JP6981429B2 - 熱電変換部、発電システムおよび熱電変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、排熱から電力を得る熱電変換技術に関するものであり、特に、シート型の熱電変換素子を用いた熱電変換技術に関するものである。

持続可能な社会に向けた環境やエネルギー問題への取り組みが活発化する中で、熱電変換素子を用いた発電システムへの期待が高まっている。熱は、体温、太陽光、エンジンおよび工業排熱などあらゆる媒体から得ることができる最も一般的なエネルギー源であるためである。特に、自動車や鉄鋼所などで生じる排ガスの熱エネルギーを熱電変換素子で電力に変換し再利用する取り組みが活発に行われている。

そのような発電システムでは、排ガスの熱エネルギーを電力に変換する際に、排ガスの流路周辺の限られたスペースに熱電変換素子等の発電機器を設置する必要がある。そのため、熱電変換素子等の発電機器の構成を簡略化しつつ発電効率が高いことが望ましい。また、一度、排ガス管の周辺などに熱電変換素子を設置すると、補修等の作業が困難であることも多く、信頼性が高いことが望ましい。

自動車等から生じる排ガスのエネルギーを電力に変換する技術としては、例えば、特許文献１のような技術が開示されている。特許文献１には、自動車エンジンの排ガスと冷却水の間に生じる温度差に熱電変換素子を適用して発電を行う排熱発電システムが示されている。

また、特許文献２には、排気ガスの熱エネルギーを用いて発電を行う熱発電器が示されている。特許文献２の熱発電器は、図１２に示すように燃焼ガスの排気通路１３と、排気通路１３が分岐した排気通路１３Ａ、排気通路１３Ｂおよび排気通路１３Ｃを備えている。また、特許文献２の熱発電器は、各排気通路の凹部１４に熱電変換素子１５が複数、取り付けられている。各熱電変換素子はシリコン基板を用いて形成され、熱電変換素子１５の間は電極で接続されている。特許文献２は、そのような構成を備えることで、排気ガスの熱エネルギーを有効に回収することができるとしている。

また、熱電変換素子に関する技術としては、特許文献３、非特許文献１および非特許文献２のような熱電変換素子に関する技術が開示されている。特許文献３には、ペルチェ効果やゼーベック効果を利用した熱電変換素子が示されている。非特許文献１には、スピンゼーベック効果を利用した熱電変換素子が示されている。また、非特許文献２には、異常ネルンスト効果を利用した熱電変換素子が示されている。特許文献３、非特許文献１および非特許文献２の熱電変換素子は、熱電変換素子の平面に対して垂直方向に発生した熱流を平面方向の電流に変換することができる。そのため、特許文献３、非特許文献１および非特許文献２の熱電変換素子は、熱電変換素子の両端に電極を備えることで熱起電力を得ることができる。また、特許文献４には、シリコンゲルマニウム化合物と、ビスマステルル化合物を熱電素子材料とした２種類の熱電変換素子を用いた熱電発電装置が示されている。

特開平０８−２６１０６４号公報 特開平０７−１２００９号公報 特開２００５−３３３０８３号公報 特開２０００−２８６４６９号公報

Ｕｃｈｉｄａ ｅｔ ａｌ．，"Ｓｐｉｎ Ｓｅｅｂｅｃｋ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ"，Ｎａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０１０，ｖｏｌ．９，ｐ８９４ Ｓａｋｕｒａｂａ ｅｔ ａｌ．，"Ａｎｏｍａｌｏｕｓ Ｎｅｒｎｓｔ Ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ Ｌ１０−ＦｅＰｔ／ＭｎＧａ Ｔｅｒｍｏｐｉｌｅｓ ｆｏｒ Ｎｅｗ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２０１３，Ｖｏｌｕｍｅ６，０３３３００３

しかしながら、各先行技術文献に記載の技術は次のような点で十分ではない。特許文献１の排熱発電システムは、冷却水流路と排気流路の１箇所において熱電変換素子を用いて発電を行っている。そのため、特許文献１の排熱発電システムは、発電効率が低い。また、特許文献２の熱発電器は、分岐した配管それぞれにシリコン基板上に形成された複数の熱電素子を取り付け、各熱電変換素子間を電極で接続している。シリコン基板上に形成された熱電変換素子は、厚みが大きく広い設置スペースを必要とする。また、各熱電変換素子を接続する電極が必要なため、電極の構造が複雑となるともに断線の恐れが高くなる。特許文献４の熱電発電装置も、複数の熱電素子を電極で接続する必要があり、特許文献２の技術と同様の課題を有する。

また、特許文献２の技術に、特許文献３、非特許文献１および非特許文献２のいずれかの熱電変換素子を組み合わせたとしても、分岐した各排気通路に取り付けられた熱電変換素子間を接続する電極の構成を簡略化することはできない。そのため、電極の構造の複雑化や断線が生じる。よって、各先行技術に記載された技術は、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うための技術としては十分ではない。

本発明は、上記の課題を解決するため、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うことができる熱電変換部、発電システムおよび熱電変換方法を得ることを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明の熱電変換部は、複数の管と熱電変換素子を備えている。管は、第１の流体が内部を流れる。熱電変換素子は、管にそれぞれ巻装され、第１の流体と管１の外を流れる第２の流体との温度差によって発電する。また、熱電変換素子は、シート型である。

また、本発明の熱電変換方法は、複数の管の内部に第１の流体を流し、管にそれぞれ巻装されたシート型の熱電変換素子で、第１の流体と管の外を流れる第２の流体との温度差を元に発電する。

本発明によると、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うことができる。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の分岐排ガス管の他の構成の例を示した図である。 本発明の第２の実施形態の他の構成の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の他の構成の例の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の他の構成の例の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の熱電変換素子の構造の例を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第３の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の他の構成の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の他の構成の例の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の他の構成の例の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態の熱電変換素子の構造の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の熱電変換素子の構造の例を示す図である。 本発明の第４の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第４の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第５の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態の熱電変換部の構造を示す断面図である。 本発明と対比した構成の熱電変換部の構成の例を示す図である。

［第１の実施形態］
［第１の実施形態の構成］
本発明の第１の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の熱電変換部の構成の概要を示したものである。本実施形態の熱電変換部は、複数の管１と熱電変換素子２を備えている。管１は、第１の流体が内部を流れる。熱電変換素子２は、管１にそれぞれ巻装され、第１の流体と管１の外を流れる第２の流体との温度差によって発電する。また、熱電変換素子２は、シート型である。

［第１の実施形態の効果］
本実施形態の熱電変換部は、シート型の熱電変換素子２がそれぞれの管１に巻装されている。本実施形態では熱電変換素子２が管１に巻装されているため、管１の周囲に熱電変換素子２を備える際に要するスペースを最小化することができる。また、シート型の熱電変換素子２を用いることで、管１の円周方向全体を覆いつつ、管１の長手方向に沿って連続的に熱電変換素子２を備えることができる。そのため、第１の流体と第２の流体の温度差を元に発電を行う際の発電効率が向上する。また、同一の管１内の熱電変換素子２を接続する電極を必要としないので、断線の発生と構造の複雑化を抑制することができる。その結果、本実施形態の熱電変換部は、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うことができる。

［第２の実施形態］
［第２の実施形態の構成］
本発明の第２の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図２Ａは、本実施形態の発電システムの構成の概要を示したものである。また、図２Ｂおよび図２Ｃは、図２Ａの断面図である。図２Ｂは、図２ＡのＡとＡ’で示した線の位置における断面図である。また、図２Ｃは、図２ＡのＢとＢ’で示した線の位置における断面図である。

本実施形態の発電システムは、メイン排ガス管２０１と、分岐排ガス管２０２と、シート型熱電変換素子２０３と、電気接合部２０４と、端子２０５を備えている。メイン排ガス管２０１は、複数の分岐排ガス管２０２に分岐している。分岐排ガス管２０２の周りには、シート型熱電変換素子２０３が巻装されている。巻装とは、シート型熱電変換素子２０３のシートを、分岐排ガス管２０２の表面に沿って円周方向に巻きつけるように取り付けることをいう。また、分岐排ガス管２０２およびシート型熱電変換素子２０３の周りは循環する冷却水１００で満たされている。すなわち、シート型熱電変換素子２０３は、一方の面のほぼ全面で分岐排ガス管２０２と接し、もう一方の面のほぼ全面を冷却水１００で冷却された状態となる。本実施形態の発電システムは、高温の排ガスと低温の冷却水１００の間に存在する温度差を元に、シート型熱電変換素子２０３によって発電することができる。

