JP2018010907A - 熱電変換装置および熱電変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる熱電変換装置及び熱電変換方法を提供する。
【解決手段】熱電変換装置１０は、熱電変換素子２２および配管３０を備える。熱電変換素子２２は、その一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する。配管３０は、熱流体が通る流路を内側に有する。熱電変換素子２２の一端２２１は、配管３０の外面３０１に対向している。そして、流路３２を通る熱流体の流速は、当接部材２４と対向する対向領域３２１において速くなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は熱電変換装置および熱電変換方法に関する。

熱電変換装置では、熱電変換素子の一端を高温側、他端を低温側とし、両端間の温度差によって起電力を発生させる。

特許文献１には、エンジンから排出された排気ガスが導入されるケース内に熱電変換ユニットが並べられた構成において、整流部材を設けることにより、十分な熱伝達効率および発電量を確保することが記載されている。

特開２０１５−１９００８号公報

しかし、排気ダクト等の配管に流れる熱流体から電気エネルギーを取り出す効率については、改善の余地があった。

本発明は、熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる熱電変換装置及び熱電変換方法を提供する。

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、
熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
前記流路は、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、前記熱流体の流速が２ｍ／ｓｅｃ以上となるような断面積を有している熱電変換装置
が提供される。

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、
熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
前記流路を流れる前記熱流体の流量をｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）としたとき、
前記流路の断面積は、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、ｄ／１２０（ｍ^２）以下である熱電変換装置
が提供される。

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、
熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
前記流路は、前記一端と対向する対向領域と、前記一端と対向しない非対向領域とを含み、
前記非対向領域は、前記対向領域の前記流路の最大断面積よりも大きな前記流路の断面積を有する第１領域を含む熱電変換装置
が提供される。

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の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向するよう配置し、
前記流路内の、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、前記熱流体の流速を２ｍ／ｓｅｃ以上とする熱電変換方法
が提供される。

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の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向するよう配置し、
前記流路を流れる前記熱流体の流量がｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）であり、
前記流路の断面積が、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、ｄ／１２０（ｍ^２）以下である熱電変換方法
が提供される。

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の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向するよう配置し、
前記流路は、前記一端と対向する対向領域と、前記一端と対向しない非対向領域とを含み、
前記非対向領域は、前記対向領域の前記流路の最大断面積よりも大きな前記流路の断面積を有する第１領域を含む熱電変換方法
が提供される。

本発明によれば、熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる熱電変換装置及び熱電変換方法を提供できる。

実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する断面図である。 熱電変換モジュールの拡大図である。 配管、当接部材の第２面および熱電変換素子の一端の位置関係を示す平面図である。 流路内の流体の流速と、熱電変換モジュールの熱収集効率との関係について説明するための図である。 μ_∞と１／√μ_∞の関係を示す図である。 複数の異なる流速において、ガス温度とモジュール温度との関係を測定した結果を示す図である。 熱電変換素子を拡大して示した断面図である。 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。

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。

図１は、実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する断面図である。図２は、熱電変換モジュール２０の拡大図である。本実施形態に係る熱電変換装置１０は、熱電変換素子２２および配管３０を備える。熱電変換素子２２は、その一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する。配管３０は、熱流体（以下、単に「流体」とも呼ぶ。）が通る流路３２を内側に有する。熱電変換素子２２の一端２２１は、配管３０の外面３０１に対向している。

本実施形態に係る熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、熱電変換素子２２の一端２２１に伝達される。そして一方、熱電変換素子２２の他端２２２を一端２２１よりも低温にすることで起電力が発生する。そして、流路３２を通る流体の流速は、熱電変換素子２２の一端２２１と対向する対向領域３２１において速くなっている。以下に詳しく説明する。

本実施形態に係る熱電変換装置１０の流路３２は、たとえば熱電変換素子２２の一端２２１と対向する対向領域３２１の少なくとも一部において、流体の流速が２ｍ／ｓｅｃ以上となるような断面積を有している。なお、流路３２の断面積とは、流路３２の延在方向に垂直な断面の面積をいう。また、流体の流速が測定される位置は特に限定されないが、たとえば流路３２の中央部である。

