JP2017174900A - 熱電変換ユニット及び熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる熱電変換ユニットを提供すること。【解決手段】並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた吸熱部と、を備える複数の熱電変換モジュールを有し、前記複数の熱電変換モジュールは熱の流路に沿って並設され、且つ前記吸熱部は千鳥状に配設されていること。【選択図】図３

Description

本発明は、ゼーベック効果による熱電変換を行う熱電変換素子を備える熱電変換ユニット及び熱電変換モジュールにおける集熱構造に関する。

熱電変換モジュールは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。

このような熱電変換モジュールは、一般的に、複数個の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。このような熱電変換モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。また、このような熱電モジュールは、自動車及びその他のエンジンを備える産業機器における排ガスの廃熱を利用して発電するために、エンジン等の高温熱源の下流側に配置されることになる。このような熱電変換モジュールの利用及び当該熱電変換モジュールを用いた熱電変換装置は、例えば、特許文献２に開示されている。

特開２０１３−１１５３５９号公報 特開２００７−２２１８９５号公報

しかしながら、エンジンからの排ガスは下流（すなわち、排気側）に進むにつれて温度の低下に伴って熱量が不足するため、ｐ型半導体及びｎ型半導体を電極で接合した一般的な構造のみの熱電変換モジュールでは、十分な発電が行えないという問題が生じていた。また、複数の熱電変換モジュールを排ガスの流路に沿って配設すると、下流側に位置する熱電変換モジュールは、上流側に位置する熱電変換モジュールの存在により、下流側に位置する熱電変換モジュールに向けた排ガスの流れが遮られ、下流側に位置する熱電変換モジュールでは十分な発電が行えない場合がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる熱電変換ユニット及び熱電モジュールを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換ユニットは、並設された複数の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた吸熱部と、を備える複数の熱電変換モジュールを有し、前記複数の熱電変換モジュールは熱の流路に沿って並設され、且つ前記吸熱部は千鳥状に配設されている。

上述した熱電変換ユニットにおいて、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積よりも大きくてもよい。これにより、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換ユニット全体としての発電量を向上することができる。

上述した熱電変換ユニットのいずれかにおいて、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部と、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部とは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なっていてもよい。これにより、下流側に位置する吸熱部における吸熱が上流側に位置する吸熱部によって阻害されることがなくなり、下流側に位置する熱電変換モジュールにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換ユニット全体としての発電量を向上することができる。

上述した熱電変換ユニットのいずれかにおいて、前記吸熱部は複数の吸熱フィンから構成されていてもよい。これにより、各熱電変換モジュールにおいて、効率よく吸熱を図ることができる。

上述した吸熱部が複数の吸熱フィンから構成されている熱電変換ユニットにおいて、前記複数の吸熱フィンが千鳥状に配設されていてもよい。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、１つの熱電変換モジュールとしての発電量を向上することができる。

上述した吸熱部が複数の吸熱フィンから構成されている熱電変換ユニットのいずれかにおいて、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なっていてもよい。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、１つの熱電変換モジュールとしての発電量をより向上することができる。

上述した熱電変換ユニットのいずれかにおいて、前記吸熱部は、前記熱の流路の上流側から下流側に向ってその高さが大きくなっていてもよい。これにより、吸熱部の下流側に位置する部分においてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、１つの熱電変換モジュールとしての発電量を向上することができる。

また、上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換モジュールは、並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する複数の第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する複数の第２電極と、前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた複数の吸熱フィンと、を有し、前記吸熱フィンは千鳥状に配設されている。

上述した熱電変換モジュールにおいて、前記熱の流路の上流側に位置する前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なっていてもよい。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換モジュール全体としての発電量を向上することができる。

上述した熱電変換モジュールのいずれかにおいて、前記熱の流路の下流側に位置する前記吸熱フィンの表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンの表面積よりも大きくてもよい。これにより、下流側に位置する吸熱フィンにおいてもより優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、熱電変換モジュール全体としての発電量を向上することができる。

本発明に係る熱電変換ユニット及び熱電変換モジュールによれば、排ガスの流れを利用しつつ下流においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図り、全体としての発電量を向上することができる。

