JP5970222B2 - 熱電発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換モジュールを用いて高温側と低温側の温度差から発電する熱電発電装置に関する。
従来、熱電変換素子のゼーベック効果又はペルチェ効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに、又は電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する熱電変換モジュールが知られている。
一般的な熱電変換モジュールの構成を図１に示す。図１に示すように、熱電変換モジュール１０は、熱電素子であるｐ型半導体１１１とｎ型半導体１１２を金属電極１１３によって「π」型に接続した熱電素子対１１を、多数集合させて電気的に直列に接続し、２枚の絶縁基板（例えばセラミックス基板）１２、１３で狭持した構成を有する。
一般的な熱電変換モジュールの構成を図１に示す。図１に示すように、熱電変換モジュール１０は、熱電素子であるｐ型半導体１１１とｎ型半導体１１２を金属電極１１３によって「π」型に接続した熱電素子対１１を、多数集合させて電気的に直列に接続し、２枚の絶縁基板（例えばセラミックス基板）１２、１３で狭持した構成を有する。
この平板状の熱電変換モジュール１０を、一方の面（例えば絶縁基板１２）が高温側、他方の面（例えば絶縁基板１３）が低温側となるように配置して両面間に温度差を与えると、起電力が生じる。この電力は、熱電変換モジュール１０に接続された電流リード１４、１５を介して取り出される。逆に、電流リード１４、１５を介して熱電変換モジュール１０に電流を流すと、一方の面（例えば絶縁基板１２）で発熱が生じ、他方の面（例えば絶縁基板１３）で吸熱が生じる。
特許文献１、２には、このような熱電変換モジュール１０を用いた熱電変換装置が提案されている。特に、熱電変換モジュール１０を用いて発電する装置は、熱電発電装置と呼ばれる。
特許文献１、２には、このような熱電変換モジュール１０を用いた熱電変換装置が提案されている。特に、熱電変換モジュール１０を用いて発電する装置は、熱電発電装置と呼ばれる。
熱電変換モジュールは、可動部（機械的な駆動部分）を持たず構造が簡単であるため、摩耗劣化などの心配がなく信頼性・耐久性に優れる、メンテナンスが容易である、小型化・軽量化が容易で適用場所の制限が少ない、という利点がある。そして、このような利点を有することから、大量の熱が排出される工業炉（電気炉や燃焼炉等、各種産業分野で溶解、精錬、加熱等の工程で使用される炉）にも比較的容易に設置することができる。
この熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置は、二酸化炭素を排出することもなく、廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、環境保全や省エネルギーの観点から非常に注目されている。
この熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置は、二酸化炭素を排出することもなく、廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、環境保全や省エネルギーの観点から非常に注目されている。
熱電発電装置を工業炉に設置する場合、熱電変換モジュールの高温側となる面（以下、加熱面）を加熱する一方で、低温側となる面（以下、冷却面）を冷却し、両端面間に温度差を生じさせる必要がある。また、工業炉の炉壁は、炉内の高温保持性及び安全性の観点から断熱性が高くなっているため、炉壁の外面に熱電変換モジュールの加熱面を密着させても、炉内の熱エネルギーを効率よく取り出すことはできない。
そこで、図２に示すように、炉壁１００に形成された開口１００ａを受熱板２０で閉塞し、この受熱板２０に熱電変換モジュール１０の加熱面を接触させて熱電変換モジュール１０を取り付ける手法が採用されている。受熱板２０には、一般に熱伝導率の高い硬質板材が用いられる。
ここで、熱電発電装置５において、受熱板２０から熱電変換モジュール１０に効率よく熱が伝達されるためには、両者が密着して固体間で熱伝導が行われることが望ましい。そのため、両者の接触面には平面仕上げ加工が施され、両者が密着するようになっている。
ここで、熱電発電装置５において、受熱板２０から熱電変換モジュール１０に効率よく熱が伝達されるためには、両者が密着して固体間で熱伝導が行われることが望ましい。そのため、両者の接触面には平面仕上げ加工が施され、両者が密着するようになっている。
かかる手法によれば、炉内の熱が受熱板２０で吸熱され、熱電変換モジュール１０の加熱面に伝達されるので、加熱面が効率よく加熱される。また、受熱板２０により炉内の高温ガスが遮蔽され、熱電変換モジュール１０の冷却面側に回り込まないため、加熱面と冷却面に大きな温度差が生じる。したがって、熱電発電装置５は、効率よく発電することができる。
また、熱電発電装置に関する技術として、特許文献３には、熱電変換モジュールに対して受熱板を分割して配置した熱電発電装置が開示されている。特許文献４、５には、受熱板と熱電変換モジュールの間に密着性の高い伝熱シート（シリコーン、エポキシ樹脂、グラファイト）を介装させた熱電発電装置が開示されている。
しかしながら、実際に熱電発電装置５を工業炉などに設置して稼働させた場合、受熱板２０が熱変形（熱膨張）により湾曲し、両者の密着状態が損なわれる虞がある（図３参照）。受熱板２０の一方の面は高温である炉内に面し、他方の面は熱電変換モジュール１０を介して水冷板３０によって冷却されることとなり、両面間に極めて大きな温度差が生じるためである。この場合、熱電変換モジュール１０と受熱板２０との間に生じた隙間が断熱層となり、受熱板２０から熱電変換モジュール１０への伝熱が大幅に阻害されるため、熱電発電装置５の発電効率が著しく低下してしまう。
また、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に発生する隙間は、熱歪みによるものだけではなく、表面仕上げ精度、表面の傷等、さまざまな要因によるものが含まれる。これらの様々な要因を考慮すると、隙間の大きさは数μｍオーダーから数ｍｍオーダーまで広範となる。
特許文献３のように、熱電変換モジュール１０に対して受熱板２０を分割して配置すれば、一分割単位当たりの隙間（空気層）は低減されると考えられるが、分割数には限度があるため、数十μｍオーダーの隙間を排除することは困難である。
また、特許文献４、５のように、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に伝熱シートを介装させれば、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の密着性は高まるが、受熱板２０が熱変形して生じる数ｍｍオーダーの隙間を排除することは困難である。
このように、従来の熱電発電装置５は、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に生じる隙間の影響を少なからず受けるため、さらなる改善の余地がある。
また、特許文献４、５のように、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に伝熱シートを介装させれば、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の密着性は高まるが、受熱板２０が熱変形して生じる数ｍｍオーダーの隙間を排除することは困難である。
このように、従来の熱電発電装置５は、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に生じる隙間の影響を少なからず受けるため、さらなる改善の余地がある。
本発明の目的は、受熱板と熱電変換モジュール間及び水冷板と熱電変換モジュール間における界面熱抵抗を低減でき、発電効率の向上を図ることができる熱電発電装置を提供することである。
本発明に係る熱電発電装置は、熱源に向けて配置される一枚の受熱板と、
一方の面を前記受熱板に向けて配置され、前記一方の面と他方の面との温度差を利用して発電出力を得る一つの熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの他方の面に、密着、固定して取り付けられる一枚の水冷板と、
前記水冷板及び前記熱電変換モジュールからなる複合体の周縁部に配置され、前記複合体を前記受熱板に付勢する付勢部材と、を備え、
前記受熱板又は前記複合体の何れか一方が分割構造を有し、
前記受熱板と前記熱電変換モジュールの間に柔軟層が介装されていることを特徴とする。
一方の面を前記受熱板に向けて配置され、前記一方の面と他方の面との温度差を利用して発電出力を得る一つの熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの他方の面に、密着、固定して取り付けられる一枚の水冷板と、
前記水冷板及び前記熱電変換モジュールからなる複合体の周縁部に配置され、前記複合体を前記受熱板に付勢する付勢部材と、を備え、
前記受熱板又は前記複合体の何れか一方が分割構造を有し、
前記受熱板と前記熱電変換モジュールの間に柔軟層が介装されていることを特徴とする。
本発明によれば、受熱板と熱電変換モジュール間及び水冷板と熱電変換モジュール間における界面熱抵抗が低減されるので、高い発電効率を有する熱電発電装置が実現される。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態では、ＤＩＰフォーミング方式（真空中で銅母線の周囲に溶銅を付着凝固させ、銅線を製造する製法）の銅線製造設備を構成する予熱炉（銅を予め加熱する炉、炉内温度：約８５０℃）、溶解炉（銅を溶融する炉、炉内温度：１０００℃以上）、保持炉（溶融した銅を貯留する炉、炉内温度：１０００℃以上）のうち、予熱炉に熱電発電装置を設置する場合について説明する。
