JP2017221066A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温流体の上流側において高温側部材と熱電変換素子との間の接触面圧の低下を抑制可能な熱電発電装置を提供する。
【解決手段】熱電発電装置。１００は、第１流体が流れる管７と、熱発電部１と、熱発電部１の一方側部に対して圧力を与え管７と熱発電部１の他方側部を熱移動可能な状態に保持する第１保持部材３と、弾性部材６と、を備える。弾性部材６は、熱伝導性を有し弾性変形可能であり、熱発電部１と第１保持部材３との間に介在する。熱電発電装置１００は、第２流体の流れ方向において熱発電部１の中央部ＣＬよりも上流側の方が下流側に対して弾性部材６の圧縮率が大きくなるように設定する圧縮率調整部を有する。
【選択図】図２

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。

特許文献１の熱発電モジュールは、複数の熱電変換素子を筐体の内面と冷却水導入部の外面とで挟むようにして支持している。冷却水導入部は、排気ガス導入部を左右方向に横断し貫通するように設けられ、複数の熱電変換素子がその周囲を取り囲む態様で複数の熱電変換素子と一体に構成されている。冷却水導入部および複数の熱電変換素子は、排気ガス導入部内に排ガスの流れ方向に沿って設けられている。

排気管を通じて車両外に排出される排気ガスは、排気ガス導入部内に導入され、排気ガス導入部内を通過し、排気ガス導入部外に排出される過程において熱電変換モジュールに高温源として供給される。また、冷却水管を循環する冷却水は、冷却水導入部内に導入され、排気ガス導入部内を左右方向に横断し、冷却水導入部外に排出される過程において、熱電変換モジュールに低温源として供給される。

特開２０１６−８９７５２号公報

特許文献１の装置によれば、排気管に排ガスが流れると、排ガスの熱によって、高温側部材に相当する筐体が不均一に変形することがある。この場合、熱変形によって高温側部材と熱電変換素子の接触面圧が上流側で低下しやすいという問題がある。これによって、排ガス流れ方向について熱電変換素子に関わる接触面圧に差が生じ、熱電変換素子の劣化を引き起こすことにもなる。

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、高温流体の上流側において高温側部材と熱電変換素子との間の接触面圧の低下を抑制可能な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、複数の熱電変換素子（２０）を有する熱発電部（１；１０１；２０１；３０１；４０１）と、第１流体よりも高温である第２流体の熱が熱発電部の一方側部に熱移動するように熱発電部の一方側部に対して圧力を与え、管と熱発電部の他方側部を熱移動可能な状態に保持する保持部材（３；１０３；２０３）と、熱伝導性を有し弾性変形可能であり、熱発電部と保持部材との間に介在する弾性部材（６）と、第２流体の流れ方向において熱発電部の中央部（ＣＬ）よりも上流側の方が下流側に対して弾性部材の圧縮率が大きくなるように設定する圧縮率調整部（ＴＬ１，ＴＬ２；Ｈ１；Ｈ２）と、を備える。

この熱電発電装置によれば、圧縮率調整部によって、熱発電部の中央部よりも上流側において弾性変形可能な弾性部材を大きく圧縮させることができる。これにより、下流側よりも上流側において弾性部材の復元力が大きく作用し、保持部材からの圧力によって変形する弾性部材を含めた高温側部材と熱発電部が有する熱電変換素子との接触面圧を上流側において下流側よりも高めることができる。したがって、高温流体の上流側で高温側部材と熱電変換素子との間の接触面圧の低下を抑制可能な熱電発電装置を提供できる。これにより、熱電変換素子に関わる接触面圧が上流側で低下しやすい現象を改善でき、熱電変換素子の劣化を抑えることにも貢献できる。

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。 第１実施形態の熱電発電装置の構成を示す断面図である。 第２実施形態の熱電発電装置の構成を示す断面図である。 第３実施形態の熱電発電装置の構成を示す断面図である。 第４実施形態の熱電発電装置の構成を示す断面図である。 第５実施形態の熱電発電装置の構成を示す断面図である。

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および図２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、例えば、車両用の装置、電子制御機器に内蔵される装置、空調装置に内蔵される装置、給湯装置に内蔵される装置としても適用することができる。

熱電発電装置１００は、複数の熱電変換素子を有する熱発電部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流体とを用いて熱発電部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流体としてエンジンから排出される排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。

