WO2017164180A1 - 熱電変換ユニット、熱電変換モジュール、及び排ガス発電ユニット - Google Patents

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thermoelectric conversion
exhaust gas
unit
conversion module
heat
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直樹 内山
和哉 久保
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株式会社アツミテック
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
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Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion unit and a thermoelectric conversion module including a thermoelectric conversion element that performs thermoelectric conversion by the Seebeck effect, and an exhaust gas power generation unit provided with these.
  • thermoelectric conversion module is a module composed of thermoelectric conversion elements that can convert thermal energy into electrical energy by the Seebeck effect. By using such energy conversion properties, waste heat exhausted from industrial and consumer processes and mobile objects can be converted into effective power, so the thermoelectric conversion is an energy-saving technology that takes environmental issues into consideration. A module and a thermoelectric conversion element constituting the module are attracting attention.
  • thermoelectric conversion module is generally configured by joining a plurality of thermoelectric conversion elements (p-type semiconductor and n-type semiconductor) with electrodes.
  • a thermoelectric conversion module is disclosed in Patent Document 1, for example.
  • thermoelectric module is disposed downstream of a high-temperature heat source such as an engine in order to generate electric power using waste heat of exhaust gas in an industrial device including an automobile and other engines.
  • a high-temperature heat source such as an engine in order to generate electric power using waste heat of exhaust gas in an industrial device including an automobile and other engines.
  • thermoelectric conversion module having only a general structure in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are joined by electrodes. Then, there was a problem that sufficient power generation could not be performed. Further, when a plurality of thermoelectric conversion modules are arranged along the exhaust gas flow path, the thermoelectric conversion module located on the downstream side becomes a thermoelectric conversion module located on the downstream side due to the presence of the thermoelectric conversion module located on the upstream side. There is a case where the flow of exhaust gas directed is blocked, and the thermoelectric conversion module located on the downstream side cannot sufficiently generate power. Furthermore, there has been a problem that the power generation amount of the thermoelectric conversion device itself cannot be improved unless sufficient power generation is possible in the thermoelectric conversion module arranged on the downstream side.
  • the present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to absorb heat with excellent thermal energy efficiency even in the downstream while utilizing the flow of exhaust gas, and to reduce the overall power generation amount.
  • the object is to provide a thermoelectric conversion unit, a thermoelectric module, and an exhaust gas power generation unit that can be improved.
  • thermoelectric conversion unit includes a plurality of juxtaposed thermoelectric conversion elements, and one end of the thermoelectric conversion element joined to one end of the thermoelectric conversion element.
  • a plurality of thermoelectric conversion modules provided on a surface opposite to the surface, and the plurality of thermoelectric conversion modules are juxtaposed along a heat flow path, and the heat absorption unit Are arranged in a staggered pattern.
  • thermoelectric conversion module of the present invention is joined to a plurality of thermoelectric conversion elements arranged in parallel and one end of the thermoelectric conversion element, and electrically connects one end of the adjacent thermoelectric conversion elements.
  • a plurality of first electrodes connected to each other, a plurality of second electrodes joined to the other end of the thermoelectric conversion element, and electrically connected to the other ends of the adjacent thermoelectric conversion elements, and the second electrode A plurality of heat absorbing fins provided on the surface opposite to the surface joined to the thermoelectric conversion element, and the heat absorbing fins are arranged in a staggered manner.
  • an exhaust gas power generation unit of the present invention is an exhaust gas power generation unit provided between an engine unit and an exhaust unit, wherein the engine unit and the exhaust unit are connected, and the engine unit
  • a connection pipe that forms a flow path for exhaust gas discharged from the exhaust pipe, and an inner surface of the connection pipe that is provided in the vicinity of the engine unit and in the vicinity of the exhaust unit, and is provided in parallel along the heat flow path.
  • Each of the plurality of thermoelectric conversion modules includes a heat absorption part arranged in a staggered manner.
  • thermoelectric conversion unit the thermoelectric conversion module, and the exhaust gas power generation unit according to the present invention, it is possible to absorb heat with excellent thermal energy efficiency even in the downstream while using the flow of the exhaust gas, and to improve the power generation amount as a whole. Can do.
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric conversion module according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a side view of the thermoelectric conversion module which concerns on Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic top view illustrating a configuration of a thermoelectric conversion unit according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a top view of a thermoelectric conversion module according to Modification Example 1.
  • FIG. It is a side view of the thermoelectric conversion module which concerns on the modification 2.
  • It is a side view of the thermoelectric conversion module which concerns on the modification 3.
  • 10 is a top view of a thermoelectric conversion unit according to Modification Example 5.
  • FIG. It is a front view of the thermoelectric conversion unit which concerns on the modification 5.
  • FIG. 1 is a perspective view of a thermoelectric conversion module according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a side view of the thermoelectric conversion module which concerns on Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic
  • FIG. 6 is a schematic side view including an exhaust gas power generation unit according to a third embodiment and other units.
  • FIG. 6 is a schematic top view including an exhaust gas power generation unit according to a fourth embodiment and other units.
  • FIG. 6 is a schematic side view including an exhaust gas power generation unit according to a fourth embodiment and other units.
  • thermoelectric conversion unit a thermoelectric conversion module
  • an exhaust gas power generation unit an exhaust gas power generation unit according to the present invention
  • this invention is not limited to the content demonstrated below, In the range which does not change the summary, it can change arbitrarily and can implement.
  • drawings used for explaining each embodiment and each modification schematically show the thermoelectric conversion unit, the thermoelectric conversion module, the exhaust gas power generation unit and the components thereof according to the present invention, and deepen their understanding. Partial emphasis, enlargement, reduction, omission, etc. are performed as much as possible, and there is a case where the scale, shape, etc. of each constituent member are not accurately represented.
  • various numerical values used in each embodiment and each modification are examples only, and can be variously changed as necessary.
  • FIG. 1 is a perspective view of the thermoelectric conversion module 1 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a side view of the thermoelectric conversion module 1 according to the first embodiment.
  • one direction in FIG. 1 is defined as the X direction
  • the direction orthogonal to the X direction is defined as the Y direction and the Z direction
  • the height direction of the thermoelectric conversion module 1 is defined as the Z direction.
  • the thermoelectric conversion module 1 according to the first embodiment has a rail shape.
  • the thermoelectric conversion module 1 according to the first embodiment includes a plurality of first thermoelectric conversion elements 2a and second thermoelectric conversion elements 2b arranged in parallel, and the first thermoelectric conversion elements 2a and second thermoelectric conversion elements 2b.
  • the first electrode 3a and the second electrode 3b provided at the end of the first electrode 3a.
  • the thermoelectric conversion module 1 according to the first embodiment includes a plurality of heat absorbing fins 4a to 4d (hereinafter, without selecting any one of the heat absorbing fins) integrally provided on the surface of the second electrode 3b.
  • the heat-absorbing fin is described as a representative, the heat-absorbing fin is also simply referred to as a heat-absorbing fin 4).
  • the first thermoelectric conversion element 2a is made of an N-type semiconductor material
  • the second thermoelectric conversion element 2b is made of a P-type semiconductor material.
  • the first thermoelectric conversion elements 2a and the second thermoelectric conversion elements 2b are alternately arranged along the X direction (four in total). Further, the adjacent first thermoelectric conversion element 2a and second thermoelectric conversion element 2b are electrically connected via the first electrode 3a and the second electrode 3b.
  • the shape of the first thermoelectric conversion element 2a and the second thermoelectric conversion element 2b is cylindrical, for example, the diameter is about 5 mm, and the height (dimension in the Z direction) is about 10 mm. It is.
  • the shape of the 1st thermoelectric conversion element 2a and the 2nd thermoelectric conversion element 2b is not limited to such a shape, For example, prismatic shape may be sufficient.
  • the first electrode 3a and the second electrode 3b have the same shape (flat plate shape) and are formed of, for example, a copper plate.
  • five first electrodes 3a are arranged in parallel in the X direction
  • four second electrodes 3b are arranged in parallel in the X direction.
  • the first electrode 3 a and the second electrode 3 b are disposed so as to sandwich the first thermoelectric conversion element 2 a and the second thermoelectric conversion element 2 b in the Z direction.
  • the arrangement of the first thermoelectric conversion element 2a, the second thermoelectric conversion element 2b, the first electrode 3a, and the second electrode 3b forms the rail shape of the thermoelectric conversion module 1 that extends in a straight line in the X direction. Will be.
  • the first thermoelectric conversion element 2a and the second thermoelectric conversion element 2b are electrically connected to each other by the arrangement relationship of the first thermoelectric conversion element 2a, the second thermoelectric conversion element 2b, the first electrode 3a, and the second electrode 3b. Will be connected in series.
  • thermoelectric conversion module 1 One series circuit is formed from the two electrodes 3b.
  • the 1st electrode 3a located in the both ends of the thermoelectric conversion module 1 functions as an extraction electrode for external connection, it becomes possible to take out the electric power which generate
  • the first electrode 3a and the second electrode 3b are not limited to the copper plate, but may be formed of other conductive materials (for example, metal materials such as aluminum). Further, the quantity and shape of the first electrode 3a and the second electrode 3b are not limited to the above-described contents, but according to the first thermoelectric conversion element 2a and the second thermoelectric conversion element 2b (that is, the magnitude of the electromotive force). Can be changed as appropriate. Furthermore, you may arrange
  • the heat-absorbing fin 4 is integrally bonded on the surface opposite to the surface bonded to the thermoelectric conversion element of the second electrode 3b.
  • the endothermic fin 4 is a metal plate made of SUS430 having a relatively high thermal conductivity.
  • each of the four endothermic fins 4 provided in the thermoelectric conversion module 1 contributes to an increase in the temperature of the joined second electrode 3b, but the entire thermoelectric conversion module 1 has four endothermic fins.
  • the temperature increase on the high temperature side of the thermoelectric conversion module 1 is brought about by one heat absorption part 5 made of 4. That is, in the thermoelectric conversion module 1, one heat absorbing portion 5 extending in the X direction is configured by four heat absorbing fins 4.
  • the dimensions of the endothermic fins 4 can be changed to increase the surface area of the endothermic fins 4, the temperature of the second electrode 3b can be increased. Although it can raise more efficiently, the dimension of the heat sink fin 4 will be set according to the electric power generation amount requested
  • thermoelectric conversion module As a manufacturing method of the thermoelectric conversion module 1 which concerns on Example 1, between the two punches which function as an electricity pressurization member which comprises a manufacturing apparatus, the prepared 1st thermoelectric conversion element 2a, 2nd thermoelectric conversion element 2b, The 1st electrode 3a, the 2nd electrode 3b, and the heat sink fin 4 are arrange
  • thermoelectric conversion element 2a and the 2nd thermoelectric conversion element 2b, the 1st electrode 3a, the 2nd electrode 3b, and the heat sink fin 4 are diffusion-bonded (plasma bonding), and a plurality of 1st thermoelectric conversion elements 2a And the 2nd thermoelectric conversion element 2b is connected in series, and the one rail-shaped thermoelectric conversion module 1 is formed.
  • Such energization and pressurization is performed in a vacuum, nitrogen gas, or inert gas atmosphere chamber.
