JP6039347B2 - 熱電変換式発電装置 - Google Patents

Description

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。

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も大きくなる。このような熱電変換素子は、複数を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。そして、熱電変換モジュールを加熱側の板部材と冷却側の板部材との間に挟み、加熱側の板部材を加熱するとともに冷却側の板部材を冷却することにより熱電変換モジュールに温度差を与えて、熱電変換モジュールから電気を得るといった熱電変換式発電装置が構成される（特許文献１等参照）。

特開２００９−０８８４０８号公報

この種の発電装置においては、上記のように熱電変換モジュールに与えられる温度差が大きいほど発電量が大きくなり、発電性能が向上することが知られている。熱電変換モジュールの温度差を大きくとる方策の１つとして、熱電変換モジュールを挟んで配設された加熱側および冷却側の板部材を、熱電変換モジュールに対し均一な状態で密着させ、これら板部材を介しての熱伝導度を高めることは有効である。

例えば上記特許文献１のようにタイロッドやナットといった締結用の部材を用いて各板部材を熱電変換モジュールに加圧状態で密着させることは可能である。しかしながらこのような部材を用いると、均一な圧力で板部材を熱電変換モジュールに加圧することが難しく、また、装置の構成が複雑になったりコストが上がったりする。また、設計やデザインの自由度に制限が生じる場合があり、さらには、できるだけ軽量化を図りたい装置に装備させる場合には不利になるといった問題もある。

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、熱電変換モジュールに温度差を与えるために熱電変換モジュールの両側に配設される板部材を、装置が複雑かつ高コストになることなく熱電変換モジュールに対し均一な加圧状態で密着させることができるとともに、設計やデザインの自由度の向上や軽量化に寄与す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。

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および冷却側の板部材と、これら板部材の間に配設される熱電変換モジュールとを備え、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、前記加熱側の板部材および前記冷却側の板部材のうちの少なくとも一方の板部材は、枠状に形成され外周縁部を構成する外側剛性部と、前記外側剛性部の内側に配設された内側剛性部と、前記外側剛性部と前記内側剛性部との間に形成される隙間を塞ぐ状態に配設された弾性部とを有し、前記内側剛性部は前記熱電変換モジュールに対向して配設され、前記弾性部により前記内側剛性部が弾性的に前記熱電変換モジュール側に加圧されて該熱電変換モジュールに当接することを特徴とする。

本発明によれば、枠状に形成され外周縁部を構成する外側剛性部と、熱電変換モジュールに対向して配設される内側剛性部と、この内側剛性部を弾性的に熱電変換モジュール側に当接させる弾性部とを備える板部材は、弾性部の弾性作用によって内側剛性部が熱電変換モジュールに対し加圧されて当接し、密着する。タイロッドやナットといった締結用の部材を用いず、弾性部によって内側剛性部を加圧して熱電変換モジュールに対し密着させるため、複雑かつ高コストになることなく熱電変換モジュールに対し板部材の内側剛性部を均一な加圧状態で密着させることができる。そして、ボルト・ナットといった締結用の部材を用いないため、設計やデザインの自由度の向上や軽量化に寄与することができる。熱電変換モジュールに密着する部分を剛性部とすることにより、変形が生じることなく、かつ、確実に面で熱電変換モジュールに当接し、熱電変換モジュールに対する均一な加圧状態を得やすい。

本発明では、前記内側剛性部に冷却促進用のフィンが設けられている形態を含む。この形態によれば、冷却側の板部材の冷却効果が向上して熱電変換モジュールに生じる温度差がより大きくなり、発電性能のさらなる向上が図られる。また、フィンにより内側剛性部の剛性が高まり、内側剛性部の変形防止の作用をさらに高めることができる。さらに、剛性部であるためフィンを固定しやすい。

また、本発明では、前記加熱側の板部材によって中空部が形成され、該中空部の周囲に前記熱電変換モジュールが配設され、該熱電変換モジュールの外側に前記冷却側の板部材が配設され、前記中空部に加熱流体が流通されて前記加熱側の板部材が加熱される形態を含む。この形態では、加熱流体を中空部に流通させることで、加熱流体を拡散させることなく加熱側の板部材を効率よく加熱することができる。

