JP2016063104A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気密ケースの可撓性板部に熱交換部材を接合した状態でも可撓性板部の可撓性が損なわれず、熱電変換モジュールに対する可撓性板部２１の密着性を確保して発電性能の向上を図る。【解決手段】熱電変換モジュール３０を収容し、内部が減圧または真空とされることによって生じるケース内外の圧力差で変形させられて熱電変換モジュール３０に密着する可撓性板部２１を有する気密ケース５を具備し、可撓性板部２１が加熱されることで熱電変換モジュール３０に温度差が付与されて発電する発電装置１Ａである。可撓性板部２１の外面に接合されて熱交換面積を増大させる熱交換部材５０を可撓性板部２１の変形に追従して変形可能なものとし、可撓性板部２１の熱電変換モジュール３０に対する密着性を確保した。【選択図】図１

Description

本発明は、減圧または真空とされる気密ケース内に収容した熱電変換モジュールに温度差を与えて熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する熱電変換装置に関する。

熱電変換素子に温度差を与えることにより高温部と低温部との間に電位差を生じさせるといったゼーベック効果を利用し、熱エネルギーを電気エネルギーに変換して発電する熱電変換式の発電装置が知られている。熱電変換素子は、与えられる温度差が大きいほど発電量が大きくなる特性を有し、通常は複数を電極によって接合した熱電変換モジュールという形態で用いられる。

この種の熱電変換装置として、可撓性を有する薄板部を一部に備えた構成の気密ケース内に熱電変換モジュールを収容するとともにケース内を減圧または真空とし、可撓性板部を例えば加熱するといった形式のものが知られている（特許文献１〜４）。このような装置では、ケース内が減圧されることでケース内外に生じる圧力差によって可撓性板部がケース内側に変形し、これによって可撓性板部が熱電変換モジュールに加圧状態で密着する状態が得られる。このように可撓性板部が熱電変換モジュールに密着することで、可撓性板部と熱電変換モジュールとの間の接触熱抵抗が低減して熱電変換モジュールに対する熱流束が高まり、熱電変換モジュールに生じる温度差を大きくして発電量の増大を図っている。

特開２００６−０４９８７２号公報 特許第５４３２９２７号公報 特開２０１１−２３８６９３号公報 特開２０１３−１６５２４０号公報

上記各文献に記載される気密ケース収容型の熱電変換モジュールは多様な熱源に適用可能であり、例えば、（１）加熱ダクトと冷却ダクト間に挟んで設置する、（２）上記可撓性板部上に加熱用または冷却用の流体を流す、（３）上記可撓性板部を輻射で加熱する、などといった使用形態が挙げられる。ところでこの中で（２）、（３）の形態においては、熱交換面積を増大させるために上記可撓性板部にフィンを接合することが考えられる。しかし、フィンを接合すると可撓性板部の可撓性が損なわれることにより熱電変換モジュールに対する密着性が失われ、これによって可撓性板部と熱電変換モジュールとの接触熱抵抗が増大して出力低下の原因となる。

ちなみに、可撓性板部にフィンを接合せずに接触させるのみでは、接触熱抵抗が大きく、フィンで集めた熱を可撓性板部に十分に伝達することはできない。そこで、熱交換部材を接合した状態でも可撓性板部の可撓性が損なわれず、熱電変換モジュールに対する可撓性板部の密着性を確保することで発電性能を向上させる技術が求められた。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その主たる課題は、熱交換部材を接合した状態でも可撓性板部の可撓性が損なわれず、熱電変換モジュールに対する可撓性板部の密着性を確保することで従来よりも発電性能の向上を図ることができる熱電変換装置を提供することにある。

本発明の熱電変換装置は、熱電変換モジュールを収容し、内部が減圧または真空とされることによって生じるケース内外の圧力差で変形させられて該熱電変換モジュールに密着する可撓性板部を有する気密ケースを具備し、少なくとも前記可撓性板部が加熱または冷却されることで前記熱電変換モジュールに温度差が付与されて発電する熱電変換装置において、前記可撓性板部の外面に、該可撓性板部の変形に追従して変形可能な熱交換部材を接合したことを特徴とする。

