JP6675347B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、高温側と低温側との温度差を利用して発電を行う熱電発電装置に関する。

従来から、熱源流体が流通する既存の熱源部である配管の外周を取り囲むように取り付けられ、少なくとも外面の一部に平面が設けられて、２分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の平面に取り付けられる熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、当該配管を流れる熱源流体からの熱を熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を具備した熱電発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５６１１７３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱電発電装置では、熱源流体を取り囲む容器および容器内に充填される熱伝達媒体がともに熱伝導率の高い材料で構成され、容器の分割部には熱電変換モジュールを設置することができない構造であることから、熱電変換モジュールを通過せずに容器から放出される熱量の比率が高くなる。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が小さくなって、発電効率が低下するという問題がある。

また、特許文献１に記載の熱電発電装置では、熱電変換モジュールの容器と接触する面とは反対側の面に多数の放熱フィンを設け、この放熱フィンにより熱電変換モジュールの低温側を冷却することで、発電効率の向上を図っているが、冷却に風冷を用いた場合には、熱電変換モジュールが設置されていない容器の面にも風が当たるので、熱電変換モジュールを通過せずに容器から放出される熱量がさらに増える。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が小さくなって、発電効率が低下するという問題がある。

また、特許文献１に記載の熱電発電装置では、熱源流体が流通する配管の径の大きさが様々であることから、配管の径の大きさと配管を取り囲む容器の大きさとが合っていないと、容器内に充填される熱伝達媒体の量が増えて熱抵抗が高くなる。そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が小さくなって、発電効率が低下するという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる熱電発電装置を得ることを目的とする。

この発明に係る熱電発電装置は、熱電変換モジュールと、２分割以上の割り型構造を有して熱源流体が流通する配管の周囲を囲んで取り付けられる熱伝導部材からなる容器と、容器の一部を成し、その外側の面に熱電変換モジュールが設置されるモジュール設置部と、容器内に充填されて容器のモジュール設置部の内側面及び配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器のモジュール設置部を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の内側面にモジュール設置部の内側面を除いて設けられ、熱伝達媒体と容器との間に介在する、熱伝達媒体の熱伝導率及び容器の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えている。

また、この発明に係る熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管からの熱を伝達する熱伝導部材、および熱伝導部材の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールを有する少なくとも３個以上の熱電変換ユニットと、これら３個以上の熱電変換ユニットを配管の周囲に巻回し接続配置する接続部材と、配管の周囲に配置された熱電変換ユニットと配管との間に充填され、配管を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を備えたものである。

この発明に係る熱電発電装置によれば、熱電変換モジュールと、２分割以上の割り型構造を有して熱源流体が流通する配管の周囲を囲んで取り付けられる熱伝導部材からなる容器と、容器の一部を成し、その外側の面に熱電変換モジュールが設置されるモジュール設置部と、容器内に充填されて容器のモジュール設置部の内側面及び配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器のモジュール設置部を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の内側面にモジュール設置部の内側面を除いて設けられ、熱伝達媒体と容器との間に介在する、熱伝達媒体の熱伝導率及び容器の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えている。
そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の取り付け方法を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の取り付け方法を示す説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置に適用される蛇腹状の調整機構を示す説明図である。 （ａ）〜（ｃ）は、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の低熱伝導性部材を示す構成図である。 この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の熱抵抗回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の特性を示す表である。 この発明の実施の形態１に係る別の熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態２に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態２に係る熱電発電装置の特性を示す表である。 この発明の実施の形態３に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態３に係る別の熱電発電装置を示す展開図である。 （ａ）、（ｂ）は、この発明の実施の形態３に係る熱電発電装置における低熱伝導性部材と容器とのネジ固定状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態３に係る熱電発電装置の特性を示す表である。 この発明の実施の形態１〜３に係る熱電発電装置に適用される各材料の仕様を示す表である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置を示す側面図である。 （ａ）、（ｂ）は、この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の効果を示す表である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け後の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け後の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の別の熱電変換ユニットの取り付け後の状態を示す説明図である。 この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置を示す斜視図である。 この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置を軸方向から見た図である。 この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置の要部を拡大して示す図である。 この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置における１つの熱電変換ユニットを抜粋して示す斜視図である。 この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置における１つの熱電変換ユニットを抜粋して示す側面図である。

