JP2017162862A

JP2017162862A - 熱電変換装置

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Publication number: JP2017162862A
Application number: JP2016043196A
Authority: JP
Inventors: 健司向山; Kenji Mukoyama; 尚吾鈴木; Shogo Suzuki; 健稔富田; Taketoshi Tomita; 孝洋越智; Takahiro Ochi; 篤郎住吉; Atsuro SUMIYOSHI; 革聶; Ge NIE; 昌晃菊地; Masaaki Kikuchi; 俊清郭; Junqing Guo
Original assignee: Furukawa Co Ltd
Current assignee: Furukawa Co Ltd
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-14

Abstract

【課題】効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる熱電変換装置を提供する。【解決手段】熱電変換装置１０は、熱電変換素子１、吸熱フィン２、および封止部材３を備える。熱電変換素子１は、一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する。吸熱フィン２は、板状の底面部２１と底面部２１の第１面２１１から突起した突起部２２とを有する。封止部材３は、底面部２１の第１面２１１とは反対側の第２面２１２に設けられた凹部２４を封止する。そして、熱電変換素子１は、一端が凹部２４の底面２４１に対向し、他端が封止部材３に対向するよう配置されて、凹部２４内に封止されている。【選択図】図１

Description

本発明は熱電変換装置に関する。

熱電変換システムでは、熱電変換素子の一端を高温側、他端を低温側とし、両端の温度差によって電力を発生させる。ここで、外部空間から熱を吸収して熱電変換を行う装置では、吸熱フィンを熱電変換素子のケースに取り付け高温側とする。

特許文献１には、多孔質材料の空孔に、熱伝導率が大きくかつ融点が低温側部材の温度に近い温度である伝熱材料を含浸させたものを、熱応力緩和パッドとして用いる技術が記載されている。特許文献１では、伝熱材料が熱によって溶融又は軟化することで、隙間のない状態で、高温側部材の熱が熱応力緩和パッドを通じて低温側部材に伝達される。

特許文献２には、冷却フィンで熱電変換モジュール全体を覆う構造にし、冷却フィンの端部を熱源部にハンダ付けすることにより、熱電変換モジュールの取り付けを容易にし、締結ボルトで固定するよりも作業時間を短縮する技術が記載されている。

特開２００１−１９４０２２号公報特開２００５−３５３６２１号公報

しかし、外部空間から熱を吸収して熱電変換を行う装置では、吸熱フィンが非常に高温になる。そのため、フィンやケースの熱変形が大きく、部材間の接触が損なわれて熱電変換素子とフィンとの間の熱伝達が低下する場合があった。そしてひいては、熱エネルギーと電気エネルギーの変換が効率良く行えない場合があった。

本発明は、効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる熱電変換装置を提供する。

本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
板状の底面部と前記底面部の第１面から突起した突起部とを有する吸熱フィンと、
前記底面部の前記第１面とは反対側の第２面に設けられた凹部を、封止する封止部材とを備え、
前記熱電変換素子は、前記一端が前記凹部の底面に対向し、前記他端が前記封止部材に対向するよう配置されて、前記凹部内に封止されている
熱電変換装置
が提供される。

本発明によれば、効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる熱電変換装置を提供できる。

実施形態に係る熱電変換装置の断面模式図である。実施形態に係る容器の内部を拡大して示した図である。ｎ型熱電変換半導体およびｐ型熱電変換半導体の配列の例を示す図である。実施形態に係る封止部材を拡大して示した図である。（ａ）は、実施形態に係る伝熱部材の斜視図であり、（ｂ）は実施形態に係る蓋部材および伝熱部材等の関係を示す図である。（ａ）は、実施例１に係るシミュレーションモデル全体を示す図であり、（ｂ）は、シミュレーションモデルにおいて熱電変換素子の高温側の一端を平面視した図である。放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さｔ_２と、熱電変換素子の高温側の一端の平均温度Ｔ_２との関係を示す図である。雰囲気温度Ｔ_１と放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さｔ_２との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

なお、「〜」は特に断りがなければ、以上から以下を表す。

図１は、本実施形態に係る熱電変換装置１０の断面模式図である。熱電変換装置１０は、熱電変換素子１、吸熱フィン２、および封止部材３を備える。熱電変換素子１は、一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する。吸熱フィン２は、板状の底面部２１と底面部２１の第１面２１１から突起した突起部２２とを有する。封止部材３は、底面部２１の第１面２１１とは反対側の第２面２１２に設けられた凹部２４を封止する。そして、熱電変換素子１は、一端が凹部２４の底面２４１に対向し、他端が封止部材３に対向するよう配置されて、凹部２４内に封止されている。以下に詳しく説明する。

