JPH08130331A

JPH08130331A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JPH08130331A
Application number: JP6266533A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Hatamiya; 重雄幡宮; Koichi Chino; 耕一千野; Mitsuo Hayashibara; 光男林原; Harumi Wakana; 晴美若菜
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-10-31
Filing date: 1994-10-31
Publication date: 1996-05-21

Abstract

(57)【要約】【目的】熱応力による熱電変換素子の破損を防いで、伝
熱管の熱を電気に変換する熱電変換装置を提供する。【構成】内部に流体が流れる伝熱管と、前記伝熱管を囲
むように配置される熱電変換素子とを備え、前記伝熱管
の外周面と、前記外周面に対向する前記熱電変換素子の
内面との間に間隙を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ゼーベック効果やペル
チェ効果などの熱電効果を有する熱電変換素子を用い
て、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電
変換装置に係り、特に伝熱管を囲むように熱電変換素子
を配置した熱電変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来は、特開平2−151087 号公報に示さ
れるように、伝熱管の外側に熱電変換素子をリング状に
交互に配置し、電気的に直列に接続させていた。

【０００３】また、「クラスターイオンビーム（ＩＣ
Ｂ）法による新型熱電材料としてのアモルファスＦｅＳ
ｉ₂薄膜の製作」第６回熱電エネルギー変換国際会議論
文集１９８６年松原、高木ら(“AMORPHOUS FeSi₂FIL
MS AS A NEW THERMOELECTRICMATERIAL PREPARED BY ION
IZED−CLUSTER BEAM (ICB) TECHNIQUE”Proc.6th Int.C
onf.Thermoelectric Energy Convers,1986 K.Matsubar
a,T.Takagi et al．)に述べられているように、リング
形の絶縁板の両面に熱電変換素子を形成し、リングの内
側と外側を電極とした熱電変換素子モジュールをパイプ
に接合していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、線膨張率の小
さいセラミックスの熱電変換素子と線膨張率の大きい金
属管とを直接に接合する、従来の熱電変換装置では、熱
応力によって、熱電変換素子が破損されることがあっ
た。熱電変換素子の破損を防ぐために、熱源の温度差を
小さくすること、および伝熱管を小型にすることによっ
て伝熱管の熱膨張を小さく抑えると、熱起電力が低下す
る。

【０００５】また、特開昭62−189774号公報に示される
ような、熱応力を減少させるために移動可能な保護板を
熱電変換素子の周囲に設けることは、適用範囲の広い円
管の伝熱管には適用できない。

【０００６】これら従来の熱電変換装置は、その構造や
使用条件によって、利用範囲が限定されていた。

【０００７】本発明の目的は、熱応力による熱電変換素
子の破損確率を低減できる、伝熱管の熱を電気に変換す
る熱電変換装置を提供することにある。

【０００８】本発明の他の目的は、熱電変換効率をより
高くできる熱電変換装置を提供することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、種々の熱源流体に適
用可能な熱電変換装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記本発明の目的を達成
する請求項１の特徴は、伝熱管と、前記伝熱管を囲むよ
うに配置される熱電変換素子とを備え、前記伝熱管の外
周面と前記熱電変換素子の内面との間に間隙を形成した
ことにある。

【００１１】上記本発明の目的を達成する請求項２の特
徴は、伝熱管と，前記伝熱管の外側を取り囲むように配
置される熱電変換素子と，隣接する熱電変換素子間に配
置された絶縁体と，隣接する前記熱変換電素子を接続す
る導電部材と，外周面から前記熱電変換素子を支持する
熱電変換素子支持手段とを備えることにある。

【００１２】上記本発明の他の目的を達成する請求項３
の特徴は、伝熱管と、前記伝熱管を囲むように配置され
る熱電変換素子とを備え、前記伝熱管の外周面と前記熱
電変換素子の内面との間に間隙を形成し、前記間隙に熱
媒体を封入したことにある。上記本発明の他の目的を達
成する請求項４の特徴は、前記熱媒体が電気的に絶縁性
物質であることにある。

【００１３】上記本発明の他の目的を達成する請求項５
の特徴は、前記間隙の半径方向における幅の増減に応じ
て前記熱媒体を前記間隙に出し入れする手段を含むこと
にある。

