(57)【要約】【課題】冷却部側の冷却効率を高めて発電量の向上を効果的に図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】密閉容器２における管体２５の主板部（加熱側の板部材）２５１と可撓性を有する薄板（冷却側の板部材）２２との間に熱電変換モジュール４を配設し、薄板２２と熱電変換モジュール４との間に、密閉容器２内が減圧されることで薄板２２から加圧を受けて熱電変換モジュール４に密着する緩衝材５を配設し、加熱流体Ｈで加熱される管体２５と冷却ジャケット３により冷却される薄板２２により、熱電変換モジュール４に温度差を与え発電する形式の発電装置において、エンボス加工を施すことで薄板２２の表面積を増大させ、薄板２２から緩衝材５を経て熱電変換モジュールに至る伝熱性を向上させて冷却効率を高める。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向して配設される加熱側の板部材と可撓性を有する冷却側の板部材とを有し、内部が減圧される密閉容器と、
前記加熱側の板部材と前記冷却側の板部材との間に配設した状態で前記密閉容器内に配設される熱電変換モジュールと、
前記冷却側の板部材と前記熱電変換モジュールとの間に挟まれて配設され、前記密閉容器内が減圧されることで該密閉容器に発生する内外の圧力差によって該冷却側の板部材から加圧を受けて前記熱電変換モジュールに密着させられる緩衝材と、を備え、
前記加熱側の板部材が加熱されるとともに前記冷却側の板部材が冷却されて前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることにより、該熱電変換モジュールが発電する熱電変換式発電装置であって、
前記冷却側の板部材の前記緩衝材に当接する領域にエンボス加工が施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】
前記エンボス加工は前記緩衝材側にへこむ複数の凹部を有し、前記冷却側の板部材の外側に、該凹部に対応してフィンが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】
前記エンボス加工は前記冷却側の板部材の外側に突出する少なくとも１つの凸部を含み、該凸部を用いて前記フィンの位置合わせがなされることを特徴とする請求項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】
この種の発電装置では、高温部を加熱する加熱流体と低温部を冷却する冷却媒体の温度差が大きいほど発電量を向上させることができるが、そのような手法ではそれぞれの温度には限度があるため発電量の向上は困難である。そこで、高温部や低温部の構造を工夫して熱効率（加熱効率や冷却効率）を高めることで発電量を向上させることが考えられる。
【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、冷却部側の冷却効率を高めて発電量の向上を効果的に図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、互いに対向して配設される加熱側の板部材と可撓性を有する冷却側の板部材とを有し、内部が減圧される密閉容器と、前記加熱側の板部材と前記冷却側の板部材との間に配設した状態で前記密閉容器内に配設される熱電変換モジュールと、前記冷却側の板部材と前記熱電変換モジュールとの間に挟まれて配設され、前記密閉容器内が減圧されることで該密閉容器に発生する内外の圧力差によって該冷却側の板部材から加圧を受けて前記熱電変換モジュールに密着させられる緩衝材と、を備え、前記加熱側の板部材が加熱されるとともに前記冷却側の板部材が冷却されて前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることにより、該熱電変換モジュールが発電する熱電変換式発電装置であって、前記冷却側の板部材の前記緩衝材に当接する領域にエンボス加工が施されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明では、加熱側の板部材が加熱されるとともに冷却側の板部材が冷却されることで、これら板部材間の熱電変換モジュールに温度差が生じ、発電する。密閉容器内が減圧されることで密閉容器内の圧力が外部より低くなるという圧力差が生じ、可撓性を有する冷却側の板部材は緩衝材を介して熱電変換モジュールを加圧し、緩衝材が熱電変換モジュールに密着させられる。ここで、冷却側の板部材の緩衝材に当接する領域にエンボス加工が施されているため、冷却側の板部材の表面積は増大しており、このため冷却部の冷熱は冷却側の板部材から緩衝材を経て熱電変換モジュールに効率よく伝達する。すなわち冷却側の板部材から熱電変換モジュールへの伝熱性が向上して冷却部側の冷却効率が高まり、結果として発電量の向上が図られる。
【０００８】
本発明は、前記エンボス加工は前記緩衝材側にへこむ複数の凹部を有し、前記冷却側の板部材の外側に、該凹部に対応してフィンが配設されている形態を含む。この形態では、フィンと凹部との間に空間が形成されるか、もしくはフィンと凹部との間の空間がより大きく形成されることにより、フィンと凹部との間を通過する冷却媒体の通過量が増大し、これによりフィンの冷却能力が促進されて熱交換性が向上し、冷却効率が一層向上する。
