JP2016025271A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電量を低下させることなく熱電変換素子の数を減らして効果的にコストの低減が図られる熱電変換装置を提供する。【解決手段】互いに対向配置される高温側の板部２２および低温側の板部１２と、高温側の板部２２を加熱する加熱流体が流される加熱流路２３と、板部１２，２２の間に配置されて温度差が付与される熱電変換モジュール４０とを備える。熱電変換モジュール４０は、高温側および低温側の電極４５と、これら電極４５間にマトリックス状に配列される熱電変換素子４１とを有し、熱電変換素子４１の、少なくとも加熱流体の流れ方向あるいは流れ方向に直交する横断方向の少なくとも一方の方向の配列ピッチが、流れ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって所定のパターンでしだいに粗になる領域を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、例えば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等の熱電変換装置に関する。

上記熱電変換式発電装置は、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て、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するもので、温度差が大きいほど発電量が大きくなることが知られている。このような熱電変換素子は、複数を電極によって接合してマトリックス状に配列した熱電変換素子モジュールという形態で用いられる。例えば、管体の外面に熱電変換モジュールと低温部とを積層して管体の内部の加熱流路に加熱流体を導入して流すことで、加熱される管体（高温部）と低温部との間に挟んだ熱電変換モジュールに温度差を生じさせて電気を取り出す構成の熱電変換式発電装置が知られている（特許文献１）。

特開２００６−２１７７５６号公報

ところで、加熱流路を流れる加熱流体は、上流側から下流側に向かうにしたがい熱交換されていくことで温度はしだいに下がっていき、熱電変換素子に付与される温度差もしだいに小さくなっていく。このため、熱電変換素子の発電量も下流側に配置されるものほど低下する。したがってマトリックス状に配列される熱電変換素子を均等に配分しても、下流側においては発電量が低下するにもかかわらず多くの熱電変換素子が存在することになる。これは熱電変換素子の搭載数を必要以上に多くすることになり、コストの上昇を招く要因となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、発電量を低下させることなく熱電変換素子の数を減らして効果的にコストの低減が図られる熱電変換装置を提供することを目的としている。

本発明の熱電変換装置は、互いに対向配置される高温側の板部および低温側の板部と、前記高温側の板部を加熱する加熱流体が流される加熱流路と、前記高温側の板部および前記低温側の板部の間に配置され、該高温側の板部および該低温側の板部によって温度差が付与される熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換装置であって、前記熱電変換モジュールは、前記高温側の板部および前記低温側の板部のそれぞれに対向して配置される複数の電極と、これら電極間にマトリックス状に配列される複数の熱電変換素子と、を有し、前記複数の熱電変換素子は、前記加熱流路を流れる前記加熱流体の流れ方向および該流れ方向に直交する横断方向に配列されており、前記熱電変換素子の、少なくとも前記流れ方向あるいは前記横断方向の少なくとも一方の方向の配列ピッチが、該流れ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって所定のパターンでしだいに粗になる領域を有することを特徴とする（請求項１）。

本発明によれば、発電量が低下する下流側に向かうにしたがって熱電変換素子の配列ピッチを粗にすることで、発電量の低下の程度に追従させて熱電変換素子の搭載数をしだいに少なくしている。これによって下流側での熱電変換素子を無駄に搭載することなく、１つ１つの熱電変換素子の発電量を従来通りのものにしながら、熱電変換素子の搭載数を必要最低限度に抑えることができる。

本発明による前記熱電変換素子の前記配列ピッチが粗になるパターンは、隣接する２つの熱電変換素子間のピッチがしだいに粗になる形態（請求項２）、あるいは、同じピッチの複数の熱電変換素子を１組とし、組単位でしだいに粗になる形態（請求項３）が挙げられる。

本発明によれば、発電量を低下させることなく熱電変換素子の数を減らして効果的にコストの低減が図られる熱電変換装置が提供され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の発電装置の斜視図である。 同発電装置の正面図である。 図２のIII−III断面図である。 実施形態の熱電変換素子の配列パターン１を示す図である。 実施形態の熱電変換素子の配列パターン２を示す図である。 実施形態の熱電変換素子の配列パターン３を示す図である。 実施形態の熱電変換素子の配列パターン４を示す図である。

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基本構成
図１および図２は、本発明の熱電変換装置を適用した熱電変換式発電装置１を示している。この発電装置１は、全体が扁平な直方体状であって、上下方向（図１でＺ方向）に離間して配設された低温室１０と高温室２０との間に、モジュール室３が形成された三層構造を有している。