［第１の実施の形態］
図４は、第１の実施の形態の熱電発電装置の断面図である。なお、図４では熱電発電装置１を炉壁１００に取り付けた状態を示している。また、熱電変換モジュール１０として、４４０×４４０ｍｍサイズのものを用いるものとする。
図４は、第１の実施の形態の熱電発電装置の断面図である。なお、図４では熱電発電装置１を炉壁１００に取り付けた状態を示している。また、熱電変換モジュール１０として、４４０×４４０ｍｍサイズのものを用いるものとする。
図４に示すように、熱電発電装置１は、熱電変換モジュール１０、受熱板２０、水冷板３０、及び付勢部材５０等が、ケース６０内に収容された構成を有する。第１の実施の形態に係る熱電発電装置１においては、受熱板２０が２つの受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割されている。
熱電発電装置１において、ケース６０は、熱電変換モジュール１０等を収容する箱状の収容部６１と、収容部６１の低温側開口６１ａから外側に張り出すフランジ部６２と、収容部６１の高温側開口６１ｂに形成される中枠６３を有する。
収容部６１は、炉壁１００に形成された開口１００ａとほぼ同一形状の外形を有する。収容部６１の底面は額縁状に形成され、高温側開口６１ｂから受熱板２０が炉内に臨むようになっている。また、中枠６３は、収容部６１の底面に架設され、高温側開口６１ｂを複数の区画に分割（例えば均等に４分割）する。
収容部６１は、炉壁１００に形成された開口１００ａとほぼ同一形状の外形を有する。収容部６１の底面は額縁状に形成され、高温側開口６１ｂから受熱板２０が炉内に臨むようになっている。また、中枠６３は、収容部６１の底面に架設され、高温側開口６１ｂを複数の区画に分割（例えば均等に４分割）する。
熱電変換モジュール１０は、加熱面１０ａと冷却面１０ｂとの温度差を利用して発電出力を得ることができる平板状のモジュールである。熱電変換モジュール１０は、図１に示すように、熱電素子であるｐ型半導体１１１とｎ型半導体１１２を金属電極１１３によって「π」型に接続した熱電素子対１１を、多数集合させて電気的に直列に接続し、高温側絶縁基板１２、低温側絶縁基板１３で狭持した構成を有する。高温側絶縁基板１２が受熱板２０に対向して配置され、低温側絶縁基板１３が水冷板３０に対向して配置される。
ｐ型半導体１１１、ｎ型半導体１１２には、例えば酸化物系の化合物半導体が好適である。酸化物系半導体は適用温度が高く、１０００℃近い高温環境下でも動作させることができるためである。一例として、ｐ型半導体としてはＣａ3Ｃｏ4Ｏ9を適用でき、ｎ型半導体としてはＬａＮｉＯ3を適用できる。
なお、高温側絶縁基板１２を設けないハーフスケルトン型の熱電変換モジュールを適用することもできる。
なお、高温側絶縁基板１２を設けないハーフスケルトン型の熱電変換モジュールを適用することもできる。
低温側絶縁基板１３は、従来のように耐熱性・絶縁性が高く、取り扱い性に優れたカプトンテープ（商品名）で構成してもよいが、Ａｌ2Ｏ3板又はＡｌＮ板で構成するのが望ましい。Ａｌ2Ｏ3及びＡｌＮは、カプトンテープよりも熱伝導率が高く、熱電変換モジュール１０の発電効率を向上できるためである。
低温側絶縁基板１３としてＡｌ2Ｏ3板を用いた熱電変換モジュール１０と、カプトンテープを用いた熱電変換モジュール１０について、発電効率を評価した結果を表１に示す。ここでは、熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａを７００℃に保持し、冷却面１０ｂを２０℃に保持したときの開放電圧を測定し、発電効率を評価した。
表１に示すように、低温側絶縁基板１３としてＡｌ2Ｏ3板を用いた場合、厚さがカプトンテープの１３倍であるにもかかわらず、熱抵抗はカプトンテープの１／１０程度であり、発電効率を示す開放電圧は２５％程度向上した。
表１に示すように、低温側絶縁基板１３としてＡｌ2Ｏ3板を用いた場合、厚さがカプトンテープの１３倍であるにもかかわらず、熱抵抗はカプトンテープの１／１０程度であり、発電効率を示す開放電圧は２５％程度向上した。
また、ＡｌＮの熱伝導率は、Ａｌ2Ｏ3の６〜１０倍であるため、低温側絶縁基板１３にＡｌＮ板を用いることで発電効率はさらに向上する。
このように、Ａｌ2Ｏ3及びＡｌＮは、カプトンテープに比較して厚く、取扱性が悪いが、発電効率を圧倒的に改善できることから、本実施の形態では低温側絶縁基板１３として採用している。なお、低温側絶縁基板１３は、薄いほど熱抵抗が小さくなるため、取扱性を考慮して最低限の強度を保持できる範囲で薄くするのが望ましい。
このように、Ａｌ2Ｏ3及びＡｌＮは、カプトンテープに比較して厚く、取扱性が悪いが、発電効率を圧倒的に改善できることから、本実施の形態では低温側絶縁基板１３として採用している。なお、低温側絶縁基板１３は、薄いほど熱抵抗が小さくなるため、取扱性を考慮して最低限の強度を保持できる範囲で薄くするのが望ましい。
受熱板２０は、熱電変換モジュール１０の高温側絶縁基板１２に接触して配置され、熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａを加熱する。受熱板２０は、熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａよりも一回り大きく、ケース６０の収容部６１とほぼ同一形状を有する。また、受熱板２０の熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａとの接触面（以下、モジュール接触面）には、平面加工処理が施される。具体的には、受熱板２０のモジュール接触面は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定されている算術平均粗さＲａ（以下、表面粗さ）が１００μｍ以下であることが望ましい。熱電変換モジュール１０との密着性を高めるためである。また、稼働時の受熱板１０の全体の最大そり量は５００μｍ以下であることが望ましい。
受熱板２０は、熱膨張率が３．０×１０-6〜１８．０×１０-6／℃で、熱伝導率が２９．３〜６２．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であることが、熱変形及び熱伝導効率の面から望ましい。このような熱膨張率、熱伝導率を有する材料としては、例えば炭化珪素（熱膨張率：４．５×１０-6／℃、熱伝導率：４０．０Ｗ／（ｍ・Ｋ））が好適である。
また、受熱板２０は、中枠６３で区画されたそれぞれの開口に対応して配置される２つの受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割されている。受熱板２０Ａ、２０Ｂの周縁部は、それぞれケース６０の底面と中枠６３によって炉内側から支持される。
このように、熱電変換モジュール１０と水冷板３０からなる一つの複合体２５に対して受熱板２０を分割して設けることにより、受熱板２０に生じる熱歪みが低減される。したがって、稼働時に受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に隙間が生じにくくなり、生じたとしても数百μｍオーダー以下に抑制される。
このように、熱電変換モジュール１０と水冷板３０からなる一つの複合体２５に対して受熱板２０を分割して設けることにより、受熱板２０に生じる熱歪みが低減される。したがって、稼働時に受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に隙間が生じにくくなり、生じたとしても数百μｍオーダー以下に抑制される。
４４０×４４０ｍｍサイズの熱電変換モジュール１０に対して受熱板２０を分割して設けた場合に、熱電変換モジュール１０と受熱板２０の間に生じる隙間を計算した結果を表２〜４に示す。表２は受熱板２０を４００℃で加熱した場合、表３は受熱板２０を６００℃で加熱した場合、表４は受熱板２０を８００℃で加熱した場合について示している。
表２〜４に示すように、受熱板２０の面分割が細かいほど隙間による熱抵抗は低減され、３２分割した１１０×５５ｍｍサイズでは、元の４４０×４４０ｍｍサイズの１／３１になる。
表２〜４に示すように、受熱板２０の面分割が細かいほど隙間による熱抵抗は低減され、３２分割した１１０×５５ｍｍサイズでは、元の４４０×４４０ｍｍサイズの１／３１になる。
また、受熱板２０と熱電変換モジュール１０は、柔軟層４０を介して圧着される。第１の実施の形態では、柔軟層４０はグラファイトシートで構成される。グラファイトシートからなる柔軟層４０は適度な弾塑性変形能力を有するため、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の界面に生じうる数百μｍ以下の隙間は柔軟層４０により埋められる。また、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、変形量が微量であれば、柔軟層４０が受熱板２０の変形に追随して弾塑性変形する。
したがって、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に隙間が生じることはなく、界面熱抵抗が増大するのを防止できる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａは効率的に加熱され、冷却面１０ｂとの間で大きな温度差が得られるので、熱電変換モジュール１０の発電効率は格段に向上する。
したがって、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に隙間が生じることはなく、界面熱抵抗が増大するのを防止できる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａは効率的に加熱され、冷却面１０ｂとの間で大きな温度差が得られるので、熱電変換モジュール１０の発電効率は格段に向上する。
