JP2018049886A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】かかる荷重の偏りに起因した熱電変換素子の損傷を抑制する。【解決手段】熱電変換装置１は、高温側と低温側との温度差による熱を電気に変換する複数の熱電変換素子（複数のｎ型熱電変換素子２１および複数のｐ型熱電変換素子２２）を備えた熱電変換部２０と、熱電変換部２０の低温側と対向するように熱電変換部２０を積載する基部１１と、熱電変換部２０の高温側と対向するように熱電変換部２０を覆う蓋部１２と、熱電変換部２０の周縁よりも外側に全周にわたって設けられ、基部１１との間に蓋部１２の鍔部１２３を挟み込む押さえリング１４と、基部１１に蓋部１２の鍔部１２３を介して押さえリング１４を固定することで、基部１１に対して蓋部１２を位置決めし且つ基部１１と蓋部１２との間に熱電変換部２０を位置決めする複数（１２個）のネジ１５とを含む。【選択図】図２

Description

本発明は、熱電変換装置に関する。

従来、トムソン効果、ペルチェ効果あるいはゼーベック効果等の熱電効果を発揮する熱電半導体を用いた熱電変換素子によって、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置が知られている。
この種の熱電変換装置は、例えば温度上昇に起因する熱電変換素子の酸化を抑制するため、気密性を有する容器（筐体）内に熱電変換素子を含む熱電変換部を収容した構成を採用することが多い。

このような熱電変換装置として、多数のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とを直列に接続し且つ２次元マトリックス状に並べてなる熱電変換回路板を、２枚の熱交換板の間に挟み込み、熱電変換回路板の外周よりも外側において、これら２枚の熱交換板の間に全周にわたってＯリングを配置するとともに、これら２枚の熱交換板を、その外縁部や中央部などの複数箇所にて、ボルトによって互いに近づく方向に締め付けて固定したものが知られている。

特開２００２−１４７８８８号公報

しかしながら、熱電変換素子を含む熱電変換部を２つの固定用部材で挟むとともに、これら２つの固定用部材を、複数のボルト等を用いて直接固定する構成を採用した場合には、ボルト等による固定に使用された部位と使用されていない部位とで、固定用部材にかかる力に違いが生じる。すると、２つの固定用部材から熱電変換部に加えられる荷重にばらつきが生じ、大きな荷重が加えられた熱電変換素子に損傷が生じてしまうおそれがあった。
本発明は、かかる荷重の偏りに起因した熱電変換素子の損傷を抑制することを目的とする。

本発明の熱電変換装置は、高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を備えた熱電変換部と、前記熱電変換部の前記低温側を積載する積載部材と、前記積載部材に積載された前記熱電変換部の前記高温側を覆う覆い部材と、前記積載部材に積載された前記熱電変換部の周縁よりも外側に全周にわたって設けられ、前記積載部材との間に前記覆い部材を挟み込む挟み込み部材と、前記積載部材に前記挟み込み部材を固定することで、当該積載部材に対して前記覆い部材を位置決めするとともに、当該積載部材と当該覆い部材との間に前記熱電変換部を挟んで位置決めする位置決め部材とを含んでいる。
このような熱電変換装置において、前記積載部材は、前記熱電変換部を積載する表面と、当該表面の裏側となる裏面と、当該表面と当該裏面との間に位置する側面とを備えており、前記積載部材には、一端が前記表面に設けられるとともに他端が前記側面に設けられ、前記熱電変換部で生じた電流を外部に取り出すための電線が内部を通過する貫通孔と、一端および他端がともに前記側面に設けられ、当該熱電変換部の前記低温側を冷却するための液体が内部を通過する他の貫通孔とが設けられることを特徴とすることができる。
また、前記積載部材に前記貫通孔が複数設けられる場合に、前記積載部材において、複数の前記貫通孔は、前記他の貫通孔からみたときに、当該積載部材の前記側面の一方のみに配置されることを特徴とすることができる。
さらに、前記積載部材と前記覆い部材のうち前記挟み込み部材によって挟み込まれる部位との間に設けられ、弾性を有し且つ当該積載部材と当該覆い部材とに全周にわたって接触することで、当該積載部材と当該覆い部材とによって形成され且つ前記熱電変換部が収容される内部空間の気密性を高める気密部材をさらに含むことを特徴とすることができる。
また、窒化アルミニウムで構成され、前記積載部材と前記熱電変換部の前記低温側との間に配置されることで、当該積載部材と当該熱電変換部とを電気的に絶縁する低温側絶縁部材と、酸化アルミニウムで構成され、前記覆い部材と前記熱電変換部の前記高温側との間に配置されることで、当該覆い部材と当該熱電変換部とを電気的に絶縁する高温側絶縁部材とをさらに含むことを特徴とすることができる。
さらに、前記積載部材がアルミニウム合金で構成され、前記覆い部材および前記挟み込み部材がステンレス合金で構成されることを特徴とすることができる。
そして、前記積載部材において前記熱電変換部が積載される積載面には、積載された当該熱電変換部の周囲を囲う位置に複数の突起部が設けられることを特徴とすることができる。

