JP2007073890A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カスケード構成の熱電変換装置の変換効率を向上させる。
【解決手段】熱電変換装置は、少なくとも２個のＰ型半導体素子Ｐｈ，Ｐｃ及びＮ型半導体素子Ｎｈ，Ｎｃを交互にカスケード接続してなる複数のカスケード半導体素子と、隣接するカスケード半導体素子同士の両端が異なる型の半導体素子となるように対向面に並設した対向する熱交換基板１，２を備える。熱交換基板１，２とカスケード半導体素子との間、カスケード半導体素子のＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子との間には、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子を交互に直列接続する電極板が介在している。カスケード半導体素子の一端となるＰ型半導体素子Ｐｈ及びＮ型半導体素子Ｎｈの熱電変換効率と、他端となるＰ型半導体素子Ｐｃ及びＮ型半導体素子Ｎｃの熱電変換効率とは異なっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギー及び電気エネルギーを相互に変換する熱電変換装置に関する。

いわゆるペルチェ効果を利用して電気エネルギーを熱エネルギーに変換したり、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換したりする熱電変換素子が知られている。例えばゼーベック効果を利用する場合、異なる２種類の金属やＰ型半導体及びＮ型半導体等の熱電変換素子を熱的に並列に配置し、これらの素子を電気的に直列に接続し外部に負荷を接続して閉回路を構成することにより、この閉回路に電流が流れ、電力として取り出すことができる。このような構成によれば、例えば高温流体及び低温流体の温度差に基づいて熱電発電が可能となる（例えば、特許文献１参照。）。

図８を参照しつつ、熱交換器に配設されて熱電発電装置となる熱電変換装置９００の構成例について説明する。同図は、特許文献１で開示されている熱電変換装置９００の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。この熱電変換装置９００は、基板９１、９２の間で、例えば４個の半導体素子及び電極からなる単位ユニット９００ａが電極板（例えば電極板９４１、９４２）を介して交互に複数個直列接続されて構成されるものである。

同図に例示されるように、単位ユニット９００ａは、（１）基板９１、９２の間の高温側（＋Ｚ側）に並設される一対（少なくとも一対、即ち複数）のＮ型半導体素子９１１及びＰ型半導体素子９１２と、（２）基板９１、９２の間の低温側（−Ｚ側）に並設される一対（少なくとも一対、即ち複数）のＰ型半導体素子９２１及びＮ型半導体素子９２２と、（３）基板９１及び２つの半導体素子９１１、９１２の間に介在して当該２つの半導体素子を接続する電極板９３１と、（４）基板９２及び２つの半導体素子９２１、９２２の間に介在して当該２つの半導体素子を接続する電極板９５１と、（５）Ｎ型半導体素子９１１及びＰ型半導体素子９２１の間に介在してこれらをＺ軸方向に接続する電極板９４１と、（６）Ｐ型半導体素子９１２及びＮ型半導体素子９２２の間に介在してこれらをＺ軸方向に接続する電極板９４２と、を備えて構成されている。ここで、Ｎ型半導体素子９１１、９１３、９１５、９２２、９２４は、同一のＮ型半導体素子であり、Ｐ型半導体素子９１２、９１４、９２１、９２３、９２５は、同一のＰ型半導体素子である。

また、単位ユニット９００ａに隣接する単位ユニットも、上記と同様に、４個の半導体素子９１３、９１４、９２３、９２４及び電極９３２、９４２、９４３、９５２を備えて、単位ユニット９００ａと相似形に構成されるものである。

以上の構成により、熱電変換装置９００の高温側からの第１層に着目すれば、電流は、（Ａ）電極板９４１、Ｎ型半導体素子９１１、電極板９３１、Ｐ型半導体素子９１２、（Ｂ）電極板９４２、Ｎ型半導体素子９１３、電極板９３２、Ｐ型半導体素子９１４、（Ｃ）電極板９４３、Ｎ型半導体素子９１５、電極板９３３の順に流れる（図８の矢印）。また、高温側からの第２層に着目すれば、電流は、（Ａ）電極板９４１、Ｐ型半導体素子９２１、電極板９５１、Ｎ型半導体素子９２２、（Ｂ）電極板９４２、Ｐ型半導体素子９２３、電極板９５２、Ｎ型半導体素子９２４、（Ｃ）電極板９４３、Ｐ型半導体素子９２５、電極板９５３の順に流れる（図８の矢印）。

具体的には、単位ユニット９００ａにおいて、電極板９４１を流れる電流Ih’+Ic’のうち、第１層には電流Ih’が流れ、第２層には電流Ic’が流れる。つまり、第１層には、基板９１における高温と、電極板９４１、９４２における高温及び低温の間の温度（以後、「中温（中間温度）」と称する）との温度差に基づく起電力が発生して電流Ih’が流れる一方、第２層には、電極板９４１、９４２における中温と、基板９２における低温との温度差に基づく起電力が発生して電流Ic’が流れると考えることができる。

このような２層からなる単位ユニット９００ａの各層では、例えば基板９１、９２の間が第１層又は第２層の一方のみで構成されている場合に比べて、半導体素子９１１、９１２、９２１、９２２のＺ軸方向の長さが相対的に短くなる（電気抵抗が小さくなる）ために、当該半導体素子におけるジュール発熱による熱損失が低減される。これにより、熱電変換装置９００の熱電変換効率が向上する。

尚、図８の例示では２層であるが、上記の構成は一般に３層以上に拡張可能である。これにより、１層のみで構成されている場合に比べて、各半導体素子のＺ軸方向の長さの平均値がおよそこの層数分の１に低減され、熱電変換効率が向上するとされている。また、熱電冷却装置としての構成例及び多層（２層以上）の効果についても上記と同様である。
特開昭６３−２５３６７７号公報

ところで、前述した単位ユニット９００ａの第１層では、基板９１における高温と、電極板９４１、９４２における中温との温度差に基づいて起電力が発生する。よって、この第１層では、例えば基板９１、９２の間が第１層のみで構成されている場合に比べて、温度差が小さい分だけ起電力が低下する虞がある。

同様に、前述した単位ユニット９００ａの第２層では、電極板９４１、９４２における中温と、基板２における低温との温度差に基づいて起電力が発生する。よって、この第２層では、例えば基板９１、９２の間が第２層のみで構成されている場合に比べて、温度差が小さい分だけ起電力が低下する虞がある。

以上から、単位ユニット９００ａの熱電変換効率（起電力）は、前述した熱損失の抑制による正の効果が上記温度差が小さくなることによる負の効果により打ち消されて、結果的には向上しない虞がある。これは上記２層に限らず３層以上の場合にも生じる問題である。

本発明はかかる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、熱電変換装置の熱電変換効率を向上させることにある。

