JP2002111076A - 熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器 - Google Patents
熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器Info
- Publication number
- JP2002111076A JP2002111076A JP2000299853A JP2000299853A JP2002111076A JP 2002111076 A JP2002111076 A JP 2002111076A JP 2000299853 A JP2000299853 A JP 2000299853A JP 2000299853 A JP2000299853 A JP 2000299853A JP 2002111076 A JP2002111076 A JP 2002111076A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric conversion
- conversion module
- conversion element
- silver
- heat exchanger
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Powder Metallurgy (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】４００℃以上の温度で使用可能な熱電変換素子
を用いた熱電変換モデュールを提供する。 【解決手段】熱電変換モデュールは、高温側の第１の平
面と低温側の第２の平面を構成するように電極部材（１
３，１４）により互いに直列に接続されかつ相互に対向
して配置されるｐ型熱電変換素子本体（１１）およびｎ
型熱電変換素子本体（１３）を備える。ｐ型熱電変換素
子本体（１１）はｐ型シリコン系半導体により構成さ
れ、ｎ型熱電変換素子本体（１２）はｎ型シリコン系半
導体により構成される。電極部材（１３，１４）は、銀
系電極材料により構成される。
を用いた熱電変換モデュールを提供する。 【解決手段】熱電変換モデュールは、高温側の第１の平
面と低温側の第２の平面を構成するように電極部材（１
３，１４）により互いに直列に接続されかつ相互に対向
して配置されるｐ型熱電変換素子本体（１１）およびｎ
型熱電変換素子本体（１３）を備える。ｐ型熱電変換素
子本体（１１）はｐ型シリコン系半導体により構成さ
れ、ｎ型熱電変換素子本体（１２）はｎ型シリコン系半
導体により構成される。電極部材（１３，１４）は、銀
系電極材料により構成される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体型熱電変換
素子を用いた熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱
交換器に関する。
素子を用いた熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱
交換器に関する。
【０００２】
【従来技術】２１世紀における資源の枯渇が予想される
今日、エネルギの有効利用は極めて重要な課題となって
おり、種々のシステムが考案されている。その中でも、
熱電変換素子は、従来排熱として無駄に環境中に廃棄さ
れていたエネルギを回収する手段として期待されてい
る。そのような熱電変換素子は、ｐ型半導体とｎ型半導
体を互いに直列に接続したモデュールとして使用されて
いる。
今日、エネルギの有効利用は極めて重要な課題となって
おり、種々のシステムが考案されている。その中でも、
熱電変換素子は、従来排熱として無駄に環境中に廃棄さ
れていたエネルギを回収する手段として期待されてい
る。そのような熱電変換素子は、ｐ型半導体とｎ型半導
体を互いに直列に接続したモデュールとして使用されて
いる。
【０００３】従来、高い熱電変換効率を達成すべく、多
くの熱電変換半導体材料について研究がなされ、特に発
電効率の向上に関し多大な注力がなされている。
くの熱電変換半導体材料について研究がなされ、特に発
電効率の向上に関し多大な注力がなされている。
【０００４】しかしながら、実用の立場から熱電変換半
導体材料を見ると、現在実用に供されているものはＢｉ
−Ｔｅ系（第３元素としてＳｂを入れたものも含む）で
あり、その他のものは特殊用途で作られた実績はあるも
のの、工業生産ベースには乗っていない。
導体材料を見ると、現在実用に供されているものはＢｉ
−Ｔｅ系（第３元素としてＳｂを入れたものも含む）で
あり、その他のものは特殊用途で作られた実績はあるも
のの、工業生産ベースには乗っていない。
【０００５】ところで、従来、排熱ボイラーは熱交換器
を通して蒸気あるいは温水を得るのみの目的で設計され
ており、その運転に関わる電力は外部より導入して賄わ
れている。しかし、近年、この排熱ボイラーに熱電変換
モデュールを組み込んで排熱から電力を取り出す試みが
なされている。その場合、より高温の熱源を利用し得る
という点から、使用する熱電変換素子は、その可使温度
が高いほど望ましいものとなり、特に、４００℃以上の
可使温度を有することが好ましいといえる。
を通して蒸気あるいは温水を得るのみの目的で設計され
ており、その運転に関わる電力は外部より導入して賄わ
れている。しかし、近年、この排熱ボイラーに熱電変換
モデュールを組み込んで排熱から電力を取り出す試みが
なされている。その場合、より高温の熱源を利用し得る
という点から、使用する熱電変換素子は、その可使温度
が高いほど望ましいものとなり、特に、４００℃以上の
可使温度を有することが好ましいといえる。
