WO2014064945A1

WO2014064945A1 - 熱電変換モジュール

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Publication number: WO2014064945A1
Application number: PCT/JP2013/006335
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Inventors: 昌尚冨永; 孝広地主; 石島　善三; 森　正芳; 山上　武; 松田　洋; 翔平山下
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Filing date: 2013-10-25
Publication date: 2014-05-01
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Abstract

　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、前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、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ための第１のケース部材とを具え、前記圧縮性流体又は前記冷媒を、前記管体の内方又は外方において、前記熱電変換素子の形成領域に流すように構成する。

Description

熱電変換モジュール

　本発明は、例えば各種産業機器及び自動車等の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、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の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）。

　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は薄い方がよい。しかしながら、管体の管壁を薄くすると、当該管壁が変形するため管壁を薄くすることができないでいた。このため、圧縮性流体からの受熱が悪くなり、上記熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうという問題があった。さらに、管体には温度分布があるため、熱電変換モジュールが均一に膨張せず破壊する恐れがあった。

　一方、熱電変換モジュールの発電効率を向上させるためには、熱電変換素子の低温熱源側の温度をより低下させることが考えられる。このためには、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流せばよい。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などの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、前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、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ための第１のケース部材とを具え、前記圧縮性流体又は前記冷媒を、前記管体の内方又は外方において、前記熱電変換素子の形成領域に流すように構成したことを特徴とする、熱電変換モジュールに関する。

　本発明によれば、圧縮性流体は熱電変換素子が配設されている管体の内方のみを流れるので、当該熱電変換素子に廃熱が効率良く伝達されるようになり、廃熱の利用効率が向上する。この結果、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。

　また、冷媒は熱電変換素子が配設されている管体の外方のみを流れるので、当該熱電変換素子に冷媒からの冷熱が効率良く伝達されるようになる。したがって、熱電変換素子を効率的かつ効果的に冷却することができるので、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。

　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は、管体の、圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間の少なくとも一部を閉塞させることができる。

　この場合、例えば各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流す熱電変換モジュールにおける管体の、熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間の少なくとも一部を閉塞するようにしている。したがって、上記圧縮性流体は、管体内の熱電変換素子が形成されている領域の内部空間のみを流れるようになり、熱電変換素子の非形成領域に相当する、例えば管体の端部に位置する空間を流れないようになる。すなわち、熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間を流れることによる、熱交換率の低下を抑制することができる。

　したがって、従来のように、管体の内部空間の全体に亘って圧縮性流体を流す場合に比較して、圧縮性流体からの廃熱は、熱電変換素子が配設されている管体の上面及び下面のみに効率よく伝達されるようになるので、当該廃熱の利用効率が向上する。結果として、管体内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子の下部に効率良く伝達することができるので、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、管体内を流れる圧縮性流体の流路を狭窄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。

　管体の内部空間の閉塞は、例えば管体の当該内部空間に封止部材を配設して行うことができる。また、管体の少なくとも側面を内部空間側に凹ませて行うことができる。

　また、本発明の一例においては、第１のケース部材の外方であって、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、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、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配設された流路ガイド板と、を具えるようにすることができる。

　本例においては、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、本例によれば、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、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。

　また、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などの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平面図である。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。図１に示す熱電変換モジュールの管体を示す斜視図である。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平面図である。図６に示す熱電変換モジュールの断面図である。図６に示す熱電変換モジュールの管体の斜視図である。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９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９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９に示す熱電変換モジュールのIII-III線に沿った断面図である図９に示す熱電変換モジュールのIV-IV線に沿った断面図である。第４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５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８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平面図である。また、図３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４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。さらに、図５は、本実施形態の熱電変換モジュールの管体のみを取り出して示す斜視図である。

　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２１Ａ及び下面２１Ｂを有する筒状の管体２１と、管体２１の上面２１Ａ側及び下面２１Ｂ側それぞれに配設され、管体２１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、管体２１と電気的に絶縁されて当接されている。

　また、管体２１の、熱電変換素子１３，１３が配設された領域の上下に相当する内部空間内にはフィン２１Ｄが配設され、管体２１のフィン２１Ｄが配設された領域の両側、すなわち管体２１の端部の内部空間２１Ｓ内には、図中矢印で示す圧縮性流体の導入方向前方において、内部空間２１Ｓを封止する封止部材２３が配設されている。

　封止部材２３は、管体２１を製造する際に、内部空間２１Ｓの形成と同時に当該内部空間２１Ｓ内に組み込むこともできるし、管体２１を製造した後に、後加工を行うことによって内部空間２１Ｓ内に組み込むこともできる。