【００１４】上記本発明の目的を達成する請求項６の特
徴は、第一の伝熱管と，前記第一の伝熱管を取り囲む第
二の伝熱管と，第一の伝熱管と前記第二の伝熱管との間
で前記第一の伝熱管を取り囲むように配置される熱電変
換素子とを備え、前記第一の伝熱管の外周面と前記熱電
変換素子の内面との間に、第一の間隙を形成し、およ
び、前記熱電変換素子の外周面と、前記第二の伝熱管の
内面との間に、第二の間隙を形成したことにある。

【００１５】

【作用】請求項１記載の発明によれば、伝熱管内に熱源
である流体が流れ、伝熱管を囲うように配置される熱電
変換素子が伝熱管の熱を電気に変換する際、伝熱管の外
周面と、外周面に対向する熱電変換素子の内面との間に
形成された間隙において、熱膨張によって伝熱管の外周
面が移動しても、伝熱管と熱電変換素子とは接触しない
ので、熱応力による熱電変換素子の破損確率を低減でき
る。

【００１６】請求項２記載の発明によれば、伝熱管内に
熱源である流体が流れ、導電部材によって電気的に直列
に接続される熱電変換素子が、伝熱管の熱を電気に変換
する際、伝熱管の外周に固着された熱電変換素子支持手
段が、伝熱管の外周面から熱電変換素子を支持するの
で、伝熱管の外周面と、外周面に対向する熱電変換素子
の内面との間に間隙が形成され、間隙において、熱膨張
によって伝熱管の外周面が移動しても、伝熱管と熱電変
換素子とは接触しないので、熱応力による熱電変換素子
の破損確率を低減できる。

【００１７】請求項３記載の発明によれば、請求項１と
同様な作用を生じるとともに、間隙を熱媒体で満たすこ
とができ、伝熱管と熱電変換素子との間での熱伝達が増
大するので、熱電変換効率をより高くすることができ
る。

【００１８】請求項４記載の発明によれば、請求項３記
載の発明と同様の作用が得られるとともに、電気的に絶
縁性である熱媒体により、伝熱管と熱電変換素子との間
に絶縁層が形成されて絶縁性がより高まるので、熱源と
して導電性の流体を用いることができ、種々の熱源流体
に適用が可能になる。

【００１９】請求項５記載の発明によれば、請求項３記
載の発明と同様の作用が得られるとともに、伝熱管熱膨
張によって間隙の幅が狭くなった場合に、間隙の半径方
向における幅の増減に応じて熱媒体を間隙に出し入れす
る手段が、間隙からの熱媒体収容によって間隙内の圧力
上昇を防止するので、熱電変換素子の破損確率をさらに
低減でき、かつ、伝熱管の収縮によって間隙の幅が広く
なった場合に、上記の熱媒体を間隙に出し入れする手段
が、間隙に熱媒体を供給するので、伝熱管と熱電変換素
子との間での熱伝達が増大して熱電変換効率がより増大
する。

【００２０】請求項６記載の発明によれば、第一の伝熱
管内に熱源である流体が流れ、第一の伝熱管を囲むよう
に配置された熱電変換素子を囲う第二の伝熱管に熱源で
ある温度の異なる流体が流れ、熱電変換素子が温度差を
電気に変換する際、第一の伝熱管の外周面と、外周面に
対向する熱電変換素子の内面との間に形成された第一の
間隙において、熱膨張によって第一の伝熱管の外周面が
移動しても、および、熱電変換素子の外周面と、熱電変
換素子の外周面に対向する第二の伝熱管の内面との間に
形成された第二の間隙において、熱膨張によって第二の
伝熱管の内面が移動しても、第一の伝熱管および第二の
伝熱管と熱電変換素子とはそれぞれ接触しないので、熱
応力による熱電変換素子の破損確率を低減できる。

【００２１】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の実施例１に係る熱電変換装
置を図１により説明する。図１は、本実施例の熱電変換
装置の縦断面図（軸方向の断面図）である。