  • FIG. 3 is a schematic top view illustrating the configuration of the thermoelectric conversion unit 10 according to the first embodiment.
  • the thermoelectric conversion unit 10 is installed downstream of the engine unit 20 in the exhaust direction. That is, the thermoelectric conversion unit 10 generates power using the heat of the exhaust gas exhausted from the engine unit 20.
  • the thermoelectric conversion unit 10 is composed of five thermoelectric conversion modules 1. More specifically, the five thermoelectric conversion modules 1 are juxtaposed along the exhaust gas (heat) flow path (indicated by an arrow in FIG. 3) so that the extending direction thereof is parallel to the flow path. Has been. That is, the X direction, the Y direction, and the Z direction in FIGS. 1, 2, and 3 are common. Further, the five thermoelectric conversion modules 1 are arranged in a staggered manner. And in the thermoelectric conversion unit 10, you may perform the wiring which can take out electric power separately from the five thermoelectric conversion modules 1, or connect the five thermoelectric conversion modules 1 in series electrically, and one big You may make it possible to take out electric power.
  • the five thermoelectric conversion modules 1 are provided, for example, in a connecting pipe (not shown) provided between the engine unit 20 and an exhaust unit (not shown) for discharging exhaust gas to the outside. It will be.
  • thermoelectric conversion modules 1 which comprise the thermoelectric conversion unit 10
  • thermoelectric conversion modules 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e any one of the thermoelectric conversion modules 1a, 1b, 1c, 1d, and 1e.
  • heat absorption parts 5 provided in each thermoelectric conversion module is selected and described, it will be described as any one of the heat absorption parts 5a, 5b, 5c, 5d, and 5e.
  • thermoelectric conversion unit 10 since the thermoelectric conversion modules 1 are provided in a staggered manner along the exhaust gas flow path, they are arranged in parallel in the X direction in the same manner as the thermoelectric conversion module 1.
  • the endothermic portions 5 constituted by the endothermic fins 4a to 4d are also arranged in a staggered manner.
  • each of the heat absorbing portions 5 can make good contact with the exhaust gas discharged from the engine unit 20. That is, each of the endothermic portions 5 is not hindered from contact with the exhaust gas due to the presence of the other endothermic portions 5, and can sufficiently absorb heat.
  • the flow rate of the exhaust gas on the downstream side of the endothermic portions 5a, 5b, and 5c decreases due to the presence of the endothermic portions 5a, 5b, and 5c. Since the exhaust gas reaches the heat absorbing portions 5d and 5e through the gaps between the heat absorbing portions 5a, 5b and 5c, the heat absorbing portions 5d and 5e located on the downstream side also absorb heat with excellent thermal energy efficiency. Can be planned. Since the thermoelectric conversion unit 10 can obtain a sufficient amount of power generation on the downstream side, the power generation amount as a whole is improved.
  • Example 1 the endothermic portions 5a to 5c of the thermoelectric conversion modules 1a to 1c located on the upstream side and the endothermic portions 5d to 5e of the thermoelectric conversion modules 1d to 1e located on the downstream side have the same shape.
  • the surface area of the endothermic portions 5d to 5e on the downstream side may be larger than the surface area of the endothermic portions 5a to 5c on the upstream side in consideration of the temperature decrease of the exhaust gas on the downstream side. . That is, according to the temperature distribution in the connection pipe mentioned above, you may set suitably the dimension and surface area of the heat absorption part 5 and the heat absorption fin 4 for every thermoelectric conversion module 1.
  • FIG. Thereby, the electric power generation amount of the thermoelectric conversion unit 10 can be improved more so that sufficient electric power generation can be realized even downstream of the exhaust gas path.
  • thermoelectric conversion module 1 is not limited to the rail shape, and may be another shape having a spread in the XY direction. Even in such a case, in the thermoelectric conversion unit 10, for example, the heat absorption parts 5 are staggered so that the heat absorption parts 5 of the thermoelectric conversion modules 1 do not inhibit the heat absorption of the heat absorption parts 5 of the other thermoelectric conversion modules 1. It is important to place them in
  • thermoelectric conversion module 101 is a top view of the thermoelectric conversion module 101 according to the first modification
  • FIG. 5 is a side view of the thermoelectric conversion module 201 according to the second modification
  • FIG. 6 is a thermoelectric conversion module according to the third modification
  • FIG. 7 is a front view of the thermoelectric conversion module 401 according to the fourth modification.
  • the same reference numerals are given to the same structures and members as those in the above-described embodiment, and the description thereof is omitted.
  • thermoelectric conversion module 101 has heat absorption fins 4a to 4d arranged in a staggered manner. That is, in the thermoelectric conversion module 101, the heat absorption fins 4 are arranged so as not to disturb the heat absorption of the other heat absorption fins 4. With the arrangement of the heat absorbing fins 4 as described above, the heat absorbing fins 4c and 4d located on the downstream side (+ X side) can also absorb heat with excellent thermal energy efficiency, and also between the electrodes located on the downstream side. The temperature difference can be further increased. Thereby, the electric power generation amount of the thermoelectric conversion module 101 itself can also be improved.
  • thermoelectric conversion unit 10 can generate power without arranging the thermoelectric conversion modules 101 in a zigzag pattern as in the above-described embodiment.
  • the amount may be improved sufficiently. This is because, as the entire thermoelectric conversion unit 10, the heat absorption fins 4 are arranged in a staggered manner, and the thermoelectric conversion module 101 arranged on the upstream side ( ⁇ X side) is located on the downstream side. This is because the possibility of hindering the heat absorption of 101 is reduced.
  • thermoelectric conversion module 201 is different from the thermoelectric conversion module 1 in that a heat absorbing portion 205 is configured from a common heat absorbing fin.
  • the shape of the endothermic fin is a trapezoid in the XZ plane, and the surface area of the portion located on the downstream side (+ X side) is larger than the surface area of the portion located on the upstream side ( ⁇ X side). .
  • the heat absorption part 205 is increased in height toward the downstream side of the exhaust gas flow path. As a result, heat absorption can be achieved with excellent thermal energy efficiency on the downstream side, and the temperature difference can be further increased between the electrodes located on the downstream side. And with the structure of such a heat absorption part 205, the electric power generation amount of the thermoelectric conversion module 201 itself improves.
  • thermoelectric conversion module 201 has a structure in which the first thermoelectric conversion element 2a and the second thermoelectric conversion element 2b are connected in series
  • the heat absorption part 205 needs to be formed of an electrical insulator.
  • the heat absorbing portion 205 can be made of aluminum nitride or aluminum oxide.
  • thermoelectric conversion module 301 is different from the thermoelectric conversion module 1 in that one endothermic portion 305 is composed of four endothermic fins 304 a, 304 b, 304 c, and 304 d having different surface areas. Is formed. More specifically, each endothermic fin 304 is inclined at the end opposite to the end joined to the second electrode 3b, and the height (Z direction) is advanced toward the downstream side (+ X side). ) Is gradually increasing. In addition, the size of the four heat absorbing fins 304 located on the downstream side is larger and the surface area is larger. That is, in the thermoelectric conversion module 301, the heat absorption part 305 is increased in height toward the downstream side of the exhaust gas flow path.
  • thermoelectric conversion module 301 With such a structure of the heat absorbing portion 305, heat can be absorbed with excellent thermal energy efficiency on the downstream side, and the temperature difference can be further increased between the electrodes located on the downstream side. And with such a structure of the heat absorption part 305, the electric power generation amount can be improved also in the thermoelectric conversion module 301 itself.
  • thermoelectric conversion module 401 according to the modification 4 is different from the thermoelectric conversion module 1 in that the inclination angle of the heat absorption fins 403 with respect to the second electrode 3 b is different from each other. More specifically, the four endothermic fins 404a to 404d are juxtaposed along the exhaust gas flow path, but are most downstream (+ X side) from the endothermic fin 403a located on the most upstream side ( ⁇ X side). The inclination of the endothermic fin 403 is set so that the inclination angle of the endothermic fin 403 with respect to the second electrode 3b increases toward the endothermic fin 403d located at (3).
  • the inclination angle ⁇ 1 of the endothermic fin 403a with respect to the second electrode 3b is about 30 °
  • the inclination angle ⁇ 2 of the endothermic fin 403b with respect to the second electrode 3b is about 70 °
  • the inclination of the endothermic fin 403c with respect to the second electrode 3b is about 110 °
  • the inclination angle ⁇ 4 of the heat absorbing fin 403d with respect to the second electrode 3b may be about 150 °.
  • the endothermic fins 405 are configured by the endothermic fins 404a to 404d having different inclination angles with respect to the second electrode 3b, so that the endothermic fins 404 can be replaced with the other endothermic fins 404 in the same manner as the staggered arrangement of the endothermic fins. Therefore, the heat absorption is not disturbed.
  • the endothermic fins 404 located on the downstream side (+ X side) can absorb heat with excellent thermal energy efficiency, and the temperature difference between the electrodes located on the downstream side is also possible. Can be made larger. Thereby, the electric power generation amount of the thermoelectric conversion module 401 itself can also be improved.
  • thermoelectric conversion unit 10 by making the inclination angles of the heat absorption fins 404 different from each other in one thermoelectric conversion module 401, the power generation of the thermoelectric conversion unit 10 can be performed without arranging the thermoelectric conversion modules 401 in a staggered manner as in the above-described embodiment. The amount may be improved sufficiently. This is because the heat absorption fins 404 of the thermoelectric conversion module 401 disposed on the upstream side ( ⁇ X side) of the thermoelectric conversion unit 10 as a whole are in contact with the heat absorption fins 404 of the thermoelectric conversion module 401 located on the downstream side. This is because the possibility of inhibiting (that is, the endothermic heat absorption fin 404) is reduced.
  • FIG. 8 is a top view of the thermoelectric conversion unit 510 according to the fifth modification
  • FIG. 9 is a front view of the thermoelectric conversion unit 501 according to the fifth modification.
  • symbol is attached
  • thermoelectric conversion unit 510 in the thermoelectric conversion unit 510 according to the modified example 5, the four thermoelectric conversion modules 501a to 501d are arranged side by side along the exhaust gas flow path and arranged in a matrix.
  • thermoelectric conversion modules 501a and 501b disposed on the upstream side ( ⁇ X side) and the thermoelectric conversion modules 501c and 501d disposed on the downstream side (+ X side) are different in inclination angle with respect to the second electrode 3b of the endothermic fins included in each.
  • the inclination angle ⁇ 5 of the heat absorbing fins 504a 1 , 504b 1 , 504c 1 , 504d 1 with respect to the second electrode 3b is about 45 °.
  • the inclination angle ⁇ 5 of the heat absorption fins 504a 2 , 504b 2 , 504c 2 , and 504d 2 with respect to the second electrode 3b is also about 45 °.
  • the inclination angle ⁇ 6 of the heat absorption fins 504a 3 , 504b 3 , 504c 3 , and 504d 3 with respect to the second electrode 3b is about 135 °, and the heat absorption with respect to the second electrode 3b is also performed in the thermoelectric conversion module 501d.
  • the inclination angle ⁇ 6 of the fins 504a 4 , 504b 4 , 504c 4 , 504d 4 is about 135 °.
