JPH10243670A

JPH10243670A - 熱電変換システム

Info

Publication number: JPH10243670A
Application number: JP9038827A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Kanbe; 満神戸
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1997-02-24
Filing date: 1997-02-24
Publication date: 1998-09-11

Abstract

(57)【要約】【課題】熱応力の緩和を容易にすると共に出力密度を
向上させ、しかも熱電変換素子の多数設置による出力向
上を容易にする。【解決手段】熱電素子１と熱電素子１を挟む高温側及
び低温側熱応力緩和パッド２，３とを備える熱電変換素
子４を複数並べて配置し、各熱電変換素子４の高温側熱
応力緩和パッド２を加熱ダクト５に接合する一方、低温
側熱応力緩和パッド３を複数に分割された冷却ブロック
６に接合し、各冷却ブロック６内には冷却通路７が形成
されており、各冷却通路７は各冷却ブロック６間の距離
変化に応じて変形可能な通路接続手段８によって接続さ
れている。冷却ブロック６は、各熱電変換素子４毎に分
割されて独立している。通路接続手段８は、各冷却ブロ
ック６間の距離変化に応じて変形可能な継ぎ手１０を備
えている。また、継ぎ手１０に代えてＵ字管を備えても
良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の熱電変換素
子の両面に温度差を与えて発電を行う熱電変換システム
に関する。より詳しくは、本発明は、高い出力密度と大
出力が要求される熱電変換システム、修理・交換など保
守・補修性が重視される地上用の熱電変換システム、廃
熱利用の熱電変換システム等に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱電変換システムとして、熱源の
近傍に熱電変換素子を設置して放射により熱を伝えるラ
ジエーション・カップリング方式のもの（以下ＲＣ型熱
電変換システムという）と、熱源に熱電変換素子を直接
接触させて伝導により熱を伝えるコンダクション・カッ
プリング方式のもの（以下ＣＣ型熱電変換システムとい
う）がある。

【０００３】ＲＣ型熱電変換システムは、図７に示すよ
うに、熱電変換素子１０１を冷却側又は加熱側のダク
ト、例えば冷却ダクト１０２でのみ支持するいわゆる片
持ち梁構造となっている。したがって、運転中及び停止
中の温度差に応じて熱電変換素子を自由に変形させるこ
とができ、熱応力の緩和を容易にして耐久性の向上を図
ることができる。なお、各熱電変換素子１０１には、熱
源１０４の放射伝熱を受ける集熱板１０３が取り付けら
れている。また、各熱電変換素子１０１と集熱板１０３
との間、及び各熱電変換素子１０１と冷却ダクト１０２
との間には、電極及び電気絶縁体からなる層１０５が設
けられている。

【０００４】一方、ＣＣ型熱電変換システムは、図８に
示すように、熱電素子１１０の両面を各熱応力緩和パッ
ド１０６，１０７を介して加熱又は冷却ダクト１０８，
１０９に接合する構造になっている。したがって、単位
面積当たりの伝熱量が大きくなり、熱電素子の出力密度
を大きくすることができる。各熱応力緩和パッド１０
６，１０７としては、米国の宇宙用原子炉ＳＰ−１００
用に開発された２５ｍｍ角のニオブ板に直径数μｍのニ
オブのフィラメントを１千万本程度植え付けたものや、
熱応力緩和材兼熱導電体と電気絶縁材の傾斜機能材料を
使用したものが開発されている（特開平８−１８６２９
５号）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＲＣ型
熱電変換システムでは放射によって熱を伝えているた
め、単位面積当りの伝熱量が小さく、熱電変換素子１０
１の出力密度を大きくすることができなかった。このた
め、惑星探査衛星用の電源など低出力（数１００Ｗ程
度）のシステムにしか適用することができなかった。

【０００６】また、ＣＣ型熱電変換システムでは、各熱
応力緩和パッド１０６，１０７を加熱ダクト１０８及び
冷却ダクト１０９に接合しており、各ダクト１０８，１
０９の温度サイクルによる熱膨張差を考慮するとこれら
各ダクト１０８，１０９をあまり大型化することができ
ず、熱電変換素子１０１の設置数を増やし難かった。つ
まり、システムの運転・停止時の温度差により各ダクト
１０８，１０９に面方向の熱膨張差が生じるが、各ダク
ト１０８，１０９を大型化した場合にはダクト周辺部に
おいてこの熱膨張差が著しく大きくなり、上述のいずれ
のタイプの熱応力緩和パッド１０６，１０７を用いたと
してもこの大きな熱応力を良好に緩和することができ
ず、たとえ各ダクト１０８，１０９を大型化したとして
もダクト周辺部には熱電変換素子１０１を設置すること
ができないことから、多数の熱電変換素子１０１の設置
が困難であった。

