(57)【要約】【課題】熱電変換素子にかかる応力を減少させて熱電変換素子の破損を効果的に抑えることができる熱電変換式発電装置を提供する。【解決手段】管体２５の外面側に冷却ジャケット３を設け、管体２５の主板部２５１と冷却ジャケット３との間に熱電変換モジュール４を挟んで配設し、加熱流体Ｈで加熱される管体２５と冷却ジャケット３とにより熱電変換モジュール４に温度差を与えて発電する形式の発電装置において、扁平状の管体２５の側板部２５２に、内側に突出して弾性変形可能な凹部２５５を形成して管体２５の剛性を低下させ、主板部２５１を変形可能として熱電変換モジュール４の熱電変換素子４１を破損しにくいものとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の加熱板部とこれら加熱板部の両側部を連結する側板部とを備え、内部に加熱流体が流される管路が形成された管体と、
前記加熱板部の外面側に配設される冷却部と、
前記加熱板部と前記冷却部との間に配設される熱電変換素子を有する熱電変換モジュールと、
を備え、
前記加熱板部と前記冷却部とによって前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、
前記管体の前記側板部は、少なくとも一部に前記加熱板部を変形可能とする可撓部を有すること
を特徴とする熱電変換式発電装置。
【請求項２】
前記可撓部は弾性変形する弾性変形部であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換式発電装置。
【請求項３】
前記可撓部は、断面形状が前記管体の内側に突出する凹状、前記管体の外側に突出する凸状、蛇腹状、のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換式発電装置。
【請求項４】
前記管路に、前記加熱流体の熱を集熱して前記加熱板部に伝達するフィンが配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換式発電装置。
【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する熱電変換式発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電技術が知られている。熱電変換素子は、離間した部位に温度差を与えることで高温部と低温部との間に電位差を生じさせるといったゼーベック効果を利用したもので、温度差が大きいほど発電量が大きくなる。このような熱電変換素子は、複数を電極によって接合した熱電変換素子モジュールという形態で用いられる。例えば、管体の外面に熱電変換モジュールと冷却部とを積層して管体の内部に加熱流体を導入することで、加熱される管体（高温部）と冷却部（低温部）との間に挟んだ熱電変換モジュールに温度差を生じさせて電気を取り出す構成の熱電変換式発電装置が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２１７７５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記構成の熱電変換式発電装置にあっては、高温部と低温部とによって温度差が与えられる熱電変換モジュールの熱電変換素子には熱膨張差による熱応力が生じる。熱電変換素子は高温側の電極を介して管体に接合されているため、熱電変換素子に生じた熱応力は管体に伝わり、管体を変形させようとする。しかし、管体は通常ステンレス等の金属で構成されて剛性を有することから変形しにくくなっており、このため熱電変換素子は管体から応力を受けることになり、その結果、熱電変換素子に割れや破損が生じる場合があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、熱電変換素子にかかる応力を減少させて熱電変換素子の破損を効果的に抑えることができる熱電変換式発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の熱電変換式発電装置は、対向する一対の加熱板部とこれら加熱板部の両側部を連結する側板部とを備え、内部に加熱流体が流される管路が形成された管体と、前記加熱板部の外面側に配設される冷却部と、前記加熱板部と前記冷却部との間に配設される熱電変換素子を有する熱電変換モジュールと、を備え、前記加熱板部と前記冷却部とによって前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、前記管体の前記側板部は、少なくとも一部に前記加熱板部を変形可能とする可撓部を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明では、管体内の管路に流される加熱流体によって加熱板部が加熱され、その熱が熱電変換モジュールの内面側（管体側）に伝わって加熱される。一方、冷却部によって熱電変換モジュールの外面側が冷却され、これにより熱電変換モジュールに温度差が生じ、発電する。管体は側板部に可撓部を有することにより剛性が高くなることが抑えられ、可撓部が変形することで加熱板部は変形可能となっている。したがって熱電変換素子に加わる熱応力に応じて加熱板部は変形し、このため熱電変換素子が加熱板部から受ける応力が従来より減少する。その結果、熱電変換素子の破損が効果的に抑えられる。
