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技術 熱電モジュール、熱電発電装置および熱電発電器

出願人 株式会社KELK
発明者 海部宏昌牧野一也永野康治八馬弘邦
出願日 2013年2月7日 (8年4ヶ月経過) 出願番号 2014-502100
公開日 2015年7月30日 (5年10ヶ月経過) 公開番号 WO2013-129057
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 外側回路 高温側配管 内側回路 低温側配管 高温熱媒 熱反射率 カスケード型 各熱電モジュール
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特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

この項目の情報は公開日時点(2015年7月30日)のものです。
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図面 (20)

課題・解決手段

熱電モジュール(10)は、低温側配線(2a)と、高温側配線(2b)と、低温側部材(11)と、BiTe系材料からなる複数の低温側熱電変換素子(12)と、高温側部材(13)と、BiTe系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子(14)と、絶縁部材(15)と、輻射熱遮断板(16)と、低温側電極(17)と、高温側電極(18)とを備えている。輻射熱遮断板(16)は、低温側配線(2a)および高温側配線(2b)よりも高温側部材(13)側に配置されている。これにより、配線焼損を抑制することができる熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器を得ることができる。

概要

背景

周知のように、熱電変換素子は、ペルチェ効果によって電気エネルギ熱エネルギに変換したり、ゼーベック効果によって熱エネルギを電気エネルギに変換したりすることができる。そして、そのような熱電変換の効率と容量を増大させるために、整列された複数の熱電変換素子を含む熱電モジュールが作成されて利用されている。

複数の熱電変換素子を含む熱電モジュールがたとえば特開2005−79347号公報(特許文献1)に開示されている。この公報に記載された熱電モジュールでは、高温側絶縁基板低温側絶縁基板とに熱電変換素子が挟まれており、熱電変換素子と電気的に接続されたリード線が低温側絶縁基板に取付けられている。また高温側絶縁基板と低温側絶縁基板との間に輻射防止板が設けられている。この熱電モジュールは、輻射防止板を設けることによって熱電モジュール内部の輻射および対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させて熱電モジュールの熱伝達を向上させている。これにより熱電変換効率の向上が図られている。

概要

熱電モジュール(10)は、低温側配線(2a)と、高温側配線(2b)と、低温側部材(11)と、BiTe系材料からなる複数の低温側熱電変換素子(12)と、高温側部材(13)と、BiTe系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子(14)と、絶縁部材(15)と、輻射熱遮断板(16)と、低温側電極(17)と、高温側電極(18)とを備えている。輻射熱遮断板(16)は、低温側配線(2a)および高温側配線(2b)よりも高温側部材(13)側に配置されている。これにより、配線焼損を抑制することができる熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器を得ることができる。

目的

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、配線の焼損を抑制することができる熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

低温側部材と、前記低温側部材側に配置されたBiTe系材料からなる複数の低温熱電変換素子と、前記複数の低温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する低温側電極と、前記低温側電極に電気的に接続された低温側配線と、前記低温側部材と対向する高温側部材と、前記高温側部材側に配置された前記BiTe系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子と、前記複数の高温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する高温側電極と、前記高温側電極に電気的に接続された高温側配線と、前記低温側熱電変換素子と前記高温側熱電変換素子とに挟まれた絶縁部材と、前記絶縁部材と前記高温側部材との間に配置された輻射熱遮断板とを備え、前記輻射熱遮断板は、前記低温側配線および前記高温側配線よりも前記高温側部材側に配置されている、熱電モジュール

請求項2

前記輻射熱遮断板を前記低温側部材に接続する熱回路部材をさらに備えた、請求項1に記載の熱電モジュール。

請求項3

前記熱回路部材はバネ部材を含む、請求項2に記載の熱電モジュール。

請求項4

前記低温側部材は前記熱回路部材に接続される低温側プレートを含む、請求項2または3に記載の熱電モジュール。

請求項5

前記低温側部材は、絶縁材料からなり、前記複数の低温側熱電変換素子と前記低温側プレートとの間に挟まれた低温側均熱板を含む、請求項4に記載の熱電モジュール。

請求項6

前記輻射熱遮断板は、絶縁基板と、前記絶縁基板の少なくとも前記高温側部材側の表面の一部を被覆する被覆部とを含む、請求項1〜5のいずれかに記載の熱電モジュール。

請求項7

前記高温側熱電変換素子は、MgSi系材料、SiGe系材料、CoSb系材料およびPbTe系材料よりなる群から選ばれる1種以上の材料を含む、請求項1〜6のいずれかに記載の熱電モジュール。

請求項8

前記低温側熱電変換素子は前記低温側電極に半田材によって取り付けられており、前記高温側熱電変換素子は前記高温側電極にロウ材によって取り付けられている、請求項1〜7のいずれかに記載の熱電モジュール。

請求項9

前記高温側配線は、前記絶縁部材を貫通し、前記絶縁部材よりも前記低温側部材側に配設されている、請求項1〜8のいずれかに記載の熱電モジュール。

請求項10

請求項1〜9のいずれかに記載の熱電モジュールを複数備え、前記低温側配線は前記複数の熱電モジュールの各々の前記低温側電極同士を電気的に接続しており、前記高温側配線は前記複数の熱電モジュールの各々の前記高温側電極同士を電気的に接続している、熱電発電装置

