JP5703871B2

JP5703871B2 - 熱電変換システムおよびその製造方法

Info

Publication number: JP5703871B2
Application number: JP2011058147A
Authority: JP
Inventors: 孝広地主; 石島　善三; 善三石島
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Current assignee: Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: JP2012195441A

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換システムの構造に係り、特に、熱源との伝熱性を高めた熱電変換モジュールを備えた熱電変換システムおよびその製造方法に関する。

熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールによる直接発電システムは、構造が複雑でなく、しかも可動部分がないため、信頼性が高く保守点検が容易である。一方、このような発電システムは、出力密度及びエネルギー変換効率が低いため、宇宙用等の特殊な用途でしかも低い出力規模に限って開発が行われてきた。しかしながら、このような発電システムは、昨今の環境対策の観点から、ゴミ焼却炉やコージェネレーションシステム等の排熱源を利用した小規模分散型の発電システムや、自動車等の排気ガスの熱を利用した車載用発電システムとして用いられることが期待されており、発電単価の低減や熱電変換システムの耐久性の向上等が望まれている。

たとえば、熱電変換モジュールを備えた熱電変換システムは、図１に示すように、熱電変換素子１の両側に、銅等からなる電極２を積層し、電極の他方の面に雲母等からなる電気絶縁層３を備えた熱電変換モジュールに、加熱ダクト４及び冷却ダクト５をそれぞれ積層して構成されている。このような熱電変換システムでは、冷却ダクト５に送風するとともに、加熱ダクト４に高温の排ガス等を供給することにより、熱電変換素子１の両端に温度差を設け、この温度差によって熱電変換素子１の内部で熱起電力を発生させて直流電流を電極２から取り出すことができる（特許文献１参照）。

特開平９−２９３９０６号公報

上記のような熱電変換システムは、一般に、熱電変換モジュールと熱源を加圧して密着させて製造する。熱電変換モジュールと熱源の密着性が低いと、熱抵抗が高くなり発電性能が低下する。通常、熱電変換素子の高さや電極の厚みにはばらつきがあるため、熱電変換モジュール作製後には、電極の高さには１０μｍ程度以上のばらつきが生じる。また、熱電変換素子と電極とをロウ材等で接合しても、ロウ材によって上記のばらつきを吸収しきれない場合がある。さらに、熱電変換モジュール毎の高さにもばらつきが生じる。このため、熱電変換モジュールと熱源の密着性は低下し易い。これに対して、密着性の向上方法としてシリコンなどの熱伝導グリースを熱電変換モジュールと熱源の接着界面に塗布する方法もあるが、１５０℃以上の温度で使用するとグリースが劣化し、密着性が低下してしまう。しかも、この場合には、高温で用いることができないため発電性能が低くなる。

このような状況の下、本発明は、熱電変換モジュールと熱源の密着性を向上させることにより、熱電変換モジュールと熱源の伝熱性を高めた熱電変換システムおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の熱電変換システムの製造方法は、熱電変換素子と電極を備えた熱電変換モジュールと、加熱する熱源との間に、気孔率３０〜９０％の多孔質金属部材を挟むとともに、多孔質金属部材と電極の間に絶縁シートを挟み、加圧して多孔質金属部材を塑性変形させることにより熱電変換モジュールと熱源とを密着させることを特徴とする。多孔質金属部材は、気孔を多く含有しているため変形し易い。このため、多孔質金属部材を熱電変換モジュールと熱源の間に挟み、加圧すると、気孔の一部が潰れて多孔質金属部材は塑性変形した状態となる。したがって、本発明によれば、熱電変換モジュールと熱源の全面に多孔質金属部材が接触するため、熱電変換モジュールと熱源の密着性を向上でき、伝熱性を向上させることができる。また、熱電変換モジュール内の電極の高さのばらつき、および熱電変換モジュール毎の高さのばらつきが大きい場合も、同様に高い密着性が得られるため、熱抵抗を低減することができる。さらに、多孔質金属部材の気孔が残留することによって、熱電変換モジュールと熱源間の熱応力を緩和することができる。

