JP2009021283A - 熱発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化せず熱エネルギーを有効に利用できる熱発電装置を実現する。
【解決手段】本発明に係る熱発電装置は、熱エネルギーを吸収する熱吸収手段と、冷却手段と、熱吸収手段と冷却手段との間に位置づけられてゼーベック効果で発電を行う熱電素子を有しており、熱電素子が有する２つの電極板の板面を含む面が、熱吸収手段が位置づけられる面と交差する面上に位置づけられている。したがって、熱吸収手段が位置づけられる面上に投影される電極板の面積が電極板の面積よりも狭くなるから、熱吸収手段と冷却手段との間に多くの熱電素子を配置し得る。こうして多数配置した熱電素子を直列接続して熱電モジュールを形成すれば、熱吸収手段に多くの熱電モジュールを取り付けることができて熱エネルギーをより効率的に電気エネルギーに変換できる熱発電装置を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ゼーベック効果を利用する熱発電装置に関するものである。

近年、ゼーベック効果を利用する熱発電装置が開発されており、かかる熱発電装置は、例えば内燃機関の燃焼排ガス等（高温ガス）に含まれる熱エネルギーを回収するために使用されている。こうした熱発電装置は、例えば熱電素子の一方の導体を燃焼排ガス路（高温ガス流路）の外周面等に接合等し、また他方の導体をヒートシンク等に接合等して発電を行うものである。しかし熱電素子の起電力は通常十数ｍＶないし数十ｍＶであり、また燃焼排ガス等に含まれる熱エネルギーは時間とともに変動する。そこで多数の熱電素子を電気的に直列接続（以下、「直列接続」と表示することがある）して熱電モジュールを形成し、この熱電モジュールの出力電圧を例えば数Ｖないし１０Ｖ程度としたうえで、インバータ等で所望の電圧に昇圧する必要がある。かかる事情から、例えば燃焼排ガス路の外周面上に多数の熱電素子を配置し、これら熱電素子を直列接続して、熱電モジュールの出力電圧を高くすることが一般的に行われている（例えば特許文献１および２）。
特開平１０−２９０５９０号公報（段落１７、４９、図１、および図１２等） 上記文献には、熱電素子の導体面を燃焼排ガス路の外周面等およびヒートシンク等に面接触させるなどして、排熱エネルギーを回収する装置が記載されている。 特開２００３−２１９６７２号公報（段落６、および図２等） 上記文献には、発電素子の導体面を排気管の外周面等およびヒートシンク等に面接触させるなどして、排熱エネルギーを回収する熱発電装置が記載されている。

上述したとおり従来の熱発電装置では、熱電素子の導体を燃焼排ガス路の外周面等およびヒートシンク等に面接触させるか、近接させて対面配置するなどしている。例えば図８に示すように、燃焼排ガス路１の外周面１ａ上において、熱電素子２の長手方向を燃焼排ガス路１の中心軸Ａｘに沿わせて熱電素子２を取り付けるためには、中心軸Ａｘ方向のスペースが必要となって、多くの電気エネルギーを得ようとすれば、熱発電装置が大型化し重量も増加してしまう。加えて中心軸Ａｘ方向で異なる位置に配置された熱電モジュール間では、燃焼排ガスの温度変化にともない発電電力に相違が生じて、この発電電力の相違を制御するために複雑な制御装置を用いなければならない。一方燃焼排ガス路の大きさに制約がある場合には、配置し得る熱電素子の数が制約を受けて、回収できる熱エネルギーが少なくなってしまう。なお図８に示すように、燃焼排ガス路１の外周Ａｒに沿って熱電素子２を配置しても、熱電素子２の面積と燃焼排ガス路１の外周面１ａの表面積が同じならば、やはり前述した問題が生じる。

要するに燃焼排ガス路の外周面等とヒートシンク等の間に、多数の熱電素子を位置づける必要があるにも拘らず、従来の熱発電装置では、熱電素子の導体を燃焼排ガス路の外周面に面接触等させるために、広いスペースが必要となって、装置が大型化するか、利用できる（回収できる）熱エネルギーに制約が生じるのである。かかる大型化および制約は、燃焼排ガス等（流体）が有する熱エネルギーの回収の場合のみならず、モータ等（固体）の排熱を回収する場合においても同様である。また高温ガス流路上等で離れて位置づけられた熱電モジュールを有する熱発電装置では、発電電力の制御が複雑化するという問題も生じ得るのである。