【０００８】
本発明は、以下の形態を含む。
前記可撓部は弾性変形する弾性変形部である。また、前記可撓部は、断面形状が前記管体の内側に突出する凹状、前記管体の外側に突出する凸状、蛇腹状、のいずれかである。
【０００９】
また、本発明は、前記管路に、前記加熱流体の熱を集熱して前記加熱板部に伝達するフィンが配設されていることを特徴とする。この形態では、管体の内部に流される加熱流体の熱はフィンで集熱されて一対の加熱板部に伝わり、加熱板部の高温化が促進され発電効率が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱電変換素子にかかる応力を減少させて熱電変換素子の破損を効果的に抑えることができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電変換式発電装置の全体斜視図である。
【図２】図１のII方向矢視図である。
【図３】図２のIII−III断面図である。
【図４】図２のIV−IV断面図である。
【図５】同発電装置が備える密閉容器の筐体の構成を示す斜視図である。
【図６】同発電装置が備える管体の正面図である。
【図７】図４の一部拡大図であって、熱電変換モジュールおよびフィンの構成を示す断面図である。
【図８】他の実施形態に係る管体を示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
［１］熱電変換式発電装置の構成
図１〜図４は、一実施形態の熱電変換式発電装置（以下、発電装置）１を示しており、図１は全体斜視図、図２は図１のII方向矢視図、図３、図４はそれぞれ図２のIII−III断面図、IV−IV断面図である。この発電装置１は全体が扁平な直方体状（図１、図３、図４でＸ方向が長手方向）に形成されており、水冷ジャケット（冷却部）３と、水冷ジャケット３内に収納された密閉容器２を備えている。
【００１３】
密閉容器２は、扁平管状の筐体２０内の中央部に同じく扁平管状の管体２５が収納された二重管構造を呈しており、筐体２０と管体２５との間の空間は減圧空間２９とされ、この減圧空間２９のＸ方向両端の開口が封止カバー２６で気密的に閉塞されている。水冷ジャケット３は密閉容器２の外形にほぼ沿った扁平管状に形成されたもので、その内部に収納された密閉容器２は、開口側の両端部が水冷ジャケット３の両端開口から突出している。
【００１４】
筐体２０は、図５に示すように、主体となる剛性部２１と、剛性部２１に接合される長方形状の薄板２２とから構成されている。剛性部２１は、長方形状の外枠板部２１１と外枠板部２１１内を長手方向（Ｘ方向）に分かれた長方形状の２つの孔２１３に仕切る内枠板部２１２とを有する一対の枠板２１０が、上下方向（Ｚ方向）に間隔を空けて互いに平行に対面し、外枠板部２１１の長手方向に沿った端縁どうしが側板部２１５で連結され、長手方向の両端部に開口２１８を形成する開口管部２１７を有するものである。
【００１５】
薄板２２は、可撓性を有する弾性変形可能な板材によって剛性部２１の２つの孔２１３を覆う大きさの長方形状に形成されたものである。薄板２２は、各枠板２１０の外面の孔２１３の周囲にろう付け等の接合手段で接合され、これにより２つの孔２１３は１枚の薄板２２で塞がれている。薄板２２の材料としては、ＳＵＳ４４４等のステンレスあるいはアルミニウム等の耐熱性、耐酸化性を有する金属板が好ましく、その板厚は、例えば０．１ｍｍ程度のものが用いられる。
【００１６】
筐体２０の内部に収納された管体２５は、図３、図４および図６に示すように、筐体２０の上下の枠板２１０と平行な上下一対の平板な長方形状の主板部２５１の長手方向に沿った端縁どうしが筐体２０の側板部２１５と平行な側板部２５２で連結されたもので、両端開口縁の外面が、筐体２０の剛性部２１の開口管部２１７の内面に、断面が内側にへこんだ断面Ｕ字状で全体としては長円状の封止カバー２６を介して接合されている。
【００１７】
図６に示すように、管体２５の側板部２５２は平板状ではなく、断面形状が管体２５の内側にへこんで突出する形状の凹部（可撓部、弾性変形部）２５５が形成されている。この凹部２５５は撓んで弾性変形することが可能となっており、管体２５の主板部２５１に応力がかかると凹部２５５が変形し、主板部２５１が内側あるいは外側に反るように撓んで変形することが可能となっている。
【００１８】
