JP4949841B2

JP4949841B2 - 熱電変換モジュール

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Description

本発明は、熱電変換モジュールに関し、多数個の熱電素子からなる熱電変換モジュールに関する。

熱電変換とは、セーベック効果やペルチェ効果を利用して、熱エネルギと電気エネルギとを相互に変換することをいう。熱電変換を利用すれば、ゼーベック効果を用いて熱流から電力を取り出したり、ペルチェ効果を用いて材料に電流を流すことで、吸熱現象や発熱現象を起こしたりすることが可能である。また、熱電変換は、直接変換であるためエネルギ変換の際に余分な廃棄物を排出しないこと、排熱の有効利用が可能であること、モータやタービンのような可動部がないためメンテナンスフリーであること等の特徴を有しており、エネルギの高効率利用技術として注目されている。

熱電変換には通常、熱電素子と呼ばれる金属や半導体の素子が用いられている。図６に示すように、従来、この熱電素子には、ｐ型熱電素子１０２とｎ型熱電素子１０３の２種類が使用されている。そして、この２種類の熱電素子、ｐ型熱電素子１０２とｎ型熱電素子１０３を電極１０１によって電気的に接続した状態で一方を加熱し他方を冷却すると、この温度差により電圧が発生する。図６で説明すれば、ｐ型熱電素子１０２とｎ型熱電素子１０３が接続されてπ型となっているπ型素子１０４の下部１０５を加熱し上部１０６を冷却すると、下部１０５から吸収された熱エネルギが電気エネルギに変換されて、ＡからＢ方向に電流が流れる。

しかし、１つのπ型素子の熱電交換では、出力が不十分であるため、実用的な電力を得ることはできない。従って、実用的な電力を熱電変換によって得るためには、π型素子を複数個集積させて熱電変換を行うことが好ましい。このように、実用的な電力を得るために、複数個の熱電素子を集積させて熱電変換を行うものを熱電変換モジュール（以下、「モジュール」と略す。）という。

図７は、従来からのモジュールの使用例を示す斜視図である。従来品のモジュール１１１は、内部に上記のｐ型熱電素子（図示せず）とｎ型熱電素子（図示せず）を直線的に多数配置し、電気的絶縁性の固定用部材１１５で固定するという平板型構造をしていた。また、従来のモジュールは熱源となる流体の経路とは別の要素であると考えられていたため、図７に示すように、モジュール１１１は、円筒形流体経路１１２の外側に形成された平面１１３に取り付けられていた。

そして、モジュール１１１の熱電変換により電気的出力を得るためには、円筒形流体経路１１２の内部に高温（あるいは低温）の流体１１４を流して、モジュール１１１の内部（平面１１３）と接触する面（内面）とその反対側の面（外面）との間に温度差を発生させる必要があった。ここで、可能な限り大きな出力を得ることを目的としてモジュール１１１の内面側と外面との温度差を少しでも増大させるためには、モジュール１１１の内面の温度が円筒形流体経路１１２の内部に流れる流体１１４の温度に極力近づけることが必要であった。従って、流体１１４の熱をモジュール１１１の内面に可能な限り伝導させるため、モジュール１１１に固定用部材１１５を被せてねじ１１６で強固に固定していた。

このように、従来の平板型構造のモジュールは、固定用部材やねじを使用して流体経路に取り付ける必要があり、その結果として、従来の平板型構造のモジュールを使用した発電システムは複雑な構造となっていた。

その後、以上のような平板型構造のモジュールよりは簡単な構造となった管状型のモジュールが開発された（特許文献１参照。）。
特許第２７７５４１０号公報

しかしながら、図８に示すように開発された管状型のモジュール１２１は、同一軸心からなる内管１２２と外管１２３からなる二重円筒の間に交互にｐ型熱電素子１２４ａ、ｎ型熱電素子１２４ｂを回転対称形に配列し、さらには、ｐ型熱電素子１２４ａとｎ型熱電素子１２４ｂを電極１２５によって交互に接続する構造となっていた。このように、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子の２種類の熱電素子を使用した場合、完成したモジュールは、組み立てが煩雑であり、かつ、モジュールを構成する部品点数が多いため、組み立てに多大な時間と労力を要した。従って、結局はコスト高の製品となってしまい、十分に実用的とは言い難いものであった。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は部品点数を少なくし、かつ、組み立てが容易であり、組み立てに要する時間と労力の軽減等を通じて、低コスト化を可能とする熱電変換モジュールを提供することにある。

