(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料の有するゼーベック効果による熱発電を用いた熱発電セルであって、
熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体と、
前記複数積層体の加熱部（１１）側に設けられた集熱板（８）と、
前記複数積層体の放熱部側に設けられた放熱板（９）とを備える熱発電セルであって、
前記熱発電単位ユニットは、
第１の金属薄板（１）と、
前記第１の金属薄板に接合された第２の金属薄板（２）と、
前記第１と第２の金属薄板の接合面（６）と対向する前記第２の金属薄板の対向面に重ねた絶縁膜（３）と、
前記第１の金属薄板に接続される第１の素線（４）であって、前記第１の金属薄板と同じ材質の第１の素線と、
前記第２の金属薄板に接続される第２の素線（５）であって、前記第２の金属薄板と同じ材質の第２の素線と、
前記第１と第２の素線の、前記第１及び第２の金属薄板に接続された端部に対して、他端となる端部を接合した冷接点（７）
を備えることを特徴とする熱発電セル。
【請求項２】
金属材料の有するゼーベック効果による熱発電を用いた熱発電セルであって、
熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体と、
前記複数積層体の加熱部（１１１）側に設けられた集熱板（１０８）と、
前記複数積層体の放熱部側に設けられた放熱板（１０９）とを備える熱発電セルであって、
前記熱発電単位ユニットは、
第１の金属薄板（１０１）と、
前記第１の金属薄板に接合された第２の金属薄板（１０２）と、
前記第１と第２の金属薄板の接合面（１０６）と対向する前記第２の金属薄板の対向面に重ねた絶縁膜（１０３）と、
前記第１の金属薄板に接続される第１の延長導体部（１０４）であって、前記第１の金属薄板と同じ材質の第１の延長導体部と、
前記第２の金属薄板に接続される第２の延長導体部（１０５）であって、前記第２の金属薄板と同じ材質の第２の延長導体部と、
前記第１と第２の延長導体部の、前記第１及び第２の金属薄板に接続された端部に対して、他端となる端部を接合した冷接点（１０７）と、
を備えることを特徴とする熱発電セル。
【請求項３】
前記熱発電単位ユニットの各々に設けられた前記冷接点（７、１０７）を幾つかのグループまたは一括して冷却する冷却部（１２、１１２）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱発電セル。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の熱発電セルの前記絶縁膜に、積層間の熱変位を吸収する可塑性を有する絶縁材料を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱発電セル。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の第１の金属薄板（１、１０１）として、電気抵抗が１１μΩ・ｃｍ以下で且つ熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属、及び第２の金属薄板（２、１０２）として、電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以下で且つ熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の金属を用いることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱発電セル。
【請求項６】
前記第１と第２の金属薄板は、耐火材製枠（１０、１１０）の内部で、前記絶縁膜を挟んだ構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱発電セル。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか１項に記載の熱発電セルの複数を熱発電セルの積層方向を加熱面に対して垂直に配置することを特徴とする熱発電モジュール。
【請求項８】
金属材料の有するゼーベック効果による熱発電を用いた熱発電セルであって、
熱発電単位ユニットを、隣接した熱発電単位ユニット相互で絶縁した状態で、複数積層した状態で保持する耐火材製枠（２１０）と、
前記耐火材製枠に設けられた、前記熱発電単位ユニットの複数積層体の加熱部（２１１）と、
前記熱発電単位ユニットの冷却部側に設けられた冷却絶縁油部（２１２）とを備え、前記熱発電単位ユニットは前記耐火材製枠と前記冷却絶縁油部との間に架け渡される構造を有する熱発電セルであって、
前記熱発電単位ユニットは、
前記耐火材製枠と前記冷却絶縁油部との間に架け渡される構造の第１の帯状金属薄板（２０１）と、
前記耐火材製枠と前記冷却絶縁油部との間に架け渡される構造であって、前記耐火材製枠で前記第１の帯状金属薄板に接合された第２の帯状金属薄板（２０２）と、
前記第１と第２の帯状金属薄板の接合面（２０６）と反対側面に位置する前記第１及び第２の帯状金属薄板の接合反対側面に形成された絶縁層（２０３）と、
第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側の端部に位置する冷接点（２０７）であって、当該冷接点は前記冷却絶縁油部で冷却される構造を有する、
ことを特徴とする熱発電セル。
【請求項９】
前記第１の帯状金属薄板は、前記耐火材製枠と前記冷却絶縁油部との間に位置する第１の延長導体部（２０４）を有し、
前記第２の帯状金属薄板は、前記耐火材製枠と前記冷却絶縁油部との間に位置する第２の延長導体部（２０５）を有する、
ことを特徴とする請求項８に記載の熱発電セル。
【請求項１０】
前記第１と第２の帯状金属薄板の接合面（２０６）は、拡散接合またはレーザービーム溶接により接合されたことを特徴とする請求項８に記載の熱発電セル。
【請求項１１】
前記第１と第２の帯状金属薄板の接合面（２０６）は、前記耐火材製枠（２１０）の内部で、前記絶縁層を挟んで折畳まれた構造を有することを特徴とする請求項８に記載の熱発電セル。
【請求項１２】
金属材料の有するゼーベック効果による熱発電を用いた熱発電セルであって、
熱発電単位ユニットを、隣接した熱発電単位ユニット相互で絶縁した状態で、複数積層した状態で保持する耐火材製枠（３１０）と、
前記耐火材製枠に設けられた、前記熱発電単位ユニットの複数積層体の加熱部（３１１）と、
前記耐火材製枠の両側に設けられた第１及び第２の冷却絶縁油部（３１２ａ、３１２ｂ）であって、前記熱発電単位ユニットの第１及び第２の冷却部側に設けられた第１及び第２の冷却絶縁油部（３１２ａ、３１２ｂ）とを備え、前記熱発電単位ユニットは、前記第１の冷却絶縁油部、前記耐火材製枠、及び前記第２の冷却絶縁油部の間に伸長した状態で架け渡される構造の熱発電セル。
【請求項１３】
前記熱発電単位ユニットは、
前記第１の冷却絶縁油部と前記耐火材製枠との間に架け渡される構造の第１の帯状金属薄板（３０１）と、
前記耐火材製枠と前記第２の冷却絶縁油部との間に架け渡される構造であって、前記耐火材製枠で前記第１の帯状金属薄板に接合された第２の帯状金属薄板（３０２）と、
前記第１と第２の帯状金属薄板の接合面（３０６）と反対側面に位置する前記第１及び第２の帯状金属薄板の接合反対側面に形成された第１の絶縁層（３０３）と、
前記第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側であって、前記第１の帯状金属薄板の端部に位置する第１の冷接点（３０７ａ）であって、当該第１の冷接点は前記第１の冷却絶縁油部で冷却される構造を有し、
前記第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側であって、前記第２の帯状金属薄板の端部に位置する第２の冷接点（３０７ｂ）であって、当該第２の冷接点は前記第２の冷却絶縁油部で冷却される構造を有する、
