JP2015115590A - Thermoelectric conversion module - Google Patents

Thermoelectric conversion module Download PDF

Info

Publication number
JP2015115590A
JP2015115590A JP2013259174A JP2013259174A JP2015115590A JP 2015115590 A JP2015115590 A JP 2015115590A JP 2013259174 A JP2013259174 A JP 2013259174A JP 2013259174 A JP2013259174 A JP 2013259174A JP 2015115590 A JP2015115590 A JP 2015115590A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric conversion
conversion element
conversion module
type
heat receiving
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2013259174A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
上木 正聡
Masaaki Ueki
正聡 上木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by NGK Spark Plug Co Ltd filed Critical NGK Spark Plug Co Ltd
Priority to JP2013259174A priority Critical patent/JP2015115590A/en
Publication of JP2015115590A publication Critical patent/JP2015115590A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for improving power generation efficiency of a thermoelectric conversion module.SOLUTION: A thermoelectric conversion module 10 includes a plurality of n-type thermoelectric conversion elements 5n and a plurality of thermoelectric conversion elements 5p. Each of thermoelectric conversion elements 5n, 5p has approximately rectangular parallelepiped shapes having the same height and is arrayed like a grid between first and second ceramic substrates 1, 2. Each of the thermoelectric conversion elements 5n, 5p is arrayed in such a way that the area of each upper surface 5u is gradually increased in a first plane direction X. When the thermoelectric conversion module 10 is arranged on a surface of heat source piping 30, the thermoelectric conversion module 10 is arranged in such manner that the upper surfaces 5u are opposed to the surface of the heat source piping 30 and the thermoelectric conversion elements having upper surfaces 5u of larger areas are arranged more downstream of the heat source piping 30.

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。   Patent Document 1 discloses a laminated thermoelectric conversion module in which n-type semiconductor ceramic plates and p-type semiconductor ceramic plates, which are thermoelectric conversion elements, are alternately laminated. Patent Document 2 discloses a thermoelectric conversion module configured by only one of an n-type thermoelectric conversion element and a p-type thermoelectric conversion element.

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.

特開平1−183862号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1-183862 特開昭60−127770号公報JP 60-127770 A 特開平11−274577号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-274577 特開昭63−262075号公報JP 63-262075 A

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.

熱電変換モジュールの概略斜視図。The schematic perspective view of a thermoelectric conversion module. 熱電変換モジュールにおける各熱電変換素子の電気的な接続構成を示す概略図。Schematic which shows the electrical connection structure of each thermoelectric conversion element in a thermoelectric conversion module. 熱電変換モジュールの使用状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the use condition of a thermoelectric conversion module. 比較例の熱電変換モジュールの概略斜視図。The schematic perspective view of the thermoelectric conversion module of a comparative example. 比較例の熱電変換モジュールにおける各熱電変換素子の電気的な接続構成を示す概略図。Schematic which shows the electrical connection structure of each thermoelectric conversion element in the thermoelectric conversion module of a comparative example. 比較例の熱電変換モジュールの使用状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the use condition of the thermoelectric conversion module of a comparative example. 第2実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 2nd Embodiment. 第3実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 3rd Embodiment. 第4実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 4th Embodiment. 第5実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 5th Embodiment. 第6実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 6th Embodiment. 第7実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 7th Embodiment. 第8実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 8th Embodiment. 第9実施形態の熱電変換モジュールの構成を示す概略図。Schematic which shows the structure of the thermoelectric conversion module of 9th Embodiment.

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 thermoelectric conversion module 10 as the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic perspective view of the thermoelectric conversion module 10. FIG. 2 is a schematic diagram showing an electrical connection configuration of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p in the thermoelectric conversion module 10. FIG. 2 illustrates the upper surface 5u of each thermoelectric conversion element 5n, 5p when the thermoelectric conversion elements 5n, 5p are viewed along the height direction (the direction of arrow Z). FIG. 3 is a schematic diagram showing a usage state of the thermoelectric conversion module 10. In FIG. 3, the thermoelectric conversion module 10, the heat source pipe 30, and the refrigerant pipe 40 are illustrated by a schematic cross-sectional view when viewed from the side surface direction of the thermoelectric conversion module 10.

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 thermoelectric conversion module 10 as follows. Arrows X and Y indicate directions parallel to two orthogonal sides on the top and bottom surfaces of the thermoelectric conversion module 10, respectively, and an arrow Z indicates a direction parallel to the side surfaces of the thermoelectric conversion module 10 and perpendicular to the top and bottom surfaces. ing. Hereinafter, the direction indicated by the arrow X in the thermoelectric conversion module 10 is referred to as “first plane direction X”, the direction indicated by the arrow Y is referred to as “second plane direction Y”, and the direction indicated by the arrow Z is “high”. This is referred to as “direction Z”. These arrows X, Y, and Z are similarly shown in the explanatory diagrams of the second to sixth embodiments described later.

