JP2015050306A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電量を向上させること。【解決手段】 一実施形態による熱電発電装置は、両面の温度差により発電する熱電変換モジュール１３と、熱電変換モジュール１３を挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す高温チャンバ１１Ａ及び低温チャンバ１１Ｂと、高温チャンバ１１Ａ及び低温チャンバ１１Ｂにおける熱電変換モジュール１３との接合面以外の面に取り付けられる部材と、前記部材同士を引き寄せて締め付けるネジ機構とを含み、高温チャンバ１１Ａ及び低温チャンバ１１Ｂの熱電変換モジュール１３に対する締め付けを実施する締め付け用治具５０とを具備する熱電発電装置において、高温チャンバ１１Ａの全部あるいは一部、または低温チャンバ１１Ｂの全部あるいは一部のいずれかの内部に、流路断面積を小さくさせる挿入物を設けたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、温度差により発電する熱電変換モジュールを備えた熱電発電装置に関する。

熱電発電装置は、熱電変換モジュールの両面に温度差をつけることで生じる電力を取り出す、非化石燃料による環境に優しい発電機である。工場排水や温泉などの熱源からエネルギを回収し、独立電源として現場の照明や機器へ電力供給しており、停電時に備えたバックアップ電源への蓄電を行なったりする用途に用いることができる。従来技術の一例として特許文献１に示される熱電発電装置を、図１１〜図１７を用いて説明する。

図１１に示す熱電発電装置１は高温熱流体を流す直方体型の高温チャンバ１１Ａと低温チャンバ１１Ｂとを交互に複数台配置し、熱電変換モジュール収納部（スロット）１２に収納される熱電変換モジュール（図１１には図示せず）を隣接するチャンバ間にそれぞれ挟んだ構造を有する。高温チャンバ１１Ａと低温チャンバ１１Ｂを合わせてチャンバ１１と称する。図１１中の矢印は熱電発電装置１内を流れる熱流体の流れの向きを示している。図１１に示したように、高温チャンバ１１Ａ内を高温熱流体が流れる方向と、低温チャンバ１１Ｂ内を低温熱流体が流れる方向とは、対向流を成している。各チャンバ１１の片方の端部には、熱流体を取り込むための配管が設けられ、当該チャンバ１１のもう片方の端部には、熱流体を排出するための配管が設けられる。隣接するチャンバ１１内の熱流体の流れが対向流を構成していることから、熱電変換モジュール１３の両面の温度差が熱流体の供給側から排出側まで長手方向で極力均一になるようにすることができ、発電性能を向上させることができる。切替装置２は、所望の電流及び電圧が得られるように熱電変換モジュール１３の各々を電気的に直列接続及び並列接続する組合せの切り替えを行うためのリレー回路である。直列接続する熱電変換モジュール１３の数と並列接続する熱電変換モジュール１３の数とを切り替えることにより、出力される電流及び電圧を変更することができる。制御装置３は、切替装置２を通じて得られる電力の蓄電及び直流交流変換を行うための制御盤である。この制御装置３は、蓄電装置としてのバッテリや、バッテリに対する電力の充放電の制御を行うチャージコントローラ、直流から交流への変換を行うインバータ等を備えている。制御装置３の出力は、例えばテレビ装置４、照明機器５、表示装置６等の負荷に供給される。

図１２は、高温チャンバ１１Ａと低温チャンバ１１Ｂとの間に設けられる複数の熱電変換モジュールの配置の一例を示す図である。図１２に示されるように、高温チャンバ１１Ａ及び低温チャンバ１１Ｂの壁面には、複数の熱電変換モジュール１３が所定の間隔で貼り付けられている。熱電変換モジュール１３は配線１４により、例えばチャンバ長手方向へ電気的に直列接続される。

図１３は、１つの熱電変換モジュール１３の詳細な断面形状を示す図である。熱電変換モジュール１３は、例えば一辺が１ｍｍ以上の直方体ないし立方体形状をしたＰ型半導体素子（熱電変換材料）２２ａとＮ型半導体素子（熱電変換材料）２２ｂとが、第１の電極（導電体）２０ａもしくは第２の電極（導電体）２０ｂを介して直列に接続された構造を有する。第１の電極２０ａは第１の絶縁板（アルミナ等）２１ａで覆われており、第２の電極２０ｂは第２の絶縁板（アルミナ等）２１ｂで覆われている。熱電変換モジュールの材料として、例えばＢｉＴｅ系もしくはＦｅ２ＶＡｌ系のホイスラー合金が使用される。熱電変換材料間の接合や熱電変換材料と絶縁板との接合には、例えばはんだ材が使用される。また、直列接続構造の両端部にある２つの電極には、図示しない配線もしくはリード線を接続するための電極取出し口２３ａ，２３ｂが設けられている。このような構成において、熱電変換モジュール１３の第１の絶縁板２１ａの表面が熱源からの熱により高温となり、第２の絶縁板２１ｂの表面が配管１１ｂを流れる媒体などにより低温になると、熱電変換モジュール１３の両面において温度差を生じ、双方の流体が熱交換する過程で半導体素子群２１，２２において熱電変換が起こり、発電が行なわれるようになっている。

