(57)【要約】【課題】熱電モジュールの加熱・冷却効率を高めるようにした、発電ユニットの伝熱構造を提供する。【解決手段】熱電モジュール１１を、受熱盤２０と冷却ユニット３０との間に挟持して構成した発電ユニットの伝熱構造において、加熱側対向面２０ｃの一部を板状に突設させて熱電モジュール１１と略同形に形成された加熱側台座２０ａと、冷却側対向面３０ｃの一部を板状に突設させて熱電モジュール１１と略同形に形成された冷却側台座３０ａと、加熱側台座２０ａと熱電モジュール１１との間に挟持された加熱側伝熱シート４１と、冷却側台座３０ａと熱電モジュール１１との間に挟持された冷却側伝熱シート４２と、加熱側台座２０ａ、加熱側伝熱シート４１、熱電モジュール１１、冷却側伝熱シート４２、冷却側台座３０ａの周囲における、加熱側対向面２０ｃと冷却側対向面３０ｃとの間に介装された断熱材１２と、を備える。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電素子を電気的に連結して構成した板状の熱電モジュールを、受熱盤と冷却ユニットとの相互に対向する加熱側対向面と冷却側対向面との間に挟持して構成した発電ユニットの伝熱構造において、
前記加熱側対向面の一部を板状に突設させて前記熱電モジュールと略同形に形成された加熱側台座と、
前記冷却側対向面の一部を板状に突設させて前記熱電モジュールと略同形に形成された冷却側台座と、
前記熱電モジュールと略同形に形成されて前記加熱側台座と前記熱電モジュールとの間に挟持された加熱側伝熱シートと、
前記熱電モジュールと略同形に形成されて前記冷却側台座と前記熱電モジュールとの間に挟持された冷却側伝熱シートと、
前記加熱側台座、前記加熱側伝熱シート、前記熱電モジュール、前記冷却側伝熱シート、前記冷却側台座の周囲における、前記加熱側対向面と前記冷却側対向面との間に介装された断熱材と、を備える、
ことを特徴とする発電ユニットの伝熱構造。
【請求項２】
前記断熱材を貫通して前記受熱盤と前記冷却ユニットとを連結する締結部材を有し、
前記締結部材が、合成樹脂製である、
ことを特徴とする請求項１に記載の発電ユニットの伝熱構造。
【請求項３】
前記加熱側台座の厚さを加熱側厚さ、前記冷却側台座の厚さを冷却側厚さとしたときに、前記受熱盤の熱容量が前記冷却ユニットの熱容量よりも大きい場合には、前記加熱側厚さを前記冷却側厚さよりも厚くし、前記受熱盤の熱容量が前記冷却ユニットの熱容量よりも小さい場合には、前記加熱側厚さを前記冷却側厚さより薄くする、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電ユニットの伝熱構造。
【請求項４】
前記加熱側台座及び前記冷却側台座の周囲に、前記断熱材が係合されて位置決めされる溝部が形成されている、
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発電ユニットの伝熱構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の熱電素子によって構成された熱電モジュールの温度差を利用して発電を行う水冷式の発電ユニットの伝熱構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の熱電素子を電気的に接続して構成した熱電モジュールの両端に温度差を生じさせると、いわゆる起電力が発生する現象が、ゼーベック効果として知られている。
【０００３】
この現象を利用した発電装置が、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００４】
このものは、加熱室を覆う断熱材の外側に、空隙部を介して、水冷ジャケットを設け、この水冷ジャケットの内壁面に、断熱材とは非接触となるように熱電モジュールを貼り付けている。熱電モジュールは、Ｐ型半導体とｎ型半導体とを交互に並べて構成されていて、断熱材に対面する側が高温側となり、一方、冷却ジャケット側が低温側となって、両者間に起電力を発生させるようになっている。
【０００５】
この発電装置は、水冷ジャケットを使用した水冷式を採用しているため、空冷式と比較して、効率よく冷却を行って、熱電変換効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１７１７７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、熱電変換を利用した発電装置を実用化するためには、熱電モジュールの加熱、冷却効率を高めて、さらに高い、熱電変換効率を得ることが求められている。
【０００８】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、熱電モジュールの加熱・冷却効率を高めるようにした、発電ユニットの伝熱構造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】
