JP2017041620A - 熱電変換器および熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】半田を用いることなく基板側の電極を熱電変換素子に接合可能な熱電変換器を提供する。【解決手段】一方の面に第１の接続電極１１を有する第１の基板１０と、一方の面に第２の接続電極２１を有する第２の基板２０と、第１の接続電極１１と第２の接続電極２１に挟まれるように第１の基板１０と第２の基板２０との間に配置される複数の熱電変換素子３０と、前記第１の基板１０と前記第２の基板２０に挟まれるように配置される複数の支持体４０と、を備える。少なくとも第１の接続電極１１が熱電変換素子３０の電極部３０ｃに押し当てられた状態で、第１の基板１０および第２の基板２０が支持体４０に固定される。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換器およびそれを用いた熱電変換システムに関する。

近年、環境に配慮した発電システムとして、工場などで生じる排熱を電力に変換する熱電変換システムが注目されている。かかる熱電変換システムでは、たとえば、半導体を用いて熱を直接電力に変換する熱電変換器が用いられる。この種の熱電変換器は、ゼーベック効果、ペルチェ効果またはトムソン効果などの熱電効果を利用したｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とを組み合わせて構成され得る。

以下の特許文献１には、Ｐ型熱電材料チップとＮ型熱電材料チップがそれぞれ接合されている２つの基板を向かい合わせて、チップ先端と各基板上の電極配線を接合する構成が記載されている。チップ先端と電極配線は、半田により接合される。

特開２００４−３２８０１３号公報

上記のように、熱電変換器では、一般に、熱電変換素子と基板側の電極との接合に半田が用いられる。しかしながら、熱電変換器では、熱を受ける側の基板がかなり高温になるため、熱により半田が劣化し、その結果、断線や導電不良などの不具合が生じる場合がある。

また、熱により半田の成分が熱電変換素子内へと拡散し、熱電変換素子の性能が劣化するとの問題も起こり得る。たとえば、半田に含まれる原子が熱振動により熱電変換素子であるペルチェ素子の格子点に移動して合金を形成することが起こり得る。このように熱電変換素子が合金化すると、熱電変換素子本来の変換効率が得られなくなってしまう。

かかる課題に鑑み、本発明は、半田を用いることなく基板側の電極を熱電変換素子に接合可能な熱電変換器およびそれを用いた熱電変換システムを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、熱電変換器に関する。本態様に係る熱電変換器は、一方の面に第１の接続電極を有する第１の基板と、一方の面に第２の接続電極を有する第２の基板と、前記第１の接続電極と前記第２の接続電極に挟まれるように前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される複数の熱電変換素子と、前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれるように配置される複数の支持体と、を備える。ここで、少なくとも前記第１の接続電極が前記熱電変換素子の電極部に押し当てられた状態で、前記第１の基板および前記第２の基板が前記支持体に固定される。

本態様に係る熱電変換器によれば、少なくとも第１の接続電極が熱電変換素子の電極部に押し当てられた状態で、第１の基板および第２の基板が支持体に固定されるため、第１の接続電極と熱電変換素子の電極部とが接触した状態となり、第１の接続電極と熱電変換素子の電極部とを半田で接合しなくても、第１の接続電極と熱電変換素子の電極部とを電気的に接合することができる。

本発明の第２の態様は、熱電変換システムに関する。本態様に係る熱電変換システムは、第１の態様に係る熱電変換器と、前記第１の基板の他方の面側を熱源となる部材に当接させて前記熱電変換器を前記熱源となる部材に取り付ける取り付け具と、を備える。前記取り付け具は、前記第１の基板と前記第２の基板とが互いに接近する方向の圧力を付与する構成を備える。

本態様に係る熱電変換器によれば、第１の態様と同様の効果が奏され得る。また、熱源となる部材に熱電変換器が取り付けられる際に、取り付け具により、第１の基板と第２の基板とが互いに接近する方向の圧力が付与されるため、この圧力により、第１の接続電極と熱電変換素子の電極部との間の接合が良好に保たれる。よって、熱電変換素子により生じた電力を良好に取り出すことができる。

