(57)【要約】【課題】熱エネルギーの伝達ロスを小さくし、熱電変換効率が高い熱電変換装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る熱電変換装置１は、流路７を内部に形成する配管部５と、配管部５の配管壁６の外側周囲に、かつ、配管壁６に対向して設けられる低温側筐体壁１５、および配管壁６と低温側筐体壁１５との間の空間を仕切り、内部に密閉された収容空間１１を形成する筐体側壁１２を有する気密筐体部１０と、気密筐体部１０の収容空間１１内に配置され、配管部５の配管壁６側に設けられた高温側電極２２、低温側筐体壁１５側に設けられた低温側電極２３、高温側電極２２と低温側電極２３との間に介装されるｐ型半導体層２７およびｎ型半導体層２６を有する熱電変換モジュール２０とを備え、低温側筐体壁１５は、少なくとも低温側絶縁層１４を含み、気密筐体部１０の収容空間１１内は、真空または不活性なガスが封入されたことを特徴とする。【選択図】  図４
2008048477.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を内部に形成する配管部と、
この配管部の配管壁の外側周囲に、かつ、前記配管壁に対向して設けられる低温側筐体壁、および前記配管壁と前記低温側筐体壁との間の空間を仕切り、内部に密閉された収容空間を形成する筐体側壁を有する気密筐体部と、
この気密筐体部の収容空間内に配置され、前記配管部の配管壁側に設けられた高温側電極、前記低温側筐体壁側に設けられた低温側電極、前記高温側電極と低温側電極との間に介装されるｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有する熱電変換モジュールとを備え、
前記低温側筐体壁は、少なくとも低温側絶縁層を含み、
前記気密筐体部の収容空間内は、真空または不活性なガスが封入されたことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記不活性なガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群より選択される少なくとも１種であり、かつ、前記不活性なガスは、前記収容空間内に、２５℃で外気圧よりも低圧になるように封入されることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記配管部の配管壁は、ニッケル、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム含有鉄基合金、シリコン含有鉄基合金、コバルト含有鉄基合金および銅合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記筐体側壁は、ニッケル、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム含有鉄基合金、シリコン含有鉄基合金、コバルト含有鉄基合金および銅合金のいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記ｐ型半導体層のｐ型半導体および前記ｎ型半導体層のｎ型半導体は、ビスマス・テルル含有化合物を主相とする物質、ビスマス・アンチモン含有化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型構造のＣｏＳｂ３基化合物結晶中の空隙に原子を充填したフィルドスクッテルダイト型構造化合物を主相とする物質、ＭｇＡｇＡｓ型構造のハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウム・ガリウムをゲスト原子とするクラスレート化合物、前記物質間または物質と化合物との混合物、および、前記物質間または物質と化合物との接合体のいずれかであることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記熱電変換モジュールは、第１の低温側電極、ｎ型半導体層、高温側電極、ｐ型半導体層および第２の低温側電極がこの順番に電気的に直列接続され、前記ｎ型半導体層および前記ｐ型半導体層が前記高温側電極の表面の同じ側に並べて配置され、前記第１の低温側電極および第２の低温側電極が前記高温側電極よりも低温側に配置されてなる熱電変換モジュール構成要素が、１個または複数個電気的に接続されたものであるとともに、前記気密筐体部の収容空間内で、前記高温側電極が前記配管部の配管壁の表面に高温側絶縁層を介して取り付けられ、かつ前記第１の低温側電極および第２の低温側電極が前記低温側筐体壁を構成する低温側絶縁層の表面に取り付けられることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記熱電変換モジュールは、前記高温側電極と前記ｎ型半導体層との間、前記高温側電極と前記ｐ型半導体層との間、前記第１の低温側電極と前記ｎ型半導体層との間、および前記第２の低温側電極と前記ｐ型半導体層との間、の少なくともいずれかに、導電性伸縮部材と導電性均熱部材とが組み合わせて圧接され、
挿入される導電性伸縮部材および導電性均熱部材は、前記導電性均熱部材が、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層の少なくともいずれかに接するように配置され、前記導電性伸縮部材が、前記高温側電極、第１の低温側電極および第２の低温側電極の少なくともいずれかに接するように配置されことを特徴とする請求項６記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記配管部の配管壁と前記高温側絶縁層との間に、さらに伝熱部材を配置することを特徴とする請求項６記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記熱電変換モジュールの高温側電極は熱に対して伸縮自在な電極であり、この熱に対して伸縮自在な高温側電極と、前記ｎ型半導体層およびｐ型半導体層との間に、前記導電性均熱部材が配置されることを特徴とする請求項６記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するとともに電気エネルギーを熱エネルギーに変換することが可能な熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換装置は、第１の低温側電極、ｎ型半導体層、高温側電極、ｐ型半導体層および第２の低温側電極がこの順番に電気的に直列接続されるとともに、ｎ型半導体層およびｐ型半導体層が高温側電極の表面の同じ側に並べて配置される。ｎ型半導体層に接続される第１の低温側電極およびｐ型半導体層に接続される第２の低温側電極が高温側電極よりも低温側に配置されてなる熱電変換モジュール構成要素が、１個または複数個電気的に接続された熱電変換モジュールを用い、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換する装置である。
