JPWO2006004060A1 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

部品点数を少なくし、かつ、組み立てが容易であり、組み立てに要する時間と労力の軽減等を通じて、低コスト化を可能とする熱電変換モジュールを提供する。熱電変換モジュール１０は、内周面と外周面との温度差で発電する円板形状の第１の熱電素子２２および第２の熱電素子２６が交互に積層された管状の素子体２１と、この素子体２１に内接する電気的絶縁性のＳＵＳ管４２と、素子体２１に外接する電気的絶縁性のＳＵＳ管４３と、からなる支持体４１と、を備え、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂには、第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂに接続する爪部２４ａ〜２４ｄが設けられ、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａには、第１の熱電素子２２の外周面２２Ａに接続する爪部２８ａ〜２８ｄが設けられる。

Description

本発明は、熱電変換モジュールに関し、複数個の熱電素子からなる熱電変換モジュールに関する。

熱電変換とは、セーベック効果やペルチェ効果を利用して、熱エネルギと電気エネルギとを相互に変換することをいう。熱電変換を利用すれば、ゼーベック効果を用いて熱流から電力を取り出したり、ペルチェ効果を用いて材料に電流を流すことで、吸熱現象や発熱現象を起こしたりすることが可能である。また、熱電変換は、直接変換であるためエネルギ変換の際に余分な廃棄物を排出しないこと、排熱の有効利用が可能であること、モータやタービンのような可動部がないためメンテナンスフリーであること等の特徴を有しており、エネルギの高効率利用技術として注目されている。

熱電変換には通常、熱電素子と呼ばれる金属や半導体の素子が用いられている。図８に示すように、従来、この熱電素子には、ｐ型熱電素子１０２とｎ型熱電素子１０３の２種類が使用されている。そして、この２種類の熱電素子、ｐ型熱電素子１０２とｎ型熱電素子１０３を電極１０１によって電気的に接続した状態で一方を加熱し他方を冷却すると、この温度差により電圧が発生する。図８で説明すれば、ｐ型熱電素子１０２とｎ型熱電素子１０３が接続されてπ型となっているπ型素子１０４の下部１０５を加熱し上部１０６を冷却すると、下部１０５から吸収された熱エネルギが電気エネルギに変換されて、ＡからＢ方向に電流が流れる。

しかし、１つのπ型素子の熱電交換では、出力が不十分であるため、実用的な電力を得ることはできない。従って、実用的な電力を熱電変換によって得るためには、π型素子を複数個集積させて熱電変換を行うことが好ましい。このように、実用的な電力を得るために、複数個の熱電素子を集積させて熱電変換を行うものを熱電変換モジュール（以下、「モジュール」と略す。）という。

図９は、従来からのモジュールの使用例を示す斜視図である。従来品のモジュール１１１は、内部に上記のｐ型熱電素子（図示せず）とｎ型熱電素子（図示せず）を直線的に多数配置し、電気的絶縁性の固定用部材１１５で固定するという平板型構造をしていた。また、従来のモジュールは熱源となる流体の経路とは別の要素であると考えられていたため、図９に示すように、モジュール１１１は、円筒形流体経路１１２の外側に形成された平面１１３に取り付けられていた。

そして、モジュール１１１の熱電変換により電気的出力を得るためには、円筒形流体経路１１２の内部に高温（あるいは低温）の流体１１４を流して、モジュール１１１の内部（平面１１３）と接触する面（内面）とその反対側の面（外面）との間に温度差を発生させる必要があった。ここで、可能な限り大きな出力を得ることを目的としてモジュール１１１の内面と外面との温度差を少しでも増大させるためには、モジュール１１１の内面の温度を円筒形流体経路１１２の内部に流れる流体１１４の温度に極力近づけることが必要であった。従って、流体１１４の熱をモジュール１１１の内面に可能な限り伝導させるため、モジュール１１１に固定用部材１１５を被せてねじ１１６で強固に固定していた。

このように、従来の平板型構造のモジュールは、固定用部材やねじを使用して流体経路に取り付ける必要があり、その結果として、従来の平板型構造のモジュールを使用した発電システムは複雑な構造となっていた。

