(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように１０００℃以上の融点を有する高熱伝導率及び耐熱性を有するセラミックスからなる熱伝達媒体が取り付けられ、前記熱伝達媒体の低温雰囲気側に前記熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする熱電変換発電装置。
【請求項２】
複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように熱伝達媒体が取り付けられ、前記熱伝達媒体は前記高温雰囲気側の容積が前記低温雰囲気側の容積よりも大きく、前記熱伝達媒体の低温雰囲気側に前記熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする熱電変換発電装置。
【請求項３】
前記熱伝達媒体は少なくとも１つの平面を有していることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱電変換発電装置。
【請求項４】
前記熱伝達媒体の１つの平面に前記熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする請求項３記載の熱電変換発電装置。
【請求項５】
前記熱伝達媒体の複数の平面に前記熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする請求項３記載の熱電変換発電装置。
【請求項６】
前記セラミックスは炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選択された１種であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換発電装置。
【請求項７】
前記熱伝達媒体は平板状体であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
【請求項８】
前記熱伝達媒体は棒状体であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
【請求項９】
前記熱伝達媒体はＬ字状体であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
【請求項１０】
前記熱伝達媒体はアーチ状体であることを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
【請求項１１】
前記界壁は平板状であることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
【請求項１２】
前記界壁は円筒状であることを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
【請求項１３】
前記熱電変換モジュールは、ｐ型酸化物系半導体及びｎ型酸化物系半導体からなる熱電変換素子により構成されていることを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれかの請求項に記載の熱電変換発電装置。
【請求項１４】
前記酸化物系の熱電変換素子は、前記ｐ型酸化物系半導体が、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物から選択された１種であり、前記ｎ型酸化物系半導体が、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物から選択された１種であることを特徴とする請求項１３記載の熱電変換発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュールを用いて高温側と低温側との間の温度差から発電する熱電変換発電装置に係り、特に温度差に起因する高温雰囲気側と低温熱雰囲気側との境界の壁（以下、「界壁」と称す）の変形によって引き起こされる発電効率の低下を招かない熱電変換発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、現在広く用いられている温度差発電としては熱機関が知られている。熱機関は機構学に基づいている装置であるので可動部を有することから原理的に摩耗劣化がさけられない。それに対して、熱電変換素子を用いた温度差発電の場合は、熱電変換素子の基本構造が固体物理に基づく半導体接合であるため、構成部材が少ない、構造が単純である、可動部分を有していないなどの特徴を備えている。
【０００３】
従って、熱電変換素子を用いた温度差発電は、熱機関に比べて長期信頼性が期待できること、小型から大型まで幅広い寸法範囲での装置の実装を可能としているなどの優位性を有している。そしてこのような特徴により、熱電変換素子は従来熱機関にとって不可能であった廃熱を再利用する発電への適用が期待されている。
【０００４】
熱電変換素子を用いて温度差発電を行う場合、通常アルミナなどのセラミックス基板上にｐ型及びｎ型の半導体からなる熱電変換素子を交互に直列に配列し、ｐ型及びｎ型のそれぞれの熱電変換素子を電極で接続した構造の熱電変換モジュールを用いている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００５】
このような熱電変換モジュールに冷却板を接触させた熱電変換ユニットを高温雰囲気側と低温雰囲気側との間に挟持して高温側と低温側との間の温度差から発電する熱電変換発電装置を構成する（例えば、特許文献４参照）。高温雰囲気側と低温雰囲気側との間には界壁が存在し、通常低温雰囲気側に界壁に接するように熱電変換ユニットが配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２９６６７号公報
