熱電変換発電装置
【課題】熱電変換モジュールを保護ケースに収容した熱電変換発電装置において、高温熱源から熱電変換モジュールへ効率良く熱が流入させるとともに、熱電変換モジュールの破損や変形、これに伴う特性の劣化を防止する。
【解決手段】高温熱源５と低温熱源７の間に配置され、これらの温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュール３を備え、熱電変換モジュール３を保護ケース２に収容するとともに、保護ケース２内の空隙に充填材４を充填し、これらのケース２および充填材４を介して熱電変換モジュール３が高温熱源５および低温熱源７と接するように構成された熱電変換発電装置１において、充填材４は、熱電変換モジュール３の外周面を覆う第１の充填材４ａと、第１の充填材４ａを覆う、第１の充填材４ａと弾性率（８６０℃）の異なる第２の充填材４ｂとを含む
【解決手段】高温熱源５と低温熱源７の間に配置され、これらの温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュール３を備え、熱電変換モジュール３を保護ケース２に収容するとともに、保護ケース２内の空隙に充填材４を充填し、これらのケース２および充填材４を介して熱電変換モジュール３が高温熱源５および低温熱源７と接するように構成された熱電変換発電装置１において、充填材４は、熱電変換モジュール３の外周面を覆う第１の充填材４ａと、第１の充填材４ａを覆う、第１の充填材４ａと弾性率（８６０℃）の異なる第２の充填材４ｂとを含む
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュールを用いて高温側と低温側との間の温度差から発電する熱電変換発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ゼーベック効果あるいはぺルチェ効果を利用して発電あるいは冷却に使用する熱電変換モジュールが知られている。この熱電変換モジュールは、一般に、アルミナなどのセラミックスからなる絶縁基板の間に、ｐ型およびｎ型半導体からなる熱電変換素子を交互に直列に配列し、ｐ型およびｎ型のそれぞれの熱電変換素子を電極で接続した構造を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような熱電変換モジュールを用いて発電を行う場合、高温側の熱源としては、工業炉や焼却炉、あるいはこれらの炉からの配管などが用いられ、熱電変換モジュールを炉や配管の外表面に取り付け、炉壁や配管の壁を介して高温熱源を取り出す他、炉や配管内に挿入するなどして、内部の高温熱源（高温ガスなど）を直接取り出す場合もある。発電出力、発電効率を高める観点からは、後者の方法が好ましい。
【０００４】
しかしながら、後者では、熱電変換モジュールに高温熱源が直接接触するため、熱電変換モジュールが損傷乃至変形するおそれがあった。すなわち、例えば、高温熱源が窒素を含有する高温ガスからなり、熱電変換モジュールの絶縁基板にアルミナが使用されていると、アルミナが窒素ガスによって分解されるおそれがある。
【０００５】
そこで、かかる問題を解決するため、熱電変換モジュールを高温熱源の影響を受けない保護ケースに収容することが検討されている。しかし、この場合、高温熱源からの熱が熱電変換モジュールに効率良く流入されるよう、保護ケース内に熱伝導性の良好な材料を充填する必要がある。この結果、熱電変換モジュール、保護ケースおよび充填材の温度が上昇し熱膨張した際に、熱電変換モジュールに過度の応力が集中して破損するおそれがあった。
【０００６】
このように、熱電変換モジュールを保護ケースに収容することによって、熱電変換モジュールに高温熱源が直接接触することによる問題は解消されるものの、保護ケース内に熱伝導性の良好な材料を充填することによる、熱電変換モジュールの破損という新たな問題を生じた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３０２７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような従来技術の課題に対処してなされたもので、熱電変換モジュールを保護ケースに収容し、保護ケースを介して高温熱源からの熱が熱電変換モジュールに入熱されるように構成された熱電変換発電装置であって、高温熱源から熱電変換モジュールへ効率良く熱が流入されるとともに、熱電変換モジュールの破損や変形、およびこれに伴う特性の劣化を発生することのない熱電変換発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の熱電変換発電装置の第１の態様は、高温熱源と低温熱源の間に配置され、これらの温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュールを備えた熱電変換発電装置であって、前記熱電変換モジュールを保護ケースに収容するとともに、前記ケース内の空隙に充填材を充填し、これらのケースおよび充填材を介して前記熱電変換モジュールが前記高温熱源および低温熱源と接するように構成された熱電変換発電装置において、前記充填材は、熱電変換モジュールの外周面を覆う第１の充填材と、前記第１の充填材を覆う、前記第１の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第２の充填材とを含むことを特徴としている。
【００１０】
本発明の熱電変換発電装置の第２の態様は、第１の態様において、第１の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴としている。
【００１１】
本発明の熱電変換発電装置の第３の態様は、第２の態様において、第１の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあり、第２の充填材の弾性率（８６０℃）が２４０〜５１０ＧＰａの範囲にあることを特徴としている。
【００１２】
本発明の熱電変換発電装置の第４の態様は、第２または第３の態様において、前記第２の充填材を覆う、前記第２の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第３の充填材を含むことを特徴としている。
【００１３】
本発明の熱電変換発電装置の第５の態様は、第４の態様において、第３の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴としている。
【００１４】
本発明の熱電変換発電装置の第６の態様は、第５の態様において、第３の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあることを特徴としている。
【００１５】
本発明の熱電変換発電装置の第７の態様は、第１乃至第６の態様のいずれかにおいて、前記保護ケースは、アルミナセメント、金属およびセラミックスの群より選択される１種からなることを特徴としている。
【００１６】
本発明の熱電変換発電装置の第８の態様は、第１乃至第６の態様のいずれかにおいて、前記保護ケースは、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子および窒化ケイ素粒子の群より選択される少なくとも１種を含有するアルミナセメントからなることを特徴としている。
【００１７】
