JPH09199764A - 熱電発電モジュール - Google Patents

熱電発電モジュール

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JPH09199764A
JPH09199764A JP8026137A JP2613796A JPH09199764A JP H09199764 A JPH09199764 A JP H09199764A JP 8026137 A JP8026137 A JP 8026137A JP 2613796 A JP2613796 A JP 2613796A JP H09199764 A JPH09199764 A JP H09199764A
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JP
Japan
Prior art keywords
type thermoelectric
power generation
thermoelectric elements
tube
thermoelectric element
Prior art date
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Pending
Application number
JP8026137A
Other languages
English (en)
Inventor
Masakatsu Nagata
雅克 永田
Mikiyuki Ono
幹幸 小野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH09199764A publication Critical patent/JPH09199764A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電発電モジュールの大型化および高出力化
を図る。 【解決手段】 一端部を加熱しかつ他端部を冷却するこ
とにより起電力を生じる複数のP型熱電素子15とN型
熱電素子16とを電気的に直列に接続した熱電発電モジ
ュール11において、内部に高温もしくは低温の熱媒体
を流通させる内管14aの外周面に環状の電極17aに
よって互いに直列に接続された環状の前記P型熱電素子
15とN型熱電素子16とが配置され、さらに外周側に
低温もしくは高温の熱媒体を流通させる外管14bが、
電極17bによって直列に接続された前記P型熱電素子
15およびN型熱電素子16の外周に前記内管14aと
同心状に配置され、前記P型熱電素子15およびN型熱
電素子16がこれら内管14aと外管14bとによって
挟圧・保持されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、ゼーベック効果
によって起電力を生じる熱電素子を利用した熱電発電モ
ジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】熱発電は、一般にP型半導体(例えばB
i −Te )およびN型半導体(例えばSi −Ge )でい
わゆる熱電対を構成し、その両接合部を異なった温度に
保ちゼーベック効果による起電力を利用するものであ
る。このような熱電発電は、その変換効率が低いが、動
作の信頼性が高いので、主に宇宙空間での補助電源とし
て実用化されている。エネルギ資源の乏しい日本では、
例えば地熱、工場の廃熱、太陽熱、化石燃料等の燃焼熱
などの多様な熱源に対応して電力を得ることができるの
で、エネルギの有効利用に有望な可能性を持っていると
考えられている。
【0003】従来の熱電発電モジュールの概略を図2に
示しこれを簡単に説明する。この熱電発電モジュール1
は、P型半導体2およびN型半導体3を平面状に配設し
て隣接するP型半導体2とN型半導体3とに銅の接合部
4を設けて熱電対を構成し、この熱電対は接合部4を介
して直列に接続することにより構成されている。このよ
うな熱電発電モジュール1の上面5側を加熱するととも
に下面6側を冷却すると、ゼーベック効果によりP側端
子には正の起電力が、N側端子には負の起電力が発生す
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した熱電素子を用
いた熱電発電モジュールでの発電効率は、高温接合部と
低温接合部との温度差が、許容範囲内で可及的に大きい
ほど増大する。一方、P型あるいはN型の半導体がセラ
ミックを主として構成されているのに対して、接合部あ
るいは電極が銅などの導電性に優れた金属によって形成
されているから、両者の熱膨張率に差があり、したがっ
て熱発電時の温度差に起因する熱応力が顕著になる。
【0005】特に前述した従来の熱電発電モジュール
は、図2に示すように、多数の熱電素子を平面状に配列
