JP2000232244A

JP2000232244A - 熱電発電装置

Info

Publication number: JP2000232244A
Application number: JP11031708A
Authority: JP
Inventors: Keiko Kushibiki; 引圭子櫛; Kazuhiko Shinohara; 原和彦篠; Masakazu Kobayashi; 林正和小; Kenji Furuya; 谷健司古
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-02-09
Filing date: 1999-02-09
Publication date: 2000-08-22

Abstract

(57)【要約】【課題】集熱側部材から熱電素子まで、および／また
は、熱電素子から冷却側部材まで、熱伝達効率をより一
層向上させることにより、熱電素子の両端にかかる温度
差を大きくとることができ、発電出力がより一層大きい
熱電発電装置を提供する。【解決手段】複数の熱電素子が両端面の電極を介し電
気的に接続されている熱電変換モジュール３１が金属か
らなる集熱側部材２と冷却側部材３との間に複数配置さ
れた熱電発電装置１において、前記熱電変換モジュール
３１の端面の電極表面に絶縁層が形成されていると共
に、前記熱電変換モジュール３１の端面の電極表面に形
成されている絶縁層が前記集熱側部材２および冷却側部
材３の表面にそれぞれ高温端側軟金属層４および低温端
側軟金属層５を介して圧着されているものとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、従来捨て
られていた内燃機関等の駆動装置から排出される排ガス
や焼却炉等の燃焼設備から排出される排ガスのもつ熱エ
ネルギーを電気エネルギーに変換して回収するのに好適
な熱電発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、高温の排ガスを排出する自動車や
工場などでは、エンジンや炉などから排出される排ガス
のもつ熱エネルギーを回収して電力に変換するために、
例えば、特開昭６３−２６２０７５号公報に開示されて
いる排熱発電装置が用いられることがある。

【０００３】図１１は、上記特開昭６３−２６２０７５
号公報に開示されている排熱発電装置を示すものであっ
て、この排熱発電装置４１では、自動車のエンジンから
排出される排ガスが流れる排気管４２に箱形状の吸熱筒
４３が取りつけられ、この吸熱筒４３には対向する平面
が形成されたものとしていて、これらの平面には複数の
熱電変換モジュール４４が対向して配置されており、各
熱電変換モジュール４４の高温端面と吸熱筒４３の平面
とが密着されたものとしている。

【０００４】そして、熱電変換モジュール４４の低温端
面と水冷ジャケット４５とが対向して配置されていて、
この熱電変換モジュール４４の低温端面と水冷ジャケッ
ト４５の冷却面とが密着されているものとしている。

【０００５】上記した構造の排熱発電装置４１では、排
気管４２において矢印Ａ方向から流入した排気ガスがも
つ高温の排熱が吸熱筒４３の平面を介して熱電変換モジ
ュール４４の高温端面に伝達される。また同時に、熱電
変換モジュール４４の低温端面は冷却水給・排管４６を
通して水冷ジャケット４５内を還流する冷却水により冷
却される。そして、熱電変換モジュール４４の高温端面
と低温端面との間に生じた温度勾配に応じてゼーベック
効果による熱起電力が発生して発電され、導電線４７、
電圧調整器および電流逆流防止器４８、電力計４９等を
介して蓄電器５０に蓄えられる。

【０００６】一般的に、熱電変換モジュールは、複数の
ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に配列され、各熱
電素子の両端において隣接する熱電素子と電極を介して
電気的に接続され、さらには、電極表面に絶縁板あるい
は絶縁層が形成された構成をとる。

【０００７】そして、このように、複数の熱電素子を電
気的に接続すると共に端面が絶縁処理された熱電変換モ
ジュールを一旦形成した後、集熱側部材である排気管４
２と冷却側部材である水冷ジャケット４５との間に前記
熱電変換モジュール４４を複数設置することにより、熱
電素子間の電気的接続を確実にとりながら、多数の熱電
素子を簡便に設置して熱電発電装置として機能すること
ができる特長がある。

【０００８】一方、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装
置は、比較的使用温度が低く、モジュール設置数が１つ
あるいは少数である。そして、吸熱側部材と放熱側部材
と熱電変換モジュールとの間の絶縁層材料として、アル
ミナ（酸化アルミニウム）基板や窒化アルミニウム基板
や放熱グリース、シリコンゴムシート等を設置する構成
としたものが知られている。

【０００９】さらに、吸熱側部材と放熱側部材と熱電変
換モジュールとの間での熱交換効率を向上させるため
に、例えば、特開平８−８４６５号公報や特開平８−２
０２３７号公報に開示された技術がある。このうち、特
開平８−８４６５号公報に開示された技術では、吸熱側
部材と放熱側部材の表面にシロキサン結合を有する有機
けい素化合物の硬化物からなる厚さ０．１〜１００μｍ
の絶縁層を形成し、この絶縁層を介して熱電素子端面の
電極を吸熱側部材と放熱側部材に接触させる構成として
いる。そして、この構成によれば、熱伝導率を向上させ
る無機微粒子を混在させることが容易で、クラックや細
孔の発生が少ないため、熱伝導度の良好な絶縁層を形成
することができるという特徴がある。