高温チャンバ１１Ａ及び低温チャンバ１１Ｂは図１４のように配置され、後述する複数の締め付け用治具５０（図１４には図示せず）が取り付けられている。当該締め付け用治具５０によって、高温チャンバ１１Ａと低温チャンバ１１Ｂとが熱電変換モジュール１３を両側から圧接し、密着状態が保たれる。図１４に示すように高熱伝導性材料１５を挟み込むことにより、熱電変換モジュール１３とチャンバ１１Ａ、１１Ｂとの密着性を高めて、接触熱抵抗を低減させることもできる。高温チャンバ１１Ａ及び低温チャンバ１１Ｂは、例えば、炭素鋼、ステンレス、チタン、銅、アルミなどの金属から成る。一般的な熱流体は、高温熱流体としてはお湯、低温熱流体としては水であるが、これに限られるものではない。

次に図１５〜図１７を参照して、熱電変換装置１の詳細な構成について説明する。図１５は熱電発電装置１の全体構成を示す斜視図である。また、図１６は熱電発電装置１を熱流体の流れ方向に垂直な方向から水平に見た時の構成を示す図である。図１７は熱電発電装置１を上側から見た時の構成を示す図である。なお、各図においては、図面を見易いものとするため、幾つかの要素（配線など）の図示を省略している部分がある。熱電発電装置１は、前述した高温チャンバ１１Ａ、低温チャンバ１１Ｂ、熱電変換モジュール収納部（スロット）１２、熱電変換モジュール１３、配線１４を備えるほか、シャーシ１０、高温供給用配管３１Ａ、低温供給用配管３１Ｂ、高温供給用ヘッダ３２Ａ、低温供給用ヘッダ３２Ｂ、高温供給用配管接合部３３Ａ、低温供給用配管接合部３３Ｂ、高温供給用ヘッダ接合部３４Ａ、低温供給用ヘッダ接合部３４Ｂ、高温供給用配管４１Ａ、低温排出用配管４１Ｂ、高温排出用ヘッダ４２Ｂ、低温排出用ヘッダ４２Ｂ、高温排出用配管整合部４３Ａ、低温排出用配管接合部４３Ｂ、高温排出用ヘッダ接合分４４Ａ、低温排出用ヘッダ接合部４４Ｂ、締め付け用治具５０などを備えている。そのほか、図示はされていないが、各チャンバにはチャンバ内に滞留する空気を抜くための空気抜き弁や、装置停止時にチャンバ内の液体や混入した不要物を抜くためのドレン弁などが備えられている。図１５〜図１７の例では、高温チャンバ１１Ａ、低温チャンバ１１Ｂはそれぞれ４個で、チャンバは計９個である。また隣接するチャンバ１組が挟んでいる熱電モジュール１３は、チャンバ１組に対して、チャンバ長手方向に１７個、上下方向に２個で合計３４個である。各部品の詳細な説明は、特許文献１の「発明を実施するための形態」の欄に記述されている。

さて、締め付け用治具５０によって、高温チャンバ１１Ａと低温チャンバ１１Ｂとが熱電変換モジュール１３を両側から圧接し、密着状態が保たれ、接触熱抵抗が低減され伝熱量が増える。締め付け用治具５０は、隣接する２つのチャンバの熱電変換モジュール１３に対する締め付け圧を調節可能にする物であり、金具５１のほか、金具５１同士を引き寄せて締め付けるためのネジ機構、即ちボルト５２、５３、バネ５４や、ナット、座金などを用いて実現される。金具５１は、各チャンバの上面と下面の双方に、チャンバ長手方向に一定の間隔をおいて、溶接等により複数取り付けられる。この金具５１は、３つの開口部５５を有する。ボルト５２は、９個のチャンバのチャンバ長手方向の位置ずれを補正するものであり、チャンバ幅方向に配列される９個の金具５１の中央に位置する開口部５５の全てに通される。ボルト５３やバネ５４は、隣接する２つのチャンバの間の熱電変換モジュール１３を適度な締め付け圧で締め付けるとともに、当該熱電変換モジュール１３に対する締め付け圧を調節可能とするものである。ボルト５３は、隣接する２つのチャンバの各金具５１の両端に位置する２つの開口部５５の内の一方の開口部５５を通され、さらにバネ５４に通される。なお、ボルト５３を通すための開口部５５は、図１５や図１７に示されるようにチャンバ単位で交互に替えることが望ましい。これにより、チャンバ幅方向に隣接するボルト５３同士が当たらないようにすることができるとともに、締め付け圧の偏りをある程度防ぐことができる。

