JP7278030B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換素子を利用した熱電発電装置に関する。

熱電変換モジュールは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能な熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。

上記のような熱電変換モジュールは、一般的に、複数の熱電変換素子（Ｐ型半導体及びＮ型半導体）を電極で接合して構成され、熱電変換素子の両端に接合されたそれぞれの電極に温度差を設けることにより発電する。このような熱電発電モジュールは、自動車のエンジンや、その他の産業機器から排出される排ガスの廃熱を利用して発電することができ、例えば特許文献１には自動車のＥＧＲガスを高温熱源として利用するＥＧＲガス発電装置が開示されている。

より具体的には、特許文献１に記載された従来技術は、自動車のエンジンから排出される排ガスのＥＧＲ流路と冷却水流路とを交互に積層し、排ガスを冷却することにより排ガス再循環（ＥＧＲ）を行うと共に、ＥＧＲ流路と冷却水流路との間に熱電変換モジュールを配置することにより発電を行なっている。

国際公開第２００７／０２６４３２号

しかしながら、上記のような従来技術は、積層したＥＧＲ流路と冷却水流路との間に熱電変換モジュールを配置するため、各流路の厚みの合計に熱電変換モジュールの厚みが加わることになり、積層方向の全体的な厚みが増大して省スペース化が妨げられる虞が生じる。また、上記のような従来技術は、各流路を形成する上板・下板、及び電極を介して熱電変換モジュールの端部を加熱・冷却するため、高温媒体・低温媒体と熱電変換モジュールとの熱伝導における損失により、発電効率が低下する虞が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電効率の低下を抑制する省スペースな熱電発電装置を提供することにある。

＜本発明の第１の態様＞
本発明の第１の態様は、第１流体が流れる第１流路と、前記第１流体に対して温度差を有する第２流体が流れる第２流路と、前記第１流路と前記第２流路とを隔てる絶縁性の隔離板と、前記第１流路及び前記第２流路からなる積層流路の最外部に設けられる絶縁性の外層隔離板と、前記温度差により発電する複数の熱電変換部と、前記外層隔離板に設けられ、互いに異なる半導体極性を有する前記熱電変換部を直列に接続する電極と、を備え、前記熱電変換部は、前記第１流路と前記第２流路とに跨るように配置される熱電発電装置である。

熱電発電装置は、第１流体が流れる第１流路と第２流体が流れる第２流路とからなる積層流路において、電極により直列に接続された複数の熱電変換部を備えており、個々の熱電変換部が第１流路と第２流路とに跨るように配置されている。このため、熱電変換部は、第１流体及び第２流体に直接接することにより熱伝導の損失が低減されることから、両者の温度差を効率的に電力に変換することができ発電効率の低下を抑制することができる。また、熱電変換部は、隔離板によって隔てられた第１流路と第２流路とからなる積層流路の内部に配置されることにより、熱電変換モジュールを各流路で挟む従来技術と比較して、積層方向の全体的な厚みを薄くすることができる。従って、本発明の第１の態様によれば、発電効率の低下を抑制する省スペースな熱電発電装置を提供することができる。

＜本発明の第２の態様＞
本発明の第２の態様は、上記した本発明の第１の態様において、前記第１流路は、複数の前記第２流路に挟まれるように配置され、前記複数の熱電変換部は、互いに異なる半導体極性を有する前記熱電変換部が前記第１流路において接合される、熱電発電装置である。

本発明の第２の態様は、１つの第１流路が２つの第２流路に挟まれる積層流路が形成されることにより、２つの隔離板が第１流路を介して対向することになる。また、熱電変換部は、それぞれの隔離板を貫通するように配置されているため、熱電変換部が積層流路の積層方向に並ぶことになる。ここで、これらの熱電変換部は、互いに異なる半導体極性を有すると共に、互いに接合されている。これにより、本発明の第２の態様によれば、積層方向に直列に接続される複数の熱電変換部を直接接続することができ、積層方向に対して省スペースな熱電発電装置を提供することができる。

