JP7147877B2 - 熱電変換装置の設置方法および熱電変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換装置の設置方法および熱電変換装置に関する。

建物の外側に露出する外側壁と、外側壁よりも建物の内側に位置し外側壁との間に空間が形成された状態で配置された内側壁と、板状であり外側壁と内側壁との間において厚さ方向における一面が外側壁の内面に接触させた状態で外側壁に取り付けられた熱電変換部と、を含む建物の壁構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。ここで、熱電変換部の厚さ方向における他面側は、外側壁と内側壁との間を流動する空気で冷却される。そして、熱電変換部は、厚さ方向における一面側の温度と厚さ方向における他面側の温度との温度差に応じて発電する。

米国特許出願公開第２０１４／０２６０００３号明細書

しかしながら、特許文献１に記載された壁構造の場合、外側壁と内側壁との間を流動する空気が、外側壁から熱電変換部を通って伝達してくる熱により暖められてしまう。そうすると、熱電変換部の厚さ方向における一面側の温度と他面側の温度との温度差が小さくなり、熱電変換部の発電量が低下してしまう虞がある。

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、発電量を向上させることができる熱電変換装置の設置方法および熱電変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る熱電変換装置の設置方法は、
第１造営材と、前記第１造営材の厚さ方向において前記第１造営材と隣り合うように配置された第２造営材と、を有する建材に熱電変換装置を設置する熱電変換装置の設置方法であって、
前記第１造営材と前記第２造営材との間の少なくとも一部の領域に空隙が形成され、
前記熱電変換装置は、第１部位と前記第１部位とは異なる第２部位とを有し、
前記第１造営材に穿設された開口部から前記第１部位が前記第１造営材における前記第２造営材側とは反対側へ露出し且つ前記第２部位が前記第２造営材に熱的に結合した状態で前記熱電変換装置を前記建材に設置する。

また、本発明の一態様に係る熱電変換装置の設置方法は、
前記熱電変換装置の少なくとも一部と前記第１造営材との間に、前記第１造営材から前記第２部位への熱の伝達を遮蔽する断熱部が介在していてもよい。
また、本発明の一態様に係る熱電変換装置の設置方法は、
前記第２造営材が、前記第１造営材に穿設された前記開口部に対向する位置から前記開口部に向かって突出する突台部を有し、
前記熱電変換装置が、前記第２部位が前記突台部と熱的に結合した状態で設置されてもよい。

他の観点から見た本発明の一態様に係る熱電変換装置は、
第１造営材と、前記第１造営材の厚さ方向において前記第１造営材と隣り合うように配置された第２造営材と、を有する建材の前記第１造営材に穿設された開口部から少なくとも一部が前記第１造営材における前記第２造営材側とは反対側へ露出した状態で前記建材に設置される熱電変換装置であって、
前記第１造営材と前記第２造営材との間の少なくとも一部の領域に空隙が形成され、
第１伝熱部材と、
前記第２造営材と熱的に結合する第２伝熱部材と、
前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間に配置された少なくとも１つの熱電変換素子と、
前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間において、前記少なくとも１つの熱電変換素子を囲繞するように配置された断熱部材と、を備え、
前記第１伝熱部材の熱伝導率は、前記第２伝熱部材の熱伝導率よりも高い。

他の観点から見た本発明の一態様に係る熱電変換装置は、
第１造営材と、前記第１造営材の厚さ方向において前記第１造営材と隣り合うように配置された第２造営材と、を有する建材の前記第１造営材に穿設された開口部から少なくとも一部が前記第１造営材における前記第２造営材側とは反対側へ露出した状態で前記建材に設置される熱電変換装置であって、
前記第１造営材と前記第２造営材との間の少なくとも一部の領域に空隙が形成され、
第１伝熱部材と、
前記第２造営材と熱的に結合する第２伝熱部材と、
前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間に配置された少なくとも１つの熱電変換素子と、
前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間において、前記少なくとも１つの熱電変換素子を囲繞するように配置された断熱部材と、を備え、
前記第１伝熱部材における前記第１造営材に穿設された開口部から前記第２造営材側とは反対側へ露出した部分の放射率は、前記第２伝熱部材の放射率よりも高い。
また、本発明の一態様に係る熱電変換装置は、
前記第２造営材が、前記第１造営材に穿設された前記開口部に対向する位置から前記開口部に向かって突出する突台部を有し、
前記第２伝熱部材が、前記突台部と熱的に結合している、ものであってもよい。