その後、以上のような平板型構造のモジュールよりは簡単な構造となった管状型のモジュールが開発された（特許文献１参照。）。
特許２７７５４１０号公報

しかしながら、図１０に示すように、開発された管状型のモジュール１２１は、同一軸心からなる内管１２２と外管１２３からなる二重円筒の間に交互にｐ型熱電素子１２４ａ、ｎ型熱電素子１２４ｂを回転対称形に配列し、さらには、ｐ型熱電素子１２４ａとｎ型熱電素子１２４ｂを電極１２５によって交互に接続する構造となっていた。このように、従来のｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を使用して完成したモジュールは、組み立てが煩雑であり、かつ、モジュールを構成する部品点数が多いため、組み立てに多大な時間と労力を要した。従って、結局はコスト高の製品となってしまい、十分に実用的とは言い難いものであった。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は部品点数を少なくし、かつ、組み立てが容易であり、組み立てに要する時間と労力の軽減等を通じて、低コスト化を可能とする熱電変換モジュールを提供することにある。

以上のような目的を達成するために、本発明は、以下のようなものを提供する。

（１） 内周面と外周面との温度差で発電する円板形状の第１の熱電素子および第２の熱電素子が交互に積層された管状の素子体と、当該素子体に内接する電気的絶縁性の内管と、前記素子体に外接する電気的絶縁性の外管と、からなる支持体と、を備え、前記第１の熱電素子の内周面には、前記第２の熱電素子の内周面に接続する爪部が設けられ、前記第２の熱電素子の外周面には、前記第１の熱電素子の外周面に接続する爪部が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。

（１）の発明によれば、第１の熱電素子および第２の熱電素子が交互に積層された管状の素子体と、この素子体に内接する電気的絶縁性の内管と、素子体に外接する電気的絶縁性の外管と、からなる支持体を備える。従って、（１）の発明に係る熱電変換モジュールは、第１の熱電素子および第２の熱電素子を交互に積層して素子体を形成し、この素子体を内管と、外管と、で支持しているだけの単純な構造となっているため、従来の熱電変換モジュールと比較して、容易に組み立てることができる。

また、（１）の発明によれば、第１の熱電素子の内周面に設けられた爪部が、第２の熱電素子の内周面に接続し、第２の熱電素子の外周面に設けられた爪部が、第１の熱電素子の外周面に接続する。従って、（１）の発明に係る熱電変換モジュールは、従来の熱電変換モジュールのように各熱電素子を電気的に接続するための電極を必要としないため、部品点数が少なくて済む。

以上より、（１）の発明によれば、従来の熱電変換モジュールと比較して、部品点数を少なくし、かつ、組み立てが容易であるため、組み立てに要する時間と労力の軽減等を通じて、低コスト化を図ることができる。

なお、上記素子体としては、中心孔が開いた円板形状の第１の熱電素子と、ほぼ同じ形状の中心孔が開いた円板形状の第２の熱電素子と、を所定の間隔をあけて交互に積層して形成される、ほぼ筒形状を呈する素子体において、前記第１の熱電素子は、中心孔の周近傍に該円板面から突出する第１の爪部を少なくとも１つ含み、該円板形状の外周近傍に第１の切欠部を少なくとも１つ含み、前記第２の熱電素子は、該円板形状の外周近傍に該円板面から突出する第２の爪部を少なくとも１つ含み、中心孔の周近傍に第２の切欠部を少なくとも１つ含み、前記第１の爪部は、前記第２の切欠部と係合し、前記第２の爪部は、前記第１の切欠部と係合し、前記所定の間隔を保持するが、該素子体の中心孔に、外周面が絶縁処理された管が係合し、該素子体の外周面に、内周面が絶縁処理された管が係合するような構成としてもよい。

（２） 前記第１の熱電素子の外周面には、前記第２の熱電素子の爪部が接続される受け部が設けられ、前記第２の熱電素子の内周面には、前記第１の熱電素子の爪部が接続される受け部が設けられることを特徴とする（１）に記載の熱電変換モジュール。

（２）の発明によれば、第１の熱電素子の外周面に設けられた受け部が、第２の熱電素子の爪部に接続され、第２の熱電素子の内周面に設けられた受け部が、第１の熱電素子の爪部に接続される。従って、（２）の発明に係る熱電変換モジュールには、従来の熱電変換モジュールのように各熱電素子を電気的に接続するための電極を必要としないため、部品点数が少なくて済む。

