(57)【要約】【課題】熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現でき、軽量かつ高性能で構造信頼性と汎用性に優れた熱電発電装置を提供する。【解決手段】高温媒体の熱エネルギを伝導する高温部材３、この高温部材の高温媒体とは反対の側に配置され、内部に低温媒体流路を有する低温部材４と、これら高温部材と低温部材との間に挟持され、高温媒体と低温媒体流路に供給される低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子を組み込んだ熱電モジュール２と、低温部材と高温部材との間を締結する１本以上のタイロッド５ｃとを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温媒体の熱エネルギを伝導する高温部材と、この高温部材の前記高温媒体とは反対の側に配置され、内部に低温媒体流路を有する低温部材と、これら高温部材と低温部材との間に挟持され、前記高温媒体と前記低温媒体流路に供給される低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子を組み込んだ熱電モジュールと、前記低温部材と前記高温部材との間を締結する１本以上のタイロッドとを備えたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記高温部材は平行な２面を有する構成とし、この高温部材の平行な面上に前記熱電モジュールと前記低温部材をそれぞれ配置し、前記低温部材同士を前記タイロッドで締結した請求項１記載の熱電発電装置。
【請求項３】
平行な２面とこの平行な２面同士を繋ぐ貫通孔を有する前記高温部材と、この高温部材の平行な面上に前記熱電モジュールと前記低温部材をそれぞれ配置し、前記低温部材同士を前記タイロッドで締結した請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記低温部材、前記熱電モジュールおよび前記タイロッドを１ユニットとし、このユニットを複数配列した複数ユニットとして前記高温部材に設置した請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記タイロッドによる前記低温部材と前記高温部材との締結手段として、接触部が線接触となる複数のばね部材を備えた請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記低温部材は基材と、流路を形成する流路材とで構成され、流路材の剛性は基材の剛性と同じもしくはそれ以上である請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記基材は、アルミニウム、銅、鉄、モリブデン、チタン、ニッケル、錫、ジルコニウム、亜鉛、マグネシウムのうちいずれかの単体、またはいずれか一つを主成分とする化合物もしくは合金である請求項６記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記熱電変換素子は、希土類元素、ウラン、トリウム、プルトニウム、コバルト、ニッケル、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、錫、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、酸素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、クロム、タンタル、モリブデン、アルミのうち少なくも３つ以上の元素から構成される熱−電気直接変換半導体である請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記熱−電気直接変換半導体の結晶構造はスクッテルダイト構造、充填スクッテルダイト構造、ホイスラー構造、ハーフホイスラー構造、クラスレート構造のうちのいずれかである請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項１０】
前記熱−電気直接変換半導体の結晶構造は、酸化銅、炭素、ホウ素、ナトリウムもしくはカルシウムとコバルトの層状複合酸化物、窒化アルミニウム、窒化ウラン、窒化珪素、二硫化モリブデン、スクッテルダイト型結晶構造を有するコバルトアンチモナイド化合物を主相とする熱電変換材料、クラスレート化合物を主相とする熱電変換材料、ハーフホイスラー化合物を主相とする熱電変換材料のうちの少なくともひとつ、もしくはこれらの化合物あるいは混合物もしくは固溶体である請求項９記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電モジュールを用いて温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電発電装置に係り、特に高温流体あるいは輻射熱を発する各種熱源を広く利用して効率よく発電することができる熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人類のエネルギ消費量は、産業や科学技術の発達に伴い、歴史的に例を見ないほど加速された。その結果、ＣＯ２等の温室効果ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。
