(57)【要約】【課題】管体内部のフィンによる発電効率の向上を保持しながら、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、管体内部２５３に配設する集熱用のフィン７を、主板部２５１に剛性を与えにくい可撓性を有するものとし、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の破損しにくいものとする。【選択図】図６
2015138792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一方側および他方側の一対の加熱板部を少なくとも備え、該加熱板部を加熱すえる加熱流体が内部に流される管体と、
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、熱電変換素子を有する熱電変換モジュールと、
前記管体の内部に配設され、前記加熱流体の熱を前記加熱板部に伝達するフィンと、
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、
前記フィンは、前記一対の加熱板部に接合されており、かつ、その接合状態で該一対の加熱板部が変形することを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】
前記可撓部は前記フィンが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】
前記フィンは１枚の板材で構成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。
【請求項４】
前記フィンはコルゲート板で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか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、管体の内面にフィンを接合し、加熱流体の熱をフィンが集熱して管体に伝達することで高温部の温度をより高温化させ、発電効率を向上させている。ところで、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、管体はフィンが接合されていることで剛性が高くなってい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、管体内部のフィンによる発電効率の向上を保持しながら、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、対向する一方側および他方側の一対の加熱板部を少なくとも備え、該加熱板部を加熱すえる加熱流体が内部に流される管体と、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、熱電変換素子を有する熱電変換モジュールと、前記管体の内部に配設され、前記加熱流体の熱を前記加熱板部に伝達するフィンと、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、前記フィンは、前記一対の加熱板部に接合されており、かつ、その接合状態で該一対の加熱板部が変形することを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、管体の内部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。一対の加熱板部に接合されたフィンは加熱板部が変形することを可能とする可撓部を有するため、加熱板部が変形しようとするとフィンの可撓部がそれに追従して変形し、加熱板部は変形可能である。すなわち、フィンが接合されていても加熱板部は剛性が高くなることが抑えられており、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。
前記可撓部は前記フィンが弾性変形する弾性変形部である。また、前記フィンは１枚の板材で構成されている。また、前記フィンはコルゲート板で構成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、管体内部のフィンによる発電効率の向上を保持しながら、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】
【００１０】
【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】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７】他の実施形態のフィンの構成を示す同発電装置の一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、その厚さは、例えば０．１ｍｍ程度のものが用いられる。
【００１５】
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。
【００１６】
管体２５の内部２５３には、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う管路方向に沿って流される。この管体内部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。
【００１７】
フィン７は、図６に示すように、１枚の板材を折り曲げ加工することにより、多数の「Ｖ」の字を横にした横Ｖ字部７１が等間隔の隙間７２を空けて並列し、横Ｖ字部７１の図中上下の端部をつなぎ合わせた略蛇腹状のコルゲート板で構成されている。このフィン７は、横Ｖ字部７１間の隙間７２の両端開口を管体２５の両端開口に向けた状態で管体内部２５３に配設され、上下の端部連結部７３を管体２５の主板部２５１にろう付け等の接合手段で接合されることで、管体内部２５３に固定されている。フィン７の横Ｖ字部７１間の多数の隙間７２は管体内部２５３の管路方向と平行に延びており、加熱流体Ｈはこれら隙間７２を、主板部２５１やフィン７に接触しながら通過する。
【００１８】
フィン７は、可撓性を有し、かつ、弾性変形可能な板材によって形成される。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、厚さが例えば０．１ｍｍ程度の金属板を用いて作製される。フィン７は、厚さ方向中央の鋭角に屈曲する先端部（可撓部、弾性変形部）７４の角度が変化することで撓む弾性変形可能なものであり、このため、管体２５の主板部２５１に接合されている状態では、対向する一対の主板部２５１が、外面方向あるいは内面方向に撓むように変形することが可能となっている。
【００１９】
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、熱電変換モジュール４がそれぞれ配設されている。
【００２０】
熱電変換モジュール４は、図６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。また、電極４２は管体２５および緩衝材５と絶縁されている。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
［２］発電装置の作用
上記構成からなる発電装置１では、管体内部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。
【００２９】
管体内部２５３に流される加熱流体Ｈの熱は、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
［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、従来ではフィンが接合された管体は剛性が上がって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。
【００３４】
しかし本実施形態のフィン７は、管体２５の主板部２５１に接合された状態でも、横Ｖ字部７１の厚さ方向中央の先端部７４を中心に上下の平坦部７５が互いに離れたり近付いたりするように撓むことで、対向する一対の主板部２５１が変形することが可能となっている。すなわち、フィン７が接合されていても主板部２５１は剛性が高くなることが抑えられている。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は変形し、このため熱電変換素子４１に主板部２５１から応力はかかりにくくなって従来より減少し、その結果、熱電変換素子が破損するおそれが低減する。
【００３５】
［４］他の実施形態
本発明に係るフィンの形状は上記実施形態に限定はされず、加熱板部（上記実施形態では主板部２５１）に接合された状態で加熱板部が変形することを可能とする可撓部を有するものであれば、いかなる形態のものであってよい。
【００３６】
例えば図７に示すフィン８のように、断面Ω状の湾曲部（可撓部、弾性変形部）８１が上下に交互に形成されたコルゲート板を用いることができる。このフィン８は、湾曲部８１の内部の空洞部８２が管体内部２５３の管路方向と平行に延びる状態に配設され、湾曲部８１の外面が主板部２５１に接合されており、湾曲部８１およびフィン８と主板部２５１との間の空間を加熱流体Ｈが流される。フィン８は湾曲部８１が潰れるように撓んで弾性変形し、これにより主板部２５１は剛性が高くなることが抑えられ、主板部２５１の変形が可能となっている。
【符号の説明】
【００３７】
１…熱電変換式発電装置、２５…管体、２５１…主板部（加熱板部）、２５３…管体内部、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、７，８…フィン、７４…先端部（可撓部、弾性変形部）、８１…湾曲部（可撓部、弾性変形部）、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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