JP2011035059A - 熱電変換発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】受熱板が高温に曝されても受熱板と熱電変換モジュールとの間に空隙が生じず、また受熱板が平面方向にずれることがないようにして、高温熱源から熱電変換モジュールへの入熱効率を向上させて高い発電出力を得ることができる熱電変換発電装置を提供する。
【解決手段】本発明の熱電変換発電装置（１）は、高温熱源（３）と低温熱源（５）の間に熱電変換モジュール（２）が配置され、熱電変換モジュールの高温熱源側に配置された受熱板（４）により入熱が行われ、高温熱源と低温熱源との間の温度差を利用して発電出力を得るものであって、受熱板は弾性体（８）を介して枠板（７）に取り付けられており、枠板には四角形をなす受熱板の隣り合う２辺を拘束する拘束ブロック（９）が設けられているとともに、低温熱源側が押しボルト（１２）により押圧されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールを用いて高温側と低温側との間の温度差から発電する熱電変換発電装置に係り、特に熱電変換モジュールへの入熱効率に優れ、高い発電出力を得ることができる熱電変換発電装置に関する。

従来からゼーベック効果あるいはペルチェ効果を利用する熱電変換モジュールが知られているが、この熱電変換モジュールは、通常アルミナなどのセラミックス基板上にｐ型及びｎ型の半導体からなる熱電変換素子を交互に直列に配列し、ｐ型及びｎ型のそれぞれの熱電変換素子を電極で接続した構造を有している（例えば、特許文献１〜３参照）。

ところで、高温側と低温側との間の温度差を利用して熱電変換モジュールにより発電を行う場合、高温側の熱源としては工業炉や焼却炉、あるいはこれらからの配管などが用いられることがあるが、その他に高温熱源（例えば、高温ガス等）を直接取り出す場合もある。

熱電変換発電装置は、熱電変換モジュールを低温熱源と高温熱源からの熱を取り入れる受熱板で挟み、これらを枠板内に組み込むことで構成されるが、例えば数百度の温度差で使用する酸化物系熱電変換素子を用いた熱電変換発電装置においては、前記各構成要素の熱膨張率の違いにより、受熱板と熱電モジュールの間および受熱板と枠板との間に熱歪を生じることになる

特開平５−２９６６７号公報 特開２００５−３０２７８３号公報 特開２０００−１６４９４１号公報

上記したような従来の熱電変換発電装置においては、通常枠板は高温熱源に対して剛状態で取り付けられるので、受熱板と熱電モジュールの間および受熱板と枠板との間に生じる熱歪により受熱板と熱電変換モジュールとの間に空隙が生じたり、受熱板が枠板に対して平面方向に所定の範囲を超えてずれたりすることがあった。この結果、高温熱源から熱電変換モジュールへの熱の流入が阻害され、熱電変換効率が極端に低下するという問題があった。

ここで、所定の範囲を超えてずれるということは、受熱板の当初の設置位置を基準として、熱電変換発電装置が例えば室温→昇温→室温→昇温のような繰り返しの熱履歴を受けた場合、枠板や受熱板等の構成要素のそれぞれの熱膨張率の違いに起因して各構成要素がそれぞれ任意の方向に動くことにより、熱電変換発電装置の発電出力が極端に低下するような現象をいう。即ち、各構成要素の熱膨張率にそれぞれ差があり、それによって各構成要素が個々にずれたとしても発電出力が実用上十分に得られるならば、ずれは所定の範囲内であることを意味する。

さらに、受熱板と熱電変換モジュールの間に生じた熱歪は熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子と電極との接合にも影響を及ぼし、この影響により熱電変換モジュールの内部抵抗が増大し、発電出力が低下したり、セラミックス基板や熱電変換素子自体あるいは熱電変換素子と電極の接続部等の毀損により発電機能を失ったりするという問題もあった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、受熱板が高温に曝されても受熱板と熱電変換モジュールとの間に空隙が生じないようにし、また受熱板が平面方向にずれることがないようにすることによって、高温熱源から熱電変換モジュールへの入熱効率を向上させて高い発電出力を得ることができる熱電変換発電装置を提供するものである。

この目的を達成するために本発明の熱電変換発電装置の第１の態様は、高温熱源と低温熱源の間に熱電変換モジュールが配置され、熱電変換モジュールの高温熱源側に配置された受熱板により入熱が行われ、高温熱源と低温熱源との間の温度差を利用して発電出力を得る熱電変換発電装置において、受熱板は弾性体を介して枠板に取り付けられており、枠板には四角形をなす受熱板の隣り合う２辺を拘束する拘束ブロックが設けられているとともに、低温熱源側が押しボルトにより押圧されていることを特徴とする。