本発明の熱電変換システムの製造方法においては、多孔質金属部材の気孔率は３０〜９０％とする。多孔質金属部材の気孔率が３０％未満であると、多孔質金属部材の変形量が小さいため、熱電変換モジュール内の電極の高さのばらつきや熱電変換モジュール毎の高さのばらつきが大きい場合に、熱源との密着性を向上させる効果が小さくなる。また、気孔率が９０％を超えると、電極と多孔質金属部材の密着性は良いものの、気孔が多いために熱抵抗が増加する影響が大きくなり、伝熱性が低下してしまう。このため、多孔質金属部材の気孔率は３０〜９０％とする。気孔率が５０〜８０％であると、より好ましい。

また、多孔質金属部材は、厚さ０．０５〜２ｍｍであることが好ましい。薄すぎると変形し難くなるため、その厚さは０．０５ｍｍ以上とする。一方、多孔質金属部材は、多孔質であるが故に、気孔を有さない真密度の金属層に比して、熱伝達性および電気伝導性が低下するので、多孔質金属部材が厚くなると、熱電変換素子と電極の間の熱伝達性および電気伝導性が低下する。このため、多孔質金属部材の厚さを２ｍｍ以下にすることが好ましい。

さらに、多孔質金属部材は、銅、モリブデン、ニッケル、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼のいずれかからなることが好ましい。多孔質金属部材の材質が銅、モリブデン、ニッケル、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼であると、不活性雰囲気および減圧下において伝熱性の高い部材を形成することができる。また、多孔質金属部材の材質がニッケル、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼であると、大気などの酸化雰囲気において劣化させることなく伝熱性の高い部材を形成することができる。

また、本発明の熱電変換システムは、熱電変換素子と電極を備えた熱電変換モジュールと、加熱する熱源との間に、気孔率３０〜９０％の多孔質金属部材が加圧によって挟まれるとともに、該多孔質金属部材と電極の間に絶縁シートが挟まれていることを特徴とする。本発明によれば、熱電変換モジュールと熱源の伝熱性を多孔質金属部材を用いることによって向上させているため、高温で用いることができ、発電性能を向上させることができる。

本発明によれば、熱電変換モジュールと熱源の密着性を向上させることにより、熱電変換モジュールと熱源の伝熱性を高めた熱電変換システムを得ることができる。

従来の熱電変換システムの一例を示す断面図である。本発明の第１実施形態の熱電変換システムを示す断面図である。本発明の第２実施形態の熱電変換システムを示す断面図である。

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
図２に、本発明の第１実施形態の熱電変換システム２０を示す。図２において符号１０は熱電変換モジュールであり、熱電変換モジュール１０は、複数の熱電変換素子１１を互いに離間して配列し、熱電変換素子１１の両側に、電極１２ａ、１２ｂを互い違いに積層して構成されている。熱電変換素子１１は、Ｐ型半導体からなるものとＮ型半導体からなるものが交互に配列され、電極１２ａ、１２ｂによって直列に接続されている。熱電変換モジュール１０の一方の側には、多孔質金属シート（多孔質金属部材）１３が積層され、多孔質金属シート１３には、熱源である加熱ダクト１４が積層されている。多孔質金属シート１３は、気孔率３０〜９０％、厚さ０．０５〜２ｍｍであり、銅、モリブデン、ニッケル、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼のいずれかからなる。また、熱電変換モジュール１０の他方の側には、冷却ダクト１５が積層されている。

上記の熱電変換システム２０は、次のようにして作製する。すなわち、上記の熱電変換モジュール１０と加熱ダクト１４の間に多孔質金属シート１３を挟み、加圧して多孔質金属シート１３を塑性変形させることにより熱電変換モジュール１０と加熱ダクト１４とを密着させて作製する。冷却ダクト１５は、多孔質金属シートの加圧時、加圧前または加圧後に熱電変換モジュール１０に積層させればよい。

