JPWO2015019385A1 - 熱発電システム - Google Patents

Abstract

本開示の熱発電システムは、相互に温度が異なる第１の熱媒体および第２の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備えている。熱発電ユニットは、熱発電チューブを備えており、熱発電チューブは、外周面および内周面を有し、かつ内周面と外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている。熱発電チューブは、第１の層と第２の層とが積層された積層体を有する。第１の層は、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１の材料から形成されており、積層体の積層面は、軸方向に対して傾斜している。この熱発電システムは、熱発電システムの運転状況に関する情報または設定された目標発電量に応じて、内周面によって規定される流路を流れる第１の熱媒体および外周面に接する第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている。

Description

本願は、熱発電ユニットを備える熱発電システムに関する。

熱電変換素子（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、熱を電力に、あるいは電力を熱に変換することができる素子である。ゼーベック効果を示す熱電材料から形成した熱電変換素子は、比較的低温（例えば２００℃以下）の熱源から熱エネルギーを得て電力に変換することができる。このような熱電変換素子を利用した熱発電技術によれば、従来、蒸気、温水、排気ガスなどの形態で未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することが可能になる。

以下、熱電材料から形成した熱電変換素子を「熱発電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」と称する。一般の熱発電素子は、キャリアの電気的極性が互いに異なるｐ型半導体およびｎ型半導体が組み合わされた、いわゆる「π型構造」を有する（例えば、特許文献１）。「π型構造」の熱発電素子では、ｐ型半導体とｎ型半導体とが電気的に直列に、かつ熱的に並列に接続される。「π型構造」では、温度勾配の方向と電流の流れる方向とは互いに平行または反平行である。このため、高温熱源側または低温熱源側の電極に出力端子を設ける必要がある。したがって、各々が「π型構造」を有する複数の熱発電素子を電気的に直列に接続するためには、複雑な配線構造が必要になる。

特許文献２は、互いに対向する第１電極および第２電極の間に、ビスマス層と、ビスマスとは異なる金属からなる金属層とが交互に積層された積層体を有する熱発電素子を開示している。特許文献２に開示される熱発電素子では、第１電極と第２電極とを結ぶ直線の方向に対して積層面が傾斜している。また、特許文献３ならびに非特許文献１および２は、チューブ型熱発電素子を開示している。特許文献４は、低温側熱交換ブロック、π型構造の熱発電素子を有する熱発電モジュール、および高温側熱交換ブロックが順に積み重ねられた熱発電装置を開示している。特許文献４は、複数の低温側熱交換ブロックの各々、および複数の高温側熱交換ブロックの各々に供給される熱媒体の流量をそれぞれ個別に調整することにより、熱発電モジュール間の発電量のばらつきを防止することを開示している。

特開２０１３−０１６６８５号公報 国際公開第２００８／０５６４６６号 国際公開第２０１２／０１４３６６号 特開平１１−２７４５７５号公報

菅野他、第７２回応用物理学会学術講演会 講演予稿集、３０ａ−Ａ−１４「非対角熱電効果を用いたチューブ型発電デバイス」 （２０１１） Ａ．Ｓａｋａｉ ｅｔ ａｌ．， Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ２０１２ "Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｕｂｕｌａｒ ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ （ＴＴＥＧ）" （２０１２）

熱発電技術を利用した実用的な熱発電システムが望まれている。

本開示の熱発電システムは、相互に温度が異なる第１の熱媒体および第２の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備える熱発電システムであって、前記熱発電ユニットは、外周面および内周面を有し、かつ前記内周面と前記外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている、熱発電チューブを有し、前記熱発電チューブは、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１の材料から形成された第１の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２の材料から形成された第２の層とが積層された積層体であって、前記熱発電チューブの軸を含む断面において、積層面が前記軸方向に対して傾斜している積層体を有し、前記熱発電システムは、更に、前記熱発電システムの運転状況に関する情報、または設定された目標発電量に応じて、前記内周面によって規定される流路を流れる前記第１の熱媒体および前記外周面に接する前記第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている。

本開示の熱発電システムによれば、熱発電の実用性が向上する。

熱発電素子１０の断面図である。 図１Ａの熱発電素子１０の上面図である。 熱発電素子１０の上面１０ａに高温熱源１２０を接触させ、かつ、下面１０ｂに低温熱源１４０を接触させた状態を示す図である。 本開示による例示的な熱発電システムに使用され得る熱発電チューブＴの概略構成を示す斜視図である。 本開示による熱発電システムが備える例示的な熱発電ユニット１００の概略構成を示す斜視図である。 熱発電チューブＴの外周面と内周面との間に温度差を与えるための構成の例を示すブロック図である。 熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の電気的接続の例を模式的に示す図である。 （ａ）は、熱発電システム１００が備える熱発電チューブＴのうちの１つ（ここでは熱発電チューブＴ１）を示す斜視図であり、（ｂ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って熱発電チューブＴ１を切断したときの断面を示す図である。 （ａ）は、本開示の熱発電システムが備える熱発電ユニットの一態様を示す正面図であり、（ｂ）は、熱発電ユニット１００の側面のうちの一つを示す図（ここでは右側面図）である。 図７（ｂ）のＭ−Ｍ断面の一部を示す図である。 熱発電ユニット１００に導入された温熱媒体および冷熱媒体の流れ方向の例を模式的に示す図である。 熱発電チューブの起電力Ｖと温熱媒体（温度Ｔ）の流量Ｌとの関係の典型例を示すグラフである。 同一の熱発電チューブについて、温熱媒体の温度がＴ₀の場合における起電力Ｖと流量Ｌとの典型例を示す曲線、および、温熱媒体の温度がＴ_Lの場合における起電力Ｖと流量Ｌとの関係を示すグラフである。 温熱媒体および冷熱媒体の流量が相対的に低い場合における温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。 温熱媒体の流量が相対的に高い場合における温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。 従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量が小さい場合の温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。 従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量が大きい場合の温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体における温度分布を模式的に示す図である。 起電力ＶとΔＴとの関係を示すグラフである。 熱発電チューブにおける電流および発電量の電位差依存性を示すグラフである。 熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動の様子を模式的に示すグラフである。 熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動に応じて発電量が大きく変動する様子（破線の曲線）を示すグラフである。 本開示の実施形態における熱発電システムの構成例を示すブロック図である。 本開示の実施形態における熱発電システムの他の構成例を示すブロック図である。 本開示の実施形態における熱発電システムの第１の基本構成例を示す図である。 本開示の実施形態における熱発電システムの第２の基本構成例を示す図である。 本開示の実施形態における熱発電システムの第３の基本構成例を示す図である。 流量制御部５３０の構成例を示す図である。 流量制御部５３０の他の構成例を示す図である。 流量制御部５３０の更に他の構成例を示す図である。 流量制御部５３０の更に他の構成例を示す図である。 流量制御部５３０の更に他の構成例を示す図である。 流量制御部５３０の更に他の構成例を示す図である。 （ａ）は、プレート３６の一部の断面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）において矢印Ｖ１で示す方向から見たときの導電性部材Ｊ１の外観を示す図である。 （ａ）は、導電性部材Ｊ１を収容するチャネルＣ１近傍の分解斜視図であり、（ｂ）は、第２プレート部分３６ｂのシール面（第１プレート部分３６ａと対向する面）のうち、開口部Ａ６１およびＡ６２に対応する部分を示す斜視図である。 （ａ）は、導電性リング状部材５６の１つの例示的な形状を示す斜視図であり、（ｂ）は、導電性リング状部材５６の他の例の形状を示す斜視図である。 （ａ）は、導電性リング状部材５６および熱発電チューブＴ１を示す断面図であり、（ｂ）は、導電性リング状部材５６に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図であり、（ｃ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図である。 （ａ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１の一部を示す断面図であり、（ｂ）は、導電性部材Ｊ１の貫通孔Ｊｈ１に導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒが挿入された状態を示す断面図である。 端部に面取り部Ｃｍを有する熱発電チューブＴの断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、電気的に直列に接続された熱発電チューブＴを流れる電流を模式的に示す図である。 ２個の開口部Ａ６１、Ａ６２およびその近傍における電流の向きを模式的に示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、それぞれ、電極に極性の表示を有する熱発電チューブを示す斜視図である。 図７（ａ）に示される熱発電ユニット１００の側面のうちの他の一つを示す図（左側面図）である。 （ａ）は、プレート３４の一部の断面を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）において矢印Ｖ２で示す方向から見たときの導電性部材Ｋ１の外観を示す図である。 導電性部材Ｋ１を収容するチャネルＣ４１近傍の分解斜視図である。 熱発電チューブＴの外周面に接する媒体と、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内周面に接する媒体とが混ざり合わないように分離するための構造の例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現するための構造の他の例を示す断面図である。 （ａ）は、本開示の熱発電システムの構成例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に示す熱発電システムが備えるバッファ槽の構成例を示す斜視図である。 本開示の熱発電システムの更に他の構成例を示す図である。 本開示による熱発電システムが備え得る電気回路の構成例を示すブロック図である。 本開示による熱発電システムが使用される形態の構成例を示すブロック図である。

本開示の限定的ではない例示的なある熱発電システムの一態様は、相互に温度が異なる第１の熱媒体および第２の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備えている。この熱発電ユニットは、外周面および内周面を有する少なくとも１つの熱発電チューブを備えている。熱発電チューブは、相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１の材料から形成された第１の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２の材料から形成された第２の層とが積層された積層体を有している。熱発電チューブの軸を含む断面において、この積層体の積層面は、軸方向に対して傾斜している。熱発電チューブは、内周面と外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生させる。

本開示の実施形態における熱発電システムは、更に、熱発電システムの運転状況に関する情報または設定された目標発電量に応じて、熱発電チューブの内周面によって規定される流路を流れる第１の熱媒体および熱発電チューブの外周面に接する第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている。

本明細書では、第１の熱媒体および第２の熱媒体の一方を「温熱媒体」、他方を「冷熱媒体」と称する場合がある。「温熱媒体」または「冷熱媒体」における「温熱」および「冷熱」の語は、それぞれの媒体の具体的な温度の高低ではなく、これらの間の相対的な温度に差があることを表す。また、「媒体」は、典型的には、気体、液体、またはこれらの混合体からなる流体である。「媒体」は、流体中に分散した粉末などの固体を含んでいても良い。

本開示の実施形態において、熱発電システムの運転状況に関する情報は、熱発電システムの発電量を規定する電気的パラメータ（例えば電力、電圧、および電流の少なくとも１つ）を含み得る。これらのパラメータは、電圧計、電流計などによって測定され得る。ある実施形態における流量制御システムは、第１の熱媒体および第２の熱媒体の少なくとも一方の流量が増加するほど発電量が増加する「非飽和領域」に流量を設定しても良い。上記の「情報」が発電量の低下を示す場合、熱発電ユニットを流れる第１の熱媒体および第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を増加させるように構成されていても良い。非飽和領域の動作については、後述する。

熱発電システムの運転状況に関する前記「情報」は、第１の熱媒体および第２の熱媒体の少なくとも一方の「温度」を含んでいてもよい。この温度は、温度計などの公知のセンサを熱媒体の流路の少なくとも１カ所に配置することによって測定され得る。流量制御システムは、この「情報」が第１の熱媒体と第２の熱媒体との間の温度差の低下を示す場合、熱発電ユニットを流れる第１の熱媒体および第２の熱媒体の少なくとも一方の前記流量を増加させるように構成されていても良い。

ある実施形態において、熱発電システムは、第１の熱媒体の第１の供給源に第１の流路を介して接続され、かつ、第２の熱媒体の第２の供給源に第２の流路を介して接続され得る。このような場合、第１の供給源からの第１の熱媒体の供給量および第２の供給源からの第２の熱媒体の供給量の少なくとも一方は経時的に変動し得る。本開示の実施形態によれば、熱媒体の供給量に変動が生じ得る場合に特に有効である。

本開示の実施形態における流量制御システムは、第１の流路に接続された第１の流量制御部を備え、第１の流量制御部は、第１の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第１の格納容器と、第１の格納容器内の第１の熱媒体が第１の格納容器から熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第１の調整器とを有し得る。第１の格納容器は、第１の流路に対して直列または並列に接続され得る。

本開示の実施形態における流量制御システムは、第２の流路に接続された第２の流量制御部を備え、第２の流量制御部は、第２の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第２の格納容器と、第２の格納容器内の第２の熱媒体が第２の格納容器から熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第２の調整器とを有し得る。第２の格納容器は、第２の流路に対して直列または並列に接続され得る。

熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、第１の熱媒体の前記供給量および第２の熱媒体の前記供給量の少なくとも一方を含み得る。

第１の流路および第２の流路の少なくとも一方は、供給源から出た熱媒体が供給源に戻るように構成された循環路であってもよい。

＜熱発電素子の基本構成と動作原理＞
本開示による熱発電システムの実施形態を説明する前に、この熱発電システムが備える各熱発電ユニットに使用される熱発電素子の基本構成と動作原理を説明する。後述するように、本開示の熱発電システムではチューブ状の熱発電素子が使用される。しかし、チューブ状の熱発電素子の動作原理は、より単純な形状を有する熱発電素子について説明することが可能であり、その方が理解しやすい。

まず、図１Ａおよび図１Ｂを参照する。図１Ａは、概略的に直方体の形状を有する熱発電素子１０の断面図であり、図１Ｂは熱発電素子１０の上面図である。参考のため、図１Ａおよび図１Ｂには、直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が示されている。図示されている熱発電素子１０は、金属層２０と熱電材料層２２とが傾斜した状態で交互に積層された構造（積層体）を有している。この例において、積層体の形状は直方体であるが、他の形状であっても動作原理は同じである。

図示されている熱発電素子１０では、上記の積層体を左右から挟み込むように第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２が設けられている。図１Ａに示される断面において、積層面はＺ軸方向に対して角度θ（0＜θ＜πラジアン）だけ傾斜している。

このような構成を有する熱発電素子１０では、上面１０ａと下面１０ｂとの間に温度差が与えられると、熱電材料層２２よりも熱伝導性の高い金属層２０を優先的に熱が伝達するため、各熱電材料層２２の温度勾配にＺ軸方向成分が生じる。このため、各熱電材料層２２にはゼーベック効果によってＺ軸方向の起電力が発生し、起電力が積層体内で直列的に重畳される結果、全体として第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に大きな電位差が発生する。図１Ａおよび図１Ｂに示される積層体を有する熱発電素子は、特許文献２に開示されている。特許文献２の開示内容の全体を本願に援用する。

図２は、熱発電素子１０の上面１０ａに高温熱源１２０を接触させ、かつ、下面１０ｂに低温熱源１４０を接触させた状態を示している。この状態では、高温熱源１２０から低温熱源１４０に熱発電素子１０を介して熱Ｑが流れ、熱発電素子１０から第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２を介して電力Ｐを取り出すことができる。大局的に見た場合、熱発電素子１０では、温度勾配の方向（Ｙ軸方向）と電流の方向（Ｚ軸方向）とは直交しており、電力を取り出すための一対の電極Ｅ１、Ｅ２間に温度差を与える必要がない。なお、図２に示した例では、図の左側から右側に向かって電力Ｐが流れる様子を模式的に示している。しかしながら、これはあくまでも例示である。例えば、熱発電チューブＴに使用される熱電材料の種類が変更されることによって、電力Ｐの流れ方向が図２とは反対になることもある。

簡単のため、熱発電素子１０の積層体の形状が直方体である場合を説明したが、以下の実施形態では、積層体がチューブ形状を有する熱発電素子を用いる。このようなチューブ状の熱発電素子を本明細書では「熱発電チューブ（Ｔｕｂｕｌａｒ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」と称する。なお、本明細書において、「チューブ」の用語は「パイプ」の用語とは区別されず、「チューブ」および「パイプ」の両方を含むように解釈される。

