JP3526559B2 - 熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱交換器 - Google Patents
熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱交換器Info
- Publication number
- JP3526559B2 JP3526559B2 JP2001087037A JP2001087037A JP3526559B2 JP 3526559 B2 JP3526559 B2 JP 3526559B2 JP 2001087037 A JP2001087037 A JP 2001087037A JP 2001087037 A JP2001087037 A JP 2001087037A JP 3526559 B2 JP3526559 B2 JP 3526559B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric conversion
- conversion module
- electrode member
- heat exchanger
- conversion element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims description 89
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 47
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 31
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 18
- 238000005219 brazing Methods 0.000 claims description 17
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910020712 Co—Sb Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 9
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 5
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 4
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 229910018989 CoSb Inorganic materials 0.000 claims description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 24
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 11
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 9
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 8
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 8
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFIKNOKSPUOOCL-UHFFFAOYSA-N antimony;cobalt Chemical compound [Sb]#[Co] UFIKNOKSPUOOCL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 4
- 239000010944 silver (metal) Substances 0.000 description 4
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 4
- 229910015367 Au—Sb Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910017932 Cu—Sb Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 3
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 3
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 3
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010314 arc-melting process Methods 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 2
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 229910001105 martensitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 2
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 2
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910002909 Bi-Te Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001245 Sb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical group [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 description 1
- 230000001364 causal effect Effects 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052878 cordierite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N dimagnesium dioxido-bis[(1-oxido-3-oxo-2,4,6,8,9-pentaoxa-1,3-disila-5,7-dialuminabicyclo[3.3.1]nonan-7-yl)oxy]silane Chemical compound [Mg++].[Mg++].[O-][Si]([O-])(O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2)O[Al]1O[Al]2O[Si](=O)O[Si]([O-])(O1)O2 JSKIRARMQDRGJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000012717 electrostatic precipitator Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 229910052762 osmium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体型熱電変換
