JP2019204926A - 熱電変換モジュールおよび発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱電変換効率を有する熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】熱源に接続して用いられる熱電変換モジュールであって、熱電変換素子体と、少なくとも１つの第１高熱伝導体とを備え、前記熱電変換素子体は、ｎ個の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎが順番に直列的に接合されてなる素子本体を備え、前記ｎ個の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎとして、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが交互に接合され、互いに隣接する熱電変換素子間に、前記熱電変換素子Ａ１側から順にｎ−１個の接合部が形成され、前記第１高熱伝導体は、前記熱源の熱を前記接合部に伝える部材であって、前記熱源に接続される熱源接続部と、前記熱源接続部とは離隔した位置において、前記接合部に接続する接合部接続部と、を有し、前記第１高熱伝導体は、所定の形態で前記接合部に接続する、熱電変換モジュール。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールおよび発電システムに関するものである。

近年、温度差を利用して熱を電気に変換する熱電変換モジュールが、未利用の熱エネルギーを活用するための有効な手段として期待されている。中でも、熱電変換モジュールとしては、起電力が大きいことから、ｐ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ）型半導体材料とｎ（Ｎｅｇａｔｉｖｅ）型半導体材料とを接合して形成した接合体を含んでなる熱電変換モジュールが注目されている。そして、熱電変換モジュールには、熱源からの熱を効率良く電気に変換することが求められるため、高い熱電変換効率を有する熱電変換モジュールの開発が盛んに行なわれている。

例えば、特許文献１では、ヒートパイプを用いた熱電変換装置により、発電効率の向上と、熱電素子の過熱による性能劣化の防止とを達成し得ることが報告されている。より具体的には、高温側接触部及び低温側接触部を有する熱電モジュールと、熱源の中に配置される第１の部分と熱源の外に配置される第２の部分とを有し、第２の部分の熱放出部にて熱電モジュールの高温側接触部を加熱するヒートパイプと、熱電モジュールの低温側接触部を冷却する冷却装置とを具え、熱電モジュールの高温側接触部と低温側接触部との間に生じた温度差により熱電発電を行なう熱電発電装置において、ヒートパイプの第２の部分に、熱電モジュールの高温側接触部への熱供給温度を制御するための温度制御手段を設けることが提案されている。そして、熱電モジュールとしては、一対の電極板の間に接合されたｐ型熱電素子とｎ型熱電素子が平板状に縦横に並べられ、隣り合う電極板どうしが半田により電気的に直列接続されたπ型構造の熱電変換素子を有するモジュールを使用し得る旨が開示されている。
また、特許文献２では、シート状の低熱伝導部、および、低熱伝導部の一方の表面上に設けられる、低熱伝導部よりも熱伝導率が高い第１高熱伝導部、を有する基板と、基板の低熱伝導部上に設けられる熱電変換層と、熱電変換層を覆う被覆層と、被覆層上に設けられる、被覆層よりも熱伝導率が高く、かつ、面方向に第１高熱伝導部と完全に重複しない第２高熱伝導部と、面方向に熱電変換層を挟んで熱電変換層に接続される一対の電極と、第１高熱伝導部の、熱電変換層とは反対側の面上に設置される接合部材と、を有する熱電変換素子が開示されている。そして、当該熱電変換素子は、第１高熱伝導部が熱源側になるように設置することで、自然空冷下であっても、効率良く発電し得ることが報告されている。

特開平１１−４１８６３号公報 特開第２０１７−９２４０７号公報

ところで、熱電変換モジュールの熱電変換効率は、熱源からの熱を受容する高温部と、低温部との温度差に依存し、高温部と低温部との温度差が大きいほど、熱電変換モジュールの熱電変換効率は高くなる。
しかしながら、１対の電極板の間にｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが所定の構造で接合された特許文献１に記載の熱電モジュールでは、高温部と低温部との距離を拡げることには限界があるため、高温部と低温部との温度差を大きくすることは困難であり、熱電変換効率の更なる向上は難しい。
また、特許文献２に記載の熱電変換素子においても、熱源から、低熱伝導部および第１高熱伝導部等を介して、比較的近い位置に熱電変換層が配置されるため、熱源からの輻射熱により低温部が加温され、高温部と低温部との温度差が小さくなることから、熱電変換効率を更に向上させることは困難であった。
したがって、上記従来技術においては、高温部と低温部との温度差を大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を高める点に改善の余地があった。

そこで、本発明は、高い熱電変換効率を有する熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
また、本発明は、高い熱電変換効率を有する発電システムを提供することを目的とする。

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の熱電変換モジュールは、熱源に接続して用いられる熱電変換モジュールであって、熱電変換素子体と、少なくとも１つの第１高熱伝導体と、を備え、前記熱電変換素子体は、ｎ個（ｎは４以上の整数）の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎが順番に直列的に接合されてなる素子本体を備え、前記ｎ個の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎとして、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが交互に接合され、かつ、前記熱電変換素子Ａ１は、前記ｐ型熱電変換素子または前記ｎ型熱電変換素子であり、前記ｎ個の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎにおいて、互いに隣接する熱電変換素子間に、前記熱電変換素子Ａ１側から順にｎ−１個の接合部が形成され、前記第１高熱伝導体は、前記熱源の熱を前記接合部に伝える部材であって、前記熱源に接続される熱源接続部と、前記熱源接続部とは離隔した位置において、前記接合部に接続する接合部接続部と、を有し、前記第１高熱伝導体は、下記（１）または（２）：
（１）前記熱電変換素子Ａ１側から奇数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない
（２）前記熱電変換素子Ａ１側から偶数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない
のいずれかの形態で前記接合部に接続することを特徴とする。上述した構成の熱電変換モジュールであれば、第１高熱伝導体が熱源に接続される熱源接続部と、第１高熱伝導体が熱電変換素子間に形成された接合部に接続する接合部接続部とが、離隔した位置に配置されるため、熱電変換素子体が熱源から受ける輻射熱を少なくし、第１高熱伝導体と接続して熱源からの熱を受容する接合部（以下、「高温部」と称することがある）と、第１高熱伝導体と接続しない接合部（以下、「低温部」と称することがある）との温度差を大きくできるため、高い熱電変換効率を実現し得る。

