JP2005285811A - 熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電効率をよくすることにより発電力を大きくすることのできる熱発電装置を提供すること。
【解決手段】 下基板１６と上基板１７を備えた熱電モジュール１３と、熱電モジュール１３に熱を供給して発電させるヒータ１１とを備えた熱発電装置１０の最大発電力を、熱発電装置１０を構成する各部分の熱抵抗の関係から求めた。そして、発電力Ｐが最大になるときの熱電モジュール１３の熱経路の熱抵抗Ｒ３が、他の熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和になる関係に基づいて各熱抵抗を設定することにより、熱発電装置１０の発電力Ｐを決定した。また、熱発電装置１０が、最大発電力の５０％以上の発電力Ｐを発生する場合を発電力の良好な範囲として設定した。また、熱電モジュール１３の個数を変更することにより熱抵抗Ｒ３を調節可能にした。
【選択図】 図４

Description

本発明は、発熱部と、発熱部から供給される熱によって発電する熱電モジュールとを備えた熱発電装置に関する。

従来から、ゼーベック効果を利用して熱電変換を行う熱電モジュールで発電を行い、その電力を電子機器の内部の冷却に利用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような熱発電装置等に用いられる熱電モジュールは、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面を固定して、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を組み付けることにより構成されている。また、前述した熱電モジュールから絶縁基板を除いて、電極と熱電素子とで構成された熱電モジュールも使用されている。
特許第３１０７２９９号公報

しかしながら、従来の熱電モジュールを備えた熱発電装置等では、発電力を最大にする熱電モジュールの熱抵抗を考慮していないため、発電力が十分でないという問題があった。また、熱電モジュールの熱抵抗と発電力との関係を考慮していないため、熱電モジュールを数多く設置して発電力を増加させようとすると、逆に発電力が低下してしまうことがあるという問題が生じていた。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、発電効率をよくすることにより発電力を大きくすることのできる熱発電装置を提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明にかかる熱発電装置の構成上の特徴は、対向させて配置した一対の板状の絶縁基板における対向する両面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極の所定の部分にそれぞれ熱電素子の端面を固定して構成される熱電モジュール、または熱電モジュールから少なくとも一方の絶縁基板を除いて構成される熱電モジュールと、これらの熱電モジュールの一方の端面に熱を供給して熱電素子の両端面に温度差を生じさせることにより熱電モジュールに発電させる発熱部とを備えた熱発電装置であって、熱発電装置の発電力を最大にする構成を、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗に対する発熱部から熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗と、発熱部から熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗と、熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗との関係から求め、発電力が最大になるように、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗と、他の熱抵抗とを所定の関係に設定したことにある。

熱電モジュールを備えた熱発電装置が発生する発電力の大きさには、熱電モジュールを構成する材料、形状、大きさ等の種々の要素が影響するが、中でも熱発電装置を構成する各部分の熱抵抗による影響が大きい。また、熱発電装置における熱抵抗の分布は非常に複雑なものになっているが、本発明の発明者は、これを、発熱部から熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗と、発熱部から熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗と、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗と、熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗との４つの熱抵抗に簡略化して検討した。

そして、これらの熱抵抗を適宜変更して組み合わせたときに熱発電装置の発電力が最大になる各熱抵抗間の関係を導き出し、その最大値に基づいて熱発電装置として適正な状態で使用できる発電力の範囲を設定するようにした。その場合の発電力の範囲の下限値は、例えば、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗、すなわち、各熱電素子の両端の熱抵抗の合計値を、一定に設定した他の各熱抵抗に対して変更していき、この関係をグラフで表してグラフから適正な範囲を求めることによって設定することができる。これによって、熱発電装置の発電効率を良好にするための各熱抵抗の範囲設定が可能になる。

この場合、熱電モジュールが一対の絶縁基板を備えたもので構成されていれば、一方の絶縁基板の熱抵抗は、発熱部から熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗の中に含まれ、他方の絶縁基板の熱抵抗は、熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗の中に含まれる。

