JP2018143056A - 熱電発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂封止部が高温にさらされることを抑制することができる熱電発電装置を得る。【解決手段】熱電発電装置１０は、熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂと冷却側１４Ａとをそれぞれ覆う一対のラミネートシート１６、１８と、熱電発電モジュール１４の周囲で一対のラミネートシート１６、１８の間に挟まれた状態で重ね合わされる樹脂封止部２０と、樹脂封止部２０の受熱側に配置され、一方のラミネートシート１６に重ね合わされる断熱シート２２と、断熱シート２２を樹脂封止部２０に向けて押さえると共に、断熱シート２２と接触する側の厚板部２４Ａの板厚が固定部２６で固定する薄板部２４Ｂの板厚よりも厚い段付き形状とされた押さえ板２４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電発電装置に関する。

下記特許文献１には、熱電モジュールの全周を断熱材で囲み、高温部と冷却器との間を断熱すると共に、この断熱材によって熱電モジュールの位置決めを行う構造が開示されている。なお、熱電発電素子のラミネートシートの封止部と受熱板との間に断熱シート層が備えられた熱電発電モジュールとして、特許文献２に記載されたものがある。

特開２００７−１６５５６０号公報 特開２０１６−００９７８７号公報

上記特許文献１に記載の構造では、熱電モジュールの封止については考慮されておらず、改善の余地がある。

本発明は上記事実を考慮し、樹脂封止部が高温にさらされることを抑制することができる熱電発電装置を得ることが目的である。

請求項１の発明に係る熱電発電装置は、熱電素子の受熱側と冷却側とをそれぞれ覆う一対の薄膜シートと、前記熱電素子の周囲で前記一対の薄膜シートの間に挟まれた状態で前記一対の薄膜シートと重ね合わされる樹脂封止部と、前記樹脂封止部の受熱側に配置され、前記一対の薄膜シートの一方に重ね合わされる断熱層と、前記断熱層を前記樹脂封止部に向けて押さえると共に、前記断熱層と接触する側の部位の板厚が固定部で固定する固定部位の板厚よりも厚い段付き形状とされた押さえ板と、を有する。

請求項１記載の本発明によれば、熱電素子の受熱側と冷却側とは、それぞれ一対の薄膜シートで覆われている。熱電素子の周囲では、樹脂封止部が一対の薄膜シートの間に挟まれた状態で一対の薄膜シートと重ね合わされている。樹脂封止部の受熱側には、一対の薄膜シートの一方に断熱層が重ね合わされている。さらに、断熱層を押さえる押さえ板が設けられており、押さえ板は、断熱層と接触する側の部位の板厚が固定部で固定する固定部位の板厚よりも厚い段付き形状とされている。これにより、押さえ板の板厚の厚い側の部位で断熱層を樹脂封止部に向けて押さえ、押さえ板の板厚の薄い固定部位で固定部によって押さえ板を固定する。このような構成では、押さえ板が段付き形状のため、押さえ板の撓みやすさに差がつき、押さえ板の板厚の薄い固定部位が固定部の締め付けにより適度に撓み、押さえ板の板厚の厚い部位でより確実に断熱層が樹脂封止部に向けて押さえられる。このため、断熱層は、樹脂封止部の側に適切に密着され、樹脂封止部が高温にさらされることが抑制される。

請求項２の発明は、請求項１に記載の熱電発電装置において、前記押さえ板が前記熱電素子の全周を囲む枠状とされている。

請求項２記載の本発明によれば、押さえ板が熱電素子の全周を囲む枠状とされており、熱電素子の周囲で枠状の押さえ板によって断熱層が樹脂封止部に向けて押さえられる。このため、固定部にて押さえ板を固定できない部位（固定部で固定する固定部位以外の部位）においても、押さえ板によって断熱層を樹脂封止部に向けて押さえることができる。

