(57)【要約】【課題】素子全体における構造の簡素化、ひいてはその製造工程の簡略化を図ることのできる熱電変換素子を提供する。【解決手段】熱電変換素子１５は、スクッテルダイト型結晶構造を有する熱電材料１６と、熱電材料１６を挟んで対向するように配設される一対の永久磁石１７，１８と、永久磁石１７，１８により生じる磁界Ｂ２の方向と直交する方向の温度勾配ΔＴ３を熱電材料１６に生じせしめる手段と、磁界Ｂ２の方向及び温度勾配ΔＴ３の方向にそれぞれ直交する周方向ｎにおいて離間して熱電材料１６に配設される一対の電極１９，２０とを備える。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スクッテルダイト型結晶構造を有する熱電材料と、
当該熱電材料を挟んで対向するように配設される一対の永久磁石と、
当該永久磁石により生じる磁界方向と交わる方向の温度勾配を前記熱電材料に生じせしめる手段と、
前記磁界方向及び温度勾配の方向にそれぞれ交わる方向において離間して前記熱電材料に配設される一対の電極とを備える
熱電変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電変換素子において、
前記一対の電極は前記磁界方向に交わる方向における前記熱電材料の各側面に配設される
ことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱電変換素子において、
前記一対の電極は前記温度勾配の方向に離間して前記熱電材料に配設される
ことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換素子において、
前記熱電材料はＣｏＳｂ３を含む
ことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換素子において、
前記熱電材料は有端円筒状に形成されてなる
ことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電変換素子を具備し、
前記熱電材料はその温度勾配が生じる方向における側面が内燃機関の排気管の外周面に接触するように配設される
内燃機関の排気熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネルンスト効果、並びに同ネルンスト効果とゼーベック効果とを併せて利用する熱電変換素子及びこれを具備する内燃機関の排気熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱エネルギを電気エネルギに変換するためのデバイスとしてゼーベック効果を利用した熱電変換素子が知られている。ここでゼーベック効果とは、半導体の両端に温度差を与えると、高温側の端部と低温側の端部との間に生じる電子の移動により半導体の両端に電位差が生じる現象である。
【０００３】
このような素子としては、例えばｎ型熱電半導体及びｐ型熱電半導体の２種類の半導体から構成される素子がある。図６に示されるように、この素子は、ｎ型半導体からなるｎ型熱電材料１００とｐ型半導体からなるｐ型熱電材料１０１とからなる。そして、ｎ型熱電材料１００の一端１００ａとｐ型熱電材料１０１の一端１０１ａとが集熱電極板１０２を介して連結されるとともに、両熱電材料１００，１０１の他端１００ｂ，１０１ｂにはそれぞれ放熱電極板１０３，１０４が取り付けられている。この素子では、熱源からの熱により集熱電極板１０２が加熱されると、同集熱電極板１０２からｎ型熱電材料１００及びｐ型熱電材料１０１を介して放熱電極板１０３，１０４に伝達された熱が同放熱電極板１０３，１０４で放熱される。このとき、上記ゼーベック効果により、ｎ型熱電材料１００の放熱電極板１０３には負の電位が生じるとともに、ｐ型熱電材料１０１の放熱電極板１０４には正の電位が生じ、これら電極板１０３，１０４間における発生電圧を電力として取り出すことができる。
【０００４】
一方、近年は、熱電変換素子における発電電圧や発電効率といった電気特性を向上させるべく、例えば特許文献１に記載される熱電変換素子が周知である。この素子は、図７に示されるように、ｎ型熱電材料１１０とｐ型熱電材料１１１とが集熱電極板１１２を介して接合されたΠ型構造を基本素子とし、放熱電極板１１３を介して複数の基本素子を直列的に連結した構造からなる。このように複数の基本素子を放熱電極板１１３を介して直列的に連結することにより、ｎ型熱電材料１１０及びｐ型熱電材料１１１の総数が増加するため、素子の電気特性を向上させることができる。さらに、この素子では、ｎ型熱電材料１１０及びｐ型熱電材料１１１を平面状に配設することができるため、素子の全体構造を薄型にすることができる。
