JPWO2017056514A1 - 熱電発電装置及び熱電発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱電発電装置において、プレートを熱電モジュールに対応した形状にすると共に、プレートの剛性を増加させる。
【解決手段】 熱電発電装置１は、少なくとも１つの熱電素子１５Ａ、１５Ｂを含む熱電モジュール５と、熱電モジュールを挟む第１プレート２及び第２プレート３とを含むユニット７が複数積層され、第１プレートの熱電素子側と相反する側の面２Ａと、第２プレートの熱電モジュール側と相反する側の面３Ｂとの間には、第１プレート及び第２プレートに当接すると共に、第１プレート及び第２プレートと共に流路５１、５２を形成するスペーサ３２が設けられ、流路は、ユニットの積層方向において複数形成され、ユニットの積層方向において高温流体及び低温流体が交互に供給される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、供給される高温流体及び低温流体の温度差を利用して熱電素子により発電する熱電発電装置及び熱電発電方法に関する。

ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子を利用して発電システムを構成したものがある（例えば、特許文献１）。特許文献１では、熱伝導性を有する一対のプレートによって熱電素子を挟み込んでプレート状熱発電ユニットを形成し、プレート状熱発電ユニットを複数積層して、隣り合うプレート状熱発電ユニットの間に高温流体が流れる高温流体通路及び低温流体が流れる低温流体通路を形成している。

特開２００９−８１９７０号公報

複数の熱電素子からなる熱電モジュールを挟むプレートは、熱電モジュールとの熱交換を促進するために、熱電モジュールとの接触面積が大きいことが好ましい。そのため、通常平板状に形成される熱電モジュールに対応してプレートは平面状であることが好ましい。しかしながら、プレートを平面状にすると、プレートの剛性が低下するため、高温流体及び低温流体の圧力によってプレートが変形し、熱電モジュールに圧力が加わって熱電モジュールが破損するという問題がある。また、プレートの表面が平面状であると、高温流体及び低温流体の乱流が促進されず、プレートの表面に高温流体及び低温流体が均一に供給されなくなると共に、高温流体及び低温流体とプレートとの間の熱交換効率が低下するという問題がある。

本発明は、以上の背景を鑑み、熱電発電装置において、プレートを熱電モジュールに対応した形状にすると共に、プレートの剛性を増加させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る熱電発電装置（１）は、少なくとも１つの熱電素子（１５Ａ、１５Ｂ）を含む熱電モジュール（５）と、前記熱電モジュールを挟む第１プレート（２）及び第２プレート（３）とを含むユニット（７）が複数積層され、前記第１プレートの前記熱電素子側と相反する側の面（２Ａ）と、前記第２プレートの前記熱電モジュール側と相反する側の面（３Ｂ）との間には、前記第１プレート及び前記第２プレートに当接すると共に、前記第１プレート及び前記第２プレートと共に流路（５１、５２）を形成するスペーサ（３２）が設けられ、前記流路は、前記ユニットの積層方向において複数形成され、前記ユニットの積層方向において高温流体及び低温流体が交互に供給されることを特徴とする。

この態様によれば、第１及び第２プレートは、第１及び第２プレート間に配置されたスペーサによって支持されるため、剛性が増加し、変形が生じ難くなる。また、スペーサによって第１及び第２プレートの剛性が増加するため、第１及び第２プレートの薄肉化や平面化が可能になり、高温流体及び低温流体と熱電モジュールとの熱交換効率を更に向上させることができる。

上記の態様において、前記スペーサは、前記第１プレート及び前記第２プレートの一方に結合されているとよい。

この態様によれば、スペーサが結合されたプレートは、剛性が一層向上する。

上記の態様において、前記スペーサは、複数の凹凸（３３Ａ、３３Ｂ）を形成するように折曲された金属板（３３）であるとよい。

この態様によれば、スペーサを簡素な構成で形成することができる。

上記の態様において、前記熱電モジュールは、前記第１プレート及び前記第２プレートの一方に接着され、前記第１プレート及び前記第２プレートの他方に接触しているとよい。

この態様によれば、熱電発電装置のメンテナンス時等に、第１プレート及び第２プレートの他方と熱電モジュールとを容易に分解することができ、熱電モジュールの破損が防止される。

上記の態様において、前記熱電モジュールは、前記第１プレート及び前記第２プレートの一方に接着され、前記第１プレート及び前記第２プレートの他方に貼り付けられた金属膜（２５）に接触しているとよい。

