JP5889584B2 - 温度差発電装置及び熱電変換素子フレーム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、温度差により発電する熱電変換モジュールを備えた温度差発電装置及び熱電変換素子フレームに関する。

温度差発電装置は、熱電変換モジュールの両面に温度差をつけることで生じる電力を取り出す、非化石燃料による環境にやさしい発電機である。この温度差発電装置は、工場排水や温水などの熱源からエネルギーを回収し、独立電源として現場の照明や機器へ電力を供給したり、停電時に備えたバックアップ電源への蓄電を行ったりする用途に用いることができる。ところで、温度差発電装置の実用化のためには、素子性能向上のための材料技能、モジュール化技術、システム内の伝熱性能向上のための熱交換技術等が重要とされている。

従来、温度差発電装置を用いた温度差発電システムは、例えば温泉地やごみ焼却設備など、温度差発電に好適な熱流体を得られる場所に設置されるものであり、基本的な要素として温度差発電装置と切替装置と制御装置を有する。温度差発電装置は、熱媒を流す直方体形の高温チャンバーと冷媒を流す直方体形の低温チャンバーとを交互に複数台配置し、熱電変換モジュール収納部（スロット）に収納される熱電変換モジュールを隣接するチャンバー間にそれぞれ挟んだ構造を有する。熱媒が流れる方向と冷媒が流れる方向とは、対向流を成している。低温チャンバーは、外気に触れる面積の大きい最外側に配置される。各流路の片方の端部下側には、熱流体を取り込むための配管が設けられ、当該流路のもう片方の端部上側には、熱流体を排出するための配管が設けられる。

切替装置は、所望の電流および電圧が得られるように熱電変換モジュールの各々を電気的に直列接続および並列接続する組合せの切り替えを行うためのリレー回路である。直接接続する熱電変換モジュールの数と並列接続する熱電変換モジュールの数とを切り替えることにより、出力される電流および電圧を変更することができる。

制御装置は、切替装置を通じて得られる電力の蓄電および直流／交流変換を行うための制御盤である。この制御装置は、蓄電装置としてのバッテリや、バッテリに対する電力の充放電の制御を行うチャージコントローラ、直流から交流への変換を行うインバータなどを備えている。制御装置の出力は、例えばテレビ装置、照明機器、表示装置などの負荷に供給される。このような構成により、温度差発電システムは、独立した電源として現場の照明や機器へ電力供給したり、停電時に備えたバックアップ電源への蓄電を行ったりする用途に用いることが可能となる。

制御装置には、温度差発電システムから出力される電力を使用する機器として、例えば液晶テレビ、ＬＥＤランプ、および総発電量，消費電力，ＣＯ_２削減量を表示する表示装置としての電光掲示板が接続される。

特許第３５６４２７４号公報 特開平１０−１９００７３号公報 特開２００９−２４７０５０号公報

一般に、温度差発電装置は、受注毎に製作するインデントな製品が多く、熱源の規模や形態に合わせて、その都度、設計しなければならないため、時間やコストが増大する傾向がある。例えば、熱電変換モジュールの熱伝達のばらつきは、温度差発電システムの発電性能の低下を招くため、その対策のために多大な時間や費用がかかっている。また、熱電変換モジュールに温度差を与える熱源形式としては、熱流体を流すチャンバー（角配管）方式が主流であるが、この方式では、コスト低減と性能向上を図るために複雑な工夫を必要とする。

実施形態の目的は、簡単な構成でコストを効果的に低減し得る温度差発電装置及び熱電変換素子フレームを提供することにある。

実施形態によれば、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを、前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられるとともに、互いに温度が異なる流体に接する伝熱板と、前記熱電変換モジュールに対する締め付け圧を調節可能な複数の締め付け用治具とを具備し、前記熱電変換素子モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と熱媒シール用のパッキンとで熱媒を流す第１の流路が形成され、前記熱電変換素子モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と冷媒シール用のパッキンとで冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする温度差発電装置が得られる。

第１の実施形態に係る温度差発電装置の展開図。 図１の温度差発電装置に使用される伝熱板の説明図。 図１の温度差発電装置に使用される伝熱板における熱媒および冷媒の流れの説明図。 温度差発電装置の構成要素であるユニットを説明するための断面図。 図４のユニットを構成する熱電変換素子フレームの展開図。 図５の熱電変換素子フレームの平面図。 図１の温度差発電装置の組立図。 第２の実施形態に係る温度差発電装置の説明図。 第３の実施形態に係る温度差発電装置の説明図。 第４の実施形態に係る温度差発電装置の熱電変換素子フレームの平面図。

以下、本実施形態に係る温度差発電装置及び熱電変換素子フレームについて詳述する。

本実施形態において、温度差発電装置は、上述したように、複数の熱電変換モジュールと、高熱伝導性材料と、熱電変換モジュールを、伝熱板と、複数の締め付け用治具とを具備し、前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と熱媒シール用のパッキンとで熱媒を流す第１の流路が形成され、前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と冷媒シール用のパッキンとで冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする。