請求項11

請求項10に記載の熱電発電装置と、前記熱電発電装置の前記低温側部材に取り付けられ、かつ低温熱媒が内部を循環する低温熱媒部材と、前記熱電発電装置の前記高温側部材に取り付けられ、かつ高温熱媒が内部を循環する高温熱媒部材とをさらに備えた、熱電発電器

請求項12

前記熱電発電装置と、前記低温熱媒部材と、前記高温熱媒部材とを取り囲む筺体をさらに備え、前記筺体の内部空間は真空密閉されている、請求項11に記載の熱電発電器。

技術分野

0001

本発明は、熱電モジュール熱電発電装置および熱電発電器に関するものであり、特に、カスケード型の熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器に関するものである。

背景技術

0002

周知のように、熱電変換素子は、ペルチェ効果によって電気エネルギ熱エネルギに変換したり、ゼーベック効果によって熱エネルギを電気エネルギに変換したりすることができる。そして、そのような熱電変換の効率と容量を増大させるために、整列された複数の熱電変換素子を含む熱電モジュールが作成されて利用されている。

0003

複数の熱電変換素子を含む熱電モジュールがたとえば特開2005−79347号公報(特許文献1)に開示されている。この公報に記載された熱電モジュールでは、高温側絶縁基板低温側絶縁基板とに熱電変換素子が挟まれており、熱電変換素子と電気的に接続されたリード線が低温側絶縁基板に取付けられている。また高温側絶縁基板と低温側絶縁基板との間に輻射防止板が設けられている。この熱電モジュールは、輻射防止板を設けることによって熱電モジュール内部の輻射および対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させて熱電モジュールの熱伝達を向上させている。これにより熱電変換効率の向上が図られている。

先行技術

0004

特開2005−79347号公報

発明が解決しようとする課題

0005

ところで、熱電変換素子は、材質によって高い熱電変換効率を有する温度領域が異なっている。そのため、異なる材料からなる熱電変換素子をそれぞれ高い熱電変換効率を有する温度領域で用いることによって熱電モジュール全体として熱電変換効率を向上させることができる。このため、異なる材料からなる熱電変換素子を互いに重ねて、高温域で高い熱電変換効率を有する材料からなる熱電変換素子を高温側に配置し、低温域で高い熱電変換効率を有する材料からなる熱電変換素子を低温側に配置したカスケード型の熱電モジュールが提案されている。

0006

このカスケード型の熱電モジュールでは、高温側の熱電変換素子の配線が高温側にあるため高温側の熱によって配線が焼損するという問題がある。

0007

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、配線の焼損を抑制することができる熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器を提供することである。

課題を解決するための手段

0008

本発明の熱電モジュールは、低温側部材と、複数の低温側熱電変換素子と、低温側電極と、低温側配線と、高温側部材と、複数の高温側熱電変換素子と、高温側電極と、高温側配線と、絶縁部材と、輻射熱遮断板とを備えている。複数の低温側熱電変換素子は低温側部材側に配置されておりBiTe(ビスマステルル系材料からなる。低温側電極は複数の低温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する。低温側配線は低温側電極に電気的に接続されている。高温側部材は低温側部材と対向する。複数の高温側熱電変換素子は高温側部材側に配置されておりBiTe系材料とは異なる材料からなる。高温側電極は複数の高温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する。高温側配線は高温側電極に電気的に接続されている。絶縁部材は低温側熱電変換素子と高温側熱電変換素子とに挟まれている。輻射熱遮断板は絶縁部材と高温側部材との間に配置されている。輻射熱遮断板は、低温側配線および高温側配線よりも高温側部材側に配置されている。

0009

本発明の熱電モジュールによれば、BiTe系材料からなる複数の低温側熱電変換素子とBiTe系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子とに絶縁部材が挟まれている。そして、輻射熱遮断板は、絶縁部材と高温側部材との間に配置されており、低温側配線および高温側配線よりも高温側部材側に配置されている。これにより、複数の低温側熱電変換素子および複数の高温側熱電変換素子を有するカスケード型の熱電モジュールにおいて、輻射熱遮断板によって高温側部材からの輻射熱遮断することにより、高温側配線の焼損を抑制することができる。

0010

上記の熱電モジュールによれば、輻射熱遮断板を低温側部材に接続する熱回路部材をさらに備えている。これにより、熱回路部材を経由して輻射熱遮断板の熱を低温側部材に伝達することによって輻射熱遮断板の温度上昇を抑制することができる。このため、輻射熱遮断板からの輻射熱による高温側配線の焼損を抑制することができる。

0011

上記の熱電モジュールによれば、熱回路部材はバネ部材を含んでいる。これにより、バネ部材が弾性変形することによって、輻射熱遮断板の熱変形により熱回路部材に生じる熱応力を抑制することができる。このため、熱回路部材の故障を抑制することができる。

0012

上記の熱電モジュールによれば、低温側部材は熱回路部材に接続される低温側プレートを含んでいる。これにより、熱回路部材を経由して輻射熱遮断板の熱を低温側プレートに伝達することによって輻射熱遮断板の温度上昇を抑制することができる。

