JP5919013B2 - 熱電変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換装置に関する。

熱と電力を相互に変換する熱電変換素子がある。熱電変換素子においては、複数のｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子が並列に配置され、これらが電極を介して交互に直列接続されている。

熱電変換素子（ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子）の両端に温度差が存在すれば、ゼーベック効果により電力が発生する。一方、熱電変換素子に電力を印加すれば、ペルチェ効果により熱電変換素子（ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子）の両端に温度差が生じる。

関連する技術として、特許文献１には、少なくとも高温熱源側の加熱板と熱電半導体の熱源側電極部との間に、熱伝導性を有する滑り材を介在させるとともに、加熱板と冷却板とを連結する連結板とを備え、滑り材を介して冷却板と加熱板との間で熱電半導体並びに電極部を挟んで一体化し、滑り材が加圧状態において熱電側電極部または加熱板との間の相対的摺動を許容するようにした熱電変換モジュールが開示されている。

特開２００６−４９８７２号公報

本発明者は、上述のような熱電変換素子を複数備えることでまとまった電力を取り出せるようにした熱電変換装置において、以下のような課題を見出した。

まず、熱電変換装置の利用形態の一例としては、廃熱を利用した発電が考えられる。すなわち、廃熱で満たされた空間内に熱電変換装置を設置し、当該廃熱で熱電変換素子の一端を加熱することで、電力を取り出す。このような利用形態の場合、熱電変換装置は、高温の空間内に常設されることとなる。このため、変形等しないよう、熱電変換装置の強度を高める必要がある。

また、廃熱を利用して発電する利用形態の一例としては、例えば、ある場所で発生した廃熱を他の場所に移動させる廃熱管内に熱電変換装置を設置する利用形態が考えられる。このような利用形態の場合、熱電変換装置は、廃熱管内を移動する廃熱の流れを大きく妨げることなく、廃熱から効率的に熱を吸収することが好ましい。

なお、ここでは廃熱を利用する形態を例に熱電変換装置の課題を説明したが、その他の熱を利用する形態においても、同様の課題が発生し得る。

そこで、本発明では、変形を抑制でき、かつ、効率的に外部空間から熱を吸収することができる熱電変換装置を提供することを課題とする。

本発明によれば、第１及び第２の端部に温度差を生じさせると起電力が生じる熱電変換素子と、土台部及び天井部を有し、前記第１の端部は前記第２の端部よりも前記天井部の近くに位置し、前記第２の端部は前記第１の端部よりも前記土台部の近くに位置する状態で、１つ又は複数の前記熱電変換素子を気密封止した容器と、外面に、前記土台部の外面が接する状態で１つ又は複数の前記容器が取り付けられた本体と、一方向に延在し、当該延在する方向が互いに平行になるよう、前記容器の前記天井部の外面に取り付けられた複数のフィンと、を有し、前記一方向から観察した前記フィンの断面形状はＵ字形状である熱電変換装置が提供される。

本発明によれば、変形を抑制でき、かつ、効率的に外部空間から熱を吸収することができる熱電変換装置が実現される。

本実施形態の熱電変換装置の一例の斜視図である。 図１の熱電変換装置の平面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示した図である。 図１の熱電変換装置の側面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示した図である。 図２のＡ−Ａ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置を示す模式図である。 図３のＢ−Ｂ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置を示す模式図である。 図３のＣ−Ｃ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置を示す模式図である。 容器内に気密封止された熱電変換素子の一例を示す断面模式図である。 図７に示す一点鎖線Ｉ−Ｉの断面から図中矢印で示す方向に観察した平面図である。 容器内に気密封止された熱電変換素子の一例を示す断面模式図である。 容器内に気密封止された熱電変換素子の一例を示す断面模式図である。 本実施形態の作用効果を説明するための図である。 本実施形態の熱電変換装置の一例の斜視図である。 図１２の熱電変換装置の平面模式図である。 図１３と同じ方向から観察した熱電変換装置の平面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示した図である。 図１３と同じ方向から観察した熱電変換装置の平面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示した図である。 図１２の熱電変換装置の側面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示した図である。 図１６のＢ−Ｂ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置を示す模式図である。 図１３のＡ−Ａ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置を示す模式図である。 図１６のＣ−Ｃ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置を示す模式図である。 本実施形態の作用効果を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、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、本実施形態の熱電変換装置１００の一例の斜視図である。図２は、図１の熱電変換装置１００の平面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示している。図３は、図１の熱電変換装置１００の側面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示している。図４は、図２のＡ−Ａ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置１００を示す模式図である。図５は、図３のＢ−Ｂ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置１００を示す模式図である。図６は、図３のＣ−Ｃ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置１００を示す模式図である。

まず、本実施形態の熱電変換装置１００の概要を説明する。

図２及び３に示すように、熱電変換装置１００は、本体１０と、容器３０と、熱電変換素子１と、フィン２０と、を有する。

本体１０は、内部に冷却部を有する。例えば、本体１０は内部空間を有し、当該内部空間内には、外部温度よりも低温の冷却流体９０が流動している（図４参照）。容器３０は、底部が本体１０の外面に接するように取り付けられている。そして、容器３０の天井部側には、フィン２０が取り付けられている。熱電変換素子１は、容器３０の中に、一端が容器３０の天井部側に位置し、他端が容器３０の底部側に位置する状態で収容されている。

