WO2018216624A1

WO2018216624A1 - 熱電発電装置

Info

Publication number: WO2018216624A1
Application number: PCT/JP2018/019350
Authority: WO
Inventors: 山本　淳; 弘隆西当; 道広太田; 李　哲虎; 正行村田; 藤井　孝博
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2018-11-29
Anticipated expiration: 2019-11-23
Also published as: JP6906250B2; JPWO2018216624A1

Abstract

本発明の熱電発電装置は、複数の熱電変換モジュールの各々が開口部を有する枠部材２に挟まれるようにして積層された積層体と、積層体の異なる側面に沿って延びるように設けられた少なくとも２つの流体供給部材とを備える。さらに、枠部材の各々は、一つ置きに異なる流体供給部材に面する側面に開口部に至る流体注入孔と流体排出孔を有し、流体供給部材の各々は、その側面に沿って延びる流体注入開口及び流体排出開口の一方または双方を有し、各流体供給部材の側面には、対応する枠部材の側面の流体注入孔または流体排出孔に位置合わせされ、流体注入開口または流体排出開口に至る注入孔または排出孔が設けられ、枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔の各々は、中央に流路となる開口を有する第１のシール材を介して、流体供給部材の側面の位置合わせされた注入孔と排出孔の各々に接合する。

Description

熱電発電装置

　本発明は、熱電発電装置に関し、より具体的には、複数の熱電変換モジュールを搭載した熱電発電装置に関する。

　熱電変換技術とは、固体の熱電変換素子を用いて熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する技術である。熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術は、熱電発電と呼ばれ、熱電効果の１つであるゼーベック効果に基づく。熱電発電では、熱電変換素子の両端間の温度差が電気エネルギーに直接変換される。この熱電発電を利用して、工場や自動車から排出されている膨大な未利用熱エネルギーを回収し、そこから電力を生み出すことで、化石燃料の消費量低減、更にはＣＯ_２削減と省エネルギーに大いに貢献できる。

　熱電変換素子は、一般に熱電変換材料が２つの電極で挟持された構成を有する。その熱電変換素子を用いて熱電変換モジュールを構成することができる。具体的には、例えば、Ｐ型熱電変換素子（電荷を運ぶキャリアが正孔）と、Ｎ型熱電変換素子（電荷を運ぶキャリアが電子）を、上部接合電極と下部接合電極を用いて熱的には並列に電気的には直列に接続することにより、熱電変換モジュールを得る。熱電変換モジュールはＰ-Ｎ熱電変換素子一対でも熱電変換モジュールとして機能するが、通常、より大きな出力を得るために、複数のＰ-Ｎ対の熱電変換モジュールを組み合わせて、熱電発電装置を構成する。

　図１に従来からある熱電発電装置の構成例を示す。図１では、熱源となるガスや流体から熱電変換モジュール６０に熱を伝達するための熱交換器６２と組み合わせて熱電発電装置を構築している。このように、従来の方法では、必要となる電力（電圧と電流）を得るために、複数の熱電変換モジュールを使用して、その出力を直列あるいは並列に接続して、熱電発電装置とする場合が一般的である。

　しかし、図１に示すような従来の一般的な熱電発電装置では、複数の熱電変換モジュール６０を熱交換器６２の間に挟み込み、確実に伝熱する設計をするためには、単位面積あたりの荷重として０.５Ｍｐａ～１ＭＰａ程度の圧力が必要であり、これに耐える熱交換器構造にする必要がある。このため熱交換器６２は頑丈な構造とならざるを得ず、その結果コストが高くなる。さらに、他の問題点として、熱交換器６２の面積（伝熱面６４）が広い場合、熱電変換モジュール６０を挟みこむ圧力に分布が生じるため、伝熱のよい熱電変換モジュールと伝熱の悪い熱電変換モジュールが発生し、発電出力が低下する。圧力の分布が大きな場合は熱電変換モジュールの破損につながることもある。

