JP2018064399A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱源からの伝熱効率を高めた熱電発電装置を提供する。【解決手段】熱源としての高温壁１０と熱電発電装置の集熱板２８との間に、複数の凹凸を有する金属箔３０を配置する。金属箔３０の頂上部３２は集熱板２８の表面に沿って平らに変形し、谷底部３４は高温壁１０の表面に沿って変形する。これにより、金属箔３０は高温壁１０および集熱板２８に対してそれぞれ局所的に面接触する。【選択図】図６

Description

本発明は、熱を電力に変換する熱電発電装置に関するものである。

この種の熱電発電装置では、例えば焼却設備などの大量の廃熱が発生する環境において、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子によって電力を発生させる熱電変換モジュールが、高温になる場所に設置される。この熱電発電装置を用いることにより、廃熱すなわち廃棄される予定であった熱を電力に変換することが可能となり、エネルギーの有効活用に貢献できる。

こうした熱電発電装置は、高温になる部材と低温になる部材との間に設置され、高温になる部材（高温熱源）と低温になる部材（低温熱源）との温度差に応じた起電力を発生する。熱電発電装置が大きな電力を発生させるためには、高温熱源から熱電発電装置まで効率よく熱が伝達されることが望ましい。そこで、熱電発電装置の表面は平坦かつ滑らかに加工され、この表面が高温熱源の表面と接触させられる。これにより、熱電発電装置は高温熱源からの熱を効率よく受け取ることが可能になる。

しかしながら、熱電発電装置の表面と接触させられる高温熱源の表面は、平坦かつ滑らかな状態に保たれているとは限らない。高温熱源は高温という過酷な環境下にあるため、往々にしてその表面にはゆがみが生じる。また高温熱源の表面が研磨されて平坦化されていたとしても、微細な凹凸は残ってしまう。このような凹凸のある高温熱源の表面を熱電発電装置の平坦な表面と接触させると、その接触は面接触とはならず、双方の表面同士の間には隙間が生じてしまう。この隙間には熱伝導率の低い空気が存在しており、高温熱源から熱電発電装置への熱伝導は空気を介した効率の悪いものとなってしまう。

従来の熱電発電装置においては、熱電発電装置と高温熱源との間に放熱グリスを塗布することにより、熱電発電装置と高温熱源との間に隙間が生じないようにすることが行われる。この放熱グリスは種類によっては金属などの導電性の高い物質の粒子を含んだものもあり、このような放熱グリスが熱電発電装置と高温熱源との隙間に充填されることによって、空気よりは高い伝熱効率が得られる。

しかし一般的な放熱グリスの主成分はシリコン樹脂（シリコーン）であり、これは金属ほどの伝熱性は持っていない。そのため、隙間が放熱グリスで完全に埋められたとしても、金属同士が直接接触した場合ほどの伝熱性は得られない。つまり、放熱グリスを用いた従来の熱電発電装置では、高温熱源からの伝熱性、ひいてはエネルギーの利用効率に制限がある。

そこで、本発明は、熱源からの伝熱効率を高め、従来よりも高いエネルギーの利用効率を実現する熱電発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る熱電発電装置は、熱源の熱を電力に変換する熱電変換モジュールと、前記熱源の表面に配置され、熱源方向および前記熱源から離れる方向にそれぞれ突起を向けた複数の凹凸を有しており、前記熱源から前記熱電変換モジュールへの伝熱経路を形成する金属箔と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る熱電発電装置は、前記金属箔の素材が熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属であると好ましい。

本発明によれば、熱源から熱電変換モジュールまでの伝熱経路が、金属製の連続体である金属箔によって形成されるため、主成分が非金属のシリコン樹脂である従来の放熱グリスを用いた場合に比べて、非常に高い伝熱性を得ることができる。

また、金属箔が凹凸を備えているため、熱源の表面に沿ってこの凹凸が変形することによって、金属箔は熱源の表面に対して面接触を行うことになり、熱源の熱を効率よく受け取ることができる。