メイン排ガス管２０１は、熱を帯びた排ガスが内部を流れる管である。メイン排ガス管２０１は、内燃機関から排出される熱を帯びたガスや水蒸気等の流体が内部を流れる。

分岐排ガス管２０２は、メイン排ガス管２０１から複数に分岐した配管である。分岐排ガス管２０２の周りにはシート型熱電変換素子２０３が巻装されている。シート型熱電変換素子２０３は、分岐排ガス管２０２の円周を取り囲むように巻装されている。分岐排ガス管２０２は、図２Ｂで示す付近で、メイン排ガス管２０１が複数に分岐することで構成されている。また分岐排ガス管２０２は、図２Ｃで示す付近で結合され、メイン排ガス管２０１となる。すなわち、メイン排ガス管２０１の内部を流れてきた流体は、分岐部分で複数の分岐排ガス管２０２に分かれる。各分岐排ガス管２０２の内部を流れた流体は、結合部で合流して、メイン排ガス管２０１を流れる。また、本実施形態の分岐排ガス管２０２は、第１の実施形態の管１に相当する。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃでは、メイン排ガス管２０１が円形の断面をもつ３本の分岐排ガス管２０２に分岐している例を示している。図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃでは、複数の分岐排ガス管２０２が１次元的に並んでいる例を示しているが、分岐排ガス管２０２の配列は他の構成であってもよい。例えば、図３のように、複数の分岐排ガス管３１が２次元的に束ねられた構造であってもよい。図３は、シート型熱電変換素子３２が巻装された分岐排ガス管３１が２次元的に配列されている例を示している。また、分岐排ガス管２０２は、４本以上であってもよく、２本であってもよい。また、分岐排ガス管２０２の断面形状は、円形以外であってもよい。例えば、分岐排ガス管２０２の断面構造は、四角形などの角型や多角形でもよい。

メイン排ガス管２０１および分岐排ガス管２０２は、例えば、ＳＵＳなどの金属によって形成されている。メイン排ガス管２０１および分岐排ガス管２０２内を流れる流体は、液体であってもよい。

シート型熱電変換素子２０３は、シートの平面に対して垂直方向の温度勾配によって面内方向、すなわち、シートの平面方向の電流が生じる熱電変換素子である。シート型熱電変換素子２０３には、面内方向のうち1方向に電流が流れる熱電変換素子が用いられる。シート型熱電変換素子２０３には、例えば、スピンゼーベック効果を用いた熱電変換素子や、異常ネルンスト効果を用いた熱電変換素子を用いることができる。

シート型熱電変換素子２０３に発生する電流の向きは、シート型熱電変換素子２０３の磁化方向によって決まる。図２Ｂおよび図２Ｃに示している白抜きの矢印は、シート型熱電変換素子２０３の磁化の方向を示している。また、図２Ａの矢印は、温度差によって生じた電流が流れる向きを示している。このように、分岐排ガス管２０２の円周方向にシート型熱電変換素子２０３を磁化させることによって、温度差によって発生する電流は分岐排ガス管２０２の長手方向に流れる。また、磁化の向きを逆にすると電流の発生する向きは、逆になる。そのため、図２Ｂや図２Ｃのように、隣接するシート型熱電変換素子２０３の磁化の向きを交互にすることで、図２Ａに示すように、発生する電流の向きも交互にすることができる。

図２Ｂおよび図２Ｃに示すように磁化したシート型熱電変換素子２０３が巻装された分岐排ガス管２０２を束ねた際には、隣接したシート型熱電変換素子２０３間の磁化は、互いに打ち消しあうように相互作用する。そのため、シート型熱電変換素子２０３の磁化の安定性を考慮した場合、各分岐排ガス管２０２は、隣接する分岐排ガス管２０２から１０マイクロメートル以上離して設置することが望ましい。

排ガス入口付近と排ガス出口付近では排ガスの温度が異なるため、この温度分布に適した材料組成の分布をシート型熱電変換素子２０３内に作ってもよい。例えば、排ガス入口付近では、排ガス入口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高くなるようにする。排ガス入口付近では、キュリー温度が排ガス入口付近の温度よりも高い材料を用いる。また、排ガス出口付近では、排ガス出口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高くなるようにする。排ガス出口付近では、キュリー温度が排ガス出口付近の温度よりも高い材料を用いる。

本実施形態のシート型熱電変換素子２０３は、一方の面のほぼ全面で分岐排ガス管２０２と接し、もう一方の面のほぼ全面を冷却水１００で冷却された状態となる。そのため、分岐排ガス管２００を流れるガスと冷却水１００の温度差を元に効率的に発電を行うことができる。シート型熱電変換素子２０３は、分岐排ガス管２０２に巻装されているので、分岐排ガス管２０２が振動しても、脱離が生じにくい。また、シート型熱電変換素子２０３は、分岐排ガス管２０２の長手方向のほぼ全ての領域で巻装されているので、分岐排ガス管２０２内で熱電変換素子を接続する電極は不良となる。また、シート型熱電変換素子２０３は、分岐排ガス管２０２に巻装されているので分岐排ガス管２０２に取り付ける際に周囲に広いスペースを必要としない。また、本実施形態のシート型熱電変換素子２０３は、第１の実施形態の熱電変換素子２に相当する。

電気接合部２０４は、各シート型熱電変換素子２０３を電気的に接続している。本実施形態の電気接合部２０４は、隣接するシート型熱電変換素子２０３間が電気的に直列に接合されるように、各シート型熱電変換素子２０３の端に取り付けられている。電気接合部２０４は、低電気抵抗の材料で形成されていることが望ましい。電気接合部２０４は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌおよびＴｉなどの金属やこれら元素を含む合金によって形成されている。

端子２０５は、電気的に直列になるように接続されたシート型熱電変換素子２０３から外部に電流を取り出す接続端子として備えられている。端子２０５は、電気接合部２０４を介して直列に接続されたシート型熱電変換素子２０３の両端の位置に備えられている。端子２０５は、シート型熱電変換素子２０３で生じた電力を伝送する回路や蓄電する電池等に接続されている。

冷却水１００は、分岐排ガス管２０２内を流れる熱を帯びたガスを冷却する流体である。図２Ａでは、分岐排ガス管２０２のガスの流れる向きに対して冷却水１００が逆流の状態、すなわち、冷却水１００の向きと排ガスの向きが逆の状態になっている。冷却水１００と排ガスが互いに対向する向きに流れることで、分岐排ガス管２０２の出口付近の排ガスの温度が低下している位置で温度の低い冷却水と接するので冷却効率が向上する。対向する向きとは互いに平行でなくてもよく、分岐排ガス管２０２の内部をガスが進むに従って、周囲の冷却水１００の温度が下がるように冷却水１００が流れていればよい。また、分岐排ガス管２０２の排ガスの入口付近と出口付近の両側において、冷却水１００と排ガスに温度差を保つことができるので発電効率が向上する。

冷却水１００は、分岐排ガス管２２のガスの流れる向きに対して順流、すなわち、冷却水の向きと排ガスの向きが同じであってもよい。冷却水１００は水以外の液体であってもよく、水と他の物質との混合物であってもよい。また、冷却水１００に代えて、空冷を行うための空気を流してもよい。

本実施形態の発電システムは、複数の分岐排ガス管２０２、シート型熱電変換素子２０３、電気接合部２０４、端子２０５および冷却水１００の流路で熱電変換部を構成している。

［第２の実施形態の製造方法および動作］
本実施形態の発電システムを構築する方法について説明する。以下の説明は、メイン排ガス管２０１と分岐排ガス管２０２の接続をあらかじめ行っているものとして説明を行う。始めに、シート型熱電変換素子２０３を作成する。シート型熱電変換素子２０３は、稼働時に冷却水と接するため、表面が防水膜で覆われている構造とする。シート型熱電変換素子２０３は、面内方向、すなわち、シートの平面方向に磁化された状態とする。磁化は、例えば、磁性膜を成膜したシートに磁場を印加することで行われる。

