JP2019114613A - 熱電変換装置および熱電変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換装置の高温側に配置される電極の変形を抑制する。【解決手段】熱電変換装置は、高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換するｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２と、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２の低温側に電気的に接続される低温側電極３１と、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２の高温側に電気的に接続され、低温側電極３１と比べてヤング率が高い高温側電極３２とを備える。【選択図】図４

Description

本発明は、熱電変換装置および熱電変換システムに関する。

トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を発揮する熱電変換素子によって熱エネルギーと電気エネルギーとを変換する熱電変換装置が存在する。
このような熱電変換装置は、例えば、熱電変換素子と、熱電変換素子を挟んで対向する位置で熱電変換素子に対して電気的に接続される一対の電極とを備えている。そして、このような熱電変換装置は、例えば、一方の電極が熱源に対向する高温側となり、他方の電極が低温側となるように配置されて、高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。

特許文献１には、高温側の第１の電極部材と、第１の電極部材に対向配置された低温側の第２の電極部材と、第１の電極部材および第２の電極部材間に配置され電気的に接続される熱電変換素子とを有する熱電変換モジュールが開示されている。この熱電変換モジュールでは、高温側の第１の電極部材および低温側の第２の電極部材として、鉄系電極材料を用いている。

特開２００２−２８９９２８号公報

ところで、熱電変換素子により高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置では、例えば熱電変換素子に接続される電極のうち高温側に配置される電極と低温側に配置される電極とを同じ材質により構成した場合、高温側の電極が熱によって変形しやすい傾向がある。
本発明は、熱電変換装置の高温側に配置される電極の変形を抑制することを目的とする。

本発明が適用される熱電変換装置は、高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、前記熱電変換素子の前記低温側に電気的に接続される低温側電極と、前記熱電変換素子の前記高温側に電気的に接続され、前記低温側電極と比べてヤング率が高い高温側電極とを備える熱電変換装置である。
ここで、前記低温側電極および前記高温側電極を前記熱電変換素子側へ押圧する押圧部材をさらに備えることを特徴とすることができる。
また、前記熱電変換素子は、アンチモンを含む充填スクッテルダイト構造の合金からなる熱電変換層を含むことを特徴とすることができる。
さらに、前記低温側電極は銅からなり、前記高温側電極は少なくとも前記熱電変換素子に対向する面が銅で被覆された鉄からなり、前記低温側電極および前記高温側電極は、ろう材を介して前記熱電変換素子に接続されていることを特徴とすることができる。
さらにまた、前記高温側電極から前記低温側電極に向かう方向から見た場合に、当該高温側電極の面積が当該低温側電極と比べて小さいことを特徴とすることができる。
また、他の観点から捉えると、本発明が適用される熱電変換装置は、予め定めた面に沿って並ぶ複数の第１電極と、間隙を介して複数の前記第１電極に対向する複数の第２電極と、それぞれの前記第１電極とそれぞれの前記第２電極との間に配置され、当該第１電極および当該第２電極により交互に直列接続され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数のｐ型熱電変換素子および複数のｎ型熱電変換素子とを備え、複数の前記第２電極の少なくとも一部は、前記第１電極と比べてヤング率が高いことを特徴とする熱電変換装置である。
ここで、前記ｐ型熱電変換素子、前記ｎ型熱電変換素子、前記第１電極および前記第２電極を収容するとともに、当該第１電極および当該第２電極を当該ｐ型熱電変換素子および当該ｎ型熱電変換素子側へ押圧する収容部材をさらに備えることを特徴とすることができる。
また、複数の前記第２電極は、当該第２電極の位置によって前記収容部材による押圧力が異なる場合に、当該押圧力が高い領域に配置された当該第２電極のヤング率が前記第１電極と比較して高いことを特徴とすることができる。
さらに、前記第２電極から前記第１電極へ向かう方向から見て、隣接する前記ｐ型熱電変換素子と前記ｎ型熱電変換素子との間隔と比べて、隣接する当該第２電極同士の間隔が大きいことを特徴とすることができる。
さらに、他の観点から捉えると、本発明が適用される熱電変換システムは、熱を有する熱源と、前記熱源に取り付けられ、当該熱源から受け取った熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置とを備え、前記熱電変換装置は、熱電変換素子と、前記熱電変換素子に電気的に接続される第１電極と、前記熱電変換素子を挟んで前記第１電極に対向し当該第１電極と比べて前記熱源に近い位置で当該熱電変換素子に電気的に接続され、当該第１電極と比べてヤング率が高い第２電極とを備える熱電変換システムである。

