JP2009049165A - 熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールアセンブリ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化かつ高性能化が可能な熱電変換モジュールを提供するとともに、複数個の熱電変換モジュールを組み合わせて熱電変換モジュールアセンブリを簡易に得ることができるようにする。
【解決手段】複数の絶縁層３２からなる積層体３３の内部に、ｐ型熱電材料３４およびｎ型熱電材料３５を形成する。対をなすｐ型熱電材料３４とｎ型熱電材料３５とは、ｐｎ間接続導体４１によって互いに直列に電気的接続されて熱電変換素子対４０を構成し、複数の熱電変換素子対４０は、たとえば、直列配線導体４２によって直列に接続される。熱電変換素子対４０を積層体３３の外部へ電気的に引出すための引出し導体として、積層体３３の側面６３上に形成される端子電極５０と引出し導体膜４６とが形成される。
【選択図】図２

Description

この発明は、熱電変換モジュールおよび複数個の熱電変換モジュールを組み合わせてなる熱電変換モジュールアセンブリに関するもので、特に、複数個の熱電変換モジュールを組み合わせて熱電変換モジュールアセンブリを簡易に得ることができるようにするための改良に関するものである。

この発明にとって興味ある従来技術として、たとえば、特許第３８７９７６９号公報（特許文献１）に記載されたものがある。特許文献１では、図１２ないし図１９を参照して説明するような熱電変換モジュール１が開示されている。図１２は、熱電変換モジュール１の外観を示す平面図であり、図１３は、図１２の線Ｓ２−Ｓ２に沿う断面図である。図１４〜図１９は、それぞれ、図１３の線Ｓ３〜線Ｓ８に沿う切断面を示す平面図である。

熱電変換モジュール１は、電気絶縁性を有する複数の絶縁層２の積層構造を有する積層体３を備えている。絶縁層２は、たとえば、ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック材料やＺｎＯ−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス材料などのアルミナを主成分とする材料から構成される。

熱電変換モジュール１は、積層体３の内部に配置される各々複数のｐ型半導体からなるｐ型熱電材料４およびｎ型半導体からなるｎ型熱電材料５を備えている。ｐ型熱電材料４は、たとえばクロメルから構成され、ｎ型熱電材料５は、たとえばコンスタンタンから構成される。ｐ型熱電材料４とｎ型熱電材料５とは、図１３および図１６〜図１８に示されているように、平面方向で見て行方向および列方向の各々に関して交互に配置されている。

積層体３には、ｐ型熱電材料４を収容する複数の第１の収容穴６、およびｎ型熱電材料５を収容する複数の第２の収容穴７が設けられている。これら第１および第２の収容穴６および７は、特定の複数の絶縁層２を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔８および９によってそれぞれ与えられる。

積層体３には、１対のｐ型熱電材料４とｎ型熱電材料５とからなる熱電変換素子対１０を形成するように、対をなすｐ型熱電材料４とｎ型熱電材料５とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体１１が設けられている。ｐｎ間接続導体１１は、図１３および図１９に示されるように、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。

複数の熱電変換素子対１０は、直列に接続され、高い出力電圧が得られるように構成されている。そのため、積層体３には、複数の熱電変換素子対１０を直列に順次接続するための直列配線導体１２が設けられている。直列配線導体１２は、図１３および図１５に示されているように、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。

熱電変換モジュール１は、積層体３を挟むように配置される１対の外層１３および１４を備えている。外層１３および１４は、熱電材料４および５の熱接点および冷接点に接触するもので、電気絶縁性を有しかつ熱伝導性が比較的良好な材料から構成されるが、たとえば、絶縁層２と同じ材料から構成される。

熱電変換モジュール１は、直列接続された複数の熱電変換素子対１０を電気的に積層体３の外部へ引出すための引出し導体を備えている。この引出し導体は、順次電気的に接続される、引出し導体膜１５および１６、引出しビア導体１７および１８ならびに端子電極１９および２０から構成される。引出し導体膜１５および１６は、図１３および図１９に示されるように、ｐｎ間接続導体１１と同様、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面に沿って形成されている。引出しビア導体１７および１８は、それぞれ、その一方端が引出し導体膜１５および１６に電気的に接続されながら、積層体３および一方の外層１３を厚み方向に貫通するように設けられ、外層１３の外方に向く面上に形成された端子電極１９および２０に電気的に接続される。

