JP2006156993A - 熱電変換モジュールおよびそれを備えた熱電発電装置と方法、並びに、廃熱回収システム、太陽熱利用システム、ペルチェ冷熱システム、原子力熱電発電システム、バイオマスシステム - Google Patents
熱電変換モジュールおよびそれを備えた熱電発電装置と方法、並びに、廃熱回収システム、太陽熱利用システム、ペルチェ冷熱システム、原子力熱電発電システム、バイオマスシステム Download PDFInfo
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Abstract
【課題】本発明は、信頼性と高性能を両立した熱電変換モジュールを提供することで熱電変換システムの普及に貢献するものである。
【解決手段】本発明は、熱電素子3、4の電気的接続が金属製のキャップ2を介してなされていることを特徴とする。本発明において、前記金属製のキャップ2が電極1と一体構造とされていても良い。また、本発明において、電極1の少なくとも一つ以上の面に絶縁物が被覆され、電極1の絶縁物に被覆されていない面に前記キャップが一体化されていても良い。
【選択図】図2
【解決手段】本発明は、熱電素子3、4の電気的接続が金属製のキャップ2を介してなされていることを特徴とする。本発明において、前記金属製のキャップ2が電極1と一体構造とされていても良い。また、本発明において、電極1の少なくとも一つ以上の面に絶縁物が被覆され、電極1の絶縁物に被覆されていない面に前記キャップが一体化されていても良い。
【選択図】図2
Description
本発明は、ゼーベック効果により熱を電気に直接変換する熱電変換モジュールの構造とそれを備えた熱発電装置と方法、並びに、廃熱回収システム、太陽熱利用システム、ペルチェ冷熱システムに関する。
近年、地球温暖化対策に向けての炭酸ガス排出規制、原油資源枯渇の懸念などから廃熱を電気に直接変換する、熱電発電システムが注目を集めている。
熱電発電システムはp型半導体、n型半導体双方から構成される熱電素子を直列に接続し、一方を高温の熱源、他方を大気あるいは冷却システムとすることで半導体の両端に温度差を発生させて、これにより生じた起電力を電力として取り出すシステム全体を指すものであり、一般的に熱電変換モジュールとは、これらの構成のうち、熱電素子とこれを接続する電極、絶縁板とからなる構成を指している。
熱電発電システムはp型半導体、n型半導体双方から構成される熱電素子を直列に接続し、一方を高温の熱源、他方を大気あるいは冷却システムとすることで半導体の両端に温度差を発生させて、これにより生じた起電力を電力として取り出すシステム全体を指すものであり、一般的に熱電変換モジュールとは、これらの構成のうち、熱電素子とこれを接続する電極、絶縁板とからなる構成を指している。
従来の熱電変換モジュールはアルミナなどのセラミックス板に銅など金属を溶射して電極を作製し、さらにこの電極に熱電素子を銀ロウなどで接合して作製されているため、温度差が大きくなるにつれて熱電素子、電極、絶縁板など、モジュールを構成するそれぞれの物質の熱膨張係数が異なることが原因で大きな熱応力が発生し、使用状況によってはモジュール自体が破壊するおそれがあった。(非特許文献1参照)
この熱応力を緩和するために、熱電素子に緩衝層となるような物質を被覆して熱膨張を吸収するか、あるいは、電極の形状を工夫して応力を緩和することが試みられているが、それぞれ耐久性や信頼性に欠けるために実用化には至っていない。
また、熱および電気伝導性グリースを電極と素子の間に挿入する方法も検討されているが、これらにおいても信頼性に問題があるため、実用化には至っていないのが現状である。(特許文献1、2、3、4、5参照)
次に、先の熱応力を緩和するために、接合ではなく、ネジやバネなど機械的な手段を用いて電極と素子を圧着させてモジュールを作製すると、耐久性、信頼性は向上する可能性はあるものの、性能が低下する問題がある。
更に、ハンダ付けによる不良品の発生を抑えるために、電流取り出し端子に圧着端子を採用した例も見られるが、これらの技術を用いた熱電変換モジュールにおいても実用化には至っていないのが現状である。(特許文献6参照)
坂田亮編、リアライズ社 熱電変換工学 特許第3056047号公報
特開平10−229224号公報
特開2000−216444号公報
特開2001−194022号公報
特開2002−185050号公報
特開2004−22574号公報
次に、先の熱応力を緩和するために、接合ではなく、ネジやバネなど機械的な手段を用いて電極と素子を圧着させてモジュールを作製すると、耐久性、信頼性は向上する可能性はあるものの、性能が低下する問題がある。