した構成であるから、半導体や電極などの異材種の接合
部分での熱応力が大きくなり、その部分での剥離や亀裂
などが生じる問題があった。特に出力増大のために加熱
温度を高くし、また熱電素子を多数設けて大型化する場
合には、熱応力が更に顕著になるから、大型化や高出力
化が困難であった。
【0006】また、熱電素子の接合部の加熱および冷却
は、熱輸送を容易にするために流体を使用するのが通常
であるが、上述した平板型の一般的な構造では、これら
加熱および冷却のための流体を互いに隔絶した状態で流
すためのシール構造が複雑になり、製造性に劣りあるい
はコスト高になるなどの不都合があり、ひいては大型化
が困難になる問題が生じる。
【0007】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたものであり、構造が簡単で信頼性に優れ、ひいては
大型化や高出力化の容易な熱電発電モジュールを提供す
ることを目的とするものである。
【0008】
【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、この発明は、一端部を加熱しかつ
他端部を冷却することにより起電力を生じる複数のP型
熱電素子とN型熱電素子とを電気的に直列に接続した熱
電発電モジュールにおいて、内部に高温もしくは低温の
熱媒体を流通させる内管の外周面に環状の電極によって
互いに直列に接続された環状の前記P型熱電素子とN型
熱電素子とが配置され、さらに外周側に低温もしくは高
温の熱媒体を流通させる外管が、前記電極によって直列
に接続された前記P型熱電素子およびN型熱電素子の外
周に前記内管と同心状に配置され、前記P型熱電素子お
よびN型熱電素子がこれら内管と外管とによって挟圧・
保持されていることを特徴とするものである。
【0009】したがってこの発明の熱電発電モジュール
においては、内管の内部と外管の外部との一方に高温の
熱媒体を流通させ、かつ他方に低温の熱媒体を流通させ
ることにより、各熱電素子による起電力を得ることがで
きる。その場合、加熱および冷却に伴ってそれぞれの部
材に熱膨張が生じるが、全体が内管と外管とによって保
持されているから、その半径方向への膨張は、内管と外
管との膨張量に規制される。また内管および外管の軸線
方向への膨張についても、これら内管および外管の膨張
量に規制される。その結果、半径方向すなわち熱電素子
の圧縮方向の応力が生じるものの円周方向あるいは軸線
方向への膨張量の相違やそれに起因する剥離や亀裂など
が生じない。
【0010】また高温流体と低温流体との流路は、内管
および外管によって完全に隔絶され、したがってこれら
の一端部もしくは両端部をシールすれば、高温流体と低
温流体との接触や混合を防止でき、シール構造が簡素化
される。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、この発明を図1に示した実
施例に基づいて説明する。図1に示す熱電発電モジュー
ル11は、発電部12と、この発電部12を支持する支
持管13a,13bと、熱媒体の流路を画定する内管1
4aおよび外管14bとを備えている。
【0012】発電部12は、P型半導体15とN型半導
体16と電極板17a,17bとを備えている。具体的
には、略円環状に形成されたP型半導体15とN型半導
体16とが軸線方向に所定の間隔で交互に配設されてい
る。そして、これら半導体15,16が軸線方向に沿っ
て電気的に直列に接続されるように、隣接する半導体1
5,16の内周面もしくは外周面にわたって交互に内周
側電極板17aおよび外周側電極板17bが接合されて
いる。なお、この電極板17a,17bは、銅合金等の
熱伝導性および電導性が良好な材料によって形成されて
いる。
【0013】この発電部12は、窒化アルミニウム(A
l N)系セラミックスや炭化シリコン(Si C)系セラ
ミックスもしくはダイヤモンド薄膜等の熱伝導性が良好
な絶縁体セラミックスから構成された内周側支持管13
aと外周側支持管13bとにより、挟み込まれるように
保持されている。具体的には、発電部12の内周側電極
板17aの内周面が内周側支持管13aの外周面に密着
して固定され、また発電部12の外周側電極板17bの
外周面が外周側支持管13bの内周面に密着して固定さ
れるように、発電部12が内周側支持管13aと外周側
支持管13bとの間に挿入されている。
【0014】また、内周側支持管13aの内周側に、内
周側支持管13aと嵌合する内管14aが挿入されると
ともに、外周側支持管13bの外周側に、外周側支持管
13bと嵌合する外管14bが嵌め込まれている。すな
わち、この実施例の熱電発電モジュール11は円筒型に
構成されて、内管14aと外管14bとの管壁により発
電部12が外部から隔絶されるとともに、その内周部と