これら引出し導体膜１５および１６、引出しビア導体１７および１８ならびに端子電極１９および２０、さらには前述したｐｎ間接続導体１１および直列配線導体１２は、たとえばＣｕを導電成分とする導電材料から構成される。

以上のような熱電変換モジュール１において、ｐ型熱電材料４およびｎ型熱電材料５は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有している。より具体的には、ｐ型熱電材料４は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分２１、中程度の中ピーク温度部分２２および比較的高い高ピーク温度部分２３を有している。他方、ｎ型熱電材料５は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分２４、中程度の中ピーク温度部分２５および比較的高い高ピーク温度部分２６を有している。低ピーク温度部分２１および２４が、図１６に示すように、図１３の切断面Ｓ５上に表われ、中ピーク温度部分２２および２５が、図１７に示すように、図１３の切断面Ｓ６上に表われ、高ピーク温度部分２３および２６が、図１８に示すように、図１３の切断面Ｓ７上に表われていることからわかるように、これら複数の部分２１〜２３ならびに２４〜２６は、積層体３の積層方向に分布している。

なお、低ピーク温度部分２１および２４、中ピーク温度部分２２および２５、ならびに高ピーク温度部分２３および２６の配置順序、厚み（積層方向での寸法）等については、任意に変更することができる。

上述のように、熱電材料４および５が性能指数のピーク温度の互いに異なる部分２１〜２３および２４〜２６を有するカスケード構造によれば、熱電変換モジュール１を、特定の温度領域にわたって熱電変換効率の高いものとすることができる。

しかしながら、上述の熱電変換モジュール１には、解決されるべき課題がある。すなわち、より高い起電力を得ようとする場合、複数個の熱電変換モジュール１を直列に電気的接続することが行なわれ、あるいは、より大きい電流が流れることを許容しようとする場合、複数個の熱電変換モジュール１を並列に接続することが行なわれる。このような複数個の熱電変換モジュール１間の電気的接続にあたっては、たとえばリード線が用いられ、端子電極１９および２０の各々に対してリード線をはんだ付け等することが行なわれることになるが、リード線を用いた接続作業は煩雑である。そして、接続されるべき熱電変換モジュール１の数が多くなればなるほど、リード線による接続作業の煩雑さがより顕著なものとなる。
特許第３８７９７６９号公報

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、熱電変換モジュールおよび複数個の熱電変換モジュールを組み合わせてなる熱電変換モジュールアセンブリを提供しようとすることである。

この発明に係る熱電変換モジュールは、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体とを備えている。

上記積層体には、ｐ型熱電材料を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、およびｎ型熱電材料を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対のｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなすｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられる。

上記第１および第２の収容穴は、特定の複数の絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられる。

この発明に係る熱電変換モジュールは、さらに、上記熱電変換素子対を積層体の外部へ電気的に引出すための引出し導体を備えている。

このような構成を有する熱電変換モジュールにおいて、前述した技術的課題を解決するため、上述の引出し導体は、積層体の積層方向に沿って延びる側面上に形成される端子電極および特定の絶縁層に沿って形成されかつ熱電変換素子対と端子電極とを電気的に接続する引出し導体膜とを備えることを特徴としている。さらに、ｐ型熱電材料、ｎ型熱電材料、ｐｎ間接続導体および引出し導体膜は、これらを一体に焼結させて得られたものであることを特徴としている。

この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、積層体が直方体形状をなすとき、端子電極は、直方体形状の前積層体の隣り合う２つの側面が交差する稜線近傍においてこれら２つの側面にまたがって形成されることが好ましい。

また、この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分は、積層体の積層方向に分布していることが好ましい。

また、積層体には、複数の熱電変換素子対が設けられていることが好ましい。この場合、積層体には、複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられたり、複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられたりする。

