JP7187899B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、互いに直列または並列に接続された複数の熱電変換素子を備える熱電発電装置に関する。

特許文献１には、複数の熱電変換素子を夫々直列に接続して構成された複数の熱電変換素子群（「ストリング」と呼ばれる）を、互いに並列に接続して構成された熱電発電装置が開示されている。

特開２０１０－０１０６３７号公報（図１）

特許文献１では、異なるストリング同士の間で熱電変換素子の数が等しく、これら同数の熱電変換素子を互いに直列に接続して１つのストリングが構成される。よって、熱源が小さかったり、加熱にむらがあるか、加熱が局所的であったりすることなどにより、熱電発電装置の受熱量に位置に応じたばらつきが生じた場合に、熱電変換素子に形成される温度差にばらつきができ、個々の熱電変換素子の出力特性に差異が生じることから、熱電発電装置を全体として効率的に動作させることが困難となる。そして、出力特性の差異は、温度差にばらつきができた場合に限らず、温度差が一定であっても個体差により生じる場合がある。

本発明は、熱電変換素子の出力特性に生じるばらつきの影響を抑制し、全体として効率的に動作させることのできる熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態では、温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された複数の同じ熱電変換素子を有する第１の熱電変換素子群と、温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された、第１の熱電変換素子群よりも少ない数の同じ熱電変換素子を有し、第１の熱電変換素子群よりも高温の領域に設けられ、熱電変換素子が互いに並列に接続された第２の熱電変換素子群と、を含んで構成され、第１の熱電変換素子群と第２の熱電変換素子群とが、互いに直列に接続され、第１の熱電変換素子群の熱電変換素子は、第２の熱電変換素子群の熱電変換素子よりも、発電時に形成される温度差が小さい、熱電発電装置が提供される。

他の形態では、温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された複数の同じ熱電変換素子を有し、熱電変換素子が互いに直列に接続された第１の熱電変換素子群と、温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された、第１の熱電変換素子群よりも少ない数の同じ熱電変換素子を有し、第１の熱電変換素子群よりも高温の領域に設けられ、熱電変換素子が互いに直列に接続された第２の熱電変換素子群と、を含んで構成され、第１の熱電変換素子群と第２の熱電変換素子群とが、互いに並列に接続され、第１の熱電変換素子群の熱電変換素子は、第２の熱電変換素子群の熱電変換素子よりも、発電時に形成される温度差が小さい、熱電発電装置が提供される。

本発明によれば、第１の熱電変換素子群と第２の熱電変換素子群とのそれそれで、熱電変換素子を効率的に動作させることが可能となり、熱電発電装置を全体としてより効率的に動作させることができる。第１の熱電変換素子群と第２の熱電変換素子群とで熱電変換素子を互いに並列に接続する場合は、各群についてより効率的な電流の設定が可能となり、他方で、第１の熱電変換素子群と第２の熱電変換素子群とで熱電変換素子を互いに直列に接続する場合は、各群についてより効率的な電圧の設定が可能となる。

図１は、本発明の一実施形態に係る熱電発電装置の全体的な構成を示す概略図である。 図２は、同上実施形態に係る熱電変換素子の温度差に応じた出力特性の変化を示す説明図である。 図３は、同上実施形態に係る熱電変換素子の結線パターンの第１の例を模式的に示す説明図である。 図４は、同上実施形態に係る熱電変換素子の結線パターンの第２の例を模式的に示す説明図である。 図５は、本発明の他の実施形態に係る熱電発電装置の全体的な構成を示す概略図である。 図６は、同上実施形態に係る熱電変換素子の結線パターンの第１の例を模式的に示す説明図である。 図７は、同上実施形態に係る熱電変換素子の結線パターンの第２の例を模式的に示す説明図である。 図８は、本発明の更に別の実施形態に係る熱電発電装置が備わる廃熱回収装置の構成を模式的に示す説明図である。 図９は、同上実施形態に係る熱電変換素子に形成される温度差を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る熱電発電装置１ａの全体的な構成を示し、図示しない熱源からの熱の流れＦｈを、矢印付きの太線により併せて示している。図１は、便宜上、熱の流れＦｈに平行な方向を熱電発電装置１の縦方向Ｌとし、これに垂直な方向を横方向Ｗとして示す。

