JP6405130B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電発電装置に係り、特にその封止構造の改良に関する。

従来、受熱板と冷却板との間に複数の熱電発電モジュールを介装して構成された熱電発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の熱電発電装置では、熱電発電モジュール内の熱電素子への水分の付着によるマイグレーション等の発生を防止するために、受熱板と冷却板との間を耐熱性に優れた樹脂製のＯリングにて封止し、Ｏリングで囲まれた熱電発電モジュール内に水分が浸入するのを防いでいる。

一方、そのような耐熱性を有するＯリングが用いられた封止構造であっても、Ｏリングの耐熱性には限界があることから、熱による劣化をさらに抑制できる封止構造を有した熱電発電装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の熱電発電装置においては、樹脂製のＯリングを用いる代わりに、より耐熱性に優れた金属枠体を用いるとともに、この金属枠体と受熱板および冷却板とを接着剤等で接着している。

特開２０１３−０８０８８３号公報 特開２００７−２５８２９８号公報

しかしながら、特許文献２に記載の熱電発電装置のように、樹脂製のＯリングの代わりに金属枠体を用いると、受熱板で受けた熱が金属枠体を通して冷却板に伝達されてしまうため、熱電発電モジュール中を通る熱量が減少し、発電効率が大幅に低下するという問題がある。

本発明の目的は、高熱に曝されても封止性能を良好に維持でき、かつ発電効率の低下を防止できる熱電発電装置を提供することにある。

本発明の熱電発電装置は、受熱する受熱板と、前記受熱板よりも低温に維持される冷却板と、前記受熱板および前記冷却板の間に介装される熱電発電モジュールとを備え、前記熱電発電モジュールは、複数の熱電素子と、これらの熱電素子の周囲を囲う外側封止枠と、前記熱電素子および前記外側封止枠の少なくとも前記受熱板と対向する側を当該熱電素子および当該外側封止枠に亘って連続して覆う薄膜シートとを有し、前記受熱板と前記熱電発電モジュールとの間の前記外側封止枠に対応した部位には第１断熱層が形成されていることを特徴とする。

本発明の熱電発電装置において、前記受熱板と前記熱電発電モジュールとの間には、前記第１断熱層を避けるように伝熱層が形成されていることが好ましい。

本発明の熱電発電装置において、前記受熱板、前記冷却板、および前記熱電発電モジュールに亘って挿通されてこれらを互いに締結する締結手段を備え、前記熱電発電モジュールは、前記締結手段の周囲を囲う内側封止枠を有し、前記受熱板と前記熱電発電モジュールとの間の前記内側封止枠に対応した部位には第２断熱層が形成されていることが好ましい。

本発明の熱電発電装置において、前記受熱板と前記熱電発電モジュールとの間に、前記第１断熱層および前記第２断熱層が形成されている場合には、これら第１断熱層および第２断熱層の両方を避けるように伝熱層が形成されていることが好ましい。

本発明の熱電発電装置において、前記熱電発電モジュールは、前記受熱板および前記冷却板によって押圧された状態で介装され、前記締結手段は、前記熱電発電モジュールに前記受熱板および前記冷却板を介して押圧力を付与するコイルばねを備えていることが好ましい。

本発明の熱電発電装置において、前記外側封止枠および／または前記内側封止枠と前記薄膜シートとが互いに接合されていることが好ましい。

本発明の熱電発電装置において、前記薄膜シートは、一方の面に電気的な絶縁性を持つ材料、他方にガス（水蒸気）の透過性の低い材料を配置したラミネートタイプのシートが好ましく、具体的には、ポリイミド薄膜と、当該ポリイミド薄膜の一方の面の全体を覆う銅薄膜とを有して形成されているとともに、前記銅薄膜側を前記受熱板側および前記冷却板側に向くように、前記熱電素子および前記外側封止枠に対して前記受熱板と対向する側と前記冷却板と対向する側との両方に設けられていることが好ましい。

