JP6078412B2 - 熱電変換式発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、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に関する。

熱電変換素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電技術が知られている。熱電変換素子は、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たもので、温度差が大きいほど発電量も大きくなる。このような熱電変換素子は、複数を接合した熱電変換素子モジュールという形態で用いられる。そして、熱電変換モジュールを加熱側の板部材と冷却側の板部材との間に挟み、加熱側の板部材を加熱するとともに冷却側の板部材を冷却することにより熱電変換モジュールに温度差を与えて、熱電変換モジュールから電気を得るといった熱電変換式発電装置が構成される（特許文献１等参照）。

特開２００９−０８８４０８号公報

この種の発電装置においては、上記のように熱電変換モジュールに与えられる温度差が大きいほど発電量が大きくなり、発電性能が向上することが知られている。熱電変換モジュールの温度差を大きくとる方策の１つとして、熱電変換モジュールを挟んで配設された加熱側および冷却側の板部材を、熱電変換モジュールに対し均一な状態で密着させ、これら板部材を介しての熱伝導度を高めることは有効である。

例えば上記特許文献１のようにタイロッドやナットといった締結用の部材を用いて各板部材を熱電変換モジュールに加圧状態で密着させることは可能である。しかしながらこのような部材を用いると、均一な圧力で板部材を熱電変換モジュールに加圧することが難しく、また、装置の構成が複雑になったりコストが上がったりする。また、設計やデザインの自由度に制限が生じる場合があり、さらには、できるだけ軽量化を図りたい装置に装備させる場合には不利になるといった問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、熱電変換モジュールに温度差を与えるために熱電変換モジュールの側方に配設される冷却側の板部材を、装置が複雑かつ高コストになることなく熱電変換モジュールに対する密着性を向上させることができるとともに、設計やデザインの自由度の向上や軽量化が可能となる熱電変換式発電装置を提供することにある。

本発明の熱電変換式発電装置は、互いに対向して配設される加熱側の板部材と冷却側の板部材とを備え、内部が減圧される密閉容器と、この密閉容器内に、前記加熱側の板部材と前記冷却側の板部材との間に配設された状態で収容される熱電変換モジュールとを備え、前記加熱側の板部材が加熱されるとともに前記冷却側の板部材が冷却されて前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることにより、該熱電変換モジュールが発電する熱電変換式発電装置において、前記冷却側の板部材が可撓性を有する可撓性板部材からなり、前記密閉容器内が減圧状態とされて発生する該密閉容器の内外の圧力差によって、前記可撓性板部材が加圧された状態で前記熱電変換モジュールに対し直接または緩衝材を介して当接した状態とされ、前記可撓性板部材における前記熱電変換モジュールの周囲に、前記圧力差によって変形する変形部が形成され、該変形部は、前記密閉容器の内側に向けて突出する断面三角形状に形成されていることを特徴とする。本発明では、可撓性板部材が熱電変換モジュールに対し直接当接する場合の他に、可撓性板部材と熱電変換モジュールとの間に緩衝材を挟んだ場合も含み、このように可撓性板部材と熱電変換モジュールとの間に緩衝材を挟んだ場合を、上記のように可撓性板部材が熱電変換モジュールに対し緩衝材を介して当接すると言う。

本発明によれば、密閉容器の内部が減圧されることにより冷却側の可撓性板部材が熱電変換モジュール側に加圧された状態で当接する。可撓性板部材は熱電変換モジュールの対向面に追従して変形して全面的に当接し、均一な加圧状態で密着した状態を得ることができる。タイロッドやナットといった締結用の部材を用いず、密閉容器を構成する冷却側の板部材を可撓性板部材とし、密閉容器内を減圧することで、熱電変換モジュールに対する該板部材の密着性を向上させることができる。また、ボルト・ナットといった締結用の部材を用いないため、設計やデザインの自由度の向上や軽量化が可能となる。また、熱電変換モジュールの可撓性板部材が当接する当接面が面一であったり平坦でなかったりした場合であっても、可撓性部材がその当接面に追従して変形し密着するため、板部材を熱電変換モジュールに均一に当接させるために組立精度や寸法精度を高める必要がなく、生産性向上やコスト低減が図られる。また、変形部が変形することで可撓性板部材における変形部の内側部分である熱電変換モジュールへの対向部分が熱電変換モジュール側に変形しやすくなり、熱電変換モジュールへの密着性がより向上する。

