JP7308481B2 - Cathodic protection device and cathodic protection method for steel materials in concrete structures - Google Patents

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本発明は、コンクリート構造物における鋼材の電気防食装置および電気防食方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to an cathodic protection device and cathodic protection method for steel materials in concrete structures.

コンクリート構造物においては、酸素、水、塩化物イオン等の内部浸透によって、その内部に配設されている鉄筋等の鋼材に腐食が発生する。そのような鋼材腐食が発生すると、それに伴う腐食生成物の体積膨張により、コンクリートにひび割れが発生し、腐食をさらに加速させ、鋼材の断面減少等が引き起こされ、最終的には構造物の強度等の諸性能が低下する。そのため、コンクリート構造物における鋼材の腐食を防止する様々な手段が開発されてきており、その中の一つとして電気防食方法が知られている。 In a concrete structure, internal permeation of oxygen, water, chloride ions, etc., causes corrosion of steel materials such as reinforcing bars disposed therein. When such steel corrosion occurs, the volume expansion of the corrosion products that accompanies it causes cracks in the concrete, further accelerating the corrosion, causing a reduction in the cross section of the steel, etc., and ultimately reducing the strength of the structure. performance is reduced. Therefore, various means have been developed to prevent the corrosion of steel materials in concrete structures, and one of them is the cathodic protection method.

電気防食方法は、コンクリート構造物内の鋼材(防食対象鋼材)を陰極とし、当該陰極と、コンクリート構造物の表面又はその表面に切削した溝等に設置された陽極(電気防食用電極)との間に電流(防食電流)を通すことで、防食対象鋼材(陰極)の電位を卑方向に変化させることによって防食する方法である。 In the cathodic protection method, the steel material (steel material to be protected against corrosion) in the concrete structure is used as a cathode, and the cathode and the anode (electrode for cathodic protection) installed on the surface of the concrete structure or in a groove cut on the surface. This is a method of preventing corrosion by passing an electric current (anticorrosion current) between them to change the potential of the steel material (cathode) to be protected against corrosion in the negative direction.

電気防食方法には、流電陽極方式と外部電源方式とが知られている。流電陽極方式は、防食対象鋼材よりも自然電位が卑な金属からなる陽極(電気防食用電極)をコンクリート表面等に設置し、当該陽極と防食対象鋼材とを導線等によって電気的に接続し、コンクリートを電解質とする電池作用によって陽極と防食対象鋼材との間に防食電流を生じさせることで鋼材の腐食を防止する方式である。流電陽極方式による電気防食方法は、外部電源装置が不要であるが、陽極(電気防食用電極)を定期的に取り換える必要がある。 There are known galvanic anode method and external power supply method for the electric corrosion protection method. In the galvanic anode method, an anode (electrode for cathodic protection) made of a metal with a lower self-potential than the steel to be protected is installed on the surface of concrete, etc., and the anode and the steel to be protected are electrically connected by a wire or the like. In this method, corrosion of steel materials is prevented by generating an anti-corrosion current between the anode and the steel material to be protected against corrosion by means of a battery action using concrete as an electrolyte. The galvanic anode cathodic protection method does not require an external power supply, but the anode (electrode for cathodic protection) needs to be replaced periodically.

一方、外部電源方式は、コンクリート構造物の表面又はその表面に切削した溝等に設置された陽極(電気防食用電極)を外部電源装置のプラス極に接続し、防食対象鋼材を外部電源装置のマイナス極に接続し、外部電源装置により陽極と防食対象鋼材との間に防食電流を流すことで防食を行う方式である。外部電源方式による電気防食方法は、外部電源装置を用いることで長期間にわたって安定した電力を得ることができる反面、外部電源装置から常時電力を供給する必要があり、電気防食に要するコストが嵩みやすい。 On the other hand, in the external power supply method, the anode (electrode for cathodic protection) installed in the surface of the concrete structure or a groove cut in the surface is connected to the positive electrode of the external power supply, and the steel material to be protected against corrosion is connected to the external power supply. It is a method to prevent corrosion by connecting to the negative electrode and applying an anti-corrosion current between the anode and the steel material to be protected from corrosion by an external power supply device. The cathodic protection method using an external power supply system can obtain stable power over a long period of time by using an external power supply, but on the other hand, it is necessary to constantly supply power from the external power supply, which tends to increase the cost required for cathodic protection. .

これに関連して、太陽電池を電源とする外部電源方式の電気防食方法が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。しかしながら、太陽電池を電源とする外部電源方式の場合、夜間時や天候不順によって電力の供給が不安定になったり、太陽光が照射しない構造物への適用が難しいといった問題がある。 In relation to this, an external power source type cathodic protection method using a solar battery as a power source has been proposed (see, for example, Patent Document 1). However, in the case of the external power supply system using a solar battery as a power supply, there are problems such as unstable power supply at night or in bad weather, and difficulty in applying it to structures that are not exposed to sunlight.

特開平7-316850号公報JP-A-7-316850

また、特許文献1には、太陽光線が不足した場合に、予め組み込んだ犠牲陽極回路を外部電源から切り替えて作動させ、定常的に防食を行う方法が開示されているが、この方法では複数の異なる防食方式を組み合わせる必要がある。 In addition, Patent Document 1 discloses a method for constantly preventing corrosion by switching a pre-installed sacrificial anode circuit from an external power source to operate when sunlight is insufficient. It is necessary to combine different corrosion protection methods.

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、自己発電
による電力を使用することで外部からの商用電力の供給を不要としつつ、夜間や天候不順のときも安定した電力の供給が可能なコンクリート構造物における鋼材の電気防食技術を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to eliminate the need to supply commercial power from the outside by using self-generated power, and to use it at night or in bad weather. To provide a cathodic protection technique for steel materials in a concrete structure capable of stably supplying electric power.

上記課題を解決するための本発明は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食装置であって、前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流すための電力を発電する発電部を有する発電装置を備え、前記発電部は、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを含むことを特徴とする。 The present invention for solving the above problems employs the following means. That is, the present invention provides an electric corrosion protection device for preventing corrosion of a steel material to be corrosion-protected in a concrete structure by applying an anti-corrosion current from an anode material installed in the concrete structure to the steel material to be corrosion-protected in the concrete structure, wherein the anode material a power generation unit that generates electric power for supplying an anticorrosion current to the steel material to be protected from corrosion, wherein the power generation unit includes an n-type thermoelectric conversion element and a p-type thermoelectric conversion element alternately and via electrodes and It is characterized by including thermoelectric conversion modules electrically connected in series.

本発明において、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子は、それぞれフォノニック結晶構造を有していても良い。また、熱電変換モジュールは、薄膜形状を有していても良いし、バルク形状を有していても良い。ここで、前記p型熱電変換素子および前記n型熱電変換素子は、素子を厚さ方向に貫通するサブマイクロオーダー又はナノオーダーの直径を有する細孔が多数形成されていても良い。 In the present invention, each of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element may have a phononic crystal structure. Moreover, the thermoelectric conversion module may have a thin film shape, or may have a bulk shape. Here, the p-type thermoelectric conversion element and the n-type thermoelectric conversion element may be formed with a large number of pores having a diameter of submicro order or nano order penetrating through the element in the thickness direction.

また、本発明において、前記発電部は、複数の前記熱電変換モジュールを含んでいても良い。 Moreover, in the present invention, the power generation section may include a plurality of the thermoelectric conversion modules.

また、本発明において、前記熱電変換モジュール同士が電気的に並列又は直列に接続されていても良い。 Moreover, in the present invention, the thermoelectric conversion modules may be electrically connected in parallel or in series.

また、本発明において、前記熱電変換モジュールは、電気絶縁性材料からなる支持基板上に配置されており、前記電極は、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における熱伝導方向の両端に配置されており、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における低温側端部が前記支持基板に設けられた支持部に支持されていると共に、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部が前記支持基板と非接触になっていても良い。 Further, in the present invention, the thermoelectric conversion module is arranged on a support substrate made of an electrically insulating material, and the electrodes are disposed on both ends of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element in the heat conduction direction. The low temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element are supported by a support portion provided on the support substrate, and the n-type thermoelectric conversion element and the p The high-temperature side end of the thermoelectric conversion element may be out of contact with the support substrate.

また、前記熱電変換モジュールは、前記n型熱電変換素子と前記p型熱電変換素子とが前記電極を介して交互に直列に接続されることでπ型を呈すると共に、互いに平行に配列される複数のπ型部を含み、前記複数のπ型部において、互いに隣接する一組のπ型部が連結部を介して連結されると共に、前記連結部を介して連結された一組のπ型部が前記支持基板に突設されると共に互いに離間して配置される一対の支持部に支持されることで、当該一組のπ型部が一対の支持部間に架け渡されており、前記連結部を介して連結される一組のπ型部に含まれる前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子の前記低温側端部が前記支持部に支持されると共に、前記高温側端部が前記連結部によって連結されていても良い。 Further, the thermoelectric conversion module exhibits a π-type shape by alternately connecting the n-type thermoelectric conversion elements and the p-type thermoelectric conversion elements in series via the electrodes, and has a plurality of thermoelectric conversion modules arranged in parallel to each other. wherein in the plurality of π-shaped portions, a pair of mutually adjacent π-shaped portions are connected via a connecting portion, and a set of π-shaped portions connected via the connecting portion are projected from the support substrate and supported by a pair of support portions spaced apart from each other, so that the pair of π-shaped portions are bridged between the pair of support portions, and the coupling The low-temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element included in a pair of π-shaped portions connected via a portion are supported by the support portion, and the high-temperature side end portions may be connected by the connecting portion.

また、本発明において、前記発電部は、前記コンクリート構造物のコンクリート表面に設置されていても良い。 Moreover, in the present invention, the power generation unit may be installed on the concrete surface of the concrete structure.

また、本発明は、コンクリート構造物における鋼材の電気防食方法として特定することができる。すなわち、本発明は、コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食方法であって、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを有する発電部において、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部と低温側端部との温度差を利用し
て発電し、当該発電した電力を利用して前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流すことを特徴とする。
Further, the present invention can be specified as a method for cathodic protection of steel materials in concrete structures. That is, the present invention provides a cathodic protection method for protecting a steel material to be corrosion-protected in a concrete structure by applying an anti-corrosion current from an anode material installed in the concrete structure to the steel material to be corrosion-protected in the concrete structure. In a power generation unit having a thermoelectric conversion module in which conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements are alternately and electrically connected in series via electrodes, the high temperature side of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element Electricity is generated by utilizing the temperature difference between the end portion and the low-temperature side end portion, and the generated electric power is used to flow an anti-corrosion current from the anode material to the anti-corrosion target steel material.