＜本発明の第３の態様＞
本発明の第３の態様は、上記した本発明の第１又は第２の態様において、前記電極は、かしめ構造により前記外層隔離板に固定される、熱電発電装置である。

本発明の第３の態様によれば、電極が外層隔離板にかしめ固定されていることから、電極が外層隔離板から離脱する虞を低減することができる。また、本発明の第３の態様によれば、電極が外層隔離板に形成された貫通孔に対して設けられる場合であっても、電極が貫通孔を塞ぐようにかしめ固定されることにより、貫通孔における第１流体又は第２流体の漏洩を防止することができる。

＜本発明の第４の態様＞
本発明の第４の態様は、上記した本発明の第１乃至第３のいずれかの態様において、前記電極は、前記外層隔離板の外側面よりも外側に突出しないように配置される、熱電発電装置である。

外層隔離板に設けられる電極は、外層隔離板の内部、又は外層隔離板よりも流路側に配置されている。これにより、本発明の第４の態様によれば、熱電発電装置は、積層流路の積層方向に対する厚みが、２つ外層隔離板により規定される幅に抑えられ、より省スペース化を図ることができる。

＜本発明の第５の態様＞
本発明の第５の態様は、上記した本発明の第１乃至第４のいずれかの態様において、前記電極は、前記第１流体及び前記第２流体に接しない、熱電発電装置である。

本発明の第５の態様によれば、第１流体又は第２流体が金属に対して腐食性がある場合や高温である場合であっても、第１流体及び第２流体が電極に接しない位置に形成されていることにより、電極が損傷する虞を低減することができる。

＜本発明の第６の態様＞
本発明の第６の態様は、上記した本発明の第１乃至第５のいずれかの態様において、前記外層隔離板及び前記隔離板の少なくとも一方は、金属板を備え、前記金属板は、前記熱電変換部と電気的に導通しない、熱電発電装置である。

熱電発電装置は、外層隔離板及び隔離板の少なくとも一方が、熱電変換部に対して電気的に絶縁された金属板を備えることにより、当該金属板を介して設置個所に容易に固定することができる。ここで、外層隔離板及び隔離板は、第１流体及び第２流体に接しても損傷しにくい材料から形成されていることが好ましく、条件によっては熱電発電装置を設置個所に直接固定するための部材としては強度が不十分となる虞も生じ得る。このため、本発明の第６の態様によれば、外層隔離板及び隔離板の少なくとも一方は、例えば当該金属板を介して熱電発電装置を固定することにより、直接接続するよりも強固に接続することができる。

＜本発明の第７の態様＞
本発明の第７の態様は、上記した本発明の第６の態様において、前記金属板は、前記第１流体及び前記第２流体に接しないように配置される、熱電発電装置である。

本発明の第７の態様によれば、例えば第１流体又は第２流体が金属板に対して腐食性がある場合や高温である場合であっても、第１流体及び第２流体が金属板に接しない位置に形成されていることにより、金属板が損傷する虞を低減することができる。

＜本発明の第８の態様＞
本発明の第８の態様は、上記した本発明の第１乃至第７のいずれかの態様において、前記熱電変換部は、前記隔離板に形成された貫通孔を塞ぐ導通部材と、前記第１流路に配置され前記導通部材に接続される第１熱電変換素子と、前記第２流路に配置され前記導通部材に接続される第２熱電変換素子と、を含み、前記第１熱電変換素子と前記第２熱電変換素子とが互いに同じ半導体極性を有する、熱電発電装置である。

熱電変換部は、互いに同じ半導体極性を有する第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とが導通部材を挟むように形成され、第１流路と第２流路とに跨るように配置されている。ここで、導通部材は隔離板に形成された貫通孔を塞ぐように隔離板にかしめ固定され、また、電極は上記のように外層隔離板に設けられている。これにより、熱電発電装置は、導通部材を備える隔離板と電極を備える複数の外層隔離板とのそれぞれの間に、第１熱電変換素子及び第２熱電変換素子をそれぞれ配置して溶接することにより一回の接合で形成することができる。このため、本発明の第８の態様によれば、積層流路と熱電変換部とを一体化した構成であるにも拘らず、製造効率の向上が可能な構造を有する熱電発電装置を提供することができる。