また、本発明では、前記冷却側の板部材に、該冷却側の板部材の可撓性を妨げない状態で冷却促進用の熱交換手段が設けられている形態を含む。この形態によれば、冷却側の板部材の温度は熱交換手段に伝達して放熱され、冷却側の板部材による熱電変換モジュールの冷却効率が向上する。熱交換手段は冷却側の板部材の可撓性を妨げないため、熱電変換モジュールに対する冷却側の板部材の密着性向上といった本発明の作用効果は確保される。

上記熱交換手段としては、柔軟性を有する熱交換部材や、複数の独立した熱交換部材が可撓性板部材からなる冷却側の板部材に対し点在的に接触して設けられている形態が挙げられる。

本発明によれば、熱電変換モジュールに温度差を与えるために熱電変換モジュールの側方に配設される冷却側の板部材を、装置が複雑かつ高コストになることなく熱電変換モジュールに対する密着性を向上させることができるとともに、設計やデザインの自由度の向上や軽量化が可能とな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発電装置の全体斜視図である。 図１のII方向矢視図である。 図２のIII−III断面図である。 図２のIV−IV断面図である。 同発電装置が備える密閉容器の筐体の構成を示す斜視図であって（ａ）分解状態、（ｂ）組立状態である。 同発電装置が備える熱電変換モジュールを示す正面図である。 同発電装置において筐体の薄板に設けられる熱交換部材の例を示す平面図である。

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構成
図１〜図４は、一実施形態の熱電変換式発電装置（以下、発電装置）１を示しており、図１は全体斜視図、図２は図１のII方向矢視図、図３、図４はそれぞれ図２のIII−III断面図、IV−IV断面図である。この発電装置１は全体が扁平な直方体状（図１、図３、図４でＸ方向が長手方向）に形成されており、水冷ジャケット３と、水冷ジャケット３内に収納された密閉容器２を備えている。

密閉容器２は、扁平管状の筐体２０内の中央部に同じく扁平管状の流通管２５が収納された二重管構造を呈しており、筐体２０と流通管２５との間の空間は減圧空間２９とされ、この減圧空間２９のＸ方向両端の開口が封止カバー２６で気密的に閉塞されている。水冷ジャケット３は密閉容器２の外形にほぼ沿った扁平管状に形成されたもので、その内部に収納された密閉容器２は、開口側の両端部が水冷ジャケット３の両端開口から突出している。

筐体２０は、図５に示すように、長方形状の外枠板部２１１と外枠板部２１１内を長手方向（Ｘ方向）に分かれた２つの孔２１３に仕切る内枠板部２１２とを有する一対の枠板２１０が、上下方向（Ｚ方向）に間隔を空けて互いに平行に対面し、外枠板部２１１の長手方向に沿った端縁どうしが側板部２１５で連結され、長手方向の両端部に開口２１８を形成する開口管部２１７が形成された剛性部２１と、この剛性部２１の上下の枠板２１０の２つの孔２１３を塞ぐ長方形状の薄板（冷却側の板部材、可撓性板部材）２２とから構成されている。薄板２２は可撓性を有し、上下方向に弾性変形可能な板材により２つの孔２１３を覆う大きさに形成されている。薄板２２は、剛性部２１の外側から孔２１３の周囲（外枠板部２１１と内枠板部２１２の外面）にろう付け等の接合手段で接合されている。薄板２２の材料としては、ＳＵＳ４４４等のステンレスあるいはアルミニウム等の耐熱性、耐酸化性を有する金属板が好ましく、その厚さは、例えば０．１ｍｍ程度のものが用いられる。

