JP2005260155A - 熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 熱電変換モジュールと加熱・冷却ダクトとの間に適切な加圧力を与え、接触熱抵抗を低減させる。また、熱電変換システムの組立並びに熱電変換モジュールの修理・交換を容易にする。更に、熱電変換システムの経済性を向上させる。
【解決手段】 加熱ダクト３と冷却ダクト１の間に熱電変換モジュール２を挟み、熱電変換モジュール２と加熱ダクト３並びに冷却ダクト１の両方またはいずれか一方を接合しない状態で重ねてフレーム７内に少なくとも１組以上収容すると共に、フレーム７内に圧力調整弁付きのガス圧で膨らむバッグ６を配置し、バッグ６の膨張で加熱ダクト３、熱電変換モジュール２並びに冷却ダクト１の積層構造物４をフレーム７との間で加圧するようにしている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールに温度差を与えて発電したり、給電することで冷熱あるいは温熱を得る熱電変換システムに関する。更に詳述すると、本発明は、大型の熱源例えば各種産業機器などの廃熱を熱源とした発電に用いるのに適した熱電変換システムに関する。

近年、熱電変換システムは、熱点変換素子材料の効率向上と新素子材料の出現により、例えば運輸部門において自動車排熱の熱電発電による省エネ化が実用可能な領域に近づいてきているように（非特許文献１参照）、大型の熱源の利用が可能となってきている。

この熱電変換モジュールを加熱源並びに冷却熱源の間に挟む構造の熱電変換システムでは、加熱源と冷却熱源との間の熱膨張差に起因する熱電変換モジュールの破損を防ぐため、熱電変換モジュールを熱源の少なくとも一方とは接合しない構成としている。例えば、熱源として温度差を有する２種の流体（蒸気と水）をダクトに流して熱電変換モジュールに温度差を与えるシステムの場合には、加熱ダクトと冷却ダクトの少なくとも一方は熱電変換モジュールに接合しない構成としている。そのため熱電変換モジュールと加熱・冷却ダクトに適切な加圧力を与える構造とすることが必要となる。

しかしながらダクトと熱電変換モジュールを接合せずに圧着するだけでは、接触界面に大きな接触熱抵抗が発生し、熱電変換モジュールの発電性能を阻害する大きな要因となってしまう。従来の熱電変換システムではこの接触熱抵抗のために熱電変換モジュール本体に負荷できる温度差は、接触熱抵抗を排除した理想的システムに比べ約１／１．８（５６％）程度となる。熱電変換モジュールのエネルギー変換効率は熱電半導体の温度差にほぼ比例する。また熱電変換モジュールの発電性能は、エネルギー変換効率と温度差（流れる熱量）の積に比例する。したがって熱電変換モジュールの発電性能は温度差の２乗にほぼ比例する。即ち、通常の熱電変換システムでは熱電変換モジュール本来の能力の１／３程度しか発揮できていない。

そこで熱電変換モジュールと加熱・冷却ダクトに適切な加圧力を与える構造とすることが必要となる。しかし、熱電変換モジュールを加熱・冷却ダクトの間に挟む構造の熱電変換システムでは、加圧力を高めると出力はある程度上がるが、過大な加圧力を加えると熱電変換モジュールを破壊する恐れがある。このため加圧力の調整が難しい。適切な加圧力は熱電変換モジュールの強度やダクトの表面状態にも依存するが、一例としては０．４kg/cm²（４ton/m²）程度が望ましい。また、仮に適切な加圧力に調整できたとしても、大型の加熱ダクトでは運転停止時（常温）と運転時（熱電変換モジュール素材によって異なるが、１０００℃以下で、多くの場合には２００〜５００℃前後である）とでは大きな温度変化が生じるのでその温度変化に応じて熱膨張が厚み方向にも生じるため、運転温度の上昇にともない積層構造にかかる加圧力は増大する。逆に運転温度が低下すると加圧力は減少し、場合によってはダクトと熱電変換モジュールの間に隙間を生じ、大きな接触熱抵抗を生ずる恐れがある。

上記構成において熱電変換モジュールと加熱・冷却ダクトに適切な加圧力を与える方式としては次の方法が考えられる。第１は、ダクトの上下からボルトなどによる締め付けで加圧力を調整する方法である。第２は、バネを使って加圧する方式である。第３は、油圧サーボ機構と圧力センサーを装備する方式である。