請求項３の発明は、請求項２に記載の熱電発電装置において、前記押さえ板の内側縁部を含む部位の板厚が、前記固定部位の板厚よりも厚い構成とされている。

請求項３記載の本発明によれば、押さえ板の内側縁部を含む部位の板厚が、固定部位の板厚よりも厚い構成とされている。これにより、簡易な構成により、押さえ板の内側縁部を含む板厚が厚い部位で、断熱層を樹脂封止部に向けて押さえることができると共に、押さえ板の内側縁部以外の固定部位で押さえ板を固定することができる。

請求項４の発明は、請求項２又は請求項３に記載の熱電発電装置において、前記押さえ板は、前記枠状の少なくとも一辺に前記熱電素子の冷却側に冷却水を供給及び排出する経路を備え、前記押さえ板は、前記経路を含まない辺の側で、前記固定部で固定されている。

請求項４記載の本発明によれば、押さえ板は、枠状の少なくとも一辺に熱電素子の冷却側に冷却水を供給及び排出する経路を備えており、押さえ板は、経路を含まない辺の側で固定部にて固定されている。これにより、押さえ板における冷却水を供給及び排出する経路と干渉しない部位で、押さえ板を固定することができる。

本発明に係る熱電発電装置によれば、樹脂封止部が高温にさらされることを抑制することができる。

一実施形態に係る熱電発電装置の固定部側を示す断面図である。 一実施形態に係る熱電発電装置を示す分解斜視図である。 一実施形態に係る熱電発電装置を組み付けた状態を示す斜視図である。 （Ａ）は、押さえ板の長手方向に沿った辺の側を示す断面図であり、（Ｂ）は、押さえ板の長手方向と直交する方向に沿った辺の側を示す断面図である。 比較例に係る熱電発電装置の固定部側を示す断面図である。

本発明の実施の形態について、図面を基に詳細に説明する。なお、これらの図において適宜示される矢印ＵＰは熱電発電装置が配置される車両の上方側を示している。また、これらの面において、方向を明確にするため、矢印Ｗで示す方向を便宜上熱電発電装置の幅方向とし、矢印Ｄで示す方向を便宜上熱電発電装置の奥行き方向とする。

以下、図１〜図４を用いて、一実施形態に係る熱電発電装置について説明する。

図１には、一実施形態の熱電発電装置１０の一部が断面図にて示されている。図１に示されるように、熱電発電装置１０は、冷却水配管１２の上下方向の上側と下側に配置された熱電素子としての上下一対の熱電発電モジュール１４を備えている。熱電発電モジュール１４は、冷却水配管１２の側が冷却側１４Ａとされており、冷却水配管１２と反対側が受熱側１４Ｂとされている。上下一対の熱電発電モジュール１４は、上下対称に形成されている。熱電発電装置１０は、熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂと冷却側１４Ａとをそれぞれ覆う一対の薄膜シートとしてのラミネートシート１６、１８を備えている。一方のラミネートシート１６は、熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂ（本実施形態では、熱電発電装置１０の上側と下側）に配置されており、他方のラミネートシート１８は、熱電発電モジュール１４の冷却側１４Ａである冷却水配管１２と接触する位置に配置されている。

熱電発電装置１０は、熱電発電モジュール１４の周囲（図１に示す熱電発電モジュール１４の側方）で、一対のラミネートシート１６、１８の間に挟まれた状態で一対のラミネートシート１６、１８と重ね合わされる層状の樹脂封止部２０を備えている。また、熱電発電装置１０は、樹脂封止部２０の受熱側（熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂと同じ側）に配置されると共にラミネートシート１６、１８のうちの一方のラミネートシート１６に重ね合わされる断熱層としての断熱シート２２を備えている。さらに、熱電発電装置１０は、断熱シート２２を樹脂封止部２０に向けて押さえる上下一対の押さえ板２４と、上下一対の押さえ板２４をそれぞれ固定する固定部２６と、を備えている。熱電発電装置１０は、ほぼ上下対称に構成されている。