また、本発明では、前記熱電変換モジュールは、前記内側剛性部と非接合状態である形態を含む。この形態によれば、加熱・冷却によって熱電変換モジュールや内側剛性部が膨張・収縮した場合、内側剛性部と熱電変換モジュールとの間は非接合状態であるため両者は当接した状態で相対的に移動することが可能であり、このため熱影響による応力が生じて変形するといった不具合が起こらない。

本発明によれば、熱電変換モジュールに温度差を与えるために熱電変換モジュールの両側に配設される板部材を、装置が複雑かつ高コストになることなく熱電変換モジュールに対し均一な加圧状態で密着させることができるとともに、設計やデザインの自由度の向上や軽量化に寄与す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。

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。 一実施形態の熱電変換式発電装置において外側カバーおよび封止カバーを外した状態を示す斜視図である。 一実施形態の熱電変換式発電装置の側面図である。 図３のIV−IV断面図である。 一実施形態の熱電変換式発電装置の正面図である。 図５のVI−VI断面図である。 （ａ）一実施形態の熱電変換式発電装置を構成する発電ユニットの正面図、（ｂ）側面図である。 同発電ユニットにおける密閉容器の主部構造を模式的に示す断面図であって、（ａ）筐体の外板部を接合する前の状態、（ｂ）外板部を接合して内側剛性部が加圧状態で熱電変換モジュールに密着している状態を示している。 一実施形態の変形例を示す断面図であって、外板部の弾性部を構成するバネ板を環状とした変形例である（（ａ）外板部を接合する前の状態、（ｂ）外板部を接合した状態）。

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全体構成
図１〜図６は、一実施形態の熱電変換式発電装置（以下、発電装置）１を示している。この発電装置１は、密閉容器３を有する複数の発電ユニット２が図中Ｙ方向に冷却部５Ａを挟んで並列状態で積層され、装置１全体の両側面、すなわちＹ方向両端部にも冷却部５Ｂが配設された構成となっている。発電ユニット２の数は任意であり、この場合は４つの発電ユニット２を積層して発電装置１を構成している。

密閉容器３は、縦断面（Ｙ−Ｚ断面）がＺ方向に長い略直方体の箱状の筐体３０と、筐体３０内の中央部に配設された縦断面がＺ方向に長い扁平管状の流通管３５と、Ｘ方向両端の開口を塞ぐ封止カバー３８とから構成されている。筐体３０および流通管３５はいずれもＸ方向の両端が開口しており、流通管３５の内部が、後述する加熱流体がＸ方向に流される中空部３５１となっている。

図７に示すように、筐体３０は、Ｘ−Ｚ面と平行な互いに対向する一対の外板部（本発明の冷却側の板部材）３１と、外板部３１の上下の端縁を連結する平板状の一対の端板部３２とにより、略直方形の箱状に形成されている。また、流通管３５は、Ｘ−Ｚ面と平行な互いに対向する一対の内板部（本発明の加熱側の板部材）３６と、内板部３６の上下の端縁を連結する断面半円弧状の一対の湾曲部３７とにより、扁平管状に形成されている。

流通管３５の内部、すなわち密閉容器３の中空部３５１には、フィン３５２が配設されている。フィン３５２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で、屈曲部の外側が内板部３６の内面に当接した状態でろう付け等の接合手段で接合されている。

密閉容器３内、すなわち筐体３０の内面と流通管３５の外面との間には、縦断面がＺ方向に長い略環状の内部空間３ａが形成されている。そして、この内部空間３ａにおけるＹ方向両側には、筐体３０の外板部３１と流通管３５の内板部３６との間に挟まれた状態で、熱電変換モジュール４がそれぞれ配設されている。

内部空間３ａのＹ方向両側の領域に熱電変換モジュール４が一対の状態で配設された複数の密閉容器３は、図４および図６に示すように、外板部３１間に冷却部５Ａを挟んでＹ方向に並列して積層される。また、Ｙ方向両端の外板部３１の外面にも、それぞれ冷却部５Ｂが配設される。以下、密閉容器３間の冷却部５Ａを中間冷却部５Ａ、Ｙ方向両端部の冷却部５Ｂを端部冷却部５Ｂと称する。