新エネルギー・産業技術総合開発機構 平成１４年度成果報告書（契約管理番号：０２００４８７４−０） 「高速バス排ガス利用熱電変換技術の研究開発」

しかしながら、第１のボルト締め方式によると、大型の加熱ダクトでは運転温度変化に応じてそれ自体の厚さが変化するため、運転温度の上昇にともない加圧力は変化し、常に適切な加圧力を負荷することは実用上不可能である。また多数のボルトを均等に締め付ける必要があり、実用上運用が難しい。

また、第２のバネ締め方式も大型の加熱ダクトでは運転温度変化に応じてそれ自体の厚さが変化するため、運転温度の上昇にともない加圧力は変化し、常に適切な加圧力を負荷することは不可能である。また適切な加圧力（４ton/m²）を発生するために多数のバネで均等に締め付ける必要があり、実用上運用が難しい。

また、第３の油圧サーボ加圧方式では上述の第１および第２の方式の欠点を克服できるが、構造が複雑化し、設備コストが高く、静的システムで廃熱を有効利用する熱電変換システムの趣旨に逆行してしまい、好ましくない。

更に、保守・補修・点検などのために熱電変換モジュールと加熱・冷却ダクトを分解する場合を想定すると、上記の３方式は共に不都合である。

このことから、運転状態にかかわらず常に熱電変換モジュールと加熱・冷却ダクトに適切な加圧力を与える方式の熱電変換システムが望まれている。

本発明は上述の要望に応えるもので、熱電変換システムにおいて、熱電変換モジュールと加熱・冷却ダクトに適切な加圧力を与え、熱電変換素子への高い熱流束を実現し、熱電変換モジュールの性能および耐久性を向上させることを目的とする。また、本発明は、熱電変換システムの組立および熱電変換モジュールの修理・交換を容易にすることを目的とする。更に、本発明は、熱電変換システムの経済性を向上させることを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明は、加熱手段と冷却手段の間に熱電変換モジュールを挟み、前記熱電変換モジュールと前記加熱手段並びに前記冷却手段の両方またはいずれか一方を接合しない状態で重ねて少なくとも１組以上備える熱電変換システムにおいて、前記冷却手段あるいは前記加熱手段のいずれか一方から前記熱電変換モジュール並びに前記冷却手段あるいは前記加熱手段のいずれか他方とを含む積層構造物の厚みよりも長い積層方向の最大移動可能空間を区画するフレームを備え、該フレームの内方の前記最大移動可能空間内に圧力調整弁付きのガス圧で膨らむバッグを配置し、前記バッグの膨張で前記フレームとの間で前記積層構造を加圧するようにしている。

また、本発明にかかる熱電変換システムは、加熱手段と冷却手段の間に熱電変換モジュールを挟み、前記熱電変換モジュールと前記加熱手段並びに前記冷却手段の両方またはいずれか一方を接合しない状態で重ねてフレーム内に少なくとも１組以上収容すると共に、前記フレーム内に圧力調整弁付きのガス圧で膨らむバッグを配置し、前記バッグの膨張で前記加熱手段、熱電変換モジュール並びに冷却手段の積層構造物を前記フレームとの間で加圧するようにしている。

したがって、圧力調整弁で一定ガス圧に調整されて膨らむバッグにより生じる加圧力で加熱手段あるいは冷却手段の少なくとも一方が熱電変換モジュールに対して押しつけられる。しかも、バッグは、積層構造物にかかる温度変化、中でも加熱手段の温度にかかわらず上記加圧力を一定に保持するものであることから、運転停止時でも運転時でも常に適切な加圧力を負荷できる。また、バッグが膨らむことで加熱手段あるいは冷却手段の少なくとも一方を熱電変換モジュールに押しつけて密着させるので、バッグにガス圧を付与するだけで熱電変換モジュールを加熱手段及び冷却手段で挟んだ積層構造物を組み立てることができると共に、バッグのガス圧を抜くだけで熱電変換モジュールと加熱手段あいるは冷却手段を分解することができる。

