JP6428701B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、ゼーベック効果により熱エネルギを電力エネルギに変換する熱電発電装置に関する。

特許文献１の熱電発電装置は、熱電変換素子を収容するためのケーシングを有する。このケーシングは上部ケースおよび下部ケースからなる。上部ケースと下部ケースは、熱電変換素子を挟み込んだ状態で、外縁部に形成された鍔部同士が溶接されることでケーシングを形成する。下部ケースには、高温側絶縁部材を介して熱電変換素子に当接する平らな当接面と、当接面の周囲を囲むように突出するリブと、が形成されている。上部ケースには、低温側絶縁部材を介して熱電変換素子に当接する平らな当接面と、当接面の周囲を囲むように突出するリブと、が形成されている。

特開２０１３−１４０８８３号公報

前述した特許文献１の装置は、熱電変換素子に当接する上部ケースまたは下部ケースの当接面の周囲を囲むように各ケースに設けられたリブによって剛性を高めることで、熱交換部の平面の確保を図り、各ケースと熱電変換素子との密着性を図っている。しかしながら、外力がケース全体に作用するのではなく、当接面を構成する部分がたわむように直接的に作用した場合には、当該部分自体は強度が十分でないため、たわみやすい。このようにリブによる剛性向上の効果を享受し難いような外力が作用した場合は、たわみによってケースと熱電変換素子との接触面圧に大きな偏りが生じ、ケースと熱電変換素子との密着性が損なわれるという問題がある。

このような課題に鑑み、この明細書における開示の目的は、熱電変換素子を保持する保持部材と熱電変換素子との接触面圧の均一化を図る熱電発電装置を提供することである。

この明細書に開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。また、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例であって、技術的範囲を限定するものではない。

開示された熱電発電装置のひとつは、内部に第１流体が流れる管（６）と、内部に熱電変換素子を有し、管に積層して設けられる発電モジュール（１）と、発電モジュールおよび管の積層体における両端部よりも外側に位置する両外側部位（３ａ，４ａ）が固定された状態で発電モジュールと管とを熱移動可能に保持する保持力を提供する保持部材（３，４）と、保持部材において発電モジュールに接する側の面とは反対側の表面に設けられ、第１流体よりも高温である第２流体が接触する熱交換用フィン（５）と、を備え、
熱交換用フィンは、積層体の両端部に対して保持部材の反対側表面に設けられる一対の端側フィン部（５０；１５０；２５０）と、端側フィン部と端側フィン部との間に設けられ端側フィン部よりも剛性が高い中間フィン部（５１；１５１）と、を含んで構成される。

この熱電発電装置によれば、保持部材は発電モジュールおよび管の積層体における両端部よりも外側に位置する両外側部位が固定された状態で積層体を熱移動可能に保持する保持力を提供する。このような保持力を提供する装置の場合、保持部材と発電モジュールとの接触面圧は、積層体の両端部の方が中央部よりも大きくなる。そして、保持部材と発電モジュールとの接触面圧は全体として不均一になり、保持部材の浮き上がりを引き起こし、保持部材と発電モジュールとの熱伝達性に悪影響を与えうる。

そこで開示された熱電発電装置によれば、保持部材において両端部側に設けた端側フィン部よりも中央部の中間フィン部の剛性を高くなるように熱交換用フィンを構成したため、中間フィン部に相当する箇所において保持部材の変形を抑制することできる。これにより、保持部材は、熱交換用フィンによって熱交換性能を確保することに加え、さらに熱交換用フィンを活用することによって中央部における発電モジュールとの接触面圧と両端部側における発電モジュールとの接触面圧との差を抑制できる。したがって、熱電変換素子を保持する保持部材と熱電変換素子との接触面圧の均一化を図り、保持部材の浮き上がりを抑制できる熱電発電装置を提供できる。

第１実施形態の熱電発電装置を概要構成を示す斜視図である。 熱電発電装置を示す正面図である。 図１の矢印III方向にみた熱電発電装置を示す平面図である。 図３の矢印IV方向にみた熱電発電装置を示す側面図である。 熱交換用フィンにおける中間フィン部を示す部分拡大図である。 熱交換用フィンにおける端側フィン部を示す部分拡大図である。 第２実施形態に係る熱交換用フィンを示す部分拡大図である。 第３実施形態に係る熱交換用フィンを示す部分拡大図である。