この発明は、また、上述した熱電変換モジュールを複数個組み合わせた、熱電変換モジュールアセンブリにも向けられる。この発明に係る熱電変換モジュールアセンブリは、複数個の熱電変換モジュールが端子電極を介して互いに電気的に接続された構造を有することを特徴としている。

この発明に係る熱電変換モジュールによれば、外部への取り出し電極となる端子電極が、積層体の積層方向に沿って延びる側面上に形成されるので、複数個の熱電変換モジュールをたとえば並置したとき、隣り合う熱電変換モジュールの各々の端子電極を向かい合う状態とすることができる。したがって、複数個の熱電変換モジュールを組み合わせた熱電変換モジュールアセンブリを得ようとするとき、リード線等を介することなく、隣り合う熱電変換モジュールの各々の端子電極を、高い信頼性をもって、直接、互いに電気的に接続することができる。

そのため、複数個の熱電変換モジュールの配置密度を高めることができ、複数個の熱電変換モジュールを組み合わせた熱電変換モジュールアセンブリの小型化、高性能化および高信頼性化を図ることができる。また、熱電変換モジュールアセンブリについて簡便な取扱いが可能になる。また、リード線等の接続作業が不要であるので、熱電変換モジュールアセンブリを製造するためのコストを低減することができる。

また、この発明に係る熱電変換モジュールによれば、端子電極が積層体の側面上に形成され、それに応じて、端子電極に電気的に接続される引出し導体膜を積層体の側面近傍に片寄らせることができる。その結果、積層体の多くの領域を、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料等を配置するために用いることができるとともに、複数の熱電変換素子対を直列または並列に接続するための配線導体を配置するために用いることができ、熱電変換モジュール内での回路形成が容易になる。

また、引出し導体膜を、ｐ型熱電材料、ｎ型熱電材料およびｐｎ間接続導体と同時に焼結させて得ることができるので、熱電変換モジュールの製造のための工程の能率化を図ることができる。

また、複数個の熱電変換モジュールを組み合わせた熱電変換モジュールアセンブリを製造しようとするとき、組み合わせる前の段階で、個々の熱電変換モジュールの良否を判定できるので、組み合わせた後の熱電変換モジュールアセンブリの段階で生じ得る不良の発生率を低減することができる。

この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、積層体が直方体形状をなし、端子電極が、直方体形状の前記積層体の隣り合う２つの側面の交差する稜線近傍においてこれら２つの側面にまたがって形成されていると、端子電極に電気的に接続される引出し導体膜を積層体の側面近傍に片寄らせることによる前述の利点を保有しながら、端子電極における、２つの側面のいずれ上に位置する部分も、他の熱電変換モジュールとの接続のために用いることができる。したがって、複数個の熱電変換モジュールを組み合わせるに際しての熱電変換モジュールの各々の配置の自由度を高めることができ、その結果、要望される特性を満足する熱電変換モジュールアセンブリの設計が容易になる。

この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料の少なくとも一方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分が、積層体の積層方向に分布していると、いわゆるカスケード構造を実現でき、特定の温度領域にわたって熱電変換効率を高めることができる。

この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、積層体に複数の熱電変換素子対が設けられている場合には、これら複数の熱電変換素子対を、積層体に設けられる配線導体によって任意に電気的に接続することができ、比較的高い自由度をもって、熱電変換モジュールの設計を行なうことができ、その結果、種々の特性を有する熱電変換モジュールを実現することが容易になる。たとえば、熱電変換モジュールが発電装置として用いられる場合、積層体に、複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられていると、高い電圧を得ることができる。他方、複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられていると、大きな電流を許容することができる。

図１ないし図８は、この発明の一実施形態による熱電変換モジュール３１を説明するためのものである。ここで、図１は、熱電変換モジュール３１の外観を示す平面図であり、図２は、図１の線Ｓ１２−Ｓ１２に沿う断面図である。図３は、図１に示した熱電変換モジュール３１の外観を示す底面図である。図４〜図８は、それぞれ、図２の線Ｓ１４〜線Ｓ１８に沿う切断面を示す平面図である。

