(57)【要約】【課題】熱電変換モジュールを収容する空間の圧力が外気圧と等しいか否かを、使用中に確認することができる熱電発電システムを提供する。【解決手段】可撓性気密ケース４０とフランジ６０とからなる密閉容器内に熱電変換モジュール３０が封入され、密閉容器内が減圧または加圧された熱電発電システムにおいて、密閉容器内内圧状態を視認可能な内圧検知部材８０を設置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器内に熱電変換モジュールが封入され、前記密閉容器内が減圧または加圧された熱電発電システムにおいて、
前記密閉容器に、内圧検知部材を設置した熱電発電システム。
【請求項２】
密閉容器内に熱電変換モジュールが封入され、前記密閉容器内が減圧または加圧された熱電発電システムにおいて、
前記密閉容器に、該密閉容器に連通する空間を有するとともに内圧検知部材を備える内圧検知手段を設置した熱電発電システム。
【請求項３】
前記密閉容器の外部に他の部材が配置されるとともに、前記内圧検知手段を前記他の部材に配置した請求項２に記載の熱電発電システム。
【請求項４】
前記内圧検知部材が、可撓性を有する部材で構成される請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電システム。
【請求項５】
前記熱電変換モジュールに連結された電極が、前記内圧検知手段を通して外部に取り出される請求項１〜４のいずれか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】
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して発電する熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱電変換モジュールの強度および耐久性を改善し、いかなる雰囲気でも使用可能とするために、可撓性気密ケース入り熱電変換モジュールＡ（特許文献１）がある。また、真空または不活性ガスを封入した金属ケースに密閉した熱電変換モジュールＢ（特許文献２）もある。気密ケース入りモジュールの原理を基本とし、自動車用など大型化に適した熱電変換システムとしては上記の他に、例えばＣ（特許文献３）およびＤ（特許文献４）などもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０４９８７２号公報
【特許文献２】特開２００６−３３２３９８号公報
【特許文献３】特開２０１３−１６５２４０号公報
【特許文献４】特開２０１４−０８６６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上のうちＡ、ＣおよびＤの構造では、熱電変換モジュールの高温側または低温側の少なくとも一方の全部または一部を薄肉金属製の可撓性パネルとし、熱電変換モジュールを収容する空間を真空または減圧することにより熱電変換モジュールに密着させ、これにより接触熱抵抗を低減させて熱電変換モジュールに最大限の温度差を与える狙いである。
【０００５】
上記発明のうち、Ａでは可撓性パネルが露出しているため、これが内部の熱電変換モジュールに密着している状況を目視で確認できる。すなわち可撓性パネルが熱電変換モジュール表面の電極の形状に沿って変形していることが目視できる。これに対して溶接欠陥などが原因で内部の真空または減圧状況が保持できなくなると、可撓性パネルと熱電変換モジュールとの密着が得られなくなり、可撓性パネルが熱電変換モジュール上に浮き上がることを目視で確認できる。このような状況では熱電変換モジュールに十分な温度差を与えることができないため、直ちに交換または修理する必要がある。
【０００６】
一方、Ｂの発明では、金属ケースに可撓性はないため、内部の圧力状態をケースの外観でチェックすることは不可能なことが問題点だった。もしケースに漏洩箇所が生ずると、空気、水分および腐食性ガスなどが内部に侵入し、モジュールの破損や劣化の原因となるため、直ちに使用を中止して対策を講ずる必要がある。
【０００７】