以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
第１実施形態に一形態としての熱電発電装置１００を開示する。第１実施形態について図１〜図６を参照して説明する。熱電発電装置１００は、ゼーベック効果により熱エネルギを電力エネルギに変換して発電することができる装置である。熱電発電装置１００は、熱電変換素子を有する発電モジュールにおいて一方側と他方側とに温度差が与えられると、電位差が生じて電子が流れる現象を利用して発電する。熱電発電装置１００では、低温の第１流体と第１流体よりも高温である第２流体とを用いて発電モジュールの両側に温度差を与える。第１流体、第２流体には、温度差を与えることが可能な任意の流体を採用することができる。この実施形態では、任意に選択可能な第１流体および第２流体の一例として、第１流体として自動車エンジンの冷却水を用い、第２流体として自動車エンジンから排出される排気ガスを用いる場合について説明する。以下、第１流体を低温流体と称し、第２流体を低温流体よりも高温の高温流体と称することがある。

熱電発電装置１００は、高温流体が流れる第１通路と、低温流体が流れる第２通路と、一方側で高温流体と他方側で低温流体とそれぞれ熱移動可能に設けられる発電モジュール１と、を備える。熱電発電装置１００は、さらに低温流体および高温流体と発電モジュール１との熱移動を確保するように各部材同士の密着性を高める第１保持部材３および第２保持部材４を備える。第１保持部材３および第２保持部材４は、以下に保持部材３，４とも称する。

各発電モジュール１は熱電変換素子を有する。熱電変換素子は、扁平状の箱体であるケースの内部に複数個収納されている。発電モジュール１の内部には、複数の熱電変換素子が高温流体の流れ方向Ｆ２に並んで設置されている。熱電変換素子の酸化防止のため、ケースの内部は、例えば、真空状態であったり、不活性ガスが充填されたりする。このケースは内部の空間を封止する気密ケースでもある。ケースは、例えばステンレス材により形成されている。

熱電変換素子は、交互に配列されるＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とが網状に連結されて構成されている。発電モジュール１は、一方の面に高温流体や高温流体と熱伝達可能な高温部が接触し、他方の面に低温流体や低温流体と熱伝達可能な低温部が接触することで、熱電変換素子の一方側と他方側とに温度差が生じ電位差に起因する電子の移動によって発電する。

熱電発電装置１００において一方側に位置する発電モジュール１の一方の面は、高温部を構成する第１保持部材３に接触し、他方の面は、低温部を構成する管６に接触する。熱電発電装置１００において他方側に位置する発電モジュール１の一方の面は、低温部を構成する管６に接触し、他方の面は、高温部を構成する第２保持部材４に接触する。保持部材３，４は、例えばそれぞれ板状の部材を加工することによって形成することができる。

第１保持部材３と第２保持部材４とは両端同士が互いに溶接可能な形状に形成されている。この形状は、鋳造または折り曲げ加工によって形成することができる。この形状として、第１保持部材３は直角状の湾曲部よりも先端側に位置する接合部３ａを両端側のそれぞれに有し、第２保持部材４は直角状の湾曲部よりも先端側に位置する接合部４ａを両端側のそれぞれに有する。

接合部３ａと接合部４ａは、管６の内部を流れる低温流体の流れ方向Ｆ１に平行な方向に延びる重ね合わせ部を形成する。この重ね合わせ部は、例えば、シーム溶接、レーザー溶接によって互いに溶接されている。接合部３ａと接合部４ａは、発電モジュール１および管６を一体に積み重ねた積層体における両端部よりも保持部材３，４において外側に位置する両外側部位に相当する。第１保持部材３と第２保持部材４は、両外側部位が固定された状態で積層体を保持する保持力を提供する。このようにして管６は、第１保持部材３および第２保持部材４から与えられる圧縮力によって、２つの発電モジュール１で挟まれて保持されている。圧縮力は、図２において白抜き矢印で示される方向に作用する力である。

管６および発電モジュール１は、前述の圧縮力によって保持されており、第１保持部材３や第２保持部材４に対して個別に固定される構造を有していない。つまり、管６、発電モジュール１は、各部材の膨張や収縮に応じて、第１保持部材３、第２保持部材４に対して高温流体の流れ方向Ｆ２に変位可能である。したがって、高温流体および低温流体によりもたらされる温度差によって各部材が膨張や収縮したとしても、管６や発電モジュール１は変位可能であるので、各部材の歪みによる応力を軽減したり、部材間の熱膨張差を吸収したりすることができる。