更に、ハンダ付けによる不良品の発生を抑えるために、電流取り出し端子に圧着端子を採用した例も見られるが、これらの技術を用いた熱電変換モジュールにおいても実用化には至っていないのが現状である。(特許文献6参照)
坂田亮編、リアライズ社 熱電変換工学
熱電変換システムの普及を図るためには、高い変換効率と信頼性、耐久性を両立しなければならない。しかしながら、従来の構造の熱電変換モジュールでは性能と耐久性の両立が難しく、新たな構造のモジュールが求められている。
また、従来の方法は、熱応力緩和による信頼性を向上させるために性能を犠牲にして緩衝層を導入するか、性能を犠牲にして機械的な接合を採用するか、何れかの手段しか選択肢がなかった。
本発明は、上記の問題点に鑑み、信頼性と高性能を両立した熱電変換モジュールを提供することで熱電変換システムの普及に貢献するものである。
また、従来の方法は、熱応力緩和による信頼性を向上させるために性能を犠牲にして緩衝層を導入するか、性能を犠牲にして機械的な接合を採用するか、何れかの手段しか選択肢がなかった。
本発明は、上記の問題点に鑑み、信頼性と高性能を両立した熱電変換モジュールを提供することで熱電変換システムの普及に貢献するものである。
本発明者は熱電変換モジュールの素子と電極の接合部について、従来のバネ式、化学的接合方式のいずれでもなく、熱電素子にキャップを装着する方法で接合することにより熱応力緩和と高性能を同時に満たすことが可能であり、高い生産性を有する構造を発見し、本願発明に到達した。
(1)本願発明の熱電変換モジュールは、熱電素子の電気的接続を金属製のキャップを介して行ったことを特徴とする。
(2)本願発明の熱電変換モジュールは、前記金属製のキャップが電極と一体構造であることを特徴とする。
(3)本願発明の熱電変換モジュールは、前記電極の少なくとも一つ以上の面に絶縁物が被覆され、該電極の絶縁物に被覆されていない面に前記キャップが一体化されてなることを特徴とする。
(4)本願発明の熱電変換モジュールは、p型熱電素子とn型熱電素子が交互に電極を介して複数接続されてなり、前記p型熱電素子の両端部の各々と前記n型熱電素子の両端部の各々に前記金属製のキャップが装着されてなり、前記金属製のキャップを介して前記熱電素子と前記電極とが接続されてなることを特徴とする。
(1)本願発明の熱電変換モジュールは、熱電素子の電気的接続を金属製のキャップを介して行ったことを特徴とする。
(2)本願発明の熱電変換モジュールは、前記金属製のキャップが電極と一体構造であることを特徴とする。
(3)本願発明の熱電変換モジュールは、前記電極の少なくとも一つ以上の面に絶縁物が被覆され、該電極の絶縁物に被覆されていない面に前記キャップが一体化されてなることを特徴とする。
(4)本願発明の熱電変換モジュールは、p型熱電素子とn型熱電素子が交互に電極を介して複数接続されてなり、前記p型熱電素子の両端部の各々と前記n型熱電素子の両端部の各々に前記金属製のキャップが装着されてなり、前記金属製のキャップを介して前記熱電素子と前記電極とが接続されてなることを特徴とする。
(5)本願発明の熱電変換モジュールは、前記熱電素子をブロック状に構成し、各ブロック状の熱電素子の両端部に前記金属製のキャップを装着してなることを特徴とする。
(6)本願発明の熱電変換モジュールは、前記p型熱電素子と前記n型熱電素子が複数交互にそれらの両端部の金属製のキャップを介して接続されるとともにこれらが縦横に配列されて熱電変換モジュール群が構成され、該熱電変換モジュール群の一面側に前記各熱電素子の一側の電極が配置され、配列された熱電変換モジュール群の他面側に前記各熱電素子の他側の電極が配置されてなることを特徴とする。
(7)本願発明の熱電変換モジュールは、前記熱電変換モジュール群の一面側に前記各熱電素子の電極に絶縁物を介し接触する熱交換器が設けられ、前記熱電変換モジュール群の他面側に前記各熱電素子の電極に絶縁物を介し接触さする熱交換器が設けられたことを特徴とする。
(6)本願発明の熱電変換モジュールは、前記p型熱電素子と前記n型熱電素子が複数交互にそれらの両端部の金属製のキャップを介して接続されるとともにこれらが縦横に配列されて熱電変換モジュール群が構成され、該熱電変換モジュール群の一面側に前記各熱電素子の一側の電極が配置され、配列された熱電変換モジュール群の他面側に前記各熱電素子の他側の電極が配置されてなることを特徴とする。
