JP6426996B2 - 熱電発電装置およびその取付構造、その取付構造を有する排気ダクトならびにエンジン - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電装置およびその取付構造、その取付構造を有する排気ダクトならびにエンジンに関するものである。

従来より、熱電発電モジュールにおける熱電モジュールの低温側に冷却手段を設け、高温側を加熱し、その温度差によって発電するように構成された熱電発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）

この熱電発電装置は、蒸発部において生成された熱媒体の蒸気が循環する循環経路内の熱電変換部に熱電発電モジュールを設け、この蒸気によって熱電発電モジュールの高温側を加熱するように構成されていた。

特開２００２−２７２１５２号公報

しかし、上記従来の熱電発電装置における蒸発部は、ダクトを通過する高温の排ガスで熱媒体を蒸気にするように構成されているが、この蒸気を、熱源であるダクトから離れた位置に設けた熱電変換部に取り出してから熱電発電モジュールを加熱するように構成されているため、熱電発電モジュールの高温側を効率良く加熱することが困難になるといった不都合を生じていた。

また、熱源であるダクトから離れた位置に設けた熱電変換部に蒸気を取り出してから熱電発電モジュールを加熱する構成であるため、装置が大がかりなものとなるといった不都合を生じていた。

本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、高温側の熱交換性能を高めることができ、かつ、場所を取ること無く設置することができる熱電発電装置およびその取付構造、その取付構造を有する排気ダクトならびにエンジンを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明に係る熱電発電装置は、熱電変換素子の低温側に冷却部が設けられ、高温側に熱媒体の蒸気を供給する加熱部が設けられ、低温側と高温側との温度差によって発電するように構成された熱電発電ユニットの複数個を行列方向に配置し、複数の熱電変換素子が面状に接続されてなる熱電発電装置であって、前記熱電発電ユニットの加熱部は、熱電変換素子の高温側の面に沿って設けられ、内部に板状空間を形成する板状空間部材と、この板状空間部材の離れた位置に両開口端部が接続されて板状空間と連通する管状空間を形成し、外部から高温流体で加熱される管状部材とからなり、板状空間と管状空間とで、当該空間に充填された熱媒体が循環する循環経路が形成されてなるものである。

上記熱電発電装置は、熱電発電ユニットの管状部材の両開口端部が、板状空間部材の同一面に接続され、この接続面は、熱電変換素子が接する加熱面と対向するようになされたものであってもよい。

上記熱電発電装置は、熱電発電ユニットの板状空間部材の板状空間には、管状部材の両開口端部に連通した状態を確保したまま、板状空間を完全に分断してしまわない位置に、接続面と加熱面とを連結する補強ブリッジが設けられてなるものであってもよい。

上記熱電発電装置は、少なくとも熱電変換素子と接する、各板状空間部材の加熱面および／または各冷却部の冷却面が、部分的または全体的に一体化したモジュール板状に形成されているものであってもよい。

上記熱電発電装置は、隣接する熱電発電ユニットの板状空間同士を連絡する通路が形成されてなるものであってもよい。

上記熱電発電装置は、加熱面を構成する加熱板と、管状部材が接続される接続面を構成する接続板と、加熱面と接続面との間の空隙を形成して板状空間を形成する枠板とを接合して複数の板状空間部材が一体化したモジュール板状に形成されているものであってもよい。

上記課題を解決するための本発明の熱電発電装置の取付構造は、ダクトに開口部が設けられ、当該開口部を塞ぐように、熱電発電装置が設けられ、ダクト内に、管状部材および板状空間部材の接続面が露呈されてなるものである。

上記熱電発電装置の取付構造において、ダクトに複数の開口部が設けられ、当該各開口部を塞ぐように、熱電発電装置が設けられ、ダクト内に露呈した管状部材が、ダクト内のガスの流れ方向に対して互いにオーバーラップするようになされたものであってもよい。

上記課題を解決するための本発明の排気ダクトは、一部分に、上記熱電発電装置の取付構造を有するものである。

上記課題を解決するための本発明のエンジンは、排気ダクトの一部分に、上記熱電発電装置の取付構造を有するものである。

以上述べたように、請求項１記載の本発明によると、熱電変換素子の高温側の面に沿って設けた板状空間部材と、高温流体で加熱される管状部材とを接続して熱媒体が循環する循環経路を形成しているので、熱電発電ユニットは、コンパクトに構成することができ、しかも管状部材の管状空間と、板状空間部材の板状空間以外の無駄な経路および空間が無いので、安定かつ高効率な熱輸送が可能となる。したがって、上記熱電発電ユニットの複数個を行列方向に配置し、複数の熱電変換素子を面状に接続している熱電発電装置は、安定かつ高効率な熱輸送を利用した熱交換による発電が可能となる。