本発明の熱電変換発電装置の第９の態様は、第１乃至第８の態様のいずれかにおいて、高温熱源が高温流体であり、前記保護ケースと直接接していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様に係る熱電変換発電装置によれば、高温熱源から熱電変換モジュールへ効率良く熱を流入させることができるとともに、熱電変換モジュールや保護ケースの破損や変形も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による熱電変換発電装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】本発明の熱電変換発電装置に使用される保護ケースの一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態による熱電変換発電装置の構成を示す断面図、図２はそのII−II線に沿う断面図である。
【００２２】
図１および図２に示すように、本実施形態の熱電変換発電装置１は、有底円筒状の保護ケース２と、この保護ケース２内に所定のクリアランスを持って収容された１個乃至複数個の熱電変換モジュール３と、保護ケース２内の空隙部を埋め、熱電変換モジュール３を保護ケース２内に保持固定する充填材４とを有している。
【００２３】
熱電変換モジュール３は、図示は省略したが、ｐ型およびｎ型の半導体からなる熱電変換素子を交互に平面状に配列し、ｐ型およびｎ型の素子を対として電極で直列に接続するとともに、これらを２枚の、アルミナなどのセラミックスからなる絶縁基板で挟持した構造を有する。
【００２４】
熱電変換素子は、特に限定されるものではないが、耐熱性が高く、１０００℃近い高温雰囲気でも安定して動作させることができる点から、酸化物系半導体からなるものが好ましい。具体的には、ｐ型酸化物系半導体として、例えば、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物、カルシウムビスマスコバルト酸化物などが使用される。また、ｎ型酸化物系半導体としては、例えば、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物、ストロンチウムチタン酸化物などが使用される。
【００２５】
なお、図１の例では、熱電変換モジュール３として、縦１１０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで、２４対の熱電変換素子を備え、かつ絶縁基板がアルミナからなる熱電変換モジュールが使用されている。そして、このような熱電変換モジュール３が厚さ方向に８個積層されて保護ケース２内に収容されている。
【００２６】
また、保護ケース２は、一端を開口した円筒部２ａと、その開口端に設けられたフランジ部２ｂとから構成されている。後述するように、このフランジ部２ｂにより、円筒部２ａが高温熱源５となる高温流体、例えば高温ガスの雰囲気を形成している炉６内に保持固定される。また、このフランジ部２ｂには低温熱源７となる冷却ユニットも取り付けられるようになっている。
【００２７】
保護ケース２を形成する材料としては、高温流体によって変形したり破損することのない耐熱性に優れた材料であれば特に制限されることなく使用されるが、高温熱源５からの熱を効率よく熱電変換モジュールに伝達するため、熱伝導性に優れ、かつ熱電変換モジュール３に加わる応力をできるだけ小さくするため、熱膨張率の小さいものが好ましい。具体的には、例えば、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ケイ素粒子などの熱伝導率の高い粒子の１種以上を含むアルミナセメント材料などが好ましく使用される。
【００２８】
なお、図１の例では、保護ケース２は、炭化ケイ素粒子を含むアルミナセメント材料により、肉厚７ｍｍ、円筒部内径９０ｍｍ、円筒部長さ２３０ｍｍに形成されている。
【００２９】
さらに、このような保護ケース２内の空隙部を埋める充填材４は、熱電変換モジュール３の外周面を覆う第１の充填材４ａと、第１の充填材４ａの外周面を覆う、第１の充填材４ａと異なる弾性率（８６０℃）を有する第２の充填材４ｂとから構成されている。なお、本明細書中、充填材の「弾性率」というときは、特に明示しない限り、「８６０℃における弾性率」をいう。このように弾性率の異なる充填材を用いて２層に形成することにより、第１の充填材４ａおよび第２の充填材４ｂのうちの弾性率の小さい方の充填材が、温度が上昇した際に熱電変換モジュール３に加わる応力を吸収して緩和する応力緩和層として機能するため、熱電変換モジュール３の応力による破損や変形が防止される。
【００３０】
温度上昇時の応力を緩和する効果の点からは、第１の充填材４ａの弾性率が第２の充填材４ｂの弾性率より小さいことが好ましく、この場合、第１の充填材４ａの弾性率が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあり、第２の充填材４ｂの弾性率が２４０〜５１０ＧＰａの範囲にあるとより好ましい。
【００３１】
第１および第２の充填材４ａ，４ｂとして使用される材料としては、耐熱温度の高いセラミックス系接着剤や金属ペーストなどが使用される。セラミックス系接着剤としては、例えば、（株）日本セラテック製のアルミナセラミックス（ベース：アルミナ、耐熱温度１２００℃、熱膨張係数８．５×１０−６／℃、熱伝導率２．５０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３９０ＧＰａ）；（株）フェローテックセラミックス製の低熱膨張セラミックス（ベース：アルミナ、耐熱温度１３００℃、熱膨張係数２．９×１０−６／℃、熱伝導率２．６０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２９０ＧＰａ）；（株）オーテック製のパイロパテ１５００（ベース：エポキシレジン、耐熱温度１２６０℃、熱膨張係数３．２×１０−６／℃、熱伝導率２．７２Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２００ＧＰａ）；鐘通（株）製のＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９８９（ベース：アルミナ、耐熱温度１６４０℃、熱膨張係数８．１×１０−６／℃、熱伝導率２．１６Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９０４（ベース：ジルコニア、耐熱温度２２００℃、熱膨張係数７．４×１０−６／℃、熱伝導率２．１６Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３２０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９１９（ベース：マグネシア、耐熱温度１５３０℃、熱膨張係数４．７×１０−６／℃、熱伝導率０．５８Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３５０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９４０（ベース：ジルコン、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数８．１×−６／℃、熱伝導率１．１５Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３８０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９４０ＬＥ（ベース：シリカ、耐熱温度１３７０℃、熱膨張係数０．７×１０−６／℃、熱伝導率０．