前記課題を解決するための発明は、少なくとも２個のＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子を交互にカスケード接続してなる複数のカスケード半導体素子と、隣接する前記カスケード半導体素子どうしの両端が異なる型の半導体素子となるように、前記カスケード型半導体素子が対向面の間に並設される、対向する熱交換基板と、一方の前記熱交換基板と前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間と、前記カスケード半導体素子の前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の接合面の間と、他方の前記熱交換基板と前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間と、に介在し、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子を交互に直列接続するとともに、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子を交互に直列接続する電極板と、を備え、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率と、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率とは、異なることを特徴とする熱電変換装置である。

この熱電変換装置によれば、例えば高温側となるカスケード半導体素子の一端のＰ型半導体素子及び／又はＮ型半導体素子を、この高温側で熱電変換効率が相対的に高い半導体素子とする一方、例えば低温側となるカスケード半導体素子の他端のＰ型半導体素子及び／又はＮ型半導体素子を、この低温側で熱電変換効率が相対的に高い半導体素子とすることができる。これにより、例えば、高温側のＰ型（Ｎ型）半導体素子及び低温側のＰ型（Ｎ型）半導体素子の両方に対して、高温側又は低温側の一方のみで熱電変換効率が相対的に高い同一のＰ型（Ｎ型）半導体素子を使用する場合に比べて、熱電変換効率が向上する。また、対向する熱交換基板の所定の間隔に対してカスケード半導体素子の代わりに単一の半導体素子を使用している場合に比べて、前述した正の効果と、各Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子の電気抵抗が小さくなったことによる熱損失の低減という正の効果とを併せれば、各Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子における温度差が小さくなったことによる負の効果を打ち消すことが可能となる。よって、この熱電変換装置によれば、前述した単一の半導体素子を使用している場合に比べて、熱電変換効率が向上し得る。

また、かかる熱電変換装置において、前記一方の熱交換基板は、前記他方の熱交換基板よりも高温となる基板であり、前記カスケード半導体素子の温度が所定温度よりも高温の場合、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率は、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率よりも高い、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、熱電変換効率がより向上する。

また、かかる熱電変換装置において、前記他方の熱交換基板は、前記一方の熱交換基板よりも低温となる基板であり、前記カスケード半導体素子の温度が所定温度よりも低温の場合、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率は、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率よりも高い、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、熱電変換効率がより向上する。

また、かかる熱電変換装置において、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、前記一方の前記熱交換基板と当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子との間に介在する電極板とに電流が流れる場合の電気抵抗は、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、前記他方の前記熱交換基板と当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子との間に介在する電極板とに電流が流れる場合の電気抵抗よりも、小さいことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、カスケード半導体素子の一端及び電極板（相対的に高温側）を流れる電流がカスケード半導体素子の他端及び電極板（相対的に低温側）を流れる電流よりも大きくなる結果、そのジュール発熱もより大きくなって、高温側がより高温となる。これは高温側と低温側とのより大きな温度差をもたらすため、熱電変換装置の熱電変換効率がより大きくなる。

また、かかる熱電変換装置において、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記カスケード半導体素子を介して貫通する貫通孔と、前記貫通孔に挿入される棒部材と、前記カスケード半導体素子及び前記電極板が圧着するように、対向する前記熱交換基板の外側で前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、前記カスケード半導体素子及び前記電極板の接合面が摺動可能に圧着するように、少なくとも一方の前記熱交換基板の外側と前記圧着部材との間に介在する弾性部材と、を更に備えたことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、貫通孔及び棒部材により対向して保持される電極板とカスケード半導体素子とは、圧着部材により、この棒部材の方向に圧着される。この圧着がより強くなれば、電極板及びカスケード半導体素子を流れる電流はより大きくなるため、熱電変換効率が向上する。また、この熱電変換装置によれば、貫通孔及び棒部材により対向して保持される電極板とカスケード半導体素子とは、弾性部材により、この棒部材と交差する方向に摺動可能となる。よって、もしこの弾性部材の弾性力がより大きくなれば、前述した圧着がより強くなることにより熱電変換効率がより大きくなる。一方、もしこの弾性部材の弾性力がより小さくなれば、前述した圧着がより弱くなることにより、電極板及びカスケード半導体素子の間の熱膨張差による熱応力が、電極板及びカスケード半導体素の接合面の摺動に吸収されてより小さくなる。従って、弾性部材の弾性力を所定のレベルに設定することにより、前述した圧着及び摺動のバランスをとることができる。つまり、弾性部材の弾性力を、熱電変換装置の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制するように設定することができる。

また、かかる熱電変換装置において、前記電極板に対する前記カスケード半導体素子の接合面と、前記カスケード半導体素子に対する前記電極板の接合面とのうち、一方の前記接合面は凸面であり、他方の前記接合面は凹面である、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、凹面及び凸面は、例えば平坦な接合面どうしに比べて接触面積が大きい。これにより、電極板とカスケード半導体素子との接触抵抗がより小さくなるため、熱電変換効率がより大きくなる。

また、かかる熱電変換装置において、前記貫通孔は、挿入された前記棒部材との間に隙間を有することが好ましい。
この熱電変換装置によれば、電極板とカスケード半導体素子とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能となるため、前述した熱応力がより抑制される。

また、かかる熱電変換装置において、前記電極板は、隣接する前記カスケード半導体素子の間に、前記熱交換基板の膨張及び収縮を吸収するための撓み部を有することが好ましい。
この熱電変換装置によれば、もし熱交換基板が電極板よりも熱膨張した場合、この撓み部が例えば熱交換基板の面に交差する方向に沿って縮むことにより、この熱膨張が電極板とカスケード半導体素子との接合面に影響を及ぼすことを防止できる。或いは、熱交換基板が電極板よりも熱収縮した場合、この撓み部が例えば熱交換基板の面に交差する方向に沿って伸びることにより、この熱収縮が電極板とカスケード半導体素子との接合面に影響を及ぼすことを防止できる。よって、この接合面に作用し得る熱応力がより抑制される。

また、かかる熱電変換装置において、前記熱交換基板と、当該熱交換基板と対向する前記電極板との間は、絶縁性潤滑材で絶縁されることが好ましい。
この熱電変換装置によれば、電極板と熱交換基板との間の相互の変位がより円滑になるため、熱交換基板の熱膨張又は熱収縮が電極板とカスケード半導体素子との接合面に影響を及ぼすことが防止される。よって、この接合面に作用し得る熱応力がより抑制される。

また、かかる熱電変換装置において、前記熱交換基板の外側の面は、前記圧着部材が当該面から退避するための凹部を有する、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、熱交換基板を備える例えば熱交換器が嵩高いものとなることを防止できる。

また、かかる熱電変換装置において、前記弾性部材は、対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる一方の前記熱交換基板の外側と、前記圧着部材との間に介在する、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、弾性部材の高温劣化が防止される。また、弾性力の調整等の目的で弾性部材にアクセスし易くなる。

