(57)【要約】【課題】熱と電気とを効率よく変換させることができる熱電変換装置を提供することを目的とする。【解決手段】複数の第１電極７と、一方の端部が第１電極７と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子５，６と、熱電変換素子５，６の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極８と、第１電極７に接続される高温媒体通路２と、第２電極８に接続される低温媒体通路３と、を備える熱電変換装置１であって、高温媒体通路２及び低温媒体通路３の何れか一方の通路には、第１電極７又は第２電極８と接続される部分に位置させて内部に複数のバネ１５が配置され、１つのバネ１５は、１つの熱電変換素子５，６を付勢するように配置されており、一方の通路は、第１電極７又は第２電極８と接続される部分に１つのバネ１５の付勢力を１つの熱電変換素子５，６に伝達可能な伝達部１４を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１電極と、
一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、
該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極と、
前記第１電極に接続される高温媒体通路と、
前記第２電極に接続される低温媒体通路と、
を備える熱電変換装置であって、
前記高温媒体通路及び前記低温媒体通路の何れか一方の通路の内部には、前記第１電極又は前記第２電極と接続される部分に位置させて複数のバネが配置され、
１つの前記バネは、１つの前記熱電変換素子を付勢するように配置されており、
前記一方の通路は、前記第１電極又は前記第２電極と接続される部分に１つの前記バネの付勢力を１つの前記熱電変換素子に伝達可能な伝達部を備えることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換装置であって、
前記複数のバネは、一枚の金属板を前記熱電変換素子に対応する位置において複数個所で切り起こして形成されていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の熱電変換装置であって、
１枚の金属板から切り起こされた前記複数のバネは、その板厚方向が、前記一方の通路を通過する媒体の流路方向に対して直交するように前記一方の通路内に配置されていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の熱電変換装置であって、
前記一方の通路は、前記低温媒体通路であることを特徴とする熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼーベック効果を用いて発電を行ったり、又は、ペルチェ効果を用いて冷却や加熱を行う熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、両端部に電極を夫々有する複数の熱電変換素子を、基部上に配置した熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の熱電変換モジュールは、ｎ形の熱電変換素子とｐ形の熱電変換素子との２種類の熱電変換素子を交互に配置して電気的に直列に接続した所謂π型の熱電変換モジュールで構成される。
【０００４】
特許文献１の熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールの高温側を、断熱材で覆われた抵抗加熱炉内の加熱室に対して非接触とされ、熱電変換モジュールの高温側では、加熱室からの放射伝熱を受ける構造としている。従って、特許文献１の熱電変換モジュールでは、高温側の絶縁体としての基部が省略されている。なお、熱電変換モジュールの高温側を抵抗加熱炉内の加熱室に接触させる場合には、絶縁体で構成される基部を設けることとなる。
【０００５】
また、ｎ形又はｐ形の何れか一方の熱電変換素子の１種類だけで構成される所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