（３） 前記爪部は、前記受け部と係合していることを特徴とする（２）に記載の熱電変換モジュール。

（３）の発明によれば、爪部と受け部が係合することによって、第１の熱電素子と、第２の熱電素子と、が接続している。従って、（３）の発明に係る熱電変換モジュールには、従来の熱電変換モジュールのように各熱電素子を電気的に接続するための電極を必要としないため、部品点数が少なくて済む。

（４） 前記爪部は、前記受け部に溶接されることを特徴とする（２）に記載の熱電変換モジュール。

（４）の発明によれば、爪部が受け部に溶接されることによって、第１の熱電素子と、第２の熱電素子と、が接続している。従って、（４）の発明に係る熱電変換モジュールには、従来の熱電変換モジュールのように各熱電素子を電気的に接続するための電極を必要としないため、部品点数が少なくて済む。

（５） 前記第１の熱電素子はケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成され、前記第２の熱電素子はクロム−ニッケル合金、クロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成されることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。

（６） 前記第２の熱電素子はケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成され、前記第１の熱電素子はクロム−ニッケル合金、クロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成されることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。

従来、熱電変換効率の高い重金属のビスマス−テルル合金（以下、「ＢｉＴｅ合金」という。）が熱電素子で使用される材料の主流であったが、ＢｉＴｅ合金を材料とする熱電素子は、重金属かつ希少金属であるＢｉやＴｅを使用するため、環境面での問題があるばかりでなく、半導体を材料とした熱電素子よりも製造コストが高いという問題があった。また、製造面においてもＢｉＴｅ合金は、結晶成長の過程で結合の弱い部位が生じるため、割れやすく、機械的強度に難点があり、加工性に乏しかった。さらには、熱電変換モジュールの利用場所として産業廃棄物の焼却炉等のように高温下で使用されることが多くなっているが、ＢｉＴｅ合金は高温時での安定性に欠けるため、ＢｉＴｅ合金を材料とした熱電素子を高温下で使用することはできなかった。

（５）または（６）の発明によれば、第１の熱電素子をケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成した場合は、第２の熱電素子をクロム−ニッケル合金またはクロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成し、逆に、第１の熱電素子をクロム−ニッケル合金またはクロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成した場合は、第２の熱電素子をケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成している。ここで、ニッケル合金はＢｉＴｅ合金よりも安価であり、また、ニッケル合金で形成された熱電素子は、ＢｉＴｅ合金の熱電素子と比較して、遜色ない熱電変換性能を有する。従って、（５）または（６）の発明によれば、ＢｉＴｅ合金を材料とする熱電素子を使用した従来の熱電変換モジュールと比較して、熱電変換性能を低減せずに熱電変換モジュールの製造単価をできる。さらには、ニッケル合金は、ＢｉＴｅ合金よりも機械的強度および高温時での安定性に優れているため、ＢｉＴｅ合金を材料とする熱電素子を使用した熱電変換モジュールよりも加工性に優れ、高温下での使用にも安定な熱電変換モジュールを提供できる。

本発明によれば、第１の熱電素子および第２の熱電素子が交互に積層された管状の素子体と、この素子体に内接する電気的絶縁性の内管と、素子体に外接する電気的絶縁性の外管と、からなる支持体を備える。従って、本発明に係る熱電変換モジュールは、第１の熱電素子および第２の熱電素子を交互に積層して素子体を形成し、この素子体を内管と、外管と、で支持しているだけの単純な構造となっているため、従来の熱電変換モジュールと比較して、容易に組み立てることができる。

また、第１の熱電素子の内周面に設けられた爪部が第２の熱電素子の内周面に接続し、第２の熱電素子の外周面に設けられた爪部が第１の熱電素子の外周面に接続する。従って、本発明に係る熱電変換モジュールは、従来の熱電変換モジュールのように各熱電素子を電気的に接続するための電極を必要としないため、部品点数が少なくて済む。

以上より、本発明によれば、従来の熱電変換モジュールと比較して、部品点数を少なくし、かつ、組み立てが容易であるため、組み立てに要する時間と労力の軽減等を通じて、低コスト化を図ることができる。