熱電変換モジュール３１は、図１２〜図１９を参照して前述した熱電変換モジュール１の場合と同様、電気絶縁性を有する複数の絶縁層３２の積層構造を有する積層体３３を備えている。絶縁層３２は、たとえば、ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック材料やＺｎＯ−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス材料などのアルミナを主成分とする材料から構成される。

熱電変換モジュール３１は、積層体３３の内部に配置される各々複数のｐ型半導体からなるｐ型熱電材料３４およびｎ型半導体からなるｎ型熱電材料３５を備えている。ｐ型熱電材料３４は、たとえばクロメルから構成され、ｎ型熱電材料３５は、たとえばコンスタンタンから構成される。ｐ型熱電材料３４とｎ型熱電材料３５とは、図２および図５〜図７に示されているように、平面方向で見て行方向および列方向の各々に関して交互に配置されている。

積層体３３には、ｐ型熱電材料３４を収容する複数の第１の収容穴３６、およびｎ型熱電材料３５を収容する複数の第２の収容穴３７が設けられている。これら第１および第２の収容穴３６および３７は、特定の複数の絶縁層３２を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔３８および３９によってそれぞれ与えられる。

積層体３３には、１対のｐ型熱電材料３４とｎ型熱電材料３５とからなる熱電変換素子対４０を形成するように、対をなすｐ型熱電材料３４とｎ型熱電材料３５とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体４１が設けられている。ｐｎ間接続導体４１は、図２および図４に示されるように、積層体３３の最も外側に位置する絶縁層３２の外方に向く面上に形成されている。

この実施形態では、複数の熱電変換素子対４０は、直列に接続され、高い出力電圧が得られるように構成されている。そのため、積層体３３には、複数の熱電変換素子対４０を直列に順次接続するための直列配線導体４２が設けられている。直列配線導体４２は、図２および図８に示されているように、積層体３３の最も外側に位置する絶縁層３２の外方に向く面上に形成されている。

熱電変換モジュール３１は、積層体３３を挟むように配置される１対の外層４３および４４を備えている。外層４３および４４は、熱電材料３４および３５の熱接点および冷接点に接触するもので、電気絶縁性を有しかつ熱伝導性が比較的良好な材料から構成されることが好ましい。外層４３および４４は、たとえば、絶縁層３２と同じ材料から構成されたり、あるいは、ＳｉＮまたはＳｉＯ_２から構成されたりする。

また、外層４３および４４の厚みは、熱源と当該熱電変換モジュール３１との熱交換効率に影響を及ぼすものである。熱交換効率を高めるためには、外層４３および４４は、１μｍ〜１ｍｍの厚みとされることが好ましい。

以上説明した構成は、前述した熱電変換モジュール１の場合と実質的に同様である。この実施形態に係る熱電変換モジュール３１は、次のような特徴的構成を有している。

熱電変換モジュール３１は、直列接続された複数の熱電変換素子対４０を外部へ電気的に引出すための引出し導体として、引出し導体膜４５および４６ならびに端子電極４９および５０を備えている。

より詳細には、積層体３３は、その積層方向に延びる４つの側面６１〜６４を有する直方体形状をなしている。一方の端子電極４９は、積層体３３の隣り合う２つの側面６２および６３が交差する稜線近傍においてこれら２つの側面６２および６３にまたがって形成され、他方の端子電極５０は、積層体３３の隣り合う２つの側面６３および６４が交差する稜線近傍においてこれら２つの側面６３および６４にまたがって形成される。

他方、引出し導体膜４５および４６は、図２および図８に示されるように、直列配線導体４２と同様、絶縁層３２の外方に向く面に沿って形成されている。引出し導体膜４５および４６は、絶縁層３２の角の部分に形成され、それぞれ、関連の熱電変換素子対４９と端子電極４９および５０とを電気的に接続している。

これら引出し導体膜４５および４６ならびに端子電極４９および５０、さらには前述したｐｎ間接続導体４１および直列配線導体４２は、たとえばＣｕを導電成分とする導電材料から構成される。

