JPH03177082A

JPH03177082A - 熱電発電器

Info

Publication number: JPH03177082A
Application number: JP1316292A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Tokiai; 健生時合; Masaaki Nosaka; 野坂　正昭; Hiromi Mizuno; 水野　博美
Original assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Current assignee: Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Priority date: 1989-12-05
Filing date: 1989-12-05
Publication date: 1991-08-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、熱電発電器に係り、特に、熱エネルギーを電
気エネルギーに変換する半導体熱電素子を備えた熱電発
電器に関し、自動車、船舶等の内燃機関あるいは工場の
廃熱回収機器等に利用できる。

〔背景技術〕

従来より、熱電効果（ゼーベック効果）を応用して熱エ
ネルギーを電気エネルギーに変換する熱電素子がある。

例えば、第７図に示されるように、従来の半導体で構成
される熱電素子３０は、一端にＰ−Ｎ接合部３１が設け
られ、他端に一対の電極３２．３３が設けられている。

この熱電素子３０の一端、Ｐ−Ｎ接合部３１側を加熱し
、他端を冷却することにより、温度差に比例した電圧が
一対の電極３２．３３に発生し、温度差の二乗に比例し
た電力を得ることができる。

このため、複数の熱電素子３０を熱源となる熱発生機器
の熱源基体部材に取付けることによって発電器を構成で
きる。熱電素子３０を熱発生機器に取付けるにあたって
は、熱発生機器が振動を発生しても熱電素子３０が破壊
されたり、離れたりしないように、熱電素子３０を熱発
生機器側へ付勢する付勢手段を設けて振動の吸収を図っ
ている。

例えば、第８図に示されるように、熱発生機器の平板状
の熱源基体部材３４に対して絶縁体３５を介して熱電素
子３０の一端のＰ−Ｎ接合部３１が当接され、この熱電
素子３０の他端の電極３２．３３には、ヒートシンクを
兼ねる絶縁板３６が当接されている。

この絶縁板３６と前記熱発生機器の壁体３７との間には
、付勢手段としてのばね３８が設けられ、熱電素子３０
が熱源基体部材３４に向かつて付勢されている。

また、このばね３８により熱発生機器の振動に伴う熱電
素子３０の熱源基体部材３４からの離間や、熱電素子３
０の破壊が防止されている。

なお、熱源基体部材３４の図中下側には、排ガスや廃蒸
気等の熱源となる流体が流通され、一方、絶縁板３６と
壁体３７との間には、水・空気等の冷媒が流通して、熱
電素子３０の電極３２．３３側を冷却できるようになっ
ている。

このような構造で多数の、例えば、数百個の熱電素子３
０を熱発生機器の熱源基体部材３４上に固定し、各熱電
素子３０を電気的に接続して熱電発電器が構成される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、前述のような熱電発電器では、熱発生機
器の振動による熱電素子３０の破壊は防止できるが、熱
電素子３０が転倒するなどして、熱源基体部材３４から
離脱してしまう可能性がある。この熱電素子３０の離脱
によって各熱電素子３０を相互接続する電気配線が切断
され、発電器としての機能を失う可能性があり、耐久性
が十分でないという問題がある。

また、熱電素子３０の電極３２．３３側では、ばね３８
による付勢および空気等の冷媒による冷却の両方が行わ
れるので、冷媒等の付勢手段側への漏洩の防止をする必
要があり、多数の熱電素子３０を熱源基体部材３４上に
固定する熱電発電器では、特に、冷却機構の構造が複雑
になり、高価になるという問題がある。

本発明の目的は、安価でしかも単純な構造で、耐久性が
良好な熱電発電器を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、熱電素子を、そのＰ−Ｎ接合側の一端が熱発
生機器の熱源基体部材に設けた孔に埋設された状態で複
数配置し、その他端側に冷却部材を配置し、この冷却部
材で前記熱電素子の固定を行って、これらの熱電素子の
離脱などを防止した熱電発電器を構成するものである。

〔作用〕

このような本発明では、熱電素子の一端を埋設し、他端
を冷却部材で固定して、振動による熱電素子の逸脱、破
壊および転倒を防止し、熱電発電器に耐久性を付与する
。また、付勢手段を省略して熱電発電器の全体構造を簡
略化する。

さらに、冷却部材を、例えば、可撓性チューブのような
柔軟性を有する弾性変形可能な材料で形威し、冷却部材
に熱発生機器の振動を吸収させ、従来のような付勢手段
を用いずに単純な防振構造を形成する。これにより、熱
源基体部材の振動を緩和し、熱電発電器の耐久性をさら
に向上させる。