本発明によれば、かかる荷重の偏りに起因した熱電変換素子の損傷を抑制することができる。

本実施の形態が適用される熱電変換装置の概略構成を示した斜視図である。 図１に示した熱電変換装置の分解斜視図である。 熱電変換装置の内部構成を説明するための断面図である。 熱電変換装置の筐体を構成する基部を上方からみた上面図である。 熱電変換装置を構成する熱電変換部の本体の概略構成を示した斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［熱電変換装置の全体構成］
図１は、本実施の形態が適用される熱電変換装置１の概略構成を示した斜視図である。また、図２は、図１に示した熱電変換装置１の分解斜視図である。さらに、図３は、熱電変換装置１の内部構成を説明するための断面図である。
この熱電変換装置１は、例えば、ゴミ焼却場等において発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる。

この熱電変換装置１は、一方の面が排気ガス等の熱源に接触あるいは対向する高温側となり、その裏側となる他方の面が低温側となる筐体１０と、筐体１０の内部空間に収容されるとともに、筐体１０を介して受けた高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換部２０とを備えている。また、熱電変換装置１は、筐体１０の内部空間に設けられ、筐体１０と熱電変換部２０とを電気的に絶縁する絶縁部３０と、筐体１０から絶縁部３０を介して熱電変換部２０に熱（高温および低温）を伝達する伝熱部４０とをさらに備えている。

では、熱電変換装置１を構成する各部の構成について説明を行う。
［筐体の構成］
最初に、筐体１０の構成について説明を行う。
図４は、熱電変換装置１の筐体１０を構成する基部１１を上方からみた上面図である。以下では、図１〜図３に加えて、図４も参照しながら説明を行う。なお、図４においては、後述するネジ穴１１１および突起部１１２の記載を省略するとともに、基部１１上に積載される熱電変換部２０を、一点鎖線で示している。

筐体１０は、円板形状を呈し且つその表面１１ａ側に熱電変換部２０を積載する基部１１と、カンカン帽（英語表記：straw boater hat）状の形状を呈し且つ基部１１に積載された熱電変換部２０を覆う蓋部１２とを備えている。

また、筐体１０は、熱電変換部２０の周縁よりも外側において基部１１と蓋部１２との間に配置され、基部１１と蓋部１２との間に形成される内部空間の気密性を高める気密リング１３と、蓋部１２の上方から基部１１の表面１１ａに向けて蓋部１２を押さえつける押さえリング１４とを備えている。さらに、筐体１０は、基部１１と押さえリング１４との間に蓋部１２の鍔部１２３（詳細は後述する）を介在させた状態で、基部１１に対し押さえリング１４をネジ止めすることで、基部１１に対する蓋部１２の位置決め固定と、基部１１および蓋部１２に対する熱電変換部２０の位置決め固定とを行う、複数（この例では１２個）のネジ１５とを備えている。

そして、この熱電変換装置１は、筐体１０の蓋部１２側が熱源側（高温側）に位置し、基部１１側が熱源とは反対側（低温側）に位置するように設置される。したがって、この熱電変換装置１に設けられる熱電変換部２０は、基部１１と対向する側が低温側となり、蓋部１２と対向する側が高温側となる。

（基部）
積載部材の一例としての基部１１は、円形状を呈し且つ表裏関係を有する表面１１ａおよび裏面１１ｂと、円筒状を呈し且つ表面１１ａおよび裏面１１ｂの間に位置する側面１１ｃとを有している。そして、上述したように、基部１１の表面１１ａ側に熱電変換部２０が積載される。

本実施の形態の基部１１は、熱伝導性の高い材料で構成される。この例において、基部１１は、熱伝導性の高い金属材料のうち、密度が低いことで軽量化が可能なアルミニウム合金によって構成されている。

基部１１の周縁側には、表面１１ａから裏面１１ｂ側に向かって掘り込まれ、それぞれにネジ１５がねじ込まれるネジ穴１１１が、周方向に等間隔で１２箇所に設けられている。

また、基部１１の表面１１ａにおいて、複数のネジ穴１１１よりも中央側には、図中上方すなわち蓋部１２に向かって突出する６個の突起部１１２が設けられている。これら６個の突起部１１２は、それぞれが円柱形状を呈しており、基部１１の表面１１ａにおいて、六角形の各頂点に位置している。

さらに、基部１１には、一端および他端が側面１１ｃに露出するとともに、基部１１の内部を、熱電変換部２０の取り付け位置の下方を通過するように直線状に貫通する直線貫通孔１１３が設けられている。ここで、貫通孔の一例としての直線貫通孔１１３の両端部内側には、それぞれ雌ねじが切られている。

さらにまた、基部１１には、一端が側面１１ｃに露出するとともに他端が表面１１ａに露出し、基部１１の内部をＬ字状に貫通する第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５が設けられている。ここで、他の貫通孔の一例としての第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５の側面１１ｃ側の端部内側には、それぞれ雌ねじが切られている。また、第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５の表面１１ａ側の端部は、複数のネジ穴１１１よりも中央側であって熱電変換部２０の取り付け位置よりも外側に位置している。