【０００７】例えば高温側を１１００℃に、低温側を５
５０℃に設定して運転を行う宇宙用の熱電変換システム
では、各ダクト１０８，１０９の平面寸法は１６ｃｍ×
１３ｃｍであり、この寸法の各ダクト１０８，１０９の
間に２５ｍｍ角の熱電変換素子１０１を３０個挟むよう
にして並べて設置している。２５ｍｍ角の熱電変換素子
１０１の出力は１個当たり数Ｗ程度であり、高性能のも
のであっても１０Ｗ以下である。したがって、熱電変換
素子１０１の数を増やしてシステムの出力をより一層大
きくするためには各ダクトを多数設ける必要があり、構
造が複雑になると共に保守・補修性が悪化する等の問題
があった。

【０００８】本発明は、ＲＣ型熱電変換システムのよう
に熱応力の緩和が容易で、且つＣＣ型熱電変換システム
のように出力密度が大きく、しかも熱電変換素子の多数
設置による出力向上が容易な熱電変換システムを提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに請求項１記載の本発明は、熱電素子と当該熱電素子
を挟む高温側熱応力緩和パッド及び低温側熱応力緩和パ
ッドとを備える熱電変換素子を複数並べて配置し、各熱
電変換素子の高温側熱応力緩和パッドを高温側熱源に接
合する一方、低温側熱応力緩和パッドを複数に分割され
た冷却ブロックに接合し、当該各冷却ブロック内には冷
却通路が形成されており、当該各冷却通路は各冷却ブロ
ック間の距離変化に応じて変形可能な通路接続手段によ
って接続されて構成されている。

【００１０】したがって、各冷却ブロック内の冷却通路
は通路接続手段によって接続されて一連の通路となり、
この通路に冷却材を流すことで各冷却ブロックが各熱電
素子の低温側を冷却する。熱電変換素子と高温側熱源又
は各冷却ブロックとの間の熱の伝達は、従来のＣＣ型熱
電変換素子と同様に高温側熱応力緩和パッド及び低温側
熱応力緩和パッドによって行われる。また、各熱電変換
素子が接合されている冷却ブロックは分割されたもので
あって各々が独立して存在するので、従来のＲＣ型熱電
変換素子と同様に、各熱電変換素子は運転・停止の温度
差に応じて自由変形する。各熱電変換素子の自由変形に
伴い隣り合う冷却ブロックの間の距離が変化するが、こ
の変化量を通路接続手段の変形によって吸収し、各冷却
ブロックの冷却通路の接続状態を維持する。

【００１１】また、請求項２記載の発明は、冷却ブロッ
クを、各熱電変換素子毎に分割して独立させて構成して
いる。したがって、冷却ブロックが小型になり、当該冷
却ブロックの熱膨張時における周辺部分の熱膨張量が小
さくなる。

【００１２】また、請求項３記載の発明は、通路接続手
段を、各冷却ブロック間の距離変化に応じて変形可能な
継ぎ手を備えて構成している。したがって、継ぎ手の変
形によって各冷却ブロック間の距離変化が吸収される。

【００１３】また、請求項４記載の発明は、通路接続手
段を、各冷却ブロック間の距離変化に応じて変形可能な
Ｕ字管を備えて構成している。したがって、Ｕ字管の撓
みによって各冷却ブロック間の距離変化が吸収される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の構成を図面に示す
最良の形態に基づいて詳細に説明する。