また、冷却部材を大きな表面積を有する形状にし、高い
冷却効率を有するものとして発電効率の向上を図ること
が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図ないし第４図には、本発明の第１実施例が示され
ている。ただし、第１図中には、熱電素子ｌＯを電気的
に接続する電極や配線等は図示していない。

図において、本実施例の熱電発電器ｌでは、熱発生機器
はエンジンとされ、その熱源基体部材は排気マニホール
ド２とされる。排気マニホールド２には、円柱状の多数
の熱電素子ＩＯの一端が埋設され、その他端に冷却部材
２０が配置される。これらの排気マニホールド２、熱電
素子１０および冷却部材２０を含んで熱電発電器ｌが構
成される。

マニホールド２は、ハイステロイ合金Ｃ等の耐熱性部材
で構成され、第２図に示されるように、複数の枝管２Ａ
が設けられている。枝管２Ａのエンジン側フランジ３近
傍には、第３図に示されるように、所定直径ｄの孔４が
所定ピッチＰで螺旋状に配列されている。マニホールド
２全体では、例えば、約３００個の孔４が設けられてい
る。これらの孔４の深さｈは、マニホールド２の肉厚の
半分以下にされている。各社４には、孔４の直径ｄより
若干細い直径りを有する熱電素子ｌＯがそれぞれ挿入可
能となっている。

この際、孔４の深さｈが深いほどより確実な熱電素子ｌ
Ｏの取付けが行えるが、熱電素子１０の全長に対して深
く入り過ぎると、熱電素子ｌＯの両端で温度差が得にく
くなるため、発電効率は低下する。

そこで、孔４の深さｈは、熱電素子１０の高さＨに対し
て０．１〜０．８Ｈ，好ましくは、０．１５〜０．６Ｈ
の寸法に設定される。

一方、熱電素子１０の形状は、従来と同様であり、第４
図に示されるように、Ｐ型およびＮ型のふたつの半導体
１１．１２が接合されたものであって、−端側にＰ−Ｎ
接合部１３が設けられ、他端側からＰＮ接合部１３にか
けて半導体１１．１２を電気的に絶縁する溝１４が設け
られている。

なお、熱電素子ｌＯを形成する半導体としては、Ｆｅ５
ｉｔが採用され、Ｐ型、Ｎ型のドーパントとして、それ
ぞれマンガンおよびコバルトがドーピングされている。

前記孔４の各々には、アルミナ等で形成した円盤状の絶
縁板１５が挿入され、その上から熱電素子ｌＯのＰ−Ｎ
接合部１３が挿入される。Ｐ−Ｎ接合部１３の外周と孔
４の側面との間には、アルミナセメント等の電気的絶縁
性を有する充填剤１６が充填され、熱電素子ｌＯのＰ−
Ｎ接合部１３側の一端が埋設、固定されている。また、
熱電素子１０の他端には、それぞれアルミ箔、バラジュ
ームー銀（Ｐｄ−Ａｇ）ペースト等からなる一対の電極
１７．１８が隣接する二つの熱電素子ＩＯにまたがって
直列に設けられ、電極１７．１８によって熱電素子ｌＯ
で発生する電力の取り出しが可能となっている。また、
電極１７゜１８の両方の上面にわたってアルミナ等で形
成した円盤状の絶縁部材１９が固着され、絶縁部材１９
上に柔軟性を有する弾性変形可能な冷却部材２０が配置
されている。

冷却部材２０は、直径Φ、肉厚ｔのシリコンゴムチュー
ブ等からなり、内部に水や空気等の冷媒が流通可能とさ
れる。この冷却部材２０は、前記螺旋状に配置された熱
電素子１０の電極１７．１８側をマニホールド２側に付
勢するように螺旋状に巻付けられ、この付勢力によって
熱電素子ＩＯのマニホールド２からの逸脱が防止されて
いる。

前記冷却部材２０の内部には、マニホールド２の排気の
下流から上流へ（図中矢印方向に）冷却水等の冷媒が流
通される。また、エンジンが水冷の場合には、冷媒とし
てエンジンの冷却水が利用できる。

なお、本実施例の孔４および熱電素子１０等の各寸法の
具体例は、例えば、次のようになる。

すなわち、孔４の直径ｄ１深さｈおよびピッチＰがそれ
ぞれ８ｍｍ１３．　５ｍｍ、　　１１ｍｍとされ、この
孔４に対する熱電素子１０の直径りおよび高さＨがそれ
ぞれ７ＩＩｆｆ＋および１３ＩＤ１１とされている。ま
た、熱電素子１０の溝１４の幅および高さがそれぞれ１
　ｍｍ、１０ｍｍとされ、マニホールド２の肉厚が６〜
８　ｍｍとされる。さらに、冷却部材２０の直径Φおよ
び肉厚ｔがそれぞれ５　ｍｍおよびｌａｍとされている
。