この溶接に伴う第１保持部材３と第２保持部材４との接合により、第１保持部材３と第２保持部材４とによって囲まれる空間である内部空間が形成される。この内部空間には、２つの発電モジュール１と管６とが収納されている。管６は、例えばステンレス製、アルミニウム製であり、内部に低温流体が流れる複数の内部通路に区切られる第２通路を有する。管６は、流れ方向Ｆ２について発電モジュール１と同様の長さを有し、流れ方向Ｆ１について発電モジュール１と同等以上の長さを有する大きさをもつ。

第１保持部材３には、発電モジュール１に接する面とは反対側の面に熱交換用フィン５が設けられている。第２保持部材４には、発電モジュール１に接する面とは反対側の面に熱交換用フィン５が設けられている。熱交換用フィン５は、熱交換用フィン５に接触する高温流体が流れる第１通路に設けられている。

熱電発電装置１００は、内部に低温流体が流れる扁平な表裏の外表面を持つ管６と、管６を挟むように管６の外表面に接触し内部に熱電変換素子を有する２つの発電モジュール１と、を備える。第１保持部材３は、鉄板またはステンレス板で形成され、一方の発電モジュール１において管６とは反対側に位置する表面に接触している。第２保持部材４は、鉄板またはステンレス板で形成され、他方の発電モジュール１において管６とは反対側に位置する表面に接触している。第１保持部材３において発電モジュール１とは反対側に位置する表面には、ステンレス製またはアルミニウム製の熱交換用フィン５がろう付け等により接合されている。第２保持部材４において発電モジュール１とは反対側に位置する表面には、ステンレス製またはアルミニウム製の熱交換用フィン５がろう付け等により接合されている。

図１〜図３に図示するように、熱交換用フィン５は、端側フィン部５０と中間フィン部５１とを備えて構成されている。端側フィン部５０、中間フィン部５１はともに、第１保持部材３や第２保持部材４に伝わった熱と周囲を流れる高温流体との熱交換を高めるために伝熱性を促進する効果を奏する部材である。中間フィン部５１は、端側フィン部５０よりも剛性が高くなる形状、または材質によって構成されている。また、中間フィン部５１は、端側フィン部５０と同様の形状である場合は、端側フィン部５０よりも剛性が高くなる板厚によって構成されてもよい。端側フィン部５０は、図１において二点鎖線で図示される熱交換用フィン５の一部である。中間フィン部５１は、図１において破線で図示される熱交換用フィン５の一部である。なお、図２および図３において中間フィン部５１の具体的形状は省略している。

端側フィン部５０は、第１保持部材３と第２保持部材４とによって挟持される積層体の両端部に対向する保持部材３，４の部位に対して反対側表面にそれぞれ設けられる。すなわち、端側フィン部５０は、熱交換用フィン５における方向Ｆ２に沿った幅の両端側において所定範囲を占めるように一対設けられる。端側フィン部５０は、流れ方向Ｆ１について発電モジュール１と同等程度の長さを占める範囲に設けられている。中間フィン部５１は、熱交換用フィン５において、両端側に設けられる一対の端側フィン部５０の間を占めるように設けられている。

前述したように、第１保持部材３、第２保持部材４のそれぞれは、図２の白抜き矢印で図示する方向に力がかかった状態で固定されている。このため、第１保持部材３には、中央部が接合部３ａ側に対して上方に凸となるような変形をもたらす曲げ応力が作用する。同様に第２保持部材４には、中央部が接合部４ａ側に対して下方に凸となるような変形をもたらす曲げ応力が作用する。したがって、従来の装置では、発電モジュール１と保持部材との接触面圧は、積層体の両端部側が中央部よりも大きくなるため、両者の接触面圧に大きな偏りが生じ、高温部である保持部材と熱電変換素子との熱伝達性が損なわれるという問題があった。

そこで、熱電発電装置１００は、熱交換用フィン５において中間フィン部５１の剛性を両端側の端側フィン部５０よりも高くなるように構成するため、各保持部材３，４における中央部が前述の曲げ応力に対して強くなる。これにより、各保持部材３，４について、中央部が接合部側に対して凸となるような変形度合いが小さくなり、発電モジュール１と各保持部材３，４との中央部における接触面圧が両端部における接触面圧に対して大きく低下する状態を防ぐことができる。

