JP2003110157A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電変換素子の破壊を防止した熱電発電装置
の提供。 【解決手段】 熱エネルギーが供給される内部支持体１
と、前記内部支持体１と同軸を有する外部支持体２と、
前記外部支持体２および前記内部支持体１との間に支持
された熱電変換素子３と、前記内部支持体１および前記
熱電変換素子３との間、あるいは前記外部支持体２およ
び前記熱電変換素子３との間に配置された弾性層５とを
有する熱電発電装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電発電装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】２１世紀における資源の枯渇が予想され
る今日、如何にエネルギーを有効に利用するかは極めて
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、これまで排熱とし
て無駄に環境中に捨てられていた熱的なエネルギーを電
気的なエネルギーに変換して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、主にｐ型半導体
やｎ型半導体などの熱電変換材料が使用され、これらの
熱電変換材料を電気的に直列に接続して使用している。
それぞれの材料は、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。

【０００３】一方、熱電変換素子を用いた熱電発電装置
として２重円筒を有する熱電発電装置が日本特許第２７
７５４１０号の登録公報に開示されている。この熱電発
電装置は、同軸状に配置された内筒および外筒との間に
複数の熱電変換素子を挟持した構造をしており、内筒の
内部に高温ガスを流すことで、内筒を介して熱電変換素
子に熱エネルギーを供給し、この熱エネルギーは外筒を
介して外筒の外部へ放出される。その結果、熱電変換素
子には、内筒側から外筒側へ向けて低下する温度勾配が
形成され、熱電変換素子の外筒側と内筒側との間には電
位差が形成される。すなわち、熱電変換素子の外筒側と
内筒側の熱エネルギーの差を電気エネルギーに変換す
る。

【０００４】しかしながら、本発明者らが同軸状に配置
された２本の筒の間に複数の熱電変換素子を挟持した構
造の熱電発電装置を作製し起動させたところ、熱電変換
素子が破壊されるという問題が生じた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したよ
うな問題に鑑みて為されたものであり、熱電変換素子の
破壊を防止した熱電発電装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の熱電発電装置
は、筒状の外部支持体と、前記外部支持体の内側に配置
され、熱エネルギーが供給される筒状の内部支持体と、
前記外部支持体および前記内部支持体との間に設けら
れ、前記内部支持体から前記熱エネルギーを吸収する第
１の端部および第１の端部から吸収した前記熱エネルギ
ーを前記外部支持体へ放出する第２の端部を有し、前記
第１の端部の持つ熱エネルギーと前記第２の端部の持つ
熱エネルギーの差を電気エネルギーに変換して発電する
複数の熱電変換素子と、前記内部支持体および前記熱電
変換素子との間、あるいは前記外部支持体および前記熱
電変換素子との間に配置された弾性層とを有することを
特徴とする。

【０００７】本発明の熱電発電装置は、供給される熱エ
ネルギーを持った媒体を流通させる空間を形成するよう
に配置され、前記熱エネルギーを吸収する一対の内部支
持体と、前記一対の内部支持体を挟んで配置された少な
くとも一対の外部支持体と、前記外部支持体および前記
内部支持体との間に設けられ、前記内部支持体から前記
熱エネルギーを吸収する第１の端部および第１の端部が
吸収した熱エネルギーを前記外部支持体へ放出する第２
の端部を有し、前記第１の端部の持つ熱エネルギーと前
記第２の端部の持つ熱エネルギーの差を電気エネルギー
に変換して発電する複数の熱電変換素子と、前記空間内
に前記一対の内部支持体それぞれに接触するように配置
され、前記媒体と接触した際に熱膨張し、前記空間を広
げるように前記一対の内部支持体を押圧する熱膨張部材
と、前記内部支持体および前記熱電変換素子との間、あ
るいは前記外部支持体および前記熱電変換素子との間に
形成された弾性層とを具備することを特徴とする。

【０００８】本発明の熱電発電装置は、供給される熱エ
ネルギーを持った流動性の媒体から前記熱エネルギーを
吸収する第１の支持体と、前記第１の支持体に対向する
ように配置された第２の支持体と、前記第１の支持体お
よび前記第２の支持体との間に配置され、前記第１の支
持体から前記熱エネルギーを吸収する第１の端部および
前記第１の端部が吸収した前記熱エネルギーを前記第２
の支持体へ放出する第２の端部を有し、前記第１の端部
の持つ熱エネルギーと前記第２の端部の持つ熱エネルギ
ーの差を電気エネルギーに変換して発電する複数の熱電
変換素子と、前記第１の支持体が前記熱エネルギーを受
ける際に、前記第１の支持体を前記第２の支持体側に押
圧させる構造の熱電発電装置であって、前記第１の支持
体および前記熱電変換素子との間、あるいは前記外部支
持体および前記熱電変換素子との間に形成された弾性層
を具備することを特徴とする。