本発明によれば、自己発電による電力を使用することで外部からの商用電力の供給を不要としつつ、夜間や天候不順のときも安定した電力の供給が可能なコンクリート構造物における鋼材の電気防食技術を提供できる。 According to the present invention, self-generated electric power is used to eliminate the need to supply commercial electric power from the outside, and it is possible to stably supply electric power even at night or in bad weather. Cathodic protection of steel materials in concrete structures We can provide technology.

図1は、実施形態1に係る電気防食装置および電気防食方法を適用する鉄筋コンクリート構造物の概略側面図である。FIG. 1 is a schematic side view of a reinforced concrete structure to which the cathodic protection device and cathodic protection method according to Embodiment 1 are applied. 図2は、実施形態1に係る橋桁の横断面図である。2 is a cross-sectional view of a bridge girder according to Embodiment 1. FIG. 図3は、実施形態1に係る電気防食装置を説明する図である。FIG. 3 is a diagram for explaining the cathodic protection device according to Embodiment 1. FIG. 図4は、実施形態1に係る主桁の設置対象面に設置された発電装置の正面図である。4 is a front view of a power generating device installed on an installation target surface of a main girder according to Embodiment 1. FIG. 図5は、実施形態1に係る発電パネルの正面図である。5 is a front view of the power generation panel according to Embodiment 1. FIG. 図6は、実施形態1に係る熱電変換ユニットの平面構造を模式的に説明する図である。6 is a diagram schematically illustrating a planar structure of the thermoelectric conversion unit according to Embodiment 1. FIG. 図7は、実施形態1に係る熱電変換ユニットの断面構造を模式的に示す図である。7 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of a thermoelectric conversion unit according to Embodiment 1. FIG. 図8は、実施形態1に係る熱電変換モジュールのブリッジ構造を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining the bridge structure of the thermoelectric conversion module according to Embodiment 1. FIG. 図9は、実施形態1に係る熱電変換モジュールにおいて、ゼーベック効果によって生じた電位差によって流れる電流を説明するための模式図である。FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a current flowing due to a potential difference caused by the Seebeck effect in the thermoelectric conversion module according to Embodiment 1. FIG. 図10は、作製した熱電変換モジュールの一部を電子顕微鏡で写した像である。FIG. 10 is an electron microscope image of a part of the fabricated thermoelectric conversion module. 図11は、トンネルの内壁面に発電装置の発電パネルを設置する例を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing an example of installing a power generation panel of a power generation device on the inner wall surface of a tunnel.

以下、本発明の実施形態に係るコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置および電気防食方法について、図面を参照しながら説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An cathodic protection device and a cathodic protection method for steel materials in concrete structures according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<実施形態1>
図1は、実施形態1に係る電気防食装置および電気防食方法を適用する鉄筋コンクリート構造物の一例である橋桁1の概略側面図である。橋桁1は、図1に示すように、橋脚2,2の間に架け渡されたものである。図2は、実施形態1に係る橋桁1の横断面図である。橋桁1は、複数の主桁10をほぼ平行に配列して形成されている。橋桁1は、図2に示す例において、主桁10の断面形状はほぼT型となっており、隣り合う主桁10の上床版部10aの間にPC版11が設置されている。そして、主桁10の上床版部10aおよびPC版11の上部にRC床版12が現場打設されて、連続するコンクリート床版が形成されている。このコンクリート床版の上面には、舗装13が施されるなどして、路面が形成される。また、主桁10の端部には、図2に示すように横桁14が設けられ、複数の主桁10が一体となっており、これらが支承15によって橋脚2の上に支持されている。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic side view of a bridge girder 1 as an example of a reinforced concrete structure to which the cathodic protection device and cathodic protection method according to Embodiment 1 are applied. The bridge girder 1 spans between bridge piers 2, 2, as shown in FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the bridge girder 1 according to Embodiment 1. FIG. The bridge girder 1 is formed by arranging a plurality of main girders 10 substantially in parallel. In the example shown in FIG. 2, the main girder 10 of the bridge girder 1 has a substantially T-shaped cross-section, and a PC slab 11 is installed between the upper floor slabs 10a of the adjacent main girder 10. As shown in FIG. An RC floor slab 12 is placed on site on the upper floor slab portion 10a of the main girder 10 and the PC slab 11 to form a continuous concrete floor slab. A road surface is formed on the upper surface of this concrete floor slab by pavement 13 or the like. As shown in FIG. 2, cross beams 14 are provided at the ends of the main girders 10. A plurality of main girders 10 are integrated and supported on the piers 2 by bearings 15. .

図3は、実施形態1に係る電気防食装置100を説明する図である。図3においては、主桁10の下部領域を図示している。図3の符号4は、主桁10の鉄筋(主筋)を例示したものである。鉄筋4は、主桁10の長手方向(橋軸方向)に沿って伸びている。図3の符号5は、コンクリートである。本実施形態における電気防食装置100は、陽極材6、発電装置7等を備える。本実施形態では、主桁10の鉄筋4を防食対象鋼材として、電気
防食装置100によって電気防食する態様について説明する。
FIG. 3 is a diagram illustrating the cathodic protection device 100 according to the first embodiment. In FIG. 3, the lower area of the main girder 10 is illustrated. Reference numeral 4 in FIG. 3 illustrates reinforcing bars (main bars) of the main girder 10 . The reinforcing bars 4 extend along the longitudinal direction (bridge axis direction) of the main girder 10 . Reference numeral 5 in FIG. 3 is concrete. The cathodic protection device 100 in this embodiment includes the anode material 6, the power generation device 7, and the like. In the present embodiment, a description will be given of a mode in which the reinforcing bars 4 of the main girder 10 are treated as steel materials to be protected against corrosion by the electrostatic protection device 100 .

図3に示す例において、陽極材6は面状陽極方式を採用しており、コンクリート構造物である主桁10の表面(ここでの例では底面)に設置されている。陽極材6は、例えばチタンメッシュ等であっても良い。発電装置7は、主桁10のコンクリート表面である設置対象面5Aに取り付けられている。本実施形態では、主桁10の側面を形成するコンクリート側面を設置対象面5Aとする例を説明するが、他の部位におけるコンクリート表面に発電装置7を設置しても良い。 In the example shown in FIG. 3, the anode material 6 adopts the planar anode method and is installed on the surface (bottom surface in this example) of the main girder 10 which is a concrete structure. The anode material 6 may be titanium mesh or the like, for example. The power generation device 7 is attached to the installation target surface 5A, which is the concrete surface of the main girder 10 . In this embodiment, an example in which the concrete side surface forming the side surface of the main girder 10 is set as the installation target surface 5A will be described, but the power generation device 7 may be installed on the concrete surface of other portions.

図4は、実施形態1に係る主桁10の設置対象面5Aに設置された発電装置7の正面図である。発電装置7は、複数の発電パネル70および外部接続装置80を備える。外部接続装置80には、外部端子としてのプラス極端子80Aおよびマイナス極端子80B等を有している。発電パネル70は、電気絶縁性材料からなる支持基板71と、支持基板71に形成された発電部72と、支持基板71に設けられた外部端子としてのプラス極端子73Aおよびマイナス極端子73B等を有している。各発電パネル70におけるプラス極端子73Aおよびマイナス極端子73Bは、それぞれリード線(図示せず)等を介して外部接続装置80におけるプラス極端子80Aおよびマイナス極端子80Bに接続されている。図4中で、一点鎖線で囲まれた領域は、発電パネル70において発電部72が形成されている領域を示している。 4 is a front view of the power generator 7 installed on the installation target surface 5A of the main girder 10 according to Embodiment 1. FIG. The power generation device 7 includes a plurality of power generation panels 70 and external connection devices 80 . The external connection device 80 has a positive terminal 80A and a negative terminal 80B as external terminals. The power generation panel 70 includes a support substrate 71 made of an electrically insulating material, a power generation portion 72 formed on the support substrate 71, a positive electrode terminal 73A and a negative electrode terminal 73B as external terminals provided on the support substrate 71, and the like. have. The positive electrode terminal 73A and the negative electrode terminal 73B of each power generation panel 70 are connected to the positive electrode terminal 80A and the negative electrode terminal 80B of the external connection device 80 via lead wires (not shown) and the like, respectively. In FIG. 4 , an area surrounded by a dashed line indicates an area of the power generation panel 70 in which the power generation section 72 is formed.

ここで、発電装置7における発電パネル70および外部接続装置80は、適宜の方法を用いて主桁10の設置対象面5Aに取り付けられている。本実施形態においては、各発電パネル70における支持基板71の裏面が熱伝導性を有する接着材を介して主桁10の設置対象面5Aに接着されている。発電パネル70における発電部72の詳細構造については後述するが、本実施形態における発電部72はる熱電変換方式によって発電する熱電変換モジュールを多数備えている。そして、各発電パネル70において発電された電力は、リード線等を介して外部接続装置80に供給されるようになっている。 Here, the power generation panel 70 and the external connection device 80 in the power generation device 7 are attached to the installation target surface 5A of the main girder 10 using an appropriate method. In this embodiment, the back surface of the support substrate 71 of each power generation panel 70 is adhered to the installation target surface 5A of the main girder 10 via a thermally conductive adhesive. Although the detailed structure of the power generation section 72 in the power generation panel 70 will be described later, the power generation section 72 in this embodiment includes a large number of thermoelectric conversion modules that generate power by a thermoelectric conversion method. Electric power generated in each power generation panel 70 is supplied to the external connection device 80 via a lead wire or the like.

また、図3に示すように、発電装置7における外部接続装置80のプラス極端子80Aは、リード線81を介して主桁10のコンクリート表面に設置された陽極材6に接続されることで当該陽極材6と導通している。また、外部接続装置80のマイナス極端子80Bは、リード線82を介して主桁10における防食対象鋼材としての各鉄筋4に接続されることで当該各鉄筋4と導通している。発電装置7は、各発電パネル70において発電した電力を利用して、外部接続装置80のプラス極端子80Aから陽極材6に直流電流を供給する。ここで、コンクリート5は電解質であるため、発電装置7から陽極材6に供給された直流電流は、コンクリート5を経由して外部接続装置80のマイナス極端子80Bに接続されている鉄筋4(防食対象鋼材)の表面を流れる。このようにして、防食対象鋼材としての鉄筋4の表面に防食電流を流すことにより、鉄筋4の腐食反応を停止させ、腐食を抑制することができる。 Further, as shown in FIG. 3, the positive electrode terminal 80A of the external connection device 80 in the power generation device 7 is connected via a lead wire 81 to the anode material 6 installed on the concrete surface of the main girder 10. Conducting with the anode material 6 . In addition, the negative electrode terminal 80B of the external connection device 80 is connected to each reinforcing bar 4 as a steel material to be protected against corrosion in the main girder 10 via a lead wire 82, thereby being electrically connected to each reinforcing bar 4. The power generation device 7 uses power generated in each power generation panel 70 to supply a direct current to the anode material 6 from the positive electrode terminal 80A of the external connection device 80 . Here, since the concrete 5 is an electrolyte, the DC current supplied from the power generator 7 to the anode material 6 passes through the concrete 5 and is connected to the negative electrode terminal 80B of the external connection device 80. It flows on the surface of the target steel). In this way, by applying the anti-corrosion current to the surface of the reinforcing bar 4 as the steel material to be protected from corrosion, the corrosion reaction of the reinforcing bar 4 can be stopped and the corrosion can be suppressed.