この態様によれば、金属膜が変形することによって、金属膜と熱電モジュールとの密着性が向上し、プレートと熱電モジュールとの熱交換効率が向上する。

上記の態様において、前記金属膜は、熱伝導性グリース（２１）によって前記第１プレート及び前記第２プレートの他方に貼り付けられているとよい。

この態様によれば、熱伝導性グリースによって、金属膜と熱電モジュールとの密着性が一層向上する。また、金属膜とプレートとの密着性が向上する。

上記の態様において、前記第１プレート及び前記第２プレートの前記熱電モジュールと対向する部分（２Ｇ、３Ｇ）は平面に形成されているとよい。

この態様によれば、第１及び第２プレートと平板状の熱電モジュールとの接触面積を増加させて、第１及び第２プレートと熱電モジュールとの熱交換を促進することができる。これにより、熱電モジュールの両端部に生じる温度差が増加し、熱電モジュールの発電効率が向上する。

また、本発明の他の側面は、上記の熱電発電装置を用いた熱電発電方法であって、前記スペーサにより形成された複数の流路に、相対的に高温の流体である高温流体及び相対的に低温の流体である低温流体を前記ユニットの積層方向において交互に供給することを特徴とする。

この態様によれば、高効率な熱電発電が実現される。

以上の態様によれば、熱電発電装置において、プレートを熱電モジュールに対応した形状にすると共に、プレートの剛性を増加させることができる。

実施形態に係る熱電発電装置の分解斜視図 熱電発電装置の１つのユニットを第１プレート側から見た分解斜視図 熱電発電装置の１つのユニットを第２プレート側から見た分解斜視図 熱電モジュールの断面図 第１プレートの第１面を拡大して示す斜視図 熱電発電装置の断面図

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について説明する。図１に示すように、熱電発電装置１は、複数枚のプレート２、３と、所定のプレート２、３間に介装される熱電モジュール５とを有する。複数枚のプレート２、３及び熱電モジュール５は、第１プレート２及び第２プレート３と、第１プレート２及び第２プレート３の間に介装される熱電モジュール５とによって、繰り返しの最小単位となるユニット７を構成している。

１つのユニット７を構成する第１プレート２及び第２プレート３は、それぞれ金属板から形成され、互いに等しい略長方形の外形を有する。本実施形態では、第１プレート２及び第２プレート３は、上下に長い略長方形に形成されている。第１プレート２及び第２プレート３は、主面が前後を向くように配置され、前面２Ａ、３Ａ及び後面２Ｂ、３Ｂを有する。第１プレート２及び第２プレート３は、第１プレート２の後面２Ｂが第２プレート３の前面３Ａと対向するように、前後方向に互いに積層されている。

図２及び図３に示すように、第１プレート２及び第２プレート３は、略長方形の外形の４つの隅部に、厚み方向に貫通する第１孔２Ｃ、３Ｃ、第２孔２Ｄ、３Ｄ、第３孔２Ｅ、３Ｅ、及び第４孔２Ｆ、３Ｆを有する。第１及び第２プレート２、３の第１孔２Ｃ、３Ｃは互いに対向し、同様に第２孔２Ｄ、３Ｄ、第３孔２Ｅ、３Ｅ、及び第４孔２Ｆ、３Ｆも互いに対向している。前方を向いた状態を基準として、各プレート２、３において、第１孔２Ｃ、３Ｃは右上隅部、第２孔２Ｄ、３Ｄは左上隅部、第３孔２Ｅ、３Ｅは左下隅部、第４孔２Ｆ、３Ｆは右下隅部に形成されている。各孔は、例えば円形に形成されているとよい。

第１プレート２の中央部２Ｇの後面２Ｂ、及び第２プレート３の中央部３Ｇの前面３Ａは、平滑な平面に形成されている。詳細には、中央部２Ｇ、３Ｇは、各プレート２、３の上下方向における中央部２Ｇ、３Ｇであって、各プレート２、３の左右の側縁部２Ｋ、３Ｋを除く部分をいう。各プレート２、３の第１孔２Ｃ、３Ｃ及び第２孔２Ｄ、３Ｄの周囲を含む上端部２Ｈ、３Ｈと、第３孔２Ｅ、３Ｅ及び第４孔２Ｆ、３Ｆの周囲を含む下端部２Ｊ、３Ｊと、中央部２Ｇ、３Ｇの左右両側を上下に延びる左右の側縁部２Ｋ、３Ｋとは、エンボス加工がなされ、表面及び裏面は複数のビード１１（凹凸）が形成されている。このビード１１は、第１プレート２及び第２プレート３の曲げ剛性を高める効果を奏する。また、後述するが、第１プレート２の表面及び第２プレート３の裏面に沿って流れる流体の剥離及び振動を誘起し、乱れを促進する効果を奏する。

