JP4867388B2

JP4867388B2 - 熱電発電装置

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Publication number: JP4867388B2
Application number: JP2006044118A
Authority: JP
Inventors: 善樹深田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2026-02-21
Also published as: JP2007227458A

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電発電モジュールを備えた熱電発電装置に関するものである。

熱電発電モジュールは、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するｎ型熱電発電素子およびｐ型熱電発電素子が高温側の受熱部と低温側の放熱部との間に複数個設置された構造を有し、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができる。そして、このような熱電発電モジュールの受熱部に高温熱源である適宜の熱回収部材を接触させ、その放熱部に適宜の熱放出部材を接触させることで熱電発電装置が構成される。

この種の熱電発電モジュールを備えた熱電発電装置においては、熱回収部材から熱電発電モジュールの受熱部への熱伝導性が発電性能に大きく影響するため、一般には、熱回収部材と熱電発電モジュールの受熱部との接触面を高い平面度に仕上げ、あるいは、両者に圧力を掛けてその接触面を均一に圧接させている。

この種の熱電発電装置として、特許文献１には、熱回収部材としてのインナシェルの集熱面と熱電発電モジュールの受熱部としての高温側の端面との間に緩衝部材を挟持した例が開示されている。そして、この特許文献１には、ステンレスなどの金属ワイヤをメッシュ状に編み込んだ金属織布を積層ないし折り畳んだものや、波板形状の金属板、金属コイルなどが緩衝部材として使用できると記載されている。
特開平１０−２３４１９４号公報（段落番号４５、４６）

ところで、特許文献１に記載された熱電発電装置においては、高温の熱がインナシェルの集熱面から金属メッシュ等で構成された緩衝部材を介して熱電発電モジュールの高温側の端面に伝導されるため、その熱伝導性が大きく損なわれて発電性能が低下する恐れがある。

そこで、本発明は、熱回収部材と熱電発電モジュールの受熱部との接触面を高い平面度に仕上げ、あるいはその接触面を均一に圧接させることなく、長期にわたって極めて良好に熱回収部材から熱電発電モジュールの受熱部に熱伝導できる熱電発電装置を提供することを課題とする。

本発明に係る熱電発電装置は、熱回収手段に接触する受熱部と熱放出手段に接触する放熱部との間に複数の熱電発電素子が配置された熱電発電モジュールを備える熱電発電装置であって、熱電発電モジュールの受熱部は、高融点金属被覆で覆われた低融点金属体を介して熱回収手段に接触しており、低融点金属体中への金属成分の溶解を防止する保護膜が低融点金属体の全面を覆っていることを特徴とする。

本発明に係る熱電発電装置では、使用状態において熱回収手段が高温となると、高融点金属被覆で覆われた低融点金属体が溶融し、この溶融した低融点金属体の柔軟性により高融点金属被覆が熱電発電モジュールの受熱部に均一な面圧で密着する。その結果、熱回収手段から熱電発電モジュールの受熱部への熱伝導が極めて良好に行われる。

そして、このような使用状態においては、低融点金属体の全面を覆っている保護膜により、溶融した低融点金属体中に高融点金属被覆や熱回収手段の金属成分が溶解するのが未然に防止されるため、低融点金属体の融点などの物性の変化および高融点金属被覆の損傷が長期にわたって防止される。従って、熱回収手段から熱電発電モジュールの受熱部への熱伝導が長期にわたって極めて良好に行われる。

本発明の熱電発電装置において、高温の使用環境で溶融した低融点金属体中に高融点金属被覆や熱回収手段の金属成分が溶解するのを確実に防止するためには、低融点金属体を覆う保護膜を粘土セラミックス膜またはセラミックス溶射膜とするのが好ましい。

また、本発明の熱電発電装置において、低融点金属体を覆う保護膜が粘土セラミックス膜またはセラミックス溶射膜である場合には、その焼成時における低融点金属体の形状を保持するため、低融点金属体に予め高融点金属のメッキ層を形成し、このメッキ層上に保護膜を形成するのが好ましい。

本発明の熱電発電装置において、高融点金属被覆は板金により構成することができる。この場合、板金の内面は保護膜で被覆されているのが好ましい。

本発明に係る熱電発電装置では、使用状態において高融点金属被覆で覆われた低融点金属体が溶融すると、この溶融した低融点金属体の柔軟性により高融点金属皮膜が熱電発電モジュールの受熱部に均一な面圧で密着する。その際、低融点金属体の全面を覆っている保護膜により、溶融した低融点金属体中に高融点金属被覆やフィン部材の金属成分が溶解するのが未然に防止されるため、低融点金属体の融点などの物性の変化および高融点金属被覆の損傷が長期にわたって防止される。

