JP2007088039A - 熱電発電モジュール及び発電機能付き熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、発電性能を適切且つ十分に向上することができる熱電発電モジュールを実現し、更には、かかる熱電発電モジュールを利用して発電可能としながら、高温空間を流通する高温媒体と低温空間を流通する低温媒体との間で比較的高性能で熱交換を行うことができる発電機能付き熱交換器を合理的に実現する点にある。
【解決手段】 熱電発電モジュール５０において、複数の熱電素子１，２の夫々を互いに間隔を置いて並設し、高温空間１０と低温空間１１との隔壁５を複数の熱電素子１，２の高さ領域Ｘ内に配置する。また、発電機能付き熱交換器１００において、熱電発電モジュール５０を、高温媒体Ｈｇを流通させる気密な高温媒体流路を高温空間１０で形成すると共に低温媒体Ｃｇを流通させる気密な低温媒体流路を低温空間１１で形成する形態で備えて、高温媒体Ｈｇと低温媒体Ｃｇとの間で熱交換を行う。
【選択図】 図７

Description

本発明は、一端部が高温空間により加熱され他端部が低温空間により冷却される形態で並設された複数の熱電素子と、前記複数の熱電素子の夫々を電気的に接合する接合部とを備えた熱電発電モジュールに関し、更には、家庭用から産業用に至るコージェネレーション分野或いは熱利用分野等で適用される発電機能付き熱交換器に関する。

図１５を参照して、上記のような熱電発電モジュール２００は、Ｐ型熱電半導体素子１０１とＮ型熱電半導体素子１０２を交互に並設し、その複数の熱電素子１０１，１０２の夫々を接合部としての電極部１０３，１０４により電気的に接合するべくＰ−Ｎ接合するように構成されている。そして、当該複数の熱電素子１０１，１０２の一端部を高温空間１１０からの伝熱により加熱すると共に、他端部を低温空間１１１への伝熱により冷却することで、複数の熱電素子１０１，１０２の熱起電力を電極部１０３，１０４により発電電力として取り出す所謂熱電発電を行うことができる。

更に、この従来の熱電発電モジュール２００は、高温空間１１０に面する高温側伝熱板１０５と、低温空間１１１に面する低温側伝熱板１０６との間に挟み込む状態で、Ｐ型熱電半導体素子１０１とＮ型熱電半導体素子１０２を互いに絶縁体１０７を介して密接状態となるように平板状に並設してなる所謂π型（又は平板型）構造と呼ばれるものである（例えば、特許文献１〜３を参照。）。
尚、図示しないが、伝熱板１０５又は伝熱板１０６が導電性の場合には、伝熱板１０５と電極部１０３との間、又は、伝熱板１０６と電極部１０４との間に、電気絶縁層が介在する。

更に、この種のπ型構造の熱電発電モジュールでは、上記伝熱板だけでは伝熱面積を確保することができない場合があり、伝熱面積を増加して発電性能（発電出力）を向上する方法としては、伝熱板にフィンを取付ける等の方法が知られている（例えば、特許文献４を参照。）。

特開平３−２６３８８１号公報（図１４等） 特開平９−１９９７６４号公報（図１等） 特開２００１−２４２４２号公報（図４等） 特開平８−３０６９６８号公報（図１０等）

上述した従来のπ型構造の熱電発電モジュールにおいて、伝熱板に伝熱面積増加のためのフィンを取付けた場合にあっても、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間での熱伝達は、伝熱板又はフィンへの境膜を介しての対流熱伝達と伝熱板やフィン中の熱伝導とによるものであるため、熱電素子に到達するまでに温度変化（高温側は温度低下、低温側は温度上昇）が生じ、熱電素子の両端部側に有効な温度差をつけることができず、発電性能を十分に向上することができなかった。更に、かかる伝熱板やフィン等は熱良導体材料で構成する必要があるが、熱良導体材料である金属は、使用可能な上限温度に制約があって、安価な金属（例えばアルミや銅）が使用できない場合もあった。