ことを特徴とする請求項１２に記載の熱発電セル。
【請求項１４】
前記第１の帯状金属薄板は、前記第１の冷却絶縁油部と前記耐火材製枠との間に位置する第１の延長導体部（３０４）を有し、
前記第２の帯状金属薄板は、前記耐火材製枠と前記第２の冷却絶縁油部との間に位置する第２の延長導体部（３０５）を有する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の熱発電セル。
【請求項１５】
請求項１３に記載の前記熱発電セルは、さらに、
前記第２の冷却絶縁油部と前記耐火材製枠との間に架け渡される構造の第３の帯状金属薄板（３２１）と、
前記耐火材製枠と前記第１の冷却絶縁油部との間に架け渡される構造であって、前記耐火材製枠で前記第３の帯状金属薄板に接合された第４の帯状金属薄板（３２２）と、
前記第３と第４の帯状金属薄板の接合面（３２６）と反対側面に位置する前記第３と第４の帯状金属薄板の接合反対側面に形成された第２の絶縁層（３２３）とを備え、
前記第２の冷却絶縁油部で冷却される前記第２の冷接点（３０７ｂ）には、前記第２の帯状金属薄板の冷接点側端部と前記第３の帯状金属薄板の冷接点側端部とを接合する構造を有し、
前記第１の冷却絶縁油部で冷却される前記第１の冷接点（３０７ａ）には、前記第４の帯状金属薄板の冷接点側端部と前記第１の帯状金属薄板の冷接点側端部とを接合する構造を有する、
ことを特徴とする請求項１３に記載の熱発電セル。
【請求項１６】
前記第３の帯状金属薄板は、前記第２の冷却絶縁油部と前記耐火材製枠との間に位置する第３の延長導体部（３２４）を有し、
前記第４の帯状金属薄板は、前記耐火材製枠と前記第１の冷却絶縁油部との間に位置する第４の延長導体部（３２５）を有し、
ことを特徴とする請求項１５に記載の熱発電セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属の熱電材料を用いた熱電変換のデバイス構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
利用されていない廃熱を電気に変換して環境負荷を軽減することは、時代の要請であり、熱エネルギーを電気に直接変換するゼーベック効果によって、２種類の異種金属または半導体の両端に温度差をつけると起電力が発生することはよく知られている。【０００３】
例えば、半導体の熱電材料では、高温部で運動エネルギーの大きくなったキャリア（電子と正孔)が、温度の低い方に拡散して起電力が発生する。ｎ型とｐ型半導体では電位差が逆になるため、金属電極を介してｎ型とｐ型半導体を交互に接続したｐ−ｎ−ｐのπ型構造を直列接続して大きな起電力を得ることができる（例えば、特許文献１）。【０００４】
電子は電気のキャリアであると同時に熱を運ぶキャリアなので、熱電材料には熱伝導度が小さく且つ電気伝導度が大きいという二つの特性がある。しかし、両者の特性はトレードオフ関係にある。そこで、両者の特性を有するビスマス・テルル合金（Ｂｉ２Ｔｅ３）が、有害であるにも拘わらず、熱電材料として使われている。【０００５】
金属の熱電材料では、キャリアは電子だけなので、半導体の熱電材料とはデバイス構造が異なる。しかし、高温部で電子の運動エネルギーが大きくなって低温側に拡散して起きるゼーベック効果によって発電することは、両者で同じである。【０００６】
金属の熱電材料を用いた新技術として、特許文献２では、熱電材料と金属を交互に傾斜接合してチューブに加工し、熱流と電流の向きを直交させた熱発電モジュールが開示されている。この技術では、熱発電チューブ内と表面の間に温度差を与えると、熱電材料層よりも熱伝導性の高い金属層を熱が優先的に伝達するため、各熱電材料層の温度勾配にｚ軸方向成分が生じる。このため、各熱電材料層にはゼーベック効果によってｚ軸方向の起電力が発生し、起電力が積層体内で直列的に重畳される。積層の傾斜角度と寸法を最適化して積層間の熱流を安定させると、全体としてチューブ内側の電極とチューブ表面の電極の間に大きな電位差が発生する。熱発電チューブに使用する熱電材料には、ゼーベック係数が３０μＶ／Ｋ以上で電気抵抗率が１０ｍΩ・ｃｍ以下の金属であれば利用できると記載されている。【０００７】
しかし、上記熱発電チューブの積層間は絶縁されておらず、電気的に一体構造であるので、熱流がミクロ的に変動すると積層間に無効電流が発生して熱電変換効率が低下する。そのため、熱発電チューブの実施例では、従来通り熱電特性に優れるＢｉ２Ｔｅ３が使われており、Ｂｉ２Ｔｅ３等のＴｅ化合物は人体に有害であるため取扱いに注意が必要となる。
一方、温度測定に使う熱電対には、安全性に全く問題のない熱電材料が使われているが、その熱電材料を用いた熱発電を行うには至っていない。【０００８】
原理的には熱電対の熱電材料を用いて熱発電することは可能であるが、熱電対を直列に接続すると、電圧が増加すると同時に内部抵抗が増加する。そのため、非特許文献１に見られるように、熱電対の熱電材料を用いた実用的熱電変換デバイスを開発することは困難であるとされてきた。【０００９】
熱電対に必要な特性は、温度に比例した電圧が発生すること、温度測定範囲が広いこと、耐久性が高いこと等であり、電流が少ないことは問題にならない。そのため、電流が少ない原因である熱電対の内部抵抗を小さくする研究開発は、今まで行われて来なかった。
上記の状況下にあって、地球温暖化対策として環境に優しい熱発電を普及させるためには、Ｂｉ２Ｔｅ３のような毒性のある材料ではなく、安全で安価な熱電材料を用いた熱発電を可能にする汎用性のある技術が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１３−０１６６８５公報
【特許文献２】特開２０１６−６３０７５公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】株式会社八光電機、熱の実験室-第3回、2004.11、インターネット<URL:http://www.hakko.co.jp>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
汎用的に温度測定に使われる熱電対を直列に接続すると、電圧が増加するが、同時に内部抵抗が増加するため、熱電対の熱電材料は熱発電に利用できなかった。その課題を解決するため、熱発電の原理に遡ってデバイス構造を見直し、熱電対に使用されているような安全な熱電材料を用いた熱電変換デバイスを開発する。
【発明が解決するための手段】
【００１３】
［１］  本発明の熱発電セルは、金属材料の有するゼーベック効果による熱発電を用いた熱発電セルであって、当該金属材料の導電性と熱伝導性の良好性を生かす構造として、当該金属材料の高温部と低温部の温度差を維持する温度差保持部と、発電素子における電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造を有する金属材料の部材とを備えることを特徴とする。
【００１４】
また、発明者らは、熱電対の熱電材料を用いて熱発電が困難な原因を解決する手段として、熱発電に必要な機能を熱電材料だけが担うのではなく、熱発電デバイスを構成する各構成要素に機能分離し、「熱の流れる方向には電気が流れなく、電気の流れる方向には熱が流れ難くいデバイス構造」にすることによって、「熱電材料に必要な熱伝導度が小さく且つ電気伝導度が大きいトレードオフ関係にある材料特性」の一部を代替する構造を想到した。
つまり、以下の［２］〜［６］の熱発電セルとして、熱伝導率の小さい絶縁膜と金属薄板を複合積層することで全体として見掛け熱伝導率を小さくし、金属の細線又は延長導体部を用いて複合積層体を迂回させて接続することで全体として見掛け電気伝導率を大きくする以下の創意工夫を行った。
【００１５】
