JP2014110245A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱部から発せられる熱エネルギーを、高い効率で電気エネルギーに変換する。
【解決手段】 柱状または筒状の熱源部３００と複数の熱電変換部材１とを有する熱電変換装置２００であって、熱電変換部材１に、一方向に沿って長い一方主面１１Ａおよび他方主面１１Ｂを有する絶縁性の第１基板１１と、第１基板１１の一方主面１１Ａに平行に対向する主面１２Ａを備えた絶縁性の第２基板１２と、第１基板１１と第２基板１２それぞれに設けられた複数の電極の間隙に配置された複数の熱電変換素子２と、隣接する熱電変換素子２を電気的に接続している接続導体３３とを備えた熱電変換部材１を用い、複数の熱電変換部材１を、それぞれが上記一方向を熱源部３００の軸方向に平行にして第１基板１１の他方主面１１Ｂを熱源部３００の外周面３０２に対向させて、熱源部３００の周方向に並んで配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱電変換装置に関する。

従来より、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための熱電変換装置が提案されている。熱電変換装置を用いることで、例えば自動車や船舶等の内燃機関から排出された熱エネルギー（排熱エネルギー）を電気エネルギーに変換することもできる。熱電変換装置には、例えば両端に温度差をつけると電力を得ることができる熱電変換素子等を備えた熱電変換部材が用いられている。

排熱エネルギーを電気エネルギーに効率的に変換する装置の例として、自動車や船舶等の内燃機関から出る高温の排気ガスを排気するための排気管の周りに熱電変換部材を配置して、排気管を介して伝わった排気ガスの熱エネルギーを熱電変換部材によって電気エネルギーに変換する装置がある。

例えば特許文献１には、筒状の配管の周囲に複数の熱電変換素子を配置した熱電変換装置の一例が開示されている。図８は特許文献１に記載された熱電変換装置について説明する図であり、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は概略側面図である。

特許文献１の熱電変換装置は、排気ガス等が通過する筒状部材４２０と、貫通孔４０７が形成された基板４０１とを有している。この基板４０１の表面には、貫通孔４０７の周囲を囲むように複数の熱電変換素子４０８が並んで配置されている。それぞれの熱電変換素子４０８は、電極部材４０９を介して電気的に接続されており、この貫通孔４０７に排気ガス等が通過する筒状部材４２０が挿通されている。特許文献１に記載された熱電変換装置では、比較的大きな電気エネルギーを得るために、複数の熱電変換素子４０８が配置されたこの基板４０１を、筒状部材４２０の軸方向に沿って複数個並べており、複数の基板４０１に配置された熱電変換素子４０８同士が、金属線等の接続導体４１０を介して電気的に接続されている。

特開２００８−３０５９９１号公報

特許文献１に記載された熱電変換装置では、複数の熱電変換素子４０８が、貫通孔４０７が設けられた基板４０１上に配置されており、熱電変換素子４０８にはこの基板４０１を介して熱が伝わる。すなわち特許文献１に記載された熱電変換装置では、基板４０１上に配置された熱電変換素子４０８それぞれは、基板４０１の貫通孔４０７の近傍部分の熱電変換素子４０８の温度と、基板４０１の外周縁の近傍部分の熱電変換素子４０８の温度との差に応じた電気エネルギーが発生する。しかしながら、特許文献１に記載された熱電変換装置では、基板４０１内で熱が分散して基板４０１内の温度分布が少なくなるので、貫通孔４０７の周辺部分の基板４０１の温度と、基板４０１の外周縁の周辺の基板４０１の温度との差は比較的小さい。このため、貫通孔４０７の近傍部分の熱電変換素子４０８の温度と、基板４０１の外周縁の近傍部分の熱電変換素子４０８の温度との差も小さく、熱電変換素子４０８それぞれにおける変換効率（熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効率）は十分に大きくはなかった。

また、熱電変換素子４０８をより多く配置しようとした場合には、図８（ｂ）に示されているように、複数の熱電変換素子４０８が配置された基板４０１を複数枚並べて配置する必要がある。しかしながら、この場合には、多くの部材を配置する手間がかかるとともに、配置する熱電変換素子４０８の数がそれほど多くない場合でも、筒状部材４２０も含めた発熱装置全体が比較的大きくなっていた。また、異なる大きさの外径をもつ複数種類の筒状部材４２０に対して、同じような構成の熱電変換部材を配置するには、それぞれの外径の大きさに応じた貫通孔が設けられた複数種類の基板４０１がそれぞれ必要となり、基板４０１の準備や製造にかかるコストが大きかった。