本発明によれば、発電効率の低下を抑制する省スペースな熱電発電装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の主要部を示す斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置の断面図である。 本発明の第３実施形態に係る電極の断面図である。 本発明の第４実施形態に係る電極の断面図である。 本発明の第５実施形態に係る外層隔離板の一部を示す分解斜視図である。 本発明の第５実施形態に係る熱電発電装置の断面図である。 本発明の第６実施形態に係る電極の断面図である。 本発明の第７実施形態に係る熱電発電装置の断面図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。尚、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施の形態の説明に用いる図面は、いずれも構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、または省略などを行っており、構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。以下では、説明の便宜上、各図における三次元空間の各方向を符号Ｘ、Ｙ、Ｚで示す。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置１について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置１の主要部を示す斜視図である。熱電発電装置１は、隔離板１０、２つの外層隔離板２０、複数の熱電変換部３０、４０、及び複数の電極５０を備える。熱電発電装置１は、詳細を後述するように、隔離板１０及び２つの外層隔離板２０により形成される２つの流路に高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃがそれぞれ流れることにより、末端の電極５０Ａ及び５０Ｂに電力を発生させる。尚、本実施形態においては、Ｘ方向の２つの流路を形成すべく、当該流路のＹ方向の両側に側壁（図１では図示を省略）が設けられているものとする。

隔離板１０は、絶縁性を有し、高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃを隔てる板状部材であり、本実施形態においてはＸＹ平面に配置されている。隔離板１０は、例えばセラミックからなり、各媒体に対する耐熱性と耐腐食性とを有すると共に、各媒体を透過しない遮蔽性を有する。

２つの外層隔離板２０は、隔離板１０と同様の材質からなり、隔離板１０に対して平行且つＺ方向両側の離間した位置にそれぞれ配置されている。

複数の熱電変換部３０及び４０は、隔離板１０を貫通して両端が２つの外層隔離板２０にそれぞれ当接するように配置されている。熱電変換部３０は、詳細を後述するように、Ｐ型半導体素子を含み、高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃの温度差により内部の正孔（ホール）が移動することで電力を発生させる。また、熱電変換部４０は、詳細を後述するように、Ｎ型半導体素子を含み、高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃの温度差により内部の電子が移動することで電力を発生させる。複数の熱電変換部３０及び４０は、Ｘ方向及びＹ方向に対してマトリクス状に交互に配置されている。

複数の電極５０は、例えば銅などの金属部材からなり、２つの外層隔離板２０にそれぞれ設けられると共に、交互に隣接する熱電変換部３０及び４０の端部同士を電気的に接続する。これにより、それぞれの電極５０は、全ての熱電変換部３０及び４０を直列に接続する。尚、直列接続の末端の電極５０Ａ及び５０Ｂは、電力を取り出すための引き出し電極として、外層隔離板２０よりも外側へ延在している。

図２は、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置１の断面図である。より具体的には、図２は、図１の熱電発電装置１において、末端の電極５０Ａを通るＸＺ平面における断面を表す。

図２に示されるように、隔離板１０と一方の外層隔離板２０との間には、第１流路Ｆ１が形成され、第１流路Ｆ１の内部を「第１流体」としての高温媒体Ｈが流れる。また、隔離板１０と他方の外層隔離板２０との間には、第２流路Ｆ２が形成され、第２流路Ｆ２の内部を「第２流体」としての低温媒体Ｃが流れる。すなわち、本実施形態においては、１つの第１流路Ｆ１と１つの第２流路Ｆ２とが積層流路を構成し、隔離板１０が両者を隔離すると共に、当該積層流路の積層方向（Ｚ方向）における最外部に外層隔離板２０が設けられている。