【００１０】また、特開平８−２０２３７号公報に開示
された技術では、電極が形成された熱電素子を絶縁基板
である酸化膜を形成したシリコンウエハではさみ、この
シリコンウエハを冷却側部材であるアルミニウム板に設
置するものである。そして、この技術によれば、シリコ
ンウエハ上の酸化膜は、クラックや細孔の発生が少ない
ため、熱伝導度の良好な絶縁層を形成することができる
という特徴がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】絶縁処理を行った熱電
変換モジュールを金属からなる集熱側部材に接触させて
設置した構成の排熱発電装置や、絶縁処理を行った集熱
側部材に熱電変換モジュールを接触させて設置した構成
の排熱発電装置においては、排ガスのもつ熱エネルギー
は、集熱側部材の金属層から、集熱側部材の表面あるい
は熱電変換モジュールの高温端表面の絶縁層、高温端電
極層、さらに電極層と熱電素子を電気的に接合する接合
層を介して熱電素子に伝達される。

【００１２】一般的に、界面に接着層や化学反応を伴う
接合層が形成されている場合に比較して、接触面では、
熱伝達効率が１桁以上低下してしまう。したがって、上
記の構成では、集熱側部材とモジュール端面の絶縁層の
間か、あるいは、集熱側部材の表面の絶縁層と熱電変換
モジュールの電極の間のどちらか一方は、少なくとも接
触する構成となるが、この場合の接触箇所は、絶縁層で
あるセラミックスと耐熱性の良い硬い金属の接触となる
ため、接触界面の熱伝達効率はさらに低下するという問
題があった。

【００１３】この接触面の熱抵抗を小さくするため、集
熱側部材の表面を鏡面研磨して表面粗さを小さくするこ
とが考えられるが、特に、管形状をなす集熱側部材の表
面を十分かつ均質な表面粗さに研磨することは困難であ
る。

【００１４】また、熱電変換モジュールと集熱側部材を
ろう付けなどにより接着あるいは接合する方法は、接合
部の熱抵抗を飛躍的に減少させることができるが、多数
の熱電変換モジュールを設置する大型の排気管では、均
質に加熱処理することのできる大型で高性能の設備の調
達が困難であるという問題がある。

【００１５】さらにまた、この接着・接合工程に伴う高
温や熱衝撃により、熱電変換モジュール内部の熱電素子
の割れや熱電素子と電極との接合箇所の剥離などを発生
させず、集熱側部材が６００℃以上に達する排熱発電装
置の使用時に対する耐久性がある接着・接合条件を制御
することが困難であるという問題があった。

【００１６】さらにまた、集熱側部材から冷却側部材ま
での構成部材のすべての界面を接着あるいは接合した場
合は、集熱側部材と冷却側部材の温度差に起因する熱歪
みが、脆性の大きい熱電変換モジュール中の熱電素子近
傍にかかることになるため、熱電素子が割れるなどして
断線してしまい、熱電発電装置が十分に機能しなくなる
という問題があった。

【００１７】さらにまた、特開平８−８４６５号公報に
開示されたシロキサン結合を有する有機けい素化合物の
硬化物は、集熱側部材が６００℃以上に上昇する場合が
ある排熱発電装置の集熱側部材の絶縁処理層としては、
耐熱性が不足するという問題があった。

【００１８】さらにまた、放熱グリースやシリコンゴム
材は、絶縁性で接着層としての効果があるため、集熱側
部材から電極層までの間の接着界面の熱伝導効率は改善
されるものの、排熱発電用の高温側絶縁層としては耐熱
性が不足するという問題がある。

【００１９】他方、特開平８−２０２３７号公報に開示
された技術では、電極が形成された熱電素子を絶縁基板
である酸化膜を形成したシリコンウエハではさみ、シリ
コンウエハを冷却側部材であるアルミニウム板に設置す
るものとしているが、この構成では、絶縁層自体の熱伝
導特性は向上するものの、集熱側部材や冷却側部材と絶
縁層の間にシリコンウエハ層を余分に設置することとな
るため、集熱側部材から熱電素子までの構成層数が増加
してしまうこととなり、熱電素子への伝達熱量は増加し
ないという問題がある。また、多数の熱電モジュールを
設置した大型の排熱発電装置においては、熱電変換モジ
ュールを組み付ける圧力が大きいため、シリコンウエハ
のような脆い板材を使用すると、モジュールの組み付け
工程で割れてしまうことがあるという問題がある。

【００２０】

【発明の目的】本発明は、かかる従来の問題点を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、集
熱側部材から熱電素子まであるいは熱電素子から冷却側
部材までの熱伝達効率をより一層向上させることによ
り、熱電素子の両端にかかる温度差を大きくとることが
でき、発電出力がより一層大きい熱電発電装置を提供す
ることにある。

【００２１】本発明のさらなる目的とするところは、内
燃機関や焼却炉から排出される排気ガスの持つ熱エネル
ギーを電気エネルギーに変換する排熱発電装置のよう
な、集熱側部材と冷却側部材の温度差が大きい熱電発電
装置においても、熱電変換モジュール部分の断線が生じ
ることによる発電機能の低下が起こりにくい構成をもつ
耐熱性・耐熱衝撃性がより一層向上した信頼性の高い熱
電発電装置を提供することにある。