本発明によれば、気密ケース内を減圧または真空にすることで、気密ケースの少なくとも一部を構成する可撓性板部が大気で加圧されてケース内側に変形し、熱電変換モジュールに密着するように挙動する。そして、この可撓性板部を加熱または冷却することで熱電変換モジュールに温度差が与えられて発電作用が起こる。本発明では、可撓性板部の外面に、熱交換面積の増大させるために熱交換部材を接合しているが、この熱交換部材は、可撓性板部の変形に追従して変形可能であり、可撓性板部は接合された熱交換部材に阻害されず可撓性が保持され、熱電変換モジュールに対する密着性も保持される。このため可撓性板部は熱電変換モジュールに密着し、熱交換部材によって熱電変換モジュールを効率よく加熱または冷却することができ、その結果、従来よりも発電性能の向上を図ることができる。

本発明の前記熱交換部材は、具体的には、金属製多孔質体が挙げられる。また、この他の熱交換部材としては、前記可撓性板部に接合される金属製多孔質体と、該金属製多孔質体上に接合されるフィンとを有する構成の熱交換部材が挙げられる、この構成では、前記フィンに、該フィンの変形量を増大させるスリットが形成されている形態を含む。

本発明で言う金属製多孔質体は、三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連通する気孔が形成される三次元網目状構造を有する多孔質体であり、応力を受けることによって容易に潰れたり変形したりする柔軟性を有するものである（特公平０６−０８９３７６号公報参照）。本発明の場合、金属からなる骨格は、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の熱伝導率が高い金属で構成されたものが好ましい。

さらに本発明の他の熱交換部材としては、前記可撓性板部に接合されるフィンであって、該フィンに自身の変形量を増大させるスリットが形成されている形態が挙げられる。

本発明の熱電変換装置によれば、熱電変換モジュールを収容する気密ケースの可撓性板部の外面に、該可撓性板部の変形に追従して変形可能な熱交換部材を接合したため、可撓性板部の可撓性が損なわれず、熱電変換モジュールに対する可撓性板部の密着性を確保することができ、その結果、従来よりも発電性能の向上を図ることができるといった効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る熱電変換式の発電装置の（ａ）：側断面図、（ｂ）：（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 第１実施形態の発電装置の使用形態を示す側断面図である。 第１実施形態の発電装置の他の使用形態を示す側断面図である。 第１実施形態の発電装置の変形例を示す（ａ）：側断面図、（ｂ）：（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第２実施形態に係る発電装置の（ａ）：側断面図、（ｂ）：（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第３実施形態に係る発電装置の（ａ）：側断面図、（ｂ）：（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
［１］第１実施形態
［１−１］熱電変換式発電装置の構成
図１および図２は、本発明の熱電変換装置を適用した熱電変換式発電装置１Ａを示している。これら図で符号５は扁平な気密ケース、３０は気密ケース５内に収容された熱電変換モジュールである。

気密ケース５は、いずれも金属製である図中下側のケース本体１０と、ケース本体１０の上側開口を塞ぐ蓋体２０とから構成される。ケース本体１０は所定厚さを有し高い剛性が確保されたものであり、一方の蓋体２０は、厚さが例えば０．１ｍｍ程度で可撓性を有し、弾性変形が可能なものである。ケース本体１０は、底板部１１と側板部１２とを有し、側板部１２の上端周縁には鍔部１３が形成されている。蓋体２０は平坦な可撓性板部２１を主体としており、可撓性板部２１の周縁には鍔部２３が形成されている。ケース本体１０と蓋体２０とは、互いに重ねた鍔部１３，２３どうしを例えばろう付けまたは溶接等の接合手段で気密的に接合され、これにより内部が封止された気密ケース５が構成される。

ケース本体１０および蓋体２０は、いずれも例えば金属板をプレス成形加工するなどの方法で得られ、材料の金属としては、例えばＳＵＳ４４４やＳＵＳ３１６等のステンレスやアルミニウム等の耐熱性および耐酸化性を有する金属が適宜に選択される。

気密ケース５内に収容された熱電変換モジュール３０は、マトリックス状に配列され、温度差が与えられることで発電する複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子を直列に接続する電極とを有している。熱電変換モジュール３０は、ケース本体１０の底板部１１と蓋体２０の可撓性板部２１との間に、図示せぬセラミック等からなる絶縁材を介して挟持されている。また、蓋体２０と熱電変換モジュール３０との間には、緩衝材としてカーボンシート６０が挟まれる場合がある。熱電変換モジュール３０の上記熱電変換素子としては、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、珪化鉄系、ビスマス−テルル系等が好適に用いられる。