本発明は、柱状または筒状の熱源部と、該熱源部の外周面から熱エネルギーを受け取って電気エネルギーに変換する複数の熱電変換部材とを有する熱電変換装置であって、前記熱電変換部材は、それぞれ一方向に沿って長い一方主面および他方主面を有する絶縁性の第１基板と、該第１基板の前記一方主面に平行に対向する主面を備えた絶縁性の第２基板と、前記第１基板の前記一方主面に前記一方向に沿って配置された複数の第１電極と、前記第２基板の前記対向する主面に、複数の前記第１電極のそれぞれに対向して配置された複数の第２電極と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置されて両端が前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ接合された複数の熱電変換素子と、隣接する該熱電変換素子に接合された一方の前記第１電極と他方の前記第２電極とを電気的に接続している接続導体とを備え、該接続導体は、接続している前記第１電極に接合された一方の前記熱電変換素子と、接続している前記第２電極に接合された他方の前記熱電変換素子との間の領域の外側のみを通過しており、複数の前記熱電変換部材は、それぞれが前記一方向を前記熱源部の軸方向に平行にして前記第１基板の前記他方主面を前記熱源部の前記外周面に対向させて、前記熱源部の周方向に並んで配置されていることを特徴とする熱電変換装置を提供する。

本発明によれば、柱状または筒状の熱源部と、熱源部の外周面から熱エネルギーを受け取って電気エネルギーに変換する複数の熱電変換部材とを有する熱電変換装置であって、熱電変換部材に、一方向に沿って長い一方主面および他方主面を有する絶縁性の第１基板と、第１基板の一方主面に平行に対向する主面を備えた絶縁性の第２基板と、第１基板と前記第２基板それぞれに設けられた複数の電極の間隙に配置されたた複数の熱電変換素子と、隣接する熱電変換素子を電気的に接続している接続導体とを備えた熱電変換部材を用い、特に、複数の前記熱電変換部材を、それぞれの上記一方向を熱源部の軸方向に平行にして第１基板の他方主面を熱源部の外周面に対向させて、熱源部の周方向に並んで配置することで、比較的多くの熱電変換素子を熱源部の外周面に高密度に配置することができる。加えて、熱電変換部材の第１基板の他方主面を熱源部の外周面に対向させているので、これら熱電変換素子における温度勾配を高くし、発熱部から発せられる熱エネルギーを高い効率で電気エネルギーに変換することができる。また、発熱部の径の大きさや形状に応じて、熱電変換部材の個数や配置位置を調整することで、様々な大きさや形状の発熱部に対して、比較的低コストに熱電変換部材を高密度に配置することができる。

本発明の熱電変換装置の一実施形態について説明する図であり、（a）は概略正面図、（ｂ）は概略斜視図である。 本発明の熱電変換装置が備える熱電変換部材の一実施形態を説明する図であり、（ａ）は熱電変換部材の斜視図、（ｂ）は正面図である。 本発明の熱電変換部材について説明する図であり、（ａ）は熱電変換部材が備える熱電変換素子を含む一部を拡大して示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で示す平面で切断した断面図である。 本発明の熱電変換装置の他の実施形態について説明する図であり、（ａ）は本発明の熱電変換部材の第２の実施形態の概略正面図、（ｂ）は第３の実施形態の概略正面図、（ｃ）は第４の実施形態の概略正面図である。 本発明の熱電変換部材の他の実施形態を説明する図であり、（ａ）は熱電変換部材の第５の実施形態の概略側面図、（ｂ）は第６の実施形態の概略正面図である。 図１に示す熱電変換部材の製造方法の一例について説明する側面図である。 図１に示す熱電変換部材の製造方法の一例について説明する上面図である。 従来の熱電変換装置について説明する図であり、（ａ）は概略正面図、（ｂ）は概略側面図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の熱電変換装置について説明する。

図１は、本発明の熱電変換装置の一実施形態について説明する図である。図１（a）は
本発明の熱電変換装置の一実施形態の概略正面図であり、（ｂ）は概略斜視図である。

また図２は、図１に示す熱電変換装置が備える熱電変換部材の一実施形態について説明する図であり、(ａ)は概略斜視図、（ｂ）は概略側面図である。また図３は、図２に示す熱電変換部材について説明する図であり、（ａ）は熱電変換部材が備える熱電変換素子２を含む一部を拡大して示す側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線で示す平面で切断した断面図である。

