JPH11215867A

JPH11215867A - 熱電発電素子構造体及び熱電発電システム

Info

Publication number: JPH11215867A
Application number: JP10026598A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Abe; 健安部; Atsushi Fukuoka; 敦福岡
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1998-01-23
Filing date: 1998-01-23
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】熱流体流路に対し熱電変換素子を高密度に配置
することができ、熱流体流の熱を簡便且つきわめて有効
に利用できる発電効率に優れた熱電発電素子構造体及び
これを用いた熱電発電システムを得る。【解決手段】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせてなることを特徴とする
熱電発電素子構造体、平板型ヒートパイプの蒸発部の片
面又は両面に熱電変換素子を張り合わせるとともに、該
熱電変換素子の表面に蓄熱材又は断熱材を配置してなる
ことを特徴とする熱電発電素子構造体、及び、これら熱
電発電素子構造体を用いてなる熱電発電システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼ガス、燃焼排
ガス、温排水、排蒸気などの熱流体の熱を利用するため
の熱電発電素子構造体及び熱電発電システム（装置）に
関し、より詳しくは熱流体流路における空間効率を向上
させ、熱流体の熱を高効率で利用するための熱電発電素
子構造体及び熱電発電システムに関する。また、本発明
は、熱電発電の作動及び作動停止に伴う熱電変換素子の
温度変化を緩和させ、作動停止時の放熱を防止すること
ができる熱電変換素子構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換素子は、熱電変換素子の両端に
温度差を与えることで該両端間に熱起電力が発生する熱
電効果（＝ゼーベック効果）を利用して熱エネルギーを
直接電力に変換する素子であり、熱電変換素子によれ
ば、相異なる二種の金属やＰ型半導体とＮ型半導体等の
相異なる熱電変換材料を熱的に並列に置き、該素子を電
気的に直列に接続して外部に負荷を接続して閉回路を構
成することで回路に電流が流れ、電力として取り出すこ
とができる。

【０００３】図１（ａ）は熱電変換素子を原理的に説明
する図であり、一例としてＮ型半導体とＰ型半導体とを
組合せた例を示している。図１（ａ）中、１はＰ型半導
体、２はＮ型半導体、３は高温側接合部、４は低温側接
合部であり、Ｑは高温熱源、Ｔｈは高温側温度、Ｔｃは
低温側温度を示し、Ｓは絶縁空間である。高温側接合部
３には高温側電極５を共通に設け、低温側接合部４には
低温側電極６、７が別個に設けられている。この態様の
熱電変換素子において高温側接合部３と低温側接合部４
との間に温度差ΔＴ＝Ｔｈ−Ｔｃを与えると、両電極間
（５と６及び７との間）に電圧が発生する。それ故、低
温側の両電極６と７との間に負荷（Ｒ）を接続すると電
流（Ｉ）が流れ電力（Ｗ）として取り出すことができ
る。

【０００４】この種の熱電変換素子においては、得られ
る電流は大まかなところその素子の数に比例し、得られ
る電力量は素子の大きさに比例する。ところが電圧につ
いては相異なる二種の熱電変換材料の一対だけでは何れ
にしても高々数十ｍＶにしかならない。この意味で熱電
変換素子は小電圧、大電流型の電源であり、通常所望さ
れる電圧を得ることができない。このため、多くの場合
その複数対を積層することが必要であり、この積層のた
めの手法としてこれまで幾つかの態様が考えらている
が、図１（ｂ）はそれを平板状に構成した場合の一態様
例を模式的に示した図である。

【０００５】図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すような１
対のＰーＮ単位の複数個を直列に連結した形式のもの
で、複数対のＰ型及びＮ型半導体が間隔を置いて交互に
併置され、相隣るＰ型及びＮ型半導体単位が電極によっ
て直列に連結されている。図中では一例としてＰーＮ単
位を５９対連結した場合を示しているが、必要数が連結
される。なお図１（ｂ）中、８は熱電変換素子、９は電
極（連結細片）、１０は電力取出用の導線であり、矢印
（→）は電流の流れを示している。

