JP2014086650A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換効率を向上させ、各種産業機器及び自動車等等の排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする実用性に富んだ熱電変換モジュールの提供。
【解決手段】圧縮性流体を流すための筒状の管体３１と、管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、管体と電気的に絶縁された高温側電極部１２と、高温側電極部上においてｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子１３と、熱電変換素子上において、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部１４と、低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、管体、高温側電極部、熱電変換素子及び低温側電極部を収納するためのケース部材１５とを具え、管体の圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間の少なくとも一部を閉塞させるようにして熱電変換モジュールを構成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、例えば各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体の廃熱を熱源とする、熱電変換モジュールに関する。

従来の熱電変換モジュールは、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の上下面、すなわち高温熱源側の面及び低温熱源側の面に電極を配設して電気回路を構成し、さらに上記電極の外側両面にセラミックスなど電気絶縁板を備える構造が一般的である。

一方、近年においては、上記熱電変換モジュールにおいて、高温熱源として各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体の廃熱を利用することが試みられている（特許文献１参照）。

圧縮性流体から効率よく受熱するためには、上記熱電変換モジュールの圧縮性流体が流れる管体、すなわちエクゾースト管の管壁は薄い方がよい。しかしながら、管体の管壁を薄くすると、当該管壁が変形するため管壁を薄くすることができないでいた。このため、圧縮性流体からの受熱が悪くなり、上記熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうという問題があった。

さらに、管体には温度分布があるため、熱電変換モジュールが均一に膨張せず破壊する恐れがあった。

特開２００７−２２１８９５号

本発明は、熱電変換効率を向上させ、各種産業機器及び自動車等などの排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
圧縮性流体を流すための筒状の管体と、
前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、前記管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、
前記高温側電極部上において、少なくとも一対のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子上において、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部と、
前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、前記管体、前記高温側電極部、前記熱電変換素子、及び前記低温側電極部を収納するためのケース部材とを具え、
前記管体の、前記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、前記熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間の少なくとも一部を閉塞させたことを特徴とする、熱電変換モジュールに関する。

本発明によれば、例えば各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流す熱電変換モジュールにおける管体の、熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間の少なくとも一部を閉塞するようにしている。したがって、上記圧縮性流体は、管体内の熱電変換素子が形成されている領域の下方及び上方に相当する内部空間のみを流れるようになり、熱電変換素子の非形成領域に相当する、例えば管体の端部に位置する空間を流れないようになる。すなわち、熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間を流れることによる、熱交換率の低下を抑制することができる。

したがって、従来のように、管体の内部空間の全体に亘って圧縮性流体を流す場合に比較して、圧縮性流体からの廃熱は、熱電変換素子が配設されている管体の上面及び下面のみに効率よく伝達されるようになるので、当該廃熱の利用効率が向上する。結果として、管体内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子の下部に効率良く伝達することができるので、熱電変換素子のゼーベック効果が向上して熱電変換効率が向上し、熱電変換モジュールからより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

すなわち、本発明によれば、管体内を流れる圧縮性流体の流路を狭窄するという簡易な方法によって、熱電変換素子の熱電変換効率を向上させ、熱電変換モジュールから大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

なお、上記発明は、構成自体は簡易であるが、本発明者らの長年に亘る研究開発の結果として得た着想に基づくものであって、従来、存在しなかった発想に基づくものである。

管体の内部空間の閉塞は、例えば管体の当該内部空間に封止部材を配設して行うことができる。また、管体の少なくとも側面を内部空間側に凹ませて行うことができる。

以上、本発明によれば、熱電変換効率を向上させ、各種産業機器及び自動車等などの排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュールを提供することができる。

実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。 図１に示す熱電変換モジュールの平面図である。 図１に示す熱電変換モジュールのＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図１に示す熱電変換モジュールのII-II線に沿った断面図である。 第１の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す平面図である。 第２の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す平面図である。 図６に示す熱電変換モジュールの断面図である。 図６に示す熱電変換モジュールの管体の斜視図である。