７２Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率４００ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９３１（ベース：グラファイト、耐熱温度２９８０℃、熱膨張係数７．４×１０−６／℃、熱伝導率８．６４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３８０ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ９５０（ベース：アルミニウム粉、耐熱温度６５０℃、熱膨張係数１８．０×１０−６／℃、熱伝導率６．３４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３００ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ９５２（ベース：ニッケル粉、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数７．２×１０−６／℃、熱伝導率７．２０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３３０ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ９５４（ベース：ステンレス粉、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数１８．０×１０−６／℃、熱伝導率１．４４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３５０ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ７０３２（ベース：ステンレス粉、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数１６．２×１０−６／℃、熱伝導率２．５４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９０７Ｆ（ベース：アルミノシリケート、耐熱温度１２８０℃、熱膨張係数１７．１×１０−６／℃、熱伝導率０．８６Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３００ＧＰａ）、ＴｈｅｒｍｅｅｚＴＭ７０３０（ベース：シリカ、耐熱温度９８０℃、熱膨張係数１３．５×１０−６／℃、熱伝導率１．２０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３１０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９０１（ベース：アルミノシリケート、耐熱温度１２６０℃、熱膨張係数７．２×１０−６／℃、熱伝導率０．２９Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）、ＴｈｅｒｍｅｅｚＴＭ７０２０（ベース：アルミナ、耐熱温度１６５０℃、熱膨張係数８．３×１０−６／℃、熱伝導率０．０９Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２７０ＧＰａ）（以上、商品名）などが挙げられる。また、金属ペーストとしては、京セラケミカル（株）製のＣＴ２１２Ｈ（耐熱温度１３００℃、熱膨張係数１３．０×１０−６／℃、熱伝導率１．３０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）（商品名）などが挙げられる。これらの材料の中から、前述した条件を満足するものを適宜選択して使用される。
【００３２】
なお、セラミック系接着剤および金属ペーストの耐熱温度は、硬化サンプルを２４時間放置した際に重量と体積に変化が観測されない温度であり、熱膨張係数は、ＡＳＴＭ Ｄ ２９６に準拠して測定された値であり、熱伝導率はＡＳＴＭ Ｄ ２２１４に準拠して測定された値である。また、弾性率は、ＪＩＳ Ｒ １６０２に準拠して測定された値である。
【００３３】
第１および第２の充填材４ａ，４ｂとしては、上記の材料のなかでも、熱伝導性に優れたものが好ましく、また、熱電変換効率の点からは、絶縁性を有するものが好ましい。熱伝導性に優れたものを使用することにより、高温熱源５からの熱を効率よく熱電変換モジュール３に伝達することができる。また、絶縁性を有するものを使用することにより、外部への電気の放出を防止することができる。
【００３４】
図１の例では、第１の充填材４ａは、セラミックス系接着剤により約４ｍｍ厚さに形成されており、第２の充填材４ｂにも、セラミックス系接着剤が使用されている。
【００３５】
本実施形態の熱電変換発電装置１を使用するにあたっては、図１に示すように、保護ケース２の円筒部２ａを、高温熱源５となる高温流体、例えば高温ガスの雰囲気を形成している炉６内に挿入し、フランジ部２ｂを炉壁６ａに固定する一方、フランジ部２ｂに低温熱源７となる冷却ユニットを取り付ける。高温熱源５からの熱は、保護ケース２、第２の充填材４ｂ、第１の充填材４ａ、熱電変換モジュール３、第１の充填材４ａ、および第２の充填材４ｂを経て、低温熱源７に伝熱される。
【００３６】
本実施形態の熱電変換発電装置１においては、保護ケース２内の空隙部が第１の充填材４ａおよび第２の充填材４ｂによって充填されているので、高温熱源５からの熱は、保護ケース２、第２の充填材４ｂおよび第１の充填材４ａを経て熱電変換モジュール３に効率よく入熱される。このため、効率の良い発電が可能となり、高い発電出力を得ることができる。
【００３７】
しかも、熱電変換モジュール３はその外周面が、異なる弾性率を有する第１および第２の充填材４ａ，４ｂによって２層に包覆されているので、第１の充填材４ａおよび第２の充填材４ｂのうちの弾性率の小さい方の充填材が、温度が上昇した際に熱電変換モジュール３に加わる応力を吸収して緩和する応力緩和層として機能する。このため、熱電変換モジュール３の応力による破損や変形も防止される。
【００３８】
なお、本発明においては、保護ケース２の形状は、特に円筒状に限らず、角筒状であってもよく、さらに、外形が断面矩形乃至多角形状で、熱電変換モジュール３が挿入される中空部分が断面円形状、あるいは、外形が断面円形状で、熱電変換モジュール３が挿入される中空部分が断面矩形乃至多角形状であるなど、外形と中空部分の形状が異なっていてもよい。しかし、外力や衝撃に対する抵抗力、製造の容易さなどの観点からは、円筒状が好ましい。
【００３９】
また、図３に示すように、例えば、円筒部２ａの外周面に炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの熱伝導性の良好なセラミックスからなるフィン８を設けたり、あるいは、外周面に凹凸を設けたりするなどして、入熱面積を大きくするようにしてもよい。このように入熱面積を大きくすることにより、高温熱源からの入熱効率をより高めることができ、より大きな発電出力を得ることができる。
【００４０】
さらに、上記実施形態においては、保護ケース２内の空隙部を埋める充填材４は、熱電変換モジュール３の外周面を覆う第１の充填材４ａと、第１の充填材４ａの外周面を覆う、第１の充填材４ａと異なる弾性率を有する第２の充填材４ｂとから構成されているが、第２の充填材４ｂの外側にさらに、第２の充填材４ｂと弾性率の異なる第３の充填材を配置するようにしてもよい。第２の充填材４ｂより弾性率の小さい第３の充填材を配置した場合には、熱電変換モジュール３のみならず、保護ケース２の応力による破損や変形も防止される。この場合、第３の充填材は、弾性率が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあることがより好ましい。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００４２】