実施例に係る熱電変換モジュールの斜視図である。 実施例に係る熱電変換モジュールの側面図である。 実施例に係る熱電変換ユニットの構成を示す概略上面図である。 変形例１に係る熱電変換モジュールの上面図である。 変形例２に係る熱電変換モジュールの側面図である。 変形例３に係る熱電変換モジュールの側面図である。 変形例４に係る熱電変換モジュールの正面図である。 変形例５に係る熱電変換ユニットの上面図である。 変形例５に係る熱電変換ユニットの正面図である。

以下、図面を参照し、本発明による熱電変換ユニット及び熱電変換モジュールの実施の形態について、実施例及び各変形例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例及び各変形例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による熱電変換ユニット及び熱電変換モジュール並びにその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例及び各変形例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜実施例＞
（熱電変換モジュールの構造）
以下において、図１及び図２を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１の構造について説明する。ここで、図１は本実施例に係る熱電変換モジュール１の斜視図である。また、図２は本実施例に係る熱電変換モジュール１の側面図である。ここで、図１における一方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、及びＺ方向と定義するとともに、特に熱電変換モジュール１の高さ方向をＺ方向と定義する。

図１及び図２から分かるように、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、レール状の形状を有している。具体的に、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、並設された複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、当該第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの端部に設けられた第１電極３ａ及び第２電極３ｂと、を有している。また、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、第２電極３ｂのそれぞれの表面上に一体的に設けられた複数の吸熱フィン４ａ〜４ｄ（以下において、いずれかの吸熱フィンを選択することなく代表して吸熱フィンを説明する場合には単に吸熱フィン４とも称する）を更に有している。

本実施例において、第１熱電変換素子２ａはＮ型半導体材料から構成され、第２熱電変換素子２ｂはＰ型半導体材料から構成されている。また、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、Ｘ方向に沿って交互に４個（合計８個）ずつ配置されている。更に、隣接する第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、第１電極３ａ及び第２電極３ｂを介して電気的に接続されている。そして、図１から分かるように、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの形状は円柱状であり、例えばその直径は約５ｍｍであり、高さ（Ｚ方向の寸法）は約１０ｍｍである。なお、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの形状はこのような形状に限定されることなく、例えば、角柱状であってもよい。

第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、同一の形状（平板状）を有し、例えば、銅板から形成されている。また、第１電極３ａは、Ｘ方向に５個並設され、第２電極３ｂは、Ｘ方向に４個並設されている。そして、図１及び図２から分かるように、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、Ｚ方向において、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを挟むように配置されている。

このような第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの配置関係により、Ｘ方向に一直線上に延在する熱電変換モジュール１のレール形状が形成されることになる。また、このような第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの配置関係により、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが電気的に直列に接続されることになる。換言すると、本実施例においては、Ｘ方向に並設された、４個の第１熱電変換素子２ａ、４個の第２熱電変換素子２ｂ、５個の第１電極３ａ、及び４個の第２電極３ｂから１つの直列回路が形成されている。なお、熱電変換モジュール１の両端に位置する第１電極３ａが、外部接続用の引出電極として機能するため、熱電変換モジュール１にて生じた電力を外部に取り出すことが可能になる。

ここで、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、銅板に限定されることなく、他の導電性材料（例えば、アルミニウム等の金属材料）によって形成されてもよい。また、第１電極３ａ及び第２電極３ｂの数量、形状は上述した内容に限定されることなく、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂ（すなわち、起電力の大きさ）に応じて適宜変更することができる。更には、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを並列に接続するように第１電極３ａ及び第２電極３ｂを配設してもよい。

吸熱フィン４は、第２電極３ｂの熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に一体的に接合されている。本実施例において、吸熱フィン４は、熱伝導率が比較的高いＳＵＳ４３０を材料とする金属板である。熱電変換モジュール１が排ガス（熱）の流路上に設置された場合に、吸熱フィン４が当該排ガスに対して直接的に接触することになり、第２電極３ｂの温度をより上昇させることができる。これにより、第１電極３ａと第２電極３ｂとの温度差をより生じさせ、優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図って熱電変換モジュール１の発電量を向上させることができる。ここで、熱電変換モジュール１に設けられた４つの吸熱フィン４のそれぞれは、接合した第２電極３ｂの温度の上昇に寄与することになるが、熱電変換モジュール１全体としては、４つの吸熱フィン４からなる１つの吸熱部５により、熱電変換モジュール１の高温側の温度上昇がもたらされている。すなわち、熱電変換モジュール１においては、Ｘ方向に延在する１つの吸熱部５が４つの吸熱フィン４から構成されていることになる。