【０００３】
熱電変換モジュールは、たとえば、図５に示すように、熱を加える等により熱電変換モジュール構成要素２１の高温側電極２２を第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂよりも高温にし、矢印Ｇの方向に熱流が流れるようにすると、ｎ型半導体層２６中の電子５１が高温側電極２２側から第１の低温側電極２３ａ側に矢印Ｈの向きに移動し、ｐ型半導体層２７中の正孔５２が高温側電極２２側から第２の低温側電極２３ｂ側に矢印Ｉの向きに移動する。
【０００４】
このため、第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂに、電気的付加５７を含む外部回路５５を接続すると、外部回路５５中を矢印Ｊの向きに電流が流れ、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【０００５】
また、熱電変換モジュールは、外部回路５５を接続することにより、熱電変換モジュール構成要素２１中で第１の低温側電極２３ａから高温側電極２２を介して第２の低温側電極２３ｂに向かって電流を流すと、高温側電極２２が吸熱して周囲が冷却され、第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂが放熱して周囲が加熱される。これにより、電気エネルギーが熱エネルギーに変換される。
【０００６】
熱電変換モジュールを用いた熱電変換装置は、火力発電のようにＣＯ２等の温室効果ガスを排出せず、かつ安全に電気エネルギーを取り出すことができるため好ましい。
【０００７】
なお、温室効果ガスを排出せず、かつ安全に電気エネルギーを取り出すことができる発電方法としては、熱電変換モジュールを用いた熱電変換装置以外にも蒸気タービン等の発電装置が知られている。
【０００８】
しかし、蒸気タービン等の発電装置を設置するためには、既存設備の改造、保守・補修コストの観点から廃熱量が大規模である必要がある。このため、中小規模の工場のような、廃熱量が中小規模の設備には、蒸気タービン等の大規模な発電装置を設置することができないという問題がある。
【０００９】
これに対し、熱電変換モジュールを用いた熱電変換装置は、簡易な構造で小型化が可能である。このため、中小規模の工場等の発電装置に用いることが期待されている。
【００１０】
従来、熱電変換モジュール構成要素を用いた熱電変換装置としては、たとえば、特許文献１（特開２００６−３２７２３号公報）に開示されたものが知られている。
【００１１】
特許文献１に開示された熱電変換装置は、熱エネルギーを電気エネルギーに、または電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する熱電変換半導体と、この熱電変換半導体を外気から遮断する気密筐体とを備える。また、この熱電変換装置は、気密筐体が、熱電変換半導体の高温側端部に接合される高温側基板を覆う金属蓋と、熱電変換半導体の周囲を取り囲む金属枠と、電流を気密筐体外部に取出す手段を具備し熱電変換半導体の低温側端部に接合される低温側基板とから構成されており、気密筐体内部は真空もしくは不活性なガス雰囲気に調整される。
【００１２】
特許文献１に開示された熱電変換装置によれば、構成部材の酸化等による劣化の進行を阻止でき、長期にわたって熱電変換効率を良好に維持することができる。
【特許文献１】特開２００６−３２７２３号公報
【非特許文献１】「熱電変換工学―基礎と応用―」リアライズ社、ｐ．３４９−３６３（２００１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
特許文献１に開示された熱電変換装置を、中小規模の工場等の発電装置として用いる場合、熱電変換装置の高温側基板を覆う金属蓋を高温の流体が流通する配管の壁体に密着させて用いる。
【００１４】
しかし、配管中の高温の流体の熱エネルギーが高温側基板に伝播するには、配管の壁体および熱電変換装置の金属蓋を介する必要があるため、熱エネルギーの伝達ロスが大きかった。特に、金属蓋は、熱伝導率の高い金属枠に結合されているため、熱エネルギーが高温側基板よりも金属枠に伝達されやすいという問題があった。
【００１５】
本発明は、熱エネルギーの伝達ロスを小さくし、熱電変換効率が高い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】
【００１６】
