JP2015115590A - Thermoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module.
熱電変換モジュールは、直列に接続された複数の熱電変換素子によって構成される発電装置である。熱電変換モジュールでは、各熱電変換素子が熱源からの熱を受けてゼーベック効果によって発電する。 The thermoelectric conversion module is a power generation device including a plurality of thermoelectric conversion elements connected in series. In the thermoelectric conversion module, each thermoelectric conversion element receives heat from a heat source and generates power by the Seebeck effect.
特許文献1には、熱電変換素子であるn型半導体セラミック板とp型半導体セラミック板とを交互に積層した積層型の熱電変換モジュールが開示されている。特許文献2には、n型熱電変換素子又はp型熱電変換素子のいずれか一方のみによって構成される熱電変換モジュールが開示されている。
特許文献3には、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子との間の電気的特性や熱的特性の差を考慮して、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子とで異なる構成とする熱電変換モジュールが開示されている。特許文献4には、排気ガスの熱エネルギーを熱電変換素子によって電力に変換する技術が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-228867 discusses different configurations between an n-type thermoelectric conversion element and a p-type thermoelectric conversion element in consideration of a difference in electrical characteristics and thermal characteristics between the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element. A thermoelectric conversion module is disclosed. Patent Document 4 discloses a technique for converting thermal energy of exhaust gas into electric power by a thermoelectric conversion element.
ところで、熱電変換モジュールに接触させる熱源に温度分布がある場合には、熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子の発電量がその配置位置ごとに異なってしまう。直列に接続された各熱電変換素子には配置位置に依らず等しい電流が流れる。そのため、比較的高温である部位に配置された熱電変換素子によって得られる電気的エネルギーの一部は、比較的低温である部位に配置された熱電変換素子に電流を流すために消費されてしまう。このように、熱源に温度分布がある場合には、熱電変換素子で発生した電気的エネルギーの一部が熱電変換モジュール内において無駄に消費されてしまい、熱電変換モジュール全体としての発電効率が低下してしまう可能性がある。 By the way, when the heat source brought into contact with the thermoelectric conversion module has a temperature distribution, the power generation amount of the thermoelectric conversion elements constituting the thermoelectric conversion module differs depending on the arrangement position. An equal current flows through each thermoelectric conversion element connected in series regardless of the arrangement position. For this reason, a part of the electrical energy obtained by the thermoelectric conversion element arranged in the portion having a relatively high temperature is consumed in order to pass a current through the thermoelectric conversion element arranged in the portion having a relatively low temperature. As described above, when the heat source has a temperature distribution, a part of the electrical energy generated in the thermoelectric conversion element is wasted in the thermoelectric conversion module, and the power generation efficiency of the entire thermoelectric conversion module is reduced. There is a possibility that.
しかしながら、上記の特許文献1−4のいずれにおいても、熱電変換モジュールが取り付けられる熱源に温度分布がある場合については一切考慮されていない。このように、温度分布がある熱源に取り付けられるときの熱電変換モジュールの発電効率を向上させることについてはこれまで十分な工夫がなされてこなかった。 However, none of the above Patent Documents 1-4 considers a case where the heat source to which the thermoelectric conversion module is attached has a temperature distribution. Thus, sufficient improvement has not been made so far to improve the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module when attached to a heat source having a temperature distribution.
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be realized as the following forms.
[1]本発明の一形態によれば、熱電変換モジュールが提供される。この熱電変換モジュールは、熱を受けるための受熱面が同じ方向に向いている状態で所定の配列方向に配列されているとともに、電気的に直列に接続されている複数の熱電変換素子を備えて良い。前記複数の熱電変換素子は、n型熱電変換素子と、p型熱電変換素子の少なくとも一方を含んで良い。前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子の少なくとも一方は、前記受熱面の面積である受熱面積が前記配列方向に沿って次第に大きくなるように配列されて良く、発熱体から延伸しており、前記発熱体から離れるに従って温度が低下する温度分布を有する延伸部材の表面に配置されるときに、前記受熱面が前記延伸部材の表面と対向するように配置されるとともに、前記受熱面積が大きいものほど前記発熱体から見て下流側に位置するように配置されて良い。この形態の熱電変換モジュールによれば、熱源である延伸部材の温度分布によって生じるモジュール内における電気的エネルギーの浪費が抑制される。従って、熱電変換モジュールの発電効率を高めることができる。 [1] According to one aspect of the present invention, a thermoelectric conversion module is provided. This thermoelectric conversion module includes a plurality of thermoelectric conversion elements that are arranged in a predetermined arrangement direction with heat receiving surfaces for receiving heat facing in the same direction and electrically connected in series. good. The plurality of thermoelectric conversion elements may include at least one of an n-type thermoelectric conversion element and a p-type thermoelectric conversion element. At least one of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element may be arranged such that a heat receiving area, which is an area of the heat receiving surface, gradually increases along the arrangement direction, and extends from the heating element. And when the heat receiving surface is disposed on the surface of the extending member having a temperature distribution in which the temperature decreases as it is separated from the heating element, the heat receiving surface is disposed to face the surface of the extending member, and the heat receiving area is Larger ones may be arranged so as to be located on the downstream side when viewed from the heating element. According to the thermoelectric conversion module of this form, waste of electrical energy in the module caused by the temperature distribution of the extending member that is a heat source is suppressed. Therefore, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module can be increased.
[2]上記形態の熱電変換モジュールにおいて、前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子の少なくとも一方は、前記受熱面積が前記配列方向に沿って配置位置ごとに大きくなるように配列されていても良い。この形態の熱電変換モジュールによれば、モジュール内における電気的エネルギーの浪費がさらに抑制される。 [2] In the thermoelectric conversion module according to the above aspect, at least one of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element is arranged so that the heat receiving area increases in each arrangement position along the arrangement direction. May be. According to the thermoelectric conversion module of this form, waste of electrical energy in the module is further suppressed.
[3]上記形態の熱電変換モジュールにおいて、前記複数の熱電変換素子は、前記受熱面を底面として互いに並列に延びており;前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子の少なくとも一方は、前記受熱面を基準とする高さが小さいものほど、前記配列方向において前記受熱面積が大きくなる方向の下流側に位置するように配列されていても良い。この形態の熱電変換モジュールによれば、モジュール内における電気的エネルギーの浪費が熱電変換素子の高さによる調整によっても抑制される。 [3] In the thermoelectric conversion module of the above aspect, the plurality of thermoelectric conversion elements extend in parallel with the heat receiving surface as a bottom surface; at least one of the n-type thermoelectric conversion element or the p-type thermoelectric conversion element is The smaller the height relative to the heat receiving surface, the lower the heat receiving area in the arrangement direction. According to the thermoelectric conversion module of this form, waste of electrical energy in the module is suppressed by adjustment by the height of the thermoelectric conversion element.
