(57)【要約】【課題】熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる熱電変換装置、熱電変換モジュール、及び熱電変換方法を提供する。【解決手段】熱電変換装置１０は、熱電変換素子２２および配管３０を備える。熱電変換素子２２は、その一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する。配管３０は、熱流体が通る流路３２を内側に有する。熱電変換素子２２の一端２２１は、配管３０の外面３０１に対向している。そして、配管３０は、一端２２１に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面における熱電変換素子２２側の管壁の厚さが互いに異なる第１領域３０２および第２領域３０３を含む。第１領域３０２の管壁の厚さｔ１１は、第２領域３０３の管壁の厚さｔ１２よりも大きい。また、第１領域３０２は、少なくとも一部が一端２２１と対向している領域である。【選択図】図１
2018010908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
前記配管は、前記一端に垂直かつ前記流路の延在方向に平行な断面における前記熱電変換素子側の管壁の厚さが互いに異なる第１領域および第２領域を含み、
当該断面において、前記第１領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さは、前記第２領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さよりも大きく、
前記第１領域は、少なくとも一部が前記一端と対向している領域である熱電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換装置において、
前記一端は、全体が前記第１領域と対向している熱電変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の熱電変換装置において、
前記一端に垂直かつ前記流路の延在方向に平行な断面における、前記第１領域の前記流路の延在方向の長さＬ１は、前記一端の前記流路の延在方向の長さＬ２の１．２倍以上である熱電変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記第１領域は、前記配管のうち前記熱電変換素子側の管壁の厚さが最も大きい領域を含む熱電変換装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記一端が互いに対向する第１の前記熱電変換素子と第２の前記熱電変換素子とを備え、前記第１の熱電変換素子に対する前記第１領域と、前記第２の熱電変換素子に対する前記第１領域とは、前記一端に垂直な方向から見て互いに重なっている熱電変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記第１領域の前記一端に垂直かつ前記流路の延在方向に平行な断面における前記熱電変換素子側の管壁の厚さは２ｍｍ以上である熱電変換装置。
【請求項７】
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
熱流体が通る流路を内側に有する配管と、
前記配管よりも熱伝導率が高い集熱部材とを備え、
前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
前記集熱部材は、前記外面と前記一端との間に位置し、かつ前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆う熱電変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載の熱電変換装置において、
前記流路の延在方向に垂直な断面における前記集熱部材の断面積が２０ｍｍ２以上である熱電変換装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の熱電変換装置において、
前記集熱部材は、銅、カーボン、アルミ、タングステン、鉄、金、銀、ニッケル、およびモリブデンのうち少なくともいずれかを含む熱電変換装置。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記集熱部材の少なくとも一部は、前記配管の管壁に埋め込まれている熱電変換装置。
【請求項１１】
請求項７から１０のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記熱電変換素子を封止する封止部材をさらに備え、
前記集熱部材は前記熱電変換素子と前記封止部材との間に位置する熱電変換装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載の熱電変換装置において、
前記配管の、前記流路の延在方向に垂直な断面の外形は、矩形である熱電変換装置。
【請求項１３】
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を封止する封止部材と、
前記熱電変換素子と前記封止部材との間に位置する集熱部材とを備え、
前記集熱部材は、前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆い、
前記集熱部材の厚さが前記封止部材のうち前記一端と対向する部分の厚さよりも大きい熱電変換モジュール。
【請求項１４】
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を封止する封止部材と、
前記熱電変換素子と前記封止部材との間に位置する集熱部材とを備え、
前記集熱部材は、前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆い、
前記集熱部材の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である熱電変換モジュール。
【請求項１５】
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向させ、
前記配管は、前記一端に垂直かつ前記流路の延在方向に平行な断面における前記熱電変換素子側の管壁の厚さが互いに異なる第１領域および第２領域を含み、
当該断面において、前記第１領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さは、前記第２領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さよりも大きく、
前記第１領域は、少なくとも一部が前記一端と対向している領域である熱電変換方法。
【請求項１６】
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向させ、
前記外面と前記一端との間には、前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆い、かつ前記配管よりも熱伝導率が高い集熱部材を配置する熱電変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱電変換装置、熱電変換モジュール、および熱電変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換装置では、熱電変換素子の一端を高温側、他端を低温側とし、両端間の温度差によって起電力を発生させる。