外周部、具体的には内管14aの内側と外管14bの外
側とに熱媒体の流路が設けられている。なお、これら内
管14aおよび外管14bは、耐蝕性が良好でかつ熱伝
導性が良好な金属等によって形成されている。
【0015】上記のように円筒型に構成された熱電発電
モジュール11の動作につき説明する。例えば、内管1
4aの内側に低温の熱媒体が供給され、外管14bの外
側に高温の熱媒体が供給されると、発電部12の内周側
電極板17aが冷却されるとともに、発電部12の外周
側電極板17bが加熱され、P型半導体15およびN型
半導体16の内周部と外周部との間に温度差が発生す
る。そのため、ゼーベック効果により、P型半導体15
の低温側電極に正、N型半導体16の低温側電極に負の
起電力が生じ、その起電力が発電部12の両端に接続さ
れる集電リード(図示せず)から外部に取り出される。
【0016】上述のように発電部12の外周側が加熱さ
れかつ内周側が冷却されるが、上記の熱電発電モジュー
ル11は、内外の支持管13a,13bおよび内管14
a,14bによって発電部12を挟み込んで保持した構
成であるから、半径方向への膨張はこれらの管体13
a,13b,14a,14bによって規制され、したが
って圧縮応力が生じるものの各構成部材同士の間での半
径方向および円周方向への膨張量の差に起因する熱応力
が回避もしくは低減される。また軸線方向に対しては全
体として自由な膨張が許容された状態となるので、構成
部材同士の間での熱応力が回避もしくは低減される。
【0017】ところで、上述した円筒型の熱電発電モジ
ュールでは、高温側の熱媒体と低温側の熱媒体とが、内
管14aおよび外管14bによって完全に隔絶されるの
で、これらの端部のみをシールすれば、両熱媒体が混じ
り合うことがない。換言すれば、シール箇所は内外管1
4a,14bの端部のみでよいので、シールのための構
造が簡素化される。
【0018】なお、上記の実施例では内管の内部に低温
熱媒体を流し、外管の外部に高温の熱媒体を流す構成と
したが、これらの熱媒体を流す箇所は、上記の実施例と
は内外反対にしてもよい。また全体を直管状の構造とせ
ずに適宜の形状に湾曲していてもよい。
【0019】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
P型半導体およびN型半導体を含む発電部を、内管と外
管との間に挟圧・保持して全体として円筒状に構成した
ので、半導体などの構成部材同士の間での熱膨張率の相
違に起因する熱応力を回避もしくは低減でき、したがっ
て発電量の増大のために高温に加熱した場合であっても
構成部材同士の間での剥離や亀裂などの不都合が生じる
ことがなく、そのためこの発明によれば、高温型の熱電
発電モジュールの信頼性や耐久性を向上させことができ
る。また加熱・冷却のための熱媒体を内外管で隔絶で
き、またそのためのシール部は軸線方向での両端部もし
くは一端部でよいので、シール性が良好となり、この点
でも信頼性が向上するとともに、構造の簡素化を図るこ
とができる。そしてこの発明によれば、熱的な信頼性が
高く、また構造が簡単であるために、熱電発電モジュー
ルの大型化および高出力化を容易に図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例に係る熱電発電モジュール
の断面図である。
【図2】従来の熱電発電モジュールの概略図である。
【符号の説明】
11…熱電発電モジュール、 12…発電部、 13a
…内周側支持管、13b…外周側支持管、 14a…内
管、 14b…外管、 15…P型半導体、 16…N
型半導体、 17a…内周側電極板、 17b…外周側
電極板。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 一端部を加熱しかつ他端部を冷却するこ
    とにより起電力を生じる複数のP型熱電素子とN型熱電
    素子とを電気的に直列に接続した熱電発電モジュールに
    おいて、 内部に高温もしくは低温の熱媒体を流通させる内管の外
    周面に環状の電極によって互いに直列に接続された環状
    の前記P型熱電素子とN型熱電素子とが配置され、さら
    に外周側に低温もしくは高温の熱媒体を流通させる外管
    が、前記電極によって直列に接続された前記P型熱電素
    子およびN型熱電素子の外周に前記内管と同心状に配置
    され、前記P型熱電素子およびN型熱電素子がこれら内
    管と外管とによって挟圧・保持されていることを特徴と
    する熱電発電モジュール。
JP8026137A 1996-01-19 1996-01-19 熱電発電モジュール Pending JPH09199764A (ja)

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