【０００３】
これに対し、温室効果ガスの発生をできるだけ抑制するため、現在ガス焼却炉や火力プラント等各種産業を始めとして、自動車等の内燃機関から未利用のまま廃棄されている高温の熱エネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電装置の製品化が期待されている。
【０００４】
熱エネルギを電気エネルギとして回収する発電装置として、熱電発電素子を用いた発電技術がよく知られている。この熱電発電素子は、金属あるいは半導体の両端に温度差を与え、高温部と低温部との間に電位差を生じさせるというゼーベック効果を利用したものであり、温度差が大きいほど発電量も大きくなるという特徴がある。通常、複数の熱電発電素子を組み込んだ熱電モジュールという形態で使用されることが多い。
【０００５】
従来では、このような熱電モジュールを利用した熱電発電装置として、例えば、内燃機関の排気熱エネルギを電気エネルギに変換することを目的として、熱電モジュールを、バンド等で締付けることにより押圧状態とし、熱電モジュールの高温の面と低温の面とに高温部材と低温部材をそれぞれ接触させ、熱エネルギを電気エネルギに変換する構成としたものが種々提案されている（例えば、特許文献１，２等参照）。
【特許文献１】特開２００５−２２３１３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２０８４７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の熱電発電装置を始めとして、従来提案されている熱電発電装置においては、熱源である高温流体を装置の中心部に備えた伝熱管に流通させ、その周囲から複数の熱電モジュールをバンド等で纏めて締付けることにより伝熱管表面に押圧状態で固定する構成に関するものがほとんどであり、熱電モジュール等の設置位置やバンドの締付け具合によっては、高温熱源と熱電モジュールと低温部材の接触面に不均一な面圧を生じ、性能に影響を及ぼすことが多かった。また、高温熱源から延長した部材で熱電モジュールと低温部材を直接的に結合する構成のものはなかった。
【０００７】
そのため、伝熱管の形状のものにしか取付けることができず、各種産業施設に数多く存在する熱源高温流体あるいは輻射熱を発する熱源等の様々な形態の熱源への適用については適用が制限を受けていた。
【０００８】
本発明はこのような記事情に鑑みてなされたもので、各種産業施設における既設の高温熱源に直接あるいは少し距離をおいて設置することで、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、軽量かつ高性能の発電機能を得ることができるとともに、構造健全性および取付け、メンテナンス等の作業性にも優れた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】
【０００９】
請求項に係る発明では、高温媒体の熱エネルギを伝導する高温部材と、この高温部材の前記高温媒体とは反対の側に配置され、内部に低温媒体流路を有する低温部材と、これら高温部材と低温部材との間に挟持され、前記高温媒体と前記低温媒体流路に供給される低温媒体との温度差による熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子を組み込んだ熱電モジュールと、前記低温部材と前記高温部材との間を締結する１本以上のタイロッドとを備えたことを特徴とする熱電発電装置を提供する。
【００１０】
請求項２に係る発明では、前記高温部材は平行な２面を有する構成とし、この高温部材の平行な面上に前記熱電モジュールと前記低温部材をそれぞれ配置し、前記低温部材同士を前記タイロッドで締結した請求項１記載の熱電発電装置を提供する。
【００１１】
請求項３に係る発明では、平行な２面とこの平行な２面同士を繋ぐ貫通孔を有する前記高温部材と、この高温部材の平行な面上に前記熱電モジュールと前記低温部材をそれぞれ配置し、前記低温部材同士を前記タイロッドで締結した請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置を提供する。
【００１２】
請求項４に係る発明では、前記低温部材、前記熱電モジュールおよび前記タイロッドを１ユニットとし、このユニットを複数配列した複数ユニットとして前記高温部材に設置した請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱電発電装置を提供する。
