JP2005079347A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換モジュールの熱損失対策を充分にかつ効果的に施し、熱電変換効率を向上させ、大きな起電力が得られるようにした熱電変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の熱電変換装置は、熱電変換モジュール１１あるいはこのモジュールを組み合わせた熱電変換ユニットを備える。
熱電変換モジュール１１は、対向する吸熱側絶縁基板１２と、放熱側絶縁基板１３との間に複数の熱電変換素子１６，１７をマトリックス状に配列した熱電変換素子群１５を挟持させ、熱電変換素子１６，１７の吸熱面に吸熱側電極１８を、その放熱面に放熱側電極１９をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子１６，１７を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成される。熱電変換モジュール１１の内部を、輻射・対流により熱電変換素子１６，１７を通過しない熱量を低減させるために、熱損失防止構造に構成したものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換する熱電変換モジュールあるいは熱電変換ユニットを備えた熱電変換装置に係り、特に熱損失を低減し、熱電変換効率を向上させた熱電変換装置に関する。

一般にこの種の熱電変換装置には熱電変換モジュールあるいは複数の熱電変換モジュールを組み合せた熱電変換ユニットが備えられる。熱電変換モジュールあるいはユニットは、Ｐ型半導体およびＮ型半導体の熱電変換素子を組み合せて構成され、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用して、熱エネルギを電気エネルギに直接変換するようになっている。

従来の熱電変換装置には、特開２００３−１７９２７４号公報（特許文献１）に開示されたものがある。

この熱電変換装置は、熱電変換モジュールを複数対のＰ型半導体およびＮ型半導体の柱状熱電変換素子を対向する絶縁基板間に並列状に林立させ、熱電変換素子の両端部に半田層を介して電極に接合し、各熱電変換素子を電気的に直列に接続し、熱的に並列配置している。
特開２００３−１７９２７４号公報（図３）

従来の熱電変換装置は、Ｐ型半導体およびＮ型半導体からなる各柱状熱電変換素子の両端部を半田層を介して絶縁性基板上の電極にリジットに固定させて剛体構造の熱電変換モジュールを構成している。熱電変換モジュールは各熱電変換素子の両側が電極にリジットに固定される剛体構造を採用するため、熱膨張に対する自由度が小さく、熱電変換モジュールの使用時、各熱電変換素子の熱膨張に伴い、高温側端部に大きな応力集中が発生し、熱電変換素子の破損や損傷を生じさせ、機械的寿命を損ねる原因となっていた。

また、熱電変換装置は、熱電変換モジュールあるいはユニットの熱電変換効率（性能）を向上させるためには、熱電変換素子への熱供給と熱電変換素子からの放熱がスムーズに行なわれ、かつ熱源の高温側系統から供給された熱は、全て熱電変換素子１０を通って低温側系統から放熱されることが望ましい。

しかし、従来の熱電変換モジュールあるいはユニットでは、高温側系統（熱供給）から供給された熱の一部は、熱電変換素子あるいは熱電変換モジュールの隙間において、熱輻射や対流によって熱量伝達され、熱電変換素子を通過せずに低温側系統に達するものが存在するため、熱電変換モジュールあるいはユニットの熱電変換効率は、熱電変換素子の持つ性能に対して低い等の問題があった。

しかも、従来の熱電変換モジュールあるいはユニットでは、熱電変換モジュールからの熱損失防止対策が一切考慮されておらず、大きな熱損失が生じたり、また、各熱電変換素子は両端がそれぞれ半田層を介して電極に接合されるリジット構造であるため、熱電変換モジュールの熱伝導率が小さく、熱電変換効率が大きくとれないため、発生する起電力も小さい等の問題があった。

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、熱電変換モジュールの熱損失対策を充分にかつ効果的に施し、熱電変換効率を向上させ、大きな起電力が得られるようにした熱電変換装置を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、熱電変換モジュールあるいはユニットの熱伝達を向上させ、熱電変換効率を向上させた熱伝達変換装置を提供するにある。

さらに、本発明の別の目的は、熱電変換モジュールあるいはユニットを熱損失の低減および熱伝達を向上させ、各熱電変換素子の性能を効率よく、充分に引出すことができる熱伝達変換装置を提供するにある。

本発明に係る熱電変換モジュールは、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、上記熱電変換モジュール内部を、輻射・対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させるために、熱損失防止構造に構成したものである。

また、本発明に係る熱電変換モジュールは、上述した課題を解決するために、請求項１２に記載したように、対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、前記熱電変換モジュール内部の接合面の少なくとも一方に熱伝導特性に優れた物質を塗布またはメッキにより被膜を施したものである。

さらに、本発明に係る熱電変換モジュールは、上述した課題を解決するために、請求項１３に記載したように、対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、前記熱電変換モジュール内部の接合面に熱伝導特性に優れた物質からなる薄板を介装させたものである。