[4]上記形態の熱電変換モジュールにおいて、前記複数の熱電変換素子は、前記配列方向に隣り合って配置される一対のn型熱電変換素子とp型熱電変換素子とを有する複数組の熱電変換素子対を含み;前記複数組の熱電変換素子対は、前記n型変換素子と前記p型変換素子のそれぞれの前記受熱面積An,Apが前記配列方向に沿って次第に大きくなっていても良い。この形態の熱電変換モジュールによれば、モジュール内における電気的エネルギーの浪費が抑制される。 [4] In the thermoelectric conversion module of the above aspect, the plurality of thermoelectric conversion elements includes a plurality of sets of thermoelectric conversions including a pair of n-type thermoelectric conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements arranged adjacent to each other in the arrangement direction. In the plurality of pairs of thermoelectric conversion elements, the heat receiving areas An and Ap of the n-type conversion element and the p-type conversion element may be gradually increased along the arrangement direction. According to the thermoelectric conversion module of this form, waste of electrical energy in the module is suppressed.
[5]上記形態の熱電変換モジュールでは、前記複数組の熱電変換素子対のそれぞれにおいて、前記n型熱電変換素子の前記受熱面積Anと、前記p型熱電変換素子の前記受熱面積Apと、は互いに異なっていても良い。この形態の熱電変換モジュールによれば、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子の特性の差などに応じて両者の受熱面積An,Apを調整することができる。従って、熱電変換モジュールの発電効率をさらに高めることができる。 [5] In the thermoelectric conversion module of the above aspect, in each of the plurality of thermoelectric conversion element pairs, the heat receiving area An of the n-type thermoelectric conversion element and the heat receiving area Ap of the p-type thermoelectric conversion element are: They may be different from each other. According to the thermoelectric conversion module of this embodiment, the heat receiving areas An and Ap of both can be adjusted according to the difference in characteristics between the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element. Therefore, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module can be further increased.
[6]上記形態の熱電変換モジュールにおいて、前記熱電変換素子対の前記配列方向における配置位置に応じた前記n型熱電変換素子の前記受熱面積Anの変化率と、前記熱電変換素子対の前記配列方向における配置位置に応じた前記p型熱電変換素子の前記受熱面積Apの変化率と、は互いに異なっていても良い。この形態の熱電変換モジュールによれば、n型熱電変換素子とp型熱電変換素子の特性の差などに応じて両者の受熱面積An,Apの変化率を調整することができる。従って、熱電変換モジュールの発電効率をさらに高めることができる。 [6] In the thermoelectric conversion module of the above aspect, the rate of change of the heat receiving area An of the n-type thermoelectric conversion elements according to the arrangement position of the thermoelectric conversion element pairs in the arrangement direction, and the arrangement of the thermoelectric conversion element pairs The rate of change of the heat receiving area Ap of the p-type thermoelectric conversion element according to the arrangement position in the direction may be different from each other. According to the thermoelectric conversion module of this embodiment, the rate of change of the heat receiving areas An and Ap can be adjusted according to the difference in characteristics between the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element. Therefore, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module can be further increased.
[7]上記形態の熱電変換モジュールでは、前記熱電変換素子対において、前記複数の熱電変換素子は複数の第1の熱電変換素子であり;前記複数の第1の熱電変換素子の列の隣には、前記複数の第1の熱電変換素子のそれぞれに対応するように配置された複数の第2の熱電変換素子が、前記配列方向に配列されており;前記第2の熱電変換素子は、隣り合う前記第1の熱電変換素子がn型熱電変換素子である場合にはp型熱電変換素子であり、隣り合う前記第1の熱電変換素子がp型熱電変換素子である場合にはn型熱電変換素子であり;隣り合う前記第1と第2の熱電変換素子の組において、前記n型熱電変換素子の受熱面積Anと、前記p型熱電変換素子の受熱面積Apとは、An/Ap={(ρn/κn)・(κp/ρp)}1/2の関係を満たしていて良い。ここで、κn,κpはそれぞれ、前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子における熱伝導率であり、ρn,ρpはそれぞれ、前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子における体積抵抗率である。この形態の熱電変換モジュールによれば、所定の配列方向において同じ列に配置されているn型熱電変換素子とp型熱電変換素子との受熱面積An,Apが、両者の特性に応じて適切に調整される。 [7] In the thermoelectric conversion module of the above aspect, in the thermoelectric conversion element pair, the plurality of thermoelectric conversion elements are a plurality of first thermoelectric conversion elements; next to a row of the plurality of first thermoelectric conversion elements. A plurality of second thermoelectric conversion elements arranged to correspond to each of the plurality of first thermoelectric conversion elements are arranged in the arrangement direction; and the second thermoelectric conversion elements are adjacent to each other. When the matching first thermoelectric conversion element is an n-type thermoelectric conversion element, the first thermoelectric conversion element is a p-type thermoelectric conversion element. When the adjacent first thermoelectric conversion element is a p-type thermoelectric conversion element, the n-type thermoelectric conversion element is used. In the set of adjacent first and second thermoelectric conversion elements, the heat receiving area An of the n-type thermoelectric conversion element and the heat receiving area Ap of the p-type thermoelectric conversion element are: An / Ap = {(ρn / κn) · ( κp / ρp)} 1/2 of the relationship It may not meet. Here, κn and κp are the thermal conductivity in the n-type thermoelectric conversion element or the p-type thermoelectric conversion element, respectively, and ρn and ρp are the volumes in the n-type thermoelectric conversion element or the p-type thermoelectric conversion element, respectively. Resistivity. According to the thermoelectric conversion module of this embodiment, the heat receiving areas An and Ap of the n-type thermoelectric conversion elements and the p-type thermoelectric conversion elements arranged in the same row in a predetermined arrangement direction are appropriately determined according to the characteristics of both Adjusted.
本発明は、熱電変換モジュール以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、熱電変換モジュールと、温度分布を有する熱源である配管などの延伸部材を備える発電装置や発電システム、熱電変換モジュールが配置された延伸部材、前記延伸部材を備える車両等の移動体並びに機械設備等の形態で実現することができる。 The present invention can also be realized in various forms other than the thermoelectric conversion module. For example, a thermoelectric conversion module and a power generation apparatus or power generation system including a stretching member such as a pipe that is a heat source having a temperature distribution, a stretching member provided with the thermoelectric conversion module, a moving body such as a vehicle including the stretching member, and mechanical equipment Or the like.
