JP2010135643A - 熱電変換装置、熱電発電システム、および熱電発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】無駄な熱抵抗や熱電導ロスを低減させること。
【解決手段】熱電変換装置１は、二種類の電極面をそれぞれ絶縁板２１ａ，２１ｂで覆いかつ当該電極面以外の面を封止した熱電変換モジュール１０を備え、絶縁板２１ａ，２１ｂの面が直接熱流体に接する構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱流体の熱から熱電変換により電気を生成する熱電変換装置、熱電発電システム、および熱電発電方法に関する。

民生および産業の分野から発生する未利用熱エネルギーを利用して発電を行う熱電発電システムは、太陽光を利用して発電を行う太陽光発電システムとは異なり、太陽光の利用ができない夜間においても、熱源さえあれば発電を行うことができる。実稼働時間は太陽光発電システムの７〜８倍と考えられる。このため、主として省エネルギーの観点から、その普及が期待されている。

熱電変換モジュールは、一般に、Ｐ型半導体素子およびＮ型半導体素子が、電極を介してセラミックス基板（絶縁板）に挟まれた構造をもつ。Ｐ型半導体素子およびＮ型半導体素子を、金属部材からなる電極を介して交互に接合することにより、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子とのＰＮ半導体素子対を形成する。熱電変換モジュール全体は、多数のＰＮ半導体素子対が接続されており、ＰＮ半導体素子対の始点および終点にはリード線が接続される。

熱電変換モジュールが有する二枚のセラミックス基板のうち一枚（以下、低温端面という）を冷却水などで冷やし、反対側のもう一枚（以下、高温端面という）に熱を加えると、低温側電極と高温側電極の間に起電力が発生して電流が流れる。すなわち、熱電変換モジュールの両側に温度差を与えるように熱電発電システムを構築することにより、熱電変換モジュールから電力を取り出すことができる。

この種の熱電発電システムとしては、例えば特許文献１および特許文献２に開示されたものが挙げられる。

特許文献１に記載された排熱発電装置は、熱電変換モジュールを用いて、自動車のエンジンなどから排出される排ガスの排熱を回収して電力に変換する車載用の装置である。一方、特許文献２に記載された炉壁用熱電変換装置は、焼却炉や溶融炉などの高温炉の炉壁に熱電変換モジュールを取り付けて発電を行うことができる装置である。
特許第３５６４２７４号公報 特開平１０−１９００７３号公報

従来のシステムは、金属製のチャンバーの間に熱電変換モジュールを挟んで圧接する構造となっている。このため、モジュール厚さにバラツキがある場合は、厚さのバラツキによるモジュールの締付け圧のバラツキを緩和しつつ高い熱伝導率を有するシートを設けなければならず、このシートが接合部での熱抵抗となってモジュール両面の温度差を拡大することの妨げとなっている。また、熱流体によって金属製チャンバーの内側が長期的に腐食するリスクもあり、防食コーティングなどの対策を必要とするケースもある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、無駄な熱抵抗や熱電導ロスを低減させることのできる熱電変換装置、熱電発電システム、および熱電発電方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による熱電変換装置は、二種類の電極面をそれぞれ絶縁板で覆いかつ当該電極面以外の面を封止した熱電変換モジュールを備え、前記絶縁板の面が直接熱流体に接する構造を有することを特徴とする。

本発明によれば、無駄な熱抵抗や熱電導ロスを低減させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置の構成の一例を示す図である。図１の（ａ）は、同装置をほぼ正面から見た形状を示しており、図１の（ｂ）は同装置を側面から見た形状を示している。また、図２は、図１に示される熱電変換装置の一部を上方から見た断面形状を示す図である。ここでは、熱電変換装置の片方の面に高温流体（もしくは温熱流体）が接し、もう片方の面に低温流体（もしくは冷熱流体）が接する場合を想定している。流体は、一般には液体であるが、気体の場合もあり得る。

本実施形態に係る熱電変換装置１は、二種類の電極面をそれぞれ絶縁板２１ａ，２１ｂで覆いかつ当該電極面以外の面を封止した少なくとも１つの熱電変換モジュール１０を備え、当該絶縁板２１ａ，２１ｂの表面が直接熱流体に接する構造を有する。このように圧接構造を撤廃すると共に、熱電変換モジュール１０の表面が直接熱流体に接する構造を採用することにより、無駄な熱抵抗や熱電導ロスを低減させ、温度差を増大させることを可能としている。

