(57)【要約】【課題】可燃性の気体または可燃性の液体を扱う環境において、発電量を大きく損なうことなく安全に運用することのできる発電装置を提供すること。【解決手段】本発明の発電装置は、熱電変換素子を内蔵した複数の熱電モジュールと、前記熱電モジュールを挟んで対向した一対の伝熱体と、出力電圧を出力する出力部を備えた発電装置であって、前記伝熱体の少なくとも一方は導電部を有する導電伝熱体であり、前記熱電モジュールと前記導電伝熱体との間に絶縁体を有し、前記絶縁体は、前記熱電モジュールの導電部と前記導電伝熱体の導電部との間に、前記出力電圧において電気火花を発生しない空間距離と沿面距離とを設けるように配置された構成を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換素子を内蔵した複数の熱電モジュールと、
前記熱電モジュールを挟んで対向した一対の伝熱体と、
出力電圧を出力する出力部を備えた発電装置であって、
前記伝熱体の少なくとも一方は導電部を有する導電伝熱体であり、
前記熱電モジュールと前記導電伝熱体との間に絶縁体を有し、
前記絶縁体は、前記熱電モジュールの導電部と前記導電伝熱体の導電部との間に、
前記出力電圧において電気火花を発生しない空間距離と沿面距離とを設けるように配置された発電装置。
【請求項２】
前記絶縁体は絶縁性の薄板からなり、
前記絶縁体は、前記熱電モジュールの外周端から外周方向に向けて前記沿面距離に相当する延長部を有する請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記絶縁体は酸化アルミニウムを主成分とするセラミック製の薄板からなり、
前記薄板の厚みは０．０３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下である請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記絶縁体は前記熱電モジュール毎に、個別に設けられている請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
前記発電装置は、複数の前記熱電モジュールを接続してなる熱電ユニットを複数有し、
前記絶縁体は前記熱電ユニット毎に、個別に設けられている請求項１に記載の発電装置。
【請求項６】
単一の前記絶縁体が、全ての前記熱電モジュールの一方の側を覆うように設けられている請求項１に記載の発電装置。
【請求項７】
前記熱電モジュールのいずれかの出力端子と前記導電伝熱体の導電部とを電気的に接続した請求項１に記載の発電装置。
【請求項８】
前記絶縁体は前記熱電モジュールと分離可能に構成され、前記熱電モジュールは交換可能に構成された請求項１に記載の発電装置。
【請求項９】
前記熱電モジュールのそれぞれは、複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子を両側から保持する一対の基板と、一対の出力端子とを有する請求項１に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記絶縁体と前記伝熱体の間と、
前記絶縁体と前記熱電モジュールの間の少なくとも一方は、
熱伝導グリスを介在させて接触させた請求項１に記載の発電装置。
【請求項１１】
前記伝熱体の少なくとも一方は、可燃性の流体を流通する流路を構成する請求項１に記載の発電装置。
【請求項１２】
前記流路は前記可燃性の流体が接触する面に導電部を有する請求項１１に記載の発電装置。
【請求項１３】
前記伝熱体の他方は前記可燃性の流体よりも相対的に低温の低温媒体を流通する低温側流路を構成した請求項１１に記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電素子を用いた発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、熱電モジュールを使用した発電装置が知られている。このような発電装置は、工場からの排熱を利用し、温度差によって生ずる熱起電力を利用して電力を生成し、各種電子機器や電気機械への電力供給に使用される。
【０００３】
このような発電装置は、所定数の熱電モジュールを直列に接続して直列ユニットを構成して用いることにより所要の出力電圧を得るとともに、所定数の直列ユニットを並列に接続して用いることにより所要の出力電流を得ている。
【０００４】
尚、本出願の発明に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１および特許文献２が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−９００６０号公報
【特許文献２】特開２０１５−５６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような発電装置において、熱電モジュールを直列接続する事から、発生電圧が高くなる。可燃性ガスを使用する化学プラントから排出される排熱を利用して発電を行なう場合、可燃性ガスに対する引火事故を防ぐために、発電装置は安全性を確保する必要があるが、同時に発電装置の発電効率を維持することも重要である。
