JP2017135360A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成によって熱回収性能と発電性能とを両立できる熱電発電装置を提供する。
【解決手段】熱電発電装置１００は、内部に第１流体が流れる管７と、内部に熱電変換素子２を有する発電モジュール１と、を備える。熱電発電装置１００は、第１流体よりも高温の第２流体の熱が発電モジュール１の一方側部に熱移動するように発電モジュール１の一方側部に接触する第１保持部材３、第２保持部材４を備える。第１保持部材３、第２保持部材４は、管７が発電モジュール１の他方側部に接触するように発電モジュール１と管とを熱移動可能な状態に保持する。熱電発電装置１００は、保持部材と管７とに挟まれて第２流体から第１流体へ熱が移動する熱移動経路を構成し、第２流体の流れ方向について発電モジュール１よりも下流に設けられる熱伝導部材６を備える。
【選択図】図１

Description

この明細書における開示は、ゼーベック効果により熱エネルギを電力エネルギに変換する熱電発電装置に関する。

熱電発電装置において、発電性能は排熱回収量と発電効率との乗算値に基づいて決定されるものであり、さらに排熱回収量と発電効率は互いにトレードオフの関係にある。高い発電性能を得るためには、排熱回収量と発電効率の乗算値が高い状態に制御する必要がある。このときの排熱回収量は、熱電発電を伴わない排熱回収装置と比較して低下するという問題がある。排熱回収量が低下すると、例えば、エンジンスタート時にエンジンを暖気する性能が損なわれることがある。

そこで、特許文献１の排熱活用システムは、排気ガスがバイパスされるバイパス通路と、排気管の外部に付着される熱電変換素子と、内部に排気ガスが通過して冷却水を加熱させる第１排気ガス通路と、第１排気ガス通路を開閉する第１バルブと、を備える。さらに当該システムは、排気管の内周面とバイパス通路の外周面との間に設けられる第２排気ガス通路と、バイパス通路の後端に配されてバイパス通路を開閉する第２バルブと、を備える。

当該システムでは、車両の初期始動時に、第１バルブは第１排気ガス通路を開放し、第２バルブはバイパス通路を閉鎖する。排気ガスは第１排気ガス通路を流れ冷却水を加熱するので排熱回収が行われる。

車両の走行時には、第１バルブは第１排気ガス通路を閉鎖し、第２バルブはバイパス通路を閉鎖し、排気ガスは第２排気ガス通路を流れて熱電変換素子の一側面を加熱する。これにより、熱電変換素子の両側面の間には温度差が発生し、この温度差によって熱電変換素子の内部に電気が発生し、熱電変換素子によって生産された電気はバッテリーに充電される。

車両の過負荷走行時には、第１バルブは第１排気ガス通路を閉鎖し、第２バルブはバイパス通路を開放する。排気ガスは、第２排気ガス通路に少量流動し、バイパス通路に大半が流動する。このように排気ガスは、大半がバイパス通路に流動して、熱電変換素子をバイパスするようになる。

特開２０１５−５７５４７号公報

特許文献１のシステムは、前述したように車両の走行モードに応じて高温流体の流路を切換えて高温流体からの熱利用状態を変更することで、前述の排熱回収量の低下という課題を解決しようとしている。しかしながら、特許文献１のシステムは、流路切換えのための構成要素を必要とするので、装置の構成が複雑になり、また流路切換えのための制御も必要になる。

このような課題に鑑み、この明細書における開示の目的は、簡単な構成によって熱回収性能と発電性能とを両立できる熱電発電装置を提供することである。

この明細書に開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。また、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であって、技術的範囲を限定するものではない。

開示された熱電発電装置のひとつは、内部に第１流体が流れる管（７）と、内部に熱電変換素子（２）を有する発電モジュール（１）と、第１流体よりも高温である第２流体の熱が発電モジュールの一方側部に熱移動するように発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材であって、管が発電モジュールの他方側部に直接または間接的に接触するように発電モジュールと管とを熱移動可能な状態に保持する保持部材（３，４；１０３，１０４）と、熱伝導性を有し保持部材と管とに挟まれて第２流体から第１流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材（６）と、を備え、熱伝導部材は第２流体の流れ方向について発電モジュールよりも下流で保持部材と管とに挟まれる熱電発電装置である。

この熱電発電装置によれば、熱伝導部材が発電モジュールよりも第２流体流れの下流で熱移動経路を構成するため、第２流体から保持部材を介して発電モジュールへ熱移動した後に、熱伝導部材を介して管へ熱移動させることができる。これにより、第２流体の熱を第２流体の流れ方向全体にわたって発電モジュールを通じて管へ移動させる従来の装置に比べて、第２流体から第１流体への熱回収量を大きくすることができる。さらに、第２流体は、熱伝導部材を介して第１流体に熱回収される前に、発電モジュールに熱エネルギを与えるため、発電モジュールにおいて電気エネルギへの変換量を確保でき、発電性能を確保することもできる。また、熱電発電装置は、下流側での熱伝導部材を介した熱回収量を適正に設定することにより、バランスのとれた発電性能と熱回収性能を実現することができる。したがって、簡単な構成によって熱回収性能と発電性能とを両立できる熱電発電装置を提供できる。

開示された熱電発電装置のひとつは、内部に第１流体が流れる管（７）と、それぞれ内部に熱電変換素子（２）を有する複数の発電モジュール（１）と、第１流体よりも高温である第２流体の熱が発電モジュールの一方側部に熱移動するように発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材であって、管が発電モジュールの他方側部に直接または間接的に接触するように発電モジュールと管とを熱移動可能な状態に保持する保持部材（３，４；１０３，１０４）と、熱伝導性を有し保持部材と管とに挟まれて第２流体から第１流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材（６）と、を備え、熱伝導部材は第２流体の流れ方向に並ぶ発電モジュールと発電モジュールの間のうち少なくとも一つで保持部材と管とに挟まれる熱電発電装置である。