なお、熱電変換モジュール１０が１個である場合は、熱電変換モジュール１０自体を熱電変換装置として実現することも可能である。その場合、熱電変換モジュール１０を大型化することにより、大きな出力を得られるようにすることが望ましい。

図１の例では、熱電変換装置１は、熱電変換モジュール１０を複数個並べてそれぞれの絶縁板２１ａ，２１ｂの表面を露出させつつ電極面以外の面を封止材１１により密閉封止して一体化し、かつ、当該複数個の熱電変換モジュール１０を配線１２により結線してリード線１３を通じて出力を取り出せるようにしたものとなっている。

また、図２に示されるように、熱電変換装置１に含まれる熱電変換モジュール１０は、例えば一辺が１ｍｍ以上の直方体ないし立方体形状をしたＰ型半導体素子２２ａとＮ型半導体素子２２ｂとが、高温部側の電極２０ａもしくは低温部側の電極２０ｂを介して直列に接続された構造を有する。高温部側の電極２０ａは絶縁板２１ａで覆われており、低温部側の電極２０ｂは絶縁板２１ｂで覆われている。また、直列接続構造の両端部にある２つの電極には、配線１２もしくはリード線１３を接続するための電極取出し口２３ａ，２３ｂが設けられている。

このような構成において、各熱電変換モジュール１０の絶縁板２１ａの表面に高温流体が接し、絶縁板２１ｂの表面に低温流体が接すると、各熱電変換モジュール１０の両面において温度差が生じ、双方の流体が熱交換する過程で半導体素子群２１，２２において熱電変換が起こり、発電が行われるようになっている。

上記熱電変換装置１は、図１および図２に示されるように、当該熱電変換装置１の厚みが個々の電変換モジュール１０の厚みと同等になるように形成されていることが望ましい。この場合、絶縁板２１ａ，２１ｂの各表面と封止材１１の各表面とが連続して同一の高さを形成するため、熱電導ロスを一層効果的に低減させることができる。

また、個々の電変換モジュール１０を樹脂平板にはめ込み、シール処理を施すことにより、所望の形状を有する熱電変換装置１を比較的容易に形成することができる。例えば、耐熱性のある樹脂基板をくり貫いて個々の電変換モジュール１０をはめ込み、また、樹脂基板に穴を開けてリード線を通し、隙間をシリコーンや接着剤で埋め、水が漏れたり染み込まないようにシール処理を施す。また、熱電変換モジュールを樹脂と共に平板状に一体成型する場合も、所望の形状を有する熱電変換装置１を容易に形成することができ、さらには、製造上量産化し易いという利点がある。

なお、熱電変換装置１内に複数個の熱電変換モジュール１０を配置する際には、それぞれの極性を合わせ、高い出力が取り出せるように各熱電変換モジュール１０の高温面が高温流体に、低温面が低温流体に接するように、それぞれ適正に配置して埋め込む。

封止材１１は、樹脂やセラミックスなどの防食性に優れた材料で形成されていることが望ましい。樹脂を使用する場合は、熱硬化性樹脂、ＦＲＰ（Fiber-reinforced Plastic）、およびガラスエポキシクロス積層板のいずれかを適用することにより、強度や耐熱性、信頼性などを高めることができる。具体的には、フェノ-ル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ジリアルフタレート樹脂、ポリウレタンなどを採用する。この他、耐水性のシートやコーティングを施した断熱性のセラミックスボードなども熱ロスを防ぐ上で効果的である。

一方、絶縁板２１ａ，２１ｂは、個々の電変換モジュール１０への熱通過が妨げられないように、アルミナや窒化アルミニウムなどの高熱伝導性の材料で形成されていることが望ましい。

また、図３に、熱電変換材料の性能の温度依存性を示す。この図３からわかるように、熱源として２００℃以下の比較的低い温度域を対象とする場合、この温度域において高い無次元性能指数を示すＢｉ−Ｔｅ系の材料を熱電変換モジュール１０に使用することが望ましい。具体的な材料の例としては、Te 添加p型材料に(Bi2Te3)25(Sb2Te3)75、SbI3添加n型材料に(Bi2Te3)90(Bi2Se3)10などが挙げられる。