  • each heat sink fin is selected and not described, it is also simply referred to as a heat sink fin 504.
  • the endothermic fins 504 of the thermoelectric conversion modules 501a to 501d are discharged from the engine unit 20. It is possible to make good contact with the exhaust gas. That is, the heat absorption parts of the thermoelectric conversion modules 501a to 501d are not disturbed from contact with the exhaust gas by the presence of the heat absorption parts of the other thermoelectric conversion modules, and can sufficiently absorb heat. For example, as can be seen from the exhaust gas flow path indicated by the arrow in FIG.
  • thermoelectric conversion module 501a decreases due to the presence of the heat absorption fins 504a 1 to 504d 1 of the thermoelectric conversion module 501a.
  • the heat absorption fins 504a 3 positioned on the downstream side are provided. Also up to 504d 3 , heat absorption can be achieved with excellent thermal energy efficiency.
  • thermoelectric conversion unit 510 since sufficient electric power generation amount can be obtained also in the downstream, the electric power generation amount improves as a whole.
  • the shape, size, and surface area of the heat absorption fins 504 provided in each of the thermoelectric conversion modules 501a to 501d are the same, but the surface area increases toward the downstream as in Modification 3.
  • it may be configured as one endothermic fin as in the second modification.
  • the thermoelectric conversion modules 501a to 501d may be configured by combining the staggered arrangement of the first modification with the fifth modification.
  • the thermoelectric conversion modules 501a to 501d in the fifth modification may be arranged in a staggered manner as in the above-described embodiment. In any case, the configurations can be appropriately changed and combined depending on the shape of the exhaust gas exhaust path and the temperature distribution.
  • FIG. 10 is a schematic top view including the exhaust gas power generation unit 40 according to the second embodiment and other units, and particularly shows the internal structure of the exhaust gas power generation unit 40 in a visualized manner.
  • FIG. 11 is a schematic side view including the exhaust gas power generation unit 40 according to the second embodiment and other units.
  • the exhaust gas power generation unit 40 is provided between the engine unit 20 of an industrial device including a passenger car or other engine and the exhaust unit 30.
  • the exhaust gas power generation unit 40 is a pipe that connects the engine unit 20 and the exhaust unit 30, and includes a connection pipe 41 that forms a flow path of exhaust gas discharged from the engine unit 20.
  • the exhaust gas power generation unit 40 has six thermoelectric conversion modules 1 provided on the inner side surface of the connection pipe 41. The number of thermoelectric conversion modules 1 is not limited to six, and can be changed as appropriate according to the dimensions of the exhaust gas power generation unit 40, the required power generation amount, and the dimensions of the thermoelectric conversion module 1.
  • the width of the exhaust gas flow path gradually increases from the connection portion with the engine unit 20 and expands to a desired width dimension, and then toward the connection portion of the exhaust unit 30.
  • the width is gradually narrowing. That is, although the connection pipe 41 is once widened at the connection portion with the engine unit 20, the exhaust gas flow path is gradually narrowed from the engine unit 20 side toward the exhaust unit 30 side.
  • the height of the exhaust gas passage gradually decreases from the engine unit 20 side toward the exhaust unit 30 side. That is, also in the height direction of the connecting pipe 41, the exhaust gas flow path is gradually narrowed from the engine unit 20 side toward the exhaust unit 30 side.
  • connection pipe 41 Due to the shape of the connection pipe 41, the high-temperature exhaust gas discharged from the engine unit 20 spreads once in the connection pipe 41, but flows so as to converge toward the exhaust unit 30. That is, the flow rate of the exhaust gas increases as it goes to the exhaust unit 30. In other words, the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the exhaust unit 30 of the connection pipe 41 is increased as compared with the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the engine unit 20 of the connection pipe 41. Accordingly, the shape of the connecting pipe 41 functions as a flow rate increasing means for increasing the flow rate of the exhaust gas. Note that, due to the shape of the connection pipe 41, the exhaust gas flux density also increases on the exhaust unit 30 side.
  • the material of the connecting pipe 41 is heat resistant and has a relatively low thermal conductivity. Thereby, the temperature of the exhaust gas is not lowered, and the power generation in the thermoelectric conversion module 1 can be performed efficiently.
  • the flow velocity on the downstream side of the exhaust gas flow path increases compared to the upstream side.
  • the heat flux increases as compared with the connection pipe 41 whose shape is not narrowed toward the end. For this reason, even if the temperature of the exhaust gas decreases on the downstream side, the thermal energy can be concentrated on the thermoelectric conversion module 1 disposed on the downstream side. A sufficient amount of heat is also supplied to the conversion module 1, and the heat absorption efficiency can be improved.
  • the opening shape of the connection pipe 41 is a trapezoid, but a cylindrical pipe having a circular opening shape of the connection pipe 41 may be used. Even in this case, it is necessary to form the end of the connecting pipe located on the exhaust unit 30 side so as to be narrower than the other end located on the engine unit 20 side (that is, to reduce the opening size). is there.
  • the installation location of the thermoelectric conversion module 1 is not limited to the inner side surface of the connection pipe 41, and may be, for example, the upper surface or the bottom surface of the connection pipe 41. You can choose.
  • thermoelectric conversion module 1 in the second embodiment, is disposed on the inner side surface of the connection pipe 41.
  • the thermoelectric conversion module 1 is used instead of the thermoelectric conversion module 1 according to the above-described modification. Any one of the thermoelectric conversion modules may be disposed.
  • thermoelectric conversion module 1 any of the thermoelectric conversion units according to the above-described embodiments or modifications may be provided. By doing in this way, the power generation amount of the thermoelectric conversion module itself or the thermoelectric conversion unit itself can be improved, and the power generation amount of the exhaust unit 30 can be further improved.
  • Example 3 In the second embodiment, the shape of the connecting pipe 41 functions as a flow rate increasing means.
  • a wind guide plate also referred to as a wind guide body or a wind guide plate
  • an exhaust gas power generation unit 140 having such a wind guide plate will be described as Example 3 with reference to FIGS. 12 and 13.
  • FIG. 12 is a schematic top view including the exhaust gas power generation unit 140 according to the third embodiment and other units, and particularly shows the internal structure of the exhaust gas power generation unit 140 in a visible manner.
  • FIG. 13 is a schematic side view including the exhaust gas power generation unit 140 according to the third embodiment and other units.
  • the exhaust gas power generation unit 140 is also provided between the engine unit 120 of an industrial device including a passenger car or another engine and the exhaust unit 130. Further, the exhaust gas power generation unit 140 has a connection pipe 141 that connects the engine unit 120 and the exhaust unit 130 and forms a flow path of exhaust gas discharged from the engine unit 120. Further, the exhaust gas power generation unit 140 has six thermoelectric conversion modules 1 provided on the inner side surface of the connection pipe 141.
  • the width of the exhaust gas flow passage gradually increases from the connection portion with the engine unit 120, and when the width reaches a desired width dimension, the dimension is maintained.
  • the width gradually decreases from the vicinity of the connecting portion toward the exhaust unit 130. That is, the connecting pipe 141 is once widened at the connecting portion with the engine unit 120 and is gradually narrowed at the connecting portion with the exhaust unit 130, but the width is constant in most of the connecting pipe 141. It is kept in.
  • the height of the exhaust gas passage gradually decreases from the engine unit 120 side toward the exhaust unit 130 side.
  • the exhaust gas flow path is gradually narrowed from the engine unit 120 side toward the exhaust unit 130 side.
  • the material of the connecting pipe 141 is the same as that of the connecting pipe 41 of the second embodiment, and a material having heat resistance and relatively low thermal conductivity is used.
  • thermoelectric conversion module 1 is the same as the thermoelectric conversion module 1 of the first embodiment. Similarly to the case of the second embodiment, the thermoelectric conversion module or the thermoelectric conversion unit according to the first embodiment or the modified example described above may be provided instead of the thermoelectric conversion module 1. By doing in this way, the power generation amount of the thermoelectric conversion module itself or the thermoelectric conversion unit itself can be improved, and the power generation amount of the exhaust unit 130 can be further improved.
  • the thermoelectric conversion module 1 is arranged in parallel on the inner side surface of the connection pipe 141.
  • each baffle plate is disposed from the upstream side of the exhaust gas flow path (that is, the connecting pipe 141) toward each thermoelectric conversion module 1.
  • the wind guide plate 151 is disposed further upstream than the thermoelectric conversion module 1 located at the most upstream and in the vicinity of the side surface inside the connecting pipe 141.
  • the air guide plate 151 includes two plate-like members extending linearly from the vicinity of the inner side surface of the connection pipe 141 toward the thermoelectric conversion module 1 (located on the left side in FIG. 12) located in the uppermost stream. 151a and 151b. That is, the air guide plate 151 has a structure in which the plate-like members 151a and 151b are separated in the vicinity of the center line O and the periphery thereof. In other words, the air guide plate 151 includes the opening 151 c in a region intersecting with the connection pipe 141.
  • the air guide plate 152 is disposed inside the air guide plate 151, that is, so that a part thereof is surrounded by the air guide plate 151.
  • the air guide plate 152 is linear from the vicinity of the center line O (indicated by a broken line in FIG. 3) of the connection pipe 141 toward the thermoelectric conversion module 1 (located in the center in FIG. 13) located in the middle stream. It is comprised from the two plate-shaped members 152a and 152b extended. That is, the air guide plate 152 has a structure in which the plate-like members 152 a and 152 b are separated in the vicinity of the center line O. In other words, the air guide plate 152 is provided with the opening 152 c in a region intersecting with the connection pipe 141. Further, the length of the wind guide plate 152 is larger than the length of the wind guide plate 151.
  • the air guide plate 153 is disposed on the inner side of the air guide plates 151 and 152, that is, a part thereof is surrounded by the air guide plates 151 and 152.
  • the air guide plate 153 includes two plate-like members extending linearly from the vicinity of the center line O of the connecting pipe 141 toward the thermoelectric conversion module 1 (located on the right in FIG. 12) located on the most downstream side. 153a and 153b. That is, the air guide plate 153 also has a structure in which the plate-like members 153 a and 153 b are separated in the vicinity of the center line O, similarly to the air guide plate 152.
  • the air guide plate 153 includes the opening 153 c in a region intersecting with the connecting pipe 141. Further, the length of the wind guide plate 153 is larger than the length of the wind guide plates 151 and 152.
  • each of the wind guide plates 151, 152, 153 extends toward the thermoelectric conversion module 1 from the upstream side of the exhaust gas flow path. Due to the structure and arrangement of the air guide plates 151, 152, and 153, a part of the exhaust gas flowing from the upstream side (indicated by the thickest arrow in FIG. 12) is formed by the connecting pipe 141 and the air guide plate 151. It is guided toward the thermoelectric conversion module 1 located at the uppermost stream via the flow path. Further, a part of the exhaust gas flowing from the upstream side passes through the flow path formed by the air guide plate 151 and the air guide plate 152, and the thermoelectric conversion module 1 located at the uppermost stream and the thermoelectric conversion module 1 located at the center. Be directed towards.