以上のような目的を達成するために、本発明は、以下のようなものを提供する。

（１）環状の熱電素子であり、外周面と内周面とがそれぞれ電極で略全被覆され、前記外周面と前記内周面との間の温度差で発電を行う環状の熱電素子が、絶縁体を交互に挟んで同軸に複数並べられたものからなる管状素子体と、前記複数個の環状の熱電素子において、任意に選択される第一の環状の熱電素子の外周面に被覆された電極とこの第一の環状の熱電素子に一方の側に隣接する第二の環状の熱電素子の内周面に被覆された電極とを電気的に接続するリード体と、前記管状素子体に内接する電気的絶縁性の内管であり、前記管状素子体をその外周面で支持する内管と、前記管状素子体に外接する電気的絶縁性の外管であり、前記管状素子体をその内周面で支持する外管と、からなる二重円筒支持体と、を備え、前記リード体は、単一の板状部材をクランク状に折り曲げて形成されることにより、第一の平板部と、前記第一の平板部の一端から前記第一の平板部に垂直に延びる第二の平板部と、前記第一の平板部の他端から前記第二の平板部の反対方向に延びる第三の平板部とを有し、前記環状の熱電素子の外周面及び内周面には、背中合わせとなる位置に前記リード体の断面形状と嵌合する形状の凹部がそれぞれ形成され、前記第二の平板部を前記第一の環状の熱電素子の外周面に形成された凹部に嵌合させて前記第一の環状の熱電素子の外周面に接続させると共に前記第三の平板部を前記第二の環状の熱電素子の内周面に形成された凹部に嵌合させて前記第二の環状の熱電素子の内周面に接続させ、前記第一の平板部の厚みを含む空隙を前記第一の環状の熱電素子と前記第二の環状の熱電素子との間に形成することを特徴とする熱電変換モジュール。

（１）の発明によれば、管状素子体に内接する電気的絶縁性の内管であり、管状素子体をその外周面で支持する内管と、管状素子体に外接する電気的絶縁性の外管であり、管状素子体をその内周面で支持する外管と、からなる二重円筒支持体と、を備えている。このように、本発明に係る熱電変換モジュールは、内管と、外管と、で管状素子体が支持されている単純な構造であるため、内管と外管との間に複数の熱電素子を回転対称形に配列する必要があった従来の熱電変換モジュールと比較して、容易に組み立てることができる。従って、組み立てに要する時間と労力を軽減することができ、低コスト化を図ることができる。

なお、上記熱電変換モジュールは、外周面と内周面とがそれぞれ電極で被覆された環状の熱電素子を複数個相互に絶縁的に同軸上で配置して形成される管状素子体と、隣接する前記熱電素子間において一方の前記熱電素子の外周面電極と他方の前記熱電素子の内周面電極を電気的に接続するリード体と、前記管状素子体に嵌入された（外周面が絶縁処理された）内管と前記管状素子体を嵌入させる（内周面が絶縁処理された）外管とからなる二重円筒支持体と、を備えるように構成してもよい。

このリード体は、複数の環状の熱電素子を環形状の中心軸に沿った方向に電気的に直列に接続することができる。このようにすることにより、上記管状素子体の両端から取り出される端子間の電圧を所望のものとすることができる。即ち、より高い電圧が好ましいのであれば、中心軸に沿った方向により多くの環状の熱電素子を並べればよいのである。このとき、内周面側の温度と外周面側の温度とをそれぞれ軸方向にほぼ一定と仮定しているが、この長さが長くなるほど、この仮定は成り立ち難くなる。従って、軸方向の長さ、即ち、環状の熱電素子の数は、これらの要因も加味されて決定することができる。一般には、環状の熱電素子の数は、５０〜２００個がより好ましいと考えられている。

上記内管及び外管は、上記熱電変換モジュールの内周面側と外周面側にある気体や液体や粒子等の流動性の物質の移動を制限する機能を有してよい。また、上記内管及び外管は、上記熱電変換モジュールの各熱電素子の内周面電極と外周面電極の温度をそれぞれの電極内で比較的均一にする機能を有することもできる。更に、上記内管及び外管は、その近傍を移動する気体や液体や粒子等の種々の流動性の物質からの熱伝達を効率的に行うことができるような構造を有することができる。例えば、マクロ若しくはミクロのフィン等を取り付けることもできる。