また、かかる熱電変換装置において、前記貫通孔の内周面は、絶縁材で被覆されることが好ましい。
これにより、複数の電極板の間で、カスケード半導体素子以外のものにより電気的に短絡する虞が無くなる。

また、かかる熱電変換装置において、前記棒部材は、絶縁材で被覆された部材、又は、絶縁材からなる部材の何れかであることが好ましい。
これにより、複数の電極板の間で、カスケード半導体素子以外のものにより電気的に短絡する虞が無くなる。

熱電変換装置の熱電変換効率を向上させつつ熱応力を抑制できる。

＝＝＝熱電変換装置の構成＝＝＝
以下、図面を参照しつつ、本実施の形態の熱電変換装置１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の構成例について説明する。尚、各部材の番号に関して、同一の部材には同じ番号が付されている。

＜＜＜第１の実施の形態＞＞＞
図１に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１００は、基板（熱交換基板）１、２の間で、例えば４個の半導体素子及び電極からなる単位ユニット１００ａが電極板（例えば電極板４１、４２）を介して交互に複数個直列接続されて構成される熱電発電装置である。尚、同図は、本実施の形態の熱電変換装置１００の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。

同図に例示されるように、本実施の形態の単位ユニット１００ａは、（１）基板１、２の間の高温側（＋Ｚ側）に並設される一対（少なくとも一対、即ち複数）の高温域仕様のＮ型半導体素子（以後「Ｎｈ半導体素子」と称する）１１及び高温域仕様のＰ型半導体素子（以後「Ｐｈ半導体素子」と称する）１２と、（２）基板１、２の間の低温側（−Ｚ側）に並設される一対（少なくとも一対、即ち複数）の低温域仕様のＰ型半導体素子（以後「Ｐｃ半導体素子」と称する）２１及び低温域仕様のＮ型半導体素子（以後「Ｎｃ半導体素子」と称する）２２と、（３）基板１及び２つの半導体素子１１、１２の間に介在して当該２つの半導体素子１１、１２を接続する電極板３１と、（４）基板２及び２つの半導体素子２１、２２の間に介在して当該２つの半導体素子２１、２２を接続する電極板５１と、（５）Ｎｈ半導体素子１１及びＰｃ半導体素子２１の間に介在してこれらをＺ軸方向に接続する電極板４１と、（６）Ｐｈ半導体素子１２及びＮｃ半導体素子２２の間に介在してこれらをＺ軸方向に接続する電極板４２と、を備えて構成されている。つまり、この単位ユニット１００ａは、Ｎｈ半導体素子１１及びＰｃ半導体素子２１が電極板４１を介して接合されたカスケード半導体素子と、Ｐｈ半導体素子１２及びＮｃ半導体素子２２が電極板４２を介して接合されたカスケード型半導体素子と、を備えて構成されていると言える。

また、単位ユニット１００ａに隣接する単位ユニットも、上記と同様に、４個の半導体素子１３、１４、２３、２４及び電極３２、４２、４３、５２を備えて、単位ユニット１００ａと相似形に構成されるものである。

図１に例示されるＮｈ半導体素子１１、１３、１５は、基板２の低温側よりも基板１の高温側で熱電変換効率が相対的に高いＮ型半導体素子を表わす。また、図１に例示されるＮｃ半導体素子２２、２４は、基板１の高温側よりも基板２の低温側で熱電変換効率が相対的に高いＮ型半導体素子を表わす。また、図１に例示されるＰｈ半導体素子１２、１４は、基板２の低温側よりも基板１の高温側で熱電変換効率が相対的に高いＰ型半導体素子を表わす。また、図１に例示されるＰｃ半導体素子２１、２３、２５は、基板１の高温側よりも基板２の低温側で熱電変換効率が相対的に高いＰ型半導体素子を表わす。

本実施の形態のＮｈ半導体素子１１、１３、１５及びＮｃ半導体素子２２、２４は、これら２つの熱電変換効率の温度特性と、各基板１、２の温度とに応じて設定される。一般にＮ型半導体を構成する様々な合金に対して、熱電材料としての性能を示すいわゆる無次元性能指数が最大となる温度（所定温度）が知られている。この温度は、例えば、n-CoSb合金ではおよそ８００Ｋであり、n-MgSi合金ではおよそ７００Ｋであり、n-PbTe合金ではおよそ６００Ｋであり、n-BiTe合金ではおよそ３００Ｋであることが知られている。尚、「n-」はいわゆるＮドープを意味する。

また、本実施の形態のＰｈ半導体素子１２、１４及びＰｃ半導体素子２１、２３、２５は、これら２つの熱電変換効率の温度特性と、各基板１、２の温度とに応じて設定される。一般にＰ型半導体を構成する様々な合金に対して、熱電材料としての性能を示すいわゆる無次元性能指数が最大となる温度（所定温度）が知られている。この温度は、例えば、p-SiGe合金ではおよそ１１００Ｋであり、p-CeFeSb合金ではおよそ１０００Ｋであり、p-MnSi合金ではおよそ７００Ｋであり、p-BiTe合金ではおよそ３００Ｋであることが知られている。尚、「p-」はいわゆるＰドープを意味する。

そこで、本実施の形態では、高温側の基板１が例えば８００Ｋ以上であり、低温側の基板２が例えば３００Ｋ以下である場合、Ｎｈ半導体素子１１、１３、１５にはn-CoSb合金を使用し、Ｎｃ半導体素子２２、２４にはn-BiTe合金を使用し、Ｐｈ半導体素子１２、１４にはp-CeFeSb合金を使用し、Ｐｃ半導体素子２１、２３、２５にはp-BiTe合金を使用するものとする。基板１の近傍にあるn-CoSb合金及びp-CeFeSb合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、基板１の温度（８００Ｋ以上）に応じた温度となる。一方、基板２の近傍にあるn-BiTe合金及びp-BiTe合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、基板２の温度（３００Ｋ以下）に応じた温度となる。よって、n-CoSb合金及びp-CeFeSb合金は、n-BiTe合金及びp-BiTe合金に比べて、基板１及び基板２の温度差（およそ５００Ｋ以上）に応じた温度差をもって、より高温となる。これにより、各半導体素子１１、１２、２１、２２の熱電変換効率の平均値が上記温度分布（８００Ｋ、３００Ｋ）において最大となる。つまり、本実施の形態では、例えば仮にＮｈ半導体素子１１、１３、１５及びＮｃ半導体素子２２、２４の両方に高温仕様のn-CoSb合金を使用した場合に比べて、熱電変換効率が向上するはずである。

