JP6897945B2 - 瓦葺屋根及び金属瓦 - Google Patents

Description

本発明は、瓦葺屋根及び金属瓦に関する。

金属瓦は従来からある日本瓦と比べて建造物にかかる重量が１／６程度であり、地震や台風などに強い。例えば、特許文献１には、金属瓦に関する技術が開示されている。この技術は、金属瓦の裏側での自然対流による通気を可能としたことで、断冷熱効果を発揮することができる。

ところで、近年戸建住宅の屋根上への太陽光パネルの設置が行われてきた。このような太陽光パネルは再生可能エネルギー源として期待されているが、その普及はこの数年頭打ちとなってきている。その理由として、屋根の重量がアップする、美観や景観に問題がある、メンテナンスや施工性に問題がある、台風等による破損や周辺への飛散、日光反射による熱中症等が指摘されている。

特開平８−８２０４８号公報

特許文献１に記載した金属瓦に太陽光パネルを設置した場合には、軽量で地震や台風などに強いといった金属瓦の利点が損なわれることになり、日本瓦など以上に太陽光パネルの設置は難しい。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、金属瓦としての利点を活かしつつ、再生可能エネルギーとしての電力を効率良く発電することができる瓦葺屋根及び金属瓦を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る瓦葺屋根は、屋根の斜面に複数の金属瓦を葺いた瓦葺屋根であって、前記屋根の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路を前記複数の金属瓦の裏面側で構成するように、それぞれの前記金属瓦に形設された隆起部と、前記金属瓦の隆起部に取付けられた熱電素子とを具備する。

本発明の一形態に係る瓦葺屋根では、例えば屋根の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路を有することで、流路を流通する空気の温度と金属瓦の隆起部付近の温度との差が大きくなる。従って、上記の熱電素子を金属瓦の隆起部に取付けることで、再生可能エネルギーとしての電力を効率良く発電することができる。また、太陽光パネルのように屋根の上に大掛かりな設備を設ける必要もないので、軽量で地震や台風などに強いといった金属瓦の利点が損なわれることはない。

本発明の一形態に係る瓦葺屋根は、前記熱電素子が前記金属瓦の隆起部の裏面に取付けられ、前記流路を流通する空気の温度と前記金属瓦の隆起部付近の温度との差に基づき発電する。これにより、特別な構造を採用することなく、熱電素子が自然環境に直接晒されず、熱電素子の耐久期間を長くすることができる。また、熱電素子に対する配線を金属瓦の裏面側に容易に敷設できる。

本発明の一形態に係る瓦葺屋根は、前記隆起部が断面台形状となるように形設され、前記熱電素子は、前記隆起部の台形状の上底部に取付けられている。これにより、熱電素子と隆起部との間をより近接又は密着することができ、熱電素子による発電効率を向上させることができる。

本発明の一形態に係る瓦葺屋根は、前記金属瓦の隆起部に設けられ、前記熱電素子を着脱自在に保持する保持部を更に具備する。これにより、例えば熱電素子が故障した場合には交換が容易である。

本発明の一形態に係る瓦葺屋根は、前記隆起部と前記熱電素子との間の隙間に充填された充填剤を更に具備する。これにより、これにより、熱電素子と隆起部との間に隙間が生じても、この隙間を埋める充填剤を介して金属瓦から熱電素子に熱が伝導し、熱電素子による発電効率を向上させることができる。

本発明の一形態に係る瓦葺屋根では、前記熱電素子は、電力を取り出すための電極がコバルト合金からなるスピンゼーベック熱電変換デバイスである。これにより、大幅なコストの低減が可能であり、更にこのコバルト合金に磁性の性質を与えることで表れる異常ネルンスト効果と呼ばれる熱電効果をスピンゼーベック効果と併用して、従来の白金を利用した素子の１０倍以上の熱電変換効率を向上させることができる。