この熱電発電装置によれば、熱伝導部材が発電モジュールと発電モジュールの間で熱移動経路を構成するため、熱伝導部材よりも上流において第２流体から保持部材を介して発電モジュールへ熱移動した後に、熱伝導部材を介して管へ熱移動させることができる。これにより、第２流体の流れ方向全体にわたって第２流体から発電モジュールを通じて管へ熱移動させる従来の装置に比べて、第２流体から第１流体への熱回収量を大きくすることができる。さらに、第２流体は、熱伝導部材を介して第１流体に熱回収される部位よりも上流の部位で発電モジュールに熱エネルギを与えるため、発電モジュールにおいて電気エネルギへの変換量を確保でき、発電性能を確保することもできる。また、熱電発電装置は、発電モジュールと発電モジュールの間での熱伝導部材を介した熱回収量を適正に設定することにより、バランスのとれた発電性能と熱回収性能を実現することができる。したがって、この熱電発電装置は、簡単な構成によって熱回収性能と発電性能とを両立できる。

第１実施形態の熱電発電装置の一部を示す斜視図である。 熱電発電装置を示す斜視図である。 図２の矢印III方向にみた熱電発電装置を示す平面図である。 図３の矢印IV方向にみた熱電発電装置を示す側面図である。 発電モジュールよりも高温流体流れの下流側に位置する熱伝導部材を示す部分拡大図である。 熱電発電装置において、熱伝導部材の幅寸法と高温流体側における温度効率との関係を説明するためのグラフである。 第２実施形態の熱電発電装置の一部を示す斜視図である。 第３実施形態に係る熱伝導部材を示す断面図である。 第４実施形態の熱電発電装置の一部を示す斜視図である。 熱伝導部材と接合部を示した部分拡大図である。

以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態に一形態としての熱電発電装置１００を開示する。第１実施形態について図１〜図６を参照して説明する。熱電発電装置１００は、ゼーベック効果により熱エネルギを電力エネルギに変換して発電することができる装置である。熱電発電装置１００は、熱電変換素子を有する発電モジュールにおいて一方側と他方側とに温度差が与えられると、電位差が生じて電子が流れる現象を利用して発電する。熱電発電装置１００では、低温の第１流体と第１流体よりも高温である第２流体とを用いて発電モジュールの両側に温度差を与える。第１流体、第２流体には、温度差を与えることが可能な任意の流体を採用することができる。この実施形態では、任意に選択可能な第１流体および第２流体の一例として、第１流体として自動車エンジンの冷却水を用い、第２流体として自動車エンジンから排出される排気ガスを用いる場合について説明する。以下、第１流体を低温流体と称し、第２流体を低温流体よりも高温の高温流体と称することがある。

熱電発電装置１００は、高温流体が流れる第１通路と、低温流体が流れる第２通路と、一方側で高温流体と他方側で低温流体とそれぞれ熱移動可能に設けられる発電モジュール１と、各流体と発電モジュール１との熱交換を促進する熱伝導部材６と、を備える。熱電発電装置１００は、さらに低温流体および高温流体と発電モジュール１との熱移動を確保するように各部材同士の密着性を高める第１保持部材３および第２保持部材４を備える。第１保持部材３および第２保持部材４は、以下に保持部材３，４とも称する。

熱伝導部材６は、それ自身が熱伝導可能な材質で構成されている。熱伝導部材６は、熱伝導性を有する任意の材質で形成されている部材である。任意の材質には、例えば、アルミニウム、銅等の金属、グラファイト、熱伝導性を有する材料を含む樹脂等を用いることができる。熱伝導部材６の熱伝導性能は、発電モジュール１の熱伝導性能よりも高いことが好ましい。

熱伝導部材６は、板状、中実のブロック状、扁平な直方体状等の任意の形状とすることができる。熱伝導部材６は、第１保持部材３と管７に挟まれ、また第２保持部材４と管７に挟まれて、これらの両者に密着可能な形状とすることが好ましい。熱伝導部材６は、発電モジュール１と同様の体積、外形形状であることが好ましい。熱伝導部材６は、発電モジュール１と同程度の厚さ寸法であることが好ましい。

各発電モジュール１は熱電変換素子２を有する。熱電変換素子２は、扁平状の箱体であるケースの内部に複数個収納されている。図１に示すように、発電モジュール１の内部には、複数の熱電変換素子２が高温流体の流れ方向Ｆ１に並んで設置されている。熱電変換素子２の酸化防止のため、ケースの内部は、例えば、真空状態であったり、不活性ガスが充填されたりする。このケースは内部の空間を封止する気密ケースでもある。ケースは、例えばステンレス材により形成されている。

熱電変換素子２は、交互に配列されるＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とが網状に連結されて構成されている。発電モジュール１は、一方の面に高温流体や高温流体と熱伝達可能な高温部が接触し、他方の面に低温流体や低温流体と熱伝達可能な低温部が接触することで、熱電変換素子２の一方側と他方側とに温度差が生じ電位差に起因する電子の移動によって発電する。

熱電発電装置１００において一方側に位置する発電モジュール１の一方の面は、高温部を構成する第１保持部材３に接触し、他方の面は、低温部を構成する管７に接触する。熱電発電装置１００において他方側に位置する発電モジュール１の一方の面は、低温部を構成する管７に接触し、他方の面は、高温部を構成する第２保持部材４に接触する。保持部材３，４は、それぞれ板状の部材によって構成することができる。第１保持部材３は、発電モジュール１の一方の面に、別部材を介して間接的に接触する構成でもよい。第２保持部材４は、発電モジュール１の一方の面に、別部材を介して間接的に接触する構成でもよい。