【０００６】しかしながら、従来のＢｉ−Ｔｅ系熱電変
換素子は、その使用温度がせいぜい２００℃であり、こ
の要求を満足することができない。
換素子は、その使用温度がせいぜい２００℃であり、こ
の要求を満足することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明
は、４００℃以上の温度でも十分な熱電変換機能を示す
熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器を提供
することを課題とする。
は、４００℃以上の温度でも十分な熱電変換機能を示す
熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器を提供
することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者等は上記課題を
達成しようとして、それ自体４００℃以上の温度で使用
可能なシリコン系熱電変換半導体に着目した。しかしな
がら、シリコン系熱電変換半導体は、熱膨張係数が小さ
いため、従来の手法で電極や導熱板を接合すると、大き
な熱応力が発生し、素子が破壊することがわかった。ま
た、特に４００℃以上の高温の使用に耐え、素子の性能
を変えることのない、電極や導熱板を接合する手段が従
来なかった。加えて、４００℃以上の高温下では、使用
する電極等の部材の酸化が激しいため、モデュールの製
造および使用中に不活性雰囲気を使用したり、モデュー
ルに特別の耐酸化処理を施すことが必要であることがわ
かった。
達成しようとして、それ自体４００℃以上の温度で使用
可能なシリコン系熱電変換半導体に着目した。しかしな
がら、シリコン系熱電変換半導体は、熱膨張係数が小さ
いため、従来の手法で電極や導熱板を接合すると、大き
な熱応力が発生し、素子が破壊することがわかった。ま
た、特に４００℃以上の高温の使用に耐え、素子の性能
を変えることのない、電極や導熱板を接合する手段が従
来なかった。加えて、４００℃以上の高温下では、使用
する電極等の部材の酸化が激しいため、モデュールの製
造および使用中に不活性雰囲気を使用したり、モデュー
ルに特別の耐酸化処理を施すことが必要であることがわ
かった。
【０００９】本発明者らは、これら多岐に亘る問題を解
決するために多くの実験を費やし、高温で使用可能なシ
リコン系系熱電変換素子を用いる熱電変換モデュールを
構成する電極材料としてとして銀系金属材料が以下の有
用な性質を示すことを見いだした。
決するために多くの実験を費やし、高温で使用可能なシ
リコン系系熱電変換素子を用いる熱電変換モデュールを
構成する電極材料としてとして銀系金属材料が以下の有
用な性質を示すことを見いだした。
【００１０】即ち、銀系金属材料、特に銀は、Ｓｉ系材
料に対して固相結合が可能である上、Ｓｉ合金の熱電特
性に影響を与えない。
料に対して固相結合が可能である上、Ｓｉ合金の熱電特
性に影響を与えない。
【００１１】また、銀系金属材料、特に銀、は６００℃
を超えると殆ど弾性変形領域を持たなくなるので、材料
の違いによる熱応力は発生しないか発生しても問題にな
らない大きさである。
を超えると殆ど弾性変形領域を持たなくなるので、材料
の違いによる熱応力は発生しないか発生しても問題にな
らない大きさである。
【００１２】銀系金属材料、特に銀は、大気中で熱処理
をしても何ら変化を示さない。通常の金属は大気中で酸
化するが、銀はその酸化物が１６０℃で分解して金属に
なる性質があるために大気中では酸化しない。
をしても何ら変化を示さない。通常の金属は大気中で酸
化するが、銀はその酸化物が１６０℃で分解して金属に
なる性質があるために大気中では酸化しない。
【００１３】さらに、熱電変換素子の性能に影響を与え
る因子として内部抵抗があるが、銀系金属材料、特に銀
は、導電性が金属の中で最も優れているために、電極材
料として好ましい。
る因子として内部抵抗があるが、銀系金属材料、特に銀
は、導電性が金属の中で最も優れているために、電極材
料として好ましい。
【００１４】特に、銀系金属材料（特に銀）の粉末をＡ
ｌＮあるいはＡｌ2Ｏ3からなる絶縁性導熱板に押圧して
焼結すると結合性を発揮する。
ｌＮあるいはＡｌ2Ｏ3からなる絶縁性導熱板に押圧して
焼結すると結合性を発揮する。
【００１５】本発明は、これらの知見に基づく。
【００１６】すなわち、本発明は、上記の課題を解決す
るために、高温側の第１の平面と低温側の第２の平面を
構成するように電極部材により互いに直列に接続されか
つ相互に対向して配置されるｐ型熱電変換素子本体およ
びｎ型熱電変換素子本体を備え、前記ｐ型熱電変換素子
本体はｐ型シリコン系半導体により構成され、前記ｎ型
熱電変換素子本体はｎ型シリコン系半導体により構成さ
れ、前記電極部材は、銀系電極材料により構成されるこ
とを特徴とする熱電変換モデュールを提供する。
るために、高温側の第１の平面と低温側の第２の平面を
構成するように電極部材により互いに直列に接続されか
つ相互に対向して配置されるｐ型熱電変換素子本体およ
びｎ型熱電変換素子本体を備え、前記ｐ型熱電変換素子
本体はｐ型シリコン系半導体により構成され、前記ｎ型
熱電変換素子本体はｎ型シリコン系半導体により構成さ
れ、前記電極部材は、銀系電極材料により構成されるこ
とを特徴とする熱電変換モデュールを提供する。
【００１７】本発明において、前記第１の平面および第
２の平面のいずれか一方またはその両者の平面内に接合
されたセラミックスからなる絶縁性導熱板を備えること
が好ましい。この絶縁性導熱板は、窒化アルミニウムま
たはアルミナにより構成することができる。
２の平面のいずれか一方またはその両者の平面内に接合
されたセラミックスからなる絶縁性導熱板を備えること
