JP2017152618A - 熱電モジュールとその製造方法および熱電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子に与えられる温度差を可及的に活用して、熱電変換に関する性能を向上させることができる簡素な構造を持つ熱電モジュールが望まれる。【解決手段】熱電モジュール１は、温度差を受けて電位差を生じる性質があり、前記温度差の方向に延在する少なくとも１つの側面２ａ，３ａおよび前記温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃを備えるバルク型の少なくとも１つの熱電変換素子２，３と、前記少なくとも１つの側面２ａ，３ａに接合され、前記少なくとも２つの端面２ｂ，２ｃ，３ｂ，３ｃのうち低温側に配置される一方の端面２ｂ，３ｂを前記温度差の方向に越えて当該熱電変換素子２，３の外方へ突出するように構成される少なくとも１つの電極４を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電モジュールとその製造方法および熱電装置に関する。

熱を電気エネルギーに直接変換するゼーベック効果に基づく技術は、未利用廃熱を回収する技術の一つとして近年注目されている。

バルク型の熱電素子を用いる熱電モジュールは一般的にπ型構造を有する。一般的な熱電モジュールにおいて、Ｐ型とＮ型の熱電素子は、電気的には平板電極を介して直列に接続され、熱的には並列に構成される。この熱電モジュールに温度差を与えると温度差の方向に電位差が発生し、高温側から低温側へ流れる熱流に伴ってキャリアが拡散する。これによって、電流が一定の方向に流れて電力を取り出すことができる。

一般的に、バルク型の熱電モジュールの製造方法は、下記の工程を備える：
ホットプレス法などにより作成したＮ型熱電材料製およびＰ型熱電材料製のインゴットからＮ型とＰ型の熱電素子をそれぞれ切り出す工程；
切り出されたＮ型とＰ型の熱電素子を下部基板上に配置し、下部基板上に配置された第２平板電極を介して両熱電素子を電気的に接続する工程；
Ｐ型とＮ型の熱電素子の低温側を上部基板上に配置された第１平板電極を介して電気的に接続する工程。

熱電モジュールの効率を向上させるためには、高温側と低温側の温度差を維持することが求められる。このため、熱電素子の低温側を水冷板と接触させたり、放熱パッドと接触させたりすることが行われている。しかし、このような強制冷却の実装が、熱電モジュールおよび冷却媒体供給設備の設置スペース、設置環境またはコスト上、困難である場合が多々ある。そのような場合として、例えば熱電モジュールからμＷ級の超低消費電力型センサに給電する場合、または配管に熱電モジュールを装着する場合が例示できる。

特許文献１には、Ｎ型およびＰ型熱電素子と、Ｎ型およびＰ型熱電素子の端面に接合された熱交換部材を有する熱電モジュールが開示されている。特許文献１の熱交換部材は、両熱電素子の端面上に全面的に接合される電極部と、端面上方に延在する熱交換部を備えている。

特許文献２には、隣接するＮ型およびＰ型熱電素子の端面に全面的に接合された電極をその中間部で折り曲げて、隣接するＰ型およびＮ型熱電素子の間の空間に挿入した熱電モジュールが開示されている。

特許第４７８８２２５号公報（図６および段落［００６１］〜［００６２］参照） 特開２０１１−２９２９５号公報（図１（Ａ）および図１（Ｂ）参照）

以下の分析は、本発明によって与えられたものである。実用的な性能、例えば所定の発電電圧を得るために、特許文献１に開示された熱電モジュールを多数組み合わせて熱電装置を作成する場合、熱電素子（複数）の端面上に多数の熱交換部材が林立することになる。このため、多数の熱交換部材を熱電素子に接合する際、多数の熱交換部材自体が接合の邪魔になる。特にレーザを用いて接合する場合には、多数の熱交換部材の熱交換部がレーザ照射の邪魔になる。また表面積を増加させるために複雑な形状にされた熱交換部材が熱電素子の端面上に林立していること、および熱電素子の端面が熱交換部材によって塞がれていることによって、熱電素子の端面上方での対流が阻害され（比較的高温の流体が滞留する）、かえって熱電素子の両端面間の温度差が縮小するおそれがある。