次にＣおよびＤの発明では、可撓性パネルが水冷ダクト内または加熱ダクト内に収容される構造のため、目視で可撓性パネルと熱電変換モジュールの密着状況を確認することが不可能である。すなわち熱電変換モジュールを収容する空間が真空または減圧に維持されているか否かを、使用中に確認する手段がないことが問題であった。上記空間が真空または減圧に維持できない場合には、空気または冷却水が侵入している可能性があり、熱電変換モジュールに十分な温度差を与えることができないのみならず、浸水による電気的短絡などの恐れもある。よってこのような場合には、直ちに使用を中止して対策を講ずる必要がある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱電変換モジュールを収容する空間の圧力が外気圧と等しいか否かを、使用中に確認することができる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】
【０００９】
本発明の請求項１に係る熱電発電システムは、密閉容器内に熱電変換モジュールが封入され、前記密閉容器内が減圧または加圧された熱電発電システムにおいて、前記密閉容器に内圧検知部材を設置したことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の請求項２に係る熱電発電システムは、密閉容器内に熱電変換モジュールが封入され、前記密閉容器内が減圧または加圧された熱電発電システムにおいて、前記密閉容器に、該密閉容器に連通する空間を有するとともに内圧検知部材を備える内圧検知手段を設置したことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項２に係る熱電発電システムにおいては、前記密閉容器の外部に他の部材が配置されるとともに、前記内圧検知手段を前記他の部材に配置した形態を含む。
【００１２】
本発明の請求項１〜３のいずれかに係る熱電発電システムにおいては、前記内圧検知部材が、可撓性を有する部材で構成される形態を含む。
【００１３】
本発明の請求項１〜４のいずれかに係る熱電発電システムにおいては、前記熱電変換モジュールに連結された電極が、前記内圧検知手段を通して外部に取り出される形態を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱電変換モジュールを収容する空間の圧力が外気圧と等しいか否かを、使用中に確認することができる熱電発電システムが提供されるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電発電システムの側断面図である。
【図２】同熱電発電システムの正面図（一部が図１のII−II断面）である。
【図３】同熱電発電システムが具備する熱電変換モジュールの斜視図である。
【図４】同熱電変換モジュールの側面図である。
【図５】第１実施形態の内圧検知部材の形状例および動作を示す断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る熱電発電システムの一部断面側面図である。
【図７】図６のVII−VII断面図である。
【図８】図６のVIII−VIII断面図である。
【図９】内圧検知手段の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［１］第１実施形態の全体構造
図１は本発明の第１実施形態に係る熱電発電システム１Ａの側断面図で、自動車の排気ガス用である。また、図２はこの熱電発電システム１Ａの正面図（一部がII−II断面）を示す。
【００１７】
本実施形態では、加熱ダクト１０の上下面に複数の熱電変換モジュール３０を並べ、その周囲に可撓性気密ケース４０を備える。さらに外側に外ケース５０を備える。可撓性気密ケース４０および外ケース５０の各両端部は各々フランジ６０で固定され、これらのフランジ６０は加熱ダクト１０に固定されている。これにより加熱ダクト１０と可撓性気密ケース４０の間の熱電変換モジュール３０が設置された空間２は、真空または減圧雰囲気に保持できる。本実施形態では、可撓性気密ケース４０およびフランジ６０によって本発明の密閉容器が構成されている。可撓性気密ケース４０と外ケース５０の間の空間は冷却ダクト２０を構成し、冷却ダクト２０には冷却水が流される。図２に示す配管２１は、冷却ダクト２０内に冷却水を供給するか、または冷却水を排出するものである。
【００１８】
熱電変換モジュール３０は、図３および図４に示すように、マトリクス状に配列され、温度差が与えられることで発電する複数の熱電変換素子３１と、これら熱電変換素子３１を直列に接続する高温側電極３２および低温側電極３３とからなるもので、全体として矩形状に形成されている。なお、図１および図２では熱電変換モジュール３０を簡略化して示している。熱電変換素子３１は、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリサイド系、マンガン−シリサイド系、鉄−シリサイド系、ビスマス−テルル系等の、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するものが適宜用いられる。
