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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung.
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Stand der Technik
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Herkömmlich ist eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung bekannt, welche thermische Energie in elektrische Energie durch thermoelektrische Umwandlungselemente unter Einsatz von thermoelektrischen Halbleitern, die eine thermoelektrische Wirkung haben, beispielsweise den Thomson-Effekt, Peltier-Effekt oder Seebeck-Effekt, umwandelt.
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Um beispielsweise die Oxidation von thermoelektrischen Umwandlungselementen auf Grund eines Temperaturanstiegs zu unterdrücken, weist die thermoelektrische Umwandlungseinheit dieses Typs in vielen Fällen eine Konfiguration auf, in der die thermoelektrische Umwandlungseinheit, welche die thermoelektrischen Umwandlungselemente enthält, in einem luftdichten Behälter (Gehäuse) enthalten sind.
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Als eine solche thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung ist eine bekannt, in der ein thermoelektrischer Umwandlungsschaltkreis, der viele Halbleiterelemente vom P-Typ und Halbleiterelemente vom N-Typ enthält, die in Reihe geschaltet sind und in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind, zwischen zwei Wärmetauscherplatten eingeklemmt ist, ein O-Ring um den gesamten äußeren Umfang eines äußeren Randbereichs des thermoelektrischen Umwandlungsschaltkreises zwischen diesen zwei Wärmetauscherplatten angeordnet ist, und diese zwei Wärmetauscherplatten durch Bolzen fixiert sind, die sich an verschiedenen Stellen annähern, beispielsweise an den äußeren Randbereichen, in einem zentralen Bereich und dergleichen (vergl. die offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. 2002-147888 ).
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Wenn jedoch eine Konfiguration, in der die thermoelektrische Umwandlungseinheit, welche die thermoelektrischen Umwandlungselemente enthält, durch zwei Fixierelemente eingeklemmt wird und diese zwei Fixierelemente unter Einsatz einer Vielzahl von Bolzen oder dergleichen direkt fixiert sind, unterscheidet sich die auf die Fixierelemente übertragene Kraft zwischen den Bereichen, die zum Fixieren durch die Bolzen oder dergleichen eingesetzt wird, und den Bereichen, die nicht zum Fixieren verwendet werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass die von den zwei Fixierelementen auf die thermoelektrische Umwandlungseinheit übertragene Belastung variiert, so dass die thermoelektrischen Elemente, die mit einer großen Belastung versehen sind, beschädigt werden.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Beschädigung der thermoelektrischen Umwandlungselemente aufgrund der ungleichen Belastungen zu unterdrücken.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung, die ein thermoelektrisches Umwandlungselement, welches thermische Energie, die durch den Temperaturunterschied zwischen einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite einer thermoelektrischen Umwandlungseinheit verursacht wird, in elektrische Energie umzuwandeln; ein Trägerelement, auf das die Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, ein Abdeckelement, das die Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit, die auf dem Trägerelement angebracht ist, abdeckt, ein Einklemmelement, das über einen gesamten Umfang einer Außenseite des Randbereichs der an das Trägerelement angebrachten thermoelektrischen Umwandlungseinheit angebracht ist, und das Abdeckelement mit dem Trägerelement einklemmt; und ein Positionierungselement, welches das Abdeckelement in Bezug auf das Trägerelement positioniert und die thermoelektrische Umwandlungseinheit zwischen dem Trägerelement und dem Abdeckelement einklemmt, um die thermoelektrische Umwandlungseinheit durch Fixieren des Einklemmelements an das Trägerelement zu positionieren.
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In einer solchen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung umfasst das Trägerelement eine Vorderoberfläche, auf die die thermoelektrische Umwandlungseinheit angebracht ist, eine Rückoberfläche, die eine Gegenseite der Vorderoberfläche ist, und eine Seitenoberfläche, die zwischen der Vorderoberfläche und der Rückoberfläche angeordnet ist, und das Trägerelement ist mit einem Durchgangsloch versehen, wobei ein Ende davon an der Vorderoberfläche und das andere Ende davon an der Seitenoberfläche angebracht ist, und wobei im Inneren davon ein elektrischer Draht zum Entnehmen des Stroms der in der thermoelektrischen Umwandlungseinheit erzeugt wird, nach Außen durchgehend vorhanden ist, und wobei ein weiteres Durchgangsloch vorhanden ist, dessen Enden an der Seitenoberfläche angeordnet sind, und im Inneren davon eine Flüssigkeit zum Kühlen der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit durchfließt.
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Wenn überdies das Trägerelement mit einer Vielzahl von Durchgangslöchern versehen ist, sind in dem Trägerelement die vielen Durchgangslöcher nur an einer Seite der Seitenoberfläche des Trägerelements, von dem anderen Durchgangsloch aus gesehen, angeordnet.
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Die thermoelektrische Umwandlungseinheit umfasst auch ein luftdichtes Element, das zwischen dem Trägerelement und einem Bereich des Abdeckelements angeordnet ist, der durch das Einklemmelement eingeklemmt wird, und das luftdichte Element ist elastisch und steht in Kontakt mit dem Trägerelement und dem Abdeckelement über einen gesamten Umfang, um die Luftdichtheit eines Innenraums zu erhöhen, der durch das Belastungselement und das Abdeckelement zur Aufnahme der thermoelektrischen Umwandlungseinheit gebildet wird.
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Überdies umfasst die thermoelektrische Umwandlungseinheit außerdem: ein Niedertemperaturseitenisolierelement, das aus Aluminiumnitrid zusammengesetzt ist, und zwischen dem Trägerelement und der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit angeordnet ist, um das Trägerelement von der thermoelektrischen Umwandlungseinheit elektrisch zu isolieren; und ein Hochtemperaturseitenisolierelement, das aus Aluminiumoxid zusammengesetzt ist und zwischen dem Abdeckelement und der Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit angeordnet ist, um das Abdeckelement von der thermoelektrischen Umwandlungseinheit elektrisch zu isolieren.
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Außerdem ist das Trägerelement aus einer Aluminiumlegierung zusammengesetzt, und das Abdeckelement und das Einklemmelement sind aus einem rostfreien Stahl zusammengesetzt.
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Auf einer Trägeroberfläche des Trägerelements, auf die die thermoelektrische Umwandlungseinheit angebracht werden soll, sind viele hervorstehende Bereiche angebracht, die sich an Positionen um die thermoelektrische Umwandlungseinheit herum befinden.