本発明によれば、熱電変換装置の高温側に配置される電極の変形を抑制することができる。

本実施の形態が適用される熱電変換装置の概略構成を示した斜視図である。 図１に示した熱電変換装置の分解斜視図である。 熱電変換装置の内部構成を説明するための断面図である。 本実施の形態が適用される熱電変換部の本体の概略構成を示した図である。 本実施の形態が適用される熱電変換部の本体の概略構成を示した図である。 本実施の形態の熱電変換装置が用いられる熱電変換システムの概略構成を示した図である。 実施の形態２が適用される熱電変換部の概略構成を示した斜視図である。 耐久性試験において熱電変換装置の高温側に与える温度条件を示したグラフである。 実施例および比較例の熱電変換装置の出力変化率のサイクル数による変化を示したグラフである。 実施例および比較例の熱電変換装置の抵抗変化率のサイクル数による変化を示したグラフである。

＜実施の形態１＞
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
［熱電変換装置の全体構成］
図１は、本実施の形態が適用される熱電変換装置１の概略構成を示した斜視図である。また、図２は、図１に示した熱電変換装置１の分解斜視図である。さらに、図３は、熱電変換装置１の内部構成を説明するための断面図である。
この熱電変換装置１は、例えば、ごみ焼却場等において発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられる。

この熱電変換装置１は、一方の面が排気ガス等の熱源に接触あるいは対向する高温側となり、その裏側となる他方の面が低温側となる押圧部材または収容部材の一例としての筐体１０と、筐体１０の内部空間に収容されるとともに、筐体１０を介して受けた高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換部２０とを備えている。また、熱電変換装置１は、筐体１０の内部空間に設けられ、筐体１０と熱電変換部２０とを電気的に絶縁する絶縁部４０を備えている。

［筐体の構成］
筐体１０は、円板形状を呈し且つその表面１１ａ側に熱電変換部２０を積載する基部１１を備えている。また、筐体１０は、カンカン帽（英語表記：straw boater hat）状の形状を呈し且つ基部１１に積載された熱電変換部２０を覆う蓋部１２とを備えている。本実施の形態では、通常、筐体１０の蓋部１２側が熱源側（高温側）に位置し、基部１１側が熱源とは反対側（低温側）に位置するように設置される。

さらに、筐体１０は、熱電変換部２０の周縁よりも外側において基部１１と蓋部１２との間に配置され、基部１１と蓋部１２との間に形成される内部空間の気密性を高める気密リング１３と、蓋部１２の上方から基部１１の表面１１ａに向けて蓋部１２を押さえつける押さえリング１４とを備えている。さらにまた、筐体１０は、基部１１と押さえリング１４との間に蓋部１２の後述する鍔部１２３を介在させた状態で、基部１１に対し押さえリング１４をネジ止めすることで、基部１１に対する蓋部１２の位置決め固定をする複数（この例では１２個）のネジ１５とを備えている。

基部１１は、円形状を呈し且つ表裏関係を有する表面１１ａおよび裏面１１ｂと、円筒状を呈し且つ表面１１ａおよび裏面１１ｂの間に位置する側面１１ｃとを有している。また、基部１１の周縁部には、表面１１ａ側から裏面１１ｂ側に向かって掘り込まれ、それぞれにネジ１５がねじ込まれる複数（この例では１２個）のネジ穴１１１が形成されている。さらにまた、基部１１には、表面１１ａから側面１１ｃに向かって基部１１の内部をＬ字状に貫通する第１貫通孔１１４および第２貫通孔１１５が形成されている。第１貫通孔１１４および第２貫通孔１１５の一端部には、それぞれ、ねじ込みによって電流出力端子１７が取り付けられている。
また、図示は省略するが、基部１１の内部には、冷却用の水を流通させるための流路が形成されていてもよい。

蓋部１２は、円板形状を呈し基部１１の表面１１ａの中央部に対向する天井部１２１と、円筒形状を呈し天井部１２１の周縁から基部１１側に向かって延びる側壁部１２２と、円環形状を呈し側壁部１２２の基部１１側の端部から外周側に向かって延びる鍔部１２３とを有している。

本実施の形態の熱電変換装置１では、筐体１０の基部１１の表面１１ａと、蓋部１２の天井部１２１および側壁部１２２との間に形成される空間に、熱電変換部２０および絶縁部４０が配置される。また、熱電変換部２０の後述する出力電線２５の第１出力電線２５１および第２出力電線２５２が、基部１１に形成された第１貫通孔１１４および第２貫通孔１１５に取り付けられた電流出力端子１７を介して筐体１０の外部へ露出される。