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 thermoelectric conversion module 10 is attached to a heat source pipe 30 that is a fluid pipe through which a high-temperature fluid such as a high-temperature gas flows, and converts heat received from the heat source pipe 30 into electric power using the Seebeck effect (FIG. 3). Here, the “high temperature” may be a temperature higher than that of the refrigerant flowing through the refrigerant pipe 40, and may be, for example, a temperature of room temperature or higher. The heat source pipe 30 may be an exhaust gas pipe of a moving body such as an automobile, or may be a pipe laid in a factory or a house. The heat source pipe 30 corresponds to an extending member having a temperature distribution that extends from the heating element and decreases in temperature as the heating element is separated from the heating element.

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 thermoelectric conversion module 10 includes first and second ceramic substrates 1 and 2, a plurality of n-type thermoelectric conversion elements 5n, a plurality of p-type thermoelectric conversion elements 5p, and a plurality of contact members 7 (FIG. 1). The first and second ceramic substrates 1 and 2 are ceramic plate-like members, each having the same rectangular shape. The first and second ceramic substrates 1 and 2 are arranged so as to sandwich the thermoelectric conversion elements 5n and 5p in the height direction Z through a contact member 7 which is a conductive member. Part. In the present embodiment, the direction parallel to the long sides of the first and second ceramic substrates 1 and 2 is the first plane direction X, and the direction parallel to the short sides is the second plane direction Y. .

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 thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p are composed of an n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric material, respectively. Each thermoelectric conversion element 5n, 5p has a substantially rectangular parallelepiped shape having substantially the same height. However, the area of the upper surface 5u of each thermoelectric conversion element 5n, 5p varies depending on the arrangement position, as will be described later. In the present embodiment, the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p have a value of the ratio κ / ρ (hereinafter referred to as “κρ ratio”) between the thermal conductivity κ and the volume resistivity ρ. It is desirable to be composed of equal thermoelectric materials. As a result, waste of electrical energy caused by the difference in material characteristics between the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p is suppressed.

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 thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment, the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p are arranged in a lattice (matrix) so that they are adjacent to each other in the first and second plane directions X and Y. It is arranged. All the thermoelectric conversion elements 5n and 5p are electrically connected in series in the order in which the n-type thermoelectric conversion elements 5n and the p-type thermoelectric conversion elements 5p are alternately repeated (FIG. 2). In the thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment, the thermoelectric conversion elements 5n and 5p are connected so that the conductive path reciprocates in the first plane direction X. The thermoelectric conversion elements 5n and 5p at the beginning and end of the conductive path are connected to the external load 20 through the power supply line 8, respectively.

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 thermoelectric conversion element 5n and a p-type thermoelectric conversion element 5p of the same size, which are arranged adjacent to each other and connected via a contact member 7 arranged on the bottom surface 5b side, is expressed as “ This is referred to as “thermoelectric conversion element pair 5c”. Each thermoelectric conversion element pair 5c is connected in series via a contact member 7 disposed on the upper surface 5u side.

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 thermoelectric conversion module 10 of this embodiment, the area of the upper surface 5u that is a heat receiving surface that receives heat in each of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p (hereinafter also referred to as “heat receiving area”) is each thermoelectric conversion element pair 5c. Every time, it gradually increases along the first plane direction X. In the present embodiment, the heat receiving area in the thermoelectric conversion elements 5n and 5p is increased every two rows arranged in the first plane direction X. This is a configuration corresponding to the temperature distribution of the heat source pipe 30 that is a heat source, as will be described below.

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 thermoelectric conversion module 10 is attached to the heat source pipe 30 during use (FIG. 3). More specifically, the thermoelectric conversion module 10 is disposed so that the first ceramic substrate 1 is in contact with the heat source pipe 30 and the first plane direction X coincides with the flow direction of the high-temperature fluid in the heat source pipe 30. 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 thermoelectric conversion module 10 is used, a refrigerant pipe 40 through which a refrigerant such as cooling water flows is disposed on the ceramic substrate 2 of the thermoelectric conversion module 10. The refrigerant pipe 40 is arranged so that the flow direction of the refrigerant is opposite to the flow direction of the high-temperature fluid in the heat source pipe 30. A material having high thermal conductivity such as silicon grease may be disposed between each of the heat source pipe 30 and the refrigerant pipe 40 and the first and second ceramic substrates 1 and 2.

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 thermoelectric conversion element 5n, 5p of the thermoelectric conversion module 10 receives heat from the heat source pipe 30 on the upper surface 5u and is deprived of heat by the refrigerant in the refrigerant pipe 40 on the bottom surface 5b. Thereby, each thermoelectric conversion element 5n, 5p generates an electromotive force according to a temperature difference between the upper surface 5u side and the bottom surface 5b side (Seebeck effect).