例えば、受熱板２０Ａ、２０Ｂの対角線の長さが９０〜１６０ｍｍである場合、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に生じる隙間が数百μｍとなるので（表２〜４参照）、グラファイトシートからなる柔軟層４０を設けることにより隙間が生じるのを防止できる。
また、柔軟層４０をグラファイトシートで構成する場合、その厚さは０．２〜２．０ｍｍであることが望ましい。これにより、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との間の界面熱抵抗を効果的に低減することができる。
水冷板３０は、熱電変換モジュール１０の低温側絶縁基板１３に接触して配置され、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂを冷却する。水冷板３０は、例えば、金属製の板材に水を流通させるパイプを埋設した構成を有する。冷却機構としての水冷板３０を設け、これに所定の流量で水を流すことにより、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂを所定の温度に冷却することができる。
熱電変換モジュール１０の低温側絶縁基板１３と水冷板３０は、例えば熱伝導性のグリースを介して圧着される。これにより、低温側絶縁基板１３と水冷板３０の熱膨張率差による変形に対応することができる。
熱電変換モジュール１０の低温側絶縁基板１３と水冷板３０は、例えば熱伝導性のグリースを介して圧着される。これにより、低温側絶縁基板１３と水冷板３０の熱膨張率差による変形に対応することができる。
また、水冷板３０と熱電変換モジュール１０との間に、グラファイトシートや六方晶系窒化ホウ素等からなる柔軟層（図示略）を介装させてもよい。これにより、水冷板３０の変形や表面粗さに起因して隙間が生じても、柔軟層が追従して弾塑性変形するので、水冷板３０と熱電変換モジュール１０間に隙間が生じることはなく、界面熱抵抗が増大するのを防止できる。熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂは効率的に加熱され、冷却面１０ｂとの間で大きな温度差が得られるので、熱電変換モジュール１０の発電効率は格段に向上する。
付勢部材５０は、受熱板２０Ａ、２０Ｂに対して熱電変換モジュール１０を付勢するとともに、熱電変換モジュール１０に対して水冷板３０を付勢する部材であり、例えば圧縮コイルばねを適用できる。付勢部材５０は、受熱板２０Ａ、２０Ｂに対して複合体２５を効果的に付勢できるように、例えば水冷板３０の周縁部（例えば矩形の４隅）及び中央部に配置される。
付勢部材５０を設けることにより、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との密着性、及び熱電変換モジュール１０と水冷板３０との密着性を高めることができる。また、付勢部材５０を圧縮コイルばねで構成することにより、付勢力を容易に制御することができる。
付勢部材５０を設けることにより、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との密着性、及び熱電変換モジュール１０と水冷板３０との密着性を高めることができる。また、付勢部材５０を圧縮コイルばねで構成することにより、付勢力を容易に制御することができる。
第１の実施の形態の熱電発電装置１を組み立てる場合、ケース６０の収容部６１に受熱板２０Ａ、２０Ｂ、熱電変換モジュール１０、水冷板３０を順に配置する。受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０の間には柔軟層４０を介装する。そして、付勢部材５０を固定した補強梁７０を水冷板３０の背面（熱電変換モジュール１０と接触する面と反対の面）に配置し、両端をケース６０にねじ止めする。受熱板２０Ａ、２０Ｂ、熱電変換モジュール１０、水冷板３０は、弾性保持された状態で固定される。
このとき、付勢部材５０による付勢力は２４〜６４ｋＰａであることが望ましい。これにより、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂが熱変形しても、受熱板２０Ａ、２０Ｂに対して複合体２５（熱電変換モジュール１０）が押圧されて両者の密着状態が確保されるので、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が増大するのを効果的に防止できる。
組み立てられた熱電発電装置１は、予熱炉の炉壁１００に形成された開口１００ａに設置される。予熱炉には、炉内を点検するためのメンテナンスハッチが設けられているので、これを開口１００ａとして利用することができる。
具体的には、炉壁１００の開口１００ａにケース６０の収容部６１を嵌合させるとともに、フランジ部６２を炉壁１００にねじ止めすることにより、熱電発電装置１が炉壁１００に取り付けられる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａが高温側である炉内に向き、冷却面１０ｂが低温側である炉外に向いた状態となる。
具体的には、炉壁１００の開口１００ａにケース６０の収容部６１を嵌合させるとともに、フランジ部６２を炉壁１００にねじ止めすることにより、熱電発電装置１が炉壁１００に取り付けられる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａが高温側である炉内に向き、冷却面１０ｂが低温側である炉外に向いた状態となる。
ケース６０に形成された高温側開口６１ｂは受熱板２０によって完全に閉塞されている（すなわち炉壁１００に形成された開口１００ａが受熱板２０Ａ、２０Ｂによって閉塞されている）ので、炉内の高温ガスが熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂ側に回り込むことはない。
予熱炉において銅材が加熱されると、このときに発生する熱が、受熱板２０Ａ、２０Ｂによって吸収され、熱電変換モジュール１０に伝達される。これにより、熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａが高温（例えば７００℃）に加熱される。一方、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂは水冷板３０によって低温（例えば８０℃）に保持される。
熱電変換モジュール１０の両面間には数百℃の温度差が生じ、この温度差に応じて起電力が生じる。この電力は、熱電変換モジュール１０に接続された電流リード１４、１５を介して取り出される（図１参照）。
熱電変換モジュール１０の両面間には数百℃の温度差が生じ、この温度差に応じて起電力が生じる。この電力は、熱電変換モジュール１０に接続された電流リード１４、１５を介して取り出される（図１参照）。
このように、第１の実施の形態に係る熱電発電装置１は、炉壁１００に形成された開口１００ａを閉塞する受熱板２０と、加熱面１０ａ（一方の面）を受熱板２０に向けて配置され、加熱面１０ａと冷却面１０ｂ（他方の面）との温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂに、密着、固定して取り付けられる水冷板３０と、水冷板３０及び熱電変換モジュール１０からなる複合体２５を受熱板２０に付勢する付勢部材５０を備える。
また、受熱板２０は２つの受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間にグラファイトシートからなる柔軟層４０が介装されている。
また、受熱板２０は２つの受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間にグラファイトシートからなる柔軟層４０が介装されている。
図５に示すように、稼働時には、受熱板２０Ａ、２０Ｂは熱変形（熱膨張）により少なからず湾曲する。従来の熱電発電装置５においては、この隙間が断熱層となり、受熱板２０から熱電変換モジュール１０への伝熱が大幅に阻害されるため、発電効率が著しく低下していた（図３参照）。
これに対して、第１の実施の形態の熱電発電装置１においては、受熱板２０が受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割されているので、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０の間に隙間が生じにくくなり、生じたとしても数百μｍオーダー以下に抑制される。また、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂが熱変形しても、グラファイトシートからなる柔軟層４０が受熱板２０Ａ、２０Ｂの変形に追随して弾塑性変形するので、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間に隙間が生じることはない。さらには、付勢部材５０により、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との密着性、及び熱電変換モジュール１０と水冷板３０との密着性が確保される。
したがって、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間及び水冷板３０と熱電変換モジュール１０間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置１の発電効率が格段に向上する。よって、第１の実施の形態の熱電発電装置１は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
