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技術 ペルチェ素子での融雪等利用に係る方法

出願人 隅田幸生
発明者 隅田幸生
出願日 2013年5月20日 (8年6ヶ月経過) 出願番号 2013-106529
公開日 2014年12月8日 (6年11ヶ月経過) 公開番号 2014-229668
状態 拒絶査定
技術分野 異常な外部の影響に耐えるための建築物 その他の冷凍機械 熱電素子
主要キーワード 熱伝導パイプ 加熱現象 省エネ型 発熱現象 等温度 計画停電 異種金属間 熱電効果
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2014年12月8日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (7)

課題

簡単な構成で製造の容易な手段を用いて、ペルチェ効果およびゼーベック効果を利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供する。

解決手段

ペルチェ素子を2種類に分けて、片方のペルチェ素子a52に温度差をつけて起電力を発生させ、もう片方のペルチェ素子b57をこの起電力を利用して、加熱・冷却の作用のうちの加熱作用による融雪を行う。

効果

外部の電源なしで融雪が可能となる装置を作製でき、省エネ型の融雪装置及び省エネ型の装置が作製可能となる。また、このペルチェ素子a52を直列複数個連結し、電池の直列と同じ現象となることを利用した起電力増強、また、ペルチェ素子b57でも同様にして加熱・冷却の増強を行うことを可能とする。

概要

背景

エネルギーは現在の社会においては欠くことのできない必需品である。このエネルギーにおいて電気エネルギーはその便利さから、冷暖房パソコン電気製品を動かすことから産業機械動力源等大きな利用状況にある。しかし、その電気エネルギーは需要増加に伴って、電力不足による計画停電も懸念される状況にある。

本発明は、異種金属接合部分に生じるペルチェ効果及びゼーベック効果(前者のペルチェ効果は異種金属間電流を流すとその両接点が加熱または冷却される。後者のゼーベック効果は異種金属の両接点を加熱または冷却することにより、起電力を発生する。)を利用した冷却方法及び加熱方法に関し、特に異種金属の薄膜を接合した部分に生じるペルチェ効果やゼーベック効果を利用して、融雪や冷暖房を行うのに適した装置に関するものである。

従来のペルチェ素子を用いた装置では、冷蔵庫に代表されるように、そのペルチェ素子の電流を通じることによる両端子の冷却または加熱現象を用いて、加熱はフィン等で排熱し、その冷却側のみの現象を利用するものが多かった。

また、熱利用に関してはペルチェ素子の両端の温度差により、その間に起電力が発生するゼーベック効果を利用した例があり、熱電対等もその応用例であるが、大きな起電力の利用というものではない。

このような利用方法は外部からの電気エネルギーを使ったものが多く、省エネとはなりにくいものが多かった。

概要

簡単な構成で製造の容易な手段を用いて、ペルチェ効果およびゼーベック効果を利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供する。ペルチェ素子を2種類に分けて、片方のペルチェ素子a52に温度差をつけて起電力を発生させ、もう片方のペルチェ素子b57をこの起電力を利用して、加熱・冷却の作用のうちの加熱作用による融雪を行う。外部の電源なしで融雪が可能となる装置を作製でき、省エネ型の融雪装置及び省エネ型の装置が作製可能となる。また、このペルチェ素子a52を直列複数個連結し、電池の直列と同じ現象となることを利用した起電力増強、また、ペルチェ素子b57でも同様にして加熱・冷却の増強を行うことを可能とする。

目的

本発明は上記のような従来技術の課題に鑑み、簡単な構成で製造の容易な手段を用いて、ペルチェ効果およびゼーベック効果を利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

2種類のペルチェ素子の一方に温度差をつけてゼーベック効果に起因する起電力を発生させ、もう1種類のペルチェ素子にペルチェ効果に起因する過熱・冷却を行わせることによる省エネ型融雪装置及び省エネ型の装置。

技術分野

0001

本発明は、ペルチェ素子を用いた融雪他の省エネを実施する方法に関するものである。

背景技術

0002

エネルギーは現在の社会においては欠くことのできない必需品である。このエネルギーにおいて電気エネルギーはその便利さから、冷暖房パソコン電気製品を動かすことから産業機械動力源等大きな利用状況にある。しかし、その電気エネルギーは需要増加に伴って、電力不足による計画停電も懸念される状況にある。