また、基部１１には、一端が側面１１ｃに露出するとともに、他端が直線貫通孔１１３の手前であって熱電変換部２０の取り付け部位の下方まで到達する非貫通孔１１６が設けられている。

なお、基部１１の内部において、直線貫通孔１１３と、第１屈曲貫通孔１１４と、第２屈曲貫通孔１１５と、非貫通孔１１６とは、互いに繋がらないようになっている。また、本実施の形態では、直線貫通孔１１３、第１屈曲貫通孔１１４、第２屈曲貫通孔１１５および非貫通孔１１６と、１２個のネジ穴１１１とは、互いに繋がらないようになっている。

本実施の形態の基部１１では、直線貫通孔１１３を基準としてみたときに、第１屈曲貫通孔１１４、第２屈曲貫通孔１１５および非貫通孔１１６が、一方の側（図４における下側）にまとめて配置されている。逆の観点からみれば、基部１１において、直線貫通孔１１３を基準としてみたときに、他方の側（図４における上側）には、側面１１ｃに露出する孔が設けられていないことになる。

そして、熱電変換装置１は、基部１１の側面１１ｃに設けられた直線貫通孔１１３の両端部に、ねじ込みによって取り付けられた２つの水路用継手１６を備えている。また、熱電変換装置１は、基部１１の側面１１ｃに設けられた第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５の各一端部に、ねじ込みによって取り付けられた２つの電流出力端子１７を備えている。なお、非貫通孔１１６には、熱電変換装置１を使用する際に、温度測定用の熱電対（図示せず）が挿入される。

（蓋部）
覆い部材の一例としての蓋部１２は、円板形状を呈し且つ基部１１の表面１１ａの中央部と対向する天井部１２１と、円筒形状を呈し且つ天井部１２１の周縁から基部１１側に向かって伸びる側壁部１２２と、円環形状を呈し且つ側壁部１２２の基部１１側の端部から外周側に向かって伸びる鍔部１２３とを有している。そして、天井部１２１と側壁部１２２とによって形成される空間の内側に、基部１１の表面１１ａに形成された６個の突起部１１２と、これら６個の突起部１１２の内側に配置された熱電変換部２０とが位置する。

本実施の形態の蓋部１２は、高温環境に晒されることから、耐熱性が高い材料で構成される。熱電変換装置１の用途等によっても異なるが、本実施の形態の場合、高温側に位置する蓋部１２の天井部１２１は、最高で８００℃程度まで加熱される場合がある。この例において、蓋部１２は、耐熱性の高い金属材料のうち、耐腐食性を有するステンレス合金によって構成されている。

ここで、蓋部１２における鍔部１２３の外径は、基部１１の外径よりも小さく設定される。より具体的に説明すると、蓋部１２に設けられた鍔部１２３の周縁が、基部１１の周縁側に設けられた複数のネジ穴１１１よりも内側に位置するように、鍔部１２３の外径が定められている。

また、蓋部１２における側壁部１２２の内径は、気密リング１３の内径よりも小さく、且つ、その内部に収容される熱電変換部２０、絶縁部３０および伝熱部４０の各外径よりも大きく設定される。

（気密リング）
気密部材の一例としての気密リング１３は、円環形状を呈している。そして、気密リング１３は、基部１１の表面１１ａにおける複数のネジ穴１１１よりも内側であって、蓋部１２における鍔部１２３の下面と対向する位置に配置される。そして、気密リング１３の断面は、長方形状を呈するようになっている。

本実施の形態の気密リング１３は、弾性を有する材料で構成される。この例において、気密リング１３は、弾性を有する樹脂材料あるいはゴム材料のうち、比較的耐熱性が高いポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）によって構成されている。そして、この気密リング１３は、ポリテトラフルオロエチレン製のシートを円環状に打ち抜くことによって作製されている。気密リング１３を構成する材料は、上記ポリテトラフルオロエチレン以外にも耐熱性が高い材料であればよく、フッ素ゴムを用いてもよい。

ここで、気密リング１３の内径は、蓋部１２の鍔部１２３の内径よりも大きい。また、気密リング１３の外径は、蓋部１２の鍔部１２３の外径よりも小さい。

（押さえリング）
挟み込み部材の一例としての押さえリング１４は、円環形状を呈している。そして、押さえリング１４は、蓋部１２の鍔部１２３の上面と対向する位置に配置される。

本実施の形態の押さえリング１４は、耐熱性の高い材料で構成される。この例において、押さえリング１４は、ステンレス合金によって構成されている。

この押さえリング１４の内径は、蓋部１２に設けられた側壁部１２２の外径よりも大きく、鍔部１２３の外径よりも小さい。また、この押さえリング１４の外径は、基部１１の外径とほぼ同じである。