本実施形態の熱電変換装置１００は、例えば高温（例：６００℃以上９００℃以下）の空間内に設置される。すると、フィン２０は、外部空間から熱を吸収し、高温状態になる。このようなフィン２０側に位置する容器３０の天井部も、高温状態になる。一方、本体１０の内部は、冷却部により、外部空間の温度（外部温度）よりも低温に維持されている。このような本体１０の外面に接する容器３０の底部は、低温状態になる。すなわち、容器３０の天井部（高温状態）と、底部（低温状態）との間に温度差が生じる。

このような容器３０の中に、一端が容器３０の天井部側に位置し、他端が容器３０の底部側に位置する状態で収容されている熱電変換素子１は、一端が高温状態となり、他端が低温状態となる。すなわち、熱電変換素子１の両端に温度差が生じ、起電力が生じる。本実施形態の熱電変換装置１００は、複数の熱電変換素子１を直列に接続し、大きな電力を取り出せるようになっている。

次に、熱電変換装置１００の各構成要素について詳細に説明する。

まず、熱電変換素子１について説明する。熱電変換素子１（図２参照）は、第１及び第２の端部に温度差を生じさせると起電力が生じる。熱電変換素子１は、容器３０内に気密封止されている。本実施形態においては、熱電変換素子１の構成は特段制限されず、従来技術に準じたあらゆる構成とすることができる。以下、図面を用いて熱電変換素子１の一例を説明するが、これに限定されるものではない。

図７は、容器３０内に複数の熱電変換素子１が気密封止されている状態を示す断面模式図の一例である。また、図８は、図７に示す一点鎖線Ｉ−Ｉの断面から図中矢印で示す方向に観察した平面図である。なお、図７及び８においては、熱電変換素子１を模式的に四角で示している。

図９は、容器３０内に１対の熱電変換素子１が気密封止されている状態を示す断面模式図の一例である。

図９に示す構造体は、熱電変換素子１と、熱電変換素子１を気密封止した容器３０と、熱電変換素子１の一端と容器３０の天井部６の内面（容器３０の内部空間側の面）との間に挿入された第１熱伝導性絶縁体３と、熱電変換素子１の他端と容器３０の土台部５の内面（容器３０の内部空間側の面）との間に挿入された第２熱伝導性絶縁体４と、を有している。第１熱伝導性絶縁体３は、熱電変換素子１の一端と容器３０の天井部６の内面とに密着し、第２熱伝導性絶縁体４は、熱電変換素子１の他端と容器３０の土台部５の内面とに密着している。

熱電変換素子１は、ｐ型熱電変換素子（ｐ型熱電変換半導体）１１と、ｎ型熱電変換素子（ｎ型熱電変換半導体）１２と、を有している。熱電変換素子１は、更に、ｐ型熱電変換素子１１の一端とｎ型熱電変換素子１２の一端とを相互に電気的に接続している第１電極１３と、ｐ型熱電変換素子１１の他端に接続されている第２電極１４と、ｎ型熱電変換素子１２の他端に接続されている第３電極１５と、を有している。

ｐ型熱電変換素子１１及びｎ型熱電変換素子１２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、Ｍｇ_２Ｓｉを代表とするシリサイド系材料、Ｂａ_８Ｇａ_１６Ｓｎ_３０を代表とするクラスレート系材料、酸化物系材料などが挙げられる。

第１電極１３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することができる。第２及び第３電極１４、１５は、例えば、銅系、アルミニウム系、鉄系、チタン系等の金属材料により構成することができる。

熱電変換素子１は、更に、ｐ型熱電変換素子１１と第１電極１３との間に介装されている第１バリアメタル１６と、ｎ型熱電変換素子１２と第１電極１３との間に介装されている第２バリアメタル１７と、を有している。これら第１及び第２バリアメタル１６、１７は、ｐ型熱電変換素子１１及びｎ型熱電変換素子１２を構成する元素の拡散を抑制するためのものであり、例えば、それぞれＦｅ合金、Ｔｉ合金等により構成することができる。

第１熱伝導性絶縁体３は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ（アルミナイトライド）、Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化珪素）、ＳｉＣ等のセラミック材料からなるセラミック材料板３１と、このセラミック材料板３１と第１電極１３との間に介装されたカーボンシート３２と、セラミック材料板３１と容器３０の天井部６の内面との間に介装されたカーボンシート３３と、を有している。

第２熱伝導性絶縁体４は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ等のセラミック材料からなるセラミック材料板４１と、このセラミック材料板４１と第２電極１４との間に介装されたカーボンシート４２と、セラミック材料板４１と第３電極１５との間に介装されたカーボンシート４３と、セラミック材料板４１と容器３０の土台部５との間に介装されたカーボンシート４４と、を有している。

