JP6002623B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、例えば各種産業機器及び自動車等における排ガス等の圧縮性流体の廃熱を熱源とする、熱電変換モジュールに関する。

従来の熱電変換モジュールは、熱電変換素子を構成する複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の上下面、すなわち高温熱源側の面及び低温熱源側の面に電極を配設して電気回路を構成し、さらに上記電極の外側両面にセラミックスなど電気絶縁板を備える構造が一般的である。

一方、近年においては、上記熱電変換モジュールにおいて、高温熱源として各種産業機器及び自動車等における排ガス等の圧縮性流体の廃熱を利用することが試みられている（特許文献１参照）。

熱電変換モジュールの発電効率を向上させるには、圧縮性流体から効率よく受熱して熱電変換素子の高温熱源側をより高温に加熱し、冷媒を流すことにより熱電変換素子の低温熱源側をより低温にすることが求められる。

圧縮性流体から効率よく受熱するためには、上記熱電変換モジュールの圧縮性流体が流れる管体、すなわちエクゾースト管の管壁を薄くすればよい。一方、熱電変換素子の低温熱源側の温度をより低下させるためには、上記熱電変換モジュール内に形成され、上記熱電変換素子の低温熱源が露出した冷媒室内に多量の冷媒を流す、あるいは極めて低い温度の冷媒をながせばよい。

しかしながら、極めて低い温度の冷媒は高価であるため、熱電変換モジュールのコストが増大してしまうという問題があった。また、汎用の冷媒を用いた場合は、当該冷媒が上記冷媒室全体を流れるため、熱電変換素子の低温熱源側の温度をより低下させるのは困難であった。

特開２００７−２２１８９５号

本発明は、熱電変換効率を向上させ、各種産業機器及び自動車等における排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明は、
圧縮性流体を流すための筒状の管体と、
前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、前記管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、
前記高温側電極部上において、少なくとも一対のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子上において、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部と、
前記管体、前記高温側電極部、前記熱電変換素子及び前記低温側電極部を収納する第１のケース部材と、
前記第１ケース部材の外方であって、前記低温側電極部との間に冷媒を流すための冷媒室が形成されるようにして配設され、前記第１のケース部材を収納するための第２のケース部材と、
前記冷媒室内において、前記冷媒室の導入口から前記熱電変換素子の形成領域に向けて狭窄されるようにして配設された流路ガイド板と、
を具えることを特徴とする、熱電変換モジュールに関する。

本発明によれば、熱電変換モジュールの、圧縮性流体を流すための管体、高温側電極部、少なくとも一対のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を含む熱電変換素子及び低温側電極部を収納する第１のケース部材と、この第１のケース部材の外方であって第１のケース部材を収納する第２のケース部材との間に形成される冷媒室内において、冷媒室の導入口から熱電変換素子の形成領域に向けて狭窄されるようにして形成された流路ガイド板を配設している。したがって、冷媒室内を流れる冷媒は熱電変換素子の形成領域に強制的に供給されることになり、当該領域をより効率的かつ効果的に冷却することができるようになる。

したがって、従来のように、冷媒室の全体に亘って冷媒を流す場合に比較して、冷媒からの冷熱は、熱電変換素子の低温熱源側に効率よく伝達されるようになるので、当該冷媒の利用効率が向上する。結果として、熱電変換素子のゼーベック効果が向上して熱電変換効率が向上し、熱電変換モジュールからより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

すなわち、本発明によれば、第１のケース部材及び第２のケース部材間に形成された冷媒室内に、冷媒室の導入口から熱電変換素子の形成領域に向けて狭窄されるようにして形成された流路ガイド板を配設するという簡易な方法によって、熱電変換素子の熱電変換効率を向上させ、熱電変換モジュールから大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

なお、上記発明は、構成自体は簡易であるが、本発明者らの長年に亘る研究開発の結果として得た着想に基づくものであって、従来、存在しなかった発想に基づくものである。

本発明の一例において、流路ガイド板は、第１のケース部材における上壁面の少なくとも一部又は第２のケース部材における下壁面の少なくとも一部間に、隙間を形成するようにして配設することができる。