また、上記内管及び外管以外に、上記機能を有する熱障壁手段を設けることができる。この熱障壁手段は、例えば上記内管及び／又は外管のような熱障壁体を含むことができる。熱障壁体は、例えば複数の環状の熱電素子の間に挿入される絶縁性のリング体を含むことができる。このようなリング体は、複数の環状の熱電素子の中心軸に沿った軸方向において、各々の環状の熱電素子を電気的に絶縁することができる。このようなリング体は、複数の環状の熱電素子の相互間の適切な間隔を保持すると共に、熱電変換モジュール全体の構造を保持できる構造補助部材としても機能することができる。

（２）前記複数個の環状の熱電素子は、全て同じ種類の成分で作られた焼結体を加工して得られた熱電素子であることを特徴とする（１）に記載の熱電変換モジュール。

（３）前記全て同じ種類の成分で作られた焼結体は、カルシウムおよびマンガンを必須とし、さらに三価以上の金属元素が含まれる複合金属酸化物であることを特徴とする（２）に記載の熱電変換モジュール。

（２）または（３）の発明によれば、複数個の環状の熱電素子を、全て同じ種類の成分で作られた焼結体を加工して得た。従って、熱電変換モジュールは、同じ種類の成分で作られた焼結体を加工して、得られた熱電素子を使用して組み立てられる。このため、従来のように２種類の異なる熱電素子を交互に配置して熱電変換モジュールを組み立てる場合よりも、順番が正しいか否かの確認が不要となるため、組み立てに要する時間と労力を軽減することができる。また、本発明によれば、同じ種類の熱電素子を購入すればよく、従来のように２種類の異なる熱電素子を購入する場合よりも購入単価を下げることができるため、低コスト化を図ることができる。

（４）各々が環形状を有し、外周面及び内周面を実質的にそれぞれ被覆する外周面電極及び内周面電極を有する熱電素子であって、該外周面及び内周面の間の温度差に基づいて、所定の起電力を生じさせる複数の熱電素子を該環形状の中心軸に沿って同軸上に所定の間隔を隔てて並べた熱電変換モジュールにおいて、前記複数の熱電素子における任意の隣接する熱電素子の対を電気的に接続するリード体とであって、該リード体は、単一の板状部材をクランク状に折り曲げて形成されることにより、第一の平板部と、前記第一の平板部の一端から前記第一の平板部に垂直に延びる第二の平板部と、前記第一の平板部の他端から前記第二の平板部の反対方向に延びる第三の平板部とを有し、前記環状の熱電素子の外周面及び内周面には、背中合わせとなる位置に前記リード体の断面形状と嵌合する形状の凹部がそれぞれ形成され、前記第二の平板部を前記第一の環状の熱電素子の外周面に形成された凹部に嵌合させて前記第一の環状の熱電素子の外周面に接続させると共に前記第三の平板部を前記第二の環状の熱電素子の内周面に形成された凹部に嵌合させて前記第二の環状の熱電素子の内周面に接続させて前記一の熱電素子の外周面電極と他の熱電素子の内周面電極とを電気的に接続し、前記第一の平板部の厚みを含む空隙を前記第一の環状の熱電素子と前記第二の環状の熱電素子との間に形成し、前記複数の熱電素子の内周面及び外周面の間で内周面側と外周面側の気体等の物質、電気、及び熱の移動を制限する熱障壁手段と、を備え、前記熱障壁手段は、前記複数の熱電素子の内周面に内接する、外周面が電気的に絶縁処理された内管からなることを特徴とする熱電変換モジュール。
（５）前記環状の熱電素子の数は、５０〜２００個であることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
（６）前記焼結体は、一般式Ｃａ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＭｎＯ_３（Ｍは三価以上の金属元素であり、０．００１≦ｘ≦０．０５である）で表わされるペロブスカイト型ＣａＭｎＯ_３系複合酸化物であることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
（７）前記環状の熱電素子は、外径１０ｍｍ〜４０ｍｍ、内径５ｍｍ〜３５ｍｍ、厚さ２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする１から（６）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
（８）前記絶縁体は、リング状に形成されることを特徴とする（１）から（７）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
（９）前記絶縁体は、アルミナ管からなることを特徴とする（１）から（８）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。

