(57)【要約】【課題】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おいて、効率良く発電させられる態様で熱電変換素子を車両の流路内に設置可能とする。【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、熱電変換素子１２に熱を供給する排気ガスが流れる排気管２を有する車両に適用されている。熱電変換素子１２は、真性半導体部１２ｃの表面が排気ガスの流れに対向する態様で、排気管２内に設置されている。【選択図】図６
2017135160.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流体が流れる流路を有する車両に適用される発電装置であって、
前記熱電変換素子は、前記真性半導体部の表面が前記流体の流れに対向する態様で、前記流路内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】
前記発電装置は、前記熱電変換素子における高バンドギャップエネルギ部の表面のうちの少なくとも前記流体の流れ方向の上流側の部位を覆うように設置された高バンドギャップエネルギシールドをさらに備え、
前記高バンドギャップエネルギ部は、前記真性半導体部を含まず、かつ、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および前記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を含む部位であ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】
前記発電装置は、前記熱電変換素子を複数有し、
複数の前記熱電変換素子は、電極を介して電気的に接続されることで素子積層体として構成されており、
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を第１の端部と称し、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を第２の端部と称した場合、前記電極は、隣り合う一方の前記熱電変換素子の前記第１の端部と、隣り合う他方の前記熱電変換素子の前記第２の端部とを電気的に接続し、
前記発電装置は、前記電極の表面のうちの少なくとも前記流体の流れ方向の上流側の部位を覆うように設置された電極シールドをさらに備え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４】
前記電極シールドは、前記電極に接触する態様で当該電極を覆い、かつ、前記電極の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の車両の発電装置。
【請求項５】
前記発電装置は、前記熱電変換素子における高バンドギャップエネルギ部の表面のうちの少なくとも前記流体の流れ方向の上流側の部位を覆うように設置された高バンドギャップエネルギシールドをさらに備え、
前記高バンドギャップエネルギ部は、前記真性半導体部を含まず、かつ、前記第１の端部および前記第２の端部を含む部位であ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】
前記高バンドギャップエネルギシールドは、前記高バンドギャップエネルギ部と接触する態様で当該高バンドギャップエネルギ部を覆い、前記真性半導体部の表面を前記流体中に露出させ、かつ、前記熱電変換素子の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するように構成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】
前記素子積層体は、複数の前記熱電変換素子を前記電極を介して積層して得られる単位積層体を複数含み、
複数の前記単位積層体は、それぞれの前記単位積層体に含まれる前記熱電変換素子の積層方向が前記流体の流れ方向に直交する第１の直交方向となるように設置され、
複数の前記単位積層体は、所定間隔をあけて配置されており、
前記流体の流れ方向および前記第１の直交方向の双方に直交する方向を第２の直交方向と称した場合、前記高バンドギャップエネルギシールドは、前記流体の流れ方向および前記第２の直交方向のうちの少なくとも一方に板状に延びるように、かつ、当該高バンドギャップエネルギシールドと重なる位置にある前記熱電変換素子の前記高バンドギャップエネルギ部を覆うように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の車両の発電装置。
【請求項８】
前記電極シールドと前記高バンドギャップエネルギシールドとが一体的に形成されていることを特徴とする請求項５〜７の何れか１つに記載の車両の発電装置。
【請求項９】
前記熱電変換素子は、前記真性半導体部の表面を含む側面と、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面と、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面とからなる角柱形状もしくは円柱形状を有しており、
前記熱電変換素子は、前記側面が前記流体から受ける熱流束が、前記ｎ型半導体部の前記端面および前記ｐ型半導体部の前記端面のそれぞれが前記流体から受ける熱流束よりも大きくなる態様で、前記流路内に設置され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１０】
前記流路は前記車両に搭載される内燃機関の排気管であり、前記流体は前記排気管を流れる排気ガスであることを特徴とする請求項１〜９の何れか１つ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】
自動車等の車両で生じる熱を有効利用するために、車両を構成する種々の流路内を流れる流体中に、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設置することが考えられる。ここで、当該流体の流速もしくは温度は、運転者からの要求もしくはその他種々の要求によって過渡的に変化し得る。運転者からの要求等によって流体の流速もしくは温度が過渡的に変化する状況下においては、ｎ型半導体部、ｐ型半導体部および真性半導体部の各部位への熱の伝わり方が一様ではなく、その結果として、これらの部位の間で温度差が生じることが考えられる。このような場合に生じる温度差が、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のものであると、上記特許文献１に記載の構成を有する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。その結果、この熱電変換素子を利用して効率良く発電することが難しくなる可能性がある。