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Erfindungsgemäß ist es möglich, die Beschädigung der thermoelektrischen Umwandlungselemente aufgrund eines Ungleichgewichts der beaufschlagten Belastung zu unterdrücken.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird auf der Grundlage der folgenden Figuren eingehend beschrieben, worin gilt:
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1 ist eine perspektivische Ansicht, welche die schematische Konfiguration einer thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zeigt, auf die die beispielhafte Ausführungsform angewandt ist;
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2 ist eine perspektivische Explosionsansicht der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung, die in 1 gezeigt ist;
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3 ist eine Querschnittsansicht zur Veranschaulichung der inneren Konfiguration der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung;
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4 ist eine Draufsicht einer Grundeinheit, die ein Gehäuse der thermoelektrischen Umwandlungseinheit, von oben gesehen, darstellt; und
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5 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine schematische Konfiguration eines Hauptkörpers einer thermoelektrischen Umwandlungseinheit zeigt, welche die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung darstellt.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden wird eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen eingehend beschrieben.
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[Gesamtkonfiguration der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung]
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1 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine schematische Konfiguration einer thermoelektrischen Umwandlungseinheit 1 zeigt, auf die die beispielhafte Ausführungsform angewandt wird. 2 ist eine perspektivische Explosionszeichnung der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 1, die in 1 gezeigt ist. 3 ist eine Querschnittsansicht zur Veranschaulichung der inneren Konfiguration der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1.
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Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 wird beispielsweise zum Umwandeln von thermischer Energie, die in einer Müllverbrennungsanlage oder dergleichen erzeugt wird, in elektrische Energie verwendet.
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Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 umfasst: ein Gehäuse 10, eine Oberfläche, deren eine Oberfläche eine Hochtemperaturseite ist, die einer Wärmequelle, beispielsweise einem Abgas, gegenüber angeordnet ist oder diese kontaktiert, und deren andere Oberfläche auf einer Rückseite davon eine Niedertemperaturseite ist; und eine thermoelektrische Umwandlungseinheit 20, die in einem Innenraum des Gehäuses 10 enthalten ist und thermische Energie, die durch den Temperaturunterschied zwischen der Hochtemperaturseite und der Niedertemperaturseite verursacht wird und über das Gehäuse 10 erhalten wird, in elektrische Energie umwandelt. Überdies umfasst die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 außerdem: eine Isoliereinheit 30, die in dem Innenraum des Gehäuses 10 angeordnet ist und die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 von dem Gehäuse 10 elektrisch isoliert; und eine Wärmeübertragungseinheit 40, welche Wärme (Hochtemperatur und Niedertemperatur) von dem Gehäuse 10 zu der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 über die Isoliereinheit 30 überträgt.
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Eine Konfiguration jedes Teils der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 wird nachstehend beschrieben.
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[Konfiguration des Gehäuses]
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Zuerst wird die Konfiguration des Gehäuses 10 beschrieben.
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4 ist eine Draufsicht einer Grundeinheit 11, die das Gehäuse 10 der von oben gesehenen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 darstellt. Im Folgenden werden die Beschreibungen ebenfalls unter Bezugnahme auf 4 und zusätzlich auf die 1 bis 3 angegeben. Es ist anzumerken, dass in 4 die Beschreibungen der Schraubenlöcher 111 und der hervorstehenden Bereiche 112, die nachstehend beschrieben werden sollen, weggelassen sind, und dass die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20, die auf der Grundeinheit 11 angebracht ist, durch eine Strichpunktlinie angedeutet ist.
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Das Gehäuse 10 umfasst die Grundeinheit 11, die eine Scheibenform aufweist und worauf auf einer Oberfläche 11a davon die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 angebracht ist; und eine Abdeckeinheit 12, die eine Strohhutform aufweist und die auf der Grundeinheit 11 aufgebrachte thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 bedeckt.
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Überdies umfasst das Gehäuse 10: einen luftdichten Ring 13, der auf der Außenseite eines Randbereichs der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 zwischen der Grundeinheit 11 und der Abdeckeinheit 12 angebracht ist und die Luftdichtheit des Innenraums erhöht, der zwischen der Grundeinheit 11 und der Abdeckeinheit 12 gebildet wird; und einem Pressring 14, der die Abdeckeinheit 12 von oberhalb der Abdeckeinheit 12 in Richtung der Oberfläche 11a der Grundeinheit 11 drückt. Außerdem umfasst das Gehäuse 10 eine Vielzahl von (in diesem Beispiel 12) Schrauben 15, die eine Positionierung und Fixierung der Abdeckeinheit 12 in Bezug auf die Grundeinheit 11 und eine Positionierung und Fixierung der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 in Bezug auf die Grundeinheit 11 und die Abdeckeinheit 12 durchführt, indem der Pressring 14 gegen die Grundeinheit 11 mit einem Krempenbereich 123 (der nachstehend eingehend beschrieben werden soll) der Abdeckeinheit 12, die zwischen der Grundeinheit 11 und dem Pressring 14 angeordnet ist, geschraubt wird.
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Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 ist so angeordnet, dass die Abdeckeinheit 12 des Gehäuses 10 auf einer Wärmequellenseite (Hochtemperaturseite) positioniert ist, und die Grundeinheit 11 auf einer Gegenseite der Wärmequelle (Niedertemperaturseite) positioniert ist. Folglich ist in der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20, die in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 angebracht ist, die Seite, die der Grundeinheit 11 gegenübersteht, die Niedertemperaturseite und die Seite, die der Abdeckeinheit 12 gegenübersteht, die Hochtemperaturseite.
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(Grundeinheit)
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Die Grundeinheit 11 ist ein Beispiel eines Trägerelements, welches umfasst: eine Vorderoberfläche 11a und eine Rückoberfläche 11b, die kreisförmig sind und die Beziehung einer Vorder- und Rückseite aufweisen; und eine Seitenoberfläche 11c, die zylinderförmig ist und zwischen der Vorderoberfläche 11a und der Rückoberfläche 11b angeordnet ist. Dann wird, wie nachstehend beschrieben wird, die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 auf der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 angebracht.
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Die Grundeinheit 11 der beispielhaften Ausführungsform ist aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit zusammengesetzt. In diesem Beispiel ist die Grundeinheit 11 aus Metallmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit zusammengesetzt, nämlich aus einer Aluminiumlegierung, die aufgrund ihrer geringen Dichte ein geringes Gewicht aufweist.
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Auf der Randseite der Grundeinheit 11 sind Schraubenlöcher 111, die von der Vorderoberfläche 11a in Richtung der Rückoberfläche 11b gebohrt sind und in die jeweils eine Schraube 15 eingedreht ist, an 12 Stellen in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet.
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Überdies sind auf der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 die sechs hervorstehenden Bereiche 112, die in Richtung der Oberseite der Figur hervorstehen, das heißt in Richtung der Abdeckeinheit 12, auf der zentralen Seite der Vielzahl von Schraubenlöchern 111 angebracht. Jeder der sechs hervorstehenden Bereiche 112 zeigt eine Säulenform und ist an jeder Ecke eines Sechsecks auf der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 angeordnet.