ここで、加熱手段並びに冷却手段は、熱を伝導できる手段であればいかなる手段でも実施可能であるが、中でも加熱流体並びに冷却流体を流すダクトであることが好ましい。この場合には、システムの大型化が容易である。また、加熱手段は大型熱源の加熱面そのものであっても良い。この場合には、焼却炉や溶鉱炉などといった熱の発生を伴う産業設備の壁面から直接熱を供給し、あるいは熱を冷却することができる。また加熱手段並びに冷却手段は、ヒートパイプでも良い。

また、バッグは、積層構造物と直接に接して加圧するようにしても良いが、押板を介在させて積層構造物を加圧することが好ましい。この場合には、バッグの膨張が不均一でも、押板により分散されて積層構造物に均一に加圧力を付与できる。

また、バッグは、積層構造物全体に対して単一のブロックとして構成しても良いし、積層方向と直交する方向に分割されたものであっても良いし、更には押板を介在させて積層構造物を加圧する場合には、積層構造物を加圧しようとする面に比べて小さなブロックであっても良い。小さなブロック状のバックとしては、リング形状や円盤状のような円形輪郭、矩形状、三角形あるいは多角形などのさまざまな形状に形成することが可能であるが、円形輪郭をなすことが好ましい。この場合には、成形が容易である上に膨張時の変化が均一なものとすることが容易である。また既製のタイヤを転用することも可能である。そして、この小さなブロックを分散配置する場合には、少なくとも３点以上の加圧点で１枚の押板を加圧すること、より好ましくは押板の４角にバッグが配置されて加圧することである。この場合には、１つ１つのブロック状バックにおける膨張に部分的に不均一な箇所が存在しても、バッグの膨張によって生じる圧力が分散されて集中するのを防ぐことができるので、全体として均一性が保たれ、ダクトを熱電変換モジュールに均一に押し当てることが可能となる。また、積層方向と直交する方向に分割されたバッグの場合には、単一ブロックで形成するよりも製作が容易である上に、膨張時の変形のばらつきが分散されて全体として積層構造物に付与される加圧力の均一化を図ることができる。

また、積層構造物は積層方向の両端を押板で挟持されていることが好ましい。この場合には、フレームとバッグとの間で生じる加圧力が積層構造物の両面から均一に積層構造物全体に負荷されるため、部分的に過度な加圧力を加えることなく全体に適切な加圧力が与えられて熱電変換モジュールに対して加熱手段及び冷却手段が密着し接触熱抵抗を低減できる。

また、熱電変換モジュールと加熱手段並びに冷却手段とは、冷却手段、熱電変換モジュール、加熱手段、熱電変換モジュール、冷却手段の順に配置し、積層構造の両端が冷却手段となるようにすることが好ましい。この場合には、加熱手段の露出面積が少なくなるので放熱による熱電変換効率が低下するのを防ぐことができる。

以上のように構成された熱電変換システムは、構造が単純で可動機器を必要とせずスケールアップが容易であることから大型の発電システムとして有用であるが、中でも加熱手段の熱源として各種産業機器からの廃熱を利用する発電システムとして有用である。

しかして、請求項１並びに２記載の熱電変換システムによれば、一定のガス圧で積層構造物に加圧力を付与して運転停止時でも運転時でも常に適切な加圧力を負荷できるようにしているので、加熱手段あるいは冷却手段の少なくとも一方が熱電変換モジュールに常に密着して接触熱抵抗を低減でき、熱電変換システムの性能を最大限に発揮できる。しかも、加圧力が一定であり、過度な加圧が生じないため、熱電変換モジュールが破壊する虞も少ない。

また、バッグの膨らみで加熱手段あるいは冷却手段の少なくとも一方を熱電変換モジュールに押しつけて密着させるので、バッグにガス圧を付与するだけで熱電変換モジュールを加熱手段及び冷却手段で挟んだ積層構造物を迅速かつ容易に組み立てることができると共に、バッグのガス圧を抜くだけで積層構造物を分解して熱電変換モジュール並びに加熱手段や冷却手段の保守・補修・点検などを迅速かつ容易に実施できる。

しかも、本発明によれば、加熱手段、熱電変換モジュール並びに冷却手段の積層構造物を囲繞したフレーム内に圧力調整弁付きのガス圧で膨らむバッグを配置するだけの単純な構造であり尚かつ可動機器を必要としないことから、低価格で信頼性が高く、しかもスケールアップが容易であり、大型の熱電変換システムに適用可能である。