熱電変換装置１０は、たとえば、内燃機関や焼却炉等の燃焼装置の排気ガスを通す排気経路に設置される、排熱回収装置である。具体的には、熱電変換装置１０の吸熱フィン２が排気ダクト等内に露出するよう、取り付けられる。吸熱フィン２は排気ガスに熱せられ熱電変換素子１の一端に熱を伝える、一方、熱電変換素子１の他端は冷却され、熱電変換素子１の両端の間には温度差が生じる。その温度差が大きいほど、熱電変換素子１に設けられた電極間には大きな起電力が発生する。

熱電変換素子１は、酸化等によりその熱電変換性能の劣化が生じるのを避けるため、容器２３に収められている。ここで一般には、フィンと熱電変換素子の容器とは別々に設けられ、フィンの底部が容器の上面にボルトなどで固定される。この場合、フィンと容器とがそれぞれ熱変形することにより、フィンと容器との間の接触が損なわれ、熱伝導が低下する。

これに対し、本実施形態に係る熱電変換装置１０においては、熱電変換素子１の容器２３は吸熱フィン２の凹部２４および封止部材３により形成される。すなわち、吸熱フィン２の底面部２１と容器２３とが一体となっている。そのため、吸熱フィン２が高温となって変形が生じても、吸熱フィン２の底面部２１と容器２３との間の熱伝導が損なわれることがない。よって、熱エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換できる。

本実施形態に係る吸熱フィン２について以下に詳しく説明する。吸熱フィン２は、底面部２１および突起部２２を有する。吸熱フィン２が複数の突起部２２を備える場合には、いいかえれば吸熱フィン２には凹部が設けられているとみなすこともできる。吸熱フィン２が突起部２２を有することにより、吸熱フィン２が配置される外部空間（たとえば排気ダクトの内側）に曝される表面積が大きくなり、効率良く外部空間の熱を回収できる。吸熱フィン２に備えられる突起部２２は、一つであっても良いし、本図に示す様に複数であってもよい。外部空間から効率良く熱を吸収する観点から、吸熱フィン２は複数の突起部２２を備えることが好ましい。その場合、複数の突起部２２は、その主面を互いに平行に対向させて配置される。そうすることにより、外部空間を流れる流体が複数の突起部２２の間を効率良く通り、効果的に熱を回収できる。

吸熱フィン２は、熱伝導性が高い材質からなる。たとえば吸熱フィン２は、銅、アルミニウム、鉄、およびステンレスからなる群から選択される一種以上の材料、またはこのような群から選択される二種以上が複合した複合材料のいずれかからなる。なお、吸熱フィン２の表面には腐食防止等のために表面処理やコーティングが施されていても良い。

吸熱フィン２はたとえば全体がひとつの金属塊から削り出して作製される。また、吸熱フィン２は、底面部２１と突起部２２とを別々に形成し、底面部２１に突起部２２を溶接することにより作製されても良い。いずれの場合も、切削により底面部２１には凹部２４が設けられる。すなわち、底面部２１と容器２３とは一体である。凹部２４の底面２４１は、密着性を向上させるために高い平面度を有することが好ましい。凹部２４は平面視で、すなわち底面部２１に垂直上方向から見て（図１中で上から下方向を見て）、たとえば円形、矩形、または多角形とすることができる。凹部２４の深さは特に限定されないが、たとえば５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

熱回収効率向上の観点から、突起部２２の、第１面２１１に平行な方向の厚さｔ_１（本図中「ｔ_１」で示す。）は底面部２１の、凹部２４が設けられた部分の厚さｔ_２（本図中「ｔ_２」で示す。）より小さいことが好ましい。なお、吸熱フィン２が複数の突起部２２を備える場合には、いずれの突起部２２の厚さｔ_１もｔ_２より小さいことが好ましい。また、本図では、底面部２１から離れる方向に突起部２２の幅が一定である例を示しているが、突起部２２の幅は底面部２１から離れるにつれて大きくなっていてもよいし、小さくなっていても良い。なお、ここで突起部２２の厚さｔ_１とは、第１面２１１に平行な方向の最小厚さをいう。厚さｔ_１は、たとえば０．０５ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

