JPH11330568A - Thermoelectric power generation device and its manufacture - Google Patents
Thermoelectric power generation device and its manufactureInfo
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- JPH11330568A JPH11330568A JP10129125A JP12912598A JPH11330568A JP H11330568 A JPH11330568 A JP H11330568A JP 10129125 A JP10129125 A JP 10129125A JP 12912598 A JP12912598 A JP 12912598A JP H11330568 A JPH11330568 A JP H11330568A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、従来捨て
られていた内燃機関等の駆動装置から排出される排ガス
や焼却炉等の燃焼設備から排出される排ガスのもつ熱エ
ネルギーを電気エネルギーに変換して回収するのに好適
な熱電発電装置およびその製造方法に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to the conversion of thermal energy of exhaust gas discharged from a drive unit of an internal combustion engine or the like or exhaust gas discharged from a combustion facility such as an incinerator into electric energy. And a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、高温の排ガスを排出する自動車や
工場などでは、エンジンや炉などから排出される排ガス
から熱エネルギーを回収して電力に変換するために、例
えば、特開昭６３−２６２０７５号公報に開示されてい
る排熱発電装置が用いられることがある。2. Description of the Related Art Conventionally, in automobiles and factories that emit high-temperature exhaust gas, in order to recover thermal energy from exhaust gas discharged from an engine or a furnace and convert it into electric power, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 63-2620075 In some cases, a waste heat power generation device disclosed in Japanese Unexamined Patent Application, First Publication No. H11-264, is used.
【０００３】図４は、上記特開昭６３−２６２０７５号
公報に開示されている排熱発電装置を示すものであっ
て、この排熱発電装置４１では、自動車のエンジンから
排出される排ガスが流れる排気管４２に箱形状の吸熱筒
４３が取りつけられ、この吸熱筒４３には対向する平面
が形成されたものとしていて、これらの平面には複数の
熱電変換モジュール４４が対向して配置されており、各
熱電変換モジュール４４の高温端面と吸熱筒４３の平面
とが密着されたものとしている。FIG. 4 shows an exhaust heat power generator disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-262075. In this exhaust heat power generator 41, exhaust gas discharged from an automobile engine flows. A box-shaped heat-absorbing cylinder 43 is attached to the exhaust pipe 42, and the heat-absorbing cylinder 43 is formed with opposing flat surfaces, and a plurality of thermoelectric conversion modules 44 are arranged on these flat surfaces. The high-temperature end face of each thermoelectric conversion module 44 and the plane of the heat absorbing cylinder 43 are in close contact with each other.
【０００４】そして、熱電変換モジュール４４の低温端
面と水冷ジャケット４５とが対向して配置されていて、
この熱電変換モジュール４４の低温端面と水冷ジャケッ
ト４５の冷却面とが密着されているものとしている。[0004] A low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 44 and a water-cooling jacket 45 are arranged to face each other.
The low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 44 and the cooling face of the water cooling jacket 45 are in close contact.
【０００５】上記した構造の排熱発電装置４１では、排
気管４２において矢印Ａ方向から流入した排気ガスがも
つ高温の排熱が吸熱筒４３の平面を介して熱電変換モジ
ュール４４の高温端面に伝達される。また同時に、熱電
変換モジュール４４の低温端面は冷却水給・排管４６を
通して水冷ジャケット４５内を還流する冷却水により冷
却される。そして、熱電変換モジュール４４の高温端面
と低温端面との間に生じた温度勾配に応じてゼーベック
効果による熱起電力が発生して発電され、導電線４７、
電圧調整器および電流逆流防止器４８、電力計４９等を
介して蓄電器５０に蓄えられる。In the exhaust heat generator 41 having the above-described structure, the high-temperature exhaust heat of the exhaust gas flowing from the direction of the arrow A in the exhaust pipe 42 is transmitted to the high-temperature end face of the thermoelectric conversion module 44 via the plane of the heat-absorbing cylinder 43. Is done. At the same time, the low-temperature end face of the thermoelectric conversion module 44 is cooled by cooling water circulating in the water cooling jacket 45 through a cooling water supply / discharge pipe 46. Then, a thermoelectromotive force is generated by the Seebeck effect in accordance with the temperature gradient generated between the high-temperature end surface and the low-temperature end surface of the thermoelectric conversion module 44, and power is generated.
The voltage is stored in the battery 50 via the voltage regulator, the current backflow preventer 48, the power meter 49, and the like.
【０００６】一般的に、熱電変換モジュールは、複数の
ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に配列され、各熱
電素子の両端において隣接する熱電素子と電極を介して
電気的に接続され、さらには、電極表面に絶縁板あるい
は絶縁層が形成された構成をとる。Generally, in a thermoelectric conversion module, a plurality of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are alternately arranged, and both ends of each thermoelectric element are electrically connected to adjacent thermoelectric elements via electrodes. Further, a configuration is adopted in which an insulating plate or an insulating layer is formed on the electrode surface.
【０００７】そして、このように、複数の熱電素子を電
気的に接続すると共に端面が絶縁処理された熱電変換モ
ジュールを一旦形成した後、集熱側部材である排気管４
２と冷却側部材である水冷ジャケット４５との間に前記
熱電変換モジュール４４を複数設置することにより、熱
電素子間の電気的接続を確実にとりながら、多数の熱電
素子を簡便に設置して熱電発電装置として機能すること
ができる特長がある。After a plurality of thermoelectric elements are electrically connected and a thermoelectric conversion module whose end face is insulated is once formed, the exhaust pipe 4 serving as a heat collecting side member is formed.
By installing a plurality of the thermoelectric conversion modules 44 between the thermoelectric element 2 and the water-cooling jacket 45 as the cooling side member, it is possible to easily install a large number of thermoelectric elements while ensuring electrical connection between the thermoelectric elements. There is a feature that can function as a device.
【０００８】一方、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装
置は、比較的使用温度が低く、モジュール設置数が１つ
あるいは少数である。そして、吸熱側部材と放熱側部材
と熱電変換モジュールとの間の絶縁層材料として、酸化
アルミニウム基板や窒化アルミニウム基板や放熱グリー
ス、シリコンゴムシート等を設置する構成としたものが
知られている。On the other hand, the thermoelectric cooling device utilizing the Peltier effect has a relatively low operating temperature and one or a small number of modules. As an insulating layer material between the heat-absorbing member, the heat-dissipating member and the thermoelectric conversion module, a structure in which an aluminum oxide substrate, an aluminum nitride substrate, heat-dissipating grease, a silicon rubber sheet, or the like is provided is known.
【０００９】さらに、吸熱側部材と放熱側部材と熱電変
換モジュールとの間での熱交換効率を向上させるため
に、例えば、特開平８−８４６５号公報や特開平８−２
０２３７号公報に開示された技術がある。このうち、特
開平８−８４６５号公報に開示された技術では、吸熱側
部材と放熱側部材の表面にシロキサン結合を有する有機
けい素化合物の硬化物からなる厚さ０．１〜１００μｍ
の絶縁層を形成し、この絶縁層を介して熱電素子端面の
電極を吸熱側部材と放熱側部材に接触させる構成として
いる。そして、この構成によれば、熱伝導率を向上させ
る無機微粒子を混在させることが容易で、クラックや細
孔の発生が少ないため、熱伝導度の良好な絶縁層を形成
することができるという特徴がある。Further, in order to improve the heat exchange efficiency between the heat absorbing side member, the heat radiating side member and the thermoelectric conversion module, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 8-8465 and 8-2
There is a technique disclosed in Japanese Patent No. 0237. Among them, in the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-8465, a thickness of 0.1-100 μm of a cured product of an organic silicon compound having a siloxane bond on the surface of the heat-absorbing member and the heat-radiating member is disclosed.
Is formed, and the electrode on the end face of the thermoelectric element is brought into contact with the heat-absorbing member and the heat-radiating member via the insulating layer. According to this configuration, it is easy to mix the inorganic fine particles for improving the thermal conductivity, and the generation of cracks and pores is small, so that an insulating layer having good thermal conductivity can be formed. There is.
【００１０】また、特開平８−２０２３７号公報に開示
された技術では、電極が形成された熱電素子を絶縁基板
である酸化膜を形成したシリコンウエハではさみ、この
シリコンウエハを冷却側部材であるアルミニウム板に設
置するものである。そして、この技術によれば、シリコ
ンウエハ上の酸化膜は、クラックや細孔の発生が少ない
ため、熱伝導度の良好な絶縁層を形成することができる
という特徴がある。In the technique disclosed in JP-A-8-20237, a thermoelectric element on which electrodes are formed is sandwiched between a silicon wafer on which an oxide film is formed as an insulating substrate, and the silicon wafer is used as a cooling member. It is installed on an aluminum plate. According to this technique, an oxide film on a silicon wafer has a feature that an insulating layer having good thermal conductivity can be formed since cracks and pores are less generated.