また、本実施の形態の熱電変換装置１では、基部１１の表面１１ａと蓋部１２の鍔部１２３との間に気密リング１３を挟み込んだ状態で、蓋部１２の鍔部１２３上に押さえリング１４を積載する。そして、基部１１と押さえリング１４との間に鍔部１２３を介在させた状態で、複数のネジ１５を用いて基部１１および押さえリング１４をネジ止めする。これにより、基部１１と蓋部１２とが、押さえリング１４および複数のネジ１５を介して固定される。

このとき、熱電変換装置１において熱電変換部２０が配置される内部空間では、蓋部１２の天井部１２１によって、熱電変換部２０が絶縁部４０を介して基部１１の表面１１ａ側に押し付けられている。これにより、筐体１０の基部１１および蓋部１２と熱電変換部２０との密着度を高めることができ、熱電変換装置１による熱電変換効率を向上させることができる。

なお、筐体１０の内部に形成され熱電変換部２０が配置される空間は、アルゴン等の不活性ガスが充填されていること、または真空引きされていることが好ましい。これにより、熱電変換部２０（後述するｎ型熱電変換素子２１、ｐ型熱電変換素子２２、低温側電極３１および高温側電極３２等）の劣化を抑制することができる。

［絶縁部の構成］
絶縁部４０は、それぞれが板材からなる、低温側絶縁部材４１と高温側絶縁部材４２とを備えている。これらのうち、低温側絶縁部材４１は、窒化アルミニウムで構成されている。これに対し、高温側絶縁部材４２は、低温側絶縁部材４１とは異なる、酸化アルミニウム（アルミナ）で構成されている。そして、本実施の形態の低温側絶縁部材４１および高温側絶縁部材４２は、熱電変換部２０よりもわずかに大きいサイズに設定されている。

本実施の形態の熱電変換装置１では、低温側絶縁部材４１により、熱電変換部２０の後述する低温側電極３１と筐体１０の基部１１の表面１１ａとが絶縁されている。また、高温側絶縁部材４２により、熱電変換部２０の後述する高温側電極３２と筐体１０の蓋部１２における天井部１２１とが絶縁されている。

［熱電変換部の構成］
図４および図５は、本実施の形態が適用される熱電変換部２０の本体の概略構成を示した図である。図４は熱電変換部２０の斜視図であり、図５は図４に示した熱電変換部２０の一部をＶ方向（後述する積層方向）から見た図である。ただし、図４には、熱電変換部２０を挟んで設けられる絶縁部４０（低温側絶縁部材４１、高温側絶縁部材４２）を、併せて示している。

本実施の形態の熱電変換部２０は、複数（この例では１８個）のｎ型熱電変換素子２１および複数（この例では１８個）のｐ型熱電変換素子２２を有している。また、熱電変換部２０は、ｎ型熱電変換素子２１とｐ型熱電変換素子２２とを交互に接続する、低温側絶縁部材４１側に設けられた複数（この例では１９個）の低温側電極３１と高温側絶縁部材４２側に設けられた複数（この例では１８個）の高温側電極３２とを有している。さらに、熱電変換部２０は、低温側電極３１を構成する第１取出電極３１１に一端が接続された第１出力電線２５１（図２参照）と、低温側電極３１を構成する第２取出電極３１２に一端が接続された第２出力電線２５２（図２参照）とを含む出力電線２５（図２参照）を備えている。

そして、本実施の形態の熱電変換部２０では、それぞれのｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２と、それぞれの低温側電極３１および高温側電極３２とは、銀等の金属を主成分とし導電性を有するろう材を介して電気的に接続されている。
また、本実施の形態の熱電変換装置１では、低温側電極３１が低温側絶縁部材４１と接触し、高温側電極３２が高温側絶縁部材４２と接触している。

ここで、上述したように、本実施の形態の熱電変換部２０は、筐体１０の基部１１および蓋部１２に押し付けられている。より具体的には、熱電変換部２０では、低温側電極３１が、基部１１の表面１１ａにより、低温側絶縁部材４１を介してｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２側へ押圧されている。同様に、高温側電極３２が、蓋部１２の天井部１２１により、高温側絶縁部材４２を介してｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２側へ押圧されている。

本実施の形態において、熱電変換素子の一例としてのｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２は、それぞれが直方体状の形状を呈している。この例では、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２は、高温側電極３２が積層される方向（図３において上から下へ向かう方向）から見た場合に、正方形状を呈している。
なお、本実施の形態の説明において、このｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２に対して高温側電極３２が積層される方向を、単に積層方向と称する場合がある。

