(57)【要約】【課題】  Ｐ，Ｎ型半導体部の故障によるモジュール全体の性能低下を抑制でき、出力を向上させ得るゼーベック効果を利用した熱電発電装置を提供すること。【解決手段】  この熱電発電装置のＰ，Ｎ型半導体部３０，４０は、一端３１２，４１２が受熱部１０に接続されるとともに他端３１４，４１４が放熱部２０に接続された第１Ｐ，Ｎ型半導体３１０，４１０と、一端３２２，４２２が受熱部１０に接続されるとともに他端３２４，４２４が放熱部２０に接続された第２Ｐ，Ｎ型半導体３２０，４２０とを備える。これにより、並列に配置された２つ、もしくは３つ以上の半導体のうち、一方が故障した場合であっても、他方により半導体部の一端・他端間のエネルギ導通が確保され得る。また、放熱部２０は、空隙を有するフレキシブル電極に構成され、且つ、同空隙にて沸騰伝熱を奏するよう、低温流体にフッ素系不活性液体が用いられ得る。 【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温流体から受熱する受熱部と、
低温流体へ放熱する放熱部と、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続されたＰ型半導体部と、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続されたＮ型半導体部と、
を備え、
前記受熱部または前記放熱部における伝熱形態が、前記高温流体または前記低温流体の相変化を伴うように構成され、
前記Ｐ型半導体部および前記Ｎ型半導体部における前記一端と前記他端との温度差に基づいて、電気エネルギを生成する熱電発電装置において、
前記Ｐ型半導体部は、
少なくとも、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第１Ｐ型半導体と、
前記第１Ｐ型半導体に並列に配置されて、一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第２Ｐ型半導体とを備え、
前記Ｎ型半導体部は、
少なくとも、
一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第１Ｎ型半導体と、
前記第１Ｎ型半導体に並列に配置されて、一端が前記受熱部に接続されるとともに他端が前記放熱部に接続された第２Ｎ型半導体とを備えていることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の熱電発電装置において、
前記放熱部は、
前記低温流体の気化を伴うことで前記放熱が達成されるように構成され、
前記気化した低温流体を、液化状態で前記放熱部へ復液させるために、凝縮液化させる凝縮部、
を更に備えたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の熱電発電装置において、
前記低温流体は、フッ素系不活性液体であることを特徴とする熱電発電装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の熱電発電装置において、
前記Ｐ型半導体部、及び前記Ｎ型半導体部は、
前記Ｐ型半導体部の前記一端と、前記Ｎ型半導体部の前記一端とがそれぞれ対面し、且つ、前記Ｐ型半導体部の前記他端と、前記Ｎ型半導体部の前記他端とがそれぞれ対面するように、交互に配設され、
前記受熱部は、
前記対面している前記Ｐ型半導体部の前記一端、及び前記Ｎ型半導体部の前記一端の間に介装されて、前記Ｐ，Ｎ型半導体部それぞれの前記一端との接続がなされ、
前記放熱部は、
前記対面している前記Ｐ型半導体部の前記他端、及び前記Ｎ型半導体部の前記他端の間に介装されて、前記Ｐ，Ｎ型半導体部それぞれの前記他端との接続がなされるよう構成されたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の熱電発電装置において、
前記低温流体は、フッ素系不活性液体であり、
前記放熱部は、
空隙を有する材料により構成されることで、前記対面している前記Ｐ型半導体部の前記他端、及び前記Ｎ型半導体部の前記他端の間への、前記フッ素系不活性液体の侵入を許容するよう構成されるとともに、前記フッ素系不活性液体の気化を伴うことで前記放熱が達成されるように構成され、
前記気化したフッ素系不活性液体を、液化状態で前記放熱部へ復液させるために、凝縮液化させる凝縮部、
を更に備えたことを特徴とする熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、互いに接合されたＰ型半導体およびＮ型半導体を備え、それらの両端部における温度差に基づいて電気エネルギを生成する熱電発電装置であって、所謂ゼーベック効果を利用した熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギ変換機器等からの廃熱を有効に利用するための手法の一つとして、廃熱からの電気回生が挙げられる。その電気回生のための装置としては、以下の熱電発電装置が知られている。その熱電発電装置は、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたＰ型半導体部と、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたＮ型半導体部とを備えている。即ち、上記熱電発電装置は、所謂ゼーベック効果を利用した熱電変換装置である。