上記課題を解決するために、本発明に係る熱発電装置（請求項１）は、熱源から熱エネルギーを吸収する熱吸収手段と、熱吸収手段よりも低温に維持される冷却手段と、熱吸収手段と冷却手段との間に位置づけられてゼーベック効果で発電を行う熱電素子を有し、熱電素子が有する２つの電極板の板面を含む面が、熱吸収手段が位置づけられる面と交差するようになっている。したがって該熱発電装置では、熱吸収手段が位置づけられる面上に投影される電極板の面積が電極板の表面積よりも狭くなり、熱吸収手段と冷却手段との間により多くの熱電素子を配置することができる。こうして多数配置した熱電素子を直列接続して熱電モジュールを形成すれば、高温ガスが有する熱エネルギーをより効率的に電気エネルギーに変換することができる。筒型形状の熱吸収手段を用いる場合には（請求項２）、熱吸収手段の周面上により多くの熱電素子を配置することができる。

請求項３に係る熱発電装置では、熱電素子が有する２つの電極板の板面を含む面が、熱吸収手段の周面を周回する線上に位置づけられている。したがって該熱発電装置では、例えば直列接続された熱電素子が、断面形状が円形である高温ガス流路の周面上を一周するように位置づけられ、あるいは螺旋状に位置づけられる。もちろん電極板の板面を含む面が、熱吸収手段が位置づけられる面と直交していれば、最も多くの熱電素子を配置することができる（請求項４）。

請求項５に係る熱発電装置では、筒型形状を有する熱吸収手段（高温ガス流路等）の内部に高温ガス（燃焼排ガス等）を通流させて、高温ガスの熱エネルギーを効率よく電力に変換することができる。もちろんモータ等の発熱体から熱エネルギーを得る場合には、熱吸収手段の内部に発熱体を収納すればよい。

以上のように本発明に係る熱発電装置によれば、熱吸収手段と冷却手段との間により多くの熱電素子を配置することができて（熱電素子の配置の制約を少なくすることができて）、熱発電装置を大型化することなく発電能力を向上させることができる。また流体の熱エネルギーを利用する場合には、多くの熱電モジュールを近接して配置することができるから、熱電モジュールの間の発電電力の相違を減少することができる（熱電モジュールの間の発電電力の制御が複雑化することを回避できる）。

以下、図面を参照し本発明にかかる熱発電装置を説明する。

本発明に係る熱発電装置の一実施例（実施例１）を図１ないし図３に基づき説明する。図１は熱発電装置の断面概略構成を示す図であり、図２は熱電素子を多数直列接続して形成した熱電モジュールの平面概略構成を説明する図であり、そして図３は熱電素子の電極板面を含む面が、熱吸収手段を位置づける面と交差する様子を説明する図である。

（熱発電装置）
図１に示すように、熱発電装置１０ａは、熱吸収手段１１と、熱吸収手段１１よりも低温に維持される冷却手段１２と、熱吸収手段１１と冷却手段１２との間に位置づけられる熱電素子２１を有し、熱電素子２１は基板２２の表面において直列接続されて熱電モジュール２０を形成している。ここで熱吸収手段１１は、いずれも円筒形状を有する熱吸収筒１１ａと熱伝導部材１１ｂを有し、また冷却手段１２は、ヒートシンク１２ａと放熱部材１２ｂを有している。