本発明に係る熱電変換装置は、上記課題を解決するものであり、流路を内部に形成する配管部と、この配管部の配管壁の外側周囲に、かつ、前記配管壁に対向して設けられる低温側筐体壁、および前記配管壁と前記低温側筐体壁との間の空間を仕切り、内部に密閉された収容空間を形成する筐体側壁を有する気密筐体部と、この気密筐体部の収容空間内に配置され、前記配管部の配管壁側に設けられた高温側電極、前記低温側筐体壁側に設けられた低温側電極、前記高温側電極と低温側電極との間に介装されるｐ型半導体層およびｎ型半導体層を有する熱電変換モジュールとを備え、前記低温側筐体壁は、少なくとも低温側絶縁層を含み、前記気密筐体部の収容空間内は、真空または不活性なガスが封入されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係わる熱電変換装置によれば、熱エネルギーの伝達ロスが小さく、熱電変換効率が高くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明に係る熱電変換装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換装置１を示す斜視図である。図２は、熱電変換装置１を示す図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、熱電変換装置１を示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図４は、熱電変換装置１を示す図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【００２０】
熱電変換装置１は、図２および図３に示すように、内部に流路７を有する配管部５と、配管部５の配管壁６の外側周囲に設けられる気密筐体部１０と、気密筐体部１０の収容空間１１内に配置される熱電変換モジュール２０とを備える。
【００２１】
配管部５は、四方に設けられた配管壁６（６ａ、６ｂ、６ｃおよび６ｄ）で囲まれて形成された断面が四角形の流路７を有する。配管壁６（６ａ、６ｂ、６ｃおよび６ｄ）は、流路７内を、数百℃程度の熱風が符号Ｆの方向に通過することが可能になっている。
【００２２】
配管壁６は、通常、ニッケル、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム含有鉄基合金、シリコン含有鉄基合金、コバルト含有鉄基合金および銅合金のいずれかからなる。配管壁６が、これらの金属製であると、気密筐体部１０の収容空間１１内に充填するガスに腐食されにくいため好ましい。
【００２３】
配管部５の流路７の形状は、断面が四角形のものに限られず、たとえば、三角形等の多角形や円形、楕円形、長円形であってもよい。
【００２４】
気密筐体部１０は、配管部５の配管壁６の外側周囲に設けられる。具体的には、配管壁６ａ、６ｂ、６ｃおよび６ｄ等の配管壁６の外周壁に、それぞれ気密筐体部１０が設けられる。
【００２５】
気密筐体部１０は、配管壁６と、配管壁６に対向して設けられる低温側筐体壁１５と、配管壁６と低温側筐体壁１５との間の空間を仕切り、内部に密閉された収容空間１１を形成する筐体側壁１２とから構成される。
【００２６】
低温側筐体壁１５は、配管壁６に対向して設けられ、配管壁６および筐体側壁１２と協働して内部を密閉された収容空間１１を形成する。
【００２７】
低温側筐体壁１５は、図４に示すように、低温側絶縁層１４と、低温側絶縁層１４の表面に形成される接合部３７と、低温側絶縁層−熱放出部材間の接合部３７の表面に形成される熱放出部材３６とから構成される。
【００２８】
低温側絶縁層１４としては、たとえば、セラミックス板が用いられる。熱放出部材３６としては、たとえば、銅板が用いられる。
【００２９】
低温側筐体壁１５は、第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂを絶縁した状態で取り付けるため、少なくとも低温側絶縁層１４を含む。
【００３０】
筐体側壁１２は、配管壁６と低温側筐体壁１５との間の空間を仕切り、内部に密閉された収容空間１１を形成する。具体的には、筐体側壁１２は、四角形の低温側筐体壁１５と配管壁６との間を隔離するように設けられる矩形の壁体として構成される。
【００３１】
筐体側壁１２は、通常、ニッケル、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム含有鉄基合金、シリコン含有鉄基合金、コバルト含有鉄基合金および銅合金のいずれかからなる。筐体側壁１２が、これらの金属製であると、収容空間１１内に充填するガスに腐食されにくいため好ましい。
【００３２】
筐体側壁１２の図４中の上側端部は、配管壁６ｂ（６）に接合される。筐体側壁１２と配管壁６との接合は、特に限定されず公知の接合方法を用いることができるが、接合強度の点から、溶接、はんだ付け、ロウ付け、拡散接合または接着剤による接合が好ましい。
【００３３】
気密筐体部１０の収容空間１１内は、真空状態または不活性なガス雰囲気にされる。収容空間１１内を、真空状態または不活性なガス雰囲気にすることにより、収容空間１１内に配置される熱電変換モジュール２０を構成するｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７や、高温側電極２２、第１の低温側電極２３ａ、第２の低温側電極２３ｂ等の電極の高温下での酸化等が抑制される。
【００３４】
収容空間１１内の真空状態は、完全な真空状態でなくてもよく、公知の真空ポンプ等で実現される程度の真空状態であればよい。
【００３５】
収容空間１１内に封入される不活性なガスは、通常、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群より選択される少なくとも１種である。
【００３６】
不活性なガスは、収容空間１１内に、２５℃で外気圧よりも低圧になるように封入される。封入される不活性なガスの圧力が２５℃で外気圧よりも低圧であると、熱電変換装置１の動作時に、収容空間１１内が数百℃程度の高温になり、不活性なガスの圧力が高くなって気密筐体部１０や熱電変換モジュール２０が破損したり、不活性なガスが漏れて収容空間１１内の気密性が低下したりすることを抑制することができる。
【００３７】
熱電変換モジュール２０は、気密筐体部１０の収容空間１１内に配置される。熱電変換モジュール２０について、図４および図６を参照して説明する。図６は、熱電変換装置１を構成する熱電変換モジュール構成要素２１における電極と半導体層との第１の接続形態を説明する模式図である。
【００３８】
熱電変換モジュール２０は、熱電変換モジュール構成要素２１が、複数個電気的に直列に接続されたものである。なお、熱電変換モジュール２０は、熱電変換モジュール構成要素２１が複数個電気的に並列に接続されたものであってもよいし、１つの熱電変換モジュール構成要素２１からなるものであってもよい。
【００３９】