  • thermoelectric conversion module 1 located in the center and the thermoelectric conversion module 1 located in the most downstream side. Be directed towards. Therefore, the exhaust gas discharged from the engine unit 120 is guided to both sides of the connection pipe 141 along the air guide plates 151, 152, and 153, and directed toward the thermoelectric conversion module 1 provided on the inner side surface of the connection pipe 141. Therefore, the thermoelectric conversion module 1 absorbs heat with excellent thermal energy efficiency.
  • the high-temperature exhaust gas discharged from the engine unit 120 once spreads on the upstream side in the connection pipe 141 by such wind guide plates 151, 152, 153, the installation location of the wind guide plates 151, 152, 153 and On the downstream side from this, it flows so as to converge toward the side portion of the connecting pipe 141. That is, the flow rate of the exhaust gas increases as it goes to the exhaust unit 130. In other words, the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the exhaust unit 130 of the connection pipe 141 increases as compared with the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the engine unit 120 of the connection pipe 141.
  • such air guide plates 151, 152, and 153 function as a flow rate increasing means for increasing the flow rate of the exhaust gas. Note that due to the air guide plates 151, 152, and 153, the exhaust gas flux density is also increased on the exhaust unit 130 side.
  • the flow velocity on the downstream side of the flow path of the exhaust gas is increased as compared with the upstream side by the above-described air guide plates 151, 152, and 153.
  • the heat flux increases as compared with the case where the air guide plates 151, 152, and 153 do not exist. For this reason, even if the temperature of the exhaust gas decreases on the downstream side, the thermal energy can be concentrated on the thermoelectric conversion module 1 disposed on the downstream side. A sufficient amount of heat is also supplied to the conversion module 1, and the heat absorption efficiency can be improved.
  • each of the air guide plates 151, 152, and 153 is composed of two plate-like members.
  • the present invention is not limited to this.
  • one plate-like member is bent and It may be configured by bending and forming an opening as necessary, or may be configured by two or more plate-like members.
  • the air guide plates 151, 152, and 153 induce exhaust gas on both sides of the connection pipe 141.
  • the thermoelectric conversion module 1 is also provided on the top and bottom surfaces of the connection pipe 141.
  • a structure for guiding the exhaust gas to the upper surface and the bottom surface of the connection pipe 141 may be provided.
  • the shape of the connecting pipe 141 may be a rectangular tube shape.
  • connection pipe 141 may be narrowed toward one end (that is, the downstream side of the exhaust gas flow path) like the connection pipe 41 of the second embodiment.
  • each plate-shaped member which comprises each wind guide plate may be curved and may have a shape instead of linear form.
  • the air guide plate 153 may not have the opening 153c.
  • FIG. 14 is a schematic top view including the exhaust gas power generation unit 240 according to the fourth embodiment and other units, and particularly shows the internal structure of the exhaust gas power generation unit 240 in a visible manner.
  • FIG. 15 is a schematic side view including the exhaust gas power generation unit 240 according to the fourth embodiment and other units.
  • the exhaust gas power generation unit 240 is also provided between the engine unit 220 of an industrial device including a passenger car or another engine and the exhaust unit 230.
  • the exhaust gas power generation unit 240 includes the connection pipe 241 and the six thermoelectric conversion modules 1 provided on the inner side surface of the connection pipe 241, similarly to the exhaust gas power generation unit 140 of the third embodiment.
  • the shape and material of the connecting pipe 241 are the same as the connecting pipe 141 of Example 3, and the thermoelectric conversion module 1 is also the same as the thermoelectric conversion module 1 of Example 3, these description is abbreviate
  • an air guide plate 254 is provided inside the connection pipe 241.
  • a triangular prism-shaped air guide plate 254 is disposed on the downstream side from the center of the exhaust gas flow path (that is, the connecting pipe 241).
  • the air guide plate has side surfaces 254a and 254b extending from the center line O (indicated by a broken line in FIG. 5) of the connecting pipe 241 toward the inner side face of the connecting pipe 241. That is, the air guide plate 254 is a structure that narrows the flow path of the exhaust gas from the connection pipe 241 toward the exhaust unit 230 from the engine unit 220 side.
  • the shape of the air guide plate 254 is not limited to a triangular prism shape, and may be a structure of another shape as long as the exhaust gas flow path can be gradually narrowed toward the downstream. It can be appropriately changed depending on the opening shape of the connecting pipe 241.
  • the high-temperature exhaust gas discharged from the engine unit 220 spreads once in the connection pipe 241, but flows so as to converge toward the exhaust unit 230. That is, the flow rate of the exhaust gas increases as it goes to the exhaust unit 230.
  • the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the exhaust unit 230 of the connection pipe 241 increases as compared with the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the engine unit 220 of the connection pipe 241. Therefore, such a shape of the air guide plate 254 functions as a flow rate increasing means for increasing the flow rate of the exhaust gas. Note that due to the shape of the air guide plate 254, the exhaust gas flux density also increases on the exhaust unit 230 side.
  • the flow velocity on the downstream side of the flow path of the exhaust gas increases compared to the upstream side.
  • the heat flux increases as compared with the case where the air guide plate 254 is not provided. For this reason, even if the temperature of the exhaust gas decreases on the downstream side, the thermal energy can be concentrated on the thermoelectric conversion module 1 disposed on the downstream side. A sufficient amount of heat is also supplied to the conversion module 1, and the heat absorption efficiency can be improved.
  • a first aspect of the present invention includes a plurality of thermoelectric conversion elements arranged in parallel, a first electrode joined to one end of the thermoelectric conversion element, and electrically connecting one end of the adjacent thermoelectric conversion elements; A second electrode joined to the other end of the thermoelectric conversion element and electrically connecting the other ends of the adjacent thermoelectric conversion elements, and a surface of the second electrode opposite to the surface joined to the thermoelectric conversion element; A plurality of thermoelectric conversion modules provided on the surface, wherein the plurality of thermoelectric conversion modules are arranged in parallel along a heat flow path, and the heat absorption parts are arranged in a staggered manner. It is a thermoelectric conversion unit.
  • thermoelectric conversion module located on the downstream side of the heat flow path is located on the upstream side of the heat flow path.
  • the surface area of the heat absorption part of the thermoelectric conversion module is larger.
  • the said heat absorption part of the said thermoelectric conversion module is that the inclination angles with respect to the said 2nd electrode differ.
  • a fourth aspect of the present invention is that, in any one of the first to third aspects, the heat absorption part is composed of a plurality of heat absorption fins. Thereby, in each thermoelectric conversion module, heat absorption can be aimed at efficiently.
  • a fifth aspect of the present invention is that, in the fourth aspect, the plurality of heat absorbing fins are arranged in a staggered manner in each of the thermoelectric conversion modules. Thereby, even in the heat sink fin located on the downstream side, it is possible to absorb heat with better thermal energy efficiency, and the power generation amount as one thermoelectric conversion module can be improved.
  • thermoelectric conversion modules in each of the thermoelectric conversion modules, the heat absorbing fins of the thermoelectric conversion module located on the upstream side of the heat flow path, and the heat The heat absorption fin of the thermoelectric conversion module located on the downstream side of the flow path is different in inclination angle with respect to the second electrode. Therefore, even in the heat sink fin located on the downstream side, it is possible to absorb heat with better thermal energy efficiency, and the power generation amount as one thermoelectric conversion module can be further improved.
  • the heat absorbing portion has a height that increases from an upstream side to a downstream side of the heat flow path. is there.
  • thermoelectric conversion elements arranged side by side are joined to one end of the thermoelectric conversion element and a plurality of adjacent ones of the thermoelectric conversion elements are electrically connected to each other.
  • a first electrode, a plurality of second electrodes which are joined to the other end of the thermoelectric conversion element and electrically connect the other ends of the adjacent thermoelectric conversion elements, and the thermoelectric conversion element of the second electrode are joined
  • a plurality of heat absorbing fins provided on the surface opposite to the surface, and the heat absorbing fins are thermoelectric conversion modules arranged in a staggered manner.
  • the endothermic fins located on the upstream side of the heat flow channel and the heat absorption of the thermoelectric conversion module located on the downstream side of the heat flow channel are different. Therefore, even the heat sink fin located on the downstream side can absorb heat with better thermal energy efficiency, and the power generation amount of the entire thermoelectric conversion module can be improved.
  • the surface area of the heat sink fin located on the downstream side of the heat flow path is the thermoelectric power located on the upstream side of the heat flow path.
  • the surface area of the endothermic fin of the conversion module is larger.
  • An eleventh aspect of the present invention is an exhaust gas power generation unit provided between an engine unit and an exhaust unit, wherein the engine unit and the exhaust unit are connected, and exhaust gas discharged from the engine unit is A connection pipe forming a flow path, and a plurality of thermoelectric conversion modules provided on the inner surface of the connection pipe in the vicinity of the engine unit and in the vicinity of the exhaust unit, and arranged in parallel along the heat flow path And a flow rate increasing means for increasing the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the exhaust unit of the connection pipe as compared to the flow rate of the exhaust gas in the vicinity of the engine unit of the connection pipe, and the plurality of thermoelectrics.
  • Each of the conversion modules is an exhaust gas power generation unit including a heat absorption unit arranged in a staggered manner.
  • a twelfth aspect of the present invention is that, in the eleventh aspect, the flow velocity increasing means reduces the opening size of the connection pipe from the engine unit side to the exhaust unit side. Thereby, even in the thermoelectric conversion module located on the downstream side, heat absorption can be achieved with better thermal energy efficiency, and the power generation amount of the exhaust gas power generation unit as a whole can be improved.
  • the flow velocity increasing means is at least one wind guide plate that guides the exhaust gas from a region near a center line of the connection pipe toward an inner surface. It is.
  • the baffle plate includes an opening in a region intersecting a center line of the connection pipe, and the thermoelectric conversion module It is to extend towards each.
  • a fifteenth aspect of the present invention is that, in the thirteenth aspect, the air guide plate narrows the flow path of the exhaust gas from the engine unit side to the exhaust unit side of the connection pipe.