【００１９】
各電極３２，３３は銅板等からなるもので、熱電変換素子３１はそれら電極３２，３３を介して交互に直列に接続されている。高温側電極３２は、隣接する一対の熱電変換素子３１の上面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。また、低温側電極３３は、隣接する一対の熱電変換素子３１の下面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。図３に示すように、１つの熱電変換モジュール３０においては、＋（プラス）側および−（マイナス）側の一対のリード線３５Ａ，３５Ｂが低温側の電極３３に接続されている。可撓性気密ケース４０内の全ての熱電変換モジュール３０はリード線３５Ａ，３５Ｂを介して直列に接続され、これら熱電変換モジュール３０で発電された電気は、＋側および−側の外部接続用リード線（不図示）から外部に取り出される。フランジ６０にはこの外部接続用リード線を引き出すための貫通電極７０が、少なくとも２個設置されている。
【００２０】
さらに、フランジ６０の外側には内圧検知部材８０が設置されている。内圧検知部材８０には、内圧に応じて凹状および凸状に変形する変形部８１が形成されている。内圧検知部材８０内の空間８２と熱電変換モジュール３０が設置された可撓性気密ケース４０内の空間２は、フランジ６０に形成された連通孔６１により等圧となる。
【００２１】
内圧検知部材８０は板厚０．１ｍｍ程度の金属製シートをプレス成形したもので、フランジ６０に溶接されている。なお、内圧検知部材８０は、プラスチック製、樹脂製およびゴム製などで同様な形状でもよく、この場合はフランジ６０に接着することで気密を保持する。なお、内圧検知部材８０は、後述する第２実施形態のように、貫通電極を設置するジャンクション・ボックスに取り付けてもよい。  
【００２２】
［２］熱電発電システムの発電作用
上記構成からなる熱電発電システム１Ａは、熱電変換モジュール３０が設置された可撓性気密ケース４０内の空間２が真空または減圧雰囲気に保持される。そして、加熱ダクト１０内に自動車の排気ガスが流され、冷却ダクト２０内に水などの冷却媒体が流される。すると熱電変換モジュール３０の熱電変換素子３１は、片側が加熱ダクト１０により加熱され、かつ、反対側が冷却ダクト２０により冷却される。これにより熱電変換素子３１に温度差が与えられて熱電変換素子３１が発電し、熱電発電システム１Ａが稼働状態となる。発電された電気は、直列に接続された各熱電変換モジュール３０を経て貫通電極７０から取り出される。
【００２３】
［３］内圧検知部材の形状および動作
次いで、本発明に係る内圧検知部材８０の形状および動作を図５（ａ）〜（ｅ）に示す。図５（ａ）〜（ｅ）においては、上側の図が成形冷却後の通常状態であって内外等圧時を示し、下側の図が減圧により変形部８１が変形した状態を示す。
【００２４】
図５（ａ）〜（ｄ）の内圧検知部材８０は、板厚０．１ｍｍ程度の金属製シートをプレス成形したもので、直径が２〜３ｃｍ程度以上の軸対称型、または一辺が２〜３ｃｍ程度以上の角形などである。プレス成形時および内外等圧時は変形部８１が凸型または平面である。プラスチック製、樹脂製およびゴム製などの場合、成形冷却後および内外等圧時は変形部８１が凸型または平面である。しかしいずれの材質でも、熱電変換モジュール３０が設置された可撓性気密ケース４０内の空間２が真空または減圧時に、変形部８１が凹型となるため、使用中に内圧の判定、すなわち外気圧と等しいか否かの判定が目視により容易である。
【００２５】
図５（ｅ）の内圧検知部材８０は、平坦な円形または角形形状で板厚０．１ｍｍ程度の金属製シートの周辺部をフランジ８０に溶接などにより固定して拘束したもので、拘束部分以外のほぼ全体が変形部８１である。このような平面状の金属シートからなる内圧検知部材８０は、図５（ａ）〜（ｄ）のようなプレス成形による立体形状に比べ、内外の圧力差による変位量が小さいが、直径または一辺が５〜６ｃｍ以上の大型になれば、目視による内圧の判定が可能となる場合があり、薄肉で大面積のシートほど変位量を大きくできる。すなわち内外等圧時は平面であり、内部減圧時は微少な凹型となる。
【００２６】