【特許文献２】特開２００５−３０２７８３号公報
【特許文献３】特開２０００−１６４９４１号公報
【特許文献４】特開平１１−８９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記したように、従来の熱電変換発電装置においては、界壁の低温雰囲気側に熱電変換ユニットを配置して発電を行っているが、図５に示すように界壁の低温雰囲気側（室温側）に熱電変換ユニットを設置して高温雰囲気側との温度差から発電を行う場合、まず図５（ａ）に示すように、熱電変換モジュール５１と冷却板５２とからなる熱電変換ユニット５３を設置した当初は界壁５４と熱電変換ユニット５３は密着している。
【０００８】
それが時間の経過と共に図５（ｂ）に示すように、高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から界壁５４には熱膨張による変形（反り）が生じてくる。このように界壁に反りが生じると、界壁５４と熱電変換ユニット５３との間に空間Ｇが生じ、高温雰囲気側から熱電変換ユニット５３への熱伝達効率が極端に低下するという問題があった。
【０００９】
また、界壁５４と熱電変換ユニット５３との間の空間Ｇをできるだけなくすように、熱電変換ユニット５３を界壁５４に押しつけようとすると、界壁５４には既に熱歪が加わっているので界壁内の歪がさらに増大する。この場合、熱膨張と熱電変換ユニット５３の押し付け力による歪に由来する界壁変形が界壁を構成する材料の弾塑性変形量を上回ると、図５（ｃ）に示すように、界壁が破壊するおそれがあるという問題もあった。なお、熱電変換モジュール５１は基本的には熱電変換素子と電極から構成されているが、本図においては一体として表示している。
【００１０】
このような問題については、一つには発電装置を構成する各部材の熱膨張率の違いによる影響であり、各部材の熱膨張率の差は構成部材の位置ずれ（本来あるべき位置からのずれ）や変形を引き起こし、熱伝達効率の低下や導通不良の原因となる。
【００１１】
また、もう一つとして、各構成部材に加わる力学的バランスが偏っていることであり、熱膨張による変形と熱電変換ユニットの押し付け力はどちらも界壁を高温雰囲気側に曲げる効果を有するが、それに対する反力は界壁の剛性（ヤング率）しかない。もし反力を高めようとすると、界壁の厚さを増加させるか界壁にリブなどの補強構造を加えるなどして界壁の剛性を高めざるを得ない。しかし、このような方法は界壁の熱伝達能力を低下させるものであり、また界壁の変形（反り）の状況を複雑なものにするため採用は難しい。
【００１２】
さらに、上記の問題に加えて、使用温度による材料選択の制約も生じてくる。発電装置の強度設計を行う場合、高温雰囲気において構成部材がどのような力学的性質を持つのかを考慮しなければならない。その際、前述した熱膨張率差による構成部材の位置ずれを防ぐためには、構成部材に「あそび」と称するフック弾性領域を持たせたり、位置ずれを抑えるために強い反力を加えたりする必要がある。このような制約に対して適合する材料は、素材の力学的データベースに基づき選定されることになるが、高温下で適度な弾力や剛性を保有する材料は少なく、特に伝熱経路設計に必要な熱的性質を考慮した場合、使用材料選択の制約は非常に大きいものとなる。
【００１３】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、高温雰囲気側から低温雰囲気側に流れる熱の伝達効率と力学的バランスを考慮し、界壁の変形が生じたとしても発電効率を低下させない熱電変換発電装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この目的を達成するために本発明の熱電変換発電装置の第１の態様は、複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように１０００℃以上の融点を有する高熱伝導率及び耐熱性を有するセラミックスからなる熱伝達媒体が取り付けられ、熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の熱電変換発電装置の第２の態様は、複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールを用いて高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から発電出力を得る熱電変換発電装置において、高温雰囲気側と低温雰囲気側との界壁に貫通するように熱伝達媒体が取り付けられ、熱伝達媒体は高温雰囲気側の容積が低温雰囲気側の容積よりも大きく、熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱電変換モジュールと冷却板から構成される熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。
【００１６】
さらに本発明の熱電変換発電装置の第３の態様は、第１または第２の態様において、熱伝達媒体は少なくとも１つの平面を有していることを特徴とする。
【００１７】
また本発明の熱電変換発電装置の第４の態様は、第３の態様において、熱伝達媒体の１つの平面に熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。
【００１８】
さらに本発明の熱電変換発電装置の第５の態様は、第３の態様において、熱伝達媒体の複数の平面に熱電変換ユニットが配置されていることを特徴とする。
【００１９】