次に、発電パネル70における発電部72について詳しく説明する。図5は、実施形態1に係る発電パネル70の正面図である。発電パネル70における発電部72は、支持基板71の表面に面状の熱電変換ユニット9が多数配列された発電領域である。図5に示すように、発電部72における複数の熱電変換ユニット9は、支持基板71の表面上に、縦方向および横方向に沿ってグリッド状に配列されている。熱電変換ユニット9の平面形状および大きさは特に限定されないが、図示の例では、熱電変換ユニット9は各辺が数mm~十数mm程度の矩形平面形状を有している。また、発電パネル70の支持基板71についても、その平面形状および大きさは特に限定されないが、図示の例では、支持基板71は各辺が数10cm程度の矩形平面形状を有している。 Next, the power generation section 72 in the power generation panel 70 will be described in detail. FIG. 5 is a front view of the power generation panel 70 according to Embodiment 1. FIG. The power generation section 72 in the power generation panel 70 is a power generation region in which a large number of planar thermoelectric conversion units 9 are arranged on the surface of the support substrate 71 . As shown in FIG. 5, the plurality of thermoelectric conversion units 9 in the power generation section 72 are arranged in a grid on the surface of the support substrate 71 along the vertical and horizontal directions. Although the planar shape and size of the thermoelectric conversion unit 9 are not particularly limited, in the illustrated example, the thermoelectric conversion unit 9 has a rectangular planar shape with each side of several millimeters to ten and several millimeters. Also, the planar shape and size of the support substrate 71 of the power generation panel 70 are not particularly limited, but in the illustrated example, the support substrate 71 has a rectangular planar shape with each side of about several tens of centimeters.

図6は、実施形態1に係る熱電変換ユニット9の平面構造を模式的に説明する図である。図7は、実施形態1に係る熱電変換ユニット9の断面構造を模式的に示す図である。本実施形態における熱電変換ユニット9は、1又は複数の熱電変換モジュール3を含む。すなわち、本実施形態においては、熱電変換ユニット9に含まれる熱電変換モジュール3の数は特に限定されず、一の熱電変換ユニット9に複数の熱電変換モジュール3が含まれている場合には、当該一の熱電変換ユニット9に含まれる各熱電変換モジュール3が電気的に直列に接続されていても良いし、電気的に並列に接続されていても良い。また、発電部72に含まれる複数の熱電変換ユニット9間において、各々の熱電変換モジュール3同士が直列に接続されていても良いし、並列に接続されていても良い。 FIG. 6 is a diagram schematically illustrating the planar structure of the thermoelectric conversion unit 9 according to Embodiment 1. FIG. FIG. 7 is a diagram schematically showing a cross-sectional structure of the thermoelectric conversion unit 9 according to Embodiment 1. FIG. The thermoelectric conversion unit 9 in this embodiment includes one or more thermoelectric conversion modules 3 . That is, in the present embodiment, the number of thermoelectric conversion modules 3 included in the thermoelectric conversion unit 9 is not particularly limited, and when one thermoelectric conversion unit 9 includes a plurality of thermoelectric conversion modules 3, the Each thermoelectric conversion module 3 included in one thermoelectric conversion unit 9 may be electrically connected in series or may be electrically connected in parallel. Further, between the plurality of thermoelectric conversion units 9 included in the power generation section 72, the respective thermoelectric conversion modules 3 may be connected in series or in parallel.

ここでは、熱電変換ユニット9に単一の熱電変換モジュール3が含まれている態様を例に説明する。図6等に示すように、熱電変換モジュール3は、フォノニック結晶構造を有するn型熱電変換素子31とフォノニック結晶構造を有するp型熱電変換素子32とが電極34A,34Bを介して交互に且つ電気的に直列に接続された、いわゆるπ(パイ)型を呈する薄膜状の熱電変換モジュールである。ここで、フォノニック結晶構造については後から詳述する。なお、図6は、熱電変換モジュール3の部分拡大図であり、熱電変換モジュール3の一部だけが図示されている。 Here, a mode in which the thermoelectric conversion unit 9 includes a single thermoelectric conversion module 3 will be described as an example. As shown in FIG. 6 and the like, in the thermoelectric conversion module 3, n-type thermoelectric conversion elements 31 having a phononic crystal structure and p-type thermoelectric conversion elements 32 having a phononic crystal structure are alternately and electrically connected via electrodes 34A and 34B. It is a thin-film thermoelectric conversion module that exhibits a so-called π (pi) shape, which is connected in series. Here, the phononic crystal structure will be described in detail later. Note that FIG. 6 is a partially enlarged view of the thermoelectric conversion module 3, and only a part of the thermoelectric conversion module 3 is illustrated.

図6中の符号33は、熱電変換モジュール3に含まれる「π型部」である。図6に示す例では、熱電変換モジュール3は、電気的に直列に接続される複数のπ型部33を含んで構成されている。但し、本実施形態において、熱電変換モジュール3は単一のπ型部33によって形成されていても良い。図6に示す例において、熱電変換モジュール3における各π型部33は、同一方向に延伸している。以下、各π型部33の延伸方向を「π型部延伸方向D1」と呼ぶ。ここで、熱電変換モジュール3における各π型部33は、互いに平行に配置されている。より具体的には、熱電変換モジュール3における各π型部33は、π型部延伸方向D1と直交する「π型部配列方向D2」に並んで配置されている。従って、モジュール全体としては、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32がマトリックス状に配置されて熱電変換モジュール3が形成されている。なお、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の大きさは特に限定されないが、例えば、1辺が数10μmの矩形形状を有していても良い。 Reference numeral 33 in FIG. 6 denotes a “π-shaped portion” included in the thermoelectric conversion module 3 . In the example shown in FIG. 6, the thermoelectric conversion module 3 includes a plurality of π-shaped portions 33 electrically connected in series. However, in this embodiment, the thermoelectric conversion module 3 may be formed by a single π-shaped portion 33 . In the example shown in FIG. 6, each π-shaped portion 33 in the thermoelectric conversion module 3 extends in the same direction. Hereinafter, the extending direction of each π-shaped portion 33 is referred to as "π-shaped portion extending direction D1". Here, each π-shaped portion 33 in the thermoelectric conversion module 3 is arranged parallel to each other. More specifically, the π-shaped portions 33 in the thermoelectric conversion module 3 are arranged side by side in the “π-shaped portion arrangement direction D2” orthogonal to the π-shaped portion extending direction D1. Therefore, as the module as a whole, the thermoelectric conversion module 3 is formed by arranging the n-type thermoelectric conversion elements 31 and the p-type thermoelectric conversion elements 32 in a matrix. Although the sizes of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 are not particularly limited, they may have, for example, a rectangular shape with a side of several tens of micrometers.

熱電変換モジュール3の各π型部33において、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32が、π型部延伸方向D1に沿って交互に隣り合うように配置されており、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の端部同士が電極34A,34Bによって接合されている。ここで、図6に示す符号31A,32Aは、電極34Aを介して互いに接続される一組のn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32のそれぞれの高温側端部である。また、図6に示す符号31B,32Bは、電極34Bを介して互いに直列に接続される一組のn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32のそれぞれの低温側端部である。 In each π-shaped portion 33 of the thermoelectric conversion module 3, the n-type thermoelectric conversion elements 31 and the p-type thermoelectric conversion elements 32 are alternately arranged adjacent to each other along the π-shaped portion extending direction D1. Ends of the conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 are joined by electrodes 34A and 34B. Here, reference numerals 31A and 32A shown in FIG. 6 denote high temperature side ends of a pair of n-type thermoelectric conversion elements 31 and p-type thermoelectric conversion elements 32 connected to each other via electrodes 34A. Reference numerals 31B and 32B shown in FIG. 6 denote low-temperature side ends of a pair of n-type thermoelectric conversion elements 31 and p-type thermoelectric conversion elements 32 connected in series with each other via electrodes 34B.

電極34Aおよび電極34Bは、熱電変換素子1個分だけずれた状態で配置されており、このような電極配置にすることで、π(パイ)型の熱電変換モジュール3(π型部33)が形成されている。本実施形態においては、各π型部33に含まれるn型熱電変換素子31の高温側端部31Aとp型熱電変換素子32の高温側端部32Aの位置がπ型部配列方向D2において互いに揃えられている。また、各π型部33に含まれるn型熱電変換素子31の低温側端部31Bとp型熱電変換素子32の低温側端部32Bの位置がπ型部配列方向D2において互いに揃えられている。そして、本実施形態における熱電変換モジュール3は、n型熱電変換素子31における高温側端部31Aから低温側端部31Bに向けて、双方の温度差に基づいて熱伝導が行われ、p型熱電変換素子32の高温側端部32Aから低温側端部32Bに向けて、双方の温度差に基づいて熱伝導が行われるようになって
いる。以下、n型熱電変換素子31における高温側端部31Aと低温側端部31Bを結ぶ方向、および、p型熱電変換素子32における高温側端部32Aと低温側端部32Bを結ぶ方向を「熱伝導方向」と呼ぶ。なお、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32における熱伝導方向は、π型部配列方向D2と一致している。
The electrodes 34A and 34B are arranged in a state of being shifted by one thermoelectric conversion element. formed. In the present embodiment, the positions of the high temperature side end portion 31A of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the high temperature side end portion 32A of the p-type thermoelectric conversion element 32 included in each π-type portion 33 are mutually aligned in the π-type portion arrangement direction D2. Aligned. In addition, the positions of the low-temperature side end portions 31B of the n-type thermoelectric conversion elements 31 and the low-temperature side end portions 32B of the p-type thermoelectric conversion elements 32 included in each π-type portion 33 are aligned in the π-type portion arrangement direction D2. . In the thermoelectric conversion module 3 according to the present embodiment, heat conduction is performed from the high temperature side end portion 31A toward the low temperature side end portion 31B of the n-type thermoelectric conversion element 31 based on the temperature difference between the two, and the p-type thermoelectric conversion is performed. Heat is conducted from the high temperature side end portion 32A of the conversion element 32 toward the low temperature side end portion 32B based on the temperature difference therebetween. Hereinafter, the direction connecting the high temperature side end portion 31A and the low temperature side end portion 31B of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the direction connecting the high temperature side end portion 32A and the low temperature side end portion 32B of the p-type thermoelectric conversion element 32 will be referred to as "thermal called the conduction direction. The direction of heat conduction in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 coincides with the π-shaped portion arrangement direction D2.