また本発明の熱電変換発電装置の第２の態様は、第１の態様において、受熱板は炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粒子から選択された１種若しくは数種を含むセメント板であることを特徴とする。

さらに本発明の熱電変換発電装置の第３の態様は、第１または第２の態様において、弾性体はガラスウールからなることを特徴とする。

また本発明の熱電変換発電装置の第４の態様は、第１から第３の態様において、熱電変換モジュールは、ｐ型酸化物系半導体及びｎ型酸化物系半導体からなる熱電変換素子により構成されていることを特徴とする。

さらに本発明の熱電変換発電装置の第５の態様は、第４の態様において、酸化物系の熱電変換素子は、ｐ型酸化物系半導体が、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物から選択された１種であり、ｎ型酸化物系半導体が、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物から選択された１種であることを特徴とする。

本発明の熱電変換発電装置によれば、高温熱源から熱を入熱する受熱板を枠板に弾性体を介して取付け、この受熱板に発電機能を有する熱電変換モジュールを、さらにこの熱電変換モジュール側に低温熱源を配置した構成とするとともに、受熱板の平面方向のずれをなくすために、枠板に四角形の受熱板の隣り合う２辺を拘束する拘束ブロックを設け、また受熱板と熱電変換モジュールと低温熱源との間の接触状態を向上させるために、押しボルトにより低温熱源側を押圧するようにしている。

この結果、受熱板、ひいては熱電変換モジュールや低温熱源の平面方向に所定の範囲を超えたずれをなくすことができるとともに受熱板と熱電変換モジュールとの間の空隙をなくすことができるので、受熱板が高温に曝されて熱歪が生じたとしても、高温熱源から受熱板への入熱効率を向上させ、大きな発電出力を得ることができる熱電変換発電装置を提供することが可能となる。

本発明の熱電変換発電装置の構造の一実施の形態を示す側面断面図である。 本発明の熱電変換発電装置における拘束ブロックの配置状況を説明するための図である。 本発明の熱電変換発電装置の構造の一実施の形態を示す側面図である。 本発明の熱電変換発電装置を低温熱源側から見た斜視図である。 本発明の熱電変換発電装置を高温熱源側から見た斜視図である。

以下、本発明の熱電変換発電装置の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以後の各図の説明において、同一の箇所については同一の符号を付すこととする。

図１は本発明の熱電変換発電装置の構造の一実施の形態を示す側面断面図である。図１において、本発明の熱電変換発電装置１は、熱電変換モジュール２の高温熱源３側に受熱板４が配置されている。また、熱電変換モジュール２における受熱板４と反対側には低温熱源５が配置されている。なお、熱電変換モジュール２と受熱板４を併せて熱電変換ユニット６と称する。

受熱板４は枠板７に弾性体８を介して取り付けられており、受熱板４の片側（図における右側）には拘束ブロック９が設けられている。この拘束ブロック９は枠板７に取り付けられており、受熱板４を拘束することにより熱歪による受熱板４の平面方向のずれをなくす働きをしている。

また、枠板７には枠柱１０を介して梁１１が設けられており、この梁１１を貫通して押しボルト１２により低温熱源５を押圧するようになっている。このように、押しボルト１２により低温熱源５を押圧すると、熱電変換モジュール２、受熱板４も併せて押圧されることになり、受熱板４、熱電変換モジュール２、低温熱源５との間の接触状態が維持され、熱歪が生じたとしても、それぞれの間に空隙が生じるようなことがない。従って、熱抵抗の軽減を図ることができる。

受熱板４を拘束する拘束ブロック９は、図２に示すように、四角形をなす受熱板４の４辺、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのうち、例えば隣り合う２辺である１３ａ、１３ｂを拘束するように板枠７に取り付けられている。このようにすると、たとえ受熱板４に熱歪が加わり、受熱板４が平面方向にずれようとしても拘束ブロック９に４辺のうち隣り合う２辺が拘束されるので、受熱板４は所定の範囲を超えて平面方向にずれることがない。また、受熱板４には拘束ブロック９により拘束されていない他の２辺に動きの自由度を持たせているので、受熱板４に熱歪が加わった時に、２辺（例えば、１３ａ、１３ｂ）が拘束されているとしても、他の２辺（例えば、１３ｃ、１３ｄ）に動きの自由度があるので、熱歪が逃げることができ、受熱板４が反ったりするような不都合が生じることがない。

なお、板枠７には高温熱源２に板枠７を取り付けるための高温熱源取り付け用ボルト孔１４が複数設けられており、これらのボルト孔１４に取り付け用ボルトを挿入して板枠７を高温熱源２に取り付けるようにしている。また、受熱板４の寸法は、板枠７の内枠寸法（破線で示した寸法）よりも若干大きくなるように形成され、この受熱板４と板枠７の内枠との間の幅ｗの部分に図１に示す弾性体８が配置されるようになっている。