［２］  本発明の熱発電セルは、例えば図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体と、複数積層体の加熱部１１側に設けられた集熱板８と、複数積層体の放熱部側に設けられた放熱板９とを備える熱発電セルである。熱発電単位ユニットは、第１の金属薄板１と、第１の金属薄板１に接合された第２の金属薄板２と、第１と第２の金属薄板の接合面６と対向する第２の金属薄板２の対向面に重ねた絶縁膜３と、第１の金属薄板１に接続される第１の素線４であって、第１の金属薄板１と同じ材質の第１の素線４と、第２の金属薄板２に接続される第２の素線５であって、第２の金属薄板２と同じ材質の第２の素線５と、第１と第２の素線の、第１及び第２の金属薄板に接続された端部に対して、他端となる端部を接合した冷接点７とを備える。
【００１６】
このように構成された本発明の熱発電セルにおいて、熱流は複合積層の接合面を貫通して高温側から低温側へ流れ、電流は単位ユニット毎に金属薄板１、素線４、冷接点、素線５、金属薄板２の順に流れ、且つ、熱流と電流がクロスフローするので、熱流と電流の干渉が少なくて済む。
また、素線４、５は温度差保持部として作用させるべく、素線４、５の断面積と長さを適切に選択する。発電素子における電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造とするために、素線４、５の断面積と長さを適切に選択すると共に、素線４、５を金属薄板１、２に機械的に接続して複合積層から引き出す構造として、金属の細線を用いて複合積層を迂回させて接続することで全体として見掛け電気伝導率を大きくして、内部抵抗を極小化している。
【００１７】
［３］  本発明の熱発電セルは、例えば図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体と、複数積層体の加熱部１１１側に設けられた集熱板１０８と、複数積層体の放熱部側に設けられた放熱板１０９とを備える熱発電セルである。熱発電単位ユニットは、第１の金属薄板１０１と、第１の金属薄板に接合された第２の金属薄板１０２と、第１と第２の金属薄板の接合面１０６と対向する第２の金属薄板１０２の対向面に重ねた絶縁膜１０３と、第１の金属薄板１０１に接続される第１の延長導体部１０４であって、第１の金属薄板と同じ材質の第１の延長導体部１０４と、第２の金属薄板１０２に接続される第２の延長導体部１０５であって、第２の金属薄板と同じ材質の第２の延長導体部１０５と、第１と第２の延長導体部の、第１及び第２の金属薄板に接続された端部に対して、他端となる端部を接合した冷接点１０７とを備える。
【００１８】
このように構成された本発明の熱発電セルにおいて、［２］の第２の素線に代えて、［３］では延長導体部が用いられる。延長導体部の形状は、例えば帯状やテープ状であり、素線と比較して断面積を大きく取りやすくなり、温度差保持部として作用させることも、金属の延長導体部を用いて複合積層を迂回させて接続することで全体として見掛け電気伝導率を大きくして、内部抵抗を極小化することもできる。
【００１９】
［４］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、上記の熱発電セルの各冷接点を、幾つかのグループまたは一括して冷却することにより、各冷接点における逆熱起電力の発生を防ぐとよい。
［５］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、上記の熱発電セルの絶縁膜として、積層間を絶縁することに加えて、積層間の熱変位を吸収する可塑性を有する絶縁材料を用いるとよい。
【００２０】
［６］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、上記の金属薄板１として、電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ 以下で且つ熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属、及び金属薄板２として、電気抵抗率が７０μΩ・ｃｍ以下で且つ熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の金属を用いるとよい。熱電材料として使われるテルルの電気抵抗率は４００ｍΩ・ｃｍであり、［６］の電気抵抗率の上限値７０μΩ・ｃｍを超えており、この発明特定事項としては有毒なテルルを使用してない。
【００２１】
［７］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、第１と第２の金属薄板（１０１、１０２）は、耐火材製枠（１０、１１０）の内部で、前記絶縁層を挟んだ構造を有するとよい。
［８］  本発明の熱発電モジュールは、上記の単位ユニットからなる熱発電セルを用いた熱発電モジュールであって、熱発電セルの積層方向を加熱面に対し垂直に配置することを特徴とする。前記の加熱面は平面または曲面であっても良い。
【００２２】
さらに、発明者らは、熱電対の熱電材料を用いて熱発電が困難な原因を解決する他の態様［９］〜［１６］として、熱発電単位ユニットの複数積層体の加熱部と、熱発電単位ユニットの冷却部側に設けられた冷却絶縁油部を設ける構造の熱発電セルを基本構造としている。熱発電セルにおいて、加熱部と冷却絶縁油部との間で生ずる高温部と低温部の温度差を維持する温度差保持部として、熱発電単位ユニットの形状を工夫している。さらに、発電素子における電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造として、熱発電単位ユニットの金属導体の形状を工夫している。
【００２３】
［９］  本発明の熱発電セルは、例えば図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、熱発電単位ユニットを、隣接した熱発電単位ユニット相互で絶縁・分離した状態で、複数積層した状態で保持する耐火材製枠２１０と、耐火材製枠２１０に設けられた、熱発電単位ユニットの複数積層体の加熱部２１１と、熱発電単位ユニットの冷却部側に設けられた冷却絶縁油部２１２とを備え、熱発電単位ユニットは耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に架け渡される構造を有する熱発電セルであって、熱発電単位ユニットは、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に架け渡される構造の第１の帯状金属薄板２０１と、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に架け渡される構造であって、耐火材製枠２１０で第１の帯状金属薄板に接合された第２の帯状金属薄板２０２と、第１と第２の帯状金属薄板の接合面２０６と反対側面に位置する第１及び第２の帯状金属薄板の接合反対側面に形成された絶縁層２０３と、第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側の端部に位置する冷接点２０７であって、当該冷接点は冷却絶縁油部２１２で冷却される構造を有する。
【００２４】
［１０］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、第１の帯状金属薄板は、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に位置する第１の延長導体部２０４を有し、第２の帯状金属薄板は、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に位置する第２の延長導体部２０５を有するとよい。
［１１］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、前記接合面２０６は、拡散接合またはレーザービーム溶接により接合されるとよい。
［１２］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、第１と第２の帯状金属薄板の接合面２０６は、耐火材製枠２１０の内部で、前記絶縁層を挟んで折畳まれた構造を有するとよい。
【００２５】