また、本発明にかかる熱発電装置の他の構成上の特徴は、発熱部から熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗をＲ１、発熱部から熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ２、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗をＲ３、熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ４としたときに、各熱抵抗の関係を式１に示した関係に設定したことにある。

熱発電装置の発電力を大きくするためには、発熱部から熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗をできるだけ大きくして、発熱部から放出される熱のできるだけ多くを熱電モジュールに伝達させることが有効である。また、発熱部から熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗と、熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗とはできるだけ小さくして、多くの熱が熱電モジュールに伝達されるように設定することが有効である。

これに対し、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗が大きすぎると、熱電モジュールに伝播される熱量は少なくなる。また、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗が小さすぎると、熱電素子の両端に生じる温度差が小さくなる。また、熱電モジュールに発生する発電力は、熱電素子を通過する熱量の値と、熱電素子の両端に生じる温度差との積に比例することが知られている。

したがって、熱発電装置の発電力を最大にするために最適な熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗の値が存在し、その最適な熱抵抗の熱電モジュールを用いることにより発電力の大きな熱発電装置が得られることを見出した。その最適な熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗の値が、式１に示した関係である。すなわち、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗Ｒ３が、発熱部から熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗Ｒ１と、発熱部から熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗Ｒ２と、熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ４との和と等しくなる関係である。

また、本発明にかかる熱発電装置のさらに他の構成上の特徴は、発熱部から熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗をＲ１、発熱部から熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ２、熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗をＲ３、熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ４、最大発電力に対する発電力の割合をＣとしたときに、各熱抵抗の関係を式２および式３に示した関係に設定したことにある。

この熱発電装置における各部分の熱抵抗の関係は、実験および演算によってより好ましい値を求めたものであり、これによって、この熱発電装置は、最大発電力の５０％以上の発電を行うことができる。この結果、効率よく大きな発電力を発生することができる熱発電装置を得ることができる。

また、本発明にかかる熱発電装置のさらに他の構成上の特徴は、熱電モジュールの個数を適宜設定することにより熱電モジュールの高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗を調節可能にしたことにある。

例えば、熱発電装置に設置する熱電モジュールを複数個の同一のもので構成する場合、熱電モジュールの数が少なすぎると熱発電装置の発電力は小さいが、熱電モジュールの数を増加させることによって、徐々に熱発電装置の発電力も増加していく。そして、さらに、熱電モジュールを増加させても熱発電装置の発電力は増加しなかったり、逆に低下して行ったりする。このため、熱電モジュールの個数を最適にすることにより、最小個数の熱電モジュールを用いて発電効率のよい熱発電装置を得ることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る熱発電装置１０の概略を示している。この熱発電装置１０は、本発明の発熱部としてのヒータ１１と、熱伝導板１２と、２個の熱電モジュール１３，１３と、放熱用のフィン１４と、ファン１５とを備えている。ヒータ１１は、セラミックヒータからなっており、縦横の長さがともに１００ｍｍで厚みが２ｍｍの板状に形成されている。熱伝導板１２は、ヒータ１１の下面に密接した状態で取り付けられた銅板からなっており、縦横の長さがともに１００ｍｍで厚みが５ｍｍに設定されている。

熱電モジュール１３は、図２および図３に示したように、アルミナからなる四角板状の下基板１６と上基板１７とからなる一対の絶縁基板を備えており、互いに間隔を保った状態で、それぞれの上基板１７が熱伝導板１２の下面に固定されている。また、下基板１６の上面には、一定間隔を保って複数の銅パターンからなる下部電極１６ａが取り付けられ、上基板１７の下面には、一定間隔を保って複数の銅パターンからなる上部電極１７ａが取り付けられている。

そして、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなる複数の熱電素子１８が、それぞれ下端面を下部電極１６ａの所定部分にハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極１７ａの所定部分にハンダ付けにより固定されて下基板１６と上基板１７とを一体的に連結している。また、下基板１６の四隅に設けられた下部電極１６ａのうちの所定の２個の下部電極１６ａには、リード線１９ａ，１９ｂが接続されて外部に通電可能になっている。

