(57)【要約】【課題】加熱流体により発生する温度差に起因する熱膨張差を低減して熱応力による高温側電極の破損を効果的に抑えることができる熱電変換式発電装置を提供する。【解決手段】平面状に配列した熱電変換素子４１の両側にそれぞれ複数の長方形状の低温側電極４２ａと高温側電極４２ｂとが接合され、高温側電極４２ｂが加熱流体Ｈで加熱される形式の熱電変換式発電装置の熱電変換モジュールにおいて、全ての高温側電極４２ｂを、その長手方向が加熱流体Ｈの流れ方向と平行に配列された状態とし、加熱流体Ｈの上流側と下流側との温度差で生じる熱膨張差を少なくする。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状に配列された複数の熱電変換素子の、一面側および他面側に、それぞれ複数の高温側電極および複数の低温側電極が前記熱電変換素子を直列に接続する状態に接合された熱電変換モジュールと、
前記複数の高温側電極に対向して配設され、加熱流体が一方向に流される加熱流路を有する加熱部と、
前記低温側複数の電極に対向して配設された冷却部と、
を備え、
前記加熱部および前記冷却部によって熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、
前記高温側電極と前記低温側電極は長方形状に形成されており、全ての高温側電極は、その長手方向が前記加熱流路を流れる前記加熱流体の流れ方向と平行に配列されていることを特徴とする熱電変換式発電装置。
【請求項２】
前記複数の高温側電極および前記複数の低温側電極は、それぞれ前記加熱流体の流れ方向と平行な縦列および該縦列に直交する横列を形成する格子状に配列されており、複数の低温側電極のうちの一部は、その長手方向が加熱流体の流れ方向に直交して配列されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換式発電装置。
【請求項３】
前記複数の高温側電極の前記横列が、４列以上、かつ１００列以下であることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換式発電装置。
【請求項４】
前記高温側電極の縦横比が、１：２〜２．５であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換式発電装置。
【請求項５】
前記高温側電極の長手方向の長さが最大で１０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の熱電変換式発電装置。
【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に温度差を与えて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換式発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電技術が知られている。熱電変換素子は、離間した部位に温度差を与えることで高温部と低温部との間に電位差を生じさせるといったゼーベック効果を利用したもので、温度差が大きいほど発電量が大きくなる。このような熱電変換素子は、複数を電極によって接合した熱電変換素子モジュールという形態で用いられる。例えば特許文献１には、複数の熱電変換素子を平面状に配列し、これら熱電変換素子の両側に熱電変換素子を直列に接続する複数の電極をそれぞれ接合して熱電変換モジュールとし、片側の高温側電極を車両の排気ガスで加熱して熱電変換素子に温度差を生じさせる構成の発電装置（熱電変換スタック）が開示されている。
【０００３】