【００１３】
請求項５に係る発明では、前記タイロッドによる前記低温部材と前記高温部材との締結手段として、接触部が線接触となる複数のばね部材を備えた請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱電発電装置を提供する。
【００１４】
請求項６に係る発明では、前記低温部材は基材と、流路を形成する流路材とで構成され、流路材の剛性は基材の剛性と同じもしくはそれ以上である請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の熱電発電装置を提供する。
【００１５】
請求項７に係る発明では、前記基材は、アルミニウム、銅、鉄、モリブデン、チタン、ニッケル、錫、ジルコニウム、亜鉛、マグネシウムのうちいずれかの単体、またはいずれか一つを主成分とする化合物もしくは合金である請求項６記載の熱電発電装置を提供する。
【００１６】
請求項８に係る発明では、前記熱電変換素子は、希土類元素、ウラン、トリウム、プルトニウム、コバルト、ニッケル、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、錫、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、酸素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、クロム、タンタル、モリブデン、アルミのうち少なくも３つ以上の元素から構成される熱−電気直接変換半導体である請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の熱電発電装置を提供する。
【００１７】
請求項９に係る発明では、前記熱−電気直接変換半導体の結晶構造はスクッテルダイト構造、充填スクッテルダイト構造、ホイスラー構造、ハーフホイスラー構造、クラスレート構造のうちのいずれかである請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の熱電発電装置を提供する。
【００１８】
請求項１０に係る発明では、前記熱−電気直接変換半導体の結晶構造は、酸化銅、炭素、ホウ素、ナトリウムもしくはカルシウムとコバルトの層状複合酸化物、窒化アルミニウム、窒化ウラン、窒化珪素、二硫化モリブデン、スクッテルダイト型結晶構造を有するコバルトアンチモナイド化合物を主相とする熱電変換材料、クラスレート化合物を主相とする熱電変換材料、ハーフホイスラー化合物を主相とする熱電変換材料のうちの少なくともひとつ、もしくはこれらの化合物あるいは混合物もしくは固溶体である請求項９記載の熱電発電装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現することができ、軽量かつ高性能の発電機能を得ることができるとともに、構造健全性に優れ、かつ取付けおよびメンテナンス等の作業性にも優れた効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る熱電発電装置の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２１】
［第１実施形態（図１〜図５）］
図１は、本発明の第１実施形態による熱電発電装置の構成を示す断面図（図２のＡ−Ａ線断面）であり、図２は熱電発電装置の１ユニットを示す斜視図である。図３は、低温部材の斜視図であり、図４は低温媒体流路（図１のＢ−Ｂ線断面）を示している。図５は、図２に示したユニットを複数組合せた構成を示している。
【００２２】
図１および図２に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は、図示しない熱源から供給される熱エネルギを伝導により受熱する高温部材３と、この高温部材３に一方の面（下面）を当接して受熱する熱電モジュール２と、図示しない冷却設備から供給される低温媒体１５を内部に流通させて熱電モジュール２の他方の面を冷却する低温部材４とを備えている。
【００２３】
高温部材３は例えば平板状であり、その一側面に形成した複数のねじ穴３ａ（図示の例では２個）に、それぞれタイロッド５ｃがねじ込みにより取付けられている。なお、タイロッド５ｃの高温部材３への取付けは、ボルト締結または溶接等を適用してもよい。また、高温部材３については、熱源を内包する図示省略の高温壁を直接、高温部材３として適用し、これに直接タイロッドを結合してもよい。
【００２４】
熱電モジュール２は所定厚さの矩形板状をなしており、高温部材３の一側面（図１の上面）に当接配置され、高温部材３との接触により加熱される。また、低温部材４は例えば機械加工により溝加工された複数枚の板を積層させ、ろう付けにより接合して矩形状としたものである。この低温部材４が熱電モジュール２の外面（図１の上面）に当接配置される。