言い換えると、流路３２を流れる流体の流量をｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）としたとき、流路３２の断面積は、熱電変換素子２２の一端２２１と対向する対向領域３２１の少なくとも一部において、たとえばｄ／１２０（ｍ^２）以下である。

本実施形態において熱電変換装置１０は熱電変換モジュール２０を含む。熱電変換モジュール２０は熱電変換素子２２を含む。また、熱電変換モジュール２０は、熱電変換素子２２を覆い、少なくとも一部が熱電変換素子２２の一端２２１と配管３０の外面３０１との間に位置する当接部材２４を含む。当接部材２４は、熱電変換モジュール２０の外部の熱を熱電変換素子２２に伝えるための部材である。図１に示す例において、当接部材２４の第１面２４１は熱電変換素子２２の一端２２１に対向し、第１面２４１とは反対側の第２面２４２は配管３０の外面３０１に対向している。本実施形態に係る熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、当接部材２４の第２面２４２を介して熱電変換素子２２の一端２２１に伝達する。

図３は、配管３０、当接部材２４の第２面２４２および熱電変換素子２２の一端２２１の位置関係を示す平面図である。本図は、図１で上から下を見た図に相当する。ただし、配管３０、第２面２４２および一端２２１以外の構成は省略している。また、一端２２１の輪郭を破線で示している。本図に示す様に、一端２２１に垂直な方向から見て、第２面２４２は一端２２１の全体を覆い、配管３０は第２面２４２の全体を覆っている。

図１に示す例において、流路３２はたとえば、一端２２１と対向する対向領域３２１と、一端２２１と対向しない非対向領域３２２とを含み、非対向領域３２２は、対向領域３２１の流路３２の最大断面積よりも大きな流路３２の断面積を有する第１領域３２３を含む。流路３２は、たとえば対向領域３２１よりも流路３２の上流側に第１領域３２３を有する。このように対向領域３２１で流路３２の断面積が小さくなっていることにより、流速を速くすることができる。また、第１領域３２３は複数存在してもよく、流路３２の上流側と下流側の両方に存在してもよいし、下流側にのみ存在してもよい。熱電変換装置１０において、流体が熱源で熱せられてから、たとえば大気中等の外部に排出されるまでの間において、流路３２の断面積が一番小さい部分が対向領域３２１内にあることが好ましい。ただし、流速が十分に速くなれば、本図の例に限定されず、熱電変換装置１０の流路３２の断面積は一定であったり、対向領域３２１において大きくなっていたりしても良い。

熱流体の熱源は、たとえばエンジン等の発動機であり、熱流体は発動機からの排出ガスである。また、熱流体の熱源はプラントに含まれる熱源であり、熱流体はプラントの排気流体であってもよい。また、熱流体の熱源は、プラントで用いられる冷却装置の排熱であってもよい。なお、プラントとは、各種工場や発電所、焼却炉等であり得る。熱源で熱せられた流体は、流路３２を通る。配管３０はたとえば金属（合金を含む）であり、たとえばステンレス、銅、鉄合金（鋼）、アルミ等である。配管３０は、たとえば排気管や排気ダクトの一部であり得る。

流路３２を通る流体の、流量は特に限定されないが、たとえば０．０１ｍ^３／ｍｉｎ以上１００ｍ^３／ｍｉｎ以下である。また、対向領域３２１における流体の温度は特に限定されないが、たとえば１００℃以上１０００℃以下であり、好ましくは３００℃以上９００℃以下である。

流路３２の断面形状は、矩形、円形等でありうる。対向領域３２１における流路３２の幅は特に限定されないが、たとえば１０００ｍｍ以下であり、好ましくは１００ｍｍ以下である。また、対向領域３２１における流路３２の幅は、たとえば２０ｍｍ以上である。なお、流路３２の幅とは流路３２の延在方向に垂直な断面における幅である。流路３２の断面が円形以外であり、方向により幅が異なる場合には、流路３２の延在方向に垂直な断面における最大の幅を示す。