この種の発電装置では、図１０に示すように、電極９１は銅板等の金属板によって長方形状に形成されており、隣接する熱電変換素子間に架け渡されてそれら熱電変換素子を接続するように配列されている。そして上記のように排気ガス等の加熱流体を熱源とする場合には、通常、加熱流体の流れる方向（矢印Ｈ方向）に対して電極９１の配列方向が平行および直角になるように設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２６３０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、高温側電極を加熱する上記排気ガス等の加熱流体は、上流側から下流側に向かうにしたがって熱交換が進むことにより温度が低下し、上流側が高温で下流側が低温となる温度差が生じる。このため、熱電変換モジュール内には加熱流体の上流側から下流側にわたって熱膨張差が生じ、熱膨張差による熱応力が発生して割れや破損を招く場合がある。特に加熱される高温側電極においては、図１０に示したように長手方向が加熱流体の流れ方向に直交して配列されたものは、長手方向（長辺方向）の熱膨張差が短手方向（短辺方向）よりも大きいため破損の問題が顕著に起こるものであった。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、加熱流体により発生する温度差に起因する熱膨張差を低減して熱応力による高温側電極の破損を効果的に抑えることができる熱電変換式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】
【０００７】
本発明の熱電変換式発電装置は、平面状に配列された複数の熱電変換素子の、一面側および他面側に、それぞれ複数の高温側電極および複数の低温側電極が前記熱電変換素子を直列に接続する状態に接合された熱電変換モジュールと、前記複数の高温側電極に対向して配設され、加熱流体が一方向に流される加熱流路を有する加熱部と、前記低温側複数の電極に対向して配設された冷却部と、を備え、前記加熱部および前記冷却部によって熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、前記高温側電極と前記低温側電極は長方形状に形成されており、全ての高温側電極は、その長手方向が前記加熱流路を流れる前記加熱流体の流れ方向と平行に配列されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、高温側電極が長手方向を加熱流体の流れ方向と平行に配列されているため、この高温側電極における加熱流体の流れ方向と直交する方向の熱膨張差は平行な方向の場合に比べると小さくなり、したがって高温側電極が受ける加熱流体の上流側と下流側の温度差で生じる熱応力が低減して破損しにくくなる。
【０００９】
本発明のより具体的な形態としては、前記複数の高温側電極および前記複数の低温側電極は、それぞれ前記加熱流体の流れ方向と平行な縦列および該縦列に直交する横列を形成する格子状に配列されており、複数の低温側電極のうちの一部は、その長手方向が加熱流体の流れ方向にして配列されている形態が挙げられる。
【００１０】
上記形態では、前記複数の高温側電極の前記横列が、４列以上、かつ１００列以下であることが好ましい。この理由は、横列が４列以上であると発電する電力を確保することができ、また、横列が１００列を超えると熱応力を抑えることが難しくなるからである。
【００１１】
また、本発明の高温側電極は、縦横比が１：２〜２．５、長手方向の長さが最大で１０ｍｍである形態が実用上好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、加熱流体により発生する温度差に起因する熱膨張差を低減して熱応力による高温側電極の破損を効果的に抑えることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電変換式発電装置の全体斜視図である。
【図２】図１のII方向矢視図である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】図２のIV−IV断面図である。
【図５】同発電装置が備える密閉容器の筐体の構成を示す斜視図である。
【図６】同発電装置が備える熱電変換モジュールを示す正面図である。
【図７】熱電変換モジュールの斜視図である。
【図８】熱電変換モジュールの分解斜視図である。
【図９】熱電変換モジュールの構成要素の平面図であって、（ａ）低温側電極、（ｂ）熱電変換素子、（ｃ）高温側電極である。