請求項１に係る発明は、複数の熱電素子を電気的に連結して構成した板状の熱電モジュールを、受熱盤と冷却ユニットとの相互に対向する加熱側対向面と冷却側対向面との間に挟持して構成した発電ユニットの伝熱構造において、前記加熱側対向面の一部を板状に突設させて前記熱電モジュールと略同形に形成された加熱側台座と、前記冷却側対向面の一部を板状に突設させて前記熱電モジュールと略同形に形成された冷却側台座と、前記熱電モジュールと略同形に形成されて前記加熱側台座と前記熱電モジュールとの間に挟持された加熱側伝熱シートと、前記熱電モジュールと略同形に形成されて前記冷却側台座と前記熱電モジュールとの間に挟持された冷却側伝熱シートと、前記加熱側台座、前記加熱側伝熱シート、前記熱電モジュール、前記冷却側伝熱シート、前記冷却側台座の周囲における、前記加熱側対向面と前記冷却側対向面との間に介装された断熱材と、を備える、ことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発電ユニットの伝熱構造において、前記断熱材を貫通して前記受熱盤と前記冷却ユニットとを連結する締結部材を有し、前記締結部材が、合成樹脂製である、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発電ユニットの伝熱構造において、前記加熱側台座の厚さを加熱側厚さ、前記冷却側台座の厚さを冷却側厚さとしたときに、前記受熱盤の熱容量が前記冷却ユニットの熱容量よりも大きい場合には、前記加熱側厚さを前記冷却側厚さよりも厚くし、前記受熱盤の熱容量が前記冷却ユニットの熱容量よりも小さい場合には、前記加熱側厚さを前記冷却側厚さより薄くする、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に係る発電ユニットの伝熱構造において、前記加熱側台座及び前記冷却側台座の周囲に、前記断熱材が係合されて位置決めされる溝部が形成されている、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、受熱盤の加熱側対向面における加熱側台座の周囲、つまり加熱側台座以外の部分は断熱材が配置されているので、受熱盤の熱は加熱側台座に集中し、加熱側伝熱シートを通過して、効率よく熱電モジュールに伝達される。同様に、冷却ユニットの冷却側対向面における冷却側台座の周囲、つまり冷却側台座以外の部分は断熱材が配置されているので、冷却ユニットは、冷却側台座、冷却側伝熱シートを介して、熱電モジュールを効率よく冷却することができる。さらに、熱電モジュールは、加熱側伝熱シートと冷却側伝熱シートとを介して、受熱盤と冷却ユニットとによって挟持されているので、これらシートによって密着性が向上して熱の伝達効率が上昇するとともに、これらシートが緩衝材として作用するため、組み立て時等の破損を防止することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、断熱材を貫通して受熱盤と冷却ユニットとを締結する締結部材を、合成樹脂製としたので、締結部材が一般的な鋼材である場合と比較して断熱性が高いため、締結部材を介して受熱盤側から冷却ユニット側に漏れる熱量を低減することができる。さらに、締結部材が合成樹脂製であるため、鋼材の場合と比較して、締結力が強すぎることに起因する、熱電モジュールの破損を少なくすることができる。このため、組み立て時の作業性が向上する。
【００１５】
請求項３の発明によれば、熱平衡を取りやすい位置に熱電モジュールを配置することができるので、熱電モジュールの冷却効率を高めることができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、溝部に断熱材の一部を係合させることにより、断熱材を容易に位置決めすることができ、位置決め後には不要に移動することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（ａ）は、発電ユニット１の上面図、（ｂ）は（ａ）中の矢印Ａ−Ａ線に沿って切断して示す断面図、（ｃ）は下面図である。
【図２】図１（ｂ）中の矢印Ｂ−Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。
【図３】発電ユニット１の冷却状態を説明する図である。
【図４】熱電モジュール１１を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は右側面図である。
【図５】複数の熱電モジュール１１を使用した発電ユニット２を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）中のＣ−Ｃ線で切断して示す断面図、（ｃ）は上面図である。
【図６】発電ユニット２の冷却フィン３３を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は右側面図である。
【図７】図７は発電ユニット２の筐体３１を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は右側面図である。
【図８】熱電モジュール３の分解斜視図である。