本実施形態に係る熱電発電装置（以下単に「熱電発電装置」という）１ａは、縦方向Ｌおよび横方向Ｗのマトリクス状に配置された複数の熱電変換素子１１（図１は、縦方向Ｌに４、横方向Ｗに３の、合計１２の熱電変換素子１１を示すが、熱電変換素子１１の合計の数および縦方向Ｌ、横方向Ｗ夫々に並べる数がこれに限定されるものでないことは、いうまでもない）を備える。熱電変換素子１１は、高温ないし加熱側の面（図１にみる熱電変換素子１１の上面）と、低温ないし冷却側の面（同じく熱電変換素子１１の底面）と、の間の温度差ΔＴに基づくゼーベック効果により、両面の間に電位差が形成され、起電力を生じさせるものである。熱電発電装置１ａは、熱電変換素子１１以外に、熱電変換素子１１の低温側の面を冷却しまたは高温側の面よりも低い温度に保つ冷却部１２と、熱電変換素子１１が生じさせた電力を変換し、熱電発電装置１ａの出力を形成する電力変換部１３（図３、４）と、を備える。本実施形態において、冷却部１２は、冷媒を循環させることにより一定の温度に保たれ、電力変換部１３は、最大電力点追従（ＭＰＰＴ）制御により、個々の熱電変換素子１１が発電する電力を、熱電発電装置１全体での最大電力点に制御する。

熱電変換装置１は、熱電変換素子１１の高温側の面が熱源からの熱の流れＦｈに対して直接的にまたは何らかの熱媒体を介して間接的に晒されており、この流れＦｈが熱源から遠ざかるにつれて輸送する熱量を失うことから、高温側の面には、特に温度が高いもの（熱電変換素子１１ｈ）と、温度が低いもの（熱電変換素子１１ｌ）と、それらの中間のもの（熱電変換素子１１ｍ）と、が形成される。図１は、熱の流れＦｈに関して最も上流側の３つの熱電変換素子１１ｈが占める領域を高温領域Ｒｈとし、最も下流側の３つおよびその上流側に隣接する３つの熱電変換素子１１ｌが占める領域を低温領域Ｒｌとし、これら以外の３つの熱電変換素子１１ｍが占める領域を中間領域Ｒｍとして示すが、このような領域の区分は、説明上のものであり、熱電変換素子１１の出力特性に現れるばらつきに応じて適宜に変更することが可能である。例えば、流れＦから失われる熱量が小さい場合に、中間領域Ｒｍを省略し、熱電変換素子１１が占める領域Ｒを、上流側の高温領域Ｒｈと、下流側の低温領域Ｒｌと、の２つに区分することが可能である。

ここで、熱電変換素子１１の高温側の面の温度Ｔｈに、熱源との位置関係、つまり、熱源に対して近いか遠いかに応じたばらつきが生じ、高温側の面と低温側の面との間に形成される温度差ΔＴにばらつきができると、個々の熱電変換素子１１の出力特性に、温度差ΔＴのばらつきに応じた差異が生じる。図２は、熱電変換素子１１の温度差ΔＴごとの出力特性を示し、図２（ａ）は、低温時（温度差ΔＴｌ）における出力特性を、同図（ｂ）は、高温時（温度差ΔＴｈ）における出力特性を、夫々示している。図２（ａ）および（ｂ）の双方において、太い実線が電力Ｐを、点線が電圧Ｖを示す。

高温時と比べ、低温時では、発電可能な電力Ｐが小さく、電流Ｉがとり得る範囲も狭いことが分かる。よって、温度差ΔＴに生じたばらつきによらず、換言すれば、温度差ΔＴが大きいものと小さいものとの区別なく、熱電変換素子１１を単に直列に接続したとすれば、発電時の電流Ｉが温度差ΔＴの小さい熱電変換素子１１の電流により律速されて、電流Ｉに不足が生じることとなる。他方で、熱電変換素子１１を単に並列に接続したとすれば、発電時の電圧Ｖが温度差ΔＴの小さい熱電変換素子１１の電圧により律速されて、電圧Ｖに不足が生じることとなり、いずれにしても熱電発電装置１ａを全体として効率的に動作させることが困難となる。

そこで、本実施形態では、温度差ΔＴが比較的近い熱電変換素子１１同士で素子の群（熱電変換素子群）を形成し、同一の群に属する熱電発電素子１１を互いに直列または並列に接続するとともに、異なる熱電変換素子群を互いに接続して、熱電発電装置１を構成することとする。ここで、素子の群または熱電変換素子群とは、熱電変換素子１１の電気的な接続関係における纏まりをいうに過ぎず、レイアウト上の纏まりまでをも意味するものではなく、よって、必ずしも互いに隣接して配置されることを要するものではない。

図３は、本実施形態に係る熱電変換素子１１の結線パターンの第１の例を模式的に示している。

第１の例では、低温領域Ｒｌに設けられる複数の熱電変換素子１１ｌを互いに並列に接続して熱電変換素子の第１の群（「第１の熱電変換素子群」に相当し、以下「第１の素子群」という）Ｇｌ１を形成し、高温領域Ｒｈに設けられる熱電変換素子１１ｈを熱電変換素子の第２の群（「第２の熱電変換素子群」に相当し、以下「第２の素子群」という）Ｇｈ１に分類する。さらに、中間領域Ｒｍに設けられる熱電変換素子１１ｍを互いに並列に接続して熱電変換素子の第３の群（以下「第３の素子群」という）Ｇｍ１を形成する。