上記した通り、流路３２を流れる流体の流量をｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）としたとき、流路３２の断面積は、一端２２１と対向する対向領域３２１の少なくとも一部において、たとえばｄ／１２０（ｍ^２）以下である。そうすれば、流体の流速を十分速め、流体から熱電変換素子２２への熱伝達効率を高めることができる。また、流路３２の断面積は、対向領域３２１において、たとえばｄ／６０００（ｍ^２）以上である。そうすれば、流体の排出量および熱源からの排熱量を確保しやすい。ただし、流路３２の断面積は特に限定されず、流路３２を流れる流体の流量や熱源からの排熱量等に応じて適宜設定できる。

配管３０の外面３０１には熱電変換モジュール２０が取り付けられている。そして、熱電変換モジュール２０には熱電変換素子２２が含まれており、熱電変換素子２２の一端２２１が流路３２を流れる流体からの熱により高温になる。一方、熱電変換素子２２の他端２２２は後述する冷却手段２１により低温に保たれ、一端２２１と他端２２２との間の温度差により起電力が生じ、電気エネルギーがとりだされる。このように、熱電変換モジュール２０では熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。

配管３０の断面の外形は、矩形、円形等でありうる。ただし、配管３０の断面の外形は、熱電変換モジュール２０を、高い熱伝達率で容易に取り付けられるように、矩形であることが好ましい。配管３０は、ひとつの管状部材からなっていても良いし、複数の管状部材が接続された構造であってもよい。また、本図の例に示す様に、配管３０は、流路３２の対向領域３２１を内側に有する配管３０ａと、配管３０ａの少なくとも一端に接続され、配管３０ａの内径よりも大きな内径を有する配管３０ｂとが接合した構造を有していても良い。この場合、熱電変換モジュール２０は、配管３０ａのうち中心よりも上流側に位置することがより好ましい。そうすることにより、温度境界層がより薄い領域で、効率良く一端２２１の温度を上げることができる。なお、温度境界層については詳しく後述する。

配管３０の管壁の厚さは特に限定されないが、本図に示す例において、配管３０ａの管壁の厚さは配管３０ｂの管壁の厚さより厚く、すなわち、流路３２の断面積が小さい領域を囲む部分の管壁の厚さｄ_１は、流路３２の断面積が大きい領域を囲む部分の管壁の厚さｄ_２よりも厚くなっている。さらに言い換えると、流路３２が第１領域３２３を有している場合、流路３２の延在方向に平行かつ一端２２１に垂直な断面において、対向領域３２１と一端２２１の間に位置する配管３０の管壁の厚さｄ_１は、第１領域３２３の一端２２１側の配管３０の管壁の厚さｄ_２よりも厚くなっている。こうすることにより、熱電変換素子２２の一端２２１と対向する部分の、管壁の配管３０の延在方向における熱抵抗を下げることができ、配管３０の延在方向に広い範囲から、熱電変換素子２２の一端２２１に集熱することができる。

なお、本図では熱電変換装置１０が複数の熱電変換モジュール２０を備える例を示しているが、熱電変換装置１０は熱電変換モジュール２０を一つのみ備えていても良い。また、本図では配管３０を挟んで対向する複数の熱電変換モジュール２０を熱電変換装置１０が備える例を示しているが、熱電変換装置１０は、配管３０の延在方向に並ぶ複数の熱電変換モジュール２０を備えていても良い。

図２を参照して熱電変換モジュール２０の構成を詳しく説明する。熱電変換モジュール２０において当接部材２４の第１面２４１が配管３０の外面３０１に対向することにより、熱電変換素子２２の高温側の一端２２１が配管３０の外面３０１に対向するようになっている。当接部材２４はたとえばステンレス、銅、アルミ、またはこれらのうち少なくともいずれかの合金である。なお、当接部材２４と外面３０１との間には、熱伝導性を有する他の部材が挟み込まれていてもよい。

本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は、熱電変換素子２２を封止する封止部材２９を備え、当接部材２４は封止部材２９の一部である。封止部材２９は、第１部材２９１および第２部材２９２からなる。第１部材２９１は当接部材２４と、当接部材２４の縁に溶接等で隙間無く接合されたフランジ２９３とを含む。当接部材２４は熱電変換素子２２の側から見て凹部２９６を備え、凹部２９６の底面が当接部材２４の第１面２４１を構成している。言い換えると、当接部材２４は、配管３０側から見て凸部を備え、凸部の上面が当接部材２４の第２面２４２となっている。

