JP2016082599A

JP2016082599A - 熱光発電装置

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Publication number: JP2016082599A
Application number: JP2014208079A
Authority: JP
Inventors: 隆志田口; Takashi Taguchi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】光電変換素子の温度上昇を抑制できる熱光発電装置を提供すること。
【解決手段】排気マニホールド（５）の表面に設けられた輻射体（９）と、前記輻射体が発する輻射光を電気に変換する光電変換素子（１１）と、を備え、前記輻射体は、金属珪化物を含むことを特徴とする熱光発電装置（１）。前記金属珪化物は、バナジウム珪化物、タンタル珪化物、及びニッケル珪化物から成る群から選択される１以上であることが好ましい。前記光電変換素子の感度波長域の少なくとも一部において前記輻射光の反射を抑制する反射抑制膜（１３）を前記輻射体の表面に備えることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は熱光発電装置に関する。

近年、高温物体が発する輻射光を電気変換する技術（ＴＰＶ、Thermophotovoltaic）が研究されている。高温物体は温度に応じた波長、輻射強度で赤外線を輻射する。ＴＰＶではこの赤外線を、光電変換素子を用いて電気に変換する（特許文献１参照）。

特許第４１３４８１５号公報

ＴＰＶの技術を利用し、自動車等の排気マニホールドが発する輻射光を電気変換することが考えられる。しかしながら、従来のＴＰＶは、温度が１０００℃を大きく超える高温物体を対象としているのに対し、排気マニホールドの温度は一般的に８００℃程度である。そのため、排気マニホールドが発する輻射光の波長は、光電変換素子の感度波長域よりも長波長側に分布することがある。

光電変換素子の感度波長域外の波長を有する輻射光が光電変換素子に入射すると、光電変換素子の温度が上昇してしまう。本発明は、こうした問題にかんがみてなされたものであり、前記の問題を解決できる熱光発電装置を提供することを目的としている。

本発明の熱光発電装置は、排気マニホールドの表面に設けられた輻射体と、その輻射体が発する輻射光を電気に変換する光電変換素子とを備え、輻射体は、金属珪化物を含むことを特徴とする。

本発明の熱光発電装置は、金属珪化物を含む輻射体を備えることにより、輻射体を備えない場合と比べて、長波長領域の輻射光を抑制することができる。
そのため、光電変換素子の感度波長域外の波長を有する輻射光を抑制できる。その結果、光電変換素子の昇温を抑制できる。また、排気マニホールドの温度低下を抑制できる。

熱光発電装置１の構成を表す断面図である。排気マニホールド５の形状を表す説明図である。輻射体９の輻射特性を表すグラフである。反射抑制膜１３を設けた輻射体９の輻射特性を表すグラフである。反射抑制膜１３を設けた輻射体９の輻射強度を表すグラフである。フィルタユニット１５の反射率を表すグラフである。フィルタユニット１５を通過した輻射光の輻射強度を表すグラフである。導光板２１の構成を表す斜視図である。導光板２１の構成を表す断面図である。

本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
１．熱光発電装置１の構成
熱光発電装置１の構成を図１〜図７に基づき説明する。図１に示すように、熱光発電装置１は、エンジン３及び排気マニホールド５を備える車両に設けられる。排気マニホールド５は図２に示す形状を有する。排気マニホールド５の材質は鉄である。なお、図１は、図２におけるＡ−Ａ断面での断面図である。

また、排気マニホールド５のうち、エンジン３の反対側は、マニホールドカバー７により覆われている。マニホールドカバー７内には、冷却水を流すことができる冷却水流路８が形成されている。マニホールドカバー７と排気マニホールド５との間には空間１２が存在する。エンジン３から排出された排気ガスは、排気マニホールド５内を、排出方向１０に沿って流れる。

熱光発電装置１は、輻射体９と、光電変換素子１１と、反射抑制膜１３と、フィルタユニット１５と、反射ユニット１７とを備える。
輻射体９は、排気マニホールド５の外側表面に、全周にわたって設けられている、厚さ５０μｍの層である。輻射体９の材質は、バナジウム珪化物（金属珪化物の一例）である。輻射体９は、プラズマ溶射法により形成できる。

輻射体９は、図３に示す輻射特性を有する。図３の横軸は波長であり、縦軸は輻射率である。輻射体９は、後述する光電変換素子１１の感度波長域Ｒにおいて高い輻射率を有する。なお、図３及び後述する図４では、タンタル珪化物、ニッケル珪化物、及びタングステンの輻射率も併せて示す。