ここで、高温領域Ｒｈの第２の素子群Ｇｈ１を構成する熱電変換素子１１ｈの数（例えば、１）は、低温領域Ｒｌの第１の素子群Ｇｌ１を構成する熱電変換素子１１ｌの数（例えば、４）および中間領域Ｒｍの第３の素子群Ｇｍ１を構成する熱電変換素子１１ｍの数（例えば、２）のいずれよりも少なく、さらに、中間領域Ｒｍの第３の素子群Ｇｍ１を構成する熱電変換素子１１ｍの数（例えば、２）は、低温領域Ｒｌの第１の素子群Ｇｌ１を構成する熱電変換素子１１ｌの数（例えば、４）よりも少ない。

そして、本実施形態では、第１の素子群Ｇｌ１、第２の素子群Ｇｈ１および第３の素子群Ｇｍ１を互いに直列に接続し、この直列回路を介して得られる電力を電力変換部１３により変換して、熱電発電装置１ａの出力とする。

ここで、第１の素子群Ｇｌ１および第２の素子群Ｇｈ１を夫々構成する熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数ｍ、ｎは、図３に示す数（ｍ＝４、ｎ＝１）に限定されるものではなく、他の組み合わせの数であってもよい。例えば、第２の素子群Ｇｈ１における数ｎが第１の素子群Ｇｌ１における数ｍよりも少ない数である限り、第２の素子群Ｇｈ１を、高温領域Ｒｈに設けられる２つ以上の熱電変換素子１１ｈにより形成することも可能である。この場合は、第２の素子群Ｇｈ１に属する熱電変換素子１１ｈを互いに並列に接続する。熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数ｍ、ｎは、次式（１）により表される範囲に収まる数に設定するのが好ましい。Ｍｉｎ（ΔＴｈ_i=1～_n）は、第２の素子群Ｇｈ１における温度差ΔＴｈの最小値を抽出する関数であり、Ｍａｘ（ΔＴｈ_i=1～_n）は、第２の素子群Ｇｈ１における温度差ΔＴｈの最大値を抽出する関数である。例えば、高温領域Ｒｈにおける温度差ΔＴｈｉが４０℃であり、低温領域Ｒｌにおける温度差ΔＴｌｉが１０℃である場合に、ｍ＝４、ｎ＝１は、２０≦４０≦８０との関係にあり、第１の例における熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数ｍ、ｎは、次式（１）の関係を満たす。
（１／２）Ｍｉｎ（ΔＴｈ_i=1～_n）≦ΣΔＴｌ_i=1～_m≦２Ｍａｘ（ΔＴｈ_i=1～_n） …（１）

図３は、説明のため、４つの熱電変換素子１１ｌにより１つの第１の素子群Ｇｌ１を形成し、夫々１つの熱電変換素子１１ｈにより合計２つの第２の素子群Ｇｈ１を形成する例を示すが、第１および第２の素子群Ｇｌ１、Ｇｈ１の数は、これに限定されるものではなく、例えば、第２の素子群Ｇｈ１の数は、３つ以上であってもよいし、１つのみであってもよい。

図４は、本実施形態に係る熱電変換素子１１の結線パターンの第２の例を模式的に示している。

第２の例では、低温領域Ｒｌに設けられる複数の熱電変換素子１１ｌを互いに直列に接続して第１の素子群（「第１の熱電変換素子群」に相当する）Ｇｌ２を形成し、高温領域Ｒｈに設けられる熱電変換素子１１ｈを第２の素子群（「第２の熱電変換素子群」に相当する）Ｇｈ２に分類する。さらに、中間領域Ｒｍに設けられる熱電変換素子１１ｍを互いに直列に接続して第３の素子群Ｇｍ２を形成する。

ここで、第１の例と同様に、第２の素子群Ｇｈ２を構成する熱電変換素子１１ｈの数（例えば、１）は、第１の素子群Ｇｌ２を構成する熱電変換素子１１ｌの数（例えば、４）および第３の素子群Ｇｍ２を構成する熱電変換素子１１ｍの数（例えば、２）のいずれよりも少なく、さらに、第３の素子群Ｇｍ２を構成する熱電変換素子１１ｍの数（例えば、２）は、第１の素子群Ｇｌ２を構成する熱電変換素子１１ｌの数（例えば、４）よりも少ない。

そして、第１の素子群Ｇｌ２、第２の素子群Ｇｈ２および第３の素子群Ｇｍ２を互いに並列に接続し、この並列回路を介して得られる電力を電力変換部１３により変換して、熱電発電装置１ａの出力とする。

