特許 7199854 熱電発電ユニットおよび熱電発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-23

(45)【発行日】2023-01-06

(54)【発明の名称】熱電発電ユニットおよび熱電発電装置

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20221226BHJP

   H10N 10/13 20230101ALI20221226BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 A

H01L35/30

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018126771

(22)【出願日】2018-07-03

(65)【公開番号】P2020010427

(43)【公開日】2020-01-16

【審査請求日】2021-06-16

(73)【特許権者】

【識別番号】591036457

【氏名又は名称】三菱電機エンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147566

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100161171

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 潤一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100188514

【弁理士】

【氏名又は名称】松岡 隆裕

(74)【代理人】

【識別番号】100194939

【氏名又は名称】別所 公博

(74)【代理人】

【識別番号】100206782

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 彰洋

(72)【発明者】

【氏名】日永田 一大

【審査官】三澤 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－３５２３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１４５１６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１５８３２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２２７９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０９００６１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ０１Ｌ ３５／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱媒が流れる配管に固定される高温側面と、前記高温側面と反対側の低温側面とを有し、前記配管の高温側から低温側に沿って配置された複数の熱電変換モジュールと、
前記複数の熱電変換モジュールの前記低温側面に各々固定された複数の冷却装置と、
前記複数の冷却装置のそれぞれに通じる互いに独立した複数の空気路が形成された複合空気路体と、
を備え、
前記複数の熱電変換モジュールは、直線上に順に並んだ第１から第３の熱電変換モジュールによる３つの熱電変換モジュールからなり、
前記複数の冷却装置は、前記第１から第３の熱電変換モジュールにそれぞれ固定された直線上に順に並んだ第１から第３の冷却装置による３つの冷却装置からなり、
前記複合空気路体の前記複数の空気路は、前記第１から第３の冷却装置を冷却するそれぞれ前記第１から第３の空気路による３つの空気路からなり、
前記第２の空気路は、前記第１の冷却装置側の端面に吸気口を有し、前記第１の空気路の側方を並行して延び、クランク状に折れ曲がって前記第２の冷却装置を収納し、前記第３の空気路の前記第１の空気路の側方の場合と反対側の側方を並行して延び、前記第３の冷却装置側の端面に排気口を有する、
熱電発電ユニット。

【請求項2】

前記複合空気路体の前記複数の空気路は、前記高温側のフィンに対応する空気路の断面積よりも前記低温側の前記フィンに対応する空気路の断面積の方が大きい
請求項１に記載の熱電発電ユニット。

【請求項3】

前記複合空気路体の外形寸法を大きくすることなく、前記外形寸法の外形断面積に対する前記空気路の断面積の比率を変えた、請求項２に記載の熱電発電ユニット。

【請求項4】

前記第１の空気路は、前記第１の冷却装置側の端面に吸気口を有し、前記第１の冷却装置を収納し、前記第２および第３の空気路の下側を通って前記第３の冷却装置側の端面に排気口を有し、
前記第３の空気路は、前記第３の冷却装置の上部の面に吸気口を有し、前記第３の冷却装置を収納し、前記第３の冷却装置側の端面に排気口を有する
請求項１から３までのいずれか１項に記載の熱電発電ユニット。

【請求項5】

前記複数の空気路は、前記複合空気路体の排気側の端面にそれぞれ排気口を有し、前記排気側の端面に前記複数の空気路で共有する排気用ファン部を設けた、請求項１から４までのいずれか１項に記載の熱電発電ユニット。

【請求項6】

内部に熱媒が流れる、長手方向と直交する断面が多角形である角柱形加熱用配管と、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の熱電発電ユニットを、長手方向と直交する方向に複数並べて設け、さらに複数の前記熱電発電ユニットで共通の排気用ファン部を設けてなる、複数の熱電発電マルチユニットと、
を備え、
前記角柱形加熱用配管の少なくとも１つの側面に、前記角柱形加熱用配管の長手方向および長手方向と直交する方向の少なくとも一方に沿って、前記熱電発電マルチユニットを並べて設けられている熱電発電装置。

【請求項7】

前記各熱電発電マルチユニットは、前記角柱形加熱用配管の長手方向と直交する方向の周囲一周に渡って延びて、前記熱電変換モジュールおよび前記冷却装置を前記角柱形加熱用配管の側面に押さえつける固定金具で固定され、前記熱電発電マルチユニットは、前記各複合空気路体と前記熱電変換モジュール上の前記冷却装置との間に前記固定金具を通す隙間ができるように形成されている、請求項６に記載の熱電発電装置。

【請求項8】

内部に熱媒が流れる、長手方向と直交する断面が円形である円柱形加熱用配管と、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の熱電発電ユニットと、
を備え、
前記円柱形加熱用配管の長手方向の少なくとも１箇所に、周面の周方向に沿って前記複数の熱電発電ユニットが並べて設けられている熱電発電装置。