中間フィン部５１は、例えば、図５に図示するように、方向Ｆ２に沿って連続して延びる板部を有するように方向Ｆ２に垂直な断面形状が波形状に形成されたストレートフィンによって構成される。中間フィン部５１の板部は、方向Ｆ２に垂直な方向に並ぶように配され、中間フィン部５１における方向Ｆ２の幅全体にわたって方向Ｆ２に沿って連続して延びている。ストレートフィンは、山部や谷部が前述の板部と同様に方向Ｆ２に沿って連続して延びるフィン形状である。ストレートフィンは、方向Ｆ２について中間フィン部５１に必要な所定長さを有する平板をつづら折りして、方向Ｆ２に垂直な方向について中間フィン部５１に必要な所定長さとなるように波形状に形成することで製作できる。このように製作したストレートフィンは、第１保持部材３、第２保持部材４のそれぞれの所定位置に接合されて、中間フィン部５１としての前述の機能を発揮する。

中間フィン部５１は、波形の進行方向に剛性が弱く、板部が延びる方向に剛性が強くなる剛性上の特性をもつ。このような中間フィン部５１が各保持部材３，４にろう付けされることにより、各保持部材３，４の剛性を強化することができる。この結果、第１保持部材３における中央部と発電モジュール１との間や第２保持部材４における中央部と発電モジュール１との間に熱伝達を阻害する、接触面圧の低下や隙間が生じにくくなる。

端側フィン部５０は、例えば、オフセットフィンによって構成される。オフセットフィンは、図６に図示するように、第１の方向に隣り合う波形フィンが第１の方向に対して垂直な方向に沿って位置ずれするように配されるフィンである。またオフセットフィンは、第１の方向に隣り合う波形フィンが第１の方向に対して垂直な方向に沿って千鳥状に配されるフィンである。この実施形態では、一例として第１の方向が高温流体の流れる方向Ｆ２である構成について説明する。したがって、第１の方向は、方向Ｆ２に対して交差する方向であってもよい。さらに第１の方向は、各保持部材３，４における両端の接合部間を結ぶ線分が延びる方向（図のＦ２方向）であることが好ましい。

このように端側フィン部５０は、第１の方向に垂直な方向に沿って山部５０ａと谷部５０ｂとが交互に連なる波形状部を複数個有する。端側フィン部５０は、第１の方向に沿って隣合う山部５０ａおよび隣合う谷部５０ｂが第１の方向に垂直な方向に沿ってオフセットするように設けられるオフセットフィンを構成する。

オフセットフィンは、アルミニウムやアルミニウム合金等からなる板材を成形装置に投入してスリット加工、プレス成形加工することによって作製することができる。オフセットフィンは、通風方向に隣接する折り曲げ部の立ち上がりを通風方向に直交する方向に一定間隔ずらした形状になっている。例えば、図６に図示するように、通風方向に隣接する折り曲げ部の立ち上がりは、通風方向に直交する方向に半幅ずつずらした形状になっている。したがって、オフセットフィンは、通風方向に分断したフィンを形成するため、通風の乱流の発生を促進し、フィンと高温流体との間の熱伝達を向上することができる。

端側フィン部５０は、中間フィン部５１よりも、オフセット配置された関係にある隣合う山部５０ａや谷部５０ｂが並ぶ方向、すなわち、第１の方向に剛性が弱い特性をもつ。これは、端側フィン部５０においては、第１の方向に沿って並ぶ山部５０ａや谷部５０ｂが、中間フィン部５１のように第１の方向に沿って全体に連続して形成されているのではなく、半幅分程度ずれた位置で並ぶために分断されたフィン形状をなすからである。このような端側フィン部５０が第１保持部材３にろう付けされることにより、各保持部材３，４は、端側フィン部５０と一体になった部位が中間フィン部５１と一体になった部位よりも剛性が低くなる。この結果、各保持部材３，４は、端側フィン部５０と一体になった部位が曲がりやすくなる分、中間フィン部５１と一体になった部位が曲がりにくくなり接触面圧の低下を抑制できる。したがって、全体として接触面圧の均一化を図ることができる。