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Außerdem ist die Grundeinheit 11 mit einem linearen Durchgangsloch 113 versehen, wobei ein Ende und das andere Ende davon auf der Seitenoberfläche 11c liegen, und wobei das Durchgangsloch das Innere der Grundeinheit 11 linear durchdringt, wobei es zu einer Anhaftungsstelle der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 gelangt. Hier wird im Inneren jeder der beiden Endbereiche des linearen Durchgangslochs 113 als ein Beispiel eines weiteren Durchgangslochs ein Schraubengewinde gebildet.
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Außerdem ist die Grundeinheit 11 mit einem ersten gebogenen Durchgangsloch 114 und einem zweiten gebogenen Durchgangsloch 115 versehen, wovon jeweils ein Ende an der Seitenoberfläche 11c und das andere Ende an der Seitenoberfläche 11a angeordnet ist, und welches das Innere der Grundeinheit 11 L-förmig durchdringt. Im Inneren jedes der Endbereiche auf der Seitenoberfläche 11c des ersten gebogenen Durchgangslochs 114 und des zweiten gebogenen Durchgangslochs 115 wird als Beispiel eines Durchgangslochs ein Schraubengwinde gebildet. Die Endbereiche der Vorderoberfläche 11a des ersten gebogenen Durchgangslochs 114 und des zweiten gebogenen Durchgangslochs 115 sind näher an der zentralen Seite angeordnet als die Vielzahl von Schraubenlöchern 111, und außerdem außerhalb der Befestigungsposition der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 20.
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Überdies ist die Grundeinheit 11 mit einem Nicht-Durchgangsloch 116 versehen, dessen ein Ende an der Seitenoberfläche 11c angeordnet ist und dessen anderes Ende in Richtung der Vorderseite des linearen Durchgangslochs 113 und unter die Befestigungsposition der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 geht.
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Es ist anzumerken, dass im Inneren der Grundeinheit 11 das lineare Durchgangsloch 113, das erste gebogenen Durchgangsloch 114, das zweite gebogenen Durchgangsloch 115 und das Nicht-Durchgangsloch 116 nicht miteinander verbunden sind. In der beispielhaften Ausführungsform sind überdies das lineare Durchgangsloch 113, das erste gebogene Durchgansloch 114, das zweite gebogene Durchgangsloch 115, das Nicht-Durchgangsloch 116 und die zwölf Schraubenlöcher 111 nicht miteinander verbunden.
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In der Grundeinheit 11 der beispielhaften Ausführungsform sind, wenn die Ansicht so ist, dass das lineare Durchgangsloch 113 als Bezugspunkt angenommen wird, das erste gebogene Durchgangsloch 114, das zweite gebogene Durchgangsloch 115 und das Nicht-Durchgangsloch 116 zusammen auf einer Seite angeordnet (auf der unteren Seite in 4). Vom gegenteiligen Standpunkt aus betrachtet ist in der Grundeinheit 11, wenn die Ansicht so ist, dass das lineare Durchgangsloch 113 als Bezugspunkt angenommen wird, jedes Loch nicht an der Seitenoberfläche 11c der anderen Seite angeordnet (auf der oberen Seite in 4).
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Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 umfasst zwei Wasserleitungsanschlüsse 16, die dadurch angebracht sind, dass an beiden Endbereichen des linearen Durchgangslochs 113, das an der Seitenoberfläche 11c und der Grundeinheit 11 angebracht ist, Schraubenlöcher vorhanden sind. Überdies umfasst die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 zwei Stromentnahmeanschlüsse 17, die dadurch angebracht sind, dass an den jeweiligen Endbereichen des ersten gebogenen Durchgangslochs 114 und des zweiten gebogenen Durchgangslochs 115, die an der Seitenoberfläche 11c und der Grundeinheit 11 angeordnet sind, Verschraubungen vorgesehen sind. Es ist anzumerken, dass wenn die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 eingesetzt wird, ein Thermoelement (nicht gezeigt) für das Messen der Temperatur in das Nicht-Durchgangsloch 116 eingeführt wird.
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(Abdeckeinheit)
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Die Abdeckeinheit 12 ist ein Beispiel eines Abdeckelements, welches umfasst: einen Deckenbereich 121, der scheibenförmig ist und dem zentralen Bereich der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 gegenübersteht; ein Seitenwandbereich 122, der zylinderförmig ist und sich von dem Randbereich des Deckenbereichs 121 hin zu der Grundeinheit 11 erstreckt; und einen Krempenbereich 123, der ringförmig ist und sich von dem Endbereich des Seitenwandbereichs 122 auf der Grundeinheit 11 hin zu der äußeren Umfangsseite erstreckt. Im Inneren eines Raums, der durch den Deckenbereich 121 und den Seitenwandbereich 122 gebildet wird, sind die sechs hervorstehenden Bereiche 112 angeordnet, die auf der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 gebildet sind, und die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 angeordnet, die im Inneren der sechs hervorstehenden Bereiche 112 angeordnet ist.
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Da die Abdeckeinheit 12 der beispielhaften Ausführungsform der Hochtemperaturumgebung ausgesetzt ist, ist sie aus einem Material zusammengesetzt, das eine hohe Hitzebeständigkeit aufweist. Obwohl die Unterschied in Abhängigkeit vom Verwendungszweck oder dergleichen der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 groß sind, ist im Fall der beispielhaften Ausführungsform der Deckenbereich 121 der Abdeckeinheit 12, die sich auf der Hochtemperaturseite befindet, manchmal so aufgeheizt, dass die Höchsttemperatur im Bereich von 800°C liegt. In diesem Beispiel ist die Abdeckeinheit 12 unter den Materialien mit hoher Hitzebeständigkeit aus einer rostfreien Legierung mit Korrosionsbeständigkeit zusammengesetzt.
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Der äußere Durchmesser des Krempenbereichs 123 der Abdeckeinheit 12 ist geringer als der äußere Durchmesser der Grundeinheit 11. Genauer gesagt wird der äußere Durchmesser des Krempenbereichs 123 so festgelegt, dass zugelassen wird, dass der Rand des Krempenbereichs 123 im Inneren der Vielzahl von Schraubenlöchern 111 angeordnet ist, welche sich an der Randseite der Grundeinheit 11 befinden.
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Der Innendurchmesser des Seitenwandbereichs 122 in der Abdeckeinheit 12 wird überdies so festgelegt, dass er geringer ist als der Innendurchmesser des luftdichten Rings 13 und größer ist als der Außendurchmesser jeder der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20, der Isoliereinheit 30 und der Wärmeübertragungseinheit 40, die im Inneren davon enthalten sind.
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(Luftdichter Ring)
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Der luftdichte Ring 13 als ein Beispiel eines luftdichten Elements zeigt eine Ringform. Der luftdichte Ring 13 ist an einer Position im Inneren der Vielzahl der Schraubenlöcher 111 auf der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 angeordnet und steht der unteren Oberfläche des Krempenbereichs 123 in der Abdeckeinheit 12 gegenüber. Der Querschnitt des luftdichten Rings 13 zeigt eine rechtwinklige Form.
