JP2018190892A - 熱電発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】受熱板が加熱されても、熱電発電モジュールに損傷の生じることのない熱電発電装置を提供すること。
【解決手段】受熱面２Ａを有する受熱板２と、受熱面２Ａとは反対側の面に配置され、受熱板２で受けた熱を伝熱する第１の伝熱部材５Ａと、伝熱部材５Ａの受熱板２が配置される面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュール４と、熱電発電モジュール４の第１の伝熱部材５Ａが配置される面とは反対側の面に配置される第２の伝熱部材５と、熱電発電モジュール４の伝熱部材５が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板３とを備え、伝熱部材５Ａの外周の少なくとも一部は、熱電発電モジュール４の外周に配置されるＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子一対分に対応する領域の内側に入っている。
【選択図】図８
【解決手段】受熱面２Ａを有する受熱板２と、受熱面２Ａとは反対側の面に配置され、受熱板２で受けた熱を伝熱する第１の伝熱部材５Ａと、伝熱部材５Ａの受熱板２が配置される面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュール４と、熱電発電モジュール４の第１の伝熱部材５Ａが配置される面とは反対側の面に配置される第２の伝熱部材５と、熱電発電モジュール４の伝熱部材５が配置される面とは反対側の面に配置される冷却板３とを備え、伝熱部材５Ａの外周の少なくとも一部は、熱電発電モジュール４の外周に配置されるＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子一対分に対応する領域の内側に入っている。
【選択図】図８
Description
本発明は、熱電発電装置に関する。
従来、受熱板と冷却板との間に熱電発電モジュールを介装して構成された熱電発電装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
このような熱電発電装置では、受熱板で輻射熱を受け、冷却板中に冷却水を循環させることにより、受熱板および冷却板の間に温度差を生じさせ、この温度差により熱電発電モジュールが発電を行う。
ここで、従来の受熱板は、鉄、アルミニウム製の矩形板状体から構成され、受熱面の反対側には、カーボンシート等の伝熱部材が設けられ、伝熱部材に熱電発電モジュールが密着している。これにより、受熱板で受けた熱は、伝熱部材を介して熱電発電モジュールに伝達される。
このような熱電発電装置では、受熱板で輻射熱を受け、冷却板中に冷却水を循環させることにより、受熱板および冷却板の間に温度差を生じさせ、この温度差により熱電発電モジュールが発電を行う。
ここで、従来の受熱板は、鉄、アルミニウム製の矩形板状体から構成され、受熱面の反対側には、カーボンシート等の伝熱部材が設けられ、伝熱部材に熱電発電モジュールが密着している。これにより、受熱板で受けた熱は、伝熱部材を介して熱電発電モジュールに伝達される。
しかしながら、輻射熱を受けた受熱板は、受熱面が高温となり、その裏面は、受熱面の温度よりも低くなり、受熱面が凸となる方向に反りが発生する。
この受熱板の反りによって、伝熱部材の端にかかる圧縮応力が熱電発電モジュールに作用し、熱電発電モジュールの端部、特に角隅部の熱電発電素子の半田接合部が、剥離したり、断線するという課題がある。
この受熱板の反りによって、伝熱部材の端にかかる圧縮応力が熱電発電モジュールに作用し、熱電発電モジュールの端部、特に角隅部の熱電発電素子の半田接合部が、剥離したり、断線するという課題がある。