（実施例１〜６）
図１に示す構造の熱電変換発電装置１を作製した。すなわち、熱電変換モジュール３として、縦１１０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで、２４対の熱電変換素子を備え、かつ絶縁基板がアルミナからなる熱電変換モジュールを用い、これを８個厚さ方向に積層し、その外周に表１に示すような弾性率を有する第１の充填材４ａを厚さ４ｍｍに塗布した後、炭化ケイ素粒子を含むアルミナセメント材料からなる、肉厚７ｍｍ、円筒部内径９０ｍｍ、円筒部長さ２３０ｍｍの保護ケース２内に挿入した。次いで、保護ケース２の空隙部に、表１に示すような第２の充填材４ｂを充填した。
【００４３】
（実施例７〜１０）
実施例１と同様の熱電変換モジュールを８個厚さ方向に積層し、その外周に表１に示すような弾性率を有する第１の充填材を厚さ４ｍｍに塗布した後、その外周に表１に示すような弾性率を有する第２の充填材を厚さ５ｍｍに塗布した、これを、実施例１と同様の保護ケース内に挿入した後、保護ケースの空隙部に、表１に示すような弾性率を有する第３の充填材を充填し、熱電変換発電装置を製造した。
た。
【００４４】
（比較例１〜３）
実施例１と同様の熱電変換モジュールを８個厚さ方向に積層し、これを、実施例１と同様の保護ケース内に挿入した後、保護ケースの空隙部に、表１に示すような弾性率を有する充填材を充填し、熱電変換発電装置を製造した。
【００４５】
なお、表１の実施例および比較例で用いた充填材は下記の通りである。
弾性率１５０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３００℃、熱膨張係数８．２×１０−６／℃、
熱伝導率２．４０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率１８０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１２８０℃、熱膨張係数８．０×１０−６／℃、
熱伝導率２．５０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率２００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３１０℃、熱膨張係数７．８×１０−６／℃、
熱伝導率２．３５Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率２３０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３１０℃、熱膨張係数７．７×１０−６／℃、
熱伝導率２．３０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率２５０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３２０℃、熱膨張係数７．６×１０−６／℃、
熱伝導率２．１３Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率３００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１２９０℃、熱膨張係数７．７×１０−６／℃、
熱伝導率２．２０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率４００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３２０℃、熱膨張係数７．８×１０−６／℃、
熱伝導率２．１１Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率５００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３１０℃、熱膨張係数７．６×１０−６／℃、
熱伝導率２．２０Ｗ／ｍ・Ｋ）
【００４６】
［特性評価］
得られた熱電変換発電装置を、図１に示すように、高温熱源として窒素ガス雰囲気（温度８６０℃）を形成している炉内に保持固定するとともに、保護ケースのフランジ部に低温熱源として冷却ユニット（温度２４０℃）を取付け、熱電変換モジュールの絶縁基板間の電圧（開放電圧）および出力値を測定した。
【００４７】
［外観］
熱電変換発電装置の動作を開始させてから５時間後に熱電変換発電装置を取り外し、熱電変換モジュールおよび保護ケースの破損や変形などの有無を調べ、下記の基準で評価した。
○：熱電モジュールおよび保護ケースの破損および変形なし
×：熱電モジュールおよび保護ケースに破損または変形有り
【００４８】
これらの結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１から明らかなように、本発明に係る実施例１〜１０では、特性および外観において良好な結果が得られた。特に、実施例２、５、６、９、１０においては、外観が良好で、かつ特性がさらに良好な結果が得られた。また、実施例７、８では、外観が良好で、かつ特性が極めて良好な結果が得られた。
【符号の説明】
【００５１】
１…熱電変換発電装置、２…保護ケース、２ａ…円筒部、２ｂ…フランジ部、３…熱電変換モジュール、４…充填材、４ａ…第１の充填材、４ｂ…第２の充填材、５…高温熱源、６…炉、６ａ…炉壁、７…低温熱源、８…フィン。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュールを用いて高温側と低温側との間の温度差から発電する熱電変換発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ゼーベック効果あるいはぺルチェ効果を利用して発電あるいは冷却に使用する熱電変換モジュールが知られている。この熱電変換モジュールは、一般に、アルミナなどのセラミックスからなる絶縁基板の間に、ｐ型およびｎ型半導体からなる熱電変換素子を交互に直列に配列し、ｐ型およびｎ型のそれぞれの熱電変換素子を電極で接続した構造を有する（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような熱電変換モジュールを用いて発電を行う場合、高温側の熱源としては、工業炉や焼却炉、あるいはこれらの炉からの配管などが用いられ、熱電変換モジュールを炉や配管の外表面に取り付け、炉壁や配管の壁を介して高温熱源を取り出す他、炉や配管内に挿入するなどして、内部の高温熱源（高温ガスなど）を直接取り出す場合もある。発電出力、発電効率を高める観点からは、後者の方法が好ましい。
【０００４】
しかしながら、後者では、熱電変換モジュールに高温熱源が直接接触するため、熱電変換モジュールが損傷乃至変形するおそれがあった。すなわち、例えば、高温熱源が窒素を含有する高温ガスからなり、熱電変換モジュールの絶縁基板にアルミナが使用されていると、アルミナが窒素ガスによって分解されるおそれがある。
【０００５】
そこで、かかる問題を解決するため、熱電変換モジュールを高温熱源の影響を受けない保護ケースに収容することが検討されている。しかし、この場合、高温熱源からの熱が熱電変換モジュールに効率良く流入されるよう、保護ケース内に熱伝導性の良好な材料を充填する必要がある。この結果、熱電変換モジュール、保護ケースおよび充填材の温度が上昇し熱膨張した際に、熱電変換モジュールに過度の応力が集中して破損するおそれがあった。
