JPH0485973A

JPH0485973A - 熱電発電装置

Info

Publication number: JPH0485973A
Application number: JP2201858A
Authority: JP
Inventors: Yasutada Kobayashi; 木林　靖忠
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1990-07-30
Filing date: 1990-07-30
Publication date: 1992-03-18

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は、熱電発電装置に係り、特に起電力の大きな熱
電発電装置の実装構造に関するものである。

〔従来の技術〕

Ｐ型半導体とＮ型半導体とを、金属を介して接合してＰ
Ｎ素子対を形成し、この両端に温度差を与え、これによ
って両端に生起せしめられるいわゆる熱起電力を利用し
、発電を行う熱電発電装置は、非常用発電装置、僻地用
発電装置、携帯用発電装置として注目されている。

従来、熱電発電装置は第４図に一例を示すように、燃焼
室１とこの燃焼室の外壁の相対向する位置にグリースを
用いて圧着せしめられた２つの熱電発電部１０とから構
成されている。２０は熱電発電部１０の低温部を冷却す
るための冷却用ファンである。

この熱電発電装置では、高温部と低温部との温度差が１
２０〜１５０℃にも達するもので、熱応力による熱電半
導体の破損を防止するため、熱電発電部は燃焼室の外壁
にグリースＧを介して圧着されている。

しかしながら、この装置では燃焼室の壁面の温度と熱電
発電部の高温側接合部（電極と熱電半導体との接合部）
の温度との温度差か大きく、熱効率か悪いという問題か
あった。

また、長時間使用しているうちに、グリースが蒸発し、
熱抵抗が増大して温度差がさらに大きくなり、−層熱効
率が低下するという問題があった。

またこの熱電発電部は、第５図に拡大図を示すように、
例えばアルミナセラミックス基板等の熱伝導性の良好な
絶縁性基板からなる第１および第２の熱交換基板１１．
１２間にこれに対して良好な熱接触性をもつように多数
個のＰＮ素子対１３か挾持せしめられると共に、各素子
対１３間を夫々第１および第２の電極１４．１５によっ
て直列接続せしめられて構成されている。

そして、この第１および第２の電極１４，１．５は大電
流にも耐え得るように通常銅板からなり、熱交換基板１
１．．１２表面に形成された導電体層パターン上に半田
等の溶着層を介して固着されている。

更にこの第１および第２の電極上には、半田層を介して
Ｐ型熱電素子１３ａ又はＮ型熱電素子１３ｂが交互に夫
々１対ずつ固着せしめられ、ＰＮ素子対１３を構成する
と共に各素子対間は直列接続されている。

ところで、熱交換効率の増大をはかるには、熱交換基板
を良好な熱伝導性を有する絶縁性の材料で構成する必要
があり、また熱歪による劣化を防止するため、熱膨張率
が小さいものでなければならない。

しかしながら、熱交換基板材料として、従来から用いら
れているアルミナセラミックス基板やベリリアセラミッ
クス基板は、線膨脹係数が７×１０−６／にと大きく、
これに線膨脹係数が１６．５ＸＩＯ−６／にの銅電極を
形成しているため、熱応力により、熱電半導体が破損し
たりするという問題があった。

そこで応力を緩和するため、基板を分割構造としたり、
基板を用いることなく電極のみて構成するスケルトン構
造としたりするという方法がとられているか、構造か複
雑となるという問題があった。

また、分割構造とした場合、熱の伝達効率が悪く熱交換
効率を高めることかできない上、強度的にも問題があっ
た。

（発明か解決しようとする課題）このように従来の熱電発電装置では熱効率が良好でない
ため、燃焼室の発熱量に対する熱起電力の割合すなわち
熱電効率か十分に得られないという問題があった。

また従来の装置の基板材料及び電極は熱膨張係数が大き
いものが用いられているため、低温側と高温側の差が大
きくなるに従い、熱雷半導体が破損したり、脱落したり
するという問題があった。

本発明は前記実情に鑑みてなされたもので、発電効率が
良好で、信頼性の高い熱電発電装置を提供することを目
的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するだめの手段）そこで本発明では、熱伝導性の筒状体からなる燃焼室の
外壁に電極を介して熱電半導体の高温側を直接接合せし
め、燃焼室の燃焼熱で高温側を加熱し、起電力を生起せ
しめるようにしている。