この第１の実施形態によれば、熱電変換装置１において、熱電変換モジュール１０に圧接構造を採用せず、熱電変換モジュール１０の表面が直接熱流体に接する構造を採用することにより、無駄な熱抵抗や熱電導ロスを低減させ、温度差を増大させることが可能となる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る熱電発電システムの構成の一例を示す斜視図である。なお、前述の第１の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この第２の実施形態に係る熱電発電システム１００は、図１および図２に示した熱電変換装置１を複数個備えた構成を有する。

熱電発電システム１００は、熱電発電部を構成する複数個の熱電変換装置１のほか、温熱源流路２、冷熱源流路３、温熱源供給ヘッダ４、温熱源排出ヘッダ５、冷熱源供給ヘッダ６、冷熱源排出ヘッダ７、および渦発生体８を備えている。

上記複数個の熱電変換装置１は、温熱源流路２および冷熱源流路３の少なくとも一部を構成している。温熱源流路２は、高温流体（温熱流体）が流れる流路であり、冷熱源流路３は、低温流体（冷熱流体）が流れる流路である。温熱源供給ヘッダ４は、温熱源流路２における熱電発電部の上流側に設けられ、高温流体を熱電変換装置１側へ供給する。一方、温熱源排出ヘッダ５は、温熱源流路２における熱電発電部の下流側に設けられ、熱電変換装置１において熱交換が行われた高温流体を排出する。冷熱源供給ヘッダ６は、冷熱源流路３における熱電発電部の上流側に設けられ、低温流体を熱電変換装置１側へ供給する。一方、冷熱源排出ヘッダ７は、冷熱源流路３における熱電発電部の下流側に設けられ、熱電変換装置１において熱交換が行われた低温流体を排出する。個々の供給ヘッダおよび排出ヘッダは、複数本の流路に均一に流体を分配して流すことができるよう、流体の動圧を静圧に置き換える構造を有する。渦発生体８は、各流路の上流側に設けられ、乱流を引き起こす。

ここでは、熱電変換モジュール１０の両面に温度差を付けやすくするため、熱電変換モジュール１０両面すなわち隣接する流路には高温流体と低温流体とが並列して流れるように各流路を配置する。すなわち、温熱源流路２と冷熱源流路３とを交互に配置する。また、流体が各流路の上面までしっかり充満して流れるように、各流路の下部から給液させて、各流路の上部から排液させる流路構造を形成する。高温流体と低温流体の流れ方向は向流でも併流でもどちらでもよいが、発電量を大きくするためには図４のように向流とすることが望ましい。なお、図示の例では、温熱源流路２が１つで、冷熱源流路３が２つだけとなっているが、勿論、これよりも多い数の流路を並列配置してもよい。

各流路は、前述の封止材１１の場合と同様、樹脂やセラミックスなどの防食性に優れた材料で形成されていることが望ましい。樹脂を使用する場合は、熱硬化性樹脂、ＦＲＰ、およびガラスエポキシクロス積層板のいずれかを適用することにより、強度や耐熱性、信頼性などを高めることができる。具体的には、フェノ-ル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ジリアルフタレート樹脂、ポリウレタンなどを採用する。この他、耐水性のシートやコーティングを施した断熱性のセラミックスボードなども熱ロスを防ぐ上で効果的である。

また、図４のように各流路において熱電発電部の上流側に乱流を引き起こす渦発生体８を設けることにより、熱伝達率を高めることが可能となる。渦発生体８は、どのような形でもよいが、一般的には、流口部に棒状や網状のものを設置する。

また、発電量をさらに大きくするために、各流路において熱電発電部の上流に設けられる熱電変換モジュール１０と下流に設けられる熱電変換モジュール１０とで使用する熱電変換材料が異なるようにしてもよい。例えば、上流側に位置する熱電変換モジュール１０が経験する温度と、下流側に位置する熱電変換モジュール１０が経験する温度との間に一定の温度差がある場合、熱電変換モジュール１０毎に、経験する温度にて最も熱電変換性能を発揮できる材料を個別に採用するようにしてもよい。