A.第1実施形態:
図1〜図3を参照しつつ、本発明の第1実施形態としての熱電変換モジュール10の構成について説明する。図1は、熱電変換モジュール10の概略斜視図である。図2は熱電変換モジュール10における各熱電変換素子5n,5pの電気的な接続構成を示す概略図である。図2では、各熱電変換素子5n,5pを高さ方向(矢印Zの方向)に沿って見たときの各熱電変換素子5n,5pの上面5uを図示してある。図3は熱電変換モジュール10の使用状態を示す模式図である。図3では、熱電変換モジュール10と、熱源配管30と、冷媒配管40と、を熱電変換モジュール10の側面方向から見たときの概略断面図によって図示してある。
A. First embodiment:
The configuration of the
ここで、図1〜図3にはそれぞれ、互いに直交する三方向を示す矢印X,Y,Zを、以下のように、熱電変換モジュール10に対応させて図示してある。矢印X,Yはそれぞれ熱電変換モジュール10の上面および底面における直交する二辺に平行な方向を示しており、矢印Zは熱電変換モジュール10の側面に平行で、上面および底面に垂直な方向を示している。以下では、熱電変換モジュール10における矢印Xの示す方向を「第1の平面方向X」と呼び、矢印Yの示す方向を「第2の平面方向Y」と呼び、矢印Zの示す方向を「高さ方向Z」と呼ぶ。これらの矢印X,Y,Zは後述する第2実施形態から第6実施形態の説明図においても同様に図示してある。
Here, in FIGS. 1 to 3, arrows X, Y, and Z indicating three directions orthogonal to each other are illustrated corresponding to the
熱電変換モジュール10は、高温ガスなどの高温の流体が流れる流体配管である熱源配管30に取り付けられ、ゼーベック効果を利用して熱源配管30から受ける熱を電力に変換する(図3)。ここで、「高温」とは、冷媒配管40に流れる冷媒より高い温度であれば良く、例えば室温以上の温度であるとしても良い。熱源配管30は、自動車などの移動体の排ガス配管であっても良いし、工場や家屋などに敷設された配管であっても良い。熱源配管30は、発熱体から延伸され、当該発熱体から離れるに従って温度が低下する温度分布を有する延伸部材に相当する。
The
熱電変換モジュール10は、第1と第2のセラミックス基板1,2と、複数のn型熱電変換素子5nと、複数のp型熱電変換素子5pと、複数のコンタクト部材7と、を備える(図1)。第1と第2のセラミックス基板1,2はセラミックス製の平板状部材であり、それぞれ同じ長方形形状を有している。第1と第2のセラミックス基板1,2は、導電部材であるコンタクト部材7を介して熱電変換素子5n,5pを高さ方向Zに挟むように配置され、熱電変換モジュール10の上面部と底面部とを構成する。なお、本実施形態では、第1と第2のセラミックス基板1,2の長辺に平行な方向が第1の平面方向Xであり、短辺に平行な方向が第2の平面方向Yである。
The
n型熱電変換素子5nおよびp型熱電変換素子5pはそれぞれ、n型熱電材料およびp型熱電材料によって構成されている。各熱電変換素子5n,5pは、ほぼ同じ高さの略直方体形状を有している。ただし、各熱電変換素子5n,5pの上面5uの面積は、後述するように、その配列位置に応じて異なっている。本実施形態では、n型熱電変換素子5nおよびp型熱電変換素子5pは、熱伝導率κと体積抵抗率ρとの比κ/ρ(以下、「κρ比」と呼ぶ。)の値が互い等しい熱電材料で構成されていることが望ましい。これによって、n型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pの材料特性の差に起因して生じる電気的エネルギーの浪費が抑制される。
The n-type
本実施形態の熱電変換モジュール10では、n型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pとが第1と第2の平面方向X,Yのそれぞれにおいて隣り合うように格子状(マトリックス状)に配列されている。そして、全ての熱電変換素子5n,5pが、n型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pとが交互に繰り返される順序で電気的に直列に接続されている(図2)。本実施形態の熱電変換モジュール10では、導電経路が第1の平面方向Xにおいて往復するように各熱電変換素子5n,5pが接続されている。導電経路の始端および終端の熱電変換素子5n,5pはそれぞれ電源ライン8を介して外部負荷20に接続されている。
In the
ここで、互いに隣り合って配列されており、底面5b側に配置されているコンタクト部材7を介して接続されている同一サイズのn型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pの組み合わせを「熱電変換素子対5c」と呼ぶ。各熱電変換素子対5cは上面5u側に配置されているコンタクト部材7を介して直列に接続されている。
Here, a combination of an n-type
ところで、本実施形態の熱電変換モジュール10では、各熱電変換素子5n,5pにおいて熱を受ける受熱面である上面5uの面積(以下、「受熱面積」とも呼ぶ。)が、各熱電変換素子対5cごとに、第1の平面方向Xに沿って次第に大きくなっている。本実施形態では、第1の平面方向Xに並ぶ2列ごとに熱電変換素子5n,5pにおける受熱面積が大きくなっている。これは、以下に説明するように、熱源である熱源配管30の温度分布に対応させた構成である。
By the way, in the
上述したように、熱電変換モジュール10は、その使用時には熱源配管30に取り付けられる(図3)。より具体的には、熱電変換モジュール10は、第1のセラミックス基板1が熱源配管30と接触するとともに、第1の平面方向Xが熱源配管30における高温流体の流れ方向と一致するように配置される。
As described above, the
また、熱電変換モジュール10の使用時には、熱電変換モジュール10のセラミックス基板2上に冷却水などの冷媒が流れる冷媒配管40が配置される。冷媒配管40は、冷媒の流れ方向が熱源配管30における高温流体の流れ方向とは逆になるように配置される。なお、熱源配管30および冷媒配管40のそれぞれと第1と第2のセラミックス基板1,2との間にはシリコングリスなどの熱伝導率の高い材料が配置されても良い。
Further, when the
この取り付け状態において、熱電変換モジュール10の各熱電変換素子5n,5pは、上面5uにおいて熱源配管30からの熱を受け、その底面5bにおいて冷媒配管40の冷媒に熱を奪われる。これによって、各熱電変換素子5n,5pは、上面5u側と底面5b側との間の温度差に応じた起電力を発生する(ゼーベック効果)。
In this attached state, each
ここで、熱源配管30は、上流から下流に向かって温度が低くなる温度分布を有しており、冷媒配管40における温度勾配は熱源配管30における温度勾配に対して無視できるほど小さい。従って、熱源配管30に取り付けられている熱電変換モジュール10では、上流側の熱電変換素子対5cほど上面5u側と底面側5b側との間の温度差が大きくなり、下流側の熱電変換素子対5cほど上面5u側と底面側5b側との間の温度差が小さくなる。
Here, the
本実施形態の熱電変換モジュール10は、上記のように、上流側ほど熱電変換素子対5cにおける受熱面積が小さく、下流側ほど熱電変換素子対5cの受熱面積が大きくなるように熱源配管30に取り付けられる。これによって、以下に説明するように、比較例の発電モジュール100aよりも熱源配管30の温度分布に起因する熱電変換モジュール10内での電気的エネルギーの浪費が抑制されており、熱電変換モジュール10全体で見たときの発電効率が高められている。
As described above, the