図１に示すように、熱電発電装置１００は、低温流体が流れる第１通路と、高温流体が流れる第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熱発電部１と、熱発電部１を保持する保持部材と、を備える。保持部材は、さらに低温流体および高温流体と熱発電部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によって構成することができる。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。第１通路は、管７によって形成されている。第２通路は第１保持部材３および第２保持部材４のそれぞれにおいて、熱発電部１側とは反対側である外側に設けられている通路である。

熱電発電装置１００は、さらに熱発電部１と第１保持部材３や第２保持部材４との間に介在する弾性部材６を備える。弾性部材６は、それ自身が熱伝導可能でかつ弾性変形可能な材質で構成されている。弾性部材６は、厚さ方向に弾性変形し熱伝導性を有する任意の材質で形成することができる。任意の材質には、例えば、グラファイトを含む材質を採用することができ、この材質を弾性変形可能な形状、例えばシート状に形成して弾性部材６を構成することができる。

弾性部材６として採用可能なグラファイトで形成されたシートは、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。

各熱発電部１は高温流体の流れ方向Ｆ１に並ぶ複数の熱電変換素子２０を有する。複数の熱電変換素子２０は、扁平状の箱体であるケース１０の内部に収納されている。ケース１０は熱発電部１の外面に相当する。図２に示すように、熱発電部１の内部には、それぞれ所定個数の熱電変換素子２０を一塊とする複数のモジュール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２０の酸化防止のため、ケース１０の内部には、例えば、真空状態であったり、不活性ガスを充填したりする。このケース１０は内部の空間を封止する気密ケースでもある。ケース１０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２０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。モジュール２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２０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。

熱電変換素子２０は、一方側部の高温端が高温流体との間で熱移動可能に設けられ、他方側部の低温端が低温流体との間で熱移動可能に設けられる。低温端は、熱伝導性を有する伝熱部材２２を介してケース１０の第１通路側の壁部に接触している。高温端は、熱伝導性を有する伝熱部材２１を介してケース１０の第２通路側の壁部に接触している。また、伝熱部材２２は管７やケース１０を介さないで直接低温流体に接触する形態でもよい。伝熱部材２１や伝熱部材２２は熱伝導性と絶縁性を有する材質で形成されている。伝熱部材２１や伝熱部材２２は、例えばセラミックによって形成することができる。

熱電発電装置１００において一方側に位置する熱発電部１の一方の面は、弾性部材６を介して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熱発電部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。第１保持部材３、第２保持部材４４は、それぞれ板状の部材によって構成することができる。また、熱発電部１と管７との間には、図２に図示するように、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熱発電部１と管７との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。また、この構成によれば、熱伝導部材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。

また、熱伝導部材は、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、熱伝導部材は、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に対して熱発電部１を方向Ｆ１や方向Ｆ２に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、熱発電部１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。

図１に図示するように、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、第１保持部材３と第２保持部材４とを近づける方向に作用する圧縮力がかけられた状態で重ね合わされて、管７の内部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つの熱発電部１によって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。

これにより、第１保持部材３と第２保持部材４は、熱発電部１を挟みこむ応力を作用させる製品を提供する。さらに熱発電部１は、第１保持部材３または第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と熱発電部１の間、熱発電部１と第１保持部材３または第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。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が形成される。この内部空間には、２つの熱発電部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１通路を有する。第１保持部材３には、熱発電部１とは反対側の面に外側フィン５がろう付け接合等により設けられている。第２保持部材４には、熱発電部１とは反対側の面に外側フィン５がろう付け接合等により設けられている。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２通路に設けられている。

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に接合されることにより、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と熱発電部１との間や第２保持部材４と熱発電部１との間に熱伝達を阻害する隙間が生じにくくなる。

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の両端において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の溶接により熱発電部１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。

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、熱発電部１、管７、熱発電部１、第２保持部材４、外側フィン５が並ぶ積層体を構成する。低温流体は、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、熱発電部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、熱発電部１の端部では各部材との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熱発電部１、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に寄与している。

熱電発電装置において高温流体の流通時は、高温流体の熱によって高温側の部材が不均一に変形する場合があり、この変形によって高温側の部材と熱電変換素子との間の接触面圧が上流側で低下しやすい。熱電発電装置１００においては、高温側の部材には第１保持部材３が相当する。

高温流体の上流側で高温側の部材と熱電変換素子との間の接触面圧を確保するために、熱電発電装置１００は圧縮率調整部を備える。圧縮率調整部は、高温流体の流れ方向Ｆ１において熱発電部１の中央部ＣＬよりも上流側の方が下流側に対して弾性部材６の圧縮率が大きくなるように設定する。第１実施形態における圧縮率調整部は、第１保持部材３と熱発電部１とによって構成されており、前述のような圧縮率を実現する。例えば、第１保持部材３の形状と熱発電部１の形状とによって、圧縮率調整部の機能を実現することができる。