また、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２は、それぞれ、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体によって構成されている。なお、ｎ型熱電変換素子２１と対応する低温側電極３１または高温側電極３２との間、および、ｐ型熱電変換素子２２と対応する低温側電極３１または高温側電極３２との間には、必要に応じて、これらの間にかかる応力を緩和する応力緩和層を設けることができる。

本実施の形態の熱電変換部２０において、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２は、低温側絶縁部材４１または高温側絶縁部材４２に平行な面に沿って格子状に並べられている。そして、ｎ型熱電変換素子２１とｐ型熱電変換素子２２とが交互となるように、複数の低温側電極３１と複数の高温側電極３２とを介して、直列に接続されている。この例では、直列接続されるｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２のうち、一端に位置するｎ型熱電変換素子２１に、低温側電極３１を構成する第１取出電極３１１が接続されており、他端に位置するｐ型熱電変換素子２２に、低温側電極３１を構成する第２取出電極３１２が接続されている。

［低温側電極および高温側電極の構成］
続いて、低温側電極３１および高温側電極３２についてより詳細に説明する。
本実施の形態において、複数の低温側電極３１は、低温側絶縁部材４１とｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２との間にて、低温側絶縁部材４１に平行な面に沿って並べられている。同様に、複数の高温側電極３２は、高温側絶縁部材４２とｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２との間にて、高温側絶縁部材４２に平行な面に沿って並べられている。

また、低温側電極３１および高温側電極３２は、それぞれ、長方形の板状の形状を呈している。具体的には、低温側電極３１は、長方形状を呈しｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２に対向する低温側対向面と、長方形状を呈し低温側対向面と表裏関係を有し低温側絶縁部材４１に対向する低温側裏面とを備えている。同様に、高温側電極３２は、長方形上を呈しｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２に対向する高温側対向面と、長方形状を呈し高温側対向面と表裏関係を有し高温側絶縁部材４２に対向する高温側裏面とを備えている。

それぞれの低温側電極３１は、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２に対してろう材を介して接続されている。同様に、高温側電極３２は、ｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２に対してろう材を介して接続されている。以下の説明において、低温側電極３１のうちｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２に接続される領域を、低温側電極領域３１Ｃと称する。同様に、高温側電極３２のうちｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２に接続される領域を、高温側電極領域３２Ｃと称する。

本実施の形態では、図５に示すように、低温側電極３１および高温側電極３２を積層方向から見た場合に、それぞれの低温側電極３１の面積と比べて、それぞれの高温側電極３２の面積が小さくなっている。これにより、隣接する低温側電極３１同士の間隔と比べて、隣接する高温側電極３２同士の間隔が大きくなっている。

また、本実施の形態では、ｎ型熱電変換素子２１、ｐ型熱電変換素子２２および高温側電極３２を積層方向から見た場合、高温側電極領域３２Ｃの面積と比べて、ｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２の面積が大きくなっている。言い換えると、積層方向から見た場合、高温側電極領域３２Ｃの外縁は、ｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２の外縁よりも内側に位置している。さらに、隣接する高温側電極３２同士の間隔は、隣接するｎ型熱電変換素子２１とｐ型熱電変換素子２２との間隔と比べて大きくなっている。

なお、本実施の形態では、ｎ型熱電変換素子２１、ｐ型熱電変換素子２２および低温側電極３１を積層方向から見た場合、低温側電極領域３１Ｃの面積は、ｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２の面積とほぼ等しくなっている。言い換えると、積層方向から見た場合、低温側電極領域３１Ｃの外縁の位置は、ｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２の外縁とほぼ同じ位置にある。さらに、隣接する低温側電極３１同士の間隔は、隣接するｎ型熱電変換素子２１とｐ型熱電変換素子２２との間隔とほぼ等しくなっている。

本実施の形態の熱電変換部２０では、低温側電極３１と高温側電極３２とは、ヤング率の異なる電極材料により形成されている。より具体的には、それぞれの高温側電極３２は、低温側電極３１を構成する電極材料と比較してヤング率の高い電極材料により形成されている（低温側電極３１のヤング率＜高温側電極３２のヤング率）。
ここで、本実施の形態の説明において、ヤング率とは、応力に対する変形のしやすさを表す定数であり、静的な荷重によって得られる弾性変形領域の応力とひずみの関係から求められる静的ヤング率を意味する。