また、図6においては、図示されているn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32のうち、一部の高温側端部31A,32A、低温側端部31B,32Bのみについて、便宜上、符号を表記している。また、図6においては、一部の電極34A,34Bのみについて、これらの符号を表記している。 In FIG. 6, of the n-type thermoelectric conversion elements 31 and the p-type thermoelectric conversion elements 32 shown, only some of the high temperature side ends 31A and 32A and the low temperature side ends 31B and 32B are sign is indicated. Moreover, in FIG. 6, only some of the electrodes 34A and 34B are labeled with these symbols.

次に、熱電変換ユニット9の断面構造について、図7を参照して説明する。図7に示すように、熱電変換ユニット9における熱電変換モジュール3は、支持基板71上に配置されている。また、図7に示すように、支持基板71には、複数の支持部710が隆起するように突設されており、この支持部710によって熱電変換モジュール3が支持されている。なお、図7に示す断面構造図は、図6に示すA-A矢視断面における断面を示している。支持基板71に突設される支持部710は、熱電変換ユニット9におけるπ型部延伸方向D1に沿って延伸配置されている。また、各支持部710は、π型部配列方向D2に対して一定間隔毎に配置されている。また、支持基板71における表面のうち、各支持部710によって挟まれた領域は、支持部710に対して相対的に表面が凹んだ凹表面領域711が形成されている。そのため、支持基板71の表面が隆起する支持部710に熱電変換モジュール3の背面S1が支持されることで、熱電変換モジュール3の背面S1と、支持基板71における凹表面領域711との間には、空洞部712が形成されている。 Next, the cross-sectional structure of the thermoelectric conversion unit 9 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 7 , the thermoelectric conversion module 3 in the thermoelectric conversion unit 9 is arranged on a support substrate 71 . Further, as shown in FIG. 7 , a plurality of support portions 710 are protruded from the support substrate 71 so as to protrude, and the thermoelectric conversion module 3 is supported by the support portions 710 . 7 shows a cross section taken along the line AA in FIG. A support portion 710 projecting from the support substrate 71 is arranged to extend along the π-shaped portion extending direction D1 in the thermoelectric conversion unit 9 . Further, the support portions 710 are arranged at regular intervals in the π-shaped portion arrangement direction D2. Further, on the surface of the support substrate 71 , a recessed surface region 711 is formed in a region sandwiched between the support portions 710 so that the surface is recessed relative to the support portions 710 . Therefore, the rear surface S1 of the thermoelectric conversion module 3 is supported by the supporting portion 710 on which the surface of the support substrate 71 is raised, so that the space between the rear surface S1 of the thermoelectric conversion module 3 and the concave surface region 711 in the support substrate 71 is , a cavity 712 is formed.

本実施形態における支持基板71は、上記のように電気絶縁性材料によって形成されている。本実施形態においては、支持基板71をシリコン基板によって形成しているが、シリコンと異なる半導体や、銅やアルミニウムなどの金属、炭化ケイ素などのセラミックス、炭素系材料、高熱伝導性樹脂など、他の材料によって支持基板71を形成しても良い。また、支持部710は、例えば、支持基板71を形成するシリコン基板上に積層された薄膜状の二酸化ケイ素(SiO)絶縁膜によって形成されている。本実施形態において、支持部710が絶縁性材料によって形成されていれば、支持基板71は電気伝導性を有していても良い。 The support substrate 71 in this embodiment is made of an electrically insulating material as described above. In this embodiment, the support substrate 71 is formed of a silicon substrate, but other materials such as semiconductors other than silicon, metals such as copper and aluminum, ceramics such as silicon carbide, carbon-based materials, and high thermal conductive resins may be used. The support substrate 71 may be formed of any material. Also, the support part 710 is formed of, for example, a thin silicon dioxide (SiO 2 ) insulating film laminated on a silicon substrate forming the support substrate 71 . In this embodiment, the support substrate 71 may be electrically conductive as long as the support portion 710 is made of an insulating material.

図7中の符号300は、熱電変換モジュール3を形成するためのシリコン薄膜材料である。シリコン薄膜材料300は、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32を形成するドープ領域R1と、非ドープ領域R2とを含む。ドープ領域R1は、シリコン原子にドーパントを混ぜることでn型又はp型にドープした領域である。すなわち、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31は、例えば、シリコン原子にリン(P)など5価の原子をドーパントとして注入することによってn型にドープした領域によって形成したものであり、電子をキャリアとする半導体素子である。一方、熱電変換モジュール3におけるp型熱電変換素子32は、シリコン原子にホウ素(B)など3価の原子をドーパントとして注入することによってp型にドープした領域によって形成したものであり、ホール(正孔)をキャリアとする半導体素子である。一方、シリコン薄膜材料における非ドープ領域R2は、シリコン原子がドープされていない領域であり、真性半導体として形成されている。本実施形態において、シリコン薄膜材料300における非ドープ領域R2には、絶縁膜が成膜されている。なお、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の端部同士を接合する電極34A,34Bは、シリコン薄膜材料300のドープ領域R1上に、例えばアルミニウム電極を蒸着するなどして形成することができる。 Reference numeral 300 in FIG. 7 denotes a silicon thin film material for forming the thermoelectric conversion module 3 . The silicon thin film material 300 includes doped regions R1 and undoped regions R2 forming the n-type thermoelectric conversion elements 31 and the p-type thermoelectric conversion elements 32 in the thermoelectric conversion module 3 . The doped region R1 is a region doped n-type or p-type by mixing dopants into silicon atoms. That is, the n-type thermoelectric conversion element 31 in the thermoelectric conversion module 3 is formed of a region doped n-type by implanting a pentavalent atom such as phosphorus (P) as a dopant into silicon atoms, for example. It is a semiconductor element using as a carrier. On the other hand, the p-type thermoelectric conversion elements 32 in the thermoelectric conversion module 3 are formed of p-type doped regions by implanting trivalent atoms such as boron (B) into silicon atoms as dopants. It is a semiconductor element that uses a hole) as a carrier. On the other hand, the undoped region R2 in the silicon thin film material is a region in which silicon atoms are not doped, and is formed as an intrinsic semiconductor. In this embodiment, an insulating film is formed in the non-doped region R2 of the silicon thin film material 300 . The electrodes 34A and 34B connecting the ends of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in the thermoelectric conversion module 3 are formed by vapor-depositing, for example, aluminum electrodes on the doped region R1 of the silicon thin film material 300. and so on.

ここで、図7に示すように、熱電変換モジュール3は、n型熱電変換素子31およびp
型熱電変換素子32の各低温側端部31B,32Bが支持基板71における支持部710上に載置されることで支持されている。一方、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の各高温側端部31A,32Aは、支持基板71における支持部710間に位置する凹表面領域711から離間した状態で当該凹表面領域711の上部に配置されている。すなわち、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の各高温側端部31A,32Aは、支持基板71と非接触の状態で配置されている。
Here, as shown in FIG. 7, the thermoelectric conversion module 3 includes n-type thermoelectric conversion elements 31 and p
The low-temperature side ends 31B and 32B of the thermoelectric conversion element 32 are placed on a support portion 710 of the support substrate 71 and supported. On the other hand, the high-temperature side end portions 31A and 32A of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 are separated from the concave surface region 711 located between the support portions 710 of the support substrate 71. Located on top of 711. That is, the high temperature side ends 31A and 32A of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 are arranged in a non-contact state with the support substrate 71 .

また、本実施形態における熱電変換モジュール3は、π型部配列方向D2に隣接する一対のπ型部33同士が、シリコン薄膜材料300における非ドープ領域R2によって形成される連結部310を介して連結されている。連結部310は、π型部配列方向D2に隣接する一対のπ型部33のうち、一方のπ型部33におけるn型熱電変換素子31の高温側端部31Aと、他方のπ型部33におけるp型熱電変換素子32の高温側端部32A同士を連結している。上記のように構成される熱電変換モジュール3は、連結部310を介して連結された一対のπ型部33が支持部710に支持されることで、凹表面領域711(空洞部712)上に架け渡されたブリッジ構造となっている。 Further, in the thermoelectric conversion module 3 of the present embodiment, a pair of π-shaped portions 33 adjacent to each other in the π-shaped portion arrangement direction D2 are connected via a connecting portion 310 formed by an undoped region R2 in the silicon thin film material 300. It is The connecting portion 310 connects the high temperature side end portion 31A of the n-type thermoelectric conversion element 31 in one of the pair of π-shaped portions 33 adjacent to each other in the π-shaped portion arrangement direction D2 and the other π-shaped portion 33 in the other π-shaped portion 33 . , the high-temperature side ends 32A of the p-type thermoelectric conversion elements 32 are connected to each other. In the thermoelectric conversion module 3 configured as described above, the pair of π-shaped portions 33 connected via the connecting portion 310 are supported by the support portion 710, so that the concave surface region 711 (cavity portion 712) It has a bridge structure.

