(57)【要約】【課題】この発明は、ｎ型半導体部とｐ型半導体部との間に位置する真性半導体部のバンドギャップエネルギがｎ型半導体部およびｐ型半導体部のバンドギャップエネルギよりも低くなるように構成された熱電変換素子を備える車両の発電装置に関し、効率良く発電させられる態様で熱電変換素子を車両に搭載できるようにする。【解決手段】発電装置１０は、ｎ型半導体部１２ａとｐ型半導体部１２ｂとの間に位置する真性半導体部１２ｃのバンドギャップエネルギがｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂのバンドギャップエネルギよりも低くなるように構成された熱電変換素子１２を備える。発電装置１０は、熱供給体としての排気管２を有する車両に適用されている。熱電変換素子１２には、排気管２から絶縁部材１８を介して熱が供給される。熱電変換素子１２は、真性半導体部１２ｃの表面の一部が絶縁部材１８の表面（熱供給面）に接触するように設置されている。【選択図】図５
2017135152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型半導体部と、ｐ型半導体部と、前記ｎ型半導体部と前記ｐ型半導体部との間に位置する真性半導体部とを有し、前記真性半導体部のバンドギャップエネルギが前記ｎ型半導体部および前記ｐ型半導体部のバンドギャップエネルギよりも低くなるように構成された熱電変換素子を備え、
前記熱電変換素子に熱を供給する熱供給体を有する車両に適用され、かつ、
前記熱供給体の表面に相当し、もしくは前記熱電変換素子と前記熱供給体との間に中間部材を介する場合における前記中間部材の表面に相当する熱供給面から前記熱電変換素子に熱が供給される発電装置であって、
前記熱電変換素子は、前記熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部が前記熱供給面に接触するように設置されていることを特徴とする車両の発電装置。
【請求項２】
前記熱電変換素子は、第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子とを含み、
前記発電装置は、前記第１の熱電変換素子と前記第２の熱電変換素子とを電気的に接続する電極をさらに備え、
前記第１の熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部は、前記熱供給面の第１の部位に接触し、
前記第２の熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部は、前記熱供給面における前記第１の部位とは別の第２の部位に接触していることを特徴とする請求項１に記載の車両の発電装置。
【請求項３】
前記電極は、前記第１の熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記第２の熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部とを接続することを特徴とする請求項２に記載の車両の発電装置。
【請求項４】
前記電極は、
前記第１の熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記第２の熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部とを接続する正極と、
前記第１の熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記第２の熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部とを接続する負極と、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の車両の発電装置。
【請求項５】
前記発電装置は、前記熱供給面側の前記電極の表面が前記熱供給面から受ける熱流束が、前記第１の熱電変換素子および前記第２の熱電変換素子のそれぞれの前記真性半導体部の表面が前記熱供給面から受ける熱流束よりも小さくなるように構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の車両の発電装置。
【請求項６】
前記電極は、気層を介して前記熱供給面と対向するように設置されていることを特徴とする請求項５に記載の車両の発電装置。
【請求項７】
前記発電装置は、前記電極の表面と前記熱供給面との間に介在する断熱材をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の車両の発電装置。
【請求項８】
前記発電装置は、前記熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部、もしくは前記熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記熱供給面との間に介在するように設置された断熱材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７の何れか１つに記載の車両の発電装置。
【請求項９】
前記発電装置は、前記熱電変換素子を熱電変換モジュールとして備えており、
前記熱電変換モジュールは、複数の前記熱電変換素子を電気的に接続して得られる素子積層体をハウジングに収容して得られるものであり、
前記ハウジング、もしくは、前記ハウジングと前記熱電変換素子との間に絶縁部材を介している場合には前記ハウジングおよび前記絶縁部材が、前記中間部材に相当し、
前記素子積層体を構成する複数の前記熱電変換素子のうちの少なくとも一部の前記熱電変換素子の前記熱供給面は、前記ハウジングの内表面もしくは、前記絶縁部材における前記熱電変換素子側の表面であることを特徴とする請求項１〜８の何れか１つに記載の車両の発電装置。
【請求項１０】
前記熱電変換モジュールは、前記ハウジングの前記内表面の裏側に位置する前記ハウジングの外表面が前記熱供給体の表面に接触するように設置されていることを特徴とする請求項９に記載の車両の発電装置。
【請求項１１】
前記熱供給面は、第１の熱供給面と第２の熱供給面とを含み、
前記熱電変換素子の表面のうち、前記真性半導体部の表面の第１の部位は前記第１の熱供給面に接触し、前記真性半導体部の表面の第２の部位は前記第２の熱供給面に接触していることを特徴とする請求項１〜８の何れか１つに記載の車両の発電装置。
【請求項１２】
前記車両は、前記熱供給体を複数有し、
前記熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部が、複数の前記熱供給体のそれぞれに関する前記熱供給面に接触していることを特徴とする請求項１〜８の何れか１つに記載の車両の発電装置。
【請求項１３】
前記熱供給体は、前記車両に搭載される内燃機関の排気管であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１つに記載の車両の発電装置。
【請求項１４】
複数の前記熱供給体のうちの１つは、前記車両に搭載される内燃機関の排気管であることを特徴とする請求項１２に記載の車両の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両の発電装置に係り、特に、熱電変換素子を利用する車両の発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用した様々な熱電変換素子が知られている。この熱電変換素子を用いて起電圧を得るためには、当該熱電変換素子を構成する２種類の金属もしくは半導体の間に温度差を必要とする。このため、この熱電変換素子を利用して発電を行うためには、温度差を維持するための冷却装置等が必要となる。これに対し、特許文献１には、温度差を必要とせずに発電を行える熱電変換素子として利用可能な半導体単結晶が開示されている。
【０００３】
特許文献１に記載の半導体単結晶は、具体的には、ｎ型半導体部と、ｐ型半導体部と、ｎ型半導体部とｐ型半導体部との間に位置する真性半導体部とを有し、真性半導体部のバンドギャップエネルギがｎ型半導体部およびｐ型半導体部のバンドギャップエネルギよりも低くなるように構成されている。このような構成を有する半導体単結晶を所定の温度範囲に収まるように加熱すると、ｎ型半導体部とｐ型半導体部との間に温度差が生じていなくても、真性半導体部において、価電子帯から伝導帯に電子が励起する。伝導帯に励起された電子は、エネルギの低いｎ型半導体部に移動し、価電子帯に生じた正孔は、エネルギの高いｐ型半導体部に移動する。これらの移動によって生じたキャリア（電子および正孔）の偏りによって、上記半導体単結晶は、ｐ型半導体部を正極とし、ｎ型半導体部を負極とした発電材料となる。このため、上記構成を有する半導体単結晶を熱電変換素子として利用することで、ｎ型半導体部とｐ型半導体部との間に温度差が生じていなくても、熱電変換素子の温度が所定の温度範囲内にあるときに発電が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１２５８２３号