ここで、第１の素子群Ｇｌ２および第２の素子群Ｇｈ２を夫々構成する熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数ｍ、ｎは、図４に示す数（ｍ＝４、ｎ＝１）以外の組み合わせの数であってもよく、上式（１）により表される範囲に収まる数であるのが好ましい。そして、第２の素子群Ｇｈ２における数ｎが第１の素子群Ｇｌ２における数ｍよりも少ない数である限り、第２の素子群Ｇｈ２を、高温領域Ｒｈに設けられる２つ以上の熱電変換素子１１ｈにより形成することも可能であり、この場合は、第２の素子群Ｇｈ２に属する熱電変換素子１１ｈを互いに直列に接続する。

さらに、図４は、説明のため、４つの熱電変換素子１１ｌにより１つの第１の素子群Ｇｌ２を形成し、夫々１つの熱電変換素子１１ｈにより合計２つの第２の素子群Ｇｈ２を形成する例を示すが、第１および第２の素子群Ｇｌ２、Ｇｈ２の数は、これに限定されるものではなく、例えば、第２の素子群Ｇｈ１の数は、３つ以上であってもよいし、１つのみであってもよい。

（作用効果の説明）
本実施形態に係るは、以上のように構成され、本実施形態により得られる効果について、以下に纏める。

第１に、第１の例において、複数の熱電変換素子１１ｌを互いに並列に接続して低温側の第１の素子群Ｇｌ１を形成するとともに、第１の素子群Ｇｌ１よりも少ない数（１であってもよい）の熱電変換素子１１ｈにより高温側の第２の素子群Ｇｈ１を形成し、第１の素子群Ｇｌ１と第２の素子群Ｇｈ１とを互いに直列に接続して熱電変換装置１ａを構成したことで、第１の素子群Ｇｌ１と第２の素子群Ｇｈ１とのそれそれで、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈを効率的に動作させることのできる電流Ｉを設定することが可能となり、熱電発電装置１ａを全体としてより効率的に動作させることができる。ここで、第２の素子群Ｇｈ１を構成する熱電変換素子１１ｈが複数である場合は、これら複数の熱電変換素子１１ｈを互いに並列に接続して、１つの第２の素子群Ｇｈ１を形成する。

第２に、第２の例において、複数の熱電変換素子１１ｌを互いに直列に接続して低温側の第１の素子群Ｇｌ２を形成するとともに、第１の素子群Ｇｌ２よりも少ない数（１であってもよい）の熱電変換素子１１ｈにより高温側の第２の素子群Ｇｈ２を形成し、第１の素子群Ｇｌ２と第２の素子群Ｇｈ２とを互いに並列に接続して熱電変換装置１ａを構成したことで、第１の素子群Ｇｌ２と第２の素子群Ｇｈ２とのそれそれで、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈを効率的に動作させることのできる電圧Ｖを設定することが可能となり、熱電発電装置１を全体としてより効率的に動作させることができる。ここで、第２の素子群Ｇｈ２を構成する熱電変換素子１１ｈが複数である場合は、これら複数の熱電変換素子１１ｈを互いに直列に接続して、１つの第２の素子群Ｇｈ２を形成する。

第３に、発電時における温度差ΔＴが比較的近い熱電変換素子１１ｌ（温度差ΔＴｌ）、１１ｈ（温度差ΔＴｈ）同士で群Ｇｌ（Ｇｌ１、Ｇｌ２）およびＧｈ（Ｇｈ１、Ｇｈ２）を形成し、各群の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈを互いに直列または並列に接続することで、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの温度差ΔＴｌ、ΔＴｈに生じたばらつきが熱電発電装置１ａ全体の効率に及ぼす影響を抑制し、熱電変換装置１ａを全体として効率的に動作させることができる。

第４に、複数の熱電変換素子１１ｈにより第２の素子群Ｇｈを形成することで、より大きな電力を出力可能な熱電発電装置１ａを提供することが可能となる。

以上の説明では、第１の素子群Ｇｌを構成する熱電変換素子１１ｌの数ｍと、第２の素子群Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｈの数ｎと、の関係を、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈに形成される温度差ΔＴｌ、ΔＴｈの観点から規定した。そして、数ｍ、ｎが上式（１）を満たす関係とすることで、第１の素子群Ｇｌおよび第２の素子群Ｇｈで、互いの出力特性を群全体として近付け、具体的には、第２の素子群Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｈの最大出力点での発電を可能として、熱電発電装置１の動作を全体としてより効率的なものとすることを可能とした。

しかし、第１および第２の素子群Ｇｌ、Ｇｈのそれぞれにおける熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数ｍ、ｎの関係は、これに限定されるものではなく、温度差ΔＴと、当該温度差ΔＴにおける最大出力点の電力Ｐと、の比であるＰ／ΔＴや、発電時の温度差ΔＴにおける最大出力点の電力等の観点から規定することも可能である。