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 heat source pipe 30 has a temperature distribution in which the temperature decreases from upstream to downstream, and the temperature gradient in the refrigerant pipe 40 is so small that it can be ignored with respect to the temperature gradient in the heat source pipe 30. Therefore, in the thermoelectric conversion module 10 attached to the heat source pipe 30, the temperature difference between the upper surface 5 u side and the bottom surface side 5 b side increases as the upstream thermoelectric conversion element pair 5 c increases, and the downstream thermoelectric conversion element pair The temperature difference between the upper surface 5u side and the bottom surface side 5b side becomes smaller by about 5c.

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 thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment is attached to the heat source pipe 30 so that the heat receiving area of the thermoelectric conversion element pair 5c is smaller toward the upstream side and the heat receiving area of the thermoelectric conversion element pair 5c is larger toward the downstream side. It is done. As a result, as described below, waste of electrical energy in the thermoelectric conversion module 10 due to the temperature distribution of the heat source pipe 30 is suppressed more than in the power generation module 100a of the comparative example, and the thermoelectric conversion module 10 as a whole. The power generation efficiency when looking at is improved.

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 thermoelectric conversion module 10a as a comparative example will be described with reference to FIGS. 4 to 6 correspond to FIGS. 1 to 3, respectively. FIG. 4 is a schematic perspective view of a thermoelectric conversion module 10a of a comparative example. FIG. 5 is a schematic diagram showing an electrical connection configuration of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p in the thermoelectric conversion module 10a of the comparative example. FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a usage state of the thermoelectric conversion module 10a of the comparative example. The thermoelectric conversion module 10a of the comparative example is the same as the thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment (FIG. 1) except that the thermoelectric conversion elements 5n and 5p are all formed in the same size and the area of the upper surface 5u is the same. To FIG. 3).

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 thermoelectric conversion module 10a of the comparative example, the heat receiving areas of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p are uniform regardless of the temperature distribution in the heat source pipe 30. Therefore, the electrical energy output from each thermoelectric conversion element pair 5 c increases toward the upstream side according to the temperature distribution in the heat source pipe 30. Accordingly, a part of the electrical energy generated in the upstream thermoelectric conversion element pair 5c is consumed to cause a current to flow through the downstream thermoelectric conversion element pair 5c, and the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module 10a as a whole decreases. It has been.

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 thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment, the thermoelectric conversion element pair 5c having a small heat receiving area is arranged on the downstream side corresponding to the temperature distribution of the heat source pipe 30, and the thermoelectric conversion element pair having a large heat receiving area. 5c is arrange | positioned downstream. Therefore, the electrical energy generated in each thermoelectric conversion element pair 5c when attached to the heat source pipe 30 is suppressed from being consumed in the other thermoelectric element pairs 5c, and when viewed from the entire thermoelectric conversion module 10. Is higher than that of the thermoelectric conversion module 10c of the comparative example.

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 thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment, waste of electrical energy in the module due to the temperature distribution of the heat source pipe 30 is suppressed, and heat energy is converted into electrical energy with high efficiency. can do.

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 thermoelectric conversion module 10A as the second embodiment of the present invention. FIG. 7 illustrates the electrical connection configuration of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p in the thermoelectric conversion module 10A of the second embodiment by a schematic diagram similar to FIG. 2 used for the description of the first embodiment. is there. The thermoelectric conversion module 10A of the second embodiment has substantially the same configuration as the thermoelectric conversion module 10 of the first embodiment, except for the points described below.

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 thermoelectric conversion module 10A of the second embodiment, the heat receiving areas of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p are different in each thermoelectric conversion element pair 5c. Specifically, the respective heat receiving areas of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p in each thermoelectric conversion element pair 5c are the thermoelectric material of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p. It is set according to each κρ ratio. In addition, in the thermoelectric conversion module 10A of the second embodiment, each of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p when viewed with respect to each of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p. The heat receiving area (the area of the upper surface 5 u) increases in order every two rows along the first plane direction X.

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 thermoelectric conversion module 10A of the second embodiment, the power generation caused by the difference in the characteristics of the constituent materials between the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p constituting each thermoelectric conversion element pair 5c. It is suppressed that the difference in efficiency arises. In addition, when attached to the heat source pipe 30, waste of electrical energy in the module due to the temperature distribution of the heat source pipe 30 is suppressed.

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 thermoelectric conversion module 10B as a third embodiment of the present invention. FIG. 8 illustrates an electrical connection configuration of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p in the thermoelectric conversion module 10B of the third embodiment by a schematic diagram similar to FIG. 7 used for describing the second embodiment. is there. The thermoelectric conversion module 10B of the third embodiment has substantially the same configuration as the thermoelectric conversion module 10A of the second embodiment, except for the points described below.

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 thermoelectric conversion module 10B of the third embodiment, when viewed with respect to each of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p, the respective heat receiving areas of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p. The (area of the upper surface 5u) increases in order for each column along the first plane direction X. Therefore, according to the thermoelectric conversion module 10B of the third embodiment, the heat receiving area of each of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p can be finely set according to the temperature distribution in the fluid flow direction of the heat source pipe 30.

