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JP5662490B2 - 熱電変換装置 - Google Patents

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JP5662490B2
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Description

本発明は、電変換装置に関する。
以前より、ゼーベック効果を利用して、熱を電気に変換する熱電変換装置が存在する。熱電変換装置には、温度勾配を与えることで起電力を発生する半導体からなる熱電変換材料が用いられる。半導体の熱電変換材料には、導電型の違いによりp型熱電変換材料とn型熱電変換材料とがある。p型熱電変換材料とn型熱電変換材料とでは、温度勾配の方向が同一の場合に、起電力の向きが逆転する。
図9は従来の一般的な熱電変換装置を示す。一般的な熱電変換装置は、複数のp型熱電変換材料501および複数のn型熱電変換材料502と、隣接する各組のp型熱電変換材料501およびn型熱電変換材料502の2つの端部をそれぞれ電気的に接続する複数の電極601と、を具備する。複数のp型熱電変換材料501、複数のn型熱電変換材料502、および複数の電極601は、例えばセラミック基板604に覆われて固定される。そして、外部接続端子602,603が一端の電極と他端の電極とに接続されて電力を出力する。
従来、熱電変換装置における熱電変換材料を様々な形態にする提案がなされている。
例えば、特許文献1には、多孔性耐熱絶縁体の貫通孔の内壁面にp型熱電変換材料またはn型熱電変換材料を膜状に設けた構成が開示されている(特許文献1の図1を参照)。また、特許文献1には、p型熱電変換材料またはn型熱電変換材料が内壁面に形成される貫通孔を、円錐台状にした構成が開示されている(特許文献1の図3を参照)。
特許文献2、3には、柔軟性を有するハニカム構造体の多数の貫通孔にn型熱電変換材料とp型熱電変換材料とが交互に挿入されている熱電変換モジュールが開示されている。この熱電変換モジュールでは、n型熱電変換材料とp型熱電変換材料との各端面が金属片を介して接続されている。
特開平6−097514号公報 特開平9−199765号公報 米国特許第5952728号明細書
従来の一般的な熱電変換装置は、柔軟性を有さないブロック状または板状の構成であったため、様々な形状の熱源に対して柔軟に取り付けることができなかった。また、熱電変換装置を小型のブロックに分割して様々な形状の熱源に取り付けた場合、例えば円柱状の熱源に小型のブロック形状の複数の熱源変換装置を取り付ける場合のように、熱源に接する熱電変換材料の密度が低下し、熱の利用効率が低下するという課題が生じる。
本発明の目的は、様々な形状の熱源に対して、熱電変換材料を高密度に配列して柔軟に取り付けることが可能な電変換装置を提供することである。
本発明の一態様に係る熱電変換装置は、中空部を有する筒状の熱電変換材料からなる第1熱電変換素子と、前記第1熱電変換素子と伝導型が異なり、前記中空部に固定される熱電変換材料からなる第2熱電変換素子と、を各々が具備する複数の熱電変換モジュールを具備し、前記複数の熱電変換モジュールは、前記中空部を連ねる向きで連結および電気的に接続されている構成を採る。
本発明によれば、様々な形状の熱源に対して、熱電変換材料を高密度に配列して柔軟に取り付けることができる。
本発明の実施の形態の熱電変換モジュールに使用される熱電変化素子を示す図であり、図1(A)はその縦断面図、図1(B)は平面図 図1の熱電変換素子の製造方法の一例を説明する図 本発明の実施の形態の熱電変換モジュールを示す、(A)縦断面図および(B)平縦断面図 本発明の実施の形態の熱電変換モジュールの変形例を示す縦断面図 本発明の実施の形態1の熱電変換装置を示す図 実施の形態1の熱電変換装置における隣接する2つの熱電変換モジュールの接続例の一つを示す模式図 実施の形態1の熱電変換素子における隣接する2つの熱電変換モジュールの接続例の一つを示す模式図 本発明の実施の形態2の熱電変換装置を示す図 従来の熱電変換装置の一例を示す構成図
以下、本発明の各実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1の熱電変換モジュールに使用される熱電変換素子を示す図であり、(A)はその縦断面図、(B)は平面図である。
[熱電変換素子]
まず、本発明の実施の形態1の熱電変換モジュールの構成要素となる熱電変換素子100について説明する。
熱電変換素子100は、中空部103を有する筒状の構成であり、筒状の耐熱性絶縁材料102と、筒状の熱電変換材料101とから構成される。