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Abstract

並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた吸熱部と、を備える複数の熱電変換モジュールを有し、前記複数の熱電変換モジュールは熱の流路に沿って並設され、且つ前記吸熱部は千鳥状に配設されていること。

Description

熱電変換ユニット、熱電変換モジュール、及び排ガス発電ユニット
　本発明は、ゼーベック効果による熱電変換を行う熱電変換素子を備える熱電変換ユニット及び熱電変換モジュール、並びにこれらを配設した排ガス発電ユニットに関する。
　熱電変換モジュールは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。
　このような熱電変換モジュールは、一般的に、複数個の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。このような熱電変換モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。また、このような熱電モジュールは、自動車及びその他のエンジンを備える産業機器における排ガスの廃熱を利用して発電するために、エンジン等の高温熱源の下流側に配置されることになる。このような熱電変換モジュールの利用及び当該熱電変換モジュールを用いた熱電変換装置は、例えば、特許文献２に開示されている。
特開２０１３－１１５３５９号公報 特開２００７－２２１８９５号公報
　しかしながら、エンジンからの排ガスは下流（すなわち、排気側）に進むにつれて温度の低下に伴って熱量が不足するため、ｐ型半導体及びｎ型半導体を電極で接合した一般的な構造のみの熱電変換モジュールでは、十分な発電が行えないという問題が生じていた。また、複数の熱電変換モジュールを排ガスの流路に沿って配設すると、下流側に位置する熱電変換モジュールは、上流側に位置する熱電変換モジュールの存在により、下流側に位置する熱電変換モジュールに向けた排ガスの流れが遮られ、下流側に位置する熱電変換モジュールでは十分な発電が行えない場合がある。更に、下流側に配置された熱電変換モジュールにおいて十分な発電が行えないと、熱電変換装置自体の発電量の向上を図ることができない問題も生じていた。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる熱電変換ユニット、熱電モジュール、及び排ガス発電ユニットを提供することにある。
　上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換ユニットは、並設された複数の熱電変換素子と、　前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた吸熱部と、を備える複数の熱電変換モジュールを有し、前記複数の熱電変換モジュールは熱の流路に沿って並設され、且つ前記吸熱部は千鳥状に配設されている。
　また、上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換モジュールは、並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する複数の第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する複数の第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた複数の吸熱フィンと、を有し、前記吸熱フィンは千鳥状に配設されている。
　更に、上述した目的を達成するため、本発明の排ガス発電ユニットは、エンジンユニットと排気ユニットとの間に設けられる排ガス発電ユニットであって、前記エンジンユニットと前記排気ユニットを接続し、前記エンジンユニットから排出される排ガスの流路を形成する接続管と、前記接続管の内側表面であって前記エンジンユニットの近傍及び前記排気ユニットの近傍に設けられ、且つ熱の流路に沿って並設された複数の熱電変換モジュールと、前記接続管の前記エンジンユニットの近傍における前記排ガスの流速に比して、前記接続管の前記排気ユニットの近傍における前記排ガスの流速を上げる流速増加手段と、を有し、前記複数の熱電変換モジュールのそれぞれは、千鳥状に配設されている吸熱部を備えている。
　本発明に係る熱電変換ユニット、熱電変換モジュール、及び排ガス発電ユニットによれば、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる。
実施例１に係る熱電変換モジュールの斜視図である。 実施例１に係る熱電変換モジュールの側面図である。 実施例１に係る熱電変換ユニットの構成を示す概略上面図である。 変形例１に係る熱電変換モジュールの上面図である。 変形例２に係る熱電変換モジュールの側面図である。 変形例３に係る熱電変換モジュールの側面図である。 変形例４に係る熱電変換モジュールの正面図である。 変形例５に係る熱電変換ユニットの上面図である。 変形例５に係る熱電変換ユニットの正面図である。 実施例２に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略上面図である。 実施例２に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略側面図である。 実施例３に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略上面図である。 実施例３に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略側面図である。 実施例４に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略上面図である。 実施例４に係る排ガス発電ユニット及びその他のユニットを含む概略側面図である。
　以下、図面を参照し、本発明による熱電変換ユニット、熱電変換モジュール、及び排ガス発電ユニットの実施の形態について、各実施例及び各変形例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、各実施例及び各変形例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による熱電変換ユニット、熱電変換モジュール、及び排ガス発電ユニット並びにその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、各実施例及び各変形例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。
＜実施例１＞
（熱電変換モジュールの構造）
　以下において、図１及び図２を参照しつつ、実施例１に係る熱電変換モジュール１の構造について説明する。ここで、図１は実施例１に係る熱電変換モジュール１の斜視図である。また、図２は実施例１に係る熱電変換モジュール１の側面図である。ここで、図１における一方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、及びＺ方向と定義するとともに、特に熱電変換モジュール１の高さ方向をＺ方向と定義する。
　図１及び図２から分かるように、実施例１に係る熱電変換モジュール１は、レール状の形状を有している。具体的に、実施例１に係る熱電変換モジュール１は、並設された複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、当該第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの端部に設けられた第１電極３ａ及び第２電極３ｂと、を有している。また、実施例１に係る熱電変換モジュール１は、第２電極３ｂのそれぞれの表面上に一体的に設けられた複数の吸熱フィン４ａ～４ｄ（以下において、いずれかの吸熱フィンを選択することなく代表して吸熱フィンを説明する場合には単に吸熱フィン４とも称する）を更に有している。
　実施例１において、第１熱電変換素子２ａはＮ型半導体材料から構成され、第２熱電変換素子２ｂはＰ型半導体材料から構成されている。また、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、Ｘ方向に沿って交互に４個（合計８個）ずつ配置されている。更に、隣接する第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、第１電極３ａ及び第２電極３ｂを介して電気的に接続されている。そして、図１から分かるように、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの形状は円柱状であり、例えばその直径は約５ｍｍであり、高さ（Ｚ方向の寸法）は約１０ｍｍである。なお、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの形状はこのような形状に限定されることなく、例えば、角柱状であってもよい。
　第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、同一の形状（平板状）を有し、例えば、銅板から形成されている。また、第１電極３ａは、Ｘ方向に５個並設され、第２電極３ｂは、Ｘ方向に４個並設されている。そして、図１及び図２から分かるように、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、Ｚ方向において、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを挟むように配置されている。
　このような第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの配置関係により、Ｘ方向に一直線上に延在する熱電変換モジュール１のレール形状が形成されることになる。また、このような第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの配置関係により、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが電気的に直列に接続されることになる。換言すると、実施例１においては、Ｘ方向に並設された、４個の第１熱電変換素子２ａ、４個の第２熱電変換素子２ｂ、５個の第１電極３ａ、及び４個の第２電極３ｂから１つの直列回路が形成されている。なお、熱電変換モジュール１の両端に位置する第１電極３ａが、外部接続用の引出電極として機能するため、熱電変換モジュール１にて生じた電力を外部に取り出すことが可能になる。
　ここで、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、銅板に限定されることなく、他の導電性材料（例えば、アルミニウム等の金属材料）によって形成されてもよい。また、第１電極３ａ及び第２電極３ｂの数量、形状は上述した内容に限定されることなく、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂ（すなわち、起電力の大きさ）に応じて適宜変更することができる。更には、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを並列に接続するように第１電極３ａ及び第２電極３ｂを配設してもよい。
　吸熱フィン４は、第２電極３ｂの熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に一体的に接合されている。実施例１において、吸熱フィン４は、熱伝導率が比較的高いＳＵＳ４３０を材料とする金属板である。熱電変換モジュール１が排ガス（熱）の流路上に設置された場合に、吸熱フィン４が当該排ガスに対して直接的に接触することになり、第２電極３ｂの温度をより上昇させることができる。これにより、第１電極３ａと第２電極３ｂとの温度差をより生じさせ、優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図って熱電変換モジュール１の発電量を向上させることができる。ここで、熱電変換モジュール１に設けられた４つの吸熱フィン４のそれぞれは、接合した第２電極３ｂの温度の上昇に寄与することになるが、熱電変換モジュール１全体としては、４つの吸熱フィン４からなる１つの吸熱部５により、熱電変換モジュール１の高温側の温度上昇がもたらされている。すなわち、熱電変換モジュール１においては、Ｘ方向に延在する１つの吸熱部５が４つの吸熱フィン４から構成されていることになる。
　なお、吸熱フィン４の幅（Ｘ方向）、厚み（Ｙ方向）、及び高さ（Ｚ方向）の寸法を変更し、吸熱フィン４の表面積を大きくすることができれば、第２電極３ｂの温度をより効率的に上昇させることができるが、吸熱フィン４の寸法は、熱電変換モジュール１に要求される発電量に応じて設定されることになる。
（熱電変換モジュールの製造方法）
　実施例１に係る熱電変換モジュール１の製造方法としては、製造装置を構成する通電加圧部材として機能する２つのパンチの間に、準備した第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、及び吸熱フィン４を配置する。その後、２つのパンチを第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、及び吸熱フィン４に向かって加圧しつつ電流を供給する。これにより、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、及び吸熱フィン４とが拡散接合（プラズマ接合）され、複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続され、１つのレール状の熱電変換モジュール１が形成される。このような通電加圧は、真空、窒素ガス、又は不活性ガス雰囲気のチャンバ内で行われる。
（熱電変換ユニットの構造）
　次に、図３を参照しつつ、実施例１に係る熱電変換ユニット１０について説明する。ここで、図３は、実施例１に係る熱電変換ユニット１０の構成を示す概略上面図である。図３に示すように、熱電変換ユニット１０は、エンジンユニット２０の排気方向の下流に設置されている。すなわち、熱電変換ユニット１０は、エンジンユニット２０から排気される排ガスの熱を利用して発電を行うことになる。