望ましくはこの筒状体を、線膨張係数４×１０ｔ、／℃
以下の材料で構成するようにしている。

さらに、この筒状体は絶縁性材料で構成されており、こ
の筒状体表面にメタライズ層を介して線膨脹係数８　Ｘ
　１０−’／　℃以下、体積抵抗率１０Ωｃｍ以下の材
料からなる電極を形成するようにしている。

また、この筒状体は導電性材料で構成されており、この
筒状体表面に絶縁層およびメタライズ層を介して線膨脹
係数８×１０−６／”Ｃ以下、体積抵抗率１０−６Ωｃ
１１の材料からなる電極を形成するようにしている。

さらに望ましくは、この筒状体を石英ガラス、低膨脹ガ
ラス、アンバー合金のうちのいずれかで構成している。

さらにこの電極を、アンバー合金、モリブデン、タング
ステン、タンタルなどの高融点金属あるいはこれらと銅
との合金のうちのいずれかで構成している。

（作用）上記構成によれば、燃焼室の外壁に直接熱電半導体が接
合されているため、極めて熱交換効率が良好であり、か
つ小型化をはかることができる。

また、熱交換基板を熱膨張率の小さい材料で構成してい
るため、燃焼室の外壁に直接接合して、低温部と高温部
との温度差が大きい場合にも、破損や脱落が生しること
なく、良好な特性を維持することができる。

また、電極材料として熱交換基板と線膨張係数の差が小
さい材料を用いているため、上下基板の温度差が大きい
場合でも、熱電半導体が熱応力により破損することがな
い。

（実施例）以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

実施例１この熱電発電装置は、第１図に示すように内部に網目状
の触媒保持筒３０を備えた石英ガラス製の筒体からなる
燃焼室］Ｓと、この燃焼室の外壁に、膜厚５μ釘のニッ
ケルメタライス層Ｍを介して膜厚１２０ｔｔ膚のアンバ
ー合金電極４，５を厚膜法で形成し、これに熱電素子３
を固着したものである。そしてこの熱電素子の低温側の
熱交換基板２には放熱用のフィン２０が形成されている
。

なお、高温側の熱交換基板は燃焼室１ｓをかねている。

この熱電発電装置の燃焼室ｌｓ内にブタンガスを供給す
ることにより、触媒保持筒３ｏ内の触媒を用いて燃焼が
促進され、燃焼室内壁の温度を２２０℃まで上昇せしめ
る一方低温側を放熱フィンおよびファンを用いて冷却し
、両電極間に流れる電流による起電力を取り出すように
したものである。

本発明の熱電発電装置によれば、１００００時間経過後
も内部抵抗変化率は小さく維持され、極めて良好な熱電
特性を呈している。

また、破損も脱落もなく極めて信頼性の高いものとなっ
ている。なお第４図および第５図に示した従来例の熱電
発電装置ではわずか］０００時間で３個中２個の装置が
破損した。

なお、前記実施例１では、基板として石英ガラス、電極
としてアンバー合金を用いたか、これに限定されること
なく、他の材料の組み合わせを用いても良い。他の材料
の組み合わせ例を第１表に示す。

第１表基ＩＦ４ｆ１　　　　　石英ガラス　　　低ＩＩガラス
　　表面絶縁アンバー合金メタライズ層　　タングステ
ン　　ニッケル　　　　ニッケル　銅タングステンＨチ
タン電極材料　　　　アンバ合金　　　モリブデン　　
　銅タングステン合金実施例２この熱電発電装置は、第２図に示すように、実施例１の
燃焼室１ｓを９６％石英ガラス（バイコールガラス）で
構成し、この燃焼室の外壁に、スパッタリング法によっ
て形成した膜厚１μｍのタングステン層Ｍを介してアン
バー合金からなる電極チップ２４．２５を９５船（Ｐｂ
）−５錫（Ｓｎ）半田で接合し、これに熱電素子３を同
じく９５鉛（Ｐｂ）−５錫（Ｓｎ）半田で接合し固着し
たものである。

他の部分については実施例１と同様であり、熱雷素子の
低温側には放熱用のフィン２０が形成されている。

そしてこの熱電発電装置の燃焼室ｌｓ内にブタンガスを
供給することにより、触媒保持筒３０内の触媒を用いて
燃焼が促進され、燃焼室内壁の温度を２５０℃まで上昇
せしめる一方低温側を放熱フィンおよびファンを用いて
７０℃程度に冷却し、両電極間に流れる電流による起電
力を取り出すようにしたものである。