【０００９】前記弾性層は、シリコーン樹脂中に、前記
シリコーン樹脂よりも熱伝導性の高い熱伝導性材料を含
有することが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明者らは、同軸状の外筒およ
び内筒の間隙に、複数の熱電変換素子を接着して固定し
た円筒状の熱電発電装置を作製し、内筒内に高温ガスを
流してこの熱電発電装置を起動させたところ、熱電変換
素子が破壊されてしまった。

【００１１】これは、熱電発電装置が高温ガスで加熱さ
れた際に、熱膨張による内筒の径の広がりが、外筒の径
の広がりよりも大きいために、内筒および外筒の間に配
置された熱電発変換素子に圧縮力が働いたためと考えら
れる。このときの圧縮メカニズムを以下に説明する。

【００１２】内部支持体１の熱膨張係数、室温での半
径、駆動温度と室温との温度差を、それぞれαi、Ｒi、
Ｔiとし、外部支持体２の熱膨張係数、室温での半径、
駆動温度と室温との温度差をそれぞれαo、Ｒo、Ｔoと
すると、内部支持体１と外部支持体２との間隙は、室温
で熱電発電装置を作製した時に比べて駆動時には、 αo×Ｔo×Ｒo−αi×Ｔi×Ｒi だけ狭くなることになる。一方、この二つの円筒の間に
配備された熱電変換素子は、その熱膨張係数および長さ
をそれぞれαｃおよびＬcとすれば、室温で作製された
状態から、 αc×Ｌc×（Ｔo＋Ｔi）／２ 伸びる。従って、該発電装置を組み立てた時（即ち二つ
の円筒に温度差がない時）、全てに応力がない状態であ
れば、円筒（内部支持体および外部支持体）、絶縁層、
電極および熱電変換材料のみで構成される場合、駆動時
の温度差では、熱電変換材料は二つの円筒から最大（円
筒が応力で変形しない場合）、以下の式（１）で示す圧
縮力を受けることになる。

【００１３】

【数１】

【００１４】一般に排熱回収を対象とした温度領域で使
用される材料では、式（１）で得られる圧縮力はたとえ
二つの円筒が変形するとしても、熱電変換素子の破壊強
度を超えることになる。

【００１５】以下に示す第１の実施形態は、熱電変換素
子に加わる圧縮力を緩和する弾性層を設けることで、熱
電変換素子の破壊を防止することを特徴とするものであ
る。

【００１６】[第１の実施形態]図１は本発明の第１の実
施形態を示す熱電発電装置の概略断面図である。

【００１７】図１に示すように、この熱電発電装置は、
同軸の円筒状の内部支持体１と円筒状の外部支持体２と
を有しており、内部支持体１と外部支持体２との隙間に
複数の熱電変換素子３が円周上に配列して支持されてい
る。また、外部支持体２と熱電変換素子３との間には弾
性層５が配置されている。

【００１８】図２は熱電発電装置の部分拡大図であり、
図２を用いてより詳細に説明する。

【００１９】熱電変換素子３は、ｐ型半導体からなる熱
電変換材料３−Ａ（３−Ａ１、３−Ａ２、…、３−Ａ
ｎ）あるいはｎ型半導体からなる熱電変換材料３−Ｂ
（３−Ｂ１、３−Ｂ２、…、３−Ｂｎ）と、これらの熱
電変換材料の両端に配置された電極３−３とを具備して
おり、この電極３−３はそれぞれ内部支持体１および外
部支持体２上に絶縁層４を介して配置されており、各電
極３−３同士を絶縁している。絶縁層４と電極３−３と
の間には弾性層５が形成されている。