ここで、本発明の熱電変換モジュールは、前記第１高熱伝導体の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。第１高熱伝導体の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を更に高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記第１高熱伝導体が金属材料および／またはセラミック材料を含むことが好ましい。第１高熱伝導体が金属材料および／またはセラミック材料を含めば、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を更に高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記第１高熱伝導体がカーボン材料を含むことが好ましい。第１高熱伝導体がカーボン材料を含めば、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を更に高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記第１高熱伝導体がヒートパイプであることが好ましい。第１高熱伝導体がヒートパイプであれば、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を更に高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記熱電変換素子体が、前記素子本体を担持する基板を更に備え、前記基板が可撓性を有することが好ましい。可撓性を有する基板で素子本体を担持すれば、熱電変換モジュールは高いフレキシブル性を有するため、優れた設置性を発揮することができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記基板が、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シクロオレフィン樹脂、および水素添加スチレン系樹脂からなる群より選択される少なくとも１種を含有することが好ましい。基板が上記所定の材料の少なくとも１種を含有すれば、熱電変換モジュール１００の熱や環境中の水分による劣化を防止し、熱電変換モジュール１００の寿命を長くすることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子の少なくとも一方が、導電性高分子化合物および／または繊維状炭素ナノ構造体を含有することが好ましい。ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子の少なくとも一方が、導電性高分子化合物および／または繊維状炭素ナノ構造体を含有すれば、熱電変換モジュールの熱電変換効率を更に高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、少なくとも２枚の熱電変換素子体を備え、厚み方向に隣接する２枚の熱電変換素子体相互間で、前記第１高熱伝導体に接続する前記接合部同士が前記厚み方向に揃って配置され、前記２枚の熱電変換素子体相互間において、前記第１高熱伝導体の接合部接続部が、前記厚み方向に揃って配置された２つの接合部の双方に接続することが好ましい。厚み方向に隣接する２枚の熱電変換素子体相互間で、前記第１高熱伝導体に接続する前記接合部同士が厚み方向に揃って配置され、当該２枚の熱電変換素子体相互間において、第１高熱伝導体の接合部接続部が、当該厚み方向に揃って配置された２つの接合部の双方に接続すれば、熱電変換モジュールの単位面積当たりの発電量を高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記第１高熱伝導体が、前記熱源接続部から分岐して、複数の前記接合部に接続することが好ましい。第１高熱伝導体が、熱源接続部から分岐して、複数の接合部に接続すれば、熱電変換モジュールは、表面積の小さい熱源に対しても設置することができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、更に第２高熱伝導体を備え、前記第１高熱伝導体が前記（１）の形態で前記接合部に接続する場合、前記第２高熱伝導体は下記（３）：
（３）前記熱電変換素子Ａ１側から偶数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない
の形態で前記接合部に接続し、前記第１高熱伝導体が前記（２）の形態で前記接合部に接続する場合、前記第２高熱伝導体は下記（４）：
（４）前記熱電変換素子Ａ１側から奇数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない
の形態で前記接合部に接続することが好ましい。熱電変換モジュールが更に第２高熱伝導体を備え、上記所定の形態で前記第２高熱伝導体が前記接合部に接続していれば、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を更に高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記第２高熱伝導体の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。第２高熱伝導体の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を一層高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記第２高熱伝導体が金属材料および／またはセラミック材料を含むことが好ましい。第２高熱伝導体が金属材料および／またはセラミック材料を含めば、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を一層高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記第２高熱伝導体がカーボン材料を含むことが好ましい。第２高熱伝導体がカーボン材料を含めば、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を一層高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記第２高熱伝導体がヒートパイプであることが好ましい。第２高熱伝導体がヒートパイプであれば、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を一層高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、更に放熱部材を備え、前記第２高熱伝導体が前記放熱部材に接続することが好ましい。熱電変換モジュールが更に放熱部材を備え、第２高熱伝導体が放熱部材に接続すれば、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率を一層高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記第２高熱伝導体が、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料を介して前記放熱部材に接続することが好ましい。第２高熱伝導体が、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料を介して放熱部材に接続すれば、第２高熱伝導体と放熱部材との熱抵抗を小さくし、熱電変換モジュールの熱電変換効率をより一層高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記放熱部材の少なくとも一部が、前記熱電変換素子体および前記第１高熱伝導体の熱源接続部から、前記熱電変換素子体の面内方向に離隔した位置に配置されることが好ましい。放熱部材の少なくとも一部が、熱電変換素子体および第１高熱伝導体の熱源接続部から、所定の方向に離隔した位置に配置されれば、放熱部材が熱電変換素子体および熱源からの輻射熱により加温され難くなるため、放熱部材の放熱効率が向上し、熱高温部と低温部との温度差をより一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率をより一層高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記放熱部材の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。放熱部材の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であれば、高温部と低温部との温度差をより一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率をより一層高めることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、前記放熱部材が金属材料および／またはセラミック材料を含むことが好ましい。放熱部材が金属材料および／またはセラミック材料を含めば、高温部と低温部との温度差をより一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率をより一層高めることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールは、前記放熱部材がカーボン材料を含むことが好ましい。放熱部材がカーボン材料を含めば、高温部と低温部との温度差をより一層大きくして、熱電変換モジュールの熱電変換効率をより一層高めることができる。