図4〜図6を参照しつつ、比較例としての熱電変換モジュール10aの構成について説明する。図4〜図6はそれぞれ、図1〜図3と対応している。図4は、比較例の熱電変換モジュール10aの概略斜視図である。図5は、比較例の熱電変換モジュール10aにおける各熱電変換素子5n,5pの電気的な接続構成を示す概略図である。図6は、比較例の熱電変換モジュール10aの使用状態を示す模式図である。比較例の熱電変換モジュール10aは、各熱電変換素子5n,5pが全て同じサイズで形成されており、上面5uの面積が全て同じである点以外は、本実施形態の熱電変換モジュール10(図1〜図3)と同様な構成を有している。
A configuration of a
比較例の熱電変換モジュール10aでは、熱源配管30における温度分布にかかわらず、各熱電変換素子5n,5pの受熱面積が均一である。そのため、各熱電変換素子対5cから出力される電気的エネルギーは、熱源配管30における温度分布に応じて上流側ほど大きくなっている。従って、上流側の熱電変換素子対5cで生じた電気的エネルギーの一部は、下流側の熱電変換素子対5cに電流を流すために消費され、熱電変換モジュール10a全体としての発電効率が低下してしまっている。
In the
これに対して、本実施形態の熱電変換モジュール10は、熱源配管30の温度分布に対応させて、受熱面積が小さい熱電変換素子対5cが下流側に配置され、受熱面積が大きい熱電変換素子対5cが下流側に配置される。従って、熱源配管30に取り付けられたときに各熱電変換素子対5cにおいて発生する電気的エネルギーが、他の熱電素子対5cにおいて消費されてしまうことが抑制され、熱電変換モジュール10全体で見たときの発電効率が比較例の熱電変換モジュール10cよりも高められている。
On the other hand, in the
以上のように、本実施形態の熱電変換モジュール10によれば、熱源配管30の温度分布に起因するモジュール内での電気的エネルギーの浪費が抑制され、熱エネルギーを高効率で電気的エネルギーに変換することができる。
As described above, according to the
B.第2実施形態:
図7は、本発明の第2実施形態としての熱電変換モジュール10Aの構成を示す概略図である。図7には、第2実施形態の熱電変換モジュール10Aにおける各熱電変換素子5n,5pの電気的な接続構成を、第1実施形態の説明に用いた図2と同様な概略図によって図示してある。第2実施形態の熱電変換モジュール10Aは、以下に説明する点以外は、第1実施形態の熱電変換モジュール10とほぼ同じ構成を有している。
B. Second embodiment:
FIG. 7 is a schematic diagram showing a configuration of a
第2実施形態の熱電変換モジュール10Aでは、各熱電変換素子対5cにおいてn型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pの受熱面積がそれぞれ異なっている。具体的に、各熱電変換素子対5cにおけるn型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pのそれぞれの受熱面積は、n型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pを構成する熱電材料のそれぞれのκρ比に応じて設定されている。なお、第2実施形態の熱電変換モジュール10Aでは、n型熱電変換素子5nおよびp型熱電変換素子5pのそれぞれについて見たときに、n型熱電変換素子5nおよびp型熱電変換素子5pのそれぞれの受熱面積(上面5uの面積)は、第1の平面方向Xに沿って2列ごとに順に大きくなっている。
In the
第2実施形態の熱電変換モジュール10Aであれば、各熱電変換素子対5cを構成するn型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pとの間に、構成材料の特性の相違に起因する発電効率の差が生じることが抑制されている。また、熱源配管30に取り付けられたときに、熱源配管30の温度分布に起因するモジュール内における電気的エネルギーの浪費が抑制されている。
In the case of the
C.第3実施形態:
図8は、本発明の第3実施形態としての熱電変換モジュール10Bの構成を示す概略図である。図8には、第3実施形態の熱電変換モジュール10Bにおける各熱電変換素子5n,5pの電気的な接続構成を、第2実施形態の説明に用いた図7と同様な概略図によって図示してある。第3実施形態の熱電変換モジュール10Bは、以下に説明する点以外は、第2実施形態の熱電変換モジュール10Aとほぼ同じ構成を有している。
C. Third embodiment:
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a
第3実施形態の熱電変換モジュール10Bでは、n型熱電変換素子5nおよびp型熱電変換素子5pのそれぞれについて見たときに、n型熱電変換素子5nおよびp型熱電変換素子5pのそれぞれの受熱面積(上面5uの面積)は、第1の平面方向Xに沿って1列ごとに順に大きくなっている。従って、第3実施形態の熱電変換モジュール10Bによれば、熱源配管30の流体の流れ方向における温度分布に応じて、きめ細かく各熱電変換素子5n,5pの受熱面積を設定することができる。
In the
ここで、第3実施形態の熱電変換モジュール10Bでは、第2の平面方向Yに隣り合っているn型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pのそれぞれの受熱面積An,Apは、以下の数式(1)の関係を満たしていることが望ましい。これによって、熱源配管30において温度が等しい部位に配置されるn型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pとの間で、電気的エネルギーが浪費されてしまうことが抑制される。
An/Ap={(ρn/κn)・(κp/ρp)}1/2 …(1)
κn:n型熱電変換素子の熱伝導率
κp:p型熱電変換素子の熱伝導率
ρn:n型熱電変換素子の体積抵抗率
ρp:p型熱電変換素子の体積抵抗率
Here, in the
An / Ap = {(ρn / κn) · (κp / ρp)} 1/2 (1)
κn: thermal conductivity of n-type thermoelectric conversion element κp: thermal conductivity of p-type thermoelectric conversion element ρn: volume resistivity of n-type thermoelectric conversion element ρp: volume resistivity of p-type thermoelectric conversion element
D.第4実施形態:
図9は、本発明の第4実施形態としての熱電変換モジュール10Cの構成を示す概略図である。図9には、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cにおける各熱電変換素子5n,5pの電気的な接続構成を、第3実施形態の説明に用いた図8と同様な概略図によって図示してある。第4実施形態の熱電変換モジュール10Cは、以下に説明する点以外は、第3実施形態の熱電変換モジュール10Bとほぼ同じ構成を有している。
D. Fourth embodiment:
FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a
