(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を組み込んだ熱電モジュールと、
前記熱電モジュールを冷却する低温部材と、
前記熱電モジュールと前記低温部材との間に設置された熱伝導性を有する熱伝導部材と、
前記熱電モジュールと前記熱伝導部材との間に設置された電気絶縁性を有する電気絶縁部材と、
を有し、
前記電気絶縁部材と前記熱伝導部材の双方は、熱−電気直接変換装置を構成する部材のうちで最も剛性が小さい、
ことを特徴とする熱−電気直接変換装置。
【請求項２】
前記電気絶縁部材と前記熱伝導部材の双方は、熱−電気直接変換装置を構成する部材のうちで最も厚みが小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱−電気変換発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電モジュールを用いた温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、人類のエネルギー消費量は、産業や科学技術の発達に伴い、歴史的に例を見ないほど加速している。その結果、ＣＯ２等の温室効果ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。温室効果ガスの発生をできるだけ抑制するために、現在、ガス焼却炉や火力プラント等各種産業を始めとして、自動車等の内燃機関から未利用のまま廃棄されている高温の熱エネルギーを、可能な限り電気エネルギーに変換して回収する発電装置の製品化が期待されている。
【０００３】
熱エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電装置としては、熱電発電素子を用いた発電技術がよく知られている。この熱電発電素子は、金属あるいは半導体の両端に温度差を与え、高温部と低温部との間に電位差を生じさせるというゼーベック効果を利用したものである。熱電発電素子は、温度差が大きいほど発電量も大きくなるという特徴がある。通常、複数の熱電発電素子を一体として組み込んで、熱電モジュールという形態で使用されることが多い。また、特許文献１に開示されているように、熱電モジュールを長期にわたって使用できるように、構成部材の酸化等を防ぐ目的で構成部材を気密筐体で取り囲む構成が開示されている。
【０００４】
そして、従来では、このような熱電モジュールを利用して熱−電気直接変換装置とする場合、とくに低温部材の除熱能力を損なわないように、熱電モジュールと低温部材の界面の接触熱抵抗を低減させる目的で、一般的には熱伝導率が数Ｗ／（ｍ・Ｋ）と空気の熱伝導率より比較的大きいグリスなどを塗布することによって対応が試みられている。
【特許文献１】特開２００６−３２７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている熱電モジュールを低温部材と接触させるには、上述したように、低温部材と熱電モジュールの界面に熱伝導グリスを塗布する必要がある。この場合、グリスの均一な塗布作業が困難であることに加え、塗布時にグリス中へ空気が混入すると、伝熱特性を低下させてしまうという問題があった。
【０００６】
また、熱伝導グリスの電気絶縁性が十分でない場合や吸湿した場合、あるいは異物が混入した場合、熱電モジュールの出力端子と接触することで電気的短絡や漏電を起こすという問題があった。さらに、熱伝導グリスは粘性が大きく、熱電モジュールに低温部材を設置する際の作業性、清浄性を確保することが困難であるという問題があった。
【０００７】
また、熱電モジュールの交換のグリスの除去・清浄及び再塗布などの保守作業において、除去・清浄が不十分であったり、除去時に塵埃、ホコリなどの異物が混入すると、グリスの均一な再塗布が困難となったり、空気の混入や異物により伝熱特性を低下させてしまうという問題があった。
【０００８】
さらに、グリスの除去・清浄及び再塗布などの保守作業において、除去時に塵埃、ホコリなどの異物が混入したり、吸湿した場合に、前記電気的短絡や漏電の原因となったりという問題もあった。
【０００９】
本発明はこのような記事情に鑑みてなされたもので、熱エネルギーから電気エネルギーへの効率よい変換を実現し、高性能の発電機能を得ることができるとともに、取付け、メンテナンス等の作業性にも優れた熱−電気直接変換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】
【００１０】
