変換素子を装着した場合、熱源からの熱をヒートシンクを介して大気に放熱し、熱電変換素子内に温度差を発生させることによって発電する。
しかしながら、熱電変換モジュールでは、ヒートシンクのフィンの表面積を大きくしても、熱電変換素子のヒートシンクが設けられた側を外気温と同一にすることは困難である。
このため、熱電変換素子の上下面の間に生じる温度差は、外気温と高温熱源との温度差よりも小さくなる。したがって、熱電変換モジュールで発生できる発電量も小さくなる。
また、熱電変換モジュールには、熱源の温度の経時変化を利用して熱電変換素子に温度差を生じさせるものがある。このような熱電変換モジュールでは、熱電変換素子の一方の面に熱源を接触させ、他方の面には蓄熱材を接触させる。このケースで使用される熱源の温度は一定ではなく、時間によって温度が変化するものが利用される。
例えば、熱源には、断続的に稼働と休止を繰り返すモーターやボイラーが用いられる。あるいは、日中と夜間の間の温度変化を利用して、外部に放置されているもの、例えば建物の外壁・屋上や自動車等の乗り物のエンジンや外装などが、熱源として利用される。
ここで、蓄熱材は、有機・無機材料で各々あるが、一般的に用いられているのは扱いが比較的容易な飽和炭化水素系の有機物である。融点は、−３０℃から４０℃くらいまで様々な温度があり、空冷に使用されているほか、建材にも適用が検討されている。
また、蓄熱材は、材料が相変化を起こすことによって、一定の温度を保つ性質を有する。このため、熱源の温度が経時的に変化することによって、蓄熱材との間に温度差が発生し、この温度差に応じて熱電変換素子が発電する。
この場合、熱源の温度の時間変化に伴う熱電変換素子への流入熱量や、熱電変換素子からの流出熱量を見積もって、これらの熱量が蓄熱材のもつ潜熱量と同等以下であることが望ましい。
蓄熱材は、熱源から熱電変換素子を介して伝達される熱によって相転移するが、相転移中は一定の温度を保つ。このため、熱電変換モジュール全体において、熱源以外との熱のやりとりが無視できると考えた場合、熱源から熱電変換素子を介して蓄熱材に流れ込んだ熱量の積分値が蓄熱材の潜熱量に達すると相転移が完了する。したがって、蓄熱材の潜熱量を越えると、蓄熱材は、その熱容量に応じて、流入する熱量にしたがって温度変化し、熱電変換素子の上下面の間に温度差を生じさせることが困難になるからである。
このタイプの熱電変換モジュールでは、蓄熱材と熱電変換素子との間、あるいは、熱源表面と熱電変換素子との間での熱伝導を利用して熱電変換素子の上下面の間に温度差を生じさせる。このため、外気との熱伝達を利用するタイプの熱電変換モジュールに比べて確実に温度差を発生させることができる。
しかしながら、蓄熱材が最も有効に機能するのは、温度変化する熱源の平均温度が蓄熱材の転移点（転移温度）である場合であるため、平均温度が変化していく熱源ではその強みが十分に発揮できない。
このような熱源としては、屋外に設置されていて太陽の輻射熱によって加熱される建造物などが考えられる。陽に晒される建造物は、日の出とともに温度上昇し、昼前後をピークに下降し、未明を底とする日毎の温度サイクルを繰り返しているが、太陽の輻射熱は、季節によって異なるため、その平均温度は変化する。
そこで、発電量を大きくするために、例えば、異なる動作温度（転移温度）を有する複数の蓄熱材を用いることが考えられる。
この場合、複数の蓄熱材を、それぞれ、異なる容器に入れ、容器を介してそれぞれの蓄熱材に伝熱されるようにすることが考えられる。
しかしながら、熱電変換モジュールが大型化してしまうことになる。
そこで、大型化を招くことなく、発電量を大きくするために、上述のように、異なる転移温度（動作温度）を有する２種類の蓄熱材を用い、そのうちの１種類を固相−固相相転移系蓄熱材とし、蓄熱材３を容器２に入れ、熱源７から熱電変換素子１を介して蓄熱材３へ伝熱するために第１伝熱部材４を用い、この第１伝熱部材４を、固相−固相相転移系蓄熱材からなる部分を含むものとしている。
なお、例えば、ｎ種類の蓄熱材を用いる場合に、各々に対応するｎ個の熱電変換素子を備えるｎ個の熱電変換モジュールを用意することとすると、コストはｎ倍となり、かつ、スペースも同様にｎ倍となってしまうため、好ましくない。
また、例えば、１つの熱電変換モジュールに、転移点の異なる複数の液相−固相相転移系蓄熱材を用い、これらを混合して容器に入れることも考えられるが、単独で用いる場合と比べて、各々の融点が明確に現れなくなり、潜熱利用の効果が低下してしまうため、好ましくない。