以下、この発明に係る熱電発電装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

なお、以下の各実施の形態では、熱電発電装置が適用される熱源として、流体が流通する配管を例に挙げて説明するが、これに限定されず、煙突等他の熱源にこの発明の熱電発電装置が適用されてもよい。

実施の形態１．
まず、熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置において、熱源流体が流通する配管から得られた熱量で、より多く発電するための条件について検討する。

熱電発電装置の発電量Ｗは、熱電変換モジュールを通過する熱量Ｑ１と、熱電変換モジュールの発電特性η（ΔＴ＿ｍ）とに比例し、熱量Ｑ１が大きいほど発電量Ｗが大きくなる関係があり、次式（１）が成り立つ。

Ｗ∝Ｑ１、η（ΔＴ＿ｍ） ・・・（１）
Ｗ：発電量
Ｑ１：熱電変換モジュールを通過する熱量
η（ΔＴ＿ｍ）：熱電変換モジュールの発電特性

また、発電特性η（ΔＴ＿ｍ）は、熱電変換モジュールの温度差、すなわち熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差ΔＴ＿ｍの関数であり、温度差ΔＴ＿ｍが大きいほど発電特性η（ΔＴ＿ｍ）が大きくなる関係があり、次式（２）が成り立つ。

η（ΔＴ＿ｍ）∝ΔＴ＿ｍ ・・・（２）
ΔＴ＿ｍ：熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差

式（１）、式（２）より、発電量Ｗを大きくするためには、Ｑ１およびΔＴ＿ｍを大きくすることが考えられる。ここで、Ｑ１とΔＴ＿ｍと熱電変換モジュールの熱抵抗Ｒｔｈ＿ｍとの間には、次式（３）の関係が成り立つ。

Ｑ１＝ΔＴ＿ｍ／Ｒｔｈ＿ｍ ・・・（３）
Ｒｔｈ＿ｍ：熱電変換モジュールの熱抵抗

また、熱源温度と冷却側との温度差ΔＴと、発電に寄与する合成熱抵抗Ｒｔｈ＿１との間にも、Ｑ１について次式（４）の関係が成り立つ。

Ｑ１＝ΔＴ／Ｒｔｈ＿１ ・・・（４）
ΔＴ：熱源温度と冷却側との温度差
Ｒｔｈ＿１：発電に寄与する合成熱抵抗

式（３）より、Ｑ１を大きくするためには、ΔＴ＿ｍを大きくするか、またはＲｔｈ＿ｍを小さくすることが考えられる。このとき、熱電変換モジュールの発電特性η（ΔＴ＿ｍ）は、高くなる効果が大きいため、ΔＴ＿ｍを極力大きくする。また、式（３）より、ΔＴ＿ｍには、次式（５）の関係が成り立つことがわかる。

ΔＴ＿ｍ＝Ｑ１×Ｒｔｈ＿ｍ ・・・（５）

なお、式（５）において、Ｒｔｈ＿ｍを大きくすることにより、Ｑ１が小さくなることも考えられるため、Ｒｔｈ＿ｍは一定とする。また、式（３）、式（４）より、Ｒｔｈ＿ｍとＲｔｈ＿１との間に、ΔＴ＿ｍについて次式（６）の関係が成り立つ。

