JPH11330568A - 熱電発電装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 集熱側部材から熱電素子まであるいは熱電素
子から冷却側部材までの間での熱伝達効率をより一層向
上させることができ、発電出力をより一層増大すること
ができる耐久性に優れた熱電発電装置を提供する。 【解決手段】 集熱側部材である内筒２と冷却側部材で
ある外筒３との間に複数の熱電変換素子モジュールコア
４が配置されてなる熱電発電装置１において、集熱側部
材である内筒２の少なくとも電極層７側の表面が絶縁体
（層）６で形成され、前記絶縁体（層）６の表面に電極
層７が形成された集熱側部材である内筒２の前記電極層
７と、前記熱電変換素子モジュールコア４の低温端部を
保持し且つ熱電変換素子モジュールコア４の少なくとも
高温端部に端面金属層１３を形成した冷却側部材である
外筒３の前記端面金属層１３とが接合されて、集熱側部
材である内筒２と冷却側部材である外筒３との間に複数
の熱電変換素子モジュールコア４が配置されてなるもの
とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、従来捨て
られていた内燃機関等の駆動装置から排出される排ガス
や焼却炉等の燃焼設備から排出される排ガスのもつ熱エ
ネルギーを電気エネルギーに変換して回収するのに好適
な熱電発電装置およびその製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、高温の排ガスを排出する自動車や
工場などでは、エンジンや炉などから排出される排ガス
から熱エネルギーを回収して電力に変換するために、例
えば、特開昭６３−２６２０７５号公報に開示されてい
る排熱発電装置が用いられることがある。

【０００３】図４は、上記特開昭６３−２６２０７５号
公報に開示されている排熱発電装置を示すものであっ
て、この排熱発電装置４１では、自動車のエンジンから
排出される排ガスが流れる排気管４２に箱形状の吸熱筒
４３が取りつけられ、この吸熱筒４３には対向する平面
が形成されたものとしていて、これらの平面には複数の
熱電変換モジュール４４が対向して配置されており、各
熱電変換モジュール４４の高温端面と吸熱筒４３の平面
とが密着されたものとしている。

【０００４】そして、熱電変換モジュール４４の低温端
面と水冷ジャケット４５とが対向して配置されていて、
この熱電変換モジュール４４の低温端面と水冷ジャケッ
ト４５の冷却面とが密着されているものとしている。

【０００５】上記した構造の排熱発電装置４１では、排
気管４２において矢印Ａ方向から流入した排気ガスがも
つ高温の排熱が吸熱筒４３の平面を介して熱電変換モジ
ュール４４の高温端面に伝達される。また同時に、熱電
変換モジュール４４の低温端面は冷却水給・排管４６を
通して水冷ジャケット４５内を還流する冷却水により冷
却される。そして、熱電変換モジュール４４の高温端面
と低温端面との間に生じた温度勾配に応じてゼーベック
効果による熱起電力が発生して発電され、導電線４７、
電圧調整器および電流逆流防止器４８、電力計４９等を
介して蓄電器５０に蓄えられる。

【０００６】一般的に、熱電変換モジュールは、複数の
ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが交互に配列され、各熱
電素子の両端において隣接する熱電素子と電極を介して
電気的に接続され、さらには、電極表面に絶縁板あるい
は絶縁層が形成された構成をとる。

【０００７】そして、このように、複数の熱電素子を電
気的に接続すると共に端面が絶縁処理された熱電変換モ
ジュールを一旦形成した後、集熱側部材である排気管４
２と冷却側部材である水冷ジャケット４５との間に前記
熱電変換モジュール４４を複数設置することにより、熱
電素子間の電気的接続を確実にとりながら、多数の熱電
素子を簡便に設置して熱電発電装置として機能すること
ができる特長がある。

【０００８】一方、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装
置は、比較的使用温度が低く、モジュール設置数が１つ
あるいは少数である。そして、吸熱側部材と放熱側部材
と熱電変換モジュールとの間の絶縁層材料として、酸化
アルミニウム基板や窒化アルミニウム基板や放熱グリー
ス、シリコンゴムシート等を設置する構成としたものが
知られている。

【０００９】さらに、吸熱側部材と放熱側部材と熱電変
換モジュールとの間での熱交換効率を向上させるため
に、例えば、特開平８−８４６５号公報や特開平８−２
０２３７号公報に開示された技術がある。このうち、特
開平８−８４６５号公報に開示された技術では、吸熱側
部材と放熱側部材の表面にシロキサン結合を有する有機
けい素化合物の硬化物からなる厚さ０．１〜１００μｍ
の絶縁層を形成し、この絶縁層を介して熱電素子端面の
電極を吸熱側部材と放熱側部材に接触させる構成として
いる。そして、この構成によれば、熱伝導率を向上させ
る無機微粒子を混在させることが容易で、クラックや細
孔の発生が少ないため、熱伝導度の良好な絶縁層を形成
することができるという特徴がある。