【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が車両の流路内に設置された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流体が流れる流路を有する車両に適用される。前記熱電変換素子は、前記真性半導体部の表面が前記流体の流れに対向する態様で、前記流路内に設置されている。
【０００８】
前記発電装置は、前記熱電変換素子における高バンドギャップエネルギ部の表面のうちの少なくとも前記流体の流れ方向の上流側の部位を覆うように設置された高バンドギャップエネルギシールドをさらに備えていてもよい。そして、前記高バンドギャップエネルギ部は、前記真性半導体部を含まず、かつ、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および前記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を含む部位であってもよい。
【０００９】
前記発電装置は、前記熱電変換素子を複数有してもよい。複数の前記熱電変換素子は、電極を介して電気的に接続されることで素子積層体として構成されていてもよい。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を第１の端部と称し、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を第２の端部と称した場合、前記電極は、隣り合う一方の前記熱電変換素子の前記第１の端部と、隣り合う他方の前記熱電変換素子の前記第２の端部とを電気的に接続してもよい。そして、前記発電装置は、前記電極の表面のうちの少なくとも前記流体の流れ方向の上流側の部位を覆うように設置された電極シールドをさらに備えていてもよい。
【００１０】
前記電極シールドは、前記電極に接触する態様で当該電極を覆い、かつ、前記電極の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するように構成されていてもよい。
【００１１】
前記発電装置は、前記熱電変換素子における高バンドギャップエネルギ部の表面のうちの少なくとも前記流体の流れ方向の上流側の部位を覆うように設置された高バンドギャップエネルギシールドをさらに備えていてもよい。そして、前記高バンドギャップエネルギ部は、前記真性半導体部を含まず、かつ、前記第１の端部および前記第２の端部を含む部位であってもよい。
【００１２】
前記高バンドギャップエネルギシールドは、前記高バンドギャップエネルギ部と接触する態様で当該高バンドギャップエネルギ部を覆い、前記真性半導体部の表面を前記流体中に露出させ、かつ、前記熱電変換素子の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するように構成されていてもよい。
【００１３】
前記素子積層体は、複数の前記熱電変換素子を前記電極を介して積層して得られる単位積層体を複数含んでいてもよい。複数の前記単位積層体は、それぞれの前記単位積層体に含まれる前記熱電変換素子の積層方向が前記流体の流れ方向に直交する第１の直交方向となるように設置されてもよい。複数の前記単位積層体は、所定間隔をあけて配置されてもよい。そして、前記流体の流れ方向および前記第１の直交方向の双方に直交する方向を第２の直交方向と称した場合、前記高バンドギャップエネルギシールドは、前記流体の流れ方向および前記第２の直交方向のうちの少なくとも一方に板状に延びるように、かつ、当該高バンドギャップエネルギシールドと重なる位置にある前記熱電変換素子の前記高バンドギャップエネルギ部を覆うように構成されていてもよい。
【００１４】
前記電極シールドと前記高バンドギャップエネルギシールドとが一体的に形成されていてもよい。
【００１５】
前記熱電変換素子は、前記真性半導体部の表面を含む側面と、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面と、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面とからなる角柱形状もしくは円柱形状を有してもよい。そして、前記熱電変換素子は、前記側面が前記流体から受ける熱流束が、前記ｎ型半導体部の前記端面および前記ｐ型半導体部の前記端面のそれぞれが前記流体から受ける熱流束よりも大きくなる態様で、前記流路内に設置されていてもよい。
【００１６】
前記流路は前記車両に搭載される内燃機関の排気管であり、前記流体は前記排気管を流れる排気ガスであってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
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、真性半導体部の表面が流体の流れに対向する態様で流路内に設置される。熱電変換素子の表面のうちの流体の流れに対向する表面の周りでは、当該表面への流体の衝突に起因して流体の流動が増大するため、流体から熱電変換素子への熱伝達が促進される。本発明における設置手法によれば、そのような表面の中に真性半導体部の表面が含まれている。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】
【００１８】
【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１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における素子積層体の構成例を表した斜視図である。
【図６】排気ガスの流れに対する図５に示す素子積層体の設置手法を説明するための模式図である。
【図７】熱電変換素子の表面Ｓの解釈を補足的に説明するための図である。
【図８】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９】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説明するための模式図である。
【図１０】実施の形態２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１１】本発明に係る電極に関する構成の変形例を説明するための図である。