図２に図示する熱発電部１の中央部ＣＬは、方向Ｆ１に並ぶ複数のモジュール２における方向Ｆ１長さの中央位置、すなわち複数のモジュール２における方向Ｆ１の両端部に対する中間位置である。また、熱発電部１において方向Ｆ１に一つのモジュール２しか設けられていない場合には、中央部ＣＬは、一つのモジュール２における方向Ｆ１の両端部に対する中間位置である。

弾性部材６の圧縮率は、圧縮された弾性部材６の厚さ寸法を圧縮前の弾性部材６の厚さ寸法で割り算した値である。圧縮される前、すなわち熱電発電装置１００に搭載される前の弾性部材６の厚さ寸法が方向Ｆ１について一定であった場合、搭載された状態における弾性部材６の厚さ寸法が小さいほど圧縮率が高いことになる。したがって、搭載前の弾性部材６の厚さ寸法が方向Ｆ１について一定である場合、熱電発電装置１００に搭載されている状態の弾性部材６の厚さ寸法は、図２の中央部ＣＬに対して上流側の方が下流側よりも小さくなっている。

圧縮率調整部の機能に貢献する第１保持部材３は、第１保持部材３における管７側の面が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を有している。つまり、第１保持部材３における管７側の面は、管７に対して離れるように凹む曲面形状を形成している。第１保持部材３における管７側の面は、弾性部材６における第１保持部材３側の表面に接触して、熱発電部１の外面における保持部材側の面とで弾性部材６を挟んでいる。第１保持部材３は、少なくとも管７側の面が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を有していればよい。また、第１保持部材３は、全体の断面形状が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を呈してもよい。

この熱発電部１の外面は、図２に示す例ではケース１０における第１保持部材３側の壁１０ａによって構成されている。圧縮率調整部の機能に貢献する熱発電部１は、熱発電部１における第１保持部材３側の面が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を有している。つまり、熱発電部１における第１保持部材３側の面は、管７に対して離れるように凸となる曲面形状を形成している。熱発電部１における第１保持部材３側の面は、弾性部材６における管７側の表面に接触して、第１保持部材３における管７側の面とで弾性部材６を挟んでいる。壁１０ａは、少なくとも第１保持部材３側の面が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を有していればよい。また、壁１０ａは、全体の断面形状が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を呈してもよい。壁１０ａは、高さ方向長さまたは厚さ寸法が第１の頂部位置ＴＬ１で最も大きい断面形状であってもよい。

このように熱発電部１は、第１保持部材３側の面が管７側とは反対側に凸となる、曲率半径Ｒｐである湾曲形状を有している。曲率半径Ｒｐの中心位置に関して方向Ｆ１に対応する位置は、図２に示す第１の頂部位置ＴＬ１に相当する。第１の頂部位置ＴＬ１は、熱発電部１における第１保持部材３側の面のうち、最も管７から離間する部位に相当する。第１の頂部位置ＴＬ１は、熱発電部１における第１保持部材３側の面のうち、凸状面のトップに相当する。

第１保持部材３は、管７側の面が管７側とは反対側に凸となる、曲率半径Ｒｃである湾曲形状を有している。曲率半径Ｒｃの中心位置に関して方向Ｆ１に対応する位置は、図２に示す第２の頂部位置ＴＬ２に相当する。第２の頂部位置ＴＬ２は、第１保持部材３における管７側の面のうち、最も管７から離間する部位に相当する。第２の頂部位置ＴＬ２は、第１保持部材３における管７側の面のうち、凹状面のトップに相当する。さらに曲率半径Ｒｃは曲率半径Ｒｐよりも大きく設定されている。図２に示すように、第１の頂部位置ＴＬ１は、第２の頂部位置ＴＬ２よりも高温流体の流れ方向の上流側に位置している。さらに第２の頂部位置ＴＬ２は、熱発電部１の中央部ＣＬよりも高温流体の流れ方向の上流側に位置している。

また、熱電発電装置１００に搭載された弾性部材６は、熱発電部１と第１保持部材３との間で挟まれて変形した状態において圧力方向あるいは圧縮方向の厚さ寸法が最小となる部位が高温流体流れの上流側に位置するように設けられている。換言すれば、熱発電部１と第１保持部材３との距離が上流側の方が下流側よりも小さくなっている状態で、熱発電部１と第１保持部材３は弾性部材６を圧縮している。