弾性体８は、受熱板４や熱電変換モジュール２の僅かな熱歪を吸収するもので、熱歪を吸収することにより内部熱応力の発生を抑止し、熱電変換素子と電極との間の電気内部抵抗の増大を防止する。弾性体８に用いられる材質としては特に限定されるものではないが、例えばガラスウールを用いることが好ましい。

ここで、高温熱源３としては、例えば工業炉や焼却炉、あるいは高温のガスが流れている配管などが挙げられ、このような炉や配管に受熱板４を接触させて入熱を行い、熱電変換モジュール２により発電を行うものである。また、炉や配管に孔をあけ、その孔から高温ガスを吹き出させて直接受熱板４に入熱を行うこともある。

図１において、高温熱源３として炉や配管に受熱板４を接触させて入熱を行う場合には、高温熱源３はＡ領域で表すことができる。また、例えば配管に穴をあけてその孔から高温ガスを吹き出させて直接受熱板４に入熱を行う場合には、高温熱源３はＡ＋Ｂ領域で表すことができる。

熱電変換モジュール２はアルミナなどからなるセラミックス基板を有しており、セラミックス基板上に熱電変換素子が設けられている。熱電変換素子はｐ型及びｎ型の半導体の素子が交互に配列されており、ｐ型及びｎ型の素子が対になり電極で接続されている。

このような熱電変換モジュール２に用いられる熱電変換素子としては、酸化物系半導体からなる熱電変換素子が好ましく、例えば、ｐ型酸化物系半導体としてナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物などが挙げられ、ｎ型酸化物系半導体として酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物が挙げられる。

また、受熱板４としては、熱電変換モジュール２のセラミックス基板に近い熱膨張率を有している材質が好ましく、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子、あるいは窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粒子の１種若しくは数種を含むセメント板が適している。これら粒子の配合割合は高い方がよく、８５ｗｔ．％以上あることが好ましい。８５ｗｔ．％未満では熱伝導率が低くなって熱電変換発電装置の発電能力が低下するためである。

さらに、受熱板４については、熱電変換モジュール２への入熱効率を上げるために熱伝導率が高い方が好ましい。そのため上記の粒子の径は大きい方が粒界が少なくなり、粒子同士の接触抵抗が小さくなるので熱伝導率が高くなる。しかし、粒子の径が大き過ぎると粒子密度が減少し、強度が低下するので粒子径は１〜３ｍｍの範囲が好ましい。

図３は本発明の熱電変換装置１の側面図である。また、図４は本発明の熱電変換装置１を低温熱源５側から見た斜視図である。さらに、図５は本発明の熱電変換装置１を高温熱源３側から見た斜視図である。上記図３から図５においては、説明の便宜上高温熱源３については図示を省略している。

図３において、熱電変換モジュール２と受熱板４とからなる熱電変換ユニット６と低温熱源５がそれぞれ接触状態で積層され、受熱板４は弾性体８を介して枠板７に取り付けられている。受熱板４の一方の端部（図における下側の端部）には拘束ブロック９が配置されており、拘束ブロック９は受熱板４とともに低温熱源５、熱電変換モジュール２、弾性体８にも跨るように配置されているため、熱歪によるこれらの平面方向のずれを防止できるようになっている。

枠板７には枠柱１０が取り付けられており、この枠柱１０を介して梁１１が設けられ、ボルト１５により枠柱１０に固定されている。梁１１には複数の貫通孔１６が設けられており、この貫通孔１６から押しボルト１２を挿入して低温熱源５を押圧するようになっている。そして、このような押圧により低温熱源５、熱電変換モジュール２、受熱板４との間の接触状態が維持され、それぞれの間で空隙を生じることがなくなる。

なお、押しボルト１２による押圧力は、押しボルト１２の押し込む力により調整することができ、熱電変換発電装置の使用状況によって適宜最適な押圧力を選択すればよい。また、枠板７、枠柱１０、梁１１はともに耐熱性を有する金属、例えばステンレススティールなどで構成されている。

また、枠板７には破線で示すように高温熱源取り付け用ボルト孔１４が複数設けられており、高温熱源取り付け用ボルト１７を高温熱源取り付け用ボルト孔１４に挿入し、枠板７を高温熱源３に取り付けるようになっている。

