(57)【要約】【課題】耐故障性に優れた発電装置を提供する。【解決手段】熱を発生する熱発生装置２と、熱発生装置２が発生した熱を上方から受ける台座７と、高温側端部１１ｃが鉛直方向上方を向き、低温側端部１１ｄ、１１ｅが鉛直方向下方を向き、熱溶融性の接合材１２ａ、１２ｂにより低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面が台座７の上面に接合された熱電変換素子１０ｈとを備える。そして、熱電変換素子１０ｈは、熱発生装置２が発生した熱で接合材１２ａ、１２ｂが溶融したときに、自重を低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面で支えて台座７の上面の上に自立する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱を発生する熱発生装置と、
前記熱発生装置が発生した熱を上方から受ける台座と、
高温側端部が鉛直方向上方を向き、低温側端部が鉛直方向下方を向き、熱溶融性の接合材により前記低温側端部の端面が前記台座の上面に接合された熱電変換素子とを備え、
前記熱電変換素子は、前記熱発生装置が発生した熱で前記接合材が溶融したときに、自重を前記低温側端部の端面で支えて前記台座の上面の上に自立する構成とした発電装置。
【請求項２】
前記台座の上面は、水平面で構成されている請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記熱発生装置と前記台座とは、平面視で互いに隣り合う位置に配置され、
前記台座の上面は、前記高温側端部が前記低温側端部よりも前記熱発生装置に近づくように、水平面に対して前記熱発生装置側に傾斜している請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記接合材は、ハンダ、ろう材または導電性ペーストである請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項５】
前記熱電変換素子は、ｐ型熱電変換材料からなるｐ型熱電変換材料部と、前記ｐ型熱電変換材料部に対向して配置されたｎ型熱電変換材料からなるｎ型熱電変換材料部とを有し、前記ｐ型熱電変換材料部及び前記ｎ型熱電変換材料部の一端側同士が接合され、前記ｐ型熱電変換材料部及び前記ｎ型熱電変換材料部の他端側同士が離間している請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記ｐ型熱電変換材料部及び前記ｎ型熱電変換材料部の少なくとも一方は、クラスレート化合物を含む請求項５に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電変換素子の高温側端部をバーナーのガス吹き出し口に向けた発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の発電装置では、高温側端部をバーナーの火炎で加熱し、高温側端部と低温側端部との温度差で発電可能としている。
ところで、熱電素子の高温側端部をバーナー側に向ける方法としては、例えば、バーナーの周囲を囲む円筒状の台座を設け、この台座の内周面に、熱電変換素子の低温側端部をハンダで固定することが考えられる。しかし、数百度を超える熱源を使用した場合低温側端部が高温になり、特に火炎のような加熱範囲が広がる熱源の場合にはその傾向がより顕著になる。その結果、低温側端部と台座とを固定したハンダが溶融し、熱電変換素子が台座から落下して発電装置が故障する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平５−００８２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記のような課題に着目したもので、耐故障性に優れた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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、（ａ）熱を発生する熱発生装置と、（ｂ）熱発生装置が発生した熱を上方から受ける台座と、（ｃ）高温側端部が鉛直方向上方を向き、低温側端部が鉛直方向下方を向き、熱溶融性の接合材により低温側端部の端面が台座の上面に接合された熱電変換素子とを備え、（ｄ）熱電変換素子は、熱発生装置が発生した熱で接合材が溶融したときに、自重を低温側端部の端面で支えて台座の上面の上に自立する構成とした発電装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、例えば、低温側端部が高熱となり、接合材が溶融しても、低温側端部の端面で台座上に自立して、熱電変換素子が台座の上面の上に留まる。その後、低温側端部の温度が下がると、接合材が固化し、低温側端部と台座の上面とが元の接合状態に戻る。そのため、耐故障性に優れた発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態に係る発電装置の要点の説明用の図であり、（ａ）は台座の上面を水平面とした場合の側面図であり、（ｂ）は傾斜面とした場合の側面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る発電装置の概略構成を示す側面図である。
