JP2011035250A - 熱電変換発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温熱源側から低温熱源側に流れる熱の経路を効率よく確保し、熱電変換モジュールへの入熱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】高温熱源２に対向する側に配置されたセラミックス基板５ａとセラミックス基板上に平面状に空間部を介して交互に電極６により接続された複数の熱電変換素子７とからなる熱電変換モジュール４を高温熱源と低温熱源３との間に配置し、高温熱源と低温熱源との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置１において、高温熱源とセラミックス基板との間における複数の熱電変換素子に対応する位置に高温熱源及びセラミックス基板に接して空間部を介して導電材８が配置され、各導電材間の空間部に断熱材９が充填されている。
【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、特に高温熱源側から低温熱源側に流れる熱の経路を効率よく確保し、熱電変換モジュールへの入熱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、高温熱源側から入熱を行い低温熱源側へ熱を流すに当たって、熱経路としては、高温熱源→セラミックス基板→電極→熱電変換素子→電極→セラミックス基板→低温熱源のようになる。このような場合、発電出力を高めるためには熱を如何に効率よく熱電変換素子に入れるかということが大きな問題となる。

図４は従来の熱電変換発電装置を示した断面図であり、熱電変換発電装置４１は高温熱源４２と低温熱源４３との間に熱電変換モジュール４４が配置されている。熱電変換モジュール４４は高温熱源４２側のセラミックス基板４５ａ、低温熱源４３側のセラミックス基板４５ｂとの間に電極４６を介して熱電変換素子４７が複数配置されている。なお、低温熱源４３側のセラミックス基板４５ｂのない、いわゆる片側スケルトンタイプの熱電変換モジュールが用いられる場合もある。

熱電変換素子４７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４６で直列に接続されている。熱電変換素子４７はｐ型半導体及びｎ型半導体が交互に空間部４８を介して配置されているが、従来このような構造においてはｐ型半導体とｎ型半導体の間の空間部４８に存在する大気等のガスを通して熱が逃げることがあり、また高温熱源４２側のセラミックス基板４５ａから輻射により熱が低温側に逃げる問題があった。

このような問題を解決するために従来は、熱電変換素子間の空間部４８に断熱材を充填し、高温熱源４２側から低温熱源４３側へ流入する熱の熱損失を抑制する提案がなされている（例えば、特許文献４、特許文献５参照）。

特開平５−２９６６７号公報 特開２００５−３０２７８３号公報 特開２０００−１６４９４１号公報 特開昭６２−２８７６７８号公報 特開２００９−１４１０７９号公報

上記したように、従来の熱電変換発電装置においては、熱電変換素子間の空間部のために熱が逃げるという問題があり、この問題を解決するために熱電変換素子間の空間部に断熱材を充填することが行われている。しかし、熱電変換素子間の空間部に断熱材を充填することによって熱電変換素子における熱損失は改善されるとしても、依然として高温熱源からセラミックス基板への入熱においては熱損失が発生していた。

高温熱源からセラミックス基板への入熱においては、高温熱源とセラミックス基板の間にＳｉＣ粒子などが含まれているセメント板からなる受熱板を設け、入熱効率を高めることも行われているが、まだまだ入熱効率の向上には不十分であった。

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、高温熱源側から低温熱源側に流れる熱の経路を効率よく確保し、熱電変換モジュールへの入熱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、高温熱源に対向する側に配置されたセラミックス基板とセラミックス基板上に平面状に配置され、空間部を介して交互に電極により接続された複数の熱電変換素子とからなる熱電変換モジュールを高温熱源と低温熱源との間に配置し、高温熱源と低温熱源との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温熱源とセラミックス基板との間における複数の熱電変換素子に対応する位置に高温熱源及びセラミックス基板に接して空間部を介して導電材が配置され、各導電材間の空間部に断熱材が充填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、導電材は耐熱性、高熱伝導率を有する金属からな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２の態様において、耐熱性、高熱伝導率を有する金属は銀（Ａｇ）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、各導電材間の断熱材は耐熱性及び熱絶縁性を有する無機繊維からな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、耐熱性及び熱絶縁性を有する無機繊維はシリカウール、アルミナウール、ステンレスウールから選択された１種若しくは数種であ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６の態様は、第１から第５の態様において、複数の熱電変換素子間の空間部に断熱材が充填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７の態様は、第６の態様において、各熱電変換素子間の断熱材は耐熱性、熱絶縁性及び電気絶縁性を有する無機繊維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８の態様は、第７の態様において、耐熱性、熱絶縁性及び電気絶縁性を有する無機繊維はシリカウール、アルミナウールから選択された１種若しくは数種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９の態様は、第１の態様において、高温熱源に接して受熱板が設けられ、受熱板を介して導電材と各導電材間の断熱材が配置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１０の態様は、第９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１１の態様は、第１から第１０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。