【０００６】ところで、熱電変換素子を用いた発電方式
においては、高温側（接合部）３と低温側（接合部）４
との間に温度差ΔＴが必要であり、その高温側として燃
焼排ガス等の排熱流体の熱を利用することが考えられ
る。図２はこの利用例を示す図で、一例として燃焼排ガ
ス導管の外壁面に熱電変換素子を配置した態様である。
図２中、１１は燃焼排ガス導管（煙道等）、１２はその
外表面に配置された熱電変換素子である。しかしこの態
様では燃焼排ガス導管の外表面の面積に限度があり、ま
た熱電変換素子を排ガスの流れ方向に配置する場合、内
部を流れる燃焼排ガスの熱は、導管内の温度傾斜により
間接的に利用され得るが、その利用には限度がある。

【０００７】このためヒートパイプを使用し、これを高
温流路内に突っ込み、熱電変換素子を加熱及び冷却を行
うシステムが提案されている（特開昭６０ー８４９８０
号公報）。図３はその概要を示す図で、図３（ａ）は縦
断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中ＡーＡ線断面図であ
る。図３中１３は高温流路、１４は低温流路であり、各
流路中には２個のヒートパイプが相対向して設置されて
いる。高温流路側のヒートパイプ１５の径は低温流路側
のヒートパイプ１６の径より大とされ、ヒートパイプ１
５にはヒートパイプ１６の受け入れ用の凹部１７が設け
られている。

【０００８】ヒートパイプ１５の受け入れ凹部１７に小
径のヒートパイプ１６が嵌挿され、その間に熱電変換素
子１８が配置される。１９、２０はフィンである。作動
時には高温流路側のヒートパイプ１５を通して熱電変換
素子１８の外周面を加熱するとともに、低温流路側のヒ
ートパイプ１６を通して該素子１８の内周面を冷却して
ｐーｎ（ＰーＮ）接合部間に温度差を与えて発電され
る。ところが、この提案では、一個の熱電変換素子に対
して２個のヒートパイプが必要であるばかりでなく、熱
電変換素子はヒートパイプ１５の受け入れ凹部１７の部
分だけにしかに配置できず、その製作上もはなはだやっ
かいである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記のよう
な諸問題点を一挙に解決しようとするもので、高温流体
流路に対して熱電変換素子を高密度に配置することを可
能とし、高温流体流路内外の高温流体の熱を簡便で且つ
きわめて有効に利用し、発電効率に優れた熱電発電素子
構造体、熱電発電システム（装置）及び熱電変換素子構
造体を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は（１）平板型ヒ
ートパイプの蒸発部の片面又は両面に熱電変換素子を張
り合わせてなることを特徴とする熱電発電素子構造体を
提供し、また本発明は（２）平板型ヒートパイプの蒸発
部の片面又は両面に熱電変換素子を張り合わせるととも
に、該熱電変換素子の表面に蓄熱材又は断熱材を配置し
てなることを特徴とする熱電発電素子構造体を提供す
る。

【００１１】また本発明は（３）平板型ヒートパイプの
蒸発部の片面又は両面に熱電変換素子を張り合わせると
ともに、該熱電変換素子の表面に均熱用ヒートパイプを
配置してなることを特徴とする熱電発電素子構造体を提
供し、また本発明は（４）平板型ヒートパイプの蒸発部
の片面又は両面に熱電変換素子を張り合わせるととも
に、該熱電変換素子の表面に均熱用ヒートパイプを配置
し、さらに該均熱用ヒートパイプの表面に蓄熱材又は断
熱材を配置してなることを特徴とする熱電発電素子構造
体を提供する。

【００１２】また本発明は（５）平板型ヒートパイプの
蒸発部の片面又は両面に熱電変換素子を張り合わせてな
る熱電発電素子構造体の蒸発部を熱流体流路に配置する
とともに、該平板型ヒートパイプの凝縮部を冷却装置に
配置してなることを特徴とする熱電発電システムを提供
し、また本発明は（６）平板型ヒートパイプの蒸発部の
片面又は両面に熱電変換素子を張り合わせ且つ該熱電変
換素子の表面に蓄熱材又は断熱材を配置してなる熱電発
電素子構造体の蒸発部を熱流体流路に配置するととも
に、該平板型ヒートパイプの凝縮部を冷却装置に配置し
てなることを特徴とする熱電発電システムを提供する。

