JP5498192B2

JP5498192B2 - 熱電気変換装置および熱電気変換方法

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Publication number: JP5498192B2
Application number: JP2010028128A
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Inventors: 治常岡; 成仁近藤; 純唐沢; 美央大村
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Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2010-02-10
Publication date: 2014-05-21
Anticipated expiration: 2030-02-10
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Description

本発明は、熱電気変換素子を用いて温度差により熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電気変換装置および熱電気変換方法に関し、詳しくは熱電気変換モジュールを２個以上備えた熱電気変換装置および熱電気変換方法に関する。

近年、人類のエネルギ消費量は、産業や科学技術の発達に伴い、歴史的に例を見ないほど加速された。その結果、ＣＯ２等の温室効果ガスによる地球温暖化の問題が浮上している。温室効果ガスの発生をできるだけ抑制するために、現在ガス焼却炉や火力プラント等各種産業をはじめとして、自動車等の内燃機関から未利用のまま廃棄されている高温の熱エネルギを、可能な限り電気エネルギとして回収する発電装置の製品化が期待されている。

熱エネルギを電気エネルギとして回収する電気変換装置としては、熱電気変換素子を用いた熱電気変換技術がよく知られている。熱電気変換素子は、金属あるいは半導体の両端に温度差を与えると、高温部と低温部との間に電位差を生じさせるというゼーベック効果を利用したものである。また、熱電気変換素子は、温度差が大きいほど発電量も大きくなる性質を有する。熱電気変換素子は、通常、複数の熱電気変換素子を組み込んだ熱電気変換モジュールという形態で用いられることが多い。

たとえば、特許文献１（特開２００４−１１９８３３号公報）には、内燃機関の排気熱エネルギを電気エネルギに変換することを目的として、熱電気変換モジュールを、バンド等で締付けることにより押圧状態とし、熱電気変換モジュールの高温の面と低温の面とに高温媒体流路と冷却媒体流路をそれぞれ接触させ、熱エネルギを電気エネルギに変換する構成としたものが開示されている。

また、非特許文献１（「熱電変換工学−基礎と応用−」）には、熱源である高温側流体を装置の中心部に備えた伝熱管に流通させ、伝熱管の周囲に複数個の熱電気変換モジュールをボルトおよびナット、またはバンド等でまとめて締め付けることにより、熱電気変換モジュールを伝熱管表面に押圧状態で固定する熱電気変換装置が開示されている。

図２５は、非特許文献１、特許文献２（特開２００９−８８４０８号公報）等に記載された従来の熱電気変換装置５１の一例の縦断面図である。図２５に示すように、従来の熱電気変換装置５１は、配管やダクト等の部材を用いて形成され、排気ガス等が流れる高温側流体流路部２０と、熱電気変換モジュール１０と、水等が流れる低温側流体流路部３０と、が別部材になっている。また、高温側流体流路部２０と、熱電気変換モジュール１０と、低温側流体流路部３０とは、押圧部材５７、５７間に配置され、押圧部材５７、５７をボルト・ナット５８で締め付けられることにより構成される。

熱電気変換装置５１の熱電気変換モジュール１０は、高温側表面部およびその近傍が、２００℃以上の高温で用いられたり、腐食環境で用いられたりする。このため、熱電気変換モジュール１０は、熱電気変換モジュール１０に内蔵される熱電気変換素子等を酸化等の劣化から保護して信頼性を向上させるために、通常、熱電気変換素子等をケース１１中に封止した封止構造になっている。

特開２００４−１１９８３３号公報特開２００９−８８４０８号公報

坂田外、「熱電変換工学−基礎と応用−」、リアライズ社、ｐ.３４９−３６３、（２００１）

しかし、非特許文献１等に記載された従来の熱電気変換装置５１は、熱電気変換モジュール１０等の設置位置やバンドの締め付け具合が充分でないと、高温側流体流路形成部２０と熱電気変換モジュール１０との接触面５９における接触熱抵抗が大きくなり、熱電気変換モジュール１０に内蔵された熱電気変換素子への入熱が低下して、十分な性能を実現できないおそれがあるという問題があった。

また、非特許文献１等に記載された従来の熱電気変換装置５１の熱電気変換モジュール１０を伝熱管の周囲に配置させた場合は、装置全体寸法に対する熱交換量、すなわち熱交換密度を大きくできない上、組立が容易でなく量産化に向かない等の問題があった。このため、たとえば熱電気変換モジュール１０を自動車等内燃機関の排気管に用いる場合、熱電気変換モジュール１０は設置場所の制限を受け、要求される出力を満足する十分な数の熱電気変換モジュール１０を設置することが難しい上、熱電気変換モジュール１０の製作費の低減も困難であるという問題があった。

さらに、非特許文献１等に記載された従来の熱電気変換装置５１の熱電気変換モジュール１０は、別部材である、熱電気変換モジュール１０と、高温側流体流路部２０を構成する部材２５との接触面５９で接触熱抵抗が発生するため、熱電気変換モジュール１０に内蔵された熱電気変換素子への供給熱量が少なくなり、発電性能が低下するという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、熱エネルギから電気エネルギへの効率よい変換を実現し、軽量かつ高性能の発電機能が得られる熱電気変換装置および熱電気変換方法を提供することを目的とする。

本発明は、熱電気変換モジュールの高温側表面部と、隣接する熱電気変換モジュール間を連接する高温側流体流路形成部とで高温側流体流路部を形成して、熱電気変換モジュールを高密度且つ熱抵抗の低い状態で配置することにより、熱電気変換装置における熱エネルギから電気エネルギへの変換効率が向上し、熱電気変換装置が軽量かつ発電性能が高くなり、構造健全性および信頼性、並びに取付けおよびメンテナンス等の作業性にも優れることを見出して完成されたものである。

また、本発明は、熱電気変換モジュールを適正な押圧状態に保持すると、構造健全性および信頼性、並びに取付けおよびメンテナンス等の作業性がより優れることを見出して完成されたものである。

本発明に係る熱電気変換装置は、上記問題点を解決するものであり、高温側表面部と低温側表面部と側面部とで囲まれてなるモジュールケース中に、前記高温側表面部と低温側表面部の間にある温度差を用いて熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子が内蔵された熱電気変換モジュールと、この熱電気変換モジュールの高温側表面部側に設けられる高温側流体流路部と、前記熱電気変換モジュールの低温側表面部側に設けられる低温側流体流路部と、を備えた熱電気変換装置において、前記熱電気変換モジュールを２個以上用い、前記高温側流体流路部は、各熱電気変換モジュールの高温側表面部と、隣接する熱電気変換モジュール間を連接する高温側流体流路形成部とを連接して形成され、前記高温側表面部は、前記高温側流体流路部中を流通する高温側流体に直接接触するように前記高温側流体流路部内に露出し、前記高温側流体流路部内に、前記熱電気変換モジュールの高温側表面部に接触するフィンがさらに設けられ、前記高温側流体流路部を構成する材料の線膨張係数αｍと、前記フィンの線膨張係数αｆとが、下記式（１）
［数１］
αｍ＜αｆ（１）
の関係を満たすことを特徴とする。

