JP2006332188A - 熱電発電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 高温側の集熱部が更に高温となる厳しい使用条件下においても長期に亘り良好な発電性能を維持できる熱電発電モジュールを提供する。
【解決手段】 使用状態において集熱基板１が高温となると、各熱電発電素子Ｎ，Ｐの高温端部と電極板５との間で溶融した低融点金属層８Ａを介して電極板５と各熱電発電素子Ｎ，Ｐの高温端部とが柔軟性をもって良好に接触する。その結果、集熱基板１から各熱電発電素子Ｎ，Ｐの高温端部への熱伝導および電気伝導が良好に行われるようになり、しかも、電極板５と各熱電発電素子Ｎ，Ｐの高温端部との間の熱応力の発生が未然に防止される。また、溶融した低融点金属層８Ａ，８Ｂから蒸気が発生して各熱電発電素子Ｎ，Ｐの周面に再凝結するのが絶縁体９により未然に阻止されるため、各熱電発電素子Ｎ，Ｐの周面の絶縁性が良好に保たれる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電発電モジュール（熱電変換モジュール）に関するものである。

熱電発電モジュールは、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生する２種類の極性の異なる熱電発電素子（熱電変換素子）、すなわち、ｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子を高温側の集熱部と低温側の放熱部との間に複数個設置し、これらの熱電発電素子の端部同士を電極を介して交互に直列に接続したものであり、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができる。

ところで、この種の熱電発電モジュールにおいて、熱電発電素子の高温端部と電極とがロウ付けなどにより接合されていると、両者の熱膨張の相違から熱電発電素子の高温端部と電極との間に熱応力が発生し、例えば高温側が５００℃以上となる使用条件下では、熱電発電素子の高温端部と電極との間に大きな熱応力が発生してその接合部が破壊する恐れがある。

このような技術的背景から、熱電発電素子の高温端部と電極との間に発生する熱応力に対抗して両者の接合強度を高めるため、熱電発電素子の高温端部の表面に拡散バリア層を設けることが提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開平９−２４３２０１号公報（段落番号３２、図１）

ところで、特許文献１に記載されているような熱電発電モジュールでは、高温側の集熱部が更に高温となって熱電発電素子の高温端部と電極との間に更に大きな熱応力が発生すると、その大きな熱応力で熱電発電素子の高温端部と電極との接合部が破壊して故障する恐れがある。

そこで、本発明は、高温側の集熱部が更に高温となる厳しい使用条件下においても長期に亘り良好な発電性能を維持できる熱電発電モジュールを提供することを課題とする。

本発明に係る熱電発電モジュールは、高温側の集熱部と低温側の放熱部との間に極性の異なる熱電発電素子が複数配置され、各熱電発電素子の高温端部同士および低温端部同士が電極を介して接続されることで極性の異なる熱電発電素子が交互に直列に接続される熱電発電モジュールであって、各熱電発電素子の高温部と電極との間には低融点金属層が介設され、各熱電発電素子の周囲には絶縁体が充填されていることを特徴とする。

本発明に係る熱電発電モジュールでは、使用状態において集熱部が高温となると、各熱電発電素子の高温端部と電極との間の低融点金属層が溶融し、この溶融した低融点金属層を介して電極と各熱電発電素子の高温端部とが柔軟性をもって良好に接触する。その結果、集熱部から各熱電発電素子の高温端部への熱伝導および電気伝導が良好に行われるようになり、しかも、電極と各熱電発電素子の高温端部との間の熱応力の発生が未然に防止される。また、溶融した低融点金属から蒸気が発生して各熱電発電素子の周面に再凝結するのを各熱電発電素子の周囲に充填された絶縁体が未然に阻止するため、各熱電発電素子の周面の絶縁性が良好に保たれる。

本発明に係る熱電発電モジュールにおいて、相互に接着された中空粒子の集合体で絶縁体が構成されていると、絶縁体が各中空粒子の弾力に基づく柔軟性を発揮して熱電発電素子の熱膨張を吸収し、その破壊を防止するので好ましい。

また、絶縁体がガラス系接着剤で相互に接着された中空ガラスビーズの集合体で構成されていると、絶縁体が中空ガラスビーズの弾力に基づく柔軟性および高い耐熱性を発揮して熱電発電素子の熱膨張を確実に吸収し、その破壊を確実に防止するので好ましい。