【特許文献１】特開２００４−０１４９９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１に記載されるような熱電変換素子のように、複数の基本素子を放熱電極板を介して直列的に連結した構造を採用すると、以下のような問題が無視できないものとなる。
【０００６】
すなわち、素子全体における構造が複雑になり、これを製造するための工程についてもその複雑化を招くこととなる。特に、流体管等、外周が曲面を有するものに特許文献１に記載の素子を配設しようとした場合にこうした傾向は顕著となる。すなわち、図８に示されるように、外周が曲成された部材１２０の外周に熱電変換素子１２１を配設しようとすると、同素子の熱電材料及び電極を同部材１２０の外周形状に合わせてそれぞれ加工する必要があるため、上記素子を製造するための工程が更に複雑になる。
【０００７】
本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子全体における構造の簡素化、ひいてはその製造工程の簡略化を図ることのできる熱電変換素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、スクッテルダイト型結晶構造を有する熱電材料と、当該熱電材料を挟んで対向するように配設される一対の永久磁石と、当該永久磁石により生じる磁界方向と交わる方向の温度勾配を前記熱電材料に生じせしめる手段と、前記磁界方向及び温度勾配の方向にそれぞれ交わる方向において離間して前記熱電材料に配設される一対の電極とを備えることを要旨としている。
【０００９】
同構成によれば、ネルンスト効果を利用し、磁界方向及び温度勾配の方向に交わる方向における熱電材料及び永久磁石の長さを長くすることにより各電極間に発生する電圧を大きくすることができる。またここで、熱電材料を磁場中におくと同熱電材料の電気特性に変化が生じるが、この変化に対しては、熱電材料の有する電子よりもホールの方が影響を与え易い。したがって、高いホール移動度を有する熱電材料ほど高いネルンスト効果を得ることができる。この点、上記構成によれば、熱電材料としてホール移動度が電子移動度よりも高いスクッテルダイト型結晶構造を有するものを採用するようにしているため、上記ネルンスト効果を高めることができ、発電電圧の更なる増大を図ることができるようになる。その結果、熱電材料を含めた素子を複数に分割することにより発生電圧を大きくさせるようにした構成と比較して、素子全体における構造の簡素化、ひいてはその製造工程の簡略化を図ることができるようになる。なおこの場合、一対の電極は磁界方向及び温度勾配の方向にそれぞれ交わる方向において離間配置されていればよいが、これら電極を磁界方向及び温度勾配の方向にそれぞれ直交する方向に離間配置するのがネルンスト効果を高める上で望ましい。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の熱電変換素子において、前記一対の電極は前記磁界方向に交わる方向における前記熱電材料の各側面に配設されることを要旨としている。
【００１１】
同構成によれば、各電極を極力離間させることができるため、ネルンスト効果により各電極間に発生する電圧を更に大きくすることができる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の熱電変換素子において、前記一対の電極は前記温度勾配の方向に離間して前記熱電材料に配設されることを要旨としている。
【００１２】
同構成によれば、ネルンスト効果に加えてゼーベック効果を利用することにより、各電極間の発生電圧を更に大きくすることができる。
また、こうした熱電変換素子として、請求項４に記載されるように、ＣｏＳｂ３を含む熱電材料を採用することができる。
更に、こうした素子構造を有することにより、例えば、請求項５に記載されるように、熱電材料が有端円筒状とされる素子であっても、これを容易に製造することができるようになる。
【００１３】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電変換素子を具備し、前記熱電材料はその温度勾配が生じる方向における側面が内燃機関の排気管の外周面に接触するように配設されることを要旨としている。
【００１４】
同構成によれば、内燃機関の排気管から外部に排出される熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、内燃機関の燃費向上を図ることができるようになる。また、スクッテルダイト型結晶構造を有する熱電材料の発電効率が大きくなる約３００℃〜６００℃の温度域は内燃機関の運転中における排気管の温度変化域と略等しいため、この点においても熱エネルギから電気エネルギへのより高い変換効率を確保することができる。
