JP2015128351A - 熱電発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】絶縁板に流体を接触させて熱電変換モジュールの両方の伝熱面の温度差を大きくして出力を高めることができるとともに、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路との間の漏れの発生を防止できる熱電発電装置を提供する。【解決手段】実施の形態による熱電発電装置1は、二種類の電極112a、112bをそれぞれ絶縁板113a、113bで覆った熱電変換モジュール110と、モジュール孔31を有するモジュール取付部材30と、を備えている。熱電変換モジュール110は、モジュール取付部材30のモジュール孔31にはめ込まれている。熱電発電装置1は、絶縁板113a、113bの伝熱面110a、110bが流体3、4に接触する構造を有している。モジュール取付部材30の材質は、伸縮性により、モジュール取付部材30の熱変形を吸収する材質となっている。【選択図】図1
Description
本発明の実施の形態は、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与えることで、電力を発生させて取り出すように構成されており、非化石燃料による環境に優しい発電機である。熱電発電装置は、例えば、工場排水や温泉などの熱源からエネルギを回収して電力を発生させることができ、独立電源として現場の照明や機器へ電力を供給することができる。また、熱電発電装置により発生する電力を、電力会社の電力系統が停電した場合に備えるためのバックアップ電源への蓄電に利用することもできる。
このような熱電発電装置として、特許文献1に示すものが知られている。この熱電発電装置を、図18および図19を用いて説明する。
図18および図19に示す熱電発電装置100は、高温熱流体が流れる高温チャンバ101Aの外壁と、低温熱流体が流れる低温チャンバ101Bの外壁との間に挟持されて圧接された複数の熱電変換モジュール110を備えている。各チャンバ101A、101Bは、片方の端部下側から流体が流入して、他方の端部上側から流出されるように構成されている。また、図19に示すように、各チャンバ101A、101Bの外壁と熱電変換モジュール110との間には、高い熱伝導率を有する熱伝導シート102が設けられており、各熱電変換モジュール110の平面度(より詳細には、後述する絶縁板113a、113bの表面の平面度)のばらつきによって生じ得る熱電変換モジュール110の締め付け圧のばらつきを緩和している。
熱電変換モジュール110は、図20に示すように、例えば一辺が1mm以上の直方体状ないし立方体状に形成されたP型半導体素子(熱電変換材料)111aおよびN型半導体素子(熱電変換材料)111bを有している。P型半導体素子111aとN型半導体素子111bとは、第1の電極(導電体)112aもしくは第2の電極(導電体)112bを介して直列に接続されている。第1の電極112aは、第1の絶縁板113a(アルミナ、窒化アルミニウム等)で覆われており、第2の電極112bは、第2の絶縁板113b(アルミナ、窒化アルミニウム等)で覆われている。すなわち、二種類の電極112a、112bが、絶縁板113a、113bでそれぞれ覆われている。
熱電変換材料には、例えば、BiTe系の合金、もしくはFe2VAl系のホイスラー合金といった材料が使用される。熱電変換材料間の接合や、熱電変換材料と絶縁板113a、113bとの接合には、例えばはんだ材を使用することができる。
また、直列接続構造となっている電極112a、112bのうち両端部に位置する電極に、配線(もしくはリード線)を接続するための電極取出口114a、114bが設けられている。なお、第1の絶縁板113aと第2の絶縁板113bとの間には、スペーサ115が介在されている。スペーサ115は、P型半導体素子111aおよびN型半導体素子111bの外側に配置されている。
このような熱電発電装置100において、高温チャンバ101Aに高温熱流体を流すと共に低温チャンバ101Bに低温熱流体を流すことにより、熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの表面(伝熱面)110aが高温熱流体からの高熱により高温となり、第2の絶縁板113bの表面(伝熱面)110bが低温熱流体からの冷熱により低温となって、熱電変換モジュール110の両方の伝熱面110a、110bに温度差が生じる。このことにより、双方の流体が熱交換する過程で、各半導体素子111a、111bに熱電変換が起こり、発電が行われるようになっている。一般的には、高温熱流体としてお湯(温水)が使用され、低温熱流体としては水が使用されるが、これに限られるものではない。
ところで、このような熱電変換モジュール110の両方の伝熱面110a、110bの温度差は、高温熱流体と低温熱流体との温度差に比べて小さくなる傾向にある。これは、流体とチャンバ壁(流路壁)の内面との対流熱伝達による熱抵抗、チャンバ壁の熱伝導による熱抵抗、チャンバ壁の外面と熱伝導シート102との接触熱抵抗、熱伝導シート102の熱伝導による熱抵抗、熱伝導シート102と熱電変換モジュール110の伝熱面110a、110bとの接触熱抵抗が存在するからである。