光電変換素子１１は、ＩｎＧａＡｓ光電変換素子（浜松ホトニクス製、型番：Ｇ１２１８３−０３０Ｋ）である。光電変換素子１１は、３ｍｍ角の大きさを有するチップである。複数の光電変換素子１１が、マニホールドカバー７の内側面（輻射体９に対向する面）に、粘着剤により貼り付けられている。光電変換素子１１には、発電した電気を取り出すための配線１９が取り付けられている。光電変換素子１１は、０．８〜２．６μｍの感度波長域を有し、輻射体９が発する輻射光を電気に変換する。

反射抑制膜１３は、輻射体９の表面に、全周にわたって設けられた２層膜である。２層膜のうち、内側の膜は、厚さ１００ｎｍのＺｒ_２Ｏ_３膜であり、外側の膜は、厚さ１５０ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜である。反射抑制膜１３は、いわゆる反射防止膜である。反射抑制膜１３の屈折率をｎとし、反射抑制膜１３の厚さをｄとし、光電変換素子１１の感度波長域内の波長をλとしたとき、反射抑制膜１３の光学的厚さｎｄがλ／４と等しくなる（波長λの輻射光における反射率が最小となる）ように、反射抑制膜１３の厚さは設定されている。反射抑制膜１３は、プラズマＣＶＤ法により形成することができる。

反射抑制膜１３を設けた輻射体９（ＶＳｉ_２）の輻射率を図４に示す。図４の横軸は波長であり、縦軸は輻射率である。反射抑制膜１３を設けた輻射体９は、光電変換素子１１の感度波長域Ｒにおいて特に高い輻射率を有する。

また、排気マニホールド５の温度が７００℃である場合の、反射抑制膜１３を備えた輻射体９の輻射強度Ｘを図５に示す。図５の横軸は波長であり、縦軸は輻射強度である。また、図５には、同じ温度における、輻射体９及び反射抑制膜１３を備えない排気マニホールド５（材質は錆びた鉄）の輻射強度Ｙと、黒体の輻射強度Ｚも示す。

輻射体９及び反射抑制膜１３を備えた排気マニホールド５の輻射強度Ｘは、光電変換素子１１の感度波長域Ｒでは高く、それより長波長側では低くなっている。それに対し、輻射体９及び反射抑制膜１３を備えない排気マニホールド５の輻射強度Ｙ、及び黒体の輻射強度Ｚの場合、光電変換素子１１の感度波長域Ｒより長波長側において輻射強度が高くなっている。

フィルタユニット１５は、図１に示すように、空間１２内（排気マニホールド５と、光電変換素子１１との間）に設けられている。よって、フィルタユニット１５は、輻射体９から光電変換素子１１に至る、輻射光の光路上にある。フィルタユニット１５は、ガラス基板上に、ＴｉＯ_２層（厚さ３０６ｎｍ）とＳｉＯ_２層（厚さ５６８ｎｍ）との組み合わせを４回繰り返し積層してから、最上層にＴｉＯ_２層（厚さ３０６ｎｍ）とＳｉＯ_２層（厚さ２８４ｎｍ）との組み合わせを積層したものである。

フィルタユニット１５は、波長に応じて、図６に示す反射率を有する。フィルタユニット１５は、光電変換素子１１の感度波長域Ｒでは、反射率が低い（透過率が高い）。また、光電変換素子１１の感度波長域Ｒの外（特に感度波長域Ｒよりも長波長側）では、感度波長域Ｒ内に比べて透過率が低い。

輻射体９から発せられた輻射光であって、フィルタユニット１５を通過した輻射光の輻射強度Ｘ’を図７に示す。図７の横軸は波長であり、縦軸は輻射強度である。輻射強度Ｘ’は、図５に示す輻射強度Ｘに比べ、光電変換素子１１の感度波長域Ｒよりも長波長側での輻射強度が一層低くなっている。これは、フィルタユニット１５が、感度波長域Ｒよりも長波長側の輻射光をカットしたためである。

反射ユニット１７は、図１に示すように、排気マニホールド５とエンジン３との間に設けられている。反射ユニット１７は、輻射光を反射可能な鏡である。反射ユニット１７は、輻射体９からエンジン３に向って発せられた輻射光（そのままでは光電変換素子１１に到達しない輻射光）を反射する。反射された輻射光の少なくとも一部は、光電変換素子１１に到達する。

２．熱光発電装置１が奏する効果
（１Ａ）熱光発電装置１は、金属珪化物から成る輻射体９を備える。輻射体９が発する輻射光は、光電変換素子１１の感度波長域外では、輻射強度が低い。そのため、光電変換素子１１の昇温を抑制できる。また、輻射体９が発する輻射光は、光電変換素子１１の感度波長域では輻射強度が高い。そのため、効率よく輻射光を電気に変換することができる。

