(57)【要約】  熱電発電装置（１０）は、第１流体が流入する流入口（１４）と第１流体が流出する流出口（１５）とを有し、内部が密閉された槽（１３）と、第１流体と温度の異なる第２流体が流れる貫通流路（１１Ｄ）が形成され、槽（１３）内部に配置されたチューブ状の熱電素子（１１）と、槽（１３）と電気的に絶縁されつつ槽（１３）の壁を貫通し、熱電素子（１１）の端と接続されて貫通流路（１１Ｄ）を槽（１３）外部に連通させる連通流路（１２Ａ）が形成され、熱電素子（１１）との接続部から槽（１３）の外部まで延びる導電部が形成された一対の流路部材（１２）と、槽（１３）の外部の導電部に接続された導線（１６）と、を備えている。
2013161174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流入する流入口と前記第１流体が流出する流出口とを有し、内部が密閉された槽と、
前記第１流体と温度の異なる第２流体が流れる貫通流路が形成され、前記槽の内部に配置されたチューブ状の熱電素子と、
前記熱電素子の端部と接続されて前記貫通流路を前記槽の外部に連通させる連通流路が内部に形成された一対の流路部材と、
導線と、を備え、
前記一対の流路部材は、前記槽と電気的に絶縁されつつ前記槽の壁を貫通し、かつ、前記熱電素子との接続部から前記槽の外部まで延びる導電部を有し、
前記導線は、前記槽の外部の前記導電部に接続されている、熱電発電装置。
【請求項２】
前記流路部材が導電体で形成され、かつ、前記槽が絶縁体で形成された、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記導電部が絶縁体である基材の外周面に導電膜を被膜することによって形成され、かつ、前記槽が絶縁体で形成された、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記導電部の電気抵抗が１００ｍΩ以下である、請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
第１流体が流入する流入口と前記第１流体が流出する流出口とを有し、内部が密閉された槽と、
前記第１流体と温度の異なる第２流体が流れる貫通流路が形成され、前記槽の内部に配置されたチューブ状の複数の熱電素子と、
前記熱電素子の端部と接続されて前記貫通流路を前記槽の外部に連通させる連通流路が内部に形成され、前記複数の熱電素子のそれぞれに対応する複数対の流路部材と、
導線と、を備え、
前記流路部材は、前記槽と電気的に絶縁されつつ前記槽の壁を貫通し、かつ、前記熱電素子との接続部から前記槽の外部まで延びる導電部を有し、
前記導線は、前記槽の外部の前記導電部に接続され、
前記複数の熱電素子は、前記導線及び前記複数対の前記導電部を介して直列に接続されている、熱電発電装置。
【請求項６】
請求項１に記載の熱電発電装置を準備する工程と、
前記流入口を介して前記槽内部に前記第１流体を流入させ、前記流出口を介して前記槽内部から前記第１流体を流出させる工程と、
前記流路部材を介して、前記貫通流路に前記第２流体を流す工程と、
前記流路部材及び前記導線を介して前記熱電素子で発生した電力を前記槽外部へ送る工程と、を備えた発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電装置、及びその熱電発電装置を用いた発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電材料の両端に温度差が生じると、その温度差に比例して起電力が発生する。この効果は熱エネルギーを電気エネルギーに変換するゼーベック効果として知られている。そして、ゼーベック効果を利用して発電する熱電素子及び熱電発電装置が提案されている。【０００３】