一方、特許文献2に示す熱電発電システムについて、図21(a)、(b)および図22を用いて説明する。この熱電発電システム120は、複数の熱電変換モジュール110を含む熱電変換装置121を有している。この熱電変換装置121では、複数の熱電変換モジュール110を並べてそれぞれの絶縁板の表面(伝熱面)110a、110bを露出させつつ、当該伝熱面110a、110b以外の面は封止剤122により密閉封止して複数の熱電変換モジュール110が一体化されている。各熱電変換モジュール110は、配線123により結線されている。
また、熱電変換装置121の他の例として、樹脂基板に熱電変換モジュール110をはめ込むとともに、孔を設けて配線123を通し、隙間をシリコンや接着剤で埋めて、水が漏れたり染み込んだりしないようにシール処理を施したものが示されている。
上述したいずれの熱電変換装置121も、図22に示すようにチャンバ124内に取り付けられて、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路とを画定する。
特許文献2に示されたいずれの例においても、熱電変換モジュール110の両方の伝熱面110a、110bの温度差は、高温熱流体と低温熱流体の温度差よりは小さい。しかしながら、絶縁板の伝熱面110a、110bそれぞれに流体が直接に接触するため、伝熱面110a、110bそれぞれと流体との間の熱抵抗を、流体と熱電変換モジュール110の伝熱面110a、110bそれぞれとの対流熱伝達による熱抵抗のみとすることができる。このため、特許文献1に示す熱電発電装置100に比べて、特許文献2に示す熱電発電システム120では、両方の伝熱面110a、110bの温度差は充分に大きくなり、発電出力を大きくすることができる。
しかしながら、特許文献2に示す熱電発電システムでは、熱電変換モジュールは、特許文献1に示す熱電発電装置のようにチャンバなどによって圧接されていない。このため、熱電変換モジュールと封止剤との密着度が小さくなるおそれがある。
すなわち、特許文献2に示す熱電発電システムにおいては、封止剤に高温熱流体側から低温熱流体側にわたって温度分布が形成される。封止剤は温度が高いほど熱伸びが大きくなるため、高温熱流体側と低温熱流体側の熱伸び差が大きくなる。これに対して、絶縁板は、アルミナ等のセラミックであるため、高温熱流体側の熱伸びと低温熱流体側の熱伸びはいずれも極めて小さく、結果としてこれらの熱伸びの差も極めて小さい。このことにより、高温熱流体側が凸になるように反ろうとする封止剤と、熱変形しない絶縁板との密着度が小さくなる。この場合、封止剤と絶縁板との間に隙間が形成され、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路とが連通して漏れ流れが生じて、高温熱流体と低温熱流体の温度差が小さくなり、熱電発電装置として適切に作動しなくなるおそれが生じる。
特許文献2の他の例として示す熱電発電装置においても同様である。すなわち、樹脂基板は、高温熱流体側と低温熱流体側の熱伸びの差は大きくなるが、絶縁板は熱伸び差がほとんどないため、高温熱流体側が凸になるように反ろうとする樹脂基板と、熱変形しない絶縁板との間にてシリコンや接着剤で埋めたシール処理箇所における密着度が小さくなる。これにより、樹脂基板と絶縁板との間のシール処理箇所に隙間が形成され、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路とが連通し、漏れ流れが生じて熱電発電装置として適切に作動しなくなるおそれが生じる。
本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、絶縁板に流体を接触させて熱電変換モジュールの両方の伝熱面の温度差を大きくして出力を高めることができるとともに、高温熱流体の流路と低温熱流体の流路との間の漏れの発生を防止できる熱電発電装置を提供することを目的とする。
実施の形態による熱電発電装置は、二種類の電極をそれぞれ絶縁板で覆った熱電変換モジュールと、モジュール孔を有するモジュール取付部材と、を備えている。熱電変換モジュールは、モジュール取付部材のモジュール孔にはめ込まれている。熱電発電装置は、絶縁板の伝熱面が流体に接触する構造を有している。モジュール取付部材の材質は、伸縮性により、モジュール取付部材の熱変形を吸収する材質となっている。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
(第1の実施の形態)
図1乃至図6を用いて、本発明の第1の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
図1乃至図6を用いて、本発明の第1の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
図1に示すように、熱電発電装置1は、ケーシング2と、ケーシング2内に取り付けられ、熱電変換モジュール110を有するモジュール組立体20と、を備えている。モジュール組立体20は、ケーシング2内の空間を、高温熱流体としての温水3が流通する温水チャンバ(高温チャンバ)10Aと、低温熱流体としての冷水4が流通する冷水チャンバ(低温チャンバ)10Bとに区画している。すなわち、モジュール組立体20は、温水チャンバ10Aと冷水チャンバ10Bとを区画する隔壁として機能しており、温水チャンバ10Aと冷水チャンバ10Bは、ケーシング2によって一体に形成されている。なお、温水3の温熱源や、冷水4の冷熱源には制約はなく、例えば温水3は温泉水を使用することができ、冷水4は湧き水(山水)を使用することができる。