ここで、上記外周面及び内周面とは、例えば、円筒形状の管をその軸方向にほぼ直角に、短く切ったような、環形状（リング形状ともいえる）において、（管の内側でなく）外側に面する面及び（管の外側でなく）内側に面する面のことをいう。また、環形状の中心軸は、該環形状を長く延ばして管形状（若しくは円筒形状）にしたときの管（若しくは円筒）の軸（若しくは円筒軸）が相当してよい。また、例えば、環形状を形成する円形の中心を、この環形状の幅（若しくは長さ）方向に移動させたときにできる線に相当するものと考えることもできる。同軸上とは、このような中心軸を共有することを意味することができる。更に、上記熱電素子の対は、例えば、実質的に同質の２つの隣合う熱電素子からなることができる。このとき、熱電素子の対を構成する２つの隣合う熱電素子について、環形状の中心軸に沿う所定の方向の順に「第１の熱電素子」及び「第２の熱電素子」ということができる。例えば、環形状の熱電素子が、その中心軸（集合体として実質的に円筒形を呈する場合に、「円筒軸」が相当）に沿って複数の熱電素子（例えば、左からＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅと名付けられた熱電素子）が並ぶ場合、如何なる隣合う組合せもこの熱電素子の対を形成することができる。具体的には、ＡとＢ、ＢとＣ、ＣとＤ、ＤとＥである。例として挙げるならば、この時この中心軸の左から順にそれぞれの対（ＡとＢ、ＢとＣ、ＣとＤ、ＤとＥ）の左側の熱電素子を第１の熱電素子、第２の熱電素子と名付けることができる。任意の熱電素子の対において、上述のような第１の熱電素子の外周面電極と第２の熱電素子の内周面電極との接続が行われれば、Ａの熱電素子外周面電極からＥの熱電素子内周面電極まで直列に接続されることになる。

本発明によれば、管状素子体に内接する電気的絶縁性の内管であり、管状素子体をその外周面で支持する内管と、管状素子体に外接する電気的絶縁性の外管であり、管状素子体をその内周面で支持する外管と、からなる二重円筒支持体と、を備えている。従って、本発明に係る熱電変換モジュールは、内管と、外管と、で管状素子体が支持されている単純な構造であるため、内管と外管との間に複数の熱電素子を回転対称形に配列する必要があった従来の熱電変換モジュールと比較して、容易に組み立てることができる。その結果、組み立てに要する時間と労力を軽減することができ、低コスト化を図ることができる。

熱電変換モジュールを示した断面図である。図１における熱電変換モジュールの長手方向のＡ−Ｂ線断面図である。熱電変換モジュールを構成するリード線の斜視図である。Ｃａ_０．９５Ｙ_０．０５ＭｎＯ_３環状焼結体を示す斜視図である。熱電変換モジュールを構成する環状の熱電素子の正面図である。熱電変換モジュールを構成する外周面および内周面が電極で略全被覆された環状の熱電素子の斜視図である。リード線付きの環状の熱電素子の斜視図である。熱電変換モジュールを構成する管状素子体を示す概要図である。もう１つの実施例である熱電変換モジュールを構成する管状素子体を示す概要図である。従来の熱電変換モジュールの一例を示す原理図である。従来の熱電変換モジュールの使用例を示す斜視図である。従来の熱電変換モジュールの一例を示す横断面図である。

符号の説明

１０熱電変換モジュール
２１管状素子体
２２環状の熱電素子
２２ａ外周面
２２ｂ内周面
２３ａ，２３ｂ電極
２４ａ，２４ｂ凹部
３１リード線
４１二重円筒支持体
４２，４３ＳＵＳ管

発明を実施するための形態

以下に本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。

図１，２は、本発明の基本構成図であり、図１は熱電変換モジュール１０の断面図、図２は図１における熱電変換モジュール１０の長手方向のＡ−Ｂ線断面図である。図２に示されるように、熱電変換モジュール１０は、複数個の環状の熱電素子２２がリード線３１によって同軸で連結された管状素子体２１を備えている。それぞれの環状の熱電素子２２の間には、空隙が設けられている。すなわち、環状の熱電素子２２は、絶縁体の一例である空気を交互に挟んで同軸に複数並列されている。換言すれば、環状の熱電素子２２は、複数個相互に絶縁的に同軸上に配置されている。この管状素子体２１は、外周面４２ａが電気的に絶縁処理されたＳＵＳ管４２と、内周面４３ｂが電気的に絶縁処理されたＳＵＳ管４３と、からなる二重円筒支持体４１で支持されている。すなわち、二重円筒支持体４１は、管状素子体２１に嵌入された内管であるＳＵＳ管４２と管状素子体２１を嵌入させる外管であるＳＵＳ管４３とからなる。換言すれば、ＳＵＳ管４３の内周面４３ｂは、管状素子体２１に外接しており、ＳＵＳ管４２の外周面４２ａは、管状素子体２１に内接している。換言すれば、環状の熱電素子２２の内周面２２ｂは、ＳＵＳ管４２の外周面４２ａに外接しており、環状の熱電素子２２の外周面２２ａは、ＳＵＳ管４３の内周面４３ｂに内接している。