　また、熱電変換ユニット１０は、５つの熱電変換モジュール１から構成されている。より具体的には、５つの熱電変換モジュール１は、その延在方向が当該流路と平行となるように、排ガス(熱)の流路（図３において矢印にて示す）に沿って並設されている。すなわち、図１、図２及び図３のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は共通している。更に、５つの熱電変換モジュール１は、千鳥状に配設されている。そして、熱電変換ユニット１０においては、５つの熱電変換モジュール１から個別に電力を取り出せるような配線を行ってもよく、或いは５つの熱電変換モジュール１を電気的に直列に接続して、１つの大きな電力を取り出せるようにしてもよい。ここで、５つの熱電変換モジュール１は、例えば、エンジンユニット２０と排ガスを外部に排出するための排気ユニット（図示せず）との間に設けられた接続管（図示せず）内に設けられることになる。
　なお、熱電変換ユニット１０を構成する５つの熱電変換モジュール１のいずれかを選択して説明する場合には、熱電変換モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅのいずれかとして説明とする。各熱電変換モジュールに設けられた吸熱部５についても同様に、いずれかを選択して説明する場合には、吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅのいずれかとして説明する。
　図３に示すように、熱電変換ユニット１０においては、熱電変換モジュール１が排ガスの流路に沿って千鳥状に設けられているため、熱電変換モジュール１と同様にＸ方向に向かって並設されている吸熱フィン４ａ～４ｄから構成される吸熱部５も千鳥状に配設されていることになる。このような千鳥状に吸熱部５が配設されることにより、吸熱部５のそれぞれは、エンジンユニット２０から排出された排ガスに対して良好に接触することが可能となる。すなわち、吸熱部５のそれぞれは、他の吸熱部５の存在によって排ガスとの接触が阻害されることがなくなり、十分な吸熱を行うことができる。例えば、図３において矢印で示した排ガスの流路から分かるように、吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃの存在によって吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃの下流側における排ガスの流量が減少することになるが、吸熱部５ｄ、５ｅに対しては吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃの隙間を経由して排ガスが到達するため、下流側に位置する吸熱部５ｄ、５ｅにおいても、優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができる。そして、熱電変換ユニット１０としては、下流側においても十分な発電量を得ることができるため、全体として発電量が向上することになる。
　なお、実施例１においては、上流側に位置する熱電変換モジュール１ａ～１ｃの吸熱部５ａ～５ｃと、下流側に位置する熱電変換モジュール１ｄ～１ｅの吸熱部５ｄ～５ｅとは、同じ形状で同一の表面積を有していたが、下流側における排ガスの温度低下を考慮して、下流側の吸熱部５ｄ～５ｅの表面積を上流側の吸熱部５ａ～５ｃの表面積よりも大きくしてもよい。すなわち、上述した接続管内における温度分布に応じて、熱電変換モジュール１ごとに吸熱部５及び吸熱フィン４の寸法及び表面積を適宜設定してもよい。これにより、排ガス経路の下流側においても十分な発電を実現できるように、熱電変換ユニット１０の発電量をより向上させることができる。
　また、熱電変換モジュール１の形状はレール状に限定されることなく、Ｘ－Ｙ方向に広がりを備えるような他の形状であってもよい。このような場合であっても、熱電変換ユニット１０において、熱電変換モジュール１の吸熱部５が他の熱電変換モジュール１の吸熱部５の吸熱を阻害しないように、例えば、吸熱部５を千鳥状に配置することが重要となる。
＜変形例＞
（他の熱電変換モジュールの構造）
　次に、図４乃至図７を参照しつつ、熱電変換モジュールの各変形例について、詳細に説明する。ここで、図４は変形例１に係る熱電変換モジュール１０１の上面図であり、図５は変形例２に係る熱電変換モジュール２０１の側面図であり、図６は変形例３に係る熱電変換モジュール３０１の側面図であり、図７は変形例４に係る熱電変換モジュール４０１の正面図である。なお、各変形例においては、上述した実施例と同一の構造及び部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図４に示すように、変形例１に係る熱電変換モジュール１０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、吸熱フィン４ａ～４ｄが千鳥状に配設されている。すなわち、熱電変換モジュール１０１においては、吸熱フィン４が他の吸熱フィン４の吸熱を阻害しないように配設されていることになる。このような吸熱フィン４の配設により、下流側（＋Ｘ側）に位置する吸熱フィン４ｃ、４ｄにおいても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。これにより、熱電変換モジュール１０１自体の発電量も向上させることができる。
　なお、１つの熱電変換モジュール１０１において吸熱フィン４を千鳥状に配設することにより、上述した実施例のように熱電変換モジュール１０１を千鳥状に配設しなくても、熱電変換ユニット１０の発電量の向上を十分に図れることもある。これは、熱電変換ユニット１０全体として、吸熱フィン４が千鳥状に配設されることになり、上流側（－Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール１０１が下流側に位置する熱電変換モジュール１０１の吸熱を阻害する恐れが低減されるためである。
　次に、図５に示すように、変形例２に係る熱電変換モジュール２０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、共通する１枚の吸熱フィンから吸熱部２０５が構成されている。当該吸熱フィンの形状は、Ｘ－Ｚ平面において台形となっており、下流側（＋Ｘ側）に位置する部分の表面積が上流側（－Ｘ側）に位置する部分の表面積よりも大きくなっている。換言すると、熱電変換モジュール２０１において、吸熱部２０５は、排ガスの流路の下流側に向って、その高さが大きくなっている。これにより、より下流側においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。そして、このような吸熱部２０５の構造により、熱電変換モジュール２０１自体の発電量が向上することになる。
　ここで、熱電変換モジュール２０１は第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを直列に接続した構造を有しているため、吸熱部２０５は電気絶縁体から構成されていることが必要となる。例えば、吸熱部２０５には、窒化アルミニウム、又は酸化アルミニウムを用いることができる。
　次に、図６に示すように、変形例３に係る熱電変換モジュール３０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、互いに表面積が異なる４つの吸熱フィン３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄから１つの吸熱部３０５が形成されている。より具体的には、吸熱フィン３０４のそれぞれは、第２電極３ｂと接合する端部と反対側の端部が傾斜しており、下流側（＋Ｘ側）に進むにつれて、その高さ（Ｚ方向の寸法）が徐々に大きくなっている。また、４つの吸熱フィン３０４も、下流側に位置するものほどその寸法が大きくなり、表面積も大きくなっている。すなわち、熱電変換モジュール３０１においては、吸熱部３０５は、排ガスの流路の下流側に向って、その高さが大きくなっている。
　このような吸熱部３０５の構造により、より下流側においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。そして、このような吸熱部３０５の構造により、熱電変換モジュール３０１自体においても、発電量を向上することができる。
　次に、図７に示すように、変形例４に係る熱電変換モジュール４０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３の傾斜角度が互いに相違している。より具体的には、４つの吸熱フィン４０４ａ～４０４ｄは、排ガスの流路に沿って並設されているものの、最も上流側（－Ｘ側）に位置する吸熱フィン４０３ａから最も下流側（＋Ｘ側）に位置する吸熱フィン４０３ｄに向って、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３の傾斜角度が大きくなるように、吸熱フィン４０３の傾きが設定されている。例えば、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ａの傾斜角度θ１が約３０°であり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ｂの傾斜角度θ２が約７０°であり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ｃの傾斜角度θ３が約１１０°であり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ｄの傾斜角度θ４が約１５０°であってもよい。
　このように、第２電極３ｂに対する傾斜角度が互いに異なる吸熱フィン４０４ａ～４０４ｄから吸熱部４０５が構成されることにより、吸熱フィンの千鳥配置の効果と同様に、吸熱フィン４０４が他の吸熱フィン４０４の吸熱を阻害しないように配設されていることになる。このような吸熱フィン４０４の配設により、下流側（＋Ｘ側）に位置する吸熱フィン４０４においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。これにより、熱電変換モジュール４０１自体の発電量も向上することができる。
　なお、１つの熱電変換モジュール４０１において吸熱フィン４０４の傾斜角度を互いに相違させることにより、上述した実施例のように熱電変換モジュール４０１を千鳥状に配設しなくても、熱電変換ユニット１０の発電量の向上を十分に図れることもある。これは、熱電変換ユニット１０全体としても、上流側（－Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール４０１の吸熱フィン４０４が、下流側に位置する熱電変換モジュール４０１の吸熱フィン４０４に対する排ガスの接触（すなわち、吸熱フィン４０４の吸熱）を阻害するおそれが低減されるためである。
（他の熱電変換ユニットの構造）
　次に、図８及び図９を参照しつつ、熱電変換ユニットの変形例について、詳細に説明する。ここで、図８は変形例５に係る熱電変換ユニット５１０の上面図であり、図９は変形例５に係る熱電変換ユニット５０１の正面図である。なお、変形例５においては、上述した実施例と同一の構造及び部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図８に示すように、変形例５に係る熱電変換ユニット５１０において、４つの熱電変換モジュール５０１ａ～５０１ｄは、排ガスの流路に沿って並設されているとともに、マトリックス状に配設されている。一方、図８及び図９から分かるように、上流側（－Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール５０１ａ、５０１ｂと、下流側（＋Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール５０１ｃ、５０１ｄとは、それぞれが備える吸熱フィンの第２電極３ｂに対する傾斜角度が異なっている。具体的に、熱電変換モジュール５０１ａにおいて、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ１、５０４ｂ１、５０４ｃ１、５０４ｄ１の傾斜角度θ５は約４５°である。同様に、熱電変換モジュール５０１ｂにおいて、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ２、５０４ｂ２、５０４ｃ２、５０４ｄ２の傾斜角度θ５も約４５°である。一方、熱電変換モジュール５０１ｃにおいて、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ３、５０４ｂ３、５０４ｃ３、５０４ｄ３の傾斜角度θ６は約１３５°であり、熱電変換モジュール５０１ｄにおいても、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ４、５０４ｂ４、５０４ｃ４、５０４ｄ４の傾斜角度θ６は約１３５°である。以下において、各吸熱フィンを選択して説明しない場合には、単に吸熱フィン５０４とも称する。
　変形例５においては、上流側と下流側の吸熱フィン（すなわち、吸熱部）の傾斜角度が異なっているため、熱電変換モジュール５０１ａ～５０１ｄのそれぞれの吸熱フィン５０４は、エンジンユニット２０から排出された排ガスに対して良好に接触することが可能となる。すなわち、熱電変換モジュール５０１ａ～５０１ｄのそれぞれの吸熱部は、他の熱電変換モジュールの吸熱部の存在によって排ガスとの接触が阻害されることがなくなり、十分な吸熱を行うことができる。例えば、図８において矢印で示した排ガスの流路から分かるように、熱電変換モジュール５０１ａの吸熱フィン５０４ａ１～５０４ｄ１の存在によって熱電変換モジュール５０１ａの下流側における排ガスの流量が減少することになるが、熱電変換モジュール５０１ｃの吸熱フィン５０４ａ３～５０４ｄ３に対しては熱電変換モジュール５０１ａと熱電変換モジュール５０１ｂと間の空間を経由して排ガスが到達するため、下流側に位置する吸熱フィン５０４ａ３～５０４ｄ３においても、優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができる。そして、熱電変換ユニット５１０としては、下流側においても十分な発電量を得ることができるため、全体として発電量が向上することになる。
