JP6317113B2

JP6317113B2 - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP6317113B2
Application number: JP2014002107A
Authority: JP
Inventors: 泰隆吉田; 中島　健一朗; 健一朗中島
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-01-09
Also published as: JP2015130455A; CN204179110U; DE202014009040U1

Description

本発明は、熱電半導体を用いた熱電変換素子に加わる温度差を利用して発電を行う熱電変換装置に関する。

従来より、トムソン効果、ペルチェ効果あるいはゼーベック効果等の熱電効果を発揮する熱電半導体を用いた熱電変換素子によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置が知られている。
この種の熱電変換装置は、高温環境下に設置されることが多く、温度上昇に起因する熱電変換素子の劣化を抑制するため、気密性を有する容器（筐体）内に複数の熱電変換素子を収容した構成を採用することが多い。

このような熱電変換装置として、加熱側ケース半体および冷却側ケース半体を含み、冷却側ケース半体と加熱側ケース半体との境界部を側面が周方向に波形を成している可撓面で構成した気密ケースの内部に複数の熱電変換モジュールを収容するとともに、これら複数の熱電変換モジュールの一端側を加熱側ケース半体に、これら複数の熱電変換モジュールの他端側を冷却側ケース半体に、それぞれ接触させるようにしたものが知られている（特許文献１参照）。

また、放熱基板と蓋体との間に形成された気密空間の内部に熱電変換素子を狭持するようにした熱電発電モジュールのケーシングにおいて、蓋体を、金属板を加工することにより、吸熱面部と、吸熱面部と放熱基板との間の側壁を形成する枠体部と、放熱基板に対向するフランジ部とを一体成型により形成し、放熱基板に対し、吸熱面部あるいはフランジ部を圧縮した状態で、フランジ部を放熱基板に気密に接合し、かつ、枠体部の中間部には、放熱基板に対し吸熱面部あるいはフランジ部を圧縮する際、および、吸熱面部の加熱に伴い蓋体が熱膨張する際、他の部分に先んじて屈曲して圧縮力および熱膨張を吸収し、放熱基板と吸熱面部とによる熱電変換素子に対する狭持力を保持する屈曲部を形成したものが知られている（特許文献２参照）。

さらに、金属部材で内部空間が構成され、第１の主面と第２の主面とが互いに離間し対向する密閉容器と、第１の主面上に形成される絶縁層と、絶縁層表面に設けられる配線層と、配線層上に一端が固着されて載置され、電気的に接続される複数の熱電変換素子と、熱電変換素子の他端に配置され、複数の熱電変換素子間を電気的に接続する金属細線網と、金属細線網と第２の主面との間に設けられた絶縁部材と、を備え、密閉容器は、熱電変換素子の上面および側面を覆うように一体部材で形成された蓋を有する熱電変換装置が知られている（特許文献３参照）。

特開２０１１−２３８６９３号公報特開２０１２−１５６２２７号公報特許第４９０１３５０号公報

しかしながら、容器内に複数の熱電変換素子を収容する構成を採用した場合には、容器内における熱電変換素子の位置に応じて、熱電変換素子と容器との密着状態が異なることがあった。このような状態では、熱電変換素子と容器との密着状態が良好な部位とそうではない部位とで、熱電変換効率に違いが生じることとなってしまう。また、容器を介して一部の熱電変換素子に著しく大きな荷重がかかってしまうような場合にあっては、この熱電変換素子に割れ等の損傷が生じてしまうおそれがあった。
本発明は、熱電変換モジュールにかかる荷重の偏りに起因した熱電変換素子の損傷を抑制することを目的とする。