図１１〜図１７に示した形態とは異なる従来の熱電発電装置１を図１８を用いて説明する。図１８はチャンバ１１の長手方向に垂直な断面を示している。２個と高温チャンバ１１Ａと２個の低温チャンバ１１Ｂが互い違いになって積まれている。高温チャンバ１１Ａの左右方向の隣も、上下方向の隣も低温チャンバ１１Ｂであり、高温チャンバ１１Ａと低温チャンバ１１Ｂの間には、熱電変換モジュール１３が挟まれている。他は図１１〜図１７で説明した従来の熱電発電装置１と同じである。

特許第４９４５６４９号公報 特許第３５６４２７４号公報 特開平１０−１９００７３号公報 特開２００９−２４７０５０号公報 特開２０１２−８０７６１号公報

前述の熱電発電装置１には以下のような課題がある。

最初に第１の課題を説明する。

熱電発電装置１の発電量を向上させる方法として、高温チャンバ１１Ａを流れる温熱流体と、熱電変換モジュール１３が接合している高温チャンバ１１Ａとの間の熱伝達や、低温チャンバ１１Ｂを流れる冷熱流体と、熱電変換モジュール１３が接合している低温チャンバ１１Ｂとの間の熱伝達を向上させて、熱電変換モジュール１３の伝熱面の高温側温度をより高く低温側温度をより低くすることで、温度差を大きくする方法がある。温熱流体、冷熱流体の流速を大きくすれば、それぞれ高温チャンバ１１Ａ、低温チャンバ１１Ｂへの熱伝達率が増加するので、高温チャンバ１１Ａ、低温チャンバ１１Ｂの流路２６の断面積を小さくすることが望まれる。

図１９にチャンバ１１の長手方向に垂直な断面を示す。熱電変換モジュール１３が接合している面は平面であり、かつ、締め付けも必要なので、断面は長方形である必要がある。図１９では、熱電変換モジュール１３が接合されている面は長方形断面の長辺であるが、その面の内、熱電変換モジュール１３が接合していない部分の面積を極力なくすように、長辺を短くする。さらに断面積を小さくするには、短辺４５がより短い長方形にする必要がある。しかし、締め付け用治具５０の構成部品の１つである金具５１をチャンバ１１の上面と下面に溶接により設置する必要があり、そのための場所確保のため、短辺４５を短くしにくい。金具５１に設けてある開口部５５はボルト５２，５３を通過させる孔である。

よって、金具５１が設置される短辺４５の寸法を狭めずに流路の断面積を小さくできるようにすることが望まれる。

次に第２の課題を説明する。

熱電発電装置１の発電量を向上させる方法として、熱電変換モジュール１３が接合されている高温チャンバ１１Ａ、低温チャンバ１１Ｂそれぞれのチャンバ壁の、熱伝導していく肉厚を薄くして、熱電変換モジュール１３の高温側温度をより高く低温側温度をより低くすることで、温度差を大きくする方法がある。しかし、肉厚が薄くなるほど、締め付けによる撓みや歪みが生じやすくなり、熱電変換モジュール１３とチャンバ外壁との密着度の低い箇所が発生しやすくなる。密着度が低くなると接触熱抵抗が大きくなり、熱電変換モジュール１３の高温側温度がより低く低温側温度がより高くなり、発電量が減る。

さて元々、熱電変換モジュール１３とチャンバ１１とを密着させようとする締め付け圧は、チャンバ長手方向にばらつきが生じ、締め付け治具５０の近くでは大きく、締め付け治具５０と隣の締め付け治具５０との中間位置では小さくなる。締め付け圧がある程度の値に達するまでは、締め付け圧が大きいほど、接触熱抵抗は小さくなる。それにより、熱電変換モジュール１３の内、高温チャンバ１１Ａに接している面はより高温になり、低温チャンバ１１Ｂに接している面はより低温になるため、両面の温度差はより大きくなり発電量は増加する。よって、締め付け圧にばらつきがあると、発電量にもばらつきが生じる。