以上のとおり、本発明によれば、半田を用いることなく基板側の電極を熱電変換素子に接合でき、これにより、排熱により熱電変換器が高温下に晒された場合にも熱電変換器の性能が劣化することを抑制することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１（ａ）は、実施の形態に係る熱電変換器の構成を模式的に示す分解斜視図、図１（ｂ）は、実施の形態に係る熱電変換器の組立後の状態を模式的に示す斜視図、図１（ｃ）は、熱電変換素子の構成を示す断面図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態に係る熱電変換器の組立工程を説明する模式図である。 図３（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態に係る熱電変換器を配管に設置した状態の熱電変換システムを、それぞれ、正面、側方および上方から見た模式図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、実施の形態に係る支持体の配置位置の調整例を示す斜視図である。 図５（ａ）〜（ｄ）は、変更例１に係る熱電変換器の組立工程を説明する模式図である。 図６（ａ）〜（ｄ）は、変更例２に係る熱電変換器の組立工程を説明する模式図である。 図７（ａ）〜（ｄ）は、変更例３に係る熱電変換器の組立工程を説明する模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸方向が熱電変換器１００の高さ方向であり、Ｚ軸正方向が下方向である。

図１（ａ）は、熱電変換器１００の構成を示す分解斜視図、図１（ｂ）は、熱電変換器１００の組立後の状態を示す斜視図、図１（ｃ）は、熱電変換素子３０の構成を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、熱電変換器１００は、第１の基板１０と、第２の基板２０と、熱電変換素子３０と、支持体４０と、を備える。

第１の基板１０は、平面視において略正方形の形状を有する。熱伝導特性に優れた材料からなっている。たとえば、第１の基板１０として、銅板が用いられる。この他、第１の基板１０は、アルミニウム等から形成されても良い。

また、第１の基板１０の下面（Ｚ軸負側の面）には、熱電変換素子３０の上側の電極部３０ｃ（図１（ｃ）参照）と接合される第１の接続電極１１（図２（ａ）参照）が形成されている。第１の接続電極１１は、導電性に優れ、且つ、後述のように圧力を付与することにより熱電変換素子３０がめり込むことが可能な材料からなっている。たとえば、第１の接続電極１１は、銅やアルミニウム等から形成される。第１の基板１０が銅やアルミニウム等の導電性を有する金属材料からなる場合、第１の接続電極１１は、絶縁層を介して、第１の基板１０の下面に配置される。

さらに、第１の基板１０の下面（Ｚ軸負側の面）には、支持体４０の上面と接合される薄膜状の接合部１２（図２（ａ）参照）が形成されている。接合部１２は、半田付けが可能な金属材料からなっている。たとえば、接合部１２は、銅やアルミニウム等から形成される。本実施の形態において、接合部１２は、第１の接続電極１１と同様の材料からなっており、第１の接続電極１１を第１の基板１０に形成する際に同様に、第１の基板１０に形成される。

第２の基板２０は、第１の基板１０と同様の形状および大きさを有し、また、第１の基板１０と同様の材料からなっている。第２の基板２０の上面には、熱電変換素子３０の下側の電極部３０ｃ（図１（ｃ）参照）と接合される第２の接続電極２１（図２（ａ）参照）が形成されている。第２の接続電極２１は、たとえば、銅からなっている。本実施の形態では、熱電変換素子３０の下側の電極部３０ｃは、半田５１（図２（ａ）参照）により、第２の接続電極２１に接合されている。

さらに、第２の基板２０の上面（Ｚ軸正側の面）には、支持体４０の下面と接合される薄膜状の接合部２２（図２（ａ）参照）が形成されている。接合部２２は、半田付けが可能な金属材料からなっている。たとえば、接合部２２は、銅やアルミニウム等から形成される。本実施の形態において、接合部２２は、第２の接続電極２１と同様の材料からなっており、第２の接続電極２１を第２の基板２０に形成する際に同様に、第２の基板２０に形成される。

図１（ｃ）に示すように、熱電変換素子３０は、柱状の熱電変換部３０ａと、熱電変換部３０ａの左右の側面に設けられた板部３０ｂと、熱電変換部３０ａの上面および下面に形成された電極部３０ｃとを備える。熱電変換部３０ａは、熱を直接電力に変換する半導体からなっている。熱電変換部３０ａは、ゼーベック係数αと比抵抗ρと熱伝導率Ｋによって表される性能指数Ｚ（＝α２／ρＫ）が大きな材料（Ｂｉ２Ｔｅ３系材料、鉛・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料等）にドーパントを添加したものである。添加するドーパントにより、ｐ型とｎ型の２種類の熱電変換部３０ａが構成される。ｐ型の熱電変換部３０ａを構成するためのドーパントとして、たとえば、Ｓｂが添加される。また、ｎ型の熱電変換部３０ａを構成するためのドーパントとして、たとえば、Ｓｅが添加される。