図１に示されるように、熱電発電モジュール１４は、並べて配置された複数の半導体素子３０と、半導体素子３０の一方側の面と他方側の面（本実施形態では、半導体素子３０の上下面）にそれぞれ配置された一対の金属板電極３２、３４と、を備えている。半導体素子３０は、例えば、Ｎ型半導体素子３０ＡとＰ型半導体素子３０Ｂの対からなるペルチェ素子により構成されており、Ｎ型半導体素子３０ＡとＰ型半導体素子３０Ｂとが面方向に沿って交互に配置されている。金属板電極３２、３４は、Ｎ型半導体素子３０ＡとＰ型半導体素子３０Ｂとを直列に接続する構成とされている。本実施形態では、Ｎ型半導体素子３０Ａ及びＰ型半導体素子３０Ｂの受熱側１４Ｂの面が一方の金属板電極３４に接続され、Ｎ型半導体素子３０Ａ及びＰ型半導体素子３０Ｂの冷却側１４Ａの面が他方の金属板電極３２に接続されている。

図示を省略するが、熱電発電装置１０は、熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂが、図示しない車両の排気管を通る排気ガスからの熱が伝達される位置に配設されている。本実施形態では、熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂは、車両の排気管に隣接して設けられた熱伝達部（図示省略）を介して配設されている。熱伝達部の内部には、例えば、高温ガスなどが封入されている。熱電発電モジュール１４は、半導体素子３０の受熱側１４Ｂと冷却側１４Ａとの間で温度差に応じたゼーベック効果を生じさせることにより、発電させることができるものである。熱伝達部に封入される高温ガスの温度は、例えば、約３００℃とされている。なお、上記構成に代えて、排気管の内部に熱電発電装置１０の熱電発電モジュール１４が直接配置される構成でもよい。

図２には、熱電発電装置１０が分解斜視図にて示されており、図３には、熱電発電装置１０が組み付けられた状態で斜視図にて示されている。

図１〜図３に示されるように、冷却水配管１２は、略矩形状の板状部材１２Ａの内部に複数の冷却水流通部１２Ｂを備えている。本実施形態では、板状部材１２Ａの長手方向が複数の冷却水流通部１２Ｂの流動方向となるように複数の冷却水流通部１２Ｂが並べて配置されている。冷却水配管１２には、冷却水流通部１２Ｂに冷却水を供給する経路４０と、冷却水流通部１２Ｂから冷却水を排出する経路４２とが接続されている（図３参照）。これにより、経路４０から冷却水が冷却水流通部１２Ｂに供給されて冷却水流通部１２Ｂを流れた後、冷却水が経路４２に排出されるようになっている。なお、経路４０及び経路４２の構成は、変更可能である。

図１に示されるように、ラミネートシート１６は、熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂに配置された一方の金属板電極３４と接触するように配置されている。ラミネートシート１６は、例えば、樹脂薄膜にアルミニウム薄膜をラミネートしたシート（積層シート）で構成されており、樹脂薄膜の側が金属板電極３４と接触するように配置されている。また、ラミネートシート１８は、熱電発電モジュール１４の冷却側１４Ａに配置された他方の金属板電極３２と接触するように設けられている。ラミネートシート１８は、例えば、樹脂薄膜にアルミニウム薄膜をラミネートしたシート（積層シート）で構成されており、樹脂薄膜の側が金属板電極３２と接触するように設けられている。金属板電極３４と金属板電極３２には、発電した電力を取り出すためのリード線５４Ａ、５４Ｂが接続されている（図２及び図３参照）。

図１及び図２に示されるように、樹脂封止部２０は、熱電発電モジュール１４の周囲（図１に示す熱電発電モジュール１４の側方）でラミネートシート１６とラミネートシート１８との間に配置されている。樹脂封止部２０は、熱電発電モジュール１４の半導体素子３０の酸化劣化を防ぐために、外部の高温ガスと内部の熱電発電モジュール１４とを封止するために設けられている。樹脂封止部２０の両側の面は、ラミネートシート１６とラミネートシート１８とに接合されている。

