JPS5827674B2 - 熱電発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、多数の貫通孔を有するハニカム構造体よりな
る熱雷発電装置に関するものである。

従来より、ゼーベック効果を利用した熱電発電が知られ
ており、軍用の電源、人工衛星用の電源、僻地用の電源
等の用途に一部実用化されている。

そしてこれら装置に使用される熱電発電装置は、一般に
は第１図に示すようなＰ型およびＮ型の柱状の熱電束−
Ｆ１を、Ｐ型およびＮ型の一対を最小単位とし、多数個
、高温接合板２および低温接合板３により電気的に接続
し、電気絶縁板４，４′を介して、高温側に吸熱器５を
設けるとともに低温側に放熱器６を配した構造のものが
用いられている。

しかしながら、熱電発電においては熱電素子１の効率を
大きくするために高温接合板２と低温接合板３との温瓜
差をできる限り大きくすることが必要であり、そのため
高温側にはより効率のよい大型の吸熱器５をつけるとと
もに、低温側にも大型の効率のよい放熱器６をつけなけ
ればならないものであった。

従って従来の熱電発電装置は、構造が複雑で大型となり
、しかも吸熱器５、電気絶縁板４、高温接合板２、熱電
素子１、低温接合板３、電気絶縁板４′、放熱器６等の
異種材料を重ね合わせた構造のため、各積層部での熱抵
抗が大きく、従って大きな形状の割りには大きな発電量
を得ることができないものであった。

本発明の熱電発電装置は、従来のこのような欠点を解決
するためになされたものであり、小さな形状であるにも
かかわらず大きな発電量を得ることができる熱電発電装
置であり、熱電素イが多数の貫通孔を翁するハニカム構
造体よりなり、かつ貫通孔の一部が高温流体の貫通領域
を形成するとともに、他の貫通孔が低温流体の貫流領域
を形成した熱電発電装置である。

本発明の一具体例を第２図に基づいて詳しく説明すれば
、ＣｒＳｉ２，０ｏＳｉ 、ＦｅＳｉ２等の遷移金属の
けい化物、あるいはテルル化物、セレン化物、アンチモ
ン化物等よりなる多数の貫通孔７を有するハニカム構造
体により熱電束−７８を形成し、その熱電束−ｆ８の好
ましくはほぼ中央部に、高温流体９が貫流する貫流管１
０ａ、１０ｂが気密に連結されて、熱電素子８の中央部
に高温流体９の貫流領域１１が形成され、高温流体９の
貫流領域１１内のほぼ中央部に高温側の電極１２が設け
られている。

そして、熱電素−ｆ８の高温流体９の貫流領域１１以外
の貫通孔に空気等の低温流体１３を貫流させる低温流体
１３の貫流領域１４を形成し、低温流体１３の貫流領域
１４に低温側の電極１５を形成する。

そして高温側の電極１２および低温側の電極１５に電力
の取出し端子１６および１１を接続してなる熱電発電装
置であり、熱電素子８と高温側の電極１２、熱電素子８
と低温側の電極１５の接合面におけるゼーベック効果に
よって、高温側の電極接合部と低温側の電極接合部の温
度差および熱電素子８の熱電能に相当する電力を取出す
ことができる。

なお、ハニカム構造体よりなる熱電素子の貫通孔の形状
は、第２図に示す四角形以外に、三角形、五角形、六角
形等の多角形も勿論よく、また円あるいは楕円形状等で
もよいのである。

また、熱電素子はＰ型でもＮ型でも勿論よいのであり、
さらに高温流体の貫流領域は必ずしも中央部でなくても
よく、さらに低温側の電極は必ずしも外周囲でなくても
勿論よいものである。

しかしいずれにしても、高温流体９の貫流管１０ａ、１
０ｂより高温流体９が吹出して低温流体１３の貫流領域
１４に高温流体９が接触しないように気密又は液密接続
することが必要である。

本発明の更に別の具体例を第３図ＡおよびＢに基づいて
説明すれば、前述と同様な材質よりなる多数の貫追孔を
翁するハニカム構造体よりなるＰ型熱電素イ１８および
Ｎ型熱電素−７１９を一対とし、それぞれのほぼ中央部
の高温流体９の貫流領域１１の隔壁端面間を高温側の電
極１２で固着するとともに、外周部の低温流体１３の貫
流領域１４の隔壁間を耐熱絶縁性接着剤２０で接着して
Ｐ型熱電素−７！１８およびＮ型熱電素−７１９の一体
化接合物を得る。