板部３０ｂは、耐熱性に優れた絶縁性の材料（ガラス、アルミナ、セラミック等）からなっている。板部３０ｂは、熱電変換部３０ａの側面に貼り付けられる。電極部３０ｃは、熱電変換部３０ａの上下の面に製膜により形成される。本実施の形態では、下側の電極部３０ｃが半田５１により第２の接続電極２１（図２（ａ）参照）に接合されるため、下側の電極部３０ｃは、半田５１に対する濡れ性の高い材料（ニッケル、クロム、タングステン等）からなることが好ましい。

第２の基板２０の上面には、上記のように熱電変換部３０ａに添加するドーパントを変えることにより、ｐ型とｎ型の２種類の熱電変換素子３０が設置されている。図１（ａ）の構成では、熱電変換素子３０が、矩形状の領域に縦横に並ぶように、第２の基板２０上に配置されている。矩形状の領域の４隅には、支持体４０が配置されている。

第１の基板１０の下面に配された第１の接続電極１１と、第２の基板２０の上面に配された第２の接続電極２１は、第２の基板２０に設置されたｐ型の熱電変換素子３０とｎ型の熱電変換素子３０を直列に接続するようにレイアウトされている。すなわち、全ての熱電変換素子３０が、第１の接続電極１１と第２の接続電極２１によって直列に接続される。このように全ての熱電変換素子３０が、第１の接続電極１１と第２の接続電極２１によって直列に接続されるように、ｐ型の熱電変換素子３０とｎ型の熱電変換素子３０の配置と第２の接続電極２１のレイアウトが調整されている。これにより、各熱電変換素子３０により生じた電力が累積される。累積された電力は、図示しない端子から取出される。

支持体４０は、熱電変換素子３０と同様の柱状の形状を有する。支持体４０の高さは、熱電変換素子３０の高さよりも、所定の寸法だけ低い。支持体４０は、剛性が高く、且つ、応力歪みを吸収できる材料からなっている。本実施の形態では、後述のように支持体４０の上面と下面にそれぞれ第１の基板１０の接合部１２と第２の基板２０の接合部２２が半田５１、５２（図２（ａ）参照）により接合されるため、支持体４０は半田付けが可能な材料からなっている。たとえば、支持体４０は、亜鉛合金から構成され得る。また、金属の構造体の表面にメッキを施して支持体４０を構成してもよい。支持体４０は、半田５１、５２に対する濡れ性の高い材料または構成であることが好ましい。

なお、支持体４０は、ガラスや樹脂から構成されてもよい。この場合、支持体４０の上面と下面は、半田５１、５２に代えて接着剤により、それぞれ第１の基板１０と第２の基板２０に接合される。接着固定は、たとえば、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂を用いて行われる。

熱電変換器１００を形成する際には、まず、図１（ａ）のように上面に熱電変換素子３０が設置された第２の基板２０に第１の基板１０を重ねる。第１の基板１０を第２の基板２０に重ねる前に、予め、第１の基板１０の接合部１２に半田５２のペーストを塗布しておく。このとき、第１の接続電極１１には、半田の塗布を行わない。また、第１の基板１０を第２の基板２０に重ねる際には、第１の基板１０の第１の接続電極１１および接合部１２が、それぞれ、熱電変換素子３０の上面および支持体４０の上面に対向するように、治具により、第１の基板１０と第２の基板２０が位置決めされる。

この状態で、第１の基板１０の上面全領域に一様に、押圧器具によって下方向（Ｚ軸負方向）の圧力を付与する。これにより、第１の基板１０の下面に設けられた第１の接続電極１１が熱電変換素子３０の上側の電極部３０ｃに接触する。その後、このように圧力を付与した状態で、第１の基板１０と第２の基板２０とをリフロー炉に流し、第１の接続電極１１の接合部１２と支持体４０の上面を、半田５２により接合する。これにより、図１（ｂ）に示すように、熱電変換器１００の組み立てが完了する。