［１３］  本発明の熱発電セルは、例えば図１０（Ａ）、（Ｂ）に示すように、熱発電単位ユニットを、隣接した熱発電単位ユニット相互で絶縁・分離した状態で、複数積層した状態で保持する耐火材製枠３１０と、耐火材製枠３１０に設けられた、熱発電単位ユニットの複数積層体の加熱部３１１と、耐火材製枠３１０の両側に設けられた第１及び第２の冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂであって、熱発電単位ユニットの第１及び第２の冷却部側に設けられた第１及び第２の冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂとを備え、熱発電単位ユニットは、第１の冷却絶縁油部３１２ａ、耐火材製枠３１０、及び第２の冷却絶縁油部３１２ｂの間に伸長した状態で架け渡される構造とする。
【００２６】
［１４］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、熱発電単位ユニットは、第１の冷却絶縁油部３１２ａと耐火材製枠３１０との間に架け渡される構造の第１の帯状金属薄板３０１と、耐火材製枠３１０と第２の冷却絶縁油部３１２ｂとの間に架け渡される構造であって、耐火材製枠３１０で第１の帯状金属薄板に接合された第２の帯状金属薄板３０２と、第１と第２の帯状金属薄板の接合面３０６と反対側面に位置する第１及び第２の帯状金属薄板の接合反対側面に形成された絶縁層３０３と、第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側の端部に位置する第１の冷接点３０７ａであって、当該第１の冷接点は第１の冷却絶縁油部３１２ａで冷却される構造を有し、第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側の端部に位置する第２の冷接点３０７ｂであって、当該第２の冷接点は第２の冷却絶縁油部３１２ｂで冷却される構造を有するとよい。
【００２７】
［１５］  本発明の熱発電セルにおいて、好ましくは、第１の帯状金属薄板は、第１の冷却絶縁油部３１２ａと耐火材製枠３１０との間に位置する第１の延長導体部３０４を有し、第２の帯状金属薄板は、耐火材製枠３１０と第２の冷却絶縁油部３１２ｂとの間に位置する第２の延長導体部３０５を有するとよい。
［１６］  ［１４］に記載の熱発電単位ユニットは、さらに、第２の冷却絶縁油部３１２ｂと耐火材製枠３１０との間に架け渡される構造の第３の帯状金属薄板３２１と、耐火材製枠３１０と第１の冷却絶縁油部３１２ａとの間に架け渡される構造であって、耐火材製枠３１０で第３の帯状金属薄板に接合された第４の帯状金属薄板３２２と、第３と第４の帯状金属薄板の接合面３２６と反対側面に位置する第３と第４の帯状金属薄板の接合反対側面に形成された第２の絶縁層３２３とを備え、第２の冷却絶縁油部３１２ｂで冷却される第２の冷接点３０７ｂには、第２の帯状金属薄板の冷接点側端部と第３の帯状金属薄板の冷接点側端部とを接合する構造を有し、第１の冷却絶縁油部３１２ａで冷却される第１の冷接点３０７ａには、第４の帯状金属薄板の冷接点側端部と第１の帯状金属薄板の冷接点側端部とを接合する構造を有するとよい。
【００２８】
［１７］  第３の帯状金属薄板は、第２の冷却絶縁油部３１２ｂと耐火材製枠３１０との間に位置する第３の延長導体部３２４を有し、第４の帯状金属薄板は、耐火材製枠３１０と第１の冷却絶縁油部３１２ａとの間に位置する第４の延長導体部３２５を有するとよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明は、熱発電に必要な材料特性の一部をデバイス構造の機能で代替し、安全で安価な熱電材料を用いた熱発電を可能にするという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例を示す複合積層型熱発電セルの構造図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ方向の平面図である。
【図２】従来の熱電対の構造を説明する要部構成図である。
【図３】本発明の一実施例を示す熱発電セル内部の電圧と電流の分布状態を説明する図で、（Ａ）は測定端子番号毎の電圧積算値、（Ｂ）は測定対象の複合積層型熱発電セルの構造図である。
【図４】従来の熱電対と実施例１の発電特性の比較図で、温度差：１２０℃の場合を示している。
【図５】実施例１の無負荷電圧の温度特性を示す図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す複数の積層型熱発電セルを平面配列した熱発電モジュールの要部断面図である。
【図７】本発明の他の実施例を示す複数の積層型熱発電セルをチューブ状に配列した熱発電モジュールの要部断面図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す複合積層型熱発電セルの構造図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ方向の平面図である。
【図９】本発明の他の実施例を示す熱発電モジュールの加熱・冷却方式として、帯状の熱発電セルを複数配列した構造図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ方向の平面図である。
【図１０】本発明の他の実施例を示す熱発電モジュールの構造図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ方向の平面図である。発電量増加に必要なスケールアップに適している。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本明細書における技術用語の定義
・金属薄板とは、表１に示す材質で、厚さ０．１〜３ｍｍ、５〜１００ｍｍ角サイズの薄板をいう。数値限定の理由は、厚さ０．１ｍｍ以下では接合加工が困難になり、３ｍｍ以上では積層数が少なくなるために有効な熱電流が得られないからである。５ｍｍ角以下のサイズでは接合面積が小さく有効な熱電流が得られず、１００ｍｍ角以上では熱変形が大きくなり耐久性が低下するからである。
・素線とは、表１に示す材質で、直径０．１〜３ｍｍ、５０〜２００ｍｍの長さの細線をいう。数値限定の理由は、直径０．１ｍｍ以下では電気抵抗が過大になり、直径３ｍｍ以上では熱伝導が過大になり、有効な熱電流が得られないからである。
・絶縁膜とは、マグネシア、ジルコニア、アルミナ等の無機材料で、３ｋＶ／ｍｍ程度の絶縁性に加え、積層間の熱変位を吸収する可塑性を有する耐熱接着剤で形成された膜状をいう。
・延長導体部とは、表１に示す材質で、厚さ０．１〜３ｍｍ、５０〜２００ｍｍの長さ、幅２〜３０ｍｍの帯状の金属テープをいう。
・接続とは、例えば１０００℃程度の高温における電気的な接続と機械的な接続が確保できるものが望ましく、例えばレーザービーム溶接を用いるとよい。
・接合とは、例えば０〜５０℃程度の冷接点における電気的な接続と機械的な接続が確保できるものが望ましく、例えばロウ付けやはんだ付けを用いるとよい。
【００３２】
本実施の形態に係る熱発電セルは、金属材料の有するゼーベック効果による熱発電を用いた熱発電セルである。この熱発電セルは、当該金属材料の導電性と熱伝導性の良好性を生かす構造として、当該金属材料の高温部と低温部の温度差を維持する温度差保持部と、熱発電セルにおける電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造を有する前記金属材料の部材と、を備える。
【００３３】
以下図を用いて本発明に係る熱発電セルのデバイス構造を以下に説明する。本実施形態では、同じ作用を有する部材には、同じ名称を用い、必要に応じて、重複する説明は略す場合がある。
図１（Ａ）、（Ｂ）においては、本実施の形態に係る熱発電セルは、熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体と、複数積層体の加熱部１１側に設けられた集熱板８と、複数積層体の放熱部側に設けられた放熱板９とを備える。耐火材製枠１０は、複数積層体の底面を集熱板８で被覆し、頂面を放熱板９で被覆した場合の、複数積層体の周面を覆う筒状の枠体で、第１の素線４と第２の素線５を引き出すためのスリットや開口窓が設けてあっても良い。耐火材製枠１０で覆われる複数積層体には、第１の金属薄板１、第２の金属薄板２、及び絶縁膜３からなる積層体が複数積層されている。