【００１０】また、特開平８−２０２３７号公報に開示
された技術では、電極が形成された熱電素子を絶縁基板
である酸化膜を形成したシリコンウエハではさみ、この
シリコンウエハを冷却側部材であるアルミニウム板に設
置するものである。そして、この技術によれば、シリコ
ンウエハ上の酸化膜は、クラックや細孔の発生が少ない
ため、熱伝導度の良好な絶縁層を形成することができる
という特徴がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】絶縁処理を行った熱電
変換モジュールを金属からなる集熱側部材に接触させて
設置した構成の排熱発電装置や、絶縁処理を行った集熱
側部材に熱電変換モジュールを接触させて設置した構成
の排熱発電装置においては、排ガスのもつ熱エネルギー
は、集熱側部材の金属層から、集熱側部材の表面あるい
は熱電変換モジュールの高温端表面の絶縁層、高温端電
極層、さらに電極層と熱電素子を電気的に接合する接合
層を介して熱電素子に伝達される。

【００１２】一般的に、界面に接着層や化学反応を伴う
接合層が形成されている場合に比較して、接触面では、
熱伝達効率が１桁以上低下してしまう。したがって、上
記の構成では、集熱側部材とモジュール端面の絶縁層の
間か、あるいは、集熱側部材の表面の絶縁層と熱電変換
モジュールの間のどちらか一方は、少なくとも接触する
構成となるが、この場合の接触箇所は、絶縁層であるセ
ラミックスと金属の接触となるため、接触界面の熱伝達
効率はさらに低下するという問題があった。

【００１３】また、熱電変換モジュールと集熱側部材を
ろう付けなどにより接着あるいは接合する方法は、多数
の熱電変換モジュールを設置する大型の排気管では、均
質に加熱処理することのできる大型で高性能の設備の調
達が困難であるという問題がある。

【００１４】さらにまた、この接着・接合工程に伴う高
温や熱衝撃により、熱電変換モジュール内部の熱電素子
の割れや熱電素子と電極との接合箇所の剥離などを発生
させず、集熱側部材が６００℃以上に達する排熱発電装
置の使用時に対する耐久性がある接着・接合条件を制御
することが困難であるという問題があった。

【００１５】さらにまた、集熱側部材から冷却側部材ま
での構成部材のすべての界面を接着あるいは接合した場
合は、集熱側部材と冷却側部材の温度差に起因する熱歪
みが、脆性の大きい熱電変換モジュール中の熱電素子近
傍にかかることになるため、熱電素子が割れるなどして
断線してしまい、熱電発電装置が十分に機能しなくなる
という問題があった。

【００１６】さらにまた、特開平８−８４６５号公報に
開示されたシロキサン結合を有する有機けい素化合物の
硬化物は、集熱側部材が６００℃以上に上昇する場合が
ある排熱発電装置の集熱側部材の絶縁処理（層）として
は、耐熱性が不足するという問題があった。

【００１７】さらにまた、放熱グリースやシリコンゴム
材は、絶縁性で接着層としての効果があるため、集熱側
部材から電極層までの間の接着界面の熱伝導効率は改善
されるものの、排熱発電用の高温側絶縁層としては耐熱
性が不足するという問題がある。

【００１８】他方、特開平８−２０２３７号公報に開示
された技術では、電極が形成された熱電素子を絶縁基板
である酸化膜を形成したシリコンウエハではさみ、シリ
コンウエハを冷却側部材であるアルミニウム板に設置す
るものとしているが、この構成では、絶縁層自体の熱伝
導特性は向上するものの、集熱側部材や冷却側部材と絶
縁層の間にシリコンウエハ層を余分に設置することとな
るため、集熱側部材から熱電素子までの構成層数が増加
してしまうこととなり、熱電素子への伝達熱量は増加し
ないという問題がある。また、多数の熱電モジュールを
設置した大型の排熱発電装置においては、熱電変換モジ
ュールを組み付ける圧力が大きいため、シリコンウエハ
のような脆い板材を使用すると、モジュールの組み付け
工程で割れてしまうことがあるという問題がある。

【００１９】

【発明の目的】本発明は、かかる従来の問題点を解決す
るためになされたもので、その目的とするところは、集
熱側部材から熱電素子まであるいは熱電素子から冷却側
部材までの熱伝達効率をより一層向上させることによ
り、熱電素子両端にかかる温度差を大きくとることがで
き、発電出力がより一層大きい熱電発電装置を提供する
ことにある。