【図９】受熱盤２０と冷却ユニット３０とを組み合わせた状態で、図８中の矢印Ｃ−Ｃ線沿って切断して模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳述する。なお、各図面において、同じ符号を付した部材等は、同じ構成のものであり、これらについての重複説明は適宜省略するものとする。また、各図面においては、説明に不要な部材等は適宜、図示を省略している。
＜実施形態１＞
【００１９】
図１〜図４を参照して、本発明に係る発電ユニットの断熱構造を適用しうる、発電ユニットの基本的な構成を説明する。ここで、図１（ａ）は、発電ユニット１の上面図、（ｂ）は（ａ）中の矢印Ａ−Ａ線に沿って切断して示す断面図、（ｃ）は下面図である。図２は、図１（ｂ）中の矢印Ｂ−Ｂ線に沿って切断して示す断面図である。図３は、発電ユニット１の冷却状態を説明する図である。図４は熱電モジュール１１を説明する図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は右側面図である。
【００２０】
発電ユニット１は、熱電ユニット１０と、加熱部としての受熱盤２０と、冷却部としての冷却ユニット３０とを備えており、全体として、直方体状に形成されていて、熱電ユニット１０を、受熱盤２０と冷却ユニット３０との間で挟持するようにして構成されている。
【００２１】
熱電ユニット１０は、熱電モジュール１１、断熱材１２、後に図８，図９を参照して詳述する伝熱シート４１，４２、締結部材としてのボルト４３，４４とを有して構成されている。このうち、熱電モジュール１１は、２種の異なる金属又は半導体を接合してその両端に温度差を生じさせると起電力が発生するという、いわゆるゼーベック効果を利用したものである。発電ユニット１では、大きな電位差を得るために、熱電モジュール１１として、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、ｐ型半導体とｎ型半導体とを組み合わせて構成した熱電素子（ベルチェ素子）１１ａを縦横に多数整列させ、表裏を絶縁板１１ｂで挟み込んだものを使用している。熱電モジュール１１は、例えば、２５４個の熱電素子１１ａを縦横に整列させた状態で配置し、隣接する２個の熱電素子１１ａを次々に接続したものを使用している。
【００２２】
この際、２５４個の熱電素子１１ａを複数のグループに分け、グループ内の複数の熱電素子１１ａについては、相互に隣接する２つの熱電素子１１ａを一方の端部側で接続し、次に隣接する２つの熱電素子１１ａを他方の端部側で接続するというように、いわゆる直列に接続する。そして、グループ間については並列に接続する。複数の熱電素子１１ａをすべて直列に接続すると、内部抵抗が大きくなるため、電力を大きくするとその分内部抵抗も大きくなる。このため、電熱モジュール１１の電流を小さくするため、上述のように、直列接続と並列接続とを併用している。この方法によると、稼動に対する冗長が得られるので、発電稼動を大幅に向上させることができる。すなわち、熱電モジュール１１の故障に対して、並列内の一部の系の故障による発電停止を防止することができる。この故障により一部の系が停止しても熱電モジュール１１としての機能は停止することがない。ただし、機能は低下するが、予防保全で機能を回復させることで、稼動率は飛躍的に向上させることができる。なお、熱電素子１１ａの接続については、熱電素子１１ａの単体としての起電力や全体としての起電力等に応じて、直列接続と並列接続の個数を適宜に設定するものとする。熱電モジュール１１で発生した起電力は、出力端子１１ｃから取り出すことができる。熱電モジュール１１は、図１に示すように、高温側となる前面１３ａ側（受熱盤２０側、図１中の右側）及び低温側となる後面１３ｂ側には、詳しくは後述する伝熱シート４１，４２が配設され（ただし、図１では図示を省略）、これら以外の４面、すなわち、上面１３ｃ，下面１３ｄ，左面１３ｅ，右面１３ｆは、断熱材１２によって覆われている。
【００２３】
加熱部としての受熱盤２０は、熱を受ける部分であり、例えば、熱伝導性に優れる金属によって構成されている。受熱盤２０を加熱する熱源としては、例えば、温泉場の地熱や高温の源泉を使用することができる。また、ゴミ焼却場等において、ゴミを焼却する際に発生する排熱を使用することができる。つまり、熱源としては、通常では廃棄される熱を有効利用できるものが好ましい。図１に示すように、受熱盤２０は、熱電モジュール１１の前面１３ａに後述の伝熱シート４１を介して密着するように配置されていて、熱電モジュール１１に高熱を伝えるようになっている。
【００２４】
冷却部としての冷却ユニット３０は、筐体３１と、この筐体３１の内側に配設された複数の冷却フィン３３とを備えている。
【００２５】