また、本発明に係る熱電気変換方法は、上記問題点を解決するものであり、高温側表面部と低温側表面部と側面部とで囲まれてなるモジュールケース中に、前記高温側表面部と低温側表面部の間にある温度差を用いて熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子が内蔵された熱電気変換モジュールと、この熱電気変換モジュールの高温側表面部側に設けられる高温側流体流路部と、前記熱電気変換モジュールの低温側表面部側に設けられる低温側流体流路部と、を備えた熱電気変換装置を用いた熱電気変換方法において、前記熱電気変換装置は、前記熱電気変換モジュールを２個以上用いるとともに、前記高温側流体流路部が、各熱電気変換モジュールの高温側表面部と、隣接する熱電気変換モジュール間を連接する高温側流体流路形成部とを連接して形成されるとともに、前記高温側流体流路部内に、前記熱電気変換モジュールの高温側表面部に接触するフィンがさらに設けられ、前記高温側流体流路部を構成する材料の線膨張係数αｍと、前記フィンの線膨張係数αｆとが、下記式（１）
［数１］
αｍ＜αｆ（１）
の関係を満たし、前記高温側表面部が、前記高温側流体流路部中を流通する高温側流体に直接接触するように前記高温側流体流路部内に露出しているものであり、高温側流体を前記高温側流体流路部に流通させるとともに、低温側流体を前記低温側流体流路部に流通させることを特徴とする。

本発明に係る熱電気変換装置および熱電気変換方法によれば、熱エネルギから電気エネルギへの変換が効率よくなり、熱電気変換装置が軽量かつ発電性能が高くなるとともに、構造健全性および信頼性、並びに取付けおよびメンテナンス等の作業性が優れる。

本発明に係る熱電気変換装置の第１の実施形態の斜視図。図１に示す熱電気変換装置の断面図。熱電気変換モジュールの一例の斜視図。熱電気変換モジュールの他の一例の斜視図。高温側流体流路部の作製工程を説明する図。高温側流体流路部の作製工程を説明する図。図６を高温側流体流路の流路方向からみた図。フィンの一例の断面図。フィンの一例の断面図。熱電気変換装置の変形例の断面図。高温側流体流路形成部の第１の変形例の断面図。高温側流体流路形成部の第２の変形例の断面図。図１２に示した高温側流体流路形成部の変形例の斜視図。図１２に示した高温側流体流路形成部の変形例を用いた熱電気変換装置の変形例の断面図。高温側流体流路形成部の第３の変形例の断面図。高温側流体流路形成部の第４の変形例の断面図。本発明に係る熱電気変換装置の第２の実施形態の斜視図。本発明に係る熱電気変換装置の第３の実施形態の断面図。本発明に係る熱電気変換装置の第３の実施形態の断面図。図１８に示した熱電気変換装置の第３の実施形態の斜視図。本発明に係る熱電気変換装置の第４の実施形態の断面図。本発明に係る熱電気変換装置の第５の実施形態の斜視図。本発明に係る熱電気変換装置の第６の実施形態の斜視図。本発明に係る熱電気変換装置の第７の実施形態の斜視図。従来の熱電気変換装置の断面図。

以下、本発明に係る熱電気変換装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る熱電気変換装置の第１実施形態の斜視図である。図２は、図１に示す熱電気変換装置の断面図である。

図１および図２に示す熱電気変換装置１は、モジュールケース１１中に熱電変換素子が内蔵された２個の熱電気変換モジュール１０、１０と、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５側に設けられる１個の高温側流体流路部２０と、各熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６側に設けられる２個の低温側流体流路部３０、３０と、を備える。

図２に示すように、熱電気変換装置１の高温側流体流路部２０は、２個の各熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５と、各熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７のうちの高温側表面部１５側の一部と、２個の熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７間を連接する高温側流体流路形成部２５を用いて断面略矩形状に形成される。高温側流体流路部２０は、内部に断面略矩形状の高温側流体流路２１を形成する。

高温側流体流路部２０中、熱電気変換装置１の高温側流体流路部２０、２０間には、断面櫛状のフィン４０が設けられる。

このような構成により、熱電気変換装置１は、高温側流体流路部２０を中央側としたときに、高温側流体流路部２０が熱電気変換装置１の中央側に形成され、低温側流体流路部３０が熱電気変換装置１の周辺側に形成されたようになっている。

以下、熱電気変換装置１の各構成について詳細に説明する。

（熱電気変換モジュール）
図３は、熱電気変換モジュールの一例の斜視図である。図４は、熱電気変換モジュールの他の一例の斜視図である。

図３に示すように、熱電気変換モジュール１０は、高温側表面部１５と、低温側表面部１６と、４面の側面部１７とで囲まれてなるボックス形のモジュールケース１１を備える。

モジュールケース１１は、通常、高温側表面部１５を含む高温側部材１２と、低温側表面部１６を含む低温側部材１３と、を重ね合わせ、溶接やロウ付けで接合することにより作製される。

高温側部材１２や低温側部材１３としては、たとえば、高温側表面部１５や低温側表面部１６を底部とするとともに、高温側表面部１５や低温側表面部１６の対面が開放されたボックス状になっており、かつ開放端の周囲にフランジが設けられたものが用いられる。

これらのフランジが設けられた高温側部材１２と低温側部材１３とを重ね合わせ、フランジ同士を溶接やロウ付けで接合すると、図４に示すような、側面部１７の周囲にフランジ１８が形成されたモジュールケース１１が得られる。

熱電気変換モジュール１０のモジュールケース１１中には、高温側表面部１５と低温側表面部１６の間にある温度差を用いて熱エネルギを電気エネルギに変換する図示しないｐ型およびｎ型の熱電変換素子が内蔵される。

熱電変換素子としては、たとえば、希土類元素、トリウム、コバルト、ニッケル、鉄、パラジウム、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、錫、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、酸素、ガリウム、バナジウム、バリウム、マグネシウム、クロム、タンタル、モリブデン、アルミニウム、ビスマスのうち少なくも３種類の元素から構成される熱−電気直接変換半導体が用いられる。

熱−電気直接変換半導体としては、たとえば、スクッテルダイト型結晶構造を有するコバルトアンチモナイド化合物を主相とする熱電気変換材料、充填スクッテルダイト型結晶構造を有するコバルトアンチモナイド化合物を主相とする熱電変換材料、クラスレート化合物を主相とする熱電気変換材料、ハーフホイスラー化合物を主相とする熱電気変換材料のうちの少なくとも１種類、またはこれらの材料からなる化合物、混合物もしくは固溶体等が用いられる。

熱電気変換モジュール１０内には、ｎ型熱−電気直接変換半導体とｐ型熱−電気直接変換半導体とが、低温側表面部１６側に配置された低温側電極、高温側表面部１５側に配置された高温側電極、等とともに内蔵されている。具体的には、熱電気変換モジュール１０内には、第１の低温側電極、ｎ型熱電変換半導体、高温側電極、ｐ型熱電変換半導体および第２の低温側電極がこの順番に電気的に直列接続された状態で内蔵されている。

これにより、熱電気変換モジュール１０内の熱電変換素子は、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と低温側表面部１６の間にある温度差を用いて熱エネルギを電気エネルギに変換することができるようになっている。

熱電気変換モジュール１０は、通常、モジュールケース１１を構成する高温側部材１２および低温側部材１３の少なくともいずれか一方に熱電変換素子等を配置した後、高温側部材１２と低温側部材１３とを重ね合わせ、フランジ等の接合部を溶接やロウ付けで接合することにより製造される。

高温側部材１２と低温側部材１３とフランジで接合した場合、得られる熱電気変換モジュール１０は、図４に示すように、フランジ１８を備えたものになる。このフランジ１８は、高温側流体流路形成部２５の高温側流体流路形成部材２６として用いることができる。

熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５は、高温側流体に曝される。このため、高温側表面部１５は、高温側流体としての腐食性流体等に曝されたり、４００℃以上、場合によっては８００℃以上の高温に曝されたりする。このため、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５や、高温側表面部１５を含む高温側部材１２の材質には、耐食性と高温強度の高いことが要求される。また、熱電気変換モジュール１０を高温側部材１２を用いて作製する場合は、高温側部材１２に、溶接の容易性や加工性も必要とされる。

このため、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５や高温側部材１２の材質としては、耐食性、高温強度の高いこと、溶接の容易性や加工性等を満たす材料である、クロムモリブデン鋼、フェライト系ステンレス鋼、またはオーステナイト系ステンレス鋼等が用いられる。