図8は、実施形態1に係る熱電変換モジュール3のブリッジ構造を説明するための図である。このようなブリッジ構造によれば、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の各高温側端部31A,32Aは、支持基板71と非接触の状態で配置されるため、空気を介して外部環境(外部雰囲気)に晒され易くなる。一方、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の各低温側端部31B,32Bは、支持部710に支持されることで、支持基板71を介して主桁10(コンクリート構造物)における設置対象面5Aの温度が伝達され易くなる。その結果、主桁10(コンクリート構造物)における設置対象面5Aの表面温度と、その周辺の雰囲気温度(例えば、外気温)との温度差を利用して、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31の高温側端部31Aと低温側端部31Bとの間に温度差を生じさせることができる。同様に、p型熱電変換素子32の高温側端部32Aと低温側端部32Bとの間に温度差を生じさせることができる。その結果、ゼーベック効果によって、上記熱電変換素子両端の温度差に比例した電位差(電圧)を生じさせることができる。なお、本実施形態においては、支持基板71とシリコン薄膜材料300の間に空洞部712を形成することで当該空洞部712に空気を介在させる構造を採用しているが、例えば樹脂やエアロゲルなどからなる熱伝導率の低い低熱伝導率材料を空洞部712に充填する構造を採用しても良く、そのような構造を採用することで、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32における高温側端部31A,32Aと低温側端部31B,32Bとの間に温度差を好適に生じさせることができる。 FIG. 8 is a diagram for explaining the bridge structure of the thermoelectric conversion module 3 according to Embodiment 1. FIG. According to such a bridge structure, the high-temperature side ends 31A and 32A of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in the thermoelectric conversion module 3 are arranged in a non-contact state with the support substrate 71. Therefore, it is likely to be exposed to the external environment (external atmosphere) through the air. On the other hand, the low-temperature side end portions 31B and 32B of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in the thermoelectric conversion module 3 are supported by the support portion 710, thereby allowing the main girder 10 to move through the support substrate 71. The temperature of the installation target surface 5A in the (concrete structure) is easily transmitted. As a result, using the temperature difference between the surface temperature of the installation target surface 5A in the main girder 10 (concrete structure) and the surrounding ambient temperature (for example, the outside air temperature), n-type thermoelectric conversion in the thermoelectric conversion module 3 A temperature difference can be generated between the high temperature side end portion 31A and the low temperature side end portion 31B of the element 31 . Similarly, a temperature difference can be generated between the high temperature side end portion 32A and the low temperature side end portion 32B of the p-type thermoelectric conversion element 32 . As a result, the Seebeck effect can generate a potential difference (voltage) proportional to the temperature difference across the thermoelectric conversion element. In this embodiment, a cavity 712 is formed between the support substrate 71 and the silicon thin film material 300 to allow air to enter the cavity 712. A structure in which the hollow portion 712 is filled with a low thermal conductivity material having a low thermal conductivity may be adopted, and by adopting such a structure, the high temperature A temperature difference can be favorably generated between the side ends 31A, 32A and the low temperature side ends 31B, 32B.

本実施形態においては、発電装置7における発電パネル70が主桁10のコンクリート表面である設置対象面5Aに対して熱伝導性接着材を用いて取り付けられている。また、一般に、外気温に比べてコンクリート表面温度の方が低温であると考えられる。従って、発電パネル70の発電部72に配置される各熱電変換ユニット9(熱電変換モジュール3)においては、n型熱電変換素子31における低温側端部31Bが高温側端部31Aよりも相対的に低温になり、高温側端部31Aから低温側端部31Bに向けて熱伝導が起こる。同様に、p型熱電変換素子32における低温側端部32Bが高温側端部32Aよりも相対的に低温になり、高温側端部32Aから低温側端部32Bに向けて熱伝導が起こる。 In this embodiment, the power generation panel 70 of the power generation device 7 is attached to the installation target surface 5A, which is the concrete surface of the main girder 10, using a thermally conductive adhesive. Also, it is generally considered that the concrete surface temperature is lower than the outside air temperature. Therefore, in each thermoelectric conversion unit 9 (thermoelectric conversion module 3) arranged in the power generation section 72 of the power generation panel 70, the low temperature side end 31B of the n-type thermoelectric conversion element 31 is relatively higher than the high temperature side end 31A. The temperature becomes low, and heat conduction occurs from the high temperature side end portion 31A toward the low temperature side end portion 31B. Similarly, the low temperature side end 32B of the p-type thermoelectric conversion element 32 becomes relatively colder than the high temperature side end 32A, and heat conduction occurs from the high temperature side end 32A toward the low temperature side end 32B.

図9は、実施形態1に係る熱電変換モジュール3において、ゼーベック効果によって生じた電位差によって流れる電流を説明するための模式図である。n型熱電変換素子31は、マイナスの電荷を持つ電子の数がプラスの電荷を持つホール(正孔)より多いため、高温側端部31Aおよび低温側端部31Bの温度差に応じて、高温側端部31Aから低温側端部31Bに向かって電子が拡散してゆく(図9中、破線矢印にて図示)。その結果、n
型熱電変換素子31においては、高温側端部31Aが低温側端部31Bよりも高電位となる。
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining a current flowing due to a potential difference caused by the Seebeck effect in the thermoelectric conversion module 3 according to Embodiment 1. FIG. Since the number of negatively charged electrons in the n-type thermoelectric conversion element 31 is larger than the number of positively charged holes (positive holes), the temperature difference between the high temperature side end 31A and the low temperature side end 31B increases. Electrons diffuse from the side end portion 31A toward the low temperature side end portion 31B (indicated by the dashed arrow in FIG. 9). As a result, n
In the type thermoelectric conversion element 31, the high temperature side end portion 31A has a higher potential than the low temperature side end portion 31B.

一方、p型熱電変換素子32は、ホール(正孔)の数が電子より多いため、高温側端部32Aおよび低温側端部32Bの温度差に応じて、高温側端部32Aから低温側端部32Bに向かってホール(正孔)が拡散してゆく(図9中、鎖線矢印にて図示)。その結果、p型熱電変換素子32においては、低温側端部32Bが高温側端部32Aよりも高電位となる。以上のようなメカニズムにより、本実施形態における熱電変換モジュール3は、図9に示す実線矢印の方向に向かって電流を流れる。なお、図9中、蛇行状に示す太実線は、熱電変換モジュール3の各熱電変換素子31,32、電極34A,34Bを電路として流れる電流の流れを模式的に示したものである。 On the other hand, the p-type thermoelectric conversion element 32 has more holes than electrons. Holes are diffused toward the portion 32B (indicated by chain-line arrows in FIG. 9). As a result, in the p-type thermoelectric conversion element 32, the low temperature side end portion 32B becomes a higher potential than the high temperature side end portion 32A. Due to the mechanism as described above, the thermoelectric conversion module 3 in this embodiment causes current to flow in the direction of the solid line arrow shown in FIG. 9 . In FIG. 9, the meandering thick solid line schematically shows the flow of electric current that flows through the thermoelectric conversion elements 31 and 32 and the electrodes 34A and 34B of the thermoelectric conversion module 3 as electrical paths.

ここで、図9に示す符号91は、各熱電変換ユニット9(熱電変換モジュール3)におけるプラス極端子であり、符号92は、各熱電変換ユニット9(熱電変換モジュール3)におけるマイナス極端子である。プラス極端子91は、熱電変換モジュール3において、高電位側に位置する方の端部を形成する熱電変換素子(図9に示す例では、符号32(X)で示すp型熱電変換素子が該当)の電極(図9に示す例では、電極34B)に接続されている。また、マイナス極端子92は、熱電変換モジュール3において、低電位側に位置する方の端部を形成する熱電変換素子(図9に示す例では、31(X)で示すn型熱電変換素子が該当)の電極(図9に示す例では、電極34Bが該当)に接続されている。そして、各熱電変換ユニット9(熱電変換モジュール3)におけるプラス極端子91およびマイナス極端子92は、例えばリード線などを介して、図5に示す発電パネル70のプラス極端子73Aおよびマイナス極端子73Bにそれぞれ接続されている。これにより、各熱電変換ユニット9(熱電変換モジュール3)によって発電された電力を、外部接続装置80に送電することができる。なお、ここでの説明では、一の発電パネル70に含まれる各熱電変換ユニット9(熱電変換モジュール3)をすべて並列接続する場合を例に説明しているが、その一部又は全部が直列に接続されていても良い。 Here, reference numeral 91 shown in FIG. 9 is a positive electrode terminal in each thermoelectric conversion unit 9 (thermoelectric conversion module 3), and reference numeral 92 is a negative electrode terminal in each thermoelectric conversion unit 9 (thermoelectric conversion module 3). . The positive electrode terminal 91 is a thermoelectric conversion element forming the end located on the high potential side in the thermoelectric conversion module 3 (in the example shown in FIG. 9, the p-type thermoelectric conversion element indicated by reference numeral 32 (X) corresponds to ) (electrode 34B in the example shown in FIG. 9). The negative electrode terminal 92 is connected to the thermoelectric conversion element (in the example shown in FIG. 9, the n-type thermoelectric conversion element indicated by 31(X)) forming the end portion located on the low potential side in the thermoelectric conversion module 3. corresponding) (in the example shown in FIG. 9, the electrode 34B corresponds). The positive electrode terminal 91 and the negative electrode terminal 92 of each thermoelectric conversion unit 9 (thermoelectric conversion module 3) are connected to the positive electrode terminal 73A and the negative electrode terminal 73B of the power generation panel 70 shown in FIG. are connected to each. Thereby, the power generated by each thermoelectric conversion unit 9 (thermoelectric conversion module 3 ) can be transmitted to the external connection device 80 . In the description here, the case where all the thermoelectric conversion units 9 (thermoelectric conversion modules 3) included in one power generation panel 70 are connected in parallel is described as an example, but some or all of them are connected in series. It may be connected.

次に、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32のフォノニック結晶(Phononic crystal, PnC)構造について説明する。ここで、フォ
ノニック結晶構造は、異種弾性体の周期構造より構成される人工結晶である。また、フォノニック結晶構造は、異種弾性体がフォノンの波長オーダーの長さで周期的に配列した結晶構造ということもできる。ここで、フォノン(「熱フォノン」と呼ばれる場合もある)とは、固体中において熱を輸送する粒子であり、フォノンが固体中を高温側から低温側に伝播することで、固体中における熱伝導が行われる。本実施形態においては、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32にサブマイクロオーダー又はナノオーダーで周期的に整列した貫通孔を多数形成することで、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32をフォノニック結晶構造としている。
Next, the phononic crystal (PnC) structure of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in the thermoelectric conversion module 3 will be described. Here, the phononic crystal structure is an artificial crystal composed of a periodic structure of heterogeneous elastic bodies. In addition, the phononic crystal structure can also be said to be a crystal structure in which heterogeneous elastic bodies are periodically arranged with a length on the order of the wavelength of phonons. Here, phonons (sometimes called “thermal phonons”) are particles that transport heat in a solid. is done. In this embodiment, the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in the thermoelectric conversion module 3 are formed with a large number of through-holes that are periodically aligned in submicro order or nano order, thereby n-type thermoelectric conversion The element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 have a phononic crystal structure.

図10は、作製した熱電変換モジュール3の一部を電子顕微鏡で写した像である。図10に示すように、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32には、多数(複数)の細孔Cが周期的に配列されている。細孔Cは、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32を厚さ方向に貫通しており、本実施形態では円形の横断面形状を有する円孔として形成されている。細孔Cの直径は、サブマイクロオーダー又はナノオーダーの寸法に設計されている。n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32に対する細孔Cの形成は、半導体微細加工技術を用いて行うことができる。なお、図8において、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32における細孔Cを模式的に図示しているが、図6、図7、図9等においては細孔Cの図示を省略している。 FIG. 10 is an electron microscope image of a part of the fabricated thermoelectric conversion module 3 . As shown in FIG. 10, the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 have a large number (plurality) of pores C arranged periodically. The pores C pass through the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in the thickness direction, and are formed as circular holes having a circular cross-sectional shape in this embodiment. The diameter of the pore C is designed to have sub-micro order or nano order dimensions. Formation of the pores C in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 can be performed using a semiconductor microfabrication technology. Although the pores C in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 are schematically shown in FIG. 8, the pores C are not shown in FIGS. omitted.