本発明に係る熱電発電装置の実施形態の一例を示す平面図。 図１のＡ−Ａ矢視図。 本実施形態における金属箔を示す断面図であり、（ａ）は凹凸形状をわかりやすく示すための模式図、（ｂ）はより実際の金属箔に近い形状を示す図。 金属箔に凹凸形状が設けられると金属箔が全体的に圧縮される様子を示す斜視図。 本実施形態における熱電発電装置と高温壁との間の隙間の様子を示す断面図であり、（ａ）は高温壁表面が平坦な場合を示す図、（ｂ）は高温壁表面に凹凸がある場合を示す図。 本実施形態における金属箔の変形の様子を説明するための模式断面図であり、（ａ）は高温壁表面が平坦な場合を示す図、（ｂ）は高温壁表面に凹凸がある場合を示す図。 金属箔の変形について図６より実際の金属箔に近い形状を示す断面図であり、（ａ）は高温壁表面が平坦な場合を示す図、（ｂ）は高温壁表面に凹凸がある場合を示す図。 金属箔が複数枚用いられる様子を示す斜視図。

以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電装置の実施形態の一例を説明する。図１は熱電発電装置２０の平面図であり、本実施形態においては熱電発電装置２０が焼却設備において用いられるものとする。熱電発電装置２０はこのように、焼却設備における燃焼室の外壁や排ガス用パイプの外面など高温になる複数の場所（かつ冷却系が設けられた場所）に分散設置されることにより、複数の場所で発生する熱をそれぞれ電力に変換することができる。図１は熱電発電装置２０が排ガス用パイプの外面に取り付けられている場合を示している。この排ガス用パイプは高熱になるため、熱電発電装置２０の高温熱源として用いることができる。以下においては、この高温熱源としての排ガス用パイプを高温壁１０と呼ぶ。

図２に示すように、本実施形態の熱電発電装置２０は上側（高温壁１０と反対側）から順に、冷却ユニット２２、熱電変換モジュール２６、集熱板２８を備えている。熱電変換モジュール２６は周囲環境の温度差を電力に変換する熱電変換素子を複数有するものである。そして熱電変換モジュール２６は、冷却ユニット２２と集熱板２８に挟まれるように配置されており、冷却ユニット２２と集熱板２８との温度差に応じた電力を発生させる。この熱電変換モジュール２６が発生させた電力は、図示しない電気配線を通じて電力を必要とする外部の装置へ送られる。なお熱電変換モジュール２６内には図示しない絶縁シートなどが設けられていて、熱電変換モジュール２６と他の部材（冷却ユニット２２や集熱板２８など）とが電気的に絶縁されており、熱電変換モジュール２６が発生させた電力が前述の電気配線以外へと逃げないようになっている。

図１に示すように熱電発電装置２０の四隅には締結ボルト２９が設けられている。これらの締結ボルト２９は、図２に示すように、冷却ユニット２２から集熱板２８にかけて延びており、締結ボルト２９が軸周りに回転させられることにより、冷却ユニット２２と集熱板２８とが互いに締め付けられる。冷却ユニット２２と集熱板２８とが互いに締め付けられることにより、冷却ユニット２２と集熱板２８との間に配置されている熱電変換モジュール２６は冷却ユニット２２および集熱板２８に対して密着する。なお冷却ユニット２２と集熱板２８との間のうち、熱電変換モジュール２６以外の領域は、断熱性の高い充填材２７（例えば合成樹脂）で満たされており、熱電変換モジュール２６以外へは熱が伝わらないようになっている。