　複数の熱電変換モジュールに対して均一な圧力で固定し、均一に熱源からの熱を伝えて発電する熱電発電装置を少ない部品点数で実現することが、熱電発電技術を低コスト化するために必要となっている。特許文献１は、１つの熱電モジュール２７０ａの両側がプレート２０２及び流体攪乱プレート２４０で挟まれた基本（内部）構成１１０を備え、プレート２０２の表面に設けられたガスケット３０４によって流体のシール及びプレート２０２の表面を流れる流体（高温または低温）の切り替えを交互に行うプレート型の熱電変換器２００を開示する。

　特許文献１のプレート型の熱電変換器では、プレートを重ねて全体を構成するので、全体がコンパクトに集約されるが、１つのプレート２０２の表面の４端の孔に高温と低温の２つの流体が流れるので、ガスケット３０４によるシール効果が不十分だと両方の流体が１つのプレート２０２の表面に混在してしまう恐れがある。すなわち、高温と低温の２つの流体の経路が完全に分離されていないので、熱電モジュールへの流体による温度差の提供が不十分になる恐れがある。

米国特許出願公開ＵＳ２０１３／０２１３４４９

　本発明は、高温と低温の２つの流体の経路が完全に分離され、複数の熱電変換モジュールに対して均一に熱源からの熱を伝えて発電することができる、拡張性がありかつコンパクトな熱電発電装置を提供することを目的とする。

　本発明の一態様では、複数の熱電変換モジュールの各々が開口部を有する枠部材に挟まれるようにして積層された積層体と、積層体の異なる側面に沿って延びるように設けられた少なくとも２つの流体供給部材と、を備える熱電発電装置を提供する。
　その熱電発電装置において、枠部材の各々は、一つ置きに異なる流体供給部材に面する側面に開口部に至る流体注入孔と流体排出孔を有し、流体供給部材の各々は、その側面に沿って延びる流体注入開口及び流体排出開口の一方または双方を有し、各流体供給部材の側面には、対応する枠部材の側面の流体注入孔または流体排出孔に位置合わせされ、流体注入開口または流体排出開口に至る注入孔または排出孔が設けられ、枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔の各々は、中央に流路となる開口を有する第１のシール材を介して、流体供給部材の側面の位置合わせされた注入孔と排出孔の各々に接合する、熱電発電装置。

　本発明の他の一態様では、複数の熱電変換モジュールの各々が開口部を有する枠部材に挟まれるようにして積層された積層体と、積層体の１つの側面に沿って延びるように設けられた１つの流体供給部材と、を備える熱電発電装置を提供する。
　その熱電発電装置において、枠部材の各々は、流体供給部材に面する側面に開口部に至る流体注入孔と流体排出孔を有し、枠部材の一つ置きに流体注入孔と流体排出孔が枠部材の側面の異なる位置にあり、流体供給部材は、その側面に沿って延びる２組の流体注入開口及び流体排出開口を有し、流体供給部材の側面には、各枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔に位置合わせされ、対応する流体注入開口と流体排出開口に至る注入孔と排出孔が設けられ、枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔の各々は、中央に流路となる開口を有するシール材を介して、流体供給部材の側面の位置合わせされた注入孔と排出孔の各々に接合する。

従来の一般的な熱電発電装置の構成を示す図（分解図）である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の全体構成を示す図である。本発明の一実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す図である。本発明の一実施形態の第１のシール材の形状を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）断面図と（ｂ）側面図を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）断面図と（ｂ）側面図を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）断面図と（ｂ）側面図を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）断面図と（ｂ）側面図を示す図である。本発明の一実施形態の熱電発電装置の発電時の状態を示す図である。