また、従来のπ型構造の熱電発電モジュールを利用して発電可能としながら、高温空間を流通する高温媒体と低温空間を流通する低温媒体との間で熱交換を行うような発電機能付きの熱交換器を構成しても、上記のように高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間の熱伝達不良により、その熱交換性能が極めて低いものとなって合理的ではなかった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、発電性能を適切且つ十分に向上することができる熱電発電モジュールを実現し、更には、かかる熱電発電モジュールを利用して発電可能としながら、高温空間を流通する高温媒体と低温空間を流通する低温媒体との間で比較的高性能で熱交換を行うことができる発電機能付き熱交換器を合理的に実現する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る熱電発電モジュールは、一端部が高温空間により加熱され他端部が低温空間により冷却される形態で並設された複数の熱電素子と、前記複数の熱電素子の夫々を電気的に接合する接合部とを備えた熱電発電モジュールであって、その特徴構成は、前記複数の熱電素子の夫々が互いに間隔を置いて並設され、
前記高温空間と前記低温空間との隔壁が、前記複数の熱電素子の高さ領域内に配置されている点にある。

即ち、複数の熱電素子を利用した熱電発電を行うためには、複数の熱電素子の一端部を高温空間からの伝熱により加熱すると共に、他端部を低温空間への伝熱により冷却する必要がある。そこで、本発明に係る熱電発電モジュールでは、複数の熱電素子の夫々を互いに間隔を置いて並設すると共に、上記隔壁を各熱電素子の高さ領域内に配置することで、複数の熱電素子の夫々の両端部を高温空間及び低温空間の夫々に突出させ、その突出する複数の熱電素子の夫々の両端部の夫々を、高温空間及び低温空間の夫々との間の直接的な熱伝達により良好に加熱又は冷却することができる。
また、複数の熱電素子の夫々の両端部が高温空間及び低温空間の夫々に突出しているので、その突出部が直接的に高温空間及び低温空間の夫々への伝熱面として機能し、その伝熱面積を比較的大きく確保することができる。
更に、本発明に係る熱電発電モジュールでは、従来の高温側伝熱板と低温側伝熱板との間に挟み込む状態で複数の熱電素子を平板状に並設したπ型熱電発電モジュールとは異なって、伝熱板やフィンを設ける必要がないので、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間で、温度変化を抑制しながら良好な熱伝達を行うことができる。
そして、このように構成した本発明に係る熱電発電モジュールでは、複数の熱電素子の夫々を互いに間隔を置いて並設して、従来のように複数の熱電素子を互いに密接状態で並設した熱電発電モジュールに比べて単位面積あたりの熱電素子の設置数を少なくしながらも、上述したように高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間で良好な熱伝達を行うことができることから、実質の温度差を拡大させることによって発電出力をむしろ向上することができる。
したがって、本発明により、伝熱板やフィン等の使用される金属のような上限温度制約についての問題がなく適切に、且つ、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間で良好に熱を伝えて発電性能を十分に向上することができる熱電発電モジュールを実現することができる。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記熱電素子としてのＰ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とが交互に並設され、
前記接合部が、前記Ｐ型熱電半導体素子及び前記Ｎ型熱電半導体素子の夫々をＰ−Ｎ接合する電極部として構成されている点にある。

即ち、Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子を交互に並設し、その複数の熱電素子の夫々を接合部により電気的に接合するべくＰ−Ｎ接合することで、効率良く複数の熱電素子を配置して、コンパクトに構成しながら発電性能（発電出力）の向上を実現することができる。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記複数の熱電素子の夫々が幅方向よりも高さ方向が長尺な柱状に形成されている点にある。

即ち、熱電素子を隔壁に沿った幅方向よりも隔壁と垂直な高さ方向が長尺な柱状に形成することで、複数の熱電素子の夫々の両端部が高温空間及び低温空間の夫々に突出する突出部の伝熱面積を一層大きいものとして、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間での熱伝達を一層良好なものとすることができる。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記隔壁が、熱及び電気不良導体材料で構成されている点にある。

即ち、高温空間と低温空間の境界として設けられる隔壁を熱不良導体材料で構成することで、高温空間と低温空間との間での隔壁を介した熱交換が抑制され、熱電素子の高温空間及び低温空間の夫々に突出される両端部の温度差が比較的大きいものに維持されるので、熱電素子において比較的大きい熱起電力を発生させて発電性能を向上することができる。
更に、各熱電素子の高さ領域内に配置される隔壁を電気不良導体材料で構成することで、熱電素子の熱起電力が隔壁に漏洩することが抑制されるので、同じく熱電素子において比較的大きい熱起電力を発生させて発電性能を向上することができる。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記隔壁に複数の開口部が形成され、前記複数の熱電素子の夫々が前記開口部に貫通状態で配置されている点にある。

