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特開2024-132654熱電発電装置、複合型建築材料、及び、熱電発電装置の製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024132654
(43)【公開日】2024-10-01
(54)【発明の名称】熱電発電装置、複合型建築材料、及び、熱電発電装置の製造方法
(51)【国際特許分類】
H10N 10/13 20230101AFI20240920BHJP
H10N 10/852 20230101ALI20240920BHJP
H10N 10/853 20230101ALI20240920BHJP
H10N 10/851 20230101ALI20240920BHJP
【ＦＩ】
H10N10/13
H10N10/852
H10N10/853
H10N10/851
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023043508
(22)【出願日】2023-03-17
(71)【出願人】
【識別番号】520415225
【氏名又は名称】株式会社フロスト
(74)【代理人】
【識別番号】100137394
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 敏弘
(72)【発明者】
【氏名】霜 幸雄
(72)【発明者】
【氏名】鶴見 重行
(57)【要約】
【課題】 これまで家屋、ビルディング等の建築物の外気と屋内の温度差による発電モジュールはほとんど利用されていない。また、家屋の中においても料理場、キッチン、風呂場等の温度の高い壁からの熱エネルギーは利用されず無駄に廃棄していた。
【解決手段】 家、ビルディングの外壁、内壁に用いる陶器、磁器、合成樹脂、アクリル、ガラスによる板状のケースに熱電モジュール内蔵させる新しい熱電モジュールを作製した。この熱電モジュールは通常の外装用、内装用のタイルと同じ形状でかつ温度差による発電が可能である。これにより家庭用の電力、ビルディングの電力の一部分を供給できる。これまで利用されてこなかった家屋、ビルディング等の建築物の外気と屋内の温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに再生でき、炭酸ガスの削減にも寄与できる。
【選択図】図２
【解決手段】 家、ビルディングの外壁、内壁に用いる陶器、磁器、合成樹脂、アクリル、ガラスによる板状のケースに熱電モジュール内蔵させる新しい熱電モジュールを作製した。この熱電モジュールは通常の外装用、内装用のタイルと同じ形状でかつ温度差による発電が可能である。これにより家庭用の電力、ビルディングの電力の一部分を供給できる。これまで利用されてこなかった家屋、ビルディング等の建築物の外気と屋内の温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに再生でき、炭酸ガスの削減にも寄与できる。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の熱電素子を電気的に接続した熱電モジュールと、
陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより形成された建築材料であり、前記熱電モジュールを収容する収容容器と、
前記収容容器の内部に位置し、前記熱電モジュールを収容する大きさの空間である収容室と
を有する熱電発電装置。
陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより形成された建築材料であり、前記熱電モジュールを収容する収容容器と、
前記収容容器の内部に位置し、前記熱電モジュールを収容する大きさの空間である収容室と
を有する熱電発電装置。
【請求項2】
前記収容容器は、建築材料であり、前記第１の部材及び前記第２の部材を含み、
前記収容室は、前記第１の部材及び前記第２の部材により形成された空間であり、
前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記熱電モジュールを収容した状態で、接合されている
請求項１に記載の熱電発電装置。
前記収容室は、前記第１の部材及び前記第２の部材により形成された空間であり、
前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記熱電モジュールを収容した状態で、接合されている
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項3】
前記収容室の内壁面に形成され、当該収容室の内壁面にある微細孔を塞いた表面処理層
をさらに有し、
前記収容室の内部の圧力は、当該収容室の外部の圧力より低い
請求項１に記載の熱電発電装置。
をさらに有し、
前記収容室の内部の圧力は、当該収容室の外部の圧力より低い
請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項4】
前記収容容器のうち、前記第１の部材又は前記第２の部材に設けられ、前記収容室の内部と外部とを接続する貫通孔