【００１５】
なお、こうした回収効率を高める上では、請求項５に記載されるような有端円筒状をなす熱電材料を具備し、該熱電材料を排気管の外周面に接触してこれを覆うようにして配設される構成を採用することが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明に係る熱電変換素子並びに同熱電変換素子を用いた内燃機関の排気熱回収装置について図１〜４を参照して説明する。以下ではまず、図１〜３を参照して熱電変換素子の発電原理について説明し、次に図４を参照して同熱電変換素子を用いた内燃機関の排気熱回収装置について説明する。
【００１７】
まず、図１を参照して、ゼーベック効果による発電原理について説明する。なおここでは熱電変換素子が直方体状に形成されている。図１に示されるように、熱電材料１には、その一側面１ａ及び同側面１ａの反対側に位置する側面１ｂにそれぞれ電極２，３が配設されている。こうした熱電変換素子において、上記各側面１ａ，１ｂの一方を高温にするとともに他方を低温に保持することにより、その温度勾配ΔＴ１に応じた大きさのゼーベック電圧Ｖｓが各電極２，３間に発生する。
【００１８】
次に、図２を参照して、ネルンスト効果による発電原理について説明する。図２に示されるように、熱電材料４には、その一側面４ａ及び同側面４ａの反対側の側面４ｂを覆うようにしてそれぞれ永久磁石５，６が配設されている。また、熱電材料４において、上記各側面４ａ，４ｂと直交するとともに互いに平行な位置関係にある各側面４ｃ，４ｄには熱電材料４を挟んで対向する位置にそれぞれ電極７，８が配設されている。こうした熱電材料４において、上記各側面４ａ〜４ｄに対し直交する各側面４ｅ，４ｆの一方を高温に、他方を低温に保持することにより、その温度勾配ΔＴ２に応じた大きさのネルンスト電圧Ｖｎが各電極７，８間に発生する。なおここで、永久磁石５，６により生じる磁界Ｂ１の方向、温度勾配ΔＴ２の生じる方向、並びに各電極７，８が配設される方向ｍは互いに垂直な関係にある。
【００１９】
続いて、図３を参照して、先に説明したゼーベック効果及びネルンスト効果の双方を利用した熱電変換素子の構造について説明する。なお、以下の説明において図２に示される熱電変換素子と同様の機能を奏する部材については同一の符号を付すとともにその説明を割愛する。図２に示される熱電変換素子では、熱電材料４において、電極７，８は熱電材料４を挟んで対向する位置にそれぞれ配設されていたが、図３に示される熱電変換素子では、これら電極９，１０が温度勾配ΔＴ２の生じる方向において離間して配置されている。具体的には、温度勾配ΔＴ２の生じる方向における各電極９，１０間の距離が最も長くなるように、各電極９，１０はそれらが配設された各側面４ｃ，４ｄにおける反対側の端部にそれぞれ配設されている。
【００２０】
更に、この熱電材料４は、スクッテルダイト型結晶構造を有するＣｏＳｂ３によって形成されている。スクッテルダイト型結晶構造を有する材料は、ホール移動度よりも電子移動度の方が高い材料特性を有している。この熱電変換素子では、各電極９，１０が温度勾配ΔＴ２の方向に離間しているため、各電極９，１０間にゼーベック電圧Ｖｓが生じることとなる。またこの熱電変換素子では、各電極９，１０が、磁界Ｂ１の方向及び温度勾配ΔＴ２の方向にそれぞれ直交する方向ｍに離間して配設されているため、各電極９，１０間にネルンスト電圧Ｖｎが生じることとなる。すなわち、図３に示される熱電変換素子では、ゼーベック効果及びネルンスト効果を合わせた効果を得ることができ、上記ゼーベック電圧Ｖｓとネルンスト電圧Ｖｎとを加算した電圧Ｖｓ＋Ｖｎが発生することとなる。この熱電変換素子では、磁界Ｂ１の方向及び温度勾配ΔＴ２の生じる方向にそれぞれ直交する方向ｍにおける熱電材料４、電極９、及び電極１０の長さを長くすることにより、上記電圧Ｖｓ＋Ｖｎを大きくすることができる。
【００２１】
次に、図４を参照して、図３に示される熱電変換素子を、内燃機関の排気熱回収装置に用いた実施形態について説明する。
同図４に示されるように、内燃機関の排気管１４の外周面には、有端円筒状に形成される熱電変換素子１５が接触するように配設されている。熱電変換素子１５は、大きくは、スクッテルダイト型結晶構造を有するＣｏＳｂ３からなる熱電材料１６と、同熱電材料１６において排気管１４の長手方向における各端部１６ａ，１６ｂにそれぞれ配設された永久磁石１７，１８とによって構成されている。これら永久磁石１７，１８により排気管１４の長手方向には磁界Ｂ２が生じている。排気管１４は、排気熱により加熱されて上昇した高温となった状態においても非磁性の特性を有する材料、例えばアルミニウムにより形成されている。これにより、磁石１７，１８の磁束が排気管１４を通過し、その通過分だけ熱電材料１６を通過する磁束が減少することにより磁界強度が低下することを抑制するようにしている。なお、排気管１４と熱電変換素子１５との間には絶縁部材、例えばシリコンや雲母等が介在されており、排気管１４と熱電変換素子１５とは電気的に遮断されている。