次に、本実施例の作用を説明する。

まず、エンジンを起動し、これに伴い冷却水を冷却部材
２０の内部に流通させておく。エンジンの運転によって
発生する排気ガスによって、排気マ二ホールド２は、３
００〜８００℃まで加熱される。この熱で熱電素子ＩＯ
のＰ−Ｎ接合部１３側の一端側が加熱され、他端側か冷
却水を流通させた冷却部材２０で冷却される。従って、
熱電素子ｌＯの両端間に温度差が生じ、この温度差によ
って電極１７゜１８の間に直流電圧が生じる。エンジン
の排気ガスの温度が上昇して前記温度差がある程度大き
くなると、熱電発電器の出力電圧が大きくなり、負荷に
電力を供給可能な状態となる。この状態で熱電発電器に
負荷、例えば、直流モータを接続し、熱電発電器で発電
した電力で駆動させる。エンジンの排気ガスの熱、すな
わち、排熱によって発電器の電力の供給が連続して行わ
れる。

この際、エンジンが発生する振動は、マニホールド２に
伝達され、熱電素子１０を振動する。しかし、熱電素子
ｌＯの一端を孔４に埋設・固定し、かつ、他端を冷却部
材２０で固定して、振動による熱電素子ｌＯの逸脱、破
壊および転倒を防止し、熱電発電器Ｉに耐久性を付与す
る。また、従来の付勢手段を省略して熱電発電器ｌの構
造を簡略化する。

また、可撓性を有するシリコンチューブ等で冷却部材２
０を形成し、冷却部材２０を弾性変形させて振動を吸収
させ、この冷却部材２０で防振構造を形成して熱電発電
器！の耐久性をさらに向上させる。

前述のような本実施例によれば、次のような効果がある
。

すなわち、熱電素子ｌＯの一端を埋設し、他端を冷却部
材２０を配置して固定したので、振動による熱電素子Ｉ
Ｏの逸脱、破壊および転倒を防止でき、熱電発電器ｌに
良好な耐久性を付与することができる。しかも、従来の
ようなばね等の付勢手段を必要とせず、かつ、冷却部材
２０を熱電素子１０の他端に配置するのみで単純な冷却
機構が構成されるため、冷却機構を簡略化でき、ひいて
は、熱電発電器１の構造を単純で安価なものにできる。

また、冷却部材２０を可撓性チューブで構成するととも
に、熱電素子１０の上部に押圧し、この冷却部材２０で
振動を吸収させる防振構造を形成したので、熱電発電器
１の耐久性をさらに向上できる。

さらに、冷却部材２０を可撓性チューブで構成し、この
冷却部材２０を熱電素子１０を介してマニホールド２等
の熱源基体部材に巻回したので、たとえ熱源基体部材が
四角柱状や平板状であっても、その形状に関係なく冷却
部材２０を巻回できる。従って、熱源基体部材の形状に
関係なく、熱電素子１０の熱源基体部材への取付けも行
うことができる。

また、排気マニホールド２に熱電発電器ｌを設けたので
、大気中に捨てていた排熱を有効利用でき、しかもこの
排熱を効率よく電力に変換できる。

さらに、冷却部材２０の内部にマニホールド２の排気の
下流から上流に冷媒を流通したので、各熱電素子ＩＯの
両端の温度差が均一化され、発電効率を向上できる。

第５図および第６図には、本発明の第２実施例が示され
ている。本実施例は、前記実施例における電極１７．１
８を厚内の部材から形成するとともに、その端部を熱電
素子ｌＯの上端から突出させ、これにより放熱フィンを
形成するとともに、フィンの部分で冷却部材２０を掛止
して冷却部材２０の固定をも行うものである。

すなわち、第５図および第６図において、前記第１実施
例の電極１７．１８に相当する電極２１は、厚肉の銅板
等で形成され、隣接する二つの熱電素子１０にまたがっ
て配置される。この電極２１の一端が一方の素子ｌＯの
Ｎ型部分の上に固着され、他端が他方の素子ＩＯのＰ型
部分の上に固着され、電極２１によって前記二つの熱電
素子１０が電気的に直列接続される。

また、電極２１の端部には、斜め上方へ突出した突出部
２２．２３が設けられている。突出部２２．２３には、
数条のスリット２４が設けられ、突出部２２．２３が放
熱フィンとして機能するようになっている。

そして、突出部２２．２３の先端は、内側に傾斜、例え
ば、熱電素子１０の端面に対し２０〜８０度で傾斜させ
られ、突出部２２．２３の間に冷却部材２０が配置され
ている。これらの突出部２２．２３によって冷却部材２
０が熱電素子１０の上部に固定されている。