熱電変換モジュール４は、図８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、銅等からなる電極４２によりジグザグ状に連結して構成されたもので、一方の面側の電極４２が流通管３５の内板部３６の内面にろう付け等の接合手段で接合されている。また、熱電変換モジュール４の他方の面側の電極４２は、筐体３０の外板部３１の、後述する内側剛性部３１２の内面に当接している。すなわち、熱電変換モジュール４は内側剛性部３１２と非接合状態であり、双方は互いの当接面に沿って相対移動可能となっている。

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には、電気を取り出すための一対の端子４３が接続されている。この場合、端子４３は図７（ａ）に示すように内部空間３ａの上部において上方に延出され、密閉容器３の上側の端板部３２を貫通して外部に突出している。端板部３２の端子４３の貫通孔は、気密的に塞ぐ処理がなされている。

図６に示すように、密閉容器３の内部空間３ａのＸ側の開口は、断面が内側にへこんだ断面Ｕ字状で全体としては長円環状の封止カバー３８で塞がれている。封止カバー３８は、外板部３１の後述する外側剛性部３１１の内面と、流通管３５のＸ方向端部の外面に気密的に接合されている。密閉容器３の内部空間３ａは、筐体３０、流通管３５および封止カバー３８によって気密的に封止されている。各密閉容器３の筐体３０のＸ方向両端面には外側カバー３３が接合され、本装置１のＸ方向両側が、この外側カバー３３で覆われている。各流通管３５のＸ方向両端部は各筐体３０から突出しており、この突出端部は、外側カバー３３に形成された流通管挿入孔３３１を貫通して外部に突出している。

［２］密閉容器の構成
次に、上記密閉容器３について詳述する。密閉容器３の筐体３０を構成する外板部３１は、図７に示すように、外形が長方形の枠状に形成された外側剛性部３１１と、外側剛性部３１１の内側に配設された外側剛性部３１１と同じ厚さの内側剛性部３１２と、外側剛性部３１１と内側剛性部３１２との間に形成される一定幅の隙間３１４を塞ぐ状態に配設された各剛性部３１１，３１２の厚さよりも薄い弾性部３１３とを有している。

外側剛性部３１１の内縁３１１ａは略長円形状に形成されており、内側剛性部３１２の外縁３１２ａは、外側剛性部３１１の内縁３１１ａから一定の隙間３１４を空けて略長円形状に形成されている。内側剛性部３１２の外面には、弾性を有するバネ板３１５がろう付け等の接合手段で接合されている。このバネ板３１５は各剛性部３１１，３１２の間の隙間３１４を覆って外側剛性部３１１の外面に達する大きさを有しており、外縁部が外側剛性部３１１の外面にろう付け等の接合手段で接合されている。

バネ板３１５の隙間３１４を覆う部分が、略環状の弾性部３１３を構成している。この弾性部３１３は、内側剛性部３１２の外縁３１２ａの外側から外側剛性部３１１の内縁３１１ａの外側に延びる状態に設けられており、図８（ａ）に示すように、内部に熱電変換モジュール４が配設された密閉容器３として組まれない自由状態では、内側に傾斜している。すなわち、バネ板３１５は、外側剛性部３１１の外縁３１１ａから内側に屈曲して平坦に延び、内側剛性部３１２の外縁３１２ａで内側剛性部３１２の外面に接合するように屈曲している。したがって筐体３０の外板部３１全体は、弾性部３１３が自由状態において弾性部３１３から内側剛性部３１２にわたって凹所３１９が形成された状態となっている。

密閉容器３の上側の端板部３２には複数の減圧封止口３２１が設けられており、これら減圧封止口３２１を利用して密閉容器３内の内部空間３ａは減圧される。

外側剛性部３１１のＺ方向の両側の端縁は、端板部３２に一体化した状態に形成されている。すなわち上下一対の端板部３２に両側の外側剛性部３１１が一体成形されており、外側剛性部３１１にバネ板３１５を介して内側剛性部３１２が接合されて、筐体３０が構成されている。内側剛性部３１２は、熱電変換モジュール４を覆う大きさを有し、熱電変換モジュール４の片面全面に当接した状態となっている。