熱電変換モジュール２６の上側に配置されている冷却ユニット２２は、冷却水を貯蔵可能なタンクであり、このタンクは焼却設備の冷却ライン２１（冷却系）と接続されている。冷却ライン２１は排ガスを冷却するために排ガス用パイプに沿って敷設された管路であり、この管路内で冷却水が循環することにより、排ガス用パイプ内の排ガスが冷却される。そして、本実施形態においては冷却ライン２１に冷却ユニット２２が接続されているため、冷却ユニット２２としてのタンク内の冷却水は常に低温のものと交換され続ける。つまり、冷却ユニット２２は低温に保たれ続ける。そのため、この冷却ユニット２２は熱電発電装置２０の低温熱源として用いることができる。

熱電変換モジュール２６の下側（高温壁１０に近い側）に配置されている集熱板２８は伝熱性の良い金属（例えば銅）製の板であり、熱電変換モジュール２６よりも大きな面積を有している。このため、高温壁１０の外面上の広い範囲から熱を集めて熱電変換モジュール２６へと伝えることができる。

そして、熱電発電装置２０は取付治具４２を用いて高温壁１０へ取り付けられる。取付治具４２は図１，図２に示す通り熱電発電装置２０を高さ方向（高温壁１０から離れる方向）に回り込むように配置された板材であり、その長さ方向両端は取付ボルト４４により高温板１０へ固定されている。そして取付治具４２のうち熱電発電装置２０よりも上側に位置する部分には、先端が円板状に広がっている押圧ボルト４５が設けられており、熱電発電装置２０はこの押圧ボルト４５によって上側から押圧されて、高温壁１０へと押し付けられる。図１に示す通り、本実施形態においては１つの熱電発電装置に対して取付治具４２が２つ設けられている。

そして、熱電発電装置２０の下側において、集熱板２８と高温壁１０との間には金属箔３０が配置されている。この金属箔３０はアルミニウムなどの伝熱性の高い金属が平らに広げられた薄い板金を基に形成される。そしてこの金属箔３０は図３（ａ）の断面図に示すように、その表裏両面に複数の凹凸が連なった形状に加工されている。そしてこれらの凹凸は図３（ａ）では紙面内の左右方向に連なっているが、図３（ａ）の紙面と直交する方向にも連なっている。図１で言うと、図中の左右方向だけでなく上下方向にも多数の凹凸が連なっている（つまり二次元的に、あるいは平面的に連なっている）。このため金属箔３０のどの部分の断面を見るかによって現われる凹凸形状は異なり、例えばある部分の断面では図３（ａ）の実線に示すような凹凸形状になっている一方で、別の部分の断面では破線で示すような凹凸形状になっていることがある。以下、図３（ａ）中の凸部を頂上部３２、凹部を谷底部３４と呼ぶ。これら頂上部３２および谷底部３４は、金属箔３０の厚み方向上下にそれぞれ現われる凹凸として形成される。凹凸のうち凹部と凸部のどちらが頂上部３２でどちらが谷底部３４なのかについては、金属箔３０が高温壁１０の表面に配置された際に、その高温壁１０側（熱源方向）へ突起（先端）を向けている部分を谷底部３４、高温壁１０から離れる方向へ突起を向けている部分を頂上部３２とする。

金属箔３０の頂上部３２および谷底部３４は、一定の高さの山あるいは一定の深さの谷が連続して広がっているわけではなく、一つ一つが独立した頂点または谷底を有している。このような形状は、例えば図４に示すように、大きく広がった金属箔３０を手で揉んで「くしゃくしゃ」にすることによって得ることができる。このようにして金属箔３０に凹凸が設けられると、図４に見られるように金属箔３０は全体的に縮む。具体的には、平面視における面積が減少する一方で、高さ方向の寸法が増加する。