図１及び図２に示されるように、断熱シート２２は、枠状の部材で構成されており、熱電発電モジュール１４の周囲（図１に示す熱電発電モジュール１４の側方）に配置されている。断熱シート２２は、ラミネートシート１６を介して樹脂封止部２０の全面を覆うように配置されている。断熱シート２２は、ラミネートシート１６を介して樹脂封止部２０と接触することで、樹脂封止部２０が耐熱温度を超える温度まで加熱されることを抑制するようになっている。例えば、樹脂封止部２０の耐熱温度は、約１５０℃とされている。

図１〜図３に示されるように、押さえ板２４は、略矩形状の枠状の部材で構成されており、熱電発電モジュール１４の全周を囲むように配置されている（図２及び図３参照）。押さえ板２４の少なくとも一部は、断熱シート２２を覆う位置に配置されている。より具体的には、押さえ板２４は、断熱シート２２と接触する側の部位の板厚を厚くした厚板部２４Ａと、押さえ板２４を固定する固定部位の板厚を厚板部２４Ａよりも薄くした薄板部２４Ｂと、を備えている。すなわち、押さえ板２４は、厚板部２４Ａと薄板部２４Ｂとを備えた段付き形状とされている。本実施形態では、押さえ板２４は、長手方向に沿った辺の側が厚板部２４Ａと薄板部２４Ｂとを備えた段付き形状とされており、押さえ板２４の内側縁部を含む位置に厚板部２４Ａを備えている（図２及び図４（Ａ）参照）。また、押さえ板２４は、長手方向と直交する方向に沿った辺の側が厚板部２４Ａのみで構成されている（図２及び図４（Ｂ）参照）。

押さえ板２４は、厚板部２４Ａが断熱シート２２と接触するように配置されており、厚板部２４Ａによって断熱シート２２をラミネートシート１６を介して樹脂封止部２０に向けて押さえるようになっている。押さえ板２４の薄板部２４Ｂは、固定部２６によって固定されている。固定部２６は、上下一対の押さえ板２４の間に配置される複数のナット４４と、ナット４４の軸方向の一方側と他方側にそれぞれ螺合される複数のボルト４６と、を備えている。

より具体的には、図１及び図２に示されるように、上下一対の押さえ板２４の間には、ナット４４と、上下一対の押さえ板２４の間の距離に応じてナット４４と一方の押さえ板２４との間に介在されるシム４８と、が配置されている（図１参照）。ボルト４６は、雄ねじ部を備えた軸部４６Ａと、軸部４６Ａの一端部に設けられた頭部４６Ｂと、を備えている。押さえ板２４の薄板部２４Ｂには、ボルト４６の軸部４６Ａがそれぞれ貫通される複数の貫通孔５０が設けられている。本実施形態では、押さえ板２４の薄板部２４Ｂに長手方向に沿って複数の貫通孔５０が一列で形成されている。

一方（図１中の上側）の押さえ板２４の側から、ワッシャ５２を介して薄板部２４Ｂの貫通孔５０にボルト４６の軸部４６Ａが貫通され、軸部４６Ａの雄ねじ部がナット４４の雌ねじ部に螺合される。また、他方（図１中の下側）の押さえ板２４の側から、ワッシャ５２を介して薄板部２４Ｂの貫通孔５０にボルト４６の軸部４６Ａが貫通され、軸部４６Ａの雄ねじ部がナット４４の雌ねじ部に螺合される。これにより、上下一対の押さえ板２４が、上側のボルト４６及び下側のボルト４６とナット４４により締め付け固定されている。

次に、本実施形態の熱電発電装置１０の作用及び効果について説明する。

熱電発電装置１０では、熱電発電モジュール１４の受熱側１４Ｂと冷却側１４Ａとは、それぞれ一対のラミネートシート１６、１８で覆われている。熱電発電モジュール１４の周囲では、樹脂封止部２０が一対のラミネートシート１６、１８の間に挟まれた状態で一対のラミネートシート１６、１８と重ね合わされている。樹脂封止部２０の受熱側には、一方のラミネートシート１６に断熱シート２２が重ね合わされている。さらに、断熱シート２２を樹脂封止部２０に向けて押さえる押さえ板２４が設けられている。押さえ板２４は、断熱シート２２と接触する側の部位の板厚が厚い厚板部２４Ａと、押さえ板２４を固定部２６で固定する固定部位の板厚を厚板部２４Ａよりも薄くした薄板部２４Ｂと、を備えた段付き形状とされている。

