特許 5984915 パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5984915

(24)【登録日】2016年8月12日

(45)【発行日】2016年9月6日

(54)【発明の名称】パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 35/34 20060101AFI20160823BHJP

   H01L 35/32 20060101ALI20160823BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20160823BHJP

【ＦＩ】

   H01L35/34

   H01L35/32 A

   H02N11/00 A

【請求項の数】2

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2014-509051(P2014-509051)

(86)(22)【出願日】2013年4月1日

(86)【国際出願番号】JP2013002259

(87)【国際公開番号】WO2013150773

(87)【国際公開日】20131010

【審査請求日】2015年11月30日

(31)【優先権主張番号】特願2012-84549(P2012-84549)

(32)【優先日】2012年4月3日

(33)【優先権主張国】JP

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「省エネルギー革新技術開発事業／先導研究（事業研究一体型）／自立型システムのための熱発電デバイスの研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005821

【氏名又は名称】パナソニック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100180529

【弁理士】

【氏名又は名称】梶谷 美道

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(74)【代理人】

【識別番号】100125922

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 章子

(72)【発明者】

【氏名】酒井 章裕

(72)【発明者】

【氏名】菅野 勉

(72)【発明者】

【氏名】高橋 宏平

(72)【発明者】

【氏名】玉置 洋正

(72)【発明者】

【氏名】山田 由佳

【審査官】 羽鳥 友哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−３３６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／０１４３６６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−２４６６６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１９９４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−７８３３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１１−６８１７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３５／３４

Ｈ０１Ｌ ３５／３２

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法であって、以下の工程を具備する：
金属粉末を圧縮することによって、金属からなる第１カップ状部材を得る工程（ａ）、ここで、
第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第１カップ状部材は焼結されておらず、
熱電材料の粉末を圧縮することによって、熱電材料からなる第２カップ状部材を得る工程（ｂ）、ここで、
第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第２カップ状部材は焼結されておらず、
複数の第１カップ状部材および複数の第２カップ状部材を交互に繰り返し配置し、内部貫通孔を具備するパイプを形成する工程（ｃ）、ここで、
各第１カップ状部材の第１外面が隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に接するように、各第１カップ状部材は隣接する一方の第２カップ状部材に挿入され、
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に接するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入され、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成され、
第１カップ状部材は焼結されておらず、
第２カップ状部材は焼結されておらず、
工程（ｃ）において得られたパイプを焼結させ、パイプ形状の熱発電デバイスを形成する工程（ｄ）、ここで、
前記パイプが焼結される間、前記パイプの長手方向に沿って前記パイプが圧縮される方向に圧力が前記パイプに印加され、
工程（ａ）では、圧縮装置によって前記金属粉末が圧縮され、
工程（ａ）は、以下の工程を具備する：
圧縮装置を用意する工程（ａ１）
前記圧縮装置は、中心棒、筒状外部フレーム、第１筒状内部フレーム、および第２筒状内部フレームを具備し、
前記中心棒の長手方向に沿って、前記第１筒状内部フレームおよび第２筒状内部フレームは互いに向かい合い、
前記中心棒および前記筒状外部フレームの間に前記第２筒状内部フレームが挟まれており、
前記中心棒の外面は、前記第２筒状内部フレームの内面に接しており、
前記筒状外部フレームの内面は、前記第２筒状内部フレームの外面に接しており、
前記中心棒は、前記第２筒状内部フレームよりも長く、
前記筒状外部フレームは、前記第２筒状内部フレームよりも長く、
前記中心棒の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第２筒状内部フレームの一端は傾斜しており、前記一端は第１筒状内部フレームに向か
い合い、
前記中心棒の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第１筒状内部フレームの一端は傾斜しており、前記一端は第２筒状内部フレームに向かい合い、第１筒状内部フレームの傾斜している一端および第２筒状内部フレームの傾斜している一端は互いに平行であり、
前記金属粉末が前記中心棒および前記筒状外部フレームの間に挟まれるように、前記金属粉末を前記第２筒状内部フレームの一端に配置する工程（ａ２）、および
前記第１筒状内部フレームを前記中心棒および前記筒状外部フレームの間に前記中心棒の長手方向に沿って挿入して、前記第１筒状内部フレームおよび前記第２筒状内部フレームの間で前記金属粉末を圧縮する工程（ａ３）。