セラミック材料板３１を構成する材料、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣは、高い熱伝導性と、絶縁性とを兼ね備える。なお、セラミック材料板３１の材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ以外でも、高い熱伝導性と、絶縁性とを兼ね備えるその他の材料を用いることができる。第１及び第２熱伝導性絶縁体３、４のカーボンシート３２、３３、４２、４３、４４は、熱的な接触を良好にさせるとともに緩衝材として機能する。

次に、容器３０について説明する。容器３０は、土台部５と、天井部６とを有する。そして、図７乃至９に示す容器３０は、土台部５から略垂直に延伸した側壁部６２を介して、土台部５と天井部６とが繋がっている。なお、側壁部６２と土台部５及び天井部６各々とは、その他の角度で繋がっていてもよい。また、天井部６と土台部５とが直接繋がり、天井部６がゆるやかな曲面を有したドーム状になっていてもよい。本実施形態では、天井部６が加熱されて高温状態となり、土台部５の少なくとも一部が冷却されて低温状態となる。

土台部５は、平坦に形成されている。土台部５は、例えば図７乃至９に示すように、周縁部を構成する枠状体５ｂと、その中央部を構成する熱伝導体５ａと、を有してもよい。図７乃至９に示す土台部５は、枠状体５ｂの中央部が所定形状（例：円形）にくり抜かれている。そして、熱伝導体５ａは、平面形状が当該所定形状と略一致し、枠状体５ｂの中央部に嵌入される。枠状体５ｂと熱伝導体５ａは、それぞれ平坦、且つ、互いに同程度の厚みに形成され、互いの上面及び下面がそれぞれ面一となるのが好ましい。

枠状体５ｂは、ステンレス、ニッケル、炭素鋼或いはその他の金属材料により構成することができる。熱伝導体５ａは、枠状体５ｂよりも熱伝導性の高い材料（例えば銅、アルミニウム、カーボンなど）により構成されている。

そして、熱伝導体５ａ上に、第２熱伝導性絶縁体４を介して熱電変換素子１が配置され、更に、熱電変換素子１上に第１熱伝導性絶縁体３が配置されている。また、枠状体５ｂ上に、側壁部６２（または天井部６）が配置されている。このような構成の場合、土台部５の中の熱伝導体５ａが、冷却されることとなる。

なお、土台部５は、枠状体５ｂを備えず、熱伝導体５ａのみで構成することもできる。このような場合、熱伝導体５ａからなる土台部５と、側壁部６２（または天井部６）とは、伝熱を抑制する材料（断熱材など）を介して接続してもよい。このような構成の場合、土台部５の全部（熱伝導体５ａ）が冷却され、低温状態になる。

天井部６及び側壁部６２は、ステンレス、ニッケル、炭素鋼或いはその他の耐熱性金属材料からなる板材により一体形成することができる。板材の板厚は、０．２ｍｍ以上とすることができる。

天井部６は平坦であってもよい。側壁部６２は筒状であり、その平断面形状は天井部６の平面形状と同じ形状とすることができる。なお、側壁部６２の端部は、例えばフランジ状に張り出したフランジ部６３となっていてもよい。そして、フランジ部６３が、土台部５の上面（例えば、枠状体５ｂの上面）に対して溶接（例えば、レーザー溶接、電子ビーム溶接等）により固定されることによって、熱電変換素子１が容器３０内に気密封止されてもよい。

ここで、図７及び９に示すように、土台部５及び天井部６を平坦にするとともに、土台部５から略垂直に延伸した側壁部６２を介して、土台部５と天井部６とを繋いでいる容器３０においては、天井部６側を所定温度以上（例：４００℃以上）に昇温した後で室温に戻した場合、土台部５と天井部６との距離Ｌ（図９参照）が小さくなり（図１０に示すＬ_１）、天井部６の外面から土台部５までの距離Ｌ_２（図１０参照）よりもＬ_１が小さくなるように（好ましくは０．０１ｍｍ以上小さくなるように）、容器３０の形状等の因子が設定されていてもよい。すなわち、天井部６側を所定温度以上（例：４００℃以上）に昇温した後で室温に戻すことにより、天井部６が昇温前よりもマイナスＺ方向（図９及び１０における下方向）に変位するように、土台部５及び天井部６を構成してもよい。

このような構成とすることにより、昇温時においても、熱電変換素子１と第１熱伝導性絶縁体３との密着、並びに、第１熱伝導性絶縁体３と容器３０の天井部６との密着を維持でき、十分な熱電変換効率を確保することができる。

また、天井部６及び側壁部６２の板厚を０．２ｍｍ以上とした場合、十分に多くの腐食しろ（腐食しても品質に影響を与えない寸法マージン）及び酸化しろ（酸化しても品質に影響を与えない寸法マージン）を確保することができる。なお、天井部６及び側壁部６２の板厚は、熱ロスを軽減する観点から、１ｍｍ以下であることが好ましい。

側壁部６２の立ち上がりの高さＴ（図９参照）は、例えば、２ｍｍ以上とすることができる。ここで、高さＴは、土台部５の内面から天井部の内面までの距離から、フランジ部６３の厚さを差し引いた値である。