第１保持部材３と第２保持部材４とは両端同士が互いに溶接可能な形状に形成されている。この形状は、鋳造または折り曲げ加工によって形成することができる。この形状として、第１保持部材３はほぼ直角をなす湾曲部よりも先端側に位置する接合部３ａを両端側に有し、第２保持部材４はほぼ直角をなす湾曲部よりも先端側に位置する接合部４ａを両端側に有する。接合部３ａと接合部４ａは、重ね合わされて、管７の中を流れる低温流体の流れ方向Ｆ２に平行な方向に延びる重ね合わせ部を形成する。この重ね合わせ部は、例えば、シーム溶接、レーザー溶接によって互いに溶接されている。このようにして管７は、第１保持部材３および第２保持部材４から与えられる圧縮力によって、２つの発電モジュール１と２つの熱伝導部材６とで挟まれて保持されている。圧縮力は、図１において白抜き矢印で示される方向に作用する力である。

２つの熱伝導部材６は、高温流体の流れ方向Ｆ１について２つの発電モジュール１よりも下流で管７を挟むようにして保持される。このように２つの熱伝導部材６は、高温流体から低温流体に向けて熱移動が行われる、高温流体流れ全体における最下流に設けられている。各熱伝導部材６は、第１通路と第２通路との間で熱移動が行われる範囲の最下流に設けられている。各熱伝導部材６は、第１通路と第２通路とを繋ぐ伝熱経路を高温流体流れの最下流において構成する。熱伝導部材６は、流れ方向Ｆ２について発電モジュール１と同様の長さを有し、流れ方向Ｆ２に熱電変換素子２が存在する箇所に対して高温流体流れの上流に存在するように設けられる。

熱伝導部材６は、前述の圧縮力によって保持されており、管７、第１保持部材３、第２保持部材４に対して個別に固定される構造を有していない。つまり、熱伝導部材６は、各部材の膨張や収縮に応じて、管７、第１保持部材３、第２保持部材４に対して高温流体の流れ方向Ｆ１に変位可能である。したがって、高温流体および低温流体によりもたらされる温度差によって各部材が膨張や収縮したとしても、熱伝導部材６は変位可能であるので、各部材の歪みによる応力を軽減したり、部材間の熱膨張差を吸収したりすることができる。

この溶接に伴う第１保持部材３と第２保持部材４との接合により、第１保持部材３と第２保持部材４とによって囲まれる空間である内部空間３０が形成される。この内部空間３０には、２つの発電モジュール１と管７とが収納されている。

管７は、例えばステンレス製、アルミニウム製であり、内部に低温流体が流れる複数の内部通路に区切られる第２通路を有する。第１保持部材３には、発電モジュール１とは反対側の面に外側フィン５が設けられている。第２保持部材４には、発電モジュール１とは反対側の面に外側フィン５が設けられている。外側フィン５は、外側フィン５に接触する高温流体が流れる第１通路に設けられている。

第１実施形態の熱電発電装置１００は、内部に低温流体が流れる扁平な表裏の外表面を持つ管７と、管７を挟むように管７の外表面に接触し内部に熱電変換素子２を有する２つの発電モジュール１と、を備える。鉄板またはステンレス板で形成される第１保持部材３は、一方の発電モジュール１において管７とは反対側に位置する表面に接触している。鉄板またはステンレス板で形成される第２保持部材４は、他方の発電モジュール１において管７とは反対側に位置する表面に接触している。第１保持部材３において発電モジュール１とは反対側に位置する表面には、ステンレスまたはアルミニウム製の外側フィン５がろう付け等により接合されている。第２保持部材４において発電モジュール１とは反対側に位置する表面には、ステンレスまたはアルミニウム製の外側フィン５がろう付け等により接合されている。

外側フィン５は板材を波型に折り曲げて形成される。外側フィン５は波の進行方向に剛性が弱く、波の重なり方向に剛性が強くなる剛性上の特性をもつ。このような外側フィン５が第１保持部材３にロウ付けされることにより、第１保持部材３の剛性を強化することができる。この結果、第１保持部材３と発電モジュール１との間や第２保持部材４と発電モジュール１との間に熱伝達を阻害する隙間が生じにくくなる。さらに第１保持部材３と熱伝導部材６との間や第２保持部材４と熱伝導部材６との間に熱伝達を阻害する隙間が生じにくくなる。

この隙間が生じる可能性のある接触部には、グラファイトシート、熱伝導性を有するグリスなどの熱伝導部材を介在させてもよい。このような熱伝導部材を接触部に設けることで、接触部に隙間ができる要因となる多少の高低差または凹凸を吸収でき、熱伝導性を確保することに貢献できる。

外側フィン５には、方向Ｆ１に隣り合うフィン同士の位置が方向Ｆ１に対して直交する方向に所定距離オフセットするように設けられるオフセットフィンが採用されている。外側フィン５は、複数の波部を有して構成される。この複数の波部は、波の進行方向が低温流体の流れ方向Ｆ２であり、波の重なり方向が高温流体の流れ方向Ｆ１である。

これによれば、波と波の間を高温流体が流れやすく、さらに外側フィン５は、高温流体の流れ方向Ｆ１の剛性を強くすることができる。この結果、外側フィン５が接合された第１保持部材３と第２保持部材４も流れ方向Ｆ１の剛性を強くすることができる。一方、第１保持部材３および第２保持部材４は、流れ方向Ｆ１の両端に互いに接近して溶接される接合部３ａと接合部４ａを有している。この接合部３ａと接合部４ａの溶接により発電モジュール１や熱伝導部材６を管７に押し付ける応力を発生している。したがって、この応力に対する剛性を外側フィン５によって強くすることができるので、各部材同士の密着性を確保することができる。

接合された状態の第１保持部材３と第２保持部材４は、例えば流れ方向Ｆ１の長さが１３０ｍｍ〜２００ｍｍの範囲に含まれる寸法に設定されている。第１保持部材３と第２保持部材４とによって挟まれて保持される管７や外側フィン５は、例えば流れ方向Ｆ１の長さが８５ｍｍ〜１５５ｍｍの範囲に含まれる寸法に設定されている。管７は、例えば流れ方向Ｆ２の長さが約１６０ｍｍの寸法に設定されている。熱電発電装置１００は、例えば図４に図示する積層方向の長さＷ、すなわち外側フィン５の先端間の長さが約３５ｍｍの寸法に設定されている。