図２に示すように、平面円環形状の基板２２の表面には、略Ｌ字状で平面形状をなす正電極（正電極板）２１ｐおよび負電極（負電極板）２１ｎを接続した複数の熱電素子２１が配置されており、正電極２１ｐおよび負電極２１ｎの一端側は、基板２２の内周端２２ａ側において接続されて第１の接点２１ｈを形成している。基板２２の外周端２２ｂ側には、正電極２１ｐおよび負電極２１ｎの他端が位置付けられ、隣接する熱電素子２１の正電極２１ｐの他端と負電極２１ｎの他端が接続されて、第２の接点２１ｃを形成するとともに、熱電素子２１が直列接続されている。但しこの直列接続は、１箇所で途切れており、直列接続が途切れたところにおける正電極２１ｐが熱電モジュール２０の正電圧電極２０ｐを形成し、同じく負電極２１ｎが熱電モジュール２０の負電圧電極２０ｎを形成している。なお正電極２１ｐは、例えばＦｅ_２Ｖ_０．９Ｔｉ_０．１Ａｌ等の金属粉末を、メカニカルアロイング法、パルス通電焼結法等で焼成して電極としたものであり、また負電極２１ｎは、同様にＦｅ_２ＶＡｌ_０．９Ｓｉ_０．１等の金属粉末を焼成した電極であり、基板２２はもちろん電気的絶縁体である。

基板２２の内周端２２ａ側に熱伝導部材１１ｂを取付けたのち、熱吸収筒１１ａを基板２２の穴部２２ｃ側（すなわち熱伝導部材１１ｂの内周面１１ｃ）に挿入する。また基板２２の外周端２２ｂ側に放熱部材１２ｂを取付けたのち、放熱部材１２ｂを覆うようにしてヒートシンク１２ａを装着する。こうして熱電モジュール２０が、熱吸収手段１１と冷却手段１２との間に位置づけられ、また基板２２が熱吸収筒１１ａの中心軸Ａｘと直交するように位置づけられる。なお熱伝導部材１１ｂおよび放熱部材１２ｂは、例えば略円筒形状を有しており、それぞれ適宜円筒形状軸方向に分割して（縦方向に分割して）、熱伝導部材１１ｂを基板２２の内周端２２ａ側に、放熱部材１２ｂを基板２２の外周端２２ｂ側に、それぞれ装着等することができる。なお熱伝導部材１１ｂおよび放熱部材１２ｂは電気的絶縁性と熱伝導性を有するものである。

（熱電素子の電極板と熱吸収手段の関係）
次に、正電極２１ｐおよび負電極２１ｎと、熱吸収手段１１との関係を図３に基づき説明する。前述したとおり、基板２２が熱吸収筒１１ａの中心軸Ａｘと直交しているから、熱電素子２１の正電極２１ｐおよび負電極２１ｎを含む面Ｐｓも熱吸収手段１１を位置づける面（熱吸収筒１１ａでは、熱吸収筒１１ａが円筒形状をなして存在する部分に含まれ且つ中心軸Ａｘと平行する全ての面）Ｒｓと直交している。ここで正電極２１ｐおよび負電極２１ｎは熱吸収筒１１ａと交差していなくてもよい。ここで図３の破線は、基板２２を熱吸収筒１１ａの外周面１１ｓと接するように配置した場合を示すものであり、外周面１１ｓ上に、基板２２等のスペースが必要になってしまう。図３の一点鎖線は、外周面１１ｓと基板２２の角度を６０度にした場合を示すものであり、外周面１１ｓ上に投影された基板２２等の面積は、基板２２等の実際の面積の２分の１になる（ｃｏｓ６０度＝０．５）。このように外周面１１ｓと基板２２との角度が６０度の場合、互いに隣接する基板２２の間隔Ｄは、基板２２の幅Ｗの２分の１よりも狭くすることができる（図３）。もちろん外周面１１ｓ上に投影される基板２２等の面積は、基板２２が外周面１１ｓと直交している場合において最小になる（ｃｏｓ９０度＝０．５）。このように熱発電装置１０ａでは、熱吸収手段１１が位置づけられる面Ｒｓ上に投影される正電極２１ｐ等の面積が正電極２１ｐ等の実際の面積よりも狭くなるから、より多くの熱電素子２１を配置することができる。なお熱発電装置１０ａでは、１つの基板２２上に形成される熱電素子２１で１つの熱電モジュール２０を形成したが、複数の基板２２の熱電素子２１を直列接続して１つの熱電モジュールとしてもよい。