【請求項2】

パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法であって、以下の工程を具備する：
金属粉末を圧縮することによって、金属からなる第１カップ状部材を得る工程（ａ）、ここで、
第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第１カップ状部材は焼結されておらず、
熱電材料の粉末を圧縮することによって、熱電材料からなる第２カップ状部材を得る工程（ｂ）、ここで、
第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第２カップ状部材は焼結されておらず、
複数の第１カップ状部材および複数の第２カップ状部材を交互に繰り返し配置し、内部貫通孔を具備するパイプを形成する工程（ｃ）、ここで、
各第１カップ状部材の第１外面が隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に接するように、各第１カップ状部材は隣接する一方の第２カップ状部材に挿入され、
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に接するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入され、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成され、
第１カップ状部材は焼結されておらず、
第２カップ状部材は焼結されておらず、
工程（ｃ）において得られたパイプを焼結させ、パイプ形状の熱発電デバイスを形成する工程（ｄ）、ここで、
前記パイプが焼結される間、前記パイプの長手方向に沿って前記パイプが圧縮される方向に圧力が前記パイプに印加され、
工程（ｂ）では、圧縮装置によって前記熱電材料の粉末が圧縮され、
工程（ｂ）は、以下の工程を具備する：
圧縮装置を用意する工程（ｂ１）
前記圧縮装置は、中心棒、筒状外部フレーム、第１筒状内部フレーム、および第２筒状内部フレームを具備し、
前記中心棒の長手方向に沿って、前記第１筒状内部フレームおよび第２筒状内部フレームは互いに向かい合い、
前記中心棒および前記筒状外部フレームの間に前記第２筒状内部フレームが挟まれており、
前記中心棒の外面は、前記第２筒状内部フレームの内面に接しており、
前記筒状外部フレームの内面は、前記第２筒状内部フレームの外面に接しており、
前記中心棒は、前記第２筒状内部フレームよりも長く、
前記筒状外部フレームは、前記第２筒状内部フレームよりも長く、
前記中心棒の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第２筒状内部フレームの一端は傾斜しており、前記一端は第１筒状内部フレームに向かい合い、
前記中心棒の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第１筒状内部フレームの一端は傾斜しており、前記一端は第２筒状内部フレームに向かい合い、第１筒状内部フレームの傾斜している一端および第２筒状内部フレームの傾斜している一端は互いに平行であり、
前記熱電材料の粉末が前記中心棒および前記筒状外部フレームの間に挟まれるように、前記熱電材料の粉末を前記第２筒状内部フレームの一端に配置する工程（ｂ２）、および
前記第１筒状内部フレームを前記中心棒および前記筒状外部フレームの間に前記中心棒の長手方向に沿って挿入して、前記第１筒状内部フレームおよび前記第２筒状内部フレームの間で前記熱電材料の粉末を圧縮する工程（ｂ３）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、パイプ形状の熱発電デバイスを開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開第２０１２／０１４３６６号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示の限定的でない例示的なある実施形態は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する新規な方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の方法は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法であって、以下の工程を具備する：
金属粉末を圧縮することによって、金属からなる第１カップ状部材を得る工程（ａ）、ここで、
第１カップ状部材は第１内面および第１外面を具備し、
第１カップ状部材は下端に第１貫通孔を具備し、
第１カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第１カップ状部材は焼結されておらず、

熱電材料の粉末を圧縮することによって、熱電材料からなる第２カップ状部材を得る工程（ｂ）、ここで、
第２カップ状部材は第２内面および第２外面を具備し、
第２カップ状部材は下端に第２貫通孔を具備し、
第２カップ状部材の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第２カップ状部材は焼結されておらず、

複数の第１カップ状部材および複数の第２カップ状部材を交互に繰り返し配置し、内部貫通孔を具備するパイプを形成する工程（ｃ）、ここで、
各第１カップ状部材の第１外面が隣接する一方の第２カップ状部材の第２内面に密着するように、各第１カップ状部材は隣接する一方の第２カップ状部材に挿入され、
各第１カップ状部材の第１内面が隣接する他方の第２カップ状部材の第２外面に密着するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材は各第１カップ状部材に挿入され、
前記内部貫通孔は、複数の第１貫通孔および複数の第２貫通孔から構成され、
第１カップ状部材は焼結されておらず、
第２カップ状部材は焼結されておらず、

工程（ｃ）において得られたパイプを焼結させ、パイプ形状の熱発電デバイスを形成する工程（ｄ）、ここで、
前記パイプが焼結される間、前記パイプの長手方向に沿って前記パイプが圧縮される方向に圧力が前記パイプに印加される。

【発明の効果】

【0006】

本開示の限定的でない例示的なある実施形態によれば、高い最大発電電力値を有するパイプ形状の熱発電デバイスを製造する新規な方法が提供される。本開示の方法によって得られたパイプ形状の熱発電デバイスは、高い最大発電電力値を有し得る。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本実施の形態によるパイプ形状の熱発電デバイスを示す。

【図2】パイプ形状の熱発電デバイスの部分分解図を示す。

【図3】１つの第１カップ状部材１１を示す。

【図4】１つの第２カップ状部材１２を示す。

【図5】図３に描かれたＡ−Ａ線断面図である。

【図6】図４に描かれたＢ−Ｂ線断面図である。

【図7】パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法における１工程を示す。

【図8】図７に続く、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法における１工程を示す。

【図9】図８に示されるパイプ形状の熱発電デバイスの分解図である。

【図10】パイプ形状の熱発電デバイスを製造する他の方法における１工程を示す。

【図11】図１０に続く、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する他の方法における１工程を示す。