例えば、非特許文献１には、熱電素子として熱電材料であるＢｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３の円錐リングとＮｉの円錐リングとが交互に積層されＳｎ‐Ｂｉ半田ペーストで電気的に接続されたチューブ状の熱電素子が提案されている。また、特許文献１には、図９に示されているような、チューブ状の熱電素子を用いた熱電発電装置１００が提案されている。熱電発電装置１００によれば、チューブ状の熱電素子１１０が槽１２０に貯められた冷たい流体（水）１３０に浸漬され、熱電素子１１０の内部貫通孔に温かい流体（温水）１４０が流されている。温かい流体１４０はポンプ１５０によって循環される。ポンプ１５０及び熱電素子１１０は２本のシリコーン製のチューブ１６０によって接続されている。熱電素子１１０の両端の第１電極１１１及び第２電極１１２は、２本の電線１７０を介して負荷１８０と電気的に接続されている。すなわち、熱電素子１１０で発生する電力を第１電極１１１及び第２電極１１２、ならびに、電線１７０を介して熱電素子１１０の外部に取り出している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０１４３６６号
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Nanotechnology Materials and Devices Conference (NMDC), 2011 IEEE Proceedings, pp. 56-60
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、チューブ状の熱電素子を用いた熱電発電装置として特許文献１のような構成を採用しても、発電特性を向上させる余地がある。かかる事情に鑑み、本開示は発電特性を向上させた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】
【０００７】
本開示は、
第１流体が流入する流入口と前記第１流体が流出する流出口とを有し、内部が密閉された槽と、
前記第１流体と温度の異なる第２流体が流れる貫通流路が形成され、前記槽の内部に配置されたチューブ状の熱電素子と、
前記熱電素子の端部と接続されて前記貫通流路を前記槽の外部に連通させる連通流路が内部に形成された一対の流路部材と、
導線と、を備え、
前記一対の流路部材は、前記槽と電気的に絶縁されつつ前記槽の壁を貫通し、かつ、前記熱電素子との接続部から前記槽の外部まで延びる導電部を有し、
前記導線は、前記槽の外部の前記導電部に接続されている、熱電発電装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、高い発電特性を有する熱電発電装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る熱電発電装置の断面図
【図２】図１のＶ−Ｖ線に沿った断面図
【図３】第１実施形態に係る熱電素子の斜視図
【図４】第１実施形態に係る熱電素子の分解斜視図
【図５】第２実施形態に係る熱電発電装置の断面図
【図６】実施例１に係る熱電発電装置の発電特性グラフ
【図７】実施例２に係る熱電発電装置の発電特性グラフ
【図８】比較例に係る熱電発電装置の発電特性グラフ
【図９】従来例に係る熱電発電装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の基礎となった知見）
まず、本発明の基礎となった知見について説明する。
【００１１】
上述の特許文献１に記載の熱電発電装置１００においては、熱電素子１１０は槽１２０に貯められた流体に浸されているだけである。従って、槽１２０中の流体の運動は自然対流が支配的であり、熱電素子１１０周辺の流体の流速は大きくないと考えられる。また、槽１２０の上方は開放されている。
【００１２】
ところで、流体を流入させる流入口と流体を流出させる流出口とを槽に設けて、槽の内部で流体を流通させる熱電発電装置を構成することが考えられる。上方を例えば蓋で覆って内部が密閉された槽を用いた熱電発電装置は、特許文献１のように上方が開放された槽を用いた熱電発電装置と比べて高い発電特性を実現できることを本発明の発明者らは見出した。これは以下の理由によるものと考えられる。
【００１３】
