(57)【要約】【課題】複数の熱電発電モジュールと熱電発電モジュール毎に設けられた熱交換部材とを有する熱電発電システムの衝撃に対する耐性を高める。【解決手段】気温よりも温度の高い流体の流れるパイプ２との間で熱交換を行う底板１０と、パイプ２の周囲の空気との間で熱交換を行う熱交換部材２０と、底板１０と熱交換部材２０との間に挟まれた熱電発電モジュール３０と、を各々有する熱電発電ユニット１−ｎ（ｎ＝１〜６）と、銅やアルミニウムなどの金属により形成された連結部材であって、互いに隣り合う熱電発電ユニット１−ｎの熱交換部材２０同士を連結する連結部材３−ｎとを有することを特徴とする熱電発電システムを提供する。【選択図】図１
2014146675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電発電ユニットであって、各々第１の熱源との間で熱交換を行う底板と、前記第１の熱源とは異なる第２の熱源との間で熱交換を行う熱交換部材と、前記底板と前記熱交換部材との間に挟まれた熱電発電モジュールと、を有する複数の熱電発電ユニットと、
互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材を連結する連結部材と、
を有することを特徴とする熱電発電システム。
【請求項２】
前記連結部材を熱伝導体により形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電システム。
【請求項３】
前記複数の熱電発電ユニットにより得られた電力により駆動される回路を含んでいることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電システム。
【請求項４】
前記複数の熱電発電ユニットの各々の底板の前記第１の熱源に接する面は、面全体に亙って前記第１の熱源の表面と当接することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ゼーベック効果を利用して発電する熱電発電モジュールを利用した熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、この種の熱電発電モジュールを用いて廃熱を有効利用する技術が注目を集めている。例えば、工場やプラントなどにおける高温の流体が流れるパイプの壁面にこの種の熱電発電モジュールを取り付け、熱電発電モジュールの他方の面にヒートシンクなどの熱交換部材を取り付けて放熱させることで、当該パイプからの熱を電力に変換して利用するといった具合である。例えば、特許文献１には、パイプの周方向に沿って複数の熱電発電モジュールを配置し、さらに熱電発電モジュール毎にヒートシンクなどの熱交換部材を装着することで熱電発電システムを構築する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１０−５３２５７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された熱電発電システムには、人や物の接触により熱交換部材が熱電発電モジュールから脱落しやすいといった問題がある。また、人や物の接触により熱交換部材に大きな衝撃が加わるとその衝撃が熱電発電モジュールに直に伝わり、熱電発電モジュールが破損してしまう場合もある。つまり、特許文献１に開示の熱電発電システムには、熱交換部材に衝撃が加わった際の耐久性が低いといった問題がある。
【０００５】
本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、熱交換部材に加わる衝撃に対する耐久性の高い熱電発電システム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】
上記課題を解決するために本発明は、複数の熱電発電ユニットであって、各々第１の熱源との間で熱交換を行う底板と、前記第１の熱源とは異なる第２の熱源との間で熱交換を行う熱交換部材と、前記底板と前記熱交換部材との間に挟まれた熱電発電モジュールと、を有する複数の熱電発電ユニットと、互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材を連結する連結部材と、を有することを特徴とする熱電発電システム、を提供する。本発明の熱電発電システムにおいては、各熱交換部材は互いに隣り合うもの同士が連結部材により連結されているため、人や物の接触により容易に脱落することはない。また、何れかの熱交換部材に衝撃が加わったとしても、衝撃の加わった熱交換部材に連結されている他の熱交換部材にその衝撃の一部が逃げ、熱交換部材に加わった衝撃が当該熱交換部材と底板との間に挟まれている熱電発電モジュールにそのまま伝わることが回避される。つまり、本発明の熱電発電システムによれば、熱交換部材に加わる衝撃に対する耐久性が従来よりも高くなる。