温度差ΔＴと最大出力点の電圧Ｐとの比Ｐ／ΔＴの観点から規定する場合は、比Ｐ／ΔＴが比較的小さい複数の熱電変換素子１１ｌにより第１の素子群Ｇｌを形成し、第１の素子群Ｇｌの熱電発電素子１１ｌよりも比Ｐ／ΔＴが大きい熱電変換素子１１ｈにより第２の素子群Ｇｈを形成する。第２の素子群Ｇｈを、第１の素子群Ｇｌよりも少ない数の熱電変換素子１１ｈにより形成することは、先の例と同様である。

このように、温度差ΔＴに応じた出力特性が比較的近い熱電変換素子１１ｌ、１１ｈ同士で群Ｇｌ、Ｇｈを形成し、各群の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈを互いに直列または並列に接続することで、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの個体差による出力特性のばらつきないし出力差によらず、熱電発電装置１を全体として効率的に動作させることが可能となる。

そして、この場合の数ｍ、ｎの関係は、第１の素子群Ｇｌを構成する熱電変換素子１１ｌの比Ｐ／ΔＴｌをＫｌ_i、第２の素子群Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｈの比Ｐ／ΔＴｈをＫｈ_iとして、次式（２）による。
（１／２）Ｍｉｎ（Ｋｈ_i=1～_n）≦ΣＫｌ_i=1～_m≦２Ｍａｘ（Ｋｈ_i=1-n） …（２）

他方で、温度差ΔＴにおける最大出力点の電力Ｐの観点から規定する場合は、電力Ｐが比較的小さい複数の熱電変換素子１１ｌにより第１の素子群Ｇｌを形成し、第１の素子群Ｇｌの熱電発電素子１１ｌよりも電力Ｐが大きい熱電変換素子１１ｈにより第２の素子群Ｇｈを形成する。先の例と同様に、第２の素子群Ｇｈを、第１の素子群Ｇｌよりも少ない数の熱電変換素子１１ｈにより形成する。

このように、発電時の温度差ΔＴにおける出力特性が比較的近い熱電変換素子１１ｌ、１１ｈ同士で群Ｇｌ、Ｇｈを形成し、各群の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈを互いに直列または並列に接続することで、実際の発電時における出力特性のばらつきないし出力差を考慮した群の形成を可能とし、熱電発電装置１ａを全体として効率的に動作させることが可能となる。そして、発電時の温度差ΔＴが熱電発電装置１ａ全体に亘って一定の場合は、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの個体差による出力特性のばらつきの影響を緩和し、発電効率の向上を図ることができる。

そして、この場合の数ｍ、ｎの関係は、第１の素子群Ｇｌを構成する熱電変換素子１１ｌの最大出力点の電圧をＰｌ_i、第２の素子群Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｈの最大出力点の電圧をＰｈ_iとして、次式（３）による。
（１／２）Ｍｉｎ（Ｐｈ_i=1～_n）≦ΣＰｌ_i=1～_m≦２Ｍａｘ（Ｐｈ_i=1～_n） …（３）

さらに、発電時における熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの出力特性は、電力Ｐに限らず、発電時の温度差ΔＴにおける最大出力点の電流Ｉまたは電圧Ｖによっても評価することが可能である。

つまり、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの出力特性を最大出力点の電流Ｉにより評価する場合は、電流Ｉが比較的小さい複数の熱電変換素子１１ｌにより第１の素子群Ｇｌを形成する一方、第１の素子群Ｇｌの熱電変換素子１１ｌよりも電流Ｉが大きい熱電変換素子１１ｈにより第２の素子群Ｇｈを形成し、各群の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈを、図３に示す例と同様に、互いに並列に接続する。これにより、発電時における出力特性のばらつきを電流Ｉの観点から評価し、熱電発電装置１ａを全体として効率的に動作させることが可能となる。

そして、この場合の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数ｍ、ｎの関係は、第１の素子群Ｇｌを構成する熱電変換素子１１ｌの最大出力点の電流をＩｌ_i、第２の素子群Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｈの最大出力点の電流をＩｈ_iとして、次式（４）による。
（１／２）Ｍｉｎ（Ｉｈ_i=1～_n）≦ΣＩｌ_i=1～_m≦２Ｍａｘ（Ｉｈ_i=1～_n） …（４）

他方で、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの出力特性を最大出力点の電圧Ｖにより評価する場合は、電圧Ｖが比較的小さい複数の熱電変換素子１１ｌにより第１の素子群Ｇｌを形成する一方、第１の素子群Ｇｌの熱電変換素子１１ｌよりも電圧Ｖが大きい熱電変換素子１１ｈにより第２の素子群Ｇｈを形成し、各群の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈを、図４に示す例と同様に、互いに直列に接続する。これにより、発電時における出力特性のばらつきを電圧Ｖの観点から評価し、熱電発電装置１ａを全体として効率的に動作させることが可能となる。