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Der luftdichte Ring 13 der beispielhaften Ausführungsform ist aus einem elastischen Material zusammengesetzt. In diesem Beispiel ist der luftdichte Ring 13 unter den Harzmaterialien oder Kautschukmaterialien, die Elastizität aufweisen, aus Polytetrafluorethylen (PTFE) mit relativ hoher Hitzebeständigkeit zusammengesetzt. Der luftdichte Ring 13 wird hergestellt, indem eine Lage aus Polytetrafluorethylen in Ringform ausgestanzt wird. Anders als das vorstehend beschriebene Polytetrafluorethylen kann das Material des luftdichten Rings 13 ein Material mit hoher Hitzebeständigkeit sein, wobei ein Fluor enthaltender Kautschuk verwendet werden kann.
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Der Innendurchmesser des luftdichten Rings 13 ist hier größer als der Innendurchmesser des Krempenbereichs 123 der Abdeckeinheit 12. Der äußere Durchmesser des luftdichten Rings 13 ist geringer als der äußere Durchmesser des Krempenbereichs 123 der Abdeckeinheit 12.
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(Pressring)
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Der Pressring 14 als ein Beispiel eines Einklemmelements hat eine Ringform. Der Pressring 14 ist an einer Position angeordnet, die der oberen Oberfläche des Krempenbereichs 123 der Abdeckeinheit 12 gegenübersteht.
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Der Pressring 14 einer beispielhaften Ausführungsform ist aus einem Material mit hoher Hitzebeständigkeit zusammengesetzt. In diesem Beispiel ist der Pressring 14 aus einem rostfreien Stahl zusammengesetzt.
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Der Innendurchmesser des Pressrings 14 ist größer als der Außendurchmesser des Seitenwandbereichs 122 und geringer als der Außendurchmesser des Krempenbereichs 123, welche an der Abdeckeinheit 12 angeordnet sind. Überdies ist der Außendurchmesser des Pressrings 14 im Wesentlichen derselbe wie der Außendurchmesser der Grundeinheit 11.
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In dem Pressring 14 sind Öffnungsbereiche 141, welche sich von der oberen Oberfläche bis zur unteren Oberfläche erstrecken, an zwölf Stellen in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet. Die zwölf Öffnungsbereiche 141 in dem Pressring 14 sind hier in einer solchen Positionsbeziehung zueinander, dass sie mit den zwölf jeweiligen Schraubenlöchern 111, die auf der Grundeinheit 11 vorgesehen sind, überlappen.
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(Schrauben)
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Die zwölf Schrauben 15 als ein Beispiel eines Positionierungselements sind in die jeweiligen Schraubenlöcher 111, die in der Grundeinheit 11 vorgesehen sind, durch die Öffnungsbereiche 141, die in dem Pressring 14 vorgesehen sind, eingeschraubt.
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Die Schraube 15 der beispielhaften Ausführungsform ist beispielsweise aus einem rostfreien Stahl zusammengesetzt.
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(Wasserleitungsanschlüsse)
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Jeder der zwei Wasserleitungsanschlüsse 16 ist ein Hohlelement mit einer Schraube und einer Schraubenmutter, die auf der äußeren Umfangsoberfläche davon angeordnet ist und im Inneren davon ein Durchgangsloch aufweist. Die Wasserleitungsanschlüsse 16 sind aus einem Metallmaterial zusammengesetzt, und das Außengewinde an einem Ende davon ist in das Innengewinde des linearen Durchgangslochs 113, das an der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 vorhanden ist, zur Fixierung eingeschraubt. Wenn die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 dann verwendet wird, wird Wasser zum Kühlen der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 (Kühlwasser) zu dem linearen Durchgangsloch 113, das an der Grundeinheit 11 angeordnet ist, über die zwei Wasserleitungsverbindungen 16 zugeleitet.
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(Stromentnahmeanschluss)
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Jeder der zwei Stromentnahmeanschlüsse 17 ist ein Element, welches umfasst: ein Außengewinde und eine Schraubenmutter, die auf der äußeren Umfangsoberfläche davon angeordnet ist; ein auf der Innenseite davon gebildetes Durchgangsloch; und eine zylindrisches elastisches Element mit einer Isoliereigenschaft, das aus einem elastischen Körper, wie einem Kautschuk, der darin enthalten ist, zusammengesetzt ist. Die Hauptkörper der Stromentnahmeanschlüsse 17 sind aus einem Metallmaterial zusammengesetzt, und die Außengewinde, die an beiden Enden davon angeordnet sind, sind in die jeweiligen Innengewinde des ersten gebogenen Durchgangslochs 114 und des zweiten gebogenen Durchgangslochs 115, die auf der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 angeordnet sind, zur Fixierung eingeschraubt. Dann wird ein elektrischer Anschlussdraht 25, der an der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 angebracht ist, an diese zwei Stromentnahmeanschlüsse 17 befestigt, wobei diese später eingehend beschrieben werden.
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[Konfiguration der Isoliereinheit]
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Als nächstes wird die Konfiguration der Isoliereinheit 30 beschrieben. Die Isoliereinheit 30 umfasst ein Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und ein Hochtemperaturseitenisolierelement 32, wobei jedes aus einem Plattenmaterial mit rechteckiger Form gebildet wird. Unter diesen ist das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 zwischen der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 und der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 angeordnet. Andererseits ist das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 zwischen der Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 und dem Deckenbereich 121 der Abdeckeinheit 12 angeordnet.
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Das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 ist aus Aluminiumnitrid zusammengesetzt.
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Das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 der beispielhaften Ausführungsform ist von seiner Größe her so festgelegt, dass es etwas größer ist als die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20. Die Größe des Niedertemperaturseitenisolierelements 31 wird jedoch so festgelegt, dass es etwas kleiner ist als ein Bereich, der durch die sechs hervorstehenden Bereiche 112, die an der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 angeordnet sind, eingeschlossen wird. Es ist wünschenswert, dass die Länge einer Seite des Niedertemperaturseitenisolierelements 31 größer ist als die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20, nämlich um 1 mm bis 5 mm. Innerhalb dieses Bereichs können Kurzschlüsse verhindert werden, wenn die Position der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 abweicht.
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Im Unterschied zu dem Niedertemperaturseitenisolierelement 31 ist das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 aus Aluminiumoxid (Aluminia) zusammengesetzt.
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Das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 der beispielhaften Ausführungsform ist auf eine Größe festgelegt, die etwas größer ist als die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20, und es ist wünschenswert, dass die Länge einer Seite des Hochtemperaturseitenisolierelements 32 um 1 mmm bis 5 mm größer ist als die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20.
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[Konfiguration der Wärmeübertragungseinheit]
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Im Folgenden wird die Konfiguration der Wärmeübertragungseinheit 40 beschrieben.