【００１３】また、本発明は（７）平板型ヒートパイプ
の蒸発部の片面又は両面に熱電変換素子を張り合わせ且
つ該熱電変換素子の表面に均熱用ヒートパイプを配置し
てなる熱電発電素子構造体の蒸発部を熱流体流路に配置
するとともに、該平板型ヒートパイプの凝縮部を冷却装
置に配置してなることを特徴とする熱電発電システムを
提供し、また本発明は（８）平板型ヒートパイプの蒸発
部の片面又は両面に熱電変換素子を張り合わせ且つ該熱
電変換素子の表面に均熱用ヒートパイプを配置し、さら
に該均熱用ヒートパイプの表面に蓄熱材又は断熱材を配
置してなる熱電発電素子構造体の蒸発部を熱流体流路に
配置するとともに、該平板型ヒートパイプの凝縮部を冷
却装置に配置してなることを特徴とする熱電発電システ
ムを提供する。

【００１４】さらに、本発明は（９）熱電変換素子の表
面に均熱用ヒートパイプを配置してなることを特徴とす
る熱電変換素子構造体を提供し、また本発明は（１０）
熱電変換素子の表面に蓄熱材又は断熱材を配置してなる
ことを特徴とする熱電変換素子構造体を提供し、また本
発明は（１１）熱電変換素子の表面に均熱用ヒートパイ
プを配置し且つ該ヒートパイプの表面に蓄熱材又は断熱
材を配置してなることを特徴とする熱電変換素子構造体
を提供する。

【００１５】

【発明の実施の形態】熱電変換素子は二種の熱電変換材
料、例えばＰーＮ単位を必要数連結し、相異なる二種の
熱電変換材料からなる各種形状の熱電変換素子対の必要
数を連結して使用されるが、本発明における熱電変換素
子としては何れの熱電変換素子も使用でき、また熱電変
換素子としての構成材料等の如何を問わない。なお、本
明細書及び図面ではＰーＮ単位を必要数連結して一纏め
にしたものを含めて熱電変換素子と云う。

【００１６】また、ヒートパイプは基本的に蒸発部、断
熱部及び凝縮部からなるが、本発明においては熱搬送用
として平板型ヒートパイプを使用し、その蒸発部の片面
（すなわち蒸発部の表裏両面のうちの一方の面）又は表
裏両面に熱電変換素子を張り合わせる。本発明における
平板型ヒートパイプとしては、平板型のヒートパイプで
あれば、その内部構造の如何を問わず何れも使用され
る。

【００１７】この場合、その片面又は表裏両面に対して
それぞれ熱電変換素子の複数個を張り合わせてもよく、
熱電変換素子を平板型ヒートパイプの蒸発部の面積と同
じか又はほぼ同じ面積となるように構成しておき、これ
を平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は表裏両面に張
り合わせるようにしてもよい。こうして得られる構造体
を本明細書及び図面中適宜「熱電発電素子構造体」と指
称する。

【００１８】熱電変換素子を平板型ヒートパイプの蒸発
部の面に張り合わせる仕方としては熱電変換素子を平板
型ヒートパイプ蒸発部の表面又は裏面、或いは表裏両面
に張り合わせて固定し得る手法であれば特に限定はな
く、例えば平板型ヒートパイプのそれらの面に対して
接着剤を用いて貼付し固定する、平板型ヒートパイプ
のそれらの面に対して機械的手段（例えばネジ、ボルト
ーナット、リベット等）により固定する、その他適宜な
手法により行うことができる。

【００１９】本発明においては、熱電変換素子の表面に
さらに均熱用のヒートパイプを配置することにより、熱
電変換素子を全体としてむらがなく、すなわち例えばそ
の中央部と端部で温度差がないように均一にすることが
できる。この場合には熱電変換素子の表面に均熱用の平
板状ヒートパイプが配置される。この平板状ヒートパイ
プはその中の空間に熱媒体が充填され、熱媒体がヒート
パイプの中の空間を上下左右に（蒸発・凝縮を繰り返し
ながら）流動することで、熱電変換素子を例えばその中
央部と端部で温度差がないように全体としてむらなく均
一にすることができ、この均熱化により熱電変換素子の
効率が改善される。

【００２０】また、本発明においては、高温流体のオン
ーオフ（流動ー流動停止）に伴う熱電発電システムの作
動停止時に、熱電変換素子に関して蓄熱又は断熱するよ
うにし、熱電変換素子を冷め難くして熱放出を防ぎ、該
素子に対するヒートショックを抑制するようにする。そ
の蓄熱又は断熱の態様としては、まず（１）熱電変換素
子を平板型ヒートパイプに張り合わせ、熱電変換素子の
表面に蓄熱材又は断熱材を配置する。