【特許文献２】特開２００４−０１１５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自動車等の車両の構成部品が放出する熱を有効利用するために、上記特許文献１に記載の半導体単結晶を熱電変換素子として備える発電装置を、車両の種々の部位に適用することが考えられる。この場合には、上記熱電変換素子の特性に着目して効率良く発電できるようになっていることが望まれる。
【０００６】
この発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ｎ型半導体部とｐ型半導体部との間に位置する真性半導体部のバンドギャップエネルギがｎ型半導体部およびｐ型半導体部のバンドギャップエネルギよりも低くなるように構成された熱電変換素子を備える車両の発電装置であって、効率良く発電させられる態様で熱電変換素子を車両に搭載することができる発電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】
【０００７】
本発明に係る車両の発電装置は、ｎ型半導体部と、ｐ型半導体部と、前記ｎ型半導体部と前記ｐ型半導体部との間に位置する真性半導体部とを有し、前記真性半導体部のバンドギャップエネルギが前記ｎ型半導体部および前記ｐ型半導体部のバンドギャップエネルギよりも低くなるように構成された熱電変換素子を備えている。前記発電装置は、前記熱電変換素子に熱を供給する熱供給体を有する車両に適用される。前記発電装置では、前記熱供給体の表面に相当し、もしくは前記熱電変換素子と前記熱供給体との間に中間部材を介する場合における前記中間部材の表面に相当する熱供給面から前記熱電変換素子に熱が供給される。前記熱電変換素子は、前記熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部が前記熱供給面に接触するように設置されている。
【０００８】
前記熱電変換素子は、第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子とを含むものであってもよい。前記発電装置は、前記第１の熱電変換素子と前記第２の熱電変換素子とを電気的に接続する電極をさらに備えていてもよい。そして、前記第１の熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部は、前記熱供給面の第１の部位に接触していてもよい。また、前記第２の熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部は、前記熱供給面における前記第１の部位とは別の第２の部位に接触していてもよい。
【０００９】
前記電極は、前記第１の熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記第２の熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部とを接続するものであってもよい。
【００１０】
前記電極は、前記第１の熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記第２の熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部とを接続する正極と、前記第１の熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記第２の熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部とを接続する負極と、を含むものであってもよい。
【００１１】
前記発電装置は、前記熱供給面側の前記電極の表面が前記熱供給面から受ける熱流束が、前記第１の熱電変換素子および前記第２の熱電変換素子のそれぞれの前記真性半導体部の表面が前記熱供給面から受ける熱流束よりも小さくなるように構成されていてもよい。
【００１２】
前記電極は、気層を介して前記熱供給面と対向するように設置されていてもよい。
【００１３】
前記発電装置は、前記電極の表面と前記熱供給面との間に介在する断熱材をさらに備えていてもよい。
【００１４】
前記発電装置は、前記熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部、もしくは前記熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記真性半導体部と反対側の端部と、前記熱供給面との間に介在するように設置された断熱材をさらに備えていてもよい。
【００１５】
前記発電装置は、前記熱電変換素子を熱電変換モジュールとして備えていてもよい。前記熱電変換モジュールは、複数の前記熱電変換素子を電気的に接続して得られる素子積層体をハウジングに収容して得られるものであってもよい。前記ハウジング、もしくは、前記ハウジングと前記熱電変換素子との間に絶縁部材を介している場合には前記ハウジングおよび前記絶縁部材が、前記中間部材に相当するようになっていてもよい。そして、前記素子積層体を構成する複数の前記熱電変換素子のうちの少なくとも一部の前記熱電変換素子の前記熱供給面は、前記ハウジングの内表面もしくは、前記絶縁部材における前記熱電変換素子側の表面であってもよい。
【００１６】
前記熱電変換モジュールは、前記熱供給面として機能する前記内表面の裏側に位置する前記ハウジングの外表面が前記熱供給体の表面に接触するように設置されていてもよい。
【００１７】
前記熱供給面は、第１の熱供給面と第２の熱供給面とを含んでいてもよい。そして、前記熱電変換素子の表面のうち、前記真性半導体部の表面の第１の部位は前記第１の熱供給面に接触し、前記真性半導体部の表面の第２の部位は前記第２の熱供給面に接触していてもよい。
【００１８】
前記車両は、前記熱供給体を複数有するものであってもよい。そして、前記熱電変換素子の表面のうちの少なくとも前記真性半導体部の表面の一部もしくは全部が、複数の前記熱供給体のそれぞれに関する前記熱供給面に接触していてもよい。
【００１９】
前記熱供給体は、前記車両に搭載される内燃機関の排気管であってもよい。付け加えると、前記熱供給体を複数有する場合には、複数の前記熱供給体のうちの１つは、前記車両に搭載される内燃機関の排気管であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、ｎ型半導体部とｐ型半導体部との間に位置する真性半導体部のバンドギャップエネルギがｎ型半導体部およびｐ型半導体部のバンドギャップエネルギよりも低くなるように構成された熱電変換素子が、少なくとも真性半導体部の表面の一部もしくは全部が熱供給面に接触するように設置される。ここで、上記構成を有する熱電変換素子は、バンドギャップエネルギが相対的に高いｎ型半導体部もしくはｐ型半導体部の温度が真性半導体部の温度よりも高くなるという態様での温度差が生じると、熱電変換素子の起電圧を効率良く確保することが難しくなる。本発明における上記設置手法によれば、真性半導体部への入熱が確保される態様で熱電変換素子を車両に設置することができる。これにより、上記態様での温度差を生じにくくさせられるので、熱電変換素子の起電圧を効率良く確保できるようになる。このため、効率の良い発電を行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る車両の発電装置の適用例を表した図である。
【図２】図１に示す発電装置が備える熱電変換素子の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】図２に示す熱電変換素子のバンドギャップエネルギの状態を示す概念図である。
【図４】熱電変換素子の起電圧と温度との関係を表した図である。
【図５】本発明の実施の形態１における発電装置の具体的な構成を模式的に表した図である。
【図６】実施の形態１における熱電変換素子の設置手法の効果を説明するための図である。
【図７】実施の形態１における熱電変換素子の積層手法の効果を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態２に係る車両の発電装置の全体構成を模式的に表した斜視図である。
【図９】図８に示す熱電変換モジュールの内部構造を表した部分透視図である。
【図１０】図８中に示すＡ−Ａ線で切断された熱電変換モジュールおよび排気管の断面を示す図である。
【図１１】個々の熱電変換素子に着目しつつ、実施の形態２における熱電変換素子の設置手法の効果を説明するための図である。