本発明の熱電変換装置は、底部と、当該底部と空間を隔てて対向する天井部と、当該底部と当該天井部との間に配置されるとともに伸縮可能に設けられたベローズ部とを有し、内部には空間が形成される容器と、複数の熱電変換素子を並べて構成されるとともに前記容器の前記内部に収容される熱電変換モジュールと、前記容器の前記内部に収容され、前記天井部から前記底部に向かう荷重が付与されることで前記底部との間に前記熱電変換モジュールを挟み込むとともに、当該熱電変換モジュールにおける当該天井部側を冷却する冷却部と、それぞれが前記天井部から前記冷却部に向かって伸びる柱状に形成され、前記容器の前記内部に収容されるとともに当該天井部と当該冷却部との間に並べて配置され、当該天井部にかかる荷重を当該冷却部に伝達する複数の伝達部材と、前記容器の外側にて前記天井部に対向し且つ当該天井部を介して複数の前記伝達部材のそれぞれと対向する位置に設けられ、当該天井部、複数の当該伝達部材および前記冷却部を介して前記熱電変換モジュールに付与する荷重をそれぞれ独立して調整可能な複数の荷重調整部とを含んでいる。
このような熱電変換装置において、前記底部に対向して設けられる床板と、前記天井部に対向して設けられる天井板と、前記容器の外側で前記床板と前記天井板とを接続する接続部とをさらに含み、複数の前記荷重調整部のそれぞれは、前記天井部と前記天井板との間に配置される弾性部材と、前記天井板に対して前記天井部から前記底部に向かう方向に進退自在に取り付けられ、当該天井部との間に前記弾性部材を挟み込むことで当該弾性部材を介して当該天井部に付与する荷重を調整する調整部材とを有することを特徴とすれば、荷重調整部による容器への荷重の付与がより安定して行える点で好ましい。
さらにまた、前記熱電変換素子は、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体で構成されることを特徴とすれば、より高温の環境下にて熱電変換を行うことができる点で好ましい。

本発明によれば、熱電変換モジュールにかかる荷重の偏りに起因した熱電変換素子の損傷を抑制することができる。

実施の形態が適用される熱電変換システムの上面図である。図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図１におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。熱電変換モジュールの構成を説明するための斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態が適用される熱電変換システム１の上面図である。また、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図であり、図３は図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ断面図であり、図４は図１におけるＩＶ−ＩＶ断面図である。この熱電変換システム１は、例えば、ゴミ焼却場において発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる。

本実施の形態の熱電変換システム１は、燃焼等によって発生した高温の排気ガスが通過する排気ダクト３と、排気ダクト３を通過する排気ガスの熱を電力に変換する熱電変換装置２と、排気ダクト３に熱電変換装置２を装着するための取付部４とを備えている。

ここで、排気ダクト３は、例えばステンレス等からなる金属板を組み立てて構成されるものであって、この例においては、最高で８００℃程度まで加熱された排気ガスが内部を通過するようになっている。

また、熱電変換装置２は、正方形状に形成されるとともにその裏面側が排気ダクト３と接する（あるいは排気ダクト３内に露出する）ように設けられた床板１０と、床板１０の表面側に搭載されるとともに後述する熱電変換モジュール４０等を内部に収容する容器２０とを備えている。ここで、容器２０は、円形状に形成されるとともにその裏面が床板１０の表面と接するように設けられた容器底部２１（底部の一例）と、円筒状且つその外周面が蛇腹状に形成されるとともにその下側が容器底部２１の表面と接するように設けられたベローズ部２２と、円形状に形成されるとともにその裏面がベローズ部２２の上側と接するように設けられた容器天井部２３（天井部の一例）とを有している。そして、容器底部２１およびベローズ部２２はボルト等を用いて結合されるとともに、ベローズ部２２および容器天井部２３もボルト等を用いて結合されることで、一体化した容器２０を構成している。この容器２０は、容器底部２１と容器天井部２３との間に加わる荷重に応じてベローズ部２２が伸縮し、その結果、容器底部２１と容器天井部２３との間の距離を変更できるようになっている。すなわち、床板１０に搭載された容器２０は、上方向Ａおよび下方向Ｂに伸縮可能な構成を有している。

さらに、熱電変換装置２は、円形状に形成されるとともにその裏面が容器２０の内部に露出する容器底部２１の表面と接するように設けられることにより、床板１０および容器底部２１を介して排気ダクト３から熱を受ける受熱板３０と、受熱板３０の表面側に搭載され、受熱板３０の熱を電力に変換する複数の熱電変換モジュール４０とを備える。なお、熱電変換モジュール４０の構成については後述する。