【００２０】本発明のさらなる目的とするところは、内
燃機関や焼却炉から排出される排気ガスの持つ熱エネル
ギーを電気エネルギーに変換する排熱発電装置のよう
な、集熱側部材と冷却側部材の温度差が大きい熱電発電
装置においても、熱電変換モジュール部分の断線が生じ
ることによる発電機能の低下が起こりにくい構成をもつ
耐熱性・耐熱衝撃性がより一層向上した信頼性の高い熱
電発電装置を提供することにある。

【００２１】本発明のさらなる目的とするところは、多
数の熱電素子の設置作業が容易で、大型の熱電発電装置
を大量生産に適した方法で製造することを可能にした構
成をもつ熱電発電装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱電発電
装置は、請求項１に記載しているように、集熱側部材と
冷却側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなる熱
電発電装置において、集熱側部材の少なくとも電極側表
面が絶縁体で形成され、前記絶縁体表面に電極層が形成
された集熱側部材の前記電極層と、前記熱電素子の低温
端部を保持し且つ熱電素子の少なくとも高温端部に端面
金属層を形成した冷却側部材の前記端面金属層とが接合
されて、集熱側部材と冷却側部材との間に複数の熱電素
子が配置されてなる構成としたことを特徴としている。

【００２３】そして、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項２に記載しているように、集
熱側部材および冷却側部材のうち少なくとも集熱側部材
は金属からなり、集熱側部材と電極層との間のうち少な
くとも電極層が形成された領域に絶縁層が形成されてい
るものとしたことを特徴としている。

【００２４】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項３に記載しているように、熱
電素子は、少なくとも高温端部に端面金属層が形成さ
れ、一対以上のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が所定
のパターンに配列し、各熱電素子同士の間に絶縁材が介
在している熱電変換モジュールコア形状となっているも
のとしたことを特徴としている。

【００２５】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の実
施態様においては、請求項４に記載しているように、集
熱側部材は、高温の排ガスを流すことができる円筒や角
筒などのごとき管形状をなしているものとしたことを特
徴としている。

【００２６】本発明に係わる熱電発電装置の製造方法
は、請求項５に記載しているように、集熱側部材と冷却
側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなる熱電発
電装置を製造するに際し、少なくとも電極側表面が絶縁
体で形成されていると共に前記絶縁体の表面に電極層が
形成された集熱側部材を製造する工程と、前記熱電素子
の低温端部を保持し且つ熱電素子の少なくとも高温端部
に端面金属層を形成した冷却側部材を製造する工程と、
前記集熱側部材の電極層と冷却側部材の端面金属層とを
圧接して集熱側部材と冷却側部材との間に複数の熱電素
子が配置されてなるものとする工程を経るようにしたこ
とを特徴としている。

【００２７】そして、本発明に係わる熱電発電装置の製
造方法の実施態様においては、請求項６に記載している
ように、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されてい
ると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側
部材を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造
する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層
を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表
面に成膜法あるいは印刷法により電極層を形成する工程
を経るようにしたことを特徴としている。

【００２８】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の製
造方法の実施態様においては、請求項７に記載している
ように、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されてい
ると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側
部材を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造
する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層
を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表
面に板状の電極層を接合する工程を経るようにしたこと
を特徴としている。

【００２９】同じく、本発明に係わる熱電発電装置の製
造方法の実施態様においては、請求項８に記載している
ように、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されてい
ると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側
部材を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造
する工程と、絶縁板の表面に成膜法あるいは印刷法によ
り電極層を形成するかまたは板状の電極層を接合して形
成する工程と、電極層が形成された絶縁板を集熱側部材
に接合する工程を経るようにしたことを特徴としてい
る。

【００３０】

【発明の作用】先に従来例として挙げた熱電変換モジュ
ールは、少なくとも一対以上の熱電素子と、これら熱電
素子の両端に形成された電極層から構成されたもので、
隣接する熱電素子同士の間に、絶縁や断熱を目的とした
絶縁断熱板や充填材が存在する場合もある。また、少な
くとも一方の電極層表面に絶縁層が形成されている場合
もある。

【００３１】しかしながら、熱電素子と電極層の界面で
は、電気的な接触抵抗を極力低減する必要があるため、
集熱側部材と冷却側部材の間に設置される前に、熱電素
子と電極が接合あるいは接着された構成となっている。

【００３２】そのため、集熱側部材に多数のモジュール
を設置する場合は、集熱側部材とモジュール端の絶縁層
の間か、集熱側部材表面の絶縁層とモジュール端の電極
層の間を接触させて設置する構成となる。