【０００３】
この熱電発電装置では、上記受熱部は高温流体より受熱する一方で、放熱部は低温流体へ放熱するようになっている。これにより、Ｐ型半導体部およびＮ型半導体部における一端と他端との間に、温度差が生じる。この温度差に基づいて、電気エネルギが生成されるようになっている。
【０００４】
この生成される電気エネルギは、上記温度差が大きいほど大きくなる。従って、発電効率の向上に際しては、上記温度差を大きくすることが好適である。そのための技術的アプローチは、下記特許文献１にて記述されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許５７３７９２３号
【０００６】
上記特許文献１に記載の熱電変換装置によれば、高温流体が気体状態で受熱部に導入されて、受熱部にて凝縮することで、受熱部が受熱するようになっている。他方、低温流体が液体状態で放熱部に導入されて、放熱部にて蒸発することで、放熱部が放熱するようになっている。即ち、受熱部および放熱部における伝熱形態は、高温熱流体および低温流体それぞれの相変化を伴うようになっている。
【０００７】
一般に、対流伝熱において、相変化を伴う伝熱形態（即ち、凝縮伝熱および沸騰伝熱）での伝熱量は、相変化を伴わないものに比べて格段に大きくなる。従って、受熱部での凝縮伝熱により、Ｐ，Ｎ型半導体部の一端への伝熱抵抗が小さくなる。同様に、放熱部での沸騰伝熱により、Ｐ，Ｎ型半導体部の他端からの伝熱抵抗が小さくなる。このため、Ｐ，Ｎ型半導体部の一端における温度は高温流体の温度に近づき、Ｐ，Ｎ型半導体部の他端における温度は低温流体の温度に近づき得る。
【０００８】
この結果、上記一端から上記他端に亘る距離に対する温度勾配が、大きくなる。すなわち上記温度差が大きくなり得、相変化を伴わない伝熱形態の場合に比して、発電効率の向上が期待される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、一般に、熱電変換装置におけるＰ，Ｎ型半導体部は、交互かつ直列的に積層モジュール化されて利用される。この場合、何らかの理由により、少なくとも１セクションのＰ型半導体部またはＮ型半導体部が故障したときは、交互かつ直列的な積層のため、モジュールにおけるエネルギ導通が遮断される。この結果、モジュール全体の性能が大きく低下するおそれがある。
【００１０】
特に、上記特許文献１に記載の熱電変換装置のように、Ｐ，Ｎ半導体部における一端と他端との温度差が大きい場合、Ｐ，Ｎ半導体部の熱歪みも大きくなる。このため、Ｐ，Ｎ半導体部の機械的故障が発生する可能性が大きい。従って、上記温度差が大きくなるよう構成された熱電変換装置においては、故障によるモジュール全体の性能低下の頻度が、大きくなるという問題があった。上記特許文献１に記載の技術においても、この問題への対策が何ら施されていなかった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、上記Ｐ，Ｎ型半導体部における一端と他端との間における温度差を大きくとり得、且つ、Ｐ，Ｎ型半導体部の故障によるモジュール全体の性能低下を抑制し得るものを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、高温流体から受熱する受熱部と、低温流体へ放熱する放熱部と、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたＰ型半導体部と、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続されたＮ型半導体部とを備え、受熱部または放熱部における伝熱形態が、高温流体または低温流体の相変化を伴うように構成され、Ｐ型半導体部およびＮ型半導体部における一端と他端との温度差に基づいて、電気エネルギを生成する熱電発電装置（所謂、ゼーベック効果を利用した熱電変換装置）に適用される。
【００１３】
ここにおいて、高温流体とは、低温流体が有するバルク温度よりも高いバルク温度を有する流体を意味する。
【００１４】
本発明にかかる熱電発電装置の特徴は、Ｐ型半導体部が、少なくとも、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続された第１Ｐ型半導体と、第１Ｐ型半導体に並列に配置されて、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続された第２Ｐ型半導体とを備え、Ｎ型半導体部が、少なくとも、一端が受熱部に接続されるとともにが前記放熱部に接続された第１Ｎ型半導体と、第１Ｎ型半導体に並列に配置されて、一端が受熱部に接続されるとともに他端が放熱部に接続された第２Ｎ型半導体とを備えていることにある。
【００１５】