本発明の目的は、受熱板が加熱されても、熱電発電モジュールに損傷の生じることのない熱電発電装置を提供することにある。
本発明の熱電発電装置は、受熱面を有する受熱板と、前記受熱面とは反対側の面に配置され、前記受熱板で受けた熱を伝熱する第１の伝熱部材と、前記第１の伝熱部材の前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュールと、前記熱電発電モジュールの前記第１の伝熱部材が配置される面とは反対側の面に配置される第２の伝熱部材と、前記第２の伝熱部材の前記熱電発電モジュールが配置される面とは反対側の面に配置される冷却板とを備え、前記第１の伝熱部材の外周の少なくとも一部は、前記熱電発電モジュールの外周に配置されるＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子一対分に対応する領域の内側に入っていることを特徴とする。
本発明によれば、第１の伝熱部材の外周の少なくとも一部が、熱電発電モジュールのＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子一対分に対応する領域の内側に入る形状としたことにより、受熱板の受熱面が凸方向に反っても、熱電発電モジュールの外周部への圧縮応力を低減できるので、熱電発電モジュールに損傷が生じることがない。
［１］熱電発電装置１の構成
図１には、熱電発電装置１の分解斜視図、図２には、熱電発電装置１の断面図が示されている。熱電発電装置１は、受熱板２、冷却板３、熱電発電モジュール４、およびカーボンシート５を備える。熱電発電装置１は、受熱板２により輻射熱を受け、冷却板３との温度差により、熱電発電モジュール４で熱エネルギを電気エネルギに変換する。
図１には、熱電発電装置１の分解斜視図、図２には、熱電発電装置１の断面図が示されている。熱電発電装置１は、受熱板２、冷却板３、熱電発電モジュール４、およびカーボンシート５を備える。熱電発電装置１は、受熱板２により輻射熱を受け、冷却板３との温度差により、熱電発電モジュール４で熱エネルギを電気エネルギに変換する。
受熱板２は、たとえば鉄、銅、アルミニウム製の矩形板状体から構成され、下面側が受熱面２Ａとされ、輻射熱により２５０℃から２８０℃程度に加熱される。図２に示すように、受熱板２の受熱面２Ａとは反対側の面には、複数の雌ねじ孔２Ｂ、２Ｃが形成されている。
冷却板３は、たとえばアルミニウム製の矩形厚板板状体から構成され、図２に示すように、内部に冷却水等の冷却液が流通する冷却回路３Ａが形成されている。冷却回路３Ａ内に冷却水が流通すると、冷却板３は、全体が２０℃から４０℃程度に冷却維持される。
冷却回路３Ａには、冷却水の供給管路３Ｂ、および戻し管路３Ｃが接続され、供給管路３Ｂから冷却水が供給され、冷却回路３Ａで冷却板３の冷却を行った後、戻し管路３Ｃから排出される。
また、冷却板３には、表裏面を貫通する孔３Ｄが略中央に５箇所形成され、外周端部に孔３Ｅが４箇所形成されている。
冷却板３は、たとえばアルミニウム製の矩形厚板板状体から構成され、図２に示すように、内部に冷却水等の冷却液が流通する冷却回路３Ａが形成されている。冷却回路３Ａ内に冷却水が流通すると、冷却板３は、全体が２０℃から４０℃程度に冷却維持される。
冷却回路３Ａには、冷却水の供給管路３Ｂ、および戻し管路３Ｃが接続され、供給管路３Ｂから冷却水が供給され、冷却回路３Ａで冷却板３の冷却を行った後、戻し管路３Ｃから排出される。
また、冷却板３には、表裏面を貫通する孔３Ｄが略中央に５箇所形成され、外周端部に孔３Ｅが４箇所形成されている。