前述した従来の熱電変換モジュール１の場合と同様、熱電変換モジュール３１に備えるｐ型熱電材料３４およびｎ型熱電材料３５は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有している。より具体的には、ｐ型熱電材料３４は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分５１、中程度の中ピーク温度部分５２および比較的高い高ピーク温度部分５３を有している。他方、ｎ型熱電材料３５は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分５４、中程度の中ピーク温度部分５５および比較的高い高ピーク温度部分５６を有している。低ピーク温度部分５１および５４が、図５に示すように、図２の切断面Ｓ１５上に表われ、中ピーク温度部分５２および２５が、図６に示すように、図２の切断面Ｓ１６上に表われ、高ピーク温度部分５３および５６が、図７に示すように、図２の切断面Ｓ１７上に表われていることからわかるように、これら複数の部分５１〜５３ならびに５４〜５６は、積層体３３の積層方向に分布している。

なお、低ピーク温度部分５１および５４、中ピーク温度部分５２および５５、ならびに高ピーク温度部分５３および５６の配置順序、厚み（積層方向での寸法）等については、任意に変更することができる。

上述のように、熱電材料３４および３５が性能指数のピーク温度の互いに異なる部分５１〜５３および５４〜５６を有するカスケード構造によれば、熱電変換モジュール３１を、特定の温度領域にわたって熱電変換効率の高いものとすることができる。

次に、熱電変換モジュール３１の好ましい製造方法について説明する。

まず、絶縁層３２となるべき複数の絶縁性シートが準備される。絶縁性シートとしては、好ましくは、たとえばＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック材料を含む複数のセラミックグリーンシートが準備される。次いで、特定のセラミックグリーンシートには、前述した第１および第２の貫通孔３８および３９が、たとえばレーザを用いて設けられる。また、上述した絶縁層３２となるべき絶縁性シートと同様の組成をもって、外層４３および４４の各々となるべき絶縁性シートも用意される。

他方、ｐ型熱電材料３４のためのｐ型熱電材料ペーストおよびｎ型熱電材料３５のためのｎ型熱電材料ペーストが準備される。ｐ型熱電材料ペーストは、たとえば、クロメル粉末に有機ビヒクルを加えてペースト化したものである。ｎ型熱電材料ペーストは、たとえば、コンスタンタン粉末に有機ビヒクルを加えてペースト化したものである。なお、ｐ型熱電材料ペーストとしては、前述した低ピーク温度部分５１、中ピーク温度部分５２および高ピーク温度部分５３にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる３種類のｐ型熱電材料ペーストが準備され、ｎ型熱電材料ペーストとしては、前述した低ピーク温度部分５４、中ピーク温度部分５５および高ピーク温度部分５６にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる３種類のｎ型熱電材料ペーストが準備される。

次に、第１の貫通孔３８および第２の貫通孔３９に、それぞれ、ｐ型熱電材料ペーストおよびｎ型熱電材料ペーストが充填される。この充填工程では、たとえば、第２の貫通孔３９をマスキングしながら、第１の貫通孔３８にｐ型熱電材料ペーストを充填し、次いで、第１の貫通孔３８をマスキングしながら、第２の貫通孔３９にｎ型熱電材料ペーストを充填することが行なわれる。この場合、スクリーン印刷を適用すれば、特定の熱電材料ペーストを充填すべき貫通孔以外の貫通孔はマスキングされた状態となっているので、特別にマスキングするためのマスキング部材およびマスキング工程が不要であるので好ましい。充填工程では、前述した低ピーク温度部分５１および２４、中ピーク温度部分５２および２５ならびに高ピーク温度部分５３および２６の各々に対応して、３種類の熱電材料ペーストの各々について、別の絶縁性シートの貫通孔３８および３９に対応の熱電材料ペーストを充填する工程が実施される。

次に、特定の絶縁性シート上に、前述したｐｎ間接続導体４１が形成され、また、他の特定の絶縁性シート上に前述した直列配線導体４２ならびに引出し導体膜４５および４６が形成される。これらｐｎ間接続導体４１、直列配線導体４２ならびに引出し導体膜４５および４６の形成には、たとえば、Ｃｕを含む導電性ペーストのスクリーン印刷が適用される。