このように、熱電変換モジュール１０は、ＳＵＳ管４２と、ＳＵＳ管４３と、で管状素子体２１を支持する単純な構造であるため、ＳＵＳ管４２とＳＵＳ管４３との間に複数の熱電素子を回転対称形に配列する必要があった従来の熱電変換モジュールと比較して、熱電変換モジュールを構成する部品点数を少なくすることが可能であるとともに、熱電変換モジュールを容易に組み立てることができる。従って、熱電変換モジュールを組み立てに要する時間と労力を軽減することができ、低コスト化を図ることができる。

また、本発明においては、管状素子体２１を支持でき、熱伝導性が比較的優れているものであれば、ＳＵＳ管でなくとも他の材料の管であってもよい。

また、複数個の環状の熱電素子２２は、全て同じ種類の成分で作られた焼結体を加工した熱電素子であって、その焼結体はどのような元素を含む焼結体であってもよいが、カルシウムおよびマンガンを必須として含み、さらにイットリウムやマンガン等の三価以上の金属元素が含まれる複合金属酸化物であることが好ましい。これよって高温での耐熱性をより向上させることが可能となる。このような焼結体の具体例としては、ペロブスカイト型ＣａＭｎＯ_３系複合酸化物等が挙げられる。ペロブスカイト型ＣａＭｎＯ_３系複合酸化物は、一般式Ｃａ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＭｎＯ_３（Ｍは三価以上の金属元素であり、０．００１≦ｘ≦０．０５である）で表されるものであることがさらに好ましい。また、環状の熱電素子２２のサイズは、外径１０ｍｍ〜４０ｍｍ、内径５ｍｍ〜３５ｍｍ、厚さ２ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましい。

このように、複数個の環状の熱電素子２２は、全て同じ種類の成分で作られた焼結体を加工して得られたものである。従って、同じ種類の成分で作られた焼結体を加工して、得られた環状の熱電素子２２を使用して熱電交換モジュール１０を組み立てることが可能となるので、従来の熱電交換モジュールを組み立てるときのように、２種類の異なる熱電素子を交互に配置して組み立てているか否かの確認が不要となる。このため、組み立てに要する時間と労力を軽減することができる。また、本発明によれば、同じ種類の熱電素子を購入すればよく、従来のように２種類の異なる熱電素子を購入する場合よりも購入単価を下げることができるため、低コスト化を図ることができる。

また、図１および図２に示すように、環状の熱電素子２２の外周面２２ａには、凹部２４ａが形成されている。一方、環状の熱電素子２２の内周面２２ｂには、凹部２４ａと背中合わせに凹部２４ｂが形成されている。つまり、環状の熱電素子２２の外周面２２ａと内周面２２ｂには、一対の凹部２４ａ，２４ｂが設けられている。なお、この凹部２４ａ，２４ｂは、リード線３１の断面形状に嵌合するような形状を有していればよい。

環状の熱電素子２２の外周面２２ａと内周面２２ｂはそれぞれ電極２３ａ，２３ｂで略全被覆されている。同様に、凹部２４ａ，２４ｂには電極２３ａ，２３ｂが略全被覆されている。この電極２３ａ，２３ｂは、環状の熱電素子２２よりも電気抵抗が低い、金、銀等の金属であることが好ましい。そして、電極２３ａ，２３ｂの素材が銀である場合は、銀の小粒子をペースト状に加工して高温焼結した銀ペースト法や、化学的に銀を析出させる湿式めっき法などにより、電極２３ａ，２３ｂは形成されるが、他の方法で電極２３ａ，２３ｂが形成されるようにしてもよい。

