(57)【要約】【課題】簡単な構造で、多くの熱電変換モジュールを集積して、場所をとらない大容量の熱電変換システムを構築する。また、１つの大型の密閉空間に多数の熱電変換モジュールを配置可能とする。さらに、実質的な配置密度を高めて出力密度を増大する。【解決手段】加熱流体あるいは冷却流体のいずれか一方を流す流路５を区画する内側の管１と、内側の管１の周囲を囲むように同心状に配置されて内側の管１との間に密閉された空間４を形成する外側の管２と、内側の管１と外側の管２との間の密閉された空間４に内側の管２と外側の管２との間に挟まれるように配置される熱電変換モジュール３とを有し、かつ内側の管１あるいは外側の管２の少なくとも一方の熱電変換モジュールと接触する熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓが可撓性を備え、密閉空間４を減圧または真空にし、内側の管１に加熱流体または冷却流体のいずれか一方を流すとともに、外側の管２の周りに冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流すようにしている。【選択図】  図１
2013165240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱流体あるいは冷却流体のいずれか一方を流す流路を区画する内側の管と、
前記内側の管の周囲を囲むように同心状に配置されて前記内側の管との間に密閉された空間を形成する外側の管と、
前記内側の管と前記外側の管との間の密閉された前記空間に前記内側の管と前記外側の管との間に挟まれるように配置される熱電変換モジュールとを有し、かつ
前記内側の管あるいは前記外側の管の少なくとも一方の前記熱電変換モジュールと接触する熱電変換モジュール接触面が可撓性を備え、
前記密閉空間を減圧または真空にし、
前記内側の管に加熱流体または冷却流体のいずれか一方を流すとともに、前記外側の管の周りに冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流すことを特徴とする熱電変換システム。
【請求項２】
前記内側の管とその外側の前記外側の管とはともに角管であり、同心状に配置されるとともに、
前記内側の管を囲むように前記内側の管と前記外側の管の対向する各平面部分に前記熱電変換モジュールが配置されているものである請求項１記載の熱電変換システム。
【請求項３】
前記内側の管は円管であると共に、前記外側の管は角管であり、
前記内側の管の周囲に、前記熱電変換モジュールと密着する平坦な面と、前記内側の管の表面と密着する曲面とを有する金属のブロックを介在させて前記熱電変換モジュールが配置されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換システム。
【請求項４】
前記外側の管の周りにさらに套管を配置し、該套管とその内側の前記外側の管との間に冷却流体あるいは加熱流体のいずれか他方を流す流路が形成されたものである請求項１から３のいずれかに記載の熱電変換システム。
【請求項５】
前記加熱流体を流す前記流路の内部に、前記熱電変換モジュールと接する前記熱電変換モジュール接触面から隔てられたバイパス管を備え、
前記バイパス管は通常時には前記加熱流体の流入を阻止または抑制して当該バイパス管の外の前記流路に前記過熱流体を通過させ、過熱時には前記加熱流体の全量あるいは一部を流入させて当該バイパス管の外の前記流路を通過させる前記加熱流体の流量を阻止または抑制する流路切替え手段を有するものである請求項１から４のいずれか１つに記載の熱電変換システム。
【請求項６】
前記加熱流体と前記冷却流体との温度差に起因する熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収領域を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の熱電変換システム。
【請求項７】
前記熱電変換モジュールと該熱電変換モジュールと接する前記内側の管あるいは前記外側の管の熱電変換モジュール接触面の少なくともいずれか一方に接触熱抵抗低減物質を介在させていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の熱電変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電半導体に温度差を与えて発電する熱電変換システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、産業設備などから排出されるガスや排水、蒸気及び自動車の排ガスなどの高温の流体の熱あるいはＬＮＧ気化器で発生する冷熱などを利用して温度差を与えるのに好適な熱電変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の量産規模の一般的構造の熱電変換素子は、複数対の熱電半導体の上下面に電極を備えることで電気回路を構成し、さらにそれぞれの電極の外側に電気絶縁性を備える板例えばセラミックス板あるいは電気絶縁膜を有する金属板を配置して挟み付けるように接着剤やろう材等の接合材で結合することによって組み立てられて熱電変換モジュール化されている。このため、熱電変換モジュールは平板状に成形される。
【０００３】
また、熱電変換モジュールは、熱電半導体を挟みつける加熱板の熱膨張に起因するせん断力の発生が脆弱な熱電半導体を破壊したり、各部材間の接合面で剥離を発生させる恐れがあることから、大型化が難しく、平面寸法が４ｃｍ〜６ｃｍ角程度のものが一般的である。
【０００４】
一方、従来の熱電変換システムは、平板状に成形された熱電変換モジュールと、この熱電変換モジュールに隙間無く密着する加熱流体を流す平板状の加熱ダクトと、冷却流体を流す平板状の冷却ダクトとで構成され、両ダクト間で熱電変換モジュールを挟みつけるように積層することにより一体化して熱電変換モジュールに温度差を与える構造が一般的である。このため、熱電変換モジュールの設置密度を高めるには、熱電変換モジュールを加熱ダクトと冷却ダクトとで挟みつけて成るユニットを幾層にも積み重ねて用いる必要がある。例えば、省エネルギー技術の一手段として有望視されている自動車の排ガスを熱源とする熱電変換システム１０１においては、図２３及び図２４に示すように、排ガスを流す加熱ダクト１０９と冷却水を流す冷却ダクト１０７との間に熱電変換モジュール１０８を挟み、両ダクト１０７，１０９をバネ１０６とクランプ１０５などの加圧機構で押さえつけて、熱電変換モジュール１０８に温度差を与える方式が試みられている（非特許文献１）。なお、図中の符号１０２は排気管、１０３は排ガスの流れを遮断する仕切り弁、１１０は排気管と加熱ダクトとを接続するマニホールドである。排ガスは入り口側のマニホールド１１０で分配されて各加熱ダクト１０９に供給され、出口側のマニホールド１１０で集合されて排気管１０２に導入される。
【０００５】