なおこの場合、接合によって貫通孔が塞さがれないよう
に注意するとともに、高温貫流領域と低温貫流領域とが
隔離されることが大切である。

そして一対の前記Ｐ、Ｎ接合物を複数組、Ｐ型熱電素−
１１８とＮ型熱電素−７１９とが交互になるように配列
し、隣接するＮ型熱電素子１９とＰ型熱電素−７１８と
の間でかつ、高温流体の貫流領域１１と低温流体の貫流
領域１４との間に耐熱絶縁性バッキング２１を介在させ
連結し、高温流体の貫流領域１１の貫通孔が全て連通し
ているとともに、低温流体の貫流領域１４も全て連通し
た貫通孔を有し、かつそれらの両貫流領域が完全に耐熱
絶縁性接着剤２０および耐熱絶縁性バッキング２１で隔
離されているものである。

そして、一対のＰ、Ｎ接合物を耐熱給線性バッキング２
１を介して連結したＮ、Ｐのそれぞれの熱電素−７１９
，１８の外周間を、低温側の電極１５で接続し、両端の
Ｐ型およびＮ型熱電素子１８．１９の高温流体の貫流領
域１１には、高温流体９の貫流管１０ａおよび１０ｂが
気密又は液密に接続され、さらに両端の熱電素−ＴＦ１
８，１９に電力取出し用の端子１６，１７を設けた熱電
発電装置である。

なお、第３図ＡおよびＢに示す一具体例においては、Ｐ
型熱電素イおよびＮ型熱雷素子のほぼ中央部に高温流体
の貫流領域１１を形成し、周辺部に低温流体の貫流領域
を形成した例について述べたが、必ずしもＰ型あるいは
Ｎ型の熱雷素子の中央部に高温流体の貫流領域を形成し
なくても、第４図ＡおよびＢに示すように、端部でも勿
論よいものである。

しかしその場合には、第４図ＡおよびＢに示すようにＰ
型およびＮ型の熱雷素子の端部の１部を高温側の電極１
２で接合し、その高温側の電極１２を含む接合部近傍の
貫通孔に高温流体９が貫流する高温流体の貫流領域１１
を形成するのが好ましく、そしてＰ型およびＮ型熱電素
子の他端部は、低温流体の貫流領域１４とする。

そして図示するとと＜Ｐ、Ｎを交互に耐熱給線性バッキ
ング２１を介して連結し、低温領域において図示するご
とく交互に低温側の電極１５で連結すればよいものであ
る。

本発明は以上のような構成より成るものであるので、例
えば高温流体の貫流管に高温の燃焼排ガスを通し、Ｐ、
Ｎの熱電素子の高温流体の貫流領域内の貫通孔に高温ガ
スを貫流させ、さらに低温流体の貫流領域内の貫通孔中
に空気あるいは水等を貫流させると１個の熱電素子にお
いて吸熱と放熱とが行なわれるため、極めて大きな温度
差が得られるものであり、従ってベーゼツク効果によっ
て端子間に大きな熱電発電が得られるものである。

次に本発明の実施例について説明する。

Ｐ型熱電素子として、平均粒イ径５μのＣ！ｒｓｉ２粉
末に、有機質バインダーとして酢酸ビニール（日本合成
化学■製、商品名コーホニルＰＨ６ＯＡ）を１０部添加
し、混練機で十分に混練した。

このＣｒ５１２混練物をプランジャ一式押出機で、セル
形状六角のハニカム状に押出成形し、乾燥後厚さ５Ｍに
切断し、１３５０’Ｃ１１時間の最高温度スケジュール
で、真空炉中で焼結した。

焼結後、両端面を研磨し厚さ３ｗ１．とじた。

このハニカム構造体よりなるＰ型熱電素イの外形状は円
形で、直径３４ｗｌ１、ピッチＩＭ、壁厚０．３ 肋、
開孔率７０褒、重量４ｇであった。

同様にＮ型熱電素子として、ＣＩ！ｏｓｉ粉末を用い上
述のＰ型の場合と同一の方法、条件で同一形状の素子を
作成した。

この熱電素子の重量は５．４ｇであった。

次に、こうして作成したＰ型およびＮ型の熱雷素子を第
３図ＡおよびＢに示すように、高温側の電極および耐熱
絶縁性接着剤で接合した。

すなわち、Ｐ型の熱電素子の一方の端面の中央部、直径
５ｗｌ１の部分の隔壁端面上に高温側の電極として、０
ｒＳｉ２粉末９５部に市販のアルミノシリケート系ガラ
ス粉末５部を加え、溶剤としてパイン油を３０Ｖｏ１．
％添加して得たペーストをスクリーン印刷により５回塗
布した。

又他の部分の隔壁端面上に耐熱絶縁性接着剤を形成する
Ａｔ２０３粉末８０部に、市販のアルミノシリケート系
ガラス粉末２０部を加え、溶剤としてパイン油をＶｏ１
１％添加して得たペーストをスクリーン印刷により５回
塗布した。

そして、それぞれのペーストを塗布したＰ型熱電素イの
端面と、Ｎ型の熱電素子の端面とをそれぞれの貫通孔が
一致するように重ね合せ、焼成用治具で固定した後、１
３００℃、５分の最高温度スケジュールで、真空炉中で
熱処理した。