本発明によれば、第１造営材に穿設された開口部から第１部位が第１造営材における第２造営材側とは反対側へ露出し且つ第２部位が第２造営材に熱的に結合した状態で熱電変換装置を建材に設置する。これにより、例えば第２部位が第２造営材から距離を離した状態で熱電変換装置を建材に設置した場合に比べて、第１部位の温度と第２部位の温度との温度差を大きくすることができる。従って、建材に設置された熱電変換装置の発電量を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る熱電変換装置が建物の壁に設置された状態の一例を示す概略斜視図である。 実施の形態に係る熱電変換装置の断面図である。 実施の形態に係る熱電変換装置の図２ＡのＡ－Ａ線での断面矢視図である。 実施の形態に係る熱電変換装置が設置された壁を示す概略断面図である。 比較例に係る熱電変換装置が設置された壁を示す概略断面図である。 変形例に係る熱電変換装置が設置された壁を示す概略正面図である。 変形例に係る熱電変換装置が設置された壁の図５のＢ－Ｂ線での断面矢視図である。 変形例に係る熱電変換装置の断面図である。 変形例に係る熱電変換装置の図７ＡのＣ－Ｃ線での断面矢視図である。

以下、本発明の実施の形態に係る熱電変換装置の設置方法について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態に係る熱電変換装置の設置方法は、第１造営材と、第１造営材の厚さ方向において第１造営材と隣り合うように配置された第２造営材と、を有する建材に熱電変換装置を設置する方法である。ここで、熱電変換装置は、第１部位と第１部位とは異なる第２部位とを有し、第１部位の温度と第２部位の温度との温度差に応じて発電する。そして、この熱電変換装置の設置方法では、第１造営材に穿設された開口部から第１部位が第１造営材における第２造営材側とは反対側へ露出し且つ第２部位が第２造営材に熱的に結合した状態で熱電変換装置を建材に設置する。ここで、「熱的に結合」とは、例えば、第２造営材と第２部位との間で熱が伝わっていることを示す。そして、第２造営材と第２部位との間に、樹脂やシートなどを介して熱が伝わっている場合も含まれる。

例えば図１に示すように、本実施の形態に係る熱電変換装置１は、建物の壁Ｗａ１０の外側に露出するように壁Ｗａ１０に設置される。熱電変換装置１は、図２Ａに示すように、複数の熱電変換素子１１と、第１伝熱部材１２と、第２伝熱部材１３と、断熱部材１４と、を備える。また、複数の熱電変換素子１１は、第１伝熱部材１２と第２伝熱部材１３との間に配置されている。複数の熱電変換素子１１は、それぞれ、いわゆるπ型の熱電変換素子或いは積層型の熱電変換素子であり、第１伝熱部材１２に熱的に結合した部分と第２伝熱部材１３に熱的に結合した部分とを有する。そして、複数の熱電変換素子１１は、それぞれ、第１伝熱部材１２に熱的に結合した部分の温度と第２伝熱部材１３に熱的に結合した部分の温度との温度差に応じて発電する。複数の熱電変換素子１１それぞれの発電量は、第１伝熱部材１２に熱的に結合した部分の温度と第２伝熱部材１３に熱的に結合した部分の温度との温度差が大きいほど大きくなる。また、複数の熱電変換素子１１は、互いに直列に接続されている。