即ち、複数の熱電素子の夫々を、隔壁に形成された複数の開口部の夫々に貫通状態で配置する形態で互いに間隔を置いて並設することができる。また、かかる開口部の形状を熱電素子の隔壁に沿った横断面形状に略同じものとすることで、熱電素子を開口部に外嵌させる形態で良好に固定すると共に、開口部の内面と熱電素子の外面との間の隙間を略無くして高温空間と低温空間との間の気密性を確保することができる。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記複数の熱電素子が格子状又は千鳥状に配列されている点にある。

即ち、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間で良好な熱伝達を行うためには、複数の熱電素子を、隔壁に沿った平面上において格子状もしくは千鳥状に規則的に配列することで、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間で良好な熱伝達を行うことができ、コンパクトに構成しながら発電性能の向上を実現することができる。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記複数の熱電素子の夫々の前記高温空間及び前記低温空間の夫々への突出部又は前記接合部に、表面積を拡大する凹凸が形成されている点にある。

即ち、上記突出部又は上記接合部に表面積を拡大する凹凸を形成することで、高温空間及び低温空間の夫々に対する伝熱面積を増加し、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間での熱伝達を一層良好なものとすることができる。尚、このような凹凸を形成するにあたり、高温空間若しくは低温空間を流れる媒体の抵抗を小さくして圧力損失の上昇を抑えるような形状を採用することが望ましい。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記複数の熱電素子の夫々に、耐食性の薄膜被覆が形成されている点にある。

即ち、両端部が高温空間及び低温空間の夫々に突出されている熱電半導体素は、その材質によっては、夫々の空間に存在する媒体との化学反応により劣化等が発生することが懸念される。そこで、この複数の熱電素子の夫々に耐食性の薄膜被覆を形成することで、上記のような媒体との化学反応による性能低下（劣化）を防止することができる。
また、熱電素子の被覆を薄膜とすることで、高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間での温度変化による発電性能の低下を抑制しながら、熱電素子の性能低下を防止することができる。

本発明に係る熱電発電モジュールの更なる特徴構成は、前記複数の熱電素子の夫々に、電気絶縁性の薄膜被覆が形成されている点にある。

即ち、高温空間及び低温空間の夫々に存在する媒体が、水や電解質などの導電性である場合には、熱電素子の熱起電力がその媒体に漏洩したり、更には、熱電素子の両端部が短絡したりすることが懸念される。そこで、この複数の熱電素子の夫々に電気絶縁性の薄膜被覆を形成することで、熱電素子における電気の流出入が遮断されるので、熱電素子から高温空間及び低温空間の夫々に存在する媒体への電流漏洩を防止することができる。

上記目的を達成するための本発明に係る発電機能付き熱交換器の特徴構成は、上記特徴構成の何れかを有する熱電発電モジュールを、高温媒体を流通させる気密な高温媒体流路を前記高温空間で形成すると共に低温媒体を流通させる気密な低温媒体流路を前記低温空間で形成する形態で備えて、前記高温空間を流通する前記高温媒体と前記低温空間を流通する前記低温媒体との間で熱交換を行うように構成された点にある。

本発明に係る発電機能付き熱交換器は、従来型の熱交換器において高温媒体流路と低温媒体流路との間に備えられる伝熱板を、これまで説明してきた本発明に係る熱電発電モジュールに設けられる隔壁に置換する形態で、本発明に係る熱電発電モジュールを内蔵した構成となり、発電と熱交換との両立を実現するものとなる。
即ち、上記特徴構成の何れかを有する熱電発電モジュールを利用して発電可能としながら、高温空間で形成された気密な高温媒体流路を流通する高温媒体と低温空間で形成された気密な低温媒体流路を流通する低温媒体との間で熱交換を行う発電機能付き熱交換器においては、これまで説明したように、かかる熱電発電モジュールが高温空間及び低温空間の夫々と熱電素子との間で良好に熱を伝えることができることから、高温媒体と低温媒体との熱交換を、伝熱媒体として機能する複数の熱電素子を通じて良好に行うことができる。
また、この複数の熱電素子が伝熱媒体として機能するので、伝熱のための部材（伝熱面積拡大用のフィン等）を殆ど付加する必要がないので、全体として経済的に発電機能付き熱交換器を構成することができる。