低温室１０および高温室２０は、それぞれ扁平な管体１１，２１から構成されており、これら管体１１，２１がモジュール室３０を挟んで平行に配設されている。上下の管体１１，２１は、左右方向（図１でＸ方向）両端が連結板３１で連結されている。低温室１０、高温室２０およびモジュール室３０は、前後方向（図１でＹ方向）に貫通している。低温室１０内は冷却水等の冷却媒体が貫通方向に沿って流される冷却流路１３を構成し、高温室２０内は加熱ガス等の加熱流体が貫通方向に沿って流される加熱流路２３を構成する。管体１１，２１および連結板３１は、例えばＳＵＳ４４４等の耐熱性、耐酸化性を有するステンレス等の金属で作製され、連結板３１は管体１１，２１に例えばろう付け等の固着手段で固着される。

モジュール室３０は、管体１１，２１の互いに対向する板部１２，２２と、左右の連結板３１とによって形成される。低温室１０側の板部１２は冷却流路１３に流される冷却媒体によって冷却され、高温室２０側の板部２２は加熱流路２３に流される加熱流体で加熱される。以下、各板部１２，２２を、必要に応じて低温側の板部１２、高温側の板部２２と言う。冷却流路１３および加熱流路２３には、各板部１２，２２への熱伝導効率を向上させるフィンを設けることができる。

モジュール室３０内には、熱電変換モジュール４０が配設されている。熱電変換モジュール４０は、図３に示すように、マトリックス状に配列された複数の直方体状の熱電変換素子４１と、これら熱電変換素子４１を直列に接続する複数の電極４５とから構成される。熱電変換素子４１には、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。

電極４５は、低温側の板部１２に対向して配置される低温側電極４５１と、高温側の板部２２に対向して配置される高温側電極４５２に分けられ、低温側電極４５１と高温側電極４５２との間に、熱電変換素子４１が配置されている。電極４５は、隣接する熱電変換素子４１間にまたがって１つの電極４５が配設され、熱電変換素子４１の上下の面にそれぞれ固着される。電極４５は、各板部１２，２２に対し絶縁された状態で固定される。

上記構成からなる発電装置１では、高温室２０内の加熱流路２３に高温の加熱流体を流して高温側の板部２２を加熱する。また、低温室１０内の冷却流路１３に冷却媒体を流して低温側の板部１２を冷却する。加熱流路２３に流される加熱流体の熱によって高温側の板部２２が加熱され、加熱された高温側の板部２２の熱は、熱電変換モジュール４０の高温側電極４５２を介して熱電変換素子４１に伝わる。一方、冷却媒体で冷却される低温側の板部１２の熱は熱電変換モジュール４０の低温側電極４５１を介して熱電変換素子４１に伝わる。これにより、熱電変換素子４１には、図２において下面側が高温、上面側が低温というように温度差が与えられる。これにより熱電変換素子４１は発電し、電極４５に接続された図示せぬ端子から電気が取り出される。

上記発電装置１では、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を上記加熱流体として利用することができる。

［２］熱電変換素子の配列パターン
図３の矢印Ａ，Ｂは、それぞれ加熱流路を流れる加熱流体の流れ方向と、この流れ方向に直交する横断方向（図１のＸ方向に相当する左右方向）をそれぞれ示している。すなわち図３では上側が加熱流体の流れ方向の上流側、下側が下流側であり、熱電変換素子４１は、モジュール室３０内の熱交換領域において、横断方向に沿った横列に複数が並び、かつ、流れ方向に沿った縦列に複数が並ぶように、マトリックス状（横列×縦列）に配列されている。

図３では、熱電変換素子４１は縦列と横列の配列ピッチ（隣接する熱電変換素子間の中心間隔）が均等に図示されているが、本発明の実施形態では、熱電変換素子の、少なくとも流れ方向あるいは横断方向の少なくとも一方の方向の配列ピッチが、流れ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって所定のパターンでしだいに粗になる領域を有するものとしている。

以下、その配列パターン例を図４〜図７により挙げる。なお、これら図では、熱交換領域内での上流側（破線の上側）は熱電変換素子４１が均等、かつ密な状態に配置される「密領域」である。そして、破線の下側である下流側が、上流側から下流側に向かうにしたがって熱電変換素子４１の配列ピッチが所定のパターンでしだいに粗になる「粗領域」である。