【０００３】
特許文献１には、エンジンから排出された排気ガスが導入されるケース内に熱電変換ユニットが並べられた構成において、整流部材を設けることにより、十分な熱伝達効率および発電量を確保することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１９００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、排気ダクト等の配管に流れる熱流体から電気エネルギーを取り出す効率については、改善の余地があった。
【０００６】
本発明は、熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる熱電変換装置、熱電変換モジュール及び熱電変換方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
熱流体が通る流路を内側に有する配管とを備え、
前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
前記配管は、前記一端に垂直かつ前記流路の延在方向に平行な断面における前記熱電変換素子側の管壁の厚さが互いに異なる第１領域および第２領域を含み、
当該断面において、前記第１領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さは、前記第２領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さよりも大きく、
前記第１領域は、少なくとも一部が前記一端と対向している領域である熱電変換装置
が提供される。
【０００８】
本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
熱流体が通る流路を内側に有する配管と、
前記配管よりも熱伝導率が高い集熱部材とを備え、
前記熱電変換素子の前記一端は、前記配管の外面に対向しており、
前記集熱部材は、前記外面と前記一端との間に位置し、かつ前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆う熱電変換装置
が提供される。
【０００９】
本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を封止する封止部材と、
前記熱電変換素子と前記封止部材との間に位置する集熱部材とを備え、
前記集熱部材は、前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆い、
前記集熱部材の厚さが前記封止部材のうち前記一端と対向する部分の厚さよりも大きい熱電変換モジュール
が提供される。
【００１０】
本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を封止する封止部材と、
前記熱電変換素子と前記封止部材との間に位置する集熱部材とを備え、
前記集熱部材は、前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆い、
前記集熱部材の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である熱電変換モジュール
が提供される。
【００１１】
本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向させ、
前記配管は、前記一端に垂直かつ前記流路の延在方向に平行な断面における前記熱電変換素子側の管壁の厚さが互いに異なる第１領域および第２領域を含み、
当該断面において、前記第１領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さは、前記第２領域の前記熱電変換素子側の管壁の厚さよりも大きく、
前記第１領域は、少なくとも一部が前記一端と対向している領域である熱電変換方法
が提供される。
【００１２】
本発明によれば、
一端と他端の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子の前記一端を、熱流体が通る流路を内側に有する配管の外面に対向させ、
前記外面と前記一端との間には、前記熱電変換素子の前記一端の全体を覆い、かつ前記配管よりも熱伝導率が高い集熱部材を配置する熱電変換方法
が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる熱電変換装置、熱電変換モジュール及び熱電変換方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの拡大図である。
【図３】配管、当接部材の第２面および熱電変換素子の一端の位置関係を示す平面図である。
【図４】熱電変換素子を拡大して示した断面図である。
【図５】ｎ型熱電変換半導体およびｐ型熱電変換半導体の配列の例を示す図である。
【図６】第２の実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する断面図である。
【図７】第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの拡大図である。
【図８】配管、集熱部材および熱電変換素子の一端の位置関係を示す平面図である。
【図９】第３の実施形態に係る熱電変換装置の構成を例示する断面図である。
【図１０】（ａ）は、実施例の熱電変換装置の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、比較例の熱電変換装置の構成を示す断面図である。
【図１１】実施例および比較例における、流路を流れるガス温度とモジュール温度との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する断面図である。図２は、第１の実施形態に係る熱電変換モジュール２０の拡大図である。本実施形態に係る熱電変換装置１０は、熱電変換素子２２および配管３０を備える。熱電変換素子２２は、その一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する。配管３０は、熱流体（以下、単に「流体」とも呼ぶ。）が通る流路３２を内側に有する。熱電変換素子２２の一端２２１は、配管３０の外面３０１に対向している。そして、配管３０は、一端２２１（端面）に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面（図１に相当）における熱電変換素子２２側の管壁の厚さが互いに異なる第１領域３０２および第２領域３０３を含む。一端２２１に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面において、第１領域３０２の熱電変換素子２２側の管壁の厚さｔ１１は、第２領域３０３の熱電変換素子２２側の管壁の厚さｔ１２よりも大きい。また、第１領域３０２は、少なくとも一部が一端２２１と対向している領域である。以下に詳しく説明する。
【００１７】