スピンゼーベック熱電変換デバイスは典型的には、プラスチックフィルム等のフレキシブルな材料からなる磁性絶縁体と、磁性絶縁体上に形成された１００ｎｍ程度の柱状結晶粒からなるフェライトメッキ磁性膜と、磁性膜表面に形成されたコバルト合金からなる電極膜とを有する。

上記フェライトメッキ磁性膜は比較低温での形成が可能であることから磁性絶縁体としてプラスチックフィルム等を用いることができ、しかも結晶粒が変形によるストレスを緩衝することができるので、変形状態での使用が可能となる。従って、金属瓦が曲面形状等を有する場合であってもその形状を有する表面にその形状に沿うように熱電素子を取り付けることができる。従って、金属瓦から熱電素子へ効率よく熱を伝達することができ、発電効率を高めることができる。

本発明の一形態に係る金属瓦は、金属製の瓦本体と、屋根の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路を前記瓦本体の裏面側で構成するように形設された隆起部と、前記隆起部に取付けられ、前記流路を流通する空気の温度と前記金属瓦の隆起部付近の温度との差に基づき発電する熱電素子とを具備する。

本発明の一形態に係る金属瓦は、金属製の瓦本体と、屋根の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路を前記瓦本体の裏面側で構成するように形設された隆起部と、前記流路を流通する空気の温度と前記金属瓦の隆起部付近の温度との差に基づき発電する熱電素子を着脱自在に保持するための保持部とを具備する。

本発明によれば、金属瓦としての利点を活かしつつ、再生可能エネルギーとしての電力を効率良く発電することができる。

屋根の斜面に金属瓦を葺いた瓦葺屋根を示す写真である。 本発明に係る屋根の斜面に複数の金属瓦を葺いた瓦葺屋根の断面図である。 第１の実施形態に係る金属瓦の一部断面斜視図である。 図３に示した金属瓦の横断面図である。 図３に示した金属瓦の縦断面図である。 第２の実施形態に係る金属瓦の一部断面斜視図である。（隆起部台形＋充填剤＋取付け金具） 第３の実施形態に係る金属瓦の一部断面斜視図である。（隆起部R＋充填剤＋可動アタッチメント） 第４の実施形態に係る金属瓦の一部断面斜視図である。 第５の実施形態に係る金属瓦の一部断面斜視図である。（表面に熱電素子） 図９に示した金属瓦の横断面図である。 図９に示した金属瓦の縦断面図である。 本発明に係る熱電素子の断面図である。 第６の実施形態に係る金属瓦の一部断面斜視図である。 図１３示した金属瓦の横断面図である。 図１３に示した金属瓦の縦断面図である。 第７の実施形態に係る金属瓦の一部断面斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図１は屋根の斜面に金属瓦を葺いた瓦葺屋根を示す写真である。
図１に示すように、瓦葺屋根１は、建造物２の屋根３の斜面に複数の金属瓦４を葺いて構成される。各金属瓦４は、例えばガリバリウム鋼板表面にフッ素樹脂塗膜を形成して構成され、全長が２ｍ程度、幅０．５ｍ程度である。

（第１の実施形態に係る金属瓦）
図２は本発明の一実施形態に係る屋根の斜面に複数の金属瓦を葺いた瓦葺屋根の断面図である。
図２に示すように、金属瓦４は、屋根３の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路５を複数の金属瓦４の裏面側で構成するように形設された隆起部６を有する。隆起部６は、例えば１枚の金属瓦４の長さ方向に所定の間隔で複数箇所に形設されている。従って、瓦葺屋根１には、建造物２の屋根３の斜面に沿って隆起部６による複数の流路５が設けられている。

この金属瓦４では、金属瓦４の表面及び裏面の温度が共に７０〜８０℃である場合には、本発明者らの実験により金属瓦４に流路５を設けることで、その空気層の温度は４０〜５０℃、屋根下地材（合板裏面）では３５〜４５℃と温度低下をし、金属瓦４の表面及び裏面の温度と金属瓦４の裏面側の空気層の温度差は３０℃程度生じている、という結果が得られている。