また、熱電発電モジュールにおいて複数の熱電素子の高さ領域に配置された隔壁は、熱交換器において高温媒体が流通する高温媒体流路と低温媒体が流通する低温媒体流路との隔壁としても作用するので、別途熱交換壁を設ける必要がなく、簡単且つ抵コストで発電機能付き熱交換器を構成することができる。
更に、高温媒体流路及び低温媒体流路の夫々において、複数の熱電素子の夫々の両端部が突出状態で並設しているので、高温媒体及び低温媒体の夫々の流れが乱れて、熱電素子との熱伝達が促進されるので、コンパクトに構成しながら発電性能及び熱交換性能を一層向上することができる。

本発明に係る発電機能付き熱交換器の更なる特徴構成は、前記熱電発電モジュールの複数が、交互に反転させて積層されている点にある。

即ち、熱電発電モジュールを複数積層することで、単位体積あたりに多くの熱電素子を配置することができるので、発電性能及び熱交換性能の両方を向上することができる。
更に、複数の熱電発電モジュールを積層するにあたり、隣接間において高温空間側同士又は低温空間側同士を対向させる形態で、交互に反転させて積層すれば、高温媒体流路及び低温媒体流路において、上下の隔壁に効率良く多数の複数の熱電素子を配置することができるので、コンパクトに構成しながら発電性能及び熱交換性能を一層向上することができる。

本発明の熱電発電モジュール及び発電機能付き熱交換器の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

〔第１実施形態〕
第１実施形態の熱電発電モジュール５０について、図１，図２及び図３に基づいて説明する。
この熱電発電モジュール５０は、一端部が高温空間１０により加熱され他端部が低温空間１１により冷却される形態で並設された複数の熱電素子１，２と、その複数の熱電素子１，２の夫々を電気的に接合する接合部３，４とを備えることで、当該複数の熱電素子１，２の一端部を高温空間１０からの伝熱により加熱すると共に、他端部を低温空間１１への伝熱により冷却することで、複数の熱電素子１，２の熱起電力を接合部３，４により発電電力として取り出す所謂熱電発電を行うように構成されている。

具体的には、熱電素子１，２としてのＰ型熱電半導体素子１とＮ型熱電半導体素子２とが交互に並設され、更に、接合部３，４が、高温空間１０側においてＰ型熱電半導体素子１及びＮ型熱電半導体素子２の夫々の端部をＰ−Ｎ接合する高温側電極部３と、低温空間１１側においてＰ型熱電半導体素子１及びＮ型熱電半導体素子２の夫々の端部をＰ−Ｎ接合する低温側電極部４とで構成されている。
尚、接合部３，４は、電極部として構成するのではなく、例えば、熱電素子１，２の端部を直接当接することで電気的に接合するなど、別の構成としても構わない。

そして、熱電素子１，２の一端部が高温空間１０に存在する排ガスなどの高温媒体Ｈｇにより加熱され他端部が低温空間１１に存在する空気などの低温媒体Ｃｇにより冷却されて、熱電素子１，２の両端部間において温度差が生じることで、Ｐ型熱電半導体素子１の両端部間においては低温空間１１側の端部に正の熱起電力が生じ、一方、Ｎ型熱電半導体素子２の両端部間においては低温空間１０側の端部に負の熱起電力が生じる。
そして、このように両端部間に互いに対向する熱起電力が生じるＰ型熱電半導体素子１及びＮ型熱電半導体素子２の夫々の端部を、高温側電極部３及び低温側電極部４の夫々により電気的に直列にＰ−Ｎ接合して、適切な電圧の電力が取り出すことができる。また、直列に接合された複数の熱電素子１，２同士を並列に接合して、適切な電流の電力を取り出すように構成することもできる。
また、上記熱電素子１，２としては公知のものを利用することができ、例えば、Ｐ型熱電半導体素子１としては、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｂｉ−Ｓｂ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｇｅ−Ｔｅ系、Ｇａ−Ｓｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、又は、Ｃｏ−Ｓｉ系等の熱電変換材料を利用することができ、一方、Ｎ型半導体としては、Ｇｅ−Ｓｉ系、Ｓｉ−Ｃ系、又は、Ｂ−Ｃ系等の熱電変換材料を利用することができる。

更に、この熱電発電モジュール５０では、発電性能を適切且つ十分に向上するべく、複数の熱電素子１，２の夫々が互いに間隔を置いて並設され、高温空間１０と低温空間１１との隔壁５が、複数の熱電素子１，２の高さ領域Ｘ内に配置されている。
尚、この複数の熱電素子１，２の配置間隔は、適宜設定することができるが、例えば熱電素子１，２の幅方向の寸法の０．５〜５．０倍の範囲内とすることができる。