本発明に係る熱電発電モジュールでは、使用状態において溶融した低融点金属層を介して電極と各熱電発電素子の高温端部とが柔軟性をもって良好に接触するため、集熱部から各熱電発電素子の高温端部への熱伝導および電気伝導が良好に行われるようになり、しかも、電極と各熱電発電素子の高温端部との間の熱応力の発生が未然に防止される。また、溶融した低融点金属から蒸気が発生して各熱電発電素子の周面に再凝結するのを各熱電発電素子の周囲に充填された絶縁体が未然に阻止するため、各熱電発電素子の周面の絶縁性が良好に保たれる。従って、本発明の熱電発電モジュールによれば、集熱部が更に高温となる厳しい使用条件下においても長期に亘り良好な発電性能を維持することできる。

本発明の熱電発電モジュールにおいて、相互に接着された中空粒子の集合体で絶縁体が構成されている場合、絶縁体が各中空粒子の弾力に基づく柔軟性を発揮して熱電発電素子の熱膨張を吸収するため、熱電発電素子の破壊を未然に防止して一層良好な発電性能を維持することできる。

また、絶縁体がガラス系接着剤で相互に接着された中空ガラスビーズの集合体で構成されている場合、絶縁体が中空ガラスビーズの弾力に基づく柔軟性および高い耐熱性を発揮して熱電発電素子の熱膨張を確実に吸収するため、熱電発電素子の破壊を確実に防止してより一層良好な発電性能を維持することできる。

以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電モジュールの実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る熱電発電モジュールの概略構造を示す斜視図、図２は図１に示した熱電発電モジュールの断面構造を示す部分縦断面図である。

一実施形態に係る熱電発電モジュールは、図１に示すように、高温側の集熱部を構成する絶縁セラミックス製の集熱基板１と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板２との間にｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐがそれぞれ複数配置され、これらのｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐが＋端子３と−端子４との間で電極板５，６を介して交互に直列に接続される基本構造を有する。

ここで、図２に示すように、ｎ型熱電発電素子Ｎは、ゼーベック効果により熱起電力を発生し、その際、集熱基板１側の高温端部が＋極となり、放熱基板２側の低温端部が−極となる。反対に、ｐ型熱電発電素子Ｐは、ゼーベック効果により熱起電力を発生し、その際、集熱基板１側の高温端部が−極となり、放熱基板２側の低温端部が＋極となる。

そこで、複数のｎ型熱電発電素子Ｎとｐ型熱電発電素子Ｐとが交互に直列に接続されるように、例えば図２に示す配置例では、ｎ型熱電発電素子Ｎの＋極となる高温端部と、その右側に配置されたｐ型熱電発電素子Ｐの−極となる高温端部とが集熱基板１側の電極板５を介して接続され、このｐ型熱電発電素子Ｐの＋極となる低温端部と、その右側に配置されたｎ型熱電発電素子Ｎの−極となる低温端部とが放熱基板２側の電極板６を介して接続される。そして、同様の接続状態が順次繰り返されることで、複数のｎ型熱電発電素子Ｎとｐ型熱電発電素子Ｐとが交互に直列に接続される。

ここで、本実施形態の熱電発電モジュールにおいては、各ｎ型熱電発電素子Ｎの高温端部および各ｐ型熱電発電素子Ｐの高温端部にそれぞれ拡散防止層７が被着されている。また、各電極板５の両面側には低融点金属層８Ａ，８Ｂが形成されている。そして、集熱基板１と放熱基板２との間の各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの周囲には絶縁体９が充填されている。

拡散防止層７は、モリブデン（Ｍｏ）などの高融点金属をメッキ、蒸着、溶射などの適宜の手段で例えば１０μｍ程度の厚さに被着した層であり、溶融した低融点金属層８Ａ，８Ｂの低融点金属が各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの高温端部に拡散するのを阻止する。

低融点金属層８Ａ，８Ｂは、例えば、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）などの低融点金属を例えば０．５ｍｍ程度の厚さに溶射して形成される。ここで、例えば錫（Ｓｎ）を成分とする低融点金属層８は、熱電発電モジュールの使用状態において２５０℃以上の高温になると確実に溶融する。

絶縁体９は、相互に接着された中空粒子の集合体、例えば粒径３〜３０μｍ程度の多数の中空ガラスビーズを珪酸ガラス系の接着剤で相互に接着した中空ガラスビーズの集合体で構成されている。この絶縁体９は、各中空ガラスビーズの弾力に基づく柔軟性を有し、かつ、５００℃以上の高い耐熱性を有する。

図３は、図２に示した断面構造の熱電発電モジュールの製造工程の一例を示している。まず、図３（ａ）に示す工程では、各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの高温端部にそれぞれ拡散防止層７を被着する。

