(57)【要約】【課題】熱応力等による破損の生じにくい熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュール並びに加熱による集熱フィンの破損を防止可能な熱電発電装置の提供。【解決手段】熱電変換素子１４，１６と、熱電変換素子１４，１６の加熱される側に設置され熱電変換素子１４，１６を電気的に直列に接続する電極１８と、熱電変換素子１４，１６の冷却される側に設置され熱電変換素子１４，１６を電気的に直列に接続する電極２０と、電極１８を覆う加熱板１０と、電極２０を覆う冷却板１２と、を備え、熱電変換素子１４，１６に埋入された金属線２２の一端２２Ａが電極１８と接合され他端２２Ｂが電極２０と接合された熱電変換モジュール６の加熱板１０側には加熱部材が配置され、冷却板１２側には冷却部材が配置される。【選択図】図５
2008028293.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状補強材の埋入された熱電変換素子。
【請求項２】
前記線状補強材が、金属線、アルミナ繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカ繊維、ムライト繊維及びジルコニア繊維からなる群より選択される少なくとも一種である請求項１に記載の熱電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の少なくとも一対の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の加熱される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する高温側電極部と、前記熱電変換素子の冷却される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する低温側電極部と、を備えた熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記線状補強材が、金属線、アルミナ繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカ繊維、ムライト繊維及びジルコニア繊維からなる群より選択される少なくとも一種である請求項３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の少なくとも一対の熱電変換素子と前記熱電変換素子の加熱される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する高温側電極部と前記熱電変換素子の冷却される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する低温側電極部とを備えた熱電変換モジュールと、
熱源より放出された気体から熱を回収して該熱を前記高温側電極部に供給する放熱フィンと、を備え、
前記熱電変換素子の前記高温側電極部と接続される側の端面に前記熱電変換素子に埋入された線状補強材の一端が露出する熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子及びそれを用いたエンジン等から排出される排熱を利用して発電する熱電変換モジュール並びに熱電発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車エンジン等の内燃機関から排出される排気ガスは高温であるため、排気ガスが持つ熱エネルギーから電気エネルギーを回収することがエネルギー利用効率の向上の観点から重要である。そのため、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する種々の熱電発電装置が開発されている。
【０００３】
熱電発電装置は、少なくとも一対の熱電変換素子（ｎ型熱電変換素子及びｐ型熱電変換素子）を電気的に直列に接続して形成された熱電変換モジュール、該モジュールの一端を加熱する加熱手段及び該モジュールの他端を冷却する冷却手段を備える。熱電変換モジュールに温度差を与えることにより熱電発電が行われる。
【０００４】
熱電発電装置の一例として、熱電変換モジュールが加熱手段と冷却手段との間に複数配置されるとともに、該熱電変換モジュール端面の電極表面に絶縁層が形成されており該絶縁層が前記加熱手段及び前記冷却手段の少なくとも一方の表面に軟金属層を介して圧着されている熱電発電装置が報告されている（例えば、特許文献１参照。）。この報告においては内燃機関からの高温排気ガスが流れる排気管が、加熱手段として用いられている。該排気管の内側には熱交換効率を向上させるための集熱フィンが設置されている。
【特許文献１】特開２０００−２３２２４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の熱電発電装置では、集熱フィンにより高温排気ガスから効率的に集められた熱エネルギーにより熱電変換モジュールの一端面が加熱される。この熱エネルギーは熱電変換素子を介して冷却手段側から放熱される。
【０００６】