【００２２】本実施例の熱電変換装置は、伝熱管の内部
に高温熱源の流体を通す。

【００２３】伝熱管１０の外表面には、電気的に絶縁性
の高い物質（例えばＡl₂Ｏ₃）の薄膜１１が形成されて
いる。

【００２４】絶縁体リング３を挾んで、リング形のＮ型
素子１とリング形のＰ型素子２との内側の一部を接合し
て得られた熱電変換素子のリングを熱電素子モジュール
４と呼ぶ。Ｎ型素子１とＰ型素子２との接続部は、絶縁
体リング３と薄膜１１との間に位置する。複数の熱電素
子モジュール４は、伝熱管１０を取り囲んで伝熱管１０
の軸方向に配置される。リング状の絶縁体リング７が熱
電素子モジュール４の間に配置される。

【００２５】円環状の電極リング８は、絶縁体リング７
を介して隣合うＮ型素子１とＰ型素子２を一周に渡って
覆い、絶縁体リング７と熱電素子モジュール４との中心
軸を一致させる。隣合う熱電素子モジュール４のＮ型素
子１とＰ型素子２は、電極リング８で電気的に接続され
ている。このように電気的に接続された熱電素子モジュ
ール４の集合体の一端に位置する電極リング８がリード
線９に接続され、その他端に位置する電極リング８がリ
ード線（図示せず）に接続される。

【００２６】熱電素子モジュール４の集合体と伝熱管１
０の両端には、リング形の端板３０がそれぞれ取り付け
られる。端板３０の小径側は伝熱管１０に、大径側は電
極リング８に溶接される。端板３０の外径と内径の差、
すなわち、伝熱管１０からの高さは、熱電素子モジュー
ル４の内面から電極リング８の外面までの長さより大き
い。従って、このような構成において端板３０は、熱電
素子モジュール４を伝熱管１０から支持して間隙５を形
成する。

【００２７】伝熱管１０は通常、銅，ステンレス，アル
ミ合金等の金属である。金属の線膨張率は１.５×１０
^-5［１／Ｋ］程度の値であり、例えば３００℃の温度
上昇の場合これらの金属は熱膨張により直径が０.５％
程度増加する。伝熱管１０の半径が２０mmの場合、熱膨
張による半径の変化は０.１mm になる。しかし、熱電変
換素子の材料はケイ化鉄のようなセラミックスで、線膨
張率がごく小さいので、温度変化があっても、熱電変換
素子はほぼ同じ形を保つ。従って、本実施例は、熱電素
子モジュール４が半径方向における伝熱管１０の熱膨張
によって、破損されないように、常温でのリング形の熱
電素子モジュール４内径と伝熱管１０の外径との差、す
なわち、伝熱管１０と熱電素子モジュール４との間に形
成された間隙５の半径方向における幅を、熱膨張による
伝熱管１０の半径の変化量より大きくしている。

【００２８】間隙５は液体の熱媒体６（例えば、変圧器
に利用する絶縁油や、機械部品に利用する耐熱性の高い
潤滑油等）で満たされている。熱媒体６は端板３０に取
り付けられた熱媒体供給管３１から注入される。熱媒体
の注入後にバルブ３２が閉じられる。

【００２９】伝熱管１０の端部、すなわち端板３０と端
板３０の最も近くに位置する絶縁体リング７との間に、
容積変化装置４０、および熱媒体６の液室４３がある。
液室４３内に設けられた容積変化装置４０は、伝熱管１
０の熱膨張による間隙５の容積変化に伴う熱媒体の移動
を吸収する。容積変化装置４０は、ピストン４１および
ピストン４１を押圧するバネ４２を備える。ピストン４
１の高さは、間隙５の幅より大きい。液室４３および容
積変化装置４０は、図９に示されるのと同様に、伝熱管
１０端部の４ヵ所に設けられる。

【００３０】本実施例の伝熱管１０の内部に高温熱源の
流体を流したときの伝熱管１０の外表面の移動を図２で
説明する。図２は、図１の縦断面の一部を拡大したもの
である。

【００３１】伝熱管１０の内部に、高温の流体を流すこ
とにより、常温ではＡの位置にあった伝熱管１０の外表
面が、熱膨張によりＢの位置に移動する。しかし、熱膨
張による伝熱管１０の半径方向の変化量は、半径方向に
おける元々の間隙５の幅よりも小さいので、伝熱管１０
の外表面と熱電素子モジュール４が接触することはな
い。