【００２２】本発明のさらなる目的とするところは、多
数の熱電素子の設置作業が容易で、大型の熱電発電装置
を大量生産に適した方法で製造することを可能にした構
成をもつ熱電発電装置を提供することにある。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱電発電
装置は、請求項１に記載しているように、複数の熱電素
子が両端面の電極を介し電気的に接続されている熱電変
換モジュールが金属からなる集熱側部材と冷却側部材と
の間に複数配置された熱電発電装置において、前記熱電
変換モジュール端面の電極表面に絶縁層が形成されてい
ると共に、前記熱電変換モジュール端面の電極表面に形
成されている絶縁層が前記集熱側部材および冷却側部材
のうち少なくとも一方の表面に軟金属層を介して圧着さ
れているものとしたことを特徴としている。

【００２４】そして、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項２に記載しているように、熱
電変換モジュール端面の電極表面に形成されている絶縁
層と集熱側部材および冷却側部材のうち少なくとも一方
の表面との間に介在される軟金属層が、Ｐｂ，Ｉｎ，Ｚ
ｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌあるいはこれらの金
属を主成分とする合金のうちから選ばれる少なくとも１
種類からなるものとしたことを特徴としている。

【００２５】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項３に記載しているように、熱
電変換モジュールは、複数の熱電素子が並べて配置され
ていていると共に熱電素子の端面に形成した電極表面に
板状（厚さ０．０５〜５ｍｍ程度のフィルム状である場
合をも含む。）絶縁層が形成されているものとしたこと
を特徴としている。

【００２６】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項４に記載しているように、熱
電変換モジュールは、複数の熱電素子が並べて配置され
ていて隣接する熱電素子間の側面には断熱絶縁材が設け
られていると共に熱電素子の端面に形成した電極表面に
膜状絶縁層が形成されているものとしたことを特徴とし
ている。

【００２７】同じく、本発明に係わる熱電変換モジュー
ルの実施態様においては、請求項５に記載しているよう
に、金属からなる集熱側部材はステンレス鋼系金属から
なりかつ高温の排気を流すことができる排気管形状をな
すと共に排気管形状の内側には集熱フィンや集熱用仕切
り板などの集熱補助部材が形成されており、金属からな
る冷却側部材はアルミニウムあるいはアルミニウムを主
成分とする合金からなりかつ内部に間隔を置いて前記排
気管形状物を収容する冷却ジャケット形状をなしてい
て、熱電変換モジュールの高温端面および低温端面がそ
れぞれ前記排気管形状をなす集熱側部材の外側表面と前
記冷却ジャケット形状をなす冷却側部材の内側表面との
間に密着して設置されているものとしたことを特徴とし
ている。

【００２８】

【発明の作用】本発明に係わる熱電発電装置では、複数
の熱電素子が両端面の電極を介し電気的に接続されてい
る熱電変換モジュールが金属からなる集熱側部材と冷却
側部材との間に複数配置された熱電発電装置において、
前記熱電変換モジュール端面の電極表面に絶縁層が形成
されていると共に、前記熱電変換モジュール端面の電極
表面に形成されている絶縁層が前記集熱側部材および冷
却側部材のうち少なくとも一方の表面に軟金属層を介し
て圧着されているものとしているので、熱源からの熱エ
ネルギーは集熱側部材を通して熱電素子の高温端部に伝
熱され、熱電素子部分を通過する一部の熱エネルギーが
電気エネルギーに変換されて取り出される。そして、変
換されなかった熱エネルギーは、熱電素子の低温端部か
ら冷却側部材へと伝熱される。

【００２９】本発明では、集熱側部材、冷却側部材、絶
縁層、電極層、熱電素子端部が配置されているものとし
た構成の中で、金属からなる集熱側部材および冷却側部
材のうち少なくとも一方の表面と熱電変換モジュール端
面の電極表面に形成されている絶縁層との間に、軟金属
層が挿入されているものとしたことを特徴としており、
この軟金属層は、集熱側部材と冷却側部材との間に圧力
をかけて熱電変換モジュールを挟持した場合に変形して
密着することによって、集熱側部材や冷却側部材表面の
微細な凹凸と熱電変換モジュール端面に形成した絶縁層
表面の微細な凹凸とが埋まるため、接触面積が増加して
熱伝達効率がより一層向上するものとなる。

【００３０】この軟金属層としては、Ｐｂ，Ｉｎ，Ｚ
ｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌあるいはこれらの金
属を主成分とする合金のうちから選ばれる少なくとも１
種類からなるものとすることが可能であり、軟金属層と
して使用することのできる軟金属は、集熱側部材や冷却
側部材の使用時の温度、熱電変換モジュールを挟持する
圧力、熱電変換モジュールの端面面積、集熱側部材や冷
却側部材の表面粗さ、熱電変換モジュール端面に形成し
た絶縁層の表面粗さなどに依存する。そして、熱電変換
モジュールを挟持する際の圧力が高いほど、軟金属層は
変形し、熱伝達効率は向上するが、これら以外の金属を
用いた場合は、効果を得るために必要な圧力が高くなり
すぎることから、熱電変換モジュールを構成する熱電素
子に割れや亀裂が入ってしまう問題が生じることもあり
うる。