更には、請求項２記載の発明の場合には、フレーム内に加熱手段と熱電変換モジュールと冷却手段を順次並べてバッグを膨らませるだけで、適切な加圧力で密着された積層構造物が収容されるので、熱電変換システムの組み立てが迅速かつ容易であるし、独立した発電システムなどとして可搬性を備える。

また、請求項３記載の発明によると、システムの大型化が容易であるし、また請求項４記載の発明によると、焼却炉や溶鉱炉などといった熱の発生を伴う産業設備の壁面から直接熱を供給しあるいは熱を冷却することができる。

また、請求項５記載の発明によれば、バッグの膨張が不均一でも、押板により分散されて積層構造物に均一に加圧力を付与できるので、過度な加圧を生じさせることなく接触抵抗を低減できる。

また、請求項６あるいは７記載の発明のように、押板を介在させて分割されたバッグあるいは積層構造物を加圧しようとする面に比べて小さなブロックで積層構造物を加圧する場合には、バッグの小型化により製作が容易であると共に膨張時の偏倚のばらつきや変形のばらつきを少なくできて膨張時の変化が均一なものとすることが容易となる。そして、この小さなブロックの分散配置は、バックにおける膨張に部分的に不均一な箇所が存在しても、バッグの膨張によって生じる圧力が分散されて集中するのを防ぐことができるので、全体として均一性が保たれ、ダクトを熱電変換モジュールに均一に押し当てることが可能となる。

また、請求項８記載の発明によると、フレームとバッグとの間で生じる加圧力が積層構造物の両面から均一に積層構造物全体に負荷されるため、部分的に過度な加圧力を加えることなく全体に適切な加圧力が与えられて熱電変換モジュールに対して加熱手段及び冷却手段を密着させるため、接触熱抵抗を低減できる。

また、請求項９記載の発明によると、加熱手段の露出面積を少なくして周囲への放熱を防ぎ、熱電変換効率の低下を防いで、効率を上げることができる。

さらに、請求項１０記載の発明によると、熱電変換システムを用いた大型の発電システムが実現可能であるし、各種産業機器からの廃熱を利用する省エネシステムが実現できる。

以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
本発明の熱電変換システムは、加熱手段と冷却手段の間に熱電変換モジュールを挟み、熱電変換モジュールと加熱手段並びに冷却手段の両方またはいずれか一方を接合しない状態で重ねて少なくとも１組以上備えるものである。この熱電変換システムにおいて、冷却手段あるいは加熱手段のいずれか一方から熱電変換モジュール並びに冷却手段あるいは加熱手段のいずれか他方とを含む積層構造物の厚みよりも長い積層方向の最大移動可能空間を区画するフレームを備え、該フレームの内方の最大移動可能空間内に圧力調整弁付きのガス圧で膨らむバッグ（以下、インフレタブル・バッグと呼ぶ）を配置し、バッグの膨張でフレームとの間で積層構造物を加圧するようにしている。

ここで、加熱手段としては、熱を伝導できる手段であればいかなる手段でも実施可能であり、蒸気や廃ガスなどの加熱流体を流す互いに独立したダクトや、ヒートパイプ、溶鉱炉などの大型熱源の加熱面であっても良い。また、冷却手段としては、水などの冷却流体を流すダクトやヒートパイプ、ＬＮＧタンクなどの大型冷熱源の加熱面であってもよい。

本実施形態では、加熱手段並びに冷却手段としては、温度差を有する２種の流体（例えば蒸気と水）をダクトに流して熱電変換モジュールに温度差を与えるようにしている。このシステムの場合には、図１に示すように、加熱ダクト３と冷却ダクト１の間に熱電変換モジュール２を挟み、熱電変換モジュール２と加熱ダクト３並びに冷却ダクト１の両方またはいずれか一方を接合しない状態で重ねてフレーム７内に少なくとも１組以上収容することによって、熱電変換モジュール２、加熱・冷却ダクト３，１、インフレタブル・バッグ６および押板５の積層体を束ねることができる。そして、フレーム７内に圧力調整弁（図示省略）付きのインフレタブル・バッグ６を配置し、インフレタブル・バッグ６の膨張で加熱ダクト３、熱電変換モジュール２並びに冷却ダクト１の積層構造物４をフレーム７との間で加圧して、熱電変換モジュール２と加熱・冷却ダクト３，１に適切な加圧力を与えるようにすることができる。本実施形態の場合には、運転時と運転停止時とでダクト内を流れる流体温度がほとんど変化しない冷却ダクト１と熱電変換モジュール２とを接合し、温度変化が大きな加熱ダクト３は熱電変換モジュール２と接合しない状態で重ねようにしている。尚、加熱ダクト３並びに冷却ダクト１は、熱を良く伝えるように一般に薄い金属板で構成され、内部にリブを設けて補強されていることが多い。

