(57)【要約】【課題】絶縁板に流体を接触させて熱電変換モジュールの両方の伝熱面の温度差を大きくして出力を高めることができるとともに、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路との間の漏れの発生を防止できる熱電発電装置を提供する。【解決手段】実施の形態による熱電発電装置１は、二種類の電極１１２ａ、１１２ｂをそれぞれ絶縁板１１３ａ、１１３ｂで覆った熱電変換モジュール１１０と、モジュール孔３１を有するモジュール取付部材３０と、を備えている。熱電変換モジュール１１０は、モジュール取付部材３０のモジュール孔３１にはめ込まれている。熱電発電装置１は、絶縁板１１３ａ、１１３ｂの伝熱面１１０ａ、１１０ｂが流体３、４に接触する構造を有している。モジュール取付部材３０の材質は、伸縮性により、モジュール取付部材３０の熱変形を吸収する材質となっている。【選択図】図１
2015128351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電発電装置であって、
二種類の電極をそれぞれ絶縁板で覆った熱電変換モジュールと、
モジュール孔を有するモジュール取付部材と、を備え、
前記熱電変換モジュールは、前記モジュール取付部材の前記モジュール孔にはめ込まれ、
当該熱電発電装置は、前記絶縁板の伝熱面が流体に接触する構造を有し、
前記モジュール取付部材の材質は、伸縮性により、当該モジュール取付部材の熱変形を吸収する材質である、ことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記モジュール取付部材がゴムにより形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
複数の前記熱電変換モジュールを備え、
隣り合う前記熱電変換モジュールを接続する電気配線が、前記モジュール取付部材に設けられた溝に収容されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記溝に収容された前記電気配線は、蓋によって覆われている、ことを特徴とする請求項３に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
複数の前記熱電変換モジュールを備え、
隣り合う前記熱電変換モジュールの間の領域において、前記モジュール取付部材が、前記熱電変換モジュールの厚さより小さい厚さの薄肉部分を有する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記モジュール取付部材は、前記絶縁板の前記伝熱面に重なるように延びる延長部分を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記モジュール取付部材は、一方の前記絶縁板の前記伝熱面に重なるように延びる第１延長部分と、前記第１延長部分とは別体に形成され、他方の前記絶縁板の前記伝熱面に重なるように延びる第２延長部分と、を有する、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記熱電変換モジュールから延びる電気配線を覆うカバー部材を更に備えた、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記モジュール取付部材の前記モジュール孔は、前記熱電変換モジュールを当該モジュール孔にはめ込む際に圧入するように形成されている、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項１０】
前記熱電変換モジュールから延びる電気配線を、前記流体の流路壁に設けられた配線取出孔に通し、前記配線取出孔を流体が流通しないようにシール処理が施された、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項１１】
前記熱電変換モジュールと前記モジュール取付部材との隙間を流体が流通しないように、シール剤によるシール処理が施されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項１２】
前記シール剤は接着性を有する、ことを特徴とする請求項１１に記載の熱電発電装置。
【請求項１３】
前記シール剤を覆うカバー部材を更に備えた、ことを特徴とする請求項１１または１２に記載の熱電発電装置。
【請求項１４】
前記カバー部材は、前記熱電変換モジュールから延びる電気配線を覆うことを特徴とする請求項１３に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電装置は、熱電変換モジュールの両面に温度差を与えることで、電力を発生させて取り出すように構成されており、非化石燃料による環境に優しい発電機である。熱電発電装置は、例えば、工場排水や温泉などの熱源からエネルギを回収して電力を発生させることができ、独立電源として現場の照明や機器へ電力を供給することができる。また、熱電発電装置により発生する電力を、電力会社の電力系統が停電した場合に備えるためのバックアップ電源への蓄電に利用することもできる。
【０００３】
このような熱電発電装置として、特許文献１に示すものが知られている。この熱電発電装置を、図１８および図１９を用いて説明する。
【０００４】
図１８および図１９に示す熱電発電装置１００は、高温熱流体が流れる高温チャンバ１０１Ａの外壁と、低温熱流体が流れる低温チャンバ１０１Ｂの外壁との間に挟持されて圧接された複数の熱電変換モジュール１１０を備えている。各チャンバ１０１Ａ、１０１Ｂは、片方の端部下側から流体が流入して、他方の端部上側から流出されるように構成されている。また、図１９に示すように、各チャンバ１０１Ａ、１０１Ｂの外壁と熱電変換モジュール１１０との間には、高い熱伝導率を有する熱伝導シート１０２が設けられており、各熱電変換モジュール１１０の平面度（より詳細には、後述する絶縁板１１３ａ、１１３ｂの表面の平面度）のばらつきによって生じ得る熱電変換モジュール１１０の締め付け圧のばらつきを緩和している。