本実施形態において、熱電変換素子フレームは、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、これらの熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられた高熱伝導性板とを具備することを特徴とする。また、熱電変換素子フレームと、この熱電変換素子フレームを挟むように設けられる高温側の伝熱板と低温側の伝熱板とによりユニットが構成される。そして、高温側の伝熱板と低温側の伝熱板とが熱電変換素子フレームを両側から圧接し、密着状態が保たれる。このような圧接構造のものでは、熱電変換モジュールの厚みにばらつきがあると、熱伝達の低下を招く。そのため、これを抑えるために熱電変換モジュールと伝熱板間に前記高熱伝導性材料を挟み込むことが望ましい。

高熱伝導性材料を熱電変換モジュールと伝熱板間に挟み込むことにより、熱電変換モジュールと高熱伝導性板との密着性を高めて、接触熱抵抗を低減させることができる。高熱伝導性材料としては、例えばシリコーン樹脂ベースの高熱伝導シート、熱伝導グリースが挙げられ、モジュール表面がアルミナ板などで絶縁されていれば蝋材（はんだ）でもよい。このような高熱伝導性材料を設けることにより、熱電変換モジュールの厚みのばらつきを緩和し、装置のモジュールに対する面圧を極力均一にすることができ、熱伝達を向上させることが可能となる。

上記伝熱板の材料としては、例えば、炭素鋼、ステンレス、チタン、銅、アルミなどの金属が挙げられる。また、伝熱板の材料として形状記憶合金を用いることが好ましい。この理由は、形状記憶合金を用いることにより、熱流体の温度を受けて伝熱板が伸縮し、熱電変換素子フレームの締め付け圧を高めることができるからである。流体と伝熱板との熱伝達を促進するために、伝熱板チャンバー内壁面に、ナノ構造伝熱層を設けることが望ましい。ナノ構造伝熱層を作製する方法としては、例えば、浸漬塗布法が挙げられる。これは、金属酸化物ナノ粒子およびポリスチレンラテックス粒子を溶媒中に分散させた溶液に金属材料基板を浸漬し、基板を一定速度で引き上げる際の溶媒の流れや毛細管現象、表面張力による自己集積現象を利用し、ナノ粒子を金属板上に堆積させる方法である。これを焼成させることにより、金属板表面上に微小スケールの多孔質を形成する。また、スラリー塗布法によっても、サブミクロンから百ナノメートル程度ナノ多孔質形状の伝熱層を作製できる。現状では長尺ものの構造物に対する加工は難しいが、理論的には、イオンビーム照射でナノ構造伝熱層を作製することも可能である。

ナノ構造伝熱層のほかには、伝熱板表面に熱流体の流れの向きに対して垂直ないし斜めの方向を向いたフィンを備えて乱流を生じさせる方法や、伝熱板表面に金属アルコキシドを塗布して焼付け、熱流体と内壁面の接触親和性を高めるなどにより、伝熱促進の効果を得ることができる。また、腐食性の流体を流す場合や炭素鋼を用いる場合などは、伝熱板の表面に亜鉛めっきなどの防食処理を施すことが望ましい。

本実施形態において、前記高熱伝導性板は、挟み込む熱電変換モジュールの位置取り、支持、あるいは電気配線を担う，電気的配線が形成された基板パターンを有することが好ましい。これにより、従来、モジュール同士の接続を結線により行なっていた手間を省くことができる。

上記高熱伝導性板や伝熱板は、一般に、表面に波板構造、フィン構造、突起構造、ポーラスナノ微細構造などの伝熱促進構造を有する。従って、高熱伝導性板と伝熱板との隙間には、熱伝導材料を充填することが好ましい。熱伝導材料としては、ゲル、セメント、パテ、低融点金属、その他可塑性を有する高熱伝導性材料、高熱伝導性の液体などを充填し、熱流体からの熱を伝熱板を介して熱電変換モジュールに伝わりやすくすることが好ましい。

前記熱電変換モジュールを挟む伝熱板の一方の側には高温熱流体（熱媒）が流れ、他方の側には低温熱流体（冷媒）が流れる。ここで、熱媒としては例えばお湯、冷媒としては例えば水が挙げられるが、これに限られるものではない。また、高温側の伝熱板の表面温度が２００℃以下のケースでは、熱電変換モジュールとしてＢｉＴｅ系を採用すると、効率と出力を高めることができる。更に、近年では、ＢｉＴｅ系と同様の低温排熱の温度環境で熱電変換性能が良く、環境に優しい熱電変換材料としてＦｅ_２ＶＡｌ系のホイスラー合金やＭｇ_２Ｓｉ系が注目されており、これを使用してもよい。

本実施形態において、熱電変換モジュールは、熱流体の温度帯域に応じて異なる材料を採用するようにしてもよい。例えば、熱流体の温度帯域に合わせて、２種類以上の材料系の素子ないしモジュールを高熱伝導材料を介して重ね合わせ、該当する温度帯域にて熱電変換性能が高まる素材を形成し、それぞれの素子ないしモジュールにおいて温度差を適度に配分することで出力を高めるようにしてもよい。

