JP2007266102A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高温流体、低温流体との流体境膜による熱抵抗が存在しても高い発電出力を得ることが可能な熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】高温側に配置される第１絶縁性導熱板と、第１絶縁性導熱板上に交互に配置された柱状をなす複数のｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材と、各半導体熱電変換部材を挟んで第１絶縁性導熱板と対向して低温側に配置された第２絶縁性導熱板と、第１絶縁性導熱板と各半導体熱電変換部材の間、および第２絶縁性導熱板と各半導体熱電変換部材の間にそれぞれ配置され、ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材を直列接続する第１電極および第２電極とを備えた熱電変換モジュールであって、平均熱伝導率Ｋを有するｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材を用い、第１絶縁性導熱板を熱伝達係数ｈ１の高温流体で加熱し、第２絶縁性導熱板を熱伝達係数ｈ２の低温流体で冷却して発電する際、前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄを次式 ［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄの値が０．６〜１．７になるように設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱電変換モジュールに関する。

資源の枯渇が予想される近未来において、エネルギーを有効に利用することは極めて重要な課題であり、種々のシステムが考案されている。その中でも、温度差が取れるシステムとして、ゼーベック効果と呼ばれる熱起電力を発生する熱電変換部材は、今まで排熱として無駄に環境中に捨てられていたエネルギーを回収する手段として期待されている。この熱電変換部材は、ｐ型半導体熱電変換部材とｎ型半導体熱電変換部材を交互に直列に接続したモジュールとして使用されている。

特許文献１には、熱電変換モジュールを自動車の排気ガスの熱を回収ために利用することが開示されている。温度差を得るため、熱電変換モジュールは一方の絶縁性導熱板が排気ガスで加熱され、他方の絶縁性導熱板が冷却水で冷却される。熱電変換モジュールの電気出力Ｐは、あらゆる界面での熱抵抗がない場合、次式で表される。

Ｐ＝α²（Ｔ_h−Ｔ_c）²ｎＳ／４ρｄ
ここで、式中のαはｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材平均ゼーベック係数、Ｔ_hは高温流体（廃棄ガス）温度、Ｔ_cは低温流体（冷却水）温度、ｎはｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の総数、Ｓはｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の断面積、ρはｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の平均抵抗率、ｄはｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さを示す。

前記式から分かるように電気出力Ｐは、理想的な場合においてｐ型、ｎ型の熱電変換部材の高さが低いほど大きくなる。しかしながら、現実には高温流体、低温流体が絶縁性導熱板のような固体に接している付近で流体境膜が存在し、大きな熱抵抗になる。したがって、前記式に示す電気出力Ｐとは半導体熱電変換部材の高さｄの関係が成り立たなくなる。
特開２００２−３２５４７０

本発明は、高温流体、低温流体との流体境膜による熱抵抗が存在しても高い発電出力を得ることが可能な熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

本発明によると、高温側に配置される第１絶縁性導熱板と、
前記第１絶縁性導熱板上に交互に配置された柱状をなす複数のｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材と、
前記各半導体熱電変換部材を挟んで前記第１絶縁性導熱板と対向して低温側に配置された第２絶縁性導熱板と、
前記第１絶縁性導熱板と前記各半導体熱電変換部材の間、および前記第２絶縁性導熱板と前記各半導体熱電変換部材の間にそれぞれ配置され、前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材を直列接続する第１電極および第２電極とを備えた熱電変換モジュールであって、
平均熱伝導率Ｋを有する前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材を用い、前記第１絶縁性導熱板を熱伝達係数ｈ１の高温流体で加熱し、前記第２絶縁性導熱板を熱伝達係数ｈ２の低温流体で冷却して発電する際、前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄを次式（１）
［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄ …（１）
の値が０．６〜１．７になるように設定することを特徴とする熱電変換モジュールが提供される。

本発明によれば、高温流体、低温流体との流体境膜による熱抵抗が存在してもｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さを最適化することにより高い発電出力を得ることが可能な熱電変換モジュールを提供できる。

以下、本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールを図面を参照して詳細に説明する。

図１は、実施形態に係る熱電変換モジュールを示す斜視図、図２は図１のII−II線に沿う断面図である。

高温側の第１絶縁性導熱板１、低温側の第２絶縁性導熱板２は、互いに対向して配置されている。これらの絶縁性導熱板１，２は、例えば窒化珪素、窒化アルミニウムのようなセラミックから作られることが好ましい。柱状（例えば四角柱状）をなす複数のｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４は、前記第１、第２の絶縁性導熱板１，２間にその板面に沿って交互、例えば市松状に配置されている。ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４は、四角柱状に限らず、三角柱状、五角柱状のような多角柱状、または円柱状であってもよい。また、各ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４は例えばハーフホイスラー系材料、スクッテルダイト系材料、ビスマス−テルル系材料、シリコン−ゲルマニウム系材料により作ることができる。