このような熱電発電装置１０では、押さえ板２４の厚板部２４Ａで断熱シート２２を樹脂封止部２０に向けて押さえ、押さえ板２４の薄板部２４Ｂで固定部２６のボルト４６にて上下の押さえ板２４をナット４４に締め付けて固定している。この構成では、押さえ板２４が段付き形状のため、押さえ板２４の撓みやすさに差がつき、押さえ板２４の薄板部２４Ｂが固定部２６のボルト４６とナット４４の締め付けにより適度に撓む。そして、押さえ板２４の厚板部２４Ａで、より確実に断熱シート２２が樹脂封止部２０に向けて押さえられる。このため、断熱シート２２が、樹脂封止部２０の側に適切に密着され、樹脂封止部２０が高温にさらされることが抑制される。

また、熱電発電装置１０では、押さえ板２４が熱電発電モジュール１４の全周を囲む枠状とされている。これにより、熱電発電モジュール１４の周囲で押さえ板２４によって断熱シート２２が樹脂封止部２０に向けて押さえられる。このため、押さえ板２４の長手方向と直交する側の部位、すなわち固定部２６にて押さえ板２４を固定できない部位においても、押さえ板２４によって断熱シート２２を樹脂封止部２０に向けて押さえることができる。

また、熱電発電装置１０では、押さえ板２４の内側縁部を含む厚板部２４Ａの板厚が、固定部２６により固定する薄板部２４Ｂの板厚よりも厚い構成とされている。これにより、簡易な構成により、押さえ板２４の内側縁部を含む厚板部２４Ａで、断熱シート２２を樹脂封止部２０に向けて押さえることができると共に、押さえ板２４の薄板部２４Ｂで固定部２６により押さえ板２４を固定することができる。

さらに、熱電発電装置１０では、押さえ板２４は、枠状の少なくとも一辺（本実施形態では、長手方向と直交する側の２辺）に、熱電発電モジュール１４の冷却側１４Ａに冷却水を供給する経路４０及び冷却水を排出する経路４２を備えている。そして、押さえ板２４の経路４０、４２を含まない辺（本実施形態では長手方向に沿った２つの辺）の側で、押さえ板２４が固定部２６にて固定されている。これにより、押さえ板２４における冷却水を供給する経路４０、及び冷却水を排出する経路４２と干渉しない部位で、押さえ板２４を固定部２６にて固定することができる。

図５には、比較例の熱電発電装置１００の一部が断面図にて示されている。なお、前述した一実施形態の熱電発電装置１０と同一構成部分については、同一番号を付してその説明を省略する。

図５に示されるように、熱電発電装置１００は、断熱シート２２を樹脂封止部２０に向けて押さえる上下一対の押さえ板１０２と、上下一対の押さえ板１０２をそれぞれ固定する固定部１０４と、を備えている。押さえ板１０２は、厚さがほぼ均一な薄板からなる板状部１０２Ａで構成されており、押さえ板１０２の板状部１０２Ａの一端部側は、断熱シート２２を覆う位置に配置されている。板状部１０２Ａの厚さは、一実施形態の熱電発電装置１０に用いられる押さえ板２４の薄板部２４Ｂとほぼ同じ厚さに設定されている。

押さえ板１０２の板状部１０２Ａの一端部側が断熱シート２２と接触することで、断熱シート２２をラミネートシート１６を介して樹脂封止部２０に向けて押さえるようになっている。また、押さえ板１０２の板状部１０２Ａの他端部側は、固定部１０４によって固定されている。固定部１０４は、一実施形態の熱電発電装置１０と同様に、上下一対の押さえ板１０２の間に配置される複数のナット４４、ナット４４の軸方向の一方側と他方側にそれぞれ螺合される複数のボルト４６等を備えている。