本実施形態において、前記第１の流路および第２の流路の各々は、流体が鉛直方向（上下方向）に流れるように設置されていることが好ましい。このように流体を鉛直方向に流すことにより、流路面積を効果的に増やすことができる。この際、第１の流路（又は第２の流路）は、熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と流体シール用のパッキンにより溶接レスで形成されるので、容易に分解が可能でメンテナンス性のよい温度差発電装置が得られる。

また、第１の流路内を流体が流れる方向と、第２の流路内を流体が流れる方向とが対向するように構成することもできる。こうした構成にすることにより、熱電変換モジュールの両面の温度差が熱流体の供給側から排出側まで長手方向で極力均一になるようにすることができ、発電性能を向上させることができる。対向流を成す構成の場合、前記第１の流路の上側を通じて第１の流体（熱媒）を供給する第１の供給用配管と、前記第２の流路の下側を通じて第２の流体（冷媒）を供給する第２の供給用配管と、前記第１の流路の下側を通じて第１の流体を排出する第１の排出用配管と、前記第２の流路の上側を通じて第２の流体を排出する第２の排出用配管とを具備することが好ましい。

本実施形態において、第１の流路および第２の流路の各々は交互に配置され、冷媒が流れる第２の流路は最外側に配置されていることが好ましい。この理由は、最外側の流路は外気に触れる面積が大きいので、流路を流れる冷媒の温度の変動を小さくできるためである。

本実施形態において、第１の流路や第２の流路に腐食性の流体を流す場合や伝熱板の材質が炭素鋼である場合には、第１の流路又は第２の流路を形成するために使用される伝熱板の流体接触面に亜鉛めっきなどの防食処理が施されていることが好ましい。これにより、流体が流れる伝熱板の腐食を回避することができる。

本実施形態において、前記締め付け用冶具は、温度差発電装置を収容する筐体の厚い板に対する締め付け圧を調節可能にするものであり、金具のほか、金具同士を引き寄せて締め付けるためのねじ機構、すなわち、ボルト、ばねや、ナット、座金などを用いて実現される。これにより、伝熱板の積層方向に強力に締付けるとともに、伝熱板の幅方向や高さ方向に締め付け圧の偏りを防ぐことができる。

次に、本実施形態に係る温度差発電装置について図面を参照して説明する。なお、本実施形態は下記に述べることに限定されない。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る温度差発電装置の展開図であり、図１（Ａ）は伝熱板の配置と熱媒、冷媒の流れを示す説明図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の装置の伝熱板間に熱電変換素子フレーム及びもう１枚の伝熱板を配置した状態の説明図を示す。なお、図１（Ｂ）では、熱電変換素子フレームを配置する領域を概略的に描いている。図２は、図１の温度差発電装置に使用される伝熱板の説明図を示す。図３は伝熱板等における熱媒及び冷媒の流れの説明図であり、図３（Ａ）は熱媒の流れを、図３（Ｂ）は冷媒の流れを示す。図４は、温度差発電装置の構成要素であるユニットを説明するための断面図を示す。図５は、図４のユニットを構成する熱電変換素子フレームの展開図を示す。図６は図５の熱電変換素子フレームの平面図を示す。図７は図１の温度差発電装置の組立図を示す。

図１（Ａ）に示すように、互いに温度が異なる流体（熱媒，冷媒）に接する高温側の伝熱板１１ａ，低温側の伝熱板１１ｂが交互に複数個配置されている。伝熱板１１ａ，１１ｂ間には、図１（Ｂ）に示すように熱電変換素子フレーム１２，伝熱板１３が介在する。後述するように、伝熱板１１ａ，１１ｂ，１３では互いにパッキンの配置が異なる。ここで、熱電変換素子フレーム１２及びこのフレーム１２の両側に夫々位置する伝熱板１１ａ，１３（または伝熱板１１ｂ，１３）により単一のユニット２６が構成されている。また、このユニット２６は複数個積層され、ユニット間に冷媒や熱媒が交互に流れるようになっている。伝熱板１１ａ，１１ｂとしては、銅板やステンレス板を用いることができる。熱電変換素子フレーム１２の材質としては、熱伝導率の低い材料例えばポリカーボネートが使用される。伝熱板１１ａ，１１ｂの上端には熱媒，冷媒を夫々装置内へ供給するための穴１４_１，１４_２が形成され、伝熱板１１ａ，１１ｂの下端には熱媒，冷媒を夫々装置外へ排出するための穴１５_１，１５_２が形成されている。

伝熱板１１ａ，１１ｂには、夫々異なる形状の流体シール用のパッキン１６，１７が取付けられている。ここで、一方のパッキン１６は、穴１４_１，１５_１のみを囲み、残りの穴１４_２，１５_２を囲まないように配置されて、熱媒を鉛直方向に流すようになっている。２枚の伝熱板１１ａ，１３とパッキン１６とにより、熱媒用流路（第１の流路）が形成されている。他方のパッキン１７は、穴１４_２，１５_２のみを囲み、残りの穴１４_１，１５_１を囲まないように配置されて、冷媒を鉛直方向に流すようになっている。２枚の伝熱板１１ｂ，１３とパッキン１７とにより、冷媒用流路（第２の流路）が形成されている。

