(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電変換モジュールと熱源との間に水が溜まらないようにした熱電変換装置を提供する。【解決手段】熱電変換装置１００は、フレキシブルな熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０の一方の面に設けられており、水を通す通水領域４１および水を通さない非通水領域４２を有する排水部材４０と、を備える。通水領域４１と非通水領域４２とは、熱電変換モジュール１０の熱電変換素子の位置に合わせて交互に配置される。通水領域４１は水を通す多孔質材料で形成され、非通水領域４２は水を通さない材料で、かつ、熱伝導率が高い材料で形成される。【選択図】図３
2020167801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレキシブルな熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの一方の面に設けられており、水を通す通水領域および水を通さない非通水領域を有する排水部材と、
を備える、熱電変換装置。
【請求項２】
前記通水領域には、多孔質部材が充填されている、
請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記通水領域と前記非通水領域は、第１の方向に延在する細長い領域であり、かつ、前記第１の方向に直交する第２の方向に交互に並んで配置されている、
請求項１または２に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記熱電変換モジュールの内部には、互いに間隔を空けて前記第２の方向に並んで配置される複数の熱電変換素子が配置されており、
前記非通水領域は、前記熱電変換素子と前記熱電変換モジュールの前記一方の面に直交する方向に並ぶように配置されている、
請求項３に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記排水部材の軸方向の長さは、前記熱電変換モジュールの前記軸方向の長さより長く形成されている、
請求項３または４に記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱により発電を行う熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２種類の異なる金属または半導体を接合して、両端に温度差を与えると起電力が生じるゼーベック効果を用いた熱電変換素子が知られている。このような熱電変換素子を用いて廃熱を利用した発電を行うことでエネルギー回収を行う熱電発電システムが、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１７９０７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１には、樹脂薄膜基板上の実装ランドに微小なバルク熱電素子チップが高密度実装され、実装ランド間で基板が少しずつ曲がることによってフレキシブル性を持たせた熱電変換モジュールが開示されている。特許文献１に開示された技術は、湾曲した配管等の熱源に熱電変換モジュールを沿わせて密着させる際に有用である。
【０００５】
ところで、熱電変換モジュールを取り付ける熱源は屋内に設置されるとは限らず、屋外に設置されることもある。屋外に設置された熱源に熱電変換モジュールを取り付ける場合、熱電変換モジュールは雨水等の水に曝される。熱電変換モジュールと熱源との間に水が溜まると、熱電変換モジュールの発電効率が悪化したり、熱電変換素子や熱源の劣化の原因となったりする。このため、熱電変換素子と熱源との間に水が溜まらないようにした熱電変換装置が要望されている。
【０００６】
本発明は、熱電変換モジュールと熱源との間に水が溜まらないようにした熱電変換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】
【０００７】
本発明に係る熱電変換装置は、フレキシブルな熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールとの一方の面に設けられており、水を通す通水領域および水を通さない非通水領域を備える排水部材と、を有する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱電変換モジュールと熱源との間に水が溜まらないようにした熱電変換装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電変換装置について例示した図
【図２】フレキシブルな熱電変換モジュールの一例を示す断面模式図