【図１２】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説明するための模式図である。
【図１３】図１２に示す素子積層体周りの構成を模式的に表した斜視図である。
【図１４】本発明に係る高バンドギャップエネルギシールドに関する構成の第１の変形例を説明するための図である。
【図１５】本発明に係る高バンドギャップエネルギシールドに関する構成の第１の変形例を説明するための図である。
【図１６】本発明に係る高バンドギャップエネルギシールドに関する構成の第２の変形例を説明するための図である。
【図１７】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。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
実施の形態１．
まず、図１〜図８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。
【００２１】
［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が備える熱電変換素子１２の設置部位は、車両を構成する種々の流路内であれば特に限定されるものではない。実施の形態１では、一例として、熱電変換素子１２は、図１に示すように、車両が搭載する内燃機関１が備える排気管２内を流れる排気ガス中に配置されている。すなわち、図１に示す例では、内燃機関１の燃焼室内で燃焼に付された後の高温の排気ガスの熱が熱電変換素子１２に供給される。車両を構成する流路内を流れる流体であって熱電変換素子１２に熱を供給する流体としては、排気ガス以外にも、例えば、内燃機関１の冷却のための冷却水流路内を流れるエンジン冷却水、および、内燃機関１の潤滑のためのオイル流路内を流れるエンジンオイルを挙げることができる。
【００２２】
本実施形態の発電装置１０では、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という形態で、熱電変換素子１２が排気ガス中に設置されている。素子積層体１４の具体的な構成例については、図５を参照して後述する。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１６と、当該電気回路１６を開閉するスイッチ１８とを備えている。電気回路１６には、車両に搭載された電装部品（例えば、灯火類）２０が接続されている。スイッチ１８の開閉は、車両に搭載される電子制御ユニット（ＥＣＵ）２２によって制御される。
【００２３】
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１８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、熱を供給する流体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２０に供給することができる。なお、スイッチ１８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２０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２０に限られず、例えば、電装部品２０に代え、あるいはそれとともに、車両が使用する電力を蓄えるバッテリが電気回路１６に接続されていてもよい。
【００２４】
［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、角柱形状に形成されている。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。
【００２５】
図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、図１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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
［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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
［排気ガスの流れ方向に対する熱電変換素子（素子積層体）の設置手法］
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となる。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に熱を供給可能な流体を車両の種々の流路の中から選択し、選択した流体中に熱電変換素子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。したがって、本実施形態のように、熱源として機能する流体が排気ガスである場合には、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内における熱電変換素子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。
【００３４】
（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、流体から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。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、排気ガスの流れ方向に対する熱電変換素子１２（素子積層体１４）の設置に関して、以下の要求を満たしていることが望ましい。
【００３５】
熱源として機能する流体（本実施形態では、排気ガス）の流速および温度が定常的に一定である定常的な熱流の下であれば、当該流体から熱の供給を受ける熱電変換素子１２の各部位の温度は、時間経過とともに均一に近づいていくといえる。しかしながら、車両の流体の流速もしくは温度は、運転者からの要求もしくはその他種々の要求によって過渡的に変化し得る。このように流体の流速もしくは温度が過渡的に変化する状況下においては、ｎ型半導体部１２ａ、ｐ型半導体部１２ｂおよび真性半導体部１２ｃの各部位への熱の伝わり方が一様ではなく、その結果として、これらの部位の間で温度差が生じることが考えられる。仮に真性半導体部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、流体に対する熱電変換素子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易くなる場合もあり得る。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。そうすると、効率の良い発電が難しくなる。