(7)本願発明の熱電変換モジュールは、前記熱電変換モジュール群の一面側に前記各熱電素子の電極に絶縁物を介し接触する熱交換器が設けられ、前記熱電変換モジュール群の他面側に前記各熱電素子の電極に絶縁物を介し接触さする熱交換器が設けられたことを特徴とする。
(8)本願発明の熱電発電装置は、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを備えたことを特徴とする。
(9)本願発明の熱電発電方法は、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いることを特徴とする。
(10)本願発明の廃熱回収システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを備えたことを特徴とする。
(11)本願発明の太陽熱利用システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
(12)本願発明のペルチェ冷熱システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
(13)本願発明の原子力熱電発電システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
(14)本願発明のバイオマスシステムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
(9)本願発明の熱電発電方法は、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いることを特徴とする。
(10)本願発明の廃熱回収システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを備えたことを特徴とする。
(11)本願発明の太陽熱利用システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
(12)本願発明のペルチェ冷熱システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
(13)本願発明の原子力熱電発電システムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
(14)本願発明のバイオマスシステムは、先のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いたことを特徴とする。
本発明によれば、高い信頼性と性能を両立した熱電変換モジュールを低コストで製造することができ、熱電変換システムの普及が期待できる。
また、本発明によれば、高い信頼性と性能を両立した熱電変換モジュールを低コストで製造することができ、優れた熱電発電装置と熱電発電方法、並びに、廃熱回収システム、太陽熱利用システム、ペルチェ冷熱システムの提供を目的とする。
また、本発明によれば、高い信頼性と性能を両立した熱電変換モジュールを低コストで製造することができ、優れた熱電発電装置と熱電発電方法、並びに、廃熱回収システム、太陽熱利用システム、ペルチェ冷熱システムの提供を目的とする。
以下、添付図面を参照して本発明に好適な実施の形態について説明する。
本発明における熱電モジュールにおいては、複数の熱電素子の電気的接続を金属製のキャップを介して行うことができる。
金属製のキャップの材質としては、特に限定されないが、熱電素子を構成する物質と熱膨張係数が同一、あるいは、熱膨張係数の差違の小さい材質の電導性のキャップが好ましく、例えば、線熱膨張係数の大きい熱電素子に対しては、ステンレス鋼や銅、鉄、銀、金など、線膨張係数の小さい熱電素子に対してはモリブデン、ジルコニウム、チタン、タングステンなどを用いることができる。
本発明における熱電モジュールにおいては、複数の熱電素子の電気的接続を金属製のキャップを介して行うことができる。
金属製のキャップの材質としては、特に限定されないが、熱電素子を構成する物質と熱膨張係数が同一、あるいは、熱膨張係数の差違の小さい材質の電導性のキャップが好ましく、例えば、線熱膨張係数の大きい熱電素子に対しては、ステンレス鋼や銅、鉄、銀、金など、線膨張係数の小さい熱電素子に対してはモリブデン、ジルコニウム、チタン、タングステンなどを用いることができる。
また、熱電素子の温度上昇による隙間の発生を防止するためにキャップと熱電素子の間に高温下で液状となる合金や金属の粒子を装填することも効果的である。