本発明の熱電変換装置の一実施形態である熱電変換装置２００は、柱状または筒状の熱源部３００と、熱源部３００の外周面３０２から熱エネルギーを受け取り、受け取った熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数の熱電変換部材１とを有する。本実施形態では、熱源部３００は流路３０４を備えた筒状の部材である。

熱電変換部材１は、それぞれ一方向[矢印Ｘで示す方向であり、図２（ａ）（ｂ）にお
ける左右方向に対応している]に沿って長い一方主面１１Ａおよび他方主面１１Ｂを有す
る絶縁性の第１基板１１と、第１基板１１の一方主面１１Ａに平行に対向する主面１２Ａを備えた絶縁性の第２基板１２と、第１基板１１の一方主面１１Ａに一方向に沿って配置された複数の第１電極３１と、第２基板１２の主面１２Ａに複数の第１電極３１のそれぞれに対向して配置された複数の第２電極３２と、第１基板１１と第２基板１２との間に配置されて両端が第１電極３１および第２電極３２にそれぞれ接合された複数の熱電変換素子２と、隣接する熱電変換素子２に接合された一方の第１電極３１と他方の第２電極３２とを電気的に接続している接続導体３３とを備え、接続導体３３は、接続している第１電極３１に接合された一方の熱電変換素子２と、接続している第２電極３２に接合された他方の熱電変換素子２との間の外側のみを通過している。さらに熱電変換装置２００では、複数の熱電変換部材１は、それぞれが一方向Ｘを熱源部３００の軸方向に平行にして第１基板１１の他方主面１１Ｂを熱源部の外周面３０２に対向させて、熱源部３００の周方向（図１（ｂ）に矢印Ｓで示す）に並んで配置されている。

筒状の熱源部３００は、一方の端部が例えば自動車のエンジン等の内燃機関に接続された、いわゆる排気管であって、内燃機関から排気された比較的高温の気体が流路３０４内を流れる構成となっている。筒状の熱源部３００は例えば金属からなり、流路３０４を流れる高温の気体から熱源部３００を通じて熱源部３００の外周面３０２まで熱エネルギーが良好に伝わり、熱源部３００の外周面３０２は比較的高温となっている。図１に示す実施形態では、外周面の直径が約１５ｃｍの熱源部３００を用いている。

複数の熱電変換部材１それぞれは、第１基板１１の他方主面１１Ｂが熱源部３００の外周面３０２に対向しており、この他方主面１１Ｂが、熱源部３００の外周面３０２から輻射や伝熱によって伝わった熱エネルギーを受け取ることで第１基板１１の温度が上昇する。

本実施形態では、第１基板１１の他方主面１１Ｂは、熱源部３００の外周面３０２に、金属からなる伝熱部材を介して当接している。本実施形態では、例えば銅（Ｃｕ）等からなる第１伝熱板１５（伝熱部材）を介して当接している。また、第２基板１２には、第２電熱板１７が接合されている。基板１１はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするセラミックス基板であり、第１電極３１、第２電極３２、接続導体３３、第１伝熱板１５および第２伝熱板１７は、例えば銅（Ｃｕ）からなる。第１電極３１と第２電極３２と接続導体３３とは、１枚の銅板を折り曲げて形成されている。アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）は安価で絶縁性に優れている点で好ましく、銅（Ｃｕ）は安価で電気抵抗が低い点で好ましい。熱電変換装置において、絶縁基板、電極、導電部および伝熱板の材質については、特に限定されない。第１伝熱板１５および第２伝熱板１７は、必ずしも備えている必要はないが、第１基板１１を介して熱電変換素子２に外部からの熱をすばやく与えたり、第２基板１２を介して熱電変換素子２からすばやく熱を放出するためには、熱電変換部材１は第１伝熱板１５および第２伝熱板１７を備えていることが好ましい。例えば第１電熱板１５と熱源部３００の外周面３０２とを半田やロウ付け等によって接合することで、第１基板１１の他方主面１１Ｂを熱源部３００の外周面３０２に当接させた状態で、複数の熱電変換部材１を熱源部３００の外周面３０２に対して配置することができる。なお、第１伝熱板１５と外周面３０２とは、例えば接着剤によって接合してもよく、また、ネジ等を用いて機械的に接合する構成であってもよい。