第２プレート３の表面の中央部３Ｇには、複数の熱電モジュール５が配置されている。熱電モジュール５は、複数の熱電素子１５Ａ、１５Ｂを平面状に配置したものであり、一方の面と他方の面との間に温度差が生じることによって、電力を発生するものである。熱電モジュール５は、例えば図４に示すように、２枚のプレート１３Ａ、１３Ｂと、２枚のプレート１３Ａ、１３Ｂの間に配置された複数の熱電素子１５Ａ、１５Ｂを有する。熱電素子１５Ａ、１５Ｂは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換する素子であり、複数のｐ型半導体１５Ａと複数のｎ型半導体１５Ｂとを含む。複数の熱電素子１５Ａ、１５Ｂは、２枚のプレート１３Ａ、１３Ｂの間において各プレート１３Ａ、１３Ｂに沿うように平面状に配置される。熱電素子１５Ａの一方のプレート１３Ａ側に配置される端部は、隣り合う熱電素子１５Ｂの一方のプレート１３Ａ側に配置される端部と電極１６によって接続され、熱電素子１５Ａの他方のプレート１３Ｂ側に配置される端部は、他の隣り合う熱電素子１５Ｂの他方のプレート１３Ｂ側に配置される端部と電極１６によって接続されている。熱電素子１５Ａ、１５Ｂ及び電極１６と各プレート１３Ａ、１３Ｂとの間には絶縁材１７が介装されている。これにより、複数の熱電素子１５Ａ、１５Ｂは、一連の電気回路を形成する。各熱電素子１５Ａ、１５Ｂの接続方法は、直列や並列等、任意に選択することができる。本実施形態では、１つの熱電モジュール５に含まれる複数の熱電素子１５Ａ、１５Ｂは、互いに直列となるように接続され、電気回路の両端を形成する電極１６には、リード線１８が接続されている（図６参照）。

熱電モジュール５を構成する２枚のプレート１３Ａ、１３Ｂの縁部は、リード線１８を引き出す部分を除いて、互いに結合されている。熱電モジュール５は、各プレート１３Ａ、１３Ｂが主面をなす扁平な直方体、すなわち平板状に形成される。熱電モジュール５は、主面が前後を向くように第２プレート３の前面３Ａ側に配置される。熱電モジュール５の前後の主面は、平滑な平面に形成されている。

図６に示すように、第２プレート３の前面３Ａの中央部３Ｇと、熱電モジュール５との間にはシムプレート２０が介装されている。シムプレート２０は、熱電モジュール５のプレート１３Ａの前面が第１プレート２の後面２Ｂ、又は後面２Ｂに結合された部材に当接可能なように、第１プレート２の後面２Ｂ及び第２プレート３の前面３Ａの距離に応じて厚みが調整されている。シムプレート２０は、銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い金属板から形成され、前面及び後面が平滑な平面に形成されている。シムプレート２０と第２プレート３の前面３Ａの中央部３Ｇとの間、シムプレート２０と熱電モジュール５の後面との間には、熱伝導性グリース２１が介装されている。熱伝導性グリース２１は、シリコーングリース等に銅やアルミニウム、酸化マグネシウム等の熱伝導率が高い金属や金属酸化物の粒子を分散させた公知の熱伝導性グリースであってよい。熱伝導性グリース２１は、第２プレート３の前面３Ａの中央部３Ｇとシムプレート２０との隙間、シムプレート２０と熱電モジュール５との隙間を埋め、第２プレート３と熱電モジュール５との熱伝導性を向上させる。

熱伝導性グリース２１の粘性によって、第２プレート３の前面３Ａの中央部３Ｇに対してシムプレート２０が保持され、シムプレート２０の前面に複数の熱電モジュール５が保持されている。複数の熱電モジュール５のリード線１８は、直列や並列等、任意に接続されている。

図３及び図６に示すように、第１プレート２の後面２Ｂの中央部２Ｇには、熱伝導性グリース２１によって金属膜２５が保持されている。金属膜２５は、銅やアルミニウム等から形成されている。金属膜２５は、複数の熱電モジュール５の前面２Ａ、３Ａのそれぞれに対応するように、複数枚に分割されていてもよく、複数の熱電モジュール５の各前面（プレート１３Ａ）の全てに対応するように１枚に形成されていてもよい。金属膜２５は、各熱電モジュール５の前面の全領域と当接可能な大きさに形成され、熱伝導性グリース２１と熱電モジュール５との接触を阻止するように配置されていることが好ましい。