また、２個の熱電モジュール１３は、同一の構成に設定されており、縦方向の長さが１０ｍｍ、横方向の長さが５ｍｍに設定され、全体の厚みが３．０ｍｍに設定されている。また、熱電モジュール１３の熱抵抗は、１００℃／Ｗで、室温２７℃での性能指数Ｚは２．５であった。この性能指数Ｚは、熱電材料の発電能力を示す指数である。

フィン１４は、表面積が０．２ｍ²のアルミニウム製のピンフィンで構成されており、上面が２個の熱電モジュール１３の下基板１６の下面に接着されて熱発電装置１０に組み込まれている。このフィン１４は熱電モジュール１３の下基板１６から熱を吸収することにより、熱電モジュール１３の下基板１６側部分を冷却する。また、ファン１５は、フィン１４の下面に取り付けられた軸流冷却ファンで構成されており、送風によってフィン１４を空冷することにより、フィン１４を介して熱電モジュール１３の下基板１６を冷却する。

つぎに、以上のように構成された熱発電装置１０の各部分における熱抵抗を変更することにより得られる発電力の最大値を求めるためのテストを行った。ヒータ１１には１００Ｗの電力を投入した。このテストは、下記の表１に示したように、熱電素子１８の集合における上面から下面までの熱経路の熱抵抗Ｒ３を１０段階に変更することによって行った。

その際、ヒータ１１の発熱量Ｑを１００Ｗ、ヒータ１１から熱伝導板１２および熱電モジュール１３を介さずに外気に放熱される熱経路（この場合、熱発電装置１０内の空気層）の熱抵抗Ｒ１を１℃／Ｗ、ヒータ１１から熱伝導板１２をおよび上基板１７通過して熱電素子１８の上面に達するまでの熱経路の熱抵抗Ｒ２を１℃／Ｗ、熱電素子１８の下面から下基板１６、フィン１４およびファン１５を介して外気に通じる熱経路の熱抵抗Ｒ４を１℃／Ｗにそれぞれ設定した。

熱電素子１８の集合における上面から下面までの熱経路の熱抵抗Ｒ３は、０〜１００℃／Ｗの範囲で１０段階に変更し、そのときに、熱電モジュール１３を通過せずに外気に放出される熱量Ｑout、熱電モジュール１３を通過する熱量Ｑin、熱電モジュール１３の熱電素子１８の集合の上面と下面との間に生じる温度差ΔＴ、熱発電装置１０が発生する発電力Ｐをそれぞれ測定または演算により算出した。その結果を、図４にグラフで示している。

図４から、熱電モジュール１３を通過する熱量Ｑinは、熱抵抗Ｒ３が０のときに最大で、熱抵抗Ｒ３が増加するにしたがって大きな減少率で減少していく。そして、熱抵抗Ｒ３が４〜８を超えてからは、減少率を小さくしながら徐々に減少していくことが分かる。また、熱電モジュール１３の熱電素子１８の集合の上面と下面との間に生じる温度差ΔＴは、熱抵抗Ｒ３が０のときに最小（０）で、熱抵抗Ｒ３が増加するにしたがって大きな増加率で増加していき、熱抵抗Ｒ３が４〜８を超えてからは、増加率を小さくしながら徐々に増加していくことが分かる。

熱発電装置１０が発生する発電力Ｐは、熱抵抗Ｒ３が０のときに最小（０）で、熱抵抗Ｒ３が増加するにしたがって大きな増加率で増加していく。そして、熱抵抗Ｒ３が２を超えたあたりから増加率を小さくしながらさらに増加して、熱抵抗Ｒ３が３になったときに最大値に達する。そして、熱抵抗Ｒ３が３を超えてからは、小さな減少率で徐々に減少していくことが分かる。この発電力Ｐは、熱抵抗Ｒ３が、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和と等しい関係にあるときに最大値を示した。また、発電力Ｐは、熱量Ｑinと温度差ΔＴとの積に比例する関係にあった。