熱電変換モジュール３０で発電された電気は、ケース本体１０に固定された電極端子３５にリード線３６を介して取り出される。リード線３６はケース本体１０を貫通しているが、その貫通孔は気密的に塞ぐ処理がなされている。

熱電変換モジュール３０を収容した気密ケース５は、内部が真空または減圧されて封止される。気密ケース５内が減圧されると、気密ケース５内の圧力が外部の大気よりも低くなるという圧力差が生じる。これにより蓋体２０の可撓性板部２１は大気で加圧されて内側に変形し、その内面が、熱電変換モジュール３０に密着する。

可撓性板部２１の内面には上記絶縁材およびカーボンシート６０が配設され、実際にはカーボンシート６０が熱電変換モジュール３０に密着するが、その状態をここでは可撓性板部２１が密着すると定義する。カーボンシート６０を介在させることで可撓性板部２１と熱電変換モジュール３０とのなじみが良くなり、接触熱抵抗の低減が図られる。

さて、上記のように熱電変換モジュール３０に密着する蓋体２０の可撓性板部２１の上面（外面）には、可撓性板部２１の変形に追従して変形可能な熱交換部材５０が接合されている。第１実施形態の熱交換部材５０は、可撓性板部２１の上面に接合される金属製多孔質体５１と、この金属製多孔質体５１の上面に接合されるフィン５２とから構成されている。

金属製多孔質体５１は、前述の如く三次元状に連結する骨格を有し、その骨格により三次元状に連通する気孔が形成される三次元網目状構造を有する多孔質体であり、金属からなる骨格は、この場合、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の熱伝導率が高い金属で構成されている。金属製多孔質体５１は、可撓性板部２１の上面の、少なくとも熱電変換モジュール３０が下方に配設されている領域に、ろう付け等の接合手段によって接合されている。金属製多孔質体５１は応力を受けることによって容易に潰れたり変形したりする柔軟性を有し、可撓性板部２１の変形に追従して変形可能である。

金属製多孔質体５１の気孔率、気孔の大きさ、気孔密度等は特に限定されないが、例えば気孔率は８５〜９５％、気孔の大きさは３０〜４０００μｍのものが用いられる。また、気孔密度は、例えば６〜４０ＰＰＩ(Pore per Inch)程度のものが用いられる。気孔密度が６ＰＰＩを下回ると、気孔が大きく柔軟性が高いため、可撓性板部２１の可撓性をほとんど損なわないが、表面積が大きくないため、熱交換性能が低い。逆に４０ＰＰＩを超えると表面積は大きいものの、気孔が小さく柔軟性が低いため可撓性板部２１を拘束して可撓性を損なう場合がある。よってこれらの観点から金属製多孔質体５１の気孔密度は、６〜４０ＰＰＩ(Pore per Inch)が好ましい。

フィン５２は、厚さが例えば０．１ｍｍ程度の金属板を山部および谷部が交互に形成された波板状に成形加工したもので、金属製多孔質体５１の上面のほぼ全面を覆って金属製多孔質体５１にろう付け等の接合手段で接合されている。フィン５２の山部および谷部の断面形状は任意であるが、本実施形態では矩形状に形成されている。フィン５２の材料である金属としては、金属製多孔質体５１と同様に、銅または銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の熱伝導率が高い金属が好ましく用いられる。

フィン５２には、金属製多孔質体５１側に開放して山部および谷部を複数に分断する複数のスリット５２ａが、等間隔をおいて形成されている。フィン５２は、山部および谷部を横断する断面（図１の（ｂ）で示す断面）の方向には元々柔軟性を有するが、複数のスリット５２ａが形成されていることにより、それに直交する面に沿った上下方向（図１の（ａ）での上下方向）に対しても柔軟性が付与されている。

上記発電装置１Ａは、ケース本体１０内に熱電変換モジュール３０を収容するとともにリード線３６を電極端子３５に接続し、次いで可撓性板部２１に熱交換部材５０（金属製多孔質体５１とフィン５２）が接合された蓋体２０をケース本体１０に接合して気密ケース５を組み立てた後、気密ケース５内を減圧または真空にして、使用可能状態とされる。