【００１１】[0011]
【発明が解決しようとする課題】絶縁処理を行った熱電
変換モジュールを金属からなる集熱側部材に接触させて
設置した構成の排熱発電装置や、絶縁処理を行った集熱
側部材に熱電変換モジュールを接触させて設置した構成
の排熱発電装置においては、排ガスのもつ熱エネルギー
は、集熱側部材の金属層から、集熱側部材の表面あるい
は熱電変換モジュールの高温端表面の絶縁層、高温端電
極層、さらに電極層と熱電素子を電気的に接合する接合
層を介して熱電素子に伝達される。SUMMARY OF THE INVENTION An insulated thermoelectric conversion module is installed in contact with a metal heat collection side member made of metal, and a thermoelectric conversion module is provided with an insulated heat collection side member. In a waste heat power generation device having a configuration in which the conversion module is brought into contact, the heat energy of the exhaust gas is transferred from the metal layer of the heat collection side member to the insulating layer on the surface of the heat collection side member or the high temperature end surface of the thermoelectric conversion module. Is transferred to the thermoelectric element via the high-temperature end electrode layer and a bonding layer for electrically bonding the electrode layer and the thermoelectric element.
【００１２】一般的に、界面に接着層や化学反応を伴う
接合層が形成されている場合に比較して、接触面では、
熱伝達効率が１桁以上低下してしまう。したがって、上
記の構成では、集熱側部材とモジュール端面の絶縁層の
間か、あるいは、集熱側部材の表面の絶縁層と熱電変換
モジュールの間のどちらか一方は、少なくとも接触する
構成となるが、この場合の接触箇所は、絶縁層であるセ
ラミックスと金属の接触となるため、接触界面の熱伝達
効率はさらに低下するという問題があった。Generally, compared with the case where an adhesive layer or a bonding layer accompanied by a chemical reaction is formed at the interface,
The heat transfer efficiency is reduced by one digit or more. Therefore, in the above configuration, at least one of between the heat collecting side member and the insulating layer on the end face of the module or between the insulating layer on the surface of the heat collecting side member and the thermoelectric conversion module is in contact. However, in this case, since the contact portion comes into contact with the ceramic, which is the insulating layer, and the metal, there is a problem that the heat transfer efficiency at the contact interface is further reduced.
【００１３】また、熱電変換モジュールと集熱側部材を
ろう付けなどにより接着あるいは接合する方法は、多数
の熱電変換モジュールを設置する大型の排気管では、均
質に加熱処理することのできる大型で高性能の設備の調
達が困難であるという問題がある。Further, the method of bonding or joining the thermoelectric conversion module and the heat collecting side member by brazing or the like is a large exhaust pipe in which a large number of thermoelectric conversion modules are installed. There is a problem that it is difficult to procure high-performance equipment.
【００１４】さらにまた、この接着・接合工程に伴う高
温や熱衝撃により、熱電変換モジュール内部の熱電素子
の割れや熱電素子と電極との接合箇所の剥離などを発生
させず、集熱側部材が６００℃以上に達する排熱発電装
置の使用時に対する耐久性がある接着・接合条件を制御
することが困難であるという問題があった。Furthermore, the high temperature and thermal shock associated with the bonding / joining process do not cause cracking of the thermoelectric element inside the thermoelectric conversion module or peeling off of the joint between the thermoelectric element and the electrode, and the heat collecting side member is not damaged. There is a problem in that it is difficult to control the bonding and joining conditions that are durable when the exhaust heat power generation device reaching 600 ° C. or higher is used.
【００１５】さらにまた、集熱側部材から冷却側部材ま
での構成部材のすべての界面を接着あるいは接合した場
合は、集熱側部材と冷却側部材の温度差に起因する熱歪
みが、脆性の大きい熱電変換モジュール中の熱電素子近
傍にかかることになるため、熱電素子が割れるなどして
断線してしまい、熱電発電装置が十分に機能しなくなる
という問題があった。Further, when all the interfaces of the constituent members from the heat collecting side member to the cooling side member are bonded or joined, the heat distortion caused by the temperature difference between the heat collecting side member and the cooling side member becomes brittle. Since the thermoelectric element is located in the vicinity of the thermoelectric element in the large thermoelectric conversion module, the thermoelectric element is broken due to cracking or the like, resulting in a problem that the thermoelectric generator does not function sufficiently.
【００１６】さらにまた、特開平８−８４６５号公報に
開示されたシロキサン結合を有する有機けい素化合物の
硬化物は、集熱側部材が６００℃以上に上昇する場合が
ある排熱発電装置の集熱側部材の絶縁処理（層）として
は、耐熱性が不足するという問題があった。Furthermore, a cured product of an organosilicon compound having a siloxane bond disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-8465 is used in a waste heat power generation device in which the heat collecting side member may rise to 600 ° C. or more. As the insulation treatment (layer) of the heat side member, there is a problem that heat resistance is insufficient.
【００１７】さらにまた、放熱グリースやシリコンゴム
材は、絶縁性で接着層としての効果があるため、集熱側
部材から電極層までの間の接着界面の熱伝導効率は改善
されるものの、排熱発電用の高温側絶縁層としては耐熱
性が不足するという問題がある。Furthermore, since the heat-dissipating grease and the silicone rubber material are insulative and have an effect as an adhesive layer, the heat transfer efficiency of the adhesive interface between the heat collecting side member and the electrode layer is improved, There is a problem that heat resistance is insufficient as a high-temperature side insulating layer for thermal power generation.
【００１８】他方、特開平８−２０２３７号公報に開示
された技術では、電極が形成された熱電素子を絶縁基板
である酸化膜を形成したシリコンウエハではさみ、シリ
コンウエハを冷却側部材であるアルミニウム板に設置す
るものとしているが、この構成では、絶縁層自体の熱伝
導特性は向上するものの、集熱側部材や冷却側部材と絶
縁層の間にシリコンウエハ層を余分に設置することとな
るため、集熱側部材から熱電素子までの構成層数が増加
してしまうこととなり、熱電素子への伝達熱量は増加し
ないという問題がある。また、多数の熱電モジュールを
設置した大型の排熱発電装置においては、熱電変換モジ
ュールを組み付ける圧力が大きいため、シリコンウエハ
のような脆い板材を使用すると、モジュールの組み付け
工程で割れてしまうことがあるという問題がある。On the other hand, in the technique disclosed in JP-A-8-20237, a thermoelectric element on which electrodes are formed is sandwiched by a silicon wafer on which an oxide film is formed as an insulating substrate, and the silicon wafer is cooled by aluminum, which is a cooling member. Although it is assumed to be installed on a plate, in this configuration, although the heat conduction characteristics of the insulating layer itself are improved, an extra silicon wafer layer is installed between the insulating layer and the heat collecting side member or the cooling side member. Therefore, the number of constituent layers from the heat collection side member to the thermoelectric element increases, and there is a problem that the amount of heat transferred to the thermoelectric element does not increase. Further, in a large-sized exhaust heat power generation device in which a large number of thermoelectric modules are installed, the pressure at which the thermoelectric conversion module is assembled is large, so if a brittle plate material such as a silicon wafer is used, the module may be broken during the assembly process of the module. There is a problem.
【００１９】[0019]
【発明の目的】本発明は、かかる従来の問題点を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、集
熱側部材から熱電素子まであるいは熱電素子から冷却側
部材までの熱伝達効率をより一層向上させることによ
り、熱電素子両端にかかる温度差を大きくとることがで
き、発電出力がより一層大きい熱電発電装置を提供する
ことにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve such a conventional problem, and an object of the present invention is to transfer heat from a heat collecting element to a thermoelectric element or from a thermoelectric element to a cooling element. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric power generation device that can further increase the efficiency, can increase the temperature difference between both ends of the thermoelectric element, and can further increase the power generation output.
【００２０】本発明のさらなる目的とするところは、内
燃機関や焼却炉から排出される排気ガスの持つ熱エネル
ギーを電気エネルギーに変換する排熱発電装置のよう
な、集熱側部材と冷却側部材の温度差が大きい熱電発電
装置においても、熱電変換モジュール部分の断線が生じ
ることによる発電機能の低下が起こりにくい構成をもつ
耐熱性・耐熱衝撃性がより一層向上した信頼性の高い熱
電発電装置を提供することにある。It is a further object of the present invention to provide a heat collecting side member and a cooling side member such as an exhaust heat power generator for converting thermal energy of exhaust gas discharged from an internal combustion engine or an incinerator into electric energy. Even with thermoelectric generators with large temperature differences, a highly reliable thermoelectric generator with a further improved heat resistance and thermal shock resistance that has a configuration in which the power generation function is unlikely to decrease due to disconnection of the thermoelectric conversion module part To provide.
【００２１】本発明のさらなる目的とするところは、多
数の熱電素子の設置作業が容易で、大型の熱電発電装置
を大量生産に適した方法で製造することを可能にした構
成をもつ熱電発電装置を提供することにある。A further object of the present invention is to provide a thermoelectric generator having a configuration in which a large number of thermoelectric elements can be easily installed and a large thermoelectric generator can be manufactured by a method suitable for mass production. Is to provide.