ΔＴ＿ｍ＝ΔＴ×Ｒｔｈ＿ｍ／Ｒｔｈ＿１ ・・・（６）

式（６）より、ΔＴ＿ｍを高くするには、Ｒｔｈ＿１に対するＲｔｈ＿ｍの比率を高くすればよい。すなわち、Ｒｔｈ＿１からＲｔｈ＿ｍを減じた値は小さいほうがよい。そこで、次式（７）で表されるように、Ｒｔｈ＿１からＲｔｈ＿ｍを減じた値を、Ｒｔｈ＿ｍに対して、２０分の１以下に抑えることを目標とする。

Ｒｔｈ＿１−Ｒｔｈ＿ｍ＜Ｒｔｈ＿ｍ×１／２０ ・・・（７）

また、熱電発電装置が熱源から得た熱量Ｑ０と、熱電変換モジュールを通過する熱量Ｑ１と、熱電変換モジュールを通過しない熱量Ｑ２との間には、次式（８）の近似式が成り立つ。

Ｑ０＝Ｑ１＋Ｑ２ ・・・（８）
Ｑ０：熱電発電装置が熱源から得た熱量
Ｑ１：熱電変換モジュールを通過する熱量（発電に寄与する熱量）
Ｑ２：熱電変換モジュールを通過しない熱量（発電に寄与しない熱量）

また、Ｑ１とΔＴと熱電発電装置の合成熱抵抗Ｒｔｈ＿０との間には、次式（９）の関係が成り立つ。

Ｑ０＝ΔＴ／Ｒｔｈ＿０ ・・・（９）
Ｒｔｈ＿０：熱電発電装置の合成熱抵抗

また、Ｑ２とΔＴと発電に寄与しない合成熱抵抗Ｒｔｈ＿２との間には、次式（１０）の関係式が成り立つ。

Ｑ２＝ΔＴ／Ｒｔｈ＿２ ・・・（１０）

式（８）より、熱電発電装置が熱源から得た熱量Ｑ０に基づいて、より多くの発電量Ｗを得るためには、熱電変換モジュールを通過する熱量Ｑ１が、熱電変換モジュールを通過しない熱量Ｑ２よりも高い割合を占める必要がある。ここで、Ｑ０に占めるＱ１の割合は、次式（１１）で表される。

Ｑ１／Ｑ０＝Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２）＝１−Ｑ２／（Ｑ１＋Ｑ２）
＝１／Ｒｔｈ＿１×１／（１／Ｒｔｈ＿１＋１／Ｒｔｈ＿２）
＝１／Ｒｔｈ＿１×
｛Ｒｔｈ＿１×Ｒｔｈ＿２／（Ｒｔｈ＿１＋Ｒｔｈ＿２）｝
＝Ｒｔｈ＿２／（Ｒｔｈ＿１＋Ｒｔｈ＿２）
＝１−Ｒｔｈ＿１／（Ｒｔｈ＿１＋Ｒｔｈ＿２）
＝１−１／（１＋Ｒｔｈ＿２／Ｒｔｈ＿１） ・・・（１１）
Ｒｔｈ＿１＝発電に寄与する合成熱抵抗
Ｒｔｈ＿２＝発電に寄与しない合成熱抵抗

式（１１）より、発電に寄与する合成熱抵抗Ｒｔｈ＿１を極力小さくし、発電に寄与しない合成熱抵抗Ｒｔｈ＿２を極力大きくすることで、熱電変換モジュールを通過する熱量Ｑ１の割合を高くして、熱電変換モジュールの温度差を大きくすることができる。

そこで、この発明の実施の形態１では、熱源流体が流通する配管から得られた熱量を、熱電変換モジュールから集中して放熱することにより、発電効率を向上させることができる熱電発電装置について説明する。

図１は、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置を示す斜視図である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置を示す側面図である。図１、図２において、熱電発電装置１００は、熱源流体が流通する配管１を取り囲んで設けられている。

熱電発電装置１００は、配管１を囲むように取り付けられ、２分割以上の割り型構造を有する容器１０と、容器１０の配管１とは反対側の面に設置された熱電変換モジュール２０と、容器１０内に充填されて配管１に接し、配管１を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュール２０に伝達する熱伝達媒体３０と、配管１の、熱電変換モジュール２０に対応する部分とは異なる部分を囲むように設けられ、容器１０よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材４０と、から構成されている。