従って、本発明によれば、熱回収部材と熱電発電モジュールの受熱部との接触面を高い平面度に仕上げ、あるいはその接触面を均一に圧接させることなく、長期にわたって極めて良好に熱回収部材から熱電発電モジュールの受熱部に熱伝導できる。その結果、長期にわたって高い発電性能を発揮することができる。

本発明の熱電発電装置において、低融点金属体を覆うが粘土セラミックス膜またはセラミックス溶射膜である場合、高温の使用環境で溶融した低融点金属体中に高融点金属被覆や熱回収手段の金属成分が溶解するのを保護膜によって確実に防止することができる。

また、本発明の熱電発電装置において、低融点金属体に予め高融点金属のメッキ層が形成され、このメッキ層上に保護膜が形成されていると、粘土セラミックス膜またはセラミックス溶射膜からなる保護膜の焼成時に低融点金属体の形状を高融点金属のメッキ層で保持することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電装置の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る熱電発電装置を構成する熱電発電モジュールの概略構造を示す斜視図、図２は一実施形態に係る熱電発電装置の概略構造を示す縦断面図である。

一実施形態に係る熱電発電装置は、例えば図１に示すような構造の熱電発電モジュール１を備えている。この熱電発電モジュール１は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の受熱基板１Ａと、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製の放熱基板１Ｂとの間に、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生するｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐが複数個設置され、これらのｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐが電極板１Ｃを介して交互に直列に接続された基本構造を有する。

このような構造の熱電発電モジュール１は、図２に示すように、熱回収手段としてのフィン部材２と熱放出手段としての放熱ブロック３との間に配置される。ここで、熱電発電モジュール１は、受熱部である受熱基板１Ａの外面の受熱面１Ａ１が高融点金属被覆４で覆われた低融点金属体５を介してフィン部材２に接触し、放熱部である放熱基板１Ｂの外面が放熱ブロック３に直接接触している。

フィン部材２は、例えば熱伝導性の高い銅合金やアルミニウム合金の押出し型材からなり、熱電発電モジュール１の受熱面１Ａ１に対面する対向面２Ａの反対側には、熱回収用の複数のフィン２Ｂが一体に突出成形されている。そして、このフィン部材２の対向面２Ａには、低融点金属体５を収容する凹部２Ｃが形成されている。この凹部２Ｃは、熱電発電モジュール１の受熱面１Ａ１より大きい例えば四角形の開口面を有する。

放熱ブロック３は、熱電発電モジュール１の放熱基板１Ｂとの間の熱交換により放熱基板１Ｂから吸熱できるように、熱伝導性の高い銅合金やアルミニウム合金製の本体内部（図示省略）に冷却水の流通路が形成されている。

低融点金属体５は、錫（Ｓｎ）、鉛（Ｐｂ）、亜鉛（Ｚｎ）などの金属材料からなり、例えば、フィン部材２が２５０℃以上の温度雰囲気に晒される使用状態において確実に溶融する錫（Ｓｎ）を成分として構成されている。この低融点金属体５は、フィン部材２の対向面２Ａに形成された凹部２Ｃ内に収容されており、その表面は低い台形をなして凹部２Ｃの開口面から盛り上がっている。この盛上り部５Ａは、熱電発電モジュール１の受熱面１Ａ１の周縁部を除いた内側の領域に対面している。

高融点金属被覆４は、モリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属の板金からなり、低融点金属体５の盛上り部５Ａの表面およびその周囲のフィン部材２の対向面２Ａを覆っている。なお、この高融点金属被覆４は、モリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属をメッキ、蒸着あるいは溶射することで皮膜状に形成されていてもよい。

ここで、低融点金属体５の盛上り部５Ａの表面には、モリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属のメッキ層６が形成されている。そして、このような低融点金属体５の全面は、フィン部材２の凹部２Ｃの内面からその周囲の対向面２Ａにわたって形成された保護膜７Ａと、この保護膜７Ａの周縁部からメッキ層６上にわたって形成された保護膜７Ｂとによって密封状態に覆われている。

保護膜７Ａは、溶融した低融点金属体５中にフィン部材２の金属成分が溶解して低融点金属体５の融点などの物性が変化するのを防止するための皮膜である。また、保護膜７Ｂは、溶融した低融点金属体５中に高融点金属被覆４の金属成分が溶解して低融点金属体５の融点などの物性が変化するのを防止すると共に、金属成分の溶出によって高融点金属被覆４が損傷するのを防止するための皮膜である。

このような保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂは、例えば２５０℃以上の高温下において優れた気体バリアー性を発揮する厚さ０．１〜２ｍｍ程度の粘土セラミックス膜（粘土配向皮膜）からなり、低融点金属体５の酸化を防止する。この粘土セラミックス膜は、粘土粒子の積層を高度に配向させた皮膜であって、例えば、均一な粘土分散液を静置して粘土粒子を沈積させた後、分散媒である液体を遠心分離、ろ過、真空乾燥、凍結真空乾燥、又は加熱蒸発法などによって分離し、この皮膜素材を１１０〜３００℃の高温下で乾燥することで焼成される。なお、保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂは、粘土セラミックス膜と同様の機能を有するセラミックス溶射膜で構成されていてもよい。