【００３３】これに対し、本発明の熱電発電装置は、少
なくとも高温側では、絶縁性の集熱側部材か、あるい
は、金属製の集熱側部材の必要部分に絶縁層を形成した
表面に、所望のパターンで形成した電極層と、モジュー
ルコアあるいは熱電素子端面の端面金属層（メタライズ
層）を接合・接触させることによって、熱電素子を集熱
側部材と冷却側部材の間に設置する構成としたことを特
徴としている。

【００３４】本発明の熱電変換モジュールコアは、熱電
素子の少なくとも一方の端面に端面金属層（メタライズ
層）が形成された熱電素子が一対以上配列した構成で、
隣接する熱電素子同士の間は、絶縁断熱体や充填材など
で接着したものとすることができる。そして、モジュー
ルコア内の熱電素子の少なくとも一方の端面には、端面
金属層（メタライズ層）が形成されているものとしてい
るが、隣接する熱電素子と電気的な接続がとれている必
要はない。

【００３５】本発明で用いる端面金属層は、熱電素子の
少なくとも高温端部に形成され、電気抵抗が熱電素子よ
り小さい層であり、熱電変換機能は有していない層であ
る。また、熱電発電装置の使用時の高温で、熱電素子と
端面金属層の界面で拡散反応が進行したり、剥離したり
しない耐熱性が必要であり、また、電極層と接触して電
気的導通が取れる電気接点の機能を有するものである。

【００３６】そのため、この端面金属層として、好まし
くは、熱電素子と接触抵抗が小さい電気的接合がとれる
第１層と、集熱側部材や冷却側部材にパターニングして
配置した電極層と電気的接合が取り易い第２層からなる
２層構造のものとすることも場合によっては望ましい。
そしてこの場合に、第１層としては、例えば、Ａｌ，Ｎ
ｉ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｗ等の金属やステンレス鋼（Ｓ
ＵＳ）、インコネル、インコロイ、４２インバー、鉄ク
ロム、コバールなどの鉄合金、ニッケル合金などや、カ
ーボンなどを使用することができる。また、第２層とし
ては、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄなどの金属やこれ
らの合金を使用することができる。そして、この場合の
端面金属層の第１層と第２層の間は、ろう材層などの接
合層や、溶接や圧接工程に伴う反応層が形成されている
ものとすることもできる。

【００３７】本発明で用いる端面金属層は、この他に、
熱電素子と端面金属層の間に、熱膨張率の差を緩和する
目的や、拡散バリア層としての目的や、接合工程時のぬ
れ性を改善する目的などのために、第３層等の別の層を
形成することもできる。さらに、熱膨張率の差を緩和す
る目的で、熱電素子材料の成分の一部と端面金属層の成
分の一部が混在した組成傾斜して形成した層や、シリサ
イド相や炭化相などを混在させた層で、熱起電力が素子
材料の熱起電力の５０％以下となるような熱電発電出力
に対する寄与が小さい層などを形成したものとすること
もできる。

【００３８】熱電素子の端部に形成され、電気伝導度が
熱電素子より小さい層である本発明で用いる端面金属層
の厚みは、集熱側部材と冷却側部材の間にモジュールを
設置した場合に、合計で０．０５〜５ｍｍであるものと
することが好ましい。すなわち、０．０５ｍｍより薄い
場合は、発電装置内に多数形成される電極層と熱電素子
端部の電気的接点を全て良好に接触させて製造すること
が困難で、熱電発電装置全体として、断線したり、接触
不良箇所が発生したりする傾向となるため好ましくな
い。また、５ｍｍより厚い場合は、端面金属層内の構成
層数や組成などにも依存するが、端面金属層部分の熱抵
抗が増加するため、集熱側部材から熱電素子への熱伝達
効率が低下し、発電出力が小さくなってしまう傾向とな
るため好ましくない。

【００３９】本発明が適用される集熱側部材としては、
絶縁体を用いることができ、例えば、窒化アルミニウ
ム、窒化けい素、酸化アルミニウム等を用いることがで
きる。また、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの耐熱性に優
れた金属を用い、集熱側部材を兼ねる排気管を金属で形
成し、このような排気管などの金属製集熱側部材におい
て少なくとも電極を形成する表面部分に、ガラスなどの
絶縁性材料の溶射法，塗布法，ディッピング法，熱酸化
処理法などによって絶縁層を直接形成したものとするこ
とができる。そして、形成された絶縁層の表面に、例え
ば、蒸着法，スパッタ法，溶射法，めっき法，ペースト
印刷法などの成膜方法で所望パターンの電極層に形成す
ることができる。また、絶縁層表面に所望のパターンで
電極板をろう付けすることもできる。さらに、表面にあ
らかじめ電極パターンを成膜するかろう付けした窒化け
い素やアルミナなどのような絶縁板を集熱側部材の表面
にろう付け法や圧接法などにより接合することもでき
る。