上方が開放された槽を用いた熱電発電装置は、槽から流体が溢れ出ないようにするために槽に供給できる流体の流量が制限されるので、熱電素子周辺の流体の流速が高まりにくい。また、上方が開放された槽を用いた熱電発電装置において、槽に供給できる流体の流量を増やすために槽の容積を大きくしても、熱電素子周辺の流体の流速は高まりにくい。これに対し、内部が密閉された槽を用いた熱電発電装置は、そのような制限がないので、より多くの流量の流体を槽に供給して熱電素子周辺の流体の流速を高めることができる。その結果、内部が密閉された槽を用いた熱電発電装置は、熱電素子が効率的に冷却あるいは加熱されて、高い発電特性を実現できると考えられる。
【００１４】
ところが、槽の内部を密閉すると、熱電素子で発生する電力を取り出すための導線の接続が煩雑になってしまう。そこで、本発明の発明者らは、熱電素子との接続部から槽の外部まで延びる導電部が形成された流路部材を用いることで、熱電素子で発生する起電力に由来する電気を取り出すための導線の接続が容易となることを見出した。本発明はかかる知見に基づいてなされたものである。
【００１５】
（本開示の態様の説明）
本開示の第１態様によれば、
第１流体が流入する流入口と前記第１流体が流出する流出口とを有し、内部が密閉された槽と、
前記第１流体と温度の異なる第２流体が流れる貫通流路が形成され、前記槽の内部に配置されたチューブ状の熱電素子と、
前記熱電素子の端部と接続されて前記貫通流路を前記槽の外部に連通させる連通流路が内部に形成された一対の流路部材と、
導線と、を備え、
前記一対の流路部材は、前記槽と電気的に絶縁されつつ前記槽の壁を貫通し、かつ、前記熱電素子との接続部から前記槽の外部まで延びる導電部を有し、
前記導線は、前記槽の外部の前記導電部に接続されている、熱電発電装置を提供する。
【００１６】
第１態様によれば、第１流体が流入する流入口と前記第１流体が流出する流出口とを有し、内部が密閉された槽の内部にチューブ状の熱電素子が配置されているので、熱電素子周辺の第１流体の流れが速まり、熱電素子を効率的に冷却又は加熱することができる。この結果、熱電発電装置の発電特性を向上させることができる。また、熱電素子との接続部から延びる槽の外部の導電部に導線が接続されるので、密閉された槽の内部に配置された熱電素子で発生した電力を容易に取り出すことができる。
【００１７】
本開示の第２態様によれば、第１態様に加えて、前記流路部材が導電体で形成され、かつ、前記槽が絶縁体で形成された、熱電発電装置を提供する。
【００１８】
第２態様によれば、簡易な構成で槽と流路部材との電気的絶縁を図ることができる。また、流路部材が導電体で形成されることにより導電部の抵抗が比較的小さくなるので、熱電発電装置の発電特性が向上する。
【００１９】
本開示の第３態様によれば、第１態様に加えて、前記導電部が絶縁体である基材の外周面に導電膜を被膜することによって形成され、かつ、前記槽が絶縁体で形成された、熱電発電装置を提供する。
【００２０】
第３態様によれば、熱電素子で発生した電力を取り出すのに必要な部分にのみ導電部を形成できる。
【００２１】
本開示の第４態様によれば、第１〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記導電部の電気抵抗が１００ｍΩ以下である、熱電発電装置を提供する。
【００２２】
第４態様によれば、導電部の電気抵抗が比較的小さく、熱電発電装置の発電特性が向上する。
【００２３】
本開示の第５態様によれば、
第１流体が流入する流入口と前記第１流体が流出する流出口とを有し、内部が密閉された槽と、
前記第１流体と温度の異なる第２流体が流れる貫通流路が形成され、前記槽の内部に配置されたチューブ状の複数の熱電素子と、
前記熱電素子の端部と接続されて前記貫通流路を前記槽の外部に連通させる連通流路が内部に形成され、前記複数の熱電素子のそれぞれに対応する複数対の流路部材と、
導線と、を備え、
前記流路部材は、前記槽と電気的に絶縁されつつ前記槽の壁を貫通し、かつ、前記熱電素子との接続部から前記槽の外部まで延びる導電部を有し、
前記導線は、前記槽の外部の前記導電部に接続され、
前記複数の熱電素子は、前記導線及び前記複数対の前記導電部を介して直列に接続されている、熱電発電装置を提供する。
【００２４】