0013

上記の熱電モジュールによれば、低温側部材は、絶縁材料からなり、複数の低温側熱電変換素子と低温側プレートとの間に挟まれた低温側均熱板を含んでいる。これにより、低温側均熱板によって低温側プレートからの熱の分布を均一にすることができる。

0014

上記の熱電モジュールによれば、輻射熱遮断板は、絶縁基板と、絶縁基板の少なくとも高温側部材側の表面の一部を被覆する被覆部とを含んでいる。これにより、絶縁基板によって高温側熱電変換素子との絶縁を確保することができ、被覆部によって高温側部材からの輻射熱を反射することができる。

0015

上記の熱電モジュールによれば、高温側熱電変換素子は、MgSi(マグネシウムシリコン)系材料、SiGe(シリコンゲルマニウム)系材料、CoSb(コバルトアンチモン)系材料およびPbTe(鉛テルル)系材料よりなる群から選ばれる1種以上の材料を含んでいる。これにより、それぞれが高い熱電変換効率を有する温度領域で用いられることによって熱電変換効率を向上することができる。

0016

上記の熱電モジュールによれば、低温側熱電変換素子は低温側電極に半田材によって取り付けられており、高温側熱電変換素子は高温側電極にロウ材によって取り付けられている。これにより、低温側熱電変換素子を低温側電極に半田材によって固定することができ、高温側熱電変換素子を高温側電極にロウ材によって確実に固定することができる。

0017

上記の熱電モジュールによれば、高温側配線は、絶縁部材を貫通し、絶縁部材よりも低温側部材側に配設されている。これにより、高温側配線を高温側部材から離れた位置に配置することができる。このため、高温側配線の焼損をさらに抑制することができる。

0018

本発明の熱電発電装置は、上記の熱電モジュールを複数備えている。低温側配線は複数の熱電モジュールの各々の低温側電極同士を電気的に接続しており、高温側配線は複数の熱電モジュールの各々の高温側電極同士を電気的に接続している。これにより、熱電モジュールを複数備えることによって熱電発電装置の熱電発電量を大きくすることができる。また複数の熱電モジュールの各々の低温側電極同士および高温側電極同士を電気的に接続することによって低温側と高温側とでそれぞれに適した電圧を用いることができる。

0019

本発明の熱電発電器は、上記の熱電発電装置と、熱電発電装置の低温側部材に取り付けられ、かつ低温熱媒が内部を循環する低温熱媒部材と、熱電発電装置の高温側部材に取り付けられ、かつ高温熱媒が内部を循環する高温熱媒部材とをさらに備えている。これにより、低温熱媒部材と高温熱媒部材とによって供給される熱によって熱電発電装置で熱電発電することができる。

0020

上記の熱電発電器によれば、熱電発電装置と、低温熱媒部材と、高温熱媒部材とを取り囲む筺体をさらに備えている。筺体の内部空間は真空密閉されている。これにより、高温側熱電変換素子および低温側熱電変換素子が酸化されて熱電変換効率が低下することを抑制することができる。

発明の効果

0021

以上説明したように本発明によれば、熱電モジュールの配線の焼損を抑制することができる。

図面の簡単な説明

0022

本発明の実施の形態1における熱電発電装置の構成を概略的に示す斜視図である。
本発明の実施の形態1における熱電発電装置の構成を概略的に示す正面図である。
本発明の実施の形態1における熱電発電装置の構成を概略的に示す平面図である。
本発明の実施の形態1における熱電発電装置の構成を概略的に示す右側面図である。
本発明の実施の形態1における熱電発電装置の構成を概略的に示す左側面図である。
図2および図3のP1部の低温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。
図2および図3のP1部の低温用モジュールの構成を概略的に示す側面図である。
図7のP2部の拡大図である。
図2および図3のP1部の高温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。
図2および図3のP1部の高温用モジュールの構成を概略的に示す側面図である。
図10のP3部の拡大図である。
図2および図3のP1部の高温用モジュールの構成を概略的に示す分解斜視図である。
図12の高温側熱電変換素子の周辺の構成を概略的に示す分解斜視図である。
図9のP4部の一例を概略的に示す拡大図である。
本発明の実施の形態1における熱電発電装置の輻射熱遮断板が変形した状態を概略的に示す正面図である。
本発明の実施の形態2における熱電発電装置の構成を概略的に示す斜視図である。
本発明の実施の形態2における熱電発電装置の構成を概略的に示す正面図である。
本発明の実施の形態2における熱電発電装置の構成を概略的に示す平面図である。
本発明の実施の形態2における熱電発電装置の構成を概略的に示す右側面図である。
本発明の実施の形態3における熱電発電器の構成を概略的に示す部分正面図である。
本発明の実施の形態4における熱電発電器の構成を概略的に示す断面図である。
本発明の実施の形態5における低温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。
本発明の実施の形態5における高温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。

実施例

0023

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
(実施の形態1)
まず本発明の実施の形態1における熱電発電装置の構成について説明する。

0024

図1および図2を参照して、熱電発電装置1は、複数の熱電モジュール10を有している。複数の熱電モジュール10は熱エネルギを電気エネルギに変換するためのものである。複数の熱電モジュール10は配線2によって互いに電気的に接続されている。配線2は、低温側配線2aと、高温側配線2bとを有している。複数の熱電モジュール10はネジ3および支柱4によって支持されている。