この場合も、内部抵抗変化率は小さく維持され、極めて
良好な熱電特性を呈しており、また長期にわたる使用に
際しても、破損も脱落もなく極めて信頼性の高いものと
なっている。

実施例３この熱電発電装置は、第３図に示すように、燃焼室３１
を表面を酸化シリコン膜３２て被覆したアンバー合金で
構成し、この燃焼室の外壁に、厚膜法によって形成した
膜厚１２０μｍの銅（Ｃｕ）−タングステンのメタライ
ズ層Ｍを介してアンバー合金からなる電極チップ２４．
２５を９５鉛（Ｐｂ）−５錫（Ｓｎ）半田て接合し、こ
れに熱電素子３を同じく９５鉛（Ｐｂ）　−５錫（Ｓｎ
）半田で接合し固着したものである。

他の部分については実施例１および２と同様であり、熱
電素子の低温側には放熱用のフィン２０が形成されてい
る。

そして実施例２と同様この熱電発電装置の燃焼室３１内
にブタンガスを供給することにより、触媒保持筒３０内
の触媒を用いて燃焼が促進され、燃焼室内壁の温度を２
５０℃まで上昇せしめる一方低温側を放熱フィンおよび
ファンを用いて７０℃程度に冷却し、両電極間に流れる
電流による起電力を取り出すようにしたものである。

そしてこの場合は、燃焼室が金属製であることにより、
セラミック製の燃焼室と比較して、燃焼ガス導入部、排
気部等との接合が容易であり、機械的衝撃に強いことか
ら、取扱いが極めて容易となる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明の熱電発電装置によれ
ば、燃焼室の外壁に直接熱電素子を接合するようにして
いるため、熱電効率が良好で信頼性の高いものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の熱電発電装置を示す図
、第２図は本発明の第２の実施例の熱電発電装置を示す
図、第３図は本発明の第３の実施例の熱電発電装置を示
す図、第４図および第５図は従来例の熱電発電装置を示
す図である。１．１ｓ・・・燃焼室、１０・・・熱電発電部、２０・
・・冷却用ファン、３０・・・触媒保持筒、１１・・・
高温側熱交換基板、２．１２・・・低温側熱交換基板、
３１３・・・熱電素子、４，５・・・アンバー合金電極
（厚膜）、１４．１５・・・電極、２４．２５・・・ア
ンバー合金（チップ）、Ｍ・・・メタライズ層、３０・
・触媒保持筒、・３１・・・アンバー合金（燃焼室）、
３２・・酸化シリコン膜。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）熱伝導性の筒状体からなる燃焼室と、前記筒状体
の外壁に電極を介して高温側が直接接合せしめられた熱
電素子対とを具備し、前記燃焼室の燃焼熱で高温側を加
熱し、起電力を生起せしめるようにしたことを特徴とす
る熱電装置。
（２）前記筒状体は、線膨脹係数４×１０＾−＾６／℃
以下の材料から構成されていることを特徴とする請求項
第（１）に記載の熱電発電装置。
（３）前記筒状体は絶縁性材料から構成されており、前
記電極は、前記筒状体表面にメタライズ層を介して形成
された線膨脹係数８×１０＾−＾６／℃以下、体積抵抗
率１０＾−＾６Ωｃｍ以下の材料からなる材料から構成
されていることを特徴とする請求項第（２）に記載の熱
電発電装置。
（４）前記熱交換基板は、導電性材料から構成されてお
り、前記電極は、前記筒状体表面全体を覆う絶縁層上にメタ
ライズ層を介して形成された線膨脹係数８×１０＾−＾
６／℃以下、体積抵抗率１０＾−＾６Ωｃｍ以下の材料
から構成されていることを特徴とする請求項第（２）に
記載の熱電発電装置。
（５）前記筒状体は石英ガラス、低膨脹ガラス、アンバ
ー合金のうちのいずれかであることを特徴とする請求項
第（１）乃至第（４）項のいずれかに記載の熱電発電装
置。
（６）前記電極は、アンバー合金、モリブデン、タング
ステン、タンタルなどの高融点金属あるいはこれらと銅
との合金からなることを特徴とする請求項第（１）乃至
第（４）項のいずれかに記載の熱電発電装置。