本実施形態に係る熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、熱電変換素子２２の一端２２１に伝達される。そして一方、熱電変換素子２２の他端２２２を一端２２１よりも低温にすることで起電力が発生する。そして、配管３０の管壁は、熱電変換素子２２の一端２２１に対向する部分において厚くなっている。管壁が薄い場合には熱伝導は管壁の厚さ方向の熱抵抗を小さくすることができる一方で、管壁の厚さ方向に垂直な方向（たとえば流路３２の延在方向）の熱抵抗も小さくなってしまい、主に厚さ方向の熱伝達のみで流体からの熱を集めることになる。それに対し、管壁が厚い場合、管壁が薄い場合に比べて、管壁の厚さ方向に垂直な方向の熱抵抗を小さくすることができる。すなわち、熱電変換素子２２の一端２２１は、管壁の面内方向の熱伝達も利用し、管壁のより広い領域から熱を集めて、効率良く熱電変換を行える。
【００１８】
本実施形態では、第１領域３０２の管壁は第２領域３０３の管壁よりも厚くなっており、第１領域３０２における、管壁の厚さ方向に垂直な方向の熱抵抗が低くなっている。そして、第１領域３０２が熱電変換素子２２の一端２２１と対向している。よって、熱電変換素子２２の一端２２１は、流路３２のより広い範囲から集熱することができる。
【００１９】
本実施形態において熱電変換装置１０は熱電変換モジュール２０を含む。熱電変換モジュール２０は熱電変換素子２２を含む。また、熱電変換モジュール２０は、熱電変換素子２２を覆い、少なくとも一部が熱電変換素子２２の一端２２１と配管３０の外面３０１との間に位置する当接部材２４を含む。当接部材２４は、熱電変換モジュール２０の外部の熱を熱電変換素子２２に伝えるための部材である。図１に示す例において、当接部材２４の第１面２４１は熱電変換素子２２の一端２２１に対向し、第１面２４１とは反対側の第２面２４２は配管３０の外面３０１に対向している。また、当接部材２４の第２面２４２は配管３０の外面３０１に押し当てられている。本実施形態に係る熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、当接部材２４の第２面２４２を介して熱電変換素子２２の一端２２１に伝達する。
【００２０】
図３は、配管３０、当接部材２４の第２面２４２および熱電変換素子２２の一端２２１の位置関係を示す平面図である。本図は、一端２２１に垂直な方向から見た図であり、図１で上から下を見た図に相当する。ただし、配管３０、第２面２４２および一端２２１以外の構成は省略している。また、一端２２１の輪郭を破線で示している。本図の例では、一端２２１に垂直な方向から見て、第２面２４２は一端２２１の全体を覆い、配管３０は第２面２４２の全体を覆っている。
【００２１】
配管３０の延在方向に垂直な方向（本図中、Ｗ方向）において、配管３０の熱電変換素子２２側の管壁の厚さはおよそ一定であってよいし、変化していても良い。たとえば、第１領域３０２と第２領域３０３がＷ方向に隣り合って位置していても良いし、互いに管壁の厚さが異なる複数の第１領域３０２がＷ方向に隣り合って位置していても良い。ただし、互いに管壁の厚さが異なる複数の領域がＷ方向に隣り合って存在する場合、第２面２４２と交わり且つ配管３０の延在方向に垂直な断面では、それらの複数の領域の内最も厚い領域の少なくとも一部が第２面２４２の少なくとも一部と対向することが好ましく、第２面２４２の全体と対向することがより好ましい。また、一端２２１と交わり且つ配管３０の延在方向に垂直な断面では、それらの複数の領域の内最も厚い領域の少なくとも一部が一端２２１の少なくとも一部と対向することが好ましく、一端２２１の全体と対向することがより好ましい。
【００２２】
図１および図２を参照して熱電変換装置１０の構成について説明する。上記したとおり、本実施形態において熱電変換装置１０は熱電変換モジュール２０を含む。熱電変換モジュール２０は熱電変換素子２２を含む。また、熱電変換モジュール２０は、熱電変換素子２２を覆い、少なくとも一部が熱電変換素子２２の一端２２１と配管３０の外面３０１との間に位置する当接部材２４を含む。図１に示す例において、当接部材２４の第１面２４１は熱電変換素子２２の一端２２１に対向し、一端２２１とは反対側の第２面２４２は配管３０の外面３０１に対向している。本実施形態に係る熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、当接部材２４を介して熱電変換素子２２の一端２２１に伝達する。
【００２３】
熱流体の熱源は、たとえばエンジン等の発動機であり、熱流体は発動機からの排出ガスである。また、熱流体の熱源はプラントに含まれる熱源であり、熱流体はプラントの排気流体であってもよい。また、熱流体の熱源は、プラントで用いられる冷却装置の排熱であってもよい。なお、プラントとは、各種工場や発電所、焼却炉等であり得る。熱源で熱せられた流体は、流路３２を通る。配管３０はたとえば金属（合金を含む）であり、たとえばステンレス、鉄合金（鋼）、アルミ等である。また、配管３０は、たとえば排気管や排気ダクトの一部であり得る。
【００２４】
流路３２を通る流体の、流量は特に限定されないが、たとえば０．０１ｍ３／ｍｉｎ以上１００ｍ３／ｍｉｎ以下である。また、流路３２を通る流体の温度は特に限定されないが、たとえば１００℃以上１０００℃以下であり、好ましくは３００℃以上９００℃以下である。
【００２５】
流路３２の断面形状は、矩形、円形等でありうる。なお、流路の断面形状とは、流路の延在方向に垂直な断面の形状をいう。熱電変換素子２２の一端２２１に対向する領域における流路３２の幅は特に限定されないが、たとえば２０ｍｍ以上１０００ｍｍ以下である。なお、流路３２の幅とは流路３２の延在方向に垂直な断面における幅である。流路３２の断面が円形以外であり、方向により幅が異なる場合には、流路３２の延在方向に垂直な断面における最大の幅を示す。
【００２６】
流路３２の断面積は、特に限定されないが、流路３２を流れる流体の流量をｄ（ｍ３／ｍｉｎ）としたとき、流路３２の断面積は、一端２２１と対向する領域の少なくとも一部において、たとえばｄ／１２０（ｍ２）以下である。流路３２の断面積は、特に限定されないが、そうすれば、流体の流速を十分速め、配管３０の内壁の表面に生じる温度境界層の厚さを小さくすることができる。ひいては、流体から熱電変換素子２２への熱伝達効率を高めることができる。また、流路３２の断面積は、一端２２１と対向する領域において、ｄ／６０００（ｍ２）以上であることが好ましい。そうすれば、流体の排出および熱源からの排熱を十分確保できる。ただし、流路３２の断面積は流路３２を流れる流体の流量や熱源からの排熱量等に応じて適宜設定できる。
【００２７】
上記した通り、配管３０の外面３０１には熱電変換モジュール２０が取り付けられている。そして、熱電変換モジュール２０には熱電変換素子２２が含まれており、熱電変換素子２２の一端２２１が流路３２を流れる流体からの熱により高温になる。一方、熱電変換素子２２の他端２２２は後述する冷却手段２１により低温に保たれ、一端２２１と他端２２２との間の温度差により起電力が生じ、電気エネルギーがとりだされる。このように、熱電変換モジュール２０では熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【００２８】
配管３０の断面の外形は、矩形、円形等でありうる。ただし、配管３０の断面の外形は、熱電変換モジュール２０を熱伝達のよい状態に取り付けられるように、矩形であることが好ましい。なお、配管３０の断面とは、流路３２の延在方向に垂直な断面を示す。配管３０は、ひとつの管状部材からなっていても良いし、複数の管状部材が接続された構造であってもよい。また、本図の例に示す様に、配管３０は、管壁の厚さが大きい配管３０ａと、配管３０ａの少なくとも一端に接続され、配管３０ａの管壁の厚さよりも小さい管壁の厚さを有する配管３０ｂとを含む構造を有していても良い。