即ち、複数の熱電素子１，２の夫々の両端部が、高温空間１０及び低温空間１１の夫々に突出する状態となるため、熱電素子１，２の両端部の夫々が、高温空間１０及び低温空間１１の夫々との間において、直接的な熱伝達により、且つ、フィンなどを設けなくても比較的大きな伝熱面積を介して、良好に加熱又は冷却される。よって、夫々の熱電素子１，２の両端部間に生じる熱起電力が比較的大きいものとなって、発電性能を向上することができる。

また、コンパクトに構成しながら発電性能の向上を実現するべく、これら複数の熱電素子１，２は、隔壁５に沿って（隔壁５の法線方向視で）格子状に規則的に配列されている。

複数の熱電素子１，２の夫々は、幅方向よりも高さ方向が長尺な柱状に形成されている。
これにより、高温空間１０及び低温空間１１の夫々に突出する突出部の伝熱面積が一層大きいものとなる。
尚、本実施形態では、この熱電素子１，２の形状を、直方体としているが、円柱状や板状等のように、適宜その形状を改変することができる。

また、複数の熱電素子１，２の夫々の高温空間１０及び低温空間１１の夫々への突出部又は接合部３，４の表面には、高温空間１０及び低温空間１１の夫々と熱電素子１，２との間での熱伝達を一層良好なものとするべく伝熱面積を増加するために、小さな窪みを多数設ける形態で表面積を拡大する凹凸が形成されている。
また、上記のような熱電素子１，２は、粉体を型に詰めて成型し、焼成・焼結して製造することができるが、その場合には、型に凹凸を設けておけば、殆どコストアップ無く、熱電素子１，２の表面に凹凸を形成することができる。一方、接合部３，４が金属製である場合には、プレス成形にて容易に接合部３，４の表面に凹凸を形成することができる。

隔壁５は、鋼板等の金属板と絶縁体（断熱材）との複合材、セラミック、合成樹脂等の熱及び電気不良導体材料で構成されている。
これにより、高温空間１０と低温空間１１との間での隔壁５を介した熱交換が抑制されて、熱電素子１，２の高温空間１０及び低温空間１１の夫々に突出される両端部の温度差が大きなものに維持され、更には、熱電素子１，２の熱起電力が隔壁５側に漏洩することが抑制される。

また、熱電素子１，２や接合部３，４に直接接触する高温媒体Ｈｇや低温媒体Ｃｇについても、熱電素子１，２からの起電力の漏洩を防止するべく、電気不良導体であることが望ましいが、複数の熱電素子１，２の夫々に、電気絶縁性の薄膜被覆が形成すれば、高温媒体Ｈｇや低温媒体Ｃｇを水や電解質などの導電性としても、熱電素子１，２の熱起電力の漏洩や、その漏洩による熱電素子１，２の両端部の短絡を防止できる。
また、高温媒体Ｈｇや低温媒体Ｃｇが水である場合には、比較的温度が低いので、上記のような電気絶縁性の薄膜被覆として、フッ素樹脂、ポリエチレン等のポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル類等の薄膜被覆を熱電素子１，２に形成することが有効である。

また、複数の熱電素子１，２の夫々に、耐食性の薄膜被覆が形成すれば、高温空間１０及び低温空間１０の夫々と熱電素子１，２との間での温度変化による発電性能の低下を抑制しながら、高温媒体Ｈｇや低温媒体Ｃｇに露出される熱電素子１，２において、その媒体Ｈｇ，Ｃｇとの化学反応による性能低下（劣化）が防止される。
かかる、耐食性の薄膜被覆として、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、ＢｅＯ、ＭｇＯ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＡｌＮ、ＳｉＣ、或いはこれらの複合化合物等のセラミック材料からなる薄膜被覆を熱電素子１，２に形成すれば、熱電素子１，２の高温空間１０に対する耐熱性をも向上される。
また、高温空間１０の温度がそれほど高くない場合や高温空間１０に存在する高温媒体Ｈｇが液体である場合には、耐食性の薄膜被覆としてフッ素樹脂等の耐熱樹脂からなる薄膜被覆を形成することが有効である。

また、複数の熱電素子１，２の夫々は、隔壁５に形成された複数の開口部５ａの夫々に貫通状態で配置されている。そして、開口部５ａの形状が熱電素子１，２の隔壁５に沿った横断面形状に略同じものなので、熱電素子１，２が開口部５ａに略隙間無く外嵌されて良好に固定されている。
また、高温空間１０と低温空間１１との間の気密性を確保するべく、上記開口部５ａの隙間が少しでも問題となる場合には、この隙間にシール材等を充填しても構わない。