また、伝熱板１１ａには穴１４_２，１５_２の周囲に円形の流体閉止用のパッキン１８が配置され、伝熱板１１ｂの穴１４_１，１５_１の周囲にも円形の流体閉止用のパッキン１８が配置されている。前記熱電変換素子フレーム１２，伝熱板１３には、前記伝熱板１１ａ，１１ｂの穴１４_１，１４_２，１５_１，１５_２に対応する位置に穴１９が夫々形成されている。これらの穴１９の周囲にも円形の流体閉止用のパッキン１８が配置されている。熱電変換素子フレーム１２の真ん中の開口部には、後述する熱電変換モジュールが多数配置される。伝熱板１３の穴１９の周囲のパッキン１８は、具体的には図２（Ａ）に示すように配置される。また、伝熱板１１ａの穴１４_１，１５_１を囲むパッキン１６は、図２（Ｂ）に示すように配置される。

伝熱板等における熱媒の流れは、図３（Ａ）のとおりである。即ち、熱媒は、例えば、伝熱板１１ａの上端の穴１４_１から熱電変換素子フレーム１２の穴１９，伝熱板１３の穴１９，伝熱板１１ｂの穴１４_１，熱電変換素子フレーム１２の穴１９，伝熱板１３の穴１９を通った後、熱媒用流路を経て伝熱板１１ａの下端の穴１５_１側に移動し、伝熱板１３の穴１９，熱電変換素子フレーム１２の穴１９，伝熱板１１ｂの穴１５_２，伝熱板１３の穴１９，熱電変換素子フレーム１２の穴１９，伝熱板１１ａの下端の穴１５_１を通って外部に排出される。

伝熱板等における冷媒の流れは、図３（Ｂ）のとおりである。即ち、冷媒は、例えば、伝熱板１１ａの上端の穴１４_２から熱電変換素子フレーム１２の穴１９，伝熱板１３の穴１９を通った後、冷媒用流路を経て伝熱板１１ｂの下端の穴１５_２側に移動し、伝熱板１３の穴１９，熱電変換素子フレーム１２の穴１９，伝熱板１１ａの下端の穴１５_２を通って外部に排出される。

温度差発電装置のユニット２６は、例えば図４に示すように、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュール２１と、これら熱電変換モジュール２１の両面に設けられた高熱伝導材料２２と、熱電変換モジュール２１を高熱伝導材料２２を介して挟むように設けられた高熱伝導性板２３の他、これらの高熱伝導性板２３の外側に配置された前記伝熱板１１ａ，１３を備えている。高熱伝導材料２２としては、シリコーン樹脂ベースの高熱伝導シートが使用されている。前記ユニット２６の一方の主面側の伝熱板１１ａ側には熱媒としてのお湯が流れ、前記ユニット２６の他方の主面側の伝熱板１３には冷媒としての水が流れるようになっている。なお、図４中の符号２４は、高熱伝導性板２３間でかつ熱電変換モジュール２１の上下部に夫々配置された断熱材料を示す。この断熱材料２４は、スペーサとしての機能も有する。また、符号２５は、熱電変換モジュール２１同士の隙間に配置された断熱材料を示す。

図５に示すように、ユニット２６の一構成である熱電変換素子フレーム１２の略中央に位置する開口部２０には、複数の熱電変換モジュールが一定の間隔で挟まれて配線され、回路を構成している。熱電変換モジュールは、配線やパターンにより、長手方向へ電気的に直列接続される。なお、直列接続される熱電変換モジュールの個数は、所望の電圧が得られるよう事前に決定される。配線の端部は切替装置側のそれぞれの接点につながれ、切替装置側での接点の操作により直接接続する熱電変換モジュールの数と並列接続する熱電変換モジュールの数とが決定される。なお、図５中の符号２３_１，２３_２，２３_３，２３_４は、高熱伝導性板２３の上下に夫々設けられた熱媒（又は冷媒）通過用の穴を示す。

図６の例では、熱電変換モジュール２１の配列を２列２５段の４組としているが、列数、段数ともに熱電変換素子フレームを挟む伝熱板のサイズに合わせて自由に変えてよい。熱電変換モジュールの直列と並列の組合せは、接続する蓄電器の仕様や電気負荷の容量に応じて、必要な電圧がとれる枚数を直列接続させ、同じ枚数づつの直列回路を並列に接続する。この際、経年使用によるモジュールの故障などに備えて多数の個数を組み込んでおくと、分解せずに故障モジュールを除いてジャンパーさせるだけでシステムを復旧することができる。なお、図６において、符号２８は２列の熱電変換モジュール間に形成された配線パターンを示し、符号２９は結線用逃げを示す。