図１５〜図１７では、熱電変換モジュール１３を挟んで隣接する１組のチャンバについて、締め付け箇所はチャンバ長手方向に４箇所であり、チャンバ長手方向に１７個である熱電変換モジュール１３の発電量にばらつきが生じる。なお図１５〜図１７、図１９における締め付け箇所はチャンバ上下方向に２箇所であるが、隣接するチャンバ１組が挟んでいる熱電モジュール１３は、チャンバ１組について上下方向に２個なので、上下に並ぶ熱電変換モジュール１３の締め付け圧は等しくなり発電量のばらつきはない。ただし、チャンバ１組に対して上下方向に例えば３個あれば、上下方向に３個である熱電変換モジュール１３についても発電量にばらつきが生じる。

熱電変換モジュール１３は電流の増大に対して電圧が直線的に低下するという特性を持ち、電流と電圧の積である電力出力は、電流に対して上に凸の放物線になるため、適当な電流値において電力出力は最大値になる。温度差が大きいほど、同一電流値に対する電圧が大きく電力出力も大きく、また最大電力出力も大きい。仮に１個のみで発電するとなると最大発電量、即ち取り出すことのできる最大電力負荷の時は、電流は前記適当な電流値になるのだが、熱電変換モジュール１３を直列に配線接続した場合、どの熱電変換モジュール１３にも同じ値の電流が流れる。熱電変換モジュール１３に締め付け圧のばらつきがある場合、モジュール別に前記適当な電流値が異なり、直列接続時に流れる電流値からずれるため、各モジュールにて最大電力出力が実現できない。

このように締め付け圧にばらつきのあるモジュールが複数ある場合の最大電力出力値は、熱電変換モジュール１３それぞれの最大電力出力の合計値よりも小さい。そのため、直列に配線接続した熱電変換モジュール１３の合計の発電量は、１個ずつの発電能力の単純合計値より充分に小さくなる。また、熱電変換モジュール１３を並列に配線接続した場合、どの熱電変換モジュール１３にも同じ電圧差になっているので、似たような状況となり、並列に配線接続した熱電変換モジュール１３の合計の発電量は、１個ずつの発電能力の単純合計値より充分に小さくなる。そこで、全ての熱電変換モジュール１３において密着度のばらつきを減らしたい。

よって、締め付けによる撓みや歪みを減らし、チャンバ１１の薄肉化を図ることができ、薄肉化により熱電変換モジュールの両面の温度差を大きくできるようにすることが望まれる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、発電量を向上させることが可能な熱電発電装置を提供することを目的とする。

一実施形態による熱電発電装置は、両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールを挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す高温チャンバ及び低温チャンバと、前記高温チャンバ及び前記低温チャンバにおける前記熱電変換モジュールとの接合面以外の面に取り付けられる部材と、前記部材同士を引き寄せて締め付けるネジ機構とを含み、前記高温チャンバ及び前記低温チャンバの前記熱電変換モジュールに対する締め付けを実施する締め付け用治具とを具備する熱電発電装置において、前記高温チャンバの全部あるいは一部、または前記低温チャンバの全部あるいは一部のいずれかの内部に、流路断面積を小さくさせる挿入物を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、発電量を向上させることができる。

第１，第７の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図。 第２，第５，第７の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図。 第３，第５，第７の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図。 攪拌に関する従来の器具を示す概略図。 図４とは異なる攪拌に関する従来の器具を示す概略図。 第４，第５，第７の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図。 第５，第７の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図。 図７と形状が似ている別の挿入物を含むチャンバの縦断面形状を示す概略図。 第６，第７の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバの縦断面形状を示す概略図。 第８の実施形態の熱電発電装置に設けられるチャンバの縦断面形状を示す概略図。 従来の熱電発電システムの概略構成を示す概念図。 従来の熱電変換モジュールの配置の一例を示す図。 従来の熱電変換モジュールの断面形状を示す図。 従来のチャンバ構成を示す図。 従来の熱電発電装置の全体構成を示す斜視図。 従来の熱電発電装置を熱流体の流れ方向に垂直な方向から水平に見た時の構成を示す図。 従来の熱電発電装置を上側から見た時の構成を示す図。 図１３とは異なる従来の熱電発電システムの概略構成を示す概略図。 従来のチャンバ断面を示す概略図。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