筐体３１は、図１，図２に示すように、ほぼ直方体状に形成されていて、６つの壁部を有している。６つの壁部は、底部（下壁部）３２ａ，天井部（上壁部）３２ｂ，前壁部３２ｃ，後壁部３２ｄ，左壁部３２ｅ，右壁部３２ｆである。これら６つの壁部のうち、前壁部３２ｃは、熱電モジュール１１に近い壁部（第２の壁部）となり、熱電モジュール１１の後面１３ｂに対して、後述する伝熱シート４２を介して接触するように配置されている。また、後壁部３２ｄは、熱電モジュール１１から遠い壁部（第１の壁部）となり、後述する複数の冷却フィン３３を支持する、これらと一体の支持板が兼用されている。つまり、複数の冷却フィン３３の基端部３３ａを支持する支持板によって、後壁部３２ｄが形成されている。筐体３１は、上述の６つ壁部のうち、支持板によって構成された後壁部３２ｄが冷却フィン３３と同様のアルミ材（アルミニウム材）によって形成されており、残りの５つの壁部、すなわち、底部３２ａ，天井部３２ｂ，前壁部３２ｃ，左壁部３２ｅ，右壁部２３ｆは、金属の中でも熱伝導率が高い銅によって形成されている。上述の後壁部３２ｄについても、熱伝導率の点からは銅製が好ましいが、後壁部３２ｄが複数の冷却フィン３３と一体に形成されていて、冷却フィン３３のコストを低減するために、後壁部３２ｂをアルミ材によって形成している。なお、筐体３１の材質については、上述のものに限定されるものではなく、大きさ，重量，強度，熱伝導率，コスト等を総合的に考慮して適宜に設定することが好ましい。上述の６つの壁部に囲まれた部分、つまり、筐体３１の内側には、ほぼ直方体状の冷却室Ｒが形成されている。この冷却室Ｒには、冷却水Ｗが充填されるようになっている。
【００２６】
筐体３１の底部３２ａには、３個の注水口３１ａが穿設されている。３個の注水口３１ａは、図１に示すように、前後方向の位置については、いずれも同じ位置に配置されていて、後述する冷却フィン３３の傾斜部３３ｂに対応する位置に配置されている。一方、３個の注水口３１ａの、左右方向の位置については、次に説明する３個の排水口３１ｂのそれぞれとほぼ同じ位置に配置されている。
【００２７】
筐体３１の天井部３２ｂには、３個の排水口３１ｂが穿設されている。３個の排水口３１ｂは、図１，図２に示すように、前後方向の位置については、いずれも同じ位置に配置されていて、後述する冷却フィン３３の傾斜部３３ｂのうちの、最も前壁部３２ｃに近い部分に対応する位置に配置されている。この位置は、上述の注水口３１ａよりも前側となる。一方、３個の排水口３１ｂの、左右方向の位置については、３個の注水口３１ａのそれぞれとほぼ同じ位置に配置されている。底部３２ａの注水口３１ａからは、冷却水Ｗが注入され、注入された冷却水Ｗは、冷却室Ｒ及び冷却フィン３３を冷却して、天井部３２ｂの排水口３１ｂから排出される。冷却水Ｗとしては、例えば、発電ユニット１が温泉場に設置される場合には、地下水や河川の水等を使用することができ、また、ゴミ焼却場に設置される場合には、水道水を使用することができる。
【００２８】
冷却フィン３３は、前後方向及び上下方向に延びる板状に形成されていて、複数枚のものが左右方向に沿って所定の間隙を介して整列されている。図１に示すように、各冷却フィン３３は、後端側に位置する基端部３３ａが、後壁部３２ｄを構成する支持板に連結され、先端部が前壁部３２ｃに向かって延びている。先端部には、傾斜部３３ｂが形成されている。傾斜部３３ｂは、下端側から上端側に向かうにしたがって、前壁部３２ｃに近づくように傾斜している。上述の注水口３１ａの前後方向の位置は、傾斜部３３ｂにおける下端と上端との間に対応する位置に設定されている。また、上述の排水口３１ｂの前後方向の位置は、傾斜部３３ｂにおける上端近傍に対応する位置に設定されている。また、冷却室Ｒにおける、冷却フィン３３の傾斜部３３ｂと前壁部３２ｃの内面との間には、注水口３１ａから注入されて排水口３１ｂから排出される冷却水Ｗが円滑に流れるように、適宜な空間が形成されている。すなわち、冷却水Ｗは、傾斜部３３ｂと、前壁部３２ｃとの間、すなわち冷却室Ｒにおける前側においては、円滑に流れ、一方、左壁部３２ｅと冷却フィン３３の間及び相互に隣接する２つの冷却フィン３３の間及び右壁部３２ｆと冷却フィン３３との間においては、適宜に滞留して冷却フィン３３等を十分に冷却することができるようになっている。上述のように、複数の冷却フィン３３は、後壁部３２ｄを構成する支持板に立設されていて、全体が一体に形成されている。冷却フィン３３及び支持板は、熱伝導が良好であるという観点からは、コストを抑制するために、アルミ製（アルミニウム製）としている。
【００２９】
図１（ｂ）中の矢印ａ１〜矢印ａ１０、また、図２中の矢印ｂ１〜矢印ｂ１０は、高温側から低温側に移動する熱の移動方向を模式的に示す。これらの図に示すように、受熱盤２０に伝達された熱は、電熱モジュール１１の表面１３ａ側を高温に加熱する（矢印ａ１，ｂ１）。この熱は、熱電モジュール１１の後面１３ｂ側に伝達され、筐体３１の前壁部３２ｃに伝達され、その大部分は、冷却水Ｗによって奪われる。上述のように、注水口３１ａから冷却室Ｒ内に注入された冷却水Ｗは、冷却フィン３３の傾斜部３２ｂによって下流側（上側）ほど前壁部３２ｃに向かって流れ、前壁部３２ｃ近傍では円滑な流れとなるため、前壁部３２ｃに伝達された熱は、その大部分が、この前壁部３２ｃを円滑に流れる冷却水Ｗによって効率よく熱交換される。また、前壁部３２ｃに伝達された熱の一部は、図１に示すように、前壁部３２ｃから天井部３２ｂ，後壁部３２ｄを介して冷却フィン３３に伝達され（矢印ａ３〜ａ６）、または前壁部３２ｃから底部３２ａ，後壁部３２ｄを介して冷却フィン３３に伝達される（矢印ａ７〜ａ１０）。