図１及び図２に示すように、第１プレート２の後面２Ｂと第２プレート３の前面３Ａとの間には、第１ガスケット３０が介装される。第１ガスケット３０は、第１及び第２プレート２、３の中央部２Ｇ、３Ｇを囲む枠部と、第１孔２Ｃ、３Ｃの周囲を囲む枠部と、第２孔２Ｄ、３Ｄの周囲を囲む枠部と、第３孔２Ｅ、３Ｅの周囲を囲む枠部と、第４孔２Ｆ、３Ｆの周囲を囲む枠部とを有する。第１プレート２の後面２Ｂ及び第２プレート３の前面３Ａは、第１ガスケット３０と当接する部分が平面状に形成されている。中央部２Ｇ、３Ｇを囲む枠部において、他の枠部と一部を共有しない部分、すなわち外部と区画する部分には、熱電モジュール５から延びるリード線１８を引き出すための引き出し部が形成されている。引き出し部は、例えば第１ガスケット３０の厚みを薄くすることによって形成されている。

第１ガスケット３０を介装して第１プレート２及び第２プレート３が互いに組み付けられた組付状態では、第１プレート２の後面２Ｂと第２プレート３の前面３Ａとの空間は、中央部２Ｇ、３Ｇを含む空間と、第１孔２Ｃ、３Ｃを含む空間と、第２孔２Ｄ、３Ｄを含む空間と、第３孔２Ｅ、３Ｅを含む空間と、第４孔２Ｆ、３Ｆを含む空間とに区画され、密封される。なお、他の実施形態では、中央部２Ｇ、３Ｇを含む空間は、外部に対して開放されていてもよい。組付状態では、各熱電モジュール５の前面が第１プレート２の後面２Ｂに設けられた金属膜２５に面接触している。

図２に示すように、第１プレート２の前面２Ａの中央部２Ｇには、スペーサ３２が設けられている。スペーサ３２は、複数のユニット７が前後に積層されたときに、第１プレート２の前面２Ａの中央部２Ｇ及び第２プレート３の後面３Ｂの中央部３Ｇに複数箇所で当接し、第１プレート２の前面２Ａ及び第２プレート３の後面３Ｂ間の距離を維持すると共に、第１プレート２及び第２プレート３の中央部２Ｇ、３Ｇを支持して第１プレート２及び第２プレート３の中央部２Ｇ、３Ｇに剛性を付与する。

図５に示すように、本実施形態では、スペーサ３２は、凹部３３Ａ及び凸部３３Ｂを有するように屈曲成形された複数の帯状の金属板３３を有する。金属板３３は、左右に延在し、前方に突出する凸部３３Ｂ及び後方に凹んだ凹部３３Ａが左右方向に等間隔、かつ交互に配置されている。各金属板３３は、上下において互いに隣り合うものが、上下に間隔をおくように配置されている。また、上下において隣り合う各金属板３３は、１つの凸部３３Ｂの左右幅の半分だけ、互いに左右にオフセットして配置されている。これにより、凸部３３Ｂ及び凹部３３Ａによって形成される各通路（空間）が上下方向において整合しなくなり（左右にずれ）、各通路を流れる流体の乱流化が一層促進される。なお、他の実施形態では、上下において隣り合う各金属板３３は、１つの凸部３３Ｂの左右幅だけ、互いに左右にオフセットして配置されていてもよい。各金属板３３は、凹部３３Ａの底部を構成する部分が第１プレート２の前面２Ａに面接触し、第１プレート２の前面２Ａに溶接されている。各金属板３３の各凸部３３Ｂの先端面は、第１プレート２の前面２Ａと平行な１つの仮想面上に配置されている。これにより、各ユニット７が前後に積層されたときに各凸部３３Ｂの先端面は、第２プレート３の後面２Ｂ、３Ｂの中央部２Ｇ、３Ｇに面接触することができる。

図１に示すように、第２プレート３の後面３Ｂと第１プレート２の前面２Ａとの間には、第２ガスケット３５又は第３ガスケット３６が介装される。第２ガスケット３５は、第１及び第２プレート２、３の中央部２Ｇ、３Ｇ、第１孔２Ｃ、３Ｃの周囲、及び第３孔２Ｅ、３Ｅの周囲を一体に囲む枠部と、第２孔２Ｄ、３Ｄの周囲を囲む枠部と、第４孔２Ｆ、３Ｆの周囲を囲む枠部とを有する。第３ガスケット３６は、第１及び第２プレート２、３の中央部２Ｇ、３Ｇ、第４孔２Ｆ、３Ｆの周囲、及び第３孔２Ｅ、３Ｅの周囲を一体に囲む枠部と、第１孔２Ｃ、３Ｃの周囲を囲む枠部と、第３孔２Ｅ、３Ｅの周囲を囲む枠部とを有する。複数のユニット７が積層された状態で、前後に複数形成される第２プレート３の後面３Ｂと第１プレート２の前面２Ａとの間には、第２ガスケット３５及び第３ガスケット３６が交互に配置される。すなわち、第１プレート２、第１ガスケット３０、第２プレート３、第２ガスケット３５、第１プレート２、第１ガスケット３０、第２プレート３、第３ガスケット３６が繰り返すように配置される。