本実施形態においては、図２に示すように、高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃは、Ｘ方向の同一の向きに流れていることとしているが、互いに逆向きであってもよく、また、ＸＹ平面において互いに垂直な向きであってもよい。高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃは、例えば熱電発電装置１が車両の排ガス再循環（ＥＧＲ）に適用される場合には、それぞれ排ガス及び冷却水を使用することになるが、必ずしもこれらに限られるものではなく、温度差を有する２つの流体であればよい。

熱電変換部３０は、導通部材３１、及び２つの熱電変換素子３２を含む。導通部材３１は、例えば銅などの電気伝導性を有する金属からなり、隔離板１０に形成された貫通孔１１を塞ぐように設けられている。「第１熱電変換素子」及び「第２熱電変換素子」としての２つの熱電変換素子３２は、共に公知のＰ型半導体材料から形成されていることにより互いに同じ半導体極性を有し、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２のそれぞれにおいて、一端が溶接により導通部材３１と接合され、他端が外層隔離板２０に当接するように配置されている。そして、導通部材３１及び熱電変換素子３２は、ＸＹ平面における断面形状がいずれも同一である。当該断面形状は、本実施形態においては、円形であるが、その他の形状であってもよい。

熱電変換部４０は、導通部材４１、及び２つの熱電変換素子４２を含む。導通部材４１は、例えば銅などの電気伝導性を有する金属からなり、隔離板１０に形成された貫通孔１１を塞ぐように設けられている。「第１熱電変換素子」及び「第２熱電変換素子」としての２つの熱電変換素子４２は、共に公知のＮ型半導体材料から形成されていることにより互いに同じ半導体極性を有し、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２のそれぞれにおいて、一端が溶接等により導通部材４１と接合され、他端が外層隔離板２０に当接するように配置されている。そして、導通部材４１及び熱電変換素子４２は、ＸＹ平面における断面形状がいずれも同一である。当該断面形状は、本実施形態においては円形であるが、その他の形状であってもよい。

複数の電極５０は、例えば銅などの電気伝導性を有する金属からなり、外層隔離板２０に形成された貫通孔２１を塞ぎつつ、互いに異なる半導体極性を有する隣接する熱電変換部３０と熱電変換部４０とを電気的に接続する。それぞれの電極５０は、貫通孔２１に対するかしめ構造により外層隔離板２０に固定されている。ここで、貫通孔２１は、外層隔離板２０の厚み方向、すなわちＺ方向に対して側面が非直線的に形成されている。このため、かしめ構造により外層隔離板２０に固定された電極５０は、貫通孔２１から離脱しにくい構造を有することになる。また、それぞれの電極５０は、熱電変換部３０及び熱電変換部４０に対して溶接により直接接合されている。

そして、熱電発電装置１は、第１流路Ｆ１に配置された熱電変換素子３２、４２を高温媒体Ｈが加熱し、第２流路Ｆ２に配置された熱電変換素子３２、４２を低温媒体Ｃが冷却することにより、熱電変換部３０、４０がＺ方向に対して互いに逆向きの電力を発生される。これにより、熱電発電装置１は、直列に接続された全ての熱電変換部３０、４０により発電することができる。

以上のように、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置１は、個々の熱電変換部３０及び熱電変換部４０が第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２に跨るように配置されていることから、高温媒体Ｈに接する部分が直接加熱され、低温媒体Ｃに接する部分が直接冷却されることになる。このため、熱電発電装置１は、熱電変換部３０及び熱電変換部４０と高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃとの熱伝導の損失が低減されることにより、発電効率（各媒体の温度差に対する発電量）の低下を抑制することができる。また、熱電発電装置１は、熱電変換部３０及び熱電変換部４０が第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２の内部に配置されていることから、熱電変換モジュールを各流路で挟む従来技術と比較して、積層方向の全体的な厚みを薄くすることができる。従って、本発明の第１実施形態によれば、発電効率の低下を抑制する省スペースな熱電発電装置を提供することができる。