0003

本発明は、異種金属接合部分に生じるペルチェ効果及びゼーベック効果(前者のペルチェ効果は異種金属間電流を流すとその両接点が加熱または冷却される。後者のゼーベック効果は異種金属の両接点を加熱または冷却することにより、起電力を発生する。)を利用した冷却方法及び加熱方法に関し、特に異種金属の薄膜を接合した部分に生じるペルチェ効果やゼーベック効果を利用して、融雪や冷暖房を行うのに適した装置に関するものである。

0004

従来のペルチェ素子を用いた装置では、冷蔵庫に代表されるように、そのペルチェ素子の電流を通じることによる両端子の冷却または加熱現象を用いて、加熱はフィン等で排熱し、その冷却側のみの現象を利用するものが多かった。

0005

また、熱利用に関してはペルチェ素子の両端の温度差により、その間に起電力が発生するゼーベック効果を利用した例があり、熱電対等もその応用例であるが、大きな起電力の利用というものではない。

0006

このような利用方法は外部からの電気エネルギーを使ったものが多く、省エネとはなりにくいものが多かった。

0007

特許公開2003−155802

先行技術

0008

酸化物熱電変換素子量産技術開発」 中倫之他、昭和電線レビューVOL.58,NO.1(2008)(http://www.swcc.co.jp/company/development/pdf/review58/A_1.pdf)
真司地中熱利用促進協会 「地下水熱利用」OHP(http://www.meti.go.jp/committee/kenkyukai/energy/nestu_energy/004_04_01.pdf)

発明が解決しようとする課題

0009

本発明は上記のような従来技術の課題に鑑み、簡単な構成で製造の容易な手段を用いて、ペルチェ効果およびゼーベック効果を利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

上記課題を解決するため、ペルチェ効果およびゼーベック効果の組合せを利用した融雪方法やその他の冷暖房に関する省エネ型の装置を提供するものである。

0011

本発明は基本的に2種の金属を接続することにより、両金属内電子の移動の相違によってその接続部分で生じる吸熱(冷却)、発熱現象を利用したものであるが、その詳細を説明するに際して、最初に本発明に至った技術的な過程を説明する。

0012

2種の金属を接触させて両者の間に温度差をつけると、各金属内電子数の差により、熱電効果が生じる。この熱電効果には、2種の金属の両端を互いに接続させ、その両接続部分を異なった温度に保つことにより起電力が生じるゼーベック効果と、その逆に2種の金属の両端を互いに接続させ、電流を流したときに熱が発生し、もしくは吸熱が生じるペルチェ効果とが存在することが知られている。

0013

このペルチェ効果(またはゼーベック効果)を示す金属は高温部端から低温部端に正孔が移動するp型素子と高温部端から低温部端に電子が移動するn型素子があり、両者を併用して用いることで起電力が発生する。一例を図1に示す。

より抜粋

0014

図1においてこのp型素子4とn型素子3の1組の組合せたものをペルチェ単体素子とする。このペルチェ単体素子は通常数mV程度のものが一般的であり、市販されているペルチェ素子はこのペルチェ単体素子を10個以上を組合せたもので1V前後のものが多い。図2にその一例を示す。

0015

以降においてはこの図2のp型素子4とn型素子3の10個以上を組み合わせた構造の一体のものをペルチェ素子と呼ぶこととする。

0016

次にこのペルチェ素子を直列につないだ時の挙動について説明する。図3にその一例を示す。例えば、ペルチェ素子a28とペルチェ素子b33の高温側に90℃のお湯の入った金属製容器を乗せ、低温側の導体31と導体36を室温とすると、ペルチェ素子a28の電極端子(黒)A30と電極端子(赤)B29の間にはー700mV程度の起電力が発生する。この時、高温側の導体27と導体32とはつながっていてもよいし、離れていてもよい。ここでは簡単のためにつながっているものとする。ペルチェ素子b33の電極端子(黒)C35と電極端子(赤)D34の間にはペルチェ素子a28と同じようにー700mV程度の起電力が発生する。すなわち、2つを直列につないでいるので、ペルチェ素子a28とペルチェ素子b33の2つの素子の合計起電力は電極端子(黒)A30と電極端子(赤)D34の間でー1400mV程度の起電力が発生する。つまり、ペルチェ素子2つの高温側導体27に90℃の高温のお湯、低温側を室温とした時には電池2つを直列に接続した時と同じ傾向を示す。つまり、このペルチェ素子を直列につないでいくと、ペルチェ素子の個数に応じた起電力を発生する。