また、例えば、１つの熱電変換モジュールに、転移点の異なる複数の液相−固相相転移系蓄熱材を用い、これらを、容器内を仕切ってそれぞれの空間に別々に入れるとしても、それぞれに熱電変換素子を配置した場合には、コストが増大し、大きなスペースが必要となるため、好ましくない。また、それぞれの熱電変換素子が出力する開放電圧は異なるため、１つの熱電変換モジュールとして用いるために、これらの熱電変換素子を電気的に接続して出力を１つとする必要があるが、起電力が異なり、かつ、不安定であるため、困難である。
ところで、熱源の温度が−１０℃〜８０℃位の一般的な環境に多く存在する温度帯である場合、蓄熱材としては、一般に、その融点を転移点とする液相−固相相転移系蓄熱材が用いられる。
しかしながら、このような蓄熱材は極めて熱伝導率が低く、代表的な値は０．１Ｗ／ｍＫ〜０．６Ｗ／ｍＫくらいであることが知られている。
このため、熱電変換素子に蓄熱材を接触させただけでは、熱電変換素子に隣接した蓄熱材部分のみが融解・凝固を繰り返すだけである。この結果、熱電変換素子から距離が離れた部分の蓄熱材まで熱が伝わらず、蓄熱材全体としての性能を引き出すことが困難である。
そこで、例えば図９に示すような熱電変換モジュールでは、フィン４ＸＢ及びベース部４ＸＡを有する金属製のヒートシンク４Ｘのフィン４ＸＢを蓄熱材３に挿入することによって、蓄熱材３との間の熱伝導の効率化を図っている。フィン４ＸＢは、熱電変換素子１に接触させられると共に、蓄熱材３内に平行に複数挿入される。より詳細には、各々のフィン４ＸＢが蓄熱材３の上方から所定の深さまで蓄熱材３内に挿入される。このように蓄熱材３内にフィン４ＸＢを挿入することによって、蓄熱材３が融解される部分が上表面側からフィン４ＸＢに沿って下側へと進行する。これによって、蓄熱材３がより広い領域で融解し易くなる。
そこで、蓄熱材３への熱伝導の効率化を図るべく、上述のように、第１伝熱部材４を、蓄熱材３の中に入れられており、かつ、熱電変換素子１から離れる方向へ延びるフィン４Ｂを有するものとしている。つまり、フィン４ＸＢ及びベース部４ＸＡを有する金属製のヒートシンク４Ｘを用いる代わりに、フィン４Ｂ及びベース部４Ａを有し、固相−固相相転移系蓄熱材からなるヒートシンク４を用いていることで、大型化を招くことなく、発電量を大きくし、さらに、蓄熱材３への熱伝導の効率化を図るようにしている。
なお、上述の実施形態では、容器２に第２伝熱部材６を備えるものとし、熱電変換素子１を、容器２内に設け、一方の側の反対側が第２伝熱部材６に熱的に接続されるようにしているが、これに限られるものではない。
例えば、図１０に示すように、容器（第１容器）２外に設けられた第２伝熱部材６を備えるものとし、熱電変換素子１を、容器２外に設け、一方の側の反対側が第２伝熱部材６に熱的に接続されるようにしても良い。ここでは、第２伝熱部材６及び熱電変換素子１を容器２外に設け、第１伝熱部材４を構成するフィン４Ｂを容器２内に入れられている蓄熱材３の中に挿入・浸漬するようにし、第１伝熱部材４のベース部４Ａは容器２外に設けている。なお、熱電変換素子１が設けられる基板１０も容器２外に設けられることになるが、この場合、熱電変換素子１の周囲に空間ができるように封止材１２によって封止するのが好ましい。なお、上述の実施形態のものにおいても、同様に、熱電変換素子１の周囲に空間ができるように封止材によって封止するようにしても良い。
また、例えば、図１１に示すように、容器２外に設けられた第２伝熱部材６と、容器２に設けられ、容器２よりも熱伝導率が高い第３伝熱部材８とを備えるものとし、熱電変換素子１を、容器２外に設け、一方の側が、第３伝熱部材８を介して、第１伝熱部材４に熱的に接続され、一方の側の反対側が、第２伝熱部材６に熱的に接続されるようにしても良い。つまり、上述の実施形態のものにおいて、熱電変換素子１及び第２伝熱部材６を容器２外に設け、熱電変換素子１の一方の側と第１伝熱部材４とを第３伝熱部材８を介して熱的に接続するようにしても良い。この場合、第３伝熱部材８を、容器２内に設けられた基板１０の開口部１０Ａに設け、熱電変換素子１を、例えばコネクタ１３を介して、基板１０に電気的に接続すれば良い。また、第３伝熱部材８と第２伝熱部材６との間に挟まれた熱電変換素子１の周囲に空間ができるように封止材１２によって封止するのが好ましい。また、第２伝熱部材６が熱源７に熱的に接続されることになる。なお、第３伝熱部材８を放熱側伝熱部材ともいい、第２伝熱部材６を熱源側（吸熱側）伝熱部材ともいう。
［実施例］