【０００７】
連結部材をどのような素材で形成するのかについては種々の態様が考えられる。連結部材を熱を伝えやすい性質を有する素材（例えば、銅やアルミニウムなどの金属、以下、熱伝導体）により構成すれば、互いに連結された熱交換部材を１つの熱交換部材として機能させることができる。また、ゴムなどの弾性を有する素材により連結部材を構成すれば、衝撃の加わった熱交換部材からその熱交換部材に連結された熱交換部材へ連結部材を介して衝撃が伝わる際に、その衝撃の一部を連結部材の弾性によって吸収することができ、熱交換部材に加わる衝撃に対する耐久性をさらに高くすることができると考えられる。
【０００８】
より好ましい態様としては、上記熱電発電システムに、複数の熱電発電ユニットにより得られた電力により駆動される回路を含ませる態様が考えられる。ここで、どのような回路を熱電発電システムに含ませておくのかについては種々の態様が考えられる。例えば、第１の熱源（或いは第２の熱源、または第１および第２の熱源の両方）の温度を計測するための温度センサと、当該温度センサの出力信号を無線送信する無線通信部と、無線通信回路の作動制御を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）などの制御部と、各熱電発電モジュールにより得られた電力を昇圧してこれら各部に供給する昇圧回路とを熱電発電システムに含ませておく、といった具合である。このような態様によれば、無線通信部から送信されてくるデータに基づいて熱電発電システムの動作環境を把握することができる。
【０００９】
さらに別の好ましい態様としては、複数の熱電発電ユニットの各々の底板の第１の熱源に接する面を全体に亙って第１の熱源の表面に当接させる態様が考えられる。例えば、複数の熱電発電ユニットの各々の底板の第１の熱源に接する面を第１の熱源の表面と同じ曲率を有する曲面状に形成しておくといった具合である。このような態様によれば、例えば工場内に敷設され室温よりも高温（或いは低温）の流体が流れるパイプなど曲面状の表面を有する物体を第１の熱源とする場合であっても、各熱電発電ユニットの底板を第１の熱源の表面に密着させることができ、第１の熱源と底板との離間に起因する発電効率の低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】この発明の一実施形態の熱電発電システムの構成例を示す図である。
【図２】同熱電発電システムにおける各熱電発電ユニット１−ｎの連結方法を説明するための図である。
【図３】同熱電発電システムとの比較対象となる従来の熱電発電システムの構成例を示す図である。
【図４】変形例（１）の熱電発電システムの構成例を示す図である。
【図５】変形例（１）の熱電発電システムの構成例を示す図である。
【図６】同変形例（２）の熱電発電ユニットの構成例を示す図である。
【図７】同変形例（３）の熱電発電システムの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（Ａ）は、本発明の一実施形態の熱電発電システムの構成例を示す図である。図１（Ａ）に示すように、本実施形態の熱電発電システムは、熱電発電ユニット１−ｎ（ｎ＝１〜６）を円環状に連結して構成されており、気温よりも高温（或いは低温）の流体の流れるパイプ２に装着される。この熱電発電システムは、上記パイプ２を第１の熱源とする一方、パイプ２周囲の空気を第２の熱源とし、第１および第２の熱源の温度差を電気エネルギーとして取り出すためのものである。
【００１２】
図１（Ｂ）は熱電発電ユニット１−ｎの構成例を示す図である。図１（Ｂ）に示すように、熱電発電ユニット１−ｎは、従来の一般的な熱電発電ユニットと同様に、各々熱伝導体により各々形成された底板１０および熱交換部材２０と、底板１０および熱交換部材２０によって挟まれた熱電発電モジュール３０を含んでいる。底板１０は第１の熱源（本実施形態では、パイプ２）との間で熱交換を行うためのものであり、底板１０の底面は、面全体に亙って第１の熱源の表面（本実施形態では、パイプ２の壁面）に当接するように、第１の熱源の表面の形状に応じた曲面状に形成されている。なお、底板１０の底面と第１の熱源の表面との間の熱交換が円滑に行われるようにするために、底板１０の底面にシリコングリースなどの熱伝導率の高いゲル状剤を塗布して底板１０を第１の熱源に装着しても勿論良い。
【００１３】