【００２０】ｎ型の熱電変換材料３−Ｂ１の一端に配置
された電極３−３は隣接するｐ型の熱電変換材料３−Ａ
１の一端に配置された電極３−３と共通電極とし、熱電
変換材料３−Ｂ１の他端に配置された電極３−３は隣接
する熱電変換材料３−Ａ２の一端に配置された電極３−
３と共通電極とし、熱電変換材料３−Ａ１から熱電変換
材料３−Ｂｎまでの熱電変換材料は電気的に直列に接続
している。また、ｎ型の熱電変換材料３−Ａ１と、ｐ型
の熱電変換材料３−Ｂｎとは専用電極３−３'をそれぞ
れ有しており、この２つの熱電変換材料は共通電極で直
接接続していない。これらの専用電極３−３'は、それ
ぞれ電力取り出しリードに接続されており、例えば、電
力取り出しリードをモーターなどの電気機器などを接続
して、電子機器を起動させる。

【００２１】微量の電流で大きな電圧を必要とする際に
は熱電変換材料を電気的に並列に接続することも可能で
あるが、各熱電変換材料によって発生する電流値は、通
常使用される電気機器に使用するには小さすぎるため、
一般には前述したように直列に接続される。

【００２２】このように、熱電変換素子は、熱電変換材
料と、この熱電変換材料の両端に配置された一対の電極
とからなり、一方の電極が内部支持体に、他方の電極が
外部支持体上に配置されている。

【００２３】なお、電極は支持体（内部支持体あるいは
外部支持体）の表面に直接配置される必要はなく、熱的
に接続された状態、すなわち、一方の電極と内部支持体
との間、あるいは他方の電極と外部支持体との間で熱伝
導が可能な状態であれば、例えば電極と支持体との間に
絶縁層や、弾性層が介在していても良い。

【００２４】このような熱電発電装置を室温下に配置
し、内部支持体内部に熱エネルギーを持った媒体、例え
ば、高温ガスや、温水などの流動性の媒体を流すと、こ
の熱エネルギーが内部支持体を介して熱電変換素子に吸
収される。その結果、熱電変換素子の内部支持体側と外
部支持体側の熱エネルギー量に差が生じ、この熱エネル
ギー差を熱電変換素子が電気エネルギーに変換して発電
する。

【００２５】また、内部支持体内部に高温ガスなどを流
すと、前述したように熱膨張によって内部支持体と外部
支持体との間隙が小さくなり、熱電変換素子に圧縮力が
かかるが、内部支持体あるいは外部支持体と、熱電変換
素子との間に弾性層が形成されているので、この圧縮力
は緩和され、熱電変換素子の破壊を防止することができ
る。

【００２６】次に、内部支持体１、外部支持体２、弾性
層５および熱電変換素子３などの各構成部品について説
明する。

【００２７】（熱電変換素子）熱電変換素子は熱電変換
材料と一対の電極層とから構成される。

【００２８】熱電変換材料は、材料内に熱エネルギーの
分布が形成された場合、この熱エネルギーの大きな部分
と小さな部分との熱エネルギー差を電気エネルギーに変
換する材料である。具体的には、熱電変換材料の一端か
ら熱エネルギーを吸収し、他端から吸収した熱エネルギ
ーを放出する場合、吸収する一端の近傍では、放出する
他端の近傍よりも熱エネルギーは大きくなり、両端部の
間では熱エネルギーの差が生じる。その結果電荷が熱エ
ネルギーと共に熱エネルギーの高い部分から熱エネルギ
ーの低い部分へ移動する。そして、熱を吸収する一端お
よび熱を放出する他端に電極を形成し、両電極間を電気
的に接続すれば、この両電極間に電流が流れる。

【００２９】この熱電変換材料と電極層との間はろう材
などを化学的結合によって接着しても良いが、本実施形
態においては、２つの支持体の間で熱電変換素子が圧縮
される時に、熱電変換材料と電極層とが互いに加圧され
るため非接着であっても熱電変換材料と電極層との間の
熱的あるいは電気的な抵抗は充分に抑制することができ
る。

【００３０】熱電変換材料は、前述のようにｐ型半導体
材料およびｎ型半導体材料が使用される。半導体材料と
しては、スクッテルダイト、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ
系、Ｂｉ−Ｔｅ系、などの既知の材料を使用することが
できる。また、発電効率の面から、通常厚さ（電極間距
離）３ｍｍ以上、１００ｍｍ以下のものが使用される。

【００３１】（電極層）電極層は、ステンレス、アルミ
ニウム、銀、銅など導電性材料であれば特に限定される
こと無く使用することができる。その厚さは０．０５ｍ
ｍ以上、１ｍｍ以下のものが通常使用される。厚さが１
ｍｍを超えると熱電素子に想定以上の熱応力が発生する
恐れがあり、０．０５ｍｍより小さいと導電性が低下し
て集電機能が低下する。

