JP2019092326A - 熱電変換素子モジュールおよびガス機器 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱温度の変動の影響を直接受けず、熱電変換素子の高温接合部と低温接合部における温度差を安定して維持できる熱電変換素子モジュールを提供することにある。【解決手段】高温接合部と低温接合部を有する熱電変換素子と、前記熱電変換素子を加熱する加熱装置と、前記加熱装置からの熱を遮断する遮断板と、を有し、前記遮断板を熱電変換素子と前記加熱装置の間に配置したことを特徴とする熱電変換素子モジュール。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱装置により熱電変換素子を加熱して発電する熱電変換素子モジュールに関する。

従来から、熱電変換素子として熱電変換材料部と電極層とを組み合わせたものは知られており、特に複数の熱電変換材料部を電気的に配列したものが熱電変換素子モジュールとして使用されている。
ゼーベック効果を利用した熱電変換素子モジュールは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とする。現実に熱電変換する場合は、ｐ型熱電変換材料部とｎ型熱電変換材料部とを用いてこれらを交互に電気的に直列に接続する構造とする。熱電変換素子モジュールの性質を利用すると、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができる。

熱電変換素子の加熱源としては、燃焼ガスを燃焼させて発生する火炎を利用するものがある。例えば、バーナーが燃料ガスを燃焼させて火炎を形成して加熱対象物の底部を加熱するタイプのガス機器は広く使用されており、この火炎を利用して熱電変換素子を加熱することにより電力を起電、蓄電することが比較的簡易に行うことができる。このようなガス機器として、屋内、屋外を問わず利用することができるカセットコンロなどが普及してきており、例えば、特許文献１では、発電素子とタイマを備え、バーナーにおけるガスの燃焼熱によって発電し、その電力によってタイマを動作させるカセットコンロが提案されている。

このような燃焼炎を加熱源とする熱電変換素子モジュールでは、燃焼炎の調節やゆらぎなどにより加熱温度が変動して加熱温度が安定しない場合がある。そこで、例えば、特許文献２で提案される熱電変換素子モジュールを内蔵したガス器具では、バーナーの端部に集熱部を有する熱電部材を配置して熱電変換部材を通じて熱電変換素子を間接的に加熱する方法が採用されている。また、特許文献３においても、ガスバーナーに形成される火炎の熱を五徳により熱伝導させて熱電変換素子を加熱する方法が採用されている。
しかしながら、これらの方法では、ガスバーナーにより形成される火炎によって直接熱電変換素子が加熱されないため、加熱効率が低く、また、加熱温度が制限されるという問題がある。

特開平１−１４４５０１号公報 特開２０１５−８６１７号公報 特開平７−１８０８４２号公報

本発明の主な目的は、加熱装置により熱電変換素子を加熱するタイプの熱電変換素子モジュールにおいて、加熱温度の変動の影響を直接受けず、熱電変換素子の高温接合部と低温接合部における温度差を安定して維持できる熱電変換素子モジュールを提供することにある。

本発明の実施態様の熱電変換素子モジュールは、高温接合部と低温接合部を有する熱電変換素子と、熱電変換素子を加熱する加熱装置と、加熱装置からの熱を遮断する遮断板とを有し、遮断板を熱電変換素子と加熱装置の間に配置している。

本発明によれば、熱電変換素子を加熱装置により加熱する熱電変換素子モジュールにおいて、加熱温度の変動の影響を直接受けず、安定した加熱温度が得られる熱電変換素子モジュールを提供することができる。

本発明の実施形態の熱電変換素子モジュールにおける熱電変換素子、火炎および遮断板の配置関係を示す。 本発明の実施形態の熱電変換素子モジュールにおける熱電変換素子、火炎および遮断板の配置関係を示す。 本発明の実施形態の熱電変換素子モジュールを備えるガス機器の模式図を示す。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の一実施態様の熱電変換素子モジュールにおいて、遮断板は加熱装置（図示しない）と熱電変換素子との間において、熱電変換素子から離れて配置されてもよい。図１の（ａ）は、電変換素子１０３を設置する台座１０１の設置面が水平であり、熱電変換素子１０３の低温接合部１０６の端面が台座に設置されている例であり、（ｂ）は、熱電変換素子１０３を設置する台座１０１の設置面が火炎１０２方向に傾いており、傾いた台座１０１に熱電変換素子１０３の低温接合部１０６の端面が設置されている例であり、（ｃ）は、熱電変換素子１０３を設置する台座１０１の設置面が水平であり、熱電変換素子１０３の高温接合部が火炎１０２側になるように、側面が水平な設置面に設置されている例である。いすれの例においても、熱電変換素子１０３と加熱装置との間において遮断板１０４が熱源（火炎１０２）の成長方向に設置され、さらに熱源（火炎１０２）を遮るように熱電変換素子１０３から離れて設置されている。