このような金属箔３０が図２に示すように集熱板２８と高温壁１０との間に配置された状態で、熱電発電装置２０が押圧ボルト４５によって上側から押されて高温壁１０へ向けて加圧されると、金属箔３０は集熱板２８と高温壁１０との間で挟まれることになり、加圧の力を受けて金属箔３０が集熱板２８の表面と高温壁１０の表面に沿って変形する。すると、図５（ａ）に示す通り、集熱板２８の表面と高温壁１０の表面との間の隙間全体にわたって金属箔３０がその隙間を埋めるように挟み込まれることになる。さらに、図５（ｂ）に示すような、高温壁１０に凹凸がある場合でも、金属箔３０は集熱板２８と高温板１０との間の隙間の形状に応じて変形し、隙間を埋めることができる。

金属箔３０の変形の様子を、図６を用いて模式的に解説する。図６（ａ）に示すように、集熱板２８の表面と高温壁１０の表面がどちらも平坦かつ滑らかであれば、頂上部３２は集熱板２８の下面に沿って平らに変形し、谷底部３４は高温壁１０の上面に沿って平らに変形する。このとき、谷底部３４と高温壁１０とは面接触となるので、谷底部３４は高温壁１０の熱を効率よく受け取ることができる。そして谷底部３４から頂上部３２までは金属箔３０を構成する伝熱性の高い金属（ここではアルミニウム）で接続されているので、谷底部３４が受け取った熱は頂上部３２まで効率よく伝達される。さらに、頂上部３２と集熱板２８とも面接触となっているので、頂上部３２へ伝えられた熱は効率よく集熱板２８へと伝えられる。このように、金属箔３０が集熱板２８と高温壁１０との間に配置されていることにより、高温熱源である高温壁１０の表面から集熱板２８への表面まで連続した熱伝導経路が形成され、この熱伝導経路を形成している伝熱性の高い金属を介して高温壁１０の熱が集熱板２８へと効率よく伝達されることになる。また頂上部３２と谷底部３４が平らに変形することにより、谷底部３４から頂上部３２までの距離が短くなり、より効率的に熱が伝達されるようになる。

さらに、高温壁１０の表面に図６（ｂ）に示すような凹凸（高低差）があったとしても、谷底部３４はその高温壁１０の高低差形状に沿って変形し、谷底部３４と高温壁１０とが面接触することになる。さらに、その谷底部３４は金属箔３０の一部であるため、集熱板２８に面接触している頂上部３２へ至る金属製の伝熱経路が形成されている。したがってこの場合も、伝熱性の高い金属を介して高温壁１０の熱が集熱板２８へと効率よく伝達されることになる。ここで、仮に凹凸が設けられた金属箔３０ではなく、単に柔軟なだけの平坦な薄板を用いたとすると、その薄板は高温壁１０の高低差形状に沿って変形することができたとしても、高温壁１０の窪みに沿って変形した箇所では薄板と集熱板２８との間に隙間が生じてしまい、高温壁１０から集熱板２８への伝熱効率が低くなる。これに対し、凹凸が設けられた金属箔３０では、図６（ｂ）に示す通り、谷底部３４が高温壁１０の窪みに沿って変形した箇所でも、集熱板２８へ向けて金属による伝熱経路が形成されている。また、図６（ｂ）には図示しないが、集熱板２８の下面に凹凸（高低差）があったとしても、頂上部３２がその集熱板２８の高低差形状に沿って変形するので、集熱板２８の下面が滑らかでない場合にも高温壁１０から集熱板２８への伝熱効率は高く保たれる。

ここで、高温壁１０の上面に接することになる谷底部３４の下端と、その谷底部３４から最も近い、集熱板２８の下面に接することになる頂上部３２の上端までの距離を金属箔３０の「高さ」とする（谷底部３４のすぐ隣の頂上部３２が集熱板２８に接しない場合、その近くで集熱板２８に接する頂上部３２を探し、その頂上部３２との距離を考える）。金属箔３０の頂上部３２および谷底部３４は前述のとおり、一定の高さの山でも一定の深さの谷でもないため、金属箔３０の高さは金属箔３０上の位置によって異なるが、以下においては金属箔３０の高さについて、平均の高さを考える。高温壁１０と集熱板２８との間の隙間を確実に金属箔３０で埋めることができるようにするためには、金属箔３０の高さは想定される隙間の大きさよりも大きくしておくことが望ましい。