【００３６】
以上の理由から、実際の車両環境における熱電変換素子による発電およびそれに伴う熱回収は、定常的な熱流の下だけでなく、上述のように流体の流速もしくは温度が変化する熱流の下においても、効率良く行えるようになっていることが望ましい。そして、そのためには、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を生じにくくすることが有効である。
【００３７】
（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および図６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内に（すなわち、排気ガスの流れの中に）設置することとした。
【００３８】
図５は、本発明の実施の形態１における素子積層体１４の構成例を表した斜視図である。図６は、排気ガスの流れに対する図５に示す素子積層体１４の設置手法を説明するための模式図である。なお、図５等においては、熱電変換素子１２（後述の熱電変換素子６２も同様）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６においては図示を省略しているが、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の内壁に固定されている。
【００３９】
図５に示すように、素子積層体１４を構成する複数の熱電変換素子１２は、電極２４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２４とを構成要素として構成されている。電極２４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Ｆはｐ型からｎ型となる。本実施形態では、電極２４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２４は、一方の熱電変換素子１２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。
【００４０】
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１２ｂｅ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（すなわち、第１の端部（ｎ型半導体部における真性半導体部と反対側の端部）と、第２の端部（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１２ａｅｓ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。
【００４１】
ここで、素子積層体１４における個々の棒状の部位を単位積層体１４ａと称する。複数の（図５に示す例では９本の）単位積層体１４ａは、それぞれの単位積層体１４ａに含まれる熱電変換素子１２の積層方向が排気ガスの流れ方向Ｆに直交する第１の直交方向Ｄ１となるように設置される。また、複数の単位積層体１４ａは所定間隔（一例として等間隔）をあけて配置されている。より具体的には、隣り合う単位積層体１４ａ同士は、正極および負極の向きを互い違いに変更しつつ、所定間隔をあけて電極２４を介して接続されている。排気ガスの流れの下流側に設置される単位積層体１４ａに排気ガスの熱をできるだけ多く供給するためには、排気ガスの流れ方向Ｆに縦列に並ぶ単位積層体１４ａの間に排気ガスが回り込むようになっていることが好ましい。このため、上記所定間隔は、そのような排気ガスの回り込みを確保できる間隔を満たすように設定される。
【００４２】
さらに付け加えると、図５および図６に示す例では、単位積層体１４ａは、排気ガスの流れ方向Ｆに縦列に（本実施形態の一例では３列で）設置されており、また、排気ガスの流れ方向Ｆおよび上記第１の直交方向Ｄ１に直交する第２の直交方向Ｄ２にも一例として３列で設置されている。熱電変換素子１２の積層の態様は特に限定されないが、素子積層体１４では、図５に示すように単位積層体１４ａが電極２４を介して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。なお、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。
【００４３】
図５および図６に示すように設置された素子積層体１４によれば、各熱電変換素子１２は、真性半導体部１２ｃの表面が排気ガスの流れに対向する態様（より具体的には、熱電変換素子１２の表面のうちの排気ガスの流れに対向する表面Ｓの中に真性半導体部１２ｃの表面の一部が含まれる態様）で、排気管２内に設置されるようになる。本実施形態では、既述したように、熱電変換素子１２は一例として角柱形状（直方体形状）で形成されている。このため、本熱電変換素子１２における表面Ｓとしては、熱電変換素子１２において排気ガスの上流側に面している側面（後述の図７（Ａ）参照）が該当する。
【００４４】
図７（Ａ）〜図７（Ｅ）は、熱電変換素子の表面Ｓの解釈を補足的に説明するための図である。図７（Ａ）〜図７（Ｅ）の各図中の太線およびハッチング部は排気ガスの流れに対向する表面Ｓの該当箇所を表している。まず、図７（Ａ）は、図６と同じ配置の熱電変換素子１２を表した側面図および斜視図である。この例では、表面Ｓの中に、真性半導体部１２ｃの表面の一部Ｓ１が含まれている。
【００４５】
次に、図７（Ｂ）は、ｎ型半導体部１２ａの端面１２ａｅｓが排気ガスの流れ方向Ｆと対向する設置例を表した側面図および斜視図である。この例における表面Ｓとしては、端面１２ａｅｓが該当するので、真性半導体部１２ｃの表面の一部は表面Ｓに含まれない。このことは、ｐ型半導体部１２ｂの端面１２ｂｅｓが排気ガスの流れ方向Ｆと対向する場合も同様である。
【００４６】
次に、図７（Ｃ）は、熱電変換素子１２が排気ガスの流れ方向Ｆに対して傾いた状態（第２の直交方向Ｄ２の軸線を中心として、図７（Ａ）に示す設置状態に対して回転した状態）で設置された一例を表した側面図および斜視図である。この例では、熱電変換素子１２の１つの側面と１つの端面１２ａｅｓが表面Ｓに該当する。このため、この例においても、真性半導体部１２ｃの表面の一部Ｓ１は表面Ｓに含まれる。なお、ｎ型半導体部１２ａとｐ型半導体部１２ｂの配置が図７（Ｃ）に示す一例と逆になっている場合であれば、熱電変換素子１２の１つの側面と１つの端面１２ｂｅｓとが表面Ｓに該当する。