　なお、本実施形態では、封止部材２３を内部空間２１Ｓ内の圧縮性流体の導入方向前方に配設したが、内部空間２１Ｓの一部を閉塞させ、以下に説明する作用効果を奏する限りにおいて配設場所が限定されるものではなく、内部空間２１Ｓの圧縮性流体の導入方向後方に配設してもよいし、内部空間２１Ｓの略中央部に配設してもよい。

　また、封止部材２３は、バルク状の材料である必要はなく、板状のいわゆる蓋体のようなものであってもよい。この蓋体も内部空間２１Ｓの圧縮性流体の導入方向前後方に配設してもよいし、内部空間２１Ｓの略中央部に配設してもよい。

　図３に示すように、管体２１の内部には、管体２１内を流れる圧縮性流体の廃熱を、その上下面２１Ａ及び２１Ｂに効率よく伝達するためのフィン２１Ｄが形成されている。

　管体２１、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、気密に保持されたケース部材１５中に収納され、低温側電極部１４，１４とケース部材１５との間には、ケース部材１５（熱電変換モジュール１０）の外部に設けられた、冷媒の導入口１８及び排出口１９を通じて、ケース部材１５の上壁面１５Ａ及び下壁面１５Ｂで形成される空間内に冷媒を導入及び排出して、低温側電極部１４，１４を冷却するための空隙１６が形成されている（図３参照）。

　また、図４に示すように、空隙１６中の、冷媒の導入口１８及び排出口１９と相対するように、冷媒からの冷熱を低温側電極部１４，１４に効率良く伝達するための冷却フィン１６Ａが配設されている。

　なお、ケース部材１５は、図１及び図４に示すように、II-II方向の断面において、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が収納され、冷媒を流すための空隙１６が形成された部分が最も厚くなっており、当該部分から外方に向けてステップ状に薄くなるように構成されている。

　ケース部材１５の、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を収納した空間は、真空排気されて真空状態に保持されている。

　なお、管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂに高温側電極部１２，１２が当接しており、ケース部材１５の、冷媒を流すための空間を形成している上壁面１５Ａに対抗する下壁面１５Ｂに低温側電極部１４，１４が当接しているが、いずれか一方をろう材等で接合してもよい。

　このとき、熱電変換素子１３，１３等を収納した上記空間を真空にすることによって、ケース部材１５の下壁面１５Ｂが熱電変換素子１３，１３を加圧して、上述した当接部の密着性が向上する。

　なお、上述した当接部には、緩衝材や予備材等を管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂと高温側電極部１２，１２との間、並びにケース部材１５の下壁面１５Ｂと低温側電極部１４，１４との間に挟み込まれるようにして配設することもできる。

　さらに、ケース部材１５（熱電変換モジュール１０）には、熱電変換素子１３，１３にて発生した電流を外部に取り出すための電極端子１７，１７が、図示しないリード線を介して熱電変換素子１３，１３と電気的に接続されている。

　管体２１及び封止部材２３は、各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流し、この圧縮性流体に含まれる腐食性ガスに対して抗することができるように、例えばステンレス鋼から構成する。

　高温側電極部１２，１２及び低温側電極部１４，１４は、耐熱性及び機械的強度に優れるとともに、比較的高い導電性を示すことが要求され、例えば、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉおよびこれらの合金あるいはステンレス鋼などから構成することができる。なお、電極端子１７，１７も同様の材料から構成することができる。

　熱電変換素子１３，１３を構成するｐ型熱電半導体１３１及びｎ型熱電半導体１３２は熱伝導率が低く、高温側及び低温側で大きな温度差を得、ゼーベック効果により大きな電位差を生成する材料から構成することが好ましく、例えば、Ｂｉ－Ｔｅ系，Ｐｂ－Ｔｅ系，Ｓｉ－Ｇｅ系，あるいはＭｇ－Ｓｉ系等の半導体材料から構成する。

　また、ケース部材１５は、熱電変換モジュール１０を搭載する各種産業機器及び自動車等の軽量化、耐食性及び剛性の観点から、例えばＭｇ，Ａｌ、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｆｅ，ステンレス鋼あるいはこれらの合金から構成することができる。

　なお、図示しない以下に説明するリード線は、電気的良導体、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｆｅおよびこれらの合金等から構成することができる。

　図１～４に示す熱電変換モジュール１０においては、管体２１内に各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を導入し、当該圧縮性流体の廃熱によって管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂを加熱する。一方、ケース部材１５の空隙１６中には冷媒を導入する。管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂを加熱した熱は高温側電極部１２，１２を介して熱電変換素子１３，１３の下方に伝達され、熱電変換素子１３，１３の下部を加熱する。一方、空隙１６内に導入された冷媒からの冷熱は低温側電極部１４，１４を介して熱電変換素子１３，１３の上方に伝達され、熱電変換素子１３，１３の上部を冷却する。