ケーシング2には、温水チャンバ10A内へ温水3を流入する温水入口11Aと、温水チャンバ10Aから温水3が流出する温水出口12Aとが設けられている。温水出口12Aは、温水入口11Aの反対側に配置されている。同様に、ケーシング2には、冷水チャンバ10B内へ冷水4を流入する冷水入口11Bと、冷水チャンバ10Bから冷水4が流出する冷水出口12Bとが設けられており、冷水出口12Bは、冷水入口11Bの反対側に配置されている。本実施の形態においては、温水入口11Aは冷水入口11Bの反対側に配置されるとともに温水出口12Aは冷水出口12Bの反対側に配置されており、これにより、温水チャンバ10A内の温水3の流れる方向と、冷水チャンバ10B内の冷水4の流れる方向を、互いに反対方向にすることができ、温水3の流れと冷水4の流れが対向流を形成している。このことにより、熱電変換モジュール110の両方の伝熱面110a、110b(後述)の温度差を、温水3または冷水4の流れる方向に均一化させることができ、発電性能を向上させている。
なお、ケーシング2の上面は、例えば、蓋のように取り外し可能になっていることが好適である。このことにより、モジュール組立体20をケーシング2に容易に取り付けることができる。また、各チャンバ10A、10Bの上面には、チャンバ10A、10B内の空気を排出させるための空気排出部(図示せず)が設けられていてもよい。このことにより、チャンバ10A、10B内に温水3、冷水4を流入させる際に、チャンバ10A、10B内の空気を外部に排出させて、温水3、冷水4を空気が滞留することなく流入させることが可能となる。さらに、各チャンバ10A、10Bの底面に、チャンバ10A、10B内の温水3、冷水4を排出させるための流体排出部(図示せず)が設けられていてもよい。
モジュール組立体20は、図2に示すように、(好適には複数の)上述した熱電変換モジュール110(図20参照)と、熱電変換モジュール110が取り付けられたモジュール枠(モジュール取付部材)30と、を有している。モジュール枠30は複数のモジュール孔31を含み、熱電変換モジュール110はモジュール孔31にはめ込まれている。
熱電変換モジュール110は、図20に示すように、P型半導体素子(熱電変換材料)111aおよびN型半導体素子(熱電変換材料)111bを有している。P型半導体素子111aとN型半導体素子111bは、第1の電極112aもしくは第2の電極112bを介して直列に接続され、第1の電極112aは第1の絶縁板113a(アルミナ、窒化アルミニウム等)で覆われ、第2の電極112bは第2の絶縁板113b(アルミナ、窒化アルミニウム等)で覆われている。このように、本実施の形態における熱電変換モジュールは、図20に示す熱電変換モジュールと同様の構成とすることができるため詳細な説明は省略する。
図2に示すように、熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの伝熱面(表面)110aおよび第2の絶縁板113bの伝熱面(表面)110bは、正方形状に形成されている。モジュール枠30のモジュール孔31も正方形状に形成されており、モジュール孔31に熱電変換モジュール110がはめ込まれるようになっている。この際、熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの側面、第2の絶縁板113bの側面およびスペーサ115の側面が、モジュール孔31の壁面に対向するようになる(図4参照)。
熱電発電装置1は、第1の絶縁板113aの伝熱面110aが温水3に直接に接触するとともに、第2の絶縁板113bの伝熱面110bが冷水4に直接に接触する構造を有している。すなわち、上述したように、熱電変換モジュール110は温水チャンバ10Aと冷水チャンバ10Bとを区画しており、熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの伝熱面110aは、図1に示すように、温水チャンバ10Aに露出されている。このことにより、第1の絶縁板113aの伝熱面110aは、温水3に直接に接触するようになっている。同様に、第2の絶縁板113bの伝熱面110bは冷水チャンバ10Bに露出され、冷水4に直接に接触するようになっている。
図3および図4に示すように、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との隙間37に、シール剤によるシール処理が施されており、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との隙間37を温水3または冷水4が流通しないようになっている。本実施の形態では、接着性を有するシール剤、すなわち接着剤40を使用しており、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との隙間37をシールするととともに両者を接着している。接着剤40は、塗布時には流動性を有しているが、時間が経つと流動性が喪失されて固化状態になり、機能および効果の観点で、シール剤を兼ねることができる。接着剤40は、例えば、熱電変換モジュール110をモジュール孔31にはめ込む前に熱電変換モジュール110の外面および/またはモジュール孔31の壁面に塗布するか、またははめ込んだ後に注入することにより、隙間37を接着剤37で充填して、シールして接着することができる。