＜熱発電ユニットの概要＞
以下、本開示による熱発電システムが備える熱発電ユニットの概要を説明する。

まず、図３Ａおよび図３Ｂを参照する。図３Ａは、熱発電チューブＴの一例を示す斜視図である。熱発電チューブＴは、中央に貫通孔を有する金属層２０および熱電材料層２２が傾斜した状態で交互に積層されたチューブ本体Ｔｂと、一対の電極Ｅ１、Ｅ２とを備えている。このような熱発電チューブＴを製造する方法は、例えば特許文献３に開示されている。特許文献３に開示されている方法によれば、底部に孔を有する金属カップと、同様に底部に孔を有する熱電材料カップとを交互に重ね合わせ、その状態でプラズマ焼結を行うことにより、両者を結合する。特許文献３の開示内容の全体を本願に援用する。

図３Ａの熱発電チューブＴは、その内周面によって規定される内部の流路（以下、「内部流路」と称することがある。）を、例えば温熱媒体が流れるように配管に接続される。その場合、熱発電チューブＴの外周面は冷熱媒体に接触させられる。こうして、熱発電チューブＴの内周面と外周面との間に温度差が与えられることにより、一対の電極Ｅ１、Ｅ２の間に電位差が発生し、電力を取り出すことが可能になる。

熱発電チューブＴの形状は、チューブ状であれば良く、円筒に限定されない。言い換えると、熱発電チューブＴの軸に対して垂直な面で熱発電チューブＴを切断したとき、「外周面」および「内周面」の切断面上における形状は円である必要は無く、楕円、多角形などの閉曲線であれば良い。また、熱発電チューブＴの軸は、典型的には直線であるが、直線に限定されない。これらのことは、図１Ａ、図１Ｂおよび図２を参照しながら説明した熱発電の原理から明らかである。

図３Ｂは、本開示による熱発電システムが備える例示的な熱発電ユニット１００の概略構成を示す斜視図である。図３Ｂに示される熱発電ユニット１００は、前述した熱発電チューブＴを有している。図３Ｂの例では、容器３０の内側に１０本の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０が収められている。１０本の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０は、典型的には、互いに略平行に配置されるが、配置の態様はこれに限定されない。

図３Ｂに示されるように、熱発電ユニット１００が、熱発電チューブＴを内部に収容する容器３０を有していても良い。熱発電ユニット１００が複数の熱発電チューブＴを有する場合、熱発電ユニット１００は、熱発電チューブＴを電気的に接続する複数の導電性部材Ｊを有し得る。

熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々は、前述したように、外周面および内周面と、内周面によって区画される内部流路とを有する。熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々は、内周面と外周面との間の温度差によってそれぞれの軸方向に起電力を発生するように構成されている。すなわち、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々において、外周面と内周面との間に温度差を与えることにより、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０から電力が取り出される。例えば、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々における内部流路に温熱媒体を接触させ、かつ、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の外周面に冷熱媒体を接触させることにより、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０から電力を取り出すことができる。また、逆に、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々における内周面に冷熱媒体を接触させ、かつ、外周面に温熱媒体を接触させても良い。

図３Ｂに示す例では、容器３０の内部において熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の外周面に接する媒体と、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内部流路において各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内周面に接する媒体とは、それぞれ別々の配管（不図示）を介して供給され、混ざり合わないように分離されている。

図４は、熱発電チューブＴの外周面と内周面との間に温度差を与えるための構成の例を示すブロック図である。図４に破線で示す矢印Ｈは、温熱媒体の流れを模式的に示し、実線で示す矢印Ｌは、冷熱媒体の流れを模式的に示している。図４に示した例では、温熱媒体および冷熱媒体が、ポンプＰ１およびＰ２によってそれぞれ循環する。例えば、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の内部流路に温熱媒体が供給され、容器３０の内部に冷熱媒体が供給される。図４では記載が省略されているが、温熱媒体には不図示の高温熱源（例えば熱交換器）から熱が供給され、冷熱媒体からは不図示の低温熱源に熱が供給される。高温熱源としては、従来、未利用のまま周囲環境に捨てられていた比較的低温（例えば２００℃以下）の蒸気、温水、排気ガスなどを使用することができる。もちろん、より高温の熱源を用いても良い。

図４に示す例では、温熱媒体および冷熱媒体が、それぞれ、ポンプＰ１およびＰ２によって循環しているが、本開示の熱発電システムは、そのような例に限定されない。温熱媒体および冷熱媒体の一方または両方が、循環系を構成することなく、各々の熱源から周囲環境に捨てられても良い。例えば、地中から湧き出した高温の温泉水が温熱媒体として熱発電ユニット１００に与えられ、その後、温度が低下した温泉水として発電以外の用途に利用されたり、そのまま捨てられたりしても良い。冷熱媒体についても、地下水、川の水、海水が汲み上げられて熱発電ユニット１００に与えられても良い。これらは、冷熱媒体として利用された後、必要に応じて適当な温度に低下され、元の水源に返されたり、周囲環境に捨てられたりしても良い。

再び図３Ｂを参照する。図示されるように熱発電ユニット１００が複数の熱発電チューブＴを有する場合、複数の熱発電チューブＴは、導電性部材Ｊを介して電気的に接続される。図３Ｂの例では、隣接して配置されている２本の熱発電チューブＴが個々の導電性部材Ｊによって接続されている。全体として、複数の熱発電チューブＴは電気的に直列に接続されている。例えば、図３Ｂにおいて最も手前に見える２本の熱発電チューブＴ３および熱発電チューブＴ４の右端部は、導電性部材Ｊ３によって相互に接続されている。一方、これら２本の熱発電チューブＴ３、Ｔ４の左端部は、それぞれ、導電性部材Ｊ２、Ｊ４によって他の熱発電チューブＴ２、Ｔ５に接続されている。

図５は、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の電気的接続の例を模式的に示している。図５に示すように、導電性部材Ｊ１〜Ｊ９の各々は、２本の熱発電チューブを電気的に接続している。導電性部材Ｊ１〜Ｊ９は、全体として熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０を電気的に直列に接続するように配列されている。この例では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０および導電性部材Ｊ１〜Ｊ９から形成される回路は、一筆書き（ｔｒａｖｅｒｓａｂｌｅ）である。この回路は、一部に並列的に接続された熱発電チューブを含んでいて良く、回路が一筆書きであることは必須ではない。

図５の例では、例えば熱発電チューブＴ１から熱発電チューブＴ１０に電流が流れる。電流は、熱発電チューブＴ１０から熱発電チューブＴ１に流れても良い。この電流の向きは、熱発電チューブＴに使用する熱電材料の種類、熱発電チューブＴの内周面と外周面との間で生じる熱流の向き、熱発電チューブＴにおける積層面の傾斜の方向などに依存して決まる。熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の接続は、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々で生じた起電力が相殺されず、重畳されるように決定される。

なお、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０を流れる電流の向きと、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内部流路を流れる媒体（温熱媒体または冷熱媒体）の流れ方向とは、相互に無関係である。例えば、図５の例では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内部流路を流れる媒体の流れ方向は、全てに共通して例えば図中の左側から右側であっても良い。

＜熱発電チューブＴの構成の詳細＞
次に、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、熱発電チューブＴの構成の詳細を説明する。図６（ａ）は、熱発電システム１００が備える熱発電チューブＴのうちの１つ（ここでは熱発電チューブＴ１）を示す斜視図である。熱発電チューブＴ１は、チューブ本体Ｔｂ１と、チューブ本体Ｔｂ１の両端にそれぞれ設けられた第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２とを有する。チューブ本体Ｔｂ１は、金属層２０と熱電材料層２２とが交互に積層された構成を有する。本明細書では、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２とを結ぶ直線の方向を「積層方向」と称する場合がある。この「積層方向」は熱発電チューブの軸方向に一致している。

図６（ｂ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って熱発電チューブＴ１を切断したときの断面を示す。図６（ｂ）に示されるように、熱発電チューブＴ１は、外周面２４および内周面２６を有する。内周面２６によって区画される領域が流路Ｆ１を形成している。図示されている例では、外周面２４および内周面２６は、それぞれ、軸方向に垂直な断面の形状が円であるが、これらの形状は前述したように、円に限定されず、楕円または多角形であっても良い。軸方向に垂直な面で切断したときの流路の断面積の大きさは、特に限定されない。熱発電チューブＴの内部流路に供給される媒体の流量に応じて、流路の断面積または熱発電チューブの本数が適宜設定されれば良い。

図示されている例において、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、それぞれ、円筒形状を有しているが、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の形状はこれに限定されない。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、それぞれ、チューブ本体Ｔｂ１の両端またはその近傍において、金属層２０および熱電材料層２２の少なくとも一方に電気的に接続され、かつ、流路Ｆ１を閉塞しない任意の形状を有し得る。図６の例では、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の外周面がチューブ本体Ｔｂ１の外周面２４に整合しているが、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の外周面とチューブ本体Ｔｂ１の外周面２４とが整合している必要はない。例えば、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の外周面の直径（外径）がチューブ本体Ｔｂ１の外周面２４の直径（外径）よりも大きくても良いし、小さくても良い。また、軸方向に垂直な平面で切った第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２の断面形状が、軸方向に垂直な平面で切ったチューブ本体Ｔｂ１の外周面２４の断面形状と異なっていても良い。

第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、導電性を有する材料、典型的には金属から形成される。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、チューブ本体Ｔｂ１の両端またはその近傍に位置する１個または複数の金属層２０から構成されていても良い。その場合、チューブ本体Ｔｂ１の一部が第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２として機能することになる。あるいは、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、チューブ本体Ｔｂ１の外周面の一部を覆うように設けられた金属層または輪帯状金属部材から形成されていても良いし、チューブ本体Ｔｂ１の内周面と接触するようにチューブ本体Ｔｂ１の両端から流路Ｆ１内に部分的に嵌め込まれた一対の円筒状金属部材であっても良い。

金属層２０および熱電材料層２２は、図６（ｂ）に示されるように、傾斜した状態で交互に積層されている。すなわち、熱発電チューブＴの軸を含む断面において、金属層２０と熱電材料層２２とが交互に積層された積層体の積層面は、熱発電チューブＴの軸方向に対して傾斜している。このような構成を有する熱発電チューブは、基本的には、図１および図２を参照しながら説明した原理と同様の原理で動作する。したがって、熱発電チューブＴ１の外周面２４と、熱発電チューブの内周面２６との間に温度差を与えると、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電位差が生じる。このときの温度勾配の概略的な方向は、熱発電チューブＴ１の半径方向（積層方向に垂直な方向）である。

チューブ本体Ｔｂ１における積層面の傾斜角度（以下、単に「傾斜角度」と称する。）θは、例えば、５°以上６０°以下の範囲内に設定され得る。傾斜角度θは、２０°以上４５°以下であっても良い。傾斜角度θの適切な範囲は、金属層２０を構成する材料と熱電材料層２２を構成する熱電材料との組み合わせに依存して異なる。

チューブ本体Ｔｂ１における金属層２０の厚さと熱電材料層２２の厚さとの比（以下、単に「積層比」と称する。）は、例えば、２０：１〜１：９の範囲に設定され得る。ここで、金属層２０の厚さは、積層面に垂直な方向における厚さ（図６（ｂ）中、矢印Ｔｈで示す厚さ）を意味する。同様に、熱電材料層２２の厚さは、積層面に垂直な方向における厚さを意味する。なお、金属層２０および熱電材料層２２の積層の総数は適宜設定され得る。

金属層２０は、任意の金属材料から形成され得、例えばニッケルまたはコバルトから形成され得る。ニッケルおよびコバルトは、高い熱発電特性を示す金属材料の例である。金属層２０は、銀または金を含んでいても良い。金属層２０は、これらの例示された金属材料を単独で含んでいても良いし、合金として含んでいても良い。金属層２０が合金から形成される場合、この合金が、銅、クロムまたはアルミニウムを含んでいても良い。このような合金の例は、コンスタンタン、クロメルまたはアルメルである。

熱電材料層２２は、使用温度に応じて任意の熱電材料から形成され得る。熱電材料層２２に使用され得る熱電材料の例は、ビスマス、アンチモンなどの単元素からなる熱電材料、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系などの合金系熱電材料、Ｃａ_xＣｏＯ₂、Ｎａ_xＣｏＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃などの酸化物系熱電材料を含む。本明細書における「熱電材料」とは、絶対値が３０μＶ／Ｋ以上のゼーベック係数を有し、かつ、電気抵抗率が１０ｍΩｃｍ以下の材料を意味する。このような熱電材料は、結晶でも、非晶質でも良い。温熱媒体の温度が２００℃程度またはそれ以下である場合、熱電材料層２２は、例えばビスマスアンチモンテルルの緻密体から形成され得る。ビスマスアンチモンテルルの代表的な化学組成は、Ｂｉ_0.5Ｓｂ_1.5Ｔｅ₃であるが、これに限定されない。ビスマスアンチモンテルルはセレンなどのドーパントを含んでいても良い。ビスマスとアンチモンの組成比は、適宜調整され得る。

熱電材料層２２を構成する熱電材料の他の例としては、テルル化ビスマス、テルル化鉛などが挙げられる。熱電材料層２２がテルル化ビスマスから構成される場合、テルル化ビスマスの化学組成をＢｉ₂Ｔｅ_Xと標記したとき、２＜Ｘ＜４であれば良い。代表的な化学組成は、Ｂｉ₂Ｔｅ₃である。Ｂｉ₂Ｔｅ₃は、アンチモンまたはセレンを含有し得る。アンチモンを含有するテルル化ビスマスの化学組成は（Ｂｉ_1-YＳｂ_Y）₂Ｔｅ_Xのように表される。このとき、０＜Ｙ＜１であれば良く、０．６＜Ｙ＜０．９であるとより好ましい。

第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２を構成する材料は、導電性に優れる材料であれば任意である。第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、銅、銀、モリブデン、タングステン、アルミニウム、チタン、クロム、金、白金、インジウムなどの金属から形成され得る。あるいは、窒化チタン（ＴｉＮ）、スズ添加酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）などの窒化物または酸化物から形成されても良い。ハンダ、銀ロウ、導電性ペーストなどから第１電極Ｅ１または第２電極Ｅ２を形成しても良い。なお、チューブ本体Ｔｂ１の両端が金属層２０である場合、前述したように、第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２は、金属層２０で代用され得る。

本明細書では、熱発電チューブの典型例として、金属層と熱発電材料層とが交互に積層された構成を備える素子を説明したが、本開示に使用され得る熱発電チューブの構造は、このような例に限定されない。相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１の材料から形成された第１の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２の材料から形成された第２の層とを積層すれば、上述した熱発電は可能である。金属層２０および熱電材料層２２は、それぞれ、上記の第１の層および第２の層の例である。

＜熱発電ユニットの一態様＞
次に、図７を参照する。図７（ａ）は、本開示の熱発電システムが備える熱発電ユニットの一態様を示す正面図であり、図７（ｂ）は、熱発電ユニット１００の側面のうちの一つを示す図（ここでは右側面図）である。図７（ａ）に示されるように、この態様における熱発電ユニット１００は、並列に配置された複数の熱発電チューブＴと、複数の熱発電チューブＴを内部に収容する容器３０とを備えている。このような構造は、一見したところ、熱交換器の「シェル・アンド・チューブ構造」に似ている。しかしながら、熱交換器では、複数のチューブは単に流体を流す管路として機能するだけであり、電気的接続は不要である。

図４を参照しながら説明したように、熱発電ユニット１００には、温熱媒体および冷熱媒体が供給される。例えば、複数の開口部Ａを介して、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の内部流路に温熱媒体が供給される。一方、容器３０の内部には、後述する流体入口３８ａを介して冷熱媒体が供給される。これにより、熱発電チューブＴの外周面と内周面との間に温度差が与えられる。このとき、熱発電ユニット１００において、温熱媒体と冷熱媒体との間の熱交換が行われるとともに、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々において、それぞれの軸方向に起電力が発生する。このように、本開示の熱発電システムの熱発電ユニットは、相互に温度が異なる第１および第２の熱媒体を用いて熱発電を行う。

本実施形態における容器３０は、熱発電チューブＴを取り囲む筒状の胴部（シェル）３２と、胴部３２の開放された両端を塞ぐように設けられた一対のプレート３４、３６とを有している。より詳細には、プレート３４は胴部３２の左端に固定され、プレート３６は胴部３２の右端に固定されている。プレート３４および３６には、各々に各熱発電チューブＴが挿入される複数の開口部Ａが設けられており、プレート３４、３６の対応する一対の開口部Ａには、それぞれ、熱発電チューブＴの両端部が挿入されている。