特許文献２の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の一方の電極と、隣接する熱電変換素子の他方の電極とを一体的に且つ電気的に直列に接続する接続部を有しており、２つの電極と接続部とによりＵ字状のコネクタを構成している。このＵ字状のコネクタは金属板を折り曲げて形成されている。熱電変換モジュールを製造するときには、このＵ字状のコネクタを基部に予め複数固定させておく。そして、熱電変換素子は、このＵ字状のコネクタに横から押し込まれるようにして２つの電極の間に挿入され、コネクタと接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４８３４９８６号公報
【特許文献２】特開２００９−１７６９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱電変換モジュールで効率的に熱エネルギーと電気エネルギーとを変換させるべく、熱電変換モジュールに高温媒体通路と低温媒体通路とを接触させて熱電変換装置を構成することが考えられる。この熱電変換装置においては、熱電変換モジュールを高温媒体通路と低温媒体通路とにしっかりと密着接続させることが熱と電気とを適切に変換させる上で重要となる。しかしながら、従来の熱電変換モジュールにおいては、個々の部品の寸法誤差、熱電変換素子ごとの熱膨張の差や組立て時のロウ付けによる実質的な熱電変換素子の高さのバラツキなどによって、一部の熱電変換素子では、適切に高温媒体通路又は低温媒体通路との間で熱を伝達させることができず、効率よく熱エネルギーと電気エネルギーとを変換させることが困難であった。また、個々の部品の寸法誤差、組立て時のロウ付けによる実質的な高さ寸法のバラつきによって、バネの加圧方向に対して熱電変換素子の高さ寸法が大きくなる箇所に応力が集中したり、熱電変換素子毎の熱膨張差により熱電変換素子の接続部への応力過多により熱電変換モジュールが破損する虞がある。
【０００９】
本発明は、以上の点に鑑み、効率よく熱と電気とを変換することができ、かつ耐久性の高いる熱電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
［１］上記目的を達成するため、本発明は、
複数の第１電極（例えば、実施形態の第１電極７。以下同一。）と、
一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子（例えば、実施形態の熱電変換素子５，６。以下同一。）と、
該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極（例えば、実施形態の第２電極８。以下同一。）と、
前記第１電極に接続される高温媒体通路（例えば、実施形態の高温媒体通路２。以下同一。）と、
前記第２電極に接続される低温媒体通路（例えば、実施形態の低温媒体通路３。以下同一。）と、
を備える熱電変換装置（例えば、実施形態の熱電変換装置１。以下同一。）であって、
前記高温媒体通路及び前記低温媒体通路の何れか一方の通路の内部には、前記第１電極又は前記第２電極と接続される部分に位置させて複数のバネ（例えば、実施形態のバネ１５。以下同一。）が配置され、
１つの前記バネは、１つの前記熱電変換素子を付勢するように配置されており、
前記一方の通路は、前記第１電極又は前記第２電極と接続される部分に１つの前記バネの付勢力を１つの前記熱電変換素子に伝達可能な伝達部（例えば、実施形態の伝達部１４。以下同一。）を備えることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、１つのバネが１つの熱電変換素子を付勢するため、熱膨張の差などによる熱電変換素子の高さのバラツキをバネで吸収して、各熱電変換素子を高温媒体通路及び冷却媒体通路との間にしっかりと接続させることができ、熱エネルギーと電気エネルギーとを効率よく変換させることができる。
【００１２】
［２］また、本発明においては、前記複数のバネは、一枚の金属板を前記熱電変換素子に対応する位置において複数個所で切り起こして形成されていることが好ましい。
【００１３】
かかる構成によれば、複数のバネを１つの部品とすることができ、各熱電変換素子の位置に併せてバネを配置する手間を省くことにより、熱電変換装置の製造が容易となる。
【００１４】