【００３４】
集熱板８及び放熱板９には、構造材として適切な強度を有する金属製板材であれば適宜の金属材料を用いることができ、アルミ板のほか、マグネシウム合金板、スレンレス鋼板、銅板、鋼板など各種のものを用いることができる。また、集熱板８及び放熱板９には、接触する第１の金属薄板１や第２の金属薄板２との電気的な絶縁を確保する為、絶縁材料を貼付したり、絶縁性を確保できる表面処理をしたりするとよい。耐火材製枠１０は、例えば耐火セメントや耐火セラミックスで製造される。
熱発電単位ユニットは、第１の金属薄板１、第２の金属薄板２、絶縁膜３、第１の素線４、第２の素線５、接合面６、及び冷接点７を有している。
【００３５】
ここで、第１の金属薄板１は、例えばＣｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎを材料とする金属板がよく、後述する表１に示すように、電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以下で且つ熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属が好ましい。第２の金属薄板２は、第１の金属薄板１に接合されているもので、例えばアルメル、Ｔｉ、コンスタンタン、クロメルを材料とする金属板がよく、後述する表１に示すように、電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以下で且つ熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の金属が好ましい。ここで、アルメルはニッケル（Ｎｉ）９４ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）２．５ｗｔ％、アルミニウム（Ａｌ）２ｗｔ％、ケイ素（Ｓｉ）１ｗｔ％、鉄（Ｆｅ）０．５ｗｔ％の組成をもつ。クロメルはニッケル（Ｎｉ）８９ｗｔ％、クロム（Ｃｒ）９．８ｗｔ％、鉄（Ｆｅ）１ｗｔ％、マンガン（Ｍｎ）０．２ｗｔ％の組成をもつ。コンスタンタンは、銅（Ｃｕ）５５ｗｔ％、ニッケル（Ｎｉ）４５ｗｔ％の組成をもつ。
【００３６】
絶縁膜３は、第２の金属薄板２の対向面に重ねた状態で配置される。第２の金属薄板２の対向面は、第１と第２の金属薄板の接合面６と対向する面である。
第１の素線４は、金属薄板１に接続されると共に、金属薄板１と同じ材質よりなる。第２の素線５は、金属薄板２に接続されると共に、金属薄板２と同じ材質よりなる。この接合は、例えば１０００℃程度の高温状態においても、電気的な接続と機械的な接続が確保できるものが望ましく、例えばレーザービーム溶接を用いるとよい。
接合面６は、上述したように、第１と第２の金属薄板の接合面である。冷接点７は、第１と第２の素線の他端となる端部を接合したものである。ここで、第１と第２の素線の他端となる端部は、第１及び第２の金属薄板に接続された端部に対して、第１と第２の素線の反対側の端部である。
冷却部１２は、熱発電単位ユニットの各々に設けられた冷接点７を幾つかのグループまたは一括して冷却する。
【００３７】
このように構成された装置の動作を次に説明する。
図１（Ａ）に示す集熱板８で受熱した熱は、金属薄板１と金属薄板２を拡散接合した接合面６で熱起電力を発生し、絶縁膜３を貫通して上の層に伝わり、繰り返し熱起電力を発生しながら、熱流になって、放熱板９から大気放散される。一方、接合面６で発生した熱電流は、第１の素線４によって一旦、積層の外に出て、冷却部（１２）にある冷接点７を経て、第２の素線５によって次の積層に戻る。上記のメカニズムが積層数と同じ数だけ繰り返し、増加した熱電流が正極から外部の負荷回路に流れる。
【００３８】
本発明の特徴を具体的に示すために、熱発電セル内部で起電力が発生する状況を図３（ａ）、（ｂ）にまとめる。図３（ａ）に示すように、熱発電セルの正極と各単位ユニットの測定端子との間の電圧と電流は、偶数の測定端子番号で階段的に増加する。つまり、熱起電力は接合面６で発生し、冷接点７では発生しない。
【００３９】
図３（ａ）に示す電圧と電流の微細な変化は、測定端子番号１１では電圧と電流が僅かに低下しており、この部分では逆起電力が僅かに発生している。しかし、その他の測定端子番号では逆起電力は発生していない。
以上説明したように、各冷接点を一様に冷却すれば、接合面と冷接点の接続数に比例して電圧と電流が一様に増加し、熱発電セルの起電力は単位ユニットの積層数に比例する設計指針が得られる。
【００４０】
以下に本発明の特徴を具体的に説明する。熱伝導率の異なる２種類の金属薄板を接合し、絶縁膜を重ねて複合積層にすると、例えば、接合面積は、１２ｍｍ角の金属薄板では、図２に示す直径０．３ｍｍの熱電対に比べて３桁以上大きくなる。
上記複合積層した金属薄板に接続した素線は、複合積層体の熱が伝わり難い直径と長さ、例えば、直径０．３ｍｍ、長さ７０ｍｍとし、素線の他端を接合して冷接点を形成する。
【００４１】
原理的には２種類の金属を接合して複数の接合部を直列に接続すると、２種類の金属の並び順が接合部の一つ置きに逆向きになり、逆向きの接合部では逆向きの起電力が発生して全体の起電力が低下する。しかし、接合部の温度差をゼロにすれば、その接合部での起電力はゼロになる。本実施の形態では、２種類の金属の接合が逆向きになる冷接点を冷却することによって、逆向きの起電力を実質的にゼロにする。
【００４２】
複合積層と素線の冷接点の組み合わせを単位ユニットとし、複数の単位ユニットを積み重ねて熱発電セルを形成する。熱発電セルの接合面積は、図２に示す直径０．３ｍｍの熱電対に比べて５桁以上大きくなる。熱発電セルに与えた熱は、繰り返し接合面を貫通して熱発電に使われ、熱発電セルの上面から放散する熱が減少して起電力が増える。
熱発電セルの底面を加熱し、素線の各冷接点を冷却すると、熱流は複合積層を貫通して低温側へ流れて熱発電セルの上面から放散される。一方、発生した熱電流は、素線の各冷接点を経由して複合積層に戻る迂回を繰り返して増加する。
【００４３】
熱発電セルのデバイス構造をより詳しく以下に説明する。２種類の金属薄板１、２を接合した接合体に絶縁膜を重ねて金属薄板１／金属薄板２／絶縁膜の積層構造を形成し、金属薄板１、２と同じ材質の素線４、５を金属薄板１、２に接続して積層構造体の横方向に引き出し、素線４、５の端を接合して冷接点を形成して単位ユニットにする。
【００４４】
単位ユニットを複数積層し、金属薄板１／金属薄板２／絶縁膜３／金属薄板１／金属薄板２／絶縁膜３が繰り返す複合積層の熱発電セルを形成する。熱発電セルの熱流は、複合積層の接合面を貫通して高温側から低温側へ流れ、発生した電流は、接合面-冷接点-接合面-冷接点を繰り返す電気的に接続した素線の迂回路を流れる。
【００４５】
上記の結果、熱流は複合積層を貫通して流れるが電流は遮断され、電流は前記迂回路を流れるが熱流は殆ど流れない状態になる。つまり、熱流と電流がクロスフローする状態になって、熱流と電流の干渉がなくなり、安定した熱起電力が得られる。
【００４６】
温度の高い接合面と冷却した冷接点の間の熱流を少なくするために、素線で接続する。素線の材質は金属薄板１、２と同じ材質とし、素線の直径は、内部抵抗が増加しないように、例えば、直径０．３ｍｍ程度にする。素線の長さは７０ｍｍ程度にして金属薄板１、２の熱が冷接点に伝わり難くする。
【００４７】
比較例として、本発明の技術的ルーツである直径０．３ｍｍ、長さ１０ｃｍの銅／コンスタンタンの熱電対の発電特性（温度差１２０℃）は、図４（ａ）のように、無負荷電圧：３．７ｍＶ、内部抵抗：３．１Ω、最大出力は僅か１μＷであった。
【００４８】
<実施例１>