0025

複数の熱電モジュール10の各々は、低温側配線2aと、高温側配線2bと、低温側部材11と、複数の低温側熱電変換素子12と、高温側部材13と、複数の高温側熱電変換素子14と、絶縁部材15と、輻射熱遮断板16と、低温側電極17と、高温側電極18と、熱回路部材20と、ネジ22と、ボルト23とを有している。なお、図1では見やすくするため低温側熱電変換素子12などは簡略化して示されている。

0026

低温側部材11は、熱電モジュール10を支持する低温側プレート11aと、絶縁材料からなり低温側プレート11aからの熱を均一化する低温側均熱板11bと、低温側熱電変換素子12を支持する低温側基板11cとを有している。複数の低温側熱電変換素子12は低温側部材11側に配置されている。複数の低温側熱電変換素子12はBiTe系材料からなっている。複数の低温側熱電変換素子12は互いに隣り合うp型熱電半導体素子12aとn型熱電半導体素子12bとを有している。

0027

高温側部材13は低温側部材11と対向するように配置されている。高温側部材13は、熱電モジュール10を支持する高温側プレート13aと、絶縁材料からなり高温側プレート13aからの熱を均一化する高温側均熱板13bと、高温側熱電変換素子14を支持する高温側基板13cとを有している。複数の高温側熱電変換素子14は高温側部材13側に配置されたBiTe系材料とは異なる材料からなっている。高温側熱電変換素子14は、MgSi系材料、SiGe系材料、CoSb系材料およびPbTe系材料よりなる群から選ばれる1種以上の材料を含んでいることが好ましい。複数の高温側熱電変換素子14は互いに隣り合うp型熱電半導体素子14aとn型熱電半導体素子14bとを有している。

0028

絶縁部材15は低温側熱電変換素子12と高温側熱電変換素子14とに挟まれている。絶縁部材15は、中央均熱板15aと、低温側絶縁基板15bと、高温側絶縁基板15cとを有している。

0029

輻射熱遮断板16は絶縁部材15と高温側部材13との間に配置されている。輻射熱遮断板16は、低温側配線2aおよび高温側配線2bよりも高温側部材13側に配置されている。輻射熱遮断板16は低温側配線2aおよび高温側配線2bと高温側部材13との間に配置されている。

0030

低温側電極17は複数の低温側熱電変換素子12を電気的に直列に接続している。低温側電極17に低温側配線2aが電気的に接続されている。高温側電極18は複数の高温側熱電変換素子14を電気的に直列に接続している。高温側電極18に高温側配線2bが電気的に接続されている。

0031

熱回路部材20は輻射熱遮断板16を低温側部材11に接続している。熱回路部材20はバネ部材21を有している。熱回路部材20はバネ部材21によってフレキシブルな構造を有している。熱回路部材20は低温側部材11にネジ22で取付けられており、輻射熱遮断板16にボルト23で取付けられている。

0032

図2および図3を参照して、低温側配線2aは複数の熱電モジュール10の各々の低温側電極17同士を電気的に接続している。高温側配線2bは複数の熱電モジュール10の各々の高温側電極18同士を電気的に接続している。なお図3では説明の便宜のため、低温側熱電変換素子12および高温側熱電変換素子14は簡略化して図示されており、低温側配線2aおよび高温側配線2bは実線で示されている。

0033

図3図5を参照して、複数の熱電モジュール10の各熱電モジュール10の低温側熱電変換素子12および高温側熱電変換素子14は互いに電気的に直列接続されている。なお図4および図5では見やすくするため低温側熱電変換素子12および高温側熱電変換素子14などは実線で示されている。

0034

複数の熱電モジュール10では各熱電モジュール10の低温側電極17のプラス側端子と各熱電モジュール10の高温側電極18のマイナス側端子とが互いに電気的に接続されている。これにより、各熱電モジュール10の低温側熱電変換素子12は互いに電気的に直列接続されている。そして、一の熱電モジュール10の低温側電極17のプラス側端子に電気的に接続された低温側配線2aと、他の熱電モジュール10の低温側電極17のマイナス側端子に電気的に接続された低温側配線2aとが熱電発電装置1の外側に引き出されている。

0035

同様に各熱電モジュール10の高温側熱電変換素子14は互いに電気的に直列接続されている。つまり、複数の熱電モジュール10では各熱電モジュール10の高温側電極18のプラス側端子と各熱電モジュール10の高温側電極18のマイナス側端子とが互いに電気的に接続されている。そして、一の熱電モジュール10の高温側電極18のプラス側端子に電気的に接続された低温側配線2aと、他の熱電モジュール10の高温側電極18のマイナス側端子に電気的に接続された低温側配線2aとが熱電発電装置1の外側に引き出されている。

0036

続いて、熱電モジュール10の構成についてさらに詳しく説明する。
図6図8を参照して、熱電モジュール10の低温用モジュールは、低温側基板11cと低温側絶縁基板15bとの間にBiTe系材料からなるp型熱電半導体素子12aとn型熱電半導体素子12bとを交互に電気的に直列接続するように接合して構成されている。低温側基板11cと低温側絶縁基板15bとは、たとえばアルミナおよび窒化アルミニウムなどで形成されている。