磁化させたシート型熱電変換素子２０３は、分岐排ガス管２０２に巻装される。巻装は、各シート型熱電変換素子２０３の磁化の方向が分岐排ガス管２０２の円周状になるよう行われる。また、各シート型熱電変換素子２０３は、磁化の円周方向の向きが隣り合うシート型熱電変換素子２０３間で交互になるように巻装される。

各シート型熱電変換素子２０３が巻装されると、シート型熱電変換素子２０３が電気的に直列に接合されるように、シート型熱電変換素子２０３の端に電気接合部２０４が取り付けられる。また、電気接合部２０４は冷却水１００に接する可能性があるため、防水膜で覆われている構成とする。電気接合部２０４が取り付けられると、電気的に直列に接続されたシート型熱電変換素子２０３のうち、両端のシート型熱電変換素子２０３に端子２０５が取り付けられる。端子２０５が取り付けられると、冷却水１００の取り付けが行われる。

発電システムを構築する方法は、上記以外の他の方法によって行われてもよい。例えば、分岐排ガス管２０２へのシート型熱電変換素子２０３の巻装段階で、電気接合部２０４の一端が、あらかじめ定められたシート型熱電変換素子２０３の一端にあらかじめ接続されていてもよい。そのような構成とすることで、巻装を行う作業者が、巻装を行う際に磁化の向きを意識しなくても作業を行うことが可能になる。

また、上記の説明では、先に取り付けられている分岐排ガス管２０２にシート型熱電変換素子２０３の巻装を行ったが、シート型熱電変換素子２０３が巻装された分岐排ガス管２０２をメイン排ガス管２０１に接続してもよい。

本実施形態の発電システムの動作について説明する。本実施形態の発電システムでは、メイン排ガス管２０１の内部を高温のガスが流れている。メイン排ガス管２０１を流れてきたガスは、メイン排ガス管２０１と分岐排ガス管２０２の分岐部において、各分岐排ガス管２０２に分岐し、各分岐排ガス管２０２内を流れる。各分岐排ガス管２０２内を流れたガスは、分岐排ガス管２０２とメイン排ガス管２０１の接続部において合流し、メイン排ガス管２０１を流れて排出される。

分岐排ガス管２０２内をガスが流れる際、ガスと冷却水１００の温度差によってシート型熱電変換素子２０３には、シートの平面に対して垂直方向に温度差が生じる。シートの垂直方向に温度差が生じることで、シート型熱電変換素子２０３には分岐排ガス管２０２の長手方向に向かって電流が生じる。

本実施形態では、隣接するシート型熱電変換素子２０３間が電気接合部２０４で接続され、分岐排ガス管２０２の長手方向に対して、互いに逆向きに電流が流れるように磁化方向が設定されている。そのため、各シート型熱電変換素子２０３を流れた電流を、電気的に直列な状態にある複数のシート型熱電変換素子２０３の両端から端子２０５を介して取り出すことができる。

［第２の実施形態の具体的な例］
第２の実施形態の発電システムについて、より具体的な構成を例に説明する。図４Ａは、シート型熱電変換素子として、異常ネルンスト効果を利用したシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３を直列に接合した際の発電システムの構成を示している。また、図４Ｂおよび図４Ｃは、図４Ａの断面図である。図４Ｂは、図４ＡのＡとＡ’で示した線の位置における断面図である。また、図４Ｃは、図４ＡのＢとＢ’で示した線の位置における断面図である。

シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の作成方法について説明する。図５は、シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の構成を示している。シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３は、基板７０１と、磁性膜７０２を備えている。図５の上段は、シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の平面を上から見た際の図である。また、図５の下段は、シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の断面図である。

始めに、基板７０１上に、組成の勾配をつけた異常ネルンスト熱電変換膜として磁性膜７０２が成膜される。基板７０１には、例えば、高温耐性があり熱伝導率の高い窒化アルミニウム基板が用いられる。磁性膜７０２は、組成の勾配をつける組成コンビナトリアルスパッタリング法によって基板９０１上に成膜される。組成コンビナトリアルスパッタリング法とは、同一基板上に組成勾配がついた膜を作成する手法である。シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３には、分岐排ガス管６０２に巻装した際に長手方向に、組成勾配を有するように磁性膜７０２が成膜される。

磁性膜７０２には、例えば、ＦｅＣｏＰｔの合金膜が用いられる。磁性膜７０２は、図５の左側に行くほどＣｏ−ｒｉｃｈな組成、すなわち、Ｃｏの組成が高く、右側に行くほどＦｅ−ｒｉｃｈな組成、すなわち、Ｆｅの組成が高くなるように作成される。Ｃｏ−ｒｉｃｈな組成であるほど、キュリー温度が高くなるが、熱電変換効率は小さくなる。逆にＦｅ−ｒｉｃｈな組成であるほど熱電変換効率は大きいがキュリー温度が小さくなる。

基板７０１上に磁性膜７０２の成膜が行われると、磁性膜７０２の磁化が行われる。磁化は、シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の面内方向、すなわち、シートの平面方向に行われる。また、磁化は、磁性膜７０２のＦｅ−Ｃｏの組成勾配の方向に対して垂直方向に行われる。

磁化されたシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３は、分岐排ガス管６０２に取り付けられる。図４Ｂおよび図４Ｃの例では、分岐排ガス管６０２の断面の形状は四角形である。そのため、１つ分岐排ガス管６０２に４枚のシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３が取り付けられている。シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の取り付けは、Ｆｅ−Ｃｏの組成勾配がついている方向が分岐排ガス管６０２の長手方向となるように行われる。また、排ガスの入口側、すなわち図４Ｂに示す付近がＣｏ−ｒｉｃｈな組成、排ガス出口付近、すなわち図４Ｃに示す付近がＦｅ−ｒｉｃｈな組成となるように取り付けが行われる。

また、各分岐排ガス管６０２の周りに取り付けられているシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の磁化の方向は、隣接している分岐排ガス管６０２の間で交互になるようにする。例えば、図４Ｂの一番左の分岐排ガス管６０２では磁化の向きは右回り、中央の分岐排ガス管６０２では左回り、一番右の分岐排ガス管６０２では右回りとなっている。

シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の取り付けが行われると、各分岐排ガス管８０２の4つ角に、4枚のシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３が電気的に接合されるようにＣｕで形成された電気接合部６０６を取り付ける。

各分岐排ガス管６０２の4つ角に電気接合部６０６の取り付けが行われると、分岐排ガス管６０２が電気的に直列に接合されるように、Ｃｕで形成された電気接合部６０４の取り付けが行われる。また、シート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３、電気接合部６０４および電気接合部６０６の電気的に接合する部分以外は、冷却水に触れないように、それぞれ防水膜で覆われている。

以上のような発電システムに高温の排ガスを流すと、分岐排ガス管６０２と冷却水１００の間に生じる温度差を元にシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３で発電が行われ、その電力を端子６０５から取り出すことができる。

図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃではメイン排ガス管６０１が四角形の断面をもった３本の分岐排ガス管６０２に分岐し、分岐排ガス管６０２が１次元的に並んでいる構造について示したが、分岐排ガス管６０２の本数および配列は、その他の構造であってもよい。例えば、分岐排ガス管６０２の本数は３本以外であってもよく、図３のように２次元的に束ねられた構造になっていてもよい。また、排ガス管の断面構造は四角形ではなく、多角形や円形であってもよい。

図４Ａ、図４Ｂおよび図４Ｃでは、分岐排ガス管６０２の各面にシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３の取り付けを行い電気接合部６０６で電気的に接続したが、複数の面のシート型異常ネルンスト熱電変換素子６０３が連続していてもよい。

図４Ａでは、冷却水１００の流れる向きは、逆流になっているが、順流であてもよい。また、冷却水１００による冷却方法に代えて、空冷方式を用いてもよい。また、メイン排ガス管６０１および分岐排ガス管６０２には排ガスに代えて、高温の液体を流してもよい。