【図３】台座を示す図であり、（ａ）は熱電変換素子を点線で示す平面図であり、（ｂ）は熱電変換素子を実線で示す平面図である
【図４】熱電変換素子を拡大して示す拡大図である。
【図５】発電装置の動作を説明するための説明図である。
【図６】本発明の変形例に係る発電装置を示す要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態に係る発電装置について、図面を参照しつつ説明する。
なお、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための方法や装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、請求の範囲に記載された請求項が規定する技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【０００９】
本発明の実施形態に係る発電装置１は、図１（ａ）に示すように、熱を発生する熱発生装置２と、熱発生装置２が発生した熱を上方から受ける台座７と、高温側端部１１ｃが鉛直方向上方を向き、低温側端部１１ｄ、１１ｅが鉛直方向下方を向き、熱溶融性の接合材１２ａ、１２ｂにより低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面が台座７の上面に接合された熱電変換素子１０ｈとを備える。そして、熱電変換素子１０ｈは、熱発生装置２が発生した熱で接合材１２ａ、１２ｂが溶融したときに、自重を低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面で支えて台座７の上面の上に自立する構成とした。台座７の上面の上に自立していればよいので、溶融した接合材１２ａ、１２ｂなどが熱電変換素子１０ｈと台座７との間に残り、台座７と熱電変換素子１０ｈが接していなくてもよく、台座７に凹凸があり、台座７と熱電変換素子１０ｈとの間に空間が存在していても良い。
【００１０】
また、台座８の上面は、水平面で構成されていることが好ましい。または、熱発生装置２と台座７とは、平面視で互いに隣り合う位置に配置され、台座７の上面は、図１（ｂ）に示すように、高温側端部１１ｃが低温側端部１１ｄ、１１ｅよりも熱発生装置２に近づくように、水平面に対して熱発生装置２側に傾斜していることが好ましい。
また、接合材１２ａ、１２ｂは、ハンダ、ろう材または導電性ペーストであることが好ましい。
さらに、熱電変換素子１０ｈは、ｐ型熱電変換材料からなるｐ型熱電変換材料部１１ａと、ｐ型熱電変換材料部１１ａに対向して配置されたｎ型熱電変換材料からなるｎ型熱電変換材料部１１ｂとを有し、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの一端側同士が接合され、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの他端側同士が離間していることが好ましい。特に、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの少なくとも一方は、クラスレート化合物であることがより好ましい。
【００１１】
次に、本発明の実施形態に係る発電装置１について、より詳細に説明する。
本発明の実施形態に係る発電装置１は、図２に示すように、熱を発生する熱発生装置２と、熱発生装置２で発生した熱により発電する発電部３とを備えている。本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱発生装置２として、燃料ガスを燃焼するガスコンロを用いている。
熱発生装置２は、平板状の天板４と、天板４に設けられた図示しない丸穴を通して、天板４の下面側から上面側に突出している円柱状のバーナー５とを備えている。バーナー５は、天板４の下側でガスボンベ等の図示しないガス供給源に接続され、上端側の外周に設けられた複数の炎穴６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅから燃料ガスを噴出する。それゆえ、噴出する燃料ガスに着火されると、燃料ガスが燃焼され、円環状の火炎ａが形成される。
【００１２】