本発明で適用する金属製のキャップの形状は、特に限定されないが、熱電素子が円柱状の場合は円筒状が好ましく、底面は平板あるいは曲率を有していても良い。ただし、キャップの高さは熱電素子の高さの半分以下であることが好ましい。また、キャップの底面に微細な孔を空けるか、側面の一部に溝を形成して温度上昇によって膨張した熱電素子とキャップの隙間に残っている空気を放出する仕組みを施すこともできる。
本発明で適用する金属製のキャップの形状は、特に限定されないが、熱電素子が円柱状の場合は円筒状が好ましく、底面は平板あるいは曲率を有していても良い。ただし、キャップの高さは熱電素子の高さの半分以下であることが好ましい。また、キャップの底面に微細な孔を空けるか、側面の一部に溝を形成して温度上昇によって膨張した熱電素子とキャップの隙間に残っている空気を放出する仕組みを施すこともできる。
具体的な接続構造の一例として図1に示すように、円柱状のp型熱電素子3の両端部とn型熱電素子4の両端部に各々有底円筒状のキャップ2が機械的に圧入され、キャップ2に長方形板状の電極1が接続された構造を例示することができる。
この実施形態では、円柱状のp型熱電素子3とn型熱電素子4が並列配置され、p型熱電素子3の一端側のキャップ2とn型熱電素子4のキャップ2とが1つの電極1によって接続され、p型熱電素子3の他端側のキャップ2に他の電極1が接続され、更にn型熱電素子4の他端側のキャップ2に更に別の電極1が接続されて熱電変換モジュールAが構成されている。なお、ここで用いる電極1はその幅をp型熱電素子3およびn型熱電素子4の直径とほぼ同じ幅とすることが好ましい。
また、先の構成の熱電変換モジュールAを更に複数、p型熱電素子3とn型熱電素子4とが交互に並ぶように電極1を介して直列接続するとともに、交互接続した熱電変換モジュールAを平面視つづら折り状に縦横に並列配置して図2に示すような熱電変換モジュール群Bを構成し、熱電変換モジュール群Bの直列に位置した電極1…において、その一端側の電極1と他端側の電極1とが電流端子5とされている。
この実施形態では、円柱状のp型熱電素子3とn型熱電素子4が並列配置され、p型熱電素子3の一端側のキャップ2とn型熱電素子4のキャップ2とが1つの電極1によって接続され、p型熱電素子3の他端側のキャップ2に他の電極1が接続され、更にn型熱電素子4の他端側のキャップ2に更に別の電極1が接続されて熱電変換モジュールAが構成されている。なお、ここで用いる電極1はその幅をp型熱電素子3およびn型熱電素子4の直径とほぼ同じ幅とすることが好ましい。
また、先の構成の熱電変換モジュールAを更に複数、p型熱電素子3とn型熱電素子4とが交互に並ぶように電極1を介して直列接続するとともに、交互接続した熱電変換モジュールAを平面視つづら折り状に縦横に並列配置して図2に示すような熱電変換モジュール群Bを構成し、熱電変換モジュール群Bの直列に位置した電極1…において、その一端側の電極1と他端側の電極1とが電流端子5とされている。
なお、この形態では熱電変換モジュールAを平板状に縦横に配列して熱電変換モジュール群Bとしているが、熱電変換モジュール群Bの形状は平板状配列以外にも、筒状配列など、適用する熱源に応じて作り分けることができる。
前記キャップ2と電極1の接合は、例えば銀ロウなどのロウ材を用いて700℃に加熱すれば接合することができるが、キャップ2はあらかじめ電極1と接合しておくことも可能であり、これによりさらに生産性を向上させることができる。また、電極1とキャップ2を一体化させた構造も可能であり、必要であれば、拡散防止層として機能する金属あるいは導電性セラミックスなどをキャップ2の内面側に被覆するか、これらをキャップの構成材料として用いることで、熱電素子にこれらの被覆を施す工程を省略できるので熱電変換モジュールAの生産性を更に向上できる。
前記キャップ2と電極1の接合は、例えば銀ロウなどのロウ材を用いて700℃に加熱すれば接合することができるが、キャップ2はあらかじめ電極1と接合しておくことも可能であり、これによりさらに生産性を向上させることができる。また、電極1とキャップ2を一体化させた構造も可能であり、必要であれば、拡散防止層として機能する金属あるいは導電性セラミックスなどをキャップ2の内面側に被覆するか、これらをキャップの構成材料として用いることで、熱電素子にこれらの被覆を施す工程を省略できるので熱電変換モジュールAの生産性を更に向上できる。
また、電極1の裏面をセラミックスなどの絶縁物膜で予め被覆すると絶縁板が不要となるため生産コストを低減することができる。絶縁物膜の材質は特に限定されないが、酸化物セラミックス、各種絶縁性セラミックスなどが採用可能であり、好ましくは一般的に入手できて安価なアルミナを例示できる。