【００４０】また、本発明に係わる熱電発電装置の電極
層においても、熱電素子端部の端面金属層と良好に電気
的な接合をとるために、表面に、Ｃｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｐ
ｔ，Ｐｄなどの金属やこれらの合金からなる表面層を形
成することもできる。

【００４１】なお、ここでは、集熱側部材の表面の層構
成と、これと接触して設置される熱電変換モジュールコ
アの高温端部分の構成を例にとって説明したが、本発明
が適用される構成は、集熱側部材と高温端側の構成だけ
に限定されるものではなく、冷却側部材と低温端側の構
成にも適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明による熱電発電装置では、請求項
１に記載しているように、集熱側部材と冷却側部材との
間に複数の熱電素子が配置されてなる熱電発電装置にお
いて、集熱側部材の少なくとも電極側表面が絶縁体で形
成され、前記絶縁体表面に電極層が形成された集熱側部
材の前記電極層と、前記熱電素子の低温端部を保持し且
つ熱電素子の少なくとも高温端部に端面金属層を形成し
た冷却側部材の前記端面金属層とが接合されて、集熱側
部材と冷却側部材との間に複数の熱電素子が配置されて
なる構成を有するものとしたから、少なくとも集熱側部
材から熱電素子の高温端部分までの間において熱伝導率
をより一層向上させたものとすることができ、これによ
り熱電素子の両端にかかる温度差をさらに大きくして、
発電出力がより増大する熱電発電装置を提供することが
可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

【００４３】そして、請求項２に記載しているように、
集熱側部材および冷却側部材のうち少なくとも集熱側部
材は金属からなり、集熱側部材と電極層との間のうち少
なくとも電極層が形成された領域に絶縁層が形成されて
いるものとすることによって、金属製集熱側部材により
集熱効率をかなり向上させたものとすることが可能であ
ると共に、集熱側部材の急激な昇降温に対しても、絶縁
層が剥離などして熱伝導効率が低下するおそれのない耐
熱性・耐熱衝撃性に優れた熱電発電装置を提供すること
が可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

【００４４】さらにまた、請求項３に記載しているよう
に、熱電素子は、少なくとも高温端部に端面金属層が形
成され、一対以上のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が
所定のパターンに配列し、各熱電素子同士の間に絶縁材
が介在している熱電変換モジュールコア形状となってい
るものとすることによって、高温端部での耐熱性が良好
であると共に熱伝導率もかなり良好であるものとするこ
とができ、熱電変換効率がさらに向上した熱電発電装置
を提供することが可能であるという著しく優れた効果が
もたらされる。

【００４５】さらにまた、請求項４に記載しているよう
に、集熱側部材は、高温の排ガスを流すことができる管
形状をなしているものとすることによって、自動車用エ
ンジンの排気管や燃焼炉の排気管などをそのまま集熱側
部材として適用してこの排気管に絶縁層を介して高温端
側の電極を形成した熱電変換装置とすることが可能であ
るとと共に、熱電素子や電極の部分に排ガスが直接接触
しないため排ガスによって腐食されることのない耐久性
の良好なる熱電変換装置とすることが可能であるという
著しく優れた効果がもたらされる。

【００４６】本発明による熱電発電装置の製造方法で
は、請求項５に記載しているように、集熱側部材と冷却
側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなる熱電発
電装置を製造するに際し、少なくとも電極側表面が絶縁
体で形成されていると共に前記絶縁体の表面に電極層が
形成された集熱側部材を製造する工程と、前記熱電素子
の低温端部を保持し且つ熱電素子の少なくとも高温端部
に端面金属層を形成した冷却側部材を製造する工程と、
前記集熱側部材の電極層と冷却側部材の端面金属層とを
圧接して集熱側部材と冷却側部材との間に複数の熱電素
子が配置されてなるものとする工程を経るようにしたか
ら、少なくとも集熱側部材から熱電素子の高温端部分ま
での間において熱伝導性がより一層向上した発電効率の
より高い熱電発電装置を製造することが可能であるとい
う著しく優れた効果がもたらされる。

【００４７】そして、請求項６に記載しているように、
少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると共に
前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材を製
造する工程において、集熱側部材を金属で製造する工程
と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層を形成す
る部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表面に成膜
法あるいは印刷法により電極層を形成する工程を経るよ
うになすことによって、絶縁層や電極層の形成を精度良
くそしてまた大量生産に適した手法により行うことが可
能であるという著しく優れた効果がもたらされる。