また、第１保持部材３と発電モジュール１との間に、グラファイトシートを介在させてもよい。第２保持部材４と発電モジュール１との間に、グラファイトシートを介在させてもよい。さらに管６と発電モジュール１との間に、グラファイトシートを介在させてもよい。このように隙間が生じる可能性のある接触部には、グラファイトシートを設けることで、接触部に隙間ができる要因となる多少の高低差または凹凸を吸収でき、熱伝導性を確保することに貢献できる。

グラファイトシートは、非常に高い熱伝導率を有する。例えば、グラファイトシートは、銅やアルミニウムの２倍以上の熱伝導率を有するもの採用することが好ましい。グラファイトシートは、薄く、柔軟なシートであり、変形や加工が容易である。グラファイトシートは高分子フィルムを熱分解してグラファイト化することにより、製造することができる。また、グラファイトシートは、単結晶に近い構造を持つ高配向性を有するものであることが好ましい。

接合された状態の第１保持部材３と第２保持部材４は、例えば流れ方向Ｆ２の長さが１３０ｍｍ程度の寸法に設定されている。第１保持部材３と第２保持部材４とによって挟まれて保持される管６や熱交換用フィン５は、例えば流れ方向Ｆ２の長さが８５ｍｍ程度の寸法に設定されている。管６は、例えば流れ方向Ｆ１の長さが１６０ｍｍ程度の寸法に設定されている。熱電発電装置１００は、例えば図４に図示する積層方向の長さＷ、すなわち熱交換用フィン５の先端間の長さが約３５ｍｍの寸法に設定されている。

第１保持部材３と第２保持部材４とは、組み付け時において、接合部３ａと接合部４ａとが互いに重なる部分を増加させるように、図２の白抜き矢印で示す方向に加圧されている。この加圧された状態で接合部３ａと接合部４ａは、互いにシーム溶接またはレーザー溶接よって溶接されている。

これにより、第１保持部材３と第２保持部材４は、発電モジュール１を挟みこむ応力を作用させた製品を提供する。さらに発電モジュール１は、第１保持部材３と第２保持部材４と管６との両方に密接している。この加圧力は、管６と発電モジュール１との間、発電モジュール１と第１保持部材３および第２保持部材４との間に作用し、これらの部材間に接触部を形成する。

接合部３ａと接合部４ａの溶接は、低温流体が流れる方向に沿って延伸する溶接部を形成するシーム溶接またはレーザー溶接で提供される。これによれば、接合部３ａと接合部４ａを強固に溶接することができる。さらに接合部３ａの先端面に溶接部を形成してもよい。

第１保持部材３および第２保持部材４は、発電モジュール１の両端部よりも外側で曲げられて弾性変形した状態で接合される。このため、発電モジュール１の端部では接触部を維持しながら、弾性変形した第１保持部材３と第２保持部材４とが元に戻ろうとする反力によって発電モジュール１、第１保持部材３、第２保持部材４および管６の密着性を確保することができる。

次に、第１実施形態の熱電発電装置１００がもたらす作用効果について説明する。熱電発電装置１００は、低温流体が流れる管６と、熱電変換素子を有し管６に積層して設けられる発電モジュール１と、第１保持部材３および第２保持部材４と、高温流体が接触する熱交換用フィン５と、を備える。第１保持部材３、第２保持部材４は、発電モジュール１および管６からなる積層体の両端部よりも外側に位置する両外側部位が固定された状態で発電モジュール１と管６とを熱移動可能に保持する。熱交換用フィン５は、積層体の両端部に対して保持部材３，４の反対側表面に設けられる一対の端側フィン部５０と、端側フィン部５０と端側フィン部５０との間に設けられ端側フィン部５０よりも剛性が高い中間フィン部５１と、を含んで構成される。

この熱電発電装置１００によれば、保持部材３，４は発電モジュール１および管６の積層体における両端部よりも外側に位置する両外側部位が固定された状態で積層体を熱移動可能に保持する保持力を提供する。このような保持力を提供する装置の場合、保持部材と発電モジュールとの接触面圧は積層体の両端部の方が中央部よりも大きくなるため、保持部材と発電モジュールとの接触面圧は全体として不均一になり保持部材と発電モジュールとの熱伝達性が悪くなる。