ここで、自動車の排ガスを加熱流体として利用する場合、走行状態に応じて加熱流体の温度並びに流量が大幅に変動するという問題を伴う。一概には言えないが、排ガスは、通常の走行では５００℃程度であるが、高速走行時には１０００℃以上になると共に排ガス流量も増大する。１０００℃を超える高温の排ガスでは、熱電変換モジュールが耐熱限度を超え壊れる恐れがある。また排ガス流量の増大は、圧力損失の増加に繋がり、エンジンの出力を損なう結果となる。そこで、現在開発中の自動車用熱電変換システムでは、図２３に示すように熱電変換システム１の加熱ダクト１０９に排ガスを導入する排気管１０２とは別に、高速走行時に排ガスを流すバイパス管１０４を並べて配置し、排ガス温度をモニターして高速走行時には排ガスをバイパス管１０４に導く方式が検討されている（非特許文献１）。
【０００６】
他方、高温ガスの腐食性などから熱電変換モジュールを保護し、接触熱抵抗を軽減させるため、熱電変換モジュールを真空あるいは減圧状態にある箱形の密閉容器内に収納すると共に、熱電変換モジュールと熱を伝える金属板との間の接触界面にカーボンシートやシリコングリースを介在させて接触熱抵抗を軽減させたパッケージ型の熱電変換システムも提案されている（特許文献１〜３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−４９８７２号
【特許文献２】ＷＯ２０１０−８４７１８  Ａ１
【特許文献３】特開２０１１−２３８６９３号
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Eder and J. Liebl, “Thermoelectric Waste Heat Recovery ? a Technology Transfer  from Aerospace to the Automotive Industry”, 1 Internationale Thermoelektrik  Konferenz, Berlin, 23 Oktober, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来の熱電変換システムは、平板状の熱電変換モジュールと加熱ダクトと冷却ダクトとを幾層にも積み重ねて板ばねなどで強固に挟みつける構造であるため、圧力損失や熱電素子の破損などを招き、大型化できないという問題を有している。
【００１０】
つまり、熱電変換モジュールと加熱流体を流すダクトと冷却流体を流すダクトとを交互に積み重ねて板ばねなどで強固に挟みつける構造では加圧機構には頑丈な構造が要求されることから、重量や占有スペースが大きくなる問題がある。
【００１１】
加えて、加熱流体を流すダクト及び冷却流体を流すダクトにも、大きな加圧力に耐え得る頑丈な構造が要求される。しかし、加熱ダクト並びに冷却ダクトを頑丈な構造とすることは、熱電変換モジュールと密着させ熱抵抗を低減させることと二律相反の関係にあり、熱電変換モジュールに大きな温度差を与えることが難しいものである。従来の自動車用熱電変換システム１０１においては、５００℃の排ガスが加熱ダクト内を流れる際のモジュール高温側温度が２００℃程度にまで低下しており、排ガスの熱が有効に利用できていないのが現状である。これは、排ガスの熱伝達係数が低いこと、およびダクトとモジュールの接触界面に存在する接触熱抵抗が原因である。
【００１２】
さらに、高密度に熱電変換モジュールを配置するには、熱電変換モジュールを加熱ダクトと冷却ダクトとで挟みつけて成るユニットを幾層にも積み重ねる必要があるので、排気管を幾つもの流れに分岐させて複数のパネル状のダクトに導入させる構造とせざるを得ないことから、圧力損失が高まる。しかも、剥き出しの熱電変換モジュールを加熱ダクトと冷却ダクトとで挟みつけるだけの構成では、熱電変換モジュールが高温で大気に晒されるのみならず、自動車の走行条件によっては冠水の可能性もあり、酸化による劣化や電気的短絡などの問題も伴う。
【００１３】
また、従来の自動車の排ガスを熱源とする熱電変換システムにおいては、熱電変換システム（加熱ダクト）とバイパス管を並べて配置するため、設置スペース的に大きな制約を受ける。このことは、高密度化が進んでいる近年の自動車においては無視できない問題である。
【００１４】
これら問題は自動車の排気管に備える熱電変換システム特有の問題ではなく、蒸気を流す配管や液化ガス気化器用管内を流れる流体の熱を利用する熱電変換システム全般の問題であり、改善が望まれるものである。
【００１５】
他方、特許文献１及び２記載の発明は、数センチ角のモジュールを１個のみ気密ケースに封入したものであるので、大型の加熱・冷却ダクトに対してはこれらを多数設置する必要がある。しかし、発電変換モジュール１つ当たりに占める箱形の密閉容器の割合が高いため、単位面積当たりの熱電変換モジュール設置密度が低く、設備コストが高価なものとなる問題がある。また、特許文献３記載の発明は、特許文献１及び２記載のものよりも比較的大型の気密ケース内に数センチ角のモジュールを複数個封入することが出来るが、特許文献１及び２記載の熱電変換システムと同様に、設備コストが高価なものとなる問題が生ずる。
【００１６】
このことから、高温の流体が流れる大型の管またはダクトの外側に多数の熱電変換モジュールを設置可能で、かつ簡素な構成の熱電変換システムが要望されている。
【００１７】
本発明は、かかる要望に応えるもので、簡単な構造で、多くの熱電変換モジュールを集積して、場所をとらない大容量の熱電変換システムを構築できる熱電変換システムを提供することを目的とする。また、本発明は１つの大型の密閉空間に多数の熱電変換モジュールを配置可能とする熱電変換システムを提供することを目的とする。さらに、本発明は、実質的な配置密度を高めて出力密度を増大することができる大容量の熱電変換システム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】
【００１８】
かかる目的を達成するために請求項１記載の熱電変換システムは、加熱流体あるいは冷却流体のいずれか一方を流す流路を区画する内側の管と、前記内側の管の周囲を囲むように同心状に配置されて前記内側の管との間に密閉された空間を形成する外側の管と、前記内側の管と前記外側の管との間の密閉された前記空間に前記内側の管と前記外側の管との間に挟まれるように配置される熱電変換モジュールとを有し、かつ前記内側の管あるいは前記外側の管の少なくとも一方の前記熱電変換モジュールと接触する熱電変換モジュール接触面が可撓性を備え、前記密閉空間を減圧または真空にし、前記内側の管に加熱流体または冷却流体のいずれか一方を流すとともに、前記外側の管の周りに冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流すようにしている。
【００１９】
また、請求項１記載の熱電変換システムにおいて、内側の管とその外側の外側の管とはともに角管であり、同心状に配置されるとともに、内側の管を囲むように内側の管と外側の管の対向する各平面部分に熱電変換モジュールが配置されていることが好ましい。
【００２０】
また、請求項１記載の熱電変換システムにおいて、内側の管は円管であると共に、外側の管は角管であり、内側の管の周囲に熱電変換モジュールと密着する平坦な面と内側の管の表面と密着する曲面とを有する金属のブロックを介在させて熱電変換モジュールが配置されていることが好ましい。
【００２１】
また、請求項１から３のいずれかに記載の熱電変換システムにおいて、外側の管の周りにさらに套管を配置し、該套管とその内側の外側の管との間に冷却流体あるいは加熱流体のいずれか他方を流す流路が形成されていることが好ましい。