熱電変換素子の形成領域外の領域が例えば管体内を流れる高温の圧縮性流体によって過度に加熱されると、例えば、冷媒の局所的な加熱によってボイドが発生し、冷媒の流れを阻害する恐れがある。しかしながら、上述のように、流路ガイド板を、第１のケース部材における上壁面の少なくとも一部又は第２のケース部材における下壁面の少なくとも一部間に、隙間を形成するようにして配設することにより、流路ガイド板で画定される領域から冷媒がわずかながら熱電変換素子の形成領域外の領域に漏洩するようになるので、当該領域の過度の加熱を抑制して、上記不利益を解消することができる。

なお、流路ガイド板は、前記第１のケース部材における上壁面の少なくとも一部又は前記第２のケース部材における下壁面の少なくとも一部に接合することもできる。この場合、流路ガイド板は第１のケース部材又は第２のケース部材に固定されるので、流路ガイド板がこの内部を流れる冷媒によってずれたりすることがなく、上述したように、熱電変換素子１３，１３の形成領域に冷媒を安定的に供給することができる。また、流路ガイド板を、第１のケース部材における上壁面の少なくとも一部又は第２のケース部材における下壁面の少なくとも一部間に、隙間を形成するようにして確実に配設することができる。

また、本発明の一例では、冷媒室内に、熱交換部材を配設することができる。この場合、熱交換部材を介して冷媒室内を流れる冷媒の冷熱がより効果的に熱電変換素子の低温熱源側に効率よく伝達されるようになるので、当該冷媒の利用効率がさらに向上する。結果として、熱電変換素子のゼーベック効果がより向上することにより熱電変換効率がより向上し、熱電変換モジュールからより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

以上、本発明によれば、熱電変換効率を向上させ、各種産業機器及び自動車等における排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュールを提供することができる。

第１の実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。 図１に示す熱電変換モジュールの外側の第２のケース部材を取り外した状態の斜視図である。 図１に示す熱電変換モジュールの外側の第２のケース部材及び第２のケース部材の内側であって熱電変換素子等を収納する第１のケース部材を取り外した状態の斜視図である。 図１に示す熱電変換モジュールのI-I線に沿った断面図である。 図１に示す熱電変換モジュールのII-II線に沿った断面図である。 第２の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す断面図である。 第３の実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図である。 図７に示す熱電変換モジュールの外側の第２のケース部材を取り外した状態の斜視図である。

以下、本発明の熱電変換モジュールの詳細並びにその他の特徴について、実施の形態に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図５は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す図であり、図１は、本実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１に示す熱電変換モジュールの外側の第２のケース部材を取り外した状態の斜視図である。また、図３は、図１に示す熱電変換モジュールの外側の第２のケース部材及び第２のケース部材の内側であって熱電変換素子等を収納する第１のケース部材を取り外した状態の斜視図である。さらに、図４は、図１に示す熱電変換モジュールのI-I線に沿った断面図であり、図５は、図１に示す熱電変換モジュールのII-II線に沿った断面図である。

図１〜５に示すように、熱電変換モジュール１０は、圧縮性流体を流すための、平坦な上面１１Ａ及び下面１１Ｂを有する筒状の管体１１と、管体１１の上面１１Ａ側及び下面１１Ｂ側それぞれに配設され、管体１１と電気的に絶縁された高温側電極部１２，１２とを有している。また、高温側電極部１２，１２上において、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２が互いに隣接するようにしてマトリックス状に配設されているとともに、電気的に直列に接続されてなる熱電変換素子１３，１３が配設されている。さらに、熱電変換素子１３，１３上において、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２を電気的に直列に接続する低温側電極部１４，１４が配設されている。

また、図２、図４及び図５に示すように、管体１１、高温側電極部１２，１２、熱電変換素子１３，１３及び低温側電極部１４，１４は第１のケース部材１６内に収納されており、図１、図４及び図５に示すように、第１のケース部材１６は、この第１のケース部材１６との間に冷媒室Ｓが形成されるようにして第２のケース部材１７内に収納されている。

図１に示すように、第２のケース部材１７には、冷媒室Ｓに冷媒を導入するための導入口１７Ａが形成されている。また、図２、図４及び図５に示すように冷媒室Ｓ内には、冷媒室Ｓへの冷媒の導入側（導入口１７Ａ側）から熱電変換素子１３，１３が配設されている領域に向けて狭窄するようにして流路ガイド板１８が配設されている。なお、本実施形態で流路ガイド板１８は、第２のケース部材１７の下壁面１７Ｂに接合されており、第１のケース部材の上壁面１７Ａとの間に隙間ｇが形成されている。さらに、冷媒室Ｓ内、具体的には、流路ガイド板１８の内側の領域において熱交換部材であるフィン１９が配設されている。