熱電変換モジュールを組み込んだ熱電変換素子フレームは、伝熱板等とともに図７に示すように複数個積層され、両側から押え板３１及びボルト３２，ナット３３による複数の締め付け用治具によって締め付け圧が調節される。

温度差発電装置を夫々構成する、熱電変換モジュールが配置された熱電変換素子フレーム，高温側の伝熱板，低温側の伝熱板等は図示しないシャーシ（筐体）により覆われ、この状態でスペーサ等の各構成部材が締め付け用治具によって締め付けられて圧接されている。図示しないが、熱媒（高温熱流体）が供給される高温側の伝熱板には熱媒供給用ヘッダが配置され、この熱媒供給用ヘッダには熱媒供給用配管が接続されている。ここで、熱媒供給用ヘッダは、高温側の伝熱板等により形成される流路の各々に熱媒を均等に供給するもので、高温側の伝熱板とパッキンなどの積層により形成されている。熱媒供給用配管は、熱媒供給用ヘッダへ熱媒を供給するものである。熱媒供給用ヘッダと熱媒供給用配管とは、フランジ、パッキン、ボルトなどを用いて接合されている。

同様に、冷媒（低温熱流体）が供給される低温側の伝熱板には冷媒供給用ヘッダが配置され、この冷媒供給用ヘッダには冷媒供給用配管が接続されている。ここで、冷媒供給用ヘッダは、低温側の伝熱板等により形成される流路の各々に冷媒を均等に供給するもので、低温側の伝熱板とパッキンなどの積層により形成されるものである。冷媒供給用配管は、冷媒供給用ヘッダへ冷媒を供給するものである。冷媒供給用ヘッダと冷媒供給用配管とは、フランジ、パッキン、ボルトなどを用いて接合されている。

図示しないが、熱媒が排出される高温側の伝熱板には熱媒排出用ヘッダが配置され、この熱媒排出用ヘッダには熱媒排出用配管が接続されている。ここで、熱媒排出用ヘッダは、高温側の伝熱板等により形成される流路の各々から排出される熱媒をまとめて排出するものである。熱媒排出用配管は、熱媒排出用ヘッダでまとめられた熱媒を受け入れて装置外部の配管へ送り出すものである。熱媒排出用ヘッダと熱媒排出用配管とは、フランジ、パッキン、ボルトなどを用いて接合されている。

同様に、冷媒が排出される低温側の伝熱板には冷媒排出用ヘッダが配置され、この冷媒排出用ヘッダには冷媒排出用配管が接続されている。ここで、冷媒排出用ヘッダは、低温側の伝熱板等により形成される流路の各々から排出される冷媒をまとめて排出するものである。冷媒排出用配管は、冷媒排出用ヘッダでまとめられた冷媒を受け入れて装置外部の配管へ送り出すものである。冷媒排出用ヘッダと冷媒排出用配管とは、フランジ、パッキン、ボルトなどを用いて接合されている。

その他、図示されていないが、熱媒供給用配管、冷媒供給用配管などの各配管には、配管内に滞留する空気を抜くための空気抜き弁や、装置停止時に配管内の液体や不要物を抜くためのドレン弁などが取付けられている。

次に、上述した構成の温度差熱電装置の動作について説明する。
温度差発電装置の稼動時には、熱媒がシステム外部の配管から熱媒供給用ヘッダへ送られ、一方、冷媒がシステム外部の配管から冷媒供給用ヘッダへ送られる。熱媒供給用ヘッダに送られた熱媒は、高温側の伝熱板で構成される熱媒流路の各々に均等に供給される。一方、冷媒供給用ヘッダに送られた冷媒は、低温側の伝熱板で構成される冷媒流路の各々に均等に供給される。

熱媒が熱媒用流路内を通り、冷媒が冷媒流路内を通ると、熱電変換モジュールを配置した熱電変換素子フレームを挟んで温度差が生じ、熱電変換モジュールにおいて電力が発生する。このとき、筐体と締め付け用冶具によって個々の熱電変換モジュールにおける熱伝達のばらつきは最小限に抑えられているため、装置全体として最大限の電力が引き出されている。熱媒流路内を通り終えた熱媒は、熱媒排出用ヘッダへ送られ、さらにシステム外部の配管へと送られる。一方、冷媒用流路内を通り終えた冷媒は、冷媒排出用ヘッダへ送られ、さらにシステム外部の配管へと送られる。各熱電変換モジュールにおいて発生した電力は、配線もしくは配線パターンを通じて図８で述べたような切替装置へ送られ、所定の電圧・電流で制御装置へ送られ、蓄電や直流／交流変換がなされた後、各種の負荷により使用される。

第１の実施形態によれば、各熱電変換モジュールの熱伝達のばらつきが抑えられるため、伝熱性能が向上するとともに、信頼性が向上し、発電性能を向上させることが可能となる。また、時間やコストを抑えつつ発電性能が高い温度差発電装置やこの温度差発電装置を用いた温度差発電システムを実現することができる。加えて、総括伝熱係数向上に適した設計が可能であったり、コンパクトに量産が可能であったり、耐圧性能も確保しやすかったり、溶接構造がなくパッキンの挟み込みで流路形成をしているため、分解が容易でメンテナンス性が良かったり、伝熱板と熱電変換素子プレートの枚数を変えるだけで発電容量も容易に変更できる、といったメリットがある。