そこで熱電発電装置１００によれば、保持部材３，４において両端部側に設けた端側フィン部５０よりも中央部の中間フィン部５１の剛性を高くなるように熱交換用フィン５を構成している。このため、中間フィン部５１に相当する箇所において保持部材３，４の変形を抑制することできる。これにより、保持部材３，４は、熱交換用フィン５によって熱交換性能を確保することに加え、さらに熱交換用フィン５を活用することによって中央部における発電モジュール１との接触面圧と両端部側における発電モジュール１との接触面圧との差を抑制できる。したがって、熱電発電装置１００は、熱電変換素子を保持する保持部材３，４と熱電変換素子との接触面圧の均一化が図れるので、保持部材３，４の浮き上がりを抑制して保持部材３，４と発電モジュール１との熱伝達性を確保できる。

保持部材は、互いに端部同士が結合された状態で発電モジュール１を保持する第１保持部材３と第２保持部材４とを含んで構成される。第１保持部材３と第２保持部材４、管６と、管６を挟むように両側に設けられた一対の発電モジュール１と、が積層された積層体を挟む保持力を提供する。

この熱電発電装置１００によれば、第１流体が流れる管６を間においた両側で、第２流体からの熱回収を実施でき、発電モジュール１による発電を実施できる。したがって、高効率の発電および熱回収を実現し、かつ熱電変換素子の熱的保護も実施できる高性能と耐寿命との両立が図れる熱電発電装置１００を提供できる。

中間フィン部５１は、第１の方向に沿って連続して延びる板部を有するように第１の方向に垂直な断面形状が波形状に形成されたストレートフィンによって構成される。端側フィン部５０は、オフセットフィンによって構成される。オフセットフィンは、第１の方向に垂直な方向に沿って山部５０ａと谷部５０ｂとが交互に連なる波形状部を複数個有し、第１の方向に沿って隣合う山部５０ａおよび隣合う谷部５０ｂが第１の方向に垂直な方向に沿ってオフセットするように設けられる。

この熱電発電装置１００によれば、各保持部材３，４は、オフセットフィンが設けられた部位がストレートフィンが設けられた部位よりも剛性が低くなる。この結果、オフセットフィンの部位は中央部よりも曲がりやすくなるとともに熱交換性能の向上が図れ、ストレートフィンの部位は曲がりにくくなり接触面圧の低下抑制が図れる。したがって、全体として接触面圧の均一化を図るとともに、全体としての熱交換性能を図る熱電発電装置１００を提供できる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る熱交換用フィンについて図７を参照して説明する。図７において第１実施形態の図面と同じ符号を付した構成は、第１実施形態と同様である。第２実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、第１実施形態と同様である。以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。

第２実施形態の熱交換用フィンは、第１実施形態の熱交換用フィン５に対して、端側フィン部１５０の構成が相違する。第２実施形態の端側フィン部１５０は、第１実施形態の端側フィン部５０と同様の作用効果を奏する。端側フィン部１５０は、高温流体の流れ方向に沿って連続して延びる板部を有するように第２流体の流れ方向に垂直な断面形状が波形状に形成されるストレートフィン部について、板部にルーバ１５０ａを備えたフィン形状である。ルーバ１５０ａは、板部に形成された切り起こし部、スリット状の開口部等によって形成することができる。

このような熱交換用フィンによれば、高温流体である第２流体は、端側フィン部１５０において、板部に沿う流れとルーバ１５０ａを通過する流れとを形成する。このため、端側フィン部１５０において、乱流の発生が促進されて熱交換性能を向上することができる。

第２実施形態の熱交換用フィンによれば、端側フィン部１５０と中間フィン部５１とを一体のストレートフィンとして形成できるため、個別に製作する手間が省け一部品として製作することができ、製造工数を低減することができる。また、端側フィン部１５０は、中間フィン部５１と同様のフィン部にルーバ１５０ａを形成する工程を加えるだけで製作できるので、大幅な工程追加を伴うことなくプレス加工によって製造することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る熱交換用フィンについて図８を参照して説明する。第３実施形態で特に説明しない構成、処理、作用、効果については、前述の実施形態と同様である。以下、前述の実施形態と異なる点についてのみ説明する。