また、本発明に係る熱電変換モジュールは、上述した課題を解決するために、請求項２３に記載したように、対向する吸熱側絶縁基板と放熱側絶縁基板との間に、複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、上記熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して熱電変換モジュールを構成し、上記熱電変換モジュールを複数個組み合わせて熱電変換ユニットを構成したものである。

本発明に係る熱電変換装置においては、熱電変換モジュールあるいは熱電変換ユニットに熱損失防止構造を備えたので、高温側系統からの吸熱を熱電変換モジュールの各熱電変換素子に効率的に案内でき、熱電変換性能を向上させることができ、熱電変換モジュールや熱電変換ユニットに可動部分がないので信頼性が向上し、機械的・物理的寿命を充分に維持できる。

また、本発明に係る熱電変換装置は、熱電変換モジュールや熱電変換ユニット内の熱伝導特性を向上させたので、熱電変換モジュールの各熱電変換素子を流れる熱流が増大し、熱電変換性能ひいては発電性能を大幅に向上させることができる。

本発明に係る熱電変換装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態を原理的に示す概略図である。

熱電変換装置１０は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換する熱電変換モジュール１１を有する。この熱電変換モジュール１１は高温側あるいは吸熱側絶縁基板１２と低温側あるいは放熱側絶縁基板１３との間に挟持され、熱電変換手段を構成するマトリックス状、格子状あるいは列状の熱電変換素子群１５を有する。高温側および低温側絶縁基板１２，１３は熱伝導性に優れ、かつ電気絶縁特性を有するセラミックス等の耐熱性材料で形成される。高温側絶縁基板１２の外表面は高温側伝熱面１２ａに、その内表面は高温側壁面１２ｂとされ、また、低温側絶縁基板１３の外表面は低温側伝熱面１３ａに、その内表面は低温側壁面１３ｂに構成される。

熱電変換素子群１５は、角柱状、円柱状等の柱状Ｐ型半導体（半導体素子）１６およびＮ型半導体（半導体素子）１７を複数対ずつ組み合わせ、全体としてマトリックス状あるいは格子状に配設した多数の熱電変換素子で構成される。各熱電変換素子１６，１７は一端側が高温側の吸熱面とされ、他端側に低温側の放熱面に成形される。各熱電変換素子１６，１７の吸熱面は、吸熱側電極１８に接触あるいは接合せしめられる一方、その放熱面は放熱側電極１９に直接あるいは半田層２０を介して一体に取り付けられる。吸熱側電極１８は高温側絶縁性基板１２に設けられ、放熱側電極１９は低温側絶縁基板１３に設けられる。

一方、熱電変換モジュール１１は、熱電変換素子１６，１７の高温側吸熱面２１と低温側放熱面２２で生成される素子両端の温度差により起電力を得るため、熱電変換モジュール１１の性能は素子両端の温度差を保つことにより、より高い熱電変換性能を得ることができる。

熱電変換モジュール１１は、各熱電変換素子１６，１７に取り付けられる吸熱側電極１８と放熱側電極１９とを交互にジグザグ状に配列することにより、図２に示すように、全熱電変換素子１６，１７が電気的に直列に接続され、熱的に並列配設される。各熱電変換素子１６，１７で発生した起電力はリード線２３を通して外部に取り出される。

熱電変換モジュール１１には熱電変換性能を向上させるために、熱損失防止対策や熱伝導向上対策が施される。熱電変換モジュール１１は、熱電変換性能を向上させるためには、熱電変換素子１６，１７への熱供給と熱電変換素子１６，１７からの放熱がスムーズに行なわれ、高温部材や高温部位等の熱源である高温側系統から供給された熱が、全て熱電変換素子１６，１７を通過し、低温側系統から放熱されることが望ましい。

高温側系統から供給された熱の一部が、熱電変換素子１６，１７間や熱電変換モジュール１１の隙間に生じる熱輻射や対流によって熱伝達され、熱電変換素子１６，１７間を通る熱流が少なくなるのを防止するため、熱電変換素子１６，１７の表面や高温側および低温側絶縁基板１２，１３の対向面や電極１８，１９の露出面に白色または銀色等の熱反射率の高い塗装あるいはメッキの被膜２４が施される。

熱電変換素子１６，１７の表面や対をなす絶縁基板１２，１３の対向面等の露出面に熱反射率の高い塗装あるいはメッキ等の被膜２４で被覆されることにより、各熱電変換素子１６，１７からの放出される輻射熱ａ、高温側絶縁基板１２からの輻射熱ｂ、熱電変換モジュール１１内での流体の対流ｃが生じるのを大幅に軽減させることができ、熱損失対策を施すことができる。

