(57)【要約】【課題】高温輻射体を熱源とする熱電発電装置であって、実用に供するに十分な性能を有する熱電発電装置を提供すること。【解決手段】輻射体が放射する熱を受ける金属製の輻射受熱板３と、冷却板４と、該金属製の輻射受熱板と該冷却板との間に挟持される熱電変換モジュール２とからなる熱電発電装置１において、  該金属製の輻射受熱板３、該熱電変換モジュール２及び該冷却板４を互いに圧接し、支持するための押圧機構５を有する支持枠７を設け、該支持枠７は、該輻射受熱板３の該輻射体に対する面を露出させるための穴7ａを設けたものであることを特徴とする、輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置１【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
輻射体が放射する熱を受ける金属製の輻射受熱板と、冷却板と、該金属製の輻射受熱板と該冷却板との間に挟持される熱電変換モジュールとからなる熱電発電装置において、
該金属製の輻射受熱板、該熱電変換モジュール及び該冷却板を互いに圧接し、支持するための押圧機構を有する支持枠を設け、該支持枠は、該輻射受熱板の該輻射体に対する面を露出させるための穴を設けたものであることを特徴とする、輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記輻射受熱板が、前記熱電変換モジュールとの熱的接触が維持できる程度の熱伝導率の高い受熱板であることを特徴とする、請求項１に記載の輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
【請求項３】
前記受熱板が、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料からなることを特徴とする、請求項１に記載の輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
【請求項４】
前記熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料が、銅若しくはアルミニウム又はこれらを含む合金であることを特徴とする、請求項２に記載の輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュールを用いて、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する熱電発電装置に関し、特に輻射熱を発する各種熱源に適用して、放散されてきた熱を有効に利用し、省エネルギー、環境対策に資する熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、省エネルギーの観点から、自動車や工場や焼却炉等から排出される廃熱エネルギーを有効利用するため、様々な技術が開発されてきた。更に近年では、世界規模で地球温暖化に対する危機意識が高まり、その対策として、原因となる温暖化ガスの排出削減をうたった京都議定書の実質的履行が大きな課題となっている。
【０００３】
このような情勢の中で、従来利用されることのなかった、或いは利用できなかった上述のような廃熱エネルギーを有効に利用することが喫緊の課題となっている。その課題解決の有効な手段の一つとして、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電発電技術が注目されている。
【０００４】
熱電発電技術は、ゼーベック効果として知られる熱電効果を利用する技術で、高い変換効率を得るために、１対以上のｐ型及びｎ型の熱電半導体を組み合わせて構成される熱電変換モジュールが一般に用いられる。熱電変換モジュールは、構造が簡単で、振動、騒音、摩耗等を生じる可動部がなく、取り扱いが安易且つ安定に特性を維持できることから、広範囲にわたる利用が期待されている。
【０００５】