本発明によれば、従来の樹脂製のＯリングに代えて例えば金属製などの外側封止枠を用いることで、耐熱性能をより向上させることができ、熱電発電装置が高熱に曝されても封止性能を良好に維持できる。また、受熱板と熱電発電モジュールとの間には、外側封止枠に対応した部位に第１断熱層を形成しておくため、受熱板で受けた熱が外側封止枠に伝達されるのを抑制でき、この外側封止枠を通して冷却板に伝達される熱量を大幅に軽減できて、発電効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の分解斜視図。 熱電発電装置の断面図。 熱電発電装置に用いられる熱電発電モジュールの分解斜視図。 熱電発電装置の要部を拡大して示す断面図。 本発明の第２実施形態を示す断面図。 本発明の外側封止枠に係る変形例を示す断面図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る熱電発電装置１の分解斜視図であり、図２は、熱電発電装置１の断面図である。

［熱電発電装置の全体説明］
図１、図２において、熱電発電装置１は、図中上側に配置された受熱用の受熱板１０と、受熱板１０よりも低温に維持される冷却板２０と、受熱板１０および冷却板２０の間に介装される熱電発電モジュール３０とを備え、平面視にて四角形とされている。このような熱電発電装置１は、例えば熱処理炉でのバーナー燃焼部分に配置される場合では、受熱板１０がバーナーの火炎によって炙られ、この際の熱エネルギを電気に変換する。

受熱板１０は、例えば鉄、銅、あるいはアルミ製であり、火炎等により約２８０℃程度に加熱される。
冷却板２０は、例えばアルミ製であり、内部に冷却水等の冷却液が流通する冷却回路２０Ａを有し、この冷却液によって全体が２０〜４０℃程度に冷却維持される。冷却回路２０Ａは、冷却板２０の外部において、冷却液の供給管路２０Ｂおよび戻し管路２０Ｃに接続されている。
熱電発電モジュール３０については、後述する。

受熱板１０および冷却板２０の外周近傍および中央寄りの位置にはそれぞれ、内部に雌ねじが刻設されたボルト孔１１および表裏を貫通する貫通孔２１が互いに対応して複数設けられている。熱電発電モジュール３０の中央寄りの位置には、それらのボルト孔１１および貫通孔２１に対応した貫通孔３１が複数設けられている。

これらのボルト孔１１および貫通孔２１，３１を利用することで、受熱板１０と冷却板２０とが熱電発電モジュール３０を挟持した状態で互いに締結される。この際の締結手段としては、締結手段としての第１締結手段４０と第２締結手段５０とが用いられる。

第１締結手段４０は、熱電発電装置１熱電発電モジュール３０を貫通する中央寄りの位置に５つ設けられる。そして第１締結手段４０は、ボルト孔１１および貫通孔２１のうち、中央寄りのボルト孔１１Ａ、貫通孔２１Ａ、および熱電発電モジュール３０の貫通孔３１に対して挿入されるボルト４１と、ボルト４１に挿通される円筒部およびフランジ部を一体に有した断面逆Ｔ字形状の受部材４２と、ボルト４１に挿通されて冷却板２０の下面および受部材４２に設けられたフランジ部の座面間に配置され、かつ熱電発電モジュール３０に受熱板１０および冷却板２０を介して押圧力を付与するコイルばね４３とを備える。

一方の第２締結手段５０は、熱電発電装置１の各辺に沿って一対ずつ、合計８つ（図２に２つのみを図示）が設けられる。そして、第２締結手段５０は、ボルト孔１１および貫通孔２１のうち、各辺に沿って位置したボルト孔１１Ｂおよび貫通孔２１Ｂに対して下方から挿入されるボルト５１と、ボルト５１に挿通される円環状の受部材５２と、ボルト５１に挿通されて冷却板２０の下面および受部材５２の座面間に配置され、かつ熱電発電モジュール３０に受熱板１０および冷却板２０を介して押圧力を付与するコイルばね５３とを備える。

ここで、第２締結手段５０のコイルばね５３の線形および外径は、第１締結手段４０のコイルばね４３の線形および外形よりも小さく、コイルばね５３のばね力がコイルばね４３のばね力よりも小さい。熱電発電装置１の各辺において、ばね力の小さい第２締結手段５０を一対近接させて設けるのは、受熱板１０および冷却板２０間に挟持することで作用する熱電発電モジュール３０への挟持力を均一化するためである。