〔第２実施形態〕
第２実施形態の熱電発電モジュール５１について、図４及び図５に基づいて説明する。
この熱電発電モジュール５１は、上記第１実施形態の熱電発電モジュール５０に対して、複数の熱電素子１，２の配列状態において相違する。
即ち、熱電発電モジュール５１では、コンパクトに構成しながら熱伝達性能を改善することによって発電性能の向上を実現するべく、複数の熱電素子１，２は、隔壁５に沿って千鳥状に規則的に配列されている。

〔第３実施形態〕
第３実施形態の発電機能付き熱交換器（以下、単に「熱交換器」と呼ぶ場合がある。）１００について、図６及び図７に基づいて説明する。
この熱交換器１００は、第１実施形態で説明したように、高温空間１０及び低温空間１１の夫々と熱電素子１，２との間で良好に熱を伝えることができる熱電発電モジュール５０を利用し、熱電発電モジュール５０により発電を行いながら、高温媒体Ｈｇと低温媒体Ｃｇとの熱交換を行うものである。
即ち、熱交換器１００は、高温媒体Ｈｇを流通させる気密な高温媒体流路を高温空間１０で形成すると共に低温媒体Ｃｇを流通させる気密な低温媒体流路を低温空間１１で形成する形態で備えることで、高温空間１０を流通する高温媒体Ｈｇと低温空間１１を流通する低温媒体Ｃｇとの間で熱交換を、伝熱媒体として機能する複数の熱電素子１，２を通じて良好に行うように構成されている。

また、この熱交換器１００は、複数の熱電素子１，２が突出する高温空間１０及び低温空間１１の夫々において、高温媒体Ｈｇ及び低温媒体Ｃｇの夫々の流れが乱れることから、熱電素子１，２との熱伝達が促進される。

熱交換器１００に設けられる隔壁５は、一般の熱交換器の高温媒体流路と低温媒体流路との間に設けられる伝熱壁と異なって、伝熱を主目的とするものではなく、熱電発電モジュール５０の発電性能を向上するためにむしろ断熱を主目的として設けられるものである。よって、隔壁５は、熱電素子１，２を通過して流れる熱の割合を、隔壁５を直接流れる熱の割合より十分に大きくなるように構成されている。
もちろん、高温空間１０から低温空間１１への熱移動を所定量確保したい場合には、隔壁５の熱伝導率を調整したり、熱良導体材料で熱電素子１，２と同形状に形成したダミー素子を追加することによって、積極的に熱伝達を促進したりすることも可能である。

更に、この熱交換器１００では、２個の熱電発電モジュール５０が、隣接間において高温空間１０側同士を対向させる状態で、互いに反転させて積層されている。

具体的には、２個の熱電発電モジュール５０の夫々が、高温側電極部３を内側に向け、夫々の低温側電極部４を外側に向ける形態で、反転させて積層されている。
すると、２個の熱電発電モジュール５０の夫々に設けられる両隔壁５の内側の高温空間１０で、高温媒体Ｈｇが流通する気密な高温媒体流路が形成され、更に、両隔壁５の夫々の外側とケーシング６０との間の低温空間１１で、低温媒体Ｃｇが流通する気密な低温媒体流路が形成される。よって、この熱交換器１００では、高温媒体流路と低温媒体流路を交互に形成されることになる。
尚、ケーシング６０は、これら積層された熱発電モジュール５０の上下面及び側面を適宜塞ぐ形態で設けられており、例えば、図７に示すように、高温空間１０を流通する高温媒体Ｈｇと低温空間１１を流通する低温媒体Ｃｇの相対的な流れ状態が、互いに直交する直交流となるように形成されている。
尚、この高温媒体Ｈｇ及び低温媒体Ｃｇの相対的な流れ状態は、当然、上記直交流以外に、互いに対向する対向流や、互いに並行する並行流等の別の流れ状態としても構わない。

また、夫々の熱電発電モジュール５０における熱電素子１，２及び接合部３，４は、互いに絶縁する必要があるので、それらは若干の隙間を介して配置されるが、この隙間に絶縁材を挟み込んで夫々の接触を確実に防止するように構成することもできる。

