(57)【要約】【課題】熱の伝達効率を向上させると共に破損を抑えることが可能な熱電発電装置および熱電発電システムを提供すること。【解決手段】熱電発電装置１は、熱源として２００℃以下の比較的低い温度域を対象とするものであり、媒体が流れる配管１１と、二種類の電極面がそれぞれ第１の絶縁板と第２の絶縁板とで覆われた複数個の熱電変換モジュール１２とを備え、各熱電変換モジュール１２の前記第２の絶縁板の表面が接合材１３を介して配管１１の表面に貼り付けられ、各熱電変換モジュール１２が設けられていない配管１１の表面が、断熱材１４で覆われている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体が流れる配管と、二種類の電極面がそれぞれ第１の絶縁板と第２の絶縁板とで覆われた複数個の熱電変換モジュールとを備え、各熱電変換モジュールの前記第２の絶縁板の表面が接合材を介して前記配管の表面に貼り付けられ、各熱電変換モジュールが設けられていない前記配管の表面が、断熱材で覆われていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
各熱電変換モジュールに使用される熱電変換材料は、ビスマスとテルルとを主成分とする材料であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記配管を流れる媒体は、水、絶縁油、またはシリコンからなる液体または気体であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記配管の材料は、鋼、ステンレス、銅、アルミ材、またはそれらの少なくとも１つを主成分とする金属材料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項５】
各熱電変換モジュールの前記第２の絶縁板の表面が、粗面を成していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項６】
各熱電変換モジュールの前記第２の絶縁板の表面が、メタライズされていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項７】
前記接合材は、各熱電変換モジュールに使用される材料よりも低い融点を有する金属を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
【請求項８】
前記接合材は、前記低溶融金属と導電材との混合材からなることを特徴とする請求項７に記載の熱電発電装置。
【請求項９】
前記導電材は、炭素を主成分とする繊維状もしくは粒状の物を含むことを特徴とする請求項８に記載の熱電発電装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の熱電発電装置を複数台備えるとともに、熱源を備え、
前記複数台の熱電発電装置に備えられる各熱電変換モジュールの前記第１の絶縁板が、前記熱源からの輻射熱を受けるように前記熱源を取り囲んで配置されていることを特徴とする熱電発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を電気に変換する熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置および熱電発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業プラント等で生じた熱を有効に利用する技術の１つとして、熱電変換モジュールを用いて発電を行う技術が検討されている。例えば、複数の熱電変換モジュールを、高温配管と低温配管との間に設置し、産業プラント等で生じた高温水を高温配管に流し、低温水を冷配管に流して、その温度差により発電を行うことが考えられる。なお、熱電変換モジュールに関する技術としては、例えば、特許文献１〜３が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０９８４０３号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５４５７号公報
【特許文献３】特開２００６−２１０５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、熱電変換モジュールと他の部材との伝達率を高めるためには、ボルトなどを用いて熱電変換モジュールを当該部材に機械的に締め付ける方法などや、ロウ材により接合する方法などが採られる。
【０００５】