また、前述した熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、発熱量Ｑ、熱量Ｑout，Ｑin、温度差ΔＴおよび発電力Ｐの関係は、下記の式４，５，６の関係にあることは公知である。

熱抵抗Ｒ３が、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和と等しい関係にあるときに発電力Ｐが最大になることや、前述した各式に基づいて、発電力Ｐが最大値の５０％以上になるときの熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の関係を実験や理論式に基づいて求めたところ、下記の式２および式３の関係が見出された。

したがって、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が式２および式３の関係を満たしていれば、発電力Ｐは最大値の５０％以上になる。この発電力Ｐが最大値から最大値の５０％になる範囲で、熱発電装置１０は効率のよい発電を行える。

つぎに、熱発電装置１０を備える熱電モジュール１３の数を変更して構成した実施例１，２，３と、比較例１，２による熱発電装置とに対して発電力の比較テストを行った結果について説明する。この発電力の比較テストは、前述したテストの結果に基づいて行われ、熱電モジュール１３の数を変更することにより熱抵抗Ｒ３の値を適宜変更して設定した。この場合、ヒータ１１には、７０Ｗの電力を投入した。

すなわち、下記の表２に示したように、このテストで用いた実施例１〜３および比較例１，２の熱発電装置では、すべて、熱抵抗Ｒ１を３℃／Ｗ、熱抵抗Ｒ２を０．００１２５℃／Ｗ、熱抵抗Ｒ４を０．３℃／Ｗとした。このため熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和は、３．３０１２５℃／Ｗであり、熱抵抗Ｒ３が、３．３０１２５℃／Ｗのときに最大の発電力を発生する。また、発電力が最大発電力の５０％以上になる熱抵抗Ｒ３の範囲は、０．６〜１９．２℃／Ｗである。このテストでは、熱抵抗Ｒ３の範囲が、０．６〜１９．２℃／Ｗの範囲に入るものを実施例１〜３とし、入らないものを比較例１，２とした。

また、下記の表３に示したように、実施例１の熱発電装置１０では、熱電モジュール１３を２０個用いて熱抵抗Ｒ３を５℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは２．１０Ｗであった。実施例２の熱発電装置では、熱電モジュール１３を３０個用いて熱抵抗を３．３℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは２．１４Ｗであった。実施例３の熱発電装置では、熱電モジュール１３を５０個用いて熱抵抗を２℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは１．９１Ｗであった。

また、比較例１の熱発電装置では、熱電モジュール１３を１個用いて熱抵抗を１００℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは０．１６Ｗであった。比較例２の熱発電装置では、熱電モジュール１３を２００個用いて熱抵抗を０．５℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは０．８５Ｗであった。この結果を図５にグラフで示している。このように、熱抵抗Ｒ３を、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和である３．３０１２５℃／Ｗに最も近い３．３℃／Ｗにした実施例２（中央の黒丸）で最も大きな発電力Ｐを得ることができた。また、熱抵抗Ｒ３の範囲が、０．６〜１９．２℃／Ｗの範囲に入る実施例１，３（両端の黒丸で示した部分）でも大きな発電力を得ることができ、熱抵抗Ｒ３の範囲が、０．６〜１９．２℃／Ｗの範囲に入らない比較例１，２（四角で示した部分）では発電力が僅かであった。

また、図５における熱抵抗Ｒ３の範囲が０．６〜１９．２℃／Ｗの範囲に入り、発電効率が良好であると判定できる実施例１〜３が含まれる部分を、図６に拡大して示している。このように、この熱発電装置においては、熱抵抗Ｒ３の範囲が０．６〜１９．２℃／Ｗであるときに、すべて発電力Ｐが１．０Ｗ以上となる良好な結果を示した。また、図５および図６における破線ａは、計算値に基づく曲線を示している。