特許文献２の熱電モジュールによれば、電極が熱電素子の内方に向かって延在し、隣接するＰ型およびＮ型熱電素子の間の空間に存在しているため、この空間に比較的高温の流体が滞留して電極からの放熱量が低下するおそれがある。

したがって熱電素子（熱電変換素子）に与えられる温度差を可及的に活用して、熱電変換に関する性能を向上させることができる簡素な構造を持つ熱電モジュールが望まれる。

本開示の第１視点によれば、温度差を受けて電位差を生じる性質があり、前記温度差の方向に延在する少なくとも１つの側面および前記温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面を備えるバルク型の少なくとも１つの熱電変換素子と、前記少なくとも１つの側面に接合され、前記少なくとも２つの端面のうち低温側に配置される一方の端面を前記温度差の方向に越えて当該熱電変換素子の外方へ突出するように構成される少なくとも１つの電極を有する熱電モジュールが提供される。

本開示の第２視点によれば、第１視点の熱電モジュールを用いる熱電装置が提供される。熱電モジュールは温度差を受けて発電しあるいはセンシングを行い、また給電されて冷却および／または加熱を行うことができる。

本開示の第３視点によれば、温度差を受けて前記温度差の方向と平行な第１方向に電位差を発生する性質があり、前記温度差の方向に延在する少なくとも１つの側面および前記温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面を備えるバルク型の少なくとも１つのＮ型熱電変換素子、温度差を受けて前記第１方向と逆方向な第２方向に電位差を発生する性質があり、前記温度差の方向に延在する少なくとも１つの側面および前記温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面を備えるバルク型の少なくとも１つのＰ型熱電変換素子、および導電性と放熱性の両方の性質がある少なくとも１つの電極用ブランクを準備することと、前記少なくとも１つの電極用ブランクを、前記少なくとも１つのＰ型熱電変換素子の少なくとも１つの側面と前記少なくとも１つのＮ型熱電変換素子の少なくとも１つの側面との間に、当該Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の前記少なくとも２つの端面のうち低温側に配置される一方の端面を前記温度差の方向に越えて当該熱電変換素子の外方へ突出するように、電気的に接続することを含む熱電モジュールの製造方法が提供される。

本開示の熱電モジュールの効果を下記に例示する：
（１）低温（放熱）側電極自体が熱電変換素子への接合に邪魔になることが少ないため、低温側電極を熱電変換素子に容易に接合することができる；
（２）低温側電極に加えて熱電変換素子の低温側端面からも有効な放熱が可能である；
（３）熱交換機能を有する低温側電極は、シンプルな形状であっても大きな熱交換面積を有することができる；
（４）熱電変換素子の端面上方に、熱交換に寄与する対流を妨げないようなシンプルな放熱構造を構築できる；
（５）したがって本開示の熱電モジュールは高い放熱能力を有することができ、比較的小さな温度差を最大限に活用した高効率な熱電変換を可能にする。

一実施形態に係る熱電モジュールの基本構成を説明する模式図である。 一実施形態に係る熱電モジュールの製造方法において、電極の形成工程を説明する工程図である。 図２に続く工程図である。 一実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を説明する工程図である。 他の実施形態に係る環状熱電モジュールを説明する模式図である。 実験に用いた熱電モジュールの製造方法を説明するフローチャートである。 実験に用いた試料を説明する模式図である。 図７に示した試料を用いた実験結果を示すグラフである。 図７に示した試料を用いた実験結果を示すグラフである。

