(57)【要約】【課題】            熱電変換モジュールと共に用いる熱電発電装置に関し、高温での熱歪耐熱性に優れると共に、多様な熱源にも自在に設計対応でき、しかも量産性に優れた構造の流体流通部を有する、保守管理の容易な実用的熱電変換装置を提供する。【解決手段】        本発明の熱電変換装置は、相対的に高温の流体を流す流通路を有する高温流体流通部と、前記高温流体に接するように該高温流体流通部に脱着可能に取り付けられた高温側基板と、相対的に低温の流体を流す流通路を設けた低温流体流通部と、前記高温側基板と前記低温流体流通部との間に挟まれた熱電変換モジュールとからなり、前記高温側基板は、前記高温流体の熱を前記高温側基板に伝えるフィンを取り付けるための複数の穴を有し、前記穴へのフィンの脱着により前記フィンの数と配置とが変更可能である。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対的に高温の流体を流す流通路を有する高温流体流通部と、前記高温流体に接するように該高温流体流通部に脱着可能に取り付けられた高温側基板と、相対的に低温の流体を流す流通路を設けた低温流体流通部と、前記高温側基板と前記低温流体流通部との間に挟まれた熱電変換モジュールとからなる熱電変換装置であり、前記高温側基板は、前記高温流体の熱を前記高温側基板に伝えるフィンを取り付けるための複数の穴を有し、前記穴へのフィンの脱着により前記フィンの数と配置とが変更可能である熱電変換装置。
【請求項２】
前記高温側基板の穴がねじ穴であり、前記フィンがねじ込みにより前記高温側基板に取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記高温側基板が、前記高温流体流通部とボルトで固定されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【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を用いて熱エネルギーを電力に直接変換する熱電変換装置であって、熱源のガスの流通路中にフィンを挿入設置する構造とすることで、多様な高温排ガスに対して、容易に導入設置可能で、フィンと一体となった熱電変換モジュール部の維持管理保守等が改善された熱電変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールと共に用いられる熱交換器は、通常、高温の流体が供給される高温側伝熱管と、低温の流体が供給される低温側伝熱管と、両伝熱管の間に挟み込んだ熱電変換モジュールとから構成されている。また、熱源（高温の流体）としては、ディーゼル、ガスエンジン、ガスタービン、廃棄物発電などからの排ガス（約１００〜６００℃）などが用いられている。また、熱源としてこのようなガスが供給される上記高温側伝熱管は、１モジュール当たりの熱交換量及び熱流束を向上させるため、複数の仕切板を用いて伝熱管内部を複数のガス流通路に区切った構造としたり、或いは伝熱管内部にプレートフィンや平行フィンを取付けることが行われている。
【０００３】
これらの仕切板又はフィンが設けられた高温側伝熱管は、フィン効果を得るために、引抜加工により伝熱管本体と仕切板又はフィンとが一体的に製造され、伝熱管そのものが、高温流体の流通路となっており、その外表面に熱電変換モジュールを設置する構造が一般的である。
【０００４】
一般に用いられる通常の熱交換器は、熱交換効率を最大限に高めるため、低温流体流通部と高温流体流通部とを隔てる共通の境界板の両面に多数のフィンを設けるだけの単純な構造を有していれば十分であるが、熱電変換モジュールと共に用いる熱電変換装置の場合は、低温流体流通部と高温流体流通部とは熱電変換モジュールを介して接触する構造である。従って、熱電変換モジュールと各流体の流通路と十分な熱接触を保持する必要から、熱電変換装置の構造に様々な工夫がなされている。例えば、流体流通部の外表面に直接熱電変換材料を形成する方法は、従来から試みられてきている。しかしながら、熱電変換材料はｐ型ｎ型材料を多数直列接続する必要があり、その対間は電気的に絶縁しなければ、短絡してしまい、性能は発揮されない。従って、熱電変換装置は、電気絶縁層も含めた、複雑な構造となり、一般用途への利用は、極めて困難であり、量産にも不向きである。