或いは、本実施の形態では、高温側の基板１が例えば７００Ｋ以上であり、低温側の基板２が例えば３００Ｋ以下である場合、Ｎｈ半導体素子１１、１３、１５にはn-MgSi合金を使用し、Ｎｃ半導体素子２２、２４にはn-BiTe合金を使用し、Ｐｈ半導体素子１２、１４にはp-MnSi合金を使用し、Ｐｃ半導体素子２１、２３、２５にはp-BiTe合金を使用するものとする。基板１の近傍にあるn-MgSi合金及びp-MnSi合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、基板１の温度（７００Ｋ以上）に応じた温度となる。一方、基板２の近傍にあるn-BiTe合金及びp-BiTe合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、基板２の温度（３００Ｋ以下）に応じた温度となる。よって、n-MgSi合金及びp-MnSi合金は、n-BiTe合金及びp-BiTe合金に比べて、基板１及び基板２の温度差（およそ４００Ｋ以上）に応じた温度差をもって、より高温となる。これにより、各半導体素子１１、１２、２１、２２の熱電変換効率の平均値が上記温度分布（７００Ｋ、３００Ｋ）において最大となる。つまり、本実施の形態では、例えば仮にＮｈ半導体素子１１、１３、１５及びＮｃ半導体素子２２、２４の両方に高温仕様のn-MgSi合金を使用した場合に比べて、熱電変換効率が向上するはずである。

以上の構成により、本実施の形態の単位ユニット１００ａでは、電極板４１を流れる電流Ih+Icのうち、（熱電変換装置１００の高温側からの）第１層には電流Ihが流れ、（熱電変換装置１００の高温側からの）第２層には電流Icが流れる。つまり、第１層には、基板１における高温と、電極板４１、４２における高温及び低温の間の温度（以後、「中温（中間温度）」と称する）との温度差に基づく起電力が発生して電流Ihが流れる一方、第２層には、この電極板４１、４２における中温と、基板２における低温との温度差に基づく起電力が発生して電流Icが流れる。

また、本実施の形態の単位ユニット１００ａでは、Ｎｈ半導体素子１１及びＰｈ半導体素子１２又は電極板３１の電気抵抗と、Ｐｃ半導体素子２１及びＮｃ半導体素子２２又は電極板５１の電気抵抗との比は、電流Ihが電流Icよりも大きくなるように設定されている。或いは、Ｎｈ半導体素子１１及びＰｈ半導体素子１２並びに電極板３１からなる第１層側の電気抵抗と、Ｐｃ半導体素子２１及びＮｃ半導体素子２２並びに電極板５１からなる第２層側の電気抵抗との比は、電流Ihが電流Icよりも大きくなるように設定されている。具体的には、例えば、電極３１のＹＺ面に沿った断面積を電極５１の断面積よりも大きくしたり、Ｎｈ半導体素子１１及びＰｈ半導体素子１２のＸＹ面に沿った断面積をＰｃ半導体素子２１及びＮｃ半導体素子２２の断面積よりも大きくしたりすることにより、上記電気抵抗比が実現される。

更に、本実施の形態の単位ユニット１００ａでは、電極板３１の＋Ｚ側の面及び電極板５１の−Ｚ側の面は、基板１、２に対して電気的絶縁性を有する接着剤（不図示）によりそれぞれ固着されている。電極板３１の−Ｚ側の面は、Ｎｈ半導体素子１１及びＰｈ半導体素子１２に対して半田又は銀ロウ（不図示）によりろう接され、電極板５１の＋Ｚ側の面は、Ｐｃ半導体素子２１及びＮｃ半導体素子２２に対して半田又は銀ロウによりろう接されている。電極板４１の両面（＋Ｚ側及び−Ｚ側の面）と、Ｎｈ半導体素子１１及びＰｃ半導体素子２１とは半田又は銀ロウによりろう接され、電極板４２の両面と、Ｐｈ半導体素子１２及びＮｃ半導体素子２２とは半田又は銀ロウによりろう接されている。尚、上記半田又は銀ロウによるろう接の代わりに、例えば溶射による融接が行われてもよい。

＜＜＜第２の実施の形態＞＞＞
図２（ａ）に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１０１は、前述した第１の実施の形態の熱電変換装置１００に対して、前述した半田又は銀ロウ（不図示）及び接着剤（不図示）の代わりに、貫通孔８０、ボルト・ナット６０（ボルト６０ａ及びナット６０ｂ、棒部材、圧着部材）、バネ（弾性部材）７０、及び後述する固体潤滑性物質（絶縁性潤滑材、不図示）を備えて構成される熱電発電装置である。尚、同図は、本実施の形態の熱電変換装置１０１の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。

本実施の形態の貫通孔８０は、基板１、２と、２つの半導体素子（例えばＮｈ半導体素子１１及びＰｃ半導体素子２１）と、これらの間に介在する電極板（例えば電極板３１、４１、５１）とをＺ軸方向に貫通する孔である。

本実施の形態のボルト６０ａは、前述した貫通孔８０の内周面と電気的に絶縁されるとともに当該貫通孔８０に挿入される棒部（棒部材）と、基板１の外側（＋Ｚ側）に当接する頭部（圧着部材）と、を有する部材である。このボルト６０ａの棒部における頭部と反対側の先端部分には、本実施の形態のナット（圧着部材）６０ｂが噛合するためのネジ（不図示）が形成されている。この先端部分には、基板２の外側（−Ｚ側）に設けられたバネ（弾性部材）７０を介して、ナット６０ｂが噛合している。このバネ７０が介在するボルト・ナット６０により、例えば、基板１、２と、Ｎｈ半導体素子１１及びＰｃ半導体素子２１と、電極板３１、４１、５１とは、各圧着面（接合面）において圧着されるとともに、ＸＹ面に沿った相互の摺動が可能となる。

本実施の形態の固体潤滑性物質（不図示）は、窒化ホウ素（ＢＮ）粒子等からなるものであり、例えば基板１及び電極板３１の間の電気的絶縁性を保持するものである。尚、これに限定されるものではなく、例えば基板１及び電極板３１の間には一般に電気的絶縁体が介在していればよい。但し、潤滑性を有する物質を用いた方が、例えば基板１及び電極板３１の間のＸＹ面に沿った相互の変位がより円滑になる。

以上から、基板１、２と、第１層の半導体素子（例えばＮｈ半導体素子１１）と、第２層の半導体素子（例えばＰｃ半導体素子２１）と、電極板（例えば電極板３１、４１、５１）との間には、半田、銀ろう、接着剤等は介在せず、各圧着面どうしがバネ７０の付勢により機械的に圧着されているものとする。

尚、本実施の形態では、貫通孔８０の径と、ボルト６０ａの棒部の径とは、当該貫通孔及び棒部の間に隙間が形成されるように設定されている。電極板３１、４１、４２、５１と半導体素子１１、１２、２１、２２とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能となる。