熱電発電モジュール４は、受熱板２および冷却板３の間に配置され、平面視矩形状に構成される。熱電発電モジュール４は、図３に示すように、高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂを備えている。高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂは、ポリイミド製のフィルムの表面に電極が形成された構成であり、電極面４Ｃ、４Ｄ（図２参照）を形成した面を対向させて配置される。
高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂの間には、図２および図４に示すように、複数のＰ型熱電素子４Ｐ、Ｎ型熱電素子４Ｎが交互に配列されている。これらの熱電素子４Ｐ、４Ｎは、高温側基板４Ａの電極面４Ｃと、低温側基板４Ｂの電極面４Ｄとを電気的に導通させている。高温側基板４Ａの電極面４Ｃおよび低温側基板４Ｂの電極面４Ｄと、熱電素子４Ｐ、４Ｎの端面とは、半田によって接合されている。
高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂの中央には、図３に示すように、孔４Ｅが５箇所形成され、外周端部には、孔４Ｆが４箇所形成されている。各孔４Ｅの周りには、リング状の内部封止枠６が設けられ、低温側基板４Ｂの周囲には、矩形状の外周封止枠７が設けられている。内部封止枠６および外周封止枠７は、鉄、銅、アルミニウム等の金属材料から構成されている。
高温側基板４Ａおよび低温側基板４Ｂの中央には、図３に示すように、孔４Ｅが５箇所形成され、外周端部には、孔４Ｆが４箇所形成されている。各孔４Ｅの周りには、リング状の内部封止枠６が設けられ、低温側基板４Ｂの周囲には、矩形状の外周封止枠７が設けられている。内部封止枠６および外周封止枠７は、鉄、銅、アルミニウム等の金属材料から構成されている。
カーボンシート５は、図１に示すように、受熱板２および高温側基板４Ａと、冷却板３および低温側基板４Ｂとの間にそれぞれ介装され、受熱板２で受熱した熱を高温側基板４Ａに伝熱し、低温側基板４Ｂの熱を冷却板３に伝熱する伝熱部材として機能する。
カーボンシート５は、外周封止枠７の内側を外周とするシート材として構成され、外周封止枠７に対応した高温側基板４Ａと、非接触の状態で維持される。つまり、外周封止枠７に対応した高温側基板４Ａとの間の空気層は、断熱層として機能する。
また、カーボンシート５の中央部分には、内部封止枠６の配置に応じて孔が５箇所形成されている。各孔は、リング状の内部封止枠６の外形よりも大きくなっていて、内部封止枠６に対応した高温側基板４Ａと、非接触の状態で維持され、この間の空気層が断熱層として機能する。
カーボンシート５は、外周封止枠７の内側を外周とするシート材として構成され、外周封止枠７に対応した高温側基板４Ａと、非接触の状態で維持される。つまり、外周封止枠７に対応した高温側基板４Ａとの間の空気層は、断熱層として機能する。
また、カーボンシート５の中央部分には、内部封止枠６の配置に応じて孔が５箇所形成されている。各孔は、リング状の内部封止枠６の外形よりも大きくなっていて、内部封止枠６に対応した高温側基板４Ａと、非接触の状態で維持され、この間の空気層が断熱層として機能する。
このような構成の受熱板２、冷却板３、熱電発電モジュール４、およびカーボンシート５は、５つの第１締結部材８および８つの第２締結部材９によって一体化されている。
第１締結部材８は、図２に示すように、ボルト８Ａ、受け部材８Ｂおよびコイルばね８Ｃを備える。ボルト８Ａは、冷却板３の孔３Ｄ、熱電発電モジュール４の孔４Ｅ、およびカーボンシート５の孔に順次挿入され、受熱板２の雌ねじ孔２Ｂに螺合する。
受け部材８Ｂは、ボルト８Ａに挿通される金属製の筒状体として構成され、一端にフランジが形成されている。
コイルばね８Ｃは、受け部材８Ｂの外周部分に挿通され、ボルト８Ａが受熱板２の雌ねじ孔２Ｂに螺合したときに、受け部材８Ｂのフランジによって挿入方向に圧縮され、冷却板３を受熱板２側に付勢する。