しかしながら、従来における熱電変換モジュールの取り付け方法では、熱サイクルの繰り返しにより熱膨張率が変化して熱電変換モジュールが破損したり、複数個の熱電モジュールの高さのバラツキによって生じる片当りが要因となって熱電変換モジュールの性能が低下したり、破損が生じたりするといった問題がある。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、熱の伝達効率を向上させると共に破損を抑えることが可能な熱電発電装置および熱電発電システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様による熱電発電装置は、媒体が流れる配管と、二種類の電極面がそれぞれ第１の絶縁板と第２の絶縁板とで覆われた複数個の熱電変換モジュールとを備え、各熱電変換モジュールの前記第２の絶縁板の表面が接合材を介して前記配管の表面に貼り付けられ、各熱電変換モジュールが設けられていない前記配管の表面が、断熱材で覆われていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の他の態様による熱電発電システムは、前記熱電発電装置を複数台備えるとともに、熱源を備え、前記複数台の熱電発電装置に備えられる各熱電変換モジュールの前記第１の絶縁板が、前記熱源からの輻射熱を受けるように前記熱源を取り囲んで配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱の伝達効率を向上させると共に破損を抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置を媒体の流れの方向に沿った面で切断した場合の縦断面形状を示す図である。
【図２】図２は、同実施形態に係る熱電発電装置の中央近傍にて媒体の流れと直交する面で切断した場合の縦断面形状を示す図である。
【図３】図３は、図１および図２に示される熱電発電装置に使用される熱電変換モジュールの詳細な断面形状を示す図である。
【図４】図４は、熱電変換材料の性能の温度依存性を示す図である。
【図５】図５は、本実施形態に係る熱電発電システムを繰り返して使用した際の発電性能を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の第２の実施形態に係る熱電発電システムの縦断面形状を示す図である。
【図７】図７は、同実施形態に係る熱電発電システムを上方から見た第１の状態の図である。
【図８】図８は、同実施形態に係る熱電発電システムを上方から見た第２の状態の図である。
【図９】図９は、炉の温度パターンに連動して炉と各熱電発電装置との距離が変化する様子を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
まず、図１乃至図５を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱電発電装置を媒体の流れの方向に沿った面で切断した場合の縦断面形状を示す図である。また、図２は、同実施形態に係る熱電発電装置の中央近傍にて媒体の流れと直交する面で切断した場合の縦断面形状を示す図である。
【００１４】
図１および図２に示される熱電発電装置１は、熱源として２００℃以下の比較的低い温度域を対象とするものであり、媒体が流れる配管１１と、二種類の電極面がそれぞれ図示しない第１の絶縁板と第２の絶縁板とで覆われた複数個の熱電変換モジュール１２とを備え、各熱電変換モジュール１２の前記第２の絶縁板の表面が接合材１３を介して配管１１の表面に貼り付けられ、各熱電変換モジュール１２が設けられていない配管１１の表面が、断熱材１４で覆われている。
【００１５】
図３は、図１および図２に示される熱電発電装置１に使用される熱電変換モジュール１２の詳細な断面形状を示す図である。
【００１６】
図３に示されるように、熱電変換モジュール１２は、例えば一辺が１ｍｍ以上の直方体ないし立方体形状をしたＰ型半導体素子（熱電変換材料）２２ａとＮ型半導体素子（熱電変換材料）２２ｂとが、第１の電極（導電材）２０ａもしくは第２の電極（導電材）２０ｂを介して直列に接続された構造を有する。第１の電極２０ａは第１の絶縁板（アルミナ等）２１ａで覆われており、第２の電極２０ｂは第２の絶縁板（アルミナ等）２１ｂで覆われている。熱電変換材料間の接合（導電材）や熱電変換材料と絶縁板との接合には、例えば、はんだ材が使用される。また、直列接続構造の両端部にある２つの電極には、図示しない配線もしくはリード線を接続するための電極取出し口２３ａ，２３ｂが設けられている。
【００１７】
このような構成の熱電発電装置１において、各熱電変換モジュール１０の第１の絶縁板２１ａの表面が熱源からの熱により高温となり、第２の絶縁板２１ｂの表面が配管１１を流れる媒体などにより低温になると、各熱電変換モジュール１０の両面において温度差が生じ、双方の流体が熱交換する過程で半導体素子群２１，２２において熱電変換が起こり、発電が行われるようになっている。
【００１８】
以下、熱電発電装置１の構成要素について、より詳細に説明する。
【００１９】