本実施の形態の熱電変換部２０において、低温側電極３１は、銅（ヤング率：１２９．８ＧＰａ）によって構成されている。

また、本実施の形態の熱電変換部２０において、高温側電極３２は、低温側電極３１を構成する銅と比較してヤング率が高い鉄（ヤング率：２０５ＧＰａ）によって構成されている。
高温側電極３２として鉄を用いる場合、鉄の表面のうち少なくともｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２に対向する高温側対向面を、銅で被覆することが好ましい。高温側電極３２において鉄の表面を銅で被覆することで、ろう材を介した高温側電極３２とｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２との接合性を良好にすることができる。

なお、低温側電極３１に用いる電極材料および高温側電極３２に用いる電極材料は、ヤング率が上述した関係を満たすのであれば、銅と鉄との組み合わせに限定されるものではない。
低温側電極３１および高温側電極３２を構成する電極材料は、例えば、アルミニウム（ヤング率：７０．３ＧＰａ）、金（ヤング率：７８ＧＰａ）、銀（ヤング率：８２．７ＧＰａ）、チタン（ヤング率：１１５．７ＧＰａ）、銅（ヤング率：１２９．８ＧＰａ）、白金（ヤング率：１５２ＧＰａ）、鉄（ヤング率：２０５ＧＰａ）、コバルト（ヤング率：２１１ＧＰａ）、ニッケル（ヤング率：２１９．２ＧＰａ）、クロム（ヤング率：２４８ＧＰａ）、モリブデン（ヤング率：３２４ＧＰａ）、タングステン（ヤング率：３４５ＧＰａ）等の中から、ヤング率が上述した関係を満たすように選択して用いることができる。また、低温側電極３１または高温側電極３２としては、金属単体の他、合金、導電性樹脂等を用いてもよく、これらを組み合わせて用いてもよい。

また、低温側電極３１および高温側電極３２は、例えばｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２との接合性の改善や劣化の抑制等を目的として、基材となる電極材料の表面を被覆する被膜を有していてもよい。なお、低温側電極３１または高温側電極３２が被膜を有する場合、この低温側電極３１または高温側電極３２のヤング率とは、基材の電極材料のヤング率を意味する。

詳細については後述するが、本実施の形態の熱電変換部２０では、高温側電極３２のヤング率が低温側電極３１のヤング率と比較して高いことで、例えば熱電変換装置１の動作時等における高温側電極３２の変形が抑制される。
またその一方で、本実施の形態の熱電変換部２０では、低温側電極３１のヤング率が高温側電極３２のヤング率と比較して低いことで、低温側電極３１と低温側絶縁部材４１との密着性の低下や熱電変換部２０の耐衝撃性の低下が抑制される。

［熱電変換装置の動作］
続いて、本実施の形態の熱電変換装置１の動作について説明する。図６は、本実施の形態の熱電変換装置１が用いられる熱電変換システム１００の概略構成を示した図である。
上述したように、本実施の形態の熱電変換装置１は、筐体１０の蓋部１２側が熱源側（高温側）に位置し、基部１１側が熱源とは反対側（低温側）となるように設置される。より具体的には、図６に示すように、本実施の形態の熱電変換装置１は、蓋部１２の天井部１２１が熱源となる被取り付け部１０１に対向するように取り付けられて使用される。被取り付け部１０１としては、例えば高温になる焼却炉の壁面等が挙げられる。

矢印Ｘで示すように、熱源となる被取り付け部１０１を介して熱電変換装置１に熱が加わると、蓋部１２の周囲に温度上昇が生じる。そして、蓋部１２から高温側絶縁部材４２を介して、熱電変換部２０の高温側電極３２が加熱される。
この結果、熱電変換部２０の高温側電極３２と低温側電極３１との間に大きな温度差（熱流）が生じ、熱電変換部２０を構成する各ｎ型熱電変換素子２１および各ｐ型熱電変換素子２２が熱電変換を行うことで、起電力を発生する。そして、熱電変換部２０が発生した起電力は、第１取出電極３１１に接続された第１出力電線２５１と、第２取出電極３１２に接続された第２出力電線２５２とを介して、熱電変換装置１の外部に取り出される。

ところで、熱電変換装置１の動作時には、上述したように、高温側電極３２が加熱され高温になる。熱電変換システム１００において熱源となる被取り付け部１０１等によっても異なるが、高温側電極３２の温度は、最高で８００℃程度まで加熱される場合がある。
また、上述したように、本実施の形態の熱電変換装置１では、筐体１０によって熱電変換部２０の高温側電極３２に対してｎ型熱電変換素子２１またはｐ型熱電変換素子２２側へ向かって押し付けられるような圧力がかかっている。