【請求項9】

前記各熱電発電ユニットが、前記円柱形加熱用配管の長手方向と直交する方向の周囲一周に渡って延びて、前記熱電変換モジュールおよび前記冷却装置を前記円柱形加熱用配管の周面に押さえつける固定金具で固定され、前記熱電発電ユニットは、前記複合空気路体と前記熱電変換モジュール上の前記冷却装置との間に前記固定金具を通す隙間ができるように形成されている、請求項８に記載の熱電発電装置。

【請求項10】

前記各熱電発電ユニットの空気路の内部における空気の進行方向を長手方向と規定したときに、前記長手方向と直交する方向における前記空気路の断面が、前記円柱形加熱用配管の径方向の内側に向かって幅が狭くなっている台形または三角形であり、前記熱電発電ユニットが、前記円柱形加熱用配管の周囲一周に渡って集積度を上げて設けられている、請求項８または９に記載の熱電発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、高温部側と低温部側との温度差を利用して発電を行う熱電発電ユニットおよび熱電発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、高温部側と低温部側との間に熱電変換モジュールを配置して、温度差により発電する熱電発電装置が知られている。このような熱電発電装置は、積極的に低温部側を冷却し、高温部側を過熱することにより、温度差が大きくなり、発電効率を向上させることができる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００９－１９４２９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
熱電変換モジュールを複数用い、出力を直列または並列に接続して使用する場合、合成した出力は、直列接続であれば電流が最小のものに設定され、並列接続であれば電圧が最小のものに設定される。そこで、各熱電変換モジュールで発生される電流および電圧がなるべく同じになるようにすることで、発電効率を向上させることが望まれる。

【0005】

すなわち、各熱電変換モジュールにおいて、高温部側と低温部側との温度差が異なると、最大発電量の動作点からずれが生じるため、全体の発電量が低下してしまう。そこで、各熱電変換モジュールで発生される電流及び電圧をなるべく同じ値になるように、各熱電変換モジュールにおける温度差が等しくなるようにすることが望ましい。

【0006】

この発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、熱電変換モジュールの高温部側を熱源流体で過熱し、低温部側を冷却装置で冷却する方式の熱電発電装置において、発電効率を向上させることが可能な熱電発電ユニットおよび熱電発電装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

この発明は、熱媒が流れる配管に固定される高温側面と、前記高温側面と反対側の低温側面とを有し、前記配管の高温側から低温側に沿って配置された複数の熱電変換モジュールと、前記複数の熱電変換モジュールの前記低温側面に各々固定された複数の冷却装置と、前記複数の冷却装置のそれぞれに通じる互いに独立した複数の空気路が形成された複合空気路体と、を備え、前記複数の熱電変換モジュールは、直線上に順に並んだ第１から第３の熱電変換モジュールによる３つの熱電変換モジュールからなり、前記複数の冷却装置は、前記第１から第３の熱電変換モジュールにそれぞれ固定された直線上に順に並んだ第１から第３の冷却装置による３つの冷却装置からなり、前記複合空気路体の前記複数の空気路は、前記第１から第３の冷却装置を冷却するそれぞれ前記第１から第３の空気路による３つの空気路からなり、前記第２の空気路は、前記第１の冷却装置側の端面に吸気口を有し、前記第１の空気路の側方を並行して延び、クランク状に折れ曲がって前記第２の冷却装置を収納し、前記第３の空気路の前記第１の空気路の側方の場合と反対側の側方を並行して延び、前記第３の冷却装置側の端面に排気口を有する、熱電発電ユニットにある。
また、この発明は、前記熱電発電ユニットを複数備えた熱電発電装置にある。

【発明の効果】

【0008】

この発明によれば、一方向に沿って並べられた３つの熱電変換モジュールに取付けられた冷却装置をより均等に冷却する複合空気路体を設けることで、発電効率を向上させることが可能な熱電発電ユニットおよび熱電発電装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】この発明の実施の形態１による熱電発電ユニットの斜視図である。