なお、吸熱フィン４の幅（Ｘ方向）、厚み（Ｙ方向）、及び高さ（Ｚ方向）の寸法を変更し、吸熱フィン４の表面積を大きくすることができれば、第２電極３ｂの温度をより効率的に上昇させることができるが、吸熱フィン４の寸法は、熱電変換モジュール１に要求される発電量に応じて設定されることになる。

（熱電変換モジュールの製造方法）
本実施例に係る熱電変換モジュール１の製造方法としては、製造装置を構成する通電加圧部材として機能する２つのパンチの間に、準備した第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、及び吸熱フィン４を配置する。その後、２つのパンチを第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、及び吸熱フィン４に向かって加圧しつつ電流を供給する。これにより、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、及び吸熱フィン４とが拡散接合（プラズマ接合）され、複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続され、１つのレール状の熱電変換モジュール１が形成される。このような通電加圧は、真空、窒素ガス、又は不活性ガス雰囲気のチャンバ内で行われる。

（熱電変換ユニットの構造）
次に、図３を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換ユニット１０について説明する。ここで、図３は、本実施例に係る熱電変換ユニット１０の構成を示す概略上面図である。図３に示すように、熱電変換ユニット１０は、エンジンユニット２０の排気方向の下流に設置されている。すなわち、熱電変換ユニット１０は、エンジンユニット２０から排気される排ガスの熱を利用して発電を行うことになる。

また、熱電変換ユニット１０は、５つの熱電変換モジュール１から構成されている。より具体的には、５つの熱電変換モジュール１は、その延在方向が当該流路と平行となるように、排ガス(熱)の流路（図３において矢印にて示す）に沿って並設されている。すなわち、図１、図２及び図３のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は共通している。更に、５つの熱電変換モジュール１は、千鳥状に配設されている。そして、熱電変換ユニット１０においては、５つの熱電変換モジュール１から個別に電力を取り出せるような配線を行ってもよく、或いは５つの熱電変換モジュール１を電気的に直列に接続して、１つの大きな電力を取り出せるようにしてもよい。ここで、５つの熱電変換モジュール１は、例えば、エンジンユニット２０と排ガスを外部に排出するための排気ユニット（図示せず）との間に設けられた接続管（図示せず）内に設けられることになる。

なお、熱電変換ユニット１０を構成する５つの熱電変換モジュール１のいずれかを選択して説明する場合には、熱電変換モジュール１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅのいずれかとして説明とする。各熱電変換モジュールに設けられた吸熱部５についても同様に、いずれかを選択して説明する場合には、吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅのいずれかとして説明する。

図３に示すように、熱電変換ユニット１０においては、熱電変換モジュール１が排ガスの流路に沿って千鳥状に設けられているため、熱電変換モジュール１と同様にＸ方向に向かって並設されている吸熱フィン４ａ〜４ｄから構成される吸熱部５も千鳥状に配設されていることになる。このような千鳥状に吸熱部５が配設されることにより、吸熱部５のそれぞれは、エンジンユニット２０から排出された排ガスに対して良好に接触することが可能となる。すなわち、吸熱部５のそれぞれは、他の吸熱部５の存在によって排ガスとの接触が阻害されることがなくなり、十分な吸熱を行うことができる。例えば、図３において矢印で示した排ガスの流路から分かるように、吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃの存在によって吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃの下流側における排ガスの流量が減少することになるが、吸熱部５ｄ、５ｅに対しては吸熱部５ａ、５ｂ、５ｃの隙間を経由して排ガスが到達するため、下流側に位置する吸熱部５ｄ、５ｅにおいても、優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができる。そして、熱電変換ユニット１０としては、下流側においても十分な発電量を得ることができるため、全体として発電量が向上することになる。