なお、容器１０は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも１つで形成され、熱伝達媒体３０は、水、油、シリコンおよびカーボン粒子の少なくとも１つで構成されている。

次に、図３、図４を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の取り付け方法について説明する。まず、図３において、２分割された中間容器１１が、配管１を囲むように取り付けられる。ここで、中間容器１１の分割部では、シール材を介して上側の中間容器１１と下側の中間容器１１とが接続されている。

また、中間容器１１の配管１とは反対側の面には、熱電変換モジュール２０が設置されている。熱電変換モジュール２０は、中間容器１１の表面に炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して設置され、熱電変換モジュール２０の配管１とは反対側の面には、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して、放熱フィンが取り付けられている。

続いて、図４において、中間容器１１の軸方向両端が、２分割された端部固定容器１２により固定される。ここで、端部固定容器１２の分割部では、シール材を介して上側の端部固定容器１２と下側の端部固定容器１２とが接続されている。また、端部固定容器１２と中間容器１１との接触部、および端部固定容器１２と配管１との接触部にも、シール材が設けられている。また、中間容器１１および端部固定容器１２によって、容器１０が構成されている。

また、容器１０には、熱伝達媒体３０を充填するための注入穴が、熱伝達媒体３０を充填する方向に合わせて２つ設けられている。また、熱伝達媒体３０は、容器１０内一杯に注入され、温度変化による熱伝達媒体３０の膨張および収縮を吸収するために、注入穴に図５（ａ）、（ｂ）で示されるような蛇腹状の調整機構が設けられてもよい。なお、熱伝達媒体３０の充填に使用しない方の注入穴は、ふたをしてもよい。

また、容器１０の外側には、容器１０よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材４０が設けられている。図６（ａ）〜（ｃ）は、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の低熱伝導性部材を示す構成図であり、（ａ）は上面の低熱伝導性部材４０を示し、（ｂ）は側面の低熱伝導性部材４０を示し、（ｃ）は軸方向の低熱伝導性部材４０を示している。

図６（ａ）〜（ｃ）において、低熱伝導性部材４０は、熱電変換モジュール２０に対応する部分（熱電変換モジュールが設置される領域）および注入穴に対応する部分以外の部分が、容器１０を囲むように構成されている。これにより、低熱伝導性部材４０が設けられていない部分を介し、熱源流体から得られた熱量が熱電変換モジュールから集中して放熱される構造を持ち、熱量を効率良く熱電変換モジュールに伝えることができる。なお、低熱伝導性部材４０は、ガラスウールや発泡スチロールで構成され、シール等により容器１０に貼り付けられる。また、低熱伝導性部材４０は、テープ状のガラスウールや発泡スチロールが容器１０の外周に巻き付けられる構成であってもよい。

次に、図７、図８を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置１００の特性について説明する。図７は、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の熱抵抗回路を示す回路図である。また、図８は、この発明の実施の形態１に係る熱電発電装置の特性を示す表である。

なお、図７の熱抵抗回路中、１と付されているものは、熱電変換モジュール２０を通過する方向を指し、２と付されているものは、熱電変換モジュール２０を通過しない方向を指し、１２と付されているものは、１方向から２方向に回り込むものを指している。また、図８では、熱電変換モジュールの熱抵抗を１としたときの、各部の熱抵抗を比率で示している。

図７において、容器１０の外側に低熱伝導性部材４０を設けることは、図７の熱抵抗回路中、Ｒｔｈ＿ｃａｓｅ２＿ａｉｒを大きくすることに相当する。また、図８では、Ｒｔｈ＿ｃａｓｅ２＿ａｉｒを変化せたときに、発電に寄与する熱量の比率、熱電変換モジュールを通る熱流量、および熱電変換モジュールの温度差を計算により求めている。