【００２１】これにより例えばガスエンジン等の熱機関
からの高温流体のオンーオフに伴う熱電変換素子の温度
変化を緩和させ、高温流体の流動停止時に熱電変換素子
を冷め難くして、熱電変換素子に対するヒートショック
を抑制しその寿命を延ばすことができる。蓄熱材又は断
熱材にはグラスウール、アルミ箔、炭素繊維、耐火レン
ガ、その他各種あるが、本発明においては、蓄熱材又は
断熱材を適用する何れの態様においても、それら蓄熱材
又は断熱材が適宜選択して使用される。

【００２２】上記蓄熱又は断熱の他の態様としては、
（２）平板型ヒートパイプの内部にその構造を持たせて
おくことで行うことができる。すなわち、その平板型ヒ
ートパイプの内部に配置したカプセル（容器）中にデン
プンやゼラチンその他の蓄熱剤を収容しておくことによ
り、上記の場合と同様、高温流体のオンーオフに伴う熱
電発電システムの作動停止時に、高温流体の流動停止時
に熱電変換素子を冷め難くして熱経済を図るとともに、
該素子に対するヒートショックを抑制し、その寿命を延
ばすことができる。

【００２３】さらに（３）冷却装置中の冷却媒体（水
等）はそれ自体比熱が大きく保温機能を有し蓄熱材とし
て働く。このため冷却装置における冷却媒体の流動を止
めることにより、熱電変換素子の蓄熱又は断熱を行うこ
とができる。（４）高温流体の流動のオフ（流動停止）
時に、熱流体の流路中、熱電発電素子構造体が配置され
た箇所の上流側又は下流側、或いはその双方を堰止め、
これによってその箇所からの高温流体の逸出を防ぎ熱電
発電素子構造体を保温する。（５）、以上（１）〜
（４）はそれぞれ単独でも実施できるが、それらの二つ
以上の手法を併用して行うことでよりさらに有効にその
蓄熱又は断熱を行うことができる。

【００２４】本発明の熱電発電システムにおいては、熱
搬送用平板型ヒートパイプを用いて以上のように構成さ
れた熱電発電素子構造体の蒸発部を熱流体流路すなわち
高温流体の流路中に配置し、凝縮部を冷却装置に配置す
ることで発電される。熱電発電素子構造体は１個以上配
置するが、２個以上の複数個を配置する場合には、好ま
しくはその蒸発部が熱流体流路中に間隔を置いて配置さ
れる。

【００２５】上記態様は熱搬送用の平板型ヒートパイプ
の面に張り合わせた熱電変換素子に対する場合である
が、上記均熱化、蓄熱の効果は熱搬送用の平板型ヒート
パイプを用いない場合にも同様に得られる。この場合
は、（１）熱電変換素子の表面に蓄熱材又は断熱材を配
置してなる熱電変換素子構造体、（２）熱電変換素子の
表面に均熱用ヒートパイプを配置してなる熱電変換素子
構造体、（３）熱電変換素子の表面に均熱用ヒートパイ
プを配置し且つ該ヒートパイプの表面に蓄熱材又は断熱
材を配置してなる熱電変換素子構造体として構成され
る。これら熱電変換素子構造体は一つの単位体として各
種高温流体の外壁面等に配置して使用される。本明細書
においては熱搬送用の平板型ヒートパイプを用いる場合
の前記「熱電発電素子構造体」と区別して熱電変換素子
構造体と指称している。

【００２６】

【実施例】以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説
明するが、本発明がこの実施例に限定されないことは勿
論である。まず図４は、本発明の一例として、熱流体流
路中に熱電発電素子構造体を多数積層配置してなる熱電
発電システムの要点部分を模式的に示す図である。

【００２７】図４中、２１は煙突等の高温流体の流路、
２２はその中を流れる燃焼排ガス等の高温流体、２３は
高温流体流路の外表面に配置された熱電変換素子、２４
は平板状ヒートパイプ、２５は平板状ヒートパイプ２４
の両面に張り合わされた熱電変換素子である。平板状ヒ
ートパイプ２４は本発明において熱搬送用としての役割
を果たすものである。２６は水冷装置等の冷却装置、２
７は冷却促進用のフィンであり、冷却水や冷空気等の冷
却媒体が冷却装置２６へ流される。

【００２８】図４中、符号２８として示す部分は高温流
体流路２１と冷却装置２６の間に跨る平板状ヒートパイ
プ２４の断熱部に相当する部分であり、その各外表面に
は必要に応じて断熱材が配置される。平板状ヒートパイ
プ２４の数は、図４では８個示しているが、高温流体流
路の容積（断面で云えば断面積）、或いはヒートパイプ
の大きさ等の要件如何により１個又は２個以上の必要数
が配置される。なお、図４及び後述図６中、冷却媒体の
導入管、出口管の記載は省略している。