次に、本発明を更に具体的に説明するために実施例を挙げる。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例では、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）と液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）の２種類の蓄熱材を用い、固相−固相相転移系蓄熱材を第１伝熱部材４として用いて、熱電変換モジュール５を作製した［図１２（Ａ）参照］。
つまり、液相−固相相転移系蓄熱材３を樹脂製容器２に入れ、熱電変換素子１の一方の側に第１伝熱部材４としての固相−固相相転移系蓄熱材を接続し、固相−固相相転移系蓄熱材４を蓄熱材３の中に浸漬した。また、樹脂製容器２に取り付けられた第２伝熱部材６としてのアルミ部材に熱電変換素子１の一方の側の反対側を接続して、熱電変換モジュール５を作製した［図１２（Ａ）参照］。
また、比較例１では、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）４のみを用いて、熱電変換モジュール５を作製した［図１２（Ｂ）参照］。
つまり、熱電変換素子１の一方の側に第１伝熱部材４としての固相−固相相転移系蓄熱材を接続し、熱電変換素子１の一方の側の反対側に第２伝熱部材６としてのアルミ部材を接続して、熱電変換モジュール５を作製した［図１２（Ｂ）参照］。
また、比較例２では、液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）３のみを用いて、熱電変換モジュール５を作製した［図１２（Ｃ）参照］。
つまり、比較例２では、液相−固相相転移系蓄熱材３を樹脂製容器２に入れ、熱電変換素子１の一方の側にアルミ製ヒートシンク４Ｘを接続し、樹脂製容器２に入れられた液相−固相相転移系蓄熱材３の中にアルミ製ヒートシンク４Ｘのフィン４ＸＢを浸漬した。また、樹脂製容器２に取り付けられた第２伝熱部材６としてのアルミ部材に熱電変換素子１の一方の側の反対側を接続して、熱電変換モジュール５を作製した［図１２（Ｃ）参照］。
これらの実施例、比較例１、２の熱電変換モジュール５では、熱電変換素子１として、株式会社フェローテック社製の９５０１／１２７／０６０Ｂ（ゼーベック係数：０．０５７Ｖ／Ｋ、電気抵抗値：３．２７Ω、熱抵抗値：０．４５Ｗ／Ｋ）を１個用いた。
そして、第２伝熱部材６としてのアルミ部材を介して熱電変換素子１をヒータ加熱した。ここでは、熱源としては、マンホールの蓋を想定した。東京都におけるマンホール蓋の平均温度は、春秋で約２０℃、夏で約３０〜３５℃、冬で約１０℃、かつ、年間平均で約２０℃であることが分かっている。そこで、本実施例、比較例１、２の各熱電変換モジュール５における春秋および夏での発電量を確認すべく、ヒータ加熱を行なった。
また、本実施例の熱電変換モジュール５では、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）として転移点が年間平均蓋温度の２０℃に近いものを選択し、液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）として転移点が夏の平均蓋温度３０℃に近いものを選択した。ここでは、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）としては、春秋のマンホールからの伝熱量５００００Ｊを必要潜熱量として、新日本電工株式会社製の酸化バナジウム系潜熱蓄熱材の転移点が２０℃、潜熱４０ｋＪ／ｋｇのものを１．２５ｋｇ用いた。また、液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）としては、夏のマンホールからの伝熱量７８０００Ｊを必要潜熱量として、パラフィン系蓄熱材である株式会社カネカ製パッサーモＦ３０（融点３１．５℃、融解潜熱２０５ｋＪ／ｋｇ）を３８０ｇ用いた。
比較例１の熱電変換モジュール５では、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）として、年間平均蓋温度の２０℃が転移点に近いものを選択した。ここでは、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）の潜熱量としては、夏のマンホールからの伝熱量を基準に７８０００Ｊとした。具体的には、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）としては、新日本電工株式会社製の酸化バナジウム系潜熱蓄熱材の転移点が２０℃、潜熱４０ｋＪ／ｋｇのものを１．９５ｋｇ用いた。