発電部３は、図３（ａ）（ｂ）に示すように、後述する複数の熱電変換素子１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ、１０ｊ、１０ｋ、１０ｌ、１０ｍ、１０ｎ、１０ｏ、１０ｐが円環状に並べられる円環板状の台座７を備えている。台座７は、中央の穴７ａにバーナー５の上端が通され、天板４の上面の上に配置されている。すなわち、熱発生装置２と平面視で互いに隣り合う位置に配置されている。それゆえ、台座７は、熱発生装置２で火炎ａが形成されると、形成された火炎ａの熱を上方から受け、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐの後述する図４に示す高温側端部１１ｃの温度が高まる。台座７の材料としては、例えば、電気を通しにくい絶縁体を用いることができる。また、台座７の上面は、水平面で構成され、配線パターン９が形成されている。
【００１３】
配線パターン９は、互いに隣接する熱電変換素子１０ａ〜１０ｐの後述する図４に示すｐ型熱電変換材料部１１ａとｎ型熱電変換材料部１１ｂとを電気的に接続し、複数の熱電変換素子１０ａ〜１０ｐを直列接続するプリント配線９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ、９ｉ、９ｊ、９ｋ、９ｌ、９ｍ、９ｎ、９ｏから形成されている。プリント配線９ａ〜９ｏの配置は、穴７ａを中心とする二重円環状とされ、プリント配線９ａ、９ｃ、９ｅ、９ｇ、９ｉ、９ｋ、９ｍ、９ｏが互いに間隔を空けて並べられて内側の円環を形成し、プリント配線９ｂ、９ｄ、９ｆ、９ｈ、９ｊ、９ｌ、９ｎが互いに間隔を空けて並べられて外側の円環を形成している。また、プリント配線９ａ、９ｃ、９ｅ、９ｇ、９ｉ、９ｋ、９ｍ、９ｏと、プリント配線９ｂ、９ｄ、９ｆ、９ｈ、９ｊ、９ｌ、９ｎとは、端部の側部だけが対向するように、互いにずらして配置されている。また、配線パターン９は、直列接続された熱電変換素子１０ａ〜１０ｐの両端の熱電変換素子１０ａ、１０ｐのｐ型熱電変換材料部１１ａやｎ型熱電変換材料部１１ｂに接続され、複数の熱電変換素子１０ａ〜１０ｐで発生した電力を出力する出力端子９ｐ、９ｑを備えている。図３（ｂ）では、熱電変換素子１０ａのｎ型熱電変換材料部１１ｂが出力端子９ｐに接続され、熱電変換素子１０ｐのｐ型熱電変換材料部１１ａが出力端子９ｑに接続されている。
【００１４】
また、発電部３は、図４に示すように、ｐ型熱電変換材料部１１ａと、ｐ型熱電変換材料部１１ａに対向して配置されたｎ型熱電変換材料部１１ｂとが電気的に接続されてなる複数の熱電変換素子１０ａ〜１０ｐを備えている。各熱電変換素子１０ａ〜１０ｐでは、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの一端同士が接続され、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの他端側同士が離間している。ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの接合方法としては、例えば、電極をなくして、ｐ型熱電変換材料部９ａとｎ型熱電変換材料部９ｂをそのまま接合するなどの直接接合、電極、配線を介して接続するなどの直接接合、電極、配線を介して接続するなどの間接接合を用いることができる。特に、耐久性を考慮すると直接接合がより好ましい。ｐ型熱電変換材料部１１ａを形成する材料としては、例えば、ｐ型熱電変換材料を用いることができる。また、ｎ型熱電変換材料部１１ｂを形成する材料としては、ｎ型熱電変換材料を用いることができる。ｐ型熱電変換材料及びｎ型熱電変換材料としては、例えば、クラスレート化合物を採用できる。クラスレート化合物を採用する場合、ｐ型熱電変換材料及びｎ型熱電変換材料の少なくとも一方がクラスレート化合物であればよい。クラスレート化合物としては、特に、Ｓｉクラスレート化合物が好ましい。
【００１５】
また、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐでは、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂが接続されている端部が「高温側端部１１ｃ」を形成している。高温側端部１１ｃと反対側のｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの端部それぞれが「低温側端部１１ｄ、１１ｅ」を形成している。そして、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐは、図３（ｂ）に示すように、台座７の上面に平面視でバーナー５の周囲に円環状に並べられ、高温側端部１１ｃが上方を向き、低温側端部１１ｄ、１１ｅが下方を向き、自重を低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面で支えて台座７の上面の上に自立した状態とされる。すなわち、各熱電変換素子１０ａ〜１０ｐは、図４に示すようにＵ字状の腕部の端面を下方に向けて台座７の上面に自立している。それゆえ、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐは、熱発生装置２が発生した熱で後述する接合材１２ａ、１２ｂが溶融したときに、自重を低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面で支えて台座７の上面の上に自立する構成となっている。