また、隣り合う二つの突起部２２の第１面２１１に平行な方向の互いの距離ｗ（本図中「ｗ」で示す。）は、たとえば１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。また、凹部２４の側面と底面部２１の側面との距離ｄ_１（本図中「ｄ_１」で示す。）はたとえば５ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。また、底面部２１の凹部２４が設けられていない部分の厚さｔ_３（本図中「ｔ_３」で示す。）はたとえば５ｍｍより大きく、６０ｍｍ以下である。

底面部２１の、凹部２４が設けられた部分の厚さｔ_２は、特に限定されないが、５ｍｍ以上であることが好ましく、２０ｍｍ以上であることがより好ましい。また、底面部２１の、凹部２４が設けられた部分の厚さｔ_２は、６０ｍｍ以下であることが好ましい。厚さｔ_２が５ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲内であることにより、底面部２１での蓄熱と、冷却とのバランスがよく、熱電変換素子１の上下面間での温度差が大きくなる。また、厚さｔ_２が５ｍｍ以上であることにより、吸熱フィン２の熱変形を抑制することができる。さらに、ｔ_２が６０ｍｍ以下であることにより、コストやサイズに対する熱電変換効率のバランスが良好となる。たとえば、底面部２１の厚さが大きすぎる場合、重量が大きくなり取付け部の負荷やコストが問題になる。また、底面部２１が占める体積が大きくなるため突起部２２から熱を取り込む効果が相対的に小さくなる。

なお、厚さｔ_２が５ｍｍ以上６０ｍｍ以下である場合、後述する冷却媒体の温度は特に限定されないが、たとえば５℃以上２５℃以下であることが特に好ましい。なお、吸熱フィン２が曝される外部空間の温度（雰囲気の温度）は特に限定されないが、たとえば５００℃以上９００℃以下であることが特に好ましい。

本実施形態に係る熱電変換素子１は、凹部２４および封止部材３により形成される容器２３内に封止された状態であり、容器２３の内部は減圧状態（大気圧未満）になっている。熱電変換素子１が減圧状態に封止されることにより、熱電変換材料が酸化されることを防ぎ、熱電変換効率の低下を避けることができる。また、容器２３の内部は減圧状態である代わりに窒素等の不活性ガスが充填されていても良いし、減圧状態で、かつ不活性ガスが充填されていても良い。

図２は、本実施形態に係る容器２３の内部を拡大して示した図である。本実施形態に係る熱電変換素子１は、ｎ型熱電変換半導体１１１、ｐ型熱電変換半導体１１２、第１電極１２１、および第２電極１２２を備える。なお、以下では、熱電変換素子１がｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２をそれぞれ複数備える例について説明するが、これに限定されない。熱電変換素子１は、ｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２をそれぞれ一つずつ備えていても良い。

本実施形態に係る熱電変換装置１０においては、一端１０１が高温側、他端１０２が低温側として温度差を生じさせることができる。熱電変換装置１０において、熱電変換素子１の一端１０１と他端１０２との間の温度差が大きいほど、大きな起電力が生じる。したがって、外部空間の熱を効率良く一端１０１に伝えると共に、他端１０２を効率良く冷却し、一端１０１と他端１０２との温度差を大きくすることが重要である。

ｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２は底面２４１に平行な方向に交互に並んで配置されている。また、本実施形態に係るｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２は平面視で、すなわち底面２４１について垂直上方向から見て（図２中で上から下方向を見て）、格子状に配列されている。

図３は、ｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２の配列の例を示す図である。図３中、ｎ型熱電変換半導体１１１を白の四角形で表し、ｐ型熱電変換半導体１１２を黒の四角形で表す。ただし、熱電変換素子１に含まれるｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２の数や配置は本図の例に限定されず、適宜設定可能である。

図２に戻り、本実施形態に係る熱電変換素子１において、複数の第１電極１２１は熱電変換素子１の一端１０１側に設けられ、複数の第２電極１２２は熱電変換素子１の他端１０２側に設けられている。ｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２はそれぞれ、その一端が第１電極１２１、他端が第２電極１２２に接合されている。そして、第１電極１２１および第２電極１２２は、隣り合うｎ型熱電変換半導体１１１とｐ型熱電変換半導体１１２とを電気的に接続している。こうして、ｎ型熱電変換半導体１１１とｐ型熱電変換半導体１１２は、第１電極１２１および第２電極１２２を介して交互に電気的に直列に接続されている。