図８（特に、太線枠内参照）より、Ｒｔｈ＿ｃａｓｅ２＿ａｉｒをＲｔｈ＿ｍの約１００倍以上に大きくすることで、熱電発電装置が熱源から得た熱量Ｑ０に占める熱電変換モジュールを通過する熱量Ｑ１の割合Ｑ１／Ｑ０が＋１６．４％向上し、熱電変換モジュールの温度差が＋０．４Ｋ増加する。

これにより、既設配管に後から取り付けが可能で、熱源流体から得られた熱量が熱電変換モジュールから集中して放熱される構造を持ち、熱量を効率良く熱電変換モジュールに伝えることで、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差が大きくなり、発電効率が向上する熱電発電装置を得ることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管を囲むように取り付けられ、２分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を除いた面に設けられ、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を構成する部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えたものである。また、低熱伝導性部材は、容器の外側に取り付けられている。
そのため、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１では、ガラスウールや発泡スチロールで構成された低熱伝導性部材４０を、容器１０を囲むように貼り付けると説明した。しかしながら、これに限定されず、図９で示されるように、例えば容器１０の分割部とは異なる位置で２分割される、樹脂等で構成された低熱伝導性部材４０で、容器１０を囲むように固定してもよい。

このとき、低熱伝導性部材４０同士は、爪形状を契合させて結合されてもよい。また、温度変化による熱伝達媒体３０の膨張および収縮を吸収するために、低熱伝導性部材４０と容器１０との間に、シリコンシートやスプリング等の伸縮素材を設けてもよい。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、容器１０の外側に低熱伝導性部材４０を設ける構成について説明したが、低熱伝導性部材４０は、容器１０の内側に設けられてもよい。

図１０は、この発明の実施の形態２に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。図１０において、容器１０の内側には、容器１０よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材４０が設けられている。ここで、低熱伝導性部材４０は、容器１０の内側の、熱電変換モジュール２０に対応する部分（熱電変換モジュールが設置される領域）以外の部分に設けられている。

なお、低熱伝導性部材４０は、エポキシ系やＦＲＰ系の樹脂で構成され、容器１０の分割部と同じ位置で分割されて、シール等により容器１０に貼り付けられる。また、低熱伝導性部材４０は、容器１０の内側に吹き付けられてもよい。

次に、上述した図７とともに、図１１を参照しながら、この発明の実施の形態２に係る熱電発電装置１００の特性について説明する。図１１は、この発明の実施の形態２に係る熱電発電装置の特性を示す表である。

図７において、容器１０の内側に低熱伝導性部材４０を設けることは、図７の熱抵抗回路中、Ｒｔｈ＿ｇ２を大きくすることに相当する。また、図１１は、Ｒｔｈ＿ｇ２を変化せたときに、発電に寄与する熱量の比率、熱電変換モジュールを通る熱流量、および熱電変換モジュールの温度差を計算により求めている。

図１１（特に、太線枠内参照）より、Ｒｔｈ＿ｃａｓｅ１２が大きいケースを用いることによって、Ｒｔｈ＿ｇ２およびＲｔｈ＿ｃａｓｅ１２をＲｔｈ＿ｍの約１００倍以上に大きくすることで、熱電変換モジュールの温度差が変化せず、熱電発電装置が熱源から得た熱量Ｑ０に占める熱電変換モジュールを通過する熱量Ｑ１の割合Ｑ１／Ｑ０が＋１６．０％向上している。すなわち、これは、軽量化で容器１０を薄くし、この熱抵抗値が熱電変換モジュールの熱抵抗の１０倍程度ある場合に有効である。