素子を用いた熱電変換モジュールおよびそれを用いた熱
交換器に関する。
素子を用いた熱電変換モジュールおよびそれを用いた熱
交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】21世紀における資源の枯渇が予想される
今日、如何にエネルギーを有効に利用するかは極めて重
要な課題となっており、種々のシステムが考案されてい
る。その中でも、熱電変換素子は、これまで排熱として
無駄に環境中に捨てられていたエネルギーを回収する手
段として期待されている。そのような熱電変換素子は、
ｐ型半導体とｎ型半導体を互いに直列に接続したモジュ
ールとして使用されている。
今日、如何にエネルギーを有効に利用するかは極めて重
要な課題となっており、種々のシステムが考案されてい
る。その中でも、熱電変換素子は、これまで排熱として
無駄に環境中に捨てられていたエネルギーを回収する手
段として期待されている。そのような熱電変換素子は、
ｐ型半導体とｎ型半導体を互いに直列に接続したモジュ
ールとして使用されている。
【０００３】従来、高い熱電変換効率を達成すべく、多
くの熱電変換半導体材料について研究がなされ、特に発
電効率の向上に関し多大な注力がなされている。
くの熱電変換半導体材料について研究がなされ、特に発
電効率の向上に関し多大な注力がなされている。
【０００４】しかしながら、実用の立場から熱電材料を
見ると、現在実用に供されているものはビスマス(Bi)-
テルル(Te)系(第３元素としてSb、セレン(Se)を入れた
ものも含む)であり、その他の材料は、特殊用途で作ら
れた実績はあるものの、工業生産ベースには至っていな
い。即ち、Co-Sb系半導体を使用するフィルドスクッテ
ルダイト系材料は熱電変換素子用の材料としては熱伝変
換効率上極めて魅力的な材料であるが、モジュールとし
て形成するための適当なろう材層が知られておらずモジ
ュール化することはできなかった。
見ると、現在実用に供されているものはビスマス(Bi)-
テルル(Te)系(第３元素としてSb、セレン(Se)を入れた
ものも含む)であり、その他の材料は、特殊用途で作ら
れた実績はあるものの、工業生産ベースには至っていな
い。即ち、Co-Sb系半導体を使用するフィルドスクッテ
ルダイト系材料は熱電変換素子用の材料としては熱伝変
換効率上極めて魅力的な材料であるが、モジュールとし
て形成するための適当なろう材層が知られておらずモジ
ュール化することはできなかった。
【０００５】ところで、従来、廃熱ボイラーは熱交換器
を通して蒸気あるいは温水を選るのみの目的で設計され
ており、その運転に関わる電力は外部から導入してまか
なわれている。しかし、近年、この廃熱ボイラーに熱電
変換モジュールを組み込んで廃熱から電力を取り出す試
みがなされている。その場合、より高温の熱源を利用し
得るという点から、使用する熱電変換素子は、その可使
温度が高いほど望ましいものとなり、特に、300℃以上
の可使温度を有することが好ましいと言える。
を通して蒸気あるいは温水を選るのみの目的で設計され
ており、その運転に関わる電力は外部から導入してまか
なわれている。しかし、近年、この廃熱ボイラーに熱電
変換モジュールを組み込んで廃熱から電力を取り出す試
みがなされている。その場合、より高温の熱源を利用し
得るという点から、使用する熱電変換素子は、その可使
温度が高いほど望ましいものとなり、特に、300℃以上
の可使温度を有することが好ましいと言える。
【０００６】しかしながら、従来のBi-Te系熱電変換素
子は、その使用温度がせいぜい200℃であり、この要求
を満足することができない。
子は、その使用温度がせいぜい200℃であり、この要求
を満足することができない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】従来の熱電変換素子は
Co-Sb系半導体を使用したスクッテルダイト系材料に適
用できるろう材層が存在しなかったためCo-Sb系半導体
を使用した熱電モジュールを提供することはできなかっ
た。
Co-Sb系半導体を使用したスクッテルダイト系材料に適
用できるろう材層が存在しなかったためCo-Sb系半導体
を使用した熱電モジュールを提供することはできなかっ
た。
【０００８】本発明は、上記課題を解決するために成さ
れたもので、Co-Sb系半導体の使用を前提としこれに新
規なろう材層を適用してモジュール化した熱電変換モジ
ュールおよびそれを用いた熱交換器を提供することを課
題とする。
れたもので、Co-Sb系半導体の使用を前提としこれに新
規なろう材層を適用してモジュール化した熱電変換モジ
ュールおよびそれを用いた熱交換器を提供することを課
題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、上
記の課題を解決するために、請求項１の熱電変換モジュ
ールは、高温側の第１の電極部材と、この第１の電極部
材に対向配置された低温側の第２の電極部材と、この第
１の電極部材及び第２の電極部材間に配置され双方に電
気的に接続されるCo-Sb系半導体の熱電変換素子とを有
する熱電変換モジュールにおいて、前記第１及び前記第
２の電極部材は熱膨張係数が８ｘ１０− ６／℃〜１６ｘ
１０−６／℃の範囲にある鉄系材料であり、前記熱電変
換素子との間はAg、Au、Cuの少なくとも1種とSbとの合
金を主成分とするろう材層が介在することを特徴とす
る。ここで、前記電極部材の表面がAg,Au,Cu、の少なく
とも１種の金属が被覆されていることが接合強度を向上
させることから望ましい。
記の課題を解決するために、請求項１の熱電変換モジュ
ールは、高温側の第１の電極部材と、この第１の電極部
材に対向配置された低温側の第２の電極部材と、この第
１の電極部材及び第２の電極部材間に配置され双方に電
気的に接続されるCo-Sb系半導体の熱電変換素子とを有
する熱電変換モジュールにおいて、前記第１及び前記第
２の電極部材は熱膨張係数が８ｘ１０− ６／℃〜１６ｘ
１０−６／℃の範囲にある鉄系材料であり、前記熱電変
換素子との間はAg、Au、Cuの少なくとも1種とSbとの合
金を主成分とするろう材層が介在することを特徴とす
る。ここで、前記電極部材の表面がAg,Au,Cu、の少なく
とも１種の金属が被覆されていることが接合強度を向上
させることから望ましい。
【００１０】また、請求項２の熱電変換モジュールは、
請求項１において、前記第１の電極部材或いは前記第２
の電極部材の前記熱電変換素子が配置される面とは反対
の面にセラミックスからなる絶縁性導熱板が配置される