また、天井部６の平面視における外形線の曲率半径は、該外形線の全域に亘って１５ｍｍ以上とすることができる。具体的には、天井部６の平面視における外形線は、例えば、円形若しくはその一部分が円形の一部分を含む形状とされ、その曲率半径は１ｍｍ以上とすることができる。

容器３０内は、例えば、真空とされているか、或いは、使用温度で大気圧以下の圧力になるように不活性ガス（窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン及びキセノンのうちの少なくとも何れか１種のガス）が充填されている。

なお、図９に示すように、土台部５には、土台部５の表裏を貫通するように一対の絶縁体５３が埋め込まれていてもよい。第２電極１４には、第１リード５１の一端が接続され、この第１リード５１は、絶縁体５３の内部を通して、容器３０の外部に導出されている。同様に、第３電極１５には、第２リード５２の一端が接続され、この第２リード５２は、絶縁体５３の内部を通して、容器３０の外部に導出されている。

図７及び８に示す例においては、例えば図９に示すような熱電変換素子１が容器３０内でアレイ状に配置されるとともに、直列に接続されている。図７及び８中の真空導入端子５４は、図９における第１リード５１及び絶縁体５３のアセンブリ、並びに、第２リード５２及び絶縁体５３のアセンブリに相当する。図７及び８に示す例の場合、直列に接続された複数の熱電変換素子１の中の最前段の熱電変換素子１の第２電極１４に、第１リード５１の一端が接続される。また、直列に接続された複数の熱電変換素子１の中の最後段の熱電変換素子１の第３電極１５に、第２リード５２の一端が接続される。

なお、容器３０内に熱電変換素子１を収容する態様は、図７乃至９に示す例に限定されず、熱電変換素子１の２つの端部の間に温度差を生じさせることが可能な態様であれば、その他の態様を採用することもできる。

すなわち、本実施形態では、熱電変換素子１の第１の端部が、第２の端部よりも容器３０の天井部６の近くに位置するとともに、熱電変換素子１の第２の端部が、第１の端部よりも容器３０の土台部５の近くに位置する状態で熱電変換素子１を容器３０内に収容すればよい。図７乃至９と異なる例としては、図９に示した第１熱伝導性絶縁体３及び第２熱伝導性絶縁体４を有さない構成とすることもできる。すなわち、土台部５と熱電変換素子１の一端とが直接接し、天井部６と熱電変換素子１の他端とが直接接してもよい。その他の例として、熱電変換素子１の一端が土台部５と直接接して固定され、熱電変換素子１の他端は天井部６の近辺に位置し、天井部６とは直接接しなくてもよい。しかし、熱電変換効率を高める観点から、図７乃至９に示す態様が好ましい。

次に、本体１０について説明する。図２及び３に示すように、本体１０の外面には、１つ又は複数の容器３０が取付けられる。容器３０は、土台部５の外面が本体１０の外面に接する状態で取付けられる。

図示する例の場合、本体１０の形状は直方体形状である。そして、長手方向に沿って複数の容器３０が配列されている。すなわち、長手方向に沿って複数の熱電変換素子１が配列されている。また、本体１０を挟んで対峙するように、本体１０の対向する２つの面各々に、複数の容器３０が取付けられている。すなわち、本体１０を挟んで対峙するように、複数の熱電変換素子１が配列されている。

本体１０は例えば耐熱耐食性を有するステンレス等の板材で構成することができる。当該板材の厚さは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。また、本体１０の大きさは、熱源の空間寸法に応じ、制限なく自由に設定することができ、例えば、高さ５０ｍｍ以上５０００ｍｍ以下の範囲で任意の寸法とすることができる。また、本体１０の形状を四角柱とする場合、縦５０ｍｍ以上５０００ｍｍ以下、横５０ｍｍ以上５０００ｍｍ以下、高さ５０ｍｍ以上５０００ｍｍ以下の範囲で任意の寸法とすることができる。

本体１０の内部には、本体１０の外部温度よりも低温に維持されている冷却部が位置する。例えば、本体１０の内部は空間となっており、当該内部空間内を、冷却流体９０が流動していてもよい（図４乃至６参照）。冷却流体９０は、本体１０の外部温度よりも低温、または、本体１０の少なくとも一つの面よりも低温に維持されている。例えば、冷却流体９０の温度は、０℃以上１００℃以下に維持されていてもよい。冷却流体は、水などの液体であってもよいし、空気等の気体であってもよい。なお、内部空間に冷却流体９０を流動させる手段は特段制限されず、例えば、内部空間と繋がる流入口２１及び流出口２２を設けておき、流入口２１を介して内部空間に冷却流体を流入させるとともに、流出口２２を介して内部空間から冷却流体を流出させることで、冷却流体を流動させてもよい。

このような構成の本体１０は、冷却部により冷却される。そして、本体１０の外面と接する容器３０の土台部５も冷却される。

本体１０の形状は、複数の容器３０を配列できる面を有するとともに、内部に冷却部を位置させることができる形状であればよく、直方体形状のほか、立方体、三角柱、その他の多角柱などとすることができる。しかし、複数の容器３０を配列できる面を２つ有し、これらの面が互いに平行に対峙している形状が好ましい（この理由は、以下で述べる。）。このような形状としては、四角柱のほか、四角柱を基に部分的に変形させた形状（互いに大きさの異なる２つの四角柱をくっつけた形状等）等が考えられる。