【００２９】例えば図２に示すように熱電変換素子を高
温流体流路の壁面のみに配置した場合には１６個の熱電
変換素子しか使用できないが、本発明に係る図４の態様
の場合には、同じ熱電変換素子を高温流体流路２１内に
６４個配置でき、高温流体流路の壁面へ設置する分を合
わせると合計７６個もの熱電変換素子を配置することが
できる。これは高温流体の熱利用効率として４．７５倍
ものアップ率に相当する。

【００３０】図５は平板状ヒートパイプの一例を模式的
に示す図である。図５（ａ）は斜視図、図５（ｂ）〜
（ｃ）は断面図であり、このうち図５（ｃ）は平板状ヒ
ートパイプ内に蓄熱剤を収容したカプセルを配置した態
様である。その厚さや幅、長さ等は熱流体流路の容積、
或いは冷却装置の性能等の諸条件に応じて設定される。
図５において、蒸発部では作動流体（液体）が外部から
熱を奪って蒸発して蒸気となり、このとき該蒸発部の面
に熱電変換素子が張り合わさている熱電変換素子の当接
面（張り合わせ面）側を冷却する。

【００３１】一方、凝縮部では該蒸気が冷却されて凝縮
し、この凝縮液はウィックや細溝を通してその毛細管作
用により蒸発部へ戻る。図５（ｂ）中、２９は管壁、３
０は金網、繊維材等からなるウィック又は細溝、３１は
作動流体の蒸気流である。作動流体としては水、メタノ
ール、アンモニア、ナトリウムその他各種あるが、本発
明においては高温流体の温度、冷却システムにおける条
件等に応じて適宜のものが選択使用される。

【００３２】図５（ｃ）は平板状ヒートパイプ内に蓄熱
剤を収容したカプセルを配置した例である。図５（ｃ）
中、３２はカプセル、３３はカプセル３２中に充填され
た蓄熱剤であり、蓄熱剤としては例えばゼラチン、デン
プンその他適宜のものが用いられる。カプセル３２の形
状は、（１）平板状ヒートパイプの形状に合わせて平板
状に構成する、（２）管状に構成し、この複数個を平板
状ヒートパイプ内に収容する等、各種の態様で構成する
ことができる。これらのカプセルによりヒートパイプと
しての使用停止時における放熱を防止し、熱電変換素子
を保温し、その劣化を防止することができる。

【００３３】本発明においては、上記のような平板状ヒ
ートパイプを用い、その蒸発部の片面又は両面に熱電発
電素子を張り合わせる。この場合、（１）平板状ヒート
パイプにおける蒸発部のそれら面に、例えば図１（ｂ）
に示すような熱電変換素子の複数個を配置するようにし
てもよく、（２）平板状ヒートパイプにおける蒸発部の
それら面に、その面積と同じか、ほぼ同じ面積となるよ
うに多数の熱電変換素子を予め一体にした、例えば図１
（ｂ）に示すような熱電変換素子を張り合わせるように
してもよい。

【００３４】特に上記（２）の態様の場合には、高温流
体の熱及び蒸発部における冷熱を完全又はほぼ完全に利
用することができる。熱電発電システムとしての発電作
動時には、熱電変換素子の表面が高温流体により加熱さ
れる一方、熱電変換素子の裏面、すなわちヒートパイプ
への張り付け面からヒートパイプの蒸発部により冷却さ
れ、その両面間に生じる温度差により発電される。

【００３５】また本発明においては、平板型ヒートパイ
プに張り合わせられた熱電変換素子の表面に蓄熱材又は
断熱材を配置することにより、熱機関等からの高温流体
流のオンーオフに伴う熱電変換素子の温度変化を緩和さ
せることができる。図６は、図４に示すような態様につ
いてこれを適用した例であり、図６中、図４と共通する
部分には同一の符号を用いている。図６中、３４が蓄熱
材又は断熱材であり、蓄熱材又は断熱材３４を各熱電変
換素子の表面に配置することにより、高温流体のオンー
オフに伴う熱電変換素子の温度変化を緩和させることが
でき、またオフ時（高温流体流停止時）における放熱を
防止することができる。