一方、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６は、低温側流体流路部３０に隣接している。低温側流体流路部３０内には、通常、水等の低温側流体が流通する。低温側流体が水の場合、低温側流体の温度は、通常１００℃以下、たとえば、外気温程度になる。

このため、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６や、低温側表面部１６を含む低温側部材１３の材質は、１５０℃程度の耐熱性があれば充分である。このため、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６や低温側表面部１６を含む低温側部材１３の材質としては、たとえば、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５や、高温側表面部１５を含む高温側部材１２の材質と同じものを用いることができる。

熱電気変換モジュール１０は、板状であればよく、その外形は矩形状に限らない。また、熱電気変換モジュール１０は、モジュールケース１１内が、一般的に不活性ガスで置換されるとともに圧力が大気圧以下で維持されており、熱電変換素子等が気密封止されている。このような気密封止タイプのモジュールとしては、たとえば、株式会社東芝製のｇｉｇａｔｏｐａｚ（登録商標）モジュールを用いることができる。

（高温側流体流路部）
図２に示すように、高温側流体流路部２０は、２個の各熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５と、各熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７のうちの高温側表面部１５側の一部と、隣接する２個の熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７間を連接する高温側流体流路形成部２５とを連接して断面略矩形状に形成される。高温側流体流路部２０の内部には、断面略矩形状の高温側流体流路２１が形成される。

ここで、高温側流体流路形成部２５とは、高温側流体流路部２０を構成する部材のうち、熱電気変換モジュール１０以外の部材全体を意味する。具体的には、高温側流体流路形成部２５は、熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７間を連接して、高温側流体流路部２０を構成するものである。

高温側流体流路形成部２５は、高温側流体流路形成部材２６から構成される。ここで、高温側流体流路形成部材２６とは、高温側流体流路形成部２５を構成する部材である。高温側流体流路形成部２５は、たとえば、２つの高温側流体流路形成部材２６を溶接、ロウ付け等により接合することにより得られる。

高温側流体流路形成部材２６としては、熱電気変換モジュール１０がフランジ１８を有する場合に、このフランジ１８をそのまま高温側流体流路形成部材２６として用いることができる。また、高温側流体流路形成部材２６としては、熱電気変換モジュール１０のフランジ１８とは別部材として用意した板材等を用いてもよい。

熱電気変換モジュール１０のフランジ１８や高温側流体流路形成部材２６には、高温側流体流路部２０を構成したときに、高温側流体が漏れないように、通気性のないものが用いられる。

高温側流体流路形成部材２６の材質には、高温側流体流路部２０を構成する熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と同様の特性が要求される。具体的には、高温側流体流路形成部材２６の材質には、耐食性と高温強度が高いこと、さらに溶接の容易性や加工性も必要とされる。

このため、高温側流体流路形成部材２６の材質としては、たとえば、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と同様のものが用いられる。

高温側流体流路部２０は、熱電気変換モジュール１０と高温側流体流路形成部２５とを接合したり、高温側流体流路形成部２５同士を接合したりすることにより、形成される。

図５〜図７は、高温側流体流路部２０の作製工程を説明する図である。図７は、図６を高温側流体流路の流路方向からみた図である。

図５〜図７は、具体的には、熱電気変換モジュール１０がフランジ１８を備える場合に、このフランジ１８を高温側流体流路形成部２５の高温側流体流路形成部材２６として用いて、高温側流体流路部２０を作製する作製工程を説明する図である。

図４に示すように熱電気変換モジュール１０が側面部１７の周囲にフランジ１８を備えるものである場合、対向する側面部１７、１７から突出したフランジ１８、１８を高温側流体流路形成部材２６として用いるために折り曲げると、図５に示すような形状になる。このようにフランジ１８を折り曲げた熱電気変換モジュール１０を２個作製する。

次に、フランジ１８が折り曲げられた２個の熱電気変換モジュール１０、１０を用い、折り曲げられたフランジ１８の先端部分同士を溶接、ロウ付け等により接合すると、図６および図７に示すように、２個の熱電気変換モジュール１０、１０のフランジ１８、１８の先端部分同士が接合部２８で接合されたものが得られる。

図６および図７に示すように、２個の熱電気変換モジュール１０、１０がフランジ１８の先端部分同士で接合されたものは、高温側流体流路部２０を形成する。具体的には、高温側流体流路部２０は、２個の各熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５と、各熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７のうちの高温側表面部１５側の一部と、フランジ１８から形成された高温側流体流路形成部材２６の先端部同士が接合部２８で接合されてなる高温側流体流路形成部２５と、からなり、断面略矩形状に形成される。

なお、高温側流体流路形成部２０では、フランジ１８を折り曲げて高温側流体流路形成部材２６を作製する際に、フランジ１８を熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５同士が接近する方向に向けて剛性範囲内で強く折り曲げ、固定すると、常温時においても熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に圧縮応力を発生させることができるため好ましい。

高温側流体流路部２０内には、断面略矩形状の高温側流体流路２１が形成される。

高温側流体流路２１中には、通常、自動車の排気ガスや、製鉄所、窯業等の工場の排気ガス等の高温側流体が流通する。高温側流体は、たとえば、４００℃〜８００℃程度である。

高温側流体流路部２０の内面は、高温側流体流路２１中の高温、たとえば、４００℃〜８００℃程度の高温側流体にさらされる。しかし、高温側流体流路部２０を構成する熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５、高温側流体流路形成部２５等の各部材は、耐食性と高温強度が高い材質からなるため、高温の高温側流体にさらされても、耐食性や高温強度に問題は生じない。

高温側流体流路部２０の外面は、ガラス繊維等からなる断熱材で被覆する等により、大気との間で断熱処理されていることが望ましい。

（低温側流体流路部）
低温側流体流路部３０は、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６側に設けられる。図１および図２に示すように、低温側流体流路部３０は、低温側流体流路形成部３５で囲まれて断面矩形状に形成される。

低温側流体流路部３０の内部には、断面略矩形状の低温側流体流路３１が形成される。低温側流体流路部３０中には、通常、１００℃以下の水等の低温側流体が流通する。低温側流体として水が用いられる場合、通常、水は外気温程度の温度になる。

このため、低温側流体流路形成部３５の材質は、１５０℃程度の耐熱性があれば充分である。また、低温側流体流路形成部３５の材質には、軽量化を図るため、低比重で、低温側流体に対する耐食性および高熱伝導率を有する材料が求められる。

１５０℃程度の耐熱性、低比重、耐食性、高熱伝導率に鑑み、低温側流体流路形成部３５の材質としては、たとえば、アルマイト処理等の陽極酸化処理を施したＡ６０６１等のアルミニウム合金を適用することが望ましい。

また、軽量化、強度、耐食性が強く要求される場合には、低温側流体流路形成部３５の材質を、チタン合金にすることが有効である。

一方、軽量化が要求されない場合には、低温側流体流路形成部３５に、ＳＵＳ３０４等のオーステナイト系ステンレス鋼を使用してもよい。

なお、本実施例では、低温側流体流路部３０および低温側流体流路３１が断面矩形状に形成される例を示したが、低温側流体流路部３０および低温側流体流路３１の形状は断面矩形状以外でもよい。

たとえば、低温側流体流路部３０の耐食性向上と軽量化を図るために、低温側流体流路形成部３５の基材をアルミニウム合金とし、低温側流体流路形成部３５内の低温側流体流路部を形成する部材として、別途焼鈍したステンレス製の管材をＨＩＰ加工により埋め込むようにしてもよい。

この場合、低温側流体流路３１の形状は断面円状になり、低温側流体流路部３０の断面形状も矩形状でなくなるが、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６を冷却可能なものであるかぎり、問題はない。