請求項２記載の本発明によると、管状部材の両開口端部は、板状空間部材の同一面に管状部材の両開口端部を接続し、この接続面は、熱電変換素子が接する加熱面と対向するようにしているので、管状部材で発生した蒸気を、当該管状部材が接続された接続面と対向する加熱面に直接吹き付けることができ、熱電変換素子の高温側の面を最大限に加熱することかできる。

請求項３記載の本発明によると、板状空間部材の板状空間には、管状部材の両開口端部に連通した状態を確保したまま、板状空間を完全に分断してしまわない位置に、接続面と加熱面とを連結する補強ブリッジを設けているので、蒸気圧による板状空間の変形を防止して優れた耐久性および安全性を得ることができる。

請求項５記載の熱電発電装置によると、少なくとも熱電変換素子と接する、各板状空間部材の加熱面および／または各冷却部の冷却面を、部分的または全体的に一体化したモジュール板状に形成することで、取り扱い性に優れた一体化した熱電発電装置を構成することができる。

請求項６記載の熱電発電装置によると、隣接する熱電発電ユニットの板状空間同士を連絡する通路を形成することで、各熱電発電ユニットの熱電変換素子を均等に加熱することができ、発電出力の最大化を図ることかできる。

請求項７記載の熱電発電装置によると、加熱面を構成する加熱板と、管状部材が接続される接続面を構成する接続板と、加熱面と接続面との間の空隙を形成して板状空間を形成する枠板とを接合して複数の板状空間部材を一体化したモジュール板状に形成することで、合理的で簡単な構成によって熱電発電装置の板状空間部材の部分を構成することができ、熱電発電装置のコスト低下を図ることができる。

請求項８記載の熱電発電装置の取付構造によると、ダクトに開口部を設け、当該開口部を塞ぐように、熱電発電装置を設け、ダクト内に、管状部材および板状空間部材の接続面を露呈させることで、管状部材だけでなく板状空間部材も加熱することができ、熱損失を生じることなく、効率よくダクトを通過する排ガスから熱回収することができる。

請求項９記載の熱電発電装置の取付構造によると、ダクトに複数の開口部を設け、当該各開口部を塞ぐように、熱電発電装置を設け、ダクト内に露呈した管状部材を、ダクト内のガスの流れ方向に対して互いにオーバーラップするようにすることで、場所を取らず省スペースで熱電発電装置を設置することができる。

（ａ）は本発明に係る熱電発電装置を構成する熱電発電ユニットの全体構成の概略を示す部分省略側断面図、（ｂ）は同正面図、（ｃ）は同背面図である。 （ａ）は本発明に係る熱電発電装置を構成する熱電発電ユニットの他の実施の形態を示す部分破断正面図、（ｂ）は同図（ａ）のI-I線断面図、（ｃ）は同図（ａ）のII-II線断面図である 。 （ａ）は本発明に係る熱電発電装置を構成する熱電発電ユニットのさらに他の実施の形態を示す部分省略側断面図、（ｂ）は同正面図である。 （ａ）は本発明に係る熱電発電装置の全体構成の概略を示す正面図、（ｂ）は同図（ａ）のIII-III線における部分省略断面図である。 （ａ）は本発明に係る熱電発電装置の他の実施の形態を示す正面図、（ｂ）は同図（ａ）のIV-IV線における部分省略断面図である。 （ａ）は本発明に係る熱電発電装置のさらに他の実施の形態を示す側面図、（ｂ）は同熱電発電装置に使用されている加熱板の平面図、（ｃ）は同熱電発電装置に使用されている接続板の平面図、（ｄ）は同熱電発電装置に使用されている枠板の平面図である。 （ａ）は本発明に係る熱電発電装置を取り付けた排気ダクトを示す部分水平断面図、（ｂ）は同部分垂直断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、熱電発電装置１０を構成する熱電発電ユニット１の全体構成の概略を示している。