熱電変換部材１に設けられた熱電変換素子２のそれぞれは、第１基板１１の側が高温となるので、第１基板１１の側の端と第２基板１２の側の端とで温度差が生じる。このように、熱電変換素子２において、第１基板１１の側の端と第２基板１２の側の端とで温度差が生じると、ゼーベック効果によって各熱電変換素子２において電圧が発生する。

本実施形態の熱電変換素子２は、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とするｎ形の熱電変換素子である。従来、熱電変換素子の材料としては、ＢｉＴｅ、ＰｂＴｅ、ＣｏＳｂのものが使用されているが、これらの熱電変換素子は比較的高価である。一方のＭｇ_２Ｓｉは比較的安価であり、また環境への負荷も小さい。また、Ｍｇ_２Ｓｉは比重が比較的軽いため、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とする熱電変換素子２を用いることができ、比較的軽量な熱電変換部材１を形成することができる。

また、熱電変換部材１を用いて効率良く発電し続けるためには、熱電変換素子２の両端で、ある程度の大きさの温度差が維持され続ける必要がある。本実施形態では、熱電変換素子２の材料として熱伝導率の小さいＭｇ_２Ｓｉを用いており、温度差を比較的良好に維持することができる。また、本実施形態では、接続導体３３が、複数の熱電変換素子２同士の間隙の外側部分のみに配置されており、熱電変換素子２からの輻射熱はこの接続導体３３に比較的届き難く、接続導体３３自体の温度が上昇することが抑制されており、熱電変換素子２の両端で所定の温度差を維持することができる。

各熱電変換部材１では、複数の第１電極３１と第２電極３２と接続導体３３とによって熱電変換素子２が電気的に直列に配列されているので、一方向に沿った配置方向の最端部の電極（第１電極３１のうちの１つである正極側最端第１電極３１Ｐ、および第１電極３１のうちの１つである負極側最端第１電極３２Ｌ）の間で、比較的大きな電圧が発生している。すなわち本実施形態では、複数の熱電変換部材１のそれぞれにおいて、正極側最端第１電極３１Ｐと負極側最端第１電極３２Ｎとの間で、比較的大きな電圧が発生している。

また本実施形態では、周方向に隣接して配置された２つの熱電変換部材１のうち一方の熱電変換部材１が備える複数の第１電極１１のうちの１つと、他方の熱電変換部材１が備える複数の第２電極１２のうちの１つとが電気的に接続されて、２つの熱電変換部材１が備える複数の熱電変換素子１同士が直列接続されている。より具体的には、本実施形態の熱電変換装置１では、隣接する２つの熱電変換部材１が、一方の熱電変換部材１の正極側最端第１電極３１Ｐと、他方の熱電変換部材１の負極側第１電極３１Ｎとが隣り合うように配置されており、この隣り合って配置された正極側最端第１電極３１Ｐと負極側第１電極３１Ｎとが、導電性部材３１０を介して電気的に接続されている。本実施形態では、導電性部材３１０は、例えば銅等の金属からなるワイヤー線であり、各熱電変換素子２が直列接続されるよう、配線されている。本実施形態の熱電変換装置２００では、複数の熱電変換部材１で発生する電圧が重畳された、比較的大きな電圧を発生させることができる。熱電変換装置２００では、一部の正極側最端第１電極３１Ｐや負極側最端第１電極３２Ｎを電極端子として、比較的大きな電流を外部回路に流すことができる。このように、熱電変換部材１は、外部の回路や機能素子に電流を出力する電源として用いることができる。

本実施形態では、それぞれの熱電変換部材１における一方向Ｘが柱状の熱源部３００の軸方向Ｃ（図１に鎖線Ｃで示す）に平行とされて、柱状の熱源部３００の周方向（図１に矢印Ｓで示す）に沿って複数個が隣接している。このように配置することで、柱状の熱源部３００の外周面３０２に対して、複数の熱電変換部材１を、比較的高密度に配置することができる。