熱電発電技術を用いて、未利用のエネルギーを有効利用する試みは、これまでも種々行われている（例えば非特許文献１参照）。しかしながら、未利用の輻射熱を、この熱電発電技術により回収及び利用することについては、その多くは太陽光からの熱を熱源とするものが大半で（例えば非特許文献１、５３３ページ、特許文献１及び2参照）、その他の事例では、抵抗加熱式工業炉の廃熱回収に用いた例があるものの（例非特許文献１、６１２ページ参照）、非特許文献２に述べられているように、廃熱量として大きな割合を占める、鉄鋼生産ラインにおいて放散される熱に対しては、わずかに特許文献３及び４に、その概念が、またより具体的構造について、特許文献５に述べられているものの、これまで実用に供された事例はない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６２−６７８８８号公報
【特許文献２】特開２００１−１５３４７０号公報
【特許文献３】特開平５９−１９８８８３号公報
【特許文献４】特開昭６０−３４０８４号公報
【特許文献５】特開２００８−９１４５３公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「熱電変換技術ハンドブック」５１５ページから６６８ページ、梶川武信監修、リアライズ社発行（２００８年）
【非特許文献２】「平成12年度工場群の排熱実態調査研究」省エネルギーセンタ  ー（http://www.eccj.or.jp/wasteheat/index.html）
【非特許文献３】阿部光範：キッチン・バス工業会会報No.55（平成11年4月）（http://www.kitchen-bath.jp/public/40nenshi/4.4sutenresukiso.pdf）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱電発電装置の最も一般的な形態は、発電装置の本体である、通常板状に作られた熱電変換モジュールの一方の面を、高温に熱せられた物体に、他方の面を水等で冷却された物体に接触させて、熱電変換モジュールに温度差を生じさせることにより、熱電発電装置を構成する、熱電変換材料における、ゼーベック効果により、直流電圧を発生させるものである。このようにして、発生した電力を直流のまま、或いは、直流から交流に変換して利用する。
【０００９】
これまで開発されてきた熱電発電装置では、前記熱電発電装置の構成について、適用する種々の熱源毎に、最適化された個々の部材や接触の方法、構造等が考案されてきた。広く輻射熱源への適用を目的とした熱電発電装置としては、特許文献５にその一例が記載されている。具体的には、高温媒体の熱エネルギーを伝導する高温部材、内部に低温媒体流路を有する低温部材、高温媒体と低温媒体流路に供給される低温媒体との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールとからなり、低温部材の高温媒体とは反対の側に配置されたフレーム、このフレームと高温部材との間を締結する複数本のタイロッドとを備える、基本構造としては一般的な構造の熱電発電装置が記載されている。
【００１０】
特許文献５においては、輻射熱源にも適用する熱電発電装置として種々特徴が述べられているが、前記高温部材については、特許文献５の段落〔００１２〕において、「その一側面に形成したねじ穴」に「それぞれタイロッド」が「取り付けられている」。更に特許文献５の段落〔００３３〕において、前記高温部材は、「温度も４００℃以上の高温になることが想定されるため」、「高温強度が要求される。また、溶接や加工も必要であり」その「材質は、クロムモリブデン鋼、フェライト系ステンレス鋼、又はオーステナイト系ステンレス鋼であることが望ましい。」とされている。特許文献５においては、タイロッドによる押し付け圧を高温まで維持できるよう、種々の工夫を行っており、タイロッドを取り付けた、前記高温部材の強度が高いことが必須条件である。
【００１１】
一方、熱電発電装置の性能としては、熱電変換モジュールに熱エネルギーを効率よく供給することが必要で、そのためには熱源と熱電変換モジュールとの間の熱伝達係数をできるだけ大きくすることが望ましい。従って、熱源と熱電変換モジュールとの間に設置する材料の熱伝導率は、大きいことが望ましいのは自明である。
【００１２】
然るに、特許文献５に記載の熱電発電装置においては、熱源と熱電変換モジュールとの間に設置する、前記高温部材として選択した材料は、高温強度のあるものであり、その熱伝導率は、比較的高い値を示すフェライト系ステンレス鋼でも、高々２６．１Ｗ／ｍ・Ｋである（非特許文献３参照）。そのため、特許文献５に記載の熱電発電装置では、熱エネルギーの流れが阻害される構造であることから、十分な発電性能を発揮できないという問題がある。