上記態様によれば、複数の熱電素子が直列に接続されるため、熱電発電装置の発電特性が向上する。
【００２５】
本開示の第６態様によれば、
第１〜第５態様のいずれか１つの態様の熱電発電装置を準備する工程と、
前記流入口を介して前記槽内部に前記第１流体を流入させ、前記流出口を介して前記槽内部から前記第１流体を流出させる工程と、
前記流路部材を介して、前記貫通流路に前記第２流体を流す工程と、
前記流路部材及び前記導線を介して前記熱電素子で発生した電力を前記槽外部へ送る工程と、を備えた発電方法を提供する。
【００２６】
第６態様によれば、第１〜第５態様と同様の効果を奏する発電方法を提供できる。
【００２７】
（本発明の実施形態の説明）
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
＜第１実施形態＞
まず、図１及び図２を参照しつつ、本実施形態の熱電発電装置１０について説明する。熱電発電装置１０は、内部が密閉された槽１３、槽１３の内部に配置されたチューブ状の熱電素子１１、熱電素子１１の端部と接続され槽１３の壁を貫通して槽１３の外部まで延びる一対の流路部材１２、及び槽１３の外部で流路部材１２に接続される一対の導線１６を備えている。熱電素子１１の両端はそれぞれ、一対の流路部材１２のいずれかと接続されている。
【００２９】
一方が開口した有底容器である槽本体１３Ａの開口が蓋１３Ｂで覆われることによって、槽１３の内部が密閉されている。槽本体１３Ａの底には、流入口１４及び流出口１５が形成されている。流入口１４及び流出口１５は、例えば、槽本体１３Ａの壁に形成されたねじ穴にねじ溝を有するチューブコネクターを差し込むことにより形成される。流入口１４用のチューブコネクターには第１流体を槽１３内部へ供給するためのホースが差し込まれ、流出口１５用のチューブコネクターには第１流体を槽１３内部から排出するためのホースが差し込まれる。なお、槽１３の壁を入れ子継手（テレスコピックジョイント）状に加工して流入口１４及び流出口１５を形成してもよい。
【００３０】
槽１３の内部には、チューブ状の熱電素子１１が配置されている。図３及び図４を参照して熱電素子１１について説明する。図３及び図４に示すように、貫通孔が形成された円錐リング形状の第１部材１１Ａ及び貫通孔が形成された円錐リング形状の第２部材１１Ｂがそれぞれ交互に積層されている。さらに、貫通孔が形成され外径の異なる２つの円筒部分を有する端部材１１Ｃが第１部材１１Ａ及び第２部材１１Ｂの積層体の両端に配置されている。第１部材１１Ａ、第２部材１１Ｂ及び端部材１１Ｃがそれぞれ半田ペーストで接合されて熱電素子１１が構成されている。第１部材１１Ａ、第２部材１１Ｂ、及び端部材１１Ｃのそれぞれの貫通孔が連結されて熱電素子１１の貫通流路１１Ｄが形成されている。なお、図３及び図４では、３つの第１部材１１Ａと３つの第２部材１１Ｂが交互に積層されているが、任意の数の第１部材１１Ａ及び第２部材１１Ｂが積層されてよい。
【００３１】
第１部材１１Ａは金属からなり、例えばニッケル、コバルト、銅、アルミ、銀、金又はこれらの合金からなる。第２部材は熱電材料からなり、例えばＢｉ、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３、又はＰｂＴｅである。Ｂｉ２Ｔｅ３はＳｂ又はＳｅを含有しうる。端部材１１Ｃは金属からなり、例えば銅からなる。
【００３２】
熱電素子１１の内周面と外周面との間に温度差が生じると、ゼーベック効果によって熱電素子１１の軸方向に起電力が発生する。
【００３３】
図１に戻り、熱電発電装置１０の説明を続ける。槽本体１３Ａの互いに対向する一対の側壁には、その側壁を貫通するように流路部材１２が設けられている。流路部材１２は、槽１３の側壁から槽１３外部に向かって突出して延びている。また、流路部材１２は一端から他端まで延びる連通流路１２Ａが形成されている。流路部材１２の一端が熱電素子１１の端部と接続されて、貫通流路１１Ｄが連通流路１２Ａを介して槽１３の外部に連通している。一対の流路部材１２において、一方の流路部材１２は熱電素子１１の一端と、他方の流路部材１２は熱電素子１１の他端とそれぞれ接続されている。換言すると、熱電素子１１が槽１３の内周面から離間して配置されるように、一対の流路部材１２が熱電素子１１の両端を支持している。熱電素子１１と流路部材１２との接続方法としては、両者にねじ切り加工を施して両者をねじ止めする方法やナット及びフェルールを用いて両者を接続する方法などを用いることができる。