が好ましい。この絶縁性導熱板は、窒化アルミニウムま
たはアルミナにより構成することができる。
【００１８】本発明において、特に好ましくは、前記電
極部材が、銀系電極材料の粉末の焼結体により構成され
る。
極部材が、銀系電極材料の粉末の焼結体により構成され
る。
【００１９】本発明は、また、加熱面と冷却面を有する
熱交換器において、該加熱面と冷却面との間に本発明の
熱電変換モデュールを備えることを特徴とする熱交換器
を提供する。
熱交換器において、該加熱面と冷却面との間に本発明の
熱電変換モデュールを備えることを特徴とする熱交換器
を提供する。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
【００２１】図１は、本発明の一実施の形態に係る熱電
変換モデュールを示す概略断面図である。
変換モデュールを示す概略断面図である。
【００２２】図１に熱電変換モデュール１０は、ｐ型シ
リコン系半導体からなる複数のｐ型シリコン系熱電変換
素子本体１１と複数のｎ型シリコン系半導体からなるｎ
型熱電変換素子本体１２とを交互に同一平面上にマトリ
ックス上に並置して構成されている。１つのｐ型熱電変
換素子本体１１には、ｎ型熱電変換素子本体１２が隣接
している。ｐ型熱電変換素子本体１１およびｎ型熱電変
換素子本体１２を構成するシリコン系半導体としては、
Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｆｅ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｍｎ−Ｓｉ、Ｃ
ｏ−Ｓｉ、Ｒｕ−Ｓｉ、Ｏｓ−Ｓｉ、Ｒｈ−Ｓｉ、Ｉｒ
−Ｓｉ等の合金またはシリサイドを用いることができ
る。中でも、Ｓｉ−Ｇｅ合金が最も好ましい。いうまで
もなく、ｐ型半導体にはｐ型不純物が、ｎ型半導体には
ｎ型不純物がドープされている。
リコン系半導体からなる複数のｐ型シリコン系熱電変換
素子本体１１と複数のｎ型シリコン系半導体からなるｎ
型熱電変換素子本体１２とを交互に同一平面上にマトリ
ックス上に並置して構成されている。１つのｐ型熱電変
換素子本体１１には、ｎ型熱電変換素子本体１２が隣接
している。ｐ型熱電変換素子本体１１およびｎ型熱電変
換素子本体１２を構成するシリコン系半導体としては、
Ｓｉ−Ｇｅ、Ｓｉ−Ｆｅ、Ｃｒ−Ｓｉ、Ｍｎ−Ｓｉ、Ｃ
ｏ−Ｓｉ、Ｒｕ−Ｓｉ、Ｏｓ−Ｓｉ、Ｒｈ−Ｓｉ、Ｉｒ
−Ｓｉ等の合金またはシリサイドを用いることができ
る。中でも、Ｓｉ−Ｇｅ合金が最も好ましい。いうまで
もなく、ｐ型半導体にはｐ型不純物が、ｎ型半導体には
ｎ型不純物がドープされている。
【００２３】１つのｐ型熱電変換素子本体１１とこれに
隣接する１つのｎ型熱電変換素子本体１２の上部には、
それらを共通に接続する第１の電極部材１３が設けら
れ、他方、１つのｐ型熱電変換素子本体１１とこれに隣
接する１つのｎ型熱電変換素子本体１２の下部には、そ
れらを共通に接続する第２の電極部材１４が設けられて
いる。第１の電極部材１３と第２の電極部材１４は、素
子１個分だけずれた形態で設けられる。こうして、両熱
電変換素子本体１１および１２は、電気的に直列接続さ
れる。本発明において、両電極部材１３および１４は、
いずれも銀系電極（金属）材料で形成されている。銀系
金属材料としては、銀が最も好ましいが、電極部材１
３，１４の大気中における耐酸化性を阻害しない範囲
で、銀に白金や金を添加してもよい。通常、銀系金属材
料は、そのような添加元素は、数重量％までの割合で含
有することができる。
隣接する１つのｎ型熱電変換素子本体１２の上部には、
それらを共通に接続する第１の電極部材１３が設けら
れ、他方、１つのｐ型熱電変換素子本体１１とこれに隣
接する１つのｎ型熱電変換素子本体１２の下部には、そ
れらを共通に接続する第２の電極部材１４が設けられて
いる。第１の電極部材１３と第２の電極部材１４は、素
子１個分だけずれた形態で設けられる。こうして、両熱
電変換素子本体１１および１２は、電気的に直列接続さ
れる。本発明において、両電極部材１３および１４は、
いずれも銀系電極（金属）材料で形成されている。銀系
金属材料としては、銀が最も好ましいが、電極部材１
３，１４の大気中における耐酸化性を阻害しない範囲
で、銀に白金や金を添加してもよい。通常、銀系金属材
料は、そのような添加元素は、数重量％までの割合で含
有することができる。
【００２４】銀系電極部材１３および１４は、蒸着等の
手法により形成することができる。しかしながら、銀系
材料（特に、銀）の粉末を加圧下に焼結することによっ
て形成することが最も好ましい。その場合、粉末の粒径
は、１００メッシュ以下であることが好ましい。このよ
うな銀系金属材料の粉末を並置された熱電変換素子本体
の上面および下面に設け、これを加圧下に焼結すると、
銀系金属材料がクッション的な作用をする結果、接合が
より一層確実なものとなる。
手法により形成することができる。しかしながら、銀系
材料（特に、銀）の粉末を加圧下に焼結することによっ
て形成することが最も好ましい。その場合、粉末の粒径
は、１００メッシュ以下であることが好ましい。このよ
うな銀系金属材料の粉末を並置された熱電変換素子本体
の上面および下面に設け、これを加圧下に焼結すると、
銀系金属材料がクッション的な作用をする結果、接合が
より一層確実なものとなる。
【００２５】通常、第１の共通電極部材１３の外側に
は、これら電極部材１３に共通に接合された上部絶縁性
導熱板１５が設けられている。他方、第２の共通電極部
材１４の外側には、これら電極部材１４に共通に接合さ
れた下部絶縁性導熱板１６が設けられている。両導熱板
１５および１６は、それぞれ、セラミックス、好ましく