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Die Wärmeübertragungseinheit 40 umfasst ein Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 und ein Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42, wobei jedes aus einem rechteckigen Stoffmaterial besteht. Unter diesen ist das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 zwischen der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 und der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 angebracht. Andererseits ist das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungseinheit 42 zwischen der Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 und dem Deckenbereich 121 der Abdeckeinheit 12 angebracht.
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Sowohl das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 als auch das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42 sind aus einer Graphitlage zusammengesetzt, die aus Kohlenstofffaserfäden mit hoher thermischer Leitfähigkeit verwoben werden.
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Das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 und das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42 sind auf die gleiche Größe festgelegt wie das vorstehend beschriebene Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und das Hochtemperaturseitenisolierelement 32.
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Überdies ist es wünschenswert, dass die Wärmeübertragungseinheit 40 der beispielhaften Ausführungsform in der Größe so festgelegt wird, dass sie etwas größer ist als die Isoliereinheit 30, und die Länge einer Seite der Wärmeübertragungseinheit 40 ist um 1 mm bis 5 mm größer als die Isoliereinheit 30. Innerhalb des vorstehend beschriebenen Bereichs ist es möglich, die Kontaktfläche zwischen der Isoliereinheit 30 und der Wärmeübertragungseinheit 40 sicherzustellen, und ausreichend Wärme auf die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 über die Isoliereinheit 30 zu übertragen.
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Wie vorstehend beschrieben wurde, sind in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform, in dem Innenraum zwischen der Grundeinheit 11 und der Abdeckeinheit 12 Elemente von der Grundeinheit 11 in der Reihenfolge der Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselemente 41, des Niedertemperaturseitenisolierelements 31, der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20, des Hochtemperaturseitenisolierelements 32, des Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselements 42 und der Abdeckeinheit 12 (Deckenbereich 121) angeordnet.
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[Konfiguration der thermoelektrischen Umwandlungseinheit]
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Es wird die Konfiguration der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 beschrieben.
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5 ist eine perspektivische Ansicht der schematischen Konfiguration eines Hauptkörpers der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 der thermischen Umwandlungsvorrichtung 1. In 5 ist auch die Isoliereinheit 30 (das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und das Hochtemperaturseitenisolierelement 32), welche zum Einklemmen der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 angebracht ist, ebenfalls gezeigt. Im Folgenden werden die Beschreibungen unter Bezugnahme auf 5 zusätzlich zu den 1 bis 4 angegeben.
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Die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 der beispielhaften Ausführungsform umfasst eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungselementen 21 vom n-Typ und eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungselemente 22 vom p-Typ. Überdies umfasst die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 eine Niedertemperaturseitenelektrode 23, die an dem Niedertemperaturseitenisolierelement 31 angebracht ist, und eine Hochtemperaturseitenelektrode 24, die an dem Hochtemperaturseitenisolierelement 32 angeordnet ist, wobei die Niedertemperaturseitenelektrode 23 und die Hochtemperaturseitenelektrode 24 die thermoelektrischen Umwandlungselemente 21 vom n-Typ und die thermoelektrischen Umwandlungselemente 22 vom p-Typ abwechselnd verbinden. Die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 ist außerdem mit einem elektrischen Draht 25 versehen, der einen ersten elektrischen Draht 251, dessen ein Ende mit einer ersten Extraktionselektrode 231 der Niedertemperaturseitenelektrode 23 verbunden ist, und einen zweiten elektrischen Draht 252 umfasst, dessen ein Ende mit einer zweiten Extraktionselektrode 232 der Niedertemperaturseitenelektrode 23 verbunden ist.
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In der beispielhaften Ausführungsform zeigen sowohl das thermoelektrische Umwandlungselement 21 vom n-Typ als auch das thermoelektrische Umwandlungselement 22 vom p-Typ als ein Beispiel eines thermoelektrischen Umwandlungselements eine rechtwinklige und parallele Form. Überdies sind sowohl das thermoelektrische Umwandlungselement 21 vom n-Typ als auch das thermoelektrische Umwandlungselement 22 vom p-Typ aus einem thermoelektrischen Halbleiter zusammengesetzt, der Sb(antimon) enthält, und eine gefüllte Skutterudit-Struktur umfasst. Es ist anzumerken, dass es möglich ist, eine Spannungsrelaxationsschicht anzubringen, welche die Spannung zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungselement 21 vom n-Typ und der entsprechenden Niedertemperaturseitenelektrode 23 oder Hochtemperaturseitenelektrode 24 und zwischen dem thermoelektrischen Umwandlungselement 22 vom p-Typ und der entsprechenden Niedertemperaturseitenelektrode 23 oder der Hochtemperaturseitenelektrode 24 bei Bedarf zu verringern. In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform kontaktiert die Niedertemperaturseitenelektrode 23 das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und die Hochtemperaturseitenelektrode 24 kontaktiert das Hochtemperaturseitenisolierelement 32.
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In der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 der beispielhaften Ausführungsform sind die thermoelektrischen Umwandlungselemente 21 vom n-Typ und die thermoelektrischen Umwandlungselemente 22 vom p-Typ in einem Gittermuster angeordnet. Dann werden die thermoelektrischen Umwandlungselemente 21 vom n-Typ und die thermoelektrischen Umwandlungselemente vom p-Typ über die Vielzahl der Niedertemperaturseitenelektroden 23 und die Vielzahl der Hochtemperaturseitenelektroden 24, die abwechselnd angeordnet sind, in Reihe verbunden. In diesem Beispiel sind unter den in Reihe verbundenen thermoelektrischen Umwandlungselementen 21 vom n-Typ und den thermoelektrischen Umwandlungselementen vom p-Typ die erste Elektrode 231, welche die Niedertemperaturseitenelektrode 23 bildet, mit dem thermoelektrischen Umwandlungselement 21 vom n-Typ, positioniert an einem Ende, und die zweite Extraktionselektrode 232, welche die Niedertemperaturseitenelektrode 23 bildet, ist mit dem thermoelektrischen Umwandlungselement 22 vom p-Typ, das an dem anderen Ende angeordnet ist, verbunden. Ein Ende des ersten elektrischen Drahts 251 und ein Ende des zweiten elektrischen Drahts 252 sind an die erste Extraktionselektrode 231 beziehungsweise an die zweite Extraktionselektrode 232 verbunden.
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Sowohl der erste elektrische Draht 251 als auch der zweite elektrische Draht 252, welche den elektrischen Draht 25 bilden, sind aus einem Leiterbereich zusammengesetzt, der aus einem festen Kupferdraht, der mit einer Isolierschicht aus Polyamid überzogen ist, hergestellt wurde. Das andere Ende des ersten elektrischen Drahts 251 befindet sich an der Außenseite der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 über das erste gebogene Durchgangsloch 114, das an der Grundeinheit 11 angeordnet ist, und den Stromentnahmeanschluss 17, der an das erste gebogene Durchgangsloch 114 angebracht ist. Überdies befindet sich das andere Ende des zweiten elektrischen Drahts 252 an der Außenseite der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 über das zweite gebogene Durchgangsloch 115, das an der Grundeinheit 11 angeordnet ist, und den Stromanschluss 17, der mit dem zweiten gebogenen Durchgangsloch 115 verbunden ist.