なお、内圧検知部材８０が作動すべき圧力範囲は、真空または減圧空間とされる可撓性気密ケース４０内の空間２の内圧に応じたものとなる。例えばその内圧がゲージ圧で−０．４ｂａｒから真空の間であった場合には、この圧力範囲で内圧検知部材８０が凹型となり、内外圧が均等になった場合には凸型または平面になるという特性を有している必要がある。
【００２７】
［４］第２実施形態
図６は第２実施形態の熱電発電システム１Ｂの側面図および内部を示す。これも自動車の排気ガス用である。また、図７は図６のVII−VII断面図、図８は図６のVIII−VIII断面図を示す。これら図で上記第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付している。
【００２８】
本実施形態では、加熱ダクト１０の上下面に複数の熱電変換モジュール３０を並べ、その周囲にパネル４１を備える。パネル４１は、全面または周辺部が可撓性であり、内ケース４２の開口部にはめ込まれて互いに溶接されている。さらに外側に外ケース（他の部材）５０を備える。加熱ダクト１０と可撓性パネル４１および内ケース４２との間の熱電変換モジュール３０が設置された空間２は、真空または減圧雰囲気に保持できる。パネル４１および内ケース４２と外ケース５０との間の空間は冷却ダクト２０を構成し、冷却ダクト２０には冷却水が流される。図２に示す配管２２，２３は、それぞれ冷却ダクト２０内に連通する冷却水の入口配管および出口配管である。
【００２９】
外ケース５０には、厚肉のジャンクション・ボックス（内圧検知手段）９０が溶接され、図７および図８に示すように、ジャンクション・ボックス９０内の空間９２と熱電変換モジュール３０が設置された空間２は、連通孔９１により等圧となる構造である。ジャンクション・ボックス９０には熱電変換モジュール３０に接続された上記外部接続用リード線を引き出すための貫通電極７０が、少なくとも２個設置されている。すなわち、熱電変換モジュール３０に連結された貫通電極７０がジャンクション・ボックス９０を通して外部に取り出されるようになっている。そして内圧検知部材８０がジャンクション・ボックス９０に設置されている。
【００３０】
この第２実施形態では、可撓性パネル４１および内ケース４２によって本発明の密閉容器が構成されている。可撓性パネル４１および内ケース４２は外ケース５５０で覆われ直接視認できない。しかし、外ケース５０にジャンクション・ボックス９０および内圧検知部材８０を設けることで、熱電変換モジュール３０が配置されて視認できない可撓性パネル４１および内ケース４２内の空間２の内圧判定が使用中でも可能となっている。
【００３１】
なお、内圧検知手段は、前述した第１実施形態のように、貫通電極を設置するフランジ上に取り付けてもよい。また、貫通電極を設置するジャンクション・ボックスとは別の外ケース上に取り付けてもよい。これらの場合は本内圧検知手段内の空間と熱電変換モジュールが設置された空間は、専用の連通孔により等圧となる構造とする。
【００３２】
［５］内圧検知手段の変形例
内圧検知手段の変形例を図９（ａ）、（ｂ）に示す。
図９（ａ）はジャンクション・ボックス９０と内圧検知部材８０を一体成形した構造である。このジャンクション・ボックス９０および内圧検知部材８０は、板厚０．１ｍｍ程度の金属製シートをプレス成形したもので、図６〜図８に示したジャンクション・ボックス９０と同様に、外ケース５０に溶接されている。なお、内圧検知部材８０を一体に有するジャンクション・ボックス９０は、プラスチック製、樹脂製およびゴム製などで同様な形状でもよく、その場合はフランジ６０に接着することで気密を保持する。
【００３３】
図９（ｂ）は厚肉のジャンクション・ボックス９０に開口部９３を設け、そこに板厚０．１ｍｍ程度の金属製シートをプレス成形した平面状の内圧検知部材８０を溶接したものである。内圧検知部材８０は、図６〜図８の内圧検知部材８０のようにジャンクション・ボックス９０から突き出すことが必須ではなく、このように同一平面状であってもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１Ａ，１Ｂ…熱電発電システム
２…密閉容器内の空間
３０…熱電変換モジュール
４０…可撓性気密ケース（密閉容器）
４１…可撓性パネル（密閉容器）
４２…内ケース（密閉容器）
５０…外ケース（他の部材）
７０…貫通電極
８０…内圧検知部材
９０…ジャンクション・ボックス（内圧検知手段）
９２…ジャンクション・ボックス内の空間
【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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