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明の発電システムは、熱電変換モジュールと熱源とを備える発電システムであって、前記熱電変換モジュールが上述したいずれかの熱電変換モジュールであり、前記熱源接続部が熱源に接続することを特徴とする。このように、上述したいずれかの熱電変換モジュールと、当該熱電変換モジュールと接続される熱源とを備える発電システムであれば、高い熱電変換効率を実現し得る。

ここで、本発明の発電システムは、前記第１高熱伝導体の熱源接続部が、前記熱源に溶接され、または、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料を介して前記熱源に接続することが好ましい。第１高熱伝導体の熱源接続部が、熱源に溶接され、または、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料を介して熱源に接続すれば、第１高熱伝導体と熱源との熱抵抗を小さくし、発電システムの熱電変換効率を更に高めることができる。

また、本発明の発電システムは、前記第１高熱伝導体の表面のうち、前記接合部および前記熱源のいずれにも接触していない表面の少なくとも一部に低熱伝導体が配置されていることが好ましい。第１高熱伝導体の表面のうち、接合部および熱源のいずれにも接触していない表面の少なくとも一部に低熱伝導体が配置されていれば、熱が第１高熱伝導体を伝導する際の熱の損失を抑制し、発電システムの熱電変換効率を更に高めることができる。

さらに、本発明の発電システムは、前記低熱伝導体の少なくとも一部が、独立気泡を有する発泡体であることが好ましい。低熱伝導体の少なくとも一部が、独立気泡を有する発泡体であれば、熱が第１高熱伝導体を伝導する際の熱の損失を更に良好に抑制し、発電システムの熱電変換効率を一層高めることができる。

本発明によれば、高い熱電変換効率を有する熱電変換モジュールを提供することができる。また、本発明によれば、高い熱電変換効率を有する発電システムを提供することができる。

本発明の発電システムの概略構造の一例を示す平面図である。 図１に示す発電システムのＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。 図１に示す発電システムのＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。 本発明の熱電変換モジュールが熱電変換素子体を２枚備える場合の一例の断面図である。 本発明の発電システムにおいて、第１高熱伝導体が分岐構造を有する場合の一例の平面図である。 本発明の熱電変換モジュールが（ａ）熱電変換素子体の上方の面のみに第１高熱伝導体を備える場合の一例の断面図、および（ｂ）熱電変換素子体の上方の面および下方の面のいずれにも第１高熱伝導体を備える場合の一例の断面図である。 本発明の熱電変換モジュールが第２高熱伝導体を更に備える場合の一例の断面図である。 本発明の熱電変換モジュールが第２高熱伝導体と放熱部材とを更に備える場合の一例の断面図である。 本発明の熱電変換モジュールが第２高熱伝導体と放熱部材とを更に備える場合の他の一例の断面図である。 本発明の熱電変換モジュールが第２高熱伝導体と、放熱部材としてのヒートシンクとを更に備える場合の一例の断面図である。 本発明の熱電変換モジュールが第２高熱伝導体と放熱部材とを更に備える場合の更に他の一例の断面図である。 本発明の発電システムにおいて、第２高熱伝導体が熱電変換素子体の外縁の外側まで延在して放熱部材と接続する場合の一例の平面図である。 本発明の発電システムにおいて、熱電変換モジュールの熱源接続部が熱源に溶接される場合の断面図である。 本発明の発電システムにおいて、熱電変換モジュールの熱源接続部が介在物を介して熱源と接続する場合の断面図である。 本発明の発電システムが低熱伝導体を更に備える場合における熱源側の（ａ）一例の断面図、および（ｂ）他の一例の断面図である。 本発明の発電システムが低熱伝導体を更に備える場合における熱電変換素子体側の（ａ）一例の断面図、および（ｂ）他の一例の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一の構成要素を示すものとする。また、本明細書において、上下方向とは、図１などの熱電変換モジュールの平面図の紙面に垂直な方向を意味し、上方は同図における紙面手前方向、下方はその反対方向を意味するものとする。

ここで、本発明の熱電変換モジュールは、特に限定されることなく、保冷庫等に用いられうる温度調節素子、廃熱発電や雪氷発電等のための発電素子、さらには、リチウムイオン電池等のための電極として用いることができる。また、本発明の熱電変換モジュールの熱源としては、特に限定されることなく、例えば、電気機器等の熱源、並びに液化天然ガス、雪、および氷等の冷熱源でありうる。なお、以下の説明では、明瞭のために、熱源の温度が熱電変換素子内に形成すべき温度勾配の高温側の温度よりも高い場合、即ち、熱源が冷熱源以外の熱源であると仮定して説明する。

図１は、本発明の一例にかかる発電システム３００の概略構造を示す平面図である。また、図２は、図１に示す発電システム３００を、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線で切断した場合の断面図である。なお、図２の断面図に示す通り、発電システム３００には、素子本体８の厚み方向（図示例では上下方向）の両側に、２枚の基板１０（基板１０ａおよび１０ｂ）が配置されているが、図１は、上方の基板１０ｂを除いた状態の平面図を示している。さらに、図３は、図１に示す発電システム３００を、熱源接続部１Ｂの短手方向を通るＸ２−Ｘ２線で切断した場合の断面図である。

図１に示すように、発電システム３００は、熱源２００と、熱源２００に接続された熱電変換モジュール１００と、を備える。そして、熱電変換モジュール１００は、例えば熱電変換素子体２０と、第１高熱伝導体１とを備える。本実施形態において、第１高熱伝導体１は、例えば棒状の形状を有しており、合計４本を用いている。

そして、熱電変換素子体２０は、素子本体８と、素子本体８の厚み方向（図示例では上下方向）の両側に配置された２枚の基板１０（基板１０ａおよび１０ｂ）と、を有する。ここで、素子本体８は、２４個の熱電変換素子Ａ１〜Ａ２４が順番に直列的に接続されてなる。そして、２４個の熱電変換素子Ａ１〜Ａ２４としては、ｐ型熱電変換素子１とｎ型熱電変換素子２とが交互に接続されている。なお、熱電変換素子Ａ１は、ｐ型熱電変換素子１である。