【図１０】従来の熱電変換モジュールに設けられる高温側電極の配列状態の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］熱電変換式発電装置の構成
図１〜図４は、一実施形態の熱電変換式発電装置（以下、発電装置）１を示しており、図１は全体斜視図、図２は図１のII方向矢視図、図３、図４はそれぞれ図２のIII−III断面図、IV−IV断面図である。この発電装置１は全体が扁平な直方体状（図１、図３、図４でＸ方向が長手方向）に形成されており、水冷ジャケット（冷却部）３と、水冷ジャケット３内に収納された密閉容器２を備えている。
【００１５】
密閉容器２は、扁平管状の筐体２０内の中央部に同じく扁平管状の流通管（加熱部）２５が収納された二重管構造を呈しており、筐体２０と流通管２５との間の空間は減圧空間２９とされ、この減圧空間２９のＸ方向両端の開口が封止カバー２６で気密的に閉塞されている。水冷ジャケット３は密閉容器２の外形にほぼ沿った扁平管状に形成されたもので、その内部に収納された密閉容器２は、開口側の両端部が水冷ジャケット３の両端開口から突出している。
【００１６】
筐体２０は、図５に示すように、長方形状の外枠板部２１１と外枠板部２１１内を長手方向（Ｘ方向）に分かれた２つの孔２１３に仕切る内枠板部２１２とを有する一対の枠板２１０が、上下方向（Ｚ方向）に間隔を空けて互いに平行に対面し、外枠板部２１１の長手方向に沿った端縁どうしが側板部２１５で連結され、長手方向の両端部に開口２１８を形成する開口管部２１７が形成された剛性部２１と、この剛性部２１の上下の枠板２１０の２つの孔２１３を塞ぐ長方形状の薄板２２とから構成されている。薄板２２は可撓性を有し、上下方向に弾性変形可能な板材により２つの孔２１３を覆う大きさに形成されている。薄板２２は、剛性部２１の外側から孔２１３の周囲（外枠板部２１１と内枠板部２１２の外面）にろう付け等の接合手段で接合されている。薄板２２の材料としては、ＳＵＳ４４４等のステンレスあるいはアルミニウム等の耐熱性、耐酸化性を有する金属板が好ましく、その厚さは、例えば０．１ｍｍ程度のものが用いられる。
【００１７】
筐体２０の内部に収納された流通管２５は、筐体２０の上下の枠板２１０と平行な上下一対の長方形状の主板部２５１の長手方向に沿った端縁どうしが筐体２０の側板部２１５と平行な側板部２５２で連結されたもので、両端開口縁の外面が、筐体２０の剛性部２１の開口管部２１７の内面に、断面が内側にへこんだ断面Ｕ字状で全体としては長円状の封止カバー２６を介して接合されている。
【００１８】
流通管２５の内部は加熱流体Ｈ（図３および図４参照）が一方の開口から他方の開口へ向けて流される加熱流路２５３を構成し、この加熱流路２５３には、加熱流体Ｈの熱を流通管２５に伝えるフィン２５４が配設されている。フィン２５４は、例えば板材を折り曲げ加工して波板状に形成したものなどが用いられる。フィン２５４および封止カバー２６は、それぞれろう付け等の接合手段で剛性部２１および流通管２５に接合されている。なお、フィン２５４は必要に応じて設けられ、フィン２５４を設けず加熱流路２５３内を空洞とする場合もある。
【００１９】
密閉容器２を構成する筐体２０の剛性部２１、流通管２５、封止カバー２６は、薄板２２と同様の材料が用いられる。このような密閉容器２の、筐体２０の薄板２２と流通管２５の主板部２５１との間には、熱電変換モジュール４がそれぞれ配設されている。
【００２０】
熱電変換モジュール４は、図６および図７に示すように、平面状に並べられた複数の熱電変換素子４１の、一方側の面および他方側の面を、長方形状の銅板等の金属板からなる電極４２によりジグザグ状に直列に連結して構成されたもので、一方の面側の電極４２が流通管２５の主板部２５１の内面にろう付け等の接合手段で接合されている。また、熱電変換モジュール４の他方の面側の電極４２は筐体２０の薄板２２の内面に対向し、薄板２２と電極４２との間には緩衝材５が挟まれて保持されている。すなわち薄板２２は、熱電変換モジュール４に対し緩衝材５を介して当接している。熱電変換モジュール４は本発明の特徴点であり、後で詳述する。