熱交換部材２０は例えば多数のピン状のフィンを有するヒートシンクであり、第２の熱源との間で熱交換を行うためのものである。本実施形態ではピン状のフィンを多数有するヒートシンクを熱交換部材２０として用いたが、羽状のフィンを多数有するヒートシンクを用いても良い。本実施形態の熱電発電システムでは、図１（Ａ）に示すように、連結部材３−１によって熱電発電ユニット１−１の熱交換部材２０と熱電発電ユニット１−２の熱交換部材２０とが連結され、連結部材３−２によって熱電発電ユニット１−２の熱交換部材２０と熱電発電ユニット１−３の熱交換部材２０とが連結され、連結部材３−３によって熱電発電ユニット１−３の熱交換部材２０と熱電発電ユニット１−４の熱交換部材２０とが連結され、連結部材３−４によって熱電発電ユニット１−４の熱交換部材２０と熱電発電ユニット１−５の熱交換部材２０とが連結され、連結部材３−５によって熱電発電ユニット１−５の熱交換部材２０と熱電発電ユニット１−６の熱交換部材２０とが連結され、連結部材３−６によって熱電発電ユニット１−６の熱交換部材２０と熱電発電ユニット１−１の熱交換部材２０とが連結されている。つまり、本実施形態の熱電発電システムでは、互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材が連結部材により連結されている。連結部材３−ｎ（ｎ＝１〜６）は、熱交換部材２０と同様に熱伝導体により形成されている。
【００１４】
連結部材３−ｎによる熱交換部材２０の連結方法については種々の態様が考えられる。例えば、図２（Ａ）および図２（Ｂ）に示すように、熱交換部材２０の端部に貫通孔を有するフィン側連結部２００を設ける一方、両端にボルト３００Ｂを有する連結部材３−ｎを用い、連結部材３−ｎのボルト３００Ｂを上記貫通孔を通してナット３００Ｎで固定することで互いに隣り合う熱電発電モジュールの熱交換部材２０を連結する態様が考えられる。また、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）に示すように、熱交換部材２０の端部にボルト２１２を有するフィン側連結部２１０を設け、両端に貫通孔を有する連結部材３−ｎの当該貫通孔にボルト２１２を通してナット２１４で留める態様であっても良い。
【００１５】
本実施形態の特徴は、連結部材３−ｎを用いて互いに隣り合う熱電発電ユニット１−ｎの熱交換部材２０を連結した点にある。これは、熱電発電システムを構成する熱電発電ユニット１−ｎ（ｎ＝１〜６）の何れかの熱交換部材２０に人や物が接触して衝撃が加わったとしても、当該衝撃の加わった熱交換部材２０が脱落したり、その熱交換部材２０と底板１０との間に挟まれている熱電発電モジュール３０が破損することを回避するためである。ここで、衝撃の加わった熱交換部材２０と底板１０との間に挟まれている熱電発電モジュール３０の破損が回避されるのは、衝撃の加わった熱交換部材２０に連結されている他の熱交換部材２０にその衝撃の一部が逃げ、当該衝撃の加わった熱交換部材２０と底板１０との間に挟まれている熱電発電モジュール３０に当該衝撃がそのまま伝わることが回避されるからである。以下、図３に示すように、互いに隣り合う熱電発電ユニットの底板を熱伝導体により形成された連結部材により連結した場合と比較しつつ本実施形態の効果を説明する。
【００１６】
本実施形態の熱電発電システムの衝撃に対する耐久性と図３に示す構成の耐久性とを比較するために、本願発明者は以下の実験を行った。なお、以下の実験では、熱電発電ユニット１−ｎの熱交換部材２０として、板状部分の平面サイズが３０ｍｍ×３０ｍｍ、熱交換部材２０全体の高さが３０ｍｍ、ピン状のフィンの高さが２０ｍｍのものを用い、熱電発電モジュールとして平面サイズが１５ｍｍ×１５ｍｍ、厚さが２ｍｍのものを用いた。また、実験の条件を同一にするため、図３に示す構成の熱電発電システムにおいても同様の熱交換部材および熱電発電モジュールを用いた。
【００１７】
まず、本願発明者は、直径１００ｍｍかつ長さ１００ｍｍのパイプに本実施形態の熱電発電システムを巻きつけたものを５個用意し、その各々について３０ｃｍの高さから落下させる操作を１０回繰り返した後に発電量を計測し、落下前に比較して発電量が５％以上低下したものの比率を求めた。本実施形態の熱電発電システムについての当該比率は７％であった。同様に、直径１００ｍｍかつ長さ１００ｍｍのパイプに図３に示す構成の熱電発電システムを巻きつけたものを５個用意し、その各々について３０ｃｍの高さから落下させる操作を１０回繰り返した後に発電量を計測し、落下前に比較して発電量が５％以上低下したものの比率を求めた。図３に示す構成の熱電発電システムについての当該比率は２７％だった。このように、図３に示す構成の熱電発電システムに比較して本実施形態の熱電発電システムの方が衝撃に対する耐久性が高いことが実験によって確認された。