（１Ｂ）熱光発電装置１は、輻射体９の表面に反射抑制膜１３を備える。反射抑制膜１３は、輻射体９が発する輻射光のうち、光電変換素子１１の感度波長域内の波長を有する輻射光の反射を抑制する。そのため、反射抑制膜１３を設けた輻射体９は、光電変換素子１１の感度波長域において特に高い輻射率を有する。その結果、光電変換素子１１における光電変換の効率が一層向上する。

（１Ｃ）熱光発電装置１は、排気マニホールド５と光電変換素子１１との間にフィルタユニット１５を備える。フィルタユニット１５は、光電変換素子１１の感度波長域外では、感度波長域内に比べて透過率が低い。そのため、感度波長域外の波長を有する輻射光が光電変換素子１１に到達することを一層抑制することができる。その結果、光電変換素子１１の昇温を一層抑制できる。

（１Ｄ）熱光発電装置１は、排気マニホールド５とエンジン３との間に反射ユニット１７を備える。反射ユニット１７は、輻射体９からエンジン３に向って発せられた輻射光を反射し、光電変換素子１１に到達させる。そのため、輻射光２９を一層効率的に利用し、光電変換を行うことができる。

（１Ｅ）熱光発電装置１は、金属珪化物から成る輻射体９を備えることにより、光電変換素子１１にて電気に変換されない波長の輻射光を抑制できる。その結果、排気マニホールド５の温度低下を抑制できる。
＜第２の実施形態＞
１．熱光発電装置１の構成
第２の実施形態は、基本的な構成は前記第１の実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。

本実施形態の熱光発電装置１は、マニホールドカバー７と、フィルタユニット１５と、反射ユニット１７とを備えていない。なお、排気マニホールド５の表面には前記第１の実施形態と同様に、輻射体９及び反射抑制膜１３が設けられている。

図８に示すように、熱光発電装置１は、排気マニホールド５の周囲に配置された一対の導光板２１を備える。各導光板２１は、円筒を、その軸方向に沿って２分割した形状を有する。各導光板２１は、排気マニホールド５との間に一定の距離をおいて配置されている。導光板２１同士の間には隙間が存在する。導光板２１の軸方向と、排気マニホールド５の軸方向とは平行である。

導光板２１は、図９に示すように、ガラスから成る本体部２３と、散乱部２５と、反射層２７とを備える。なお、図９は、導光板２１及び排気マニホールド５の軸方向に直交する断面での断面図である。本体部２３は、一定の厚みを備え、湾曲した板状部材であり、排気マニホールド５に対向する面（以下、内側面２３Ａとする）を備える。なお、内側面２３Ａは一方の面の一例である。

散乱部２５は、本体部２３のうち、内側面２３Ａとは反対側の面（以下、外側面２３Ｂとする）に設けられている。散乱部２５は、微小な三角形を周期的に形成したものである。反射層２７は、散乱部２５のさらに外側に設けられた、金属の層である。熱光発電装置１は、本体部２３の端面２３Ｃに光電変換素子１１を備えている。

輻射体９から発せられた輻射光２９の光路は、以下のようになる。輻射体９から発せられた輻射光２９は、内側面２３Ａから、本体部２３内に入射する。その輻射光２９は、本体部２３内を直進し、その後、散乱部２５により、図９における横方向に（内側面２３Ａ、外側面２３Ｂに対する角度が小さくなる方向に）散乱される。散乱された輻射光２９は、散乱部２５と内側面２３Ａとで反射を繰り返しながら、本体部２３の端面２３Ｃに到達する。すなわち、導光板２１は、内側面２３Ａから輻射光２９を導入し、導入した輻射光２９を端面２３Ｃに導く。光電変換素子１１は、端面２３Ｃに到達した輻射光２９を用いて光電変換を行う。

なお、散乱部２５により散乱された後、導光板２１内を導かれる輻射光２９と内側面２３Ａとが成す角度、及び輻射光２９と外側面２３Ｂとが成す角度は、それぞれ、十分に小さいため、輻射光２９は内側面２３Ａ及び外側面２３Ｂにおいて反射する。また、反射層２７が存在することにより、輻射光２９は外側面２３Ｂを一層透過しにくい。

２．熱光発電装置１が奏する効果
本実施形態によれば前記第１の実施形態の効果（１Ａ）、（１Ｃ）、（１Ｅ）に加え、以下の効果が得られる。

（２Ａ）本実施形態では、光電変換素子１１を端面２３Ｃに設ければよい。そのため、光電変換素子１１の設置面積を抑制することができる。
＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されることなく、種々の形態を採り得る。

