JP2014529178A - 特に自動車において電流を生成するための熱電装置の製造方法、およびこのような方法により得られる熱電装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、コンタクト面と呼ばれる、その面のうちの２つ（３ａ，３ｂ）の間に加えられる温度勾配から電流を生成することを可能にする、熱電要素と呼ばれる複数の要素（４）を備えた熱電装置を製造するプロセスに関し、このプロセスでは、熱伝導性ホルダ（３０）を、加熱または冷却源に接して設け、前記ホルダ（３０）の全てまたは一部に、熱伝導性および電気絶縁性材料を溶射により付着させて、主被膜と呼ばれる被膜（２１）を作製し、主被膜に、導電性材料を溶射により付着させて、そのコンタクト面（３ａ，３ｂ）を介して熱電要素を受けるための導電性トラック（２２）を形成する。本発明は、また、このようなプロセスにより得られる熱電装置に関する。

Description

本発明は、特に自動車において電流を生成するための熱電装置を製造する方法、およびこのような方法により得られる熱電装置に関する。

熱電装置は、既に提案されており、ゼーベック効果として知られる現象によって、温度勾配の存在下でその対向面のうちの２つの間に電流を生成する、いわゆる熱電構成要素を用いるものである。これらの装置は、エンジンの排気ガスを循環させる第１のチューブと、冷却回路の熱搬送流体を循環させる第２のチューブとの積層体を備える。熱電構成要素は、チューブの間に挟まれて、高温の排気ガスと低温の冷却流体との間の温度差の結果生じる温度勾配に晒される。

このような装置は、エンジンの排気ガスからの熱を変換することによる電気の生成を可能とするため、特に好適である。これらは、したがって、通常は車両に設けられエンジンのクランクシャフトにより駆動されるベルトから電気を生成するオルタネータを、少なくとも部分的には置換することにより、車両の燃料消費を減少させる可能性を提示する。

十分に高いレベルの電流および電圧を利用可能とするために、チューブの表面に設けられた導電性トラックを用いて、熱構成要素を互いに直列または並列に接続することが必要である。この場合、チューブは金属であるため、熱伝導性および電気絶縁性被膜を、チューブと導電性トラックとの間に設け、導電性トラック間の短絡の生成を防止し、一方、チューブ内にて循環する熱搬送流体と、熱電構成要素との間で、熱の伝達を可能にする。

このような被膜およびこのような導電性トラックを有するチューブを作製する様々な方法が、既に提案されているが、これらは、その困難さおよびその産業化コストの観点から、満足のいくものではない。

本発明の目的は、この状況を改善することであり、このために、本発明は、コンタクト面と呼ばれる、その面のうちの２つの間に加えられる温度勾配から電流を生成する、複数のいわゆる熱電構成要素を備えた熱電装置を製造する方法を提案し、この方法は、熱伝導性支持部を、高熱源または低熱源に接して設け、主被膜と呼ばれる被膜を作製するように、前記支持部の全てまたは一部に熱伝導性および電気絶縁性材料を溶射し、主被膜に、導電性トラックを形成するように導電性材料を溶射し、導電性トラックは、そのコンタクト面を介して熱電構成要素を受けるものである。

主被膜および導電性トラックの両方を、溶射により作製することにより、製造が容易となる。実際に、溶射方法の一般的な動作原理を考慮すると、使用される材料を噴霧するのに用いられるツール、流体または他の資源の少なくともいくつかを、共有することが可能となる。

このような方法は、さらに、熱電構成要素に接する表面の良好な程度の平坦さを提供する利点を有する。このレベルにて良好な程度の平坦さを提供することは、実際に、熱伝導性支持部と熱電構成要素との間での良好な熱伝導と、それによって製造される熱電装置の有効な動作とを得るために重要である。