【００３２】そして、間隙５内に満たされている熱媒体
６が、その伝熱管１０の外表面の外側への移動による間
隙５の容積の減少量だけ端部の液室４３に押し出され
る。この熱媒体６は、電極リング８側へピストン４１を
押して液室４３の容積を増大させる。ピストン４１の電
極リング８側への移動によって圧縮され、バネ４２がピ
ストン４１を押す力は、熱媒体６の圧力とつり合う。容
積変化装置４０は、間隙５の容積減少に伴う間隙５内の
圧力の異常上昇を防止できるので、熱媒体６による熱電
素子モジュール４への熱応力を低減できる。

【００３３】伝熱管１０内を流れる流体の温度が下がっ
て、収縮により伝熱管１０の外表面が伝熱管１０の中心
側に移動して間隙５の幅が拡大した場合は、バネ４２が
ピストン４１を伝熱管１０の中心側に押して、液室４３
内の熱媒体６を間隙５内に供給する。

【００３４】上記のように間隙５の容積が拡大しても、
容積変化装置４０により間隙５は、熱媒体６によって満
たされるので、伝熱管１０と熱電素子モジュール４との
間で伝達される熱の損失がより少なく、熱電変換効率を
より高くすることができる。伝熱管１０の内部に高温流
体が流れ、電極リング８の外側はその流体よりも温度の
低い液体に接しているので、熱電素子モジュール４の内
部において、温度勾配が生ずる。このため、熱起電力が
発生し、一端部のリード線９と他端部のリード線（図示
せず）との間に電位差が発生する。

【００３５】本実施例の熱電素子モジュール４を備えた
伝熱管１０によれば、次のような効果が得られる。

【００３６】（１）伝熱管１０と熱電素子モジュール４
との間に間隙５を設けることにより、伝熱管１０の熱膨
張による熱電素子モジュール４への熱応力を低減でき、
熱電変換素子の破損確率を著しく低減できる。

【００３７】（２）間隙５に熱媒体６を満たすことによ
り、伝熱管１０と熱電素子モジュール４との間で熱の損
失がより少なくなるので、熱電変換効率をより高くする
ことができる。

【００３８】（３）容積変化装置４０により、間隙５の
幅の拡大時においても間隙５内を熱媒体６で満たすこと
ができるので、熱電変換効率をさらに高くすることがで
きる。また、容積変化装置４０により、間隙５の容積減
少に伴う間隙５内の圧力の異常上昇を防止できるので、
熱媒体６による熱電素子モジュール４への熱応力を低減
できる。これによって、熱電変換素子の破損確率をさら
に低減できる。また、電気的に絶縁の熱媒体６を用いれ
ば、容積変化装置４０によって、常に、間隙５に熱媒体
６が満たされて、熱電素子モジュール４と伝熱管１０の
間の絶縁性がより高まり、高温熱源として導電性の流体
を伝熱管１０に流すことができる。

【００３９】（実施例２）本発明の実施例２に係る熱電
変換装置を図３により説明する。図３は、本実施例の熱
電変換装置の縦断面図である。

【００４０】本実施例は、実施例１と同様に、伝熱管１
０内に高温熱源の供給する。

【００４１】本実施例において、実施例１と同様な間隙
５が形成されるように、熱電素子モジュール４が、伝熱
管１０の外側に、小径のシールリング１６と大径の絶縁
体リング７ｂとを介して複数個並べられる。シールリン
グ１６は弾性体で、半径方向に弾性限度内で伸びること
ができる。

【００４２】実施例１と同様に、端板３０がそれぞれ設
けられる。端板３０の小径側は伝熱管１０に、大径側は
電極リング８に溶接される。

【００４３】本実施例は、端板３０と端板３０に最も近
い絶縁体リング７ｂとの間に、スプリング等の弾性体５
１からなる、長さ調節装置５０を設けている。長さ調節
装置５０は、弾性体５１が端部の絶縁体リング７ｂを押
すことにより、熱電素子モジュール４と絶縁体リング７
ｂとの接続、および熱電素子モジュール４とシールリン
グ１６との接触を保つ。