これに対して、第１の実施の形態の熱電発電装置１においては、受熱板２０が受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割されているので、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０の間に隙間が生じにくくなり、生じたとしても数百μｍオーダー以下に抑制される。また、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂが熱変形しても、グラファイトシートからなる柔軟層４０が受熱板２０Ａ、２０Ｂの変形に追随して弾塑性変形するので、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間に隙間が生じることはない。さらには、付勢部材５０により、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との密着性、及び熱電変換モジュール１０と水冷板３０との密着性が確保される。
したがって、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間及び水冷板３０と熱電変換モジュール１０間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置１の発電効率が格段に向上する。よって、第１の実施の形態の熱電発電装置１は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
［実施例１−１］
実施例１−１では、受熱板２０を３２分割して１１０×５５ｍｍサイズ（対角線長さ：１２３ｍｍ）とし、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間にグラファイトシートからなる柔軟層４０を介装させ、付勢部材５０によって受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を弾性保持した熱電発電装置１を作製した。
また、熱電変換モジュール１０における低温側絶縁基板１３はＡｌ2Ｏ3板で構成し、柔軟層４０の厚さは０．３ｍｍとし、付勢部材５０による付勢力は６３ｋＰａとした。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
実施例１−１では、受熱板２０を３２分割して１１０×５５ｍｍサイズ（対角線長さ：１２３ｍｍ）とし、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間にグラファイトシートからなる柔軟層４０を介装させ、付勢部材５０によって受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を弾性保持した熱電発電装置１を作製した。
また、熱電変換モジュール１０における低温側絶縁基板１３はＡｌ2Ｏ3板で構成し、柔軟層４０の厚さは０．３ｍｍとし、付勢部材５０による付勢力は６３ｋＰａとした。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
［比較例１−１］
比較例１−１では、実施例１−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０を分割することなく４４０×４４０ｍｍサイズとした。なお、比較例１−１では、ケース６０の高温側開口６１ｂは中枠６３で区画されていない。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
比較例１−１では、実施例１−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０を分割することなく４４０×４４０ｍｍサイズとした。なお、比較例１−１では、ケース６０の高温側開口６１ｂは中枠６３で区画されていない。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
［比較例１−２］
比較例１−２では、実施例１−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に柔軟層４０を介装させず、受熱板２０と熱電変換モジュール１０を直接接着した。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
比較例１−２では、実施例１−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に柔軟層４０を介装させず、受熱板２０と熱電変換モジュール１０を直接接着した。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
［比較例１−３］
比較例１−３では、実施例１−１に係る熱電発電装置１において、付勢部材５０を用いずに、水冷板３０の背面にボルト８０を締め付けて固定した。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
比較例１−３では、実施例１−１に係る熱電発電装置１において、付勢部材５０を用いずに、水冷板３０の背面にボルト８０を締め付けて固定した。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
実施例１−１及び比較例１−１〜１−３の熱電発電装置について、受熱板２０を８５０℃で加熱し、水冷板３０を３０℃で冷却したときの開放電圧を測定し、それぞれの発電効率を評価した。評価結果を表５に示す。
表５に示すように、実施例１−１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）と比較例１−１の評価結果より、受熱板２０を分割することで発電効率を改善できることが確認された。受熱板２０を分割することにより、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されたためと考えられる。
表５に示すように、実施例１−１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）と比較例１−１の評価結果より、受熱板２０を分割することで発電効率を改善できることが確認された。受熱板２０を分割することにより、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されたためと考えられる。
また、実施例１−１と比較例１−２の評価結果より、受熱板２０と熱電変換モジュール間にグラファイトシートからなる柔軟層４０を介装させることで発電効率を改善できることが確認された。グラファイトシートからなる柔軟層４０を介装させることにより、受熱板２０が熱変形しても、界面熱抵抗に影響を及ぼす程度の隙間が生じなかったためと考えられる。
また、実施例１−１、比較例１−２の評価結果より、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、開放電圧が大きくなることが確認された。受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されるためと考えられる。
また、実施例１−１、比較例１−２の評価結果より、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、開放電圧が大きくなることが確認された。受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されるためと考えられる。
また、実施例１−１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）と比較例１−３の評価結果より、受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を、付勢部材を介して固定することで発電効率を改善できることが確認された。受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を弾性保持することにより、受熱板２０が熱変形した際にも、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間及び熱電変換モジュール１０と水冷板３０間の密着性が確保されたためと考えられる。
［実施例１−２］
実施例１−２では、実施例１−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さＲａが６μｍのもの）において、付勢部材５０による付勢力を、９〜６６ｋＰａとして、付勢部材５０による付勢力の最適範囲を確認した。評価結果を表６に示す。
表６より、付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａ以上の場合に、４６Ｖ程度の開放電圧が得られた。付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａよりも小さいと、受熱板２０が熱変形することにより受熱板２０と複合体２５の密着性が損なわれるため、開放電圧が若干小さくなったと考えられる。
なお、発電効率の観点からは付勢部材５０による付勢力の上限は規定されないが、６４ｋＰａよりも大きいと受熱板２０又は複合体２５を破損させる虞があるため、付勢部材５０による付勢力は６４ｋＰａ以下とするのが望ましい。
実施例１−２では、実施例１−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さＲａが６μｍのもの）において、付勢部材５０による付勢力を、９〜６６ｋＰａとして、付勢部材５０による付勢力の最適範囲を確認した。評価結果を表６に示す。
表６より、付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａ以上の場合に、４６Ｖ程度の開放電圧が得られた。付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａよりも小さいと、受熱板２０が熱変形することにより受熱板２０と複合体２５の密着性が損なわれるため、開放電圧が若干小さくなったと考えられる。