【００３４】
槽１３の側壁に流路部材１２を設ける方法としては、例えば、槽１３の側壁に設けたねじ穴に外周をねじ切り加工したチューブ状のジョイントを取り付ける方法や、槽１３の側壁に設けたドリル穴に流路部材１２であるユニオンジョイントを取り付ける方法などを用いることができる。
【００３５】
一方の流路部材１２の槽１３から外部へ突出した部分に、後述する第２流体を貫通流路１１Ｄへ供給するための供給用のホースが差し込まれる。また、他方の流路部材１２の槽１３から外部へ突出した部分に、貫通流路１１Ｄを流れる第２流体を槽１３外部へ排出するための排出用のホースが差し込まれる。
【００３６】
流路部材１２は、熱電素子１１の端部と接続された接続部から槽１３の外部まで延びる導電部が形成されている。槽１３外部の導電部には導線１６が接続されている。本実施形態では、流路部材１２は導電体であり、流路部材１２全体が導電部に相当する。流路部材１２の材料である導電体としては、例えば、銅、アルミ、真鍮、ステンレス等の金属である。導線１６を流路部材１２の導電部に接続する方法としては、インジウム片を用いて圧着する方法や流路部材１２にねじ穴を設け圧着端子を導線１６に接続してねじ止めする方法などを用いることができる。流路部材１２の導電部は、絶縁体である基材を金属膜等の導電膜を被覆することによって形成されていてもよい。このようにすれば、流路部材１２の軽量化を図るのに有利である。基材全体に導電膜を形成する必要はなく、流路部材１２の導電部が熱電素子１１と接続される部分と槽１３外部の導線１６と接続される部分とを含むように、基材に導電膜を形成すればよい。例えば、フッ素樹脂である基材に金属膜を被覆したものを用いればよい。導電部の電気抵抗としては、１００ｍΩ以下が望ましい。
【００３７】
なお、本明細書において、「導電体」とは、２０℃における電気伝導率が１０６Ｓ／ｍ以上を示すものをいい、「絶縁体」とは、２０℃における電気伝導率が１０−６Ｓ／ｍ未満を示すものをいう。
【００３８】
流路部材１２と槽１３とは電気的に絶縁されている。本実施形態では、槽１３が例えばアクリル樹脂やフッ素樹脂などの絶縁体で形成され、導電体で形成された流路部材１２と電気的に絶縁されている。
【００３９】
次に、図１を参照しつつ熱電発電装置１０を用いた発電方法について説明する。
【００４０】
まず、槽本体１３Ａ内に熱電素子１１を設置し、槽本体１３Ａに蓋１３Ｂをねじ等を用いて固定し槽１３内部を密閉する。このようにして、熱電発電装置１０を準備する。この状態で、槽１３の密閉空間へ第１流体を、貫通流路１１Ｄへ第１流体と温度の異なる第２流体を、それぞれ供給する。流入口１４を介して槽１３内部へ第１流体が供給される。また、第１流体の温度と異なる温度である第２流体が、一方の流路部材１２を介して熱電素子１１の貫通流路１１Ｄへ供給され、貫通流路１１Ｄを他方の流路部材１２へ向かって流れる。熱電素子１１の外周面と貫通流路１１Ｄを形成する内周面はそれぞれ温度の異なる第１流体と第２流体と接するので、熱電素子１１の外周面と貫通流路１１Ｄを形成する熱電素子１１の内周面との間には温度差が発生する。この温度差に起因して、熱電素子１１ではゼーベック効果によって熱電素子１１の軸方向に起電力が発生する。熱電素子１１で発生した起電力に由来する電力は、流路部材１２の導電部及び導線を介して熱電素子１１から取り出される。
【００４１】
槽１３内部の第１流体は、流出口１５を介して槽１３の外部へ排出される。また、熱電素子１１の貫通流路１１Ｄを流れる第２流体は、他方の流路部材１２を介して貫通流路１１Ｄの外部へ排出される。槽１３の内部及び貫通流路１１Ｄにそれぞれ第１流体及び第２流体が連続的に供給される。その結果、熱電素子１１の内周面と熱電素子１１の外周面との間に連続的に温度差が生じ、発電素子１１は連続的に発電する。
【００４２】