［熱電発電モジュールの説明］
図３は、熱電発電モジュール３０および伝熱シート７０の分解斜視図である。図４は、熱電発電装置１の要部を拡大して示す断面図である。
図３、図４において、熱電発電モジュール３０は、それぞれ複数のＮ型の熱電素子３２ＮおよびＰ型の熱電素子３２Ｐと、これらの熱電素子３２Ｎ，３２Ｐの周囲を囲う鉄、銅、アルミ等の金属製で四角環状の外側封止枠３３と、貫通孔３１を貫通するボルト４１の周囲を囲う鉄、銅、アルミ等の金属製で円環状の内側封止枠３４と、熱電素子３２Ｎ，３２Ｐおよび封止枠３３，３４の受熱板１０と対向する側および冷却板２０と対向する側のそれぞれを、当該熱電素子３２Ｎ，３２Ｐおよび当該封止枠３３，３４に亘って連続して覆う上下の薄膜シート３５とを有している。

図３では、複数の熱電素子３２Ｎ，３２Ｐが熱電素子ユニット３２として２点鎖線で示されている。このような熱電素子ユニット３２の上下を覆う薄膜シート３５は、ポリイミド薄膜と、当該ポリイミド薄膜の一方の面の全体を覆う銅薄膜とを有して形成されたラミネートシートであり、銅薄膜側を受熱板１０側および冷却板２０側に向くように、熱電素子３２Ｎ，３２Ｐおよび封止枠３３，３４に対して受熱板１０と対向する側と冷却板２０と対向する側との両方に設けられている。さらに、薄膜シート３５は、熱電素子３２Ｎ，３２Ｐおよび封止枠３３，３４を一体としてユニット化するとともに、受熱することで熱膨張する受熱板１０と、貫通熱により熱膨張する熱電素子３２Ｎ，３２Ｐおよび各封止枠３３，３４との面内方向（図中左右方向）の熱膨張差を吸収する機能を有する。

図４に示すように、受熱板１０側の薄膜シート３５の内側面（ポリイミド薄膜に対して銅薄膜とは反対側の面）には、複数の受熱側電極３５Ａが形成されている。冷却板２０側の薄膜シート３５の内側面（同上）には、複数の冷却側電極３５Ｂが形成されている。Ｎ型の熱電素子３２ＮおよびＰ型の熱電素子３２Ｐの受熱板１０側の端面が受熱側電極３５Ａに接続され、冷却板２０側の端面が冷却側電極３５Ｂに接続されている。Ｎ型の熱電素子３２ＮとＰ型の熱電素子３２Ｐとが交互に受熱側電極３５Ａおよび冷却側電極３５Ｂを介して電気的に直列接続されている。直列接続された端部の熱電素子３２Ｎ，３２Ｐには、発電した電力を取り出すリード線が接続されるが、ここではその図示を省略してある。

また、それぞれの薄膜シート３５の内側面には、そのような受熱側電極３５Ａおよび冷却側電極３５Ｂと同様な接合パターン３５Ｃが外側封止枠３３および内側封止枠３４に対応して形成されている。接合パターン３５Ｃに対して封止枠３３，３４を半田付け等することで、当該封止枠３３，３４が薄膜シート３５に確実に接合されている。なお、外側封止枠３３および内側封止枠３４の接合部分の断面は、単純な四角形である。

［断熱層の説明］
図４において、受熱板１０と熱電発電モジュール３０との間の外側封止枠３３に対応した部位には、空気層からなる第１断熱層６１が形成されている。受熱板１０と熱電発電モジュール３０との間の内側封止枠３４に対応した部位にも、空気層からなる第２断熱層６２が形成されている。これらの第１、第２断熱層６１，６２が形成されていることにより、受熱板１０で受けた熱が各封止枠３３，３４を介して冷却板２０に伝わることがない。このため、受熱板１０で受けた熱が確実に熱電素子３２Ｎ，３２Ｐを通過することとなり、熱電発電モジュール３０での発電効率を向上させることができる。

