(57)【要約】【課題】管体の熱膨張変形を抑制して熱電変換素子にかかる応力を減少させ、熱電変換素子の破損を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、少なくとも加熱流体Ｈの上流側に対応する領域に管体２５よりも熱膨張係数の小さい低熱膨張材８を高温側電極４２ｂに近接して接合することで管体２５の熱膨張を抑制し、熱電変換素子４１に係る応力を減少させて熱電変換素子４１を破損しにくいものとする。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に加熱流体が流される管路が形成された管体と、
前記管体の外面側に配設される冷却部と、
前記管体の表面に配設される複数の高温側電極と、前記冷却部に配設される複数の低温側電極と、これら高温側電極と低温側電極とを直列に接続する熱電変換素子とを有する熱電変換モジュールと、を備え、
前記管体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、
前記管体の表面の、少なくとも前記加熱流体の上流側に対応する領域に、該管体よりも熱膨張係数の小さい低熱膨張材が前記高温側電極に近接して接合されていること
を特徴とする熱電変換式発電装置。
【請求項２】
前記低熱膨張材は、各前記高温側電極を囲繞する状態に配設されてい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】
前記低熱膨張材は、複数の前記高温側電極の全てを囲繞する最外周部に配設されてい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。
【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、高温部で加熱される管体は熱膨張によって変形が生じる。このため管体に接合されている熱電変換モジュールの熱電変換素子は変形する管体から応力を受け、その結果、熱電変換素子に割れや破損が生じるおそれがあった。
【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、管体の熱膨張変形を抑制して熱電変換素子にかかる応力を減少させ、結果として熱電変換素子の破損を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、内部に加熱流体が流される管路が形成された管体と、
前記管体の外面側に配設される冷却部と、前記管体の表面に配設される複数の高温側電極と、前記冷却部に配設される複数の低温側電極と、これら高温側電極と低温側電極とを直列に接続する熱電変換素子とを有する熱電変換モジュールと、を備え、前記管体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、前記管体の表面の、少なくとも前記加熱流体の上流側に対応する領域に、該管体よりも熱膨張係数の小さい低熱膨張材が前記高温側電極に近接して接合されてい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管体が加熱され、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。加熱流体は管体の管路を流れるにしたがって温度が低下していくため、管体は加熱流体の上流側の方が下流側よりも高熱であり、熱膨張による変形が生じやすい。本発明によれば、少なくとも上流側に対応する管体の表面に接合された低熱膨張材によって管体の熱膨張は効果的に抑制される。したがって管体から熱電変換素子にかかる応力が減少し、結果として熱電変換素子の破損が抑えられる。
【０００８】
本発明の低熱膨張材は、上記のように少なくとも加熱流体の上流側に対応する領域に配設されることを必須とするが、これに加えて、各前記高温側電極を囲繞する状態に低熱膨張材が配設されている形態を含む。これは低熱膨張材が１つ１つの高温側電極の周囲に接合された形態であり、管体における高温側電極の周囲部分の変形が抑えられるため、熱電変換素子への応力伝達を全周にわたって減少させることができる。このため、管体からの応力が熱電変換素子に対し偏ってかかることがなく、破損防止効果が向上する。
【０００９】
また、本発明は、前記低熱膨張材は、複数の前記高温側電極の全てを囲繞する最外周部に配設されている形態を含む。この形態は複数の高温側電極の全体を囲繞して低熱膨張材が管体に接合された形態であり、全ての高温側電極への応力伝達が低熱膨張材で減少させることができる。なお、本発明では、管体に接合された全ての高温側電極を１つ１つ囲繞する状態に低熱膨張材が配設された形態をもっとも好ましい形態とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低熱膨張材によって管体の熱膨張変形を抑制して熱電変換素子にかかる応力を減少させ、これにより熱電変換素子の破損を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熱電変換モジュールを示す正面図である。
【図７】熱電変換モジュールの斜視図である。
【図８】熱電変換モジュールの分解斜視図である。
【図９】熱電変換モジュールの高温側電極の配列および一実施形態に係る低熱膨張材を示す平面図である。
【図１０】高温側電極に対する低熱膨張材の配置パターンの他の実施形態を示す平面図である。
【図１１】低熱膨張材の配置パターンのさらに他の実施形態を示す平面図である。
【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および図４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】
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。フィン７は、例えば板材を折り曲げ加工して波板状に形成したものなどが用いられる。フィン７および封止カバー２６は、それぞれろう付け等の接合手段で剛性部２１および流通管２５に接合されている。
【００１８】