熱電変換モジュールを示した斜視図である。 図１における熱電変換モジュールの長手方向のＡ−Ｂ線断面図である。 熱電変換モジュールを構成する第１の熱電素子の斜視図である。 熱電変換モジュールを構成する第１の熱電素子の側面図である。 熱電変換モジュールを構成する第２の熱電素子の斜視図である。 熱電変換モジュールを構成する第２の熱電素子の側面図である。 熱電変換モジュールを構成する第１の熱電素子と第２の熱電素子の断面図である。 第１の熱電素子が第２の熱電素子と連結して形成されたリング状π型素子の断面図である。 ２つのリング状π型素子同士が連結する前の断面図である。 連結された後の２つのリング状π型素子の断面図である。 熱電変換モジュールを構成する第１のニッケル合金板の正面図である。 第２のニッケル合金板の正面図である。 熱電変換モジュールを構成する素子体の断面図である。 従来の熱電変換モジュールの一例を示す原理図である。 従来の熱電変換モジュールの使用例を示す斜視図である。 従来の熱電変換モジュールの一例を示す横断面図である。

符号の説明

１０ 熱電変換モジュール
２１ 素子体
２２ 第１の熱電素子
２２Ａ 外周面
２２Ｂ 内周面
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ 爪部
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ 切欠部
２６ 第２の熱電素子
２６Ａ 外周面
２６Ｂ 内周面
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ 爪部
２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ 切欠部
４１ 支持体
４２，４３ ＳＵＳ管

発明を実施するための形態

以下に本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。

図１，２は、本発明の基本構成図であり、図１は熱電変換モジュール１０の斜視図、図２は、図１における熱電変換モジュール１０の長手方向のＡ−Ｂ線断面図である。なお、図１は符号を一部省略している。これらの図に示されるように、熱電変換モジュール１０は、その端から、中心孔が開いた円板形状の第１の熱電素子２２と、第１の熱電素子２２とほぼ同じ形状の中心孔が開いた円板形状の第２の熱電素子２６（図１及び図２では、左端が第２の熱電素子２６となっている）と、が所定の間隔をあけて交互に積層して形成された管状（ほぼ筒形状）の素子体２１を備えている。

ここで、図３Ａ、図３Ｂ、図４Ａおよび図４Ｂを用いて、第１の熱電素子２２および第２の熱電素子２６について説明する。図３Ａは熱電変換モジュール１０に組み立てられる前の第１の熱電素子２２の斜視図であり、図３Ｂは第１の熱電素子２２の側面図である。また、図４Ａは熱電変換モジュール１０に組み立てられる前の第２の熱電素子２６の斜視図であり、図４Ｂは第２の熱電素子２６の側面図である。

図３Ａおよび図３Ｂに示すように、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂには、内周面２２Ｂから第１の熱電素子本体２３の長手方向に対して垂直方向に伸びる上下左右二対の爪部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが設けられており、外周面２２Ａには、上下左右二対の切欠部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが設けられている。この第１の熱電素子２２のサイズは、外径１０ｍｍ〜１００ｍｍ、内径５ｍｍ〜９０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ〜２ｍｍであってもよく、外径約２０ｍｍ、内径約１０ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍのサイズが好ましい。

このように、第１の熱電素子２２は、内周面２２Ｂから突出する爪部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄのような第１の爪部を少なくとも１つ含み、外周面２２Ａには切欠部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄのような第１の切欠部を少なくとも１つ含むようにすればよい。

一方、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａには、外周面２６Ａから第２の熱電素子本体２７の長手方向に対して垂直方向に伸びる上下左右二対の爪部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが設けられており、内周面２６Ｂには、上下左右二対の切欠部２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄが設けられている。この第２の熱電素子２６のサイズは、１０ｍｍ〜１００ｍｍ、内径５ｍｍ〜９０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ〜２ｍｍであってもよく、外径約２０ｍｍ、内径約１０ｍｍ、厚さ約０．１ｍｍのサイズが好ましい。

このように、第２の熱電素子は、外周面２６Ａから突出する爪部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄのような第２の爪部を少なくとも１つ含み、内周面２６Ｂには切欠部２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄのような第２の切欠部を少なくとも１つ含むようにすればよい。