［第２の実施形態の効果］
本実施形態の発電システムでは、メイン排ガス管から分岐した複数の分岐排ガス管の周囲に、シート型熱電変換素子が巻装されている。シート型の熱電変換素子を用いることで、分岐排ガス管に取り付ける際のスペースを抑制することができるので、分岐排ガス管を密に備えることが可能になる。本実施形態の発電システムでは、メイン排ガス管から分岐した分岐排ガス管を密に配置することで、シート型熱電変換素子と分岐排ガス管が接する表面積を増加させている。また、分岐排ガス管１本あたりでも、シート型熱電変換素子と分岐排ガス管が円周全体で接している面積が広い。そのため、本実施形態の発電システムは、発電効率が高い。

また、本実施形態の発電システムでは、シート型熱電変換素子は、分岐排ガス管の円周全体に接するように巻装されている。そのため、分岐排ガス管に振動が生じているような場合にも、シート型熱電変換素子の分岐排ガス管からの脱離は生じにくい。

また、シート型熱電変換素子は、分岐排ガス管の長手方向に連続的に巻装されているので、同一の分岐排ガス間内において熱電変換素子間を接続する電極が不要となる。そのため、本実施形態の発電システムでは、構造を簡略しつつ、断線の発生や脱離を抑制することで信頼性が向上する。その結果、本実施形態の発電システムは、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うことができる。

［第３の実施形態］
［第３の実施形態の構成］
本発明の第３の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図６Ａは、本実施形態の発電システムの構成の概要を示したものである。また、図６Ｂおよび図６Ｃは、図６Ａの断面図である。図６Ｂは、図６ＡのＡとＡ’で示した線の位置における断面図である。また、図６Ｃは、図６ＡのＢとＢ’で示した線の位置における断面図である。

本実施形態の発電システムは、メイン排ガス管３０１と、分岐排ガス管３０２と、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａと、第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂと、電気接合部３０４と、端子３０５を備えている。分岐排ガス管３０２と各シート型熱電変換素子の周りは循環する冷却水１００で満たされている。

第２の実施形態の発電システムは、磁化方向に対して発生した電流が流れる方向が同一でシート型熱電変換素子を取り付ける際の方向によって、隣接するシート型熱電変換素子間で反対向きに電流が流れる構成を有していた。本実施形態は、そのような構成に代えて、同じ磁化方向でも電流が流れる向きが反対となる材料を用いてシート型熱電変換素子を形成していることを特徴とする。

メイン排ガス管３０１および分岐排ガス管３０２の構成は、第２の実施形態のメイン排ガス管２０１および分岐排ガス管２０２の構成とそれぞれ同一である。

第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、第２の実施形態のシート型熱電変換素子２０３と同様に、シートの平面に対して垂直方向の温度勾配によって、面内方向の電流が生じる熱電変換素子である。第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、例えば、スピンゼーベック効果を用いた熱電変換素子として形成されている。

第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、互いに用いられる材料が異なる。第１のシート型熱電変換素子３０３Ａは、スピンホール角が正の材料によって形成されている。また、第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、スピンホール角が負の材料によって形成されている。スピンホール角の符号が異なると、同じ磁化の方向でも電流の発生方向が逆になる。

第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、分岐排ガス管３０２の周りに交互に巻装されている。周辺は循環する冷却水１００で満たされているため、高温の排ガスと低温の冷却水１００の間に存在する温度差で、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、発電を行うことができる。

第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、分岐排ガス管３０２の円周方向に磁化されている。そのため、排ガスと冷却水１００の温度差によって発生する電流は、分岐排ガス管３０２の長手方向に発生する。

また、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂの円周方向の磁化の向きは同じとなるが、材料のスピン符号は異なっている。そのため、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂに発生する電流の向きは、互いに逆回りになる。

排ガス入口付近と排ガス出口付近では排ガスの温度が異なるため、第２の実施形態と同様に温度分布に適した材料組成の分布を、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂに形成してもよい。例えば、排ガス入口付近では、排ガス入口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高く、キュリー温度が排ガス入口付近の温度よりも高い材料を用いて形成する。また、排ガス出口付近では、排ガス出口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高く、キュリー温度が排ガス出口付近の温度よりも高い材料を用いて形成する。

電気接合部３０４は、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂの端に、各シート型熱電変換素子が電気的に直列に接合されるように取り付けられている。電気接合部３０４、低電気抵抗の材料で形成されていることが望ましい。例えば、電気接合部３０４は、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌおよびＴｉなどの金属やこれら元素を含む合金によって形成されている。

端子３０５は、電気的に直列になるように接続されたシート型熱電変換素子から外部に電流を取り出す接続端子として備えられている。

図６Ｂおよび図６Ｃのように磁化した第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂが巻装された分岐排ガス管３０２を束ねた際には、隣接したシート型熱電変換素子間での磁化は増強し合うように相互作用する。そのため、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂの磁化の安定性を考慮した場合、各分岐排ガス管３０２の間の距離は、１０センチメートル以下に設定されることが望ましい。

また、第１のシート型熱電変換素子５０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂの磁化の安定性を高めるために、冷却水１００として透磁率が水よりも高い流体を用いてもよい。透磁率が水よりも高い流体には、例えば、マグネタイトやマンガン亜鉛フェライトなどの強磁性微粒子を液体に混ぜた磁性流体やＭＲ（Magneto Rheological）流体を用いることができる。

図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃでは、メイン排ガス管３０１が円形の断面をもつ３本の分岐排ガス管３０２に分岐し、分岐排ガス管３０２が１次元的に並んでいる構成について示している。そのような構成に代えて、分岐排ガス管３０２の本数は、３本以外としてもよい。また、各分岐排ガス管３０２が２次元的に束ねられた構造になっていてもよい。また、分岐排ガス管３０２の断面構造は、円形ではなく、四角形などの角型であってもよい。

図６Ａでは、冷却水１００が逆流の構成について示しているが、冷却水は、排ガスの向きに対して順流でもあってもよい。また、冷却水１００による冷却方式に代えて、空冷による冷却を行ってもよい。

［第３の実施形態の製造方法および動作］
本実施形態の発電システムを構築する方法について説明する。以下の説明は、メイン排ガス管３０１と分岐排ガス管３０２の接続をあらかじめ行っているものとして説明を行う。始めに、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂを作成する。

第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、スピンホール角の符号が互いに異なる材料によって形成される。例えば、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａは、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｏ、ＮｉおよびＡｇなどの金属やそれらを含んだ合金などのスピンホール角が正の材料によって形成される。また、第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、Ｗ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｒｕ、ＯｓおよびＣｒなどの金属やそれらを含んだ合金などのスピンホール角が負の材料によって形成される。また、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、稼働時に冷却水と接するため、表面に防水膜で覆われている。

第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、磁性膜が形成された後、面内方向に磁化される。磁化された後、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、分岐排ガス管３０２に巻装される。巻装は、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂの磁化の方向が分岐排ガス管３０２の円周状になり、かつ磁化の円周方向の向きが各シート型スピン熱電変換素子で同じになるように行われる。

巻装が行われると、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂが交互に直列に接合されるように、各シート型熱電変換素子の端に電気接合部３０４が取り付けられる。また、電気接合部３０４は、冷却水に接する可能性があるため、防水膜で覆われている。また、発電システムは、上記以外の他の方法によって構築されてもよい。

電気接合部３０４が取り付けられると、外部に電力を取り出す端子３０５が、直列に接続した際に両端となるシート型熱電変換素子に取り付けられる。電気接合部３０４が取り付けられると、冷却水１００の流路が取り付けられる。端子３０５は、電力の供給先となる回路や電池に接続される。

本実施形態の発電システムの動作について説明する。本実施形態の発電システムでは、メイン排ガス管３０１の内部を高温のガスが流れている。メイン排ガス管３０１を流れてきたガスは、メイン排ガス管３０１と分岐排ガス管３０２の接続部において、各分岐排ガス管３０２に分岐し、各分岐排ガス管３０２内を流れる。各分岐排ガス管３０２内を流れたガスは、分岐排ガス管３０２とメイン排ガス管３０１の接続部において合流し、メイン排ガス管３０１を流れて排出される。