ここで、第1の平面方向Xにおいて、上流端から数えてN列目(Nは任意の自然数)およびN+1列目に配置されているn型熱電変換素子5nおよびp型熱電変換素子5pの受熱面積をそれぞれAnN,ApN,AnN+1,ApN+1とする。このとき、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cでは、受熱面積AnN,ApN,AnN+1,ApN+1は、AnN+1/AnN≠ApN+1/ApNの関係を満たす。このように、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cでは、第1の平面方向Xにおける配置位置に応じたn型熱電変換素子5nの受熱面積の変化率と、p型熱電変換素子5pの受熱面積の変化率と、が互いに異なっている。これによって、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cによれば、熱源配管30の温度分布に応じて、配置位置に応じた各熱電変換素子5n,5pの受熱面積をきめ細かく設定することができる。
Here, in the first plane direction X, the heat received by the n-type
一般に、熱電材料の発電特性に影響するゼーベック係数や、体積抵抗率、熱伝導率は温度依存性があり、その依存性は構成材料によって異なる。そこで、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cにおいては、第1の平面方向Xにおける各熱電変換素子5n,5pの受熱面積の変化率は、熱源配管30における取り付け位置の実際の温度分布に応じて設定されることが望ましい。また、第2の平面方向Yに隣り合っているn型熱電変換素子5nとp型熱電変換素子5pの受熱面積An,Apは、熱源配管30の取り付け位置における温度のときの熱伝導率κや体積抵抗率ρにおいて、上記の式(1)の関係を満たしていることが望ましい。
In general, the Seebeck coefficient, volume resistivity, and thermal conductivity that affect the power generation characteristics of thermoelectric materials have temperature dependence, and the dependence varies depending on the constituent materials. Therefore, in the
以上のように、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cによれば、熱源配管30の温度分布に応じて、配置位置に応じた各熱電変換素子5n,5pの受熱面積をきめ細かく設定することができる。従って、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cの発電効率をより高めることができる。
As described above, according to the
E.第5実施形態:
図10は、本発明の第5実施形態としての熱電変換モジュール10Dの構成を示す概略図である。図10には、第5実施形態の熱電変換モジュール10Dにおける各熱電変換素子5n,5pの電気的な接続構成を、第4実施形態の説明に用いた図9と同様な概略図によって図示してある。第5実施形態の熱電変換モジュール10Dは、以下に説明する点以外は、第4実施形態の熱電変換モジュール10Cとほぼ同じ構成を有している。
E. Fifth embodiment:
FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a
第5実施形態の熱電変換モジュール10Dでは、n型熱電変換素子5nについては、第1の平面方向Xにおいて上面5uの縦横の比率は変化しているが、第1の平面方向Xにおける配置位置にかかわらず受熱面積は等しくなっている。これに対して、p型熱電変換素子5pについては、第1の平面方向Xに沿って1列ごとに受熱面積が大きくなっている。このような構成であっても、熱源配管30に取り付けられたときに、各p型熱電変換素子5pにおける電気的エネルギーの浪費が抑制される。従って、熱源配管30の温度分布に起因する熱電変換モジュール10Dの発電効率の低下が抑制される。
In the
F.第6実施形態:
図11は、本発明の第6実施形態としての熱電変換モジュール10Eの構成を示す概略図である。図11の上段には、第6実施形態の熱電変換モジュール10Eにおける各熱電変換素子5n,5pの電気的な接続構成を、第4実施形態の説明に用いた図9と同様な概略図によって図示してある。ただし、図11の上段では、外部負荷200の図示は便宜上省略してある。また、図11の下段には、図11の上段に示したA−A切断における第6実施形態の熱電変換モジュール10Eの概略断面図を図11の上段と対応するように図示してある。第6実施形態の熱電変換モジュール10Eは、以下に説明する点以外は、第4実施形態の熱電変換モジュール10C(図9)とほぼ同じ構成を有している。
F. Sixth embodiment:
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a
第6実施形態の熱電変換モジュール10Eでは、各熱電変換素子5n,5pの受熱面である上面5uを基準とする高さhが、第1の平面方向Xにおいて次第に小さくなるように構成されている部位が設けられている。高さが小さい熱電変換素子5n,5pの底面5bとコンタクト部材7との間には金属部材9が補充されている。この金属部材9の補充によって、第1と第2のセラミックス基板1,2の平行な配置関係が保たれている。金属部材9は、各熱電変換素子5n,5pを構成する熱電材料とオーミックに接続できる材料であることが望ましい。また、各熱電変換素子5n,5pと金属部材9との間には、両者のオーミックな接続を確保するためにバッファ層が設けられても良い。
In the
第6実施形態の熱電変換モジュール10Eによれば、熱源配管30の温度分布に起因するモジュール内での電気的エネルギーの浪費を、各熱電変換素子5n,5pの受熱面積に加えて、受熱面を基準とする高さhによっても抑制することができる。従って、第6実施形態の熱電変換モジュール10Eの発電効率をより高めることができる。
According to the
G.第7実施形態:
図12は本発明の第7実施形態としての熱電変換モジュール10Fの構成を示す概略図である。図12には第7実施形態の熱電変換モジュール10Fの側面に平行な切断面における概略断面図と、熱源配管30と冷媒配管40の概略断面図と、を図示してある。図12には、互いに直交する三方向を示す矢印X,Y,Zを、以下のように、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fに対応させて図示してある。
G. Seventh embodiment:
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a
矢印Xは、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fの各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの積層方向を示している。以下では、矢印Xの示す方向を「積層方向X」とも呼ぶ。矢印Y,Zはそれぞれ、各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの面の直交する二辺に平行な方向を示している。矢印Zは第7実施形態の熱電変換モジュール10Fの熱源と対向させる面(以下、「上面10u」と呼ぶ。)に対して垂直な方向を示している。これらの矢印X,Y,Zは以下に説明する第8実施形態および第9実施形態の説明図においても同様に図示してある。
An arrow X indicates the stacking direction of the plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp of the