【０００６】
このように、熱電変換モジュールを保護ケースに収容することによって、熱電変換モジュールに高温熱源が直接接触することによる問題は解消されるものの、保護ケース内に熱伝導性の良好な材料を充填することによる、熱電変換モジュールの破損という新たな問題を生じた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−３０２７８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明はこのような従来技術の課題に対処してなされたもので、熱電変換モジュールを保護ケースに収容し、保護ケースを介して高温熱源からの熱が熱電変換モジュールに入熱されるように構成された熱電変換発電装置であって、高温熱源から熱電変換モジュールへ効率良く熱が流入されるとともに、熱電変換モジュールの破損や変形、およびこれに伴う特性の劣化を発生することのない熱電変換発電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の熱電変換発電装置の第１の態様は、高温熱源と低温熱源の間に配置され、これらの温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュールを備えた熱電変換発電装置であって、前記熱電変換モジュールを保護ケースに収容するとともに、前記ケース内の空隙に充填材を充填し、これらのケースおよび充填材を介して前記熱電変換モジュールが前記高温熱源および低温熱源と接するように構成された熱電変換発電装置において、前記充填材は、熱電変換モジュールの外周面を覆う第１の充填材と、前記第１の充填材を覆う、前記第１の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第２の充填材とを含むことを特徴としている。
【００１０】
本発明の熱電変換発電装置の第２の態様は、第１の態様において、第１の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴としている。
【００１１】
本発明の熱電変換発電装置の第３の態様は、第２の態様において、第１の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあり、第２の充填材の弾性率（８６０℃）が２４０〜５１０ＧＰａの範囲にあることを特徴としている。
【００１２】
本発明の熱電変換発電装置の第４の態様は、第２または第３の態様において、前記第２の充填材を覆う、前記第２の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第３の充填材を含むことを特徴としている。
【００１３】
本発明の熱電変換発電装置の第５の態様は、第４の態様において、第３の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴としている。
【００１４】
本発明の熱電変換発電装置の第６の態様は、第５の態様において、第３の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあることを特徴としている。
【００１５】
本発明の熱電変換発電装置の第７の態様は、第１乃至第６の態様のいずれかにおいて、前記保護ケースは、アルミナセメント、金属およびセラミックスの群より選択される１種からなることを特徴としている。
【００１６】
本発明の熱電変換発電装置の第８の態様は、第１乃至第６の態様のいずれかにおいて、前記保護ケースは、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子および窒化ケイ素粒子の群より選択される少なくとも１種を含有するアルミナセメントからなることを特徴としている。
【００１７】
本発明の熱電変換発電装置の第９の態様は、第１乃至第８の態様のいずれかにおいて、高温熱源が高温流体であり、前記保護ケースと直接接していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の一態様に係る熱電変換発電装置によれば、高温熱源から熱電変換モジュールへ効率良く熱を流入させることができるとともに、熱電変換モジュールや保護ケースの破損や変形も防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による熱電変換発電装置の構成を示す断面図である。
【図２】図１のII−II線に沿う断面図である。
【図３】本発明の熱電変換発電装置に使用される保護ケースの一例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。
【００２１】
図１は本発明の一実施形態による熱電変換発電装置の構成を示す断面図、図２はそのII−II線に沿う断面図である。
【００２２】
図１および図２に示すように、本実施形態の熱電変換発電装置１は、有底円筒状の保護ケース２と、この保護ケース２内に所定のクリアランスを持って収容された１個乃至複数個の熱電変換モジュール３と、保護ケース２内の空隙部を埋め、熱電変換モジュール３を保護ケース２内に保持固定する充填材４とを有している。
【００２３】
熱電変換モジュール３は、図示は省略したが、ｐ型およびｎ型の半導体からなる熱電変換素子を交互に平面状に配列し、ｐ型およびｎ型の素子を対として電極で直列に接続するとともに、これらを２枚の、アルミナなどのセラミックスからなる絶縁基板で挟持した構造を有する。
【００２４】
熱電変換素子は、特に限定されるものではないが、耐熱性が高く、１０００℃近い高温雰囲気でも安定して動作させることができる点から、酸化物系半導体からなるものが好ましい。具体的には、ｐ型酸化物系半導体として、例えば、ナトリウムコバルト酸化物、カルシウムコバルト酸化物、カルシウムビスマスコバルト酸化物などが使用される。また、ｎ型酸化物系半導体としては、例えば、酸化亜鉛、ランタンニッケル酸化物、カルシウムマンガン酸化物、ストロンチウムチタン酸化物などが使用される。
【００２５】
なお、図１の例では、熱電変換モジュール３として、縦１１０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで、２４対の熱電変換素子を備え、かつ絶縁基板がアルミナからなる熱電変換モジュールが使用されている。そして、このような熱電変換モジュール３が厚さ方向に８個積層されて保護ケース２内に収容されている。
【００２６】
また、保護ケース２は、一端を開口した円筒部２ａと、その開口端に設けられたフランジ部２ｂとから構成されている。後述するように、このフランジ部２ｂにより、円筒部２ａが高温熱源５となる高温流体、例えば高温ガスの雰囲気を形成している炉６内に保持固定される。また、このフランジ部２ｂには低温熱源７となる冷却ユニットも取り付けられるようになっている。
【００２７】
保護ケース２を形成する材料としては、高温流体によって変形したり破損することのない耐熱性に優れた材料であれば特に制限されることなく使用されるが、高温熱源５からの熱を効率よく熱電変換モジュールに伝達するため、熱伝導性に優れ、かつ熱電変換モジュール３に加わる応力をできるだけ小さくするため、熱膨張率の小さいものが好ましい。具体的には、例えば、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子、窒化ケイ素粒子などの熱伝導率の高い粒子の１種以上を含むアルミナセメント材料などが好ましく使用される。
【００２８】
なお、図１の例では、保護ケース２は、炭化ケイ素粒子を含むアルミナセメント材料により、肉厚７ｍｍ、円筒部内径９０ｍｍ、円筒部長さ２３０ｍｍに形成されている。