前記主被膜は、例えば、熱伝導性および電気絶縁性材料をプラズマ噴霧することにより作製される。

導電性トラックは、例えば、導電性材料をプラズマ噴霧することにより作製される。

特に、前記主被膜および前記導電性トラックは、両方とも、プラズマ噴霧により作製することができる。

共にまたは個別で取ることができる様々な実施形態によると、
― 前記熱伝導性および電気絶縁性材料は、セラミック、特にアルミナ（alumina）である。
― 前記導電性材料は、銅（copper）またはニッケル（nickel）から選択される。
― 熱電構成要素は、特にハンダ付けによって前記導電性トラックに固定される。
― 熱電構成要素を前記導電性トラックにハンダ付けすることを可能にする材料を、導電性材料と共に噴霧することができる。
― 熱伝導性支持部は、チューブであり、主被膜は、前記チューブの表面の数個の個別領域に噴霧される。

本発明は、また、上述した方法を用いて得られる熱電装置に関する。

本発明は、添付の図面を参照して、直説法および非限定のやり方のみで提供される以下の説明に照らして、よりよく理解されるであろう。

展開図で示した、本発明に係る熱電装置例の斜視図である。 チューブにより定義される熱伝導性支持部に用いられる、本発明に係る方法を実行する第１のステップの概略斜視図である。 本発明に係る方法を実行する例により得られるチューブの概略斜視図である。

図１に示すように、本発明に係る装置は、第２の流体を循環させる複数のチューブ２と交互に並ぶ、第１の流体を循環させる複数のチューブ１などの、高熱または低熱源に接する熱伝導性支持部を備える。前記チューブ１，２は、この場合、同じ方向で互いに平行して延びる。

第１の流体を循環させるチューブ１は、例えば、いわゆる高温流体を循環させるために構成されている。これは、自動車熱機関の排気ガスとすることができる。第２の流体を循環させるチューブ２は、例えば、第１の流体の温度よりも低い温度を有する、いわゆる低温流体を循環させるために構成されている。これは、例えば車両の低温冷却ループから来る、水とグリコールの混合物などの冷却剤とすることができる。

この場合、３つの排気ガス循環チューブ１と、冷却剤を循環させる５つのチューブ２とがある。

前記装置は、第１および第２の流体を循環させる前記チューブ１，２の接点に設けられた、コンタクト面と呼ばれるその面のうちの２つの間に加えられる温度勾配から電流を生成する、複数のいわゆる熱電構成要素をさらに備える。

これらは、例えば、ゼーベック効果に従って電流を生成する、実質的に直方体形状（図３に概略的に示す）の構成要素４である。このような構成要素は、対向するやり方で設けられた前記コンタクト面３ａ，３ｂの間に接続された負荷における電流の生成を可能にする。当業者に知られる方法で、このような構成要素は、例えば、ビスマス（bismuth）とテルル（tellurium）（Ｂｉ_２Ｔｅ_３）により構成される。

熱電構成要素４は、最初の部分では、それらが所与の温度勾配に晒された際に、１つのいわゆる正方向において電位の差を確立する第１のいわゆるＰ型の構成要素とし、他の部分では、それらが同じ温度勾配に晒された際に、反対のいわゆる負の方向において電位の差を生成することを可能にする、第２のいわゆるＮ型の構成要素とすることができる。

図１に示すように、熱電構成要素４は、第１の流体を循環させるチューブ１と、第２の流体を循環させるチューブ２との間に設けられるシート５に分割される。

以下に展開されるように、同じチューブ１，２に加えられる熱電構成要素は、電気的に接続される。特に、第１の流体を循環させる同じチューブと、第２の流体を循環させる同じチューブとの間に設けられる、Ｐ型の熱電構成要素とＮ型の熱電構成要素とは、相互接続することができ、第１の種類の構成要素から第２の種類の構成要素に電流を直列に循環させることを可能にする。このように接続された熱電構成要素は、ベース導電セルを形成し、得られたセルは、直列および／または並列に接続することができる。単一の導電セルの内部において、同じ種類の熱電構成要素を並列に接続することができる。