つぎに、熱発電装置１０からファン１５を取り除いた熱発電装置を実施例４として、この熱発電装置が備える熱電モジュール１３の数をそれぞれ変更して構成した実施例５，６と、比較例３，４による熱発電装置とに対して、前述したテストと同じテストを行った。表２に示したように、このテストで用いた実施例４〜６および比較例３，４の熱発電装置では、すべて、熱抵抗Ｒ１を３℃／Ｗ、熱抵抗Ｒ２を０．００１２５℃／Ｗ、熱抵抗Ｒ４を１．５℃／Ｗとした。この場合、熱抵抗Ｒ１と熱抵抗Ｒ２は、前述したテストで用いた熱発電装置と同一であったが、熱抵抗Ｒ４は、ファン１５を除いたため、前述の熱発電装置よりも大きな値になった。

このため熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和は、４．５０１２５℃／Ｗとなり、熱抵抗Ｒ３が、４．５０１２５℃／Ｗのときに各熱発電装置は最大の発電力を発生する。また、各熱発電装置の発電力が最大発電力の５０％以上になる熱抵抗Ｒ３の範囲は、０．８〜２６．２℃／Ｗである。このテストでは、熱抵抗Ｒ３の範囲が、０．８〜２６．２℃／Ｗの範囲に入るものを実施例４〜６とし、入らないものを比較例３，４とした。

下記の表４に示したように、実施例４の熱発電装置では、熱電モジュール１３を２０個用いて熱抵抗Ｒ３を５℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは１．５８Ｗであった。実施例５の熱発電装置では、熱電モジュール１３を３０個用いて熱抵抗Ｒ３を３．３℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは１．５４Ｗであった。実施例６の熱発電装置では、熱電モジュール１３を５０個用いて熱抵抗Ｒ３を２℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは１．２５Ｗであった。

また、比較例３の熱発電装置では、熱電モジュール１３を１個用いて熱抵抗Ｒ３を１００℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは０．１５Ｗであった。比較例４の熱発電装置では、熱電モジュール１３を２００個用いて熱抵抗Ｒ３を０．５℃／Ｗにした。その結果、発電力Ｐは０．４５Ｗであった。この結果を図７にグラフで示している。このように、ファン１５を備えていない熱発電装置においても、熱抵抗Ｒ３を、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和である４．５０１２５℃／Ｗに最も近い５℃／Ｗにした実施例４で最も大きな発電力Ｐを得ることができた。また、熱抵抗Ｒ３の範囲が、０．８〜２６．２℃／Ｗの範囲に入る実施例５，６でも大きな発電力を得ることができ、熱抵抗Ｒ３の範囲が、０．８〜２６．２℃／Ｗの範囲に入らない比較例３，４では発電力が僅かであった。また、図７における破線ｂは、計算値に基づく曲線である

このように、本発明の発明者は、熱発電装置の発電力に影響する複雑な要素の中で、特に熱発電装置を構成する各部分の熱抵抗に注目し、この熱抵抗が所定の関係にあるときに熱発電装置の発電力が最大になることを見出した。そして、本発明に係る熱発電装置は、発電力が最大になる熱抵抗Ｒ３が、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和になる関係に基づいて製造されている。このため、発電効率のよい熱発電装置が得られる。

また、図８に本発明に係る他の実施形態に係る熱発電装置２０を示している。この熱発電装置２０では、熱電モジュール２３が図９に示したように構成されている。すなわち、この熱電モジュール２３は、直方体に形成された複数の熱電素子２８を一定間隔で配置し、その下端面に下部電極２６ａの所定部分をハンダ付けにより固定するとともに、上端面に上部電極２７ａの所定部分をハンダ付けにより固定して構成されている。このため、すべての熱電素子２８は、下部電極２６ａと上部電極２７ａとを介して接続されている。

また、熱伝導板２２の下面には、熱伝導板２２と略等しい面積を有する上絶縁板２７が固定され、フィン２４の上面には、フィン２４の上面の面積と略等しい面積を有する下絶縁基板２６が固定されている。そして、下絶縁基板２６の上面に、熱電モジュール２３の下部電極２６ａが固定され、上絶縁板２７の下面に熱電モジュール２３の上部電極２７ａが固定されて熱発電装置２０が構成されている。この熱発電装置２０のそれ以外の部分の構成については、前述した熱発電装置１０と同一である。したがって、同一部分に同一符号を記している。