図３および図４は、図２に示したフィン部材２の凹部２Ｃ内に低融点金属体５を収容し、その表面を高融点金属被覆４で覆う製造工程の一例を示している。まず、図３の（ａ）に示す第１工程では、フィン部材２の凹部２Ｃの内面からその周囲の対向面２Ａにわたる部分を粘土セラミックス膜からなる焼成前の保護膜７Ａで被覆する。なお、この保護膜７Ａに代えて、フィン部材２の凹部２Ｃの内面からその周囲の対向面２Ａにわたる部分にセラミックス溶射膜を形成しても良い。

図３の（ｂ）に示す第２工程では、焼成前の保護膜７Ａで被覆されたフィン部材２の凹部２Ｃ内に溶融した低融点金属体５を盛り上がり状態で鋳込み、これを冷却して固化させた後、低融点金属体５の表面を機械加工して低い台形状の盛上り部５Ａを形成する。

図４の（ａ）に示す第３工程では、つぎの第４工程で焼成前の保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂを焼成する際に溶融する低融点金属体５の形状を保持できるように、低融点金属体５の盛上り部５Ａの表面にモリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属のメッキ層６を形成する。

図４の（ｂ）に示す第４工程では、焼成前の保護膜７Ａの周縁部からメッキ層６上にわたる部分を粘土セラミックス膜からなる焼成前の保護膜７Ｂで被覆し、その後、保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂを２５０〜３００℃の高温下で焼成して低融点金属体５を密封する。なお、この保護膜７Ｂに代えて、焼成前の保護膜７Ａの周縁部からメッキ層６上にわたる部分にセラミックス溶射膜を形成しても良い。

図４の（ｃ）に示す第５工程では、焼成された保護膜７Ｂに沿う所定の断面形状に形成されたモリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属材料の板金を高融点金属被覆４として用意し、この板金からなる高融点金属被覆４を保護膜７Ｂ上に被せて低融点金属体５の盛上り部５Ａの表面およびその周囲のフィン部材２の対向面２Ａを覆う。

以上の工程により、焼成された保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂで全面が密封状態に覆われた低融点金属体５がフィン部材２の凹部２Ｃ内に収容され、この低融点金属体５の盛上り部５Ａが高融点金属被覆４で覆われる。そして、図２に示すように、熱電発電モジュール１の受熱面１Ａ１が高融点金属皮膜４で覆われた低融点金属体５を介してフィン部材２に接触する。

このような構造を有する本実施形態の熱電発電装置は、例えば自動車の排気系の熱を回収して発電するように、フィン部材２のフィン２Ｂが図示しない排気ガスの流通経路に臨んで設置される。そして、フィン２Ｂにより回収された排気ガスの熱がフィン部材２から低融点金属体５および高融点金属被覆４を介して熱電発電モジュール１の受熱基板１Ａに伝熱され、熱電発電モジュール１の放熱基板１Ｂから放熱ブロック３へ放熱されることにより、熱電発電モジュール１の各ｎ型熱電発電素子Ｎおよびｐ型熱電発電素子Ｐ（図１参照）が起電力を発生して発電する。

このような本実施形態の熱電発電装置の使用状態において、フィン部材２のフィン２Ｂが排気ガスの熱を吸収して例えば２５０℃以上の高温になると、例えば錫（Ｓｎ）を成分とする低融点金属体５がフィン部材２の凹部２Ｃ内で確実に溶融し、この溶融した低融点金属体４の柔軟性により、例えばモリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）を成分とする高融点金属皮膜４が熱電発電モジュール１の受熱基板１Ａの受熱面１Ａ１に密着する。

この場合、高融点金属皮膜４の中央部は、受熱基板１Ａの受熱面１Ａ１における周縁部を除いた内側の領域に対面する低融点金属体５の盛上り部５Ａに沿って盛り上がっている。すなわち、高融点金属皮膜４の中央部は、受熱面１Ａ１の外周より若干内側の領域に対面しているため、受熱基板１Ａの受熱面１Ａ１に均一な面圧で確実に密着する。その結果、フィン部材２から熱電発電モジュール１の受熱基板１Ａへの熱伝導が極めて良好に行われる。

ここで、本実施形態の熱電発電装置では、例えば２５０℃以上の高温下において優れた気体バリアー性を発揮する粘土セラミックス膜（粘土配向皮膜）で構成された保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂにより低融点金属体５の全面が密封状態に覆われている。このため、２５０℃以上の高温の使用環境で溶融した低融点金属体５中にフィン部材２の金属成分や高融点金属被覆４の金属成分が溶解して低融点金属体５の融点などの物性が変化する事態が長期にわたって確実に防止される。また、金属成分の溶出によって高融点金属被覆４が損傷する事態が長期にわたって確実に防止される。