なお、本実施例においては、上流側に位置する熱電変換モジュール１ａ〜１ｃの吸熱部５ａ〜５ｃと、下流側に位置する熱電変換モジュール１ｄ〜１ｅの吸熱部５ｄ〜５ｅとは、同じ形状で同一の表面積を有していたが、下流側における排ガスの温度低下を考慮して、下流側の吸熱部５ｄ〜５ｅの表面積を上流側の吸熱部５ａ〜５ｃの表面積よりも大きくしてもよい。すなわち、上述した接続管内における温度分布に応じて、熱電変換モジュール１ごとに吸熱部５及び吸熱フィン４の寸法及び表面積を適宜設定してもよい。これにより、排ガス経路の下流側においても十分な発電を実現できるように、熱電変換ユニット１０の発電量をより向上させることができる。

また、熱電変換モジュール１の形状はレール状に限定されることなく、Ｘ−Ｙ方向に広がりを備えるような他の形状であってもよい。このような場合であっても、熱電変換ユニット１０において、熱電変換モジュール１の吸熱部５が他の熱電変換モジュール１の吸熱部５の吸熱を阻害しないように、例えば、吸熱部５を千鳥状に配置することが重要となる。

＜変形例＞
（他の熱電変換モジュールの構造）
次に、図４乃至図７を参照しつつ、熱電変換モジュールの各変形例について、詳細に説明する。ここで、図４は変形例１に係る熱電変換モジュール１０１の上面図であり、図５は変形例２に係る熱電変換モジュール２０１の側面図であり、図６は変形例３に係る熱電変換モジュール３０１の側面図であり、図７は変形例４に係る熱電変換モジュール４０１の正面図である。なお、各変形例においては、上述した実施例と同一の構造及び部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、変形例１に係る熱電変換モジュール１０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、吸熱フィン４ａ〜４ｄが千鳥状に配設されている。すなわち、熱電変換モジュール１０１においては、吸熱フィン４が他の吸熱フィン４の吸熱を阻害しないように配設されていることになる。このような吸熱フィン４の配設により、下流側（＋Ｘ側）に位置する吸熱フィン４ｃ、４ｄにおいても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。これにより、熱電変換モジュール１０１自体の発電量も向上させることができる。

なお、１つの熱電変換モジュール１０１において吸熱フィン４を千鳥状に配設することにより、上述した実施例のように熱電変換モジュール１０１を千鳥状に配設しなくても、熱電変換ユニット１０の発電量の向上を十分に図れることもある。これは、熱電変換ユニット１０全体として、吸熱フィン４が千鳥状に配設されることになり、上流側（−Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール１０１が下流側に位置する熱電変換モジュール１０１の吸熱を阻害する恐れが低減されるためである。

次に、図５に示すように、変形例２に係る熱電変換モジュール２０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、共通する１枚の吸熱フィンから吸熱部２０５が構成されている。当該吸熱フィンの形状は、Ｘ−Ｚ平面において台形となっており、下流側（＋Ｘ側）に位置する部分の表面積が上流側（−Ｘ側）に位置する部分の表面積よりも大きくなっている。換言すると、熱電変換モジュール２０１において、吸熱部２０５は、排ガスの流路の下流側に向って、その高さが大きくなっている。これにより、より下流側においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。そして、このような吸熱部２０５の構造により、熱電変換モジュール２０１自体の発電量が向上することになる。

ここで、熱電変換モジュール２０１は第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを直列に接続した構造を有しているため、吸熱部２０５は電気絶縁体から構成されていることが必要となる。例えば、吸熱部２０５には、窒化アルミニウム、又は酸化アルミニウムを用いることができる。

次に、図６に示すように、変形例３に係る熱電変換モジュール３０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、互いに表面積が異なる４つの吸熱フィン３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃ、３０４ｄから１つの吸熱部３０５が形成されている。より具体的には、吸熱フィン３０４のそれぞれは、第２電極３ｂと接合する端部と反対側の端部が傾斜しており、下流側（＋Ｘ側）に進むにつれて、その高さ（Ｚ方向の寸法）が徐々に大きくなっている。また、４つの吸熱フィン３０４も、下流側に位置するものほどその寸法が大きくなり、表面積も大きくなっている。すなわち、熱電変換モジュール３０１においては、吸熱部３０５は、排ガスの流路の下流側に向って、その高さが大きくなっている。