第２ガスケット３５を介装して第１プレート２及び第２プレート３が互いに組み付けられた組付状態では、第２プレート３の後面３Ｂと第１プレート２の前面２Ａとの空間は、中央部２Ｇ、３Ｇ、第１孔２Ｃ、３Ｃ、及び第３孔２Ｅ、３Ｅを含む空間と、第２孔２Ｄ、３Ｄを含む空間と、第４孔２Ｆ、３Ｆを含む空間とに区画され、それぞれが密封される。また、第３ガスケット３６を介装して第１プレート２及び第２プレート３が互いに組み付けられた組付状態では、第２プレート３の後面３Ｂと第１プレート２の前面２Ａとの空間は、中央部２Ｇ、３Ｇ、第２孔２Ｄ、３Ｄ、及び第４孔２Ｆ、３Ｆを含む空間と、第１孔２Ｃ、３Ｃを含む空間と、第３孔２Ｅ、３Ｅを含む空間とに区画され、それぞれが密封される。それぞれの組付状態では、スペーサ３２の凸部３３Ｂの先端面が第２プレート３の後面３Ｂの中央部２Ｇ、３Ｇに面接触している。

前後に積層された複数のユニット７の前側には前端プレート４１が配置され、後側には後端プレート４２が配置されている。前端プレート４１は、第１プレート２同様の構成を有する。具体的には、前端プレート４１は、第１〜第４孔２Ｃ〜２Ｆに対応する第１〜第４孔４１Ｃ〜４１Ｆを有し、前面にスペーサ３２を有する。後端プレート４２は、第１〜第４孔２Ｃ〜２Ｆを有さない点を除いて、第１プレート２と同様の構成を有し、前面にスペーサ３２を含む。前端プレート４１の前側には前アウタプレート４４が配置され、後端プレート４２の後側には後アウタプレート４５が配置されている。

前アウタプレート４４は、前端プレート４１の第１孔４１Ｃと対向する部分に高温流体入口孔４４Ｃ、第２孔４１Ｄと対向する部分に低温流体出口孔４４Ｄ、第３孔４１Ｅと対向する部分に高温流体出口孔４４Ｅ、第４孔４１Ｆと対向する部分に低温流体入口孔４４Ｆを有する。高温流体入口孔４４Ｃ、低温流体出口孔４４Ｄ、高温流体出口孔４４Ｅ、及び低温流体入口孔４４Ｆは、前アウタプレート４４を厚み方向に貫通する。高温流体入口孔４４Ｃは高温流体源に接続され、高温流体出口孔４４Ｅは高温流体排出部に接続され、低温流体入口孔４４Ｆは低温流体源に接続され、低温流体出口孔４４Ｄは低温流体排出部に接続される。

前アウタプレート４４の後面と前端プレート４１の前面との間には、第１ガスケット３０が介装されている。前端プレート４１の後面と最も前側に配置されたユニット７の第１プレート２の前面２Ａとの間には第２ガスケット３５が介装されている。最も後側に配置されたユニット７の第２プレート３の後面３Ｂと後端プレート４２の前面との間には第３ガスケット３６が介装されている。

前アウタプレート４４と後アウタプレート４５とは前後に延びる複数のタイロッド（図示省略）によって結合され、前端プレート４１、複数枚のユニット７、後端プレート４２、及び各ガスケット３０、３５、３６は、前アウタプレート４４及び後アウタプレート４５によって前後方向から挟持されている。

前アウタプレート４４の後面、第１ガスケット３０、及び前端プレート４１の前面は、高温流体入口孔４４Ｃと第１孔４１Ｃとを接続する通路、低温流体出口孔４４Ｄと第２孔４１Ｄとを接続する通路、高温流体出口孔４４Ｅと第３孔４１Ｅとを接続する通路、低温流体入口孔４４Ｆと第４孔４１Ｆとを接続する通路を形成する。