【００３１】数百以上の熱電変換モジュールが設置され
る熱電発電装置において、発電出力を大きくするために
は、熱電変換モジュールを均等の圧力で挟持することが
重要になる。しかし、モジュールの端面が設置される集
熱側部材や冷却側部材の面積が大きくなり、さらに集熱
側部材がより高温になると、集熱側部材と冷却側部材と
の間隔を一定に保持した熱電発電装置を製造することは
極めて困難であり、熱電変換モジュールの高さのばらつ
きも問題となる。

【００３２】その場合に、本発明で用いることとした軟
金属層は、表面の微細な凹凸を埋めることにより、各熱
電変換モジュールへの熱伝達効率を改善する第一の作用
・効果だけでなく、発電装置各部材の加工精度のばらつ
きを補正しないしは吸収して隙間を埋めることにより、
多数の熱電変換モジュールの熱伝達効率のばらつきを抑
制する第二の作用・効果もある。

【００３３】そのため、本発明に使用される軟金属層の
厚さは、１０μｍ〜５ｍｍとすることが好ましく、熱電
発電装置の形状ないしは構造や、集熱側部材の温度や熱
膨脹係数などにも依存するが、１０μｍより薄い場合
は、上記第二の作用・効果を発揮することができがたい
傾向となるため、熱伝達効率の改善効果が認められない
可能性がある。また、軟金属の種類にも依存するが、５
ｍｍより厚い場合は、軟金属自体が熱抵抗となるため、
熱電素子の熱伝導効率が十分に改善されない可能性もで
てくる。

【００３４】本発明で用いる軟金属層の厚さは、熱電発
電装置内のすべてにおいて同一厚さのものとすることも
できるが、厚さを変化させたものとすることもできる。
例えば、集熱側部材に温度分布がある場合に、その温度
分布に依存して厚さを変化させたものとすることもでき
るし、また、熱電変換モジュールの設置圧力分布に依存
して厚さを変化させたものとすることもできる。

【００３５】本発明に係わる熱電発電装置において、熱
電変換モジュールは複数個の熱電素子が並べて配置され
ているものとすることができ、この場合に、隣接する熱
電素子の側面には間隔があいたままの状態のものとする
ことができるが、そのほか例えば、熱電素子間の側面の
間隔内には枠状，板状ないしは充填状の断熱絶縁材が設
けられていると共に熱電素子の端面に形成した電極表面
に膜状絶縁層が形成されているものとすることができ
る。

【００３６】一般的に、冷却装置用の熱電変換モジュー
ルとして市販されているものは、熱電素子間の側面の空
隙には何も充填されていない構成となっており、モジュ
ールの形状は熱電素子両端の電極上に形成されている絶
縁性の基板により保持されている。これに対し、本発明
の熱電発電装置に使用できる熱電変換モジュールは、少
なくとも２個以上の熱電素子が並べて配置され、隣接す
る熱電素子間の側面には、必要に応じて、断熱性でかつ
電気的絶縁性の断熱絶縁材が設けられていると共に、熱
電素子の両端面には熱電素子同士を電気的に接続する電
極が形成され、集熱側部材および冷却側部材のうち少な
くとも一方の表面に軟金属層を介して圧着されているも
のである。

【００３７】そして、熱電素子の側面に設けられる断熱
絶縁材としては、ハニカム状の配列をした貫通孔を有す
るセラミックス製やガラス製の枠材で、貫通孔に熱電素
子が挿入されていたり、貫通孔内部に接着されていたり
する構成のものが使用できる。

【００３８】あるいは、熱電素子の側面をガラス性の接
着材で接着したり、隣接する熱電素子の側面間に絶縁性
の充填材を注入して固化するなどしたものを使用するこ
ともできる。

【００３９】本発明で用いる熱電変換モジュールは、熱
電素子側面間の断熱絶縁材の形成工程と熱電素子端面の
電極形成工程の順序に依存するものではない。さらに、
本発明の熱電発電装置に使用される熱電変換モジュール
としては熱電素子の両端に形成された電極の表面に膜状
絶縁層（絶縁性皮膜）が形成されているものを使用する
ことができる。この膜状絶縁層の形成に際しては、熱電
変換モジュール端面の電極の表面に直接セラミックス原
料粉を溶射して成膜する方法や、セラミックス原料粉を
含む溶材や溶融ガラス材を塗布、熱処理して成膜する方
法を採用することができる。また、片面で絶縁処理が施
された電極板を熱電素子端面に接合する方法で形成する
こともできる。

【００４０】本発明の熱電発電装置に使用される熱電変
換モジュールの板状，フィルム状ないしは膜の絶縁層
は、従来例の絶縁性基板の様に、モジュールの形状や強
度を保持する機能を有する必要はない。そして、熱電素
子端面と電極と絶縁層がそれぞれ接合あるいは接着され
た状態に形成した後、絶縁層表面を研磨して、モジュー
ル高さ精度を向上させるとともに、表面の平面性および
平滑性を向上させたものとすることができる。

【００４１】本発明による熱電発電装置において金属か
らなる集熱側部材は、ＳＵＳ系金属からなりかつ高温の
排気を流すことができる排気管形状をなすと共に、排気
管形状の内側には集熱フィンや集熱用仕切り板などの集
熱補助部材が形成されているものとすることができ、ま
た、金属からなる冷却側部材は、アルミニウムあるいは
アルミニウムを主成分とする合金からなりかつ内部に間
隔を置いて前記排気管形状物を収容する冷却ジャケット
形状をなしているものとすることができ、熱電変換モジ
ュールの高温端面および低温端面がそれぞれ前記排気管
形状をなす集熱側部材の外側表面と前記冷却ジャケット
形状をなす冷却側部材の内側表面との間に密着されて設
置されているものとすることができる。