そして、この押さえリング１４には、上面から下面を貫通する開口部１４１が、周方向に等間隔で１２箇所に設けられている。ここで、押さえリング１４に設けられた１２個の開口部１４１は、基部１１に設けられた１２個のネジ穴１１１と、それぞれが重なる位置関係にある。

（ネジ）
位置決め部材の一例としての１２個のネジ１５は、それぞれが押さえリング１４に設けられた開口部１４１を介して、基部１１に設けられたネジ穴１１１にねじ込まれている。
本実施の形態のネジ１５は、例えばステンレス合金で構成されている。

（水路用継手）
２つの水路用継手１６は、それぞれ、外周面に雄ねじとナット部とが形成され、内側には貫通孔が形成された、中空状の部材である。この水路用継手１６は、金属材料で構成されており、それぞれの一端側に設けられた雄ねじが、基部１１の側面１１ｃに設けられた直線貫通孔１１３の雌ねじにねじ込まれて固定されている。そして、熱電変換装置１を使用する際、基部１１に設けられた直線貫通孔１１３には、２つの水路用継手１６を介して、熱電変換部２０の低温側を冷却するための水（冷却水）が供給されるようになっている。

（電流出力端子）
２つの電流出力端子１７は、それぞれ、外周面に雄ねじとナット部とが形成されるとともに内側には貫通孔が形成され、この貫通孔の内部には、絶縁性を有し且つゴム等の弾性体からなる筒状の弾性部材が配置されてなる部材である。この電流出力端子１７の本体は、金属材料で構成されており、それぞれの一端側に設けられた雄ねじが、基部１１の側面１１ｃに設けられた第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５の雌ねじにねじ込まれて固定されている。そして、これら２つの電流出力端子１７には、熱電変換部２０に設けられた出力電線２５が取り付けられているのであるが、その詳細については後述する。

［絶縁部の構成］
次に、絶縁部３０の構成について説明を行う。
絶縁部３０は、それぞれが長方形状を呈する板材からなる、低温側絶縁部材３１と高温側絶縁部材３２とを備えている。これらのうち、低温側絶縁部材３１は、基部１１の表面１１ａと熱電変換部２０の低温側との間に配置される。一方、高温側絶縁部材３２は、熱電変換部２０の高温側と蓋部１２の天井部１２１との間に配置される。

低温側絶縁部材３１は、窒化アルミニウムで構成されている。
そして、本実施の形態の低温側絶縁部材３１は、熱電変換部２０よりもわずかに大きいサイズに設定されている。ただし、低温側絶縁部材３１のサイズは、基部１１の表面１１ａに設けられた６個の突起部１１２で囲まれた領域よりもわずかに小さくなるように設定されている。ここで、低温側絶縁部材３１の一辺の長さは、熱電変換部２０よりも１ｍｍ〜５ｍｍ長いことが望ましい。上記範囲であれば、熱電変換部２０の位置がずれた場合にも、短絡を防止することができる。

これに対し、高温側絶縁部材３２は、低温側絶縁部材３１とは異なる、酸化アルミニウム（アルミナ）で構成されている。
そして、本実施の形態の高温側絶縁部材３２は、熱電変換部２０よりもわずかに大きいサイズに設定されており、高温側絶縁部材３２の一辺の長さは、熱電変換部２０よりも１ｍｍ〜５ｍｍ長いことが望ましい。

［伝熱部の構成］
続いて、伝熱部４０の構成について説明を行う。
伝熱部４０は、それぞれが長方形状を呈する布材からなる、低温側伝熱部材４１と高温側伝熱部材４２とを備えている。これらのうち、低温側伝熱部材４１は、基部１１の表面１１ａと熱電変換部２０の低温側との間に配置される。一方、高温側伝熱部材４２は、熱電変換部２０の高温側と蓋部１２の天井部１２１との間に配置される。

これら低温側伝熱部材４１および高温側伝熱部材４２は、ともに、高い熱伝導性を有する炭素製の糸を織り合わせてなるグラファイトシートで構成されている。
そして、本実施の形態の低温側伝熱部材４１および高温側伝熱部材４２は、上記低温側絶縁部材３１および高温側絶縁部材３２と同じサイズに設定されている。
また、本実施の形態の伝熱部４０は、絶縁部３０よりもわずかに大きいサイズに設定することが望ましく、伝熱部４０の一辺の長さは、絶縁部３０よりも１ｍｍ〜５ｍｍ長いことが望ましい。上記範囲であれば、絶縁部３０と伝熱部４０との接触面積を確保し、絶縁部３０を介して熱電変換部２０へ十分な熱を伝えることができる。

このように、本実施の形態の熱電変換装置１では、基部１１と蓋部１２との間の内部空間において、基部１１側から、低温側伝熱部材４１、低温側絶縁部材３１、熱電変換部２０、高温側絶縁部材３２、高温側伝熱部材４２そして蓋部１２（天井部１２１）の順で、各部材が配置されていることになる。