比較例２の熱電変換モジュール５では、液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）として、年間平均蓋温度の２０℃が転移点に近いものを選択した。ここでは、液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）の潜熱量としては、夏のマンホールからの伝熱量を基準に７８０００Ｊとした。具体的には、液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）としては、パラフィン系蓄熱材である株式会社カネカ製パッサーモＦ２０（融点２０．６℃、融解潜熱２２０ｋＪ／ｋｇ）を３６０ｇ用いた。
そして、上述のようにして作製した各熱電変換モジュール５に対してヒータ加熱を行なって発電量を求めた。
この結果、本実施例の熱電変換モジュール５では、春秋の平均蓋温度２０℃の場合、発電量は６１．０Ｊ／ｄａｙであり、夏の平均蓋温度３０℃の場合、発電量は８２．１Ｊ／ｄａｙであった。
これに対し、比較例１の熱電変換モジュール５では、春秋の平均蓋温度２０℃の場合、発電量は６１．４Ｊ／ｄａｙであり、夏の平均蓋温度３０℃の場合、発電量は２２Ｊ／ｄａｙであった。
また、比較例２の熱電変換モジュール５では、春秋の平均蓋温度２０℃の場合、発電量は５３．７Ｊ／ｄａｙであり、夏の平均蓋温度３０℃の場合、発電量は６５．３Ｊ／ｄａｙであった。
このように、本実施例の熱電変換モジュール５では、春秋の平均蓋温度２０℃、夏の平均蓋温度３０℃のいずれの場合も、比較例２の熱電変換モジュール５よりも確実に多くの発電量が得られることが確認できた。また、比較例１の熱電変換モジュール５と比較すると、春秋の平均蓋温度２０℃の場合、発電量は同等であるが、夏の平均蓋温度３０℃の場合、大幅に発電量が増大することが確認できた。
つまり、本実施例の熱電変換モジュール５では、固相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材１）と液相−固相相転移系蓄熱材（蓄熱材２）の２種類の蓄熱材を用い、固相−固相相転移系蓄熱材を第１伝熱部材４として用いることで、１つの熱電変換モジュール５（１つの熱電変換素子１）のみで、大型化を招くことなく、年間でより多くの発電量が得られることが確認できた。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態にかかるセンサモジュール及び情報処理システムについて、図１３〜図１９を参照しながら説明する。
本実施形態にかかるセンサモジュールは、一体型モジュールであって、図１３に示すように、この一体型モジュール１６０は、発電モジュール１６１と、蓄電モジュール１６２と、センサ１６３と、コントローラ１６４と、メモリ１６５と、通信回路１６６と、アンテナ１６７を備える。
発電モジュール１６１には、例えば、上述の第１実施形態の熱電変換モジュール５が適用される。つまり、この発電モジュール１６１は、熱電変換素子１と、容器２と、蓄熱材３と、蓄熱材３よりも熱伝導率が高く、かつ、蓄熱材３と異なる転移温度を持つ固相−固相相転移系蓄熱材からなる部分を含む第１伝熱部材４とを備える。このため、本センサモジュールは、少なくとも、センサ１６３と、センサ１６３に電気的に接続された、上述の第１実施形態の熱電変換モジュール５とを備える。
蓄電モジュール１６２は、発電モジュール１６１に接続され、発電モジュール１６１で発生した電力を蓄える。蓄電モジュール１６２としては、電力を蓄える機能を持つものであれば良い。この蓄電モジュール１６２としては、例えば、全固体二次電池が省スペースで且つ安全性が高い点から好ましい。
発電モジュール１６１及び蓄電モジュール１６２は、電力供給部１６８を構成する。この電力供給部１６８を構成する発電モジュール１６１及び蓄電モジュール１６２の少なくとも一方からは、センサ１６３、コントローラ１６４、及び、通信回路１６６に電力が供給される。発電モジュール１６１によって安定した電力を供給できる場合には、蓄電モジュール１６２が省かれても良い。
センサ１６３には、例えば、温度、湿度、圧力、光、音、電磁波、加速度、振動、ガス、微粒子等を検出するセンサが適用可能である。さらに、センサ１６３には、例えば、赤外線を対象物に出射すると共に対象物から反射した光を受けることで対象物との距離を測定する測距センサ、対象物の重量を測定する重量センサ、及び、水位等のデータを検出する水位センサ等が適用可能である。