分岐排ガス管３０２内をガスが流れる際、排ガスと冷却水１００の温度差によって第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂのシートの平面に対して垂直方向に温度差が生じる。シートの垂直方向に温度差が生じることで、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂには分岐排ガス管３０２の長手方向に向かって電流が生じる。また、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａおよび第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂは、スピンホール角の符号が逆のため、長手方向に向かって電流は、互いに逆向きとなる。

本実施形態では、隣接するシート型熱電変換素子間が電気接合部３０４で接続され、分岐排ガス管３０２の長手方向に対して、互いに逆向きに電流が流れている。そのため、第１のシート型熱電変換素子３０３Ａと第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂを交互に流れた電流を、端子５０５を介して取り出すことで、電力を得ることができる。

［第３の実施形態の具体的な例］
第３の実施形態の発電システムについて、より具体的な例を基に説明する。図７Ａは、シート型熱電変換素子として、スピンホール角の符号が互いに異なるシート型スピンゼーベック熱電変換素子を用いて交互に直列に接合した際の発電システムの構成を示したものである。第１のシート型熱電変換素子３０３Ａにはシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａが相当する。第２のシート型熱電変換素子３０３Ｂには、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂが相当する。また、図７Ｂおよび図７Ｃは、図７Ａの断面図である。図７Ｂは、図７ＡのＡとＡ’で示した線の位置における断面図である。また、図７Ｃは、図７ＡのＢとＢ’で示した線の位置における断面図である。

シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａおよびシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂの作成方法について説明する。図８は、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａの構成を示したものである。また、図９は、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂの構成を示したものである。図８および図９の上段は、シート型スピンゼーベック熱電変換素子の平面を上から見た際の図である。また、図８および図９の下段は、シート型スピンゼーベック熱電変換素子の断面図である。

始めに、基板９０１上に、磁性絶縁膜９０２と金属膜９０３Ａまたは金属膜９０３が形成される。基板９０１には、例えば、ＡｌＮ微粒子を用いたフレキシブルシートが用いられる。基板９０１上に、磁性絶縁膜９０２が成膜される。磁性絶縁膜９０２には、例えば、ＮｉＺｎが、フェライトめっき法によって成膜される。フェライトめっき法とは、フレキシブルなフェライト薄膜を作成する手法である。

磁性絶縁膜９０２が成膜されると、磁性絶縁膜９０２上に、金属膜９０３Ａまたは金属膜９０３Ｂがスパッタリング法によって成膜される。金属膜９０３Ａには、スピンホール角の符号が正の材料が用いられる。金属膜９０３Ａには、例えば、スピンホール角の符号が正のＰｔが用いられる。また、金属膜９０３Ｂには、スピンホール角の符号が負の材料が用いられる。金属膜９０３Ｂには、例えば、スピンホール角が負であるＷが用いられる。

金属膜９０３Ａまたは金属膜９０３Ｂが成膜されると、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａまたはシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂの面内方向の磁化が行われる。

磁化されたシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａおよびシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂは、分岐排ガス管８０２に取り付けられる。取り付けを行う際、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａおよびシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂは、磁化方向が分岐排ガス管８０２の円周方向となるように分岐排ガス管８０２に巻きつけられる。また、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａとシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂは、互いに交互になるように配置され、円周方向の磁化の向きは同じになるように分岐排ガス管８０２に巻きつけられる。

図７Ｂおよび図７Ｃの一番左の分岐排ガス管８０２にはシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａ、中央の分岐排ガス管８０２にはシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂが巻きつけられている。図７Ｂおよび図７Ｃの一番右の分岐排ガス管８０２にはシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａが巻きつけられている。また、すべてのシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａおよびシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂの磁化の向きは右回りとなっている。

巻きつけが終わると、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａとシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂが電気的に直列に接合されるように、例えば、Ｃｕで形成された電気接合部８０４の取り付けが行われる。また、冷却水１００としては、例えば、マグネタイト微粒子を用いた磁性流体が用いられる。

シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａ、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂおよび電気接合部８０４は、磁性流体に触れないように防水膜で覆われている。電気接合部８４０の取り付けが行われると、直列に接続した際に両端となるスピンゼーベック熱電変換素子に端子８０５が取り付けられる。

上記の発電システムに高温の排ガスを流すと、分岐排ガス管８０２と冷却水１００である磁性流体の間に生じる温度差によって、シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａおよびシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂが発電を行う。シート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ａおよびシート型スピンゼーベック熱電変換素子８０３Ｂにおいて発生した電力は、端子８０５を介して取り出して利用することができる。

図７Ａ、図７Ｂおよび図７Ｃでは、メイン排ガス管８０１が円形の断面をもった３本の分岐排ガス管８０２に分岐し、１次元的に並んでいる構成について示しているが、分岐排ガス管８０２の本数は３本以外でもよく、２次元的に束ねた構造であってもよい。また、排ガス管の断面構造は円形ではなく、四角形などの角型でもよい。図７Ａでは、冷却水１００が逆流になっているが、排ガスの向きに対して順流であってもよい。また、冷却水による冷却方法に代えて、空冷方式を用いてもよい。また、排ガスに代えて、メイン排ガス管８０１および分岐排ガス管８０２に高温の液体を流してもよい。

[第３の実施形態の効果]
本実施形態の発電システムは、第２の実施形態と同様の効果を有する。すなわち、本実施形態の発電システムは、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うことができる。また、本実施形態の発電システムでは、スピンホール角の異なる材料によって形成されたシート型熱電変換素子を用いることで、発生した電流が異なる向きに流れるようにしている。そのため、本実施形態の発電システムでは、全てのシート型熱電変換素子の磁化の向きが同一となるので、作業を行う際の複雑化を抑制することができる。

［第４の実施形態］
［第４の実施形態の構成］
本発明の第４の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１０Ａは、本実施形態の発電システムの構成の概要を示したものである。また、図１０Ｂおよび図１０Ｃは、図１０Ａの断面図である。図１０Ｂは、図１０ＡのＡとＡ’で示した線の位置における断面図である。また、図１０Ｃは、図１０ＡのＢとＢ’で示した線の位置における断面図である。

本実施形態の発電システムは、メイン排ガス管４０１と、分岐排ガス管４０２と、シート型熱電変換素子４０３と、電気接合部４０４と、端子４０５を備えている。分岐排ガス管４０２と各シート型熱電変換素子の周りは循環する冷却水１００で満たされている。

第２の実施形態では、複数のシート型熱電変換素子が電気的に直列になるように接続されているが、本実施形態では、各シート型熱電変換素子が並列に接続されていることを特徴とする。

メイン排ガス管４０１および分岐排ガス管４０２の構成は、第２の実施形態のメイン排ガス管２０１および分岐排ガス管２０２とそれぞれ同じである。

シート型熱電変換素子４０３は、第２の実施形態のシート型熱電変換素子２０３と同様に、シートの平面に対して垂直方向の温度勾配によって、面内方向、すなわち、平面方向の電流が生じる熱電変換素子である。

シート型熱電変換素子４０３に発生する電流の向きは、シート型熱電変換素子４０３の磁化方向および、材料のスピンホール角の符号によって決まる。そのため、分岐排ガス管４０２の円周方向にシート型熱電変換素子４０３を磁化させることによって、温度差によって生じる電流は分岐排ガス管４０２の長手方向に発生する。また、各シート型熱電変換素子４０３の円周方向にかかる磁化の向きは同じであるため、各シート型熱電変換素子４０３に発生する電流の向きは同じとなる。本実施形態のシート型熱電変換素子４０３は、スピンゼーベック効果または異常ネルンスト効果を用いた熱電変換素子として形成される。

電気接合部４０４は、各シート型熱電変換素子４０３の端に、各シート型熱電変換素子４０３が電気的に並列に接合されるように取り付けられている。電気接合部４０４は、低電気抵抗の材料で形成されていることが望ましい。電気接合部４０４は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌおよびＴｉなどの金属やこれら元素を含む合金によって形成されている。発生した電流は、いずれかのシート型熱電変換素子の両端に取り付けられた端子４０５から取り出される。