【００２２】[0022]
【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱電発電
装置は、請求項１に記載しているように、集熱側部材と
冷却側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなる熱
電発電装置において、集熱側部材の少なくとも電極側表
面が絶縁体で形成され、前記絶縁体表面に電極層が形成
された集熱側部材の前記電極層と、前記熱電素子の低温
端部を保持し且つ熱電素子の少なくとも高温端部に端面
金属層を形成した冷却側部材の前記端面金属層とが接合
されて、集熱側部材と冷却側部材との間に複数の熱電素
子が配置されてなる構成としたことを特徴としている。According to a first aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric generator including a plurality of thermoelectric elements disposed between a heat collecting side member and a cooling side member. In the thermoelectric generator, at least the electrode-side surface of the heat-collecting-side member is formed of an insulator, and the electrode layer of the heat-collecting-side member in which an electrode layer is formed on the insulator surface, and the low-temperature end of the thermoelectric element. The end face metal layer of the cooling side member holding and forming the end face metal layer at least at the high temperature end of the thermoelectric element is joined, and a plurality of thermoelectric elements are arranged between the heat collection side member and the cooling side member. It is characterized by having a configuration consisting of:
【００２３】そして、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項２に記載しているように、集
熱側部材および冷却側部材のうち少なくとも集熱側部材
は金属からなり、集熱側部材と電極層との間のうち少な
くとも電極層が形成された領域に絶縁層が形成されてい
るものとしたことを特徴としている。In the embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention, at least the heat collecting side member of the heat collecting side member and the cooling side member is made of metal. An insulation layer is formed at least in a region where the electrode layer is formed between the heat-side member and the electrode layer.
【００２４】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項３に記載しているように、熱
電素子は、少なくとも高温端部に端面金属層が形成さ
れ、一対以上のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が所定
のパターンに配列し、各熱電素子同士の間に絶縁材が介
在している熱電変換モジュールコア形状となっているも
のとしたことを特徴としている。Similarly, in an embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention, as described in claim 3, the thermoelectric element has an end surface metal layer formed at least at a high temperature end, and comprises at least one pair of p-type. The thermoelectric element and the n-type thermoelectric element are arranged in a predetermined pattern, and have a thermoelectric conversion module core shape in which an insulating material is interposed between the thermoelectric elements.
【００２５】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項４に記載しているように、集
熱側部材は、高温の排ガスを流すことができる円筒や角
筒などのごとき管形状をなしているものとしたことを特
徴としている。Similarly, in the embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention, as described in claim 4, the heat collecting side member is a cylinder or square tube through which high-temperature exhaust gas can flow. It is characterized by having a tubular shape.
【００２６】本発明に係わる熱電発電装置の製造方法
は、請求項５に記載しているように、集熱側部材と冷却
側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなる熱電発
電装置を製造するに際し、少なくとも電極側表面が絶縁
体で形成されていると共に前記絶縁体の表面に電極層が
形成された集熱側部材を製造する工程と、前記熱電素子
の低温端部を保持し且つ熱電素子の少なくとも高温端部
に端面金属層を形成した冷却側部材を製造する工程と、
前記集熱側部材の電極層と冷却側部材の端面金属層とを
圧接して集熱側部材と冷却側部材との間に複数の熱電素
子が配置されてなるものとする工程を経るようにしたこ
とを特徴としている。According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a thermoelectric generator, comprising a plurality of thermoelectric elements disposed between a heat collecting side member and a cooling side member. In manufacturing, a step of manufacturing a heat collecting side member in which at least the electrode side surface is formed of an insulator and an electrode layer is formed on the surface of the insulator, holding a low temperature end of the thermoelectric element And a step of manufacturing a cooling-side member having an end face metal layer formed at least at a high-temperature end of the thermoelectric element;
Through a process in which a plurality of thermoelectric elements are arranged between the heat collecting side member and the cooling side member by pressing the electrode layer of the heat collecting side member and the end face metal layer of the cooling side member. It is characterized by doing.
【００２７】そして、本発明に係わる熱電発電装置の製
造方法の実施態様においては、請求項６に記載している
ように、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されてい
ると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側
部材を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造
する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層
を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表
面に成膜法あるいは印刷法により電極層を形成する工程
を経るようにしたことを特徴としている。[0027] In an embodiment of the method of manufacturing a thermoelectric generator according to the present invention, at least the electrode side surface is formed of an insulator and the surface of the insulator is formed. In the step of manufacturing the heat collecting side member having the electrode layer formed thereon, a step of manufacturing the heat collecting side member with metal, and forming an insulating layer on at least a portion of the surface of the heat collecting side member where the electrode layer is formed. And a step of forming an electrode layer on the surface of the insulating layer by a film forming method or a printing method.
【００２８】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の製
造方法の実施態様においては、請求項７に記載している
ように、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されてい
ると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側
部材を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造
する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層
を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表
面に板状の電極層を接合する工程を経るようにしたこと
を特徴としている。Similarly, in an embodiment of the method for manufacturing a thermoelectric generator according to the present invention, at least the electrode side surface is formed of an insulator and the surface of the insulator is formed. In the step of manufacturing the heat collecting side member having the electrode layer formed thereon, a step of manufacturing the heat collecting side member with metal, and forming an insulating layer on at least a portion of the surface of the heat collecting side member where the electrode layer is formed. And a step of joining a plate-shaped electrode layer to the surface of the insulating layer.
【００２９】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の製
造方法の実施態様においては、請求項８に記載している
ように、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されてい
ると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側
部材を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造
する工程と、絶縁板の表面に成膜法あるいは印刷法によ
り電極層を形成するかまたは板状の電極層を接合して形
成する工程と、電極層が形成された絶縁板を集熱側部材
に接合する工程を経るようにしたことを特徴としてい
る。Similarly, in an embodiment of the method of manufacturing a thermoelectric generator according to the present invention, at least the electrode side surface is formed of an insulator and the surface of the insulator is formed. In the step of manufacturing the heat collecting side member having the electrode layer formed thereon, a step of manufacturing the heat collecting side member with a metal, and forming the electrode layer on the surface of the insulating plate by a film forming method or a printing method or forming a plate. And a step of joining the insulating plate on which the electrode layer is formed to a heat collecting side member.
【００３０】[0030]
【発明の作用】先に従来例として挙げた熱電変換モジュ
ールは、少なくとも一対以上の熱電素子と、これら熱電
素子の両端に形成された電極層から構成されたもので、
隣接する熱電素子同士の間に、絶縁や断熱を目的とした
絶縁断熱板や充填材が存在する場合もある。また、少な
くとも一方の電極層表面に絶縁層が形成されている場合
もある。The thermoelectric conversion module described above as a conventional example is composed of at least one pair of thermoelectric elements and electrode layers formed at both ends of the thermoelectric elements.
In some cases, an insulating heat insulating plate or a filler exists for the purpose of insulation or heat insulation between adjacent thermoelectric elements. In some cases, an insulating layer is formed on at least one electrode layer surface.
【００３１】しかしながら、熱電素子と電極層の界面で
は、電気的な接触抵抗を極力低減する必要があるため、
集熱側部材と冷却側部材の間に設置される前に、熱電素
子と電極が接合あるいは接着された構成となっている。However, at the interface between the thermoelectric element and the electrode layer, it is necessary to reduce the electrical contact resistance as much as possible.
Before being installed between the heat collecting side member and the cooling side member, the thermoelectric element and the electrode are joined or bonded.
【００３２】そのため、集熱側部材に多数のモジュール
を設置する場合は、集熱側部材とモジュール端の絶縁層
の間か、集熱側部材表面の絶縁層とモジュール端の電極
層の間を接触させて設置する構成となる。Therefore, when a large number of modules are installed on the heat collecting side member, the space between the heat collecting side member and the insulating layer on the module end or between the insulating layer on the surface of the heat collecting side member and the electrode layer on the module end is required. It is configured to be installed in contact.
【００３３】これに対し、本発明の熱電発電装置は、少
なくとも高温側では、絶縁性の集熱側部材か、あるい
は、金属製の集熱側部材の必要部分に絶縁層を形成した
表面に、所望のパターンで形成した電極層と、モジュー
ルコアあるいは熱電素子端面の端面金属層（メタライズ
層）を接合・接触させることによって、熱電素子を集熱
側部材と冷却側部材の間に設置する構成としたことを特
徴としている。On the other hand, the thermoelectric generator of the present invention has an insulating heat collecting member at least on the high temperature side, or a metal heat collecting member having a required portion formed with an insulating layer on the surface thereof. A configuration in which a thermoelectric element is installed between a heat collecting side member and a cooling side member by joining and contacting an electrode layer formed in a desired pattern with an end face metal layer (metallized layer) of a module core or a thermoelectric element end face; It is characterized by doing.