【図2】図１の複合空気路体の構造を説明するための図である。

【図3】図１、２に示したこの発明による複合空気路体を備えた熱電発電ユニットの冷却効果を説明するための図である。

【図4】この発明による複合空気路体を使用しない場合の熱電発電ユニットの構成を示す図である。

【図5】この発明の実施の形態１による熱電発電ユニットにおける複合空気路体の各空気路の寸法を説明するための図である。

【図6】この発明の実施の形態１による熱電発電ユニットにおける複合空気路体の各空気路の断面積を最適化した場合の説明図である。

【図7】この発明の実施の形態１による熱電発電ユニットにおける各空気路の排気側の断面積を最適化した場合の冷却効果を説明するための図である。

【図8】この発明の実施の形態１による熱電発電ユニットの変形例を示す斜視図である。

【図9】この発明の実施の形態２による熱電発電装置の斜視図である。

【図10】この発明の実施の形態３による熱電発電装置の斜視図である。

【図11】この発明の実施の形態３による複合空気路体の単体構成を示した図である。

【図12】この発明の実施の形態４による熱電発電装置の斜視図である。

【図13】この発明の実施の形態４による複合空気路体の単体構成を示した図である。

【図14】この発明の実施の形態４において、空気路部の断面形状を台形にした場合の例示図である。

【図15】この発明における熱電発電装置の設置環境を示す説明図、および熱電発電装置の拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、この発明による熱電発電ユニットおよび熱電発電装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。

【0011】

最初に、この発明に係る熱電発電ユニットおよび熱電発電装置熱の設置環境、および熱電発電装置の概要について説明する。図１５は、この発明における熱電発電装置の設置環境例を示す説明図、および熱電発電装置の拡大図である。この発明に係る熱電発電ユニット１００および熱電発電装置１０００は、廃熱利用のために、工場に設置される。

【0012】

工場設備ＦＡは、例えば燃料、ゴミ等の燃焼により、高温ガス、つまり熱電発電を可能にさせる熱源流体を発生させる。この高温ガスは、配管３０及び煙突を介して大気に排出される。この発明に係る熱電発電ユニット１００および熱電発電装置１０００は、図１５中の下段の拡大図に示すように、配管３０の１００、１０００で示す部分に取り付けられ、大気に排出される高温ガスから発電を行うようになっている。すなわち、熱電発電ユニット１００および熱電発電装置１０００は、配管３０内を流れる熱媒を熱源として、発電を行う。

【0013】

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による熱電発電ユニットの斜視図である。（ａ）は熱電発電ユニット１００の複合空気路体を取付けた場合の斜視図、（ｂ）は複合空気路体を取付ける前の斜視図である。図１の（ｂ）において、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３は、加熱用配管３０に固定される高温側面と、高温側面と反対側の低温側面とを有する。加熱用配管３０内には、熱媒が矢印Ａの方向に流れている。熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３は、加熱用配管３０に高温側面が固定されて、加熱用配管３０の長手方向に直線上に並んで設けられている。各熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の低温側面には、低温側面に下端が固定されて、低温側面に垂直な方向に延びる冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３が設けられている。以下の説明では、冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３として、冷却フィンを用いる場合を例示している。

【0014】

図１の（ａ）の複合空気路体１０は、例えば矢印Ａの方向に流れる風または空気を利用して、直線上に並んだ３つの冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３を、並んだ方向に沿って別々に空気を流して冷却するために設けられている。そして、複合空気路体１０は、それぞれの吸気口と排気口を備えた空気路を構成する３つの空気路１１、１２、１３を有している。さらに、複合空気路体１０は、３つの冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３をそれぞれの空気路１１、１２、１３に格納するようにして、３つの冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３が並んだ方向に沿って延びている。

【0015】

遮蔽板１５は、別の熱電発電ユニットの排気を、後段に配置された熱電発電ユニットが直接吸気しないようにするものである。排気用ファン部２０は、３つの空気路１１、１２、１３内の空気を引き抜くためのファンである。例えば外力により矢印Ａの方向に常に空気の流れがあれば、排気用ファン部２０は不要である。矢印Ａの方向への空気の流れが得られない場合には、排気用ファン部２０によって、矢印Ａの方向へ空気の流れを作る。排気用ファン部２０は、排気用ファンと、３つの空気路１１、１２、１３から空気を同時に引き抜くためのダクトからなる。なお矢印Ａの方向は、熱電発電ユニット１００、複合空気路体１０、加熱用配管３０のそれぞれ長手方向になる。

【0016】

図２は、図１の複合空気路体１０の構造を説明するための図である。（ａ）は吸気側の端面図、（ｂ）は排気用ファン部２０を外した状態での排気側の端面図、（ｃ）は熱電発電ユニット１００の他の部分も含めた一部を透視して示した上面図、（ｄ）は熱電発電ユニット１００の他の部分も含めた断面図を示す。（ａ）は（ｃ）（ｄ）の左側からの端面図であり、（ｂ）は排気用ファン部２０を外した状態での（ｃ）（ｄ）の右側からの端面図であり、（ｄ）は（ｃ）のＡ－Ａ’線での断面図である。

【0017】

複合空気路体１０の３つの空気路１１－１３は、第１から第３の冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３を個別に冷却する。第１の空気路１１は、第１の冷却装置ＣＦ１側の端面に吸気口１１ａを有し、第１の冷却装置ＣＦ１を収納し（第１空気路部）、第２および第３の空気路１２、１３の加熱用配管３０側、すなわち熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３側である、下側を通って第３の冷却装置ＣＦ３側の端面に排気口１１ｂを有する（第２空気路部）。