【００４２】自動車エンジンやその他内燃機関の燃焼排
気、あるいは、廃棄物などの燃焼排気を流す排気管の周
囲に冷却ジャケットが設置されているものとし、例え
ば、２分割以上されている冷却ジャケットの内側表面と
排気管の外側表面との間で熱電変換モジュールを挟持
し、冷却ジャケットの分割間隔を締め付けることによっ
て、冷却ジャケットと排気管とを直接ねじ止めすること
なく、熱電変換モジュールに設置圧力をかけて密着させ
たものとすることができる。そして、本発明で用いる冷
却ジャケットとしては、冷却水流路が形成されている水
冷型のものや、冷却ジャケットの外側に放熱フィンが形
成されている空冷型のものなどを使用することができ
る。

【００４３】

【発明の効果】本発明による熱電発電装置では、請求項
１に記載しているように、複数の熱電素子が両端面の電
極を介し電気的に接続されている熱電変換モジュールが
金属からなる集熱側部材と冷却側部材との間に複数設置
された熱電変換装置において、前記熱電変換モジュール
端面の電極表面に絶縁層が形成されていると共に、前記
熱電変換モジュール端面の電極表面に形成されている絶
縁層が前記集熱側部材および冷却側部材のうち少なくと
も一方の表面に軟金属層を介して圧着されている構成と
したから、温度が高い高温端においても十分に使用する
ことができ、耐熱性に優れていると共に熱伝導効率の高
いものとすることができるため、発電出力の大きい熱電
発電装置を提供することが可能になるという著しく優れ
た効果がもたらされる。

【００４４】そして、請求項２に記載しているように、
熱電変換モジュール端面の電極表面に形成されている絶
縁層と集熱側部材および冷却側部材のうち少なくとも一
方の表面との間に介在される軟金属層が、Ｐｂ，Ｉｎ，
Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌあるいはこれらの
金属を主成分とする合金のうちから選ばれる少なくとも
１種類からなるものとすることによって、多数の熱電変
換モジュールが配置された大型の熱電発電装置において
も、熱伝達効率のばらつきが少ない熱電発電装置を特殊
な表面処理整備や大型の熱処理炉などを使用せずに簡便
な工程で製造することが可能になるという著しく優れた
効果がもたらされる。

【００４５】加えて、請求項３に記載しているように、
熱電変換モジュールは、複数の熱電素子が並べて配置さ
れていると共に熱電素子の端面に形成した電極表面に板
状絶縁層が形成されているものとすることによって、集
熱側部材と冷却側部材とで熱電変換モジュールを押さえ
つける際の設置圧力をさらに高めることが可能になるた
め、軟金属層がより変形しやすくすることが可能であ
り、これによって熱伝達効率をさらに向上させることが
できるようになるという著しく優れた効果がもたらされ
る。

【００４６】さらにまた、請求項４に記載しているよう
に、熱電変換モジュールは、複数の熱電素子が並べて配
置されていて隣接する熱電素子間の側面には断熱絶縁材
が設けられていると共に熱電素子の端面に形成した電極
表面に膜状絶縁層が形成されているものとすることによ
って、集熱側部材と冷却側部材とで熱電変換モジュール
を押さえつける際の設置圧力をさらに高めることが可能
になるため、軟金属層がより変形しやすくすることが可
能であり、これによって熱伝達効率をさらに向上させる
ことができるようになるとともに、熱電変換モジュール
表面の膜状絶縁層と電極層との間の熱伝達効率をも向上
させることができるため、発電出力の大きい熱電発電装
置を提供することが可能になるという著しく優れた効果
がもたらされる。

【００４７】さらにまた、請求項５に記載しているよう
に、金属からなる集熱側部材はステンレス鋼（ＳＵＳ）
系金属からなりかつ高温の排気を流すことができる排気
管形状をなすと共に排気管形状の内側には集熱フィンや
集熱用仕切り板などの集熱補助部材が形成されており、
金属からなる冷却側部材はアルミニウムあるいはアルミ
ニウムを主成分とする合金からなりかつ内部に間隔を置
いて前記排気管形状物を収容する冷却ジャケット形状を
なしていて、熱電変換モジュールの高温端面および低温
端面がそれぞれ前記排気管形状をなす集熱側部材の外側
表面と前記冷却ジャケット形状をなす冷却側部材の内側
表面に密着して設置されているものとすることによっ
て、自動車その他の燃焼機関の排気ガスや産業ないしは
生活廃棄物の燃焼排気ガスなどの排気管に簡便に取り付
けることが可能であるとともに、冷却水や冷却風の停止
などの異常事態においても、低温端有機系絶縁材料や熱
伝導グリースの焼けあるいは絶縁破壊に起因する漏電状
態や発電不能状態に陥るのを避けることができる信頼性
の高い熱電発電装置を提供することが可能になるという
著しく優れた効果がもたらされる。

【００４８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基いて詳細に
説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定され
ないことはいうまでもない。