【００２２】
また、排気管１４と永久磁石１７，１８との間には断熱部材、例えばグラスウールやセラミックウール等の無機質繊維が介在されており、排気管１４から永久磁石１７，１８への熱伝達を抑制するようにしている。一般に、永久磁石１７，１８のような磁性部材はその温度が高くなるほど磁場が弱くなるといった特性がある。このため、排気管１４から熱電変換素子１５に伝達される熱により永久磁石１７，１８の温度が上昇すると熱電変換素子１５のネルンスト効果が低下するおそれがある。したがって、上述のように排気管１４と永久磁石１７，１８との間に断熱部材を介在させることにより、このようなネルンスト効果の低下を抑制するようにしている。
【００２３】
さらに、図４の拡大図に示されるように、熱電材料１６の周方向の一方の端面１６ｃには、同熱電材料１６における径方向の最も外側に電極１９が配設されている。また、熱電材料１６の周方向の他方の端面１６ｄには、同熱電材料１６における径方向の最も内側に電極２０が配設されている。
【００２４】
このような熱電変換素子によれば、内燃機関が運転されることによって排気管１４に排気が流れこむと排気管１４の外周面に接触している熱電材料１６の内周面は、外気に曝されて冷却される外周面と比較して高温になる。したがって、熱電材料１６の径方向において温度勾配ΔＴ３が生じるようになる。そして、各電極１９，２０がこの温度勾配ΔＴ３の生じる方向に離間して配置されているため、それら電極１９，２０間にゼーベック電圧Ｖｓが生じることとなる。更に、この熱電変換素子では、各電極１９，２０が、磁界Ｂ２の方向及び温度勾配ΔＴ３の生じる方向にそれぞれ直交する周方向ｎに沿って離間して配設されているため、各電極１９，２０間にネルンスト電圧Ｖｎが生じることとなる。すなわち、熱電変換素子１５では、ゼーベック効果及びネルンスト効果を合わせた効果を得ることができ、上記ゼーベック電圧とネルンスト電圧とを加算した電圧Ｖｓ＋Ｖｎが発生することとなる。この熱電変換素子１５では、磁界Ｂ２方向及び温度勾配ΔＴ３の方向に直交する周方向ｎにおける熱電材料１６及び永久磁石１７，１８の長さを長くすることにより発生電圧を大きくするようにしている。
【００２５】
以上詳述したように、本実施形態によれば、以下に列記する作用効果が得られる。
（１）熱電材料１６を挟んで対向するように配設される一対の永久磁石１７，１８と、永久磁石１７，１８により生じる磁界Ｂ２の方向と直交する方向の温度勾配ΔＴ３を熱電材料１６に生じせしめる手段とを備えるため、ネルンスト効果を利用し、磁界Ｂ２の方向及び温度勾配ΔＴ３の方向に直交する周方向ｎにおける熱電材料１６及び永久磁石１７，１８の長さを長くすることにより各電極１９，２０間に発生する電圧を大きくすることができる。またここで、熱電材料１６を磁場中におくと同熱電材料１６の電気特性に変化が生じるが、この変化に対しては、熱電材料１６の有する電子よりもホールの方が影響を与え易い。したがって、高いホール移動度を有する熱電材料ほど高いネルンスト効果を得ることができる。この点、熱電変換素子１５では、熱電材料１６としてホール移動度が電子移動度よりも高いスクッテルダイト型結晶構造を有するもの、具体的にはＣｏＳｂ３を採用するようにしているため、上記ネルンスト効果を高めることができ、発電電圧の更なる増大を図ることができるようになる。その結果、熱電材料１６を含めた素子を複数に分割することにより発生電圧を大きくさせるようした構成と比較して、素子全体における構造の簡素化、ひいてはその製造工程の簡略化を図ることができるようになる。なおこの場合、一対の電極１９，２０は磁界Ｂ２の方向及び温度勾配ΔＴ３の方向にそれぞれ交わる方向において離間配置されていればよいが、これら電極１９，２０を磁界Ｂ２の方向及び温度勾配ΔＴ３の方向にそれぞれに直交する周方向ｎに離間配置するのがネルンスト効果を高める上で望ましい。
【００２６】
（２）一対の電極１９，２０は磁界Ｂ２の方向に直交する周方向ｎにおける熱電材料１６の端面１６ｃ，１６ｄに配設されているため、ネルンスト効果により各電極１９，２０間に発生する電圧を更に大きくすることができる。
【００２７】
（３）一対の電極１９，２０は温度勾配ΔＴ３の方向に離間して熱電材料１６に配設されているため、ネルンスト効果に加えてゼーベック効果を利用することにより、各電極１９，２０間の発生電圧を更に大きくすることができる。