１２ｍｍ角で０．３ｍｍ厚の銅とコンスタンタンを、接合温度：約８４０℃、加熱時間：３０分、加圧：約１．７ＭＰａ、接合雰囲気：約１．８×１０−３Ｐａで接合した。ここで、１２ｍｍ角で０．３ｍｍ厚の銅は、第１の金属薄板１に相当する。また、１２ｍｍ角で０．３ｍｍ厚のコンスタンタンは、第２の金属薄板２に相当する。銅とコンスタンタンの接合部位は、第１と第２の金属薄板の接合面６に相当する。
接合した１２ｍｍ角の銅／コンスタンタンの薄板を図１（Ａ）に示すように、絶縁膜を間に挟んで６層を重ねて積層した。
【００４９】
その結果、実施例１では、図４（ｂ）に示すように、無負荷電圧：４５．９ｍＶ、内部抵抗：２．９５Ωになり、前記の比較例に比べ、電圧は１２倍（３．７→４５．９ｍＶ）に増加、内部抵抗は変わらず（３．１≒２．９５Ω）、最大出力は１μＷ から１７６μＷに増加し、本発明の効果を実証した。なお、図５には、実施例１の無負荷電圧の温度特性を示した。無電荷電圧は、温度差の増加と共に、二次曲線で増加しており、高温では熱起電力が低下する半導体材料とは異なる様相を示す。すなわち、図５の結果は、金属の熱電材料の特長が高温になるほど熱起電力が増加して優れていることを示している。
実施例１では、図３（ｂ）に示すように、熱発電セル底面を２５０℃に加熱した場合、熱発電セルの上面温度は１１０℃と高く、未利用の熱量が多いことが判った。
【００５０】
<実施例２>
そのため、実施例２では、積層数を実施例１の６層から５０層に増やし、上面温度を室温近くに下げる。更にスケールアップとして、接合面を１２ｍｍ角から５０ｍｍ角に拡大し、３００個の熱発電セルを平面配列（１５×２０）することにより、１．２ｋＷ／ｍ２の太陽光発電と同等レベルの発電能力を有する熱発電モジュールになる。
【００５１】
図６に６個の熱発電セルを平面配置した熱発電モジュールを例示する。
図においては、本実施の形態に係る熱発電セルは、熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体と、複数積層体の加熱部３１側に設けられた集熱板２８と、複数積層体の放熱部側に設けられた放熱板２９とを備える。冷却部３２には、冷接点が熱的に接続されている。
熱発電単位ユニットは、第１の素線（２４）、第２の素線（２５）を有すると共に、図１（Ａ）に示す熱発電単位ユニットと同様に、第１の金属薄板、第２の金属薄板、絶縁膜、接合面、及び冷接点を有している。
【００５２】
<実施例３>
熱発電モジュールの加熱・冷却方式として、熱発電セルをチューブ状に配列したパイプ構造の熱発電モジュールの実施例３を図７に示す。
図においては、本実施の形態に係る熱発電セルは、熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体を、放射状に複数配置してある。チューブ状の中心空洞部には燃焼排ガスのような高温ガスや高温流体が流されるので、複数積層体の加熱部５１側として集熱板４８が設けられる。チューブ状の円筒外縁部には、複数積層体の放熱部側として放熱板４９が設けられる。冷却部５２は、例えば放熱板４９に放熱フィンとして設けられるもので、好ましくは冷接点が熱的に接続されているとよい。
【００５３】
耐火材製枠５０は、放射状に複数配置された複数積層体の楔状の隙間に設けられる略三画柱状の枠体である。略三画柱状の先端部は、チューブ状の中心空洞部側に位置する集熱板４８と接している。略三画柱状の底辺部は、チューブ状の円筒外縁部側に位置する放熱板４９と接している。耐火材製枠５０で隔てられる各積層体には、第１の金属薄板、第２の金属薄板、及び絶縁膜が積層されている。
【００５４】
このように構成された装置においては、パイプ内に温水を流し、集熱板４８を介して複数積層体の加熱部５１側として作用させる。また、パイプを、例えば冷水等の冷媒と接触させることで、パイプ表面の放熱板４９とパイプ表面に出した冷却部５２を冷却する。また、加熱面が円柱以外の曲面であっても、熱発電セルの積層方向を加熱面に垂直に配列して耐火材製枠を充填して固定することによって、加熱面が任意な曲面形状の熱発電モジュールにすることができる。
【００５５】
<実施例４>
実施例１の第２の素線に代えて、この実施の形態では延長導体部が用いられる。延長導体部の形状は、例えば帯状やテープ状であり、素線と比較して断面積を大きく取りやすくなり、温度差保持部として作用させることも、金属の延長導体部を用いて複合積層を迂回させて接続することで全体として見掛け電気伝導率を大きくして、内部抵抗を極小化することもできる。
【００５６】
図８は、実施例４を示す複合積層型熱発電セルの構造図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ方向の平面図である。なお、図８（Ａ）、（Ｂ）において、図１（Ａ）、（Ｂ）と同一の作用をするものには、対応する名称を付して説明を援用し、詳細な説明を省略する。
図においては、本実施の形態に係る熱発電セルは、熱発電単位ユニットを複数積層してなる複数積層体と、複数積層体の加熱部１１１側に設けられた集熱板１０８と、複数積層体の放熱部側に設けられた放熱板１０９とを備える。複数積層体は、各熱発電単位ユニットが電気的に直列に接続されている。ここで放熱板１０９側の熱発電単位ユニットが負極端子１３３と接続されており、集熱板１０８側の熱発電単位ユニットが正極端子１３４と接続されている。
【００５７】
熱発電単位ユニットは、第１の金属薄板１０１、第１の金属薄板に接合された第２の金属薄板１０２、接合面１０６、絶縁膜１０３、第１の延長導体部１０４、第２の延長導体部１０５、冷接点１０７を備える。
絶縁膜１０３は、第１と第２の金属薄板の接合面１０６と対向する第２の金属薄板１０２の対向面に重ねて形成されたものである。第１の延長導体部１０４は、第１の金属薄板１０１に接続されると共に、第１の金属薄板１０１と同じ材質の帯状の金属薄板である。第２の延長導体部１０５は、第２の金属薄板１０２に接続されると共に、第２の金属薄板１０２と同じ材質の帯状の金属薄板である。冷接点１０７は、第１と第２の延長導体部１０４、１０５の、第１及び第２の金属薄板１０１、１０２に接続された端部に対して、他端となる端部を接合した冷接点である。
【００５８】
このように構成された装置の動作を次に説明する。
図８（Ａ）に示す集熱板１０８で受熱した熱は、金属薄板１０１と金属薄板１０２を拡散接合した接合面１０６で熱起電力を発生し、絶縁膜１０３を貫通して上の層に伝わり、繰り返し熱起電力を発生しながら、熱流になって、放熱板１０９から大気放散される。一方、接合面１０６で発生した熱電流は、第１の延長導体部１０４によって一旦、積層の外に出て、冷却部１１２にある冷接点１０７を経て、第２の延長導体部１０５によって次の積層に戻る。上記の熱発電メカニズムが積層数と同じ数だけ繰り返し、増加した熱電流が、正極端子１３４と負極端子１３３に接続された外部の負荷回路に流れる。
【００５９】
上記の実施例１〜４の複合積層型熱発電セルにおいては、熱の流れる方向には電気が流れなく、電気の流れる方向には熱が流れ難くいデバイス構造として、熱流と電流の経路を分離してクロスフローさせることにより、熱流と電流の干渉をなくして熱起電力を安定化するものである。
しかし、本発明の課題を解決するためには、熱発電の原理に遡ってデバイス構造を見直し、熱電対に使用されているような安全な熱電材料を用いた熱電変換デバイスを開発するものであれば足りる。従って、上記の実施例１〜４の複合積層型熱発電セルのように熱流と電流の経路を分離してクロスフローする構造に限定する必要はなく、要は、本発明の熱発電セルは、金属材料の有するゼーベック効果による熱発電を用いた熱発電セルであって、当該金属材料の導電性と熱伝導性の良好性を生かす構造として、当該金属材料の高温部と低温部の温度差を維持する温度差保持部と、発電素子における電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造を有する金属材料の部材とを備えるものであればよい。
【００６０】
<実施例５>