【0018】

第３の空気路１３は、第３の冷却装置ＣＦ３の上部の面に吸気口１３ａを有し、第３の冷却装置ＣＦ３を収納し、第３の冷却装置ＣＦ３側の端面に排気口１３ｂを有する（第１空気路部）。

【0019】

第２の空気路１２は、第１の冷却装置ＣＦ１側の端面に吸気口１２ａを有し、第１の空気路の側方を第１の空気路に沿って並行して延びる（第１空気路部）。そして、クランク状に折れ曲がって第２の冷却装置ＣＦ２を収納する（第２空気路部）。そしてさらに、第２の空気路１２は、第３の空気路１３の第１の空気路１１の側方の場合と反対側の側方を第３の空気路１３に沿って並行して延びる。そして、第２の空気路１２は、第３の冷却装置ＣＦ３側の端面に排気口１２ｂを有する（第３空気路部）。

【0020】

図２の（ｃ）（ｄ）において、第１の空気路１１の空気の流れは、矢印１１１．１１２、１１３の順番となる。第２の空気路１２の空気の流れは、矢印１２１、１２２、１２３の順番となる。第３の空気路１３の空気の流れは、矢印１３１、１３２、１３３の順番となる。

【0021】

図３は、図１、図２に示したこの発明による複合空気路体１０を備えた熱電発電ユニット１００の冷却効果を説明するための図である。横軸に各熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の位置、縦軸に熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の高温側面と低温側面のそれぞれの温度を示す。高温側面の温度ＨＳは、熱媒の上流から下流に従って除々に下がる。また、低温側面の温度ＣＳは、冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３の大きさが同じで複合空気路体１０を設けていない場合には、上流側の排気で下流側が吸気する空気の温度が上昇していることに加えて、空気の流れが遮られる等して影響を受け、冷却効率が空気の流れの上流から下流に従って除々に上がってしまう。発電効率を考慮すると、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３における低温側と高温側との温度差は、なるべく均一にすることが望ましい。

【0022】

熱電変換モジュールの温度差は、高温側は熱源となる配管の表面温度に依存し、低温側は熱電変換モジュールに取り付けた冷却装置との接触表面の温度に依存する。自然空冷方式の冷却装置の冷却性能は、大きさに強く依存する。これは、空気に触れる面積を大きくするほど、冷却性能が向上するためである。

【0023】

多くの場合、熱電変換モジュールは、近接して並べることで発電量を確保している。このため、自然空冷方式の冷却装置と組み合わせた場合、周囲の空気の温度が上昇すると低温側の温度が上昇するため、必要な発電量を確保するためには、冷却装置を大きくするか、設置する数量を増やす必要があった。また、熱源として利用できるスペースは有限なので、冷却装置が単に大きくなると、設置できる熱電変換モジュールの数は少なくなり、熱電発電装置の発電量が確保できないことがあった。

【0024】

図４は、図３の効果を得るために、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の低温側の温度ＣＳ１－ＣＳ３をなるべく均一にすることを目的に、熱電変換モジュールＨＥ１から熱電変換モジュールＨＥ３に向かって、冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３の高さを除々に高くした例を示している。しかし、この場合、熱電発電ユニットの外形が大きくなってしまう。

【0025】

そこで、この発明では、複合空気路体１０を設けることで、上流側の排気で、下流側が吸気する空気の温度が上昇しなくなり、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３をより均等に冷却することができる構成を採用している。この結果、冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３の大きさを変えることなく、図３の温度ＣＳａに示すように、熱電変換モジュールＨＥ１、ＨＥ２、ＨＥ３の低温側の温度を、より均一にすることができる。

【0026】

これにより、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３における低温側と高温側との温度差をより均一にすることができ、発電効率を向上させることができる。具体的には、同じ条件の熱源から、より多く発電することができる。すなわち、同じ温度、同じ排熱量から発電できる量を、増加させることができる。

【0027】

またさらに、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３における低温側と高温側との温度差がより均一になるようにするためには、以下のような対策が考えられる。熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の高温側面の温度ＨＳは、熱媒の上流から下流に従って除々に下がっているので、より好ましくは、熱電変換モジュールＨＥ１から熱電変換モジュールＨＥ３に向かって、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の低温側面の温度ＣＳを徐々に下げるようにすることが考えられる。

【0028】

そこでこの発明では、第１から第３の空気路１１－１３のそれぞれの空気路内の風の進行方向と直交する方向の断面、すなわち空気路の断面を、個別に変更できる構造となっている。