【００３４】本発明の熱電変換モジュールコアは、熱電
素子の少なくとも一方の端面に端面金属層（メタライズ
層）が形成された熱電素子が一対以上配列した構成で、
隣接する熱電素子同士の間は、絶縁断熱体や充填材など
で接着したものとすることができる。そして、モジュー
ルコア内の熱電素子の少なくとも一方の端面には、端面
金属層（メタライズ層）が形成されているものとしてい
るが、隣接する熱電素子と電気的な接続がとれている必
要はない。The thermoelectric conversion module core according to the present invention has a configuration in which at least one thermoelectric element in which an end face metal layer (metalized layer) is formed on at least one end face of the thermoelectric element is arranged.
Adjacent thermoelectric elements may be bonded with an insulating heat insulator or a filler. The end face metal layer (metallized layer) is formed on at least one end face of the thermoelectric element in the module core, but it is not necessary that the thermoelectric element is electrically connected to the adjacent thermoelectric element.
【００３５】本発明で用いる端面金属層は、熱電素子の
少なくとも高温端部に形成され、電気抵抗が熱電素子よ
り小さい層であり、熱電変換機能は有していない層であ
る。また、熱電発電装置の使用時の高温で、熱電素子と
端面金属層の界面で拡散反応が進行したり、剥離したり
しない耐熱性が必要であり、また、電極層と接触して電
気的導通が取れる電気接点の機能を有するものである。The end face metal layer used in the present invention is a layer formed at least at a high-temperature end of the thermoelectric element, has a lower electric resistance than the thermoelectric element, and does not have a thermoelectric conversion function. In addition, it is necessary to have heat resistance such that a diffusion reaction does not proceed or peel off at the interface between the thermoelectric element and the end face metal layer at a high temperature during use of the thermoelectric power generation device, and it is electrically connected to the electrode layer. It has the function of an electrical contact that can be taken.
【００３６】そのため、この端面金属層として、好まし
くは、熱電素子と接触抵抗が小さい電気的接合がとれる
第１層と、集熱側部材や冷却側部材にパターニングして
配置した電極層と電気的接合が取り易い第２層からなる
２層構造のものとすることも場合によっては望ましい。
そしてこの場合に、第１層としては、例えば、Ａｌ，Ｎ
ｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ等の金属やステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ）、インコネル、インコロイ、４２インバー、鉄ク
ロム、コバールなどの鉄合金、ニッケル合金などや、カ
ーボンなどを使用することができる。また、第２層とし
ては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄなどの金属やこれ
らの合金を使用することができる。そして、この場合の
端面金属層の第１層と第２層の間は、ろう材層などの接
合層や、溶接や圧接工程に伴う反応層が形成されている
ものとすることもできる。Therefore, as the end face metal layer, preferably, a first layer capable of making electrical contact with the thermoelectric element and having a low contact resistance, and an electrode layer patterned and arranged on the heat collecting side member and the cooling side member are electrically connected. In some cases, a two-layer structure composed of a second layer that can be easily joined is also desirable.
In this case, as the first layer, for example, Al, N
i, Ti, Mo, Ta, W and other metals and stainless steel (S
US), Inconel, Incoloy, 42 Invar, iron alloys such as iron chromium and Kovar, nickel alloys, carbon, and the like. Further, as the second layer, metals such as Cu, Ag, Au, Pt, and Pd and alloys thereof can be used. In this case, a joining layer such as a brazing material layer or a reaction layer associated with a welding or pressure welding step may be formed between the first and second end metal layers.
【００３７】本発明で用いる端面金属層は、この他に、
熱電素子と端面金属層の間に、熱膨張率の差を緩和する
目的や、拡散バリア層としての目的や、接合工程時のぬ
れ性を改善する目的などのために、第３層等の別の層を
形成することもできる。さらに、熱膨張率の差を緩和す
る目的で、熱電素子材料の成分の一部と端面金属層の成
分の一部が混在した組成傾斜して形成した層や、シリサ
イド相や炭化相などを混在させた層で、熱起電力が素子
材料の熱起電力の５０％以下となるような熱電発電出力
に対する寄与が小さい層などを形成したものとすること
もできる。The end face metal layer used in the present invention further includes
For the purpose of reducing the difference in the coefficient of thermal expansion between the thermoelectric element and the end face metal layer, as a diffusion barrier layer, and for improving the wettability at the time of the bonding step, a third layer or the like is used. Can also be formed. Furthermore, in order to reduce the difference in the coefficient of thermal expansion, a layer formed with a composition gradient in which some of the components of the thermoelectric element material and some of the components of the end face metal layer are mixed, and a silicide phase or a carbonized phase are mixed. It is also possible to form a layer having a small contribution to the thermoelectric power output such that the thermoelectromotive force is 50% or less of the thermoelectromotive force of the element material.
【００３８】熱電素子の端部に形成され、電気伝導度が
熱電素子より小さい層である本発明で用いる端面金属層
の厚みは、集熱側部材と冷却側部材の間にモジュールを
設置した場合に、合計で０．０５〜５ｍｍであるものと
することが好ましい。すなわち、０．０５ｍｍより薄い
場合は、発電装置内に多数形成される電極層と熱電素子
端部の電気的接点を全て良好に接触させて製造すること
が困難で、熱電発電装置全体として、断線したり、接触
不良箇所が発生したりする傾向となるため好ましくな
い。また、５ｍｍより厚い場合は、端面金属層内の構成
層数や組成などにも依存するが、端面金属層部分の熱抵
抗が増加するため、集熱側部材から熱電素子への熱伝達
効率が低下し、発電出力が小さくなってしまう傾向とな
るため好ましくない。The thickness of the end face metal layer used in the present invention, which is a layer formed at the end of the thermoelectric element and having a lower electric conductivity than the thermoelectric element, is determined when the module is installed between the heat collecting side member and the cooling side member. Preferably, the total thickness is 0.05 to 5 mm. That is, when the thickness is less than 0.05 mm, it is difficult to manufacture the electrode by making all the electrode layers formed in the power generation device and the electrical contacts at the ends of the thermoelectric element in good contact with each other. This is not preferable because of the tendency to cause contact and poor contact points. If the thickness is more than 5 mm, the heat transfer efficiency from the heat collection side member to the thermoelectric element is reduced because the thermal resistance of the end face metal layer increases, although it depends on the number of constituent layers in the end face metal layer and the composition. This is undesirable because the power generation output tends to decrease.
【００３９】本発明が適用される集熱側部材としては、
絶縁体を用いることができ、例えば、窒化アルミニウ
ム、窒化けい素、酸化アルミニウム等を用いることがで
きる。また、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの耐熱性に優
れた金属を用い、集熱側部材を兼ねる排気管を金属で形
成し、このような排気管などの金属製集熱側部材におい
て少なくとも電極を形成する表面部分に、ガラスなどの
絶縁性材料の溶射法，塗布法，ディッピング法，熱酸化
処理法などによって絶縁層を直接形成したものとするこ
とができる。そして、形成された絶縁層の表面に、例え
ば、蒸着法，スパッタ法，溶射法，めっき法，ペースト
印刷法などの成膜方法で所望パターンの電極層に形成す
ることができる。また、絶縁層表面に所望のパターンで
電極板をろう付けすることもできる。さらに、表面にあ
らかじめ電極パターンを成膜するかろう付けした窒化け
い素やアルミナなどのような絶縁板を集熱側部材の表面
にろう付け法や圧接法などにより接合することもでき
る。As the heat collecting side member to which the present invention is applied,
An insulator can be used; for example, aluminum nitride, silicon nitride, aluminum oxide, or the like can be used. In addition, using a metal having excellent heat resistance such as stainless steel (SUS), an exhaust pipe also serving as a heat collecting side member is formed of metal, and at least an electrode is formed on a metal heat collecting side member such as the exhaust pipe. An insulating layer can be directly formed on a surface portion to be formed by spraying, coating, dipping, thermal oxidation, or the like of an insulating material such as glass. Then, an electrode layer having a desired pattern can be formed on the surface of the formed insulating layer by a film forming method such as a vapor deposition method, a sputtering method, a thermal spraying method, a plating method, and a paste printing method. Further, the electrode plate can be brazed to the surface of the insulating layer in a desired pattern. Further, an insulating plate such as silicon nitride or alumina, on which an electrode pattern is formed or brazed in advance, may be joined to the surface of the heat collecting side member by a brazing method, a pressure welding method, or the like.
【００４０】また、本発明に係わる熱電発電装置の電極
層においても、熱電素子端部の端面金属層と良好に電気
的な接合をとるために、表面に、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐ
ｔ，Ｐｄなどの金属やこれらの合金からなる表面層を形
成することもできる。In the electrode layer of the thermoelectric generator according to the present invention, Cu, Ag, Au, P, and P are formed on the surface of the electrode layer in order to obtain good electrical connection with the end face metal layer at the end of the thermoelectric element.