（熱発電）
熱発電装置１０ａでは、熱吸収筒１１ａの内部に、例えば内燃機関等から排出される燃焼排ガスを通流させる一方、ヒートシンク１２ａを自然空冷または強制空冷する。こうして冷却手段１２を熱吸収手段１１よりも低温に維持すると、第１の接点２１ｈが温接点となり第２の接点２１ｃが冷接点となって、ゼーベック効果で熱電モジュール２０から電力を得ることができる。また隣接する熱電モジュール２０の間隔を狭くすることができるから、各熱電モジュール２０の発電電力の相違を減少することができる（熱電モジュールの間の発電電力の制御が複雑化することを回避できる）。ここでヒートシンク１２ａを水冷する場合には、例えば図示しない送水管をヒートシンク１２ａに取り付ければよい。また熱吸収筒１１ａは、略円筒形状に限定されない（断面形状が円形である筒に限定されない）。

また熱吸収筒１１ａの内部に例えばモータや電池等の発熱体（図示せず）を挿入し、この発熱体の表面と熱吸収筒１１ａの内周面１１ｒとの間に導電部材を充填すれば、発熱体の排熱を電気エネルギーとして回収することができる。ところで熱発電装置１０ａでは、図１に示す熱吸収手段１１を冷却手段として用い、また冷却手段１２を熱吸収手段として用いることもできる。たとえばヒートシンク１２ａを熱風にさらし、熱吸収筒１１ａの内部に送風または送水して冷却すれば、第１の接点２１ｈが冷接点となり第２の接点２１ｃが温接点となって、熱電モジュール２０から電力を得ることができる。

（変形例１）
熱発電装置１０ａでは、基板２２は平面円環形状に限定されない。例えば図４（ａ）に示すように、基板２２を熱吸収筒１１ａの外周面１１ｓ上に螺旋状に位置づけることもできる。また図４（ｂ）に示すように、基板２２を熱吸収筒１１ａの外周面１１ｓ上に中心軸Ａｘに平行させて位置づけることもできる。なお図４では、熱吸収筒１１ａと基板２２の位置関係だけを示し、他の構成要素の記載を省略した。

（変形例２）
また図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、正電極２１ｐの電極板と負電極２１ｎの電極板を対峙させ、正電極２１ｐの一端側と負電極２１ｎの一端側を接続して第１の接点２１ｈを形成して熱電素子２１’としてもよい。そして隣接する熱電素子２１’の正電極２１ｐの他端側と、負電極２１ｎの他端側とを接続して第２の接点２１ｃを形成するとともに、複数の熱電素子２１’を直列接続して、熱電モジュール２０’を形成してもよい。そして熱吸収筒１１ａの中心軸Ａｘに対し、正電極２１ｐを含む面Ｐｓｐおよび負電極２１ｎを含む面Ｐｓｎを平行させ、かつこれら各電極を含む面ＰｓｐおよびＰｓｎを熱吸収筒１１ａの外周面１１ｓと交差させてもよい（図５（ｃ））。なお図５（ｃ）では熱吸収筒１１ａと熱電モジュール２０’の位置関係だけを示す。

（変形例３）
本発明に係る熱発電装置では、熱電素子２１の温接点（第１の接点２１ｈ）を高温流体内に位置づけることもできる。例えば図６は、熱電素子２１の第１の接点２１ｈに熱伝導部材１１ｂを取り付けて高温ガス流路１３の内部に位置づけた場合における高温ガス流路１３の周壁１３ａ近傍の断面概略構成を示す図であり、第２の接点２１ｃは、放熱部材１２ｂが取り付けられて高温ガス流路１３の外部に位置づけられ、高温ガス流路１３と放熱部材１２ｂとの間には、断熱部材１４が介在して、高温ガス流路１３の周壁１３ａから熱エネルギーが放出されることを防いでいる。ここで高温ガス流路１３の内部流路１３ｃに、例えば内燃機関等から排出される燃焼排ガスを通流させる一方、ヒートシンク１２ａを自然空冷または強制空冷すれば、熱電素子２１が電力を発生するから燃焼排ガスの熱エネルギーで電力を得ることができる。図６では、熱吸収手段１１は熱伝導部材１１ｂからなり、冷却手段１２は放熱部材１２ｂからなっている。そして高温ガス流路１３の中心軸Ａｘと平行して位置づけられた熱伝導部材１１ｂが熱吸収手段１１を位置づける面Ｒｓを規定することになる。すなわち熱吸収手段１１を位置づける面Ｒｓは、中心軸Ａｘと平行し且つ熱伝導部材１１ｂが存する部分に含まれることになる。なお熱伝導部材１１ｂを用いない場合には、第１の接点２１ｈ近傍を加熱する空間（例えば図６において熱伝導部材１１ｂが記載された空間）が熱吸収手段１１を形成し、また放熱部材１２ｂを用いない場合には、第２の接点２１ｃ近傍を空冷等する空間（例えば図６において放熱部材１２ｂが記載された空間）が冷却手段１２を形成する。