ことを特徴とする。この絶縁性導熱板は、窒化アルミニ
ウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素またはアルミナにより構
成されることがエネルギ変換効率を高める観点から望ま
しい。
請求項１において、前記第１の電極部材或いは前記第２
の電極部材の前記熱電変換素子が配置される面とは反対
の面にセラミックスからなる絶縁性導熱板が配置される
ことを特徴とする。この絶縁性導熱板は、窒化アルミニ
ウム、窒化ケイ素、炭化ケイ素またはアルミナにより構
成されることがエネルギ変換効率を高める観点から望ま
しい。
【００１１】請求項３の熱電変換モジュールは、請求項
１或いは請求項２において、前記熱電変換素子がスクッ
テルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の
空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を
有する化合物であることを特徴とする。
１或いは請求項２において、前記熱電変換素子がスクッ
テルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の
空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を
有する化合物であることを特徴とする。
【００１２】請求項４の熱電変換モジュールは、請求項
１乃至請求項３のいずれかの熱電変換モジュールが加熱
面と冷却面の間に配置される熱交換器である。
１乃至請求項３のいずれかの熱電変換モジュールが加熱
面と冷却面の間に配置される熱交換器である。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
【００１４】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１に係わる熱電変換モジュールを示す概略断面図で
ある。
形態１に係わる熱電変換モジュールを示す概略断面図で
ある。
【００１５】図１の熱電変換モジュール１０は、複数の
ｐ型コバルト−アンチモン系半導体からなるｐ型コバル
ト−アンチモン系熱電変換素子１１と、複数のｎ型コバ
ルト−アンチモン系半導体からなるｎ型コバルト−アン
チモン系熱電変換素子１２とを交互に同一平面上にマト
リックス上に並置して構成されている。一つのｐ型熱電
変換素子１１には、ｎ型熱電変換素子１２が隣接してい
る。ｐ型熱電変換素子１１およびｎ型熱電変換素子１２
を構成するコバルト−アンチモン系半導体としては、ス
クッテルダイト構造を有するCoSb3、RhSb3、IrSb3等を
用いることができる。同様の構造を持つものとしてCoAs
3があるが、ヒ素は環境への影響が心配されるため、好
ましくない。ｐ型半導体にはFe、Ru、Os等のｐ型不純
物、ｎ型半導体にはPd、Pt、Ni等のｎ型不純物でCoを置
換している。さらに、熱電変換素子は特性向上のため、
熱伝導率が小さいことが好ましい。このため上記スクッ
テルダイト系結晶構造を有する化合物の結晶内空孔に重
元素を充填することが好ましい。こうすることで、充填
された重元素により格子振動が散乱され、熱伝導率が低
下し、熱電変換特性が向上する。
ｐ型コバルト−アンチモン系半導体からなるｐ型コバル
ト−アンチモン系熱電変換素子１１と、複数のｎ型コバ
ルト−アンチモン系半導体からなるｎ型コバルト−アン
チモン系熱電変換素子１２とを交互に同一平面上にマト
リックス上に並置して構成されている。一つのｐ型熱電
変換素子１１には、ｎ型熱電変換素子１２が隣接してい
る。ｐ型熱電変換素子１１およびｎ型熱電変換素子１２
を構成するコバルト−アンチモン系半導体としては、ス
クッテルダイト構造を有するCoSb3、RhSb3、IrSb3等を
用いることができる。同様の構造を持つものとしてCoAs
3があるが、ヒ素は環境への影響が心配されるため、好
ましくない。ｐ型半導体にはFe、Ru、Os等のｐ型不純
物、ｎ型半導体にはPd、Pt、Ni等のｎ型不純物でCoを置
換している。さらに、熱電変換素子は特性向上のため、
熱伝導率が小さいことが好ましい。このため上記スクッ
テルダイト系結晶構造を有する化合物の結晶内空孔に重
元素を充填することが好ましい。こうすることで、充填
された重元素により格子振動が散乱され、熱伝導率が低
下し、熱電変換特性が向上する。
【００１６】１つのｐ型熱電変換素子１１とこれに隣接
する１つのｎ型熱電変換素子１２の上部には、それら素
子を接続する第１の電極部材１３が設けられ、他方、１
つのｐ型熱電変換素子１１とこれに隣接する１つのｎ型
熱電変換素子１２の下部には、それらを共通に接続する
第２の電極部材１４が設けられている。第１の電極部材
１３と第２の電極部材１４は、素子１個だけずれた形態
で設けられる。こうして、両熱電変換素子１１および１
２は、電気的に直列に接続される。本発明において、両
電極部材１３および１４は、いずれも鉄系電極(金属)材
料で形成されている。鉄系金属材料としては、ＪＩＳの
ＳＵＳ４１０で代表されるマルテンサイト系ステンレス
が好ましいが、熱膨張係数が８ｘ１０−６／℃〜１６ｘ
１０−６／℃の範囲にあるものであれば、炭素鋼、合金
鋼等でも構わない。
する１つのｎ型熱電変換素子１２の上部には、それら素
子を接続する第１の電極部材１３が設けられ、他方、１
つのｐ型熱電変換素子１１とこれに隣接する１つのｎ型
熱電変換素子１２の下部には、それらを共通に接続する
第２の電極部材１４が設けられている。第１の電極部材
１３と第２の電極部材１４は、素子１個だけずれた形態
で設けられる。こうして、両熱電変換素子１１および１
２は、電気的に直列に接続される。本発明において、両
電極部材１３および１４は、いずれも鉄系電極(金属)材
料で形成されている。鉄系金属材料としては、ＪＩＳの
ＳＵＳ４１０で代表されるマルテンサイト系ステンレス
が好ましいが、熱膨張係数が８ｘ１０−６／℃〜１６ｘ
１０−６／℃の範囲にあるものであれば、炭素鋼、合金
鋼等でも構わない。
【００１７】鉄系電極部材１３および１４は、蒸着、あ
るいは溶射等の手法により形成することができる。しか
しながら、鉄系材料の板を用いることが最も好ましい。
鉄系材料とCo-Sb系半導体材料を接合するに際して、接
合をより強固にするためにAg-Sb、Au-Sb、Cu-Sbの中か
ら少なくとも１種の合金をろう材層として用いる。ろう
材層を使用することで、鉄系材料とCo-Sb系材料との接
合界面にAg-Sb、Au-Sb、Cu-Sbの少なくとも１種の層が
生成する結果、接合がより一層確実なものとなり、接合
界面での熱的、電気的な損失が小さくなる。
るいは溶射等の手法により形成することができる。しか
しながら、鉄系材料の板を用いることが最も好ましい。
鉄系材料とCo-Sb系半導体材料を接合するに際して、接
合をより強固にするためにAg-Sb、Au-Sb、Cu-Sbの中か
ら少なくとも１種の合金をろう材層として用いる。ろう
材層を使用することで、鉄系材料とCo-Sb系材料との接