当接部材２４の凹部２９６内に熱電変換素子２２が配置され、凹部２９６の開口が第２部材２９２に覆われることによって、封止部材２９の内部に熱電変換素子２２が封止されている。本図に示す例において、第１部材２９１のフランジ２９３と第２部材２９２はガスケット２９４を挟んでボルト２９５で互いに接合されており、封止部材２９の内部は密封されている。そして、封止部材２９の内部は排気管２６から真空ポンプ等で排気されることによって、たとえば減圧状態（大気圧未満）になっている。熱電変換素子２２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、封止部材２９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。なお、本図において便宜上、熱電変換素子２２と排気管２６を同一断面に描いているが、封止部材２９内の排気管２６の開口は、熱電変換素子２２の一端２２１に垂直な方向から見て、熱電変換素子２２および熱伝導部材２５とは重ならない位置にある。具体的には、熱伝導部材２５は、熱電変換素子２２の一端２２１に垂直な方向から見て、熱電変換素子２２とは重ならない位置に切り欠きを有する。そして、その切り欠きに重なるよう排気管２６の開口が位置する。したがって、排気管２６の開口は熱伝導部材２５にふさがれることがなく、排気管２６を通じて封止部材２９内を排気できる。

また、熱電変換素子２２の電極は詳しく後述するように、第１配線２６１および第２配線２６２に電気的に接続されている。そして、第１配線２６１および第２配線２６２は導入管２３を通って熱電変換モジュール２０の外部に引き出される。

熱電変換装置１０において、第２部材２９２は冷却手段２１によって冷却される。また、封止部材２９の内部において、熱電変換素子２２と第２部材２９２との間には熱伝導部材２５が設けられている。熱伝導部材２５は第２部材２９２を介し、冷却手段２１によって冷却される。熱伝導部材２５と第２部材２９２との間には、両者の間の密着性および熱伝導性を向上させるために、図示しないカーボンシートおよび熱伝導グリースの少なくとも一方が介在されていても良い。そして、熱電変換素子２２の他端２２２は熱伝導部材２５により冷却され、一端２２１と他端２２２との間に温度差が生じる。熱伝導部材２５はたとえば銅等の金属板である。なお、熱伝導部材２５は、スペーサーとしても機能しうる。すなわち、封止部材２９の内部に熱伝導部材２５が備えられていることにより、封止部材２９の厚みをある程度確保することができ、封止部材２９の熱変形が各部材間の熱伝達に及ぼす影響を緩和することができる。本図の例において、熱伝導部材２５は固定部材２５１によって第１部材２９１に固定されている。固定部材２５１は断熱性を有し、たとえば多孔質体であり、たとえばアルミナ（酸化アルミニウム）や石膏である。固定部材２５１は円筒状をしており、第１部材２９１と熱伝導部材２５の間に嵌め込まれている。ただし、熱電変換モジュール２０は熱伝導部材２５を備えていなくてもよく、その場合、熱電変換素子２２の他端２２２は後述する絶縁部材２８を介して第２部材２９２上に配置される。

冷却手段２１は第２部材２９２を冷却できるものであれば特に限定されないが、たとえば水冷板であり、その内部を冷却媒体が循環することにより低温に保たれる。冷却手段２１には冷却媒体用配管２１１が接続されており、冷却媒体用配管２１１を通して冷却媒体の供給および排出が行われる。冷却手段２１の内部に設けられた配管（不図示）に冷却媒体が流されている。冷却媒体は、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）である。