なお、ここでは、予め、第２の基板２０の第２の接続電極２１および接合部２２に熱電変換素子３０および支持体４０を半田５１で接合した状態で、第１の基板１０の接合部１２と支持体４０上面との半田５２による接合を行ったが、第２の接続電極２１および接合部２２と熱電変換素子３０および支持体４０との半田５１による接合を、第１の基板１０の接合部１２と支持体４０との半田５２による接合と同時に行ってもよい。この場合、第２の基板２０上の第２の接続電極２１および接合部２２に半田５１のペーストを塗布した後、治具により、第２の接続電極２１および接合部２２上に熱電変換素子３０および支持体４０を配置する。その後、上記と同様、第２の基板２０に第１の基板１０を重ね、さらに、第１の基板１０に圧力を付与した状態で、第１の基板１０と第２の基板２０をリフロー炉に流す。これにより、半田５１、５２が溶融し、半田５２による第１の基板１０の接合部１２と支持体４０上面との接合とともに、半田５１による第２の接続電極２１および接合部２２と熱電変換素子３０および支持体４０との接合が行われる。これにより、図１（ｂ）に示すように、熱電変換器１００の組み立てが完了する。

図２（ａ）〜（ｄ）は、第１の基板１０を支持体４０に接合する際の熱電変換器１００の組立工程を示す模式図である。図２（ａ）〜（ｄ）には、それぞれ、Ｘ−Ｚ平面に平行な面で熱電変換器１００を切断したときの状態が模式的に示されている。

図２（ａ）は、熱電変換素子３０および支持体４０が設置された状態の第２の基板２０に、第１の基板１０が重ねられる直前の状態を示している。この状態において、支持体４０の上面に接合部１２が対向し、熱電変換素子３０の上面に第１の接続電極１１が対向している。接合部１２と支持体４０上面の接合は、半田５２により行われる。すなわち、接合部１２に半田５２のペーストが塗布されている。第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の上面との接合は、半田を用いずに行われる。すなわち、図２（ａ）の状態において、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の上面との間に、半田は介在しない。

その後、第１の基板１０を下方に移動させる。このとき、図２（ｂ）に示すように、設置誤差等によって、熱電変換素子３０の高さにばらつきが生じると、最も高い熱電変換素子３０に、第１の基板１０側の第１の接続電極１１が当接する。図２（ｂ）では、左から２番目の熱電変換素子３０が最も高いため、まず、この熱電変換素子３０に第１の接続電極１１が当接する。

さらに、図２（ｂ）の状態において、第１の基板１０の上面全領域に一様に、押圧器具によって下方向（Ｚ軸負方向）の圧力が付与される。このとき、第２の基板２０は、押圧器具の受け部材によって、下方向（Ｚ軸負方向）の移動が規制されている。このため、互いに当接する第１の接続電極１１と熱電変換素子３０との間に圧力が荷重される。第１の接続電極１１は、銅等の変形可能な材料によって形成されているため、図２（ｃ）に示すように、この荷重によって、最も高い熱電変換素子３０の上部が第１の接続電極１１にめり込む。これに伴い、第１の基板１０が下方へと移動し、２番目に高い熱電変換素子３０に第１の接続電極１１が当接する。図２（ｃ）では、最も右側の熱電変換素子３０が２番目に高いため、この熱電変換素子３０に第１の接続電極１１が当接する。

その後、さらに第１の基板１０の上面に圧力が付与されると、図２（ｄ）に示すように、２番目に高い熱電変換素子３０の上部が第１の接続電極１１にめり込み、さらに、順次、熱電変換素子３０の上部が、第１の接続電極１１が当接して、第１の接続電極１１にめり込む。第１の基板１０の下方への移動は、図２（ｄ）に示すように、第１の基板１０の接合部１２に塗布された半田５２が、支持体４０の上面に略当接するまで続けられる。

ここで、支持体４０の高さは、図２（ｄ）に示すように、接合部１２に塗布された半田５２が、支持体４０の上面に略当接した状態において、各々の熱電変換素子３０の上部が、第１の接続電極１１にめり込み、あるいは、めり込まないまでも第１の接続電極１１に強く押し付けられた状態となるように設定されている。したがって、図２（ｄ）に示す状態では、全ての熱電変換素子３０の上側の電極部３０ｃ（図１（ｃ）参照）が、それぞれ、対応する第１の接続電極１１に接触している。

この状態において、上記のように、第１の基板１０および第２の基板２０がリフロー炉に流され、接合部１２と支持体４０上面が半田５２により接合される。これにより、第１の基板１０が、図２（ｄ）の状態に固定される。その後、第１の基板１０および第２の基板２０がリフロー炉から取出され、さらに、押圧器具が熱電変換器１００から取り外される。こうして、図１（ｂ）に示す熱電変換器１００が得られる。

図３（ａ）〜（ｃ）は、上記のように組み立てられた熱電変換器１００を、熱源となる配管５００に設置した状態の熱電変換システム１を、それぞれ、正面、側方および上方から見た模式図である。