そして、この場合の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数ｍ、ｎの関係は、第１の素子群Ｇｌを構成する熱電変換素子１１ｌの最大出力点の電圧をＶｌ_i、第２の素子群Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｈの最大出力点の電圧Ｖｈ_iとして、次式（５）による。
（１／２）Ｍｉｎ（Ｖｈ_i=1～_n）≦ΣＶｌ_i=1～_m≦２Ｍａｘ（Ｖｈ_i=1～_n） …（５）

（他の実施形態の説明）
以上の説明では、熱電変換素子１１に形成される温度差ΔＴに、熱源に対する位置に応じたばらつきが生じた場合に、温度差ΔＴが近い熱電変換素子１１ｌ、１１ｈ同士で群を形成し、温度差ΔＴが小さい低温側の群（第１の素子群Ｇｌ）で、これを構成する熱電変換素子１１ｌの数を増やす例について説明した。

しかし、温度差ΔＴに生じたばらつきの補償は、これに限定されるものではなく、熱源に近く、温度差ΔＴが大きい高温側の群（第２の素子群Ｇｈ）で、熱電変換素子１１ｈにより形成される熱抵抗を増大させることによっても可能である。

図５は、本発明の他の実施形態に係る例として、高温領域Ｒｈと低温領域Ｒｌとで熱電変換素子１１ｌ、１１ｈにより形成される熱抵抗の大きさを異ならせた熱電発電装置１ｂの全体的な構成を示している。図１と同様に、矢印付きの太線Ｆｈは、熱源からの熱の流れを示す。

本実施形態では、高温領域Ｒｈの熱電変換素子１１ｈ（１１ｈａ、１１ｈｂ）を温度差ΔＴｈが形成される方向に重ねて配置し、熱電変換素子１１ｌ、１１ｈにより形成される熱抵抗を、高温領域Ｒｈでは比較的大きく（熱電変換素子１１ｈａ、１１ｈｂ）、低温領域Ｒｌでは高温領域Ｒｈよりも小さくする（熱電変換素子１１ｌ）。これにより、１つの熱電変換素子１１ｌ、１１ｈに形成される温度差ΔＴを高温領域Ｒｈと低温領域Ｒｌとで互いに近付け、熱源に対する位置の違いが熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの出力特性に及ぼす影響を抑制する。

具体的には、低温領域Ｒｌに設けられる複数の熱電変換素子１１ｌを温度差ΔＴｌが形成される方向に対して垂直な方向に並べて配列する一方、高温領域Ｒｈに設けられる複数の熱電変換素子１１ｈａ、１１ｈｂを、温度差ΔＴｈが形成される方向に互いに重ね合わせ、２段に分けて配列する。図５は、便宜上、上段に配列されるものを熱電変換素子１１ｈａとし、下段に配列されるものを熱電変換素子１１ｈｂとして示す。

図６は、本実施形態に係る熱電変換素子１１の結線パターンの第１の例を模式的に示している。

第１の例では、低温領域Ｒｌの熱電変換素子１１ｌを互いに並列に接続して第１の素子群（「第１の熱電変換素子群」に相当する）Ｇｌ１を形成し、高温領域Ｒｈの熱電変換素子１１ｈを互いに並列に接続して第２の素子群（「第２の熱電変換素子群」に相当する）Ｇｈａ１、Ｇｈｂ１を形成する。そして、第１の素子群Ｇｌ１と第２の素子群Ｇｈａ１、Ｇｈｂ１とを、互いに直列に接続する。

図６に示す例では、低温領域Ｒｌの４つの熱電変換素子１１ｌにより第１の素子群Ｇｌ１を形成し、高温領域Ｒｈの２つの熱電変換素子１１ｈにより第２の素子群Ｇｈａ１、Ｇｈｂ１を形成したが、それぞれの群Ｇｌ１、Ｇｈａ１、Ｇｈｂ１を構成する熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数は、これに限定されるものではなく、発電時における実際の温度差ΔＴに応じて適宜に選択することが可能である。例えば、低温領域Ｒｌにおける温度差ΔＴｌがより小さく、１つの熱電変換素子１１ｌが生じさせることのできる電流が小さい場合は、第１の素子群Ｇｌ１を構成する熱電変換素子１１ｌの数を増やして出力特性のばらつきの緩和を図ることが可能である。他方で、熱抵抗の調整により低温領域Ｒｌと高温領域Ｒｈとで１つの熱電変換素子当たりの温度差ΔＴが近くなる場合は、第１の素子群Ｇｌ１と第２の素子群Ｇｈａ１、Ｇｈｂ１とで、各群の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数を等しくする（例えば、第２の素子群Ｇｈａ１、Ｇｈｂ１を形成する熱電変換素子１１ｈの数を、夫々４つとする）ことも可能である。