【００２９】
さらに、このような保護ケース２内の空隙部を埋める充填材４は、熱電変換モジュール３の外周面を覆う第１の充填材４ａと、第１の充填材４ａの外周面を覆う、第１の充填材４ａと異なる弾性率（８６０℃）を有する第２の充填材４ｂとから構成されている。なお、本明細書中、充填材の「弾性率」というときは、特に明示しない限り、「８６０℃における弾性率」をいう。このように弾性率の異なる充填材を用いて２層に形成することにより、第１の充填材４ａおよび第２の充填材４ｂのうちの弾性率の小さい方の充填材が、温度が上昇した際に熱電変換モジュール３に加わる応力を吸収して緩和する応力緩和層として機能するため、熱電変換モジュール３の応力による破損や変形が防止される。
【００３０】
温度上昇時の応力を緩和する効果の点からは、第１の充填材４ａの弾性率が第２の充填材４ｂの弾性率より小さいことが好ましく、この場合、第１の充填材４ａの弾性率が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあり、第２の充填材４ｂの弾性率が２４０〜５１０ＧＰａの範囲にあるとより好ましい。
【００３１】
第１および第２の充填材４ａ，４ｂとして使用される材料としては、耐熱温度の高いセラミックス系接着剤や金属ペーストなどが使用される。セラミックス系接着剤としては、例えば、（株）日本セラテック製のアルミナセラミックス（ベース：アルミナ、耐熱温度１２００℃、熱膨張係数８．５×１０−６／℃、熱伝導率２．５０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３９０ＧＰａ）；（株）フェローテックセラミックス製の低熱膨張セラミックス（ベース：アルミナ、耐熱温度１３００℃、熱膨張係数２．９×１０−６／℃、熱伝導率２．６０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２９０ＧＰａ）；（株）オーテック製のパイロパテ１５００（ベース：エポキシレジン、耐熱温度１２６０℃、熱膨張係数３．２×１０−６／℃、熱伝導率２．７２Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２００ＧＰａ）；鐘通（株）製のＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９８９（ベース：アルミナ、耐熱温度１６４０℃、熱膨張係数８．１×１０−６／℃、熱伝導率２．１６Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９０４（ベース：ジルコニア、耐熱温度２２００℃、熱膨張係数７．４×１０−６／℃、熱伝導率２．１６Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３２０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９１９（ベース：マグネシア、耐熱温度１５３０℃、熱膨張係数４．７×１０−６／℃、熱伝導率０．５８Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３５０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９４０（ベース：ジルコン、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数８．１×−６／℃、熱伝導率１．１５Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３８０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９４０ＬＥ（ベース：シリカ、耐熱温度１３７０℃、熱膨張係数０．７×１０−６／℃、熱伝導率０．７２Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率４００ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９３１（ベース：グラファイト、耐熱温度２９８０℃、熱膨張係数７．４×１０−６／℃、熱伝導率８．６４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３８０ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ９５０（ベース：アルミニウム粉、耐熱温度６５０℃、熱膨張係数１８．０×１０−６／℃、熱伝導率６．３４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３００ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ９５２（ベース：ニッケル粉、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数７．２×１０−６／℃、熱伝導率７．２０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３３０ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ９５４（ベース：ステンレス粉、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数１８．０×１０−６／℃、熱伝導率１．４４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３５０ＧＰａ）、ＤｕｒａｂｏｎｄＴＭ７０３２（ベース：ステンレス粉、耐熱温度１０９０℃、熱膨張係数１６．２×１０−６／℃、熱伝導率２．５４Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９０７Ｆ（ベース：アルミノシリケート、耐熱温度１２８０℃、熱膨張係数１７．１×１０−６／℃、熱伝導率０．８６Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３００ＧＰａ）、ＴｈｅｒｍｅｅｚＴＭ７０３０（ベース：シリカ、耐熱温度９８０℃、熱膨張係数１３．５×１０−６／℃、熱伝導率１．２０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率３１０ＧＰａ）、ＲｅｓｂｏｎｄＴＭ９０１（ベース：アルミノシリケート、耐熱温度１２６０℃、熱膨張係数７．２×１０−６／℃、熱伝導率０．２９Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）、ＴｈｅｒｍｅｅｚＴＭ７０２０（ベース：アルミナ、耐熱温度１６５０℃、熱膨張係数８．３×１０−６／℃、熱伝導率０．０９Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２７０ＧＰａ）（以上、商品名）などが挙げられる。また、金属ペーストとしては、京セラケミカル（株）製のＣＴ２１２Ｈ（耐熱温度１３００℃、熱膨張係数１３．０×１０−６／℃、熱伝導率１．３０Ｗ／ｍ・Ｋ、弾性率２８０ＧＰａ）（商品名）などが挙げられる。これらの材料の中から、前述した条件を満足するものを適宜選択して使用される。
【００３２】
なお、セラミック系接着剤および金属ペーストの耐熱温度は、硬化サンプルを２４時間放置した際に重量と体積に変化が観測されない温度であり、熱膨張係数は、ＡＳＴＭ Ｄ ２９６に準拠して測定された値であり、熱伝導率はＡＳＴＭ Ｄ ２２１４に準拠して測定された値である。また、弾性率は、ＪＩＳ Ｒ １６０２に準拠して測定された値である。