【００２２】
また、請求項１から４のいずれか１つに記載の熱電変換システムにおいて、加熱流体を流す流路の内部に、熱電変換モジュールと接する熱電変換モジュール接触面から隔てられたバイパス管を備え、バイパス管は通常時には加熱流体の流入を阻止または抑制して当該バイパス管の外の流路に過熱流体を通過させ、過熱時には加熱流体の全量あるいは一部を流入させて当該バイパス管の外の流路を通過させる加熱流体の流量を阻止または抑制する流路切替え手段を有することが好ましい。
【００２３】
また、請求項１から５のいずれか１つに記載の熱電変換システムにおいて、加熱流体と冷却流体との温度差に起因する熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収領域を備えることが好ましい。
【００２４】
さらに、請求項１から６のいずれか１つに記載の熱電変換システムにおいて、熱電変換モジュールと該熱電変換モジュールと接する内側の管あるいは外側の管の熱電変換モジュール接触面の少なくともいずれか一方に接触熱抵抗低減物質を介在させていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２５】
請求項１記載の熱電変換システムによれば、密閉空間に生ずる差圧に起因する加圧力により、熱電変換モジュールと外管並びに内管とのそれぞれの接触界面において密着し、接触熱抵抗が低減されるので、加圧機構を用いなくとも、加熱流体と冷却流体との間の温度差が熱電変換モジュールに与えられる。また、二重管構造の内管と外管との間の１つの連続した密閉空間に、内管を囲むように熱電変換モジュールを配置して密閉空間に作用する差圧によって相互に密着させる簡単な構造であるので、多くの熱電変換モジュールを集積して、場所をとらない大容量の熱電変換システムを安価に構築できる。しかも、１つの大型の密閉空間に多数の熱電変換モジュールを配置できるので、実質的な配置密度を高めて出力密度（単位面積当たりの出力）を増大することができる。
【００２６】
しかも、内側の管の周りに多数の熱電変換モジュールを配置して気密ケースを構成する構造でありながら、大型化できなおかつ熱電変換モジュールの上下面に接触熱抵抗を低減する効果のあるカーボンシートや熱伝導性グリースなどを介在させて熱電変換モジュールとの接触熱抵抗を低減できるなどの効果も損なわないものである。
【００２７】
また、二重管構造とするだけで多数の熱電変換モジュールを内管の周りに設置する密閉空間を構成できるので、構造が簡単で場所をとらず、かつ安価に製造できる。
【００２８】
また、請求項２記載の発明によると、内側の管とその外側の外側の管とを角管で構成して同心状に配置するため、角管の隅部分を除いた各平面部分全体を熱電変換モジュールに密着させ得るので、構造が簡単で場所をとらず、かつ安価に製造できる。
【００２９】
また、請求項３記載の発明によると、内側の管を円管とすることができるので、内圧に対して十分な耐圧強度を備え変形しない。したがって、水蒸気などの高圧の加熱流体を使用することができ、かつこのような加熱流体を使用した場合にも熱電変換モジュールと加熱ダクトたる内側の管との間の接触は密着した状態に保てる。
【００３０】
また、請求項４記載の発明によると、外側の管の周りにさらに套管を配置する簡単な構造で、外側の管との間に冷却流体あるいは加熱流体のいずれか他方を流す流路を形成しているので、中心の内側の管との間で多数の熱電変換モジュールに確実に温度差を与えることができる。
【００３１】
また、請求項５記載の発明によると、加熱流体を流す流路の内部に熱電変換モジュール接触面から隔てられたバイパス管を備え、加熱流体が熱電素子の耐熱温度を超える温度となった時にはその全量あるいは一部を流入させるようにしているので、流路内を通過させる加熱流体の総量を変えずに熱電変換モジュールに与える熱を調整することができる。つまり、加熱流体の一部をバイパス管の外に流して熱電変換モジュール接触面を加熱することもできるので、例えば自動車用熱電変換システムとして構成する場合には、高速走行時にも走行性能を犠牲にせずに熱電変換システムによる発電を確保することもできる。しかも、加熱ダクトの中にバイパス管を配置して集約しているので、２本のダクトを並設する場合に比べて省スペース化が可能である。
【００３２】
また、請求項６記載の発明によると、熱膨張差吸収領域での変形により内管と外管との熱膨張差を吸収できるので、長い内管と外管との間の密閉空間に多数の熱電変換モジュールを配置して大型化することができる。
【００３３】
さらに、請求項７記載の発明によると、接触熱抵抗低減物質の介在により、熱電変換モジュールに剪断力などが作用するのを防ぐと共に接触熱抵抗を低減させるので、熱電変換モジュール本体に大きな温度差を与えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明にかかる熱電変換システムの一実施形態を示す横断面図である。
【図２】同熱電変換システムの一方の端部付近の中央縦断面図である。
【図３】本発明の熱電変換システムを自動車の排気管に組み込んで排ガスを利用して発電する実施形態の一例を示す斜視図である。
【図４】同自動車用熱電変換システムの底面図である。
【図５】同熱電変換システムの中央縦断面図である。
【図６】図４のＧ部の拡大図である。
【図７】図４のＦ部の拡大図である。
【図８】同自動車用熱電変換システムの横断面図で、（Ａ）は図４のＡ−Ａ線に沿う断面図、（Ｂ）は図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図、（Ｃ）は図４のＣ−Ｃ線に沿う断面図である。
【図９】同自動車用熱電変換システムに用いる内管の一例を示す斜視図である。
【図１０】同自動車用熱電変換システムに用いる外管の一例を示す斜視図である。
【図１１】図３の自動車用熱電変換システムの一例を示す外管と内管及びそれらの間の密閉空間に配置される熱電変換モジュールの構造を套管を取り除いて示す斜視図である。
【図１２】加熱ダクト内にバイパス管を設けた自動車排気管用熱電変換システムの実施形態を示す原理図であり、横断面構造を示す。
【図１３】内管とバイパス管とこのバイパス管を開閉する流路切替え手段との関係を正面側から表す原理図であり、バイパス管を閉じた状態を示す。
【図１４】バイパス管の入り口付近を側面側から表す原理図であり、バイパス管を閉じた状態を示す。
【図１５】内管とバイパス管とこのバイパス管を開閉する流路切替え手段との関係を正面側から表す原理図であり、バイパス管を開放した状態を示す。
【図１６】バイパス管の入り口付近を側面側から表す原理図であり、バイパス管を開放した状態を示す。
【図１７】バイパス管を設けた自動車の排気管用熱電変換システムの実施形態を示す横断面図である。
【図１８】同熱電変換システムの縦断面図である。
【図１９】本発明の熱電変換システムをオープンラック式ＬＮＧ気化器(ＯＲＶ)に適用した実施形態を示す原理図である。
【図２０】オープンラック式ＬＮＧ気化器のＯＲＶ伝熱管を内管として利用した熱電変換システムの横断面図である。
【図２１】スチームを熱源として利用する本発明の熱電変換システムの実施形態を示す横断面図である。
【図２２】銅製のブロックの間にカーボンシートを介在させた場合と介在させない場合との温度と接触熱抵抗を比較した実験結果を示すグラフである。