【0029】

圧力損失は、空気路の断面積が小さい程大きくなるので、空気の下流側に配置した冷却装置の空気路程、空気路の圧力損失が小さくなるように構成すると、
第３の空気路１３の断面積＞第２の空気路１２の断面積＞第１の空気路１１の断面積
第３の空気路１３の圧力損失＜第２の空気路１２の圧力損失＜第１の空気路１１の圧力損失
の関係になる。

【0030】

空気路の圧力損失：Ｐｌｏｓｓと、風速：νとの間には、一般的に、
Ｐｌｏｓｓ∝ν^２
の関係式が成り立つ。また、３つの空気路を１つのファンで排気する場合、各空気路の圧力損失が等しくなるように各空気路に風が流れるので、圧力損失が小さい空気路の方が、圧力損失が大きい空気路よりも、風速は大きくなる。一方、冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３の冷却効果は、風速が大きい程大きくなる。この結果、
第３の空気路１３の風速＞第２の空気路１２の風速＞第１の空気路１１の風速
となり、
第３の冷却装置ＣＦ３の冷却効果＞第２の冷却装置ＣＦ２の冷却効果＞第１の冷却装置ＣＦ１の冷却効果
の関係となる。
冷却装置ＣＦ１－ＣＦ３の冷却効果が大きいと、放熱量が多く、周囲温度からの温度上昇を小さくできるので、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の低温側の温度をより低くすることができる。

【0031】

すなわち、空気の下流側に配置した冷却装置の空気路程、断面を徐々に大きくして、圧力損失を小さくすることで、相対的に風速が大きくなり、冷却装置ＣＦ３、ＣＦ２、ＣＦ１の順に冷却効果が大きくなるので、熱電変換モジュールＨＥ３、ＨＥ２，Ｈ１の順に低温側の温度が小さくなり、各熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の高温側と低温側との温度差は、より均一になる。

【0032】

図３のＣＳａのように、各熱電変換モジュールの低温側の温度ＣＳがほぼ同じになった状態から、後述する図７のＣＳｂのように、熱電変換モジュールの高温側の温度ＨＳが低下する幅に合わせて、冷却装置ＣＦ１からＣＦ３にいくほど空気路の断面積を大きくして、各熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の高温側と低温側との温度差が、ほぼ均一になった状態の、複合空気路体の形状の一例を以下に示す。

【0033】

図５に、図２の（ａ）（ｂ）（ｃ）における下記の各部の対応部分を示す。図５において、以下に示すように各部の寸法を規定することで、断面積がほほ同じであり、図３のＣＳａの状態とすることができる。
第１の空気路：吸気側断面形状 ３５ｍｍ×１３５ｍｍ（Ｗ１×Ｈ２）
排気側断面形状 ６５ｍｍ×６０ｍｍ（（Ｗ１＋Ｗ２）×Ｈ１）
第２の空気路：吸気側断面形状 ３０ｍｍ×１３５ｍｍ（Ｗ２×Ｈ２）
排気側断面形状 ３０ｍｍ×１３５ｍｍ（Ｗ２×Ｈ２）
第３の空気路：吸気側断面形状 ３５ｍｍ×１３０ｍｍ（Ｗ１×Ｌ３）
排気側断面形状 ３５ｍｍ×１３５ｍｍ（Ｗ１×Ｈ２）

【0034】

これに対して、図５において、以下に示すように各部の寸法を規定することで、後述する図７のＣＳｂの状態となるように、断面積の最適化を図ることができる。
第１の空気路：吸気側断面形状 ３５ｍｍ×１６５ｍｍ（Ｗ１×Ｈ２）
排気側断面形状 ５５ｍｍ×３０ｍｍ（（Ｗ１＋Ｗ２）×Ｈ１）
第２の空気路：吸気側断面形状 ２０ｍｍ×１６５ｍｍ（Ｗ２×Ｈ２）
排気側断面形状 ２０ｍｍ×１６５ｍｍ（Ｗ２×Ｈ２）
第３の空気路：吸気側断面形状 ３５ｍｍ×１３０ｍｍ（Ｗ１×Ｌ３）
排気側断面形状 ３５ｍｍ×１６５ｍｍ（Ｗ１×Ｈ２）

【0035】

図６は、この発明の実施の形態１による熱電発電ユニットにおける複合空気路体の各空気路の断面積を最適化した場合の説明図である。具体的には、図６（ａ）は、吸気側の側面視を示しており、図６（ｂ）は、排気側の側面視を示している。一方、最適化する前における吸気側の側面視は、図５（ａ）に相当し、排気側の側面視は、図５（ｂ）に相当する。図５と図６との形状比較は、表１を用いて後述する。

