JP2018041775A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱応力を緩和することが可能な熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】複数の熱電素子１１０と、複数の熱電素子１１０を電気的に接続するための複数の電極１２０，１３０と、低温側に配置された絶縁基板１４０とを備えた熱電変換モジュール１００において、高温側に配置された高温側電極１３０は、高温側に突出するような形状を有しており、高温側に突出した部分の一部が、ガスバーナー１０の火炎１１によって加熱される加熱面を構成する。【選択図】図６

Description

本発明は、熱電発電用の熱電変換モジュールに関する。

従来より、熱電発電用の熱電変換モジュールが知られている。このような熱電変換モジュールは、一般に、複数の熱電素子（ｎ型半導体素子及びｐ型半導体素子）と、複数の熱電素子を電気的に接続するための複数の金属電極と、複数の熱電素子及び複数の金属電極を挟持する一対の絶縁基板（例えば、セラミック基板）とによって構成されている。

熱電発電用の熱電変換モジュールにおいては、高温面（高温側絶縁基板）と低温面（低温側絶縁基板）との間に所定（例えば、３００℃程度）の温度差を与えることによって発電が行われる。発電の際に熱電変換モジュールに与えられる温度差によって、通常、熱電変換モジュール内において熱応力が発生することとなるが、その熱応力が原因となって、熱電素子が破壊されたり、熱電素子と金属電極との接合面において剥離が生じたりすることがある。

なお、特開２０１５−１７７０４９号公報には、熱電半導体を破壊したり、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を生じたりするのを抑制するため、熱電変換モジュールの高温側電極部を、開口部を有する半環状（半円筒形状）の板ばねから構成することが記載されている。

特開２０１５−１７７０４９号公報

本発明の目的は、熱応力を緩和することが可能な熱電変換モジュールを提供することにある。

本発明に係る熱電変換モジュールは、複数の熱電素子と、少なくとも一方の端部が前記熱電素子の高温側端部と接続された複数の電極とを備え、前記電極は、高温側に突出する突出部を有し、前記突出部は、火炎によって加熱されることを特徴とする。

この場合において、前記突出部は、火炎によって加熱される加熱面を有し、当該加熱面は、前記複数の熱電素子の並び方向と平行であるようにしてもよい。更に、この場合、前記加熱面は、前記熱電素子の高温側端面と垂直をなすようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記突出部は、Ｕ字状に折り曲げられているようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記突出部は、一対の直立部と、当該一対の直立部を連結する屈曲部とを備え、前記一対の直立部の少なくとも一方が火炎によって加熱されるようにしてもよい。この場合において、前記直立部は、火炎によって加熱される加熱面を有し、当該加熱面は、前記熱電素子の高温側端面に対して直交すると共に、前記複数の熱電素子の並び方向と平行な面であるようにしてもよい。

また、以上の場合において、前記電極は、一対の接合部を備え、当該一対の接合部は、前記複数の熱電素子の並び方向とは垂直な方向に並ぶように配置されるようにしてもよい。

以上の場合において、前記複数の熱電素子は、ｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子のいずれか一方のみによって構成されているようにしてもよい。この場合において、前記複数の熱電素子は、直線状に配置されているようにしてもよい。また、低温側に配置された絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された低温側電極とを更に備え、当該低温側電極と、高温側に配置された前記電極とによって、前記複数の熱電素子が直列に接続されるようにしてもよい。

また、前記複数の熱電素子は、ｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子によって構成されているようにしてもよい。この場合において、前記ｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子はそれぞれ、直線状に配置されているようにしてもよい。また、低温側に配置された絶縁基板と、当該絶縁基板上に形成された低温側電極とを更に備え、高温側に配置された前記電極によって、隣接するｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子の高温側端部が接続されて、π型熱電素子が構成され、前記低温側電極によって、前記π型熱電素子が直列に接続されるようにしてもよい。

本発明によれば、熱電変換モジュール内において発生する熱応力を緩和することが可能となる。

本発明による熱電変換モジュール（第一実施形態）の構成を説明するための平面図及び正面図である。 本発明による熱電変換モジュール（第一実施形態）の構成を説明するための右側面図及び背面図である。 低温側電極１２０の構成を説明するための図である。 高温側電極１３０の構成を説明するための図である。 熱電変換モジュール１００の製造方法を説明するための図である。 熱電変換モジュール１００の使用時の様子を説明するための図である。 本発明による別の熱電変換モジュール（第二実施形態）の構成を説明するための平面図及び正面図である。 本発明による別の熱電変換モジュール（第二実施形態）の構成を説明するための右側面図及び背面図である。 熱電素子２１１，２１２と低温側電極１２０との接続形態を説明するための図である。 高温側電極２３０の構成を説明するための図である。 熱電変換モジュール２００の製造方法を説明するための図である。 熱電変換モジュール２００の使用時の様子を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

《第一実施形態》
図１及び図２は、本発明による熱電変換モジュール（第一実施形態）の構成を説明するための図である。図１（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は正面図を示し、図２（ａ）は右側面図を示し、同図（ｂ）は背面図を示す。

図１及び図２に示すように、本発明による熱電変換モジュール１００は、複数（本実施形態においては、４つ）の熱電素子１１０（１１０ａ〜１１０ｄ）と、複数の熱電素子１１０を電気的に接続するための複数の電極１２０（１２０ａ〜１２０ｅ），１３０（１３０ａ〜１３０ｄ）と、低温側に配置された絶縁基板１４０とを備える。そして、絶縁基板１４０の底面側には、放熱フィン１５０が取り付けられている。

熱電変換モジュール１００は、熱電素子１１０の両端に温度差が与えられると、ゼーベック効果により、起電力を生じさせる熱電発電用の熱電変換モジュールである。後述するように、熱電変換モジュール１００においては、高温側に配置された電極１３０ａ〜１３０ｄをガスバーナーの火炎で直接加熱するとともに、低温側に配置された放熱フィン１５０を強制空冷することで、熱電素子１１０の両端（図１（ｂ）における上下端）に所定（例えば、３００℃程度）の温度差が与えられることになる。

本実施形態においては、いわゆるユニレグ型のモジュール構造を採用しており、複数の熱電素子１１０は、一種類の熱電素子、より具体的には、ｎ型熱電素子（ｎ型半導体素子）のみによって構成されている。また、本実施形態においては、ｎ型熱電素子は、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）によって構成される。

複数の熱電素子１１０は、直線状に配置されており、隣接する熱電素子１１０の低温側の端部と高温側の端部とが、電極１２０，１３０によって電気的に接続されることによって、電気的に直列に接続されている。より具体的には、熱電素子１１０ａの低温側端部と熱電素子１１０ｂの高温側端部とが、電極１２０ｂ，１３０ｂによって接続され、熱電素子１１０ｂの低温側端部と熱電素子１１０ｃの高温側端部とが、電極１２０ｃ，１３０ｃによって接続され、熱電素子１１０ｃの低温側端部と熱電素子１１０ｄの高温側端部とが、電極１２０ｄ，１３０ｄによって接続されている。

また、熱電変換モジュール１００の一端（図１（ａ）における右端）側に設けられた電極１２０ａの一端及び熱電変換モジュール１００の他端（同図（ａ）における左端）側に設けられた電極１２０ｅの一端は、熱電変換モジュール１００から電力を取り出すための一対の端子１０１，１０２を構成する。本実施形態においては、電極１２０ａの一端が負極端子１０１を構成し、電極１２０ｅの一端が正極端子１０２を構成する。その一端が負極端子１０１を構成する電極１２０ａの他端は、電極１３０ａによって熱電素子１１０ａの高温側端部と接続されている。また、その一端が正極端子１０２を構成する電極１２０ｅの他端は、熱電素子１１０ｄの低温側端部と接続されている。

複数の電極１２０，１３０は、複数の熱電素子１１０を電気的に直列に接続するものであって、本実施形態においては、金属、より具体的には、ニッケル（Ｎｉ）によって構成される。複数の電極は、低温側に配置される電極（低温側電極）１２０と、高温側に配置される電極（高温側電極）１３０とによって構成されている。

低温側に配置される低温側電極１２０は、絶縁基板１４０上に形成される電極であって、例えば、無電解ニッケルめっきによって絶縁基板１４０上に所定の厚み（例えば、１００μｍ）のニッケル層を形成した上で、不要な部分を除去することによって、所定のパターンに形成される。低温側電極１２０の詳細については後述する。

高温側に配置される高温側電極１３０は、絶縁基板１４０上に形成された電極１２０と、熱電素子１１０の高温側端部とを接続するものであって、例えば、帯状の金属板を板金加工することで形成される。

図２に示すように、高温側電極１３０は、高温側（同図における上側）に突出するような形状を有しており、高温側に突出した部分（突出部）の一部が、ガスバーナーの火炎によって加熱される加熱面を構成する。高温側電極１３０の詳細については後述する。

絶縁基板１４０は、低温側に配置されて、熱電変換モジュール１００の低温面（放熱面）を構成するものである。本実施形態においては、絶縁基板１４０は、セラミックス、より具体的には、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）によって構成される。

放熱フィン１５０は、熱電変換モジュール１００の低温面に接触して熱を伝達（放熱）する伝熱部材（放熱部材）であって、例えば、熱伝導性の高い金属（例えば、アルミニウム）によって構成される。放熱フィン１５０は、直方体状の部材１５１の底面に複数（本実施形態においては４つ）のフィン１５２を取り付けたような形状を有しており、例えば、ファン（不図示）によって強制空冷される。

次に、低温側電極１２０の詳細について説明する。

図３は、低温側電極１２０の構成を説明するための図である。同図（ａ）は、高温側電極１３０及び熱電素子１１０を取り外した状態における熱電変換モジュール１００の平面図を示し、同図（ｂ）は、高温側電極１３０を取り外した状態における熱電変換モジュール１００の平面図を示している。なお、以下では、同図における左右方向を第一の方向、同図における上下方向を第二の方向という。

同図に示すように、絶縁基板１４０上に形成された低温側電極１２０は、第一の低温側電極１２０ａと、第二の低温側電極１２０ｂと、第三の低温側電極１２０ｃと、第四の低温側電極１２０ｄと、第五の低温側電極１２０ｅとによって構成されている。第一から第四の低温側電極１２０ａ〜１２０ｄは、同一の形状を有してる。

第一の低温側電極１２０ａは、正方形状の一対の端部１２１ａ，１２２ａと、一対の端部１２１ａ，１２２ａを連結する連結部１２３ａとを備える。一方の端部１２１ａは、負極端子を構成するものであって、例えば、電力取り出し用のリード線（不図示）が接続される。他方の端部１２２ａには、高温側電極１３０ａの一方の端部が接合される。

第二の低温側電極１２０ｂは、正方形状の一対の端部１２１ｂ，１２２ｂと、一対の端部１２１ｂ，１２２ｂを連結する連結部１２３ｂとを備える。一方の端部１２１ｂには、熱電素子１１０ａの低温側端部が接合され、他方の端部１２２ｂには、高温側電極１３０ｂの一方の端部が接合される。

第三の低温側電極１２０ｃは、正方形状の一対の端部１２１ｃ，１２２ｃと、一対の端部１２１ｃ，１２２ｃを連結する連結部１２３ｃとを備える。一方の端部１２１ｃには、熱電素子１１０ｂの低温側端部が接合され、他方の端部１２２ｃには、高温側電極１３０ｃの一方の端部が接合される。

第四の低温側電極１２０ｄは、正方形状の一対の端部１２１ｄ，１２２ｄと、一対の端部１２１ｄ，１２２ｄを連結する連結部１２３ｄとを備える。一方の端部１２１ｄには、熱電素子１１０ｃの低温側端部が接合され、他方の端部１２２ｄには、高温側電極１３０ｄの一方の端部が接合される。

第五の低温側電極１２０ｅは、平面視において長方形状の形状を有し、正方形状の一対の端部１２１ｅ，１２２ｅを備える。一方の端部１２１ｅには、熱電素子１１０ｄの低温側端部が接合される。他方の端部１２２ｄは、正極端子を構成するものであって、例えば、電力取り出し用のリード線（不図示）が接続される。

端部１２１ｂ、端部１２１ｃ、端部１２１ｄ及び端部１２１ｅは、第一の方向（同図における左右方向）に直線状に並ぶように配置されている。すなわち、各端部１２１ｂ〜１２１ｅに接合される熱電素子１１０ａ〜１１０ｄは、同図（ｂ）に示すように、第一の方向に直線状に並ぶこととなる。

また、端部１２１ｂ及び端部１２２ａ、端部１２１ｃ及び端部１２２ｂ、端部１２１ｄ及び端部１２２ｃ、端部１２１ｅ及び端部１２２ｄはそれぞれ、第一の方向とは垂直な第二の方向（同図における上下方向）に直線状に並ぶように配置されている。すなわち、一方の端部が各端部１２２ａ〜１２２ｄに接合され、他方の端部が各熱電素子１１０ａ〜１１０ｄに接合される高温側電極１３０ａ〜１３０ｄはそれぞれ、平面視において第二の方向に直線状に延設されることとなる。

次に、高温側電極１３０の詳細について説明する。

図４は、高温側電極１３０の構成を説明するための図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は左側面図を示し、同図（ｃ）は正面図を示し、同図（ｄ）は右側面図を示す。

同図に示すように、高温側電極１３０は、細長く薄い平板状の部材の両端部を外側方向にＬ字状に折り曲げるととともに、中央部付近をＵ字状に折り曲げたような形状を有している。

Ｌ字状に折り曲げられた両端部１３１，１３２は、一対の接合部を構成する。すなわち、一方（同図（ｃ）における左側）の端部１３１（の底面）は、熱電素子１１０の高温側端部と接合され、他方（同図（ｃ）における右側）の端部１３２（の底面）は、絶縁基板１４０上に形成された低温側電極１２０ａ〜１２０ｄの端部１２２ａ〜１２２ｄ（の上面）に接合される。接合対象物の高さ方向（同図（ｃ）における上下方向）の位置が異なるため、両端部１３１，１３２の高さ方向の位置がずれるようになっている。すなわち、熱電素子１１０の高温側端部に接合される端部１３１の方が、低温側電極１２０ａ〜１２０ｄの上面に接合される端部１３２より高い位置に配置されるようになっている。

接合部を構成する両端部１３１，１３２は、正面視においてＵ字状の形状を有する突出部１３３によって連結されている。突出部１３３は、両端部１３１，１３２それぞれに接続されている一対の直立部１３４，１３５と、一対の直立部１３４，１３５を連結する屈曲部１３６とを備える。屈曲部１３６を介して連結されている一対の直立部１３４，１３５は、互いに平行になるように配置される。また、一対の直立部１３４，１３５は、一対の接合部１３１，１３２と直角をなすように配置されているので、高温側電極１３０が熱電素子１１０及び低温側電極１２０と接合された際は、熱電素子１１０の高温側端面及び低温側電極１２０に対して直立するように配置されることになる。また、前述したように、両端部１３１，１３２の高さ方向の位置がずれるよう、一方の直立部１３４より他方の直立部１３５の方が長くなるように形成されている。

次に、以上のような構成を有する熱電変換モジュール１００の製造方法について説明する。

図５は、熱電変換モジュール１００の製造方法を説明するための図である。

まず、熱電変換モジュール１００の低温面を構成する絶縁基板１４０を用意し、同図（ａ）に示すように、絶縁基板１４０の表面（組み立てられた際に、熱電素子１１０と対向する面）に、低温側電極１２０を形成する（低温側電極形成工程）。低温側電極１２０の形成は、例えば、無電解ニッケルめっきによって、絶縁基板１４０上の電極形成箇所に所定の厚みのニッケル層を形成することで行われる。

次に、熱電素子１１０及び高温側電極１３０をそれぞれ用意し、同図（ｂ）に示すように、熱電素子１１０と高温側電極１３０との接合を行う（高温側電極接合工程）。すなわち、熱電素子１１０の高温側端部と、高温側電極１３０の端部１３１とが接合される。熱電素子１１０の高温側端部と、高温側電極１３０の端部１３１との接合は、例えば、活性銀ろうを使用したろう付けで行われる。この際、活性銀ろうとしては、例えば、東京ブレイズ株式会社（東京都世田谷区）製の活性銀ろうＴＢ−６０８Ｔ又はＴＢ−６２９Ｔを使用することができる。ＴＢ−６０８Ｔは、その成分として、銀（Ａｇ）７０％、銅（Ｃｕ）２８％、チタン（Ｔｉ）２％を含有するものである。また、ＴＢ−６２９Ｔは、その成分として、銀（Ａｇ）６０％、銅（Ｃｕ）２４％、チタン（Ｔｉ）２％、インジウム（Ｉｎ）１４％を含有するものである。

次に、同図（ｃ）に示すように、絶縁基板１４０上に形成された低温側電極１２０と、熱電素子１１０及び高温側電極１３０との接合が行われる（低温側電極接合工程）。すなわち、高温側電極１３０が接合された熱電素子１１０を、低温側電極１２０上の所定の位置に載置した上で、高温側電極１３０の他方の端部（接合部）１３２と低温側電極１２０との接合、及び、熱電素子１１０の低温側端部と低温側電極１２０との接合が行われる。低温側電極１２０と、熱電素子１１０及び高温側電極１３０との接合は、例えば、はんだ付けで行われる。

その後、図２（ａ）に示すように、絶縁基板１４０の底面側に放熱フィン１５０が取り付けられる（放熱フィン取付工程）。絶縁基板１４０と放熱フィン１５０とは、例えば、熱伝導性の高い接着剤で接着される。

以上のような工程を経ることにより、図１及び図２に示したような熱電変換モジュール１００が作製されることになる。

次に、熱電変換モジュール１００の使用方法について説明する。

図６は、熱電変換モジュール１００の使用時の様子を説明するための図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は正面図を示す。

同図に示すように、熱電変換モジュール１００を使用して発電を行う際は、ガスバーナー１０の火炎１１によって、高温側電極１３０を加熱する。すなわち、高温側電極１３０（突出部１３３）の一方の側面部（直立部１３４）を火炎１１によって加熱する。それと同時に、放熱フィン１５０を、ファン（不図示）によって強制空冷する。

ガスバーナー１０は、矩形平板状の本体部の側面に複数の火炎口が設けられており、ガス燃焼時には、各火炎口から水平方向に火炎１１が出るように構成されている。ガスバーナー１０は、熱電変換モジュール１００の側方に配置されて、側面から出る複数の火炎１１によって、高温側電極１３０の側面部を直接加熱することになる。ガスバーナー１０の火炎１１の温度は、例えば、５００〜６００℃程度となる。

ガスバーナー１０の火炎１１によって高温側電極１３０を直接加熱すると共に、放熱フィン１５０を冷却（強制空冷）することによって、例えば、熱電素子１１０の高温側端部の温度が４００℃程度、低温側端部の温度が１００℃程度となり、熱電素子１１０の両端に３００℃程度の温度差が与えられて、熱電発電が行われることになる。

なお、ガスバーナー１０の火炎１１によって加熱する高温側電極１３０の（高さ方向の）位置については、ガスバーナー１０の火炎１１の温度、熱電素子１１０の高温側端部に付与すべき温度等の実装条件に応じて、適当な位置が選択される。

熱電変換モジュール１００においては、発電時に加熱対象となる高温側電極１３０の側面部（直立部）が直線状に並ぶように配置されているので、側面から複数の火炎１１が出るガスバーナー１０による加熱が効率的に行えるようになっている。

また、熱電変換モジュール１００においては、高温側に絶縁基板を設けずに、高温側電極１３０の側面部（直立部）を直接加熱するようにしており、高温側電極１３０の側面部（直立部）が加熱されると、高温側電極１３０の側面部（直立部）が熱膨張することになるが、その際、高温側電極１３０の突出部１３３が弾性変形して、例えば、弓状に撓むことになるので、熱応力が効果的に吸収されて、熱電変換モジュール１００に発生する熱応力が緩和されることになる。

《第二実施形態》
次に、本発明の別の実施形態について説明する。以下では、主として、上述した第一実施形態と異なる部分について説明する。

図７及び図８は、本発明による別の熱電変換モジュール（第二実施形態）の構成を説明するための図である。図７（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は正面図を示し、図８（ａ）は右側面図を示し、同図（ｂ）は背面図を示す。なお、図７及び図８では、図１及び図２に示したものと同様の構成要素については、同一の参照符号を付してある。

図７及び図８に示すように、本発明による熱電変換モジュール２００は、複数（本実施形態においては、８つ）の熱電素子２１１（２１１ａ〜２１１ｄ），２１２（２１２ａ〜２１２ｄ）と、複数の熱電素子２１１，２１２を電気的に接続するための複数の電極１２０（１２０ａ〜１２０ｅ），２３０（２３０ａ〜２３０ｄ）と、低温側に配置された絶縁基板１４０とを備える。そして、絶縁基板１４０の底面側には、放熱フィン１５０が取り付けられている。

本実施形態においては、いわゆるπ型のモジュール構造を採用している。すなわち、複数の熱電素子は、複数（本実施形態においては、４つ）のｎ型熱電素子（ｎ型半導体素子）２１１と、複数（本実施形態においては、４つ）のｐ型熱電素子（ｐ型半導体素子）２１２とによって構成されており、隣接する一対のｎ型熱電素子２１１及びｐ型熱電素子２１２の一端が高温側（図８（ａ）における上側）の電極２３０で電気的に接続されることで、複数のπ型熱電素子が構成されている。そして、直線状に並べられた複数のπ型熱電素子は、低温側（同図（ａ）における下側）の電極１２０によって、電気的に直列に接続されている。より具体的には、ｎ型熱電素子２１１ａの低温側端部とｐ型熱電素子２１２ｂの低温側端部とが、電極１２０ｂによって接続され、ｎ型熱電素子２１１ｂの低温側端部とｐ型熱電素子２１２ｃの低温側端部とが、電極１２０ｃによって接続され、ｎ型熱電素子２１１ｃの低温側端部とｐ型熱電素子２１２ｄの低温側端部とが、電極１２０ｄによって接続されている。

また、熱電変換モジュール２００の一端（図７（ａ）における右端）側に設けられた電極１２０ａの一端及び熱電変換モジュール２００の他端（同図（ａ）における左端）側に設けられた電極１２０ｅの一端は、熱電変換モジュール２００から電力を取り出すための一対の端子１０１，１０２を構成する。その一端が負極端子１０１を構成する電極１２０ａの他端は、ｐ型熱電素子２１２ａの低温側端部と接続されている。また、その一端が正極端子１０２を構成する電極１２０ｅの他端は、ｎ型熱電素子２１１ｄの低温側端部と接続されている。

また、本実施形態においては、ｎ型熱電素子２１１及びｐ型熱電素子２１２はともに、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ_２Ｓｉ）によって構成される。なお、ｐ型熱電素子２１２を、ｎ型熱電素子２１１とは異なる熱電材料で構成するようにしてもよい。

複数の電極１２０，２３０は、複数の熱電素子２１１，２１２を電気的に接続するものであって、本実施形態においては、金属、より具体的には、ニッケル（Ｎｉ）によって構成される。複数の電極は、低温側に配置される電極（低温側電極）１２０と、高温側に配置される電極（高温側電極）２３０とによって構成されている。

低温側に配置される低温側電極１２０は、絶縁基板１４０上に形成される電極であって、前述した第一実施形態のものと同一の構成を有する。低温側電極１２０と熱電素子２１１，２１２との接続形態の詳細については後述する。

高温側に配置される高温側電極２３０は、隣接する一対のｎ型熱電素子２１１とｐ型熱電素子２１２の高温側端部を接続するものであって、例えば、帯状の金属板を板金加工することで形成される。

図８に示すように、高温側電極２３０は、高温側（同図における上側）に突出するような形状を有しており、高温側に突出した部分（突出部）の一部が、ガスバーナーの火炎によって加熱される加熱面を構成する。高温側電極２３０の詳細については後述する。

次に、熱電素子２１１，２１２と低温側電極１２０との接続形態の詳細について説明する。

図９は、熱電素子２１１，２１２と低温側電極１２０との接続形態を説明するための図である。同図（ａ）は、高温側電極２３０及び熱電素子２１１，２１２を取り外した状態における熱電変換モジュール２００の平面図を示し、同図（ｂ）は、高温側電極２３０を取り外した状態における熱電変換モジュール２００の平面図を示している。なお、以下では、同図における左右方向を第一の方向、同図における上下方向を第二の方向という。

前述したように、絶縁基板１４０上に形成された低温側電極１２０は、第一実施形態のものと同一の構成を有するものであって、図９に示すように、第一の低温側電極１２０ａと、第二の低温側電極１２０ｂと、第三の低温側電極１２０ｃと、第四の低温側電極１２０ｄと、第五の低温側電極１２０ｅとによって構成されている。

第一の低温側電極１２０ａの一方の端部１２１ａは、負極端子を構成するものであって、例えば、電力取り出し用のリード線（不図示）が接続される。他方の端部１２２ａには、ｐ型熱電素子２１２ａの低温側端部が接合される。

第二の低温側電極１２０ｂの一方の端部１２１ｂには、ｎ型熱電素子２１１ａの低温側端部が接合され、他方の端部１２２ｂには、ｐ型熱電素子２１２ｂの低温側端部が接合される。

第三の低温側電極１２０ｃの一方の端部１２１ｃには、ｎ型熱電素子２１１ｂの低温側端部が接合され、他方の端部１２２ｃには、ｐ型熱電素子２１２ｃの低温側端部が接合される。

第四の低温側電極１２０ｄの一方の端部１２１ｄには、ｎ型熱電素子２１１ｃの低温側端部が接合され、他方の端部１２２ｄには、ｐ型熱電素子２１２ｄの低温側端部が接合される。

第五の低温側電極１２０ｅの一方の端部１２１ｅには、ｎ型熱電素子２１１ｄの低温側端部が接合される。他方の端部１２２ｅは、正極端子１０２を構成するものであって、例えば、電力取り出し用のリード線（不図示）が接続される。

端部１２１ｂ、端部１２１ｃ、端部１２１ｄ及び端部１２１ｅは、第一の方向（同図における左右方向）に直線状に並ぶように配置されている。すなわち、各端部１２１ｂ〜１２１ｅに接合されるｎ型熱電素子２１１ａ〜２１１ｄは、同図（ｂ）に示すように、第一の方向に直線状に並ぶこととなる。同様に、端部１２２ａ、端部１２２ｂ、端部１２２ｃ及び端部１２２ｄも、第一の方向に直線状に並ぶように配置されており、各端部１２２ａ〜１２１ｄに接合されるｐ型熱電素子２１２ａ〜２１２ｄも、同図（ｂ）に示すように、第一の方向に直線状に並ぶこととなる。

また、端部１２１ｂ及び端部１２２ａ、端部１２１ｃ及び端部１２２ｂ、端部１２１ｄ及び端部１２２ｃ、端部１２１ｅ及び端部１２２ｄはそれぞれ、第一の方向とは垂直な第二の方向に直線状に並ぶように配置されている。すなわち、π型熱電素子を構成する一対のｎ型熱電素子２１１及びｐ型熱電素子２１２は、同図（ｂ）に示すように、第二の方向に直線状に並ぶこととなる。また、一方の端部が各ｎ型熱電素子２１１ａ〜２１１ｄに接合され、他方の端部が各ｐ型熱電素子２１２ａ〜２１２ｄに接合される高温側電極２３０ａ〜２３０ｄはそれぞれ、平面視において第二の方向に直線状に延設されることとなる。

次に、高温側電極２３０の詳細について説明する。

図１０は、高温側電極２３０の構成を説明するための図である。同図（ａ）は平面図を示し、同図（ｂ）は左側面図を示し、同図（ｃ）は正面図を示し、同図（ｄ）は右側面図を示す。

同図に示すように、高温側電極２３０は、細長く薄い平板状の部材の両端部を外側方向にＬ字状に折り曲げるととともに、中央部付近をＵ字状に折り曲げたような形状を有している。

Ｌ字状に折り曲げられた両端部は、一対の接合部を構成する。すなわち、一方の端部２３１（の底面）は、ｎ型熱電素子２１１の高温側端部と接合され、他方の端部２３２（の底面）は、ｐ型熱電素子２１２の高温側端部と接合される。本実施形態においては、第一実施形態の場合と異なり、接合対象物の高さ方向（同図（ｃ）における上下方向）の位置が同じになるため、両端部２３１，２３２の高さ方向の位置は一致するようになっている。

接合部を構成する両端部２３１，２３２は、正面視においてＵ字状の形状を有する突出部２３３によって連結されている。突出部２３３は、両端部２３１，２３２それぞれに接続されている一対の直立部２３４，２３５と、一対の直立部２３４，２３５を連結する屈曲部２３６とを備える。一対の直立部２３４，２３５の少なくとも一方が、火炎によって加熱される加熱面を構成することとなる。

屈曲部２３６を介して連結されている一対の直立部２３４，２３５は、互いに平行になるように配置される。また、一対の直立部２３４，２３５は、一対の接合部２３１，２３２と直角をなすように配置されているので、高温側電極２３０が熱電素子２１１，２１２と接合された際は、熱電素子２１１，２１２の高温側端面に対して直立するように配置されることになる。

次に、以上のような構成を有する熱電変換モジュール２００の製造方法について説明する。

図１１は、熱電変換モジュール２００の製造方法を説明するための図である。

まず、熱電変換モジュール２００の低温面を構成する絶縁基板１４０を用意し、同図（ａ）に示すように、絶縁基板１４０の表面（組み立てられた際に、熱電素子２１１，２１２と対向する面）に、低温側電極１２０を形成する（低温側電極形成工程）。

次に、熱電素子２１１，２１２及び高温側電極２３０をそれぞれ用意し、同図（ｂ）に示すように、π型熱電素子を構成する一対の熱電素子２１１，２１２と高温側電極２３０との接合を行う（高温側電極接合工程）。すなわち、一対の熱電素子２１１，２１２の高温側端部と、高温側電極２３０の端部２３１，２３２とが接合される。熱電素子２１１，２１２の高温側端部と、高温側電極２３０の端部２３１，２３２との接合は、例えば、活性銀ろうを使用したろう付けで行われる。この際、活性銀ろうとしては、例えば、東京ブレイズ株式会社（東京都世田谷区）製の活性銀ろうＴＢ−６０８Ｔ又はＴＢ−６２９Ｔを使用することができる。

次に、同図（ｃ）に示すように、絶縁基板１４０上に形成された低温側電極１２０と、熱電素子２１１，２１２との接合が行われる（低温側電極接合工程）。すなわち、高温側電極２３０が接合された熱電素子２１１，２１２を、低温側電極１２０上の所定の位置に載置した上で、熱電素子２１２，２１２の低温側端部と低温側電極１２０との接合が行われる。熱電素子２１１，２１２と低温側電極１２０との接合は、例えば、はんだ付けで行われる。

その後、図８（ａ）に示すように、絶縁基板１４０の底面側に放熱フィン１５０が取り付けられる（放熱フィン取付工程）。

以上のような工程を経ることにより、図７及び図８に示したような熱電変換モジュール２００が作製されることになる。

次に、熱電変換モジュール２００の使用方法について説明する。

図１２は、熱電変換モジュール２００の使用時の様子を説明するための図である。同図（ａ）は、高温側電極２３０の片側のみを加熱する場合を示し、同図（ｂ）は、高温側電極２３０の両側を加熱する場合を示している。

同図に示すように、熱電変換モジュール２００を使用して発電を行う際は、ガスバーナー１０の火炎１１によって、高温側電極２３０を加熱する。すなわち、高温側電極２３０の側面部（直立部２３４，２３５）の少なくとも一方を火炎１１によって加熱する。それと同時に、放熱フィン１５０を、ファン（不図示）によって強制空冷する。

ガスバーナー１０の火炎１１によって高温側電極２３０を直接加熱すると共に、放熱フィン１５０を冷却（強制空冷）することによって、熱電素子２１１，２１２の両端に所定の温度差が与えられて、熱電発電が行われることになる。

熱電変換モジュール２００においても、熱電変換モジュール１００と同様に、発電時に加熱対象となる高温側電極２３０の側面部（直立部２３４，２３５）が直線状に並ぶように配置されているので、側面から複数の火炎１１が出るガスバーナー１０による加熱が効率的に行えるようになっている。

また、熱電変換モジュール２００においても、高温側に絶縁基板を設けずに、高温側電極２３０の側面部（直立部）を直接加熱するようにしており、高温側電極２３０の側面部（直立部）が加熱されると、高温側電極２３０の側面部（直立部）が熱膨張することになるが、その際、高温側電極２３０の突出部２３３が適宜弾性変形することにより、熱応力が効果的に吸収されるので、熱電変換モジュール２００に発生する熱応力が緩和されることになる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、上述した実施形態においては、熱電素子をマグネシウムシリサイドで構成するようにしていたが、他の熱電材料（例えば、鉄シリサイド、コバルトシリサイド、マンガンシリサイド等）で構成することも考えられる。

また、上述した第一実施形態においては、複数の熱電素子をｎ型熱電素子のみによって構成するようにしていたが、複数の熱電素子をｐ型熱電素子のみによって構成することも考えられる。

また、上述した第一実施形態においては、高温側電極と低温側電極とを別々に用意した上で、両者を接合することで、隣接する熱電素子を直列に接続する電極を形成するようにしていたが、当該電極を、例えば、金属板を板金加工することで一体に形成することも考えられる。

１０ ガスバーナー
１１ 火炎
１００ 熱電変換モジュール（第一実施形態）
１０１ 負極端子
１０２ 正極端子
１１０,１１０ａ〜１１０ｄ ｎ型熱電素子
１２０，１２０ａ〜１２０ｅ 低温側電極
１２１ｂ〜１２１ｅ，１２２ａ〜１２２ｅ 端部
１２３ａ〜１２３ｄ 連結部
１３０，１３０ａ〜１３０ｄ 高温側電極
１３１，１３２ 端部（接合部）
１３３ 突出部
１３４，１３５ 直立部
１３６ 屈曲部
１４０ 絶縁基板
１５０ 放熱フィン
１５１ 直方体状部材
１５２ フィン
２００ 熱電変換モジュール（第二実施形態）
２１１，２１１ａ〜２１１ｄ ｎ型熱電素子
２１２，２１２ａ〜２１２ｄ ｐ型熱電素子
２３０，２３０ａ〜２２２ｄ 高温側電極
２３１，２３２ 端部（接合部）
２３３ 突出部
２３４，２３５ 直立部
２３６ 屈曲部

Claims (12)

1. 複数の熱電素子と、
   少なくとも一方の端部が前記熱電素子の高温側端部と接続された複数の電極と
   を備え、
   前記電極は、高温側に突出する突出部を有し、
   前記突出部は、火炎によって加熱される
   ことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記突出部は、火炎によって加熱される加熱面を有し、
   当該加熱面は、前記複数の熱電素子の並び方向と平行である
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記突出部は、Ｕ字状に折り曲げられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記突出部は、一対の直立部と、当該一対の直立部を連結する屈曲部とを備え、
   前記一対の直立部の少なくとも一方が火炎によって加熱される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記直立部は、火炎によって加熱される加熱面を有し、
   当該加熱面は、前記熱電素子の高温側端面に対して直交すると共に、前記複数の熱電素子の並び方向と平行な面である
   ことを特徴とする請求項４に記載の熱電変換モジュール。
6. 前記電極は、一対の接合部を備え、
   当該一対の接合部は、前記複数の熱電素子の並び方向とは垂直な方向に並ぶように配置される
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
7. 前記複数の熱電素子は、ｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子のいずれか一方のみによって構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
8. 前記複数の熱電素子は、直線状に配置されている
   ことを特徴とする請求項７に記載の熱電変換モジュール。
9. 低温側に配置された絶縁基板と、
   当該絶縁基板上に形成された低温側電極と
   を更に備え、
   当該低温側電極と、高温側に配置された前記電極とによって、前記複数の熱電素子が直列に接続される
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の熱電変換モジュール。
10. 前記複数の熱電素子は、ｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子によって構成されている
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
11. 前記ｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子はそれぞれ、直線状に配置されている
    ことを特徴とする請求項１０に記載の熱電変換モジュール。
12. 低温側に配置された絶縁基板と、
    当該絶縁基板上に形成された低温側電極と
    を更に備え、
    高温側に配置された前記電極によって、隣接するｎ型熱電素子及びｐ型熱電素子の高温側端部が接続されて、π型熱電素子が構成され、
    前記低温側電極によって、前記π型熱電素子が直列に接続される
    ことを特徴とする請求項１０又は１１に記載の熱電変換モジュール。

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