なお、発電効率の観点からは付勢部材５０による付勢力の上限は規定されないが、６４ｋＰａよりも大きいと受熱板２０又は複合体２５を破損させる虞があるため、付勢部材５０による付勢力は６４ｋＰａ以下とするのが望ましい。
［実施例１−３］
実施例１−３では、実施例１−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さＲａが６μｍのもの）において、グラファイトシートからなる柔軟層４０の厚さを、０．１〜２．５ｍｍとして、柔軟層４０の厚さの最適範囲を確認した。評価結果を表７に示す。
表７より、柔軟層４０の厚さが０．２ｍｍ以上の場合に、４６Ｖ程度の開放電圧が得られた。柔軟層４０の厚さが０．２ｍｍよりも薄いと、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に生じる隙間を埋める効果が低いため、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が十分に低減されないためと考えられる。
また、柔軟層４０の厚さが２．０ｍｍを超えると、開放電圧が低下した。柔軟層４０が厚いほど受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との隙間を埋める効果は高まるが、逆に柔軟層４０自身の熱抵抗が増大するため、発電効率が低下したと考えられる。
実施例１−３では、実施例１−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さＲａが６μｍのもの）において、グラファイトシートからなる柔軟層４０の厚さを、０．１〜２．５ｍｍとして、柔軟層４０の厚さの最適範囲を確認した。評価結果を表７に示す。
表７より、柔軟層４０の厚さが０．２ｍｍ以上の場合に、４６Ｖ程度の開放電圧が得られた。柔軟層４０の厚さが０．２ｍｍよりも薄いと、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に生じる隙間を埋める効果が低いため、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が十分に低減されないためと考えられる。
また、柔軟層４０の厚さが２．０ｍｍを超えると、開放電圧が低下した。柔軟層４０が厚いほど受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との隙間を埋める効果は高まるが、逆に柔軟層４０自身の熱抵抗が増大するため、発電効率が低下したと考えられる。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態では、図４における柔軟層４０が六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）で構成されている。その他の構成は第１の実施の形態と同じであるので説明を省略する。
すなわち、第２の実施の形態の熱電変換装置１では、受熱板２０と熱電変換モジュール１０は、六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなる柔軟層４０を介して圧着される。ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０は適度な塑性変形能力を有するため、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の界面に生じうる数百μｍ以下の隙間は柔軟層４０により埋められる。また、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、変形量が微量であれば、柔軟層４０が受熱板２０の変形に追随して塑性変形する。
したがって、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の隙間が低減され、界面熱抵抗が増大するのを防止できる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａは効率的に加熱され、冷却面１０ｂとの間で大きな温度差が得られるので、熱電変換モジュール１０の発電効率は格段に向上する。
またｈ−ＢＮは優れた耐熱性を有するので、６００℃以上の高温環境下での使用にも耐えうる。
第２の実施の形態では、図４における柔軟層４０が六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）で構成されている。その他の構成は第１の実施の形態と同じであるので説明を省略する。
すなわち、第２の実施の形態の熱電変換装置１では、受熱板２０と熱電変換モジュール１０は、六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）からなる柔軟層４０を介して圧着される。ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０は適度な塑性変形能力を有するため、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の界面に生じうる数百μｍ以下の隙間は柔軟層４０により埋められる。また、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、変形量が微量であれば、柔軟層４０が受熱板２０の変形に追随して塑性変形する。
したがって、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の隙間が低減され、界面熱抵抗が増大するのを防止できる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａは効率的に加熱され、冷却面１０ｂとの間で大きな温度差が得られるので、熱電変換モジュール１０の発電効率は格段に向上する。
またｈ−ＢＮは優れた耐熱性を有するので、６００℃以上の高温環境下での使用にも耐えうる。
例えば、受熱板２０Ａ、２０Ｂの対角線の長さが９０〜１６０ｍｍである場合、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に生じる隙間が数百μｍとなるが（表２〜４参照）、ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０を設けることにより隙間を低減することができる。
ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０は、例えばｈ−ＢＮ粉末を２０Ｖｏｌ％で溶解させたエタノール溶液を受熱板２０Ａ，２０Ｂにスプレーして塗布した後、室温で風乾することにより形成される。
柔軟層４０をｈ−ＢＮで構成する場合、その塗布量は１．０〜５０．０ｇ／ｍ2であることが望ましい。これにより、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との間の界面熱抵抗を効果的に低減することができる。
また、ｈ−ＢＮ粉末の粒径は、８．０〜１２．０μｍであることが望ましい。これにより、柔軟層４０が受熱板２０の変形に効果的に追随することが可能になる。
柔軟層４０をｈ−ＢＮで構成する場合、その塗布量は１．０〜５０．０ｇ／ｍ2であることが望ましい。これにより、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との間の界面熱抵抗を効果的に低減することができる。
また、ｈ−ＢＮ粉末の粒径は、８．０〜１２．０μｍであることが望ましい。これにより、柔軟層４０が受熱板２０の変形に効果的に追随することが可能になる。
第２の実施の形態の熱電発電装置１を組み立てる場合、ケース６０の収容部６１に、背面にｈ−ＢＮからなる柔軟層４０を形成した受熱板２０Ａ、２０Ｂ、熱電変換モジュール１０、水冷板３０を順に配置する。そして、付勢部材５０を固定した補強梁７０を水冷板３０の背面（熱電変換モジュール１０と接触する面と反対の面）に配置し、両端をケース６０にねじ止めする。受熱板２０Ａ、２０Ｂ、熱電変換モジュール１０、水冷板３０は、弾性保持された状態で固定される。
このとき、付勢部材５０による付勢力は２４〜６４ｋＰａであることが望ましい。これにより、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂが熱変形しても、受熱板２０Ａ、２０Ｂに対して複合体２５（熱電変換モジュール１０）が押圧されて両者の密着状態が確保されるので、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が増大するのを効果的に防止できる。
組み立てられた熱電発電装置１は、予熱炉の炉壁１００に形成された開口１００ａに設置される。予熱炉には、炉内を点検するためのメンテナンスハッチが設けられているので、これを開口１００ａとして利用することができる。
具体的には、炉壁１００の開口１００ａにケース６０の収容部６１を嵌合させるとともに、フランジ部６２を炉壁１００にねじ止めすることにより、熱電発電装置１が炉壁１００に取り付けられる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａが高温側である炉内に向き、冷却面１０ｂが低温側である炉外に向いた状態となる。
具体的には、炉壁１００の開口１００ａにケース６０の収容部６１を嵌合させるとともに、フランジ部６２を炉壁１００にねじ止めすることにより、熱電発電装置１が炉壁１００に取り付けられる。熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａが高温側である炉内に向き、冷却面１０ｂが低温側である炉外に向いた状態となる。
ケース６０に形成された高温側開口６１ｂは受熱板２０によって完全に閉塞されている（すなわち炉壁１００に形成された開口１００ａが受熱板２０Ａ、２０Ｂによって閉塞されている）ので、炉内の高温ガスが熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂ側に回り込むことはない。