第１保持部材３と第２保持部材４とは、組み付け時において、接合部３ａと接合部４ａとが互いに重なる部分を増加させるように、図１の白抜き矢印で示す方向に加圧されている。この加圧された状態で接合部３ａと接合部４ａは、互いにシーム溶接またはレーザー溶接よって溶接されている。

これにより、第１保持部材３と第２保持部材４は、発電モジュール１を挟みこむ応力を作用させた製品を提供する。さらに発電モジュール１および熱伝導部材６は、第１保持部材３と第２保持部材４と管７との両方に密接している。この加圧力は、管７と発電モジュール１との間、発電モジュール１と第１保持部材３および第２保持部材４との間に作用し、これらの部材間に接触部を形成する。また加圧力は、管７と熱伝導部材６との間、熱伝導部材６と第１保持部材３および第２保持部材４との間に作用し、これらの部材間に接触部を形成する。

接合部３ａと接合部４ａの溶接は、低温流体が流れる方向に沿って延伸する溶接部を形成するシーム溶接またはレーザー溶接で提供される。これによれば、接合部３ａと接合部４ａを強固に溶接することができる。さらに接合部３ａの先端面３ｂに溶接部を形成してもよい。

熱電発電装置１００は、図１の上方から下方に向けて外側フィン５、第１保持部材３、発電モジュール１および熱伝導部材６、管７、発電モジュール１および熱伝導部材６、第２保持部材４、外側フィン５が並ぶ積層体を構成する。例えば低温流体は、図２〜図４に図示するように高温流体と直交する方向に流れる。外側フィン５は波状に延伸する方向に伸び縮みしやすく剛性が弱く、この方向に対して直交する方向には伸び縮みしにくく剛性が高い。

第１保持部材３と第２保持部材４には、図１の白抜き矢印で示す方向の加圧力が作用するため、曲げ応力が加わる。このため、この曲げ応力に耐える剛性を有することが好ましい。したがって、外側フィン５は高温流体の流れ方向Ｆ１の剛性を強くし、方向Ｆ１に対して直交する方向の剛性を弱くなるように設定されている。

第１保持部材３および第２保持部材４は、発電モジュール１の端部よりも外側で曲げられて弾性変形している。このため、発電モジュール１の端部では接触部を維持しながら、弾性変形した第１保持部材３と第２保持部材４とが元に戻ろうとする反力によって発電モジュール１、熱伝導部材６、第１保持部材３、第２保持部材４および管７の密着性を確保することができる。

図５に示すように、熱伝導部材６と管７との間、熱伝導部材６と第１保持部材３との間、熱伝導部材６と第２保持部材４との間には、熱的連絡部材８として、熱伝導性を有するグリスやグラファイトシートを介在させることが好ましい。この構成によれば、熱的連絡部材８によって部材間における熱抵抗の低減が図れ、熱伝導部材６を介した高温流体と低温流体との間の効率的な熱移動を実現できる。

グラファイトシートは、非常に高い熱伝導率を有する。例えば、グラファイトシートは、銅やアルミニウムの２倍以上の熱伝導率を有するもの採用することが好ましい。グラファイトシートは、薄く、柔軟なシートであり、変形や加工が容易である。グラファイトシートは高分子フィルムを熱分解してグラファイト化することにより、製造することができる。また、グラファイトシートは、単結晶に近い構造を持つ高配向性を有するものであることが好ましい。

また、熱的連絡部材８は、熱伝導部材６、管７、第１保持部材３、第２保持部材４よりも、外力によって変形しやすく硬度が低い部材であることが好ましい。この構成によれば、熱的連絡部材８は、各部材の膨張や収縮に応じて変形可能であるため、管７、第１保持部材３、第２保持部材４に対して熱伝導部材６を変位させやすくできる。したがって、高温流体および低温流体によりもたらされる温度差によって各部材が膨張や収縮したとしても、熱伝導部材６は変位しやすいので、各部材の歪みによる応力を軽減したり、部材間の熱膨張差を吸収したりする効果を高めることができる。

次に熱電発電装置１００において、熱伝導部材６の流れ方向Ｆ１の幅寸法と高温側流体の温度効率との関係を図６を参照しながら説明する。図６に示すグラフは、熱伝導部材６の流れ方向Ｆ１の幅寸法を変化させた熱電発電装置１００について、実測したデータに基づいている。この温度効率は、高温流体の入口温度から出口温度を引いた減算値を、高温流体の入口温度から低温流体の入口温度を引いた減算値で除した計算によって求められる。つまり、高温流体側の温度効率は、高温流体の熱交換前後の温度差を、両流体間における最大温度差で除して求められる。この温度効率が高いと、高温流体から低温流体への熱回収性能が高いことにもなる。

図６において熱伝導部材幅寸法がゼロであるときのプロットが、第２流体の流れ方向全体に発電モジュールを設けない熱電発電装置における温度効率を示している。熱電発電装置１００においては高温流体と低温流体との間の熱移動が、発電モジュール１よりも高温流体流れの下流において熱伝導部材６を介して促進される。これにより、第１通路に流入した高温流体は、熱電変換素子２に放熱して熱エネルギを与えた後に、熱伝導部材６を介した低温流体へ放熱する。したがって、熱電発電装置１００は、高温流体が電気エネルギに変換することになる熱エネルギを最初に与えて発電性能を確保しつつ、熱エネルギを与えた後の下流で熱伝導部材６および管７を介して低温流体へ熱回収を実施できる。