また、本実施の形態では、貫通孔８０の内周面と、ボルト６０ａの棒部とは相互に電気的絶縁性を有する必要がある上に、熱電変換装置１０１の熱電変換効率を向上させるために基板１、２の間には熱伝導性の媒体をできるだけ介在させない必要がある。このため、例えば、ボルト６０ａの少なくとも棒部には、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性の低い材質を用いることが好ましい。このようなボルト・ナット６０として例えばポリイミド樹脂製のものが挙げられる。或いは、例えば、貫通孔８０の内周面又はボルト６０ａの棒部が電気的絶縁性を有するチューブ等で被覆されている場合、この棒部は、熱伝導性が低いという条件を満たすならば、たとえ電気伝導性が高い材質であってもよい。この場合、ボルト・ナット６０には例えばＳＵＳ等の金属製のものが使用できるため、前述したポリイミド樹脂製のものに比べて部材の調達が容易になる。

更に、本実施の形態では、ボルト６０ａは、高温側の基板１の外側から挿入され、ナット６０ｂは、低温側の基板２の外側からこのボルト６０ａに対しバネ７０を介して噛合している。バネ７０は、高温劣化防止及び圧着の調整のために、低温側の基板２に設けられていることが好ましい。圧着の調整とは、ボルト６０ａに対するナット６０ｂの位置の設定を変えてバネ７０の弾性力を調整することを意味する。

＜＜＜第３の実施の形態＞＞＞
図２（ｂ）に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１０２は、前述した第２の実施の形態の熱電変換装置１０１に対して、基板１’、２’にそれぞれ設けられた座ぐり（凹部）１ａ、２ａを更に備えて構成される熱電発電装置である。尚、同図は、本実施の形態の熱電変換装置１０２の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。

本実施の形態の座ぐり１ａ、２ａは、熱交換器における高温側の基板１’の外側（＋Ｚ側）の面及び低温側の基板２’の外側（−Ｚ側）の面に対して、ボルト６０ａの頭部及びナット６０ｂを当該面から退避した状態にするために形成されている。これにより、熱交換器が嵩高くなることが防止される。尚、本実施の形態では、バネ７０は、基板２’における拡径された貫通孔２ｂに収納されている。

＜＜＜第４の実施の形態＞＞＞
図３に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１０３は、前述した第３の実施の形態の熱電変換装置１０２に対して、電極３１、３２、３３、４１、４２、４３、５１、５２、５３のＸ軸方向中央部にそれぞれ設けられた撓み部３１ａ、３２ａ、３３ａ、４１ａ、４２ａ、４３ａ、５１ａ、５２ａ、５３ａを更に備えて構成される熱電発電装置である。尚、同図は、本実施の形態の熱電変換装置１０３の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。

本実施の形態の撓み部３１ａ、３２ａ、３３ａは、基板１と、電極板３１、３２、３３との熱膨張差を吸収するために、基板１の外側（＋Ｚ側）から内側（−Ｚ側）に向かって湾曲する形状をなすものである。

本実施の形態の撓み部４１ａ、４２ａ、４３ａは、基板１及び基板２と、電極板４１、４２、４３との熱膨張差を吸収するために、＋Ｚ側又は−Ｚ側に向かって湾曲する形状をなすものである。

本実施の形態の撓み部５１ａ、５２ａ、５３ａは、基板２と、電極板５１、５２、５３との熱膨張差を吸収するために、基板２の外側（−Ｚ側）から内側（＋Ｚ側）に向かって湾曲する形状をなすものである。

＜＜＜第５の実施の形態＞＞＞
図４に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１０４は、前述した第４の実施の形態の熱電変換装置１０３に対して、例えば、電極板３３０、４３０、５３０、Ｎｈ半導体素子１５０、及びＰｃ半導体素子２５０における各圧着面に形成された凹面及び凸面を更に備えて構成される熱電発電装置である。尚、同図は、本実施の形態の熱電変換装置１０４における圧着面の構成例を示す断面図である。

同図に例示されるように、Ｎｈ半導体素子１５１の圧着面が球面形状の凸面１５１ａをなす場合、これと対向する電極板３３１及び電極板４３１の圧着面はそれぞれ球面形状の凹面３３１ａ、４３１ａをなすものである。

或いは、Ｎｈ半導体素子１５２の圧着面が円柱又は多角柱形状の凸面１５２ａをなす場合、これと対向する電極板３３２及び電極板４３２の圧着面はそれぞれ円柱又は多角柱形状の凹面３３２ａ、４３２ａをなすものである。

或いは、Ｎｈ半導体素子１５３の圧着面が円錐又は多角錐形状の凸面１５３ａをなす場合、これと対向する電極板３３３及び電極板４３３の圧着面はそれぞれ円錐又は多角錐形状の凹面３３３ａ、４３３ａをなすものである。

要するに、凹面及び凸面は、当該面どうしの接触抵抗を小さくしつつ、相互に摺動可能な形状をなすものであれば、如何なるものでもよい。例えば、半導体素子の圧着面が凹面をなし、電極板の圧着面が凸面をなすものであってもよい。

＜＜＜第６の実施の形態＞＞＞
前述した熱電変換装置１００〜１０４は２層からなるものであるが、これに限定されるものではなく、一般に３層以上に拡張可能である。

図５に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置１０５は、前述した第４の実施の形態の熱電変換装置１０３に対して、当該装置１０３の第１層と略相似形をなす層を第３層として更に備えて構成される熱電発電装置である。尚、同図は、本実施の形態の熱電変換装置１０５の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。

本実施の形態のカスケード半導体素子は、高温側から低温側にかけて、例えばＮｈ半導体素子、Ｐｍ半導体素子、及びＮｃ半導体素子により構成されるものである。ここで、Ｎｈ半導体素子は、基板１及び基板２の間の中温側よりも、基板１の高温側で熱電変換効率が相対的に高いＮ型半導体素子を表わし、Ｎｍ半導体素子は、高温側又は低温側よりも中温側で熱電変換効率が相対的に高いＮ型半導体素子を表わし、Ｎｃ半導体素子は、中温側よりも低温側で熱電変換効率が相対的に高いＮ型半導体素子を表わす。Ｐｈ半導体素子、Ｐｍ半導体素子、及びＰｃ半導体素子も上記と同様である。

具体的には、高温側で例えば８００Ｋ以上であり、中温側で例えば７００Ｋであり、低温側で例えば３００Ｋ以下である場合、カスケード半導体素子Ｎｈ・Ｐｍ・ＮｃにおけるＮｈ半導体素子には例えば前述したn-CoSb合金を使用し、Ｐｍ半導体素子には例えば前述したp-MnSi合金を使用し、Ｎｃ半導体素子には例えば前述したn-BiTe合金を使用するものとする。（１）高温側の基板の近傍にあるn-CoSb合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、高温側の温度（８００Ｋ以上）に応じた温度となる。（２）２つの基板の間にあるp-MnSi合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、中温側の温度（７００Ｋ）に応じた温度となる。（３）低温側の基板の近傍にあるn-BiTe合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、低温側の温度（３００Ｋ以下）に応じた温度となる。よって、n-CoSb合金は、p-MnSi合金に比べて、高温側及び中温側の温度差（およそ１００Ｋ以上）に応じた温度差をもって、より高温となり、このp-MnSi合金は、n-BiTe合金に比べて、中温側及び低温側の温度差（およそ４００Ｋ以上）に応じた温度差をもって、より高温となる。これにより、カスケード半導体素子Ｎｈ・Ｐｍ・Ｎｃの熱電変換効率が上記温度分布（８００Ｋ、７００Ｋ、３００Ｋ）に対して最大となる。つまり、本実施の形態では、例えば仮にＮｈ半導体素子及びＮｃの両方に高温仕様のn-CoSb合金を使用した場合に比べて、熱電変換効率が向上するはずである。