をさらに有する
請求項３に記載の熱電発電装置。
をさらに有する
請求項３に記載の熱電発電装置。
【請求項5】
複数の熱電素子を電気的に接続した熱電モジュールと、
屋根材、壁材、床材、又は建具であり、前記熱電モジュールを収容する建築材料と
を有する複合型建築材料。
屋根材、壁材、床材、又は建具であり、前記熱電モジュールを収容する建築材料と
を有する複合型建築材料。
【請求項6】
陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより形成された建築材料であり、熱電モジュールを収容する収容容器のうち、少なくとも熱電モジュールを収容する空間である収容室の壁面に対して、微細孔を塞ぐ表面処理を行う工程と、
表面処理を行った壁面を含む前記収容室により当該熱電モジュールを取り囲み収容する工程と、
前記熱電モジュールを収容した前記収容室の内部の圧力を、当該収容室の外部の圧力より低くする工程と
を有する熱電発電装置の製造方法。
表面処理を行った壁面を含む前記収容室により当該熱電モジュールを取り囲み収容する工程と、
前記熱電モジュールを収容した前記収容室の内部の圧力を、当該収容室の外部の圧力より低くする工程と
を有する熱電発電装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱電発電装置、複合型建築材料、及び、熱電発電装置の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【0002】
例えば、特許文献１及び特許文献２には、れんがの内部に熱発電素子を埋め込んだことを特徴とする耐火発電れんがが開示されている。
【0003】
また、非特許文献１には、熱電発電の原理及びその応用が詳細に述べられている。
また、非特許文献２には、これまでの熱電発電の歴史とその後の発展に関して多数の研究者による記述がなされている。２００１年までの熱電発電の状況が詳しく説明されている。
また、非特許文献２には、これまでの熱電発電の歴史とその後の発展に関して多数の研究者による記述がなされている。２００１年までの熱電発電の状況が詳しく説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平０８－１９６０９４号公報
【特許文献2】特開平１０－０９４２７８号公報
【非特許文献1】上村欣一、西田勲夫 著 「熱電半導体とその応用」 日刊工業新聞社 １９８８年
【非特許文献2】坂田亮 著 「熱電変換工学―基礎と応用―」 リアライズ社 ２００１年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明は、建築材料としての機能を活かしつつ、効率的に発電することができる熱電発電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】
【0006】
本発明に係る熱電発電装置は、複数の熱電素子を電気的に接続した熱電モジュールと、陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより形成された建築材料であり、前記熱電モジュールを収容する収容容器と、前記収容容器の内部に位置し、前記熱電モジュールを収容する大きさの空間である収容室とを有する。
【0007】
好適には、前記収容容器は、建築材料であり、前記第１の部材及び前記第２の部材を含み、前記収容室は、前記第１の部材及び前記第２の部材により形成された空間であり、前記第１の部材及び前記第２の部材は、前記熱電モジュールを収容した状態で、接合されている。
【0008】
好適には、前記収容室の内壁面に形成され、当該収容室の内壁面にある微細孔を塞いた表面処理層をさらに有し、前記収容室の内部の圧力は、当該収容室の外部の圧力より低い。
【0009】
好適には、前記収容容器のうち、前記第１の部材又は前記第２の部材に設けられ、前記収容室の内部と外部とを接続する貫通孔をさらに有する。
【0010】
また、本発明に係る複合型建築材料は、複数の熱電素子を電気的に接続した熱電モジュールと、屋根材、壁材、床材、又は建具であり、前記熱電モジュールを収容する建築材料とを有する。
【0011】
また、本発明に係る熱電発電装置の製造方法は、陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより形成された建築材料であり、熱電モジュールを収容する収容容器のうち、少なくとも熱電モジュールを収容する空間である収容室の壁面に対して、微細孔を塞ぐ表面処理を行う工程と、表面処理を行った壁面を含む前記収容室により当該熱電モジュールを取り囲み収容する工程と、前記熱電モジュールを収容した前記収容室の内部の圧力を、当該収容室の外部の圧力より低くする工程とを有する。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、建築材料としての機能を活かしつつ、効率的に発電することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本実施形態における熱電発電装置１を建築物の壁材として配置した状態を例示する図である。