【０００７】
本発明は、可燃性の気体または液体を扱う環境において使用することのできる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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の発電装置は、熱電変換素子を内蔵した複数の熱電モジュールと、前記熱電モジュールを挟んで対向した一対の伝熱体と、出力電圧を出力する出力部を備えた発電装置であって、前記伝熱体の少なくとも一方は導電部を有する導電伝熱体であり、前記熱電モジュールと前記導電伝熱体との間に絶縁体を有し、前記絶縁体は、前記熱電モジュールの導電部と前記導電伝熱体の導電部との間に、前記出力電圧において電気火花を発生しない空間距離と沿面距離とを設けるように配置された構成を有する。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成を有することにより、本発明の発電装置は、可燃性ガスを使用する環境において安全に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１の発電装置の分解斜視図
【図２】同発電装置の断面図
【図３】同発電装置の断面図
【図４】実施の形態２の発電装置の分解斜視図
【図５】同発電装置の断面図
【図６】実施の形態２の他の発電装置の平面図
【図７】実施の形態３の発電装置の分解斜視図
【図８】同発電装置の断面図
【図９】実施の形態３の他の発電装置の平面図
【図１０】熱電変換器の斜視図
【図１１】熱電変換器の分解斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下では全ての図を通じて共通する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における発電装置１０の分解斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ線における断面図である。図３は、図２におけるＢ部の部分拡大図である。
【００１２】
図１〜図３において、本実施の形態における発電装置１０は、複数の熱電モジュール２０と、熱電モジュール２０を挟んで対向した一対の伝熱体２１、２２と、出力電圧Ｅ［Ｖ］を出力する出力部２３と、絶縁体４１を有する。
【００１３】
伝熱体２１、２２は、相対的に高温の熱媒体２４および相対的に低温の熱媒体２５の熱を熱電モジュール２０に伝える熱伝導体である。一方の伝熱体２１は、相対的に高温の熱媒体２４が流通する流路を構成し、相対的に高温に保たれる。高温の熱媒体２４は、例えば、プロパンやブタンなどの可燃性の気体あるいは可燃性の液体などの可燃性の流体である。他方の伝熱体２２は、相対的に低温の熱媒体２５が流通する流路を構成し、相対的に低温に保たれる。低温の熱媒体２５は、例えば、冷却水などである。
【００１４】
伝熱体２１および伝熱体２２は、熱伝導率の良好な部材から構成することにより、熱電モジュール２０への伝熱ロスを低減し、発電装置１０の発電効率を向上する。具体的には、伝熱体２１および伝熱体２２は、例えば、鉄、ステンレス、銅などの金属により構成する。
【００１５】
熱電モジュール２０は、伝熱体２１と伝熱体２２から伝達された熱による温度差を電力に変換するデバイスである。発電装置１０は、所定レベルの出力電圧と所定レベルの出力電力を得るために、複数の熱電モジュール２０を直列および並列に接続して構成され、その出力電力Ｅ［Ｖ］を出力部２３から出力する。
【００１６】
熱電モジュール２０の一例を図１０および図１１に示す。図１０は熱電モジュール２０の外観を示す斜視図、図１１は熱電モジュール２０の分解斜視図である。図１０および図１１において、熱電モジュール２０は、一対の基板３１の間に複数の熱電変換素子３２を有し、複数の熱電変換素子３２はそれぞれの基板３１の内側の表面に形成された電極３３により接続され、入出力ための一対の出力端子３４に接続される。熱電変換素子３２および電極３３は、封止材３５を用いて一対の基板３１の間で封止される。基板３１としては、セラミック基板、銅などからなる金属基板、可撓性を有するフレキシブル基板を用いることができる。図１１は、図１０において上側の基板３１を上方に開いて封止材３５を取り除いた状態の斜視図である。熱電変換素子３２としては、例えば、Ｎ型半導体およびＰ型半導体が用いられる。熱電モジュール２０は、上下の基板３１の上下に外部に面した主面を有し、両側の主面の温度差によって生じる熱起電力を利用して発電を行い、電力を出力することができる。熱電モジュール２０の封止材３５としては、シリコンゴムなどの接着剤を用いたものが一般的であるが、絶縁性が十分でない場合が有り、可燃性の液体や気体が存在する環境において、電気火花により引火する可能性がある。本実施の形態はこのような危険性を低減することができる。図１０および図１１に示した熱電モジュール２０の構成は一例であり、他の公知の様々な構成を適用することができる。