また、第１基板１１の他方主面１１Ｂが熱源部３００の外周面３０２に対向しているので、第１基板１１に熱エネルギーが伝わり易く、第１基板１１の一方主面１１Ａに配置された第１電極３１に高い効率で熱エネルギーを伝えて、熱電変換素子２の第１電極３１側の温度を高くすることができる。本実施形態では特に、第１基板１１の他方主面１１Ｂは、伝熱部材である第１伝熱板１５を介して熱源部３００の外周面３０２に当接しているので、熱源部３００の外周面３０２から第１基板１１へ熱エネルギーが良好に伝わっていく。また、熱電変換装置２００は、熱源部３００から離れた側に、複数の熱電変換素子２と接合した第２基板１２を備えている。第１基板３１側から熱電変換素子２に伝わった熱エネルギーは、熱電変換素子２自体を介して第２基板１２側へ伝わる。第２基板１２は放熱板としても機能するので、熱電変換素子２の第２基板１２側の端部は、比較的低い温度に保たれている。本実施形態の熱電変換装置２００は、筒状の発熱部３００に対して複数の熱電変換素子２を高密度に配置することができるとともに、それぞれの熱電変換素子２における温度勾配を高く保つことができ、発熱部から発せられる熱エネルギーを、高い効率で電気エネルギーに変換することができる。

自動車や船舶等の内燃機関に接続された排気管や、焼却炉や焼成炉の排気管、ラジエーター用冷却水の配管など、高温の熱流体が通過する筒状部材の表面は、不要な熱エネルギーの排出元となることが多い。熱電変換装置２００では、特にこのような筒状部材を発熱部として用いた場合、この発熱部の外周面に複数の熱電変換素子を高密度に配置することができるとともに、各熱電変換素子における温度差を比較的大きく保つことができる。本発明によれば、例えば排熱エネルギー等の熱エネルギーを、電気エネルギーに効率良く変換することができる。

また、本発明の構成によれば、排気管等の熱源の直径が大きい場合は、熱電変換部材を多く配置し、直径が小さい場合は熱電変換部材を少なくするなど、配置する熱電変換部材の個数や配置位置を調整することで、様々な大きさの熱源に合わせて熱電変換素子を高密度に配置することができる。本発明によれば、様々な大きさの熱源に対して、少ない手間
とコストで熱電変換装置を構成することができる。

熱電変換素子２は、それぞれの端部が、対向する複数の第１電極３１および複数の第２電極３２にそれぞれ接合されている。接合方法としては、半田付、ろう付等のろう接合、あるいは銀ペースト等の導電性接着剤による接着を用いることができ、熱電変換部材の用途等に応じて適宜選択して接合する。ろう接合により接合する場合には、ろうを熱電変換素子２の両端部に予め付与しておいてもよい。熱電変換素子２の表面は細かい凹凸を有する面となっているが、ろうや銀ペースト等で表面の凹凸を覆うことによって平滑な面とすることができ、これにより、熱電変換素子２と第１電極３１および第２電極３２との接合状態が良好となり、優れた導電性を確保できる。なお、熱電変換部材１の耐久性を高くしたい場合など、複数の第１電極３１のうち一方向に沿った両側の第１電極３１と、複数の第２電極３２のうち一方向に沿った両側の第２電極３２との間隙のそれぞれに、引張破断荷重が熱電変換素子２よりも大きい補強部材（図示せず）を配置してもよい。

また、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、熱電変換素子２は、第１基板１１の一方主面１１Ａに垂直で、かつ一方向Ｘ[図２(ａ)および（ｂ）における左右方向]に平行な一対の第１側面２αと、第１基板１１の一方主面１１Ａに垂直で、かつ一方向Ｘに垂直な一対の第２側面２βとを備える直方体形状である。このような直方体形状の熱電変換素子２は、上記一方向Ｘに沿って高密度に配置することができる。

接続導体３３は、熱電変換素子２の第１側面２αの一部と平行に対向する主面３３αを有する板状部３５を備える。板状部３５は、第１基板１１と第２基板１２との間隔を所定の大きさに維持する機能も有し、この接続導体３３も、第１基板１１または第２基板１２から熱電変換素子２に余分な力が伝わることを抑制している。

また、熱電変換部材１では、板状部３５は、素子配列方向に沿った方向の幅Ｗ０[図２
（ｂ）参照]が、第１基板１１側の端部から第２基板１２側の端部まで同一である。板状
部３５は、図１（ｂ）に示す側面視において平行四辺形状を有している。板状部３５は、表面積が比較的広く、高温側から伝わった熱は板状部３５の表面から効率的に放熱され、熱電変換素子２における第１基板１１側の端部の温度と、第２基板１２側の端部の温度との差が比較的大きく保たれる。