【００４７】
次に、図７（Ｄ）は、熱電変換素子１２が排気ガスの流れ方向Ｆに対して傾いた状態（第１の直交方向の軸線を中心として、図７（Ａ）に示す設置状態に対して回転した状態）で設置された他の例を表した図（より具体的には、端面１２ｂｅｓと垂直な方向から見た図と、斜視図）である。この例では、熱電変換素子１２における排気ガスの流れ方向Ｆ側の２つの側面が表面Ｓに該当する。したがって、この例においても、真性半導体部１２ｃの表面の一部Ｓ１は表面Ｓに含まれる。
【００４８】
次に、図７（Ｅ）は、円柱形状で形成された熱電変換素子を、図７（Ａ）と同じ向きで設置した例を表した図（より具体的には、ｎ型半導体部もしくはｐ型半導体部の端面と垂直な方向から見た図と、排気ガスの流れ方向Ｆから見た図）である。この例における表面Ｓとしては、熱電変換素子における排気ガスの流れに対向する側の半円柱部が該当する。したがって、この例においても、真性半導体部１２ｃの表面の一部Ｓ１は表面Ｓに含まれる。
【００４９】
図６の説明に戻り、本実施形態の構成についての説明を継続する。排気ガスの流れに対向する表面Ｓは、熱電変換素子１２が自身よりも温度の高い排気ガスに晒される場合において温まり易い部位となる。その理由は、排気ガスに対向している表面Ｓの周りでは、表面Ｓへの排気ガスの衝突によって排気ガスの乱れ（流動）が増大し、この乱れ（流動）の増大に伴って排気ガスから熱電変換素子１２への熱伝達が促進されるためである。この効果は、排気ガスの上流側の１列目の単位積層体１４ａが有する熱電変換素子１２に限られず、２列目および３列目の単位積層体１４ａが有する熱電変換素子１２においても得られる。その理由は、１列目の単位積層体１４ａの周囲を通過した排気ガスが２列目および３列目の単位積層体１４ａの各表面Ｓに向けて回り込むという排気ガスの流れがあるためである。したがって、熱電変換素子１２の各部位が排気ガスから受ける熱流束（単位時間当たりに単位面積を通過する熱量）を考えた場合、本実施形態の各熱電変換素子１２の設置の態様は、表面Ｓに該当する熱電変換素子１２の側面が排気ガスから受ける熱流束を、バンドギャップエネルギが最も高いｎ型半導体部１２ａの端面１２ａｅｓおよびｐ型半導体部１２ｂの端面１２ｂｅｓのそれぞれが排気ガスから受ける熱流束よりも大きくするものであるといえる。このことは、本実施形態のように熱電変換素子１２が直方体形状で形成されている場合に限られず、熱電変換素子が、角柱形状の他の態様である立方体形状、もしくは円柱形状などで形成されている場合においても同じである。
【００５０】
（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）
図８（Ａ）および図８（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８（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８（Ｂ）の設置手法の場合には、図７（Ｂ）に示す例と同様に、真性半導体部の表面は、温まり易い部位（熱伝達係数が最も高い部位）である表面Ｓに含まれていない。この例において表面Ｓに該当する部位は、バンドギャップエネルギが最も高い部位（この例では、ｎ型半導体部の端面）である。このため、バンドギャップエネルギが相対的に低い真性半導体部の表面は、バンドギャップエネルギが最も高い上記端面と比べて、排気ガスからの熱伝達が促進されにくくなる。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易くなり、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可能性がある。
【００５１】
これに対し、図８（Ａ）は、図６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。このような構成によれば、温まり易い部位（熱伝達係数が最も高い部位）である表面Ｓの中に真性半導体部１２ｃの表面の一部が含まれているため、真性半導体部１２ｃの表面において排気ガスからの熱伝達が促進され易くすることができる。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１２の起電圧を効率良く確保できるようになる。このため、熱源である排気ガスの流速もしくは温度が運転者の要求等によって過渡的に変化するような場合であっても、熱電変換素子１２を利用した発電を効率良く行えるようになる。
【００５２】
ところで、排気ガスの流れの中における熱電変換素子１２の設置の向きは、上述した実施の形態１の図７（Ａ）に示す例に代え、図７（Ｃ）または図７（Ｄ）に示すものであってもよい。また、本発明における熱電変換素子の形状は、既述したように、直方体形状に限られず、例えば、立方体形状もしくは円柱形状であってもよい。立方体形状の熱電変換素子の場合にも、図７（Ａ）、図７（Ｃ）または図７（Ｄ）に示す例と同様に設置の向きに配慮すればよい。また、円柱形状の熱電変換素子の場合には、図７（Ｅ）に示す例のように設置の向きに配慮すればよいし、図７（Ｃ）に示す例と同様に排気ガスの流れ方向Ｆに対して傾けるように設置してもよい。
【００５３】
実施の形態２．
次に、図９および図１０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９は、本発明の実施の形態２に係る車両の発電装置３０の全体構成を説明するための模式図である。本実施形態の発電装置３０は、複数の単位積層体３２ａを有する素子積層体３２を備えている。各単位積層体３２ａを構成する複数の熱電変換素子１２は、図９に示すように、電極３４を介して直列に接続されている。素子積層体３２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３０は、電極３４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。
【００５５】
図９に示すように、発電装置３０は、隣り合う熱電変換素子１２の間を接続する電極３４のそれぞれに対し、電極３４における排気ガスの上流側の部位の表面だけでなく電極３４の表面を全体的に覆うという態様で設置されたシールド３６を備えている。より具体的には、図９に示す一例では、シールド３６は、シールド３６のすべての内表面がこれに対応する電極３４のすべての表面に接触するという態様で当該電極３４を覆っている。シールド３６は、電極３４および熱電変換素子１２のそれぞれの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するように構成されている。具体的には、シールド３６の材質として、例えば、セラミックスを用いることができる。すなわち、本実施形態のシールド３６は、断熱材として構成されている。