ところで、熱電変換の性能指数ZTは、ゼーベック係数S、電気伝導率σ、熱伝導率k
、温度差Tを用いると下記(1)式のように表される。
ZT=S×σ×T/k ・・・(1)
ここで、S[V/K]:ゼーベック係数、σ[1/Ωm]:電気抵抗率、k[W/(mK)]:熱伝導率
By the way, the figure of merit ZT of thermoelectric conversion is the Seebeck coefficient S, electrical conductivity σ, thermal conductivity k
, the temperature difference T is expressed as the following equation (1).
ZT=S 2 ×σ×T/k (1)
Here, S [V / K]: Seebeck coefficient, σ [1 / Ωm]: electrical resistivity, k [W / (mK)]: thermal conductivity

従って、熱電変換モジュール3における熱電変換効率を高めるためには、熱伝導率を低減することが重要なファクターとなる。これに対して、本実施形態の熱電変換モジュール3においては、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32をフォノニック結晶構造とし、多数の細孔Cを配列するようにした。これによれば、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32において、高温側端部31Aから低温側端部31Bに向かってフォノンが輸送される際、細孔Cによってフォノンが散乱されるため、フォノンの輸送を著しく阻害することができる。その結果、熱電変換モジュール3におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の熱伝導率を大幅に低減することができ、故に、熱電変換材料の両端に発生する温度差が大きくなり、熱電変換効率(発電効率)を高めることができる。 Therefore, in order to increase the thermoelectric conversion efficiency in the thermoelectric conversion module 3, reducing the thermal conductivity is an important factor. On the other hand, in the thermoelectric conversion module 3 of the present embodiment, the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 have a phononic crystal structure, and many pores C are arranged. According to this, in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32, when phonons are transported from the high temperature side end portion 31A toward the low temperature side end portion 31B, the phonons are scattered by the pores C. Therefore, phonon transport can be significantly inhibited. As a result, the thermal conductivity of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in the thermoelectric conversion module 3 can be significantly reduced, and therefore the temperature difference generated between both ends of the thermoelectric conversion material increases, Thermoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) can be increased.

なお、本実施形態におけるn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32において、細孔C同士の間隔は、フォノンの平均自由行程より小さい寸法に設定されていることが好ましい。フォノンの平均自由行程とは、フォノンが、散乱源による散乱(衝突)で妨害されることなく進むことのできる距離(自由行程)の平均値として定義される。例えば、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32における細孔C同士の間隔は、数10nm~100nm程度であっても良い。細孔C同士の間隔を、フォノンの平均自由行程より小さい寸法に設定することで、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32においてフォノンをより一層散乱させることができる。その結果、熱電変換モジュール3の熱電変換効率(発電効率)をより一層向上することができる。 In addition, in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 in this embodiment, the interval between the pores C is preferably set to a dimension smaller than the mean free path of phonons. The mean free path of a phonon is defined as the average distance (free path) that a phonon can travel without being disturbed by scattering (collision) by a scattering source. For example, the distance between the pores C in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 may be several tens of nm to 100 nm. By setting the interval between the pores C to a dimension smaller than the mean free path of phonons, phonons can be further scattered in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 . As a result, the thermoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) of the thermoelectric conversion module 3 can be further improved.

以上のように構成される熱電変換モジュール3を有する発電装置7および当該発電装置7を備えた電気防食装置100によれば、鉄筋4(防食対象鋼材)の表面に防食電流を流すための電力を、熱電変換モジュール3において好適に発電することができる。よって、外部電源装置から常時電力を供給する必要がなく、鉄筋4の電気防食に要するコストを低減することができる。また、流電陽極方式による電気防食方法と異なり、陽極(電気防食用電極)を定期的に取り換える必要がなく、メンテナンス性に優れている。 According to the power generation device 7 having the thermoelectric conversion module 3 configured as described above and the cathodic protection device 100 having the power generation device 7, electric power is supplied to the surface of the reinforcing bar 4 (steel material to be protected against corrosion) to supply the anti-corrosion current. , the thermoelectric conversion module 3 can suitably generate power. Therefore, it is not necessary to constantly supply electric power from an external power supply device, and the cost required for cathodic protection of the reinforcing bars 4 can be reduced. In addition, unlike the cathodic protection method using the galvanic anode method, there is no need to periodically replace the anode (electrode for cathodic protection), and maintenance is excellent.

また、本実施形態における熱電変換モジュール3は、コンクリート構造物のコンクリート表面温度と、周辺の雰囲気温度(例えば、外気温)との温度差を利用して発電を行うことができるため、昼夜を問わず、また、天候にも影響されず、安定的に発電を行うことができる。すなわち、本実施形態に係る電気防食装置100によれば、夜間や天候不順のときも安定して、常時、鉄筋4(防食対象鋼材)の表面に防食電流を流すことができる。特に、本実施形態における熱電変換モジュール3は、上記のようにフォノニック結晶構造を採用しているため、熱電変換効率(発電効率)を好適に高めることができる。 In addition, the thermoelectric conversion module 3 in this embodiment can generate power by utilizing the temperature difference between the concrete surface temperature of the concrete structure and the ambient temperature (for example, the outside air temperature). It is possible to stably generate power without being affected by the weather. That is, according to the cathodic protection device 100 according to the present embodiment, the anti-corrosion current can always be stably applied to the surface of the reinforcing bar 4 (steel material for anti-corrosion protection) even at night or in bad weather. In particular, since the thermoelectric conversion module 3 in this embodiment employs the phononic crystal structure as described above, the thermoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) can be favorably increased.

更に、本実施形態における電気防食装置100の発電装置7によれば、温度差を利用して熱電変換モジュール3が発電を行うため、発電パネル70を設置する場所を選ばず、設置場所を選択する際の自由度が高い。すなわち、主桁10の底面等、日射の届き難い場所に設置しても、環境温度差を利用して安定的に発電を行うことができる。従って、図4等に示す例では、主桁10のコンクリート側面に発電装置7(発電パネル70)を設置する態様について説明したが、主桁10の底面等、他の部位に発電装置7(発電パネル70)を設置しても良い。 Furthermore, according to the power generation device 7 of the cathodic protection device 100 of the present embodiment, the thermoelectric conversion module 3 generates power using the temperature difference, so the power generation panel 70 can be installed anywhere. High degree of freedom. That is, even if it is installed in a place where sunlight cannot reach, such as the bottom surface of the main girder 10, it is possible to stably generate power using the environmental temperature difference. Therefore, in the example shown in FIG. A panel 70) may be installed.

また、本実施形態における電気防食装置100の発電装置7においては、発電パネル7
0を、鉄筋4(防食対象鋼材)を含むコンクリート構造物のコンクリート表面に直接取り付けることができるので、コンクリート構造物から離れた外部電源装置から送電する場合に比べて、送電ロスが起こることを抑制できる。
Further, in the power generation device 7 of the cathodic protection device 100 in this embodiment, the power generation panel 7
0 can be directly attached to the concrete surface of the concrete structure including the reinforcing bars 4 (steel to be protected against corrosion), so power transmission loss is suppressed compared to the case of transmitting power from an external power supply device far from the concrete structure. can.

次に、本実施形態における発電装置7が備える熱電変換モジュール3によって発電可能な発電能力について評価する。 Next, the power generation capacity that can be generated by the thermoelectric conversion module 3 included in the power generation device 7 in this embodiment will be evaluated.

ここで、電気化学的防食工法 設計施工指針(案)[土木学会](以下、単に「設計施工指針」という)によると、電気防食工法において、鋼材の防食に必要な防食電流の電流密度は0.001~0.03A/m(0.1~3μA/cm)程度が一般的で、防食電流の通電電圧は1~5V程度が一般的である旨が記載されている。 Here, according to the electrochemical corrosion protection method design and construction guidelines (draft) [Japan Society of Civil Engineers] (hereinafter simply referred to as the "design and construction guidelines"), in the cathodic corrosion protection method, the current density of the anticorrosion current required for corrosion protection of steel materials is 0 It is described that the current is generally about 0.001 to 0.03 A/m 2 (0.1 to 3 μA/cm 2 ), and that the applied voltage of the anticorrosive current is generally about 1 to 5V.

これに対して、発電装置7における発電パネル70を設置するコンクリート構造物における設置対象面5Aの表面温度と、その周辺の雰囲気温度(例えば、外気温)との温度差(環境温度差)を2℃、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32における高温側端部31A,32Aと低温側端部31B,32Bとの温度差を1℃と仮定した場合に、30μW/cm程度の電力が得られるというシミュレーション結果が得られた。 On the other hand, the temperature difference (environmental temperature difference) between the surface temperature of the installation target surface 5A in the concrete structure on which the power generation panel 70 of the power generation device 7 is installed and the surrounding ambient temperature (for example, the outside air temperature) is 2 °C, and assuming that the temperature difference between the high-temperature side ends 31A, 32A and the low-temperature side ends 31B, 32B of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 is 1 °C, A simulation result that electric power can be obtained was obtained.

また、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32における高温側端部31A,32Aと低温側端部31B,32Bとの温度差を1℃とした場合、一対の熱電変換素子(1組のn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32)当たり約300μVの電位差が発生するという結果が得られている。図10に示すように、実際に作製した熱電変換モジュール3は、一対の熱電変換素子(1組のn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32)の大きさは短辺寸法が約30μm、長辺寸法が約40μmであるため、1cm当たり8万対の熱電変換素子を敷き詰めることが可能である。この場合、8万対の熱電変換素子を直列に接続することで、約24Vの電位差を生じさせることができる(80000対×300μV×10-6=24V)。 Further, when the temperature difference between the high temperature side end portions 31A and 32A and the low temperature side end portions 31B and 32B of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 is 1° C., a pair of thermoelectric conversion elements (one set A result is obtained that a potential difference of about 300 μV is generated per n-type thermoelectric conversion element 31 and p-type thermoelectric conversion element 32). As shown in FIG. 10, the actually produced thermoelectric conversion module 3 has a pair of thermoelectric conversion elements (one set of n-type thermoelectric conversion element 31 and p-type thermoelectric conversion element 32) with a short side dimension of about 30 μm. Since the long side dimension is about 40 μm, it is possible to cover 80,000 pairs of thermoelectric conversion elements per 1 cm 2 . In this case, by connecting 80,000 pairs of thermoelectric conversion elements in series, a potential difference of about 24 V can be generated (80000 pairs×300 μV×10 −6 =24 V).