【００１３】
本発明者らは、特許文献５に記載の熱電発電装置に相当する熱電発電装置を試作し、これを輻射熱源に対して適用し、その性能を評価したところ、前述の問題に加え、さらなる問題があることが明らかになった。即ち、試作した高温部材の材質として、熱伝導率の大きくない高温部材を用いると、輻射熱源に対した面（受熱面）と、その裏面との間に大きな温度差が生じ、そのため、熱電変換モジュールの接している部分付近を中心に、熱源側に凸状に変形してしまい、そのため、前記高温部材と熱電変換モジュールの間に隙間が生じ、熱伝達が著しく損なわれるのである。前記凸状の変形は、タイロッドにより、熱電変換モジュールの両側を締め付けることにより、更に大きくなるものと推定される。
【００１４】
上述したように、高温輻射体を熱源とする熱電発電装置は、概念としては報告されているものの他、具体的構造の発電装置としても、高い性能の発電装置とはいえず、これまで実用に供されてこなかった。
【００１５】
従って、本発明の目的は、高温輻射体を熱源とする熱電発電装置であって、実用に供するに十分な性能を有する熱電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
即ち、本発明は、以下の１）〜４）の熱電発電装置に関する。
１）輻射体が放射する熱を受ける金属製の輻射受熱板と、冷却板と、該金属製の輻射受熱板と該冷却板との間に挟持される熱電変換モジュールとからなる熱電発電装置において、
該金属製の輻射受熱板、該熱電変換モジュール及び該冷却板を互いに圧接し、支持するための押圧機構を有する支持枠を設け、該支持枠は、該輻射受熱板の該輻射体に対する面を露出させるための穴を設けたものであることを特徴とする、輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
２）前記輻射受熱板が、前記熱電変換モジュールとの熱的接触が維持できる程度の熱伝導率の高い受熱板であることを特徴とする、前記１）に記載の輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
３）前記受熱板が、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料からなることを特徴とする、前記２）に記載の輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
４）前記熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料が、銅若しくはアルミニウム又はこれらを含む合金であることを特徴とする、前記３）に記載の輻射体からの輻射熱を熱源とする熱電発電装置。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、高温輻射体を熱源とする熱電発電装置であって、実用に供するに十分な性能を有する熱電発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明の熱電発電装置の１ユニットの構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１に示す熱電発電装置の１ユニットの断面模式図である。
【図３】図３は、図１に示す熱電発電装置の１ユニットの上面模式図である。
【図４】図４（ａ）は、熱電変換モジュールの一例を示す模式図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す熱電変換モジュールの断面模式図である。
【図５】図５は、本発明の熱電発電装置の９ユニットの構成を示す上面模式図である。
【図６】図６は、本発明の熱電発電装置による、発電試験の典型的データである。
【図７】図７は、試験例の熱電発電装置による、発電試験の典型的データである。
【図８】図８は、図７に示す典型的データを部分拡大した図である。