熱電変換モジュール２０は、支持部材２７により当接部材２４の第２面２４２が配管３０の外面３０１に押しつけられるように固定されている。

図１に戻り、当接部材２４について詳しく説明する。当接部材２４は熱電変換素子２２の一端２２１全体を覆っている。当接部材２４は、熱電変換素子２２の一端２２１に第１面２４１が対向する。当接部材２４のうち第１面２４１とは反対側の第２面２４２は、配管３０の外面３０１に対向している。すなわち、熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、当接部材２４を通して熱電変換素子２２の一端２２１に伝達する。したがって効率良く熱電変換を行うためには、流路３２を通る流体の流速は、当接部材２４と対向する領域において速くなっていることが好ましい。なお本図の例では、第２面２４２は配管３０の外面３０１と接している。

流路３２を通る流体の流速が、当接部材２４と対向する領域において速くなっている例としては、以下のような例が挙げられる。第１例では流路３２が、当接部材２４と対向する領域の少なくとも一部において、流体の流速が２ｍ／ｓｅｃ以上となるような断面積を有している。言い換えると、第２例では、流路３２を流れる流体の流量をｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）としたとき、流路３２の断面積は、当接部材２４と対向する領域の少なくとも一部において、たとえばｄ／１２０（ｍ^２）以下である。また、第３例では、流路３２は、当接部材２４と対向する領域と、当接部材２４と対向しない領域とを含み、当接部材２４と対向しない領域は、対向する領域の流路３２の最大断面積よりも大きな流路３２の断面積を有する領域を含む。

図４を用いて、流路３２内の流体の流速と、熱電変換モジュール２０の熱収集効率との関係について説明する。本図では、位置ｘにおける流速を右向き矢印の長さで表している。本図の様に、管の中に流体が流入した場合、管の内部では内表面４０１から離れるに従い、流速が増し飽和していく。そして流体は管の内表面４０１から離れる方向（本図中ｙ方向）に向かって温度勾配を生じる。そして管の表面には温度境界層が形成される。温度境界層とは、管の内表面から、流体の温度が一定になるまでの間の、温度勾配が生じている層をいう。本図において、温度境界層の端を破線で示している。

流体と管との間の熱伝達率は、流体の熱伝導率を温度境界層の厚さで除した値にほぼ等しくなる。したがって、温度境界層の厚さが薄いほど、流体から管へ熱が良く伝わるといえる。ここで、温度境界層の厚さをδ、相似変数をｋ、流体の動粘度をｖ、管の端部からの距離をｘ、温度境界層の外側での流速μ_∞としたとき、δ＝ｋ（ｖｘ／μ_∞）^１／２が成り立つ。すなわち、温度境界層の厚さは、管の入り口から離れる（本図中、原点Ｏからｘ方向）に従い厚くなり飽和していく。そして、上記したδ＝ｋ（ｖｘ／μ_∞）^１／２の関係から、流速μ_∞を高め、１／√μ_∞の値を小さくすることにより、温度境界層の厚さを薄くし、流体と管との間の熱伝達率を高めることができると分かる。

図５は、μ_∞と１／√μ_∞の関係を示す図である。本図に示す通り、１／√μ_∞の値は、μ_∞が２ｍ／ｓｅｃ以上の領域において特に小さくなり、５ｍ／ｓｅｃ以上でほぼ飽和することが分かる。

本実施形態に係る熱電変換装置１０では、流路３２を通る流体の流速は、対向領域３２１において速くなっている。すなわち、流速μ_∞を高め、温度境界層の厚さを薄くし、流体と管との間の熱伝達率を高めることができる。よって、熱電変換装置１０は効率よく熱流体の熱エネルギーを変換し、電気エネルギーとして取り出すことができる。

図６は、複数の異なる流速において、ガス温度とモジュール温度との関係を測定した結果を示す図である。測定は以下の様に行った。まず、流路の断面が２７ｍｍ×７５ｍｍの角型であるステンレスパイプの外面に後述するような熱電変換モジュールを設置した。そして、ヒートガンを用いて３７０℃以下のガスをステンレスパイプ内の流路に通した。流路内のガス温度は、ステンレスパイプの入り口からの距離が異なる四点で測定した平均値とした。そして、熱電変換モジュールの高温側の温度（当接部材２４の第２面２４２の温度に相当）をモジュール温度として測定した。ここで、流路に流すガスの流速を０．８４ｍ／ｓｅｃ、１．１７ｍ／ｓｅｃ、および２．０７ｍ／ｓｅｃとし、それぞれで測定を行った。