［２−１］配列パターン１
図４に示すように、粗領域において、横列の熱電変換素子４１のピッチは密領域と変わらず均等とし、加熱流体の流れ方向（矢印Ａ方向）に沿った縦列においては、上流側から下流側に向かうにしたがって１つずつしだいに配列ピッチを広げて粗の状態とする。すなわち粗領域の縦列が、上流側から下流側に向かうにしたがって、縦方向に隣接する２つの熱電変換素子４１間のピッチがしだいに粗になっている。

［２−２］配列パターン２
図５に示すように、粗領域において、縦列の熱電変換素子４１のピッチは密領域と変わらず均等とし、流れ方向に直交する横列においては、上流側から下流側に向かうにしたがって１つずつしだいに配列ピッチが広がって粗の状態とする。すなわち粗領域の横列が、上流側から下流側に向かうにしたがって、横方向に隣接する２つの熱電変換素子４１間のピッチがしだいに粗になっている。

［２−３］配列パターン３
図６に示すように、粗領域において、横列および縦列のピッチが密領域と同じ横２列の熱電変換素子４１を１組のグループＧ１とし、この１組のグループＧ１単位で、上流側から下流側に向かうにしたがって１組ずつしだいに縦方向の配列ピッチを広げて粗の状態とする。

［２−４］配列パターン４
図７に示すように、粗領域において、縦列のピッチが密領域と同じ縦３列の熱電変換素子４１を１組のグループＧ２とし、この１組のグループＧ２単位で、上流側から下流側に向かうにしたがって１組ずつしだいに横方向の配列ピッチを広げて粗の状態とする。

［３］実施形態の作用効果
加熱流路２３を流れる加熱流体は、上流側から下流側に向かうにしたがい熱交換されていくことで温度はしだいに下がっていき、熱電変換素子４１に付与される温度差もしだいに小さくなっていくことから、熱電変換素子４１の発電量も下流側に配置されるものほど低下することは上述した通りである。

ここで、図４〜図７に示した熱電変換素子４１の配列パターンは、発電量が低下する下流側に向かうにしたがって熱電変換素子４１の配列ピッチを粗にすることで、発電量の低下の程度に追従させて熱電変換素子４１の搭載数がしだいに少なくなっている。このような配列パターンを採用することにより、下流側での熱電変換素子４１を無駄に搭載することなく、１つ１つの熱電変換素子４１の発電量を従来通りのものにしながら、熱電変換素子４１の搭載数を必要最低限度に抑えることができる。その結果、熱電変換素子４１の数を減らして効果的にコストの低減を達成することが可能となる。

なお、熱電変換素子４１の配列ピッチが加熱流体の上流側から下流側に向かうにしたがってしだいに粗になる配列パターンは図示例に限定されず、例えば上記配列パターン１と２を組み合わせたパターン等も可能である。また、熱電変換素子４１の性能や加熱流体の温度低下の程度等の要素に応じて、最適なパターンが採用される。本発明は、熱電変換素子の配列パターンが加熱流体の上流側から下流側に向かうにしたがってしだいに粗になる要件を満足するものであれば、そのパターンはあらゆるものを含む。

１…発電装置（熱電変換装置）
１２…低温側の板部
２２…高温側の板部
２３…加熱流路
４０…熱電変換モジュール
４５…電極
４１…熱電変換素子
Ａ…流れ方向
Ｂ…横断方向

Claims (3)

1. 互いに対向配置される高温側の板部および低温側の板部と、
   前記高温側の板部を加熱する加熱流体が流される加熱流路と、
   前記高温側の板部および前記低温側の板部の間に配置され、該高温側の板部および該低温側の板部によって温度差が付与される熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換装置であって、
   前記熱電変換モジュールは、前記高温側の板部および前記低温側の板部のそれぞれに対向して配置される複数の電極と、これら電極間にマトリックス状に配列される複数の熱電変換素子と、を有し、
   前記複数の熱電変換素子は、前記加熱流路を流れる前記加熱流体の流れ方向および該流れ方向に直交する横断方向に配列されており、
   前記熱電変換素子の、少なくとも前記流れ方向あるいは前記横断方向の少なくとも一方の方向の配列ピッチが、該流れ方向の上流側から下流側に向かうにしたがって所定のパターンでしだいに粗になる領域を有することを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱電変換素子の前記配列ピッチが粗になるパターンが、隣接する２つの熱電変換素子間のピッチがしだいに粗になることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記熱電変換素子の前記配列ピッチが粗になるパターンが、同じピッチの複数の熱電変換素子を１組とし、組単位でしだいに粗になることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。

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