【００１８】
また、本実施形態の熱電発電システムは、第１の熱源の温度が均一ではない場合（例えば、パイプ２内の内径に比較して当該パイプに流れる流体の流量が少ない場合など）におけるシステム全体での発電量の確保という観点から見ても、図３に示す構成の熱電発電システムに比較して優れている。図３に示すように、互いに隣り合う熱電発電ユニットの底板を連結する態様では、第１の熱源の温度が均一ではない場合にその平均温度まで各熱電発電ユニットの底板の温度が低下し、この平均温度と第２の熱源の温度との温度差が十分でないと全ての熱電発電ユニットが発電に寄与せず、システム全体の発電量がゼロになってしまう場合がある。これに対して本実施形態の熱電発電システムにおいては各熱電発電ユニット１−ｎの底板１０は互いに熱的に切り離されている。このため、温度の低い部分に装着される熱電発電ユニット１−ｎは発電に寄与しないものの、温度の高い部分に装着される熱電発電ユニット１−ｎは発電に寄与し、システム全体の発電量がゼロになることはない。加えて、本実施形態では連結部材３−ｎが熱交換部材２０と同様に熱伝導体で形成されているため、これら連結部材３−ｎにより連結された熱交換部材２０全体を１つのヒートシンクと見なすことができる。このため、温度の低い部分に装着されているために発電には寄与しない熱電発電ユニット１−ｎであっても、その熱電発電ユニット１−ｎに含まれている熱交換部材２０を熱電発電システム全体における第２の熱源との熱交換に寄与させることができるといった効果もある。なお、連結部材３−ｎによってその両側にある熱交換部材同士を効率よく熱交換させるために、連結部材３−ｎを板状又はブロック状のものにしても良い。連結部材３−ｎと熱交換部材の連結部分の接触面積は変わらないが、連結部材３−ｎにおける熱の伝導経路が広くなり、連結部材３−ｎを介した熱移動量が大きくなるからである。
【００１９】
このように、本実施形態によれば、熱電発電システムの衝撃に対する耐久性を従来よりも高めることができる。加えて、本実施形態によれば、熱電発電ユニット１−ｎの底板１０との間で熱交換を行う第１の熱源の温度が均一ではない場合であっても、熱電発電システム全体の発電量がゼロまで低下するといった事態の発生を回避することもできる。
【００２０】
以上本発明の一実施形態について説明したが、この実施形態を以下のように変形しても勿論良い。
（１）上記実施形態では、６個の熱電発電ユニットを用いて熱電発電システムを構成したが、熱電発電ユニットの数は６個に限定される訳ではなく、要は複数の熱電発電ユニットが含まれていれば良い。例えば、３個の熱電発電ユニットにより熱電発電システムを構成する場合には図４に示すようにそれら３個の熱電発電ユニットを配置すれば良い。また、各熱電発電ユニットの配置態様は図１（Ａ）や図４に示す対称な配置態様には限定されず、図５に示すような態様であっても良い。特に、図５に示すようにパイプ２内を流れる流体の流量が少ない場合には、当該流体の流れる側に熱電発電ユニットを配置しておくことが好ましい。なお、連結部材３−ｎがパイプ２に接触してしまうと、熱電発電モジュールを移動する熱が減少してしまう。このため、熱電発電ユニットの配置間隔が広く、連結部材３−ｎをパイプ２に接触させることなく各熱電発電ユニットの熱交換部材を連結することが難しい場合（例えば、図５に示す例では連結部材３−３がパイプ２に接触する虞がある）には、複数の熱電発電ユニットの間にダミーユニット（熱電発電ユニット１−ｎの熱電発電モジュール３０を断熱材または熱伝導体よりも熱伝導率の低い素材に置き換えたユニット）を配置し、互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材２０とダミーユニットの熱交換部材２０とを連結部材３−ｎにより連結すれば良い。ダミーユニットにおいては、熱交換部材２０は底板１０から断熱されており、さらに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材２０と連結部材３−ｎにより連結されているため、全体を一つのヒートシンクとして作用させつつ、連結部材３−ｎがパイプ２と接触することを防ぐことができる。
【００２１】