金属箔３０は、加圧された部分の高さが局所的に縮む伸縮体として機能する。具体的には、金属箔３０が集熱板２８と高温壁１０との間で挟み込まれて加圧されると、金属箔３０の高さ方向寸法は集熱板２８と高温壁１０との間の隙間の大きさまで圧縮される。このとき、その圧縮の度合いに応じた大きさで頂上部３２および谷底部３４が変形する。したがって、金属箔３０の高さが大きければ、頂上部３２および谷底部３４がそれぞれ集熱板２８および高温壁１０に沿って変形して面接触する部分が大きくなる。

なお、金属箔３０が確実に高温壁１０の凹凸に沿って変形できるようにするためには、金属箔３０の厚みが、金属箔３０が高温壁１０（熱源）へと押し付けられたときに金属箔３０に接する部材（例えば高温壁１０と集熱板２８）の表面に沿って変形できる程度の厚みであることが望ましい。利用可能な厚みは金属箔３０の素材となる金属の変形しやすさと、金属箔３０を熱源に押し付ける力（図２のような熱電発電装置２０であれば押圧ボルト４５による押圧力）によって変わる。単位厚みあたりの変形抵抗×厚みが押し付けの力より低いのが望ましい。アルミニウムなど箔状に加工できる程度に展延性の高い金属であれば０．００６ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の厚みであればよい。

以上のように本発明によれば、高温熱源である高温壁１０から集熱板２８までの伝熱経路が、金属製の連続体である金属箔３０によって形成されるため、主成分が非金属のシリコン樹脂である従来の放熱グリスを用いた場合に比べて、非常に高い伝熱性を得ることができる。シリコン樹脂は一般的に熱伝導率が０．１〜１．０Ｗ／ｍ・Ｋのオーダーであるのに対し、金属の熱伝導率は低いものでも１０Ｗ／ｍ・Ｋのオーダーであり、高いものでは１００Ｗ／ｍ・Ｋのオーダーである。特にアルミニウムは２３７Ｗ／ｍ・Ｋもの熱伝導率を有するため、金属箔３０によって伝熱経路を形成することで従来の放熱グリスに対し数十〜数百倍という桁違いの伝熱効率が得られることがわかる。

また、融点の高い金属を金属箔３０の素材として用いることにより、従来の放熱グリスに比べ高い耐熱性を得ることができる。例えばアルミニウムの融点はおよそ摂氏６６０度であるので、一般的な放熱グリスの耐熱温度である摂氏３００度に比べて非常に高い耐熱性が得られることがわかる。

また、金属箔３０が高温壁１０と集熱板２８との間で挟まれることにより、金属箔３０の表裏両面に形成されている多数の頂上部３２および谷底部３４が高温壁１０および集熱板２８の表面に沿って変形する。つまり、高温壁１０や集熱板２８の表面にゆがみや凹凸があったとしても、金属箔３０はそのゆがみや凹凸に沿って変形し、高温壁１０および集熱板２８の表面に対して頂上部３２および谷底部３４が局所的な面接触を行う。さらに、頂上部３２と谷底部３４との間は金属箔３０を構成する導電性の高い金属で接続されているので、高温壁１０の上面から集熱板２８の下面まで、金属製の連続した伝熱経路が確保される。