以上のように、実施の形態２によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管を囲むように取り付けられ、２分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を除いた面に設けられ、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を構成する部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えたものである。また、低熱伝導性部材は、容器の内側に取り付けられている。
そのため、熱電変換モジュールの温度差を変化させることなく、熱電変換モジュールを通過する熱量の比率を大きくすることができるので、同条件の熱源から得られる発電量を増加させることができ、発電効率を向上させることができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１では、容器１０の外側に低熱伝導性部材４０を設ける構成について説明したが、低熱伝導性部材４０は、容器１０の一部を構成してもよい。

図１２は、この発明の実施の形態３に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。図１２において、図１等に示した容器１０の側面、すなわち熱電変換モジュールが設置される領域の面と直行する面が、容器１０よりも熱伝導率の低い低熱伝導性部材４０に置き換わっている。

なお、低熱伝導性部材４０は、エポキシ系やＦＲＰ系の樹脂で構成され、ネジ固定により容器１０と一体化されてもよいし、容器１０と一体成形されてもよい。また、図１３で示されるように、樹脂で構成された低熱伝導性部材４０の枠に熱電変換モジュール２０がはめ込まれ、その後、この枠が配管１を取り囲むように巻き付けられてもよい。

また、低熱伝導性部材４０をネジ固定により容器１０と一体化する方法としては、図１４（ａ）で示されるように、樹脂製のボルトおよびナットを用いて低熱伝導性部材４０と容器１０とを固定するものや、図１４（ｂ）で示されるように、低熱伝導性部材４０を貫通しない長さのネジを用いて低熱伝導性部材４０と容器１０とを固定するものがある。これにより、ネジ部分から熱が逃げることを防止することができる。

次に、上述した図７とともに、図１５を参照しながら、この発明の実施の形態３に係る熱電発電装置１００の特性について説明する。図１５は、この発明の実施の形態３に係る熱電発電装置の特性を示す表である。

図７において、容器１０の一部を低熱伝導性部材４０で構成することは、図７の熱抵抗回路中、Ｒｔｈ＿ｃａｓｅ２を大きくすることに相当する。また、図１５は、Ｒｔｈ＿ｃａｓｅ２を変化せたときに、発電に寄与する熱量の比率、熱電変換モジュールを通る熱流量、および熱電変換モジュールの温度差を計算により求めている。

図１５（特に、太線枠内参照）より、Ｒｔｈ＿ｃａｓｅ２をＲｔｈ＿ｍの約１００倍以上に大きくすることで、熱電変換モジュールの温度差が変化せず、熱電発電装置が熱源から得た熱量Ｑ０に占める熱電変換モジュールを通過する熱量Ｑ１の割合Ｑ１／Ｑ０が＋１６．８％向上している。

以上のように、実施の形態３によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管を囲むように取り付けられ、２分割以上の割り型構造を有する容器と、容器の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールと、容器内に充填されて配管に接し、配管を流通する熱源流体からの熱を、容器を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を除いた面に設けられ、容器の熱電変換モジュールが設置される領域を構成する部材の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、を備えたものである。また、低熱伝導性部材は、容器の一部を構成している。
そのため、熱電変換モジュールの温度差を変化させることなく、熱電変換モジュールを通過する熱量の比率を大きくすることができるので、同条件の熱源から得られる発電量を増加させることができ、発電効率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態１〜３では、容器１０の形状が断面四角形状であるものを例に挙げたが、これに限定されず、断面六角形、断面八角形等の多面体や、円筒の一部に平面を有する構造等、熱電変換モジュール２０が取り付けられる平面を有するものであれば、種々の形状が考えられる。

ここで、この発明の実施の形態１〜３に係る熱電発電装置に適用される各材料の仕様を図１６に例示する。図１６において、図７の熱抵抗回路に示した各熱抵抗について、材料および各材料の仕様が示されている。また、図１６において、実施の形態１〜３に対応する各熱抵抗は、低熱伝導性部材４０の熱抵抗を示している。

実施の形態４．
図１７は、この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置を示す側面図である。また、図１８（ａ）、（ｂ）は、この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置を示す軸方向断面図である。また、図１９は、この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の熱電変換ユニットの取り付け前の状態を示す説明図である。