0037

低温側基板11cの上面上には、熱伝導グリース30を介して低温側電極17が配置されている。それぞれ独立した低温側電極17の各々上に半田材31を介してp型熱電半導体素子12aとn型熱電半導体素子12bが一対ずつ搭載されている。低温側絶縁基板15bの下面上にも熱伝導グリース30を介して類似の低温側電極17が配置されている。

0038

低温側絶縁基板15bの低温側電極17は低温側基板11cの低温側電極17に比べて相対的に位置がずらされている。その結果、低温側絶縁基板15bの複数の低温側電極17と低温側基板11cの複数の低温側電極17との間に半田材31を介して接合された複数のp型熱電半導体素子12aとn型熱電半導体素子12bは、それぞれ交互に電気的に直列接続されている。

0039

また、低温側基板11c上には、熱電モジュール10から電力を供給するために、1つのp型熱電半導体素子12aのみが搭載された低温側電極17に1つの低温側配線2aが半田材によって取付けられている。

0040

低温側基板11cおよび低温側絶縁基板15bはそれぞれたとえば50mmの長さD1と幅D2とを有している。p型熱電半導体素子12aおよびn型熱電半導体素子12bはそれぞれたとえば1.95mmの長さD3と幅D4とを有している。熱電モジュール10の低温用モジュールはたとえば4.2mmの高さを有している。

0041

図9図13を参照して、熱電モジュール10の高温用モジュールは、高温側基板13cと高温側絶縁基板15cとの間にBiTe系材料とは異なる材料からなるp型熱電半導体素子14aとn型熱電半導体素子14bとを交互に電気的に直列接続するように接合して構成されている。高温側基板13cと高温側絶縁基板15cとは、たとえばアルミナおよび窒化アルミニウムなどで形成されている。

0042

高温側基板13cの上面上には、熱伝導グリース30を介して高温側電極18が配置されている。それぞれ独立した高温側電極18の各々上にロウ材32を介してp型熱電半導体素子14aとn型熱電半導体素子14bが一対ずつ搭載されている。高温側絶縁基板15cの下面上にも熱伝導グリース30を介して類似の高温側電極18が配置されている。

0043

高温側絶縁基板15cの高温側電極18は高温側基板13cの高温側電極18に比べて相対的に位置がずらされている。その結果、高温側絶縁基板15cの複数の高温側電極18と高温側基板13cの複数の高温側電極18との間にロウ材32を介して接合された複数のp型熱電半導体素子14aとn型熱電半導体素子14bは、それぞれ交互に電気的に直列接続されている。

0044

また、高温側基板13c上には、熱電モジュール10から電力を供給するために、1つのp型熱電半導体素子14aのみが搭載された高温側電極18に1つの高温側配線2bがロウ材によって取付けられている。

0045

高温側基板13cと高温側絶縁基板15cとの間に輻射熱遮断板16が配置されている。輻射熱遮断板16は複数の貫通孔16aを有している。輻射熱遮断板16は複数の貫通孔16aによって形成された格子状の枠を有している。複数の貫通孔16aの各々にp型熱電半導体素子14aとn型熱電半導体素子14bとがそれぞれ挿入されている。

0046

高温側基板13cおよび高温側絶縁基板15cはそれぞれたとえば25mmの長さD11と幅D12とを有している。p型熱電半導体素子12aおよびn型熱電半導体素子12bはそれぞれたとえば2.15mmの長さD13と幅D14とを有している。輻射熱遮断板16はたとえば69.5mmの長さD17と70.0mmの幅D18とを有している。輻射熱遮断板16の複数の貫通孔16aはそれぞれたとえば2.35mmの長さD15と幅D16とを有している。熱電モジュール10の高温用モジュールはたとえば4.2mmの高さを有している。

0047

図14を参照して、輻射熱遮断板16は、絶縁基板16bと、被覆部16cとを有していてもよい。被覆部16cは絶縁基板16bの少なくとも高温側部材13側の表面の一部を被覆している。被覆部16cは複数の貫通孔16aの間に形成されており、貫通孔16aには形成されていない。被覆部16cはたとえば熱反射率の高い塗装またはメッキによって形成されている。被覆部16cの材料としては、Ag(銀)、Au(金)、Cr(クロム)、Ni(ニッケル)、Pt(白金)、Sn(スズ)、酸化アルミニウムなどが好ましい。

0048

本実施の形態の熱電発電装置1では、熱電モジュール10の低温側部材11に低温の熱が加えられ、高温側部材13に高温の熱が加えられることによって、低温側熱電変換素子12および高温側熱電変換素子14のそれぞれにおいて起電力が発生して、低温側配線2aおよび高温側配線2bのそれぞれに電流が流れる。すなわち、熱電モジュール10の高温側と低温側との温度差によって電力が取り出される。