管体２５の内部は、加熱流体Ｈ（図３および図４参照）が一方の開口から他方の開口へ向かって流される管路２５３として形成されており、この管路２５３には、加熱流体Ｈの熱を集熱して管体２５に伝えるフィン７が配設されている。
【００１９】
図７に示すように、フィン７はこの場合、上側の主板部２５１に接触するものと下側の主板部２５１に接触するものとの上下一対の状態で設けられている。フィン７は、１枚の板材を折り曲げ加工することにより、断面略Ｖ字状に屈曲するＶ字部７１が並列する蛇腹状のコルゲート板で構成されており、Ｖ字部７１の先端部７１１が主板部２５１にろう付け等の接合手段で接合されている。この接合状態で、上下のフィン７の間には所定の間隔が空いている（図２および図４では接触しているが、実際には間隔が空いている）。管路２５３に流される加熱流体Ｈは、Ｖ字部７１内のトンネル状の空間７１２を、主板部２５１やフィン７に接触しながら通過する。フィン７は、例えば上記薄板２２と同様に、ＳＵＳ４４４等のステンレスあるいはアルミニウム等の耐熱性、耐酸化性を有し、板厚が例えば０．１ｍｍ程度の金属板を用いて作製される。
【００２０】
密閉容器２を構成する筐体２０の剛性部２１、管体２５、封止カバー２６は、薄板２２と同様の材料が用いられる。密閉容器２の、筐体２０の薄板２２と管体２５の主板部２５１との間には、複数の熱電変換モジュール４がそれぞれ配設されている。
【００２１】
熱電変換モジュール４は、図７に示すように、平面状に並べられた複数の熱電変換素子４１の、一方側の面および他方側の面を、長方形状の銅板等の金属板からなる電極４２によりジグザグ状に直列に連結して構成されたもので、一方の面側の電極４２が管体２５の主板部２５１の外面にろう付け等の接合手段で接合されている。また、他方の面側の電極４２は筐体２０の薄板２２の内面に対向し、薄板２２と電極４２との間には緩衝材５が挟まれて保持されている。薄板２２と緩衝材５、および緩衝材５と電極４２はいずれも接合されてはおらず、摺動可能に当接している。この場合、熱電変換モジュール４は、筐体２０の１つの孔２１３を塞ぐ薄板２２に対して１つが並列して組み込まれ、合計４つが装備されている。また、電極４２は管体２５および緩衝材５と絶縁されている。
【００２２】
緩衝材５は可撓性を有するシート状のものが好適であり、例えば薄いカーボンシート等が用いられる。なお、本実施形態では薄板２２と熱電変換モジュール４との間に緩衝材５を挟み込んでいるが、緩衝材５は必要に応じて用いられ、薄板２２が熱電変換モジュール４に直接当接する形態も選択され得る。
【００２３】
熱電変換モジュール４を構成する熱電変換素子４１は、耐熱温度が高い種類が用いられ、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、珪化鉄系等が好適に用いられる。熱電変換モジュール４が収納された密閉容器２の減圧空間２９は、剛性部２１と薄板２２とからなる筐体２０、管体２５および封止カバー２６によって気密的に封止される。上記フィン７は、図４に示すように、熱電変換モジュール４に対応する領域の大きさを有し、フィン７の両側に熱電変換モジュール４が配設された状態となっている。
【００２４】
上記密閉容器２は、水冷ジャケット３内に収納されている。図３および図４に示すように、水冷ジャケット３は、両端の開口縁に形成された内側に屈曲する封止枠部３１が、密閉容器２における剛性部２１の外枠板部２１１の外面に、ろう付け等の手段で気密的に接合されている。水冷ジャケット３内の空間、すなわち剛性部２１と水冷ジャケット３との間に形成される空間が、冷却水が供給されて薄板２２を冷却するための冷却空間３２となっている。水冷ジャケット３における筐体２０の各側板部２１５に対応する箇所の中央部には、冷却水の導入出口３３が設けられている。
【００２５】
密閉容器２内には、合計４つの熱電変換モジュール４が収納されているが、これら熱電変換モジュール４は直列に接続されている。そして、図１〜図３で示す＋・−の２本のリード線４９から外部に電気が取り出される。リード線４９は、密閉容器２の側板部２１５および水冷ジャケット３を貫通して外部に引き出され、側板部２１５および水冷ジャケット３のリード線貫通孔は気密的に塞ぐ処理がなされている。
【００２６】
冷却空間３２の熱電変換モジュール４に対応する箇所には、熱交換手段６が薄板２２に接合されている。熱交換手段６は、冷却空間３２に供給されて流れる冷却水が接触することで薄板２２を放熱させて冷却を促進させるもので、薄板２２の可撓性を妨げない状態で設けられている。
【００２７】
熱交換手段６は、薄板２２の可撓性を妨げない柔軟性を有するフィン等の熱交換部材からなるものが挙げられる。また、硬いフィン等の熱交換部材であっても、複数の独立した熱交換部材が薄板２２に対し点在的に接触して設けられて薄板２２の可撓性を妨げないようになされていてもよい。
【００２８】