さらにまた、熱電変換装置２は、容器２０の内部において複数の熱電変換モジュール４０を冷却する冷却機構５０を備えている。この冷却機構５０は、複数の熱電変換モジュール４０の上方に配置され、受熱板３０との間に複数の熱電変換モジュール４０を挟み込むとともに、その内側には水が通過する経路（図示せず）が設けられた冷却部の一例としての水冷ジャケット５１と、水冷ジャケット５１の表面側に取り付けられ、水冷ジャケット５１に対する水の供給および排出を行う２本の水冷パイプ５２とを有している。ここで、２本の水冷パイプ５２は、容器２０の容器天井部２３に設けられた孔を貫通し、容器２０の内部から容器２０の上方に突出するように設けられている。

また、熱電変換装置２は、それぞれが円柱状に形成されるとともに、容器２０の内部において、それぞれの下側の端部が水冷ジャケット５１の表面に突き当てられ、且つ、それぞれの上側の端部が容器天井部２３の裏面に突き当てられるように設けられた、４本の押さえ棒６０を有している。これら４本の押さえ棒６０は、熱電変換装置２を上方からみたときに、容器２０の容器天井部２３の円中央を中心とした正方形の４つの頂点のそれぞれに位置するようになっている。

さらに、熱電変換装置２は、それぞれが容器２０の容器天井部２３に設けられた孔を貫通して配置された、１つの電流導入端子７０、１つの熱電対ポート８０および２本の脱気・ガス導入管９０を備えている。ここで、電流導入端子７０は、容器２０の内部に設けられた熱電変換モジュール４０で発生した電気エネルギー（電流）を、容器２０の外部へと導くためのものである。また、熱電対ポート８０は、容器２０の外部から、容器２０の内部の温度を測定するための熱電対（図示せず）を、容器２０の内部に挿入するためのものである。さらに、２本の脱気・ガス導入管９０は、容器２０の内部を真空引きしたり、容器２０の内部を空気や不活性ガス（例えばＡｒ（アルゴン））によって充填したりするためのものである。

さらにまた、熱電変換装置２は、十字状に形成されるとともに容器２０の上方において容器天井部２３と間隔を空けて配置される天井板１００と、それぞれが円柱状に形成され、一端が床板１０に取り付けられるとともに他端が天井板１００の端部に取り付けられることで床板１０側から天井板１００を支持する４本の支柱１１０と、各支柱１１０の一端側（下端側）を床板１０に固定する床固定部１２０と、各支柱１１０の他端側（上端側）を天井板１００に固定する天井固定部１３０とを備える。ここで、各支柱１１０のそれぞれは、外周面にネジ山が切られたボルトで構成されている。これに対し、各床固定部１２０および各天井固定部１３０は、それぞれ、対応する支柱１１０（ボルト）と対をなすナットで構成されている。そして、各支柱１１０は、容器２０の外側において容器２０を取り囲むように配置されている。これら４本の支柱１１０は、熱電変換装置２を上方からみたときに、天井板１００の中央を中心とした正方形の４つの頂点のそれぞれに位置するようになっている。

また、熱電変換装置２は、天井板１００と容器２０の容器天井部２３との間であって各押さえ棒６０の上方となる位置に配置される４つのバネ１４０と、容器２０の容器天井部２３の表面側であって各押さえ棒６０の上方となる位置に突出して設けられ、対応するバネ１４０の下側を支持する４つのバネ受け部１５０と、それぞれが天井板１００に設けられた孔を貫通して設けられ、天井板１００の裏面側であって各押さえ棒６０の上方となる位置に突出して配置され、対応するバネ１４０の上側を保持する４つのバネ保持部１６０とを備えている。ここで、各バネ保持部１６０は、外周面にネジ山が切られたボルトで構成されており、天井板１００に設けられた各孔には、このネジ山に対応するネジ溝（図示せず）が形成されている。そして、天井板１００に対する各バネ保持部１６０のねじ込み量を調整することで、天井板１００からバネ保持部１６０、バネ１４０およびバネ受け部１５０を介して容器２０（容器天井部２３）に加える荷重を調整できるようになっている。ここで、天井板１００において、バネ保持部１６０用に設けられる各孔は、支柱１１０用に設けられる各孔に比べて、天井板１００の中心側に位置している。