前記絶縁物膜の膜厚は、適用する熱電変換モジュールの形状に合わせて選択すれば良いが、好ましくは100nm程度である。
前記絶縁物膜の膜厚は、適用する熱電変換モジュールの形状に合わせて選択すれば良いが、好ましくは100nm程度である。
本発明の構造を採用することで、キャップ2の存在により熱電素子3、4が熱収縮することによる応力負荷を吸収することができる。さらに、電極1が固定されておらず、機械的に圧入された構造とされていて、応力を緩和できる構造となっているため、熱膨張係数が異なる物質でp型熱電素子3とn型熱電素子4の対を構成することが可能であり、例えば、熱電素子としてp型、n型ともにフィルドスクッテルダイト焼結体、p型あるいはn型の少なくとも一方がZn3Sb4系素子、コバルト酸化物系素子、Mn―Si系素子、Mg−Si系素子、Bi−Te系素子、Pb−Te系素子、ホイスラーおよびハーフホイスラー系材料、Si−Ge系材料などを単独であるいは適宜組み合わせて採用することも可能である。
例えば、中・高温(300〜500℃)では、フィルドスクッテルダイト焼結体、層状コバルト酸化物、Zn3Sb4系、Mn―Si系、Mg−Si系が使用可能であり、室温付近ではBi−Te系の材料が採用可能である。
例えば、フィルドスクッテルダイト(Filled Skutterudite)構造を有する熱電変換材料は、従来の熱電変換材料の1つである、フィルドスクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3等の金属間化合物の中でも熱伝導性が低いことから、特に高温での熱電変換材料として有望である。
例えば、中・高温(300〜500℃)では、フィルドスクッテルダイト焼結体、層状コバルト酸化物、Zn3Sb4系、Mn―Si系、Mg−Si系が使用可能であり、室温付近ではBi−Te系の材料が採用可能である。
例えば、フィルドスクッテルダイト(Filled Skutterudite)構造を有する熱電変換材料は、従来の熱電変換材料の1つである、フィルドスクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3等の金属間化合物の中でも熱伝導性が低いことから、特に高温での熱電変換材料として有望である。
フィルドスクッテルダイト系合金は、一般式がRT4Pn12(但し、Rは希土類金属、Tは遷移金属、PnはP、As、Sbなどの元素)で表される金属間化合物であり、一般式TPn3(但し、Tは遷移金属、PnはP、As、Sbなどの元素)で示されるフィルドスクッテルダイト型構造の結晶に存在する空孔の一部に、希土類金属(R)などの質量の大きい原子を充填したものである。
また、フィルドスクッテルダイト系熱電変換材料は、遷移金属Tを適切に選択することで、p型およびn型双方を作り分けることができる上、異方性がないことから結晶を配向させる必要が無く、製造プロセスが簡略で生産性が優れている。
n型フィルドスクッテルダイト素子YbCo4Sb12に対しては、遷移金属サイトのFeをNiで置換することも可能である。
また、フィルドスクッテルダイト系熱電変換材料は、遷移金属Tを適切に選択することで、p型およびn型双方を作り分けることができる上、異方性がないことから結晶を配向させる必要が無く、製造プロセスが簡略で生産性が優れている。
n型フィルドスクッテルダイト素子YbCo4Sb12に対しては、遷移金属サイトのFeをNiで置換することも可能である。
また、REx(Fe1−yMy)4YbCo4Sb12(REはLa、Ceのうち少なくとも1種、MはTi、Zr、Sn、Pbからなる群から選ばれた少なくとも一種。0<x≦1、0<y<1)をp型熱電変換材料として用いることも好ましく、REx(Co1−yMy)4SbCo4Sb12(REはLa、Ceのうち少なくとも1種、MはTi、Zr、Sn、Pbからなる群から選ばれた少なくとも一種。0<x≦1、0<y<1)をn型熱電変換材料として用いることも好ましい。
熱電変換材料の製造方法は、特に限定されないが、目的の組成になるように原料を秤量し、この原料を不活性ガス雰囲気中で溶解後、急冷凝固することにより製造した粉末を、プラズマ焼結、熱処理して素子を作製する方法を例示することができる。
急冷方法はストリップキャスティング法、その他、溶解金属の急冷方法として公知の方法を用いることができるが、工業的観点からストリップキャスティング法が好ましい。
急冷時の冷却速度は1400℃から400℃の範囲では1×102K/秒以上が好ましく、より好ましくは1×102K/秒以上、1×104K/秒以下である。これより遅いと相が分離して粉砕による成分の変動が大きくなり、これより早いとアモルファスとなり粉砕効率が悪化する。