本開示の熱電モジュール等の実施形態を下記に例示する。
（形態１）形態１は第１視点のとおりである。
（形態２）熱電変換素子の一方の端面（低温側端面）は流体に直接的に暴露されるよう設けられる。電極は平板状である。熱電変換素子の側面に接合される電極には導電性と放熱性の両方の性質がある。
（形態３）熱電変換素子には、温度差を受けて温度差の方向と平行な第１方向に電位差を発生する性質がある少なくとも１つのＰ型熱電変換素子、および前記温度差を受けて第１方向と逆方向の第２方向に電位差を発生する性質がある少なくとも１つのＮ型熱電変換素子がある。本開示の電極は、前記少なくとも１つのＰ型熱電変換素子と前記少なくとも１つのＮ型熱電変換素子の両方に接合される。
（形態４）熱電変換素子は、温度差の方向ないし熱電変換素子の少なくとも１つの側面が延在する方向に長軸を有し、前記温度差の方向に直交する方向かつ熱電変換素子の端面が延在する方向に短軸を有する。この熱電変換素子において、前記短軸の方向の幅に対する前記長軸の方向の長さのアスペクト比は低くても１．５である。さらに好ましくは、このアスペクト比は２以上、３以上、４以上、５以上、６以上、７以上、８以上、９以上、１０以上である。アスペクト比を十分に大きい、すなわち細長い熱電変換素子を用いることによって、熱電変換素子の両端面間の温度差を確保することができる。アスペクト比の上限は、熱電変換素子の強度、熱伝導率および電気抵抗またはそれを用いる熱電装置のサイズによって適宜定めればよい。また電極が前記長軸の方向に前記少なくとも１つの熱電変換素子から突出する長さは、前記電極の前記長軸の方向の接合長さ以上にすることができる。
（形態５）形態５は第２視点のとおりである。
（形態６）形態６は第３視点のとおりである。
（形態７）電極用ブランクの熱電変換素子に対する接合前、接合中および／接合後に、前記電極用ブランクを部分的に削除して、少なくとも１つの電極を形成する。
（形態８）電極用ブランクまたはそれから形成された電極の熱電変換素子に対する接合および部分的削除は、レーザを用いて同時に実行される。
（形態９）熱電モジュールに要求される性能に応じて、低温側に配置される電極が熱電変換素子から突出する長さが設定される。

好ましくは、熱電変換素子は直方体状または立方体状である。熱電変換素子は円柱状でもよく、その場合は熱電変換素子の側面すなわち側周面に、低温側電極の該周面に合わせて湾曲された主面が接合される。

熱電変換素子と電極（または電極用ブランク）の接合には様々な手法を用いることができ、例えば、加熱接合、加圧接合、抵抗溶接、拡散接合、レーザ溶接、超音波接合、ろう接合、接着剤による接合、ファスナ等による機械的接合およびそれらの組合せである。接合と個々の電極形成を、例えばレーザを用いて同時に実行することができる。

熱電変換素子および電極は、絶縁ないし短絡防止、導電性の確保、あるいは熱抵抗の削減のために、適宜部分的または全体的に、めっきされたり、あるいは絶縁処理されたりすることができる。例えば、低温側電極については、熱電変換素子との接合部を除いて、絶縁塗料を塗布して隣接する他の低温側電極との短絡を防止してもよい。