本実施の形態では、４つのバネ１４０と４つのバネ受け部１５０と４つのバネ保持部１６０とが、複数の荷重調整部としての機能を有している。また、バネ１４０が弾性部材として、バネ保持部１６０が調整部材として、それぞれ機能している。さらに、４つの支柱１１０が接続部としての機能を有している。さらにまた、４つの押さえ棒６０が、複数の伝達部材として機能している。

なお、熱電変換装置２において、床板１０、容器２０、冷却機構５０、押さえ棒６０、熱電対ポート８０、脱気・ガス導入管９０、天井板１００、支柱１１０、床固定部１２０、天井固定部１３０、バネ１４０、バネ受け部１５０およびバネ保持部１６０は、耐熱性および耐食性に優れるステンレス鋼で構成されている。ただし、冷却機構５０における水冷ジャケット５１のうち熱電変換モジュール４０と対向する部位については、例えば耐熱性および絶縁性に優れるセラミックス材料（例えばアルミナセラミックス）で構成されている。一方、受熱板３０は、例えば耐熱性および絶縁性に優れるセラミックス材料（例えばアルミナセラミックス）で構成されている。

また、取付部４は、額縁状（口の字状）に形成されるとともに、排気ダクト３に対して熱電変換装置２における床板１０の外縁部を押さえつける固定用板４ａと、排気ダクト３に対して固定用板４ａをネジ止めすることで、排気ダクト３に対し、床板１０を介して熱電変換装置２を固定する固定用ボルト４ｂとを備えている。なお、これら固定用板４ａおよび固定用ボルト４ｂも、耐熱性および耐食性に優れるステンレス鋼で構成される。

次に、熱電変換装置２に設けられた熱電変換モジュール４０について説明を行う。
図５は、熱電変換モジュール４０の構成を説明するための斜視図である。ただし、図５には、熱電変換モジュール４０が搭載される受熱板３０を、併せて示している。

本実施の形態の熱電変換モジュール４０は、複数のｐ型熱電変換素子４１と複数のｎ型熱電変換素子４２とを、ｐ型熱電変換素子４１とｎ型熱電変換素子４２とが交互となるように複数の電極４３を介して接合し、さらに、複数の電極４３のうち下方側に位置する一部の電極４３を、接合部４４を介して受熱板３０に接合した構成となっている。ここで、複数のｐ型熱電変換素子４１と複数のｎ型熱電変換素子４２とは、交互に間隔をおいて配置されるとともに、隣接するｐ型熱電変換素子４１とｎ型熱電変換素子４２とが、電気的には直列に配置され、熱的には並列に配置された構成となっている。なお、図５には、受熱板３０の上に１つの熱電変換モジュール４０が搭載されている場合を示しているが、本実施の形態の熱電変換装置２では、実際には、受熱板３０の上に複数の熱電変換モジュール４０が搭載されていることになる。

本実施の形態において、ｐ型熱電変換素子４１およびｎ型熱電変換素子４２は、それぞれが直方体状の形状を有している。また、ｐ型熱電変換素子４１は、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有し且つｐ型不純物が添加された熱電半導体によって、ｎ型熱電変換素子４２は、Ｓｂ（アンチモン）を含む充填スクッテルダイト構造を有し且つｎ型不純物が添加された熱電半導体によって、それぞれ構成されている。なお、ｐ型熱電変換素子４１と対応する電極４３との間およびｎ型熱電変換素子４２と対応する電極４３との間には、必要に応じて、これらの間にかかる応力を緩和する応力緩和層を設けることができる。