これによれば、Ｐ型半導体部において、第１または第２Ｐ型半導体のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりＰ型半導体部の一端・他端間のエネルギ導通が確保され得る。同様に、Ｎ型半導体部において、第１または第２Ｎ型半導体のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりＮ型半導体部の一端・他端間のエネルギ導通が確保され得る。
【００１６】
このＰ，Ｎ半導体の並列個数を増やすことで、更に、一部故障によるエネルギ導通確保が可能となる。
【００１７】
従って、例えば、上記構成のＰ型半導体部とＮ型半導体部とを交互かつ直列的に積層させてモジュール化した場合にて、半導体に故障が生じた場合であっても、導通が遮断される事態が大幅に低減し得る。このため、モジュール全体としての性能低下が抑制され得る。他方、受熱部または放熱部における伝熱は、流体の相変化を伴う伝熱形態となる。このため、Ｐ，Ｎ半導体部の一端と他端との間の温度差が大きくなり得、発電効率が大きくなり得る。
【００１８】
以上より、上記構成によれば、上記温度差を大きくとり得、且つ、Ｐ，Ｎ型半導体部の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。
【００１９】
また、本発明にかかる熱電発電装置においては、放熱部は、低温流体の気化を伴うことで放熱が達成されるように構成され、気化した低温流体を液化状態で放熱部へ復液させるために凝縮液化させる凝縮部が更に備えられると好適である。
【００２０】
上記構成によれば、放熱部にて一旦気化した低温流体が、凝縮液化を経て、再び放熱部にて利用され得る。即ち、低温流体の流通系統が循環系に構成され得、低温流体の系外への放出を防ぐことができる。
【００２１】
加えて、凝縮部にて低温流体が凝縮液化する際、凝縮潜熱が発生する。この凝縮潜熱は、放熱部での気化潜熱と等価となる。即ち、潜熱に相当する熱量が、放熱部から凝縮部へ輸送されることになる。従って、例えば、凝縮部を熱要求部へ設置する等、低温流体の凝縮熱を有効利用するための自由度が大きくなり得る。
【００２２】
本発明にかかる熱電発電装置においては、低温流体がフッ素系不活性液体であることが好適である。このフッ素系不活性液体の沸点は、３０〜６０℃付近にて調整され得る。
【００２３】
ところで、一般に、燃料電池やエンジン等のエネルギ変換器において、その廃熱として、温度が８０〜１１０℃程度の低温廃熱が多量に生成される。この低温廃熱を高温流体の熱として受熱部に受け渡す場合、放熱部側の温度は、上記低温廃熱より低くなると想定される。従って、この放熱部側の温度は、上述したフッ素系不活性液体の沸点にマッチさせ易いものと言える。即ち、低温流体としてフッ素系不活性液体を用いることで、高温流体側にエネルギ変換器の低温廃熱を利用することができる。
【００２４】
上記構成は、かかる知見に基づくものである。これによれば、発電の駆動源としてエネルギ変換器の低温廃熱が利用され得るので、低質で多量の熱が電気に変換され得る。このため、エネルギ変換器を含むシステムに導入されることで、システム全体の効率を向上させることができる。
【００２５】
加えて、フッ素系不活性液体は、不活性であるため電気絶縁性が大きく、金属を腐食させない特性を有する。従って、フッ素系不活性液体と接触する放熱部を金属で構成し、放熱部に電極の機能をもたせる構成が可能となる。これにより、Ｐ，Ｎ半導体部の他端と低温流体との間における伝熱抵抗が、更に小さくされ得る。このため、Ｐ，Ｎ型半導体部の他端における温度は、低温流体の温度に更に近づき得る。この結果、上記温度差が更に大きくなり得る。
【００２６】
また、本発明にかかる熱電発電装置においては、Ｐ型半導体部及びＮ型半導体部が、Ｐ型半導体部の一端とＮ型半導体部の一端とがそれぞれ対面し、且つ、Ｐ型半導体部の他端とＮ型半導体部の他端とがそれぞれ対面するように、交互に配設され、受熱部が、対面しているＰ型半導体部の一端、及びＮ型半導体部の一端の間に介装されて、Ｐ，Ｎ型半導体部それぞれの一端との接続がなされ、放熱部が、対面しているＰ型半導体部の他端、及びＮ型半導体部の他端の間に介装されて、Ｐ，Ｎ型半導体部それぞれの他端との接続がなされるよう構成されてもよい。即ち、受熱部、放熱部、Ｐ型半導体部、及びＮ型半導体部が、いわゆるＴ型熱電変換素子を形成するようそれぞれ構成されてもよい。
【００２７】
これによれば、受熱部にて受熱した熱を、Ｐ，Ｎ型半導体部の一端に直接的に伝達し得、Ｐ，Ｎ型半導体部の他端からの熱を、放熱部に直接的に伝達し得る。このため、高温流体（低温流体）とＰ，Ｎ型半導体部の一端（他端）との間の伝熱抵抗が、小さくされ得る。
【００２８】
また、本発明にかかる熱電発電装置においては、低温流体がフッ素系不活性液体であり、放熱部が、空隙を有する材料により構成されることで、対面しているＰ型半導体部の他端及びＮ型半導体部の他端の間への、フッ素系不活性液体の侵入を許容するよう構成されるとともに、フッ素系不活性液体の気化を伴うことで放熱が達成されるように構成され、気化したフッ素系不活性液体を、液化状態で放熱部へ復液させるために、凝縮液化させる凝縮部を更に備えると好適である。
【００２９】