また、低温側流体流路部３０と熱電気変換モジュール１０との間には、接触熱抵抗低減または温度分布の均一化を図るため、シリコングリースや熱伝導シートを介在させてもよい。

さらに、低温側流体流路部３０と熱電気変換モジュール１０とは、接触している部分を溶接、ロウ付け等の冶金的接合を施したり、カシメ、押し出し等の機械的接合を施したりすることにより、低温側流体流路部３０と熱電気変換モジュール１０とを一体構造にしてもよい。

（フィン）
フィン４０は、高温側流体流路部２０内で、２個の各熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５間に配置される。

フィン４０は、熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５に接触するように配置される。

フィン４０は、受熱能力を高める、すなわち、高温側流体の熱を、フィン４０を介して熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に効率よく伝えるためのものである。フィン４０を設けると、熱電気変換装置１の熱効率が向上する。

フィン４０は、高温の高温側流体にさらされると、熱膨張して熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５を押圧するため、熱電気変換装置１の構造強度および信頼性を向上させる。

フィン４０は高温の高温側流体にさらされるため、フィン４０の材質には耐食性と高温強度の高いことが要求される。このため、フィン４０の材質には、たとえば、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５や、高温側表面部１５を含む高温側部材１２の材質と同じものを用いることができる。

フィン４０の形状は特に限定されないが、たとえば、図１や図２に示すように、板材を長手方向が高温側流体流路２１と一致するように多数配置して、断面櫛状にしたものが用いられる。

なお、フィン４０の形状は、断面櫛状のものに限られない。たとえば、図８の（ａ）、（ｂ）や、図９の（ａ）、（ｂ）に示すような断面形状のフィン４０Ｓ、４０Ｔ、４０Ｕ、４０Ｖ等を用いることができる。

図８の（ａ）、（ｂ）に示すフィン４０Ｓ、４０Ｔは、一枚の板材をプレス成形して作製することができ、生産性および製造コストが低減されるため好ましい。

また、図９の（ａ）、（ｂ）に示すフィン４０Ｕは、フィン４０Ｖのフィン構成部材４１、４２を用い、フィン構成部材４１、４２を押し付け、接合等を行うことにより作製することができる。

フィン４０Ｓ〜４０Ｖの中では、フィン４０Ｔが、作製が容易で強度および受熱効率が高いため好ましい。

（高温側流体流路部を構成する材料の線膨張係数α_ｍと、前記フィン４０の線膨張係数α_ｆの関係）
高温側流体流路部２０を構成する材料、すなわち、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と高温側流体流路形成部２５との線膨張係数α_ｍと、フィン４０の線膨張係数α_ｆとは、下記式（１）
［数１］
α_ｍ＜α_ｆ（１）
の関係を満たすことが好ましい。

高温側流体流路２１中に高温側流体を流通させたときは、一般的に、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５や高温側流体流路形成部２５、フィン４０等の各部材の剛性が低下する。

しかし、高温側流体流路部２０を構成する材料とフィン４０との線膨張係数が式（１）の関係を満たすと、高温側流体流路２１中に高温側流体を流通させたときに、フィン４０が、高温側流体流路部２０を構成する材料、すなわち、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５や高温側流体流路形成部２５よりも膨張の度合いが大きくなり、フィン４０が熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５を押し付ける圧縮応力を発生させる。

フィン４０からの圧縮応力は、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５を介して、熱電気変換モジュール１０内部の熱電気変換素子等の各構造物に圧縮応力を発生させる。これにより、熱電気変換装置１は、運転時、すなわち熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５が高温になった時の安定性および信頼性が向上する。

（作用）
はじめに、高温側流体流路部２０の高温側流体流路２１中に高温側流体を流通させるとともに、低温側流体流路部３０の低温側流体流路３１中に低温側流体を流通させる。高温側流体としては、４００℃〜８００℃程度の自動車の排気ガス等が用いられる。低温側流体としては、１００℃程度の水等が用いられる。

熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５は、高温側流体流路部２０を構成し、高温側流体流路２１に露出している。このため、高温側流体を流通すると、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５は、高温側流体に直接接触して効率よく加熱される。

一方、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６は、低温側流体流路部３０に接触しているため、冷却される。

これにより、熱電気変換モジュール１０内では、高温側表面部１５と低温側表面部１６との間に大きな温度差が速やかに生じ、熱エネルギが電気エネルギに効率よく変換されるようになる。

また、高温側流体流路部２０を構成する材料、すなわち、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と、各熱電気変換モジュール１０の側面部１７のうちの高温側表面部１５側の一部と、高温側流体流路形成部２５との線膨張係数α_ｍと、フィン４０の線膨張係数α_ｆとは、それぞれ、上記式（１）の関係を満たす。

このため、熱電気変換装置１の運転のために、高温側流体流路２１中に高温側流体を流通させると、高温側流体流路部２０を構成する材料よりもフィン４０の方がより膨張することから、フィン４０が２個の熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５を押し付ける圧縮応力を発生させる。

これにより、熱電気変換装置１は、運転時、すなわち熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５が高温になった時の安定性および信頼性がより向上する。

上記のように、熱電気変換装置１は、高温側流体流路部２０を形成する高温側流体流路形成部２５と、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と、熱電気変換モジュール１０の側面部１７のうちの高温側表面部１５側の一部とが一体化して、高温側流体流路部２０を形成している。

このため、熱電気変換装置１によれば、熱電気変換モジュール１０に熱を供給するための伝熱距離を短縮することにより、熱電気変換モジュール１０内の熱電気変換素子に伝える熱量を増加させることが可能になる。

また、従来の熱電気変換装置は、熱電気変換モジュールと、高温側流体流路部とが別部材であり、熱電気変換モジュールの高温側表面部と、高温側流体流路部との間で接触熱抵抗が発生していた。

しかし、熱電気変換装置１によれば、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５自体が高温側流体流路部２０を形成しており、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と高温側流体流路部２０との間に接触熱抵抗が発生することがないため、熱電気変換モジュール１０内の熱電気変換素子を通過する熱量を増加させ、発電性能が高い。

さらに、熱電気変換装置１は、高温側流体流路部２０を中央側としたときに、高温側流体流路部２０が熱電気変換装置１の中央側に形成され、低温側流体流路部３０が熱電気変換装置１の周辺側に形成されたようになっている。

熱電気変換装置１の周辺側に形成された低温側流体流路部３０は、外気で冷却されるため、低温側流体流路３１内の低温側流体は、速やかに冷却され、外気温程度の温度になる。

一方、熱電気変換装置１の中央側に形成された高温側流体流路部２０は、熱電気変換装置１の中央側に形成され、実質的に外気で冷却されることがない。

このため、熱電気変換装置１によれば、高温側流体の保持している熱が熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に効率よく与えられるとともに、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６が効率よく冷却されることにより、大気に放出されることにより損出する熱量を低減しており、発電性能を高く維持することができる。

なお、第１の実施形態として示した熱電気変換装置１では、高温側流体流路部２０が、２個の各熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５と、各熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７のうちの高温側表面部１５側の一部と、２個の熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７間を連接する高温側流体流路形成部２５を用いて断面略矩形状に形成されるように構成した。

しかし、本発明では、高温側流体流路部が、２個の各熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５と、２個の熱電気変換モジュール１０、１０の側面部１７、１７間を連接する高温側流体流路形成部２５を用いて断面略矩形状に形成されるように構成してもよい。

すなわち、高温側流体流路部は、熱電気変換モジュール１０のうち、側面部１７を含まないようにしてもよい。

また、第１の実施形態として示した熱電気変換装置１では、フランジ１８、１８を溶接、ロウ付け等で接合するとしたが、本発明の熱電気変換装置では、フランジ１８、１８の先端部をカシメ等で固着してもよい。