【００１５】図１及び図２に、本発明を適用した熱電変
換システムの実施形態の一例を示す。熱電変換システム
は、熱電素子１とこの熱電素子１を挟む高温側熱応力緩
和パッド２及び低温側熱応力緩和パッド３を備える熱電
変換素子４を複数並べて配置して構成されている。各熱
電変換素子４の高温側熱応力緩和パッド２は高温側熱源
５に接合され、低温側熱応力緩和パッド３は複数に分割
された冷却ブロック６に接合されている。即ち、各高温
側熱応力緩和パッド２は同一の高温側熱源５に接合され
ているが、各低温側熱応力緩和パッド３は複数に分割、
例えば各熱電変換素子４毎に分割されて独立している冷
却ブロック６に接合されている。つまり、本実施形態で
は、一つの冷却ブロック６に一つの熱電変換素子４が接
合されている。なお、高温側熱源５は、例えば高温の加
熱媒体が流れる加熱ダクトである。この加熱ダクト５
は、例えばインコネル６００や銅等の金属によって形成
されている。

【００１６】各冷却ブロック６は、例えば銅によって形
成されている。各冷却ブロック６の材料は、熱伝導率、
低温側熱応力緩和パッド３との接合性及び冷却材との共
存性等を総合的に判断して決定される。各冷却ブロック
６は、必ずしも銅に限るものではないことは勿論であ
る。

【００１７】各冷却ブロック６内には冷却材を流すため
の冷却通路７が形成されており、各冷却通路７は冷却ブ
ロック６間の距離変化に応じて変形可能な通路接続手段
８によって接続されている。各通路接続手段８は、例え
ば各冷却ブロック６に取り付けられた冷却配管９と、隣
り合う冷却配管９を連結する継ぎ手１０を備えて構成さ
れている。即ち、各冷却通路７は通路接続手段８によっ
て接続されて一連の通路を構成している。冷却配管９
は、例えば銅によって形成されている。冷却配管９の材
料は、冷却ブロック６への溶接性又は接合性、冷却材と
の共存性等を総合的に考慮して決定する。各冷却配管９
の材料は、必ずしも銅に限るものではないことは勿論で
ある。また、継ぎ手１０は、例えばベローズ伸縮管継ぎ
手である。ベローズ伸縮管継ぎ手１０は、加熱ダクト
５、熱電変換素子４、冷却ブロック６等の熱変形に応じ
て変形し、接続している各冷却配管９の位置関係の変化
を吸収する。ベローズ伸縮管継ぎ手１０は、例えば銅よ
って形成されている。ベローズ伸縮管継ぎ手１０の材料
は、冷却材との共存性、耐熱性及び耐圧性等を総合的に
考慮して決定される。ベローズ伸縮管継ぎ手１０として
は、必ずしも銅に限るものではないことは勿論である。

【００１８】なお、熱電素子１としては、シリコン−ゲ
ルマニウム（ＳｉＧｅ）半導体素子、鉛−テルル（Ｐｂ
Ｔｅ）半導体素子、およびビスマス−テルル（ＢｉＴ
ｅ）半導体素子等の使用が可能である。これらの半導体
素子のうちいずれを選択するかは、使用温度領域等に応
じて選択される（表１）。使用温度領域が広い場合に
は、複数の成分の熱電素子１を熱の流れの方向に沿って
直列に並べても良い。いずれの素子も、正孔の濃度が高
いＰ型半導体と電子の濃度が高いＮ型半導体より成り、
両者の組合せにより起電力を発生する。実際には、複数
対のＰ型半導体とＮ型半導体を電気的に直列に接続する
ことにより出力を増大させる。