直列に接続されたｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２のうち、電気的な両端を成す第２電極１２２ａ，１２２ｂには、それぞれ第１配線１３１および第２配線１３２が接続されている。すなわち、図２の例では、ｎ型熱電変換半導体１１１、ｐ型熱電変換半導体１１２、第１電極１２１、および第２電極１２２の連結帯を一つの回路としてみた場合に、一方の端部を第２電極１２２ａ、他方の端部を第２電極１２２ｂが構成している。第２電極１２２ａおよび第２電極１２２ｂにはそれぞれ一つの熱電変換半導体のみが接続されている。そして、第２電極１２２ａおよび第２電極１２２ｂにはそれぞれ第１配線１３１および第２配線１３２が接続されている。なお、電気的な両端のうち少なくとも一方は第１電極１２１であってもよい。

第１配線１３１および第２配線１３２はそれぞれ蓋部材３１を貫通して設けられた導入端子１４を介して容器２３の外部に導出される。なお、蓋部材３１については後述する。また、蓋部材３１のうち導入端子１４を設ける位置は適宜設定することができる。

ｎ型熱電変換半導体１１１およびｐ型熱電変換半導体１１２を構成する熱電変換材料としては、Ｂｉ_２Ｔｅ_３系、ＰｂＴｅ系、ＧｅＴｅ−ＡｇＳｂＴｅ_２系、ＳｉＧｅ系、Ｆｅ_２Ｓｉ系、Ｚｎ_４Ｓｂ_３系、Ｂ_４Ｃ系、スクッテルダイト構造及びフィルドスクッテルダイト構造を有するＲＥ_ｘＭ_４Ｓｂ_１２（ＲＥは第１族のアルカリ元素、第２族のアルカリ土類元素、第３族の希土類元素、第４族元素、第１３族元素からなる群から選択された少なくとも一種類以上の元素であり、０＜ｘ≦１であり、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等のＦｅ族から選択された少なくとも一種以上の元素である）系材料、（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）ＮｉＳｎを代表とするハーフホイスラー系材料、ホイスラー系材料、クラスレート系材料、シリサイド系材料、テトラヘドライト系材料、酸化物系材料などが挙げられる。

第１電極１２１および第２電極１２２は、例えば、鉄系、チタン系、銅系、アルミニウム系等の金属材料により構成されている。

なお、熱電変換素子１はさらに、拡散防止層やバリアメタル等を熱電変換材料と電極との間に備えてもよい。

本実施形態に係る熱電変換装置１０は、絶縁部材１５をさらに備える。絶縁部材１５は、絶縁性と、高い熱伝導性を有する部材である。絶縁部材１５を構成する材料としてはたとえばＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢｅＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ_２が挙げられる。絶縁部材１５は熱電変換素子１の一端１０１と凹部２４の底面２４１との間、および熱電変換素子１の他端１０２と蓋部材３１との間に設けられる。熱電変換装置１０が絶縁部材１５を備えることにより、熱電変換素子１と吸熱フィン２および封止部材３とを電気的に絶縁し、熱電変換素子１の両端に発生した電力を効率良く外部に取り出すことができる。なお、本図の例では、絶縁部材１５は熱電変換素子１の一端１０１または他端１０２と接して設けられている。

本実施形態に係る熱電変換装置１０は、第１弾性部材１６および第２弾性部材１７をさらに備える。第１弾性部材１６は、熱電変換素子１の一端１０１と凹部２４の底面２４１との間に設けられ、熱電変換素子１および封止部材３の一方を他方に向けて押しつける。また、第２弾性部材１７は、熱電変換素子１の他端１０２と封止部材３との間に設けられ、熱電変換素子１および底面部２１の一方を他方に向けて押しつける。

熱電変換装置１０は第１弾性部材１６および第２弾性部材１７を備えることにより、熱電変換素子１の端部を吸熱フィン２および封止部材３に向けて押しつけ、密着性を高めることができる。また、第１弾性部材１６および第２弾性部材１７は、表面が高い柔軟性を有することが好ましい。そうすることで部材間を空隙なく密着させることができ、界面の熱抵抗を低減することができる。そしてひいては、吸熱フィン２と熱電変換素子１との間、および封止部材３と熱電変換素子１との間の熱伝導性を向上させることができる。なお、熱電変換装置１０は、第１弾性部材１６および第２弾性部材１７のうちいずれか一方のみを備えても良い。