また、本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置１は、熱電変換部３０及び熱電変換部４０を接続する電極５０が、かしめ構造により外層隔離板２０に固定されている。このため、電極５０は、外層隔離板２０から離脱する虞を低減することができると共に、外層隔離板２０に形成された貫通孔２１を塞ぐことにより、貫通孔２１から高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃが流出する虞を低減することができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置２について説明する。本発明の第２実施形態は、積層流路が１つの第１流路Ｆ１と２つの第２流路Ｆ２とで構成され、熱電変換部３０及び熱電変換部４０がＺ方向に対しても接続されている点が上記した第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一の点については、詳細な説明を省略する。

図３は、本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置２の断面図である。より具体的には、図３は、図２と同様に、熱電発電装置２のＸＺ平面における断面を表す。

熱電発電装置２は、２つの隔離板１０と２つの外層隔離板２０とがそれぞれＺ方向に離間して平行に配置されている。図３に示されるように、２つの隔離板１０の間には、第１流路Ｆ１が形成され、第１流路Ｆ１の内部を「第１流体」としての高温媒体Ｈが流れる。また、２つの隔離板１０と２つの外層隔離板２０との間には、それぞれ第２流路Ｆ２が形成され、第２流路Ｆ２の内部を「第２流体」としての低温媒体Ｃが流れる。すなわち、本実施形態においては、１つの第１流路Ｆ１が２つの第２流路Ｆ２に挟まれるように積層流路が構成され、２つの隔離板１０が両者を隔離すると共に、当該積層流路の積層方向（Ｚ方向）における最外部に外層隔離板２０が設けられている。

複数の熱電変換部３０及び熱電変換部４０は、Ｘ方向及びＹ方向に交互に配置されていることに加え、Ｚ方向に対してもそれぞれ１つずつ配置されている。このとき、Ｚ方向に並ぶ熱電変換部３０及び熱電変換部４０は、第１流路Ｆ１において、溶接により互いに直接接合されている。そして、Ｚ方向に接合した熱電変換部３０及び熱電変換部４０は、互いに半導体極性が異なるため、発生させる電力の向きが図面上等しく、電気的に直列に接続されることになる。

以上のように、本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置２は、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２が交互に配置され、積層方向に対して熱電変換部３０及び熱電変換部４０が互いに接合されている。これにより、本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置２によれば、上記した熱電発電装置１を積層方向に２つ配置する場合に比して、電極５０がかしめ固定された外層隔離板２０の数量を削減することができ、積層方向に対して省スペース化を図ることができる。尚、同様の構成により、より多くの第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２を交互に配置した場合であっても、積層方向に対して熱電変換部３０及び熱電変換部４０を交互に接合することで、積層方向の直列接続を拡張することもできる。

＜第３実施形態＞
本発明の第３実施形態について説明する。本発明の第３実施形態は、外層隔離板２０に設けられた電極５１の構成が上記した第１実施形態の電極５０と異なる。以下、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一の点については、詳細な説明を省略する。

図４は、本発明の第３実施形態に係る電極５１の断面図である。より具体的には、図４は、外層隔離板２０にかしめ固定された１つの電極５１のＸＺ平面における断面を表す。ここでは、第１流路Ｆ１に接する外層隔離板２０に設けられた電極５１について説明するが、第２流路Ｆ２に接する外層隔離板２０に設けられた電極５１も同様の構成とすることができるため説明を省略する。

図４に示すように、外層隔離板２０には、熱電変換部３０と熱電変換部４０とを接続する電極５１を収容するための凹部２２が形成されている。凹部２２は、外層隔離板２０の内側面２３に面して形成され、内部に電極５１がかしめ固定されている。このため、電極５１は、外層隔離板２０の外側面２４よりも積層流路の外側に突出しないように配置することができる。

これにより、本発明の第３実施形態によれば、外層隔離板２０から電極５１が積層方向に突出しない構成とすることができ、上記した第１実施形態に比して、積層方向の全体的な厚みを薄くすることができる。