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[Elektrische Verbindung in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung]
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Im Folgenden wird die elektrische Verbindung in der thermischen elektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform beschrieben.
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Zuerst werden in dem Gehäuse 10 die Grundeinheit 11 und die Abdeckeinheit 12 über den Pressring 14 und die zwölf Schrauben 15 elektrisch verbunden. Überdies ist die Grundeinheit 11 von dem Hauptkörper der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 mit dem Niedertemperaturseitenisolierelement 31 elektrisch isoliert. Außerdem ist die Abdeckeinheit 12 von dem Hauptkörper der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 mit dem Hochtemperaturseitenisolierelement 32 elektrisch isoliert. Außerdem ist die Grundeinheit 11 von dem elektrischen Draht 25 (dem ersten elektrischen Draht 251 und dem zweiten elektrischen Draht 252) mit der Isolierschicht, mit der der erste elektrische Draht 251 und der zweite elektrische Draht 252 versehen sind, und mit dem elastischen Element (Isolierkörper), der im Inneren jedes Stromanschlusses 17 angeordnet ist, elektrisch isoliert.
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Als Ergebnis ist in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 das Gehäuse 10 von der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20, welche den elektrischen Draht 25 einschließt, elektrisch isoliert.
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[Luftdichtheit der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung]
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Im Folgenden wird die Luftdichtheit der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform beschrieben.
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Zuerst wird in dem Gehäuse 10 der luftdichte Ring 13 zwischen der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 und dem Krempenbereich 123 der Abdeckeinheit 12 eingeklemmt, und in diesem Zustand presst die Abdeckeinheit 12 gegen die Grundeinheit 11 unter Einsatz des Pressrings 14 und der zwölf Schrauben 15. Dadurch wird der luftdichte Ring 13 elastisch verformt und die Grundeinheit 11 und die Abdeckeinheit 12 werden über den luftdichten Ring 13 verklebt.
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In der Grundeinheit 11 ist überdies der Stromanschluss 17 sowohl an das erste gebogene Durchgangsloch 114 als auch an das zweite gebogene Durchgangsloch 115, welche die Vorderoberfläche 11a und die Seitenoberfläche 11c durchdringen, verbunden, und dann durchdringen der erste elektrische Draht 251 und der zweite elektrische Draht 252 die zylinderförmigen elastischen Elemente, die im Inneren der jeweiligen Stromanschlüsse 17 angeordnet sind. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Leiterbereiche des ersten elektrischen Drahts 251 und des zweiten elektrischen Drahts 252 aus festen Drähten, nicht aus Drahtsträngen, zusammengesetzt, und die Isolierschichten des ersten elektrischen Drahts 251 und des zweiten elektrischen Drahts 252 sind mit einer Innenwand des elastischen Elements verklebt.
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Als Ergebnis wird in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 die Luftdichtheit des Innenraums der im Inneren des Gehäuses 10 gebildet wird und worin die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 enthalten ist, aufrechterhalten. Es wird angemerkt, dass der Innenraum mit Ar (Argon) gefüllt ist, welches bei Normaltemperatur einen Druck von 1 Atmosphäre aufweist.
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[Verfahren zum Zusammenbauen der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung]
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Im Folgenden wird das Verfahren zum Zusammenbauen der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform beschrieben.
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Die im Folgenden beschriebenen Vorgänge werden in einer Inertgasatmosphäre, beispielsweise Ar, durchgeführt.
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Zuerst wird bewirkt, dass der erste elektrische Draht 251 das erste gebogene Durchgangsloch 114 der Grundeinheit 11 durchdringt. Danach wird eine Endseite des ersten elektrischen Drahts 251, der von der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 hervorsteht, in den Stromanschluss 17 eingeführt. Dann wird der Stromanschluss 17, in den der erste elektrische Draht 251 eingeführt worden ist, in den Öffnungsbereich des ersten Durchgangslochs 114, der sich an der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 befindet, eingeschraubt.
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Es wird bewirkt, dass der zweite elektrische Draht 252 das zweite gebogene Durchgangsloch 115 an der Grundeinheit 11 durchdringt. Dann wird eine Endseite des zweiten elektrischen Drahts 252, der von der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 hervorsteht, in den Stromanschluss 17 eingeführt. Dann wird der Stromanschluss 17, in den der zweite elektrische Draht 252 eingeführt worden ist, in den Öffnungsbereich des an der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 exponierten zweiten gebogenen Durchgangslochs 115 eingeschraubt.
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Dann wird an der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 im Inneren des Bereichs, der von den sechs hervorstehenden Bereichen 112 eingeschlossen wird, das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 angebracht. Dann wird die Niedertemperaturseitenisolierelement 31 auf das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 angebracht. Dann wird die thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 auf das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 angebracht, um die Niedertemperaturseitenelektroden 23 in Kontakt mit dem Niedertemperaturseitenisolierelement 31 zu bringen.
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Dann wird die erste Extraktionselektrode 231, die an der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 angebracht ist, und das andere Ende des ersten elektrischen Drahts 251, das von der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 hervorsteht, verbunden. Um dies genauer zu beschreiben, wird die erste Extraktionselektrode 231 in einen Zustand gestaucht, bei dem der erste elektrische Draht 251 durch die erste Extraktionselektrode 231 gehalten wird.
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Die zweite Extraktionselektrode 232, die an die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 angeordnet ist, und das andere Ende des zweiten elektrischen Drahtes 252, das von der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 hervorsteht, werden verbunden. Um dies genauer zu beschreiben, wird die zweite Extraktionselektrode 232 in einen Zustand gestaucht, bei dem der zweite elektrische Draht 252 durch die zweite Extraktionselektrode 232 gehalten wird.
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Danach wird das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 auf die Hochtemperaturseitenelektroden 24, die sich an der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 befinden, angebracht. Dann wird das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42 auf das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 angebracht.
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Danach wird an der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 im Inneren des Bereichs, der von den zwölf Schraubenlöchern 111 umschlossen wird, der luftdichte Ring 13 angebracht. Die Abdeckeinheit 12 wird an die Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 auf eine solche Weise angebracht, dass der Deckenbereich 121 sich an der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20, der Isoliereinheit 30 und der Wärmeübertragungseinheit 40 befindet, und dass der Krempenbereich 123 sich an dem luftdichten Ring 13 befindet.
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Dann wird der Pressring 14 auf den Krempenbereich 123 in der Abdeckeinheit 12 angebracht, um zu bewirken, dass die zwölf Schraubenlöcher 111 an der Grundeinheit 11 und die zwölf Öffnungsbereiche 141 an dem Pressring 14 miteinander überlappen. Dann werden die Öffnungsbereiche 141 an dem Pressring 14 und die jeweiligen Schraubenlöcher 111 an der Grundeinheit 11 unter Einsatz der zwölf Schrauben 15 verschraubt.