熱反射率の高い被膜２４は、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａu）、銅（Ｃｕ）、錫、Ｎｉ、Ｚｎ等をメッキ処理により形成しても、また、焼物の上塗り薬、Ａｌ_２Ｏ_３等を塗布することにより、形成してもよい。熱反射率の高い被膜２４を施す代りに、熱電変換モジュール１１内で露出する表面を鏡面仕上げとしてもよい。

この熱損失防止対策を施すことにより、高温側絶縁基板１２や各熱電変換素子１６，１７の高温側壁面の温度低下を防止でき、熱電変換素子１６，１７の低温側部分や低温側絶縁基板１３の温度上昇を有効的に防止でき、各熱電変換素子１６，１７の両端部の温度差を減少させることが少なく、熱電変換性能ひいては発電性能を低下させることがない。

また、熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７は高温側電極１８および低温側電極１９に接合あるいは接触せしめられるが、その際、各熱電変換素子１６，１７と高温側電極１８または低温側電極１９との接合面の少なくとも一方に、熱伝導の大きな材料、例えばＣｕ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉでメッキを施してもよい。これにより、各熱電変換素子１６，１７の熱伝導効率を向上させることができる。

熱電変換モジュール１１は、熱源や高温側系統から高温、例えば４００℃〜８００℃の放射熱を高温側絶縁基板１２で吸熱し、この吸熱された熱を各熱電変換素子１６，１７に案内し、熱流を熱電変換素子１６，１７内を流すことにより発電作用が生じ、熱流は例えば１００℃程度に温度降下する。温度降下した熱流は低温側絶縁基板１３から放熱される。

その際、熱電変換モジュール１１は内部の露出表面に熱反射率の大きな物質による被膜２４が施され、熱損失防止構造に構成される。このため、熱電変換モジュール１１の内部空間（隙間）に生じる輻射ａ，ｂや対流ｃの発生が少なく、熱電変換モジュール１１の高温側で吸熱した熱を各熱電変換素子１６，１７に有効的に導き、熱電変換能力ひいては発電能力を向上させることができる。

熱電変換モジュール１１の熱電変換素子群１５を構成する各熱電変換素子１６，１７は数ｍｍ程度、例えば２〜３ｍｍ程度の角柱状に形成され、柱状熱電変換素子１６，１７の高さは１ｍｍ〜数ｃｍ程度、好ましくは２〜３ｍｍに構成される。また、熱電変換素子群１５の各熱電変換素子１６，１７間の間隔は１ｍｍ以下、例えば０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ程度とすることで、各熱電変換素子１６，１７の充填密度を高めることができ、熱電変換効率を向上させることができる。

この熱電変換モジュール１１は、熱電変換素子１６，１７を数個ずつマトリックス状に配列しても、全体として数ｃｍ角程度の大きさとなる。数ｃｍ角の大きさの熱電変換モジュール１１でも、高温側を５００℃〜６００℃、低温側を１００℃とし、例えば熱電変換素子１６，１７を数個×数個（例えば４×４個）のマトリックス状に配列した場合には、実験では１モジュール当り２桁のワット出力が得られる。

この熱電変換モジュール１１は、各熱電変換素子１６，１７の吸熱面を吸熱側電極１８に、その放熱面を放熱側電極１９にそれぞれ取り付けるが、各熱電変換素子１６，１７の高温側は、吸熱側電極１８に接触等の比較的自由度の高い取付けとなり、半田層を介してリジットに取り付けられることがない。したがって、熱電変換モジュール１１は各熱電変換素子１６，１７が高温側絶縁基板１２の吸熱側電極１８にリジットに固定される剛体構造に構成されないので、熱膨張に対する自由度が大きく、熱膨張による応力集中を防止でき、機械的・物理的寿命を充分に維持することができる。

図３は、本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を原理的に示す図である。

図３は熱電変換装置を構成する熱電変換モジュール１１Ａの断面構造を簡略的に示すものであり、図２に示された熱電変換モジュール１１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。

この熱電変換モジュール１１Ａは高温側絶縁基板１２と低温側絶縁基板１３との間に間隔をおいて輻射防止板３０を介装させたものである。輻射防止板３０は熱反射率の高い物質、例えばステンレス鋼、Ｎｉメッキを施した鉄、アルミ（アルマイト）、亜鉛等で形成される。

輻射防止板３０は、高温側絶縁基板１２と低温側絶縁基板１３との隙間に介装される薄板であり、この隙間の部分に熱の伝わる方向と垂直な面に隙間を２分するように設けられる。

高温側および低温側絶縁基板１２，１３の間に輻射防止板３０を設けることにより、熱電変換モジュール１１Ａ内部の輻射や対流により、熱電変換素子１６，１７を通過しない熱量を低減させ、熱源である高温側系統から高温側絶縁基板１２で受熱した熱を各熱電変換素子１６，１７を有効的に通して低温側絶縁基板１３に案内し、この低温側絶縁基板１３から外部に放熱している。