このように、本実施形態の熱電変換モジュール１０における圧縮性流体を流すための管体１１、高温側電極部１２，１２、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２を含む熱電変換素子１３及び低温側電極部１４，１４を収納する第１のケース部材１６と、この第１のケース部材の外方であって第１のケース部材を収納する第２のケース部材１７との間に形成される冷媒室Ｓ内において、冷媒室Ｓの導入口から熱電変換素子１３，１３の形成領域に向けて狭窄されるようにして形成された流路ガイド板１８が配設されている。したがって、冷媒室Ｓ内を流れる冷媒は熱電変換素子１３，１３の形成領域に強制的に供給されることになり、当該領域をより効率的かつ効果的に冷却することができるようになる。

したがって、従来のように、冷媒室Ｓの全体に亘って冷媒を流す場合に比較して、冷媒からの冷熱は、熱電変換素子１３，１３の低温熱源側に効率よく伝達されるようになるので、当該冷媒の利用効率が向上する。結果として、熱電変換素子１３，１３のゼーベック効果が向上して熱電変換効率が向上し、熱電変換モジュール１０からより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

すなわち、本実施形態の熱電変換モジュール１０によれば、第１のケース部材１６及び第２のケース部材１７間に形成された冷媒室Ｓ内に、冷媒室Ｓの導入口から熱電変換素子１３，１３の形成領域に向けて狭窄されるようにして形成された流路ガイド板１８を配設するという簡易な方法によって、熱電変換素子１３，１３の熱電変換効率を向上させ、熱電変換モジュール１０から大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

なお、隙間ｇは上述した作用効果を奏する限りにおいて、流路ガイド板１８の全体に亘って形成してもよいし、流路ガイド板１８の一部に形成してもよい。

また、本実施形態では、流路ガイド板１８を第２のケース部材１７の上壁面に固定しているので、流路ガイド板１８がこの内部を流れる冷媒によってずれたりすることがなく、上述したように、熱電変換素子１３，１３の形成領域に冷媒を安定的に供給することができるとともに、第１のケース部材１６との間に隙間ｇを確実に形成することができる。

さらに、本実施形態では、冷媒室Ｓ内に、熱交換部材であるフィン１９を配設しているので、フィン１９を介して冷媒室Ｓ内を流れる冷媒の冷熱がより効果的に熱電変換素子１３，１３の低温熱源側に効率よく伝達されるようになるので、当該冷媒の利用効率がさらに向上する。結果として、熱電変換素子１３，１３のゼーベック効果がより向上することにより熱電変換効率がより向上し、熱電変換モジュール１０からより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

なお、図３に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール１０では、高温側電極部１２，１２、熱電変換素子１３，１３、及び低温側電極部１４，１４が管体１１の上面１１Ａ及び下面１１Ｂにおいて複数の領域に亘って形成されているが、各領域に形成された熱電変換素子１３，１３等は、例えば低温側電極部１４，１４の端部に形成された電極部１４Ａ同士が図示しない配線を介して電気的に接続されており、各領域の熱電変換素子１３，１３等で生成された電流（電圧）は、左最下端に位置する電極部１４Ｃに接続された電極端子１５によって、外部に取出される（図１参照）。

以上説明したように、本実施形態によれば、熱電変換効率を向上させ、各種産業機器及び自動車等における排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュール１０を提供することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す断面図であり、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０の図５に相当するものである。なお、図１〜図５に示す熱電変換モジュール１０の構成要素と同一あるいは類似の構成要素については、同一の符号を用いている。

また、本実施形態では、流路ガイド板１８を第１のケース部材１６の上壁面１６Ａに固定しているので、流路ガイド板１８がこの内部を流れる冷媒によってずれたりすることがなく、上述したように、熱電変換素子１３，１３の形成領域に冷媒を安定的に供給することができるとともに、第２のケース部材１７との間に隙間ｇを確実に形成することができる。

その他の特徴及び利点は、第１の実施形態における熱電変換モジュール１０と同様であるので、記載を省略する。

（第３の実施形態）
図７及び図８は、本実施形態における熱電変換モジュール３０の概略構成を示す図であり、図７は、本実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図であり、図８は、図７に示す熱電変換モジュールの外側の第２のケース部材を取り外した状態の斜視図である。