なお、温熱源流路２および冷熱源流路３は、一体型の樹脂やセラミックスで形成されてもよいし、予め熱電変換モジュール１０が埋め込まれた熱電変換装置１をパッキンやパテと一緒に容器にはめ込んで形成されたり、熱電変換装置１を溶接したりすることで形成されてもよい。また、一体成型された大型の熱電変換モジュール自体で構成されていてもよい。

このような構成において、温熱流体および冷熱流体をそれぞれ温熱源供給ヘッダ４および冷熱源供給ヘッダ６から各流路に流し、個々の熱電変換装置１で生成される電力をリード線を通じて取り出す。

この第２の実施形態によれば、熱電変換装置１を複数個備えた熱電発電システム１００において、温熱源流路２や冷熱源流路３などを適切に配置することにより、大きな電力を効果的に取り出すことが可能となる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る熱電発電システムの製作時の外観構成の一例を示す斜視図である。また、図６は、同実施形態に係る熱電発電システムの完成時の内部構成を示す図である。なお、前述の第１の実施形態および第２の実施形態と共通する要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

この第３の実施形態に係る熱電発電システム２００は、図４に示した複数個の熱電変換装置１および交互に配置された温熱源流路２および冷熱源流路３の構成を、断熱性かつ防食性を有する容器（チャンバー）３０に組み込んだものとしている。この熱電発電システム２００は、樹脂での一体型の流路形成が難しい場合に採用するのに適している。

すなわち、予め熱電変換装置１を差し込むためのスロット（切りかき部）３１を備えた樹脂の容器３０を用意して、これに熱電変換装置１を差込み、シール材とパッキンにて上下左右に熱電変換装置１と容器３０と蓋３２とが密着して液漏れのない構造とすることにより高温流体と低温流体の流路を確保することができる。なお、図示の例では、温熱源流路２が１つで、冷熱源流路３が２つだけとなっているが、勿論、これよりも多い数の流路を並列配置してもよい。

また、熱電変換装置１を標準品として商品化し、熱電発電システムの長期使用時に問題があれば、熱電変換モジュール単位で交換するのではなくて、標準品の熱電変換装置ごと交換する形態を採用することにより、システムのＭＴＴＦ（Mean Time To Failure）を短縮させつつ、回収した熱電変換装置１から個々の熱電変換モジュールを回収して再利用できるなどのメリットが得られる。また、スロット（切りかき部）３１の密度を大きくすることにより、流路を狭めるとともに単位体積当たりの熱電変換モジュール数を増加させられるため、システム出力を高めることができる。

この第３の実施形態によれば、スロット（切りかき部）３１を備えた樹脂の容器３０に熱電変換装置１を差し込んで熱電発電システム２００を構成することにより、樹脂での一体型の流路形成が難しい場合にも対応でき、また、チャンバー構造に特有なメリットを享受することができる。

（応用例）
図７は、図４に示した熱電発電システム１００もしくは図５および図６に示した熱電発電システム２００の応用例を示す図である。

熱電発電システム１００又は２００は、発電所やごみ焼却設備、下水道施設など排熱源のあるシステムの一部に組み込まれる。例えば、図７に示すように、周知のボイラ５１、タービン５２、コンデンサ（復水器）５３、給水加熱器５４、発電機５５等からなる蒸気タービン系統において、コンデンサ５３と給水加熱器５４との間に熱電発電システム１００又は２００を設け、コンデンサ５３により蒸気から凝集された高温のお湯を温熱源として熱電発電システム１００又は２００の温熱源供給ヘッダに流入させると共に、海水冷却の一部を分流して冷熱源供給ヘッダに対向流として流入させることにより熱電発電を実施する。

このように、熱電発電システム１００又は２００を、排熱源のあるシステムの一部に組み込み、排熱源からの排熱を利用することにより、コストを抑えつつ容易に熱電発電を行うことができる。

また、熱電発電システム１００又は２００に代えて、図１および図２に示した熱電変換装置１（もしくは熱電変換モジュール１０）を単体で排熱源のあるシステムの一部に組み込むようにしてもよい。例えば、図８に示されるように高温流体の本流６１ａから分岐する支流６２ａと、その対向流としての低温流体の本流６１ｂから分岐する支流６２ｂとの間に、熱電変換装置１を挟み込むように設置することにより発電を実施する。このとき、熱電変換装置１内の熱電変換モジュール１０の両面に露出している絶縁板がそれぞれ高温流体および低温流体に直接触れるようにするため、支流６２ａの配管および支流６２ｂの配管にそれぞれ開口部を設け、各開口部にそれぞれの絶縁板が位置するように熱電変換装置１の両面を支流６２ａの配管および支流６２ｂの配管に密着させる。