筐体２０の内部に収納された流通管２５は、筐体２０の上下の枠板２１０と平行な上下一対の長方形状の主板部（加熱側の板部材）２５１の長手方向に沿った端縁どうしが筐体２０の側板部２１５と平行な側板部２５２で連結されたもので、両端開口縁の外面が、筐体２０の剛性部２１の開口管部２１７の内面に、断面が内側にへこんだ断面Ｕ字状で全体としては長円状の封止カバー２６を介して接合されている。

流通管２５の内部は加熱流体Ｈ（図３および図４参照）が一方の開口から他方の開口へ向けて流される加熱流路２５３を構成し、この加熱流路２５３には、加熱流体Ｈの熱を流通管２５に伝えるフィン２５４が配設されている。フィン２５４は、例えば板材を折り曲げ加工して波板状に形成したものなどが用いられる。フィン２５４および封止カバー２６は、それぞれろう付け等の接合手段で剛性部２１および流通管２５に接合されている。なお、フィン２５４は必要に応じて設けられ、フィン２５４を設けず加熱流路２５３内を空洞とする場合もある。

密閉容器２を構成する筐体２０の剛性部２１、流通管２５、封止カバー２６は、薄板２２と同様の材料が用いられる。このような密閉容器２の、筐体２０の薄板２２と流通管２５の主板部２５１との間には、熱電変換モジュール４がそれぞれ配設されている。

熱電変換モジュール４は、図６に示すように、平面状に並べられた複数の熱電変換素子４１の、一方側の面および他方側の面を、長方形状の銅板等の金属板からなる電極４２によりジグザグ状に直列に連結して構成されたもので、一方の面側の電極４２が流通管２５の主板部２５１の内面にろう付け等の接合手段で接合されている。また、熱電変換モジュール４の他方の面側の電極４２は筐体２０の薄板２２の内面に対向し、薄板２２と電極４２との間には緩衝材５が挟まれて保持されている。すなわち薄板２２は、熱電変換モジュール４に対し緩衝材５を介して当接している。

緩衝材５は可撓性を有するシート状のものが好適であり、例えば薄いカーボンシート等が用いられる。なお、本実施形態では薄板２２と熱電変換モジュール４との間に緩衝材５を挟み込んでいるが、緩衝材５は必要に応じて用いられ、薄板２２が熱電変換モジュール４に直接当接する形態も選択され得る。

熱電変換モジュール４を構成する熱電変換素子４１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。熱電変換モジュール４が収納された密閉容器２の減圧空間２９は、剛性部２１と薄板２２とからなる筐体２０、流通管２５および封止カバー２６によって気密的に封止されている。

図４（図４ではフィン２５４の図示略）に示すように、薄板２２の熱電変換モジュール４の周囲部分には、流通管２５側に突出する断面三角形状の変形部２２１が全周にわたって形成されている。この変形部２２１は、孔２１３の内周縁と熱電変換モジュール４との間に形成されている。

上記密閉容器２は、水冷ジャケット３内に収納されている。上記のように水冷ジャケット３は密閉容器２の外形にほぼ沿った扁平管状に形成されたもので、密閉容器２は、両端の開口管部２１７が水冷ジャケット３の両端開口から突出している。水冷ジャケット３は、両端の開口縁に形成された内側に屈曲する封止枠部３１が、密閉容器２における剛性部２１の外枠板部２１１の外面に、ろう付け等の手段で気密的に接合されている。水冷ジャケット３内の空間、すなわち剛性部２１と水冷ジャケット３との間に形成される空間が、冷却水が供給されて薄板２２を冷却するための冷却空間３２となっている。水冷ジャケット３における筐体２０の各側板部２１５に対応する箇所の中央部には、冷却水の導入出口３３が設けられている。