【００３２】熱電変換材料とこの電極層とは化学結合さ
れていても良いが、本実施形態においては、２つの支持
体の間で熱電変換素子が圧縮される時に、熱電変換材料
と電極層とが互いに加圧されるため化学結合されていな
くとも熱電変換材料と電極層との界面での熱的あるいは
電気的な抵抗は充分に抑制することができる。

【００３３】（支持体）内部支持体や外部支持体などの
支持体は、熱電変換素子を挟持して支持できるものが使
用される。セラミックなどの絶縁材料を使用することも
可能ではあるが、熱伝導性の高い金属材料を用い、その
厚さは通常２ｍｍ以上、５ｍｍ以下とすることが好まし
い。厚さが５ｍｍよりも厚いと無用に熱電発電装置のサ
イズや重量が大きくなってしまい、２ｍｍよりも薄いと
変形が生じて熱電変換素子を支持することができなくな
る恐れがある。

【００３４】（弾性層）弾性層は、少なくとも内部支持
体や外部支持体などの支持体に比べて使用温度域で低弾
性率を持つ材料が使用される。例えばゴム状の樹脂など
が使用され、特にシリコーン樹脂は、高温域においても
低弾性率を維持できる点で好ましい。

【００３５】この弾性層の厚さは０．１ｍｍ以上にする
ことが好ましい。膜厚が０．１ｍｍよりも小さいと熱電
変換素子にかかる圧縮力を充分に緩和できなくなり、熱
電変換素子の破壊を防止できなくなる恐れがある。

【００３６】また、弾性層の厚さは１ｍｍ以下にするこ
とが好ましい。一般に樹脂などは熱伝導性が低いため、
弾性層の厚さが１ｍｍよりも大きいと弾性層自体の存在
によって支持体と熱電変換素子との間の熱伝導性が低下
して発電量が低下してしまう。

【００３７】また、熱伝導性を向上させるために、金属
などの高熱伝導性の粉末を樹脂中に分散させた弾性層を
使用することもできる。さらに、金属粉末の弱焼結体の
ような擬低弾性率を示す材料を弾性層に使用することも
できる。

【００３８】この弾性層は、熱電変換素子と内部支持体
との間に配置することも可能であるが、内部支持体表面
は外部支持体表面よりも高温になるため、使用温度域に
おいて弾性層を低弾性率に維持できる材料が限定されて
しまう。そのため、図２に示すように外部支持体と熱電
変換素子との間に配置することが好ましい。

【００３９】（絶縁層）図２において内部支持体１上、
あるいは外部支持体２上に形成された絶縁層４は、各電
極３−３同士を絶縁するためのものである。したがっ
て、支持体が絶縁性材料の場合は必要としない。

【００４０】この絶縁層の厚さは、０．００５ｍｍ以
上、 ２ｍｍ以下の厚さとすることが好ましい。絶縁層
の厚さが０．００５ｍｍより小さいと支持体と熱電変換
素子との間の絶縁性を充分に高めることができなくなる
恐れがあり、２ｍｍよりも大きくすると支持体と熱電変
換素子との間の熱伝導性が低下し、発電効率を低下させ
る恐れがある。使用する材料としては、窒化アルミニウ
ムや、窒化珪素などの比較的熱伝導性の高い絶縁材料を
使用することが好ましい。

【００４１】また、弾性層が絶縁性材料の場合には、弾
性層を絶縁層として兼用することもできる。

【００４２】[第２の実施形態]本実施形態では、熱電変
換素子と、この熱電変換素子を支持する一対の支持体と
を有する熱電発電装置であるが、後述する熱膨張部材が
存在しなければ熱電変換素子への圧縮力が働かない構造
をした熱電発電装置である。

【００４３】そして、本実施形態においては、さらに、
一対の支持体間に圧縮力をかける熱膨張部材を配置し、
熱電変換素子と一対の支持体の少なくとも一方との間に
熱電変換素子にかかる圧縮力を緩和する弾性層を配置し
たことを特徴としている。

【００４４】このような熱電発電装置では、一対の支持
体と熱電変換素子との間をろう材などで接着しなくと
も、その間の熱抵抗を小さくすることができ、かつ、熱
電変換素子の圧縮による破壊を防止できる。