熱電変換モジュール構成要素２１は、第１の低温側電極２３ａ、ｎ型半導体層２６、高温側電極２２、ｐ型半導体層２７および第２の低温側電極２３ｂがこの順番に電気的に直列接続されて形成される。
【００４０】
また、熱電変換モジュール構成要素２１は、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７が高温側電極２２の表面の同じ側に並べて配置され、ｎ型半導体層２６に接続される第１の低温側電極２３ａおよびｐ型半導体層２７に接続される第２の低温側電極２３ｂが、高温側電極２２よりも低温側かつ平行に配置される。
【００４１】
高温側電極２２とは、熱電変換モジュール構成要素２１の電極のうち、気密筐体部１０の収容空間１１内で配管部５の配管壁６側、すなわち高温側に配置される電極を意味する。高温側電極２２としては、銅板等の公知の電極材料が用いられる。
【００４２】
第１の低温側電極２３ａとは、熱電変換モジュール構成要素２１の電極の気密筐体部１０の収容空間１１内で低温側筐体壁１５側、すなわち低温側に配置される低温側電極２３のうち、ｎ型半導体層２６に接続される部分を意味する。第１の低温側電極２３ａとしては、銅板等の公知の電極材料が用いられる。
【００４３】
第２の低温側電極２３ｂとは、熱電変換モジュール構成要素２１の電極の気密筐体部１０の収容空間１１内で低温側筐体壁１５側、すなわち低温側に配置される低温側電極２３のうち、ｐ型半導体層２７に接続される部分を意味する。第２の低温側電極２３ｂとしては、銅板等の公知の電極材料が用いられる。
【００４４】
第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂは、たとえば、低温側絶縁層１４の表面の全体に、第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂの形成材料を電極−絶縁層間の接合部３４で接合し、エッチングして形成することができる。
【００４５】
ｐ型半導体層のｐ型半導体および前記ｎ型半導体層のｎ型半導体は、性能指数の大きい公知の熱電材料が用いられる。この熱電材料としては、たとえば、ビスマス・テルル含有化合物を主相とする物質、ビスマス・アンチモン含有化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型構造のＣｏＳｂ３基化合物結晶中の空隙に原子を充填したフィルドスクッテルダイト型構造化合物を主相とする物質、ＭｇＡｇＡｓ型構造のハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウム・ガリウムをゲスト原子とするクラスレート化合物、前記物質間または物質と化合物との混合物、および、前記物質間または物質と化合物との接合体のいずれかが用いられる。
【００４６】
高温側電極２２とｎ型半導体層２６との間、および高温側電極２２とｐ型半導体層２７との間には、導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２が、導電性伸縮部材３１を高温側電極２２側に配置して圧接される。
【００４７】
導電性伸縮部材３１は、導電性を有するとともに、熱による膨張、収縮に対して追従可能な伸縮性を有する部材である。導電性伸縮部材３１としては、たとえば、銅や銀等の導電性の良好な金属からなる平編み線やスポンジ状物が用いられる。
【００４８】
導電性伸縮部材３１を介在させることにより、熱による高温側電極２２の膨張、収縮で、高温側電極２２と、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７との間に破断が生じたりクラックが入ったりすることを抑制することができる。
【００４９】
導電性伸縮部材３１と、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７との間には、導電性均熱部材３２が介在される。導電性均熱部材３２としては、たとえば、銅板、グラファイトシートが用いられる。
【００５０】
導電性均熱部材３２を介在させることにより、平編み線やスポンジ状物等であるため熱の分布が均一になりにくい導電性伸縮部材３１を用いる場合でも、導電性伸縮部材３１の熱を、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７に均一に供給することができる。
【００５１】
導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２は、高温側電極２２とｎ型半導体層２６との間、および高温側電極２２とｐ型半導体層２７との間に圧接される。
【００５２】
導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２は、圧接されるだけであり、はんだ付け等のように強固に固着されないため、熱膨張、熱収縮に対して追従性が高い。導電性伸縮部材３１は、それ自体が熱膨張、熱収縮に対して追従性が高いが、圧接で固定する方法を採用することにより、さらに追従性が高くなっている。このため、高温側電極２２と、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７との間に破断が生じたり、クラックが入ったりすることがほとんどなく、電気的接続が確実に行われる。
【００５３】
第１の低温側電極２３ａとｎ型半導体層２６との間、および第２の低温側電極２３ｂとｐ型半導体層２７との間は、接合部３０で接合される。半導体層−電極間の接合部３０は、たとえば、はんだにより形成される。
【００５４】
第１の低温側電極２３ａとｎ型半導体層２６との接続部分、および第２の低温側電極２３ｂとｐ型半導体層２７との接続部分は、高温側電極２２と、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７との接続部分よりも熱膨張、熱収縮の度合いが小さい。このため、安価かつ簡単な構造の接合部３０で接合しても破断、クラック等の問題は起きにくい。
【００５５】