A surface layer made of a metal such as t or Pd or an alloy thereof can also be formed.
【００４１】なお、ここでは、集熱側部材の表面の層構
成と、これと接触して設置される熱電変換モジュールコ
アの高温端部分の構成を例にとって説明したが、本発明
が適用される構成は、集熱側部材と高温端側の構成だけ
に限定されるものではなく、冷却側部材と低温端側の構
成にも適用することができる。Here, the layer configuration of the surface of the heat collecting side member and the configuration of the high temperature end portion of the thermoelectric conversion module core installed in contact with this have been described as an example, but the present invention is applied. The configuration is not limited to the configuration on the heat collecting side member and the high temperature end side, but can be applied to the configuration on the cooling side member and the low temperature end side.
【００４２】[0042]
【発明の効果】本発明による熱電発電装置では、請求項
１に記載しているように、集熱側部材と冷却側部材との
間に複数の熱電素子が配置されてなる熱電発電装置にお
いて、集熱側部材の少なくとも電極側表面が絶縁体で形
成され、前記絶縁体表面に電極層が形成された集熱側部
材の前記電極層と、前記熱電素子の低温端部を保持し且
つ熱電素子の少なくとも高温端部に端面金属層を形成し
た冷却側部材の前記端面金属層とが接合されて、集熱側
部材と冷却側部材との間に複数の熱電素子が配置されて
なる構成を有するものとしたから、少なくとも集熱側部
材から熱電素子の高温端部分までの間において熱伝導率
をより一層向上させたものとすることができ、これによ
り熱電素子の両端にかかる温度差をさらに大きくして、
発電出力がより増大する熱電発電装置を提供することが
可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。According to the present invention, there is provided a thermoelectric generator having a plurality of thermoelectric elements disposed between a heat collecting side member and a cooling side member. At least the electrode-side surface of the heat-collecting-side member is formed of an insulator, and the electrode layer of the heat-collecting-side member having an electrode layer formed on the insulator surface, and a low-temperature end of the thermoelectric element, and a thermoelectric element The end face metal layer of the cooling side member having the end face metal layer formed at least at the high temperature end is joined to the heat collection side member and the cooling side member, and a plurality of thermoelectric elements are arranged between the heat collection side member and the cooling side member. Therefore, it is possible to further improve the thermal conductivity at least from the heat collection side member to the high temperature end portion of the thermoelectric element, thereby further increasing the temperature difference applied to both ends of the thermoelectric element. do it,
A remarkably excellent effect is provided that it is possible to provide a thermoelectric generator in which the power generation output is further increased.
【００４３】そして、請求項２に記載しているように、
集熱側部材および冷却側部材のうち少なくとも集熱側部
材は金属からなり、集熱側部材と電極層との間のうち少
なくとも電極層が形成された領域に絶縁層が形成されて
いるものとすることによって、金属製集熱側部材により
集熱効率をかなり向上させたものとすることが可能であ
ると共に、集熱側部材の急激な昇降温に対しても、絶縁
層が剥離などして熱伝導効率が低下するおそれのない耐
熱性・耐熱衝撃性に優れた熱電発電装置を提供すること
が可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。And, as described in claim 2,
At least the heat collecting side member of the heat collecting side member and the cooling side member is made of metal, and the insulating layer is formed in at least the region where the electrode layer is formed between the heat collecting side member and the electrode layer. By doing so, it is possible to considerably improve the heat collection efficiency by using the metal heat collecting side member, and to prevent the insulating layer from peeling off even when the temperature of the heat collecting side member rapidly rises and falls. A remarkably excellent effect is obtained in that it is possible to provide a thermoelectric generator having excellent heat resistance and thermal shock resistance, which does not cause a reduction in conduction efficiency.
【００４４】さらにまた、請求項３に記載しているよう
に、熱電素子は、少なくとも高温端部に端面金属層が形
成され、一対以上のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が
所定のパターンに配列し、各熱電素子同士の間に絶縁材
が介在している熱電変換モジュールコア形状となってい
るものとすることによって、高温端部での耐熱性が良好
であると共に熱伝導率もかなり良好であるものとするこ
とができ、熱電変換効率がさらに向上した熱電発電装置
を提供することが可能であるという著しく優れた効果が
もたらされる。Further, as described in claim 3, the thermoelectric element has an end surface metal layer formed at least at a high temperature end, and a pair of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are formed in a predetermined pattern. By arranging and having a thermoelectric conversion module core shape with an insulating material interposed between each thermoelectric element, the heat resistance at the high temperature end is good and the thermal conductivity is also quite good And a remarkably excellent effect of being able to provide a thermoelectric generator with further improved thermoelectric conversion efficiency.
【００４５】さらにまた、請求項４に記載しているよう
に、集熱側部材は、高温の排ガスを流すことができる管
形状をなしているものとすることによって、自動車用エ
ンジンの排気管や燃焼炉の排気管などをそのまま集熱側
部材として適用してこの排気管に絶縁層を介して高温端
側の電極を形成した熱電変換装置とすることが可能であ
るとと共に、熱電素子や電極の部分に排ガスが直接接触
しないため排ガスによって腐食されることのない耐久性
の良好なる熱電変換装置とすることが可能であるという
著しく優れた効果がもたらされる。Further, as described in claim 4, the heat collecting side member is formed in a pipe shape through which high-temperature exhaust gas can flow, so that an exhaust pipe of an automobile engine and It is possible to use the exhaust pipe of a combustion furnace or the like as it is as a heat collecting side member to form a thermoelectric conversion device in which an electrode on the high-temperature end side is formed on the exhaust pipe via an insulating layer. Since the exhaust gas does not come into direct contact with the portion, there is an extremely excellent effect that it is possible to obtain a thermoelectric conversion device having good durability without being corroded by the exhaust gas.
【００４６】本発明による熱電発電装置の製造方法で
は、請求項５に記載しているように、集熱側部材と冷却
側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなる熱電発
電装置を製造するに際し、少なくとも電極側表面が絶縁
体で形成されていると共に前記絶縁体の表面に電極層が
形成された集熱側部材を製造する工程と、前記熱電素子
の低温端部を保持し且つ熱電素子の少なくとも高温端部
に端面金属層を形成した冷却側部材を製造する工程と、
前記集熱側部材の電極層と冷却側部材の端面金属層とを
圧接して集熱側部材と冷却側部材との間に複数の熱電素
子が配置されてなるものとする工程を経るようにしたか
ら、少なくとも集熱側部材から熱電素子の高温端部分ま
での間において熱伝導性がより一層向上した発電効率の
より高い熱電発電装置を製造することが可能であるとい
う著しく優れた効果がもたらされる。According to the method of manufacturing a thermoelectric generator according to the present invention, as described in claim 5, a thermoelectric generator in which a plurality of thermoelectric elements are arranged between a heat collecting side member and a cooling side member is provided. In manufacturing, a step of manufacturing a heat collecting side member in which at least the electrode side surface is formed of an insulator and an electrode layer is formed on the surface of the insulator, holding a low temperature end of the thermoelectric element, and A step of manufacturing a cooling side member having an end face metal layer formed at least at a high temperature end of the thermoelectric element,
Through a process in which a plurality of thermoelectric elements are arranged between the heat collecting side member and the cooling side member by pressing the electrode layer of the heat collecting side member and the end face metal layer of the cooling side member. Therefore, a remarkably excellent effect that it is possible to manufacture a thermoelectric generator having a higher power generation efficiency with further improved thermal conductivity at least from the heat collecting side member to the high temperature end portion of the thermoelectric element. It is.
【００４７】そして、請求項６に記載しているように、
少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると共に
前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材を製
造する工程において、集熱側部材を金属で製造する工程
と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層を形成す
る部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表面に成膜
法あるいは印刷法により電極層を形成する工程を経るよ
うになすことによって、絶縁層や電極層の形成を精度良
くそしてまた大量生産に適した手法により行うことが可
能であるという著しく優れた効果がもたらされる。And, as described in claim 6,
In the step of manufacturing a heat collecting side member in which at least the electrode side surface is formed of an insulator and an electrode layer is formed on the surface of the insulator, a step of manufacturing the heat collecting side member with a metal; An insulating layer is formed by performing a step of forming an insulating layer on at least a portion of the surface of the member where an electrode layer is to be formed, and a step of forming an electrode layer on the surface of the insulating layer by a film forming method or a printing method. And an electrode layer can be formed with high precision and by a method suitable for mass production.