【図12】パイプ形状の熱発電デバイスを用いて発電する方法を示す。

【図13】図１２に示されるパイプ形状の熱発電デバイスの断面図を示す。

【図14】パイプ形状の熱発電デバイス９８１の軸方向に沿った断面図を示す。

【図15】パイプ形状の熱発電デバイス９８１の軸方向に直交する断面図を示す。

【図16】パイプ形状の熱発電デバイス９８１の軸方向に沿った断面図を示す。

【図17】パイプ形状の熱発電デバイス９８１の軸方向に直交する断面図を示す。

【図18】パイプ形状の熱発電デバイス９８１の軸方向に沿った断面図を示す。

【図19】実施形態において用いられる圧縮装置を示す。

【図20】第２筒状内部フレーム６１の断面図および上面図を示す。

【図21】第１筒状内部フレーム７１の断面図および上面図を示す。

【図22】中心棒８１の断面図および上面図を示す。

【図23】筒状外部フレーム９１の断面図および上面図を示す。

【図24】第１カップ状部材１１および第２カップ状部材が交互に繰り返し配置されたパイプを内部に有する圧縮装置を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

本開示の一態様の概要は以下のとおりである。

【0009】

本開示の方法は、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法であって、以下の工程を具備する：
金属粉末を圧縮することによって、金属からなる第１カップ状部材１１を得る工程（ａ）、ここで、
第１カップ状部材１１は第１内面１１２および第１外面１１１を具備し、
第１カップ状部材１１は下端に第１貫通孔１１３を具備し、
第１カップ状部材１１の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第１カップ状部材１１は焼結されておらず、

熱電材料の粉末を圧縮することによって、熱電材料からなる第２カップ状部材１２を得る工程（ｂ）、ここで、
第２カップ状部材１２は第２内面１２２および第２外面１２１を具備し、
第２カップ状部材１２は下端に第２貫通孔１２３を具備し、
第２カップ状部材１２の断面積は、その下端の方向に減少しており、
第２カップ状部材１２は焼結されておらず、

複数の第１カップ状部材１１および複数の第２カップ状部材１２を交互に繰り返し配置し、内部貫通孔１８を具備するパイプを形成する工程（ｃ）、ここで、
各第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂが隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂに密着するように、各第１カップ状部材１１ｂは隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂに挿入され、
各第１カップ状部材１１ｂの第１内面１１２ｂが隣接する他方の第２カップ状部材１２ａの第２外面１２１ａに密着するように、前記隣接する他方の第２カップ状部材１２ａは各第１カップ状部材１１ｂに挿入され、
前記内部貫通孔１８は、複数の第１貫通孔１１３および複数の第２貫通孔１２３から構成され、
第１カップ状部材１１は焼結されておらず、
第２カップ状部材１２は焼結されておらず、

工程（ｃ）において得られたパイプを焼結させ、パイプ形状の熱発電デバイスを形成する工程（ｄ）、ここで、
前記パイプが焼結される間、前記パイプの長手方向に沿って前記パイプが圧縮される方向に圧力が前記パイプに印加される。

１つの実施態様において、
工程（ｃ）において、
各第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂが隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂに接し、かつ
各第１カップ状部材１１ｂの第１内面１１２ｂが隣接する他方の第２カップ状部材１２ａの第２外面１２１ａに接する。

１つの実施態様において、
工程（ａ）では、圧縮装置によって金属粉末が圧縮され、
工程（ａ）は、以下の工程を具備する：
圧縮装置を用意する工程（ａ１）
前記圧縮装置は、中心棒８１、筒状外部フレーム９１、第１筒状内部フレーム７１、および第２筒状内部フレーム６１を具備し、
前記中心棒８１の長手方向に沿って、前記第１筒状内部フレーム７１および第２筒状内部フレーム６１は互いに向かい合い、
前記中心棒８１および前記筒状外部フレーム９１の間に前記第２筒状内部フレーム６１が挟まれており、
前記中心棒８１の外面は、前記第２筒状内部フレーム６１の内面に接しており、
前記筒状外部フレーム９１の内面は、前記第２筒状内部フレーム６１の外面に接しており、
前記中心棒８１は、前記第２筒状内部フレーム６１よりも長く、
前記筒状外部フレーム９１は、前記第２筒状内部フレーム６１よりも長く、
前記中心棒８１の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第２筒状内部フレーム６１の一端は傾斜しており、前記一端は第１筒状内部フレーム７１に向かい合い、
前記中心棒８１の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第１筒状内部フレーム７１の一端は傾斜しており、前記一端は第２筒状内部フレーム６１に向かい合い、第１筒状内部フレーム７１の傾斜している一端および第２筒状内部フレーム６１の傾斜している一端は互いに平行であり、