第１プレート２の後面２Ｂ、第１ガスケット３０、及び第２プレート３の前面３Ａは、各プレート２、３の各第１孔２Ｃ、３Ｃを接続する通路、各第２孔２Ｄ、３Ｄを接続する通路、各第３孔２Ｅ、３Ｅを接続する通路、各第４孔２Ｆ、３Ｆを接続する通路を形成すると共に、熱電モジュール５が配置された中央部２Ｇ、３Ｇを各通路から隔離する。

第２プレート３の後面３Ｂ（又は前端プレート４１の後面）、第２ガスケット３５、及び第１プレート２の前面３Ａは、各プレート２、３（４１）の各第１孔２Ｃ、３Ｃ（４１Ｃ）、中央部２Ｇ、３Ｇ、及び各第３孔２Ｅ、３Ｅ（４１Ｅ）を互いに接続する高温流体通路５１を形成する。高温流体通路５１は、第１孔２Ｃ、３Ｃ（４１Ｃ）から第３孔２Ｅ、３Ｅ（４１Ｅ）に向けて中央部２Ｇ、３Ｇを上方から下方に対角線状に傾斜して流れる流路である（図１及び図６中の白抜き矢印参照）。高温流体通路５１は、中央部２Ｇ、３Ｇにおいて、上端部２Ｈ、３Ｈ及び下端部２Ｊ、３Ｊよりも左右幅が大きく形成されている。

第２プレート３の後面３Ｂ、第３ガスケット３６、及び第１プレート２の前面３Ａ（又は後端プレート４２の前面）は、各プレート２、３（４２）の各第２孔２Ｄ、３Ｄ（４２Ｄ）、中央部２Ｇ、３Ｇ、及び各第４孔２Ｆ、３Ｆ（４２Ｆ）を互いに接続する低温流体通路５２を形成する。低温流体通路５２は、第４孔２Ｆ、３Ｆ（４２Ｆ）から第２孔２Ｄ、３Ｄ（４２Ｄ）に向けて中央部２Ｇ、３Ｇを下方から上方に対角線状に傾斜して流れる流路である（図１及び図６中の黒色矢印参照）。低温流体通路５２は、中央部２Ｇ、３Ｇにおいて、上端部２Ｈ、３Ｈ及び下端部２Ｊ、３Ｊよりも左右幅が大きく形成されている。

以上の構成により、高温流体入口孔４４Ｃに供給される高温流体は、各第１孔２Ｃ、３Ｃ、４１Ｃ、各高温流体通路５１、各第３孔２Ｅ、３Ｅ、４１Ｅを順に通過して高温流体出口孔４４Ｅから排出される。一方、低温流体入口孔４４Ｆに供給される低温流体は、各第４孔４１Ｆ、２Ｆ、３Ｆ、各低温流体通路５２、各第２孔３Ｄ、２Ｄ、４１Ｄを順に通過して低温流体出口孔４４Ｄから排出される。これにより、熱電モジュール５を挟む一対のプレート２、３の前面２Ａ及び後面３Ｂには高温流体及び低温流体が対向流となって流れ、熱電モジュール５の前面及び後面に温度差が生じる。

以上のように構成した実施形態の熱電発電装置１は、第１プレート２及び第２プレート３の熱電モジュール５と対向した中央部２Ｇ、３Ｇが平滑な平面に形成されるため、金属膜２５を介した第１プレート２と熱電モジュール５との接触面積、及びシムプレート２０を介して第２プレート３と熱電モジュール５との接触面積を増加させて、第１プレート２及び第２プレート３と熱電モジュール５との熱交換を促進することができる。これにより、熱電モジュール５の前面及び後面に生じる温度差が増加し、熱電モジュール５の発電効率が向上する。第１及び第２プレート３、４は、第１及び第２プレート３、４間に配置されたスペーサによって支持されるため、剛性が増加し、変形が生じ難くなる。また、スペーサによって第１及び第２プレートの剛性が増加するため、第１及び第２プレートの薄肉化が可能になり、高温流体及び低温流体と熱電モジュールとの熱交換効率を更に向上させることができる。

スペーサ３２は、第１プレート２に結合されているため、第１プレート２の剛性が一層向上する。また、スペーサ３２が第１プレート２に結合されているため、熱電発電装置１の組み立てが容易になる。

スペーサ３２は、高温流体通路５１及び低温流体通路５２内を横断し、高温流体通路５１及び低温流体通路５２を断続的に複数の通路に区画するため、高温流体通路５１及び低温流体通路５２内を流れる高温流体及び低温流体の乱流化を促進することができる。これにより、高温流体通路５１及び低温流体通路５２内を流れる高温流体及び低温流体の均一化が促進される。また、高温流体及び低温流体は、スペーサ３２によって、第１プレート２の前面２Ａ及び第２プレート３の後面３Ｂからの剥離が促進され、乱流化が促進される。これらによって、高温流体及び低温流体と第１及び第２プレート２、３との熱交換が促進される。