合界面にAg-Sb、Au-Sb、Cu-Sbの少なくとも１種の層が
生成する結果、接合がより一層確実なものとなり、接合
界面での熱的、電気的な損失が小さくなる。
【００１８】通常、第１の共通電極部材１３の外側に
は、これら電極部材１３に共通に接合された上部絶縁性
導熱板１５が設けられている。他方、第２の共通電極部
材１４の外側には、これら電極部材１４に共通に接合さ
れた下部絶縁性導熱板１６が設けられている。両導熱板
１５および１６は、それぞれ、セラミックス、好ましく
は熱伝導性の良い窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化
ケイ素またはアルミナにより構成することができる。電
極部材１３および１４を構成する銀系金属材料は、フリ
ットガラスを用いて、これらセラミックス製導熱板１
５、１６に対して良好な接合を達成する。
は、これら電極部材１３に共通に接合された上部絶縁性
導熱板１５が設けられている。他方、第２の共通電極部
材１４の外側には、これら電極部材１４に共通に接合さ
れた下部絶縁性導熱板１６が設けられている。両導熱板
１５および１６は、それぞれ、セラミックス、好ましく
は熱伝導性の良い窒化アルミニウム、窒化ケイ素、炭化
ケイ素またはアルミナにより構成することができる。電
極部材１３および１４を構成する銀系金属材料は、フリ
ットガラスを用いて、これらセラミックス製導熱板１
５、１６に対して良好な接合を達成する。
【００１９】図１に示す構成の熱電変換モジュールにお
いて、上部絶縁性導熱板１５側を低温度(L)にし、かつ
下部絶縁性導熱板１６側を低温度(H)にして上下絶縁性
導熱板１５と１６との間に温度差を与えると、第１の電
極部材１３と第２の電極部材１４との間に電位差が生
じ、電極の終端に負荷を接続すると、電力を取り出すこ
とができる。
いて、上部絶縁性導熱板１５側を低温度(L)にし、かつ
下部絶縁性導熱板１６側を低温度(H)にして上下絶縁性
導熱板１５と１６との間に温度差を与えると、第１の電
極部材１３と第２の電極部材１４との間に電位差が生
じ、電極の終端に負荷を接続すると、電力を取り出すこ
とができる。
【００２０】本発明の熱電変換モジュールは、熱交換器
に組み込むことができる。基本的に、この熱交換機は、
加熱面と冷却面とを有し、その加熱面と冷却面との間に
本発明の熱電変換モジュールを組み込んだ構成を有す
る。熱交換器の一例を図２に示す。この熱交換器２０
は、中央にガス通路２１を有し、そのまわりには多数の
熱交換フィン２２が立設されている。熱交換フィン２２
に接して例えば図１に示す構造の本発明の熱電変換モジ
ュール１０が設けられている。熱電変換モジュール１０
は熱交換フィン２２とともに外囲器２３により囲まれ、
外囲器２３と熱電変換モジュール１０との間には例えば
水の流路２４が規定されている。ガス通路２１内には、
例えばごみ焼却炉からの高温の排ガスが導入され、他方
水流路２４内にはその一端から水導入管２５を介して冷
却水が導入される。高温排ガスの熱は、熱交換フィン２
２により奪われて水流路２４内を流通する水を加熱し、
その結果水は、水排出管２６から温水となって取り出さ
れる。このとき、熱電変換モジュール１０の一方の面は
水流路２４内を流れる水により低温側となり、他方の面
はガス通路２１内を流れる高温排ガスにより高温とな
る。したがって、上に述べたように、熱電変換モジュー
ル１０から電力が取り出される。
に組み込むことができる。基本的に、この熱交換機は、
加熱面と冷却面とを有し、その加熱面と冷却面との間に
本発明の熱電変換モジュールを組み込んだ構成を有す
る。熱交換器の一例を図２に示す。この熱交換器２０
は、中央にガス通路２１を有し、そのまわりには多数の
熱交換フィン２２が立設されている。熱交換フィン２２
に接して例えば図１に示す構造の本発明の熱電変換モジ
ュール１０が設けられている。熱電変換モジュール１０
は熱交換フィン２２とともに外囲器２３により囲まれ、
外囲器２３と熱電変換モジュール１０との間には例えば
水の流路２４が規定されている。ガス通路２１内には、
例えばごみ焼却炉からの高温の排ガスが導入され、他方
水流路２４内にはその一端から水導入管２５を介して冷
却水が導入される。高温排ガスの熱は、熱交換フィン２
２により奪われて水流路２４内を流通する水を加熱し、
その結果水は、水排出管２６から温水となって取り出さ
れる。このとき、熱電変換モジュール１０の一方の面は
水流路２４内を流れる水により低温側となり、他方の面
はガス通路２１内を流れる高温排ガスにより高温とな
る。したがって、上に述べたように、熱電変換モジュー
ル１０から電力が取り出される。
【００２１】（実施の形態２）図３は、本発明の熱交換
器２０を設けた発電システムの一例であるごみ焼却設備
を示す。図３に示すゴミ焼却設備３０は、ごみ焼却炉３
１、押込送風機３２、押込送風機３２から焼却炉３１へ
供給される燃焼空気を加熱する通常の熱交換器３３、お
よび二次押込送風機３４を備える。熱交換器３３には、
焼却炉３１からの高温排ガスがラインＬ１および分岐ラ
インＬ２を介して流入し、押込送風機３２からラインＬ
４を介して熱交換器３３に導入される空気がその高温ガ
スにより加熱され、ラインＬ３を介して焼却炉３１の底
部に導入される。
器２０を設けた発電システムの一例であるごみ焼却設備
を示す。図３に示すゴミ焼却設備３０は、ごみ焼却炉３
１、押込送風機３２、押込送風機３２から焼却炉３１へ
供給される燃焼空気を加熱する通常の熱交換器３３、お
よび二次押込送風機３４を備える。熱交換器３３には、
焼却炉３１からの高温排ガスがラインＬ１および分岐ラ
インＬ２を介して流入し、押込送風機３２からラインＬ
４を介して熱交換器３３に導入される空気がその高温ガ
スにより加熱され、ラインＬ３を介して焼却炉３１の底
部に導入される。
【００２２】焼却炉３１からの排ガスラインＬ１は、本
発明の熱交換器２０に接続され、そこでは、上に述べた
ように排ガスにより温水が発生するとともに、熱電変換
モジュール（熱交換器２０の内部に形成されている）に
より電力が発生する。熱交換器３３を経た排ガスはライ
ンＬ５を介して電気集塵機３５に流入し、そこで塵埃が
除去される。熱交換器２０を経た排ガスはラインＬ６を
介してラインＬ５に合流し、熱交換器３３を経た排ガス
とともに集塵機３５に流入する。集塵機３５により清浄
化された排ガスは、系外に排出される。なお、焼却炉３
１からの排ガスは、誘引通風機３６の作用により系内を
流通する。
発明の熱交換器２０に接続され、そこでは、上に述べた
ように排ガスにより温水が発生するとともに、熱電変換
モジュール（熱交換器２０の内部に形成されている）に
より電力が発生する。熱交換器３３を経た排ガスはライ
ンＬ５を介して電気集塵機３５に流入し、そこで塵埃が
除去される。熱交換器２０を経た排ガスはラインＬ６を
介してラインＬ５に合流し、熱交換器３３を経た排ガス
とともに集塵機３５に流入する。集塵機３５により清浄
化された排ガスは、系外に排出される。なお、焼却炉３
１からの排ガスは、誘引通風機３６の作用により系内を
流通する。