［１−２］発電装置の発電作用
上記構成からなる発電装置１Ａは、図２のような形態で使用されて発電される。すなわち、ケース本体１０の鍔部１３に固定した支持板７０によって気密ケース５を支持することで気密ケース５の上下の空間を、蓋体２０側の加熱空間７１とケース本体１０側の冷却空間７２とに仕切る。そして、加熱空間７１に、フィン５２の山部および谷部が延びる方向に沿って高温流体Ｈ１を加熱媒体として流し、一方、冷却空間７２にはケース本体１０の底面に接触する冷却ダクト７５を配設して冷却ダクト７５内に冷却水等の冷却媒体を供給する。

高温流体Ｈ１が加熱空間７１を通過する間に、高温流体Ｈ１の熱は金属製多孔質体５１とフィン５２からなる熱交換部材５０によって集熱されることで熱交換される。熱交換部材５０で集熱された熱は、蓋体２０の可撓性板部２１を経て熱電変換モジュール３０に伝達され、熱電変換モジュール３０が加熱される。一方、ケース本体１０は冷却ダクト７５に供給される冷却媒体によって冷却され、冷却熱が熱電変換モジュール３０に伝達されて熱電変換モジュール３０が冷却される。すなわち、熱電変換モジュール３０には、上側が加熱され、かつ、下側が冷却されることで温度差が与えられる。これにより熱電変換モジュール３０の熱電変換素子が発電し、発電した電気はリード線３６を経て電極端子３５から取り出される。

本実施形態の発電装置１Ａでは、高温流体Ｈ１が接触する蓋体２０の可撓性板部２１に熱交換部材５０を接合しているため、蓋体２０のみの場合と比較すると熱交換部材５０によって交換面積が増大している。このため熱電変換モジュール３０が効率よく加熱され、発電性能の向上が図られる。

本実施形態の発電装置１Ａでは、例えば工場やゴミ焼却炉で発生する排熱ガスや、自動車の排気ガスなどを上記高温流体Ｈ１として利用することができる。

なお、図２に示した発電装置１Ａの使用形態は一例であり、この他には、例えば図３に示すように、加熱空間７１の気密ケース５上に加熱された鍛造品等の高温熱源７６を配置し、この高温熱源７６から発せられる輻射熱Ｈ２によって熱交換部材５０および蓋体２０を加熱するといった使用形態も採用することができる。

［１−３］作用効果
上記発電装置１Ａによれば、気密ケース５内を減圧または真空にすることで、気密ケース５の蓋体２０の主体をなす可撓性板部２１が大気で加圧されて内側に変形し、熱電変換モジュール３０に密着するように挙動する。

可撓性板部２１には、熱交換面積増大のための熱交換部材５０として、可撓性板部２１に直接接合された金属製多孔質体５１と、この金属製多孔質体５１に接合されたフィン５２とが設けられているが、可撓性板部２１に直接接合された金属製多孔質体５１は柔軟性を有し可撓性板部２１のあらゆる方向への変形に適確に追従して変形可能である。このため、可撓性板部２１は金属製多孔質体５１に阻害されず可撓性が保持され、熱電変換モジュール３０に対し密着可能であり、接触熱抵抗が低減する。

また、金属製多孔質体５１に接合されているフィン５２にはスリット５２ａが形成されているため、フィン５２は金属製多孔質体５１の変形に応じて変形可能であり、かつ、変形することで金属製多孔質体５１の変形を拘束することがない。このため、フィン５２から金属製多孔質体５１への熱伝達量が低下することなく円滑に行われる。これらのことから、熱交換部材５０によって熱電変換モジュール３０を効率よく加熱することができ、その結果、発電性能の向上を図ることができる。

また、気密ケース５内が減圧または真空とされるため、熱電変換モジュール３０の構成要素が酸化しにくく劣化が防止される。この観点から、気密ケース５内を減圧する場合には、気密ケース５内を不活性雰囲気や還元雰囲気にすることが好ましい。