このプレート３４、３６は、シェル・アンド・チューブ型熱交換器における管板（チューブシート）と同様に、複数のチューブ（熱発電チューブＴ）を空間的に分離した状態で支持する機能を有している。しかし、本実施形態におけるプレート３４、３６は、後に詳しく説明するように、熱交換器の管板には無い電気的接続機能を有している。

図７（ａ）に示されている例において、プレート３４は、胴部３２に固定された第１プレート部分３４ａと、第１プレート部分３４ａに対して脱着可能に取り付けられた第２プレート部分３４ｂとを有している。同様に、プレート３６は、胴部３２に固定された第１プレート部分３６ａと、第１プレート部分３６ａに対して脱着可能に取り付けられた第２プレート部分３６ｂを有している。プレート３４および３６に設けられた開口部Ａは、それぞれ、第１プレート部分３４ａ、３６ａおよび第２プレート部分３４ｂ、３６ｂを貫通し、各熱発電チューブＴの流路を容器３０の外部に開放している。

容器３０を構成する材料の例は、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）、インコネル（登録商標）などの金属である。容器３０を構成する材料の他の例は、塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂などである。胴部３２およびプレート３４、３６は、同一の材料から形成されていても良いし、異なる材料から形成されていても良い。胴部３２および第１プレート部分３４ａ、３６ａが金属から形成されている場合、第１プレート部分３４ａ、３６ａは、例えば溶接により胴部３２に固定される。胴部３２の両端にフランジが設けられている場合、このフランジに第１プレート部分３４ａ、３６ａが固定されていても良い。

動作時、容器３０の内部には流体（冷熱媒体または温熱媒体）が導入されるため、容器３０の内部は気密または水密が保たれる必要がある。後述するように、プレート３４、３６の開口部Ａでは、熱発電チューブＴの端部が挿入された状態で気密または水密を保つためのシールが実現される。胴部３２とプレート３４、３６との間で隙間はなく、動作時には気密または水密が保たれる構造が実現される。

図７（ｂ）に示されるように、プレート３６には１０個の開口部Ａが設けられている。同様に、プレート３４にも１０個の開口部Ａが設けられている。図７に示される例において、プレート３４の開口部Ａとプレート３６の開口部Ａとは鏡面対称の配置関係にあり、対応する一対の開口部Ａの中心点を結ぶ１０本の直線は互いに平行である。このような構成によれば、対応する一対の開口部Ａによって各熱発電チューブＴが平行に支持され得る。容器３０内において、複数の熱発電チューブＴは平行の関係にある必要はなく、「非平行」または「ねじれ」の関係にあっても良い。

プレート３６は、図７（ｂ）に示されるように、プレート３６に設けられた開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結するように形成されたチャネル（以下、「連結溝」と称することがある）Ｃを有する。図７（ｂ）に示す例では、チャネルＣ６１は、開口部Ａ６１と開口部Ａ６２とを相互に連結している。他のチャネルＣ６２〜Ｃ６５についても同様に、プレート３６に設けられた開口部Ａのうちの２つを相互に連結している。後述するように、チャネルＣ６１〜Ｃ６５の各々には、導電性部材が収容される。

図８は、図７（ｂ）のＭ−Ｍ断面の一部を示す。なお、図８では、胴部の３０の下半分における断面は示されておらず、その正面が示されている。図８に示されるように、容器３０は、その内部に流体を流すための流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂを有している。熱発電ユニット１００では、流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂが、容器３０の上部に配置されている。流体入口３８ａの配置は、容器３０の上部に限定されず、流体入口３８ａが、例えば容器３０の下部に配置されても良い。流体出口３８ｂも同様である。流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂは、それぞれ、流体の入口および出口として固定して使用される必要はなく、流体の入口および出口が定期的または不定期的に反転して用いられても良い。流体の流れ方向が固定されている必要はない。また、流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂの各々の個数は１個に限定されず、流体入口３８ａおよび流体出口３８ｂの一方または両方が複数であっても良い。

図９は、熱発電ユニット１００に導入された温熱媒体および冷熱媒体の流れ方向の例を模式的に示す図である。図９の例では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々の内部流路に温熱媒体ＨＭが供給されており、容器３０の内部に冷熱媒体ＬＭが供給されている。この場合、プレート３４に設けられた開口部Ａを介して、各熱発電チューブの内部流路に温熱媒体ＨＭが導入される。各熱発電チューブの内部流路に導入された温熱媒体ＨＭは、各熱発電チューブの内周面と接触する。一方、流体入口３８ａから容器３０の内部に冷熱媒体ＬＭが導入される。容器３０の内部に導入された冷熱媒体ＬＭは、各熱発電チューブの外周面と接触する。

図９に示した例では、温熱媒体ＨＭは、各熱発電チューブの内部流路を流れる間に、冷熱媒体ＬＭと熱の交換を行う。冷熱媒体ＬＭと熱の交換を行い、温度の低下した温熱媒体ＨＭは、プレート３６に設けられた開口部Ａを介して熱発電ユニット１００の外部に排出される。一方、冷熱媒体ＬＭは、容器３０の内部を流れる間に、温熱媒体ＨＭと熱の交換を行う。温熱媒体ＨＭと熱の交換を行い、温度の上昇した冷熱媒体ＬＭは、流体出口３８ｂから熱発電ユニット１００の外部に排出される。なお、図９に示した温熱媒体ＨＭの流れ方向および冷熱媒体ＬＭの流れ方向は、あくまでも例である。温熱媒体ＨＭおよび冷熱媒体ＬＭのいずれか一方またはこれらの両方が、図の右側から左側に向かって流れていても良い。

ある態様では、熱発電チューブＴの流路に温熱媒体ＨＭ（例えば温水）を導入し、かつ、流体入口３８ａから冷熱媒体ＬＭ（例えば冷却水）を導入して容器３０の内部を冷熱媒体ＬＭで満たすことができる。逆に、熱発電チューブＴの流路には冷熱媒体ＬＭ（例えば冷却水）を導入し、かつ、流体入口３８ａから温熱媒体ＨＭ（例えば温水）を導入して容器３０の内部を温熱媒体ＨＭで満たしても良い。こうして、熱発電チューブＴの各々における外周面２４と内周面２６との間に発電に必要な温度差を与えることができる。

＜熱発電チューブの特性＞
次に、図１０および図１１を参照して、本開示の実施形態による熱発電チューブにおける起電力と熱媒体の流量との関係を説明する。

図１０は、熱発電ユニットを流れる温熱媒体（温度Ｔ）の流量Ｌと熱発電チューブの起電力Ｖとの関係を示すグラフである。このグラフには、温熱媒体（温度Ｔ）の流量Ｌと熱発電チューブの起電力Ｖとの関係の典型例を示す曲線１０００と、従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量Ｌと起電力Ｖとの関係の典型例を示す曲線１００２が記載されている。

図１０に示されるように、熱発電チューブの動作は、流量Ｌに応じて起電力Ｖがほとんど変化しない「飽和領域」のモードと、流量Ｌに応じて起電力Ｖが直線的に変化する「非飽和領域」のモードとに分かれる。非飽和領域のモードにおいて、例えば、流量がＬ₀のときの起電力はＶ₀であるが、流量がＬ₀からＬ₁に増加したら、起電力はＶ₀からＶ₁に増加する。流量Ｌの増分をΔＬ、起電力Ｖの増分をΔＶとすると、飽和領域でのΔＶ／ΔＬは、非飽和領域でのΔＶ／ΔＬに比べて十分に小さい。非飽和領域と飽和領域との境界を明確に決定することは難しい。ΔＶ／ΔＬが例えば０．１［V・ｍｉｎ／Ｌ（ボルト・分／リットル）］未満となるような流量Ｌの範囲を「飽和領域」と定義しても良い。

一方、曲線１００２で示されるように、従来のπ型熱発電素子における起電力Ｖの流量依存性は小さい。言い換えると、π型熱発電素子は「飽和領域」のモードで動作し、事実上、「非飽和領域」のモードでは動作しない。このような動作モードの相違が生じる理由については、後に詳しく説明する。

次に図１１を参照する。図１１のグラフには、同一の熱発電チューブについて、温熱媒体の温度がＴ₀の場合における起電力Ｖと流量Ｌとの典型例を示す曲線、および、温熱媒体の温度がＴ_Lの場合における起電力Ｖと流量Ｌとの関係の典型例を示す曲線が記載されている。この図から分かるように、流量がＬ₀の状態で温熱媒体の温度がＴ₀からＴ_Lに低下すると、起電力はＶ₀からＶ₂に低下する。図の例では、温熱媒体の温度がＴ_Lのまま、流量をＬ₀からＬ_L0に増加させると、起電力はＶ₂からＶ₀に増加する。非飽和領域のモードでは、温熱媒体の流量Ｌを調整することにより、熱発電チューブの起電力Ｖを目標値に維持するように制御することが可能になる。なお、温熱媒体の流量を調整する代わりに、または温熱媒体の流量を調整するとともに、冷熱媒体の流量を調整することによっても熱発電チューブの起電力Ｖを目標値に維持するように制御することも可能である。

なお、熱発電チューブを飽和領域のモードで動作させると、温熱媒体または冷熱媒体の流量が変化しても、起電力Ｖの変動は小さい。このため、温熱媒体または冷熱媒体の供給源から十分な流量で熱媒体が供給される場合は、熱媒体の流量の変動が発電量に影響しにくい飽和領域で熱発電チューブを動作させれば、発電量を安定させやすい。

本開示の実施形態における熱発電チューブは、飽和領域のモードのみならず、従来のπ型熱発電素子では実現が困難であった非飽和領域のモードにおける動作も可能になる。以下、この理由を説明する。

まず、図１２Ａおよび図１２Ｂを参照する。これらの図は、温熱媒体、熱発電チューブの熱電材料の部分、および冷熱媒体の温度分布を模式的に示している。図において、横軸は熱発電チューブの中心を原点とする半径方向位置であり、縦軸は温度である。熱発電チューブの本体の内周面および外周面は、それぞれ、ｒ１およびｒ２の半径方向位置にある。半径方向位置ｒ１〜ｒ２の範囲が熱発電チューブの本体における熱電材料の部分に対応している。なお、図１２Ａおよび図１２Ｂは、それぞれ、温熱媒体の流量が小さい場合および大きい場合の温度分布の例を示している。

これらの図において、温熱媒体の温度は近似的にＴ_HW、冷熱媒体の温度は近似的にＴ_CWで示されている。温熱媒体のうちで熱発電チューブの本体の内周面に接する薄い領域（高温側界面領域）では、温熱媒体の温度が、熱発電チューブの本体に近づくに従ってＴ_HWから低下している。一方、冷熱媒体のうちで熱発電チューブの本体の外周面に接する薄い領域（低温側界面領域）では、冷熱媒体の温度が、熱発電チューブの本体に近づくに従ってＴ_CWから上昇している。熱発電チューブの内周面と外周面との間に生じている温度差は、ΔＴで示される。起電力および発電電力（以下、「発電量」と称する）は、温度差ΔＴが大きくなるほど増大する。

熱は、温熱媒体の高温部分から、高温側界面領域、熱発電チューブ本体、および低温側界面領域を介して、冷熱媒体の低温部分に流れる。この熱の流れについて「熱抵抗」を考えることができる。熱抵抗は、電流に対する抵抗に対応しており、熱抵抗を有する部分で温度降下（電圧降下に対応する）が発生する。本明細書において、高温側界面領域、熱発電チューブ本体、および低温側界面領域の熱抵抗を、それぞれ、Ｒ_H、Ｒ_D、およびＲ_Cとする。このとき、ΔＴは、以下の式によって表される。

本開示の実施形態における熱発電チューブでは、熱伝導率の高い第１の材料から形成された第１の層（ここでは金属層）が軸方向に対して傾斜した状態で配置されている。そのため、熱発電チューブの半径方向に熱を伝達させやすく、熱発電チューブ本体の熱抵抗Ｒ_Dは、従来のπ型熱発電素子に比べて低い。

ここで、高温側界面領域の熱抵抗Ｒ_Hは、温熱媒体の流量が大きくなるほど、低下する。同様に、低温側界面領域の熱抵抗Ｒ_Cは、温熱媒体の流量が大きくなるほど、低下する。なお、熱発電チューブ本体の熱抵抗Ｒ_Dは、温熱媒体および冷熱媒体の流量には依存しない。

上記の式からわかるように、温熱媒体および冷熱媒体の流量を増加させることによって熱抵抗Ｒ_HおよびＲ_Cを小さくすると、ΔＴは、Ｔ_HW−Ｔ_CWに近づく。このことは、熱抵抗Ｒ_HおよびＲ_Cが小さくなるほど、高温側界面領域および低温側界面領域における温度変化が小さくなることを意味している。

図１２Ａに示される温度分布と、図１２Ｂに示される温度分布との間にある相違点は、高温側界面領域における温度変化の程度の差である。高温側界面領域の温度変化は、図１２Ａの例では相対的に大きく、図１２Ｂの例で相対的に小さい。このことは、温熱媒体の流量増加が高温側界面領域の熱抵抗Ｒ_Hを低下させ、それによってΔＴを増加させてＴ_HW−Ｔ_CWに近づけることを意味している。例えば、図１０に示される例では、流量がＬ₀からＬ₁に増加すると、熱抵抗Ｒ_Hが低下し、ΔＴが増加する結果、起電力がＶ₀からＶ₁に増加することになる。

同様のことは冷熱媒体の流量を増加させても生じる。また、温熱媒体および冷熱媒体の両方の流量を増加させたとき、ΔＴの増加はより顕著に生じる。ただし、流量をいくら大きくしても、ΔＴがＴ_HW−Ｔ_CWを超えて増加することはない。このことは、起電力Ｖと流量Ｌとの関係における飽和性に相当する。すなわち、起電力Ｖの飽和レベルは、ΔＴがＴ_HW−Ｔ_CWに等しいときに得られる起電力の大きさである。

次に、図１０の曲線１００２で示されるように、従来のπ型熱発電素子における起電力Ｖと温熱媒体の流量Ｌとの関係が流量に対して実質的に飽和している理由を説明する。

図１３Ａおよび図１３Ｂは、それぞれ、従来のπ型熱発電素子における温熱媒体の流量が小さい場合および大きい場合の例を示している。π型熱発電素子の温度分布において、グラフの横軸は「半径方向位置」ではなく、単なる距離である。ただし、図１２Ａおよび図１２Ｂと比較しやすいように、同一の記号ｒ１、ｒ２を用いて位置を示している。

従来のπ型熱発電素子では、熱電材料の熱抵抗Ｒ_Dが、高温側界面領域の熱抵抗Ｒ_Hおよび低温側界面領域の熱抵抗Ｒ_Cに比べて充分に大きい。このため、熱が温熱媒体から冷熱媒体に流れるときの温度変化は、相対的に熱抵抗が高い熱電材料で大きくなる。言い換えると、流量の大小によらず、ΔＴはＴ_HW−Ｔ_CWに近い値を示す。

前述の式は、以下の式に変形される。

従来のπ型熱発電素子では、素子構造の熱抵抗Ｒ_Dが大きいため、熱媒体の流量によらず、上記の式の右辺にある分数の分母は１に近い値を示す。また、高温側界面領域の熱抵抗Ｒ_Hおよび低温側界面領域の熱抵抗Ｒ_Cの流量による変化はΔＴに大きな変化を与えない。図１３Ａおよび図１３Ｂから分かるように、ΔＴは、流量が小さいときでもＴ_HW−Ｔ_CWに近い値を示し、ΔＴの流量依存性は小さい。このため、図１０の曲線１００２で表される特性が得られる。

なお、起電力とΔＴとの関係は、例えば図１４で示される。熱発電チューブを流れる電流と熱発電チューブの両端の電位差との関係は、図１５の直線で示され、発電量の電位差依存性は、放物線で表される。熱発電チューブの発電効率を最大化するには、熱発電チューブに接続される外部の負荷回路によって熱発電チューブを流れる電流を調整すればよい。