本実施形態において、具体的には第１弾性部材１６は絶縁部材１５と底面２４１との間に設けられ、第２弾性部材１７は絶縁部材１５と蓋部材３１の容器２３の内部側の面の間に設けられている。すなわち、第１弾性部材１６は一端１０１と底面２４１との間に設けられ、第２弾性部材１７は他端１０２と蓋部材３１の容器２３の内部側の面の間に設けられている。特に本図の例では、第１弾性部材１６は凹部２４の底面２４１に接しており、第２弾性部材１７は、蓋部材３１の容器２３の内側の面に接している。

第１弾性部材１６および第２弾性部材１７はたとえば、それぞれ高い熱伝導性と弾力性を有するシート状の部材である。第１弾性部材１６および第２弾性部材１７としては、たとえばカーボンシートや高熱伝導性ゴムシートを用いることができる。第１弾性部材１６および第２弾性部材１７の厚さは特に限定されないが、密着性向上の観点から、たとえばそれぞれ１０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。一方、第１弾性部材１６および第２弾性部材１７の厚さは、熱伝導性向上の観点から、たとえばそれぞれ８００μｍ以下であることが好ましく、６００μｍ以下であることが好ましい。なお、第１弾性部材１６および第２弾性部材１７は必ずしも互いに同じ材質または厚さである必要は無い。

図４は、本実施形態に係る封止部材３を拡大して示した図である。本実施形態に係る封止部材３は、容器２３を構成する板状の蓋部材３１と、容器２３の外側で蓋部材３１に対向して設けられた伝熱部材３２とを備える。そして、伝熱部材３２は冷却媒体３３１によって冷却される。また、封止部材３は流体の冷却媒体３３１で、伝熱部材３２を冷却する冷却手段３３をさらに備え、冷却媒体３３１は、伝熱部材３２に直接接触する。以下に詳しく説明する。

蓋部材３１は、吸熱フィン２の凹部２４を覆い、容器２３を構成している。具体的には蓋部材３１の平面形状は、凹部２４の開口と同じ形状である。蓋部材３１の外周は凹部２４の外周と溶接されているため、容器２３の内部は密閉されている。そして、容器２３の内部は減圧状態である。蓋部材３１としてはたとえば、ステンレス、銅、鉄等の金属板材を用いることができる。蓋部材３１の厚さはたとえば０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

図５（ａ）は、本実施形態に係る伝熱部材３２の斜視図であり、図５（ｂ）は本実施形態に係る蓋部材３１および伝熱部材３２等の関係を示す図である。図５（ｂ）は、図４を下方向から見た配置に相当する。伝熱部材３２は、たとえば底面形状が異なる柱体を高さ方向に二つ組み合わせた形状をしている。なお、図５（ａ）および（ｂ）では、伝熱部材３２が円柱を組み合わせた形状である例を示しているが、これに限定されず、たとえば角柱を組み合わせた形状であっても良い。また、いいかえると、伝熱部材３２は、蓋部材３１に対向する面３２１とは反対側に凸部３２５を有しているとみなせる。特に蓋部材３１に押し当てられる面３２１の形状は、蓋部材３１の形状と同じであることが好ましい。また、面３２１の大きさは、蓋部材３１の大きさと同じであるか、または蓋部材３１の大きさよりも小さいことが好ましい。また、伝熱部材３２には、たとえば本図のように第１配線１３１および第２配線１３２を外部に引き出すための切り欠き３２４が設けられていてもよい。伝熱部材３２の材質としては、特に限定されないが、熱伝導性が高いものが好ましく、たとえば銅、鉄、ステンレスが挙げられる。

図４に戻り、冷却手段３３は、第１部材３３５および第２部材３３６を備える。第１部材３３５と第２部材３３６とは、複数のボルト３３４により互いに締め付けられており、冷媒槽３７を構成している。冷媒槽３７には冷却媒体３３１が満たされる。第１部材３３５と第２部材３３６とは、縁の部分がＯリング３３３を挟んで締め付けられているため、内部の冷却媒体３３１が外部に漏れないようになっている。冷媒槽３７のうち、第１部材３３５は吸熱フィン２側に配置される部材であり、第２部材３３６は、その反対側に配置される部材である。冷却媒体３３１としては、特に限定されないが、たとえば水、液化窒素、低温ガス（空気、Ｈｅ、Ｎ_２等）が挙げられる。