第２締結部材９は、受熱板２および冷却板３を外周端部で締結する部材であり、第１締結部材８と略同様の構成とされ、ボルト９Ａ、受け部材９Ｂ、およびコイルばね９Ｃを備える。
第１締結部材８は、図２に示すように、ボルト８Ａ、受け部材８Ｂおよびコイルばね８Ｃを備える。ボルト８Ａは、冷却板３の孔３Ｄ、熱電発電モジュール４の孔４Ｅ、およびカーボンシート５の孔に順次挿入され、受熱板２の雌ねじ孔２Ｂに螺合する。
受け部材８Ｂは、ボルト８Ａに挿通される金属製の筒状体として構成され、一端にフランジが形成されている。
コイルばね８Ｃは、受け部材８Ｂの外周部分に挿通され、ボルト８Ａが受熱板２の雌ねじ孔２Ｂに螺合したときに、受け部材８Ｂのフランジによって挿入方向に圧縮され、冷却板３を受熱板２側に付勢する。
第２締結部材９は、受熱板２および冷却板３を外周端部で締結する部材であり、第１締結部材８と略同様の構成とされ、ボルト９Ａ、受け部材９Ｂ、およびコイルばね９Ｃを備える。
［２］従来の問題点と本実施形態の構成
前述した熱電発電装置１において、伝熱層としてのカーボンシート５は、図５に示すように、熱電発電モジュール４の熱電素子４Ｐ、４Ｎの配置位置の平面形状と同じ、矩形状に密着している。
この状態で、受熱板２が加熱されると、受熱板２の受熱面２Ａの方が直接加熱され、２５０℃程度となるが、受熱板２の裏面側は、これよりも低い２４５℃程度になる。このため、受熱面２Ａの熱膨張が大きくなり、図６（Ａ）に示すように、受熱板２は、受熱面２Ａ側が凸方向に反る。反り量は０．２ｍｍ程度であるが、受熱板２の裏面側では、圧縮方向の力が生じる。
圧縮応力は、カーボンシート５を介して、熱電発電モジュール４に作用し、図６（Ｂ）に示すように、熱電発電モジュール４の端部で最も大きくなり、熱電発電モジュール４の端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎの半田接合部分が剥離してしまう。
前述した熱電発電装置１において、伝熱層としてのカーボンシート５は、図５に示すように、熱電発電モジュール４の熱電素子４Ｐ、４Ｎの配置位置の平面形状と同じ、矩形状に密着している。
この状態で、受熱板２が加熱されると、受熱板２の受熱面２Ａの方が直接加熱され、２５０℃程度となるが、受熱板２の裏面側は、これよりも低い２４５℃程度になる。このため、受熱面２Ａの熱膨張が大きくなり、図６（Ａ）に示すように、受熱板２は、受熱面２Ａ側が凸方向に反る。反り量は０．２ｍｍ程度であるが、受熱板２の裏面側では、圧縮方向の力が生じる。
圧縮応力は、カーボンシート５を介して、熱電発電モジュール４に作用し、図６（Ｂ）に示すように、熱電発電モジュール４の端部で最も大きくなり、熱電発電モジュール４の端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎの半田接合部分が剥離してしまう。
そこで、本実施形態では、図７に示すように、第１の伝熱部材であるカーボンシート５Ａの矩形状の角隅部分に、平面視Ｌ字状の切欠部５１を形成し、カーボンシート５Ａの外周の一部を、熱電発電モジュール４の外周に配置されるＰ型熱電素子４ＰおよびＮ型熱電素子４Ｎ一対分に対応する領域よりも内側に入る形状とした。なお、第２の伝熱部材としての冷却板３側のカーボンシート５は、角隅部分に切欠を形成していない。
これにより、図８（Ａ）に示すように、カーボンシート５Ａの切欠部５１により、カーボンシート５Ａの外周の少なくとも一部が、熱電発電モジュール４の外周に配置されるＰ型熱電素子４ＰおよびＮ型熱電素子４Ｎ一対分に対応する領域よりも内側に入る形状としている。受熱板２が加熱され、受熱板２に反りが生じ、受熱板２の裏面側に圧縮方向の力が作用しても、図６（Ｂ）に示すように、熱電発電モジュール４の端部に作用する圧縮応力が低減される。したがって、熱電発電モジュール４の端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎの半田接合部分に剥離が生じることがない。