【図2】本実施形態における熱電発電装置１を例示する斜視図である。
【図3】熱電発電装置１の断面を模式的に例示する図である。
【図4】上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の詳細な構成を説明する図である。
【図5】ｐｎ接合された熱電素子３００を例示する図である。
【図6】熱電モジュール３０の詳細な構成を説明する図である。
【図7】本実施形態における熱電発電装置１の製造方法（Ｓ１０）を説明するフローチャートである。
【図8】本実施形態の熱電発電装置１における変形例を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
まず、本発明がなされた背景を説明する。
熱電モジュールは、例えば機械設備等の排熱を利用する観点から、従来から直列配置されたｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とを一対の平らな基板で挟み込む構造を採用していた。また、例えば高温の流体や気体が流れる丸パイプ等の熱源の排熱を利用する観点から、巻き付けて配置するために、フレキシブルな高分子材料のシートに熱電素子と配線を配置した構造のものも採用されている。
一方で、熱電モジュールは、太陽熱や日常生活内にある温度差を利用する観点でほとんど利用されていない。具体的には、建築物においては屋外と屋内との温度差による熱エネルギー、又は、乗り物においては外気と車内との温度差による熱エネルギーを利用するに適した熱電モジュールはこれまで実用化されていなかった。
そこで、建築物において、屋外と屋内との温度差、又は、キッチン、日常生活内にある温度差を利用するために、熱電発電装置と熱電モジュールとを組み合わせた、熱電発電装置を作製した。この熱電ユニットにより無駄に捨てられていた熱エネルギーを、例えば、家庭設備用の電力、又はビルディング設備用の電力の一部とし利用することが出来る。以下、このような本発明の実施形態による熱電発電装置１を図面を参照して説明する。
熱電モジュールは、例えば機械設備等の排熱を利用する観点から、従来から直列配置されたｎ型熱電素子とｐ型熱電素子とを一対の平らな基板で挟み込む構造を採用していた。また、例えば高温の流体や気体が流れる丸パイプ等の熱源の排熱を利用する観点から、巻き付けて配置するために、フレキシブルな高分子材料のシートに熱電素子と配線を配置した構造のものも採用されている。
一方で、熱電モジュールは、太陽熱や日常生活内にある温度差を利用する観点でほとんど利用されていない。具体的には、建築物においては屋外と屋内との温度差による熱エネルギー、又は、乗り物においては外気と車内との温度差による熱エネルギーを利用するに適した熱電モジュールはこれまで実用化されていなかった。
そこで、建築物において、屋外と屋内との温度差、又は、キッチン、日常生活内にある温度差を利用するために、熱電発電装置と熱電モジュールとを組み合わせた、熱電発電装置を作製した。この熱電ユニットにより無駄に捨てられていた熱エネルギーを、例えば、家庭設備用の電力、又はビルディング設備用の電力の一部とし利用することが出来る。以下、このような本発明の実施形態による熱電発電装置１を図面を参照して説明する。
【0015】
図１～図６を参照し、熱電発電装置１の構成を説明する。
図１は、本実施形態における熱電発電装置１を建築物の外壁材として配置した状態を例示する図である。
図１に例示するように、熱電発電装置１は、屋根材、壁材、床材、及び建具の建築材料うち、建築物の外壁材として複数配置される。熱電発電装置１は、配置された複数の熱電発電装置１のうち隣接する２つの熱電発電装置１は、互いに電気的に接続しており、かつ、蓄電池（不図示）とも電気的に接続している。これにより、熱電発電装置１は、発電した電力を蓄電池（不図示）に貯めることができる。
熱電発電装置１は、外装用又は内装用の建築材料と熱電モジュールとを組み合わせた熱電モジュールユニット又は複合型建築材料である。ここで、熱電発電装置１との組み合わせとなる建築材料としては、例えば、直接人目に触れる部分に使用される仕上げ材である。具体的には、建築材料としては、外装材である場合、屋根に取り付ける瓦やスレート等の屋根材、又は、建築物の壁となるサイジングやタイル等の外壁材である。また、建築材料としては、内装材である場合は、合板やタイルなどの壁材、又は、フローリングやタイル等の床材である。また、熱電発電装置１との組み合わせとなる建築材料としては、開口を開閉自在に塞ぐ窓又は戸（建具）である場合は、主として合成樹脂板（アクリル樹脂板）またはガラスである。なお、本例の熱電発電装置１は、外壁材であるサイジングやタイルに熱電モジュールを内蔵した発電装置である。
図１は、本実施形態における熱電発電装置１を建築物の外壁材として配置した状態を例示する図である。
図１に例示するように、熱電発電装置１は、屋根材、壁材、床材、及び建具の建築材料うち、建築物の外壁材として複数配置される。熱電発電装置１は、配置された複数の熱電発電装置１のうち隣接する２つの熱電発電装置１は、互いに電気的に接続しており、かつ、蓄電池（不図示）とも電気的に接続している。これにより、熱電発電装置１は、発電した電力を蓄電池（不図示）に貯めることができる。