図１０Ｂおよび図１０Ｃのように磁化したシート型熱電変換素子４０３が巻装された分岐排ガス管４０２を束ねた際には、隣接したシート型熱電変換素子４０３の磁化は、互いに増強し合うように相互作用する。そのため、シート型熱電変換素子４０３の磁化の安定性を考慮した場合、各分岐排ガス管４０２の間の距離は、１０センチメートル以下に設定されることが望ましい。また、各シート型熱電変換素子４０３の磁化の安定性を高めるために、冷却水１００として透磁率が水よりも高い流体、例えば、マグネタイトやマンガン亜鉛フェライトなどの強磁性微粒子を液体に混ぜた磁性流体やＭＲ流体を用いてもよい。

図１０Ａ、図１０Ｂおよび図１０Ｃのメイン排ガス管４０１は、円形の断面をもつ３本の分岐排ガス管４０２に分岐しており、それらが１次元的に並んでいる構成を有している。分岐排ガス管４０２の本数は３本以外でもよく、また、分岐排ガス管４０２が、図３のように２次元的に束ねられた構造になっていてもよい。また、排ガス管の断面構造は円形ではなく、四角形などの角型でもよい。

排ガス入口付近と排ガス出口付近では排ガスの温度が異なるため、第２の実施形態と同様に温度分布に適した材料組成の分布を、シート型熱電変換素子４０３に形成してもよい。例えば、排ガス入口付近では、排ガス入口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高く、キュリー温度が排ガス入口付近の温度よりも高い材料を用いて形成する。また、排ガス出口付近では、排ガス出口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高く、キュリー温度が排ガス出口付近の温度よりも高い材料を用いて形成する。

図１０Ａでは、冷却水が逆流の構成について示しているが、冷却水は、排ガスの向きに対して順流でもあってもよい。また、冷却水による冷却方式に代えて、空冷による冷却を行ってもよい。また、メイン排ガス管４０１および分岐排ガス管４０２内を流れる流体は、液体であってもよい。

［第４の実施形態の製造方法および動作］
本実施形態の発電システムを構築する方法について説明する。以下の説明は、メイン排ガス管４０１と分岐排ガス管４０２の接続をあらかじめ行っているものとして説明を行う。始めに、シート型熱電変換素子４０３を作成する。シート型熱電変換素子４０３は、稼働時に冷却水と接するため、表面を防水膜で覆われている必要がある。

シート型熱電変換素子４０３は、磁性膜が形成された後、面内方向に磁化がされる。磁化されたシート型熱電変換素子４０３は、分岐排ガス管４０２に巻装される。巻装を行う際に、各シート型熱電変換素子４０３は、磁化の方向が分岐排ガス管４０２の円周状になり、磁化の円周方向の向きが各シート型熱電変換素子４０３で同じになるように巻装される。

巻装が行われると、各シート型熱電変換素子４０３が並列に接合されるように、端に電気接合部４０４が取り付けられる。電気接合部４０４は、冷却水１００に接する可能性がるため、防水膜で覆われている。いずれかのシート型熱電変換素子の両端には、端子４０５が取り付けられる。

本実施形態の発電システムの動作について説明する。本実施形態の発電システムでは、メイン排ガス管４０１の内部を高温のガスが流れている。メイン排ガス管４０１を流れてきたガスは、メイン排ガス管４０１と分岐排ガス管４０２の接続部において、各分岐排ガス管４０２に分岐し、各分岐排ガス管４０２内を流れる。各分岐排ガス管４０２内を流れたガスは、分岐排ガス管４０２とメイン排ガス管４０１の接続部において合流し、メイン排ガス管４０１を流れて排出される。

分岐排ガス管４０２内をガスが流れる際、ガスと冷却水１００の温度差によってシート型熱電変換素子４０３のシートの平面に対して垂直方向に温度差が生じる。シートの垂直方向に温度差が生じることで、シート型熱電変換素子４０３には分岐排ガス管４０２の長手方向に向かって電流が生じる。

本実施形態では、隣接するシート型熱電変換素子４０３間が電気接合部４０４で接続され、分岐排ガス管４０２の長手方向に対して、同じ向きに並列で電流が流れている。そのため、並列接続されたシート型熱電変換素子４０３を流れた電流を、端子４０５を介して取り出すことで、電力を得ることができる。

［第４の実施形態の効果］
本実施形態の発電システムは、第２の実施形態と同様の効果を有する。すなわち、本実施形態の発電システムは、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うことができる。また、本実施形態の発電システムでは、全てのシート型熱電変換素子において分岐排ガス管に対して同じ向きに電流が流れ、電気的に並列に接続されているので出力する電流を大きくすることができる。

［第５の実施形態］
［第５の実施形態の構成］
本発明の第５の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図１１Ａは、本実施形態の発電システムの構成の概要を示したものである。本実施形態の発電システムは、メイン排ガス管５０１と、分岐排ガス管５０２と、シート型熱電変換素子５０３と、電気接合部５０４と、端子５０５と、絶縁部５０６を備えている。分岐排ガス管５０２と各シート型熱電変換素子５０３の周りは循環する冷却水１００で満たされている。

第２の実施形態では、長手方向、すなわち、分岐排ガス管のガスの流れる方向に流れる電流を取り出していたが、本実施形態の発電システムは、分岐排ガス管５０２の円周に沿った方向に流れる電流を用いることを特徴とする。

メイン排ガス管５０１および分岐排ガス管５０２の構成は、第２の実施形態のメイン排ガス管２０１および分岐排ガス管２０２と同様である。

シート型熱電変換素子５０３は、分岐排ガス管５０２の長手方向に磁化をさせてあり、シートの平面に対して垂直方向の温度差によって分岐排ガス管５０２の円周方向に電流を発生する。また、各シート型熱電変換素子５０３の長手方向の磁化の向きは同じである。そのため、各シート型熱電変換素子５０３において円周方向に発生する電流の向きは同じである。シート型熱電変換素子５０３には、スピンゼーベック効果または異常ネルンスト効果を用いた熱電変換素子が用いられる。

各シート型熱電変換素子５０３の一部は絶縁部５０６で絶縁されている。各シート型熱電変換素子５０３の長手方向の端には、各シート型熱電変換素子５０３が電気的に直列に接合されるように電気接合部５０４が取り付けられている。電気接合部５０４は、低電気抵抗の材料で作成されるのが望ましい。電気接合部５０４は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、ＡｌおよびＴｉなどの金属やこれら元素を含む合金によって形成される。発生した電流は、端子５０５を介して取り出される。

図１１Ａのように磁化したシート型熱電変換素子５０３が巻装された分岐排ガス管５０２を束ねた際には、隣接したシート型熱電変換素子５０３の磁化は、互いに打ち消しあうように相互作用する。そのため、シート型熱電変換素子５０３の磁化の安定性を考慮した場合、各分岐排ガス管５０２は、隣接する分岐排ガス管５０２から１０マイクロメートル以上離して設置することが望ましい。

図１１Ａ、図１１Ｂおよび図１１Ｃでは、分岐排ガス管５０２は、円形の断面をもつ３本の分岐排ガス管５０２に分岐しており、それらが１次元的に並んでいる構成を示している。分岐排ガス管５０２の本数は３本以外でもよく、また、分岐排ガス管５０２が２次元的に束ねた構造になっていてもよい。また、排ガス管の断面構造は円形ではなく、四角形などの角型でもよい。

排ガス入口付近と排ガス出口付近では排ガスの温度が異なるため、第２の実施形態と同様に温度分布に適した材料組成の分布を、シート型熱電変換素子５０３に形成してもよい。例えば、排ガス入口付近では、排ガス入口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高く、キュリー温度が排ガス入口付近の温度よりも高い材料を用いて形成する。また、排ガス出口付近では、排ガス出口付近の温度領域における熱電変換効率が他の温度領域の熱電変換効率よりも高く、キュリー温度が排ガス出口付近の温度よりも高い材料を用いて形成する。