【００３６】上記熱電変換素子の表面に蓄熱材又は断熱
材を配置する点は、平板型ヒートパイプの使用の有無に
拘わらず、燃焼排ガス等の熱流体流路の外壁面に配置し
た熱電変換素子に対しても適用される。平板型ヒートパ
イプを使用する場合については、図６中３４′として示
すように該熱電変換素子の表面に配置される。

【００３７】例えばガスエンジン等の熱機関は、昼間運
転で夜間には停止され、必要に応じて昼間でも停止され
る場合があるが、熱電変換素子の表面に蓄熱材又は断熱
材３４、３４′を配置しておくことにより各素子からの
熱の放散を防いで蓄熱することで、高温から低温へ、ま
た低温から高温への温度変化による素子自体の劣化を防
止することができる。さらに平板型ヒートパイプを使用
する場合では、平板状ヒートパイプとして図５（ｃ）に
示すような蓄熱剤内蔵型の平板状ヒートパイプを使用す
ることにより、その効果をさらに確実にすることができ
る。

【００３８】図７は熱電変換素子構造体の他の例を示す
図である。平板状ヒートパイプの蒸発部の表裏両面に各
々１個の熱電変換素子〔ＰーＮ単位を必要数連結して一
纏めにした熱電変換素子、例えば図１（ｂ）に示すよう
な多数の素子で構成されている〕を張り合わせたもので
ある。図７（ａ）〜（ｂ）中、３５は平板状ヒートパイ
プ、３６は熱電変換素子であり、平板状ヒートパイプ蒸
発部の表裏両面に各々１個の熱電変換素子３６が張り合
わせられている。なお図７中、平板状ヒートパイプの凝
縮部に相当する部分の記載は一部省略している。

【００３９】図７（ｂ）は熱電変換素子３６の各表面に
さらに蓄熱材又は断熱材３７を配置した場合である。こ
れにより熱電発電システムの作動停止時における放熱を
有効に防止することができる。なお、熱電変換素子３６
は、該表裏両面に各々１個とは限らず、平板状ヒートパ
イプの蒸発部に例えば図１（ｂ）に示すような多数の素
子で構成されている素子単位の複数個を配置してもよい
ことは勿論である。

【００４０】本発明においては、熱電変換素子の表面に
さらに均熱用のヒートパイプを配置することができる。
これにより、熱電変換素子の温度を全体としてむらな
く、例えばその中央部と端部で温度差がないように均一
にすることができ、この均熱化により熱電変換素子の効
率が改善される。図８（ａ）〜（ｂ）はその例を示す図
で、熱電変換素子３６の表面に均熱用ヒートパイプ３８
が配置される。

【００４１】この均熱用ヒートパイプはその中の空間に
熱媒体が収容されており、熱媒体がヒートパイプ３８の
中の空間を上下左右に蒸発、凝縮を繰り返しながら流動
することにより、熱電変換素子の温度を全体としてむら
なく、均一にすることができる。図８（ｂ）は均熱用ヒ
ートパイプ３８の表面にさらに蓄熱材又は断熱材３７を
配置した場合である。これにより均熱用平板状ヒートパ
イプによる均熱作用に加えて熱電発電システムの作動及
び作動停止に伴う熱電変換素子の温度変化を緩和させる
ことができ、作動停止時における放熱をさらに有効に防
止することができる。

【００４２】図９は本発明に係る熱電発電素子構造体を
用いた熱電発電システムの例を一部を切り離して立体斜
視図として示した図である。図９中、３９は高温流体の
導管で、図９では高温流体の例として高温排気ガスを示
している。４０はその中に配置された熱電変換素子構造
体で、図７（ｂ）に示すような熱電変換素子構造体を示
し、導管３９中には平板状ヒートパイプの蒸発部が配置
されている。４１は冷却装置であり、４２は冷却水導管
である。冷却装置４１には熱電変換素子構造体を構成す
る熱搬送用平板状ヒートパイプの凝縮部が配置されてい
る。

【００４３】本熱電発電システムの作動時においては、
高温排気ガスは導管３９中を矢印（→）の方向に進み、
導管３９中に配置された熱電変換素子構造体４０におけ
る熱電変換素子の表面を加熱する一方、熱電変換素子の
裏面は平板状ヒートパイプの蒸発部により冷却されるこ
とで電力を発生させる。図９では熱電変換素子構造体を
８個配置しているが、その数は高温流体流路の容積（流
路の断面で云えば断面積）等に応じて設定できる。ま
た、図９では熱電変換素子構造体の一連（熱電変換素子
構造体の８個を一組として配置した単位）のみを配置し
ているが、２連以上の複数連を高温流体流路中に直列に
配置することもできる。これら何れの場合にも、燃焼排
ガス導管の外壁面にも熱電変換素子を配置してよい。