熱電変換材料101、耐熱性絶縁材料102、および熱電変換素子100は、ともにテーパーを有する筒形状をしている。テーパーを有することで、後述する熱電変換モジュールの製造が容易となる。ただし、製造方法の容易さが不要であれば、このテーパーは無くても良い。
耐熱性絶縁材料102は、管状の材料であり、空洞を有し、両端が開口している。
耐熱性絶縁材料102は、素子の使用時における高温部の温度、および、熱電変換材料の融点においても安定的に形状を保つ耐熱性を有する。
また、耐熱性絶縁材料102は、素子の使用時における熱電変換材料101の電流を遮断する絶縁性を有する。耐熱性絶縁材料102は、熱電変換材料101を収容することができ、耐熱性と絶縁性とを有すればよい。耐熱性絶縁材料102は、モジュールにおいて素子を高い密度で配列させる観点から、筒状であることが好ましい。耐熱性絶縁材料102の材料としては、例えば、シリカ、アルミナ等の金属酸化物、耐熱ガラス、石英、が挙げられる。耐熱性絶縁材料102の材料は、耐熱性の観点によれば石英が好ましく、さらにコストを考慮すると耐熱ガラスが好ましい。
耐熱性絶縁材料102は、熱源へ取り付ける際の柔軟性および高密度性を確保するために、軸方向の長さが、1.0〜3.0mmであることが好ましく、1.0〜2.0mmであることがより好ましく、1.5〜2.0mmであることがさらに好ましい。
また、耐熱性絶縁材料102は、最大内径d1と最大外径d2とが、例えば、1.8〜3.2mm、3〜4.4mm程度のものを利用することができる。大径の耐熱性絶縁材料102と小径の耐熱性絶縁材料102とを組み合わせた場合、大径の熱電変換素子100の中に小径の熱電変換素子100を配置することが可能となる。
熱電変換材料101は、p型の熱電変換材料、または、n型の熱電変換材料である。
熱電変換材料101としては、使用時に生じる温度差に応じて、材料を選ぶことができる。熱電変換材料101としては、例えば、使用時の温度差が常温から500Kまでであればビスマス・テルル系(Bi−Te系)が採用できる。また、熱電変換材料101としては、使用時の温度差が常温から800Kまでであれば鉛・テルル系(Pb−Te系)が、使用時の温度差が常温から1,000Kまでであればシリコン・ゲルマニウム系(Si−Ge系)が採用できる。
また、p型の熱電変換材料とn型の熱電変換材料とは、例えば、上記の熱電変換材料に適宜なドーパントを添加することによって得ることができる。p型の熱電変換材料を得るための負ドーパントとしては、例えばSbが挙げられる。n型の熱電変換材料を得るためのドーパントとしては、例えばSeが挙げられる。これらのドーパントの添加によって熱電変換材料は混晶を形成する。従って、これらのドーパントは、例えば「Bi0.5Sb1.5Te」や「BiTe2.7Se0.3」のような熱電変換材料の組成式で表される程度の量で、熱電変換材料に添加される。
[熱電変換素子の製造方法]
続いて、上述の熱電変換素子の製造方法の一例を説明する。
図2は、図1の熱電変換素子の製造方法の一例を説明する図である。
熱電変換素子を製造するには、まず、中空筒状の耐熱性絶縁材料102を準備する。耐熱性絶縁材料102としては、ガラス、特に耐熱ガラス(SiO2とB2O3を混合したホウケイ酸ガラスの一種で、熱膨張率は約3×10−6/K程度の材料)を使用することができる。本実施の形態では、全長Lが150mm、内径d1と外径d2がそれぞれ、1.8mm、3mmである耐熱性絶縁材料102を採用している。
次に、耐熱性絶縁材料102の一端に配管を介して減圧装置201を接続する。そして、予め非酸化雰囲気に置換された融解炉202内の坩堝204を所定の温度まで加熱し、熱電変換材料101を溶融状態にする。具体的には、熱電変換材料101をコイル203から発せられる磁界の作用で誘導加熱し、外周部と内周部の温度差及び融液上下での温度差により対流を発生させ、坩堝204内の融液を均質に攪拌する。
続いて、融解炉202の上部より耐熱性絶縁材料102を挿入し、所定の温度に保持された予備加熱領域205にて所定の時間保持する。その後、耐熱性絶縁材料102を耐熱性絶縁材料102の一端を坩堝204へ浸漬し、減圧装置201によって負圧を発生させ、耐熱性絶縁材料102の内部へ溶融した熱電変換材料101を導入する。本実施の形態においては、熱電変換材料101としては、Bi2Te3系材料を採用している。
耐熱性絶縁材料102内へ熱電変換材料101を充填すると、耐熱性絶縁材料102の予備加熱された温度に応じて熱電変換材料101が固化し、結晶状態が決定される。熱電変換材料101に流動がなければ、熱電変換材料101の固化は耐熱性絶縁材料102の温度にのみによって決定し、結晶の優先成長方向は耐熱性絶縁材料102の内壁面に垂直な方向となる。