【0036】

第３の空気路の吸気口は、複合空気路体１０の上面に上を向いて開いているので、高さ（ｍｍ）の代わりに長さ（ｍｍ）とされている。

【0037】

空気路の冷却効果は、吸気、排気を問わず、断面積が小さい方の部分の影響が支配的である。すなわち、空気路の冷却効果は、空気路の排気側から吸気側に至る経路の断面積のうち、小さい断面積の部分により影響される。

【0038】

なお、断面積を最適化する場合には、次の点でも構造的に有利な効果を得ることができる。具体的には、空気路を個別に変更できる点を、以下に説明する。
空気路１は、幅Ｗ１と高さＨ１で形状が決まる。
空気路２は、幅Ｗ２と高さＨ２で形状が決まる。
空気路３は、幅Ｗ１と長さＬ３で形状が決まる。
第３の空気路１３の断面積＞第２の空気路１２の断面積＞第１の空気路１１の断面積
の関係にする目的で、第１の空気路１１の断面積を小さくするためには、Ｈ１を小さくするとＨ２は大きくなり、第２の空気路１２の断面積を小さくするためには、Ｗ２を小さくするので、複合空気路体１０の外形寸法が小さくなる。例えば、空気路の断面積が等しくなるように設けられた複合空気路体から、ＣＳｂの効果が得られるように、断面積を変更する場合を説明する。

【0039】

外形が大きくならない条件は、一例では、Ｗ１＝３５ｍｍ、Ｗ１＋Ｗ２＜６５ｍｍ、Ｈ１＋Ｈ２＝１９５ｍｍ、Ｌ３＜１９５ｍｍとなる。表１は、実施の形態１における、空気路寸法、外形寸法、および断面積の関係をまとめた一覧表である。

【0040】

【表1】

【0041】

表１に示したように、最適化したときの外形は、元々の外形よりも小さくすることができる。
元の複合空気路体の外形 ：Ｗ８０ｍｍ×Ｈ２１０ｍｍ×Ｌ４７５ｍｍ
最適化した複合空気路体の外形：Ｗ７０ｍｍ×Ｈ２１０ｍｍ×Ｌ４７５ｍｍ

【0042】

また、Ｈ１を小さくした分、Ｈ２を大きくすることは、第２の空気路の断面積を大きくするとともに、冷却装置のフィンの枚数を増やして面積を大きくしたり、フィン間のピッチを長くして風速を大きくすることができることを意味し、冷却装置ＣＦ１－３の冷却性能を向上させる効果がある。

【0043】

上述の断面積を最適化すること等に関する各空気路１１－１３の断面積の調整に関し、この発明の熱電発電ユニット１００は、熱電発電ユニット１００の外形寸法、特に複合空気路体１０の外形寸法を大きくすることなく、各空気路１１－１３の断面積を個別に変える場合にも適した構造を有する。図２に示すように、複合空気路体１０は、空気路１１、１２の吸気口１１ａ、１２ａ側から空気路１２のクランク状に折れ曲がって第２の冷却装置ＣＦ２を収納する部分までは、空気路１１、１２が幅（Ｗ）方向に並んで並行して延びる構造を有する。また、空気路１２のクランク状に折れ曲がった部分後から各空気路１１－１３の排気口１１ｂ、１２ｂ、１３ｂまでは、空気路１２、１３が幅（Ｗ）方向に並んで並行して延び、かつ空気路１１が、空気路１２、１３のそれぞれの下側を、高さ（Ｈ）方向に並んで並行して延びるようにして、空気路１１－１３が並行して延びる構造を有する。

【0044】

従って、各空気路１１－１３の断面積を調整する場合には、空気路が幅（Ｗ）方向、または幅（Ｗ）方向と高さ（Ｈ）方向のそれぞれに、複数並んで設けられているため、空気路の幅（Ｗ）と高さ（Ｈ）を相互に増減させることで、複合空気路体１０の外形寸法も考慮して調整を行うことができる。なお、空気路１３は、複合空気路体１０の吸気口側を通らず、吸気口１３ａが複合空気路体１０の中央上部にある。このため、空気路１３の吸気口１３ａの長さ（Ｌ）は、他の空気路からの制約を受けずに設定できる。

【0045】

図７は、第１から第３の空気路１１－１３の断面積を最適化した場合の、この発明による熱電発電ユニット１００の冷却効果を説明するための図である。図３の熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の低温側面の温度ＣＳａに比べ、図７の低温側面の温度ＣＳｂは、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３の高温側面の温度ＨＳの降下に合わせて降下している。これにより、熱電変換モジュールＨＥ１－ＨＥ３における低温側と高温側との温度差が、より均一になるようにすることができ、発電効率を向上させることができる。具体的には、同じ条件の熱源から、より多く発電することができる。すなわち、同じ温度、同じ排熱量から発電できる量を、増加させることができる。