なお、図１８（ａ）は、熱電発電装置１００の軸方向端部の断面図であり、図１８（ｂ）は、熱電発電装置１００の軸方向中間部の断面図である。また、図１７、図１８、図１９において、熱電発電装置１００は、熱源流体が流通する配管１を取り囲んで設けられている。

熱電発電装置１００は、配管１からの熱を伝達する熱伝導部材５０、および熱伝導部材５０の配管１とは反対側の面に、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して設置された熱電変換モジュール２０からなる熱電変換ユニット６０と、同一の熱電変換ユニット６０同士を接続する接続部材７０と、を備えている。なお、熱伝導部材５０は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも１つで形成されている。

また、熱電発電装置１００において、複数の熱電変換ユニット６０と接続部材７０とが配管を囲んでおり、熱電変換ユニット６０および接続部材７０と配管１との間に、配管１を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュール２０に伝達する熱伝達媒体３０が充填され、熱電変換ユニット６０の数は、配管１を囲む最少数となっている。

ここで、上述した特許文献１では、配管の大きさに合わせて熱電変換ユニットを準備する必要があり、配管の大きさに合わせて、熱電変換モジュールおよび熱電変換ユニットを選定、準備することになるので、不経済であった。これに対して、この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置１００では、同一の熱電変換ユニット６０を複数個用いて、配管１の外形に適した多角形の形状を構成して固定することができる。

図２０は、この発明の実施の形態４に係る熱電発電装置の効果を示す表である。図２０において、熱電変換ユニット６０の数を、配管１を囲む最少数とすることで、配管１と熱電変換モジュール２０との距離が最小となり、熱伝達媒体３０での熱抵抗の増加を抑えて熱量を効率よく熱電変換モジュールに伝えられることが分かる。

また、熱電変換ユニット６０の接続数を変更することで、大きさが異なる配管１に対しても、同一の熱電変換ユニット６０で取り付けができるので、経済的な熱電変換ユニットを得ることができる。

以上のように、実施の形態４によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管からの熱を伝達する熱伝導部材、および熱伝導部材の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールを有する少なくとも３個以上の熱電変換ユニットと、これら３個以上の熱電変換ユニットを配管の周囲に巻回し接続配置する接続部材と、配管の周囲に配置された熱電変換ユニットと配管との間に充填され、配管を流通する熱源流体からの熱を熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、を備えたものである。
そのため、配管の外径や大きさ（径）に応じて柔軟に熱電変換装置を組み立てることができるので、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。

なお、熱電変換ユニット６０の接続方法は、上述したものに限定されず、図２１、図２２に示されるように、同じ角度の傾斜板同士をピンで接続する方法、図２３、図２４に示されるように、爪同士を固定具で接続する方法、または図２５、図２６に示されるように、時計のバンドのような構造で接続する方法等がある。

また、上記実施の形態１〜３と実施の形態４とを組み合わせることができる。すなわち、図１７〜１９に示した熱電発電装置１００において、熱電変換モジュール２０に対応する部分とは異なる部分を囲むように低熱伝導性部材を設けてもよい。この場合には、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差をさらに大きくして、より発電効率を向上させることができる。

実施の形態５．
図２７は、この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置を示す斜視図である。また、図２８は、この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置を軸方向から見た図である。図２７、図２８において、熱電発電装置１００は、熱源流体が流通する配管１を取り囲んで設けられている。

図２９は、この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置の要部（図２８のＡ部）を拡大して示す図である。図２９において、熱電発電装置１００は、配管１からの熱を伝達する熱伝導部材５０、および熱伝導部材５０の配管１とは反対側の面に、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して設置された熱電変換モジュール２０からなる熱電変換ユニット６０と、熱電変換モジュール２０の配管１とは反対側の面に設けられた放熱フィン８０に取り付けられて、同一の熱電変換ユニット６０同士を接続する接続部材であるヒンジ部９０と、を備えている。なお、熱伝導部材５０は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも１つで形成されている。