第１部材３３５の上部には開口が設けられ、伝熱部材３２の凸部３２５が冷媒槽３７の内部に挿入されている。挿入された伝熱部材３２と第１部材３３５の密着部３３２は、ウィルソンシール等のシール構造を成しているため、冷媒槽３７内の冷却媒体３３１が外に漏れ出すことがない。伝熱部材３２の面３２２は冷媒槽３７内に露出し、冷却媒体３３１と直接接触して冷やされる。ここで、面３２２は、伝熱部材３２の面であり、面３２１とは反対側の面である。Ｏリング等で容易に密閉できるよう、密着部３３２において、伝熱部材３２の断面は円形であることが好ましい。

冷媒槽３７には配管３３７および配管３３８が接続されている。配管３３７は冷却媒体３３１を冷媒槽３７に導入する配管であり、配管３３８は、冷却媒体３３１を冷媒槽３７から排出する配管である。配管３３７または配管３３８には、図示しないポンプ等が接続されており、冷却媒体３３１が循環されて冷媒槽３７内が低温に保たれる。第１部材３３５、第２部材３３６、配管３３７、および配管３３８の材質としてはたとえばステンレスが挙げられる。

第１部材３３５と吸熱フィン２の間の空間の内、伝熱部材３２以外の部分には断熱部材３４が充填される。いいかえると、断熱部材３４に設けられた開口３４１に伝熱部材３２の凸部３２５以外の部分が挿入されている。そして、第１部材３３５は断熱部材３４を挟んで吸熱フィン２に対しボルト３５で固定される。具体的には、吸熱フィン２の底面部２１にはねじ孔が、断熱部材３４および第１部材３３５には通孔が設けられており、第１部材３３５および断熱部材３４が吸熱フィン２にボルト３５でねじ止めされる。なお、第１部材３３５に設けられた通孔部分には、シール構造が採用されており、冷媒槽３７内から冷却媒体３３１が漏れ出さないようになっている。断熱部材３４としてはたとえば、グラスウール等の繊維材料や多孔質材料を用いることができる。

ここで、伝熱部材３２のうち凸部３２５の周囲の面３２３には第１部材３３５のうち底面部２１に対向する面３３９が押し当てられる。したがって、ボルト３５の締め付けにより、面３２１は蓋部材３１に対して押しあてられる。この様に、伝熱部材３２と蓋部材３１が互いに押しつけられることにより、伝熱部材３２と蓋部材３１との密着を良好に保ち、高い熱伝導を確保することができる。なお、本図の例では、蓋部材３１の容器２３の外側の面と伝熱部材３２とは互いに接している。さらに、蓋部材３１は薄い板材であるため、伝熱部材３２からの応力によって蓋部材３１の容器２３内に向く面は熱電変換素子１に向けて押し当てられ、熱電変換素子１への良好な熱伝導が確保される。

さらに、本実施形態においてボルト３５はバネ３６に通されており、冷媒槽３７が吸熱フィン２に向けて押しつけられている。それと同時に伝熱部材３２が蓋部材３１に対して押しつけられている。すなわち、封止部材３は、容器２３の外側に設けられ、伝熱部材３２および蓋部材３１の一方を他方に押しつける第３弾性部材をさらに備える。本実施形態において、第３弾性部材はバネ３６である。この様に、弾性部材によって伝熱部材３２と蓋部材３１が互いに押しつけられることにより、吸熱フィン２に熱変形が生じた場合にも伝熱部材３２と蓋部材３１との密着を良好に保ち、高い熱伝導を確保することができる。なお、密着の対称性を確保する観点から、封止部材３は、複数の第３弾性部材を備えることが好ましい。

以下に、本実施形態に係る熱電変換装置１０を使用する方法について説明する。上述の通り、熱電変換装置１０は、たとえばダクトの側面に取り付けられて、吸熱フィン２の外部空間の熱を回収するために用いられる。

取り付けのためには、ダクトの側面に、ボルト３５を通す孔および伝熱部材３２を通す開口を設ける。そして、凹部２４を蓋部材３１で密閉し、容器２３に熱電変換素子１を封止したユニットを、密閉したダクトの内側に配置する。ここで、蓋部材３１が伝熱部材３２を通す開口の位置に合うようにする。次いで、伝熱部材３２を開口に通し、面３２１が蓋部材３１に対向するように配置する。そして、ダクトの外側に断熱部材３４および第１部材３３５を取り付け、ボルト３５で吸熱フィン２と第１部材３３５とを締め付ける。次いで第２部材３３６を第１部材３３５に固定し、形成された冷媒槽３７に冷却媒体３３１を循環させて使用する。