図１１Ａでは、冷却水１００が逆流の構成について示しているが、冷却水１００は、排ガスの向きに対して順流でもあってもよい。また、冷却水１００による冷却方式に代えて、空冷による冷却を行ってもよい。また、排ガスに代えて、メイン排ガス管５０１および分岐排ガス管５０２に高温の液体を流してもよい。

［第５の実施形態の製造方法および動作］
本実施形態の発電システムを構築する方法について説明する。以下の説明は、メイン排ガス管５０１と分岐排ガス管５０２の接続をあらかじめ行っているものとして説明を行う。始めに、シート型熱電変換素子５０３を作成する。各シート型熱電変換素子５０３の一部に、絶縁部５０６が形成される。シート型熱電変換素子５０３は、稼働時に冷却水１００と接するため、表面を防水膜で覆われている必要がある。

絶縁部５０６が形成されると、シート型熱電変換素子５０３の面内方向の磁化が行われる。磁化が行われると、磁化されたシート型熱電変換素子５０３は、分岐排ガス管５０２に巻装される。巻装を行う際、各シート型熱電変換素子５０３は、磁化の方向が分岐排ガス管５０２の長手方向となり、磁化の向きが各シート型熱電変換素子５０３で同じになるように巻装される。

巻装を行うと、各シート型熱電変換素子５０３が直列に接合されるように、端に電気接合部５０４が取り付けられる。また、電気接合部５０４は冷却水に接する可能性がるため、防水膜で覆われている。

電気接合部５０４が取り付けられると、直列に接続したときに両端となるシート型熱電変換素子５０３に電力を取り出すための端子５０５が取り付けられ、電力の供給対象となる回路と接続される。

本実施形態の発電システムの動作について説明する。本実施形態の発電システムでは、メイン排ガス管５０１の内部を高温のガスが流れている。メイン排ガス管５０１を流れてきたガスは、メイン排ガス管５０１と分岐排ガス管５０２の接続部において、各分岐排ガス管５０２に分岐し、各分岐排ガス管５０２内を流れる。各分岐排ガス管５０２内を流れたガスは、分岐排ガス管５０２とメイン排ガス管５０１の接続部において合流し、メイン排ガス管５０１を流れて排出される。

分岐排ガス管５０２内をガスが流れる際、ガスと冷却水１００の温度差によってシート型熱電変換素子５０３のシートの平面に対して垂直方向に温度差が生じる。シートの垂直方向に温度差が生じることで、シート型熱電変換素子５０３には分岐排ガス管５０２の円周方向に向かって電流が生じる。

本実施形態では、隣接するシート型熱電変換素子５０３間が電気接合部５０４で接続され、各シート型熱電変換素子５０３では分岐排ガス管５０２の円周方向に対して、同じ向きに電流が流れている。そのため、シート型熱電変換素子５０３を流れた電流を、両端のシート型熱電変換素子５０３に形成された端子５０５を介して取り出すことで、電力を得ることができる。

［第５の実施形態の効果］
本実施形態の発電システムは、第２の実施形態と同様の効果を有する。すなわち、本実施形態の発電システムは、構成を複雑化することなく信頼性を維持して、熱エネルギーを元に効率的に発電を行うことができる。また、本実施形態の発電システムでは全てのシート型熱電変換素子において分岐排ガス管に対して同じ円周方向に電流が流れ、電流が流れる方向に対して垂直な方向が長い。そのため、シート型熱電変換素子の一部分に破損が生じても影響を受けにくくなるので信頼性が向上する。

第１乃至第５の実施形態では直線上の分岐排ガス管の例を示しているが、分岐排ガス管の全部または一部が曲線状であってもよい。また、第２乃至第５の各実施形態において冷却水の入口と出口が１つずつの例を示しているが、冷却水の入口と出口はそれぞれ複数であってもよい。また、冷却水の入口と出口を複数、備える場合に、熱電変換部の内部の冷却水の流路が複数の区間に仕切られていてもよい。また、第２乃至第５の実施形態において、熱電変換部が１つのみ有している構成を示しているが、熱電変換部は複数、形成されていてもよい。

第２乃至第５の実施形態の発電システムの構成は、複数段階の冷却システムに適用してもよい。そのような構成とする場合には、例えば、メイン排ガス管を流れてくる第１の流体を、分岐排ガス管に分岐し第１の流体よりも温度の低い第２の流体で冷却する際の温度差を元にシート型熱電変換素子で１回目の発電を行う。第２の流体は、さらに別の熱電変換部に導かれ、第２の流体よりもさらに温度が低い第３の流体で冷却する際の温度差を元にシート型熱電変換素子で２回目の発電を行う。そのように多段階で冷却および発電を行うことによって、熱エネルギーをより効率的に利用することができる。また、多段階で発電を行う場合には、各流体の温度において熱電変換効率の高い材料の熱電変換素子を用いることでより効率的に発電を行うことができる。そのような場合には、２段階目の冷却を行う熱電変換部の熱電変換素子には、１段階目の冷却を行う熱電変換部の熱電変換素子よりも低温側で熱電変換効率が高いシート型熱電変換素子が用いられる。また、冷却および発電システムは、３段階以上であってもよい。

第２乃至第５の実施形態の発電システムは、高温の流体を低温の流体で冷却する際の温度差を元にシート型熱電変換素子で発電を行っているが、低温の流体を高温で加熱する際の温度差で発電を行ってもよい。そのような構成とする場合には、メイン排ガス管および分岐排ガス管に低温の流体を導入する。

上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。

（付記１）
第１の流体が内部を流れる複数の管と、
前記管にそれぞれ巻装され、前記第１の流体と前記管の外を流れる第２の流体との温度差を元に発電するシート型の熱電変換素子と、
を備える熱電変換部。

（付記２）
前記熱電変換素子は、前記第１の流体と前記第２の流体の温度差によって、磁化の方向に直行する前記管の円周に沿った方向または長手方向に電流が流れることを特徴とする付記１に記載の熱電変換部。

（付記３）
前記熱電変換素子は、スピンゼーベック効果または異常ネルンスト効果を利用することを特徴とした付記１または２に記載の熱電変換部。

（付記４）
前記第２の流体は、前記第１の流体の流れと対向するように前記管の周囲を流れることを特徴とする付記１から３いずれかに記載の熱電変換部。

（付記５）
前記第１の流体の入口側にあり本管を複数の前記管に分岐する分岐部と、
前記第１の流体の出口側にあり複数の前記管と本管を結合するとする結合部と、
をさらに備え、
複数の前記管は、互いに平行になるように備えられ、
前記熱電変換素子は、前記分岐部と前記結合部の間のほぼ全ての部分において連続するように前記管に巻装されていることを特徴とする付記１から３いずれかに記載の熱電変換部。

（付記６）
前記熱電変換素子は、前記管の長手方向の材料の組成分布に勾配を有していることを特徴とする付記１から５いずれかに記載の熱電変換部。

（付記７）
前記熱電変換素子は、前記第１の流体の入口側において、出口側よりも高温領域において熱電変換効率が高い材料の組成を有し、前記第１の流体の出口側において、入口側よりも低温度領域で熱電変換効率が高い材料の組成を有していることを特徴とする付記６に記載の熱電変換部。

（付記８）
前記熱電変換素子は、発生する電流の向きが隣り合った前記熱電変換素子と交互になるように前記管にそれぞれ巻装され、前記熱電変換素子の間は直列に電流が流れるように接合されていることを特徴とする付記１から７いずれかに記載の熱電変換部。

（付記９）
隣り合った前記熱電変換素子の磁化の向きが互い異なることによって、隣り合った前記熱電変換素子に発生する電流が互いに対向する向きに流れることを特徴とする付記８に記載の熱電変換部。

（付記１０）
隣り合った前記熱電変換素子のスピンホール角の符号が互いに異なることによって、隣り合った前記熱電変換素子に発生する電流が互いに対向する向きに流れることを特徴とした付記８に記載の熱電変換部。