第３実施形態の熱交換用フィンは、図８に図示するように第２流体の流れ方向に沿って波形が進む形状に形成された複数の波形フィン部によって構成される点が、第２実施形態の熱交換用フィンに対して相違する。複数の波形フィン部は、第２流体の流れ方向について垂直な方向に、第２流体が流通する通路に相当する間隔をあけて配置されている。各波形フィン部は、中央部において中間フィン部１５１を構成し、中間フィン部１５１の両側において端側フィン部２５０を構成する。端側フィン部２５０は、両端部側において板部にルーバ２５０ａを備えたフィン部である。ルーバ２５０ａは、板部に形成された切り起こし部、スリット状の開口部等によって形成することができる。

このような熱交換用フィンによれば、高温流体である第２流体は、波形フィン部と波形フィン部との間を波状に蛇行しながら進むため、第２流体とフィン部との接触面積を拡大でき、乱流の発生が促進されて熱交換性能を向上することができる。

第３実施形態の熱交換用フィンによれば、一つの波形フィン部において、端側フィン部２５０と中間フィン部１５１とを有するように構成できるため、端側フィン部２５０と中間フィン部１５１を個別に製作する手間が省け一部品として製作することができる。また、端側フィン部２５０は、中間フィン部１５１と同様の波形フィン部にルーバ２５０ａを形成する工程を加えるだけで製作できるので、大幅な工程追加を伴うことなくプレス加工によって製造することができる。

（他の実施形態）
この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品、要素の組み合わせに限定されず、種々変形して実施することが可能である。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品、要素が省略されたものを包含する。開示は、ひとつの実施形態と他の実施形態との間における部品、要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示される技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

前述する熱電発電装置１００は、自動車以外に搭載される機器にも幅広く適用することができる。例えば、熱電発電装置１００は、工業用や住宅用のボイラにおいて発生するガスを高温流体として用いる排熱回収装置と組み合わせたり、工場や焼却炉等の排熱を高温流体として利用する発電機、電気機器の電源装置、携帯型発電機等に適用したりすることができる。

熱電発電装置１００は、図示した構成に限定されるものではない。例えば、熱電発電装置１００は、管６の一方側のみで発電モジュール１と管６とを積層して形成される積層体を保持部材によって一体に保持する構成としてもよい。つまり、熱電発電装置１００は、管６の片方側でのみ、積層体を保持する形態としてもよい。

前述の実施形態では、１つの発電ユニットからなる熱電発電装置１００を開示しているが、熱電発電装置１００は発電ユニットを複数積層して構成してもよい。この場合においても高温流体が、積層された発電ユニット相互間に位置する熱交換用フィン５に接して流れるように構成される。

第１実施形態の中間フィン部５１における板部は、方向Ｆ２に沿って連続して延びる形態に限定されない。中間フィン部５１における板部は、方向Ｆ２に交差する方向に沿って連続して延びる形態でもよい。

前述の実施形態においては、第１保持部材３を第２保持部材４よりも小さくして、第１保持部材３を第２保持部材４に被せるようにして組み付けているが、第１保持部材３と第２保持部材４とを同じ大きさにして互い違いに組み合わせて組み付けるようにしてもよい。

前述の実施形態においては、第１保持部材３と第２保持部材４とを溶接して、第１保持部材３と第２保持部材４とで囲まれた内部空間を外部から密封している。しかしながら、第１保持部材３と第２保持部材４とを完全に密封せず、高温流体が内部空間の発電モジュール１に悪影響を及ぼさない程度に結合するようにしてもよい。例えば、第１保持部材３と第２保持部材４とを多数点のスポット溶接で結合してもよい。

前述の実施形態の発電モジュール１は、ケースによって覆われる構成ではなく、多数のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とが第１保持部材３と第２保持部材４とで囲まれた内部空間に露出して設けられる構成でもよい。熱電発電装置１００においてケースは必須の構成要素ではない。この場合は、内部空間をカバー等で密封することが好ましい。

前述の実施形態において、第１保持部材３の接合部３ａと第２保持部材４の接合部４ａとの接合面は平坦なものであるが、接合面に、互いに係合して後戻りしない鋸歯状の突起形状やラビリンス形状を構成する凹凸形状を形成する構成でもよい。