【０００５】
熱電変換モジュール１１０は、図２０に示すように、例えば一辺が１ｍｍ以上の直方体状ないし立方体状に形成されたＰ型半導体素子（熱電変換材料）１１１ａおよびＮ型半導体素子（熱電変換材料）１１１ｂを有している。Ｐ型半導体素子１１１ａとＮ型半導体素子１１１ｂとは、第１の電極（導電体）１１２ａもしくは第２の電極（導電体）１１２ｂを介して直列に接続されている。第１の電極１１２ａは、第１の絶縁板１１３ａ（アルミナ、窒化アルミニウム等）で覆われており、第２の電極１１２ｂは、第２の絶縁板１１３ｂ（アルミナ、窒化アルミニウム等）で覆われている。すなわち、二種類の電極１１２ａ、１１２ｂが、絶縁板１１３ａ、１１３ｂでそれぞれ覆われている。
【０００６】
熱電変換材料には、例えば、ＢｉＴｅ系の合金、もしくはＦｅ２ＶＡｌ系のホイスラー合金といった材料が使用される。熱電変換材料間の接合や、熱電変換材料と絶縁板１１３ａ、１１３ｂとの接合には、例えばはんだ材を使用することができる。
【０００７】
また、直列接続構造となっている電極１１２ａ、１１２ｂのうち両端部に位置する電極に、配線（もしくはリード線）を接続するための電極取出口１１４ａ、１１４ｂが設けられている。なお、第１の絶縁板１１３ａと第２の絶縁板１１３ｂとの間には、スペーサ１１５が介在されている。スペーサ１１５は、Ｐ型半導体素子１１１ａおよびＮ型半導体素子１１１ｂの外側に配置されている。
【０００８】
このような熱電発電装置１００において、高温チャンバ１０１Ａに高温熱流体を流すと共に低温チャンバ１０１Ｂに低温熱流体を流すことにより、熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの表面（伝熱面）１１０ａが高温熱流体からの高熱により高温となり、第２の絶縁板１１３ｂの表面（伝熱面）１１０ｂが低温熱流体からの冷熱により低温となって、熱電変換モジュール１１０の両方の伝熱面１１０ａ、１１０ｂに温度差が生じる。このことにより、双方の流体が熱交換する過程で、各半導体素子１１１ａ、１１１ｂに熱電変換が起こり、発電が行われるようになっている。一般的には、高温熱流体としてお湯（温水）が使用され、低温熱流体としては水が使用されるが、これに限られるものではない。
【０００９】
ところで、このような熱電変換モジュール１１０の両方の伝熱面１１０ａ、１１０ｂの温度差は、高温熱流体と低温熱流体との温度差に比べて小さくなる傾向にある。これは、流体とチャンバ壁（流路壁）の内面との対流熱伝達による熱抵抗、チャンバ壁の熱伝導による熱抵抗、チャンバ壁の外面と熱伝導シート１０２との接触熱抵抗、熱伝導シート１０２の熱伝導による熱抵抗、熱伝導シート１０２と熱電変換モジュール１１０の伝熱面１１０ａ、１１０ｂとの接触熱抵抗が存在するからである。
【００１０】
一方、特許文献２に示す熱電発電システムについて、図２１（ａ）、（ｂ）および図２２を用いて説明する。この熱電発電システム１２０は、複数の熱電変換モジュール１１０を含む熱電変換装置１２１を有している。この熱電変換装置１２１では、複数の熱電変換モジュール１１０を並べてそれぞれの絶縁板の表面（伝熱面）１１０ａ、１１０ｂを露出させつつ、当該伝熱面１１０ａ、１１０ｂ以外の面は封止剤１２２により密閉封止して複数の熱電変換モジュール１１０が一体化されている。各熱電変換モジュール１１０は、配線１２３により結線されている。
【００１１】
また、熱電変換装置１２１の他の例として、樹脂基板に熱電変換モジュール１１０をはめ込むとともに、孔を設けて配線１２３を通し、隙間をシリコンや接着剤で埋めて、水が漏れたり染み込んだりしないようにシール処理を施したものが示されている。
【００１２】
上述したいずれの熱電変換装置１２１も、図２２に示すようにチャンバ１２４内に取り付けられて、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路とを画定する。
【００１３】
特許文献２に示されたいずれの例においても、熱電変換モジュール１１０の両方の伝熱面１１０ａ、１１０ｂの温度差は、高温熱流体と低温熱流体の温度差よりは小さい。しかしながら、絶縁板の伝熱面１１０ａ、１１０ｂそれぞれに流体が直接に接触するため、伝熱面１１０ａ、１１０ｂそれぞれと流体との間の熱抵抗を、流体と熱電変換モジュール１１０の伝熱面１１０ａ、１１０ｂそれぞれとの対流熱伝達による熱抵抗のみとすることができる。このため、特許文献１に示す熱電発電装置１００に比べて、特許文献２に示す熱電発電システム１２０では、両方の伝熱面１１０ａ、１１０ｂの温度差は充分に大きくなり、発電出力を大きくすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特許第４９４５６４９号公報
【特許文献２】特許第５２６８６０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献２に示す熱電発電システムでは、熱電変換モジュールは、特許文献１に示す熱電発電装置のようにチャンバなどによって圧接されていない。このため、熱電変換モジュールと封止剤との密着度が小さくなるおそれがある。
【００１６】
すなわち、特許文献２に示す熱電発電システムにおいては、封止剤に高温熱流体側から低温熱流体側にわたって温度分布が形成される。封止剤は温度が高いほど熱伸びが大きくなるため、高温熱流体側と低温熱流体側の熱伸び差が大きくなる。これに対して、絶縁板は、アルミナ等のセラミックであるため、高温熱流体側の熱伸びと低温熱流体側の熱伸びはいずれも極めて小さく、結果としてこれらの熱伸びの差も極めて小さい。このことにより、高温熱流体側が凸になるように反ろうとする封止剤と、熱変形しない絶縁板との密着度が小さくなる。この場合、封止剤と絶縁板との間に隙間が形成され、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路とが連通して漏れ流れが生じて、高温熱流体と低温熱流体の温度差が小さくなり、熱電発電装置として適切に作動しなくなるおそれが生じる。