＜第１の実施形態＞ （請求項１、５に対応）
第１の実施形態を図１を用いて説明する。

図１は、第１の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図である。この図においては、図面を見易いものとするため、幾つかの要素の図示を省略している部分がある。ここでは、図１１〜図１９の従来技術と同じ要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。以下、従来技術と異なる部分のみ説明する。

第１の実施形態では、図１のようにチャンバ１１の全部あるいは一部の内部に第１の挿入物７を挿入し、流路２６の断面積を小さくする。例えば、流路２６の断面積を半分近く小さくさせる大きさの挿入物とする。ただし、熱電変換モジュール１３と接合しているチャンバ外壁領域の裏側に相当するチャンバ内壁領域、即ち熱電変換モジュール１３との接合面の裏面４６を、第１の挿入物７の一部が覆うと、高温チャンバ１１Ａであれば熱電変換モジュール１３の高温側温度がより低く、低温チャンバ１１Ｂであれば低温側温度がより高くなるので、覆わないようにする。図１のような形状の場合は、例えば第１の挿入物７の長手方向の端部を、長方形の板を付けた形状にすることで、左右方向の位置を固定する。

図１５，１７に示したチャンバ１１の内、最も左や最も右のチャンバ１１では、隣接するチャンバ１１が１個だけなので、第１の挿入物７をチャンバ内部にて隣接するチャンバ１１がない側に寄せて配置する。

本実施形態によれば、締め付け用治具５０の構成部品の１つである金具５１（図１９参照）をチャンバ１１の上面と下面に溶接等により設置するための場所を確保しつつ、チャンバ１１の短辺４５の寸法を狭めずに、流路２６の断面積（図１では左右に分かれた流路２６の合計）を減らすことができるので、高温流体、低温流体の流速が高くなり、熱電変換モジュール１３の高温側温度がより低く低温側温度がより高くなり、発電量が増加する。なお、金具５１は、課題を解決するための手段の説明にて記述した部材に相当する。

＜第２の実施形態＞ （請求項１、５、６に対応）
第２の実施形態を図２を用いて説明する。

図２は、第２の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図である。ここでは、第１の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第２の実施形態では、第１の実施形態における第１の挿入物７を図２のような形状の第２の挿入物８に変更する。この場合、第２の挿入物８の一部が、チャンバ１１の短辺４５の内壁領域を覆うとともに、チャンバ１０における熱電変換モジュール１３と接合していない外壁領域の裏側面に相当する内壁領域の一部、即ちチャンバ１１の長辺の端部の領域を覆う。

第１の実施形態では固定のために長手方向の端部の形状を工夫したが、第２の実施形態では、ただ挿入するだけで固定される。また流路２６の断面積がより減るので発電量が増加する。チャンバ１１の短辺４５の内壁領域は熱電変換モジュール１３に接合していない面の裏側に相当する位置にあり伝熱しないので、第２の挿入物８で覆っても構わない。むしろ、チャンバ１１の短辺４５への熱リークは減らしたいのであり、短辺４５の内壁領域を第２の挿入物８の一部で覆うことにより、第２の挿入物８の存在による熱抵抗や、第２の挿入物８とチャンバ１１の内壁との間の接触熱抵抗によって、熱リークが低減される。

＜第３の実施形態＞ （請求項１、５、７に対応）
第３の実施形態を図３を用いて説明する。

図３は、第３の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図である。ここでは、第１，第２の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第３の実施形態では、第２の実施形態における第２の挿入物８を図３のような形状の第３の挿入物９に変更する。この場合、第３の挿入物９の一部が、チャンバ１１の短辺４５の内壁領域を覆うとともに、チャンバ１０における熱電変換モジュール１３と接合していない外壁領域の裏側面に相当する内壁領域の一部、即ちチャンバ１１の長辺の端部の領域だけでなく、熱電変換モジュール間に挟まれた外壁領域の裏側面に相当する内壁領域をも覆う。

第３の実施形態によれば、熱電変換モジュール１３の上下方向２個の間の領域４７が充分にある場合は、その領域への伝熱を減らし、熱電変換モジュール１３接合面の裏面４６への伝熱に集中させることができるとともに、流路２６の断面積がより減るので発電量が増加する。

＜第４の実施形態＞ （請求項１、４、５に対応）
第４の実施形態を図４〜図６を用いて説明する。

図４は、攪拌に関する従来の器具を示す概略図である。図５は、図４とは異なる攪拌に関する従来の器具を示す概略図である。図６は、第４の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図である。ここでは、第１〜第３の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