熱電変換素子を構成する材料として一般的に用いられるビスマス・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料、鉛・テルル系材料、クラスレート化合物等は脆性を有するため、熱電発電時の熱応力等により熱電変換素子が破損することがある。
【０００７】
熱電変換素子が破損すると熱電変換素子の熱抵抗が大幅に上昇するため、集熱フィンが十分に冷却されず過熱により破損することがある。
【０００８】
本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、熱応力等による破損の生じにくい熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュール並びに過熱による集熱フィンの破損を防止可能な熱電発電装置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】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の熱電変換素子は、線状補強材の埋入されたものである。線状補強材を埋入することにより、熱電変換素子の強度を向上することができる。その結果として熱電変換素子の熱応力等による破損を生じにくくすることができる。また、素子が破損しても、破損により生じた素子の破片の飛散を防ぐことができる。
【００１０】
前記線状補強材としては、金属線、アルミナ繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカ繊維、ムライト繊維及びジルコニア繊維からなる群より選択される少なくとも一種を用いることができる。
【００１１】
本発明の熱電変換モジュールは、上述した少なくとも一対の本発明の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の加熱される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する高温側電極部と、前記熱電変換素子の冷却される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する低温側電極部と、を備えたものである。
【００１２】
高温側電極部側（熱電変換素子の加熱される側）を加熱し低温側電極部側（熱電変換素子の冷却される側）を冷却して熱電変換モジュールに温度差を与えると、ゼーベック効果により熱起電力が得られる。この場合、熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子の一端は加熱され他端は冷却されるため熱電変換素子には熱応力がかかるが、該熱電変換素子には線状補強材が埋入されているため熱応力による素子の破損を防ぐことができる。その結果として熱電変換モジュールにおける高温側電極部側と低温側電極部側との間の熱抵抗の上昇を押さえることができる。また、素子が破損しても、破損により生じた素子の破片の飛散を防ぐことができるため熱抵抗の大幅な増大を招かない。
【００１３】
本発明の熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子に埋入される線状補強材としては、金属線、アルミナ繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカ繊維、ムライト繊維及びジルコニア繊維からなる群より選択される少なくとも一種を用いることができる。
【００１４】
本発明の熱電発電装置は、上述した少なくとも一対の熱電変換素子と前記熱電変換素子の加熱される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する高温側電極部と前記熱電変換素子の冷却される側に設置され前記熱電変換素子を電気的に直列に接続する低温側電極部とを備えた熱電変換モジュールと、熱源より放出された気体から熱を回収して該熱を前記高温側電極部（熱電変換素子の加熱される側）に供給する放熱フィンと、を備え、前記熱電変換素子の前記高温側電極部と接続される側の端面に前記熱電変換素子に埋入された線状補強材の一端が露出するものである。
【００１５】
本発明の熱電発電装置を構成する熱電変換素子における少なくとも高温側電極部と接続される側の端面には、熱電変換素子に埋入された線状補強材の一端が露出しているので、高温側電極部と線状補強材の一端とは接合された状態となる。そのため、熱応力などにより破損しやすい熱電変換素子の加熱される側が破損しても線状補強材を通じた高温側電極部側と低温側電極部側との間の熱流路を確保できる。その結果として、熱電変換素子が破損した場合であっても熱電変換モジュールの高温側電極部側と低温側電極部側との間の熱抵抗の上昇を抑えることができる。さらに、線状補強材の一端が一端面に露出し線状補強材の他端が一端面に対向する他端面に露出した熱電変換素子を用い、線状補強材の一端が高温側電極部と接合され他端が低温側電極部と接合されていてもよい。これにより熱電変換素子が破損した際の高温側電極部側と低温側電極部側との間の熱抵抗の上昇をさらに抑えることができる。この場合、線状補強材として金属線を用いると、金属線は熱電変換素子を構成する材料よりも比抵抗が小さいため熱電変換素子の電気抵抗を低減することができる。
【００１６】