熱電変換素子の高温側に入力される熱量が過大である場合、高温側電極も、低温側電極と同様に構成して、熱電変換素子に入力される熱量を制限してもよい。

電極用ブランクには可撓性を有する平板または帯板を用いることができる。したがって、熱電変換素子が高密度実装された熱電モジュールを簡単かつ安価に製造することができる。また熱源の形状に合わせた電極の形成が容易であり、任意の形状を持つ熱電モジュールを提供できる。例えば、電極用ブランクに円板または環状板を用い、熱源への装着前または装着後に、レーザ等を用いて電極用ブランクを切断して周状に配列された複数の電極を得ることができる。このように低温側電極の形状自由度および加工自由度が大きいことにより、低温側電極の寸法および形状、特に熱電変換素子からの突出長さを可変することにより、放熱量の調整が容易である。したがって、熱電変換素子の発電性能または加熱冷却性能を調整することが容易である。また低温側電極がヒートシンクとしての機能も十分に担うことができるので、ヒートシンクを用いなくてもよく、その場合には、熱電変換素子から電極を介した雰囲気へ貫流する熱流量が大きくなり、また電極とヒートシンク間の接触熱抵抗を考慮する必要がなくなる。電極ないし電極用ブランクの材料は、熱伝導度が高く、電気抵抗が低く、熱電変換素子との間の熱抵抗を小さくできることが好ましい。例えば、純銅、アルミニウム、金、銀、白金、及びそれらの合金である。銅合金として、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ系やＣｕ−Ｎｉ系を用いることができる。

熱電変換素子の材料は特に限定されず、シリサイド系、Ｓｉ−Ｇｅ系、酸化物系、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｆｅ−Ｖ−Ａｌ系のいずれも用いることができる。熱電変換素子の材料の詳細を下記に例示する：ＰｂＴｅ系、ＴＡＧＳ系、ＬａＴｅ系、充填ステックルダイト系、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｓｅ系、Ｚｎ_４Ｓｂ_３系、およびＦｅ_２ＶＡｌ系。例えば、Ｐ型熱電変換素子として、例えば（Ｂｉ，Ｓｂ）_２Ｔｅ_３を用いることができる。Ｎ型熱電変換素子として、例えばＢｉ_２（Ｔｅ，Ｓｅ）_３を用いることができる。

高温側電極が直接または間接的に接合される廃熱源としては、雰囲気温度に対して相対的に高温の流体が流れる配管、例えば車両の排気管（例えばＳＵＳ製マニホルド）もしくは内燃機関、或いは炉、例えば熱処理炉の排気管が例示されるが、これらに限定されない。

低温側電極は、雰囲気を構成する流体（例えば大気）または冷却用流体と熱交換を行うことができる。低温側電極をカバーまたはハウジング内に収容してもよい。高温側電極は、熱源に直接接触してもよく、あるいは高温側電極ないし熱電モジュール全体を支持する基板を介して熱源に間接的に接触してもよい。

以下、実施形態等を、図面を参照しながら実施例として例示する。

図１を参照すると、熱電モジュール１は、好ましくは２つの熱電変換素子、例えばＮ型およびＰ型熱電変換素子２，３と、熱電変換素子２，３間を接続する電極４を有する。熱電変換素子２は温度差(Temperature Difference)を受けて電位差を生じる性質がある。熱電変換素子２はバルク型であり、与えられる温度差の方向（第１方向）に延在する少なくとも１つの側面２ａ、および温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面２ｂ，２ｃを備える。熱電変換素子３は、上記温度差を受けて熱電変換素子２と逆方向（第２方向）に電位差を生じる性質がある。熱電変換素子３も熱電変換素子２と同様に、少なくとも１つの側面３ａ、および少なくとも２つの端面３ｂ，３ｃを備える。電極４は平板状であり、広い面積をもつ主平面４ａがある。

電極４の主平面４ａが熱電変換素子２，３の側面２ａ，３ａにまたがって接合されることによって、電極４は熱電変換素子２，３を電気的に接続する。電極４ないしその主平面４ａは、低温側(Cold Side)に配置される端面２ｂ，３ｂを温度差の方向(Temperature Difference Direction)に越えて、熱電変換素子２，３の外方へ突出するように構成される（端面２ｂ，３ｂを越えて温度差の方向に熱電変換素子２，３の外方へ突出するように構成される）。温度差の方向は、熱電変換素子２，３の長軸Ｌの方向または側面２ａ，３ａの延在する方向と一致している。