また本発明の熱電変換発電装置の第１２の態様は、第１１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、高温熱源と高温熱源側のセラミックス基板との間の各熱電変換素子に対応する位置に導電材を配置するとともに、各導電材の間に断熱材を充填したので、高温熱源からセラミックス基板への熱経路が効率よく確保でき、熱を熱電変換素子へ確実に入熱させることができる。

さらに熱電変換素子間の空間部にも断熱材を充填したので、高温熱源から低温熱源に至るまで熱損失の少ない熱経路を形成することができ、高い発電出力を有する熱電変換発電装置を実現することができる。

本発明の熱電変換発電装置の一実施の形態を示す断面図である。 本発明の熱電変換発電装置の他の実施の形態を示す断面図である。 本発明の熱電変換発電装置のさらに他の実施の形態を示す断面図である。 従来の熱電変換発電装置の一例を示す断面図である。

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一実施の形態を示す断面図である。図１において、本発明の熱電変換発電装置１は、高温熱源２と低温熱源３との間に熱電変換モジュール４が配置されている。熱電変換モジュール４は高温熱源２側のセラミックス基板５ａ、低温熱源３側のセラミックス基板５ｂとの間に複数の熱電変換素子７が平面状に空間部を介して配置されている。

熱電変換素子７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６で直列に接続されている。このような熱電変換素子７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。

ここで、本発明の熱電変換発電装置１は、高温熱源２と高温熱源２側のセラミックス基板５ａとの間に導電材８が高温熱源２とセラミックス基板５ａに接して空間部を介して複数配置されている。この導電材８はセラミックス基板５ａ上に設けられている熱電変換素子７に対応する位置に配置されており、高温熱源２からの熱を効率よく熱電変換素子７に伝達するための熱経路を形成する。

導電材８の材質としては、耐熱性を有し、熱伝導率の高い金属であれば特に制限はなくどのような材質でも用いることができるが、特に銀（Ａｇ）が高温熱源２から熱電変換素子７への入熱を効率よく行わせるためには好ましい。このＡｇをリボン状に形成して用いるとよい。

また、各導電材８間の空間部には断熱材９が設けられている。これは高温熱源２から入熱する熱が各導電材８間の空間部に逃げることを防ぐためであり、高温熱源２から熱電変換素子７への熱経路を確保するためである。

断熱材９としては、耐熱性及び熱絶縁性を有する無機繊維、例えばシリカウール、アルミナウール、ステンレスウールなどが好ましい。シリカウール、アルミナウール、ステンレスウールなどの無機繊維は熱伝導率が小さいため各導電材８間での対流による熱損失を抑制することができ、また輻射により熱が逃げることを防ぐことができる。

図２は本発明の熱電変換発電装置１の他の実施の形態を示す断面図である。図２の熱電変換発電装置１は、図１における熱電変換発電装置１の各熱電変換素子７の間の空間部にも断熱材１０が充填されている。このような構造とすることにより、セラミックス基板５ａから伝達してきた熱が各熱電変換素子間の空間部を通って対流伝達によって低熱源側5ｂへ逃げることを抑制し、また、セラミックス基板５ａから空間部を通って低熱源側セラミックス基板５ｂへ輻射により熱が逃げることを防ぐことができる。

従って、図２における熱電変換発電装置１は、導電材８及び各導電材８間の空間部に充填した断熱材９、そして各熱電変換素子７間の空間部に充填した断熱材１０を備えることにより、高温熱源２から低温熱源３までの熱の流入過程において熱経路を効率よく確保することができ、図１における熱電変換発電装置よりもさらに発電出力の高い熱電変換発電装置を得ることができる。

なお、断熱材１０については耐熱性、熱絶縁性及び電気絶縁性を有する無機繊維、例えばシリカウール、アルミナウールなどが好ましい。図１において説明したように、シリカウール、アルミナウールなどの無機繊維は熱伝導率が小さいため各熱電変換素子７間への熱損失を抑制することができる。

図３は高温熱源２からの入熱効率をさらに高めるようにした熱電変換発電装置の例を示したものであり、高温熱源２とセラミックス基板５ａとの間に高温熱源２に接して受熱板１１を設けたものである。受熱板１１としては、熱電変換モジュール４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。また、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。

このように高温熱源２に接して受熱板１１を設けると、高温熱源２からの入熱効率がよくなるとともに熱電変換モジュール４の機械的な保護効果も有することになる。このような受熱板に用いられる具体的な材質としては、例えばカーボランダム（商品名；ＳｉＣ粒子を含むセメント板）が挙げられる。