［１−４］第１実施形態の変形例
図４は、上記第１実施形態において、熱交換部材５０を構成するフィン５２にスリット５２ａが形成されていない以外は、第１実施形態と同様構成の変形例を示している。この場合、フィン５２は特に図４（ａ）における上下方向への柔軟性はスリット５２ａが形成されているものと比較すると低いが、図４（ｂ）における上下方向への柔軟性によって金属製多孔質体５１の変形に追従して変形することは可能である。

次いで、本発明の第２および第３実施形態を説明する。これら実施形態で参照する図面で上記第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。

［２］第２実施形態
図５は本発明の第２実施形態に係る発電装置１Ｂを示しており、この実施形態での本発明に係る熱交換部材は、金属製多孔質体５５のみで構成されている。金属製多孔質体５５は、上記第１実施形態の金属製多孔質体５１に比較して厚さが大きい以外は構成が同一のものである。金属製多孔質体５５の厚さは、必要に応じた熱交換性能を発揮することができる程度に設定される。

金属製多孔質体５５は、蓋体２０の可撓性板部２１の上面にろう付け等によって接合される。金属製多孔質体５５は、上記高温流体Ｈ１等の加熱媒体の熱を集熱し、可撓性板部２１から熱電変換モジュール３０に伝達される熱量の増大に寄与する。金属製多孔質体５５は柔軟性を有しているため可撓性板部２１の変形に追従して変形し、可撓性板部２１の変形を拘束しない。このため、可撓性板部２１の熱電変換モジュール３０に対する密着性が保持され、接触熱抵抗が低減して熱伝達量の増大が図られる。

［３］第３実施形態
図６は本発明の第３実施形態に係る発電装置１Ｃを示しており、この実施形態での本発明に係る熱交換部材は、上記第１実施形態で用いたスリット５２ａが形成されているフィン５２のみで構成されている。

フィン５２は、蓋体２０の可撓性板部２１の上面にろう付け等によって直接接合される。フィン５２は、上記高温流体Ｈ１等の加熱媒体の熱を集熱し、可撓性板部２１から熱電変換モジュール３０に伝達される熱量の増大に寄与する。フィン５２はスリット５２が形成されていることから、可撓性板部２１の変形に追従して変形可能である。このため、可撓性板部２１の熱電変換モジュール３０に対する密着性が保持され、接触熱抵抗が低減して熱伝達量の増大が図られる。

以上が本発明の実施形態であるが、上記各実施形態では、気密ケース５が有する可撓性板部２１を加熱する側とし、この加熱側の可撓性板部２１に本発明の熱交換部材を接合した構成である。本発明は、このように可撓性板部を加熱側に設定することに限定されない。すなわち、気密ケースの冷却側に可撓性板部を配設し、この冷却側の可撓性板部に熱交換部材を接合させて熱電変換モジュールの冷却量を増大させる構成を採用してもよい。また、加熱側および冷却側の双方に可撓性板部を配設し、これら可撓性板部にそれぞれ熱交換部材を接合してもよく、この場合には熱電変換モジュールに生じる温度差拡大が一層促進されるため、好ましい。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…発電装置（熱電変換装置）、５…気密ケース、２１…可撓性板部、３０…熱電変換モジュール、５０…熱交換部材（金属製多孔質体とフィン）、５１…金属製多孔質体、５２…フィン（熱交換部材）、５２ａ…スリット、５５…金属製多孔質体（熱交換部材）。

Claims (5)

1. 熱電変換モジュールを収容し、内部が減圧または真空とされることによって生じるケース内外の圧力差で変形させられて該熱電変換モジュールに密着する可撓性板部を有する気密ケースを具備し、少なくとも前記可撓性板部が加熱または冷却されることで前記熱電変換モジュールに温度差が付与されて発電する熱電変換装置において、
   前記可撓性板部の外面に、該可撓性板部の変形に追従して変形可能な熱交換部材を接合したことを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱交換部材は、金属製多孔質体であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記熱交換部材は、前記可撓性板部に接合される金属製多孔質体と、該金属製多孔質体上に接合されるフィンとを有することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
4. 前記フィンに、該フィンの変形量を増大させるスリットが形成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換装置。
5. 前記熱交換部材は、前記可撓性板部に接合されるフィンであって、該フィンには自身の変形量を増大させるスリットが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。

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