【００４８】さらにまた、請求項７に記載しているよう
に、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると
共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材
を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造する
工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも電極層を形
成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁層の表面に
板状の電極層を接合する工程を経るようになすことによ
って、絶縁層や電極層の形成を精度良くそしてまた大量
生産に適した手法により行うことが可能であるという著
しく優れた効果がもたらされる。

【００４９】さらにまた、請求項８に記載しているよう
に、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると
共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材
を製造する工程において、集熱側部材を金属で製造する
工程と、絶縁板の表面に成膜法あるいは印刷法により電
極層を形成するかまたは板状の電極層を接合して形成す
る工程と、電極層が形成された絶縁板を集熱側部材に接
合する工程を経るようになすことによって、厚さ精度の
良好な電極層を絶縁板を介して集熱側部材に形成するこ
とが可能であるという著しく優れた効果がもたらされ
る。

【００５０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基いて詳細に
説明するが、本発明はこのような実施例のみに限定され
ないことはいうまでもない。

【００５１】（実施例１）図１は、本発明に係わる熱電
発電装置の一実施例を示し、排ガス流（図示手前方向か
ら奥行方向）と直角方向の断面の基本構成を示してい
る。この図１に示す熱電発電装置１において、内燃機関
などから排出される高温排ガスは集熱側部材である内筒
２の中を流れるものとなっている。

【００５２】そして、この内筒２の集熱面に対向する放
熱面が形成される扁平面を有した冷却側部材である外筒
３と、前記内筒２との間には熱電変換モジュールコア４
が複数配置されている。

【００５３】外筒３は上下に２分割されており、排ガス
流方向と平行に冷却水流路５をそなえていると共に、ボ
ルト固定用リブ３ａ，３ｂが一体で形成されていて、本
実施例で外筒３はアルミニウムにより形成されている。

【００５４】一方、内筒２は、熱電変換モジュールコア
４を設置することができる平行な平坦部を２面有する楕
円形断面をなすものであって、内筒２の内側には排ガス
との熱交換効率を向上させるための集熱フィン２ａが形
成されていて、本実施例で内筒２はステンレス鋼（ＳＵ
Ｓ）により形成されているものとしている。

【００５５】この内筒２の平坦部には、絶縁層６として
アルミナ層が溶射法により７０μｍの厚さで密着して形
成してあり（なお、図１では、絶縁層６の存在を明確に
するため密着して表わされていない）、さらに絶縁層６
の表面に、電極層７としてＮｉ−Ｃｒ層が２００μｍの
厚さで形成してあり、この電極層７は設置した熱電変換
モジュールコア４内の熱電素子が全て電気的に直列に接
続されるパターンで溶射により形成してある。この電極
層７はその平面度を整えるため、平面研磨を行ったもの
としている。

【００５６】他方、熱電変換モジュールコア４は立方体
形状をなし、低温端の熱電素子端部には電極層８が直接
接合した構成となっていて、この電極層８に両面接着性
のあるシリコンゲルシートからなる緩衝材９の片面側を
接着すると共に緩衝材９の反対面側を外筒３に接着する
ことによって固定している。そして、熱電変換モジュー
ルコア４の高温端側には図２に示す工程で端面金属層１
３が形成してある。

【００５７】そして、熱電変換モジュールコア４上に内
筒２を収容した後もう一方の外筒３を設置し、ボルト固
定用リブ３ａ，３ｂの部分でボルト締めをして固定する
ことにより電極層７と端面金属層１３とを圧接した状態
とする。

【００５８】図２は、本実施例において設置した熱電変
換モジュールコア４の製作工程を示している。

【００５９】まず、図２の（Ａ）に示すように、Ｂある
いはＰをドープしたＳｉ_２Ｇｅ原料粉末１１ａをホット
プレスの型に詰めると共にその上部に厚さ３０μｍのＴ
ｉ箔１１ｂと厚さ１ｍｍのＷ板１１ｃを重ねてホットプ
レス焼成を行うことによってそれぞれｐ型とｎ型のＴｉ
・Ｗ層付き焼結体１１を形成した。このときのホットプ
レス焼成条件は、圧力２００ｋｇｆ／ｃｍ^２、Ａｒ雰囲
気中で１１５０℃×２時間とした。

【００６０】次いで、図２の（Ｂ）に示すように、それ
ぞれの図２の（Ａ）に示した焼結体１１を３．５ｍｍ角
×７ｍｍ高さの熱電素子１２に切断し、端面金属層（メ
タライズ層）１３を形成する側を粘着フィルム（図示せ
ず）上に接着して、交互に配列した。

【００６１】次に、図２の（Ｃ）に示すように、端面金
属層１３を設けない側の熱電素子１２の低温端側の端部
を加熱硬化型の無機系セメント溶液中に浸して加熱固化
することにより断熱絶縁体１４で固めた熱電素子束１５
を形成した。