不図示の電気コネクタは、装置を外部電気回路に接続することを可能とする。装置において、シート５と熱電構成要素との間に電気接続が確立され、前記熱電構成要素の全てにより生成された電流は、前記コネクタを介して回路に伝送される。

前記循環チューブ１，２は、例えば、長手方向において平坦化部分を有し、この方向は、チューブの延長方向に直交する。前記循環チューブ１，２は、したがって、平型チューブとすることができる。これは、これらチューブが、小さい辺により接続される２つの大きな平行面を有することを意味する。熱電構成要素４は、そのコンタクト面３ａ，３ｂを介して、チューブ１，２の１つおよび／または他の平坦面と接する。

前記チューブ１，２は、例えば、複数のチャネルを有する。低温流体を循環させる前記チューブ２は、例えば、アルミニウムおよび／またはアルミニウム合金により構成される。特に、これらは押出し成形される。そのチャネルは、円形の断面を有することができる。高温流体を循環させるチューブ１は、特に、ステンレス鋼により構成される。これらは、例えば、形削り、溶接および／またはハンダ付けによって形成される。その流体通過チャネルは、特に、チューブの対向平面を接続する仕切りによって分離される。

前記装置は、例えば、第１の流体を循環させる前記チューブ１の端のそれぞれに、マニフォールド板１５をさらに備える。前記マニフォールド板１５には、第１の流体を循環させる前記チューブ１の端が挿入される開口部６が設けられている。

第１の流体を循環させる前記チューブ１の端と流体連通し、かつ、ネジ８によってマニフォールド板１５に固定されるマニフォールドボックス７を、前記装置は備えることもできる。前記ボックスは、第１の流体の入口および／または出口の開口１６を備える。

第２の流体を循環させる前記チューブ２には、第１および第２の流体を循環させるチューブ１，２の積層体により定義されるバンドルの側面にて開口する開口１０によって、第２の流体を循環させる前記チューブ２と第２の流体用の不図示のマニフォールドボックスとの連通を可能にするマニフォールド９を、その端のそれぞれに設けることができる。

本発明は、また、このような装置、特に、前記装置のチューブを得るための製造方法に関する。

図２に示すように、第１のステップにおいて、この場合は参照符号３０の、前記熱伝導性支持部の全てまたは一部に、熱伝導性および電気絶縁性材料２０を溶射して、主被膜と呼ばれる被膜２１を作製する。

前記主被膜２１は、例えば、熱伝導性および電気絶縁性材料２０をプラズマ噴霧することにより作製される。

前記熱伝導性および電気絶縁性材料２０は、特に、アルミナなどのセラミックにより構成される。得られた主被膜２１は、よって、主にアルミナにより構成されるが、勿論、特に、噴霧に用いられる開始材料の、より高い、またはより低い純度、熱伝導性支持部の清浄度、および／またはそれ自体の噴霧方法が原因で、不純物を含むことがある。

図３に示すように、導電性トラック２２が設けられ、これら導電性トラックは、そのコンタクト面３ａ，３ｂを介して熱電構成要素４を受けるためのものである。これは、第２のステップにおいて、主被膜２１に対し、今回は導電性材料のもう１回の溶射を行うことにより達成される。

これは、再び、特に銅またはニッケルのプラズマ噴霧とすることができる。得られた導電性トラック２２は、したがって、主に銅またはニッケルにより構成されるが、これらは勿論、特に、噴霧に用いられる開始材料の、より高い、またはより低い純度、支持部の清浄度、および／またはそれ自体の噴霧方法が原因で、不純物を含むことがある。

主被膜２１および熱伝導トラック２２に関して、同一の作製原理、すなわち溶射を用いることで、その類似性により可能となる資源の共有の結果として、製造が容易となる。例えば、様々な溶射方法の間の１つの類似性は、支持部に噴霧されるべき材料を搬送するために用いられる搬送ガスの使用である。さらに、良好な程度の被膜の平坦さが得られる。