図３（ｂ）に示す工程では、図示しない型枠内の所定位置に各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐを配置し、それらの周囲の隙間に絶縁体９を充填する。そして、絶縁体９が固化した後、各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐと一体化したブロック状の絶縁体９の両面を各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの両端面と面一となるように研磨する。

図３（ｃ）に示す工程では、両面が研磨されたブロック状の絶縁体９の一方の面、すなわち、各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの高温端部に被着された拡散防止層７が露出している一方の面に低融点金属層８Ａ、モリブデン（Ｍｏ）などの電極材層５Ａ、低融点金属層８Ｂを溶射により順次積層する。

図３（ｄ）に示す工程では、ブロック状の絶縁体９の他方の面、すなわち、各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの低温端部側の端面が露出している他方の面にモリブデン（Ｍｏ）などの電極材層６Ａを溶射により形成する。

図３（ｅ）に示す工程では、低融点金属層８Ｂから低融点金属層８Ａに至る深さで分離溝を形成し、電極材層５Ａを相互に分離して各電極板５を形成する。また、電極材層６Ａに分離溝を形成して相互に分離した各電極板６を形成する。

図３（ｆ）に示す工程では、図３（ｅ）に示す工程で形成された各分離溝内に絶縁体９を充填して固化させた後、ブロック状の絶縁体９の一方の面に集熱基板１を接合し、他方の面に放熱基板２を接合する。

以上の工程により製造された図２に示す断面構造の熱電発電モジュールでは、使用状態において集熱基板１が例えば２５０℃以上の高温になると、例えば錫（Ｓｎ）を成分とする低融点金属層８Ａ，８Ｂが確実に溶融する。そして、溶融した低融点金属層８Ｂを介して集熱基板１と各電極板５とが良好に接触すると共に、溶融した低融点金属層８Ａを介して各電極板５と各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの高温端部に被着された拡散防止層７とが柔軟性をもって良好に接触する。

その結果、本実施形態の熱電発電モジュールでは、集熱基板１から各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの高温端部への熱伝導および電気伝導が良好に行われるようになる。しかも、溶融した低融点金属層８Ａにより各電極板５と各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの高温端部との間の熱膨張の相違が吸収されるため、両者の間の熱応力の発生が未然に防止される。

また、溶融した低融点金属層８Ａ，８Ｂから蒸気が発生して各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの周囲に再凝結するのを絶縁体９が阻止するため、各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐの周囲の絶縁性が良好に保たれる。なお、この絶縁体９が低融点金属層８Ａ，８Ｂを密封状態とすることで、低融点金属層８Ａ，８Ｂの酸化が防止される。

この絶縁体９は、例えば粒径３〜３０μｍ程度の多数の中空ガラスビーズを珪酸ガラス系の接着剤で相互に接着した中空ガラスビーズの集合体で構成されているため、各中空ガラスビーズの弾力に基づく柔軟性および５００℃以上の高い耐熱性を発揮して各ｎ型熱電発電素子Ｎおよび各ｐ型熱電発電素子Ｐの熱膨張を確実に吸収し、その破壊を確実に防止する。

従って、本実施形態の熱電発電モジュールによれば、集熱基板１が更に高温となる厳しい使用条件下においても長期に亘り良好な発電性能を維持することできる。

本発明に係る熱電発電モジュールは、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、図２に示した低融点金属層８Ａ，８Ｂは、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）などの低融点金属を銅メッシュなどの適宜の金属メッシュに含浸させて形成してもよい。

本発明の一実施形態に係る熱電発電モジュールの概略構造を示す斜視図である。 図１に示した熱電発電モジュールの断面構造を示す部分縦断面図である。 図２に示した熱電発電モジュールの製造工程を示す部分縦断面図である。

符号の説明

１ 集熱基板
２ 放熱基板
３ ＋端子
４ −端子
５ 電極板
５Ａ 電極材層
６ 電極板
６Ａ 電極材層
７ 拡散防止層
８Ａ 低融点金属層
８Ｂ 低融点金属層
９ 絶縁体

Claims (3)

1. 高温側の集熱部と低温側の放熱部との間に極性の異なる熱電発電素子が複数配置され、各熱電発電素子の高温端部同士および低温端部同士が電極を介して接続されることで極性の異なる熱電発電素子が交互に直列に接続される熱電発電モジュールであって、各熱電発電素子の高温端部と電極との間には低融点金属層が介設され、各熱電発電素子の周囲には絶縁体が充填されていることを特徴とする熱電発電モジュール。
2. 前記絶縁体は、相互に接着された中空粒子の集合体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電モジュール。
3. 前記絶縁体は、ガラス系接着剤で相互に接着された中空ガラスビーズの集合体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電モジュール。
   
   
   

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