また、第１保持部材３と第２保持部材４の接合時に、図１において白抜き矢印で示される方向に第１保持部材３や第２保持部材４に作用させる加圧力は、上流側の方が下流側よりも大きくなるように設定する。この加圧力の違いによれば、弾性部材６の圧縮率を上流側で高めることができ、高温流体に流通時に高温側部材が変形したとしても、上流側における第１保持部材３と熱発電部１との間の接触面圧の低下を抑えることに寄与する。

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、低温流体が流れる管７と、複数の熱電変換素子２０を有する熱発電部１と、熱発電部１の一方側部に対して圧力を与える第１保持部材３と、熱伝導性と弾性変形性を有し熱発電部１と第１保持部材３の間に介在する弾性部材６と、を備える。熱電発電装置１００は、高温流体の流れ方向において熱発電部１の中央部ＣＬよりも上流側の方が下流側に対して弾性部材６の圧縮率が大きくなるように設定する圧縮率調整部を備える。

この熱電発電装置１００によれば、圧縮率調整部を備えることにより、熱発電部１の中央部ＣＬよりも上流側で弾性部材６を大きく圧縮させることができる。これにより、下流側よりも上流側において弾性部材６の復元力が大きく作用して、弾性部材６、第１保持部材３を含めた高温側部材と熱発電部１の熱電変換素子２０との間に形成される接触面圧を上流側において下流側よりも高くすることができる。したがって、上流側での接触面圧を高める効果により、高温側部材の熱変形等によって上流側で低下しやすい接触面圧を抑制できる熱電発電装置１００を提供できる。熱電発電装置１００は、上流側の熱電変換素子２０に関わる接触面圧が低下して複数の熱電変換素子２０の接触面圧が高温流体の流れ方向においてばらつく現象を改善できるので、熱電変換素子２０の劣化を抑えることにも貢献できる。

圧縮率調整部は、以下の構成を備える第１保持部材３と熱発電部１によって構成される。第１保持部材３における管７側の面および熱発電部１における第１保持部材３側の面は、それぞれ管７側とは反対側に凸となる湾曲形状である。熱発電部１の第１保持部材３側の面において最も突出する第１の頂部位置ＴＬ１は、第１保持部材３の管７側の面において最も突出する第２の頂部位置ＴＬ２よりも第２流体の流れ方向の上流側に位置している。第１保持部材３における湾曲形状の曲率半径Ｒｃは熱発電部１における湾曲形状の曲率半径Ｒｐよりも大きく設定されている。

このような構成の圧縮率調整部によれば、第１保持部材３と熱発電部１の互いの対向面は、ともに管７側とは反対側に凸となるように湾曲し、熱発電部１の方が第１保持部材３よりも大きく反る形状である。さらに第１の頂部位置ＴＬ１は第１保持部材３の第２の頂部位置ＴＬ２よりも上流側に位置するので、熱発電部１と第１保持部材３との対向面は第１の頂部位置ＴＬ１において最も接近する状態で、弾性部材６に圧縮力を与えることができる。したがって、熱発電部１と第１保持部材３との間に形成される接触面圧を上流側の第１の頂部位置ＴＬ１において大きくできるので、上流側で低下しやすい接触面圧を抑制可能な熱電発電装置１００を提供できる。

さらに第２の頂部位置ＴＬ２は、熱発電部１の中央部ＣＬよりも第２流体の流れ方向の上流側に位置する。この構成によれば、第１保持部材３と熱発電部１の互いの対向面が下流側よりも上流側において接近するので、弾性部材６を上流側で大きく変形させることができる。したがって、上流側での接触面圧を高めることによって、上流側で低下しやすい接触面圧を抑制できる熱電発電装置１００を提供できる。

弾性部材６は熱発電部１と第１保持部材３との間で挟まれて変形した状態において、圧縮方向の厚さ寸法が最小となる部位が第２流体の流れ方向の上流側に位置するように設けられている。この構成によれば、上流側において弾性部材６の復元力を大きく作用させることができる。したがって、上流側において接触面圧を高める効果を奏して、上流側で低下しやすい接触面圧を抑制できる熱電発電装置１００を提供できる。