＜熱発電システムの発電量の変動＞
上述の説明から明らかなように、本開示の実施形態における熱発電チューブは、従来のπ型熱発電素子に比べて熱抵抗Ｒ_Dが低いため、非飽和領域のモードで動作することが可能になる。非飽和領域のモードで動作する場合、発電量は、温熱媒体または冷熱媒体の流量変動に依存して変化しやすい。そのため、本開示の実施形態における熱発電システムに供給される媒体の流量が低下した場合、発電量が大きく変化する可能性がある。図１４が示すように、起電力はΔＴの変化に敏感である。このため、流量が少し低下しただけでも、発電量が大きく低下することが起こり得る。

ある実施形態において、本開示の熱発電システムは、第１の熱媒体の第１の供給源に第１の流路を介して接続され、かつ、第２の熱媒体の第２の供給源に第２の流路を介して接続され得る。第１の供給源からの第１の熱媒体の供給量および第２の供給源からの第２の熱媒体の供給量の少なくとも一方が経時的に変動し得る。このような実施形態において、供給量の変動は、そのままでは、熱発電ユニットを流れる第１または第２の熱媒体の流量の変動を引き起こす。

図１６は、熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動の様子を模式的に示している。図１０に示されるように、非飽和領域のモードで動作しているとき、流量Ｌの変動は起電力Ｖの変動を引き起こす。また、飽和領域のモードで動作しているときでも、流量の大幅な低下は、起電力の大幅な低下を引き起こし得る。

図１７は、熱発電ユニットを流れる温熱媒体の流量の経時的な変動に応じて発電量が大きく変動する様子（破線の曲線）を示している。なお、温熱媒体または冷熱媒体の流量が経時的に変動する場合として、以下の場面が想定される。例えば、本開示の実施形態による熱発電システムが温熱媒体として温泉水を利用する場合、温泉水の湧出量の変動によって、熱発電システムに利用できる温泉水の流量は、一日の中でも大きく変動し得る。また、本開示の実施形態による熱発電システムが、工場から排出される高温の排水を利用するような場合においても、昼間と夜間との工場稼働率の相違から、熱発電システムに利用できる排水の流量は、大きく変動し得る。

本開示の実施形態による熱発電システムでは、図１７における実線の曲線で示されるように、発電量の変動を抑制することが可能になる。すなわち、本開示の実施形態による熱発電システムによれば、例えば温泉水、工場の排水などのように、一日の中で流量が大きく変動し得る媒体を利用する場合であっても、媒体の流量の変動に伴う発電量の変動を抑制することが可能となる。

＜熱発電システムの流量制御＞
図１８Ａは、本開示の実施形態における熱発電システムの構成例を示すブロック図である。

図示される例における熱発電システム２００は、相互に温度が異なる第１の熱媒体および第２の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニット１００を備えている。熱発電ユニット１００は、前述した構成を有する熱発電チューブを備えている。

熱発電システム２００は、第１の熱媒体の第１の供給源５１０に第１の流路を介して接続され、かつ、第２の熱媒体の第２の供給源５２０に第２の流路を介して接続されている。第１の供給源５１０からの第１の熱媒体の供給量および第２の供給源５２０からの第２の熱媒体の供給量の少なくとも一方が経時的に変動し得る。この熱発電システム２００は、熱発電システム２００の運転状況に関する「情報」に応じて、第１の熱媒体および第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システム５００を備えている。図示されている例では、第１の流量制御部５１２が例えば熱発電チューブＴの流路を流れる第１の熱媒体の流量を調整し、第２の流量制御部５２２が熱発電ユニット１００の外周面に接する第２の熱媒体の流量を調整する。

流量制御システム５００は、熱発電システム２００の運転状況に関する「情報」を受け取り、この「情報」に応じて流量制御部５１２、５２２の動作を制御するように構成された信号処理回路またコンピュータを含み得る。また、流量制御システム５００は、流量の制御に必要なプログラムやデータベースを格納した記憶装置を含み得る。なお、データベースは、熱発電システム２００の外部に設けられていてもよい。その場合、データベースは不図示のデジタルネットワークを介して流量制御システム５００に接続され得る。このように、流量制御システム５００は、ハードウェアおよびソフトウェアの組合せ、またはハードウェアによって実現され得る。

流量制御部５１２、５２２の動作は、設定された目標発電量に応じて制御されても良い。

図１８Ｂは、本開示の実施形態における熱発電システムの他の構成例を示すブロック図である。図１８Ｂに示されるように、熱発電システム２００が、目標発電量を取得するように構成された目標発電量取得部５２８を更に備えていても良い。

図示されている例では、流量制御システム５００は、目標発電量に応じて、第１の熱媒体および第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する。例えば、流量制御システム５００は、熱発電ユニットの発電量が、設定された目標発電量から大きく外れないように流量制御部５１２、５２２の動作を制御する。このとき、熱発電ユニットの発電量が、熱発電システム２００の運転状況に関する「情報」として利用されても良い。

流量制御システム５００は、目標発電量を保持する記憶装置を含み得る。また、流量制御システム５００は、目標発電量取得部５２８から目標発電量を受け取り、受け取った目標発電量に応じて流量制御部５１２、５２２の動作を制御するように構成された信号処理回路またコンピュータを含み得る。目標発電量は、固定された値ではなく、必要に応じて変更（更新）される。

目標発電量は、有線または無線の方式によって発電量取得部５２８に取得される。したがって、目標発電量取得部５２８は、インターフェイスを含み得る。目標発電量取得部５２８は、取得された目標発電量を保持する記憶装置などを含んでいても良い。目標発電量取得部５２８は、スマートフォンなどの外部情報端末からの情報を受け取るように構成されていても良いし、タッチパネルなどの入力デバイスを含んでいても良い。

目標発電量は、熱発電システム２００の所有者、熱発電システム２００のメンテナンス業者、電力事業者などによって入力される。例えば熱発電システム２００の所有者は、所望する発電量を目標発電量として目標発電量取得部５２８に入力する。目標発電量は、例えばスマートグリッドを介して電力事業者から入力されても良い。

なお、１つの熱発電システム２００が複数の熱発電ユニット１００を有する場合、１つの流量制御システム５００が複数の熱発電ユニット１００を流れる熱媒体の流量を制御しても良いし、複数の流量制御システム５００が、独立的にまたは連携して、複数の熱発電ユニット１００を流れる熱媒体の流量を制御しても良い。

次に、図１９を参照して、熱発電システム２００の第１の基本構成例を説明する。

図１９の熱発電システム２００は、温水供給源５１４および冷水供給源５２４に接続されている。温水供給源５１４と熱発電ユニット１００との間には、第１流量計５３２、流量制御部５３０、および第２流量計５３４が設けられている。第１流量計５３２、流量制御部５３０、および第２流量計５３４によって、前述した流量制御システム５００が構成されている。

第１流量計５３２は、温水供給源５１４から流量制御部５３０に流れる温水の流量を検出する。第２流量計５３４は、流量制御部５３０から熱発電ユニット１００に流れる温水の流量を検出する。流量制御部５３０は、流量制御部５３０から熱発電ユニット１００に流れる温水の流量が設定値に保持されるように、温水の流量を調整する。具体的には、温水供給源５１４から流量制御部５３０に流れる温水の流量が変動しても、流量制御部５３０から熱発電ユニット１００に流れる温水の流量の変動を抑制するように流量制御部５３０は構成されている。流量制御部５３０の具体的な構成例は後述する。熱発電ユニット１００を通過した温水は、不図示の温水利用機器に供給されても良いし、そのまま排水されても良い。また、温水供給源５１４に戻され、熱源によって加熱されて温水として循環するように構成されていても良い。同様に、熱発電ユニット１００を通過した冷水は、不図示の冷水利用機器に供給されても良いし、そのまま排水されても良い。また、冷水供給源５２４に戻され、冷熱源によって冷やされて冷水として循環するように構成されていても良い。流路上にバルブおよび／または逆止弁が設けられていても良いし、不図示の流路（分岐路、バイパス路など）が接続されていても良い。これらの点は、後述する熱発電システム２００の他の基本構成例でも同様である。

次に、図２０を参照して、熱発電システム２００の第２の基本構成例を説明する。

図２０の熱発電システム２００も、温水供給源５１４および冷水供給源５２４に接続されている。冷水供給源５２４と熱発電ユニット１００との間には、第３流量計５３６、流量制御部５３０、および第４流量計５３８が設けられている。第３流量計５３６、流量制御部５３０、および第４流量計５３８によって、前述した流量制御システム５００が構成されている。

第３流量計５３６は、冷水供給源５２４から流量制御部５３０に流れる冷水の流量を検出する。第４流量計５３８は、流量制御部５３０から熱発電ユニット１００に流れる冷水の流量を検出する。流量制御部５３０は、流量制御部５３０から熱発電ユニット１００に流れる冷水の流量が設定値に保持されるように、冷水の流量を調整する。具体的には、冷水供給源５２４から流量制御部５３０に流れる冷水の流量が変動しても、流量制御部５３０から熱発電ユニット１００に流れる冷水の流量の変動を抑制するように流量制御部５３０は構成されている。

次に、図２１を参照して、熱発電システム２００の第３の基本構成例を説明する。

図２１の熱発電システム２００も、温水供給源５１４および冷水供給源５２４に接続されている。温水供給源５１４と熱発電ユニット１００との間には、第１流量計５３２、流量制御部５３０ａ、および第２流量計５３４が設けられている。また、冷水供給源５２４と熱発電ユニット１００との間には、第３流量計５３６、流量制御部５３０ｂ、および第４流量計５３８が設けられている。第１流量計５３２、流量制御部５３０ａ、第２流量計５３４、第３流量計５３６、流量制御部５３０ｂ、および第４流量計５３８によって、前述した流量制御システム５００が構成されている。この例における流量制御部５００の動作は、熱発電システム２００の第１および第２の基本構成例について説明したことから明らかであるので、ここで説明は繰り返さない。

次に、図２２〜図２７を参照して流量制御部５３０の構成例を説明する。

まず、図２２を参照する。図示されている流量制御部５３０は、熱媒体を一時的に貯めるタンク５４０と、タンク５４０から熱媒体を所定の流量で送り出す流量可変バルブ５５０とを有している。流量可変バルブ５５０の例は、比例電磁バルブ、開度可変なゲートバルブを含み得る。タンク５４０は、第１または第２の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された格納容器として機能する。また、流量可変バルブ５５０は、タンク５４０内の熱媒体がタンク５４０から熱発電ユニット１００に流れる流量を設定範囲内に調整する調整器として機能する。

このように、流量制御部５３０に流入した熱媒体を一時的にタンク５４０に貯めることにより、熱発電ユニット１００に供給する熱媒体の流量を、流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量とは異なる値に調整することができる。熱発電ユニット１００に供給する熱媒体の流量は、熱発電システム２００の運転状況に関する「情報」に応じて制御され得る。この「情報」は、ある実施形態では、熱発電システム２００の発電量（電力、電圧、および電流の少なくとも１つ）、熱媒体の温度、および熱媒体の流量の少なくとも１つを含み得る。熱発電ユニット１００に供給する熱媒体の流量は、設定された目標発電量に応じて制御されても良い。もちろん、熱発電システム２００の運転状況に関する「情報」および設定された目標発電量の両方が、熱発電ユニット１００に供給する熱媒体の流量の制御に利用されても良い。

タンク５４０の容量は、流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量が一時的に減少しても、流量制御部５３０から出て熱発電ユニット１００に流入する熱媒体の流量を目標範囲内に維持することができるように決定され得る。ここで、簡単な例として、熱媒体の供給源から流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量の平均値をＬ０、熱発電ユニット１００に流入する熱媒体の流量の目標値をＬ０とする場合を考える。この場合において、例えば熱媒体の供給源から流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量が一時的にΔＬだけ減少し、その減少期間がΔｔであると見積もられているとする。流量の単位は［Ｌ／ｍｉｎ（リットル／分）］、減少期間の単位は［ｍｉｎ（分）］である。タンク５４０の容量は、例えばΔＬ×Δｔ［Ｌ］以上に設定され得る。タンク５３０にΔＬ×Δｔ［Ｌ］以上の熱媒体が蓄えられていれば、Δｔの期間、流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量が平均してΔＬ低下したとしても、その間、熱発電ユニット１００に流入する熱媒体の流量を目標値Ｌ０から低下させる必要はない。

タンク５４０の容量は、熱媒体の供給源から熱発電システム２００に供給される熱媒体の流量変動の実験的なデータに基づいて見積もられ得る。例えば、図１８Ａに示される第１の熱媒体供給源５１０から熱発電システム２００に供給される第１の熱媒体の流量の経時的な変動を前もって測定し、その経時的な変動のパターンに基づいてΔＬ×Δｔの値を決定すればよい。

タンク５４０の容量が大きくなるほど、タンク５４０の断熱性および保温性が重要になる。タンク５４０は、断熱材によって形成され得る。また、タンク５４０の内部には温度計などのセンサが備えられ得る。このようなセンサによってタンク５４０内の熱媒体の温度を検知すれば、その検知温度と、熱発電ユニット１００に流入する熱媒体の設定温度との差異が求められ得る。この差異が、予め決められた範囲（設定範囲）を超えて大きくなると、タンク５４０内の熱媒体の一部を熱媒体の供給源に戻す構成を採用してもよい。

また、タンク５４０への貯水を開始したとき（起動時）など、温度差が上記の設定範囲内に収まるまで、タンク５４０の貯水と排水を繰り返してもよい。

ある実施形態における熱発電システム２００は、運転条件（流量、温度）に対する電力出力に関するデータベースを有している。電力、電圧、電流、熱媒体の流量、熱媒体の温度などのパラメータのいずれか１つまたは複数の実測値に基づいて、このデータベースを参照すれば、最適な運転条件を求め、流量を制御することが可能になる。

次に、流量制御部５３０の他の構成例を説明する。

図２３の例では、補助ポンプ５６０とバイパス流路５６５ａとがタンク５４０の出力部に対して並列に接続されている。図示する例において、通常、補助ポンプ５６０は起動されておらず、補助ポンプ５６０側の流路は閉じられている。すなわち、熱発電ユニット１００に流入する熱媒体の流量は、バイパス流路５６５ａに設けられた流量可変バルブ（不図示）により調整される。補助ポンプ５６０は、バイパス流路５６５ａに設けられた流量可変バルブを全開にしても熱発電ユニット１００に流入する熱媒体の流量が目標値に満たない場合に起動される。これにより、タンク５４０から熱発電ユニット１００に供給される熱媒体の流量を増加させることができる。

図２４の例では、流量可変ポンプ５６０がタンク５４０の出力部に対して直列に接続されている。流量可変ポンプ５６０の働きにより、タンク５４０から熱発電ユニット１００に供給される熱媒体の流量を調整できる。

図２５の例では、開度を変化させることができる三方弁５７０によって分岐したバイパス流路５６５ｂの途中にタンク５４０が接続されている。三方弁５７０の働きを調整することにより、流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量を熱発電ユニット１００およびタンク５４０に分配することができる。流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量が、熱発電ユニット１００に供給する熱媒体の目標流量に比べて多いとき、余分の熱媒体をタンク５４０に送ることができる。逆に、流量制御部５３０に流入する熱媒体の流量が、熱発電ユニット１００に供給する熱媒体の目標流量に比べて少ないときは、タンク５４０から熱媒体を加えて熱発電ユニット１００に供給する。タンク５４０の出力部を熱発電ユニット１００に接続するバイパス流路５６５ｂには、タンク５４０から流れ出る熱媒体の流量を調整するためのバルブやポンプが設けられ得る。なお、三方弁５７０は、２個のバルブによって代用可能である。２個のバルブの開閉を時間的に切り替えることにより、三方弁５７０と同様の機能を発揮させることができる。図２６は、図２５の構成において、補助ポンプ５６０とバイパス流路５６５ｂとがタンク５４０の出力部に対して並列に接続されている例を示している。また、図２７は、図２６の例における補助ポンプ５６０に代えて流量可変ポンプ５８０がタンク５４０の出力部に接続されている例を示している。

上述したように、タンク５４０の接続形態は多様であり得る。重要な点は、熱発電ユニット１００に供給される熱媒体の流量を調整するに際して、タンク５４０に一時的に蓄えられた熱媒体を利用することにあり、接続の具体的構成は任意である。