次に、積層体３３を得るように、絶縁層３２となるべき複数の絶縁性シートが積層されるとともに、外層４３および４４となるべき絶縁性シートが積層され、圧着され、必要に応じてカットされ、次いで、還元性雰囲気中において、たとえば９００〜９５０℃の温度で焼成される。この焼成の結果、絶縁性シートが焼結した絶縁層３２ならびに外層４３および４４となり、同時に、ｐ型熱電材料ペーストおよびｎ型熱電材料ペーストがそれぞれ焼結したｐ型熱電材料３４およびｎ型熱電材料３５となり、さらに、ｐｎ間接続導体４１、直列配線導体４２、引出し導体膜４５および４６ならびに引出しビア導体１７および１８についても焼結した状態となる。

上述の積層工程では、貫通孔３８および３９に異なる種類の熱電材料ペーストが充填された３種類の絶縁性シートを同じ積層体３３内で混ぜて積層することが行なわれ、その結果、積層体３３には、図２に示すようなカスケード構造が実現される。

次に、積層体３３の、熱源との接触面となる上面および下面、すなわち、外層４３および４４の表面が、表面研削機により研磨され、積層体３３の上面および下面の平面度が高められるとともに、外層４３および４４の各厚みが、好ましくは、前述した１μｍ〜１ｍｍの範囲内になるようにされる。

次に、積層体３３の側面６２および６３が交差する稜線近傍ならびに側面６３および６４が交差する稜線近傍に、Ｃｕを含む導電性ペーストが塗布され、還元性雰囲気中において、たとえば７００℃の温度で焼き付けられることによって、端子電極４９および５０が形成される。

以上のようにして、熱電変換モジュール３１が完成される。

図９には、この実施形態に係る熱電変換モジュール３１について、積層体３３の上面および下面間に、ヒータ加熱（４２０℃）と水冷（２０℃）とによる温度差（４００℃）を与え、起電力と出力電力とを測定して求めた発電特性の代表例が示されている。

以上説明した熱電変換モジュール３１は、直列配線導体４２を備え、複数の熱電変換素子対４０がこの直列配線導体４２によって直列に接続されていたが、これに代えて、あるいは、これに加えて、並列配線導体を備え、複数の熱電変換素子対４０が並列配線導体によって並列に接続されてもよい。

図１０および図１１は、複数個の熱電変換モジュール３１を組み合わせてなる熱電変換モジュールアセンブリ７１および７２をそれぞれ説明するためのもので、熱電変換モジュール３１を平面図で示している。

図１０に示した熱電変換モジュールアセンブリ７１は、２個の熱電変換モジュール３１が端子電極４９および５０を介して互いに直列に電気的接続された構造を有している。すなわち、一方の熱電変換モジュール３１の端子電極４９と他方の熱電変換モジュール３１の端子電極５０とが互いに向かい合うように、２個の熱電変換モジュール３１が配置され、その状態で一方の熱電変換モジュール３１の端子電極４９と他方の熱電変換モジュール３１の端子電極５０とが電気的に接続される。この電気的接続の結果、２個の熱電変換モジュール３１は互いに機械的に固定されることもできる。

なお、直列接続される熱電変換モジュール３１の数をさらに増やす場合には、端部に位置する熱電変換モジュール３１の端子電極４９または５０に、次の直列接続されるべき熱電変換モジュール３１の端子電極４９または５０を電気的に接続すればよい。この場合、直列接続された３個以上の熱電変換モジュール３１は、直線的に配列しても、屈曲状態で配列してもよい。

他方、図１１に示した熱電変換モジュールアセンブリ７２は、２個の熱電変換モジュール３１が端子電極４９および５０を介して互いに並列に電気的接続された構造を有している。すなわち、一方の熱電変換モジュール３１の端子電極４９および５０と他方の熱電変換モジュール３１の端子電極５０および４９とがそれぞれ互いに向かい合うように、２個の熱電変換モジュール３１が配置され、その状態で一方の熱電変換モジュール３１の端子電極４９および５０と他方の熱電変換モジュール３１の端子電極５０および４９とがそれぞれ電気的に接続される。この電気的接続の結果、２個の熱電変換モジュール３１は互いに機械的に固定されることもできる。