図７は、本実施形態に係る熱電変換素子１１の結線パターンの第２の例を模式的に示している。

第２の例では、低温領域Ｒｌの熱電変換素子１１ｌを互いに直列に接続して第１の素子群（「第１の熱電変換素子群」に相当する）Ｇｌ２を形成し、高温領域Ｒｈの熱電変換素子１１ｈを互いに直列に接続して第２の素子群（「第２の熱電変換素子群」に相当する）Ｇｈａ２、Ｇｈｂ２を形成する。そして、第１の素子群Ｇｌ２と第２の素子群Ｇｈａ２、Ｇｈｂ２とを、互いに並列に接続する。

第１の例と同様に、低温側の第１の素子群Ｇｌ２および高温側の第２の素子群Ｇｈａ２、Ｇｈｂ２のそれぞれを構成する熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数は、図７に示す数に限定されるものではなく、発電時における実際の温度差ΔＴに応じて適宜に選択することが可能である。例えば、低温領域Ｒｌにおける温度差ΔＴｌがより小さく、１つの熱電変換素子１１ｌが生じさせることのできる電圧が小さい場合は、第１の素子群Ｇｌ２を構成する熱電変換素子１１ｌの数を増やして出力特性のばらつきの緩和を図ることが可能であり、他方で、熱抵抗の調整により低温領域Ｒｌと高温領域Ｒｈとで１つの熱電変換素子当たりの温度差ΔＴが近くなる場合は、第１の素子群Ｇｌ２と第２の素子群Ｇｈａ２、Ｇｈｂ２とで、各群の熱電変換素子１１ｌ、１１ｈの数を等しくすることも可能である。

さらに、第１および第２の例のそれぞれにおいて、高温領域Ｒｈの熱電変換素子１１ｈを重ね合わせる際の段数は、図５に示すような２段に限らず、３段以上であってもよい。例えば、高温領域Ｒｈに対する受熱量がより大きく、より大きな温度差ΔＴｈが形成される場合に、低温領域Ｒｌと高温領域Ｒｈとで１つの熱電変換素子当たりの温度差ΔＴを近付けるべく、熱電変換素子１１ｈを３段以上に分けて配列するのである。そして、第２の素子群Ｇｈの数は、熱電発電装置１ｂの要求出力に応じて適宜に選択することが可能であり、２つに限らず、１つのみであってもよいし、３つ以上であってもよい。

そして、高温側の第２の素子群Ｇｈは、同一の段に配列された熱電変換素子１１ｈ（１１ｈａ、１１ｈｂ）から選択されたものであってもよいし、異なる段に設けられた熱電変換素子１１ｈから選択されたものであってもよい。換言すれば、温度差ΔＴｈが形成される方向に重なり合う２つまたは３つ以上の熱電変換素子１１ｈ（１１ｈａ、１１ｈｂ、１１ｈｃ…）を１つの「組」として、熱電変換素子１１ｈの複数の「組」を規定し、これら複数の組のうち、同一の組または異なる組の熱電変換素子１１ｈを適宜に選択し、互いに並列または直列に接続することで、第２の素子群Ｇｈを形成することが可能である。

さらに、以上の説明では、熱源に対する位置の違いが熱電変換素子１１の出力特性に及ぼす影響を、低温側の第１の素子群Ｇｌを構成する熱電変換素子１１ｌの数を調整したり、高温側の第２の素子群Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｈを通じた熱抵抗を調整したりすることにより補償したが、この影響は、熱電発電装置の冷却部１２の構成を変更し、熱電変換素子１１に形成される温度差ΔＴの縮小を図ることによっても抑制することが可能である。

図８は、その場合の例として、本発明の更に別の実施形態に係る熱電発電装置１ｃの構成を模式的に示している。本実施形態に係る熱電発電装置１ｃは、熱源２１から排出される熱を回収し、これを電気に変換して出力する廃熱回収装置を構成する。図８は、熱源２１からの熱の流れＦｈを矢印付きの実線により示すとともに、熱電発電装置１ｃの冷却部１２を介する冷媒の流れＦｃを矢印付きの太い点線により示している。本実施形態に係る熱源２１として、車両の駆動源を構成する内燃エンジンおよび走行モータ制御用のインバータを例示することができる。

熱源２１から排出されまたは熱源２１を通過した排気は、熱源２１から延びる廃熱通路２２を介して系外に排出される。ここで、熱電発電装置１ｃを構成する第２、第３および第１の素子群Ｇｈ、Ｇｍ、Ｇｌの熱電変換素子１１ｈ、１１ｍ、１１ｌが熱源２１および廃熱通路２２の周りに、熱源２１に近い側からこの順で配置される。具体的には、熱源２１の周りに、高温側に設けられる第２の素子群Ｇｈの熱電変換素子１１ｈが配置され、廃熱通路２２のうち、熱源２１から比較的遠い側に、低温側に設けられる第１の素子群Ｇｌの熱電変換素子１１ｌが配置され、さらに、第１の素子群Ｇｌと第２の素子群Ｇｈとの間に、廃熱通路２２に沿って第３の素子群Ｇｍの熱電変換素子１１ｍが配置される。第１～第３の素子群Ｇｌ、Ｇｍ、Ｇｈのいずれの熱電変換素子１１ｌ、１１ｍ、１１ｈも、熱源２１または廃熱通路２２に対し、熱源２１からの熱をその高温側の面により受け得るように配置される。