このような熱電発電装置１００では、押さえ板１０２の薄板からなる板状部１０２Ａによって、断熱シート２２をラミネートシート１６を介して樹脂封止部２０に向けて押さえている。押さえ板１０２は、固定部１０４のボルト４６で締め上げるとき、板状部１０２Ａの厚さが薄いと撓んで断熱シート２２と片当たり状態になり、断熱シート２２が樹脂封止部２０から浮き上がる可能性がある。この場合、断熱シート２２を樹脂封止部２０側の全面に密着させることができないため、樹脂封止部２０が耐熱温度を超えてしまい、樹脂封止部２０の物性が変化して封止機能が低下する可能性がある。

これに対し、本実施形態の熱電発電装置１０では、押さえ板２４の薄板部２４Ｂが固定部２６のボルト４６とナット４４の締め付けにより適度に撓み、押さえ板２４の厚板部２４Ａでより確実に断熱シート２２が樹脂封止部２０に向けて押さえられる。このため、断熱シート２２は、樹脂封止部２０側に適切に密着され、樹脂封止部２０が高温にさらされることを抑制することができる。

なお、上記実施形態の熱電発電装置１０では、押さえ板２４の長手方向に沿って固定部２６が設けられていたが、本発明はこの構成に限定されず、例えば、押さえ板の長手方向と直交する方向に沿って固定部を設けた構成でもよい。また、上記実施形態では、押さえ板２４は、枠状とされているが、押さえ板は他の形状に変更可能である。

また、熱電発電装置１０において、熱電発電モジュール１４の構成は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、変更が可能である。また、上記実施形態の熱電発電装置１０では、冷却水配管１２の上下方向の両側に一対の熱電発電モジュール１４が設けられていたが、冷却水配管１２の上下方向のどちらか一方に熱電発電モジュールを備える構成でもよい。

また、上記実施形態の熱電発電装置１０は、押さえ板２４の面方向と直交する方向が上下方向となるように配置されているが、本発明はこの構成にされず、熱電発電装置が配置される方向は変更可能である。例えば、熱電発電装置は、押さえ板２４の面方向が上下方向と交差するように配置してもよいし、押さえ板２４の面方向が上下方向となるように配置してもよい。

１０ 熱電発電装置
１４ 熱電発電モジュール（熱電素子）
１４Ａ 冷却側
１４Ｂ 受熱側
１６ ラミネートシート（薄膜シート）
１８ ラミネートシート（薄膜シート）
２０ 樹脂封止部
２２ 断熱シート（断熱層）
２４ 押さえ板
２４Ａ 厚板部（部位）
２４Ｂ 薄板部（固定部位）
２６ 固定部
４０ 経路
４２ 経路

Claims (4)

1. 熱電素子の受熱側と冷却側とをそれぞれ覆う一対の薄膜シートと、
   前記熱電素子の周囲で前記一対の薄膜シートの間に挟まれた状態で前記一対の薄膜シートと重ね合わされる樹脂封止部と、
   前記樹脂封止部の受熱側に配置され、前記一対の薄膜シートの一方に重ね合わされる断熱層と、
   前記断熱層を前記樹脂封止部に向けて押さえると共に、前記断熱層と接触する側の部位の板厚が固定部で固定する固定部位の板厚よりも厚い段付き形状とされた押さえ板と、
   を有する熱電発電装置。
2. 前記押さえ板が前記熱電素子の全周を囲む枠状とされている請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記押さえ板の内側縁部を含む部位の板厚が、前記固定部位の板厚よりも厚い構成とされている請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 前記押さえ板は、前記枠状の少なくとも一辺に前記熱電素子の冷却側に冷却水を供給及び排出する経路を備え、
   前記押さえ板は、前記経路を含まない辺の側で、前記固定部で固定されている請求項２又は請求項３に記載の熱電発電装置。