〔第４実施形態〕
第４実施形態の発電機能付き熱交換器１１０について、図８及び図９に基づいて説明する。
この熱交換器１１０は、上記第３実施形態の熱交換器１００に対して、熱電発電モジュール５０の積層状態において相違する。
即ち、熱交換器１１０では、２個の熱電発電モジュール５０が、隣接間において高温空間１０側同士を対向させると共に、その高温空間１０において一方側の熱電発電モジュール５０から突出する複数の熱電素子１，２間に形成される隙間に、他方側の熱電発電モジュール５０から突出する複数の熱電素子１，２が挿入配置される状態で、交互に反転させて積層されている。即ち、一方側の熱電発電モジュール５０は、他方側の熱電発電モジュール５０に対して、隔壁５に沿った平面において、各熱電素子１，２の配置間隔の半分に相当する分だけ斜めにずらした状態で積層されている。

そして、このように熱電発電モジュール５０を積層すれば、両隔壁５の内側に気密な高温媒体流路として形成される高温空間１０において、夫々の熱電発電モジュール５０から突出する熱電素子１，２が千鳥状に密集配置されることになるので、その高温空間１０における高温媒体Ｈｇの流れが一層乱れて、熱電素子１，２との熱伝達が一層促進される。

〔第５実施形態〕
第５実施形態の発電機能付き熱交換器１２０について、図１０に基づいて説明する。
この熱交換器１２０は、上記第３及び第４実施形態の熱交換器１００，１１０に対して、より多くの熱電発電モジュール５０を積層した点で相違する。
即ち、熱交換器１２０では、４個の熱電発電モジュール５０が、隣接間において高温空間１０側同士更には低温空間１１側同士を対向させた状態で、交互に反転させて積層されている。
具体的には、図１０において上から１番目と３番目の熱電発電モジュール５０が、高温側電極部３を上方に向け低温側電極部４を下方に向ける状態で配置され、図１０において上から２番目と４番目の熱電発電モジュール５０が、逆に低温側電極部４を上方に向け高温側電極部３を下方に向ける状態で配置されている。
すると、この熱交換器１２０では、高温媒体Ｈｇが流通する２つの高温媒体流路と２つの低温媒体Ｃｇが流通する低温媒体流路とが交互に形成されることになり、より多くの高温媒体Ｈｇと低温媒体Ｃｇが流通され、発電性能及び熱交換性能が向上されている。

〔第６実施形態〕
第６実施形態の発電機能付き熱交換器１３０について、図１１，図１２，図１３，図１４に基づいて説明する。
この熱交換器１３０は、上記第３，第４及び第５実施形態の熱交換器１００，１１０，１２０に対して、各熱電発電モジュール５２の夫々における熱電素子２１，２２の形状において相違する。
即ち、この熱交換器１３０では、交互に反転させて積層される複数の熱電発電モジュール５２において、Ｐ型熱電半導体素子２１及びＮ型熱電半導体素子２２の夫々は、隔壁５に嵌入されその隔壁５に沿った板状の嵌入部２３と、その嵌入部２３の両面側の夫々に立設される板状の突出部２４，２５とを有して構成されている。
よって、このような熱電発電モジュール５２を積層してなる熱交換器１３０では、高温空間１０及び低温空間１１の夫々において、高温媒体Ｈｇ及び低温媒体Ｃｇの夫々が流通する流路断面積を比較的大きく確保しながら、熱電素子２１，２２における伝熱面を比較的大きく確保することができるので、発電性能を高く維持しながらコンパクト化を実現することができる。
また、夫々の熱電素子２１，２２の突出部２４，２５を、高温媒体Ｈｇ及び低温媒体Ｃｇの流れ方向に沿った板状とすることで、夫々の媒体Ｈｇ，Ｃｇを整流して圧力損失を低減することができる。

また、この夫々の突出部２４，２５を、隔壁５に沿って互いに直交する方向に板面を有するように配置すれば、この突出部２４，２５を有する熱電素子２１，２２を配置した熱電発電モジュール５２を複数積層してなる熱交換器１３０では、図１４に示すように、高温媒体Ｈｇと低温空間１１を流通する低温媒体Ｃｇの相対的な流れ状態を、互いに直交する直交流とする熱交換器を構成することができる。

尚、これまで説明してきた実施形態では、熱電素子としてＰ型熱電半導体素子１，２１とＮ型熱電半導体素子２，２２とを交互に配置したが、別に、この配置形態や熱電素子の仕様等について適宜変更しても構わない。