すなわち、熱電発電ユニット１は、熱電変換素子２の低温側に冷却部３が設けられ、高温側に熱媒体の蒸気を供給する加熱部４が設けられ、低温側と高温側との温度差によって発電するように構成されたものであって、前記加熱部４は、熱電変換素子２の高温側の面に沿って設けられ、内部に板状空間４０ａを形成する板状空間部材４ａと、この板状空間部材４ａの離れた位置に両開口端部が接続されて板状空間４０ａと連通する管状空間４０ｂを形成し、外部から高温流体で加熱される管状部材４ｂとからなり、板状空間４０ａと管状空間４０ｂとで、当該空間４０ａ，４０ｂに充填された熱媒体が循環する循環経路４０が形成されてなるものである。

熱電変換素子２は、板状に形成されており、低温側となる片面を冷却し、高温側となる他面を加熱してその温度差によって発電することができるようになされている。

冷却部３は、熱伝導性に優れた金属材料によって、前記熱電変換素子２の低温側の面に接触する板状に形成され、内部には、熱電変換素子２と接する面全体に冷却水が行き渡るような板状の流路を有する冷却水流路３０が形成されている。この冷却水流路３０には、当該冷却水流路３０の対向する位置に冷却水流入管３１および冷却水排出管３２が設けられている。冷却水流入管３１から冷却水流路３０に流入した冷却水は、当該冷却部３が接する熱電変換素子２の低温側となる片面を冷却した後、冷却水排出管３２から排出される。なお、板状の冷却水流路３０は、熱電変換素子２と接する面全体に冷却水が行き渡るような板状に形成されているが、熱電変換素子２の低温側の面を全体的に均一に冷却することができる冷却水流路３０であれば、特にその形状は限定されるものではなく、より大きい面積で冷却水が行き渡るような板状に形成された冷却水流路３０であってもよい。この冷却部３は、熱電変換素子２の低温側の面の全域にわたって接触する板状に形成されていなければならないため、熱電変換素子２が曲面を形成しているような場合には、この冷却部３も曲面を形成する板状に形成されたものが使用される。

加熱部４は、熱伝導性に優れた金属材料によって形成されており、熱電変換素子２と接触して設けられる板状空間部材４ａと、高温流体が通過するダクト内に晒されて、当該高温流体によって外部から加熱される管状部材４ｂとからなり、内部に熱媒体を充填して構成される。熱媒体は、板状空間部材４ａと管状部材４ｂとを接続する際に、予め封入するようにしていてもよいし、後述するチャージ管４７（図６，７参照）を利用して充填するものであってもよい。

板状空間部材４ａは、前記熱電変換素子２の高温側の面に接触する板状に形成され、内部には、熱電変換素子２と接する加熱面４１の全体に熱媒体の蒸気が行き渡るような板状空間４０ａが形成されている。この板状空間部材４ａは、熱電変換素子２の高温側の面の全域にわたって接触する板状に形成されていなければならないため、熱電変換素子２が曲面を形成しているような場合には、この板状空間部材４ａも曲面を形成する板状に形成されたものが使用される。

管状部材４ｂは、Ｕ字管によって形成されており、その両開口端部は、板状空間部材４ａの加熱面４１と対向する接続面４２に接続するようになされている。具体的には、例えば、接続面４２の対向する２辺の中心点を結ぶ中心線上の離れた位置に、両開口端部が位置するように接続される。この接続状態で、管状部材４ｂの内部の管状空間４０ｂと、板状空間部材４ａの内部の板状空間４０ａとは連通し、当該空間４０ａ，４０ｂ内に充填される熱媒体が循環する循環経路４０を形成するようになされている。すなわち、管状部材４ｂを、高温流体が流れる経路に晒すと、管状部材４ｂの管状空間４０ｂ内に充填された熱媒体は、当該管状部材４ｂの外側を通過する高温流体によって加熱されて蒸気となり、管状空間４０ｂから板状空間４０ａへと排出される。この際、蒸気は、管状空間４０ｂの高い位置にある側の開口端部から板状空間４０ａへと排出される。板状空間４０ａへと排出された熱媒体の蒸気は、板状空間４０ａで加熱面４１へと注がれながら落下し、当該加熱面４１から放熱して熱電変換素子２を加熱し、それによって凝縮する。凝縮した熱媒体は、低い位置にある側の開口端部から、再度、管状空間４０ｂへと流入し、そこで再び蒸気となって板状空間４０ａへと排出され、以後この循環が繰り返されることで、自然循環式の環状の循環経路４０を形成することとなる。