この熱発電装置２０も、発電力が最大になる熱抵抗Ｒ３が、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ４の和になる関係に基づいて製造されている。このため、発電効率がよくなる。また、この熱発電装置２０における作用効果は、前述した熱発電装置１０と同様である。

また、本発明に係る熱発電装置は、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することができる。例えば、ヒータ１１は、同様の機能を有する他の装置に代えることができ、熱伝導板１２，２２、フィン１４，２４およびファン１５は、同様の機能を有する他のものに代えたり取り除いたりすることができる。また、熱電モジュール１３，２３も他の形状や材料で構成されるものに代えることができる。また、前述した実施形態では、熱発電装置の発電力が最大値の５０％以上であるときを好ましい範囲としているが、この範囲は、他の条件等によって適宜変更することができる。

本発明の一実施形態に係る熱発電装置の概略を示す正面図である。 図１に示した熱発電装置が備える熱電モジュールの斜視図である。 図２に示した熱電モジュールの正面図である。 熱電モジュールの熱抵抗と発電力等との関係を示したグラフである。 実施例１〜３および比較例１，２による熱電モジュールの熱抵抗と発電力との関係を示したグラフである。 図５における良好な範囲を拡大したグラフである。 実施例４〜６および比較例３，４による熱電モジュールの熱抵抗と発電力との関係を示したグラフである。 本発明の他の実施形態に係る熱発電装置の概略を示す正面図である。 図８に示した熱発電装置が備える熱電モジュールの正面図である。

符号の説明

１０，２０…熱発電装置、１１…ヒータ、１２，２２…熱伝導板、１３，２３…熱電モジュール、１４，２４…フィン、１５…ファン、１６…下基板、１６ａ，２６ａ…下部電極、１７…上基板、１７ａ，２７ａ…上部電極、１８，２８…熱電素子、Ｐ…発電力、Ｑ…発熱量、Ｑout，Ｑin…熱量、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…熱抵抗、ΔＴ…温度差。

Claims (4)

1. 対向させて配置した一対の板状の絶縁基板における対向する両面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極の所定の部分にそれぞれ熱電素子の端面を固定して構成される熱電モジュール、または前記熱電モジュールから少なくとも一方の絶縁基板を除いて構成される熱電モジュールと、これらの熱電モジュールの一方の端面に熱を供給して前記熱電素子の両端面に温度差を生じさせることにより前記熱電モジュールに発電させる発熱部とを備えた熱発電装置であって、
   前記熱発電装置の発電力を最大にする構成を、前記熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗に対する前記発熱部から前記熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗と、前記発熱部から前記熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗と、前記熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗との関係から求め、前記発電力が最大になるように、前記熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗と、他の熱抵抗とを所定の関係に設定したことを特徴とする熱発電装置。
2. 前記発熱部から前記熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗をＲ１、前記発熱部から前記熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ２、前記熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗をＲ３、前記熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ４としたときに、前記各熱抵抗の関係を数１に示した関係に設定した請求項１に記載の熱発電装置。
   

   
3. 前記発熱部から前記熱電モジュールを介さずに外気に通じる熱経路の熱抵抗をＲ１、前記発熱部から前記熱電素子の集合の高温側の端面までの熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ２、前記熱電素子の集合の高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗をＲ３、前記熱電素子の集合の低温側の端面から外気に通じる熱経路のうち熱電モジュールを介さない熱経路の熱抵抗をＲ４、最大発電力に対する発電力の割合をＣとしたときに、前記各熱抵抗の関係を数２および数３に示した関係に設定した請求項１または２に記載の熱発電装置。
   

   

   
4. 前記熱電モジュールの個数を適宜設定することにより前記熱電モジュールの高温側の端面と低温側の端面との間の熱経路の熱抵抗を調節可能にした請求項１ないし３のうちのいずれか一つに記載の熱発電装置。
   

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