なお、本実施形態の「切欠部」は本発明の「受け部」の一例に相当する。

ここで、第１の熱電素子２２はケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成されており、この合金中のケイ素成分比は０．５〜２質量％、アルミニウム成分比は１〜５質量％、マンガン成分比は１〜３質量％、ニッケル成分比は９０〜９７．５質量％であるが、ケイ素成分比が１質量％、アルミニウム成分比が３質量％、マンガン成分比が２質量％、ニッケル成分比が９４質量％のときが好ましい。

一方、第２の熱電素子２６はクロム−ニッケル合金、クロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成されている。第２の熱電素子２６がクロム−ニッケル合金である場合は、この合金中のクロム成分比は５〜２５質量％、ニッケル成分比は７５〜９５質量％であってもよく、クロム成分比が約１０質量％、ニッケル成分比が約９０質量％のときが好ましい。また、第２の熱電素子２６がクロム−鉄−ニッケル合金である場合は、この合金中のクロム成分比は５〜１０質量％、鉄成分比は２０〜３０質量％、ニッケル成分比は６０〜７５質量％であってもよく、クロム成分比が約１０質量％、鉄成分比が約２５質量％、ニッケル成分比が約６５質量％のときが好ましい。

このように、熱電変換モジュール１０は、熱電素子の材料としてニッケル合金を使用しているので、ＢｉＴｅ合金を材料とする熱電素子を使用した従来の熱電変換モジュールと比較して、熱電変換性能を低減せずに熱電変換モジュールの製造単価を低減することができる。さらには、ニッケル合金はＢｉＴｅ合金よりも機械的強度および高温時での安定性に優れているため、熱電変換モジュール１０は、ＢｉＴｅ合金を材料とする熱電素子を使用した熱電変換モジュールよりも加工性に優れ、高温下での使用にも安定している。

また、前述したように、第１の熱電素子２２と、第２の熱電素子２６と、が交互に積層して管状の素子体２１が形成される。ここで、「第１の熱電素子２２と、第２の熱電素子２６と、が交互に積層」された状態について、図５を用いて説明する。ここで、図５Ａは、第１の熱電素子２２の爪部２４ａ〜２４ｄが第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂの切欠部２９ａ〜２９ｄと係合する前の断面図であり、図５Ｂは、第１の熱電素子２２の爪部２４ａ〜２４ｄが第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂの切欠部２９ａ〜２９ｄと係合して形成されたリング状π型素子６１の断面図であり、図５Ｃは、２つのリング状π型素子６１同士が連結する前の断面図であり、図５Ｄは、連結された後の２つのリング状π型素子６１の断面図である。なお、図５Ｃおよび図５Ｄの符号は一部省略している。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂに設けられている爪部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄと第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂの切欠部２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄとがそれぞれ係合して、更に溶接される。すなわち、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂに設けられた爪部２４ａ〜２４ｄが、第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂに接続する。また、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａに設けられている爪部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄと第１の熱電素子２２の外周面２２Ａの切欠部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄとがそれぞれ係合する。すなわち、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａに設けられた爪部２８ａ〜２８ｄが、第１の熱電素子２２の外周面２２Ａに接続する。以上のように、第１の爪部は、第２の切欠部と係合し、第２の爪部は、第１の切欠部と係合する。

このように、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂに設けられた爪部２４ａ〜２４ｄは第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂの切欠部２９ａ〜２９ｄのそれぞれと係合し、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａに設けられた爪部２８ａ〜２８ｄは第１の熱電素子２２の外周面２２Ａの切欠部２５ａ〜２５ｄのそれぞれと係合する。従って、熱電変換モジュール１０は、従来の熱電変換モジュールのように各熱電素子を電気的に接続するための電極を必要としないため、部品点数が少なくて済む。

図１および図２に戻って、熱電変換モジュール１０の説明を続ける。素子体２１の両端にある第１の熱電素子２２および第２の熱電素子２６は、外部の接続線としてリード線３０と接続している。リード線３０は、第１の熱電素子２２および第２の熱電素子２６よりも電気抵抗が低い、金、銀等の金属であることが好ましい。