さらに、前壁部３２ｃに伝達された熱の他の一部は、図２に示すように、前壁部３２ｃから左壁部３２ｅ，後壁部３２ｄを介して冷却フィン３３に伝達され（矢印ｂ３〜ｂ６）、または前壁部３２ｃから右壁部３２ｆ，後壁部３２ｄを介して冷却フィン３３に伝達される（矢印ｂ７〜ｂ１０）。上述のように前壁部３２ｃに伝達された熱は、各壁部、すなわち天井部３２ｂ，底部３２ａ，左壁部３２ｅ，右壁部３２ｆを通過しながら、冷却水に伝達され、または冷却フィン３３に伝達されて、冷却フィン３３の表面から冷却水Ｗに伝達される。冷却水Ｗに伝達された熱は、冷却水Ｗが排水口３１ｂから排出されるのに伴って、外部に放出される。以上により、熱電モジュール１１の低温側に伝達された熱を、冷却水Ｗとともに排出することができるので、熱電モジュール１１の低温側を所定の温度に保つことができる。
【００３０】
図３に、発電ユニット１における熱勾配を示す。受熱盤２０は、熱源からの熱を受け取って、高熱温度ｔＨｉとなる。この熱は、熱電モジュール１１に伝達される。熱電モジュール１１は、前面１３ａ（図１参照）の温度は、ほぼこの高熱温度ｔＨｉとなる。熱電モジュール１１は、後面１３ｂ（図１参照）に近づくほど温度が下がり、後面１３ｂにおいては、冷却ユニット３０とほぼ同じ冷水温度ｔＬｗとなる。ここで、低温維持温度ｔＬｏは、冷水温度ｔＬｗよりも高い温度に設定されていて、低温維持温度ｔＬｏと冷水温度ｔＬｗとの差が、冷却水Ｗの排出とともに外部に排出される熱損失となる。そして、高熱温度ｔＨｉから低温維持温度ｔＬｏを差し引いた温度差に対応する熱が電気に変換されることになる。すなわち、上述の温度差に比例した熱電変換量を得ることができる。
【００３１】
上述の発電ユニット１によると、冷却ユニット３０が水冷式で、かつ冷却室Ｒ内に冷却フィン３３を有しているので、熱電モジュール１１の低温側を安定的に、かつ効率よく冷却することができる。
【００３２】
また、筐体３１の前壁部３２ｃ近傍には、冷却フィン３３がないので、この近傍では冷却水Ｗの流れが円滑であり、この円滑な流れの冷却水Ｗによって前壁部３２ｃを直接、効率よく冷却することができる。
【００３３】
また、給水口３１ａ及び排水口３１ｂが、前壁部３２ｃ側で、冷却フィン３３をほぼ外す位置に設けられているので、このことよっても、前壁部３２ｃ近傍の冷却水Ｗの流れを円滑にすることができる。
【００３４】
また、冷却フィン３３は、先端に傾斜部３３ｂを有し、この傾斜部３３ｂは、冷却水Ｗに沿っての下流側ほど冷却フィン３３の面積を広くするように傾斜している。すなわち、冷却水Ｗの温度が上流側よりも高くなりがちな下流側において冷却フィン３３の表面面積を大きくするように形成されているので、冷却フィン３３を均一に冷却することが可能となる。
【００３５】
また、後壁部３２ｄが、複数の冷却フィン３３を一体的に支持する支持板によって構成されているので、その分、構成を簡略化することができる。
【００３６】
つづいて、図５〜図７を参照して、上述の熱電モジュール１１を複数備えた発電ユニット２について説明する。ここで、図５は、複数の熱電モジュール１１を使用した発電ユニット２を説明する図であり、（ａ）は背面図、（ｂ）は（ａ）中のＣ−Ｃ線で切断して示す断面図、（ｃ）は上面図である。図６は発電ユニット２の冷却フィン３３を説明する図であり、（ａ）は背面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は上面図である。図７は発電ユニット２の筐体３１を説明する図であり、（ａ）は背面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）は上面図である。なお、これらの図において、上述と同様の部材等については同じ符号を付して、説明は適宜、省略するものとする。
【００３７】
発電ユニット２は、上述の発電ユニット１が熱電モジュール１１を１つ有していたのに対して、複数（５個）の熱電モジュール１１を有している点が大きく異なる。
図５に示すように、受熱盤２０の後面側（図５（ｂ）における上側）には、この受熱盤２０に密着する配置で、上下方向に複数（５個）の熱電モジュール１１が配設されている。各熱電モジュール１１の上方，下方，左方，右方にはそれぞれ断熱材１２が取り付けられている。図５，図７に示すように、筐体３１は、上下方向に長い前壁部３２ｃ、３個の注水口３１ａを有する底部３２ａ、３個の排水口３１ｂを有する天井部３２ｂ、左壁部３２ｅ，右壁部３２ｆと、これらの後面を覆う後壁部３２ｄとを有している。図５，図６に示すように、後壁部３２ｄには、上下方向に長く延びる複数の冷却フィン３３が、前側に向けて突設されている。各冷却フィン３３は、発電ユニット１と同様に傾斜した傾斜部３３ｂを有している。後壁部３２ｄと複数の冷却フィン３３とは一体に形成されていて、材質的には、例えば、アルミ製である。図５に示すように、後壁部３２ｄは、上下方向の寸法が、前壁部３２ｃよりも大きく設定されていて、上側及び下側に突出部分を有している。この突出部分に、後面側からボルト３５を通し、ボルト３５の先端を受熱盤２０の後面に螺合することで、筐体３１全体を受熱盤２０に固定するようにしている。ボルト３５には、断熱材３４が巻かれている。