第7実施形態の熱電変換モジュール10Fは、いわゆる積層型熱電変換モジュールであり、n型板状熱電変換素子5Pnと、p型板状熱電変換素子5Ppと、が交互に積層された積層体として構成されている。n型板状熱電変換素子5Pnおよびp型板状熱電変換素子5Ppはそれぞれ、板状のn型熱電材料およびp型熱電材料によって構成されている。各板状熱電変換素子5Pn,5Ppにおいて、矢印Y,Zのそれぞれに平行な面は、同じ面積の略長方形形状を有している。なお、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fにおいて、積層方向Xに隣り合うn型板状熱電変換素子5Pnおよびp型板状熱電変換素子5Ppは一対の熱電子素子対5cを構成している。各熱電子素子対5cにおいて、n型板状熱電変換素子5Pnおよびp型板状熱電変換素子5Ppはそれぞれ異なる厚みtを有していても良い。
The
n型板状熱電変換素子5Pnとp型板状熱電変換素子5Ppとの間にはコンタクト部材7と絶縁部材6とが介挿されている。各板状熱電変換素子5Pn,5Ppは絶縁部材6によって離間されるとともに、コンタクト部材7によって電気的に接続されている。なお、コンタクト部材7は、積層方向Xにおいて、上面10u側とその反対側の下面10b側とに交互に配置されている。
A
第7実施形態の熱電変換モジュール10Fは、上記の各実施形態の熱電変換モジュール10,10A〜10Eと同様に熱源配管30に取り付けられ、熱源配管30の熱を受けて発電する。第7実施形態の熱電変換モジュール10Fは、積層方向Xが熱源配管30における流体の流れ方向と一致するとともに、上面10uが面接触するように熱源配管30に取り付けられる。なお、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fの下面10bには、上記の各実施形態の熱電変換モジュール10,10A〜10Eと同様に冷媒配管40が配置される。第7実施形態の熱電変換モジュール10Fと熱源配管30および冷媒配管40との間にはシリコングリスなどの熱伝導率の高い材料が配置されても良い。
The
ここで、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fでは、各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの厚みtが、積層方向Xに沿って次第に大きくなるように構成されている。より具体的には、隣り合う一組のn型板状熱電変換素子5Pnおよびp型板状熱電変換素子5Ppごとに積層方向Xに沿って厚みtが大きくなるように構成されている。従って、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fでは、各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの受熱面として機能する矢印X,Yに平行な側面5sの面積が積層方向Xに沿って次第に大きくなっている。
Here, in the
この構成によって、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fでは、熱源配管30における温度分布に起因して、各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの間で電気的エネルギーの浪費が生じてしまうことが抑制されている。従って、第7実施形態の熱電変換モジュール10Fによれば、厚みが均一な板状の熱電変換素子が積層されている積層型熱電変換モジュールよりも高い発電効率を得ることができる。
With this configuration, in the
H.第8実施形態:
図13は本発明の第8実施形態としての熱電変換モジュール10Gの構成を示す概略図である。図13には第8実施形態の熱電変換モジュール10Gの側面に平行な切断面における概略断面図と、熱源配管30と冷媒配管40の概略断面図と、を図示してある。熱電変換モジュール10Gの第8実施形態の熱電変換モジュール10Gは、以下に説明する点以外は、第7実施形態の熱電変換モジュール10F(図12)とほぼ同じ構成を有している。
H. Eighth embodiment:
FIG. 13 is a schematic diagram showing a configuration of a
第8実施形態の熱電変換モジュール10Gでは、n型板状熱電変換素子5Pnとp型板状熱電変換素子5Ppのそれぞれについて見たときに、上面10uを基準とする高さhが積層方向Xに向かって次第に小さくなるように構成されている部位が設けられている。高さが小さい板状熱電変換素子5Pn,5Ppのうちの隣り合うn型板状熱電変換素子5Pnとp型板状熱電変換素子5Ppの高さhはそれぞれ、構成材料のゼーベック係数や熱伝導率、体積抵抗率に応じて変えられている。高さhが小さい各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの底面10b側には、金属部材9が補充されている。これによって、各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの底面10bは略平坦に構成されている。
In the
第8実施形態の熱電変換モジュール10Gであれば、熱源配管30の温度分布に起因する各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの間における電気的エネルギーの浪費の発生を、各板状熱電変換素子5Pn,5Ppの厚みの調整に加えて、上面5uを基準とする高さhの調整によっても抑制することができる。従って、第8実施形態の熱電変換モジュール10Gの発電効率をより高めることができる。
In the
I.第9実施形態:
図14は本発明の第9実施形態としての熱電変換モジュール10Hの構成を示す概略図である。図14には第9実施形態の熱電変換モジュール10Hの側面に平行な切断面における概略断面図と、熱源配管30と冷媒配管40の概略断面図と、を図示してある。第9実施形態の熱電変換モジュール10Hは、いわゆるユニレグ型の積層熱電変換モジュールであり、複数のn型板状熱電変換素子5Pnが積層された積層体として構成されている。各n型板状熱電変換素子5Pnの間には、第1と第2の絶縁層6aと、コンタクト層7Lと、が介挿されている。
I. Ninth embodiment:
FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a
第1と第2の絶縁層6a,6bはそれぞれ、隣り合うn型板状熱電変換素子5Pnに面接触するように配置されている。コンタクト層7Lは導電部材によって配線パターンが形成されている配線層であり、第1と第2の絶縁層6a,6bの間に配置されるとともに、隣り合うn型板状熱電変換素子5Pn同士を電気的に接続している。
The first and second insulating
ここで、第9実施形態の熱電変換モジュール10Hでは、各n型板状熱電変換素子5Pnの厚みtが、積層方向Xに沿って次第に大きくなるように構成されている。より具体的には、2枚のn型板状熱電変換素子5Pnごとに積層方向Xに向かって厚みtが大きくなるように構成されている。従って、各n型板状熱電変換素子5Pnの受熱面として機能する矢印X,Yに平行な側面5sの面積が積層方向Xに向かって次第に大きくなっている。
Here, in the
第9実施形態の熱電変換モジュール10Hは、上記第8実施形態の熱電変換モジュール10Gと同様に熱源配管30に取り付けられて発電する。具体的には、第9実施形態の熱電変換モジュール10Hは、積層方向Xが熱源配管30における流体の流れ方向と一致するとともに、上面10uが面接触するように熱源配管30に取り付けられる。なお、第9実施形態の熱電変換モジュール10Hの下面10bには、上記第8実施形態の熱電変換モジュール10Gと同様に冷媒配管40が配置される。
The