自動車エンジン等の熱源より排出された排気ガス等の高温の気体から集熱フィンにより熱（熱エネルギー）が回収され、この熱エネルギーは熱電変換モジュールの高温側電極部側に供給され低温側電極部側から放熱される。熱エネルギーがモジュールの低温側電極部側から放熱されることにより高温の気体により加熱された集熱フィンは冷却されることから、熱電変換モジュールの高温側電極部側と低温側電極部側との間の熱抵抗の上昇を抑えることが可能な熱電変換モジュールを用いた本発明の熱電発電装置においては、過熱による集熱フィンの破損を防ぐことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱応力等による破損の生じにくい熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュール並びに過熱による集熱フィンの破損を防止可能な熱電発電装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の熱電発電装置の実施形態を説明すると共に、該説明を通じて本発明の熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュールについて説明する。本実施形態では、熱電発電装置は自動車に搭載されており、熱源であるエンジンから排出される排気ガスの持つ熱エネルギーを用いて熱電発電するようになっている。また、同一の機能を有する部分については全図面を通じて同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。なお、本発明の熱電発電装置は下記実施形態に限定されるものではない。
【００１９】
図１は、本発明の熱電発電装置の一実施形態に係る側面図を表し、図２は図１のＡ−Ａ線断面図を表し、図３は図１のＢ−Ｂ線断面図を表す。
【００２０】
図１乃至図３に示すように、本実施形態に係る熱電発電装置１は、略直方体状の筒状体である筐体２を備えている。筐体２は、伝熱性の材料、たとえばステンレスやアルミニウムにより形成されている。また、筐体２の内側には、図２に示すように排気ガスが流通する排気流路４が形成されている。排気流路４には、図１における上側に排気ガス流入路が形成され、下側に排気ガス流出路が形成されている。排気ガス流入路には、熱源となる図示しないエンジンが接続されており、エンジンから放出された気体である排気ガスが排気ガス流入路から排気流路４に流入し、排気流路４を流通して排気ガス排出路から排出される。排気ガス排出路は、マフラーなどに接続されている。
【００２１】
筐体２の内壁には、複数の集熱フィン５が設けられている。集熱フィン５は、筐体２と同一の材料で形成され、筐体２と集熱フィン５とは押し出し成形などによって一体的に形成されている。集熱フィン５は、図２に示すように、断面矩形の各辺に相当する内壁にそれぞれ設けられており、各辺における中央部に設けられている集熱フィン５が、側部に近い位置に設けられている集熱フィン５よりも長く形成されている。こうして、排気流路４内の排気ガスのうち、排気流路４の中央位置近傍を流通する排気ガスからも熱を効率よく回収できるようになっている。なお、図３では、排気流路４に形成された集熱フィン５の図示を省略している。
【００２２】
筐体２の集熱フィン５が設けられた領域３を挟んで筐体２の外壁であって集熱フィン５と対向する位置には、図４において後述する加熱板１０が当接するようにして熱電変換モジュール６が配置されている。熱電変換モジュール６は、排気流路４に沿って配置された長形状をなしており、排気ガスからの熱を効率よく回収する構造となっている。また、熱電変換モジュール６は、たとえば図示しないバッテリーに接続されており、熱電変換モジュール６で変換した電気エネルギーをバッテリーに充電している。
【００２３】
さらに、熱電変換モジュール６の、図４において後述する冷却板１２に当接するようにモジュール冷却部材７が配置されており、モジュール冷却部材７には、複数の冷却水路７Ａが形成されている。また、モジュール冷却部材７における冷却水路７Ａには、図１および図３に示す冷却液配管８が接続されている。冷却液配管８には、図示しないラジエータが接続されており、冷却液配管８を介してモジュール冷却部材７とラジエータとの間に冷却液が循環供給され、モジュール冷却部材７によって熱電変換モジュール６の加熱板１０側と冷却板１２側との間で温度差を付けている。
【００２４】
これらの熱電変換モジュール６およびモジュール冷却部材７は、図１に示すように、排気流路４の流れ方向に離間して合計４つずつが設けられ、合計で８個の熱電変換モジュール６およびモジュール冷却部材７が設けられている。
【００２５】
次に、熱電変換モジュール６について説明する。図４は、熱電変換モジュール６を示す斜視図であり、図５は熱電変換モジュール６のＣ−Ｃ線断面図である。
【００２６】
熱電変換モジュール６は、ｐ型熱電半導体材料で構成されるｐ型熱電変換素子１４及びｎ型熱電半導体材料で構成されるｎ型熱電変換素子１６の複数対と、熱電変換素子の加熱される側に設置され熱電変換素子を電気的に直列に接続する高温側電極部である電極１８と、熱電変換素子の冷却される側に設置され熱電変換素子を電気的に直列に接続する低温側電極部である電極２０と、電極１８を覆う加熱板１０と、電極２０を覆う冷却板１２と、を備える。図４に示す熱電変換モジュール６では、ｎ型熱電変換素子１６とｐ型熱電変換素子１４とが交互に電気的に直列になるように電極１８及び電極２０で接続されている。