これによれば、対面しているＰ型半導体部の他端及びＮ型半導体部の他端の間にて、放熱部の空隙が存在することになる。この空隙を介して、フッ素系不活性液体が、Ｐ型半導体部の他端及びＮ型半導体部の他端に向かって侵入し得る。従って、フッ素系不活性液体が、これらの他端に近づき得、それぞれの他端より直接的に熱伝達され得る。このため、熱伝達に際して熱抵抗が抑制され得るので、Ｐ，Ｎ型半導体部の他端における温度は、低温流体の温度に更に近づき得る。この結果、上記温度差が更に大きくなり得る。
【００３０】
加えて、放熱部に空隙が存在することにより、放熱部に弾性が発現し得る。このため、例えば、Ｐ，Ｎ型半導体部に、熱負荷や外部振動に基づき応力が生じる場合、放熱部の弾性により応力が緩和され得る。従って、上述のような応力が生じる場合であっても、Ｐ，Ｎ型半導体部の他端（一端）と、放熱部（受熱部）と接続が維持され得る。この結果、Ｐ，Ｎ型半導体部の一端・他端間のエネルギ導通が確保され得る。
【００３１】
なお、受熱部、放熱部、Ｐ型半導体部、及びＮ型半導体部が、π型熱電変換素子を形成するよう構成されてもよい。これによれば、素子構造を簡素に構成し得るため、製造コストが低減され得る。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、Ｐ，Ｎ型半導体部における一端と他端との間における温度差を大きくとり得、且つ、Ｐ，Ｎ型半導体部の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示した熱電変換素子の詳細を説明するための図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る熱電発電装置の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      熱電発電装置
１０    受熱部
２０    放熱部
２４    空隙
３０    Ｐ型半導体部
３２    一端
３４    他端
４０    Ｎ型半導体部
４２    一端
４４    他端
５０    高温流体通路
６０    低温流体通路
７０    凝縮部
８２    密閉空間
３１０  第１Ｐ型半導体
３１２  一端
３１４  他端
３２０  第２Ｐ型半導体
３２２  一端
３２４  他端
４１０  第１Ｎ型半導体
４１２  一端
４１４  他端
４２０  第２Ｎ型半導体
４２２  一端
４２４  他端
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明による熱電発電装置の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００３６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる熱電発電装置１を示す図である。熱電発電装置１は、受熱部１０、放熱部２０、Ｐ型半導体部３０、及びＮ型半導体部４０を備えている。
【００３７】
受熱部１０は、それぞれ矩形プレート状に形成され、その先端部１２が、高温流体通路５０に位置するよう配設されている。受熱部１０のプレートを構成する部材は、熱および電気を導通し易い金属である。高温流体通路５０を流通する高温流体は、ここでは、車両エンジンとラジエータを循環する冷却液媒体であって、１１０℃付近の温度を有する。即ち、受熱部１０では、その先端部１２が、高温流体から受熱するフィンの機能を奏するようになっている。
【００３８】
放熱部２０は、それぞれ矩形プレート状に形成され、その先端部２２が、低温流体通路６０に位置するよう配設されている。放熱部２０のプレートを構成する部材は、熱および電気を導通し易い金属である。低温流体通路６０を流通する低温流体は、ここでは、フッ素系不活性液体であって、３０〜６０℃の沸点を有する。即ち、放熱部２０では、その先端部２２が、低温流体へ放熱するフィンの機能を奏するようになっている。
【００３９】
更に、これらプレート状の受熱部１０と放熱部２０とは、そのプレート面方向に、１枚ずつ交互に配設されている。
【００４０】
Ｐ型半導体部３０は、受熱部１０と放熱部２０との間隙一つおきに介装されている。Ｐ型半導体部３０の一端３２は、受熱部１０の先端部１２の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。Ｐ型半導体部３０の他端３４は、放熱部２０の先端部２２の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。
【００４１】
Ｎ型半導体部４０は、受熱部１０と放熱部２０との間隙一つおきに、且つ、上記Ｐ型半導体部３０が介装されていない間隙に介装されている。Ｎ型半導体部４０の一端４２は、受熱部１０の先端部１２の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。Ｎ型半導体部４０の他端４４は、放熱部２０の先端部２２の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。
【００４２】