【００４８】さらにまた、請求項７に記載しているよう
に、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると
共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材
を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造する
工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層を形
成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表面に
板状の電極層を接合する工程を経るようになすことによ
って、絶縁層や電極層の形成を精度良くそしてまた大量
生産に適した手法により行うことが可能であるという著
しく優れた効果がもたらされる。Further, as set forth in claim 7, a step of manufacturing a heat collecting side member having at least an electrode side surface formed of an insulator and having an electrode layer formed on the surface of the insulator. In, the step of manufacturing the heat collecting side member with metal, the step of forming an insulating layer on at least a portion of the surface of the heat collecting side member where the electrode layer is formed, and forming a plate-shaped electrode layer on the surface of the insulating layer By performing the joining step, an extremely excellent effect that the formation of the insulating layer and the electrode layer can be performed accurately and by a method suitable for mass production is brought about.
【００４９】さらにまた、請求項８に記載しているよう
に、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると
共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材
を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造する
工程と、絶縁板の表面に成膜法あるいは印刷法により電
極層を形成するかまたは板状の電極層を接合して形成す
る工程と、電極層が形成された絶縁板を集熱側部材に接
合する工程を経るようになすことによって、厚さ精度の
良好な電極層を絶縁板を介して集熱側部材に形成するこ
とが可能であるという著しく優れた効果がもたらされ
る。Further, as set forth in claim 8, a step of manufacturing a heat collecting side member having at least an electrode side surface formed of an insulator and having an electrode layer formed on the surface of the insulator. In, the step of manufacturing the heat collecting side member of metal, the step of forming an electrode layer on the surface of the insulating plate by a film forming method or a printing method or by joining a plate-shaped electrode layer, By performing the step of joining the formed insulating plate to the heat collecting side member, it is possible to form an electrode layer with good thickness accuracy on the heat collecting side member via the insulating plate. Excellent effect is brought.
【００５０】[0050]
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基いて詳細に
説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定され
ないことはいうまでもない。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. However, it goes without saying that the present invention is not limited to only such embodiments.
【００５１】（実施例１）図１は、本発明に係わる熱電
発電装置の一実施例を示し、排ガス流（図示手前方向か
ら奥行方向）と直角方向の断面の基本構成を示してい
る。この図１に示す熱電発電装置１において、内燃機関
などから排出される高温排ガスは集熱側部材である内筒
２の中を流れるものとなっている。Embodiment 1 FIG. 1 shows an embodiment of a thermoelectric generator according to the present invention, and shows a basic configuration of a cross section in a direction perpendicular to an exhaust gas flow (from the front to the back of the drawing). In the thermoelectric generator 1 shown in FIG. 1, high-temperature exhaust gas discharged from an internal combustion engine or the like flows through an inner cylinder 2 which is a heat collecting side member.
【００５２】そして、この内筒２の集熱面に対向する放
熱面が形成される扁平面を有した冷却側部材である外筒
３と、前記内筒２との間には熱電変換モジュールコア４
が複数配置されている。A thermoelectric conversion module core is provided between the inner cylinder 2 and the outer cylinder 3, which is a cooling-side member having a flat surface on which a heat-dissipating surface facing the heat collecting surface of the inner cylinder 2 is formed. 4
Are arranged.
【００５３】外筒３は上下に２分割されており、排ガス
流方向と平行に冷却水流路５をそなえていると共に、ボ
ルト固定用リブ３ａ，３ｂが一体で形成されていて、本
実施例で外筒３はアルミニウムにより形成されている。The outer cylinder 3 is vertically divided into two parts, has a cooling water flow path 5 parallel to the exhaust gas flow direction, and is formed integrally with bolt fixing ribs 3a, 3b. The outer cylinder 3 is formed of aluminum.
【００５４】一方、内筒２は、熱電変換モジュールコア
４を設置することができる平行な平坦部を２面有する楕
円形断面をなすものであって、内筒２の内側には排ガス
との熱交換効率を向上させるための集熱フィン２ａが形
成されていて、本実施例で内筒２はステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ）により形成されているものとしている。On the other hand, the inner cylinder 2 has an elliptical cross section having two parallel flat portions on which the thermoelectric conversion module core 4 can be installed. Heat collecting fins 2a for improving the exchange efficiency are formed, and in this embodiment, the inner cylinder 2 is made of stainless steel (SU).
S).
【００５５】この内筒２の平坦部には、絶縁層６として
アルミナ層が溶射法により７０μｍの厚さで密着して形
成してあり（なお、図１では、絶縁層６の存在を明確に
するため密着して表わされていない）、さらに絶縁層６
の表面に、電極層７としてＮｉ−Ｃｒ層が２００μｍの
厚さで形成してあり、この電極層７は設置した熱電変換
モジュールコア４内の熱電素子が全て電気的に直列に接
続されるパターンで溶射により形成してある。この電極
層７はその平面度を整えるため、平面研磨を行ったもの
としている。On the flat portion of the inner cylinder 2, an alumina layer is formed as an insulating layer 6 in close contact with a thickness of 70 μm by thermal spraying (FIG. 1 clearly shows the existence of the insulating layer 6). Are not shown in close contact with each other).
A Ni—Cr layer having a thickness of 200 μm is formed as an electrode layer 7 on the surface of the substrate, and the electrode layer 7 is a pattern in which the thermoelectric elements in the installed thermoelectric conversion module core 4 are all electrically connected in series. And formed by thermal spraying. The electrode layer 7 has been subjected to planar polishing in order to adjust its flatness.
【００５６】他方、熱電変換モジュールコア４は立方体
形状をなし、低温端の熱電素子端部には電極層８が直接
接合した構成となっていて、この電極層８に両面接着性
のあるシリコンゲルシートからなる緩衝材９の片面側を
接着すると共に緩衝材９の反対面側を外筒３に接着する
ことによって固定している。そして、熱電変換モジュー
ルコア４の高温端側には図２に示す工程で端面金属層１
３が形成してある。On the other hand, the thermoelectric conversion module core 4 has a cubic shape, and has a structure in which an electrode layer 8 is directly joined to the end of the thermoelectric element at the low temperature end. The cushioning member 9 is fixed by bonding one side of the cushioning member 9 and bonding the opposite side of the cushioning member 9 to the outer cylinder 3. Then, the end face metal layer 1 is formed on the high temperature end side of the thermoelectric conversion module core 4 in the step shown in FIG.
3 are formed.
【００５７】そして、熱電変換モジュールコア４上に内
筒２を収容した後もう一方の外筒３を設置し、ボルト固
定用リブ３ａ，３ｂの部分でボルト締めをして固定する
ことにより電極層７と端面金属層１３とを圧接した状態
とする。After the inner cylinder 2 is housed on the thermoelectric conversion module core 4, the other outer cylinder 3 is installed, and bolts are fixed at the bolt fixing ribs 3 a and 3 b to fix the electrode layer. 7 and the end face metal layer 13 are brought into pressure contact with each other.
【００５８】図２は、本実施例において設置した熱電変
換モジュールコア４の製作工程を示している。FIG. 2 shows a manufacturing process of the thermoelectric conversion module core 4 installed in this embodiment.
【００５９】まず、図２の（Ａ）に示すように、Ｂある
いはＰをドープしたＳｉ２Ｇｅ原料粉末１１ａをホット
プレスの型に詰めると共にその上部に厚さ３０μｍのＴ
ｉ箔１１ｂと厚さ１ｍｍのＷ板１１ｃを重ねてホットプ
レス焼成を行うことによってそれぞれｐ型とｎ型のＴｉ
・Ｗ層付き焼結体１１を形成した。このときのホットプ
レス焼成条件は、圧力２００ｋｇｆ／ｃｍ２、Ａｒ雰囲
気中で１１５０℃×２時間とした。First, as shown in FIG. 2A, a B or P-doped Si 2 Ge raw material powder 11a is packed in a hot press mold, and a 30 μm thick T 2 Ge
The i-type foil 11b and the 1 mm-thick W plate 11c are stacked and hot-pressed to form p-type and n-type Ti, respectively.
-The sintered body 11 with a W layer was formed. The hot press firing conditions at this time were 1150 ° C. × 2 hours in an Ar atmosphere under a pressure of 200 kgf / cm 2 .
【００６０】次いで、図２の（Ｂ）に示すように、それ
ぞれの図２の（Ａ）に示した焼結体１１を３．５ｍｍ角
×７ｍｍ高さの熱電素子１２に切断し、端面金属層（メ
タライズ層）１３を形成する側を粘着フィルム（図示せ
ず）上に接着して、交互に配列した。Next, as shown in FIG. 2B, each of the sintered bodies 11 shown in FIG. 2A was cut into thermoelectric elements 12 having a size of 3.5 mm × 7 mm, and the end face metal was cut. The side on which the layer (metallized layer) 13 was formed was adhered on an adhesive film (not shown) and arranged alternately.
【００６１】次に、図２の（Ｃ）に示すように、端面金
属層１３を設けない側の熱電素子１２の低温端側の端部
を加熱硬化型の無機系セメント溶液中に浸して加熱固化
することにより断熱絶縁体１４で固めた熱電素子束１５
を形成した。Next, as shown in FIG. 2C, the lower end of the thermoelectric element 12 on which the end face metal layer 13 is not provided is immersed in a thermosetting inorganic cement solution and heated. Thermoelectric element bundle 15 solidified by heat insulating insulator 14 by solidification
Was formed.