また、素子体２１は、電気的に外周面４２Ａが絶縁処理されたＳＵＳ管４２と、内周面４３Ｂが電気的に絶縁処理されたＳＵＳ管４３と、からなる同一軸心の支持体４１で支持されている。つまり、ＳＵＳ管４２は素子体２１に内接しており、ＳＵＳ管４３は素子体２１に外接している。換言すれば、素子体の中心孔に、外周面が絶縁処理された外管を嵌合し、素子体の外周面に、内周面が絶縁処理された内管を嵌合させている。

このように、熱電変換モジュール１０は、第１の熱電素子２２および第２の熱電素子２６が交互に積層された素子体２１と、この素子体２１に内接するＳＵＳ管４２と、素子体２１に外接するＳＵＳ管４３と、からなる支持体４１と、を備えている。従って、熱電変換モジュール１０は、第１の熱電素子２２および第２の熱電素子２６を交互に積層して素子体２１を形成し、この素子体２１をＳＵＳ管４２と、ＳＵＳ管４３と、で支持しているだけの単純な構造となっているため、従来の熱電変換モジュールと比較して、容易に組み立てることができる。

また、本発明においては、素子体２１を支持でき、熱伝導性に優れているものであれば、他の材料の管であってもよい。

さらに、本実施形態において、「ＳＵＳ管４２」とは本発明における「内管」の一例に相当し、「ＳＵＳ管４３」とは本発明における「外管」の一例に相当する。

以上の構成を採用する素子体２１をＳＵＳ管４３側からまたはＳＵＳ管４２側から加熱または冷却すると、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂと外周面２２Ａとの温度差および第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂと外周面２６Ａとの温度差によって、起電力が生じる。この発生した起電力は電極であるリード線３０から外部の負荷に供給される。

＜第１の熱電素子および第２の熱電素子の作成＞
第１の熱電素子および第２の熱電素子の作成について、図３Ａ、図４Ａ、図６Ａおよび図６Ｂを用いて説明する。図６Ａは、ケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金の板箔を打ち抜いて作成した第１のニッケル合金板５１を示す正面図であり、図６Ｂは、クロム−ニッケル合金の板箔を打ち抜いて作成した第２のニッケル合金板５４を示す正面図である。なお、ケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金の各金属の成分比は、ケイ素が１質量％、アルミニウムが３質量％、マンガンが２質量％、ニッケルが９４質量％であり、クロム−ニッケル合金の各金属の成分比は、クロムが１０質量％、ニッケルが９０質量％である。

まず、厚さ０．１ｍｍのケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金の板箔と厚さ０．１ｍｍのクロム−ニッケル合金の板箔を円板形状に各千枚打ち抜いて、第１のニッケル合金板５１と第２のニッケル合金板５４を作成した。図６Ａに示すように、第１のニッケル合金板５１の内周面５１Ｂには上下左右二対の突片５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄが設けられ、外周面５１Ａには上下左右二対の切欠部５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄが設けられる。また、図６Ｂに示すように、第２のニッケル合金板５４の外周面５４Ａには上下左右二対の突片５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄが設けられ、内周面５４Ｂには上下左右二対の切欠部５６ａ，５６ｂ，５６ｃ，５６ｄが設けられる。そして、打ち抜いた第１のニッケル合金板５１の内周面５１Ｂにある４つの突片５２ａ〜５２ｄを第１のニッケル合金板５１の長手方向に対して垂直に折り曲げて、爪部２４ａ〜２４ｄを内周面２２Ｂに備え、外周面２２Ａに切欠部２５ａ〜２５ｄを備えた第１の熱電素子２２を作成した（図３Ａ参照）。また、同様に、打ち抜いた第２のニッケル合金板５４の外周面５４Ａにある４つの突片５５ａ〜５５ｄを第２のニッケル合金板５４の長手方向に対して垂直に折り曲げて、爪部２８ａ〜２８ｄを外周面２６Ａに備え、内周面２６Ｂに切欠部２９ａ〜２９ｄを備える第２の熱電素子２６を作成した（図４Ａ参照）。なお、第１のニッケル合金板５１、第２のニッケル合金板５４とも外径２０ｍｍ、内径１０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍである。