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 thermoelectric conversion module 10B of the third embodiment, the heat receiving areas An and Ap of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p adjacent in the second plane direction Y are as follows. It is desirable that the relationship of Formula (1) is satisfied. As a result, the waste of electrical energy between the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p arranged at the same temperature in the heat source pipe 30 is suppressed.
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 thermoelectric conversion module 10C as the fourth embodiment of the present invention. FIG. 9 illustrates an electrical connection configuration of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p in the thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment by a schematic diagram similar to FIG. 8 used for describing the third embodiment. is there. The thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment has substantially the same configuration as the thermoelectric conversion module 10B of the third embodiment, except for the points described below.

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 thermoelectric conversion elements 5n and p-type thermoelectric conversion elements 5p arranged in the Nth column (N is an arbitrary natural number) and the N + 1th column from the upstream end. The areas are An N , Ap N , An N + 1 , and Ap N + 1 , respectively. At this time, in the thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment, the heat receiving areas An N , Ap N , An N + 1 , and Ap N + 1 have the relationship of An N + 1 / An N ≠ Ap N + 1 / Ap N. Meet. Thus, in the thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment, the rate of change of the heat receiving area of the n-type thermoelectric conversion element 5n according to the arrangement position in the first plane direction X and the heat receiving area of the p-type thermoelectric conversion element 5p. Are different from each other. Thus, according to the thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment, the heat receiving area of each thermoelectric conversion element 5n, 5p according to the arrangement position can be set finely according to the temperature distribution of the heat source pipe 30.

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 thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment, the rate of change in the heat receiving area of each thermoelectric conversion element 5n, 5p in the first plane direction X depends on the actual temperature distribution at the mounting position in the heat source pipe 30. It is desirable to set. Further, the heat receiving areas An and Ap of the n-type thermoelectric conversion element 5n and the p-type thermoelectric conversion element 5p adjacent to each other in the second plane direction Y are the thermal conductivity κ at the temperature at the mounting position of the heat source pipe 30 and In the volume resistivity ρ, it is desirable to satisfy the relationship of the above formula (1).

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 thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment, the heat receiving area of each thermoelectric conversion element 5n, 5p according to the arrangement position can be finely set according to the temperature distribution of the heat source pipe 30. . Therefore, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment can be further increased.

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 thermoelectric conversion module 10D as the fifth embodiment of the present invention. FIG. 10 illustrates the electrical connection configuration of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p in the thermoelectric conversion module 10D of the fifth embodiment by a schematic diagram similar to FIG. 9 used for describing the fourth embodiment. is there. The thermoelectric conversion module 10D of the fifth embodiment has substantially the same configuration as the thermoelectric conversion module 10C of the fourth embodiment except for the points described below.

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 thermoelectric conversion module 10D of the fifth embodiment, for the n-type thermoelectric conversion element 5n, the aspect ratio of the upper surface 5u is changed in the first plane direction X, but at the arrangement position in the first plane direction X. Regardless, the heat receiving area is the same. On the other hand, for the p-type thermoelectric conversion element 5p, the heat receiving area is increased for each row along the first plane direction X. Even if it is such a structure, when it attaches to the heat source piping 30, the waste of the electrical energy in each p-type thermoelectric conversion element 5p is suppressed. Therefore, a decrease in power generation efficiency of the thermoelectric conversion module 10D due to the temperature distribution of the heat source pipe 30 is suppressed.

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 thermoelectric conversion module 10E as a sixth embodiment of the present invention. In the upper part of FIG. 11, the electrical connection configuration of the thermoelectric conversion elements 5 n and 5 p in the thermoelectric conversion module 10 </ b> E of the sixth embodiment is illustrated by a schematic diagram similar to FIG. 9 used for describing the fourth embodiment. It is shown. However, in the upper part of FIG. 11, the external load 200 is not shown for convenience. Further, in the lower part of FIG. 11, a schematic cross-sectional view of the thermoelectric conversion module 10 </ b> E of the sixth embodiment in the AA cut shown in the upper part of FIG. 11 is illustrated so as to correspond to the upper part of FIG. 11. The thermoelectric conversion module 10E of the sixth embodiment has substantially the same configuration as the thermoelectric conversion module 10C (FIG. 9) of the fourth embodiment except for the points described below.

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 thermoelectric conversion module 10E of the sixth embodiment, the height h with reference to the upper surface 5u that is the heat receiving surface of each thermoelectric conversion element 5n, 5p is configured to gradually decrease in the first plane direction X. A site is provided. A metal member 9 is replenished between the bottom surface 5b of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p having a small height and the contact member 7. By replenishing the metal member 9, the parallel arrangement relationship between the first and second ceramic substrates 1 and 2 is maintained. The metal member 9 is desirably a material that can be connected in ohmic contact with the thermoelectric material that constitutes each of the thermoelectric conversion elements 5n and 5p. In addition, a buffer layer may be provided between each thermoelectric conversion element 5n, 5p and the metal member 9 in order to ensure an ohmic connection therebetween.