図１（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合も、加熱装置から発生する火炎１０２により直接熱電変換素子１０３を加熱するタイプの熱電変換素子モジュールにおいて、遮断板１０４は熱電変換素子１０３から離れて、火炎１０２を遮るように配置されており、いわば屋根のように、熱電変換素子１０３が火炎１０２のゆらぎや強弱の変動を直接受けないように機能している。このように遮断板１０４を設けることにより、火炎１０２のゆらぎなどによる火力の強弱にかかわらず、熱電変換素子１０３の高温接合部１０５と低温接合部１０６における温度差を安定して維持することができる。

熱電変化素子１０３の低温接合部１０６と高温接合部１０５の間に所定の温度差が生じると、熱電変換素子１０３においてゼーベック効果により発電がなされる。遮断板１０４がなく加熱装置から発生する火炎１０２に熱電変換素子１０３の高温接合部１０５が直接接触する場合は、高温接合部１０５が火炎１０２のゆらぎなどによる加熱温度の強弱の影響を直接受け、低温接合部１０６との間の温度差が変動し、安定した電力が得られない。本実施態様では、遮断板１０４を設けることにより、火炎１０２のゆらぎなどによる火力の強弱にかかわらず、熱電変換素子１０３の高温接合部１０５と低温接合部１０６における温度差を安定して維持することができる。

熱電変換素子はｐおよびｎ型熱電変換材料を電気的に直列接続されたものである。ｐおよびｎ型熱電変換材料を電極を介して直列接続すると電極と熱電変換材料との間で線膨張係数の差が大きくなりやすく、熱サイクル環境下では割れやすくなる。そのため、耐熱性の確保を目的として、電極を備えない素子として本実施態様ではＵ字型熱電変換素子１０３を使用しているが、本発明において、熱電変換素子はＵ字型熱電変換素子に限定されるものではない。
熱電変換素子を構成する熱電変換材料としては、ビスマス・テルル系、鉛・テルル系、シリコン・ゲルマニウム系、Ｓｉ系またはＧｅ系のクラスレート化合物などがあり、使用温度範囲や接続形態によって適宜選択される。
遮断板の材質は、火炎のゆらぎを一定限度遮ることができるものであればよく、ある程度の耐熱性を有する材料であればよく、セラミック、金属であってもよい。遮断板は絶縁性材料であってもよく、例えば、断熱性、絶縁性を有するセラミックであってもよい。また、導電性材料に絶縁性を有する材料を被覆したものでもよい。

次に、本発明の他の実施態様の熱電変換素子モジュールにおいて、火炎を発生する加熱装置と熱電変換素子との間において、遮断板１０４は熱電変換素子１０３の高温接合部１０５に接触して配置されていてもよい。図２の（ａ）は、熱電変換素子１０３を設置する台座１０１の設置面が水平であり、熱電変換素子１０３の低温接合部１０６の端面が台座に設置されている例であり、（ｂ）は、熱電変換素子１０３を設置する台座１０１の設置面が火炎１０２方向に傾いており、傾いた台座１０１に熱電変換素子１０３の低温接合部１０６の端面が設置されている例であり、（ｃ）は、熱電変換素子１０３を設置する台座１０１の設置面が水平であり、熱電変換素子１０３の高温接合部１０５が火炎１０２側になるように、側面が水平な設置面に設置されている例である。いずれの例においても、遮断板１０４が熱電変換素子１０３と加熱装置との間において遮断板１０４が熱源（火炎１０２）の成長方向に設置され、さらに熱源（火炎１０２）を遮るようにＵ字型熱電変換素子１０３と接触して設置されている。

図２（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合も、遮断板１０４は火炎を遮って、いわば屋根のように、熱電変換素子１０３が火炎のゆらぎや強弱の変動を直接受けないように機能すると共に、熱電変動素子１０３の高温接合部１０５に接触して配置されることにより熱伝導により熱電変換素子１０３の高温接合部１０５を加熱する。このように遮断板１０４を設けることにより、火炎のゆらぎなどによる火力の強弱にかかわらず、熱電変換素子１０３の高温接合部１０５と低温接合部１０６における温度差を安定して維持することができる。

本実施形態の熱電変換素子モジュールにおいて、遮断板１０４は絶縁性を有することが好ましい。遮断板１０４は熱電変換素子１０３に接触するため、熱電変換素子１０３により発生した起電力が遮断板１０４に通電する恐れがあるからである。遮断板１０４としてはセラミックや耐熱性ポリマーなどを使用することができる。
本実施形態において、電極を備えない素子として本実施態様ではＵ字型熱電変換素子１０３を使用しているが、本発明において、熱電変換素子はＵ字型熱電変換素子に限定されるものではない。
上記両実施態様のように、前記遮断板１０４は熱源の成長方向に配置されてもよい。例えば、熱源が火炎である場合、図１（ａ）〜（ｃ）および図２（ａ）〜（ｃ）に示されるように、火炎１０２の成長方向に配置されてもよい。