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Danach werden die zwei Wasserleitungsanschlüsse 16 in die jeweiligen Öffnungsbereiche des linearen Durchgangslochs 113 an der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 eingeschraubt.
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Auf diese Weise wird die in 1 gezeigte thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 erhalten.
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Hier ist anzumerken, dass die zwei Wasserleitungsanschlüsse 16 am Ende angebracht werden. Das Anbringen der zwei Wasserleitungsanschlüsse 16 an die Grundeinheit 11 kann jedoch zu jeder beliebigen Zeit erfolgen.
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Das Anbringen der zwei Stromanschlüsse 17 an die Grundeinheit 11 kann zu einem beliebigen Zeitpunkt erfolgen, nachdem der erste elektrische Draht 251 und der zweite elektrische Draht 252 an die Grundeinheit 11 angebracht worden sind.
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[Betrieb der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung]
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Der Betrieb der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.
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Es ist anzumerken, dass in einem Anfangszustand angenommen wird, dass das Wasser zum Kühlen durch das lineare Durchgangsloch 113 an der Grundeinheit 11 der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 durch die zwei Wasserleitungsanschlüsse 16 fließt.
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Wenn die Temperatur um den Deckenbereich 121 der Abdeckeinheit 12 durch eine nicht gezeigte Wärmequelle ansteigt, werden die Hochtemperaturseitenelektroden 24 der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 durch die Abdeckeinheit 12 durch das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42 und das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 erwärmt.
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Wenn andererseits die Temperatur in der Grundeinheit 11 durch den Wasserfluss durch das lineare Durchgangsloch 113 gesenkt wird, werden die Niedertemperaturseitenelektroden 23 der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 durch die Grundeinheit 11 über das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 und das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 gekühlt.
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Als Ergebnis wird ein großer Temperaturunterschied (Wärmefluss) zwischen den Hochtemperaturseitenelektroden 24 und den Niedertemperaturseitenelektroden 23 der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 erzeugt, und es wird eine elektromotorische Kraft entwickelt, indem eine thermoelektrische Umwandlung durch jedes der thermoelektrischen Umwandlungselemente 21 vom n-Typ und der thermoelektrischen Umwandlungselemente 22 vom p-Typ, welche die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 darstellen, durchgeführt wird. Die elektromotorische Kraft, die durch die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 entwickelt wird, wird zur Außenseite der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 über den ersten elektrischen Draht 251, der mit der ersten Extraktionselektrode 231 verbunden ist, und über den zweiten elektrischen Draht 252, der mit der zweiten Extraktionselektrode 232 verbunden ist, abgeleitet.
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[Schlussfolgerung]
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 wurde in dem Zustand, bei dem der luftdichte Ring 13 um den Krempenbereich 123 herum zwischen der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 und den Krempenbereich 123 der Abdeckeinheit 12 eingeklemmt wurde, der Krempenbereich 123 der Abdeckeinheit 12 gegen die Grundeinheit 11 gedrückt, indem der Pressring 14 und die zwölf Schrauben 15 verwendet wurden, so dass die Abdeckeinheit 12 an die Grundeinheit 11 fixiert wurde. Anders ausgedrückt wurden in der beispielhaften Ausführungsform die Grundeinheit 11 und die Abdeckeinheit 12 nicht direkt unter Einsatz der Vielzahl von Schrauben 15 fixiert, sondern indirekt durch die Verwendung des Pressrings 14 und der Vielzahl von Schrauben 15.
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Zu diesem Zeitpunkt wird in dem Innenraum in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1, wo die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 angebracht ist, d.h. in einem Bereich, der von der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 dem Deckenbereich 121 und der Innenseite des Seitenwandbereichs 122 der Deckeneinheit 12 und den luftdichten Ring 13 umschlossen ist, die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 von dem Deckenbereich 121 gegen die Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 über die Wärmeübertragungseinheit 40 (das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 und das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42) und die Isoliereinheit 30 (das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und das Hochtemperaturseitenisolierelement 32) gedrückt.
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Diese ermöglicht es, den Grad der Verklebung zwischen der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 (der Seite der Niedertemperaturseitenelektroden 23) und der Grundeinheit 11 über das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 zu erhöhen. Überdies ist es ermöglicht, den Grad der Verklebung zwischen der Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 (der Seite der Hochtemperaturseitenelektroden 24) und der Abdeckeinheit 12 über das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 und das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42 zu erhöhen.
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Deshalb wird durch die Bereitstellung einer solchen Konfiguration es möglich, die thermoelektrische Umwandlungseffizienz in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 zu verbessern.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform war es überdies möglich, den Druck, der auf die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 20 ausgeübt wird, und die Druckverteilung einzustellen, indem die Umdrehungen der zwölf Schrauben 15 zur Positionierung und Fixierung der Grundeinheit 11 und der Abdeckeinheit 12 über den Pressring 14 geändert wurden.
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Dies ermöglicht es, das Ungleichgewicht in der Belastung auf die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 und der Belastung auf jedem der thermoelektrischen Umwandlungselemente (der Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungselementen vom n-Typ und der Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungselementen vom p-Typ), welche die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 darstellen, zu unterdrücken und dementsprechend es zu ermöglichen, die Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz, die durch das Ungleichgewicht in der Belastung und durch Beschädigung in Teilen der thermoelektrischen Umwandlungselemente verursacht wird, zu unterdrücken.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 war überdies der Deckenbereich 121 Abdeckeinheit 12 des Gehäuses 10 in Ringform.
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Dies ermöglicht es, das Ungleichgewicht in der Belastung der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 von der Abdeckeinheit 12 im Vergleich zu dem Fall zu unterdrücken, dass beispielsweise eine Konfiguration verwendet wird, worin der Deckenbereich 121 in polygonaler Form gebildet wird und der Deckenbereich 121 mit Eckbereichen versehen wird.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 wurden überdies die Stromanschlüsse 17 an die jeweiligen Öffnungsbereiche der Seitenoberfläche 11c des ersten gebogenen Durchgangslochs 114 und des zweiten gebogenen Durchgangslochs 115, welche die Vorderoberfläche 11a und die Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 durchdringen, angebracht. Dann wurde unter Einsatz des festen Kupferdrahts, der mit einer Isolierschicht versehen war, als den ersten elektrischen Draht 251 und den zweiten elektrischen Draht 252, die angebracht wurden, um das erste gebogene Durchgangsloch 114 bzw. das zweite gebogene Durchgangsloch 115 zu durchdringen, die Luftdichtheit in den Kontaktbereichen zwischen dem ersten elektrischen Draht 251, dem zweiten elektrischen Draht 252 und den jeweiligen Stromanschlüssen 17 erhöht.