　その結果、熱電変換素子１３，１３には、ゼーベック効果によって起電力が生じ、この起電力によって、熱電変換素子１３，１３を構成する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した高温側電極部１２，１２及び低温側電極部１４，１４を通じて、熱電変換素子１３，１３の全体に亘って電流が流れるようになり、当該電流は、図示しないリード線を介して、電極端子１７，１７から熱電変換モジュール１０の外部に取出される。

　この際、上述したように、ゼーベック効果、すなわち熱電変換効率は、熱電変換素子１３，１３の上下における温度差が大きくなるにつれて高くなるので、管体２１内を流れる圧縮性流体の廃熱を可能な限り有効利用する必要がある。

　本実施形態の熱電変換モジュール１０においては、管体２１のフィン２１Ｄが配設された内部空間の両側、すなわち管体２１の端部に位置する内部空間２１Ｓ内に封止部材２１Ｓを配設し、内部空間２１Ｓ内を圧縮性流体が流れないようにしている。このため、上記圧縮性流体は、管体２１内の熱電変換素子１３，１３が形成されている領域の下方及び上方に相当する、フィン２１Ｄが形成されている内部空間のみを流れるようになる。すなわち、熱電変換素子１３，１３の非形成領域に相当する内部空間２１Ｓを流れることによる、圧縮性流体の圧力損失を抑制することができる。

　したがって、従来のように、管体の内部空間の全体に亘って圧縮性流体を流す場合に比較して、圧縮性流体からの廃熱は、熱電変換素子１３，１３が配設されている管体２１の上面２１Ａ及び下面２１Ｂのみに効率よく伝達されるようになるので、当該廃熱の利用効率が向上する。結果として、管体２１内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子１３，１３の下部に効率良く伝達することができるので、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、本実施形態によれば、管体２１内を流れる圧縮性流体の流路を狭窄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。

（第２の実施形態）
　図６～図８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６に示す本実施形態の熱電変換モジュールは、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０の、図２に示す平面図に相当するものであり、図７に示す本実施形態の熱電変換モジュールは、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０の、図３に示す断面図に相当するものである。また、図８は、本実施形態の熱電変換モジュールの管体のみを取り出して示す斜視図である。

　なお、本実施形態の熱電変換モジュールの全体構成を示す概略構成は、第１の実施形態の図１に示す構成と同一であるので、記載を省略する。

　また、図１～４に示す熱電変換モジュールの構成要素と類似あるいは同一の構成要素に関しては、同一の符号を用いている。

　本実施形態の熱電変換モジュール３０は、第１の実施形態の熱電変換モジュール１０において、管体２１の内部空間２１Ｓ内に封止部材２３を配設して閉塞させる代わりに、管体３１の側面３１Ｅの一部を加工して内部空間３１Ｓ側に凹ませてフィン３１Ｄの端部に当接させることによって、管体３１の内部空間３１Ｓを閉塞させている。

　したがって、本実施形態においても、管３１内に導入された圧縮性流体は、管体３１内の熱電変換素子１３，１３が形成されている領域の下方及び上方に相当する、フィン３１Ｄが形成されている内部空間のみを流れ、熱電変換素子１３，１３の非形成領域に相当する内部空間３１Ｓを流れないようになる。

　このため、従来のように、管体の内部空間の全体に亘って圧縮性流体を流す場合に比較して、圧縮性流体からの廃熱は、熱電変換素子１３，１３が配設されている管体３１の上面３１Ａ及び下面３１Ｂのみに効率よく伝達されるようになるので、当該廃熱の利用効率が向上する。結果として、管体３１内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子１３，１３の下部に効率良く伝達することができるので、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、本実施形態によれば、管体３１内を流れる圧縮性流体の流路を狭窄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。

　なお、その他の構成及び特徴については、第１の実施形態における熱電変換モジュール１０と同様であるので説明を省略する。

（第３の実施形態）
　図９～図１３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９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１０は、図９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１１は、図９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１２は、図９に示す熱電変換モジュールのIII-III線に沿った断面図であり、図１３は、図９に示す熱電変換モジュールのIV-IV線に沿った断面図である。