【００６２】次いで、図２の（Ｄ）に示すように、低温
端面を研磨して熱電素子束１５の高さを整えた後Ｗ層
（１１ｃ）上にＡｕ層１１ｄを２μｍの厚さで蒸着して
Ｔｉ層（１１ｂ），Ｗ層（１１ｃ），Ａｕ層１１ｄの３
層からなる端面金属層（メタライズ層）１３を形成し
た。

【００６３】さらに、図２の（Ｅ）に示すように、熱電
素子束１５の低温端側には、Ｃｕ板からなる電極層８を
Ａｇ系ろう材によりろう付け接合することによって、図
２の（Ｆ）に示すごとき熱電変換モジュールコア４を作
成した。

【００６４】このような構造の熱電変換モジュールコア
４を４８個設置し、全モジュールコア４を電極層７，８
を介して、電気的に直列に接続して図１に示した熱電発
電装置１を作成した。そして、熱電発電装置１の内筒２
の自動車エンジンからの排気ガスを導入し、外筒３の冷
却水流路５に冷却水を流して発電テストを行ったとこ
ろ、エンジンの走行モードに相当する回転数やトルクに
応じて約５０Ｗで繰り返し発電することができた。

【００６５】（比較例１）ＢあるいはＰをドープしたＳ
ｉ_２Ｇｅ原料粉末をホットプレスの型に詰めてホットプ
レス焼成を行うことによって、それぞれ端面金属層の形
成されていないｐ型とｎ型の焼結体を形成した。このと
きの焼成条件は実施例１と同様にした。

【００６６】次いで、それぞれの焼結体を３．５ｍｍ角
×７ｍｍ高さの熱電素子に切断し、実施例１と同様の工
程で同じ素子対数からなる熱電素子束を作成した。

【００６７】そしてさらに実施例１と同様にして熱電素
子束の低温端側にＣｕ板からなる電極をＡｇ系ろう材に
よりろう付けすることによって熱電変換モジュールコア
を作成した。

【００６８】次に、上記のごとく熱電素子の高温端側に
端面金属層が形成されていない熱電変換モジュールコア
４８個を実施例１と同様の内筒と外筒の間に設置し、実
施例１と同様の方法で発電テストを行ったところ、発電
出力として約１Ｗしか発電することができなかった。

【００６９】この比較例１の場合には、熱電変換モジュ
ールコアの高温端部において熱抵抗が高いために熱電素
子部分での温度差が小さく、発電電圧が低下したととも
に、電気抵抗も高いため熱電変換モジュールコアの発電
電流値も低下する結果となった。

【００７０】（実施例２）実施例２による熱電発電装置
の製造工程を図３に示す。まず、図３の（Ａ）に示すよ
うに、２０ｍｍ角の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）基板か
らなる絶縁層６の上に、図２に示した熱電変換モジュー
ルコア４内の熱電素子１２が全て電気的に直列に接続さ
れる電極パターンにして、Ａｕパッド付のＣｕ−Ｎｉ合
金からなる電極層（板）７をニッケルろう材でろう付け
接合することによって、図３の（Ｂ）に示すような高温
端電極付きの絶縁層６を形成した。

【００７１】次いで、図３の（Ｃ）に示すように、実施
例１と同様の内筒２の平坦部分の上下両面に、Ｔｉ添加
した銀ろうによって前記電極層７付きの絶縁層６をろう
付け接合した。

【００７２】一方、図３の（Ｄ）に示すように、実施例
１と同様の高温端面に端面金属層１３を形成した熱電変
換モジュールコア４を粘着性のある緩衝材９を用いて外
筒３に貼着したのち、図３の（Ｅ）に示すように、図３
の（Ｃ）に示した内筒２の下部側の電極層７と図３の
（Ｄ）に示した下部側の外筒３の端面金属層１３とを圧
着し、さらには図３の（Ｅ）に示した内筒２の上部側の
電極層７と図３の（Ｆ）に示した上部側の外筒３の端面
金属層１３とを圧着することによって、図３の（Ｇ）に
示す熱電変換装置１を製造した。