熱電変換素子２は、温度差の方向すなわち側面２ａが延在する方向に長軸Ｌを有し、温度差の方向に直交する方向すなわち端面２ｂが延在する方向に短軸Ｗを有する。熱電変換素子３も熱電変換素子２と同様に長軸Ｌおよび短軸Ｗを有する。熱電変換素子２，３のアスペクト比（長軸Ｌ／短軸Ｗ）は、小さくても２であることが好ましい。さらに３，４，５，・・・，１０など（その間の中間値も含む）必要に応じて任意の値を取ることができる。アスペクト比を大きくすることによって、電極４の接合面積が確保されて接合の信頼性が向上し、また低温側の端面２ｂ，３ｂと高温側の端面２ｃ，３ｃ間の距離、温度差が十分に確保できる。また、アスペクト比を大きくすることによって、熱流量および放熱量を小さくでき電極４のサイズを小さくすることが可能となる。

熱電モジュール１の機能について説明する。熱電モジュール１に端面２ｂ，３ｂが低温側、端面２ｃ，３ｃが高温側となるよう温度差を与えると、熱電変換素子２，３に電位差がそれぞれ生じる。電極４，５を負荷に電気的に接続すると、これらの電位差によって高温側の電極５、熱電変換素子２、低温側の電極４、熱電変換素子３、高温側の電極５を通じて電流が流れる。このとき、低温側の電極４は放熱板としても機能するため、温度差が維持されて継続的に電流が流れる。

熱電モジュール１の長所について説明する。
（１）電極４を熱電変換素子２，３に接合する際、電極４自体が接合の邪魔になることがないため、接合が容易である；
（２）電極４に加えて熱電変換素子２，３の端面２ｂ，３ｂからも有効な放熱が可能である；
（３）導電性に加えて熱交換機能を有する電極４は、熱電変換素子２，３の外方ないし端面２ｂ，３ｂ上方、さらには熱電変換素子２，３の間に延在することができるため、シンプルな平板形状であっても大きな熱交換面積を有することができる；
（４）電極４を薄く形成できるため、電極４は熱電変換素子２，３の端面２ｂ，３ｂの上方における対流を妨げずに放熱の促進に貢献できる。
（５）したがって熱電モジュール１は高い放熱能力を有することができ、比較的小さな温度差を最大限に活用した高効率な熱電変換を可能にする。

なお上述したように熱電モジュール１に温度差を与えると、端子（不図示）を介して電流を取り出すことができる。反対に、この熱電モジュール１に、上記端子を介して電流を供与すると、冷却及び／又は加熱をすることができる。

図２および３を参照して、図１に示した熱電モジュール１が有する低温側の電極４の形成工程の一例を説明する。まず複数の電極４用の素材となる電極用ブランク６（図２参照）を準備する。次に電極用ブランク６上に複数の熱電変換素子２，３を交互に、図１を参照して説明したように接合する。次に電極用ブランク６を複数の切断線ＣＬに沿って切断して複数の電極４を形成する（図３参照）。このように一枚の電極用ブランク６を用いることによって、複数対の熱電変換素子２，３間の電気的接続を一括して実行でき、また複数の電極４の形成が一括して実行できる。なお、高温側の電極５は、上記した低温側の電極４の形成工程に準じて形成してもよく、公知の形成工程により形成してもよい。このようにして、多数のＮ型およびＰ型熱電変換素子２，３が交互に電気的に直列接続され、熱電変換素子２，３の個数に応じて加算された起電力を得ることができる。

図２および３では電極４の接合プロセスと電極４同士の分離プロセスを別々に行う例を説明したが、両工程を例えばレーザを用いて同時に実行することができる。あるいは予め互いに分離された各電極４に熱電変換素子２，３を接合してもよい。