ここで、インフレタブル・バッグ６による積層構造物４の加圧は、直接加圧でも良いが、押板５を介在させた加圧であることが好ましい。この場合、インフレタブル・バック６の膨張に伴ってダクト１（あるいは３）にかかる圧力の集中を防いで接触面全面で均一に加圧することができる。通常、温度差を有する２種の流体を流す熱源として使われるダクト１，３は、熱を良く伝えるように一般に薄い金属板で構成されることが多い。このため、直接インフレタブル・バック６で加圧するようにすると、ダクト１，３と接する面の全面において均一な膨張が保証できないインフレタブル・バッグ６の場合には、加圧力の集中が起きてしまう。勿論、インフレタブル・バッグ６の膨張が接触領域全面において均一であったり、ダクト強度が高い場合には、押板５の介在は不要である。

本実施形態の場合、インフレタブル・バッグ６は、熱電変換モジュール２とこれを挟むように配置された冷却ダクト１並びに加熱ダクト３の幾組かの積層構造物４をフレーム７の一方に寄せることによって反対側に生じたフレーム７との間の隙間に設置し、ガスの注入による当該インフレタブル・バッグ６の外側への膨らみをフレーム７で拘束して前述の積層構造物４を押板５を介在させて加圧するように構成している。しかし、インフレタブル・バッグ６の配置位置はこれに限られず、積層方向の位置であればフレーム７の内方の最大移動可能空間内のどこにでも設置可能である。例えば、積層構造物４の中間に配置しても良い。この場合には、インフレタブル・バッグ６を挟んで隣同士に冷却ダクト１が配置され、積層構造物４の両端と中央のインフレタブル・バッグ６の両面とにそれぞれ押板５を介在させることが好ましい。インフレタブル・バッグ６は、冷却ダクト１並びに加熱ダクト３のいずれにも並べて配置することができるが、より好ましくは冷却ダクト（冷却手段）１に隣接させることである。この場合には、加熱ダクト３と異なり、運転時と運転停止時とでダクト内を流れる流体温度がほとんど変化しないため、温度変化に因るインフレタブル・バッグ６のガス圧の変動を受けることが少なく、加圧力の変動がないか、ほとんど無視できる程度に小さいという利点がある。

インフレタブル・バッグ６は、積層構造物４の端に設置される冷却ダクト１の加圧面あるいはこれを覆う押板５の加圧面と同一形状の加圧面を有し、加圧方向（積層構造物４の積層方向）に僅かに膨らむ薄板形状の単一ないし複数のバッグである。例えば、小型の加熱・冷却ダクトに対しては、ダクトの加圧面と同一形状の加圧面を有する薄板型形状のバッグが適する。また、大型の加熱・冷却ダクトに対しては、ダクトの加圧面を複数のバッグで分担して加圧する方法も可能である。インフレタブル・バッグ６の製作性から１個のインフレタブル・バッグの加圧面の大きさは、例えば１ｍ角程度以下が好ましい。インフレタブル・バッグの材質は例えばクロロプレーンゴムを主成分とするゴム素材を布芯地などで補強したタイヤ用のゴムなどが適する。これにタイヤと同様のガス注入口（バルブ）を備える。内圧は０．４気圧(0.4 kg/cm²) 程度が適する。封入ガスは空気または窒素ガスが適する。