また本発明の熱電変換発電装置の第６の態様は、第１の態様において、セラミックスは炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムから選択された１種であることを特徴とする。
【００２０】
さらに、本発明の熱電変換発電装置の第７の態様は、第１から第６の態様において、熱伝達媒体は平板状体であることを特徴とする。
【００２１】
また本発明の熱電変換発電装置の第８の態様は、第１から第６の態様において、熱伝達媒体は棒状体であることを特徴とする。
【００２２】
さらに本発明の熱電変換発電装置の第９の態様は、第１から第６の態様において、熱伝達媒体はＬ字状体であることを特徴とする。
【００２３】
また本発明の熱電変換発電装置の第１０の態様は、第１から第６の態様において、熱伝達媒体はアーチ状体であることを特徴とする。
【００２４】
さらに本発明の熱電変換発電装置の第１１の態様は、第１から第１０の態様において、界壁は平板状であることを特徴とする。
【００２５】
また本発明の熱電変換発電装置の第１２の態様は、第１から第１０の態様において、界壁は円筒状であることを特徴とする。
【００２６】
さらに本発明の熱電変換発電装置の第１３の態様は、第１から第１２の態様において、熱電変換モジュールは、ｐ型酸化物系半導体及びｎ型酸化物系半導体からなる熱電変換素子により構成されていることを特徴とする。
【００２７】
また本発明の熱電変換発電装置の第１４の態様は、第１３の態様において、酸化物系の熱電変換素子は、ｐ型酸化物系半導体が、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物から選択された１種であり、ｎ型酸化物系半導体が、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物から選択された１種であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の熱電変換発電装置によれば、界壁に対して熱伝達媒体を貫通するように取り付け、この熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱伝変換ユニットを配置したので、高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から界壁に変形（反り）が生じたとしても、熱伝変換ユニットには有害な変形が加わらず、高温雰囲気側からの熱が熱伝達媒体を介して効率よく熱電変換ユニット伝わるために発電効率の低下を招くことがない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の熱電変換発電装置の一実施の形態を示す斜視図である。
【図２】本発明の熱電変換発電装置における熱電変換ユニットの配置状況を説明する図である。
【図３】本発明の熱電変換発電装置の取り付け状況を説明する図である。
【図４】本発明の熱電変換発電装置の他の実施の形態を示す図である。
【図５】従来の熱電変換発電装置の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の熱電変換発電装置の好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。なお、以後の各図の説明において、同一の箇所については同一の符号を付すこととする。
【００３１】
図１は本発明の熱電変換発電装置の一実施の形態を示す斜視図である。図１において、本発明の熱電変換発電装置１は、高温雰囲気側と低温雰囲気側との間の界壁２に熱伝達媒体３が界壁２に貫通するように取り付けられている。
【００３２】
各熱伝達媒体３の低温雰囲気側（室温側）には熱電変換素子及び電極からなる熱電変換モジュール４及び冷却板５から構成される熱電変換ユニット６が配置されている。なお、図１においては、熱伝達媒体３に熱電変換ユニット６がどのように配置されているかを理解しやすいように分解して示している。
【００３３】
ここで、熱伝達媒体３は少なくとも１つの平面を有していることが好ましい。熱電変換モジュール４はセラミックス基板上にｐ型及びｎ型の半導体からなる熱電変換素子を交互に直列に配列し、ｐ型及びｎ型のそれぞれの熱電変換素子を電極で接続した構造を有しているが、セラミックス基板が平板状であることから熱電変換ユニット６を熱伝達媒体３に密着させるには熱伝達媒体３も少なくとも１つの平面を有することが好ましいからである。
【００３４】
また、熱伝達媒体３は熱伝導率の高い耐熱性を有する材料であることが好ましく、１０００℃以上の融点を持つ金属あるいはセラミックスが用いられる。具体的には、金属としてはニッケル合金、マルテンサイト系ステンレス鋼、銅、銀、タングステン、プラチナ等が好ましく、またセラミックスとしては炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウム等が好ましい。
【００３５】
熱電変換モジュール４を構成している熱電変換素子は、ｐ型及びｎ型の半導体の素子が交互に配列されており、ｐ型及びｎ型の素子が対になり電極で直列に接続されている。このような熱電変換素子としては、酸化物系半導体からなる熱電変換素子が好ましく、例えば、ｐ型酸化物系半導体としてナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物またはカルシウムビスマスコバルト酸化物などが挙げられ、ｎ型酸化物系半導体として酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物またはストロンチウムチタン酸化物が挙げられる。酸化物系の熱電変換素子は１０００℃近い高温領域で動作させることが可能であるために適用温度が高いという利点を有している。
【００３６】