【００６２】次いで、図２の（Ｄ）に示すように、低温
端面を研磨して熱電素子束１５の高さを整えた後Ｗ層
（１１ｃ）上にＡｕ層１１ｄを２μｍの厚さで蒸着して
Ｔｉ層（１１ｂ），Ｗ層（１１ｃ），Ａｕ層１１ｄの３
層からなる端面金属層（メタライズ層）１３を形成し
た。Then, as shown in FIG. 2D, the low-temperature end face is polished to adjust the height of the thermoelectric element bundle 15, and then an Au layer 11d is deposited to a thickness of 2 μm on the W layer (11c). The three layers of the Ti layer (11b), the W layer (11c), and the Au layer 11d
An end face metal layer (metallized layer) 13 composed of a layer was formed.
【００６３】さらに、図２の（Ｅ）に示すように、熱電
素子束１５の低温端側には、Ｃｕ板からなる電極層８を
Ａｇ系ろう材によりろう付け接合することによって、図
２の（Ｆ）に示すごとき熱電変換モジュールコア４を作
成した。Further, as shown in FIG. 2E, an electrode layer 8 made of a Cu plate is brazed to the low-temperature end side of the thermoelectric element bundle 15 with an Ag-based brazing material, thereby obtaining the structure shown in FIG. A thermoelectric conversion module core 4 as shown in FIG.
【００６４】このような構造の熱電変換モジュールコア
４を４８個設置し、全モジュールコア４を電極層７，８
を介して、電気的に直列に接続して図１に示した熱電発
電装置１を作成した。そして、熱電発電装置１の内筒２
の自動車エンジンからの排気ガスを導入し、外筒３の冷
却水流路５に冷却水を流して発電テストを行ったとこ
ろ、エンジンの走行モードに相当する回転数やトルクに
応じて約５０Ｗで繰り返し発電することができた。Forty-eight thermoelectric conversion module cores 4 having such a structure are provided, and all the module cores 4 are connected to the electrode layers 7 and 8.
Were electrically connected in series to form the thermoelectric generator 1 shown in FIG. And the inner cylinder 2 of the thermoelectric generator 1
The exhaust gas from the automobile engine was introduced and the cooling water was flowed through the cooling water flow path 5 of the outer cylinder 3 to perform a power generation test. The power generation test was repeated at about 50 W according to the rotation speed and the torque corresponding to the running mode of the engine. I was able to generate electricity.
【００６５】（比較例１）ＢあるいはＰをドープしたＳ
ｉ２Ｇｅ原料粉末をホットプレスの型に詰めてホットプ
レス焼成を行うことによって、それぞれ端面金属層の形
成されていないｐ型とｎ型の焼結体を形成した。このと
きの焼成条件は実施例１と同様にした。Comparative Example 1 S doped with B or P
The i 2 Ge raw material powder was packed in a hot press mold and baked by hot press to form p-type and n-type sintered bodies each having no end face metal layer. The firing conditions at this time were the same as in Example 1.
【００６６】次いで、それぞれの焼結体を３．５ｍｍ角
×７ｍｍ高さの熱電素子に切断し、実施例１と同様の工
程で同じ素子対数からなる熱電素子束を作成した。Next, each sintered body was cut into thermoelectric elements of 3.5 mm square × 7 mm height, and a thermoelectric element bundle having the same number of element pairs was prepared in the same process as in Example 1.
【００６７】そしてさらに実施例１と同様にして熱電素
子束の低温端側にＣｕ板からなる電極をＡｇ系ろう材に
よりろう付けすることによって熱電変換モジュールコア
を作成した。Further, a thermoelectric conversion module core was prepared by brazing an electrode made of a Cu plate to the low-temperature end side of the thermoelectric element bundle with an Ag-based brazing material in the same manner as in Example 1.
【００６８】次に、上記のごとく熱電素子の高温端側に
端面金属層が形成されていない熱電変換モジュールコア
４８個を実施例１と同様の内筒と外筒の間に設置し、実
施例１と同様の方法で発電テストを行ったところ、発電
出力として約１Ｗしか発電することができなかった。Next, 48 thermoelectric conversion module cores having no end face metal layer formed on the high temperature end side of the thermoelectric element as described above are installed between the inner cylinder and the outer cylinder as in the first embodiment. When a power generation test was performed in the same manner as in Example 1, only about 1 W could be generated as a power generation output.
【００６９】この比較例１の場合には、熱電変換モジュ
ールコアの高温端部において熱抵抗が高いために熱電素
子部分での温度差が小さく、発電電圧が低下したととも
に、電気抵抗も高いため熱電変換モジュールコアの発電
電流値も低下する結果となった。In the case of Comparative Example 1, the thermal resistance was high at the high-temperature end of the thermoelectric conversion module core, so that the temperature difference in the thermoelectric element portion was small, the generated voltage was reduced, and the electrical resistance was high. The power generation current value of the conversion module core also decreased.
【００７０】（実施例２）実施例２による熱電発電装置
の製造工程を図３に示す。まず、図３の（Ａ）に示すよ
うに、２０ｍｍ角の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板か
らなる絶縁層６の上に、図２に示した熱電変換モジュー
ルコア４内の熱電素子１２が全て電気的に直列に接続さ
れる電極パターンにして、Ａｕパッド付のＣｕ−Ｎｉ合
金からなる電極層（板）７をニッケルろう材でろう付け
接合することによって、図３の（Ｂ）に示すような高温
端電極付きの絶縁層６を形成した。(Embodiment 2) A manufacturing process of a thermoelectric generator according to Embodiment 2 is shown in FIG. First, as shown in FIG. 3A, the thermoelectric elements 12 in the thermoelectric conversion module core 4 shown in FIG. 2 are all electrically connected on the insulating layer 6 made of a 20 mm square aluminum nitride (AlN) substrate. An electrode pattern (plate) 7 made of a Cu-Ni alloy with an Au pad is brazed and joined with a nickel brazing material to form an electrode pattern connected in series to the high temperature as shown in FIG. An insulating layer 6 with end electrodes was formed.
【００７１】次いで、図３の（Ｃ）に示すように、実施
例１と同様の内筒２の平坦部分の上下両面に、Ｔｉ添加
した銀ろうによって前記電極層７付きの絶縁層６をろう
付け接合した。Next, as shown in FIG. 3 (C), the insulating layer 6 with the electrode layer 7 is soldered on both upper and lower surfaces of the flat portion of the inner cylinder 2 similar to the first embodiment by using silver solder containing Ti. And joined.
【００７２】一方、図３の（Ｄ）に示すように、実施例
１と同様の高温端面に端面金属層１３を形成した熱電変
換モジュールコア４を粘着性のある緩衝材９を用いて外
筒３に貼着したのち、図３の（Ｅ）に示すように、図３
の（Ｃ）に示した内筒２の下部側の電極層７と図３の
（Ｄ）に示した下部側の外筒３の端面金属層１３とを圧
着し、さらには図３の（Ｅ）に示した内筒２の上部側の
電極層７と図３の（Ｆ）に示した上部側の外筒３の端面
金属層１３とを圧着することによって、図３の（Ｇ）に
示す熱電変換装置１を製造した。On the other hand, as shown in FIG. 3D, a thermoelectric conversion module core 4 having an end face metal layer 13 formed on a high-temperature end face similar to that of the first embodiment is attached to an outer cylinder using an adhesive cushioning material 9. 3 and then, as shown in FIG.
3 (C) and the end surface metal layer 13 of the lower outer cylinder 3 shown in FIG. 3 (D) are crimped, and further the electrode layer 7 shown in FIG. 3) by crimping the electrode layer 7 on the upper side of the inner cylinder 2 shown in FIG. 3) and the end face metal layer 13 of the outer cylinder 3 on the upper side shown in FIG. 3 (F). The thermoelectric conversion device 1 was manufactured.
【００７３】本実施例においては、熱電素子１６個から
なる熱電変換モジュールコア４を２面ある平坦部分にそ
れぞれ４行×６列の配列として設置したが、本発明によ
る熱電発電装置は、モジュールコア内の熱電素子数や、
モジュールコアの配列数ないしは配列形態（縦横の整
列，斜めの整列等）などに限定されるものではない。ま
た、内筒２の平坦部が４面ある角型や、６面ある６角形
型等の内筒２を使用することもできる。さらにまた、内
筒２の寸法・形状や熱電素子１２の寸法・形状によって
は、モジュールコアを形成せず、熱電素子１２を外筒３
と内筒２の間に配置することもできる。さらにまた、熱
電変換モジュールコア４の外筒表面への設置位置を制御
する目的で、外筒に溝加工を行うこともできる。さら
に、上記実施例では、水冷型の熱電発電装置を示した
が、放熱フィンが一体成形されている外筒を用いた空冷
型の熱電発電装置とすることもでき、本発明による技術
思想の範囲内で種々の構造のものを採用することができ
る。In this embodiment, the thermoelectric conversion module cores 4 each composed of 16 thermoelectric elements are arranged on two flat portions in an array of 4 rows × 6 columns, respectively. The number of thermoelectric elements in the
The present invention is not limited to the number or arrangement of the module cores (vertical and horizontal alignment, diagonal alignment, etc.). Further, the inner cylinder 2 such as a square type having four flat portions and a hexagonal type having six flat portions can be used. Further, depending on the size and shape of the inner cylinder 2 and the size and shape of the thermoelectric element 12, the thermoelectric element 12 is not formed in the outer cylinder 3 without forming the module core.