一般に、熱電変換部２０の電極として用いられる電極材料は、高温になるほど変形しやすい。したがって、このように、熱電変換装置１の動作時において高温側電極３２に熱および圧力がかかった場合、高温側電極３２の材料によっては、高温側電極３２が変形する場合がある。例えば、高温側電極３２と低温側電極３１とが同じ電極材料により構成される場合、高温になる高温側電極３２は、積層方向に直交する方向へつぶれるように変形する場合がある。そして、高温側電極３２が変形した場合には、隣接する高温側電極３２同士が接触して短絡を起こす場合がある。

これに対し、本実施の形態の熱電変換装置１では、高温側電極３２のヤング率が、低温側電極３１のヤング率と比較して高い。これにより、例えば熱電変換装置１の動作時において高温側電極３２が高温になった場合であっても、高温側電極３２のヤング率が低温側電極３１のヤング率以下である場合と比較して、高温側電極３２の変形を抑制することができる。この結果、隣接する高温側電極３２同士が接触することによる短絡が抑制され、熱電変換装置１による起電力の低下が抑制される。

その一方で、低温側電極３１は、低温側絶縁部材４１に接触しているため、高温側電極３２ほど高温にはならない。このため、低温側電極３１は、高温側電極３２と比較してヤング率が低い場合であっても、変形による短絡は生じにくい。
また、低温側電極３１のヤング率が高温側電極３２のヤング率と比べて低いことで、低温側電極３１と低温側絶縁部材４１との密着性や、熱電変換部２０に衝撃が加わった場合の耐衝撃性が良好になる。

ここで、本実施の形態の熱電変換装置１では、熱電変換部２０を積層方向から見た場合に、それぞれの高温側電極３２の面積が、それぞれの低温側電極３１の面積と比べて小さくなっている。そして、隣接する高温側電極３２同士の間隔が、隣接する低温側電極３１同士の間隔と比べて広くなっている。
これにより、例えば隣接する高温側電極３２同士の間隔が隣接する低温側電極３１同士の間隔以下である場合と比較して、隣接する高温側電極３２同士の接触がより抑制される。

さらに、本実施の形態の熱電変換装置１では、熱電変換部２０を積層方向から見た場合に、隣接する高温側電極３２同士の間隔が、隣接するｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２の間隔と比べて広くなっている。
これにより、例えば隣接する高温側電極３２同士の間隔が、隣接するｎ型熱電変換素子２１およびｐ型熱電変換素子２２の間隔以下である場合と比較して、隣接する高温側電極３２同士の接触がより抑制される。

＜実施の形態２＞
続いて、本発明の実施の形態２について説明する。図７は、実施の形態２が適用される熱電変換部２０の概略構成を示した図であって、熱電変換部２０を積層方向に見た図である。なお、実施の形態１と同様の構成については同じ符号を用い、ここではその詳細な説明は省略する。

上述した実施の形態１では、複数の高温側電極３２の全てを同一の電極材料、より具体的には、複数の高温側電極３２の全てを低温側電極３１と比較してヤング率が高い電極材料から構成する例について説明した。しかしながら、複数の高温側電極３２のうち少なくとも一部のヤング率が低温側電極３１と比較して高ければ、複数の高温側電極３２を構成する電極材料は互いに異なっていてもよい。

ここで、熱電変換装置１では、上述したように、筐体１０の外周に位置する基部１１の周縁および押さえリング１４を複数のネジ１５でネジ止めすることにより固定している。このため、筐体１０の基部１１および蓋部１２によって熱電変換部２０にかかる押圧力は、ネジ止め位置に近い外周側と、ネジ止め位置から離れた内周側とで異なる場合がある。例えば、熱電変換部２０にかかる押圧力は、ネジ止め位置に近い外周側のほうが、ネジ止め位置から離れた内周側と比較して大きくなる場合がある。この場合、熱電変換部２０において外周側に位置する高温側電極３２に対してかかる圧力が、内周側に位置する高温側電極３２と比較して高くなるため、熱電変換部２０において外周側に位置する高温側電極３２がより変形しやすくなる場合がある。

実施の形態２の熱電変換部２０では、図７に示すように、高温側電極３２が、外周側に位置する複数（この例では１４個）の第１高温側電極３２１と、第１高温側電極３２１に囲まれる内周側に位置する複数（この例では４個）の第２高温側電極３２２とを有している。