＜＜＜第７の実施の形態＞＞＞
図６に例示されるように、前述した第４の実施の形態の熱電変換装置１０３は、前述した単位ユニット１０３ａ（図６（ｃ））が複数個（例えば１６個）組み合わせられて構成されたものである。尚、図６（ａ）は、本実施の形態の熱交換器の高温側の基板１’から見た電極板（例えば電極板４１、４２）の配置例を示す平面図であり、図６（ｂ）は、この熱交換器の高温側の基板１’から見た電極板（例えば電極板３１、５１）の配置例を示す平面図であり、図６（ｃ）は、この熱電変換装置１０３のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’に沿った断面図である。

同図の例示によれば、１６個の単位ユニット１０３ａが直列に接続されており、これにより、第１層ではＮｈ半導体素子及びＰｈ半導体素子がＮ・Ｐ・Ｎ・Ｐ・・・Ｎ・Ｐ（以上Ｎ・Ｐが１６組）のように交互に直列に接続され、第２層ではＰｃ半導体素子及びＮｃ半導体素子がＰ・Ｎ・Ｐ・Ｎ・・・Ｐ・Ｎ（以上Ｐ・Ｎが１６組）のように交互に直列に接続されることになる。これにより、単位ユニット１０３ａの起電力の合計が、発電装置としての熱電変換装置１０３の起電力となる。

尚、本実施の形態の熱電変換装置１０３は、１枚の基板１’と、１枚の基板２’との間に設けられているが、これに限定されるものではなく、これらの基板１’、２’は、単位ユニット１０３ａ毎に分離されていてもよい。この分離された基板及び単位ユニット１０３ａを新たな単位とすれば、本実施の形態の熱交換器の部分的な修理や変更等に柔軟に対応できるものとなる。また、第３の実施の形態から本実施の形態（第７の実施の形態）への拡張は、前述した第１〜３の実施の形態の熱電変換装置１００〜１０２及び第５、６の実施の形態の熱電変換装置１０４、１０５のそれぞれについても同様に実施できる。

＝＝＝熱電変換効率及び熱応力＝＝＝
前述した実施の形態における複数層のうちの各層では、例えば基板１、１’、２、２’の間が第１層のみで構成されている場合に比べて、各半導体素子（例えばＮｈ半導体素子１１）のＺ軸方向の長さが相対的に短くなる（電気抵抗が小さくなる）ために、当該半導体素子におけるジュール発熱による熱損失が低減される。これにより、例えば第１層のみで構成されている場合に比べて、複数層からなる熱電変換装置１００〜１０５の熱電変換効率が向上する。但し、この熱損失が低減される効果は、単位ユニット９００ａが同一のカスケード半導体素子Ｎ・Ｐ（例えばＮ型半導体素子９１１及びＰ型半導体素子９２１）からなる前述した熱電変換装置９００においても奏されるものである（図８）。

しかしながら、前述した第１〜７の実施の形態では、例えば各層の温度において無次元性能指数が最大となるような半導体素子からなる２つのカスケード半導体素子Ｎｈ・Ｐｃ及びＰｈ・Ｎｃが単位ユニット（例えば単位ユニット１００ａ）を構成しているため、この単位ユニットの熱電変換効率（起電力）は、前述した単位ユニット９００ａの場合よりも向上する。この効果と前述した熱損失が低減される効果とを併せれば、単位ユニットの熱電変換効率は、例えば第１層のみで構成されている場合に比べて、各層の温度差が基板１、１’、２、２’の間の温度差よりも小さくなるという負の効果を打ち消して余りある程度に向上し得る。

また、前述した第１〜７の実施の形態では、例えば単位ユニット１００ａにおける第１層側のＮｈ半導体素子１１及びＰｈ半導体素子１２、及び／又は、電極板３１の電気抵抗と、第２層側のＰｃ半導体素子２１及びＮｃ半導体素子２２、及び／又は、電極板５１の電気抵抗との比が、電流Ihが電流Icよりも大きくなるように設定されている。これにより、第１層側におけるジュール発熱が第２層側におけるジュール発熱よりも大きくなって、高温側がより高温となる。これは高温側と低温側とのより大きな温度差をもたらすため、２層からなる前述した第１〜５及び７の熱電変換装置１００〜１０４の熱電変換効率がより大きくなる。また、この効果は、３層からなる前述した第６の実施の形態においても奏されるものである。３層以上からなる場合、第（ｎ＋１）層に流れる電流が第ｎ層に流れる電流よりも小さくなるように（ｎは１以上の整数）、高温側から低温側にかけて各層の電気抵抗が順に大きくなるように設定されていればよい。

以上から、前述した第１〜７の実施の形態の熱電変換装置１００〜１０５の熱電変換効率は、熱電変換装置９００よりも向上し、更に前述した第１層のみで構成された熱電変換装置（不図示）よりも向上し得る。

特に、前述した第２〜７の実施の形態の熱電変換装置１０１〜１０５によれば、電極板（例えば電極板３１、４１、５１）と、第ｎ層の半導体素子（例えばＮｈ半導体素子１１）と、第（ｎ＋１）層の半導体素子（例えばＰｃ半導体素子２１）とは、バネ７０によりＸＹ面に沿って摺動可能となる（ｎは１以上の整数）。もしナット６０ａがボルト６０ａに対してより締め込まれれば、バネ７０の弾性力がより大きくなって前述した圧着がより強くなることにより、接触抵抗がより小さくなり、電流Ih+Icはより大きくなる。これにより熱電変換効率もより大きくなる。一方、もしナット６０ａがボルト６０ａからより緩められれば、バネ７０の弾性がより小さくなって前述した圧着がより弱くなることにより、電極板（例えば電極板３１、４１、５１）と、第ｎ層の半導体素子（例えばＮｈ半導体素子１１）と、第（ｎ＋１）層の半導体素子（例えばＰｃ半導体素子２１）との熱膨張差によるＸＹ面に沿った熱応力が、上記電極板と上記半導体素子とのＸＹ面に沿った相互の摺動に吸収されてより小さくなる。以上を踏まえて、バネ７０を介したボルト・ナット６０の締め込みの度合いを所定のレベルに設定することにより、前述した圧着及び摺動のバランスをとることができる。つまり、バネ７０の弾性力を、熱電変換装置１０１〜１０５の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制するように設定することができる。