【００５６】
図１０（Ａ）および図１０（Ｂ）は、実施の形態２における電極３４に関する構成の効果を説明するための図である。図１０（Ｂ）は、実施の形態１における電極２４の構成を表している。この構成の場合には、電極２４が排気ガスに対して直接接触している。このため、この構成では、電極２４の表面も、上述の表面Ｓ（温まり易い部位）の一部を構成する。ここで、金属である電極２４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１０（Ｂ）の構成の場合には、熱電変換素子１２よりも電極２４の方が排気ガスからの熱の供給を受け易くなる。その結果、排気ガスの温度の上昇によって素子積層体１４への供給熱量が増加していく状況下においては、熱電変換素子１２の温度よりも電極２４の温度の方が先に上昇し易くなる。その結果、電極２４に供給された熱が、電極２４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または１２ｂｅｓ））に伝達し易くなる。
【００５７】
一方、図１０（Ａ）に示すように、本実施形態の構成では、電極３４と排気ガスとの間には、シールド３６が介在している。このようなシールド３６によれば、排気ガスの上流側の電極３４の表面を覆っているため、排気ガスの流れが電極３４に衝突することによって排気ガスから電極３４への熱伝達が促進されるのを回避することができる。
【００５８】
そのうえで、本実施形態のシールド３６は、シールド３６のすべての内表面がこれに対応する電極３４のすべての表面に接触するという態様で当該電極３４を覆っている。この構成とは異なり、シールド３６と電極３４とが離間していると、シールド３６と電極３４との間に排気ガスが回り込むことによって排気ガスの熱が電極３４に伝達される可能性がある。しかしながら、本構成によれば、このような態様での熱伝達をも抑制することができる。さらに、シールド３６の熱伝導率は電極３４の熱伝導率よりも低い。このため、シールド３６から電極３４への熱伝導も抑制することができる。これにより、電極３４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、上記態様での温度差の発生を抑制できるので、効率的な発電を行えるようになる。さらに付け加えると、本実施形態では、シールド３６の熱伝導率は熱電変換素子１２の熱伝導率よりも低い。このため、シールド３６から熱電変換素子１２への入熱をも抑制することができる。
【００５９】
ところで、電極３４への入熱を抑制するためのシールド（本発明における「電極シールド」に相当）の構成は、上述した実施の形態２のシールド３６の構成以外にも、例えば、以下のようなものであってもよい。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、本発明に係る電極に関する構成の変形例を説明するための図である。
【００６０】
まず、図１１（Ａ）に示す構成では、シールド３８は、電極３４の表面を全体的に覆うのではなく、排気ガスの流れに対向しているために温まり易い部位となる排気ガスの上流側において電極３４の表面を（電極３４とは接触しない態様で）覆うように設置されている。このシールド３８のように、本発明における電極シールドは、電極の表面のうちの流体の流れ方向の上流側の部位のみを覆うように設置されてもよい。このような構成によっても、排気ガスの流れが電極３４に直接的に衝突することを抑制することができるので、そのような排気ガスの衝突によって排気ガスから電極３４への熱伝達が促進されるのを抑制することができる。なお、シールド３８は、図示省略する取り付け具を用いて熱電変換素子１２もしくは排気管２に取り付けられているものとする。
【００６１】
また、図１１（Ｂ）に示すシールド４０も、排気ガスの上流側のみで電極３４の表面を覆うものであるが、シールド４０は、電極３４に接触する態様で電極３４を覆っている。したがって、このシールド４０の場合には、図１１（Ａ）に示すシールド３８とは異なり、シールド４０から電極３４への熱伝導を抑制するために実施の形態２のシールド３６と同様に断熱材として構成されている。図１１（Ｂ）に示す構成によれば、図１１（Ａ）に示す構成と比べ、シールド４０と電極３４との間に排気ガスが回り込むことによる電極３４への入熱を回避することができ、また、シールド４０から電極３４への熱伝導を抑制することもできる。このため、図１１（Ａ）に示す構成よりも電極３４への入熱を抑制することができる。
【００６２】
実施の形態３．
次に、図１２および図１３を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
【００６３】
図１２は、本発明の実施の形態３に係る車両の発電装置５０の全体構成を説明するための模式図である。図１３は、図１２に示す素子積層体１４周りの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５０は、実施の形態１と同様に素子積層体１４を備えている。
【００６４】
ここで、図１２に示すように、真性半導体部１２ｃを含まず、かつ、ｎ型半導体部１２ａの端部１２ａｅおよびｐ型半導体部１２ｂの端部１２ｂｅ（何れもバンドギャップエネルギが最も高い部位）を含むように特定された部位のことを、各熱電変換素子１２の高バンドギャップエネルギ部（以下、主に「高ＢＥ部」と略する）１２ｄと称する。
【００６５】
単位積層体１４ａは、複数（一例として２つ）の熱電変換素子１２の積層体である。単位積層体１４ａは、一例として９本備えられており、これらの単位積層体１４ａは、図１２および図１３に示すように、排気ガスの流れ方向Ｆおよび第２の直交方向Ｄ２のそれぞれの方向に所定間隔をあけて配置されている。そして、素子積層体１４は、これらの単位積層体１４ａのそれぞれが有する熱電変換素子１２（および電極２４）の位置が第１の直交方向Ｄ１において揃うように構成されている。
【００６６】
本実施形態の発電装置５０における素子積層体１４は、シールド５２を備えている。シールド５２は、上述の構成を有する素子積層体１４に対して、排気ガスの流れ方向Ｆおよび第２の直交方向Ｄ２の双方に板状に延びるように、かつ、第１の直交方向Ｄ１において当該シールド５２と重なる位置にある熱電変換素子１２のそれぞれの高ＢＥ部１２ｄを覆うように構成されている。その結果、上述のように構成された素子積層体１４の構成に対応して、シールド５２は、排気ガスの流れ方向Ｆおよび第２の直交方向Ｄ２のそれぞれと平行に延びるように３分割された態様で構成されている。