第１流体及び第２流体としては、例えば水、油、アルコールなどの液体や水蒸気などのガスを用いることができる。第１流体の温度は、第２流体の温度よりも高くてもよいし、低くてもよい。第１流体と第２流体との温度差が大きいほど熱電発電装置１０が発電する発電量は大きくなるので、第１流体と第２流体との温度差が十分に大きいことが望ましい。
【００４３】
＜第２実施形態＞
図５を参照しつつ、第２実施形態に係る熱電発電装置２０を説明する。なお、以下に説明する場合を除き、熱電発電装置２０は第１実施形態の熱電発電装置１０と同様に構成されている。従って、第１実施形態の熱電発電装置１０と共通する部分には同一の符号を用いて説明する。
【００４４】
熱電発電装置２０は、槽１３の内部に３つの熱電素子１１が配置されている。３つの熱電素子１１はそれぞれ、両端が一対の流路部材１２によって支持されている。ここで、熱電素子１１、流路部材１２、及び槽１３は第１実施態様と同様に構成されている。
【００４５】
一対の流路部材１２の槽１３外部の導電部に導線１６が接続されて、３つの熱電素子１１が直列に接続されている。具体的には、４本の導線１６のうち２本の導線１６は、直列に接続された３つの熱電素子１１を外部回路と接続しており、残り２本の導線１６は、隣り合って配置された２つの熱電素子１１の導電部同士を接続している。
【００４６】
複数の熱電素子１１を直列に接続することで熱電発電装置全体の発電量を増加させることができる。
【００４７】
＜その他の実施形態＞
本発明は様々な形態で実施されうる。例えば、第１実施形態において、槽１３を金属等の導電体で作製してもよい。この場合、流路部材１２と槽１３とが接触する箇所に予めＡｌ２Ｏ３やＳｉＯ２などの絶縁膜で被覆すればよい。このような絶縁膜は、例えばスパッタ法やＰＬＤ（Pulse Laser Deposition）法など公知の成膜法を用いて形成することができる。このような絶縁膜は、流路部材１２及び槽１３のいずれか一方に設けてもよいし、流路部材１２及び槽１３の両方に設けてもよい。
【００４８】
上記実施形態では、第１流体の流入口１４及び流出口１５は槽１３の底に形成されることとしたが、槽１３の側壁に形成されてもよい。
【実施例】
【００４９】
次に、実施例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。【００５０】
＜実施例１＞
（熱電素子の作製）
鋳造によってＮｉとＢｉ２Ｔｅ３からなる図２に示すような円錐リングを作製した。Ｎｉの円錐リングは、最大外径１４ｍｍ、最小内径１０ｍｍ、高さ４ｍｍとなるように作製した。Ｂｉ２Ｔｅ３の円錐リングは、最大外径１４ｍｍ、最小内径１０ｍｍ 、高さ３．２ｍｍとなるように作製した。また、Ｎｉの円錐リングとＢｉ２Ｔｅ３の円錐リングを積層した際の積層面が、Ｎｉの円錐リングとＢｉ２Ｔｅ３の円錐リングの積層方向に対して３０°の角度となるように、ＮｉとＢｉ２Ｔｅ３の円錐リングを作製した。【００５１】
機械加工により銅製の端部材を作製した。一方の端が外径６ｍｍ、長さが１７ｍｍの円柱状であり、他方の端が外径１４ｍｍ、長さが５ｍｍの円柱状であり、全長が２２ｍｍとなるように機械加工して、この銅製の端部材を作製した。端部材の中心には直径４ｍｍの貫通孔を形成した。【００５２】
Ｎｉの円錐リングとＢｉ２Ｔｅ３の円錐リングを外径４ｍｍのアルミ製の丸棒に交互に通して、Ｎｉの円錐リングとＢｉ２Ｔｅ３の円錐リングとを積層した。このＮｉの円錐リングとＢｉ２Ｔｅ３の円錐リングとの積層体の両端に上記の端部材を配置した。Ｎｉの円錐リング、Ｂｉ２Ｔｅ３の円錐リング、及び端部材の間にＳｎ‐Ｂｉからなる半田ペーストを塗り込んだ。このようにして組み立てたＮｉの円錐リング、Ｂｉ２Ｔｅ３の円錐リング、及び端部材の積層体を電気炉に入れ、１８０℃で６０分間加熱した。その後、室温まで冷やした後に積層体を電気炉から取り出し、アルミ製の丸棒を取り外して外径１４ｍｍ、内径１０ｍｍ、長さ１１００ｍｍのチューブ型熱電素子を得た。このチューブ型熱電素子の電気抵抗は４．５ｍΩであった。【００５３】
流路部材としてSwagelok社製のＳＵＳ３１６製ユニオン継手を使用した。ユニオン継手の電気抵抗は約０．２５ｍΩであった。【００５４】