【００２５】
図３は、低温部材４への継手８の取付け構造を示している。この図３に示すように、低温媒体流路４ａの冷却媒体出入口部４ｂは、低温部材４の外表面に例えばねじ穴として形成され、配管接続用の継手８がねじ込んで取付けられている。
【００２６】
また、図４は図１のＢ−Ｂ線断面図であり、低温部材４における低温媒体流路４ａ等の構成を示している。図４に示すように、低温部材４には、図示省略の冷却設備から供給される低温媒体を供給する流路、例えば蛇行流路としての低温媒体流路４ａが形成されている。低温媒体流路４ａの両端部が継手８，８の継手取付位置４ｄ，４ｄとなっている。この低温部材４に、図１および図２に示した熱電モジュール２の外面が接触することにより、熱電モジュール２が装置外面側から冷却される。
【００２７】
そして、図１に示すように、熱電発電装置１は押圧部材５を備え、この押圧部材５により低温部材４を高温部材３側に向けて押圧する熱膨張吸収機能を持つ構成となっている。すなわち、押圧部材５は両端にねじ部５ｅ，５ｈが形成されたタイロッド５ｃを有し、このタイロッド５ｃの一端側ねじ部５ｅを高温部材３の表面に形成したねじ穴３ａに螺合してある。そして、タイロッド５ｃの周囲にワッシャ５ｇ、低温部材４を押圧する複数枚の積層構造とされた弾性部材である皿ばね等のばね部材５ａ、およびこれらのばね部材５ａのガイドを担う鍔付きのスリーブ５ｆが装着され、これらがタイロッド５ｃの他端側ねじ部５ｈに螺合したナット５ｄによって締結してある。
【００２８】
このように、本実施形態では低温部材４と高温部材３との間を締結する複数本（２本）のタイロッド５ｃとを有し、ばね部材５ａの両端部には、ばね部材５ａのガイドを担うスリーブ５ｆとワッシャ５ｇとをそれぞれ設け、熱電モジュール２、断熱材１４および低温部材４を弾性的に圧接させる構成となっている。
【００２９】
この構成において、運転時には高温部材３、熱電モジュール２および低温部材４からなる熱交換部と、タイロッド５ｃとの間に、熱膨張係数と温度分布の違いにより熱膨張差が発生する。ばね部材５ａは、予め圧縮されており、温度が上昇するに従ってタイロッド５ｃと熱交換部の熱膨張差による締付力の喪失を防止する。
【００３０】
図５は、低温部材４、熱電モジュール２およびタイロッド５ｃ等による図１の構成を１ユニットの熱電発電装置ユニット１ａとし、このユニット１ａを複数配列した複数ユニットとして高温部材３に設置した熱電発電装置１の構成を示している。この熱電発電装置１は、熱電発電装置ユニット１ａの４個を高温部材３上に均等配置し、例えば既設の高温壁１２に設置したものであり、高温の対流２０を受けて発電を行ない、共通な電気配線１３（＋電極側１３ａ、−電極側１３ｂ）を介して発生電力を外部に供給するようになっている。なお、ユニットの個数は高温壁１２の大きさと発電量に応じて調整可能である。また、高温壁１２への設置方法は、溶接または締結でもよく、直接高温壁１２への施工が可能であればタイロッド５ｃを直接結合してもよい。
【００３１】
ここで、図１から図５を参照して、さらに構成を詳細に説明する。これらの図に示すように、本実施形態の熱電発電装置１では、高温部材３と低温部材４とを熱膨張吸収用のばね部材５ａ、例えば皿ばねで押圧している。この構成において、ナット５ｄのねじ込み量を調整することにより、高温部材３と低温部材４との間にばね部材５ａ等からなる押圧部材５を介して熱電モジュール２の挟持強さを調整することができる。ばね部材５ａからの反力は、タイロッド５ｃで受ける構成となっている。
【００３２】
このように、高温部材３に当接した熱電モジュール２は、押圧荷重発生と熱膨張吸収の機能を有する押圧部材５により、低温部材４に所定の力で押圧される。この押圧力により、高温部材３と熱電モジュール２との密着性が高められ、高温部材３と熱電モジュール２との接触熱抵抗の軽減が図られる。ナット５ｄはタイロッド５ｃの先端に形成されたねじ部５ｈにねじ込まれ、これによりナット５ｄの回転をばね部材５ａに対して直角方向の運動に変換することができるため、ばね部材５ａのたわみ量、すなわち押圧力を精度よく調整することができる。
【００３３】
ばね部材５ａは、高温運転時には高温部材３からタイロッド５ｃを通じて熱が伝わるが、ばね部材５ａである皿ばねは、ワッシャ５ｆと線接触しているため温度の上昇が抑えられる。さらに、ばね部材５ａである皿ばねと低温部材４との間もワッシャ５ｇと線接触であり、低温部材４への熱の移動も少ない。
【００３４】
また、ばね部材５ａの温度を低く保つことで、ばね定数の低下を防ぐことができ、さらに、ばね部材５ａや低温部材４への熱の逃げを小さくし、熱エネルギ損失を減少することができる。ここで、タイロッド５ｃは、熱源となる使用設備により、例えば温度が４００℃以上の高温になることが想定されるため、材質にはクリープ強度を有する材料が求められる。
【００３５】