また、金属瓦４の隆起部６の裏面には、隆起部６及びその周囲の隙間と屋根下地材２０との間で作られる流路５を流通する空気の温度と金属瓦４の隆起部６付近の温度との差に基づき発電する熱電素子１０が設けられている。熱電素子１０は、瓦葺屋根１を上面からみた場合に、瓦葺屋根１の縦横に多数配置されている。図示を省略するが、これらの熱電素子１０は金属瓦４の裏面に敷設された配線によってパワーコンディショナー等に接続され、熱電素子１０によって発電された電力がパワーコンディショナー等に供給されるようになっている。

ここで、図３は図２に示した金属瓦４の一部断面斜視図、図４はその横断面図、図５はその縦断面図である。
これらの図に示すように、金属瓦４の隆起部６は、断面が台形状となるように形設されている。このような形状は例えばプレス加工により金属瓦４を形成する際に同時に形設することができる。熱電素子１０は、このような隆起部６の台形状の上底部に取付けられている。

隆起部６への熱電素子１０の取付けは様々な形態が考えられるが、ここではその一形態を説明する。
金属瓦４の隆起部６には、熱電素子１０を着脱自在に保持する保持部としての可動アタッチメント１１が取付け金具１２により取付けられている。例えば、取付け金具１２は可動アタッチメント１１の両側のそれぞれの２箇所を金属瓦４の隆起部６の裏面に固定する。

可動アタッチメント１１は内部に熱電素子１０を収容するものであり、収容した熱電素子１０を一側に弾性的に押し付けて可動アタッチメント１１の内部で熱電素子１０を保持する押え金具１３及びスプリング１４のセットを例えば２箇所に有する。これにより、熱電素子１０は可動アタッチメント１１により着脱自在に保持され、将来における熱電素子の性能向上やサイズ変更に柔軟に対応し交換可能となる。

可動アタッチメント１１の所定の位置には、金属瓦４の裏面に敷設された配線チューブ１５が収容する配線１６が挿通し、配線１６と熱電素子１０とが電気的に接続されている。

金属瓦４の隆起部６と熱電素子１０との間の隙間には、例えば熱伝導性と蓄熱性と電気絶縁性のよい錫などの充填剤１７に充填されている。このような充填剤１７は可動アタッチメント１１により囲まれた領域に配設されている。可動アタッチメント１１は例えばコの字状の形状を有し、上部が開口していることで上記の充填剤１７が直接熱電素子１０にコンタクト可能とされ、下部及び１辺が開口していることで可動アタッチメント１１より熱電素子１０の着脱が可能とされている。熱電素子１０は例えば下方側に放熱シンク１８を有する。

この第１の実施形態に係る金属瓦４では、屋根３の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路５を有することで、流路５を流通する空気の温度と金属瓦４の隆起部６付近の温度との差が３０℃以上となる。従って、上記の熱電素子１０を金属瓦４の隆起部６に取付けことで、再生可能エネルギーとしての電力を効率良く発電することができる。また、太陽光パネルのように屋根３の上に大掛かりな設備を設ける必要もないので、軽量で地震や台風などに強いといった金属瓦の利点が損なわれることはない。また、従来の瓦等を撤去することなく、瓦の上にこのような熱電素子１０を有する軽量な金属瓦４を葺くことで、撤去作業のない瓦のリフォーム工事と同時に発電設備を簡単に付加することができる。

（第２の実施形態に係る金属瓦）
図６は第２の実施形態に係る金属瓦４の一部断面斜視図である。
第１の実施形態では、可動アタッチメント１１を介して金属瓦４の隆起部６の裏面に熱電素子１０を取付けていたが、第２の実施形態に係る金属瓦４では、図６に示すように可動アタッチメント１１を用いずに金属瓦４の隆起部６の裏面に熱電素子１０を取付け金具１２により直接取付けている。例えば、取付け金具１２は熱電素子１０の両側のそれぞれの２箇所を金属瓦４の隆起部６の裏面に固定する。