0049

図15を参照して、この際、高温側は低温側より熱によって大きく延びる。つまり高温側は低温側より大きく熱変形する。高温側部材13は低温側部材11より大きく延びる。また、輻射熱遮断板16も低温側部材11より大きく延びる。そのため、輻射熱遮断板16は高温側部材13に向かって凸型に変形する。輻射熱遮断板16に取付けられた熱回路部材20はバネ部材21によって弾性変形する。本実施の形態では、輻射熱遮断板16の熱変形にあわせて熱回路部材20のバネ部材21が低温側部材11側に変形する。これにより、熱回路部材20に生じる熱応力が軽減される。

0050

次に本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の熱電モジュール10によれば、BiTe系材料からなる複数の低温側熱電変換素子12とBiTe系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子14とに絶縁部材15が挟まれている。そして、輻射熱遮断板16は、絶縁部材15と高温側部材13との間に配置されており、低温側配線2aおよび高温側配線2bよりも高温側部材13側に配置されている。これにより、複数の低温側熱電変換素子12および複数の高温側熱電変換素子14を有するカスケード型の熱電モジュール10において、輻射熱遮断板16によって高温側部材13からの輻射熱を遮断することにより、高温側配線2bの焼損を抑制することができる。

0051

また、熱電モジュール10は輻射熱遮断板16を低温側部材11に接続する熱回路部材20を有しているため、熱回路部材20を経由して輻射熱遮断板16の熱を低温側部材11に伝達することによって輻射熱遮断板16の温度上昇を抑制することができる。このため、輻射熱遮断板16からの輻射熱による高温側配線2bの焼損を抑制することができる。

0052

また熱回路部材20はバネ部材21を有しているため、バネ部材21が弾性変形することによって、輻射熱遮断板16の熱変形により熱回路部材20に生じる熱応力を抑制することができる。このため、熱回路部材20の故障を抑制することができる。

0053

また低温側部材11は熱回路部材20に接続される低温側プレート11aを有しているため、熱回路部材20を経由して輻射熱遮断板16の熱を低温側プレート11aに伝達することによって輻射熱遮断板16の温度上昇を抑制することができる。

0054

また低温側部材11は、複数の低温側熱電変換素子12と低温側プレート11aとの間に挟まれた低温側均熱板11bを有しているため、低温側均熱板11bによって低温側プレート11aからの熱の分布を均一にすることができる。

0055

また輻射熱遮断板16は、絶縁基板16bと、絶縁基板16bの少なくとも高温側部材13側の表面の一部を被覆する被覆部16cとを有しているため、絶縁基板16bによって高温側熱電変換素子14との絶縁を確保することができ、被覆部16cによって高温側部材13からの輻射熱を反射することができる。

0056

また高温側熱電変換素子14は、MgSi(マグネシウムシリコン)系材料、SiGe(シリコンゲルマニウム)系材料、CoSb(コバルトアンチモン)系材料およびPbTe(鉛テルル)系材料よりなる群から選ばれる1種以上の材料を含んでいる。これにより、それぞれが高い熱電変換効率を有する温度領域で用いられることによって熱電変換効率を向上することができる。

0057

低温側熱電変換素子は低温側電極に半田材によって取り付けられており、高温側熱電変換素子は高温側電極にロウ材によって取り付けられている。これにより、低温側熱電変換素子12を低温側電極17に半田材31によって固定することができ、高温側熱電変換素子14を高温側電極18にロウ材32によって確実に固定することができる。

0058

本実施の形態の熱電発電装置1は熱電モジュール10を複数備えている。低温側配線2aは複数の熱電モジュール10の各々の低温側電極17同士を電気的に接続しており、高温側配線2bは複数の熱電モジュール10の各々の高温側電極18同士を電気的に接続している。これにより、熱電モジュール10を複数備えることによって熱電発電装置1の熱電発電量を大きくすることができる。また複数の熱電モジュール10の各々の低温側電極17同士および高温側電極18同士を電気的に接続することによって低温側と高温側とでそれぞれに適した電圧を用いることができる。

0059

(実施の形態2)
本発明の実施の形態2では、実施の形態1と対比して熱回路部材20の構成が異なっている。図16図19を参照して、本実施の形態の熱電発電装置1では、熱回路部材20はボルト24と、コイルバネ25とを有している。また熱回路部材20はワッシャ26を有していてもよい。本実施の形態ではボルト24は輻射熱遮断板16の貫通孔ならびに輻射熱遮断板16の下面上に配置されたワッシャ26および低温側プレート11aの上面上に配置されたワッシャ26に挿入されている。

0060

またボルト24はその先端部が低温側プレート11aにネジ込まれることによって低温側プレート11aに固定されている。コイルバネ25は輻射熱遮断板16の下面上に配置されたワッシャ26と低温側プレート11aの上面上に配置されたワッシャ26との間に配置されている。

0061

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

0062

本実施の形態の熱電モジュール10では、低温側部材11に低温の熱が加えられ、高温側部材13に高温の熱が加えられることによって、輻射熱遮断板16は高温側部材13に向かって凸型に変形する。この際、輻射熱遮断板16の熱変形にあわせてコイルバネ25はボルト24に沿って縮むように弾性変形する。これにより、熱回路部材20に生じる熱応力を抑制することができる。このため、熱回路部材20の故障を抑制することができる。