図６に図示するように、熱電発電装置１００における温度効率は、熱伝導部材幅寸法が長くなるにつれて高くなることがわかる。図６において斜線で示した領域は、熱電発電機能を有さない排熱回収装置の場合に相当する温度効率を示している。図６には、熱伝導部材幅寸法を長くすることによって、この排熱回収装置に相当する温度効率に近づくことが示されており、熱伝導部材幅寸法を長く設定することで、発電を行いつつ、熱回収性能を高めることができる。

次に、第１実施形態の熱電発電装置１００がもたらす作用効果について説明する。熱電発電装置１００は、内部に第１流体が流れる管７と、内部に熱電変換素子２を有する発電モジュール１と、第１流体よりも高温である第２流体の熱が発電モジュールの一方側部に熱移動するように発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材とを備える。保持部材は、管７が発電モジュール１の他方側部に直接または間接的に接触するように発電モジュール１と管７とを熱移動可能な状態に保持する。さらに熱電発電装置１００は、熱伝導性を有し保持部材と管７とに挟まれて第２流体から第１流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材６を備える。熱伝導部材６は第２流体の流れ方向について発電モジュール１や熱電変換素子２よりも下流で保持部材と管７とに挟まれる。

この熱電発電装置１００によれば、熱伝導部材６が発電モジュール１よりも第２流体流れの下流で熱移動経路を構成する。この構成により、第２流体の熱が保持部材を介して発電モジュール１に移動した後に、熱伝導部材６を介して管７へさらに熱移動させることができる。つまり、第２流体流れの下流側で第１流体への熱回収を高めるとともに、これよりも上流側で発電モジュール１に熱を与えて温度差を確保することができる。これにより、第２流体の熱を第２流体の流れ方向全体にわたって発電モジュール１を通じて管７へ移動させる従来の装置に比べて、発電モジュール１を介さない熱経路を有するので、第２流体から第１流体への熱回収量を大きくすることができる。

さらに、第２流体は、熱伝導部材６を介して第１流体に熱回収される前に、発電モジュール１に熱エネルギを与える。これにより、発電モジュール１において電気エネルギへの変換量を確保でき、発電性能を確保することもできる。また、熱電発電装置１００は、下流側での熱伝導部材６を介した熱回収量を適正に設定することにより、バランスのとれた発電性能と熱回収性能を実現することができる。以上より、熱電発電装置１００は、簡単な構成によって熱回収性能と発電性能とを両立できる。例えば、熱電発電装置１００は、流路切換えに関わる機構を不要にでき、部品点数、製品重量、製品体格の抑制に貢献できる。

熱電発電装置１００は、熱伝導部材６、発電モジュール１および管７を含む積層体を挟む保持力を提供する。この積層体は、管７の一方側に位置する熱伝導部材６および発電モジュール１と、管７と、管７の他方側に位置する熱伝導部材６および発電モジュール１と、を積層して形成される。つまり、複数の発電モジュール１は、第１保持部材３と第２保持部材４とで提供される保持力によって管７を挟む。複数の熱伝導部材６は、第１保持部材３と第２保持部材４とで提供される保持力によって管７を挟む。

この熱電発電装置１００によれば、第１流体が流れる管７を間においた両側で、第２流体からの熱回収を実施でき、発電モジュール１による発電を実施できる。したがって、高効率の発電および熱回収を実現し、かつ発電性能と熱回収性能と好適なバランスが図れる熱電発電装置１００を提供できる。

（第２実施形態）
第２実施形態について図７を参照して説明する。図７で第１実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、前述の実施形態と同様である。第２実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、第１実施形態と同様である。以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。

第２実施形態の熱電発電装置２００は、第１実施形態の熱電発電装置１００に対して、熱伝導部材１０６が発電モジュール１と発電モジュール１との間に設けられている点で相違する。熱伝導部材１０６は熱伝導部材６と同様の構成、材質であり、同様の作用、効果を奏する。

熱電発電装置２００は、熱伝導性を有し保持部材と管７とに挟まれて第２流体から第１流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材１０６を備える。熱伝導部材１０６は第２流体の流れ方向に並ぶ発電モジュール１と発電モジュール１の間の部位のうち少なくとも一つの部位において保持部材と管７とに挟まれる。

この熱電発電装置２００によれば、熱伝導部材１０６が第２流体の流れ方向に並ぶ発電モジュール１と発電モジュール１の間で熱移動経路を構成する。この構成により、第２流体の熱が保持部材を介して発電モジュール１に移動した後に、熱伝導部材１０６を介して管７へさらに熱移動させることができる。さらに下流で第２流体の熱が保持部材を介して発電モジュール１に移動する。つまり、発電モジュール１よりも下流側で第１流体への熱回収を高めるとともに、これよりも上流側および下流側で発電モジュール１に熱を与えて温度差を確保することができる。これにより、第２流体の熱を第２流体の流れ方向全体にわたって発電モジュール１を通じて管７へ移動させる従来の装置に比べて、発電モジュール１を介さない熱経路を発電モジュール１の相互間に有するので、第２流体から第１流体への熱回収量を増加できる。

さらに、第２流体は、熱伝導部材１０６を介して第１流体に熱回収される前に、発電モジュール１に熱エネルギを与える。これにより、発電モジュール１において電気エネルギへの変換量を確保でき、発電性能を確保することもできる。また、熱電発電装置２００は、発電モジュール１の相互間での熱伝導部材１０６を介した熱回収量を適正に設定することにより、バランスのとれた発電性能と熱回収性能を実現することができる。以上より、熱電発電装置２００は、簡単な構成によって熱回収性能と発電性能とを両立できる。例えば、熱電発電装置２００は、流路切換えに関わる機構を不要にでき、部品点数、製品重量、製品体格の抑制に貢献できる。

熱電発電装置２００における熱伝導部材１０６は、第２流体の流れ方向に並ぶ発電モジュール１と発電モジュール１の間のうちすべてにおいて保持部材と管７とに挟まれる構成でもよい。この構成によれば、熱電発電装置２００が有する複数の発電モジュール１の相互間のすべてに熱伝導部材１０６が設けられるので、発電性能を確保しつつ熱回収量を高めた熱電発電装置２００を提供できる。また、この熱電発電装置２００によれば、複数の熱伝導部材１０６を介した熱移動経路を有するので、熱回収量を適正値に近づける調整を行いやすい。