上記の取り付け方法により、ダクトの壁材は、吸熱フィン２の第２面２１２と、断熱部材３４との間に配置されることとなる。本実施形態に係る熱電変換装置１０は、伝熱部材３２を備えることにより、ダクトの外側から蓋部材３１を効率良く冷却することができる。

ダクトの中を高温のガスが流れると、突起部２２が加熱されて高温になる。そして熱は突起部２２から底面部２１を介して熱電変換素子１に伝わり一端１０１が高温となる。

一方、冷却手段３３により伝熱部材３２が冷却され、蓋部材３１を介して熱電変換素子１の他端１０２が低温となる。本実施形態に係る熱電変換装置１０においては、伝熱部材３２が底面部２１のみを冷却する一方、冷媒槽３７と吸熱フィン２の間には断熱部材３４が設けられており第２面２１２が冷やされない。そのため、底面部２１を高温に保つことができ、効率良く熱電変換を行える。

そして、一端１０１と他端１０２の温度差に応じて、熱電変換素子１では起電力が生じ、第１配線１３１および第２配線１３２を通して電気エネルギーが外部に取り出される。

本実施形態において、吸熱フィン２が曝される外部空間の温度（雰囲気の温度Ｔ_１）はたとえば５００℃以上９００℃以下である。一方、冷媒槽３７内の冷却媒体３３１の温度はたとえば５℃以上３０℃以下である。そして、吸熱フィン２が曝される外部空間の温度と冷媒槽３７内の冷却媒体３３１の温度との差はたとえば３００℃以上９００℃以下である。

なお、上記では、封止部材３が冷却手段３３等を備える例について説明したが。これに限定されない。封止部材３は少なくとも蓋部材３１を含めばよい。たとえば、蓋部材３１が直接冷媒等で冷やされるようにしても良い。

また、封止部材３にはバネ３６が設けられておらず、ボルト３５のみで締め付けられていても良い。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。
本実施形態に係る熱電変換装置１０によれば、吸熱フィン２の底面部２１と熱電変換素子１を収める容器２３が一体化されていることにより、効率的に外部空間から熱を吸収し、熱電変換することができる。

また、底面部２１の、凹部２４が設けられた部分の厚さが適切に設定されているため、熱電変換素子１の一端１０１と他端１０２との間の温度差を大きくすることができる。たとえば、底面部２１の、凹部２４が設けられた部分の厚さｔ_２が５ｍｍ以上６０ｍｍ以下であることにより、底面部２１での蓄熱と、冷却とのバランスがよく、熱電変換素子１の上下面間での温度差を大きくすることができる。ひいては、効率良く外部空間の熱を電気エネルギーに変換できる。

また、第１〜第３弾性部材１６，１７，３６を設けることにより、吸熱フィン２が高熱となり熱変形が生じても、部材間の接触を良好に保ち、高い熱伝導を確保することができる。

以下、本実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。

吸熱フィンおよび容器の構造と、熱電変換素子の端部の温度との関係を調べるためにシミュレーションを行った結果を以下に説明する。シミュレーションは、以下の様なモデルを作成し、有限要素法を用いて行った。

（実施例１）
図６（ａ）は、実施例１に係るシミュレーションモデル全体を示す図であり、図６（ｂ）は、シミュレーションモデルにおいて熱電変換素子の高温側の一端を平面視した図である。作成したシミュレーションモデルには、吸熱フィンのモデル４２、水のモデル４３、伝熱部材のモデル４４を設け、さらに、吸熱フィンのモデル４２の内部に熱電変換素子のモデルを設けた。そして、吸熱フィンのモデル４２の周囲の空間４１には空気が満たされていることとした。また、各モデルの構造は、上述した実施形態と同様とした。ただし、第１弾性部材および第２弾性部材は設けなかった。また、容器を構成するために放熱フィンの底部に設けた凹部の深さは８．３ｍｍとした。なお、図６（ｂ）に見られる長方形は、それぞれ実施形態における第１電極１２１に相当する。ここで、熱電変換材料の配列は８行８列とした。

具体的には、モデルに対し、各部材の物性値として密度および熱伝導率を定義してシミュレーションを行った。ここで、熱伝部材の材質は銅とし、吸熱フィンの材質はＳＵＳ３０４とした。また、水の温度は２０℃、空気の温度（雰囲気の温度Ｔ_１）を約７４８℃として表１に示す結果を出た。