熱電発電装置１は、外装用又は内装用の建築材料と熱電モジュールとを組み合わせた熱電モジュールユニット又は複合型建築材料である。ここで、熱電発電装置１との組み合わせとなる建築材料としては、例えば、直接人目に触れる部分に使用される仕上げ材である。具体的には、建築材料としては、外装材である場合、屋根に取り付ける瓦やスレート等の屋根材、又は、建築物の壁となるサイジングやタイル等の外壁材である。また、建築材料としては、内装材である場合は、合板やタイルなどの壁材、又は、フローリングやタイル等の床材である。また、熱電発電装置１との組み合わせとなる建築材料としては、開口を開閉自在に塞ぐ窓又は戸（建具）である場合は、主として合成樹脂板（アクリル樹脂板）またはガラスである。なお、本例の熱電発電装置１は、外壁材であるサイジングやタイルに熱電モジュールを内蔵した発電装置である。
【0016】
図２は、本実施形態における熱電発電装置１を例示する斜視図である。
図３は、熱電発電装置１の断面を模式的に例示する図である。
図４は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の詳細な構成を説明する図である。図４（Ａ）は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の詳細構成を例示する斜視図であり、図４（Ｂ）は、上部収容ケース１００の凹部１０００及び下部収容ケース１１０の凹部１１００の表面を模式的に例示する図である。
図５は、ｐｎ接合された熱電素子３００を例示する図である。
図２～図５に例示するように、熱電発電装置１は、収容ケース１０、収容室２０、熱電モジュール３０、封止材４０、及び、排気口６０を有する。
収容ケース１０は、図２～図５に例示したように、陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより板状に形成された収容ケースであり、後述する熱電モジュール３０を収容する建築材料である。本例の収容ケース１０は、外壁材であるタイルである。収容ケース１０は、上部収容ケース１００と下部収容ケース１１０とを含む。上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０を組み合わせることで、１つの収容ボックスとなる。上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０は、その内部に熱電モジュール３０を含む。収容ケース１０は、熱電モジュール３０を収容した状態で、接合されている。収容ケース１０は、本発明に係る収容容器の一例である。
図３は、熱電発電装置１の断面を模式的に例示する図である。
図４は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の詳細な構成を説明する図である。図４（Ａ）は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の詳細構成を例示する斜視図であり、図４（Ｂ）は、上部収容ケース１００の凹部１０００及び下部収容ケース１１０の凹部１１００の表面を模式的に例示する図である。
図５は、ｐｎ接合された熱電素子３００を例示する図である。
図２～図５に例示するように、熱電発電装置１は、収容ケース１０、収容室２０、熱電モジュール３０、封止材４０、及び、排気口６０を有する。
収容ケース１０は、図２～図５に例示したように、陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより板状に形成された収容ケースであり、後述する熱電モジュール３０を収容する建築材料である。本例の収容ケース１０は、外壁材であるタイルである。収容ケース１０は、上部収容ケース１００と下部収容ケース１１０とを含む。上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０を組み合わせることで、１つの収容ボックスとなる。上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０は、その内部に熱電モジュール３０を含む。収容ケース１０は、熱電モジュール３０を収容した状態で、接合されている。収容ケース１０は、本発明に係る収容容器の一例である。
【0017】
上部収容ケース１００は、陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより板状に形成された収容ケースの上部材である。本例の上部収容ケース１００は、陶器又は磁器である多孔質体のタイル材である。また、上部収容ケース１００は、凹部１０００をさらに含む。凹部１０００は、後述する熱電モジュール３０を収容するための大きさの空間であり、上部収容ケース１００の板面の一部において底が平面に窪ませた部分である。なお、凹部１０００は、必要ない場合省略することができる。また、上部収容ケース１００は、表面処理層１２０（詳細は後述）をさらに含む。本例の上部収容ケース１００は、長方形の形状を成し、その板面に凹部１０００を備えた薄板である。上部ケース１００が陶器又は磁器の場合は、凹部１０００を備える板面の裏面において、釉薬をかけてもよいし釉薬をかけなくてもよい。上部収容ケース１００は、本発明に係る第１の部材の一例である。