0063

(実施の形態3)
図20を参照して、本発明の実施の形態3の熱電発電器100は、熱電発電装置1と、低温熱媒部材40と、高温熱媒部材50とを有している。低温熱媒部材40は熱電発電装置1の低温側部材11に取付けられている。本実施の形態では、低温熱媒部材40は低温側プレート11aに取付けられている。低温熱媒部材40の内部を低温熱媒41が循環している。低温熱媒41としてはたとえば水蒸気が適用され得る。低温熱媒41の温度はたとえば140℃以上170℃以下である。

0064

高温熱媒部材50は熱電発電装置1の高温側部材13に取付けられている。本実施の形態では、高温熱媒部材50は高温側プレート13aに取付けられている。高温熱媒部材50の内部を高温熱媒51が循環している。高温熱媒51としてはたとえば溶融塩が適用され得る。高温熱媒51の温度はたとえば550℃以上である。また絶縁部材15の温度はたとえば約280℃程度である。

0065

熱回路部材20は低温熱媒部材40に取付けられている。なお、熱回路部材20は低温側プレート11aに取付けられていてもよい。

0066

高温側配線2bは複数の熱電モジュール10の各々の絶縁部材15を貫通し、絶縁部材15よりも低温側部材11側を渡って複数の熱電モジュール10の各々の高温側電極18同士を電気的に接続している。高温側配線2bは絶縁部材15を貫通し、絶縁部材15よりも低温側部材11側に配設されている。

0067

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

0068

本実施の形態の熱電発電器100は、熱電発電装置1の低温側部材11に取り付けられ、かつ低温熱媒41が内部を循環する低温熱媒部材40と、熱電発電装置1の高温側部材13に取り付けられ、かつ高温熱媒51が内部を循環する高温熱媒部材50とをさらに備えている。これにより、低温熱媒部材40と高温熱媒部材50とによって供給される熱によって熱電発電装置1で熱電発電することができる。

0069

また、高温側配線2bは、絶縁部材15を貫通し、絶縁部材15よりも低温側部材11側に配設されている。これにより、高温側配線2bを高温側部材13から離れた位置に配置することができる。このため、高温側配線2bの焼損をさらに抑制することができる。

0070

(実施の形態4)
図21を参照して、本発明の実施の形態4の熱電発電器100は、熱電発電装置1と、低温熱媒部材40と、高温熱媒部材50と、筺体60と、真空ポンプ62と、バルブ63とを有している。

0071

熱電発電装置1と、低温熱媒部材40と、高温熱媒部材50とは筺体60に取り囲まれている。筺体60の内部空間61に熱電発電装置1と、低温熱媒部材40と、高温熱媒部材50とが収容されている。筺体60の内部空間61は真空ポンプ62によってバルブ63を介して真空引きされている。これにより、筺体60の内部空間61は真空密閉されている。つまり、筺体60の内部空間61の圧力は大気圧より低くなっている。

0072

低温熱媒部材40に低温熱媒を41を供給する低温側配管42は筺体60の内部空間61から外部に引き出されている。図示しない低温熱媒41の供給装置によって低温熱媒41が低温熱媒部材40の内部を循環されている。同様に高温熱媒部材50に高温熱媒を51を供給する高温側配管52は筺体60の内部空間61から外部に引き出されている。図示しない高温熱媒51の供給装置によって高温熱媒51が高温熱媒部材50の内部を循環されている。また高温側配線2bも筺体60の内部空間61から外部に引き出されている。低温側配管42、高温側配管52および配線2は筺体60の内部空間61から外部に引き出されているが、内部空間61は真空密閉された状態が保たれている。

0073

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

0074

本実施の形態の熱電発電器100によれば、熱電発電装置1と、低温熱媒部材40と、高温熱媒部材50とを取り囲む筺体60の内部空間61は真空密閉されている。これにより、高温側熱電変換素子14および低温側熱電変換素子12が酸化されて熱電変換効率が低下することを抑制することができる。

0075

(実施の形態5)
本発明の実施の形態5では、実施の形態1と対比して複数の熱電半導体素子が電気的に並列に接続されている点で異なっている。

0076

図22を参照して、本実施の形態の熱電モジュールの低温用モジュールでは、低温側基板11cと図示しない低温側絶縁基板との間において低温側電極17によって挟まれてp型熱電半導体素子12aと低温側配線2aとが配置されている。なお、図22では、説明の便宜のため、低温側絶縁基板等は図示されておらず、低温側絶縁基板の側の低温側電極17は破線で図示されている。

0077

低温側電極17の一方端部上に2つのp型熱電半導体素子12aと低温側配線2aとが配置されており、低温側電極17の他方端部上に2つのn型熱電半導体素子12bと低温側配線2aとが配置されている。低温側電極17の一方端部および他方端部の間には低温側電極17の中央部が配置されている。この低温側電極17の中央部はそれぞれ独立して構成されており、低温側電極17の各々上にp型熱電半導体素子12aとn型熱電半導体素子12bとが一対ずつ搭載されている。

0078

低温側電極17の一方端部上に搭載された2つのp型熱電半導体素子12aはそれぞれ、別の低温側電極17の中央部に配置されたn型熱電半導体素子12bと破線で示された低温側電極17によって接続されている。同様に低温側電極17の他方端部上に搭載された2つのn型熱電半導体素子12bはそれぞれ、別の低温側電極17の中央部に配置されたp型熱電半導体素子12aと破線で示された低温側電極17によって接続されている。