本図に示す結果から、流速を速くすることにより、流体から熱電変換モジュールへの熱伝達効率が向上することが確かめられた。

図７は、熱電変換素子２２を拡大して示した断面図である。本実施形態に係る熱電変換素子２２は、ｎ型熱電変換半導体２２３、ｐ型熱電変換半導体２２４、第１電極２２５、および第２電極２２６を備える。なお、以下では、熱電変換素子２２がｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４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２２は、ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４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２２１が高温側、他端２２２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２２１と他端２２２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２２１に伝えると共に、他端２２２を効率良く冷却し、一端２２１と他端２２２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２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４は当接部材２４の第１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２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４は平面視で、すなわち第１面２４１について垂直上方向から見て（本図中で上から下方向を見て）、格子状に配列されている。

図８は、ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４の配列の例を示す図である。本図中、ｎ型熱電変換半導体２２３を白の四角形で表し、ｐ型熱電変換半導体２２４を黒の四角形で表す。ただし、熱電変換素子２２に含まれるｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４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７に戻り、本実施形態に係る熱電変換素子２２において、複数の第１電極２２５は熱電変換素子２２の一端２２１側に設けられ、複数の第２電極２２６は熱電変換素子２２の他端２２２側に設けられている。ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４はそれぞれ、その一端が第１電極２２５、他端が第２電極２２６に接合されている。そして、第１電極２２５および第２電極２２６は、隣り合うｎ型熱電変換半導体２２３とｐ型熱電変換半導体２２４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２２３とｐ型熱電変換半導体２２４は、第１電極２２５および第２電極２２６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２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４のうち、電気的な両端を成す第２電極２２６ａ，２２６ｂには、それぞれ第１配線２６１および第２配線２６２が接続されている。すなわち、本図の例では、ｎ型熱電変換半導体２２３、ｐ型熱電変換半導体２２４、第１電極２２５、および第２電極２２６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２２６ａが、他方の端部を第２電極２２６ｂが構成している。第２電極２２６ａおよび第２電極２２６ｂ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２２６ａおよび第２電極２２６ｂにはそれぞれ第１配線２６１および第２配線２６２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２２５であってもよい。

第１配線２６１および第２配線２６２はそれぞれ熱伝導部材２５を貫通して設けられた導入端子２２７および図１に示した導入管２３を介して封止部材２９の外部に導出される。なお、導入端子２２７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２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４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２２５および第２電極２２６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２２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モジュール２０は、絶縁部材２８をさらに備える。絶縁部材２８は、絶縁性と、たとえば配管３０よりも高い熱伝導率を有する部材である。絶縁部材２８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２８は熱電変換素子２２の一端２２１と凹部２９６の底面である第１面２４１との間、および熱電変換素子２２の他端２２２と熱伝導部材２５との間に設けられる。熱電変換モジュール２０が絶縁部材２８を備えることにより、熱電変換素子２２と当接部材２４および熱伝導部材２５とを電気的に絶縁し、熱電変換素子２２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２８は熱電変換素子２２の一端２２１または他端２２２と接して設けられている。

なお、熱電変換モジュール２０は、高温側の絶縁部材２８と当接部材２４の間や低温側の絶縁部材２８と熱伝導部材２５の間に、密着性および熱伝導性を向上させるために、カーボンシートや高熱伝導性ゴムシート等の弾性部材および熱伝導グリースの少なくとも一方をさらに備えていてもよい。

なお、図１では対向領域３２１の流路３２の断面積が一定である例を示したが、対向領域３２１は互いに流路３２の断面積が異なる複数の領域を含んでいてもよい。たとえば上流側から下流側に向けて段階的に流路３２の断面積を狭めることにより、配管３０の内面での流体の流速を段階的に速めることができる。流体の温度が下流側になるにつれて低下するのに対して、このように流速を変化させることにより、熱電変換素子２２での集熱量を一端２２１の面内で均一化させることができる。ひいては、熱電変換素子２２の長寿命化を図ることができる。