第２の実施形態に係る金属瓦４は、構造がシンプルであり、コスト面及び施工面で優れている。

（第３の実施形態に係る金属瓦）
図７は第３の実施形態に係る金属瓦４の一部断面斜視図である。
第１及び第２の実施形態では、金属瓦４の隆起部６の裏面と熱電素子１０との間に充填剤１７が充填されていたが、第３の実施形態に係る金属瓦４では、図７に示すように金属瓦４の隆起部６の裏面と熱電素子１０との間に充填剤１７を充填することなく、金属瓦４の隆起部６の裏面に熱電素子１０を直接コンタクトさせている。

第３の実施形態に係る金属瓦４は、構造が更にシンプルであり、コスト面で非常に優れている。特に、金属瓦４の隆起部６が断面台形状である場合には、金属瓦４の隆起部６の裏面と熱電素子１０とのコンタクトが容易であることから、このような構造を採用しても発電効率が落ちることはない。

（第４の実施形態に係る金属瓦）
図８は第４の実施形態に係る金属瓦４の一部断面斜視図である。
第１〜第３の実施形態では、金属瓦４の隆起部６が断面台形状であったが、第４の実施形態に係る金属瓦４では、図８に示すように金属瓦４の隆起部６が断面Ｒ形状（かまぼこ型形状）とされている。

第４の実施形態に係る金属瓦４は、隆起部６が断面Ｒ形状であることからプレス加工がしやすい。特に、隆起部６が断面Ｒ形状であることから、金属瓦４の隆起部６の裏面と熱電素子１０との間の隙間が生じやすいが、充填剤１７を充填することで、このような構造を採用しても発電効率が落ちることはない。

なお、第４の実施形態に係る金属瓦４では、可動アタッチメント１１を介して金属瓦４の隆起部６の裏面に熱電素子１０を取付けていたが、可動アタッチメント１１を用いずに金属瓦４の隆起部６の裏面に熱電素子１０を直接取付けてもよい。

また、第４の実施形態に係る金属瓦４では、金属瓦４の隆起部６の裏面と熱電素子１０との間に充填剤１７が充填されていたが、このような充填剤１７を充填することなく、金属瓦４の隆起部６の裏面に熱電素子１０を直接コンタクトさせてもよい。

（第５の実施形態に係る金属瓦）
図９は第５の実施形態に係る金属瓦４の一部断面斜視図、図１０はその金属瓦４の横断面図、図１１はその金属瓦４の縦断面図である。

第１〜第４の実施形態では、金属瓦４の隆起部６の裏面に熱電素子１０を取り付けていたが、第５の実施形態に係る金属瓦４では、図９〜図１１に示すように金属瓦４の隆起部６の表面に熱電素子１０を取り付けてもよい。

第５の実施形態に係る金属瓦４では、金属瓦４の隆起部６の表面の熱電素子１０の取付け位置を凹ませ、その取付けられた熱電素子１０を覆うようにカバー部材３０を設けている。カバー部材３０には、孔３１が設けられており、この孔３１を介して金属瓦４表面で空気の流通が行われるようになっている。つまり、第５の実施形態に係る金属瓦４では、熱電素子１０の裏面が金属瓦４より熱を受け、熱電素子１０の表面で空気の流通が行われるようになっている。