＜熱電変換モジュールの作成＞
熱電変換モジュールの作成について、図２、図５Ａ〜図５Ｄおよび図７を用いて説明する。図７は、９９９対のリング状π型素子６１が連結された素子体２１の断面図である。なお、図７の符号は一部省略している。

図５Ａおよび図５Ｂに示すように、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂにある爪部２４ａ〜２４ｄと第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂにある切欠部２９ａ〜２９ｄとを係合させた後に溶接することによって、図５Ｂに示すリング状π型素子６１を作成した。さらに、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、リング状π型素子６１を構成する第１の熱電素子２２の外周面２２Ａにある切欠部２５ａ〜２５ｄと他のリング状π型素子６１を構成する第２の熱電素子の外周面２６Ａにある爪部２８ａ〜２８ｄとを次々に係合させて、９９９対のリング状π型素子６１で形成される素子体２１を作成した。この素子体２１を外径１０ｍｍ、内径８ｍｍ、長さ３００ｍｍのＳＵＳ管４２に挿通した（図７参照）。次に、素子体２１の一端にある第１の熱電素子２２の切欠部２５ａ〜２５ｄとリード線３０と電気的に接続している第２の熱電素子２６の爪部２８ａ〜２８ｄとを係合させた。また、リード線３０と電気的に接続している第１の熱電素子２２の切欠部２５ａ〜２５ｄと素子体２１の一端にある第２の熱電素子２６の爪部２８ａ〜２８ｄとを係合させた。さらに、外径２２ｍｍ、内径２０ｍｍ、長さ３００ｍｍのＳＵＳ管４３にて素子体２１を支持し、１０００対のリング状π型素子６１を有する熱電変換モジュール１０を得た（図２参照）。

＜発電特性評価＞
１０００対のリング状π型素子６１を有する熱電変換モジュール１０を均熱部２５０ｍｍの小型管状炉にセットし、４５０℃に加熱した。内管であるＳＵＳ管４２には水を流し冷却を行った。外管であるＳＵＳ管４３と内管であるＳＵＳ管４２との温度差が４００℃の時、開放電圧１４Ｖ、最大出力４６Ｗが得られた。

［その他の実施形態］
なお、本実施形態においては、第１の熱電素子２２および第２の熱電素子２６の形状は中心に孔の開いた円板形状であったが、本発明においては、熱電素子の形状は内管であるＳＵＳ管４２を挿通（嵌合）させる孔が開いていればどのようなものでもよく、例えば、矩形等にすることもできる。

また、本実施形態においては、第１の熱電素子２２の外周面２２Ａには切欠部２５ａ〜２５ｄが設けられ、第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂには切欠部２９ａ〜２９ｄが設けられているが、本発明において、これら切欠部は、爪部と係合する受け部の機能、または、爪部が溶接される受け部の機能を備えるものであれば、どのような形状であってもよい。

また、本実施形態においては、円板形状の熱電素子の材料としてニッケル合金を採用したが、本発明においてはこれに限らず、内周面と外周面との温度差で発電することができ、ＢｉＴｅ合金よりも、原料コストを低く抑えることが可能で、加工しやすく、高温時安定性を有しており、環境に優しい材料であれば、本発明に係る円板形状の熱電素子の材料にすることができる。

また、本実施形態においては、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂには、内周面２２Ｂから第１の熱電素子本体２３の長手方向に対して垂直方向に伸びる上下左右二対の爪部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄが設けられ、外周面２２Ａには、上下左右二対の切欠部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄが設けられているが、本発明はこれに限らない。つまり、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂには、第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂに係合する爪部が少なくとも１つ設けられ、また、第１の熱電素子２２の外周面２２Ａには、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａの爪部に係合する受け部が少なくとも１つ設けられていればよい。

さらにまた、本実施形態においては、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａには、外周面２６Ａから第２の熱電素子本体２７の長手方向に対して垂直方向に伸びる上下左右二対の爪部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄが設けられ、内周面２６Ｂには、上下左右二対の切欠部２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄが設けられているが、本発明はこれに限らない。つまり、第２の熱電素子２６の外周面２６Ａには、第１の熱電素子２２の外周面２２Ａに接続する爪部が少なくとも１つ設けられ、また、第２の熱電素子２６の内周面２６Ｂには、第１の熱電素子２２の内周面２２Ｂの爪部に接続する受け部が少なくとも１つ設けられていればよい。