なお、第１の実施形態では、複数の流路を鉛直方向に設置しているが、さらに水平方向に設置するようにしてもよい。設置スペースの都合に合わせて流路の向きを構成し、流路と、伝熱板，スペーサおよびプレートの枚数を調整することで、設置面積あたりの出力と発電量を容易に変更することができる。

（第２の実施形態）
図８は、第２の実施形態に係る温度差発電装置の説明図を示す。但し、図１〜図７と同部材は同符号を付して説明を省略する。
図８の温度差発電装置は、図４に示した温度差発電装置のユニットに対し、熱電変換素子フレームの高熱伝導性板をなくし、伝熱板１１ａ，１３が直接熱電変換モジュール２１を挟む構造となっている。また、伝熱板１１ａ，１３と熱電変換モジュール２１の熱的な接合を高温はんだ材料などの高熱伝導材料２２を用いることとし、機械的な締付け力の大きさや面全体の厚さの均一性締付けの均一性などを考慮しなくても、伝熱板１１ａ，１３と熱電変換モジュール２１の間の熱抵抗を小さく均一に保てる構造としている。

即ち、図８の温度差発電装置は、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュール２１と、熱電変換モジュール２１を挟むように設けられた伝熱板１１ａ，１３と、熱電変換モジュール２１の両面と伝熱板１１ａ，１３の間に設けられた高熱伝導材料２２とを備えている。高熱伝導材料２２としては、熱電変換モジュール２１の絶縁板（アルミナ製など）と伝熱板１１ａ，１３を熱的に強く結合させるために高温はんだ材料を用いている。温度差発電装置の一方の主面側の伝熱板側には熱媒としてのお湯が流れ、他方の主面側の伝熱板には冷媒としての水が流れるようになっている。

また、伝熱板１１ａ，１３間でかつ熱電変換モジュール２１同士の隙間に断熱材料２５が配置され、隙間が極力なくなるように断熱されている。この断熱材料２５は、熱電変換モジュール２１に余分なせん断応力などがかからないようにスペーサとしての機能も有する。全ての伝熱板は、熱源流体が通るための穴が上下２箇所ずつに開いており、高温流体を流す面、低温流体を流す面、熱電変換モジュールを挟む面の異なる三つの面について異なる３種類のパッキンを挟んで流路を調節する。

このときの熱媒や冷媒の流れは、まず、冷媒（水）は、図８の左側の押え板３１の上端の穴からパッキン４１，伝熱板の穴，パッキン４２，伝熱板の穴，パッキン４３，伝熱板の穴，パッキン４４，伝熱板の穴の順で繰り返し通った後、右側の押え板３１の手前の伝熱板で折り返され、各冷熱媒用流路を経て伝熱板の下端の穴の側に移動し、各パッキンの流路部と各伝熱板の穴を通って外部に排出される。

一方、熱媒（お湯）は、図８の左側の押え板３１の下端の穴からパッキン４１，伝熱板の穴，パッキン４２，伝熱板の穴，パッキン４３，伝熱板の穴，パッキン４４，伝熱板の穴の順で繰り返し通った後、右側の押え板３１の手前の伝熱板で折り返され、各高温熱媒用流路を経て伝熱板の下端の穴の側に移動し、各パッキンの流路部と各伝熱板の穴を通って外部に排出される。なお、図８中の符号４５はほうねつ
第２の実施形態によれば、伝熱板１１ａ，１３と熱電変換モジュール２１の直接接触方式に切り替える（熱電変換素子フレームを構成する高熱伝導性板をなくす）ことにより、次の効果が得られる。
(1) 装置内部の接触熱抵抗を低減できる。
(2) 構成部品を減らすことで装置の低コスト化が図れる。
(3) 面全体の接触熱抵抗のばらつきを抑えることができる。
(4) 装置の製造工数やメンテナンス性を向上することができる。
(5) 無駄な応力をかけることがなくなるため、装置の信頼性（寿命）や歩留まりの向上が期待できる。

なお、第２の実施形態では、熱電変換素子フレームを構成する高熱伝導性板をなくすのではなく、伝熱板をなくして熱電変換素子フレームとパッキンで流路を形成し、流体と高熱伝導性板を直接接触させて伝熱特性を向上させてもよい。

（第３の実施形態）
図９（Ａ）〜（Ｄ）は、第３の実施形態に係る温度差発電装置の説明図を示す。ここで、図９（Ａ）は温度差発電装置の概略的な構成図で、外枠に熱電変換素子フレームを挿入した図面を示す。図９（Ｂ）は同装置に使用される熱電変換素子のフレームの平面図、図９（Ｃ）は同装置における高熱伝導板と熱電モジュール，高熱伝導性材料及び断熱スペーサとの位置関係を示す断面図、図９（Ｄ）は同装置における温水路及び冷水路の位置関係を示すイメージ図である。但し、図１〜図７と同部材は同符号を付して説明を省略する。