前記金属粉末が前記中心棒８１および前記筒状外部フレーム９１の間に挟まれるように前記金属粉末を、前記第２筒状内部フレーム６１の一端に配置する工程（ａ２）、および

前記第１筒状内部フレーム７１を前記中心棒８１および前記筒状外部フレーム９１の間に前記中心棒８１の長手方向に沿って挿入して、前記第１筒状内部フレーム７１および前記第２筒状内部フレーム６１の間で前記金属粉末を圧縮する工程（ａ３）。

１つの実施態様において、
工程（ｂ）では、圧縮装置を用いて熱電材料の粉末が圧縮され、
工程（ｂ）は、以下の工程を具備する：
圧縮装置を用意する工程（ｂ１）
前記圧縮装置は、中心棒８１、筒状外部フレーム９１、第１筒状内部フレーム７１、および第２筒状内部フレーム６１を具備し、
前記中心棒８１の長手方向に沿って、前記第１筒状内部フレーム７１および第２筒状内部フレーム６１は互いに向かい合い、
前記中心棒８１および前記筒状外部フレーム９１の間に前記第２筒状内部フレーム６１が挟まれており、
前記中心棒８１の外面は、前記第２筒状内部フレーム６１の内面に接しており、
前記筒状外部フレーム９１の内面は、前記第２筒状内部フレーム６１の外面に接しており、
前記中心棒８１は、前記第２筒状内部フレーム６１よりも長く、
前記筒状外部フレーム９１は、前記第２筒状内部フレーム６１よりも長く、
前記中心棒８１の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第２筒状内部フレーム６１の一端は傾斜しており、前記一端は第１筒状内部フレーム７１に向かい合い、
前記中心棒８１の長手方向に沿って前記圧縮装置を切断した際に現れる断面視において、前記第１筒状内部フレーム７１の一端は傾斜しており、前記一端は第２筒状内部フレーム６１に向かい合い、第１筒状内部フレーム７１の傾斜している一端および第２筒状内部フレーム６１の傾斜している一端は互いに平行であり、

前記熱電材料の粉末が前記中心棒８１および前記筒状外部フレーム９１の間に挟まれるように、前記熱電材料の粉末を前記第２筒状内部フレーム６１の一端に配置する工程（ｂ２）、および

前記第１筒状内部フレーム７１を前記中心棒８１および前記筒状外部フレーム９１の間に前記中心棒８１の長手方向に沿って挿入して、前記第１筒状内部フレーム７１および前記第２筒状内部フレーム６１の間で前記熱電材料の粉末を圧縮する工程（ｂ３）。

【0010】

以下、実施形態が、図面を参照しながら説明される。

【0011】

（実施形態１）
まず、パイプ形状の熱発電デバイスが説明される。

【0012】

以下、本開示の実施の形態を説明する。

【0013】

図１は、本実施の形態によるパイプ形状の熱発電デバイスを示す。

【0014】

当該パイプ形状の熱発電デバイスは、内部貫通孔１８、複数の第１カップ状部材１１、複数の第２カップ状部材１２、第１電極１５、および第２電極１６を具備する。

【0015】

内部貫通孔１８は、パイプ形状の熱発電デバイスの軸方向に沿って設けられている。当該軸方向は、図１に描かれた矢印によって指し示される方向である。

【0016】

第１電極１５および第２電極１６は、それぞれ、パイプ形状の熱発電デバイスの一端および他端に配置されている。

【0017】

各第１カップ状部材１１は金属からなる。当該金属の例は、ニッケル、コバルト、銅、アルミ、銀、金、またはこれらの合金である。当該金属がニッケル、コバルト、銅、またはアルミであると有益である。

【0018】

各第２カップ状部材１２は熱電変換材料からなる。当該熱電変換材料の例は、Ｂｉ、Ｂｉ₂Ｔｅ₃、またはＰｂＴｅである。Ｂｉ₂Ｔｅ₃はＳｂまたはＳｅを含有し得る。

【0019】

図２は、パイプ形状の熱発電デバイスの部分分解図を示す。図２に示されるように、３つの第１カップ状部材１１ａ〜１１ｃおよび３つの第２カップ状部材１２ａ〜１２ｃが、軸方向に沿って交互に繰り返し配置されている。各前記第１カップ状部材１１ａ〜１１ｃ（１１）は同一の形状を有する。各前記第２カップ状部材１２ａ〜１２ｃ（１２）も、同一の形状を有する。