熱電変換器１００は、押さえ板２００と、受け板３００と、ボルト４０１と、ナット４０２とからなる取り付け具によって、配管５００に取り付けられる。押さえ板２００は、熱伝導性に優れ、且つ、剛性が高い材料からなっている。押さえ板２００は、長方形の輪郭を有し、４隅にボルト４０１を通すための孔（図示せず）を有する。押さえ板２００には、Ｚ軸正側の面に、空冷のためのフィン２０１が一体形成されている。受け板３００は、長方形の輪郭を有し、４隅にボルト４０１を通すための孔（図示せず）を有する。受け板３００は、剛性が高い材料からなっている。

本実施の形態において、配管５００は、略正方形の断面形状を有している。配管５００は、高温の気体または液体の通路となるもので、内部を通る気体または液体によって、表面温度が高温となる。配管５００は、熱伝導性が高い金属材料からなっている。

熱電変換器１００は、第１の基板１０が配管５００の表面に接触した状態で、押さえ板２００によって押さえられる。図３（ｃ）に示すように、熱電変換器１００は、配管５００に対してＹ軸方向に略均等に位置付けられる。押さえ板２００は、Ｙ軸方向の略中央に熱電変換器１００が位置付けられるよう、熱電変換器１００に当てられる。この状態で、配管５００の反対側に受け板３００が当てられ、ボルト４０１が、受け板３００と押さえ板２００の孔（図示せず）に通される。その後、ボルト４０１の先端にナット４０２が装着され、ボルト４０１とナット４０２が締め付けられる。このとき、ボルト４０１とナット４０２は、熱電変換器１００が、押さえ板２００と配管５００とに挟まれて、厚みが縮む方向に圧力を受けるように締め付けられる。こうして、配管５００に対する熱電変換器１００の取り付けが完了する。

その後、配管５００に液体または気体が通り、配管５００の温度が上昇すると、熱電変換器１００の第１の基板１０側の温度が上昇する。これに対し、熱電変換器１００の第２の基板２０側は、フィン２０１による放熱によって、温度の上昇が抑えられる。これにより、熱電変換器１００内部に設置された熱電変換素子３０に温度差が生じ、この温度差により、熱電変換素子３０に電力が生じる。それぞれの熱電変換素子３０に生じた電力は、第１の基板１０に配置された第１の接続電極１１と第２の基板２０に配置された第２の接続電極２１を介して集められ、図示しない配線により外部に取出される。

なお、図３（ａ）〜（ｃ）の例では、押さえ板２００に空冷式のフィン２０１が設けられたが、押さえ板２００に冷却水を通すための流路を設けて、水冷式により、熱電変換器１００の第２の基板２０側を冷却する構成であってもよい。また、熱電変換器１００を配管５００と押さえ板２００との間に挟むための構成は、ボルト４０１とナット４０２とを用いた構成に限られるものではなく、たとえば、バネを押さえ板２００と受け板３００との間に橋架する構成であってもよい。また、図３（ａ）の構成では、熱電変換器１００が個別に配管５００に取り付けられたが、複数の熱電変換器１００を一つの押さえ板２００と受け板３００で挟んで配管５００に取り付ける構成であってもよい。さらに、配管５００と熱電変換器１００との接触面に熱結合剤を介在させてもよく、また、熱電変換効率を高めるために、熱電変換器１００と押さえ板２００との間に熱結合剤を介在させてもよい。

＜実施形態の効果＞
以上、本実施の形態によれば、以下の効果が奏される。

第１の接続電極１１が熱電変換素子３０の電極部３０ｃに押し当てられた状態で、第１の基板１０および第２の基板２０が支持体４０に固定されるため、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の電極部３０ｃとが接触した状態となり、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の電極部３０ｃとを半田で接合しなくても、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の電極部３０ｃとを電気的に接合することができる。

図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１の基板１０の第１の接続電極１１を熱電変換素子３０に圧接させて、熱電変換素子３０の電極部３０ｃを第１の接続電極１１にめり込ませた状態で、第１の基板１０が支持体４０に固定される。これにより、設置誤差等によって熱電変換素子３０の高さにばらつきが生じても、全ての熱電変換素子３０の電極部３０ｃを、対応する第１の接続電極１１に接合させることができる。