そこで、タイロッド５ｃの材質としては、例えばＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼、２  １／４Ｃｒ−１Ｍｏ、９Ｃｒ−１Ｍｏ、改良９Ｃｒ−１Ｍｏ等のクロムモリブデン鋼、ＮＣＦ６００等の高ニッケル合金、または酸化物分散強化型鋼を適用することが望ましい。ここで、タイロッド５ｃは、低熱膨張係数を有する材質であれば、ばね部材５ａの量の低減を図ることができる。
【００３６】
また、タイロッド５ｃは、低温部材４に開けられたタイロッド貫通孔４ｃを通るため、相互距離は比較的近くなる。熱エネルギの損失を減らすために、輻射防止板１７をタイロッド５ｃと低温部材４との間に挿入している。この輻射防止板１７は、低放射率の材料が望ましく、ステンレス鋼、炭素鋼、またはアルミニウム合金等の金属の薄板を適用することが望ましい。輻射防止板１７の形状としては、薄板を筒状にしたものが組立上使いやすいが、単層よりも複数層の筒状にした方が断熱効果は高くなる。
【００３７】
高温部材３の熱電モジュール２が接触していない部分については、熱エネルギの損失を抑制するために、断熱材１４が設置されている。また、低温部材４の材質には１５０℃程度の温度に対する強度を有し、軽量化を図るため低比重で、低温媒体１５に対する耐食性および高熱伝導率を有する材料が求められる。そこで、例えば陽極酸化処理（アルマイト処理）を施したＡ６０６１等のアルミニウム合金を適用することが望ましい。軽量化、強度、耐食性が強く要求される場合には材質をチタン合金にすることが有効である。一方、軽量化が要求されない場合にはＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼を使用してもよい。また、基材をアルミニウム合金とし、流路に焼鈍したステンレス製のパイプをＨＩＰ処理により埋め込むことも耐食性向上と軽量化を図るために効果的である。なお、低温部材は基材と、流路を形成する流路材とで構成され、流路材の剛性は基材の剛性と同じもしくはそれ以上である構成とされている。
【００３８】
また、基材は、アルミニウム、銅、鉄、モリブデン、チタン、ニッケル、錫、ジルコニウム、亜鉛、マグネシウムのうちいずれかの単体、またはいずれか一つを主成分とする化合物もしくは合金により構成することもできる。
【００３９】
低温部材４の内部には低温媒体流路４ａが形成されており、低温部材４の上面に設けられた低温媒体１５の出入口４ｂには継手８が取付けられている。なお、図３においては低温媒体１５の継手８が低温部材４の上面に取付けられた構成を示しているが、この継手８は低温部材４の側面に設けてもよい。継手８には、配管９として例えば鋼管、銅管、またはフッ素樹脂チューブが接続され、複数の低温部材４に跨って低温媒体１５が流通するように接続されている。ここで、低温部材４をアルミニウム合金とステンレス製パイプを適用してＨＩＰ処理により製作した場合には、低温部材４からステンレス製のパイプを突き出させることができるため、低温部材４に冷却媒体出入口部４ｂを設ける必要がなく、配管９の接続も容易になる。
【００４０】
本実施形態の熱電発電装置１では、上述したように図２の構成を１ユニットとしており、図５に示すように、高温部材３の表面に複数のユニット（例えば４ユニット）を連続して配設してある。但し、これに限らず、さらに必要に応じて多数のユニットを配設することができる。これにより発電量の大容量化を図ることができる。
【００４１】
低温媒体１５は、図示しない入口ヘッダを介して各ユニットの低温部材４に配管９を介して供給され、低温媒体１５は各ユニットに複数の低温部材４に跨って流通し、発電作用中に温められた低温媒体１５は、配管９を介して図示しない出口ヘッダヘと戻される。
【００４２】
上記の構成によれば、押圧部材５でばね部材５ａのたわみ量を調節することにより、各熱電モジュール２を所定の力で高温部材３と低温部材４との間に押圧することができ、熱電モジュール２の上下面に効率よく温度差を生じさせることができる。
【００４３】
また、高温部材３、熱電モジュール２、および低温部材４と押圧部材５との問には、温度差により熱膨張差が発生するが、押圧部材５にはばね部材５ａが備えられており、ばね部材５ａによる初期締付量を、通常運転時において熱電モジュール２に適切な押圧力が発生するように、また最大温度条件においても熱電モジュール２の性能を損ねるほどの過小な押圧力が発生しないように、組立時において設定することにより、熱電モジュール２の健全性を保つことができる。
【００４４】
各種産業プラント等で既設の高温壁１２に本実施形態の熱電発電装置１を設置する場合には、高温壁１２と熱電モジュール２との表面状態に対して密着性がよく、熱伝導率の大きい治具を高温部材３と熱電モジュール２との間に介在させ、ボルト締結または溶接にて固定すればよい。
【００４５】
また、高温壁１２への直接の施工が可能であれば、高温壁１２を高温部材３の代用として直接取付けることも可能である。さらに、高温壁１２の表面状態が悪く、凹凸等がある場合には、高温壁１２と高温部材３との間を所定の距離だけ離し、輻射熱を熱源とすることもできる。