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 thermoelectric conversion module 10E of the sixth embodiment, the waste of electrical energy in the module due to the temperature distribution of the heat source pipe 30 is added to the heat receiving area of each thermoelectric conversion element 5n, 5p, and the heat receiving surface is changed. It can also be suppressed by the reference height h. Therefore, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module 10E of the sixth embodiment can be further increased.

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 thermoelectric conversion module 10F as a seventh embodiment of the present invention. FIG. 12 illustrates a schematic cross-sectional view of a cut surface parallel to the side surface of the thermoelectric conversion module 10 </ b> F of the seventh embodiment, and a schematic cross-sectional view of the heat source pipe 30 and the refrigerant pipe 40. In FIG. 12, arrows X, Y, and Z indicating three directions orthogonal to each other are illustrated in correspondence with the thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment as follows.

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 thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment. Hereinafter, the direction indicated by the arrow X is also referred to as “stacking direction X”. Arrows Y and Z indicate directions parallel to two orthogonal sides of the surfaces of the plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp, respectively. An arrow Z indicates a direction perpendicular to a surface (hereinafter referred to as “upper surface 10 u”) facing the heat source of the thermoelectric conversion module 10 </ b> F of the seventh embodiment. These arrows X, Y, and Z are similarly illustrated in the explanatory diagrams of the eighth embodiment and the ninth embodiment described below.

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 thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment is a so-called laminated thermoelectric conversion module, and is configured as a laminated body in which n-type plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and p-type plate-like thermoelectric conversion elements 5Pp are alternately laminated. Has been. The n-type plate thermoelectric conversion element 5Pn and the p-type plate thermoelectric conversion element 5Pp are respectively composed of a plate-like n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric material. In each of the plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp, the surfaces parallel to the arrows Y and Z have a substantially rectangular shape with the same area. In addition, in the thermoelectric conversion module 10F of 7th Embodiment, the n-type plate-shaped thermoelectric conversion element 5Pn and the p-type plate-shaped thermoelectric conversion element 5Pp which are adjacent to the lamination direction X comprise the pair of thermoelectronic element pair 5c. In each thermoelectronic element pair 5c, the n-type plate thermoelectric conversion element 5Pn and the p-type plate thermoelectric conversion element 5Pp may have different thicknesses t.

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 contact member 7 and an insulating member 6 are interposed between the n-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pn and the p-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pp. The plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp are separated by an insulating member 6 and electrically connected by a contact member 7. The contact members 7 are alternately arranged on the upper surface 10 u side and the opposite lower surface 10 b side in the stacking direction X.

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 thermoelectric conversion module 10 </ b> F of the seventh embodiment is attached to the heat source pipe 30 similarly to the thermoelectric conversion modules 10, 10 </ b> A to 10 </ b> E of each of the above embodiments, and generates power by receiving heat from the heat source pipe 30. The thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment is attached to the heat source pipe 30 so that the stacking direction X coincides with the fluid flow direction in the heat source pipe 30 and the upper surface 10u is in surface contact. In addition, the refrigerant | coolant piping 40 is arrange | positioned similarly to the thermoelectric conversion modules 10 and 10A-10E of each said embodiment on the lower surface 10b of the thermoelectric conversion module 10F of 7th Embodiment. A material having high thermal conductivity such as silicon grease may be disposed between the thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment and the heat source pipe 30 and the refrigerant pipe 40.

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 thermoelectric conversion module 10F of 7th Embodiment, the thickness t of each plate-shaped thermoelectric conversion element 5Pn and 5Pp is comprised so that it may become large gradually along the lamination direction X. As shown in FIG. More specifically, each set of adjacent n-type plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and p-type plate-like thermoelectric conversion elements 5Pp is configured so that the thickness t increases along the stacking direction X. Therefore, in the thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment, the area of the side surface 5s parallel to the arrows X and Y that function as the heat receiving surfaces of the plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp gradually increases along the stacking direction X. Yes.

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 thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment, it is suppressed that electrical energy is wasted between the respective plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp due to the temperature distribution in the heat source pipe 30. Has been. Therefore, according to the thermoelectric conversion module 10F of the seventh embodiment, it is possible to obtain higher power generation efficiency than a stacked thermoelectric conversion module in which plate-shaped thermoelectric conversion elements having a uniform thickness are stacked.

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 thermoelectric conversion module 10G as an eighth embodiment of the present invention. FIG. 13 illustrates a schematic cross-sectional view of a cut surface parallel to the side surface of the thermoelectric conversion module 10 </ b> G of the eighth embodiment, and a schematic cross-sectional view of the heat source pipe 30 and the refrigerant pipe 40. The thermoelectric conversion module 10G of the eighth embodiment of the thermoelectric conversion module 10G has substantially the same configuration as the thermoelectric conversion module 10F (FIG. 12) of the seventh embodiment, except for the points described below.