以下、熱発電ユニットの具体的構成例の詳細を説明する。

＜流体に対するシールおよび熱発電チューブ間の電気的接続の態様＞
図２８（ａ）は、プレート３６の一部の断面を示す図である。図２８（ａ）は、熱発電チューブＴ１および熱発電チューブＴ２の両方の中心軸を含む平面で切断したときの断面を模式的に示している。図２８（ａ）には、プレート３６が有する複数の開口部Ａのうち、２個の開口部Ａ６１、Ａ６２およびその近傍の構造が示されている。図２８（ｂ）は、図２８（ａ）において矢印Ｖ１で示す方向から見たときの導電性部材Ｊ１の外観を示す。この導電性部材Ｊ１は、２つの貫通孔Ｊｈ１、Ｊｈ２を有している。より詳細には、導電性部材Ｊ１は、貫通孔Ｊｈ１を有する第１リング部分Ｊｒ１と、貫通孔Ｊｈ２を有する第２リング部分Ｊｒ２と、これらのリング部分Ｊｒ１、Ｊｒ２とを接続する連結部Ｊｃとを有している。

プレート３６の開口部Ａ６１には、図２８（ａ）に示されるように、熱発電チューブＴ１の端部（第２電極側）が挿入されており、開口部Ａ６２には、熱発電チューブＴ２の端部（第１電極側）が挿入されている。この状態において、導電性部材Ｊ１の貫通孔Ｊｈ１およびＪｈ２には、それぞれ、熱発電チューブＴ１の端部および熱発電チューブＴ２の端部が挿入されている。熱発電チューブＴ１の端部（第２電極側）と熱発電チューブＴ２（第１電極側）とは、この導電性部材Ｊ１によって電気的に接続される。本明細書では、２本の熱発電チューブを電気的に接続する導電性部材を「連結プレート」と称する場合がある。

なお、第１リング部分Ｊｒ１および第２リング部分Ｊｒ２の形状は、円環形状に限定されない。熱発電チューブとの間の電気的接続が確保できれば、貫通孔Ｊｈ１またはＪｈ２の形状は、円、楕円または多角形であっても良い。例えば、貫通孔Ｊｈ１またはＪｈ２の形状が、軸方向に垂直な平面で切断したときの第１電極Ｅ１または第２電極Ｅ２の断面形状と異なっていても良い。本明細書において、「リング」という場合には、円環状以外の形状も含まれる。

図２８（ａ）の例において、第１プレート部分３６ａには、開口部Ａ６１、Ａ６２に対応して凹部Ｒ３６が設けられている。この凹部Ｒ３６は、開口部Ａ６１と開口部Ａ６２との間を連結する溝部分Ｒ３６ｃを含んでいる。この溝部分Ｒ３６ｃには、導電性部材Ｊ１の連結部Ｊｃが位置している。一方、第２プレート部分３６ｂには、開口部Ａ６１に対応した凹部Ｒ６１と開口部Ａ６２に対応した凹部Ｒ６２とが設けられる。この例では、凹部Ｒ３６と凹部Ｒ６１、Ｒ６２とによって形成された空間の内部に、シールおよび電気的接続を実現するための各種の部材が配置されている。当該空間は、導電性部材Ｊ１を収容するチャネルＣ６１を形成しており、チャネルＣ６１によって開口部Ａ６１と開口部Ａ６２とが連結されている。

図２８（ａ）の例では、導電性部材Ｊ１の他に、第１のＯリング５２ａ、座金５４、導電性リング状部材５６、第２のＯリング５２ｂがチャネルＣ６１に収容されており、各熱発電チューブＴ１、熱発電チューブＴ２の端部が、これらの部材の孔を貫いている。容器３０の胴部３２に近い側に配置された第１のＯリング５２ａは、第１プレート部分３６ａに形成された座面Ｂｓａと接し、胴部３２の内部に供給された流体がチャネルＣ６１の内部に進入しないようにシールを実現している。一方、容器３０の胴部３２から遠い側に配置された第２のＯリング５２ｂは、第２プレート部分３６ｂに形成された座面Ｂｓｂと接しており、第２プレート部分３６ｂの外側に存在する流体がチャネルＣ６１の内部に進入しないようにシールを実現している。

Ｏリング５２ａ、５２ｂは、断面がＯ形（円形）の環型のシール部品である。Ｏリング５２ａ、５２ｂは、ゴム、金属、プラスティックなどから形成され、部品同士の隙間からの流体の流出または流入を防ぐ機能を有している。図２８（ａ）において、第２プレート部分３６ｂの右側には、各熱発電チューブＴの流路と連通する空間が位置し、その空間内には温熱媒体または冷熱媒体を構成する流体が存在している。本実施形態では、図２８に示す部材を用いることにより、熱発電チューブＴの電気的接続と、温熱媒体および冷熱媒体を構成する流体に対するシールとを実現することができる。なお、導電性リング状部材５６の構造と機能の詳細については後述する。

プレート３６について説明した構成と同様の構成がプレート３４にも設けられている。前述したように、プレート３４の開口部Ａとプレート３６の開口部Ａとの関係は鏡面対称にあるが、プレート３４とプレート３６とにおいて、２つの開口部Ａを連結する溝部が形成されている位置は鏡面対称ではない。もしプレート３４において熱発電チューブＴを電気的に接続する導電性部材の配列パターンと、プレート３６において熱発電チューブＴを電気的に接続する導電性部材の配列パターンとが鏡面対称であれば、複数の熱発電チューブＴを直列的に接続できない。

本実施形態のように、胴部３２に固定されたプレート（例えばプレート３６）が、第１プレート部分（３６ａ）と第２プレート部分（３６ｂ）とを含む場合、第１プレート部分（３６ａ）における複数の開口部Ａの各々は、第１のＯリング５２ａを受ける第１の座面（Ｂｓａ）を有し、第２プレート部分（３６ｂ）における複数の開口部Ａの各々は、第２のＯリングを受ける第２の座面（Ｂｓｂ）を有する。しかし、プレート３４、３６は、図２８に示されるような構成を有している必要はなく、例えばプレート３６は、第１プレート部分３６ａと第２プレート部分３６ｂとに分かれている必要もない。第２プレート部分３６ｂの代わりに他の部材によって導電性部材Ｊ１を押圧すれば、第１のＯリング５２ａが第１の座面（Ｂｓａ）を押圧してシールが実現され得る。

なお、図２８（ａ）の例では、熱発電チューブＴ１と導電性部材Ｊ１との間に導電性リング状部材５６が介在している。同様に、熱発電チューブＴ２と導電性部材Ｊ１との間にも、もう１つの導電性リング状部材５６が介在している。

導電性部材Ｊ１は、典型的には、金属から形成される。導電性部材Ｊ１を構成する材料の例は、銅（無酸素銅）、真鍮、アルミニウムなどである。腐食防止の観点から、ニッケルめっきまたは錫めっきが施されても良い。なお、導電性部材Ｊ（ここではＪ１）と、導電性部材Ｊの２つの貫通孔（ここではＪｈ１およびＪｈ２）にそれぞれ挿入される熱発電チューブ（ここではＴ１およびＴ２）との間の電気的接続が確保できる限りにおいて、導電性部材Ｊの一部に絶縁性コーティングが施されていても良い。すなわち、導電性部材Ｊは、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していても良い。例えば、テフロン（登録商標）などの樹脂から絶縁性コートが形成されても良い。導電性部材Ｊの本体がアルミニウムから構成される場合には、表面の一部に絶縁性コートとしての絶縁酸化被膜を形成しても良い。

図２９（ａ）は、導電性部材Ｊ１を収容するチャネルＣ６１近傍の分解斜視図である。図２９（ａ）に示すように、第１のＯリング５２ａ、導電性リング状部材５６、導電性部材Ｊ１、および第２のＯリング５２ｂは、容器３０の外側から開口部Ａ６１および開口部Ａ６２の各々の内部に挿入される。必要に応じて、第１のＯリング５２ａと導電性リング状部材５６との間に座金５４が配置される。座金５４は、導電性部材Ｊ１と第２のＯリング５２ｂとの間にも配置され得る。座金５４は、後述する導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆとＯリング５２ａ（または５４ｂ）との間に挿入される。

図２９（ｂ）は、第２プレート部分３６ｂのシール面（第１プレート部分３６ａと対向する面）のうち、開口部Ａ６１およびＡ６２に対応する部分を示す。上述したように、第２プレート部分３６ｂにおける開口部Ａ６１およびＡ６２は、第２のＯリング５２ｂを受ける座面Ｂｓｂを有している。したがって、第１プレート部分３６ａのシール面と第２プレート部分３６ｂのシール面とを対向させて、フランジ接合などにより第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂを結合すると、第１プレート部分３６ａ内の第１のＯリング５２ａを座面Ｂｓａに押圧することができる。より詳細には、第２の座面Ｂｓｂが、第２のＯリング５２ｂ、導電性部材Ｊ１、および導電性リング状部材５６を介して、第１のＯリング５２ａを座面Ｂｓａに押圧する。これにより、温熱媒体および冷熱媒体から導電性部材Ｊ１をシールすることができる。

第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂが金属などの導電性材料から形成されている場合、第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂのシール側表面は、絶縁材料によってコートされ得る。第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂのうち、動作時に導電性部材Ｊに接触する領域は、導電性部材Ｊから電気的に絶縁されるように絶縁コートされ得る。ある態様では、例えばフッ素スプレーによるフッ素樹脂コートが第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂのシール側表面に形成され得る。

＜導電性リング状部材の構成の詳細＞
次に、図３０（ａ）および図３０（ｂ）を参照しながら、導電性リング状部材５６の構成を詳細に説明する。

図３０（ａ）は、導電性リング状部材５６の１つの例示的な形状を示す斜視図である。図３０（ａ）の導電性リング状部材５６は、リング状の平坦部５６ｆと、複数の弾性部５６ｒとを備える。平坦部５６ｆは、貫通孔５６ａを有する。複数の弾性部５６ｒの各々は、平坦部５６ｆの貫通孔５６ａの周縁から突出し、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力で付勢されている。このような導電性リング状部材５６は、１枚の金属板（厚さは、例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ）を加工することによって容易に作製することができる。なお、導電性部材Ｊも、同様に１枚の金属板（厚さは、例えば０．１ｍｍ〜数ｍｍ）を加工することによって容易に作製することができる。

導電性リング状部材５６の貫通孔５６ａには、熱発電チューブＴの端部（第１電極または第２電極）が挿入される。このため、リング状の平坦部５６ｆの貫通孔５６ａの形状およびサイズは、熱発電チューブのＴの端部（第１電極または第２電極）における外周面の形状およびサイズに整合するように設計される。

ここで、図３１を参照しながら、導電性リング状部材５６の形状をより詳細に説明する。図３１（ａ）は、導電性リング状部材５６および熱発電チューブＴ１の一部を示す断面図である。図３１（ｂ）は、導電性リング状部材５６に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図である。図３１（ｃ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１の貫通孔に熱発電チューブＴ１の端部が挿入された状態を示す断面図である。図３１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って熱発電チューブＴ１を切断したときの断面を示している。

図３１（ａ）に示すように、例えば、熱発電チューブＴ１の端部（第１電極または第２電極）における外周面が直径Ｄの円筒面であるとする。この場合、導電性リング状部材５６の貫通孔５６ａは、熱発電チューブＴ１の端部が通過可能なように、直径がＤ＋δ１（δ１＞０）である円形を有するように形成される。これに対して、複数の弾性部５６ｒの各々は、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力が付勢されるように形成されている。複数の弾性部５６ｒの各々は、図３１（ａ）に示したように、例えば、貫通孔５６ａの中心に向かって傾くように形成される。すなわち、弾性部５６ｒは、外力が与えられない限り、断面の直径がＤよりも小さな円筒の外周面（この外周面の直径をＤ−δ２（δ２＞０）とする。）に外接するように加工されている。

Ｄ＋δ１＞Ｄ＞Ｄ−δ２の関係から、熱発電チューブのＴ１の端部が貫通孔５６ａに挿入されたとき、複数の弾性部５６ｒの各々は、図３１（ｂ）に示すように、熱発電チューブのＴ１の端部における外周面と物理的に接触する。このとき、複数の弾性部５６ｒの各々は、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力が付勢されているので、複数の弾性部５６ｒの各々は、熱発電チューブのＴ１の端部における外周面を弾性力で押圧する。こうして、貫通孔５６ａに挿入された熱発電チューブＴ１の外周面は、複数の弾性部５６ｒとの間で安定した物理的かつ電気的な接触を実現する。

次に、図３１（ｃ）を参照する。導電性部材Ｊ１は、プレート３４、３６に設けられた開口部Ａ内において、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆに接触する。より詳細には、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１が熱発電チューブＴ１の端部が装着されたとき、図３１（ｃ）に示したように、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆの表面と、導電性部材Ｊ１のリング状部分Ｊｒ１の表面とが接触する。このように、本実施形態では、導電性リング状部材５６と導電性部材Ｊ１との間の電気的な接続は、平面同士の接触によって行われる。導電性リング状部材５６と導電性部材Ｊ１との間の接触が平面同士の接触であるので、熱発電チューブＴ１で発生した電流を流すのに十分な接触面積を確保することができる。平坦部５６ｆの幅Ｗは、熱発電チューブＴ１で発生した電流を流すのに十分な接触面積が得られるように適宜設定され得る。なお、導電性リング状部材５６と導電性部材Ｊ１との間の接触面積が確保できる限りにおいて、平坦部５６ｆの表面または導電性部材Ｊ１のリング状部分Ｊｒ１の表面が凹凸形状を有していても良い。例えば、平坦部５６ｆの表面に形成された凹凸形状と、平坦部５６ｆの表面に形成された凹凸形状に対応するような凹凸形状を導電性部材Ｊ１のリング状部分Ｊｒ１の表面に形成することで、より大きな接触面積を確保することもできる。

次に、図３２を参照する。図３２（ａ）は、導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１の一部を示す断面図である。図３２（ｂ）は、導電性部材Ｊ１の貫通孔Ｊｈ１に導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒが挿入された状態を示す断面図である。図３２（ａ）および（ｂ）は、熱発電チューブＴ１の軸（中心軸）を含む平面に沿って導電性リング状部材５６および導電性部材Ｊ１を切断したときの断面を示している。

ここで、導電性部材Ｊの貫通孔（ここではＪｈ１）の直径を２Ｒｒとすると、導電性部材Ｊの貫通孔は、熱発電チューブＴ１の端部が通過可能なように、Ｄ＜２Ｒｒを満足するように形成される。また、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆの直径を２Ｒｆとすると、導電性部材Ｊの貫通孔は、平坦部５６ｆの表面と、リング状部分Ｊｒ１の表面とが確実に接触するように、２Ｒｒ＜２Ｒｆを満足するように形成される。

なお、図３３に示すように、熱発電チューブＴの端部に面取り部Ｃｍが形成されていても良い。導電性リング状部材５６が熱発電チューブＴ１の端部に挿入される時、例えば、導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒと熱発電チューブＴの端部とが接触することによって、熱発電チューブＴの端部が損傷することがある。熱発電チューブＴが端部に面取り部Ｃｍを有することで、弾性部５６ｒと熱発電チューブＴの端部とが接触することによる熱発電チューブＴの端部の損傷が抑制される。熱発電チューブＴの端部の損傷が抑制されることで、導電性部材Ｊ１が温熱媒体および冷熱媒体からより確実にシールされる。また、熱発電チューブＴ１の外周面と、弾性部５６ｒとの間の電気的な接触不良が低減される。面取り部Ｃｍは、図３３に示したような曲面状であっても良いし、平面状であっても良い。

こうして、導電性部材Ｊ１は、導電性リング状部材５６を介して、熱発電チューブＴの端部における外周面と電気的に接続する。本実施形態では、第１プレート部分３６ａおよび第２プレート部分３６ｂを結合することにより、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆと導電性部材Ｊとの安定した電気的接触が実現するとともに、前述したシールを実現できる。