（１）輻射体９の材質は、他の金属珪化物（例えば、タンタル珪化物、ニッケル珪化物等）であってもよい。また、輻射体９の材質は、バナジウム珪化物、タンタル珪化物、及びニッケル珪化物から成る群から選択される２以上の混合物であってもよい。また、輻射体９は、金属珪化物とともに、他の成分を含んでいてもよい。

（２）前記第１の実施形態において、反射抑制膜１３、フィルタユニット１５、及び反射ユニット１７のうちの１以上を省略してもよい。
（３）前記第１の実施形態において、光電変換素子１１の設置場所は、マニホールドカバー７の内面以外の場所であってもよい。

（４）前記第１、第２の実施形態において、光電変換素子１１は、ＩｎＧａＡｓ光電変換素子以外のもの（例えば、ＧａＳｂ光電変換素子、ＩｎＡｓ光電変換素子等）であってもよい。ＧａＳｂ光電変換素子の感度波長域は、１．７μｍ以下の領域である。ＩｎＡｓ光電変換素子の感度波長域は、３．４μｍ以下の領域である。光電変換素子１１の感度波長域の上限は、１．７μｍ以上であることが好ましく、２．６μｍ以上であることが一層好ましい。

（５）前記第１、第２の実施形態において、輻射体９の厚さは、２〜５００μｍの範囲内で適宜設定できる。２μｍ以上であると、排気マニホールド５自体の輻射光が光電変換素子１１に入射しにくくなる。また、５００μｍ以下であると、輻射体９が割れにくくなる。

（６）前記第２の実施形態において、散乱部２５の構成は他のものであってもよい。例えば、微細粒子を透明媒体中に分散したものを散乱部２５としてもよい。
（７）前記第１、第２の実施形態において、エンジン３及び排気マニホールド５は、車両以外のもの（例えば、船舶、航空機、鉄道車両、農機具等）に備えられたものであってもよい。

（８）前記第１、第２の実施形態において、輻射体９は、プラズマ溶射法以外の方法で形成してもよい。また、反射抑制膜１３は、プラズマＣＶＤ法以外の方法で形成してもよい。

（９）前記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、前記実施形態の構成の少なくとも一部を、同様の機能を有する公知の構成に置き換えてもよい。また、前記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、前記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（１０）上述した熱光発電装置の他、当該熱光発電装置を構成要素とするシステム、熱光発電方法等、種々の形態で本発明を実現することもできる。

１…熱光発電装置、３…エンジン、５…排気マニホールド、７…マニホールドカバー、８…冷却水流路、９…輻射体、１１…光電変換素子、１２…空間、１３…反射抑制膜、１５…フィルタユニット、１７…反射ユニット、１９…配線、２１…導光板、２３…本体部、２３Ａ…内側面、２３Ｂ…外側面、２３Ｃ…端面、２５…散乱部、２７…反射層、２９…輻射光、Ｒ…感度波長域

Claims

排気マニホールド（５）の表面に設けられた輻射体（９）と、
前記輻射体が発する輻射光を電気に変換する光電変換素子（１１）と、
を備え、
前記輻射体は、金属珪化物を含むことを特徴とする熱光発電装置（１）。
請求項１に記載の熱光発電装置であって、
前記金属珪化物は、バナジウム珪化物、タンタル珪化物、及びニッケル珪化物から成る群から選択される１以上であることを特徴とする熱光発電装置。
請求項１又は２に記載の熱光発電装置であって、
前記光電変換素子の感度波長域の少なくとも一部の波長域において前記輻射光の反射を抑制する反射抑制膜（１３）を前記輻射体の表面に備えることを特徴とする熱光発電装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱光発電装置であって、
前記感度波長域外の少なくとも一部の波長域では、前記感度波長域内に比べて透過率が低いフィルタユニット（１５）を、前記光電変換素子に至る前記輻射光の光路上に備えることを特徴とする熱光発電装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱光発電装置であって、
前記輻射光を、前記光電変換素子に到達可能な方向に反射する反射ユニット（１７）を備えることを特徴とする熱光発電装置。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱光発電装置であって、
一方の面から前記輻射光を導入し、導入した前記輻射光を端面方向に導く導光板（２１）を備え、
前記光電変換素子は前記端面（２３Ｃ）に設けられていることを特徴とする熱光発電装置。
請求項６に記載の熱光発電装置であって、
前記導光板は、前記一方の面（２３Ａ）とは反対側の面（２３Ｂ）に反射層（２７）を備えることを特徴とする熱光発電装置。