なお、冷却板５としては、例えば銅製の冷却板が用いられ、その中に室温より低い温度、例えば１０℃程度の冷却水が満たされている。
【００３７】
ここで、図１においては、複数の熱伝達媒体３が取り付けられているが、熱伝達媒体３は１つでも差し支えない。また、図２に示すように、熱電変換ユニット６は種々の配置状況を選択することができる。図２は、図１において矢印Ａ方向（界壁の上部方向）から見た図であり、以下の図においても同様である。
【００３８】
図２（ａ）においては、熱電変換ユニット６は平板状体若しくは棒状体の熱伝達媒体３の低温雰囲気側の１つの平面にのみ配置されている。図２（ｂ）においては、熱電変換ユニット６は熱伝達媒体３の低温雰囲気側の相対する２つの平面に対称的に配置されている。熱電変換ユニット６を熱伝達媒体３の２つの平面に対称的に配置すると、熱伝達媒体３に加わる力が平衡するので熱伝達媒体３が変形し難くなるという利点を有している。
【００３９】
さらに、図２（ｃ）に示すように、熱伝達媒体３をＬ字状体とし、その先端部３ａの２つの平面に熱電変換ユニット６を配置してもよい。この場合、図示はしていないが熱伝達媒体３の先端部３ａの１つの平面のみに熱電変換ユニット６を配置しても差し支えない。なお、熱電変換ユニット６をＬ字状の熱伝達媒体３の界壁２に垂直な部分（Ｌ字状体の足の部分）３ｂの１つ若しくは複数の平面に配置しても差し支えない。
【００４０】
また、図２（ｄ）に示すように、熱伝達媒体３をアーチ状体に形成し、界壁２と平行な部分３ｃの相対する２つの平面に熱電変換ユニット６を配置してもよい。もちろん、図示はしていないが界壁２と平行な部分３ｃの１つの平面のみに熱電変換ユニット６を配置しても差し支えなく、アーチ状体の熱伝達媒体３の界壁２に垂直な部分（アーチ状体の足の部分）３ｄの１つ若しくは複数の平面に熱電変換ユニット６を配置してもよい。
【００４１】
なお、図２（ｃ）においては、熱電変換ユニット６をＬ字状体の熱伝達媒体３の先端部３ａ及び界壁２に垂直な部分３ｂの双方に配置してもよく、図２（ｄ）においては、熱電変換ユニット６をアーチ状体の熱伝達媒体３の界壁２と平行な部分３ｃ及び界壁２に垂直な部分３ｄの双方に配置してもよい。いずれも１つの平面のみに配置してもよく、複数の平面に配置しても差し支えない。
【００４２】
上記のような構成を有する本発明による熱電変換発電装置１は、図３に示すように、たとえ界壁２が変形したとしても、その変形の影響を受けず、発電効率が低下することがない。図３は本発明の熱電変換発電装置１を取り付けた状況を示した図である。図３（ａ）は界壁２が未だ変形していない状況を示した図で、熱電変換ユニット６が配置された熱伝達媒体３が界壁２に貫通するように取り付けられている。
【００４３】
一方、図３（ｂ）は高温側雰囲気と低温側雰囲気（室温側）との温度差から界壁２が変形し、反りが生じた状態となっている。界壁２がこのような状態になっても熱電変換ユニット６が配置された熱伝達媒体３はその変形の影響を受けず、高温雰囲気側からの熱が熱伝達媒体３を介して効率よく熱電変換ユニット６に伝わるので、発電効率の低下が引き起こされることがない。
【００４４】
ところで、上記実施の形態においては、平面状の界壁に熱伝達媒体を取り付けた例が説明されたが、例えば高温雰囲気側として高温ガスが流れているような円筒状の配管の熱を利用するような場合にも本発明の熱電変換発電装置を適用することができる。
【００４５】
図４は本発明の熱電変換発電装置を円筒状の配管に適用した実施の形態を示したもので、円筒状の配管７が界壁となり、この配管部分に熱電変換ユニット６が配置された熱伝達媒体３が取り付けられている。
【００４６】
本実施の形態では９０度の角度で４方向に熱伝達媒体３が取り付けられているが、取り付けられる熱伝達媒体３の数には特に制限はなく、１つであっても複数であっても差し支えない。また、複数の熱伝達媒体３を取り付ける場合、等角度で取り付けてもよく、任意の角度で取り付けてもよい。
【００４７】
なお、熱を効率よく熱伝達媒体に取り込み熱電変換ユニットへ伝えるために熱伝達媒体は高温雰囲気側の容積が低温雰囲気側の容積よりも大きい方が好ましい。この場合、熱伝達媒体の形状を図１から図４に示したように高温雰囲気側と低温雰囲気側とで同一とし、高温雰囲気側の長さを長くしてもよい。あるいは、熱伝達媒体の形状を高温雰囲気側と低温雰囲気側とで異ならせ、高温雰囲気側の容積を低温雰囲気側の容積よりも大きくし、より効率よく熱を取り込むことができるような形状としてもよい。
【００４８】
以上のような本発明の熱電変換発電装置によれば、界壁に対して熱伝達媒体を貫通するように取り付け、この熱伝達媒体の低温雰囲気側に熱伝変換ユニットを配置したので、高温雰囲気側と低温雰囲気側との温度差から界壁に変形（反り）が生じたとしても、熱電変換ユニットには有害な変形が加わらず、高温雰囲気側からの熱が熱伝達媒体を介して効率よく熱電変換ユニット伝わるために発電出力の低下を招くことのない熱電変換発電装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換発電装置
２・・・・・・・・・・・・・・・・・界壁
３・・・・・・・・・・・・・・・・・熱伝達媒体
４・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換モジュール
５・・・・・・・・・・・・・・・・・冷却板
６・・・・・・・・・・・・・・・・・熱電変換ユニット
７・・・・・・・・・・・・・・・・・配管
【図１】
0005438451.tif 000002
【図２】
0005438451.tif 000003
【図３】
0005438451.tif 000004
【図４】
0005438451.tif 000005
【図５】
0005438451.tif 000006