第１伝熱部材１２および第２伝熱部材１３は、例えば金属から板状に形成されたものである。ここで、第１伝熱部材１２は、熱電変換装置１の第１部位に相当し、第２伝熱部材１３は、熱電変換装置１の第２部位に相当する。また、第１伝熱部材１２の熱伝導率は、第２伝熱部材１３の熱伝導率よりも高い。例えば第２伝熱部材１３が鉄（熱伝導率：７２乃至８０．４Ｗ／Ｋ／ｍ）から形成されているとする。この場合、第１伝熱部材１２は、例えば銅（熱伝導率：３８６乃至４０２Ｗ／Ｋ／ｍ）から形成されていてもよい。更に、第１伝熱部材１２の少なくとも第２伝熱部材１３側とは反対側の表面１２ａの放射率が、第２伝熱部材１３の表面の放射率よりも高い。例えば第１伝熱部材１２の表面１２ａには、黒色の塗料が塗布されていてもよい。

断熱部材１４は、第１伝熱部材１２と第２伝熱部材１３との間に配置されている。断熱部材１４は、例えば図２Ｂに示すように、複数（図２Ｂでは１２個）の熱電変換素子１１それぞれを囲繞するように配置されている。断熱部材１４は、発泡系断熱材、繊維系断熱材等から形成されている。発泡系断熱材としては、例えばポリスチレンフォーム、ポリウレタンフォーム、フェノールフォーム等が挙げられる。また、繊維系断熱材としては、グラスウール、ロックウール、セルロースファイバ、羊毛等が挙げられる。

次に、本実施の形態に係る熱電変換装置１の建物の壁Ｗａ１０への設置方法について図３を参照しながら説明する。壁Ｗａ１０は、図３に示すように、外側壁Ｗａ１と、外側壁Ｗａ１の厚さ方向において外側壁Ｗａ１と隣り合うように配置された内側壁Ｗａ２と、を有する。ここで、外側壁Ｗａ１、内側壁Ｗａ２は、それぞれ、第１造営材、第２造営材に相当する。また、外側壁Ｗａ１と内側壁Ｗａ２との間には、空隙Ｓ１が形成されている。そして、外側壁Ｗａ１における熱電変換装置１が設置される箇所には、外側壁Ｗａ１を厚さ方向に貫通する開口部Ｈｏ１が穿設されている。また、内側壁Ｗａ２は、本体部Ｗａ２２と、本体部Ｗａ２２における開口部Ｈｏ１に対向する部位に配設され外側壁Ｗａ１に近づく方向へ突出した突台部Ｗａ２１と、突台部Ｗａ２１の外側壁Ｗａ１側に形成された取付面Ｗａ２１ａとを有する。外側壁Ｗａ１と内側壁Ｗａ２の本体部Ｗａ２２は、例えばコンクリートから形成され、内側壁Ｗａ２の突台部Ｗａ２１は、例えばモルタルから形成されている。

壁Ｗａ１０に熱電変換装置１を設置する際、まず、突台部Ｗａ２１の取付面Ｗａ２１ａにエポキシ樹脂を含む接着剤（図示せず）を塗布する。なお、接着剤としては、例えばエポキシ樹脂よりも熱伝導率の高い金属を含むものであるものが、内側壁Ｗａ２から第２伝熱部材１３への伝熱性向上の観点から好ましい。次に、熱電変換装置１の第２伝熱部材１３を、接着剤により突台部Ｗａ２１に接着させることにより、熱電変換装置１を内側壁Ｗａ２に固定する。このように、第２伝熱部材１３が第２伝熱部材１３に比べて熱容量の大きい内側壁Ｗａ２に固定されていることにより、第２伝熱部材１３の温度が、内側壁Ｗａ２の温度と同じ温度で安定的に維持される。また、熱電変換装置１が、内側壁Ｗａ２の突台部Ｗａ２１に固定された状態で、外側壁Ｗａ１との間に空隙Ｓ２が形成されている。この空隙Ｓ２と熱電変換装置１の断熱部材１４とから、外側壁Ｗａ１から熱電変換装置１の第２伝熱部材１３への熱の伝達を遮蔽する断熱部が構成されている。これにより、外側壁Ｗａ１から第２伝熱部材１３への伝熱が抑制されている。