さらに、第１の実施形態として示した熱電気変換装置１では、フィン４０を設ける構成としたが、本発明の熱電気変換装置においてフィン４０は必須のものでなく、フィン４０を設けない構成としてもよい。フィン４０を配置しない場合は、熱電気変換装置１の低コスト化が可能になる。

また、第１の実施形態として示した熱電気変換装置１では、高温側流体流路部２０および高温側流体流路２１が断面略矩形状に形成される構成としたが、本発明の熱電気変換装置において、高温側流体流路部２０および高温側流体流路２１の形状は、断面略矩形状に限定されない。

さらに、図２に示すように、第１の実施形態として示した熱電気変換装置１では、低温側流体流路部３０の幅が熱電気変換モジュール１０の幅と略同じになっているが、本発明の熱電気変換装置では、図１０に示す熱電気変換装置１ｐのように、低温側流体流路部３０の幅が熱電気変換モジュール１０の幅よりも幅広になっていてもよい。

［第１の実施形態の第１の変形例］
図１１は、図７に第１実施形態として示した熱電気変換装置１の高温側流体流路形成部２０の第１の変形例の断面図である。

図１１に示すように、高温側流体流路形成部の第１の変形例２０Ｓは、図７に示した高温側流体流路形成部２０において、折り曲げられた形状の高温側流体流路形成部材２６に代えて、湾曲した形状の高温側流体流路形成部材２６Ｓを用いたものである。

なお、図１１では、高温側流体流路形成部２０Ｓ内で、熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５に接触するように配置されるフィン４０の図示を省略する。

高温側流体流路形成部材２６Ｓは、たとえば、熱電気変換モジュール１０のフランジ１８を剛性範囲内で湾曲させ、フランジ１８の先端を接合部２８で接合して固定することにより得られる。

高温側流体流路形成部２０Ｓによれば、図７に示した高温側流体流路形成部２０と同様の作用を有する。

なお、高温側流体流路形成部２０Ｓでは、フランジ１８を湾曲して高温側流体流路形成部材２６Ｓを作製する際に、フランジ１８を熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５同士が接近する方向に向けて剛性範囲内で強く湾曲して固定すると、常温時においてもフィン４０から押圧されて熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に圧縮応力を発生させることができるため好ましい。

［第１の実施形態の第２の変形例］
図１２は、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置の高温側流体流路形成部の第２の変形例の断面図である。具体的には、図１２（ａ）は高温側流体流路形成部の第２の変形例の断面図であり、図１２（ｂ）は第２の変形例を構成する高温側流体流路形成部材の断面図である。

図１３は、図１２に示した高温側流体流路形成部の変形例の斜視図である。

図１４は、図１２に示した高温側流体流路形成部の変形例を用いた熱電気変換装置の変形例の断面図である。

図１２（ａ）に示す高温側流体流路形成部の第２の変形例２０Ｔは、図７に示した高温側流体流路形成部２０において、折り曲げられた形状の高温側流体流路形成部材２６に代えて平板状の高温側流体流路形成部材２６Ｔを用いるとともに、２枚の平板状の高温側流体流路形成部材２６Ｔを接合する高温側流体流路形成部材２７Ｔを用いたものである。高温側流体流路形成部材２７Ｔは、高温側流体流路形成部２５Ｔの一部分を構成する部材である。

なお、図１２（ａ）では、高温側流体流路形成部２０Ｔ内で、熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５に接触するように配置されるフィン４０の図示を省略する。

図１２（ｂ）に示すように、高温側流体流路形成部材２７Ｔは、断面がコの字状の板材である。高温側流体流路形成部材２７Ｔの材質は、高温側流体流路形成部材２６と同様のものが用いられる。

高温側流体流路形成部２０Ｔは、たとえば、２個の熱電気変換モジュール１０、１０のフランジ１８、１８に、高温側流体流路形成部材２７Ｔの両端を接合部２８で接合して固定することにより得られる。熱電気変換モジュール１０のフランジ１８は、高温側流体流路形成部２０Ｔにおいて高温側流体流路形成部材２６となる。

高温側流体流路形成部２０Ｔによれば、図７に示した高温側流体流路形成部２０と同様の作用を有する。

また、高温側流体流路形成部２０Ｔでは、高温側流体流路形成部２０や２０Ｓのように、フランジ１８を折り曲げたり湾曲させたりする必要がないため、作製が容易である。

なお、高温側流体流路形成部２０Ｔでは、フランジ１８を熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５同士が接近する方向に向けて剛性範囲内で湾曲させた上で、高温側流体流路形成部材２７Ｔと接合すると、常温時においてもフィン４０から押圧されて熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に圧縮応力を発生させることができるため好ましい。

また、高温側流体流路形成部材２７Ｔは、高温側流体流路形成部２５の一部分を構成する部材であるから、高温側流体流路形成部材２７Ｔの線膨張係数α_ｍは、上記式（１）の関係を満たすことが好ましい。

図１３は、図１２（ａ）に示す高温側流体流路形成部２０Ｔの斜視図である。また、高温側流体流路形成部２０Ｔを、図１０に示す熱電気変換装置１ｐの高温側流体流路形成部２０に代えて用いると、図１４に示す熱電気変換装置１ｑが得られる。

［第１の実施形態の第３の変形例］
図１５は、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置の高温側流体流路形成部の第３の変形例の断面図である。具体的には、図１５（ａ）は高温側流体流路形成部の第３の変形例の断面図であり、図１５（ｂ）は第３の変形例を構成する高温側流体流路形成部材の断面図である。

図１５（ａ）に示す高温側流体流路形成部の第３の変形例２０Ｕは、図１２（ａ）に示した高温側流体流路形成部２０Ｔにおいて、内側に案内溝が設けられていない高温側流体流路形成部材２７Ｔに代えて内側に案内溝が設けられた高温側流体流路形成部材２７Ｕを用いたものである。

なお、図１５（ａ）では、高温側流体流路形成部２０Ｕ内で、熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５に接触するように配置されるフィン４０の図示を省略する。

図１５（ｂ）に示すように、高温側流体流路形成部材２７Ｕは、断面が略コの字状の板材であり、さらに図中上下の２箇所に案内溝２９が設けられている。案内溝２９は、熱電気変換モジュール１０のフランジ１８を案内することにより、高温側流体流路形成部材２７Ｕと、熱電気変換モジュール１０のフランジ１８との組み立て、接合を容易にする。

高温側流体流路形成部２０Ｕによれば、図７に示した高温側流体流路形成部２０と同様の作用を有する。

また、高温側流体流路形成部２０Ｕによれば、図１２（ａ）に示した高温側流体流路形成部２０Ｔと同様の作用を有する。

さらに、高温側流体流路形成部２０Ｕによれば、高温側流体流路形成部材２７Ｕに案内溝２９が形成されているため、高温側流体流路形成部２０Ｔに比べて、高温側流体流路形成部材２７Ｕと、熱電気変換モジュール１０のフランジ１８との組み立て、接合が容易である。

なお、高温側流体流路形成部２０Ｕでは、フランジ１８を熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５同士が接近する方向に向けて剛性範囲内で湾曲させた上で、高温側流体流路形成部材２７Ｕと接合すると、常温時においてもフィン４０から押圧されて熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に圧縮応力を発生させることができるため好ましい。

また、高温側流体流路形成部材２７Ｕは、高温側流体流路形成部２５の一部分を構成する部材であるから、高温側流体流路形成部材２７Ｕの線膨張係数α_ｍは、上記式（１）の関係を満たすことが好ましい。

［第１の実施形態の第４の変形例］
図１６は、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置の高温側流体流路形成部の第４の変形例の断面図である。具体的には、図１６（ａ）は高温側流体流路形成部の第４の変形例の断面図であり、図１６（ｂ）は第４の変形例を構成する高温側流体流路形成部材の断面図である。

