(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体側セラミック板と低温流体側セラミック板間に、複数の電極と熱電発電素子を配設したモジュールを備えた熱電発電器において、両セラミックで挟まれた熱電発電素子間の空隙を小熱伝導率材料で充填するとともに、モジュールに小熱伝導率の気体を封入したことを特徴とする凍結防止対策を施した熱発電電器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、熱電発電器に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、極低温環境における熱電発電素子の性能低下を防ぐために有用な、凍結防止対策を施した熱電発電器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と課題】
従来より、温度の異なる２種類の流体を利用して、その温度差によるゼーベック効果により熱エネルギーを電気エネルギーに変換する方法は公知であり、民生用、あるいは軍事用や人工衛星用電源等に利用されている。
これらの熱電発電器に用いる熱電発電モジュールは、たとえば図１に例示されるように、高温流体側セラミック板（１）と低温流体側セラミック板（２）によって電極（３）と熱電発電素子（４）を挟み込む構成を有し、両側のセラミック板（１）（２）の間の温度差を利用することによって発電を行なうものである。そして最近では、熱電発電をより効率よく行なうため、低温流体に液化天然ガス（ＬＮＧ）等を用い、極低温の条件を利用しようとする試みがなされている。
【０００３】
しかしながら、低温流体側にＬＮＧ等を用いる場合には、急速に冷却されて、熱電発電素子（４）のモジュール部分が凍結状態となる。本発明者は各種の実験の結果、このようなモジュールの凍結が、熱伝導に影響を及ぼし通過熱量の変化や電気伝導への影響等による発電効率の低下と発電出力の低下、さらには材料の劣化等を引き起こし、熱電発電器の性能を低下させる原因となることを確認した。
【０００４】
そこで、この発明は、以上の通りの問題点を解消し、ＬＮＧ等のような極低温物質を使用する場合にも、熱電発電素子が凍結状態にならずに熱電発電素子の性能を十分に引き出すことが可能な、新しい熱電発電器を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するものとして、複数の熱電発電素子を配設したモジュールを備えた熱電発電器において、モジュールに小熱伝導率気体が封入され、熱電発電素子間の空隙が小熱伝導率材料で充填されていることを特徴とする凍結防止対策を施した熱電発電器を提供する。
【０００６】
また、この発明は、水分を含まない小熱伝導率の気体を封入することや、モジュール素子間に空隙を設けない熱電発電器をも提供する。
【０００７】
【作用】
この発明は、上記の通りの構成により熱電発電モジュールの周囲を熱伝導率の小さな材料で囲むか、あるいはモジュール中に存在する熱電発電素子間の素子間の空隙を熱伝導率の小さな材料で満たし、さらには、気体を封入して熱電発電素子の周囲を断熱することによって、外気との接触を絶ち、熱電発電素子の凍結を防止するものである。
【０００８】
さらに詳しく説明すると、この発明の熱電発電器の熱電発電モジュールでは、図１と同様に、高温流体側セラミック板（１）と低温流体側セラミック板（２）によって、電極（３）と熱電発電素子（４）を挟み込む構成を有し、図２に例示したように、この構成を有する熱電発電モジュールの周囲をウレタン断熱材等の小熱伝導材料で囲むか、さらには、図３に例示したように、これら両側のセラミック板（１）（２）に挟まれた熱電発電素子（４）間の空隙を、小熱伝導率材料（５）で充填する。素子間空隙に充填する小熱伝導率材料（５）としては、図２の例の場合と同様に、例えばウレタン等の微細気泡を有する熱伝導率の小さなものが好適に使用される。そして、この発明の場合には、この小熱伝導率材料（５）とともに、または、これとは別にＮ２  ガス等の熱伝導の小さな気体をモジュールに封入することが有効でもある。Ｎ２  ガス等の熱伝導率が小さく、かつ、水分を含有しない気体を封入することによりさらに外気との接触が絶たれ、断熱性が増すことで凍結が防止される。
【０００９】
図４および図５は、このような気体封入した熱電発電器の構成を例示したものである。低温流体（６）の流れる低温流体管（７）のまわりを熱電発電モジュール（９）を含むガス封入管（１０）で取り囲み、Ｎ２  ガス等の熱伝導率が小さくかつ水分を含有しない気体（８）を封入する。そしてさらにそのまわりを高温流体（１１）の流れる高温流体管（１２）で取り囲む。この時、ガス封入管内には、Ｎ２  ガス等の熱伝導率が小さくかつ水分を含有しない気体とウレタン等の小熱伝導率材料を併用してもよい。
【００１０】
ウレタン等の多孔材料中の微細気泡部にこの気体を封入するようにしてもよい。この併用により凍結防止性能はさらに向上する。
もちろん、図２の例においてもモジュールおよびウレタン断熱材等の内部に気体を封入してもよい。
また、この発明では、モジュールの素子間に空隙がないようにモジュールを構成してもよい。この場合にも凍結防止のための断熱性が向上することになる。
【００１１】
そして、モジュールのまわりを図２のように小熱伝導率材料によって囲んでもよい。また、この材料に前記の通りの気体を封入してもよい。
以上の凍結防止策を施すことで、熱電発電器の性能はより向上することになる。
以下、実施例を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。
【００１２】
【実施例】