なお、本体１０は、本体１０の周囲を覆うカバー１８で保護されていてもよい。そして、本体１０とカバー１８との間には、断熱材１９が位置してもよい。すなわち、本体１０は、断熱材１９で覆われていてもよい。なお、カバー１８は、本体１０の外面に取り付けられた容器３０の天井部が露出するための開口を有する。断熱材１９は、例えば、本体１０の外面における容器３０と接する領域を除くその他の領域の少なくとも一部を覆う。このような断熱材１９により、本体１０の内部に位置する冷却部が、外部空間の温度により加熱される不都合を軽減することができる。また、カバー１８により、本体１０の破損などを抑制することができる。

カバー１８は、例えばステンレス等耐熱耐食性を有する材料で構成することができる。また、断熱材１９は、熱源の最高温度に耐えられる断熱材であって、例えば発泡スチロールなどのプラスチック系、ガラス繊維などの鉱物系で構成することができる。

次に、フィン２０について説明する。フィン２０は、例えばステンレス等耐熱耐食性を有する材料で構成することができる。そして、フィン２０は、一方向に延在することで表面積を大きくし、外部空間から熱を吸収し易くなっている。図２に示すフィン２０は、図中左右方向に延在している。図３及び４に示すフィン２０は、紙面に対して垂直な方向に延在している。フィン２０は、図示するように、伝熱材４０（伝熱材４０については、以下で説明する）を介して、容器３０の天井部の外面に取り付けられる。なお、伝熱材４０を介さず、天井部の外面に直接フィン２０を取り付けることもできる。

そして、複数のフィン２０は、延在する方向が平行になるように取り付けられる。例えば、図示するように、フィン２０が延在する方向が本体１０の長手方向と垂直に交わるように、フィン２０が取り付けられてもよい。

フィン２０は、図３に示すように、伝熱材４０と接する底部、及び、当該底部から起立した２つの起立部を含む。２つの起立部は、底部から同一方向に起立しており、延在する方向から観察したフィン２０の断面形状は、図３に示すようにＵ字形状となる。

なお、フィン２０の底部と、伝熱材４０との接触面積は大きいのが好ましい。このため、フィン２０の底部の表面形状は、伝熱材４０の表面の形状に合わせた形状とすることができる。例えば伝熱材４０の表面形状が平坦である場合、フィン２０の底部の表面形状も平坦とするのが好ましい。また、伝熱材４０の表面が曲面を有する場合、フィン２０の底部の表面も当該曲面と同様の曲面を有するのが好ましい。当然、伝熱材４０の表面が凸部となっている場合、フィン２０の底部の表面は凹部となる。

このようなフィン２０は、例えば、長手方向を有する板材を用意し、長手方向と平行な直線を回転軸として、平板の両端部を同一方向に折り曲げることで形成してもよい。折り曲げ方は特段制限されず、例えば、図３に示すように、フィン２０の底部と起立部の境界部が丸みを帯びていてもよいし、または、直角（不図示）になっていてもよい。また、折り曲げる量（角度）は特段制限されない。なお、フィン２０の底部となる部品及び起立部となる部品を別々に用意し、従来技術を用いてこれらを接合することで、フィン２０を形成してもよい。

なお、フィン２０の厚さは、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることができる。

伝熱材４０は、容器３０の天井部とフィン２０との間に位置することができる。伝熱材４０は、フィン２０の熱を容器３０に伝える。このような伝熱材４０は、容器３０と接触しているのが好ましい。このため、伝熱材４０は、容器３０に向かって付勢されている。このように構成することで、伝熱材４０と容器３０との接触を確保することができる。なお、容器３０が伝熱材４０に向かって付勢されていてもよい。または、フィン２０が容器３０に向かって付勢されており、結果、伝熱材４０が容器３０に向かって付勢されていてもよい。かかる場合、フィン２０と伝熱材４０との接触も確保できて好ましい。

上述のような付勢を実現する構成は特段制限されず、従来技術に準じたあらゆる構成を採用することができる。一例として、容器３０、伝熱材４０、及び、フィン２０は、接合用部品を用いて互いに付勢し合うよう一体接続されていてもよい。図３及び６に示す例の場合、容器３０、伝熱材４０、及び、フィン２０は、取り付けボルト及びナット５０を用いて、互いに付勢し合うように一体接続されている。また、本体１０の両端面各々に取り付けられた容器３０、伝熱材４０、及び、フィン２０は、取り付けボルト及びナット５０と、介在部材２３とを用いて、互いに引き付け合うように接続されている。

なお、伝熱材４０は、例えば、耐熱耐食性を有するステンレス、耐熱鋼、耐熱合金、貴金属Ａｇ、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｉｒ及びセラミックス等の材料で構成された板材、多孔質材料若しくは粉状材料とすることができる。