【００３３】
第１および第２の充填材４ａ，４ｂとしては、上記の材料のなかでも、熱伝導性に優れたものが好ましく、また、熱電変換効率の点からは、絶縁性を有するものが好ましい。熱伝導性に優れたものを使用することにより、高温熱源５からの熱を効率よく熱電変換モジュール３に伝達することができる。また、絶縁性を有するものを使用することにより、外部への電気の放出を防止することができる。
【００３４】
図１の例では、第１の充填材４ａは、セラミックス系接着剤により約４ｍｍ厚さに形成されており、第２の充填材４ｂにも、セラミックス系接着剤が使用されている。
【００３５】
本実施形態の熱電変換発電装置１を使用するにあたっては、図１に示すように、保護ケース２の円筒部２ａを、高温熱源５となる高温流体、例えば高温ガスの雰囲気を形成している炉６内に挿入し、フランジ部２ｂを炉壁６ａに固定する一方、フランジ部２ｂに低温熱源７となる冷却ユニットを取り付ける。高温熱源５からの熱は、保護ケース２、第２の充填材４ｂ、第１の充填材４ａ、熱電変換モジュール３、第１の充填材４ａ、および第２の充填材４ｂを経て、低温熱源７に伝熱される。
【００３６】
本実施形態の熱電変換発電装置１においては、保護ケース２内の空隙部が第１の充填材４ａおよび第２の充填材４ｂによって充填されているので、高温熱源５からの熱は、保護ケース２、第２の充填材４ｂおよび第１の充填材４ａを経て熱電変換モジュール３に効率よく入熱される。このため、効率の良い発電が可能となり、高い発電出力を得ることができる。
【００３７】
しかも、熱電変換モジュール３はその外周面が、異なる弾性率を有する第１および第２の充填材４ａ，４ｂによって２層に包覆されているので、第１の充填材４ａおよび第２の充填材４ｂのうちの弾性率の小さい方の充填材が、温度が上昇した際に熱電変換モジュール３に加わる応力を吸収して緩和する応力緩和層として機能する。このため、熱電変換モジュール３の応力による破損や変形も防止される。
【００３８】
なお、本発明においては、保護ケース２の形状は、特に円筒状に限らず、角筒状であってもよく、さらに、外形が断面矩形乃至多角形状で、熱電変換モジュール３が挿入される中空部分が断面円形状、あるいは、外形が断面円形状で、熱電変換モジュール３が挿入される中空部分が断面矩形乃至多角形状であるなど、外形と中空部分の形状が異なっていてもよい。しかし、外力や衝撃に対する抵抗力、製造の容易さなどの観点からは、円筒状が好ましい。
【００３９】
また、図３に示すように、例えば、円筒部２ａの外周面に炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの熱伝導性の良好なセラミックスからなるフィン８を設けたり、あるいは、外周面に凹凸を設けたりするなどして、入熱面積を大きくするようにしてもよい。このように入熱面積を大きくすることにより、高温熱源からの入熱効率をより高めることができ、より大きな発電出力を得ることができる。
【００４０】
さらに、上記実施形態においては、保護ケース２内の空隙部を埋める充填材４は、熱電変換モジュール３の外周面を覆う第１の充填材４ａと、第１の充填材４ａの外周面を覆う、第１の充填材４ａと異なる弾性率を有する第２の充填材４ｂとから構成されているが、第２の充填材４ｂの外側にさらに、第２の充填材４ｂと弾性率の異なる第３の充填材を配置するようにしてもよい。第２の充填材４ｂより弾性率の小さい第３の充填材を配置した場合には、熱電変換モジュール３のみならず、保護ケース２の応力による破損や変形も防止される。この場合、第３の充填材は、弾性率が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあることがより好ましい。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００４２】
（実施例１〜６）
図１に示す構造の熱電変換発電装置１を作製した。すなわち、熱電変換モジュール３として、縦１１０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍで、２４対の熱電変換素子を備え、かつ絶縁基板がアルミナからなる熱電変換モジュールを用い、これを８個厚さ方向に積層し、その外周に表１に示すような弾性率を有する第１の充填材４ａを厚さ４ｍｍに塗布した後、炭化ケイ素粒子を含むアルミナセメント材料からなる、肉厚７ｍｍ、円筒部内径９０ｍｍ、円筒部長さ２３０ｍｍの保護ケース２内に挿入した。次いで、保護ケース２の空隙部に、表１に示すような第２の充填材４ｂを充填した。
【００４３】
（実施例７〜１０）
実施例１と同様の熱電変換モジュールを８個厚さ方向に積層し、その外周に表１に示すような弾性率を有する第１の充填材を厚さ４ｍｍに塗布した後、その外周に表１に示すような弾性率を有する第２の充填材を厚さ５ｍｍに塗布した、これを、実施例１と同様の保護ケース内に挿入した後、保護ケースの空隙部に、表１に示すような弾性率を有する第３の充填材を充填し、熱電変換発電装置を製造した。
た。
【００４４】
（比較例１〜３）
実施例１と同様の熱電変換モジュールを８個厚さ方向に積層し、これを、実施例１と同様の保護ケース内に挿入した後、保護ケースの空隙部に、表１に示すような弾性率を有する充填材を充填し、熱電変換発電装置を製造した。
【００４５】
なお、表１の実施例および比較例で用いた充填材は下記の通りである。
弾性率１５０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３００℃、熱膨張係数８．２×１０−６／℃、
熱伝導率２．４０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率１８０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１２８０℃、熱膨張係数８．０×１０−６／℃、
熱伝導率２．５０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率２００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３１０℃、熱膨張係数７．８×１０−６／℃、
熱伝導率２．３５Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率２３０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３１０℃、熱膨張係数７．７×１０−６／℃、
熱伝導率２．３０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率２５０ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３２０℃、熱膨張係数７．６×１０−６／℃、
熱伝導率２．１３Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率３００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１２９０℃、熱膨張係数７．７×１０−６／℃、
熱伝導率２．２０Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率４００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３２０℃、熱膨張係数７．８×１０−６／℃、
熱伝導率２．１１Ｗ／ｍ・Ｋ）
弾性率５００ＧＰａの充填剤：アルミナセラミックス
（ベース：アルミナ、耐熱温度１３１０℃、熱膨張係数７．６×１０−６／℃、