【００６７】
素子積層体１４の各熱電変換素子１２が有する高ＢＥ部１２ｄは、上述のように構成されたシールド５２のそれぞれによって、高ＢＥ部１２ｄにおける排気ガスの上流側の部位の表面だけでなく高ＢＥ部１２ｄの表面を全体的に覆っている。より具体的には、シールド５２のそれぞれは、高ＢＥ部１２ｄの表面と接触する態様で高ＢＥ部１２ｄの全面を覆っており、かつ、真性半導体部１２ｃとその付近の部位（すなわち、高ＢＥ部１２ｄ以外の部位）を排気ガス中に露出させている。また、シールド５２は、高ＢＥ部１２ｄと接触しているため、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ように構成されている。具体的には、シールド５２の材質として、例えば、セラミックスを用いることができる。
【００６８】
さらに、上述した実施の形態２においては電極３４のみがシールド３６によって覆われているのに対し、本実施形態のシールド５２は、各熱電変換素子１２の高ＢＥ部１２ｄとともに各電極２４についても覆っている。すなわち、本実施形態では、電極２４のための電極シールドと、高ＢＥ部１２ｄのための高バンドギャップエネルギシールド（本発明における「高バンドギャップエネルギシールド」に相当）とが一体的に形成されている。
【００６９】
より詳細に説明すると、シールド５２は、電極２４とこれに接続される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高ＢＥ部１２ｄとを覆っている。シールド５２は、電極２４に関しても、電極２４と接触する態様で覆っている。このため、シールド５２は、熱電変換素子１２の熱伝導率だけでなく電極２４の熱伝導率よりも低い部材（一例として、上述のようにセラミックス）により構成されている。
【００７０】
以上説明した構成を有するシールド５２によって、排気管２の流路の一部が塞がれており、排気管２の流路断面積が小さくされている。上述のように、真性半導体部１２ｃおよびその付近の部位はシールド５２によって覆われずに排気ガス中に露出している。すなわち、真性半導体部１２ｃおよびその付近の部位の周囲が排気ガスの流路として確保されるという態様で、シールド５２によって排気管２の流路の一部が閉塞されている。
【００７１】
シールド５２を備える本実施形態の構成によれば、高ＢＥ部１２ｄには排気ガスが衝突しないようにすることができる。これにより、高ＢＥ部１２ｄの周りでの排気ガスの乱れ（流動）による熱伝達の促進を抑制することができる。また、本構成によれば、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およびその付近の部位に対しては、シールド５２の採用による流路断面積の縮小によって流速が高められた排気ガスを衝突させることができる。これにより、真性半導体部１２ｃおよびその付近の部位の周囲に流速の高い排気ガスの流動を生じさせることができるので、真性半導体部１２ｃおよびその付近の部位での熱伝達を促進させることができる。このように、本構成によれば、真性半導体部１２ｃおよびその付近の部位において集中的に排気ガスからの熱伝達を行えるようになる。このため、実施の形態２の構成と比べて、上記態様での温度差の発生をより確実に抑制することができる。
【００７２】
また、本実施形態のシールド５２は、高ＢＥ部１２ｄと接触する態様で高ＢＥ部１２ｄを覆っている。このため、シールド５２と高ＢＥ部１２ｄとの間に排気ガスが回り込むことによって排気ガスの熱が高ＢＥ部１２ｄに伝達されることを防止することができる。このことは、シールド５２と電極２４との関係についても同様である。そして、シールド５２の熱伝導率は、熱電変換素子１２および電極２４のそれぞれの熱伝導率よりも低くなるように構成されている。これにより、シールド５２から高ＢＥ部１２ｄおよび電極２４への熱伝導をも抑制することができる。
【００７３】
ところで、高ＢＥ部への流体の衝突を抑制しつつ、真性半導体部１２ｃと流速の高い流体との衝突を促進させるための高バンドギャップエネルギシールドは、上述した実施の形態３のシールド５２以外にも、例えば、以下に説明するシールド６６もしくはシールド７２のように構成されていてもよい。
【００７４】
図１４および図１５は、本発明に係る高バンドギャップエネルギシールドに関する構成の第１の変形例を説明するための図である。図１４は、第１の変形例に係る発電装置６０の構成を、図１２と同じ方向から見た図であり、図１５は、図１４に示す素子積層体６４の一部を排気ガスの流れ方向Ｆから見た図である。
【００７５】
シールドの構成以外についての第１の変形例と実施の形態３との主な相違点は、熱電変換素子の形状である。すなわち、発電装置６０が備える素子積層体６４を構成する熱電変換素子６２は、図１４および図１５から分かるように正八面体として形成されている。熱電変換素子６２の真性半導体部６２ｃは２つの四角錐の接合部に位置している。
【００７６】
素子積層体６４の積層パターンは、一例として素子積層体１４と同じであるものとする。発電装置６０は、複数のシールド６６を備えている。その中の一部のシールド６６は、単位積層体６４ａ毎に分割して備えられており、単位積層体６４ａの積層方向（すなわち、第１の直交方向Ｄ１）に延びるように形成されている。また、残りのシールド６６は、上述のシールド５２と同様の構成で、素子積層体６４における第１の直交方向Ｄ１の端部に配置されている。この第１の変形例の構成におけるシールド６６も、上述のシールド５２と同様に、高ＢＥ部６２ｄと接触する態様で高ＢＥ部６２ｄを覆い、かつ、真性半導体部６２ｃの表面を排気ガス中に露出させるように構成されている。また、シールド６６は、高ＢＥ部６２ｄだけでなく、電極６８についても（電極６８と接触する態様で）覆うように構成されている。そして、シールド６６は、熱電変換素子６２および電極６８のそれぞれの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有するように構成されている。具体的には、シールド６６の材質として、例えば、セラミックスを用いることができる。
【００７７】
第１の変形例の構成においても、実施の形態１等の構成と同様に、温まり易い部位（熱伝達係数が最も高い部位）である表面Ｓ（図１５参照）の中に真性半導体部６２ｃの表面の一部が含まれている。そして、本構成によっても、熱電変換素子６２の形状の工夫により、実施の形態３の構成と同様に、高ＢＥ部６２ｄへの排気ガスの衝突を抑制しつつ、真性半導体部６２ｃと流速の高い排気ガスとの衝突を促進させることができる。