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 thermoelectric conversion module 10G of the eighth embodiment, when viewed with respect to each of the n-type plate thermoelectric conversion element 5Pn and the p-type plate thermoelectric conversion element 5Pp, the height h with respect to the upper surface 10u is in the stacking direction X. A portion configured to gradually become smaller is provided. Among the plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp having a small height, the height h of the adjacent n-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pn and p-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pp is the Seebeck coefficient and the thermal conductivity of the constituent material, respectively. , Depending on the volume resistivity. A metal member 9 is replenished on the bottom surface 10b side of each plate-like thermoelectric conversion element 5Pn, 5Pp having a small height h. Thereby, the bottom surface 10b of each plate-like thermoelectric conversion element 5Pn, 5Pp is configured to be substantially flat.

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 thermoelectric conversion module 10G of the eighth embodiment, the waste of electrical energy between the plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn and 5Pp due to the temperature distribution of the heat source pipe 30 is caused by the occurrence of the waste of electric energy in each plate-like thermoelectric conversion element 5Pn. In addition to the adjustment of the thickness 5Pp, the height h can be suppressed by adjusting the upper surface 5u as a reference. Therefore, the power generation efficiency of the thermoelectric conversion module 10G of the eighth embodiment can be further increased.

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 thermoelectric conversion module 10H as a ninth embodiment of the present invention. FIG. 14 illustrates a schematic cross-sectional view of a cut surface parallel to the side surface of the thermoelectric conversion module 10 </ b> H of the ninth embodiment, and a schematic cross-sectional view of the heat source pipe 30 and the refrigerant pipe 40. The thermoelectric conversion module 10H of the ninth embodiment is a so-called unileg type laminated thermoelectric conversion module, and is configured as a laminated body in which a plurality of n-type plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn are laminated. Between each n-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pn, the first and second insulating layers 6a and the contact layer 7L are interposed.

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 layers 6a and 6b are arranged so as to be in surface contact with the adjacent n-type plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn. The contact layer 7L is a wiring layer in which a wiring pattern is formed by a conductive member. The contact layer 7L is disposed between the first and second insulating layers 6a and 6b and connects the adjacent n-type plate thermoelectric conversion elements 5Pn to each other. Electrically connected.

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 thermoelectric conversion module 10 </ b> H of the ninth embodiment, the thickness t of each n-type plate-shaped thermoelectric conversion element 5 </ b> Pn is configured to gradually increase along the stacking direction X. More specifically, the thickness t increases in the stacking direction X for every two n-type plate-like thermoelectric conversion elements 5Pn. Therefore, the area of the side surface 5s parallel to the arrows X and Y that function as the heat receiving surface of each n-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pn gradually increases in the stacking direction X.

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 thermoelectric conversion module 10H of the ninth embodiment is attached to the heat source pipe 30 and generates electric power in the same manner as the thermoelectric conversion module 10G of the eighth embodiment. Specifically, the thermoelectric conversion module 10H of the ninth embodiment is attached to the heat source pipe 30 so that the stacking direction X coincides with the fluid flow direction in the heat source pipe 30 and the upper surface 10u is in surface contact. In addition, the refrigerant | coolant piping 40 is arrange | positioned similarly to the thermoelectric conversion module 10G of the said 8th Embodiment on the lower surface 10b of the thermoelectric conversion module 10H of 9th Embodiment.

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 thermoelectric conversion module 10H of 9th Embodiment, it will be suppressed from the waste of electrical energy arising between each n-type plate-shaped thermoelectric conversion element 5Pn resulting from the temperature distribution in the heat source piping 30. FIG. Therefore, according to the thermoelectric conversion module 10H of the ninth embodiment, it is possible to obtain higher power generation efficiency than a unileg type stacked thermoelectric conversion module in which plate-shaped thermoelectric conversion elements having a uniform thickness are stacked.

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 refrigerant pipe 40 is attached to each thermoelectric conversion module 10, 10 </ b> A to 10 </ b> H so that the refrigerant flows in the direction opposite to the fluid flow direction in the heat source pipe 30. On the other hand, the refrigerant pipe 40 may be attached to each of the thermoelectric conversion modules 10, 10A to 10H so that the flow direction of the refrigerant coincides with the flow direction of the fluid in the heat source pipe 30. The flow direction of the refrigerant in the refrigerant pipe 40 may be determined regardless of the flow direction of the fluid in the heat source pipe 30. However, it is desirable that the temperature gradient in the refrigerant pipe 40 is negligibly small with respect to the temperature gradient in the heat source pipe 30. Further, when each power generation module is attached to the heat source pipe 30, the refrigerant pipe 40 may not be attached. However, it is desirable that the temperature of the heat source pipe 30 is sufficiently higher than the environmental temperature. Each thermoelectric conversion module 10, 10 </ b> A to 10 </ b> H may be provided with a heat exchanger such as an air cooling fin instead of the refrigerant pipe 40.