【００４５】図３は、第２の実施形態の熱電発電装置を
示す概略断面図である。

【００４６】この熱電発電装置は、第１の実施形態で述
べた熱電発電装置と同様の層構造、材料を用いた、内部
支持体１１、外部支持体１２、熱電変換素子１３（熱電
変換材料および電極層）、絶縁層（図示せず）、弾性層
１４を具備している。

【００４７】したがって、熱電変換素子１３と内部支持
体１１との間、あるいは熱電変換素子１３と外部支持体
１２との間には弾性層１４が配置されており、内部支持
体１１と外部支持体１３とに挟まれて熱電変換素子１２
に圧縮力が働いた場合にも、弾性層１４によって圧縮力
を緩和して熱電変換素子１２の破壊を防止できる構造に
なっている。

【００４８】この熱電発電装置は、筒状である点では第
１の実施形態と同様であるが、断面が矩形であり、外部
支持体１２が筒状であるのに対し、内部支持体１１が４
枚の独立した平板である点、内部支持体１１および外部
支持体１２の平面上に熱電変換素子が配列している点で
異なる。

【００４９】また、筒状の外部支持体１２の各屈曲部に
は内部支持体ガイド１５が配置されており、各内部支持
体１１の長さは各内部支持体ガイド１５の間隔よりもわ
ずかに短く、外部支持体１１が熱膨張した際にも外部支
持体方向に沿って移動可能に配置されている。４枚の内
部支持体１１で囲まれる空間には、高温ガスや温水など
の流動性を有する熱エネルギーを持った媒体が供給され
るが、この空間内にはさらに熱膨張部材１６が配置され
ている。

【００５０】熱膨張部材１６が存在しない場合、４枚の
独立した内部支持体１１で高温ガスが流す空間が形成さ
れているために、この空間内部に供給される高温ガスが
内部支持体１１および外部支持体１２を熱膨張させて
も、両支持体の間隔は変化せず、熱電変換素子に圧縮力
は働かない。

【００５１】熱膨張部材１６は、両端に押圧面を持った
金属棒であり、この押圧面は４枚の支持体１１のうち対
向する一対のものにそれぞれ接触している。そして、４
枚の内部支持体１１で囲まれる領域に高温ガスを流す
と、金属棒が熱膨張し押圧面と接触する一対の内部支持
体１４の間隔を広げるように、それぞれの内部支持体１
１を外部支持体１２側へ押圧する。その結果、内部支持
体１１と外部支持体１２との間に挟まれた熱電変換素子
１３には圧縮力が働く。但し、この圧縮力は、支持体と
熱電変換素子１３との間に配置される弾性層１４によっ
て緩和され、圧縮力の大きさが適度な大きさとなるた
め、熱電変換素子の破壊は防止できる。

【００５２】内部支持体１１および外部支持体１２によ
って適度に熱電変換素子を圧縮する構造の熱電発電装置
においては、内部支持体１１や外部支持体１２と、熱電
変換素子との接続部などに存在する各層の界面を化学反
応させるなどの接着を施さなくとも、この接続部におけ
る熱抵抗を低減することができ、ひいては熱電発電装置
の発電量を向上させることができる。

【００５３】すなわち、内部支持体／熱電変換素子／外
部支持体の熱伝導パスにおける熱抵抗が高いと、熱電変
換素子内の熱エネルギーの差を大きく取ることが困難に
なり、熱電発電装置の発電量が低下する。そのため、前
述の熱伝導パスにおける熱抵抗を低減することが重要で
ある。

【００５４】この熱伝導パス中の熱抵抗は、支持体、絶
縁層、電極層、熱電変換材料、場合によって支持体と電
極層との間に配置される弾性層などの各構成層間の界面
において主に発生するため、従来は、各構成層の間を化
学反応させるなどして接着することで各界面での熱抵抗
を低減している。

【００５５】しかしながら、通常使用される熱電変換素
子は数ｍｍ角程度のサイズと小さいため、高温の使用環
境において確実な接着状態を維持させることは製造上困
難である。そのため、接着作業を伴わずに製造できる熱
電発電装置は生産性の面で多大な利益をもたらす。

【００５６】本実施形態のように、内部支持体および外
部支持体によって適度に熱電変換素子を圧縮した場合
に、熱電変換素子と支持体との間に存在する界面におけ
る熱抵抗が小さくなる理由を説明する。