は窒化アルミニウムまたはアルミナにより構成すること
ができる。電極部材１３および１４を構成する銀系金属
材料は、これらセラミック製導熱板１５，１６に対して
良好な接合を達成する。
は、これら電極部材１３に共通に接合された上部絶縁性
導熱板１５が設けられている。他方、第２の共通電極部
材１４の外側には、これら電極部材１４に共通に接合さ
れた下部絶縁性導熱板１６が設けられている。両導熱板
１５および１６は、それぞれ、セラミックス、好ましく
は窒化アルミニウムまたはアルミナにより構成すること
ができる。電極部材１３および１４を構成する銀系金属
材料は、これらセラミック製導熱板１５，１６に対して
良好な接合を達成する。
【００２６】図１に示す構成の熱電変換モデュールにお
いて、上部絶縁性導熱板１５側を低温度（Ｌ）にし、か
つ下部絶縁性導熱板１６側を高温度（Ｈ）にして上下絶
縁性導熱板１５と１６との間に温度差を与えると、第１
の電極部材１３と第２の電極部材との間に電位差が生
じ、電極を取り出すことができる。
いて、上部絶縁性導熱板１５側を低温度（Ｌ）にし、か
つ下部絶縁性導熱板１６側を高温度（Ｈ）にして上下絶
縁性導熱板１５と１６との間に温度差を与えると、第１
の電極部材１３と第２の電極部材との間に電位差が生
じ、電極を取り出すことができる。
【００２７】本発明の熱電変換モデュールは、熱交換器
に組み込むことができる。基本的に、この熱交換器は、
加熱面と冷却面を有し、その加熱面と冷却面との間に本
発明の熱電変換モデュールを組み込んだ構成を有する。
熱交換器の一例を図２に示す。この熱交換器２０は、中
央にガス通路２１を有し、その回りには多数の熱交換フ
ィン２２が立設されている。熱交換フィンに接して例え
ば図１に示す構造の本発明の熱電変換モデュール１０が
設けられている。熱電変換モデュール１０は熱交換フィ
ン２２とともに外囲器２３により囲まれ、外囲器２３と
熱電変換モデュール１０との間には例えば水の流路２４
が規定されている。ガス通路２１内には、例えばごみ焼
却炉からの高温の排ガスが導入され、他方水流路２４内
にはその一端から水導入管２５を介して冷却水が導入さ
れる。高温排ガスの熱は、熱交換フィンにより奪われて
水流路２４内を流通する水を加熱し、その結果水は、水
排出管２６から温水となって取り出される。このとき、
熱電変換モデュール１０の一方の面は水流路２４内を流
れる水により低温側となり、他方の面はガス通路２１内
を流れる高温排ガスにより高温側となる。したがって、
上に述べたように、熱電変換モデュール１０から電力が
取り出される。
に組み込むことができる。基本的に、この熱交換器は、
加熱面と冷却面を有し、その加熱面と冷却面との間に本
発明の熱電変換モデュールを組み込んだ構成を有する。
熱交換器の一例を図２に示す。この熱交換器２０は、中
央にガス通路２１を有し、その回りには多数の熱交換フ
ィン２２が立設されている。熱交換フィンに接して例え
ば図１に示す構造の本発明の熱電変換モデュール１０が
設けられている。熱電変換モデュール１０は熱交換フィ
ン２２とともに外囲器２３により囲まれ、外囲器２３と
熱電変換モデュール１０との間には例えば水の流路２４
が規定されている。ガス通路２１内には、例えばごみ焼
却炉からの高温の排ガスが導入され、他方水流路２４内
にはその一端から水導入管２５を介して冷却水が導入さ
れる。高温排ガスの熱は、熱交換フィンにより奪われて
水流路２４内を流通する水を加熱し、その結果水は、水
排出管２６から温水となって取り出される。このとき、
熱電変換モデュール１０の一方の面は水流路２４内を流
れる水により低温側となり、他方の面はガス通路２１内
を流れる高温排ガスにより高温側となる。したがって、
上に述べたように、熱電変換モデュール１０から電力が
取り出される。
【００２８】図３は、本発明の熱交換器２０を設けたご
み焼却設備の一例を示す。図３に示すごみ焼却設備３０
は、ごみ焼却炉３１、押込送風機３２、押込送風機３２
から焼却炉３１へ供給される燃焼空気を加熱する通常の
熱交換器３３、および二次押込送風機３４を備える。熱
交換器３３には、焼却炉３１からの高温排ガスがライン
Ｌ１および分岐ラインＬ２を介して流入し、押込送風機
３２からラインＬ４を介して熱交換器３３に導入される
空気がその高温排ガスより加熱され、ラインＬ３を介し
て焼却炉３１の底部に導入される。
み焼却設備の一例を示す。図３に示すごみ焼却設備３０
は、ごみ焼却炉３１、押込送風機３２、押込送風機３２
から焼却炉３１へ供給される燃焼空気を加熱する通常の
熱交換器３３、および二次押込送風機３４を備える。熱
交換器３３には、焼却炉３１からの高温排ガスがライン
Ｌ１および分岐ラインＬ２を介して流入し、押込送風機
３２からラインＬ４を介して熱交換器３３に導入される
空気がその高温排ガスより加熱され、ラインＬ３を介し
て焼却炉３１の底部に導入される。
【００２９】焼却炉３１からの排ガスラインＬ１は、本
発明の熱交換器２０に接続され、そこでは、上に述べた
ように排ガスにより温水が発生するとともに、熱電変換
モデュールにより電力が発生する。熱交換器３３を経た
排ガスはラインＬ５を介して電気集塵機３５に流入し、
そこで塵埃が除去される。熱交換器２０を経た排ガスは
ラインＬ６を介してラインＬ５に合流し、熱交換器３３
を経た排ガスとともに集塵機３５に流入する。集塵機３
５により清浄化された排ガスは、系外に排出される。な
お、焼却炉３１からの排ガスは、誘引通風機３６の作用
により系内を流通する。
発明の熱交換器２０に接続され、そこでは、上に述べた
ように排ガスにより温水が発生するとともに、熱電変換
モデュールにより電力が発生する。熱交換器３３を経た
排ガスはラインＬ５を介して電気集塵機３５に流入し、
そこで塵埃が除去される。熱交換器２０を経た排ガスは