上記構成の密閉容器３は、内部に熱電変換モジュール４を配設した状態で、外板部３１の外側剛性部３１１の内面を封止カバー３８に接合して組み立てると、図８（ｂ）に示すように、外板部３１の内側剛性部３１２の内面が熱電変換モジュール４に当接して弾性部３１３が外側に弾性変形することにより、凹所３１９は消滅して外側剛性部３１１と内側剛性部３１２とがほぼ同一平面内に存在し、弾性部３１３が各剛性部３１１，３１２とほぼ平行な状態となる。この組み立て状態で、内側剛性部３１２は変形させられた弾性部３１３の弾発力により熱電変換モジュール４に強く当接して熱電変換モジュール４に均一に密着した状態となる。なお、本実施形態では剛性部３１１，３１２どうしが同一平面内に存在しているが、各剛性部３１１，３１２の位置関係はこれに限定されず、いずれか一方が内側にずれた状態でバネ板３１５により連結されている構成であってもよい。

次いで、減圧封止口３２１から内部の空気を吸引して密閉容器３内を所定圧力（例えば１〜１００Ｐａ程度）に減圧し、減圧封止口３２１を溶接するなどして気密的に封止した状態とされる。

［３］冷却部
中間冷却部５Ａおよび端部冷却部５Ｂは、それぞれ冷却ケース５３Ａ，５３Ｂを備えている。中間冷却部５Ａの冷却ケース５３Ａは、外板部３１の外側剛性部３１１の周縁に沿った枠状に形成されており、隣接する外側剛性部３１１の間に挟まれ、これら外側剛性部３１１の外面周縁部に接合されている。すなわち本装置１においては、隣接する筐体３０は、隣接する外側剛性部３１１どうしが冷却ケース５３Ａを介して接合された状態となっている。冷却ケース５３Ａと、冷却ケース５３Ａを挟む両側の外板部３１とで囲まれた中間冷却部５Ａの内部には、冷却水の流路となって外板部３１を冷却する冷却ジャケット５３ａが形成されている。

一方、端部冷却部５Ｂの冷却ケース５３Ｂは、端部の外板部３１を覆う蓋状に形成されており、片面側に形成された浅い凹所を外板部３１側に向けて、端縁が外側剛性部３１１の外面周縁部に接合されている。冷却ケース５３Ｂの内面と外板部３１とで囲まれた端部冷却部５Ｂの内部には、冷却水が供給されて外板部３１を冷却する冷却ジャケット５３ｂが形成されている。

中間冷却部５Ａおよび端部冷却部５Ｂの各冷却ケース５３Ａ，５３Ｂの、下端面には冷却水供給口５１が、また、上端面には冷却水排水口５２が、それぞれ形成されている。冷却水供給口５１および冷却水排水口５２はＸ方向の中央に形成されており、冷却水供給口５１および冷却水排水口５２には、それぞれ図示せぬ冷却水供給管および排水管が接続される。

中間冷却部５Ａおよび端部冷却部５Ｂの冷却ジャケット５３ａ，５３ｂ内には、例えば波板状に形成されたフィン７が収容されている。このフィン７は内側剛性部３１２に一端部が接合され、他端部は冷却ケース５３Ｂの内面に接合されず当接した状態とされている。

［４］発電装置の作用
上記構成からなる発電装置１では、各冷却ジャケット５３ａ，５３ｂ内に冷却水を供給して流通させ、密閉容器３の外板部３１を冷却する。一方、各流通管３５に、一端側から他端側に向けて高温の加熱流体Ｈを流して流通管３５を加熱する。冷却された外板部３１の温度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、一方、加熱された流通管３５の内板部３６の温度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。加熱流体Ｈは中空部３５１を流れることで拡散せず、流通管３５の内板部３６が効率よく加熱される。

本実施形態では、筐体３０の外板部３１が冷却側の板部材となり、流通管３５の内板部３６が加熱側の板部材を構成する。こ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、端子４３から電気が取り出される。

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。

［５］密閉容器の作用効果
本実施形態の発電装置１においては、密閉容器３の外板部３１の内側剛性部３１２が、バネ板３１５の弾性部３１３の弾発力によって熱電変換モジュール４に対し加圧された状態で当接し、均一に密着した状態となる。このため、内側剛性部３１２を介しての冷却部５Ａ，５Ｂから熱電変換モジュール４への熱伝導度は向上し、熱電変換モジュール４に与えられる温度差が大きくなって発電性能が向上する。