急冷方法はストリップキャスティング法、その他、溶解金属の急冷方法として公知の方法を用いることができるが、工業的観点からストリップキャスティング法が好ましい。
急冷時の冷却速度は1400℃から400℃の範囲では1×102K/秒以上が好ましく、より好ましくは1×102K/秒以上、1×104K/秒以下である。これより遅いと相が分離して粉砕による成分の変動が大きくなり、これより早いとアモルファスとなり粉砕効率が悪化する。
次に、前記キャップ2の内径、高さ、厚みについて言えば、使用温度条件により、最適な熱電素子の径、高さは異なるので、使用温度条件により適切なキャップ寸法を選択すればよいが、加工の容易性の観点から見ると、キャップの内径を1〜10mm程度、高さを0.5〜10mm程度、板厚を0.1〜0.5mm程度とすることが好ましく、より好ましくは直径1〜3mm程度、高さ0.5〜3mm、板厚0.1〜0.3mm程度である。
本願発明の好ましい実施態様である熱電変換モジュールAおよび熱電発電システムの構成は特に限定されないが、例えば先に説明した図3に示すような熱電変換システムCを例示できる。
例えば図3に示すように、熱電変換モジュールAを組み合わせた熱電変換モジュール群Bの両側にヒートシンクなどの熱交換器6を設けて構成する。ここで熱交換器6は基板6Aの一面側に複数のフィン材6Bを立設した構成のものであり、基板6Aが金属板の場合は熱電変換モジュール群Bの複数の電極1をショートしないように各電極1の外面側の面あるいは基板6Aの一面に絶縁材(絶縁層)を配置しておくことが好ましい。
また、この形態の熱電変換モジュール群Bに直流電流を流すと一方が低温、他方が高温になるため冷熱源、熱電発電システムとして使用することができる。
例えば図3に示すように、熱電変換モジュールAを組み合わせた熱電変換モジュール群Bの両側にヒートシンクなどの熱交換器6を設けて構成する。ここで熱交換器6は基板6Aの一面側に複数のフィン材6Bを立設した構成のものであり、基板6Aが金属板の場合は熱電変換モジュール群Bの複数の電極1をショートしないように各電極1の外面側の面あるいは基板6Aの一面に絶縁材(絶縁層)を配置しておくことが好ましい。
また、この形態の熱電変換モジュール群Bに直流電流を流すと一方が低温、他方が高温になるため冷熱源、熱電発電システムとして使用することができる。
熱電素子を構成するp型半導体の熱電素子3およびn型半導体の熱電素子4は、例えば、電気的に直列、あるいは並列に接続されて熱電変換モジュール群Bを構成している。構成された熱電素子の高温接触部側は、絶縁体を介して、廃熱側の熱交換器6に密着させられている。一方、熱電素子の低温接触部側は、絶縁体を介して冷却水側の熱交換器6に密着させられている。
このようにして構成された熱電変換システムCでは、高温接触部側および低温接触部側に接続されたp型半導体の熱電素子3、n型半導体熱電素子4のそれぞれに温度差を発生させて、ゼーベック効果に基づく温度差に応じた電気が熱電変換により発電されることとなる。
このようにして構成された熱電変換システムCでは、高温接触部側および低温接触部側に接続されたp型半導体の熱電素子3、n型半導体熱電素子4のそれぞれに温度差を発生させて、ゼーベック効果に基づく温度差に応じた電気が熱電変換により発電されることとなる。
本発明によって製造された、熱電変換システムCを採用することで、工業用各種炉ならびに焼却炉をはじめとする大規模廃熱利用のみならず、各種コジェネレーション、給湯器、自動車の排ガス、地熱や太陽熱等の自然エネルギー、原子力エネルギー、バイオマスエネルギー等を高効率に利用することが可能となる。
従って、本発明における熱電変換モジュールAは、廃熱回収システム、太陽熱利用システム、ペルチェ冷熱システム、原子力熱電発電システム、及びバイオマスシステムに好適である。例えば、前記原子力熱電発電システムは、原子の崩壊による熱エネルギーを高温側とし、外界を低温側とすることで発電可能であり、宇宙船等にも採用可能である。また、いわゆるバイオマスを燃料とする発熱を利用した発電システムとすることも可能である。
従って、本発明における熱電変換モジュールAは、廃熱回収システム、太陽熱利用システム、ペルチェ冷熱システム、原子力熱電発電システム、及びバイオマスシステムに好適である。例えば、前記原子力熱電発電システムは、原子の崩壊による熱エネルギーを高温側とし、外界を低温側とすることで発電可能であり、宇宙船等にも採用可能である。また、いわゆるバイオマスを燃料とする発熱を利用した発電システムとすることも可能である。