そして、実施の形態２の熱電変換部２０では、高温側電極３２のうち外周側に位置する第１高温側電極３２１は、低温側電極３１を構成する電極材料と比較してヤング率の高い電極材料により形成されている（低温側電極３１のヤング率＜第１高温側電極３２１のヤング率）。一方、高温側電極３２のうち内周側に位置する第２高温側電極３２２は、低温側電極３１と同じ電極材料により形成されている（低温側電極３１のヤング率＝第２高温側電極３２２のヤング率）。これにより、実施の形態では、高温側電極３２のうち外周側に位置する第１高温側電極３２１のヤング率が、内周側に位置する第２高温側電極３２２のヤング率と比較して高くなっている。（第２高温側電極３２２のヤング率＜第１高温側電極３２１のヤング率）。

具体的には、高温側電極３２のうち外周側に位置する第１高温側電極３２１は、表面が銅で被覆された鉄（ヤング率：２０５ＧＰａ）により構成され、低温側電極３１および高温側電極３２のうち内周側に位置する第２高温側電極３２２は、銅（ヤング率：１２９．８ＧＰａ）により構成されている。

実施の形態２の熱電変換装置１では、高温側電極３２のうち筐体１０を介してかかる圧力が大きい第１高温側電極３２１のヤング率が、低温側電極３１のヤング率と比較して高いことで、第１高温側電極３２１の変形が抑制される。これにより、隣接する第１高温側電極３２１同士の接触や第１高温側電極３２１と第２高温側電極３２２との接触に伴う短絡が抑制され、熱電変換装置１による起電力の低下が抑制される。

一方、高温側電極３２のうち第２高温側電極３２２は、第１高温側電極３２１と比較して筐体１０を介してかかる圧力が小さいため、第１高温側電極３２１と比較してヤング率が低い場合であっても、変形による短絡は生じにくい。
また、第２高温側電極３２２のヤング率が第１高温側電極３２１のヤング率と比べて低いことで、筐体１０を介してかかる圧力が小さい場合であっても、第２高温側電極３２２と高温側絶縁部材４２との密着性が確保される。

なお、複数の高温側電極３２におけるヤング率の大小は、上述した例に限られるものではない。例えば、複数の高温側電極３２について、隣接する高温側電極３２の数に応じてヤング率を設定してもよい。
具体的に説明すると、隣接する高温側電極３２の数が多いほど、変形した場合に隣接した高温側電極３２と接触して短絡が起きやすい傾向がある。したがって、例えば、複数の高温側電極３２のうち、隣接する高温側電極３２の数が多い第２高温側電極３２２のヤング率を、隣接する高温側電極３２の数が少ない第１高温側電極３２１のヤング率と比較して大きくしてもよい。

なお、上述した実施の形態１および実施の形態２では、熱電変換素子として、Ｓｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体を用いた場合を例として説明を行ったが、これに限られるものではなく、各種熱電半導体を材料とする熱電変換素子を採用した場合にも適用することができる。

続いて、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例］
図１〜図５に示した実施の形態１の構造を有する熱電変換装置１を用いて、ヒートサイクルによる耐久性試験を行った。
熱電変換装置１では、熱電変換部２０のｐ型熱電変換素子２２およびｎ型熱電変換素子２１として、それぞれＳｂ（アンチモン）を含むとともに充填スクッテルダイト構造を有する熱電半導体を用いた。また、低温側電極３１としては、０．５ｍｍ×４．１ｍｍ×８．８ｍｍの板状の銅を用い、高温側電極３２としては、０．５ｍｍ×４．１ｍｍ×８．８ｍｍの板状の鉄の表面に銅を被覆したものを用いた。なお、高温側電極３２において鉄の表面に被覆された銅の厚さは数十μｍ程度であった。

図８は、耐久性試験において熱電変換装置１の高温側に与える温度条件を示したグラフである。図８に示すように、熱電変換装置１の高温側に対して、５０℃から５５０℃まで２０分かけて昇温し、５５０℃で１０分間保持し、５５０℃から５０℃まで２０分かけて降温し、５０℃で１０分間保持するというヒートサイクルを繰り返し行った。

そして、所定のサイクル毎に熱電変換装置１の発電出力を測定し、サイクル数による熱電変換装置１の発電出力の変化（出力変化率）を評価した。ここで、熱電変換装置１の出力変化率（％）は、熱電変換装置１の発電出力の１サイクルあたりの変化量であり、（所定のサイクル間の発電出力の変化量／サイクル数）×１００で表される。
また、所定のサイクル毎に熱電変換装置１の抵抗を測定し、サイクル数による熱電変換装置１の抵抗値の変化（抵抗変化率）を評価した。ここで、熱電変換装置１の抵抗変化率（％）は、熱電変換装置１の初期抵抗値（ヒートサイクル実施前の抵抗値）に対する抵抗値の変化量であり、（（所定サイクルでの抵抗値−初期抵抗値）／初期抵抗値）×１００で表される。