【図９】図９（ａ）は、熱による受熱板の表裏の温度差による変形の状態を示す模式図であり、図９（ｂ）は、受熱板の表裏の温度差がなくなり変形が正常に復したときの状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の熱電発電装置の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１には、本発明の熱電発電装置１の１ユニットの斜視図が示されている。図２は、図１に示す熱電発電装置１の１ユニットの断面図（図３のＡ−Ａ‘線断面）であり、図３は、図１に示す熱電発電装置１の１ユニットの上面図である。
【００２１】
図１乃至３に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は、熱源（輻射体）から供給される熱エネルギーを輻射により受熱する受熱板３と、この受熱板３に一方の面を当接して受熱する熱電変換モジュール２と、冷却設備から供給される水等の低温媒体を内部に流通させて熱電変換モジュール２の他方の面を冷却する冷却板４とを備えている。
【００２２】
受熱板３は、例えば平板状であり、輻射体に対する面には、輻射熱を効率よく吸収できるよう、輻射率の高い炭素系や炭化珪素系の黒色塗料が塗布されている。受熱板３の熱電変換モジュール２が接触していない部分については、熱エネルギーの損失を抑制するために、断熱材（図示せず）が設置されている。
【００２３】
熱電変換モジュール２は、所定厚さの矩形板状をなしており、熱電変換モジュール２の一方の面が、受熱板３に当接配置され、受熱板３との接触により加熱される。
【００２４】
冷却板４は、例えば小型化を図るために、エッチングで加工された複数枚の板を積層させて拡散接合された矩形状をなすものや、板状の金属ブロックの側面よりドリル等で穴を開け、貫通孔の一端を塞ぐ等により、水等の低温媒体の流路を形成したものであり、熱電変換モジュール２の他方の面に当接配置される。
【００２５】
図２及び３に示すように、冷却板４の内部には、冷却設備から供給される低温媒体を供給する流路、例えば蛇行流路としての低温媒体の流路４ａ（図中、破線で示されている）が形成されている。この冷却板４に熱電変換モジュール２の他方の面が接触することにより、熱電変換モジュール２の他方の面が冷却される。
【００２６】
図１及び２に示すように、冷却板４の熱電変換モジュール２が当接しない面（図１の上面）には凹部４ｃが形成され、押圧機構５の角柱棒状押圧部材５ａが嵌合されている。また、図１乃至３に示すように、冷却板４の側面には、低温媒体の流路４ａの入口及び出口４ｂが設けられている。この流路４ａの入口及び出口４ｂは、図５に示すように、配管９接続用の継手８がねじ込んで取付けられるようなねじ穴として形成されている。
【００２７】
而して、本実施形態の熱電発電装置１は、受熱板３、熱電変換モジュール２及び冷却板４を互いに圧接し、支持するための押圧機構を有する支持枠７を設けた点に特徴の一つを有している。
【００２８】
支持枠７は、受熱板３を輻射体に対する面を露出させるための穴７ａが設けられた額縁状であり、複数のボルト挿通孔７ｂ（図示の例では両側に２個ずつ）が設けられている。各ボルト挿通口７ｂには、それぞれ締め付けボルト５ｃが取付けられる。尚、締め付けボルト５ｃの支持枠７への取付けは、ボルト締結又は溶接等を適用してもよい。
受熱板３を輻射体に対する面を露出させるための穴７ａの大きさは、受熱板が下方に落下しない程度の大きさであればよい。
【００２９】
支持枠７は、押圧機構５を備え、この押圧機構５は冷却板４を受熱板３側に向けて押圧する機能を有している。押圧機構５は、ボルトを通す挿通孔を両端に有する角柱棒状押圧部材５ａと、締め付けナット５ｂ及びボルト５ｃと、角柱棒状押圧部材５ａと締め付けナット５ｂの間に介在される、複数枚の積層構造とされた弾性部材であるスプリングワッシャ５ｄとを有する構成となっている。
【００３０】
押圧機構５は、これを構成する角柱棒状押圧部材５ａが、冷却板４に形成された凹部４ｃに嵌合状態で当接すると共に、支持枠７に設けられたボルト挿通口７ｂから、角柱棒状押圧部材５ａに設けられたボルトを通す挿通孔へ締め付けボルト５ｃを挿入し、締め付けナット５ｂで締め付けることにより、冷却板４を受熱板３側に向けて押圧する。この構成において、ナット５ｂのねじ込み量を調整することにより、受熱板３、熱電変換モジュール２及び冷却板４の挟持強さを調整することができる。
【００３１】