【００１７】
特許文献２の他の例として示す熱電発電装置においても同様である。すなわち、樹脂基板は、高温熱流体側と低温熱流体側の熱伸びの差は大きくなるが、絶縁板は熱伸び差がほとんどないため、高温熱流体側が凸になるように反ろうとする樹脂基板と、熱変形しない絶縁板との間にてシリコンや接着剤で埋めたシール処理箇所における密着度が小さくなる。これにより、樹脂基板と絶縁板との間のシール処理箇所に隙間が形成され、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路とが連通し、漏れ流れが生じて熱電発電装置として適切に作動しなくなるおそれが生じる。
【００１８】
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、絶縁板に流体を接触させて熱電変換モジュールの両方の伝熱面の温度差を大きくして出力を高めることができるとともに、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路との間の漏れの発生を防止できる熱電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】
【００１９】
実施の形態による熱電発電装置は、二種類の電極をそれぞれ絶縁板で覆った熱電変換モジュールと、モジュール孔を有するモジュール取付部材と、を備えている。熱電変換モジュールは、モジュール取付部材のモジュール孔にはめ込まれている。熱電発電装置は、絶縁板の伝熱面が流体に接触する構造を有している。モジュール取付部材の材質は、伸縮性により、モジュール取付部材の熱変形を吸収する材質となっている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態における熱電発電装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の熱電発電装置におけるモジュール組立体を示す斜視図である。
【図３】図３は、図２のモジュール組立体を示す平面図である。
【図４】図４は、図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図５は、図１の熱電発電装置における配線取出口を示す部分断面図である。
【図６】図６は、図５のＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２の実施の形態における熱電発電装置において、モジュール組立体を示す部分平面図である。
【図８】図８は、図７のＣ−Ｃ線断面図である。
【図９】図９は、図８の変形例を示す図である。
【図１０】図１０は、図８の変形例における図７のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の第３の実施の形態における熱電発電装置において、モジュール組立体を示す部分断面図である。
【図１２】図１２は、図１１の変形例を示す部分断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第４の実施の形態における熱電発電装置において、モジュール組立体を示す部分断面図である。
【図１４】図１４は、図１３の変形例を示す部分断面図である。
【図１５】図１５は、図１３の他の変形例を示す部分断面図である。
【図１６】図１６は、本発明の第５の実施の形態における熱電発電装置において、モジュール組立体を示す部分断面図である。
【図１７】図１７は、図１６の熱電発電装置におけるカバー部材の取付方法を説明するための図である。
【図１８】図１８は、従来の熱電発電装置を示す斜視図である。
【図１９】図１９は、図１８に示す熱電発電装置を示す部分断面図である。
【図２０】図２０は、熱電変換モジュールの構成を示す断面図である。
【図２１】図２１（ａ）は、従来のモジュール組立体を示す斜視図であり、図２１（ｂ）は、その側面図である。
【図２２】図２２は、図２１のモジュール組立体を使用する従来の熱電発電装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１乃至図６を用いて、本発明の第１の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
【００２３】
図１に示すように、熱電発電装置１は、ケーシング２と、ケーシング２内に取り付けられ、熱電変換モジュール１１０を有するモジュール組立体２０と、を備えている。モジュール組立体２０は、ケーシング２内の空間を、高温熱流体としての温水３が流通する温水チャンバ（高温チャンバ）１０Ａと、低温熱流体としての冷水４が流通する冷水チャンバ（低温チャンバ）１０Ｂとに区画している。すなわち、モジュール組立体２０は、温水チャンバ１０Ａと冷水チャンバ１０Ｂとを区画する隔壁として機能しており、温水チャンバ１０Ａと冷水チャンバ１０Ｂは、ケーシング２によって一体に形成されている。なお、温水３の温熱源や、冷水４の冷熱源には制約はなく、例えば温水３は温泉水を使用することができ、冷水４は湧き水（山水）を使用することができる。
【００２４】