前述の実施形態において、第１保持部材３および第２保持部材４と発電モジュール１とが接する部分は平面としているが、湾曲形状としてもよい。第１保持部材３および第２保持部材４と発電モジュール１との間には、熱伝導に優れたグリス等の熱的連絡部材を設けてもよい。この熱的連絡部材は、管６、第１保持部材３、第２保持部材４よりも、外力によって変形しやすく硬度が低い部材であることが好ましい。この構成によれば、熱的連絡部材は、各部材の膨張や収縮に応じて変形可能であるため、管６、第１保持部材３、第２保持部材４に対して発電モジュール１を変位させやすくできる。したがって、高温流体および低温流体によりもたらされる温度差によって各部材が膨張や収縮したとしても、発電モジュール１は変位しやすいので、各部材の歪みによる応力を軽減したり、部材間の熱膨張差を吸収したりする効果を高めることができる。

前述の実施形態では、第２通路を形成する扁平状の管６は、内部に複数の通路を有するものであるが、このような形態に限定されない。また管６は、扁平状でない外形形状でもよいし、内部にフィンを備える形態でもよい。

前述の実施形態において、低温流体と高温流体は、互いに逆向きに流れる対向流を形成してもよい。

１…発電モジュール、 ２…熱伝導部材（グラファイトシート）
３…第１保持部材（保持部材）
３ａ，４ａ…接合部（両外側部位、端部）
４…第２保持部材（保持部材）
５…熱交換用フィン、 ６…管
５０，１５０，２５０…端側フィン部、 ５１，１５１…中間フィン部

Claims (7)

1. 内部に第１流体が流れる管（６）と、
   内部に熱電変換素子を有し、前記管に積層して設けられる発電モジュール（１）と、
   前記発電モジュールおよび前記管の積層体における両端部よりも外側に位置する両外側部位（３ａ，４ａ）が固定された状態で前記発電モジュールと前記管とを熱移動可能に保持する保持力を提供する保持部材（３，４）と、
   前記保持部材において前記発電モジュールに接する側の面とは反対側の表面に設けられ、前記第１流体よりも高温である第２流体が接触する熱交換用フィン（５）と、
   を備え、
   前記熱交換用フィンは、前記積層体の前記両端部に対して前記保持部材の反対側表面に設けられる一対の端側フィン部（５０；１５０；２５０）と、前記端側フィン部と前記端側フィン部との間に設けられ前記端側フィン部よりも剛性が高い中間フィン部（５１；１５１）と、を含んで構成される熱電発電装置。
2. 前記保持部材は、互いに端部（３ａ，４ａ）同士が結合された状態で前記発電モジュールを保持する第１保持部材（３）と第２保持部材（４）とを含んで構成され、
   前記第１保持部材と前記第２保持部材は、前記管と、前記管を挟むように両側に設けられた一対の前記発電モジュールと、が積層された積層体を挟む保持力を提供する請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記中間フィン部（５１）は、第１の方向に沿って連続して延びる板部を有するように前記第１の方向に垂直な断面形状が波形状に形成されたストレートフィンによって構成され、
   前記端側フィン部は、前記第１の方向に垂直な方向に沿って山部（５０ａ）と谷部（５０ｂ）とが交互に連なる波形状部を複数個有し、前記第１の方向に沿って隣合う前記山部および隣合う前記谷部が前記第１の方向に垂直な方向に沿ってオフセットして設けられるオフセットフィンによって構成される請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記中間フィン部（５１）は、前記第２流体の流れ方向に沿って連続して延びる板部を有するように前記第２流体の流れ方向に垂直な断面形状が波形状に形成されたストレートフィン部によって構成され、
   前記端側フィン部（１５０）は、前記第２流体の流れ方向に沿って連続して延びる板部を有するように前記第２流体の流れ方向に垂直な断面形状が波形状に形成され、前記板部にルーバ（１５０ａ）を備えるストレートフィン部によって構成される請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
5. 前記中間フィン部（１５１）は、前記第２流体の流れ方向に沿って波形が進む形状に形成された複数の波形フィン部によって構成され、
   前記端側フィン部（２５０）は、前記第２流体の流れ方向に沿って波形が進む形状に形成され、かつルーバ（２５０ａ）が設けられた複数の波形フィン部によって構成される請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置。
6. 前記保持部材は、前記保持部材と前記発電モジュールとの間に設けられたグラファイトシートを介して前記発電モジュールに接触している請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
7. 前記発電モジュールと前記管の間にはグラファイトシートが介在している請求項６に記載の熱電発電装置。

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