熱電変換モジュール２０は、複数個の熱電変換モジュール構成要素２１が電気的に接続されてなる。このとき、一方の熱電変換モジュール構成要素２１の第１の低温側電極２３ａと、これに隣接する他方の熱電変換モジュール構成要素２１の第２の低温側電極２３ｂとが電気的に接続され、第１の低温側電極２３ａと第２の低温側電極２３ｂとが一体化して１個の低温側電極２３を形成する。
【００５６】
熱電変換モジュール２０は、熱電変換モジュール構成要素２１を電気的に直列に接続するため、隣接する熱電変換モジュール構成要素２１の高温側電極２２同士、および同一の熱電変換モジュール構成要素２１内の第１の低温側電極２３ａと第２の低温側電極２３ｂとが、それぞれ絶縁される。
【００５７】
熱電変換モジュール２０は、気密筐体部１０の収容空間１１内で、高温側電極２２が配管部５の配管壁６の表面に高温側絶縁層３５を介して取り付けられる。高温側絶縁層３５としては、たとえば、セラミックス板が用いられる。
【００５８】
高温側電極２２と高温側絶縁層３５とは、接合部３４で接合される。電極−絶縁層間の接合部３４は、たとえば、はんだにより形成される。
【００５９】
高温側絶縁層３５と配管部５の配管壁６ｂ（６）との間には、伝熱部材３３が配置される。伝熱部材３３は、銅板等の熱伝導の大きい材料からなり、配管壁６の熱を高温側絶縁層３５に効率よく伝える。
【００６０】
高温側絶縁層３５と伝熱部材３３とは、接合部３５で接合される。高温側絶縁層−伝熱部材間の接合部３５は、たとえば、はんだにより形成される。
【００６１】
また、熱電変換モジュール２０は、気密筐体部１０の収容空間１１内で、第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂが低温側筐体壁１５を構成する低温側絶縁層１４の表面に取り付けられる。
【００６２】
第１の低温側電極２３ａと低温側絶縁層１４、および第２の低温側電極２３ｂと低温側絶縁層１４は、接合部３４で接合される。電極−絶縁層間の接合部３４は、たとえば、はんだにより形成される。
【００６３】
低温側絶縁層１４のうち、第１の低温側電極２３ａの接合される電極−絶縁層間の接合部３４が設けられた部分の一部には電流取出部３８が設けられる。電流取出部３８は、貫通穴の内部に銀粉、銅粉等の導電性物質が充填されたフィルドビアであり、熱電変換モジュール２０の電流を気密筐体部１０の外部に取り出すことができるようになっている。なお、図４に図示しないが、第２の低温側電極２３ｂの接合される電極−絶縁層間の接合部３４の一部にも電流取出部３８が設けられる。
【００６４】
低温側絶縁層１４のうち、電流取出部３８が設けられた部分の外側表面には、低温側絶縁層−取合部間の接合部４１を介して取合部３９が設けられる。
【００６５】
取合部３９は、熱電変換モジュール２０から電流を取り出したり、熱電変換モジュール２０に電流を供給したりする。取合部３９としては、銅板等が用いられる。低温側絶縁層−取合部間の接合部４１は、はんだ等により形成される。
【００６６】
取合部３９の表面には取合部絶縁層４０が設けられる。取合部絶縁層４０としては、たとえば、シリコンゴムシートが用いられる。
【００６７】
筐体側壁１２の図中の下方端部は、低温側絶縁層１４の表面に、接合部４４、筐体側壁支持部４２、および接合部４３を介して接合される。
【００６８】
筐体側壁支持部４２は、低温側絶縁層１４と筐体側壁１２との接合を強固にし、気密筐体部１０内の気密性を向上させる。筐体側壁支持部４２の材質は、特に限定されないが、通常、銅板等の第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂと同じ材質が用いられる。
【００６９】
筐体側壁支持部４２が第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂと同じ材質であると、筐体側壁支持部４２の製造が容易であるため好ましい。
【００７０】
筐体側壁支持部４２が第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂと同じ材質である場合は、たとえば、筐体側壁支持部４２は、低温側絶縁層１４の表面の全体に第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂの形成材料を電極−絶縁層間の接合部３４で接合した後、エッチングすることにより、容易に形成することができる。
【００７１】
筐体側壁支持部−低温側絶縁層間の接合部４３は、たとえば、はんだ等の電極−絶縁層間の接合部３４と同じ材料で形成される。筐体側壁支持部−低温側絶縁層間の接合部４３が、電極−絶縁層間の接合部３４と同じ材料で形成されると、筐体側壁支持部−低温側絶縁層間の接合部４３の製造が容易であるため好ましい。
【００７２】
たとえば、筐体側壁支持部−低温側絶縁層間の接合部４３および筐体側壁支持部４２は、低温側絶縁層１４の表面の全体に第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂの形成材料を電極−絶縁層間の接合部３４を構成する材料で接合した後、エッチングすることにより、容易に形成することができる。
【００７３】
筐体側壁−筐体側壁支持部間の接合部４４は、筐体側壁支持部４２と筐体側壁１２との接合を強固にし、気密筐体部１０内の気密性を向上させる。筐体側壁−筐体側壁支持部間の接合部４４の材質は、特に限定されず公知の接合材料を用いることができるが、接合強度の点から、溶接、はんだ付け、ロウ付け、拡散接合または接着剤による接合が好ましい。ロウ付けには、たとえば、銀ロウ、銅ロウ、活性ロウが用いられる。
【００７４】
次に、熱電変換装置１の作用について図面を参照して説明する。図５は、熱電変換装置１の熱電変換モジュール構成要素２１の作用を説明する模式図である。
【００７５】
図１に示すように、配管部５の流路７に高温流体を矢印Ｆの向きに流すと、配管部５の配管壁６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）が高温になる。
【００７６】
配管部５の配管壁６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）が高温になると、図４および図５に示すように、熱電変換モジュール２０を構成する熱電変換モジュール構成要素２１の高温側電極２２が、第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂよりも高温になり、矢印Ｇの向きの熱流が発生する。