次に、本実施の形態に係る熱電変換装置１の設置方法で設置された熱電変換装置１の発電特性について、比較例に係る熱電変換装置１の設置方法で設置された場合と比較しながら説明する。比較例に係る熱電変換装置１の設置方法では、例えば図４に示すような壁Ｗａ９０に熱電変換装置１が設置される。なお、図４において実施の形態と同様の構成については図３と同一の符号を付している。壁Ｗａ９０は、外側壁Ｗａ１と内側壁Ｗａ９とを有し、内側壁Ｗａ９には突台部が設けられていない点が実施の形態に係る壁Ｗａ１０と相違する。熱電変換装置１は、その第２伝熱部材１３が内側壁Ｗａ９から距離を離した状態で、壁Ｗａ９０に固定されている。ここで、第２伝熱部材１３と内側壁Ｗａ９との間の距離Ｗ９は、例えば１０乃至２０ｃｍに設定されている。比較例に係る設置方法を採用した場合、熱電変換装置１の第２伝熱部材１３は、第２伝熱部材１３と内側壁Ｗａ９との間を流動する空気の自然対流により冷却されることになる。

ここで、本実施の形態に係る設置方法により熱電変換装置１を壁Ｗａ１０に設置した場合と比較例に係る設置方法により熱電変換装置１を壁Ｗａ９０に設置した場合とで発電量を計測した結果を表１および表２に示す。ここで、熱電変換装置１を、東向きの壁Ｗａ１０、Ｗａ９０と、南向きの壁Ｗａ１０、Ｗａ９０とに設置し、２０１８年１１月から２０１８年１２月の間の１ヶ月間における熱電変換装置１の発電量を計測した。また、熱電変換装置１として、例えば第１伝熱部材１２の表面１２ａの９０％以上に黒色の塗料が塗布されたものを採用した。表１は、東向きの壁Ｗａ１０、Ｗａ９０に熱電変換装置１を設置した場合の結果を示し、表２は、南向きの壁Ｗａ１０、Ｗａ９０に熱電変換装置１を設置した場合の結果を示す。

表１に示すように、東向きの壁Ｗａ１０、Ｗａ９０に熱電変換装置１を設置した場合、実施の形態に係る設置方法を採用した場合のほうが比較例に係る設置方法を採用した場合に比べて発電量が１５．８％程度増加していることが判る。また、表２に示すように、南向きの壁Ｗａ１０、Ｗａ９０に熱電変換装置１を設置した場合、実施の形態に係る設置方法を採用した場合のほうが比較例に係る設置方法を採用した場合に比べて発電量が１８．１％程度増加していることが判る。この結果について以下のように考察される。比較例に係る設置方法を採用した場合、第２伝熱部材１３が第２伝熱部材１３と内側壁Ｗａ９との間を流動する空気の自然対流により冷却されるものであるため、第２伝熱部材１３の温度は内側壁Ｗａ９の温度よりも高くなり易い。これに対して、実施の形態に係る設置方法を採用した場合、前述のように、第２伝熱部材１３の温度が、内側壁Ｗａ２の温度と同じ温度で安定的に維持される。このため、実施の形態に係る設置方法を採用した場合のほうが、比較例に係る設置方法を採用した場合に比べて、第１伝熱部材１２の温度と第２伝熱部材１３の温度との温度差が大きくなり、熱電変換装置１の発電量も大きくなると考えられる。

以上説明したように、本実施の形態に係る熱電変換装置１の設置方法によれば、外側壁Ｗａ１に穿設された開口部Ｈｏ１から第１伝熱部材１２が外側壁Ｗａ１における内側壁Ｗａ２側とは反対側へ露出し且つ第２伝熱部材１３が内側壁Ｗａ２の突台部Ｗａ２１に接触した状態で熱電変換装置１を建物の壁Ｗａ１０に設置する。これにより、例えば第２伝熱部材１３が内側壁Ｗａ９から距離を離した状態で熱電変換装置１を建物の壁Ｗａ９０に設置した場合に比べて、第１伝熱部材１２の温度と第２伝熱部材１３の温度との温度差を大きくすることができる。従って、建物の壁に設置された熱電変換装置１の発電量を向上させることができる。