図４は本発明の熱電変換発電装置をより分かり易く説明するための低温熱源側から見た斜視図である。図４において、枠板７に弾性体８が取り付けられており、この弾性体８を介して受熱板４、さらにその上に熱電変換モジュール２が積層されている。そして熱電変換モジュール２の上にさらに低温熱源５が配置されている。枠板７には、拘束ブロック９が受熱板４の隣り合う２辺に配置されるようにそれぞれ設けられており、この拘束ブロック９は受熱板４とともに弾性体８、熱電変換モジュール２及び低温熱源５に跨るように配置されている。

また、枠板７には、複数の枠柱１０を介して複数の梁１１が設けられており、これらの複数の梁１１は、それぞれ端部をボルト１５により枠柱１０に固定されている。また梁１１には１本につき複数の貫通孔が設けられており、この貫通孔に押しボルト１２が挿入され、低温熱源５を押圧するようになっている。

さらに、枠板７には枠板７を高温熱源に取り付けるための複数の高温熱源取り付け用ボルト孔が設けられており、この高温熱源取り付け用ボルト孔に高温熱源取り付け用ボルト１７を挿入して枠板７を高温熱源に取り付けるようになっている。高温熱源取り付け用ボルト１７はその頭部が枠板７に埋め込まれるように挿入され、高温熱源に固定される。

図５は、図４と同様に本発明の熱電変換発電装置をより分かり易く説明するための高温熱源側から見た斜視図である。図５において、枠板７には弾性体８を介して受熱板４が取り付けられている。枠板７には複数の高温熱源取り付け用ボルト孔が設けられており、この高温熱源取り付け用ボルト孔に高温熱源取り付け用ボルト１７を挿入して枠板７を高温熱源に取り付ける。なお、上記したように符号１０は枠柱を示し、符号１２は低温熱源を押圧する押しボルトを示している。また符号１５は梁を枠柱１０に固定するためのボルトを示している。

以上のような本発明の熱電変換発電装置によれば、高温熱源から熱を入熱する受熱板を枠板に弾性体を介して取付け、この受熱板に発電機能を有する熱電変換モジュールを、さらにこの熱電変換モジュール側に低温熱源を配置した構成とするとともに、受熱板の平面方向のずれをなくすために、枠板に四角形の受熱板の隣り合う２辺を拘束する拘束ブロックを設け、また受熱板と熱電変換モジュールと低温熱源との間の接触状態を向上させるために、押しボルトにより低温熱源側を押圧するようにしたので、受熱板、ひいては熱電変換モジュールや低温熱源の平面方向のずれをなくすことができるとともに受熱板と熱電変換モジュールとの間の空隙をなくすことができる。従って、受熱板が高温に曝されて熱歪が生じたとしても、高温熱源から受熱板への入熱効率を向上させ、大きな発電出力を得ることができる熱電変換発電装置を実現できる。

１・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換発電装置
２・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換モジュール
３・・・・・・・・・・・・・・・・・高温熱源
４・・・・・・・・・・・・・・・・・受熱板
５・・・・・・・・・・・・・・・・・低温熱源
６・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換ユニット
７・・・・・・・・・・・・・・・・・枠板
８・・・・・・・・・・・・・・・・・弾性体
９・・・・・・・・・・・・・・・・・拘束ブロック
１０・・・・・・・・・・・・・・・・枠柱
１１・・・・・・・・・・・・・・・・梁
１２・・・・・・・・・・・・・・・・押しボルト
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ・・・受熱板の辺
１４・・・・・・・・・・・・・・・・高温熱源取り付け用ボルト孔
１５・・・・・・・・・・・・・・・・ボルト
１６・・・・・・・・・・・・・・・・貫通孔
１７・・・・・・・・・・・・・・・・高温熱源取り付け用ボルト

Claims (5)

1. 高温熱源と低温熱源の間に熱電変換モジュールが配置され、前記熱電変換モジュールの前記高温熱源側に配置された受熱板により入熱が行われ、前記高温熱源と前記低温熱源との間の温度差を利用して発電出力を得る熱電変換発電装置において、前記受熱板は弾性体を介して枠板に取り付けられており、前記枠板には四角形をなす前記受熱板の隣り合う２辺を拘束する拘束ブロックが設けられているとともに、前記低温熱源側が押しボルトにより押圧されていることを特徴とする熱電変換発電装置。
2. 前記受熱板は炭化珪素（ＳｉＣ）粒子、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粒子、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）粒子から選択された１種若しくは数種を含むセメント板であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換発電装置。
3. 前記弾性体はガラスウールからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電変換発電装置。
4. 前記熱電変換モジュールは、ｐ型酸化物系半導体及びｎ型酸化物系半導体からなる熱電変換素子により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
5. 前記酸化物系の熱電変換素子は、前記ｐ型酸化物系半導体が、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物から選択された１種であり、前記ｎ型酸化物系半導体が、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物から選択された１種であることを特徴とする請求項４記載の熱電変換発電装置。

Images