コントローラ１６４は、例えば、センサ１６３が検出した各種データを、通信回路１６６及びアンテナ１６７を介してサーバ１７５へ送信する。コントローラ１６４は、例えば、センサ１６３が検出した各種データと他のデータとに基づいた二次データをサーバ１７５へ送信しても良い。また、コントローラ１６４は、例えば、センサ１６３が検出した各種データを用いて所定の演算を行って二次データを算出し、この二次データをサーバ１７５へ送信しても良い。
メモリ１６５は、センサ１６３が検出した各種データや、算出された二次データをコントローラ１６４の命令により記憶する。記憶された情報は、コントローラ１６４の命令により読み出される。
通信回路１６６及びアンテナ１６７は、通信部１６９を構成する。通信部１６９は、コントローラ１６４と図示しないサーバ１７５との間でデータの送受信を行う。なお、図１３に示される例では、アンテナ１６７を用いた無線通信が採用されるが、無線通信の代わりに、有線通信が採用されても良い。
上述の一体型モジュール１６０は、例えば、図１４に示されるように、本実施形態にかかる情報処理システム１７０に適用される。
この情報処理システム１７０は、複数の一体型モジュール１６０と、サーバ１７５とを備える。つまり、本情報処理システム１７０は、上述の一体型モジュール（センサモジュール）１６０と、この一体型モジュール１６０によって得られたデータを処理するサーバ（コンピュータ）１７５とを備える。ここでは、情報処理システム１７０は、マンホール１７６から得られる情報を処理するシステムである。このため、複数の一体型モジュール１６０は、マンホール１７６に設置される。この複数のマンホール１７６に設置された複数の一体型モジュール１６０は、ネットワーク１７７を介してサーバ１７５と接続される。
なお、例えば、サーバ１７５を備えた車両を走行させ、この車両が各マンホール１７６に設置された一体型モジュール１６０に近接するたびに一体型モジュール１６０からサーバ１７５に近距離無線通信でデータが送信されるようになっていても良い。また、一体型モジュール１６０は、マンホール１７６の構造体であれば、どこに設置されても良い。
この一体型モジュール１６０は、センサ１６３の検出対象又はセンサ１６３の種類に応じて、マンホール１７６の構造体である蓋１７８やコンクリート管１７９などに固定される。一体型モジュール１６０に備えられた熱電変換素子は、マンホール１７６の構造体と熱的に接続され、マンホール１７６の構造体と外気又はマンホール１７６内部の温度との温度差により発電する。
以下、本実施形態にかかる情報処理システム１７０の具体的な適用例について説明する。
［第１適用例］
第１適用例では、図１５に示すように、情報処理システム１７０は、マンホール１７６の構造体（蓋１７８やコンクリート管１７９）の劣化を把握するために利用される。
センサ１６３は、マンホール１７６内の温度、湿度、及び、マンホール１７６の構造体に作用する振動（加速度）等を検出し、センサ１６３で検出されたデータは、メモリ１６５に蓄積される。
道路上を走る測定用の車両１８０がマンホール１７６上を通過する際に、コントローラ１６４は、通信回路１６６及びアンテナ１６７を介してメモリ１６５に蓄積されたデータを送信する。測定用の車両１８０に設けられたサーバ１７５は、データを回収する。
サーバ１７５は、ＧＰＳ（Global Positioning System）による車両１８０の位置情報と回収されたデータとを組み合わせて、車内モニタに映し出された地図上に、回収されたデータを表示させる。温度、湿度、振動等が表示された情報から各マンホール１７６におけるコンクリート管１７９の劣化の度合いを推定することが可能となる。
また、測定用の車両１８０の下部に、受信装置１８１に加え、マンホール１７６の蓋１７８の画像を取得するカメラ１８２を取り付け、マンホール１７６の蓋１７８（鉄部）の劣化を画像認識で判断することができるようにしても良い。この結果を元に、マンホール１７６の蓋１７８の交換時期を自治体に情報として販売するようにしても良い。ここで、データを回収する車両としては、特別な測定用の車両でなくとも、例えば自治体が運用するごみ収集車でも良い。ごみ収集車の底部に受信装置１８１やカメラ１８２を設置することで、回収費用をかけずに定期的にデータを回収することができる。