　なお、図１～図８に示す熱電変換素子１０及び３０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９～１３示すように、熱電変換モジュール４０は、圧縮性流体を流すための、平坦な上面４１Ａ及び下面４１Ｂを有する筒状の管体４１と、管体４１の上面４１Ａ側及び下面４１Ｂ側それぞれに配設され、管体４１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１０、図１２及び図１３に示すように、管体４１、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４６内に収納されており、図９、図１２及び図１３に示すように、第１のケース部材４６は、この第１のケース部材４６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４７内に収納されている。

　図９に示すように、第２のケース部材４７には、冷媒室Ｓに冷媒を導入するための導入口４７Ａが形成されている。また、図１０、図１２及び図１３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４７Ａ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４８が配設されている。なお、本実施形態で流路ガイド板４８は、第２のケース部材４７の下壁面４７Ｂに接合されており、第１のケース部材４６の上壁面４６Ａ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４８の内側の領域において熱交換部材であるフィン４９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４０における圧縮性流体を流すための管体４１、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４６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４７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４８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４０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４０によれば、第１のケース部材４６及び第２のケース部材４７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４８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４０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４８の全体に亘って形成してもよいし、流路ガイド板４８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４８を第２のケース部材４７の下壁面に固定しているので、流路ガイド板４８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４６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４９を配設しているので、フィン４９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４０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１１に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール４０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４１の上面４１Ａ及び下面４１Ｂ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４５によって、外部に取出される（図９参照）。

　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４の実施形態）
　図１４は、本実施形態における熱電変換モジュール５０の概略構成を示す断面図であり、第３の実施形態の熱電変換モジュール４０の図１３に相当するものである。なお、図９～図１３に示す熱電変換モジュール４０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４８を第１のケース部材４６の上壁面４６Ａに固定しているので、流路ガイド板４８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４７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３の実施形態における熱電変換モジュール４０と同様であるので、記載を省略する。

（第５の実施形態）
　図１５及び図１６は、本実施形態における熱電変換モジュール６０の概略構成を示す図であり、図１５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１６は、図１５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９～図１３に示す熱電変換モジュール４０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１５及び図１６に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール６０は、第３の実施形態における熱電変換モジュール４０の、第１のケース部材４６が取り外された図１０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６０Ｘが流路ガイド板４８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６７が配設されている。なお、図１５及び図１６では特に図示しないものの、第３の実施形態で説明したように、流路ガイド板４８は、第１のケース部材４６及び第２のケース部材６７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６７は、冷媒導入口６７Ａが形成された主部６７１の両側にフランジ部６７２が配設されており、フランジ部６７２には、本実施形態の熱電変換モジュール６０の各アセンブリ６０Ｘの管体４１内に圧縮性流体を導入する開口部６７Ａが形成されている。

　本実施形態の熱電変換モジュール６０においても、各アセンブリ６０Ｘにおいて、圧縮性流体を流すための管体４１、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４６と、この第１のケース部材４６の外方であって第１のケース部材４６を収納する第２のケース部材６７との間に形成される冷媒室内において、冷媒室の導入口６７Ａ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４８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６０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６０によれば、第１のケース部材４６及び第２のケース部材６７間に形成された冷媒室内に、冷媒室の導入口６７Ａ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４８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６０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１５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６０Ｘ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６０からは第１の実施形態に示す熱電変換モジュール４０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。

　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。

　１０，２０，４０，５０，６０　熱電変換モジュール；２１，３１，４１　管体；２１Ｄ，３１Ｄ　（管体内の）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　ケース部材；１６　（低温側電極部及びケース部材間の）空隙；１７　電極端子；１８　冷媒導入口；１９　冷媒排出口；２１Ｓ，３１Ｓ　管体の熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間；２３　封止部材；３１Ｆ　凹み加工；４５　電極端子；４６　第１のケース部材；４７　第２のケース部材；４８　流路ガイド板；４９　フィン。

Claims

　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、
　前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、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ための第１のケース部材とを具え、
　前記圧縮性流体又は前記冷媒を、前記管体の内方又は外方において、前記熱電変換素子の形成領域に流すように構成したことを特徴とする、熱電変換モジュール。
　前記管体の、前記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、前記熱電変換素子の非形成領域に相当する内部空間の少なくとも一部を閉塞させ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。
　前記内部空間の閉塞は、前記管体の当該内部空間に封止部材を配設して行うことを特徴とする、請求項２に記載の熱電変換モジュール。
　前記内部空間の閉塞は、前記管体の少なくとも側面を前記内部空間側に凹ませて行うことを特徴とする、請求項２に記載の熱電変換モジュール。
　前記第１の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、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
　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５に記載の熱電変換モジュール。
　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６に記載の熱電変換モジュール。
　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５～７のいずれか一に記載の熱電変換モジュール。