また、前述した第２〜７の実施の形態では、貫通孔８０の径と、ボルト６０ａの棒部の径とは、当該貫通孔及び棒部の間に隙間が形成されるように設定されているため、電極板（例えば電極板３１、４１、５１）と、第ｎ層の半導体素子（例えばＮｈ半導体素子１１）と、第（ｎ＋１）層の半導体素子（例えばＰｃ半導体素子２１）とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能である。よって、上記電極板と上記半導体素子との熱膨張差によるＸＹ面に沿った熱応力が、上記電極板と上記半導体素子とのＸＹ面に沿った相互の摺動に吸収されてより小さくなる。

更に、前述した第２〜７の実施の形態では、例えば電極板３１及び基板１が対向する面どうしには、窒化ホウ素（ＢＮ）粒子等の固体潤滑性物質（不図示）が塗布されている。これにより、上記電極板と上記基板の面との間のＸＹ面に沿った相互の変位がより円滑になるため、上記基板の熱膨張又は熱収縮が、上記電極板と半導体素子との圧着面に影響を及ぼすことが防止される。

特に、前述した第４〜７の実施の形態では、例えば電極板３１は、第１層のＮｈ半導体素子１１及びＰｈ半導体素子１２の間に撓み部３１ａを有するため、例えば基板１’が電極板３１よりも熱膨張した場合、この撓み部３１ａがＺ軸方向に沿って縮むことにより、この熱膨張が電極板３１と半導体素子１１、１２との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる。或いは、例えば基板１’が電極板３１よりも熱収縮した場合、この撓み部３１ａがＺ軸方向に沿って伸びることにより、この熱収縮が電極板３１と半導体素子１１、１２との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる。尚、撓み部３１ａの形状は、図３〜６の例示に限定されるものではなく、要するに、例えば基板と電極板との熱膨張差を吸収するのに好適なものであれば、如何なる形状であってもよい。

特に、前述した第５の実施の形態では、電極板３３０、４３０、５３０と、Ｎ型半導体素子１５０及びＰ型半導体２５０とは、その凹凸面において圧着されているため、例えば平坦な面どうしに比べて接触面積が大きい。これにより、上記電極板と上記半導体素子との接触抵抗がより小さくなって、熱電変換効率がより大きくなる。

以上から、前述した第２〜７の実施の形態の熱電変換装置１０２〜１０５は、熱電変換効率を向上させつつ熱応力を抑制可能なものである。

＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されるとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

例えば前述した第７の実施の形態の熱電変換装置１０３（図６）は、平面形状をなし対向する基板１’、２’の間に設けられたものであるが、これに限定されるものではない。図７に例示されるように、熱電変換装置１００”は、例えば蒸気配管の外周面を高温側基板１”とし、その更に外周面を低温側基板２”とする同心円形をなすものであってもよい。図７（ａ）は、本実施の形態の蒸気配管の長手方向に沿って見た熱電変換装置１００”の部分断面図であり、図７（ｂ）は、長手方向に垂直な方向から見た熱電変換装置１００”の部分断面図であり、図７（ｃ）は、熱電変換装置１００”の部分斜視図である。

また、前述した第１〜７の実施の形態の熱電変換装置１００〜１０５は、ゼーベック効果を利用した熱電発電装置であったが、これに限定されるものではなく、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装置であってもよい。この場合、熱電変換装置１００〜１０５に電流を供給する所定の電源が別途必要となる。

更に、前述した第２〜７の実施の形態の熱電変換装置１０１〜１０５は、低温側の基板２、２’にバネ７０を備えていたが、これに限定されるものではなく、例えば高温側の基板１、１’及び低温側基板２、２’の両方に備えていてもよい。

また更に、前述した第１〜５、７の実施の形態では、一対のカスケード半導体素子はＮｈ半導体素子及びＰｃ半導体素子（Ｎｈ・Ｐｃ）と、Ｐｈ半導体素子及びＮｃ半導体素子（Ｐｈ・Ｎｃ）とから構成されるものであったが（Ｎｈ・Ｐｃ、Ｐｈ・Ｎｃ）、これに限定されるものではない。

例えば、一対のカスケード型半導体素子は（Ｎｈ・Ｐｍ、Ｐｈ・Ｎｍ）であってもよい。但し、Ｐｍ及びＮｍは前述した第６の実施の形態の中温用の半導体素子を示すものである。これは、（Ｎｈ・Ｐｃ、Ｐｈ・Ｎｃ）におけるＰｃ及びＮｃの代わりにＰｍ及びＮｍを用いたものである。つまり、この一対のカスケード素子では、高温側には当該高温に適した半導体素子が使用されているが、低温側に対しては、高温側よりは相対的に低温側である上記の中温側用の半導体素子が使用されていることになる。この（Ｎｈ・Ｐｍ、Ｐｈ・Ｎｍ）は、従来の（Ｎｈ・Ｐｈ、Ｐｈ・Ｎｈ）及び（Ｎｍ・Ｐｍ、Ｐｍ・Ｎｍ）より熱電変換効率が大きい。尚、この場合、高温側でのＰｃ及びＮｃに対するＰｈ及びＮｈの熱電変換効率の増加（Ｉ）の度合いが、低温側でのＰｃ及びＮｃに対するＰｍ及びＮｍの熱電変換効率の減少（Ｄ）の度合いよりも大きいことが好ましい。具体的には、従来の（Ｎｃ・Ｐｃ、Ｐｃ・Ｎｃ）における高温側をＰｈ及びＮｈに変えたことによる効果Ｉが、従来の（Ｎｃ・Ｐｃ、Ｐｃ・Ｎｃ）における低温側をＰｍ及びＮｍに変えたことによる効果Ｄを打ち消して余りあることになる。よって、（Ｎｈ・Ｐｍ、Ｐｈ・Ｎｍ）は、従来の（Ｎｃ・Ｐｃ、Ｐｃ・Ｎｃ）よりも熱電変換効率が大きくなる。