【0018】
下部収容ケース１１０は、上部収容ケース１００と対向する位置にあり陶器、磁器、合成樹脂、又は、ガラスにより板状に形成され収容ケースの下部材である。本例の下部収容ケース１１０は、陶器又は磁器である多孔質体のタイル材である。また、下部収容ケース１１０は、凹部１１００をさらに含む。凹部１１００は、後述する熱電モジュール３０を収容するための大きさの空間であり、下部収容ケース１１０の板面の一部において底が平面となるよう窪ませた部分である。なお、凹部１１００は、必要ない場合省略することができる。本例の下部収容ケース１１０は、長方形の形状を成し、その板面に凹部１１００を含む薄板である。収容ケース１１０が陶器又は磁器の場合は、凹部１０００を備える板面の裏面において、釉薬をかけてもよいし釉薬をかけなくてもよい。
また、下部収容ケース１１０は、挿通孔１１０２をさらに含む。挿通孔１１０２は、下部収容ケース１１０の長手方向の両端に穿設され、熱電モジュール３０から伸びるリード線３５０を後述する収容室２０の内部から外部に通すための孔である。下部収容ケース１１０は、本発明に係る第２の部材の一例である
また、下部収容ケース１１０は、挿通孔１１０２をさらに含む。挿通孔１１０２は、下部収容ケース１１０の長手方向の両端に穿設され、熱電モジュール３０から伸びるリード線３５０を後述する収容室２０の内部から外部に通すための孔である。下部収容ケース１１０は、本発明に係る第２の部材の一例である
【0019】
また、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０は、表面処理層１２０をさらに含む。表面処理層１２０は、陶器、磁器、又は、合成樹脂である場合に、上部収容ケース１００の板面及び下部収容ケース１１０の板面の少なくとも一方に形成され、板面の表面における微細孔又は微細穴を塞いた薄膜である。表面処理層１２０は、上部収容ケース１００の板面及び下部収容ケース１１０の板面全体であってもよいし、上部収容ケース１００の凹部１０００及び下部収容ケース１１０の凹部１１００のみであってもよい。なお、本例の表面処理層１２０は、収容室２０を形成する上部タイル１００の凹部１０００及び下部収容ケース１１０の凹部１１００のみに成膜される。表面処理層１２０は、後述する収容室２０を真空状態に維持することができる被膜である。表面処理層１２０は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、又は石英ガラス（ＳｉＯ２）により形成された、厚さ１μｍ以上５μｍ以下の被膜である。なお、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０がガラスの場合は、表面処理層１２０を省略できる。
【0020】
収容室２０は、収容ケース１０の内部に位置し、熱電モジュール３０を収容する収容空間である。収容室２０は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の少なくとも一方の板面を含み、これらが一部の壁面となる。本例の収容室２０は、図２に例示したように、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０に囲まれた空間であり、具体的には、上部収容ケース１００の凹部１０００と、下部収容ケース１１０の凹部１１００とにより囲まれた空間であり、後述する封止材により封止される。封止された収容室２０には、熱電素子３００及び電極板３２０を含む熱電モジュール３０が収容されている。また、収容室２０の内側は、大気圧より減圧された状態、不活性ガス若しくは充填材が充填された状態、又は、その両方の状態となっており、本例の収容室２０の内側は、大気圧より減圧された真空状態となっている。すなわち、収容室２０の内部の圧力は、収容室２０の外部の圧力より低くなっている。なお、収容室２０は、本発明に係る収容室の一例である。
【0021】
熱電モジュール３０は、図２に例示したように、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の板面の間に位置し、熱エネルギー及び電気エネルギーを相互に変換する熱電素子３００を複数含む熱電発電モジュールである。熱電モジュール３０は、複数の熱電素子３００を電気的に接続した状態で保持する。熱電モジュール３０は、図４に例示したように、熱電素子３００と、電極板３２０と、リード線３５０とを含む。例えば、熱電モジュール３０は、一対の基板の間に熱電素子３００及び電極板３２０が位置し、さらに一対の電極板３２０の間に熱電素子３０が位置する一般的な構成をとってもよいし、一対の基板に代替して上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０にしてもよい。また、熱電モジュール３０は、既存の熱電モジュールであってもよい。