第9実施形態の熱電変換モジュール10Hであれば、熱源配管30における温度分布に起因して、各n型板状熱電変換素子5Pnの間において電気的エネルギーの浪費が発生することが抑制される。従って、第9実施形態の熱電変換モジュール10Hによれば、厚みが均一な板状熱電変換素子が積層されているユニレグ型の積層型熱電変換モジュールよりも高い発電効率を得ることができる。
If it is the
J.変形例:
J1.変形例1:
上記の各実施形態では、冷媒配管40が、熱源配管30における流体の流れ方向とは逆の方向に冷媒が流れるように各熱電変換モジュール10,10A〜10Hに取り付けられていた。これに対して、冷媒配管40は、冷媒の流れ方向が熱源配管30における流体の流れ方向と一致するように各熱電変換モジュール10,10A〜10Hに取り付けられても良い。冷媒配管40における冷媒が流れ方向は、熱源配管30における流体の流れ方向とは無関係に決められても良い。ただし、冷媒配管40における温度勾配は熱源配管30における温度勾配に対して無視できるほど小さいことが望ましい。また、各発電モジュールが熱源配管30に取り付けられたときに、冷媒配管40は取り付けられなくても良い。ただし、熱源配管30の温度が環境温度よりも十分に高いことが望ましい。各熱電変換モジュール10,10A〜10Hには、冷媒配管40の代わりに空冷フィンなどの熱交換器が配置されても良い。
J. Variation:
J1. Modification 1:
In each of the above embodiments, the
J2.変形例2:
上記の第1〜第6実施形態の各熱電変換モジュール10,10A〜10Eでは、各熱電変換素子5n,5pは、第1の平面方向Xに複数回往復するように折り返す導電経路によって直列に接続されていた。これに対して、上記の第1〜第6実施形態の各熱電変換モジュール10,10A〜10Eにおいて、各熱電変換素子5n,5pは、第2の平面方向Yに複数回往復するように折り返す導電経路によって直列に接続されてもよい。各熱電変換素子5n,5pを接続する配線構成は特に限定されることはなく、各熱電変換素子5n,5pは直列に接続されていれば良い。第1〜第6実施形態の各熱電変換モジュール10,10A〜10Eは、各熱電変換素子5n,5pが直列に接続された複数のグループが並列に接続されている構成であっても良い。
J2. Modification 2:
In each of the
J3.変形例3:
上記の第5実施形態の熱電変換モジュール10Dでは、p型熱電変換素子5pの受熱面積が第1の平面方向Xに向かって次第に大きくなっていたのに対して、n型熱電変換素子5nの受熱面積はその配置位置にかかわらず均一であった。これに対して、熱電変換モジュールでは、n型熱電変換素子5nの受熱面積が第1の平面方向Xに沿って次第に大きくなり、p型熱電変換素子5pの受熱面積が配置位置にかかわらず均一となるように構成されていても良い。また、p型熱電変換素子5pの受熱面積が第1の平面方向Xに沿って次第に大きくなるのに対して、n型熱電変換素子5nの受熱面積が次第に小さくなるように構成されていても良い。あるいは、逆に、n型熱電変換素子5nの受熱面積が第1の平面方向Xに沿って次第に大きくなるのに対して、p型熱電変換素子5pの受熱面積が次第に小さくなるように構成されていても良い。これらの設計は、各熱電変換素子の構成材料の温度特性や設置環境などに応じて適宜決定されれば良い。
J3. Modification 3:
In the
J4.変形例4:
上記の第1〜第5実施形態の熱電変換モジュール10,10A〜10Dにおいて、第6実施形態の熱電変換モジュール10Eと同様に金属部材9が設けられても良い。また、上記の第9実施形態の熱電変換モジュール10Hにおいて、第8実施形態の熱電変換モジュール10Gと同様に金属部材9が設けられても良い。
J4. Modification 4:
In the
J5.変形例5:
上記の第9実施形態の熱電変換モジュール10Hは、熱電変換素子としてn型板状熱電変換素子5Pnのみを備えていた。これに対して、第9実施形態の熱電変換モジュール10Hは、熱電変換素子としてp型板状熱電変換素子5Ppのみを備える構成としても良い。
J5. Modification 5:
The
J6.変形例6:
上記各実施形態の熱電変換モジュールは、高温流体が流れる熱源配管30に取り付けられていた。これに対して、上記各実施形態の熱電変換モジュールは、熱源配管30以外の他の延伸部材に対して取り付けられても良い。上記各実施形態の熱電変換モジュールは、発熱体から延伸され、当該発熱体から離れるに従って温度が低下する温度分布を有する延伸部材に、受熱面積が大きい熱電変換素子ほど前記の発熱体から見て下流側に位置するように取り付けられれば良い。例えば、上記の各実施形態の熱電変換モジュールは、内燃機関や焼却炉などの発熱体に接続された金属製の棒状部材の外表面に取り付けられても良い。
J6. Modification 6:
The thermoelectric conversion module of each of the above embodiments is attached to the
J7.変形例7:
上記各実施形態の熱電変換モジュールでは、各熱電変換素子5p,5nの受熱面積が、熱源配管30の上流側から下流側に向かう方向に次第に大きくなるように構成されており、途中に受熱面積が小さくなる部位は含まれていなかった。これに対して、各熱電変換素子5p,5nの配列方向の途中に受熱面積が小さくなる部位が多少含まれていても良い。熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子を所定の配列方向に所定の個数ごとの複数のグループに分けたときに、各グループにおける受熱面積の平均が、所定の配列方向に順次大きくなっていれば良い。
J7. Modification 7:
In the thermoelectric conversion module of each of the above embodiments, the heat receiving area of each
本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題や、装置の小型化、製造の容易化、使い勝手の向上、低コスト化、省資源化等の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, examples, and modifications, and can be realized with various configurations without departing from the spirit thereof. For example, the technical features in the embodiments, examples, and modifications corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the summary of the invention are the above-described problems, the downsizing of the device, the ease of manufacture, In order to solve part or all of the issues such as improvement of usability, cost reduction, resource saving, etc., or to achieve part or all of the above effects, replacement or combination is performed as appropriate. Is possible. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be deleted as appropriate.