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 thermoelectric conversion modules 10 and 10A to 10E of the first to sixth embodiments, the thermoelectric conversion elements 5n and 5p are connected in series by a conductive path that is folded back and forth in the first plane direction X. It had been. On the other hand, in each of the thermoelectric conversion modules 10 and 10A to 10E of the first to sixth embodiments, the thermoelectric conversion elements 5n and 5p are turned back so as to reciprocate a plurality of times in the second plane direction Y. They may be connected in series by a route. The wiring configuration for connecting the thermoelectric conversion elements 5n and 5p is not particularly limited, and the thermoelectric conversion elements 5n and 5p may be connected in series. The thermoelectric conversion modules 10 and 10A to 10E of the first to sixth embodiments may have a configuration in which a plurality of groups in which the thermoelectric conversion elements 5n and 5p are connected in series are connected in parallel.

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 thermoelectric conversion module 10D of the fifth embodiment, the heat receiving area of the p-type thermoelectric conversion element 5p is gradually increased in the first plane direction X, whereas the heat receiving power of the n-type thermoelectric conversion element 5n. The area was uniform regardless of the arrangement position. In contrast, in the thermoelectric conversion module, the heat receiving area of the n-type thermoelectric conversion element 5n gradually increases along the first plane direction X, and the heat receiving area of the p-type thermoelectric conversion element 5p is uniform regardless of the arrangement position. You may be comprised so that it may become. Further, the heat receiving area of the p-type thermoelectric conversion element 5p gradually increases along the first plane direction X, whereas the heat receiving area of the n-type thermoelectric conversion element 5n may be configured to gradually decrease. . Alternatively, conversely, the heat receiving area of the n-type thermoelectric conversion element 5n gradually increases along the first plane direction X, whereas the heat receiving area of the p-type thermoelectric conversion element 5p is gradually reduced. May be. These designs may be appropriately determined according to the temperature characteristics of the constituent materials of each thermoelectric conversion element, the installation environment, and the like.

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 thermoelectric conversion modules 10 and 10A to 10D of the first to fifth embodiments, the metal member 9 may be provided similarly to the thermoelectric conversion module 10E of the sixth embodiment. Further, in the thermoelectric conversion module 10H of the ninth embodiment, the metal member 9 may be provided similarly to the thermoelectric conversion module 10G of the eighth embodiment.

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 thermoelectric conversion module 10H according to the ninth embodiment includes only the n-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pn as the thermoelectric conversion element. On the other hand, the thermoelectric conversion module 10H of the ninth embodiment may be configured to include only the p-type plate-like thermoelectric conversion element 5Pp as the thermoelectric conversion element.

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 heat source pipe 30 through which the high-temperature fluid flows. On the other hand, the thermoelectric conversion module of each said embodiment may be attached with respect to other extending members other than the heat source piping 30. FIG. The thermoelectric conversion module of each of the above embodiments is extended from a heating element and has a temperature distribution in which the temperature decreases as the distance from the heating element increases, and the thermoelectric conversion element having a larger heat receiving area is downstream from the heating element. It only has to be attached so as to be located on the side. For example, the thermoelectric conversion module of each of the above embodiments may be attached to the outer surface of a metal rod-like member connected to a heating element such as an internal combustion engine or an incinerator.

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 thermoelectric conversion element 5p, 5n is configured to gradually increase in the direction from the upstream side to the downstream side of the heat source pipe 30. Smaller parts were not included. On the other hand, a part where the heat receiving area becomes small may be included in the middle of the arrangement direction of the thermoelectric conversion elements 5p and 5n. In the thermoelectric conversion module, when the thermoelectric conversion elements constituting the thermoelectric conversion module are divided into a plurality of groups each having a predetermined number in a predetermined arrangement direction, the average heat receiving area in each group is sequentially increased in the predetermined arrangement direction. It only has to be.

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 SYMBOLS 1, 2 ... 1st and 2nd ceramic substrate 5n ... n-type thermoelectric conversion element 5Pn ... n-type plate-shaped thermoelectric conversion element 5p ... p-type thermoelectric conversion element 5Pp ... p-type plate-shaped thermoelectric conversion element 5c ... thermoelectric conversion element pair 5u ... Upper surface 5b ... Bottom surface 6 ... Insulating members 6a, 6b ... Insulating layer 7 ... Contact member 7L ... Contact layer 8 ... Power line 9 ... Metal members 10, 10A to 10H ... Thermoelectric conversion module 10u ... Upper surface 10b ... Lower surface 20 ... External Load 30 ... Heat source piping 40 ... Refrigerant piping

Claims (7)