図４は、Ｎ型およびＰ型熱電変換素子２，３の配列を途中で折り返して高密度に実装する工程を説明する模式図である。まず多数のＮ型およびＰ型熱電変換素子２，３と、可撓性がある帯板状の電極用ブランク６，６を準備して、熱電変換素子２，３と低温および高温側電極用ブランク６，６の(i)接合と、(ii)複数の低温側電極４の分離形成および複数の高温側電極５同士の分離形成を、図２および図３に示したように行う。次に、得られた熱電変換素子２，３と電極４，５の集合体を、熱電変換素子２，３の配列方向に沿って長い電極４のところで(iii)折り返す。電極４は単純な平板形状を有するため、容易に折り曲げることができる。このようにして、いくつかの折り返し箇所を有する(iv)熱電モジュール１が提供される。

(iv)熱電モジュール１の(v)正面図中、VI-VI断面が低温側電極４の配置構成（放熱構造）を示し、VII-VII断面が高温側電極５の配置構成（吸熱構造）を示している。低温側電極４の配置構成(vi)を参照すると、低温側には多くの空間が存在するので対流による放熱性がよいことが分かる。高温側電極５の配置構成(vii)を参照すると、高温側には電極５が規則的に配置されているので、電極５を介した熱電モジュール１の保持および取り付けが容易であることが分かる。

以上説明したように熱電モジュール１は、平面だけでなく曲面上に装着することも容易である。このような場合、図４に示したように電極４を折り曲げることもでき、あるいは環状の電極用ブランクから多数の低温側電極４および／または多数の高温側電極５を形成し、周状に配列することもできる。

図５は、周辺雰囲気に対して相対的に高温な流体が流れる配管（不図示）の外周面（熱源）に熱電モジュール１を装着する例を模式的に示している。なお、図５中、電極４，５は切断線ＣＬにそって分離形成される前の様子を示している。高温側電極５は配管の外周面上に間接または直接的に支持され、これによって熱電モジュール１が配管に保持される。低温側電極４は配管周囲の雰囲気に曝されて放熱を行う。このように電極４，５の形状自由度が高いので、熱電モジュール１は様々な環境に適用することができる。また、熱電モジュール１は、高温側電極５ないしそれらを支持する基板を配管のフランジ部と取り付け部材との間で挟持したり、熱電モジュール１を周方向に分割して配管に取り付けた後で、分割された複数の熱電モジュール１を電気的に接続したりしてもよい。

電極４，５の形成方法を説明すると、平板状ブランクを打ち抜いて環状ブランクを作製し、熱電変換素子２，３との接合前、接合中または接合後に、切断線ＣＬに沿って切断を行い、互いに分離されて周状に配列された複数の電極４，５を得ることができる。なお、予め分離された電極４，５を周状に配列してから、熱電変換素子２，３との接合を行うこともできる。

次に低温側電極４の長軸Ｌ方向の長さにより、熱電モジュール１の性能を制御する手法について説明する。本発明者らは、図６中のＳ１〜Ｓ９に示すプロセスにしたがって図７に示すように電極４の長さが互いに異なる試料２〜５(Samples 2-5)の熱電モジュール１を作成し、図６中のＳ１０およびＳ１１に示すように測定を行った。電極４，５は、厚さｔ０．３ｍｍの無酸素銅製のブランクから形成した。熱電変換素子２，３のサイズは縦２×横（幅Ｗ）２×高さ（長さＬ）１６ｍｍとした。また比較のため、試料２〜５と同等のサイズであり、図７の試料１(Sample 1)の構造を有する参考例に係る熱電モジュール２１を作製して同様に測定を行った。

まず図６を参照しながら、試料となる熱電モジュール１の作製方法について説明する。熱電変換素子２，３の材料を秤量して（Ｓ１）、高周波溶解し（Ｓ２）、別に作製した鋳型（Ｓ９）に注湯し（Ｓ３）、脱型し（Ｓ４）、得られたインゴットを所定寸法に切断し（Ｓ５）、電極４，５の接合面となる側面２ａ，３ａ（図１参照）を研磨し（Ｓ６）、電極４，５となる電極用ブランク（銅板）６，６（図２参照）上に熱電変換素子２，３を配置して（Ｓ７）、銀ペーストを用いて熱電変換素子２，３と電極４，５を接合して（Ｓ８）、熱電モジュール１を得た。