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態について説明する。本発明の第４実施形態は、外層隔離板２０に設けられた電極５２の構成が上記した第１実施形態の電極５０と異なる。以下、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一の点については、詳細な説明を省略する。

図５は、本発明の第４実施形態に係る電極５２の断面図である。より具体的には、図５は、外層隔離板２０にかしめ固定された１つの電極５２のＸＺ平面における断面を表す。ここでは、第１流路Ｆ１に接する外層隔離板２０に設けられた電極５２について説明するが、第２流路Ｆ２に接する外層隔離板２０に設けられた電極５２も同様の構成とすることができるため説明を省略する。

図５に示すように、外層隔離板２０には、熱電変換部３０と熱電変換部４０とを接続する電極５２を収容するための部分貫通孔２５が形成されている。部分貫通孔２５は、外層隔離板２０の貫通部分と、外層隔離板２０の外側面２４に面して形成された凹部とが連結するように形成され、内部に電極５２がかしめ固定されている。このため、電極５２は、外層隔離板２０の外側面２４よりも積層流路の外側に突出しないように配置することができる。

これにより、本発明の第４実施形態によれば、外層隔離板２０から電極５２が積層方向に突出しない構成とすることができ、上記した第１実施形態に比して、積層方向の全体的な厚みを薄くすることができる。また、本発明の第４実施形態によれば、電極５２が外層隔離板２０の内側面２３及び外側面２４の両方向に離脱しにくい構成とすることができる。

＜第５実施形態＞
本発明の第５実施形態について説明する。本発明の第５実施形態は、外層隔離板２６の構成、及び外層隔離板２６に設けられた電極５３の構成が上記した第１実施形態の外層隔離板２０、及び外層隔離板２０に設けられた電極５０と異なる。以下、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一の点については、詳細な説明を省略する。

図６は、本発明の第５実施形態に係る外層隔離板２６の一部を示す分解斜視図である。外層隔離板２６は、上記した外層隔離板２０と同様の素材からなる第１外層隔離板２７及び第２外層隔離板２９と、金属板２８とを含み、金属板２８の両面に第１外層隔離板２７及び第２外層隔離板２９が貼り付けられている。ここで、第１外層隔離板２７及び第２外層隔離板２９は、貼り付けられた金属板２８により補強されるため、上記した外層隔離板２０よりも薄く形成することができる。

外層隔離板２６にかしめ固定される電極５３は、外層隔離板２６の積層構造に伴って、第１部分電極５４、第２部分電極５５、第３部分電極５６、及び第４部分電極５７からなる形状として構成される。第１部分電極５４は、第１外層隔離板２７に形成された貫通孔を塞ぐように、第１外層隔離板２７と同じ層に配置される。第２部分電極５５は、金属板２８に形成された孔部２８ａに対してクリアランスを設けて第１外層隔離板２７と同じ層に配置される。第３部分電極５６は、第２外層隔離板２９に形成された貫通孔を塞ぐように、第２外層隔離板２９と同じ層に配置される。そして、第４部分電極５７は、第２外層隔離板２９の外側面において、隣接する２つの第３部分電極５６を電気的に接続する。

ここでは、第１部分電極５４乃至第４部分電極５７を分離して説明しているが、これらは全て同一材料からなり、電極５３として一体に形成されている。また、第１外層隔離板２７及び第２外層隔離板２９が絶縁性を有する素材で形成されているのに対し、金属板２８は、導電性を有するため、複数の孔部２８ａを設けることにより、電極５３を介して熱電変換部３０及び熱電変換部４０と電気的に導通しない構成としている。

図７は、本発明の第５実施形態に係る熱電発電装置３の断面図である。より具体的には、図７は、第１外層隔離板２７及び第２外層隔離板２９が金属板２８を含む場合の熱電発電装置３における、末端の電極５３Ａを通るＹＺ平面における断面を表す。すなわち、図７は、高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃの上流側から見た断面を表している。