また、センサ１６３は、マンホール１７６内に発生したガスの濃度を検出するものであっても良い。マンホール１７６内に発生するガスとしては、例えば、硫化水素ガスがある。下水道１８３で発生する硫化水素ガスは、マンホール１７６の構造体を急激に劣化させることが知られている。硫化水素ガスの発生は、近隣住民の苦情要因でもある。センサ１６３として硫化水素ガスセンサを用いることで、マンホール１７６の構造体の劣化予測精度向上とともに、住民の苦情に迅速に対応できるようになる。
なお、第１適用例では、センサ１６３は、マンホール１７６内の温度、湿度、振動、及び、マンホール１７６内に発生したガスの濃度のうち少なくとも一つを検出できるものであれば良い。
また、マンホール１７６内では湿度が常に高く、下水道１８３（又は上水道）の水がマンホール１７６内にあふれる可能性もある。また、マンホール１７６内部はほぼ一定温度だが、例えば蓋１７８では夏は高温、冬は低温になるうえ、さまざまな金属を溶かす硫化水素ガスなどが発生することが知られている。このような過酷な環境にあって、センサ１６３などの電子部品及び熱電変換素子を守り、かつ長期的な信頼性を保つことは重要である。この場合、一体型モジュール１６０を、センサ１６３などの電子部品及び熱電変換素子が樹脂で封止されたものとして構成することで、長期的な信頼性を保つことが可能となる。
［第２適用例］
第２適用例では、図１６に示すように、情報処理システム１７０は、マンホール１７６と接続される下水道１８３の流量を予測するために利用される。
センサ１６３には、例えば、水位計や流量計が用いられる。マンホール１７６に水位計や流量計であるセンサ１６３が設置されることで、きめ細かい下水道１８３の水位や流量の把握が可能となる。なお、図１６において、センサ１６３は一体型モジュール１６０に組み込まれているが、例えば、センサ１６３の代わりに、外部のセンサの動作を制御するセンサ制御部を設けても良い。この場合、センサ制御部は、下水道の１８３に配置された水位計や流量計などの図示していないセンサを制御し、そのセンサが検出した情報を取得するようにすれば良い。また、そのセンサが検出した情報は無線でセンサ制御部に送信されるようにしても良い。
具体的には、下水道１８３の水位や流量は、１日に１回、あるいは１時間に１回、センサ１６３によって検出され、センサ１６３によって検出されたデータは、高速通信回線を通じてデータセンタ１８４のサーバ１７５に集められる。センサ１６３によって検出された下水道１８３の水位や流量のデータは、計測と同時に送信されるようにしても良いし、消費電力を低減するために、１日、あるいは１週間分を蓄積してから送信されるようにしても良い。なお、第１適用例と同様に、測定用の車両がデータを回収するようにしても良い。
通常、雨水は、下水道１８３に流れ込むため、下水道１８３の水位や流量の予測は、降雨データと強く連動する。このため、センサ１６３によって集められた下水道１８３の水位や流量のデータと、気象庁の降雨データとを組み合わせて解析することで、例えば、下水道１８３の水が流れ込む河川の氾濫予測、注意報・警報情報を提供することが可能となる。
下水道１８３の水位や流量のデータと、気象庁の降雨データとの解析結果から気象現象と下水道１８３の水位や流量との関係を確立することも可能となる。そして、気象庁の降雨データから各地における下水道１８３の水位や流量を予測して、この予測データを提供及び配信することに対して課金するようにしても良い。なお、住宅建築や居住状況、土地開発状況に応じて下水道１８３の水位や流量は年々変わるので、継続的なデータの更新が可能な本情報処理システム１７０は有用である。
また、第２適用例において、情報処理システム１７０は、局所的な集中豪雨などが発生した場合における下水道１８３の水位や流量の計測にも利用可能である。都市の局所的な集中豪雨の際には、下水道１８３の作業者の安全確保や下水道１８３の氾濫を防ぐため、分単位で下水道１８３の水位や流量の測定及び情報発信が必要になる。この場合には、相対的に標高の低い少数のマンホール１７６に設置された一体型モジュール１６０に限定してデータを収集するようにすれば良い。
水位を測定する一体型モジュール１６０の蓄電モジュール１６２には、前もって十分な蓄電を行っておくことが好ましい。コントローラ１６４は、通信回路１６６及び高速通信回線を通じて逐次データをサーバ１７５へ送信する。サーバ１７５は、受信したデータを作業者や氾濫近傍の居住者のスマートフォンやタブレットに警報を発させることができる。あるいは、特定のマンホール１７６上に測定用の車両が駐車して、近距離無線通信によって車両に設けたサーバにデータが回収されるようにしても良い。
［第３適用例］
第３適用例では、図１７に示すように、情報処理システム１７０は、マンホール１７６のセキュリティ及び作業履歴に利用される。