［熱電変換部の構成］
さらに、熱電変換部２０の構成について説明を行う。
図５は、熱電変換装置１を構成する熱電変換部２０の本体の概略構成を示した斜視図である。ただし、図５には、熱電変換部２０を挟んで設けられる絶縁部３０（低温側絶縁部材３１および高温側絶縁部材３２）を、併せて示している。以下では、図１〜図４に加えて、図５も参照しながら説明を行う。

本実施の形態の熱電変換部２０は、複数のｎ型熱電変換素子２１と複数のｐ型熱電変換素子２２とを有している。また、熱電変換部２０は、ｎ型熱電変換素子２１とｐ型熱電変換素子２２とを交互に接続する、低温側絶縁部材３１側に設けられた低温側電極２３と、高温側絶縁部材３２側に設けられた高温側電極２４とを備えている。さらに、熱電変換部２０は、低温側電極２３を構成する第１取出電極２３１に一端が接続された第１出力電線２５１と、低温側電極２３を構成する第２取出電極２３２に一端が接続された第２出力電線２５２とを含む出力電線２５を備えている。

本実施の形態において、熱電変換素子の一例としてのｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２は、それぞれが直方体状を呈している。また、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２は、それぞれ、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体によって構成されている。なお、ｎ型熱電変換素子２１と対応する低温側電極２３または高温側電極２４との間、および、ｐ型熱電変換素子２２と対応する低温側電極２３または高温側電極２４との間には、必要に応じて、これらの間にかかる応力を緩和する応力緩和層を設けることができる。ここで、本実施の形態の熱電変換装置１では、低温側電極２３が低温側絶縁部材３１と接触し、高温側電極２４が高温側絶縁部材３２と接触する。

本実施の形態の熱電変換部２０において、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２は、格子状に並べられている。そして、ｎ型熱電変換素子２１とｐ型熱電変換素子２２とが交互となるように、複数の低温側電極２３と複数の高温側電極２４とを介して、直列に接続されている。この例では、直列接続されるｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２のうち、一端に位置するｎ型熱電変換素子２１に、低温側電極２３を構成する第１取出電極２３１が接続されており、他端に位置するｐ型熱電変換素子２２に、低温側電極２３を構成する第２取出電極２３２が接続されている。そして、第１取出電極２３１には第１出力電線２５１の一端が、第２取出電極２３２には第２出力電線２５２の一端が、それぞれ接続されている。

ここで、出力電線２５を構成する第１出力電線２５１および第２出力電線２５２は、それぞれ、銅の単線からなる導体部に、ポリアミドからなる絶縁層を被覆して構成されている。そして、第１出力電線２５１の他端は、基部１１に設けられた第１屈曲貫通孔１１４および第１屈曲貫通孔１１４に取り付けられた電流出力端子１７を介して、熱電変換装置１の外部に露出している。また、第２出力電線２５２の他端は、基部１１に設けられた第２屈曲貫通孔１１５および第２屈曲貫通孔１１５に取り付けられた電流出力端子１７を介して、熱電変換装置１の外部に露出している。

［熱電変換装置における電気的な接続］
ここで、本実施の形態の熱電変換装置１における電気的な接続について説明を行う。
まず、筐体１０では、基部１１と蓋部１２とが、押さえリング１４および１２個のネジ１５とを介して電気的に接続されている。また、基部１１と熱電変換部２０の本体とは、低温側絶縁部材３１を介して電気的に絶縁されている。さらに、蓋部１２と熱電変換部２０の本体とは、高温側絶縁部材３２を介して電気的に絶縁されている。さらにまた、基部１１と出力電線２５（第１出力電線２５１および第２出力電線２５２）とは、第１出力電線２５１および第２出力電線２５２のそれぞれに設けられた絶縁層と各電流出力端子１７の内部に設けられた弾性部材（絶縁体）とを介して電気的に絶縁されている。
この結果、熱電変換装置１では、筐体１０と出力電線２５を含む熱電変換部２０とが、電気的に絶縁される。

［熱電変換装置の気密性］
続いて、本実施の形態の熱電変換装置１の気密性について説明を行う。
まず、筐体１０では、基部１１の表面１１ａと蓋部１２の鍔部１２３との間に、一周にわたって気密リング１３が挟み込まれており、この状態で、押さえリング１４と１２個のネジ１５とを用いて、基部１１に蓋部１２を押さえ付けている。これに伴い、気密リング１３が弾性変形し、気密リング１３を介して基部１１と蓋部１２とが密着する。

また、基部１１では、表面１１ａと側面１１ｃとを貫通する第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５のそれぞれに電流出力端子１７が取り付けられており、各電流出力端子１７の内部に設けられた筒状の弾性部材を、第１出力電線２５１、第２出力電線２５２が貫通している。ここで、本実施の形態では、第１出力電線２５１、第２出力電線２５２の導体部が撚り線ではなく単線で構成されており、また、第１出力電線２５１、第２出力電線２５２の絶縁層が、弾性部材の内壁に密着している。
この結果、熱電変換装置１では、筐体１０の内部に形成され、熱電変換部２０が収容される内部空間の気密性が保たれる。なお、この内部空間には、常温において１気圧を示すＡｒ（アルゴン）が充填されている。