【００２１】
緩衝材５は可撓性を有するシート状のものが好適であり、例えば薄いカーボンシート等が用いられる。なお、本実施形態では薄板２２と熱電変換モジュール４との間に緩衝材５を挟み込んでいるが、緩衝材５は必要に応じて用いられ、薄板２２が熱電変換モジュール４に直接当接する形態も選択され得る。
【００２２】
熱電変換モジュール４を構成する熱電変換素子４１は、耐熱温度が高い種類が用いられ、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、珪化鉄系等が好適に用いられる。熱電変換モジュール４が収納された密閉容器２の減圧空間２９は、剛性部２１と薄板２２とからなる筐体２０、流通管２５および封止カバー２６３８によって気密的に封止されている。
【００２３】
図４（図４ではフィン２５４の図示略）に示すように、薄板２２の熱電変換モジュール４の周囲部分には、流通管２５側に突出する断面三角形状の変形部２２１が全周にわたって形成されている。この変形部２２１は、孔２１３の内周縁と熱電変換モジュール４との間に形成されている。
【００２４】
上記密閉容器２は、水冷ジャケット３内に収納されている。上記のように水冷ジャケット３は密閉容器２の外形にほぼ沿った扁平管状に形成されたもので、密閉容器２は、両端の開口管部２１７が水冷ジャケット３の両端開口から突出している。水冷ジャケット３は、両端の開口縁に形成された内側に屈曲する封止枠部３１が、密閉容器２における剛性部２１の外枠板部２１１の外面に、ろう付け等の手段で気密的に接合されている。水冷ジャケット３内の空間、すなわち剛性部２１と水冷ジャケット３との間に形成される空間が、冷却水が供給されて薄板２２を冷却するための冷却空間３２となっている。水冷ジャケット３における筐体２０の各側板部２１５に対応する箇所の中央部には、冷却水の導入出口３３が設けられている。
【００２５】
密閉容器２内には、合計４つの熱電変換モジュール４が収納されているが、これら熱電変換モジュール４は直列に接続されている。そして、図１および図２に示す＋・−の２本のリード線４９から外部に電気が取り出される。リード線４９は、密閉容器２の側板部２１５および水冷ジャケット３を貫通して外部に引き出され、側板部２１５および水冷ジャケット３のリード線貫通孔は気密的に塞ぐ処理がなされている。
【００２６】
冷却空間３２の熱電変換モジュール４に対応する箇所には、熱交換手段６が薄板２２に接合されている。熱交換手段６は、冷却空間３２に供給されて流れる冷却水が接触することで薄板２２を放熱させて冷却を促進させるもので、薄板２２の可撓性を妨げない状態で設けられている。
【００２７】
熱交換手段６は、薄板２２の可撓性を妨げないものとして柔軟性を有するフィン等の熱交換部材からなるものが挙げられる。また、硬いフィン等の熱交換部材であっても、複数の独立した熱交換部材が薄板２２に対し点在的に接触して設けられて薄板２２の可撓性を妨げないようになされていてもよい。
【００２８】
上記密閉容器２は、所定箇所に形成された図示せぬ減圧封止口から減圧空間２９の空気を吸引して減圧空間２９を所定圧力（例えば１〜１００Ｐａ程度）に減圧し、減圧封止口を溶接するなどして気密的に封止した状態とされる。これにより密閉容器２においては、減圧空間２９の圧力が外部の大気よりも低くなるという圧力差が生じ、この圧力差によって、筐体２０の薄板２２が熱電変換モジュール４側に加圧される力を受ける。
【００２９】
［２］熱電変換モジュール
次に、熱電変換モジュール４を説明する。図８および図９（ｂ）に示すように、熱電変換素子４１は立方体状であり、等間隔をおいて格子状に配列されている。本実施形態では、縦列および横列が同数の正方形状に配列されている。これに対し電極４２は、隣接する熱電変換素子４１間に架け渡されて熱電変換素子４１を接続すべく長方形状に形成されている。熱電変換素子４１の外面側の電極４２は、緩衝材５および薄板２２を介して冷却空間３２を流れる冷却水により冷却される。また、熱電変換素子４１の内面側の電極４２は流通管２５内の加熱流路２５３を流れる加熱流体Ｈによって加熱される。以下、冷却される外面側の電極４２を低温側電極４２ａ、加熱される内面側の電極４２を高温側電極４２ｂとする。