熱電変換モジュール１１Ａは、熱源等から受熱した熱が熱電変換素子群１５の各熱電変換素子１６，１７を熱流として流れるとき発電機能が生じ、起電力を生成する。各熱電変換素子１６，１７を通る熱流による発電作用により温度降下して低温側絶縁基板１３に案内される。

その際、熱電変換モジュール１１Ａは内部の露出表面に図２に示されたものと同様、白色または銀色等の熱反射率の高い物質で塗装やメッキを行ない、熱反射率の高い被膜を施してもよい。この被膜を施す代りに、熱電変換モジュール１１Ａの内部の露出表面、少なくとも絶縁基板１２，１３の内表面を鏡面仕上げに形成してもよい。

図４は、図３に示された熱電変換モジュール１１Ａの第１変形例を示すものである。

この変形例に示された熱電変換モジュール１１Ｂは、高温側絶縁基板１２と低温側絶縁基板１３との間（隙間）に複数枚の輻射防止板３０を間隔をおいて設けたものである。他の構成は図３に示された熱電変換モジュール１１Ａと異ならないので同じ符号を付して説明を省略する。

図４に示された熱電変換モジュール１１Ｂは、複数枚の輻射防止板３０を多段構造に配設したものである。各輻射防止板３０を適宜間隔をおいて両絶縁基板１２，１３間の内部空間（隙間）に配設することにより、この内部空間を複数の小空間に区画され、熱損失防止構造に構成される。

各輻射防止板３０は、熱反射率の高い物質で形成された薄板であり、各輻射防止板３０はこれを貫通する複数の柱状熱電変換素子１６，１７により間隔保持される。

しかして、熱電変換モジュール１１Ｂの両絶縁基板１２，１３間に形成される内部空間を並設された各輻射防止板３０により複数の小空間に区画し、各小空間を両絶縁基板１２，１３と略平行に形成することにより、熱損失防止構造となり、両絶縁基板１２，１３間の内部空間に大きな輻射や対流作用が生じるのを有効的かつ確実に防止している。

複数の輻射防止板３０を多段状に配設して、両絶縁基板１２，１３間の内部空間を複数の偏平な小空間に仕切ることにより、輻射および対流等による熱の流出を防止でき、結果的に高温側絶縁基板１２で受熱し、吸熱した熱を各熱電変換素子１６，１７に導くことができる。

図５は、熱電変換モジュールの第２変形例を示すものである。

この変形例に示された熱電変換モジュール１１Ｃは、複数の輻射防止板３０を間隔保持手段３３で所定の間隔に保持した間隔保持構造が図４に示された熱電変換モジュール１１Ｂと相違するだけであり、他の構成、作用は異ならないので同じ符号を付して説明を省略する。図５の熱電変換モジュール１１Ｃでは高温側絶縁基板や低温側絶縁基板、各絶縁基板に接合、張設等で取り付けられる電極の図示を省略している。

図５に示された熱電変換モジュール１１Ｃは、間隔保持手段３３で複数の輻射防止板３０を多段構造に間隔保持している。間隔保持手段３３は各輻射防止板３０に頭付きボルト３４を挿通させてナット３５で締着し、各輻射防止板３０をスペーサ３６で多段構造に間隔保持したものである。各輻射防止板３０にはボルト３４および熱電変換素子１６，１７を挿通させる孔が予め穿設されている。

間隔保持手段３３はボルト・ナット等の締着手段３４，３５とスペーサ３６とから構成され、図４に示すものと同様、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板（共に図示せず）の間の内部空間を偏平な小空間に多段式に形成し、熱損失防止構造としている。輻射防止板３０の配設間隔は、薄板の厚さや枚数により間隔調整をすることができる。

図６は熱電変換モジュールの第３変形例を示すものである。

この変形例に示された熱電変換モジュール１１Ｄは、各輻射防止板３０の間隔保持手段３８の構成を図５に示す熱電変換モジュール１１Ｃと異にするだけで、他の構成、作用は図５の熱電変換モジュール１１Ｃと異ならないので同じ符号を付して説明を省略する。

この熱電変換モジュール１１Ｄは、各輻射防止板３０の端部を鋭角に折曲し、折曲部３９の先端部を隣接する輻射防止板３０の非折曲側の表面に接触させることにより、間隔保持手段３８を構成したものである。この場合、間隔保持手段３８は、独立した構成部材を必要とせず、輻射防止板３０の端部折曲加工のみで構成できるので、部品点数が少なくなり、コストの低減を図ることができる。また、輻射防止板３０の端部を折り曲げて間隔調整することにより、熱損失防止構造に構成できる。