【００７３】本実施例においては、熱電素子１６個から
なる熱電変換モジュールコア４を２面ある平坦部分にそ
れぞれ４行×６列の配列として設置したが、本発明によ
る熱電発電装置は、モジュールコア内の熱電素子数や、
モジュールコアの配列数ないしは配列形態（縦横の整
列，斜めの整列等）などに限定されるものではない。ま
た、内筒２の平坦部が４面ある角型や、６面ある６角形
型等の内筒２を使用することもできる。さらにまた、内
筒２の寸法・形状や熱電素子１２の寸法・形状によって
は、モジュールコアを形成せず、熱電素子１２を外筒３
と内筒２の間に配置することもできる。さらにまた、熱
電変換モジュールコア４の外筒表面への設置位置を制御
する目的で、外筒に溝加工を行うこともできる。さら
に、上記実施例では、水冷型の熱電発電装置を示した
が、放熱フィンが一体成形されている外筒を用いた空冷
型の熱電発電装置とすることもでき、本発明による技術
思想の範囲内で種々の構造のものを採用することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における熱電発電装置の排ガ
ス流と直角方向の基本的断面構造を示す説明図である。

【図２】熱電変換モジュールコアの製造工程を（Ａ）〜
（Ｆ）に分けて示す斜面説明図である。

【図３】本発明の実施例２における熱電発電装置の製造
工程を（Ａ）〜（Ｇ）に分けて示す断面説明図である。

【図４】従来の排熱発電装置を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 熱電発電装置 ２ 内筒（集熱側部材） ３ 外筒（冷却側部材） ４ 熱電変換モジュールコア ５ 冷却水流路 ６ 絶縁層 ７ 電極層 ８ 電極層 ９ 緩衝材 １１ Ｔｉ・Ｗ層付き焼結体 １２ 熱電素子 １３ 端面金属層 １４ 断熱絶縁体 １５ 熱電素子束

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古 谷 健 司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 集熱側部材と冷却側部材との間に複数の
   熱電素子が配置されてなる熱電発電装置において、集熱
   側部材の少なくとも電極側表面が絶縁体で形成され、前
   記絶縁体表面に電極層が形成された集熱側部材の前記電
   極層と、前記熱電素子の低温端部を保持し且つ熱電素子
   の少なくとも高温端部に端面金属層を形成した冷却側部
   材の前記端面金属層とが接合されて、集熱側部材と冷却
   側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなることを
   特徴とする熱電発熱装置。
2. 【請求項２】 集熱側部材および冷却側部材のうち少な
   くとも集熱側部材は金属からなり、集熱側部材と電極層
   との間のうち少なくとも電極層が形成された領域に絶縁
   層が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の
   熱電発電装置。
3. 【請求項３】 熱電素子は、少なくとも高温端部に端面
   金属層が形成され、一対以上のｐ型熱電素子およびｎ型
   熱電素子が所定のパターンに配列し、各熱電素子同士の
   間に絶縁材が介在している熱電変換モジュールコア形状
   となっ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。
4. 【請求項４】 集熱側部材は、高温の排ガスを流すこと
   ができる管形状をなしていることを特徴とする請求項１
   ないし３のいずれかに記載の熱電発電装置。
5. 【請求項５】 集熱側部材と冷却側部材との間に複数の
   熱電素子が配置されてなる熱電発電装置を製造するに際
   し、少なくとも電極側表面が絶縁体で形成されていると
   共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された集熱側部材
   を製造する工程と、前記熱電素子の低温端部を保持し且
   つ熱電素子の少なくとも高温端部に端面金属層を形成し
   た冷却側部材を製造する工程と、前記集熱側部材の電極
   層と冷却側部材の端面金属層とを圧接して集熱側部材と
   冷却側部材との間に複数の熱電素子が配置されてなるも
   のとする工程を経ることを特徴とする熱電発電装置の製
   造方法。
6. 【請求項６】 少なくとも電極側表面が絶縁体で形成さ
   れていると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された
   集熱側部材を製造する工程において、集熱側部材を金属
   で製造する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも
   電極層を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁
   層の表面に成膜法あるいは印刷法により電極層を形成す
   る工程を経ることを特徴とする請求項５に記載の熱電発
   電装置の製造方法。
7. 【請求項７】 少なくとも電極側表面が絶縁体で形成さ
   れていると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された
   集熱側部材を製造する工程において、集熱側部材を金属
   で製造する工程と、集熱側部材の表面のうち少なくとも
   電極層を形成する部分に絶縁層を成膜する工程と、絶縁
   層の表面に板状の電極層を接合する工程を経ることを特
   徴とする請求項５に記載の熱電発電装置の製造方法。
8. 【請求項８】 少なくとも電極側表面が絶縁体で形成さ
   れていると共に前記絶縁体の表面に電極層が形成された
   集熱側部材を製造する工程において、集熱側部材を金属
   で製造する工程と、絶縁板の表面に成膜法あるいは印刷
   法により電極層を形成するかまたは板状の電極層を接合
   して形成する工程と、電極層が形成された絶縁板を集熱
   側部材に接合する工程を経ることを特徴とする請求項５
   に記載の熱電発電装置の製造方法。