このようにして構成される熱電発電ユニット１は、両開口端部を設けた接続面４２を、加熱面４１と対向させているため、管状空間４０ｂの高い位置にある側の開口端部からの蒸気は、板状空間４０ａの加熱面４１へと直接吹き付けられることとなる。したがって、管状部材４ｂから充分な熱を回収できないような場合であっても、非常に効率良く、加熱面４１から熱を放熱して熱電変換素子２を加熱することができる。

ただし、板状空間４０ａに流入する蒸気の蒸気圧によって、板状空間４０ａには高圧がかかるため、経時的使用により、加熱面４１と接続面４２との間が離れて板状空間４０ａが膨張してしまうことが懸念される。したがって、板状空間４０ａは、図２に示すように、加熱面４１と接続面４２とを接続一体化するブリッジ部４３が設けられていてもよい。この場合、ブリッジ部４３は、管状空間４０ｂの一方の開口端部から板状空間４０ａに排出された蒸気が他方の開口端部から再度管状空間４０ｂへと流入される流れを分断してしまわないように、両開口端部を連通させる位置に設けられていることが好ましい。具体的には、例えば、図２に示すように、両開口端部の間で、接続面４２の対向する２辺の中心点を結ぶ中心線上の位置に設けることが考えられる。この場合、ブリッジ部４３は、板状空間４０ａの周辺部から最も離れ、強度的にも弱い中央部分を補強することとなるので、板状空間４０ａの膨張防止には効果的である。

なお、このブリッジ部４３を設けた加熱面４１の部分は、蒸気が流れないため、当該部分からの熱電変換素子２の加熱は、ブリッジ部４３からの伝熱によることとなってしまう。この場合、ブリッジ部４３を設けた加熱面４１の部分の温度が、そうでない部分、すなわち蒸気が通過する加熱面４１の部分の温度よりも低くなってしまうと、熱電変換素子２の出力は、この低温側の面と高温側の面との最も温度差が小さい部分によって出力が決定されてしまうこととなるため好ましくない。したがって、ブリッジ部４３は、蒸気が流れる板状空間４０ａの加熱面４１との温度差を生じないように、できるだけ小さく形成されたものであることが好ましい。本実施の形態の場合、ブリッジ部４３は、中央部分に一カ所だけ帯状に設けているが、小さい点状や線状のブリッジ部４３を複数箇所に分散させる形で設けるものであってもよい。

また、本実施の形態において、熱電発電ユニット１は、管状部材４ｂの接続面４２と加熱面４１とが対向しており、管状部材４ｂからの蒸気を直接加熱面４１に吹き付けることができるように形成されているが、このような熱電発電ユニット１の構成に限定されるものではなく、例えば、図３に示すように、板状空間４０ａの対向する面をそれぞれ加熱面４１とし、それぞれの面に隣接して熱電変換素子２を設けるとともに、当該熱電変換素子２の低温側の面に冷却部３を設け、これら加熱面４１の間の一側面を、管状部材４ｂが接続された接続面４２とするものであってもよい。この構成の場合、一つの管状部材４ｂによって、２枚の熱電変換素子２を加熱できることとなる。したがって、管状部材４ｂから大量の熱を回収することができるような場合に２枚の熱電変換素子２を加熱することができるので大量発電に有利となる。

次に、このようにして構成される熱電発電ユニット１によって構成される熱電発電装置１０について説明する。

熱電発電装置１０は、熱電発電ユニット１の熱電変換素子２が一つの面を構成するように、当該熱電発電ユニット１の複数個を行方向および列方向に並べて構成される。この際、熱電変換素子２は、得ようとする電力に応じて直列および／または並列に接続される。熱電発電装置１０における各熱電発電ユニット１は、個々に独立して熱電変換素子２だけが電気的に互いに接続されているものであってもよい。ただし、この場合、熱電発電装置１０の施工時に、各熱電発電ユニット１がばらけ易く、施工が煩わしくなってしまう。したがって、図４に示すように、一枚のモジュール板部材４ｃに、行方向および列方向に複数の板状空間４０ａを形成して各熱電発電ユニット１を一体化したものであってもよい。図４においては、説明の便宜上、行方向および列方向にそれぞれ２個ずつ並べて接続した例を示しているが、特に数については限定されるものではなく、施工場所や必要に応じて適宜の数を並べて構成されたものを使用することができる。