しかしながら、固化していく際、熱電変換材料101に流動があれば、結晶の優先成長方向は、冷却方向と流動方向とが合成した方向となり、この方向に配向された結晶構造を得ることができる。
結晶の配向方向は、熱電変換材料101の熱電変換特性に影響する。よって、熱電変換材料101の吸引速度と冷却速度とを制御することで、結晶の配向方向を制御して、配向方向に関わる熱電変換特性を制御することが可能となる。
耐熱性絶縁材料102を通して吸い上げられた熱電変換材料101は、耐熱性絶縁材料102の中心部にいくほど高温となり、流動が抑制されない。これにより、吸い上げる速度を早くしていくと中央が空洞となり、筒の内壁面に熱電変換材料が膜状に固化された構成を得ることができる。
そして、この構成を所定の長さに切断することで、図1の熱電変換素子が形成される。p型の熱電変換材料を使用することで、p型熱電変換素子が形成され、n型の熱電変換材料を使用することで、n型熱電変換素子が形成される。
[熱電変換モジュール]
図3(A)、(B)は、本発明の実施の形態1の熱電変換モジュールを示すもので、図3(A)はその縦断面図、図3(B)は平面図である。
本発明の実施の形態1の熱電変化モジュール120は、上述した熱電変換素子100、および、これより小径の熱電変換素子110を具備する。小径の熱電変換素子110は、熱電変換素子100の内側に配置される。
内側の熱電変換素子110は、中空部113を有する筒状で、外周面および内周面にテーパーが付加された熱電変換材料111から構成される。熱電変換材料111には、例えばp型半導体からなる熱電変換材料(p型熱電変換材料と呼ぶ)が用いられている。
内側の熱電変換素子110は、例えば、図2で説明した製造方法によって、中空筒状でテーパーを有するp型熱電変換材料を形成したのち、外側の耐熱性絶縁材料102を取り除くことで製造することができる。
内側の熱電変換素子110は、外側の熱電変換素子100の中空部103に固定されている。特に制限されないが、小径の熱電変換素子110の軸方向の一端および他端は、配線接続を容易にするために、外側の熱電変換素子100の端よりはみ出している。
外側の熱電変換素子100には、熱電変換材料101として、n型半導体からなる熱電変換材料(n型熱電変換材料と呼ぶ)が用いられている。なお、外側の熱電変換素子100と内側の熱電変換素子110とは、熱電変換材料101,111の導電型が互いに異なればよく、外側の熱電変換素子100にp型熱電変換材料を採用し、内側の熱電変換素子110にn型熱電変換材料を採用してもよい。
内側の熱電変換素子110は、接合部112を介して熱電変換素子100の内壁面に固着されている。接合部112には、導電性を有する材料、或いは、絶縁性を有する材料が充填される。2つの熱電変換材料101,111を、この部分で電気的に接続する場合には、導電性を有する材料を使用すればよく、また、この部位の電気的な接続が不要な場合には、絶縁性を有する材料を使用すればよい。
なお、2つの熱電変換素子100,110が、物理的な接触のみで接合される場合には、両者を固着するための接合部112を省略してもよい。
また、接合部112での電気的な接続が不要な場合には、内側に配置される熱電変換素子110も、外側の熱電変換素子100と同様に、周囲を耐熱性絶縁材料が覆った構成としてもよい。
図4は、本発明の実施の形態の熱電変換モジュールの変形例を示す縦断面図である。
また、図4の熱電変換モジュール120Aに示すように、内側の熱電変換素子110Aは、中空部113を有さない円錐台状の熱電変換材料111Aから構成することもできる。
図3の熱電変換モジュール120では、内側の熱電変換素子110が中空部113を有することで、熱電変換材料111の内壁面に電極を設けることが可能になる。しかし、熱電変換材料111の軸方向の端部に電極を設ける場合には、図4に示すように、中空部が無くてもよい。
[熱電変換装置]
(実施の形態1)
図5は、本発明の実施の形態1の熱電変換装置を示すもので、図5(A)はその平面図、図5(B)は、熱源のパイプに取り付けた状態を示す説明図である。
本実施の形態1の熱電変換装置300は、図5(A)に示すように、複数の熱電変換モジュール120を軸方向に連結してなるモジュール列を有している。軸方向とは、各熱電変換素子100の中空部103が連なる方向である。また、この連結は、柔軟性を有する連結である。
さらに、この熱電変換装置300では、柔軟性を有する帯体301に、上記のモジュール列が複数並列に固定されている。
実施の形態1の熱電変換装置300は、図5(B)に示すように、パイプ400などの熱源に対して、らせん状に巻き付けて使用することができる。