第５の実施形態に係る金属瓦４では、カバー部材３０を外すことで熱電素子１０の交換等のメンテナンスを容易に行うことができる。

なお、第５の実施形態に係る金属瓦４では、可動アタッチメント１１を用いずに金属瓦４の隆起部６の表面に熱電素子１０を直接取付けていたが、可動アタッチメント１１を介して金属瓦４の隆起部６の表面に熱電素子１０を取付けてもよい。
また、第５の実施形態に係る金属瓦４では、金属瓦４の隆起部６の表面と熱電素子１０との間に充填剤１７が充填されていたが、このような充填剤１７を充填することなく、金属瓦４の隆起部６の表面に熱電素子１０を直接コンタクトさせてもよい。
更に、第５の実施形態に係る金属瓦４では、金属瓦４の隆起部６が断面Ｒ形状（かまぼこ型形状）であったが、金属瓦４の隆起部６が断面台形状であってもよい。

（熱電素子）
本発明に係る熱電素子１０について説明する。
本発明の一形態に係る瓦葺屋根では、熱電素子１０として、電力を取り出すための電極がコバルト合金からなるスピンゼーベック熱電変換デバイスを用いることができる。

電極として白金ではなくコバルト合金を用いことで大幅なコストの低減が可能である。また、このコバルト合金に磁性の性質を与えることで表れる異常ネルンスト効果と呼ばれる熱電効果をスピンゼーベック効果と併用して、従来の白金を利用した素子の１０倍以上の熱電変換効率を向上させることができる。

図１２はスピンゼーベック熱電変換デバイスからなる熱電素子１０の構成を示す断面図である。
図１２に示すように、このスピンゼーベック熱電変換デバイスからなる熱電素子１０は、プラスチックフィルム等のフレキシブルな材料からなる磁性絶縁体４１と、磁性絶縁体４１上に形成された１００ｎｍ程度の柱状結晶粒からなるフェライトメッキ磁性膜４２と、磁性膜４２表面に形成されたコバルト合金からなる電極膜４３とを有する。

上記フェライトメッキ磁性膜４２は比較低温での形成が可能であることから磁性絶縁体としてプラスチックフィルム等を用いることができ、しかも結晶粒が変形によるストレスを緩衝することができるので、変形状態での使用が可能となる。

従って、図８に示したように金属瓦４の隆起部６が断面Ｒ形状（かまぼこ型形状）等を有する場合であってもその形状を有する表面にその形状に沿うように熱電素子１０を取り付けることができる。従って、金属瓦４から熱電素子１０へ効率よく熱を伝達することができ、発電効率を高めることができる。

ここで、磁性絶縁体は典型的にはプラスチックフィルム等のフレキシブルな基板である。もちろん磁性絶縁体はガラスやセラミックスなどの剛体であっても良い。

金属瓦４の表面にコーティング等による磁性絶縁体４１の層が設けられている場合には、その金属瓦４の表面に磁性膜４２と、コバルト合金からなる電極膜４３とを有する熱電素子１０を直接貼り付けても良い。或いは、そのような金属瓦４の表面に磁性膜４２を構成する塗布材料を塗布し、更にその上にコバルト合金からなる電極膜４３を構成する塗布材料を塗布しても良い。
（第６の実施形態に係る金属瓦）
次に、図１２に示したスピンゼーベック熱電変換デバイスからなる熱電素子１０を用いた金属瓦の実施形態を説明する。
図１３は第６の実施形態に係る金属瓦４の一部断面斜視図、図１４はその金属瓦４の横断面図、図１５はその金属瓦４の縦断面図である。
第６の実施形態に係る金属瓦４では、図１３及び図１４に示すように金属瓦４の隆起部６が断面Ｒ形状（かまぼこ型形状）とされている。

また熱電素子１０は図１２に示したスピンゼーベック熱電変換デバイスからなり、金属瓦４の隆起部６の形状に沿うような断面Ｒ形状となっている。これにより、熱電素子１０の一方の面は金属瓦４の隆起部６の一方の面に対して密着し、金属瓦４の熱が熱電素子１０に効率よく伝達するようになっている。つまり図８に示した金属瓦４と比べると充填剤１７が不要となり、発電効率もよくなる。