【図１２】実施の形態２における熱電変換素子の積層手法の効果を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る車両の発電装置の全体構成を模式的に表した図である。
【図１４】実施の形態３における電極に関する構成の効果を説明するための図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る車両の発電装置における電極に関する構成を説明するための図である。
【図１６】本発明の実施の形態５に係る車両の発電装置の全体構成を模式的に表した図である。
【図１７】実施の形態５における電極に関する構成の効果を説明するための図である。
【図１８】本発明の実施の形態６に係る車両の発電装置における電極に関する構成を説明するための図である。
【図１９】図２に示す熱電変換素子の他の設置手法を説明するための図である。
【図２０】図２に示す熱電変換素子の他の設置手法を説明するための図である。
【図２１】図２に示す熱電変換素子の他の設置手法を説明するための図である。
【図２２】図２に示す熱電変換素子の他の積層手法を説明するための図である。
【図２３】図２に示す熱電変換素子の他の設置手法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の各実施の形態を説明する。なお、各図面において、同一または類似の構成要素には同一の符号を付している。
【００２３】
実施の形態１．
まず、図１〜図７を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る車両の発電装置１０の適用例を表した図である。図２は、図１に示す発電装置１０が備える熱電変換素子１２の構成を模式的に示す斜視図である。
【００２４】
［車両における発電装置の適用部位］
本実施形態の発電装置１０の適用部位は特に限定されるものではないが、発電装置１０は、一例として、図１に示すように、車両が搭載する内燃機関１からの排気ガスが流れる排気管２に適用することができる。図１に示す例では、排気管２を流れる排気ガスの熱が、排気管２を介して熱電変換素子１２に供給される。このように、この例では、排気管２が本発明における「熱供給体」に相当する。車両の構成部材であって熱電変換素子１２に熱を供給する熱供給体の例としては、排気管２以外にも、内燃機関１のシリンダブロックおよびシリンダヘッド、内燃機関１を冷却するエンジン冷却水が流通する冷却水ホース、エンジン冷却水を冷却するためのラジエータ、内燃機関に組み合わされる変速機、ならびに、車両が使用する電力を蓄えるバッテリ等を挙げることができる。さらに付け加えると、熱を供給する際の熱供給体の温度は、熱電変換素子１２の雰囲気（本実施形態では、大気）の温度よりも高くなっている。なお、発電装置１０の具体的な構成については図５を参照して後述するが、本実施形態の発電装置１０は、複数の熱電変換素子１２を電気的に接続して得られる素子積層体１４を備えている。
【００２５】
［熱電変換素子の構成］
図２に示す一例では、熱電変換素子１２は、角柱形状で形成されている。熱電変換素子１２は、一端側にｎ型半導体部１２ａを備え、他端側にｐ型半導体部１２ｂを備えている。また、熱電変換素子１２は、ｎ型半導体部１２ａとｐ型半導体部１２ｂとの間に、真性半導体部１２ｃを備えている。
【００２６】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、図２に示す熱電変換素子１２のバンドギャップエネルギの状態を示す概念図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）の縦軸は電子のエネルギであり、横軸は熱電変換素子１２におけるｎ型半導体部１２ａ側の端面１２ａｅｓからの距離Ｌ（図２参照）である。
【００２７】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、ｎ型半導体部１２ａは、フェルミレベルｆが伝導帯側にある部位であり、ｐ型半導体部１２ｂは、フェルミレベルｆが価電子帯側にある部位である。真性半導体部１２ｃは、フェルミレベルｆが伝導帯と価電子帯との間の禁制帯の中央にある部位である。バンドギャップエネルギは、価電子帯の最上部と伝導帯の最下部とのエネルギ差に相当するものである。これらの図から分かるように、熱電変換素子１２では、真性半導体部１２ｃにおけるバンドギャップエネルギは、ｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂにおけるバンドギャップエネルギよりも低くなっている。なお、図３（Ａ）および図３（Ｂ）中に示すｎ型半導体部１２ａ、ｐ型半導体部１２ｂおよび真性半導体部１２ｃの長さの割合は、一例であり、この割合は、熱電変換素子（半導体単結晶）１２の形成の仕方に応じて変化する。また、ｎ型半導体部１２ａ、ｐ型半導体部１２ｂおよび真性半導体部１２ｃにおけるバンドギャップエネルギは、例えば逆光電子分光法によって測定することができる。
【００２８】
上述の特性（すなわち、真性半導体部１２ｃにおけるバンドギャップエネルギが、ｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂにおけるバンドギャップエネルギよりも低いこと）を有する熱電変換素子（半導体単結晶）１２は、例えば、クラスレート化合物（包接化合物）によって構成することができる。このようなクラスレート化合物の一例としては、シリコンクラスレートＢａ８Ａｕ８Ｓｉ３８を用いることができる。
【００２９】
本実施形態の熱電変換素子１２の製造方法は、熱電変換素子１２が上述の特性を有するようにできるものであれば特に限定されない。熱電変換素子１２が一例としてシリコンクラスレートＢａ８Ａｕ８Ｓｉ３８である場合には、例えば、国際特許出願の国際公開第２０１５／１２５８２３号において詳述されている製造方法を用いることができる。その概要は次の通りである。すなわち、ＢａとＡｕとＳｉとの比（モル比）が８：８：３８となるようにＢａ粉末、Ａｕ粉末およびＳｉ粉末を秤量する。秤量した粉末を、アーク溶融法を利用して溶融する。得られた融液を冷却することで、シリコンクラスレートＢａ８Ａｕ８Ｓｉ３８のインゴットを得る。このように調製されたシリコンクラスレートＢａ８Ａｕ８Ｓｉ３８のインゴットを粒状に粉砕する。粉砕されたシリコンクラスレートＢａ８Ａｕ８Ｓｉ３８を、チョクラルスキー法を利用して坩堝内で溶融することで、シリコンクラスレートＢａ８Ａｕ８Ｓｉ３８の単結晶を得る。図２に示す熱電変換素子１２は、このような手法で得られたシリコンクラスレートＢａ８Ａｕ８Ｓｉ３８の単結晶を角柱形状（より具体的には、直方体形状）に切断して得られたものである。熱電変換素子の形状は、上記単結晶を直方体形状に限らず、立方体形状、円柱形状、あるいは他の所望の形状に切断することによって任意に選択することができる。
【００３０】
［発電原理］
図３（Ａ）は、熱電変換素子１２を所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。熱電変換素子１２を温度Ｔ０（後述の図４参照）以上に加熱すると、図３（Ａ）に示すように、価電子帯の電子（黒丸）が伝導帯に熱励起する。より具体的には、熱の供給によってバンドギャップエネルギを超えるエネルギが価電子帯の最上部に位置する電子に対して与えられると、電子が伝導帯に励起する。このような熱による電子の励起は、熱電変換素子１２の温度が上昇していく過程では、バンドギャップエネルギが相対的に低い真性半導体部１２ｃにおいてのみ生じる状態が得られる。図３（Ａ）はそのような状態が得られる所定の温度（例えば、温度Ｔ０）に熱電変換素子１２が加熱された状態を示している。この状態では、バンドギャップエネルギが相対的に高いｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂでは電子が熱励起されない。
【００３１】
図３（Ｂ）は、熱電変換素子１２を上記所定の温度に加熱したときの電子（黒丸）および正孔（白丸）の移動を示す概念図である。図３（Ｂ）に示すように、伝導帯に励起した電子は、エネルギの低い方、すなわち、ｎ型半導体部１２ａ側に移動する。一方、電子の励起により価電子帯に生じた正孔は、エネルギの高い方、すなわち、ｐ型半導体部１２ｂに移動する。このようなキャリアの偏りによって、ｎ型半導体部１２ａが負に帯電し、ｐ型半導体部１２ｂが正に帯電するため、ｎ型半導体部１２ａとｐ型半導体部１２ｂとの間で起電力が生じる。このため、熱電変換素子１２によれば、ｎ型半導体部１２ａとｐ型半導体部１２ｂとの間に温度差がなくても発電が可能となる。このような発電原理は、温度差に基づいて起電力が生じるゼーベック効果とは異なる。熱電変換素子１２を利用した発電装置１０は、温度差を設けることを必須としていないため、温度差を設けるための冷却部が不要となるため、装置構成を簡素化することができる。
【００３２】