1,2…第1と第2のセラミックス基板
5n…n型熱電変換素子
5Pn…n型板状熱電変換素子
5p…p型熱電変換素子
5Pp…p型板状熱電変換素子
5c…熱電変換素子対
5u…上面
5b…底面
6…絶縁部材
6a,6b…絶縁層
7…コンタクト部材
7L…コンタクト層
8…電源ライン
9…金属部材
10,10A〜10H…熱電変換モジュール
10u…上面
10b…下面
20…外部負荷
30…熱源配管
40…冷媒配管
DESCRIPTION OF
Claims (7)
熱を受けるための受熱面が同じ方向に向いている状態で所定の配列方向に配列されているとともに、電気的に直列に接続されている複数の熱電変換素子を備え、
前記複数の熱電変換素子は、n型熱電変換素子と、p型熱電変換素子の少なくとも一方を含み、
前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子の少なくとも一方は、
前記受熱面の面積である受熱面積が前記配列方向に沿って次第に大きくなるように配列されており、
発熱体から延伸され、前記発熱体から離れるに従って温度が低下する温度分布を有する延伸部材の表面に配置されるときに、前記受熱面が前記延伸部材の表面と対向するように配置されるとともに、前記受熱面積が大きいものほど前記発熱体から見て下流側に位置するように配置される、熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module,
The heat receiving surface for receiving heat is arranged in a predetermined arrangement direction with the heat receiving surfaces facing in the same direction, and includes a plurality of thermoelectric conversion elements electrically connected in series,
The plurality of thermoelectric conversion elements include at least one of an n-type thermoelectric conversion element and a p-type thermoelectric conversion element,
At least one of the n-type thermoelectric conversion element or the p-type thermoelectric conversion element is:
The heat receiving area, which is the area of the heat receiving surface, is arranged so as to gradually increase along the arrangement direction,
When disposed on the surface of the stretching member that is stretched from the heating element and has a temperature distribution in which the temperature decreases with increasing distance from the heating element, the heat receiving surface is disposed so as to face the surface of the stretching member, A thermoelectric conversion module arranged such that the larger the heat receiving area is, the more the heat receiving area is located on the downstream side when viewed from the heating element.
前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子の少なくとも一方は、前記受熱面積が前記配列方向に沿って配置位置ごとに大きくなるように配列されている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
At least one of the n-type thermoelectric conversion element or the p-type thermoelectric conversion element is a thermoelectric conversion module arranged so that the heat receiving area increases for each arrangement position along the arrangement direction.
前記複数の熱電変換素子は、前記受熱面を底面として互いに並列に延びており、
前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子の少なくとも一方は、前記受熱面を基準とする高さが小さいものほど、前記配列方向において前記受熱面積が大きくなる方向の下流側に位置するように配列されている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1 or 2, wherein
The plurality of thermoelectric conversion elements extend in parallel with each other with the heat receiving surface as a bottom surface,
At least one of the n-type thermoelectric conversion element and the p-type thermoelectric conversion element is located on the downstream side in the direction in which the heat receiving area increases in the arrangement direction as the height with respect to the heat receiving surface is smaller. Thermoelectric conversion modules arranged in
前記複数の熱電変換素子は、前記配列方向に隣り合って配置される一対のn型熱電変換素子とp型熱電変換素子とを有する複数組の熱電変換素子対を含み、
前記複数組の熱電変換素子対は、前記n型変換素子と前記p型変換素子のそれぞれの前記受熱面積An,Apが前記配列方向に沿って次第に大きくなっている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 3, wherein
The plurality of thermoelectric conversion elements includes a plurality of pairs of thermoelectric conversion elements having a pair of n-type thermoelectric conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements arranged adjacent to each other in the arrangement direction,
The plurality of sets of thermoelectric conversion element pairs are thermoelectric conversion modules in which the heat receiving areas An and Ap of the n-type conversion element and the p-type conversion element are gradually increased along the arrangement direction.
前記複数組の熱電変換素子対のそれぞれにおいて、前記n型熱電変換素子の前記受熱面積Anと、前記p型熱電変換素子の前記受熱面積Apと、は互いに異なる、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 4, wherein
In each of the plurality of pairs of thermoelectric conversion elements, the heat receiving area An of the n-type thermoelectric conversion element and the heat receiving area Ap of the p-type thermoelectric conversion element are different from each other.
前記配列方向における配置位置に応じた前記n型熱電変換素子の前記受熱面積Anの変化率と、前記配列方向における配置位置に応じた前記p型熱電変換素子の前記受熱面積Apの変化率と、は互いに異なる、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 5, wherein
A rate of change of the heat-receiving area An of the n-type thermoelectric conversion element according to the arrangement position in the arrangement direction, and a rate of change of the heat-receiving area Ap of the p-type thermoelectric conversion element according to the arrangement position in the arrangement direction; Are different from each other, thermoelectric conversion module.
前記複数の熱電変換素子は複数の第1の熱電変換素子であり、
前記複数の第1の熱電変換素子の列の隣には、前記複数の第1の熱電変換素子のそれぞれに対応するように配置された複数の第2の熱電変換素子が、前記配列方向に配列されており、
前記第2の熱電変換素子は、隣り合う前記第1の熱電変換素子がn型熱電変換素子である場合にはp型熱電変換素子であり、隣り合う前記第1の熱電変換素子がp型熱電変換素子である場合にはn型熱電変換素子であり、
隣り合う前記第1と第2の熱電変換素子の組において、前記n型熱電変換素子の受熱面積Anと、前記p型熱電変換素子の受熱面積Apとは、
An/Ap={(ρn/κn)・(κp/ρp)}1/2
(κn,κpはそれぞれ、前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子における熱伝導率であり、ρn,ρpはそれぞれ、前記n型熱電変換素子または前記p型熱電変換素子における体積抵抗率)
の関係を満たしている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 6, wherein
The plurality of thermoelectric conversion elements are a plurality of first thermoelectric conversion elements,
Next to the row of the plurality of first thermoelectric conversion elements, a plurality of second thermoelectric conversion elements arranged to correspond to each of the plurality of first thermoelectric conversion elements are arranged in the arrangement direction. Has been
The second thermoelectric conversion element is a p-type thermoelectric conversion element when the adjacent first thermoelectric conversion element is an n-type thermoelectric conversion element, and the adjacent first thermoelectric conversion element is a p-type thermoelectric conversion element. In the case of a conversion element, it is an n-type thermoelectric conversion element,
In the set of the adjacent first and second thermoelectric conversion elements, the heat receiving area An of the n-type thermoelectric conversion element and the heat receiving area Ap of the p-type thermoelectric conversion element are:
An / Ap = {(ρn / κn) · (κp / ρp)} 1/2
(Κn and κp are the thermal conductivity in the n-type thermoelectric conversion element or the p-type thermoelectric conversion element, respectively, and ρn and ρp are the volume resistivity in the n-type thermoelectric conversion element or the p-type thermoelectric conversion element, respectively. )
The thermoelectric conversion module that satisfies the above relationship.
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