[電極構成]
図6および図7は、実施の形態1の熱電変換装置における隣接する2つの熱電変換モジュールの接続例の一つを示す模式図である。
図6および図7においては、各熱電変換モジュール120の熱電変換材料101,111および電極J1〜J4以外の構成は省略している。また、熱が加えられた場合に熱電変換材料101,111に生じる起電力を矢印で示している。
熱電変換モジュール120の電極構成は、熱電変換材料101,111の導電型の設定(p型とn型のどちらを外側にどちらを内側に配置するか)と、電流を流す方向等によって、様々に変更可能である。
図6および図7の例は、外側の熱電変換材料101をn型、内側の熱電変換材料111をp型とし、電流を図中の左から右へ流す構成の一例である。
図6および図7の例では、n型の熱電変換材料101の外周面に電極J1が設けられ、内周面に電極J2が設けられている。また、p型の熱電変換材料111の軸方向の一端に電極J3が設けられ、他端に電極J4が設けられている。
電極J1〜J4は、熱電変換モジュール120の周方向の全周範囲に設けることで、熱電変換モジュール120を回転対称な構成とすることができ、これにより、熱電変換モジュール120および熱電変換装置300の製造コストを低減できる。また、電極J1〜J4は、熱源から遠い範囲の電極J1a〜J4aを省いてもよく、これらを省くことで、熱源から離れた範囲で熱電変換材料101,111に不要な電流が流れることを回避して、熱電変換効率を向上させることができる。
図6の例では、1つの熱電変換モジュール120において、4つの電極J1〜J4のうち2つの電極J2,J3を電気的に接続する。この接続は、導線を介して行っても良いし、電極パターンにより用いて行ってもよい。
また、隣接する2つの熱電変換モジュール120,120の間では、電流の流れる向きに沿って、前方の熱電変換モジュール120の電極J1と、後方の熱電変換モジュール120の電極J4とが導線で接続される。
すなわち、図6の例では、複数の熱電変換モジュール120の各熱電変換材料101,111が、n型−p型−n型−p型の順で接続される。
続いて、発電動作について説明する。
熱源からの熱Hは、熱電変換モジュール120の熱源に近い側に大きな温度勾配を発生させる。一方、熱源の遠い側では温度勾配は小さくなる。よって、熱電変換材料101,111に生じる起電力(図6に矢印で示す)は、熱源に近い側のものが支配的となる。
したがって、図6の電極J1〜J4の接続によれば、n型熱電変換材料101の起電力と、p型熱電変換材料111の起電力とが合算されて、モジュール列に沿った一方向の電圧を生成することができる。
図7の例では、隣接する2つ1組の熱電変換モジュール120,120のうち、前方(図中の右方)の熱電変換モジュール120においては、2つの電極J1,J4が電気的に接続される。また、後方(図中の左方)の熱電変換モジュール120においては、2つの電極J2,J3が電気的に接続される。
さらに、2つ1組の熱電変換モジュール120,120の間では、前方の熱電変換モジュール120の電極J3と、後方の熱電変換モジュール120の電極J4とが電気的に接続される。
一方、一組の熱電変換モジュール120の前方の熱電変換モジュール120と、もう一組の熱電変換モジュール120の後方の熱電変換モジュール120とは、電極J1,J2とが電気的に接続される。
すなわち、図7の例では、複数の熱電変換モジュール120の各熱電変換材料101,111が、n型−p型−p型−n型の順で接続される。
このような接続であっても、n型熱電変換材料101の起電力と、p型熱電変換材料111の起電力とが合算されて、モジュール列に沿った一方向の電圧を生成することができる。
[実施の形態の効果]
以上のように、実施の形態1の熱電変換装置300によれば、熱源の形状によらず、熱源に複数の熱電変換モジュール120を柔軟に取り付けることができる。また、設置の際、n型熱電変換材料101とp型熱電変換材料111とが高密度に熱源に近接される。よって、熱を有効的に活用して高効率な発電を行うことができる。
(実施の形態2)
図8は、本発明の実施の形態2の熱電変換装置を示す構成図である。図8においては、各熱電変換モジュール120の縦断面を示している。
実施の形態2の熱電変換装置310は、複数の熱電変換モジュール120の中空部に熱源となるパイプ400が通され、且つ、複数の熱電変換モジュール120が順に電気的に接続されて構成される。
実施の形態2の熱電変換モジュール120においては、熱電変換材料111の中空部が、パイプ400とほぼ同一の径であり、テーパーを有していない。これにより、熱電変換材料111がパイプ400に密着し、パイプ400の熱を熱電変換材料111に効率的に伝えることができる。