このような吸熱部３０５の構造により、より下流側においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。そして、このような吸熱部３０５の構造により、熱電変換モジュール３０１自体においても、発電量を向上することができる。

次に、図７に示すように、変形例４に係る熱電変換モジュール４０１は、熱電変換モジュール１とは異なり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３の傾斜角度が互いに相違している。より具体的には、４つの吸熱フィン４０３ａ〜４０３ｄは、排ガスの流路に沿って並設されているものの、最も上流側（−Ｘ側）に位置する吸熱フィン４０３ａから最も下流側（＋Ｘ側）に位置する吸熱フィン４０３ｄに向って、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３の傾斜角度が大きくなるように、吸熱フィン４０３の傾きが設定されている。例えば、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ａの傾斜角度θ１が約３０°であり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ｂの傾斜角度θ２が約７０°であり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ｃの傾斜角度θ３が約１１０°であり、第２電極３ｂに対する吸熱フィン４０３ｄの傾斜角度θ４が約１５０°であってもよい。

このように、第２電極３ｂに対する傾斜角度が互いに異なる吸熱フィン４０４ａ〜４０４ｄから吸熱部４０５が構成されることにより、吸熱フィンの千鳥配置の効果と同様に、吸熱フィン４０４が他の吸熱フィン４０４の吸熱を阻害しないように配設されていることになる。このような吸熱フィン４０４の配設により、下流側（＋Ｘ側）に位置する吸熱フィン４０４においても優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができ、下流側に位置する電極間においても温度差をより大きくすることができる。これにより、熱電変換モジュール４０１自体の発電量も向上することができる。

なお、１つの熱電変換モジュール４０１において吸熱フィン４０４の傾斜角度を互いに相違させることにより、上述した実施例のように熱電変換モジュール４０１を千鳥状に配設しなくても、熱電変換ユニット１０の発電量の向上を十分に図れることもある。これは、熱電変換ユニット１０全体としても、上流側（−Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール４０１の吸熱フィン４０４が、下流側に位置する熱電変換モジュール４０１の吸熱フィン４０４に対する排ガスの接触（すなわち、吸熱フィン４０４の吸熱）を阻害するおそれが低減されるためである。

（他の熱電変換ユニットの構造）
次に、図８及び図９を参照しつつ、熱電変換ユニットの変形例について、詳細に説明する。ここで、図８は変形例５に係る熱電変換ユニット５１０の上面図であり、図９は変形例５に係る熱電変換ユニット５０１の正面図である。なお、変形例５においては、上述した実施例と同一の構造及び部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。

図８に示すように、変形例５に係る熱電変換ユニット５０１において、４つの熱電変換モジュール５０１ａ〜５０１ｄは、排ガスの流路に沿って並設されているとともに、マトリックス状に配設されている。一方、図８及び図９から分かるように、上流側（−Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール５０１ａ、５０１ｂと、下流側（＋Ｘ側）に配設される熱電変換モジュール５０１ｃ、５０１ｄとは、それぞれが備える吸熱フィンの第２電極３ｂに対する傾斜角度が異なっている。具体的に、熱電変換モジュール５０１ａにおいて、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ₁、５０４ｂ₁、５０４ｃ₁、５０４ｄ₁の傾斜角度θ５は約４５°である。同様に、熱電変換モジュール５０１ｂにおいて、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ₂、５０４ｂ₂、５０４ｃ₂、５０４ｄ₂の傾斜角度θ５も約４５°である。一方、熱電変換モジュール５０１ｃにおいて、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ₃、５０４ｂ₃、５０４ｃ₃、５０４ｄ₃の傾斜角度θ５は約１３５°であり、熱電変換モジュール５０１ｄにおいても、第２電極３ｂに対する吸熱フィン５０４ａ₄、５０４ｂ₄、５０４ｃ₄、５０４ｄ₄の傾斜角度θ５は約１３５°である。以下において、各吸熱フィンを選択して説明しない場合には、単に吸熱フィン５０４とも称する。