さらに、押板５を介在させる場合には、インフレタブル・バッグ６は加圧領域の全域において１つのブロックである必要はなく、積層構造物４の積層方向と直交する方向に分割されたものであったり、小さなブロックであっても良い。小さなブロック状のインフレタブル・バッグ６’とする場合には、例えば図３に示すように、円形輪郭をなすことが好ましい。この場合には、成形が容易である上に膨張時の変化が均一なものとすることが容易である。また既製のタイヤを転用することもできる。そして、このブロック状インフレタブル・バッグ６’の場合には、１ブロックの押板５の４角に配置されて加圧することが圧力を分散させて中央に集中するのを防ぐことができる。もっとも、小さなブロック状インフレタブル・バッグ６’を分散配置する場合には、少なくとも３点以上の加圧点で１枚の押板５を加圧すれば、１つ１つのインフレタブル・バッグ６’における膨張に部分的に不均一な箇所が存在しても、全体として均一性が保たれれば加熱ダクト３を熱電変換モジュール２に均一に押し当てることが可能となる。また、押板５の全面を覆わない小ブロックのインフレタブル・バッグ６’の場合には、その形状は上述の円形輪郭のものに限られない。例えば、矩形状あるいは三角形や多角形などのさまざまな輪郭形状にして用いることも可能である。

インフレタブル・バッグ６には、ガス配管を介して圧力調整弁付きのガスボンベ（空気または窒素など）に接続し、運転温度状態にかかわらずバッグの内圧を適切な圧力範囲に保持するようにしている。圧力調整弁およびガスボンベは一般に使用されているものを使用できる。また、圧力調整弁は、内圧が下限値以下となった場合に自動的にガスボンベからガスを供給する機能、および内圧が上限値以上となった場合に自動的にガスを逃がす機能を備える。これによって、積層構造物に積層方向への熱膨張や収縮が起きたときにも、インフレタブル・バッグ６の内圧が一定に保持され、積層物への加圧力を一定に維持できる。本実施形態の場合、押板５とインフレタブル・バッグ６は積層方向と直交する方向（即ちダクトの長手方向）に分割されており、複数で加熱・冷却ダクト３，１の加圧面全体をカバーする構成とされている。したがって、各インフレタブル・バッグ６は共通の１本のガス配管に接続し、１組の圧力調整弁およびガスボンベで集中的に制御できるように設けられている。

また、積層構造物４の積層方向の両端は押板５で挟持されていることが好ましい。この場合には、バック６の膨張によって加圧される側の面だけでなく、反対側の反力を受けるフレーム７側の面においても均一な反力を生ずる。この積層構造物４を構成する熱電変換モジュール２と加熱手段並びに冷却手段たる各ダクト１，３は、冷却ダクト１、熱電変換モジュール２、加熱ダクト３、熱電変換モジュール２、冷却ダクト１の順に必要数だけ配置し、積層構造の両端が冷却ダクト１となるようしている。冷却ダクト１の両端配置は熱損失を低減させる上で好ましい。

押板５は、容易に撓まない剛性の高い板であることが望ましい。また、押板５は、熱伝導性を必要としないので、スティール製などである必要はなく、むしろ軽量で強度があることが好ましことから、本実施形態の場合には、炭素鋼やその他の軽金属、ＦＲＰ（ガラスファイバーで補強した強化プラスチック）またはＣＦＲＰ（カーボンファイバーで補強した強化プラスチック）などが使用されている。インフレタブル・バッグ６の加圧面と同一形状の加圧面をもち、内部にリブを備えて平面度を維持するために必要な剛性を確保するようにしている。厚さは加圧面の大きさおよび要求される剛性に依存するが、例えば数cmから１０cm前後である。

フレーム７は、熱電変換モジュール２、加熱・冷却ダクト３，１、インフレタブル・バッグ６および押板５の積層体を束ねて押さえつける役割を果たすもので、冷却ダクト１、熱電変換モジュール２並びに加熱ダクト３を１ないし複数組重ねた積層構造物４の厚みよりも長い積層方向の最大移動可能空間を区画するものである。フレーム７は、壁面構造でも良いが、本実施形態の場合、一定間隔で設けられた柱と梁の骨組み構造を成している。押板５並びにインフレタブル・バッグ６を受け支える柱や横張の数（設置間隔）は、フレーム構造強度が得られるのに十分で尚かつインフレタブル・バッグ６を保持するに十分な間隔とし、インフレタブル・バッグ６の膨張により積層構造物に付与される力に耐える強度が必要である。フレーム材質としては、押板５と同様に、金属製である必要はなく、むしろ軽量で強度があることが好ましことから、炭素鋼、ＦＲＰまたはＣＦＲＰなどの使用が好ましいが、特に炭素鋼の使用が適する。例えば、１ｍ角のインフレタブル・バッグ６の内圧が０．４気圧の場合、発生する力は４ton/ｍ² である。従ってこの力に耐える強度が必要である。