　図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図２は、本発明の一実施形態の熱電発電装置の概要（全体構成）を示す図（分解図）である。図２では、その内部構成がわかるように、熱電発電装置１００の上部と側面を分解し離間した状態を示している。熱電発電装置１００は、中央にある複数の熱電変換モジュール１の各々が開口部を有する枠部材２にゴム製パッキン３を介して上下に挟まれるようにして積層された積層体と、積層体の２つの側面に沿って延びる２つの流体供給部材６、７を備える。積層体の最上部には上面が閉じた上蓋４がゴム製パッキン３を介してその下の枠部材２に接合する。同様に、積層体の最下部には下面が閉じた下蓋５がゴム製パッキン３を介してその上の枠部材２に接合する。ゴム製パッキン３は、枠部材２の開口部の縁に沿って配置され、例えばシリコーンやフッ素のような柔軟性とシール性を有するシール材からなる。

　熱電発電装置１００において、枠部材２の各々は、一つ置きに流体供給部材６または７に面する側面に開口部に至る流体注入孔１３と流体排出孔１２を有する。流体供給部材６、７の各々は、その側面に沿って延びる流体注入開口９、１０及び流体排出開口８、１１を有する。流体供給部材６、７の積層体に面する側面には、対応する枠部材の側面の流体注入孔１３と流体排出孔１２に位置合わせされ、流体注入開口９、１０と流体排出開口８、１１に至る注入孔１４と排出孔１５が設けられている。なお、詳細は後述するが、枠部材２の側面の流体注入孔１３と流体排出孔１２の各々は、中央に流路となる開口を有する第１のシール材（図４や図５の符号３２）を介して、流体供給部材６、７の側面の位置合わせされた注入孔１４と排出孔１５の各々に接合する。

　図２の熱電発電装置１００では、積層体中の熱電変換モジュール１は、１１個の枠部材２の間に合計で１０個含まれている。熱電変換モジュール１の数は、必要となる電力（電圧、電流）に応じて任意に選択することができる。また、流体供給部材６、７が配置される積層体の側面は、図２の向かい合う２つの側面に限定されず、積層体の隣接する２側面であってもよい。なお、図示はしていないが、流体供給部材６、７の流体注入開口８、１０には配管を介して高温または低温のいずれかの流体が注入されるようになっており、流体排出開口９、１１からは積層体内を循環した高温または低温の流体が配管を介して回収されるようになっている。さらに、熱電変換モジュール１の各々からは２本の出力線が出ており、発電した電力（電圧、電流）が出力線を介して得られるようになっている。

　図３は、本発明の一実施形態の熱電変換モジュール１の構成を示す図である。図３では、上側の基板（蓋）を省略しているが、実際には蓋の機能を備える２つの基板に挟まれた密封された構造をしている。熱電変換モジュール１は、下側の基板（蓋）５上に設けられた、Ｐ型熱電変換素子１６とＮ型熱電変換素子１７が上側の電極１８と下側の電極１９の間に直列に配置されたπ型の基本構造を有する。π型の基本構造は直列に接続されて、図３の例では全体で１８個のπ型の基本構造（発電部）を有する。熱電変換モジュール１の両端には２本の出力線（＋、－）が設けられており、発電した電力（電圧、電流）を取得できるようになっている。

　上側の電極１８と下側の電極１９には、電気的、熱的な伝導性の良い材料が使用される。例えばＣｕなどが使われる。その厚さは、機械的な強度も考慮して、例えば１ｍｍ程度である。熱電変換モジュール１においては、上側の電極１８側を高温にし、下側の電極１９側を低温にすると、隣接する２つの下側の電極１９間に電位差を生じさせる熱電変換モジュールとして利用することができる。

＜第１実施形態＞
　図４は、本発明の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す図である。図４は、積層体の対向する２つの側面に流体供給部材が配置される場合の実施形態を示す。図４は、本発明の一実施形態の熱電発電装置の各部品の接続関係を説明するために、２つの熱電変換モジュール１のみを含む構成を示しているが、実際には図２に例示したようにさらに複数の熱電変換モジュール１が積層される。また、積層体の両側の流体供給部材２０、２１は、積層体から離間して記載されているが、実際には積層体の側面に接合する。なお、これらの点は、図６～図１１を参照しながら説明する本発明の他の実施形態においても同様である。