ラインＬ６を介してラインＬ５に合流し、熱交換器３３
を経た排ガスとともに集塵機３５に流入する。集塵機３
５により清浄化された排ガスは、系外に排出される。な
お、焼却炉３１からの排ガスは、誘引通風機３６の作用
により系内を流通する。
【００３０】さらに、本発明の熱交換器は、汽水火力発
電設備のボイラー内水管もしくは水管フィン表面に設置
し、高温側をボイラー内側、低温側を水管側とすること
で、電力と蒸気タービンに送られる蒸気とが同時に得ら
れ、汽水火力発電設備の効率を改善することができる。
電設備のボイラー内水管もしくは水管フィン表面に設置
し、高温側をボイラー内側、低温側を水管側とすること
で、電力と蒸気タービンに送られる蒸気とが同時に得ら
れ、汽水火力発電設備の効率を改善することができる。
【００３１】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明するが、本
発明はそれらに限定されるものではない。 実施例１ それぞれ一辺が２ｍｍの立方体のＳｉ−Ｇｅからなるｐ
型およびｎ型熱電変換素子本体を開口部が２ｍｍ＋０．
２ｍｍ角、高さ１．５ｍｍの矩形の孔を所定数有するコ
ーディエライト製の格子状構造体の矩形孔中に、交互
に、縦４組横８列の合計３２組の正方形に配列した。各
Ｓｉ−Ｇｅ素子本体は上下の露出表面に銀層が１μｍ程
度の厚さに蒸着されている。
発明はそれらに限定されるものではない。 実施例１ それぞれ一辺が２ｍｍの立方体のＳｉ−Ｇｅからなるｐ
型およびｎ型熱電変換素子本体を開口部が２ｍｍ＋０．
２ｍｍ角、高さ１．５ｍｍの矩形の孔を所定数有するコ
ーディエライト製の格子状構造体の矩形孔中に、交互
に、縦４組横８列の合計３２組の正方形に配列した。各
Ｓｉ−Ｇｅ素子本体は上下の露出表面に銀層が１μｍ程
度の厚さに蒸着されている。
【００３２】他方、粒子サイズ３２５メッシュの銀粉末
にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を３％溶かしたエチ
ルアルコールをバインダーとして加え銀ペーストを調製
し、所定の形状をした１ｍｍ厚さのコーディエライト製
枠に充填・乾燥して２個の板状の銀電極前駆体を形成し
た。次に、上記Ｓｉ−Ｇｅ素子本体配列体の上下に板状
銀電極前駆体を配置し、更に２４ｍｍ角、１ｍｍ厚さの
ＡｌＮ（窒化アルミニウム）板を板状銀電極前駆体の外
側に配置し、積層体を得た。この積層体に３ｋｇの重し
を載せて、電気炉内で、大気中、８００℃で１時間の熱
処理を行なった。冷却後、積層体を電気炉より取り出し
たところ、各板状銀電極前駆体は焼結されて銀電極に変
換され、各Ｓｉ−Ｇｅ熱電変換素子本体と十分な強度で
結合していた。こうして、所望の熱電変換モデュールを
得た。
にＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を３％溶かしたエチ
ルアルコールをバインダーとして加え銀ペーストを調製
し、所定の形状をした１ｍｍ厚さのコーディエライト製
枠に充填・乾燥して２個の板状の銀電極前駆体を形成し
た。次に、上記Ｓｉ−Ｇｅ素子本体配列体の上下に板状
銀電極前駆体を配置し、更に２４ｍｍ角、１ｍｍ厚さの
ＡｌＮ（窒化アルミニウム）板を板状銀電極前駆体の外
側に配置し、積層体を得た。この積層体に３ｋｇの重し
を載せて、電気炉内で、大気中、８００℃で１時間の熱
処理を行なった。冷却後、積層体を電気炉より取り出し
たところ、各板状銀電極前駆体は焼結されて銀電極に変
換され、各Ｓｉ−Ｇｅ熱電変換素子本体と十分な強度で
結合していた。こうして、所望の熱電変換モデュールを
得た。
【００３３】得られた熱電変換モデュールについて高温
側を６００℃、低温側を２５℃の条件で熱電変換特性を
測定したところ、発生した電力は４．５Ｗであった。こ
の条件で１０００時間連続運転した後、室温に戻し、再
び同条件で運転を行なった。この繰り返しを１０回（合
計運転時間１００００時間）行ったが、熱電変換モデュ
ールの性能は変わらず、また破損したり、形状が変化す
ることもなかった。さらに、同時に作製した同様の熱電
変換モデュールを分解して電極を調べたところ銀粉末は
密度が理論密度の９８％の焼結体に変換されていること
が確認された。
側を６００℃、低温側を２５℃の条件で熱電変換特性を
測定したところ、発生した電力は４．５Ｗであった。こ
の条件で１０００時間連続運転した後、室温に戻し、再
び同条件で運転を行なった。この繰り返しを１０回（合
計運転時間１００００時間）行ったが、熱電変換モデュ
ールの性能は変わらず、また破損したり、形状が変化す
ることもなかった。さらに、同時に作製した同様の熱電
変換モデュールを分解して電極を調べたところ銀粉末は
密度が理論密度の９８％の焼結体に変換されていること
が確認された。
【００３４】実施例２ 実施例１の熱電変換モデュールを耐熱鋼平板と耐食鋼平
板の間に並べて配置し両平板で固定して積層板を作製し
た。この際、各モデュールからの出力端子は直列に結合
されていた。これにより、積層板の耐熱鋼平板側を高温
部、耐食鋼平板側を冷却部とした熱電変換モデュール付
き熱交換器が得られた。この熱電変換モデュール付き熱
交換器は、例えば図２に示すように冷却側に水を流通さ
せる流路２４を設け、これを図３に示すようにごみ焼却
炉に設置することにより、蒸気と熱水が得られかつ発電
が行なえるボイラーとすることができる。
板の間に並べて配置し両平板で固定して積層板を作製し
た。この際、各モデュールからの出力端子は直列に結合
されていた。これにより、積層板の耐熱鋼平板側を高温
部、耐食鋼平板側を冷却部とした熱電変換モデュール付
き熱交換器が得られた。この熱電変換モデュール付き熱