仮に熱電モジュール５の両面を熱伝導性グリース２１等の粘着剤によって第１プレート２及び第２プレート３に密着させた場合、第１プレート２及び第２プレート３を開くときに、粘着剤によって負荷が加わり、熱電モジュール５が破損する虞がある。本実施形態では、熱電モジュール５の後面のみを熱伝導性グリース２１によって第２プレート３に設けられたシムプレート２０に密着させ、熱電モジュール５の前面を第１プレート２の後面２Ｂに設けられた金属膜２５に接触させたため、メンテナンス時等に第１プレート２の後面２Ｂ及び第２プレート３の前面３Ａを開くときに、熱電モジュール５に負荷が加わらず、破損が防止される。

金属膜２５は、熱伝導性グリース２１によって第１プレート２の後面２Ｂに貼り付けられている。そのため、金属膜２５は熱伝導性グリース２１と共に変形して熱電モジュール５の前面に追従することができ、熱電モジュール５との密着性が向上する。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記の実施形態では、スペーサ３２が第１プレート２の前面２Ａに結合された例を示したが、スペーサ３２は第１プレート２の前面２Ａに代えて第２プレート３の後面３Ｂに結合されてもよい。また、スペーサ３２は第１プレート２の前面２Ａと、第２プレート３の後面３Ｂとの両方に結合されてもよい。また、第１プレート２の前面２Ａに第１のスペーサ３２を結合すると共に、第２プレート３の後面３Ｂに第２のスペーサ３２を結合し、第１のスペーサ３２及び第２のスペーサ３２が互いに当接するようにしてもよい。また、スペーサ３２は、第１プレート２及び第２プレート３のいずれにも結合せず、第１プレート２の前面２Ａ及び第２プレート３の後面３Ｂ間に挟持されていてもよい。

また、本実施形態では、スペーサ３２を互いに独立した複数の金属板３３から形成したが、金属板３３は、上下に延在する連結部材等によって互いに連結されていてもよい。また、エンボス加工等により凹凸が形成された一枚の板を、第１プレート２に結合してもよい。

他の実施形態では、スペーサ３２は、第１プレート２及び第２プレート３のいずれにも溶接又は接着されず、第１プレート２及び第２プレート３に挟持されてもよい。スペーサ３２は、第１プレート２及び第２プレート３間の空間を、互いに連続した複数の通路（空間）に区画する。スペーサ３２は、１つの部材から形成されてもよく、複数の部材から形成されてもよい。スペーサ３２を構成する各部材は、例えば板状部材であり、エンボス加工等によって形成された凹凸や、貫通孔を複数有するとよい。スペーサ３２は、例えば第１プレート２及び第２プレート３に形成された突起に係止されることによって、第１プレート２及び第２プレート３に対する位置決めがなされるとよい。また、スペーサ３２は、第１プレート２又は第２プレート３の第１孔２Ｃ、３Ｃ、第２孔２Ｄ、３Ｄ、第３孔２Ｅ、３Ｅ、及び第４孔２Ｆ、３Ｆのいずれかの縁部に係止される係止部を有し、係止部が第１〜第４孔２Ｃ〜２Ｆ、３Ｃ〜３Ｆのいずれかに係止されることによって、第１プレート２及び第２プレート３に対して位置決めがなされてもよい。

また、スペーサ３２は、第１プレート２及び第２プレート３間に介装される第２ガスケット３５又は第３ガスケット３６に一体に形成されていてもよい。この場合、スペーサ３２は、ガスケット３５、３６と同じ材料から形成されてもよく、ガスケット３５、３６と異なる材料から形成され、結合されていてもよい。

シムプレート２０は、熱電モジュール５の厚み、及び第１プレート２の後面２Ｂ及び第２プレートの前面３Ａ間の距離に応じて省略してもよい。この場合には、熱伝導性グリース２１によって熱電モジュール５の後面を第２プレート３の前面３Ａに保持させるとよい。

上記の実施形態では、図６に示すようにリード線１８によって複数の熱電モジュール５を接続したが、回路が形成されたプリント基板上に複数の熱電モジュール５を配置し、前記回路を介して熱電モジュール５を接続してもよい。プリント基板は、熱伝導性グリース２１によってシムプレート２０又は第２プレート３に直接に保持されるとよい。プリント基板は、厚みが薄いフレキシブルプリント基板であることが好ましい。