【００１９】

【表１】また、各熱応力緩和パッド２，３としては、特に構造や
組成等に限定を受けるものではないが、熱応力緩和パッ
ドとして熱応力緩和材兼熱伝導体と電気絶縁材との組成
割合を漸次変化させた傾斜機能材料を備えるものの使用
が好ましい。例えば、熱電変換素子４の一例を図６に示
す。この熱電変換素子４は、熱電素子１の両面に高温側
の熱応力緩和パッド２と低温側の熱応力緩和パッド３と
を接合したものである。熱応力緩和パッド２，３は、各
々傾斜機能材料２１，３１と熱電素子１の拡散防止層と
してのグラファイト層２２，３２より構成されている。
各傾斜機能材料２１，３１は、電気絶縁材と熱応力緩和
材兼熱導伝体を接合せずに両者の組成割合を徐々に変化
させた熱伝導性のものである。電気絶縁材は、例えばア
ルミナ等のセラミックであり、熱応力緩和材兼熱導伝体
は熱伝導率が大きく弾性定数の小さな材料例えば銅（Ｃ
ｕ）やパラジウム等の金属である。ここで、銅は、熱伝
導率λに対する弾性定数Ｅの比率（Ｅ／λ）が非常に小
さい。したがって、熱伝導性の熱応力緩和材兼熱導伝体
として銅を使用すると、高い熱伝導性能を維持しながら
熱応力を緩和することができる。しかしながら、使用温
度の高いＳｉＧｅ素子等を熱電素子１として使用する場
合には、高温側の熱応力緩和パッド３の使用温度が銅の
融点に接近するため、低温側の熱応力緩和パッド４につ
いてのみ銅を使用し、高温側の熱応力緩和パッド３につ
いては銅に次いで性能の優れたパラジウムを使用するこ
とが好ましい。ただし、熱応力緩和材兼熱導伝体として
使用する材料は、必ずしも銅やパラジウムに限るもので
はないことは勿論である。この場合、熱伝導率が大きく
弾性定数の小さいもの、即ち熱伝導率に対する弾性定数
の比率がより小さいものがより好ましい。また、この性
質を満たすものであれば金属に必ずしも限定されない。
また、電気絶縁材としては、アルミナの他に窒化珪素や
炭化珪素等のセラミックを適用することができる。炭化
珪素等の各種のセラミックは、熱伝導性が良く、熱によ
る変形が少なくしかも電気絶縁性に優れているため好ま
しい材料といえる。ただし、電気絶縁材として使用する
材料は、必ずしもアルミナや窒化珪素等のセラミックに
限るものではないことは勿論である。

【００２０】各傾斜機能材料２１，３１は、内部に電気
絶縁層２１ａ，３１ａを形成し、この電気絶縁層２１
ａ，３１ａから外側の熱源側接触面及び熱電素子側接触
面の両面に向かう厚み方向で電気絶縁材と熱応力緩和材
兼熱導伝体との組成割合、即ちセラミックと銅との組成
割合を、アルミナについて減少させる一方、銅について
増加させるように変化させている。例えば、本実施形態
の場合、各傾斜機能材料２１，３１は厚み方向の中程に
アルミナ１００％の電気絶縁層（以下アルミナ層と呼
ぶ）２１ａ，３１ａが、両外側の熱源と接する面部分に
は銅１００％の熱応力緩和材兼熱導伝体の層（以下Ｃｕ
層と呼ぶ）２１ｂ，２１ｂ、３１ｂ，３１ｂが、またそ
れらの間にはアルミナと銅の組成割合が連続して又は段
階的に徐々に変化する層２１ｃ，３１ｃが形成されてい
る。

【００２１】各グラファイト層２２，３２は各傾斜機能
材料２１，３１と熱電素子１との間に配置され、熱電素
子１の成分の拡散を防止する。また、各グラファイト層
２２，３２に接する各傾斜機能材料２１，３１のＣｕ層
２１ｂ，３１ｂは、各熱電素子１を電気的に直列に接続
する電極としても機能する。

【００２２】そして、高温側熱応力緩和パッド２は加熱
ダクト５に、低温側熱応力緩和パッド３は冷却ダクトた
る冷却ブロック６にそれぞれ接合されている。

【００２３】これら熱応力緩和パッド２，３は、それら
を構成する銅やパラジウム（熱応力緩和材兼熱導伝
体）、アルミナや窒化珪素（電気絶縁材）がいずれも粉
末の状態で入手することができる。したがって、粉末冶
金法により傾斜機能材料２１，３１を製造することがで
きる。例えば、２本のノズルから粉末を噴射する装置を
使用し、一方のノズルから銅又はパラジウムの粉末を型
内に噴射させ、他方のノズルからアルミナ又は窒化珪素
の粉末を型内に噴射させる。この場合、両ノズルの噴射
比率を制御することにより各粉末の充填割合を厚さ方向
内側から両外側に向けてそれぞれ徐々に変化させた層状
ないし板状のペレット（粉末の塊）を造る。ペレットの
圧縮成形後、当該ペレットを炉で加熱して焼結すること
により傾斜機能材料２１，３１を得る。

