JP2014075553A - 熱電変換式発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールに接続したリード線を外部に取り出す部分で冷却し、これによりリード線の劣化を抑制することができる熱電変換式発電装置を提供する。
【解決手段】熱電変換モジュール４の両側に加熱部３５Ａおよび冷却部５Ａ，５Ｂがそれぞれ配設され、これら加熱部３５Ａおよび冷却部５Ａ，５Ｂによって熱電変換モジュール４に温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置１である。熱電変換モジュール４は、密閉容器３内に収容されるとともにリード線４６が配線され、加熱部３５Ａは加熱流体Ｈが流される加熱流路３５１を有し、リード線４６は、加熱流路３５１の側方であって加熱流路３５１の下流側の端部の位置から外側カバー３３の冷却部５Ｂ側の側壁および冷却部５Ｂを貫通して外部に取り出されている。
【選択図】図８

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部と冷却部との間に挟み、熱電変換モジュールを加熱部によって加熱するとともに冷却部によって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、例えば車両に搭載されてエンジンの排気ガス等の排熱を利用して発電するよう用いられる。その場合には、発電装置は全体として管状に形成され、排熱である加熱流体を中心の加熱流路に流して加熱部を構成し、加熱部の周囲に熱電変換モジュール、および冷却水が供給される冷却部を配設した構造となる。このような構造においては、熱電変換モジュールに接続したリード線を外部に取り出す部分でリード線が加熱流路に接触ないし接近してリード線が劣化するといった問題が生じる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、熱電変換モジュールに接続したリード線を外部に取り出す部分で冷却し、これによりリード線の劣化を抑制することができる熱電変換式発電装置を提供することを目的とする。

本発明の熱電変換式発電装置は、熱電変換モジュールの両側に加熱部および冷却部がそれぞれ配設され、これら加熱部および冷却部によって熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、前記熱電変換モジュールには電気導線が配線され、前記加熱部は加熱流体が流される加熱流路を有し、前記電気導線は、前記加熱流路の側方において前記密閉容器の前記冷却部側の側壁および前記冷却部を貫通して外部に取り出されていることを特徴とする。

本発明によれば、電気導線が冷却部を貫通して外部に取り出されているから、電気導線が冷却部によって冷却され、電気導線の劣化を抑制することができる。

本発明では、電気導線は、加熱流路の下流側の端部の位置から密閉容器の冷却部側の側壁および冷却部を貫通して外部に取り出されていることが望ましい。この形態によれば、加熱流体は上流側よりも下流側の方が温度が低下しているため、加熱流路の上流側の端部の位置から電気導線を取り出す場合よりも電気導線への温度影響を低減させることができ、電気導線の劣化を抑える点で、より有効である。

また、本発明では、密閉容器が減圧される形態を含む。この形態によれば、熱電変換モジュールや電気導線が酸化されにくくなるため耐久性が向上し、発電性能の向上が図られる。

本発明によれば、電気導線が冷却部によって冷却され、電気導線の劣化を抑制することができ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外側カバーを外した状態の全体斜視図である。 図１と同じ状態である同装置の他方向斜視図である。 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）フィンを除いた側面図である。 図６の一部拡大図であって、加熱部と冷却部、および隔室を示す断面図である。

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方向に流される加熱流路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可動板部３１と、可動板部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内の加熱流路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。本実施形態では、加熱流路３５１にフィン３５２が配設され、加熱流体が流される流通管３５によって加熱部３５Ａが構成されている。

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の可動板部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、可動板部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方向両端の可動板部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の可動板部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。図７（ａ）に示すように、流通管３５の両側の熱電変換モジュール４は、下端部が接続導線４５で接続されており、これら両側の熱電変換モジュール４で、１つの発電ユニット２の電源を構成する。そして、図６に示すように、流通管３５の両側の各熱電変換モジュール４からは、リード線（電気導線）４６が接続されている。

［２］密閉容器の構成
上記密閉容器３の筐体３０を構成する可動板部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の厚さよりも薄い変形部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、可撓性を有する薄板３１５がろう付け等の接合手段で接合されている。この薄板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。この薄板３１５により剛性部３１１，３１２どうしが同一平面内に存在するように連結された状態となっている。なお、剛性部３１１，３１２は、厚さ方向に互いにずれて位置していてもよい。

薄板３１５の隙間３１４を覆う部分が可撓性を有する略環状の変形部３１３を構成している。図８に示すように、変形部３１３の幅方向中央部には、内側に向けて突出する凸条部３１３ａが全周にわたって形成されている（二点鎖線）。

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に薄板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。

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。密閉容器３内が減圧されると、可撓性を有する変形部３１３は図８の実線に示すように凸条部３１３ａが内側にさらに突出するように変形する。