ここで、伝熱材４０の平面の大きさは、図２に示すように、容器３０の天井部の平面の大きさより小さいのが好ましい。そして、図２に示すように、伝熱材４０及び容器３０を平面視で観察した場合、伝熱材４０のすべてが、容器３０の天井部と重なっているのが好ましい。なお、図２に示すように、伝熱材４０及び容器３０を平面視で観察した場合、伝熱材４０は、容器３０の天井部の外縁と接していないのがさらに好ましい。以下、この理由を述べる。

図９及び１０を用いて説明したとおり、本実施形態の容器３０は、天井部６側を所定温度以上（例：４００℃以上）に昇温した後で室温に戻すことにより、天井部６が昇温前よりもマイナスＺ方向（図９及び１０における下方向）に変位するように構成することができる。すなわち、加熱前は天井部６の外面が平坦であっても（図９参照）、加熱後室温に戻すことにより、天井部６の外面は図１０に示すようにマイナスＺ方向に変位し、曲面を有することとなる。

本実施形態では、例えば取り付けボルト及びナット５０等を用いて、伝熱材４０を容器３０に向かって付勢することで、伝熱材４０と容器３０の接触を確保する。

ここで、伝熱材４０の平面の大きさが容器３０の天井部の平面の大きさよりも大きい場合（図１１（Ａ））、及び、小さい場合（図１１（Ｂ））各々における、伝熱材４０と容器３０の接触を確保するために伝熱材４０を曲げる量Ｈ_１及びＨ_２の違いを示す。図示するとおり、伝熱材４０の平面の大きさが容器３０の天井部の平面の大きさよりも大きいと（図１１（Ａ））、小さい場合（図１１（Ｂ））に比べて、伝熱材４０と容器３０の接触を確保するために伝熱材４０を曲げる量は大きくなる。

なお、図示しないが、伝熱材４０及び容器３０を平面視で観察した場合に伝熱材４０が容器３０の天井部の外縁と接する場合、及び、接していない場合各々における、伝熱材４０と容器３０の接触を確保するために伝熱材４０を曲げる量を比較すると、上記と同様の理由により、接する場合は、接しない場合に比べて、伝熱材４０を曲げる量は大きくなる。

伝熱材４０を曲げる量が大きくなると、伝熱材４０や、伝熱材４０を容器３０に向かって付勢する部品（取り付けボルト及びナット５０等の接合用部品等）等に無理な力が加わり、故障の原因になってしまう。伝熱材４０の平面の大きさ、及び、伝熱材４０及び容器３０を平面視で観察した場合の位置関係を上述のようにすることで、このような不都合を抑制できる。

ここで、第１の容器３０内に気密封止された熱電変換素子１と、第１の容器３０とは異なる第２の容器３０内に気密封止された熱電変換素子１とは、直列に接続されていてもよい。そして、第１の容器３０内に気密封止された熱電変換素子１に繋がるリード線（第１リード５１又は第２リード５２、図２参照）と、第２の容器３０内に気密封止された熱電変換素子１に繋がるリード線（第１リード５１又は第２リード５２、図２参照）とは、接続端子７０、及び、接続端子７０間を結ぶリード線６０（図３及び５参照）を介して接続されていてもよい。接続端子７０は、本体１０の外部空間に引き出されている。このため、リード線６０と接続端子７０の接続及び接続解除を容易に行うことができる。

例えば、複数の容器３０の中のある容器３０内に気密封止された熱電変換素子１に不具合が発生した場合、リード線６０及び接続端子７０の接続関係を変更して、不具合が発生した熱電変換素子１を、直列接続の中から切り離すことができる。すなわち、ある熱電変換素子１に不具合が発生しても、比較的簡単な処置で、熱電変換装置１００の使用を継続することができる。

ここで、図１２乃至１９に、熱電変換装置１００の変形例を示す。
図１２は、変形例の熱電変換装置１００の斜視図である。図１３は、図１２の熱電変換装置１００の平面模式図である。図１４及び１５は、図１３と同じ方向から観察した熱電変換装置１００の平面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示している。図１６は、図１２の熱電変換装置１００の側面模式図であり、あわせて内部構成の一部を示している。図１７は、図１６のＢ−Ｂ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置１００を示す模式図である。図１８は、図１３のＡ−Ａ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置１００を示す模式図である。図１９は、図１６のＣ−Ｃ断面から矢印で示す方向に観察した熱電変換装置１００を示す模式図である。

当該変形例は、図１乃至５を用いて説明した熱電変換装置１００と比べて、１つの容器３０の中に気密封止する熱電変換素子１の数が多い点で相違する。また、図１乃至５を用いて説明した熱電変換装置１００では、複数のフィン２０の形状及び大きさが同一であったが、当該変形例では、形状及び大きさが異なる複数種類のフィン２０を使用している点で相違する。当該変形例のその他の基本的な構成は、図１乃至５を用いて説明した熱電変換装置と同様である。