【図２３】従来の自動車用熱電変換システムを組み込んだ排気管を示す斜視図である。
【図２４】同自動車用熱電変換システムの分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１及び図２に本発明にかかる熱電変換システムの一実施形態を示す。この熱電変換システムは、加熱流体または冷却流体を流す流路５を区画する内側の管（以下、内管と呼ぶ）１と、内管１の周囲を囲むように同心状に配置されて内管１との間に密閉された空間（以下、密閉空間と呼ぶ）４を形成する外側の管（以下、外管と呼ぶ）２と、内管１と外管２との間の密閉空間４に内管１と外管２との間に挟まれるように配置される熱電変換モジュール３とで構成されている。そして、内管１あるいは外管２の少なくとも一方の熱電変換モジュール３と接触する熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓが可撓性を備えるものとし、かつ密閉空間４を減圧または真空にすることによって、外部空間と密閉空間４との間の圧力差によって外管２及び内管１の熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓを熱電変換モジュール３に密着させる加圧力を発生させるようにしている。これにより、内管１に加熱流体または冷却流体のいずれか一方を流すとともに、外管２の周りに冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流して、熱電変換モジュール３に温度差を与えることができる。
【００３６】
ここで、外管２は、内管１の周りを囲むように配置されて内管１との間に熱電変換モジュール３を収納する密閉空間４を形成できるものであれば、その形状は特定のものに限定されるものではない。外管２の最適な形状は、熱電変換システムを適用する用途や設置環境によっても異なるが、平面の熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓを構成できる管、例えば最も広い平面の熱電変換モジュール接触面２ｓを得られる正方形や長方形などの矩形断面の角管が好ましい。この場合、熱電変換モジュール３を無駄なく配置できる周方向に連続した密閉空間を容易に形成できる。また、外管２としては、場合によっては三角形あるいは五角形以上の多角形の管や、円管であることもある。
【００３７】
また、内管１は、外管２と同様に、熱電変換モジュール３を密着させる上で、平坦な広い熱電変換モジュール接触面２ｓを得られる角管であることが好ましい。そこで、内管１とその外側の外管２とを共に角管で構成し、同心状に配置してそれらの対向する各平面部分即ち熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓの間に熱電変換モジュール３を配置させることが好ましい。
【００３８】
他方、内管１は、角管であることが好ましいが、必ずしも角管に限られず、場合によっては円管であっても良い。例えば、加熱流体として蒸気を利用するスチームダクトなどを内管１とする場合、スチームの高圧に耐えるにはシームレスの円管の採用が最も有利である。この場合、熱電変換モジュール３と密着する平面と内管１の表面と密着する曲面とを有する熱伝導性、熱伝導率の高い金属のブロックを介在させることによって、熱電変換モジュール３に密着させる平坦な面を形成し、熱電変換モジュール３の配置を可能とすることができる。もちろん、円管からなる外管２と角管からなる内管１との組み合わせも否定するものではなく、このような場合においても熱電変換モジュール３と密着する平面と外管２の内面と密着する曲面とを有する熱伝導性、熱伝導率の高い金属のブロックを介在させることによって熱電変換モジュール３と熱電変換モジュール接触面２ｓとの密着不良の問題は解消される。
【００３９】
外管２の周りには冷却流体または加熱流体を流す流路６が形成される。この場合、外管２の周りにさらに套管７を配置し、該套管７とその内側の外管２との間に流路６を形成するようにしても良いが、区画されない流路例えばＬＮＧ気化器における伝熱管に沿って流れ落ちる海水の流れのように開放的な流路としても良い。
【００４０】
さらに、熱電変換モジュール３と該熱電変換モジュール３と接する内管１あるいは外管２の熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓの少なくともいずれか一方の接触界面にはカーボンシートや熱伝導性のシリコングリースなどの接触熱抵抗低減物質９を介在させることが好ましい。接触界面に接触熱抵抗低減物質９を介在させることは、接触熱抵抗の低減に効果的であり、出来るだけ大きな温度差を熱電変換モジュールに与えるために必要な加圧力の低減に効果がある。例えば、厚さ方向の熱伝導率５Ｗ／ｍＫ、厚さ０．１５ｍｍのカーボンシートを銅製のブロックの間に介在させて０．０４ＭＰａ(０．４ｋｇ／ｃｍ２ )で加圧した実験により、カーボンシートを介在させない場合の２個の銅ブロックの接触熱抵抗と比較すると、厚さ方向の熱伝導率が低い従来一般的なカーボンシートの採用によっても熱抵抗を１／１０以下に低減できることが判明した。その結果を表１および図２２に示す。
【００４１】
【表１】
2013165240.tif 000003
上述の接触熱抵抗低減物質９のうちカーボンシートは、密閉空間４の真空化、減圧化あるいは不活性雰囲気化により、最も高温で使用できるＳｉＧｅ熱電半導体の使用温度１１００℃でも劣化しないため、いかなる熱電半導体にも適用可能である。
【００４２】
また、内管１、外管２及び套管７のいずれか、好ましくは冷却流体を流す流路を区画する管には、加熱流体に接触する管と冷却流体に接触する管との温度差に起因する熱膨張差を吸収する熱膨張差吸収領域８を備えることが好ましい。本実施形態の場合、冷却流体を流す流路６を区画する外管２に、あるいは必要に応じて外管２と套管７の双方に、管軸方向（熱膨張・収縮する方向）に変形あるいは変位する熱膨張差吸収領域８が少なくとも１カ所以上設けられている。例えば、外管２には、熱電変換モジュール３の軸方向前後にベローズ状の熱膨張差吸収領域８がそれぞれ形成され、熱電変換モジュール３の前後で熱膨張差を吸収して熱電変換モジュール３に接触している部分で剪断力として作用するのを防ぐようにしている。この熱膨張差吸収領域８は、発生する温度差に起因する熱膨張差が小さい場合には、設置箇所を少なくしたり、設けなくても済むこともある。
【００４３】
密閉空間４は、外の圧力よりも低い内部圧力、例えば運転時に少なくとも０．４気圧以上の差圧が得られる減圧雰囲気又は真空とされている。例えば、内管１と外管２との間の隙間に熱電変換モジュール３を収容した後に真空雰囲気下で内管および外管の境界部分を電子ビーム溶接などで接合することによって、内管１と外管２とを一体化すると同時に密封して密閉空間４を減圧または真空状態とすることができる。この差圧によって密閉空間４に外からかかる加圧力により、熱電変換モジュール３と外管２並びに内管１とのそれぞれの接触界面において加圧・密着され、接触熱抵抗が低減される。因みに、本発明者等の実験によると、例えば５５０℃、大気圧下で運転するパッケージ熱電変換モジュール１を想定すると、室温（２７℃）での封入圧力（ＰＲＴ）を−０．８気圧（ゲージ圧）とすると、５５０℃に加熱した際の内圧Ｐ５５０は絶対圧で０．５５気圧、ゲージ圧で−０．４５気圧となり、十分な温度差を与えるに十分な圧力を付与できることが判明した。なお、熱電変換モジュール３は、公知であるためその詳細な説明と図示を省略しているが、一般的には複数対の熱電半導体の各電極を直列に接続して端部のリード線から密閉空間４の一隅から外管２の外に貫通する一対の貫通電極１２に導通させる電気回路を構成している。