【００２９】
図２を参照して熱電変換モジュール２０の構成を詳しく説明する。熱電変換モジュール２０において当接部材２４の第１面２４１が配管３０の外面３０１に対向することにより、熱電変換素子２２の高温側の一端２２１が配管３０の外面３０１に対向するようになっている。当接部材２４はたとえばステンレス、銅、アルミ、またはこれらのうち少なくともいずれかの合金である。なお、当接部材２４と外面３０１との間には、熱伝導性を有する他の部材が挟み込まれていてもよい。
【００３０】
本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は、熱電変換素子２２を封止する封止部材２９をさらに備え、当接部材２４は封止部材２９の一部である。封止部材２９は、第１部材２９１および第２部材２９２からなる。第１部材２９１は当接部材２４と、当接部材２４の縁に溶接等で隙間無く接合されたフランジ２９３とを含む。フランジ２９３の材料と当接部材２４の材料とは互いに異なっていてもよいし、同じであってもよい。当接部材２４は熱電変換素子２２の側から見て凹部２９６を備え、凹部２９６の底面が当接部材２４の第１面２４１を構成している。言い換えると、当接部材２４は、配管３０側から見て凸部を備え、凸部の上面が当接部材２４の第２面２４２となっている。
【００３１】
当接部材２４は熱電変換素子２２の一端２２１全体を覆っている。当接部材２４は、熱電変換素子２２の一端２２１に第１面２４１が対向する。当接部材２４のうち第１面２４１とは反対側の第２面２４２は、配管３０の外面３０１に対向している。すなわち、熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、当接部材２４を通して熱電変換素子２２の一端２２１に伝達する。なお図１の例では、第２面２４２は配管３０の外面３０１と接している。
【００３２】
当接部材２４の凹部２９６内に熱電変換素子２２が配置され、凹部２９６の開口が第２部材２９２に覆われることによって、封止部材２９の内部に熱電変換素子２２が封止されている。本図に示す例において、第１部材２９１のフランジ２９３と第２部材２９２はガスケット２９４を挟んでボルト２９５で互いに接合されており、封止部材２９の内部は密封されている。そして、封止部材２９の内部は排気管２６から真空ポンプ等で排気されることによって、たとえば減圧状態（大気圧未満）になっている。熱電変換素子２２が減圧状態に封止されることにより、熱電変換材料が酸化されることを防ぎ、熱電変換効率の低下を避けることができる。また、封止部材２９の内部は減圧状態である代わりに窒素等の不活性ガスが充填されていても良いし、減圧状態で、かつ不活性ガスが充填されていても良い。なお、本図において便宜上、熱電変換素子２２と排気管２６を同一断面に描いているが、封止部材２９内の排気管２６の開口は、熱電変換素子２２の一端２２１に垂直な方向から見て、熱電変換素子２２および熱伝導部材２５とは重ならない位置にある。具体的には、熱伝導部材２５は、熱電変換素子２２の一端２２１に垂直な方向から見て、熱電変換素子２２とは重ならない位置に切り欠きを有する。そして、その切り欠きに重なるよう排気管２６の開口が位置する。したがって、排気管２６の開口は熱伝導部材２５にふさがれることがなく、排気管２６を通じて封止部材２９内を排気できる。
【００３３】
また、熱電変換素子２２の電極は詳しく後述するように、第１配線２６１および第２配線２６２に電気的に接続されている。そして、第１配線２６１および第２配線２６２は導入管２３を通って熱電変換モジュール２０の外部に引き出される。
【００３４】
熱電変換モジュール２０はさらに冷却手段２１を備え、第２部材２９２は冷却手段２１によって冷却される。また、封止部材２９の内部において、熱電変換素子２２と第２部材２９２との間には熱伝導部材２５が設けられている。熱伝導部材２５は第２部材２９２を介し、冷却手段２１によって冷却される。熱伝導部材２５と第２部材２９２との間には、両者の間の密着性および熱伝導性を向上させるために、図示しないカーボンシートおよび熱伝導グリースの少なくとも一方が介在されていても良い。そして、熱電変換素子２２の他端２２２は熱伝導部材２５により冷却され、一端２２１と他端２２２との間に温度差が生じる。熱伝導部材２５はたとえば銅等の金属板である。なお、熱伝導部材２５は、スペーサーとしても機能しうる。すなわち、封止部材２９の内部に熱伝導部材２５が備えられていることにより、封止部材２９の厚みをある程度確保することができ、封止部材２９の熱変形が各部材間の熱伝達に及ぼす影響を緩和することができる。図２の例において、熱伝導部材２５は固定部材２５１によって第１部材２９１に固定されている。固定部材２５１は断熱性を有し、たとえば多孔質体であり、たとえばアルミナ（酸化アルミニウム）や石膏である。固定部材２５１は円筒状をしており、第１部材２９１と熱伝導部材２５の間に嵌め込まれている。ただし、熱電変換モジュール２０は熱伝導部材２５を備えていなくてもよく、その場合、熱電変換素子２２の他端２２２は後述する絶縁部材２８を介して第２部材２９２上に配置される。
【００３５】
冷却手段２１は第２部材２９２を冷却できるものであれば特に限定されないが、たとえば水冷板であり、その内部を冷却媒体が循環することにより低温に保たれる。冷却手段２１には冷却媒体用配管２１１が接続されており、冷却媒体用配管２１１を通して冷却媒体の供給および排出が行われる。そして、冷却手段２１の内部に設けられた配管（不図示）に冷却媒体が流されている。冷却媒体は、特に限定されないが、たとえば水、液化窒素、低温ガス（空気、Ｈｅ、Ｎ２等）である。
【００３６】
熱電変換モジュール２０は、支持部材２７により当接部材２４の第２面２４２が配管３０の外面３０１に押しつけられるように固定されている。
【００３７】
なお、本図では熱電変換装置１０が複数の熱電変換モジュール２０を備える例を示しているが、熱電変換装置１０は熱電変換モジュール２０を一つのみ備えていても良い。また、本図では配管３０を挟んで対向する複数の熱電変換モジュール２０を熱電変換装置１０が備える例を示しているが、熱電変換装置１０は、配管３０の延在方向に並ぶ複数の熱電変換モジュール２０を備えていても良い。
【００３８】
上記したとおり、配管３０は、一端２２１に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面（図１に相当）におけ熱電変換素子２２側の管壁の厚さが互いに異なる第１領域３０２および第２領域３０３を含む。なお、配管３０の管壁の厚さは流路３２の周方向に一定である必要は無い。たとえば、配管３０の延在方向に垂直な断面において、配管３０が矩形である場合、配管３０を形成する四つの管壁の厚さは、互いに同じであっても良いし、少なくともいずれかが他と異なっていてもよい。管壁の厚さの内、熱電変換素子２２側の管壁の厚さを管壁厚さｔ１と呼ぶ。図１の例では、各領域内で管壁厚さｔ１はおよそ一定（たとえば領域内での最大値と最小値の差は１ｍｍ以下）である。なお、隣接する領域間の管壁厚さｔ１の変化は連続的であってもステップ的であっても良い。第１領域３０２の管壁厚さｔ１を管壁厚さｔ１１、第２領域３０３の管壁厚さｔ１を管壁厚さｔ１２としたとき、管壁厚さｔ１１は管壁厚さｔ１２よりも大きい。また、第１領域３０２は、少なくとも一部が一端２２１と対向している。