以下、本発明の熱電変換モジュールの詳細並びにその他の特徴について、実施の形態に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図５は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す図であり、図１は、本実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１に示す熱電変換モジュールの平面図である。また、図３は、図１に示す熱電変換モジュールのＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図４は、図１に示す熱電変換モジュールのII-II線に沿った断面図である。さらに、図５は、本実施形態の熱電変換モジュールの管体のみを取り出して示す斜視図である。

図１〜５に示すように、熱電変換モジュール１０は、圧縮性流体を流すための、平坦な上面２１Ａ及び下面２１Ｂを有する筒状の管体２１と、管体２１の上面２１Ａ側及び下面２１Ｂ側それぞれに配設され、管体２１と電気的に絶縁された高温側電極部１２，１２とを有している。また、高温側電極部１２，１２上において、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２が互いに隣接するようにしてマトリックス状に配設されているとともに、電気的に直列に接続されてなる熱電変換素子１３，１３が配設されている。さらに、熱電変換素子１３，１３上において、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２を電気的に直列に接続する低温側電極部１４，１４が配設され、管体２１と電気的に絶縁されて当接されている。

また、管体２１の、熱電変換素子１３，１３が配設された領域の上下に相当する内部空間内にはフィン２１Ｄが配設され、管体２１のフィン２１Ｄが配設された領域の両側、すなわち管体２１の端部の内部空間２１Ｓ内には、図中矢印で示す圧縮性流体の導入方向前方において、内部空間２１Ｓを封止する封止部材２３が配設されている。

封止部材２３は、管体２１を製造する際に、内部空間２１Ｓの形成と同時に当該内部空間２１Ｓ内に組み込むこともできるし、管体２１を製造した後に、後加工を行うことによって内部空間２１Ｓ内に組み込むこともできる。

なお、本実施形態では、封止部材２３を内部空間２１Ｓ内の圧縮性流体の導入方向前方に配設したが、内部空間２１Ｓの一部を閉塞させ、以下に説明する作用効果を奏する限りにおいて配設場所が限定されるものではなく、内部空間２１Ｓの圧縮性流体の導入方向後方に配設してもよいし、内部空間２１Ｓの略中央部に配設してもよい。

また、封止部材２３は、バルク状の材料である必要はなく、板状のいわゆる蓋体のようなものであってもよい。この蓋体も内部空間２１Ｓの圧縮性流体の導入方向前後方に配設してもよいし、内部空間２１Ｓの略中央部に配設してもよい。

図３に示すように、管体２１の内部には、管体２１内を流れる圧縮性流体の廃熱を、その上下面２１Ａ及び２１Ｂに効率よく伝達するためのフィン２１Ｄが形成されている。

管体２１、高温側電極部１２，１２、熱電変換素子１３、１３、及び低温側電極部１４、１４は、気密に保持されたケース部材１５中に収納され、低温側電極部１４，１４とケース部材１５との間には、ケース部材１５（熱電変換モジュール１０）の外部に設けられた、冷媒の導入口１８及び排出口１９を通じて、ケース部材１５の上壁面１５Ａ及び下壁面１５Ｂで形成される空間内に冷媒を導入及び排出して、低温側電極部１４，１４を冷却するための空隙１６が形成されている（図３参照）。

また、図４に示すように、空隙１６中の、冷媒の導入口１８及び排出口１９と相対する側には、冷媒からの冷熱を低温側電極部１４，１４に効率良く伝達するための冷却フィン１６Ａが配設されている。

なお、ケース部材１５は、図１及び図４に示すように、II-II方向の断面において、高温側電極部１２，１２、熱電変換素子１３、１３、及び低温側電極部１４、１４が収納され、冷媒を流すための空隙１６が形成された部分が最も厚くなっており、当該部分から外方に向けてステップ状に薄くなるように構成されている。

ケース部材１５の、高温側電極部１２、１２、熱電変換素子１３，１３、及び低温側電極部１４，１４を収納した空間は、真空排気されて真空状態に保持されている。

なお、管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂに高温側電極部１２，１２が当接しており、ケース部材１５の、冷媒を流すための空間を形成している上壁面１５Ａに対抗する下壁面１５Ｂに低温側電極部１４，１４が当接しているが、いずれか一方をろう材等で接合してもよい。