【0020】

図３は、１つの第１カップ状部材１１を示す。図３に示されるように、第１カップ状部材１１は、第１内面１１２および第１外面１１１を具備する。第１カップ状部材１１は、下端に第１貫通孔１１３を具備する。カップ状部材１１の上端は、開口を有している。第１カップ状部材１１の断面積は、その下端の方向に減少している。第１カップ状部材１１の形状と同様に、図４に示されるように、第２カップ状部材１２も、第２内面１２２、第２外面１２１、および第２貫通孔１２３を具備している。第２カップ状部材１２の断面積もまた、各第２カップ状部材１２の下端の方向に減少している。

【0021】

図１〜図４から明らかなように、内部貫通孔１８は、複数の第１貫通孔１１３および複数の第２貫通孔１２３から構成される。

【0022】

図２に示されるように、第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂが、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂに密着するように、第１カップ状部材１１ｂは、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂに挿入される。

【0023】

第１カップ状部材１１ｂの第１内面１１２ｂは、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａの第２外面１２１ａに密着するように、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａは、第１カップ状部材１１ｂに挿入される。

【0024】

このように、１つの第１カップ状部材１１は、隣接する２つの第２カップ状部材１２に密着している。同様に、１つの第２カップ状部材１２もまた、隣接する２つの第１カップ状部材１１に密着している。

【0025】

典型的には、第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂは、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂに接する。これに代えて、第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂおよび隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂの間に供給されたハンダによって、これらの面が互いに密着し得る。

【0026】

上記と同様に、典型的には、第１カップ状部材１１ｂの第１内面１１２ｂは、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａの第２外面１２１ａに接する。これに代えて、これらの面の間に供給されたハンダによって、これらの面が密着し得る。

【0027】

典型的には、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の間に隙間はない。なぜなら、後述するように、内部貫通孔１８に流体が流される時に、隙間は熱電変換を阻害する可能性があるからである。さらに、隙間から流体が漏れ出す可能性がある。必要に応じて上記のようにハンダが隙間に充填され得る。

【0028】

第１カップ状部材１１の数および第２カップ状部材１２の数の例は、１００個以上１０００個以下である。

【0029】

図５は、図３に描かれたＡ−Ａ線断面図である。図６は、図４に描かれたＢ−Ｂ線断面図である。θ₁およびθ₂は、それぞれ、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の傾斜角度を表す。すなわち、θ₁は、第１カップ状部材１１の断面積がその下端の方向に向けて減少している部分および第１カップ状部材１１の軸方向によって形成される角度を表す。同様に、θ₂は、第２カップ状部材１２の断面積がその下端の方向に向けて減少している部分および第２カップ状部材１２の軸方向によって形成される角度を表す。θ₁の値はθ₂の値に等しい。θ₁およびθ₂の値は、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の材料に依存して適切に調整される。典型的には、θ₁およびθ₂の値は５度以上４５度以下である。

【0030】

内部貫通孔１８の断面形状は特に限定されない。パイプ形状の熱発電デバイスの断面形状も特に限定されない。

【0031】

第１カップ状部材１１の断面形状が円である場合、図５に示されるｄｌ₁およびｄｓ₁は、それぞれ、第１カップ状部材１１の上端および下端の幅を表す。第１カップ状部材１１は高さｈ₁および厚みＴ₁を有する。図５の場合と同様に、図６に示されるｄｌ₂、ｄｓ₂、ｈ₂、およびＴ₂は、それぞれ、第２カップ状部材１２の上端の幅、下端の幅、高さ、および厚みを表す。

【0032】

パイプ形状の熱発電デバイスの断面形状は限定されない。パイプ形状の熱発電デバイスの断面の例は、円形、楕円形、または多角形である。パイプ形状の熱発電デバイスの断面は、典型的には、円形である。すなわち、パイプ形状の熱発電デバイスは、典型的には、円筒状である。

【0033】

図７に示されるように、複数の第１カップ状部材１１および複数の第２カップ状部材１２は交互に繰り返し配置される。その後、図８および図９に示されるように、その一端および他端にそれぞれ第１電極１５および第２電極１６が接合され、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する。図９は図８の分解図である。

【0034】

図８および図９に示される手順に代えて、以下のように第１電極１５および第２電極１６を接合し得る。図７の後、図１０に示されるように、その一端の一部および他端の一部をカットし、当該一端および他端を平坦にする。その後、図１１に示されるように、板状の第１電極１５および板状の第２電極１６をそれぞれ一端および他端に接合し、パイプ形状の熱発電デバイスを製造する。

【0035】

以下、パイプ形状の熱発電デバイスを用いて発電する方法を図１２〜図１３を参照しながら説明する。図１２は、パイプ形状の熱発電デバイスを用いて発電する方法の一例を示す。図１３は、図１２に示されるパイプ形状の熱発電デバイスの断面図を示す。