【００１７】
絶縁体４１は、伝熱体２１または伝熱体２２の導電部と熱電モジュール２０の導電部との間に、出力電圧Ｅ［Ｖ］において電気火花を発生しない空間距離Ｄｓ［ｍｍ］と沿面距離Ｄｃ［ｍｍ］とを設けるように配置された絶縁性の部材である。このように、発電装置１０は、出力電圧Ｅ［Ｖ］において電気火花を発生しない空間距離Ｄｓ［ｍｍ］と沿面距離Ｄｃ［ｍｍ］を有することにより、安全に稼動することができる。ここで、出力電圧Ｅ［Ｖ］は、発電装置１０の出力部２３に出力される電圧である。空間距離Ｄｓ［ｍｍ］は、２つの導電性部分間の、空間を通る最短距離である。沿面距離Ｄｃ［ｍｍ］は、２つの導電性部分間の、絶縁物の表面に沿った最短距離である。具体的には、空間距離Ｄｓ［ｍｍ］および沿面距離Ｄｃ［ｍｍ］は、次の式を満足することが、発電装置１０の安全性を確保する上で好ましい。
【００１８】
Ｄｓ≧３＋０．０１２×Ｅ
Ｄｃ≧３＋０．０１６×Ｅ
絶縁体４１は、伝熱体２１と熱電モジュール２０の間、あるいは、伝熱体２２と熱電モジュール２０の間に設けられるため、これらの間の熱伝達効率を低減し発電装置１０の発電効率を低下させる可能性がある。そのため、絶縁体４１は、熱伝導特性の優れた材質を用い、その厚みは薄いことが好ましく、絶縁性の薄板からなることが好ましい。そのため、絶縁体４１には、熱電モジュール２０の外周端３６から外周方向４２に向けて沿面距離Ｄｃ［ｍｍ］に相当する延長部４３を設ける。これにより、熱伝達効率を維持し発電効率を確保すると共に、電気火花の発生を防止し、安全性を確保することが出来る。
【００１９】
絶縁体４１を構成する素材として、例えば、セラミックのシート状のものや、樹脂材料にガラスやセラミック等の熱伝導性を向上させる材料を混合したシート状のものを使用することができる。
【００２０】
実施の形態１において用いた絶縁体４１は、酸化アルミニウムを主成分とするセラミック製の薄板からなり、その絶縁性能と熱伝導特性から、その厚みは、０．０３ｍｍ以上かつ０．３ｍｍ以下が好ましく、厚み０．１ｍｍ以上、０．２ｍｍ以下がさらに好ましい。絶縁体４１を酸化アルミニウムを主成分とするセラミック製の薄板から構成し、この薄板の厚みを、０．０３ｍｍ以上、０．３ｍｍ以下とすることにより、発電装置１０は、良好な発電特性を維持しつつ、電気火花の発生を防止することができ、安全性を確保することが出来る。
【００２１】
絶縁体４１は、熱電モジュール２０毎に個別に設けられている。発電装置１０を組立てて熱伝達効率が確保できるように所定の力で締結したときに、熱電モジュール２０毎に高さが微妙に異なる場合が有り、熱電モジュール２０毎に絶縁体４１に加わる力が異なり、その材質によっては絶縁体４１が破損する可能性がある。発電装置１０は、熱電モジュール２０毎に個別に絶縁体４１を設けたことにより、絶縁体４１の破損を低減することが出来、発電装置１０の故障を低減できる。
【００２２】
さらに、伝熱体２１において、可燃性の流体が流通する流路は、可燃性の流体が接触する面に導電部を設ける。一般に、可燃性の流体を流通させた場合、その摩擦により静電気が発生する場合がある。伝熱体２１は、可燃性の流体が接触する面に導電部を設けたことにより、このような静電気が蓄積して電気火花が発生することを抑制することができ、発電装置１０の安全性を向上することができる。この導電部を発電装置１０のグランドに電気的に接続することにより、この導電部の電位を低下させることができ、さらに、発電装置１０の安全性を向上することができる。
【００２３】
さらに、伝熱体２２の導電部を発電装置１０のグランドと電気的に接続し、他の部分との電位差を小さくすることにより、伝熱体２２と他の導電部との間に電気火花が発生する可能性を低減し、発電装置１０の安全性を向上することができる。併せて、冷却水をグランド電位に接続することにより、発電装置１０の他の部分と冷却水との間の電位差を小さくし、電気火花が発生する可能性をさらに低減し、安全性を高めることができる。
【００２４】
さらに、伝熱体２１と絶縁体４１との間、あるいは、伝熱体２２と絶縁体４１との間、あるいは、絶縁体４１と熱電モジュール２０の間には、熱伝導グリスを介在させて接触させている。このように、絶縁体４１といずれかの伝熱体の間と、絶縁体４１と熱電モジュール２０の間の少なくとも一方を、熱伝導グリスを介在させて接触させることにより、これらの間の熱伝達特性を良好に維持することができ、発電装置１０の発電効率を良好に維持できる。
【００２５】
さらに、絶縁体４１は熱電モジュール２０と分離可能に構成され、熱電モジュール２０は交換可能に構成される。これにより、熱電モジュール２０に故障が発生した場合であっても交換することによって発電量を低下させること無く発電装置１０を効率的に運用することが出来る。
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２における発電装置５１の分解斜視図である。図５は、図４のＣ−Ｃ線における断面図である。
【００２６】