一方、熱電変換モジュール１１Ｄの図示しない高温側および低温側絶縁基板の内部空間に介装される輻射防止板３０は熱反射率の大きな物質からなる薄板で形成される。このため、輻射防止板３０の端部折曲げにより形成される折曲部は、鋭角に折曲させることが条件となる。また、輻射防止板３０の端部を折曲する代りに、輻射防止板３０の一部を舌片状に切り起こし、この舌片を鋭角に折り曲げることにより、間隔保持手段に構成してもよい。さらに、舌片は、熱電変換素子１６，１７を通す輻射防止板３０の孔部を利用して形成してもよい。孔部として打ち抜かれる部分に舌片を形成し、この舌片を間隔保持手段としてもよい。

図７は本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示す原理的な図である。

図７は、熱電変換装置を構成する熱電変換モジュール１１に熱電変換素子１６，１７やその接合部酸化による劣化防止構造を備えたものである。

この熱電変換モジュール１１は、密閉されたボックス状のケーシング４１内に格納され、この密閉ケーシング４１内を気密に保持している。熱電変換モジュール１１を気密封止構造で保持することにより、熱電変換モジュール１１を気密の環境下に設置することができ、その酸化を有効的かつ確実に防止できる。

図７に示された熱電変換装置１０Ａでは、熱電変換モジュール１１を気密に保つために、密閉ケーシング４１の内面４１ａまたは外面４１ｂあるいはその双方に白色または銀色等の熱反射率の高い物質で塗装し、被膜２４を形成したり、この被膜に代えて密閉ケーシング４１の内外表面を鏡面状態に仕上げてもよい。

密閉ケーシング４１内に収納される熱電変換モジュール１１は、図２に示す熱電変換モジュールと同じ構成、作用を奏するので、同じ符号を付して説明を省略する。

図８は本発明に係る熱電変換装置の第４実施形態を示す図である。

図８は、熱電変換装置１０Ｂを熱電変換ユニット４５で構成した例を示す。熱電変換ユニット４５は複数の熱電変換モジュール１１を組み合わせて構成される。図８の例では、３個の熱電変換モジュール１１を組み合わせて構成される。熱電変換ユニット４５は複数の熱電変換モジュール１１を電気的に直列あるいは並列に接続することにより組み立てられる。

各熱電変換モジュール１１は、偏平なボックス状容器である密閉ケーシング４６内に格納される。密閉ケーシング４６内は各熱電変換モジュール１１の集合体である熱電変換ユニット４５の酸化を防止するために気密構造に形成される。

熱電変換ユニット４５は密閉ケーシング４６内に気密封止構造で封止され、収納されることにより、熱電変換ユニット４５に外気から遮断されて気密に保持されるために、ユニットの酸化を有効的に防止でき、熱電変換ユニット４５の機械的・物理的寿命を維持することができる。

密閉ケーシング４６内に収容される熱電変換ユニット４５は、要求される出力に応じて熱電変換モジュール１１の個数やモジュール同士の接続方法が決定される。各熱電変換モジュール１１は図２に示され熱電変換モジュール１１と異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。

複数の熱電変換モジュール１１を収めた容器である密閉ケーシング４６の壁面４６ａには白色または銀色等の熱反射率の高い物質で塗装が塗布され、熱反射率の高い被膜が形成される。塗装を施す代りに、密閉ケーシング４６の壁面４６ａを鏡面状態に仕上げてもよい。

図９は本発明に係る熱電変換装置の第５実施形態を示す図である。

図９は、熱電変換装置１０Ｃを熱電変換ユニット５０に適用した例を示すものである。この熱電変換ユニット５０は、複数の熱電変換モジュール１１Ａを組み合わせて構成される。図８の例では、３個の熱電変換モジュール１１Ａを組み合わせて構成される。

各熱電変換モジュール１１Ａは図３に示された熱電変換モジュール１１Ａと同じ構成、作用を有するので、同じ符号を付して説明を省略する。各熱電変換モジュール１１Ａは、偏平なボックス状容器である密閉ケーシング４６内に格納される。密閉ケーシング４６内は気密構造とされ、収納される熱電変換ユニット５０の酸化を防止している。熱電変換ユニット５０の酸化が防止されることにより、熱電変換ユニット５０の機械的・物理的寿命を充分に維持させることができる。

熱電変換ユニット５０は、要求される出力に応じて熱電変換モジュール１１Ａの個数やモジュール同士の接続方法が決定される。各熱電変換モジュール１１Ａに備えられる熱損失防止構造の輻射防止板３０は図８に示すように、各熱電変換モジュール１１Ａで共用させてもよく、各熱電変換モジュール１１Ａで個別に設けてもよい。

図９では、熱電変換ユニット５０を構成する各熱電変換モジュール１１Ａは、高温側および低温側絶縁基板１２，１３間の内部空間に１枚の輻射防止板３０を介装させて熱損失防止構造とした例を示したが、各熱電変換モジュール１１Ａに代えて、図４ないし図６に示される熱電変換モジュール１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄを用いても、また、各熱電変換モジュール１１Ａを他の熱電変換モジュール１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄと共用させてもよい。