0017

次にこのペルチェ素子を直列につないだままで、抵抗を外した時の挙動について説明する。図4にその一例を示す。
例えば、ペルチェ素子a41のみの高温側の導体40に90℃のお湯の入った金属容器を乗せ、低温側の導体44を室温とすると、ペルチェ素子a41の電極端子(黒)A43と電極端子(赤)B42の間には約−350mV程度の起電力が発生する。この時ペルチェ素子b46の電極端子(黒)Cと電極端子(赤)Dの間には−350mV程度の電圧印加されている。すなわち、2つのペルチェ素子を直列につないでいるので、ペルチェ素子a41とペルチェ素子b46の2つの素子の合計起電力は電極端子(黒)A43と電極端子(赤)D47の間で−700mV程度の起電力が発生する。つまり、素子2つのうち、ペルチェ素子a41の高温側に高温のお湯の入った金属容器を乗せ、低温側の導体を室温とした時には、ペルチェ素子a41とペルチェ素子b46の2つの素子の間にはペルチェ素子a41で発生した起電力を2つのペルチェ素子で半分ずつに分配したような結果となる。ペルチェ素子はペルチェ素子自身が抵抗を持っており、市販のものでは1Ω(オーム)程度である。つまり、図4で、ペルチェ素子a41の上にのみお湯の入った金属容器を乗せた場合は2つのペルチェ素子に1つのペルチェ素子の起電力の半分ずつが印加されるという状態となる。

0018

また、図4ではそれ以外にも注目すべき現象が現れる。すなわち、ペルチェ素子b46の高温側の導体45と見なされた側の面は冷却される。つまり、現象としては−0.5℃くらい室温より低下する。また、ペルチェ素子b46の低温側と見なされた面は0.5℃くらいの温度上昇がある。つまり、ペルチェ素子a41はゼーベック効果で発電し、ペルチェ素子b46はペルチェ効果で冷却と発熱の2つの現象が観察される。
なお、この低温側、高温側については上部を低温側、底部を高温側とした時には図3では+1400mV、図4では+350mVの起電力発生のように、起電力がマイナスであったのが、プラスになるだけであり、その現象は同様の傾向を示す。

発明の効果

0019

本発明による加熱・冷却方法について、簡単な手段によりゼーベック効果とペルチェ効果を利用しての融雪を行うことができる。

0020

また本発明による融雪装置は、での屋根の加熱より生じるゼーベック効果とペルチェ効果を利用して冷却作用を行うことができる。

図面の簡単な説明

0021

図1はペルチェ素子の原理図である。
図2はペルチェ素子の構造の一例である。
図3はペルチェ素子の直列接続外部抵抗あり)である。
図4はペルチェ素子の直列接続(外部抵抗なし)である。
図5はペルチェ素子の実施の一例である。(実施例1)
図6はペルチェ素子の実施の一例である。(実施例2)

0022

本発明においては、ペルチェ素子aに温度差をつけてゼーベック効果で発電し、これと初期に温度差のないペルチェ素子bを組合せることにより、ペルチェ素子bにおいて、冷却・加熱を行わせることが可能な省エネ型の融雪装置が可能となる。
なお、ペルチェ素子1個あたりの起電力は小さいので、これを直列に組合せることにより起電力の増強を行うことが可能となる。