モジュール枠30の材質は、伸縮性により、当該モジュール枠30の熱変形を吸収する材質となっている。例えば、モジュール枠30は、ゴムにより形成することができる。ゴムは、伸縮性が高く、熱伝導率が低い材質である。モジュール枠30には、例えば、フランジパッキンや自転車のタイヤチューブに用いるゴムと同様のゴムを使用することができる。モジュール枠30は、温水チャンバ10Aを流通する温水3に直接に接触するが、温泉の温度程度であれば、ゴムの劣化などの支障をきたすことを回避できる。なお、モジュール枠30の材料はゴムに限られることはなく、モジュール枠30の熱変形を吸収可能な伸縮性を有していれば任意の樹脂を使用することができる。
モジュール枠30にゴムを使用する場合には、温水チャンバ10A内の温水3の圧力と、冷水チャンバ10B内の冷水4の圧力との圧力差による力がモジュール枠30に付加されることを抑制することが好適である。温水3および冷水4が定常的に流通している間では、温泉からの温水3の圧力と湧き水からの冷水4の圧力には、熱電発電装置1の運転に支障を来すような圧力差は一般的には生じない。このため、空のケーシング2内に温水3および冷水4の供給を開始する際に、圧力差が生じないようにすることが好ましい。例えば、図1に示すように、温水入口11Aに連結された温水管13Aに温水入口弁14Aを設け、冷水入口11Bに連結された冷水管13Bに冷水入口弁14Bを設け、温水チャンバ10Aに温水3の供給を開始するタイミングと、冷水チャンバ10Bに冷水4の供給を開始するタイミングとを、入口弁14A、14Bによって合わせること(例えばほぼ同時に開くこと)により、温水3と冷水4の圧力差による力がモジュール枠30に付加されることを抑制できる。なお、温水熱源と冷水熱源の圧力差が充分にある場合には、温水3と冷水4の圧力差を確実に抑制するために、温水管13Aおよび/または冷水管13Bに減圧弁のような圧力調整手段(図示せず)を設けることが好適である。
図3に示すように、各熱電変換モジュール110は、電気配線42によって直列に接続されている。電気配線42の付け根(熱電変換モジュール110との接続部)は、上述した接着剤40を用いて熱電変換モジュール110に固定されている。電気配線42のうち、水に接触する可能性のある部分には、防水被覆が施されている。
電気配線42は、モジュール枠30の冷水チャンバ10B側に配置されることが好適である。このことにより、電気配線42が温水チャンバ10Aを流通する温水3に接触することが回避され、温水3の熱による電気配線42の被覆劣化を防止している。また、高温熱流体として温泉からの温水3を使用している場合には、温水3の化学成分(例えば、酸性成分)により電気配線42が劣化することを防止できる。なお、電気配線42は、熱変形などにより電気配線42の付け根に力が付加されて破損することを防止するために、緊張させないようにある程度撓ませるように結線されていることが好適である。
図1および図5に示すように、ケーシング2の壁(流体の流路壁)2aには、配線取出孔44を含む配線取出部43が設けられており、直列接続された複数の熱電変換モジュール110のうち両端に位置する熱電変換モジュール110から延びる電気配線42は、この配線取出孔44を通ってケーシング2の外側に延びている。配線取出孔44を温水3または冷水4が流通しないように、電気配線42と配線取出部43との隙間45には、シール剤41が充填されてシール処理されている。
上述したように、熱電変換モジュール110とモジュール孔31とは接着剤40で接着されてシールされている。この場合、熱電変換モジュール110をモジュール孔31にはめ込む際に圧入するように当該モジュール孔31が形成されていることが好適である。具体的には、モジュール孔31の大きさを、熱電変換モジュール110の孔より小さくし、熱電変換モジュール110をモジュール孔31に圧入してはめ込むことが好適である。このことにより、シール性を向上させることができる。
図6に示すように、モジュール組立体20のモジュール枠30は、ケーシング2に取り付けられている。すなわち、本実施の形態においては、ケーシング2の内面に凹部5が設けられ、これらの凹部5にモジュール枠30が差し込まれており、温水チャンバ10Aと冷水チャンバ10Bとが連通して温水3または冷水4が流通することを防止するように、シール剤41によりシール処理されている。モジュール枠30がゴムで形成されている場合、ゴムの伸縮性を利用してモジュール枠30を各凹部5に圧入することが好適である。この場合、シール性を向上させることができる。なお、モジュール枠30の取付構造は、上述のような構成に限られることはなく、シール性を確保することができれば任意である。
次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。
まず、温水入口弁14Aおよび冷水入口弁14Bをほぼ同時に開き、温水入口11Aから温水チャンバ10Aに温水3を流入させるとともに、冷水入口11Bから冷水チャンバ10Bに冷水4を流入させる。このことにより、モジュール枠30に、温水3と冷水4との圧力差による力が付加されることを抑制できる。温水チャンバ10Aに流入した温水3は温水出口12Aから流出され、冷水チャンバ10Bに流入した冷水4は冷水出口12Bから流出され、温水3の流れと冷水4の流れは対向流を形成している。
温水3および冷水4がチャンバ10A、10Bを流通している間、温水3は熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの伝熱面110aに直接に接触し、冷水4は第2の絶縁板113bの伝熱面110bに直接に接触する。このことにより、第1の絶縁板113aの伝熱面110aと第2の絶縁板113bの伝熱面110bとの温度差を大きくし、熱電変換モジュール110のP型半導体素子111aおよびN型半導体素子111bの両面の温度差をそれぞれ大きくすることができ、発電出力を高めることができる。