【００４４】図１０（ａ）〜（ｃ）は熱電変換素子構造
体の例を示す図である。この場合は熱搬送用の平板型ヒ
ートパイプは使用しない。図１０（ａ）は熱電変換素子
４３の表面に均熱用ヒートパイプ４４を配置してなる熱
電変換素子構造体、図１０（ｂ）は熱電変換素子４３の
表面に蓄熱材又は断熱材４５を配置してなる熱電変換素
子構造体、図７（ｃ）は熱電変換素子４３の表面に均熱
用ヒートパイプ４４を配置し、そのヒートパイプの表面
に蓄熱材又は断熱材４５を配置してなる熱電変換素子構
造体である。

【００４５】図１０では比較的大きな表面を有する熱電
変換素子に対して適用した場合について示しているが、
例えば図２中、符号１２として示すような比較的小型の
熱電変換素子に対して適用しチップ状に構成してもよ
い。これら何れの場合にも均熱用ヒートパイプの構造及
び蓄熱材又は断熱材の材質等は前記と同様である。

【００４６】これら熱電変換素子構造体は一つの単位と
して、例えば前述図２のような燃焼排ガス流路の外壁面
のような各種高温流体流路の外壁面等に配置されて使用
される。この均熱用ヒートパイプにより熱電変換素子の
温度を全体としてむらなく、均一にすることができる。
また均熱用ヒートパイプ及び蓄熱材又は断熱材により高
温流体流動のオンーオフに伴う熱電変換素子の温度変化
を緩和させることができ、オフ時における放熱を防止す
ることができる。

【００４７】

【発明の効果】本発明の熱搬送用平板型ヒートパイプを
使用した熱電発電素子構造体及び熱電発電システム（装
置）によれば、高温流体流路に対して熱電変換素子を高
密度に配置することを可能とし、高温流体流路の熱を簡
便でしかもきわめて有効に利用することができる。また
熱電変換素子の表面に均熱用のヒートパイプを配置する
ことにより、熱電変換素子の温度を全体としてむらなく
均熱化し、熱電変換素子の効率を改善することができ
る。

【００４８】また、本発明によれば、熱電変換素子の表
面又は熱電変換素子の表面に配置された均熱用のヒート
パイプの表面に蓄熱材又は断熱材を配置することによ
り、熱電発電システム（装置）の作動及び作動停止に伴
う熱電変換素子の温度変化を緩和させ、作動停止時にお
ける放熱を防止することができる。この効果は熱搬送用
平板型ヒートパイプ使用の有無に拘わらず得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】熱電変換素子を原理的に説明する図。