次に、本実施形態の熱電変換装置１００の効果について説明する。なお、すでに述べた効果の説明は省略する。

本実施形態の熱電変換装置１００は、複数のフィン２０の存在により、外部空間と接触する面積を大きくすることができる。結果、外部空間から効率的に熱を吸収することができる。

また、延在する方向から観察した断面形状がＵ字形状となっているフィン２０は、起立部がストッパーの役目を果たすため、延在する方向の長さが短くなる方向には折り曲がりにくい。このようなフィン２０複数を、延在する方向が互いに平行になるように本体１０に取り付けた本実施形態の熱電変換装置１００の場合、本体１０は、フィン２０の延在する方向の長さが短くなる方向には折り曲がりにくくなる。すなわち、このような変形が抑制される。

ここで、本実施形態の熱電変換装置１００を、廃熱管内に設置して利用する形態を考えてみる。廃熱管は、ある場所で発生した廃熱を他の場所に移動させるための管であり、廃熱管内では、一定の方向に廃熱が流れている。

図２０は、このような廃熱管内に熱電変換装置１００を設置した一例を示している。熱電変換装置１００は、支持部材８０により、廃熱管内に吊り下げられている。なお、廃熱管内の床面に載置することもできる。廃熱管内には、矢印Ｍで示す方向に廃熱が流れている。

本実施形態の熱電変換装置１００が備えるフィン２０は、延在する方向（図２０中、左右方向）から観察した断面形状がＵ字形状であり、複数のフィン２０は、延在する方向が平行になるように配列されている。そして、熱電変換装置１００は、フィン２０の延在する方向と、廃熱の流れ方向とが略平行になるように取り付けられている。このため、熱電変換装置１００は、廃熱の流れを妨げることを抑制しつつ、廃熱とフィン２０との接触を十分に確保し、十分な熱を吸収することができる。

また、本実施形態の熱電変換装置１００は、フィン２０が延在する方向（図２０中、左右方向）と、本体１０の長手方向（図２０中、上下方向）とが垂直に交わるように、本体１０にフィン２０を取り付けることができる。このため、例えば廃熱管が地面に平行に横方向に延在している場合、長手方向が地面に対して垂直になるように熱電変換装置１００を吊り下げる（図２０参照）、または、床面に載置するという比較的簡単な設置手段により、フィン２０の長手方向と廃熱管内の廃熱の流れ方向とが略平行になるように、熱電変換装置１００を設置できる。すなわち、廃熱の流れを妨げることを抑制できる熱電変換装置１００の設置を、比較的簡単に実現することができる。

また、本実施形態の熱電変換装置１００は、本体１０の形状を互いに平行に対峙する２面を有する形状とし、この２面に複数のフィン２０を取り付けることができる。すなわち、本体を挟んで対峙するように、複数のフィン２０を取り付けることができる。かかる場合、上記説明した、廃熱の流れを妨げることを抑制できる効果を実現しつつ、より多数のフィン２０により、効率的に熱を吸収することができる。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 第１及び第２の端部に温度差を生じさせると起電力が生じる熱電変換素子と、
土台部及び天井部を有し、前記第１の端部は前記第２の端部よりも前記天井部の近くに位置し、前記第２の端部は前記第１の端部よりも前記土台部の近くに位置する状態で、１つ又は複数の前記熱電変換素子を気密封止した容器と、
外面に、前記土台部の外面が接する状態で１つ又は複数の前記容器が取り付けられた本体と、
一方向に延在し、当該延在する方向が互いに平行になるよう、前記容器の前記天井部の外面に取り付けられた複数のフィンと、
を有し、
前記一方向から観察した前記フィンの断面形状はＵ字形状である熱電変換装置。
２． １に記載の熱電変換装置において、
前記本体の内部に、前記本体の外部温度よりも低温に維持される冷却部を有する熱電変換装置。
３． ２に記載の熱電変換装置において、
前記本体は内部空間を有し、前記本体の少なくとも一つの面よりも低温の冷却流体が、前記内部空間を流動している熱電変換装置。
４． １から３のいずれかに記載の熱電変換装置において、
前記容器と前記フィンとの間に位置し、前記容器に向かって付勢されている伝熱材をさらに有する熱電変換装置。
５ ４に記載の熱電変換装置において、
前記フィンは、前記容器に向かって付勢されている熱電変換装置。
６． ４または５に記載の熱電変換装置において、
前記容器は、前記伝熱材に向かって付勢されている熱電変換装置。
７ ４から６のいずれかに記載の熱電変換装置において、
前記容器、前記伝熱材、及び、前記フィンは、接合用部品を用いて互いに付勢し合うよう一体接続されている熱電変換装置。
８ ４から７のいずれかに記載の熱電変換装置において、
前記容器は、前記土台部から略垂直に延伸し、前記土台部と前記天井部とを繋ぐ側壁部をさらに有し、
前記伝熱材の平面は前記容器の前記天井部の平面より小さく、平面視で観察した場合、前記伝熱材のすべてが前記容器の前記天井部と重なっている熱電変換装置。
９ ８に記載の熱電変換装置において、
平面視で観察した場合、前記伝熱材は、前記容器の前記天井部の外縁と接しない熱電変換装置。
１０ １から９のいずれかに記載の熱電変換装置において、
前記本体は長手方向を有し、前記長手方向に沿って複数の熱電変換素子が配列されている熱電変換装置。
１１ １０に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換素子は、前記本体を挟んで対峙するように、複数の熱電変換素子が配列されている熱電変換装置。
１２ １０または１１に記載の熱電変換装置において、
前記フィンが延在する前記一方向と、前記本体の前記長手方向とは垂直に交わる熱電変換装置。
１３ １から１２のいずれかに記載の熱電変換装置において、
第１の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子と、第２の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子とが、直列に接続されている熱電変換装置。
１４ １３に記載の熱電変換装置において、
第１の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子に繋がるリード線と、第２の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子に繋がるリード線とを接続している接続端子を有し、前記接続端子は前記本体の外部に引き出されている熱電変換装置。