このモジュール板部材４ｃは、凹設された４つの板状空間４０ａを有し、底部がそれぞれ加熱面４１となされた本体４１ｃと、この本体４１ｃと組み合わせた時に、本体４１ｃの加熱面４１と対向する位置に４つの管状部材４ｂが接続された接続面４２を形成する蓋体４２ｃとを組み合わせて一体化することによって構成されている。一体化させる方法としては、本体４１ｃと蓋体４２ｃの互いの接合面にニッケルメッキ層を形成しておく、またはニッケル金属による金属ガスケットを介在させておき、本体４１ｃと蓋体４２ｃとを接合して加熱することによってニッケル金属を溶かした後、冷却することによって一体化させることができる。このモジュール板部材４ｃは、熱電変換素子２が曲面を形成する場合、板状空間部材４ａと同様に、曲面を形成する板状に形成されたものであってもよい。

なお、冷却部３は、各熱電変換素子２毎に構成されたものであってもよいし、図４に示すように、４つの熱電変換素子２の全体と接して冷却水が行き渡るような１つの板状の流路を有する冷却水流路３０を形成するものであってもよい。このように全体に冷却水が行き渡るような冷却水流路３０を構成した場合、構造が複雑化することなく、冷却水流路３０の構成が簡略化できる。

このようにして構成された熱電発電装置１０の場合、施工時の取り扱い性が良くなる。ただし、このようにして構成した熱電発電装置１０であっても、板状空間４０ａは、それぞれ独立しているため、各熱電発電ユニット１における熱電変換素子２の加熱は、ばらつきを生じることとなり、発電効率が悪くなることが懸念される。そのため、図５に示すように、各板状空間４０ａの間を連絡する連絡通路４４を設けて各板状空間４０ａにおける蒸気圧の均一化を図るようにしてもよい。この場合、各板状空間４０ａで発生する蒸気によって各熱電発電ユニット１の熱電変換素子２を同じように加熱することができることとなるので、各熱電変換素子２における加熱具合のばらつきが無くなり、各熱電変換素子２から得られる出力を均一化することができる。

なお、図５では、４つの熱電変換素子２に対応した４つの板状空間４０ａを構成し、これら板状空間４０ａの間を連絡通路４４で連絡するように構成しているが、４つの熱電変換素子２に対応した一つの大きな板状空間４０ａを構成するものであってもよい。ただし、この場合、板状空間４０ａ内に複数のブリッジ部４３を設けて板状空間４０ａが膨張してしまわないように考慮することが好ましい。

図６は、５行４列の計２０個の熱電発電ユニット１を一体化して構成した熱電発電装置１０を示している。

この熱電発電装置１０は、各熱電発電ユニット１の板状空間部材４ａに相当する部分を、加熱板４１ｄと、接続板４２ｄと、枠板４０ｄとの３部材を接合一体化することによって、一枚のモジュール板部材４ｄで構成するようになされている。

加熱板４１ｄは、各熱電発電ユニット１の加熱面４１を５行４列の計２０個を設けることができるだけの大きさの板状に形成されている。加熱板４１ｄは、枠板４０ｄと接触することとなる部分に、位置合わせのための孔部４５が設けられている。また、加熱板４１ｄは、接続板４２ｄや枠板４０ｄよりもひと回り大きく形成さており、この接続板４２ｄや枠板４０ｄよりもはみだした部分に、取付ボルト（図示省略）を挿通して熱電発電装置１０を固定するためのボルト孔４６が設けられている。また、加熱板４１ｄの外周縁の隅部には、板状空間４０ａに熱媒体をチャージするためのチャージ管４７が通過可能な孔４８が設けられている。

接続板４２ｄは、各熱電発電ユニット１の接続面４２を５行４列の計２０個を設けることかできるだけの大きさの板状に形成されており、各接続面４２の外側面には管状部材４ｂが接続されている。接続板４２ｄは、枠板４０ｄと接触することとなる部分に、位置合わせのための孔部４５が設けられている。また、接続板４２ｄの隅部にある接続面４２には、管状部材４ｂの他に熱媒体をチャージするためのチャージ管４７が接続されている。このチャージ管４７は、Ｕ字状に形成されており、接続板４２ｄと接続されていない側の他方の端部は、接続板４２ｄの外周縁から管状部材４ｂが延設されている方向とは逆方向に延設されている。