【００４６】
なお、高温部材３は、腐食性流体等に曝されることが多く、上述したように温度も４００℃以上の高温になることが想定されるため、材質には耐食性と高温強度が要求される。また、溶接や加工性も必要であり、高温部材３の材質はクロムモリブデン鋼、フェライト系ステンレス鋼、またはオーステナイト系ステンレス鋼であることが望ましい。
【００４７】
また、高温部材３と熱電モジュール２との間で接触熱抵抗低減または温度分布の均一化を図るため、熱伝導シートをその間に介在させてもよい。ここで、熱伝導シートの材質は、グラファイト（黒鉛）、銅、銅合金や銀等の貴金属、セラミックス系の接着剤やパテ等の塗料等、耐熱性を有し熱伝導率の大きい材料を適用することが望ましい。また、熱電モジュール２と低温部材４との間についても、接触熱抵抗低減または温度分布の均一化を図るため、シリコングリース１１や熱伝導シートをそれらの間に介在させてもよい。
【００４８】
さらに、熱電モジュールに組み込まれている図示しない熱電変換素子は、希土類元素、ウラン、トリウム、プルトニウム、コバルト、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ニッケル、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、錫、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、酸素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウム、クロム、タンタル、モリブデン、アルミのうち少なくも３つ以上の元素から構成される熱−電気直接変換半導体であってもよい。
【００４９】
また、熱−電気直接変換半導体の結晶構造には、スクッテルダイト構造、充填スクッテルダイト構造、ホイスラー構造、ハーフホイスラー構造、クラスレート構造のうちのいずれか、もしくはそれらの化合物あるいは混合物もしくは固溶体が主成分であってもよい。
【００５０】
また、熱−電気直接変換半導体には、酸化銅、炭素、ホウ素、ナトリウムもしくはカルシウムとコバルトの層状複合酸化物、窒化アルミニウム、窒化ウラン、窒化珪素、二硫化モリブデン、スクッテルダイト型結晶構造を有するコバルトアンチモナイド化合物を主相とする熱電変換材料、クラスレート化合物を主相とする熱電変換材料、ハーフホイスラー化合物を主相とする熱電変換材料のうち、少なくとも１つ、もしくはこれらの化合物あるいは混合物もしくは固溶体等を適用することもできる。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態によれば、押圧荷重発生と熱膨張吸収の機能を有する押圧部材５により荷重伝達された低温部材４が、高温部材３に当接した熱電モジュール２に所定の力で押圧され、この押圧力により、高温部材３と熱電モジュール２との密着性が高められ、高温部材３と熱電モジュール２との接触熱抵抗の軽減が図られる。また、ナット５ｄはタイロッド５ｃの先端に形成されたねじ部５ｈにねじ込まれ、これによりナット５ｄの回転をばね部材５ａに対して直角方向の運動に変換することができるため、ばね部材５ａのたわみ量、すなわち押圧力を精度よく調整することができる。さらに、運転時に高温部材３、熱電モジュール２および低温部材４からなる熱交換部と、タイロッド５ｃとの間に、熱膨張係数と温度分布の違いにより熱膨張差が発生するが、ばね部材５ａは熱膨張量以上に予め圧縮されており、熱膨張差による締付力の喪失を防止することができる。また、低温部材４の材質は低比重、耐食性および高熱伝導性を有する。したがって、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、軽量かつ高性能で構造健全性に優れた熱電発電装置を提供することができる。
【００５２】
［第２実施形態（図６）］
本発明の第２実施形態について、図６を参照して説明する。図６は本実施形態による熱電発電装置の断面図である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同一の構成部品には同一符号を付して、重複する説明は省略する。本実施形態では、高温部材３の高温媒体側に熱交換用のフィン１６が形成された構成について説明する。
【００５３】
具体的には、図６に示すように、本実施形態の熱電発電装置１は高温部材３以外について、第１実施形態と同様の構成であるが、高温部材３の図示下面側に複数のフィン１６が形成されている。これらのフィン１６を、高温流体が流通する配管や炉壁等に設置し、熱交換を行なうことで、高性能の発電を実現することができる。
【００５４】