［比較例］
高温側電極３２として、低温側電極３１と同じ０．５ｍｍ×４．１ｍｍ×８．８ｍｍの板状の銅を用いた以外は実施例１と同様の構成を有する熱電変換装置１を用いて、実施例１と同様にヒートサイクルによる耐久性試験を行い、評価した。

［評価結果］
表１に、実施例の熱電変換装置１についての発電出力、抵抗値、抵抗変化率および出力変化率のサイクル数による変化を示す。また、表２に、比較例の熱電変換装置１についての発電出力、抵抗値、抵抗変化率および出力変化率のサイクル数による変化を示す。

図９は、実施例および比較例の熱電変換装置１の出力変化率のサイクル数による変化を示したグラフである。また、図１０は、実施例および比較例の熱電変換装置１の抵抗変化率のサイクル数による変化を示したグラフである。
表１、図９および図１０に示すように、高温側電極３２として低温側電極３１と比べてヤング率が高い鉄を用いた実施例の熱電変換装置１では、１０００サイクルを超えても熱電変換装置１の出力変化率および抵抗変化率が大きく低下しなかった。

これに対し、低温側電極３１と高温側電極３２とで同じ材料を用いた比較例では、表２および図９に示すように、５６０サイクル〜６００サイクルの間で、熱電変換素子１の出力が大きく低下している。また、比較例では、表２および図１０に示すように、４００サイクル〜６００サイクルの間で、熱電変換装置１の抵抗変化率が大きく低下している。このことから、比較例の熱電変換装置１では、高温側電極３２が変形して短絡が起こったものと推測される。

１…熱電変換装置、１０…筐体、２０…熱電変換部、３１…低温側電極、３２…高温側電極、４０…絶縁部、１００…熱電変換システム

Claims (10)

1. 高温側と低温側との温度差による熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、
   前記熱電変換素子の前記低温側に電気的に接続される低温側電極と、
   前記熱電変換素子の前記高温側に電気的に接続され、前記低温側電極と比べてヤング率が高い高温側電極と
   を備える熱電変換装置。
2. 前記低温側電極および前記高温側電極を前記熱電変換素子側へ押圧する押圧部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記熱電変換素子は、アンチモンを含む充填スクッテルダイト構造の合金からなる熱電変換層を含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
4. 前記低温側電極は銅からなり、
   前記高温側電極は少なくとも前記熱電変換素子に対向する面が銅で被覆された鉄からなり、
   前記低温側電極および前記高温側電極は、ろう材を介して前記熱電変換素子に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
5. 前記高温側電極から前記低温側電極に向かう方向から見た場合に、当該高温側電極の面積が当該低温側電極と比べて小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
6. 予め定めた面に沿って並ぶ複数の第１電極と、
   間隙を介して複数の前記第１電極に対向する複数の第２電極と、
   それぞれの前記第１電極とそれぞれの前記第２電極との間に配置され、当該第１電極および当該第２電極により交互に直列接続され、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する複数のｐ型熱電変換素子および複数のｎ型熱電変換素子とを備え、
   複数の前記第２電極の少なくとも一部は、前記第１電極と比べてヤング率が高いことを特徴とする熱電変換装置。
7. 前記ｐ型熱電変換素子、前記ｎ型熱電変換素子、前記第１電極および前記第２電極を収容するとともに、当該第１電極および当該第２電極を当該ｐ型熱電変換素子および当該ｎ型熱電変換素子側へ押圧する収容部材をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換装置。
8. 複数の前記第２電極は、当該第２電極の位置によって前記収容部材による押圧力が異なる場合に、当該押圧力が高い領域に配置された当該第２電極のヤング率が前記第１電極と比較して高いことを特徴とする請求項７に記載の熱電変換装置。
9. 前記第２電極から前記第１電極へ向かう方向から見て、隣接する前記ｐ型熱電変換素子と前記ｎ型熱電変換素子との間隔と比べて、隣接する当該第２電極同士の間隔が大きいことを特徴とする請求項６に記載の熱電変換装置。
10. 熱を有する熱源と、
    前記熱源に取り付けられ、当該熱源から受け取った熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置とを備え、
    前記熱電変換装置は、
    熱電変換素子と、
    前記熱電変換素子に電気的に接続される第１電極と、
    前記熱電変換素子を挟んで前記第１電極に対向し当該第１電極と比べて前記熱源に近い位置で当該熱電変換素子に電気的に接続され、当該第１電極と比べてヤング率が高い第２電極と
    を備える熱電変換システム。

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