【００２４】このようにして製造される傾斜機能材料２
１，３１では、線膨張率が大きく異なる熱応力緩和材兼
熱導伝体と絶縁性材料との組成割合を徐々に変化させて
いるので、各熱応力緩和パッド３，４として使用した場
合には内部に発生する熱応力を特定箇所に集中させるこ
となく分散させることができる。また、傾斜機能材料２
１，３１の電気絶縁材と熱応力緩和材兼熱導伝体との組
成割合を厚み方向の内側から両外側に向けてそれぞれ変
化させているので、傾斜機能材料２１，３１の厚さ方向
全体からみて当該組成割合の変化の方向を途中で逆に、
即ち電気絶縁材と熱応力緩和材兼熱導伝体の比が増加す
る傾向にあるか減少する傾向にあるかを途中で変えるこ
とができる。つまり、傾斜機能材料２１，３１がセラミ
ック層（電気絶縁材であるアルミナ層２１ａ，３１ａ）
の両側に金属層（熱応力緩和材兼熱導伝体であるＣｕ層
２１ｂ，３１ｂ）を配置する構造となり、製造時の焼結
温度から室温までの冷却過程において、金属とセラミッ
クの熱膨張差に起因した反りや亀裂の発生防止を図るこ
とができる。このため、傾斜機能材料２１，３１の製造
が容易になってコスト低減が可能になると共に、健全性
も改善されて品質的に安定したものを得ることができ
る。

【００２５】さらに、各傾斜機能材料２１，３１の両外
側を金属層としているので、即ち各傾斜機能材料２１，
３１の両外側の材料を加熱ダクト５又は冷却ダクト６の
材料と同一のもの又は線膨張率が近いものにすることが
できるため、高温側熱応力緩和パッド３と加熱ダクト
５、低温側熱応力緩和パッド４と冷却ダクト６の接合が
容易になると共に、これらの接合強度を増大させること
ができる。特に、各傾斜機能材料２１，３１の両外側に
Ｃｕ層２１ｂ，３１ｂを配置した場合には、冷却ダクト
６については同一の材料を使用することなるので、ま
た、加熱ダクト５については線膨張率が近い材料を使用
することになるので、これらの接合をより一層容易に且
つ強くすることができる。

【００２６】また、本発明の熱応力緩和パッド３，４の
各傾斜機能材料２１，３１は、電気絶縁材の層２１ａ，
３１ａを挟んで熱源側と熱電素子側とにそれぞれ熱応力
緩和材兼熱導伝体と電気絶縁材とを接合させずにその組
成割合を漸次変化させる層２１ｃ，３１ｃと、熱応力緩
和材兼熱導伝体からのみ成る層２１ｂ，３１ｂを有して
いるので、従来の熱応力緩和パッドに比べて厚くなる傾
向がある。しかしながら、各傾斜機能材料２１，３１は
大部分が熱伝導率の極めて高い銅より構成されており、
当該傾斜機能材料２１，３１の内部での温度落差は、従
来の傾斜機能材料に比べて僅かに大きい程度に抑えられ
大差がない。実験によれば、熱電素子１に与えられる温
度落差は、本発明に係る熱応力緩和パッド３，４の方が
従来のものに比べて僅かに（１〜２％）小さくなる程度
である。したがって、熱電素子１の出力も僅かに（２〜
３％）小さくなる程度である。即ち、本発明に係る熱応
力緩和パッド３，４は、従来の熱応力緩和パッドとほぼ
同等の熱流束を確保でき、ほぼ同等な発電が可能であ
る。

【００２７】また、上述の熱電変換素子４用の熱応力緩
和パッド３，４の傾斜機能材料２１，３１は、内部にア
ルミナ６０％の電気絶縁材層２１ａ，３１ａを形成し、
両側の熱源側接触面と熱電素子側接触面とを銅６０％の
熱応力緩和材兼熱伝導体層２１ｂ，３１ｂにしている
が、必ずしもこれに限られず、実質的に電気絶縁ができ
る範囲で熱応力緩和材兼熱伝導体を含んだり、あるいは
実質的にダクトとの接合が可能な範囲で電気絶縁材を含
むことも可能であることは勿論である。

【００２８】また、各傾斜機能材料２１，３１の各ダク
ト５，６側の面と各熱電素子１側の面とを必ずしもとも
に金属の層で構成する必要はなく、各ダクト５，６側の
面は各ダクト５，６との接合性が良好で熱伝導性に優れ
た材料の層であれば良く、また各熱電素子１側の面はグ
ラファイト層２２，３２との接合性が良好で導電性に優
れた材料の層であれば良い。