具体的には、電極１２ａと加熱ダクト１４の間に多孔質金属シート１３を挟む。そして、加圧によって多孔質金属シート１３の気孔１３ａの一部を潰して塑性変形させることにより、多孔質金属シート１３を電極１２ａと加熱ダクト１４の全面に接触させる。これにより、熱電変換モジュール１０と加熱ダクト１４の密着性を向上でき、伝熱性を向上させることができる。また、変形した多孔質金属シート１３に気孔１３ａが残留するため、熱電変換モジュール１０と加熱ダクト１４間の熱応力を緩和することができる。なお、多孔質金属シート１３の気孔率や、熱電変換モジュール１０の構成材料によって適切な加圧力は異なる。

（２）第２実施形態
図３に、本発明の第２実施形態の熱電変換システム３０を示す。図３において、上記第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付してある。本実施形態においては、熱電変換モジュール１０はケース１６に収容され、ケース１６の外面に加熱ダクト１４および冷却ダクト１５が積層されている。この場合には、熱電変換モジュール１０とケース１６間に多孔質金属シート１３を挟むことにより、熱電変換モジュール１０とケース１６との密着性を向上させることができ、ケース１６の外面の加熱ダクト１４との伝熱性を向上させることができる。なお、図３において、加熱ダクト１４および冷却ダクト１５の間には、熱電変換モジュール１０を収容したケース１６は１個示されているが、複数個設けても良い。

上記の熱電変換システム２０、３０は、熱電変換モジュール１０と加熱ダクト１４の伝熱性を多孔質金属シート１３を用いることによって向上させているため、高温で用いることができる。したがって、発電性能を向上させることができる。

上記実施形態において、熱電変換モジュール１０が絶縁されていない場合は、多孔質金属シート１３と電極１２ａの間に絶縁シートを挟んでもよい。この場合も、絶縁シートの積層した電極１２ａ毎や、複数の熱電変換モジュール１０毎で高さのばらつきがあっても、多孔質金属シート１３を電極１２ａに積層することによって、加熱ダクト１４やケース１６との密着性を向上させることができる。また、多孔質金属シート１３の電極１２ａ側の面に絶縁シートを接合させてクラッド構造として用いても良い。

また、多孔質金属シート１３は、片側または両側の表面（図２においては電極１２ａ側の面および加熱ダクト１４側の面）に金属薄膜を接合させてクラッド構造として用いても良い。この場合、金属薄膜によって熱源との伝熱性をさらに向上させながら、熱電変換モジュール１０との密着性を向上させることが出来る。

上記実施形態において、多孔質金属シート１３は、加熱ダクト１４側の電極１２ａに積層される。多孔質金属シート１３を熱電変換モジュール１０の両側に積層してもよいが、冷却ダクト１５側の電極１２ｂに積層しても、多孔質金属シート１３による伝熱性向上効果が小さく、製造コストが割高となる。

なお、本発明の多孔質金属部材は、上記のような連続したシート状のものに限らず、電極１２ａ毎に分かれていてもよい。

本発明の熱電変換システムにおいて、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、ビスマス−テルル系、鉛−テルル系、鉄−バナジウム−アルミニウム系等が挙げられる。また、電極としては、銅、モリブデン、ニッケル、鉄、アルミニウム、タングステン、銀、チタン、ステンレス鋼等が挙げられる。

２０対の熱電変換素子を電極を介して直列になるように配置し、冷却ダクト側の電極を基板で固定し、加熱ダクト側の電極を絶縁した熱電変換モジュールを用意した。多孔質金属部材は、次のようにして作製した。まず、金属粉末（ステンレス）、バインダ（ＰＶＡ；ポリビニルアルコール）、スペーサ（ＰＷ；パラフィンワックス)、および粘度調整材（水）を混合・混練し、０．１ｍｍ程度のシート状に成形を行った。次に、スペーサを溶媒抽出し、バインダを加熱によって脱脂・除去を行った。この脱脂体を１１００℃において焼結することによって気孔率５〜９０％の多孔質金属シートを作製した。なお、脱脂体の焼結温度は用いる金属粉末によって異なる。また、気孔率はスペーサの寸法、バインダの量で調節を行った。そして、加熱ダクト、多孔質金属部材、熱電変換モジュール、冷却ダクトの順に積層して１ＭＰａの圧力で加圧を行い、熱電変換システムを作製した。