【００１６】
また、互いに隣接する熱電変換素子１０ａ〜１０ｐのｐ型熱電変換材料部１１ａとｎ型熱電変換材料部１１ｂとが電気的に接続されるように、低温側端部１１ｄ、１１ｅの一方がプリント配線９ａ〜９ｏの内側の円環に接合され、他方がプリント配線９ａ〜９ｏの外側の円環に接合されている。これにより、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐのそれぞれは、平面視でＵ字状の底部が台座７の半径方向に沿って放射状に並んでいる。そして、複数の熱電変換素子１０ａ〜１０ｐがプリント配線９ａ〜９ｏを通じて直列接続されている。また、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐとプリント配線９ａ〜９ｏ及び出力端子９ｐ、９ｑとの接合、つまり、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐと台座７との接合には、熱溶融性で且つ導電性の接合材１２ａ、１２ｂが用いられている。接合材１２ａ、１２ｂとしては、例えば、ハンダやろう材、導電性ペースト（銅ナノ粒子、銀ナノ粒子のペースト等）を採用できる。
【００１７】
それゆえ、図５に示すように、バーナー５の火炎ａにより高温側端部１１ｃが加熱され、室温により低温側端部１１ｄ、１１ｅが冷却される。これにより、各熱電変換素子１０ａ〜１０ｐの高温側端部１１ｃと低温側端部１１ｄ、１１ｅとに温度差が作り出され、これらの温度差により熱電変換素子１０ａ〜１０ｐのそれぞれで電力が発生され、発生された電力が、図３（ａ）に示した配線パターン９の出力端子９ｐ、９ｑから出力される。
【００１８】
以上のように、本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐは、熱発生装置２が発生した熱で熱溶融性の接合材１２ａ、１２ｂが溶融したときに、自重を低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面で支えて台座７の上面の上に自立する構成とした。それゆえ、例えば、低温側端部１１ｄ、１１ｅが高熱となり、接合材１２ａ、１２ｂが溶融しても、低温側端部１１ｄ、１１ｅの端面で台座７上に自立して、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐが台座７の上面の上に留まる。その後、低温側端部１１ｄ、１１ｅの温度が下がると、接合材１２ａ、１２ｂが固化し、低温側端部１１ｄ、１１ｅと台座７の上面とが元の接合状態に戻る。そのため、耐故障性に優れた発電装置１を提供することができる。
【００１９】
また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、台座７の上面を水平面で構成したため、接合材１２ａ、１２ｂの溶融時に、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐの転倒を抑制できる。
さらに、本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱用油性の接合材１２ａ、１２ｂは、ハンダ、ろう材または導電性ペーストとした。そのため、例えば、発電装置１の製造時に、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐと台座７の上面とを容易に接合することができる。
ちなみに、例えば、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐをネジ等を用いて台座７の上面に固定する方法では、部品数が多くなるため、組み立てコストが増大する可能性がある。
【００２０】
これに対し、本発明の実施形態に係る発電装置１では、ハンダ、ろう材、または導電性ペーストで接合を行うため、部品数が少なくて済み、組み立てコストを低減できる。
また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐのそれぞれは、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの一端側同士が接合され、他端側同士が互いに離間している。それゆえ、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂの接合方法として、直接接合を用いた場合、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂを電極を介して接合する方法と異なり、ｐ型熱電変換材料部１１ａ及びｎ型熱電変換材料部１１ｂと電極との間の接合界面に化合物層が形成されない場合や、線膨張係数の近い材料を使用できる、などの理由から熱耐久性が向上する。そのため、例えば、直火にかけた後、水に漬ける等の負荷のかかる使い方がされても、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐに割れやクラックが発生し難く、耐久性を向上できる。