［熱電変換装置の組立手順］
今度は、本実施の形態の熱電変換装置１の組立手順について説明を行う。
なお、以下に説明する各種作業は、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気中で行われる。

まず、基部１１の第１屈曲貫通孔１１４に、第１出力電線２５１を貫通させる。続いて、基部１１の側面１１ｃから突出する第１出力電線２５１の一端側を、電流出力端子１７に挿入する。そして、第１出力電線２５１が挿入された電流出力端子１７を、基部１１の側面１１ｃに露出する第１屈曲貫通孔１１４の開口部にねじ込む。

また、基部１１の第２屈曲貫通孔１１５に、第２出力電線２５２を貫通させる。続いて、基部１１の側面１１ｃから突出する第２出力電線２５２の一端側を、電流出力端子１７に挿入する。そして、第２出力電線２５２が挿入された電流出力端子１７を、基部１１の側面１１ｃに露出する第２屈曲貫通孔１１５の開口部にねじ込む。

次に、基部１１の表面１１ａのうち、６個の突起部１１２によって囲まれた領域の内側に、低温側伝熱部材４１を積載する。次いで、低温側伝熱部材４１の上に、低温側絶縁部材３１を積載する。それから、低温側絶縁部材３１の上に、低温側電極２３側が低温側絶縁部材３１と接触するように、熱電変換部２０を積載する。

続いて、熱電変換部２０に設けられた第１取出電極２３１と、基部１１の表面１１ａから突出する第１出力電線２５１の他端とを接続する。より具体的に説明すると、第１出力電線２５１を第１取出電極２３１で挟んだ状態で、第１取出電極２３１をかしめる。

また、熱電変換部２０に設けられた第２取出電極２３２と、基部１１の表面１１ａから突出する第２出力電線２５２の他端とを接続する。より具体的に説明すると、第２出力電線２５２を第２取出電極２３２で挟んだ状態で、第２取出電極２３２をかしめる。

次に、熱電変換部２０に設けられた高温側電極２４の上に、高温側絶縁部材３２を積載する。次いで、高温側絶縁部材３２の上に、高温側伝熱部材４２を積載する。

その後、基部１１の表面１１ａのうち、１２個のネジ穴１１１によって囲まれた領域の内側に、気密リング１３を積載する。また、熱電変換部２０、絶縁部３０および伝熱部４０の上に天井部１２１が位置し、且つ、気密リング１３の上に鍔部１２３が位置するように、基部１１の表面１１ａ側に、蓋部１２を積載する。

そして、蓋部１２における鍔部１２３の上に、基部１１に設けられた１２個のネジ穴１１１と自身に設けられた１２個の開口部１４１とが重なるように、押さえリング１４を積載する。続いて、押さえリング１４に設けられた各開口部１４１と、基部１１に設けられた各ネジ穴１１１とを、１２個のネジ１５を用いてネジ止めする。

それから、２つの水路用継手１６を、基部１１の側面１１ｃに露出する直線貫通孔１１３の両開口部にねじ込む。
このようにして、図１に示す熱電変換装置１が得られる。

なお、ここでは、２つの水路用継手１６の取り付けを最後に行っていたが、基部１１に対する２つの水路用継手１６の取り付けは、いつ行ってもよい。
また、基部１１に対する２つの電流出力端子１７の取り付けは、基部１１に第１出力電線２５１および第２出力電線２５２が取り付けられた後であれば、いつ行ってもよい。

［熱電変換装置の動作］
では、本実施の形態の熱電変換装置１の動作について説明を行う。
なお、初期状態において、熱電変換装置１の基部１１に設けられた直線貫通孔１１３には、２つの水路用継手１６を介して冷却用の水が流れているものとする。

図示しない熱源によって蓋部１２の天井部１２１の周囲に温度上昇が生じると、蓋部１２から高温側伝熱部材４２および高温側絶縁部材３２を介して、熱電変換部２０の高温側電極２４が加熱される。

一方、直線貫通孔１１３内を流れる水によって基部１１に温度低下が生じると、基部１１から低温側伝熱部材４１および低温側絶縁部材３１を介して、熱電変換部２０の低温側電極２３が冷却される。

その結果、熱電変換部２０の高温側電極２４と低温側電極２３との間に大きな温度差（熱エネルギー）が生じ、熱電変換部２０を構成する各ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２が熱電変換を行うことで、起電力を発生する。そして、熱電変換部２０が発生した起電力は、第１取出電極２３１に接続された第１出力電線２５１と、第２取出電極２３２に接続された第２出力電線２５２とを介して、熱電変換装置１の外部に取り出される。

［まとめ］
この熱電変換装置１では、基部１１の表面１１ａと蓋部１２の鍔部１２３との間に、鍔部１２３の一周にわたって気密リング１３を挟み込んだ状態で、押さえリング１４と１２個のネジ１５とを用いて、基部１１側に蓋部１２の鍔部１２３を押さえ付けることで、基部１１に対して蓋部１２を固定するようにした。すなわち、本実施の形態では、基部１１および蓋部１２を、複数のネジ１５を用いて直接固定するのではなく、押さえリング１４と複数のネジ１５とを用いて間接的に固定するようにした。