このように、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０は、受熱部１０と放熱部２０とを挟みつつ、そのプレート面方向に、交互かつ直列的に積層されている。なお、放熱部２０は、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０にて生成される電気を外部へ伝達するための電極機能も兼ね備える。
【００４３】
即ち、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０は、一端３２，４２および他端３４，４４がそれぞれ対面するように交互に配設される。ここにおいて、受熱部１０は、対面している一端３２，４２の間に介装されて、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０それぞれの一端３２，４２との接続がなされる。また、放熱部２０は、対面している他端３４，４４の間に介装されて、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０それぞれの他端３４，４４との接続がなされる。以上より、受熱部１０、放熱部２０、Ｐ型半導体部３０、及びＮ型半導体部４０は、いわゆるＴ型熱電変換素子を形成することになる。
【００４４】
高温流体通路５０は、絶縁断熱部５２を介して上記積層構造と区画されている。絶縁断熱部５２は、放熱部２０、Ｐ型半導体部３０、及びＮ型半導体部４０と、高温流体とを絶縁断熱するようになっている。高温流体通路５０は、上流より上記廃熱を含む液媒体が流入し、その液媒体が後流へ流出していくよう開放系となっている。
【００４５】
低温流体通路６０は、絶縁断熱部６２を介して上記積層構造と区画されている。絶縁断熱部６２は、受熱部１０、Ｐ型半導体部３０、及びＮ型半導体部４０と、低温流体とを絶縁断熱するようになっている。低温流体通路６０は、密閉回路となっており、上記フッ素系不活性液体が密閉回路を循環するようになっている。この循環の駆動源として、低温流体通路６０に、液体輸送手段６４が備えられている。
【００４６】
なお、この低温流体通路６０の密閉回路内には、流体として、フッ素系不活性液体およびその蒸気のみが存在するようになっている。即ち、窒素、酸素等の不凝縮ガスが存在しない。この密閉系を形成するにあたり、予め密閉回路を真空引きした後に、フッ素系不活性液体のみを封入することが好ましい。なお、低温流体通路６０をフッ素系不活性液体で満たし、適量を残して吸引抜き取りすることで密閉系を形成しても構わない。
【００４７】
更に、本実施形態にかかる熱電発電装置は、凝縮部７０を備えている。この凝縮部７０は、上記密閉回路の低温流体通路６０に配設されており、放熱部２０よりも後流且つ液輸送手段６４よりも上流に、介装されている。凝縮部７０での凝縮工程は、速やかに実施され得る。これは、低温流体通路６０の密閉回路内に、不凝縮ガスが存在しないことに基づく。即ち、凝縮部７０にて、フッ素系不活性液体蒸気の拡散・凝縮を妨げる因子が、予め除去されているからである。
【００４８】
図２は、図１に示した熱電変換素子の詳細を説明するための図である。
【００４９】
Ｐ型半導体部３０は、第１Ｐ型半導体３１０と、第２Ｐ型半導体３２０とを備えている。第１Ｐ型半導体３１０および第２Ｐ型半導体３２０は、受熱部１０および放熱部２０のプレート面方向に対して並列に配置されている。第１Ｐ型半導体３１０の一端３１２、及び第２Ｐ型半導体３２０の一端３２２は、それぞれ面一となっており、Ｐ型半導体部３０の一端３２を構成している。第１Ｐ型半導体３１０の他端３１４、及び第２Ｐ型半導体３２０の他端３２４も、それぞれ面一となっており、Ｐ型半導体部３０の他端３４を構成している。
【００５０】
即ち、第１Ｐ型半導体３１０の一端３１２（他端３１４）、及び第２Ｐ型半導体３２０の一端３２２（他端３２４）は、受熱部１０の先端部１２（放熱部２０の先端部２２）の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。
【００５１】
Ｎ型半導体部４０は、第１Ｎ型半導体４１０と、第２Ｎ型半導体４２０とを備えている。第１Ｎ型半導体４１０および第２Ｎ型半導体４２０は、受熱部１０および放熱部２０のプレート面方向に対して並列に配置されている。第１Ｎ型半導体４１０の一端４１２、及び第２Ｎ型半導体４２０の一端４２２は、それぞれ面一となっており、Ｎ型半導体部４０の一端４２を構成している。第１Ｎ型半導体４１０の他端４１４、及び第２Ｎ型半導体４２０の他端４２４も、それぞれ面一となっており、Ｎ型半導体部４０の他端４４を構成している。
【００５２】
即ち、第１Ｎ型半導体４１０の一端４１２（他端４１４）、及び第２Ｎ型半導体４２０の一端４２２（他端４２４）は、受熱部１０の先端部１２（放熱部２０の先端部２２）の反対側に、プレート面と対向するよう接続されている。このように、Ｔ型熱電変換素子を形成する熱電変換素子は、Ｐ型半導体部３０、及びＮ型半導体部４０として、プレート面方向に並列的に、第１，第２Ｐ型半導体３１０，３２０、及び第１，第２Ｎ型半導体４１０，４２０をそれぞれ備える。なお、このＰ，Ｎ半導体の並列個数を２組以上としても構わない。以上が、第１実施形態にかかる熱電発電装置１の構成についての説明である。