図９は、本発明の実施例５を示す熱発電モジュールの加熱・冷却方式として、帯状の熱発電セルを複数配列した構造図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ方向の平面図である。なお、図９（Ａ）、（Ｂ）において、図１（Ａ）、（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）と同一の作用をするものには、対応する名称を付して説明を援用し、詳細な説明を省略する。
図においては、本実施の形態に係る熱発電セルは、耐火材製枠２１０、複数積層体の加熱部２１１、冷却絶縁油部２１２を備えると共に、熱発電単位ユニットは耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に架け渡される構造を有する。
【００６１】
耐火材製枠２１０は、熱発電単位ユニットを、隣接した熱発電単位ユニット相互で絶縁・分離した状態で、複数積層するために用いられるもので、例えば耐火性のセラミックにより電気的絶縁も確保している。複数積層体の加熱部２１１は、耐火材製枠２１０の内部に設けられた、熱発電単位ユニットの複数積層体の加熱部で、例えば燃焼ガス等の高温ガスと接触する。耐火材製枠２１０には上部開口部２１４、下部開口部２１５が設けられており、加熱部２１１で加熱されたガス媒体が吹き抜ける構造となっている。冷却絶縁油部２１２は、熱発電単位ユニットの冷却部側に設けられている。冷却絶縁油部２１２の上部は、放熱フィン２１３が設けられている。放熱フィン２１３には、放熱板２０９が接続されている。放熱板２０９は、冷却絶縁油部２１２内に位置する。
複数積層体は、各熱発電単位ユニットが電気的に直列に接続されている。ここで耐火材製枠２１０の最も上側に位置する熱発電単位ユニットが負極端子２３３と接続されており、耐火材製枠２１０の最も下側に位置する熱発電単位ユニットが正極端子２３４と接続されている。
【００６２】
熱発電単位ユニットは、第１の帯状金属薄板２０１、第２の帯状金属薄板２０２、絶縁層２０３、第１の延長導体部２０４、第２の延長導体部２０５、及び冷接点２０７を備えている。
第１の帯状金属薄板２０１は、耐火材製枠２１０の内部に位置する部分と、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に架け渡される部分とからなる構造で、金属薄板と同様の金属材料が用いられる。第２の帯状金属薄板２０２は、耐火材製枠２１０の内部に位置する部分と、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に架け渡される部分とからなる構造であって、耐火材製枠２１０で第１の帯状金属薄板に接合される。絶縁層２０３は、第１と第２の帯状金属薄板の接合面２０６と反対側面に位置する第１及び第２の帯状金属薄板の接合反対側面に形成される。絶縁層２０３は、耐火材製枠２１０の内側の高温部に設けられる場合もあるため、耐熱性を有していることが好ましい。冷接点２０７は、第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側の端部に位置すると共に、冷却絶縁油部２１２で冷却される構造を有する。
第１の帯状金属薄板２０１は、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に位置する第１の延長導体部２０４を有し、第２の帯状金属薄板２０２は、耐火材製枠２１０と冷却絶縁油部２１２との間に位置する第２の延長導体部２０５を有するとよい。第１の延長導体部２０４と第２の延長導体部２０５は、高温部である耐火材製枠２１０と低温部である冷却絶縁油部２１２の温度差を維持する温度差保持部として作用する。また、第１の帯状金属薄板２０１と第２の帯状金属薄板２０２、第１の延長導体部２０４と第２の延長導体部２０５は、発電素子における電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造としても作用する。
【００６３】
このように構成された装置の組立状態と動作を次に説明する。
まず、装置の組立状態に関しては、帯状に切断した第１及び第２の帯状金属薄板２０１，２０２の中央部を面接合して、接合面２０６を形成する。次に、接合面２０６を含む第１及び第２の帯状金属薄板２０１，２０２の中央部を折り曲げて、熱発電セルの単位ユニットを製造する。次に、熱発電セルの単位ユニットの複数対（図９（Ｂ）では６対）を、耐火材製枠２１０に固定して、火格子状に重ねる。冷却絶縁油部２１２には、第１の帯状金属薄板２０１の第１の延長導体部２０４は、隣りの熱発電セルの第２の帯状金属薄板２０２の第２の延長導体部２０５の端とを接合して、冷接点２０７を形成する。
【００６４】
このように構成された装置の動作に関しては、図９（Ａ）に示す加熱部２１１によって供給された熱は、第１及び第２の帯状金属薄板２０１，２０２を拡散接合した接合面２０６で熱起電力を発生し、隣りの熱発電セルの間を吹き抜けて上の熱発電セルに伝わり、繰り返し熱起電力を発生しながら、熱流になって、冷却絶縁油部２１２から放熱フィン２１３を介して大気放散される。一方、接合面２０６で発生した熱電流は、第１の延長導体部２０４によって一旦、積層の外に出て、冷却絶縁油部２１２にある冷接点２０７を経て、第２の延長導体部２０５によって次の積層に戻る。上記の熱発電メカニズムが積層数と同じ数だけ繰り返し、増加した熱電流が、正極端子２３４と負極端子２３３に接続された外部の負荷回路に流れる。
【００６５】
<実施例６>
図１０は、本発明の実施例６を示す熱発電モジュールの構造図で、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ方向の平面図である。実施例６は、発電量増加に必要なスケールアップに適している。なお、図１０（Ａ）、（Ｂ）において、図１（Ａ）、（Ｂ）、図８（Ａ）、（Ｂ）、図９（Ａ）、（Ｂ）と同一の作用をするものには、対応する名称を付して説明を援用し、詳細な説明を省略する。
図においては、本実施の形態に係る熱発電セルは、耐火材製枠３１０、複数積層体の加熱部３１１、第１及び第２の冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂを備えると共に、熱発電単位ユニットは第１の冷却絶縁油部３１２ａ、耐火材製枠３１０及び第２の冷却絶縁油部３１２ｂの間に伸長した状態で架け渡される構造を有する。
【００６６】
耐火材製枠３１０は、熱発電単位ユニットを、隣接した熱発電単位ユニット相互で絶縁した状態で、複数積層する為に用いられるもので、例えば耐火性のセラミックにより電気的絶縁も確保している。複数積層体の加熱部３１１は、耐火材製枠３１０の内側に設けられた、熱発電単位ユニットの積層体の加熱部で、例えば燃焼ガス等の高温ガスと接触する。耐火材製枠３１０には上部開口部３１４、下部開口部３１５が設けられており、加熱部３１１で加熱されたガス媒体が吹き抜ける構造となっている。第１及び第２の冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂは、耐火材製枠３１０の両側に所定の間隔を置いて設けられるもので、熱発電単位ユニットの第１及び第２の冷却部側に設けられている。冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂの上部には、放熱フィン３１３ａ、３１３ｂが設けられている。放熱フィン３１３ａ、３１３ｂには、それぞれ放熱板３０９ａ、３０９ｂが接続されている。放熱板３０９ａ、３０９ｂは、冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂ内に位置する。
複数積層体は、各熱発電単位ユニットが電気的に直列に接続されている。ここで耐火材製枠３１０の最も上側に位置する熱発電単位ユニットが負極端子３３３と接続されており、耐火材製枠３１０の最も下側に位置する熱発電単位ユニットが正極端子３３４と接続されている。
【００６７】