And the inner cylinder 2. Further, a groove can be formed in the outer cylinder for the purpose of controlling the installation position of the thermoelectric conversion module core 4 on the outer cylinder surface. Furthermore, in the above embodiment, a water-cooled thermoelectric generator was shown, but an air-cooled thermoelectric generator using an outer cylinder in which radiation fins are integrally formed may be used. Various structures can be adopted.
【図１】本発明の実施例１における熱電発電装置の排ガ
ス流と直角方向の基本的断面構造を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a basic cross-sectional structure in a direction perpendicular to an exhaust gas flow of a thermoelectric generator in Embodiment 1 of the present invention.
【図２】熱電変換モジュールコアの製造工程を（Ａ）〜
（Ｆ）に分けて示す斜面説明図である。FIGS. 2A to 2C show a manufacturing process of a thermoelectric conversion module core;
It is a slope explanatory view shown separately to (F).
【図３】本発明の実施例２における熱電発電装置の製造
工程を（Ａ）〜（Ｇ）に分けて示す断面説明図である。FIG. 3 is an explanatory cross-sectional view showing the steps of manufacturing the thermoelectric generator according to Embodiment 2 of the present invention divided into (A) to (G).
【図４】従来の排熱発電装置を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory view showing a conventional exhaust heat power generation device.
１ 熱電発電装置 ２ 内筒（集熱側部材） ３ 外筒（冷却側部材） ４ 熱電変換モジュールコア ５ 冷却水流路 ６ 絶縁層 ７ 電極層 ８ 電極層 ９ 緩衝材 １１ Ｔｉ・Ｗ層付き焼結体 １２ 熱電素子 １３ 端面金属層 １４ 断熱絶縁体 １５ 熱電素子束 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric generator 2 Inner cylinder (heat collecting side member) 3 Outer cylinder (cooling side member) 4 Thermoelectric conversion module core 5 Cooling water channel 6 Insulating layer 7 Electrode layer 8 Electrode layer 9 Buffer material 11 Sintered with Ti / W layer Body 12 thermoelectric element 13 end face metal layer 14 heat insulating insulator 15 thermoelectric element bundle
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古 谷 健 司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kenji Furuya 2 Nissan Motor Co., Ltd., Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa
Claims (8)
熱電素子が配置されてなる熱電発電装置において、集熱
側部材の少なくとも電極側表面が絶縁体で形成され、前
記絶縁体表面に電極層が形成された集熱側部材の前記電
極層と、前記熱電素子の低温端部を保持し且つ熱電素子
の少なくとも高温端部に端面金属層を形成した冷却側部
材の前記端面金属層とが接合されて、集熱側部材と冷却
側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなることを
特徴とする熱電発熱装置。1. A thermoelectric generator in which a plurality of thermoelectric elements are arranged between a heat collecting side member and a cooling side member, wherein at least the electrode side surface of the heat collecting side member is formed of an insulator. The electrode layer of the heat collecting side member having an electrode layer formed on the surface thereof; and the end face metal of the cooling side member holding a low temperature end of the thermoelectric element and forming an end face metal layer at least at a high temperature end of the thermoelectric element. A thermoelectric heating device in which layers are joined and a plurality of thermoelectric elements are arranged between a heat collecting side member and a cooling side member.
くとも集熱側部材は金属からなり、集熱側部材と電極層
との間のうち少なくとも電極層が形成された領域に絶縁
層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
熱電発電装置。2. The heat collecting side member and the cooling side member, at least the heat collecting side member is made of metal, and the insulating layer is formed between the heat collecting side member and the electrode layer at least in a region where the electrode layer is formed. The thermoelectric generator according to claim 1, wherein:
金属層が形成され、一対以上のｐ型熱電素子およびｎ型
熱電素子が所定のパターンに配列し、各熱電素子同士の
間に絶縁材が介在している熱電変換モジュールコア形状
となっていることを特徴とする請求項１または２に記載
の熱電発電装置。3. The thermoelectric element has an end face metal layer formed at least at a high-temperature end portion, at least one pair of a p-type thermoelectric element and an n-type thermoelectric element are arranged in a predetermined pattern, and an insulating material is provided between the thermoelectric elements. 3. The thermoelectric generator according to claim 1, wherein the thermoelectric generator has a thermoelectric conversion module core shape in which is interposed.
ができる管形状をなしていることを特徴とする請求項１
ないし３のいずれかに記載の熱電発電装置。4. The heat collecting side member has a tubular shape through which high-temperature exhaust gas can flow.
4. The thermoelectric generator according to any one of claims 1 to 3.
熱電素子が配置されてなる熱電発電装置を製造するに際
し、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると
共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材
を製造する工程と、前記熱電素子の低温端部を保持し且
つ熱電素子の少なくとも高温端部に端面金属層を形成し
た冷却側部材を製造する工程と、前記集熱側部材の電極
層と冷却側部材の端面金属層とを圧接して集熱側部材と
冷却側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなるも
のとする工程を経ることを特徴とする熱電発電装置の製
造方法。5. When manufacturing a thermoelectric generator in which a plurality of thermoelectric elements are arranged between a heat collecting side member and a cooling side member, at least the electrode side surface is formed of an insulator and the insulator is formed. Manufacturing a heat collecting side member having an electrode layer formed on a surface thereof; and manufacturing a cooling side member holding a low temperature end of the thermoelectric element and forming an end face metal layer at least at a high temperature end of the thermoelectric element. And a step in which a plurality of thermoelectric elements are arranged between the heat collecting side member and the cooling side member by pressing the electrode layer of the heat collecting side member and the end face metal layer of the cooling side member. A method of manufacturing a thermoelectric power generation device.
れていると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された
集熱側部材を製造する工程において、集熱側部材を金属
で製造する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも
電極層を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁
層の表面に成膜法あるいは印刷法により電極層を形成す
る工程を経ることを特徴とする請求項５に記載の熱電発
電装置の製造方法。6. A step of manufacturing a heat-collecting member in which at least an electrode-side surface is formed of an insulator and an electrode layer is formed on the surface of the insulator, wherein the heat-collecting member is formed of metal. And a step of forming an insulating layer on at least a portion of the surface of the heat collecting side member where the electrode layer is to be formed, and a step of forming an electrode layer on the surface of the insulating layer by a film forming method or a printing method. The method for manufacturing a thermoelectric generator according to claim 5.
れていると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された
集熱側部材を製造する工程において、集熱側部材を金属
で製造する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも
電極層を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁
層の表面に板状の電極層を接合する工程を経ることを特
徴とする請求項５に記載の熱電発電装置の製造方法。7. A method of manufacturing a heat collecting member in which at least an electrode side surface is formed of an insulator and an electrode layer is formed on the surface of the insulating material, wherein the heat collecting side member is formed of metal. And a step of forming an insulating layer on at least a part of the surface of the heat collecting side member where the electrode layer is to be formed, and a step of joining a plate-shaped electrode layer to the surface of the insulating layer. 6. The method for manufacturing a thermoelectric generator according to 5.
れていると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された
集熱側部材を製造する工程において、集熱側部材を金属
で製造する工程と、絶縁板の表面に成膜法あるいは印刷
法により電極層を形成するかまたは板状の電極層を接合
して形成する工程と、電極層が形成された絶縁板を集熱
側部材に接合する工程を経ることを特徴とする請求項５
に記載の熱電発電装置の製造方法。8. A step of manufacturing a heat collecting member in which at least an electrode side surface is formed of an insulator and an electrode layer is formed on the surface of the insulator, wherein the heat collecting side member is formed of metal. And forming an electrode layer on the surface of the insulating plate by a film forming method or a printing method or by joining a plate-shaped electrode layer, and joining the insulating plate on which the electrode layer is formed to a heat collecting side member. 6. A step of performing
3. The method for manufacturing a thermoelectric generator according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10129125A JPH11330568A (en) | 1998-05-12 | 1998-05-12 | Thermoelectric power generation device and its manufacture |
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|---|---|---|---|
| JP10129125A JPH11330568A (en) | 1998-05-12 | 1998-05-12 | Thermoelectric power generation device and its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11330568A true JPH11330568A (en) | 1999-11-30 |
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|---|---|
| JP (1) | JPH11330568A (en) |
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