複数の第１電極５は、前記複数のｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４の配列側の前記第１絶縁性導熱板１表面に形成され、前記第１絶縁性導熱板１側で隣接する前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４の端面と例えばＡｇ系の活性ろうを介してそれぞれ接合、接続されている。複数の第２電極６は、前記複数のｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４の配列側の前記第２絶縁性導熱板２表面に形成され、前記第２絶縁性導熱板２側で隣接する前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４の端面と前記第１電極５とともに電気的に直列接続されるように例えばＡｇ系の活性ろうを介してそれぞれ接合、接続されている。すなわち、複数の第１電極５は第１絶縁性導熱板１と各半導体熱電変換部材３，４の間に配置され、複数の第２電極６は第２絶縁性導熱板２と各半導体熱電変換部材３，４の間に配置され、これら第１、第２の電極５，６によりｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４を直列接続している。

このような熱電変換モジュールにおいて、平均熱伝導率Ｋを有するｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４を用い、第１絶縁性導熱板１を熱伝達係数ｈ１の高温流体Ｆ１で加熱し、第２絶縁性導熱板２を熱伝達係数ｈ２の低温流体Ｆ２で冷却して発電する際、前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４の高さｄ（図２図示）を次式（１）
［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄ …（１）
の値が０．６〜１．７になるように設定する。

前記各流体の熱伝達係数は、以下のようにして求められる。熱伝達係数ｈに熱交換器の代表長さＬを乗じ、流体の熱伝導率λで除すと、無次元数になる。これをヌッセルト数と言いＮｕで表す。ＭｃＡｄａｍｓによりＮｕ数は次式（２）で表されることが明らかにされている（八田四郎次、前田四郎；“化学工学概論 新版”ｐ７６、共立出版株式会社、１９８１参照）。

Ｎｕ＝０．０２２５・Ｒｅ・Ｐｒ …（２）
前記式（２）のＲｅは、レイノルズ数であり、ｕを流体の流速、ｍを流体の密度、μを粘度とすると、Ｒｅは次式（３）で表される。

Ｒｅ＝Ｌｕｍ／μ …（３）
前記式（２）のＰｒはプラントル数であり、Ｃを流体の定圧比熱とすると、Ｐｒは次式（４）で表される。

Ｐｒ＝Ｃμ／λ …（４）
以上の式（２）〜式（４）より流体の熱伝達率ｈは、熱交換器の形状、流体の流速、密度、粘度、定圧比熱、熱伝導率から求めることができる。

前記各半導体熱電変換部材の高さｄの設定において、前記式（１）の値が０．６〜１．７を外れると、高い発電出力を得ることが困難になる。前記各半導体熱電変換部材の高さｄの設定において、より好ましい前記式（１）の値は０．７〜１．４である。

以上説明したように実施形態に係る熱電変換モジュールよれば、平均熱伝導率Ｋを有するｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４を用い、第１絶縁性導熱板１を熱伝達係数ｈ１の高温流体Ｆ１で加熱し、第２絶縁性導熱板２を熱伝達係数ｈ２の低温流体Ｆ２で冷却して発電する際、高温流体Ｆ１と第１絶縁性導熱板１との流体境膜による熱抵抗および低温流体Ｆ２と第２絶縁性導熱板２との流体境膜による熱抵抗がそれぞれ存在しても、前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材３，４の高さｄを次式（１）
［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄ …（１）
の値が０．６〜１．７になるように設定する、つまり半導体熱電変換部材３，４の高さを最適化する、ことによって高い発電出力を取り出すことができる。

以下、本発明の実施例を説明する。

（実施例１）
平均熱伝導率２．９Ｗ／ｍＫ、平均抵抗率１．９５Ωｃｍ、平均ゼーベック係数２７７μＶ／Ｋのハーフホイスラー焼結体から切り出した縦横２．７ｍｍ、高さ１．０ｍｍの角柱体からなるｐ型、ｎ型の熱電変換部材１４４個を用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すように配置して熱電変換モジュールを作製した。なお、第１、第２の絶縁性導熱板としては、熱伝導率が２００Ｗ／ｍＫの窒化アルミニウムからなる幅
４０ｍｍ、長さ４０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのものを用いた。

同様に高さの異なる熱電変換部材をそれぞれ１４４個用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すようにそれぞれ配置して１９種の熱電変換モジュールを作製した。