幅３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、高さ２０ｍｍのアクリル製の上部が開放された水槽を用意し、水槽の側壁に、ユニオン継手を通す２つの貫通穴を水槽の対向する側壁に形成し、チューブコネクターを接続する２つのねじ穴を水槽の底壁に形成した。水槽の開放している端面には３０ｍｍ間隔でＭ３のねじ穴を形成した。水槽の壁の厚さは１０ｍｍであった。また、幅３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、高さ５ｍｍのアクリル製の蓋も作成した。蓋には蓋の周縁に沿って３０ｍｍ間隔で貫通穴を形成した。【００５５】
次に、上記のように作製したチューブ型熱電素子の両端を水槽の内部において一対のユニオン継手と接続した。なお、水槽の外部から水槽のユニオン継手用の貫通穴に一対のユニオン接続継手を挿入しつつ、ユニオン継手と水槽の壁との間にはシリコーンゴム製のパッキンを挟んだ。水槽の外部から突出した一対のユニオン継手にはシリコーンゴム製のホースを接続した。一方のユニオン継手に接続したシリコーンゴム製のホースは、温水循環装置の温水導入口に接続し、他方のユニオン継手に接続したシリコーンゴム製のホースは、温水循環装置の温水排出口に接続した。【００５６】
水槽の底壁に設けた２つのねじ穴にはそれぞれSwagelok社製のＳＵＳ製チューブコネクターを接続し、直径６ｍｍのシリコーンゴム製の２本のホースをそれぞれＳＵＳ製チューブコネクターに接続した。一方のシリコーンゴム製のホースは冷水循環装置の冷水導入口に接続した。他方のシリコーンゴム製のホースは冷水循環装置の冷水排出口に接続した。【００５７】
次に、シリコーンゴム製のパッキンを介して、水槽と蓋とをねじ止めすることによって、水槽全体を密閉した。最後に、水槽から水槽外部へ突き出たユニオン継手にインジウム片を用いて導線を圧着した。このようにして熱電発電装置を作製した。ユニオン継手に接続した導線を用いてユニオン継手及びチューブ型熱電素子全体の電気抵抗を測定したところ、ユニオン継手及びチューブ型熱電素子全体の電気抵抗は５．５ｍΩであった。【００５８】
温水循環装置及び冷水循環装置を用いて、チューブ型熱電素子の内部に８０℃の水を毎分５Ｌの流量で流し、水槽内に１０℃の水を毎分７Ｌの流量で流して、発電を行った。図６に実施例１に係る熱電発電装置の発電特性を示す。導線間で測定された開放電圧は１５０ｍＶであった。また、負荷を接続して発電特性を測定したところ、上記の条件下で、０．９８Ｗの発電量を得た。【００５９】
＜実施例２＞
実施例１と同様にしてチューブ型熱電素子を３本作製した。作製したチューブ型熱電素子の抵抗はすべて４．５ｍΩであった。【００６０】
流路部材としてSwagelok社製のＳＵＳ３１６製ユニオン継手を使用した。ユニオン継手の電気抵抗は約０．２５ｍΩであった。【００６１】
幅１３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、高さ２０ｍｍのアクリル製の上部が開放された水槽を用意し、水槽の側壁に、ユニオン継手を通す３つの貫通穴を水槽の対向する側壁にそれぞれ形成し合計６つの貫通穴を形成した。チューブコネクターを接続する６つのねじ穴を水槽の底壁に形成した。水槽の開放している端面には３０ｍｍ間隔でＭ３のねじ穴を形成した。水槽の壁の厚さは１０ｍｍであった。また、幅１３０ｍｍ、長さ１５０ｍｍ、高さ５ｍｍのアクリル製の蓋も作成した。蓋には蓋の周縁に沿って３０ｍｍ間隔で貫通穴を形成した。【００６２】
次に、上記の３本のチューブ型熱電素子のそれぞれについて両端を水槽の内部において一対のユニオン継手と接続した。なお、水槽の外部から水槽のユニオン継手用の貫通穴にユニオン接続継手を挿入しつつ、ユニオン継手と水槽の壁との間にはシリコーンゴム製のパッキンを挟んだ。水槽から水槽外部へ突出した６つのユニオン継手にはそれぞれシリコーンゴム製のホースを接続した。一方の側壁に設けられた３つのユニオン継手に接続された３本のシリコーンゴム製のホースを配管部品によって１本のチューブにまとめ、そのチューブを温水循環装置の温水導入口に接続した。他方の側壁に設けられた３つのユニオン継手に接続された３本のシリコーンゴム製のホースも配管部品によって１本のチューブにまとめ、そのチューブを温水循環装置の温水排出口に接続した。【００６３】