【００４４】本実施例の他の構成は、容積変化装置４０
を備えていない点を除き、実施例１と同じである。

【００４５】常温中に置かれている伝熱管１０内に、高
温熱源の流体を供給すると、実施例１と同様に、間隙５
内で熱膨張により伝熱管１０の外表面が移動するので、
伝熱管１０の外表面と熱電素子モジュール４が接触する
ことはない。

【００４６】伝熱管１０の外表面が外側に向かって移動
することによって、圧力が増加した熱媒体６がシールリ
ング１６を伝熱管１０の半径方向に押し、シールリング
１６の内径を増加させる。シールリング１６は、弾性体
である。

【００４７】伝熱管１０内の流体の温度が下がり、収縮
により伝熱管１０の外表面が内側に向かって移動して間
隙５の幅が拡大した場合は、間隙５内の圧力が低下する
ことによりシールリング１６が内側に向かって膨張する
ので、隣接する熱電素子モジュール４間に存在する熱媒
体６が、広くなった間隙５に押し出される。

【００４８】間隙５の半径方向の幅が変化しても、シー
ルリング１６の収縮または膨張により、伝熱管１０と熱
電素子モジュール４との間で伝達される熱の損失がより
少なく、熱電変換効率をより高くすることができる。

【００４９】また、伝熱管１０に高温熱源の流体を流す
と、伝熱管１０は軸方向にも熱膨張する。伝熱管１０の
軸方向の熱膨張のために、熱電素子モジュール４と端板
３０との間の距離が拡大しても、常に長さ調整装置５０
の弾性体５１が端部の絶縁体リング７ｂを常に押すの
で、熱電素子モジュール４と絶縁体リング７ｂとの接
続、および熱電素子モジュール４とシールリング１６と
の接触は保たれる。これにより、熱媒体６が間隙５から
漏洩することはない。

【００５０】そして、実施例１と同様に、熱電素子モジ
ュール４の内部に熱起電力が生じ、一端部のリード線９
と他端部のリード線（図示せず）との間に電位差が発生
する。

【００５１】本実施例によれば、実施例１の効果（１）
および（２）と同様の効果を得られるとともに、次の効
果が得られる。

【００５２】（１）シールリング１６によって、常に間
隙５に熱媒体６で満たすことができるので、熱電変換効
率をより高くすることができる。

【００５３】（２）長さ調節装置５０が、熱電素子モジ
ュール４と絶縁体リング７ｂとの接続を保ち、熱媒体６
を間隙５からの漏洩を防止するので、常に間隙５に熱媒
体６が満たされ、熱電変換効率をより高くすることがで
きる。

【００５４】（実施例３）本発明の実施例３に係る熱電
変換装置を図４および図５により説明する。

【００５５】本実施例は、実施例１と同様に、伝熱管１
０の内部に高温熱源の流体を供給する。

【００５６】本実施例において、複数の熱電素子モジュ
ール４は、実施例２と同様に、伝熱管１０との間に間隙
５を形成するように伝熱管１０の外側に配置される。小
径のシールリング１６ｂと大径の絶縁体リング７ｂとが
隣接する熱電素子モジュール４間に配置される。

【００５７】本実施例の熱電素子モジュール４は、一端
面でシールリング１６ｂと接触する部分を削りとってな
る傾斜面を有する。シールリング１６ｂは弾性体であ
る。半径方向に弾性限度内で伸びることができる。シー
ルリング１６ｂは、内側に、伝熱管１０と接する６個の
突起をもつ。この突起は、３個以上あれば良い。

【００５８】本実施例は、傾斜面を有する熱電素子モジ
ュール４およびシールリング１６ｂを除いて、実施例２
と同じ構成である。

【００５９】常温中に置かれている伝熱管１０に、高温
熱源の流体を流すと、伝熱管１０の外表面が熱膨張によ
り移動する。しかし、実施例１と同様に、間隙５内で外
表面が移動するので、伝熱管１０の外表面と熱電素子モ
ジュール４が接触することはない。

【００６０】伝熱管１０の外表面の移動によって、熱媒
体６がシールリング１６ｂを半径方向に押し、シールリ
ング１６ｂの直径を増加させる。実施例２のシールリン
グ１６と同様に、シールリング１６ｂは、弾性力で熱媒
体６を押してつり合う。