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Dies ermöglicht es, die Luftdichtheit des Innenbereichs in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1, in der die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 angeordnet ist, zu erhöhen. Dann ist es durch Füllen des Innenraums mit Ar möglich, die Beeinträchtigung der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 (der thermoelektrischen Umwandlungselemente 21 vom n-Typ und der thermoelektrischen Umwandlungselemente 22 vom p-Typ) aufgrund von Temperaturänderungen (thermische Beeinträchtigung) zu unterdrücken.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 war das Hochtemperaturseitenisolierelement 32 an der Abdeckeinheit 12, von der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 aus gesehen, überdies aus Aluminiumoxid (Aluminia) zusammengesetzt, und das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 an der Grundeinheit 11, von der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 aus gesehen, war aus Aluminiumnitrid zusammengesetzt. Aluminiumnitrid hat eine hohe thermische Leitfähigkeit, es neigt jedoch dazu, in einer Hochtemperaturumgebung im Vergleich zu Aluminiumoxid eine Gastrennung zu bewirkten, und Aluminiumoxid hat eine geringe thermische Leitfähigkeit, es neigt jedoch weniger dazu, in einer Hochtemperaturumgebung im Vergleich zu Aluminiumnitrid eine Gastrennung zu verursachen.
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Deshalb ist es in der beispielhaften Ausführungsform möglich, die Erzeugung von Gas in dem Hochtemperaturseitenisolierelement 32 aufgrund von Temperaturanstiegen zu unterdrücken, während die Isoliereigenschaft zwischen dem Gehäuse 10 und der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 und die thermische Leitfähigkeit von dem Gehäuse 10 zu der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 unter Einsatz der Isoliereinheit 30 sicherzustellen. Als Ergebnis ist es möglich, die Beeinträchtigung der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 (der thermoelektrischen Umwandlungselemente 21 vom n-Typ und der thermoelektrischen Umwandlungselemente 22 vom p-Typ) aufgrund des Vorhandenseins eines anderen Gases als Ar (beispielsweise Sauerstoff) im Innenraum (thermische Beeinträchtigung) zu unterdrücken.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 wurde, während ein hartes keramisches Material für die Isoliereinheit 30 (das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und das Hochtemperaturseitenisolierelement 32), das in Kontakt mit der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 gebracht wird, verwendet wurde, wurde eine weiche Graphitlage für die Wärmeübertragungseinheit 40 (das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41 und das Hochtemperaturseitenwärmeübertragungselement 42), das in Kontakt mit der Isoliereinheit 30 und der Grundeinheit 11 oder der Abdeckeinheit 12 steht, verwendet.
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Dies ermöglicht es, dass die weiche Wärmeübertragungseinheit 40 als Pufferschicht für die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 und die Isoliereinheit 30 aus dem harten und brüchigen Keramikmaterial dient, wodurch es möglich wird, die Beschädigung der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 und der Isoliereinheit 30 zu unterdrücken.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform werden mit der Änderung der Umgebungstemperatur die Grundeinheit 11 und die Abdeckeinheit 12 des Gehäuses 10 thermisch ausgedehnt oder thermisch zusammengezogen. Zu diesem Zeitpunkt variiert der Abstand von der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 zu der Innenwandoberfläche des Deckenbereichs 121 der Abdeckeinheit 12 (die Höhe des Innenraums) in einigen Fällen.
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Im Gegensatz dazu waren in der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform das Niedertemperaturseitenwärmeübertragungselement 41, das Niedertemperaturseitenisolierelement 31 und die thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 im Inneren der sechs hervorstehenden Bereiche 112 auf der Vorderoberfläche 11a der Grundeinheit 11 angeordnet.
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Eine Folge davon ist beispielsweise, dass es selbst dann, wenn durch Erhöhen der Höhe des Innenraums aufgrund von Temperaturänderungen ein geringerer Druck auf die thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 ausgeübt wird, möglich ist, die Positionsabweichung der thermoelektrischen Umwandlungseinheit 20 in horizontale Richtung der Vorderoberfläche 11a zu unterdrücken.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 der beispielhaften Ausführungsform kann überdies, da die Rückoberfläche 11b der Grundeinheit 11 auf der Niedertemperaturseite flach ist, eine Rippe, eine Metallplatte oder dergleichen zum Kühlen mühelos angebracht werden.
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In der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 1 waren überdies, wie aus den 1 bis 5 hervorgeht, auf der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 das erste gebogene Durchgangsloch 114, das zweite gebogene Durchgangsloch 115 und das Nicht-Durchgangsloch 116 ungleichmäßig auf einer Seite angeordnet (die untere Seite in 4), wenn man die Ansicht von dem linearen Durchgangsloch 113 aus nimmt. Anders ausgedrückt, waren die Öffnungspositionen nicht auf der anderen Seite (die obere Seite in 4) der Seitenoberfläche 11c der Grundeinheit 11 angeordnet.
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Dies ermöglicht es, den Freiheitsgrad bezüglich der Position, wo die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 1 angebracht werden soll, zu erhöhen.
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[Sonstiges]
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Es wird angemerkt, dass in der beispielhaften Ausführungsform die Grundeinheit 11 und die Abdeckeinheit 12 über den Pressring 14 und die zwölf Schrauben 15 elektrisch verbunden sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Grundeinheit 11 von der Abdeckeinheit 12 elektrisch isoliert sein, indem mindestens der Pressring oder die Schrauben 15 aus einem Isoliermaterial bestehen.
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Überdies wurden in der beispielhaften Ausführungsform die zwölf Schrauben 15 verwendet. Die Anzahl der Schrauben 15 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Außerdem wurde in der beispielhaften Ausführungsform das Beispiel beschrieben, wo der thermoelektrische Halbleiter, der Sb (Antimon) enthält und die gefüllte Skutterudit-Struktur umfasst, als das thermoelektrische Umwandlungselement eingesetzt wurde. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, und sie ist auf Fälle anwendbar, wo ein thermoelektrisches Umwandlungselement unter Einsatz verschiedener Arten von thermoelektrischen Halbleitern als Material verwendet wird.
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In der beispielhaften Ausführungsform wurde außerdem der Fall beschrieben, bei dem eine einzige thermoelektrische Umwandlungseinheit 20 zwischen der Grundeinheit 11 und der Abdeckeinheit 12 als Beispiel verwendet wurde. Es können jedoch viele thermoelektrische Umwandlungseinheiten 20 angeordnet werden.
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Die vorstehende Beschreibung der erfindungsgemäßen beispielhaften Ausführungsform dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Die Beschreibung ist jedoch nicht erschöpfend, und die Erfindung soll nicht auf die genauen Formen beschränkt sein. Für den Fachmann sind viele Modifikationen und Variationen offensichtlich. Die vorliegende beispielhafte Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Erfindungsprinzipien und ihre praktischen Anwendungen am besten zu erklären, so dass Fachleute in die Lage versetzt werden, die Erfindungen für verschiedene Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen für spezifische Zwecke auszuführen. Der Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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