【００２３】さらに、本発明の熱交換器は、汽水火力発
電設備のボイラー内水管もしくは水管フィン表面に設置
し、高温側をボイラー内側、低温側を水管側とすること
で、電力と蒸気タービンに送られる蒸気とが同時に得ら
れ、汽水火力発電設備の効率を改善することができる。
電設備のボイラー内水管もしくは水管フィン表面に設置
し、高温側をボイラー内側、低温側を水管側とすること
で、電力と蒸気タービンに送られる蒸気とが同時に得ら
れ、汽水火力発電設備の効率を改善することができる。
【００２４】
【実施例】以下、本発明を実施例により説明するが、本
発明はそれらに限定されるものではない。
発明はそれらに限定されるものではない。
【００２５】(実施例1)上述した図１の熱電変換モジュ
ール及び図２の熱交換器を以下の要領で製造した。
ール及び図２の熱交換器を以下の要領で製造した。
【００２６】(ｐ型熱電変換素子)純度99.998%のCo、純
度99.999%のSb、純度99.99%のCe、純度99.99%のFe金属
を原料とした。これを組成式Ce(Fe0.75Co0.25)4Sb12に
なるように秤量した。ただしSbは、次のアーク溶解行程
での蒸発があるため、所定の割合より重量で３％多くな
るよう秤量した。アーク炉内の水冷されている銅製のハ
−スに上記秤量原料を装填して、2×10-3Paの真空度ま
で真空引きした後、純度99.999%の高純度Arを60kPaまで
導入して減圧Ar雰囲気にして、ア−ク溶解した。溶解
後、水冷されている銅製のハ−スで急冷して得られた金
属塊を、石英管に10-4Pa以下の高真空で真空封入し、97
3Kで30時間熱処理した。得られた金属塊を窒素雰囲気中
で粉砕し、内径20mmの金型を用い圧力100MPaで成形し
た。この成形体を内径20mmのカーボン製モールドに充填
し、Ar雰囲気中、100MPa、680℃で1時間加圧焼結し、直
径20mm円盤状の焼結体（ｐ型熱電変換材料焼結体）を得
た。400℃での抵抗率1.5×10 -3Ωcm、ゼーベック係数21
5μV/K、熱伝導率1.5W/mKであった。実際には、このｐ
型熱電変換材料焼結体に後述するろう材層及び電極部材
を接合してｐ型熱電変換素子が完成する。
度99.999%のSb、純度99.99%のCe、純度99.99%のFe金属
を原料とした。これを組成式Ce(Fe0.75Co0.25)4Sb12に
なるように秤量した。ただしSbは、次のアーク溶解行程
での蒸発があるため、所定の割合より重量で３％多くな
るよう秤量した。アーク炉内の水冷されている銅製のハ
−スに上記秤量原料を装填して、2×10-3Paの真空度ま
で真空引きした後、純度99.999%の高純度Arを60kPaまで
導入して減圧Ar雰囲気にして、ア−ク溶解した。溶解
後、水冷されている銅製のハ−スで急冷して得られた金
属塊を、石英管に10-4Pa以下の高真空で真空封入し、97
3Kで30時間熱処理した。得られた金属塊を窒素雰囲気中
で粉砕し、内径20mmの金型を用い圧力100MPaで成形し
た。この成形体を内径20mmのカーボン製モールドに充填
し、Ar雰囲気中、100MPa、680℃で1時間加圧焼結し、直
径20mm円盤状の焼結体（ｐ型熱電変換材料焼結体）を得
た。400℃での抵抗率1.5×10 -3Ωcm、ゼーベック係数21
5μV/K、熱伝導率1.5W/mKであった。実際には、このｐ
型熱電変換材料焼結体に後述するろう材層及び電極部材
を接合してｐ型熱電変換素子が完成する。
【００２７】(ｎ型熱電変換素子)純度99.998%のCo、純
度99.999%のSb、純度99.99%のCe、純度99.99%のPd金属
を原料とした。これを組成式Ce0.2(Pd0.03Co0.97)4Sb12
になるように秤量した。ただしSbは、次のアーク溶解行
程での蒸発があるため、所定の割合より重量で３％多く
なるよう秤量した。ア−ク炉内の水冷されている銅製の
ハ−スに上記秤量原料を装填して、2×10-3Paの真空度
まで真空引きした後、純度99.999%の高純度Arを60kPaま
で導入して減圧Ar雰囲気にして、ア−ク溶解した。溶解
後、水冷されている銅製のハ−スで急冷して得られた金
属塊を、石英管に10-4Pa以下の高真空で真空封入し、97
3Kで30時間熱処理した。得られた金属塊を窒素雰囲気中
で粉砕し、内径20mmの金型を用い圧力100MPaで成形し
た。この成形体を内径20mmのカーボン製モールドに充填
し、Ar雰囲気中、100MPa、680℃で1時間加圧焼結し、直
径20mm円盤状の焼結体（ｎ型熱電変換材料焼結体）を得
た。400℃での抵抗率1.1×10-3Ωcm、ゼーベック係数-2
50μV/K、熱伝導率3.6W/mKであった。実際には、このｎ
型熱電変換材料焼結体に後述するろう材層及び電極部材
を接合してｎ型熱電変換素子が完成する。
度99.999%のSb、純度99.99%のCe、純度99.99%のPd金属
を原料とした。これを組成式Ce0.2(Pd0.03Co0.97)4Sb12
になるように秤量した。ただしSbは、次のアーク溶解行
程での蒸発があるため、所定の割合より重量で３％多く
なるよう秤量した。ア−ク炉内の水冷されている銅製の
ハ−スに上記秤量原料を装填して、2×10-3Paの真空度
まで真空引きした後、純度99.999%の高純度Arを60kPaま
で導入して減圧Ar雰囲気にして、ア−ク溶解した。溶解
後、水冷されている銅製のハ−スで急冷して得られた金
属塊を、石英管に10-4Pa以下の高真空で真空封入し、97
3Kで30時間熱処理した。得られた金属塊を窒素雰囲気中
で粉砕し、内径20mmの金型を用い圧力100MPaで成形し
た。この成形体を内径20mmのカーボン製モールドに充填
し、Ar雰囲気中、100MPa、680℃で1時間加圧焼結し、直
径20mm円盤状の焼結体（ｎ型熱電変換材料焼結体）を得
た。400℃での抵抗率1.1×10-3Ωcm、ゼーベック係数-2
50μV/K、熱伝導率3.6W/mKであった。実際には、このｎ
型熱電変換材料焼結体に後述するろう材層及び電極部材
を接合してｎ型熱電変換素子が完成する。
【００２８】(熱電変換モジュール)上記、p型熱電材料
焼結体、n型熱電材料焼結体から、一辺が2mmの立方体素
子を切り出した。これを、開口部が2mm+0.2mm角、高さ
1.5mmのコーディエライト製のメッシュ中にp型、n型を
交互に置き、縦４組横８列計32組正方形に配列した。32
5メッシュのAgメタル粉末と、325メッシュのSbメタル粉
末を、mol比でAg:Sb=51:49になるように混合し、有機溶
剤を添加してペースト化、これを、該メッシュから現れ
る該素子上下面に塗布した。その上下に4.1mm×2.0mm、
厚さ0.6mmのSUS410製板を配備した。更に24mm角、1mm厚
さのAlN板を、フリットガラス粉末を塗布した該SUS410
製電極板の外側に配し積層体とした。該積層体に3kgの
重しを載せて、電気炉に置き、Ar中で600℃１時間の熱
処理を行った。冷却後、該積層体を炉より取り出したと
ころ、すべての層が十分な強度を有する結合をなしてお
り、熱電変換モジュールが形成されていた。