次いで、図１、図２に示すように温度５００℃、熱伝達係数３２０Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ１）の高温ガスで第１絶縁性導熱板１を加熱し、温度２０℃、熱伝達係数３０００Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ２）の冷却水で第２絶縁性導熱板２を冷却して発電を行った。

前記式（１）の［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄをＡとし、下記表１にｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄ、発電出力およびＡ値の関係を示す。

前記表１から明らかなように半導体熱電変換部材の高さが１０．０ｍｍ（Ａ値が１．００）のＮｏ．１０の熱電変換モジュールは、最高出力（５．９４Ｗ）が得られることがわかる。Ａ値が０．６〜１．７の範囲（半導体熱電変換部材の高さが６．０〜１６．０ｍｍ）のＮｏ．６−１６の熱電変換モジュールは、最高出力の９５％以上の出力が得られることがわかる。

（実施例２）
実施例１と同様なハーフホイスラー焼結体から切り出した角柱体からなる高さの異なるｐ型、ｎ型の熱電変換部材を用いて、１０種の熱電変換モジュールを作製した。

次いで、図１、図２に示すように温度５００℃、熱伝達係数６７０Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ１）の高温ガスで第１絶縁性導熱板１を加熱し、温度２０℃、熱伝達係数４０００Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ２）の冷却水で第２絶縁性導熱板２を冷却して発電を行った。

前記式（１）の［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄをＡとし、下記表２にｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄ、発電出力およびＡ値の関係を示す。

前記表２から明らかなように半導体熱電変換部材の高さが５．０ｍｍ（Ａ値が１．００）のＮｏ．５の熱電変換モジュールは、最高出力（１１．８０Ｗ）が得られることがわかる。Ａ値が０．６〜１．７の範囲（半導体熱電変換部材の高さが３．０〜８．０ｍｍ）のＮｏ．３−８の熱電変換モジュールは、最高出力の９５％以上の出力が得られることがわかる。

（実施例３）
平均熱伝導率２．８Ｗ／ｍＫ、平均抵抗率１．１５Ωｃｍ、平均ゼーベック係数１９７μＶ／Ｋのスクッテルダイト焼結体から切り出した縦横２．７ｍｍ、高さ１．０ｍｍの角柱体からなるｐ型、ｎ型の熱電変換部材１４４個を用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すように配置して熱電変換モジュールを作製した。なお、第１、第２の絶縁性導熱板は実施例１と同様のものを用いた。

同様に高さの異なる熱電変換部材をそれぞれ１４４個用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すようにそれぞれ配置して１４種の熱電変換モジュールを作製した。

次いで、図１、図２に示すように温度５００℃、熱伝達係数７１０Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ１）の高温ガスで第１絶縁性導熱板１を加熱し、温度２０℃、熱伝達係数４０００Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ２）の冷却水で第２絶縁性導熱板２を冷却して発電を行った。

前記式（１）の［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄをＡとし、下記表３にｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄ、発電出力およびＡ値の関係を示す。

前記表３から明らかなように半導体熱電変換部材の高さが８．０ｍｍ（Ａ値が１．００）のＮｏ．８の熱電変換モジュールは、最高出力（６．３５Ｗ）が得られることがわかる。Ａ値が０．６〜１．７の範囲（半導体熱電変換部材の高さが５．０〜１３．０ｍｍ）のＮｏ．５−１３の熱電変換モジュールは、最高出力の９５％以上の出力が得られることがわかる。

（実施例４）
実施例３と同様なスクッテルダイト焼結体から切り出した角柱体からなる高さの異なるｐ型、ｎ型の熱電変換部材を用いて、１４種の熱電変換モジュールを作製した。

次いで、図１、図２に示すように温度５００℃、熱伝達係数４１０Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ１）の高温ガスで第１絶縁性導熱板１を加熱し、温度２０℃、熱伝達係数４００Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ２）の冷却水で第２絶縁性導熱板２を冷却して発電を行った。

前記式（１）の［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄをＡとし、下記表４にｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄ、発電出力およびＡ値の関係を示す。

前記表４から明らかなように半導体熱電変換部材の高さが１４．０ｍｍ（Ａ値が１．００）のＮｏ．７の熱電変換モジュールは、最高出力（３．６２Ｗ）が得られることがわかる。Ａ値が０．６〜１．７の範囲（半導体熱電変換部材の高さが１０．０〜２２．０ｍｍ）のＮｏ．５−１１の熱電変換モジュールは、最高出力の９５％以上の出力が得られることがわかる。