【００２１】
さらに、ｐ型熱電変換材料部１１ａとｎ型熱電変換材料部１１ｂとの接合界面における抵抗値がほぼゼロとなるため、発電量を増大することができ、発電効率を増大することができる。また、部品数が少なくて済むため、組み立てコストを低減することができる。
また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、ｐ型熱電変換材料及びｎ型熱電変換材料の少なくとも一方に、Ｓｉクラスレート化合物を用いることで、耐久性を向上させることができる。
【００２２】
（変形例）
（１）なお、本発明の実施形態に係る発電装置１では、炎穴６ａ〜６ｅを円環状に並べて、円環状の火炎ａを形成する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、炎穴６ａ〜６ｅを直線状に並べて、直線状の火炎ａを形成する構成としてもよい。
【００２３】
（２）また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱発生装置２として、ガスコンロを用いる例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、ガス湯沸かし器、ガス風呂釜、ガス給湯器、ガスレンジ等、他のガス機器を用いるようにしてもよい。また、ガス機器、つまり、燃料ガスを燃焼させる機器以外でもよく、液体燃料や固形燃料を燃焼させる機器でもよい。さらに、排熱を発生・回収する機器を用いるようにしてもよい。
【００２４】
（３）さらに、本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱発生装置２と台座７とを、平面視で互いに隣り合う位置に配置する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、熱発生装置２を台座７の鉛直方向上方に配置する構成としてもよい。この場合、高温側端部１１ｃをより熱発生装置２に近づけることができるため、高温側端部１１ｃと低温側端部１１ｄ、１１ｅとの温度差を増大でき、発電量を増大することができる。
【００２５】
（４）また、本発明の実施形態に係る発電装置１では、台座７の上面を水平面とする例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、図６に示すように、高温側端部１１ｃが低温側端部１１ｄ、１１ｅよりも熱発生装置２に近づくように、水平面に対して台座７の上面を熱発生装置２側に傾斜させるようにしてもよい。図６では、台座７の上面は、穴７ａを中心として円錐形にくぼんだ形状となっている。この場合、熱発生装置２と台座７とは、本発明の実施形態に係る図２に示した発電装置１と同様に、平面視で互いに隣り合う位置に配置する。台座７の上面が熱発生装置２側に傾斜した構成とした場合、高温側端部１１ｃと低温側端部１１ｄ、１１ｅとの温度差を増大でき、発電量を増大できる。
また、水平面に対して台座７の上面を熱発生装置２側に傾斜させた場合には、台座７の上面が水平面である場合に比べ、接合材１２ａ、１２ｂの溶融時に、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐが落下し易くなるため、台座７の上面に熱電変換素子１０ａ〜１０ｐの穴７ａ側の面、つまり、傾斜の下側に位置する面を支持する支持部を設けるようにしてもよい。
【００２６】
（５）さらに、本発明の実施形態に係る発電装置１では、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐの低温側端部１１ｄ、１１ｅを、台座７の上面に設けられた配線パターン９と接合することで、台座７と接合する例を示したが、他の構成を採用することもできる。例えば、低温側端部１１ｄ、１１ｅを台座７に直接に接合する構成としてもよい。この場合、熱電変換素子１０ａ〜１０ｐは、ビニール線、エナメル線等のリード線を用いて直列接続をする。
【符号の説明】
【００２７】
１…発電装置、２…熱発生装置、３…発電部、４…天板、５…バーナー、６ａ〜６ｅ…炎穴、７…台座、７ａ…穴、９…配線パターン、９ａ〜９ｏ…プリント配線、９ｐ、９ｑ…出力端子、１０ａ〜１０ｐ…熱電変換素子、１１ａ…ｐ型熱電変換材料部、１１ｂ…ｎ型熱電変換材料部、１１ｃ…高温側端部、１１ｄ、１１ｅ…低温側端部、１２ａ、１２ｂ…接合材、ａ…火炎
【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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