また、本実施の形態に係る熱電変換装置１の設置方法では、熱電変換装置１を、外側壁Ｗａ１と内側壁Ｗａ２の本体部Ｗａ２２との間に空隙Ｓ１が形成された壁Ｗａ１０に設置する。これにより、外側壁Ｗａ１から内側壁Ｗａ２への伝熱を抑制できるので、第１伝熱部材１２の温度と、内側壁Ｗａ２の突台部Ｗａ２１に固定された第２伝熱部材１３の温度との温度差を大きくできる。従って、第１伝熱部材１２の温度と第２伝熱部材１３の温度との温度差を大きくできる分、熱電変換装置１の発電量を増加させることができる。

更に、本実施の形態に係る熱電変換装置１の設置方法では、熱電変換装置１の周部と外側壁Ｗａ１との間に、空隙Ｓ２が形成されるように熱電変換装置１が内側壁Ｗａ２の突台部Ｗａ２１に固定される。また、熱電変換装置１が、複数の熱電変換素子１１それぞれを囲繞するように配置された断熱部材１４を備える。これにより、外側壁Ｗａ１から第２伝熱部材１３への伝熱が抑制され、第２伝熱部材１３の温度変動が抑制されるので、熱電変換装置１の発電量を安定させることができる。

また、本実施の形態に係る第１伝熱部材１２の熱伝導率は、第２伝熱部材１３の熱伝導率よりも高い。更に、第１伝熱部材１２における外側壁Ｗａ１に穿設された開口部Ｈｏ１から露出した部分の放射率は、第２伝熱部材１３の放射率よりも高い。これにより、太陽からの放射エネルギを効率良く熱電変換素子１１へ伝達させることができるとともに、第２伝熱部材１３の温度変動を抑制することができる。従って、熱電変換装置１の発電量を増加させ且つ安定させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は前述の実施の形態の構成に限定されるものではない。例えば図５に示すように、複数（図５では８つ）の熱電変換装置１を壁Ｗａ２０に二次元に並べて設置してもよい。この場合、図６に示すように、壁Ｗａ２０の外側壁Ｗａ２０１として、その複数の熱電変換装置１が設置される箇所に、外側壁Ｗａ２０１を厚さ方向に貫通する開口部Ｈｏ２が穿設されたものを採用すればよい。そして、壁Ｗａ２０の内側壁Ｗａ２０２として、その開口部Ｈｏ２に対向する部位に、外側壁Ｗａ２０１に近づく方向へ突出した突台部Ｗａ２２１が配設されたものを採用すればよい。

本構成によれば、複数の熱電変換装置１を電気的に直列に接続することにより、高い出力電圧を得ることができる。

実施の形態では、断熱部材１４が複数の熱電変換装置１それぞれを囲繞するように配置されている熱電変換装置１の例について説明した。但し、これに限らず、例えば図７Ａおよび図７Ｂに示す熱電変換装置３０１のように、断熱部材３０１４が複数（図７Ｂでは１２個）の熱電変換素子１１が配置された１つの領域を囲繞するように配置されているものであってもよい。

実施の形態では、外側壁Ｗａ１と内側壁Ｗａ２との間に空隙Ｓ１が形成されている壁Ｗａ１０に熱電変換装置１を設置する例について説明したが、これに限らず、例えば外側壁Ｗａ１と内側壁Ｗａ２とが厚さ方向において互いに隣接している壁（図示せず）に熱電変換装置を設置するものであってもよい。

実施の形態では、外側壁Ｗａ１、内側壁Ｗａ２の本体部Ｗａ２２が、コンクリートから形成され、内側壁Ｗａ２の突台部Ｗａ２１が、モルタルから形成されている例について説明した。但し、これに限らず、例えば外側壁Ｗａ１が樹脂、金属等のその他の材料から形成されていてもよいし、内側壁Ｗａ２が樹脂、金属等のその他の材料から形成されていてもよい。

以上、本発明の実施の形態および変形例（なお書きに記載したものを含む。以下、同様。）について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は、実施の形態および変形例が適宜組み合わされたもの、それに適宜変更が加えられたものを含む。