【０００５】
したがって、熱電変換モジュールと共に用いる熱電変換装置の場合は、低温流体流通部と高温流体流通部及び熱電変換モジュールは、それぞれ別の構造体であり、それらを電気絶縁層を介して互いに接触する構造となる。互いの間の熱抵抗を小さくするためには、上記３つの構造体全体を、大きな圧力で締め付ける必要があり、そのために各構造体は、一定程度の圧力に耐える、剛構造を有していなければならない。
【０００６】
熱電変換モジュールと共に用いる、剛構造を有した低温流体流通部または高温流体流通部の構造として、特許文献１に記載のように、金属ブロックに貫通孔を設置した構造が提案されているが、流通路形状がブロックの中では一定で、上流から下流へ流体の温度降下に従って、ブロック表面の接触した熱電変換モジュール表面の温度に大きな差がつく場合があり、熱電変換モジュールの性能を十分に引き出せない。
【０００７】
このため、熱電変換モジュール表面温度をできるだけ均一にする工夫として、流体流通部のフィンの数を調整する方法も提案されている。すなわち、高温流体流通部の上流側では、フィンの数を減らし、下流に向かうに従い、フィンの数を増すように、一体的にフィンを形成する方法である。しかしながら、熱電発電の対象となる排ガス熱源は、様々な温度、流量が想定され、その都度フィン構造を設計最適化して、個別に生産することは、量産性の観点から好ましくない。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−３４０５２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記、数量を調整したフィン構造を有する流体流通部を製造する場合、コスト低減を達成するためには、流通路の基本構造は一定の規格として、溶接によって仕切板又はフィンを取付ける方法が考えられる。しかしながら、この工法では、製作後の溶接歪みが発生し、溶接歪みを除去してもガスの温度が３００〜６００℃程度になった時点で歪みが発生し、熱電変換モジュールと流体流通部を構成する構造体（伝熱管）との密着性が問題となることがある。
【００１０】
流体流通部として上述の貫通孔を有するブロック構造体は、上記フィン溶接構造のような熱歪を回避するために工夫された構造体であるが、また、産業用途の大型設備になると、その重量も大きく、保守管理にも多大の労力がかかるなどの課題が考えられる。
【００１１】
このように、流体流通部の製作コストなどを重視すれば、流体流通部の熱歪が問題となり、高温での剛性を重視すれば、製作コストや保守管理などが満足しないのが現状である。
【００１２】
従って、本発明の目的は、熱電変換モジュールと共に用いて、熱電変換装置を形成する流体流通部について、高温での熱歪耐熱性に優れると共に、多様な熱源にも自在に設計対応でき、しかも量産性に優れた構造の流体流通部を有し、しかも保守管理の容易な実用的熱電変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、相対的に高温の流体を流す流通路を有する高温流体流通部と、前記高温流体に接するように該高温流体流通部に脱着可能に取り付けられた高温側基板と、相対的に低温の流体を流す流通路を設けた低温流体流通部と、前記高温側基板と前記低温流体流通部との間に挟まれた熱電変換モジュールとからなる熱電変換装置であり、前記高温側基板は、前記高温流体の熱を前記高温側基板に伝えるフィンを取り付けるための複数の穴を有し、前記穴へのフィンの脱着により前記フィンの数と配置とが変更可能である熱電変換装置に関する。
本発明の熱電変換装置の一実施形態として、前記高温側基板の穴がねじ穴であり、前記フィンがねじ込みにより前記高温側基板に取り付けられていることを特徴とする。
また、本発明の熱電変換装置の一実施形態として、前記高温側基板が、前記高温流体流通部とボルトで固定されていることを特徴とする。