【図３】熱電変換装置が排熱パイプに取り付けられた状態での、排熱パイプの軸方向に垂直な面における断面模式図
【図４】排熱パイプに取り付けられた状態の熱電変換装置を上から見た様子を示す模式図
【図５】排水部材の通水領域および非通水領域と、排熱パイプとの位置関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１１】
＜熱電変換装置１００＞
図１は、本発明の実施形態に係る熱電変換装置１００について例示した図である。図１に示す例では、熱電変換装置１００は、熱電変換モジュール１０と、フレキシブルシート２０と、放熱フィン３０と、を有する。熱電変換モジュール１０およびフレキシブルシート２０は、可撓性を有し、例えば円筒形状の配管等の外周面に沿って湾曲されて、排熱パイプ２００に取り付けられる。図１に示す例では、円筒形状を備える排熱パイプ２００の外周面に熱電変換装置１００を取り付ける様子が示されている。排熱パイプ２００は、例えば工場やプラント等で用いられる装置等に接続されており、外気より高温の流体が流れる配管である。
【００１２】
図２は、フレキシブルな熱電変換モジュール１０の一例を示す断面模式図である。図２に示す例では、熱電変換モジュール１０は、第１フレキシブル基板１１と、第２フレキシブル基板１２と、熱電変換素子１３と、を有する。
【００１３】
熱電変換素子１３は、熱電変換素子１３を挟むように配置される第１フレキシブル基板１１および第２フレキシブル基板１２の実装ランド１５に、導電ペースト１６により接合されている。実装ランド１５は、第１フレキシブル基板１１および第２フレキシブル基板１２にソルダーレジスト１７に覆われた状態で設けられている。第１フレキシブル基板１１の外側には、第１熱伝導シート１８が設けられており、第２フレキシブル基板１２の外側には、第２熱伝導シート１９が設けられている。
【００１４】
熱電変換素子１３は、所定の距離をおいて複数実装されている。第１フレキシブル基板１１には、互いに隣接する２つの熱電素子の間でスリットＳが形成されている。一方、第２フレキシブル基板１２にはスリットは形成されていない。このスリットＳにより、熱電変換モジュール１０は、第１フレキシブル基板１１側を外側として容易に湾曲することができる。
【００１５】
図３は、熱電変換モジュール１０が排熱パイプ２００に取り付けられた状態での、排熱パイプ２００の軸方向（以下、単に軸方向と記載する）に垂直な面における断面の一部を示す模式図である。熱電変換モジュール１０の一方（高温側）の面、すなわち第２熱伝導シート１９側の面は、後述する排水部材４０を介して、熱源である排熱パイプ２００と接続されている。このため、第２熱伝導シート１９の材料は、排熱パイプ２００の高温に耐え、高熱伝導性を有する材料が望ましい。また、排熱パイプ２００の外面粗さに応じて、所定のクッション性を有する第２熱伝導シート１９が用いられてもよい。
【００１６】
一方、熱電変換モジュール１０の他方（低温側）の面、すなわち第１熱伝導シート１８側の面は、フレキシブルシート２０の内面と密着している。フレキシブルシート２０は、伸縮性に富み、かつ水を通さない（防水性を備えた）材料で形成されている。フレキシブルシート２０は、熱電変換モジュール１０と同様に容易に湾曲することができる。そして、フレキシブルシート２０は、熱伝導率が高い材料で形成されている。
【００１７】
フレキシブルシート２０の外面（熱電変換モジュール１０とは反対側の面）には、放熱フィン３０が設けられている。放熱フィン３０は、熱電変換モジュール１０から離れる方向に向かって、フレキシブルシート２０の外面から延びるように設けられた板状の部材である。放熱フィン３０は、フレキシブルシート２０を介して熱電変換モジュール１０の低温側と熱的に接続されており、熱電変換モジュール１０の低温側から熱を放散させる役割を果たす。
【００１８】
複数の放熱フィン３０は、フレキシブルシート２０の外面に沿って所定の間隔で設けられている。放熱フィン３０の材料については本発明では特に限定しないが、熱伝導率が高い材料で形成されていることが望ましい。また、複数の放熱フィン３０は、熱電変換素子１３と、熱電変換モジュール１０の表面に直交する方向に並ぶように配置されていることが望ましい。
【００１９】
このような構成において、熱電変換モジュール１０が円筒形状の排熱パイプ２００の外周面に沿って固定されると、図１および図３に示すように、複数の放熱フィン３０が排熱パイプ２００の周方向に沿って配置される。
【００２０】
熱電変換モジュール１０が排熱パイプ２００に固定された状態で、排熱パイプ２００の内部を高温の流体が流れると、排熱パイプ２００が熱源となって熱電変換モジュール１０の第２熱伝導シート１９側が高温となる。一方、第１熱伝導シート１８側は、フレキシブルシート２０に接続されている放熱フィン３０により放熱されるため、第２熱伝導シート１９側と比較して低温となる。これにより、第１熱伝導シート１８側と第２熱伝導シート１９側との間に温度差が生じ、この温度差によって熱電変換素子１３に起電力が生じる。熱電変換モジュール１０が生じさせた電力は、例えば排熱パイプ２００やその周囲に配置される機器類の温度や運転状態等を検知するセンサの動力源等として使用される。