また、温水3および冷水4が流通している間、モジュール枠30に温水3側から冷水4側にわたって温度分布が形成され、モジュール枠30および接着剤40の温水3側と冷水4側で熱伸び差が大きくなり得る。しかしながら、モジュール枠30が、その伸縮性により自身の熱変形を吸収する材質を有していることから、モジュール枠30や接着剤40の熱伸び差による熱変形、すなわち高温熱流体(温水3)側が凸になるように反ろうとする変形を、モジュール枠30が吸収することができる。
このように本実施の形態によれば、熱電変換モジュール110がはめ込まれるモジュール孔31を含むモジュール枠30の材質が、自身の伸縮性により、当該モジュール枠30および接着剤40の熱変形を吸収する材質となっていることにより、モジュール枠30に温水3側から冷水4側にわたって温度分布が形成された場合においても、モジュール枠30や接着剤40の熱伸び差による熱変形をモジュール枠30が吸収することができる。このため、互いに接着剤40で接着されたモジュール枠30と熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aまたは第2の絶縁板113bとの隙間37を温水3、冷水4が流通することを防止できる。この結果、絶縁板113a、113bに温水3、冷水4を接触させて熱電変換モジュール110の両方の伝熱面110a、110bの温度差を大きくして出力を高めることができるとともに、温水チャンバ10Aと冷水チャンバ10Bとの間の漏れの発生を防止できる。
なお、上述した本実施の形態においては、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との間に、接着剤40(シール剤)によるシール処理が施されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、熱電変換モジュール110がモジュール孔31に圧入され、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との接触部で所望のシール性能を発揮することが可能であれば、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との間には、シール剤によるシール処理が施されていなくてもよい。また、熱電変換モジュール110がモジュール枠30に保持可能であれば、熱電変換モジュール110とモジュール枠30には、接着性を有しない(接着性を期待できない)シール剤41によりシール処理が施されてもよい。
(第2の実施の形態)
次に、図7および図8を用いて、本発明の第2の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
次に、図7および図8を用いて、本発明の第2の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
図7および図8に示す第2の実施の形態においては、熱電変換モジュールを接続する電気配線が、モジュール枠の溝に収容されている点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図8および図9において、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図7および図8に示すように、モジュール枠30の互いに隣り合うモジュール孔31の間に溝50が設けられている。溝50は、モジュール枠30の冷水チャンバ10B側に配置されており、一のモジュール孔31から、当該一のモジュール孔31に隣り合う他のモジュール孔31に延びている。この溝50に、互いに隣り合う熱電変換モジュール110を接続する電気配線42が収容されている。
このように本実施の形態によれば、互いに隣り合う熱電変換モジュール110を接続する電気配線42が、モジュール枠30に設けられた溝50に収容されている。このことにより、電気配線42が冷水4の強い流れ(主流)から遠ざけることができ、この強い流れによって電気配線42が熱電変換モジュール110から外れたり、破損したりすることを防止できる。このため、熱電発電装置1の品質を向上させることができる。
なお、上述した本実施の形態において、図9および図10に示すように、溝50に収容された電気配線42が蓋51によって覆われるようにしてもよい。このような蓋51は、例えば、モジュール枠30と同様の材料によって別体に形成することができる。また、蓋51は、溝50に電気配線42が収容された後に、電気配線42を覆うように取り付けられ、蓋51と溝50の壁面との隙間52を接着剤40でシールしながら接着する。このことにより、溝50内の電気配線42が冷水4に触れることを防止でき、電気配線42が外れたり破損したりするリスクを低減できる。
(第3の実施の形態)
次に、図11を用いて、本発明の第3の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
次に、図11を用いて、本発明の第3の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