第１の基板１０および第２の基板２０は、第１の基板１０および第２の基板２０に設けられた接合部１２、２２と支持体４０とを半田で接合することにより、支持体４０に固定されるため、第２の基板２０の第２の接続電極２１と熱電変換素子３０との半田接合と同様の工程により、支持体４０に対する第１の基板１０および第２の基板２０の接合が行える。よって、熱電変換器１００の組み立て作業を簡易化できる。

熱電変換素子３０は、柱状の熱電変換部３０ａと、熱電変換部３０ａの側面に設けられた板部３０ｂとを備え、板部３０ｂによって強度が高められている。このため、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、熱電変換素子３０に大きな荷重が付加されても、熱電変換素子３０に損傷が生じることがない。よって、荷重により熱電変換素子３０を第１の接続電極１１に円滑にめり込ませることができる。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、熱電変換素子３０は、ボルト４０１とナット４０２を締め付けることにより厚みが縮む方向の圧力を受けた状態で、配管５００に取り付けられる。このように、厚みが縮む方向の圧力が維持されることにより、第１の接続電極１１が熱電変換素子３０の電極部３０ｃに常に押し付けられ、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の電極部３０ｃとの間に隙間が生じることがない。よって、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の電極部３０ｃとの接合を良好に保つことができる。

＜変更例＞
上記実施の形態では、熱電変換素子３０の下側（Ｚ軸負側）の電極部３０ｃと第２の接続電極２１との接合に半田５１を用いたが、半田５１を用いずに、荷重により、熱電変換素子３０の下側の電極部３０ｃを第２の接続電極２１にめり込ませて、熱電変換素子３０の下側の電極部３０ｃと第２の接続電極２１とを接合させても良い。

なお、上記実施の形態に係る図２（ａ）〜（ｄ）の工程では、熱電変換素子３０の下面に半田５１が介在しており、かつ、半田５１の面積が第２の接続電極２１とほぼ同じ面積に広がっているため、第１の基板１０に圧力を付与した場合、第２の接続電極２１には、略全面積に均等の荷重がかかることになる。このため、図２（ａ）〜（ｄ）の工程では、熱電変換素子３０の下部が第２の接続電極２１にめり込むことが抑制される。

また、上記実施の形態では、熱電変換素子３０は四角柱の形状であったが、必ずしも四角柱で無くても良く、円柱や六角柱等、他の形状であっても良い。同様に、支持体４０の形状も、円柱や六角柱等、他の形状であっても良い。また、熱電変換部３０ａのみで荷重に耐え得る十分な強度がある場合は、板部３０ｂを適宜省略可能である。

さらに、上記実施の形態では、熱電変換素子３０を配置する矩形の領域の４隅に支持体４０が配置されたが、支持体４０の配置位置は、これに限られるものではない。第１の基板１０に配された第１の接続電極１１が熱電変換素子３０上面の電極部３０ｃに確実に接触し、且つ、組立後の熱電変換器１００の剛性が確保できれば、上記実施の形態と異なる位置に支持体４０を配置しても良い。

たとえば、図４（ａ）に示すように、熱電変換素子３０を配置する矩形の領域の中央付近にさらに支持体４０を配置してもよく、また、図４（ｂ）に示すように、矩形の領域の各辺の中央付近にさらに支持体４０を配置してもよい。図４（ａ）の構成例では、上記実施の形態に比べて、さらに強固に、第１の基板１０および第２の基板２０が支持体４０に固定され、図４（ｂ）の構成例では、一層強固に、第１の基板１０および第２の基板２０が支持体４０に固定される。

ただし、矩形の領域内に配置する支持体４０の数を増やすほど、熱電変換器１００における熱電変換素子３０の充填率が低下し、その結果、発電効率が低下する。したがって、熱電変換器１００に配置する支持体４０の数は、第１の基板１０および第２の基板２０の固定強度と、熱電変換素子３０の充填率とを考慮して設定する必要がある。

なお、矩形の領域の４隅にも熱電変換素子３０を配置し、矩形の領域の外側に支持体４０を配置しても良い。ただし、このように構成すると、矩形の領域の外側に支持体４０を配置するためのスペースを第１の基板１０と第２の基板２０に設ける必要があり、このスペースのために、第１の基板１０と第２の基板２０を広げる必要がある。これにより、熱電変換器１００が大型化する。したがって、熱電変換器１００の大型化を抑制しつつ、熱電変換素子３０の充填率を確保するためには、上記実施の形態のように、矩形の領域の４隅に支持体４０を配置する方法が好ましい。