なお、相対的に高温の流体、相対的に低温の流体とは、絶対的な温度を示すものではなく、熱電変換に使用する、２つの温度の異なる流体の内、温度の高い方の流体と、温度の低い方の流体をそれぞれ示している。同様に高温流体流通部、低温流体流通部における高温、低温についても同様な意味である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱電変換装置は、共通の部品仕様を保持しながら、多様な熱源に対して最適化設計が容易であることから、量産性に優れると共に、設置、管理、保守、交換が容易で、スケールアップが簡単なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の熱電変換装置を図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１は、本発明の熱電変換装置の一実施形態の概略を示す全体構成側面図である。図２は、図１で示した実施形態を図１中にＡとして示した方向から見た正面図である。図３は、図１で示した実施形態の高温側基板と流体流通部の内部の一例を示した一部断面図である。図４は図１で示した実施形態を図１中にＢとして示した方向から見た平面図である。図５は、図１示す実施形態で用いた高温側基板の一実施形態の平面図であり、図６は、図１に示した実施形態で用いた低温流体流通部の平面断面図であり、図７は、熱電変換モジュールの取付構造例を示す模式断面図であり、図８は、本発明の熱電変換装置をスケールアップした一例の概略を示す全体構成平面図である。
【００１６】
図１〜５に示す実施形態の熱電変換装置１は、図１に示すように、相対的に高温の流体を流す流通路２ａを有する高温流体流通部（又は高温側伝熱管）２と、前記高温流体に接するように該高温流体流通部２に脱着可能に取り付けられた高温側基板４と、相対的に低温の流体を流す流通路３ａ（図６参照）を設けた低温流体流通部（又は低温側伝熱管という。以下省略）３と、前記高温側基板４と前記低温流体流通部３との間に挟まれた熱電変換モジュール５とからなり、前記高温側基板４は、前記高温流体の熱を前記高温側基板４に伝えるフィン４ｄを取り付けるための複数の穴４ａ（図５参照）を有し、前記穴４ａへのフィン４ｄの脱着により前記フィン４ｄの数と配置とが変更可能になっている。
【００１７】
高温側基板４は、好ましくは、図５に示すように、中実一体構造の金属板で、その一方の面にフィン４ｄを設置するために用いる多数（本実施形態では１５３本）の、貫通していないねじ穴がある。他方の面には、熱電モジュール５や低温流体流通部３（図１参照）を設置する際に利用する、貫通していないねじ穴４ｂが設置されている。また、この高温側基板の周辺部には、高温流体流通部２のフランジにガスケットを介してボルト止めするための貫通孔４ｃが設置され、フランジ取り付けボルト１３（図８参照）が取り付けられる。ボルトで固定するので、高温側基板４が容易に脱着でき、フィンの配置や数量等の最適化を容易に行うことができる。高温側基板４としては、熱伝導率の高い剛性を有するものであればよい。
【００１８】
また、低温流体流通部（低温側伝熱管）３は、図６に示すように、中実一体構造の金属のブロック体に、複数本（本実施形態では２本）の平面断面略Ｕ字形状の低温の流体の流通路３ａをドリル加工などにより穿設して形成し、結果として該低温の流体の流通路３ａと熱電変換モジュール４との接触面との間が中実一体構造のブロック状体に形成されている。金属ブロックの材料としては、純銅、アルミニウムなどの非鉄金属が好ましく用いられる。また、該ブロック状体の低温流体流通部３の熱電変換モジュール５との接触面は、該モジュール５と均等圧力で接触するように機械加工などにより平面度が付与されている。また、上記低温流体流通部３は、図１に示すように、流通路３ａを流れる低温の流体の流れ方向が、高温の流体の流れ方向（矢標方向）に対して直角になるように取り付けてある。尚、図１、図３、図６に示した低温流体流通部おいて、２ｂは高温の流体の入口、２ｃは高温の流体の出口、３ｂは低温の流体の入口、３ｃは低温の流体の出口であり、図６に示した３１は沈みプラグである。
【００１９】