また、本実施形態においては、第１の熱電素子２２はケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成されており、第２の熱電素子２６はクロム−ニッケル合金、クロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成されているが、第２の熱電素子２６がケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成されており、第１の熱電素子２２はクロム−ニッケル合金、クロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成されていてもよい。

また、本実施形態においては、第１の熱電素子２２の爪部２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄと、第２の熱電素子２６の切欠部２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄとがそれぞれ係合して更に溶接されており、また、第２の熱電素子２６の爪部２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄはそれぞれ、第１の熱電素子２２の切欠部２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄと係合しているが、本発明はこれに限らず、少なくとも１つの爪部が少なくとも１つの切欠部に係合して更に溶接されていればよく、また、少なくとも一つの爪部が少なくとも一つの切欠部と係合していればよい。

また、本発明において、熱電変換モジュールに含まれるリング状π型素子（又は、中心孔が開いた円板形状の第１の熱電素子と、ほぼ同じ形状の中心孔が開いた円板形状の第２の熱電素子との対）の数は、所望の電圧、内周面及び外周面の間の温度差等を考慮して適宜決定することができる。例えば、より高電圧が好まれる場合は、その数を増やし（即ち熱電変換モジュールの長さを長くして）、また、長さ方向に好ましい温度差を保持できない場合は、その数を減らして熱電変換モジュールを短くすることができる。これらの種々の要因を考慮すれば、現実的には、リング状π型素子の数は、５００から２０００個が好ましいと考えられる。

Claims (7)

1. 内周面と外周面との温度差で発電する円板形状の第１の熱電素子および第２の熱電素子が交互に積層された管状の素子体と、
   当該素子体に内接する電気的絶縁性の内管と、前記素子体に外接する電気的絶縁性の外管と、からなる支持体と、を備え、
   前記第１の熱電素子の内周面には、前記第２の熱電素子の内周面に接続する爪部が設けられ、
   前記第２の熱電素子の外周面には、前記第１の熱電素子の外周面に接続する爪部が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記第１の熱電素子の外周面には、前記第２の熱電素子の爪部が接続される受け部が設けられ、
   前記第２の熱電素子の内周面には、前記第１の熱電素子の爪部が接続される受け部が設けられる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. 前記爪部は、前記受け部と係合し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. 前記爪部は、前記受け部に溶接され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。
5. 前記第１の熱電素子はケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成され、
   前記第２の熱電素子はクロム−ニッケル合金、クロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成されることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の熱電変換モジュール。
6. 前記第２の熱電素子はケイ素−アルミニウム−マンガン−ニッケル合金で形成され、
   前記第１の熱電素子はクロム−ニッケル合金、クロム−鉄−ニッケル合金の群から選ばれるニッケル合金で形成されることを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の熱電変換モジュール。
7. 中心部にほぼ同心円の中心孔が開いた円板形状の第１の熱電素子と、
   該第１の熱電素子とほぼ同形状の、中心部にほぼ同心円の中心孔が開いた円板形状の第２の熱電素子とが、それぞれの中心部を揃えて所定の間隔を隔てて交互に積層されて、所定長さの実質的に管形状を形成する熱電変換モジュールにおいて、
   前記中心部を揃えて積層することにより前記管形状の内周面側の空間が円筒状に形成されるとともに、前記管形状の外周面側の外部空間から区画され、
   前記第１の熱電素子は、その中心孔を規定する内周面近傍に、前記第１の熱電素子の円板形状平面から突出する第１の爪部を備え、該第１の爪部は、この突出方向に隣合う前記第２の熱電素子の中心孔を規定する内周面近傍に接続され、
   前記第２の熱電素子は、その円板形状の外周近傍に、前記第２の熱電素子の円板形状平面から突出する第２の爪部を備えるが、この突出方向は前記第１の爪部の突出方向に沿っており、該第２の爪部は、この突出方向に隣合う前記第１の熱電素子の円板形状の外周近傍に接続され、
   これらの第１及び第２の熱電素子が、全体として直列に電気的に接続されたことを特徴とする熱電変換モジュール。

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