（第３実施形態）
第３実施形態について図８を参照して説明する。図８で第１実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、前述の実施形態と同様である。第３実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、前述の実施形態と同様である。以下、前述の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

第３実施形態の管１０７は、第１実施形態の管７に対して、熱伝導部材６が一体に形成された一つの部材である点で相違する。管１０７は、流れ方向Ｆ１の下流端部に管１０７の両面側から突出する熱伝導部材６を一体に備える。管１０７における熱伝導部材６は、管１０７において両側面に密接した状態で保持される発電モジュール１よりも高温流体流れの下流に位置する。管１０７は、例えば、押出成形によって形成することができる。

また、管１０７は、第２実施形態の管７に対して、熱伝導部材６が一体に形成された一つの部材であってもよい。この場合には、管１０７は、流れ方向Ｆ１に並ぶ発電モジュール１と発電モジュール１との間で、管１０７の両面側から突出する熱伝導部材６を一体に備える。管１０７における熱伝導部材６は、管１０７において両側面に密接した状態で保持される複数の発電モジュール１の相互間に位置する。

第３実施形態の管１０７によれば、熱伝導部材６と管１０７とが一つの部材で構成されるため、高温流体から低温流体へ熱移動する熱移動経路において、熱抵抗を抑えることができる。したがって、第３実施形態は、熱伝導部材６を介した熱回収性能を向上できるので、熱電変換素子２が耐熱温度を超えてしまうリスクを低減でき、熱電変換素子２の熱による劣化を抑えることに貢献する。

（第４実施形態）
第４実施形態の熱電発電装置３００について図９および図１０を参照して説明する。各図で第１実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、前述の実施形態と同様である。第４実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、前述の実施形態と同様である。以下、前述の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

図に示すように、第１保持部材１０３、第２保持部材１０４のそれぞれは、第１保持部材３、第２保持部材４のそれぞれに対して、異なる材質である複数の積層構成である点が相違する。

第１保持部材１０３は、母材１０３ａと、発電モジュール１の一方側部に接触する部位の表面と熱伝導部材６に接触する部位の表面とにおいて接合された、母材１０３ａよりも熱伝導率が高い高熱伝導性材９とを備えるクラッド材で形成されている。クラッド材は、１つの所定の金属層の表面と異なる他の金属層の表面とを圧力を加えて圧延し、接合することで形成されている。クラッド材は、クラッドメタルとも呼ばれている。クラッド材は、圧力によって金属と金属が原子間接合される圧延接合であるため、表面に接着剤等を用いずとも、剥離しにくい特性を有する。

第１保持部材１０３は、母材１０３ａと高熱伝導性材９とを含む複数の異材質層を備えて構成されている。第１保持部材１０３の高熱伝導性材９は、熱伝導部材６に直接接触し、または熱的連絡部材８を介して熱伝導部材６に間接的に接触し、発電モジュール１に接触している。高温流体の熱は、外側フィン５を介してまたは直接、母材１０３ａに移動し、母材１０３ａから高熱伝導性材９に移動し、高熱伝導性材９を介して熱伝導部材６や発電モジュール１に移動する。第１保持部材１０３の外側を流れる高温流体の熱は、外側の母材１０３ａに伝達した状態と高熱伝導性材９に伝達した状態とでは流れ方向Ｆ１の下流側に移動する速度が異なる。換言すれば、母材１０３ａに伝達した熱は、母材１０３ａ中を下流側に移動するよりも母材１０３ａから高熱伝導性材９に移動しやすい。高熱伝導性材９に伝達した熱は、母材１０３ａ中を下流側に移動する熱よりも速く高熱伝導性材９中を下流側に移動しやすい。これにより、第１保持部材１０３は、第１保持部材１０３に伝達した高温流体の熱は、発電モジュール１の一方側部に近い位置で、高熱伝導性材９によって、下流側の熱伝導部材６や発電モジュール１に伝わりやすいという特性がある。

第１保持部材１０３は、発電モジュール１の一方側部および熱伝導部材６に直接または間接的に接触する部位の表面のうち熱電変換素子２と熱伝導部材６との間に相当する部位１０３ａａにおいて、高熱伝導性材９を備えていない。この構成により、部位１０３ａａにおいては母材１０３ａと発電モジュール１とは接触することなく、両者間にはクリアランスが設けられている。部位１０３ａａは、発電モジュール１との間に、高熱伝導性材９の厚さ分離間する隙間部を形成する。したがって、部位１０３ａａにおいては、母材１０３ａから発電モジュール１への熱移動は阻害され、高熱伝導性材９を下流側へ移動する熱経路が途切れることになる。第１保持部材１０３は、部位１０３ａａにおいてあらかじめ高熱伝導性材９を被覆しないように製造することによって形成されてもよいし、高熱伝導性材９を被覆した後に部位１０３ａａにおいて高熱伝導性材９を取り除く切削加工等を施して製造するようにしてもよい。