【００４４】
ここで、内管１あるいは外管２の少なくともいずれか一方は、密閉区間４に生ずる差圧によって、熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓが熱電変換モジュール３に密着する程度の可撓性と、圧力差で破壊せずに気密性を確保できる程度の剛性とを備える伝熱性に優れる素材で構成されていることが好ましい。例えば、本実施形態では、外管２は上述の差圧によって容易に変形する薄肉の金属素材で構成されている。他方、内管１は、前述の差圧によって生ずる加圧力などに耐えて形を保つ剛性を必要する堅固な材質であることが好ましい。もちろん、内管１には加熱流体あるいは冷却流体が流れるため、ある程度の剛性を備えることになるので、材質的に堅固な構造とする必要はないが、外管２と内管１の双方を可撓性を有する素材で構成する必要性も特にない。そこで、本実施形態の場合には、外管２は熱伝導性に優れる材料の薄板で形成され、内管１は外管２よりも厚肉の熱伝導性に優れる材料で形成されている。なお、内管１には伝熱面積を増やすために内側に向けて放射状に伸びる多数の襞１７を設けても良い。
【００４５】
以上のように構成された熱電変換システムによれば、密閉空間４に生ずる差圧に起因する加圧力により、熱電変換モジュール３と外管２並びに内管１とのそれぞれの接触界面において密着し、接触熱抵抗が低減されるので、加圧機構を用いなくとも、加熱流体と冷却流体との間の温度差が熱電変換モジュール３に与えられる。また、二重管構造の内管１と外管２との間の１つの連続した密閉空間４に、内管１を囲むように熱電変換モジュール３を配置して密閉空間４に作用する差圧によって相互に密着させる簡単な構造であるので、多くの熱電変換モジュールを集積して、場所をとらない大容量の熱電変換システムを構築できる。
【００４６】
図３〜図１１に、本発明の熱電変換システムを自動車の排気管に組み込んで排ガスを利用して発電する実施形態の一例を示す。
【００４７】
この自動車の排気管用熱電変換システムは、排ガスを導入する内管（以下、本実施形態では加熱ダクトと呼ぶ）１と、この加熱ダクト１の外側を覆って冷却流体と接触する薄肉の外管（以下、本実施形態では冷却管と呼ぶ）２と、さらに冷却管２の外側を覆い冷却管２の間に冷却水を流す流路６を構成する套管７との三重管構造としたものである。加熱ダクト１及び冷却管２は、ともに角管によって構成され、同心状に配置されたときに互いに平行な関係となる熱電変換モジュール接触面１ｓ，２ｓの間に熱電変換モジュール３を装入する。
【００４８】
この自動車の排気管用熱電変換システムは、例えば図３に示すような外観を呈している。冷却管２は、可撓性を有する熱伝導率の高い素材、例えば厚さ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の薄肉のオーステナイト・ステンレス製のシームレス管を水圧成形（ハイドローリック・フォーミング）により、図１０に示すような角管に成形加工したものである。この冷却管２の製法としては、特に水圧成形に限られるものではなく、図１０に例示する冷却管２を長手方向に２分割または４分割した部材をプレス加工（深絞り加工）により作製し、これらを突き合わせて電子ビーム溶接で組み立てることによっても容易に製造可能である。ここで、冷却管２並びに套管７には、図３、図６〜図８に示すように、熱膨張が生ずる方向に変形・伸縮可能な熱膨張差吸収領域８を適宜間隔を開けて数カ所に設け、加熱ダクト１と冷却管２並びに套管７の熱膨張差を吸収できる構造とすることが好ましい。熱膨張差吸収領域８としては、本実施形態においては軸方向の変位を容易に吸収可能な波形（ベローズ型）の構造部位を採用しているが、特に図示している波形（ベローズ型）の形状に限られず、他の部位に優先して変形する形態ないし構造であれば実施可能である。なお、冷却管２並びに套管７は、冷却流体として水を用いる場合、錆を防ぐ観点からオーステナイト系ステンレス材料の使用が望ましいが、これに限定されるものではない。
【００４９】
また、冷却管２を薄肉の角管で構成する場合、冷却管２の断面形状、特に熱電変換モジュール３と接触する熱電変換モジュール接触面２ｓの平面度を維持するため、四隅を補強することが望ましい。例えば、図８（Ｃ）及び図１１に示すように、冷却管２の四隅の内側のスペースに長手方向（軸方向）に突っ張り棒１８を設置して、冷却管２の角の形状を維持する。突っ張り棒１８は、冷却管２の両端を加熱ダクト１に固着するためのフランジ１０に溶接付けなどで固定されている。この突っ張り棒１８は冷却管２が比較的厚肉または小型の場合は必要ないが、冷却管２が薄肉で大型の場合には設置することが望ましい。
【００５０】
冷却管２と加熱ダクト１とはそれらの間で密閉空間４を区画し、その密閉空間４を真空としている。そのため冷却管２は内外の圧力差（１気圧=１ｋｇ／ｃｍ２＝０．１ＭＰａ）で熱電変換モジュール３を加圧する。この際に熱電変換モジュール３と良好な密着を実現するため、厚さ０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度の薄肉とすることが望ましい。なお冷却管２と加熱ダクト１との間の密閉空間４の圧力は真空に限定される必要はない。密閉空間４の圧力を−０．４ｋｇ／ｃｍ２Ｇ（ゲージ圧）＝０．６ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓ（絶対圧）の不活性ガスとした場合でもカーボンシートなどの接触熱抵抗低減物質９を介在させれば、図２２において圧力差０．４気圧（=０．４ｋｇ／ｃｍ２＝０．０４ＭＰａ）の場合に相当し、接触熱抵抗の低減に効果があることがわかっている。従って本実施例のように真空とする場合に、その真空度は重要ではない。仮に密閉空間４の内圧が−０．９ｋｇ／ｃｍ２Ｇ= ０．１ｋｇ／ｃｍ２ａｂｓでも接触熱抵抗の低減効果には殆ど影響がないことが図２２ のデータから推測できる。
【００５１】
図１０に加熱ダクト１の一例を示す。この加熱ダクト１は厚さが数ｍｍ程度の堅固な金属製角管であり、内部を流れる排ガス（加熱流体）との共存性があり、さらに熱伝導率が高いことが望ましい。例えば自動車の排ガス（最高温度約１０００℃）を流す場合、フェライト鋼などが適する。本実施形態の加熱ダクト１では、ダクト内部に襞１７を設けて伝熱面積を増やし、ダクト内の熱伝達を促進し排ガスの熱を取り出し易くしている。この加熱ダクト１の表面は高い平面度と良好な表面仕上げとし、熱電変換モジュールとの良好な密着により接触熱抵抗の低減を図ることが望ましい。
【００５２】