上記のように算出された24Vは、本設計施工指針において防食電流の通電電圧として要求される1~5Vよりも大きい。そのため、熱電変換素子対(n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32の組数)を直列に接続する組数(段数)を調整することで、本設計施工指針において要求される防食電流の通電電圧を容易に得ることができる。また、実用上は、1cm当たりに複数の熱電変換モジュール3を配置し(例えば、5mm角の領域ごとに1つの熱電変換モジュール3を配置)、これら複数の熱電変換モジュール3を並列に接続することで、熱電変換モジュール3毎において発生する電位差が1~5Vの範囲となるように調整すると良い。 The 24V calculated as described above is larger than the 1 to 5V required as the energizing voltage of the anticorrosion current in this design and construction guideline. Therefore, by adjusting the number of sets (number of stages) in which the thermoelectric conversion element pairs (the number of sets of n-type thermoelectric conversion element 31 and p-type thermoelectric conversion element 32) are connected in series, the anticorrosion current required in this design and construction guideline can be easily obtained. Practically, a plurality of thermoelectric conversion modules 3 are arranged per 1 cm 2 (for example, one thermoelectric conversion module 3 is arranged for each 5 mm square area), and these plurality of thermoelectric conversion modules 3 are connected in parallel. Therefore, it is preferable to adjust the potential difference generated in each thermoelectric conversion module 3 to be in the range of 1 to 5V.

次に、熱電変換モジュール3によって得られる電流の電流密度について算出すると、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32における高温側端部31A,32Aと低温側端部31B,32Bとの温度差を1℃と仮定し、電流の通電電圧を1~5Vの範囲となるように熱電変換素子対の組数を調整した場合に、下記(2)式に、電力W=30μW/cm、電圧V=1~5Vを代入すると、A=6~30μA/cmの電流が得られることがわかる。
A(電流)=W(電力)/V(電圧) ・・・(2)
Next, when calculating the current density of the current obtained by the thermoelectric conversion module 3, the temperature of the high temperature side ends 31A and 32A and the low temperature side ends 31B and 32B of the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 is Assuming that the difference is 1° C., and the number of pairs of thermoelectric conversion elements is adjusted so that the applied current voltage is in the range of 1 to 5 V, the following formula (2) gives power W=30 μW/cm 2 , Substituting a voltage of V=1-5 V, it can be seen that a current of A=6-30 μA/cm 2 is obtained.
A (current) = W (power)/V (voltage) (2)

従って、熱電変換モジュール3によって、本設計施工指針において要求される防食電流の電流密度を容易に得ることができることがわかる(6~30μA/cm>0.1~3μA/cm)。 Therefore, it can be seen that the thermoelectric conversion module 3 can easily obtain the current density of the anti-corrosion current required in this design and construction guideline (6 to 30 μA/cm 2 >0.1 to 3 μA/cm 2 ).

以上のように、フォノニック結晶構造を有する本発明に係る熱電変換モジュール3によ
れば、本設計施工指針で要求される通電電圧、電流密度を満足する電流を容易に得ることができる。
As described above, according to the thermoelectric conversion module 3 according to the present invention having a phononic crystal structure, it is possible to easily obtain a current that satisfies the applied voltage and current density required by this design and construction guideline.

なお、本実施形態では、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32において配列する細孔Cを円孔とする例を説明したが、細孔Cの形状は特に限定されない。また、本実施形態においては、n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32が、それぞれフォノニック結晶構造を有する形態を例に説明したが、必ずしもフォノニック結晶構造を有していていなくても良い。n型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32として、フォノニック結晶構造を採用しない場合、細孔Cはフォノニック結晶のように周期性を持たなくてもよい。また、本実施形態では、シリコン薄膜材料300におけるシリコン原子をn型又はp型にドープすることでn型熱電変換素子31およびp型熱電変換素子32を形成するようにしたが、シリコン材料の代わりに、例えばGe、SiGe、CrSi、FeSi、MnSi、MgSi、MgGe、CoSb、AgSbTe、SnTe、PbT等を使用しても良い。なお、本実施形態においては、熱電変換モジュール3を薄膜状に形成する形態を例に説明したが、これには限定されない。例えば、熱電変換モジュール3をバルク状に形成しても良い。 In this embodiment, an example in which the pores C arranged in the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 are circular holes has been described, but the shape of the pores C is not particularly limited. Further, in the present embodiment, the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 each have a phononic crystal structure, but they do not necessarily have a phononic crystal structure. . If the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 do not employ a phononic crystal structure, the pores C need not have periodicity like the phononic crystal. Further, in the present embodiment, the n-type thermoelectric conversion element 31 and the p-type thermoelectric conversion element 32 are formed by doping silicon atoms in the silicon thin film material 300 to n-type or p-type. For example, Ge, SiGe, CrSi 2 , FeSi 2 , MnSi, Mg 2 Si, Mg 2 Ge, CoSb 3 , AgSbTe 2 , SnTe, PbT, etc. may be used. In addition, in this embodiment, although the form which formed the thermoelectric conversion module 3 in the shape of a thin film was demonstrated as an example, it is not limited to this. For example, the thermoelectric conversion module 3 may be formed in bulk.

また、本実施形態の発電装置7は、熱電変換モジュール3における温度差を利用して得られた防食電流の電圧を昇圧するための昇圧器(昇圧回路)を備えていても良い。これにより、環境温度差が小さい状況下においても、上記設計施工指針で要求される電圧を容易に確保することができる。また、発電装置7は、整流器(整流回路)を備えていても良い。これにより、発電装置7における発電パネル70を設置する設置対象面5Aの表面温度が、その周辺の雰囲気温度(例えば、外気温)よりも高くなった場合においても、防食電流が逆方向に流れてしまうことを抑制できる。 Moreover, the power generator 7 of the present embodiment may include a booster (booster circuit) for boosting the voltage of the anticorrosion current obtained by using the temperature difference in the thermoelectric conversion module 3 . As a result, it is possible to easily secure the voltage required by the above design and construction guidelines even under conditions where the environmental temperature difference is small. Moreover, the power generator 7 may include a rectifier (rectifier circuit). As a result, even when the surface temperature of the installation target surface 5A on which the power generation panel 70 of the power generation device 7 is installed becomes higher than the surrounding ambient temperature (for example, the outside temperature), the anti-corrosion current flows in the opposite direction. It can be suppressed.

また、本実施形態における電気防食装置100の発電装置7は、熱電変換ユニット9(熱電変換モジュール3)に加えて、太陽光発電装置や振動発電装置を更に備えていても良い。太陽光や、電気防食装置100を設置するコンクリート構造物の振動を利用することで、防食対象鋼材に対し安定して防食電流を供給できる。なお、上述した振動発電装置は、例えば圧電素子を備えたものを採用しても良く、例えば、橋桁1を車両が通行する際の振動等を利用して発電することができる。また、本実施形態における電気防食装置100は、発電装置7によって発電した電力を蓄電するコンデンサーや二次電池などの蓄電装置を更に備えていても良い。これらによれば、防食対象鋼材に、より安定的に防食電流を供給することができる。 In addition to the thermoelectric conversion unit 9 (thermoelectric conversion module 3), the power generation device 7 of the cathodic protection device 100 in this embodiment may further include a solar power generation device or a vibration power generation device. By utilizing the sunlight or the vibration of the concrete structure in which the cathodic protection device 100 is installed, it is possible to stably supply the anti-corrosion current to the steel material to be anti-corrosion. The above-described vibration power generation device may employ, for example, one having a piezoelectric element. Moreover, the cathodic protection device 100 in this embodiment may further include a power storage device such as a capacitor or a secondary battery for storing the electric power generated by the power generation device 7 . According to these, the anti-corrosion current can be more stably supplied to the steel material to be anti-corrosion-protected.

なお、上記実施形態では、主桁10の鉄筋4を防食対象鋼材とする例を説明したが、これには限定されないのは勿論である。すなわち、本実施形態における電気防食装置100は、種々のコンクリート構造部における鋼材の電気防食に適用することができる。例えば、本実施形態における電気防食装置100を、図11に示すトンネル200の覆工コンクリート210に含まれる鉄筋などの鋼材を電気防食するために用いても良い。この場合、トンネル200の内空側の内壁面220に、発電装置7(発電パネル70)を設置することが好ましい。すなわち、トンネル200の内空側は、例えば、トンネル200を通行する車両の排気ガス等の影響で温度が比較的高く、トンネル200の内壁面220の温度との温度差を確保しやすい。その結果、環境温度差を十分に確保しやすく、熱電変換モジュール3における熱電変換効率(発電効率)を好適に高めることができる。 In the above-described embodiment, an example in which the reinforcing bars 4 of the main girder 10 are steel materials to be corrosion-protected has been described, but the present invention is not limited to this. That is, the cathodic protection device 100 in this embodiment can be applied to cathodic protection of steel materials in various concrete structures. For example, the cathodic protection device 100 according to the present embodiment may be used to cathodic protect steel materials such as reinforcing bars contained in the lining concrete 210 of the tunnel 200 shown in FIG. 11 . In this case, it is preferable to install the power generator 7 (power generation panel 70 ) on the inner wall surface 220 on the inner air side of the tunnel 200 . That is, the inner space side of the tunnel 200 has a relatively high temperature due to, for example, the influence of the exhaust gas of vehicles passing through the tunnel 200, and it is easy to secure a temperature difference from the inner wall surface 220 of the tunnel 200. As a result, a sufficient environmental temperature difference can easily be secured, and the thermoelectric conversion efficiency (power generation efficiency) in the thermoelectric conversion module 3 can be favorably increased.

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明に係るコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置および電気防食方法は、種々の変形例を採用することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, various modifications can be adopted for the cathodic protection device and cathodic protection method for steel materials in concrete structures according to the present invention.