【００３９】
本図では、熱電変換装置１０が複数の熱電変換モジュール２０を備え、すなわち複数の熱電変換素子２２を備える例を示している。特に本図の例では、一端２２１が互いに対向する第１の熱電変換素子２２ａと第２の熱電変換素子２２ｂとを備える。この様な場合、第１領域３０２および第２領域３０３は、各熱電変換素子２２に対して決めることができる。第１の熱電変換素子２２ａに対する第１領域３０２ａと、第２の熱電変換素子２２ｂに対する第１領域３０２ｂとは、一端に垂直な方向から見て互いに重なっていることが好ましい。そうすれば、管壁の厚さを周方向に対称的にすることができ、配管が熱変形しにくい。ただし、第１の熱電変換素子２２ａに対する第１領域３０２ａと第２の熱電変換素子２２ｂに対する第１領域３０２ｂとの位置関係、および第１の熱電変換素子２２ａに対する第２領域３０３ａと第２の熱電変換素子２２ｂに対する第２領域３０３ｂとの位置関係は特に限定されない。
【００４０】
なお、配管３０は、管壁厚さｔ１が異なる三つ以上の領域を含んでいても良い。その場合、最も薄い領域を第２領域３０３とみなし、その他の領域の内、少なくとも一部が熱電変換素子２２の一端２２１に対向する領域を第１領域３０２とみなすことができる。即ち、配管３０には管壁厚さｔ１が互いに異なる複数の第１領域３０２が含まれていても良い。
【００４１】
流路３２のより広い範囲から熱を集めるためには、図１に示すように、一端２２１は全体が第１領域３０２と対向していることが好ましい。また、当接部材２４の第２面２４２は全体が第１領域３０２と対向していることが好ましい。また、一端２２１に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面（図１に相当）における、第１領域３０２の流路３２の延在方向の長さＬ１は、一端２２１の流路３２の延在方向の長さＬ２の１．２倍以上であることが好ましく、１．５倍以上であることがより好ましい。また、流路３２の延在方向において、第１領域３０２の端と、一端２２１の端との距離Ｌ３は、１５ｍｍ以上であることが好ましい。また、一端２２１に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面において、第１領域３０２の端と、当接部材２４の第２面２４２の端との距離Ｌ４は、１０ｍｍ以上であることが好ましい。一方、配管３０が過剰に重くなることを避けるため、第１領域３０２の流路３２の延在方向の長さＬ１は、一端２２１の流路３２の延在方向の長さＬ２の１０倍以下であることが好ましい。
【００４２】
第１領域３０２の管壁厚さｔ１１は特に限定されないが、２ｍｍ以上であることが好ましい。第１領域３０２は、たとえば熱電変換装置１０において、流体が熱源で熱せられてから、大気中等の外部に排出されるまでの間の配管３０のうち管壁厚さｔ１が最も大きい領域を含むことができる。
【００４３】
図４は、熱電変換素子２２を拡大して示した断面図である。本実施形態に係る熱電変換素子２２は、ｎ型熱電変換半導体２２３、ｐ型熱電変換半導体２２４、第１電極２２５、および第２電極２２６を備える。なお、以下では、熱電変換素子２２がｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４をそれぞれ複数備える例について説明するが、これに限定されない。熱電変換素子２２は、ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４をそれぞれ一つずつ備えていても良い。
【００４４】
本実施形態に係る熱電変換装置１０においては、一端２２１が高温側、他端２２２が低温側として温度差を生じさせることができる。熱電変換装置１０において、熱電変換素子１の一端２２１と他端２２２との間の温度差が大きいほど、大きな起電力が生じる。したがって、外部空間の熱を効率良く一端２２１に伝えると共に、他端２２２を効率良く冷却し、一端２２１と他端２２２との温度差を大きくすることが重要である。
【００４５】
ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４は当接部材２４の第１面２４１に平行な方向に交互に並んで配置されている。また、本実施形態に係るｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４は平面視で、すなわち第１面２４１について垂直上方向から見て（本図中で上から下方向を見て）、格子状に配列されている。
【００４６】
図５は、ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４の配列の例を示す図である。本図中、ｎ型熱電変換半導体２２３を白の四角形で表し、ｐ型熱電変換半導体２２４を黒の四角形で表す。ただし、熱電変換素子２２に含まれるｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４の数や配置は本図の例に限定されず、適宜設定可能である。
【００４７】
図４に戻り、本実施形態に係る熱電変換素子２２において、複数の第１電極２２５は熱電変換素子２２の一端２２１側に設けられ、複数の第２電極２２６は熱電変換素子２２の他端２２２側に設けられている。ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４はそれぞれ、その一端が第１電極２２５、他端が第２電極２２６に接合されている。そして、第１電極２２５および第２電極２２６は、隣り合うｎ型熱電変換半導体２２３とｐ型熱電変換半導体２２４とを電気的に接続している。こうして、ｎ型熱電変換半導体２２３とｐ型熱電変換半導体２２４は、第１電極２２５および第２電極２２６を介して交互に電気的に直列に接続されている。
【００４８】
直列に接続されたｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４のうち、電気的な両端を成す第２電極２２６ａ，２２６ｂには、それぞれ第１配線２６１および第２配線２６２が接続されている。すなわち、本図の例では、ｎ型熱電変換半導体２２３、ｐ型熱電変換半導体２２４、第１電極２２５、および第２電極２２６の連結帯を一つの回路としてみた場合に、一方の端部を第２電極２２６ａが、他方の端部を第２電極２２６ｂが構成している。第２電極２２６ａおよび第２電極２２６ｂにはそれぞれ一つの熱電変換半導体のみが接続されている。そして、第２電極２２６ａおよび第２電極２２６ｂにはそれぞれ第１配線２６１および第２配線２６２が接続されている。なお、電気的な両端のうち少なくとも一方は第１電極２２５であってもよい。
【００４９】
第１配線２６１および第２配線２６２はそれぞれ熱伝導部材２５を貫通して設けられた導入端子２２７と導入管２３とを介して封止部材２９の外部に導出される。なお、導入端子２２７を設ける位置は適宜設定することができる。
【００５０】