図７は、実施例１で得られた、放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さｔ_２と、熱電変換素子の高温側の一端の平均温度Ｔ_２との関係を示す図である。本図では、表１に示す結果がプロットされている。厚さｔ_２と温度Ｔ_２との関係は、本図中、破線で示す対数関数で良く近似された。本図に示す様に、厚さｔ_２を増大させるにつれ、温度Ｔ_２が高くなった。そして、厚さｔ_２が５１．７ｍｍを超えると温度Ｔ_２は飽和傾向にあった。よって、厚さｔ_２を６０ｍｍ以下とすることにより、コストやサイズに対する熱電変換効率のバランスを良好に保ちつつ、効率良く熱電変換を行うことができることが分かった。

（実施例２）
実施例１と同様にして熱電変換素子の高温側の一端の平均温度Ｔ_２が４３０〜４４０℃となる場合の、雰囲気温度Ｔ_１と放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さｔ_２との関係を求めた。結果を表２に示す。

図８は、雰囲気の温度Ｔ_１と放熱フィンの底面部の凹部が設けられた部分の厚さｔ_２との関係を示す図である。本図では、表２に示す結果がプロットされている。本実施例の結果より、底面部の凹部が設けられた部分の厚さｔ_２を適切に設定することにより、熱電変換素子の高温側の一端の平均温度Ｔ_２を４３０℃以上とすることができ、熱電変換素子の一端と他端との間に十分な温度差を生じさせることができることが分かった。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１熱電変換素子
２吸熱フィン
３封止部材
１０熱電変換装置
１４導入端子
１５絶縁部材
１６第１弾性部材
１７第２弾性部材
２１底面部
２２突起部
２３容器
２４凹部
３１蓋部材
３２伝熱部材
３３冷却手段
３４断熱部材
３５ボルト
３６バネ（第３弾性部材）
３７冷媒槽
４１空間
４２吸熱フィンのモデル
４３水のモデル
４４伝熱部材のモデル
１０１一端
１０２他端
１１１ｎ型熱電変換半導体
１１２ｐ型熱電変換半導体
１２１第１電極
１２２，１２２ａ，１２２ｂ第２電極
１３１第１配線
１３２第２配線
２１１第１面
２１２第２面
２４１底面
３２１面
３２２面
３２３面
３２４切り欠き
３２５凸部
３３１冷却媒体
３３２密着部
３３３Ｏリング
３３４ボルト
３３５第１部材
３３６第２部材
３３７配管
３３８配管
３３９面
３４１開口

Claims

一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
板状の底面部と前記底面部の第１面から突起した突起部とを有する吸熱フィンと、
前記底面部の前記第１面とは反対側の第２面に設けられた凹部を、封止する封止部材とを備え、
前記熱電変換素子は、前記一端が前記凹部の底面に対向し、前記他端が前記封止部材に対向するよう配置されて、前記凹部内に封止されている
熱電変換装置。
請求項１に記載の熱電変換装置において、
前記底面部の、前記凹部が設けられた部分の厚さが５ｍｍ以上６０ｍｍ以下である
熱電変換装置。
請求項１または２に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換素子の前記一端と前記凹部の底面との間に設けられ、前記熱電変換素子および前記封止部材の一方を他方に向けて押しつける第１弾性部材と、
前記熱電変換素子の前記他端と前記封止部材との間に設けられ、前記熱電変換素子および前記底面部の一方を他方に向けて押しつける第２弾性部材とをさらに備える
熱電変換装置。
請求項３に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換素子は前記凹部および前記封止部材により形成される容器内に封止された状態であり、前記容器の内部は減圧状態になっている
熱電変換装置。
請求項４に記載の熱電変換装置において、
前記封止部材は、前記容器を構成する板状の蓋部材と、前記容器の外側で前記蓋部材に対向して設けられた伝熱部材を備え、
前記伝熱部材は冷却媒体によって冷却される
熱電変換装置。
請求項５に記載の熱電変換装置において、
前記封止部材は、前記容器の外側に設けられ、前記伝熱部材および前記蓋部材の一方を他方に押しつける第３弾性部材をさらに備える
熱電変換装置。
請求項６に記載の熱電変換装置において、
前記第３弾性部材はバネである
熱電変換装置。
請求項５から７のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記封止部材は流体の前記冷却媒体で前記伝熱部材を冷却する冷却手段をさらに備え、
前記冷却媒体は前記伝熱部材に直接接触する
熱電変換装置。
請求項１から８のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記突起部の前記第１面に平行な方向の厚さは、前記底面部の前記凹部が設けられた部分の厚さより小さい
熱電変換装置。