1・・・橋桁
2・・・橋脚
3・・・熱電変換モジュール
4・・・鉄筋
5・・・コンクリート
6・・・陽極材
7・・・発電装置
9・・・熱電変換ユニット
C・・・細孔
31・・・n型熱電変換素子
32・・・p型熱電変換素子
33・・・π型部
70・・・発電パネル
71・・・支持基板
72・・・発電部
80・・・外部接続装置
310・・・連結部
710・・・支持部
31A,32A・・・高温側端部
31B,32B・・・低温側端部
34A,34B・・・電極
Reference Signs List 1 Bridge girder 2 Bridge pier 3 Thermoelectric conversion module 4 Rebar 5 Concrete 6 Anode material 7 Power generator 9 Thermoelectric conversion unit C Pore 31...n-type thermoelectric conversion element 32...p-type thermoelectric conversion element 33...π-type portion 70...power generation panel 71...support substrate 72...power generation portion 80...outside Connecting device 310 Connecting portion 710 Supporting portions 31A, 32A High temperature side ends 31B, 32B Low temperature side ends 34A, 34B Electrodes

Claims (9)

コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食装置であって、
前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流すための電力を発電する発電部を有する発電装置を備え、
前記発電部は、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを含み、
前記発電部は、前記コンクリート構造物のコンクリート表面に設置されており、
前記熱電変換モジュールは、電気絶縁性材料からなる支持基板上に配置されており、
前記電極は、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における熱伝導方向の両端に配置されており、
前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における低温側端部が前記支持基板に設けられた支持部に支持されていると共に、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部が前記支持基板と非接触になっている、
コンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
An cathodic protection device for preventing corrosion of a steel material to be protected from corrosion by applying an anti-corrosion current from an anode material installed in a concrete structure to the steel material to be protected from corrosion in the concrete structure,
A power generation device having a power generation unit that generates power for supplying an anti-corrosion current from the anode material to the steel material to be anti-corrosion,
The power generation unit includes a thermoelectric conversion module in which n-type thermoelectric conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements are alternately and electrically connected in series via electrodes,
The power generation unit is installed on a concrete surface of the concrete structure,
The thermoelectric conversion module is arranged on a support substrate made of an electrically insulating material,
The electrodes are arranged at both ends of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element in a heat conduction direction,
The low-temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element are supported by a support portion provided on the support substrate, and the high temperature of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element the side edge is out of contact with the supporting substrate;
Cathodic protection device for steel materials in concrete structures.
コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食装置であって、
前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流すための電力を発電する発電部を有する発電装置を備え、
前記発電部は、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを含み、
前記熱電変換モジュールは、電気絶縁性材料からなる支持基板上に配置されており、
前記電極は、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における熱伝導方向の両端に配置されており、
前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における低温側端部が前記支持基板に設けられた支持部に支持されていると共に、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部が前記支持基板と非接触になっており、
前記熱電変換モジュールは、前記n型熱電変換素子と前記p型熱電変換素子とが前記電極を介して交互に直列に接続されることでπ型を呈すると共に、互いに平行に配列される複数のπ型部を含み、
前記複数のπ型部において、互いに隣接する一組のπ型部が連結部を介して連結されると共に、前記連結部を介して連結された一組のπ型部が前記支持基板に突設されると共に互いに離間して配置される一対の支持部に支持されることで、当該一組のπ型部が一対の支持部間に架け渡されており、
前記連結部を介して連結される一組のπ型部に含まれる前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子の前記低温側端部が前記支持部に支持されると共に、前記高温側端部が前記連結部によって連結されている、
コンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
An cathodic protection device for preventing corrosion of a steel material to be protected from corrosion by applying an anti-corrosion current from an anode material installed in a concrete structure to the steel material to be protected from corrosion in the concrete structure,
A power generation device having a power generation unit that generates power for supplying an anti-corrosion current from the anode material to the steel material to be anti-corrosion,
The power generation unit includes a thermoelectric conversion module in which n-type thermoelectric conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements are alternately and electrically connected in series via electrodes,
The thermoelectric conversion module is arranged on a support substrate made of an electrically insulating material,
The electrodes are arranged at both ends of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element in a heat conduction direction,
The low-temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element are supported by a support portion provided on the support substrate, and the high temperature of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element The side end is out of contact with the support substrate,
The thermoelectric conversion module exhibits a π-type by alternately connecting the n-type thermoelectric conversion elements and the p-type thermoelectric conversion elements in series via the electrodes, and has a plurality of π-types arranged in parallel to each other. including the mold part,
In the plurality of π-shaped portions, a pair of π-shaped portions adjacent to each other are connected via a connecting portion, and the pair of π-shaped portions connected via the connecting portion protrude from the support substrate. The pair of π-shaped parts are bridged between the pair of support parts by being supported by a pair of support parts arranged apart from each other,
The low temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element included in a pair of π-shaped portions connected via the connection portion are supported by the support portion, and the high temperature side end portions are supported by the support portion. The ends are connected by the connecting part,
Cathodic protection device for steel materials in concrete structures.
前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子は、それぞれフォノニック結晶構造を有する、請求項1又は2に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。 3. The cathodic protection device for steel materials in concrete structures according to claim 1 , wherein said n-type thermoelectric conversion element and said p-type thermoelectric conversion element each have a phononic crystal structure. 前記型熱電変換素子および前記型熱電変換素子は、素子を厚さ方向に貫通するサブマイクロオーダー又はナノオーダーの直径を有する細孔が多数形成されている、
請求項1から3の何れか一項に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
The n -type thermoelectric conversion element and the p -type thermoelectric conversion element are formed with a large number of pores having a diameter of submicro order or nano order penetrating through the element in the thickness direction.
The cathodic protection device for steel materials in a concrete structure according to any one of claims 1 to 3 .
前記発電部は、複数の前記熱電変換モジュールを含む、請求項1からの何れか一項に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。 The cathodic protection device for steel materials in a concrete structure according to any one of claims 1 to 4 , wherein the power generation unit includes a plurality of the thermoelectric conversion modules. 前記熱電変換モジュール同士が電気的に並列又は直列に接続されている、請求項に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。 The cathodic protection device for steel materials in a concrete structure according to claim 5 , wherein said thermoelectric conversion modules are electrically connected in parallel or in series. 前記発電部は、前記コンクリート構造物のコンクリート表面に設置されている、
請求項に記載のコンクリート構造物における鋼材の電気防食装置。
The power generation unit is installed on the concrete surface of the concrete structure,
The cathodic protection device for steel materials in a concrete structure according to claim 2 .
コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食方法であって、
n型熱電変換素子とp型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを有する発電部において、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部と低温側端部との温度差を利用して発電し、当該発電した電力を利用して前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流す電気防食方法であり
前記発電部は、前記コンクリート構造物のコンクリート表面に設置されており、
前記熱電変換モジュールは、電気絶縁性材料からなる支持基板上に配置されており、
前記電極は、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における熱伝導方向の両端に配置されており、
前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における低温側端部が前記支持基板に設けられた支持部に支持されていると共に、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部が前記支持基板と非接触になっている、
コンクリート構造物における鋼材の電気防食方法。
A cathodic protection method for protecting a steel material to be protected from corrosion by applying an anti-corrosion current from an anode material installed in a concrete structure to the steel material to be protected from corrosion in the concrete structure,
In a power generation unit having a thermoelectric conversion module in which n-type thermoelectric conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements are alternately and electrically connected in series via electrodes, the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element A cathodic protection method in which electric power is generated by utilizing the temperature difference between the high-temperature side end and the low-temperature side end of the step, and the generated power is used to flow an anti-corrosion current from the anode material to the steel material to be anti-corrosion,
The power generation unit is installed on a concrete surface of the concrete structure,
The thermoelectric conversion module is arranged on a support substrate made of an electrically insulating material,
The electrodes are arranged at both ends of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element in a heat conduction direction,
The low-temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element are supported by a support portion provided on the support substrate, and the high temperature of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element the side edge is out of contact with the supporting substrate;
Cathodic protection method for steel materials in concrete structures.
コンクリート構造物に設置された陽極材から、前記コンクリート構造物中の防食対象鋼材に防食電流を流すことで当該防食対象鋼材を防食する電気防食方法であって、
n型熱電変換素子とp型熱電変換素子とが電極を介して交互に且つ電気的に直列に接続された熱電変換モジュールを有する発電部において、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部と低温側端部との温度差を利用して発電し、当該発電
した電力を利用して前記陽極材から前記防食対象鋼材に防食電流を流す電気防食方法であり
前記熱電変換モジュールは、電気絶縁性材料からなる支持基板上に配置されており、
前記電極は、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における熱伝導方向の両端に配置されており、
前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における低温側端部が前記支持基板に設けられた支持部に支持されていると共に、前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子における高温側端部が前記支持基板と非接触になっており、
前記熱電変換モジュールは、前記n型熱電変換素子と前記p型熱電変換素子とが前記電極を介して交互に直列に接続されることでπ型を呈すると共に、互いに平行に配列される複数のπ型部を含み、
前記複数のπ型部において、互いに隣接する一組のπ型部が連結部を介して連結されると共に、前記連結部を介して連結された一組のπ型部が前記支持基板に突設されると共に互いに離間して配置される一対の支持部に支持されることで、当該一組のπ型部が一対の支持部間に架け渡されており、
前記連結部を介して連結される一組のπ型部に含まれる前記n型熱電変換素子および前記p型熱電変換素子の前記低温側端部が前記支持部に支持されると共に、前記高温側端部が前記連結部によって連結されている、
コンクリート構造物における鋼材の電気防食方法。
A cathodic protection method for protecting a steel material to be protected from corrosion by applying an anti-corrosion current from an anode material installed in a concrete structure to the steel material to be protected from corrosion in the concrete structure,
In a power generation unit having a thermoelectric conversion module in which n-type thermoelectric conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements are alternately and electrically connected in series via electrodes, the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element A cathodic protection method in which electric power is generated by using the temperature difference between the high temperature side end and the low temperature side end in the electric corrosion protection method, and the electric power generated is used to flow the anticorrosion current from the anode material to the steel material to be anticorrosion,
The thermoelectric conversion module is arranged on a support substrate made of an electrically insulating material,
The electrodes are arranged at both ends of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element in a heat conduction direction,
The low-temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element are supported by a support portion provided on the support substrate, and the high temperature of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element The side end is out of contact with the support substrate,
The thermoelectric conversion module exhibits a π-type by alternately connecting the n-type thermoelectric conversion elements and the p-type thermoelectric conversion elements in series via the electrodes, and has a plurality of π-types arranged in parallel to each other. including the mold part,
In the plurality of π-shaped portions, a pair of π-shaped portions adjacent to each other are connected via a connecting portion, and the pair of π-shaped portions connected via the connecting portion protrude from the support substrate. The pair of π-shaped parts are bridged between the pair of support parts by being supported by a pair of support parts arranged apart from each other,
The low temperature side end portions of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element included in a pair of π-shaped portions connected via the connection portion are supported by the support portion, and the high temperature side end portions are supported by the support portion. The ends are connected by the connecting part,
Cathodic protection method for steel materials in concrete structures.
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