より具体的には、素子本体８は、１２対のｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４が連続して接合されてなり、熱電変換素子体２０の面内の一方向（図示例では基板１０の長手方向）に沿って接合された３対のｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４からなる長尺構造６を４本備える。さらに、素子本体８は、長尺構造６の末端同士であるｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とを、素子本体８を折り返すようにして（図示例では基板１０の短手方向に）接合する折り返し接合部材７を３つ備える。上述した構成により、素子本体８はＷ字状（またはＭ字状）の構造を有する。

なお、素子本体８を構成する各熱電変換素子Ａ１〜Ａ２４（各ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４）における始端８Ａ側の端部から終端８Ｂ側の端部に向かう方向（以下、「接合方向」と称することがある。）の長さは、一致している。

そして、２４個の熱電変換素子Ａ１〜Ａ２４において、互いに隣接する熱電変換素子間に、熱電変換素子Ａ１側から順に２３個の接合部５が形成されている。ここで、各接合部５においては、ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とが接合している。なお、上記折り返し接合部材７によりｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とが接合される箇所も接合部５に含まれるものとする。ここで、上述した素子本体８のＷ字状の構造では、相互に平行に並んだ４本の長尺構造６相互間で、接合部５同士が当該長尺構造６の短手方向に揃って配置される。

また、素子本体８の始端８Ａおよび終端８Ｂの各々には、１対の電極９Ａおよび９Ｂが接続している。

第１高熱伝導体１は、熱源２００の熱を接合部５に伝える部材であり、熱源２００と接合部５とに渡って接続される。このとき、４本の棒状の第１高熱伝導体１が、いずれも長尺構造６の長手方向に対して直交するように配置され、２３個の接合部５と素子本体８の始端８Ａおよび終端８Ｂとを合わせた２５箇所に対して１箇所おきに接続する。ここで、１本の棒状の第１高熱伝導体１が、長尺構造６の短手方向に揃って配置された複数の接合部５に対して接続して、接合部接続部１Ａを形成している。なお、棒状の第１高熱伝導体１は剛体であり、熱電変換素子体２０（基板１０）の平面と平行に配置される。

さらに、４本の棒状の第１高熱伝導体１はいずれも、接合部接続部１Ａから同方向に、且つ、熱電変換素子体２０（基板１０）の平面に平行に伸びて、熱電変換素子体２０の外縁の外側まで延在して、熱源接続部１Ｂを形成する。そして、図３の断面図が示すように、熱源接続部１Ｂが熱源２００に接続する。

なお、上述した熱電変換モジュール１００および発電システム３００はあくまで一例であり、本発明の熱電変換モジュールおよび発電システムはこれらに限定されない。

熱電変換モジュール１００による発電の概略スキームは以下の通りである。まず、熱源２００より放出された熱が第１高熱伝導体１の熱源接続部１Ｂによって受容され、熱源接続部１Ｂから接合部接続部１Ａに伝わり、さらに接合部接続部１Ａと接続する接合部５にて接合されたｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の各端部に伝えられる。これにより、ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の各々において、接合部接続部１Ａに接続している接合部５（高温部）側の端部から、接合部接続部１Ａに接続していない接合部５（低温部）側の端部へ向かう方向の温度勾配が生じる。そして、高温部と低温部との温度差に起因するゼーベック効果により起電力が生じ、熱電変換モジュール１００が発電する。このとき、高温部と低温部との温度差が大きければ、生じる起電力が大きくなり、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率が向上しうる。

そして、熱電変換モジュール１００では、上述したように、熱源接続部１Ｂが熱電変換素子体２０の外縁の外側まで延在して熱源２００と接続することで、接合部接続部１Ａと熱源接続部１Ｂとが離隔して配置されるので、熱電変換素子体２０が熱源２００から受ける輻射熱を少なくし、高温部と低温部との温度差を大きくできるため、高い熱電変換効率を実現し得る。

ここで、熱電変換素子体２０を構成する素子本体８は、上述したように、１２対のｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４が、３対ごとに折り返し接合部材７を介在しつつ、連続して接合されてなる構造を有するが、これに限定されることはなく、ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とが合計４個以上交互に直列的に接合されてなる構造を有していればよい。そして、熱電変換モジュール１００が、上記ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４との間に形成された複数の接合部５に対して、少なくとも１つの高熱伝導体１が所定の形態で接続されてなる構造（「ｉｎ−ｐｌａｎｅ型構造」と称することがある。）を有していれば、厚み方向ではなく、面内方向の温度差を利用して熱電変換を行えることから、温度差を確保するために形状を厚くする必要が無くなるため、熱電変換効率を十分に高く確保しつつ、熱電変換モジュールを薄型化してフレキシブル性を高め、設置性を向上させることができる。

また、素子本体８が図示例のように複数の長尺構造６を有する場合、各々の長尺構造６を構成する熱電変換素子の個数（ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４を合わせた個数）も、通常は一致するが、これに限定されることはない。

なお、通常、熱電変換素子体２０は膜状の形状を有することから、素子本体８は１つの平面内に含まれるような形状を有するため、素子本体８を構成する熱電変換素子Ａ１〜Ａｎ（ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４）は同一平面内の任意の方向に接合することができる。
ここで、「同一平面内の任意の方向に接合することができる」とは、素子本体８を構成する１対のｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とが接合する場合に、ｐ型熱電変換素子３の接合方向と、ｎ型熱電変換素子４の接合方向とが、いずれも基板１０に平行な同一の平面内に含まれ、且つ、両者のなす角が任意の角度を示し得ることを意味する。