弾性部材６には、弾性変形していない状態において厚さ寸法の最大部位が第２流体の流れ方向の上流側に位置するように形成された部材が用いられている。このような形状の弾性部材６を熱発電部１と第１保持部材３とで挟んで圧縮することにより、弾性部材６の圧縮率を上流側において大きくすることが可能な熱電発電装置１００を提供できる。

（第２実施形態）
第２実施形態について図３を参照して説明する。図３で第１実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、第１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り、以下、異なる点について説明する。

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、熱発電部１０１の構成が相違する。熱発電部１０１の内部には、所定個数の熱電変換素子２０を一塊とする１個のモジュール２が中央部ＣＬ付近に設置されている。

（第３実施形態）
第３実施形態について図４を参照して説明する。図４で第１実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、第１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、第１実施形態と同様であり、以下、異なる点について説明する。

第３実施形態の熱電発電装置３００は、第１実施形態の熱電発電装置１００に対して、熱発電部２０１が相違する。熱発電部２０１の内部には、それぞれ所定個数の熱電変換素子２０を一塊とする複数のモジュール２が高温流体の流れ方向に並んで設置されている。熱発電部２０１は、複数のモジュール２における方向Ｆ１の両端部間の長さが第１実施形態の熱発電部１よりも短くなっている。したがって、熱電発電装置３００は、熱電発電装置１００よりも方向Ｆ１において熱発電に寄与する素子の範囲が狭くなっている。

（第４実施形態）
第４実施形態について図５を参照して説明する。図５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り、以下、異なる点について説明する。

第４実施形態の熱電発電装置４００は、第１実施形態の熱電発電装置１００に対して、圧縮率調整部が相違する。第４実施形態の圧縮率調整部は、圧縮方向の高さ寸法が最大となる最高部位Ｈ１が中央部ＣＬよりも上流側に設定された熱発電部３０１によって構成されている。最高部位Ｈ１は、熱発電部３０１における第１保持部材１０３側の面のうち、凸状の湾曲面のトップに一致する。このような熱発電部３０１に関わる構成は、ケース１１０における第１保持部材１０３側の壁１１０ａによって形成されている。壁１１０ａは、少なくとも第１保持部材１０３側の面が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を有していればよい。また、壁１１０ａは、全体の断面形状が管７側とは反対側に凸となる湾曲形状を呈してもよい。壁１１０ａは、高さ方向長さまたは厚さ寸法が最高部位Ｈ１で最も大きい断面形状であってもよい。

第１保持部材１０３は、第１保持部材３と異なり、方向Ｆ１について一定の厚さ寸法であることが好ましい。弾性部材６は、このような構成の第１保持部材１０３および熱発電部３０１によって挟まれて圧縮力を受けることにより、熱発電部３０１の最高部位Ｈ１に相当する位置において、大きく変形して圧縮率が大きくなる。これにより、熱発電部３０１を押し返す弾性部材６の反力は下流側よりも上流側において大きくなる。したがって、最高部位Ｈ１およびその周囲において、第１保持部材１０３と熱発電部３０１との間の接触面圧を高める熱電発電装置４００を提供できる。熱電発電装置４００によれば、第１保持部材１０３等が熱変形することによる接触面圧の低下を上流側において改善することができ、流れ方向Ｆ１の全体に渡って、複数の熱電変換素子２０と高温側部材との間の接触面圧を確保することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態について図６を参照して説明する。図６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５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り、以下、異なる点について説明する。

第５実施形態の熱電発電装置５００は、第１実施形態の熱電発電装置１００に対して、圧縮率調整部が相違する。第５実施形態の圧縮率調整部は、圧縮方向の高さ寸法が最大となる最大部位Ｈ２が中央部ＣＬよりも上流側に設定された第１保持部材２０３によって構成されている。

第１保持部材２０３は、第１実施形態の第１保持部材３に対して、管７側の面が管７側に凸となる湾曲形状である点が相違する。つまり、第１保持部材２０３における管７側の面は、管７に対して接近するように突出した曲面形状を形成している。第１保持部材２０３における管７側の面は、弾性部材６における第１保持部材２０３側の表面に接触して、熱発電部４０１の外面における保持部材側の面とで弾性部材６を挟んでいる。第１保持部材２０３は、少なくとも管７側の面が管７側に凸となる湾曲形状を有していればよい。また、第１保持部材２０３は、全体の断面形状が管７側に凸となる湾曲形状を呈してもよい。

熱発電部４０１の外面を構成するケース２１０は、熱発電部１のケース１０と異なり、保持部材側の面が湾曲面ではなく平面として形成されている。ケース２１０における第１保持部材２０３側の壁２１０ａは、方向Ｆ１について一定の厚さ寸法で形成されている。