図９の温度差発電装置は、隣接する２枚の熱電変換素子フレーム１２と外枠５１と給排水管５２（熱媒又は冷媒供給用配管と熱媒又は冷媒排出用配管）で熱媒を流す第１の流路と冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする。外枠５１にフレーム挿入ガイド５３に沿って熱電変換素子フレーム１２を挿入することで第１又は第２の流路を形成し、また、熱電変換素子フレーム１２の給水口部に温水口５４及び冷水口５５を切り欠いた給排水管５２を通し、パッキンレスでも漏水を防ぐことが出来る。なお、図９の温度差発電装置は圧接構造ではないため、熱電変換フレーム内部の熱的接触部は締め付けで熱抵抗を低減させるタイプではなく、はんだなどを用いて熱抵抗を下げるタイプの材料を用いることが望ましい。

（第４の実施形態）
図１０（Ａ），（Ｂ）は、大型熱電モジュールからなる温度差発電装置の熱電変換素子フレームの平面図を示す。ここで、図１０（Ａ）は１モジュール５６での構成例、図１０（Ｂ）は２モジュール５７，５８での構成例を示す。なお、図１〜図７と同部材は同符号を付して説明を省略する。
即ち、図１０の熱電変換素子フレーム１２は、小型のモジュールを多数配置して配線する代わりにモジュールの大型にして素子の直並列数を増やし、所望の電圧電流が得られるモジュールサイズをすることを特徴とする。なお、図１０中の符号５９はモジュール５７，５８同士を結線するケーブルを示す。

なお、図１０の温度差発電装置においては、大型モジュールを高熱伝導性材料を介して高熱伝導板で挟んだ構造としてもよいし、大型モジュール自体にフランジ部を設けて高熱伝導板ナシのフレーム構造としても良い。

上記実施形態の変形例の具体例としては、次のとおりである。即ち、上記実施形態では、複数の流路を鉛直方向に設置しているが、さらに水平方向に設置するようにしてもよい。設置スペースの都合に合わせて流路の向きを構成し、流路と、伝熱板，スペーサおよびプレートの枚数を調整することで、設置面積あたりの出力と発電量を容易に変更することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１ａ，１１ｂ，１３…伝熱板、１２…熱電変換素子フレーム、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１９，２３_１〜２３_４…穴、１６，１７，１８，４１〜４４…パッキン、２０…開口部、２１，５６〜５８…熱電変換モジュール、２２…高熱伝導性材料、２３…高熱伝導性板、２４，２５…断熱材料、２６…伝熱素子、２８…パターン、２９…配線、３０…結線用逃げ、３１…押え板、３２…ボルト、３３…ナット、５１…外枠、５２…給排水管、５３…フレーム挿入ガイド、５４…温水口、５５…冷水口。

Claims (24)