　なお、変形例５においては、熱電変換モジュール５０１ａ～５０１ｄのそれぞれに設けられている吸熱フィン５０４の形状、寸法、及び表面積は同一としているが、変形例３のように下流に向けて表面積が大きくなるようにしてもよく、或いは変形例２のように１枚の吸熱フィンとしてもよい。また、変形例１の千鳥配置を本変形例５に組み合わせるようにして、熱電変換モジュール５０１ａ～５０１ｄを構成してもよい。当然のことながら、本変形例５における熱電変換モジュール５０１ａ～５０１ｄの配置を上述した実施例のように千鳥状に配設してもよい。いずれの場合であっても、排ガスの排気経路の形状、及び温度分布に応じて、各構成を適宜変更及び組み合わせることができる。
＜実施例２＞
　次に、図１０及び図１１を参照しつつ、上述した熱電変換モジュール１が配設された実施例２に係る排ガス発電ユニット４０の構造について説明する。ここで、図１０は、実施例２に係る排ガス発電ユニット４０及びその他のユニットを含む概略上面図であり、特に排ガス発電ユニット４０の内部の構造を可視化して示している。また、図１１は、実施例２に係る排ガス発電ユニット４０及びその他のユニットを含む概略側面図である。
　図１０及び図１１から分かるように、実施例２に係る排ガス発電ユニット４０は、乗用自動車又はその他のエンジンを備える産業機器のエンジンユニット２０と、排気ユニット３０との間に設けられている。また、排ガス発電ユニット４０は、エンジンユニット２０と排気ユニット３０とを接続する配管であって、エンジンユニット２０から排出される排ガスの流路を構成する接続管４１を有している。更に、排ガス発電ユニット４０は、当該接続管４１の内側の側面に設けられた６個の熱電変換モジュール１を有している。なお、熱電変換モジュール１の数量は、６個に限定されることなく、排ガス発電ユニット４０の寸法、要求される発電量、及び熱電変換モジュール１の寸法に応じて適宜変更することができる。
　図１０から分かるように、接続管４１においては、排ガスの流路の幅がエンジンユニット２０との接続部から徐々に広がり、所望の幅寸法まで広がった後に、排気ユニット３０の接続部に向けて徐々にその幅が狭くなっている。すなわち、接続管４１は、エンジンユニット２０との接続部においてその幅が一度広がるものの、エンジンユニット２０側から排気ユニット３０側に向けて徐々に排ガスの流路が絞られている。また、図１１から分かるように、接続管４１においては、排ガス流路の高さがエンジンユニット２０側から排気ユニット３０側に向けて徐々に小さくなっている。すなわち、接続管４１の高さ方向においても、エンジンユニット２０側から排気ユニット３０側に向けて徐々に排ガスの流路が絞られている。以上のことから、接続管４１の開口寸法は、エンジンユニット２０の近傍において一度大きくなるものの、接続管４１の全体的な構造としては、エンジンユニット２０側から排気ユニット３０側に向って、開口寸法が小さくなっていることになる。
　このような、接続管４１の形状により、エンジンユニット２０から排出される高温の排ガスは、接続管４１内で一度広がるものの、排気ユニット３０に向けて収束するように流れることになる。すなわち、排ガスの流速は排気ユニット３０に向うにつれて上昇することになる。換言するならば、接続管４１のエンジンユニット２０の近傍における排ガスの流速に比して、接続管４１の排気ユニット３０の近傍における排ガスの流速は増加することになる。従って、このような接続管４１に形状は、排ガスの流速を上げる流速増加手段として機能することになる。なお、当該接続管４１の形状により、排ガスの流束密度も、排気ユニット３０側において増加することになる。
　接続管４１の材料は、耐熱性を有し、且つ熱伝導性が比較的に低いものが使用される。これにより、排ガスの温度を低下させることがなくなり、熱電変換モジュール１における発電を効率よく行うことができる。
　実施例２に係る排ガス発電ユニット４０においては、上述した接続管４１の形状により、排ガスの流路の下流側の流速が、上流側と比較して増加することになる。換言すると、排ガスの流路の下流側においては、接続管４１の形状が端部に向けて絞られないものと比較して、熱流束が増加することになる。このため、排ガスの温度が下流側において低下する場合であっても、下流側に配設された熱電変換モジュール１に対して熱エネルギーを集中することができることから、下流側に配設された熱電変換モジュール１にも十分な熱量が供給されることになり、吸熱効率を向上させることができる。
　なお、実施例２においては、接続管４１の開口形状は台形となっていたが、接続管４１の開口形状が円形である円筒の管を使用してもよい。この場合であっても、排気ユニット３０側に位置する接続管の端部を、エンジンユニット２０側に位置する他端よりも絞るように形成（すなわち、開口寸法が小さくなるように）する必要がある。また、熱電変換モジュール１の設置箇所は、接続管４１の内側の側面に限定されることなく、例えば、接続管４１の内側の上面又は底面であってもよく、接続管４１の内側表面から適宜選択することができる。
　また、実施例２においては、接続管４１の内側の側面に上述した実施例１に係る熱電変換モジュール１が配設されているが、当該熱電変換モジュール１に代えて、上述した変形例に係る熱電変換モジュールのいずれかを配設してもよい。更には、当該熱電変換モジュール１に代えて、上述した実施例又は変形例に係る熱電変換ユニットのいずれかを配設してもよい。このようにすることで、熱電変換モジュール自体又は熱電変換ユニット自体の発電量を向上させることができ、排気ユニット３０の更なる発電量向上を図ることが可能になる。
＜実施例３＞
　実施例２においては、接続管４１の形状を流速増加手段として機能させていたが、排ガスを誘導する導風板（導風体、風導版とも称する）を設けて、当該風導版を流速増加手段として機能させてもよい。以下において、図１２及び図１３を参照しつつ、このような導風板を有する排ガス発電ユニット１４０を実施例３として説明する。ここで、図１２は、実施例３に係る排ガス発電ユニット１４０及びその他のユニットを含む概略上面図であり、特に排ガス発電ユニット１４０内部の構造を可視化して示している。また、図１３は、実施例３に係る排ガス発電ユニット１４０及びその他のユニットを含む概略側面図である。
　図１２及び図１３から分かるように、実施例３に係る排ガス発電ユニット１４０も、乗用自動車又はその他のエンジンを備える産業機器のエンジンユニット１２０と、排気ユニット１３０との間に設けられている。また、排ガス発電ユニット１４０は、エンジンユニット１２０と排気ユニット１３０とを接続し、エンジンユニット１２０から排出される排ガスの流路を構成する接続管１４１を有している。更に、排ガス発電ユニット１４０は、当該接続管１４１の内側の側面に設けられた６個の熱電変換モジュール１を有している。
　図１２から分かるように、接続管１４１においては、排ガスの流路の幅がエンジンユニット１２０との接続部から徐々に広がり、所望の幅寸法まで広がると当該寸法が維持され、排気ユニット１３０との接続部の近傍から排気ユニット１３０に向けて徐々にその幅が狭くなっている。すなわち、接続管１４１は、エンジンユニット１２０との接続部においてその幅が一度広がり、且つ排気ユニット１３０との接続部においてその幅が徐々に狭くなるものの、接続管１４１の大部分においてその幅は一定に保たれている。また、図１３から分かるように、接続管１４１においては、排ガス流路の高さがエンジンユニット１２０側から排気ユニット１３０側に向けて徐々に小さくなっている。すなわち、接続管１４１の高さ方向においては、エンジンユニット１２０側から排気ユニット１３０側に向けて徐々に排ガスの流路が絞られている。更に、接続管１４１の材料は、実施例２の接続管４１と同様であり、耐熱性を有し且つ熱伝導性が比較的に低いものが使用される。
　熱電変換モジュール１は、実施例１の熱電変換モジュール１と同様である。また、実施例２の場合と同様に、熱電変換モジュール１に代えて上述した実施例１又は変形例に係る熱電変換モジュール又は熱電変換ユニットを配設してもよい。このようにすることで、熱電変換モジュール自体又は熱電変換ユニット自体の発電量を向上させることができ、排気ユニット１３０の更なる発電量向上を図ることが可能になる。ここで、熱電変換モジュール１は、接続管１４１の内側の側面に並設されている。
　図１２に示すように、接続管１４１の内部には、３つの導風板１５１、１５２、１５３が設けられている。具体的には、排ガスの流路（すなわち、接続管１４１）の上流側から各熱電変換モジュール１に向って、各導風板が配設されている。
　導風板１５１は、最上流に位置する熱電変換モジュール１よりも更に上流側であって、接続管１４１の内側の側面近傍に配設されている。導風板１５１は、接続管１４１の内側の側面近傍から最上流に位置する熱電変換モジュール１（図１２において左側に位置している）に向けて直線状に延在する２枚の板状部材１５１ａ、１５１ｂから構成されている。すなわち、導風板１５１は、板状部材１５１ａ、１５１ｂが当該中心線Ｏの近傍及びその周囲において離間した構造を有している。換言すると、導風板１５１は、接続管１４１と交差する領域に開口１５１ｃを備えることになる。
　また、導風板１５２は、導風板１５１よりも内側、すなわち、その一部が導風板１５１によって囲まれるように配設されている。導風板１５２は、接続管１４１の中心線Ｏ（図３において破線にて示す）の近傍から中流に位置する熱電変換モジュール１（図１３において中央に位置している）に向けて直線状に延在する２枚の板状部材１５２ａ、１５２ｂから構成されている。すなわち、導風板１５２は、板状部材１５２ａ、１５２ｂが当該中心線Ｏの近傍において離間した構造を有している。換言すると、導風板１５２は、接続管１４１と交差する領域に開口１５２ｃを備えることになる。また、導風板１５２の長さは、導風板１５１の長さよりも大きくなっている。
　更に、導風板１５３は、導風板１５１、１５２よりも内側、すなわち、その一部が導風板１５１、１５２によって囲まれるように配設されている。導風板１５３は、接続管１４１の中心線Ｏの近傍から最下流に位置する熱電変換モジュール１（図１２において右に位置している）向けて直線状に延在する２枚の板状部材１５３ａ、１５３ｂから構成されている。すなわち、導風板１５３も、導風板１５２と同様に、板状部材１５３ａ、１５３ｂが当該中心線Ｏの近傍において離間した構造を有している。換言すると、導風板１５３は、接続管１４１と交差する領域に開口１５３ｃを備えることになる。また、導風板１５３の長さは、導風板１５１、１５２の長さよりも大きくなっている。
　すなわち、導風板１５１、１５２、１５３のそれぞれは、排ガス流路の上流側から前記熱電変換モジュール１のそれぞれに向けて延在している。このような導風板１５１、１５２、１５３の構造及び配置から、上流側から流れる排ガス（図１２において、最も太い矢印で示す）の一部は、接続管１４１と導風板１５１とよって形成された流路を経由して最上流に位置する熱電変換モジュール１に向けて誘導される。また、上流側から流れる排ガスの一部は、導風板１５１と導風板１５２によって形成された流路を経由して、最上流に位置する熱電変換モジュール１及び中央に位置する熱電変換モジュール１に向けて誘導される。更に、上流側から流れる排ガスの一部は、導風板１５２と導風板１５３によって形成された流路を経由して、中央に位置する熱電変換モジュール１及び最下流に位置する熱電変換モジュール１に向けて誘導される。従って、エンジンユニット１２０から排出された排ガスは、導風板１５１、１５２、１５３に沿って接続管１４１の両側部に誘導され、接続管１４１の内側の側面に設けられた熱電変換モジュール１に向けて進むことになり、当該熱電変換モジュール１において優れた熱エネルギー効率で吸熱されることになる。
　また、このような導風板１５１、１５２、１５３により、エンジンユニット１２０から排出される高温の排ガスは接続管１４１内の上流側で一度広がるものの、導風板１５１、１５２、１５３の設置箇所及びこれより下流側においては接続管１４１の側部に向けて収束するように流れることになる。すなわち、排ガスの流速は排気ユニット１３０に向うにつれて上昇することになる。換言するならば、接続管１４１のエンジンユニット１２０の近傍における排ガスの流速に比して、接続管１４１の排気ユニット１３０の近傍における排ガスの流速は増加することになる。従って、このような導風板１５１、１５２、１５３は、排ガスの流速を上げる流速増加手段として機能することになる。なお、当該導風板１５１、１５２、１５３により、排ガスの流束密度も、排気ユニット１３０側において増加することになる。
　実施例３に係る排ガス発電ユニット１４０においては、上述した導風板１５１、１５２、１５３により、排ガスの流路の下流側の流速が、上流側と比較して増加することになる。換言すると、排ガスの流路の下流側においては、導風板１５１、１５２、１５３が存在しないものと比較して、熱流束が増加することになる。このため、排ガスの温度が下流側において低下する場合であっても、下流側に配設された熱電変換モジュール１に対して熱エネルギーを集中することができることから、下流側に配設された熱電変換モジュール１にも十分な熱量が供給されることになり、吸熱効率を向上させることができる。
　なお、実施例３においては、導風板１５１、１５２、１５３のそれぞれが２枚の板状部材から構成されていたが、これに限定されることなく、例えば１枚の板状部材を湾曲及び屈曲させ、必要に応じて開口を形成したものから構成されていてもよく、２枚以上の板状部材から構成されてもよい。また、実施例３において、導風板１５１、１５２、１５３は接続管１４１の両側部に排ガスを誘導していたが、熱電変換モジュール１が接続管１４１の上面及び底面にも設けられる場合には、排ガスを接続管１４１の上面及び底面に誘導するような構造を備えていてもよい。このような場合には、接続管１４１の形状は角筒状であってもよい。更に、接続管１４１の外形は、実施例２の接続管４１のように、一端（すなわち、排ガスの流路の下流側）に向けて絞られていてもよい。そして、各導風板を構成する各板状部材は直線状ではなく、湾曲して形状を有してもよい。また、導風板１５３については、開口１５３ｃが形成されていなくてもよい。これにより、エンジンユニット１２０から排出されたすべての排ガスが、接続管１４１の両側部に誘導されることになり、更なる発電効率の向上を図ることが可能になる。
＜実施例４＞
　実施例３においては、３つの導風板１５１、１５２、１５３を流速増加手段として機能させていたが、１つの導風板を流速増加手段として機能させてもよい。以下において、図１４及び図１５を参照しつつ、このような導風板を有する排ガス発電ユニット２４０を実施例４として説明する。ここで、図１４は、実施例４に係る排ガス発電ユニット２４０及びその他のユニットを含む概略上面図であり、特に排ガス発電ユニット２４０内部の構造を可視化して示している。また、図１５は、実施例４に係る排ガス発電ユニット２４０及びその他のユニットを含む概略側面図である。