円管に挿入し内部流体を攪拌する機能を持つ従来技術の例として、捻りテープ１８とスタティックミキサ１９をそれぞれ図４，図５に示す。捻りテープ１８は、図４では円管に挿入された状態を描いている。即ち、円管を除いた物が捻りテープ１８である。第４の実施形態では、第２の実施形態における第２の挿入物８を図６のような形状の第４の挿入物２４に変更する。この第４の挿入物２４の内、投影面が円形のように見える部分は、攪拌機能部分２５であり、前述の捻りテープ１８あるいはスタティックミキサ１９の形状をなしている。攪拌機能部分２５以外の部分は長手方向に長い形状であるため、空隙位置が長手方向に従って変化する形状である攪拌機能部分２５は、上下から挟まれて固定される。

第４の実施形態によれば、第４の挿入物２４は、チャンバ１１内の流体を攪拌するため、チャンバ１１と流体との間の熱伝達率が増加し伝熱が向上する。これにより熱電変換モジュール１３の高温側温度がより低く低温側温度がより高くなり、発電量が増加する。なお、攪拌機能を持っている部分は、第４の挿入物２４の全部でなく一部でよく、チャンバ長手方向に関しても一部でもよい。

＜第５の実施形態＞ （請求項２、５に対応）
第５の実施形態を図２，図３，図７，図８を用いて説明する。

図７は、第５の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバ及び熱電変換モジュールの縦断面形状を示す概略図である。図８は、図７と形状が似ている別の挿入物を含むチャンバの縦断面形状を示す概略図である。ここでは、第１〜第４の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

第５の実施形態では、チャンバ１１の全部あるいは一部の内部に、チャンバ１１の熱電変換モジュール１３との接合面の変形を抑制させる支持部材として第５の挿入物１０を図７のように挿入する。対角線状につっかえ板を設けた形状なので、熱電変換モジュール１３との接合面の裏面４６は全く覆わない。なお、前述の図３における第３の挿入物９も、図３における左右に亘るつっかえ棒のようなつっかえ板があるので、支持部材として機能する。また、長方形を形成している左右の面が撓もうとすると上下の面も変形しようとするので、図２における第２の挿入物８のように、中央ではなく上側と下側につっかえ板がある形状で上下の面だけを押さえるものも、支持機能を有する。

さて、図１８で説明したような、チャンバ１１の左右の面だけでなく上下の面にも熱電変換モジュール１３を具備する熱電変換装置の場合、チャンバ１１の流路２６の断面は正方形であることが多い。そのような場合、図８のように、第５の挿入物１０と形状が類似する第６の挿入物１６を挿入する。第６の挿入物１６は、左右の面に熱電変換モジュール１３があるために左右の面が伝熱面であり左右方向に締め付けられているだけでなく、上下の面にも熱電変換モジュール１３があるために上下の面も伝熱面であり上下方向に締め付けられている場合にも適用できる。

第５の実施形態によれば、支持構造があることで撓みや歪みを減らすことができ、チャンバ１１の薄肉化が図られる。薄肉化により熱電変換モジュール１３の両面の温度差が大きくなる。また撓みや歪みが減ることによって密着度が上がることでも温度差が大きくなり、温度差が大きくなることで発電量が増加する。また撓みや歪みが減ることで接触熱抵抗のばらつきが減り、そのことで直列接続あるいは並列接続された熱電変換モジュール１３の合計発電量が増加する。

＜第６の実施形態＞ （請求項１、２、３、５に対応）
第６の実施形態を図９を用いて説明する。ここでは、第１〜第５の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図９は、第６の実施形態の熱電発電装置に設けられる挿入物を含むチャンバの縦断面形状を示す概略図である。

第６の実施形態では、第１の実施形態で説明した効果と第５の実施形態で説明した効果を持つ挿入物を第７の挿入物１７として図９のように挿入する。即ち、図１８で説明したようなチャンバ１１の左右の面だけでなく上下の面にも熱電変換モジュール１３を具備する熱電発電装置の場合、対角線状のつっかえ板に加えて、流路中央部に流路２６を埋める部分を設けた第７の挿入物１７を挿入する。この中央部により第１の実施形態のような流路２６の断面積を小さくする効果が得られ、かつ、つっかえ板により第５の実施形態のように熱電変換モジュール１３と接合するチャンバ１１の４面の変形を抑制させる効果が得られる。

第６の実施形態によれば、第１の実施形態で得られる効果と第５の実施形態で得られる効果の両方を得ることができる。なお、図２，図３にそれぞれ示した第２，第３の実施形態の第２の挿入物８と第３の挿入物９も、第７の挿入物１７と同様の効果を奏するが、図１８で説明したようなチャンバ１１の左右の面だけでなく上下の面にも熱電変換モジュール１３を具備する熱電発電装置には適用できない。