本発明で用いられる支持枠７や締め付けボルト５ｃは、熱源となる使用設備により、例えば温度が４００℃以上の高温になることが想定されるため、材質にはクリープ疲労損傷に対する強度を有する材料が求められる。そこで、締め付けボルト５ｃの材質としては、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼、又はＮＣＦ６００等の高ニッケル合金を適用することが望ましい。
【００３２】
本発明で用いられる受熱板３としては、前記熱電変換モジュール２との熱的接触が維持できる程度の熱伝導率の高い材料、具体的には、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上、特に１５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料が好ましい。熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ未満であると、受熱面とその裏面間の温度差に起因する変形により、熱電変換モジュールと受熱体との密着を阻害し得る。
このような材料としては、銅若しくはアルミニウム又はそれらを含む合金等が挙げられる。具体的には、銅、アルミニウムに加え、タングステン、モリブデンを夫々含む銅合金や、銅と炭素材料の複合材料（島根県産業技術センター、ホームページ：http://www.pref.shimane.lg.jp/sangyo/kouhou/shinsozaikaihatsu.html参照）、アルミニウム合金では、シリコンを含むもの、シリコンと銅、シリコンとマグネシウム、シリコンと銅とマグネシウムを含むもの（科学技術振興機構報  第５６６号参照）、また最近の研究により開発された、アルミニウムにカーボンナノチューブを分散して熱伝導率を大幅に高めたアルミ複合材料（産業技術総合研究所  鋳造データベース  より、鋳造工学便覧、ｐ４５０（http://unit.aist.go.jp/dmrc/db-dmrc/casting/gairon/text#07.htm)参照）や、最近開発された、ヒートレーンプレートと呼ばれる高熱伝導板（「ヒートレーン技術を用いた素子用放熱器」熱設計・対策技術シンポジウムに於ける発表論文（2002年4月18日 幕張メッセ）参照）等が挙げられる。
前記構成とすることにより、高温領域であっても、十分な強度を有する支持枠と押圧機構により、冷却板および受熱板各々と熱電変換モジュールとの間に十分大きい熱伝達係数を保つことが可能であり、支持枠に穴を設け、熱伝導率の高い受熱板に直接熱源からの輻射熱を受熱することで、同じく受熱板の受熱面から熱電変換モジュールへ高い熱伝達を保つことができる。加えて、受熱板の受熱面とその対面との温度差が小さいことから、温度差による熱歪みを防止でき、受熱板と熱電変換モジュールの熱接触を確実に維持できる効果を発揮するものである。
【００３３】
本発明で用いられる熱電変換モジュール２は、一般に特殊な半導体材料である熱電変換材料のｐ型とｎ型のそれぞれの材料からなる素子を、交互に電気的に直列接続してなるもので、たとえば、非特許文献１のｐ３６７からｐ４６８にその例が多数記載されており、適用する熱源に対応して、熱電変換材料を適宜選択して利用するものである。
熱電変換材料としては、室温から２５０℃程度の低温側の熱回収には、Bi-Te系材料が最も高い性能を示すことから、一般に利用される。
ここでは、このBi-Te系材料を組成制御し、ｐ型、ｎ型の円柱形素子に加工し、珪酸カルシウムの型枠に埋め込んで、アルミニウムの溶射厚膜により素子間を電気的に接続してなる、特許第４０５６１２９号公報に記載の熱電変換モジュールを図４に例示する。
２５０℃から５００℃程度の中温領域では、従来はPb-Te系材料が一般に用いられてきたが、近年開発が進み、スクッテルダイト型及び結晶の特定箇所に原子を含有した、充填スクッテルダイト型材料、Zn-Sb系材料、ホイスラー型材料、ハーフホイスラー型材料、マグネシウムシリサイド、マンガンシリサイドに代表される、シリサイド材料、コバルトを含む層状酸化物、複雑系カルコゲナイド材料、５００℃以上の高温領域では、Ge-SiやSiC等が利用できる。
【００３４】