第２保持部材１０４は、母材１０４ａと、発電モジュール１の一方側部に接触する部位の表面と熱伝導部材６に接触する部位の表面とに接合された、母材１０４ａよりも熱伝導率が高い高熱伝導性材９とを備えるクラッド材で形成されている。第２保持部材１０４は、母材１０４ａと高熱伝導性材９とを含む複数の異材質層を備えて構成されている。第２保持部材１０４の高熱伝導性材９は、熱伝導部材６に直接接触し、または熱的連絡部材８を介して熱伝導部材６に間接的に接触し、発電モジュール１に接触している。高温流体の熱は、外側フィン５を介してまたは直接、母材１０４ａに移動し、母材１０４ａから高熱伝導性材９に移動し、高熱伝導性材９を介して熱伝導部材６や発電モジュール１に移動する。第２保持部材１０４の外側を流れる高温流体の熱は、外側の母材１０４ａに伝達した状態と高熱伝導性材９に伝達した状態とでは流れ方向Ｆ１の下流側に移動する速度が異なる。換言すれば、母材１０４ａに伝達した熱は、母材１０４ａ中を下流側に移動するよりも母材１０４ａから高熱伝導性材９に移動しやすい。高熱伝導性材９に伝達した熱は、母材１０４ａ中を下流側に移動する熱よりも速く高熱伝導性材９中を下流側に移動しやすい。これにより、第２保持部材１０４は、第２保持部材１０４に伝達した高温流体の熱は、発電モジュール１の一方側部に近い位置で、高熱伝導性材９によって、下流側の熱電変換素子２に伝わりやすいという特性がある。

第２保持部材１０４は、発電モジュール１の一方側部および熱伝導部材６に直接または間接的に接触する部位の表面のうち熱電変換素子２と熱伝導部材６との間に相当する部位１０４ａａにおいて、高熱伝導性材９を備えていない。この構成により、部位１０４ａａにおいては母材１０４ａと発電モジュール１とは接触することなく、両者間にはクリアランスが設けられている。部位１０４ａａは、発電モジュール１との間に、高熱伝導性材９の厚さ分離間する隙間部を形成する。したがって、部位１０４ａａにおいては、母材１０４ａから発電モジュール１への熱移動は阻害され、高熱伝導性材９を下流側へ移動する熱経路が途切れることになる。第２保持部材１０４は、部位１０４ａａにおいてあらかじめ高熱伝導性材９を被覆しないように製造することによって形成されてもよいし、高熱伝導性材９を被覆した後に部位１０４ａａにおいて高熱伝導性材９を取り除く切削加工等を施して製造するようにしてもよい。

例えば、母材１０３ａ、母材１０４ａはステンレス鋼材であり、高熱伝導性材９は銅材である。第１保持部材１０３は、接合部３ａにおいて高熱伝導性材９を備えていない。この構成によれば、接合部３ａと接合部４ａは同種の材質である母材１０３ａと母材１０４ａとによって接合されることになるため、異種材質同士の接合を回避することができる。第１保持部材１０３は、接合部３ａにおいてあらかじめ高熱伝導性材９を被覆しないように製造することによって形成されてもよいし、高熱伝導性材９を被覆した後に接合部３ａにおいて高熱伝導性材９を取り除く切削加工等を施して製造するようにしてもよい。

第４実施形態の熱電発電装置３００によれば、第１保持部材１０３、第２保持部材１０４は、発電モジュール１の一方側部および熱伝導部材６に直接または間接的に接触する部位の表面に、母材１０３ａ、母材１０４ａよりも熱伝導率が高い材質が被覆されている。この構成によれば、熱伝導部材６よりも下流側において保持部材に移動した高温流体の熱を、高熱伝導性材９によって上流側へ熱移動させることができる。これにより、熱伝導部材６よりも下流側において保持部材に伝わった熱を高熱伝導性材９を通して熱伝導部材６に回収することができ、熱伝導部材６を介した熱回収を向上することができる。

第１保持部材１０３、第２保持部材１０４のそれぞれは、母材と、発電モジュール１の一方側部および熱伝導部材６に直接または間接的に接触する部位の表面に接合された、母材よりも熱伝導率が高い高熱伝導性材９とを備えるクラッド材で形成されている。この構成によれば、所定の異材質を積層して圧延接合することにより、前述の特有の効果を奏する保持部材を製造することができ、熱電発電装置３００の製品性向上および生産性向上に貢献できる。

第１保持部材１０３、第２保持部材１０４のそれぞれは、発電モジュール１の一方側部および熱伝導部材６に直接または間接的に接触する部位の表面のうち、熱電変換素子２と熱伝導部材６との間に相当する部位を除いて、母材よりも熱伝導率が高い材質が被覆されている。この構成によれば、熱電変換素子２と熱伝導部材６との間に相当する部位よりも上流側において高熱伝導性材９に伝達された熱が下流側の熱伝導部材６に移動することを妨げるので、熱電変換素子２に回収される熱量の低下を抑制できる。これにより、発電効率を高めた熱電発電装置３００を提供できる。

（他の実施形態）
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品、要素の組み合わせに限定されず、種々変形して実施することが可能である。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品、要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品、要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

前述する熱電発電装置１００は、自動車以外に搭載される機器にも幅広く適用することができる。例えば、熱電発電装置１００は、工業用や住宅用のボイラにおいて発生するガスを高温流体として用いる排熱回収装置と組み合わせたり、工場や焼却炉等の排熱を高温流体として利用する発電機、電気機器の電源装置、携帯型発電機等に適用したりすることができる。

熱電発電装置１００は、図１に記載した構成に限定されるものではない。例えば、熱電発電装置１００は、管７の一方側で第２流体の流れ方向Ｆ１に順に並ぶ、発電モジュール１および熱伝導部材６と管７とを積層して形成される積層体を保持部材によって一体に保持する構成としてもよい。つまり、熱電発電装置１００は、管７の片方側でのみ、発電モジュール１および熱伝導部材６を管７と一体に保持する形態としてもよい。

前述の実施形態では、１つの発電ユニットからなる熱電発電装置１００を開示しているが、熱電発電装置１００は発電ユニットを複数積層して構成してもよい。この場合においても高温流体が、積層された発電ユニット相互間に位置する外側フィン５に接して流れるように構成される。

前述の実施形態においては、第１保持部材３を第２保持部材４よりも小さくして、第１保持部材３を第２保持部材４に被せるようにして組み付けているが、第１保持部材３と第２保持部材４とを同じ大きさにして互い違いに組み合わせて組み付けるようにしてもよい。