図１６（ａ）に示す高温側流体流路形成部の第４の変形例２０Ｖは、図１２（ａ）に示した高温側流体流路形成部２０Ｔにおいて、断面コの字状の高温側流体流路形成部材２７Ｔに代えて平板な高温側流体流路形成部材２７Ｖを用いたものである。

なお、図１６（ａ）では、高温側流体流路形成部２０Ｖ内で、熱電気変換モジュール１０、１０の高温側表面部１５、１５に接触するように配置されるフィン４０の図示を省略する。

図１６（ｂ）に示すように、高温側流体流路形成部材２７Ｖは、平板な板材である。このため、高温側流体流路形成部材２７Ｖは、加工が容易であり、高温側流体流路形成部材２７Ｔや２７Ｕに比べて部品加工費が低減される。

高温側流体流路形成部材２７Ｖの材質は、高温側流体流路形成部材２６と同様のものが用いられる。

高温側流体流路形成部２０Ｖによれば、図７に示した高温側流体流路形成部２０と同様の作用を有する。

また、高温側流体流路形成部２０Ｖによれば、図１２（ａ）に示した高温側流体流路形成部２０Ｔと同様の作用を有する。

さらに、高温側流体流路形成部２０Ｖによれば、高温側流体流路形成部２０Ｔや２０Ｕの高温側流体流路形成部材２７Ｔや２７Ｕに比べて、高温側流体流路形成部材２７Ｖの加工が容易であり、部品加工費が低減される。

［第２の実施形態］
図１７は、本発明に係る熱電気変換装置の第２実施形態の斜視図である。

図１７に示す熱電気変換装置１Ａは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１を、２個積み重ねるとともに、積み重ねることによって重複する低温側流体流路部３０を共通化して、低温側流体流路部３０を１個省略したものに相当する。

このため、図１７に第２実施形態として示した熱電気変換装置１Ａは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同じ構成に同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

熱電気変換装置１Ａは、具体的には、図面中、下から上に、低温側流体流路部３０、熱電気変換モジュール１０およびフィン４０が、低温側流体流路部３０／熱電気変換モジュール１０／フィン４０／熱電気変換モジュール１０／低温側流体流路部３０／熱電気変換モジュール１０／フィン４０／熱電気変換モジュール１０の順番で積層されている。

また、熱電気変換装置１Ａは、各フィン４０とフィン４０に隣接した熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５とを含むように、２個の高温側流体流路部２０、２０が形成されている。

熱電気変換装置１Ａによれば、熱電気変換装置１と同様な効果を奏する。また、熱電気変換装置１Ａによれば、熱電気変換装置１を２個単純に積層した場合に比べて、低温側流体流路部３０を１個形成する必要がなくなるため、コンパクト化することができる。

［第３の実施形態］
図１８および図１９は、本発明に係る熱電気変換装置の第３実施形態の断面図である。図２０は、図１９に示した熱電気変換装置の第３の実施形態の斜視図である。

図１８および図１９に示す熱電気変換装置１Ｂは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１に比較して、２個の熱電気変換モジュール１０を用いることに代えて４個の熱電気変換モジュール１０を用いる点、熱電気変換装置１の２個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５を含む高温側流体流路部２０に代えて、４個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５を含む高温側流体流路部２０Ｂを形成した点、およびフィン４０に代えてフィン４０Ｂを用いた点で異なり、他の構成は同じである。

このため、図１８および図１９に第３実施形態として示す熱電気変換装置１Ｂと、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１との間で、同じ構成に同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

なお、図１９および図２０では、図１８に示された構成のうち、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６の外側に設けられる低温側流体流路部３０と、高温側流体流路部２０Ｂ内の高温側流体流路２１中に配置されるフィン４０Ｂとの図示を省略する。

図１８および図１９に示すように、熱電気変換装置１Ｂの高温側流体流路部２０Ｂは、４個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と、各熱電気変換モジュール１０の側面部１７のうちの高温側表面部１５側の一部と、隣接する熱電気変換モジュール１０の側面部１７、１７間を連接する高温側流体流路形成部２５Ｂとからなる。

高温側流体流路形成部２５Ｂは、熱電気変換モジュール１０の側面部１７の周囲に形成された高温側流体流路形成部材２６と、隣接する高温側流体流路形成部材２６、２６の端面を接合する接合部２８とからなる。

高温側流体流路形成部材２６は、図４に示される熱電気変換モジュール１０のフランジ１８を、そのまま高温側流体流路形成部材２６として用いたものである。

フィン４０Ｂは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１のフィン４０と異なり、４個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５の全てに接触する形状になっている。

具体的には、フィン４０Ｂの断面形状は、高温側流体流路部２０Ｂの断面の２本の対角線の一部からなる２本の対角方向線部と、これら２本の対角方向線部から各熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に垂直に下ろした複数本の垂線部とを有するものになっている。

フィン４０Ｂは、このような形状を採ることにより、高温側流体流路２１を流通する高温側流体の熱を４個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に効率よく伝えることができるようになっている。

また、フィン４０Ｂを上記形状とすることにより、運転時、すなわち熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５が高温になった時に、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に効果的かつ均等に圧縮応力を発生させることが可能である。

さらに、熱電気変換装置１Ｂは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同様に、高温側流体流路部２０Ｂを構成する材料、すなわち、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と高温側流体流路形成部２５Ｂとの線膨張係数α_ｍと、フィン４０Ｂの線膨張係数α_ｆとが、上記式（１）の関係を満たすことが好ましい。

熱電気変換装置１Ｂによれば、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同様の効果を奏する上、さらに、以下の効果を奏する。

すなわち、熱電気変換装置１Ｂによれば、高温側流体流路部２０Ｂの周囲に熱電気変換モジュール１０を密に配置することができるため、高温側流体流路２１内を流通する高温側流体の熱の利用効率が高くなる。また、熱電気変換装置１Ｂによれば、断面積あたりの熱電気変換モジュール１０の配置個数が多くなるため、スペース効率が高くなる。

なお、熱電気変換装置１Ｂでは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同様に、高温側流体流路部２０Ｂ内にフィン４０Ｂを配置しない構成とすることも可能である。フィン４０Ｂを配置しない場合は、熱電気変換装置１Ｂの低コスト化が可能になる。

［第４の実施形態］
図２１は、本発明に係る熱電気変換装置の第４実施形態の断面図である。

図２１に示す熱電気変換装置１Ｃは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１に比較して、２個の熱電気変換モジュール１０を用いることに代えて６個の熱電気変換モジュール１０を用いる点、熱電気変換装置１の２個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５を含む高温側流体流路部２０に代えて、６個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５を含む高温側流体流路部２０Ｃを形成した点、およびフィン４０に代えて図示しないフィンを用いた点で異なり、他の構成は同じである。

このため、図２１に第４実施形態として示す熱電気変換装置１Ｃと、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１との間で、同じ構成に同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

なお、図２１では、熱電気変換モジュール１０の低温側表面部１６の外側に設けられる低温側流体流路部３０と、高温側流体流路部２０Ｃ内の高温側流体流路２１中に配置されるフィンとの図示を省略する。

図２１に示すように、熱電気変換装置１Ｃの高温側流体流路部２０Ｃは、６個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と、各熱電気変換モジュール１０の側面部１７のうちの高温側表面部１５側の一部と、隣接する熱電気変換モジュール１０の側面部１７、１７間を連接する高温側流体流路形成部２５Ｃとからなる。

高温側流体流路形成部２５Ｃは、熱電気変換モジュール１０の側面部１７の周囲に形成された高温側流体流路形成部材２６と、隣接する高温側流体流路形成部材２６、２６の端面を接合する接合部２８とからなる。