そして、素子本体８を構成するｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４を形成するための熱電変換材料としては、特に限定されることなく、ビスマステルル系化合物；アンチモン系化合物；シリコン系化合物；金属酸化物系化合物；ホイスラー合金系化合物；ポリチオフェン系化合物、ポリアセチレン系化合物、ポリアニリン系化合物、ポリピロール系化合物等の導電性高分子化合物；カーボンナノチューブ等の繊維状炭素ナノ構造体；これらの複合材料等を用いることができる。中でも、導電性高分子化合物および繊維状炭素ナノ構造体を用いることが好ましく、繊維状炭素ナノ構造体を用いることがより好ましく、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴとも称する）を用いることが特に好ましい。ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の少なくとも一方が、熱電変換材料として、導電性高分子化合物および／または繊維状炭素ナノ構造体を含有すれば、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を更に高めることができる。さらに、ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の少なくとも一方が、熱電変換材料として、ＣＮＴを含有すれば、熱電変換モジュール１００の機械的強度を更に向上させると共に、軽量化することができる。

ＣＮＴとしては特に限定されることなく、単層ＣＮＴおよび／または多層ＣＮＴを用いることができるが、ＣＮＴは、単層ＣＮＴであることが好ましい。単層ＣＮＴの方が、熱電特性（ゼーベック係数）が優位である傾向があるからである。なお、単層カーボンナノチューブとしては、ＣＮＴ製造用の触媒層を表面に有する基材上に、原料化合物およびキャリアガスを供給して、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）によりＣＮＴを合成する際に、系内に微量の酸化剤（触媒賦活物質）を存在させることで、触媒層の触媒活性を飛躍的に向上させるという方法（スーパーグロース法；国際公開第２００６／０１１６５５号参照）に準じて製造したＣＮＴを用いることができる（以下、かかる方法に準じて製造されたＣＮＴを「ＳＧＣＮＴ」と称することがある）。さらにＳＧＣＮＴは折れ曲がりが多いという特徴を持っている。ここで、ＣＮＴは、電子移動による熱伝導性は高いが、フォノン振動による熱伝導性の低下効果も高いと考えられている。しかし、ＳＧＣＮＴは、他の一般的な方法に従って製造したＣＮＴよりも折れ曲がりが多いため、フォノン振動が増幅されにくい構造となっており、フォノン振動に起因した熱伝導性の低下を抑制することができる。よって、ＳＧＣＮＴは、他の一般的なＣＮＴと比較して、熱電変換材料としてより優位な材料でありうる。

そして、ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４を形成するための熱電変換材料としてＣＮＴを使用するにあたり、ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４をそれぞれ構成するＣＮＴのゼーベック係数を異なるものとする必要がある。ここで、ＣＮＴは、そのままではｐ型熱電変換素子としての特性を有する。よって、ｎ型熱電変換素子を得るための処理（以下、「ｎ化処理」とも称する）をＣＮＴについて適用する必要がある。具体的には、例えば、既知の方法により作製した、或いは市販されている、薄膜状に成形されたＣＮＴであるバッキーペーパーを、一般的な方法、例えば、国際公開第２０１５／１９８９８０号に記載の方法に従ってｎ化処理することで、ｎ型熱電変換素子４として機能しうるバッキーペーパーを得ることができる。

ここで、素子本体８を構成する各ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の長さは、特に限定されないが、各熱電変換素子の接合方向の長さがそれぞれ５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の接合方向の長さが上記下限値以上であれば、高温部と低温部との温度差を更に拡大することができ、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を更に高めることができる。また、ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の当該方向の長さが上記上限値以下であれば、単位面積当たりの発電量を高めることができる。

なお、素子本体８を構成する各熱電変換素子Ａ１〜Ａｎ（各ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４）の接合方向の長さは、通常は一致するが、本発明の所望の効果が得られる範囲内で、異なっていてもよい。

さらに、ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましく、５０μｍ以上であることが更に好ましく、３００μｍ以下であることが好ましく、２５０μｍ以下であることがより好ましく、２００μｍ以下であることが更に好ましい。ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の厚みが上記下限値以上であれば、熱電変換モジュール１００の抵抗値を低くすることができる。一方、ｐ型熱電変換素子３およびｎ型熱電変換素子４の厚みが上記上限以下であれば、熱電変換モジュール１００のフレキシブル性を十分に高く確保し、優れた設置性を維持することができる。

そして、ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とが接合する接合部５においては、ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とが電気的に接続する限り、特に限定されることはなく、ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とが直接接合してもよく、折り返し接合部材７等の任意の接合部材を介して接合してもよい。
ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４との間に介在しうる接合部材は、導電性および熱伝導性を有する限り、特に限定されず、例えば、ＡｇおよびＣｕ等の金属材料、並びにグラファイトおよびＣＮＴ等のカーボン材料により構成されうる。中でも、熱電変換モジュール１００のフレキシブル性を更に高める観点から、ＣＮＴを用いることが好ましい。

また、接合部５において、ｐ型熱電変換素子３とｎ型熱電変換素子４とは、接合部材としてＡｇを含むペースト状の樹脂材料を介して接続してもよい。なお、樹脂材料としては、特に限定されることなく、（メタ）アクリル系樹脂、エポキシ樹脂、フッ素系樹脂、シリコーン系樹脂、オレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、およびポリイミド系樹脂等の一般的な樹脂材料を用いることができる。そして、樹脂材料としては、可撓性に富み、且つ、耐熱性の高いポリイミド系樹脂を用いることが好ましい。なお、本明細書中において「（メタ）アクリル」とは、「アクリル」または「メタクリル」を意味する。
なお、上述したＡｇを含むペースト状の樹脂材料は、例えば、ｐ型熱電変換素子３またはｎ型熱電変換素子４と、折り返し接合部材７とを電気的に接続する際にも用いることができる。

素子本体８の始端８Ａおよび終端８Ｂの各々には、１対の電極９Ａおよび９Ｂを接続することができ、熱電変換により生じた電力を取り出すことができる。ここで、電極９Ａおよび９Ｂを構成しうる材料としては、上述した接合部材に使用しうる材料を用いることができる。