密閉容器２内には、合計４つの熱電変換モジュール４が収納されているが、これら熱電変換モジュール４は直列に接続されている。そして、図１および図２に示す＋・−の２本のリード線４９から外部に電気が取り出される。リード線４９は、密閉容器２の側板部２１５および水冷ジャケット３を貫通して外部に引き出され、側板部２１５および水冷ジャケット３のリード線貫通孔は気密的に塞ぐ処理がなされている。

冷却空間３２の熱電変換モジュール４に対応する箇所には、熱交換手段６が薄板２２に接合されている。熱交換手段６は、冷却空間３２に供給されて流れる冷却水が接触することで薄板２２を放熱させて冷却を促進させるもので、薄板２２の可撓性を妨げない状態で設けられている。

熱交換手段６は、薄板２２の可撓性を妨げないものとして柔軟性を有するフィン等の熱交換部材からなるものが挙げられる。また、硬いフィン等の熱交換部材であっても、複数の独立した熱交換部材が薄板２２に対し点在的に接触して設けられて薄板２２の可撓性を妨げないようになされていてもよい。

そのような熱交換部材としては、例えば図７（ａ）に示すように針状の複数のフィン６１であって、これらフィン６１を薄板２２に対し均等配置し、立てた状態で接合させた形態が挙げられる。また、図７（ｂ）に示すように、薄板状の短いフィン６２を薄板２２に対し千鳥状にオフセット配置し、立てた状態で接合させた形態も採用可能である。

上記密閉容器２は、所定箇所に形成された図示せぬ減圧封止口から減圧空間２９の空気を吸引して減圧空間２９を所定圧力（例えば１〜１００Ｐａ程度）に減圧し、減圧封止口を溶接するなどして気密的に封止した状態とされる。これにより密閉容器２においては、減圧空間２９の圧力が外部の大気よりも低くなるという圧力差が生じ、この圧力差によって、筐体２０の薄板２２が熱電変換モジュール４側に加圧される力を受ける。

［２］発電装置の作用
上記構成からなる発電装置１では、水冷ジャケット３の一方の導入出口３３から冷却水を冷却空間３２に導入し、他方の導入出口３３から冷却水を排出させ、冷却空間３２に冷却水を充満させた状態で流通させることにより、密閉容器２の薄板２２を冷却する。また、流通管２５内の加熱流路２５３に、一方の開口から他方の開口に向けて高温の加熱流体Ｈを流して流通管２５を加熱する。薄板２２は冷却水で冷却される熱交換手段６により冷却が促進される。冷却された薄板２２の温度は熱電変換モジュール４の外面側に伝わり、熱電変換モジュール４の外面側が冷却され、一方、加熱された流通管２５の主板部２５１の温度は熱電変換モジュール４の内面側に伝わり、熱電変換モジュール４の内面側が加熱される。

本実施形態では、筐体２０の薄板２２が冷却側の板部材となり、流通管２５の主板部３６が加熱側の板部材を構成する。上記のようにして熱電変換モジュール４の外面側と内面側に温度差が与えられることで、熱電変換モジュール４は発電し、リード線４９から電気が取り出される。

本実施形態の発電装置１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が、上記加熱流体Ｈとして利用される。

［３］一実施形態の作用効果
上記一実施形態の発電装置１によれば、密閉容器２においては上記のように内部の減圧空間２９が減圧されて外部と圧力差が生じることにより、筐体２０の薄板２２が熱電変換モジュール４側に加圧される。薄板２２は緩衝材５を介して熱電変換モジュール４側に加圧された状態で当接する。

ここで、薄板２２および緩衝材５は可撓性を有しているため、薄板２２は、熱電変換モジュール４の薄板２２への対向面である電極４２の表面に追従して変形して全面的に当接する。これにより薄板２２は緩衝材５を介して均一な加圧状態で熱電変換モジュール４に密着した状態が得られ、密着性が向上する。その結果、熱電変換モジュール４の冷却側の電極４２の冷却効率が高まり、ひいては熱電変換モジュール４に与えられる温度差が大きくなって発電性能が向上する。熱電変換モジュール４は薄板２２から圧力を受けるが、間に挟まれた緩衝材５で保護される。