特に、主被膜２１および導電性トラック２２は、同じ噴霧ツールを用いて作製することができる。

図２に示すように、プラズマ噴霧の場合、それは、例えば、ノズル３３を通したプラズマジェット２３の生成を可能とするプラズマガス供給と、アノード３１およびカソード３２とを備えるツールであり、ジェットは、支持部３０に向けられる。ツールは、さらに、噴霧されるべき材料、この場合は第１のステップのアルミナおよび第２のステップの銅またはニッケルを、プラズマジェット２３の方向に向けるインジェクタ３４を備える。

この場合、例えば、特に銅から作製されるトラック２２の場合における、特に導電性トラック２２の作製のために、高速酸素燃料（High Velocity Oxygen Fuel）として知られる方法などの、燃焼により生成される流れの効果下の噴霧など、他の溶射方法を使うことも可能である。

本発明に従って方法を実施する例によると、熱電構成要素４は、図４から分かるように、例えばハンダ付けによって導電性トラック２２に固定される。

このために、熱電構成要素４を前記導電性トラック２２にハンダ付けすることを可能にする材料を、導電性材料と共に噴霧することができる。

さらに、主被膜２１は、数個の領域２４ａ，２４ｂ，２４ｃにて噴霧することができ、これらの領域は、例えば第１および／または第２の流体を循環させるチューブ１，２の表面に設けられる。換言すると、主被膜２１領域２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、互いに分離されている。この場合、各主被膜２１領域２４ａ，２４ｂ，２４ｃの間のチューブの第１および／または第２の流体を循環させるチューブ１，２の表面に、突起２５が設けられる。

導電性トラック２２は、前記主被膜２１領域２４ａ、２４ｂ、２４ｃに特定のものとすることができる。導電性トラック２２は、例えば、前記主被膜２１領域２４ａ，２４ｂ，２４ｃのそれぞれの内部で、互いに平行である。

勿論、図１を参照して上述した装置は、本発明に従う方法によって得られる熱電装置の単なる一例であり、この装置は、他の多くの構成を有する装置に用いることができる。特に、前記主被膜および前記導電性トラックが設けられた熱伝導性支持部は、他の材料から作られた、または異なる配置がなされた他の形状を有するチューブとすることもできる。これらはなおも、熱伝導性ブレードとすることができる。

Claims (10)

1. コンタクト面と呼ばれる、２つの面（３ａ，３ｂ）の間に加えられる温度勾配から電流を生成する、複数のいわゆる熱電構成要素（４）を備えた熱電装置を製造する方法であって、
   熱伝導性支持部（３０）を、高熱源または低熱源に接して設け、
   主被膜と呼ばれる被膜（２１）を作製するように、前記支持部（３０）の全てまたは一部に熱伝導性および電気絶縁性材料（２０）を溶射し、
   前記主被膜に、導電性トラック（２２）を形成するように導電性材料を溶射し、前記導電性トラックは、そのコンタクト面（３ａ，３ｂ）を介して熱電構成要素を受けるためのものである、ことを特徴とする方法。
2. 前記主被膜（２１）は、前記熱伝導性および電気絶縁性材料（２０）をプラズマ噴霧することにより作製される、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記導電性トラック（２２）は、前記導電性材料をプラズマ噴霧することにより作製される、ことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記主被膜（２１）および前記導電性トラック（２２）は、同じ噴霧ツールを用いて作製される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。
5. 前記熱伝導性および電気絶縁性材料（２０）は、アルミナ（alumina）である、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 前記導電性材料は、銅（copper）またはニッケル（nickel）から選択される、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記熱電構成要素（４）は、ハンダ付けによって前記導電性トラック（２２）に固定される、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記熱電構成要素（４）を前記導電性トラック（２２）にハンダ付けすることを可能にする材料を、前記導電性材料と共に噴霧する、ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 前記熱伝導性支持部（３０）は、チューブ（１，２）であり、前記主被膜は、前記チューブ（１，２）の表面の数個の個別領域（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ）において噴霧される、ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
10. 請求項１乃至９のいずれかに従って得られる熱電装置。

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