また、本発明の金属箔３０は、高温壁１０および集熱板２８のゆがみや凹凸の程度によらず確実に高温壁１０と集熱板２８との間の隙間を埋めることができる。具体的には、金属箔３０の素材がアルミニウムのような展延性の高い金属で、かつ金属箔３０の厚みが十分に薄い（例えば０．５ｍｍ以下）ならば、金属箔３０が集熱板２８によって高温板１０へと押し付けられたときに頂上部３２および谷底部３４は柔軟に変形することができる。この場合、高温壁１０および集熱板２８の表面のゆがみやうねり、あるいは凹凸が数ｍｍオーダーの細かさであっても、頂上部３２および谷底部３４はその細かいゆがみや凹凸に沿って変形することができる。一方、高温壁１０および集熱板２８の表面のゆがみや凹凸が大きい（例えば１ｍｍの窪みがある）場合でも、その凹凸の大きさが頂上部３２と谷底部３４との間の高さ（例えば２ｍｍ）よりも小さければ、金属箔３０は問題なく高温壁１０の上面から集熱板２８の下面までの間を接続して伝熱経路を形成することができる。

また、高温壁１０が排ガス用パイプの外面である場合、その排ガス用パイプが円筒形の形状であれば、劣化によるゆがみや凹凸がなくともパイプ表面は必然的に湾曲したものとなるが、金属箔３０はその湾曲にも応じて変形できるので、湾曲したパイプ表面と平坦な集熱板２８表面との伝熱経路が金属箔３０によって確保されることになる。つまり、金属箔３０を用いることにより、高温壁１０（熱源）の形状がどのようなものであっても高い伝熱効率で熱源に熱電発電装置２０を取り付けることができる。

なお、以上の説明で使用した図３（ａ），図６においては、図示の簡略化のため、金属箔３０の凹凸形状を、凹部と凸部が交互に現われる形状として模式的に示している。しかし実際に「くしゃくしゃ」にされた金属箔３０の形状はもっと複雑である。図３（ｂ）に実際の金属箔３０の断面により近い形状を示す。この断面に現われている、金属箔３０の端面を示す線は、曲がりくねりながらも全体的には図中左側から右側へ向けて伸びているが、右側へ一方的に進み続けるわけではなく、ところどころ左側へと引き返す部分があったり、凸部のさらに上方へ回り込んで別の凸部を形成する部分があったりと、複雑な形状になっている。なお、より正確には、断面に現われるのは図３（ｂ）に示すような左右方向にひと繋がりの線（箔の端面）のみではなく、この線と独立した別の線（図示せず）が断面に現われることがある。これは金属箔３０の凹凸が図３（ｂ）の紙面に直交する方向にも連なっているために、紙面に直交する方向から図３（ｂ）に示す平面内へ入り込む凹凸が存在するためである。

図３（ｂ）に示すような複雑な形状の金属箔３０においても、凹部と凸部の向きに応じて谷底部３４と頂上部３２を決めることができる。つまり、金属箔３０が高温壁１０の表面に配置された場合に高温壁１０の側（熱源方向）へ突起先端を向ける部分が谷底部３４、高温壁１０から離れる方向（図３（ｂ）に仮想線で示す集熱板２８の側）へ突起を向ける部分が頂上部３２となる。凸部のさらに上方へ回り込む別の凸部が形成されている部分においては、最も上方（集熱板２８に近い側）の凸部を頂上部３２とする。金属箔３０の高さについては、高温壁１０に接触する谷底部３４と、その谷底部３４から金属箔３０の広がり方向（図中左右方向）に最も近い頂上部３２との距離を考える。