【００５７】熱伝導は接触する面が完全に相互に原子的
に結合していれば、理論伝導の１００％が達成される
が、単に面同士を接触させた場合では、表面粗さ、反り
等で実際に接触している部分の比率は小さいために十分
な伝導がなされない。この非接触部分は面に垂直の力を
加える事で減少する。その程度は面の粗さ、材料の硬さ
や降伏応力などに依存して多少異なるが、例えば、表面
粗さ７μｍ（ＲＭＳ）の鉄鋼に焼鈍した銅の板を当てた
場合、０．２ｋｇ／ｃｍ²では界面熱伝導（１／熱抵
抗）は理論値の１５％程度あるが、１０ｋｇ／ｃｍ²に
すると９０％まで上昇する。さらに、５０ｋｇ／ｃｍ²
まで加圧すると９８％に上昇する。

【００５８】すなわち、熱電発電装置の使用温度、熱膨
張部材の熱膨張率などを考慮した上で、弾性層の弾性率
およびその厚さを選択することで熱電変換素子および支
持体とがその接続部における各界面を化学結合させなく
とも、発電効率の高い熱電発電装置を製造することが可
能になり、さらに熱電変換素子の破壊を防止することが
できる。

【００５９】熱膨張部材１６は、例えば金属材料などの
熱膨張率の高い材料を使用すればよい。また、金属材料
は一般に熱伝導率が高いため、高温ガスの熱を内部支持
体１１、ひいては熱電変換素子に効率よく伝えることが
可能になり熱電発電装置の発電量を高めることが可能に
なる。

【００６０】また、熱膨張部材１６は、対向する内部支
持体１１間に１本あれば内部支持体１１を熱電変換素子
１３に押圧することができるが、図３で示したように複
数本配置することが好ましい。熱膨張部材１６を複数本
配置することで、内部支持体１１による複数の熱電変換
素子１３への押圧力、さらには熱電変換素子１３による
外部支持体１２への押圧力を均等にすることが可能にな
り、また、内部支持体１１への熱伝達量を増加させるこ
ともできる。

【００６１】また、図３に示す熱膨張部材１６は、それ
ぞれ独立した複数のものが使用されているが、一体化し
たハニカム状の熱膨張部材を使用することも可能であ
る。

【００６２】

【実施例】実施例１ 図１に示すような熱電発電装置を作製して実験を行っ
た。

【００６３】内部支持体として、長さ６００ｍｍ、外径
８０ｍｍ、厚さ３ｍｍのボイラー鋼製の円筒体を準備
し、外表面に０．５ｍｍ厚の窒化アルミニウム層を絶縁
層として形成した。

【００６４】絶縁層表面に厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ４１
０の薄板２００枚を等間隔で配置して第１の電極層とし
た。

【００６５】この第１の電極層を介して熱電変換材料を
内部支持体上に配列した。熱電変換材料としては、ｐ型
のスクッテルダイト半導体材料とｎ型のスクッテルダイ
ト半導体材料とをそれぞれ２００個準備し、この２種の
熱電変換材料が交互に、かつ、各電極層上に２つの熱電
変換材料が並ぶように配列した。２種の熱電変換材料は
どちらも電極層と接触する面が５ｍｍ×５ｍｍ、厚さ
（電極層と接触する面の間隔）７．５ｍｍの形状のもの
を使用した。

【００６６】さらに、第２の電極層として、第１の電極
層と同じものを準備し、第１の電極層で接続されていな
い隣接する熱電変換材料上に配置した。

【００６７】なお、絶縁層、第１の電極層、熱電変換素
子および第２の電極層の界面は、それぞれ熱電発電装置
の使用温度において揮発するワックスを用いて接着し
た。

【００６８】次に、第２の電極上から内部支持体表面に
高熱伝導性のシリコーンゴムのチューブを被せて弾性層
とし、これを、長さ６００ｍｍ、内径１００ｍｍ、厚さ
３ｍｍのボイラー鋼管の中に挿入し円筒状の熱電発電装
置を作製した。

【００６９】この熱電発電装置に電力取り出しリードを
取り付けると共にフランジを付けた。

【００７０】熱電発電装置の外周側に冷却水の水路を取
り付け、２５℃の冷却水を流し、内周側に６５０℃の燃
焼ガスを流通して１５分駆動して発電量が定常化した。
定常状態でのこの熱電発電装置に組み込まれた熱電変換
材料の熱電変換効率と、熱電変換材料のもつ熱電変換効
率（モジュール化せず、熱電変換材料担体で測定した時
の熱電変換効率）とを比較した。