図２１では、フィンの図示を省略しているが、熱電気変換装置１Ｃの高温側流体流路部２０Ｃ内に配置されるフィンは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１のフィン４０と異なり、６個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５の全てに接触する形状になっている。具体的には、熱電気変換装置１Ｃのフィンとしては、図１８に第３実施形態として示す熱電気変換装置１Ｂのフィン４０Ｂにおいて、フィン４０Ｂの接触する熱電気変換モジュール１０の数を６個にしたものが用いられる。

具体的には、熱電気変換装置１Ｃに用いられるフィンの断面形状は、高温側流体流路部２０Ｃの断面において対向する一番遠い頂点同士、すなわち接合部２８、２８同士を結ぶ一番長い３本の対角線の一部からなる３本の対角方向線部と、これら３本の対角方向線部から各熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に垂直に下ろした複数本の垂線部とを有するものとすることが好ましい。３本の対角方向線部が交わってなす断面形状は、アスタリスク記号に類似した形状になる。

このような形状のフィンを用いることにより、高温側流体流路２１を流通する高温側流体の熱を６個の熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に効率よく伝えることができるようになっている。

また、フィンを上記形状とすることにより、運転時、すなわち熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５が高温になった時に、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５に効果的かつ均等に圧縮応力を発生させることが可能である。

さらに、熱電気変換装置１Ｃは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同様に、高温側流体流路部２０Ｂを構成する材料、すなわち、熱電気変換モジュール１０の高温側表面部１５と高温側流体流路形成部２５Ｃとの線膨張係数α_ｍと、図示しないフィンの線膨張係数α_ｆとが、上記式（１）の関係を満たすことが好ましい。

熱電気変換装置１Ｃによれば、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同様の効果を奏する上、さらに、以下の効果を奏する。

すなわち、熱電気変換装置１Ｃによれば、高温側流体流路部２０Ｃの周囲に熱電気変換モジュール１０を密に配置することができるため、高温側流体流路２１内を流通する高温側流体の熱の利用効率が高くなる。また、熱電気変換装置１Ｃによれば、断面積あたりの熱電気変換モジュール１０の配置個数が多くなるため、スペース効率が高くなる。

さらに、熱電気変換装置１Ｃによれば、高温側流体流路部２０Ｃの断面形状が六角形であり、円に近い形状であるため、たとえば、自動車の排気マニホールド等に用いることが容易である。

なお、熱電気変換装置１Ｃでは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同様に、高温側流体流路部２０Ｃ内にフィンを配置しない構成とすることも可能である。フィンを配置しない場合は、熱電気変換装置１Ｃの低コスト化が可能になる。

［第５の実施形態］
図２２は、本発明に係る熱電気変換装置の第５実施形態の斜視図である。

図２２に示す熱電気変換装置１Ｄは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１を、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に対して２個直列に配置したものに相当する。

このため、図２２に第５実施形態として示した熱電気変換装置１Ｄは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同じ構成に同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

熱電気変換装置１Ｄにおいて、高温側流体流路部２０Ｄは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１の高温側流体流路部２０の２個が、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に沿って接合部２８で接合されて延長されたものになっている。

熱電気変換装置１Ｄにおいて、各低温側流体流路部３０は、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１の低温側流体流路部３０の２個が、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に沿って図示しない接合部で接合されて延長されたものになっている。

熱電気変換装置１Ｄによれば、熱電気変換装置１と同様な効果を奏する。また、熱電気変換装置１Ｄによれば、熱電気変換装置１に比べて、熱電気変換モジュール１０の設置個数が同じ場合に、電気容量が大きくかつコンパクトになる。

なお、図２２に示す熱電気変換装置１Ｄは、熱電気変換装置１を２個直列に配置した例であるが、本発明では、熱電気変換装置１を３個以上直列に配置してもよい。

また、図２２に示す熱電気変換装置１Ｄでは、フィン４０が、図中、高温側流体流路２１の流路方向に独立して１組ずつ、合計２組用いられている。すなわち、それぞれのフィン４０は、図中、上下に配置された２個の熱電気変換モジュール１０、１０間のみに接触する構成になっている。

しかし、本発明では、２組のフィン４０に代えて、２組のフィン４０を高温側流体流路２１の流路方向に一体化して作製した１組の図示しない長尺のフィン、すなわち、図２２において高温側流体の流路方向に２組配置されたフィン４０、４０間の高温側流体流路２１の流路方向の空間にもフィンが配置される長尺のフィン、を用いてもよい。

このような一体化した長尺のフィンを用いた場合、フィンが高温側流体の熱をより多く回収し、熱電気変換装置の発電性能を向上させることができる。

［第６の実施形態］
図２３は、本発明に係る熱電気変換装置の第６実施形態の斜視図である。

図２３に示す熱電気変換装置１Ｅは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１を、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に対して２個並列に配置したものに相当する。

このため、図２２に第５実施形態として示した熱電気変換装置１Ｅは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１と同じ構成に同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

熱電気変換装置１Ｅの高温側流体流路部２０Ｅは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１の高温側流体流路部２０の２個が、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に対して単に並列に配置されたものとは異なる。

すなわち、熱電気変換装置１Ｅの高温側流体流路部２０Ｅは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１の高温側流体流路部２０が、２個並列に配置されるとともに、隣接する高温側流体流路部２０の流路壁を除去し、流路壁が除去された開放端が接合部２８Ｅ、２８Ｅで接合された形状になっている。このため、熱電気変換装置１Ｅの高温側流体流路部２０Ｅは、流路壁がなく、断面が、単一の幅広な矩形状に形成されている。

これにより、熱電気変換装置１Ｅの高温側流体流路部２０Ｅは、部品点数の低減を図るとともに高温側流体の圧力損失を低減することが可能になっている。

熱電気変換装置１Ｅによれば、熱電気変換装置１と同様な効果を奏する。また、熱電気変換装置１Ｅによれば、熱電気変換装置１に比べて、熱電気変換モジュール１０の設置個数が同じ場合に、電気容量が大きくかつコンパクトであり、部品点数の低減を図るとともに高温側流体の圧力損失を低減することができる。

なお、熱電気変換装置１Ｅでは、熱電気変換装置１Ｅの高温側流体流路部２０Ｅは、流路壁がなく、断面が、単一の幅広な矩形状に形成されている。しかし、本発明では、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１の高温側流体流路部２０をそのまま変更せずに、高温側流体流路部２０の２個を、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に対して単に並列に配置し、隣接する高温側流体流路部２０同士を接合して高温側流体流路部を形成してもよい。この場合、隣接する高温側流体流路部２０同士が接合された部分は、高温側流体流路部２０Ｅ内における流路壁となるが、量産効果による製造コストの低減を図ることが可能になる。

また、図２３に示す熱電気変換装置１Ｅは、熱電気変換装置１を２個並列に配置した例であるが、本発明では、熱電気変換装置１を３個以上並列に配置してもよい。

さらに、図２３に示す熱電気変換装置１Ｅでは、フィン４０が、図中、左右に独立して１組ずつ、合計２組用いられている。すなわち、それぞれのフィン４０は、図中、上下に配置された２個の熱電気変換モジュール１０、１０間のみに接触する構成になっている。

しかし、本発明では、２組のフィン４０に代えて、２組のフィン４０を図中横方向に一体化して作製した１組の図示しない幅広形状のフィン、すなわち、図２３に示す２組のフィン４０間の空間にもフィンが配置される幅広形状のフィン、を用いてもよい。

このような一体化した幅広形状のフィンを用いた場合、フィンが高温側流体の熱をより多く回収し、熱電気変換装置の発電性能を向上させることができる。

［第７の実施形態］
図２４は、本発明に係る熱電気変換装置の第７実施形態の斜視図である。

図２４に示す熱電気変換装置１Ｆは、図２３に第６実施形態として示した熱電気変換装置１Ｅを、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に対して２個直列に配置したものに相当する。