＜第７の実施形態＞ （請求項８に対応）
第７の実施形態を図１〜図３，図６〜図９を用いて説明する。

第７の実施形態では、第１〜第６の実施形態に示した挿入物を着脱可能とする。第１〜第６の実施形態では第１〜第７の挿入物を挿入することにより、チャンバ１１内部を流通する流体の圧力損失が増加している。熱電発電装置１の使用状況の変化により、高温流体または低温流体の出口圧力が、使用者が設けた許容値より小さくなる場合がある。この場合は、熱電発電装置１の運転を一旦停止し分解し、チャンバ１１の全部あるいは一部から内部に設けられていた第１〜７の挿入物の全部あるいは一部を抜き取るか、または、より圧力損失の小さい第１〜７の挿入物に交換する。第７の実施形態によれば、使用状況に応じて、圧力損失が調整可能になる。

＜第８の実施形態＞ （請求項９に対応）
第８の実施形態を図１０を用いて説明する。

図１０は、第８の実施形態の熱電発電装置に設けられるチャンバの縦断面形状を示す概略図である。

図１９の例ではチャンバ１１に、締め付け用治具５０の構成部品の１つである金具５１を溶接していたが、第８の実施形態ではチャンバ１１を図１０に示すような締め付け用部分付きチャンバ５６にする。具体的には、断面がＬ字型をなしている長尺の板である第１のチャンバ部材３５と第２のチャンバ部材３６とを１枚ずつ合わせて、長方形断面を有する締め付け用部分付きチャンバ５６を製作する。その際、長方形の外側にＬ字型の板の少なくとも片方がはみ出るように製作し、上側にはみ出たヒレ状の部分を第１の締め付け用部分３９とし、下側にはみ出たヒレ状の部分を第２の締め付け用部分４０とする。

第１の締め付け用部分３９や第２の締め付け用部分４０に設けられた開口部５５は、隣り合った締め付け用部分付きチャンバ５６同士を引き付けて締め付けるボルト５２，５３を通過させる孔である。溶接箇所は第１の溶接部位３７と第２の溶接部位３８の２箇所である。

チャンバ１１をこのような構造に変更することで、以下の効果がある。

従来のチャンバ１１では、金具５１を溶接する際のチャンバ面の熱変形が充分にあったが、締め付け用部分付きチャンバ５６では、金具５１を溶接する工程がない上、溶接箇所は第１の溶接部位３７と第２の溶接部位３８という熱変形がより生じにくい箇所のみである。撓みや歪みがより少なくなるため、熱電変換モジュール１３との密着度が上がり接触熱抵抗が小さくなり発電量が増加する。接触熱抵抗の分布ムラがなくなることでも発電量が増加する。撓みや歪みがより生じにくいので、チャンバ肉厚をより薄くできるようになり、伝熱が向上することでも発電量が増加する。

さらに、従来のチャンバ１１では、金具５１を溶接するために短辺４５を短くできなかったが、締め付け用部分付きチャンバ５６では短辺４５を充分に短くできる。短辺４５を短くし流路２６の断面積を小さくし、流通する流体の流速を大きくし熱伝達率を高くすることで、伝熱が向上し発電量が増加する。

また、第１の締め付け用部分３９と第２の締め付け用部分４０は長手方向に充分に長く、開口部５５を設ける場所が自由に設定できるため、ボルト５２，５３による締め付け場所の自由度が増加する。