この発明の熱−電気直接変換装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を組み込んだ熱電モジュールと、前記熱電モジュールを冷却する低温部材と、前記熱電モジュールと前記低温部材との間に設置された熱伝導性と電気絶縁性を有する電気絶縁熱伝導部材とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱電モジュールと低温部材との間に熱伝導性を有する材料と電気絶縁性を有する材料とを設置することで、熱電モジュールが電気的短絡することがなくなり、熱電モジュール上面から低温部材への放電の妨げも抑制できる。また、熱伝導性を有する材料と電気絶縁性を有する材料の剛性を、熱電モジュールの剛性と低温部材の剛性よりも小さくすることで、熱伝導性を有する材料と電気絶縁性を有する材料が、熱電モジュールと低温部材とのそれぞれの接触界面における固体面の凹凸に応じて変形するため、空隙ができなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る熱電発電装置の実施形態について図面を参照して説明する。図１から図３は、第１の実施形態について示している。図１は、本発明の第１実施形態に係る熱−電気直接変換装置を示す鳥瞰図である。図２は、図１に示す熱−電気直接変換装置のＸ−Ｘ縦断面図である。図３は、熱電モジュールと低温部材部分を直接接触させた場合の拡大模式図である。
【００１３】
図１及び図２に示すように、熱−電気直接変換装置１は、熱電モジュール２と、低温部材３と、これらの間に設置された熱伝導部材４と、電気絶縁部材５から構成されている。熱電モジュール２は、複数の熱電発電素子を気密筐体で取り囲まれて構成されている。熱電モジュール２と電気絶縁部材５の間には、熱電モジュール２と電気絶縁部材５との接触界面６が存在している。また、電気絶縁部材５と熱伝導部材４の間には、電気絶縁部材５と熱伝導部材４との接触界面７が存在している。さらに、熱伝導部材４と低温部材３の間には、熱伝導部材４と低温部材３との接触界面８が存在している。
【００１４】
図１に示す熱電モジュール２の上面（接触界面６の反対面）が高温によって加熱され、熱が低温部材に流れると、熱電モジュール２を構成する熱電発電素子の中でホールおよび電子が流れるため、電力が発生する。
【００１５】
ここで図３に示すように、電気絶縁部材５や熱絶縁部材４が熱電モジュール２と低温部材３の間に設置されていない場合について説明する。この場合、熱電モジュール２と低温部材３の接触界面は、固体−固体接触となる。熱電モジュール２および低温部材３のそれぞれの接触面は、巨視的に見ると表面は平らではなく、凹凸が存在する。そのため、熱電モジュール２と低温部材３の接触部９は、非常に小さい接触面積しか保持できないこととなる。そのため、図３に示すように、熱電モジュール２と低温部材３との接触界面には、多くの空隙１０が存在する。熱電モジュール２と低温部材３の接触界面に空隙１０が存在しない面接触である場合に比べて、熱電モジュール２と低温部材３との接触界面に存在する空隙１０内部に気体が封じ込められている場合は、空隙１０内部の気体の熱伝導によって、熱電モジュール２の上面が熱せられた高温の熱が低温部材３に流れる熱伝導性は低下する。また、熱電モジュール２と低温部材３の接触界面に存在する空隙１０内部の真空度が増せば増すほど輻射による伝熱が支配的となる。そのため、巨視的には熱電モジュール２の上面で熱せられた高温の熱が低温部材３に流れる熱伝導性は大幅に低下してしまうことになる。
【００１６】
第１の実施例では、図１及び図２に示すように、熱電モジュール２と低温部材３との間に、熱伝導部材４および電気絶縁部材５を設置する。熱伝導部材４は、熱−電気直接変換装置１を構成する熱電モジュール２、電気絶縁部材５、熱伝導部材４、低温部材３のうちで最も剛性が小さい材料のものが用いられる。または、熱−電気直接変換装置１が、熱電モジュール２、電気絶縁部材５、熱伝導部材４、低温部材３以外のその他の部材も用いられる場合は、熱伝導部材４は、全ての熱−電気直接変換装置１の構成部材の中で最も剛性が小さい材料のものが用いられてもよい。熱伝導部材４を設置することで、熱伝導部材４は、熱伝導部材４と低温部材３との接触界面８で、低温部材３の固体面の凹凸に応じて変形する。その結果、熱伝導部材４と低温部材３との接触界面８には空隙ができないため、熱電モジュール２の上面から低温部材３への熱伝導性の低下を抑制できる。
【００１７】
電気絶縁部材５は、熱電モジュール２が発電することによる電気的短絡や漏電防止のために、熱電モジュール２と接するように設置されている。また、熱電モジュール２の低温部材３と対向する面（熱電モジュール２と電気絶縁部材５の接触界面）には、熱電モジュール２が発生した電力の出力端として、２つの出力端子が設けられることがある。低温部材３は金属性であるため、熱電モジュール２と低温部材３との間に電気絶縁部材５を設置することで、出力端子は電気絶縁熱部材５と接触し、電気絶縁熱部材５の電気絶縁性により、出力端子間の電気絶縁が確保できる。
【００１８】