ケーシング２には、温水チャンバ１０Ａ内へ温水３を流入する温水入口１１Ａと、温水チャンバ１０Ａから温水３が流出する温水出口１２Ａとが設けられている。温水出口１２Ａは、温水入口１１Ａの反対側に配置されている。同様に、ケーシング２には、冷水チャンバ１０Ｂ内へ冷水４を流入する冷水入口１１Ｂと、冷水チャンバ１０Ｂから冷水４が流出する冷水出口１２Ｂとが設けられており、冷水出口１２Ｂは、冷水入口１１Ｂの反対側に配置されている。本実施の形態においては、温水入口１１Ａは冷水入口１１Ｂの反対側に配置されるとともに温水出口１２Ａは冷水出口１２Ｂの反対側に配置されており、これにより、温水チャンバ１０Ａ内の温水３の流れる方向と、冷水チャンバ１０Ｂ内の冷水４の流れる方向を、互いに反対方向にすることができ、温水３の流れと冷水４の流れが対向流を形成している。このことにより、熱電変換モジュール１１０の両方の伝熱面１１０ａ、１１０ｂ（後述）の温度差を、温水３または冷水４の流れる方向に均一化させることができ、発電性能を向上させている。
【００２５】
なお、ケーシング２の上面は、例えば、蓋のように取り外し可能になっていることが好適である。このことにより、モジュール組立体２０をケーシング２に容易に取り付けることができる。また、各チャンバ１０Ａ、１０Ｂの上面には、チャンバ１０Ａ、１０Ｂ内の空気を排出させるための空気排出部（図示せず）が設けられていてもよい。このことにより、チャンバ１０Ａ、１０Ｂ内に温水３、冷水４を流入させる際に、チャンバ１０Ａ、１０Ｂ内の空気を外部に排出させて、温水３、冷水４を空気が滞留することなく流入させることが可能となる。さらに、各チャンバ１０Ａ、１０Ｂの底面に、チャンバ１０Ａ、１０Ｂ内の温水３、冷水４を排出させるための流体排出部（図示せず）が設けられていてもよい。
【００２６】
モジュール組立体２０は、図２に示すように、（好適には複数の）上述した熱電変換モジュール１１０（図２０参照）と、熱電変換モジュール１１０が取り付けられたモジュール枠（モジュール取付部材）３０と、を有している。モジュール枠３０は複数のモジュール孔３１を含み、熱電変換モジュール１１０はモジュール孔３１にはめ込まれている。
【００２７】
熱電変換モジュール１１０は、図２０に示すように、Ｐ型半導体素子（熱電変換材料）１１１ａおよびＮ型半導体素子（熱電変換材料）１１１ｂを有している。Ｐ型半導体素子１１１ａとＮ型半導体素子１１１ｂは、第１の電極１１２ａもしくは第２の電極１１２ｂを介して直列に接続され、第１の電極１１２ａは第１の絶縁板１１３ａ（アルミナ、窒化アルミニウム等）で覆われ、第２の電極１１２ｂは第２の絶縁板１１３ｂ（アルミナ、窒化アルミニウム等）で覆われている。このように、本実施の形態における熱電変換モジュールは、図２０に示す熱電変換モジュールと同様の構成とすることができるため詳細な説明は省略する。
【００２８】
図２に示すように、熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの伝熱面（表面）１１０ａおよび第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面（表面）１１０ｂは、正方形状に形成されている。モジュール枠３０のモジュール孔３１も正方形状に形成されており、モジュール孔３１に熱電変換モジュール１１０がはめ込まれるようになっている。この際、熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの側面、第２の絶縁板１１３ｂの側面およびスペーサ１１５の側面が、モジュール孔３１の壁面に対向するようになる（図４参照）。
【００２９】
熱電発電装置１は、第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａが温水３に直接に接触するとともに、第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面１１０ｂが冷水４に直接に接触する構造を有している。すなわち、上述したように、熱電変換モジュール１１０は温水チャンバ１０Ａと冷水チャンバ１０Ｂとを区画しており、熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａは、図１に示すように、温水チャンバ１０Ａに露出されている。このことにより、第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａは、温水３に直接に接触するようになっている。同様に、第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面１１０ｂは冷水チャンバ１０Ｂに露出され、冷水４に直接に接触するようになっている。
【００３０】
図３および図４に示すように、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との隙間３７に、シール剤によるシール処理が施されており、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との隙間３７を温水３または冷水４が流通しないようになっている。本実施の形態では、接着性を有するシール剤、すなわち接着剤４０を使用しており、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との隙間３７をシールするととともに両者を接着している。接着剤４０は、塗布時には流動性を有しているが、時間が経つと流動性が喪失されて固化状態になり、機能および効果の観点で、シール剤を兼ねることができる。接着剤４０は、例えば、熱電変換モジュール１１０をモジュール孔３１にはめ込む前に熱電変換モジュール１１０の外面および／またはモジュール孔３１の壁面に塗布するか、またははめ込んだ後に注入することにより、隙間３７を接着剤３７で充填して、シールして接着することができる。
【００３１】
モジュール枠３０の材質は、伸縮性により、当該モジュール枠３０の熱変形を吸収する材質となっている。例えば、モジュール枠３０は、ゴムにより形成することができる。ゴムは、伸縮性が高く、熱伝導率が低い材質である。モジュール枠３０には、例えば、フランジパッキンや自転車のタイヤチューブに用いるゴムと同様のゴムを使用することができる。モジュール枠３０は、温水チャンバ１０Ａを流通する温水３に直接に接触するが、温泉の温度程度であれば、ゴムの劣化などの支障をきたすことを回避できる。なお、モジュール枠３０の材料はゴムに限られることはなく、モジュール枠３０の熱変形を吸収可能な伸縮性を有していれば任意の樹脂を使用することができる。