　上側の熱電変換モジュール１は、枠部材２２と２３の間にあって、ゴム製パッキン３を介してこれら２つの枠部材に接合する。同様に、下側の熱電変換モジュール１は、枠部材２３と２４の間にあって、ゴム製パッキン３を介してこれら２つの枠部材に接合する。枠部材２２と２４は、左側の側面に開口部に至る流体注入孔３０と流体排出孔２９を有する。真中の枠部材２３は、右側の側面に開口部に至る流体注入孔３０と流体排出孔２９（図示なし）を有する。左側の流体供給部材２０の積層体に面する側面には、枠部材２２と２４の側面の流体注入孔３０と流体排出孔２９に位置合わせされ、流体注入開口９と流体排出開口８に至る注入孔２６と排出孔２５が設けられている。右側の流体供給部材２１の積層体に面する側面には、枠部材２３の側面の流体注入孔３０と流体排出孔２９に位置合わせされ、流体注入開口１０と流体排出開口１１に至る注入孔２７と排出孔２８が設けられている。

　枠部材２２と２４の側面の流体注入孔３０と流体排出孔２９の各々は、中央に流路となる開口３３を有するシール材３２を介して、流体供給部材２０の側面の位置合わせされた注入孔２６と排出孔２５の各々に接合する。同様に、枠部材２３の側面の流体注入孔３０と流体排出孔２９の各々は、中央に流路となる開口３３を有するシール材３２を介して、流体供給部材２１の側面の位置合わせされた注入孔２７と排出孔２８の各々に接合する。シール材３２は、例えば図５に示すように、いずれも中央に貫通孔３３を有する、（ａ）球、（ｂ）ドーナツ形、（ｃ）円柱、あるいは（ｄ）直方体のいずれかの形状を有する弾性体（例えばシリコーンゴムやフッ素ゴム等）からなる。

　流体供給部材２０の注入孔２６と排出孔２５、流体供給部材２１の注入孔２７と排出孔２８、枠部材２２と２４の流体注入孔３０と流体排出孔２９、及び枠部材２３の流体注入孔３０と流体排出孔２９の各々には、シール材３２が収まる凹部が設けられている。凹部は、シール材３２の形状に合せて設けられる。例えば、シール材３２の形状が図５の（ａ）球の場合、凹部は半球状あるいはそれよりやや小さい球状を有する。これらの各孔の凹部にシール材３２が収められる際に、貫通孔３３が流体の流路の一部となるように、貫通孔３３が各孔に正対するように位置合わせされる。その結果、シール材３２の貫通孔３３が流体供給部材と枠部材との間の流体の流路の一部となる。このようにシール材３２を用いることにより、ホース等の接続を不要とし、部品点数を大幅に削減すると同時に熱電発電装置全体のサイズをよりコンパクトにすることができる。

　流体供給部材２０と積層体の接合は、流体供給部材２０に設けられたネジ孔４０と各枠部材の左側面に設けられたネジ孔４１にネジ４４を挿入しながら外側から内側に向かって締め付けることにより行う。同様に、流体供給部材２１と積層体の接合は、流体供給部材２１に設けられたネジ孔４３と各枠部材の右側面に設けられたネジ孔４２にネジ４５を挿入しながら外側から内側に向かって締め付けることにより行う。その締め付けにより、シール材３２が潰れてシール機能が発揮され、流体が外部に漏れることなく流体供給部材と枠部材との間を移動することができる。

　積層体の最上部には上蓋４があり、最下部には下蓋５がある。上蓋４、５と、枠部材２２、２３、２４の４隅には垂直方向で位置合わせされた孔４６がある。積層体は、上蓋４と下蓋５の間で孔４６内に挿入されたボルト４７によって締め付けられる。その締め付けによって、ゴム製パッキン３が例えばその本来の厚みの約９０％の厚みまで潰れることにより、シール機能を十分に発揮させて、高温及び低温の流体が確実に各熱電変換モジュール１に届くようになる。熱電変換モジュール１、枠部材２２、２３、２４、及びゴム製パッキン３は、枠部材の４隅に設けられた孔４６を使用して縦方向に貫通したボルトで確実に締結されるため、どの熱電変換モジュール、どの枠部材にも均一な圧力が加わり、不均一な締め上げなどが発生しないため、熱電変換モジュール１の破損も回避される。