電極４，５の形成に関しては、熱電変換素子２，３と接合（Ｓ８）前に予め電極用ブランク６，６（図２参照）を所定寸法に切断して、複数の電極４，５を予め形成しておいてもよい。また、接合（Ｓ８）と同時に例えばレーザを用いて電極用ブランク６，６を切断して、複数の電極４，５を形成してもよい。この場合、銀ペーストを用いる接合に代えて、レーザによる接合を用いることができる。また、接合（Ｓ８）後に上記切断を実行してもよい。

図７の試料１(Sample 1)の構造を有する参考例に係る熱電モジュールについて説明する。試料１の熱電モジュール２１は、熱電変換素子２２，２３の両端面に電極２４，２５が接合されている。高温側電極２５は、セラミック板３０を介して熱源２９上に載置される。

試料１〜５の熱電モジュール２１，１を、摂氏２２０度に設定したホットプレート（熱源２９参照）上に置いて（図６のＳ１０）、それぞれの起電力を測定した（図６のＳ１１）。図８は試料１（参考例）の起電力を１００としたときの各試料の起電力を示し、図９は試料１（参考例）の出力を１００としたときの各試料の出力を示す。

図８および図９を参照して、本開示に基づく試料２〜５の熱電モジュール１の起電力は、順に（電極４の長さが短いものから長いものへの順に）１４５，１５２，１８５および２３３であった。出力は起電力の二乗に比例するので、本開示に基づく試料２〜５の熱電モジュール１の出力は、順に２０２，２３１，３４３および５４４と算出した。このように、本開示に基づく熱電モジュール１はいずれも、参考例に係る熱電モジュール２１に比べて、非常に発電性能が高かった。その理由は、本開示の熱電モジュール１によれば、ヒートシンクを兼ねる帯状の低温側電極４によって熱電変換素子２，３の低温側の冷却が促進されたためと考えられる。

また、低温側電極４の熱電変換素子２，３からの突出長さを変えることによって、熱電モジュール１の性能が変化した。したがって、低温側電極４のサイズを変えることによって、放熱量が変化すること、さらに放熱量が大きくなることで熱電変換素子２，３の両端面間の温度差が大きくなること、よって起電力が増加することが分かった。さらに、熱源２９と雰囲気の温度差、負荷が要求する出力に応じて、低温側電極４の突出長さを可及的に短く設計することにより、熱電モジュール１の設置スペースの最小化が可能であることがわかった。

本開示の熱電モジュールは、ゼーベック効果を利用する発電装置またはセンサ、あるいはペルチェ効果を利用する冷却装置および／または加熱装置に適用できる。本開示の熱電モジュールは、外部からの給電が困難な箇所および強制冷却が困難な箇所に設置することができる。例えば、熱電モジュールはマイクロセンサと併置されてマイクロセンサに給電し、あるいは熱電モジュール単独で温度差の変化に基づいて状態変化を検出するセンサとして機能することができる。熱電モジュールが、外部から給電されて冷却装置および／または加熱装置として機能する場合には、放熱効率が高いため熱効率が向上する。本開示の熱電モジュールは、熱源の装着面が平面である場合だけでなく、曲面である場合にも適用される。

なお、上記の特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。

１ 熱電モジュール
２ Ｎ型熱電変換素子
２ａ 側面
２ｂ 一方の端面（低温側、放熱側、冷却側）
２ｃ 他方の端面（高温側、吸熱側、加熱側）
３ Ｐ型熱電変換素子
３ａ 側面
３ｂ 一方の端面（低温側、放熱側、冷却側）
３ｃ 他方の端面（高温側、吸熱側、加熱側）
４ 低温（放熱、冷却）側の電極
４ａ 主平面
５ 高温（吸熱、加熱）側の電極
６ 電極用ブランク、帯板、平板
Cold Side 低温側
Hot Side 高温側
CL 切断線(Cutting Line)