実施の形態２における発電装置５１が、実施の形態１における発電装置１０と異なる点は、発電装置５１が、複数の熱電モジュール２０を接続してなる熱電ユニット５２を複数有する点と、熱電ユニット５２毎に、個別に絶縁体５３が設けられている点である。発電装置５１では、４個の熱電モジュール２０を接続してなる熱電ユニット５２を２個有する。
【００２７】
実施の形態２における発電装置５１は、個々の熱電モジュール２０ごとに絶縁体４１を設けた発電装置１０と異なり、熱電ユニット５２毎に、個別に絶縁体５３が設けられていることにより、熱電ユニット５２内の熱電モジュール２０の間の距離を短くすることができ、同じ数の熱電モジュール２０を使用した場合に、発電装置１０と比較して発電装置５１の寸法を小さくすることが出来る。また、発電装置５１の寸法を発電装置１０と同じにした場合には、内蔵することのできる熱電モジュール２０の数を増やすことが出来、発電量を増加させることが出来る。また、発電装置５１は、熱電ユニット５２毎に、個別に絶縁体５３が設けられていることにより、配置する絶縁体５３の数が少なくて済むため、発電装置５１の組立て作業を効率的に行なうことができる。
【００２８】
実施の形態２における発電装置５１においても実施の形態１と同様に、熱電モジュール２０の外周端から外周方向に向けて沿面距離Ｄｃ［ｍｍ］に相当する絶縁体５３の延長部を設けることにより、安全性を確保すると共に、発電効率を維持することが出来る。
【００２９】
図６は、実施の形態２における他の発電装置６１の分解状態を模式的に示す平面図である。図６に示す発電装置６１は、２０個の熱電モジュール２０を接続してなる熱電ユニット６２を８個有し、熱電ユニット６２毎に、個別に絶縁体６３を有する。
（実施の形態３）
図７は、実施の形態３における発電装置７１の分解斜視図である。図８は、図７のＤ−Ｄ線における断面図である。
【００３０】
実施の形態３における発電装置７１が、実施の形態１における発電装置１０と異なる点は、発電装置７１において、単一の絶縁体７２が全ての熱電モジュール２０の一方の側を覆うように設けられており、さらに、全ての熱電モジュール２０の他方の側を単一の他の絶縁体７３が覆うように設けられている点である。
【００３１】
実施の形態３における発電装置７１は、全ての熱電モジュール２０の一方の側を覆う単一の絶縁体７２と、全ての熱電モジュール２０の他方の側を覆う単一の絶縁体７３を有することにより、全ての熱電モジュール２０の間の距離を発電装置１０よりも短くすることができ、同じ数の熱電モジュール２０を使用した場合に、発電装置１０と比較して発電装置７１の寸法を実施の形態２（発電装置５１）の場合よりもさらに小さくすることが出来る。また、発電装置７１の寸法を発電装置１０と同じにした場合には、内蔵することのできる熱電モジュール２０の数を実施の形態２（発電装置５１）の場合よりもさらに増やすことが出来、発電量を増加させることが出来る。また、発電装置７１は、全ての熱電モジュール２０の一方の側を覆う単一の絶縁体７２と、全ての熱電モジュール２０の他方の側を覆う単一の絶縁体７３を有することにより、発電装置７１の組立て作業をさらに効率的に行なうことができる。
【００３２】
実施の形態３における発電装置７１においても実施の形態１と同様に、熱電モジュール２０の外周端から外周方向に向けて沿面距離Ｄｃ［ｍｍ］に相当する絶縁体７２、７３の延長部を設けることにより、安全性を確保すると共に、発電効率を維持することが出来る。
【００３３】
図９は、実施の形態３における他の発電装置８１の分解状態を模式的に示す平面図である。図９に示す発電装置８１は、１６０個の熱電モジュール２０を接続してなり、全ての熱電モジュール２０の一方の側を覆う単一の絶縁体８２と、全ての熱電モジュール２０の他方の側を覆う単一の絶縁体８３を有する。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の発電装置は、可燃性の気体や液体を扱う環境における廃熱を有効利用し、各種電子機器への電力供給手段として有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  発電装置
２０  熱電モジュール
２１  伝熱体
２２  伝熱体
２３  出力部
２４  熱媒体
２５  熱媒体
３１  基板
３２  熱電変換素子
３３  電極
３４  出力端子
３５  封止材
３６  外周端
４１  絶縁体
４２  外周方向
４３  延長部
５１  発電装置
５２  熱電ユニット
５３  絶縁体
６１  発電装置
６２  熱電ユニット
６３  絶縁体
７１  発電装置
７２  絶縁体
７３  絶縁体
８１  発電装置
８２  絶縁体
８３  絶縁体
【図１】
2017117887.tif 000003
【図２】
2017117887.tif 000004
【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】
2017117887.tif 000009
【図８】
2017117887.tif 000010
【図９】
2017117887.tif 000011
【図１０】
2017117887.tif 000012
【図１１】
2017117887.tif 000013