【００２７】
ｐ型熱電変換素子１４及びｎ型熱電変換素子１６は、略直方体とされており、ｐ型熱電変換素子１４及びｎ型熱電変換素子１６に埋入された線状補強材である金属線２２の一端２２Ａが電極１８と接合されており、金属線２２の他端２２Ｂが電極２０と接合されている。電極と熱電変換素子とは、例えば、半田、ろう付、拡散接合等で接合される。
【００２８】
また、電極１８及び電極２０は各々Ａｇろうなどのろう材を用いて加熱板１０及び冷却板１２に接合され固定される。
【００２９】
ｐ型熱電変換素子１４及びｎ型熱電変換素子１６としては、図６に示すように略直方体とされ、金属線２２の一端２２Ａが熱電変換素子の一端面に露出し、金属線２２の他端２２Ｂが一端面に対向する他端面に露出した素子が用いられる。このような素子は、熱電半導体材料と所望の線状補強材とを用いて押し出し成型するか又は焼結する等の従来公知の方法を用いて製造することができる。
【００３０】
焼結により素子を製造する場合、仮焼成により熱電半導体材料からなる成型体を得、該成型体に線状補強材を埋入するための穴をあけてこの穴に線状補強材を埋入後本焼成すればよい。
【００３１】
本発明に用いられるｎ型及びｐ型の熱電半導体材料は特に限定されるものではないが、例えば、ビスマス・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料、鉛・テルル系材料、クラスレート化合物等が挙げられ、目的に応じて適宜選択される。また、線状補強材として用いられる金属線としては、例えば、銅線、鉄線、等の熱伝導率に優れる材料が用いられる。
【００３２】
次に、本実施形態に係る熱電発電装置１の作用について説明する。不図示のエンジンから排出された排気ガスが排気流路４を流通すると、集熱フィン５により排気ガスの熱が回収されて筐体２の集熱フィン５が設けられた領域３が加熱されて領域３に当接する加熱板１０が加熱される。
【００３３】
一方、冷却液配管８を介してモジュール冷却部材７とラジエータとの間に冷却液が循環供給され、モジュール冷却部材７によって冷却板１２が冷却される。
【００３４】
加熱板１０が加熱され、冷却板１２が冷却されることにより、熱電変換モジュール６の電極１８側と電極２０側との間に温度差が付与され、熱電発電が開始される。
【００３５】
熱電変換モジュール６に温度差が付与された状態では、ｐ型熱電変換素子１４及びｎ型熱電変換素子１６には熱応力が働く。しかし、ｐ型熱電変換素子１４及びｎ型熱電変換素子１６はその内部に線状補強材である金属線２２が埋入されているため熱応力による破損が起こりにくい。そのため、過熱による集熱フィン５の破損を防ぐことができる。また、熱電発電装置の排気ガス流れ方向下流には、排気ガス浄化用の触媒が設置されることがあるが、本発明の熱電発電装置を用いることにより、破損で生じた集熱フィンの破片による触媒の破損を防ぐことができる。
【００３６】
また、仮にｐ型熱電変換素子１４及びｎ型熱電変換素子１６が破損した場合でも、金属線２２の一端２２Ａが電極１８と接合し、他端２２Ｂが電極２０と接合しているため金属線２２を介した加熱板１０側から冷却板１２側への熱の移動を可能にすることができる。その結果として、加熱による集熱フィン５の破損をさらに防ぐことができる。
【００３７】
本実施形態においては、金属線が埋入され、該金属線の一端が一端面に露出し、他端が一端面に対向する他端面に露出した熱電変換素子を用いたが、線状補強材としては、金属線、アルミナ繊維、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカ繊維、ムライト繊維及びジルコニア繊維からなる群より選択される少なくとも一種を適宜選択して用いることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の熱電発電装置の一実施形態に係る側面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】熱電変換モジュールを示す斜視図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】熱電変換素子を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３９】
１     熱電発電装置
２     筐体
３     領域
４     排気流路
５     集熱フィン
６     熱電変換モジュール
７     モジュール冷却部材
７Ａ   冷却水路
８     冷却液配管
１０   加熱板
１２   冷却板
１４   ｐ型熱電変換素子
１６   ｎ型熱電変換素子
１８、２０    電極
２２   金属線
【図１】
2008028293.tif 000003
【図２】
2008028293.tif 000004
【図３】
2008028293.tif 000005
【図４】
2008028293.tif 000006
【図５】
2008028293.tif 000007
【図６】
2008028293.tif 000008