さらに、熱発電チューブＴの端部に対応させて導電性リング状部材５６を配置しておくことで、導電性部材Ｊ１のシールをより確実に行うことができる。前述したように、第１のＯリング５２ａは、導電性部材Ｊ１、および導電性リング状部材５６を介して座面Ｂｓａに押圧される。ここで、導電性リング状部材５６は、平坦部５６ｆを有している。すなわち、第１のＯリング５２ａに対する押圧力は、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆを介して第１のＯリング５２ａに与えられる。すなわち、導電性リング状部材５６が平坦部５６ｆを有するので、第１のＯリング５２ａに対して均等に押圧力を与えることができる。したがって、座面Ｂｓａに対して、第１のＯリング５２ａを確実に押圧することができ、容器内の液体に対するシールを確実に行うことができる。また、第２のＯリング５２ｂに対しても同様に適切な押圧力を与えることができるので、容器外の液体に対するシールも確実に行うことができる。

次に、導電性リング状部材５６を熱発電チューブＴに嵌め込む方法の一例を説明する。

まず、図２９（ａ）に示されるように、第１プレート部分３６ａの開口部Ａ６１、Ａ６２内に、それぞれ、熱発電チューブＴ１、熱発電チューブＴ２の端部が挿入される。その後、第１のＯリング５２ａと、必要に応じて座金５４を熱発電チューブの先端から嵌め、開口部Ａ６１、Ａ６２の奥に移動させる。次に、導電性リング状部材５６を熱発電チューブの先端から嵌め、開口部Ａ６１、Ａ６２の奥に移動させる。その後、導電性部材Ｊ１と、必要に応じて座金５４および第２のＯリング５２ｂを熱発電チューブの先端から嵌め、開口部Ａ６１、Ａ６２の奥に移動させる。最後に、第２プレート部分３６ｂのシール面を第１プレート部分３６ａに対向させ、第２プレート部分３６ｂの開口部に熱発電チューブの先端が挿入されるようにして第２プレート部分３６ｂと第１プレート部分３６ａとを結合する。この結合には、例えば、フランジ接合を適用できる。この場合、第２プレート部分３６ｂおよび第１プレート部分３６ａの結合は、図７に示す第２プレート部分３６ｂに設けられた孔３６ｂｈおよび第１プレート部分３６ａに設けられた孔を介してボルトおよびナットで行うことができる。

導電性リング状部材５６と熱発電チューブＴとの接続は永久的ではなく、導電性リング状部材５６は熱発電チューブＴに対して着脱可能である。例えば、熱発電チューブＴを新しい熱発電チューブＴに交換する場合、上述した導電性リング状部材５６を熱発電チューブＴに嵌め込む動作の逆の動作を行えば良い。導電性リング状部材５６は繰り返して使用することも可能であるし、新しい導電性リング状部材５６に交換されても良い。

導電性リング状部材５６の形状は、図３０（ａ）に示す例に限定されない。平坦部５６ｆの幅（半径方向のサイズ）と貫通孔５６ａの半径との比率も任意である。また、個々の弾性部５６ｒは多様な形状を有し得るし、複数の弾性部５６ｒの個数も任意である。

図３０（ｂ）は、導電性リング状部材５６の他の例の形状を示す斜視図である。図３０（ｂ）の導電性リング状部材５６も、リング状の平坦部５６ｆと、複数の弾性部５６ｒとを備える。平坦部５６ｆは、貫通孔５６ａを有する。複数の弾性部５６ｒの各々は、平坦部５６ｆの貫通孔５６ａの周縁から突出し、貫通孔５６ａの中心に向かって弾性力で付勢されている。この例では、弾性部５６ｒの個数は４個である。弾性部５６ｒの個数は２個であっても良いが、３個以上であることが好ましい。弾性部５６ｒの個数は例えば６個以上に設定される。

なお、平板状の導電性部材Ｊを導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆに接触させる構成によれば、導電性部材Ｊのリング状部分における貫通孔と、これに挿入される熱発電チューブとの間に隙間（あそび）が許容される。このため、熱発電チューブが脆い材料から形成されている場合でも、導電性部材Ｊのリング状部分Ｊｒ１が熱発電チューブを損傷することなく安定した接続を実現できる。

＜連結プレートを介した電気的接続＞
上述したように、プレート３６に設けられた開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結するように形成されたチャネルＣの内部に、導電性部材（連結プレート）が収容される。ここで、導電性リング状部材５６以外の部材を用いて、２本の熱発電チューブの端部を電気的に接続することも可能である。したがって、ある態様では、チャネルＣ内の導電性リング状部材５６は省略され得る。このとき、２本の熱発電チューブの端部は、例えば、コード、導体棒、導電性ペーストなどによって電気的に接続され得る。２本の熱発電チューブの端部がコードを介して相互に電気的に接続される場合、熱発電チューブの端部とコードとは、ハンダ、圧着、ワニ口クリップなどを介して電気的に接続され得る。

しかしながら、図２８および図２９に示したように、チャネルＣの内部に収容された導電性部材で２本の熱発電チューブの端部を電気的に接続することによって、熱発電チューブＴの端部と導電性部材Ｊ１とをより確実に電気的に接続できる。導電性部材Ｊが平板状である場合（例えば、連結部Ｊｃの幅が大きい場合）には、コードなどを用いる場合と比較して、２本の熱発電チューブ間における電気抵抗を低減できる。さらに、熱発電チューブＴの端部に端子などが固定されないので、熱発電チューブＴの交換が容易である。導電性リング状部材５６によって、２本の熱発電チューブの端部の固定および電気的接続の両方を実現することも可能である。

熱発電ユニット１００では、プレート（３４または３６）に、開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結するように形成されたチャネルＣが設けられているので、熱交換器の管板には無い電気的接続機能が実現される。また、第１のＯリング５２ａおよび第２のＯリング５２ｂが、それぞれ、座面ＢｓａおよびＢｓｂを押圧するように構成できるので、熱発電チューブＴの端部が挿入された状態で気密または水密を保つためのシールが実現される。このように、プレート（３４または３６）にチャネルＣを設けることで、導電性リング状部材５６が省略された態様であっても、２本の熱発電チューブの端部の電気的接続と、温熱媒体および冷熱媒体を構成する流体に対するシールとを実現することが可能である。

＜熱流の向きと積層面の傾斜の方向との間の関係＞
ここで、図３４を参照しながら、熱発電チューブＴにおける熱流の向きと、熱発電チューブＴにおける積層面の傾斜の方向との間の関係を説明する。

図３４（ａ）は、電気的に直列に接続された熱発電チューブＴを流れる電流を模式的に示す図である。図３４（ａ）では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０のうちの３本（Ｔ１〜Ｔ３）の断面を模式的に示している。

図３４（ａ）では、熱発電チューブＴ１の一端（例えば第１電極側の端部）に、導電性部材（端子プレート）Ｋ１が接続されており、熱発電チューブＴ１の他端（例えば第２電極側の端部）には、導電性部材（連結プレート）Ｊ１が接続されている。導電性部材Ｊ１は、熱発電チューブＴ２の一端（第１電極側の端部）とも接続されており、これにより、熱発電チューブＴ１と熱発電チューブＴ２とが電気的に接続される。さらに、熱発電チューブＴ２の他端（第２電極側の端部）と、熱発電チューブＴ３の一端（第１電極側の端部）とは、導電性部材Ｊ２によって電気的に接続されている。

このとき、図３４（ａ）に示したように、熱発電チューブＴ１における積層面の傾斜の方向と、熱発電チューブＴ２における積層面の傾斜の方向とは、互いに反対である。同様に、熱発電チューブＴ２における積層面の傾斜の方向と、熱発電チューブＴ３における積層面の傾斜の方向とは、互いに反対である。すなわち、熱発電ユニット１００では、熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の各々は、連結プレートを介して自身に接続される熱発電チューブとは、積層面の傾斜の方向が互いに反対である。

ここで、図３４（ａ）に示したように、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々の内周面に温熱媒体ＨＭを接触させ、外周面に冷熱媒体ＬＭを接触させたとする。すると、熱発電チューブＴ１では、例えば図の右側から左側に向かって電流が流れる。これに対して、熱発電チューブＴ２では、熱発電チューブＴ１とは積層面の傾斜の方向が互いに反対であるので、図の左側から右側に向かって電流が流れる。

図３５は、２個の開口部Ａ６１、Ａ６２およびその近傍における電流の向きを模式的に示す図である。図３５は、図２８（ａ）に対応する図である。図３５では、電流の流れ方向が、破線の矢印で模式的に示されている。図３５に示したように、熱発電チューブＴ１で生じた電流は、開口部Ａ６１側のリング状導電性部材５６、導電性部材Ｊ１および開口部Ａ６２側のリング状導電性部材５６を順に介して熱発電チューブＴ２に向けて流れる。熱発電チューブＴ２に流入した電流は、熱発電チューブＴ２で生じた電流と重畳されて熱発電チューブＴ３に向けて流れる。熱発電チューブＴ３は、図３４（ａ）に示したように、熱発電チューブＴ２とは積層面の傾斜の方向が互いに反対である。そのため、熱発電チューブＴ３では、図３４（ａ）において右側から左側に向かって電流が流れる。したがって、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々で生じた起電力は、相殺されることなく重畳される。このように、積層面の傾斜の方向が交互に反対となるように、複数の熱発電チューブＴを順に接続することによって、熱発電ユニットからより大きな電圧を取り出すことができる。

次に、図３４（ｂ）を参照する。図３４（ｂ）は、図３４（ａ）と同様に、電気的に直列に接続された熱発電チューブＴを流れる電流を模式的に示している。図３４（ｂ）においても、図３４（ａ）に示した例と同様に、積層面の傾斜の方向が交互に反対となるように、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３が順に接続されている。この場合も、相互に接続された２本の熱発電チューブにおいて積層面の傾斜の方向が互いに反対であるので、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々で生じた起電力は、相殺されることなく重畳される。

ここで、図３４（ｂ）に示したように、熱発電チューブＴ１〜Ｔ３の各々の内周面に冷熱媒体ＬＭを接触させ、外周面に温熱媒体ＨＭを接触させると、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ３で発生する電圧の極性は、図３４（ａ）に示した場合とは逆になる。別の言い方をすれば、各熱発電チューブにおける温度勾配の向きを反転させると、各熱発電チューブにおける起電力の極性（各熱発電チューブを流れる電流の向きといっても良い。）が反転する。したがって、例えば、図３４（ａ）に示した場合と同様に導電性部材Ｋ１側から導電性部材Ｊ３側に向かって電流が流れるようにするには、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ３における第１電極側および第２電極側が図３４（ａ）に示した場合と反対になるようにすれば良い。なお、図３４（ａ）および（ｂ）に示した電流の向きはあくまで例示である。金属層２０を構成する材料および熱電材料層２２を構成する熱電材料によっては、電流の向きは、図３４（ａ）および（ｂ）に示した電流の向きと反対になることもある。

図３４（ａ）および（ｂ）を参照して説明したように、熱発電チューブＴで発生する電圧の極性は、熱発電チューブＴにおける積層面の傾斜の方向に依存する。そのため、例えば熱発電チューブＴを交換する場合には、熱発電ユニット１００内における熱発電チューブＴの内周面と外周面との間の温度勾配を考慮して、適切に熱発電チューブＴを配置する必要がある。

図３６（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、電極に極性の表示を有する熱発電チューブを示す斜視図である。図３６（ａ）に示す熱発電チューブＴでは、第１電極Ｅ１ａおよび第２電極Ｅ２ａに、熱発電チューブで発生する電圧の極性を識別するためのモールド（凹凸形状）Ｍｐが形成されている。図３６（ｂ）に示す熱発電チューブＴでは、第１電極Ｅ１ｂおよび第２電極Ｅ２ｂに、熱発電チューブＴにおける積層面が、第１電極Ｅ１ｂおよび第２電極Ｅ２ｂのどちらの側に傾斜しているかを示すマークＭｋが付されている。モールドまたはマークは互いに組み合わされても良い。モールドまたはマークは、チューブ本体Ｔｂに付与されていても良いし、第１電極および第２電極のいずれか一方にのみ付与されていても良い。

このように、例えば第１電極および第２電極に、熱発電チューブＴで発生する電圧の極性を識別するためモールドまたはマークを付与しておくこともできる。これにより、熱発電チューブＴにおける積層面が、第１電極Ｅ１ａおよび第２電極Ｅ２ａのどちらの側に傾斜しているかを熱発電チューブＴの外観から判断することが可能である。モールドまたはマークを付与することに代えて、第１電極と第２電極とを互いに異なる形状としても良い。例えば、第１電極と第２電極との間で、長さ、太さまたは軸方向に垂直な断面の形状などを異ならせても良い。

＜熱発電ユニット１００の外部に電力を取り出すための電気的接続構造＞
再び図５を参照する。図５に示す例では、１０本の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０が導電性部材Ｊ１〜Ｊ９によって電気的に直列的に接続されている。導電性部材Ｊ１〜Ｊ９の各々による２つの熱発電チューブＴの接続については、前述した通りである。以下、直列回路の両端に位置する２本の発電チューブＴ１、Ｔ１０から熱発電ユニット１００の外部に電力を取り出すための電気的接続構造の例を説明する。

まず図３７を参照する。この図３７は、図７（ａ）に示される熱発電ユニット１００の側面のうちの他の一つを示す図（左側面図）である。図７（ｂ）がプレート３６の側の構成を示しているのに対して、図３７は、プレート３４の側の構成を示している。プレート３６について説明した構成および動作と共通する構成および動作の説明は繰り返さない。

図３７に示されるように、チャネルＣ４２〜Ｃ４５は、プレート３４に設けられた開口部Ａのうちの少なくとも２つを相互に連結している。本明細書では、このようなチャネルを「相互接続部分」と称する場合がある。各相互接続部分に収容される導電性部材は、導電性部材Ｊ１と同様の構成を有する。これに対して、プレート３４に設けられたチャネルＣ４１は、プレート３４における開口部Ａ４１から外縁まで延びるように設けられている。本明細書では、プレートに設けられた開口部から外縁まで延びるように設けられているチャネルを「端子接続部分」と称する場合がある。図３７に示したチャネルＣ４１およびＣ４６は、端子接続部分である。端子接続部分には、外部回路に接続するための端子として機能する導電性部材が収容される。

図３８（ａ）は、プレート３４の一部の断面を示す図である。図３８（ａ）は、熱発電チューブＴ１の中心軸を含む平面で切断したときの断面を模式的に示しており、図３７におけるＲ−Ｒ線断面図に相当する。図３８（ａ）には、プレート３４が有する複数の開口部Ａのうち、開口部Ａ４１およびその近傍の構造が示されている。図３８（ｂ）は、図３８（ａ）において矢印Ｖ２で示す方向から見たときの導電性部材Ｋ１の外観を示す。この導電性部材Ｋ１は、一端に貫通孔Ｋｈを有している。より詳細には、導電性部材Ｋ１は、貫通孔Ｋｈを有するリング部分Ｋｒと、リング部分Ｋｒからリング部分Ｋｒの外側に向かって延びる端子部Ｋｔとを有している。導電性部材Ｋ１は、導電性部材Ｊ１と同様に、典型的には、金属から形成される。

プレート３４の開口部Ａ４１には、図３８（ａ）に示されるように、熱発電チューブＴ１の端部（第１電極側）が挿入されている。この状態において、導電性部材Ｋ１の貫通孔Ｋｈには、熱発電チューブＴ１の端部が挿入されている。このように、本実施形態における導電性部材（Ｊ、Ｋ１）は、熱発電チューブＴを通す少なくとも１個の孔を有する導電性プレートであるといえる。なお、開口部Ａ４１０およびその近傍の構造は、プレート３４の開口部Ａ４１０に熱発電チューブＴ１０の端部が挿入されること以外は、開口部Ａ４１およびその近傍の構造と同様である。