接続導体３３は、板状部３５の第１基板１１側の端部と第１電極３１とに連なる、板状部３５から第１電極３１に向けて屈曲した第１の屈曲部４１と、板状部３５の第２基板１２側の端部と第２電極３２とに連なる、板状部３５から第２電極３２に向けて屈曲した第２の屈曲部４２とを備えている。第１の屈曲部４１の素子配列方向に沿った幅Ｗ１[図２（ｂ）参照]は、第１電極３１および板状部３５の第１基板１１側の端部のいずれよりも小さく、第２の屈曲部４２の素子配列方向に沿った幅Ｗ２[図２（ｂ）参照]も、第２電極３２および板状部３５の第２基板１２側の端部のいずれよりも小さい。屈曲部４１および屈曲部４２の素子配列方向に沿った幅Ｗ１および幅Ｗ２が小さいことで、第１電極３１および第２電極３２と板状部３５との間の熱伝導は抑制されており、板状部３５からの効率的な放熱と相俟って、第１電極３５と第２電極３２との間の温度差が比較的大きく保たれている。

図４は、本発明の熱電変換装置の他の実施形態について説明する概略図である。図４（ａ）は本発明の熱電変換部材の第２の実施形態の正面図であり、図４（ｂ）は第３の実施形態の正面図、図４（ｃ）は第４の実施形態の正面図である。図４においては、図１に示す第１の実施形態と同様の構成について、図１と同じ符号を用いて示している。

図４(ａ)に示す第２の実施形態では、熱電変化素子２は、第１基板１１の一方主面１１
Ａに平行な断面の面積が第１基板１１から第２基板１２の側に近づくにしたがって漸増している。第２の実施形態では、熱電変換素子２の低温側（第２の基板１２の側）の端面の面積が比較的大きく、この第２の基板１２の側からの放熱の量が大きくなっている。このような構成とした場合は、熱電変換素子２の、高温側（熱源部３００の側）である第１の基板１１側の端の温度と、第２基板１２の側の端部の温度との差を比較的大きくすることができる。第２の実施形態は、第２基板１２の側の周辺の温度が低く、第２基板１２からの放熱による温度低減効果が大きい場合などに、熱電変換の効率をより高めるために有効である。

図４（ｂ）に示す第３の実施形態では、熱源部３００が六角柱状であり、複数の熱電変換部材１が、長方形状の６つの側面それぞれに対して、第１基板１１の他方主面１１Ｂが熱源部３００の外周面３０２に対向して配置されている。図４（ｂ）に示す第３の実施形態の例のように、本発明は、熱源部３００の形状は特に限定されず、様々な断面形状の柱状または筒状の熱源に対して、複数の熱電変換部材１および熱電変換素子２を、高密度に配置することができる。また、図４（ｃ）に示す第４の実施形態のように、多角柱状の熱源部３０に配置される熱電変換部材１でも、熱電変化素子２は、第１基板１１から第２基板１２の側に近づくにしたがって、第１基板１１の一方主面１１Ａに平行な断面の面積が漸増していてもよい。本発明において、熱源部の形状等は特に限定されない。

図５（ａ）は、本発明の熱電変換装置の第５の実施形態の側面図であり、図５（ｂ）は、熱電変換部材の第６の実施形態の正面図である。図５においても、図１および図２に示す第１の実施形態と同様の構成については、図１と同じ符号を用いて示している。

図５（ａ）に示す第５の実施形態では、熱電変換部材１は、第１基板１１と第２基板１２との間隙に断熱材５が配置されている。第５の実施形態では、この断熱材５により、高温側の熱が空気中に発散するのを抑制している。第５の実施形態では、高温側の温度が周囲の雰囲気の温度に比べてそれほど高くない場合に、第２基板１２の温度低減を抑制することができ、第１基板１１と第２基板１２との間の温度差をより適切に確保することができる。断熱材５としては、酸化シリコンやアルミナの多孔質体を用いることが好ましいが、他の材料を用いてもよい。また、接続導体３３が熱電変換素子２の間隙の外側に配置されているので、第１基板１１と第２基板１２との間隙および各熱電変換素子２の間隙の全体に断熱部材５を配置することが可能であり、断熱材５によって熱の発散を効果的に抑制することができる。