或いは、例えば、一対のカスケード型半導体素子は（Ｎｍ・Ｐｃ、Ｐｍ・Ｎｃ）であってもよい。これは、（Ｎｈ・Ｐｃ、Ｐｈ・Ｎｃ）におけるＰｈ及びＮｈの代わりにＰｍ及びＮｍを用いたものである。つまり、この一対のカスケード素子では、低温側には当該低温に適した半導体素子が使用されているが、高温側に対しては、低温側よりは相対的に高温側である上記の中温側用の半導体素子が使用されていることになる。この（Ｎｍ・Ｐｃ、Ｐｍ・Ｎｃ）は、従来の（Ｎｃ・Ｐｃ、Ｐｃ・Ｎｃ）及び（Ｎｍ・Ｐｍ、Ｐｍ・Ｎｍ）より熱電変換効率が大きい。尚、この場合、低温側でのＰｈ及びＮｈに対するＰｃ及びＮｃの熱電変換効率の増加（Ｉ）の度合いが、高温側でのＰｈ及びＮｈに対するＰｍ及びＮｍの熱電変換効率の減少（Ｄ）の度合いよりも大きいことが好ましい。具体的には、従来の（Ｎｈ・Ｐｈ、Ｐｈ・Ｎｈ）における低温側をＰｃ及びＮｃに変えたことによる効果Ｉが、従来の（Ｎｈ・Ｐｈ、Ｐｈ・Ｎｈ）における高温側をＰｍ及びＮｍに変えたことによる効果Ｄを打ち消して余りあることになる。よって、（Ｎｍ・Ｐｃ、Ｐｍ・Ｎｃ）は、従来の（Ｎｈ・Ｐｈ、Ｐｈ・Ｎｈ）よりも熱電変換効率が大きくなる。

つまり、前述した熱電材料の無次元性能指数が最大となる温度をＴｍａｘとすれば、カスケード半導体素子は、各基板の温度に適合したＴｍａｘを持つ熱電材料の組み合わせである必要はなく、少なくとも一方の基板の温度に適合したＴｍａｘを持つ熱電材料を含んでいればよい。

第１の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。 （ａ）は、第２の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図であり、（ｂ）は、第３の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図であり、 第４の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。 第５の実施の形態の熱電変換装置における圧着面の構成例を示す断面図である。 第６の実施の形態の熱電変換装置の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。 （ａ）は、第７の実施の形態の熱交換器の高温側の基板から見た電極板の配置例を示す平面図であり、（ｂ）は、熱交換器の高温側の基板から見た電極板の配置例を示す平面図であり、（ｃ）は、熱電変換装置のＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’に沿った断面図である。 （ａ）は、本実施の形態の蒸気配管の長手方向に沿って見た熱電変換装置の部分断面図であり、（ｂ）は、長手方向に垂直な方向から見た熱電変換装置の部分断面図であり、（ｃ）は、熱電変換装置の部分斜視図である。 熱電変換装置の構成例を説明するための当該装置側部の部分断面図である。

符号の説明

１、１’ 基板 １ａ 座ぐり
２、２’ 基板 ２ａ 座ぐり
２ｂ 貫通孔 ８０ 貫通孔
１１、１３、１５ Ｎｈ半導体素子 １２、１４ Ｐｈ半導体素子
２１、２３、２５ Ｐｃ半導体素子 ２２、２４ Ｎｃ半導体素子
３１、３２、３３ 電極板 ３１ａ、３２ａ、３３ａ 撓み部
４１、４２、４３ 電極板 ４１ａ、４２ａ、４３ａ 撓み部
５１、５２、５３ 電極板 ５１ａ、５２ａ、５３ａ 撓み部
６０ ボルト・ナット ７０ バネ
１００、１００” 熱電変換装置 ９００ 熱電変換装置
１０１、１０２ 熱電変換装置 １０３、１０４、１０５ 熱電変換装置
１００ａ、９００ａ 単位ユニット １５１ａ、１５２ａ、１５３ａ 凸面
３３１ａ、３３２ａ、３３３ａ 凹面 ４３１ａ、４３２ａ、４３３ａ 凹面

Claims (13)

1. 少なくとも２個のＰ型半導体素子及びＮ型半導体素子を交互にカスケード接続してなる複数のカスケード半導体素子と、
   隣接する前記カスケード半導体素子どうしの両端が異なる型の半導体素子となるように、前記カスケード型半導体素子が対向面の間に並設される、対向する熱交換基板と、
   一方の前記熱交換基板と前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間と、前記カスケード半導体素子の前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の接合面の間と、他方の前記熱交換基板と前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子との間と、に介在し、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子を交互に直列接続するとともに、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子を交互に直列接続する電極板と、を備え、
   前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率と、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率とは、異なることを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記一方の熱交換基板は、前記他方の熱交換基板よりも高温となる基板であり、
   前記カスケード半導体素子の温度が所定温度よりも高温の場合、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率は、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率よりも高い、
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記他方の熱交換基板は、前記一方の熱交換基板よりも低温となる基板であり、
   前記カスケード半導体素子の温度が所定温度よりも低温の場合、前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率は、前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子の熱電変換効率よりも高い、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
4. 前記カスケード半導体素子の一端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、前記一方の前記熱交換基板と当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子との間に介在する電極板とに電流が流れる場合の電気抵抗は、
   前記カスケード半導体素子の他端となる前記Ｐ型半導体素子及び前記Ｎ型半導体素子と、前記他方の前記熱交換基板と当該Ｐ型半導体素子及び当該Ｎ型半導体素子との間に介在する電極板とに電流が流れる場合の電気抵抗よりも、小さいことを特徴とする請求項２又は３に記載の熱電変換装置。
5. 前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記カスケード半導体素子を介して貫通する貫通孔と、
   前記貫通孔に挿入される棒部材と、
   前記カスケード半導体素子及び前記電極板が圧着するように、対向する前記熱交換基板の外側で前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、
   前記カスケード半導体素子及び前記電極板の接合面が摺動可能に圧着するように、少なくとも一方の前記熱交換基板の外側と前記圧着部材との間に介在する弾性部材と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱電変換装置。
6. 前記電極板に対する前記カスケード半導体素子の接合面と、前記カスケード半導体素子に対する前記電極板の接合面とのうち、一方の前記接合面は凸面であり、他方の前記接合面は凹面である、ことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換装置。
7. 前記貫通孔は、挿入された前記棒部材との間に隙間を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の熱電変換装置。
8. 前記電極板は、隣接する前記カスケード半導体素子の間に、前記熱交換基板の膨張及び収縮を吸収するための撓み部を有することを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載の熱電変換装置。
9. 前記熱交換基板と、当該熱交換基板と対向する前記電極板との間は、絶縁性潤滑材で絶縁されることを特徴とする請求項５乃至８の何れかに記載の熱電変換装置。
10. 前記熱交換基板の外側の面は、前記圧着部材が当該面から退避するための凹部を有する、ことを特徴とする請求項５乃至９の何れかに記載の熱電変換装置。
11. 前記弾性部材は、対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる一方の前記熱交換基板の外側と、前記圧着部材との間に介在する、ことを特徴とする請求項５乃至１０の何れかに記載の熱電変換装置。
12. 前記貫通孔の内周面は、絶縁材で被覆されることを特徴とする請求項５乃至１１の何れかに記載の熱電変換装置。
13. 前記棒部材は、絶縁材で被覆された部材、又は、絶縁材からなる部材の何れかであることを特徴とする請求項５乃至１１の何れかに記載の熱電変換装置。
    
    

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