本出願は、２０１９年１月２３日に出願された日本国特許出願特願２０１９－００８９２７号に基づく。本明細書中に日本国特許出願特願２０１９－００８９２７号の明細書、特許請求の範囲および図面全体を参照として取り込むものとする。

本発明は、建物の壁に設置される熱電変換装置の設置方法として好適である。

１，３０１：熱電変換装置、１１：熱電変換素子、１２：第１伝熱部材、１３：第２伝熱部材、１４，３０１４：断熱部材、Ｈｏ１，Ｈｏ２：開口部、Ｓ１，Ｓ２：空隙、Ｗａ１０，Ｗａ２０：壁、Ｗａ１，Ｗａ２０１：外側壁、Ｗａ２，Ｗａ２０２：内側壁、Ｗａ２１，Ｗａ２２１：突台部、Ｗａ２２，Ｗａ２２２：本体部

Claims (6)

1. 第１造営材と、前記第１造営材の厚さ方向において前記第１造営材と隣り合うように配置された第２造営材と、を有する建材に熱電変換装置を設置する熱電変換装置の設置方法であって、
   前記第１造営材と前記第２造営材との間の少なくとも一部の領域に空隙が形成され、
   前記熱電変換装置は、第１部位と前記第１部位とは異なる第２部位とを有し、
   前記第１造営材に穿設された開口部から前記第１部位が前記第１造営材における前記第２造営材側とは反対側へ露出し且つ前記第２部位が前記第２造営材に熱的に結合した状態で前記熱電変換装置を前記建材に設置する、
   熱電変換装置の設置方法。
2. 前記熱電変換装置の少なくとも一部と前記第１造営材との間に、前記第１造営材から前記第２部位への熱の伝達を遮蔽する断熱部が介在している、
   請求項１に記載の熱電変換装置の設置方法。
3. 前記第２造営材は、前記第１造営材に穿設された前記開口部に対向する位置から前記開口部に向かって突出する突台部を有し、
   前記熱電変換装置は、前記第２部位が前記突台部と熱的に結合した状態で設置される、
   請求項１または２に記載の熱電変換装置の設置方法。
4. 第１造営材と、前記第１造営材の厚さ方向において前記第１造営材と隣り合うように配置された第２造営材と、を有する建材の前記第１造営材に穿設された開口部から少なくとも一部が前記第１造営材における前記第２造営材側とは反対側へ露出した状態で前記建材に設置される熱電変換装置であって、
   前記第１造営材と前記第２造営材との間の少なくとも一部の領域に空隙が形成され、
   第１伝熱部材と、
   前記第２造営材と熱的に結合する第２伝熱部材と、
   前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間に配置された少なくとも１つの熱電変換素子と、
   前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間において、前記少なくとも１つの熱電変換素子を囲繞するように配置された断熱部材と、を備え、
   前記第１伝熱部材の熱伝導率は、前記第２伝熱部材の熱伝導率よりも高い、
   熱電変換装置。
5. 第１造営材と、前記第１造営材の厚さ方向において前記第１造営材と隣り合うように配置された第２造営材と、を有する建材の前記第１造営材に穿設された開口部から少なくとも一部が前記第１造営材における前記第２造営材側とは反対側へ露出した状態で前記建材に設置される熱電変換装置であって、
   前記第１造営材と前記第２造営材との間の少なくとも一部の領域に空隙が形成され、
   第１伝熱部材と、
   前記第２造営材と熱的に結合する第２伝熱部材と、
   前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間に配置された少なくとも１つの熱電変換素子と、
   前記第１伝熱部材と前記第２伝熱部材との間において、前記少なくとも１つの熱電変換素子を囲繞するように配置された断熱部材と、を備え、
   前記第１伝熱部材における前記第１造営材に穿設された開口部から前記第２造営材側とは反対側へ露出した部分の放射率は、前記第２伝熱部材の放射率よりも高い、
   熱電変換装置。
6. 前記第２造営材は、前記第１造営材に穿設された前記開口部に対向する位置から前記開口部に向かって突出する突台部を有し、
   前記第２伝熱部材は、前記突台部と熱的に結合している、
   請求項４または５に記載の熱電変換装置。

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