【００２９】また、必ずしも両外側のＣｕ層２１ｂ，３
１ｂの中央にアルミナ層２１ａ，３１ａを形成する必要
はなく、いずれか一方のＣｕ層２１ｂ，３１ｂ側に偏ら
せた位置にアルミナ層２１ａ，３１ａを形成しても良
い。即ち、両側の層２１ｃ，３１ｃの厚さを同一にする
必要はなく、互いに変えても良い。また、各層２１ｃ，
３１ｃの前記組成割合の変化の割合を、必ずしも熱電素
子１側と加熱ダクト５又は冷却ダクト６側とで同一にす
る必要はなく、変化させても良いことは勿論である。

【００３０】以上のように構成された各熱応力緩和パッ
ド２，３の平面寸法は、例えば２５ｍｍ角程度に設定さ
れている。したがって、平面寸法が例えば５．５ｍｍ角
の熱電素子１を各熱応力緩和パッド２，３の間に８対
（１６個）格子状に所定の隙間をあけて配列できる。各
熱応力緩和パッド２，３の平面寸法は、運転温度条件等
によっても変わってくるものではあるが、傾斜機能材料
内部及び周辺部材との接合界面に生じる熱応力の大きさ
等を考慮して決定されている。即ち、傾斜機能材料の構
造健全性を維持できる程度の大きさに、各熱応力緩和パ
ッド２，３が形成されている。

【００３１】次に、熱電変換システムの組立手順につい
て説明する。

【００３２】先ず、低温側熱応力緩和パッド３に冷却ブ
ロック６を溶接した後、この冷却ブロック６の両端に冷
却配管９を溶接する。次に、高温側熱応力緩和パッド２
を高温側熱源である加熱ダクト５に接合する。加熱ダク
ト５の接合面を構成する部材が単体で存在する場合に
は、当該部材と高温側熱応力緩和パッド２とを拡散接合
装置内の真空雰囲気中で高温で加圧して接合する。一
方、加熱ダクト５が組立済みのものである場合または高
温側熱源として既存の設備の高温面に各熱電変換素子４
を接合する場合には、現場において誘導加熱またはブラ
ズマ加熱によってろう付けする。

【００３３】この後、高温側熱応力パッド２と低温側熱
応力緩和パッド３の間に所定対の熱電素子１を挟み込
み、誘導加熱、プラズマ加熱または高周波ハンダゴテな
どにより各接合面を互いにろう付けする。次に、隣り合
う冷却ブロック６の冷却配管９を継ぎ手１０で接続す
る。これにより、各冷却ブロック６内の冷却通路７が通
路接続手段８によって接続されて一連の通路を構成す
る。

【００３４】以上のように組み立てられた熱電変換シス
テムでは、加熱ダクト５内に加熱媒体を、各冷却通路７
内に冷却材をそれぞれ流して各熱電素子１の両面に温度
差を発生させて起電力を得る。各熱電素子１と加熱ダク
ト５又は冷却ブロック６との間では、従来のＣＣ型熱電
変換システムと同様に、各熱応力緩和パッド２，３を通
じて熱伝達が行われ、単位面積当たり大きな伝熱量を得
ることができる。

【００３５】加熱ダクト５内に加熱媒体が流れると、こ
の加熱ダクト５は熱膨張する。したがって、加熱ダクト
５に接合されている各熱伝変換素子４の位置関係が変化
する。即ち、運転・停止の繰り返しによる温度差によ
り、隣り合う各熱伝変換素子４の中心間の距離が変化す
ると共に、各熱伝変換素子４自体や各冷却ブロック６自
体等も変形する。したがって、各冷却ブロック６間の距
離が変化する。

【００３６】しかしながら、各冷却ブロック６間の距離
変化は各ベローズ伸縮管継ぎ手１０によって吸収され、
各冷却ブロック６の冷却通路７の接続状態は維持され
る。即ち、従来のＲＣ型熱電変換システムと同様に、各
熱電変換素子４の支持構造が片持ち梁構造となり、各熱
伝変換素子４や各冷却ブロック６の自由変形を可能にし
て熱応力の緩和を容易にすると共に耐久性を向上させ
る。