【００５３】
次に、上述のように構成された第１実施形態にかかる熱電発電装置１の作動について、説明する。
【００５４】
図示しない車両エンジンの駆動にともない、高温流体通路５０に、１１０℃の廃熱を含む液媒体が流通する。同時に、低温流体通路６０に、沸点が３０〜６０℃に調整されたフッ素系不活性液体が流通するよう、液体輸送手段６４を駆動させる。
【００５５】
これにより、受熱部１０は、その先端部１２にて、廃熱を含む液媒体から受熱する。その熱は、受熱部１０から、Ｐ型半導体部３０の一端３２およびＮ型半導体部４０の一端４２に向かって伝熱する。それぞれの一端３２，４２に伝わった熱は、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０を介して、他端３４，４４に向かって伝熱する。それぞれの他端３４，４４に伝わった熱は、放熱部２０の先端部２２に向かって伝熱する。そして、放熱部２０の先端部２２に伝わった熱は、フッ素系不活性液体へ放熱される。
【００５６】
ここにおいて、放熱部２０での伝熱は、フッ素系不活性液体が液体状態で導入されて、放熱部２０の先端２２にて蒸発することで達成される。即ち、放熱部２０における伝熱形態は、沸騰伝熱を伴う。従って、放熱部２０での沸騰伝熱により、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０の他端３４，４４からの伝熱抵抗が小さくなる。このため、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０の他端３４，４４における温度は、フッ素系不活性液体のバルク温度に近づき得る。
【００５７】
これにより、上記一端３２，４２から上記他端３４，４４に亘る距離に対する温度勾配が、大きくなる。即ち、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０における一端３２，４２と、他端３４，４４との間に、大きな温度差が生じる。この結果、大きな温度差に基づくゼーベック効果により、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０にて多量の電気エネルギが生成される。その生成された電気エネルギは、電極機能を備える放熱部２０から抽出されて利用される。
【００５８】
また、放熱部２０にて一旦気化したフッ素系不活性液体は、凝縮部７０にて凝縮液化を経て、液体輸送手段６４により液輸送されて再び放熱部２０にて利用され得る。即ち、フッ素系不活性液体の流通系統が密閉循環系に構成され得、フッ素系不活性液体の系外への放出を防ぐことができる。
【００５９】
加えて、凝縮部７０にてフッ素系不活性液体が凝縮液化する際、凝縮潜熱が発生する。この凝縮潜熱は、放熱部２０での気化潜熱と等価となる。即ち、潜熱に相当する熱量が、放熱部２０から凝縮部７０へ輸送されることになる。従って、凝縮部７０を熱要求部へ設置することで、フッ素系不活性液体の凝縮熱を有効利用することができる。
【００６０】
以上により、発電の駆動源としてエネルギ変換器の低温廃熱が利用され得るので、低質で多量の熱が電気に変換され得、システム全体の効率を向上させることができる。
【００６１】
ところで、上述したように、放熱部２０にて沸騰伝熱が発生するため、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０における一端３２，４２と、他端３４，４４との間に、大きな温度差が生じる。このため、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０の熱歪みも大きい。更に、受熱部１０および放熱部２０を構成する金属と、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０との間では、それらの線膨張係数が異なるため、膨張変位も異なる。
【００６２】
これらに起因して、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０に、機械的故障が発生する可能性がある。ここにおける機械的故障としては、例えば、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０における端部３２，３４，４２，４４が、受熱部１０または放熱部２０のプレート面から剥離したり、Ｐ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０にクラックが発生する事象が考えられる。
【００６３】
上述した機械的故障に対し、上記構成の熱電発電装置１によれば、以下に説明する作用・効果を奏する。Ｐ型半導体部３０において、第１または第２Ｐ型半導体３１０，３２０のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりＰ型半導体部３０の一端３２・他端３４間のエネルギ導通が確保され得る。同様に、Ｎ型半導体部４０においても、第１または第２Ｎ型半導体４１０，４２０のうち、一方が故障した場合であっても、他方によりＮ型半導体部４０の一端４２・他端４４間のエネルギ導通が確保され得る。更に、このＰ，Ｎ半導体の並列個数を２組以上とすることで、一部故障時のエネルギ導通が高度に確保される。なお、ここにおけるエネルギ導通とは、電気伝導および熱伝導を意味する。