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（ＳＵＳ４４４等のステンレス、アルミニウム等の耐熱性、耐酸化性を有する金属）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。
【００１９】
熱電変換モジュール４は、図６および図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薄板からなる電極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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
［２］熱電変換モジュール
次に、熱電変換モジュール４を詳述する。
図８に示すように、熱電変換素子４１は立方体状であり、等間隔をおいて格子状に配列されている。本実施形態では、縦列および横列が同数の正方形状に配列されている。これに対し電極４２は、隣接する熱電変換素子４１間に架け渡されて熱電変換素子４１を接続すべく長方形状に形成されている。熱電変換素子４１の外面側の電極４２は、緩衝材５および薄板２２を介して冷却空間３２を流れる冷却水により冷却される。また、熱電変換素子４１の内面側の電極４２は流通管２５内の加熱流路２５３を流れる加熱流体Ｈによって加熱される。以下、冷却される外面側の電極４２を低温側電極４２ａ、加熱される内面側の電極４２を高温側電極４２ｂとする。
【００２８】
低温側電極４２ａおよび高温側電極４２ｂは、いずれも加熱流体Ｈの流れ方向に沿った縦列および縦列に直交する横列を形成し、等間隔をおいて配列されている。低温側電極４２ａおよび高温側電極４２ｂは、それぞれ熱電変換素子４１の外面側および内面側に電気的に直列に接続されている。
【００２９】
本実施形態では、図８（ｃ）に示すように、高温側電極４２ｂは、全てが、その長手方向を加熱流体Ｈの流れ方向と平行な状態に配列されて主板部２５１に接合されている。そして、図９に示すように、加熱流体Ｈのもっとも上流側に並ぶ横１列の各高温側電極４２ｂの周囲の主板部２５１の表面には、管体２５よりも熱膨張係数の小さい低熱膨張材８が、ろう付け等の接合手段によって接合されている。管体２５が上記ＳＵＳ４４４ステンレス（熱膨張係数：約１０．６×１０−６／℃）やアルミニウム（熱膨張係数：約２３×１０−６／℃）であれば、低熱膨張材８は、例えばインバー（熱膨張係数：約１．２×１０−６／℃）、モリブデン（熱膨張係数：約５．１×１０−６／℃）、タングステン（熱膨張係数：約４．５×１０−６／℃）といった金属が好適に用いられる。また、金属の他には、アルミナ等のセラミックを用いることができる。
【００３０】
低熱膨張材８は、例えば厚さ０．１〜１ｍｍ程度に加工した薄板を管体２５の主板部２５１の表面にろう付けして接合される。低熱膨張材８は、図９の斜線で示すように、もっとも上流側（図９で下側）に並ぶ１つ１つの高温側電極４２ｂの全周を囲繞する状態に配設される。低熱膨張材８は、高温側電極４２ｂと接触せず、高温側電極４２ｂとの間に僅かな間隔が空くように配設される。
【００３１】
［３］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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
［４］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、管体２５は加熱流体Ｈで加熱されるため熱膨張により変形が生じる。特に、管体２５は加熱流体Ｈの上流側（Ｈ１側）の方が下流側（Ｈ２側）よりも高熱であり、熱膨張による変形が生じやすい。しかしながら本実施形態では、上流側に対応する管体２５の表面に接合された高温側電極４２ｂの周囲に低熱膨張材８が接合されているため、この低熱膨張材８によって管体２５の上流側の熱膨張は効果的に抑制される。したがって管体２５から上流側の熱電変換素子４１にかかる応力が減少し、結果として熱電変換素子４１の破損が抑えられる。
【００３７】
上記実施形態のように、各高温側電極４２ｂを囲繞する状態に低熱膨張材８を配設すると、管体２５の主板部２５１における高温側電極４２ｂの周囲部分の変形が抑えられるため、熱電変換素子４１への応力伝達を高温側電極４２ｂの全周にわたって減少させることができる。このため、主板部２５１からの応力が熱電変換素子４１に対し偏ってかかることがなく、破損防止効果が向上する。
【００３８】
本発明では、低熱膨張材８を少なくとも加熱流体Ｈの上流側に対応する領域に配設することを必須とするものであり、低熱膨張材８の配置パターンは上記実施形態に限定されない。
【００３９】
例えば、図１０に示すように、高温側電極４２ｂの全てを囲繞する最外周部の四辺に低熱膨張材８を配設する形態が挙げられる。この場合、加熱流体Ｈのもっとも上流側に並ぶ横１列の各高温側電極４２ｂの、上流側の端縁に沿った最外周部の一辺に沿って低熱膨張材８が接合されており、さらに他の最外周部の三辺に沿って低熱膨張材８が連結され、全体として矩形状に形成されている。このように複数の高温側電極４２ｂの全体を囲繞して低熱膨張材８を管体２５の表面に接合すると、管体２５からの全ての高温側電極４２ｂへの応力伝達を低熱膨張材８で減少させることができる。
【００４０】
また、図１１に示すように、管体２５に接合された全ての高温側電極４２ｂを１つ１つ囲繞する状態に低熱膨張材８を配設する形態は、管体２５の膨張が強く抑制され、本発明の効果が顕著に発揮されるもっとも好ましい形態である。
【符号の説明】
【００４１】
１…熱電変換式発電装置
２５…管体
２５３…管路
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
４２ａ…低温側電極
４２ｂ…高温側電極
８…低熱膨張材
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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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