本発明の一実施形態の熱電変換素子モジュールにおいて、前記加熱装置の加熱源の形状は環状であってもよく、加熱装置の加熱源の外周に熱電変換素子が環状に隣接して配置されていてもよい。例えば、加熱源が環状のバーナーであり、バーナーの外側の円周上に熱電変換素子が互いに隣接して配置されていてもよい。
本発明の一実施形態の熱電変換素子モジュールにおいて、加熱装置の加熱源の形状は直線状であってもよく、加熱装置の加熱源に隣接して熱電変換素子が互いに隣接して直線状に配置されていてもよい。例えば、直線状のバーナーの片側または両側に熱電変換素子が隣接して配置されていてもよい。

次に、本発明の一実施態様の熱電変換素子モジュールを組み込んだガス機器について、図面により説明する。図３（ａ）は、本発明の一実施態様の熱電変換素子モジュールを組み込んだガス機器の平面図であり、図３（ｂ）はガス機器３の側面方向の断面図である。図３（ａ）および（ｂ）に示すように、本実施形態のガス機器３は、本体部３０１と容器部３０８からなり、本体部３０１は、環状のバーナー３０６とバーナー３０６を支持する本体下部３０５を備えている。複数の熱電変換素子３０４は環状のバーナー３０６の外側において台座３０９上に互いに隣接して環状に配列されている。バーナー３０６の斜め上方には熱電変換素子３０４の上方を覆うように支柱３０２に支えられた環状の遮断板３０３が熱電変換素子のいわば屋根のように配置されている。容器部３０８にはガスボンベ（図示しない）が設置されており、ガスボンベから燃料ガスがバーナー３０６に供給されている。

バーナー３０６から発生する火炎３０７により熱電変換素子３０４を加熱することにより、熱電変化素子の低温接合部と高温接合部の間に温度差生じさせ、ゼーベック効果により発電がなされる。遮断板３０３は熱電変換素子から離れて熱電変換素子３０４を覆うように熱電変換素子３０４と火炎３０７との間には配置されている。遮断板３０３は、いわば屋根のように、熱電変換素子３０４が火炎のゆらぎや強弱の変動を直接受けないように機能している。このように遮断板３０３を設けることにより、火炎３０７のゆらぎなどによる火力の強弱にかかわらず、熱電変換素子３０４の高温接合部と低温接合部における温度差を安定して維持することができる。

本実施態様においては、遮断板３０３は金属製であり、熱電変換素子３０４を覆うように環状に連続して配置されているが、遮断板３０３の材質および形状はこれに限定されるものではない。遮断板３０３をセラミック製として熱電変換素子３０４に接触するように配置してもよい。また、遮断板３０３は必ずしも連続して形成する必要はなく、複数の遮断板３０３が熱電変換素子３０４とバーナー３０６の間に火炎３０７を遮るように個別に配置されていてもよい。

加熱温度の変動の影響を直接受けず、熱電変換素子の高温接合部と低温接合部における温度差を安定して維持できる熱電変換素子モジュールを提供することができる。

１０１ 台座
１０２ 火炎
１０３ 熱電変換素子
１０４ 遮断板
１０５ 高温接合部
１０６ 低温接合部
３ ガス機器
３０１ 本体部
３０２ 支柱
３０３ 遮断板
３０４ 熱電変換素子
３０５ 本体下部
３０６ バーナー
３０７ 火炎
３０９ 台座

Claims (8)

1. 高温接合部と低温接合部を有する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子を加熱する加熱装置と、
   前記加熱装置からの熱を遮断する遮断板と、
   を有し、
   前記遮断板を熱電変換素子と前記加熱装置の間に配置したことを特徴とする熱電変換素子モジュール。
2. 前記遮断板は、前記熱電変換素子から離間して配置される請求項１に記載の熱電変換素子モジュール。
3. 前記遮断板は絶縁体であり、かつ端部が前記熱電変換素子に接触している請求項１に記載の熱電変換素子モジュール。
4. 前記遮断板は前記熱源の成長方向に配置されている請求項１に記載の熱電変換素子モジュール。
5. 前記加熱装置が環状である請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換素子モジュール。
6. 前記加熱装置が直線状であり、前記熱電変換素子が前記加熱装置に沿って配置される請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換素子モジュール。
7. 前記加熱装置がガスバーナーを有し、前記ガスバーナーからガス燃焼炎を発生する請求項１〜６のいずれかに一項に記載の熱電変換素子モジュール。
8. 請求項７に記載の熱電変換素子モジュールを備えるガス機器。

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