各熱電変換モジュール１１Ａ（１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ）に輻射防止板３０を設けることにより、熱損失防止構造とすることができ、熱輻射や対流作用による熱の流出を効率よく防止できる。

図１０は本発明に係る熱電変換装置の第６実施形態を示す図である。

図１０は熱電変換装置１０Ｄを熱伝導特性の優れた熱電変換モジュール１１に適用した例を示す。

この熱電変換装置１０Ｄは、熱電変換モジュール１１の高温側伝熱面１２ａを高温側系統５５に接合させ、熱電変換モジュール１１の低温側伝熱面１３ａを低温側系統５６に接合させたものである。高温側系統５５は、高温部材あるいは高温部位等の熱源（図示せず）から放出される輻射熱等の放熱を受熱あるいは集熱しており、高温側系統５５で吸熱した熱は、熱伝導性に優れた高温側絶縁基板１２に伝熱され、吸熱側電極１８を経て熱電変換素子群１５の各熱電変換素子１６，１７に導かれる。

その際、高温側系統５５と熱電変換モジュール１１との接合面あるいは接触面５７の熱伝導特性を向上させるために、少なくとも一方の接合面（接触面）に、熱伝導性の優れた物質、例えばＡｕ，Ａｇ，Ｃｕおよび酸化物等でメッキ処理（熱処理）を施している。

このメッキ処理（熱処理）は、低温側系統５６と熱電変換モジュール１１との接合面（接触面）５８の少なくとも一方に施してもよい。また、熱電変換素子群１５の各熱電変換素子１６，１７と吸熱側電極１８の接合面あるいは接触面５９の少なくとも一方、さらに、各熱電変換素子１６，１７と放熱側電極１９の接合面あるいは接触面６０の少なくとも一方に、それぞれ施すようにしてもよい。

熱電変換モジュール１１と高温側系統５５との接合面（接触面）の少なくとも一方、熱電変換モジュール１１と低温側系統５６との接合面の少なくとも一方、また、熱電変換素子群１５の各熱電変換素子１６，１７と吸熱側電極１８との接合面または接触面の少なくとも一方、さらには各熱電変換素子１６，１７と放熱側電極１９との接合面の少なくとも一方に、熱伝導性の優れた物質でメッキ処理等の熱処理を施すことにより、接合面の接触面積を増大させることができ、熱電変換モジュール１１の熱伝導特性を向上させることができる。

熱電変換モジュール１１の熱伝導特性を向上させることにより、熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７に案内される熱流を増加させることができ、熱電変換性能、すなわち発電性能を向上させることができる。

また、熱電変換モジュール１１の各接合面あるいは接触面の少なくとも一方の面に熱伝導性の優れた物質でメッキ処理する代りに、各接合面の間に熱伝導に優れた金（Ａu）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）の薄板を介装したり、銅等の熱伝導の良い薄板にＡｇまたは酸化物のメッキ処理を施したものを挟み込んでもよい。

さらに、この熱電変換装置１０Ｄは、熱電変換モジュール１１を備えた例を説明したが、この熱電変換モジュール１１に代えて図３ないし図６に示された熱電変換モジュールを採用してもよい。

図１１は、本発明に係る熱電変換装置の第７実施形態を示す図である。

図１１は、熱電変換装置１０Ｅを熱伝導特性に優れた熱電変換ユニット４５に適用した例を示す。

熱電変換ユニット４５は、ボックス状偏平容器である密閉ケーシング４６に複数の熱電変換モジュール１１が格納される。熱電変換ユニット４５は、複数の熱電変換モジュール１１を組み合わせて構成される。図１１では３個の熱電変換モジュール１１を組み合わせた例を図示している。

熱電変換ユニット４５の外壁面は、高温側系統５５および低温側系統５６との接合面となる。高温側系統５５は高温部材あるいは高温部位等の熱源から放出される輻射熱等の放熱を受熱あるいは集熱しており、高温側系統５５で吸熱した熱は、熱電変換ユニット４５に案内され、この熱電変換ユニット４５の密閉ケーシング４６を経て各熱電変換モジュール１１に案内される。

その際、高温側系統５５と熱電変換ユニット４５との接合面あるいは接触面の熱伝導特性を向上させるために、少なくとも一方の接合面（接触面）に熱伝導特性の優れた物質、例えばＡｕ，Ａｇ，Ｃｕおよびその酸化物のメッキ処理が施される。