このとき、熱電変換装置１において熱電変換部２０が配置される内部空間、すなわち、基部１１の表面１１ａと、蓋部１２の天井部１２１および側壁部１２２の内側と、気密リング１３とによって囲まれる領域では、天井部１２１が、伝熱部４０（低温側伝熱部材４１および高温側伝熱部材４２）と絶縁部３０（低温側絶縁部材３１および高温側絶縁部材３２）とを介して、熱電変換部２０を基部１１の表面１１ａ側に押し付けることになる。

これにより、低温側絶縁部材３１および低温側伝熱部材４１を介した、熱電変換部２０の低温側（低温側電極２３側）と基部１１との密着度を高めることができる。また、高温側絶縁部材３２および高温側伝熱部材４２を介して、熱電変換部２０の高温側（高温側電極２４側）と蓋部１２との密着度を高めることができる。

それゆえ、このような構成を採用することで、熱電変換装置１における熱電変換効率を向上させることが可能となる。

また、本実施の形態の熱電変換装置１では、押さえリング１４を介して基部１１および蓋部１２を位置決め固定する１２個のねじ込み量をそれぞれ変更することで、熱電変換部２０にかかる圧力および圧力分布を調整することができるようにした。
これにより、熱電変換部２０に加えられる荷重および熱電変換部２０を構成する各熱電変換素子（複数のｎ型熱電変換素子２１および複数のｐ型熱電変換素子２２）に加えられる荷重の偏りを抑制することが可能となり、荷重の偏りに起因する熱電変換効率の低下および一部の熱電変換素子の損傷を抑制することが可能になる。

また、この熱電変換装置１では、筐体１０を構成する蓋部１２の天井部１２１を円形状とした。
このため、例えば天井部１２１を多角形状とすることで天井部１２１に角部を設ける構成を採用した場合と比較して、蓋部１２から熱電変換部２０に付与される荷重の偏りをさらに抑制することができる。

また、この熱電変換装置１では、基部１１の表面１１ａと側面１１ｃとを突き抜ける第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５に対し、側面１１ｃ側の開口部に、それぞれ電流出力端子１７を取り付けた。そして、第１屈曲貫通孔１１４および第２屈曲貫通孔１１５を貫通するように設けられた第１出力電線２５１および第２出力電線２５２として、銅の単線に絶縁層を被覆したものを用いることで、各電流出力端子１７と第１出力電線２５１および第２出力電線２５２との接触部位における気密性を高めた。

これにより、熱電変換装置１において熱電変換部２０が配置される内部空間の気密性を高めることができる。そしてこの内部空間にＡｒを充填することにより、温度変化に起因する熱電変換部２０（ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２）の劣化（熱劣化）を抑制することができる。

また、この熱電変換装置１では、熱電変換部２０からみて蓋部１２側に設けられた高温側絶縁部材３２を酸化アルミニウム（アルミナ）で構成し、熱電変換部２０からみて基部１１側に設けられた低温側絶縁部材３１を窒化アルミニウムで構成するようにした。ここで窒化アルミニウムは、酸化アルミニウムに比べて、熱伝導率は高いが高温環境下でのガスの離脱が生じやすく、酸化アルミニウムは、窒化アルミニウムに比べて、熱伝導率は低いが高温環境下でのガスの離脱が生じにくい。

このため、本実施の形態では、絶縁部３０を用いて、筐体１０と熱電変換部２０との間の絶縁性と筐体１０から熱電変換部２０に至る熱伝導性とを確保しつつ、温度上昇に起因する高温側絶縁部材３２からのガスの発生を抑制することができる。その結果、内部空間にＡｒ以外のガス（例えば酸素など）が存在することに起因する、熱電変換部２０（ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２）の劣化（熱劣化）を抑制することができる。

ここで、この熱電変換装置１では、熱電変換部２０と接触する絶縁部３０（低温側絶縁部材３１および高温側絶縁部材３２）として硬いセラミックス材料を用いる一方、絶縁部３０と基部１１あるいは蓋部１２と接触する伝熱部４０（低温側伝熱部材４１および高温側伝熱部材４２）として柔らかいグラファイトシートを用いた。

これにより、柔らかい伝熱部４０が、硬くて脆いセラミックス材料からなる熱電変換部２０および絶縁部３０に対する緩衝層として機能することとなり、これら熱電変換部２０および絶縁部３０の損傷を抑制することができる。

本実施の形態の熱電変換装置１では、周囲の温度の変化に伴って、筐体１０を構成する基部１１および蓋部１２が、熱膨張あるいは熱収縮する。このとき、基部１１の表面１１ａから蓋部１２の天井部１２１の内壁面に至る距離（内部空間の高さ）が変化することがある。

これに対し、本実施の形態の熱電変換装置１では、基部１１の表面１１ａに設けた６個の突起部１１２の内側に、低温側伝熱部材４１、低温側絶縁部材３１および熱電変換部２０を配置するようにした。