センサ１６３は、マンホール１７６の蓋１７８の開閉を検出する。このセンサ１６３には、例えば、加速度センサや開閉スイッチが用いられる。このセンサ１６３は、マンホール１７６の蓋１７８の開閉を検出するために、マンホール１７６の蓋１７８に生ずる加速度、及び、マンホール１７６の蓋１７８の開閉状態のうち少なくとも一つを検出すれば良い。マンホール１７６の蓋１７８の開閉に応じてセンサ１６３から出力されたデータ（信号）は、サーバ１７５にて受信される。
この情報処理システム１７０によれば、下水道１８３等のセキュリティ対策（例えば、対爆弾テロなど）や、下水道１８３の清掃作業における作業履歴の確認を行うことができる。
［第４適用例］
第４適用例では、図１８に示すように、情報処理システム１７０は、道路交通情報の取得に利用される。
センサ１６３は、マンホール１７６上を通過する車両１８５，１８６，１８７を検出する。このセンサ１６３には、例えば、加速度センサ、磁気センサ、マイクロフォン等が用いられる。センサ１６３からは、マンホール１７６上を通過する車両の数に応じた信号が得られる。センサ１６３から出力されたデータ（信号）は、サーバ１７５にて受信される。
この情報処理システム１７０によれば、現在の道路交通情報通信システムでは計測していないような細い道路や路地などでも渋滞情報を得ることができる。これにより、きめ細かい渋滞情報の提供が可能になる。
また、センサ１６３の検出値の強弱から、マンホール１７６上を通過する車両１８５，１８６，１８７の種類（例えば、小型車、普通車、トラック等）を検出するようにしても良い。この場合、センサ１６３の検出値と車両の種類とを関連付けたデータセットを予めメモリ１６５に記憶しておけば良い。そして、コントローラ１６４が、センサ１６３の検出値と上記データセットとから車の種類を判定し、この車の種類の情報をサーバ１７５へ送信するようにすれば良い。これにより、マンホール１７６上を通過する車両の種類を把握することが可能となる。
さらに、センサ１６３によって、マンホール１７６上を通過する車両１８５，１８６，１８７の個体識別情報が検出されても良い。例えば、センサ１６３として磁気センサが用いられた場合には、磁気センサの反応によって、車両の特徴が得られる可能性がある。つまり、例えば、車ごとに特徴的な磁気を発する媒体を車両に搭載することにより、個々の車両を識別できる。車種による都市の車の流れの違いを解析することで、特定の車両を特定の道路に誘導する計画立案など、都市道路のコントロールや都市評価につながる。
なお、第４適用例では、センサ１６３は、マンホール１７６上を通過する車両の数、種類、個体識別情報のうち少なくとも一つを検出できるものであれば良い。
［第５適用例］
第５適用例では、図１９に示すように、情報処理システム１７０は、降雨量の測定に利用される。
センサ１６３には、例えば、気象予測用のＸバンドレーダが用いられる。Ｘバンドレーダの電波は、例えば豪雨時に豪雨エリアの先に届かず、また、山など大きな物体を超えられない。また、現状のレーダでは、突然発生したり急発達したりする豪雨エリアの発見及び追跡が困難なことが多い。高精度予測には高時間空間分解能が必要とされる。
通常、Ｘバンドレーダの分解能は２５０ｍであるが、平均間隔が３０ｍあまりのマンホール１７６にセンサ１６３が設置されることで、はるかにきめ細かい気象観測が可能になり、局所的な集中豪雨などの計測及び予測に役立つと考えられる。センサ１６３から出力されたデータ（信号）は、サーバ１７５にて受信される。
なお、上述の第１〜第５適用例では、専用のサーバ１７５が用いられていたが、汎用のコンピュータがサーバ１７５として利用されても良い。また、サーバ１７５として機能する汎用のコンピュータにコントローラ１６４やサーバ１７５が行った動作を実行させるプログラムがインストールされ実行されても良い。また、この場合に、プログラムは、記録媒体で供給されても良いし、ネットワークからダウンロードされても良い。
［その他］
なお、本発明は、上述した実施形態及び変形例に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能であり、適宜組み合わせることも可能である。
１ 熱電変換素子
２ 容器
３ 蓄熱材
４ 第１伝熱部材
４Ａ ベース部
４Ｂ フィン
４Ｘ 金属製のヒートシンク
４ＸＡ ベース部
４ＸＢ フィン
５ 熱電変換モジュール
６ 第２伝熱部材
７ 熱源
８ 第３伝熱部材
９ 電子部品
１０ 基板
１０Ａ 開口部
１１ 外部接続端子
１２ 封止材
１３ コネクタ
１４ 断熱材