図11に示す第3の実施の形態においては、隣り合う熱電変換モジュールの間の領域において、モジュール枠が熱電変換モジュールの厚さより小さい厚さの薄肉部分を有している点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図12において、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図11に示すように、隣り合う熱電変換モジュール110の間の領域において、モジュール枠30が、熱電変換モジュール110の厚さより小さい厚さの薄肉部分32を有している。図11に示す形態では、当該領域におけるモジュール枠30の断面形状がH型に形成されている。なお、図12に図11の変形例として示すように、当該領域におけるモジュール枠30の断面形状は、コの字型で形成されていてもよい。
このように本実施の形態によれば、熱電変換モジュール110の間の領域に、モジュール枠30の厚さより小さい厚さの薄肉部分32が設けられているため、モジュール枠30や接着剤40の熱伸び差による熱変形をモジュール枠30がより一層吸収することができる。このため、モジュール枠30と熱電変換モジュール110との隙間37を温水3、冷水4が流通することをより一層防止でき、温水チャンバ10Aと冷水チャンバ10Bとの間の漏れの発生をより一層防止できる。
(第4の実施の形態)
次に、図13を用いて、本発明の第4の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
次に、図13を用いて、本発明の第4の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
図13に示す第4の実施の形態においては、モジュール枠は、絶縁板の伝熱面に重なるように延びる延長部分を有している点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図13において、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図13に示すように、モジュール枠30は、隣り合う熱電変換モジュール110の間に位置する枠本体部分33と、熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの伝熱面110aに重なるように延びる第1延長部分34と、第2の絶縁板113bの伝熱面110bに重なるように延びる第2延長部分35と、を有している。第1延長部分34と、当該第1延長部分34に対応する第2延長部分35との間に、モジュール枠30が差し込まれるようになっている。この場合、モジュール枠30の第1延長部分34と熱電変換モジュール110との隙間53、および第2延長部分35と熱電変換モジュール110との隙間54に接着剤40が充填され、これら第1延長部分34および第2延長部分35と、熱電変換モジュール110とが接着されてシールされる。
モジュール枠30の第1延長部分34は、熱電変換モジュール110の伝熱面110aより温水チャンバ10A側に形成され、第2延長部分35は、熱電変換モジュール110の伝熱面110bより冷水チャンバ10B側に形成されている。本実施の形態においては、これら第1延長部分34および第2延長部分35は、枠本体部分33に一体に形成されている。この場合、モジュール枠30を弾性変形させながら熱電変換モジュール110をモジュール孔31にはめ込むことができる。
このように本実施の形態によれば、モジュール枠30の第1延長部分34が熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの伝熱面110aに重なるように延び、第2延長部分35が第2の絶縁板113bの伝熱面110bに重なるように延びている。このことにより、モジュール枠30の枠本体部分33だけでなく、第1延長部分34および第2延長部分35によっても熱電変換モジュール110と接着することができる。このため、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との接着面積を増大させることができ、シール性を向上させることができる。
なお、上述した本実施の形態においては、モジュール枠30の第1延長部分34および第2延長部分35が、枠本体部分33に一体に形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、図14に示すように、第1延長部分34が、枠本体部分33および第2延長部分35とは別体に形成されていてもよい。この場合、例えば、熱電変換モジュール110がモジュール枠30にはめ込まれた後に、モジュール枠30の第1延長部分34を接着剤40で枠本体部分33に接着するとともに、第1延長部分34と熱電変換モジュール110との隙間53に接着剤40が充填され、第1延長部分34を熱電変換モジュール110に接着してシールすることができる。このことにより、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との接着面積を増大しつつ、熱電変換モジュール110のモジュール孔31への取付を容易に行うことができる。なお、第1延長部分34を枠本体部分33と一体に形成し、第2延長部分35を枠本体部分33とは別体に形成してもよい。