このメッキ処理は、熱電変換ユニット４５の密閉ケーシング４６と熱電変換モジュール１１との接合面あるいは接触面の少なくとも一方、また、熱電変換ユニット４５と低温側系統５６との接合面の少なくとも一方にも施される。それぞれの接合面の間にメッキ処理を施す代りに、熱伝導の優れたＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ等の薄板を介装してもよい。また、銅等の熱伝導の良い薄板にＡｇ，Ｐｔまたはその酸化物のメッキ処理を施したものを挟み込んでもよい。

この熱電変換装置１０Ｅは熱電変換ユニット４５と高温側系統５５や低温側系統５６との接合面の少なくとも一方、また、熱電変換ユニット４５内の密閉ケーシング４６と各熱電変換モジュール１１との接合面の少なくとも一方に熱伝導性に優れた物質でメッキ処理を施したり、熱伝導性の優れた薄板を接合面間に介装させたので、熱電変換ユニット４５の熱伝導特性を向上させることができる。

また、熱電変換ユニット４５を構成する各熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７と電極との接合面の少なくとも一方に、熱伝導特性の優れた物質でメッキ処理を施してもよい。

この場合にも、熱電変換ユニット４５は、高温側系統５５や低温側系統５６との接合面の熱伝導特性を向上させることができ、さらに熱電変換ユニット４５は各熱電変換モジュール１１と密閉ケーシング４６との接合面の熱伝導特性を向上させることができ、熱伝導性が向上する。熱電変換ユニット４５にメッキ処理等の熱処理を製造工程で加えて熱伝導性を向上させることができるので、高温側系統５５から供給された熱を効率的に各熱電変換素子１６，１７に案内し、各熱電変換素子１６，１７を通過させて低温側系統５６から放熱することができる。

高温側系統５５で吸熱された熱が、各熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７に効率よく案内させることにより、各熱電変換素子１６，１７での熱電変換性能を向上させることができる。

本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態を原理的に示す図。 本発明に係る熱電変換装置を熱電変換モジュールに適用した例を示す図。 本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を示す熱電変換モジュールの断面図。 図３に示された熱電変換モジュールの第１変形例を示す図。 図３に示された熱電変換モジュールの第２変形例を示す図。 図３に示された熱電変換モジュールの第３変形例を示す図。 本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示す図。 本発明に係る熱電変換装置の第４実施形態を示す図。 本発明に係る熱電変換装置の第５実施形態を示す図。 本発明に係る熱電変換装置の第６実施形態を示す図。 本発明に係る熱電変換装置の第７実施形態を示す図。

符号の説明

１０ 熱電変換装置
１１ 熱電変換モジュール
１２ 高温側（吸熱側）絶縁基板
１３ 低温側（放熱側）絶縁基板
１５ 熱電変換素子群（熱電変換手段）
１６ Ｐ型半導体（熱電変換素子）
１７ Ｎ型半導体（熱電変換素子）
１８ 吸熱側電極
１９ 放熱側電極
２０ 半田層
２１ 吸熱面
２２ 放熱面
２３ リード線
３０ 輻射防止板
３３，３８ 間隔保持手段
３４ ボルト
３５ ナット
３６ スペーサ
４１ 密閉ケーシング
４５，５０ 熱電変換ユニット
４６ 密閉ケーシング
５５ 高温側系統
５６ 低温側系統
５７，５８，５９，６０ 接合面（接触面）

Claims (29)