図５（ｂ）に示す第６の実施形態では、熱電変換部材１において熱電変換素子２の配列方向に沿った接続導体３３の幅が、第１電極３１から第２電極３２に近づくにしたがって短くなっている。接続導体３３は、高温側である第２基板１２からの熱が伝達する経路であると同時に、この熱が放熱される部位でもある。第３の実施形態では、高温側の第２基板１２側の断面積が小さく、第２基板１２から第１基板１１への熱の伝達が抑制されているとともに、第１基板１１側の表面積が大きく、余分な熱が比較的良好に放出される。第６の実施形態では、周囲の雰囲気の温度に比べて高温側の温度が著しく高い場合など、接続導体３３に流入する熱量を抑制することで、第１基板１１と第２基板１２の間の温度差をより適切に確保することができる。

熱電変換部材１は、接続導体３３が熱電変換素子２の間隙の外側に配置されており、接続導体３３の形状の設計自由度が高く、第５の実施形態や第６の実施形態の構成を容易に実現することができる。なお、図示は省略しているが、接続導体３３の表面に放熱フィンを形成して、接続導体３３からの放熱をより良好にしても構わない。接続導体３３の大きさや形状は、接続導体３３の電気抵抗や接続導体３３の熱伝導に影響する。接続導体３３の形状や大きさは、熱電変換部材１が配置される環境や使用条件、熱電変換素子２の形状
や大きさ等に応じて所望の特性が得られる形状やサイズを選択すればよく、接続導体３３の形状やサイズについては特に限定されない。

次に、図６および図７を参照して、本発明の熱電変換装置２００が備える熱電変換部材１の製造方法の一例について説明しておく。なお、図６は側面図、図７は上面図である。

まず、図６（ａ）に示すように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする絶縁性の基板１００を準備する。絶縁性基板１００の図６中の下側の主面には、断面がＶ字状の切り込み部１０２が設けられている。

次に、図６（ｂ）に示すように、基板１００に、接合層１０４を介して銅板１０６を接合する。接合層１０４は、公知のろう材を用いればよい。図６（ｂ）の状態で、公知のフォトリソグラフィー法を用い、図６（ｃ）に示すように、銅板１０６を所定の形状に加工する。図７（ａ）は、図６（ｃ）のエッチング後の形状に対応する上面図である。

このエッチング工程では、例えば、レジスト等からなるエッチングマスクを選択的に配置した後、エッチング剤（エッチャント）である塩化第２鉄溶液に全体を浸漬する。このエッチングでは、銅板が選択的にエッチングされる。

エッチング後、図６（ｄ）に示すように、基板１００の一部を除去する。上述のように、基板１００には予め切り込み部１０２が設けられており、機械的圧力を加えることで、切り込み部１０２に挟まれた領域が除去可能となっている。なお、切り込み部１０２を設けることなく、ダイシング装置等によって基板１００の一部を切断して除去してもよい。除去後の形状は、図６（ｄ）および図７（ｂ）に示すように、基板１００の残留部１１１と１１２との表面に、それぞれ複数の第１電極対応部１３１と複数の第２電極対応部１３２とが接合し、第１電極対応部１３１と第２電極対応部１３２とが、導電部材対応部１３３を介して連結した構成となっている。導電部対応部１３３と第１電極対応部１３１との間には第１屈曲部対応部１４１が配置され、導電部対応部１３３と第２電極対応部１３１との間には第２屈曲部対応部１４２が配置されている。

次に、基板１００の残留部分１１１の図６における上側の主面と、残留部分１１２の図７における上側の主面とを対向させるように、第１屈曲部対応部１４１と第２屈曲部対応部１４２とを屈曲させるとともに、第１電極対応部１３１と複数の第２電極対応部１３２との間隙に熱電変換素子２を配置し、例えば銀ペースト等の導電性接着剤により、熱電変換素子２の各端部を第１電極対応部１３１と複数の第２電極対応部１３２とに接合する。その後、ロウ材や半田等を用いて第１伝熱板１５と第２伝熱板１７とを接合し、図６（ｅ）に示すような、第１の実施形態の熱電変換部材１を作製することができる。本実施形態の作製方法によれば、低コストで比較的容易に、熱電変換部材を作製することができる。

このように作成した複数の熱電変換部材１を、一方向Ｘが熱源部３００の軸方向と平行とされて、柱状の熱源部３００の周方向（図１に矢印Ｓで示す）に沿って複数個が隣接するよう配置した状態で、例えば第１電熱板１５と熱源部３００の外周面３０２とを半田やロウ付け等によって接合する。このようにして、柱状の熱源部３００の外周面３０２に対して、複数の熱電変換部材１が比較的高密度に配置された熱電変換装置２００を形成することができる。