焼結体、n型熱電材料焼結体から、一辺が2mmの立方体素
子を切り出した。これを、開口部が2mm+0.2mm角、高さ
1.5mmのコーディエライト製のメッシュ中にp型、n型を
交互に置き、縦４組横８列計32組正方形に配列した。32
5メッシュのAgメタル粉末と、325メッシュのSbメタル粉
末を、mol比でAg:Sb=51:49になるように混合し、有機溶
剤を添加してペースト化、これを、該メッシュから現れ
る該素子上下面に塗布した。その上下に4.1mm×2.0mm、
厚さ0.6mmのSUS410製板を配備した。更に24mm角、1mm厚
さのAlN板を、フリットガラス粉末を塗布した該SUS410
製電極板の外側に配し積層体とした。該積層体に3kgの
重しを載せて、電気炉に置き、Ar中で600℃１時間の熱
処理を行った。冷却後、該積層体を炉より取り出したと
ころ、すべての層が十分な強度を有する結合をなしてお
り、熱電変換モジュールが形成されていた。
【００２９】この熱電変換モジュールについて高温側を
500℃、低温側を２５℃にし、負荷としてモジュール内
部抵抗と同抵抗値の負荷を繋ぎ、整合負荷条件で熱電特
性を測定したところ、発生した電圧は3.6V、電力は11W
であった。この条件で1000時間連続運転した後、室温に
戻し、再び同条件で運転を行った。この繰り返しを10回
合計運転時間10000時間後も性能は変わらず、また破損
したり形状が変化することもなかった。
500℃、低温側を２５℃にし、負荷としてモジュール内
部抵抗と同抵抗値の負荷を繋ぎ、整合負荷条件で熱電特
性を測定したところ、発生した電圧は3.6V、電力は11W
であった。この条件で1000時間連続運転した後、室温に
戻し、再び同条件で運転を行った。この繰り返しを10回
合計運転時間10000時間後も性能は変わらず、また破損
したり形状が変化することもなかった。
【００３０】（熱交換器）上述の実施例１の熱電変換モ
ジュールを耐熱鋼平板と耐食鋼平板の間に並べて配置し
両平板で固定した積層板を作製した。この際、各モジュ
ールから出ている出力端子は直列に結合されていた。こ
れにより積層板の耐熱鋼側を高温部、耐食鋼側を冷却部
とした熱電変換モジュール付き熱交換器が得られた。こ
の熱電変換モジュール付き熱交換器は、図２に示すよう
に冷却側に水を流通させる流路２４を設けて熱交換器を
完成させた。
ジュールを耐熱鋼平板と耐食鋼平板の間に並べて配置し
両平板で固定した積層板を作製した。この際、各モジュ
ールから出ている出力端子は直列に結合されていた。こ
れにより積層板の耐熱鋼側を高温部、耐食鋼側を冷却部
とした熱電変換モジュール付き熱交換器が得られた。こ
の熱電変換モジュール付き熱交換器は、図２に示すよう
に冷却側に水を流通させる流路２４を設けて熱交換器を
完成させた。
【００３１】（発電システム）図３に示すようなごみ焼
却炉に設置した発電システムに上述した実施例１の熱交
換器を採用する。蒸気と熱水が得られかつ発電が行える
ボイラーとすることができる。実施例１の熱交換器を汽
水火力発電設備のボイラー内水管もしくは水管フィン表
面に設置し、耐熱鋼平板側をボイラー内側、冷却水を水
管側とすることで、電力と蒸気タービンに送られる蒸気
とが同時に得られ、かつ効率が改善された汽水火力発電
設備を得ることができた。すなわち、蒸気タービンのみ
により発電する汽水火力発電設備の発電効率をηA、熱
交換器の熱電変換効率をηTとすると、ηA=ηT+(1-ηT)
ηPであり、ηPの発電効率の汽水火力発電設備にηTな
る熱電変換効率の熱交換器を設置することにより、(1-
ηTP)ηTだけ発電効率を向上することができる。
却炉に設置した発電システムに上述した実施例１の熱交
換器を採用する。蒸気と熱水が得られかつ発電が行える
ボイラーとすることができる。実施例１の熱交換器を汽
水火力発電設備のボイラー内水管もしくは水管フィン表
面に設置し、耐熱鋼平板側をボイラー内側、冷却水を水
管側とすることで、電力と蒸気タービンに送られる蒸気
とが同時に得られ、かつ効率が改善された汽水火力発電
設備を得ることができた。すなわち、蒸気タービンのみ
により発電する汽水火力発電設備の発電効率をηA、熱
交換器の熱電変換効率をηTとすると、ηA=ηT+(1-ηT)
ηPであり、ηPの発電効率の汽水火力発電設備にηTな
る熱電変換効率の熱交換器を設置することにより、(1-
ηTP)ηTだけ発電効率を向上することができる。
【００３２】この実施例１の熱電変換モジュールについ
て、AgとSbの組成を変えた4種類のサンプルＡ〜サンプ
ルＤのろう材を用意し、4種類の異なる熱膨張係数を有
するステンレス製の電極材上に実施例１の熱電変換素子
を形成しその寿命を調べたのが表１である。
て、AgとSbの組成を変えた4種類のサンプルＡ〜サンプ
ルＤのろう材を用意し、4種類の異なる熱膨張係数を有
するステンレス製の電極材上に実施例１の熱電変換素子
を形成しその寿命を調べたのが表１である。
【００３３】（実施例２）実施例２では、実施例１のろ
う材をAuとSbのろう材層に変え、そのAuとSbの組成を変
えた4種類のサンプルＥ〜Ｈを用意し、実施例１と同様
に4種類の異なる熱膨張係数を有する鉄を主成分とする
鉄系材料であるステンレス製の電極材上に実施例１と同
一形状の熱電変換素子を形成しその寿命を表１に示し
た。
う材をAuとSbのろう材層に変え、そのAuとSbの組成を変
えた4種類のサンプルＥ〜Ｈを用意し、実施例１と同様
に4種類の異なる熱膨張係数を有する鉄を主成分とする
鉄系材料であるステンレス製の電極材上に実施例１と同
一形状の熱電変換素子を形成しその寿命を表１に示し
た。
【００３４】（実施例３）実施例３では、実施例１のろ
う材をCuとSbのろう材層に変え、そのAuとSbの組成を変
えた4種類のサンプルI〜Lを用意し、実施例１と同様に4
種類の異なる熱膨張係数を有するステンレス製の電極材
上に実施例１と同一形状の熱電変換素子を形成しその寿
命を表１に示した。
う材をCuとSbのろう材層に変え、そのAuとSbの組成を変
えた4種類のサンプルI〜Lを用意し、実施例１と同様に4
種類の異なる熱膨張係数を有するステンレス製の電極材
上に実施例１と同一形状の熱電変換素子を形成しその寿
命を表１に示した。
【００３５】
【表１】
以上の表１では、完成した熱電変換モジュールについて
高温側を500℃、低温側を２５℃にし、負荷としてモジ
ュール内部抵抗と同抵抗値の負荷を繋ぎ、整合負荷条件
で1000時間連続運転した後、室温に戻し、この一連の繰
り返しを10回合計運転時間10000時間後も性能は変わら
ない物を評価aとした。また、この10回の繰り返しで性
能が80％以下〜50％以上に低下するものをb評価とし
た。同様に50％を下回る物をc評価とした。
高温側を500℃、低温側を２５℃にし、負荷としてモジ
ュール内部抵抗と同抵抗値の負荷を繋ぎ、整合負荷条件
で1000時間連続運転した後、室温に戻し、この一連の繰
り返しを10回合計運転時間10000時間後も性能は変わら
ない物を評価aとした。また、この10回の繰り返しで性