なお、図１〜図５に示す熱電変換モジュール１０の構成要素と同一あるいは類似の構成要素については、同一の符号を用いている。

図７及び図８に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール３０は、第１の実施形態における熱電変換モジュール１０の、第１のケース部材１６が取り外された図２に示すような状態の、５つの熱電変換モジュールのアセンブリ３０Ｘが流路ガイド板１８を介して積層されており、この積層体を収納するようにして第２のケース部材３７が配設されている。なお、図７及び図８では特に図示しないものの、第１の実施形態で説明したように、流路ガイド板１８は、第１のケース部材１６及び第２のケース部材３７間に形成された冷媒室内に配設されている。

第２のケース部材３７は、冷媒導入口３７Ａが形成された主部３７１の両側にフランジ部３７２が配設されており、フランジ部３７２には、本実施形態の熱電変換モジュール３０の各アセンブリ３０Ｘの管体１１内に圧縮性流体を導入する開口部３７Ａが形成されている。

本実施形態の熱電変換モジュール３０においても、各アセンブリ３０Ｘにおいて、圧縮性流体を流すための管体１１、高温側電極部１２，１２、ｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２を含む熱電変換素子１３及び低温側電極部１４，１４を収納する第１のケース部材１６と、この第１のケース部材１６の外方であって第１のケース部材１６を収納する第２のケース部材３７との間に形成される冷媒室内において、冷媒室の導入口３７Ａから熱電変換素子１３，１３の形成領域に向けて狭窄されるようにして形成された流路ガイド板１８が配設されている。したがって、冷媒室内を流れる冷媒は熱電変換素子１３，１３の形成領域に強制的に供給されることになり、当該領域をより効率的かつ効果的に冷却することができるようになる。

したがって、従来のように、冷媒室の全体に亘って冷媒を流す場合に比較して、冷媒からの冷熱は、熱電変換素子１３，１３の低温熱源側に効率よく伝達されるようになるので、当該冷媒の利用効率が向上する。結果として、熱電変換素子１３，１３のゼーベック効果が向上して熱電変換効率が向上し、熱電変換モジュール３０からより大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

すなわち、本実施形態の熱電変換モジュール３０によれば、第１のケース部材１６及び第２のケース部材３７間に形成された冷媒室内に、冷媒室の導入口３７Ａから熱電変換素子１３，１３の形成領域に向けて狭窄されるようにして形成された流路ガイド板１８を配設するという簡易な方法によって、熱電変換素子１３，１３の熱電変換効率を向上させ、熱電変換モジュール３０から大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

また、本実施形態では、図７に示すような積層体の構造を採ることにより、熱電変換モジュールの各アセンブリ３０Ｘ中の熱電変換素子１３，１３が実質的に並列に接続されていることになるので、本実施形態の熱電変換モジュール３０からは第１の実施形態に示す熱電変換モジュール１０よりもはるかに大きな電気エネルギーを取り出すことができる。

その他の特徴及び利点は、第１の実施形態における熱電変換モジュール１０と同様であるので、記載を省略する。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

１０，２０ 熱電変換モジュール
１１ 管体
１１１ フィン
１２ 高温側電極部
１３ 熱電変換素子
１４ 低温側電極部
１５ 電極端子
１６ 第１のケース部材
１７ 第２のケース部材
１８ 流路ガイド板
１９ フィン

Claims (4)

1. 圧縮性流体を流すための筒状の管体と、
   前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設された熱電変換モジュールと、
   前記管体、前記熱電変換モジュールを収納する第１のケース部材と、
   前記第１ケース部材の外方であって、前記低温側電極部との間に冷媒を流すための冷媒室が形成されるようにして配設され、前記第１のケース部材を収納するための第２のケース部材と、
   前記冷媒室内において、前記冷媒室の導入口から前記熱電変換素子の形成領域に向けて狭窄されるようにして配設された流路ガイド板と、
   を具えることを特徴とする、熱電変換モジュール。
2. 前記流路ガイド板は、前記第１のケース部材における上壁面の少なくとも一部又は前記第２のケース部材における下壁面の少なくとも一部間に、隙間を形成するようにして配設されたことを特徴とする、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記流路ガイド板は、前記第１のケース部材における上壁面の少なくとも一部又は前記第２のケース部材における下壁面の少なくとも一部に、接合されていることを特徴とする、請求項２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記冷媒室内には、熱交換部材が配設されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載の熱電変換モジュール。

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