（２）上記実施形態では、熱電発電ユニット１−ｎの底板１０の底面が面全体に亙って第１の熱源の表面と当接するように、当該底面を第１の熱源の表面と同じ曲率を有する曲面状に形成したが、図６に示す熱電発電ユニット１´−ｎのように、底板１０の底面を平面状に形成しても勿論良い。例えば、第１の熱源となるパイプ２の外形が底板１０の平面サイズに比較して充分に大きい場合には、各熱電発電ユニット１´−ｎの装着箇所において第１の熱源の表面を平面と見なすことができ、底板１０の底面が平面状に形成されていたとしても底板１０の底面を面全体に亙って第１の熱源の表面に当接させることができるからである。
【００２２】
（３）各熱電発電ユニットにより得られた電力により駆動される回路を熱電発電システムに含めても良い。例えば、図７に示すように、第１の熱源（或いは第２の熱源）の温度を検出するための温度センサや湿度センサ、二酸化炭素センサ、ガスセンサなどのセンサ６０Ａを板状の断熱材５０を介してパイプ２に装着し、さらにセンサ６０Ａの出力信号を無線で所定の宛先へ送信する無線通信部６０Ｂと各熱電発電ユニット１−ｎの出力電圧を昇圧して無線通信部６０Ｂに供給する昇圧回路６０Ｃとを板状の断熱材５０を介してパイプ２に装着すれば、外部電源なしで第１の熱源の温度等を監視するセンサシステムを構築することが可能になる。
【００２３】
（４）上記実施形態では、複数の熱電発電ユニットを第１の熱源となるパイプ２の周方向に一列に並べて配置し、互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材を熱伝導体により形成された連結部材を用いて連結して熱電発電システムを構成した。しかし、複数の熱電発電ユニットを第１の熱源となるパイプ２の周方向に複数列に並べて配置し、各列において互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材を連結部材を用いて連結するとともに、列に直交する方向において互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材を連結部材を用いて連結して熱電発電システムを構成しても良い。また、複数の熱電発電ユニットを平面状に並べ、互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材を熱伝導体により形成された連結部材を用いて連結して熱電発電システムを構成しても勿論良い。要は、第１の熱源の大きさや形状に応じた態様で複数の熱電発電ユニットを配列すれば良い。
【００２４】
（５）上記実施形態では、底板１０および熱交換部材２０の間に１つの熱電発電モジュール３０を挟んで熱電発電ユニット１−ｎを構成したが、底板１０および熱交換部材２０の間に複数の熱電発電モジュール３０を挟んで熱電発電ユニットを構成しても良い。また、上記実施形態では、連結部材３−ｎを熱伝導体で構成したが、樹脂やゴム等の断熱材（絶縁体）で連結部材３−ｎを構成しても良い。連結部材３−ｎを絶縁体で構成する態様では、連結部材３−ｎにより互いに連結された熱交換部材２０を１つの熱交換部材として機能させることはできないが、熱交換部材２０に加わる衝撃に対する熱電発電システムの耐久度が従来よりも向上することには変わりはないからである。また、ゴム等の弾性を有する素材により連結部材３−ｎを構成すれば、熱交換部材２０に加わった衝撃を連結部材３−ｎにより吸収することができ、熱交換部材２０に加わる衝撃に対する熱電発電システムの耐久性をさらに高くすることができると考えられる。
【００２５】
（６）上記実施形態では、連結部材３−ｎは互いに隣り合う熱電発電ユニットの熱交換部材２０を連結する役割を担っていたが、この連結部材３−ｎは熱交換部材の役割も担っていると考えられる。そこで、連結部材３−ｎの表面に凹凸を形成したり、孔を形成したり、ピン状のフィンを設けるなどして連結部材３−ｎの表面積を大きくし、熱交換部材としての機能を高めても勿論良い。また、上記実施形態では、パイプ２の外周に熱電発電ユニットを環状に固定することを想定しているが、平面状に熱電発電ユニットを並べ、熱交換部材２０を連結して熱交換効率を向上させることにも利用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１−ｎ，１´−ｎ（ｎ＝１〜６）…熱電発電ユニット、２…パイプ、３−ｎ（ｎ＝１〜６）…連結部材、１０…底板、２０…熱交換部材、３０…熱電発電モジュール。
【図１】
2014146675.tif 000003
【図２】
2014146675.tif 000004
【図３】
2014146675.tif 000005
【図４】
2014146675.tif 000006
【図５】
2014146675.tif 000007
【図６】
2014146675.tif 000008
【図７】
2014146675.tif 000009