【００７７】
矢印Ｇの向きの熱流が発生すると、図５に示すように、ｎ型半導体層２６中の電子５１が高温側電極２２側から第１の低温側電極２３ａ側に（矢印Ｈ）に移動する。また、ｐ型半導体層２７中の正孔５２が高温側電極２２側から第２の低温側電極２３ｂ側に（矢印Ｉ）に移動する。
【００７８】
これにより、熱電変換モジュール２０を構成する熱電変換モジュール構成要素２１には、図５の矢印Ｉおよび矢印Ｊの向きに電流が流れる。
【００７９】
なお、従来の金属筐体内に熱電変換モジュールが収納された熱電変換装置を配管壁に取り付けた場合には、配管壁からの熱が金属筐体中を伝熱して金属筐体の側面にも供給されるため、金属筐体内に収容された熱電変換モジュールの高温側電極に効率的に熱を供給することが困難で、熱エネルギーの伝達ロスが大きかった。
【００８０】
これに対し、熱電変換装置１は、熱電変換モジュール構成要素２１の高温側電極２２が、高温側絶縁層３５および伝熱部材３３を介して配管壁６に直接に接続され、配管壁６の熱が高温側電極２２に効率よく供給され、熱エネルギーの伝達ロスが小さいため、発電効率が高い。
【００８１】
また、熱電変換装置１は、配管壁６の熱が効率よく高温側電極２２に供給されるため、気密筐体部１０内の温度が従来よりも高くなりやすい。ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７を構成する半導体材料や、高温側電極２２等を構成する電極材料は、高温下で酸化等が生じて劣化するおそれがあるが、熱電変換装置１は、気密筐体部１０内が真空状態または不活性なガス雰囲気にされるため、劣化を抑制することができる。
【００８２】
さらに、熱電変換装置１は、熱電変換モジュール構成要素２１の、高温側電極２２とｎ型半導体層２６との間、および高温側電極２２とｐ型半導体層２７との間に、導電性伸縮部材３１が圧接されるから、高温側電極２２とｎ型半導体層２６との間、および高温側電極２２とｐ型半導体層２７との間に破断が生じたり、クラックが入ったりすることがほとんどなく、電気的接続が確実に行われる。
【００８３】
また、熱電変換モジュール２０は、外部回路５５を接続することにより、熱電変換モジュール構成要素２１中で第１の低温側電極２３ａから高温側電極２２を介して第２の低温側電極２３ｂに向かって電流を流すと、高温側電極２２が吸熱して周囲が冷却され、第１の低温側電極２３ａおよび第２の低温側電極２３ｂが放熱して周囲が加熱される。これにより、電気エネルギーが熱エネルギーに変換される。
【００８４】
熱電変換装置１によれば、熱エネルギーの伝達ロスが小さく、熱電変換効率が高くなる。
【００８５】
なお、熱電変換装置１の熱電変換モジュール２０を構成する熱電変換モジュール構成要素２１は、図６に示す熱電変換モジュール構成要素２１に代えて、図７に示す熱電変換モジュール構成要素２１Ａ、図８に示す熱電変換モジュール構成要素２１Ｂ、または図９に示す熱電変換モジュール構成要素２１Ｃを用いてもよい。
【００８６】
熱電変換モジュール構成要素２１Ａ、２１Ｂおよび２１Ｃは、それぞれ、熱電変換モジュール構成要素２１に対し、高温側電極２２と、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７との間（以下、「部位Ａ」という）を接続する構成部材、第１の低温側電極２３ａとｎ型半導体層２６との間（以下、「部位Ｂ」という）を接続する構成部材、ならびに第２の低温側電極２３ｂとｐ型半導体層２７との間（以下、「部位Ｃ」という）を接続する構成部材を変更したものである。
【００８７】
図７に示す熱電変換モジュール構成要素２１Ａは、部位Ａを接続する構成部材を、図６に示す熱電変換モジュール構成要素２１の導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２から半導体層−電極間の接合部３０に変更したものである。
【００８８】
また、図７に示す熱電変換モジュール構成要素２１Ａは、部位Ｂおよび部位Ｃを接続する構成部材を、図６に示す熱電変換モジュール構成要素２１の半導体層−電極間の接合部３０から導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２に変更したものである。
【００８９】
熱電変換モジュール構成要素２１Ａの部位Ｂおよび部位Ｃに配置される導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２は、導電性伸縮部材３１を第１の低温側電極２３ａまたは第２の低温側電極２３ｂ側に配置して圧接される。
【００９０】
熱電変換モジュール構成要素２１Ａは、部位Ａに配置される半導体層−電極間の接合部３０が安価であるため、この部分の製造コストが低くなる。
【００９１】
また、熱電変換モジュール構成要素２１Ａは、部位Ｂおよび部位Ｃに配置される部材の熱膨張、熱収縮に対する追従性が高いため、ｎ型半導体層２６と第１の低温側電極２３ａとの間、およびｐ型半導体層２７と第２の低温側電極２３ｂとの間に、熱膨張、熱収縮により破断したり、クラックが入ったりすることが抑制される。
【００９２】
図８に示す熱電変換モジュール構成要素２１Ｂは、部位Ｂおよび部位Ｃを接続する構成部材を、図６に示す熱電変換モジュール構成要素２１の半導体層−電極間の接合部３０から導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２に変更したものである。
【００９３】
熱電変換モジュール構成要素２１Ｂの部位Ｂおよび部位Ｃに配置される導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２は、導電性伸縮部材３１を第１の低温側電極２３ａまたは第２の低温側電極２３ｂ側に配置して圧接される。
【００９４】
熱電変換モジュール構成要素２１Ｂは、部位Ｂおよび部位Ｃに配置される部材の熱膨張、熱収縮に対する追従性が高いため、ｎ型半導体層２６と第１の低温側電極２３ａとの間、およびｐ型半導体層２７と第２の低温側電極２３ｂとの間に、熱膨張、熱収縮により破断したり、クラックが入ったりすることが抑制される。