熱電素子３００は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の板面の間に位置し、柱体の形状に形成された素子である。熱電素子３００は、熱エネルギー及び電気エネルギーを相互に変換する材料を多角柱の形状に成形した素子であり、例えばＢｉ－Ｔｅ系熱電材料、Ｐｂ－Ｔｅ系熱電材料、Ｓｎ－Ｓｅ系熱電材料、又は、Ｓｉ－Ｇｅ系熱電材料等の熱電素子である。熱電素子３００は、ｐ型熱電素子３００Ａ及びｎ型熱電素子３００Ｂを含む。ｐ型熱電素子３００Ａ及びｎ型熱電素子３００Ｂは、上部電極板３２０Ａにより接合され、電気的に接続される。ｐ型熱電素子３００Ａ及びｎ型熱電素子３００Ｂは、いわゆるπ型構造となっている。図示した複数の熱電素子３００を直列接続又は並列接続することでπ型構造をした熱電モジュール３０としている。
ｐ型熱電素子３００Ａは、Ｓｉ－Ｇｅ系熱電材料である場合、ホウ素（Ｂ）を添加したＳｉＧｅ合金であり、Ｂｉ－Ｔｅ系熱電材料である場合、ＢｉＴｅ合金である。
ｎ型熱電素子３００Ｂは、Ｓｉ－Ｇｅ系熱電材料である場合、アンチモン（Ｓｂ）を添加したＳｉＧｅ合金であり、Ｂｉ－Ｔｅ系熱電材料である場合、ＢｉＳｂＴｅ合金である。
熱電素子３００は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の板面の間に位置し、柱体の形状に形成された素子である。熱電素子３００は、熱エネルギー及び電気エネルギーを相互に変換する材料を多角柱の形状に成形した素子であり、例えばＢｉ－Ｔｅ系熱電材料、Ｐｂ－Ｔｅ系熱電材料、Ｓｎ－Ｓｅ系熱電材料、又は、Ｓｉ－Ｇｅ系熱電材料等の熱電素子である。熱電素子３００は、ｐ型熱電素子３００Ａ及びｎ型熱電素子３００Ｂを含む。ｐ型熱電素子３００Ａ及びｎ型熱電素子３００Ｂは、上部電極板３２０Ａにより接合され、電気的に接続される。ｐ型熱電素子３００Ａ及びｎ型熱電素子３００Ｂは、いわゆるπ型構造となっている。図示した複数の熱電素子３００を直列接続又は並列接続することでπ型構造をした熱電モジュール３０としている。
ｐ型熱電素子３００Ａは、Ｓｉ－Ｇｅ系熱電材料である場合、ホウ素（Ｂ）を添加したＳｉＧｅ合金であり、Ｂｉ－Ｔｅ系熱電材料である場合、ＢｉＴｅ合金である。
ｎ型熱電素子３００Ｂは、Ｓｉ－Ｇｅ系熱電材料である場合、アンチモン（Ｓｂ）を添加したＳｉＧｅ合金であり、Ｂｉ－Ｔｅ系熱電材料である場合、ＢｉＳｂＴｅ合金である。
【0022】
電極板３２０は、図５に例示したように、導電性のある材料で形成された、金属または透明電極材料の薄板または薄膜である。電極板３２０は、例えば、金属系ではアルミニウム、銅及びその合金、銀及びその合金、透明電極材料系では酸化インジウムスズ、酸化亜鉛、酸化スズ等の材料により形成することが出来る。なお、本例の電極板３２０は、銅の薄板である。電極板３２０は、上部電極板３２０Ａ及び下部電極板３２０Ｂを含む。
上部電極板３２０Ａは、上部収容ケース１００の板面に接触し、隣り合う２つの熱電素子３００を互いに電気的に接続する。
下部電極板３２０Ｂは、下部収容素子１１０の板面に接触し、隣り合う２つの熱電素子３００を互いに電気的に接続する。また、下部電極板３２０Ｂには、収容室２０の内部から外部に突出するリード線３５０と接続する電極板が含まれる。
上部電極板３２０Ａは、上部収容ケース１００の板面に接触し、隣り合う２つの熱電素子３００を互いに電気的に接続する。
下部電極板３２０Ｂは、下部収容素子１１０の板面に接触し、隣り合う２つの熱電素子３００を互いに電気的に接続する。また、下部電極板３２０Ｂには、収容室２０の内部から外部に突出するリード線３５０と接続する電極板が含まれる。
【0023】
封止材４０は、上部収容ケース１００と下部収容ケース１１０とにより形成された収容室２０を気密性の高い状態で封止する封止部材である。封止材４０は、収容室２０に熱電モジュール３０を配置した状態で、上部収容ケース１００と下部収容ケース１１０の繋ぎ目を含む周縁を封止する。封止材４０は、収容室２０内を脱気して真空状態にするため、真空排気に耐える材料、真空を保持できる材料とすることが好ましく、例えばグリース状のシリコーン系オイルである。また、封止材４０は、挿通孔１１０２も併せて塞いでもよい。
【0024】
排気口６０は、本発明に係る貫通孔の一例であり、上部収容ケース１００又は下部収容ケース１１０に設けられ、収容室２０の内部と外部とを接続する貫通孔である。貫通孔６０は、収容室４６内の気体を吸引後に、閉止蓋６２にて閉止される。
【0025】
図６は、熱電モジュール３０の詳細な構成を説明する図である。図６（Ａ）は、熱電素子３００を直列接続した熱電モジュール３０を例示する図であり、図６（Ｂ）は、熱電素子３００を並列接続した熱電モジュール３０を例示する図である。
図６（Ａ）に例示するように、熱電モジュール３０は、熱電素子３００を１列ずつ直列に接続してもよい。また、図６（Ｂ）に例示するように、熱電モジュール３０は、熱電素子３００を１列ずつ直列に接続し、直列に接続した熱電素子３００の各列を両端で並列に接続してもよい。
図６（Ａ）に例示するように、熱電モジュール３０は、熱電素子３００を１列ずつ直列に接続してもよい。また、図６（Ｂ）に例示するように、熱電モジュール３０は、熱電素子３００を１列ずつ直列に接続し、直列に接続した熱電素子３００の各列を両端で並列に接続してもよい。
【0026】