【００３７】そして、各ベローズ伸縮管継ぎ手１０は、
加熱ダクト５の熱膨張量が大きくなったとしてもこの熱
膨張量を良好に吸収するので、加熱ダクト５の大型化が
可能になり、加熱ダクト５の数を増やすことなく熱電変
換素子４の多数設置を可能にする。

【００３８】また、本発明の熱電変換システムでは、各
冷却ブロック６の冷却通路７を変形可能な通路接続手段
８によって接続しているので、各熱電変換素子４を平面
以外の面にも設置することができる。例えば、加熱側熱
源５としてのゴミ焼却炉の炉壁などにも設置でき、廃熱
を利用した高性能の熱電変換システムを構築することが
できる。

【００３９】また、本発明の熱電変換システムでは、従
来のＣＣ型熱電変換システムで必要とされていた冷却ダ
クトが不要になるため、既存の設備の加熱面に現場にお
いて熱電変換素子を接合することが可能になる。このた
め、ゴミ焼却炉の炉壁などへの設置も容易にすることが
でき、廃熱利用としての熱電変換システムの用途が大き
く広がる。

【００４０】さらに、本発明の熱電変換システムでは、
冷却ダクトが不要になるため、各熱電変換素子４の目視
点検などが可能になると共に各熱電変換素子４毎の交換
が可能になるので、保守・点検を容易に行うことができ
る。

【００４１】なお、熱電変換素子４の熱電素子１として
シリコン−ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）半導体素子を採用
した宇宙用の直接発電システムでは、例えば加熱ダクト
５の表面温度を８４０℃程度に、冷却ブロック６の表面
温度を５３０℃程度に設定する。

【００４２】また、地上で使用する熱電変換システムで
は、９００℃から室温付近まであらゆる温度の熱源を採
用することが可能であり、当該熱源で加熱された適切な
加熱媒体（流体）を加熱ダクト５に流せば良い。この場
合、各冷却通路７には室温の水を流すことが一般的であ
る。

【００４３】なお、上述の形態は本発明の好適な形態の
一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明
の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能であ
る。例えば、上述の説明では、通路接続手段８の継ぎ手
１０としてベローズ伸縮管継ぎ手を使用しているが、継
ぎ手１０としてはこれに限るものではなく、各冷却ブロ
ック６間の距離の変化に応じて変形可能なものであれば
よい。例えば、継ぎ手１０の一部の部材又は全部の部材
にゴム又はテフロン等の柔軟性のある材質のものを採用
し、上記変化量を吸収するようにしても良い。この場
合、冷却材との共存性、耐熱性および耐圧性などを考慮
してその材質および構造を決定する。

【００４４】また、上述の説明では、通路接続手段８を
真っ直ぐな冷却配管９と変形可能な継ぎ手１０によって
構成したが、通路接続手段８の構成としてはこれに限る
ものではなく、各冷却ブロック６間の距離の変化に応じ
て変形可能なものであればよい。例えば図３及び図４に
示すように、通路接続手段８をＵ字管１１によって構成
しても良い。この場合には、Ｕ字管１１自体の撓みによ
って各冷却ブロック６の間の距離の変化量を吸収するた
め、継ぎ手を不要にできる。

【００４５】また、上述の説明では、冷却ブロック６と
して各熱電変換素子４毎に分割・独立したものを使用し
たが、必ずしも冷却ブロック６を各熱電変換素子４毎に
分割・独立させる必要はない。例えば図５に示すよう
に、冷却ブロック６を数個の熱電変換素子４に共通なも
のとしても良い。例えば冷却ブロック６の平面寸法を５
２ｍｍ角とし、平面寸法２５ｍｍ角の熱電変換素子４を
４個取り付けることを考えた場合、冷却ブロック６がこ
の程度の大きさであれば、冷却ブロック６の周辺部分に
おける加熱ダクト５と冷却ブロック６の面方向の熱膨張
差を熱応力緩和パッド３等により緩和することが可能で
ある。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の熱
電変換システムでは、熱電素子と当該熱電素子を挟む高
温側熱応力緩和パッド及び低温側熱応力緩和パッドとを
備える熱電変換素子を複数並べて配置し、各熱電変換素
子の高温側熱応力緩和パッドを高温側熱源に接合する一
方、低温側熱応力緩和パッドを複数に分割された冷却ブ
ロックに接合し、当該各冷却ブロック内には冷却通路が
形成されており、当該各冷却通路は各冷却ブロック間の
距離変化に応じて変形可能な通路接続手段によって接続
されているので、従来のＣＣ型熱電変換システムと同様
に各熱応力緩和パッドを通じて熱伝達を行うことができ
る一方、従来のＲＣ型熱電変換システムと同様にいわゆ
る片持ち梁構造にすることができる。この結果、従来の
ＣＣ型熱電変換システムと同等の熱流束を確保すること
ができると共に、従来のＲＣ型熱電変換システムと同様
の熱応力緩和能力を確保することができ、高い出力密度
と健全性・耐久性の向上をともに高い水準で達成するこ
とができる。