また、リード線３１は、一の環状の熱電素子２２の外周面２２ａにある凹部２４ａと、この一の環状の熱電素子２２に隣接する他の環状の熱電素子２２の内周面２２ｂにある凹部２４ｂと、を電気的に接続している。すなわち、リード線３１は、隣接する環状の熱電素子２２間において一方の環状の熱電素子２２の外周面２２ａの電極２３ａと他方の環状の熱電素子２２の内周面２２ｂの電極２３ｂを電気的に接続する。

ここで、リード線３１の構造について、図２及び図３を用いて説明する。図３は、リード線３１の斜視図である。つまり、リード線３１は、平板３１ａと、平板３１ａの一端から平板３１ａに垂直に延びる平板３１ｂと、平板３１ａの他端から平板３１ｂの反対方向に延びる平板３１ｃと、で構成されている。そして、図２に示すように、環状の熱電素子２２の凹部２４ａにリード線３１の平板３１ｂを嵌合させ、この環状の熱電素子２２に隣接する環状の熱電素子２２の凹部２４ｂにリード線３１の平板３１ｃを嵌合させる。一方、環状の熱電素子２２に嵌合したリード線３１の平板３１ａは、環状の熱電素子２２と、この環状の熱電素子２２に隣接する環状の熱電素子２２との間を、環状の熱電素子２２の長手方向と平行に延びている（図２参照）。このため、環状の熱電素子２２がその外周面２２ａ側から加熱された場合、平板３１ｂから平板３１ａを介して平板３１ｃに熱が伝導する前に、空気と接している平板３１ａから熱が空気中に放射される（図２参照）。従って、外周面２２ａ側で発生した熱が平板３１ｂから平板３１ｃへ伝導することに起因する熱電変換効率の低下を防止することができる。

なお、リード線３１は、電極２３ａ，２３ｂと同様に、環状の熱電素子２２よりも電気抵抗が低い、金、銀等の金属であることが好ましい。また、リード線３１は、その断面積と電極２３ａ（および電極２３ｂ）の平均面積との比が２：１０００から５：１０００であることが好ましく、２５：１０００から３５：１０００であることが更に好ましい。リード線３１が太すぎても温度差が生じないため好ましくなく、また、リード線が細すぎても電流を流すことができないためである。

以上の構成を採用する管状素子体２１をＳＵＳ管４３側から、またはＳＵＳ管４２側から加熱すると、環状の熱電素子２２の外周面２２ａと内周面２２ｂとの温度差によって、起電力が生じる。この発生した起電力は電極３２から外部の負荷に供給される。

なお、本実施形態において、「リード線３１」とは本発明における「リード体」の一例に相当し、「ＳＵＳ管４２」とは本発明における「内管」の一例に相当し、「ＳＵＳ管４３」とは本発明における「外管」の一例に相当する。

＜環状の熱電素子の作成＞
環状の熱電素子の作成方法について図４Ａ〜図４Ｃを用いて説明する。図４Ａは、Ｃａ_０．９５Ｙ_０．０５ＭｎＯ_３環状焼結体５１を示す斜視図であり、図４Ｂは、環状の熱電素子２２の正面図であり、図４Ｃは、外周面２２ａおよび内周面２２ｂが電極２３ａ，２３ｂで略全被覆された環状の熱電素子２２の斜視図である。なお、図４Ａ〜図４Ｃは、符号を一部省略している。

炭酸カルシウム、炭酸マンガン及び酸化イットリウムをＣａ／Ｍｎ／Ｙ＝０．９５／１．０／０．０５となるように秤量し、ボールミルにより湿式混合を１８時間行なった。その後、その湿式原料をろ過して、さらに乾燥させ、１０００℃で１０時間、大気中で仮焼を行なった。得られた仮焼粉は解砕後、１ｔ／ｃｍ^２の圧力で１軸プレスにより、環状型金型を用いて成形した。これを１１５０℃で５時間、大気中で焼成させ、図４Ａに示すＣａ_０．９５Ｙ_０．０５ＭｎＯ_３環状焼結体５１を得た。この焼結体の寸法は、外形２０ｍｍ、内径１４ｍｍ、厚さ２．５ｍｍであった。環状焼結体の外周面及び内周面の一部を削り、リード線３１を嵌合させるための凹部２４ａ，２４ｂを形成して、図４Ｂに示すような環状の熱電素子２２を得た。この環状の熱電素子２２の外周面２２ａおよび内周面２２ｂに銀ペーストを塗布し、７００℃で焼付け、図４Ｃに示すように、外周面２２ａおよび内周面２２ｂが電極２３ａ，２３ｂで略全被覆された環状の熱電素子２２を得た。