このように導電材８及び各導電材８間の空間部に充填した断熱材９、そして各熱電変換素子７間の空間部に充填した断熱材１０を備え、さらに高温熱源２とセラミックス基板５ａとの間に受熱板１１を設けることにより、高温熱源からの入熱効率が良く、熱経路における熱損失が極めて少ない熱電変換発電装置を得ることができる。

次に、本発明の熱電変換発電装置を用いて熱電変換モジュールの両セラミックス基板間の電圧（開放電圧）、温度差及び出力値を測定した。測定に際しての諸条件は下記の通りである。
高温熱源 インコネルブロック（温度７００℃）
熱電変換モジュール ２４対アルミナ基板モジュール
熱電変換素子 ｐ型 Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９、ｎ型 ＬａＮｉＯ_３
低温熱源 銅製水冷板（冷却水温度１０℃）
導電材 Ａｇリボン
断熱材 シリカウール（ＳｉＯ_２９５％以上、Ａｌ_２Ｏ_３４％以上）
受熱板 カーボランダム板（ＳｉＣ粒子を含むセメント板）
上記の条件において、実施例として、（１）導電材＋導電材間の断熱材を有する構造、（２）導電材＋導電材間の断熱材＋熱電変換素子間の断熱材を有する構造、（３）導電材＋導電材間の断熱材＋熱電変換素子間の断熱材＋受熱板を有する構造の熱電変換発電装置、及び比較例として、（１）導電材も導電材間の断熱材も有しない構造、（２）熱電変換素子間にのみ断熱材を有する構造の熱電変換発電装置についてそれぞれ開放電圧、温度差及び出力値を測定した。結果を表１に示す。

表１の値から、実施例１の値だけを見ても比較例１及び比較例２に比べて開放電圧、温度差、出力値とも大きく、優れた発電能力を有する熱電変換発電装置を実現できることが明らかである。さらに、熱電変換素子間に断熱材を有する実施例２、受熱板も有する実施例３がより開放電圧、温度差、出力値とも大きくなっており、本発明の熱電変換発電装置の構造が従来の熱電変換発電装置の構造に比較して熱電変換モジュールへの入熱が効率よく行われており、熱損失の極めて少ない熱経路が確保されていることがわかる。

以上のような本発明の熱電変換発電装置によれば、高温熱源と高温熱源側のセラミックス基板との間に導電材が複数配置され、各導電材間の空間部には断熱材が充填されているので、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。さらに、熱電変換素子間に断熱材を充填し、受熱板も設けるとより発電出力の高い熱電変換発電装置を得ることができる。

１・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換発電装置
２・・・・・・・・・・・・・・・・・高温熱源
３・・・・・・・・・・・・・・・・・低温熱源
４・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換モジュール
５ａ、５ｂ・・・・・・・・・・・・・セラミックス基板
６・・・・・・・・・・・・・・・・・電極
７・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換素子
８・・・・・・・・・・・・・・・・・導電材
９・・・・・・・・・・・・・・・・・導電材間の断熱材
１０・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換素子間の断熱材
１１・・・・・・・・・・・・・・・・受熱板

Claims (12)

1. 高温熱源に対向する側に配置されたセラミックス基板と前記セラミックス基板上に平面状に配置され、空間部を介して交互に電極により接続された複数の熱電変換素子とからなる熱電変換モジュールを前記高温熱源と低温熱源との間に配置し、前記高温熱源と前記低温熱源との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、前記高温熱源と前記セラミックス基板との間における前記複数の熱電変換素子に対応する位置に前記高温熱源及び前記セラミックス基板に接して空間部を介して導電材が配置され、前記各導電材間の前記空間部に断熱材が充填されていることを特徴とする熱電変換発電装置。
2. 前記導電材は耐熱性、高熱伝導率を有する金属からな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. 前記耐熱性、高熱伝導率を有する金属は銀（Ａｇ）からなることを特徴とする請求項２記載の熱電変換発電装置。
4. 前記各導電材間の断熱材は耐熱性及び熱絶縁性を有する無機繊維からな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. 前記耐熱性及び熱絶縁性を有する無機繊維はシリカウール、アルミナウール、ステンレスウールから選択された１種若しくは数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。
6. 前記複数の熱電変換素子間の前記空間部に断熱材が充填されていることを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
7. 前記各熱電変換素子間の断熱材は耐熱性、熱絶縁性及び電気絶縁性を有する無機繊維からなることを特徴とする請求項６記載の熱電変換発電装置。
8. 前記耐熱性、熱絶縁性及び電気絶縁性を有する無機繊維はシリカウール、アルミナウールから選択された１種若しくは数種であることを特徴とする請求項７記載の熱電変換発電装置。
9. 前記高温熱源に接して受熱板が設けられ、前記受熱板を介して前記導電材と前記各導電材間の断熱材が配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換発電装置。
10. 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９記載の熱電変換発電装置。
11. 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１０までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
12. 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１１記載の熱電変換発電装置。

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