【0036】

図１２に示されるように、パイプ形状の熱発電デバイス９８１は、槽９８２に貯められた冷たい流体９８３に浸漬される。典型的には、冷たい流体９８３は水のような液体である。図１３に示されるように、内部貫通孔１８には、例えば暖かい流体９８４が流れる。典型的には、暖かい流体９８４は温水のような液体である。暖かい流体９８４は、ポンプ９８５により循環され得る。ポンプ９８５およびパイプ形状の熱発電デバイス９８１は、例えば２本のシリコーン製のチューブ９８６によって接続される。このようにして、第１電極１５および第２電極１６との間に電圧差が生じる。図１２においては、第１電極１５および第２電極１６には２本の電線９８７を介して負荷９８８が電気的に接続されている。冷たい流体９８３および暖かい流体９８４の間の温度差は、典型的には、摂氏２０度以上摂氏８０度以下である。槽９８２に暖かい流体を貯め、一方、ポンプ９８５により冷たい流体を内部貫通孔１８に循環させ得る。

【0037】

図１４および図１５に示されるように、パイプ形状の熱発電デバイス９８１は、管状のジャケット９９１の内部に挿入され得る。管状のジャケット９９１およびパイプ形状の熱発電デバイス９８１の間に冷たい流体９８３が流され、暖かい流体９８４が内部貫通孔１８に流され得る。これらの流体の流れに代えて、管状のジャケット９９１およびパイプ形状の熱発電デバイス９８１の間に暖かい流体が流され、冷たい流体が内部貫通孔１８に流され得る。ジャケット９９１の材料の例は、ステンレス、アルミニウム、チタン、ハステロイ（登録商標）、またはインコネル（登録商標）である。

【0038】

図１６および図１７に示されるように、内部貫通孔１８の周囲には絶縁性の内壁９６１が配置され、流体に含有され得る酸、アルカリ、または塩分のような腐食性成分からパイプ形状の熱発電デバイス９８１を保護すると有益である。内壁９６１の材料の例は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化シリコン、または窒化シリコンのような無機物、ポリイミド樹脂またはフッ素樹脂のような有機物である。絶縁体によって被覆された金属も用いられ得る。

【0039】

上記と同様に、絶縁性の外壁９６２がパイプ形状の熱発電デバイス９８１の外面の周囲に配置されると有益である。外壁９６２の材料には、例えば内壁９６１の材料と同じ材料を用い得る。

【0040】

次に、実施形態１のパイプ形状の熱発電デバイスを製造する方法が説明される。

【0041】

（工程ａ）および（工程ｂ）
まず、工程（ａ）および工程（ｂ）において、金属粉末及び熱電変換材料の粉末が圧縮され、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２を形成する。金属粉末及び熱電変換材料の粉末は、例えば圧縮装置によって圧縮される。工程（ａ）でも工程（ｂ）でも、同じ圧縮装置が用いられ得る。

【0042】

図１９は、この圧縮装置の断面図を示す。

【0043】

図１９に示されるように、この圧縮装置は、中心棒８１、筒状外部フレーム９１、第１筒状内部フレーム７１、および第２筒状内部フレーム６１を具備する。図２０は、第２筒状内部フレーム６１の断面図および上面図を示す。図２１は、第１筒状内部フレーム７１の断面図および上面図を示す。図２２は、中心棒８１の断面図および上面図を示す。図２３は、筒状外部フレーム９１の断面図および上面図を示す。

【0044】

図１９に示されるように、中心棒８１の長手方向に沿って、第１筒状内部フレーム７１および第２筒状内部フレーム６１は互いに向かい合う。中心棒８１および筒状外部フレーム９１の間に第２筒状内部フレーム６１が挟まれている。中心棒８１の外面は、第２筒状内部フレーム６１の内面に接している。筒状外部フレーム９１の内面は、第２筒状内部フレーム６１の外面に接している。

【0045】

中心棒８１は、第２筒状内部フレーム６１よりも長い。言い換えれば、中心棒８１の高さは、第２筒状内部フレーム６１よりも大きい。

【0046】

筒状外部フレーム９１は、第２筒状内部フレーム６１よりも長い。言い換えれば、筒状外部フレーム９１の高さは、第２筒状内部フレーム６１よりも大きい。

【0047】

第２筒状内部フレーム６１の上端はθの角度で傾斜している。第１筒状内部フレーム７１の下端は傾斜している。これらの上端および下端は、互いに向かい合い、かつ互いに平行である。

【0048】

スペーサ１０２が、中心棒８１の底面、第２筒状内部フレーム６１の底面、および筒状外部フレーム９１の底面を支持するように設けられている。

【0049】

第１筒状内部フレーム７１は、スペーサ１０２を介して、加圧部１０１に取り付けられている。

【0050】

加圧部１０１は、中心棒８１の長手方向に沿って駆動し、その一端に取り付けられた第１筒状内部フレーム７１を中心棒８１の長手方向に沿って移動させる。加圧部１０１には、例えば油圧プレス法が用いられる。