第１保持部材２０３における管７側の湾曲形状面は、その曲率半径の中心位置に関して方向Ｆ１に対応する位置が図６に示す最大部位Ｈ２に相当する。最大部位Ｈ２は、第１保持部材２０３における管７側の面のうち、最も管７に接近する部位に相当する。最大部位Ｈ２は、第１保持部材２０３における管７側の面のうち、凸状面の頂部に相当する。図２に示すように、最大部位Ｈ２は、熱発電部４０１の中央部ＣＬよりも高温流体の流れ方向の上流側に位置している。

弾性部材６は、このような構成の第１保持部材２０３および熱発電部４０１によって挟まれて圧縮力を受けることにより、最大部位Ｈ２に相当する位置において、大きく変形して圧縮率が大きくなる。これにより、熱発電部４０１を押し返す弾性部材６の反力は下流側よりも上流側において大きくなる。したがって、最大部位Ｈ２およびその周囲において、第１保持部材２０３と熱発電部４０１との間の接触面圧を高める熱電発電装置５００を提供できる。熱電発電装置５００によれば、第１保持部材２０３等が熱変形することによる接触面圧の低下を上流側において改善することができ、流れ方向Ｆ１の全体に渡って、複数の熱電変換素子２０と高温側部材との間の接触面圧を確保することができる。

（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の一方側で熱発電部１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、第１保持部材３によって熱発電部１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を開示しているが、熱電発電装置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。

第１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の熱発電部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。

前述の実施形態のモジュール２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に露出して設けられる構成でもよい。熱電発電装置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。

前述の実施形態では、第１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。

１、１０１，２０１，３０１，４０１…熱発電部
３，１０３，２０３…第１保持部材（保持部材）
６…弾性部材、 ７…管、２０…熱電変換素子、 ＣＬ…中央部
ＴＬ１…第１の頂部位置、ＴＬ２…第２の頂部位置

Claims (7)

1. 内部に第１流体が流れる管（７）と、
   複数の熱電変換素子（２０）を有する熱発電部（１；１０１；２０１；３０１；４０１）と、
   前記第１流体よりも高温である第２流体の熱が前記熱発電部の一方側部に熱移動するように前記熱発電部の一方側部に対して圧力を与え、前記管と前記熱発電部の他方側部を熱移動可能な状態に保持する保持部材（３；１０３；２０３）と、
   熱伝導性を有し弾性変形可能であり、前記熱発電部と前記保持部材との間に介在する弾性部材（６）と、
   前記第２流体の流れ方向において前記熱発電部の中央部（ＣＬ）よりも上流側の方が下流側に対して前記弾性部材の圧縮率が大きくなるように設定する圧縮率調整部（ＴＬ１，ＴＬ２；Ｈ１；Ｈ２）と、
   を備える熱電発電装置。
2. 前記圧縮率調整部は、
   前記保持部材（３）における前記管側の面および前記熱発電部（１；１０１；２０１）における前記保持部材側の面がそれぞれ前記管側とは反対側に凸となる湾曲形状であり、前記熱発電部の前記保持部材側の面において最も突出する第１の頂部位置（ＴＬ１）が前記保持部材の前記管側の面において最も突出する第２の頂部位置（ＴＬ２）よりも前記第２流体の流れ方向の上流側に位置し、前記保持部材における前記湾曲形状の曲率半径が前記熱発電部における前記湾曲形状の曲率半径よりも大きく設定されていることによって構成されている請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記第２の頂部位置は、前記熱発電部の前記中央部よりも前記第２流体の流れ方向の上流側に位置する請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記弾性部材は前記熱発電部と前記保持部材との間で挟まれて変形した状態において、圧縮方向の厚さ寸法が最小となる部位が前記中央部よりも前記上流側に位置するように設けられている請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
5. 前記圧縮率調整部は、圧縮方向の高さ寸法が最大となる部位（Ｈ１）が前記上流側に設定された前記熱発電部（３０１）によって構成されている請求項１に記載の熱電発電装置。
6. 前記圧縮率調整部は、圧縮方向の厚さ寸法が最大となる部位（Ｈ２）が前記上流側に設定された前記保持部材（２０３）によって構成されている請求項１に記載の熱電発電装置。
7. 前記弾性部材には、弾性変形していない状態における厚さ寸法の最大部位が前記第２流体の流れ方向の上流側に位置するように形成された部材が用いられている請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱電発電装置。

Images