そして、熱電変換素子体２０は、素子本体８を担持する少なくとも１つの基板１０を備えうる。当該基板１０は、特に限定されないが、可撓性を有することが好ましい。可撓性を有する基板１０で素子本体８を担持すれば、熱電変換モジュール１００は高いフレキシブル性を有するため、優れた設置性を発揮することができる。さらに、当該基板１０は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シクロオレフィン樹脂、および水素添加スチレン系樹脂からなる群より選択される少なくとも１種を含有することが好ましい。当該基板１０が上記所定の材料の少なくとも１種を含有すれば、熱電変換モジュール１００の熱や環境中の水分による劣化を防止し、熱電変換モジュール１００の寿命を長くすることができる。

ここで、基板１０の厚みは、１０μｍ以上であることが好ましく、２０μｍ以上であることがより好ましく、２００μｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以下であることがより好ましい。基板１０の厚みが上記下限値以上であれば、熱電変換モジュール１００の機械的強度を向上させることができる。一方、基板１０の厚みが上記上限以下であれば、熱電変換モジュール１００のフレキシブル性を十分に高く確保し、優れた設置性を維持することができる。
なお、熱電変換素子体２０は、素子本体８の一方の面のみに基板１０を備えていてもよく、素子本体８の両面に基板１０を備えていてもよい。また、熱電変換素子体２０が基板１０を複数枚備える場合、当該複数枚の基板１０は全て同一のものである必要は無く、複数枚の基板１０相互間で材質、厚み、大きさ等が異なるものを任意に使用することができる。

熱電変換モジュール１００は、図１では、熱電変換素子体２０を１枚備えるが、これに限定されることはなく、熱電変換素子体２０を２枚以上備えてもよい。ここで、図４に、熱電変換モジュール１００が熱電変換素子体を２枚備える場合の一例の断面図を示す。なお、図４は、図２と同じく、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。そして、熱電変換モジュール１００は、図４に示す断面図のように、２枚の熱電変換素子体を備え、厚み方向に隣接する２枚の熱電変換素子体２０相互間で、第１高熱伝導体１に接続する接合部５同士が厚み方向に揃って配置され、当該２枚の熱電変換素子体２０相互間において、第１高熱伝導体１の接合部接続部１Ａが、当該厚み方向に揃って配置された２つの接合部５の双方に接続する構造を有することが好ましい。図４に示すように、熱電変換モジュール１００が、少なくとも２枚の熱電変換素子体２０を備え、厚み方向に隣接する２枚の熱電変換素子体２０相互間で、第１高熱伝導体１に接続する接合部５同士が厚み方向に揃って配置され、当該２枚の熱電変換素子体２０相互間において、第１高熱伝導体１の接合部接続部１Ａが、当該厚み方向に揃って配置された２つの接合部５の双方に接続する構造を有すれば、熱電変換モジュール１００の単位面積当たりの発電量を高めることができる。

ここで、図４に示す熱電変換モジュール１００を上面から基板１０を除いて見た場合、上方に配置された熱電変換素子体２０の素子本体８と、下方に配置された熱電変換素子体２０の素子本体８との形状および配置は一致し、当該２つの素子本体８の構成は同じであるものとする。ただし、本発明の熱電変換モジュールはこれに限定されることはなく、厚み方向に隣接する２枚の熱電変換素子体２０は同一の構成でなくてもよく、厚み方向に隣接する２枚の熱電変換素子体２０相互間で、第１高熱伝導体１に接続する接合部５同士が厚み方向に揃って配置される構造が形成される限り、例えば、素子本体８および基板１０等の構成要素を任意に変更して、当該２枚の熱電変換素子体２０相互間で異なるものにすることもできる。

熱電変換モジュール１００が備える４本の棒状の第１高熱伝導体１は、熱源２００の熱を接合部５に伝える部材であって、当該熱源２００に接続される熱源接続部１Ｂと、当該熱源接続部１Ｂとは離隔した位置において、接合部５に接続する接合部接続部１Ａと、を有する。そして、当該４本の棒状の第１高熱伝導体１は、熱電変換素子Ａ１側から２、４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、および２２番目の接合部５、並びに、電極９Ａと熱電変換素子Ａ１との接続部である始端８Ａ、および電極９Ｂと熱電変換素子Ａｎ（図示例ではｎ＝２４）との接続部である終端８Ｂの合計１３箇所に１つずつ接続している。ただし、熱電変換モジュール１００は、これに限定されることはなく、少なくとも１つの第１高熱伝導体１を備え、当該少なくとも１つの高熱伝導体１が下記（１）または（２）：
（１）前記熱電変換素子Ａ１側から奇数番目の接合部５の少なくとも１つに接続し、かつ、偶数番目の接合部５には接続しない
（２）前記熱電変換素子Ａ１側から偶数番目の接合部５の少なくとも１つに接続し、かつ、奇数番目の接合部５には接続しない
のいずれかの形態で接合部５に接続していればよい。なお、第１高熱伝導体１は、上記（２）の形態の場合は、始端８Ａおよび／または終端８Ｂに接続してもよいが、上記（１）の場合は接続しないものとする。なお、第１高熱伝導体１の接合部接続部１Ａと接合部５とは直接接続してもよく、他の部材等を介して接続してもよい。例えば、図示例のように、熱電変換素子体２０が素子本体８を基板１０で担持している場合、第１高熱伝導体１の接合部接続部１Ａと接合部５とは当該基板１０を介して接続することができる。