なお、並列接続される熱電変換モジュール３１の数をさらに増やす場合、たとえば３個の熱電変換モジュール３１を並列接続する場合には、図１１においてたとえば左側の第１の熱電変換モジュール３１の上に、次の並列接続されるべき第３の熱電変換モジュール３１を第１の熱電変換モジュール３１と同じ向きで配置し、第３の熱電変換モジュール３１の端子電極４９および５０を、図１１において右側の第２の熱電変換モジュール３１の端子電極５０および４９にそれぞれ電気的に接続すればよい。この場合、第２の熱電変換モジュール３１の端子電極５０および４９の各々には、第１の熱電変換モジュール３１の端子電極４９および５０の各々と第３の熱電変換モジュール３１の端子電極４９および５０の各々との双方が接続されることになる。このように１個の端子電極に２個の端子電極を接続することを可能にするため、たとえば、端子電極４９の側面６２上に位置する部分と端子電極５０の側面６４上に位置する部分とに共通に接触する接続導体を用意し、この接続導体を介して、１個の端子電極に２個の端子電極を接続する構造を採用する他、第２の熱電変換モジュール３１を、積み重ねられた第１および第３の熱電変換モジュール３１の中間の高さ位置に配置したり、第２の熱電変換モジュール３１の高さ方向寸法を第１の熱電変換モジュール３１の高さ方向寸法より大きくしたりして、１個の端子電極に２個の端子電極を直接接続することが考えられる。４個以上の熱電変換モジュール３１を並列接続する場合も、上記と同様の構成を採用することができる。

上述したような複数個の熱電変換モジュール３１の電気的接続および機械的固定にあたって、通常、端子電極４９および５０間の接続にはんだ付けが適用されるが、複数個の熱電変換モジュール３１を位置決めできる構造の枠状部材を用意し、この枠状部材に複数個の熱電変換モジュール３１を位置決めすることにより、電気的接続および機械的固定が達成されるようにしてもよい。

表１は、この発明に従って得られた１個の熱電変換モジュールの発電特性と２個および３個の熱電変換モジュールを直列接続した場合の発電特性と２個および３個の熱電変換モジュールを並列接続した場合の発電特性とを比較して示したものである。なお、表１に示した発電特性は、熱電変換モジュールに付与される温度条件を、高温部４２０℃、低温部２０℃、および温度差４００℃として求めたものである。

表１からわかるように、複数個の熱電変換モジュールを直列接続状態で組み合わせたり、複数個の熱電変換モジュールを並列接続状態で組み合わせたり、組み合わせるべき熱電変換モジュールの数を変更したりすることにより、起電力、電流値および出力を任意に調整することができる。

以上、この発明に係る熱電変換モジュールを、図示した実施形態に関連して説明したが、その他種々の変形例が可能である。

たとえば、熱電変換モジュールが複数の熱電変換素子対を備える場合、これら熱電変換素子対の接続態様については、図示したもの以外にも種々のものがある。また、熱電変換素子対の数についても、任意に変更することができ、たとえ１個の熱電変換素子対のみを備える場合であっても、この発明を適用することができる。

また、図示の実施形態では、ｐ型熱電材料３４およびｎ型熱電材料３５の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる３つの部分を有していたが、性能指数のピーク温度が互いに異なる部分の数は任意に変更することができる。また、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有しているのは、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料のいずれか一方のみであってもよい。

また、図示の実施形態では、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分が、ｐ型熱電材料３４とｎ型熱電材料３５とで互いに同じ分布態様をもって配置されている。言い換えると、積層体３３内の１つの絶縁層３２について見れば、ｐ型熱電材料３４およびｎ型熱電材料３５の各々について、性能指数のピーク温度が互いに同じものが複数の貫通孔３８および３９の各々に充填されている。しかしながら、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料の少なくとも一方については、１つの絶縁層に設けられる複数の貫通孔に、性能指数のピーク温度が互いに異なるものがそれぞれ充填されてもよい。