【００２１】
次に、排水部材４０について説明する。排水部材４０は、上述したように熱電変換モジュール１０と排熱パイプ２００との間に設けられており、熱電変換モジュール１０と排熱パイプ２００との間に水が入り込もうとした際に、その水を排水するための部材である。
【００２２】
図４は、排熱パイプ２００に取り付けられた状態の熱電変換装置１００を上から見た様子を示す模式図である。図４において、放熱フィン３０によって隠れている熱電変換モジュール１０、およびフレキシブルシート２０の一部は、点線で示されている。図４に示す例では、熱電変換モジュール１０の軸方向の長さは、フレキシブルシート２０の軸方向の長さより短くなるように形成されている。
【００２３】
この状態で、排熱パイプ２００に取り付けられた熱電変換装置１００に、例えば雨水等の水が降り注いだとする。上述したように、フレキシブルシート２０は水を通さない材料で形成されているため、放熱フィン３０に降り注いだ水は、放熱フィン３０の表面およびフレキシブルシート２０の表面を伝ってフレキシブルシート２０の軸方向における両端部２０Ｅまで流れる。もしくは、排熱パイプ２００側に降り注いだ水が、排熱パイプ２００の表面に沿って両端部２０Ｅまで流れる。両端部２０Ｅまで流れてきた水の一部は、フレキシブルシート２０と排熱パイプ２００との間の微少な隙間に入り込む。
【００２４】
図３に示すように、熱電変換モジュール１０はフレキシブルシート２０と排熱パイプ２００との間に設けられている。従って、フレキシブルシート２０と排熱パイプ２００との間に水が入り込んだ場合、熱電変換モジュール１０と排熱パイプ２００との間にも水が入り込む可能性がある。熱電変換モジュール１０と排熱パイプ２００との間に水が入り込むと、排熱パイプ２００から熱電変換モジュール１０への熱の伝達が妨げられ、熱電変換モジュール１０の発電効率が悪化することがある。また、熱電変換モジュール１０や排熱パイプ２００が長時間水に曝されることで、熱電変換モジュール１０や排熱パイプ２００が劣化することがある。
【００２５】
排水部材４０は、このような事態を回避するため、上述したように熱電変換モジュール１０と排熱パイプ２００との間に設けられている。
【００２６】
図３に示すように、排水部材４０は、通水領域４１と、非通水領域４２と、を有する。通水領域４１は、水を通す多孔質材料で形成されている。通水領域４１の材料の例としては、例えば不織布や、セラミック等が挙げられる。一方、非通水領域４２は、水を通さない材料、かつ、熱伝導率が高い材料で形成されている。非通水領域４２の材料の例としては、例えば金属や、高熱伝導性樹脂等が挙げられる。非通水領域４２は、非通水領域４２の両面が排熱パイプ２００の外周面および熱電変換モジュール１０の第２熱伝導シート１９にそれぞれ密着するように、配置されている。なお、非通水領域４２の両面とは、排熱パイプ２００の径方向と直交する２つの面を意味する。
【００２７】
図３に示すように、排水部材４０の通水領域４１と非通水領域４２とは、熱電変換モジュール１０の熱電変換素子１３の位置に合わせて交互に配置されている。より詳細には、図３に示すように、非通水領域４２が、排熱パイプ２００の径方向における熱電変換素子１３に対応する位置に配置されており、通水領域４１が、隣接する２つの熱電変換素子１３の間の空間に対応する位置に配置されている。なお、本明細書において、熱電変換素子１３に対応する位置とは、円筒形状の排熱パイプ２００の径方向における、熱電変換素子１３と排熱パイプ２００との間の位置を意味する。
【００２８】
図５は、排水部材４０の通水領域４１および非通水領域４２と、排熱パイプ２００との位置関係を示す図である。図５は、排熱パイプ２００に取り付けられた熱電変換装置１００を上から見た図が示されており、フレキシブルシート２０および放熱フィン３０は図示を省略している。また、図５において、熱電変換モジュール１０に隠れている通水領域４１および非通水領域４２については、点線で示されている。
【００２９】
図５に示すように、通水領域４１および非通水領域４２は、それぞれ、排熱パイプ２００の軸方向に沿って配置されている。また、排水部材４０は、熱電変換モジュール１０よりも軸方向の長さが長く形成されている。図示しないが、排水部材４０は、フレキシブルシート２０と軸方向の長さがほぼ同じに形成されている。換言すれば、排水部材４０は、熱電変換モジュール１０より軸方向における外側の領域では、フレキシブルシート２０と排熱パイプ２００との間に配置されている。
【００３０】