1. 互いに積層された複数のユニットであって、各々のユニットは、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを、前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられるとともに、互いに温度が異なる流体に接する伝熱板とを含む複数のユニットと、
   前記複数のユニットに含まれる前記熱電変換モジュールに対する締め付け圧を調節可能な複数の締め付け用治具とを具備し、
   前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と熱媒シール用のパッキンとで熱媒を流す第１の流路が形成され、前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と冷媒シール用のパッキンとで冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする温度差発電装置。
2. 互いに積層された複数のユニットであって、各々のユニットは、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを、前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられるとともに、互いに温度が異なる流体に接する高熱伝導性板とを含む複数のユニットと、
   前記複数のユニットに含まれる前記熱電変換モジュールに対する締め付け圧を調節可能な複数の締め付け用治具とを具備し、
   前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の高熱伝導性板と熱媒シール用のパッキンとで熱媒を流す第１の流路が形成され、前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の高熱伝導性板と冷媒シール用のパッキンとで冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする温度差発電装置。
3. 互いに積層された複数のユニットであって、各々のユニットは、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを、前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられるとともに、互いに温度が異なる流体に接する伝熱板とを含む複数のユニットを具備し、
   前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板とこれらの伝熱板を保持する外枠とで熱媒を流す第１の流路が形成され、前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の伝熱板と伝熱板を保持する外枠とで冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする温度差発電装置。
4. 互いに積層された複数のユニットであって、各々のユニットは、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを、前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられるとともに、互いに温度が異なる流体に接する高熱伝導性板とを含む複数のユニットを具備し、
   前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の高熱伝導性板とこれらの高熱伝導性板を保持する外枠とで熱媒を流す第１の流路が形成され、前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の高熱伝導性板と高熱伝導性板を保持する外枠とで冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする温度差発電装置。
5. 互いに積層された複数のユニットであって、各々のユニットは、両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、前記熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを、前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられるとともに、互いに温度が異なる流体に接する高熱伝導性板とを含む複数のユニットを具備し、
   前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の高熱伝導性板と高熱伝導性板を保持する外枠と給排水管で熱媒を流す第１の流路が形成され、前記熱電変換モジュールを挟まずに隣接する２枚の高熱伝導性板と高熱伝導性板を保持する外枠と給排水管で冷媒を流す第２の流路が形成されていることを特徴とする温度差発電装置。
6. 前記外枠は、強度、耐熱性及び耐食性を有する金属、セラミックスもしくは有機材料からなることを特徴とする請求項３乃至５いずれか１項記載の温度差発電装置。
7. 両面の温度差により発電する複数の熱電変換モジュールと、これらの熱電変換モジュールの両面に設けられた高熱伝導性材料と、前記熱電変換モジュールを前記高熱伝導性材料を介して挟むように設けられた高熱伝導性板とを具備し、熱媒を流す穴および冷媒を流す穴が設けられていることを特徴とする熱電変換素子フレーム。
8. さらに、前記高熱伝導性板の間に挟まれるように配置され、高熱伝導性板を固定するとともに断熱とスペーサの役割を担う断熱材料を具備することを特徴とする請求項７記載の熱電変換素子フレーム。
9. 前記高熱伝導性板は、電気的配線が形成された基板パターンを有することを特徴とする請求項７または８記載の熱電変換素子フレーム。
10. さらに、高熱伝導性板もしくは伝熱板に挟まれる複数の前記熱電変換モジュールの配置と配線を行ないつつ、熱電変換モジュールが伝熱するエリア以外の隙間を埋めて断熱するプリント配線機能つき断熱スペーサを具備することを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の温度差発電装置。
11. 前記第１の流路および第２の流路の各々は、流体が鉛直方向に流れるように設置されていることを特徴とする請求項１乃至６，１０いずれか１項記載の温度差発電装置。
12. 前記第１の流路および第２の流路の各々は交互に配置され、冷媒を流す前記第２の流路が最外側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６，１０いずれか１項記載の温度差発電装置。
13. 前記第１の流路内を熱媒が流れる方向と、前記第２の流路内を冷媒が流れる方向とが、対向していることを特徴とする請求項１乃至６，１０いずれか１項記載の温度差発電装置。
14. 前記第１の流路の上側を通じて熱媒を供給する第１の供給用配管と、前記第２の流路の下側を通じて冷媒を供給する第２の供給用配管と、前記第１の流路の下側を通じて熱媒を排出する第１の排出用配管と、前記第２の流路の上側を通じて冷媒を排出する第２の排出用配管とを具備することを特徴とする請求項１３記載の温度差発電装置。
15. 前記第１の流路の上側を通じて冷媒を供給する第１の供給用配管と、前記第２の流路の下側を通じて熱媒を供給する第２の供給用配管と、前記第１の流路の下側を通じて冷媒を排出する第１の排出用配管と、前記第２の流路の上側を通じて熱媒を排出する第２の排出用配管とを具備することを特徴とする請求項１３記載の温度差発電装置。
16. 前記第１の流路又は第２の流路を形成する，前記流体シール用のパッキンを介して隣接する２枚の伝熱板もしくは高熱伝導性板の少なくとも流体接触面に防食処理が施されていることを特徴とする請求項１または２記載の温度差発電装置。
17. 前記第１の流路又は第２の流路を形成する，外枠と隣接する２枚の伝熱板もしくは高熱伝導性板の少なくとも流体接触面に防食処理が施されていることを特徴とする請求項３乃至５いずれか１項記載の温度差発電装置。
18. 前記熱電変換モジュールは、材料としてＢｉＴｅ系若しくはＦｅ_２ＶＡｌ系のホイスラー合金若しくはＭｇ_２Ｓｉ系が使用されていることを特徴とする請求項１乃至６、１０乃至１７いずれか１項記載の温度差発電装置。
19. 前記熱電変換モジュールは、材料の構成が温度帯域によって異なることを特徴とする請求項１乃至６、１０乃至１８いずれか１項の温度差発電装置。
20. 前記熱電変換モジュールは、同種もしくは異種のモジュールを積層させた構造とすることを特徴とする請求項１乃至６、１０乃至１８いずれか１項記載の温度差発電装置。
21. 前記高熱伝導性材料は、シリコーン樹脂ベースの高熱伝導シート、熱伝導グリース、蝋材のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至６、１０乃至２０いずれか１項記載の温度差発電装置。
22. 前記伝熱板は、銅板、炭素鋼板、ステンレス板、チタン板のいずれかであり、表面に波板構造、フィン構造、突起構造、ポーラスナノ微細構造のいずれかの伝熱促進構造を有することを特徴とする請求項１，３，１０乃至２１いずれか１項記載の温度差発電装置。
23. 前記伝熱板は形状記憶合金で構成されていることを特徴とする請求項１，３，１０乃至２２いずれか１項記載の温度差発電装置。
24. 前記高熱伝導性板は、銅板、炭素鋼板、ステンレス板、チタン板のいずれかであり、表面に波板構造、フィン構造、突起構造、ポーラスナノ微細構造のいずれかかの伝熱促進構造を有することを特徴とする請求項７乃至９いずれか１項記載の熱電変換素子フレーム。

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