また、図１、図２及び図３に示すように、上記低温流体流通部（低温側伝熱管）３にはそれぞれ、熱電変換モジュール５に均等な面圧（例えば５〜１０ｋｇ／ｃｍ２程度）が加えられるように、押え板１１、スタッドボルト１２、座金７、複数のスプリングワッシャ８、締付けナット９、及びロックナット１０が取り付けてある。上記押え板１１は、断熱材６を介して低温流体流通部３と接しており、高温流体流通部２からの熱が、直接低温流体流通部３に伝わらない構造となっている。また上記押え板１１は、図４に示すように、本実施形態では１枚の熱電変換モジュール５に対して２枚取り付けられているが、この枚数は、モジュールの大きさ等により適宜増減する設計が好ましい。
【００２０】
また、上記熱電変換モジュール５は、図１、図２及び図３に示すように、高温流体流通部（高温側伝熱管）２の上下に各１枚取り付けられており、また、図７に示すように、両面を伝熱グリース１６／絶縁板１５／伝熱グリース１６の３層で被覆して、上記高温側基板４と上記低温流体流通部（低温側伝熱管）３との間に挟み込んである。
【００２１】
次に、本実施形態の熱電変換装置１の動作について説明する。本実施形態の熱電変換装置１を使用するに際しては、図１に示すように、高温流体流通部（高温側伝熱管）２の流通路２ａ内に流体としてガスを矢標方向に流すと共に、図６に示すように、低温流体流通部（低温側伝熱管）３の流通路３ａ内に流体を矢標方向（高温の流体の流れ方向に対し直角）に流す。そして、相対的に高温の流体と相対的に低温の流体との温度差により、熱電変換モジュール５において、ゼーベック効果による熱起電力が発生するが、この際、ガスの熱エネルギーが、高温側流体流通部（高温側伝熱管）２の流通路内の中心から、上下方向の接触面へと流れる過程において、流体と接触する金属板に設置されたフィン４ｄおよび高温側基板４表面を介して、上記熱エネルギーを熱電変換モジュール５に伝えるので、大きな伝熱効果が得られる。図５において、フィンを設置する穴４ａは、正方格子状に配列しているが、適宜三角格子配列にしてもよい。
【００２２】
図３に示すように、高温流体流通部２の上下に、フィン４ｄを表面に設置した高温側基板４の他の表面から、熱電変換モジュール５を介して低温流体流通部３が取り付けてあるため、高温流体流通部２の流通路内を流れるガスの熱エネルギーは、上下の各フィン４ｄ及び高温側基板４の他の表面から上下の各熱電変換モジュール５へと流れる。
【００２３】
尚、上記高温の流体のガスとしては、例えば、ディーゼル、ガスエンジン、ガスタービン、廃棄物発電などからの排ガス（約１００〜６００℃）が用いられ、また、上記低温の流体としては、冷却水（約２０℃）、海水（約２０℃）、温水（約５０〜８０℃）などが用いられる。
【００２４】
本実施形態の熱電変換装置の好ましい形態は、剛性の高い金属板の表面に、熱電変換モジュールと低温流体流通部を一体に組み上げ、同じ金属板の裏面に多数のねじ穴を設けて着脱容易なフィンを取り付ける構造であって、フィンを設置した面を高温流体の流通路に挿入することにより、高温流体からの熱を熱電変換モジュールに伝え、発電する。
【００２５】
本熱電変換装置の優れている点は、剛性のある金属板のような高温側基板に熱電モジュールと低温流体流通部、及びフィンを一体に構築できることから、熱電発電用にいったん設置した、高温流体の流通路そのものを分解することなく、熱電変換システム本体の保守、点検、修理、部品交換等の保守管理が容易である。また、多数のねじ穴を設けて、フィンをねじ込み設置する構造であることから、多様な排ガス熱源に容易に対応できる。特開平１１−３４０５２６号公報にある、Ｂｉ−Ｔｅ系材料を用いた大型のモジュールを使用することを想定すると、例えば、分散型電源の排ガスやガソリンエンジン車の排ガスなどのように、６００℃を超える高温ガスであって、大きい流量の排ガス熱源であれば、フィンを少なくして、ガスと接触する表面積を小さくし、熱電モジュールの高温側表面温度をその材料の耐熱温度を超えない程度に抑制しながら発電を行い、下流に至りガスの温度が低下する領域では、フィンの数を増やして、表面積を増し、大きな伝熱量を達成する。このように、流れに沿った各領域で、熱電変換モジュールの最高性能を引き出すべく、フィンの数を調整することができるのである。また、例えば内燃力発電所の排ガスなどのように３００℃程度の比較的低い排ガスであれば、熱電変換モジュールの耐熱性は問題にならないので、伝熱量を高める構造とすればよいので、フィンの数を増すと共に、フィンそのものに凹凸をつけ、表面積を増す構造にすることができる。このように、金属板などの高温側基板とその表面に一体となるように設置した、熱電変換モジュール及び低温流体流通部は同一の規格のままで、多様な熱源に対応できる本熱電変換装置は、量産性に優れた仕様を有している。