これにより、図８（Ａ）に示すように、カーボンシート５Ａの切欠部５１により、カーボンシート５Ａの外周の少なくとも一部が、熱電発電モジュール４の外周に配置されるＰ型熱電素子４ＰおよびＮ型熱電素子４Ｎ一対分に対応する領域よりも内側に入る形状としている。受熱板２が加熱され、受熱板２に反りが生じ、受熱板２の裏面側に圧縮方向の力が作用しても、図６（Ｂ）に示すように、熱電発電モジュール４の端部に作用する圧縮応力が低減される。したがって、熱電発電モジュール４の端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎの半田接合部分に剥離が生じることがない。
従来のカーボンシート５を使用した場合と、本実施形態のカーボンシート５Ａを使用した場合について、熱電発電装置１の温度サイクル耐久試験を行ったところ、図９に示すような結果となった。なお、温度サイクル条件は、受熱板２を５０℃から２５０℃に繰り返し加熱をして行った。
従来のカーボンシート５を使用した場合（切欠部なし）、７０００サイクル経過時、熱電発電装置１の出力低下率は、約７％であった。
約７％出力低下した原因は、熱電発電モジュール４の角部４箇所にあるＰ型熱電素子４ＰまたはＮ型熱電素子４Ｎの半田接合部分に剥離が発生し、その熱電素子部の電気抵抗が上昇したためであった。剥離が起きた熱電素子部の電気抵抗値は、４箇所とも初期値と比べ２０倍以上となっていた。
従来のカーボンシート５を使用した場合（切欠部なし）、７０００サイクル経過時、熱電発電装置１の出力低下率は、約７％であった。
約７％出力低下した原因は、熱電発電モジュール４の角部４箇所にあるＰ型熱電素子４ＰまたはＮ型熱電素子４Ｎの半田接合部分に剥離が発生し、その熱電素子部の電気抵抗が上昇したためであった。剥離が起きた熱電素子部の電気抵抗値は、４箇所とも初期値と比べ２０倍以上となっていた。
これに対して、本実施形態のカーボンシート５Ａを使用した場合（切欠部あり）、７０００サイクル経過時、熱電発電装置１の出力低下率は、約１％であった。
それぞれのＰ型熱電素子４ＰおよびＮ型熱電素子４Ｎの電気抵抗は上昇しておらず、熱電発電モジュール４の角部の半田接合部分に剥離は発生していなかった。装置全体での約１％の出力低下は、計測の誤差などが原因と思われる。
したがって、カーボンシート５Ａに切欠部５１を形成し、カーボンシート５Ａの外周を、熱電発電モジュール４の外周に配置されるＰ型熱電素子４ＰおよびＮ型熱電素子４Ｎ一対分に対応する領域の内側に入る形状としたことにより、熱電発電モジュール４の端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎの半田接合部分に損傷が生じないことを確認することができた。
それぞれのＰ型熱電素子４ＰおよびＮ型熱電素子４Ｎの電気抵抗は上昇しておらず、熱電発電モジュール４の角部の半田接合部分に剥離は発生していなかった。装置全体での約１％の出力低下は、計測の誤差などが原因と思われる。
したがって、カーボンシート５Ａに切欠部５１を形成し、カーボンシート５Ａの外周を、熱電発電モジュール４の外周に配置されるＰ型熱電素子４ＰおよびＮ型熱電素子４Ｎ一対分に対応する領域の内側に入る形状としたことにより、熱電発電モジュール４の端部の熱電素子４Ｐ、４Ｎの半田接合部分に損傷が生じないことを確認することができた。
このようにカーボンシート５Ａに切欠部５１を形成することにより、熱電発電モジュール４に作用する圧縮力を低減することができるため、受熱板２の凸反りをより大きくする方向に許容することができる。したがって、受熱板２の温度をより高くして、冷却板３との温度差を大きくすることにより、熱電発電モジュール４による発電量を向上させることが可能である。