電気絶縁部材５は、上記説明した熱伝導部材４と同様に、熱−電気直接変換装置１を構成する熱電モジュール２、低温部材３、その他の部材に比べて剛性が小さい材料が用いられる。または、電気絶縁部材５は、熱−電気直接変換装置１を構成する熱電モジュール２、電気絶縁部材５、熱伝導部材４、低温部材３のうちで最も剛性が小さい材料であってもよい。または、熱−電気直接変換装置１が、熱電モジュール２、電気絶縁部材５、熱伝導部材４、低温部材３以外のその他の部材が用いられる場合は、電気絶縁部材５は、全ての熱−電気直接変換装置１の構成部材の中で最も剛性が小さい材料のものが用いられてもよい。または、電気絶縁部材５は、熱電モジュール２、低温部材３、その他の部材よりも剛性が小さく、熱伝導部材４と同じ剛性の材料であってもよい。
【００１９】
この場合、電気絶縁部材５を設置することで、電気絶縁部材５は、電気絶縁部材５と熱電モジュール２との接触界面６で、熱電モジュール２の固体面の凹凸に応じて変形する。その結果、電気絶縁部材５と熱電モジュール２との接触界面６には空隙ができないため、熱電モジュール２の上面から低温部材３への熱伝導性の低下を抑制できる。
【００２０】
つまり、電気絶縁部材５の剛性と熱伝導部材４の少なくとも１つの剛性が、熱電モジュール２の剛性と低温部材３の剛性とその他の部材の剛性に比べて小さければよい。また、電気絶縁部材５の剛性と熱伝導部材４の剛性の双方が熱電モジュール２の剛性と低温部材３の剛性とその他の部材の剛性に比べて小さければ、さらに熱電モジュール２の上面から低温部材３への熱伝導性の低下を抑制することができる。この場合、電気絶縁部材５の剛性が熱伝導部材４の剛性と同一でも、異なっていてもよい。
【００２１】
また本実施例では、熱伝導部材４並びに電気絶縁部材５のいずれか１つ以上の厚さは、熱−電気直接変換装置１を構成する熱電モジュール２、電気絶縁部材５、熱伝導部材４、低温部材３のうちで最も薄くしている。または、熱−電気直接変換装置１が、熱電モジュール２、電気絶縁部材５、熱伝導部材４、低温部材３以外のその他の部材も用いられる場合は、熱伝導部材４並びに電気絶縁部材５のいずれか１つ以上の厚さは、全ての熱−電気直接変換装置１の構成部材の中で最も薄くしてもよい。これにより、熱伝導部材４並びに電気絶縁部材５の熱伝導率が比較的小さい場合であっても、電気絶縁部材５および熱伝導部材４の厚さを薄くすることで、熱伝導部材４並びに電気絶縁部材５による熱伝導性の低下を抑止することができる。
【００２２】
また、本実施例において熱電モジュール２と低温部材３との間に設置した熱伝導部材４の熱伝導率が、従来、熱電モジュール２と低温部材３との間に塗布されているグリスの熱伝導率よりも小さい場合について説明する。この場合、熱伝導部材４に金属を含む材料にすることで、熱伝導部材４による熱伝導性を向上させることができる。熱伝導部材４に含める金属は、微細な金属粒、金属細線、金属網線、金属箔、発泡金属、焼結金属もしくはそれらのうちの少なくとも二つ以上であっても良い。
【００２３】
また、熱電モジュール２と電気絶縁部材５との接触界面６と、電気絶縁部材５と熱伝導部材４との接触界面７と、熱伝導部材４と低温部材３との接触界面８の面積の関係について説明する。熱電モジュール２の上面から低温部材３に熱が効率よく流れるように、以下のような大きさの電気絶縁部材５と熱伝導部材４を設置することができる。つまり、熱電モジュール２と電気絶縁部材５との接触界面６の面積より、熱伝導部材４と低温部材３との接触界面８の面積を大きくすることで、熱電モジュール２の上面から低温部材３への放熱が効率よくなるようにしても良い。例えば、熱電モジュール２と電気絶縁部材５との接触面積をＡ、電気絶縁部材５と熱伝導部材４との接触面積をＢ、熱伝導部材４と低温部材３との接触面積をＣとする。このとき、Ｃ≧ＡかつＣ≧Ｂであってもよい。
【００２４】
また、第１の実施例では、電気絶縁部材５と熱伝導部材４は、熱電モジュール２と低温部材３との間に電気絶縁部材５と熱伝導部材４を設置した場合について説明したが、電気絶縁性と熱伝導部性とを有した一つの材料でできた電気絶縁熱伝導部材を用いてもよい。この例について、第２の実施例として説明する。
【００２５】
図４（ａ）、（ｂ）は、第２の実施例による熱−電気直接変換装置について説明する図である。図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態による熱−電気直接変換装置１を示す縦断面図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＹ−Ｙ面で熱電モジュール２を下方向から見た熱電モジュール２の下面図である。
【００２６】