以下、実施例を示して本発明の作用効果を明確にする。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
熱電素子を構成する物質として、p型の熱電素子3にLaFe4Sb12からなるものを用い、n型の熱電素子4にCeCo4Sb12からなるものを使用した。これらの熱電素子はセンターレスグラインダーを用いて直径1.7mm×5.5mmの円柱状に加工した。キャップ2としてステンレス(SUS304)鋼製のものを用い、直径1.65mm×1.45mmで底面が平板のものを使用した。
電極1として基材に銅を用いてこれに0.1mm厚のニッケルメッキ施し、さらに5nm厚の金蒸着を施した5mm×2mm×0.2mmの平板を使用した。
図1に示すように、熱電素子3および4にキャップ2を小型バイスで機械的に圧入してキャップ2を両端にはめ込んだ。キャップを両端に嵌めた後の熱電素子の高さは6.05mm程度であった。
キャップ2を両端にはめた熱電素子3および4と電極1の間に銀ロウをはさみ、アルゴン雰囲気中で、700℃で1時間加熱して図1に示すように接合した。
図1をp型熱電素子3とn型熱電素子4が交互に電気的に直列になるように多数つなぎ合わせて図2に示す形状の熱電変換モジュールを作製した。
図2に示すように上記熱電変換モジュールの上面側と下面側に0.5mm厚のアルミナ板を設置し、さらにその上面側および下面側に熱交換器を置いた。上面と下面の熱交換器はスプリングバネを介したボルトおよびナット(図示略)で固定し、図3に示す構成の熱電発電システムを作製した。
電極1として基材に銅を用いてこれに0.1mm厚のニッケルメッキ施し、さらに5nm厚の金蒸着を施した5mm×2mm×0.2mmの平板を使用した。
図1に示すように、熱電素子3および4にキャップ2を小型バイスで機械的に圧入してキャップ2を両端にはめ込んだ。キャップを両端に嵌めた後の熱電素子の高さは6.05mm程度であった。
キャップ2を両端にはめた熱電素子3および4と電極1の間に銀ロウをはさみ、アルゴン雰囲気中で、700℃で1時間加熱して図1に示すように接合した。
図1をp型熱電素子3とn型熱電素子4が交互に電気的に直列になるように多数つなぎ合わせて図2に示す形状の熱電変換モジュールを作製した。
図2に示すように上記熱電変換モジュールの上面側と下面側に0.5mm厚のアルミナ板を設置し、さらにその上面側および下面側に熱交換器を置いた。上面と下面の熱交換器はスプリングバネを介したボルトおよびナット(図示略)で固定し、図3に示す構成の熱電発電システムを作製した。
このようにして作製した熱電変換モジュールに熱交換器を組み合わせて温度差を生じさせることにより発電することができる。また、この熱電変換モジュールに直流電流を流すと一方が低温、他方が高温になるため冷熱源として使用することができる。
本構造を採用することで、熱電素子の両端側に圧入したキャップにより応力負荷を吸収することができる。即ち、電極が熱電素子に対して固定されておらず、キャップが熱電素子の両端部に嵌め込まれた状態でキャップが多少移動できる構成とされていて、応力負荷を緩和できる構造となっているため、素子としてp型、n型ともにフィルドスクッテルダイト焼結体を採用し、一方を室温、他方を500℃として100時間運転しても性能の変化は見られず、熱電素子に亀裂等は生じなかった。
本構造を採用することで、熱電素子の両端側に圧入したキャップにより応力負荷を吸収することができる。即ち、電極が熱電素子に対して固定されておらず、キャップが熱電素子の両端部に嵌め込まれた状態でキャップが多少移動できる構成とされていて、応力負荷を緩和できる構造となっているため、素子としてp型、n型ともにフィルドスクッテルダイト焼結体を採用し、一方を室温、他方を500℃として100時間運転しても性能の変化は見られず、熱電素子に亀裂等は生じなかった。
「比較例1」
比較例として従来一般的に検討されていた熱電変換モジュールとその拡大構造を図4および図5に示す。
この例においては角柱状の熱電素子30、40(幅2mm×2mm×高さ5mm)と電極10(先の実施例適用の電極と同じもの)が銀ロウで直接接合されている。この構造の熱電変換モジュール50を複数直列接続してなる熱電変換モジュール群Dに対して前記の実施例と同様にp型、n型ともにフィルドスクッテルダイト焼結体を採用して試験を行い、一方を室温、他方を500℃として1時間程度運転したところ、熱電素子30、40と電極10との間で剥離が生じて機能を失った。これは、熱電素子30、40と電極10との間に熱応力負荷が発生したため、銀ロウによる接合部分で剥離したものと思われる。