［３］実施形態の変形
なお、本発明は、これに限らず、以下に示すような変形をも含むものである。
前記実施形態では、カーボンシート５Ａの角隅部に平面視Ｌ字状の切欠部５１を形成していたが、本発明はこれに限らない。
たとえば、図１０に示すように、カーボンシート５Ｂの角隅部をコーナカットした切欠部５２であってもよい。
なお、本発明は、これに限らず、以下に示すような変形をも含むものである。
前記実施形態では、カーボンシート５Ａの角隅部に平面視Ｌ字状の切欠部５１を形成していたが、本発明はこれに限らない。
たとえば、図１０に示すように、カーボンシート５Ｂの角隅部をコーナカットした切欠部５２であってもよい。
また、図１１に示すように、カーボンシート５Ｃの角隅部の所定範囲だけ矩形状に切り欠いた切欠部５３であってもよい。
さらに、カーボンシート５Ａ、５Ｂ、５Ｃの角隅部に切欠部を形成することだけでなく、カーボンシート５Ａ、５Ｂ、５Ｃの矩形状の辺の一部に切欠部を形成してもよく、要するに、受熱板２の変形に伴う圧縮力が作用する部分であれば、適宜の位置で切欠部を形成してもよい。
その他、本発明の実施の際の構造等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
さらに、カーボンシート５Ａ、５Ｂ、５Ｃの角隅部に切欠部を形成することだけでなく、カーボンシート５Ａ、５Ｂ、５Ｃの矩形状の辺の一部に切欠部を形成してもよく、要するに、受熱板２の変形に伴う圧縮力が作用する部分であれば、適宜の位置で切欠部を形成してもよい。
その他、本発明の実施の際の構造等は、本発明の目的を達成できる範囲で他の構造等としてもよい。
１…熱電発電装置、２…受熱板、２Ａ…受熱面、２Ｂ…雌ねじ孔、２Ｃ…雌ねじ孔、３…冷却板、３Ａ…冷却回路、３Ｂ…供給管路、３Ｃ…戻し管路、３Ｄ…孔、３Ｅ…孔、４…熱電発電モジュール、４Ａ…高温側基板、４Ｂ…低温側基板、４Ｃ…電極面、４Ｄ…電極面、４Ｅ…孔、４Ｆ…孔、４Ｎ…Ｎ型熱電素子、４Ｎ…熱電素子、４Ｐ…熱電素子、４Ｐ…Ｐ型熱電素子、５…カーボンシート、５Ａ…カーボンシート、５Ｂ…カーボンシート、５Ｃ…カーボンシート、６…内部封止枠、７…外周封止枠、８…第１締結部材、８Ａ…ボルト、８Ｂ…受け部材、８Ｃ…コイルばね、９…第２締結部材、９Ａ…ボルト、９Ｂ…受け部材、９Ｃ…コイルばね、５１…切欠部、５２…切欠部、５３…切欠部。
Claims (3)
- 受熱面を有する受熱板と、
前記受熱面とは反対側の面に配置され、前記受熱板で受けた熱を伝熱する第１の伝熱部材と、
前記第１の伝熱部材の前記受熱板が配置される面とは反対側の面に配置される熱電発電モジュールと、
前記熱電発電モジュールの前記第１の伝熱部材が配置される面とは反対側の面に配置される第２の伝熱部材と、
前記第２の伝熱部材の前記熱電発電モジュールが配置される面とは反対側の面に配置される冷却板とを備え、
前記第１の伝熱部材の外周の少なくとも一部は、前記熱電発電モジュールの外周に配置されるＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子一対分に対応する領域の内側に入っていることを特徴とする熱電発電装置。 - 請求項１に記載の熱電発電装置において、
前記熱電発電モジュールは、平面視矩形状であり、
前記第１の伝熱部材は、前記熱電発電モジュールの角隅部に応じた位置に形成される切欠部を備えていることを特徴とする熱電発電装置。 - 請求項２に記載の熱電発電装置において、
前記第１の伝熱部材の切欠部は、４つの角隅部の少なくともＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子一対分に対応する領域に形成されていることを特徴とする熱電発電装置。
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