【００２８】
（４）熱電変換素子１５のように、熱電材料１６が有端円筒状とされる素子であっても、これを容易に製造することができるようになる。
（５）内燃機関の排気管１４に熱電変換素子１５を配設することにより、同排気管１４から外部に排出される熱エネルギを電気エネルギとして回収することができ、内燃機関の燃費向上を図ることができるようになる。また、スクッテルダイト型結晶構造を有する熱電材料１６の発電効率が大きくなる約３００℃〜６００℃の温度域は内燃機関の運転中における排気管１４の温度変化域と略等しいため、この点においても熱エネルギから電気エネルギへのより高い変換効率を確保することができる。
【００２９】
なお、上記実施形態は、これを適宜変更した、例えば次のような形態として実施することもできる。
・図５に示されるように、複数の熱電材料３１，３２と磁石３３，３４，３５とを順に積層した積層構造を有する熱電変換素子３０を採用するようにしてもよい。こうした積層構造を採用することにより発電電圧を更に大きくすることができる。
【００３０】
・上記実施形態では、排気管１４が非磁性の特性を有する材料から形成されていが、磁性を有する材料、例えば磁性ステンレス鋼から形成されていてもよい。またこの場合には、同排気管１４と熱電変換素子１５との間に非磁性の特性を有する材料を介在させることにより、永久磁石１７，１８の磁束が排気管１４を通過することによる磁界強度の低下を抑制することが望ましい。
【００３１】
また、熱電変換素子１５を保護するために、例えばこの熱電変換素子を覆う部材を配設する場合には、磁界強度の低下を極力抑制する上で、同部材についてもこれを非磁性材料によって形成することが磁界強度の低下を抑制する上では望ましい。
【００３２】
・上記実施形態では、永久磁石１７，１８と排気管１４との間に断熱部材を介在させるようにしたが、永久磁石１７，１８の温度上昇を抑制するために熱電変換素子１５の内周面全体と排気管１４との間に断熱部材を配設する構成を採用することもできる。ただし、この場合には温度勾配ΔＴ３が小さくなることに起因してゼーベック効果が低下することが懸念される。このため、熱電変換素子１５におけるネルンスト効果とゼーベック効果とのバランスを考慮して断熱部材の材質や形状等々を設定することが望ましい。
【００３３】
・上記実施形態では、熱電材料１６の周方向の端面１６ｃ，１６ｄにおいて、その径方向の最も外側及び最も内側にそれぞれ電極１９及び電極２０を配設するようにしたが、熱電材料の有する温度勾配の方向に対して一対の電極が離間した位置に配設されていればゼーベック効果による発電を行うことはできる。また、それら電極１９，２０が径方向において同じ位置に配設される構成であっても、ネルンスト効果による発電を行うことはできる。
【００３４】
・上記実施形態では、熱電材料１６としてＣｏＳｂ３を採用するようにしていたが、同ＣｏＳｂ３に加えて他のものを含む材料、あるいは例えばＲｈＳｂ３やＩｒＳｂ３等々、他のスクッテルダイト型結晶構造を有する材料を採用することもできる。
【００３５】
・上記実施形態では、熱電素子を加熱しこれに温度勾配を生じせしめる手段として排気管を例示したが、ＥＧＲ管等の他の熱回収装置を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ゼーベック効果を説明するための模式図。
【図２】ネルンスト効果を説明するための模式図。
【図３】熱電変換素子の構造を示す模式図。
【図４】排気熱回収装置の斜視図。
【図５】排気熱回収装置の熱電変換素子の変形例を示す模式図。
【図６】従来の熱電変換素子についてその構造を示す模式図。
【図７】従来の他の熱電変換素子についてその構造を示す模式図。
【図８】従来の他の熱電変換素子についてその構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３７】
１，４，１６，３１，３２，１００，１０１…熱電材料、１ａ，１ｂ，４ａ〜４ｆ…側面、２，３，７〜１０，１９，２０…電極、５，６，１７，１８，２１，３３，３４，３５…永久磁石、１４…排気管、１５，３０，１２１…熱電変換素子、１６ａ，１６ｂ…端部、１６ｃ，１６ｄ…端面、１００，１１０…ｎ型熱電材料、１００ａ，１０１ａ…一端、１００ｂ，１０１ｂ…他端、１０１，１１１…ｐ型熱電材料、１０２，１１２…集熱電極板、１０３，１０４，１１３…放熱電極板、１２０…部材。
【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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