なお、低融点金属体５の盛上り部５Ａの表面に形成されたメッキ層６のモリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの金属成分は、溶融した低融点金属体５中へ溶解してゆくが、その溶解量は極めて微量であるため、低融点金属体５の融点などの物性変化に殆ど影響を与えない。

従って、本実施形態の熱電発電装置によれば、フィン部材２と熱電発電モジュール１の受熱基板１Ａとの接触面を高い平面度に仕上げ、あるいはその接触面を均一に圧接させることなく、フィン部材２から熱電発電モジュール１の受熱基板１Ａへの熱伝導を長期にわたって極めて良好に行うことができ、長期にわたって高い発電性能を発揮することができる。

本発明は前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば図２に示した高融点金属被覆４は、モリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属のメッキ、蒸着、溶射などの適宜の手段で形成してもよい。また、図４の（ａ）〜（ｃ）に示した第３工程〜第５工程は、図５の（ａ）〜（ｂ）に示す第３工程および第４工程に変更することができる。

ここで、図５の（ａ）に示す第３工程では、焼成前の保護膜７Ａの周縁部から低融点金属体５の盛上り部５Ａに沿う所定の断面形状に形成され、かつ、内面が焼成前の保護膜７Ｂで被覆されたモリブデン（Ｍｏ）やニッケル（Ｎｉ）などの高融点金属材料の板金を高融点金属被覆４として用意し、この板金からなる高融点金属被覆４を保護膜７Ａの周縁部から低融点金属体５の盛上り部５Ａにわたって被せる。

そして、図５の（ｂ）に示す第４工程では、板金からなる高融点金属被覆４の周縁部に押さえ枠８を重ね、この押さえ枠８および高融点金属被覆４の周縁部を貫通する複数のボルト９により押さえ枠８をフィン部材２の対向面２Ａの周縁部に止め付ける。そして、この状態で焼成前の保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂを２５０〜３００℃の高温下で焼成した後、ボルト９および押さえ枠８を取り外す。

このような製造工程の一部変更によっても、保護膜７Ａおよび保護膜７Ｂで全面が密封状態に覆われた低融点金属体５がフィン部材２の凹部２Ｃ内に収容され、この低融点金属体５の盛上り部５Ａが高融点金属被覆４で覆われる。そして、図２に示すように、熱電発電モジュール１の受熱面１Ａ１が高融点金属皮膜４で覆われた低融点金属体５を介してフィン部材２に接触する。

本発明の一実施形態に係る熱電発電装置を構成する熱電発電モジュールの概略構造を示す斜視図である。一実施形態に係る熱電発電装置の概略構造を示す縦断面図である。図２に示したフィン部材の凹部内に低融点金属体を収容し、その表面を高融点金属被覆で覆う製造工程の一例における第１工程および第２工程を示す縦断面図である。図３に示した第２工程に続く第３工程〜第５工程を示す縦断面図である。図４に示した第３工程〜第５工程の変形例を示す縦断面図である。

符号の説明

１…熱電発電モジュール、１Ａ…受熱基板、１Ａ１…受熱面、１Ｂ…放熱基板、２…フィン部材、２Ａ…対向面、２Ｂ…フィン、２Ｃ…凹部、３…放熱ブロック、４…高融点金属被覆、５…低融点金属体、５Ａ…盛上り部、６…メッキ層、７Ａ，７Ｂ…保護膜。

Claims

熱回収手段に接触する受熱部と熱放出手段に接触する放熱部との間に複数の熱電発電素子が配置された熱電発電モジュールを備える熱電発電装置であって、
前記熱電発電モジュールは、受熱部が高融点金属被覆で覆われた低融点金属体を介して前記熱回収手段に接触しており、前記放熱部の外面が前記熱放出手段に直接接触しており、
前記低融点金属体中への金属成分の溶解を防止する保護膜が前記低融点金属体の全面を覆っており、
前記熱回収手段には、前記受熱部の受熱面に対面する対向面に凹部が形成されており、
前記低融点金属体は、前記凹部に収容され、当該凹部の開口面から盛り上がる盛上り部を有し、
前記盛上り部が前記受熱面の周縁部を除いた内側の領域に対面していることを特徴とする熱電発電装置。
前記保護膜が粘土セラミックス膜またはセラミックス溶射膜であることを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
前記低融点金属体に高融点金属のメッキ層が形成され、このメッキ層上に前記保護膜が形成され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。
前記高融点金属被覆が板金により構成され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。
前記板金の内面が前記保護膜で被覆されていることを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。