図４は、熱電変換素子１２の起電圧と温度との関係を表した図である。ここでいう熱電変換素子１２の起電圧は、正極として機能するｐ型半導体部１２ｂ側の端部と、負極として機能するｎ型半導体部１２ａ側の端部との電位差を指している。より具体的には、図４に示す関係は、ｎ型半導体部１２ａとｐ型半導体部１２ｂとの間で温度差が生じない態様で熱電変換素子１２を加熱していった際に生じる起電圧の温度特性を表している。なお、起電圧が生じる温度範囲は、熱電変換素子の組成によって異なるものとなる。
【００３３】
図４に示すように、熱電変換素子１２を温度Ｔ０以上に加熱することによって、起電圧が生じる。より具体的には、熱電変換素子１２の温度が高くなるにつれ、起電圧が上昇していく。図４に示すように昇温によって起電圧が高くなる理由は、供給熱量の増加によって、バンドギャップエネルギが相対的に低い真性半導体部１２ｃにおいて励起できる電子および正孔の数が増えるためであると考えられる。また、図４に示すように、起電圧は、ある温度においてピーク値Ｔ１を示し、ピーク値Ｔ１よりも熱電変換素子１２をさらに昇温させると、起電圧が低下していく。その理由は、熱電変換素子１２の温度が高くなると、真性半導体部１２ｃのみならずｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂにおいても電子および正孔の熱励起が生じることが影響していると考えられる。
【００３４】
［排気管に対する熱電変換素子（素子積層体）の設置手法、および発電装置の全体構成］
上述の図４からも、熱電変換素子１２の温度を所定の温度範囲内とすることができれば、熱電変換素子１２を利用した発電が可能となることが分かる。より好ましくは、熱電変換素子１２の温度を図４中の起電圧のピーク値Ｔ１付近の温度とすることができれば、効率の良い発電が可能になるといえる。したがって、車両上において熱電変換素子１２を利用して効率良く発電を行うためには、まずは、熱電変換素子１２の温度が発電に適した温度となるように熱電変換素子１２に熱を供給可能な熱供給体を車両の構成部材の中から選択し、選択した熱供給体に対して熱電変換素子１２を設置すればよいといえる。具体的には、排気管２内の排気ガスの温度は、下流に向かうにつれて低くなるため、排気管２の壁面温度についても、排気ガスの下流側の方が低くなる。したがって、本実施形態のように、熱供給体が排気管２である場合には、効率の良い発電が可能な熱源が得られるようにするために、排気管２に対する熱電変換素子１２の設置部位を、排気ガスの流れ方向において特定すればよいといえる。
【００３５】
（効率良く発電を行おうとする場合の課題）
既述したように、熱電変換素子１２は、熱供給体からの熱の供給を受けた際に、真性半導体部１２ｃにおける電子の熱励起に伴う電子および正孔の移動を利用して起電圧を得るという構成である。ここで、熱電変換素子１２において、真性半導体部１２ｃの温度がｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂの温度よりも高くなる態様での温度差が生じる場合であれば、ｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂにおける電子の熱励起よりも真性半導体部１２ｃにおける電子の熱励起が促進されることになるので問題はないといえ、むしろ好ましいといえる。一方、熱電変換素子１２の設置の態様によっては、ｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂの一方もしくは双方の温度が真性半導体部１２ｃの温度よりも高くなる態様での温度差が生じる場合もあり得る。この態様での温度差が大きくなっていくと、ｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂの一方もしくは双方において電子の熱励起が生じ易くなる。その結果として、熱電変換素子１２の起電圧を確保しにくくなる可能性がある。熱電変換素子１２を利用して効率の良い発電を可能とするためには、後者の態様での温度差を生じにくくすることが有効である。そして、そのためには、熱供給体に対する熱電変換素子１２（素子積層体１４）の設置態様が、真性半導体部１２ｃに対する入熱を確実に行えるようにできるものであることが望ましい。
【００３６】
（実施の形態１の熱電変換素子（素子積層体）の設置手法）
そこで、本実施形態では、以下の図５に示す構成で、熱電変換素子１２の積層体である素子積層体１４を排気管２の外表面の上に設置することとした。
【００３７】
図５は、本発明の実施の形態１における発電装置１０の具体的な構成を模式的に表した図である。なお、図５等においては、熱電変換素子１２の配置を分かり易く図示するために、熱電変換素子１２をｎ型半導体部１２ａ側とｐ型半導体部１２ｂ側とに分けて表している。両者の間に位置する真性半導体部１２ｃは、ｎ型半導体部１２ａとｐ型半導体部１２ｂとを区別する境界線の付近に存在する。なお、図５に示す一例では、素子積層体１４は、排気管２が有する平面部の上に設置されている。ただし、素子積層体１４は、排気管２の円管部の上に、当該円管部の外表面に沿って設置されていてもよい。
【００３８】
図５に示すように、素子積層体１４では、隣り合う熱電変換素子１２が電極１６を介して直列に接続されている。このように、素子積層体１４は、熱電変換素子１２と電極１６とを構成要素として構成されている。電極１６としては、例えば、電気抵抗率の低い銅などの金属材料を用いることができる。既述した熱電変換素子１２の発電原理より、ｐ型半導体部１２ｂが正極として機能し、ｎ型半導体部１２ａが負極として機能する。このため、発電により生じた起電力による電流の流れ方向はｐ型からｎ型となる。本実施形態では、電極１６の両端の電位差をできるだけ確保しつつ電流を円滑に流せるようにするために、電極１６は、一方の熱電変換素子１２（本発明における「第１の熱電変換素子」に相当）のｎ型半導体部１２ａにおける真性半導体部１２ｃと反対側の端部１２ａｅ（図２参照）と、他方の熱電変換素子１２（本発明における「第２の熱電変換素子」に相当）のｐ型半導体部１２ｂにおける真性半導体部１２ｃと反対側の端部１２ｂｅ（図２参照）とを（すなわち、バンドギャップエネルギが最も高い部位同士を）接続するように構成されている。
【００３９】
より具体的には、ｎ型半導体部１２ａの端部１２ａｅの表面は、端面１２ａｅｓと、ｎ型半導体部１２ａの側面における端面１２ａｅｓの近傍の部位とからなる。同様に、ｐ型半導体部１２ｂの端部１２ｂｃの表面は、端面１２ｂｅｓと、ｐ型半導体部１２ｂの側面における端面１２ｂｅｓの近傍の部位とからなる。図５に示す一例では、電極２４は、端面１２ａｅｓと端面１２ｂｅｓとを接続している。しかしながら、本発明における電極は、隣り合う熱電変換素子の端部間（ｎ型半導体部における真性半導体部と反対側の端部と、ｐ型半導体部における真性半導体部と反対側の端部との間）を接続するものであればよい。したがって、電極２４は、上記の一例に代え、端面１２ｅｓの近傍のｎ型半導体部１２ａの側面と、端面１２ｂｅｓの近傍のｐ型半導体部１２ｂの側面と接続するように構成されていてもよい。
【００４０】
熱電変換素子１２の積層の態様は特に限定されないが、図５に示す一例では、素子積層体１４は、サーペンタイン状に折り返されるという態様で熱電変換素子１２が直列に積層されている。素子積層体１４によれば、積層される熱電変換素子１２の数を適切に決定することにより、排気管２からの熱供給により想定される熱電変換素子１２の温度条件の下で所望の大きさの起電圧が得られるようにすることができる。
【００４１】
本実施形態の発電装置１０は、素子積層体１４を構成する各熱電変換素子１２が次のような態様で排気管２の上に設置されているという点に特徴を有している。すなわち、図５に示すように、各熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃの表面の一部が絶縁部材１８を介して排気管２の表面（より具体的には、外表面）の上に設置されている。図５に示す熱電変換素子１２の形状の例では、真性半導体部１２ｃの表面の上記一部としては、排気管２（絶縁部材１８）と対向する熱電変換素子１２の側面に含まれる真性半導体部１２ｃの表面が該当する。
【００４２】
絶縁部材１８は、熱電変換素子１２から排気管２（金属部材）への電流のリークを抑制するために設けられている。このため、絶縁部材１８は、熱電変換素子１２と排気管２との間だけでなく、電極１６と排気管２との間にも介在している。本発電装置１０では、熱源である排気ガス（さらに遡ると内燃機関１）の熱を、熱供給体である排気管２から絶縁部材１８を介して各熱電変換素子１２に伝えることが要求される。したがって、絶縁部材１８としては、電極１６よりも電気抵抗率が高く、かつ、熱伝導率の優れた部材が用いられる。このような部材としては、例えば、窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、もしくは窒化ホウ素を挙げることができる。