【0046】

なお、この発明では、図８に示すように、１つの加熱用配管３０に長手方向に複数の熱電発電ユニット１００を設けた熱電発電装置としてもよい。

【0047】

実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２による熱電発電装置の斜視図である。（ａ）は複合空気路体を取付けた場合の斜視図、（ｂ）は複合空気路体を取付ける前の斜視図である。熱電発電装置１０００は、内部に熱媒が流れる、長手方向と直交する断面、すなわち配管の断面が多角形である角柱形加熱用配管３１と、複数の熱電発電ユニット１３０と、を備えている。角柱形加熱用配管３１の一例として断面が四角形の四角柱形加熱用配管が示されている。

【0048】

先の実施の形態１で説明した熱電発電ユニット１００は、熱電変換モジュールＨＥと冷却装置ＣＦとを組み合わせたものであり、熱源となる加熱用配管３０と熱電変換モジュールＨＥとの間、および熱電変換モジュールＨＥと冷却装置ＣＦとの間に、図示を省略した熱コンタクトを良くする部材を備えるものである。これに対して、本実施の形態２における熱電発電ユニット１３０は、熱電発電ユニット１００を３個並列に配置し、角柱形加熱用配管３１に取付けた後に、複合空気路体１０を組み合わせて構成されている。熱電発電ユニット１３０には、さらに、３つの熱電発電ユニット１００で共通の排気用ファン部２０ａ、および吸気側の遮蔽板１５が設けられている。排気用ファン部２０ａは、実施の形態１の排気用ファン部２０に対応するもので、排気用ファン２１、３つの熱電発電ユニット１００から空気を同時に引き抜くためのダクト２２、および熱電発電ユニット１３０を固定金具４０により角柱形加熱用配管３１に固定するための固定部材２３からなる。

【0049】

熱電発電ユニット１３０は、角柱形加熱用配管３１のそれぞれ平面からなる４つの側面に、例えば１つずつ、角柱形加熱用配管３１の長手方向と熱電発電ユニット１３０の長手方向が合うように設けられている。

【0050】

そして各熱電発電ユニット１３０は、角柱形加熱用配管３１の長手方向と直交する方向の周囲一周に渡って延びて、各熱電変換モジュールＨＥを熱電変換モジュールＨＥ上の冷却装置ＣＦと共に角柱形加熱用配管３１の側面に押さえつける固定金具４０で固定されている。

【0051】

このように構成することで、熱電発電ユニット１３０を１本の角柱形加熱用配管３１の回りに多数集積することができるため、小型で発電量が多い熱電発電装置となる。また、熱電発電ユニットの吸気と排気は独立しているので、集積しても各熱電発電ユニットの冷却性能が低下することなく、所望の発電量を確保できる。

【0052】

また、各熱電発電ユニット１３０は、各複合空気路体１０と、熱電変換モジュールＨＥ上の冷却装置ＣＦとの間に固定金具４０を通す隙間ができるように形成されている。なお、角柱形加熱用配管３１と熱電変換モジュールＨＥとの間、および熱電変換モジュールＨＥと冷却装置ＣＦとの間には、それぞれ、図示を省略した熱コンタクトを良くする部材を介在させている。

【0053】

ここで、各熱電発電ユニット１３０における熱電発電ユニット１００の数は、３つに限定されるものではない。また、熱電発電ユニット１３０は、角柱形加熱用配管３１の少なくとも１つの側面に、角柱形加熱用配管３１の長手方向および長手方向と直交する方向の少なくとも一方に沿って、所望の数だけ並べて設けてもよい。

【0054】

実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３による熱電発電装置の斜視図である。（ａ）は複合空気路体を取付けた場合の斜視図、（ｂ）は複合空気路体を取付ける前の斜視図である。さらに、図１１は、複合空気路体１０ａの単体構成を示した図である。熱電発電装置１０００ａは、内部に熱媒が流れる、配管の断面が円形である円柱形加熱用配管３２と、実施の形態１で説明した複数の熱電発電ユニット１００と、を備えている。熱電発電ユニット１００は、円柱形加熱用配管３２の周面の周方向に沿って、例えば等間隔に、円柱形加熱用配管３２の長手方向と熱電発電ユニット１００の長手方向が合うように設けられている。なお実際には、熱電発電ユニット１００を円柱形加熱用配管３２に取付けるための作業用スペースとして、円柱形加熱用配管３２の周方向のどこかに、熱電発電ユニット１００を設置しない箇所を設ける。

【0055】

そして各熱電発電ユニット１００は、円柱形加熱用配管３２の長手方向と直交する方向の周囲一周に渡って延びて、各熱電変換モジュールＨＥを熱電変換モジュールＨＥ上の冷却装置ＣＦと共に円柱形加熱用配管３２の周面に押さえつける固定金具４０で固定されている。