【００６１】伝熱管１０の内部の流体の温度が下がり、
収縮により伝熱管１０の外表面が移動して間隙５の幅が
拡大した場合、シールリング１６ｂは、熱媒体６を押し
出して、拡大した間隙５に供給するとともに、シールリ
ング１６ｂの突起が伝熱管１０を押して、間隙５を周方
向に一定に保つ。

【００６２】シールリング１６ｂにより、間隙５の幅が
変化しても、常に熱媒体６が満たされるので、伝熱管１
０の外表面の熱が熱電素子モジュール４の内側面に効率
よく伝わる。

【００６３】また、伝熱管１０は軸方向に熱膨張した場
合、実施例２と同様に、長さ調節装置５０が熱電素子モ
ジュール４を押して、熱電素子モジュール４の集合体の
形状を保つ。

【００６４】そして、熱電素子モジュール４の内部に温
度勾配が生じると、実施例１と同様に、熱起電力を生
じ、一端部のリード線９と他端部のリード線（図示せ
ず）との間に電位差が発生する。

【００６５】本実施例によれば、実施例１の（１),
（２）および実施例２の（２）と同様の効果を得られる
とともに、次の効果が得られる。

【００６６】（１）シールリング１６ｂにより、実施例
２の効果（１）と同様の効果を得られるとともに、突起
により間隙５の幅を周方向に一定に保つので、伝熱管１
０と熱電素子モジュール４との非接触を保って、熱電変
換素子の破損確率をさらに低減することができる。さら
に、伝熱管１０の外表面から熱電素子モジュール４へ、
熱の伝導が周方向に一様となり、熱電変換効率をより高
くできる。

【００６７】（実施例４）本発明の実施例４に係る熱電
変換装置を図６，図７および図８により説明する。

【００６８】本実施例の熱電変換装置は、二重円管の環
状部分に熱電素子モジュール４を組み込んだもので、内
側の伝熱管の内部に高温熱源の流体を、外側の伝熱管の
内部に低温熱源の流体を供給して用いる。

【００６９】本実施例は、実施例１と同様に、絶縁性の
薄膜１１が外面に形成された伝熱管１０を中心にして、
伝熱管１０との間に間隙５ａを形成するように、熱電素
子モジュール４が、軸方向に絶縁体リング７を介して複
数個並べられる。実施例１と同様に、隣合う熱電素子モ
ジュール４のが電極リング８で電気的に直列に接続され
る。一端部の電極リング８にリード線９が接続され、他
端部の電極リング８にリード線（図示せず）が接続され
る。

【００７０】絶縁性の薄膜２１を内面に設けた伝熱管２
０が、熱電素子モジュール４の集合体を取り囲むように
設けられる。熱電素子モジュール４と伝熱管２０との間
に、間隙５ａと同様の間隙５ｂが形成される。

【００７１】熱電素子モジュール４の一端部には、実施
例１と同様に、伝熱管１０の半径方向の熱膨張による液
体の熱媒体６の移動を吸収する容積変化装置４０が、お
よび他端部には、実施例２と同様に、軸方向の熱膨張を
吸収する長さ調節装置５０が備えられる。長さ調節装置
５０の弾性体５１は、図１０に示すように、一周に渡る
リング状である。一端の端板３０と絶縁リング７との間
に設けられた弾性体５１は、端板３０と絶縁リング７に
密着して、間隙５ａと間隙５ｂを独立に保つ。

【００７２】熱電素子モジュール４の集合体と、伝熱管
１０および伝熱管２０との両端には、リング形の端板３
０がそれぞれ取り付けられる。端板３０の小径側は伝熱
管１０に、大径側は伝熱管２０に接合される。

【００７３】間隙５ａおよび間隙５ｂは、独立して、そ
れぞれ、一端の容積変化装置４０と、他端の長さ調節装
置５０とに接続している。これらの間隙５ａ，５ｂ内に
は、それぞれ液体である熱媒体６が満たされる。熱媒体
６は端板３０に設けられた供給管３１，３１Ａから注入
される。熱媒体６を注入後、バルブ３２，３２Ａはそれ
ぞれ閉じられる。