套管７は、図３に示すように、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度のオーステナイト・ステンレス製の円筒形のケースで、冷却水の入口配管１５および出口配管１６が接続されている。ケース中央部には波形（ベローズ型）の熱膨張差吸収領域８が設けられ、加熱ダクト１と套管７の熱膨張差を吸収できるように配慮されている。套管７は水に触れるため、錆を防ぐ観点でオーステナイト・ステンレス材料の採用が望ましいが、これに限定されない。なお、本実施例では套管７は円筒形としているが、これに限定される必要はなく、正方形や長方形などの矩形断面から成る角管や多角形の管でも良い。套管７と冷却管２とは、図６及び図７に拡大して示すように、加熱ダクト１として使用される内管１に溶接付けなどで固定されるフランジ１０を介して互いに溶接されて冷却流体を流す流路６を冷却管２の周りに形成するようにしている。ここで、冷却流体を流す冷却管２の周りの流路６は、両端に接続される入口側冷却配管１５と出口側冷却配管１６とに接続されて、加熱ダクト１内を流れる排ガスと同じ方向に流れる（並流）ように設けられている。そして、入口側冷却配管１５が接続されている部分には、図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すような、角管からなる冷却管２の表面の４辺の平坦面・熱電変換モジュール接触面２ｓにそって冷却流体を流すように分配する４カ所の分配孔１４が開けられた冷却水分配板１３で仕切られている。これにより、入口側冷却配管１５から導入される冷却流体は４等分されて各熱電変換モジュール接触面２ｓに沿って均等に流される。
【００５３】
真空ないし減圧前の加熱ダクト１と冷却管２との間の隙間の高さは、収納する熱電変換モジュール３および各種構成物の合計高さよりも僅かに高く設定されていることが重要である。すなわち加熱ダクト１上に収納すべき熱電変換モジュール３および各種構成物を設置し、これらを冷却管２に挿入すると、熱電変換モジュール１と冷却管２には約１ｍｍの隙間が存在するように設定されている。そして、冷却管２と加熱ダクト１の両端部に真空チェンバーの中で行う電子ビーム溶接でフランジ１０を取り付けて密閉すると、溶接完了と同時に容器内部４が真空となるため、大気圧下では薄肉の冷却管２が変形する（へこむ）ことにより、熱電変換モジュール３と冷却管２は密着する。したがって、加熱ダクト１と冷却管２の間の密閉空間４に収納される熱電変換モジュール３は、大気圧下では加熱ダクト１と冷却管２に完全に密着した状態で１気圧（０．１ＭＰａ＝１ｋｇ／ｃｍ２）の力で上下から押さえつけられるため、接触面間に存在する接触熱抵抗が低減でき、熱電変換モジュール本体に大きな温度差を与えることができる。なお上記隙間は約１ｍｍに限定されるものではない。冷却管２が大型になれば、また冷却管２が薄肉になれば、隙間はやや大きくても構わない。なお、冷却管２は、その両端を加熱ダクト１に溶接で固着されたフランジ１０の外周縁に溶接付けすることで加熱ダクト１と一体化され、密閉空間４を構成している。またフランジ１０には熱電変換モジュール３の電力を引き出す２本の電極１２が貫通している。また、図中の符号１１は、冷却管２と套管７の端を連結して塞ぐ端板である。
【００５４】
以上のように構成された自動車の排気管用熱電変換システムによれば、加熱ダクト１に排ガスを流し、套管７と冷却管２との間の流路６に入口側冷却配管１５から冷却水を導入して流すことにより、熱電変換モジュール３に排ガスと冷却水との温度差を与えて発電することができる。
【００５５】
次に、自動車の排気管用熱電変換システムの他の実施形態として、加熱ダクト１内にバイパス管２０を設けたシステムの原理図を図１２〜図１６に示す。ちなみに、本実施形態は概略構造を原理図で示したものであり、その具体的構成の図示は省略している。
【００５６】
この実施形態の熱電変換システムは、加熱ダクト１に排ガスを迂回させるバイパス管２０を内蔵させたものである。バイパス管２０は、加熱ダクト１の少なくとも熱電変換モジュール３が配置されている区間に、加熱ダクト１の内面から隔てられて設置されている。加熱ダクト１、冷却管２、套管７及びバイパス管２０は、全てが角管で構成され、同心状に配置された四重管構造とされている。そして、バイパス管２０は、流路切替え手段２１を備え、切り替え条件例えば熱電変換モジュール３の高温側に加わる温度が熱電素子の耐熱温度を超えるときあるいは接近したときには、バイパス管２０を開いて排ガスを迂回させ、切り替え条件を満たさない通常時にはバイパス管２０を閉じているものである。すなわち、流路切替え手段２１は、通常時には加熱流体たる排ガスのバイパス管２０の流路２２への流入を阻止または抑制して当該バイパス管２０の外の流路５に排ガスを流し、熱電変換モジュール３の高温側が過熱状態に陥る時にはバイパス管２０を開放して排ガスの全量あるいは一部を流入させる一方、当該バイパス管の外の流路５を排ガスが流れるのを阻止または抑制する。 尚、本実施形態の熱電変換システムは、加熱ダクト１、冷却管２、套管７及びバイパス管２０の全てが、高さに比して幅が広い扁平な長方形状の角管で構成されているが、特にこの形状に限られるものではない。
【００５７】
本実施形態の流路切替え手段２１は、バイパス管の上壁及び下壁に設置された弁棒２１ａと、該弁棒２１ａに基端が取り付けられた矩形板状の弁体２１ｂとから成り、加熱ダクト１内で弁棒２１ａを軸として弁体２１ｂが回転する弁構造を成している。弁板２１ａは、図１３及び図１５に示すようにバイパス管２０の前方から見たときに加熱ダクト１の両側壁に達する長さと、図１６及び図１８に示すように閉じたとき並びに開いたときに加熱ダクト１の上壁及び下壁に達する幅を有する、僅かに湾曲した矩形の板から成る。ここで、弁板２１ａが僅かに湾曲しているのは、図１６に示すように、バイパス管２０の周りの流路５を閉じてバイパス管２０に排ガスを導入する際に、圧力損失を軽減するためであり、必ずしも湾曲していなくとも良い。尚、流路切替え手段２１は、本実施形態の場合、バイパス管２０の入り口に備えられているが、これに特に限られるものではなく、バイパス管２０の出口側に設けても同様の働きを行う。弁棒２１ａは、密閉空間４よりも上流側に配置する場合には、加熱ダクト１を貫通させても特に問題がないので、外部のアクチュエータあるいはリンク機構などで操作するようにしても良いし、内蔵するアクチュエータで操作するようにしても良い。
【００５８】
また、バイパス管２０の入口には、側方遮蔽板２３が設けられている。この側方遮蔽板２３は、バイパス管２０の入口付近においてバイパス管２０の側壁部分とこれに対向する加熱ダクト１の側壁部分とに挟まれる領域（図１２及び図１５にハッチングで示す部分）での排ガスの流れを遮蔽するものである。つまり、バイパス管２０を開放しかつバイパス管１の周りの流路５を塞いでバイパス管２０の流路２２に迂回させようとするときに、上下の弁板２１ａの間から排ガスが流路５内へ漏れ出ないようにするためのものである。一方、この側方遮蔽板２３は、バイパス管２０の入口付近のみに存在し、かつバイパス管よりも上方及び下方の領域については閉塞していない。したがって、流路切替え手段２１がバイパス管２０を閉塞している図１３及び図１４の状態では、流路５の上側及び下側から排ガスが側方遮蔽板２３の背後に回り込みにより、側方遮蔽板２３の背後のバイパス管２０の側壁部分と加熱ダクト１の側壁部分とに挟まれる領域にも排ガスが流れる。
【００５９】