以下、その他の変更例について説明する。

＜変更例１＞
変更例１では、第１の基板１０が可撓性を有する素材からなっている。ここでは、第１の基板１０が、ＦＰＣ（Flexible printed circuits）からなっている。

図５（ａ）〜（ｄ）は、第１の基板１０を支持体４０に接合する際の熱電変換器１００の組立工程を示す模式図である。図５（ａ）〜（ｄ）には、それぞれ、Ｘ−Ｚ平面に平行な面で熱電変換器１００を切断したときの状態が模式的に示されている。

このように、変更例１では、第１の基板１０が可撓性を有する素材からなっているため、第１の基板１０の上面に圧力を付与すると、熱電変換素子３０の上部が第１の接続電極１１にめり込む代わりに、第１の基板１０が厚み方向に縮んで、第１の接続電極１１が上方向（Ｚ軸正方向）に変位する。これにより、熱電変換素子３０の高さ方向のばらつきが吸収される。

変更例１では、図５（ｄ）に示すように、第１の基板１０が縮むことにより、第１の接続電極１１が上方向に弾性変位した状態で、第１の基板１０が支持体４０に固定される。このため、第１の基板１０が弾性復帰することによる圧力が、第１の接続電極１１を介して熱電変換素子３０に付与される。これにより、第１の接続電極１１が熱電変換素子３０の上側の電極部３０ｃ（図１（ｃ）参照）に押し付けられ、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の上側の電極部３０ｃとの接合が良好に維持される。

なお、変更例１の構成では、第１の基板１０の上面に、熱伝導性に優れ、且つ、剛性が高い板状のカバーが、接着等により設置されても良い。このように、第１の基板１０の上面を剛性の高いカバーで押さえることにより、第１の接続電極１１の浮き上がりを抑制でき、より確実に、第１の接続電極１１を熱電変換素子３０の上面に押し付けることができる。

＜変更例２＞
変更例２では、第２の基板２０が可撓性を有する素材からなっている。ここでは、第２の基板２０が、ＦＰＣからなっている。

図６（ａ）〜（ｄ）は、第１の基板１０を支持体４０に接合する際の熱電変換器１００の組立工程を示す模式図である。図６（ａ）〜（ｄ）には、それぞれ、Ｘ−Ｚ平面に平行な面で熱電変換器１００を切断したときの状態が模式的に示されている。

このように、変更例２では、第２の基板２０が可撓性を有する素材からなっているため、第１の基板１０の上面に圧力を付与すると、熱電変換素子３０の上部が第１の接続電極１１にめり込む代わりに、第２の基板２０が厚み方向に縮んで、半田５１と第２の接続電極２１が下方向（Ｚ軸負方向）に変位する。これにより、熱電変換素子３０の高さ方向のばらつきが吸収される。

変更例２では、図６（ｄ）に示すように、第２の基板２０が縮むことにより、第２の接続電極２１が下方向に弾性変位した状態で、第１の基板１０が支持体４０に固定される。このため、第２の基板２０が弾性復帰することによる圧力が、第２の接続電極２１と半田５１を介して熱電変換素子３０に付与される。これにより、熱電変換素子３０の上側の電極部３０ｃ（図１（ｃ）参照）が第１の接続電極１１に押し付けられ、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の上側の電極部３０ｃとの接合が良好に維持される。

なお、変更例２においても、変更例１の場合と同様、第２の基板２０の下面にカバーを設置しても良い。また、変更例１、２では、第１の基板１０または第２の基板２０が可撓性を有したが、第１の基板１０と第１の接続電極１１との間に可撓性を有する層が配置されてもよく、また、第２の基板２０と第２の接続電極２１との間に可撓性を有する層が配置されてもよい。また、第１の基板１０側に第１の接続電極１１を弾性変位させる部材を設けるとともに第２の基板２０側にも第２の接続電極２１を弾性変位させる部材を設けてもよい。

＜変更例３＞
変更例３では、第１の接続電極１１と熱電変換素子３０の上面との間に、導電性の金属ペースト６０を介在させる。

図７（ａ）〜（ｄ）は、第１の基板１０を支持体４０に接合する際の熱電変換器１００の組立工程を示す模式図である。図７（ａ）〜（ｄ）には、それぞれ、Ｘ−Ｚ平面に平行な面で熱電変換器１００を切断したときの状態が模式的に示されている。

図７（ａ）に示すように、予め第１の接続電極１１に導電性の金属ペースト６０が塗布される。金属ペースト６０には、ニッケルや銅等の金属粒子が含有されている。この状態で、図２（ａ）〜（ｄ）と同様の工程が実行され、第１の基板１０が支持体４０に組み付けられる。