なお、熱電変換材料111の中空部は、パイプ400の外径より大きい径にしてもよい。また、熱電変換材料111の中空部はテーパーを有する構成としてもよい。これらの場合、熱電変換材料111の内面とパイプ400の外面とが離間する部分が生じるが、この部分には熱伝導性を有する部材を充填すればよい。この構成でも、パイプ400の熱を熱電変換材料111に効率的に伝えることができる。
熱電変換モジュール120の電極の位置および接続構成としては、図6および図7の例を同様に適用できる。ただし、実施の形態2では、パイプ400からの熱が熱電変換モジュール120の周方向の全周範囲に伝わる。よって、電極J1〜J4は、熱電変換材料101,111の周方向の全周に渡って設けると良い。
この構成によれば、パイプ400からの熱により、熱電変換モジュール120の熱電変換材料101,111の全域で起電力が発生する。そして、これらの起電力が合算されて、モジュール列に沿った一方向の電圧を生成することができる。
以上のように、実施の形態2の熱電変換装置310によれば、棒状の熱源に対して、n型熱電変換材料101とp型熱電変換材料111とを高密度に設置可能であり、これにより高効率な発電を行うことができる。
以上、本発明の各実施の形態について説明した。
なお、上記実施の形態では、熱電変換モジュールの外側に配置される熱電変換材料101をn型熱電変換材料とし、内側に配置される熱電変換材料111をp型熱電変換材料とした構成を例にとって説明した。しかしながら、これらの導電型は逆転させても良い。
また、上記実施の形態では、熱電変換材料101,111の両方にテーパーがある構成を例にとって説明した。また、熱電変換材料101,111の外周面および内周面の両方にテーパーがある構成を例にとって説明した。しかしながら、熱電変換材料101,111の何れにもテーパーが無い構成を採用してもよい。また、テーパーは、熱電変換材料101,111の一方のみに設けてもよく、また、外周面または内周面の一方のみに設けてもよい。
また、上記実施の形態では、接合部112を介して2つの熱電変換材料101,111が互いに接合される構成を例にとって説明した。しかしながら、この接合部112は無くてもよく、例えば、2つの熱電変換材料101,111が直接に接触することで接合される構成を採用してもよい。
さらに、複数の熱電変換モジュールの連結構造、電極の位置および接続構成は、実施の形態で具体的に説明した例に限られず、様々に変更可能である。
本発明は、熱を電力に変換する熱電変換装置有用である。
100,110,110A 熱電変換素子
101 熱電変換材料(n型)
102 耐熱性絶縁材料
103 中空部
111,111A 熱電変換材料(p型)
112 接合部
113 中空部
120,120A 熱電変換モジュール
300,310 熱電変換装置
400 パイプ(熱源)
J1〜J4 電極

Claims (7)

  1. 中空部を有する筒状の熱電変換材料からなる第1熱電変換素子と、
    前記第1熱電変換素子と伝導型が異なり、前記中空部に固定される熱電変換材料からなる第2熱電変換素子と、
    各々が具備する複数の熱電変換モジュールを具備し、
    前記複数の熱電変換モジュールは、前記中空部を連ねる向きで連結および電気的に接続されている、
    熱電変換装置
  2. 前記第2熱電変換素子は、中空筒状の構成である、
    請求項1記載の熱電変換装置
  3. 前記第1熱電変換素子および前記第2熱電変換素子の一方または両方は、テーパーを有する中空筒状の構成である、
    請求項2記載の熱電変換装置
  4. 前記第1熱電変換素子に設けられた少なくとも一対の電極と、
    前記第2熱電変換素子に設けられた少なくとも一対の電極と、
    を更に具備し、
    前記第1熱電変換素子に設けられた前記電極のうち少なくとも1つと、前記第2熱電変換素子に設けられた前記電極のうち少なくとも1つとが電気的に接続されている、
    請求項1記載の熱電変換装置
  5. 筒状の耐熱絶縁体を更に具備し、
    前記第1熱電変換素子の熱電変換材料は、前記耐熱絶縁体の内壁面に膜状に形成されている、
    請求項1記載の熱電変換装置
  6. 前記複数の熱電変換モジュールの連結は、柔軟性を有する連結である、
    請求項記載の熱電変換装置。
  7. 記複数の熱電変換モジュールが、棒状の熱源に通され、且つ、連なって電気的に接続されている、
    請求項2記載の熱電変換装置。
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