【０００９】
また、本発明は、前記エンボス加工は前記冷却側の板部材の外側に突出する少なくとも１つの凸部を含み、該凸部を用いて前記フィンの位置合わせがなされる形態を含む。この形態では、エンボス加工の凸部を用いてフィンの位置合わせが容易となり、組み立て性が向上する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、冷却部側の冷却効率を高めて発電量の向上を効果的に図ることができる熱電変換式発電装置が提供され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】図４の一部（冷却ジャケットと管体の主板部との間）の拡大図である。
【図７】エンボス加工された薄板（冷却側の板部材）の平面図である。
【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（冷却側の板部材）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（加熱側の板部材）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（冷却媒体）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、断面がジグザグ状に屈曲する形状のコルゲート板からなるフィン６が配設されている。このフィン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、トンネル状の空間を形成する両面の溝部６１が図３のＹ方向に延びる状態とされて、薄板２２にろう付け等の接合手段で接合されている。なお、フィン６は薄板２２の可撓性を妨げない柔軟性を有するものが選択される。
【００２５】
薄板２２の緩衝材５に当接する領域には、凹凸を形成したエンボス加工が施されている。すなわち図６に示すように、薄板２２にはプレス加工等によって、緩衝材５側にへこむ複数の凹部２２１と、外面側に突出する複数の凸部２２２が形成されている。凹部２２１および凸部２２２は、図７に示すように平面視が円形状であって、半球状に形成されている。凹部２２１および凸部２２２の径はフィン６の溝部６１の幅よりもやや小さく設定されている。
【００２６】
緩衝材５側にへこむ複数の凹部２２１には、フィン６の溝部６１が対応して配設されている。また、複数の凸部２２２にも溝部６１が対応して配設されている。フィン６は予め薄板２２に接合されており、この薄板２２を組み込む際には、フィン６の溝部６１を凸部２２２に嵌合させることで、フィン６および薄板２２の位置合わせがなされるようになっている。
【００２７】
薄板２２のエンボス加工を構成する複数の凹部２２１と凸部２２２の数や形状は任意であり、適宜に変更が可能である。また、凹部２２１と凸部２２２の薄板２２に対する形成位置は緩衝材５に当接する領域内において任意であって例えば図７に示すように配置されるが、フィン６の溝部６１に対応する位置であることが条件とされる。
【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、密閉容器２内が減圧されることで密閉容器２内の圧力が外部より低くなるという圧力差が生じ、可撓性を有する冷却側の薄板２２は緩衝材５を介して熱電変換モジュール４を加圧し、緩衝材５が熱電変換モジュール４に密着させられる。ここで、薄板２２の緩衝材５に当接する領域に複数の凹部２２１および凸部２２２によるエンボス加工が施されているため、薄板２２の表面積は増大しており、このため冷却ジャケット３による冷熱は薄板２２から緩衝材５を経て熱電変換モジュール４に効率よく伝達する。すなわち薄板２２から熱電変換モジュール４への伝熱性が向上して冷却ジャケット３による冷却効率が高まり、結果として発電量の向上が図られる。
【００３５】
また、エンボス加工の凹部２２１にフィン６の溝部６１が対応して配設されているため、フィン６と凹部２２１との間の空間が、凹部２２１がない場合と比べるとより大きく形成される。したがってフィン６と凹部２２１との間を通過する冷却水の通過量が増大し、これによりフィン６の冷却能力が促進されて熱交換性が向上し、冷却効率が一層向上する。
【００３６】
また、エンボス加工の凸部２２２にフィン６の溝部６１を嵌合させることでフィン６および薄板２２の位置合わせを行う構成であるため、フィン６および薄板２２の位置合わせが容易となり、組み立て性が向上するという利点を有する。なお、凸部２２２はフィン６の位置合わせが可能であれば少なくとも１つ形成されていればよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…熱電変換式発電装置、２…密閉容器、２２…筐体の薄板（冷却側の板部材）、２２１…凹部、２２２…凸部、２５１…管体の主板部（加熱側の板部材）、４…熱電変換モジュール、５…緩衝材、６…フィン。
【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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