これにより、例えば温度変化により内部空間の高さが増加することに伴って、熱電変換部２０に加わる圧力が低下する場合であっても、熱電変換部２０の表面１１ａの面方向への位置ずれを抑制することができる。

また、本実施の形態の熱電変換装置１では、低温側に位置する基部１１の裏面１１ｂが平坦となっているため、冷却用のフィンや金属板等の取り付けが容易なものとなる。

また、この熱電変換装置１では、図１および図５から明らかなように、基部１１の側面１１ｃにおいて、直線貫通孔１１３からみたときに、第１屈曲貫通孔１１４、第２屈曲貫通孔１１５および非貫通孔１１６を、一方の側（図４において下側）に偏倚して配置するようにした。すなわち、基部１１の側面１１ｃにおける他方の側（図４において上側）に、開口部を設けないようにした。
これにより、熱電変換装置１を取り付ける位置の自由度を高めることができる。

［その他］
なお、本実施の形態では、基部１１と蓋部１２とを、押さえリング１４および１２個のネジ１５とを介して電気的に接続していたが、これに限られるものではない。例えば、押さえリング１４およびネジ１５の少なくともいずれか一方を絶縁材料で構成することで、基部１１と蓋部１２とを、電気的に絶縁するようにしてもかまわない。

また、本実施の形態では、１２個のネジ１５を用いていたが、ネジ１５の数はこれに限られない。

さらに、本実施の形態では、熱電変換素子として、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体を用いた場合を例として説明を行ったが、これに限られるものではなく、各種熱電半導体を材料とする熱電変換素子を採用した場合にも適用可能である。

さらにまた、本実施の形態では、基部１１と蓋部１２との間に、１つの熱電変換部２０を配置する場合を例として説明を行ったが、ここに複数の熱電変換部２０を配置してもかまわない。

１…熱電変換装置、１０…筐体、１１…基部、１２…蓋部、１３…気密リング、１４…押さえリング、１５…ネジ、１６…水路用継手、１７…電流出力端子、２０…熱電変換部、２１…ｎ型熱電変換素子、２２…ｐ型熱電変換素子、２３…低温側電極、２４…高温側電極、２５…出力電線、３０…絶縁部、３１…低温側絶縁部材、３２…高温側絶縁部材、４０…伝熱部、４１…低温側伝熱部材、４２…高温側伝熱部材

Claims (7)

1. 高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子を備えた熱電変換部と、
   前記熱電変換部の前記低温側を積載する積載部材と、
   前記積載部材に積載された前記熱電変換部の前記高温側を覆う覆い部材と、
   前記積載部材に積載された前記熱電変換部の周縁よりも外側に全周にわたって設けられ、前記積載部材との間に前記覆い部材を挟み込む挟み込み部材と、
   前記積載部材に前記挟み込み部材を固定することで、当該積載部材に対して前記覆い部材を位置決めするとともに、当該積載部材と当該覆い部材との間に前記熱電変換部を挟んで位置決めする位置決め部材と
   を含む熱電変換装置。
2. 前記積載部材は、前記熱電変換部を積載する表面と、当該表面の裏側となる裏面と、当該表面と当該裏面との間に位置する側面とを備えており、
   前記積載部材には、一端が前記表面に設けられるとともに他端が前記側面に設けられ、前記熱電変換部で生じた電流を外部に取り出すための電線が内部を通過する貫通孔と、一端および他端がともに前記側面に設けられ、当該熱電変換部の前記低温側を冷却するための液体が内部を通過する他の貫通孔とが設けられることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
3. 前記積載部材に前記貫通孔が複数設けられる場合に、
   前記積載部材において、複数の前記貫通孔は、前記他の貫通孔からみたときに、当該積載部材の前記側面の一方のみに配置されることを特徴とする請求項２記載の熱電変換装置。
4. 前記積載部材と前記覆い部材のうち前記挟み込み部材によって挟み込まれる部位との間に設けられ、弾性を有し且つ当該積載部材と当該覆い部材とに全周にわたって接触することで、当該積載部材と当該覆い部材とによって形成され且つ前記熱電変換部が収容される内部空間の気密性を高める気密部材をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱電変換装置。
5. 窒化アルミニウムで構成され、前記積載部材と前記熱電変換部の前記低温側との間に配置されることで、当該積載部材と当該熱電変換部とを電気的に絶縁する低温側絶縁部材と、
   酸化アルミニウムで構成され、前記覆い部材と前記熱電変換部の前記高温側との間に配置されることで、当該覆い部材と当該熱電変換部とを電気的に絶縁する高温側絶縁部材と
   をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱電変換装置。
6. 前記積載部材がアルミニウム合金で構成され、前記覆い部材および前記挟み込み部材がステンレス合金で構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱電変換装置。
7. 前記積載部材において前記熱電変換部が積載される積載面には、積載された当該熱電変換部の周囲を囲う位置に複数の突起部が設けられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の熱電変換装置。

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