【００３２】
モジュール枠３０にゴムを使用する場合には、温水チャンバ１０Ａ内の温水３の圧力と、冷水チャンバ１０Ｂ内の冷水４の圧力との圧力差による力がモジュール枠３０に付加されることを抑制することが好適である。温水３および冷水４が定常的に流通している間では、温泉からの温水３の圧力と湧き水からの冷水４の圧力には、熱電発電装置１の運転に支障を来すような圧力差は一般的には生じない。このため、空のケーシング２内に温水３および冷水４の供給を開始する際に、圧力差が生じないようにすることが好ましい。例えば、図１に示すように、温水入口１１Ａに連結された温水管１３Ａに温水入口弁１４Ａを設け、冷水入口１１Ｂに連結された冷水管１３Ｂに冷水入口弁１４Ｂを設け、温水チャンバ１０Ａに温水３の供給を開始するタイミングと、冷水チャンバ１０Ｂに冷水４の供給を開始するタイミングとを、入口弁１４Ａ、１４Ｂによって合わせること（例えばほぼ同時に開くこと）により、温水３と冷水４の圧力差による力がモジュール枠３０に付加されることを抑制できる。なお、温水熱源と冷水熱源の圧力差が充分にある場合には、温水３と冷水４の圧力差を確実に抑制するために、温水管１３Ａおよび／または冷水管１３Ｂに減圧弁のような圧力調整手段（図示せず）を設けることが好適である。
【００３３】
図３に示すように、各熱電変換モジュール１１０は、電気配線４２によって直列に接続されている。電気配線４２の付け根（熱電変換モジュール１１０との接続部）は、上述した接着剤４０を用いて熱電変換モジュール１１０に固定されている。電気配線４２のうち、水に接触する可能性のある部分には、防水被覆が施されている。
【００３４】
電気配線４２は、モジュール枠３０の冷水チャンバ１０Ｂ側に配置されることが好適である。このことにより、電気配線４２が温水チャンバ１０Ａを流通する温水３に接触することが回避され、温水３の熱による電気配線４２の被覆劣化を防止している。また、高温熱流体として温泉からの温水３を使用している場合には、温水３の化学成分（例えば、酸性成分）により電気配線４２が劣化することを防止できる。なお、電気配線４２は、熱変形などにより電気配線４２の付け根に力が付加されて破損することを防止するために、緊張させないようにある程度撓ませるように結線されていることが好適である。
【００３５】
図１および図５に示すように、ケーシング２の壁（流体の流路壁）２ａには、配線取出孔４４を含む配線取出部４３が設けられており、直列接続された複数の熱電変換モジュール１１０のうち両端に位置する熱電変換モジュール１１０から延びる電気配線４２は、この配線取出孔４４を通ってケーシング２の外側に延びている。配線取出孔４４を温水３または冷水４が流通しないように、電気配線４２と配線取出部４３との隙間４５には、シール剤４１が充填されてシール処理されている。
【００３６】
上述したように、熱電変換モジュール１１０とモジュール孔３１とは接着剤４０で接着されてシールされている。この場合、熱電変換モジュール１１０をモジュール孔３１にはめ込む際に圧入するように当該モジュール孔３１が形成されていることが好適である。具体的には、モジュール孔３１の大きさを、熱電変換モジュール１１０の孔より小さくし、熱電変換モジュール１１０をモジュール孔３１に圧入してはめ込むことが好適である。このことにより、シール性を向上させることができる。
【００３７】
図６に示すように、モジュール組立体２０のモジュール枠３０は、ケーシング２に取り付けられている。すなわち、本実施の形態においては、ケーシング２の内面に凹部５が設けられ、これらの凹部５にモジュール枠３０が差し込まれており、温水チャンバ１０Ａと冷水チャンバ１０Ｂとが連通して温水３または冷水４が流通することを防止するように、シール剤４１によりシール処理されている。モジュール枠３０がゴムで形成されている場合、ゴムの伸縮性を利用してモジュール枠３０を各凹部５に圧入することが好適である。この場合、シール性を向上させることができる。なお、モジュール枠３０の取付構造は、上述のような構成に限られることはなく、シール性を確保することができれば任意である。
【００３８】
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
【００３９】
まず、温水入口弁１４Ａおよび冷水入口弁１４Ｂをほぼ同時に開き、温水入口１１Ａから温水チャンバ１０Ａに温水３を流入させるとともに、冷水入口１１Ｂから冷水チャンバ１０Ｂに冷水４を流入させる。このことにより、モジュール枠３０に、温水３と冷水４との圧力差による力が付加されることを抑制できる。温水チャンバ１０Ａに流入した温水３は温水出口１２Ａから流出され、冷水チャンバ１０Ｂに流入した冷水４は冷水出口１２Ｂから流出され、温水３の流れと冷水４の流れは対向流を形成している。
【００４０】
温水３および冷水４がチャンバ１０Ａ、１０Ｂを流通している間、温水３は熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａに直接に接触し、冷水４は第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面１１０ｂに直接に接触する。このことにより、第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａと第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面１１０ｂとの温度差を大きくし、熱電変換モジュール１１０のＰ型半導体素子１１１ａおよびＮ型半導体素子１１１ｂの両面の温度差をそれぞれ大きくすることができ、発電出力を高めることができる。