この図4における現象を利用して、本発明となる融雪装置の説明を行う。

0023

装置の一例を図5に示す。図5のペルチェ素子a52では低温側の導体53を家の屋根の面に平行に設置する。高温側の導体は地下15mくらいのところの15℃程度の温度一定の部分の導体56に熱伝導パイプ55を介して接続する。このペルチェ素子a52で0℃の雪と15℃の地下15mのところでの15℃の温度差が発生して、これが起電力となる。
なお、この地下15mくらいの温度一定のデータは例えば、地中熱利用促進協会のデータ等が示されている。<
参照>この時ペルチェ素子b57では、初期には屋根に向いた導体58の面と地面に面した導体59は共に0℃の雪と同じ状態にある。しかし、ペルチェ素子a52で起電力が発生するために、徐々に屋根の面の導体58は加熱され、また地面に向いた導体59は冷却される。この状態はすなわちペルチェ素子b57において、屋根に積もった雪の融雪が可能となる。このペルチェ素子は直列に配置してやれば、出力は増強できる。また、冷却側は熱伝導パイプ60を介した導体61は地面に向かっているために等の生成はあっても屋根に負担がかかることはない。

実施例

0024

本発明の応用例としての装置の一例を図6に示す。図6のペルチェ素子a62では夏の暑い時期には太陽の直射による温度上昇で高温側の導体63となる。低温側の導体64は地下15mくらいのところの15℃程度の温度一定の部分の導体66と熱伝導パイプ65を介して低温側となる。このペルチェ素子a62で30〜50℃の太陽熱と15℃の地下の間で15〜30℃の温度差が発生して、これがゼーベック効果による起電力となる。この時ペルチェ素子b67では、初期には屋根に向いた導体68の面と地面に面した導体69は共に30℃の外気温で屋根と同じ状態にある。しかし、ペルチェ素子a62で起電力が発生するために、徐々に屋根側の導体68は冷却され、また地面に向いた面の導体69は加熱される。この状況はすなわちペルチェ素子b67において、屋根の面の導体68は冷却による温度降下が可能となる。このペルチェ素子は直列に配置してやれば、出力は増強できる。また、加熱側は熱伝導パイプ70を介して導体71は地面に向かっているために屋根に熱の負担がかかることはない。

0025

本発明において、図1の外部抵抗の代わりに並列蓄電装置を設置して、余剰の起電力が発生した場合には、蓄電を行うことも可能である。

0026

また、原子力発電で発生した使用済み燃料の熱や地熱での熱等温度差のあるシステムを利用したペルチェ素子の回路を用いて、冷却・加熱や蓄電を行うことも可能である。

0027

アルミナ等の絶縁体(高温)、2電極、3 n型素子、4 p型素子、
5 電極、6 電極、7 アルミナ等の絶縁体(低温)、8外部抵抗、9電流
10 絶縁体(高温)、11 電極、12 電極、13 電極、14 絶縁体(低温)
15 絶縁体(高温)、16 電極、17 電極、18 電極、19 絶縁体(低温)
20 絶縁体(高温)、21 電極、22 電極、23 電極、24 絶縁体(低温)
25高温部導体F<上部>、26 低温部導体G<下部>
27 導体(高温)、28ペルチェ素子a、29電極端子B(赤)、
30 電極端子A(黒)、31 導体(低温) 、
32 導体(高温)、33 ペルチェ素子b、34 電極端子D(赤)、
35 電極端子C(黒)、36 導体(低温) 、37端子ボックス
38 外部抵抗、39 電流、
40 導体(高温)、41 ペルチェ素子a、42 電極端子B(赤)、
43 電極端子A(黒)、44 導体(低温) 、
45 導体(冷却)、46 ペルチェ素子b、47 電極端子D(赤)、
48 電極端子C(黒)、49 導体(発熱) 、50 端子ボックス、51 電流、
52 ペルチェ素子a、53 導体(低温側)、54 導体(高温側)、
55熱伝導パイプ、56 導体(地下15m:温度15℃一定)
57 ペルチェ素子b、58 導体(発熱)、59 導体(冷却)、
60 熱伝導パイプ、61 導体(冷却)
62 ペルチェ素子a、63 導体(低温側)、64 導体(高温側)、
65 熱伝導パイプ、66 導体(地下15m:温度15℃一定)
67 ペルチェ素子b、68 導体(冷却)、69 導体(発熱)、
70 熱伝導パイプ、71 導体(発熱)

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