なお、高温部材３の形状は、例えば図６で示したように平板状としたが、このような形状に限られない。例えば、高温部材３に円形の曲率を与えることで、円形の配管に対しても適用することができる。また、本実施形態の装置を円管状または矩形管状の配列で複数体配置接続することで、配管を形成し、高温流体が流通する配管に接続してもよい。
【００５５】
以上の第２実施形態によっても、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現することができ、軽量かつ高性能で構造信頼性と汎用性に優れた熱電発電装置を提供することができる。
【００５６】
［第３実施形態（図７）］
本発明の第３実施形態について、図７を参照して説明する。図７は本実施形態による熱電発電装置の断面図である。なお、基本的な構成は第１および第２実施形態と同様であり、第１および第２実施形態と同一の構成部品には同一符号を付して、重複する説明は省略する。
【００５７】
本実施形態では、高温部材３の高温媒体側に熱交換用のフィン１６が形成された矩形流路２０の平行な面に熱電発電装置の２ユニットが対向して設置された構成について説明する。
【００５８】
図７に示すように、本実施形態の熱電発電装置１はタイロッド５ｃの締結構成を除いて、第２実施形態と略同様の構成を有している。高温部材３の高温媒体側にはフィン１６が形成されており、高性能の熱交換が実現できる構成となっている。なお、高温部材３の形状として、図７においては矩形状のものを示したが、この形状に限られない。また、熱電発電装置ユニットを設置する面を平面としたが、高温媒体流路は円形構成としてもよい。その場合、高温媒体の導入配管が円形配管の場合接続が容易になる。
【００５９】
本実施形態では、タイロッド５ｃが高温部材３に直接締結されていないため、タイロッド５ｃの温度は上昇し難い。従って、運転中には、タイロッド５ｃよりも高温部材３の熱膨張量が大きくなり、押圧部材５による締付力は、第２実施形態とは逆に、締付力が増える方向に働く。これにより、高温部材３と熱電モジュール２との密着性が高められ、高温部材３と熱電モジュール２との接触熱抵抗の軽減が図られる。また、図７の構成では、ばね部材５ａはタイロッド５ｃの両端に装着されているが、片側だけに装着することもできる。
【００６０】
熱電モジュール２および低温部材４は、高温部材３の平行な面に対向して設置され、押圧部材５を介してタイロッド５ｃにより締結されているため、高温部材３と熱電モジュール２、および熱電モジュール２と低温部材４との均一な接触面圧を実現することができる。
【００６１】
以上のように、本実施形態によっても、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現することができ、軽量かつ高性能で構造信頼性と汎用性に優れた熱電発電装置を提供することができる。
【００６２】
［第４実施形態（図８〜図１２）］
本発明の第４実施形態について、図８〜図１２を参照して説明する。図８は本実施形態による熱電発電装置の１ユニットを示す斜視図であり、図９は本実施形態による熱電発電装置を示す断面図（図８のＣ−Ｃ線断面図）である。なお、基本的な構成は第１実施形態と同様であり、同一構成部品には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００６３】
本実施形態の熱電発電装置１では、図８および図９に示すように、熱電モジュール２および低温部材４の中央部に例えば矩形の孔４ｃが設けられ、タイロッド５ｃが１本に削減されている。すなわち、押圧荷重発生と熱膨張吸収の機能を有する押圧部材５の数が１箇所に削減されることで、熱電発電装置１の設置領域の省スペース化が図れ、設置場所の自由度が広がる。また、ばね部材５ａの締付量の管理が１箇所となり、作業性と構造信頼性が高まる。
【００６４】
図１０は、低温部材４への継手８および配管９の取付け構造を示している。この図１０に示すように、この低温媒体流路４ａの入口および出口４ｂは、低温部材４の外表面に例えばねじ穴として形成され、配管９接続用の継手８がねじ込んで取付けられている。低温部材中央には、タイロッド５ｃ貫通用の矩形孔が設けられているが、円形でもよい。
【００６５】
また、図１１は、低温部材４における低温媒体流路４ａ等の構成を示している。図１１に示すように、低温部材４には、図示省略の冷却設備から供給される低温媒体１５を供給する低温媒体流路４ａが形成されている。この低温媒体流路４ａは、例えば四角形環状流路として形成されている。なお、蛇行流路でもよい。この低温部材４に図８に示した熱電モジュール２の外面が接触することにより、熱電モジュール２が装置外面側から冷却される。
【００６６】
図１２は、本実施形態による熱電発電装置の全体構成を示している。図１２に示すように、本実施形態では、熱電発電装置ユニット４個を高温部材３上に均等配置し、電気配線１３によって接続してある。そして、図示しない熱源からの輻射熱２１を高温部材３で受ける例を示している。このような本実施形態の構成によれば、熱電発電装置１の本体構成部材を製鉄所の高炉やガス焼却炉の周囲を始めとして、通常断熱壁で防御あるいは冷却している部分への設置が可能であるし、作業性もよい。