こうしてＰ型とＮ型の熱電素子の接合物を得た。

この接合物を３絹用意し内径１０敲、外径１４ｗ１．の
アルミナファイバー製耐熱絶縁性バッキングで、第３図
に示すように連結固定した。

そして低温側の電極として、熱電素子の外周部４ケ所に
、銅片をハンダ付によりつけ、又、最外側の熱電素子に
は、低温側の取出し電極をハンダ付した。

このようにして作成した熱電発電装置に内径１０段、外
径１４Ｎ、の高渦流体の貫流管を高温側の電極を含む貫
流領域に気密に取り付け、ガス炎の排気を高温流体の貫
流領域内の貫通孔中に貫流させた。

一方低温流体の貫流領域の貫通孔中には、０−３ ｍ３
／ ｍ ｉ ｎの空気を貫流させた。

一方、比較例として、Ｐ型熱電素イとしてＣｒＳｉ２を
、Ｎ型熱電素子としてＣ！ｏｓｉを用い、コールドプレ
スで柱状の素子に成形後、本発明のハニカム型の素子と
同様の条件で焼結し、Ｐ型の熱電素子の重量は４ｇ、Ｎ
型の熱電素子は５．４ｇの第１図に示すような柱状の従
来の熱電素−７（３Ｘ９Ｘ３０ｍ）を用意した。

そして、６個をＰ−Ｎ交互に一列に配置し、低温側の電
極および高温側の電極として、銅および耐熱鋼片を接合
し、又最外側の熱電素子には電力の取出し電極をハンダ
付した。

そして両接合部には、電気絶縁板を介して、アルミニウ
ム製の放熱器および吸熱器を設置した。

そしてこの装置にも、高温側の吸熱器にガス炎の排気を
、又、低温側の放熱器には、０−３ｍ８／ｍｉｎの空気
を貫流させた。

そして、本発明の熱電発電装置と従来の熱電発電装置を
用いて、高温側電極部の温度を１０００℃として熱電発
電の測定を行った。

結果は第１表に示す。

第１表より明らかなとおり、本発明のハニカム構造体よ
りなる熱電素子を用いた熱電発電装置は、従来の熱電発
電装置と比較して、極めて大きな温度差が得られること
によって、大きな発電量を得ることができるものである
。

以上、詳記したように、本発明の多数の貫通孔を有する
ハニカム構造体よりなる熱電素子を用いた熱電発電装置
は、熱電素子自体で吸熱および放熱を同時に行う機能を
有するため、小型で熱交換能が極めて大きく、さらに従
来の熱電発電装置のように異種材料を重ね合せることに
よる熱抵抗の増大もないため、極めて大きな温度差を容
易に得ることができるものである。

従って、大きな発熱量を得ることができるものであり、
廃熱を有効に利用して電力を得ることができるものであ
って、産業上極めて商用なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の熱電発電装置の断面を模式的に示す説
明図であり、第２図は本発明の熱電発電装置の一具体例
の説明図、第３図および第４図は本発明の熱電発電装置
の他の異なる一具体例を示し、Ａは断面、Ｂは側視をそ
れぞれ模式的に示す説明図である。 １・・・・・・熱電素子、２・・・・・・高温接合板、
３・・・・・・低温接合板、４，４′・・・・・・電気
絶縁板、５・・・・・・吸勲器、６・・・・・・放熱器
、７・・・・・・貫通孔、８・・・・・・熱電素子、９
・・・・・・高温流体、１０，１０ａ、１０ｂ・・・・
・・貫流管、１１・・・・・・高温流体の貫流領域、１
２・・・・・・高温側の電極、１３・・・・・・低温流
体、１４・・・・・・低温流体の貫流領域、１５・・・
・・・低温側の電極、１６・・・・・・電力の取出し端
イ、１７・・・・・・電力の取出し端イ、１８・・・・
・・Ｐ型熱電素了、１９・・・・・・Ｎ型熱電素イ、２
０・・・・・・耐熱絶縁性接着剤、２１・・・・・・耐
熱絶縁性バッキング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱電素イが多数の貫通孔を有するハニカム構造体よ
   りなり、かつ貫通孔の一部が高温流体の貫流領域を形成
   するとともに、他の貫通孔が低温流体の貫流領域を形成
   することを特徴とする熱雷発電装置。 ２ 高温流体の貫流領域と、低温流体の貫流領域とを有
   するハニカム構造よりなる熱電素イの高温流体の貫流領
   域に高温側の電極を有するとともに、低温流体の貫流領
   域に低温側の電極を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項に記載する熱電発電装置。 ３ 高源流体の貫流領域と、低温流体の貫流領域とを崩
   するハニカム構造よりなるＰ型熱電素イおよびＮ型熱電
   素イを、交互に複数個電気的に接続したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項に記載する熱電発電装置。