【0051】

次に、粉末が、第２筒状内部フレーム６１の上端に配置される。粉末は、金属粉末または熱電変換材料の粉末のどちらかである。言うまでもないが、この金属粉末は、中心棒８１および筒状外部フレーム９１の間に挟まれる。この状態では、第１筒状内部フレーム７１は、まだ中心棒８１および筒状外部フレーム９１の間に挿入されていない。

【0052】

その後、図１９に示されるように、加圧部１０１を駆動させることによって、第１筒状内部フレーム７１を中心棒８１および筒状外部フレーム９１の間に中心棒８１の長手方向に沿って挿入する。このようにして、第１筒状内部フレーム７１および第２筒状内部フレーム６１の間で粉末を圧縮して、金属からなる第１カップ状部材１１または熱電材料からなる第２カップ状部材１２を得る。

【0053】

第１カップ状部材１１の強度を高めるために、金属粉末は、１マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下の粒径を有することが有益である。同様に、第２カップ状部材１２の強度を高めるために、熱電材料の粉末は、１マイクロメートル以上２０マイクロメートル以下の粒径を有することが有益である。ただし、上記の粒径範囲は、粉末（金属粉末または熱電材料の粉末）の硬度、形状などによって変化し得る。カップ状の形状に成型可能であれば、粉末の粒径は、上記の粒径範囲内になくても良い。

【0054】

中心棒８１、筒状外部フレーム９１、第１筒状内部フレーム７１、第２筒状内部フレーム６１、およびスペーサ１０２の材料は特に限定されない。高い圧力に抗する耐性の観点から、中心棒８１、筒状外部フレーム９１、第１筒状内部フレーム７１、第２筒状内部フレーム６１、およびスペーサ１０２の材料の例は、グラファイトまたはステンレスである。

【0055】

（工程ｃ）
次に、図２に示されるように、複数の第１カップ状部材１１および複数の第２カップ状部材１２を交互に繰り返し配置し、内部貫通孔１８を具備するパイプを形成する。

【0056】

各第１カップ状部材１１ｂの第１外面１１１ｂが、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂの第２内面１２２ｂに密着するように、各第１カップ状部材１１ｂは、隣接する一方の第２カップ状部材１２ｂに挿入される。

【0057】

各第１カップ状部材１１ｂの第１内面１１２ｂが、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａの第２外面１２１ａに密着するように、隣接する他方の第２カップ状部材１２ａは、各第１カップ状部材１１ｂに挿入される。

【0058】

内部貫通孔１８は、複数の第１貫通孔１１３および複数の第２貫通孔１２３から構成される。

【0059】

工程（ｃ）では、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２は、いずれもまだ焼結されていない。後述される比較例１および２からも明らかなように、工程（ｄ）にパイプが供される前に、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が焼結されないことが有益である。焼結された第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が工程（ｄ）に供される場合には、最大発電電力が低下する。このことは、本開示を特徴付け得る。

【0060】

工程（ｃ）においては、中心棒８１が用いられて、複数の第１カップ状部材１１および複数の第２カップ状部材１２を交互に繰り返し配置し得る。より具体的には、図１９に示される圧縮装置が用いられて、複数の第１カップ状部材１１および複数の第２カップ状部材１２を交互に繰り返し配置し得る。図１９に示される圧縮装置が用いられる場合には、例えばカーボンペーパーが、パイプおよび中心棒８１の間に挟まれて、これらが接着されることが抑制され得る。同様に、例えばカーボンペーパーが、パイプおよび筒状外部フレーム９１の間に挟まれ得る。カーボンペーパーに代えて、カーボンフェルト、グラファイトシート、またはカーボンパウダーが用いられ得る。

【0061】

（工程ｄ）
最後に、工程（ｃ）において得られたパイプが焼結される。焼結温度は、典型的には、２００℃以上７５０℃以下である。以下の（ａ）および（ｂ）は、パイプを焼結する方法の例である：
（ａ）パイプを加熱しながら、真空中でパイプに圧力を加えるホットプレス法、および
（ｂ）パイプに電圧を印加することによってパイプを加熱しながら、パイプに圧力を印加する放電プラズマ焼結法。

【0062】

図１９に示される圧縮装置が、パイプを焼結させるために用いられ得る。言い換えれば、パイプは図１９に示される圧縮装置内において、圧力が印加されながら、加熱されて焼結され得る。

【0063】

工程（ｄ）においてパイプが焼結される間、圧力がパイプに加えられる。圧力は、パイプの長手方向に沿って、パイプを圧縮する方向に加えられる。工程（ｄ）においては、例えば図１９に示されるような圧縮装置が用いられる。パイプに加えられる圧力は、１ｋＮ以上９ｋＮ以下であると有益である。