【００４７】また、接合する高温側熱源の大型化が可能
になり、一の高温側熱源に多数の熱電変換素子を設置で
きるようになる。このため、簡単な構造のままで出力を
向上させることができる。

【００４８】さらに、従来のＣＣ型熱電変換システムで
必要とされていた冷却ダクトを不要にできるため、平面
形状以外の高温側熱源の接合面にも各熱電変換素子の設
置が可能となる。このため、ゴミ焼却炉の炉壁などにも
設置することが可能になり、廃熱を利用した高性能の熱
電変換システムを実現することができる。そして、冷却
ダクトを不要にできることから、既存の設備の加熱面に
現場で熱電変換素子を接合することも可能になり、従来
のゴミ焼却炉の炉壁などにも容易に設置でき、廃熱利用
としての熱電変換システムの用途が広がる。加えて、冷
却ダクトが存在しないため、各熱電変換素子の目視点検
などが可能になると共に、熱電素子や熱応力緩和パッド
が破損した場合には、必要最小限の熱電変換素子のみを
交換するれば足り、システムの保守・補修性を向上させ
ることができる。

【００４９】この場合、請求項２記載の熱電変換システ
ムのように、冷却ブロックを各熱電変換素子毎に分割し
て独立させることが好ましい。この場合には、冷却ブロ
ックが小型になるのでその熱膨張量を小さくすることが
でき、熱応力緩和パッドによる熱応力の緩和に有利にな
る。

【００５０】またこの場合、請求項３又は４記載の熱電
変換システムのように、通路接続手段を各冷却ブロック
間の距離変化に応じて変形可能な継ぎ手又はＵ字管を備
えて構成することが好ましい。これらの場合には、継ぎ
手の変形やＵ字管の撓みによって各冷却ブロック間の距
離変化を吸収することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱電変換システムの実施形態の一
例の概略構成を示す断面図である。

【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。

【図３】本発明に係る熱電変換システムの他の実施形態
の概略構成を示す断面図である。

【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。

【図５】本発明に係る熱電変換システムのさらに他の実
施形態の概略構成を示す断面図である。

【図６】本発明の熱伝変換システムに使用される熱伝変
換素子の一例を示す断面図である。

【図７】従来のＲＣ型熱電変換システムの概略構成図で
ある。

【図８】従来のＣＣ型熱電変換システムの概略構成図で
ある。

【符号の説明】

１熱電素子２高温側熱応力緩和パッド３低温側熱応力緩和パッド４熱電変換素子５加熱ダクト（高温側熱源）６冷却ブロック７冷却通路８通路接続手段１０継ぎ手１１Ｕ字管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱電素子と当該熱電素子を挟む高温側熱
応力緩和パッド及び低温側熱応力緩和パッドとを備える
熱電変換素子を複数並べて配置し、各熱電変換素子の高
温側熱応力緩和パッドを高温側熱源に接合する一方、低
温側熱応力緩和パッドを複数に分割された冷却ブロック
に接合し、当該各冷却ブロック内には冷却通路が形成さ
れており、当該各冷却通路は前記各冷却ブロック間の距
離変化に応じて変形可能な通路接続手段によって接続さ
れていることを特徴とする熱電変換システム。
【請求項２】前記冷却ブロックは、各熱電変換素子毎
に分割されて独立していることを特徴とする請求項１記
載の熱電変換システム。
【請求項３】前記通路接続手段は、前記各冷却ブロッ
ク間の距離変化に応じて変形可能な継ぎ手を備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換システム。
【請求項４】前記通路接続手段は、前記各冷却ブロッ
ク間の距離変化に応じて変形可能なＵ字管を備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換システム。