【００４１】
また、温水３および冷水４が流通している間、モジュール枠３０に温水３側から冷水４側にわたって温度分布が形成され、モジュール枠３０および接着剤４０の温水３側と冷水４側で熱伸び差が大きくなり得る。しかしながら、モジュール枠３０が、その伸縮性により自身の熱変形を吸収する材質を有していることから、モジュール枠３０や接着剤４０の熱伸び差による熱変形、すなわち高温熱流体（温水３）側が凸になるように反ろうとする変形を、モジュール枠３０が吸収することができる。
【００４２】
このように本実施の形態によれば、熱電変換モジュール１１０がはめ込まれるモジュール孔３１を含むモジュール枠３０の材質が、自身の伸縮性により、当該モジュール枠３０および接着剤４０の熱変形を吸収する材質となっていることにより、モジュール枠３０に温水３側から冷水４側にわたって温度分布が形成された場合においても、モジュール枠３０や接着剤４０の熱伸び差による熱変形をモジュール枠３０が吸収することができる。このため、互いに接着剤４０で接着されたモジュール枠３０と熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａまたは第２の絶縁板１１３ｂとの隙間３７を温水３、冷水４が流通することを防止できる。この結果、絶縁板１１３ａ、１１３ｂに温水３、冷水４を接触させて熱電変換モジュール１１０の両方の伝熱面１１０ａ、１１０ｂの温度差を大きくして出力を高めることができるとともに、温水チャンバ１０Ａと冷水チャンバ１０Ｂとの間の漏れの発生を防止できる。
【００４３】
なお、上述した本実施の形態においては、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との間に、接着剤４０（シール剤）によるシール処理が施されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、熱電変換モジュール１１０がモジュール孔３１に圧入され、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との接触部で所望のシール性能を発揮することが可能であれば、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との間には、シール剤によるシール処理が施されていなくてもよい。また、熱電変換モジュール１１０がモジュール枠３０に保持可能であれば、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０には、接着性を有しない（接着性を期待できない）シール剤４１によりシール処理が施されてもよい。
【００４４】
（第２の実施の形態）
次に、図７および図８を用いて、本発明の第２の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
【００４５】
図７および図８に示す第２の実施の形態においては、熱電変換モジュールを接続する電気配線が、モジュール枠の溝に収容されている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８および図９において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００４６】
図７および図８に示すように、モジュール枠３０の互いに隣り合うモジュール孔３１の間に溝５０が設けられている。溝５０は、モジュール枠３０の冷水チャンバ１０Ｂ側に配置されており、一のモジュール孔３１から、当該一のモジュール孔３１に隣り合う他のモジュール孔３１に延びている。この溝５０に、互いに隣り合う熱電変換モジュール１１０を接続する電気配線４２が収容されている。
【００４７】
このように本実施の形態によれば、互いに隣り合う熱電変換モジュール１１０を接続する電気配線４２が、モジュール枠３０に設けられた溝５０に収容されている。このことにより、電気配線４２が冷水４の強い流れ（主流）から遠ざけることができ、この強い流れによって電気配線４２が熱電変換モジュール１１０から外れたり、破損したりすることを防止できる。このため、熱電発電装置１の品質を向上させることができる。
【００４８】
なお、上述した本実施の形態において、図９および図１０に示すように、溝５０に収容された電気配線４２が蓋５１によって覆われるようにしてもよい。このような蓋５１は、例えば、モジュール枠３０と同様の材料によって別体に形成することができる。また、蓋５１は、溝５０に電気配線４２が収容された後に、電気配線４２を覆うように取り付けられ、蓋５１と溝５０の壁面との隙間５２を接着剤４０でシールしながら接着する。このことにより、溝５０内の電気配線４２が冷水４に触れることを防止でき、電気配線４２が外れたり破損したりするリスクを低減できる。
【００４９】
（第３の実施の形態）
次に、図１１を用いて、本発明の第３の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
【００５０】
図１１に示す第３の実施の形態においては、隣り合う熱電変換モジュールの間の領域において、モジュール枠が熱電変換モジュールの厚さより小さい厚さの薄肉部分を有している点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１２において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５１】
図１１に示すように、隣り合う熱電変換モジュール１１０の間の領域において、モジュール枠３０が、熱電変換モジュール１１０の厚さより小さい厚さの薄肉部分３２を有している。図１１に示す形態では、当該領域におけるモジュール枠３０の断面形状がＨ型に形成されている。なお、図１２に図１１の変形例として示すように、当該領域におけるモジュール枠３０の断面形状は、コの字型で形成されていてもよい。