交換器は、例えば図２に示すように冷却側に水を流通さ
せる流路２４を設け、これを図３に示すようにごみ焼却
炉に設置することにより、蒸気と熱水が得られかつ発電
が行なえるボイラーとすることができる。
【００３５】実施例３ 実施例２の熱交換器を汽水火力発電設備のボイラー内水
管もしくは水管フィン表面に設置し、耐熱鋼平板側をボ
イラー内側、冷却側を水管側とすることで、電力と蒸気
タービンに送られる蒸気とが同時に得られ、かつ効率が
改善された汽水火力発電設備を得ることができた。すな
わち、蒸気タービンのみにより発電する汽水火力発電設
備の発電効率をηP、本実施例における熱交換器によっ
て発電後、蒸気タービンにより発電する汽水火力発電設
備の発電効率をηA、熱交換器の熱電変換効率をηTとす
ると、ηA＝ηT＋（１−ηT）ηPであり、ηPの発電効
率の汽水火力発電設備にηTなる熱電変換効率の熱交換
器を設置することにより、（１−ηP）ηTだけ発電効率
を向上することができる。
管もしくは水管フィン表面に設置し、耐熱鋼平板側をボ
イラー内側、冷却側を水管側とすることで、電力と蒸気
タービンに送られる蒸気とが同時に得られ、かつ効率が
改善された汽水火力発電設備を得ることができた。すな
わち、蒸気タービンのみにより発電する汽水火力発電設
備の発電効率をηP、本実施例における熱交換器によっ
て発電後、蒸気タービンにより発電する汽水火力発電設
備の発電効率をηA、熱交換器の熱電変換効率をηTとす
ると、ηA＝ηT＋（１−ηT）ηPであり、ηPの発電効
率の汽水火力発電設備にηTなる熱電変換効率の熱交換
器を設置することにより、（１−ηP）ηTだけ発電効率
を向上することができる。
【００３６】以上、本発明を詳しく説明したが、本発明
はそれらに限定されるものではない。例えば、熱電変換
素子本体は、Ｃｅ0.9Ｆｅ3ＣｏＳｂ12で代表されるスク
ッテルダイト系半導体で構成しても有効である。また、
本発明による熱交換器は実施例のような平板である必要
はなく二重円筒管上に構成してその中に本発明の熱電変
換モデュールを配置することもでき、そのような熱交換
器を用いたボイラーも構成することができる。
はそれらに限定されるものではない。例えば、熱電変換
素子本体は、Ｃｅ0.9Ｆｅ3ＣｏＳｂ12で代表されるスク
ッテルダイト系半導体で構成しても有効である。また、
本発明による熱交換器は実施例のような平板である必要
はなく二重円筒管上に構成してその中に本発明の熱電変
換モデュールを配置することもでき、そのような熱交換
器を用いたボイラーも構成することができる。
【００３７】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明により実用
的に十分な耐久性と特性を備えた熱電変換モデュールが
提供される。本発明のモデュールを熱交換器に組み込む
ことによって、効率の高いコジェネ用熱交換器を提供で
き、ゴミ焼却装置のボイラーに利用すれば従来捨て去っ
ていたエネルギを大量に回収できるようになり、環境負
荷低減に多大な貢献をすることになる。
的に十分な耐久性と特性を備えた熱電変換モデュールが
提供される。本発明のモデュールを熱交換器に組み込む
ことによって、効率の高いコジェネ用熱交換器を提供で
き、ゴミ焼却装置のボイラーに利用すれば従来捨て去っ
ていたエネルギを大量に回収できるようになり、環境負
荷低減に多大な貢献をすることになる。
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電変換モデュール
を示す概略断面図。
を示す概略断面図。
【図２】本発明の熱交換器の一例を示す概略断面図。
【図３】本発明の熱交換器を設置したごみ焼却炉の概略
構成図。
構成図。
１１…p型熱電変換素子本体 １２…ｎ型熱電変換素子本体 １３…第１の電極部材 １４…第２の電極部材 １５，１６…絶縁性導熱板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 35/34 Ｈ０１Ｌ 35/34
Claims (5)
- 【請求項１】 高温側の第１の平面と低温側の第２の平
面を構成するように電極部材により互いに直列に接続さ
れかつ相互に対向して配置されるｐ型熱電変換素子本体
およびｎ型熱電変換素子本体を備え、前記ｐ型熱電変換
素子本体はｐ型シリコン系半導体により構成され、前記
ｎ型熱電変換素子本体はｎ型シリコン系半導体により構
成され、前記電極部材は、銀系電極材料により構成され
ることを特徴とする熱電変換モデュール。 - 【請求項２】 前記第１の平面および第２の平面のいず
れか一方またはその両者の平面内に接合されたセラミッ
クスからなる絶縁性導熱板を備えることを特徴とする請
求項１に記載の熱電変換モデュール。 - 【請求項３】 前記絶縁性導熱板が窒化アルミニウムま
たはアルミナにより構成されることを特徴とする請求項
２に記載の熱電変換モデュール。 - 【請求項４】 前記電極部材が、銀系電極材料の粉末の
焼結体により構成されることを特徴とする請求項１ない
し３のいずれか１項に記載の熱電変換モデュール。 - 【請求項５】 加熱面と冷却面を有する熱交換器におい
て、該加熱面と冷却面との間に請求項１ないし４のいず
れか１項に記載の熱電変換モデュールを備えることを特
徴とする熱交換器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000299853A JP3954291B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000299853A JP3954291B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002111076A true JP2002111076A (ja) | 2002-04-12 |