図１に示す熱電変換モジュール１００は、４本の棒状の第１高熱伝導体１を備えるが、熱電変換モジュール１００が備える第１高熱伝導体１は、上述したように、熱源２００に接続される熱源接続部１Ｂと、当該熱源接続部１Ｂとは離隔した位置において、接合部５に接続する接合部接続部１Ａと、を有する限り、形状および個数に特に制限は無い。
例えば、図５に第１高熱伝導体が分岐構造を有する場合の一例の平面図を示す。図５の平面図に示す熱電変換モジュール１０１では、第１高熱伝導体１’が、１本の熱源接続部１Ｂ’から２本の接合部接続部１Ａ’に分岐したＹ字状の構造を有し、２本の接合部接続部１Ａ’はそれぞれ、長尺構造６の短手方向に揃って配置された複数の接合部５（または１つの接合部５と、素子本体８の始端８Ａと、終端８Ｂとを合わせた３箇所）に接続する。このように、熱源接続部１Ｂ’から分岐して、複数の接合部５に接続する第１高熱伝導体１’を用いることにより、熱電変換モジュール１０１は、表面積の小さい熱源２００’に対しても設置することができる。なお、第１高熱伝導体１’は、図５ではＹ字状の構造を有するが、これに限定されることはなく、例えば、１本の熱源接続部１Ｂ’から３本以上の接合部接続部１Ａ’に分岐する構造を有していてもよい。

第１高熱伝導体１を構成する材料は、熱伝導性を有する限り、特に限定されないが、第１高熱伝導体１は、Ａｌ、ＡｇおよびＣｕ等の金属材料；酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素および炭化ケイ素等のセラミック材料；グラファイトおよびＣＮＴ等のカーボン材料；により構成されることが好ましい。また、金属材料としては、ステンレス鋼を好適に用いることもできる。第１高熱伝導体１が上記所定の材料を含めば、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を更に高めることができる。

また、第１高熱伝導体１として、ヒートパイプを好適に用いることもできる。第１高熱伝導体１がヒートパイプであれば、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を更に高めることができる。なお、ヒートパイプとしては、例えば、銅製で、作動液を水とする既知のヒートパイプ等を用いることができる。

ここで、第１高熱伝導体１の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが更に好ましく、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが特に好ましい。第１高熱伝導体１の熱伝導率が上記下限以上であれば、熱の損失を低く抑え、発電量を高めることができる。

そして、第１高熱伝導体１の接合部接続部１Ａは、熱源接続部１Ｂとは離隔した位置において、接合部５に接続している。接合部接続部１Ａが熱源接続部１Ｂとは離隔した位置において、接合部５に接続していれば、熱電変換素子体２０が熱源２００から受ける輻射熱を少なくし、高温部と低温部との温度差を大きくできるため、熱電変換モジュール１００は高い熱電変換効率を実現し得る。

なお、図示例では、第１高熱伝導体１は、接合部接続部１Ａから、熱電変換素子体２０の外縁よりも外側まで延在することにより、熱源接続部１Ｂを形成していて、接合部接続部１Ａおよび熱源接続部１Ｂは、一体の第１高熱伝導体１の構成要素として存在しているが、これに限定されることはない。例えば、接合部接続部１Ａと熱源接続部１Ｂとがそれぞれ別体の第１高熱伝導体として離隔した位置に存在し、両者が既知の方法により熱的に接続されていてもよいものとする。

ここで、図１に示す熱電変換モジュール１００を上面から見たときに、第１高熱伝導体１が熱電変換素子体２０の外縁と交わる点（以下、「熱電変換素子体との交点１Ｃ」と称することがある）から、第１高熱伝導体１が熱源２００の外縁と交わる点（以下、「熱源との交点１Ｄ」と称することがある）までの距離は、特に限定されないが、１０ｍｍ以上であることが好ましく、３０ｍｍ以上であることが好ましく、５０ｍｍ以上であることが更に好ましく、２００ｍｍ以下であることが好ましい。熱電変換素子体との交点１Ｃから熱源との交点１Ｄまでの距離が上記下限以上であれば、熱電変換素子体２０が熱源２００から受ける輻射熱を更に少なくし、高温部と低温部との温度差を更に大きくできるため、熱電変換モジュール１００は更に高い熱電変換効率を実現し得る。一方、熱電変換素子体との交点１Ｃから熱源との交点１Ｄまでの距離が上記上限以下であれば、熱の損失を低く抑え、発電量を高めることができる。

また、図２に示す断面図では、熱電変換モジュール１００が備える４本の棒状の第１高熱伝導体１がいずれも、熱電変換素子体２０の下方の面のみに配置されているが、これに限定されることはなく、熱電変換モジュール１００が複数の第１高熱伝導体１を備える場合、図６（ａ）の断面図のように、当該複数の第１高熱伝導体１がいずれも熱電変換素子体２０の上方の面のみに配置されていてもよいし、図６（ｂ）の断面図のように、当該複数の第１高熱伝導体１のうち、いくつかは熱電変換素子体２０の上方の面に配置され、残りは下方の面に配置されてもよい。

ここで、図７に、熱電変換モジュール１００が第２高熱伝導体を更に備える場合の一例の断面図を示す。なお、図７は、図２と同じく、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。具体的に、図７の断面図では、１本の長尺構造６における始端８Ａと６個の接合部５とを合わせた合計７箇所のうち、１つおきの合計４箇所に対して、熱電変換素子体２０の下方の面に配置された第１高熱伝導体１が接続し、残りの３箇所である接合部５に対して、熱電変換素子体２０の上方の面に配置された３つの第２高熱伝導体２が接続する。なお、図７の断面図に示す熱電変換モジュール１００を上面から見た場合、３本の第２高熱伝導体２は、いずれも棒状であり、それぞれ左から１本目の長尺構造６が有する接合部５の位置から基板１０の短手方向右側に伸びて、左から２本目および３本目の長尺構造６が有する接合部５の位置を順番に通り、左から４本目の長尺構造６が有する接合部５の位置まで延在するものとする。