【００４９】（実施例１）図１は本発明の実施例１によ
る熱電発電装置を示すものであって、この熱電発電装置
１は集熱側部材２と冷却側部材３との間に熱電変換モジ
ュール３１を設置した構成を有し、この熱電変換モジュ
ール３１は、複数のｐ型熱電素子２２ｐとｎ型熱電素子
２２ｎとが断熱絶縁材２３を介して交互に並べて配置さ
れ、熱電素子２２ｐ，２２ｎの両端面に形成した高温側
電極２６および低温側電極２７を介して電気的に直列に
接続され、高温側電極２６の表面には板状をなす高温端
側絶縁層２９が形成されていると共に低温側電極２７の
表面には板状をなす低温端側絶縁層３０が形成され、さ
らには、高温端側絶縁層２９が集熱側部材２に対し高温
端側軟金属層４を介して圧着されると共に低温端側絶縁
層３０が冷却側部材３に対し低温端側軟金属層５を介し
て圧着されるものとした構造をなしている。

【００５０】図２および図３は本発明の実施例１による
熱電発電装置１に用いる熱電変換モジュール３１の製造
工程の概略を示すものであって、まず、図２の（Ａ）に
示すように、ｐ型（およびｎ型）のＳｉ₄Ｇｅ原料粉末
を用いて公知の方法でホットプレス焼結を行うことによ
って、ｐ型焼結体２１ｐ（およびｎ型焼結体２１ｎ）を
得る。次いで、図２の（Ｂ）に示すように、ｐ型焼結体
２１ｐ（およびｎ型焼結体２１ｎ）を切断して３．５ｍ
ｍ角×１０ｍｍのｐ型熱電素子２２ｐ（およびｎ型熱電
素子２２ｎ）を作製する。

【００５１】次いで、図２の（Ｃ）に示すように、コー
ジェライト製のハニカム構造体からなる枠状断熱絶縁材
２３の貫通孔内に、それぞれｐ型熱電素子２２ｐとｎ型
熱電素子２２ｎを交互に挿入し、各熱電素子２２ｐ，２
２ｎの側面と枠状断熱絶縁材２３の貫通孔の内側壁面と
の間に、セラミックスボンドからなる絶縁性接着剤２４
を充填する。

【００５２】続いて、熱処理を行うことにより絶縁性接
着剤２４を固化させて図２の（Ｄ）に示すようなモジュ
ールコア２５を作製し、モジュールコア２５の上面側の
高温端面と下面側の低温端面をそれぞれ研削する。

【００５３】次いで、図３の（Ｅ）に示すように、モジ
ュールコア２５の両端面にそれぞれ厚さ０．１５ｍｍの
Ｍｏ製高温側電極２６およびＭｏ製低温側電極２７を設
けるにあたり、モジュールコア２５内の全てのｐ型熱電
素子２２ｐおよびｎ型熱電素子２２ｎが交互に電気的に
直列に接続されるパターンでろう付けをおこなうことに
よって図３の（Ｆ）に示すような熱電変換モジュール原
型２８を作製する。

【００５４】そして、ここで作製した熱電変換モジュー
ル原型２８の両端面に図３の（Ｇ）に示すように厚さ
０．１ｍｍのアルミナ板からなる高温端側絶縁層２９お
よび低温端側絶縁層３０を形成して、モジュール高さ
（ｈ）が９．５ｍｍの熱電変換モジュール３１を作成す
る。

【００５５】このような熱電変換モジュール３１は、図
１に示したように集熱側部材２と冷却側部材３との間に
圧接して設けられるが、より具体的には図４に示すよう
な構造として用いられる。

【００５６】すなわち、図４は排ガス流と直角方向の断
面で示すものであって、内燃機関などの高温排ガスが集
熱側部材である排気管２の中を流れ、排気管２の外側表
面に対抗する偏平面を有した冷却側部材である冷却ジャ
ケット３の内側表面と、排気管２の外側表面との間に熱
電変換モジュール３１が複数配置されている。そして、
冷却ジャケット３は２分割されており、排ガス流方向と
平行な方向に冷却水流路３Ｗとボルト固定リブ３Ｒが一
体で形成されている。本実施例では、排気管２の素材と
してステンレス鋼（ＳＵＳ）系合金が用いられ、冷却ジ
ャケット３の素材としてアルミニウムが用いられていて
それぞれの形状に成形されたものとしている。

【００５７】排気管２の形状は、熱電変換モジュール３
１が複数設置できる平行した平坦部が２面ある楕円断面
をなすものであって、排気管２の内側には排ガスとの熱
交換効率を向上させるための集熱フィン２Ｆが設置され
ている。

【００５８】そして、排気管２の外側表面の平坦部と冷
却ジャケット３の内側表面の平坦部との間に、複数の熱
電変換モジュール３１が設置されるものとなっており、
排気管２の外側表面と熱電変換モジュール３１の高温端
面との間には、高温端側軟金属層４として厚さ０．５ｍ
ｍのＣｕ合金製の薄板を挿入しており、また、冷却ジャ
ケット３の内側表面と熱電変換モジュール３１の低温端
面との間には、低温端側軟金属層５として厚さ０．０３
ｍｍのアルミニウム箔を挿入している。