では次に、本実施の形態の熱電変換システム１による発電動作（熱電変換動作）について説明を行う。
なお、初期状態すなわち排気ダクト３内を高温に熱せられた排気ガスが通過する前の状態で、熱電変換装置２では、脱気・ガス導入管９０を用いた容器２０内部の脱気が行われ、その後、脱気・ガス導入管９０を用いた容器２０内へのＡｒガスの供給が行われる。これにより、容器２０は、その内部にＡｒガスが１気圧の圧力で充填された状態で密閉される。

次に、燃焼等に伴って高温に熱せられた排気ガスが排気ダクト３内を通過すると、熱電変換装置２では、この排気ガスにより、床板１０、容器２０の容器底部２１および受熱板３０を介して、熱電変換モジュール４０の下側が加熱される。一方、熱電変換装置２では、冷却機構５０により、水冷ジャケット５１を介して、熱電変換モジュール４０の上側が冷却される。その結果、熱電変換モジュール４０の下側と上側とに生じる温度差によって熱電変換が行われ、熱電変換モジュール４０は電流を出力する。そして、熱電変換モジュール４０から出力される電流は、電流導入端子７０を介して熱電変換装置２の外部に取り出される。

熱電変換装置２において、各熱電変換モジュール４０における熱電変換効率を向上させるためには、床板１０から容器底部２１および受熱板３０を介して熱電変換モジュール４０の裏面側に伝達される熱（高温度）の伝達効率を高めること、および、水冷ジャケット５１から熱電変換モジュール４０の表面側に伝達される熱（低温度）の伝達効率を高めること、が重要となる。これを簡易に実現するためには、床板１０から熱電変換モジュール４０の裏面側に至る各部材の密着性を高めること、また、水冷ジャケット５１と熱電変換モジュール４０の表面側との密着性を高めること、が要求される。

ここで、本実施の形態の熱電変換装置２では、容器２０内において、各熱電変換モジュール４０の裏面側は、受熱板３０を介して容器２０の容器底部２１に支持されている。また、容器２０内において、各熱電変換モジュール４０の表面側は、冷却機構５０の水冷ジャケット５１および４本の押さえ棒６０を介して容器２０の容器天井部２３に支持されている。さらに、容器２０において、容器底部２１および容器天井部２３はベローズ部２２を介して一体化しており、ベローズ部２２には、上下方向において縮もうとする力（下方向Ｂに向かう力）がかかっている。

このため、容器底部２１および受熱板３０の上に位置する各熱電変換モジュール４０には、ベローズ部２２、容器天井部２３、４本の押さえ棒６０および水冷ジャケット５１を介して、受熱板３０に押さえつけようとする荷重が加えられる。その結果、容器２０の内部では、容器底部２１と受熱板３０との密着度、受熱板３０と各熱電変換モジュール４０の裏面側との密着度、各熱電変換モジュール４０の表面側と水冷ジャケット５１との密着度が、それぞれ高まる。

また、本実施の形態の熱電変換装置２では、容器２０外において、容器２０の容器底部２１の裏面側は、床板１０に支持されている。また、容器２０外において、容器２０の容器天井部２３の表面側は、４つのバネ受け部１５０、４つのバネ１４０および４つのバネ保持部１６０を介して天井板１００に支持される。さらに、床板１０と天井板１００とは、４つの支柱１１０、４つの床固定部１２０および４つの天井固定部１３０を介して一体化している。さらにまた、天井板１００に取り付けられた各バネ保持部１６０と容器２０の容器天井部２３に設けられた各バネ受け部１５０とに挟み込まれた各バネ１４０には、上下方向において伸びようとする力がかかっている。

このため、容器２０の容器天井部２３には、各バネ１４０および各バネ受け部１５０を介して下側（床板１０側）に押さえつけようとする荷重が加えられる。その結果、床板１０と容器底部２１との密着度が高まる。また、各バネ１４０によって加えられる荷重により、容器２０の内部では、容器底部２１と受熱板３０との密着度、受熱板３０と各熱電変換モジュール４０の裏面側との密着度、各熱電変換モジュール４０の表面側と水冷ジャケット５１との密着度が、それぞれさらに高まる。