ｎ型熱電変換半導体２２３およびｐ型熱電変換半導体２２４を構成する熱電変換材料としては、Ｂｉ２Ｔｅ３系、ＰｂＴｅ系、ＧｅＴｅ−ＡｇＳｂＴｅ２系、ＳｉＧｅ系、Ｆｅ２Ｓｉ系、Ｚｎ４Ｓｂ３系、Ｂ４Ｃ系、スクッテルダイト構造及びフィルドスクッテルダイト構造を有するＲＥｘＭ４Ｓｂ１２（ＲＥは第１族のアルカリ元素、第２族のアルカリ土類元素、第３族の希土類元素、第４族元素、第１３族元素からなる群から選択された少なくとも一種類以上の元素であり、０＜ｘ≦１であり、ＭはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等のＦｅ族から選択された少なくとも一種以上の元素である）系材料、（Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ）ＮｉＳｎを代表とするハーフホイスラー系材料、ホイスラー系材料、クラスレート系材料、シリサイド系材料、テトラヘドライト系材料、酸化物系材料などが挙げられる。
【００５１】
第１電極２２５および第２電極２２６は、例えば、鉄系、チタン系、銅系、アルミニウム系等の金属材料により構成されている。
【００５２】
なお、熱電変換素子２２はさらに、拡散防止層やバリアメタル等を熱電変換材料と電極との間に備えてもよい。
【００５３】
本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は、絶縁部材２８をさらに備える。絶縁部材２８は、絶縁性と、たとえば配管３０よりも高い熱伝導性を有する部材である。絶縁部材２８を構成する材料としてはたとえばＡｌＮ、ＢＮ、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３、ＢｅＯ、ＭｇＯおよびＳｉＯ２が挙げられる。絶縁部材２８は熱電変換素子２２の一端２２１と凹部２９６の底面である第１面２４１との間、および熱電変換素子２２の他端２２２と熱伝導部材２５との間に設けられる。熱電変換モジュール２０が絶縁部材２８を備えることにより、熱電変換素子２２と当接部材２４および熱伝導部材２５とを電気的に絶縁し、熱電変換素子２２の両端に発生した電力を効率良く外部に取り出すことができる。なお、本図の例では、絶縁部材２８は熱電変換素子２２の一端２２１または他端２２２と接して設けられている。
【００５４】
なお、熱電変換モジュール２０は、高温側の絶縁部材２８と当接部材２４の間や低温側の絶縁部材２８と熱伝導部材２５の間に、密着性および熱伝導性を向上させるために、カーボンシートや高熱伝導性ゴムシート等の弾性部材および熱伝導グリースの少なくとも一方をさらに備えていてもよい。
【００５５】
また、図１では、熱電変換装置１０が流路３２の内側に突き出た板状のフィンを備えていない例を示したが、熱電変換装置１０はそのようなフィンを備えていても良い。ただし、流体から直接熱を集める配管３０の内壁面積を増やすため、熱電変換装置１０がフィンを備えないことが好ましい。ガスから固体への入熱量ｑはｑ＝ｈＡ（θｆ−θｗ）の式で表すことができる。ここで、ｈはガスの熱伝達率、Ａは集熱面積、θｆはガスの温度、θｗは固体の温度である。この式より、フィンから熱電変換素子２２への熱伝達が十分でなくフィンの先端部が高温になる場合、ガスとフィンとの温度差、すなわち（θｆ−θｗ）の値が小さくなり、集熱効率が低下することが分かる。
【００５６】
本実施形態に係る熱電変換装置１０によれば、以下の熱電変換方法が実現できる。すなわち、本熱電変換方法では一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子２２の一端２２１を、熱流体が通る流路３２を内側に有する配管３０の外面３０１に対向させる。ここで、配管３０が、一端２２１に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面における熱電変換素子２２側の管壁厚さｔ１が互いに異なる第１領域３０２および第２領域３０３を含むようにする。一端２２１に垂直かつ流路３２の延在方向に平行な断面において、第１領域３０２の熱電変換素子２２側の管壁の厚さｔ１１は、第２領域３０３の熱電変換素子２２側の管壁の厚さｔ１２よりも大きい。また、第１領域３０２は、少なくとも一部が一端２２１と対向している領域である。
【００５７】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、第１領域３０２の管壁は第２領域３０３の管壁よりも厚くなっており、第１領域３０２における管壁の厚さ方向に垂直な方向の熱抵抗が低くなっている。よって、第１領域３０２と対向する熱電変換素子２２の一端２２１は、流路３２のより広い範囲から集熱することができる。よって、熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる。
【００５８】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する断面図である。図７は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュール２０の拡大図である。本実施形態の熱電変換装置１０は、熱電変換素子２２、集熱部材２４４、および配管３０を備える。熱電変換素子２２は、一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する。配管３０は、熱流体が通る流路３２を内側に有する。熱電変換素子２２の一端２２１は、配管３０の外面３０１に対向している。集熱部材２４４は配管３０よりも熱伝導率が高い。また、集熱部材２４４は配管３０の外面３０１と熱電変換素子２２の一端２２１との間に位置し、かつ、熱電変換素子２２の一端２２１の全体を覆っている。以下に詳しく説明する。
【００５９】
本実施形態に係る熱電変換装置１０は、以下のような熱電変換モジュール２０を用いて実現できる。本熱電変換モジュール２０は、熱電変換素子２２、封止部材２９、および集熱部材２４４を備える。熱電変換素子２２は、一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する。封止部材２９は、熱電変換素子２２を封止する。集熱部材２４４は、熱電変換素子２２と封止部材２９との間に位置する。また、集熱部材２４４は、熱電変換素子２２の一端２２１の全体を覆う。
【００６０】
また、本実施形態に係る熱電変換モジュール２０において、たとえば集熱部材２４４の厚さｔ２は封止部材２９のうち一端２２１と対向する部分（配管３０の外面３０１に押し当てられる部分）の厚さｔ３よりも大きくなっている。また、たとえば集熱部材２４４の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、より好ましくは３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である。
【００６１】
本実施形態に係る熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、熱電変換素子２２の一端２２１に伝達される。そして一方、熱電変換素子２２の他端２２２を一端２２１よりも低温にすることで起電力が発生する。熱電変換装置１０は、集熱部材２４４を備えることにより、管壁のより広い領域から熱を集めて、効率良く熱電変換を行える。熱伝導率が高い集熱部材２４４では、配管３０の管壁の厚さ方向に垂直な方向の熱抵抗が低くなる。したがって、外面３０１のうち、集熱部材２４４と対向する広い範囲から熱電変換素子２２へ熱を集めることができる。その結果、熱流体の熱を効率良く熱電変換することができる。
【００６２】