【００６７】
以上のように、本実施形態によっても、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、軽量かつ高性能で構造健全性を有し、作業性に優れた熱電発電装置を提供することができる。
【００６８】
［第５実施形態（図１３）］
本発明の第５実施形態について、図１３を参照して説明する。図１３は本実施形態による熱電発電装置の断面図である。なお、基本的な構成は第４実施形態と同様であり、第１から第４実施形態と同一の構成部品には同一符号を付して、重複する説明は省略する。本実施形態では、高温部材の前記高温媒体側に熱交換用のフィンが形成された矩形流路の平行な面に熱電発電装置の２ユニットが対向して設置された構成について説明する。
【００６９】
本実施形態では、図１３に示すように、熱電発電装置１については、タイロッド５ｃの締結方法を除いて第４実施形態と略同様の構成を有している。高温部材３の高温媒体側には、フィン１６が形成されており、高性能の熱交換が実現できる構成となっている。高温部材３には、熱電モジュール２が設置される面に垂直な円形または矩形の筒状の貫通孔３ｂが形成されている。この貫通孔３ｂの内部には、タイロッド５ｃが挿通してあり、熱エネルギ損失軽減のため、貫通孔３ｂとタイロッド５ｃとの間には、輻射防止板１７が設置されている。この輻射防止板１７に代えて、断熱材１４を詰めてもよい。また、貫通孔３ｂはフィンとしての役割も果たすため、性能向上にも繋がる。
【００７０】
タイロッド５ｃは、高温部材３には直接接触しないため、温度は上昇し難い。運転中にはタイロッド５の熱膨張量よりも高温部材３の熱膨張量の方が大きくなり、押圧部材５による締付力は、第４実施形態と逆に、締付力が増える方向に働く。これにより、高温部材３と熱電モジュール２との密着性が高められ、高温部材３と熱電モジュール２との接触熱抵抗の軽減が図られる。また、図１３の構成では、ばね部材５ａがタイロッド５ｃの両端に装着されているが、一端側だけに装着することもできる。
【００７１】
本実施形態によれば、熱電モジュール２および低温部材４が、高温部材３の平行な面に対向して設置され、押圧部材５を介してタイロッド５ｃにより締結されているため、高温部材３と熱電モジュール２、および熱電モジュール２と低温部材４との均一な接触面圧を実現することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、複数本のタイロッド５ｃの締付力を調整する手段として、ナットを交互に締付ける必要がなく、組立性に優れる。
【００７３】
以上のように、本実施形態によっても、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現でき、軽量かつ高性能で構造信頼性と汎用性に優れた熱電発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の第１実施形態による熱電発電装置を示す断面図（図２のＡ−Ａ線断面図）。
【図２】本発明の第１実施形態による熱電発電装置のユニットを示す斜視図。
【図３】本発明の第１実施形態による熱電発電装置の低温部材を示す斜視図。
【図４】本発明の第１実施形態による熱電発電装置の熱電モジュールの流路構成を示す断面図（図１のＢ−Ｂ線断面図）。
【図５】本発明の第１実施形態による熱電発電装置を示す全体構成図。
【図６】本発明の第２実施形態による熱電発電装置を示す断面図。
【図７】本発明の第３実施形態による熱電発電装置を示す断面図。
【図８】本発明の第４実施形態による熱電発電装置のユニットを示す斜視図。
【図９】図８のＣ−Ｃ線断面図。
【図１０】本発明の第４実施形態による熱電発電装置の低温部材を示す斜視図。
【図１１】本発明の第４実施形態による熱電発電装置の熱電モジュールの流路構成を示す断面図（図９のＤ−Ｄ線断面図）。
【図１２】本発明の第４実施形態による熱電発電装置を示す全体構成図。
【図１３】本発明の第５実施形態による熱電発電装置を示す断面図。
【符号の説明】
【００７５】
１…熱電発電装置、２…熱電モジュール、３…高温部材、４…低温部材、４ａ…低温媒体流路、５…押圧部材、５ａ…ばね部材、５ｃ…タイロッド、５ｄ…ナット、８…継手、９…配管、１１…グリース、１４…断熱材、１５…低温媒体。
【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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【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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