熱電発電装置３は、Ｘ方向に流れる高温媒体Ｈ及び低温媒体ＣのＹ方向への流出を防止する側壁７０が設けられている。側壁７０は、隔離板１０及び外層隔離板２６と同様の材質からなり、隔離板１０及び外層隔離板２６と一体に形成してもよい。

外層隔離板２６は、上記した金属板２８を含むように形成されている。金属板２８は、本実施形態においては、外層隔離板２６よりもＹ方向に長く形成されている。そして、金属板２８は、熱電発電装置３の設置個所に対して容易に固定するための固定部材として利用することができる。例えば、図７に示すように、熱電発電装置３が金属の筐体６０を備える場合には、金属板２８と筐体６０の内壁面とを溶接により接続することができる。ここで、外層隔離板２６は、例えばセラミックにより形成されていることから、金属板２８を介して接続することで、筐体６０へ直接接続するよりも強固に固定することができる。また、金属板２８は、高温媒体Ｈ及び低温媒体Ｃのいずれにも接しないため、高温媒体Ｈ又は低温媒体Ｃによる腐食を防止することができる。

＜第６実施形態＞
本発明の第６実施形態について説明する。本発明の第６実施形態は、電極５８の構成が上記した第５実施形態の電極５３と異なる。以下、第５実施形態と異なる点について説明し、第５実施形態と同一の点については、詳細な説明を省略する。

図８は、本発明の第６実施形態に係る電極５８の断面図である。より具体的には、図８は、外層隔離板２６にかしめ固定された１つの電極５８のＸＺ平面における断面を表す。ここでは、第１流路Ｆ１に接する外層隔離板２６に設けられた電極５８について説明するが、第２流路Ｆ２に接する外層隔離板２６に設けられた電極５８も同様の構成とすることができるため説明を省略する。

本実施形態における電極５８は、第１外層隔離板２７を貫通して熱電変換部３０及び熱電変換部４０のそれぞれに接続される２つの貫通部分と、第１外層隔離板２７と同じ層において２つの貫通部分を接続する接続部分とから構成されている。すなわち、電極５８は、高温媒体Ｈに接しない他、仮に外層隔離板２６の外側面２４側を別の媒体に晒される場合であっても、各媒体から腐食等の影響を受ける虞を低減することができる。

＜第７実施形態＞
本発明の第７実施形態について説明する。本発明の第７実施形態は、熱電変換部３０及び熱電変換部４０の構成が上記した第１実施形態と異なる。以下、第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一の点については、詳細な説明を省略する。

図９は、本発明の第７実施形態に係る熱電発電装置４の断面図である。より具体的には、図９は、末端の電極５０Ａを通るＸＺ平面における断面を表す。

本実施形態における熱電変換部３０は、２つの外層隔離板２０の間において、隔離板１０を貫通するＰ型半導体素子３３からなる。また、本実施形態における熱電変換部４０は、２つの外層隔離板２０の間において、隔離板１０を貫通するＮ型半導体素子４３からなる。ここで、それぞれの熱電変換部３０及び熱電変換部４０と隔離板１０に形成された貫通孔との間に隙間が生じる虞がある場合には、当該隙間を例えばめっき部材１２で塞ぐことでシール性を担保することができる。これにより、本実施形態における熱電変換部３０及び熱電変換部４０によれば、個々の半導体素子が隔離板１０を貫通する構成であっても、上記した第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

以上で実施形態の説明を終えるが、本発明は上記した実施形態に限定されるものではない。例えば、上記の各実施形態において、第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２の配置を逆にして積層流路を構成してもよい。また、上記の各実施形態においては、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２をＺ方向に積層して積層流路を構成する態様を例示したが、第１流路Ｆ１及び第２流路Ｆ２を同心円の径方向に積層して積層流路を構成してもよい。