【００３８】
発電ユニット２は、上述の発電ユニット１と基本的な構成はほぼ同じでありながら、複数（５個）の熱電モジュール１１を配設することにより、これら熱電モジュール１１からそれぞれ個別に起電力を取り出したり、さらにはこれらを複数接続することにより、大きな起電力を取り出したりすることが可能である。
【００３９】
なお、発電ユニット２では、５個の熱電モジュール１１を上下方向に１列に整列させた例を説明したが、この数は５個に限定されず、他の数でもよい。また、熱電モジュール１１を横方向に複数並べて、さらに熱電モジュール１１の個数を増加させることもできる。この場合でも、熱電モジュール１１以外の発電ユニットの基本的な構成はほぼ同様なものを採用することができる。
【００４０】
次に、図８，図９に示す発電ユニット３を参照して、本発明に係る発電ユニットの伝熱構造について詳述する。なお、伝熱構造は、熱電モジュール１１を受熱盤２０によって効率よく加熱し、また、冷却ユニット３０で効率よく冷却するための構造であり、不要に熱が漏れるのを防止するための断熱構造も含まれている。
【００４１】
発電ユニット３の基本的な構成は、上述の発電ユニット１，発電ユニット２と同様であるため説明は省略する。発電ユニット３においては、伝熱構造について詳述する。なお、図示の発電ユニット３では、４枚の熱電モジュール１１を使用して構成したものである。
【００４２】
ここで、図８は、発電ユニット３の分解斜視図である。図９は、受熱盤２０と冷却ユニット３０とを組み合わせた状態で、図８中の矢印Ｃ−Ｃ線に沿って切断して模式的に示す断面図である。なお、図８においては、各部材等の寸法は、伝熱構造の理解を容易にするために、適宜、誇張して示している。例えば、熱電モジュール１１、加熱側伝熱シート４１、冷却側断熱シート４２、断熱材１２等は、厚さや大きさを誇張して図示している。
【００４３】
図８，図９に示すように、発電ユニットの伝熱構造は、加熱側伝熱シート４１、冷却側伝熱シート４２、締結部材としてのボルト４３、断熱材１２等を備えて構成されている。
【００４４】
図８，図９に示す熱電モジュール１１は、図４で説明したように、ｐ型半導体とｎ型半導体とを組み合わせて構成した熱電素子（ベルチェ素子）１１ａを縦横に多数整列させ、表裏を絶縁板１１ｂで挟み込んで全体として矩形の薄板状に形成したものである。熱電モジュール１１は、図４に示す矩形の一辺の両角部近傍にそれぞれ出力端子１１ｃが設けてあって、これら出力端子１１ｃからは、図８に示すように、リード線１１ｄが引き出されている。熱電モジュール１１の主要構成要素である熱電素子１１ａは、一般に、Ｂｉ（ビスマス）−Ｔｅ（テルル）材を使用したものが多く脆弱であるため、取り扱いには細心の注意が必要となる。
【００４５】
図９に示すように、受熱盤２０には、加熱側台座２０ａが突設されている。加熱側台座２０ａは、受熱盤２０の後面、すなわち受熱板２０における、冷却ユニット３０に対向する加熱側対向面（後面）２０ｃの一部を、熱電モジュール１１と略同形の矩形状に突設させることで形成されている。加熱側台座２０ａの周囲には、後述する断熱材１２の一部（部分１２ｃ）を係合させるための溝部２０ｈが形成されている。ここで、この溝部２０ｈの底部から、加熱側台座２０ａの後面２０ｄまでの距離Ｌ１を加熱側台座２０ａの高さ（厚さ）とする。図９に示すように、受熱盤２０の前面２０ｅには、熱電モジュール１１から外れた位置に、後述するボルト４３の頭部４３ａが収納される凹部２０ｂが形成され、この凹部２０ｂの底部には、受熱盤２０を前後方向に貫通する透孔２０ｆが形成されている。
【００４６】
加熱側台座２０ａと熱電モジュール１１との間には、加熱側伝熱シート４１が介装されている。加熱側伝熱シート４１は、熱電モジュール１１と略同形の矩形状に形成されていて、加熱側台座２０ａの後面２０ｄと熱電モジュール１１の前面１３ａとの間に挟持されている。ここで、加熱側伝熱シート４１としては、受熱盤２０の熱を熱電モジュール１１に効率よく伝達するために、熱伝導性に優れたものが好適である。本実施形態では、さらに、加熱側伝熱シート４１として、適度な弾性（軟性）を有するものが好適である。加熱側伝熱シート４１は、適度な弾性を有することにより、受熱盤２０の加熱側台座２０ａの後面２０ｄと熱電モジュール１１の前面１３ａとの間に挟持された際に、これらとの密着性が高まり、その結果、加熱側台座２０ａの後面２０ｄと熱電モジュール１１の前面１３ａとを直接、接触させた場合よりも、伝熱効率が向上する。さらに、加熱側伝熱シート４１は、適度な弾性を有することにより、熱電モジュール１１に対する緩衝材としても作用し、組立時等の熱電モジュール１１の破損を防止することができる。このように、熱伝導性に優れ、しかも緩衝材としても作用する加熱側伝熱シート４１としては、例えば、厚さ０．５〜１．５ｍｍ程度のシリコーンゴム等を好適に使用することができる。なお、加熱側伝熱シート４１は、後述するボルト４３による締結力を高めて、受熱盤２０及び熱電モジュール１１に対する密着性を高めるほど、受熱盤２０の熱は、加熱側伝熱シート４１を介して、熱電モジュール１１に伝わりやすくなる。さらに、受熱盤２０における、加熱側伝熱シート４１に密着される面、つまり加熱側台座２０ａの後面２０ｄに、例えば、シリコーンクリーム等を塗布すると、さらに密着性を向上させて、伝熱効果を高めることができる。