（第７の実施形態に係る金属瓦）
もちろん図１６に示すようにスピンゼーベック熱電変換デバイスからなる熱電素子１０は金属瓦４の隆起部６が台形状であってもその上底部に取り付けて用いることも可能である。
（その他）
本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な形態に変形して実施が可能であり、その実施範囲も本発明の技術的範囲に属するものである。
例えば、上記の実施形態では、金属瓦４の裏面に屋根下地材２０が設けられていたが、工場などの大規模建築物の屋根のように屋根下地材２０が設けられていなくても本発明を適用可能である。
また、上記の実施形態では、隆起部の形状が断面台形状やＲ形状であったが、他の形状であっても勿論構わない。
更に、上記実施形態では、取付け金具を介して金属瓦の隆起部に熱電素子を取付けていたが、例えば隆起部自体に熱電素子の両側より熱電素子を挟持する突起部などを形設し、突起部により金属瓦の隆起部に熱電素子を直接取付けても構わない。

１ 瓦葺屋根
２ 建造物
３ 屋根
４ 金属瓦
５ 流路
６ 隆起部
１０ 熱電素子
１１ 可動アタッチメント
１２ 取付け金具
１３ 押え金具
１４ スプリング
１５ 配線チューブ
１６ 配線
１７ 充填剤
１８ 放熱シンク
２０ 屋根下地材
３０ カバー部材
３１ 孔
４１ 磁性絶縁体
４２ 磁性膜
４３ 電極膜

Claims (4)

1. 屋根の斜面に複数の金属瓦を葺いた瓦葺屋根であって、
   前記屋根の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路を前記複数の金属瓦の裏面側で構成するように、それぞれの前記金属瓦に形設された隆起部と、
   熱電素子とを具備し、
   前記熱電素子は、電力を取り出すための電極がコバルト合金からなるスピンゼーベック熱電変換デバイスであり、前記スピンゼーベック熱電変換デバイスは、プラスチックフィルムであってフレキシブルな材料からなる磁性絶縁体と、前記磁性絶縁体上に形成された柱状結晶粒からなるフェライトメッキ磁性膜と、前記磁性膜の表面に形成されたコバルト合金からなる電極膜とを有し、
   更に、前記熱電素子は、前記金属瓦の隆起部に当該隆起部の形状に沿うように密着して取付けられ、前記流路を流通する空気の温度と前記金属瓦の隆起部付近の温度との差に基づき発電するものであり、
   前記熱電素子に接続された配線が前記金属瓦の隆起部に収容される
   瓦葺屋根。
2. 請求項１に記載の瓦葺屋根であって、
   前記熱電素子は、前記金属瓦の隆起部の裏面に取付けられ、前記流路を流通する空気の温度と前記金属瓦の隆起部付近の温度との差に基づき発電する
   瓦葺屋根。
3. 請求項１又は２に記載の瓦葺屋根であって、
   前記隆起部は、断面が台形状となるように形設され、
   前記熱電素子は、前記隆起部の台形状の上底部に取付けられている
   瓦葺屋根。
4. 金属製の瓦本体と、
   屋根の斜面の下から上に向けて空気を流通させる流路を前記瓦本体の裏面側で構成するように形設された隆起部と、
   熱電素子とを具備し、
   前記熱電素子は、電力を取り出すための電極がコバルト合金からなるスピンゼーベック熱電変換デバイスであり、前記スピンゼーベック熱電変換デバイスは、プラスチックフィルムであってフレキシブルな材料からなる磁性絶縁体と、前記磁性絶縁体上に形成された柱状結晶粒からなるフェライトメッキ磁性膜と、前記磁性膜の表面に形成されたコバルト合金からなる電極膜とを有し、
   更に、前記熱電素子は、前記隆起部に当該隆起部の形状に沿うように密着して取付けられ、前記流路を流通する空気の温度と前記瓦本体の隆起部付近の温度との差に基づき発電するものであり、
   前記熱電素子に接続される配線が前記瓦本体の隆起部に収容される
   金属瓦。

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