【００７１】この熱電変換材料単独で、高温側を６５０
℃、低温側を６５℃にした時の発電効率に対して、この
実施例では９５％の性能を発揮することが確認できた
（なお、高温側の６５０℃,低温側の６５℃とは、本実
施例における熱電変換材料の電極接触面温度を理論的に
演算して求めた理論値である。）。

【００７２】（比較例１）実施例１に対して、弾性層を
設けなかったことを除き実施例１と同様にして熱電発電
装置を作製した。

【００７３】この熱電発電装置を実施例１と同様にして
駆動したが、駆動から１０分後には出力が得られなくな
った。

【００７４】その後、熱電発電装置を分解したところ、
熱電変換素子が破壊されていた。これは、熱電変換素子
にかかる圧縮力が大きくなり過ぎたためである。

【００７５】（比較例２）実施例１で用いた内部支持体
と同じ材料、同じ膜厚の平板状の支持体を２枚準備し、
それぞれの支持体表面に実施例１で形成した絶縁層を形
成した。

【００７６】一方の平板状の支持体表面に、実施例１と
同様にして第１の電極層、熱電変換材料および第２の電
極層を配置した。さらに、第２の電極層表面に他方の平
板状の支持体を配置して熱電発電装置を作製した。

【００７７】一方の平板状の支持体表面に冷却水が接触
するように水流路を設け、他方の平板状の支持体表面に
燃焼ガスが接触するようにガス流路を設けた。

【００７８】水流路に２５℃の冷却水を流し、ガス流路
に６５０℃の燃焼ガスを流して熱電発電装置を３時間駆
動した時の発電効率を測定した。

【００７９】この熱電変換材料の高温側を６５０℃、低
温側を６５℃にした時の発電効率に対して、この実施例
では９％の性能しか発揮できなかった。

【００８０】これは、内部支持体／電極／熱電変換材料
／電極／弾性層／外部支持体の各界面での熱的な界面抵
抗が高いため、さらに、電極／熱電変換材料／電極の各
界面での電気的な界面抵抗が高いためである。

【００８１】(実施例２)図３に示すような熱電発電装置
を作製した。

【００８２】開口部１５０ｍｍ×１５０ｍｍ、長さ３０
０ｍｍ、厚さ５ｍｍのＳＵＳ４１０からなる直方体の外
部支持体を準備した。３０ｍｍ×３０ｍｍ、長さ３００
ｍｍのアルミナ製の棒を４本準備し、内部支持体ガイド
として外部支持体の各屈曲部に配置した。

【００８３】外部支持体の各内壁面には厚さ０．５ｍｍ
のアルミナ粉末充填シリコーンゴム製のシートを弾性層
として配置し、厚さ０．５ｍｍのＳＵＳ４１０製の薄板
５０枚を各弾性層の上に等間隔で配置し第１の電極層と
した。

【００８４】熱電変換材料としては、ＦｅＳｉ２のｐ型
半導体材料およびｎ型半導体材料を準備した。各熱電変
換材料の形状は、電極と接する面が１０ｍｍ×１０ｍ
ｍ、電極と接触する面の間隔が２０ｍｍの直方体形状と
した。

【００８５】この２種の熱電変換材料が交互に、かつ、
各第１の電極層上に２つの熱電変換材料が並ぶように配
列した。

【００８６】さらに、第２の電極層として、第１の電極
層と同じものを準備し、第１の電極層で接続されていな
い隣接する熱電変換材料上に配置した。

【００８７】内部支持体として、ＳＵＳ４１０製の２０
０ｍｍ×３００ｍｍ、厚さ４ｍｍの板を４枚準備し、熱
電変換材料を介して外部支持体の各内壁面と対向するよ
うに配置した。

【００８８】対向する一対の内部支持体間に熱膨張部材
３本（合計６本）を橋渡しした。熱膨張部材としては
（材料）製のＨ型形状をしたものを使用し、これらの熱
膨張部材は上下左右方向に均等に配備した。

【００８９】さらに、外部支持体の外壁面には全面に、
厚さ１ｍｍ、高さ１００ｍｍのアルミニウム製のフィン
を配列した。

【００９０】このように作製した熱電発電装置内部に８
５０℃の燃焼ガスを通流して発電実験を実施したとこ
ろ、燃焼ガスを流し始めてから時間と共に発電効率が上
昇し、１０分間駆動させて発電量を定常化させた。定常
状態でのこの熱電発電装置に組み込まれた熱電変換材料
の熱電変換効率と、熱電変換材料のもつ熱電変換効率
（モジュール化せず、熱電変換材料担体で測定した時の
熱電変換効率）とを比較した。