実施例１
この発明の凍結防止対策を施した熱電発電素子モジュールと従来の熱電発電素子モジュールの各々について、低温熱流体の一例として液体窒素を用いたものを対象として各種の測定をした。
【００１３】
以下の測定は図６に示されている実験装置によって行った。
図６に基づいて説明すると、この実験装置では、液体窒素（２１）を注入でき、かつ極低温側熱伝達部（２２）を備えたジュワー瓶（２３）とその上方のヒーター付きアルミニュームブロック（２５）との間に熱発電素子モジュール（２４）を挟み込み、ヒーター付きアルミニュームブロック（２５）の上から断熱材（２６）を挟んで締め付けボルト（２７）によって固定している。この場合のモジュール（２４）は、図２に例示したように、その周囲をウレタン断熱材によって囲っている。さらに熱電発電素子モジュール（２４）の両極には電圧計（２８）と負荷抵抗（２９）を介して電流計（３０）が接続されている。また、これらの測定機器で得られたデータは、さらに接続されているパーソナルコンピュータ（３１）に送られ、計算・解析される。
【００１４】
以上のような構成の実験装置を用いて、まず、ヒーター付きアルミニウムブロック（２５）の温度を上昇させて高温側温度を５０℃とし、熱電発電素子モジュール（２４）の温度を徐々に液体窒素を入れて低下させ、温度差を生じさせた。
熱電発電素子モジュール（２４）の温度差が１３０℃程度となり、熱電発電素子モジュール（２４）の高温側温度が１０℃程度になった時点で発電を行い、温度差を小さくするようにして負荷抵抗特性や効率のデータを測定した。
【００１５】
これらの測定結果から、まず、この発明の凍結防止対策をおこなった熱電発電素子モジュールの場合には、目視によって全く霜さえもついていないことが確認された。これに対し従来の熱電発電素子モジュールは、同一温度条件で完全に凍結していた。
また、発電の出力・電圧・電流の測定結果からは、この発明の熱電発電素子モジュールと従来のモジュールとの比較においては、大きな差は見られなかった。すなわち、電気的な性質の変化は両者の間に認められなかった。
【００１６】
一方、図７および図８は、発電効率に関する結果を示したものであるが、発電効率においては、凍結防止対策を行なったこの発明の熱電発電素子モジュールの方が、従来のモジュールに比して０．５〜１．０％程度の向上がみられた。なお、温度差が大きい場合には、効率の差は小さくなることも確認された。これは、熱入力量の差がそのまま効率として現われていると考えられ、実際に温度差と熱入力の関係を図に表わしてみると、図９と図１０に示す通り、凍結防止対策を施した方が防止対策を行なわない場合に比べて熱入力量が少なくなっている。この現象は、凍結に起因するものと考えられ、凍結することによって素子内部を通過するものに加え他の経路を経由する別の熱の流れの場が発生するものと考えられる。そしてさらに、熱電発電素子の平均温度が上昇すると素子表面に霜として付いていた物質がとけて完全に氷の状態となり、発電器素子の下で固まった状態となる。ここで熱源は、氷を溶かすために熱を奪われることになり、この結果、熱入力が増加すると考えられる。
【００１７】
また、熱入力と熱電発電素子の平均温度の関係を示したものが図１１である。この図１１より、それぞれの素子の平均温度において、この発明の凍結対策を施したモジュール（Ａ）は、従来のモジュール（Ｂ）に比べて熱入力値が小さいことがわかる。
以上の通り、この発明の例では、たとえば低温熱源として液体窒素を用いても、熱電発電素子が凍結せず、発電効率の向上が認められる。
【００１８】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この発明により、低温側物質に極低温物質を使用しても熱電発電素子が凍結せず、熱電発電素子の性能を十分に引き出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モジュールの構成を示した概略図である。
【図２】この発明の構成例を示した斜視図である。
【図３】この発明の別の構成例を示した断面図である。
【図４】この発明のさらに別の例を示した要部斜視図である。
【図５】図４に対応する断面図である。
【図６】実施例の試験装置を示した構成図である。
【図７】この発明の実施例として凍結防止対策を施した場合の熱電発電モジュールの温度差と発電効率の関係を示した関係図である。
【図８】凍結防止対策を施さなかった場合の熱電発電モジュールの温度差と発電効率の関係を示した関係図である。
【図９】この発明の実施例として凍結防止対策を施した場合の熱電発電モジュールの温度差と熱入力の関係を示した関係図である。
【図１０】凍結防止対策を施さなかった場合の熱電発電モジュールの温度差と熱入力の関係を示した関係図である。
【図１１】熱電発電素子の平均温度と熱入力の関係を示した関係図である。
【符号の説明】
１  高温流体側セラミック板
２  低温流体側セラミック板
３  電極
４  熱電発電素子
５  小熱伝導率材料
６  低温流体
７  低温流体管
８  熱伝導率が小さくかつ水分を含有しないガス
９  熱電発電モジュール
１０  気体封入管
１１  高温流体
１２  高温流体管
２１  液体窒素
２２  極低温側熱伝達部
２３  ジュワー瓶
２４  熱電発電モジュール
２５  ヒーター付きアルミブロック
２６  断熱材
２７  締め付けボルト
２８  電圧計
２９  負荷抵抗
３０  電流計
３１  パーソナルコンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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