| JP3954291B2 JP3954291B2 (ja) | 2007-08-08 |
Family
ID=18781605
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000299853A Expired - Lifetime JP3954291B2 (ja) | 2000-09-29 | 2000-09-29 | 熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3954291B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006067986A1 (ja) * | 2004-12-20 | 2008-06-12 | 株式会社東芝 | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置 |
| JP2008261747A (ja) * | 2007-04-12 | 2008-10-30 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | ボイラのモニタ装置 |
| JP2011127606A (ja) * | 2009-12-17 | 2011-06-30 | J Eberspecher Gmbh & Co Kg | 熱電発電装置を備えた排気システム |
| JP4908426B2 (ja) * | 2005-11-29 | 2012-04-04 | 株式会社東芝 | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置 |
| WO2014141582A1 (ja) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | パナソニック株式会社 | 熱発電ユニット、熱発電システムおよび熱発電モジュール |
| WO2014141581A1 (ja) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | パナソニック株式会社 | 熱発電ユニットおよび熱発電システム |
| CN113280527A (zh) * | 2021-07-01 | 2021-08-20 | 哈尔滨商业大学 | 一种用于半导体制冷设备专用换热装置 |
-
2000
- 2000-09-29 JP JP2000299853A patent/JP3954291B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPWO2006067986A1 (ja) * | 2004-12-20 | 2008-06-12 | 株式会社東芝 | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置 |
| JP4896742B2 (ja) * | 2004-12-20 | 2012-03-14 | 株式会社東芝 | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置 |
| JP4908426B2 (ja) * | 2005-11-29 | 2012-04-04 | 株式会社東芝 | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置 |
| JP2008261747A (ja) * | 2007-04-12 | 2008-10-30 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | ボイラのモニタ装置 |
| JP2011127606A (ja) * | 2009-12-17 | 2011-06-30 | J Eberspecher Gmbh & Co Kg | 熱電発電装置を備えた排気システム |
| US9716217B2 (en) | 2009-12-17 | 2017-07-25 | Eberspaecher Exhaust Technology Gmbh & Co. Kg | Exhaust system with thermoelectric generator |
| WO2014141582A1 (ja) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | パナソニック株式会社 | 熱発電ユニット、熱発電システムおよび熱発電モジュール |
| WO2014141581A1 (ja) * | 2013-03-12 | 2014-09-18 | パナソニック株式会社 | 熱発電ユニットおよび熱発電システム |
| US9368708B2 (en) | 2013-03-12 | 2016-06-14 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Thermoelectric generation unit and thermoelectric generation system |
| US9755132B2 (en) | 2013-03-12 | 2017-09-05 | Panasonic Corporation | Thermoelectric generation unit and thermoelectric generation system |
| CN113280527A (zh) * | 2021-07-01 | 2021-08-20 | 哈尔滨商业大学 | 一种用于半导体制冷设备专用换热装置 |