Claims (9)

1. 温度差を受けて電位差を生じる性質があり、前記温度差の方向に延在する少なくとも１つの側面および前記温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面を備えるバルク型の少なくとも１つの熱電変換素子と、
   前記少なくとも１つの側面に接合され、前記少なくとも２つの端面のうち低温側に配置される一方の端面を前記温度差の方向に越えて当該熱電変換素子の外方へ突出するように構成される少なくとも１つの電極と、
   を有する、ことを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記一方の端面は流体に直接的に暴露されるよう設けられること、
   前記少なくとも１つの電極には導電性と放熱性の両方の性質があること、
   を特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
3. 前記少なくとも１つの熱電変換素子には、前記温度差を受けて前記温度差の方向と平行な第１方向に電位差を発生する性質がある少なくとも１つのＰ型熱電変換素子、および前記温度差を受けて第１方向と逆方向の第２方向に電位差を発生する性質がある少なくとも１つのＮ型熱電変換素子があること、
   前記少なくとも１つの電極は、前記少なくとも１つのＰ型熱電変換素子と前記少なくとも１つのＮ型熱電変換素子の両方に接合されること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の熱電モジュール。
4. 前記少なくとも１つの熱電変換素子は、前記温度差の方向かつ前記少なくとも１つの側面が延在する方向に長軸を有し、前記温度差の方向に直交する方向かつ前記端面が延在する方向に短軸を有し、
   前記少なくとも１つの熱電変換素子において、前記短軸の方向の幅に対する前記長軸の方向の長さのアスペクト比は小さくても２であること、
   前記電極が前記長軸の方向に前記少なくとも１つの熱電変換素子から突出する長さは、前記電極の前記長軸の方向の接合長さ以上であること、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の熱電モジュール。
5. 請求項１〜４のいずれか一に記載の熱電モジュールを発電、冷却および加熱、ならびにセンシングのいずれかのために有することを特徴とする熱電装置。
6. 温度差を受けて前記温度差の方向と平行な第１方向に電位差を発生する性質があり、前記温度差の方向に延在する少なくとも１つの側面および前記温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面を備えるバルク型の少なくとも１つのＮ型熱電変換素子、
   温度差を受けて前記第１方向と逆方向な第２方向に電位差を発生する性質があり、前記温度差の方向に延在する少なくとも１つの側面および前記温度差の方向と交差する少なくとも２つの端面を備えるバルク型の少なくとも１つのＰ型熱電変換素子、および
   導電性と放熱性の両方の性質がある少なくとも１つの電極用ブランクを準備すること、
   前記少なくとも１つの電極用ブランクを、前記少なくとも１つのＰ型熱電変換素子の少なくとも１つの側面と前記少なくとも１つのＮ型熱電変換素子の少なくとも１つの側面との間に、当該Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の前記少なくとも２つの端面のうち低温側に配置される一方の端面を前記温度差の方向に越えて当該熱電変換素子の外方へ突出するように、電気的に接続することを含むことを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
7. 前記少なくとも１つの電極用ブランクと前記熱電変換素子との接合前、接合中および／接合後に、前記少なくとも１つの電極用ブランクを部分的に削除して、少なくとも１つの電極を形成する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の熱電モジュールの製造方法。
8. 前記電極用ブランクまたはそれから形成された電極の接合および部分的削除は、レーザを用いて同時に実行されることを特徴とする請求項６又は７記載の熱電モジュールの製造方法。
9. 前記熱電モジュールに要求される性能に応じて、低温側に配置される前記少なくとも１つの電極が前記熱電変換素子から突出する長さを設定することを特徴とする請求項７又は８記載の熱電モジュールの製造方法。