本発明で用いられる冷却板４としては、金属板の側面から、流路となる穴を形成した構造の冷却板においては、基本的には、やはり熱伝導率の大きな材料が好ましいことから、上記高温部の受熱板３に用いる材料群を用いることになる。即ち、銅、アルミニウムに加え、タングステン、モリブデンを夫々含む銅合金や、銅と炭素材料の複合材料、アルミニウム合金では、シリコンを含むもの、シリコンと銅、シリコンとマグネシウム、シリコンと銅とマグネシウムを含むもの、また最近の研究により開発された、アルミニウムにカーボンナノチューブを分散して熱伝導率を大幅に高めたアルミ複合材料等が挙げられる。エッチングで加工された複数枚の板を積層させて拡散接合された矩形状をなす構造の冷却板４では、板厚を薄くできることから、実効的に大きな熱伝達係数が得られることから、上述の材料の他、ステンレスやニッケルなども利用できる。
【００３５】
以上説明した本発明の熱電発電装置１は、冷却板４、熱電モジュール２、受熱板３及び押圧機構５を１ユニットとし、このユニットを、図５に示すように、たとえば３×３複数配列した複数ユニットとして、該ユニットの数に対応して、複数の額縁状の穴７ａを有した、支持枠７に設置し、所望の発電量を得るシステムを構成できる。更に必要に応じて多数のユニットを配設することができ、これにより発電量の大容量化を図ることができる。
【００３６】
図５においては低温媒体の継手８が冷却板４の側面に取付けられた構成を示しているが、この継手８は冷却板４の上面に設けてもよい。継手８には、配管９として例えば鋼管、銅管、又はフッ素樹脂チューブが接続され、複数の冷却板４に跨って、或いは独立に、低温媒体が流通するように接続されている。
【００３７】
低温媒体は、図示しない入口ヘッダを介して各ユニットの冷却板４に配管９を介して供給され、低温媒体は各ユニットに複数の冷却板４に跨って流通し、発電作用中に温められた低温媒体は、配管９を介して図示しない出口ヘッダヘと戻される。
【００３８】
以上、本発明をその好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明は前記実施形態に制限されない。
【実施例】
【００３９】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。しかしながら本発明の範囲はかかる実施例に制限されない。
尚、本発明については、実施例に先行して、本試験例を実施し、その結果をもとに、改良を行ったものであることから、実施例に先立って、試験例を先に説明する。
【００４０】
［試験例］
試験用熱電発電装置として、上述の最良の形態に示した部材のうち、支持枠７として、額縁状の穴７ａを設置しない形態のものを用い、支持枠７そのものを受熱面とする装置を用いた。受熱面には、輻射エネルギーを効率よく吸収できるよう、炭化ケイ素系の塗料を塗布した。支持枠７には、材質としてＳＵＳ３０４の厚さ３０ｍｍの板を用いた。支持枠７には温度分布データ収集のため、熱電変換モジュール２の設置箇所表面とその裏面に溝を形成し、細いシース熱電対を各々に取り付けた。
【００４１】
熱電変換モジュール２は、特許文献６に記載の技術により作製した、Ｂｉ−Ｔｅ系材料の直径１２ｍｍ、長さ５ｍｍのｐ型、ｎ型素子を２００個、１００対、直列に、１ｍｍ厚さのアルミニウムの直接溶射膜により、直列接続してなるものを用いた。外形寸法は、略１５０ｍｍ×３００ｍｍである。
【００４２】
試験に用いた、上述の熱電変換モジュール２は、電極面がむき出しの、スケルトン型モジュールであることから、金属部材への装着には、５０μｍ厚さのポリイミドフィルムの両面に、熱伝導性グリスを塗布して、電気絶縁性を保持するとともに、熱伝導性を付与する方法を採用した。
【００４３】
冷却板４としては、材質銅、寸法１５０ｍｍ×３００ｍｍ×５０ｍｍの板に、上述の最良の形態に示すように、直径１４ｍｍの蛇行状の流路７ａを形成し、側面に流体の出入り口４ｂを設置してなるものを用いた。また、冷却板４の温度を測定できるように、冷却板４の側面から、熱電変換モジュール２との接触面側に、細い穴を設け、シース熱電対を挿入した。
【００４４】
角柱棒状押圧部材５ａとしては、材質ＳＵＳ３０４、寸法３０ｍｍ×３０ｍｍ×２８０ｍｍの２本の角材に、Ｍ２０の締め付けボルト５ｃを通す挿通孔を、それぞれ両端付近に各２個設置したものを、上述の最良の形態に示すように用いた。締め付けにはトルクレンチを用い、面圧２．５kgＷ／ｃｍ2となるように締め付けた。
【００４５】