本実施形態では、従来のように、タイロッドやナットといった締結用の部材を用いず、外板部３１の弾性部３１３に弾発力を生じさせることで冷却側の板部材である内側剛性部３１２を熱電変換モジュール４に密着させるため、複雑かつ高コストになることなく熱電変換モジュール４に対し均一な加圧状態で内側剛性部３１２を密着させることができる。そして、ボルト・ナットといった締結用の部材を用いないため、設計やデザインの自由度の向上や軽量化を図ることができる。

外板部３１の弾性部３１３の弾性により熱電変換モジュール４に加圧状態で密着させられる内側剛性部３１２は、熱電変換モジュール４側に加圧されても変形をきたさない厚さに設定され、このため、内側剛性部３１２が変形することが抑えられ、かつ、内側剛性部３１２が熱電変換モジュール４に対し確実に面で当接し、均一に密着した状態を得ることができる。

また、外板部３１の内側剛性部３１２は、熱電変換モジュール４に対し密着はしているが非接合状態であり、内側剛性部３１２と熱電変換モジュール４は互いの当接面に沿って相対移動可能となっている。このため、加熱・冷却によって熱電変換モジュール４や内側剛性部３１２が膨張・収縮した場合、両者は当接した状態で互いの当接面に沿って相対移動し、その結果、熱影響による応力が生じて変形するといった不具合が起こらない。

また、密閉容器３内が減圧されるため、内部に空気等のガスが常圧で存在する場合に比べて密閉容器３内が加熱されにくく、内部ガスが膨張して密閉容器３に影響を与えたり、熱電変換モジュール４が加熱されて劣化したりするといった不具合の発生を抑えることができる。なお、密閉容器３内の減圧は必要に応じてなされ、場合によっては減圧しなくてもよい。

また、外板部３１の内側剛性部３１２の外面にフィン７を取り付けているため、冷却効果が向上して熱電変換モジュール４に生じる温度差をより大きくすることができ、発電性能のさらなる向上が図られる。また、フィン７により内側剛性部３１２の剛性が高まり、内側剛性部３１２の変形防止の作用をより高めることができる。内側剛性部３１２は変形しにくいことから、フィン７を固定しやすいという利点もある。

本発明は上記一実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。例えば図９に示すように、弾性部３１３を構成するバネ板３１５は、内側剛性部３１２の外面全面を覆うものではなく、外側剛性部３１１と内側剛性部３１２との間の隙間３１４を覆う程度の幅を有する環状に形成したものとしてもよい。

また、熱電変換モジュール４と、冷却側の板部材（この場合、密閉容器３における可動板部３１の内側剛性部３１２）および加熱側の板部材（この場合、密閉容器３における流通管３５の内板部３６）の少なくとも一方との間に、例えば柔軟性を有する材料からなる緩衝材を配設する構成としてもよい。このような構成の場合には、密閉容器３が該緩衝材を介して熱電変換モジュール４に加圧状態で当接し、熱電変換モジュール４が緩衝材で保護される。

１…熱電変換式発電装置
４…熱電変換モジュール
３１…筐体の外板部（冷却側の板部材）
３１２…内側剛性部
３１３…弾性部
３５１…中空部
３６…流通管の内板部（加熱側の板部材）
７…フィン
Ｈ…加熱流体

Claims (4)

1. 互いに対向して配設される加熱側の板部材および冷却側の板部材と、
   これら板部材の間に配設される熱電変換モジュールとを備え、
   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、
   前記加熱側の板部材および前記冷却側の板部材のうちの少なくとも一方の板部材は、
   枠状に形成され外周縁部を構成する外側剛性部と、
   前記外側剛性部の内側に配設された内側剛性部と、
   前記外側剛性部と前記内側剛性部との間に形成される隙間を塞ぐ状態に配設された弾性部とを有し、
   前記内側剛性部は前記熱電変換モジュールに対向して配設され、前記弾性部により前記内側剛性部が弾性的に前記熱電変換モジュール側に加圧されて該熱電変換モジュールに当接することを特徴とする熱電変換式発電装置。
2. 前記内側剛性部に冷却促進用のフィンが設けら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。
3. 前記加熱側の板部材によって中空部が形成され、該中空部の周囲に前記熱電変換モジュールが配設され、該熱電変換モジュールの外側に前記冷却側の板部材が配設され、
   前記中空部に加熱流体が流通されて前記加熱側の板部材が加熱されることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換式発電装置。
4. 前記熱電変換モジュールは、前記内側剛性部と非接合状態であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換式発電装置。

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