本発明に係る熱電発電モジュールは、発電性能を適切且つ十分に向上することができる熱電発電モジュールとして有効に利用可能である。
また、本発明に係る発電機能付き熱交換器は、上記熱電発電モジュールを利用して発電可能としながら、高温空間を流通する高温媒体と低温空間を流通する低温媒体との間で比較的高性能で熱交換を行うことができる発電機能付き熱交換器として有効に利用可能であり、例えば、家庭用から産業用に至るコージェネレーション分野、熱利用分野に利用される熱交換器として利用できる。
特に、本発明に係る発電機能付き熱交換器は、燃料電池や燃焼機器から排出される排ガスの熱をその機器に供給される空気の予熱用として回収する空気予熱器等のように、気体−気体型の熱交換器として有効に利用可能である。また、この空気予熱器等において発電することで、排熱を電力としても回収することができ、エネルギ効率の一層の向上を実現することができる。

第１実施形態の熱電発電モジュールの概略構成を示す立面図 第１実施形態の熱電発電モジュールの概略構成を示す平面図 第１実施形態の熱電発電モジュールの概略構成を示す斜視図 第２実施形態の熱電発電モジュールの概略構成を示す平面図 第２実施形態の熱電発電モジュールの概略構成を示す斜視図 第３実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す立面図 第３実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す斜視図 第４実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す立面図 第４実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す斜視図 第５実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す斜視図 第６実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す立面図 第６実施形態で使用する発電素子の形状を示す斜視図 第６実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す平面図 第６実施形態の発電機能付き熱交換器の概略構成を示す斜視図 従来の熱電発電モジュールの概略構成を示す立面図

符号の説明

１，２１：Ｐ型熱電半導体素子（熱電素子）
２，２２：Ｎ型熱電半導体素子（熱電素子）
３，４：接合部
５ａ：開口部
５：隔壁
１０：高温空間
１１：低温空間
５０，５１，５２：熱電発電モジュール
１００，１１０，１２０，１３０：発電機能付き熱交換器
Ｈｇ：高温媒体
Ｃｇ：低温媒体
Ｘ：高さ領域

Claims (11)

1. 一端部が高温空間により加熱され他端部が低温空間により冷却される形態で並設された複数の熱電素子と、前記複数の熱電素子の夫々を電気的に接合する接合部とを備えた熱電発電モジュールであって、
   前記複数の熱電素子の夫々が互いに間隔を置いて並設され、
   前記高温空間と前記低温空間との隔壁が、前記複数の熱電素子の高さ領域内に配置されている熱電発電モジュール。
2. 前記熱電素子としてのＰ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とが交互に並設され、
   前記接合部が、前記Ｐ型熱電半導体素子及び前記Ｎ型熱電半導体素子の夫々をＰ−Ｎ接合する電極部として構成されている請求項１に記載の熱電発電モジュール。
3. 前記複数の熱電素子の夫々が幅方向よりも高さ方向が長尺な柱状に形成されている請求項１又は２に記載の熱電発電モジュール。
4. 前記隔壁が、熱及び電気不良導体材料で構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の熱電発電モジュール。
5. 前記隔壁に複数の開口部が形成され、前記複数の熱電素子の夫々が前記開口部に貫通状態で配置されている請求項１〜４の何れか一項に記載の熱電発電モジュール。
6. 前記複数の熱電素子が格子状又は千鳥状に配列されている請求項１〜５の何れか一項に記載の熱電発電モジュール。
7. 前記複数の熱電素子の夫々の前記高温空間及び前記低温空間の夫々への突出部又は前記接合部に、表面積を拡大する凹凸が形成されている請求項１〜６の何れか一項に記載の熱電発電モジュール。
8. 前記複数の熱電素子の夫々に、耐食性の薄膜被覆が形成されている請求項１〜７の何れか一項に記載の熱電発電モジュール。
9. 前記複数の熱電素子の夫々に、電気絶縁性の薄膜被覆が形成されている請求項１〜８の何れか一項に記載の熱電発電モジュール。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の熱電発電モジュールを、高温媒体を流通させる気密な高温媒体流路を前記高温空間で形成すると共に低温媒体を流通させる気密な低温媒体流路を前記低温空間で形成する形態で備えて、前記高温空間を流通する前記高温媒体と前記低温空間を流通する前記低温媒体との間で熱交換を行うように構成された発電機能付き熱交換器。
11. 前記熱電発電モジュールの複数が、交互に反転させて積層されている請求項１０に記載の発電機能付き熱交換器。

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