【００４３】
図５に示す構成によれば、各熱電変換素子１２と排気管２との間に介在する絶縁部材１８が本発明における「中間部材」に相当する。そして、熱電変換素子１２側の絶縁部材１８の表面が本発明における「熱供給面」に相当する。なお、熱供給体の表面が熱電変換素子に直接接触する場合であれば、当該熱供給体の表面が本発明における「熱供給面」に相当する。
【００４４】
さらに付け加えると、本実施形態における各熱電変換素子１２は、排気管２（絶縁部材１８）と対向する熱電変換素子１２の側面の全体（すなわち、真性半導体部１２ｃの側面だけでなく、ｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂの側面を含む全体）が絶縁部材１８の表面（熱供給面）に接触するという態様で、真性半導体部１２ｃの表面の一部が熱供給面に接触するように設置されている。
【００４５】
（発電装置の全体構成）
発電装置１０は、素子積層体１４の両端を導線によって接続して構成された電気回路２０と、当該電気回路２０を開閉するスイッチ２２とを備えている。電気回路２０には、車両に搭載された電装部品（例えば、灯火類）２４が接続されている。スイッチ２２の開閉は、車両に搭載される電子制御ユニット（ＥＣＵ）２６によって制御される。
【００４６】
上記のように構成された発電装置１０によれば、車両システムの起動中に、排気管２および絶縁部材１８を介した排気ガスからの熱供給によって熱電変換素子１２の温度が発電に適した温度になっている状態でスイッチ２２を閉じることにより、素子積層体１４が発電を行えるようになる。本実施形態では、熱源が排気ガスであるため、この発電により、内燃機関１の排熱回収を行えるようになる。そして、素子積層体１４の発電により得られた電力を電装部品２４に供給することができる。なお、スイッチ２２に代えて可変抵抗を備えるようにしてもよい。これにより、可変抵抗の抵抗値の調整によって、素子積層体１４から電装部品２４に供給される電力をより詳細に制御することができる。また、電力の供給を受ける車両部品は、電装部品２４に限られず、例えば、電装部品２４に代え、あるいはそれとともに、電力を蓄えるバッテリが電気回路２０に接続されていてもよい。
【００４７】
なお、図５においては図示を省略しているが、素子積層体１４は、保護カバーによって覆われている。また、素子積層体１４は、図示省略する取り付け具によって排気管２に固定されている。
【００４８】
［実施の形態１の熱電変換素子（素子積層体）の設置手法の効果］
まず、図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、実施の形態１における熱電変換素子１２の設置手法の効果を説明するための図である。図６（Ａ）は、図５に示す構成と同様に、本実施形態の手法で設置された熱電変換素子１２を表している。一方、図６（Ｂ）は、本発明の設置手法を利用しない手法で設置された熱電変換素子を表している。すなわち、図６（Ｂ）の設置手法の場合には、真性半導体部の表面が熱供給面に接触するのではなく、バンドギャップエネルギが最も高いｎ型半導体部の端面が熱供給面に接触するという態様で、熱供給体の上に熱電変換素子が設置されている。
【００４９】
図６（Ｂ）に示す態様で熱電変換素子が設置されていると、真性半導体部よりもｎ型半導体部への熱の供給が促進される。その結果、真性半導体部の温度がｎ型半導体部の温度よりも低いという態様での温度差が生じてしまう。このため、既述したように、熱電変換素子の起電圧を効率良く確保することが難しくなる。これに対し、図６（Ａ）に示す本実施形態の設置手法によれば、真性半導体部１２ｃの表面が熱供給面（絶縁部材１８の表面）に接触しているため、バンドギャップエネルギが相対的に低い真性半導体部１２ｃに対して確実に入熱を行えるようになる。これにより、バンドギャップエネルギが相対的に高いｎ型半導体部１２ａもしくはｐ型半導体部１２ｂの温度が真性半導体部１２ｃの温度よりも高くなるという態様での温度差を生じにくくさせられるので、熱電変換素子１２の起電圧を効率良く確保できるようになる。また、真性半導体部１２ｃへの確実な入熱が可能となることで、理想的な程度よりは低い程度でしか熱供給体からの熱の供給を受けることができない場合であっても、そのような熱供給体からできるだけ多くの熱を真性半導体部１２ｃに対して供給され易くすることができる。
【００５０】
次に、図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、実施の形態１における熱電変換素子１２の積層手法の効果を説明するための図である。図７（Ａ）は、図５に示す構成と同様に、本実施形態の手法で積層された熱電変換素子１２を表している。一方、図７（Ｂ）は、他の手法で積層された熱電変換素子を表している。すなわち、図７（Ｂ）の積層手法の場合には、左右の何れの構成においても、最下層の熱電変換素子の真性半導体部の表面が熱供給面に直接的に接触しており、他の熱電変換素子は、熱供給面との間に下方側の熱電変換素子および電極を介在している。また、これらの構成では、バンドギャップエネルギが相対的に低い真性半導体部に対して電極が配置されている。
【００５１】
図７（Ｂ）に示す態様で熱電変換素子が積層されていると、最下層の熱電変換素子以外の熱電変換素子に対しては、他の熱電変換素子および電極を介さずに排気ガス（熱源）からの熱を供給することができない。これに対し、図７（Ａ）に示す本実施形態の積層手法によれば、素子積層体１４の各熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃの表面の一部が熱供給面（絶縁部材１８の表面）における互いに異なる部位（本発明における「熱供給面の第１の部位」および「熱供給面の第２の部位」に相当）と接触するようになっている。このような構成によれば、図７（Ｂ）の構成とは異なり、素子積層体１４を構成するすべての熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃの表面を、他の熱電変換素子１２を介さずに熱供給面に接触させることができる。このため、個々の熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃが熱供給面から受ける熱流束（単位時間当たりに単位面積を通過する熱量）を均等に近づけることができる。
【００５２】
また、図７（Ａ）に示す本実施形態の積層手法によれば、電極１６は、一方の熱電変換素子１２のｎ型半導体部１２ａの端面１２ａｅｓと、他方の熱電変換素子１２のｐ型半導体部１２ｂの端面１２ｂｅｓとを接続するように構成されている。このように、バンドギャップエネルギが最も高い部位同士を電気的に接続するように電極１６を備えることにより、起電圧を効率良く確保しつつ、各真性半導体部１２ｃへの確実な入熱を行えるようになる。
【００５３】
実施の形態２．
次に、図８〜図１２を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００５４】
図８は、本発明の実施の形態２に係る車両の発電装置３０の全体構成を模式的に表した斜視図である。本実施形態の発電装置３０は、複数の熱電変換素子１２を熱電変換モジュール３２の構成要素として備えている。本実施形態においても、実施の形態１と同様に、熱電変換素子１２に熱を供給する熱供給体の一例として、排気管２が利用されている。熱電変換モジュール３２は排気管２の上に設置されている。以下、熱電変換モジュール３２の設置手法についてより具体的に説明する。
【００５５】
図９は、図８に示す熱電変換モジュール３２の内部構造を表した部分透視図である。図１０は、図８中に示すＡ−Ａ線で切断された熱電変換モジュール３２および排気管２の断面を示す図である。これらの図に示すように、熱電変換モジュール３２は、複数の熱電変換素子１２を積層して構成された素子積層体１４と、素子積層体１４を収容するハウジング３２ａとを備えている。ハウジング３２ａは、素子積層体１４を取り囲むように形成されている。ハウジング３２ａは、図示省略する取り付け具を用いて排気管２の平面部に取り付けられている。ハウジング３２ａの材質としては、熱伝導率の高い部材が好ましく、例えば、アルミニウム等の金属を用いることができる。
【００５６】
ハウジング３２ａは、設置時に排気管２に対向する第１の壁部３２ａ１を備えている。第１の壁部３２ａ１は、排気管２の外表面に沿った形状（本実施形態の一例では、平面状）で形成されている。排気管２への設置時には、この第１の壁部３２ａ１の外表面が排気管２の外表面に直接的に接触する。素子積層体１４の一側面は、第１の壁部３２ａ１の内表面上に絶縁部材１８を介して配置されている。
【００５７】