すなわち、図２４に示す熱電気変換装置１Ｆは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１を、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に対して２個直列かつ並列に配置したものに略相当する。

このため、図２４に第７実施形態として示した熱電気変換装置１Ｆは、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１および図２３に第６実施形態として示した熱電気変換装置１Ｅと同じ構成に同じ符号を付し、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

熱電気変換装置１Ｆによれば、熱電気変換装置１と同様な効果を奏する。また、熱電気変換装置１Ｆによれば、熱電気変換装置１に比べて、熱電気変換モジュール１０の設置個数が同じ場合に、電気容量が大きくかつコンパクトであり、部品点数の低減を図るとともに高温側流体の圧力損失を低減することができる。

なお、熱電気変換装置１Ｆでは、熱電気変換装置１Ｆの高温側流体流路部２０Ｆは、流路壁がなく、断面が、単一の幅広な矩形状に形成されている。しかし、本発明では、図１に第１実施形態として示した熱電気変換装置１の高温側流体流路部２０をそのまま変更せずに、高温側流体流路部２０の２個を、高温側流体流路および低温側流体流路の流通方向に対して単に並列および直列に配置し、隣接する高温側流体流路部２０同士を接合して高温側流体流路部を形成してもよい。この場合、隣接する高温側流体流路部２０同士が接合された部分は、高温側流体流路部２０Ｆ内における流路壁となるが、量産効果による製造コストの低減を図ることが可能になる。

また、図２４に示す熱電気変換装置１Ｆは、熱電気変換装置１を２個直列に配置するとともに２個並列に配置した例であるが、本発明では、熱電気変換装置１を２個以上直列に配置するとともに２個以上並列に配置してもよい。

さらに、図２４に示す熱電気変換装置１Ｆでは、フィン４０が、図中、左右前後に独立して１組ずつ、合計４組用いられている。すなわち、それぞれのフィン４０は、図中、上下に配置された２個の熱電気変換モジュール１０、１０間のみに接触する構成になっている。

しかし、本発明では、４組のフィン４０に代えて、図中の高温側流体流路２１の流路方向の手前側かつ左右に配置された２組のフィン４０同士を一体化して作製した図示しない幅広形状のフィンと、図中の高温側流体流路２１の流路方向の奥側かつ左右に配置された２組のフィン４０同士を一体化して作製した図示しない幅広形状のフィンと、の２組のフィンを用いてもよい。

また、本発明では、４組のフィン４０に代えて、図中の高温側流体の流路方向の左側に配置された２組のフィン４０同士を一体化して作製した図示しない長尺のフィンと、図中の高温側流体の流路方向の右側に配置された２組のフィン４０同士を一体化して作製した図示しない長尺のフィンと、の２組のフィンを用いてもよい。

さらに、本発明では、４組のフィン４０に代えて、４組のフィン４０を図中横方向および高温側流体流路２１の流路方向に一体化して作製した１組の図示しないフィン、すなわち、図２４に示す４組のフィン４０間の空間にもフィンが配置される面積の大きなフィン、を用いてもよい。

このような一体化した面積の大きなフィンを用いた場合、幅広形状のフィンや長尺のフィンを用いる場合に比べて、フィンが高温側流体の熱をさらに多く回収し、熱電気変換装置の発電性能をより向上させることができる。

［熱電気変換方法］
本発明に係る熱電気変換方法は、本発明に係る熱電気変換装置、たとえば、上記の熱電気変換装置１〜１Ｆを用い、高温側流体を高温側流体流路部２０等に流通させるとともに、低温側流体を低温側流体流路部３０等に流通させる熱電気変換方法である。

本発明に係る熱電気変換装置の作用は、本発明に係る熱電気変換装置に示した作用と同様であるため、説明を省略する。

本発明に係る熱電気変換装置によれば、熱エネルギから電気エネルギへの変換が効率よくなり、熱電気変換装置が軽量かつ発電性能が高くなるとともに、構造健全性および信頼性、並びに取付けおよびメンテナンス等の作業性が優れる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ熱電気変換装置
１０熱電気変換モジュール
１１モジュールケース
１２モジュールケースの高温側部材
１３モジュールケースの低温側部材
１５モジュールケースの高温側表面部
１６モジュールケースの低温側表面部
１７モジュールケースの側面部
１８熱電気変換モジュールのフランジ
２０、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ、２０Ｅ、２０Ｆ、２０Ｓ、２０Ｔ、２０Ｕ、２０Ｖ高温側流体流路部
２１高温側流体流路
２５、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｔ、２５Ｕ、２５Ｖ高温側流体流路形成部
２６、２６Ｓ、２６Ｔ、２７Ｔ、２７Ｕ、２７Ｖ高温側流体流路形成部材
２８、２８Ｅ接合部
２９案内溝
３０低温側流体流路部
３１低温側流体流路
３５低温側流体流路形成部
４０、４０Ｂ、４０Ｓ、４０Ｔ、４０Ｕ、４０Ｖフィン
４１フィン構成部材
４２フィン構成部材
５１従来の熱電気変換装置
５７押圧部材
５８ボルト・ナット
５９高温側流体流路形成部と熱電気変換モジュールとの接触面

Claims

高温側表面部と低温側表面部と側面部とで囲まれてなるモジュールケース中に、前記高温側表面部と低温側表面部の間にある温度差を用いて熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子が内蔵された熱電気変換モジュールと、
この熱電気変換モジュールの高温側表面部側に設けられる高温側流体流路部と、
前記熱電気変換モジュールの低温側表面部側に設けられる低温側流体流路部と、
を備えた熱電気変換装置において、
前記熱電気変換モジュールを２個以上用い、
前記高温側流体流路部は、各熱電気変換モジュールの高温側表面部と、隣接する熱電気変換モジュール間を連接する高温側流体流路形成部とを連接して形成され、
前記高温側表面部は、前記高温側流体流路部中を流通する高温側流体に直接接触するように前記高温側流体流路部内に露出し、
前記高温側流体流路部内に、前記熱電気変換モジュールの高温側表面部に接触するフィンがさらに設けられ、
前記高温側流体流路部を構成する材料の線膨張係数αｍと、前記フィンの線膨張係数αｆとが、下記式（１）
［数１］
αｍ＜αｆ（１）
の関係を満たすことを特徴とする熱電気変換装置。
前記高温側流体流路部は、熱電気変換装置の中央側に形成され、前記低温側流体流路部は、熱電気変換装置の周辺側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱電気変換装置。
高温側表面部と低温側表面部と側面部とで囲まれてなるモジュールケース中に、前記高温側表面部と低温側表面部の間にある温度差を用いて熱エネルギを電気エネルギに変換する熱電変換素子が内蔵された熱電気変換モジュールと、
この熱電気変換モジュールの高温側表面部側に設けられる高温側流体流路部と、
前記熱電気変換モジュールの低温側表面部側に設けられる低温側流体流路部と、
を備えた熱電気変換装置を用いた熱電気変換方法において、
前記熱電気変換装置は、前記熱電気変換モジュールを２個以上用いるとともに、前記高温側流体流路部が、各熱電気変換モジュールの高温側表面部と、隣接する熱電気変換モジュール間を連接する高温側流体流路形成部とを連接して形成されるとともに、前記高温側流体流路部内に、前記熱電気変換モジュールの高温側表面部に接触するフィンがさらに設けられ、前記高温側流体流路部を構成する材料の線膨張係数αｍと、前記フィンの線膨張係数αｆとが、下記式（１）
［数１］
αｍ＜αｆ（１）
の関係を満たし、前記高温側表面部が、前記高温側流体流路部中を流通する高温側流体に直接接触するように前記高温側流体流路部内に露出しているものであり、
高温側流体を前記高温側流体流路部に流通させるとともに、低温側流体を前記低温側流体流路部に流通させることを特徴とする熱電気変換方法。