図４（ａ）に示すように、熱電モジュール２と低温部材３との間には、図２に示す第１の実施例の熱伝導部材４に電気絶縁性のある材料を採用して、熱伝導部材４と電気絶縁部材５とを同一の材料で用いた電気絶縁熱伝導部材１１を設置している。図４（ｂ）に示すように、熱電モジュール２の低温部材３と対向する面（熱電モジュール２と電気絶縁熱伝導部材１１の接触界面）には、熱電モジュール２が発生した電力の出力端として、端子１２が２つ設けられている。低温部材３は金属製のため、熱電モジュール２と低温部材３との間に電気絶縁熱伝導部材１１を設置することで、端子１２は電気絶縁熱伝導部材１１と接触し、電気絶縁熱伝導部材１１の電気絶縁性により、端子１２間の電気絶縁が確保できる。また、電気絶縁熱伝導部材１１は熱伝導性を有しているため、熱電モジュール２の上面から低温部材３への熱伝導性の低下を抑制できる。上記より、熱電モジュール２の低温部材３と対向する面に端子１２が設けられていても、電気絶縁熱伝導部材１１が設置されているため、電気絶縁と熱伝導性の両立を確保できる。
【００２７】
電気絶縁熱伝導部材１１は、熱−電気直接変換装置１を構成する熱電モジュール２、電気絶縁熱伝導部材１１、低温部材３のうちで最も剛性が小さい材料のものが用いられる。または、熱−電気直接変換装置１が、熱電モジュール２、電気絶縁熱伝導部材１１、低温部材３以外のその他の部材も用いられる場合は、電気絶縁熱伝導部材１１は、全ての熱−電気直接変換装置１の構成部材の中で最も剛性が小さい材料のものが用いられてもよい。電気絶縁熱伝導部材１１を設置することで、電気絶縁熱伝導部材１１は、電気絶縁熱伝導部材１１と熱電モジュール２との接触界面および電気絶縁熱伝導部材１１と低温部材３との接触界面で、熱電モジュール２および低温部材３の固体面の凹凸に応じて変形する。その結果、電気絶縁熱伝導部材１１と熱電モジュール２との接触界面、電気絶縁熱伝導部材１１と低温部材３との接触界面には空隙ができない。そのため、熱電モジュール２の上面から低温部材３への熱伝導性の低下を抑制できる。
【００２８】
また本実施例では、電気絶縁熱伝導部材１１の厚さは、熱−電気直接変換装置１を構成する熱電モジュール２、電気絶縁熱伝導部材１１、低温部材３のうちで最も薄くしている。または、熱−電気直接変換装置１が、熱電モジュール２、電気絶縁熱伝導部材１１、低温部材３以外のその他の部材も用いられる場合は、電気絶縁熱伝導部材１１は、全ての熱−電気直接変換装置１の構成部材の中で最も薄くしてもよい。これにより、電気絶縁熱伝導部材１１の熱伝導率が比較的小さい場合であっても、電気絶縁熱伝導部材１１の厚さを薄くすることで、電気絶縁熱伝導部材１１による熱伝導性の低下を抑止することができる。
【００２９】
また、熱電モジュール２と電気絶縁熱伝導部材１１との接触界面と、電気絶縁熱伝導部材１１と低温部材３との接触界面の面積の関係について説明する。熱電モジュール２の上面から低温部材３に熱が効率よく流れるように、以下のような大きさの電気絶縁熱伝導部材１１を設置することができる。つまり、熱電モジュール２と電気絶縁熱伝導部材１１との接触界面の面積より、電気絶縁熱伝導部材１１と低温部材３との接触界面の面積を大きくすることで、熱電モジュール２の上面から低温部材３への放熱が効率よくなるようにしても良い。例えば、熱電モジュール２と電気絶縁熱伝導部材１１との接触面積をＤ、電気絶縁熱伝導部材１１と低温部材３との接触面積をＥとする。このとき、Ｅ≧Ｄであってもよい。
【００３０】
図５（ａ）、（ｂ）は、第３の実施例による熱−電気直接変換装置について説明する図である。図５（ａ）は、本発明の第２の実施形態による熱−電気直接変換装置１を示す縦断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＺ−Ｚ面で熱電モジュール２を下方向から見た熱電モジュール２の下面図である。
【００３１】
図５（ａ）に示すように、熱電モジュール２と低温部材３との間には、熱伝導部材１３が設置されている。熱伝導部材１３の代わりに電気絶縁熱伝導部材を設置してもよい。図５（ｂ）に示すように、熱電モジュール２の低温部材３と対向する面（熱電モジュール２と電気絶縁熱伝導部材１１の接触界面）には、熱電モジュール２が発生した電力の出力端として、端子１２が２つ設けられている。そして、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）と対向する端子１２の表面には、端子１２の表面をちょうど覆うように電気絶縁部材５が配置されている。低温部材３は金属製であり、端子１２が、低温部材３および熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）と直接接触または電気的に接続することで電気的短絡を起こさないように、低温部材３と接触する懸念がある箇所に電気絶縁部材５が配置されている。そのため、端子１２間の電気絶縁が確保できる。
【００３２】