熱電変換モジュールであって、
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.
請求項1記載の熱電変換モジュールであって、
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.
請求項1または請求項2記載の熱電変換モジュールであって、
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
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールであって、
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.
請求項4記載の熱電変換モジュールであって、
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.
請求項5記載の熱電変換モジュールであって、
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.
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールであって、
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
(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.
JP2013259174A 2013-12-16 2013-12-16 Thermoelectric conversion module Pending JP2015115590A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013259174A JP2015115590A (en) 2013-12-16 2013-12-16 Thermoelectric conversion module

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013259174A JP2015115590A (en) 2013-12-16 2013-12-16 Thermoelectric conversion module

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015115590A true JP2015115590A (en) 2015-06-22

Family

ID=53529090

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013259174A Pending JP2015115590A (en) 2013-12-16 2013-12-16 Thermoelectric conversion module

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015115590A (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016058503A (en) * 2014-09-09 2016-04-21 京セラ株式会社 Thermoelectric module
JP2016131213A (en) * 2015-01-14 2016-07-21 株式会社デンソー Thermoelectric power generation device
JP2017034132A (en) * 2015-08-03 2017-02-09 株式会社デンソー Thermoelectric generator
JP2020535661A (en) * 2018-08-21 2020-12-03 エルジー・ケム・リミテッド Thermoelectric module
GB2592741A (en) * 2020-01-07 2021-09-08 Dylan Simmonds Nicholas Thermoelectric induction invention
KR20210145703A (en) * 2017-06-08 2021-12-02 엘지이노텍 주식회사 Heat conversion device
US11903312B2 (en) 2017-06-08 2024-02-13 Lg Innotek Co., Ltd. Heat conversion apparatus
WO2024048473A1 (en) * 2022-08-31 2024-03-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Thermoelectric conversion element and method for manufacturing thermoelectric conversion element

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016058503A (en) * 2014-09-09 2016-04-21 京セラ株式会社 Thermoelectric module
JP2016131213A (en) * 2015-01-14 2016-07-21 株式会社デンソー Thermoelectric power generation device
JP2017034132A (en) * 2015-08-03 2017-02-09 株式会社デンソー Thermoelectric generator
KR20210145703A (en) * 2017-06-08 2021-12-02 엘지이노텍 주식회사 Heat conversion device
KR102434261B1 (en) * 2017-06-08 2022-08-19 엘지이노텍 주식회사 Heat conversion device
US11903312B2 (en) 2017-06-08 2024-02-13 Lg Innotek Co., Ltd. Heat conversion apparatus
JP2020535661A (en) * 2018-08-21 2020-12-03 エルジー・ケム・リミテッド Thermoelectric module
JP7012835B2 (en) 2018-08-21 2022-01-28 エルジー・ケム・リミテッド Thermoelectric module
US11430936B2 (en) 2018-08-21 2022-08-30 Lg Chem, Ltd. Thermoelectric module
GB2592741A (en) * 2020-01-07 2021-09-08 Dylan Simmonds Nicholas Thermoelectric induction invention
WO2024048473A1 (en) * 2022-08-31 2024-03-07 パナソニックIpマネジメント株式会社 Thermoelectric conversion element and method for manufacturing thermoelectric conversion element

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2015115590A (en) Thermoelectric conversion module
US20130213449A1 (en) Thermoelectric plate and frame exchanger
US20070095379A1 (en) Thermoelectric generator
JP4785476B2 (en) Thermoelectric power generation structure and heat exchanger with power generation function
US20130340801A1 (en) Thermoelectric Power Generation System Using Gradient Heat Exchanger
AU2008344797B2 (en) Thermoelectric device
JP6081583B2 (en) Thermoelectric module, heat exchanger, exhaust system and internal combustion engine
WO2005117154B1 (en) High-density integrated type thin-layer thermoelectric module and hybrid power generating system
US7985918B2 (en) Thermoelectric module
US20120305044A1 (en) Thermal transfer and power generation systems, devices and methods of making the same
JP2013091487A (en) Thermal electrical power generation for aircraft
JP6601317B2 (en) Thermoelectric generator
KR20130096410A (en) Thermoelectric power generator
US20140007916A1 (en) Thermoelectric Device, In Particular Intended To Generate An Electric Current In A Motor Vehicle
KR102474817B1 (en) Thermoelectric module and apparatus for modulating a temperature including thereof
WO2018083912A1 (en) Thermoelectric power generation heat exchanger
CN109271673A (en) A kind of calculation method of thermoelectric generation film equivalent thermal conductivity
CN109962154B (en) High-power thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion system
JP6350297B2 (en) Thermoelectric generator
TW201327951A (en) Thermoelectric generating apparatus and module
US20200266330A1 (en) Thermoelectric conversion unit, thermoelectric conversion module, and exhaust-gas electricity generation unit
JP2014515914A (en) Thermoelectric assembly and apparatus for generating current, particularly in motor vehicles
JP4315070B2 (en) Waste heat recovery device for internal combustion engine
KR20140101121A (en) Thermo electric device
JP2023531413A (en) generator