予熱炉において銅材が加熱されると、このときに発生する熱が、受熱板２０Ａ、２０Ｂによって吸収され、熱電変換モジュール１０に伝達される。これにより、熱電変換モジュール１０の加熱面１０ａが高温（例えば７００℃）に加熱される。一方、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂは水冷板３０によって低温（例えば８０℃）に保持される。
熱電変換モジュール１０の両面間には数百℃の温度差が生じ、この温度差に応じて起電力が生じる。この電力は、熱電変換モジュール１０に接続された電流リード１４、１５を介して取り出される（図１参照）。
熱電変換モジュール１０の両面間には数百℃の温度差が生じ、この温度差に応じて起電力が生じる。この電力は、熱電変換モジュール１０に接続された電流リード１４、１５を介して取り出される（図１参照）。
このように、第２の実施の形態に係る熱電発電装置１は、炉壁１００に形成された開口１００ａを閉塞する受熱板２０と、加熱面１０ａ（一方の面）を受熱板２０に向けて配置され、加熱面１０ａと冷却面１０ｂ（他方の面）との温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂに、密着、固定して取り付けられる水冷板３０と、水冷板３０及び熱電変換モジュール１０からなる複合体２５を受熱板２０に付勢する付勢部材５０を備える。
また、受熱板２０は２つの受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に六方晶系窒化ホウ素からなる柔軟層４０が介装されている。
また、受熱板２０は２つの受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間に六方晶系窒化ホウ素からなる柔軟層４０が介装されている。
第２の実施の形態の熱電発電装置１においては、受熱板２０が受熱板２０Ａ、２０Ｂに分割されているので、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０の間に隙間が生じにくくなり、生じたとしても数百μｍオーダー以下に抑制される。また、稼働時に受熱板２０Ａ、２０Ｂが熱変形しても、ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０が受熱板２０Ａ、２０Ｂの変形に追随して塑性変形するので、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間の隙間が低減される。さらには、付勢部材５０により、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との密着性、及び熱電変換モジュール１０と水冷板３０との密着性が確保される。
したがって、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間及び水冷板３０と熱電変換モジュール１０間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置１の発電効率が格段に向上する。よって、第２の実施の形態の熱電発電装置１は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
また、ｈ−ＢＮは優れた耐熱性を有するので、第２の実施の形態の熱電発電層１は６００℃以上の高温環境下でも使用可能となる。
したがって、受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０間及び水冷板３０と熱電変換モジュール１０間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置１の発電効率が格段に向上する。よって、第２の実施の形態の熱電発電装置１は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
また、ｈ−ＢＮは優れた耐熱性を有するので、第２の実施の形態の熱電発電層１は６００℃以上の高温環境下でも使用可能となる。
［実施例２−１］
実施例２−１では、受熱板２０を３２分割して１１０×５５ｍｍサイズ（対角線長さ：１２３ｍｍ）とし、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間にｈ−ＢＮからなる柔軟層４０を介装させ、付勢部材５０によって受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を弾性保持した熱電発電装置１を作製した。
また、熱電変換モジュール１０における低温側絶縁基板１３はＡｌ2Ｏ3板で構成し、柔軟層４０の塗布量は４０ｇ／ｍ2とし、付勢部材５０による付勢力は６３ｋＰａとした。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
実施例２−１では、受熱板２０を３２分割して１１０×５５ｍｍサイズ（対角線長さ：１２３ｍｍ）とし、受熱板２０と熱電変換モジュール１０の間にｈ−ＢＮからなる柔軟層４０を介装させ、付勢部材５０によって受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を弾性保持した熱電発電装置１を作製した。
また、熱電変換モジュール１０における低温側絶縁基板１３はＡｌ2Ｏ3板で構成し、柔軟層４０の塗布量は４０ｇ／ｍ2とし、付勢部材５０による付勢力は６３ｋＰａとした。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
［比較例２−１］
比較例２−１では、実施例２−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０を分割することなく４４０×４４０ｍｍサイズとした。なお、比較例２−１では、ケース６０の高温側開口６１ｂは中枠６３で区画されていない。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
比較例２−１では、実施例２−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０を分割することなく４４０×４４０ｍｍサイズとした。なお、比較例２−１では、ケース６０の高温側開口６１ｂは中枠６３で区画されていない。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
［比較例２−２］
比較例２−２では、実施例２−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に柔軟層４０を介装させず、受熱板２０と熱電変換モジュール１０を直接接着した。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
比較例２−２では、実施例２−１に係る熱電発電装置１において、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に柔軟層４０を介装させず、受熱板２０と熱電変換モジュール１０を直接接着した。また、適当な表面研磨加工を施すことにより、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａを６μｍ、４２μｍとした２つの熱電発電装置１を用意した。
［比較例２−３］
比較例２−３では、実施例２−１に係る熱電発電装置１において、付勢部材５０を用いずに、水冷板３０の背面にボルト８０を締め付けて固定した。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
比較例２−３では、実施例２−１に係る熱電発電装置１において、付勢部材５０を用いずに、水冷板３０の背面にボルト８０を締め付けて固定した。また、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さは６μｍとした。
実施例２−１及び比較例２−１〜２−３の熱電発電装置について、受熱板２０を８５０℃で加熱し、水冷板３０を３０℃で冷却したときの開放電圧を測定し、それぞれの発電効率を評価した。評価結果を表８に示す。
表８に示すように、実施例２−１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）と比較例２−１の評価結果より、受熱板２０を分割することで発電効率を改善できることが確認された。受熱板２０を分割することにより、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されたためと考えられる。
表８に示すように、実施例２−１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）と比較例２−１の評価結果より、受熱板２０を分割することで発電効率を改善できることが確認された。受熱板２０を分割することにより、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されたためと考えられる。
また、実施例２−１と比較例２−２の評価結果より、受熱板２０と熱電変換モジュール間にｈ−ＢＮからなる柔軟層４０を介装させることで発電効率を改善できることが確認された。ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０を介装させることにより、受熱板２０が熱変形しても、界面熱抵抗に影響を及ぼす隙間が低減されたためと考えられる。
また、実施例２−１、比較例２−２の評価結果より、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、開放電圧が大きくなることが確認された。受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されるためと考えられる。