次に、図７を参照し、本実施形態における熱電発電装置１の製造方法を説明する。なお、本例の熱電発電装置１における収容ケース１０は、陶器又は磁器である場合として以下説明する。
図７は、本実施形態における熱電発電装置１の製造方法（Ｓ１０）を説明するフローチャートである。
ステップ１００（Ｓ１００）において、熱電発電装置１を製造する製造作業者（以下作業者）は、原料である顆粒状の土をプレスし所定の形状や寸法に成型する。そして、作業者は、成型したタイル生地を高温で焼成することで、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０を製作する。なお、収容ケース１０が合成樹脂（アクリル樹脂板）またはガラスの場合は、所定の寸法に加工すればよい。
図７は、本実施形態における熱電発電装置１の製造方法（Ｓ１０）を説明するフローチャートである。
ステップ１００（Ｓ１００）において、熱電発電装置１を製造する製造作業者（以下作業者）は、原料である顆粒状の土をプレスし所定の形状や寸法に成型する。そして、作業者は、成型したタイル生地を高温で焼成することで、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０を製作する。なお、収容ケース１０が合成樹脂（アクリル樹脂板）またはガラスの場合は、所定の寸法に加工すればよい。
【0027】
ステップ１０２（Ｓ１０２）において、作業者は、熱電モジュール３０を収容する空間である収容室２０の壁面に対して表面処理を行う。作業者は、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０の板面に表面処理を行う。本例では上部収容ケース１００の凹部１０００及び下部収容ケース１１０の凹部１１００に溶射にて表面処理層１２０を形成する。作業者は、凹部１０００及び凹部１１００に溶かしたアルミナ又は石英ガラスを吹き付けて、厚さ１μｍ以上５μｍ以下の被膜を形成する。なお、作業者は、収容室２０の真空状態を維持する観点から、吹き付け作業を複数回行い、表面処理層１２０を複数層に積層してもよい。
【0028】
ステップ１０４（Ｓ１０４）において、作業者は、π型構造となるように、上部電極板３２０Ａ及び下部電極板３２０Ｂを介して、ｐ型熱電素子３００Ａ及びｎ型熱電素子３００Ｂを直列に接合すると共に、リード線３５０を接合し、熱電モジュール３０を形成する。作業者は、接合部材により、熱電素子３００及び電極板３２０を電気的に接合し、また同様に電極板３２０及びリード線３５０を電気的に接合する。接合部材とは、例えば、はんだ、導電性ペースト（例えば銀ペースト又は銅ペースト）又は導電性接着材であり、本例でははんだである。
【0029】
ステップ１０６（Ｓ１０６）において、作業者は、下部収容ケース１１０の凹部１１００に熱電モジュール３０を設置すると共に、リード線３５０を挿通孔１１０２に挿通する。そして、作業者は、上部収容ケース１００のうち表面処理層１２０を形成した面と、下部収容ケース１１０のうち表面処理層１２０を形成した面とを対向させた状態で、上部収容ケース１００及び下部収容ケース１１０を封止材４０で接合することで、熱電モジュール３０を収容する収容空間を形成する。形成された収容空間には、熱電モジュール３０が配置される。
【0030】
ステップ１０８（Ｓ１０８）において、作業者は、熱電モジュール３０を収容した収容空間の内部の圧力を、外部の圧力より低くする。具体的には、作業者は、排気口６０から熱電モジュール３０を収容した収容空間の内部にある空気を脱気し、脱気後に閉止蓋６２で閉止することにより、この空間内を真空状態にする（収容室２０の形成）。
このように、作業者は、収容ケース１０に熱電モジュール３０を内蔵した熱電発電装置１を得ることができる。また、収容室２０内を真空状態にするため、熱電素子３００及び電極板３２０に圧力がかかるため、熱電素子３００及び電極板３２０の接続がより確実になる。また、収容ケース１０内が真空になることにより収容ケース１０の熱伝導率が小さくなり保温性が大きくなる。
このように、作業者は、収容ケース１０に熱電モジュール３０を内蔵した熱電発電装置１を得ることができる。また、収容室２０内を真空状態にするため、熱電素子３００及び電極板３２０に圧力がかかるため、熱電素子３００及び電極板３２０の接続がより確実になる。また、収容ケース１０内が真空になることにより収容ケース１０の熱伝導率が小さくなり保温性が大きくなる。
【0031】
以上説明したように、本実施形態における熱電発電装置１によれば、熱電モジュールを内蔵した建築材料とすることにより、既存の建築材料と同様な外観であるため、建築材料としての本来の機能を活かしつつ、温度差による発電も効率的に行うことができる。これにより、日常生活内にある温度差を利用して、本来無駄に捨てられていた熱エネルギーを家庭用の電力の一部として利用できる。また、熱電発電装置１は、熱電素子を採用することにより、太陽電池と異なり、夏冬の季節に関わりなく、また夜昼関係なく温度差が発生すれば発電できる。