【００２６】
図１から図４に示す実施形態では、各高温側基板４に設置する熱電変換モジュール５は１基であって、低温流体流通部の上下に各１枚ずつを設置した構造体を単位ユニットとしているが、さらに、この単位ユニットの高温流体流通部２をそのフランジ２ｂ同士を結合させて前後方向（高温のガスの流れ方向）に連結することにより、スケールアップが容易に行える。
【００２７】
本発明は、上記実施形態に何ら制限されるものではなく、例えば、高温側基板４に設置したフィンを設置するための穴４ａの配列は、三角ピッチの他、四角ピッチや、ひし形ピッチなどでも良く、また、図１から図４に示す実施形態では、高温側基板４に設置する熱電変換モジュールは１基であって、低温流体流通部の上下に各１枚ずつを設置した構造体を単位ユニットとしているが、図８に示すように、高温側基板４に２基あるいはそれ以上の熱電変換モジュールを設置する構造でもかまわない。ただし、高温側基板として金属板を用いる場合、剛性や保守の際の着脱作業性を考慮すると、高温側基板１枚当たり１から３基が好適である。また、本実施形態の例では、高温流体流通部には流体の流れに平行な、対向する２面にフランジを設置し、単位ユニット当たり２枚の高温側基板を設置しているが、これ以外の対向する２面にも高温側基板を設置するフランジを設ける構造とし、都合４枚の高温側基板を設置することで、長さ方向にコンパクトな構造としても良い。要は、ガスが供給される側の高温流体流通部（伝熱管）に対し、着脱容易な高温側基板に、数量等調整可能なフィンと熱電変換モジュール及び低温流体流通部が一体に組み上げられていれば良く、本発明の要旨に反しない限り適宜に設計変更可能なことは言う迄もない。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明の熱電変換装置は、ディーゼル、ガスエンジン、ガスタービン、廃棄物発電などからの排ガスも含むさまざまな熱源から電気としてエネルギーを回収することが可能であり、容易に設置可能で、維持管理保守が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の熱電変換装置の一実施形態の概略を示す全体構成側面図である。
【図２】図１における、Ａ−Ａ線正面図である。
【図３】図１の実施形態の高温流体流通部および高温側基板を示す部分断面図である。
【図４】図１における、Ｂ−Ｂ線平面図である。
【図５】図１に示す実施形態で用いた、高温側基板の平面図である。
【図６】図１で用いた、低温流体流通部の平面断面図である。
【図７】本発明の熱電変換装置の一実施形態における、熱電変換モジュールの取り付け構造例を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の熱電変換装置の一実施形態における、熱電変換モジュールの取り付け構造例を示す模式的平面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    熱電変換装置
２    高温流体流通部
２ａ  高温の流体の流通路（ガス流通路）
２ｂ、２ｃ  高温の流体の流通路（ガス流通路）の接続フランジ
３    低温流体流通部
３ａ  低温の流体の流通路
３ｂ  低温の流体の入口
３ｃ  低温の流体の出口
４    高温側基板
４ａ  フィン取り付け穴
４ｂ  締め付けボルト取り付けねじ穴
４ｃ  フランジ取り付け用ボルト穴
４ｄ  フィン
５    熱電変換モジュール
６    断熱板
７    座金
８    スプリングワッシャ
９    締め付けナット
１０  ロックナット
１１  締め付け板
１２  締め付けボルト
１３  フランジ取り付けボルト
【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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