| CN113280527B (zh) * | 2021-07-01 | 2022-07-15 | 哈尔滨商业大学 | 一种用于半导体制冷设备专用换热装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3954291B2 (ja) | 2007-08-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101313421B (zh) | 热电变换模块及使用热电变换模块的热交换器和热电发电装置 | |
| KR100926851B1 (ko) | 열전 변환 모듈과 그것을 이용한 열 교환기 및 열전 발전장치 | |
| JP5160784B2 (ja) | 熱電変換素子モジュール | |
| JP5422383B2 (ja) | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器、熱電温度調節装置および熱電発電装置 | |
| US20080023057A1 (en) | Thermoelectric Conversion Module, and Thermoelectric Power Generating Device and Method, Exhaust Heat Recovery System, Solar Heat Utilization System, and Peltier Cooling and Heating System, Provided Therewith | |
| JP2009081287A (ja) | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器、熱電温度調節装置および熱電発電装置 | |
| JP4956188B2 (ja) | 熱電変換モジュール | |
| JP3954291B2 (ja) | 熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器 | |
| JP2009081178A (ja) | 熱電変換モジュールの製造方法 | |
| JP2003304006A (ja) | 熱電変換モジュールおよびそれを用いた熱交換器 | |
| JPH11330568A (ja) | 熱電発電装置およびその製造方法 | |
| JP3526558B2 (ja) | 熱電変換モジュールおよびそれを用いた熱交換器 | |
| JP3526559B2 (ja) | 熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱交換器 | |
| KR102145901B1 (ko) | 열전 소자 모듈 | |
| JP4828696B2 (ja) | 熱電モジュール用基板およびそれを用いた熱電モジュール | |
| JPH0485973A (ja) | 熱電発電装置 | |
| WO2002021608A1 (fr) | Thermocouple | |
| JP2001028463A (ja) | 熱電気変換装置及びその製造方法 | |
| JP4182208B2 (ja) | 発電機能付熱交換器の製造方法 | |
| JPH08254468A (ja) | 熱電対の関係にある金属材料を組み合わせた熱電発電素子及び温度センサー | |
| JPS63110680A (ja) | 熱発電装置 | |
| JPS63299383A (ja) | 熱電変換モジュ−ル | |
| JP2001057448A (ja) | 酸化物熱電発電素子の製造方法 | |
| JPH1070316A (ja) | 熱電素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040325 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20040706 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20040906 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050913 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20051114 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20070424 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20070426 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 3954291 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110511 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110511 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120511 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120511 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130511 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130511 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140511 Year of fee payment: 7 |