上記密閉容器２は、所定箇所に形成された図示せぬ減圧封止口から減圧空間２９の空気を吸引して減圧空間２９を所定圧力（例えば１〜１００Ｐａ程度）に減圧し、減圧封止口を溶接するなどして気密的に封止した状態とされる。これにより密閉容器２においては、減圧空間２９の圧力が外部の大気よりも低くなるという圧力差が生じ、この圧力差によって、筐体２０の薄板２２が熱電変換モジュール４側に加圧される力を受ける。
【００２９】
［２］発電装置の作用
上記構成からなる発電装置１では、管体２５の管路２５３に、一方の開口から他方の開口に向けて高温の加熱流体Ｈを流して管体２５を加熱する。また、水冷ジャケット３の一方の導入出口３３から冷却水を冷却空間３２に導入するとともに他方の導入出口３３から冷却水を排出させ、冷却空間３２に冷却水を充満させた状態で流すことにより密閉容器２の薄板２２を冷却する。
【００３０】
管路２５３に流される加熱流体Ｈの熱は、管体２５の対向する一対の主板部２５１を直接加熱し、また、フィン７によって集熱されて各主板部２５１に伝わり、主板部２５１の高温化が促進される。加熱された管体２５の主板部２５１の熱は熱電変換モジュール４の内面側に伝わり、熱電変換モジュール４の内面側が加熱される。一方、薄板２２は冷却水で冷却される熱交換手段６により冷却が促進される。冷却された薄板２２の熱は熱電変換モジュール４の外面側に伝わり、熱電変換モジュール４の外面側が冷却される。これにより、熱電変換モジュール４の熱電変換素子４１には、内面側が高温、外面側が低温というように温度差が与えられる。
【００３１】
密閉容器２においては上記のように内部の減圧空間２９が減圧されて外部と圧力差が生じることにより、筐体２０の薄板２２が熱電変換モジュール４側に加圧される。これにより、筐体２０の薄板２２が緩衝材５に加圧されて密着し、緩衝材５は熱電変換モジュール４側に加圧された状態で密着する。
【００３２】
上記のようにして熱電変換モジュール４の外面側と内面側に温度差が与えられることで、熱電変換モジュール４は発電し、リード線４９から電気が取り出される。管路２５３に流される加熱流体Ｈの熱はフィン７で集熱されて一対の主板部２５１に伝わり、主板部２５１の高温化が促進され発電効率が向上する。
【００３３】
本実施形態の発電装置１は、例えば工場やゴミ焼却炉で発生する排熱ガスや、自動車の排気ガスなどが、上記加熱流体Ｈとして利用される。
【００３４】
［３］一実施形態の作用効果
上記実施形態の発電装置１においては、温度差が与えられる熱電変換モジュール４の熱電変換素子４１には熱膨張差による熱応力が生じ、その熱応力は管体２５の主板部２５１に伝わって主板部２５１を変形させようとする。ここで、従来では管体に剛性があるため管体は変形しにくくなっており、このため熱電変換素子は管体から応力を受けて割れや破損が生じるという問題があった。
【００３５】
しかし本実施形態の管体２５は、側板部２５２に形成された弾性変形可能な凹部２５５を有することにより剛性が高くなることが抑えられている。このため、主板部２５１が変形しようとすると凹部２５５が撓んで弾性変形することで、主板部２５１が変形しやすくなっている。したがって熱電変換素子４１に加わる熱応力に応じて主板部２５１は内側あるいは外側に反るよう撓んで変形する。各主板部２５１の間には一対のフィン７が配設されているが、これらフィン７の間は間隔が空いているので、フィン７どうしは干渉せず主板部２５１が内側に変形することは可能である。このように主板部２５１が変形可能であるため主板部２５１から熱電変換素子４１にかかる応力は従来より減少し、その結果、熱電変換素子４１が破損するおそれが低減する。
【００３６】
［４］他の実施形態
上記実施形態においては、側板部２５２の高さ方向（図２でＺ方向）のほぼ全体が弾性変形する凹部２５５として形成されているが、本発明は加熱板部である主板部２５１が変形可能となる構成であれば、側板部２５２の高さ方向の少なくとも一部に凹部２５５のような可撓部が形成されている構成であってよい。
【００３７】
また、側板部２５２に形成される本発明の可撓部の形状は上記凹部２５５に限定されず、自身が変形することで主板部２５１が変形可能であれば、いかなる形状であってもよい。例えば、図８（ａ）に示すように断面形状が管体の外側に突出する凸状に形成された形態や、図８（ｂ）に示す断面蛇腹状の形態が考えられる。いずれの場合も自身が撓んで変形することで、主板部２５１の変形を可能とするものである。
【符号の説明】
【００３８】
１…熱電変換式発電装置、２５…管体、２５１…主板部（加熱板部）、２５２…側板部、２５３…管路、２５５…凹部（可撓部、弾性変形部）、３…水冷ジャケット（冷却部）、４…熱電変換モジュール、４１…熱電変換素子、７…フィン、  Ｈ…加熱流体。
【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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