この切り替え弁２１は、例えば、排ガスの温度あるいは加熱ダクトの熱電変換モジュール３側の面の温度を検出する温度センサー（図示省略）からの測定値に基づいて、図示していないコントローラなどで弁開度が制御されるものである。これにより、排ガスが熱電素子の耐熱温度を超える温度となる高速走行時などには、排ガスの全量あるいは一部を加熱ダクト１内のバイパス管２０の流路２２に流し、加熱ダクト１を介して熱電変換モジュール３に過度な熱が加えられないように制御可能とするものである。この場合、加熱ダクト１に流入する排ガスは通過する流路を内側の流路２２か外側の流路５に切り替えられるだけなので、自動車の高速走行性能には影響を与えない。しかも、切り替え弁２１による排ガスの流れの切り替えを段階的なものとすれば、バイパス管２０に排ガスを流しながらも排ガスの一部をバイパス管２０の外の流路５に流すことができる。加熱ダクト１を介して熱電変換モジュール３に適度な熱を加えることによって、走行性能を維持しつつ発電も維持できる。勿論、必要に応じて排ガスの全量をバイパス管２０にのみ流すことも可能である。なお、加熱ダクト１には、櫛歯状の襞１７が形成され、伝熱面積を大きくして熱伝導性を高めている。また、バイパス管２０の支持は、図示していないステーなどで行っても良いが、櫛歯状の襞１７を利用して支持するようにしても良い。尚、上述の流路切替え手段２１の切替え条件は、主に熱電変換モジュール３に加わる温度を基準にすることが好ましいが、これに特に限られるものではなく、例えば自動車の走行性能を重視する場合には圧力損失に起因する走行性能の悪化を招く排ガスの流量を基準としても良い。
【００６０】
図１７〜図１８に、上述の加熱ダクト内にバイパス管を設けた熱電変換システムを正方形の角管を用いて構成した場合を例に挙げて示す。この熱電変換システムは、排ガスを流す角形の内管（以下、加熱ダクトと呼ぶ）１の周りの４面に熱電変換モジュール３を配置し、内管１の周りを囲む角管状の外管（以下、冷却管と呼ぶ）２との間に４面の熱電変換モジュール３を収納する１つの密閉空間４を形成している。なお、図中の符号２４、２５は円管からなる自動車の排気管と、本システムの角管から成る加熱ダクト１とを接続するための導入口管並びに導出口管である。
【００６１】
ここで、冷却管２は第１の実施形態と同様に、厚さ０．１ｍｍ程度の薄肉のオーステナイト・ステンレス製シームレス管を水圧成形（ハイドローリック・フォーミング）により、図１２及び図１３に示すような角管に成形加工したものを採用している。また、套管７は、厚さ０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の薄肉のオーステナイト・ステンレス製シートをプレス成形した半角あるいは１／４角のケースを突き合わせて電子ビーム溶接で角管に組み立てたものを採用している。そして、角管状の冷却管２と加熱ダクト１とを同心状に重ねて両端を加熱ダクト１に電子ビーム溶接することにより固定されている。また、角管状の套管７は冷却管２の外側に同心状に重ねて配置されてから、その両端を水漏れを防ぐシール材を介在させてから溶接などで固定されている。このとき、加熱ダクト１と冷却管２との間並びに冷却管２と套管７との間には、それぞれ密閉された熱電変換モジュール３を収納する密閉空間４並びに冷却流体を流す流路６が構成される。套管７と冷却管２との間には冷却水を流す流路６が構成される。そして、套管７には入口側冷却配管１５および出口側冷却配管１６が設けられ、流路６と接続されている。流路６には、スペーサーを兼ねたフローガイド１９を設置することが好ましい。フローガイド１９は、例えば横断方向に交互に障壁を設けて流路６に導入される冷却水を蛇行させるように案内するもので、冷却水の偏流やショートパスを防いで熱電変換モジュール３をくまなく効率よく冷却することができる。なお、熱電変換モジュール３の電力を引き出す２本の電極は、冷却管２および套管７を貫通して套管７の外に引き出されている。
【００６２】
また、加熱ダクト１内には図１２に示すようにバイパス管２０が設けられている。バイパス管２０は、図１８に示すように、熱電変換モジュール３と接する加熱ダクト１の熱電変換モジュール接触面１ｓから隔てられて加熱ダクト１の内部に配置されている。そして、バイパス管２０の入り口には、排ガスが流れる流路の切り替えあるいは通過量の制御を行う流路切替え手段２１及び側方遮蔽板２３が設けられ、図示していない温度センサーなどからのデータに基づいてコントローラなどで制御可能とされている。つまり、熱電変換システムは、高速走行時などの排ガスが熱電素子の耐熱温度を超える温度となった時には排ガスをバイパス管２０に導き、通常走行時にはバイパス管２０を切替弁２１で閉じて外部の加熱ダクト１の流路５に導く。このシステムによると、排ガスの温度や流量について大きな変動が生じたときでも、単一の加熱ダクト１の内部で排ガスの流れを変更できるので、熱電変換システムとは別にバイパス管を設けなくても済む。
【００６３】
図１９〜図２０に、ＬＮＧ気化器で発生する冷熱を利用する本発明の熱電変換システムをオープンラック式ＬＮＧ気化器(ＯＲＶ)に適用した実施形態を示す。このＬＮＧ気化器用熱電変換システム２８は、オープンラック式ＬＮＧ気化器(ＯＲＶ)のＯＲＶ伝熱管２６の下部に設けられることによって、ＯＲＶ伝熱管２６の内部を通過する液体天然ガス（以下、ＬＮＧと略称する）と外部を流れ落ちる海水から温度差を得ようとするものである。
【００６４】
オープンラック式ＬＮＧ気化器は、垂直に設置された一群のＯＲＶ伝熱管の内部をＬＮＧが上昇し、ＯＲＶ伝熱管の外表面に沿って海水が流れ落ちるように構成されている。したがって、ＯＲＶ伝熱管２６の下端では、ＯＲＶ伝熱管２６に沿って落下する海水とＯＲＶ伝熱管２６の内部を上昇するＬＮＧとの間で最大の温度差が得られる。例えば、ＯＲＶ伝熱管２６の上端における海水温度が２０℃、ＬＮＧ出口温度が０℃の時、ＯＲＶ伝熱管２６の下端における海水温度は０℃、ＬＮＧ入り口温度は−１６０℃となる。一方、ＯＲＶ伝熱管２６の下端部分では、海水温度によっては、ＬＮＧの冷熱によってＯＲＶ伝熱管２６の表面が凍結して機能を低下させる場合がある。そこで、海水温度とＬＮＧ温度との温度差が大きなＯＲＶ伝熱管の下部、例えばＯＲＶ伝熱管の下端から１〜２ｍ程度の範囲に、ＬＮＧ気化器用熱電変換システム２８を設置することが好ましい。
【００６５】
ここで、熱電変換システム２８は、伝熱管２６の一部を内管１として利用しても良い。ＯＲＶ伝熱管２６は、一般的に、その外側には伝熱面積を増加させて海水との熱伝達を向上させるために、海水の流れ方向（軸方向）に沿ったフィンを多数備える。そこで、例えば図２０に示すように、ＯＲＶ伝熱管２６の下部の外側のフィンを削除して外側断面形状を矩形とした内管１に成形し、その外側に多数の熱電変換モジュール３とそれを覆って密閉空間４を内管１との間に区画する外管２とを配置して、熱電変換システム２８を構成している。この場合、ＯＲＶ伝熱管の全長を変えずに熱電変換システム２８を構成できる。熱電変換モジュール３は、ＯＲＶ伝熱管２６の下部を矩形に成形した内管１の各辺の周りにそれぞれ配置して角管形状の外管２で覆われている。外管２は、海水に対して耐食性があり、深絞り加工の成型性および溶接性などの観点から、インコネル６２５（Ｉｎｃｏｎｅｌ  ６２５）およびハステロイＣ４（Ｈａｓｔｅｌｌｏｙ  Ｃ４）などの使用が好ましい。また、外管２の厚さは、熱電変換モジュールへの密着性の観点から、０．１〜０．２ｍｍ程度が望ましい。外管２は、薄肉で可撓性を有する素材で構成されており、熱電変換モジュール３を配置した状態で密閉空間４を減圧または真空状態とすることにより、熱電変換モジュール３を内管１に向けて押しつけ密着させる加圧力を発生させることができる。ちなみに、本実施形態において、外管２は、相対的に高温となる海水と接触する加熱側の管となる。なお、ＯＲＶ伝熱管２６の下部における温度条件において良好な性能を示す熱電変換モジュールとしては、例えばＢｉＴｅ熱電変換モジュールの使用が好ましい。