【００６４】
従って、上記構成の熱電発電装置１は、Ｐ型半導体部３０とＮ型半導体部４０とを交互かつ直列的に積層させてモジュール化されているが、半導体に故障が生じた場合であっても、導通が遮断される事態が大幅に低減し得る。このため、モジュール全体としての性能低下が抑制され得る。
【００６５】
他方、上述したように、Ｐ，Ｎ半導体部３０，４０の一端３２と他端４２との間の温度差が大きくなり得、発電効率が大きくなり得る。以上のことから、本発明の第１実施形態にかかる熱電発電装置１によれば、上記温度差を大きくとり得、且つ、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。以上が、本発明による熱電発電装置の第１実施形態の説明である。
【００６６】
（第２実施形態）
次に、本発明による熱電発電装置の第２実施形態について説明する。本実施形態は、上記第１実施形態と、以下の２点について異なる。１つは、上記第１実施形態の低温流体通路６０に代えて、フッ素系不活性液体を封入する空間が形成され、同空間内にてフッ素系不活性液体の凝縮が達成される点である。残りは、上記第１実施形態の放熱部２０が、矩形プレート状に形成されて、低温流体へ放熱するフィンの機能を奏するようになっていたのに代えて、放熱部２０が空隙を有する材料により構成されて、同空隙を介してフッ素系不活性液体が侵入可能なようになっている点である。
【００６７】
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態と異なる点のみ、図面を参照しつつ説明する。なお、第２実施形態の説明において、その構成のうち、上記第１実施形態が備える構成と同一・等価なものに対しては、上記第１実施形態の説明にて使用した符号と同一のものを付すことで、説明を省略する。
【００６８】
図３は、本発明の第２実施形態にかかる熱電発電装置１を示す図である。この熱電発電装置は、ハウジング８０を備えている。このハウジング８０は、放熱部２０側を囲うようになっており、その内壁と上記積層構造の端部とがシールされている。これにより、ハウジング８０の内側に、ハウジング８０の内壁、絶縁断熱部６２、及び放熱部２０にて区画される密閉空間８２が形成される。更に、ハウジング８０は、その一部に凝縮部７０を備えている。
【００６９】
密閉空間８２には、フッ素系不活性液体が封入されている。なお、この密閉空間８２には、流体として、フッ素系不活性液体およびその蒸気のみが存在するようになっている。即ち、窒素、酸素等の不凝縮ガスが存在しない。この密閉系を形成するにあたり、予め密閉空間８２を真空引きした後に、フッ素系不活性液体のみを封入することが好ましい。なお、低温流体通路６０をフッ素系不活性液体で満たし、適量を残して吸引抜き取りすることで密閉系を形成しても構わない。
【００７０】
凝縮部７０は、ハウジング８０の内外に配設されるフィンを備えており、ハウジング８０を介して、内側のフィンから外側のフィンに向かって熱伝導するよう構成されている。この内側のフィンにて、同フィンとフッ素系不活性液体の蒸気との熱交換が可能となっており、同蒸気を凝縮液化させるようになっている。一方、外側のフィンにて、上記凝縮液化に伴う凝縮潜熱を、系外へ放熱可能となっている。凝縮部７０での凝縮工程は、速やかに実施され得る。これは、密閉空間８２内に、不凝縮ガスが存在しないことに基づく。即ち、凝縮部７０にて、フッ素系不活性液体蒸気の拡散・凝縮を妨げる因子が、予め除去されているからである。
【００７１】
放熱部２０は、空隙２４を有する材料により構成されており、その先端部は絶縁断熱部６２に対し面一、面上、面下の何れでも構わない。空隙２４を有する材料としては、例えば、金属網目構造体（例えばステント、繊維金属）、金属多孔体（例えば発泡金属）、金属粒子充填体等が挙げられ、これらに限定されない。また、放熱部２０は、対面している他端３４，４４の間に介装されて、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０それぞれの他端３４，４４との接続がなされる。以上より、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０それぞれの他端３４，４４の間への、空隙２４を介したフッ素系不活性液体の侵入が、許容されるようになっている。
【００７２】
なお、この第２実施形態も、上記第１実施形態と同様、Ｐ型半導体部３０、及びＮ型半導体部４０として、受熱部１０のプレート面方向に並列的に、第１，第２Ｐ型半導体３１０，３２０、及び第１，第２Ｎ型半導体４１０，４２０をそれぞれ備える（図示せず）。更に、このＰ，Ｎ半導体の並列個数は２組以上でも構わない。以上が、第２実施形態にかかる熱電発電装置１の構成についての説明である。
【００７３】
次に、上述のように構成された第２実施形態にかかる熱電発電装置１の作動について、説明する。