また、熱電発電装置１００において、複数の熱電変換ユニット６０とヒンジ部９０とが配管を囲んでいる。また、熱電変換ユニット６０の数は、配管１を囲む最少数となっており、ヒンジ部９０の端部同士は、図２７、図２８に示されるように、締め付けボルトにより締結されている。なお、熱電変換ユニット６０の数は、最少数に限定されず、締め付けボルトの長さを変えることで、取り付け数が変わっても調整することができる。

次に、図３０、図３１を参照しながら、この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置の熱電変換ユニット６０周辺の構造について説明する。図３０は、この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置における１つの熱電変換ユニットを抜粋して示す斜視図である。また、図３１は、この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置における１つの熱電変換ユニットを抜粋して示す側面図である。

図３０、図３１において、熱電変換モジュール２０の配管１とは反対側の面には、炭素粒子が混入された高熱伝導性シート等を介して、放熱フィン８０が取り付けられている。また、放熱フィン８０には、同一の熱電変換ユニット６０同士を接続する接続部材であるヒンジ部９０が取り付けられている。

ここで、ヒンジ部９０は、図３０、図３１に示されるように、３本のネジで放熱フィン８０に取り付けられている。具体的には、外側の２本のネジは、放熱フィン８０に勘合し、ヒンジ部９０の回転および抜けを防止し、中央の１本のネジは、ヒンジ部９０に勘合して放熱フィン８０とヒンジ部９０との距離を調整するものである。

上述した特許文献１では、配管の大きさに合わせて熱電変換ユニットを準備する必要があり、配管の大きさに合わせて、熱電変換モジュールおよび熱電変換ユニットを選定、準備することになるので、不経済であった。これに対して、この発明の実施の形態５に係る熱電発電装置１００では、同一の熱電変換ユニット６０を複数個用いて、配管１の外形に適した多角形の形状を構成して固定することができる。

以上のように、実施の形態５によれば、熱電発電装置は、熱源流体が流通する配管からの熱を伝達する熱伝導部材、および熱伝導部材の配管とは反対側の面に設置された熱電変換モジュールを有する少なくとも３個以上の熱電変換ユニットと、これら３個以上の熱電変換ユニットを配管の周囲に巻回し接続配置する接続部材と、を備えたものである。
そのため、配管の外径や大きさ（径）に応じて柔軟に熱電変換装置を組み立てることができるので、熱電変換モジュールの高温側と低温側との温度差を大きくして、発電効率を向上させることができる。

１ 配管、１０ 容器、１１ 中間容器、１２ 端部固定容器、２０ 熱電変換モジュール、３０ 熱伝達媒体、４０ 低熱伝導性部材、５０ 熱伝導部材、６０ 熱電変換ユニット、７０ 接続部材、８０ 放熱フィン、９０ ヒンジ部（接続部材）、１００ 熱電発電装置。

Claims (2)

1. 熱電変換モジュールと、
   ２分割以上の割り型構造を有して熱源流体が流通する配管の周囲を囲んで取り付けられる熱伝導部材からなる容器と、
   前記容器の一部を成し、その外側の面に熱電変換モジュールが設置されるモジュール設置部と、
   前記容器内に充填されて前記容器のモジュール設置部の内側面及び前記配管に接し、前記配管を流通する熱源流体からの熱を、前記容器の前記モジュール設置部を介して熱電変換モジュールに伝達する熱伝達媒体と、
   前記容器の内側面に前記モジュール設置部の内側面を除いて設けられ、前記熱伝達媒体と前記容器との間に介在する、前記熱伝達媒体の熱伝導率及び前記容器の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する低熱伝導性部材と、
   を備えた熱電発電装置。
2. 前記容器は、アルミニウム、銅、鉄およびステンレスの少なくとも１つの熱伝導部材からなる
   請求項１に記載の熱電発電装置。

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