また、ハウジング３２ａは、第１の壁部３２ａ１の内表面に対向する内表面を有する第２の壁部３２ａ２を備えている。素子積層体１４における第１の壁部３２ａ１側の上記一側面と反対側の側面は、第２の壁部３２ａ２上に絶縁部材１８を介して配置されている。
【００５８】
このような構造によれば、排気ガスの熱は、排気管２、ハウジング３２ａおよび絶縁部材１８を介して素子積層体１４に伝えられる。より具体的には、ハウジング３２ａには、第１の壁部３２ａ１の内表面の裏側に位置する第１の壁部３２ａ１の外表面を介して排気ガスの熱が伝えられる。そして、素子積層体１４の各熱電変換素子１２は、第１の壁部３２ａ１側の内表面から絶縁部材１８を介して熱の供給を受けるとともに、第２の壁部３２ａ２側の内表面からも絶縁部材１８を介して熱の供給を受ける。このように、本実施形態においても、実施の形態１と同様の思想で、各熱電変換素子１２は、各真性半導体部１２ｃが熱供給面（絶縁部材１８の表面）に接触するように設置されている。このため、各熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃに対して、２方向（第１および第２の壁部３２ａ１、３２ａ２）から熱を供給できるようになる。
【００５９】
なお、本実施形態では、各熱電変換素子１２と排気管２との間に介在するハウジング３２ａ（壁部３２ａ１、３２ａ２）および絶縁部材１８が、本発明における「中間部材」に相当する。そして、第１の壁部３２ａ１および第２の壁部３２ａ２にそれぞれ接触している双方の絶縁部材１８における熱電変換素子１２側のそれぞれの表面が本発明における「熱供給面」（より具体的には、「第１の熱供給面」および「第２の熱供給面」のそれぞれ）に相当する。また、真性半導体部１２ｃの表面のうち、上記第１および第２の熱供給面に相当する絶縁部材１８のそれぞれの表面に接触する真性半導体部１２ｃの部位が本発明における「第１の部位」および「第２の部位」にそれぞれ相当する。
【００６０】
次に、本実施形態の熱電変換素子（素子積層体）の設置手法の効果について説明する。まず、図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、個々の熱電変換素子１２に着目しつつ、実施の形態２における熱電変換素子１２の設置手法の効果を説明するための図である。図１１（Ｂ）は、２方向から（第１および第２の壁部から）熱供給を受ける場合において本発明の手法を利用しない手法で設置された熱電変換素子を表している。すなわち、図１１（Ｂ）の設置手法の場合には、真性半導体部の表面は、２方向にある２つの熱供給面の何れにも接触しておらず、バンドギャップエネルギが最も高いｎ型半導体部およびｐ型半導体部のそれぞれの端面が、それぞれに対向する熱供給面に接触している。この構成では、真性半導体部よりもｎ型半導体部およびｐ型半導体部への熱の供給が促進されてしまう。
【００６１】
一方、図１１（Ａ）は、図８〜図１０に示す構成と同様に、本実施形態の手法で設置された熱電変換素子１２を表している。本実施形態の構成によれば、図１１（Ａ）に示すように、真性半導体部１２ｃに対して、第１の壁部３２ａ１および第２の壁部３２ａ２の双方の側から絶縁部材１８を介して熱を確実に供給できるようになる。また、１方向から熱が供給される実施の形態１の構成と比べて、個々の熱電変換素子１２の内部に対してより均等に入熱を行えるようになる。
【００６２】
次に、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、実施の形態２における熱電変換素子１２の積層手法の効果を説明するための図である。図１２（Ｂ）は、２方向から熱供給を受ける場合に考えられる熱電変換素子の積層手法の一例を表している。これらの例における熱電変換素子の積層の仕方自体は、図７（Ｂ）に示すものと同じである。図１２（Ｂ）の積層手法の場合には、左右の何れの構成においても、ハウジングの第１および第２の壁部に最も近い位置にある２つの熱電変換素子の真性半導体部の表面が、２つの熱供給面に直接的に接触している。
【００６３】
これに対し、図１２（Ａ）は、図８〜図１０に示す構成と同様に、本実施形態の手法で積層された熱電変換素子１２を表している。本積層手法によれば、第１および第２の壁部３２ａ１、３２ａ２のそれぞれの側において、素子積層体１４の各熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃの表面が、各熱供給面における互いに異なる部位に接触するようになっている。このため、個々の熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃが２つの熱供給面から受ける熱流束を均等に近づけることができる。
【００６４】
また、図１２（Ａ）に示す本実施形態の積層手法によれば、バンドギャップエネルギが最も高い部位同士が電極１６によって電気的に接続されている。これにより、２方向から熱供給を受ける場合であっても、起電圧を効率良く確保しつつ、各真性半導体部１２ｃへの確実な入熱を行えるようになる。
【００６５】
また、本実施形態の発電装置３０では、次のような態様で熱電発電の主要部品がモジュール化されている。すなわち、複数の熱電変換素子１２の積層体である素子積層体１４と、素子積層体１４を収容する機能と保護する機能だけでなく、排気管２から素子積層体１４に熱を伝導させる中間部材としての機能も有するハウジング３２ａとを備える熱電変換モジュール３２が備えられている。本発電装置３０によれば、このようにモジュール化された熱電変換モジュール３２を排気管２の上に設置し、かつ電気回路２０を構成するだけで、熱電変換素子１２を利用する熱電発電を簡便に行えるようになる。
【００６６】
また、熱電変換モジュール３２における素子積層体１４では、排気管２の外表面に沿うように設置されるハウジング３２ａの第１の壁部３２ａ１上においてサーペンタイン状に横たわるように熱電変換素子１２が積層されている。熱電変換素子１２がこのような態様で積層されている場合には、上述のように第１の壁部３２ａ１が排気管２の外表面に沿うように（あるいは、第２の壁部３２ａ２が排気管２の外表面に沿うように）熱電変換モジュール３２を配置することは、排気管２に対するハウジング３２ａの伝熱面積を十分に確保できるという点において好ましいといえる。ただし、熱電変換素子１２を積層する場合の積層パターンは、各熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃの表面の一部もしくは全部が「熱供給面」に接触するという条件を満たしていれば、上述のものに限られない。また、素子積層体を収容するハウジングの形状は、積層パターンに応じて変化することになる。したがって、排気管２に対する熱電変換モジュールの設置方向は、積層パターンおよびハウジングの形状に応じて、素子積層体への伝熱を効率良く行えるように適宜決定すればよい。
【００６７】
ところで、上述した実施の形態２においては、各熱電変換素子１２が２つの熱供給面（２方向から）熱の供給を受ける例について説明を行った。しかしながら、本発明における熱電変換素子の表面のうちの真性半導体部の表面が接触する熱供給面は３以上であってもよい。例えば、直方体形状に形成された熱電変換素子が棒状に積層されて素子積層体を構成し、当該素子積層体が直方体形状のハウジング内に収容されている構成では、ハウジングの４つの内側面のうちの３つもしくは４つが真性半導体部の表面と接触するようになっていてもよい。上記内側面の４つ（すなわち、全側面）を熱供給面として利用する構成は、後述の図２１に示す構成もそうであるように、真性半導体部の表面の全部が熱供給面と接触する例に相当する。
【００６８】
また、上述した実施の形態２においては、素子積層体１４を構成するすべての熱電変換素子１２の熱供給面が絶縁部材１８における熱電変換素子１２側の表面とされた構成を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明における熱電変換モジュールのハウジングに収容される素子積層体では、素子積層体を構成する複数の熱電変換素子のうちの一部の熱電変換素子の熱供給面が、絶縁部材における熱電変換素子側の表面であってもよい。また、ハウジングと熱電変換素子との間に絶縁部材を介する必要がない構成であれば、素子積層体を構成する複数の熱電変換素子のうちの少なくとも一部の熱電変換素子の熱供給面は、ハウジングの内表面であってもよい。このことは、後述の素子積層体４２、６４についても同様である。
【００６９】
実施の形態３．
次に、図１３および図１４を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
【００７０】