各密閉容器３の筐体３０のＸ方向両端面には、図５および図６に示すように外側カバー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。これにより、外側カバー３３と密閉容器３の端部との間に気密空間３９が形成され、気密空間３９によって各密閉容器３どうしが連通している。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。なお、図１および図２の装置全体図では、密閉容器３内や中間冷却部５Ａを示すために、外側カバー３３を図示していない。

本実施形態においては、図８に示すように、熱電変換モジュール４の内側に加熱部３５Ａが配設され、熱電変換モジュール４の外側に冷却部５Ａ，５Ｂが配設されている。加熱部３５Ａの流通管３５内の加熱流路３５１内には、加熱流体Ｈが一方向（この場合、左から右）に流されている。

図６および図８に示すように、下流側の各気密空間３９には、各熱電変換モジュール４から引き出されたリード線４６が配線されている。これらリード線４６のうち、中間冷却部５Ａの両側のリード線４６は気密空間３９内で接続されている。また、端部冷却部５Ｂ側のリード線４６は、外側カバー３３の側壁を貫通し、さらに、端部冷却部５Ｂを貫通して装置外に引き出されている（図１および図２参照）。中間冷却部５Ａおよび端部冷却部５Ｂについては後で詳細に説明する。なお、リード線４６のうち端部冷却部５Ｂを通って装置外に引き出す部分には例えば気密電極が用いられる。したがって、本装置１では、内部の複数の熱電変換モジュール４が直列に接続され、＋・−の２本の外部リード線４６が装置外に引き出されており、これらリード線４６から電気が取り出されるようになっている。図１および図２に示すように、リード線４６はこれら図で流通管３５の上端部に対応する位置において熱電変換モジュール４から引き出され、配線されている。

密閉容器３は、減圧封止口３２１から内部の空気を吸引して密閉容器３内の内部空間３ａを所定圧力（例えば１〜１００Ｐａ）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。密閉容器３内が減圧されると、可動板部３１の可撓性を有する変形部３１３は、図８の実線に示すように凸条部３１３ａが内側にさらに突出するように変形し、これにより内側剛性部３１２は熱電変換モジュール４に均一に密着した状態となる。

［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、可動板部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を挟む両側の可動板部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可動板部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、端部の可動板部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可動板部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の内面と可動板部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可動板部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、可動板部３１の内側剛性部３１２と熱電変換モジュール４に当接するフィン７が複数設けられている。

［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の可動板部３１を冷却する。一方、各流通管３５の加熱流路３５１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。冷却された可動板部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は加熱流路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の可動板部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、外部リード線４６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］一実施形態の作用効果
上記一実施形態の発電装置１によれば、端部冷却部５Ｂ側のリード線４６が端部冷却部５Ｂを貫通して装置外に引き出されているから、リード線４６は端部冷却部５Ｂで冷却される。したがって、リード線４６の劣化を抑制することができる。たとえば、上記実施形態の発電装置１が自動車に適用される場合には、図５に示す流通管３５の正面のほぼ全域を覆うカバーが取り付けられ、カバーにはマフラーが取り付けられる。この場合、リード線４６はカバーから離れた箇所で端部冷却部５Ｂで冷却されるから、カバー内を流通する排気ガスの熱の影響があっても問題とならない。

また、本実施形態では、下流側の気密空間３９内にリード線４６が配線されているため、下流側の加熱流体Ｈは上流側よりも温度が低下しており、したがってリード線４６への温度の影響をより低減させることができ、劣化を抑える点でより有効となっている。

また、熱電変換モジュール４およびリード線４６は減圧される密閉容器３および気密空間３９内に収容されているため、熱電変換モジュール４およびリード線４６は酸化されにくく劣化が抑えられる。

上記実施形態では、熱電変換モジュール４どうしのリード線４６の結線が気密空間３９内で行われているので、外部に取り出すリード線４６は＋・−の２本で済む。よって、高価な気密電極の使用が２つで済み、発電装置１の製造コストを低減することができる。

１…熱電変換式発電装置
３…密閉容器
４…熱電変換モジュール
３５Ａ…加熱部
３５１…加熱流路
３９…気密空間
４６…リード線（電気導線）
５Ａ，５Ｂ…冷却部
Ｈ…加熱流体

Claims (3)

1. 熱電変換モジュールの両側に加熱部および冷却部がそれぞれ配設され、これら加熱部および冷却部によって熱電変換モジュールに温度差が与えられることで発電する熱電変換式発電装置において、
   前記熱電変換モジュールには電気導線が配線され、
   前記加熱部は加熱流体が流される加熱流路を有し、
   前記電気導線は、前記加熱流路の側方において前記密閉容器の前記冷却部側の側壁および前記冷却部を貫通して外部に取り出されていることを特徴とする熱電変換式発電装置。
2. 前記電気導線は、前記加熱流路の側方であって前記加熱流路の下流側の端部の位置から前記密閉容器の前記冷却部側の側壁および前記冷却部を貫通して外部に取り出さ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. 前記密閉容器は減圧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。

Images