変更例３では、熱電変換素子３０から第１の接続電極１１に対する電気導通が向上する。よって、熱電変換素子３０で生じた電力をより効率的に取り出し得る。また、金属ペースト６０により第１の接続電極１１と熱電変換素子３０との間の熱伝導が向上する。よって、たとえば、図３（ａ）〜（ｄ）の熱電変換システム１において、配管５００の熱をより効率的に、熱電変換素子３０に伝導でき、熱電変換システム１の変換効率を向上させることができる。

以上の変更例の他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … 熱電変換システム
１０ … 第１の基板
１１ … 第１の接続電極
１２ … 接合部
２０ … 第２の基板
２１ … 第２の接続電極
２２ … 接合部
３０ … 熱電変換素子
３０ａ … 熱電変換部
３０ｂ … 板部
４０ … 支持体
５１、５２ … 半田
６０ … 金属ペースト
１００ … 熱電変換器
２００ … 押さえ板（取り付け具）
３００ … 受け板（取り付け具）
４０１ … ボルト（取り付け具）
４０２ … ナット（取り付け具）

Claims (10)

1. 一方の面に第１の接続電極を有する第１の基板と、
   一方の面に第２の接続電極を有する第２の基板と、
   前記第１の接続電極と前記第２の接続電極に挟まれるように前記第１の基板と前記第２の基板との間に配置される複数の熱電変換素子と、
   前記第１の基板と前記第２の基板に挟まれるように配置される複数の支持体と、を備え、
   少なくとも前記第１の接続電極が前記熱電変換素子の電極部に押し当てられた状態で、前記第１の基板および前記第２の基板が前記支持体に固定される、
   ことを特徴とする熱電変換器。
2. 請求項１に記載の熱電変換器において、
   前記第１の基板の前記第１の接続電極を前記熱電変換素子に圧接させて、前記熱電変換素子の前記電極部を前記第１の接続電極にめり込ませた状態で、前記第１の基板が前記支持体に固定される、
   ことを特徴とする熱電変換器。
3. 請求項１に記載の熱電変換器において、
   前記第１の接続電極および前記第２の接続電極の少なくとも一方を弾性変位可能とする部材を設け、
   前記第１の基板を前記熱電変換素子に圧接させて、前記熱電変換素子の前記電極部により前記第１の接続電極および前記第２の接続電極の少なくとも一方を弾性変位させた状態で、前記第１の基板が前記支持体に固定される、
   ことを特徴とする熱電変換器。
4. 請求項３に記載の熱電変換器において、
   前記第１の接続電極および前記第２の接続電極の少なくとも一方を弾性変位可能とする前記部材は、前記第１の基板または前記第２の基板である、
   ことを特徴とする熱電変換器。
5. 請求項１ないし４の何れか一項に記載の熱電変換器において、
   前記第１の基板および前記第２の基板は、前記第１の基板および前記第２の基板に設けられた接合部と前記支持体とを半田で接合することにより、前記支持体に固定される、
   ことを特徴とする熱電変換器。
6. 請求項１ないし５の何れか一項に記載の熱電変換器において、
   前記第２の接続電極は、前記熱電変換素子の電極部に半田により接合される、
   ことを特徴とする熱電変換器。
7. 請求項１ないし６の何れか一項に記載の熱電変換器において、
   前記熱電変換素子は、柱状の熱電変換部と、前記熱電変換部の側面に設けられた板部とを備える、
   ことを特徴とする熱電変換器。
8. 請求項１ないし７の何れか一項に記載の熱電変換器において、
   前記熱電変換素子の前記電極部と前記第１の接続電極との間に、導電性の金属ペーストを介在させる、
   ことを特徴とする熱電変換器。
9. 請求項１ないし８の何れか一項に記載の熱電変換器において、
   前記熱電変換素子は、矩形状の領域に並ぶように配置され、
   前記支持体は、少なくとも前記矩形状の領域の４隅に配置される、
   ことを特徴とする熱電変換器。
10. 請求項１ないし９の何れか一項に記載の熱電変換器と、
    前記第１の基板側を熱源となる部材に当接させて前記熱電変換器を前記熱源となる部材に取り付ける取り付け具と、を備え、
    前記取り付け具は、前記第１の基板と前記第２の基板とが互いに接近する方向の圧力を付与する構成を備える、
    ことを特徴とする熱電変換システム。

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