上記実施形態では、建築物において日常生活内にある温度差を利用する場合を説明したが、これに限定するものではなく、自動車又は列車等の乗り物において車体に配置し、車内と外気との温度差を利用してもよい。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、これらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。
上記実施形態では、建築物において日常生活内にある温度差を利用する場合を説明したが、これに限定するものではなく、自動車又は列車等の乗り物において車体に配置し、車内と外気との温度差を利用してもよい。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、これらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。
【0032】
次に、上記実施例における変形例を説明する。
なお、変形例では、上記実施例と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
［変形例］
図８は、本実施形態の熱電発電装置１における変形例１を例示する図である。
上記実施形態の熱電発電装置１では、外壁材の内部に熱電モジュールを内蔵した場合を説明したが、これに限定するものでなく、図８に例示するように、屋根瓦の内部に熱電モジュールを内蔵してもよい。
図８に例示するように、本例の熱電発電装置１は、住宅の屋根に複数設置される。熱電発電装置１は、収容ケース１０、収容室２０、及び、熱電モジュール３０、封止材４０、及び、排気口６０を有する。収容ケース１０は、例えば屋根材における瓦であり、具体的には陶器瓦、又は、陶板である。収容ケース１０は、外観が陶器瓦、又は、陶板の形状となっており、図４（Ａ）に例示したように、上部収容ケース１００と下部収容ケース１１０とから構成される。
上部収容ケース１００は、瓦のうち表面側に位置する部分である。また、下部収容ケース１１０は、瓦のうち裏面側に位置する部分である。このように、熱電発電装置１は、屋根に配置することで、屋根材としての機能を活かしつつ、屋内と屋外との温度差による発電を効率的に行うことができる。
また、収容ケース１０の下部収容ケース１１０は、固定用貫通孔１１５をさらに備えてもよい。これにより、熱電発電装置１を釘等の固定部材で屋根に固定することができる。
このように、実施形態及び変形例における熱電発電装置１によれば、建築材料（外壁材又は屋根材）に熱電モジュールを内蔵したことにより、例えば、夏季の時期において、冷房が集中して使用される電力使用ピークとなる時間帯（例えば正午から午後３時）に合わせて、発電時間帯もピークとなるため、電力使用のピークを緩和することが出来る。
なお、変形例では、上記実施例と実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
［変形例］
図８は、本実施形態の熱電発電装置１における変形例１を例示する図である。
上記実施形態の熱電発電装置１では、外壁材の内部に熱電モジュールを内蔵した場合を説明したが、これに限定するものでなく、図８に例示するように、屋根瓦の内部に熱電モジュールを内蔵してもよい。
図８に例示するように、本例の熱電発電装置１は、住宅の屋根に複数設置される。熱電発電装置１は、収容ケース１０、収容室２０、及び、熱電モジュール３０、封止材４０、及び、排気口６０を有する。収容ケース１０は、例えば屋根材における瓦であり、具体的には陶器瓦、又は、陶板である。収容ケース１０は、外観が陶器瓦、又は、陶板の形状となっており、図４（Ａ）に例示したように、上部収容ケース１００と下部収容ケース１１０とから構成される。
上部収容ケース１００は、瓦のうち表面側に位置する部分である。また、下部収容ケース１１０は、瓦のうち裏面側に位置する部分である。このように、熱電発電装置１は、屋根に配置することで、屋根材としての機能を活かしつつ、屋内と屋外との温度差による発電を効率的に行うことができる。
また、収容ケース１０の下部収容ケース１１０は、固定用貫通孔１１５をさらに備えてもよい。これにより、熱電発電装置１を釘等の固定部材で屋根に固定することができる。
このように、実施形態及び変形例における熱電発電装置１によれば、建築材料（外壁材又は屋根材）に熱電モジュールを内蔵したことにより、例えば、夏季の時期において、冷房が集中して使用される電力使用ピークとなる時間帯（例えば正午から午後３時）に合わせて、発電時間帯もピークとなるため、電力使用のピークを緩和することが出来る。
【符号の説明】
【0033】
１ 熱電発電装置
１０ 収容ケース
１００ 上部収容ケース
１０００ 凹部
１１０ 下部収容ケース
１１００ 凹部
１１０２ 挿通孔
１２０ 表面処理層
２０ 収容室
３０ 熱電モジュール
３００ 熱電素子
３２０ 電極板
３５０ リード線
４０ 封止材
６０ 排気口
１１５ 固定用貫通孔
１０ 収容ケース
１００ 上部収容ケース
１０００ 凹部
１１０ 下部収容ケース
１１００ 凹部
１１０２ 挿通孔
１２０ 表面処理層
２０ 収容室
３０ 熱電モジュール
３００ 熱電素子
３２０ 電極板
３５０ リード線
４０ 封止材
６０ 排気口
１１５ 固定用貫通孔
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】