【００５２】
このように本実施の形態によれば、熱電変換モジュール１１０の間の領域に、モジュール枠３０の厚さより小さい厚さの薄肉部分３２が設けられているため、モジュール枠３０や接着剤４０の熱伸び差による熱変形をモジュール枠３０がより一層吸収することができる。このため、モジュール枠３０と熱電変換モジュール１１０との隙間３７を温水３、冷水４が流通することをより一層防止でき、温水チャンバ１０Ａと冷水チャンバ１０Ｂとの間の漏れの発生をより一層防止できる。
【００５３】
（第４の実施の形態）
次に、図１３を用いて、本発明の第４の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
【００５４】
図１３に示す第４の実施の形態においては、モジュール枠は、絶縁板の伝熱面に重なるように延びる延長部分を有している点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１３において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５５】
図１３に示すように、モジュール枠３０は、隣り合う熱電変換モジュール１１０の間に位置する枠本体部分３３と、熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａに重なるように延びる第１延長部分３４と、第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面１１０ｂに重なるように延びる第２延長部分３５と、を有している。第１延長部分３４と、当該第１延長部分３４に対応する第２延長部分３５との間に、モジュール枠３０が差し込まれるようになっている。この場合、モジュール枠３０の第１延長部分３４と熱電変換モジュール１１０との隙間５３、および第２延長部分３５と熱電変換モジュール１１０との隙間５４に接着剤４０が充填され、これら第１延長部分３４および第２延長部分３５と、熱電変換モジュール１１０とが接着されてシールされる。
【００５６】
モジュール枠３０の第１延長部分３４は、熱電変換モジュール１１０の伝熱面１１０ａより温水チャンバ１０Ａ側に形成され、第２延長部分３５は、熱電変換モジュール１１０の伝熱面１１０ｂより冷水チャンバ１０Ｂ側に形成されている。本実施の形態においては、これら第１延長部分３４および第２延長部分３５は、枠本体部分３３に一体に形成されている。この場合、モジュール枠３０を弾性変形させながら熱電変換モジュール１１０をモジュール孔３１にはめ込むことができる。
【００５７】
このように本実施の形態によれば、モジュール枠３０の第１延長部分３４が熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａに重なるように延び、第２延長部分３５が第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面１１０ｂに重なるように延びている。このことにより、モジュール枠３０の枠本体部分３３だけでなく、第１延長部分３４および第２延長部分３５によっても熱電変換モジュール１１０と接着することができる。このため、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との接着面積を増大させることができ、シール性を向上させることができる。
【００５８】
なお、上述した本実施の形態においては、モジュール枠３０の第１延長部分３４および第２延長部分３５が、枠本体部分３３に一体に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、図１４に示すように、第１延長部分３４が、枠本体部分３３および第２延長部分３５とは別体に形成されていてもよい。この場合、例えば、熱電変換モジュール１１０がモジュール枠３０にはめ込まれた後に、モジュール枠３０の第１延長部分３４を接着剤４０で枠本体部分３３に接着するとともに、第１延長部分３４と熱電変換モジュール１１０との隙間５３に接着剤４０が充填され、第１延長部分３４を熱電変換モジュール１１０に接着してシールすることができる。このことにより、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との接着面積を増大しつつ、熱電変換モジュール１１０のモジュール孔３１への取付を容易に行うことができる。なお、第１延長部分３４を枠本体部分３３と一体に形成し、第２延長部分３５を枠本体部分３３とは別体に形成してもよい。
【００５９】
また、上述した本実施の形態において、図１５に示すように、隣り合う熱電変換モジュール１１０の間の領域においてモジュール枠３０の本体枠部分３３が熱電変換モジュール１１０の厚さより小さい厚さの薄肉部分３２を有しているようにしてもよい。ここでは、図１１と同様に、当該領域におけるモジュール枠３０の断面形状がＨ型に形成されている例を示している。この場合、本実施の形態による熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との接着面積を増大することができるという効果と、第３の実施の形態によるモジュール枠３０や接着剤４０の熱伸び差をモジュール枠３０がより一層吸収することができるという効果とを、併せ持つことができる。
【００６０】
また、上述した本実施の形態においては、モジュール枠３０は、熱電変換モジュール１１０の第１の絶縁板１１３ａの伝熱面１１０ａに重なるように延びる第１延長部分３４と、第２の絶縁板１１３ｂの伝熱面１１０ｂに重なるように延びる第２延長部分３５と、を有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、モジュール枠３０は、第１延長部分３４および第２延長部分３５のいずれか一方を有し、他方を有していなくてもよい。この場合においても、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との接着面積を増大させることができる。