前述の実施形態においては、第１保持部材３と第２保持部材４とを溶接して、第１保持部材３と第２保持部材４とで囲まれた内部空間３０を外部から密封している。しかしながら、第１保持部材３と第２保持部材４とを完全に密封せず、高温流体が内部空間３０の発電モジュール１に悪影響を及ぼさない程度に結合するようにしてもよい。例えば、第１保持部材３と第２保持部材４とを多数点のスポット溶接で結合してもよい。

前述の実施形態の発電モジュール１は、ケースによって覆われる構成ではなく、多数のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とが第１保持部材３と第２保持部材４とで囲まれた内部空間３０に露出して設けられる構成でもよい。熱電発電装置１００においてケースは必須の構成要素ではない。この場合は、内部空間３０をカバー等で密封することが好ましい。

前述の実施形態において、第１保持部材３の接合部３ａと第２保持部材４の接合部４ａとの接合面は平坦なものであるが、接合面に、互いに係合して後戻りしない鋸歯状の突起形状やラビリンス形状を構成する凹凸形状を形成する構成でもよい。

前述の実施形態において、第１保持部材３および第２保持部材４と発電モジュール１とが接する部分は平面としているが、湾曲形状としてもよい。第１保持部材３および第２保持部材４と発電モジュール１との間に熱伝導に優れたグラファイトシート、熱伝導性グリス等の介在物を設けてもよい。また、グラファイトシートの厚さは均一でなくてもよい。

前述の実施形態において管７と熱伝導部材６とは、高温流体流れの下流端が揃うように設けられる構成でもよいし、いずれかの方が下流に位置する構成でもよい。

前述の実施形態では、第２通路を形成する扁平状の管７は、内部に複数の通路を有するものであるが、このような形態に限定されない。また管７は、扁平状でない外形形状でもよいし、内部にフィンを備える形態でもよい。

前述の実施形態において、第１保持部材３と外側フィン５、第２保持部材４と外側フィン５のそれぞれを、別部材同士を一体に接合する構成ではなく、一つの部材として形成してもよい。

前述の実施形態において、低温流体と高温流体は、互いに逆向きに流れる対向流を形成してもよい。

１…発電モジュール
２…熱電変換素子
３，１０３…第１保持部材（保持部材）
４，１０４…第２保持部材（保持部材）
６，１０６…熱伝導部材
７…管

Claims (11)

1. 内部に第１流体が流れる管（７）と、
   内部に熱電変換素子（２）を有する発電モジュール（１）と、
   前記第１流体よりも高温である第２流体の熱が前記発電モジュールの一方側部に熱移動するように前記発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材であって、前記管が前記発電モジュールの他方側部に直接または間接的に接触するように前記発電モジュールと前記管とを熱移動可能な状態に保持する保持部材（３，４；１０３，１０４）と、
   熱伝導性を有し前記保持部材と前記管とに挟まれて前記第２流体から前記第１流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材（６）と、
   を備え、
   前記熱伝導部材は前記第２流体の流れ方向について前記発電モジュールよりも下流で前記保持部材と前記管とに挟まれる熱電発電装置。
2. 内部に第１流体が流れる管（７）と、
   それぞれ内部に熱電変換素子（２）を有する複数の発電モジュール（１）と、
   前記第１流体よりも高温である第２流体の熱が前記発電モジュールの一方側部に熱移動するように前記発電モジュールの一方側部に直接または間接的に接触する保持部材であって、前記管が前記発電モジュールの他方側部に直接または間接的に接触するように前記発電モジュールと前記管とを熱移動可能な状態に保持する保持部材（３，４；１０３，１０４）と、
   熱伝導性を有し前記保持部材と前記管とに挟まれて前記第２流体から前記第１流体へ熱が移動する熱移動経路を構成する熱伝導部材（１０６）と、
   を備え、
   前記熱伝導部材は前記第２流体の流れ方向に並ぶ前記発電モジュールと前記発電モジュールの間の部位のうち少なくとも一つの部位で前記保持部材と前記管とに挟まれる熱電発電装置。
3. 前記熱伝導部材は前記第２流体の流れ方向に並ぶ前記発電モジュールと前記発電モジュールの間のうちすべてにおいて前記保持部材と前記管とに挟まれる請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記保持部材は第１保持部材（３；１０３）と第２保持部材（４；１０４）とを含んで構成され、
   前記第１保持部材と前記第２保持部材は、前記管の一方側に位置する前記発電モジュールおよび前記熱伝導部材と、前記管と、前記管の他方側に位置する前記発電モジュールおよび前記熱伝導部材と、を積層して形成される積層体を挟む保持力を提供する請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
5. 前記保持部材（１０３，１０４）は、前記発電モジュールの前記一方側部に直接または間接的に接触する部位の表面と前記熱伝導部材に直接または間接的に接触する部位の表面とにおいて、母材（１０３ａ，１０４ａ）よりも熱伝導率が高い材質が被覆されている請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
6. 前記保持部材は、前記母材と、前記発電モジュールの前記一方側部および前記熱伝導部材に直接または間接的に接触する部位の表面に接合された、前記母材よりも熱伝導率が高い高熱伝導性材（９）とを備えるクラッド材で形成されている請求項５に記載の熱電発電装置。
7. 前記保持部材は、前記発電モジュールの前記一方側部および前記熱伝導部材に直接または間接的に接触する部位の表面のうち、前記熱電変換素子と前記熱伝導部材との間に相当する部位を除いて、前記母材よりも熱伝導率が高い材質が被覆されている請求項５または６に記載の熱電発電装置。
8. 前記熱伝導部材はグラファイトシートを介して前記保持部材に接触している請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
9. 前記熱伝導部材は熱伝導性を有するグリスを介して前記保持部材に接触している請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
10. 前記熱伝導部材はグラファイトシートを介して前記保持部材および前記管に接触している請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
11. 前記熱伝導部材と前記管は、一体に形成された一つの部材である請求項１から９のいずれか一項に記載の熱電発電装置。

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