図３８（ａ）の例において、第１プレート部分３４ａには、開口部Ａ４１に対応して凹部Ｒ３４が設けられている。この凹部Ｒ３４は、開口部Ａ４１から第１プレート部分３４ａの外縁にまで達する溝部分Ｒ３４ｔを含んでいる。この溝部分Ｒ３４ｔには、導電性部材Ｋ１の端子部Ｋｔが位置している。この例では、凹部Ｒ３４と、第２プレート部分３４ｂに設けられた凹部Ｒ４１とによって形成された空間が、導電性部材Ｋ１を収容するチャネルを形成している。図２８（ａ）に示した例と同様に、図３８（ａ）の例においても、導電性部材Ｋ１の他に、第１のＯリング５２ａ、座金５４、導電性リング状部材５６、第２のＯリング５２ｂがチャネルＣ４１に収容されており、熱発電チューブＴ１の端部が、これらの部材の孔を貫いている。第１のＯリング５２ａは、胴部３２の内部に供給された流体がチャネルＣ４１の内部に進入しないように、シールを実現する。また、第２のＯリング５２ｂは、第２プレート部分３４ｂの外側に存在する流体がチャネルＣ４１の内部に進入しないように、シールを実現する。

図３９は、導電性部材Ｋ１を収容するチャネルＣ４１近傍の分解斜視図である。例えば、第１のＯリング５２ａ、座金５４、導電性リング状部材５６、導電性部材Ｋ１、座金５４および第２のＯリング５２ｂが、容器３０の外側から開口部Ａ４１の内部に挿入される。第２プレート部分３４ｂのシール面（第１プレート部分３４ａと対向する面）は、図２９（ｂ）に示した第２プレート部分３６ｂのシール面とほぼ同様の構成を有する。すなわち、第１プレート部分３４ａおよび第２プレート部分３４ｂを結合することで、第２プレート部分３４ｂの第２の座面Ｂｓｂが、第２のＯリング５２ｂ、導電性部材Ｋ１、および導電性リング状部材５６を介して、第１のＯリング５２ａを第１プレート部分３４ａの座面Ｂｓａに押圧する。これにより、温熱媒体および冷熱媒体から導電性部材Ｋ１をシールすることができる。

導電性部材Ｋ１のリング部分Ｋｒは、プレート３４に設けられた開口部Ａ内において、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆに接触する。こうして、導電性部材Ｋ１は、導電性リング状部材５６を介して、熱発電チューブＴの端部における外周面と電気的に接続する。ここで、導電性部材Ｋ１の一端（端子部Ｋｔ）は、図３８（ａ）に示したように、プレート３４の外部に突出する。したがって、端子部Ｋｔのうち、プレート３４の外部に突出した部分は、熱発電ユニットと外部回路とを接続するための端子として機能し得る。図３９に示したように、端子部Ｋｔのうち、プレート３４の外部に突出した部分がリング状に形成されていても良い。本明細書では、一端に熱発電チューブが挿入され、他端が外部に突出する導電性部材を「端子プレート」と称することがある。

このように、熱発電ユニット１００では、端子接続部分に収容された２個の端子プレートに、熱発電チューブＴ１および熱発電チューブＴ１０がそれぞれ接続されている。また、複数の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０は、２個の端子プレートの間において、チャネルの相互接続部分に収容された連結プレートを介して直列的に電気的に接続されている。したがって、一端がプレートの外部に突出する２個の端子プレートを介して、複数の熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０によって生じた電力を外部に取りだすことができる。

導電性リング状部材５６および導電性部材（Ｊ、Ｋ１）の配置は、チャネルＣ内において適宜変更され得る。このとき、導電性リング状部材５６の弾性部５６ｒが導電性部材の貫通孔（Ｊｈ１、Ｊｈ２またはＫｈ）に挿入されるように、導電性リング状部材５６および導電性部材を配置すれば良い。また、前述したように、導電性リング状部材５６が省略された態様によって、熱発電チューブＴの端部と導電性部材Ｋ１とが電気的に接続されても良い。なお、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆの一部を延長して、導電性部材Ｋ１の端子部Ｋｔの代用とすることもできる。この場合、導電性部材Ｋ１を省略しても良い。

なお、上述の実施形態では、第１プレート部分に設けられた凹部および第２プレート部分に設けられた凹部からチャネルＣが形成されたが、第１プレート部分および第２プレート部分のいずれか一方に設けられた凹部からチャネルＣが形成されても良い。容器３０が金属から構成される場合、導電性部材（連結プレート、端子プレート）と容器３０とが導通しないように、チャネルＣ内部に絶縁性コーティングが施されていても良い。例えば、プレート３４（３４ａおよび３４ｂ）が、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していても良い。プレート３６（３６ａおよび３６ｂ）も同様に、金属から形成された本体と、本体の表面の少なくとも一部を覆う絶縁性コートとを有していても良い。第１プレート部分に設けられた凹部の表面および第２プレート部分に設けられた凹部の表面に絶縁性コーティングが施されている場合は、導電性部材の表面の絶縁性コーティングを省略できる。

＜シールおよび電気的接続のための構造の他の例＞
図４０は、熱発電チューブＴの外周面に接する媒体と、各熱発電チューブＴ１〜Ｔ１０の内周面に接する媒体とが混ざり合わないように分離するための構造の例を示す断面図である。図４０に示す例では、容器３０の外側からブッシング６０が挿入されることで、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続が実現される。

図４０の例において、プレート３４ｕに設けられた開口部Ａ４１は、雌ネジ部Ｔｈ３４を有している。より詳細には、プレート３４ｕの開口部Ａ４１に対応して設けられた凹部Ｒ３４の壁面にネジ山が形成されている。凹部Ｒ３４には、雄ネジ部Ｔｈ６０を有するブッシング６０が挿入される。ブッシング６０は、軸方向に沿って貫通孔６０ａを有している。ここで、プレート３４ｕの開口部Ａ４１に、熱発電チューブＴ１の端部が挿入されている。したがって、貫通孔６０ａは、凹部Ｒ３４にブッシング６０が挿入された状態において熱発電チューブＴ１の内部流路に連通する。

凹部Ｒ３４とブッシング６０との間に形成された空間の内部には、シールおよび電気的接続を実現するための各種の部材が配置される。図４０の例では、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａから容器３０の外側に向かって、Ｏリング５２、導電性部材Ｋ１およびリング状導電性部材５６が順に配置されている。熱発電チューブＴ１の端部は、これらの部材の孔に挿入されている。Ｏリング５２は、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａおよび熱発電チューブＴ１の端部の外周面と接する。ここで、雌ネジ部Ｔｈ３４に雄ネジ部Ｔｈ６０が挿入すると、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆおよび導電性プレートＫ１を介して、雄ネジ部Ｔｈ６０がＯリング５２を座面Ｂｓａに押圧する。すなわち、胴部３２の内部に供給された流体が熱発電チューブＴ１の内部流路に供給された流体と混ざり合わないようにシールを実現することができる。また、熱発電チューブＴ１の外周面が導電性リング状部材５６の複数の弾性部５６ｒと接触し、導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆが導電性部材Ｋ１のリング部分Ｋｒと接触するので、熱発電チューブと導電性部材とを電気的に接続することができる。

このように、図４０に示す部材を用いることによって、より簡易な構成で、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現することもできる。

図４１（ａ）および（ｂ）は、温熱媒体と冷熱媒体との分離および熱発電チューブと導電性部材との間の電気的接続を実現するための構造の他の例を示す断面図である。図４１（ａ）では、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａから容器３０の外側に向かって、第１のＯリング５２ａ、座金５４、リング状導電性部材５６、導電性部材Ｋ１、座金５４および第２のＯリング５２ｂが順に配置されている。図４１（ａ）に示す例では、導電性プレートＫ１および導電性リング状部材５６の平坦部５６ｆを介して、雄ネジ部Ｔｈ６０がＯリング５２ａを座面Ｂｓａに押圧する。図４１（ｂ）では、プレート３４ｕに形成された座面Ｂｓａから容器３０の外側に向かって、第１のＯリング５２ａ、導電性部材Ｋ１、リング状導電性部材５６および第２のＯリング５２ｂが順に配置されている。また、図４１（ｂ）では、ブッシング６０に形成された貫通孔６０ａ内に、貫通孔６４ａを有するブッシング６４がさらに挿入されている。貫通孔６４ａは、熱発電チューブＴ１の内部流路に連通している。図４１（ｂ）に示す例では、ブッシング６４の雄ネジ部Ｔｈ６４が、第２のＯリング５２ｂを座面Ｂｓａに向けて押圧する。このように、第１のＯリング５２ａおよび第２のＯリング５２ｂを配置することによって、温熱媒体を構成する流体および冷熱媒体を構成する流体の両方に対するシールを行っても良い。温熱媒体を構成する流体および冷熱媒体を構成する流体の両方に対するシールを行うことで、導電性リング状部材５６の腐食が抑制される。

上述したように、導電性部材Ｋ１の端子部Ｋｔの一端は、プレート３４ｕの外部に突出し、熱発電ユニットと外部回路とを接続するための端子として機能し得る。図４０ならびに図４１（ａ）および（ｂ）に示したような態様において、導電性部材Ｋ１（端子プレート）の代わりに、導電性部材Ｊ１のような連結プレートが適用されても良い。この場合は、貫通孔Ｊｈ１に熱発電チューブＴ１の端部が挿入される。必要に応じて、Ｏリングと導電性部材との間などに座金５４が配置されても良い。

＜熱発電システムの構成例＞
次に、本開示の熱発電システムの構成例を説明する。

図４２（ａ）は、本開示の熱発電システムの構成例を示す図である。図４２（ｂ）は、図４２（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図４２（ｃ）は、図４２（ａ）に示す熱発電システムが備えるバッファ槽の構成例を示す斜視図である。図４２（ａ）において、実線の太い矢印は、熱発電チューブの外周面と接する媒体、すなわち容器３０の中（熱発電チューブの外側）を流れる媒体の流れ方向を概略的に示している。破線の太い矢印は、熱発電チューブの内周面に接する媒体、すなわち、熱発電チューブの貫通孔（内部流路）を流れる媒体の流れ方向を概略的に示している。本明細書では、各容器３０の流体入口および流体出口に連通した管路を「第１媒体路」と称し、各熱発電チューブの流路に連通した管路を「第２媒体路」と称する場合がある。なお、以下では、前述した流量制御システム５００や目標発電量取得部５２８などの図示を省略することがある。

図４２（ａ）に示される熱発電システム２００Ａは、第１の熱発電ユニット１００−１と、第２の熱発電ユニット１００−２とを備えている。第１の熱発電ユニット１００−１および第２の熱発電ユニット１００−２は、それぞれ、前述した熱発電ユニット１００の構成と同一の構成を有している。熱発電システム２００Ａは、更に、第１の熱発電ユニット１００−１と第２の熱発電ユニット１００−２の間に置かれた太い円筒状のバッファ槽４４を備えている。このバッファ槽４４は、第１の熱発電ユニット１００−１における複数の熱発電チューブの流路に連通する第１開口部４４ａ１と、第２熱発電ユニット１００−２における複数の熱発電チューブの流路に連通する第２開口部４４ａ２とを有している。

熱発電システム２００Ａでは、第１の熱発電ユニット１００−１の流体入口３８ａ１から導入された媒体は、第１の熱発電ユニット１００−１の容器３０、第１の熱発電ユニット１００−１の流体出口３８ｂ１、中継のための管路４０、第２の熱発電ユニット１００−２の流体入口３８ａ２および第２の熱発電ユニット１００−２の容器３０を順に流れ、流体出口３８ｂ２に到達する（第１媒体路）。すなわち、第１の熱発電ユニット１００−１の容器３０の内部に供給された媒体は、管路４０を介して、第２の熱発電ユニット１００−２の容器３０の内部に供給される。この管路４０は、直線的である必要はなく、屈曲していても良い。

一方、第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路は、バッファ槽４４の第１開口部４４ａ１および第２開口部４４ａ２を介して、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブの内部流路に連通している（第２媒体路）。第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路の各々に導入された媒体は、バッファ槽４４で合流した後、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブの内部流路の各々に導入される。

複数の熱発電ユニットを備える熱発電システムにおいては、各熱発電チューブの流路に連通した第２媒体路は、任意に設計され得る。ここで、１つの容器３０内において複数の熱発電チューブを介して行われる熱交換の程度は、熱発電チューブの位置によって異なることが生じ得る。したがって、隣接する２つの熱発電ユニット間において、例えば、一方の熱発電ユニットの各熱発電チューブの内部流路と、他方の熱発電ユニットの各熱発電チューブの内部流路とを直列的に接続すると、内部流路を流れる媒体の温度のばらつきが拡大する。各熱発電チューブの内部流路を流れる媒体の温度のばらつきが拡大すると、各熱発電チューブの発電量がばらつく可能性がある。

熱発電システム２００Ａでは、第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路からバッファ槽４４の内部に流れ込んだ媒体は、バッファ槽４４の中で熱を交換し、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブの内部流路に供給される。第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブの内部流路からバッファ槽４４の内部に流れ込んだ媒体が、バッファ槽４４の中で熱を交換するので、媒体温度が均一化され得る。このように、各熱発電チューブの内部流路を流れる媒体を、他の熱発電チューブの内部流路を流れる媒体と混合することで、複数の熱発電チューブの内部流路を流れる媒体の温度が均一化されるという利点が得られる。

図４２（ａ）の例では、第２媒体路が、複数の熱発電チューブＴの流路を同一方向に流体が流れるように構成されている。しかしながら、複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向は、同一方向に限定されない。複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向は、温熱媒体および冷熱媒体の流路の設計に応じて多様に設定可能である。また、本開示の熱発電システムにおける複数の熱発電ユニットは、直列的または並列的に連結され得る。

次に、図４３を参照する。図４３は、本開示の熱発電システムの更に他の構成例を示す図である。図４３において、図４２（ａ）と同様に、実線の太い矢印は、熱発電チューブの外周面と接する媒体の流れ方向を概略的に示している。また、破線の太い矢印は、熱発電チューブの内周面に接する媒体の流れ方向を概略的に示している。熱発電システム２００Ｅでは、第１の熱発電ユニット１００−１の複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向と、第２の熱発電ユニット１００−２の複数の熱発電チューブＴの流路における流体の流れ方向とは、互いに反平行に構成されている。

熱発電システム２００Ｅでは、第１の熱発電ユニット１００−１および第２の熱発電ユニット１００−２が、空間的に並列に配置されている。例えば、第２の熱発電ユニット１００−２は、第１の熱発電ユニット１００−１の横に配置される。なお、第１の熱発電ユニット１００−１および第２の熱発電ユニット１００−２は、鉛直方向に沿って積み重ねられても良い。この場合、概略的には、第１媒体路中の媒体は鉛直方向に沿って流れる。

図４３に示したように、バッファ槽４４は、屈曲した形状であり得る。このように、本開示の実施形態による熱発電システムでは、温熱媒体および冷熱媒体の流路の設計は多様に可能である。例えば、熱発電システムを設置する場所の面積などに応じて、柔軟な設計が可能である。図４２および図４３は、あくまでも幾つかの例を示すだけであり、各容器の流体入口および流体出口に連通した第１媒体路、および各熱発電チューブの流路に連通した第２媒体路は、任意に設計され得る。なお、複数の熱発電ユニットは、電気的に直列にも接続され得るし、電気的に並列にも接続され得る。

＜熱発電システムが備える電気回路の構成例＞
次に、図４４を参照しながら、本開示による熱発電システムが備え得る電気回路の構成例を説明する。

図４４の例において、本実施形態における熱発電システム２００Ｆは、熱発電ユニット１００−１、１００−２から出力される電力を受け取る電気回路２５０を備えている。すなわち、ある態様では、複数の導電性部材は、複数の熱発電チューブに電気的に接続された電気回路を有し得る。なお、熱発電チューブ２００Ｆは、２つの熱発電ユニット１００−１、１００−２を備えているが、熱発電ユニットの個数は任意である。

この電気回路２５０は、熱発電ユニット１００−１、１００−２から出力される電力の電圧を上昇させる昇圧回路２５２と、昇圧回路２５２から出力される直流電力を交流電力（周波数は例えば５０／６０Ｈｚまたはその他の周波数）に変換するインバータ（ＤＣ−ＡＣインバータ）回路２５４とを有している。インバータ回路２５４から出力される交流電力は、負荷４００に供給され得る。負荷４００は、交流電力を使用して動作する各種の電気機器または電子機器であり得る。負荷４００は、それ自体が充電機能を有していても良いし、電気回路２５０に固定されている必要も無い。負荷４００で消費されない交流電力は、商用系統４１０に連系されて売電され得る。