【００９５】
図９に示す熱電変換モジュール構成要素２１Ｃは、部位Ａを接続する構成部材を、図６に示す熱電変換モジュール構成要素２１の導電性伸縮部材３１および導電性均熱部材３２から半導体層−電極間の接合部３０に変更したものである。
【００９６】
熱電変換モジュール構成要素２１Ｃは、部位Ａに配置される半導体層−電極間の接合部３０が安価であるため、この部分の製造コストが低くなる。
【００９７】
熱電変換装置１は、低温側筐体壁１５が、低温側絶縁層−熱放出部材間の接合部３７および熱放出部材３６を設けず、低温側絶縁層１４のみからなる構成としてもよい。低温側絶縁層−熱放出部材間の接合部３７および熱放出部材３６を設けない構成とすると、装置の簡素化、低コスト化が可能になる。
【００９８】
熱電変換装置１は、高温側絶縁層３５と配管部５の配管壁６との間に、伝熱部材３３を設けない構成としてもよい。伝熱部材３３を設けない構成とすると、装置の簡素化、低コスト化が可能になる。
【００９９】
［第２の実施形態］
次に本発明に係る第２の実施形態に示された熱電変換装置について添付図面を参照して説明する。
【０１００】
本発明に係る第２の実施形態に示された熱電変換装置１Ａは、図１に第１の実施形態として示された熱電変換装置１と外観構成が同じであるため、外観についての説明を省略する。
【０１０１】
図１０は、本発明に係る第２の実施形態に示された熱電変換装置１Ａを示す図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【０１０２】
第２の実施形態に示された熱電変換装置１Ａは、第１の実施形態に示された熱電変換装置１に対し、熱電変換モジュール２０に代えて熱電変換モジュール２０Ｄを用いる点、高温側絶縁層３５に代えて高温側絶縁層３５Ｄを用いる点、および伝熱部材３３を設けない点で異なり、他の構成、作用は熱電変換装置１と同じであるため、同じ構成には同一符号を付し、構成および作用の説明を簡略化または省略する。
【０１０３】
熱電変換モジュール２０Ｄは、熱電変換装置１に用いられる熱電変換モジュール２０に対し、高温側電極２２および導電性伸縮部材３１に代えて、熱に対して伸縮自在な高温側電極２２Ｄを用いる点、複数の熱電変換モジュール構成要素２１を取り付け可能な大きな高温側絶縁層３５に代えて１個の熱電変換モジュール構成要素２１のみを取り付け可能な小さな高温側絶縁層３５Ｄを用いる点、および伝熱部材３３を設けずに、高温側絶縁層３５Ｄを配管部５の配管壁６の表面に直接形成する点で異なる。
【０１０４】
熱電変換モジュール２０Ｄは、これらの点以外は、熱電変換モジュール２０と同じであるため、同じ構成には同一符号を付し、構成および作用の説明を簡略化または省略する。
【０１０５】
熱電変換モジュール２０Ｄは、熱電変換モジュール構成要素２１Ｄが、複数個電気的に直列に接続されたものである。なお、熱電変換モジュール２０Ｄは、１つの熱電変換モジュール構成要素２１Ｄからなるものであってもよい。
【０１０６】
熱電変換モジュール構成要素２１Ｄは、第１の低温側電極２３ａ、ｎ型半導体層２６、熱に対して伸縮自在な高温側電極２２Ｄ、ｐ型半導体層２７および第２の低温側電極２３ｂがこの順番に電気的に直列接続されて形成される。
【０１０７】
また、熱電変換モジュール構成要素２１Ｄは、ｎ型半導体層２６およびｐ型半導体層２７が高温側電極２２Ｄの表面の同じ側に並べて配置され、ｎ型半導体層２６に接続される第１の低温側電極２３ａおよびｐ型半導体層２７に接続される第２の低温側電極２３ｂが、高温側電極２２Ｄよりも低温側かつ平行に配置される。
【０１０８】
熱に対して伸縮自在な高温側電極２２Ｄは、熱電変換装置１の導電性伸縮部材３１をこのまま高温側電極２２として用いるものであり、導電性を有するとともに、熱による膨張、収縮に対して追従可能な伸縮性を有する部材である。高温側電極２２Ｄとしては、たとえば、導電性伸縮部材３１と同じ、銅や銀等の導電性の良好な金属からなる平編み線やスポンジ状物が用いられる。
【０１０９】
熱に対して伸縮自在な高温側電極２２Ｄと配管部５の配管壁６との間には、高温側絶縁層３５Ｄが設けられる。高温側絶縁層３５Ｄとしては、たとえば、絶縁材料からなるコーティング膜、繊維の集合体、布、粉体の固着物またはこれらの複合物が用いられる。絶縁材料としては、たとえば、耐熱性絶縁塗料、セラミックス、ガラスが用いられる。セラミックスとしては、たとえば、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、シリカが用いられる。
【０１１０】
高温側絶縁層３５Ｄは、通常、コーティング膜、繊維の集合体、布、粉体の固着物等からなるため、通常、セラミックス板からなる高温側絶縁層３５に比べて薄く形成される。このため、熱電変換装置１Ａは、配管部５の配管壁６から高温側絶縁層３５Ｄへの熱伝導が十分に良好であり、熱電変換装置１のように伝熱部材３３を設ける必要がなくなる。
【０１１１】
次に、熱電変換装置１Ａの作用について図面を参照して説明する。
【０１１２】
熱電変換装置１Ａは、図１０に示すように、配管部５の流路７に高温流体を矢印Ｆの向きに流すと、配管部５の配管壁６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）が高温になり、熱電変換モジュール２０Ｄに矢印Ｇの向きの熱流が発生する。
【０１１３】
熱電変換モジュール２０Ｄに矢印Ｇの向きの熱流が発生すると、熱電変換モジュール構成要素２１Ｄ中を、第１の低温側電極２３ａ、ｎ型半導体層２６、高温側電極２２Ｄ、ｐ型半導体層２７および第２の低温側電極２３ｂの順番で電流が流れる。
【０１１４】
なお、熱電変換装置１Ａは、熱電変換モジュール２０Ｄの高温側絶縁層３５Ｄが配管部５の配管壁６に直接に接続されているため、熱電変換装置１よりも、配管壁６から高温側電極２２Ｄへの熱の伝達ロスが小さく、熱効率がよい。
【０１１５】
他の作用は、熱電変換装置１と同じであるため重複説明を省略する。
【０１１６】