また、上述した本実施の形態において、図15に示すように、隣り合う熱電変換モジュール110の間の領域においてモジュール枠30の本体枠部分33が熱電変換モジュール110の厚さより小さい厚さの薄肉部分32を有しているようにしてもよい。ここでは、図11と同様に、当該領域におけるモジュール枠30の断面形状がH型に形成されている例を示している。この場合、本実施の形態による熱電変換モジュール110とモジュール枠30との接着面積を増大することができるという効果と、第3の実施の形態によるモジュール枠30や接着剤40の熱伸び差をモジュール枠30がより一層吸収することができるという効果とを、併せ持つことができる。
また、上述した本実施の形態においては、モジュール枠30は、熱電変換モジュール110の第1の絶縁板113aの伝熱面110aに重なるように延びる第1延長部分34と、第2の絶縁板113bの伝熱面110bに重なるように延びる第2延長部分35と、を有している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、モジュール枠30は、第1延長部分34および第2延長部分35のいずれか一方を有し、他方を有していなくてもよい。この場合においても、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との接着面積を増大させることができる。
(第5の実施の形態)
次に、図16および図17を用いて、本発明の第5の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
次に、図16および図17を用いて、本発明の第5の実施の形態における熱電発電装置について説明する。
図16および図17に示す第5の実施の形態においては、シール剤を覆うカバー部材が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図16および図17において、図1乃至図6に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
図16に示すように、熱電変換モジュール110とモジュール枠30とをシールするシール剤としての接着剤40を覆うカバー部材60が設けられている。カバー部材60は、図16に示すように、熱電変換モジュール110とモジュール枠30とをシールするために塗布あるいは注入されて固化された接着剤40を収容する収容部61を含み、全体として、コの字型の断面を有している。このようなカバー部材60に用いる材料には特に制約はなく、金属やプラスチックを好適に使用することができる。
本実施の形態においては、カバー部材60は、モジュール組立体20の両側に設けられている。そして、カバー部材60は、図17に示すように、対応する熱電変換モジュール110の伝熱面110a、110bを露出させる複数の開口部62を有している。互いに隣り合う開口部62の間に、上述した収容部61が形成されている。収容部61は、開口部62の辺に沿う方向に沿って延びており、熱電変換モジュール110とモジュール枠30との間の接着剤40を覆うようになっている。
また、図9および図10のように電気配線42が保護される技術が施されていなければ、本実施の形態におけるカバー部材60は、熱電変換モジュール110から延びる電気配線42を覆うようにする。
図17に示すように、カバー部材60には位置決め棒63が取り付けられている。この位置決め棒63は、カバー部材60に略垂直に延びるように形成されている。カバー部材60は、ケーシング2内にモジュール組立体20が取り付けられた後、温水チャンバ10A内および冷水チャンバ10B内にそれぞれ挿入される。この際、位置決め棒63の長手方向は、チャンバ10A、10Bの幅方向(温水3、冷水4の主流の方向に直交する方向)を向き、位置決め棒63の先端面63aが、カバー部材60に対向するケーシング2の壁の内面に対して所定のギャップを持って位置付けられる。このようなギャップが形成されるように位置決め棒63の長さLを設定することにより、ケーシング2内におけるカバー部材60の大まかな位置決めを行うことができるとともに、カバー部材60が熱電変換モジュール110に押圧力を付加することを防止できる。また、カバー部材60の収容部61に、寸法的にある程度の余裕を持たせることより、カバー部材60が熱伸びした場合であっても、カバー部材60が接着剤40や電気配線42に接触して擦れることを防止できる。
このように本実施の形態によれば、熱電変換モジュール110とモジュール枠30とをシールする接着剤40、および電気配線42が、カバー部材60によって覆われるため、水の強い流れに晒されることを防止できる。このことにより、水の流れによって接着剤40および電気配線42が削れたり、破損したりすることを防止でき、熱電発電装置1の品質を向上させることができる。
なお、上述した本実施の形態においては、カバー部材60は、熱電変換モジュール110とモジュール枠30とをシールする接着剤40および電気配線42を覆っている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、カバー部材60は、接着剤40および電気配線42のいずれか一方を覆うようにしてもよい。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による熱電発電装置は、上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。
1 熱電発電装置
3 温水
4 冷水
30 モジュール枠
31 モジュール孔
32 薄肉部分
34 第1延長部分
35 第2延長部分
37 隙間
40 接着剤
41 シール剤
42 電気配線
43 配線取出部
44 配線取出孔
50 溝
51 蓋