【００７４】
廃熱は、受熱部１０、及びＰ型半導体部３０およびＮ型半導体部４０を介して、他端３４，４４に伝熱する。他端３４，４４に伝わった熱は、放熱部２０に向かって伝熱する。そして、放熱部２０に向かって伝わった熱は、フッ素系不活性液体へ放熱される。
【００７５】
ここにおいて、対面しているＰ型半導体部３０の他端３４、及びＮ型半導体部４０の他端４４の間にて、放熱部２０の空隙２４が存在することになる。この空隙２４を介して、フッ素系不活性液体が、他端３４，４４に向かって侵入する。従って、フッ素系不活性液体が、これらの他端３４，４４に近づき、沸騰伝熱を伴った熱伝達が直接的になされる。このため、熱伝達に際して熱抵抗が抑制され得るので、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０の他端３４，４４における温度は、フッ素系不活性液体のバルク温度に更に近づき得る。
【００７６】
放熱部２０（の空隙２４）にて一旦気化したフッ素系不活性液体は、凝縮部７０にて凝縮液化を経て、液体として自重に基づき放熱部２０へ戻り得る。これにより、再び放熱部２０にて利用され得る。即ち、フッ素系不活性液体の移動系統がヒートパイプ的に構成され得、フッ素系不活性液体の系外への放出を防ぐことができる。従って、ポンプ等の液体輸送手段６４が不要となり、装置が省動力で駆動し得、かつコンパクトに構成され得る。
【００７７】
加えて、放熱部２０に空隙２４が存在することにより、放熱部２０に弾性が発現し得る。このため、例えば、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０に、熱負荷や外部振動に基づき応力が生じる場合、放熱部２０の弾性により応力が緩和され得る。即ち、放熱部２０が、フレキシブル電極の役目を担う。従って、上述のような応力が生じる場合であっても、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０の他端３４，４４（一端３２，４２）と、放熱部２０（受熱部１０）と接続が維持され得る。この結果、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０の一端３２，４２・他端３４，４４間のエネルギ導通が確保され得る。
【００７８】
以上のことから、本発明の第２実施形態にかかる熱電発電装置１によれば、上記第１実施形態と同様、上記温度差を大きくとり得、且つ、Ｐ，Ｎ型半導体部３０，４０の故障によるモジュール全体の性能低下が抑制され得る。以上が、本発明による熱電発電装置の第２実施形態の説明である。
【００７９】
本発明は、上記各実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記第２実施形態においては、ハウジング８０内にて密閉空間８２が１つとなるよう構成されていたが、これに代えて、ハウジング８０内にて、密閉空間８２が複数に区画されてもよい。この場合、各々の放熱部２０に対応して、１つずつの密閉空間を備え、各々の密閉空間にフッ素系不活性液体を封入すると好適である。更に、各々に封入されるフッ素系不活性液体の量を、それぞれ均等とするとより好適である。これによれば、装置全体が傾いた場合であっても、各々の放熱部２０に向けてフッ素系不活性液体を均一に侵入させることができる。従って、例えば、熱電発電装置１を車両等移動体に搭載した場合であっても、各々の素子毎に発電量が偏ることを抑制することができる。加えて、フッ素系不活性液体の慣性力が抑えられ、車両本来の稼動性を保持可能となる。
【００８０】
また、上記第１，２実施形態においては、Ｐ型半導体部３０にてプレート面方向に対し、第１および第２Ｐ型半導体３１０，３２０の２つが並列的に配置されていたが、これに代えて、３つ以上のＰ型半導体が並列的に配置されてもよい。
【００８１】
また、上記第１，２実施形態においては、Ｎ型半導体部４０にてプレート面方向に対し、第１および第２Ｎ型半導体４１０，４２０の２つが並列的に配置されていたが、これに代えて、３つ以上のＮ型半導体が並列的に配置されてもよい。
【００８２】
また、上記第１，２実施形態においては、Ｐ型半導体部３０とＮ型半導体部４０とを交互かつ直列的に積層させてモジュール化されており、そのモジュール１体が用いられていたが、これに代えて、例えば上記積層させたモジュールを複数体用い、多段化（並列化）させてもよい。モジュール１体を用いてＰ，Ｎ半導体部３０，４０をスケールアップさせた場合に比して、このモジュール１体と総体格が同一となるモジュール複数体の方がより出力密度が大きくなり得る。この場合、モジュール複数体における段数設定としては、例えば、出力密度と段数との関係を規定したグラフを作成し、同グラフにて出力密度の最大値に対応する段数を設定するのが好適である。
【図１】
2013157437.tif 000003
【図２】
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【図３】
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