枠板４０ｄは、加熱板４１ｄと接続板４２ｄとの間に挟持されることによって、加熱板４１ｄの各加熱面４１と、接続板４２ｄの各接続面４２とを対向した状態で空隙を形成し、当該加熱板４１ｄと接続板４２ｄとの間に５行４列の計２０個の板状空間４０ａを形成することができるように区画４００ｄが形成されている。各区画４００ｄ同士は、連絡通路４４によって連絡されている。この枠板４０ｄには、加熱板４１ｄに設けた孔部４５および接続板４２ｄに設けた孔部４５に合致する凸部４９が設けられており、加熱板４１ｄ、接続板４２ｄ、枠板４０ｄをずれることなく組み合わせることができるようになされている。この枠板４０ｄは、その全面がニッケルメッキされている。

モジュール板部材４ｄを構成するには、加熱板４１ｄと接続板４２ｄと枠板４０ｄとを組み合わせた後、全体を加熱する。すると、枠板４０ｄのニッケル層が溶けるので、その後、冷却すると、加熱板４１ｄと接続板４２ｄと枠板４０ｄとが、溶融したニッケルによって一体化し、モジュール板部材４ｄとなる。

このようにして構成される熱電発電装置１０は、大量の熱電発電ユニット１を行列方向に並べた熱電発電装置１０を構成する場合に、効率よく構成することができ、熱電発電装置１０全体のコスト低下を図ることかできることとなる。

なお、冷却部３は、モジュール板部材４ｄと同様に３部材を一体化させることによって構成するものであってもよいし、前記した図４および図５に示すモジュール板部材４ｃのように、２部材を一体化させることによって構成するものであってもよい。

図７は、図６に示す熱電発電装置１０を使用して構成された排気ダクト１１を示している。

この排気ダクト１１は、当該排気ダクト１１の水平方向に対向する位置に、熱電発電装置１０の接続板４２ｄおよび枠板４０ｄを挿通し、加熱板４１ｄの外周縁部を当接することができる大きさの開口部１１０が設けられる。この開口部１１０は、隣接する管状部材４ｂの間隔の半分の距離だけ排ガスの流れ方向にオフセットして対向するように設けられる。これらの開口部１１０には、熱電発電装置１０の管状部材４ｂが挿入され、双方の管状部材４ｂは、互いに緩衝させることなくオーバーラップさせた状態で固定される。これを排ガスの流れ方向に２セットの合計４個の熱電発電装置１０が設けられている。ただし、何セット設けるかについては特に限定されるものではなく、一対の熱電発電装置１０を１セットだけ設けるものであってもよいし、３セット以上設けるものであってもよい。これは、排気ダクト１１を通過する排ガスの量や温度によって適宜決定することかできる。

このような熱電発電装置１０の取付構造を構成した排気ダクト１１は、異なった熱電発電装置１０の管状部材４ｂを交互に排ガスが通過することとなり、何れか一方の熱電発電装置１０に熱の供給が偏ることがないので、双方の熱電発電装置１０の発電能力の均一化を図ることができる。しかも、対向する熱電発電装置１０を交互にずらせて互いの管状部材４ｂが緩衝し合うことなくオーバーラップするように取り付けているので、元の排気ダクト１１の大きさから熱電発電装置１０が大きくはみだすこともなく、コンパクトに取り付けることができる。したがって、この熱電発電装置１０を設けた排気ダクト１１を設置する場合に、設置スペースの最小化を実現することができる。

また、この排気ダクト１１に取り付けられた各熱電発電装置１０は、管状部材４ｂだけでなく、板状空間部材４ａの接続面４２に相当する部分も排気ダクト１１内に面することとなるので、管状部材４ｂの管状空間４０ｂから板状空間部材４ａの板状空間４０ａへの蒸気の移送時に、熱損失を生じることがなく、熱効率に優れた蒸気の移送が可能となり、効率よく熱電変換素子２を加熱できることとなる。

この排気ダクト１１は、既設の排気ダクトの一部分と差し替えることによって取り付けられるが、既設の排気ダクトに直接前記した開口部１１０を設けて熱電発電装置１０を取り付けてもよい。