また、実施例２−１、比較例２−２の評価結果より、受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、開放電圧が大きくなることが確認された。受熱板２０のモジュール接触面の表面粗さＲａが小さいほど、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が低減されるためと考えられる。
また、実施例２−１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）と比較例２−３の評価結果より、受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を、付勢部材を介して固定することで発電効率を改善できることが確認された。受熱板２０、熱電変換モジュール１０、及び水冷板３０を弾性保持することにより、受熱板２０が熱変形した際にも、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間及び熱電変換モジュール１０と水冷板３０間の密着性が確保されたためと考えられる。
［実施例２−２］
実施例２−２では、実施例２−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）において、付勢部材５０による付勢力を、９〜６６ｋＰａとして、付勢部材５０による付勢力の最適範囲を確認した。評価結果を表９に示す。
表９より、付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａ以上の場合に、４７Ｖ程度の開放電圧が得られた。付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａよりも小さいと、受熱板２０が熱変形することにより受熱板２０と複合体２５の密着性が損なわれるため、開放電圧が若干小さくなったと考えられる。
なお、発電効率の観点からは付勢部材５０による付勢力の上限は規定されないが、６４ｋＰａよりも大きいと受熱板２０又は複合体２５を破損させる虞があるため、付勢部材５０による付勢力は６４ｋＰａ以下とするのが望ましい。
実施例２−２では、実施例２−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）において、付勢部材５０による付勢力を、９〜６６ｋＰａとして、付勢部材５０による付勢力の最適範囲を確認した。評価結果を表９に示す。
表９より、付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａ以上の場合に、４７Ｖ程度の開放電圧が得られた。付勢部材５０による付勢力が２４ｋＰａよりも小さいと、受熱板２０が熱変形することにより受熱板２０と複合体２５の密着性が損なわれるため、開放電圧が若干小さくなったと考えられる。
なお、発電効率の観点からは付勢部材５０による付勢力の上限は規定されないが、６４ｋＰａよりも大きいと受熱板２０又は複合体２５を破損させる虞があるため、付勢部材５０による付勢力は６４ｋＰａ以下とするのが望ましい。
［実施例２−３］
実施例２−３では、実施例２−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）において、ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０の塗布量を、０．２〜６０．０ｇ／ｍ2として、柔軟層４０の塗布量の最適範囲を確認した。評価結果を表１０に示す。
表１０より、柔軟層４０の塗布量が１．０ｇ／ｍ2以上の場合に、４７Ｖ程度の開放電圧が得られた。柔軟層４０の塗布量が１．０ｇ／ｍ2よりも少ないと、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に生じる隙間を埋める効果が低いため、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が十分に低減されないためと考えられる。
また、柔軟層４０の塗布量が５０．０ｇ／ｍ2を超えると、開放電圧が低下した。塗布量が多いほど受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との隙間を埋める効果は高まるが、逆に柔軟層４０自身の熱抵抗が増大するため、発電効率が低下したと考えられる。
実施例２−３では、実施例２−１の熱電発電装置１（モジュール接触面の表面粗さが６μｍのもの）において、ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０の塗布量を、０．２〜６０．０ｇ／ｍ2として、柔軟層４０の塗布量の最適範囲を確認した。評価結果を表１０に示す。
表１０より、柔軟層４０の塗布量が１．０ｇ／ｍ2以上の場合に、４７Ｖ程度の開放電圧が得られた。柔軟層４０の塗布量が１．０ｇ／ｍ2よりも少ないと、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間に生じる隙間を埋める効果が低いため、受熱板２０と熱電変換モジュール１０間の界面熱抵抗が十分に低減されないためと考えられる。
また、柔軟層４０の塗布量が５０．０ｇ／ｍ2を超えると、開放電圧が低下した。塗布量が多いほど受熱板２０Ａ、２０Ｂと熱電変換モジュール１０との隙間を埋める効果は高まるが、逆に柔軟層４０自身の熱抵抗が増大するため、発電効率が低下したと考えられる。
［第３の実施の形態］
図６は、第３の実施の形態の熱電発電装置の断面図である。なお、図３では熱電発電装置２を炉壁１００に取り付けた状態を示している。図６において、第１の実施の形態と同一又は対応する構成要素については、同一の符号を付して示し、詳細な説明については省略する。
図６は、第３の実施の形態の熱電発電装置の断面図である。なお、図３では熱電発電装置２を炉壁１００に取り付けた状態を示している。図６において、第１の実施の形態と同一又は対応する構成要素については、同一の符号を付して示し、詳細な説明については省略する。
図６に示すように、熱電発電装置２は、熱電変換モジュール１０、受熱板２０、水冷板３０、及び付勢部材５０等が、ケース６０内に収容された構成を有する。第３の実施の形態に係る熱電発電装置２においては、熱電変換モジュール１０が２つの熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂに分割され、また水冷板３０も熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂに対応するように２つの水冷板３０Ａ、３０Ｂに分割されている。すなわち、熱電発電装置２は、熱電変換モジュール１０Ａと水冷板３０Ａからなる複合体２５Ａ、及び熱電変換モジュール１０Ｂと水冷板３０Ｂからなる複合体２５Ｂを有する。
また、第３の実施の形態では、受熱板２０は分割されていないので、ケース６０に中枠６３（図４参照）は形成されていない。すなわち、受熱板２０の周縁部は、ケース６０の底面によって炉内側から支持される。
複合体２５Ａ、２５Ｂは、水冷板３０Ａ、３０Ｂの背面に配置された付勢部材５０により、受熱板２０に対して付勢される。付勢部材５０は、受熱板２０に対して複合体２５Ａ、２５Ｂを効果的に付勢できるように、例えば水冷板３０Ａ、３０Ｂのそれぞれの周縁部（例えば矩形の４隅）に配置される。
また、第３の実施の形態では、柔軟層４０はグラファイトシートで構成される。
また、第３の実施の形態では、柔軟層４０はグラファイトシートで構成される。
このように、第３の実施の形態に係る熱電発電装置２は、炉壁１００に形成された開口１００ａを閉塞する受熱板２０と、加熱面１０ａ（一方の面）を受熱板２０に向けて配置され、加熱面１０ａと冷却面１０ｂ（他方の面）との温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂに、密着、固定して取り付けられる水冷板３０と、水冷板３０及び熱電変換モジュール１０からなる複合体２５を受熱板２０に付勢する付勢部材５０を備える。
また、複合体２５は２つの複合体２５Ａ、２５Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂの間にグラファイトシートからなる柔軟層４０が介装されている。
また、複合体２５は２つの複合体２５Ａ、２５Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂの間にグラファイトシートからなる柔軟層４０が介装されている。
図７に示すように、稼働時には、受熱板２０は熱変形（熱膨張）により少なからず湾曲する。従来の熱電発電装置５においては、この隙間が断熱層となり、受熱板２０から熱電変換モジュール１０への伝熱が大幅に阻害されるため、発電効率が著しく低下していた（図３参照）。
これに対して、第３の実施の形態の熱電発電装置２においては、複合体２５が複合体２５Ａ、２５Ｂに分割され、それぞれが受熱板２０に対して付勢されているので、稼働時に受熱板２０が熱変形したときに生じる隙間は数百μｍオーダー以下に抑制される。また、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、グラファイトシートからなる柔軟層４０が受熱板２０の変形に追随して弾塑性変形するので、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間に隙間が生じることはない。さらには、付勢部材５０により、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂとの密着性、及び熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂと水冷板３０Ａ、３０Ｂとの密着性が確保される。
したがって、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間及び水冷板３０Ａ、３０Ｂと熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置２の発電効率が格段に向上する。よって、第３の実施の形態の熱電発電装置２は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