試験は、約９００℃の高温に加熱された平均幅１０００ｍｍの板状の高温輻射体が断続的に移動する、プラントにおいて実施した。前記試験用発電装置は、水平に可動するアームに取り付け、該輻射体の上方１０００ｍｍに水平に保持できる位置を稼動位置とし、水平に移動して、輻射熱を無視できる離れた位置を退避位置として、必要に応じ稼動位置に移動させて試験を実施した。低温媒体としては、約３０℃の水を１０リットル／分の流量で定常的に流した。発電量は熱電変換モジュール２の出力端に、電子負荷装置を接続し、熱電変換モジュール２の内部抵抗と同じ負荷となるように自動制御し、最大出力電力を測定できるシステムを構成し、試験装置の各部の温度とともに、自動的に測定し、データを得た。
【００４６】
その典型的なデータを図７に示す。装置を退避位置から稼動位置に移動すると、受熱板３の温度が順調に上昇し、電力出力も上昇する。稼動位置に固定した後、輻射体の温度の変動等により、受熱板３の温度は少々変動しており、変動に合わせて、電力出力も変化しているが、データを解析すると、状態がほぼ安定した時点での、電力出力は、設計値のほぼ半分と、大きく下回っていた。この試験用発電装置で得られた電力出力の特徴としては、上述の安定領域での設計値を下回る点の他に、試験後、試験用発電装置を待機位置に移動するとき、電力出力が常に一旦急増してから下降するのである。この現象は出力急増の大きさに差はあるものの、全てのランで観察できた。この電力出力が急増する箇所の前後を更に詳細に調査するため、時間軸を拡大したものが、図８である。この図から、出力の急増は受熱板３の表面と内部に温度差がなくなったときに、発生している。以上のことから、以下のように考察した。
出力電力が設計値を下まわっている原因は、接触熱抵抗が大きいためでる。その接触熱抵抗の大きい原因は、受熱板３の熱変形が最大の原因と推定できる。即ち、熱伝導率の低いSUSの厚板のため、受熱面とその対抗面の温度差により大きく熱変形し、熱電変換モジュールとの間で熱接触が保持できなくなる（図９（a）参照）。輻射を除くと、上記温度差はなくなり、SUS板の変形もなくなることから、熱接触が復活して、すでに十分加熱されているSUS板が熱電変換モジュールに接触することで、急激に大きな温度差が生じ、電力出力もそれに伴って、急増する。（図９（ｂ）参照）この段階では、すでに輻射源がないことから、エネルギーの供給がないため、その後は温度差は急激に小さくなり、それに伴い電力出力も低下する。
【００４７】
[実施例]
上記考察をもとに、改良した熱電発電装置１が、本発明である。熱電発電装置本体については、上述の受熱板３の構造を最良の形態においてすでに示したように、熱電変換モジュール２とほぼ同じ大きさの熱伝導率の大きい銅製の板（１５０ｍｍ×３００ｍｍ×３０ｍｍ）で作製した。受熱板３には、試験例と同様の位置に、シース熱電対を２本設置した。また、ＳＵＳ３０４製の３０ｍｍ厚の板の中央部に受熱板３が収まる、四角形の孔をあけ、受熱板３が下方に落下しないよう、縁取りを形成した支持枠７を新たに製作した。組みあがりの図面が図１〜３に示すものである。
【００４８】
試験は、試験例と同様の装置、システム、条件により行った。その結果得られた典型的データが図６である。試験例と大きく異なる点は、電力出力が、設計値とほぼ同等であることと、発電装置を稼動位置から、退避位置に移動した際の、電力出力の異常がまったく見られないことである。本発明により、輻射熱源に対する、安定した電力出力が得られる熱電発電装置を実用に供することが可能となった。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・熱電発電装置
２・・・熱電変換モジュール
３・・・受熱板
４・・・冷却板
４ａ・・・流路
４ｂ・・・継ぎ手８の接続部位（流路出入口）
４ｃ・・・凹部
５・・・押圧機構
５ａ・・・角柱棒状押圧部材
５ｂ・・・締め付けナット
５ｃ・・・締め付けボルト
５ｄ・・・スプリングワッシャ
７・・・支持枠
７ａ・・・受熱板３の輻射体に対する面を露出させるための穴
７ｂ・・・ボルト挿通孔
８・・・継ぎ手
９・・・配管
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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