以上詳述したように、各実施形態によれば、発電量を向上させることができる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…熱電発電装置、２…切替装置、３…制御装置、４…テレビ装置、５…照明機器、６…表示機器、７…第１の挿入物、８…第２の挿入物、９…第３の挿入物、１０…第５の挿入物、１１…チャンバ、１１Ａ…高温チャンバ、１１Ｂ…低温チャンバ、１２…熱電変換モジュール収納部（スロット）、１３…熱電変換モジュール、１４…配線、１５…高熱伝導材料、１６…第６の挿入物、１７…第７の挿入物、１８…捻りテープ、１９…スタティックミキサ、２０ａ、２０ｂ…電極、２１ａ、２１ｂ…絶縁板、２２ｓ、２２ｂ…半導体素子、２３ａ、２３ｂ…電極取出し口、２４…第４の挿入物、２５…攪拌機能部分、２６…流路、２７…流体入口、２８…流体出口、２９…入口流体、２９ａ…入口温熱流体、３０…出口流体、３０ａ…出口冷熱流体、３１Ａ…高温供給用配管、３１Ｂ…低温供給用配管、３２Ａ…高温供給用ヘッダ、３２Ｂ…低温供給用ヘッダ、３３Ａ…高温供給用配管接合部、３３Ｂ…低温供給用配管接合部、３４Ａ…高温供給用ヘッダ接合部、３４Ｂ…低温供給用ヘッダ接合部、３５…第１のチャンバ部材、３６…第２のチャンバ部材、３７…第１の溶接部位、３８…第２の溶接部位、３９…第１の締め付け用部分、４０…第２の締め付け用部分、４１Ａ…高温排出用配管、４１Ｂ…低温排出用配管、４２Ａ…高温排出用ヘッダ、４２Ｂ…低温排出用ヘッダ、４３Ａ…高温排出用配管接合部、４３Ｂ…低温排出用配管接合部、４４Ａ…高温排出用ヘッダ接合部、４４Ｂ…低温排出用ヘッダ接合部、４５…短辺、４６…熱電変換モジュールとの接合面の裏面、４７…上下方向２個の間の領域、４８…第３の締め付け用部分、４９…第４の締め付け用部分、５０…締め付け用治具、５１…金具（部材）、５２，５３…ボルト、５４…バネ、５５…開口部、５６…締め付け用部分付きチャンバ。

Claims (9)

1. 両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、
   前記熱電変換モジュールを挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す高温チャンバ及び低温チャンバと、
   前記高温チャンバ及び前記低温チャンバにおける前記熱電変換モジュールとの接合面以外の面に取り付けられる部材と、前記部材同士を引き寄せて締め付けるネジ機構とを含み、前記高温チャンバ及び前記低温チャンバの前記熱電変換モジュールに対する締め付けを実施する締め付け用治具と
   を具備する熱電発電装置において、
   前記高温チャンバの全部あるいは一部、または前記低温チャンバの全部あるいは一部のいずれかの内部に、流路断面積を小さくさせる挿入物を設けたことを特徴とする熱電発電装置。
2. 両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、
   前記熱電変換モジュールを挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す高温チャンバ及び低温チャンバと、
   前記高温チャンバ及び前記低温チャンバの前記熱電変換モジュールに対する締め付けを実施する締め付け用治具と
   を具備する熱電発電装置において、
   前記高温チャンバの全部あるいは一部、または前記低温チャンバの全部あるいは一部のいずれかの内部に、前記高温チャンバまたは前記低温チャンバの前記熱電変換モジュールとの接合面の変形を抑制させる支持部材の機能を有する挿入物を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記挿入物が、前記高温チャンバまたは前記低温チャンバの前記熱電変換モジュールとの接合面の変形を抑制させる支持部材の機能を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
4. 前記挿入物の全部または一部が、前記高温チャンバまたは前記低温チャンバの内部流体を攪拌する攪拌機能を有する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
5. 前記挿入物が、前記高温チャンバまたは前記低温チャンバにおける前記熱電変換モジュールと接合している外壁領域の裏側面に相当する内壁領域を覆わない、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
6. 前記挿入物が、前記高温チャンバまたは前記低温チャンバにおける前記熱電変換モジュールと接合していない外壁領域の裏側面に相当する内壁領域の少なくとも一部を覆う、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
7. 前記挿入物が、前記高温チャンバまたは前記低温チャンバにおける前記熱電変換モジュールと接合していない外壁領域のうち、少なくとも熱電変換モジュール間に挟まれた外壁領域の裏側面に相当する内壁領域を覆う、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
8. 前記挿入物が着脱可能である、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
9. 両面の温度差により発電する熱電変換モジュールと、
   前記熱電変換モジュールを挟むように設けられ、互いに温度が異なる流体を流す高温チャンバ及び低温チャンバと、
   前記高温チャンバ及び前記低温チャンバにおける前記熱電変換モジュールとの接合面以外の面に設けられたヒレ状部品と、前記ヒレ状部品同士を引き寄せて締め付けるネジ機構とを含み、前記高温チャンバ及び前記低温チャンバの前記熱電変換モジュールに対する締め付けを実施する締め付け用治具と
   を具備する熱電発電装置において、
   前記高温チャンバまたは前記低温チャンバは、断面がＬ字型をなしている長尺の板を２個合わせて長方形断面のチャンバを製作した物であり、その際、長方形の外側にＬ字型の板の少なくとも片方がはみ出るように製作し、はみ出た部分を前記ヒレ状部品としたことを特徴とする熱電発電装置。

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