このように、熱電変換装置１（もしくは熱電変換モジュール１０）を単体で、排熱源のあるシステムの一部に組み込む場合においても、コストを抑えつつ容易に熱電発電を行うことができる。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置の構成の一例を示す図。 図１に示される熱電変換装置の一部を上方から見た断面形状を示す図。 熱電変換材料の性能の温度依存性を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る熱電発電システムの構成の一例を示す斜視図。 本発明の第３の実施形態に係る熱電発電システムの製作時の外観構成の一例を示す斜視図。 同実施形態に係る熱電発電システムの完成時の内部構成を示す図。 図４に示した熱電発電システムもしくは図５および図６に示した熱電発電システムの応用例を示す図。 図１および図２に示した熱電変換装置の応用例を示す図。

符号の説明

１…熱電変換装置、２…温熱源流路、３…冷熱源流路、４…温熱源供給ヘッダ、５…温熱源排出ヘッダ、６…冷熱源供給ヘッダ、７…冷熱源排出ヘッダ、８…渦発生体、１０…熱電変換モジュール、１１…封止材、１２…配線、１３…リード線、２０ａ，２０ｂ…電極、２１ａ，２１ｂ…絶縁板、２２ａ…Ｐ型半導体素子、２２ｂ…Ｎ型半導体素子、２３ａ，２３ｂ…電極取出し口、３０…容器（チャンバー）、３１…スロット（切りかき部）、３２…蓋、５１…ボイラ、５２…タービン、５３…コンデンサ（復水器）、５４…給水加熱器、５５…発電機、６１ａ，６１ｂ…本流、６２ａ，６２ｂ…支流、１００，２００…熱電発電システム。

Claims (15)

1. 二種類の電極面をそれぞれ絶縁板で覆いかつ当該電極面以外の面を封止した熱電変換モジュールを備え、前記絶縁板の面が直接熱流体に接する構造を有することを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱電変換モジュールを複数個並べてそれぞれの絶縁板の面を露出させつつ当該電極面以外の面を密閉封止して一体化し、かつ、当該複数個の熱電変換モジュールを結線して出力を取り出せるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 当該熱電変換装置の厚みが前記熱電変換モジュールの厚みと同等であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
4. 前記熱電変換モジュールを樹脂平板にはめ込み、シール処理を施したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
5. 前記熱電変換モジュールを樹脂と共に平板状に一体成型したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
6. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂、ＦＲＰ、およびガラスエポキシクロス積層板のいずれかであることを特徴とする請求項４又は５に記載の熱電変換装置。
7. 前記熱電変換モジュールは、直方体ないし立方体形状をしたＰ型素子とＮ型素子とが電極を介して直列に接続された構造を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の熱電変換装置を複数個備えた熱電発電システムにおいて、当該複数個の熱電変換装置が、温熱流体および冷熱流体の各流路の少なくとも一部を構成することを特徴とする熱電発電システム。
9. 温熱流体の流路と冷熱流体の流路とが交互に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の熱電発電システム。
10. 各流路において温熱流体が流れる方向と冷熱流体が流れる方向が向流を形成していることを特徴とする請求項８又は９に記載の熱電発電システム。
11. 前記複数個の熱電変換装置を、断熱性かつ防食性を有する容器に組み込んだことを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の熱電発電システム。
12. 各流路の上流側および下流側に熱流体の供給部および排出部をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか１項に記載の熱電発電システム。
13. 各流路の上流側に乱流を引き起こすための渦発生体を設けたことを特徴とする請求項１２に記載の熱電発電システム。
14. 各流路の上流側に設けられる熱電変換モジュールと下流側に設けられる熱電変換モジュールとでは、使用されている熱電変換材料が異なることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれか１項に記載の熱電発電システム。
15. 請求項８乃至１４のいずれか１項に記載の熱電発電システムにおいて、温熱流体および冷熱流体をそれぞれ対応する流路に流し、各熱電変換装置で生成される電力を取り出すことを特徴とする熱電発電方法。

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