図４４の例における電気回路２５０は、熱発電ユニット１００−１、１００−２から得られる直流電力を蓄積するための充放電制御部２６２および蓄電部２６４を備えている。蓄電部２６４は、例えばリチウムイオン二次電池などの化学電池や、電気二重層コンデンサなどのキャパシタであり得る。蓄電部２６４に蓄えられた電力は、必要に応じて、充放電制御部２６２によって昇圧回路２５２に与えられ、インバータ回路２５４を介して交流電力として使用または売電され得る。

本開示の実施形態における熱発電システム２００Ｆが流量制御システム５００を備えていても、熱発電ユニット１００−１、１００−２から得られる電力の大きさが、時間に応じて周期的または不定期的に変動する場合がある。例えば、熱媒体の供給源からタンク５４０に供給される熱媒体の供給量が低下する時間が当初の予想を超えて長くなった場合、タンク５４０に蓄えていた熱媒体では、熱発電ユニット１００−１、１００−２に供給する熱媒体の流量を所定範囲に維持できないことが起こり得る。そのような場合、熱発電ユニット１００−１、１００−２の発電状態が変動するため、熱発電ユニット１００−１、１００−２から得られる電力の電圧および／または電流の大きさが変動してしまう。そのような発電状態の変動があっても、図４４に示される熱発電システム２００Ｆでは、充放電制御回路２６２を介して蓄電部２６４に電力を蓄積すれば、発電量の変動による影響は抑制され得る。

発電とともにリアルタイムで電力を消費する場合は、発電状態の変動に応じて昇圧回路２５２の昇圧比を調整しても良い。

なお、不図示の高温熱源から温熱媒体に供給する熱の量を調整することにより、温熱媒体の温度を制御することも可能である。同様に、冷熱媒体から不図示の低温熱源に放出する熱の量を調整することにより、冷熱媒体の温度を制御することも可能である。

＜熱発電システムの他の実施形態＞
以下、図４５を参照しながら、本開示による熱発電システムの他の実施形態を説明する。

本実施形態では、一般廃棄物処理施設（いわゆるごみ処理場またはクリーンセンター）に複数の熱発電ユニット（例えば１００−１、１００−２）が設けられている。近年の廃棄物処理施設では、ごみ（廃棄物）を燃焼する際に発生した熱エネルギーから高温高圧水蒸気（例えば４００〜５００℃、数メガパスカル）が生成されることがある。このような水蒸気のエネルギーは、タービン発電によって電力に変換され、施設内の電力使用に供されている。

本実施形態による熱発電システム３００は、複数の熱発電ユニットを備えている。図４５の例では、熱発電ユニット１００−１、１００−２に供給される温熱媒体が廃棄物処理施設におけるごみの燃焼熱を得て生成されている。より詳細には、このシステムは、焼却炉３１０と、焼却炉３１０で生じた燃焼熱から高温高圧水蒸気を生成するボイラ３２０と、ボイラ３２０で生成された高温高圧水蒸気によって回転するタービン３３０とを備えている。タービン３３０の回転エネルギーは、不図示の同期発電機に与えられ、同期発電機によって交流電力（例えば３相交流電力）に変換される。

タービン３３０を回転する仕事に使用された水蒸気は、復水器３６０によって液体の水に戻り、ポンプ３７０によってボイラ３２０に供給される。この水は、ボイラ３２０、タービン３３０、復水器３６０によって構成される「熱サイクル」を循環する作動媒体である。ボイラ３２０で水に与えられた熱の一部は、タービン３３０を回転させる仕事をした後、復水器３６０で冷却水に与えられる。一般的に、冷却水は、復水器３６０と冷却塔３５０との間を循環する。

このように焼却炉３１０で発生した熱のうち、タービン３３０によって電力に変換されるエネルギーは一部であり、タービン３３０を回転させた後の低温低圧の水蒸気が保有する熱エネルギーは、従来、電気エネルギーに変換して利用されることなく周囲環境に捨てられることが多かった。本実施形態では、このようなタービン３３０で仕事をした後の低温の水蒸気、または熱水を温熱媒体の熱源として有効に利用することができる。本実施形態では、このような低温（例えば１４０℃程度）の水蒸気から熱交換器３４０によって熱を得て、例えば９９℃の温水を得る。そして、この温水を温熱媒体として熱発電ユニット１００−１、１００−２に供給する。

一方、冷熱媒体としては、例えば、廃棄物処理施設で使用される冷却水の一部が利用され得る。廃棄物処理施設が冷却塔３５０を有している場合、この冷却塔３５０から例えば１０℃程度の水を得て、冷熱媒体として使用することができる。冷熱媒体は、特別な冷却塔を利用して得る必要は無く、施設内または近隣の井戸水や川の水を用いて代用することも可能である。

本実施形態では、熱発電システム３００の運転状況に関する「情報」または設定された目標発電量に応じて、熱発電ユニット１００−１、１００−２を流れる温水および冷却水の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システム５００を備えている。この流量制御システム５００は、例えば、熱交換器３４０を介して熱発電ユニット１００−１、１００−２に供給される温水の流量が減少した場合であっても、熱発電ユニット１００−１、１００−２の発電量の低下を抑制するように、熱発電ユニット１００−１、１００−２に流入する温水の流量を調整することができる。

図４５の熱発電ユニット１００−１、１００−２は、例えば図４４に示される電気回路２５０に接続され得る。熱発電ユニット１００−１、１００−２で生成された電力は、施設内で使用されたり、蓄電部２６４に蓄えられたりすることができる。余剰電力は、交流電力に変換された後、商用系統４１０を介して売電され得る。

図４５の熱発電システム３００は、ボイラ３２０およびタービン３３０を備える廃棄物処理施設の廃熱利用システムに複数の熱発電ユニットを組み込んだ形態を有している。しかし、熱発電ユニット１００−１、１００−２の動作にとって、ボイラ３２０、タービン３３０、復水器３６０、熱交換機３４０は不可欠の構成要素ではない。従来は捨てられていたような比較的低い温度の気体または熱水があれば、それを直接に温熱媒体として有効に利用することもできるし、熱交換器を介して他の気体または液体を加熱し、それを温熱媒体として利用することもできる。図４５のシステムは、実用的な例の１つに過ぎない。

各実施形態について説明したことから明らかなように、本開示の熱発電システムの実施形態によれば、未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することができる。例えば、廃棄物処理施設におけるごみの燃焼熱を利用して温熱媒体を生成することにより、従来は捨てられていたような比較的低い温度の気体または熱水が保有する熱エネルギーを有効に活用することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、熱発電ユニットの容器内部に熱媒体が流される構成を例示したが、熱発電チューブの外周面に熱媒体を接触させることができれば、熱発電ユニットを収容する容器を省略しても良い。例えば、熱発電チューブを川に沈めて、熱発電チューブの内部流路に流れる温水の流量を調整しても良い。熱発電チューブを雪の中に埋設して、熱発電チューブの外周面に接触する雪を冷熱媒体として利用しても良い。

また、本開示の発電方法は、前述した熱発電システムにおける熱発電チューブの流路内に第１の熱媒体を流す工程と、第１の熱媒体の温度とは異なる温度の第２の熱媒体を熱発電チューブの外周面に接触させる工程と、熱発電システムの運転状況に関する情報または目標発電量を取得し、その情報または目標発電量に応じて、熱発電チューブの流路を流れる第１の熱媒体および熱発電チューブの外周面に接する第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する工程とを含む。

本開示による熱発電システムは、例えば温泉から出る温水、自動車や工場などから排出される排ガスなどの熱を用いた発電機として利用可能である。

１０ 熱発電素子
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
２０ 金属層
２２ 熱電材料層
２４ 外周面
２６ 内周面
３０ 容器
３２ 胴部
３４、３４ｕ、３６ プレート
３４ａ プレート３４の第１プレート部分
３４ｂ プレート３４の第２プレート部分
３６ａ プレート３６の第１プレート部分
３６ｂ プレート３６の第２プレート部分
３６ｂｈ 第２プレート部分３６ｂの孔
３８ａ、３８ａ１、３８ａ２ 容器３０の流体入口
３８ｂ、３８ｂ１、３８ｂ２ 容器３０の流体出口
４０ 管路
４４ バッファ槽
４４ａ１ 第１開口部
４４ａ２ 第２開口部
５２ Ｏリング
５２ａ 第１のＯリング
５２ｂ 第２のＯリング
５４ 座金
５６ 導電性リング状部材
５６ｆ リング状の平坦部
５６ｒ 複数の弾性部
５６ａ 貫通孔
６０、６４ ブッシング
６０ａ ブッシング６０の貫通孔
６４ａ ブッシング６４の貫通孔
１００ 熱発電ユニット
１００−１ 第１の熱発電ユニット
１００−２ 第２の熱発電ユニット
１２０ 高温熱源
１４０ 低温熱源
２００、２００Ａ、２００Ｅ、２００Ｆ、３００ 熱発電システム
２５０ 電気回路
２５２ 昇圧回路
２５４ インバータ回路
２６２ 充放電制御部
２６４ 蓄電部
３１０ 焼却炉
３２０ ボイラ
３３０ タービン
３４０ 熱交換器
３５０ 冷却塔
４００ 負荷
４１０ 商用系統
５００ 流量制御システム
５２８ 目標発電量取得部
Ａ プレート３４、３６の開口部
Ａ４１、Ａ４１０ プレート３４の開口部
Ａ６１、Ａ６２ プレート３６の開口部
Ｃ プレート３４、３６のチャネル
Ｃ４１〜Ｃ４６ プレート３４のチャネル
Ｃ６１〜Ｃ６５ プレート３６のチャネル
Ｂｓａ 第１の座面
Ｂｓｂ 第２の座面
Ｃｍ 面取り部
Ｅ１、Ｅ１ａ、Ｅ１ｂ 第１電極
Ｅ２、Ｅ２ａ、Ｅ２ｂ 第２電極
ＨＭ 温熱媒体
Ｊ 導電性部材
Ｊ１〜Ｊ９ 導電性部材
Ｊｃ 連結部
Ｊｈ１、Ｊｈ２ 導電性部材Ｊの２つの貫通孔
Ｊｒ１ 導電性部材Ｊの第１リング部分
Ｊｒ２ 導電性部材Ｊの第２リング部分
Ｋ１ 導電性部材
Ｋｈ 導電性部材Ｋ１の貫通孔
Ｋｒ 導電性部材Ｋ１のリング部分
Ｋｔ 導電性部材Ｋ１の端子部
ＬＭ 冷熱媒体
Ｒ３４、Ｒ３６ 凹部
Ｒ３４ｔ 溝部分
Ｒ３６ｃ 溝部分
Ｒ４１、Ｒ６１、Ｒ６２ 凹部
Ｔ 熱発電チューブ
Ｔ１〜Ｔ１０ 熱発電チューブ
Ｔｂ チューブ本体
Ｔｂ１ チューブ本体
Ｔｈ３４ 開口部Ａ４１の雌ネジ部
Ｔｈ６０ ブッシング６０の雄ネジ部
Ｔｈ６４ ブッシング６４の雄ネジ部

Claims (15)

1. 相互に温度が異なる第１の熱媒体および第２の熱媒体を用いて熱発電を行う熱発電ユニットを備える熱発電システムであって、
   前記熱発電ユニットは、
   外周面および内周面を有し、かつ前記内周面と前記外周面との間の温度差によって熱発電チューブの軸方向に起電力を発生するように構成されている、熱発電チューブを有し、
   前記熱発電チューブは、
   相対的にゼーベック係数が低く熱伝導率が高い第１の材料から形成された第１の層と、相対的にゼーベック係数が高く熱伝導率が低い第２の材料から形成された第２の層とが積層された積層体であって、前記熱発電チューブの軸を含む断面において、積層面が前記軸方向に対して傾斜している積層体を有し、
   前記熱発電システムは、更に、
   前記熱発電システムの運転状況に関する情報または設定された目標発電量に応じて、前記内周面によって規定される流路を流れる前記第１の熱媒体および前記外周面に接する前記第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する流量制御システムを備えている、熱発電システム。
2. 前記目標発電量を取得するように構成された目標発電量取得部を更に備える、請求項１に記載の熱発電システム。
3. 前記熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、
   前記熱発電システムの発電量を規定する電気的パラメータを含む、請求項１または２に記載の熱発電システム。
4. 前記流量制御システムは、
   前記第１の熱媒体および前記第２の熱媒体の少なくとも一方の前記流量が増加するほど前記発電量が増加する非飽和領域に前記流量を設定し、
   前記情報が発電量の低下を示す場合、前記熱発電ユニットを流れる前記第１の熱媒体および前記第２の熱媒体の少なくとも一方の前記流量を増加させる、請求項３に記載の熱発電システム。
5. 前記熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、
   前記第１の熱媒体および前記第２の熱媒体の少なくとも一方の温度を含む、請求項１から４のいずれかに記載の熱発電システム。
6. 前記流量制御システムは、
   前記第１の熱媒体および前記第２の熱媒体の少なくとも一方の前記流量が増加するほど前記発電量が増加する非飽和領域に前記流量を設定し、
   前記情報が前記第１の熱媒体と前記第２の熱媒体との間の温度差の低下を示す場合、前記第１の熱媒体および前記第２の熱媒体の少なくとも一方の前記流量を増加させる、請求項５に記載の熱発電システム。
7. 前記熱発電システムは、
   前記第１の熱媒体の第１の供給源に第１の流路を介して接続され、かつ、前記第２の熱媒体の第２の供給源に第２の流路を介して接続されており、
   前記第１の供給源からの前記第１の熱媒体の供給量および前記第２の供給源からの前記第２の熱媒体の供給量の少なくとも一方は、経時的に変動する、請求項１から６のいずれかに記載の熱発電システム。
8. 前記流量制御システムは、前記第１の流路に接続された第１の流量制御部を備え、
   前記第１の流量制御部は、
   前記第１の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第１の格納容器と、
   前記第１の格納容器内の前記第１の熱媒体が前記第１の格納容器から前記熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第１の調整器と、
   を有する、請求項７に記載の熱発電システム。
9. 前記第１の格納容器は、前記第１の流路に対して直列または並列に接続されている、請求項８に記載の熱発電システム。
10. 前記流量制御システムは、前記第２の流路に接続された第２の流量制御部を備え、
    前記第２の流量制御部は、
    前記第２の熱媒体を一時的に蓄えるように構成された第２の格納容器と、
    前記第２の格納容器内の前記第２の熱媒体が前記第２の格納容器から前記熱発電ユニットに流れる流量を設定範囲内に調整する第２の調整器と、
    を有する、請求項７から９のいずれかに記載の熱発電システム。
11. 前記第２の格納容器は、前記第２の流路に対して直列または並列に接続されている、請求項１０に記載の熱発電システム。
12. 前記熱発電システムの運転状況に関する前記情報は、
    前記第１の熱媒体の前記供給量および前記第２の熱媒体の前記供給量の少なくとも一方を含む、請求項７から１１のいずれかに記載の熱発電システム。
13. 前記第１の流路および前記第２の流路の少なくとも一方は、前記供給源から出た熱媒体が前記供給源に戻るように構成された循環路である、請求項７から１２のいずれかに記載の熱発電システム。
14. 前記熱発電ユニットは、
    前記熱発電チューブを内部に収容する容器であって、前記内部に前記第２の熱媒体を流すための流体入口および流体出口と、前記熱発電チューブが挿入される開口部とを有する容器を更に有する、請求項１から１３のいずれかに記載の熱発電システム。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載された熱発電システムを用いる発電方法であって、
    前記熱発電チューブの前記流路内に第１の熱媒体を流す工程と、
    前記第１の熱媒体の温度とは異なる温度の第２の熱媒体を前記熱発電チューブの前記外周面に接触させる工程と、
    前記熱発電システムの運転状況に関する情報または目標発電量を取得し、前記情報または前記目標発電量に応じて、前記熱発電チューブの前記流路を流れる前記第１の熱媒体および前記外周面に接する前記第２の熱媒体の少なくとも一方の流量を制御する工程と、
    を含む、発電方法。

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