１００ 熱電変換装置
１ 熱電変換素子
３ 第１熱伝導性絶縁体
４ 第２熱伝導性絶縁体
５ 土台部
５ａ 熱伝導体
５ｂ 枠状体
６ 天井部
１０ 本体
１１ ｐ型熱電変換素子
１２ ｎ型熱電変換素子
１３ 第１電極
１４ 第２電極
１５ 第３電極
１６ 第１バリアメタル
１７ 第２バリアメタル
１８ カバー
１９ 断熱材
２０ フィン
２１ 流入口
２２ 流出口
２３ 介在部材
３０ 容器
３１ セラミック材料板
３２ カーボンシート
３３ カーボンシート
４０ 伝熱材
４１ セラミック材料板
４２ カーボンシート
４３ カーボンシート
４４ カーボンシート
５０ 取り付けボルト及びナット
５１ 第１リード
５２ 第２リード
５３ 絶縁体
５４ 真空導入端子
６０ リード線
６２ 側壁部
６３ フランジ部
７０ 接続端子
８０ 支持部材
９０ 冷却流体

Claims (14)

1. 第１及び第２の端部に温度差を生じさせると起電力が生じる熱電変換素子と、
   土台部及び天井部を有し、前記第１の端部は前記第２の端部よりも前記天井部の近くに位置し、前記第２の端部は前記第１の端部よりも前記土台部の近くに位置する状態で、１つ又は複数の前記熱電変換素子を気密封止した容器と、
   外面に、前記土台部の外面が接する状態で１つ又は複数の前記容器が取り付けられた本体と、
   一方向に延在し、当該延在する方向が互いに平行になるよう、前記容器の前記天井部の外面に取り付けられた複数のフィンと、
   を有し、
   前記一方向から観察した前記フィンの断面形状はＵ字形状である熱電変換装置。
2. 請求項１に記載の熱電変換装置において、
   前記本体の内部に、前記本体の外部温度よりも低温に維持される冷却部を有する熱電変換装置。
3. 請求項２に記載の熱電変換装置において、
   前記本体は内部空間を有し、前記本体の少なくとも一つの面よりも低温の冷却流体が、前記内部空間を流動している熱電変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電変換装置において、
   前記容器と前記フィンとの間に位置し、前記容器に向かって付勢されている伝熱材をさらに有する熱電変換装置。
5. 請求項４に記載の熱電変換装置において、
   前記フィンは、前記容器に向かって付勢されている熱電変換装置。
6. 請求項４または５に記載の熱電変換装置において、
   前記容器は、前記伝熱材に向かって付勢されている熱電変換装置。
7. 請求項４から６のいずれか１項に記載の熱電変換装置において、
   前記容器、前記伝熱材、及び、前記フィンは、接合用部品を用いて互いに付勢し合うよう一体接続されている熱電変換装置。
8. 請求項４から７のいずれか１項に記載の熱電変換装置において、
   前記容器は、前記土台部から略垂直に延伸し、前記土台部と前記天井部とを繋ぐ側壁部をさらに有し、
   前記伝熱材の平面は前記容器の前記天井部の平面より小さく、平面視で観察した場合、前記伝熱材のすべてが前記容器の前記天井部と重なっている熱電変換装置。
9. 請求項８に記載の熱電変換装置において、
   平面視で観察した場合、前記伝熱材は、前記容器の前記天井部の外縁と接しない熱電変換装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の熱電変換装置において、
    前記本体は長手方向を有し、前記長手方向に沿って複数の前記容器が配列されている熱電変換装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱電変換装置において、
    前記本体には、前記本体を挟んで対峙するように、複数の前記容器が取り付けられている熱電変換装置。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載の熱電変換装置において、
    前記本体は長手方向を有し、前記フィンが延在する前記一方向と、前記本体の前記長手方向とは垂直に交わる熱電変換装置。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の熱電変換装置において、
    第１の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子と、第２の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子とが、直列に接続されている熱電変換装置。
14. 請求項１３に記載の熱電変換装置において、
    第１の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子に繋がるリード線と、第２の前記容器内に気密封止された前記熱電変換素子に繋がるリード線とを接続している接続端子を有し、前記接続端子は前記本体の外部に引き出されている熱電変換装置。

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