また、熱電モジュール２と低温部材３との間に設置された熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）は、端子１２を覆う電気絶縁部材５が設けられた箇所以外では、熱電モジュール２と電気絶縁部材５を介さずに直接接触させることができる。熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）は熱伝導性を有しており、電気絶縁部材５が熱電モジュール２と低温部材３との間に一部にしか設けられていないため、熱電モジュール２の上面から低温部材３への熱伝導性の低下を抑制できる。上記より、熱電モジュール２の低温部材３と対向する面に端子１２が設けられていても、電気絶縁と熱伝導性の両立を確保できる。
【００３３】
また本実施例では、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）の厚さは、熱−電気直接変換装置１を構成する熱電モジュール２、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）、低温部材３のうちで最も薄くしている。または、熱−電気直接変換装置１が、熱電モジュール２、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）、低温部材３以外のその他の部材も用いられる場合は、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）は、全ての熱−電気直接変換装置１の構成部材の中で最も薄くしてもよい。これにより、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）の熱伝導率が比較的小さい場合であっても、電気絶縁熱伝導部材１１の厚さを薄くすることで、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）による熱伝導性の低下を抑止することができる。
【００３４】
また、熱電モジュール２と熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）との接触界面と、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）と低温部材３との接触界面の面積の関係について説明する。熱電モジュール２の上面から低温部材３に熱が効率よく流れるように、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）を設置することができる。つまり、熱電モジュール２と熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）との接触界面の面積より、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）と低温部材３との接触界面の面積を大きくすることで、熱電モジュール２の上面から低温部材３への放熱が効率よくなるようにしても良い。例えば、熱電モジュール２と熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）との接触面積をＦ、熱伝導部材１３（もしくは電気絶縁熱伝導部材）と低温部材３との接触面積をＧとする。このとき、Ｇ≧Ｆであってもよい。
【００３５】
また、本実施例において熱電モジュール２と低温部材３との間に熱伝導部材１３を用いた場合、熱伝導部材１３に金属を含む材料にすることで、熱伝導部材１３の熱伝導性を向上させることができる。熱伝導部材１３に含める金属は、微細な金属粒、金属細線、金属網線、金属箔、発泡金属、焼結金属もしくはそれらのうちの少なくとも二つ以上であっても良い。
【００３６】
なお、本願発明は、上記実施形態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種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１実施形態による熱−電気直接変換装置を示す鳥瞰図。
【図２】本発明の第１実施形態による熱−電気直接変換装置を示す縦断面図。
【図３】従来の熱電モジュールと低温部材部分の拡大模式図。
【図４】本発明の第２実施形態による熱−電気直接変換装置を示す縦断面図および熱電モジュールの下面図。
【図５】本発明の第３実施形態による熱−電気直接変換装置を示す縦断面図および熱電モジュールの下面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…熱−電気直接変換装置、２…熱電モジュール、３…低温部材、４…熱伝導部材、５…電気絶縁部材、６…熱電モジュールと電気絶縁部材との接触界面、７…電気絶縁部材と熱伝導部材との接触界面、８…熱伝導部材と低温部材との接触界面、９…接触部、１０…熱電モジュールと低温部材との空隙、１１…電気絶縁熱伝導部材、１２…端子、１３…熱伝導部材。
【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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