これに対して、第３の実施の形態の熱電発電装置２においては、複合体２５が複合体２５Ａ、２５Ｂに分割され、それぞれが受熱板２０に対して付勢されているので、稼働時に受熱板２０が熱変形したときに生じる隙間は数百μｍオーダー以下に抑制される。また、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、グラファイトシートからなる柔軟層４０が受熱板２０の変形に追随して弾塑性変形するので、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間に隙間が生じることはない。さらには、付勢部材５０により、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂとの密着性、及び熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂと水冷板３０Ａ、３０Ｂとの密着性が確保される。
したがって、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間及び水冷板３０Ａ、３０Ｂと熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置２の発電効率が格段に向上する。よって、第３の実施の形態の熱電発電装置２は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態では、図６における柔軟層４０が六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）で構成されている。その他の構成は第３の実施の形態と同じであるので説明を省略する。
すなわち、第４の実施の形態の熱電発電装置２は、炉壁１００に形成された開口１００ａを閉塞する受熱板２０と、加熱面１０ａ（一方の面）を受熱板２０に向けて配置され、加熱面１０ａと冷却面１０ｂ（他方の面）との温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂに、密着、固定して取り付けられる水冷板３０と、水冷板３０及び熱電変換モジュール１０からなる複合体２５を受熱板２０に付勢する付勢部材５０を備える。
また、複合体２５は２つの複合体２５Ａ、２５Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂの間に六方晶系窒化ホウ素からなる柔軟層４０が介装されている。
第４の実施の形態では、図６における柔軟層４０が六方晶系窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）で構成されている。その他の構成は第３の実施の形態と同じであるので説明を省略する。
すなわち、第４の実施の形態の熱電発電装置２は、炉壁１００に形成された開口１００ａを閉塞する受熱板２０と、加熱面１０ａ（一方の面）を受熱板２０に向けて配置され、加熱面１０ａと冷却面１０ｂ（他方の面）との温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュール１０と、熱電変換モジュール１０の冷却面１０ｂに、密着、固定して取り付けられる水冷板３０と、水冷板３０及び熱電変換モジュール１０からなる複合体２５を受熱板２０に付勢する付勢部材５０を備える。
また、複合体２５は２つの複合体２５Ａ、２５Ｂに分割され、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂの間に六方晶系窒化ホウ素からなる柔軟層４０が介装されている。
第４の実施の形態の熱電発電装置２においては、複合体２５が複合体２５Ａ、２５Ｂに分割され、それぞれが受熱板２０に対して付勢されているので、稼働時に受熱板２０が熱変形したときに生じる隙間は数百μｍオーダー以下に抑制される。また、稼働時に受熱板２０が熱変形しても、ｈ−ＢＮからなる柔軟層４０が受熱板２０の変形に追随して塑性変形するので、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間の隙間が低減される。さらには、付勢部材５０により、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂとの密着性、及び熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂと水冷板３０Ａ、３０Ｂとの密着性が確保される。
したがって、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間及び水冷板３０Ａ、３０Ｂと熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置２の発電効率が格段に向上する。よって、第２の実施の形態の熱電発電装置２は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
また、ｈ−ＢＮは優れた耐熱性を有するので、熱電発電装置２は６００℃以上の高温環境下でも使用可能となる。
したがって、受熱板２０と熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間及び水冷板３０Ａ、３０Ｂと熱電変換モジュール１０Ａ、１０Ｂ間における界面熱抵抗が低減されるので、熱電発電装置２の発電効率が格段に向上する。よって、第２の実施の形態の熱電発電装置２は、工業炉で発生する廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、極めて有効である。
また、ｈ−ＢＮは優れた耐熱性を有するので、熱電発電装置２は６００℃以上の高温環境下でも使用可能となる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、受熱板２０又は複合体２５の分割数は制限されず、熱電発電装置１、２を稼働したときの高温環境において隙間が生じない範囲、すなわち受熱板２０と熱電変換モジュール１０の密着性が損なわれない範囲で適宜変更することができる。
例えば、受熱板２０又は複合体２５の分割数は制限されず、熱電発電装置１、２を稼働したときの高温環境において隙間が生じない範囲、すなわち受熱板２０と熱電変換モジュール１０の密着性が損なわれない範囲で適宜変更することができる。
熱電発電装置１、２は、ＤＩＰフォーミング方式の銅線製造設備を構成する溶解炉や保持炉、その他の工業炉（焼却炉等）に設置することができる。
なお、グラファイトシート４０は、６００℃以上の温度環境下では分解する虞があるため、熱電発電装置１，２の使用環境は６００℃未満であることが望ましい。
なお、グラファイトシート４０は、６００℃以上の温度環境下では分解する虞があるため、熱電発電装置１，２の使用環境は６００℃未満であることが望ましい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１、２ 熱電発電装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ 熱電変換モジュール
２０、２０Ａ、２０Ｂ 受熱板
２５、２５Ａ、２５Ｂ 複合体
３０、３０Ａ、３０Ｂ 水冷板
４０ 柔軟層（グラファイトシート、六方晶系窒化ホウ素）
５０ 付勢部材
６０ ケース
７０ 補強梁
１００ 炉壁
１０、１０Ａ、１０Ｂ 熱電変換モジュール
２０、２０Ａ、２０Ｂ 受熱板
２５、２５Ａ、２５Ｂ 複合体
３０、３０Ａ、３０Ｂ 水冷板
４０ 柔軟層（グラファイトシート、六方晶系窒化ホウ素）
５０ 付勢部材
６０ ケース
７０ 補強梁
１００ 炉壁
Claims (8)
- 熱源に向けて配置される一枚の受熱板と、
一方の面を前記受熱板に向けて配置され、前記一方の面と他方の面との温度差を利用して発電出力を得る一つの熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールの他方の面に、密着、固定して取り付けられる一枚の水冷板と、
前記水冷板及び前記熱電変換モジュールからなる複合体の周縁部に配置され、前記複合体を前記受熱板に付勢する付勢部材と、を備え、
前記受熱板又は前記複合体の何れか一方が分割構造を有し、
前記受熱板と前記熱電変換モジュールの間に柔軟層が介装されていることを特徴とする熱電発電装置。 - 前記柔軟層が、六方晶系窒化ホウ素で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
- 前記六方晶系窒化ホウ素の粒径が、８．０〜１２．０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
- 前記柔軟層が、グラファイトシートで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
- 前記グラファイトシートの厚さが、０．２〜２．０ｍｍであることを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。
- 前記熱電変換モジュールの低温側絶縁基板が、Ａｌ2Ｏ3又はＡｌＮで形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
- 前記付勢部材による付勢力が、２４〜６４ｋＰａであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
- 前記受熱板又は前記複合体が、対角線の長さが９０〜１６０ｍｍの矩形状に分割されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電発電装置。
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