以上のように構成された熱電変換システムによると、予め接合された冷却ダクト１と熱電変換モジュール２並びに熱電変換モジュール２と接合されていない加熱ダクト３を順次重ねてフレーム７の一方に寄せるようにして所定組分だけ収納し、反対側に生じたフレーム７と積層構造物４の端部の押板５との間の隙間にインフレタブル・バッグ６を設置し、圧力調整弁で一定ガス圧に調整されたガスをインフレタブル・バッグ６に注入して膨らませることで、積層構造物４に加圧力を付与して加熱ダクト３を熱電変換モジュール２に密着させることができる。インフレタブル・バッグ６を膨らませるガスは、圧縮性流体であり圧力調整弁で一定圧に調整されているため、積層構造物４、中でも加熱ダクトの温度変化にかかわらず加圧力を一定に保持するものであることから、運転停止時でも運転時でも常に適切な加圧力を負荷できる。また、バッグ６を膨らませることで積層構造物４を組み立て、バッグ６のガス圧を抜くだけで分解することができる。したがって、熱電変換モジュール２並びに加熱ダクト３や冷却ダクト１の保守・補修・点検などを迅速かつ容易に実施できる。

図４〜図６に本発明の熱電変換システムを用いた発電システムを示す。この発電システムは、図１の熱電変換システムを多数組積層させ、その積層構造物４の両面を押板５で挟み、さらにその片方の外面にインフレタブル・バッグ６を設置してフレーム７で拘束した構造から成り、熱電変換システムの加熱ダクト３に蒸気を、冷却ダクト１に冷却水をそれぞれ供給して熱電変換モジュール２で発電させるものである。

熱電変換システムは、図５及び図６に示すように、冷却ダクト１、熱電変換モジュール２、加熱ダクト３、熱電変換モジュール２、冷却ダクト１の順に配置し、積層構造の両端が冷却ダクト１となるようにして両端を押板５で挟んでいる。押板５並びにインフレタブル・バッグ６は積層方向と直交するダクト１の長手方向に分割されて成り、複数で加熱・冷却ダクト３，１の加圧面全体をカバーするように構成されている。各インフレタブル・バッグ６は共通のガス配管１２、圧力調整弁（図示省略）およびガスボンベ（図示省略）に接続されている。

また、加熱ダクト３と熱電変換モジュール２との間には、加熱ダクト３の滑りを良くすると共に熱を伝え易くするカーボンシート１５が貼り付けられている。これによって、加熱ダクト３が熱膨張する際の熱電変換モジュール２との間の歪みを抑制するようにしている。また、フレーム７の床部分には、断熱材例えば断熱用レンガ１０が敷き詰められ、その上に加熱ダクト３の滑りと熱伝導を良くするカーボンシート１１が敷かれている。尚、フレーム７の周りは更に鋼板などから成るケーシング１４によって覆われている。符号１３は保温材である。

以上のように構成された発電システムによると、発電用熱源としては蒸気と水を用い、積層されたダクト１，３の端に連結されたヘッダ８，９を介して供給される。ここで、一般的な熱電変換素子を用いる場合には蒸気は２００℃程度の熱を有していれば十分なので、利用価値の低い各種産業機器などの廃熱を利用することができる。依って、従来では利用されることなく廃棄されていた各種産業機器などの廃熱の利用による省エネ化が実現できる。勿論、より高温、例えば５００℃や１０００℃で作動する熱電変換素子を用いることも可能であり、その場合にはより高い熱源を必要とすることは言うまでもない。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、加熱手段としては、熱を伝導できる手段であればいかなる手段でも実施可能であり、溶鉱炉などの大型熱源の加熱面であっても良いし、場合によってはヒートパイプでも良い。図３は焼却炉および溶鉱炉などの大型熱源３’の表面に直接設置する熱電変換システムの実施例である。この場合は大型熱源たる溶鉱炉の壁３’の加熱面上に熱電変換モジュール２、冷却ダクト１、押板５、インフレタブル・バッグ６を順次積層し、フレーム７で加熱壁３’に拘束するようにしたものである。即ち、加熱手段となる大型熱源（焼却炉や溶鉱炉の壁部）３’がフレーム７の一部を成し、加熱手段たる大型熱源３’から熱電変換モジュール２並びに冷却ダクト１を含む積層構造物の厚みよりも長い積層方向の最大移動可能空間を区画するようにしている。