＜排水部材４０の作用＞
以下では、排水部材４０の作用について説明する。
【００３１】
まず、非通水領域４２について説明する。上述したように、非通水部材４２には、水を通さず、かつ熱伝導率が高い材料が充填されている。そして、非通水領域４２は、排熱パイプ２００の径方向における熱電変換素子１３に対応する位置に配置されており、その両面が熱電変換モジュール１０および排熱パイプ２００と密着するように配置されている。
【００３２】
このような非通水領域４２により、例えフレキシブルシート２０と排熱パイプ２００との間に水が入り込んできたとしても、少なくとも熱電変換素子１３に対応する位置の熱電変換モジュール１０と排熱パイプ２００との間に水が入り込むことは防止される。そして、熱伝導率が高い非通水領域４２を介して、排熱パイプ２００の発する熱は熱電変換モジュール１０に十分に伝えられる。このため、フレキシブルシート２０と排熱パイプ２００との間に水が入り込んできたとしても、熱電変換モジュール１０の発電効率が低下してしまう事態を防止することができる。なお、非通水領域４２の熱伝導率は、排熱パイプ２００の熱が効率よく熱電変換モジュール１０に伝達される程度に高いことが望ましい。
【００３３】
次に、通水領域４１には、上述したように水を通す多孔質材料で形成されている。これにより、通水領域４１の一端側から入り込んだ水は、毛細管現象により、入り込んだ側の端部まで速やかに戻される、もしくは他端側へ速やかに運ばれ、排出される。これにより、フレキシブルシート２０と排熱パイプ２００との間に水が入り込んだとしても、入り込んだ水はフレキシブルシート２０の長さ方向における中央部付近に留まることなく、通水領域４１の長さ方向における両端部付近へと速やかに運ばれる。また、水はフレキシブルシート２０の長さ方向における中央部付近に入り込みにくい。このため、熱電変換モジュール１０や排熱パイプ２００が、入り込んだ水に長時間曝されることにより劣化してしまう事態を防止することができる。
【００３４】
なお、通水領域４１は、フレキシブルシート２０の長さ方向における中央部付近に水が留まらないようにするという観点から、幅（排熱パイプ２００の周方向に沿った長さ）が所定の幅よりも狭く形成されていることが望ましい。所定の幅は、例えば雨粒程度の量の水が通水領域４１の長さ方向の一端から入り込んだ際に、その水が好適に排出される程度の幅である。
【００３５】
なお、上述の説明では、排水部材４０の軸方向の長さをフレキシブルシート２０の軸方向の長さとほぼ同じとすることで、排水部材４０がフレキシブルシート２０の外部に露出しないような構成となっていた。しかしながら、排水部材４０の軸方向の長さをフレキシブルシート２０よりも長く形成してもよく、その場合、フレキシブルシート２０の長さ方向における端部から排水部材４０の一部が露出した状態となる。このような場合、通水領域４１の長さ方向における両端部付近へと運ばれた水が外気に曝されて蒸発しやすくなるため、より好適である。
【００３６】
＜作用・効果＞
本発明の実施の形態に係る熱電変換装置１００は、フレキシブルな熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０の一方の面に設けられており、水を通す通水領域４１および水を通さない非通水領域４２を備える排水部材４０と、を有する。
【００３７】
このような構成により、熱電変換モジュール１０と熱源である排熱パイプ２００との間に水が溜まらないようにすることができる。
【００３８】
＜変形例＞
上述した実施の形態に係る熱電変換装置１００は、本発明の熱電変換装置の一例であって、本発明はこれに限定されない。熱電変換装置１００が取り付けられる熱源は、排熱パイプ２００等の配管以外にも、例えば炉、煙筒、タンク等であってもよい。また、上述した実施の形態では、熱源としての排熱パイプ２００には外気よりも高温の流体が流れるとしたが、例えば熱源は外気より低温となる冷熱源であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、排熱を利用して発電を行う熱電変換装置１００として好適である。
【符号の説明】
【００４０】
１００  熱電変換装置
１０  熱電変換モジュール
１１  フレキシブル基板
１２  フレキシブル基板
１３  熱電変換素子
１５  実装ランド
１６  導電ペースト
１７  ソルダーレジスト
１８  第１熱伝導シート
１９  第２熱伝導シート
２０  フレキシブルシート
２０Ｅ  両端部
３０  放熱フィン
４０  排水部材
４１  通水領域
４２  非通水領域
２００  排熱パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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