また、熱電変換モジュールにおいて、温度差による熱応力を緩和するため、熱電材料および／または絶縁層に関して、その材料自身を変えたり、熱膨張率が互いに異なる材料からそれぞれなる複数の部分を組み合わせたりするといった工夫が図られてもよい。たとえば、絶縁層は、セラミックやガラスに限らず、樹脂などから構成されてもよい。

この発明の一実施形態による熱電変換モジュール３１の外観を示す平面図である。 図１の線Ｓ１２−Ｓ１２に沿う断面図である。 図１に示した熱電変換モジュール３１の外観を示す底面図である。 図２の線Ｓ１４に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ１５に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ１６に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ１７に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ１８に沿う切断面を示す平面図である。 図１に示した熱電変換モジュール３１について、積層体３３の上面および下面間に、ヒータ加熱（４２０℃）と水冷（２０℃）とによる温度差（４００℃）を与え、起電力と出力電力とを測定して求めた発電特性の代表例を示す。 複数個の熱電変換モジュール３１を直列接続状態で組み合わせてなる熱電変換モジュールアセンブリ７１を説明するためのもので、熱電変換モジュール３１を平面図で示している。 複数個の熱電変換モジュール３１を並列接続状態で組み合わせてなる熱電変換モジュールアセンブリ７２を説明するためのもので、熱電変換モジュール３１を平面図で示している。 この発明にとって興味ある従来の熱電変換モジュール１の外観を示す平面図である。 図１の線Ｓ２−Ｓ２に沿う断面図である。 図２の線Ｓ３に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ４に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ５に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ６に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ７に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ８に沿う切断面を示す平面図である。

符号の説明

３１ 熱電変換モジュール
３２ 絶縁層
３３ 積層体
３４ ｐ型熱電材料
３５ ｎ型熱電材料
３６ 第１の収容穴
３７ 第２の収容穴
３８ 第１の貫通孔
３９ 第２の貫通孔
４０ 熱電変換素子対
４１ ｐｎ間接続導体
４２ 直列配線導体
４３，４４ 外層
４５，４６ 引出し導体膜
４９，５０ 端子電極
５１，５４ 低ピーク温度部分
５２，５５ 中ピーク温度部分
５３，５６ 高ピーク温度部分
６１〜６４ 側面
７１，７２ 熱電変換モジュールアセンブリ

Claims (7)

1. ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料と、
   電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体と
   を備え、
   前記積層体には、前記ｐ型熱電材料を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、および前記ｎ型熱電材料を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対の前記ｐ型熱電材料と前記ｎ型熱電材料とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす前記ｐ型熱電材料と前記ｎ型熱電材料とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられ、
   前記第１および第２の収容穴は、特定の複数の前記絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられ、
   さらに、前記熱電変換素子対を前記積層体の外部へ電気的に引出すための引出し導体を備え、前記引出し導体は、前記積層体の積層方向に沿って延びる側面上に形成される端子電極および特定の前記絶縁層に沿って形成されかつ前記熱電変換素子対と前記端子電極とを電気的に接続する引出し導体膜とを備え、
   前記ｐ型熱電材料、前記ｎ型熱電材料、前記ｐｎ間接続導体および前記引出し導体膜は、これらを一体に焼結させて得られたものである、
   熱電変換モジュール。
2. 前記積層体は直方体形状をなし、前記端子電極は、直方体形状の前記積層体の隣り合う２つの前記側面が交差する稜線近傍において前記２つの側面にまたがって形成される、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記ｐ型熱電材料および前記ｎ型熱電材料の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、前記複数の部分は、前記積層体の積層方向に分布している、請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対が設けられている、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
5. 前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられている、請求項４に記載の熱電変換モジュール。
6. 前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられている、請求項４または５に記載の熱電変換モジュール。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の熱電変換モジュールを複数個備え、複数個の前記熱電変換モジュールが前記端子電極を介して互いに電気的に接続された構造を有する、熱電変換モジュールアセンブリ。

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