【００６１】
（第５の実施の形態）
次に、図１６および図１７を用いて、本発明の第５の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
【００６２】
図１６および図１７に示す第５の実施の形態においては、シール剤を覆うカバー部材が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１６および図１７において、図１乃至図６に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６３】
図１６に示すように、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０とをシールするシール剤としての接着剤４０を覆うカバー部材６０が設けられている。カバー部材６０は、図１６に示すように、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０とをシールするために塗布あるいは注入されて固化された接着剤４０を収容する収容部６１を含み、全体として、コの字型の断面を有している。このようなカバー部材６０に用いる材料には特に制約はなく、金属やプラスチックを好適に使用することができる。
【００６４】
本実施の形態においては、カバー部材６０は、モジュール組立体２０の両側に設けられている。そして、カバー部材６０は、図１７に示すように、対応する熱電変換モジュール１１０の伝熱面１１０ａ、１１０ｂを露出させる複数の開口部６２を有している。互いに隣り合う開口部６２の間に、上述した収容部６１が形成されている。収容部６１は、開口部６２の辺に沿う方向に沿って延びており、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０との間の接着剤４０を覆うようになっている。
【００６５】
また、図９および図１０のように電気配線４２が保護される技術が施されていなければ、本実施の形態におけるカバー部材６０は、熱電変換モジュール１１０から延びる電気配線４２を覆うようにする。
【００６６】
図１７に示すように、カバー部材６０には位置決め棒６３が取り付けられている。この位置決め棒６３は、カバー部材６０に略垂直に延びるように形成されている。カバー部材６０は、ケーシング２内にモジュール組立体２０が取り付けられた後、温水チャンバ１０Ａ内および冷水チャンバ１０Ｂ内にそれぞれ挿入される。この際、位置決め棒６３の長手方向は、チャンバ１０Ａ、１０Ｂの幅方向（温水３、冷水４の主流の方向に直交する方向）を向き、位置決め棒６３の先端面６３ａが、カバー部材６０に対向するケーシング２の壁の内面に対して所定のギャップを持って位置付けられる。このようなギャップが形成されるように位置決め棒６３の長さＬを設定することにより、ケーシング２内におけるカバー部材６０の大まかな位置決めを行うことができるとともに、カバー部材６０が熱電変換モジュール１１０に押圧力を付加することを防止できる。また、カバー部材６０の収容部６１に、寸法的にある程度の余裕を持たせることより、カバー部材６０が熱伸びした場合であっても、カバー部材６０が接着剤４０や電気配線４２に接触して擦れることを防止できる。
【００６７】
このように本実施の形態によれば、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０とをシールする接着剤４０、および電気配線４２が、カバー部材６０によって覆われるため、水の強い流れに晒されることを防止できる。このことにより、水の流れによって接着剤４０および電気配線４２が削れたり、破損したりすることを防止でき、熱電発電装置１の品質を向上させることができる。
【００６８】
なお、上述した本実施の形態においては、カバー部材６０は、熱電変換モジュール１１０とモジュール枠３０とをシールする接着剤４０および電気配線４２を覆っている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、カバー部材６０は、接着剤４０および電気配線４２のいずれか一方を覆うようにしてもよい。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による熱電発電装置は、上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１        熱電発電装置
３        温水
４        冷水
３０      モジュール枠
３１      モジュール孔
３２      薄肉部分
３４      第１延長部分
３５      第２延長部分
３７      隙間
４０      接着剤
４１      シール剤
４２      電気配線
４３      配線取出部
４４      配線取出孔
５０      溝
５１      蓋
６０      カバー部材
１１０    熱電変換モジュール
１１２ａ  第１の電極
１１２ｂ  第２の電極
１１３ａ  第１の絶縁板
１１３ｂ  第２の絶縁板
１１０ａ、１１０ｂ  伝熱面
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2015128351.tif 000020
【図１９】
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【図２０】
2015128351.tif 000022
【図２１】
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【図２２】
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