【００４７】
上述の受電盤２０と同様、冷却ユニット３０には、冷却側台座３０ａが突設されている。冷却側台座３０ａは、冷却ユニット３０の前面、すなわち冷却ユニット３０における、受熱盤２０に対向する冷却側対向面３０ｃの一部を、熱電モジュール１１と略同形の矩形状に突設させることで形成されている。冷却側台座３０ａの周囲には、後述する断熱材１２の一部（部分１２ｃ）を係合させるための溝部３０ｈが形成されている。ここで、この溝部３０ｈの底部から、冷却側台座３０ａの前面３０ｄまでの距離Ｌ２を冷却側台座３０ａの高さ（厚さ）とする。冷却ユニット３０の冷却側対向面（前面）３０ｃには、上述の受熱盤２０の凹部２０ｂ、透孔２０ｆに対応する位置に、後述するボルト４３の雄ねじ部４３ｂが螺合する雌ねじ部３０ｅが螺刻されている。
【００４８】
冷却側台座３０ａと熱電モジュール１１との間には、冷却側伝熱シート４２が介装されている。冷却側伝熱シート４２は、熱電モジュール１１と略同形の矩形状に形成されていて、冷却側台座３０ａの前面３０ｄと熱電モジュール１１の後面１３ｂとの間に挟持されている。冷却側伝熱シート４２としては、上述の加熱側伝熱シート４１と同様のもの、つまり、熱伝導性に優れ、かつ、適度な弾性（軟性）を有するものを使用することができる。これにより、冷却側台座３０ａと熱電モジュール１１との間に挟持された際に、両者に密着されるため、冷却側伝熱シート４２がない場合と比較して、熱電モジュール１１の冷却効率を高めるとともに、緩衝材として作用して熱電モジュール１１の損傷を低減することができる。
【００４９】
断熱材１２は、上述の加熱側台座２０ａ、加熱側伝熱シート４１、熱電モジュール１１、冷却側伝熱シート４２、冷却側台座３０ａの周囲における、加熱側対向面２０ｃと冷却側対向面３０ｃとの間に挟持（介装）されている。つまり、断熱材１２は、受熱盤２０と冷却ユニット３０との間の、熱電モジュール１１がない部分の略全体に介装されている。断熱材１２は、図８に示すように、受熱盤２０の後面（図８中では、上方を向いた面）の、熱電モジュール１１が配置される部分以外の略全体を額縁状に覆う断熱材１２Ａと、冷却ユニット３０の前面側（図８中では、上方を向いた面）の、熱電モジュール１１が配置される部分以外の略全体を額縁状に覆う断熱材１２Ｂとによって構成されていて、これら断熱材１２Ａ，１２Ｂを合わせることで、断熱材１２全体が構成される。受熱盤２０側の断熱材１２Ａは、受熱盤２０と冷却ユニット３０とが組み合わされて発電ユニット３が形成された際に、下側に位置する部分１２ａ、上側に位置する部分１２ｂ、左側に位置する部分１２ｅ、右側に位置する部分１２ｆを有し、さらに、上下に隣接する熱電モジュール１１，１１の間に、左側の部分１２ｅと右側の部分１２ｆとを連結するように、左右方向に部分１２ｈが設けられている。なお、右側の部分１２ｆには、熱電モジュール１１に接続されたリード線１１ｄを取り出すための切欠部１２ｇが形成されている。なお、見方を変えれば、受熱盤２０側の断熱材１２Ａは、受電盤２０と略同形の板状の断熱材から、加熱側熱電シート４１や熱電モジュール１１が配置される、これらと同形の板状の凹部を形成し、さらに、凹部の左側の２箇所に外部と連通する切欠部１２ｇを形成したものであるといえる。さらに断熱材１２Ａは、図９に示すように、受熱盤２０の加熱側台座２０ａの周囲に形成された溝部２０ｈに係合可能な部分１２ｃを有していて、この部分１２ｃを溝部２０ｈに係合させることで、受熱盤２０に対して断熱材１２Ａを容易に位置決めできるようになっている。断熱材１２Ａには、後述するボルト４３が貫通する透孔１２ｋが穿設されている。
【００５０】
冷却ユニット３０側の断熱材１２Ｂについても、上述の受熱盤２０側の断熱材１２Ａと同様である。すなわち、断熱材１２Ｂは、受熱盤２０と冷却ユニット３０とが組み合わされて発電ユニット３が形成された際に、下側に位置する部分１２ａ、上側に位置する部分１２ｂ、左側に位置する部分１２ｅ、右側に位置する部分１２ｆを有し、さらに、上下に隣接する熱電モジュール１１，１１の間に、左側の部分１２ｅと右側の部分１２ｆとを連結するように、左右方向に部分１２ｈが設けられている。なお、右側の部分１２ｅには、熱電モジュール１１に接続されたリード線１１ｄを取り出すための切欠部１２ｇが形成されている。さらに断熱材１２Ｂは、図９に示すように、冷却ユニット３０の加熱側台座３０ａの周囲に形成された溝部３０ｈに係合可能な部分１２ｃを有していて、この部分１２ｃを溝部３０ｈに係合させることで、冷却ユニット３０に対して断熱材１２Ｂを容易に位置決めできるようになっている。断熱材１２Ｂには、後述するボルト４３が貫通する透孔１２ｋが穿設されている。
【００５１】