各熱電変換モジュールに使用される熱電変換材料は、ビスマスとテルルとを主成分とする材料である。図４に、熱電変換材料の性能の温度依存性を示す。この図４に示されるように、熱源として２００℃以下の比較的低い温度域を対象とする場合、この温度域において高い無次元性能指数を示すＢｉ−Ｔｅ系の材料を熱電変換モジュール１０に使用することが望ましいことがわかる。具体的な材料の例としては、Te添加p型材料に(Bi2Te3)25(Sb2Te3)75、SbI3添加n型材料に(Bi2Te3)90(Bi2Se3)10を適用することが挙げられる。
【００２０】
配管１１を流れる媒体は、水、絶縁油、またはシリコンからなる液体または気体である。その場合、媒体の温度は、熱電変換モジュールでの温度差を大きくするために常温もしくは常温以下が望ましく、媒体流速は、０．１ｍ／ｓｅｃ以上が望ましい。
【００２１】
一方、配管１１の材料は、鋼、ステンレス、銅、アルミ材、またはそれらの少なくとも１つを主成分とする金属材料である。
【００２２】
上記熱電変換モジュール１２は、媒体が流れる配管１１の一面に接合材１３で貼り付けられるが、その場合、必要な熱電変換モジュール１２の数量は、得たい発電量に応じて適宜検討する。
【００２３】
熱電変換モジュール１２と配管１１の接合に際して、熱電変換モジュール１２の接合面は、サンドブラスト等によって粗面にしておくことが望ましい。表面粗さは、十点平均粗さＲｚで示すと、８０〜３００μｍとすることが望ましい。
【００２４】
また、熱電変換モジュール１２と配管１１の接合に際して、熱電変換モジュールの第２の絶縁板２１ｂの表面（接合面）をあらかじめメタライズした後に、接合材１３で配管１１と接合することが望ましい。これにより、接合に際し、接合強度を高めることができる。メタライズは、熱電変換モジュール１１の第２の絶縁板２１ｂの表面に、アルミまたは銅を用いてＣＶＤまたはＰＶＤにより１〜１０μｍの薄膜を形成する。あるいは、チタンベースのペースト材を塗布、焼付けて形成してもよい。
【００２５】
接合材１３は、各熱電変換モジュール１１に使用されるはんだ材などの材料よりも低い融点を有する低溶融金属を含むようにする。具体的には、各熱電変換モジュール１１に使用されているはんだ材の融点よりも１０℃以上低い融点を有する低融点金属を選択する。低融点金属としては、ビスマス−スズ、インジウム−スズ、インジウム−銀、インジウム−ガリウム、インジウム−ビスマス、インジウム、ズズ−亜鉛、スズ−銀が主成分の材料を使用する。
【００２６】
また、接合材１３は、ペースト状のものを接合部に塗布後焼付ける、または接合材からなる厚さ１〜２０μｍのシート状のものを接合部に設置して溶融させる。接合材１３は、熱サイクル時に発生する応力を緩和するものであることが望ましい。
【００２７】
また、接合材１３は、低溶融金属と導電材との混合材からなるものとしてもよい。その場合、導電材は、炭素を主成分とする繊維状もしくは粒状の物が混ざった材料とする。このように低溶融金属に導電材を混合すると、接合材１３中での熱伝導が高まり、より大きな発電量を得ることができる。
【００２８】
さらに、配管１１内の媒体と外部間との熱の移動を制御する目的で、配管１１の一面に複数個の熱電変換モジュールを接合材で貼り付けた後、配管のその他の露出部を断熱材１４で覆うが、この断熱材１４の厚さは、接合材１３を含めた熱電変換モジュール１２の厚さよりも小さくする。
【００２９】
このような構成の熱電発電装置１は、各熱電変換モジュール１０の第１の絶縁板２１ａ（図３参照）の表面が熱源側を向くように設置される。これにより、各熱電変換モジュール１０の第１の絶縁板２１ａは、熱源からの熱を受けて、高温面となる。一方、媒体が流れる配管１１の表面に接合材１３を介して接合されている第２の絶縁板２１ｂは、低温面となる。これにより、各熱電変換モジュール１０の両面において温度差が生じ、熱交換により熱電変換が起こり、発電が行われる。
【００３０】
なお、図１には示されていないが、当該熱電発電装置１と、周知のインバータ、コントローラ、パワーコンディショナ、バッテリ、コンデンサ等とを組み合わせることにより、発電された直流の電気から、直流／交流変換を行って、交流を得るようにしてもよい。用途によっては、発電された直流の電気をそのまま使用しても良い。
【００３１】
図５は、本実施形態に係る熱電発電システムを繰り返して使用した際の発電性能を示すグラフである。
【００３２】
図５のグラフにおいては、横軸は繰り返し回数（発電を実施した回数）を示し、縦軸は発電性能（＝Ｎ回繰り返し時の発電量／初期発電量）を示す。このグラフからわかるように、本実施形態に係る熱電発電システムでは、４０００回繰り返しても発電性能に大きな低下は見られず、複数個の熱電変換モジュールに機械的な負荷を与えることなく、熱の伝達が大きい熱電発電システムを実現できることがわかる。発電性能を向上させている理由の一つとしては、接合材が熱サイクル時に発生する応力を緩和していることが挙げられある。
【００３３】
このように第１の実施形態によれば、複数個の熱電モジュールを機械的に締め付けずに、２００℃以下の熱源雰囲気下での熱の伝達効率が高く、破損を抑えることのできる熱電発電装置を実現することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