熱伝導率２．２０Ｗ／ｍ・Ｋ）
【００４６】
［特性評価］
得られた熱電変換発電装置を、図１に示すように、高温熱源として窒素ガス雰囲気（温度８６０℃）を形成している炉内に保持固定するとともに、保護ケースのフランジ部に低温熱源として冷却ユニット（温度２４０℃）を取付け、熱電変換モジュールの絶縁基板間の電圧（開放電圧）および出力値を測定した。
【００４７】
［外観］
熱電変換発電装置の動作を開始させてから５時間後に熱電変換発電装置を取り外し、熱電変換モジュールおよび保護ケースの破損や変形などの有無を調べ、下記の基準で評価した。
○：熱電モジュールおよび保護ケースの破損および変形なし
×：熱電モジュールおよび保護ケースに破損または変形有り
【００４８】
これらの結果を表１に示す。
【００４９】
【表１】
【００５０】
表１から明らかなように、本発明に係る実施例１〜１０では、特性および外観において良好な結果が得られた。特に、実施例２、５、６、９、１０においては、外観が良好で、かつ特性がさらに良好な結果が得られた。また、実施例７、８では、外観が良好で、かつ特性が極めて良好な結果が得られた。
【符号の説明】
【００５１】
１…熱電変換発電装置、２…保護ケース、２ａ…円筒部、２ｂ…フランジ部、３…熱電変換モジュール、４…充填材、４ａ…第１の充填材、４ｂ…第２の充填材、５…高温熱源、６…炉、６ａ…炉壁、７…低温熱源、８…フィン。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温熱源と低温熱源の間に配置され、これらの温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュールを備えた熱電変換発電装置であって、
前記熱電変換モジュールを保護ケースに収容するとともに、前記ケース内の空隙に充填材を充填し、これらのケースおよび充填材を介して前記熱電変換モジュールが前記高温熱源および低温熱源と接するように構成された熱電変換発電装置において、
前記充填材は、熱電変換モジュールの外周面を覆う第１の充填材と、前記第１の充填材を覆う、前記第１の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第２の充填材とを含むことを特徴とする熱電変換発電装置。
【請求項２】
第１の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴とする請求項１記載の熱電変換発電装置。
【請求項３】
第１の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあり、第２の充填材の弾性率（８６０℃）が２４０〜５１０ＧＰａの範囲にあることを特徴とする請求項２記載の熱電変換発電装置。
【請求項４】
前記充填材は、前記第２の充填材を覆う、前記第２の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第３の充填材を含むことを特徴とする請求項２または３記載の熱電変換発電装置。
【請求項５】
第３の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴とする請求項４記載の熱電変換発電装置。
【請求項６】
第３の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあることを特徴とする請求項５記載の熱電変換発電装置。
【請求項７】
前記保護ケースは、アルミナセメント、金属およびセラミックスの群より選択される１種からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱電変換発電装置。
【請求項８】
前記保護ケースは、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子および窒化ケイ素粒子の群より選択される少なくとも１種を含有するアルミナセメントからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱電変換発電装置。
【請求項９】
高温熱源が高温流体であり、前記保護ケースと直接接していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱電変換発電装置。
【請求項１】
高温熱源と低温熱源の間に配置され、これらの温度差を利用して発電出力を得る熱電変換モジュールを備えた熱電変換発電装置であって、
前記熱電変換モジュールを保護ケースに収容するとともに、前記ケース内の空隙に充填材を充填し、これらのケースおよび充填材を介して前記熱電変換モジュールが前記高温熱源および低温熱源と接するように構成された熱電変換発電装置において、
前記充填材は、熱電変換モジュールの外周面を覆う第１の充填材と、前記第１の充填材を覆う、前記第１の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第２の充填材とを含むことを特徴とする熱電変換発電装置。
【請求項２】
第１の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴とする請求項１記載の熱電変換発電装置。
【請求項３】
第１の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあり、第２の充填材の弾性率（８６０℃）が２４０〜５１０ＧＰａの範囲にあることを特徴とする請求項２記載の熱電変換発電装置。
【請求項４】
前記充填材は、前記第２の充填材を覆う、前記第２の充填材と弾性率（８６０℃）の異なる第３の充填材を含むことを特徴とする請求項２または３記載の熱電変換発電装置。
【請求項５】
第３の充填材の弾性率（８６０℃）が第２の充填材の弾性率（８６０℃）より小さいことを特徴とする請求項４記載の熱電変換発電装置。
【請求項６】
第３の充填材の弾性率（８６０℃）が１４０〜２１０ＧＰａの範囲にあることを特徴とする請求項５記載の熱電変換発電装置。
【請求項７】
前記保護ケースは、アルミナセメント、金属およびセラミックスの群より選択される１種からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱電変換発電装置。
【請求項８】
前記保護ケースは、炭化ケイ素粒子、窒化アルミニウム粒子および窒化ケイ素粒子の群より選択される少なくとも１種を含有するアルミナセメントからなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱電変換発電装置。
【請求項９】
高温熱源が高温流体であり、前記保護ケースと直接接していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱電変換発電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１６０７４（Ｐ２０１２−１６０７４Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４７３１８（Ｐ２０１０−１４７３１８）
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（３０６０１３１２０）昭和電線ケーブルシステム株式会社 (218)
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２９日（２０１０．６．２９）
【出願人】（３０６０１３１２０）昭和電線ケーブルシステム株式会社 (218)
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