熱電変換素子２の形状や本数や高さ、接続導体３３の大きさや厚さについては、熱電変換素子２の温度差の確保、高温側からの輻射熱および熱伝導、ならびに熱電変換素子２自体の機械的強度等を考慮して、適宜に選択すればよい。

また、本実施形態においては、熱電変換素子２をＭｇ_２Ｓｉで形成しているが、これに限られない。例えば、Ｓｂ−Ｔｅ系およびＢｉ−Ｓｅ系を含めたＢｉ−Ｔｅ系、Ｓｎ−Ｔｅ系およびＧｅ−Ｔｅ系を含めたＰｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｚｎ−Ｓｂ系、カルコゲナイト、スクッテルダイト、フィルドスクッテルダイト、炭化ホウ素、層状コバルト酸化物等の任意の熱電変換材料を用いることができる。また、熱電変換素子２はｎ形に限らず、ｐ形のものを用いてもよい。また、Ｍｇ_２Ｓｉは、高純度である必要はなく、例えば、研削・研磨加工時に排出される廃シリコーンスラッジを利用して得られるものであってもよい。

また、電極もＣｕに限定されず、Ｎｉ、Ａｌ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ等およびこれらからなる合金、または遷移金属シリサイド、ＴｉＮ、ＡｉＴｉＮ等の任意の電極材料用いることができる。

また、上述の各実施形態においては、ゼーベック効果を用いた発電用の熱電変換部材１に用いられる熱電変換素子２を説明したが、本発明の熱電変換素子２はペルチェ効果を用いて冷却または加熱する熱電変換部材１にも同様に用いることができる。

１ 熱電変換部材
２ 熱電変換素子
６ 補強部材
２α 第１側面
２β 第２側面
１１ 第１基板
１１Ａ 一方主面
１１Ｂ 他方主面
１２ 第２基板
１２Ａ 主面
１５ 第１伝熱板
１７ 第２伝熱板
２２ａ 一端
２２ｂ 他端
３１ 第１電極
３１Ｘ 最端第１電極
３２ 第２電極
３２Ｘ 最端第２電極
３３ 接続導体
３５ 板状部
１００ 基板
１０２ 切り込み部
１０４ 接合層
１０６ 銅板
１１１、１１２ 残留部分
１３１ 第１電極対応部
１３２ 第２電極対応部
２００ 熱電変換装置
３００ 熱源部
３０２ 外周面
３０４ 流路

Claims (4)

1. 柱状または筒状の熱源部と、
   該熱源部の外周面から熱エネルギーを受け取って電気エネルギーに変換する複数の熱電変換部材とを有する熱電変換装置であって、
   前記熱電変換部材は、
   それぞれ一方向に沿って長い一方主面および他方主面を有する絶縁性の第１基板と、
   該第１基板の前記一方主面に平行に対向する主面を備えた絶縁性の第２基板と、
   前記第１基板の前記一方主面に前記一方向に沿って配置された複数の第１電極と、
   前記第２基板の前記対向する主面に、複数の前記第１電極のそれぞれに対向して配置された複数の第２電極と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置されて両端が前記第１電極および前記第２電極にそれぞれ接合された複数の熱電変換素子と、
   隣接する該熱電変換素子に接合された一方の前記第１電極と他方の前記第２電極とを電気的に接続している接続導体とを備え、
   該接続導体は、接続している前記第１電極に接合された一方の前記熱電変換素子と、接続している前記第２電極に接合された他方の前記熱電変換素子との間の領域の外側のみを通過しており、
   複数の前記熱電変換部材は、それぞれが前記一方向を前記熱源部の軸方向に平行にして前記第１基板の前記他方主面を前記熱源部の前記外周面に対向させて、前記熱源部の周方向に並んで配置されていることを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記第１基板の前記他方主面は、前記熱源部の前記外周面に、金属からなる伝熱部材を介して当接していることを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
3. 前記周方向に隣接して配置された２つの前記熱電変換部材のうち一方の該熱電変換部材が備える複数の前記第１電極のうちの１つと、他方の前記熱電変換部材が備える複数の前記第２電極のうちの１つとが電気的に接続されて、２つの前記熱電変換部材が備える複数の前記熱電変換素子が直列接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換装置。
4. 前記熱電変換素子は、前記第１基板の前記一方主面に平行な断面の面積が前記第１基板から前記第２基板に近づくにしたがって漸増していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換装置。

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