次に、加熱ダクトを５００℃に加熱し、冷却ダクトを２０℃に冷却し、その際の熱流量ｑを測定し、温度差４８０℃を熱流量で除することによって熱抵抗を求めた。気孔率５％の多孔質金属部材の熱抵抗を１００とした場合の気孔率に対する比熱抵抗を表１に示す。

表１より、熱抵抗に対する気孔率の影響がわかる。気孔率が５％の試料番号０１の試料に比べ、試料番号０２〜０８の試料においては、気孔率の増加にしたがい熱抵抗は減少し、伝熱性が向上した。これは、気孔率の増加にしたがって、多孔質金属部材が変形し易くなり、熱電変換モジュール内で電極の高さにばらつきがあっても、電極と加熱ダクト間の密着性が良好となったため、熱抵抗が低減したと考えられる。また、気孔率が増加すると電極および加熱ダクトと多孔質金属部材の接触面積は低下するが、密着性改善効果のほうが影響が大きく、多孔質金属部材によって熱抵抗を低減できることを確認できた。

一方、気孔率が８０％以上の試料番号０９〜１１では、気孔率の増加にしたがい熱抵抗が増加し、伝熱性が低下した。これは、気孔率の増加にしたがって電極と多孔質金属部材は密着するが、気孔の増加による熱抵抗増加の影響が大きくなったためと考えられる。表１より、気孔率が３０〜９０％の範囲において、熱抵抗を確実に低下でき、さらに、気孔率が５０〜８０％の範囲であると、熱抵抗を著しく低下でき、伝熱性を大幅に向上できることがわかった。

本発明の熱電変換システムは、ゴミ焼却炉やコージェネレーションシステム等の排熱源を利用した小規模分散型の発電システムや、自動車等の排気ガスの熱を利用した車載用発電システムに好適に利用できる。

１、１１…熱電変換素子、２…電極、３…電気絶縁層、４、１４…加熱ダクト、５、１５…冷却ダクト、１０…熱電変換モジュール、１２ａ…加熱ダクト側電極、１２ｂ…冷却ダクト側電極、１３…多孔質金属シート、１６…ケース、２０、３０…熱電変換システム。

Claims

熱電変換素子と電極を備えた熱電変換モジュールと、加熱する熱源との間に、気孔率３０〜９０％の多孔質金属部材を挟むとともに、該多孔質金属部材と前記電極の間に絶縁シートを挟み、加圧して前記多孔質金属部材を塑性変形させることにより前記熱電変換モジュールと前記熱源とを密着させることを特徴とする熱電変換システムの製造方法。
前記絶縁シートが、前記多孔質金属部材における前記電極側の面に接合されたクラッド構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換システムの製造方法。
前記多孔質金属部材が、気孔率５０〜８０％であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換システムの製造方法。
前記多孔質金属部材が、厚さ０．０５〜２ｍｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換システムの製造方法。
熱電変換素子と電極を備えた熱電変換モジュールと、加熱する熱源との間に、気孔率３０〜９０％の多孔質金属部材が加圧によって挟まれるとともに、該多孔質金属部材と前記電極の間に絶縁シートが挟まれていることを特徴とする熱電変換システム。
前記絶縁シートが、前記多孔質金属部材における前記電極側の面に接合されたクラッド構造となっていることを特徴とする請求項５に記載の熱電変換システム。
前記多孔質金属部材が、厚さ０．０５〜２ｍｍであることを特徴とする請求項５または６に記載の熱電変換システム。
前記多孔質金属部材が、気孔率５０〜８０％、厚さ０．０５〜２ｍｍであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の熱電変換システム。