【００５９】本実施例による熱電発電装置１では、全部
で３２個の熱電変換モジュール３１を配置したものとし
ており、各熱電変換モジュール３１から個別に発電電圧
および電流が測定できるように図１に示すリード端子２
７ｐ，２７ｎからリード線を引き出しうるようにしてあ
る。そして、これらの組み立てが終了した後、２分割さ
れた冷却ジャケット３，３をボルト固定リブ３Ｒの部分
でボルト６により締め付けすることによって固定して熱
電発電装置１を作製する。この際、熱電変換モジュール
３１の両端面に設けられた軟金属層４，５は変形して密
着する。

【００６０】次に、このようにして組み立てた熱電発電
装置１の排気管２内に６５０℃の排気を導入すると共
に、冷却ジャケット３内の冷却水流路３Ｗに冷却水を流
すことによって、熱電変換モジュール３１の両端面に温
度差を発生させて発電をおこなったところ、図４に示し
た排気流と垂直方向の断面内の８個の熱電変換モジュー
ル３１の発電電圧は１．５３Ｖ±１０％以内で安定して
いた。そして、このばらつきは、熱電変換モジュール３
１それ自体の発電出力のばらつきと同レベルであること
から、熱電発電装置内に複数個設置したことによるモジ
ュール両端面への熱伝達効率のばらつきはかなり小さい
ことを示している。

【００６１】また、各モジュールの発電電圧から算出さ
れる熱電変換モジュール３１の両端での温度差は、排気
管２の外側表面温度と冷却ジャケット３の内側表面温度
との温度の９２．５％となった。これは、排気管２から
熱電変換モジュール３１内の熱電素子２２ｐ，２２ｎの
高温端へ、さらに熱電素子２２ｐ，２２ｎの低温端から
冷却ジャケット３へ、効率良く熱伝達されたことを示し
ている。

【００６２】この様に、熱電素子２２ｐ，２２ｎの側面
の間に断熱絶縁材２３が設けられかつ両端面が絶縁層２
９，３０によって絶縁処理された熱電変換モジュール３
１を用い、集熱側部材２や冷却側部材３とモジュール端
面との間に軟金属層４，５を介在させた構造の熱電発電
装置１とすることにより、熱電変換モジュール３１の設
置圧力を増加することが可能になるとともに、熱伝達効
率を向上させることが可能になり、熱電素子両端にかか
る温度差を大きくすることが可能になることから、発電
出力の大きい熱電発電装置を提供することができる。

【００６３】そして、内燃機関や焼却炉などからの排気
の持つ熱エネルギーを電気エネルギーに変換する排熱発
電装置のような、集熱側部材と冷却側部材との間の温度
差が大きい熱電発電装置において、冷却側の冷却水流量
異常などの障害が生じて、熱電変換モジュールの低温端
側が昇温してしまう場合があったとしても、絶縁破壊が
生じて漏電したり、熱伝導効率が著しく低下したりする
ことがなく、耐熱性および耐熱衝撃性が向上した信頼性
の高い熱電発電装置を提供することができる。さらに、
多数の熱電変換モジュールを設置した大型の熱電発電装
置において、各モジュールへの熱伝達効率のばらつきを
減少させることができ、発電損失の少ない熱電発電装置
を提供することが可能になる。

【００６４】（実施例２）図５は本発明の他の実施例を
示すものであって、図１に示した熱電発電装置１におい
て低温端側軟金属層５を省き、図５に示すように高温端
側軟金属層４のみを介在させた場合を示す。そして、集
熱側部材２に相当するヒータブロックの上に高温端側軟
金属層４を介して実施例１と同様の熱電変換モジュール
３１の高温端面を接触させて設置し、また、熱電変換モ
ジュール３１の低温端面には水冷板を接触させ、水冷板
の上から油圧プレス機で設置圧力をかけた。

【００６５】

【表１】

【００６６】そして、高温端側はヒーターで４００℃に
昇温し、水冷板は３５℃に冷却して、熱電変換モジュー
ル３１の設置圧力に対する熱電変換モジュール３１の発
電電圧を測定した。その結果を同じく表１に示すが、高
温端側軟金属層４を挿入した実施例においては、約１Ｖ
の発電電圧を得ることができたのに対して、何も設置し
ていない比較例では、発電電圧が低く、設置圧力を５Ｍ
Ｐａまで増加したが、実施例と同等の発電電圧を得るこ
とはできなかった。

【００６７】この様に、軟金属層４を用いることによ
り、シリコンゴムや有機材料系熱伝導性グリースを使用
できない温度条件においても、集熱側部材２から熱電変
換モジュール３１の熱電素子２２ｐ，２２ｎの高温端に
高効率で熱伝達することができるため、発電出力の大き
い熱電発電装置を製造することが可能になる。

【００６８】（実施例３）図６は本発明のさらに他の実
施例を示すものであって、熱電素子２２ｐ，２２ｎの端
面には熱電素子側接着層３２，３２を介して電極２６，
２７が形成されていると共に、高温側電極２６の表面に
は板状をなす高温端側絶縁層２９が非接合の状態で設置
され、かつまた、低温側電極２７の表面には板状をなす
低温端側絶縁層３０が同じく非接合の状態で設置され、
熱電素子２２ｐ，２２ｎの側面は空隙のままとなってい
ると共に、高温端側のみに高温端側軟金属層４を介在さ
せる場合を示している。