＜第２実施形態＞
　図６に本発明の他の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す。図６の構成は、基本的に図４の積層体の対向する２つの側面に流体供給部材が配置される場合の実施形態の構成と同様であるが、枠部材２２、２３、２４と熱電変換モジュール１との間にゴム製パッキン３が無い点が異なっている。すなわち、図６では、枠部材２２、２３、２４と熱電変換モジュール１とが直接接合する。この場合、ゴム製パッキン３が無いので、図４の場合に比べてシール機能が劣るが、熱電変換モジュール１に耐水性の高い製品を使用すれば、シール機能不足による多少の漏水があったとしても熱電変換モジュール内部への浸水等の悪影響が起こる可能性は極めて低い。一方、熱電発電装置の外部への流体の漏れは起こる可能性があるが、熱電発電装置の使用環境によっては、例えば元々水気のある、言い換えれば多少の水漏れがあっても問題無いような使用環境もあるので、そうした環境で使用することができる。

　図７に図６の実施形態の熱電発電装置における流体の経路（流れ）を示す。図４の実施形態においても同様であり、後述する他の実施形態においても基本的な流体の経路は同様である。図７において、左側の流体供給部材２０の流体注入開口９から供給される冷水は、枠部材２２、２４内に注入される。注入された冷水は、断面１－１´図に示されるように、枠部材２２、２４内の開口中を矢印のように移動して流体供給部材２０へ戻り、流体排出開口８から回収される。同様に、右側の流体供給部材２１の流体注入開口１０から供給される温水は、真中の枠部材２３内に注入される。注入された温水は、断面２－２´図に示されるように、枠部材２３内の開口中を矢印のように移動して流体供給部材２１へ戻り、流体排出開口１１から回収される。

　なお、図示はしていないが、流体供給部材２０、２１への温水及び冷水の供給は、ポンプ等により所定の水圧を持って行われるようになっている。この点、他の実施形態においても同様である。このように枠部材の一つ置きに冷水と温水を交互に注入することにより、熱電変換モジュール１の上面と下面を冷却または加熱することができる。その結果、図３を参照しながら説明したように、熱電変換モジュール１を発電させることができる。なお、図７の熱電変換モジュール１の構成に応じて、流体供給部材２０へ温水を供給し、流体供給部材２１へ冷水を供給する場合もある。

　＜第３実施形態＞
　図８に本発明の他の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す。図８の構成は、基本的に図４の積層体の対向する２つの側面に流体供給部材が配置される場合の実施形態の構成と同様であるが、流体供給部材が各側面に２つずつ（計４つ）配置される点が異なっている。すなわち、図８では、積層体の左側面に２つの流体供給部材２０Ａと２０Ｂが配置され、積層体の右側面に２つの流体供給部材２１Ａと２１Ｂが配置される。左側の流体供給部材２０Ｂは流体注入（例えば冷水注入）用であり、流体供給部材２０Ａは流体回収（例えば冷水回収）用である。同様に、右側の流体供給部材２１Ａは流体注入（例えば温水注入）用であり、流体供給部材２１Ｂは流体回収（例えば温水回収）用である。流体供給部材が流体注入用と流体回収用に分離されている点を除いて、流体の経路は基本的に図７の場合と同様である。