（実施例５）
平均熱伝導率１．３Ｗ／ｍＫ、平均抵抗率１．２５Ωｃｍ、平均ゼーベック係数１９３μＶ／Ｋのビスマス−テルル系焼結体から切り出した縦横２．７ｍｍ、高さ１．０ｍｍの角柱体からなるｐ型、ｎ型の熱電変換部材１４４個を用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すように配置して熱電変換モジュールを作製した。なお、第１、第２の絶縁性導熱板は実施例１と同様のものを用いた。

同様に高さの異なる熱電変換部材をそれぞれ１４４個用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すようにそれぞれ配置して１１種の熱電変換モジュールを作製した。

次いで、図１、図２に示すように温度２００℃、熱伝達係数３０５Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ１）の高温ガスで第１絶縁性導熱板１を加熱し、温度２０℃、熱伝達係数２０００Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ２）の冷却水で第２絶縁性導熱板２を冷却して発電を行った。

前記式（１）の［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄをＡとし、下記表５にｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄ、発電出力およびＡ値の関係を示す。

前記表５から明らかなように半導体熱電変換部材の高さが６．０ｍｍ（Ａ値が１．００）のＮｏ．６の熱電変換モジュールは、最高出力（１．０５Ｗ）が得られることがわかる。Ａ値が０．６〜１．７の範囲（半導体熱電変換部材の高さが４．０〜１０．０ｍｍ）のＮｏ．４−１０の熱電変換モジュールは、最高出力の９５％以上の出力が得られることがわかる。

（実施例６）
平均熱伝導率５．３Ｗ／ｍＫ、平均抵抗率１．２７Ωｃｍ、平均ゼーベック係数１９０μＶ／Ｋのシリコン−ゲルマニウム系焼結体から切り出した縦横２．７ｍｍ、高さ１．０ｍｍの角柱体からなるｐ型、ｎ型の熱電変換部材１４４個を用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すように配置して熱電変換モジュールを作製した。なお、第１、第２の絶縁性導熱板は実施例１と同様のものを用いた。

同様に高さの異なる熱電変換部材をそれぞれ１４４個用意し、これらのｐ型、ｎ型の熱電変換部材を図１、図２に示すようにそれぞれ配置して１２種の熱電変換モジュールを作製した。

次いで、図１、図２に示すように温度８３０℃、熱伝達係数５００Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ１）の高温ガスで第１絶縁性導熱板１を加熱し、温度３０℃、熱伝達係数３０Ｗ／ｍ²Ｋ（＝ｈ２）の冷却水で第２絶縁性導熱板２を冷却して発電を行った。

前記式（１）の［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄをＡとし、下記表６にｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄ、発電出力およびＡ値の関係を示す。

前記表６から明らかなように半導体熱電変換部材の高さが１２．０ｍｍ（Ａ値が１．００）のＮｏ．６の熱電変換モジュールは、最高出力（９．７９Ｗ）が得られることがわかる。Ａ値が０．６〜１．７の範囲（半導体熱電変換部材の高さが８．０〜２０．０ｍｍ）のＮｏ．４−１０の熱電変換モジュールは、最高出力の９５％以上の出力が得られることがわかる。

本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す斜視図。 図１のII−II線に沿う断面図。

符号の説明

１…第１絶縁性導熱板、２…第２絶縁性導熱板、３…ｐ型半導体熱電変換部材、４…ｎ型半導体熱電変換部材、５…第１電極、６…第２電極。

Claims (5)

1. 高温側に配置される第１絶縁性導熱板と、
   前記第１絶縁性導熱板上に交互に配置された柱状をなす複数のｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材と、
   前記各半導体熱電変換部材を挟んで前記第１絶縁性導熱板と対向して低温側に配置された第２絶縁性導熱板と、
   前記第１絶縁性導熱板と前記各半導体熱電変換部材の間、および前記第２絶縁性導熱板と前記各半導体熱電変換部材の間にそれぞれ配置され、前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材を直列接続する第１電極および第２電極とを備えた熱電変換モジュールであって、
   平均熱伝導率Ｋを有する前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材を用い、前記第１絶縁性導熱板を熱伝達係数ｈ１の高温流体で加熱し、前記第２絶縁性導熱板を熱伝達係数ｈ２の低温流体で冷却して発電する際、前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材の高さｄを次式（１）
   ［Ｋ（ｈ１^-1＋ｈ２^-1）］／ｄ …（１）
   の値が０．６〜１．７になるように設定することを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材がハーフホイスラー系材料からなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材がスクッテルダイト系材料からなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
4. 前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材がビスマス−テルル系材料からなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
5. 前記ｐ型、ｎ型の半導体熱電変換部材がシリコン−ゲルマニウム系材料からなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。

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