図１３は、本発明の実施の形態３に係る車両の発電装置４０の全体構成を模式的に表した図である。本実施形態の発電装置４０は、素子積層体４２を備えている。素子積層体４２を構成する複数の熱電変換素子１２は、図１３に示すように、電極４４を介して直列に接続されている。素子積層体４２の積層パターンとしては、一例として、実施の形態１の素子積層体１４と同様とされている。発電装置４０は、電極４４に関する構成において実施の形態１の発電装置１０と相違している。このため、当該相違点を中心に以下のように説明を行う。
【００７１】
図１３に示すように、２つの熱電変換素子１２の間を接続する電極４４のそれぞれは、素子積層体４２に熱を供給する熱供給体である排気管２、および当該熱を伝導させる中間部材である絶縁部材１８の何れにも接触しないように配置されている。換言すると、電極４４の表面と排気管２の表面（熱供給面）との間には、気層４６が設けられている。
【００７２】
図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）は、実施の形態３における電極４４に関する構成の効果を説明するための図である。図１４（Ｂ）は、実施の形態１における電極１６の配置を表している。この配置の場合には、電極１６の表面が、熱供給面である絶縁部材１８の表面に対して直接接触している。金属である電極１６の熱伝導率は基本的に熱電変換素子１２の熱伝導率よりも高い。このため、図１４（Ｂ）の構成の場合には、熱電変換素子１２よりも電極１６の方が熱の供給を受け易くなる。その結果、絶縁部材１８を介して電極１６に供給された熱が、電極１６に接触している熱電変換素子１２の部位（バンドギャップエネルギが最も高いｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂの端面１２ａｅｓ、１２ｂｅｓ）に伝わり易くなる。
【００７３】
一方、図１４（Ａ）に示すように、本実施形態の電極４４と排気管２の表面との間には、気層４６が介在しており、電極４４の表面が排気管２の表面に接触しないように構成されている。このような構成によれば、排気管２側の電極４４の表面に対する排気管２の表面（熱供給面）からの熱の移動は、気層４６を介した熱移動となる。このため、電極４４の上記表面が上記熱移動によって排気管２の表面から受ける熱流束は、熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃの表面が熱伝導によって絶縁部材１８の表面（熱供給面）から受ける熱流束よりも小さくなる。これにより、電極４４からｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂへの入熱を抑制することができる。その結果、バンドギャップエネルギが相対的に高いｎ型半導体部１２ａもしくはｐ型半導体部１２ｂの温度が真性半導体部１２ｃの温度よりも高くなるという態様での温度差を生じにくくさせられるので、効率的な発電を行えるようになる。
【００７４】
実施の形態４．
次に、図１５を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。上述した実施の形態３においては、電極４４の表面と排気管２の表面（熱供給面）との間に気層４６が設けられた発電装置４０について説明を行った。しかしながら、本発明において、熱供給面に側の電極の表面が熱供給面から受ける熱流束を熱電変換素子の真性半導体部１２ｃの表面が熱供給面から受ける熱流束よりも小さくするための具体的な構成は、上記の例に限られず、例えば、以下に図１５を参照して説明する構成例であってもよい。
【００７５】
図１５は、本発明の実施の形態４に係る車両の発電装置５０における電極４４に関する構成を説明するための図である。図１５に示す発電装置５０では、電極４４の表面と排気管２の表面（熱供給面）との間に、気層４６に代え、断熱材５２（本発明における「断熱材」に相当）が配置されている。より具体的には、断熱材５２は、電極４４の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する部材（例えば、セラミックス）によって構成されている。このように断熱材５２を利用する構成によっても、排気管２から電極４４への熱移動を抑制することができる。その結果、上記態様での温度差を生じにくくさせられるので、効率的な発電が可能となる。なお、断熱材５２は、例えば、電極４４の表面に組み付けられる別部材であってもよいし、電極４４の表面に塗布されたコーティング層であってもよい。
【００７６】
実施の形態５．
次に、図１６および図１７を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
【００７７】
図１６は、本発明の実施の形態５に係る車両の発電装置６０の全体構成を模式的に表した図である。本実施形態の発電装置６０は、熱電変換モジュール６２を備えている。熱電変換モジュール６２は、素子積層体６４と、実施の形態２で説明したハウジング３２ａとを備えている。素子積層体６４を構成する複数の熱電変換素子１２は、図１６に示すように、電極６６を介して直列に接続されている。電極６６に関する構成以外の点については、素子積層体６４の構成は、既述した素子積層体１４等と同様である。
【００７８】
本実施形態の電極６６に関する構成は、各熱電変換素子１２に対して２方向から熱供給がなされる構成に対して実施の形態３の電極４４と同様の思想を適用したものに相当する。すなわち、図１６に示すように、２つの熱電変換素子１２の間を接続する電極６６のそれぞれは、素子積層体６４に熱を伝導させる中間部材であるハウジング３２ａの壁部３２ａ１、３２ａ２および絶縁部材１８の何れにも接触しないように配置されている。換言すると、電極６６の表面と第１の壁部３２ａ１の表面（熱供給面）との間、および、電極６６の表面と第２の壁部３２ａ２の表面（熱供給面）との間には、気層６８がそれぞれ設けられている。
【００７９】
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）は、実施の形態５における電極６６に関する構成の効果を説明するための図である。図１７（Ｂ）は、実施の形態２における電極１６の配置を表している。図１７（Ｂ）に示す構成の場合には、電極１６は、第１の壁部３２ａ１側および第２の壁部３２ａ２側の双方において、熱供給面である絶縁部材１８の表面に対して直接接触している。
【００８０】
これに対し、図１７（Ａ）に示すように、本実施形態の電極６６の表面と壁部３２ａ１、３２ａ２の表面（熱供給面）との間には、第１の壁部３２ａ１側および第２の壁部３２ａ２側の何れにおいても、気層６８が介在しており、電極６６が壁部３２ａ１、３２ａ２に接触しないように構成されている。このような構成によれば、壁部３２ａ１、３２ａ２のそれぞれの側の電極６６の表面（熱供給面）が壁部３２ａ１、３２ａ２から受ける熱流束は、熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃの表面が絶縁部材１８の表面（熱供給面）から受ける熱流束よりも小さくなる。これにより、電極６６からｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂへの入熱を抑制でき、効率的な発電を行えるようになる。
【００８１】
実施の形態６．
次に、図１８を参照して、本発明の実施の形態６について説明する。実施の形態３の図１４（Ａ）に示す構成と実施の形態４の図１５に示す構成との関係と同様に、実施の形態５の図１７（Ａ）に示す構成は、図１８に示す以下の構成のように変形することができる。
【００８２】
図１８は、本発明の実施の形態６に係る車両の発電装置７０における電極６６に関する構成を説明するための図である。図１８に示す発電装置７０では、ハウジング３２ａの壁部３２ａ１、３２ａ２のそれぞれの表面（熱供給面）と電極６６の表面との間に、気層６８に代え、断熱材５２と同様の構成を有する断熱材７２が配置されている。このような断熱材７２を利用する構成によっても、壁部３２ａ１、３２ａ２から電極６６への熱移動を抑制することができる。その結果、電極６６からｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂへの入熱を抑制でき、効率的な発電が可能となる。
【００８３】
ところで、上述した実施の形態１〜６においては、複数の熱電変換素子１２の素子積層体１４等を備える発電装置１０等について説明を行った。しかしながら、本発明に係る発電装置は、複数の熱電変換素子を素子積層体として備えるものに必ずしも限られず、１つの熱電変換素子を備えるものであってもよい。
【００８４】