【0064】

パイプは、典型的には、真空下で焼結される。

【0065】

（実施例）
以下の実施例は、本開示をより詳細に説明する。

【0066】

（実施例１）
図１９に示される圧縮装置を用いて、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が作製された。表１は、実施例１による第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の詳細を示す。

【0067】

【表1】

【0068】

第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が交互に繰り返し配置され、図１に示されるようなパイプを、図１９に示される圧縮装置内に得た。カーボンペーパーが、このパイプおよび中心棒の間に挟まれた。同様に、この他のカーボンペーパーが、このパイプおよび筒状外部フレーム９１の間に挟まれた。

【0069】

図１９に示される圧縮装置を用いて、パイプを放電プラズマ焼結法により焼結した（図２４を見よ）。焼結の条件は、以下の表２に示される。このようにして、パイプ形状の熱発電デバイスが得られた。

【0070】

【表2】

【0071】

これが４回繰り返され、４本の熱発電デバイスが得られた。４本の熱発電デバイスが、ハンダを用いて直列に接続された。その後、熱発電デバイスの両端が切断され、およそ１１０ミリメートルの長さを有するパイプ状の熱発電デバイスを得た。インジウムからなる第１電極１５および第２電極１６が、このパイプ状の熱発電デバイスの両端に取り付けられた。

【0072】

図１２に示されるように、得られたパイプ形状の熱発電デバイス９８１が、１０℃の温度を有する冷水９８３に浸漬された。９０℃の温度を有する温水９８４が、内部貫通孔１８に循環された。温水９８４は、２０リットル／分の流量を有していた。

【0073】

パイプ形状の熱発電デバイス９８１の最大発電電力が、以下の式により算出された。
最大発電電力の値＝（（第１電極１５および第２電極１６の間の開放電圧）／２）²／（第１電極１５および第２電極１６の間の電気抵抗値）
ここで、開放電圧は、温度差が印加され、かつ電流が流されない状態において、の第１電極１５および第２電極１６の間に生じる電圧である。

【0074】

パイプ形状の熱発電デバイス９８１の電気抵抗値は、以下のように求められる。

【0075】

まず、温度差が印加されない状態で、定電流が第１電極１５および第２電極１６の間に流され、第１電極１５および第２電極１６の間に生じる電圧を測定する。

【0076】

次に、測定された電圧が、定電流の値によって除算され、電気抵抗値を算出する。

【0077】

（比較例１）
第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が交互に繰り返し配置され、パイプが形成される前に、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が、表２に示される条件下で焼結されたこと以外は、実施例１と同一の実験が行われた。

【0078】

比較例１では、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２は、２回、焼結されていることに注意せよ。言い換えれば、パイプが形成される前に、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２は焼結された。さらに、パイプが形成された後、再度、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２は焼結された。

【0079】

表３は、実施例１および比較例１の結果を示す。

【0080】

【表3】

【0081】

（実施例２）
図１９に示される圧縮装置を用いて、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が作製された。表４は、実施例２による第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２の詳細を示す。

【0082】

【表4】

【0083】

実施例１と同様に、図１に示されるようなパイプを、図１９に示される圧縮装置内に得た。

【0084】

図１９に示される圧縮装置を用いて、パイプを放電プラズマ焼結法により焼結した（図２４を見よ）。焼結の条件は、以下の表５に示される。このようにして、パイプ形状の熱発電デバイスが得られた。

【0085】

【表5】

【0086】

（比較例２）
第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が交互に繰り返し配置され、パイプが形成される前に、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２が、表５に示される条件下で焼結されたこと以外は、実施例２と同一の実験が行われた。

【0087】

比較例１と同様、比較例２では、第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２は、２回、焼結されていることに注意せよ。

【0088】

表６は、実施例２および比較例２の結果を示す。

【0089】

【表6】

【0090】

表３および表６から明らかなように、焼結されていない第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２を用いて形成されたパイプを焼結させることによって得られたパイプ形状の熱発電デバイスは、焼結された第１カップ状部材１１および第２カップ状部材１２を用いて形成されたパイプを再焼結させることによって得られたパイプ形状の熱発電デバイスよりも、高い最大発電電力値を有する。

【産業上の利用可能性】

【0091】

本開示は、高い最大発電電力値を有するパイプ形状の熱発電デバイスを製造する新規な方法を提供する。本開示の方法によって得られたパイプ形状の熱発電デバイスは、高い最大発電電力値を有し得る。

【符号の説明】

【0092】

１１ 第１カップ状部材
１１１ 第１外面
１１２ 第１内面
１１３ 第１貫通孔
１２ 第２カップ状部材
１２１ 第２外面
１２２ 第２内面
１２３ 第２貫通孔
１８ 内部貫通孔
６１ 第２筒状内部フレーム
７１ 第１筒状内部フレーム
８１ 中心棒
９１ 筒状外部フレーム
１０１ 加圧部
１０２ スペーサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図18】