変形例５においては、上流側と下流側の吸熱フィン（すなわち、吸熱部）の傾斜角度が異なっているため、熱電変換モジュール５０１ａ〜５０１ｄのそれぞれの吸熱フィン５０４は、エンジンユニット２０から排出された排ガスに対して良好に接触することが可能となる。すなわち、熱電変換モジュール５０１ａ〜５０１ｄのそれぞれの吸熱部は、他の熱電変換モジュールの吸熱部の存在によって排ガスとの接触が阻害されることがなくなり、十分な吸熱を行うことができる。例えば、図８において矢印で示した排ガスの流路から分かるように、熱電変換モジュール５０１ａの吸熱フィン５０４ａ₁〜５０４ｄ₁の存在によって熱電変換モジュール５０１ａの下流側における排ガスの流量が減少することになるが、熱電変換モジュール５０１ｃの吸熱フィン５０４ａ₃〜５０４ｄ₃に対しては熱電変換モジュール５０１ａと熱電変換モジュール５０１ｂと間の空間を経由して排ガスが到達するため、下流側に位置する吸熱フィン５０４ａ₃〜５０４ｄ₃においても、優れた熱エネルギー効率にて吸熱を図ることができる。そして、熱電変換ユニット５１０としては、下流側においても十分な発電量を得ることができるため、全体として発電量が向上することになる。

なお、変形例５においては、熱電変換モジュール５０１ａ〜５０１ｄのそれぞれに設けられている吸熱フィン５０４の形状、寸法、及び表面積は同一としているが、変形例３のように下流に向けて表面積が大きくなるようにしてもよく、或いは変形例２のように１枚の吸熱フィンとしてもよい。また、変形例１の千鳥配置を本変形例５に組み合わせるようにして、熱電変換モジュール５０１ａ〜５０１ｄを構成してもよい。当然のことながら、本変形例５における熱電変換モジュール５０１ａ〜５０１ｄの配置を上述した実施例のように千鳥状に配設してもよい。いずれの場合であっても、排ガスの排気経路の形状、及び温度分布に応じて、各構成を適宜変更及び組み合わせることができる。

１ 熱電変換モジュール
２ａ 第１熱電変換素子
２ｂ 第２熱電変換素子
３ａ 第１電極
３ｂ 第２電極
４ 吸熱フィン
５ 吸熱部
１０ 熱電変換ユニット
２０ エンジンユニット

Claims (10)

1. 並設された複数の熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、
   前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、
   前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた吸熱部と、を備える複数の熱電変換モジュールを有し、
   前記複数の熱電変換モジュールは熱の流路に沿って並設され、且つ前記吸熱部は千鳥状に配設されている熱電変換ユニット。
2. 前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部の表面積よりも大きい請求項１に記載の熱電変換ユニット。
3. 前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部と、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱部とは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なる請求項１又は２に記載の熱電変換ユニット。
4. 前記吸熱部は複数の吸熱フィンから構成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電変換ユニット。
5. 前記熱電変換モジュールのそれぞれにおいて、前記複数の吸熱フィンが千鳥状に配設されている請求項４に記載の熱電変換ユニット。
6. 前記熱電変換モジュールのそれぞれにおいて、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なる請求項４又は５に記載の熱電変換ユニット。
7. 前記吸熱部は、前記熱の流路の上流側から下流側に向ってその高さが大きくなる請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電変換ユニット。
8. 並設された複数の熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する複数の第１電極と、
   前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する複数の第２電極と、
   前記第２電極の前記熱電変換素子と接合した表面とは反対側の表面上に設けられた複数の吸熱フィンと、を有し、
   前記吸熱フィンは千鳥状に配設されている熱電変換モジュール。
9. 前記熱の流路の上流側に位置する前記吸熱フィンと、前記熱の流路の下流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンとは、前記第２電極に対する傾斜角度が異なる請求項８に記載の熱電変換モジュール。
10. 前記熱の流路の下流側に位置する前記吸熱フィンの表面積は、前記熱の流路の上流側に位置する前記熱電変換モジュールの前記吸熱フィンの表面積よりも大きい請求項８又は９に記載の熱電変換モジュール。

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