＜熱電変換モジュールの作成＞
図２、図４Ｄ、図５Ａを用いて、熱電変換モジュールの作成方法について説明する。図４Ｄは、リード線付きの環状の熱電素子２２の斜視図である。図５Ａは、熱電変換モジュールを構成する管状素子体２１を示す概要図である。

図４Ｄに示すように、環状の熱電素子２２の凹部２４ａに銀板のリード線３１（幅３ｍｍ、厚さ１００μｍ）の一端を嵌合させ、さらに銀ペーストで固定することにより、凹部２４ａにリード線３１の一端が嵌合したリード線３１付きの環状の熱電素子２２（以下、「リード線付きの環状の熱電素子２２」という。）を得た。そして、図５Ａに示すように、リード線付き環状の熱電素子２２を外径１０ｍｍ、内径８ｍｍ、長さ３００ｍｍのＳＵＳ管４２に挿通した。次に、他のリード線付きの環状の熱電素子２２をＳＵＳ管４２に、各熱電素子が接触しないように、挿通した。そして、既にＳＵＳ管４２に挿通された一の環状の熱電素子２２の凹部２４ａと嵌合したリード線３１の他端が、ＳＵＳ管４２に挿通された他のリード線付きの環状の熱電素子２２の内周面２２ｂの凹部２４ｂと嵌合するようにした。これを複数回繰り返すことによって、１００個の環状の熱電素子２２を備える管状素子体２１を得た。

そして、外部に接続される電極３２としての銀板を銀ペーストで両端の環状の熱電素子に取り付けた後、外径２２ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍのＳＵＳ管４３で管状素子体２１を支持し、図２に示すような１００個の環状の熱電素子２２を備える熱電変換モジュール１０を得た。なお、ＳＵＳ管４２の外周面４２ａと環状の熱電素子２２の内周面２２ｂの接触部には熱抵抗を低減させ、絶縁処理を施すためにシリコングリースを塗布した。また、ＳＵＳ管４３の内周面４３ｂと環状の熱電素子２２の外周面２２ａの接触部にも、絶縁処理を施すため、アルミナセメントを塗布した。

＜発電特性評価＞
１００個の環状の熱電素子２２を備える熱電変換モジュール１０を炉心管長３００ｍｍ（ヒーター部の長さ２５０ｍｍ）の小型管状炉にセットし、熱電変換モジュール１０の外周面を４００℃に過熱した。内管には水を流し冷却を行った。ＳＵＳ管４３とＳＵＳ管４２との表面温度差が３２０℃の時、開放電圧４．６４Ｖ、最大出力５．２Ｗが得られた。

図５Ｂに別の実施形態を示す。環状の熱電素子２２の凹部２４ａに銀板のリード線３１の一端を嵌合させ、さらに銀ペーストで固定することにより、凹部２４ａにリード線３１の一端が嵌合したリード線３１付きの環状の熱電素子２２（以下、「リード線付きの環状の熱電素子２２」という。）が得られる。リード線付き環状の熱電素子２２を一時的な支持体であり、組立て治具の１つであるＳＵＳ管４２’に、環状の絶縁体２２２（例えば、アルミナ管）を挿通した後に、続けて挿入する。次に、もう１つのリード線付きの環状の熱電素子２２をＳＵＳ管４２’に、同様に環状の絶縁体２２２（例えば、アルミナ管）を挿通した後に、続けて挿通する。そして、前にＳＵＳ管４２’に挿通された環状の熱電素子２２（例えば、「第１の熱電素子」）の凹部２４ａと嵌合したリード線３１の他端が、ＳＵＳ管４２’に挿通されたもう１つのリード線付きの環状の熱電素子２２（例えば、「第２の熱電素子」）の内周面２２ｂの凹部２４ｂと嵌合するようにしてある。これを複数回繰り返すことによって、所望の数の環状の熱電素子２２を備える熱電変換モジュールを得ることができる。環状の熱電素子２２及び環状の絶縁体２２２間は、所定の接着剤等で固定することができ、所定の結合強度が得られたときに、ＳＵＳ管４２’を引き抜いて熱電変換モジュールを完成させることができる。