能が80％以下〜50％以上に低下するものをb評価とし
た。同様に50％を下回る物をc評価とした。
【００３６】以上の表１から以下のことが判明した。
【００３７】即ち、フィルドスクッテルダイト系材料に
適用できる新規なろう材層例えばAg,Au,Cuの中から少な
くとも1種とSbの合金あるいは混合ろう材層を見出すと
共に、電極材としてその熱膨張係数が所定の適切な値の
鉄系材料を用いることで熱電変換モジュールを構成する
電極材料として、全ての問題を解決してフィルドスクッ
テルダイト系材料を使用した熱電変換モジュールを実現
できることが判明した。Ag,Au,Cuの中から少なくとも1
種とSbの合金あるいは混合ろう材層は、Ag-Sbが共晶温
度４８５℃、Au-Sbが３６０℃、Cu-Sbが５２６℃でフィ
ルドスクッテルダイト系材料が安定に存在しうる６１８
℃以下の温度で液相を介した接合ができ、素子の熱電特
性に影響を与えることなく高い接合強度を得ることがで
きる。
適用できる新規なろう材層例えばAg,Au,Cuの中から少な
くとも1種とSbの合金あるいは混合ろう材層を見出すと
共に、電極材としてその熱膨張係数が所定の適切な値の
鉄系材料を用いることで熱電変換モジュールを構成する
電極材料として、全ての問題を解決してフィルドスクッ
テルダイト系材料を使用した熱電変換モジュールを実現
できることが判明した。Ag,Au,Cuの中から少なくとも1
種とSbの合金あるいは混合ろう材層は、Ag-Sbが共晶温
度４８５℃、Au-Sbが３６０℃、Cu-Sbが５２６℃でフィ
ルドスクッテルダイト系材料が安定に存在しうる６１８
℃以下の温度で液相を介した接合ができ、素子の熱電特
性に影響を与えることなく高い接合強度を得ることがで
きる。
【００３８】また、電極材として鉄系材料、特にＪＩＳ
のＳＵＳ４１０で代表されるマルテンサイト系ステンレ
スを用いるとその熱膨張係数が５００℃までの温度領域
で１２ｘ１０−６／℃であるため、フィルドスクッテル
ダイト系材料の熱膨張係数にほぼ、熱応力は発生しない
か発生しても問題にならない大きさにできることが判明
した。しかも、この電極材料としての鉄系材料の熱膨張
係数が室温から５００℃の範囲で概ね８ｘ１０−６／℃
から１６ｘ１０−６／℃である所定の範囲内であればフ
ィルドスクッテルダイト系材料を使用した熱電変換モジ
ュールの寿命を長くすることに因果関係がありこの範囲
であれば長寿命化を図れることが判明した。
のＳＵＳ４１０で代表されるマルテンサイト系ステンレ
スを用いるとその熱膨張係数が５００℃までの温度領域
で１２ｘ１０−６／℃であるため、フィルドスクッテル
ダイト系材料の熱膨張係数にほぼ、熱応力は発生しない
か発生しても問題にならない大きさにできることが判明
した。しかも、この電極材料としての鉄系材料の熱膨張
係数が室温から５００℃の範囲で概ね８ｘ１０−６／℃
から１６ｘ１０−６／℃である所定の範囲内であればフ
ィルドスクッテルダイト系材料を使用した熱電変換モジ
ュールの寿命を長くすることに因果関係がありこの範囲
であれば長寿命化を図れることが判明した。
【００３９】これは、熱電変換半導体素子と電極とを接
合できても大きな温度差をつけることが必須条件の熱電
変換モジュールでは、素子と電極の熱望著係数に差があ
る場合、大きな熱応力が発生して、素子の破壊あるいは
接合部の破壊が生じる問題が解消されるためと考えられ
る。
合できても大きな温度差をつけることが必須条件の熱電
変換モジュールでは、素子と電極の熱望著係数に差があ
る場合、大きな熱応力が発生して、素子の破壊あるいは
接合部の破壊が生じる問題が解消されるためと考えられ
る。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したとおり、本発明により従来
モジュール化ができなかったCo-Sb系半導体を使用した
熱電変換モジュールを提供できる。
モジュール化ができなかったCo-Sb系半導体を使用した
熱電変換モジュールを提供できる。
【図１】 本発明の一実施形態に関わる熱電変換モジュ
ールを示す概略断面図。
ールを示す概略断面図。
【図２】 本発明の熱交換器の一例を示す概略断面図。
【図３】 本発明の熱交換器を設置したごみ焼却炉の概
略構成図。
略構成図。
11…ｐ型熱電変換素子本体
12…ｎ型熱電変換素子本体
13…第１の電極部材
14…第２の電極部材
15,16…絶縁性導熱板
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 35/18
H01L 35/30
H01L 35/32
H01L 35/34
H02N 11/00
Claims (4)
- 【請求項１】高温側の第１の電極部材と、この第１の電
極部材に対向配置された低温側の第２の電極部材と、こ
の第１の電極部材及び第２の電極部材間に配置され双方
に電気的に接続されるCo-Sb系半導体の熱電変換素子と
を有する熱電変換モジュールにおいて、前記第１及び前
記第２の電極部材は熱膨張係数が８ｘ１０−６／℃〜１
６ｘ１０−６／℃の範囲にある鉄系材料であり、前記熱
電変換素子との間はAg、Au、Cuの少なくとも1種とSbと
の合金を主成分とするろう材層が介在することを特徴と
する熱電変換モジュール。 - 【請求項２】前記第１の電極部材或いは前記第２の電極
部材の前記熱電変換素子が配置される面とは反対の面に
セラミックスからなる絶縁性導熱板が配置されることを
特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。 - 【請求項３】前記熱電変換素子がスクッテルダイト型結
晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の空隙に元素を充
填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか
１項に記載の熱電変換モジュール。 - 【請求項４】加熱面と冷却面を有する熱交換器におい
て、この加熱面と冷却面との間に請求項１乃至請求項３
のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールを備えるこ
とを特徴とする熱交換器。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001087037A JP3526559B2 (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱交換器 |
| US10/105,341 US6759586B2 (en) | 2001-03-26 | 2002-03-26 | Thermoelectric module and heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001087037A JP3526559B2 (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱交換器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002289928A JP2002289928A (ja) | 2002-10-04 |