［伝熱層の説明］
図３、図４に示すように、受熱板１０と熱電発電モジュール３０との間には、第１断熱層６１および第２断熱層６２を避けるように伝熱層７１が形成されている。伝熱層７１は、カーボンシート製等の伝熱シート７０によって形成されている。この伝熱層７１にて第１、第２断熱層６１，６２分の隙間を埋めることにより、受熱板１０で受けた熱を熱電素子３２Ｎ，３２Ｐに効果的に伝達させることが可能である。また、伝熱シート７０は、受熱することで熱膨張する受熱板１０と、貫通熱により熱膨張する熱電素子３２Ｎ，３２Ｐおよび各封止枠３３，３４との厚み方向（図中上下方向）の熱膨張差を吸収する役目をも有している。

［製造手順の説明］
次に、熱電発電装置１の製造手順を概略説明する。
先ず、既知の回路パターン成形法により受熱側電極３５Ａ、冷却側電極３５Ｂ、および接合パターン３５Ｃが形成された薄膜シート３５に、熱電素子３２Ｎ，３２Ｐ、外側封止枠３３、および内側封止枠３４を半田付け等して接合し、熱電発電モジュール３０を組み立てておく。そして、この熱電発電モジュール３０の一方の面の薄膜シート３５を冷却板２０に接着し、他方の面側に伝熱シート７０を配置し、さらに伝熱シート７０上に受熱板１０を配置し、これにより熱電発電モジュール３０を受熱板１０および冷却板２０で挟み込む。この後、第１、第２締結手段４０，５０により、受熱板１０、冷却板２０、および熱電発電モジュール３０を相互に締結する。その他、リード線等の処理については、説明を省略する。

［効果の説明］
以上に説明した本実施形態によれば、金属製の外側封止枠３３および内側封止枠３４を用いて熱電発電モジュール３０を封止しているため、耐熱性能をより向上させることができ、熱電発電装置１が高熱に曝されても封止性能を良好に維持できる。また、受熱板１０と熱電発電モジュール３０との間には、外側封止枠３３に対応した部位に第１断熱層６１が形成され、内側封止枠３４に対応した部位に第２断熱層６２が形成されているので、受熱板１０で受けた熱が各封止枠３３，３４に伝達されるのを抑制でき、この各封止枠３３，３４を通して冷却板２０に伝達される熱量を大幅に軽減できて、発電効率を向上させることができる。

〔第２実施形態〕
図５には、本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置１の断面図が示されている。
図５において、受熱板１０と熱電発電モジュール３０との間の各封止枠３３，３４に対応した部位には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や多孔質ポリイミドなど、断熱性を有する任意の材質のシートによって第１、第２断熱層８１，８２が形成されている。その他の構成は、第１実施形態と同じである。
このような本実施形態でも、第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

〔変形例〕
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、各封止枠３３，３４の断面形状は単純な四角形であったが、四角形に限定されず、図６（Ａ）〜（Ｃ）に外側封止枠３３を代表して示すように、横向きの断面Ｈ形（Ａ）、横向きの断面Ｖ形または横向きの断面Ｕ形（Ｂ）、断面Ｚ形（Ｃ）、さらには図示を省略するが、横向きの断面Ｍ字形、横向きの断面Ｗ形、あるいはこれらに類似した断面形状を適用してもよい。これらの断面形状によれば、熱量が受熱側から冷却側へ貫通する際の経路断面が狭められたり、伝達経路がより長くなっていたりすることで、熱量を貫通し難くできる。
また、同様な効果を得るために、各封止枠の厚み寸法を十分に大きくしてもよい。この際、熱電素子の厚み寸法に対して各封止枠の厚み寸法が大きい場合には、受熱板や冷却板に段差を設けることで、熱電素子の接合部分の位置および各封止枠の接合部分の位置を異ならせ、熱電素子および各封止枠間の寸法差を吸収してもよい。

前記各実施形態では、伝熱層７１をカーボンシート等の伝熱シート７０により形成した例で説明したが、そのような伝熱層を熱伝導性グリースによって形成してもよい。この場合、周囲の第１、第２断熱層については、空気層ではなく、シート等の充実部材で形成することが望ましい。こうすることで、第１、第２断熱層が熱伝導性グリースに対する堰として機能し、熱伝導性グリースが受熱板および冷却板間に漏れ出すのを防止できる。