　＜第４実施形態＞
　図９に本発明の他の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す。図９の構成では、１組の流体供給部材２０Ａと２０Ｂが、断面１－１´図に示されるように、積層体の対向する左右の側面に向かい合うように配置される。同様に、他の組の流体供給部材２１Ａと２１Ｂが、断面２－２´図に示されるように、積層体の対向する前後の側面に向かい合うように配置される。断面１－１´図の流体供給部材２０Ａは流体注入（例えば冷水注入）用であり、流体供給部材２０Ｂは流体回収（例えば冷水回収）用である。同様に、断面２－２´図の流体供給部材２１Ａは流体注入（例えば温水注入）用であり、流体供給部材２１Ｂは流体回収（例えば温水回収）用である。なお、いずれの組においても注入用と回収用は反対でもよい。

　図９において、流体供給部材２０Ａの流体注入開口９から供給される冷水は、枠部材２２、２４内に注入される。注入された冷水は、断面１－１´図の矢印で示されるように、枠部材２２、２４内の開口中を移動して流体供給部材２０Ｂへ戻り、流体排出開口８から回収される。同様に、流体供給部材２１Ａの流体注入開口１０から供給される温水は、真中の枠部材２３内に注入される。注入された温水は、断面２－２´図の矢印で示されるように、枠部材２３内の開口中を移動して流体供給部材２１Ｂへ戻り、流体排出開口１１から回収される。本実施形態では、２組の対向する流体供給部材により、他の実施形態の場合と同様に、枠部材の一つ置きに冷水と温水を交互に注入することにより、熱電変換モジュールの上面と下面を冷却または加熱することができる。

　＜第５実施形態＞
　図１０に本発明の他の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図と（ｃ）表面図を示す。図１０の構成では、１つの流体供給部材５０が、積層体の左側面に配置される。流体供給部材５０は、流体供給部材５０と枠部材２２～２４に設けられたネジ孔５８、５９にネジ５６、５７を挿入しながら外側から内側に向かって締め付けることにより、各枠部材と接合する。（ａ）の断面１－１´及び２－２´図に示されるように、流体供給部材５０は、２つの流体注入開口５１、５３と、２つの流体排出開口５２、５４を有する。（ｃ）の表面３－３´図に示されるように、１組の流体注入開口５１と流体排出開口５２は、２つの枠部材２２、２４の開口内と貫通孔３３を有するシール材３２を介して繋がり連続した流路を形成する。同様に、他の１組の流体注入開口５３と流体排出開口５４は、１つの枠部材２３の開口内と開口３３を有するシール材３２を介して繋がり連続した流路を形成する。

　図１０において、流体供給部材５０の流体注入開口５１から供給される冷水は、枠部材２２、２４内に注入される。注入された冷水は、断面１－１´図に示されるように、枠部材２２、２４内の開口中を矢印のように移動して流体供給部材５０へ戻り、流体排出開口５２から回収される。同様に、流体供給部材５０の流体注入開口５３から供給される温水は、真中の枠部材２３内に注入される。注入された温水は、断面２－２´図に示されるように、枠部材２３内の開口中を矢印のように移動して流体供給部材５０へ戻り、流体排出開口５４から回収される。本実施形態では、１つの流体供給部材５０により、他の実施形態の場合と同様に、枠部材の一つ置きに冷水と温水を交互に注入することにより、熱電変換モジュールの上面と下面を冷却または加熱することができる。

　＜第６実施形態＞
　図１１に本発明の他の一実施形態の熱電発電装置の一部の（ａ）上面図と（ｂ）側面図を示す。図１１の構成では、図９の実施形態と同様に、１組の流体供給部材６０と６１が、断面１－１´図に示されるように、積層体の対向する前後の側面に向かい合うように配置される。同様に、他の組の流体供給部材６２と６３が、断面２－２´図に示されるように、積層体の対向する左右の側面に向かい合うように配置される。各流体供給部材の断面は、積層体に面する平坦部と外形を成す円形部を有する。図１１の熱電発電装置では、中央の積層体を４つの流体供給部材６０～６３で取り囲み、全体で１つの円筒形を成す態様を示している。流体供給部材６０は流体注入（例えば冷水注入）用であり、流体供給部材６１は流体回収（例えば冷水回収）用である。同様に、流体供給部材６２は流体注入（例えば温水注入）用であり、流体供給部材６３は流体回収（例えば温水回収）用である。なお、いずれの組においても注入用と回収用は反対でもよい。冷水及び温水の流路は、図９の場合と同様である。