なお、本実施例では、冷却部材２０の少なくとも表面は
導電性を有しないので、冷却部材２０と熱電素子１０と
の間には絶縁部材を省略しである。

このような本実施例においても前記第１実施例と同様な
作用、効果を奏することができる他、電極２１に放熱フ
ィンを兼用させたので、冷却効率を向上でき、熱電素子
ＩＯの両端の温度差が拡大されるため、高い発電出力を
得ることができるという効果を付加できる。また、冷却
部材２０を突出部２２゜２３で固定したので、冷却部材
２０の固定をより強固なものにでき、耐久性を向上でき
るという効果も付加できる。

なお、本発明は前述の実施例に限定されるものではなく
、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本
発明に含まれるものである。

例えば、熱発生機器は、エンジン等の内燃機関に限らず
、ボイラー、ソーラーコレクタ、核反応炉、溶鉱炉等の
熱を伴う機器であればよい。この際、前記実施例のよう
に機器の排気管等に熱電素子１０を取り付ければ、廃熱
を利用することができる。

また、冷却部材２０の材質は、シリコンゴムで成形した
ものに限らず、例えば、表面にシリコンゴムの被覆や陽
極酸化皮膜を有するアルミニウム管でもよい。

さらに、冷却部材２０の形状は、チューブ状のものに限
らず、例えば、水枕を大きくしたような形状のウォータ
ージャケットでもよく、これでマニホールド２に配置さ
れた全ての熱電素子ｌＯを覆い、このウォータージャケ
ットに冷却水を流通させて冷却部材を構成してもよい。

また、冷却部材２０の内部を流通する冷媒は、水に限ら
ず、空気や窒素ガス等の気体でもよく、要するに、熱交
換が可能で冷却部材２０内部を流通することができれば
よい。

さらに、チューブ状の冷却部材２０による熱電素子ｌＯ
への固定手段は、電極を兼用するものや熱電素子１０の
表面から外方向に突出された突出部２２゜２３を有する
ものに限らず、電極とは別個にされたものや突出部を持
たない固定具で構成してもよい。

例えば、冷却部材２０の上から熱電素子ｌＯに被せられ
る「コ」字状の絶縁体で構成された固定具等で冷却部材
２０の固定を行ってもよい。また、この固定具の「コ」
字状の各先端部分だけに導電部を有する導電部を設け、
固定具を熱電素子１０の先端に被せるとともに、固定具
の各導電部を熱電素子ｌＯのＰ型およびＮ型の半導体１
１．１２にそれぞれ接続させ、この固定具で電極を兼用
してもよい。要するに、冷却部材２０の固定手段は、実
施にあたって適宜選択すればよい。

〔発明の効果〕

前述のように、本発明の熱電発電器によれば、単純で安
価な構造で良好な耐久性を得ることができるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明の第１実施例を示し、第１図は
要部を示す斜視図（電極、配線は図示せず）、第２図は
略全体を示す正面図、第３図はマニホールド単体の要部
を示す斜視図、第４図は熱電素子部分の断面図、第５図
および第６図は本発明の第２実施例の要部を示す斜視図
および断面図、第７図は一般の熱電素子を説明するため
の斜視図、第８図は従来例を示す断面図である。 ■・・・熱電発電器、２・・・熱源基体部材としてのマ
ニホールド、１０・・・熱電素子、１３・・・Ｐ−Ｎ接
合部、１７、１８・・・電極、２０・・・冷却部材、２
１・・・放熱フィンを兼用する電極、２２．２３・・・
突出部。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数の熱電素子が、そのＰ−Ｎ接合部を有する一
端側をそれぞれ熱源基体部材に埋設されるとともに、そ
の他端側に冷却部材が配置され、この冷却部材により前
記熱電素子を固定してなることを特徴とする熱電発電器
。
（２）請求項第１項において、前記冷却部材は、内部に
冷媒が流通される可撓性チューブにより構成されること
を特徴とする熱電発電器。
（３）請求項第１項または第２項において、前記冷却部
材の少なくとも表面部分が絶縁体で構成されていること
を特徴とする熱電発電器。
（４）請求項第１項ないし第３項のいずれかにおいて、
前記熱電素子の他端に電極が設けられ、この電極の少な
くとも一部が熱電素子から突出されて突出部が形成され
、この突出部により放熱フィンが兼用されることを特徴
とする熱電発電器。
（５）請求項第１項ないし第３項のいずれかにおいて、
前記熱電素子の他端に電極が設けられ、この電極に冷却
部材が掛止されることにより冷却部材の固定がなされる
ことを特徴とする熱電発電器。