60 カバー部材
110 熱電変換モジュール
112a 第1の電極
112b 第2の電極
113a 第1の絶縁板
113b 第2の絶縁板
110a、110b 伝熱面
3 温水
4 冷水
30 モジュール枠
31 モジュール孔
32 薄肉部分
34 第1延長部分
35 第2延長部分
37 隙間
40 接着剤
41 シール剤
42 電気配線
43 配線取出部
44 配線取出孔
50 溝
51 蓋
60 カバー部材
110 熱電変換モジュール
112a 第1の電極
112b 第2の電極
113a 第1の絶縁板
113b 第2の絶縁板
110a、110b 伝熱面
Claims (14)
- 熱電発電装置であって、
二種類の電極をそれぞれ絶縁板で覆った熱電変換モジュールと、
モジュール孔を有するモジュール取付部材と、を備え、
前記熱電変換モジュールは、前記モジュール取付部材の前記モジュール孔にはめ込まれ、
当該熱電発電装置は、前記絶縁板の伝熱面が流体に接触する構造を有し、
前記モジュール取付部材の材質は、伸縮性により、当該モジュール取付部材の熱変形を吸収する材質である、ことを特徴とする熱電発電装置。 - 前記モジュール取付部材がゴムにより形成されている、ことを特徴とする請求項1に記載の熱電発電装置。
- 複数の前記熱電変換モジュールを備え、
隣り合う前記熱電変換モジュールを接続する電気配線が、前記モジュール取付部材に設けられた溝に収容されている、ことを特徴とする請求項1または2に記載の熱電発電装置。 - 前記溝に収容された前記電気配線は、蓋によって覆われている、ことを特徴とする請求項3に記載の熱電発電装置。
- 複数の前記熱電変換モジュールを備え、
隣り合う前記熱電変換モジュールの間の領域において、前記モジュール取付部材が、前記熱電変換モジュールの厚さより小さい厚さの薄肉部分を有する、ことを特徴とする請求項1または2に記載の熱電発電装置。 - 前記モジュール取付部材は、前記絶縁板の前記伝熱面に重なるように延びる延長部分を有する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱電発電装置。
- 前記モジュール取付部材は、一方の前記絶縁板の前記伝熱面に重なるように延びる第1延長部分と、前記第1延長部分とは別体に形成され、他方の前記絶縁板の前記伝熱面に重なるように延びる第2延長部分と、を有する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱電発電装置。
- 前記熱電変換モジュールから延びる電気配線を覆うカバー部材を更に備えた、ことを特徴とする請求項1または2に記載の熱電発電装置。
- 前記モジュール取付部材の前記モジュール孔は、前記熱電変換モジュールを当該モジュール孔にはめ込む際に圧入するように形成されている、ことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の熱電発電装置。
- 前記熱電変換モジュールから延びる電気配線を、前記流体の流路壁に設けられた配線取出孔に通し、前記配線取出孔を流体が流通しないようにシール処理が施された、ことを特徴とする請求項1または2に記載の熱電発電装置。
- 前記熱電変換モジュールと前記モジュール取付部材との隙間を流体が流通しないように、シール剤によるシール処理が施されている、ことを特徴とする請求項1または2に記載の熱電発電装置。
- 前記シール剤は接着性を有する、ことを特徴とする請求項11に記載の熱電発電装置。
- 前記シール剤を覆うカバー部材を更に備えた、ことを特徴とする請求項11または12に記載の熱電発電装置。
- 前記カバー部材は、前記熱電変換モジュールから延びる電気配線を覆うことを特徴とする請求項13に記載の熱電発電装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013273183A JP2015128351A (ja) | 2013-12-27 | 2013-12-27 | 熱電発電装置 |
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---|---|---|---|---|
KR101736784B1 (ko) * | 2015-07-21 | 2017-05-17 | 재단법인대구경북과학기술원 | 열전소자를 이용하는 모듈화된 발전장치 |
KR101765148B1 (ko) | 2015-10-28 | 2017-08-09 | 재단법인대구경북과학기술원 | 열전소자를 이용하는 발전시스템 및 그 운영방법 |
CN108343571A (zh) * | 2018-01-09 | 2018-07-31 | 浙江大学 | 用于热液能量收集的小型化发电装置 |
KR20190082479A (ko) * | 2018-01-02 | 2019-07-10 | 한국세라믹기술원 | 열전 모듈을 포함하는 자가 발전 수전 |
US20220136743A1 (en) * | 2019-07-22 | 2022-05-05 | Sungha Energy Co., Ltd. | Thermoelement heat exchange module |
-
2013
- 2013-12-27 JP JP2013273183A patent/JP2015128351A/ja active Pending
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