１５ フィン
１６０ 一体型モジュール
１６１ 発電モジュール
１６２ 蓄電モジュール
１６３ センサ
１６４ コントローラ
１６５ メモリ
１６６ 通信回路（通信部）
１６７ アンテナ
１６８ 電力供給部
１６９ 通信部
１７０ 情報処理システム
１７５ サーバ（コンピュータ）
１７６ マンホール
１７７ ネットワーク
１７８ 蓋
１７９ コンクリート管
１８０ 車両
１８１ 受信装置
１８２ カメラ
１８３ 下水道
１８４ データセンタ
１８５，１８６，１８７ 車両

Claims (11)

  1. 熱電変換素子と、
    容器と、
    前記容器内に設けられた蓄熱材と、
    前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続され、かつ、前記蓄熱材に熱的に接続された第１伝熱部材とを備え、
    前記第１伝熱部材は、前記蓄熱材よりも熱伝導率が高く、かつ、前記蓄熱材と異なる転移温度を持つ固相−固相相転移系蓄熱材からなる部分を含むことを特徴とする熱電変換モジュール。
  2. 前記第１伝熱部材は、前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続されたベース部と、前記蓄熱材に熱的に接続されたフィンとを備え、前記ベース部及び前記フィンが、前記固相−固相相転移系蓄熱材からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
  3. 前記第１伝熱部材は、前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続されたベース部と、前記蓄熱材に熱的に接続されたフィンとを備え、前記ベース部が、前記固相−固相相転移系蓄熱材からなり、前記フィンは、前記固相−固相相転移系蓄熱材とは異なる材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
  4. 前記第１伝熱部材は、前記熱電変換素子の一方の側に熱的に接続されたベース部と、前記蓄熱材に熱的に接続されたフィンとを備え、前記フィンが、前記固相−固相相転移系蓄熱材からなり、前記ベース部は、前記固相−固相相転移系蓄熱材とは異なる材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
  5. 前記第１伝熱部材は、全体が前記固相−固相相転移系蓄熱材からなることを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
  6. 前記蓄熱材と前記第１伝熱部材との間に設けられた断熱材と、
    前記断熱材を貫通し、前記蓄熱材と前記第１伝熱部材とを熱的に接続し、かつ、前記固相−固相相転移系蓄熱材とは異なる材料からなるフィンとを備えることを特徴とする、請求項５に記載の熱電変換モジュール。
  7. 前記容器に設けられ、前記容器よりも熱伝導率が高い第２伝熱部材を備え、
    前記熱電変換素子は、前記容器内に設けられており、前記一方の側の反対側が前記第２伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
  8. 前記容器外に設けられた第２伝熱部材を備え、
    前記熱電変換素子は、前記容器外に設けられており、前記一方の側の反対側が前記第２伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
  9. 前記容器外に設けられた第２伝熱部材と、
    前記容器に設けられ、前記容器よりも熱伝導率が高い第３伝熱部材とを備え、
    前記熱電変換素子は、前記容器外に設けられており、前記一方の側が、前記第３伝熱部材を介して、前記第１伝熱部材に熱的に接続されており、前記一方の側の反対側が、前記第２伝熱部材に熱的に接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
  10. センサと、
    前記センサに電気的に接続された、請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールとを備えることを特徴とするセンサモジュール。
  11. 請求項１０に記載のセンサモジュールと、
    前記センサモジュールによって得られたデータを処理するコンピュータとを備えることを特徴とする情報処理システム。
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