図３（ｂ）に示すような金属箔３０を高温壁１０上に配置し、図３（ｂ）に仮想線で示すように上方から集熱板２８を下降させていくと、図７（ａ）に示すように、金属箔３０は高温壁１０の上面と集熱板２８の下面との間で圧縮される。このとき、図６（ａ）の模式図でも示したように、頂上部３２は集熱板２８に沿って変形して集熱板２８と面接触し、谷底部３４は高温壁２８に沿って変形して高温壁２８と面接触する。さらに、これら頂上部３２と谷底部３４との間を結ぶ金属箔３０は、圧縮されたことにより単位空間当たりの密度が高くなる。しかも、凸部のさらに上方へ回り込む別の凸部が形成されていた箇所のように、圧縮前において多層になっていた箇所では、圧縮されることによって上方側の層が下方側の層と接触する。このため谷底部３４から頂上部３２までの伝熱経路が圧縮前に比べて増える。つまり、金属箔３０が高温壁１０と集熱板２８との間で圧縮されることによって、金属箔３０の単位空間当たりの密度が高くなり、伝熱経路が増えるため、谷底部３４から頂上部３２までの伝熱効率は非常に高くなる。このように、本発明の金属箔３０によれば、頂上部３２と集熱板２８との面接触、および谷底部３４と高温壁１０との面接触により、高温壁１０からの熱の受け取り効率および集熱板２８への熱の受け渡し効率が高くなるだけでなく、金属箔３０が圧縮されることにより、これら頂上部３２と谷底部３４との間の伝熱効率も高くなる。したがって全体として高温壁１０から集熱板２８までの伝熱効率が非常に高くなる。

そして図７（ｂ）に示すように、高温壁１０の表面に凹凸があったとしても、谷底部３４はその高温壁１０の凹凸に沿って変形し、谷底部３４と高温壁１０とが面接触することになる。さらに図７（ａ）に示す場合と同じく、図７（ｂ）においても、金属箔３０が高温壁１０と集熱板２８との間で圧縮されることによって、金属箔３０の単位空間当たりの密度が高くなり、谷底部３４から頂上部３２までの伝熱経路が増えている。よってこの場合も、高温壁１０の熱が集熱板２８へと非常に効率よく伝達されることになる。

なお、図８に示すように、金属箔３０を複数枚用いて、熱電発電装置２０と高温壁１０との間に、多層に重ねられた金属箔３０が配置されるようにしてもよい。例えば高温壁１０のうねりが大きくて高温壁１０と熱電発電装置２０（具体的には図２の集熱板２８または熱源モジュール２６）との間の隙間が大きくなる場合には、その隙間が金属箔３０によって十分に埋められるように、複数の金属箔３０を重ねて用いるとよい。この複数（多層）の金属箔は例えば図８に示すように別々の金属箔３０をそれぞれくしゃくしゃにしたものを重ね合わせたものであってもよいし、一枚の金属箔３０を多重に折り畳んだものでもよい。この場合、複数の金属箔３０が全体として熱源方向および熱源から離れる方向にそれぞれ突起を向けた複数の凹凸を有する状態になっていればよい。つまり、重ね合わされた金属箔３０のうち最も上方の金属箔３０の頂上部が熱電発電装置２０側の方向（熱源である高温壁１０から離れる方向）に突起を向け、最も下方の金属箔３０の谷底部が高温壁１０側の方向（熱源方向）に突起を向けた状態であればよい。

高温壁１０と集熱板２８との間の隙間を複数の金属箔３０で十分に塞ぐためには、最も下方の金属箔３０の下端から最も上方の金属箔３０の上端までの距離が、高温壁１０および集熱板２８のうねりよりも大きくなっている必要がある。「くしゃくしゃ」にする前の一枚の金属箔３０の厚みが例えば０．０５ｍｍで、この金属箔３０をくしゃくしゃにしても「高さ」が０．２ｍｍ程度にしかならないのであれば、高温壁１０および集熱板２８のうねりが大きくて両者の間に最大１ｍｍの隙間ができる場合には、一枚の金属箔３０単体では十分にこの隙間を埋めることはできない。しかし、５枚以上の金属箔３０を重ね合わせて、複数枚の金属箔３０の高さの合計を少なくとも１ｍｍ以上とすることで、１ｍｍの隙間をこれら複数の金属箔３０で埋めることができる。このように、重ね合わせられた金属箔３０の枚数を多くすることでより大きな高温壁１０のうねりや湾曲に対応することが可能である。ただしあまりに枚数が多くなる（例えば１５枚以上）と、重なり合っている金属箔３０同士の隙間が多くなって伝熱効率が悪くなるので、重ね合わせる枚数は、予想される高温壁１０等のうねりに対応するために最低限必要な枚数とするのが望ましい。