【００９１】この熱電変換材料単独で、高温側を７００
℃、低温側を１５０℃にした時の発電効率に対して、こ
の実施例では９５％の性能を発揮することが確認できた
（なお、高温側の７００℃,低温側の１５０℃とは、本
実施例における熱電変換材料の電極接触面温度を理論的
に演算して求めた理論値である。）。

【００９２】

【発明の効果】本発明によれば、上述したように熱電変
換素子の破壊を防止できる熱電発電装置を提供すること
が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態を示す熱電発電装置
の概略断面図である。

【図２】 図１に示す熱電発電装置の部分拡大図であ
る。

【図３】 本発明の第２の実施形態を示す熱電発電装置
の概略断面図である。

【符号の説明】 １、１１…内部支持体 ２、１２…外部支持体 ３、１３…熱電変換素子 ３−１Ａ、３−１Ｂ…熱電変換材料（ｐ型半導体材料） ３−２Ａ、３−２Ｂ…熱電変換材料（ｎ型半導体材料） ３−３…電極層 ４…絶縁層 ５、１４…弾性層 １５…内部支持体ガイド １６…熱膨張部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筒状の外部支持体と、 前記外部支持体の内側に配置され、熱エネルギーが供給
   される筒状の内部支持体と、 前記外部支持体および前記内部支持体との間に設けら
   れ、前記内部支持体から前記熱エネルギーを吸収する第
   １の端部および第１の端部から吸収した前記熱エネルギ
   ーを前記外部支持体へ放出する第２の端部を有し、前記
   第１の端部の持つ熱エネルギーと前記第２の端部の持つ
   熱エネルギーの差を電気エネルギーに変換して発電する
   複数の熱電変換素子と、 前記内部支持体および前記熱電変換素子との間、あるい
   は前記外部支持体および前記熱電変換素子との間に配置
   された弾性層とを有することを特徴とする熱電発電装
   置。
2. 【請求項２】供給される熱エネルギーを持った媒体を流
   通させる空間を形成するように配置され、前記熱エネル
   ギーを吸収する一対の内部支持体と、 前記一対の内部支持体を挟んで配置された少なくとも一
   対の外部支持体と、 前記外部支持体および前記内部支持体との間に設けら
   れ、前記内部支持体から前記熱エネルギーを吸収する第
   １の端部および第１の端部が吸収した熱エネルギーを前
   記外部支持体へ放出する第２の端部を有し、前記第１の
   端部の持つ熱エネルギーと前記第２の端部の持つ熱エネ
   ルギーの差を電気エネルギーに変換して発電する複数の
   熱電変換素子と、 前記空間内に前記一対の内部支持体それぞれに接触する
   ように配置され、前記媒体と接触した際に熱膨張し、前
   記空間を広げるように前記一対の内部支持体を押圧する
   熱膨張部材と、 前記内部支持体および前記熱電変換素子との間、あるい
   は前記外部支持体および前記熱電変換素子との間に形成
   された弾性層とを具備することを特徴とする熱電発電装
   置。
3. 【請求項３】供給される熱エネルギーを持った流動性の
   媒体から前記熱エネルギーを吸収する第１の支持体と、
   前記第１の支持体に対向するように配置された第２の支
   持体と、前記第１の支持体および前記第２の支持体との
   間に配置され、前記第１の支持体から前記熱エネルギー
   を吸収する第１の端部および前記第１の端部が吸収した
   前記熱エネルギーを前記第２の支持体へ放出する第２の
   端部を有し、前記第１の端部の持つ熱エネルギーと前記
   第２の端部の持つ熱エネルギーの差を電気エネルギーに
   変換して発電する複数の熱電変換素子と、 前記第１の支持体が前記熱エネルギーを受ける際に、前
   記第１の支持体を前記第２の支持体側に押圧する構造の
   熱電発電装置であって、 前記第１の支持体および前記熱電変換素子との間、ある
   いは前記外部支持体および前記熱電変換素子との間に形
   成された弾性層を具備することを特徴とする熱電発電装
   置。
4. 【請求項４】前記弾性層は、シリコーン樹脂中に、前記
   シリコーン樹脂よりも熱伝導性の高い熱伝導性材料を含
   有させたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいず
   れかに記載の熱電発電装置。