また、タイロッドやナットといった締結用の部材を用いず減圧作用により冷却側の板部材である薄板２２を熱電変換モジュール４に密着させるため、複雑かつ高コストになることなく熱電変換モジュール４に対して薄板２２を均一な加圧状態で密着させることができる。そして、ボルト・ナットといった締結用の部材を用いないため、設計やデザインの自由度の向上や軽量化が可能となる。

また、熱電変換モジュール４の薄板２２が緩衝材５を介して当接する電極４２の当接面が面一であったり平坦でなかったりした場合であっても、薄板２２がその当接面に追従して変形し密着するため、筐体２０側と熱電変換モジュール４側とを均一に当接させるために組立精度や寸法精度を高める必要がなく、その結果、生産性向上やコスト低減が図られる。

本実施形態では、薄板２２における熱電変換モジュール４の周囲部分に変形部２２１が形成されており、上記圧力差により変形部２２１が変形することで薄板２２が熱電変換モジュール４側に変形しやすくなり、このため熱電変換モジュール４への密着性がより向上する。

また、本実施形態では、冷却側の板部材である薄板２２の温度は熱交換手段６に伝達して放熱され、薄板２２による熱電変換モジュール４の冷却効率が向上する。熱交換手段６は薄板２２の可撓性を妨げないため、熱電変換モジュール４に対する薄板２２の密着性向上といった作用効果は確保される。

なお、上記実施形態は本発明を具体化した一例であり、本発明はこの一実施形態に限定されず、本発明を包含する形態であれば具体的構成に関しては様々な変更が可能である。例えば上記一実施形態では、可撓性板部材は冷却側の板部材（薄板２２）であったが、熱電変換モジュール４を挟んで配設されるもう一方の加熱側の板部材である流通管２５の主板部２５１を可撓性板部材とする形態も採用することができる。

１…熱電変換式発電装置
２…密閉容器
２２…筐体の薄板（冷却側の板部材、可撓性板部材）
２２１…変形部
２５１…流通管の主板部（加熱側の板部材）
４…熱電変換モジュール
５…緩衝材
６…熱交換手段
６１，６２…フィン（熱交換部材）

Claims (4)

1. 互いに対向して配設される加熱側の板部材と冷却側の板部材とを備え、内部が減圧される密閉容器と、
   この密閉容器内に、前記加熱側の板部材と前記冷却側の板部材との間に配設された状態で収容される熱電変換モジュールとを備え、
   前記加熱側の板部材が加熱されるとともに前記冷却側の板部材が冷却されて前記熱電変換モジュールに温度差が与えられることにより、該熱電変換モジュールが発電する熱電変換式発電装置において、
   前記冷却側の板部材が可撓性を有する可撓性板部材からなり、
   前記密閉容器内が減圧状態とされて発生する該密閉容器の内外の圧力差によって、前記可撓性板部材が加圧された状態で前記熱電変換モジュールに対し直接または緩衝材を介して当接した状態とされ、
   前記可撓性板部材における前記熱電変換モジュールの周囲に、前記圧力差によって変形する変形部が形成され、該変形部は、前記密閉容器の内側に向けて突出する断面三角形状に形成されていることを特徴とする熱電変換式発電装置。
2. 前記冷却側の板部材に、該冷却側の板部材の可撓性を妨げない状態で冷却促進用の熱交換手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換式発電装置。
3. 前記熱交換手段は、柔軟性を有する熱交換部材からなることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換式発電装置。
4. 前記熱交換手段は、複数の独立した熱交換部材が前記可撓性板部材からなる前記冷却側の板部材に対し点在的に接触して設けられていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換式発電装置。

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