【００７４】本実施例の熱電変換装置をシエルアンドチ
ューブ型の熱交換器の伝熱管として複数本を並列に組み
合わせて利用する、あるいは単位長さに製作した本実施
例の熱電変換装置を複数本直列に接続して利用すること
も可能である。本実施例の熱電変換装置を直列に接続す
る場合は、例えば端板３０をフランジ状あるいは接続継
手状の端板に替えるとよい。

【００７５】伝熱管１０の内部に高温の流体を、伝熱管
２０の内部にノズル２２から低温の流体をそれぞれ流
す。

【００７６】熱膨張により、伝熱管１０の外表面が移動
しても、実施例１と同様に、間隙５ａ内でその外表面が
移動するので、伝熱管１０の外表面と熱電素子モジュー
ル４が接触することはない。同様にして、熱膨張により
伝熱管２０の内面が移動しても、間隙５ｂ内でその内面
が移動するので、伝熱管２０の内面と熱電素子モジュー
ル４が接触することはない。

【００７７】実施例１と同様に、間隙５ａ，５ｂの大き
さが変化しても、容積変化装置40ａ，４０ｂにより、常
に熱媒体６がそれらの間隙内に満たされる。

【００７８】また、伝熱管１０は軸方向に熱膨張した場
合、実施例２と同様に、長さ調整装置５０の弾性体５１
が端部の絶縁体リング７を押すことにより、熱電素子モ
ジュール４と絶縁体リング７ｂとの接続を保ち、熱媒体
６を間隙５からの漏洩を防止するので、常に間隙５に熱
媒体６が満たされ、熱電変換効率をより高くすることが
できる。長さ調節装置５０の弾性体５１は、一周に渡っ
て連続なリング形であり、一端の熱電素子モジュール４
に沿って設けられ、間隙５ａと間隙５ｂを独立に保つ。

【００７９】そして、熱電素子モジュール４の内部に温
度勾配が生じると、実施例１と同様に、熱起電力を生
じ、一端部のリード線９と他端部のリード線（図示せ
ず）との間に電位差が発生する。

【００８０】本実施例によれば、実施例１の効果（１),
（２),（３）および実施例２の(２)と同様の効果を得ら
れるとともに、次の効果が得られる。

【００８１】（１）二つの伝熱管１０，２０を通る熱源
流体の温度差を大きくすれば、熱電素子モジュール４の
内部の温度勾配を大きくできるので、発生する熱起電力
をより大きく、かつ熱変換効率をより高くできる。

【００８２】また、図１１に示すように、本実施例の伝
熱管に設けられる各端板３０に供給管３１，３１Ａをそ
れぞれ設け、供給管３１，３１Ａを外部に設けられた液
供給装置（図示せず）に接続すれば、使用条件に適する
熱媒体６を交換することができる。

【００８３】（実施例５）本発明の実施例５に係る熱電
変換装置を図１２により説明する。

【００８４】本実施例の熱電変換装置は、外部を熱電変
換装置に直交して高温熱源の気体が流れ、伝熱管１０内
を低温流体が流れ、電極リング８の外側を、高温の気体
が低温流体の流れる方向と直行する方向に流れる。

【００８５】本実施例は、実施例２における電極リング
８の外側にフィン１８を設けたものである。本実施例の
他の構成は、実施例２と同じである。

【００８６】一般に、気体の熱伝達率は液体の熱伝達率
より小さい、すなわち熱抵抗が大きいので、高温熱源の
気体から熱電素子モジュール４への熱伝導は小さい。そ
こで、気体側の電極リング８に熱回収用のフィン１８を
設け、熱電素子モジュール４の外側の有効伝熱面積を大
きくする。高温熱源の気体から熱電素子モジュール４へ
の熱伝導がフィン１８の作用により大きくなる。従っ
て、熱電素子モジュール４の内部の温度勾配が大きくな
るので、熱電素子モジュール４はより大きな熱起電力を
生じ、熱変換効率をより高くできる。

【００８７】本実施例によれば、実施例１の効果（１),
（２),（３）と同様の効果を得られるとともに、次の効
果が得られる。

【００８８】（１）フィン１８により、熱抵抗が大きい
高温熱源の気体からの熱伝導を増大することができるの
で、熱変換効率をより高くできる。

【００８９】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、熱応力に
よる熱電変換素子の破損確率を低減することができる。