前記実施形態では、熱電発電装置１の熱電発電モジュール３０として、熱電素子ユニット３２が１つ設けられた例を説明したが、熱電発電モジュールを複数の熱電素子ユニットで構成してもよい。
また、前記第１実施形態で説明した第１、第２締結手段４０，５０についても、その実施にあたって適宜な構成を採用でき、実施形態の構成に限定されない。
さらに、前記実施形態では、熱電素子３２Ｎ，３２Ｐおよび各封止枠３３，３４の冷却板２０側も薄膜シート３５で覆われていたが、冷却板側の薄膜シートは必要に応じて設けられればよく、熱電素子と冷却板との間で電気的な絶縁が維持されれば、そのような薄膜シートを省略してもよい。

前記実施形態では、封止枠３４，３５を薄膜シート３５に半田付けしているが、高温で使用可能な接着剤、例えばポリイミドワニス等で接合してもよい。
前記実施形態では、第１締結手段４０を用いることで、この第１締結手段４０のボルト４１周りを囲う内側封止枠３５が併せて用いられ、第２断熱層６２が形成さていたが、第２締結手段５０のみが用いられるような場合には、そのような内側封止枠や第２断熱層も当然不要である。

本発明は、熱処理炉に設置される熱電発電装置に利用できる他、内燃機関の排気ガス経路中の高温部分に設置される熱電発電装置などにも利用できる。

１…熱電発電装置、１０…受熱板、２０…冷却板、３０…熱電発電モジュール、３２Ｎ，３２Ｐ…熱電素子、３３…外側封止枠、３４…内側封止枠、３５…薄膜シート、４０…締結手段である第１締結手段、４１…ボルト、６１，８１…第１断熱層、６２，８２…第２断熱層、７１…伝熱層。

Claims (5)

1. 受熱する受熱板と、
   前記受熱板よりも低温に維持される冷却板と、
   前記受熱板および前記冷却板の間に介装される熱電発電モジュールと、
   前記受熱板、前記冷却板、および前記熱電発電モジュールに亘って挿通されてこれらを互いに締結する締結手段とを備え、
   前記熱電発電モジュールは、複数の熱電素子と、これらの熱電素子の周囲を囲う外側封止枠と、前記熱電素子および前記外側封止枠の少なくとも前記受熱板と対向する側を当該熱電素子および当該外側封止枠に亘って連続して覆う薄膜シートと、前記締結手段の周囲を囲う内側封止枠とを有し、
   前記受熱板と前記熱電発電モジュールとの間の前記外側封止枠に対応した部位には第１断熱層が形成され、
   前記受熱板と前記熱電発電モジュールとの間の前記内側封止枠に対応した部位には第２断熱層が形成されている
   ことを特徴とする熱電発電装置。
2. 請求項１に記載の熱電発電装置において、
   前記受熱板と前記熱電発電モジュールとの間には、前記第１断熱層および前記第２断熱層を避けるように伝熱層が形成されている
   ことを特徴とする熱電発電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱電発電装置において、
   前記熱電発電モジュールは、前記受熱板および前記冷却板によって押圧された状態で介装され、
   前記締結手段は、前記熱電発電モジュールに前記受熱板および前記冷却板を介して押圧力を付与するコイルばねを備えている
   ことを特徴とする熱電発電装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の熱電発電装置において、
   前記外側封止枠および／または前記内側封止枠と前記薄膜シートとが互いに接合されている
   ことを特徴とする熱電発電装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱電発電装置において、
   前記薄膜シートは、ポリイミド薄膜と、当該ポリイミド薄膜の一方の面の全体を覆う銅薄膜とを有して形成されているとともに、前記銅薄膜側を前記受熱板側および前記冷却板側に向くように、前記熱電素子および前記外側封止枠に対して前記受熱板と対向する側と前記冷却板と対向する側との両方に設けられている
   ことを特徴とする熱電発電装置。

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