図８は、配管３０、集熱部材２４４および熱電変換素子２２の一端２２１の位置関係を示す平面図である。本図は、図６で上から下を見た図に相当する。ただし、配管３０、集熱部材２４４および一端２２１以外の構成は省略している。また、一端２２１の輪郭を破線で示している。本図の例において、一端２２１に垂直な方向から見て、集熱部材２４４は一端２２１の全体を覆い、配管３０は集熱部材２４４の全体を覆っている。
【００６３】
本実施形態において熱電変換装置１０は熱電変換モジュール２０を含む。本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は、以下に説明する点を除いて第１の実施形態で説明した熱電変換モジュール２０と同じである。本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は、熱伝導部材２５の代わりに集熱部材２４４を備える。ただし、熱電変換モジュール２０は、熱伝導部材２５に加えて集熱部材２４４を備えても良い。
【００６４】
図６および図７を参照して本実施形態に係る熱電変換モジュール２０について説明する。本実施形態に係る熱電変換モジュール２０は熱電変換素子２２を含む。集熱部材２４４は第１面２４１と一端２２１との間に位置する。本実施形態に係る熱電変換装置１０において、流路３２を通る流体からの熱は、集熱部材２４４を介して熱電変換素子２２の一端２２１に伝達する。集熱部材２４４は一端２２１に垂直な方向から見て、第１面２４１の全体を覆っていることが好ましい。図６および図７の例では集熱部材２４４は第１面２４１および一端２２１に接触しているが、集熱部材２４４と第１面２４１との間、および集熱部材２４４と一端２２１との間のうち少なとも一方に熱伝導性を有する他の部材が挟まれていてもよい。集熱部材２４４は、熱電変換素子２２とは電気的に絶縁されている。
【００６５】
本実施形態において、熱電変換モジュール２０は封止部材２９を備え、封止部材２９は当接部材２４を含む。そして、集熱部材２４４は熱電変換素子２２と当接部材２４との間に位置する。言い換えると、集熱部材２４４は封止部材で封止されており、熱電変換素子２２と封止部材２９との間に位置する。
【００６６】
図６の例では、管壁のうち、流路３２と当接部材２４との間に位置する領域の厚さが、対抗しない領域のうち少なくとも一部の領域の厚さに比べて小さくなっているが、配管３０の管壁の厚さは特に限定されない。配管３０の管壁の厚さは配管３０の延在方向においておよそ一定であってよい。すなわち、特に集熱部材２４４や熱電変換素子２２と対向する領域で管壁の厚さが大きくなっていたり、小さくなっていたりする必要はない。ただし、集熱部材２４４と流路３２との間に位置する管壁の厚さをｔ４とし、配管３０のうち集熱部材２４４と流路３２との間に位置する部分の熱伝導率をλ１とし、集熱部材２４４の厚さをｔ２とし、集熱部材２４４の熱伝導率をλ２としたとき、λ２×ｔ２がλ１×ｔ４よりも大きくなっていることが好ましい。そうすれば、配管３０よりも集熱部材２４４において、一端２２１に平行な方向の熱抵抗を小さくすることができる。集熱部材２４４と流路３２との間に位置する管壁の厚さｔ４はたとえば２ｍｍ以上４０ｍｍ以下である。
【００６７】
配管３０はたとえば金属（合金を含む）であり、たとえばステンレス、鉄合金（鋼）、アルミ等である。配管３０の熱伝導率λ１はたとえば１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上２５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。集熱部材２４４はたとえば、銅、カーボン、アルミ、タングステン、鉄、金、銀、ニッケル、およびモリブデンのうち少なくともいずれかを含む。集熱部材２４４の熱伝導率λ２は特に限定されないが、上記したとおり３５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。また、集熱部材２４４の熱伝導率λ２は、流路３２と集熱部材２４４との間に位置する管壁の熱伝導率λ１よりも高い。
【００６８】
たとえば、配管３０がステンレスのように熱伝導率が比較的高い部材であり、熱電変換素子２２の一端２２１に対向する部分の管壁が薄い場合（たとえば２ｍｍ以下）、一端２２１に平行な方向の熱抵抗が比較的高くなるため、集熱部材２４４を設けることが特に効果的である。
【００６９】
本図に示す例において、集熱部材２４４の少なくとも一部は、配管３０の管壁に埋め込まれている。そうすることによって、配管３０の管壁の厚さ方向の熱抵抗を、集熱部材２４４に対向する領域において低減することができる。また、熱電変換装置１０の小型化を図ることができる。ただし、集熱部材２４４は配管３０の管壁に埋め込まれていなくても良い。
【００７０】
当接部材２４はたとえばステンレス、銅、アルミ、またはこれらのうち少なくともいずれかの合金である。また、当接部材２４のうち集熱部材２４４と配管３０の外面３０１との間に位置する部分の熱伝導率λ３も、管壁の熱伝導率λ１より高いことがより好ましい。
【００７１】
本実施形態の熱電変換モジュール２０において、当接部材２４の凹部２９６内に集熱部材２４４および熱電変換素子２２が配置され、凹部２９６の開口が第２部材２９２に覆われることによって、封止部材２９の内部に集熱部材２４４と熱電変換素子２２が封止されている。また、熱電変換素子２２の他端２２２と第２部材２９２との間には絶縁部材（不図示）が設けられている。熱電変換素子２２は集熱部材２４４と第２部材２９２との間に位置している。なお、集熱部材２４４は、スペーサーとしても機能しうる。すなわち、封止部材２９の内部に集熱部材２４４が備えられていることにより、封止部材２９の厚みをある程度確保することができ、封止部材２９の熱変形が各部材間の熱伝達に及ぼす影響を緩和することができる。
【００７２】
集熱部材２４４の厚さｔ２は特に限定されないが、たとえば２ｍｍ以上である。また、流路３２の延在方向に垂直な断面における集熱部材２４４の断面積は特に限定されないがたとえば２０ｍｍ２以上である。
【００７３】
流路３２のより広い範囲から熱を集めるためには、図６に示すように、一端２２１は全体が集熱部材２４４と対向していることが好ましい。また、集熱部材２４４は全体が外面３０１と対向していることが好ましい。また、一端２２１に垂直な断面（特に流路３２の延在方向に垂直な断面）（図６に相当）において、集熱部材２４４の一端２２１に平行な方向の長さＬ５は、一端２２１の長さＬ２の１．２倍以上であることが好ましい。また、集熱部材２４４の外面３０１と対向する面の面積は、一端２２１の面積の１．２倍以上であることが好ましい。また、一端２２１に平行な方向において、熱電変換素子２２の端と、集熱部材２４４の端との距離Ｌ６は、５ｍｍ以上であることが好ましい。一方、熱電変換モジュール２０の過剰な大型化を避けるため、集熱部材２４４の外面３０１と対向する面の面積は、一端２２１の面積の５倍以下であることが好ましい。
【００７４】
なお、図６では熱電変換装置１０が複数の熱電変換モジュール２０を備える例を示しているが、熱電変換装置１０は熱電変換モジュール２０を一つのみ備えていても良い。また、本図では配管３０を挟んで対向する複数の熱電変換モジュール２０を熱電変換装置１０が備える例を示しているが、熱電変換装置１０は、配管３０の延在方向に並ぶ複数の熱電変換モジュール２０を備えていても良い。
【００７５】
また、図６では、熱電変換装置１０が流路３２の内側に突き出た板状のフィンを備えていない例を示したが、熱電変換装置１０はそのようなフィンを備えていても良い。ただし、流体から直接熱を集める配管３０の内壁面積を増やすため、熱電変換装置１０がフィンを備えないことが好ましい。