このとき、熱電変換素子１３，１３等を収納した上記空間を真空にすることによって、ケース部材１５の下壁面１５Ｂが熱電変換素子１３，１３を加圧して、上述した当接部の密着性が向上する。

なお、上述した当接部には、緩衝材や予備材等を管体１１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂと高温側電極部１２，１２との間、並びにケース部材１５の下壁面１５Ｂと低温側電極部１４，１４との間に挟み込まれるようにして配設することもできる。

さらに、ケース部材１５（熱電変換モジュール１０）には、熱電変換素子１３，１３にて発生した電流を外部に取り出すための電極端子１７，１７が、図示しないリード線を介して熱電変換素子１３，１３と電気的に接続されている。

管体２１及び封止部材２３は、各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流し、この圧縮性流体に含まれる腐食性ガスに対して抗することができるように、例えばステンレス鋼から構成する。

高温側電極部１２，１２及び低温側電極部１４，１４は、耐熱性及び機械的強度に優れるとともに、比較的高い導電性を示すことが要求され、例えば、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉおよびこれらの合金あるいはステンレス鋼などから構成することができる。なお、電極端子１７，１７も同様の材料から構成することができる。

また、ブリッジ状電極２５は、例えば、薄板、板ばね状の電極部材、銅線、銅の撚り線等の柔軟性に富んだ電極材料から構成することが好ましい。

熱電変換素子１３，１３を構成するｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２は熱伝導率が低く、高温側及び低温側で大きな温度差を得、ゼーベック効果により大きな電位差を生成する材料から構成することが好ましく、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系，Ｐｂ−Ｔｅ系，Ｓｉ−Ｇｅ系，あるいはＭｇ−Ｓｉ系等の半導体材料から構成する。

また、ケース部材１５は、熱電変換モジュール１０を搭載する各種産業機器及び自動車等の軽量化、耐食性及び剛性の観点から、例えばＭｇ，Ａｌ、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｆｅ，ステンレス鋼あるいはこれらの合金から構成することができる。

なお、図示しない以下に説明するリード線は、電気的良導体、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｆｅおよびこれらの合金等から構成することができる。

図１〜４に示す熱電変換モジュール１０においては、管体２１内に各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を導入し、当該圧縮性流体の廃熱によって管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂを加熱する。一方、ケース部材１５の空隙１６中には冷媒を導入する。管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂを加熱した熱は高温側電極部１２，１２を介して熱電変換素子１３，１３の下方に伝達され、熱電変換素子１３，１３の下部を加熱する。一方、空隙１６内に導入された冷媒からの冷熱は低温側電極部１４，１４を介して熱電変換素子１３，１３の上方に伝達され、熱電変換素子１３，１３の上部を冷却する。

その結果、熱電変換素子１３，１３には、ゼーベック効果によって起電力が生じ、この起電力によって、熱電変換素子１３，１３を構成するｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２を電気的に直列に接続した高温側電極部１２，１２及び低温側電極部１４，１４を通じて、熱電変換素子１３，１３の全体に亘って電流が流れるようになり、当該電流は、図示しないリード線を介して、電極端子１７，１７から熱電変換モジュール１０の外部に取出される。

この際、上述したように、ゼーベック効果、すなわち熱電変換効率は、熱電変換素子１３，１３の上下における温度差が大きくなるにつれて高くなるので、管体２１内を流れる圧縮性流体の廃熱を可能な限り有効利用する必要がある。

本実施形態の熱電変換モジュール１０においては、管体２１のフィン２１Ｄが配設された内部空間の両側、すなわち管体２１の端部に位置する内部空間２１Ｓ内に封止部材２１Ｓを配設し、内部空間２１Ｓ内を圧縮性流体が流れないようにしている。このため、上記圧縮性流体は、管体２１内の熱電変換素子１３，１３が形成されている領域の下方及び上方に相当する、フィン２１Ｄが形成されている内部空間のみを流れるようになる。すなわち、熱電変換素子１３，１３の非形成領域に相当する内部空間２１Ｓを流れることによる、圧縮性流体の圧力損失を抑制することができる。