上記の実施形態では、高温流体通路５１及び低温流体通路５２の流れ方向が上下に対して傾斜するようにしたが、他の実施形態では、高温流体通路５１及び低温流体通路５２の流れ方向が上下と平行であってもよい。この場合、高温流体入口孔４４Ｃを前アウタプレート４４の左上隅部に配置して第２孔２Ｄ、３Ｄに接続し、高温流体出口孔４４Ｅを前アウタプレート４４の左下隅部に配置して第３孔２Ｅ、３Ｅに接続し、低温流体入口孔４４Ｆを前アウタプレート４４の右下隅部に配置して第４孔２Ｆ、３Ｆに接続し、低温流体出口孔４４Ｄを前アウタプレート４４の右上隅部に配置して第１孔２Ｃ、３Ｃに接続する。また、第２ガスケット３５が、第１及び第２プレート２、３の中央部２Ｇ、３Ｇ、第１孔２Ｃ、３Ｃの周囲、及び第４孔２Ｆ、３Ｆの周囲を一体に囲む枠部と、第２孔２Ｄ、３Ｄの周囲を囲む枠部と、第３孔２Ｅ、３Ｅの周囲を囲む枠部とを有する。第３ガスケット３６が、第１及び第２プレート２、３の中央部２Ｇ、３Ｇ、第２孔２Ｄ、３Ｄの周囲、及び第３孔２Ｅ、３Ｅの周囲を一体に囲む枠部と、第１孔２Ｃ、３Ｃの周囲を囲む枠部と、第４孔２Ｆ、３Ｆの周囲を囲む枠部とを有する。

図４に示した熱電モジュール５の構成は、一例であり、他の公知の様々な構成を適用することができる。

上記の実施形態では、第１プレート２及び第２プレート３等を略長方形の外形に形成したが、形状は任意に選択することができ、例えば円形等の外形に形成してもよい。

１ ：熱電発電装置
２ ：第１プレート
２Ａ ：前面
２Ｂ ：後面
２Ｇ ：中央部
３ ：第２プレート
３Ａ ：前面
３Ｂ ：後面
３Ｇ ：中央部
３Ｈ ：上端部
３Ｊ ：下端部
５ ：熱電モジュール
７ ：ユニット
１１ ：ビード
１５Ａ、１５Ｂ ：熱電素子
２０ ：シムプレート
２１ ：熱伝導性グリース
２５ ：金属膜
３０ ：第１ガスケット
３２ ：スペーサ
３３ ：金属板
３３Ａ ：凹部
３３Ｂ ：凸部
３５ ：第２ガスケット
３６ ：第３ガスケット
５１ ：高温流体通路
５２ ：低温流体通路

Claims (9)

1. 少なくとも１つの熱電素子を含む熱電モジュールと、前記熱電モジュールを挟む第１プレート及び第２プレートとを含むユニットが複数積層され、
   前記第１プレートの前記熱電素子側と相反する側の面と、前記第２プレートの前記熱電モジュール側と相反する側の面との間には、前記第１プレート及び前記第２プレートに当接すると共に、前記第１プレート及び前記第２プレートと共に流路を形成するスペーサが設けられ、
   前記流路は、前記ユニットの積層方向において複数形成され、前記ユニットの積層方向において高温流体及び低温流体が交互に供給されることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記スペーサは、前記第１プレート及び前記第２プレートによって挟持されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記スペーサは、前記第１プレート及び前記第２プレートの一方に結合されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記スペーサは、複数の凹凸を形成するように折曲された金属板であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の熱電発電装置。
5. 前記熱電モジュールは、前記第１プレート及び前記第２プレートの一方に接着され、前記第１プレート及び前記第２プレートの他方に接触していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の熱電発電装置。
6. 前記熱電モジュールは、前記第１プレート及び前記第２プレートの一方に接着され、前記第１プレート及び前記第２プレートの他方に貼り付けられた金属膜に接触していることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の熱電発電装置。
7. 前記金属膜は、熱伝導性グリースによって前記第１プレート及び前記第２プレートの他方に貼り付けられていることを特徴とする請求項６に記載の熱電発電装置。
8. 前記第１プレート及び前記第２プレートの前記熱電モジュールと対向する部分は平面に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載の熱電発電装置。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１つの項に記載の熱電発電装置を用いた熱電発電方法であって、
   前記スペーサにより形成された複数の前記流路に、相対的に高温の流体である高温流体及び相対的に低温の流体である低温流体を前記ユニットの積層方向において交互に供給することを特徴とする熱電発電方法。

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