また、図１９は、図２に示す熱電変換素子１２の他の設置手法を説明するための図である。図１９に示す発電装置８０が適用される車両の排気管８２は、排気管本体部８２ａを備えている。排気管本体部８２ａの外表面には、排気管８２の流路方向に垂直な方向に延びるフィン部８２ｂを備えている。発電装置８０が備える熱電変換素子１２は、絶縁部材１８を介してフィン部８２ｂの上に設置されている。また、排気管本体部８２ａの表面（熱供給面）とｎ型半導体部１２ａの端部１２ａｅ（より具体的には、端面１２ａｅｓ）との間には、断熱材８４（本発明における「断熱材」に相当）が介在している。断熱材８４は、熱電変換素子１２の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する部材（例えば、セラミックス）によって構成されている。このような構成によれば、ｎ型半導体部１２ａの端部１２ａｅ、すなわち、バンドギャップエネルギが最も高い部位が熱供給面に近い配置において、当該部位への入熱を抑制することができる。また、断熱材８４は、図１９に示す構成に代え、ｐ型半導体部１２ｂの端部１２ｂｅと熱供給面との間に介在するように配置してもよい。これらの構成によっても、バンドギャップエネルギが相対的に高いｎ型半導体部１２ａもしくはｐ型半導体部１２ｂの温度が真性半導体部１２ｃの温度よりも高くなるという態様での温度差を生じにくくさせつつ熱電変換素子１２に対して熱を供給できるようになる。
【００８５】
また、図２０は、図２に示す熱電変換素子１２の他の設置手法を説明するための図である。図２０に示す発電装置９０が適用される車両の排気管９２は、排気管本体部９２ａを備えている。排気管本体部９２ａの外表面には、排気管８２の流路方向に垂直な方向に突出する突起部９２ｂを備えている。発電装置９０が備える熱電変換素子１２は、絶縁部材１８を介して突起部９２ｂの上に設置されている。図２０に示すように、熱電変換素子１２は、排気管９２側の側面の全体ではなく、当該側面のうちの真性半導体部１２ｃの表面およびその近傍の部位のみが熱供給面（絶縁部材１８の表面）に接触している。このような構成によれば、ｎ型半導体部１２ａおよびｐ型半導体部１２ｂと比べてバンドギャップエネルギが相対的に低い真性半導体部１２ｃに対して集中的に入熱を行うことができる。このため、この構成によっても、上記態様での温度差を生じにくくさせられる。なお、上記突起部９２ｂは、排気管９２とは別体であって、排気管９２から熱電変換素子１２に熱を伝導させる中間部材であってもよい。図２０に示す例を含め、本発明における熱電変換素子の設置手法は、熱電変換素子の表面のうちの少なくとも真性半導体部の表面の一部（例えば、角柱形状の場合には一側面）もしくは全部を熱供給面に接触させるものであればよい。
【００８６】
また、図２１（Ａ）および図２１（Ｂ）は、図２に示す熱電変換素子１２の他の設置手法を説明するための図である。図２１（Ａ）に示す発電装置１００では、熱電変換素子１２は、中間部材１０２および絶縁部材１８を介して排気管２の上に設置されている。図２１（Ｂ）は、図２１（Ａ）中のＢ−Ｂ線で熱電変換素子１２周りの構成を切断して示す断面図である。これらの図から分かるように、熱電変換素子１２は、中間部材１０２に形成された貫通穴１０２ａに挿入されており、真性半導体部１２ｃおよびその付近の表面が絶縁部材１８を介して中間部材１０２によって覆われている。貫通穴１０２ａの内部では、熱電変換素子１２のすべての側面が絶縁部材１８の表面（熱供給面）と接触している。すなわち、本構成では、真性半導体部１２ｃの表面の一部だけが熱供給面に接触している図５等の例とは異なり、真性半導体部１２ｃの表面の全部が絶縁部材１８の表面（熱供給面）に接触している。本構成によれば、排気ガスの熱は、排気管２から中間部材１０２および絶縁部材１８を介して熱電変換素子１２に供給される。このような構成によっても、バンドギャップエネルギが相対的に低い真性半導体部１２ｃに対して集中的に入熱を行うことができる。
【００８７】
また、図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）は、図２に示す熱電変換素子１２の他の積層手法を説明するための図である。図２２（Ａ）に示す発電装置１１０においても、各熱電変換素子１２は、絶縁部材１８を介して排気管２の上に設置されている。もちろん、各熱電変換素子１２は、他の例と同様に、真性半導体部１２ｃと熱供給面（絶縁部材１８の表面）との接触が確保された状態で配置されている。
【００８８】
図２２（Ｂ）は、図２２（Ａ）中の矢視Ｃの方向から熱電変換素子１２を見下ろした図である。これらの図から分かるように、隣り合う熱電変換素子１２（本発明における「第１の熱電変換素子」および「第２の熱電変換素子」に相当）において、正極として機能するｐ型半導体部１２ｂの端面１２ｂｅｓ同士が電極１１２（本発明における「正極」に相当）によって電気的に接続されており、負極として機能するｎ型半導体部１２ａの端面１２ａｅｓ同士が電極１１４（本発明における「負極」に相当）によって電気的に接続されている。複数の熱電変換素子１２を積層して素子積層体を形成する場合には、上述の他の例のように熱電変換素子１２を直列に接続するものに限られず、図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）に示す構成のように熱電変換素子１２を並列に接続してもよい。なお、本発明における素子積層体は、既述した例に代え、複数の熱電変換素子１２の直列接続と並列接続とを組み合わせて構成されてもよい。そして、この組み合わせは、熱電変換素子単位で行われるものだけでなく、例えば、以下の態様であってもよい。すなわち、所望の起電圧が得られるように直列接続により構成された素子積層体を有する熱電変換モジュールを複数備えるようにし、複数の熱電変換モジュール間が並列に接続されていてもよい。
【００８９】
さらに付け加えると、図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）に示す構成では、実施の形態３の構成と同様に、排気管２側の電極１１４の表面と排気管２の表面（熱供給面）との間には、気層１１６が設けられている。また、このような構成に代え、実施の形態４の構成と同様に、排気管２側の電極１１４の表面と排気管２の表面（熱供給面）との間に、断熱材５２が介在していてもよい。
【００９０】
また、図２３は、図２に示す熱電変換素子１２の他の設置手法を説明するための図である。図２３に示す発電装置１２０では、個々の熱電変換素子１２に対して、車両が備える２つの熱供給体、より具体的には、バッテリ１２２の筐体と冷却水ホース１２４から熱が供給されるようになっている。この構成では、各熱電変換素子１２の真性半導体部１２ｃは、バッテリ１２２の表面および冷却水ホース１２４の表面（すなわち、２つの熱供給体のそれぞれに関する熱供給面）に接触している。また、バッテリ１２２の筐体は樹脂で構成されており、冷却水ホース１２４はゴムで構成されている。このように、これらの熱供給体は、絶縁性の高い材質で構成されている。このため、本構成は、中間部材である絶縁部材１８を介しておらず、熱供給体の表面が熱電変換素子１２に接触する熱供給面となる例に相当する。
【００９１】
なお、本発明においては、ある熱電変換素子に対して熱を供給する熱供給体の数は、図２３に示す例に代え、３つ以上であってもよい。さらに付け加えると、図２３に示す構成では、バッテリ１２２の筐体の熱源はバッテリ１２２自体であり、冷却水ホースの熱源はエンジン冷却水（さらに遡ると内燃機関１）である。本発明における複数の熱供給体は、図２３に示す例のように熱源が異なる複数の熱供給体に限られず、例えば、ラジエータと冷却水ホースのように熱源（エンジン冷却水）を共通とするものであってもよい。
【００９２】
ところで、以上説明した各実施の形態の例および他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよいし、また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよい。
【符号の説明】
【００９３】
１  内燃機関
２、８２、９２  排気管
１０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０  発電装置
１２  熱電変換素子
１２ａ  ｎ型半導体部
１２ｂ  ｐ型半導体部
１２ｃ  真性半導体部
１４、４２、６４  素子積層体
１６、４４、６６、１１２、１１４  電極
１８  絶縁部材
２０  電気回路
２２  スイッチ
２４  電装部品
２６  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
３２、６２  熱電変換モジュール
３２ａ  ハウジング
３２ａ１、３２ａ２  ハウジングの壁部
４６、６８、１１６  気層
５２、７２、８４  断熱材
８２ａ、９２ｂ  排気管本体部
８２ｂ              排気管のフィン部
９２ｂ  排気管の突起部
１０２  中間部材
１０２ａ  中間部材の貫通穴
１２２  バッテリ
１２４  冷却水ホース
【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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