【００６９】（実施例４）図７は本発明のさらに他の実
施例を示すものであって、熱電素子２２ｐ，２２ｎの端
面には熱電素子側接着層３２，３２を介して電極２６，
２７が形成されていると共に、高温側電極２６の表面に
は絶縁層側接着層３３を介して板状をなす高温端側絶縁
層２９が接着固定され、かつまた、低温側電極２７の表
面には絶縁層側接着層３３を介して板状をなす低温端側
絶縁層３０が接着固定され、熱電素子２２ｐ，２２ｎの
側面は空隙のままとなっていると共に、高温端側のみに
高温端側軟金属層４を介在させる場合を示している。

【００７０】（実施例５）図８は本発明のさらに他の実
施例を示すものであって、図６に示す実施例において、
隣接する熱電素子２２ｐ，２２ｎの側面の空隙に充填状
の断熱絶縁材２３を設ける場合を示している。

【００７１】（実施例６）図９は本発明のさらに他の実
施例を示すものであって、図５に示す実施例においては
板状をなす絶縁層２９，３０を設けることとしていたの
に対して、図９に示す実施では（厚）膜状をなす絶縁層
２９，３０を設けることとした場合を示している。

【００７２】（実施例７）図１０は本発明のさらに他の
実施例を示すものであって、図８に示す実施例において
は板状をなす絶縁層２９，３０を設けることとしていた
のに対して、図１０に示す実施では（厚）膜状をなす絶
縁層２９，３０を設けることとした場合を示している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による熱電発電装置の分解断面
説明図である。

【図２】図１に示した熱電発電装置に用いた熱電変換モ
ジュールの製造工程の前半部分を（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）
（Ｄ）に分けて示す説明図である。

【図３】図１に示した熱電発電装置に用いた熱電変換モ
ジュールの製造工程の後半部分を（Ｅ）（Ｆ）（Ｇ）に
分けて示す説明図である。

【図４】本発明の実施例による熱電発電装置の排ガス流
と直角方向における断面説明図である。

【図５】本発明の他の実施例による熱電発電装置の分解
断面説明図である。

【図６】本発明のさらに他の実施例による熱電発電装置
の分解断面説明図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例による熱電発電装置
の分解断面説明図である。

【図８】本発明のさらに他の実施例による熱電発電装置
の分解断面説明図である。

【図９】本発明のさらに他の実施例による熱電発電装置
の分解断面説明図である。

【図１０】本発明のさらに他の実施例による熱電発電装
置の分解断面説明図である。

【図１１】従来例の排熱発電装置を示す斜視説明図であ
る。

【符号の説明】１熱電発電装置２排気管（集熱側部材）３冷却ジャケット（冷却側部材）４高温端側軟金属層５低温端側軟金属層２２ｐｐ型熱電素子２２ｎｎ型熱電素子２３枠状，板状ないしは充填状断熱絶縁材２４絶縁性接着剤２５モジュールコア２６高温側電極２７低温側電極２９板状ないしは膜状をなす高温端側絶縁層３０板状ないしは膜状をなす低温端側絶縁層３１熱電変換モジュール３２熱電素子側接着層３２絶縁層側接着層

フロントページの続き (72)発明者小林正和神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内 (72)発明者古谷健司神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の熱電素子が両端面の電極を介し電
気的に接続されている熱電変換モジュールが金属からな
る集熱側部材と冷却側部材との間に複数配置された熱電
発電装置において、前記熱電変換モジュール端面の電極
表面に絶縁層が形成されていると共に、前記熱電変換モ
ジュール端面の電極表面に形成されている絶縁層が前記
集熱側部材および冷却側部材のうち少なくとも一方の表
面に軟金属層を介して圧着されていることを特徴とする
熱電発電装置。
【請求項２】熱電変換モジュール端面の電極表面に形
成されている絶縁層と集熱側部材および冷却側部材のう
ち少なくとも一方の表面との間に介在される軟金属層
が、Ｐｂ，Ｉｎ，Ｚｎ，Ｓｎ，Ｃｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌ
あるいはこれらの金属を主成分とする合金のうちから選
ばれる少なくとも１種類からなることを特徴とする請求
項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】熱電変換モジュールは、複数の熱電素子
が並べて配置されていると共に熱電素子の端面に形成し
た電極表面に板状絶縁層が形成されていることを特徴と
する請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】熱電変換モジュールは、複数の熱電素子
が並べて配置されていて隣接する熱電素子間の側面には
断熱絶縁材が設けられていると共に熱電素子の端面に形
成した電極表面に膜状絶縁層が形成されていることを特
徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の熱電変換
モジュール。
【請求項５】金属からなる集熱側部材はステンレス鋼
系金属からなりかつ高温の排気を流すことができる排気
管形状をなすと共に排気管形状の内側には集熱フィンや
集熱用仕切り板などの集熱補助部材が形成されており、
金属からなる冷却側部材はアルミニウムあるいはアルミ
ニウムを主成分とする合金からなりかつ内部に間隔を置
いて前記排気管形状物を収容する冷却ジャケット形状を
なしていて、熱電変換モジュールの高温端面および低温
端面がそれぞれ前記排気管形状をなす集熱側部材の外側
表面と前記冷却ジャケット形状をなす冷却側部材の内側
表面との間に密着して設置されていることを特徴とする
請求項１ないし４のいずれかに記載の熱電発電装置。