【0056】

このように構成することで、熱電発電ユニット１００を１本の円柱形加熱用配管３２の回りに多数集積することができるため、小型で発電量が多い熱電発電装置となる。また、熱電発電ユニット１００の吸気と排気は独立しているので、集積しても各熱電発電ユニットの冷却性能が低下することなく、熱電発電装置として所望の発電量を得ることができる。

【0057】

また、各熱電発電ユニット１００は、複合空気路体１０と、熱電変換モジュールＨＥ上の冷却装置ＣＦとの間に固定金具４０を通す隙間ができるように形成されている。なお、円柱形加熱用配管３２と熱電変換モジュールＨＥとの間、および熱電変換モジュールＨＥと冷却装置ＣＦとの間にはそれぞれ、図示を省略した熱コンタクトを良くする部材を介在させている。

【0058】

熱電発電ユニット１００は、円柱形加熱用配管３２の長手方向の複数の箇所にそれぞれ、周面の周方向に沿って等間隔に並べて設けてもよい。

【0059】

実施の形態４．
図１２は、この発明の実施の形態４による熱電発電装置を示す斜視図である。（ａ）は複合空気路体を取付けた状態の斜視図である。（ｂ）は（ａ）の熱電発電装置の複合空気路体を抜き出して示した斜視図である。さらに、図１３は、複合空気路体１０ｂの単体構成を示した図である。図１２の熱電発電装置１０００ｂでは、図１０の熱電発電装置１０００ａに対して、各熱電発電ユニット１００の第２の空気路１２の、第１の空気路１１の側方を並行して延びる第１空気路部１２Ｘ、および第３の空気路１３の側方を並行して延びる第３空気路部１２Ｙに関して、それぞれの空気路部の内部における空気の進行方向を長手方向と規定したときに、その長手方向と直交する方向における第２の空気路１２の外形断面Ｓ１２が、周方向の空間をより多く利用できるように、円柱形加熱用配管３２の径方向の外側に向かって拡がる台形または三角形となる形状を有する。

【0060】

なお、第２の空気路１２における第１空気路部１２Ｘおよび第３空気路部１２Ｙに限らず、他の空気路においても同様に、外形断面を、円柱形加熱用配管３２の径方向の外側に向かって拡がる台形または三角形となる形状にしてもよい。例えば図１４に、空気路１１、１２をそれぞれ、断面を台形にした場合のイメージ図を示す。吸気側の側面視を示す図１４（ａ）では、空気路１２の吸気側の断面Ｓ１２Ｘが、台形となっている。また、排気側の側面視を示す図１４（ｂ）では、空気路１１の排気側の断面Ｓ１１Ｙ、および空気路１２の排気側の断面Ｓ１２Ｙが台形となっている。図６と比較すると、図１４は、空気路１１、２２の断面をそれぞれ長方形から台形にしたものである。

【0061】

図１４のような台形の断面形状を有する空気路を採用することにより、各熱電発電ユニット１００は、円柱形加熱用配管３２の径方向の内側に向かって、幅が狭くなっている。この結果、熱電発電ユニット１００を同じ直径の配管に取り付ける数を増やすことができる。また、同じ数を取り付ける場合にも、空気路の断面積をより広く確保することができる。従って、円柱形加熱用配管３２の周囲一周に渡って周方向の空間をより多く利用することができる。なお、必要に応じて、熱電発電ユニット１００を円柱形加熱用配管３２に取付けるための作業用スペースとして、円柱形加熱用配管３２の周方向のどこかに、熱電発電ユニット１００を設置しない箇所を設けるようにしてもよい。

【0062】

このように構成することで、各熱電発電ユニット１００を、円柱形加熱用配管３２の周囲一周に渡って取り付ける際に、周方向の空間をより多く利用することができるため、小型で発電量が多い熱電発電装置を実現できる。また、熱電発電ユニット１００の吸気と排気は独立しているので、集積しても各熱電発電ユニットの冷却性能が低下することなく、熱電発電装置は所望の発電量を得ることができる。

【0063】

なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0064】

１０ 複合空気路体、１１ 第１の空気路、１２ 第２の空気路、１３ 第３の空気路、１１ａ、１２ａ、１３ａ 吸気口、１１ｂ、１２ｂ、１３ｂ 排気口、１２Ｘ、１２Ｙ 空気路部、１５ 遮蔽板、２０、２０ａ 排気用ファン部、２１ 排気用ファン、２２ ダクト、２３ 固定部材、３０ 加熱用配管、３１ 角柱形加熱用配管、３２ 円柱形加熱用配管、４０ 固定金具、１００、１３０ 熱電発電ユニット、１０００、１０００ａ、１０００ｂ 熱電発電装置、ＣＦ１－ＣＦ３ 冷却装置、ＨＥ１－ＨＥ３ 熱電変換モジュール。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】