また、上記の第１実施形態及び第２実施形態において、図２及び図３に示される導通部材３１、４１は、電極５０と同様に、隔離板１０の貫通孔１１にかしめ構造により固定されてもよい。さらに、隔離板１０は、図６及び図７に示される外層隔離板２６と同様に、金属板２８を備えてもよい。

また、上記の各実施形態においては、図２及び図３に示される第１流路Ｆ１と第２流路Ｆ２とが一枚の隔離板１０によって隔てられているが、隔離板１０を２重構造としてもよい。このとき、２重構造の隔離板１０の全体の厚みは、上記の各実施形態における隔離板１０の厚みと略同じ厚さとするのが好適である。これにより、２重構造の隔離板１０は、積層方向の全体的な厚みを増加させることなく、高温媒体Ｈと低温媒体Ｃとの漏れによる混合をより確実に防止することができる。尚、この場合には２重構造の隔離板１０のそれぞれに貫通孔１１が形成されることになるが、貫通孔１１に設けられる導通部材３１、４１については、上記の各実施形態と略同じ寸法のものを適用することができる。

また、上記の各実施形態において、熱電変換部３０の断面積と熱電変換部４０の断面積との間に差を設けて両者の太さを変えてもよい。例えば、Ｐ型半導体材料からなる熱電変換素子３２とＮ型半導体材料からなる熱電変換素子４２とについて、一方の素子が他方の素子よりも抵抗値が高い場合には、その差に応じて、一方の素子の断面積を他方の素子の断面積よりも大きく設定するのが好適である。これにより、直列に接続される熱電変換部３０と熱電変換部４０との間で電気伝導性のバランスをとることができる。

１ 熱電発電装置
１０ 隔離板
１１、２１ 貫通孔
２０ 外層隔離板
２３ 内側面
２４ 外側面
２８ 金属板
２８ａ 孔部
３０、４０ 熱電変換部
３１、４１ 導通部材
３２、４２ 熱電変換素子
５０ 電極
Ｈ 高温媒体
Ｃ 低温媒体
Ｆ１ 第１流路
Ｆ２ 第２流路

Claims (7)

1. 第１流体が流れる第１流路と、
   前記第１流体に対して温度差を有する第２流体が流れる第２流路と、
   前記第１流路と前記第２流路とを隔てる絶縁性の隔離板と、
   前記第１流路及び前記第２流路からなる積層流路の最外部に設けられる絶縁性の外層隔離板と、
   前記温度差により発電する複数の熱電変換部と、
   前記外層隔離板に設けられ、互いに異なる半導体極性を有する前記熱電変換部を直列に接続する電極と、を備え、
   前記熱電変換部は、前記第１流路と前記第２流路とに跨るように配置され、前記隔離板に形成された貫通孔を塞ぐ導通部材と、前記第１流路に配置され前記導通部材に接続される第１熱電変換素子と、前記第２流路に配置され前記導通部材に接続される第２熱電変換素子と、を含み、
   前記第１熱電変換素子と前記第２熱電変換素子とが同一の断面形状及び寸法で前記導通部材に接続され、
   前記第１熱電変換素子と前記第２熱電変換素子とが互いに同じ半導体極性を有する、熱電発電装置。
2. 前記第１流路は、複数の前記第２流路に挟まれるように配置され、
   前記複数の熱電変換部は、互いに異なる半導体極性を有する前記熱電変換部が前記第１流路において接合される、請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記電極は、かしめ構造により前記外層隔離板に固定される、請求項１又は２に記載の熱電発電装置。
4. 前記電極は、前記外層隔離板の外側面よりも外側に突出しないように配置される、請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電発電装置。
5. 前記電極は、前記第１流体及び前記第２流体に接しない、請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電発電装置。
6. 前記外層隔離板及び前記隔離板の少なくとも一方は、金属板を備え、
   前記金属板は、前記熱電変換部と電気的に導通しない、請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電発電装置。
7. 前記金属板は、前記第１流体及び前記第２流体に接しないように配置される、請求項６に記載の熱電発電装置。

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