したがって、従来のように、管体の内部空間の全体に亘って圧縮性流体を流す場合に比較して、圧縮性流体からの廃熱は、熱電変換素子１３，１３が配設されている管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂのみに効率よく伝達されるようになるので、当該廃熱の利用効率が向上する。結果として、管体２１内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子１３，１３の下部に効率良く伝達することができるので、熱電変換素子１３，１３のゼーベック効果が向上して熱電変換効率が向上し、熱電変換モジュール１０からより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

すなわち、本実施形態によれば、管体２１内を流れる圧縮性流体の流路を狭窄するという簡易な方法によって、熱電変換素子１３，１３の熱電変換効率を向上させ、熱電変換モジュール１０から大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

（第２の実施形態）
図６〜図８は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す図であり、図６に示す本実施形態の熱電変換モジュールは、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０の、図２に示す断面図に相当するものであり、図７に示す本実施形態の熱電変換モジュールは、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０の、図３に示す断面図に相当するものである。また、図８は、本実施形態の熱電変換モジュールの管体のみを取り出して示す斜視図である。

なお、本実施形態の熱電変換モジュールの全体構成を示す概略構成は、第１の実施形態の図１に示す構成と同一であるので、記載を省略する。

また、図１〜４に示す熱電変換モジュールの構成要素と類似あるいは同一の構成要素に関しては、同一の符号を用いている。

本実施形態の熱電変換モジュール３０は、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０において、管体２１の内部空間２１Ｓ内に封止部材２３を配設して閉塞させる代わりに、管体３１の側面３１Ｅの一部を加工して内部空間３１Ｓ側に凹ませてフィン３１Ｄの端部に当接させることによって、管体３１の内部空間３１Ｓを閉塞させている。

したがって、本実施形態においても、管体３１内に導入された圧縮性流体は、管体３１内の熱電変換素子１３，１３が形成されている領域の下方及び上方に相当する、フィン３１Ｄが形成されている内部空間のみを流れ、熱電変換素子１３，１３の非形成領域に相当する内部空間３１Ｓを流れないようになる。

このため、従来のように、管体の内部空間の全体に亘って圧縮性流体を流す場合に比較して、圧縮性流体からの廃熱は、熱電変換素子１３，１３が配設されている管体３１の上面３１Ａ及び下面３１Ｂのみに効率よく伝達されるようになるので、当該廃熱の利用効率が向上する。結果として、管体３１内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子１３，１３の下部に効率良く伝達することができるので、熱電変換素子１３，１３のゼーベック効果が向上して熱電変換効率が向上し、熱電変換モジュール３０からより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

すなわち、本実施形態によれば、管体３１内を流れる圧縮性流体の流路を狭窄するという簡易な方法によって、熱電変換素子１３，１３の熱電変換効率を向上させ、熱電変換モジュール３０から大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

なお、その他の構成及び特徴については、第２の実施形態における熱電変換モジュール２０と同様であるので説明を省略する。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

１０，３０ 熱電変換モジュール
２１，３１ 管体
２１Ｄ，３１Ｄ （管体内の）フィン
１２ 高温側電極部
１３ 熱電変換素子
１４ 低温側電極部
１５ ケース部材
１６ （低温側電極部及びケース部材間の）空隙
１７ 電極端子
１８ 冷媒導入口
１９ 冷媒排出口
２１Ｓ，３１Ｓ 管体の熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間
２３ 封止部材
３１Ｆ 凹み加工

Claims (3)

1. 圧縮性流体を流すための筒状の管体と、
   前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、前記管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、
   前記高温側電極部上において、少なくとも一対のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子上において、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部と、
   前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、前記管体、前記高温側電極部、前記熱電変換素子、及び前記低温側電極部を収納するためのケース部材とを具え、
   前記管体の、前記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、前記熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間の少なくとも一部を閉塞させたことを特徴とする、熱電変換モジュール。
2. 前記内部空間の閉塞は、前記管体の当該内部空間に封止部材を配設して行うことを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記内部空間の閉塞は、前記管体の少なくとも側面を前記内部空間側に凹ませて行うことを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。

Images