【００３０】
図８に示すように、低温側電極４２ａおよび高温側電極４２ｂは、いずれも加熱流体Ｈの流れ方向と平行な縦列および縦列に直交する横列を形成し、等間隔をおいて格子状に配列されているが、その配列の形態は次のように異なっている。
【００３１】
すなわち、低温側電極４２ａは、図９（ａ）に示すように、加熱流体Ｈの上流側Ｈ１の端部と下流側Ｈ２の端部に、複数が、長手方向を加熱流体Ｈの流れ方向に直交する状態に配列されている。この場合、上流側Ｈ１の端部には４個、下流側Ｈ２の端部には５個が配列されている。そしてこれら端部の低温側電極４２ａの間に、複数の低温側電極４２ａが長手方向を加熱流体Ｈの流れ方向と平行な状態として配列されている。長手方向が加熱流体Ｈの流れ方向と平行な低温側電極４２ａは、この場合、横８列、縦３列である。一方、図９（ｃ）に示すように、高温側電極４２ｂは、全てが、その長手方向を加熱流体Ｈの流れ方向と平行な状態に配列されている。これら高温側電極４２ｂは、この場合、横８列、縦４列である。低温側電極４２ａおよび高温側電極４２ｂは、それぞれ熱電変換素子４１の外面側および内面側に電気的に直列に接続されている。
【００３２】
低温側電極４２ａおよび高温側電極４２ｂは同じ形状、寸法の金属板であり、縦横比が１：２〜２．５程度の金属板が用いられる。また、実際の寸法としては、長手方向の長さが最大で１０ｍｍ程度が実用上好適とされる。
【００３３】
［３］発電装置の作用
上記構成からなる発電装置１では、水冷ジャケット３の一方の導入出口３３から冷却水を冷却空間３２に導入し、他方の導入出口３３から冷却水を排出させ、冷却空間３２に冷却水を充満させた状態で流通させることにより、密閉容器２の薄板２２を冷却する。また、流通管２５内の加熱流路２５３に、一方の開口から他方の開口に向けて高温の加熱流体Ｈを流して流通管２５を加熱する。薄板２２は冷却水で冷却される熱交換手段６により冷却が促進される。冷却された薄板２２の温度は熱電変換モジュール４の外面側に伝わり、熱電変換モジュール４の外面側が冷却され、一方、加熱された流通管２５の主板部２５１の温度は熱電変換モジュール４の内面側に伝わり、熱電変換モジュール４の内面側が加熱される。
【００３４】
密閉容器２においては上記のように内部の減圧空間２９が減圧されて外部と圧力差が生じることにより、筐体２０の薄板２２が熱電変換モジュール４側に加圧される。薄板２２は緩衝材５を介して熱電変換モジュール４側に加圧された状態で当接する。
【００３５】
上記のようにして熱電変換モジュール４の外面側と内面側に温度差が与えられることで、熱電変換モジュール４は発電し、リード線４９から電気が取り出される。
【００３６】
本実施形態の発電装置１は、例えば工場やゴミ焼却炉で発生する排熱ガスや、自動車の排気ガスなどが、上記加熱流体Ｈとして利用される。
【００３７】
［４］一実施形態の作用効果
本実施形態の熱電変換モジュール４では、高温側電極４２ｂは全てが長手方向を加熱流体Ｈの流れ方向と平行に配列されているため、この高温側電極４２ｂにおける加熱流体Ｈの流れ方向と直交する方向、すなわち幅方向の熱膨張差は、平行な方向の場合に比べると小さくなる。したがって高温側電極４２ｂが受ける加熱流体Ｈの上流側と下流側の温度差で生じる熱応力は低減し、高温側電極４２ｂが破損するおそれが低減する。
【符号の説明】
【００３８】
１…熱電変換式発電装置
２５…流通管（加熱部）
２５３…加熱流路
３…水冷ジャケット（冷却部）
４…熱電変換モジュール
４１…熱電変換素子
４２ａ…低温側電極
４２ｂ…高温側電極
Ｈ…加熱流体
【図１】
2014212167.tif 000003
【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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【図１０】
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