| JP3526559B2 true JP3526559B2 (ja) | 2004-05-17 |
Family
ID=18942332
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001087037A Expired - Fee Related JP3526559B2 (ja) | 2001-03-26 | 2001-03-26 | 熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱交換器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3526559B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100853749B1 (ko) | 2006-11-29 | 2008-08-22 | 요업기술원 | 열전 발전용 단위 모듈과 이를 포함하는 열전 세트 및 그제조방법 |
| JP2019220546A (ja) * | 2018-06-19 | 2019-12-26 | 三菱マテリアル株式会社 | 熱電変換モジュール、及び、熱電変換モジュールの製造方法 |
-
2001
- 2001-03-26 JP JP2001087037A patent/JP3526559B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002289928A (ja) | 2002-10-04 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6759586B2 (en) | Thermoelectric module and heat exchanger | |
| JP5422383B2 (ja) | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器、熱電温度調節装置および熱電発電装置 | |
| CN101313421B (zh) | 热电变换模块及使用热电变换模块的热交换器和热电发电装置 | |
| CN100595940C (zh) | 热电转换模块和使用它的热交换器以及热电发电装置 | |
| US20080023057A1 (en) | Thermoelectric Conversion Module, and Thermoelectric Power Generating Device and Method, Exhaust Heat Recovery System, Solar Heat Utilization System, and Peltier Cooling and Heating System, Provided Therewith | |
| Matsubara | Development of a high efficient thermoelectric stack for a waste exhaust heat recovery of vehicles | |
| CN100583478C (zh) | 一种π型CoSb3基热电转换器件及制备方法 | |
| JP2009081287A (ja) | 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器、熱電温度調節装置および熱電発電装置 | |
| JP2014086623A (ja) | 熱電変換モジュール | |
| JP2003309294A (ja) | 熱電モジュール | |
| JP2003092435A (ja) | 熱電モジュール及びその製造方法 | |
| JP2008192694A (ja) | 熱電変換モジュール及びそれを用いた発電装置及び冷却装置 | |
| KR102022429B1 (ko) | 냉각용 열전모듈 및 그 제조방법 | |
| JP2009081178A (ja) | 熱電変換モジュールの製造方法 | |
| WO2017020833A1 (zh) | 相变抑制传热温差发电器件及其制造方法 | |
| JP2002084005A (ja) | 熱電モジュール | |
| JP2003304006A (ja) | 熱電変換モジュールおよびそれを用いた熱交換器 | |
| JP3526559B2 (ja) | 熱電変換モジュールおよびこれを用いた熱交換器 | |
| JP3526558B2 (ja) | 熱電変換モジュールおよびそれを用いた熱交換器 | |
| JP2003234516A (ja) | 熱電モジュール | |
| JP3954291B2 (ja) | 熱電変換モデュールおよびそれを用いた熱交換器 | |
| JP4883846B2 (ja) | 高温用熱電変換モジュール | |
| JP2003332637A (ja) | 熱電材料及びそれを用いた熱電モジュール | |
| JP4182208B2 (ja) | 発電機能付熱交換器の製造方法 | |
| JP2001230458A (ja) | 熱電変換モジュール及びその製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20040209 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040213 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040216 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080227 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090227 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100227 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100227 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110227 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120227 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120227 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130227 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140227 Year of fee payment: 10 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |