JP2017183709A - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】互いに異なる熱膨張率の熱電変換材料をそれぞれ用いて形成したｎ型熱電変換素子およびｐ型熱電変換素子を組み合わせてなる、基板から熱電変換素子が剥離することを防止できる熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂとは、互いに熱膨張率が異なる材料からなり、ｎ型熱電変換素子の一面側と、ｐ型熱電変換素子の一面側とが、互いに共通の絶縁性基板２１の一面側に並べて接合され、ｎ型熱電変換素子の他面側と、ｐ型熱電変換素子の他面側には、それぞれ熱伝導性部材１１Ａ、１１Ｂが独立して個々に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１
【解決手段】ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂとは、互いに熱膨張率が異なる材料からなり、ｎ型熱電変換素子の一面側と、ｐ型熱電変換素子の一面側とが、互いに共通の絶縁性基板２１の一面側に並べて接合され、ｎ型熱電変換素子の他面側と、ｐ型熱電変換素子の他面側には、それぞれ熱伝導性部材１１Ａ、１１Ｂが独立して個々に形成されていることを特徴とする。
【選択図】図１
Description
この発明は、複数の熱電変換素子を電気的に接続してなる熱電変換モジュールに関するものである。
熱電変換素子は ゼーベック効果、ペルティエ効果といった、熱と電気とを相互に変換可能な電子素子である。ゼーベック効果は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効果であり、熱電変換材料の両端に温度差を生じさせると起電力が発生する現象である。こうした起電力は熱電変換材料の特性によって決まる。近年ではこの効果を利用した熱電発電の開発が盛んである（例えば、特許文献１参照）。
一方、ペルティエ効果は電気エネルギーを熱エネルギーに変換する効果であり、熱電変換材料の両端に電極等を形成して電極間で電位差を生じさせると、熱電変換材料の両端に温度差が生じる現象である。こうした効果をもつ素子は特にペルティエ素子と呼ばれ、精密機器や小型冷蔵庫などの冷却や温度制御に利用されている（例えば、特許文献２参照）。
こうした熱電変換素子を複数、電気的に接続して構成される熱電変換モジュールは、一般的に、互いに半導体型が同一の熱電変換素子どうしを接続したユニレグ型熱電変換モジュールと、互いに異なる半導体型、即ちｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とを交互に接続したπ（パイ）型熱電変換モジュールとが知られている。
このうち、π（パイ）型熱電変換モジュールは、ユニレグ型熱電変換モジュールと比較して電気的な接続構成を単純にすることができ、かつ、ｐ−ｎ接続によって効率よく熱電変換を行うことができる。
従来、こうしたπ型熱電変換モジュールは、電極板などで互いに接続された多数のｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子の一面側および他面側を、それぞれ１枚の絶縁板に接合した構成となっている。
従来、こうしたπ型熱電変換モジュールは、電極板などで互いに接続された多数のｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子の一面側および他面側を、それぞれ１枚の絶縁板に接合した構成となっている。
上述したπ（パイ）型熱電変換モジュールにおいて、互いに異なる組成の熱電変換材料を用いる場合には、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子の熱膨張率も互いに異なっている。このため、従来のように、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子の一面側および他面側を、それぞれ１枚の絶縁板に接合させた構成では、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子との熱膨張率の違いによって、どちらか一方の熱電変換素子が絶縁板から剥離したり、素子が割れたりする不具合が生じる懸念があった。
この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、互いに異なる熱膨張率の熱電変換材料をそれぞれ用いて形成したｎ型熱電変換素子およびｐ型熱電変換素子を組み合わせてなる熱電変換モジュールにおいて、基板から熱電変換素子が剥離すること、あるいは熱電変換素子が割れることを防止できる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の熱電変換モジュールは、ｎ型熱電変換素子と、ｐ型熱電変換素子とが、電極板を介して交互に直列接続してなる熱電変換モジュールであって、前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子とは、互いに熱膨張率が異なる材料からなり、前記ｎ型熱電変換素子の一面側と、前記ｐ型熱電変換素子の一面側とが、互いに共通の絶縁性基板の一面側に並べて接合され、前記ｎ型熱電変換素子の他面側と、前記ｐ型熱電変換素子の他面側には、それぞれ熱伝導性部材が独立して個々に形成されていることを特徴とする。
熱電変換モジュールの動作時（熱電変換時）においては、互いに異なる熱膨張率をもつ材料で形成されたｎ型熱電変換材料とｐ型熱電変換材料とは、高熱側の熱によって、互いに異なる大きさとなるように熱膨張する。例えば、ｎ型熱電変換材料がｐ型熱電変換材料よりも熱膨張率が大きい場合、ｎ型熱電変換材料がｐ型熱電変換材料よりも大きく膨張する。
しかし、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子は、一面側だけが共通の絶縁性基板に接合され、他面側に形成された熱伝導性部材は、個々のｎ型熱電変換素子およびｐ型熱電変換素子ごとにそれぞれ独立して形成され、相互に干渉しないため、ｎ型熱電変換素子やｐ型熱電変換素子から熱伝導性部材が剥離したり、あるいは素子が割れたりする懸念が無い。ｎ型熱電変換素子はｐ型熱電変換素子よりも大きく膨張することが許容され、ｎ型熱電変換素子に形成された熱伝導性部材の端部が、ｐ型熱電変換素子に形成された熱伝導性部材の先端よりも突出することができる。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記ｎ型熱電変換素子の他面側と前記熱伝導性部材との間、および前記ｐ型熱電変換素子の他面側と前記熱伝導性部材との間には、それぞれ熱伝導性絶縁層が配されていることが好ましい。
この場合、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の他面側と熱伝導性部材との間の絶縁性が確保されるので、熱伝導性部材が他の金属製部材と接触した際に生じる電流リークを防止することができ、安全性の高い熱電変換モジュールを実現できる。
この場合、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の他面側と熱伝導性部材との間の絶縁性が確保されるので、熱伝導性部材が他の金属製部材と接触した際に生じる電流リークを防止することができ、安全性の高い熱電変換モジュールを実現できる。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、互いに隣接する前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子との間に、更に遮熱部材を配したことが好ましい。
この場合、遮熱部材によって一面側から他面側への伝熱が抑制され、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の一面側と他面側とで温度差を維持することができ、発電効率が向上することになる。
この場合、遮熱部材によって一面側から他面側への伝熱が抑制され、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の一面側と他面側とで温度差を維持することができ、発電効率が向上することになる。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記遮熱部材は、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子が貫通可能な、多数の開口が形成された遮熱板であることが好ましい。
この場合、遮熱板によって一面側の輻射熱が他面側へと伝達されることが抑制され、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の一面側と他面側とで温度差を維持することができ、発電効率が向上することになる。
この場合、遮熱板によって一面側の輻射熱が他面側へと伝達されることが抑制され、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の一面側と他面側とで温度差を維持することができ、発電効率が向上することになる。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記絶縁性基板の他面側、および前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子が配列された領域の周囲を取り囲むように、保護カバーが形成されていることが好ましい。
この場合、保護カバーによって、熱電変換モジュールの腐蝕や汚損を防止し、熱電変換モジュールの熱電変換効率の低下を防止することができる。
この場合、保護カバーによって、熱電変換モジュールの腐蝕や汚損を防止し、熱電変換モジュールの熱電変換効率の低下を防止することができる。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記熱伝導性部材は、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）以上の材料からなることが好ましい。
この場合、前記熱伝導性部材の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）以上と比較的大きくされているので、効率良く吸熱及び放熱することができる。
この場合、前記熱伝導性部材の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）以上と比較的大きくされているので、効率良く吸熱及び放熱することができる。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記ｎ型熱電変換素子の他面側と、前記ｐ型熱電変換素子の他面側に形成された前記熱伝導性部材の先端部が、冷却液中に浸漬されていることが好ましい。
この構成の熱電変換モジュールによれば、前記ｎ型熱電変換素子の他面側と、前記ｐ型熱電変換素子の他面側に形成された前記熱伝導性部材の先端部を冷却液中に浸漬させることで、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の一面側と他面側とで温度差を維持することができ、発電効率が向上することになる。
この構成の熱電変換モジュールによれば、前記ｎ型熱電変換素子の他面側と、前記ｐ型熱電変換素子の他面側に形成された前記熱伝導性部材の先端部を冷却液中に浸漬させることで、前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子の一面側と他面側とで温度差を維持することができ、発電効率が向上することになる。
本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記絶縁性基板の前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子が接合された面とは反対側の面に、金属層が形成されていることが好ましい。
この構成の熱電変換モジュールによれば、前記絶縁性基板の前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子が接合された面とは反対側の面に、金属層が形成されているので、この金属層を介して熱源を配置することができ、前記絶縁性基板に対する熱衝撃を抑え、絶縁性基板の寿命延長を図ることができる。
この構成の熱電変換モジュールによれば、前記絶縁性基板の前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子が接合された面とは反対側の面に、金属層が形成されているので、この金属層を介して熱源を配置することができ、前記絶縁性基板に対する熱衝撃を抑え、絶縁性基板の寿命延長を図ることができる。
本発明の熱電変換モジュールによれば、互いに異なる熱膨張率の熱電変換材料をそれぞれ用いて形成したｎ型熱電変換素子およびｐ型熱電変換素子を組み合わせてなる熱電変換モジュールにおいて、基板から熱電変換素子が剥離することや熱電変換素子が割れることを防止できる。
以下、図面を参照して、本発明の熱電変換モジュールについて説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
（熱電変換モジュール：第一実施形態）
図１は、第一実施形態の熱電変換モジュールを側面から見た時の断面図である。
第一実施形態の熱電変換モジュール２０は、異なる半導体型、例えばｐ型およびｎ型の熱電変換材料を直列に接続してなるπ（パイ）型の熱電変換モジュールである。
熱電変換モジュール２０は、絶縁性基板２１と、この絶縁性基板２１の一面側２１ａに交互に配列されたｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂと、を備えている。
図１は、第一実施形態の熱電変換モジュールを側面から見た時の断面図である。
第一実施形態の熱電変換モジュール２０は、異なる半導体型、例えばｐ型およびｎ型の熱電変換材料を直列に接続してなるπ（パイ）型の熱電変換モジュールである。
熱電変換モジュール２０は、絶縁性基板２１と、この絶縁性基板２１の一面側２１ａに交互に配列されたｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂと、を備えている。
絶縁性基板２１は、全てのｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂが接合される共通の１枚の基板である。絶縁性基板２１は、絶縁性で、かつ熱伝導性に優れた材料、例えば、炭化ケイ素、窒素ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、サイアロンなどの板材を用いることができる。
なお、絶縁性基板２１は、基材として導電性の金属材料を用い、周囲に樹脂膜やセラミックス薄膜などの絶縁層を形成した複合基板を用いることもできる。
なお、絶縁性基板２１は、基材として導電性の金属材料を用い、周囲に樹脂膜やセラミックス薄膜などの絶縁層を形成した複合基板を用いることもできる。
こうした絶縁性基板２１は、後述する熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂの一方の面１１ａに熱を加えたり、熱を吸収させたりする媒体である。絶縁性基板２１の熱伝導率は、例えば、２０Ｗ／（ｍＫ）以上であることが好ましい。
熱電変換素子１０Ａは、その一面側１０ａで絶縁性基板２１に接合され、ｎ型熱電変換材料１１Ａの一方の面１１ａおよび他方の面１１ｂにメタライズ層１２ａ，１２ｂをそれぞれ形成したものからなる。
ｎ型熱電変換材料１１Ａの具体例としては、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）にドーパントとしてアンチモン（Ｓｂ）を添加して焼結して得られた熱電変換材料を切断し、所望の形状に加工してなる。なお、焼結時にＳｉＯ２等のシリコン酸化物を０．５ｍｏｌ％〜１３．０ｍｏｌ％添加することができる。シリコン酸化物を添加することで、熱電変換材料の硬度や、発電効率が上昇する。
本実施形態のｎ型熱電変換材料１１Ａは、Ｍｇ２Ｓｉにアンチモンを０．５ａｔ％含むものからなるマグネシウム系焼結体を用いている。なお、本実施形態では、５価ドナーであるアンチモンの添加によって、キャリア密度の高いｎ型熱電変換材料となっている。なお、本実施形態のｎ型熱電変換材料１１Ａの熱膨張率は５００℃で例えば１２．５×１０−６／Ｋ〜１７．５×１０−６／Ｋ程度である。
なお、ｎ型熱電変換材料１１Ａを構成するマグネシウム系化合物としては、Ｍｇ２Ｓｉ以外にも、Ｍｇ２ＳｉＸＧｅ１−Ｘ、Ｍｇ２ＳｉＸＳｎ１−ｘなど、Ｍｇ２Ｓｉに他の元素を付加した化合物も同様に用いることができる。
また、ｎ型熱電変換材料１１Ａのドナーとしては、アンチモン以外にも、ビスマス、アルミニウム、リン、ヒ素などを用いることができる。
熱電変換素子１０Ｂは、その一面側１０ａで絶縁性基板２１に接合され、ｐ型熱電変換材料１１Ｂの一方の面１１ａおよび他方の面１１ｂに、メタライズ層１２ａ，１２ｂをそれぞれ形成したものからなる。
ｐ型熱電変換材料１１Ｂの具体例としては、ＭｎＳｉ1.73、Ｍｎ３４．６Ｗ１．８Ｓｉ６３．６、Ｍｎ３０．４Ｒｅ６Ｓｉ６３．６などを焼結して得られた熱電変換材料を切断し、所望の形状に加工してなる。本実施形態では、ｐ型熱電変換材料１１Ｂとして、ＭｎＳｉ1.73からなるマンガン系焼結体を用い、熱膨張率は、例えば５００℃で１０．０×１０−６／Ｋ〜１１．５×１０−６／Ｋ程度である。
メタライズ層１２ａ、１２ｂは、ｎ型熱電変換材料１１Ａやｐ型熱電変換材料１１Ｂに電極板１３ａ，１３ｂを接合する中間層であり、例えば、ニッケル、銀、コバルト、タングステン、モリブデン等や、あるいはそれらの金属繊維でできた不織布等が用いられる。
本実施形態では、メタライズ層１２ａ、１２ｂとしてニッケルを用いている。メタライズ層１２ａ、１２ｂは、焼結、メッキ、電着等によって形成することができる。
本実施形態では、メタライズ層１２ａ、１２ｂとしてニッケルを用いている。メタライズ層１２ａ、１２ｂは、焼結、メッキ、電着等によって形成することができる。
互いに隣接して配されたｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂとは、電極板１３ａ，１３ｂを介して電気的に直列に接続されている。具体的には、ｎ型熱電変換材料１１Ａのメタライズ層１２ａと、隣に配されたｐ型熱電変換材料１１Ｂのメタライズ層１２ａとが、電極板１３ａによって接続される。そして、このｐ型熱電変換材料１１Ｂのメタライズ層１２ｂと、更に隣に配されたｎ型熱電変換材料１１Ａのメタライズ層１２ｂとが、電極板１３ｂによって接続される。
電極板１３ａ，１３ｂは、導電性に優れた金属材料、例えば、銅やアルミニウムなどの板材から形成されている。本実施形態では、アルミニウムの圧延板を用いている。また、メタライズ層１２ａ、１２ｂと電極板１３ａ，１３ｂとは、ＡｇろうやＡｇペースト等によって接合することができる。
このように配列された多数のｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂは、電気的に一繋がりとなるように直列に接続されている。即ち、π（パイ）型の熱電変換モジュール２０は、ｎ型熱電変換素子１０Ａと、ｐ型熱電変換素子１０Ｂとが交互に繰り返し直列に接続されてなる。
なお、図１では手前側の１列分のｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂだけを示しているが、実際には、図面奥行方向にも同様にｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂとが交互に数列分配置されている。
こうした構成によって、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの一面側１０ａと他面側１０ｂとの間に温度差を生じさせることによって、電極板１３ａと電極板１３ｂとの間に電位差を生じさせるゼーベック素子として用いることができる。
また、例えば、電極板１３ａ側と電極板１３ｂとの間に電圧を印加することによって、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの一面側１０ａと他面側１０ｂとの間に温度差を生じさせるペルティエ素子として用いることができる。例えば、電極板１３ａ側と電極板１３ｂとの間に電流を流すことによって、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの一面側１０ａまたは他面側１０ｂを冷却、または加熱することができる。
ｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂのそれぞれの他面側１０ｂには、熱伝導性部材２２が形成されている。即ち、個々のｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂごとに、それぞれ独立した熱伝導性部材２２，２２…が形成されている。
こうした熱伝導性部材２２，２２…は、絶縁性で、かつ熱伝導性に優れた材料、例えば、炭化ケイ素、窒素ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどの棒材や板材などや、あるいは表面積を大きくとるために表面に凹凸を設けた構造の棒材や板材などを用いることができる。熱伝導性部材２２は、熱電変換材料１１Ａ，１１Ｂの他方の面１１ｂに熱を加えたり、熱を吸収させたりする媒体である。即ち、放熱あるいは吸熱のための部材である。
熱伝導性部材２２，２２…の熱伝導率は、例えば、１０Ｗ／（ｍＫ）以上であることが好ましい。また、これらの熱伝導性部材２２、２２…は、熱伝導性に優れた材料、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、マグネシウムやマグネシウム合金、銅や銅合金などの棒材や板材、あるいは表面積を大きくとるために表面に凹凸を設けた構造の棒材や板材などを用いることもできる。
熱伝導性部材２２，２２…の熱伝導率は、例えば、１０Ｗ／（ｍＫ）以上であることが好ましい。また、これらの熱伝導性部材２２、２２…は、熱伝導性に優れた材料、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、マグネシウムやマグネシウム合金、銅や銅合金などの棒材や板材、あるいは表面積を大きくとるために表面に凹凸を設けた構造の棒材や板材などを用いることもできる。
更に、互いに隣接するｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂとの間に、遮熱部材２４が配されている。具体的には、遮熱部材２４は、ｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂが貫通可能な、多数の開口が形成された遮熱板からなり、ｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂにおいて、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂとの隙間を覆うように形成されている。
こうした遮熱部材２４は、ｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂの一面側１０ａから輻射熱が他面側１０ｂに伝搬して、一面側１０ａと他面側１０ｂとの間の温度差が減少し、熱電変換効率が低下することを防止する。
あるいは遮熱部材２４は、ｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂから、輻射熱が一面側１０ａに伝搬することを防止する部材とすることもできる。
あるいは遮熱部材２４は、ｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂから、輻射熱が一面側１０ａに伝搬することを防止する部材とすることもできる。
遮熱部材２４は、熱伝導性が低く、かつ絶縁性の部材、例えば、アルミナ、サイアロン板、ロックウール製断熱材、アルミナ、シリカなどの繊維からできた断熱材から構成されている。
又、遮熱部材２４として、赤外線を反射するステンレス、アルミニウム、銅、鋼などの金属の板や箔などを用いることもできるが、この場合、これらの金属の板や箔が熱電変換素子１０Ａや１０Ｂと接触しない程度の開口部を設ける必要がある。
又、遮熱部材２４として、赤外線を反射するステンレス、アルミニウム、銅、鋼などの金属の板や箔などを用いることもできるが、この場合、これらの金属の板や箔が熱電変換素子１０Ａや１０Ｂと接触しない程度の開口部を設ける必要がある。
これら遮熱部材２４と絶縁性基板２１とは、その周縁部分で、例えばネジ及びビスなどからなる締結部材２３によって、ｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂを挟み込むように一体化されている。
また、絶縁性基板の他面側２１ｂ、およびｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂが配列された領域の周囲を取り囲むように、保護カバー２５が形成されている。こうした保護カバー２５は、熱電変換モジュール２０の腐蝕や汚損を防止し、熱電変換モジュール２０の熱電変換効率の低下を防止する。
保護カバー２５は、例えば、ステンレス、鋼やアルミニウムからなる板材などから構成されている。
保護カバー２５は、例えば、ステンレス、鋼やアルミニウムからなる板材などから構成されている。
以上の様な構成の本実施形態の熱電変換モジュール２０の作用を説明する。
熱電変換モジュール２０を、例えばゼーベック素子として用いる際には、絶縁性基板２１と、個々のｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂにそれぞれ形成された熱伝導性部材２２，２２…とをそれぞれ介して、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの一面側１０ａと他面側１０ｂとの間に温度差を生じさせることによって、電極板１３ａと電極板１３ｂとの間に電位差を生じさせることができる。
熱電変換モジュール２０を、例えばゼーベック素子として用いる際には、絶縁性基板２１と、個々のｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂにそれぞれ形成された熱伝導性部材２２，２２…とをそれぞれ介して、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの一面側１０ａと他面側１０ｂとの間に温度差を生じさせることによって、電極板１３ａと電極板１３ｂとの間に電位差を生じさせることができる。
図２は、本実施形態の熱電変換モジュールの動作時の様子を示した要部拡大断面図である。
熱電変換モジュール２０の動作時（熱電変換時）においては、互いに異なる熱膨張率をもつ材料で形成されたｎ型熱電変換材料１１Ａとｐ型熱電変換材料１１Ｂとは、高熱側、例えば一面側１０ａの熱によって、互いに異なる大きさとなるように熱膨張する。
熱電変換モジュール２０の動作時（熱電変換時）においては、互いに異なる熱膨張率をもつ材料で形成されたｎ型熱電変換材料１１Ａとｐ型熱電変換材料１１Ｂとは、高熱側、例えば一面側１０ａの熱によって、互いに異なる大きさとなるように熱膨張する。
本実施形態では、ｎ型熱電変換材料１１Ａは、ｐ型熱電変換材料１１Ｂよりも熱膨張率が大きいため、例えば、厚み方向に沿ってｎ型熱電変換材料１１Ａがｐ型熱電変換材料１１Ｂよりも大きく膨張する。
しかし、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂは、一面側１０ａだけが共通の基板である絶縁性基板２１に電極板１３ａを介して接合され、他面側１０ｂに形成された熱伝導性部材２２，２２…は、個々のｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂごとにそれぞれ独立して形成されているため、ｎ型熱電変換素子１０Ａやｐ型熱電変換素子１０Ｂからメタライズ層１２ａ、１２ｂ、あるいは電極板１３ａ、１３ｂが剥離する懸念が無い。また、熱電変換素子１０Ａ、１０Ｂに割れが生じる懸念が無い。ｎ型熱電変換素子１０Ａはｐ型熱電変換素子１０Ｂよりも大きく膨張することが許容され、ｎ型熱電変換素子１０Ａに形成された熱伝導性部材２２の先端が、ｐ型熱電変換素子１０Ｂに形成された熱伝導性部材２２の先端よりも突出することができる。
なお、こうしたｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの熱膨張率の違いによって、電極板１３ｂは多少屈曲するが、電極板１３ｂは展性や延性に優れた銅やアルミニウムなどの板材や箔、箔を多層に重ねた電極から形成されているので、屈曲してもｎ型熱電変換素子１０Ａやｐ型熱電変換素子１０Ｂから剥離することはない。
以上のように、本実施形態の熱電変換モジュール２０によれば、互いに異なる熱膨張率のｎ型熱電変換材料１１Ａとｐ型熱電変換材料１１Ｂとをそれぞれ用いて形成したｎ型熱電変換素子１０Ａおよびｐ型熱電変換素子１０Ｂを組み合わせてなる熱電変換モジュール２０であっても、絶縁性基板２１や熱伝導性部材２２，２２…から熱電変換素子１０Ａ，１０Ｂが剥離することを防止できる。
（熱電変換モジュール：第二実施形態）
図３は、第二実施形態の熱電変換モジュールを示す要部拡大断面図である。
第二実施形態の熱電変換モジュール３０では、ｎ型熱電変換素子１０Ａの他面側１０ｂと熱伝導性部材３２との間、およびｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂと熱伝導性部材３２との間に、それぞれ熱伝導性絶縁層３３を形成したものである。
図３は、第二実施形態の熱電変換モジュールを示す要部拡大断面図である。
第二実施形態の熱電変換モジュール３０では、ｎ型熱電変換素子１０Ａの他面側１０ｂと熱伝導性部材３２との間、およびｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂと熱伝導性部材３２との間に、それぞれ熱伝導性絶縁層３３を形成したものである。
このような熱伝導性絶縁層３３は、例えば、炭化ケイ素、窒素ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムなどから構成することができる。それぞれの熱伝導性部材３２に接して熱伝導性絶縁層３３を形成することによって、熱伝導性部材３２と電極板１３ｂとの間の絶縁性が確保される。これによって、熱伝導性に優れた金属を用いて、熱伝導性部材３２，３２…を形成した場合、熱伝導性部材３２が他の金属製部材と接触した際に生じる電流リークを防止することができ、安全性の高い熱電変換モジュールを実現できる。
（熱電変換モジュール：第三実施形態）
図４は、第三実施形態の熱電変換モジュールを示す要部拡大断面図である。
第三実施形態の熱電変換モジュール４０では、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂにそれぞれ電極板４１ａ，４１ｂを形成し、この電極板４１ａと電極板４１ｂとの間を柔軟なリード線４２で接続したものである。
これによって、ｎ型熱電変換材料１１Ａとｐ型熱電変換材料１１Ｂとの熱膨張率差による、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂにおける位置ズレが大きくなっても、ｎ型熱電変換素子１０Ａの他面側１０ｂとｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂとの間で導電性を確実に確保することができる。
図４は、第三実施形態の熱電変換モジュールを示す要部拡大断面図である。
第三実施形態の熱電変換モジュール４０では、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂにそれぞれ電極板４１ａ，４１ｂを形成し、この電極板４１ａと電極板４１ｂとの間を柔軟なリード線４２で接続したものである。
これによって、ｎ型熱電変換材料１１Ａとｐ型熱電変換材料１１Ｂとの熱膨張率差による、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂにおける位置ズレが大きくなっても、ｎ型熱電変換素子１０Ａの他面側１０ｂとｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂとの間で導電性を確実に確保することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
例えば、図５に示す熱電変換モジュール５０のように、ｎ型熱電変換素子１０Ａとｐ型熱電変換素子１０Ｂの他面側１０ｂに形成された熱伝導性部材２２の先端を、貯留槽５１に貯留した冷却液５２中に浸漬する構成としてもよい。このような構成とすることにより、ｎ型熱電変換素子１０Ａ及びｐ型熱電変換素子１０Ｂの一面側１０ａと他面側１０ｂとで温度差を維持することができ、発電効率が向上することになる。
また、図６に示す熱電変換モジュール６０のように、絶縁性基板２１のｎ型熱電変換素子１０Ａ及びｐ型熱電変換素子１０Ｂが接合された面とは反対側の面に、金属層６１が形成されていてもよい。このような構成とすることにより、金属層６１を介して熱源を配置することができ、絶縁性基板２１に対する熱衝撃を抑え、絶縁性基板２１の寿命延長を図ることができる。
さらに、熱伝導性部材の形状については、本実施形態の形状に限定されることはなく、様々な形態を採用することができる。例えば、図７（ａ）に示す熱伝導性部材１２１のように断面星形形状としたり、図７（ｂ）に示す熱伝導性部材２２１のように断面多角形状としたり、図７（ｃ）に示す熱伝導性部材３２１のように多段形状としたり、図７（ｄ）に示す熱伝導性部材４２１のようにフィン４２１Ａを突出させたりして、表面積を大きくしてもよい。
あるいは、図７（ｅ）に示す熱伝導性部材５２１のように、貫通孔５２１Ａを設けて、この貫通孔５２１Ａに冷却媒体が流通するように構成してもよい。また、熱伝導性部材を金属の多孔質体で構成してもよい。
あるいは、図７（ｅ）に示す熱伝導性部材５２１のように、貫通孔５２１Ａを設けて、この貫通孔５２１Ａに冷却媒体が流通するように構成してもよい。また、熱伝導性部材を金属の多孔質体で構成してもよい。
１０Ａ ｎ型熱電変換素子
１０Ｂ ｐ型熱電変換素子
１１Ａ ｎ型熱電変換材料
１１Ｂ ｐ型熱電変換材料
１２ａ、１２ｂ メタライズ層
１３ａ、１３ｂ 電極板
２２、１２１、２２１、３２１、４２１、５２１ 熱伝導性部材
１０Ｂ ｐ型熱電変換素子
１１Ａ ｎ型熱電変換材料
１１Ｂ ｐ型熱電変換材料
１２ａ、１２ｂ メタライズ層
１３ａ、１３ｂ 電極板
２２、１２１、２２１、３２１、４２１、５２１ 熱伝導性部材
Claims (8)
- ｎ型熱電変換素子と、ｐ型熱電変換素子とが、電極板を介して交互に直列接続してなる熱電変換モジュールであって、
前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子とは、互いに熱膨張率が異なる材料からなり、
前記ｎ型熱電変換素子の一面側と、前記ｐ型熱電変換素子の一面側とが、互いに共通の絶縁性基板の一面側に並べて接合され、
前記ｎ型熱電変換素子の他面側と、前記ｐ型熱電変換素子の他面側には、それぞれ熱伝導性部材が独立して個々に形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 前記ｎ型熱電変換素子の他面側と前記熱伝導性部材との間、および前記ｐ型熱電変換素子の他面側と前記熱伝導性部材との間には、それぞれ熱伝導性絶縁層が配されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
- 互いに隣接する前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子との間に、更に遮熱部材を配したことを特徴とする請求項１または２記載の熱電変換モジュール。
- 前記遮熱部材は、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子が貫通可能な、多数の開口が形成された遮熱板であることを特徴とする請求項３記載の熱電変換モジュール。
- 前記絶縁性基板の他面側、および前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子が配列された領域の周囲を取り囲むように、保護カバーが形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
- 前記熱伝導性部材は、熱伝導率が１０Ｗ／（ｍＫ）以上の材料からなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
- 前記ｎ型熱電変換素子の他面側と、前記ｐ型熱電変換素子の他面側に形成された前記熱伝導性部材の先端部が、冷却液中に浸漬されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
- 前記絶縁性基板の前記ｎ型熱電変換素子及び前記ｐ型熱電変換素子が接合された面とは反対側の面に、金属層が形成されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
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