熱電変換装置１Ａによれば、熱電変換装置１と同じ効果を有する上、熱電変換装置１よりも、配管壁６から高温側電極２２Ｄへの熱の伝達ロスが小さいため、さらに熱効率がよくなる。
【０１１７】
［第３の実施形態］
次に本発明に係る第３の実施形態に示された熱電変換装置について添付図面を参照して説明する。
【０１１８】
図１１は、本発明に係る第３の実施形態に示された熱電変換装置１Ｂを示す斜視図である。図１２は、熱電変換装置１Ｂを示す図１のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。
【０１１９】
第３の実施形態に示された熱電変換装置１Ｂは、第１の実施形態に示された熱電変換装置１に対し、気密筐体部１０を気密筐体部１０Ｂとした点で異なり、他の構成および作用は同じであるため、同じ構成に同じ符号を付し、説明を簡略化または省略する。
【０１２０】
熱電変換装置１Ｂの気密筐体部１０Ｂは、図１１および図１２に示すように、配管部５の周方向全体を取り囲むように形成される。すなわち、気密筐体部１０Ｂは、４枚の配管壁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを、４枚の低温側筐体壁１５Ｂ、１５Ｂ、１５Ｂ、１５Ｂで取り囲むとともに、配管壁６と低温側筐体壁１５Ｂとの空間を筐体側壁１２Ｂで仕切ることにより形成される。
【０１２１】
次に、熱電変換装置１Ｂの作用について説明する。
【０１２２】
熱電変換装置１Ｂの作用は、熱電変換装置１と同様に、配管部５の流路７に高温流体を矢印Ｆの向きに流すと、配管部５の配管壁６（６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ）が高温になり、熱電変換モジュール２０に矢印Ｇの向きの熱流が発生し、電流が流れる。
【０１２３】
なお、熱電変換装置１Ｂは、気密筐体部１０Ｂが配管部５の周方向全体を取り囲むように形成されるため、配管壁６の熱が気密筐体部１０Ｂ内に効率よく供給される。
【０１２４】
熱電変換装置１Ｂによれば、熱電変換装置１と同じ効果を有する上に、配管壁６の熱が気密筐体部１０Ｂ内に効率よく供給されるため、熱電変換装置１よりも、さらに熱効率がよくなる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換装置の外観構成を示す斜視図。
【図２】本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換装置を示す図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換装置を示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図４】本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換装置を示す図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図５】本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換装置の熱電変換モジュール構成要素の作用を説明する模式図。
【図６】熱電変換モジュール構成要素における電極と半導体層との第１の接続形態を説明する模式図。
【図７】熱電変換モジュール構成要素における電極と半導体層との第２の接続形態を説明する模式図。
【図８】熱電変換モジュール構成要素における電極と半導体層との第３の接続形態を説明する模式図。
【図９】熱電変換モジュール構成要素における電極と半導体層との第４の接続形態を説明する模式図。
【図１０】本発明に係る第２の実施形態に示された熱電変換装置を示す図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図１１】本発明に係る第３の実施形態に示された熱電変換装置の外観構成を示す斜視図。
【図１２】本発明に係る第３の実施形態に示された熱電変換装置を示す図１１のＤ−Ｄ線に沿う断面図。
【符号の説明】
【０１２６】
１、１Ａ、１Ｂ  熱電変換装置
５  配管部
６、６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ  配管壁
７  流路
１０、１０Ｂ  気密筐体部
１１  収容空間
１２、１２Ｂ  筐体側壁
１３  高温側絶縁層
１４  低温側絶縁層
１５、１５Ｂ  低温側筐体壁
２０、２０Ｄ  熱電変換モジュール
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ  熱電変換モジュール構成要素
２２  高温側電極
２３  低温側電極
２３ａ  第１の低温側電極（低温側電極）
２３ｂ  第２の低温側電極（低温側電極）
２４  熱に対して伸縮自在な高温側電極
２６  ｎ型半導体層
２７  ｐ型半導体層
３０  半導体層−電極間の接合部
３１  導電性伸縮部材
３２  導電性均熱部材
３３  伝熱部材
３４  電極−絶縁層間の接合部
３５  高温側絶縁層−伝熱部材間の接合部
３６  熱放出部材
３７  低温側絶縁層−熱放出部材間の接合部
３８  電流取出部
３９  取合部
４０  取合部絶縁層
４１  低温側絶縁層−取合部材間の接合部
４２  筐体側壁支持部
４３  筐体側壁支持部−低温側絶縁層間の接合部
４４  筐体側壁−筐体側壁支持部間の接合部
５１  電子
５２  正孔
５５  外部回路
５７  電気的負荷
【図１】
2008048477.tif 000003
【図２】
2008048477.tif 000004
【図３】
2008048477.tif 000005
【図４】
2008048477.tif 000006
【図５】
2008048477.tif 000007
【図６】
2008048477.tif 000008
【図７】
2008048477.tif 000009
【図８】
2008048477.tif 000010
【図９】
2008048477.tif 000011
【図１０】
2008048477.tif 000012
【図１１】
2008048477.tif 000013
【図１２】
2008048477.tif 000014