熱発電単位ユニットは、第１の帯状金属薄板３０１、第２の帯状金属薄板３０２、絶縁層３０３、接合面３０６、第１の冷接点３０７ａ、第２の冷接点３０７ｂ、第３の帯状金属薄板３２１、第４の帯状金属薄板３２２、接合面３２６、及び第２の絶縁層３２３を備える。
第１の帯状金属薄板３０１は、耐火材製枠３１０の内部に位置する部分と、第１の冷却絶縁油部３１２ａと耐火材製枠３１０との間に架け渡される部分とからなる構造を有するもので、金属薄板と同様の金属材料が用いられる。第２の帯状金属薄板３０２は、耐火材製枠３１０の内部に位置する部分と、耐火材製枠３１０と第２の冷却絶縁油部３１２ｂとの間に架け渡される部分とからなる構造であって、耐火材製枠３１０の内側で第１の帯状金属薄板３０１と接合されている。絶縁層３０３は、第１と第２の帯状金属薄板の接合面３０６と反対側面に位置する第１及び第２の帯状金属薄板の接合反対側面に形成されるもので、電気的絶縁を確保する。絶縁層３０３は、耐火材製枠３１０の内側の高温部に設けられる場合もあるため、耐熱性を有していることが好ましい。第１の冷接点３０７ａは、第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側の端部に位置するものであって、第１の冷却絶縁油部３１２ａで冷却される構造を有する。第２の冷接点３０７ｂは、第１と第２の帯状金属薄板の接合面と反対側の端部に位置するものであって、第２の冷却絶縁油部３１２ｂで冷却される構造を有する。
【００６８】
第３の帯状金属薄板３２１は、耐火材製枠３１０の内部に位置する部分と、第２の冷却絶縁油部３１２ｂと耐火材製枠３１０との間に架け渡される部分とからなる構造を有するもので、金属薄板と同様の金属材料が用いられる。第４の帯状金属薄板３２２は、耐火材製枠３１０の内部に位置する部分と、耐火材製枠３１０と第１の冷却絶縁油部３１２ａとの間に架け渡される部分とからなる構造であって、耐火材製枠３１０の内側で第３の帯状金属薄板に接合される。第２の絶縁層３２３は、第３と第４の帯状金属薄板の接合面３２６と反対側面に位置する第３と第４の帯状金属薄板の接合反対側面に形成される。
第２の冷却絶縁油部３１２ｂで冷却される第２の冷接点３０７ｂには、第２の帯状金属薄板の冷接点側端部と第３の帯状金属薄板の冷接点側端部とを接合する構造を有する。第１の冷却絶縁油部３１２ａで冷却される第１の冷接点３０７ａには、第４の帯状金属薄板の冷接点側端部と第１の帯状金属薄板の冷接点側端部とを接合する構造を有する。
【００６９】
第１の帯状金属薄板３０１は、第１の冷却絶縁油部３１２ａと耐火材製枠３１０との間に位置する第１の延長導体部３０４を有する。第２の帯状金属薄板３０２は、耐火材製枠３１０と第２の冷却絶縁油部３１２ｂとの間に位置する第２の延長導体部３０５を有する。第１の延長導体部３０４と第２の延長導体部３０５は、高温部である耐火材製枠３１０と低温部である冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂの温度差を維持する温度差保持部として作用する。また、第１の帯状金属薄板３０１と第２の帯状金属薄板３０２、第１の延長導体部３０４と第２の延長導体部３０５は、発電素子における電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造としても作用する。
第３の帯状金属薄板３２１は、第２の冷却絶縁油部３１２ｂと耐火材製枠３１０との間に位置する第３の延長導体部３２４を有する。第４の帯状金属薄板３２２は、耐火材製枠３１０と第１の冷却絶縁油部３１２ａとの間に位置する第４の延長導体部３２５を有する。第３の延長導体部３２４と第４の延長導体部３２５は、高温部である耐火材製枠３１０と低温部である冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂの温度差を維持する温度差保持部として作用する。また、第１の帯状金属薄板３２１と第２の帯状金属薄板３２２、第３の延長導体部３２４と第４の延長導体部３２５は、発電素子における電圧と電流の関係を表す内部抵抗を極小化する構造としても作用する。
【００７０】
このように構成された装置の動作を次に説明する。
実施例６の動作は、実施例５の動作と基本的に同様である。さらに、実施例６の構造によると、帯状金属薄板相互の接合面３０６、３２６を折り曲げずに、伸長した形状にすることによって、熱変形を吸収し易くなって耐久性が増す。同時に冷却絶縁油部３１２ａ、３１２ｂとしての絶縁オイルバスが２槽になり、冷接点間隙が広がって冷却効果が向上する。
【００７１】
なお、上述の実施の形態においては、熱発電セルに用いる熱電材として、Ｃｕ／コンスタンタンの実施例を示したが、本発明で用いる熱電材料は上記に限らない。表１に示す電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以下で且つ熱伝導率が６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の金属（Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｓｎ）と、電気抵抗が７０μΩ・ｃｍ以下で且つ熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の金属（アルメル、Ｔｉ、コンスタンタン、クロメル）とを組み合わせ、熱伝導率が２倍以上違う２種類の金属、例えば、Ａｌ／Ｔｉ、Ａｌ／クロメル、Ａｌ／コンスタンタン、Ｎｉ／Ｔｉ、Ｆｅ／コンスタンタン、Ｓｎ／Ｔｉ等を接合して用いることができる。
【００７２】
【表１】
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【００７３】
金属薄板の接合方法として、実施例では拡散接合を採用したが、熱変形に対する耐久性があり、接合界面に形成される合金層の厚みが３００ｎｍ以下になる方法であれば、真空蒸着法、下地処理したメッキ法、圧延クラッド法が利用できる。例えば、大面積の金属薄板を圧延クラッド法で接合し、接合界面にダメージを与えないレーザ加工等で切断することによって工業的生産が可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明の熱発電セルによれば、有害なビスマス・テルル（Ｂｉ２Ｔｅ３）を用いることなく、安価で安全な汎用熱電材料を用いた熱電変換デバイスが可能になり、熱発電が広く普及する技術基盤ができる。
本発明の熱発電セルによれば、従来の熱電材料の開発と競合するものではなく、汎用的な熱電材料の性能を最大限に発揮するデバイス構造によって、熱発電の発展と普及を図ることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１、１０１  第１の金属薄板
２、１０２  第２の金属薄板
３、１０３  絶縁膜
４、２４  第１の素線
５、２５  第２の素線
６、１０６、２０６、３０６、３２６  接合面（高温接点）
７、１０７、２０７、３０７ａ、３０７ｂ  冷接点（低温接点）
８、２８、４８、１０８  集熱板
９、２９、４９、１０９、２０９、３０９ａ、３０９ｂ  放熱板
１０、５０、１１０、２１０、３１０  耐火材製枠
１１、３１、５１、１１１、２１１、３１１  加熱部
１２、３２、５２、１１２  冷却部
１３３、２３３、３３３  負極端子
１３４、２３４、３３４  正極端子
１０４、２０４、３０４  第１の延長導体部
１０５、２０５、３０５  第２の延長導体部
２０１、３０１  第１の帯状金属薄板
２０２、３０２  第２の帯状金属薄板
２０３、３０３、３２３  絶縁層
２１２、３１２ａ、３１２ｂ  冷却絶縁油部
２１３、３１３ａ、３１３ｂ  放熱フィン
２１４、３１４  上部開口部
２１５、３１５  下部開口部
３２１  第３の帯状金属薄板
３２２  第４の帯状金属薄板
３２４  第３の延長導体部
３２５  第４の延長導体部
【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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