また、図１では、熱電変換装置１０が流路３２の内側に突き出たフィンを備えていない例を示したが、熱電変換装置１０はそのようなフィンを備えていても良い。ただし、フィンを備えないことで、流路３２内の流体の流れをスムーズにし、流速を高めやすくすることができる。

次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、熱電変換モジュール２０に対向する領域において、流体の流速を速くすることによって、流路３２の内面に生じる温度境界層を薄くすることができる。よって、流体から熱電変換素子２２への熱伝達効率を高め、熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる。

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。

１０ 熱電変換装置
２０ 熱電変換モジュール
２１ 冷却手段
２２ 熱電変換素子
２３ 導入管
２４ 当接部材
２５ 熱伝導部材
２６ 排気管
２７ 支持部材
２８ 絶縁部材
２９ 封止部材
３０，３０ａ，３０ｂ 配管
３２ 流路
２１１ 冷却媒体用配管
２２１ 一端
２２２ 他端
２２３ ｎ型熱電変換半導体
２２４ ｐ型熱電変換半導体
２２５ 第１電極
２２６ 第２電極
２２７ 導入端子
２４１ 第１面
２４２ 第２面
２５１ 固定部材
２６１ 第１配線
２６２ 第２配線
２９１ 第１部材
２９２ 第２部材
２９３ フランジ
２９４ ガスケット
２９５ ボルト
２９６ 凹部
３０１ 外面
３２１ 対向領域
３２２ 非対向領域
３２３ 第１領域
４０１ 内表面

Claims (14)

1. 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、
   熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
   前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
   前記流路は、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、前記熱流体の流速が２ｍ／ｓｅｃ以上となるような断面積を有している熱電変換装置。
2. 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、
   熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
   前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
   前記流路を流れる前記熱流体の流量をｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）としたとき、
   前記流路の断面積は、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、ｄ／１２０（ｍ^２）以下である熱電変換装置。
3. 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、
   熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
   前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
   前記流路は、前記一端と対向する対向領域と、前記一端と対向しない非対向領域とを含み、
   前記非対向領域は、前記対向領域の前記流路の最大断面積よりも大きな前記流路の断面積を有する第１領域を含む熱電変換装置。
4. 請求項３に記載の熱電変換装置において、
   前記流路は、前記対向領域よりも前記流路の上流側に前記第１領域を有する熱電変換装置。
5. 請求項３または４に記載の熱電変換装置において、
   前記流路の延在方向に平行かつ前記一端に垂直な断面において、前記対向領域と前記一端の間に位置する前記配管の管壁の厚さは、前記第１領域の前記一端側の前記配管の管壁の厚さよりも厚い熱電変換装置。
6. 請求項３から５のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記流路は、前記対向領域の少なくとも一部において、前記熱流体の流速が２ｍ／ｓｅｃ以上となるような断面積を有している熱電変換装置。
7. 請求項３から６のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記流路を流れる前記熱流体の流量をｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）としたとき、
   前記流路の断面積は、前記対向領域の少なくとも一部において、ｄ／１２０（ｍ^２）以下である熱電変換装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
   前記対向領域における前記流路の幅は１０００ｍｍ以下である熱電変換装置。
9. 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、
   前記対向領域は、互いに前記流路の断面積が異なる複数の領域を含む熱電変換装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
    前記熱流体の熱源は、発動機である熱電変換装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
    前記熱流体はプラントの排気流体である熱電変換装置。
12. 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の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向するよう配置し、
    前記流路内の、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、前記熱流体の流速を２ｍ／ｓｅｃ以上とする熱電変換方法。
13. 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の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向するよう配置し、
    前記流路を流れる前記熱流体の流量がｄ（ｍ^３／ｍｉｎ）であり、
    前記流路の断面積が、前記一端と対向する対向領域の少なくとも一部において、ｄ／１２０（ｍ^２）以下である熱電変換方法。
14. 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の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向するよう配置し、
    前記流路は、前記一端と対向する対向領域と、前記一端と対向しない非対向領域とを含み、
    前記非対向領域は、前記対向領域の前記流路の最大断面積よりも大きな前記流路の断面積を有する第１領域を含む熱電変換方法。

Images