比較例として従来一般的に検討されていた熱電変換モジュールとその拡大構造を図4および図5に示す。
この例においては角柱状の熱電素子30、40(幅2mm×2mm×高さ5mm)と電極10(先の実施例適用の電極と同じもの)が銀ロウで直接接合されている。この構造の熱電変換モジュール50を複数直列接続してなる熱電変換モジュール群Dに対して前記の実施例と同様にp型、n型ともにフィルドスクッテルダイト焼結体を採用して試験を行い、一方を室温、他方を500℃として1時間程度運転したところ、熱電素子30、40と電極10との間で剥離が生じて機能を失った。これは、熱電素子30、40と電極10との間に熱応力負荷が発生したため、銀ロウによる接合部分で剥離したものと思われる。
本発明の熱電変換モジュールは、ペルチェ冷熱システムあるいは熱電発電システムの高性能化に寄与する。
1…電極、2…キャップ、3…p型熱電素子、4…n型熱電素子、5…電流端子、6…熱交換器、A…熱電変換モジュール、B…熱電変換モジュール群、C…熱電変換システム、D…熱電変換モジュール群、10…電極、30、40…熱電素子、50…熱電変換モジュール。
Claims (14)
- 熱電素子の電気的接続が金属製のキャップを介してなされていることを特徴とする熱電変換モジュール。
- 前記金属製のキャップが電極と一体構造とされてなることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換モジュール。
- 前記電極の少なくとも一つ以上の面に絶縁物が被覆され、該電極の絶縁物に被覆されていない面に前記キャップが一体化されてなることを特徴とする請求項2に記載の熱電変換モジュール。
- p型熱電素子とn型熱電素子が交互に電極を介して複数接続されてなり、前記p型熱電素子の両端部の各々と前記n型熱電素子の両端部の各々に前記金属製のキャップが装着されてなり、前記金属製のキャップを介して前記熱電素子と前記電極とが接続されてなることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記熱電素子がブロック状に構成され、各ブロック状の熱電素子の両端部に前記金属製のキャップが装着されてなることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
- 前記p型熱電素子と前記n型熱電素子が複数交互にそれらの両端部の金属製のキャップを介して接続されるとともにこれらが縦横に配列されて熱電変換モジュール群が構成され、該熱電変換モジュール群の一面側に前記各熱電素子の一側の電極が配置され、配列された熱電変換モジュール群の他面側に前記各熱電素子の他側の電極が配置されてなることを特徴とする請求項4または5に記載の熱電変換モジュール。
- 前記熱電変換モジュール群の一面側に前記各熱電素子の電極に絶縁物を介し接触する熱交換器が設けられ、前記熱電変換モジュール群の他面側に前記各熱電素子の電極に絶縁物を介し接触する熱交換器が設けられたことを特徴とする請求項6に記載の熱電変換モジュール。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュールが備えられたことを特徴とする熱電発電装置。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュールを用いることを特徴とする熱電発電方法。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュールが備えられたことを特徴とする廃熱回収システム。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュールが設けられたことを特徴とする太陽熱利用システム。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュールが設けられたことを特徴とするペルチェ冷熱システム。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュールが設けられたことを特徴とする原子力熱電発電システム。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の熱電変換モジュールが設けられたことを特徴とするバイオマスシステム。
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