（付記１１）
隣り合った前記管に巻かれた前記熱電変換素子の間に１０マイクロメートル以上の間隔があることを特徴とする付記８から１０いずれかに記載の熱電変換部。

（付記１２）
前記熱電変換素子は、発生する電流の向きが同じになるように複数の前記管にそれぞれ巻装され、複数の前記管に巻装された前記熱電変換素子の間は、並列に電流が流れるように接合されていることを特徴とする付記１から７いずれかに記載の熱電変換部。

（付記１３）
隣り合った前記管に巻かれた前記熱電変換素子の間に１０センチメートル以下の間隔があることを特徴とする付記１２に記載の熱電変換部。

（付記１４）
前記熱電変換素子には前記管の円周方向に沿って電流が流れ、前記熱電変換素子は、前記円周方向の一部に絶縁部をさらに備えることを特徴とする付記１から７いずれかに記載の熱電変換部。

（付記１５）
前記第２の流体は、透磁率が水よりも高い流体であることを特徴とする付記１から１４いずれかに記載の熱電変換部。

（付記１６）
第１の流体が内部に流れる本管と、
付記１から１５いずれかに記載の熱電変換部と、
前記熱電変換素子に発生した電力を取り出す端子部と、
を備え、
前記熱電変換部の前記管は、前記本管から分岐した管であり、前記端子部は、前記本管から前記管に流入した前記第１の流体と前記第２の流体の温度差によって前記熱電変換素子に発生した電流を出力することを特徴とする発電システム。

（付記１７）
複数の管の内部に第１の流体を流し、
前記管にそれぞれ巻装されたシート型の熱電変換素子で、前記第１の流体と前記管の外を流れる第２の流体との温度差を元に発電する熱電変換方法。

（付記１８）
前記第１の流体と前記第２の流体の温度差によって、前記熱電変換素子で前記管の円周に沿った方向または長手方向に電流を発生させることを特徴とする付記１７に記載の熱電変換方法。

（付記１９）
前記第２の流体を、前記第１の流体の流れと対向するように前記管の周囲に流すことを特徴とする付記１７または１８に記載の熱電変換方法。

（付記２０）
前記第１の流体の入口側において本管を複数の前記管に分岐し、
複数の前記管を、互いに平行になるように備え、
前記熱電変換素子を、前記分岐部と前記結合部の間のほぼ全ての部分において連続するように前記管に巻装し
前記第１の流体の出口側において複数の前記管と前記本管を結合することを特徴とする付記１７から１９いずれかに記載の熱電変換方法。

（付記２１）
前記熱電変換素子は、前記管の長手方向の材料の組成分布に勾配を有していることを特徴とする付記１７から２０いずれかに記載の熱電変換方法。

（付記２２）
前記熱電変換素子は、前記第１の流体の入口側において、出口側よりも高温領域において熱電変換効率が高い材料の組成を有し、前記第１の流体の出口側において、入口側よりも低温度領域で熱電変換効率が高い材料の組成を有していることを特徴とする付記２１に記載の熱電変換方法。

（付記２３）
前記熱電変換素子を、発生する電流の向きが隣り合った前記熱電変換素子と交互になるように前記管にそれぞれ巻装し、直列に電流が流れるように前記熱電変換素子の間を接合することを特徴とする付記１７から２２いずれかに記載の熱電変換方法。

（付記２４）
隣り合った前記熱電変換素子の磁化の向きが互い異なることによって、隣り合った前記熱電変換素子に発生する電流が互いに対向する向きに流れることを特徴とする付記２３に記載の熱電変換方法。

（付記２５）
隣り合った前記熱電変換素子のスピンホール角の符号が互いに異なることによって、隣り合った前記熱電変換素子に発生する電流が互いに対向する向きに流れることを特徴とした付記２３に記載の熱電変換方法。

（付記２６）
前記熱電変換素子を、発生する電流の向きが同じになるように複数の前記管にそれぞれ巻装し、複数の前記管に巻装された前記熱電変換素子の間を、並列に電流が流れるように接合することを特徴とする付記１７から２２いずれかに記載の熱電変換方法。

（付記２７）
前記熱電変換素子は、前記管の円周方向に沿って電流が流れるように形成され、前記円周方向の一部が絶縁されていることを特徴とする付記１７から２２いずれかに記載の熱電変換方法。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

この出願は、２０１６年１２月８日に出願された日本出願特願２０１６−２３８４０５を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ 管
２ 熱電変換素子
１３ 排気通路
１３Ａ 排気通路
１３Ｂ 排気通路
１３Ｃ 排気通路
１４ 凹部
１５ 熱電変換素子
３１ 分岐排ガス管
３２ シート型熱電変換素子
１００ 冷却水
２０１ メイン排ガス管
２０２ 分岐排ガス管
２０３ シート型熱電変換素子
２０４ 電気接合部
２０５ 端子
３０１ メイン排ガス管
３０２ 分岐排ガス管
３０３Ａ 第１のシート型熱電変換素子
３０３Ｂ 第２のシート型熱電変換素子
３０４ 電気接合部
３０５ 端子
４０１ メイン排ガス管
４０２ 分岐排ガス管
４０３ シート型熱電変換素子
４０４ 電気接合部
４０５ 端子
５０１ メイン排ガス管
５０２ 分岐排ガス管
５０３ シート型熱電変換素子
５０４ 電気接合部
５０５ 端子
５０６ 絶縁部
６０１ メイン排ガス管
６０２ 分岐排ガス管
６０３ シート型異常ネルンスト熱電変換素子
６０４ 電気接合部
６０５ 端子
６０６ 電気接合部
７０１ 基板
７０２ 磁性膜
８０１ メイン排ガス管
８０２ 分岐排ガス管
８０３Ａ シート型スピンゼーベック熱電変換素子
８０３Ｂ シート型スピンゼーベック熱電変換素子
８０４ 電気接合部
８０５ 端子
９０１ 基板
９０２ 磁性絶縁膜
９０３Ａ 金属膜
９０３Ｂ 金属膜

Claims (8)

1. 第１の流体が内部を流れる複数の管と、
   前記管にそれぞれ巻装され、前記第１の流体と前記管の外を流れる第２の流体との温度差を元に発電するシート型の熱電変換素子と、
   を備え、
   前記熱電変換素子は、前記管の長手方向の材料の組成分布に勾配を有する
   熱電変換部。
2. 前記熱電変換素子は、前記第１の流体と前記第２の流体の温度差によって、磁化の方向に直行する前記管の円周に沿った方向または長手方向に電流が流れることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換部。
3. 前記熱電変換素子は、前記第１の流体の入口側において、出口側よりも高温領域において熱電変換効率が高い材料の組成を有し、前記第１の流体の出口側において、入口側よりも低温度領域で熱電変換効率が高い材料の組成を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換部。
4. 前記熱電変換素子は、発生する電流の向きが隣り合った前記熱電変換素子と交互になるように前記管にそれぞれ巻装され、前記熱電変換素子の間は直列に電流が流れるように接合されていることを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の熱電変換部。
5. 隣り合った前記熱電変換素子の磁化の向きが互い異なることによって、隣り合った前記熱電変換素子に発生する電流が互いに対向する向きに流れることを特徴とする請求項４に記載の熱電変換部。
6. 第１の流体が内部に流れる本管と、
   請求項１から５いずれかに記載の熱電変換部と、
   前記熱電変換素子に発生した電力を取り出す端子部と、
   を備え、
   前記熱電変換部の前記管は、前記本管から分岐した管であり、前記端子部は、前記本管から前記管に流入した前記第１の流体と前記第２の流体の温度差によって前記熱電変換素子に発生した電流を出力することを特徴とする発電システム。
7. 複数の管の内部に第１の流体を流し、
   前記管にそれぞれ巻装されたシート型の熱電変換素子で、前記第１の流体と前記管の外を流れる第２の流体との温度差を元に発電し、
   前記熱電変換素子は、前記管の長手方向の材料の組成分布に勾配を有する
   熱電変換方法。
8. 前記熱電変換素子は、前記第１の流体の入口側において、出口側よりも高温領域において熱電変換効率が高い材料の組成を有し、前記第１の流体の出口側において、入口側よりも低温度領域で熱電変換効率が高い材料の組成を有していることを特徴とする請求項７に記載の熱電変換方法。

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