Claims

環状の熱電素子であり、外周面と内周面とがそれぞれ電極で略全被覆され、前記外周面と前記内周面との間の温度差で発電を行う環状の熱電素子が、絶縁体を交互に挟んで同軸に複数並べられたものからなる管状素子体と、
前記複数個の環状の熱電素子において、任意に選択される第一の環状の熱電素子の外周面に被覆された電極とこの第一の環状の熱電素子に一方の側に隣接する第二の環状の熱電素子の内周面に被覆された電極とを電気的に接続するリード体と、
前記管状素子体に内接する電気的絶縁性の内管であり、前記管状素子体をその外周面で支持する内管と、前記管状素子体に外接する電気的絶縁性の外管であり、前記管状素子体をその内周面で支持する外管と、からなる二重円筒支持体と、を備え、
前記リード体は、単一の板状部材をクランク状に折り曲げて形成されることにより、第一の平板部と、前記第一の平板部の一端から前記第一の平板部に垂直に延びる第二の平板部と、前記第一の平板部の他端から前記第二の平板部の反対方向に延びる第三の平板部とを有し、
前記環状の熱電素子の外周面及び内周面には、背中合わせとなる位置に前記リード体の断面形状と嵌合する形状の凹部がそれぞれ形成され、
前記第二の平板部を前記第一の環状の熱電素子の外周面に形成された凹部に嵌合させて前記第一の環状の熱電素子の外周面に接続させると共に前記第三の平板部を前記第二の環状の熱電素子の内周面に形成された凹部に嵌合させて前記第二の環状の熱電素子の内周面に接続させ、前記第一の平板部の厚みを含む空隙を前記第一の環状の熱電素子と前記第二の環状の熱電素子との間に形成することを特徴とする熱電変換モジュール。
前記複数個の環状の熱電素子は、全て同じ種類の成分で作られた焼結体を加工して得られた熱電素子であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
前記全て同じ種類の成分で作られた焼結体は、カルシウムおよびマンガンを必須とし、さらに三価以上の金属元素が含まれる複合金属酸化物であることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
各々が環形状を有し、外周面及び内周面を実質的にそれぞれ被覆する外周面電極及び内周面電極を有する熱電素子であって、該外周面及び内周面の間の温度差に基づいて、所定の起電力を生じさせる複数の熱電素子を該環形状の中心軸に沿って同軸上に所定の間隔を隔てて並べた熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電素子における任意の隣接する熱電素子の対を電気的に接続するリード体とであって、該リード体は、単一の板状部材をクランク状に折り曲げて形成されることにより、第一の平板部と、前記第一の平板部の一端から前記第一の平板部に垂直に延びる第二の平板部と、前記第一の平板部の他端から前記第二の平板部の反対方向に延びる第三の平板部とを有し、前記環状の熱電素子の外周面及び内周面には、背中合わせとなる位置に前記リード体の断面形状と嵌合する形状の凹部がそれぞれ形成され、前記第二の平板部を前記第一の環状の熱電素子の外周面に形成された凹部に嵌合させて前記第一の環状の熱電素子の外周面に接続させると共に前記第三の平板部を前記第二の環状の熱電素子の内周面に形成された凹部に嵌合させて前記第二の環状の熱電素子の内周面に接続させて前記一の熱電素子の外周面電極と他の熱電素子の内周面電極とを電気的に接続し、前記第一の平板部の厚みを含む空隙を前記第一の環状の熱電素子と前記第二の環状の熱電素子との間に形成し、
前記複数の熱電素子の内周面及び外周面の間で内周面側と外周面側の気体等の物質、電気、及び熱の移動を制限する熱障壁手段と、を備え、
前記熱障壁手段は、前記複数の熱電素子の内周面に内接する、外周面が電気的に絶縁処理された内管からなることを特徴とする熱電変換モジュール。
前記環状の熱電素子の数は、５０〜２００個であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
前記焼結体は、一般式Ｃａ_{（１−ｘ）}Ｍ_ｘＭｎＯ_３（Ｍは三価以上の金属元素であり、０．００１≦ｘ≦０．０５である）で表わされるペロブスカイト型ＣａＭｎＯ_３系複合酸化物であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
前記環状の熱電素子は、外径１０ｍｍ〜４０ｍｍ、内径５ｍｍ〜３５ｍｍ、厚さ２ｍｍ〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
前記絶縁体は、リング状に形成されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
前記絶縁体は、アルミナ管からなることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の熱電変換モジュール。