0079

これにより、低温側電極17の一方端部の外側に配置されたp型熱電半導体素子12aと、低温側電極17の他方端部の外側に配置されたn型熱電半導体素子12bと、低温側電極17の中央部に配置されたp型熱電半導体素子12aおよびn型熱電半導体素子12bとが低温側電極17によって電気的に接続されている。このようにして外側回路が形成されている。また、低温側電極17の一方端部の内側に配置されたp型熱電半導体素子12aと、低温側電極17の他方端部の内側に配置されたn型熱電半導体素子12bと、低温側電極17の中央部に配置されたp型熱電半導体素子12aおよびn型熱電半導体素子12bとが電気的に接続されている。このようにして内側回路が形成されている。そして、低温側電極17の一方端部および他方端部において、外側回路と内側回路とが電気的に並列に接続されている。つまり、低温側電極17は複数のp型熱電半導体素子12aおよびn型熱電半導体素子12bを電気的に並列に接続している。

0080

図23を参照して、本実施の形態の熱電モジュールの高温用モジュールでは、高温側絶縁基板13cと図示しない高温側基板との間において高温側電極18によって挟まれてp型熱電半導体素子14aと高温側配線2bとが配置されている。なお、図23では、説明の便宜のため、高温側基板等は図示されておらず、高温側基板の側の高温側電極18は破線で図示されている。

0081

高温側電極18の一方端部上に2つのp型熱電半導体素子14aと高温側配線2bとが配置されており、高温側電極18の他方端部上に2つのn型熱電半導体素子14bと高温側配線2bとが配置されている。高温側電極18の一方端部および他方端部の間には高温側電極18の中央部が配置されている。この高温側電極18の中央部はそれぞれ独立して構成されており、高温側電極18の各々上にp型熱電半導体素子14aとn型熱電半導体素子14bとが一対ずつ搭載されている。p型熱電半導体素子14aおよびn型熱電半導体素子14bはそれぞれ、輻射熱遮断板16は複数の貫通孔16aに挿入されている。

0082

高温側電極18の一方端部上に搭載された2つのp型熱電半導体素子14aはそれぞれ、別の高温側電極18の中央部に配置されたn型熱電半導体素子14bと破線で示された高温側電極18によって接続されている。同様に高温側電極18の他方端部上に搭載された2つのn型熱電半導体素子14bはそれぞれ、別の高温側電極18の中央部に配置されたp型熱電半導体素子14a破線で示された高温側電極18によって接続されている。

0083

これにより、高温側電極18の一方端部の外側に配置されたp型熱電半導体素子14aと、高温側電極18の他方端部の外側に配置されたn型熱電半導体素子14bと、低温側電極18の中央部に配置されたp型熱電半導体素子14aおよびn型熱電半導体素子14bとが高温側電極18によって電気的に接続されている。このようにして外側回路が形成されている。また、高温側電極18の一方端部の内側に配置されたp型熱電半導体素子14aと、高温側電極18の他方端部の内側に配置されたn型熱電半導体素子14bと、高温側電極18の中央部に配置されたp型熱電半導体素子14aおよびn型熱電半導体素子14bとが電気的に接続されている。このようにして内側回路が形成されている。そして、高温側電極18の一方端部および他方端部において、外側回路と内側回路とが電気的に並列に接続されている。つまり、高温側電極18は複数のp型熱電半導体素子14aおよびn型熱電半導体素子14bを電気的に並列に接続している。

0084

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態1の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

0085

ここで、外部回路内部回路とを並列化する際の設計指針として、並列にされた外部回路および内部回路のそれぞれのp型熱電半導体素子14aおよびn型熱電半導体素子14bの対数は同じにされ、外部回路および内部回路の発電電圧は揃えられる。なお、上記では熱電モジュールにおける外部回路と内部回路との並列数は2つであるが、熱電モジュールの発電電圧は出力を調整するパワーモジュールに合わせるように規定されればよく、並列数は2つでなくてもよい。

0086

なお、上記の各実施の形態において、熱電発電装置1の熱電モジュール10には均熱板は設けられていなくてもよい。

0087

上記の各実施の形態は適宜組み合せられ得る。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

0088

本発明は、低温側および高温側熱電変換素子を有する熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器に特に有利に適用され得る。

0089

1熱電発電装置、2配線、2a低温側配線、2b高温側配線、10熱電モジュール、11低温側部材、11a低温側プレート、11b 低温側均熱板、11c低温側基板、12 低温側熱電変換素子、13高温側部材、13a高温側プレート、13b 高温側均熱板、13c高温側基板、14 高温側熱電変換素子、15絶縁部材、15a 中央均熱板、15b低温側絶縁基板、15c高温側絶縁基板、16輻射熱遮断板、16a貫通孔、16b絶縁基板、16c被覆部、17低温側電極、18高温側電極、20熱回路部材、21バネ部材、24ボルト、25コイルバネ、31半田材、32ロウ材、40 低温熱媒部材、41 低温熱媒、50高温熱媒部材、51 高温熱媒、60筺体、61 内部空間、100熱電発電器。

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