また、本実施形態では、加熱ダクト３と冷却ダクト１に蒸気と冷却水とを流して熱電変換モジュール２で発電させるものについて主に説明したが、いわゆるペルチエ素子として本発明の熱電変換システムを適用することも可能である。例えば、加熱ダクト３並びに冷却ダクト１にそれぞれ流体を流し、熱電変換モジュール・ペルチエ素子２に給電して温度差を生じさせ、加熱ダクト３内を流れる流体を加熱する一方で、冷却ダクト１内を流れる流体を冷却して温度差のある２流体を得るようにしても良い。例えば、図３に加熱源として示されている焼却炉や溶鉱炉などの炉壁３’を冷却するペルチエ素子として利用することが可能となる。

本発明の熱電変換システムの一実施形態を示す概略説明図である。 ガス圧で膨らむインフレタブル・バッグと押板との他の実施形態を示す積層方向から見た説明図である。 大型熱源の表面に直接設置する熱電変換システムの実施形態を示す概略説明図である。 本発明の熱電変換システムを適用した発電システムの一実施例を示す部分断面斜視図である。 同発電システムの内部構造を示す部分断面斜視図である。 同発電システムに用いた熱電変換システムの構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 冷却ダクト
２ 熱電変換モジュール
３ 加熱ダクト
４ 積層構造物
５ 押板
６ インフレタブル・バッグ
７ フレーム

Claims (10)

1. 加熱手段と冷却手段の間に熱電変換モジュールを挟み、前記熱電変換モジュールと前記加熱手段並びに前記冷却手段の両方またはいずれか一方を接合しない状態で重ねて少なくとも１組以上備える熱電変換システムにおいて、前記冷却手段あるいは前記加熱手段のいずれか一方から前記熱電変換モジュール並びに前記冷却手段あるいは前記加熱手段のいずれか他方とを含む積層構造物の厚みよりも長い積層方向の最大移動可能空間を区画するフレームを備え、該フレームの内方の前記最大移動可能空間内に圧力調整弁付きのガス圧で膨らむバッグを配置し、前記バッグの膨張で前記フレームとの間で前記積層構造を加圧することを特徴とする熱電変換システム。
2. 加熱手段と冷却手段の間に熱電変換モジュールを挟み、前記熱電変換モジュールと前記加熱手段並びに前記冷却手段の両方またはいずれか一方を接合しない状態で重ねてフレーム内に少なくとも１組以上収容すると共に、前記フレーム内に圧力調整弁付きのガス圧で膨らむバッグを配置し、前記バッグの膨張で前記加熱手段、熱電変換モジュール並びに冷却手段の積層構造物を前記フレームとの間で加圧することを特徴とする熱電変換システム。
3. 前記加熱手段並びに冷却手段は加熱流体並びに冷却流体を流すダクトであることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換システム。
4. 前記加熱手段は大型熱源の加熱面であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換システム。
5. 前記バッグは押板を介在させて前記積層構造物を加圧することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱電変換システム。
6. 前記バッグは前記積層方向と直交する方向に分割されたものである請求項１から５のいずれかに記載の熱電変換システム。
7. 前記バッグは円形輪郭を有し、前記押板の４角に配置されて加圧することを特徴とする請求項５記載の熱電変換システム。
8. 前記積層構造物は積層方向の両端を押板で挟持されていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の熱電変換システム。
9. 前記熱電変換モジュールと前記加熱手段並びに前記冷却手段とは、前記冷却手段、熱電変換モジュール、加熱手段、熱電変換モジュール、冷却手段の順に配置し、積層構造の両端が冷却手段となるようにしているものであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の熱電変換システム。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の熱電変換システムの前記加熱手段の熱源として各種産業機器からの廃熱を利用する発電システム。