それゆえ、このような構成を採用することで、本実施の形態の熱電変換装置２における熱電変換効率を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態のように、複数の熱電変換素子を用いて熱電変換モジュール４０を構成する場合にあっては、熱電変換モジュール４０を構成する各熱電変換素子に対して荷重を均一に加えることが要求される。また、本実施の形態のように、複数の熱電変換モジュール４０を用いる場合にあっては、各熱電変換モジュール４０に対して荷重を均一に加えることが要求される。ここで、熱電変換モジュール４０に加える荷重に偏りが生じている場合には、相対的に大きな荷重が加わる部位については熱電変換モジュール４０と他の構成部材との密着性が高まる一方、相対的に小さな荷重が加わる部位については熱電変換モジュール４０と他の構成部材との密着性が低くなることとなり、結果として熱電変換効率の低下を招く。また、熱電変換モジュール４０に加わる荷重が著しく偏った場合、相対的に大きな荷重が加わる部位において、熱電変換素子に割れ等の損傷が生じる懸念もある。

これに対し、本実施の形態の熱電変換装置２では、天井板１００に取り付けられた４本のバネ保持部１６０を、それぞれ独立してねじ込み量を調整できるように構成した。すなわち、容器２０の外部から容器２０の内部に配置された複数の熱電変換モジュール４０に荷重を加える４本のバネ１４０に対し、それぞれ独立して荷重を調整できるようにした。これにより、各熱電変換モジュール４０に加えられる荷重および各熱電変換モジュール４０を構成する各熱電変換素子に加えられる荷重の偏りを抑制することが可能となり、偏荷重に起因する熱電変換効率の低下および一部の熱電変換素子の損傷を抑制することが可能になる。

なお、本実施の形態では、熱電変換素子として、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体を用いた場合を例として説明を行ったが、これに限られるものではなく、各種熱電半導体を材料とする熱電変換素子を採用した場合にも適用可能である。

１…熱電変換システム、２…熱電変換装置、３…排気ダクト、４…取付部、１０…床板、２０…容器、２１…容器底部、２２…ベローズ部、２３…容器天井部、３０…受熱板、４０…熱電変換モジュール、５０…冷却機構、６０…押さえ棒、７０…電流導入端子、８０…熱電対ポート、９０…脱気・ガス導入管、１００…天井板、１１０…支柱、１２０…床固定部、１３０…天井固定部、１４０…バネ、１５０…バネ受け部、１６０…バネ保持部

Claims

底部と、当該底部と空間を隔てて対向する天井部と、当該底部と当該天井部との間に配置されるとともに伸縮可能に設けられたベローズ部とを有し、内部には空間が形成される容器と、
複数の熱電変換素子を並べて構成されるとともに前記容器の前記内部に収容される熱電変換モジュールと、
前記容器の前記内部に収容され、前記天井部から前記底部に向かう荷重が付与されることで前記底部との間に前記熱電変換モジュールを挟み込むとともに、当該熱電変換モジュールにおける当該天井部側を冷却する冷却部と、
それぞれが前記天井部から前記冷却部に向かって伸びる柱状に形成され、前記容器の前記内部に収容されるとともに当該天井部と当該冷却部との間に並べて配置され、当該天井部にかかる荷重を当該冷却部に伝達する複数の伝達部材と、
前記容器の外側にて前記天井部に対向し且つ当該天井部を介して複数の前記伝達部材のそれぞれと対向する位置に設けられ、当該天井部、複数の当該伝達部材および前記冷却部を介して前記熱電変換モジュールに付与する荷重をそれぞれ独立して調整可能な複数の荷重調整部と
を含む熱電変換装置。
前記底部に対向して設けられる床板と、
前記天井部に対向して設けられる天井板と、
前記容器の外側で前記床板と前記天井板とを接続する接続部と
をさらに含み、
複数の前記荷重調整部のそれぞれは、
前記天井部と前記天井板との間に配置される弾性部材と、
前記天井板に対して前記天井部から前記底部に向かう方向に進退自在に取り付けられ、当該天井部との間に前記弾性部材を挟み込むことで当該弾性部材を介して当該天井部に付与する荷重を調整する調整部材と
を有することを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
前記熱電変換素子は、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体で構成されることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換装置。