次に、図６乃至図９を参照して、本発明の第２の実施形態について説明する。
【００３５】
なお、この第２の実施形態においては、図２に示した第１の実施形態の構成と共通する部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３６】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る熱電発電システムの縦断面形状を示す図である。また、図７は、同実施形態に係る熱電発電システムを上方から見た第１の状態の図である。また、図８は、同実施形態に係る熱電発電システムを上方から見た第２の状態の図である。
【００３７】
図６乃至図８に示される熱電発電システムは、前述の第１の実施形態に説明した熱電発電装置１を複数台備えるとともに、熱源としての炉１０、および、熱電発電装置１を移動させる駆動装置３０を備えている。
【００３８】
本実施形態では、各熱電発電装置１の長手方向が例えば高さ方向となるように「縦置き」に設置する。その場合、各熱電発電装置に備えられる各熱電変換モジュールの第１の絶縁板２１ａ（図３参照）が、炉１０からの輻射熱を受けるように炉１０の方を向き、炉１０を取り囲んで配置される。なお、駆動装置３０の電源には、例えば各熱電発電装置１により発電される電力の余剰分を利用するようにしてもよい。
【００３９】
駆動装置３０は、各熱電発電装置１を移動させることができ、各熱電発電装置１に設置されている図示しない温度センサにより検出される温度に基づき、熱電発電システムの熱電変換モジュール面の温度が２００℃以下の適度な温度を維持するように、各熱電発電装置１の位置を移動させる。この制御により、炉１０と各熱電発電装置１との距離は、炉１０の温度パターン（温度の経時変化）に連動する。例えば、図６に示されるように、炉１０から各熱電発電装置１の熱電変換モジュール１２までの距離ｄが、炉１０に向いている熱電変換モジュール１２の表面の温度が２００℃以下の適度な温度になるように適宜調整される。
【００４０】
または、駆動装置３０は、各熱電発電装置1の発電量に対応して移動させることができる。すなわち、各熱電発電装置の発電量は熱電変換モジュール面の温度と相関があり、熱電変換モジュール面の温度が２００℃以下の適度な温度を維持するように、各熱電発電装置１の位置を移動させる。この制御により、炉１０と各熱電発電装置１との距離は、炉１０の温度パターン（温度の経時変化）に連動する。例えば、図６に示されるように、炉１０から各熱電発電装置１の熱電変換モジュール１２までの距離ｄが、炉１０に向いている熱電変換モジュール１２の表面の温度が２００℃以下の適度な温度になるように適宜調整される。
【００４１】
ここで、図６乃至図８を参照すると共に、図９を参照して、炉１０の温度パターンに連動して炉１０と各熱電発電装置１との距離が変化する一例について説明する。
【００４２】
例えば、炉１０の昇温過程で炉１０の温度がまだ低いときは、各熱電発電装置１は炉１０の近傍にある。このとき、図７に示されるように、炉１０から各熱電発電装置１の熱電変換モジュール１２までの距離は、例えばｄ１である。炉１０の温度が高くなるにつれ、駆動装置３０は、各熱電発電装置１を炉１０から遠ざかるように移動させる。これにより、図８に示されるように、炉１０から各熱電発電装置１の熱電変換モジュール１２までの距離は、例えばｄ１よりも大きいｄ２となる。また、炉１０の降温過程では、駆動装置３０は、各熱電発電装置１を炉１０に近づくように移動させる。
【００４３】
なお、図６乃至図８では、６台の熱電発電装置１を使用する例を示したが、これに限定することなく、さらに多くの熱電発電装置１を設けてもよい。また、図６乃至図８では、各熱電発電装置１を「縦置き」に設置する例を示したが、これに限定することなく、各熱電発電装置１の長手方向が水平方向となるように「横置き」に設置してもよい。その場合、さらに「横置き」の熱電発電装置１を複数段、積み重ねてもよい。
【００４４】
このように第２の実施形態によれば、前述の第１の実施形態の効果に加え、複数台の熱電発電装置１が炉１０からの輻射熱を２００℃以下の適度な温度で受けるように配置・制御されるため、発電効率を一層向上させることが可能となる。
【００４５】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１…熱電発電装置、１０…炉、１１…配管、１２…熱電変換モジュール、１３…接合材、１４…断熱材、２０ａ…第１の電極（導電材）、２０ｂ…第２の電極（導電材）、２１ａ…第１の絶縁板、２１ｂ…第２の絶縁板、２２ａ…Ｐ型半導体素子（熱電変換材料）、２２ｂ…Ｎ型半導体素子（熱電変換材料）、２３ａ，２３ｂ…電極取出し口。
【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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