【００９０】請求項２記載の発明によれば、熱応力によ
る熱電変換素子の破損確率をより低減することができ
る。

【００９１】請求項３記載の発明によれば、熱応力によ
る熱電変換素子の破損を防ぐことができるとともに、熱
電変換効率をより高くすることができる。

【００９２】請求項４記載の発明によれば、請求項３記
載の発明と同様の効果が得られるとともに、種々の熱源
流体に適用可能である。

【００９３】請求項５記載の発明によれば、請求項３記
載の発明と同様の効果が得られるとともに、熱応力によ
る熱電変換素子の破損確率をより低減でき、かつ、熱電
変換効率をより高くすることができる。

【００９４】請求項６記載の発明によれば、熱応力によ
る熱電変換素子の破損確率を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好適な一実施例である、熱電変換装置
の半径方向の断面図である。

【図２】図１の伝熱管１０の半径方向での移動を示す説
明図である。

【図３】本発明の他の実施例の半径方向の断面図であ
る。

【図４】図３のＶ−Ｖ断面図である。

【図５】本発明の他の実施例の半径方向の断面図であ
る。

【図６】本発明の他の実施例の半径方向の断面図であ
る。

【図７】図６の熱電発電装置の斜視図である。

【図８】図６の熱電発電装置の局部拡大図である。

【図９】図８のIX−IX断面図である。

【図１０】図８のＸ−Ｘ断面図である。

【図１１】本発明の他の実施例の半径方向の断面図であ
る。

【図１２】本発明の他の実施例の半径方向の断面図であ
る。

【符号の説明】

１…Ｎ型素子、２…Ｐ型素子、３，７，７ｂ…絶縁体リ
ング、４…熱電素子モジュール、５，５ａ，５ｂ…空
隙、６，６ａ，６ｂ…液体熱媒体、８…電極リング、９
…リード線、１０，２０…伝熱管、１１，２１…絶縁用
薄膜、１５…フィン、１６，１６ｂ…シールリング、２
２…ノズル、３０…端板、３１，３１Ａ…熱媒体供給
管、３２…バルブ、４０，４０ａ，４０ｂ…容積変化装
置、４１…ピストン、４２…バネ、４３…液室、５０…
長さ調節装置、５１…弾性体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者若菜晴美茨城県日立市大みか町七丁目２番１号株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に流体が流れる伝熱管と，前記伝熱管
を囲むように配置される熱電変換素子とを備え、前記伝
熱管の外周面と，前記外周面に対向する前記熱電変換素
子の内面との間に間隙を形成したことを特徴とする熱電
変換装置。
【請求項２】内部に流体が流れる伝熱管と，前記伝熱管
の外側を取り囲むように配置される熱電変換素子と，隣
接する熱電変換素子間に配置された絶縁体と，隣接する
前記熱電変換素子を接続する導電部材と，前記伝熱管の
外周面に固着され、前記外周面から前記熱電変換素子を
支持する熱電変換素子支持手段とを備えることを特徴と
する熱電変換装置。
【請求項３】内部に流体が流れる伝熱管と，前記伝熱管
を囲むように配置される熱電変換素子とを備え、前記伝
熱管の外周面と，前記外周面に対向する前記熱電変換素
子の内面との間に間隙を形成し、前記間隙に熱媒体を封
入したことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項４】前記熱媒体が電気的に絶縁性物質である請
求項３の熱電変換装置。
【請求項５】前記間隙の半径方向における幅の増減に応
じて前記熱媒体を前記間隙に出し入れする手段を含む請
求項３の熱電変換装置。
【請求項６】内部に流体が流れる第一の伝熱管と，前記
第一の伝熱管を取り囲み外周面が前記流体と温度の異な
る流体に接する第二の伝熱管と，第一の伝熱管と前記第
二の伝熱管との間で前記第一の伝熱管を取り囲むように
配置される熱電変換素子とを備え、前記第一の伝熱管の
外周面と前記熱電変換素子の内面との間に、第一の間隙
を形成し、および、前記熱電変換素子の外周面と，前記
第二の伝熱管の内面との間に、第二の間隙を形成したこ
とを特徴とする熱電変換装置。