ここで、本実施形態に係る熱電変換素子１１ｌ、１１ｍ、１１ｈの結線パターンとして、先に述べたいずれの実施形態によるものをも適用することが可能であるが、温度差ΔＴが充分に近い場合は、第１～第３の素子群Ｇｌ、Ｇｍ、Ｇｈを構成する熱電変換素子１１ｌ、１１ｍ、１１ｈを同数とすることが可能である。

これに対し、熱電発電装置１ｃの冷却部１２を介する冷媒の流れＦｃは、本実施形態では、第３の素子群Ｇｍに対応する中流域から第２の素子群Ｇｈに対応する下流域にかけて形成され、その向きが、熱源２１からの熱の流れＦｈに対向する方向に、換言すれば、熱の流れＦｈに関して下流から上流に向けて定められている。

このように、冷媒の流れる方向Ｆｃを熱源２１からの熱の流れＦｈに対向する方向に設定したことで、図９に示すように、熱電変換素子１１に形成される温度差ΔＴを、熱源２１に対する位置の違いによらず、熱電発電装置１ｃの全体に亘って均一に近付けることが可能となり、温度差ΔＴに起因する出力特性のばらつきを抑制し、熱電発電装置１ｃを全体として効率的に動作させ、廃熱の回収効率を増大させることができる。

以上の説明では、熱電変換素子１１の高温側の面に対する受熱量の違いにより温度差ΔＴにばらつきが生じたが、温度差ΔＴのばらつきは、受熱量に違いがなくとも冷却部１２による吸熱量にばらつきがあることにより生じる場合がある。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は、本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を、上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。上記実施形態に対し、特許請求の範囲に記載した事項の範囲内で様々な変更および修正が可能である。

１ａ、１ｂ、１ｃ…熱電発電装置
１１、１１ｌ、１１ｍ、１１ｈ…熱電変換素子
１２…冷却部
１３…電力変換部
２１…熱源
２２…廃熱通路
Ｒｌ…低温領域
Ｒｍ…中間領域
Ｒｈ…高温領域
Ｇｌ…第１の素子群
Ｇｍ…第３の素子群
Ｇｈ…第２の素子群

Claims (6)

1. 温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された複数の同じ熱電変換素子を有し、前記熱電変換素子が互いに並列に接続された第１の熱電変換素子群と、
   前記温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された、前記第１の熱電変換素子群よりも少ない数の同じ前記熱電変換素子を有し、前記第１の熱電変換素子群よりも高温の領域に設けられ、前記熱電変換素子が互いに並列に接続された第２の熱電変換素子群と、
   を含んで構成され、
   前記第１の熱電変換素子群と前記第２の熱電変換素子群とが、互いに直列に接続され、
   前記第１の熱電変換素子群の前記熱電変換素子は、前記第２の熱電変換素子群の前記熱電変換素子よりも、発電時に形成される温度差が小さい、
   熱電発電装置。
2. 温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された複数の同じ熱電変換素子を有し、前記熱電変換素子が互いに直列に接続された第１の熱電変換素子群と、
   前記温度差が形成される方向に対して垂直な方向に並べて配置された、前記第１の熱電変換素子群よりも少ない数の同じ前記熱電変換素子を有し、前記第１の熱電変換素子群よりも高温の領域に設けられ、前記熱電変換素子が互いに直列に接続された第２の熱電変換素子群と、
   を含んで構成され、
   前記第１の熱電変換素子群と前記第２の熱電変換素子群とが、互いに並列に接続され、
   前記第１の熱電変換素子群の前記熱電変換素子は、前記第２の熱電変換素子群の前記熱電変換素子よりも、発電時に形成される温度差が小さい、
   熱電発電装置。
3. 前記第１の熱電変換素子群の前記熱電変換素子は、前記第２の熱電変換素子群の前記熱電変換素子よりも、発電時の温度差における最大出力点の電力が小さい、
   請求項１または２に記載の熱電発電装置。
4. 前記第１の熱電変換素子群の前記熱電変換素子は、前記第２の熱電変換素子群の前記熱電変換素子よりも、発電時の温度差における最大出力点の電流が小さく、互いに並列に接続された、
   請求項１に記載の熱電発電装置。
5. 前記第１の熱電変換素子群の前記熱電変換素子は、前記第２の熱電変換素子群の前記熱電変換素子よりも、発電時の温度差における最大出力点の電圧が小さく、互いに直列に接続された、
   請求項２に記載の熱電発電装置。
6. 前記第１および第２の熱電変換素子群が夫々複数の前記熱電変換素子を含む、
   請求項１～５のいずれか一項に記載の熱電発電装置。

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