【００７６】
また、図６および図７では、集熱部材２４４が当接部材２４とは別途設けられている例を示したが、当接部材２４は集熱部材２４４を兼ねても良い。すなわち、当接部材２４のうち、配管３０の外面３０１に押し当てる部分を集熱部材２４４としても良い。その場合、当接部材２４の熱伝導率λ３を配管３０の熱伝導率λ１よりも高くすればよい。また、当接部材２４のうち、配管３０の外面３０１に押し当てる部分の厚さｔ３を集熱部材２４４と流路３２との間に位置する管壁の厚さをｔ４よりも大きくしても良い。λ３×ｔ３がλ１×ｔ４がよりも大きくなっていることが好ましい。
【００７７】
本実施形態に係る熱電変換装置１０によれば、以下の熱電変換方法が実現できる。すなわち、本方法では、一端２２１と他端２２２の間の温度差に起因して電力を発生する熱電変換素子２２の一端２２１を、熱流体が通る流路３２を内側に有する配管３０の外面３０１に対向させる。そして外面３０１と一端２２１との間には、熱電変換素子２２の一端２２１の全体を覆い、かつ配管３０よりも熱伝導率が高い集熱部材２４４を配置する。
【００７８】
次に、本実施形態の作用および効果について説明する。本実施形態によれば、配管３０と熱電変換素子２２の間には熱伝導率の高い集熱部材２４４が位置しており、集熱部材２４４における管壁の厚さ方向に垂直な方向の熱抵抗が低くなっている。よって、集熱部材２４４と対向する熱電変換素子２２の一端２２１は、流路３２のより広い範囲から集熱することができる。よって、熱流体から電気エネルギーを効率良く取り出すことができる。
【００７９】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る熱電変換装置１０の構成を例示する断面図である。本実施形態に係る熱電変換装置１０は、以下に説明する点を除いて第２の実施形態に係る熱電変換装置１０と同じである。
【００８０】
本実施形態において、集熱部材２４４は封止部材２９と配管３０の間に位置する。すなわち、集熱部材２４４は封止部材２９には封止されておらず、当接部材２４と配管３０の外面３０１との間に位置する。本図の例において、集熱部材２４４は配管３０の外面３０１および当接部材２４の第２面２４２と接している。
【００８１】
本実施形態において集熱部材２４４の外面３０１に対向する面の面積は当接部材２４の第２面２４２の面積よりも大きくできる。よって、集熱面積をより大きくすることができる。
【００８２】
本図の例において熱電変換モジュール２０は第１の実施形態における熱電変換モジュール２０と同様の構成を有しているが、第２の実施形態に係る熱電変換モジュール２０と同様の構成を有していてもよい。
【００８３】
また、配管３０の管壁の厚さ、および配管３０の内径は特に限定されない。本図の例において、配管３０の管壁の厚さおよび配管３０の内径は集熱部材２４４と対向する領域において、対抗しない領域と同じである。ただし、熱電変換装置１０は、第１の実施形態の図１に示したような、管壁の厚さが一定ではない配管３０を備えていても良い。
【００８４】
本実施形態においても、第２の実施形態と同様の作用及び効果が得られる。
【実施例】
【００８５】
以下、本実施形態を、実施例を参照して詳細に説明する。なお、本実施形態は、これらの実施例の記載に何ら限定されるものではない。
【００８６】
図１０（ａ）は、実施例の熱電変換装置の構成を示す断面図である。また、図１０（ｂ）は、比較例の熱電変換装置の構成を示す断面図である。実施例の熱電変換装置では、図１０（ａ）に示す様に、ステンレスパイプ５１と熱電変換素子５３との間にカーボンプレート５２を配置した。比較例の熱電変換装置は、カーボンプレート５２を用いなかった点を除いて、実施例と同様の構成とした。
【００８７】
実施例及び比較例において、熱電変換素子５３は第１の実施形態で説明した熱電変換素子２２と同様の構成のものを用いた。熱電変換素子５３においては、１５対の熱電変換材料が電気的に直列接続されていた。そして、熱電変換素子５３とカーボンプレート５２の間、および熱電変換素子５３と水冷板５４の間には、絶縁部材（不図示）を配置し、熱電変換素子５３とカーボンプレート５２の間、および熱電変換素子５３と水冷板５４の間を電気的に絶縁した。カーボンプレート５２としては７５ｍｍ角、厚さ５ｍｍのカーボン製の板部材を用いた。カーボンプレート５２の熱伝導率はステンレスパイプ５１の熱伝導率よりも高く、カーボンプレート５２の厚さはステンレスパイプ５１の厚さより大きかった。ステンレスパイプ５１の内部の流路の断面（流路の延在方向に垂直な断面）は矩形であり、一端５３１に垂直な方向の高さが２７ｍｍ、一端５３１に平行な方向の幅が７５ｍｍであった。
【００８８】
ステンレスパイプ５１にはヒートガンを用いて本図中白矢印の様に約３７０℃のガスを流し、熱電変換素子５３の一端５３１を加熱した。一方、水冷板５４の内部に冷却水を流して熱電変換素子５３の他端５３２を冷却した。そして、一端５３１の温度を測定したところ、図１１に示す結果を得た。図１１は、実施例及び比較例における、流路を流れるガス温度とモジュール温度との関係を示す図である。なお、ガス温度は、パイプ内の４ヶ所で測定した温度の平均値を示している。モジュール温度は、一端５３１の温度を示している。本図に示すように、集熱部材としてカーボンプレート５２を備えた実施例の熱電変換装置において、集熱部材を備えなかった比較例の熱電変換装置よりも一端５３１の温度が高かった。すなわち、比較例よりも実施例において、熱流体から熱電変換素子５３への集熱効率が高いことが確かめられ、また、効率良く電気エネルギーを取り出せることが確かめられた。これは、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）中、実線矢印で示す様に、比較例よりも実施例においてステンレスパイプ５１の広い範囲から熱を集めることができたためと考えられる。
【００８９】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００９０】
１０  熱電変換装置
２０  熱電変換モジュール
２１  冷却手段
２２  熱電変換素子
２２ａ  第１の熱電変換素子
２２ｂ  第２の熱電変換素子
２３  導入管
２４  当接部材
２５  熱伝導部材
２６  排気管
２７  支持部材
２８  絶縁部材
２９  封止部材
３０，３０ａ，３０ｂ  配管
３２  流路
５１  ステンレスパイプ
５２  カーボンプレート
５３  熱電変換素子
５４  水冷板
２１１  冷却媒体用配管
２２１，５３１  一端
２２２，５３２  他端
２２３  ｎ型熱電変換半導体
２２４  ｐ型熱電変換半導体
２２５  第１電極
２２６  第２電極
２２７  導入端子
２４１  第１面
２４２  第２面
２４４  集熱部材
２５１  固定部材
２６１  第１配線
２６２  第２配線
２９１  第１部材
２９２  第２部材
２９３  フランジ
２９４  ガスケット
２９５  ボルト
２９６  凹部
３０１  外面
３０２，３０２ａ，３０２ｂ  第１領域
３０３，３０３ａ，３０３ｂ  第２領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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