上述構成の断熱材１２Ａ，１２Ｂは、図９に示すように、受熱盤２０と冷却ユニット３０との間に重なるように挟持（介装）され、次に説明するボルト４３によって締め付けられる。
【００５２】
締結部材としてのボルト４３は、基端側（図９中では、下側）に頭部４３ａを有し、先端側には雄ねじ部４３ｂが螺刻されている。ボルト４３は、その頭部４３ａを受熱盤２０の前面２０ｅの凹部２０ｂに収納され、中間部が透孔２０ｆ、断熱材１２Ａの透孔１２ｋ、断熱材１２Ｂの透孔１２ｋを貫通して、冷却ユニット３０の前面３０ｃの雌ねじ部３０ｅに螺合されている。ボルト４３は、図８に示す断熱材１２Ａ，１２Ｂの多数の透孔１２ｋを貫通するように設けられている。つまり、ボルト４３は、各熱電モジュール１１の左側と右側とに１箇所ずつ、さらに、最上位の熱電モジュール１１の上側と、最下位の熱電モジュール１１の下側とにそれぞれ３箇所ずつ設けられている。
【００５３】
ここで、本実施形態では、ボルト４３としては、一般的な鋼製ではなく、合成樹脂製のものを使用している。合成樹脂製のボルト４３は、鋼製のボルトよりも熱伝導率が低くて、熱が伝わりにくいので、受熱盤２０側からボルト４３を介して冷却ユニット３０に逃げる熱を抑制することができる。さらに、合成樹脂製のボルト４３は、鋼製のボルトよりも、弾性変形しやすいので、受熱盤２０と冷却ユニット３０とを締結した際に、鋼製のボルトと異なり、締結力が過剰になりにくく、したがって、熱電モジュール１１を破損させるおそれが少ない。このような合成樹脂製のボルト４３の材料としては、例えば、熱可塑性ポリイミド等が好適である。
【００５４】
上述の受熱盤２０側の加熱側台座２０ａの高さＬ１と、冷却ユニット３０側の冷却側台座３０ａの高さＬ２との大小関係については、例えば、受熱盤２０の熱容量と、冷却ユニット３０の熱容量とを比較して、前者の受熱盤２０の方が大きい場合には、Ｌ１＞Ｌ２とし、逆に後者の冷却ユニット３０の方が大きい場合には、Ｌ１＜Ｌ２とする。本実施形態においては、受熱盤２０の加熱側台座２０ａ（あるいは加熱側伝熱シート４１）と熱電モジュール１１との間、及び冷却ユニット３０の冷却側台座３０ａ（あるいは冷却側伝熱シート４２）と熱電モジュール１１との間で、熱の移動がない状態を熱平衡としたときに、熱平衡にある場合が、熱電モジュール１１の発電効率が最も高くなる。この熱平衡は、熱電モジュール１１の前後方向の位置、すなわち、高さＬ１，Ｌ２を変更することにより、達成することができる。なお、本実施形態では、高さＬ１，Ｌ２については、一方が高くなるとその分他方が低くなる関係にある。
【００５５】
本実施形態では、高さＬ１，Ｌ２の大小関係について上述のように定めることにより、すなわち、熱容量を比較して、受熱盤２０の方が大きい場合には、Ｌ１＞Ｌ２とし、逆に冷却ユニット３０の方が大きい場合には、Ｌ１＜Ｌ２とすることで、熱電モジュール１１を熱平衡に近い状態に維持することが可能となる。なお、高さＬ１，Ｌ２の具体的な数値等については、発電ユニット３の実機による実験等に基づいて設定するとよい。
【００５６】
以上説明したように、本実施形態によると以下のような効果を奏することができる。
・受熱盤２０と冷却ユニット３０にそれぞれ加熱側台座２０ａ、冷却側台座３０ａを突設することで、これらに熱を集中させることができる。
・熱電モジュール１１と、加熱側台座２０ａ及び冷却側台座３０ａとの間に加熱側伝熱シート４１、冷却側伝熱シート４２を介装（挟持）することにより、これらの密着性を高めて、伝熱効率を高めることができる。
・さらに、加熱側伝熱シート４１、冷却側伝熱シート４２が緩衝材として作用するので、組立時等に、脆弱な熱電モジュール１１の破損を抑制することができる。
・受熱盤２０と冷却ユニット３０とを締結するボルト（締結部材）４３を、合成樹脂製とすることで、一般的な鋼製のボルトよりも熱伝導率を低くすることができるので、ボルト４３を介して漏れる熱を低減することができる。
・さらに、ボルト４３が合成樹脂製で、鋼製のボルトに対して伸びやすいので、締結力が過大であることに起因する熱電モジュール１１の破損を少なくすることができる。
・受熱盤２０と冷却ユニット３０の熱容量の大小関係に合わせて、加熱側台座２０ａの高さＬ１と冷却側台座３０ａの高さＬ２の大小関係を設定することにより、熱電モジュール１１を熱平衡に近づけることができるので、伝熱効率を一層、高めることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１，２，３  発電ユニット
１０  熱電ユニット
１１  熱電モジュール
１１ａ  熱電素子
１２  断熱材
２０  受熱盤（加熱側）
２０ａ  加熱側台座
２０ｃ  加熱側対向面
２０ｈ  溝部
３０  冷却ユニット（冷却側）
３０ａ  冷却側台座
３０ｃ  冷却側対向面
３０ｈ  溝部
４１  加熱側伝熱シート
４２  冷却側伝熱シート
４３  ボルト（締結部材）
Ｌ１  加熱側台座の高さ（厚さ）
Ｌ２  冷却側台座の高さ（厚さ）
【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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