JPWO2007063755A1 - 熱電変換モジュールとそれを用いた熱交換器および熱電発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
一般式:AxByX100−x−y ・・・(1)
(式中、AはTi、Zr、Hfおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、BはNi、CoおよびFeから選ばれる少なくとも1種の元素を、XはSnおよびSbから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xおよびyは30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で表される組成を有し、MgAgAs型結晶構造を有する金属間化合物(ハーフホイスラー化合物)を主相とする材料を適用することが好ましい。
一般式:(TiaZrbHfc)xByX100−x−y ・・・(2)
(式中、a、b、c、xおよびyは0≦a≦1、0≦b≦1、0≦c≦1、a+b+c=1、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で表される組成を有し、MgAgAs型結晶構造を有する金属間化合物(ハーフホイスラー化合物)を主相とする材料で形成することが望ましい。
ここでは図1に示した熱電変換モジュールを以下の要領で製造した。まず、熱電素子の作製例について述べる。
純度99.9%のTi、Zr、Hfと純度99.99%のNiと純度99.99%のSnと純度99.999%のSbを原料として用意した。これらを(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)NiSn0.994Sb0.006の組成となるように秤量して混合した。この原料混合物をアーク炉内の水冷されている銅製ハースに装填し、炉内を2×10−3Paまで真空排気した。次いで、純度99.999%のArを−0.04MPaまで導入した。この減圧Ar雰囲気内で原料混合物をアーク溶解した。
純度99.9%のTi、Zr、Hfと純度99.9%のCoと純度99.999%のSbと純度99.99%のSnを原料として用意した。これらを(Ti0.3Zr0.35Hf0.35)CoSb0.85Sn0.15の組成となるように秤量して混合した。この原料混合物をアーク炉内の水冷されている銅製ハースに装填し、炉内を2×10−3Paまで真空排気した。次いで、純度99.999%のArを−0.04MPaまで導入した。この減圧Ar雰囲気内で原料混合物をアーク溶解した。
この実施例では、第1および第2の基板として窒化珪素製セラミックス板(熱伝導率=80W/m・K、3点曲げ強度=800MPa)を用い、電極部材としてCu板を用いて熱電変換モジュールを作製した。まず、一片が40mm、厚さが0.7mmの窒化珪素板上に、質量比でAg:Cu:Sn:Ti:C=61:24:10:4:1の活性金属ろう材をペースト状にした接合材をスクリーン印刷した。これを乾燥させた後、接合材上に縦2.8mm、横6.1mm、厚さ0.25mmのCu電極板を縦6枚、横12枚ずつ配置し、窒化珪素板上に合計72個のCu電極板を配置した。この後、0.01Pa以下の真空中にて800℃×20分間の熱処理を行って接合した。窒化珪素板のCu電極板を配置した反対側の面にも、上記した接合材を用いてCu板を全面に接合した。
熱電素子や電極部材の面積、個数を変える以外は、実施例1と同一の熱電変換モジュールをそれぞれ同様にして作製した。これら熱電変換モジュールの性能を実施例1と同様にして評価した。表1および表2に各熱電変換モジュールの構成と評価結果を示す。
ここでは図8に示した熱交換器を以下の要領で製造した。まず、実施例1の熱電変換モジュールを、耐熱鋼平板と耐食鋼平板の間に並べて配置し、両平板で固定した積層板を作製した。この際、各モジュールから出ている出力端子は直列に結合した。このようにして、積層板の耐熱鋼側を高温部、耐食鋼側を冷却部とした熱電変換モジュール付き熱交換器を得た。この熱電変換モジュール付き熱交換器には、高温の排ガスおよび冷却水を流通される。例えば、図9に示したごみ焼却設備に熱電変換モジュール付き熱交換器を設置することで、蒸気と熱水が得られると共に発電が行えるボイラーとすることができる。
Claims (20)
- 低温側に配置され、素子搭載領域を有する第1の基板と、
高温側に配置され、素子搭載領域を有する第2の基板と、
前記第1の基板の前記素子搭載領域に設けられた第1の電極部材と、
前記第1の電極部材と対向して配置されるように、前記第2の基板の前記素子搭載領域に設けられた第2の電極部材と、
前記第1の電極部材と前記第2の電極部材との間に配置され、かつ前記第1および第2の電極部材の双方と電気的に接続された複数の熱電素子とを具備し、300℃以上の温度で使用される熱電変換モジュールであって、
前記基板の前記素子搭載領域の面積を面積A、前記複数の熱電素子の合計断面積を面積B、前記熱電素子の占有面積率を(面積B/面積A)×100(%)としたとき、前記熱電素子の占有面積率が69%以上であることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記熱電素子の占有面積率が73%以上90%以下であることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
隣接する前記熱電素子の間隔が0.3mm以上0.7mm以下であることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記熱電素子の1個当たりの断面積が1.9mm2以上100mm2以下であることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記基板の前記素子搭載領域の面積が100mm2以上10000mm2以下であるあることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記熱電素子を16個以上具備することを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電素子は前記第1および第2の電極部材と炭素を含有する活性金属ろう材層を介して接合されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項7記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記活性金属ろう材は前記炭素を0.5質量%以上3質量%以下の範囲で含有することを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項7記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記活性金属ろう材は、主材としてのAg−Cu合金と、1質量%以上8質量%以下の範囲のTi、ZrおよびHfから選ばれる少なくとも1種の活性金属と、0.5質量%以上3質量%以下の範囲の前記炭素とを含有することを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
さらに、前記複数の熱電素子の間に固定治具として配置された絶縁性部材を具備することを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項10記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記絶縁性部材は前記複数の熱電素子の間に格子状に配置されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記熱電素子はMgAgAs型結晶構造を有する金属間化合物を主相とする熱電材料からなることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項12記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記熱電材料は、
一般式:AxByX100−x−y
(式中、AはTi、Zr、Hfおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、BはNi、CoおよびFeから選ばれる少なくとも1種の元素を、XはSnおよびSbから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、xおよびyは30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で表される組成を有することを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記基板の前記素子搭載領域の面積に対する前記熱電変換モジュールの出力が1.3W/cm2以上であることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記第1および第2の基板は窒化珪素、窒化アルミニウム、アルミナ、マグネシアおよび炭化珪素から選ばれる少なくとも1種を主成分とするセラミックス部材からなることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記第1および第2の電極部材はCu、AgおよびFeから選ばれる少なくとも1種を主成分とする金属材料からなることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電素子は交互に配置されたp型熱電素子とn型熱電素子とを具備し、かつ前記p型熱電素子と前記n型熱電素子とは前記第1および第2の電極部材で直列に接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 加熱面と、冷却面と、前記加熱面と前記冷却面との間に配置された請求項1記載の熱電変換モジュールとを具備することを特徴とする熱交換器。
- 請求項18記載の熱交換器と、
前記熱交換器に熱を供給する手段とを具備し、
前記熱供給手段により供給された熱を、前記熱交換器における前記熱電変換モジュールで電力に変換して発電することを特徴とする熱電発電装置。 - 請求項19記載の熱電発電装置において、
前記熱供給手段は、焼却炉の排ガスライン、ボイラーの内水管、内燃式エンジンの排気管、または燃焼装置の燃焼部を有することを特徴とする熱電発電装置。
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