　図１２は、本発明の一実施形態の熱電発電装置の発電時の状態を示す図である。図１２の熱電発電装置は、上蓋４と下蓋５の間に１１個の枠部材２と１０個の熱電変換モジュール１を含む。図の左側の流体供給部材６から冷水が供給され、右側の流体供給部材７から温水が供給されることにより、熱電変換モジュール１はその上面と下面が冷却または加熱されて発電する。熱電変換モジュール１の各々の出力線から出力電圧Ｖ_１～Ｖ_１０が得られる。

　図１２の本発明の一実施形態の熱電発電装置を実際に試作して各熱電変換モジュールからの出力電圧Ｖ_１～Ｖ_１０を測定した。熱電変換モジュール１には、厚み３.６ｍｍ、４０ｍｍ角の熱電モジュールを１０枚使用した。流体供給部材６、７及び枠部材２には、エンジニアリング・プラスチックを使用した。ゴム製パッキン３とシール材３２には、シリコーンゴムを使用した。熱電発電装置に、１０℃の冷水と、３５℃から９５℃まで１５℃間隔で温度を変えた温水を、流量を３、５、７（Ｌ／ｍｉｎ）と変化させながら供給して、発電時の熱電変換モジュール１の各々の出力電圧（Ｖ）を測定した。下記の表１～表３に順番に流量が３、５、７（Ｌ／ｍｉｎ）の場合の出力電圧（Ｖ）を示す。

　３つの表から明らかなように、各条件において、１０個の熱電変換モジュール１～１０の各々からほぼ同様な出力電圧（Ｖ）が得られていることがわかる。すなわち、各枠部材に冷水と温水が十分かつ均等に供給されて、各熱電変換モジュールの上面と下面が冷却または加熱されて発電が実際に起こっていることがわかる。また、流量が増加し、あるいは温水温度が上昇するにつれて、発電量が増え出力電圧（Ｖ）が増加していることがわかる。表３の７（Ｌ／ｍｉｎ）の流量において、９５℃の温水を用いた場合に平均で約３.４Ｖの出力電圧を得ることができることがわかった。

　本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

　本発明の熱電発電装置は、小型で拡張性の高い熱電発電装置として産業上幅広く利用することができる。

１　熱電変換モジュール
２、２２、２３、２４　枠部材
３　ゴム製パッキン
４　上蓋（基板）
５　下蓋（基板）
６、７、２０、２１、２０Ａ、２０Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ、５０、６０、６１、６２、６３　流体供給部材
８、１１、５２、５４　流体排出開口
９、１０、５１、５３　流体注入開口
１２、２９　流体排出孔
１３、３０　流体注入孔
１４、２６、２７　注入孔
１５、２５、２８　排出孔
１６　Ｐ型熱電変換素子
１７　Ｎ型熱電変換素子
１８　上側の電極
１９　下側の電極
３２　シール材
３３　開口（貫通孔）
４０、４１、４２、４３、５８、５９　ネジ孔
４４、４５、５６、５７　ネジ
４６　孔
４７　ボルト
６０　熱電変換モジュール
６２　熱交換器
６４　伝熱面
１００　熱電発電装置