【図２】燃焼排ガス導管の外壁面に熱電変換素子を配置
した態様を示す図。

【図３】ヒートパイプを利用した従来の熱電発電システ
ムを示す図。

【図４】本発明における熱電発電素子構造体を用いた熱
電発電システムの例を示す図。

【図５】本発明で用いる平板状ヒートパイプの例を模式
的に示す図。

【図６】本発明における熱電発電システムの他の例を示
す図。

【図７】本発明に係る熱電発電素子構造体の例を示す
図。

【図８】本発明に係る熱電発電素子構造体の他の態様例
を示す図。

【図９】本発明に係る熱電変換素子構造体を用いた熱電
発電システムの例を一部を切り離して立体斜視図として
示した図。

【図１０】本発明に係る熱電変換素子構造体の例を示す
図。

【符号の説明】

１、ＰＰ型半導体２、ＮＮ型半導体３高温側接合部４低温側接合部Ｑ高温熱源Ｔｈ高温側温度Ｔｃ低温側温度Ｓ絶縁空間５高温側電極６、７低温側電極８熱電変換素子９電極（連結細片）１０電力取出用の導線１１燃焼排ガス導管（煙道）１２熱電変換素子１３高温流路１４低温流路１５、１６２個のヒートパイプ１７ヒートパイプ１６の受け入れ用の凹部１８熱電変換素子１９、２０フィン２１燃焼排ガス等の高温流体の流路２２高温流体２３高温流体流路の外表面に配置された熱電変換素子２４平板状ヒートパイプ２５熱電変換素子２６水冷装置その他の冷却システム２７冷却促進用のフィン２８断熱部２９管壁３０金網、繊維材等からなるウィック又は細溝３１作動流体の蒸気流３２カプセル３３カプセル３２中に充填された蓄熱剤３４、３４′ 蓄熱材又は断熱材３５平板状ヒートパイプ３６熱電変換素子３７蓄熱材又は断熱材３８平板状ヒートパイプ（均熱用）３９高温流体の導管４０熱電発電素子構造体４１冷却装置４２冷却水導管４３熱電変換素子４４平板状ヒートパイプ（均熱用）４５蓄熱材又は断熱材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせてなることを特徴とする
熱電発電素子構造体。
【請求項２】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせるとともに、該熱電変換
素子の表面に蓄熱材又は断熱材を配置してなることを特
徴とする熱電発電素子構造体。
【請求項３】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせるとともに、該熱電変換
素子の表面に均熱用ヒートパイプを配置してなることを
特徴とする熱電発電素子構造体。
【請求項４】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせるとともに、該熱電変換
素子の表面に均熱用ヒートパイプを配置し、さらに該均
熱用ヒートパイプの表面に蓄熱材又は断熱材を配置して
なることを特徴とする熱電発電素子構造体。
【請求項５】上記蒸発部の片面又は両面に熱電変換素子
を張り合わせた平板型ヒートパイプが蓄熱カプセルを内
蔵した平板型ヒートパイプである請求項１、２、３又は
４記載の熱電発電素子構造体。
【請求項６】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせてなる熱電発電素子構造
体の蒸発部を熱流体流路に配置するとともに、該平板型
ヒートパイプの凝縮部を冷却装置に配置してなることを
特徴とする熱電発電システム。
【請求項７】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせ且つ該熱電変換素子の表
面に蓄熱材又は断熱材を配置してなる熱電発電素子構造
体の蒸発部を熱流体流路に配置するとともに、該平板型
ヒートパイプの凝縮部を冷却装置に配置してなることを
特徴とする熱電発電システム。
【請求項８】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせ且つ該熱電変換素子の表
面に均熱用ヒートパイプを配置してなる熱電発電素子構
造体の蒸発部を熱流体流路に配置するとともに、該平板
型ヒートパイプの凝縮部を冷却装置に配置してなること
を特徴とする熱電発電システム。
【請求項９】平板型ヒートパイプの蒸発部の片面又は両
面に熱電変換素子を張り合わせ且つ該熱電変換素子の表
面に均熱用ヒートパイプを配置し、さらに該均熱用ヒー
トパイプの表面に蓄熱材又は断熱材を配置してなる熱電
発電素子構造体の蒸発部を熱流体流路に配置するととも
に、該平板型ヒートパイプの凝縮部を冷却装置に配置し
てなることを特徴とする熱電発電システム。
【請求項１０】上記平板型ヒートパイプが蓄熱カプセル
を内蔵した平板型ヒートパイプである請求項６〜９の何
れかに記載の熱電発電システム。
【請求項１１】上記熱流体流路の熱流体が燃焼ガス、燃
焼排ガス、温排水又は排蒸気である請求項６〜９の何れ
かに記載の熱電発電システム。
【請求項１２】上記熱電発電システムにおいて、発電停
止時に、冷却装置中の冷却媒体の流動を止めるようにし
てなることを特徴とする請求項６〜９の何れかに記載の
熱電発電システム。
【請求項１３】上記熱電発電システムにおいて、発電停
止時に、熱流体流路中熱電発電素子構造体が配置された
箇所の上流側及び下流側の一方又はその双方の流路を堰
止めるようにしてなることを特徴とする請求項６〜９の
何れかに記載の熱電発電システム。
【請求項１４】請求項６〜９の何れかに記載の熱電発電
システムにおいて、該熱流体流路の外壁に熱電変換素子
を配置してなることを特徴とする熱電発電システム。
【請求項１５】熱電変換素子の表面に均熱用ヒートパイ
プを配置してなることを特徴とする熱電変換素子構造
体。
【請求項１６】熱電変換素子の表面に蓄熱材又は断熱材
を配置してなることを特徴とする熱電変換素子構造体。
【請求項１７】熱電変換素子の表面に均熱用ヒートパイ
プを配置し且つ該ヒートパイプの表面に蓄熱材又は断熱
材を配置してなることを特徴とする熱電変換素子構造
体。