【００７８】
次に、図１６は、本発明に係る高バンドギャップエネルギシールドに関する構成の第２の変形例を説明するための図である。図１６は、第２の変形例に係る発電装置７０の構成を、図１２と同じ方向から見た図である。この発電装置７０の構成は、シールドの構成以外については基本的に実施の形態２の発電装置３０と同じであるとする。
【００７９】
図１６に示す発電装置７０では、シールド７２は、高ＢＥ部１２ｄの表面を全体的に覆うのではなく、排気ガスの流れに対向しているために温まり易い部位となる排気ガスの上流側において高ＢＥ部１２ｄの表面を（高ＢＥ部１２ｄとは接触しない態様で）覆うように設置されている。このシールド７２のように、本発明における高バンドギャップエネルギシールドは、高バンドギャップエネルギ部の表面のうちの流体の流れ方向の上流側の部位のみを覆うように設置されてもよい。また、本構成のように、電極シールドと高バンドギャップエネルギシールドとは、別体であってもよい。さらに、本発明における熱電変換素子には、高バンドギャップエネルギシールドのみが備えられていてもよい。
【００８０】
図１６に示す構成によっても、排気ガスの流れが高ＢＥ部１２ｄに直接的に衝突することを抑制することができるので、そのような排気ガスの衝突によって排気ガスから高ＢＥ部１２ｄへの熱伝達が促進されるのを抑制することができる。また、シールド７２が設けられていることで、真性半導体部１２ｃと流速の高い排気ガスとの衝突を促進させることができる。なお、シールド７２は、図示省略する取り付け具を用いて熱電変換素子１２もしくは排気管２に取り付けられる。また、本構成とは異なり、シールド７２は、熱電変換素子１２の熱伝導率よりも低い熱伝導率の部材を用いて、高ＢＥ部１２ｄと接触する態様で高ＢＥ部１２ｄを覆うように構成されていてもよい。
【００８１】
また、上述した実施の形態３においては、高ＢＥ部１２ｄ以外の部位として、真性半導体部１２ｃおよびその付近の部位とが存在する例について説明を行った。しかしながら、高バンドギャップエネルギシールドによって覆われる対象となる高ＢＥ部は、真性半導体部以外のすべての部位であってもよい。
【００８２】
また、上述した実施の形態３において例示した素子積層体１４では、単位積層体１４ａが排気ガスの流れ方向Ｆおよび第２の直交方向Ｄ２の双方において所定間隔をあけて複数（一例として３つ）配置されている。このような構成とは異なり、単位積層体が排気ガスの流れ方向Ｆおよび第２の直交方向Ｄ２の何れか一方において所定間隔をあけて複数配置される構成の場合には、高バンドギャップエネルギシールドは、流れ方向Ｆおよび第２の直交方向Ｄ２のうちで単位積層体が複数設置される方向に向けて延びるように構成すればよい。
【００８３】
ところで、上述した実施の形態１〜３およびそれらの変形例においては、複数の熱電変換素子１２等の素子積層体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、真性半導体部の表面が流体の流れに対向する態様で流路内に設置される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１７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１７は、素子積層体８０を排気ガスの流れ方向Ｆから見た図である。この図１７に示す構成においても、素子積層体８０を構成する各熱電変換素子１２は、真性半導体部１２ｃの表面が排気ガスの流れに対向する態様で排気管２内に設置されている。
【００８５】
図１７に示す構成では、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８２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８４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１７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。また、複数の熱電変換素子１２を積層する場合には、直列接続と並列接続とを適宜組み合わせてもよい。
【００８６】
なお、本発明における熱電変換素子（例えば、熱電変換素子１２）が設置される流路内を流れる流体の種類によっては、熱電変換素子から流体への電流のリークを抑制するために、熱電変換素子と流体との間が絶縁されていることが必要とされる場合がある。その場合には、熱電変換素子の表面は、絶縁部材に接触していてもよい。また、熱電変換素子の表面には、絶縁部材以外にも、例えば、保護部材（例えば、熱電変換素子を覆うカバー）が接触していてもよい。このような場合であっても、流体の熱は絶縁部材および保護部材の何れか一方もしくは双方を介して熱電変換素子に伝えられる。このため、このような場合においても真性半導体部が流体の流れに対向する態様で熱電変換素子を流路内に設置することで、流体から真性半導体部への熱の移動を促進させることができる。なお、発電装置が熱電変換素子を収容するハウジングを備えているには、上記カバーは当該ハウジングの一部を構成してもよい。
【００８７】
また、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】
【００８８】
１  内燃機関
２  排気管
１０、３０、５０、６０、７０  発電装置
１２、６２  熱電変換素子
１２ａ  ｎ型半導体部
１２ａｅ  ｎ型半導体部における真性半導体部と反対側の端部
１２ａｅｓ  ｎ型半導体部における真性半導体部と反対側の端面
１２ｂ  ｐ型半導体部
１２ｂｅ  ｐ型半導体部における真性半導体部と反対側の端部
１２ｂｅｓ  ｐ型半導体部における真性半導体部と反対側の端面
１２ｃ、６２ｃ  真性半導体部
１２ｄ、６２ｄ  高バンドギャップエネルギ部（高ＢＥ部）
１４、３２、６４、８０  素子積層体
１４ａ、３２ａ、６４ａ  素子積層体の単位積層体
１６  電気回路
１８  スイッチ
２０  電装部品
２２  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２４、３４、６８、８２、８４  電極
３６、３８、４０、５２、６６、７２  シールド
【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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