水槽の底壁に設けた６つのねじ穴にはそれぞれSwagelok社製のＳＵＳ製チューブコネクターを接続し、直径６ｍｍのシリコーンゴム製の６本のホースをそれぞれＳＵＳ製チューブコネクターに接続した。３本のシリコーンゴム製のホースを配管部材によって１本のチューブにまとめて、このチューブを冷水循環装置の冷水導入口に接続した。残り３本のシリコーンゴム製のホースも、配管部材によって１本のチューブにまとめて、このチューブを冷水循環装置の冷水排出口に接続した。【００６４】
次に、シリコーンゴム製のパッキンを介して、水槽と蓋とをねじ止めすることによって、水槽全体を密閉した。最後に、水槽外部から突き出たユニオン継手にインジウム片を用いて導線を圧着し、３本のチューブ型熱電素子を電気的に直列に接続した。このようにして実施例２に係る熱電発電装置を作製した。ユニオン継手に接続した導線を用いて熱電発電装置全体の電気抵抗を測定したところ、熱電発電装置全体の電気抵抗は１７ｍΩであった。【００６５】
温水循環装置及び冷水循環装置を用いて、各チューブ型熱電素子の内部に８０℃の水を温水循環装置から毎分５Ｌの流量で流し、水槽内に１０℃の水を冷水循環装置から毎分７Ｌの流量で流して、発電を行った。図７に実施例１における熱電発電装置の発電特性を示す。導線間で測定された開放電圧は４４０ｍＶであった。また、負荷を接続して発電特性を測定したところ、上記の条件下で、２．８Ｗの発電量を得た。【００６６】
＜比較例＞
実施例１と同様にしてチューブ型熱電素子を作製した。作製したチューブ型熱電素子の抵抗は４．５ｍΩであった。幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍ、高さ３００ｍｍの大きさのアクリル製の上部が開放された水槽を用意した。【００６７】
作製したチューブ型熱発電素子の両端に直接シリコーンゴム製のチューブを接続した。一方のシリコーンゴム製のチューブは、温水循環装置の温水導入口に接続した。他方のシリコーンゴム製のチューブは、温水循環装置の温水排出口に接続した。【００６８】
冷水循環装置の冷水導入口及び冷水排出口に接続したシリコーンゴム製のチューブを水槽内部に入れて、２０ｃｍの高さまで水槽を冷水で満たした。【００６９】
チューブ型熱電素子の両端に、インジウム片を用いて導線を圧着した。この状態でチューブ型熱電素子を水槽の内部に沈め、比較例に係る熱電発電装置とした。なお、比較例に係る熱電発電装置の水槽は上部が開放した状態であった。【００７０】
温水循環装置及び冷水循環装置を用いて、チューブ型熱発電素子の内部に８０℃の水を毎分５Ｌの流量で流し、水槽内に１０℃の水を毎分７Ｌの流量で流して、発電を行った。図８に比較例における熱電発電装置の発電特性を示す。導線間で測定された開放電圧は６５ｍＶであった。また、負荷を接続して発電特性を測定したところ、上記条件下で発電量は０．２Ｗであった。【００７１】
実施例１の熱電発電装置の発電量は、比較例の熱電発電装置の発電量の約５倍であった。これは、水槽が蓋で密閉されたことで、チューブ型熱電素子周辺の冷水の流れの流速が高まり、チューブ型熱電素子が効率的に冷却されたためであると推測される。また、実施例２の熱電発電装置の発電量が示す通り、複数のチューブ型熱電素子を直列に接続することで熱電発電装置の発電量が増加することが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の熱電発電装置は、排熱や温泉の熱を用いた発電に利用可能である。
【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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【国際調査報告】
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