Claims

　複数の熱電変換モジュールの各々が開口部を有する枠部材に挟まれるようにして積層された積層体と、
　積層体の異なる側面に沿って延びる少なくとも２つの流体供給部材と、を備え、
　枠部材の各々は、一つ置きに異なる流体供給部材に面する側面に開口部に至る流体注入孔と流体排出孔を有し、
　流体供給部材の各々は、その側面に沿って延びる流体注入開口及び流体排出開口の一方または双方を有し、各流体供給部材の側面には、対応する枠部材の側面の流体注入孔または流体排出孔に位置合わせされ、流体注入開口または流体排出開口に至る注入孔または排出孔が設けられ、
　枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔の各々は、中央に流路となる開口を有する第１のシール材を介して、流体供給部材の側面の位置合わせされた注入孔と排出孔の各々に接合する、熱電発電装置。
　前記流体供給部材は、前記積層体の２つの側面に沿って１つずつ配置され、前記流体供給部材の各々に前記流体注入開口及び流体排出開口が設けられ、一方の前記流体供給部材の前記流体注入開口には高温流体が供給され、他方の前記流体供給部材の前記流体注入開口には低温流体が供給される、請求項１に記載の熱電発電装置。
　前記流体供給部材は、前記積層体の２つの側面に沿って２つずつ配置され、各側面の一方の前記流体供給部材には前記流体注入開口が設けられ、他方の前記流体供給部材には前記流体排出開口が設けられ、一方の側面の前記流体供給部材の前記流体注入開口には高温流体が供給され、他方の側面の前記流体供給部材の前記流体注入開口には低温流体が供給される、請求項１に記載の熱電発電装置。
　前記流体供給部材は、前記積層体の４つの側面に沿って１つずつ配置され、対向する２つの前記流体供給部材の一方に前記流体注入開口がそれぞれ設けられ、他方の前記流体供給部材に前記流体排出開口がそれぞれ設けられ、前記流体供給部材の前記流体注入開口の一方には高温流体が供給され、他方の前記流体注入開口には低温流体が供給される、請求項１に記載の熱電発電装置。
　前記熱電変換モジュールは、前記枠部材の開口部の外周に沿って設けられた第２のシール材を介して前記枠部材と接合する、請求項１に記載の熱電発電装置。
　前記枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔の各々、及び前記流体供給部材の側面の注入孔と排出孔の各々は、前記第１のシール材の少なくとも端部が嵌まる凹部を有する、請求項１に記載の熱電発電装置。
　前記第１のシール材は、球、円柱、ドーナツ形、または直方体のいずれかの形状を有する弾性体からなる、請求項６に記載の熱電発電装置。
　前記熱電変換モジュールは、Ｎ型熱電変換素子とＰ型熱電変換素子が上下の電極間に直列に配置されたπ型の基本構造を有する、請求項１に記載の熱電発電装置。
　複数の熱電変換モジュールの各々が開口部を有する枠部材に挟まれるようにして積層された積層体と、
　積層体の１つの側面に沿って延びる１つの流体供給部材と、を備え、
　枠部材の各々は、流体供給部材に面する側面に開口部に至る流体注入孔と流体排出孔を有し、枠部材の一つ置きに流体注入孔と流体排出孔が枠部材の側面の異なる位置にあり、
　流体供給部材は、その側面に沿って延びる２組の流体注入開口及び流体排出開口を有し、流体供給部材の側面には、各枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔に位置合わせされ、対応する流体注入開口と流体排出開口に至る注入孔と排出孔が設けられ、
　枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔の各々は、中央に流路となる開口を有する第１のシール材を介して、流体供給部材の側面の位置合わせされた注入孔と排出孔の各々に接合する、熱電発電装置。
　前記熱電変換モジュールは、前記枠部材の開口部の外周に沿って設けられた第２のシール材を介して前記枠部材と接合する、請求項９に記載の熱電発電装置。
　前記枠部材の側面の流体注入孔と流体排出孔の各々、及び前記流体供給部材の側面の注入孔と排出孔の各々は、前記第１のシール材の少なくとも端部が嵌まる凹部を有する、請求項９に記載の熱電発電装置。
　前記第１のシール材は、球、円柱、ドーナツ形、または直方体のいずれかの形状を有する弾性体からなる、請求項１１に記載の熱電発電装置。
　前記熱電変換モジュールは、Ｎ型熱電変換素子とＰ型熱電変換素子が上下の電極間に直列に配置されたπ型の基本構造を有する、請求項９に記載の熱電発電装置。