【００６６】
また、ＯＲＶ伝熱管２６とは別体に構成した熱電変換システム２８を伝熱管２６の下端に接続するようにしても良い。この場合には、熱電変換システム２８は、例えば図１及び図２に示すように、ＬＮＧを流す流路５を区画する内管１と、内管１の周りを囲み内管１との間に密閉空間４を形成する薄肉で可撓性を有する外管２と、内管１と外管２との間に挟まれるように密閉空間４に配置される熱電変換モジュール３とで構成されている。そして、内管１をＯＲＶ伝熱管２６の下端に溶接などで接続することにより、熱電変換システム２８をＯＲＶ伝熱管２６の下部として構成できる。ここで、内管１の素材は、ＯＲＶ伝熱管２６の材質としては一般にアルミ合金が使用されていることから、アルミ合金とすることが好ましい。
【００６７】
なお、ＯＲＶ伝熱管２６と熱電変換システム２８の外管２の接続部では表面の形状が不連続になる。このため、ＯＲＶ伝熱管２６の上端から伝熱管表面を流れ落ちる海水が前述の不連続部にて剥離し、外管２の表面に完全に付着できない恐れがある。そこで、両者の接続部に、ＯＲＶ伝熱管２６の輪郭形状から熱電変換システム２８の輪郭形状即ち外管２の輪郭形状へと漸次断面形状が変化する数１０ｃｍ程度の遷移領域２７を設け、ＯＲＶ伝熱管２６の表面に沿って流れ落ちる海水の流れ６が外管２の表面から剥離しないようにすることが好ましい。また、外管２には、運転中と停止中の温度差に起因する内管との間で軸方向に生ずる熱膨張差を吸収させるための熱膨張差吸収領域８、例えば図２に示すようなべローズ状の熱膨張差吸収領域８を少なくとも１カ所設けることが望ましい。
【００６８】
図２１に、本発明の熱電変換システムの他の実施形態として、スチーム（水蒸気）を熱源として利用する例を示す。
スチームを熱源とする場合、内管（加熱ダクト）１はシームレス（継ぎ目無し）円管であることが好ましい。この理由は、スチームの高圧に耐えるには円管が最も有利なためである。例えば２００℃のスチームの飽和蒸気圧は約１６ｂａｒである。したがって、直径１００ｍｍ、肉厚１ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４など）の円管であれば、１６ｂａｒの内圧に対して十分な耐圧強度を有する。しかも円管は破裂しない限り絶対に変形しない点が、熱電変換モジュール３を接触させる加熱ダクト１として決定的に有利である。矩形の加熱ダクトの場合には、内圧によってダクトが変形し（膨らみ）、熱電変換モジュールの密着を妨げる虞があるので、比較的高圧の加熱流体または冷却流体を流す場合には向いていない。
【００６９】
熱電変換システムの中心となる内管１として円管を採用するため、内管１の周囲には銅やアルミニウムなどの熱伝導性、熱伝導率に優れる金属のブロック２９を介在させて熱電変換モジュール３に密着させる平坦な面を形成することが必要となる。ブロック２９は、熱電変換モジュール３と密着する平面と内管１の表面と密着する曲面とを有する鞍型である。このブロック２９は、内管１並びに熱電変換モジュール３との密着性を保ち接触熱抵抗を低減させるために、両者との接触面が良好な表面仕上げとされることが望ましい。さらに接触面には、図示していないが、接触熱抵抗物質として厚さ約０．１５ｍｍのカーボンシートを介在させることが望ましい。なお、本実施形態では、内管１の周囲に４個の鞍型ブロック２９を設置しているが、これに限定されるものではなく、外管２が例えば長方形のような扁平な管の場合には２個でも良いし、管状の外管２の断面形状によっては４個より多くても良い。また本断面図においては、各鞍型ブロック２９に１個（すなわち１列）の熱電変換モジュール３が置かれているが、複数個（複数列）の熱電変換モジュール３を配置しても良い。
【００７０】
ここで、本実施形態の熱電変換システムは、内管１として円管を採用し、鞍型ブロック２９を内管１と熱電変換モジュール３との間に介在させている点を除いて、図３〜図１１に示す実施形態と基本構成は同じにしている。即ち、熱電変換システムは、鞍型ブロック２９に熱電変換モジュール３を密着させ、さらに熱電変換モジュール３の外側には薄肉の角管から成る外管２を密着させる構造としている。また、外管２の四隅の内側には突っ張り棒１８を設け、外管２の形状を維持するように構成されている。突っ張り棒１８は両端のフランジ部１０で固定されている。突っ張り棒１８は必須ではないが、外管２が薄肉で大型の場合は設けることが望ましい。一方、突っ張り棒１８は外管２が比較的厚肉または小型の場合は不要である。外管２の外側には角管から成る套管７を設け、外管２と套管７との間の隙間で冷却流体を流す流路６が構成されている。この流路６には、冷却流体が蛇行して流れるように案内するスペーサーを兼ねた流路ガイド１９が設置されている。この流路ガイド１９は、冷却流体の偏流やショートパスを防いで熱電変換モジュール３に均一に熱を与える上で設置することは好ましいが、必ずしも設けなくとも良い。
【００７１】
本実施形態において、内管１、外管２および套管７のいずれも水に触れるため、錆を防ぐ観点で例えばＳＵＳ３０４などのオーステナイト系ステンレス鋼の使用が望ましい。鞍型ブロック２９は熱伝導率が高い材料として銅が適するが、軽量化が重要な場合はアルミニウムでも良い。さらに、内管１は継ぎ目無し円管が最適であるが、継ぎ目のある管でも真円度が良好ならば使用可能である。
【００７２】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、堅固な内管１の外側に可撓性のある外管２を配置するようにしているが、これに限られるものではない。堅固な外管２の内側に可撓性のある内管１を配置しても良い。また、内管１と外管２とは、双方が薄肉で可撓性があっても、その他の構成部材や加熱流体あるいは冷却流体による支持で形が保たれ得るのであれば実施可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  内管
１ｓ  内管の熱電変換モジュール接触面
２  外管
２ｓ  外管の熱電変換モジュール接触面
３  熱電変換モジュール
４  密閉空間
５  内管の内で加熱流体あるいは冷却流体のいずれか一方を流す流路
６  外管の外で冷却流体または加熱流体のいずれか他方を流す流路
７  套管
８  熱膨張差吸収領域
９  接触熱抵抗低減物質
２０  バイパス管
２１  バイパス管を開閉する流路切替え手段
２９  熱電変換モジュールと密着する平坦な面と内側の管の表面と密着する曲面とを有        する金属のブロック
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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