1. 対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、
   熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、
   上記熱電変換モジュール内部を、輻射・対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させるために、熱損失防止構造に構成したことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記熱損失防止構造は、熱電変換モジュール内部の露出表面に熱反射率の高い物質を塗布またはメッキにより形成される被膜で構成される請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記熱損失防止構造は、熱電変換モジュール内部の露出表面を鏡面状態に仕上げることにより構成した請求項１記載の熱電変換モジュール。
4. 前記熱損失防止構造は、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を仕切る輻射防止板を設けて構成される請求項１記載の熱電変換モジュール。
5. 前記熱損失防止構造は、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を、複数枚の輻射防止板を多段状に配列して構成された請求項１記載の熱電変換モジュール。
6. 前記熱損失防止構造は、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間に複数枚の輻射防止板を多段状に配列し、各輻射防止板を間隔保持手段にて所要の間隔に保持した請求項１記載の熱電変換モジュール。
7. 前記間隔保持手段は、多段状に配列された輻射防止板の端部を鋭角に折曲させ、あるいは輻射防止板の舌片を鋭角に切り起こし、上記折曲部あるいは切起し部の先端を隣接する輻射防止板に接触させることにより構成した請求項６記載の熱電変換モジュール。
8. 前記熱電変換モジュールは気密構造の密閉ケーシング内に格納され、熱電変換モジュールと密閉ケーシングとの接合面の少なくとも一方に熱伝導特性の優れた物質の塗布あるいはメッキによる被膜あるいは薄板を施した請求項１記載の熱電変換モジュール。
9. 前記熱電変換モジュールは各熱電変換素子と吸熱側電極との接合面の少なくとも一方、および各熱電変換素子と放熱側電極との接合面の少なくとも一方に熱伝導特性の優れた物質のメッキあるいは塗装により被膜を形成した請求項１記載の熱電変換モジュール。
10. 前記熱電変換モジュールは、各熱電変換素子と吸熱側電極との接合面および各熱電変換素子と放熱側電極との接合面に熱伝導特性の優れた物質で形成された薄板を介装させた請求項１記載の熱電変換モジュール。
11. 前記熱電変換モジュールは吸熱側に熱源からの放射熱を吸熱する高温側系統を設けるとともに、その放熱側に低温側系統を設け、低温側系統から外部に放熱させるようにした請求項１記載の熱電変換モジュール。
12. 対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、
    熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、
    前記熱電変換モジュール内部の接合面の少なくとも一方に熱伝導特性に優れた物質を塗布またはメッキにより被膜を施したことを特徴とする熱電変換モジュール。
13. 対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、
    熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、
    前記熱電変換モジュール内部の接合面に熱伝導特性に優れた物質からなる薄板を介装させたことを特徴とする熱電変換モジュール。
14. 前記熱電変換モジュール内部の露出表面に熱反射率の高い物質を塗布またはメッキにより被膜を施して熱損失防止構造に構成した請求項１２または１３記載の熱電変換モジュール。
15. 前記熱電変換モジュール内部の露出表面を鏡面状態に仕上げて熱損失防止構造に構成した請求項１２または１３記載の熱電変換モジュール。
16. 前記熱電変換モジュールは高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を輻射防止板で偏平な空間に仕切って熱損失防止構造を構成した請求項１２または１３記載の熱電変換モジュール。
17. 前記熱電変換モジュールは高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を複数枚の輻射防止板で多段状に仕切って熱損失防止構造とした請求項１２または１３記載の熱電変換モジュール。
18. 前記複数枚の輻射防止板は間隔保持手段により多段状で所要の間隔に保持された請求項１７記載の熱電変換モジュール。
19. 前記熱電変換モジュールは気密構造の密閉ケーシングに格納される一方、密閉ケーシングと熱電変換モジュールの接合面の少なくとも一方に熱伝導特性の優れた物質を塗布あるいはメッキにより被膜を施した請求項１２または１３記載の熱電変換モジュール。
20. 前記熱電変換モジュールは、その吸熱面に熱源からの放射熱を吸熱する高温側系統が設けられ、その放熱面に低温側系統が設けられ、低温側系統から外部に放熱される請求項１２または１３記載の熱電変換モジュール。
21. 前記熱電変換モジュールは、高温側系統との接合面の少なくとも一方および低温側系統との接合面の少なくとも一方に、熱伝導特性の優れた物質の塗装あるいはメッキによる被膜を形成した請求項２０記載の熱電変換モジュール。
22. 前記熱電変換モジュールは、高温側系統との接合面および低温側系統との接合面に熱伝導特性の優れた薄板を介装させた請求項２０記載の熱電変換モジュール。
23. 対向する吸熱側絶縁基板と放熱側絶縁基板との間に、複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、
    上記熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して熱電変換モジュールを構成し、
    上記熱電変換モジュールを複数個組み合わせて熱電変換ユニットを構成したことを特徴とする熱電変換装置。
24. 前記熱電変換ユニットは気密構造の密閉ケーシング内に複数個の熱電変換モジュールが格納され、
    密閉ケーシングと各熱電変換モジュールとの接合面に熱伝導特性の優れた物質から被膜あるいは薄板を施した請求項２３記載の熱電変換装置。
25. 前記熱電変換ユニットは、各熱電変換モジュールの内部に露出する表面に、熱反射率の高い物質を塗布あるいはメッキにより被膜を施して熱損失防止構造に構成した請求項２４記載の熱電変換装置。
26. 前記熱電変換ユニットと熱源から放出される輻射熱を受熱する高温側系統との接合面の少なくとも一方、および熱電変換ユニットと受熱した熱を廃熱する低温側系統との接合面の少なくとも一方に、熱伝導特性に優れた物質を塗装あるいはメッキすることにより被膜をそれぞれ形成した請求項２４記載の熱電変換装置。
27. 前記熱電変換ユニットと高温側系統との接合面および上記熱電変換ユニットと低温側系統との接合面に熱伝導特性の優れた物質からなる薄板を介装した請求項２４記載の熱電変換装置。
28. 前記熱電変換ユニットあるいは熱電変換モジュールと高温側系統との接合面に熱処理を施し接合面の接触面積を増大させた請求項２４記載の熱電変換装置。
29. 前記熱電変換ユニットあるいは熱電変換モジュールと低温側系統との接合面に熱処理を施し接合面の接触面積を増大させた請求項２４または２８記載の熱電変換装置。

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