［３］また、本発明においては、１枚の金属板から切り起こされた前記複数のバネは、その板厚方向が、前記一方の通路を通過する媒体の流路方向に対して直交するように前記一方の通路内に配置されていることが好ましい。かかる構成によれば、複数のバネが媒体の通過抵抗となることを抑制することができる。
【００１５】
［４］また、本発明においては、一方の通路は低温媒体通路であることが好ましい。高温媒体通路には高温の媒体が流れるため、高温媒体通路内にバネを配置した場合、流れる媒体の温度によっては、適切なバネ特性が得られなくなる虞がある。そこで、上述の如く、一方の通路を低温媒体通路とし、低温媒体通路内に複数のバネを配置すれば、バネが高温の媒体に接触することがなく、所望のバネ特性を維持させて、高温媒体を用いる場合であっても、バネで熱電変換素子の高さのバラツキを吸収しつつ、しっかりと押さえることができ、適切に熱エネルギーと電気エネルギーとを変換させることができる。
【００１６】
［５］また、本発明においては、低温媒体通路と、及び、バネの付勢力を熱電変換素子に伝える伝達部とを、金属で構成する場合には、伝達部を、低温媒体通路を構成する部材よりも、厚みを薄く構成することが好ましい。
【００１７】
伝達部を低温媒体通路の材質よりも軟らかい素材で形成した場合には、伝達部が低温媒体通路よりも厚くても１つのバネの付勢力を１つの熱電変換素子のみに伝達できるように構成することが可能である。
【００１８】
しかしながら、伝達部と低温媒体通路とを何れも金属で形成する場合には、伝達部の厚みを、低温媒体通路を構成する金属板の板厚よりも大きくすると、伝達部が熱電変換素子の熱膨張やバラつきに追従できなくなり、バネによって熱電変換素子の熱膨張などの高さバラつきを吸収できなくなる虞がある。
【００１９】
そこで、上述の如く、熱電変換素子と、低温媒体通路との間に熱電変換素子の高さバラつきに追従できるように、伝達部を低温媒体通路の板厚よりも薄く構成することにより、バネで熱電変換素子の高さバラつきを吸収しつつ、しっかりと押さえることができ、適切に熱エネルギーと電気エネルギーとを変換させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態の熱電変換装置を一部切欠いて示す斜視図。
【図２】本実施形態の熱電変換装置を示す断面図。
【図３】本実施形態の複数のバネを示す斜視図。
【図４】他の実施形態のバネの形状を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図を参照して、本発明の熱電変換装置の実施形態を説明する。図１に示すように、本実施形態の熱電変換装置１は、自動車に取り付けられるものであり、自動車の内燃機関から排出される排気ガスが通過する板状の高温媒体通路２と、内燃機関を冷却する冷却水が流れる板状の低温媒体通路３と、高温媒体通路２と低温媒体通路３との間に挟まれるようにして配置された熱電変換モジュール４とを備える。
【００２２】
高温媒体通路２には、排気ガスが入り込む高温媒体供給口２ａと、排気ガスが排出される高温媒体排出口２ｂとが設けられている。低温媒体通路３には、冷却水が供給される低温媒体供給口３ａと、冷却水が排出される低温媒体排出口３ｂとが設けられている。
【００２３】
本実施形態の熱電変換装置１では、１つの高温媒体通路２を挟むように２つの低温媒体通路３が配置されており、１つの低温媒体供給口３ａから２つの低温媒体通路３へ低温媒体としての冷却水が供給され、１つの低温媒体排出口３ｂから２つの低温媒体通路３内を通過した冷却水が排出される。なお、高温媒体通路２も同様にして複数設けてもよい。また、低温媒体通路３も２つに限らず、１つでも３つ以上であってもよい。
【００２４】
図２に示すように、熱電変換モジュール４は、ｎ形の熱電変換素子５と、ｐ形の熱電変換素子６と、第１電極７と、第２電極８と、を備える。本実施形態の熱電変換モジュール４では、一般的にｐ形の熱電変換素子６はｎ形の熱電変換素子５に比べて電気抵抗が大きいため、並列に２つ接続したｐ形の熱電変換素子６に対して、１つのｎ形の熱電変換素子５が直列に接続されるように、一組のｐ形の熱電変換素子６と１つのｎ形の熱電変換素子５とが交互に配置されている。
【００２５】