　図１４及び図１５から分かるように、実施例４に係る排ガス発電ユニット２４０も、乗用自動車又はその他のエンジンを備える産業機器のエンジンユニット２２０と、排気ユニット２３０との間に設けられている。また、排ガス発電ユニット２４０は、実施例３の排ガス発電ユニット１４０と同様に、接続管２４１及び当該接続管２４１内側の側面に設けられた６個の熱電変換モジュール１を有している。なお、接続管２４１の形状及び材料は、実施例３の接続管１４１と同一であり、熱電変換モジュール１も実施例３の熱電変換モジュール１と同一であるため、これらの説明は省略する。
　図１４に示すように、接続管２４１の内部には、導風板２５４が設けられている。具体的には、排ガスの流路（すなわち、接続管２４１）の中央から下流側において、三角柱状の導風板２５４が配設されている。導風板は、接続管２４１の中心線Ｏ（図５において破線にて示す）から接続管２４１の内側の側面に向けて延在する側面２５４ａ、２５４ｂを有している。すなわち、導風板２５４は、接続管２４１のエンジンユニット２２０側から排気ユニット２３０側に向って、排ガスの流路を狭くするような構造体である。なお、導風板２５４の形状は、三角柱状に限定されることなく、排ガスの流路を下流に向って徐々に狭くすることができれば、その他の形状の構造体であってもよく、また、接続管２４１の開口形状によっても適宜変更することができる。
　このような、導風板２５４の形状により、エンジンユニット２２０から排出される高温の排ガスは、接続管２４１内で一度広がるものの、排気ユニット２３０に向けて収束するように流れることになる。すなわち、排ガスの流速は排気ユニット２３０に向うにつれて上昇することになる。換言するならば、接続管２４１のエンジンユニット２２０の近傍における排ガスの流速に比して、接続管２４１の排気ユニット２３０の近傍における排ガスの流速は増加することになる。従って、このような導風板２５４の形状は、排ガスの流速を上げる流速増加手段として機能することになる。なお、当該導風板２５４の形状により、排ガスの流束密度も、排気ユニット２３０側において増加することになる。
　実施例４に係る排ガス発電ユニット２４０においては、上述した導風板２５４の形状により、排ガスの流路の下流側の流速が、上流側と比較して増加することになる。換言すると、排ガスの流路の下流側においては、導風板２５４が設けられていないものと比較して、熱流束が増加することになる。このため、排ガスの温度が下流側において低下する場合であっても、下流側に配設された熱電変換モジュール１に対して熱エネルギーを集中することができることから、下流側に配設された熱電変換モジュール１にも十分な熱量が供給されることになり、吸熱効率を向上させることができる。
＜本発明の実施態様＞
　本発明の第１の態様は、並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた吸熱部と、を備える複数の熱電変換モジュールを有し、前記複数の熱電変換モジュールは熱の流路に沿って並設され、且つ前記吸熱部は千鳥状に配設されている熱電変換ユニットである。
　本発明の第２の態様は、上記第１の態様において、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積よりも大きいことである。これにより、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換ユニット全体としての発電量を向上することができる。
　本発明の第３の態様は、上記第１又は第２の態様において、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部と、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部とは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なっていることである。これにより、下流側に位置する吸熱部における吸熱が上流側に位置する吸熱部によって阻害されることがなくなり、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換ユニット全体としての発電量を向上することができる。
　本発明の第４の態様は、上記第１乃至第３の態様のいずれかにおいて、前記吸熱部が複数の吸熱フィンから構成されていることである。これにより、各熱電変換モジュールにおいて、効率よく吸熱を図ることができる。
　本発明の第５の態様は、上記第４の態様において、前記熱電変換モジュールのそれぞれで前記複数の吸熱フィンが千鳥状に配設されていることである。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、１つの熱電変換モジュールとしての発電量を向上することができる。
　本発明の第６の態様は、上記第４又は第５の態様において、前記熱電変換モジュールのそれぞれで、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なることである。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、１つの熱電変換モジュールとしての発電量をより向上することができる。
　本発明の第７の態様は、上記第１乃至第６の態様のいずれかにおいて、前記吸熱部が前記熱の流路の上流側から下流側に向ってその高さが大きくなっていることである。これにより、吸熱部の下流側に位置する部分においてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、１つの熱電変換モジュールとしての発電量を向上することができる。
　本発明の本発明の第８の態様は、並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する複数の第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する複数の第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた複数の吸熱フィンと、を有し、前記吸熱フィンは千鳥状に配設されている熱電変換モジュールである。
　本発明の第９の態様は、上記第８の態様において、前記熱の流路の上流側に位置する前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なっていることである。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換モジュール全体としての発電量を向上することができる。
　本発明の第１０の態様は、上記第８又は第９の態様において、前記熱の流路の下流側に位置する前記吸熱フィンの表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンの表面積よりも大きいことである。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換モジュール全体としての発電量を向上することができる。
　本発明の本発明の第１１の態様は、エンジンユニットと排気ユニットとの間に設けられる排ガス発電ユニットであって、前記エンジンユニットと前記排気ユニットを接続し、前記エンジンユニットから排出される排ガスの流路を形成する接続管と、前記接続管の内側表面であって前記エンジンユニットの近傍及び前記排気ユニットの近傍に設けられ、且つ熱の流路に沿って並設された複数の熱電変換モジュールと、前記接続管の前記エンジンユニットの近傍における前記排ガスの流速に比して、前記接続管の前記排気ユニットの近傍における前記排ガスの流速を上げる流速増加手段と、を有し、前記複数の熱電変換モジュールのそれぞれは、千鳥状に配設されている吸熱部を備える排ガス発電ユニットである。
　本発明の第１２の態様は、上記第１１の態様において、前記流速増加手段がエンジンユニット側から排気ユニット側に向って、前記接続管の開口寸法を小さくすることである。これにより、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、排ガス発電ユニット全体としての発電量を向上することができる。
　本発明の第１３の態様は、上記第１１の態様において、前記流速増加手段が前記接続管の中心線の近傍領域から内側表面に向って前記排ガスを誘導する少なくとも１つの導風板であることである。これにより、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、排ガス発電ユニット全体としての発電量を向上することができる。
　本発明の第１４の態様は、上記第１３の態様において、前記導風板が前記接続管の中心線と交差する領域に開口を備えるとともに、前記排ガス流路の上流側から前記熱電変換モジュールのそれぞれに向けて延在することである。これにより、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、排ガス発電ユニット全体としての発電量をより向上することができる。
　本発明の第１５の態様は、上記第１３の態様において、前記導風板が前記接続管のエンジンユニット側から排気ユニット側に向って、前記排ガスの流路を狭くすることである。これにより、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、排ガス発電ユニット全体としての発電量をより向上することができる。
　１　　熱電変換モジュール
　２ａ　　第１熱電変換素子
　２ｂ　　第２熱電変換素子
　３ａ　　第１電極
　３ｂ　　第２電極
　４　　吸熱フィン
　５　　吸熱部
　１０　　熱電変換ユニット
　２０　　エンジンユニット
　３０　　排気ユニット
　４０　　排ガス発電ユニット
　４１　　接続管
　１５１、１５２、１５３　　導風板
 

Claims (15)

  1. 　並設された複数の熱電変換素子と、
    　前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、
    　前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、
    　前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた吸熱部と、を備える複数の熱電変換モジュールを有し、
    　前記複数の熱電変換モジュールは熱の流路に沿って並設され、且つ前記吸熱部は千鳥状に配設されている熱電変換ユニット。
  2. 　前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積よりも大きい請求項１に記載の熱電変換ユニット。
  3. 　前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部と、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部とは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なる請求項１又は２に記載の熱電変換ユニット。
  4. 　前記吸熱部は複数の吸熱フィンから構成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換ユニット。
  5. 　前記熱電変換モジュールのそれぞれにおいて、前記複数の吸熱フィンが千鳥状に配設されている請求項４に記載の熱電変換ユニット。
  6. 　前記熱電変換モジュールのそれぞれにおいて、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なる請求項４又は５に記載の熱電変換ユニット。
  7. 　前記吸熱部は、前記熱の流路の上流側から下流側に向ってその高さが大きくなる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換ユニット。
  8. 　並設された複数の熱電変換素子と、
    　前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する複数の第１電極と、
    　前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する複数の第２電極と、
    　前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた複数の吸熱フィンと、を有し、
    　前記吸熱フィンは千鳥状に配設されている熱電変換モジュール。
  9. 　前記熱の流路の上流側に位置する前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なる請求項８に記載の熱電変換モジュール。
  10. 　前記熱の流路の下流側に位置する前記吸熱フィンの表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンの表面積よりも大きい請求項８又は９に記載の熱電変換モジュール。
  11. 　エンジンユニットと排気ユニットとの間に設けられる排ガス発電ユニットであって、
    　前記エンジンユニットと前記排気ユニットを接続し、前記エンジンユニットから排出される排ガスの流路を形成する接続管と、
    　前記接続管の内側表面であって前記エンジンユニットの近傍及び前記排気ユニットの近傍に設けられ、且つ熱の流路に沿って並設された複数の熱電変換モジュールと、
    　前記接続管の前記エンジンユニットの近傍における前記排ガスの流速に比して、前記接続管の前記排気ユニットの近傍における前記排ガスの流速を上げる流速増加手段と、を有し、
    　前記複数の熱電変換モジュールのそれぞれは、千鳥状に配設されている吸熱部を備える排ガス発電ユニット。
  12. 　前記流速増加手段は、エンジンユニット側から排気ユニット側に向って、前記接続管の開口寸法を小さくする請求項１１に記載の排ガス発電ユニット。
  13. 　前記流速増加手段は、前記接続管の中心線の近傍領域から内側表面に向って前記排ガスを誘導する少なくとも１つの導風板である請求項１１に記載の排ガス発電ユニット。
  14. 　前記導風板は、前記接続管の中心線と交差する領域に開口を備えるとともに、前記排ガスの流路の上流側から前記熱電変換モジュールのそれぞれに向けて延在する請求項１３に記載の排ガス発電ユニット。
  15. 　前記導風板は、前記接続管のエンジンユニット側から排気ユニット側に向って、前記排ガスの流路を狭くする請求項１３に記載の排ガス発電ユニット。
     
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