次に本発明に係る熱発電装置の他の実施例（実施例２）を図７に基づき説明する。図７は熱発電装置１０ｂの断面概略構成を示す図であり、実施例１と同様の機能を有する構成要素には、同一の符号を附しその説明を省略する。
図７に示すように、熱発電装置１０ｂは、熱吸収手段１１’と、熱吸収手段１１’よりも低温に維持される冷却手段１２’と、熱電素子２１を有しており、熱電素子２１は基板２２’によって熱吸収手段１１’と冷却手段１２’との間に位置づけられている。ここで熱吸収手段１１’は、熱伝導部材１１ｂ’と略平板形状を有する熱伝導板１１ａ’を有し、冷却手段１２’は、ヒートシンク１２ａ’と放熱部材１２ｂ’を有している。熱電素子２１の正電極２１ｐおよび負電極２１ｎを含む面Ｐｓは、熱吸収手段１１を位置づける面Ｒｓと直交している。熱発電装置１０ｂでは、熱伝導板１１ａ’の裏面（基板２２’が位置づけられる側と反対側の面）１１ｒ’が例えば導電部材などで蓄電池等の側面に接合され、冷却手段１２’が自然空冷等される。かかる熱発電装置１０ｂは、蓄電池が充放電時に発生する熱エネルギーを電力として回収できる。

なお本発明に係る熱発電装置は、各実施例に記載の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施できる。

本発明に係る熱発電装置の一実施例（実施例１）における断面概略構成を示す図である。 図１に示す熱発電装置が有する熱電モジュールの平面概略構成を示す図である。 図１に示す熱発電装置において、熱電素子が有する電極板の板面を含む面が、熱吸収手段を位置づける面と交差する様子を説明するための図である。 図１に示す熱発電装置の変形例（熱吸収手段と熱電素子を配置した基板との関係の変形例）を説明するための図である。 図１に示す熱発電装置の変形例（熱電素子の変形例）を説明するための図である。 図１に示す熱発電装置の変形例（熱電素子の温接点を高温ガス流路内部に位置づけた変形例）を説明するための図である。 本発明に係る熱発電装置の他の実施例（実施例２）における断面概略構成を示す図である。 従来の熱発電装置における熱電素子および熱電モジュールの、燃焼排ガス路等に対する位置構成例を示す図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ 熱発電装置
１１ 熱吸収手段
１２ 冷却手段
２１ 熱電素子
２１ｐ 熱電素子の正電極（正電極板）
２１ｎ 熱電素子の負電極（負電極板）
Ｐｓ 電極板の板面を含む面
Ｒｓ 熱吸収手段が位置づけられる面

Claims (5)

1. 熱源から熱エネルギーを吸収する熱吸収手段と、
   前記熱吸収手段よりも低温に維持される冷却手段と、
   前記熱吸収手段と前記冷却手段との間に位置づけられてゼーベック効果で発電を行う熱電素子を有し、
   前記熱電素子が有する２つの電極板の板面を含む面が、前記熱吸収手段が位置づけられる面と交差し、
   複数の前記熱電素子が電気的に直列接続されていることを特徴とする熱発電装置。
2. 前記熱吸収手段が筒型形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱発電装置。
3. 前記熱電素子が有する２つの電極板の板面を含む面が前記熱吸収手段の周面を周回する線上に位置づけられたことを特徴とする請求項２に記載の熱発電装置。
4. 前記熱電素子が有する２つの電極板の板面を含む面が、熱吸収手段が位置づけられる面と直交していることを特徴とする請求項２または３に記載の熱発電装置。
5. 筒型形状を有する前記熱吸収手段の内部に高温ガスを通流させて、または発熱体を収納して発電を行うことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の熱発電装置。

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