第１電極７は、熱電変換素子５，６の一方の端部に電気的に接続されている。また、第１電極７は、板状の絶縁体９を介して、高温媒体通路２にロウ付けや熱硬化性ペーストなどで固定されている。第２電極８は、熱電変換素子５，６の他方の端部に電気的に接続されている。また、第２電極８は、板状の絶縁体９を介して、低温媒体通路３に接触させているが、ロウ付けなどによる固定はされていない。第２電極８と絶縁体９との間には、熱の伝達を向上させるためにグリスなどの熱伝達部材を介在させることが好ましい。絶縁体９は熱電変換素子５，６ごとに対応する電極７，８にロウ付けなどで固定されている。
【００２６】
１つの電極７，８には、２つのｐ形の熱電変換素子６と１つのｎ形の熱電変換素子５の合計３つの熱電変換素子の端部が夫々接続される。そして、電極７，８には、接続される熱電変換素子５，６の間に位置させて屈曲部７ａ，８ａが夫々設けられている。即ち、１つの電極７，８には、２つの屈曲部７ａ，８ａが設けられることとなる。この屈曲部７ａ，８ａにより、隣接する熱電変換素子５，６の間の熱膨張の差により熱電変換素子５，６の高さにバラツキが生じても、このバラツキを屈曲部７ａ，８ａで吸収して、電極７，８が熱電変換素子５，６から剥がれることを防止することができる。なお、屈曲部７ａ，８ａは、熱電変換素子５，６側に突出するように設けられている。これにより、屈曲部７ａ，８ａが邪魔して絶縁体９と高温媒体通路２及び低温媒体通路３とが適切に接触できなくなることを防止するとともに、熱電変換素子５，６を接合する際に位置決めとしても機能する。
【００２７】
高温媒体通路２は、２つの金属板１０，１０を、間隔を存した状態で重ね合わせるようにして構成されている。２つの金属板１０，１０の間に熱伝導性向上部材としてコルゲートフィン１１を配置して構成されている。コルゲートフィン１１を配置することによって、高温媒体通路２内を流れる排気ガスの熱を効率よく熱電変換素子５，６へ伝達させることができる。
【００２８】
低温媒体通路３は、２つの金属板１２，１２を、間隔を存した状態で重ね合わせるようにして構成されている。この２つの金属板１２，１２の間の空間に低温媒体としての冷却水が流れるようにして構成される。２つの金属板１２，１２のうち熱電変換モジュール４側の金属板１２には、矩形状の切欠孔１３が設けられており、この金属板１２には、切欠孔１３を覆うようにアルミニウム製の薄い板状（箔状、シート状）の伝達部１４が設けられている。伝達部１４は、金属製の低温媒体通路３の板厚よりも薄く形成されている。また、低温媒体通路３内には、バネ１５が配置されている。なお、伝達部１４の材質はアルミニウムに限らず、熱電変換素子５，６の高さ変化に追従し、バネ１５の付勢力を熱電変換素子５，６へ個別に伝達することできれば他の材料を用いてもよい。
【００２９】
図３に示すように、バネ１５は１枚の金属板１６を熱電変換素子５，６に対応する位置で切り起こして断面Ｚ字状に形成されたものである。矢印は冷却水の流れる方向を示している。１枚の金属板１６から複数のバネ１５を切り起こして形成することにより、バネを一つずつ熱電変換素子５，６の位置に合せて配置する必要がなく組立てが容易となる。
【００３０】
バネ１５は、１枚の金属板から切り起こされて上方へ傾斜して延びる傾斜部１６ａと、傾斜部１６ａの先端に接続され、１枚の金属板１６と平行に伸び、伝達部１４及び絶縁体９、第２電極８を介して熱電変換素子５，６を押圧する押圧部１６ｂとで構成される。第２電極８にロウ付けで固定された絶縁体９は、伝達部１４にはロウ付けされず伝達部１４には固定されていない。
【００３１】
したがって、熱電変換素子５，６の第２電極８側は、バネ１５の付勢力で付勢されて伝達部１４と接触しているのみであり、熱電変換素子５，６が熱膨張により変形したときであっても、熱電変換素子５，６の低温媒体通路３側が自由端となるため、熱電変換素子５，６に応力集中などで無理な力が加わることを抑制させることができる。また、バネ１５はその傾斜部１６ａや押圧部１６ｂの板厚方向が低温媒体通路３内を流れる冷却水の流れる方向に対して直交するように、バネ１５が低温媒体通路３内に配置されている。これにより、複数のバネ１５が低温媒体としての冷却水の通過抵抗となることを抑制することができる。
【００３２】
また、バネ１５が低温媒体通路３内に配置されていることにより、バネ１５自体が冷却フィンとしても機能し、熱電変換素子５，６の両端での温度差を維持しやすくすることができると共に、バネと冷却フィンとを個別に設ける場合と比較して、部品点数を削減することができ、熱電変換装置１の小型化を図ることができる。