言い換えると、複数枚重ねられた金属箔３０全体の表面を考えたとき、その表面に形成される凹凸の大きさ（熱源方向に向いた突起先端から、熱源から離れる方向に向いた突起先端までの距離）は、金属箔３０を取り付ける対象（高温壁１０等）の表面上の高低差（うねりや湾曲の大きさ、例えば１ｍｍ）よりも大きい（例えば２ｍｍ）ことが望ましい。一枚の金属箔３０に形成された凹凸の大きさ（金属箔３０の「高さ」）が取り付け対象表面の高低差よりも小さい（例えば０．２ｍｍ）場合は、金属箔３０を複数枚（例えば５〜１０枚）重ねて、一枚当たりの凹凸の大きさをその枚数分だけ倍化した値が取り付け対象表面の高低差を超えるようにすることが望ましい。具体的に何枚にするかは取り付け対象表面の高低差の大きさのほか、金属箔３０一枚当たりの「高さ」と、複数の金属箔３０同士の凹凸の接触具合によっても変化するが、複数枚の金属箔３０全体としてみたときに、最も下方の（熱源に最も近い）金属箔３０が高温壁１０の側（熱源方向）に向けた突起先端から、最も上方の（熱源から最も遠い）金属箔３０が高温壁１０から離れる方向に向けた突起までの距離が、取り付け対象表面上の高低差よりも大きくなっていればよい。

なお、本実施形態においては金属箔３０に凹凸を形成する方法として手で揉んでくしゃくしゃにすることを例示したが、凹凸の形成方法はこれに限るものではなく、裏表両面に複数の凹凸が連続的に形成されるならば他の方法を用いてもよい。例えば本発明に係る金属箔３０を大量生産するのであれば、多数の凹凸形状が刻まれた金型に箔状の金属を挟みこむことによって金属箔３０を形成することができる。

また、本実施形態においては図２に示すように金属箔３０を集熱板２８と高温壁１０との間に配置しているが、集熱板２８がなくとも熱電変換モジュール２６による発電のために十分な熱を確保できるのであれば、集熱板２８を省略し、熱電変換モジュール２６と高温壁１０（熱源）との間に金属箔３０を配置してもよい。また本実施形態においては高温熱源である高温壁１０からの熱を効率よく受け取るために高温壁１０の側に金属箔３０を配置したが、金属箔３０は低温熱源へ効率よく熱を受け渡すために利用することもできる。つまり低温熱源の側に金属箔３０を配置してもよい。図２でいえば、熱電モジュール２６と冷却ユニット２２との間に金属箔３０を配置してもよい。

また、本実施形態においては金属箔３０の素材をアルミニウムとしたが、伝熱性が高く、かつ箔状に加工可能であれば他の素材を用いてもよく、アルミニウムの他に金、銀、銅などの展延性および伝熱性に優れる金属を用いたり、これらの金属を含む合金などを用いたりしてもよい。高い伝熱性を確保するためには、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属を用いることが好ましい。

１０ 高温壁
２０ 熱電発電装置
２１ 冷却ライン
２２ 冷却ユニット
２６ 熱電変換モジュール
２７ 充填材
２８ 集熱板
２９ 締結ボルト
３０ 金属箔
３２ 頂上部
３４ 谷底部
４２ 取付治具
４４ 取付ボルト
４５ 押圧ボルト

Claims (2)

1. 熱源の熱を電力に変換する熱電変換モジュールと、
   前記熱源の表面に配置され、熱源方向および前記熱源から離れる方向にそれぞれ突起を向けた複数の凹凸を有しており、前記熱源から前記熱電変換モジュールへの伝熱経路を形成する金属箔と、
   を備える熱電発電装置。
2. 前記金属箔の素材が熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
   

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