また、熱電発電装置１０は、排気ダクト１１に水平方向に対向するように設けているが、管状部材４ｂの両開口端部に、重力方向の高低差を設けることができるのであれば、水平に取り付けることに限定されるものではなく、例えは、斜めに傾いて取り付けられていても問題無く、例えば、断面六角形または八角形となされた排気ダクト（図示省略）の側面または傾斜面に取り付けるものであってもよい。

また、予めエンジン（図示省略）の排気ダクトとしてこのような熱電発電装置１０を取り付けて、排気ガスから電力回収できるエンジンを構成するものであってもよい。

なお、循環経路４０に充填される熱媒体の量は、熱電発電装置１０の大きさや、設置する場所の排ガスの流量や温度によって左右される。したがって、最も出力が得られるように、チャージ管４７を利用して熱媒体を充填する量が調整される。熱媒体としては、特に限定されるものではないが、コスト面から水を使用することが好ましい。

このような熱電発電装置１０は、前記したエンジンの排気ダクト１１の他、燃焼路の排気ダクトの下流側など、２００℃〜３００℃程度の、比較的低温の高温流体が流れる場所であっても、有効に使用することができる。

１ 熱電発電ユニット
１０ 熱電発電装置
１１ 排気ダクト
１１０ 開口部
２ 熱電発電素子
３ 冷却部
４ 加熱部
４ａ 板状空間部材
４ｂ 管状部材
４ｃ モジュール板部材
４ｄ モジュール板部材
４０ 循環経路
４０ａ 板状空間
４０ｂ 管状空間
４１ 加熱面
４２ 接続面
４３ 補強ブリッジ
４４ 連絡通路
４１ｄ 加熱板
４２ｄ 接続板
４０ｄ 枠板

Claims (10)

1. 熱電変換素子の低温側に冷却部が設けられ、高温側に熱媒体の蒸気を供給する加熱部が設けられ、低温側と高温側との温度差によって発電するように構成された熱電発電ユニットの複数個を行列方向に配置し、複数の熱電変換素子が面状に接続されてなる熱電発電装置であって、
   前記熱電発電ユニットの加熱部は、熱電変換素子の高温側の面に沿って設けられ、内部に板状空間を形成する板状空間部材と、
   この板状空間部材の離れた位置に両開口端部が接続されて板状空間と連通する管状空間を形成し、外部から高温流体で加熱される管状部材とからなり、
   板状空間と管状空間とで、当該空間に充填された熱媒体が循環する循環経路が形成されてなることを特徴とする熱電発電装置。
2. 熱電発電ユニットの管状部材の両開口端部は、板状空間部材の同一面に接続され、この接続面は、熱電変換素子が接する加熱面と対向するようになされた請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 熱電発電ユニットの板状空間部材の板状空間には、管状部材の両開口端部に連通した状態を確保したまま、板状空間を完全に分断してしまわない位置に、接続面と加熱面とを連結する補強ブリッジが設けられてなることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 少なくとも熱電変換素子と接する、各板状空間部材の加熱面および／または各冷却部の冷却面が、部分的または全体的に一体化したモジュール板状に形成されている請求項１ないし３の何れか一に記載の熱電発電装置。
5. 隣接する熱電発電ユニットの板状空間同士を連絡する通路が形成されてなる請求項１ないし３の何れか一に記載の熱電発電装置。
6. 加熱面を構成する加熱板と、管状部材が接続される接続面を構成する接続板と、加熱面と接続面との間の空隙を形成して板状空間を形成する枠板とを接合して複数の板状空間部材が一体化したモジュール板状に形成されている請求項４に記載の熱電発電装置。
7. ダクトに開口部が設けられ、当該開口部を塞ぐように、熱電発電装置が設けられ、ダクト内に、管状部材および板状空間部材の接続面が露呈されてなる請求項１ないし６の何れか一に記載の熱電発電装置の取付構造。
8. ダクトに複数の開口部が設けられ、当該各開口部を塞ぐように、熱電発電装置が設けられ、ダクト内に露呈した管状部材が、ダクト内のガスの流れ方向に対して互いにオーバーラップするようになされた請求項１ないし６の何れか一に記載の熱電発電装置の取付構造。
9. 一部分に、請求項７または８に記載の熱電発電装置の取付構造を有する排気ダクト。
10. 排気ダクトの一部分に、請求項７または８に記載の熱電発電装置の取付構造を有するエンジン。

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