【００３３】
なお、バネ１５の形状は図３のものに限らず、例えば、図４に他の実施例として示すように、Ｚ字状の中央の傾斜部１６ａに更に上方へ切り出されるようにして断面台形状に突出した突部１７を設け、この突部１７によって表面積が増えるようにバネ１５を形成してもよい。図４のバネ１５によれば、更に熱伝導性（放熱性）のよいバネ１５を提供することができる。
【００３４】
なお、バネ１５の形状は所定の付勢力を得ることができ、低温媒体の流れを著しく妨げることのない形状であれば、Ｚ字状でなく、他の形状であってもよい。
【００３５】
ここで、熱電変換素子５，６は、ｎ形又はｐ形などの熱電変換素子の材質の違いによる熱膨張係数の差、又は、熱電変換素子５，６に電極７，８をロウ付けする際のロウ付けの厚さの差による熱電変換素子５，６ごとの高さのバラツキ、又は高温媒体の上流と下流とによる温度差による熱電変換素子５，６の熱膨張の差、熱電変換素子５，６の表面粗さの差、などによって、電極７，８を含めた熱電変換素子５，６の実質的な高さが個々に異なる場合がある。そして、従来の熱電変換モジュールでは、実質的な高さの高い一部の熱電変換素子にのみ熱エネルギーと電気エネルギーとの変換が行われ、他の熱電変換素子では、適切な変換が行われない虞がある。
【００３６】
これに対し、本実施形態の熱電変換装置１によれば、１つのバネ１５が１つの熱電変換素子５，６を押圧して付勢するため、熱膨張の差やロウ付け等による熱電変換素子５，６の高さのバラツキをバネ１５で吸収しつつ、各熱電変換素子５，６を電極７，８、絶縁体９、伝達部１４、金属板１０を介して高温媒体通路２と低温媒体通路３とにしっかりと接続させることができ、熱エネルギーから電力を効率よく取り出すことができる。
【００３７】
また、複数のバネ１５を１つの金属板１６を切り起こして構成することによって１つの部品とすることができ、各熱電変換素子５，６の位置に併せてバネ１５を１つずつ配置する手間を省くことにより、熱電変換装置１の製造が容易となる。
【００３８】
また、本実施形態においては、「一方の通路」を低温媒体通路３とし、低温媒体通路３内にバネ１５を配置している。仮に、高温媒体通路２内にバネ１５を配置するとなると、高温媒体通路２には高温の媒体が流れるため、流れる媒体（排気ガス）の温度やバネ１５の材質によっては、バネ１５の適切なバネ特性が得られず、バネ１５で熱電変換素子５，６をしっかりと付勢することができなくなる虞がある。そこで、本実施形態の如く、「一方の通路」を低温媒体通路３とし、低温媒体通路３内に複数のバネ１５を配置すれば、バネ１５が高温の媒体に接触することがなく、バネ１５の所望のバネ特性を維持させて、熱電変換素子５，６に適切な付勢力を加えることができる。
【００３９】
なお、本実施形態においては、熱電変換素子としてｎ形及びｐ形の両方を用いた所謂π形の熱電変換モジュールを説明した。しかしながら、本発明の熱電変換素子は、所謂π形の熱電変換モジュールに限らず、例えば、ｎ形の熱電変換素子だけで熱電変換モジュールを構成して隣接するｎ形の熱電変換素子同士を第１電極と第２電極とを接続する接続部材で接続させた所謂ユニレグ形の熱電変換モジュールであっても本発明の作用効果を得ることができる。
【００４０】
また、本実施形態の高温媒体通路２では、内部に熱伝導性向上部材として、コルゲートフィン１１を設けたものを説明したが、熱伝導性向上部材はコルゲートフィン１１に限らない。
【符号の説明】
【００４１】
１  熱電変換装置
２  高温媒体通路
２ａ  高温媒体供給口
２ｂ  高温媒体排出口
３  低温媒体通路
３ａ  低温媒体供給口
３ｂ  低温媒体排出口
４  熱電変換モジュール
５  ｎ形の熱電変換素子
６  ｐ形の熱電変換素子
７  第１電極
７ａ  屈曲部
８  第２電極
８ａ  屈曲部
９  絶縁体
１０  金属板
１１  コルゲートフィン
１２  金属板
１３  切欠孔
１４  伝達部
１５  バネ
１６  金属板
１６ａ  傾斜部
１６ｂ  押圧部
１７  突部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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