上述した図示例では、第２高熱伝導体２は、熱電変換素子Ａ１〜Ａ２４における２３個の接合部５のうち、第１高熱伝導体１が接続していない１２個の接合部５の全部に対して接続しているが、これに限定されることはなく、以下のように、第１高熱伝導体１が接合部５に接続する形態に応じて、第２高熱伝導体２は、所定の形態で接合部５に接続することができる。
即ち、第１高熱伝導体１が（１）熱電変換素子Ａ１側から奇数番目の接合部５の少なくとも１つに接続し、かつ、偶数番目の接合部５には接続しない場合、第２高熱伝導体２は下記（３）：
（３）熱電変換素子Ａ１側から偶数番目の接合部５の少なくとも１つに接続し、かつ、奇数番目の接合部５には接続しない
の形態で前記接合部に接続し、
第１高熱伝導体１が（２）熱電変換素子Ａ１側から偶数番目の接合部５の少なくとも１つに接続し、かつ、奇数番目の接合部５には接続しない場合、第２高熱伝導体２は下記（４）：
（４）熱電変換素子Ａ１側から奇数番目の接合部５の少なくとも１つに接続し、かつ、偶数番目の接合部５には接続しない
の形態で前記接合部５に接続することができる。このように、熱電変換モジュール１００が更に第２高熱伝導体２を備え、上述した第１高熱伝導体１が接合部５に接続する形態に応じて、第２高熱伝導体２が上記所定の形態で接合部５に接続していれば、第２高熱伝導体２から効率良く放熱することが可能になるため、高温部と低温部との温度差を更に大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を更に高めることができる。

ここで、図７の断面図では、熱電変換モジュール１００が備える複数の第２高熱伝導体２がいずれも熱電変換素子体２０の上方の面に配置されているが、これに限定されることはなく、熱電変換モジュール１００が備える複数の第２高熱伝導体２がいずれも熱電変換素子体２０の下方の面に配置されてもよいし、熱電変換モジュール１００が備える複数の第２高熱伝導体２のうち、いくつかは熱電変換素子体２０の上方の面に配置され、残りは熱電変換素子体２０の下方の面に配置されてもよい。また、第２高熱伝導体２は、熱電変換素子体２０における第１高熱伝導体１が配置される面とは反対側の面に配置されてもよいし、熱電変換素子体２０における第１高熱伝導体１が配置される面と同一の面に配置されてもよい。

第２高熱伝導体２を構成する材料は、熱伝導性を有する限り、特に限定されないが、Ａｌ、ＡｇおよびＣｕ等の金属材料；酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素および炭化ケイ素等のセラミック材料；グラファイトおよびＣＮＴ等のカーボン材料；により構成されることが好ましい。また、金属材料としては、ステンレス鋼を好適に用いることもできる。第２高熱伝導体２が上記所定の材料を含めば、第２高熱伝導体２は更に効率良く放熱できるため、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層高めることができる。

また、第２高熱伝導体２として、ヒートパイプを好適に用いることもできる。第２高熱伝導体２がヒートパイプであれば、第２高熱伝導体２は更に効率良く放熱できるため、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層高めることができる。なお、ヒートパイプとしては、既知のヒートパイプ等を用いることができる。

そして、第２高熱伝導体２の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが更に好ましく、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが特に好ましい。第２高熱伝導体２の熱伝導率が上記下限以上であれば、第２高熱伝導体２は更に効率良く放熱できるため、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層高めることができる。

ここで、図８に、熱電変換モジュール１００が第２高熱伝導体と放熱部材とを更に備える場合の一例の断面図を示す。なお、図８は、図２と同じく、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。図８の断面図に示すように、熱電変換モジュール１００は、第２高熱伝導体２に接続する放熱部材３０を更に備えることが好ましい。具体的に、図８の断面図では、熱電変換素子体２０の上方の面に配置された第２高熱伝導体２のさらに上方に、放熱部材３０が配置され、第２高熱伝導体２と接続する。このように、熱電変換モジュール１００が、第２高熱伝導体２に接続する放熱部材３０を更に備えれば、放熱部材３０から更に効率良く放熱することが可能になるため、高温部と低温部との温度差を一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率を一層高めることができる。ここで、図８では、１つの放熱部材３０に対して、複数（具体的には３つ）の第２高熱伝導体２が接続している。

図８の断面図では、第２高熱伝導体２が放熱部材３０に直接接続されているが、第２高熱伝導体２と放熱部材３０との接続方法は特に限定されない。
ここで、図９に、熱電変換モジュール１００が第２高熱伝導体と放熱部材とを更に備える場合の他の一例の断面図を示す。なお、図９は、図２と同じく、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。図９の断面図に示すように、第２高熱伝導体２は、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料（以下、「第１介在物３１」と称することがある。）を介して放熱部材３０に接続することが好ましい。このように、第２高熱伝導体２が、上記所定の材料からなる第１介在物３１を介して放熱部材３０に接続すれば、第２高熱伝導体２と放熱部材３０との熱抵抗を小さくし、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率をより一層高めることができる。

そして、第２高熱伝導体２と放熱部材３０との熱抵抗を更に小さくする観点から、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料は高熱伝導性であることがより好ましい。具体的に、ゴム状材料としては、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム等を用いることがより好ましく、ゲル状材料としては、シリコーンゲル、ポリロタキサンゲル等を用いることがより好ましく、液状材料としては、液状シリコーンゴム等を用いることがより好ましい。そして、第１介在物３１は、熱伝導性を高める観点から、上述した材料に加えて、Ａｌ、ＡｇおよびＣｕ等の金属材料；酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素および炭化ケイ素等のセラミック材料；グラファイトおよびＣＮＴ等のカーボン材料；を含有することが更に好ましい。

放熱部材３０は、熱伝導性を有する限り、特に限定されないが、Ａｌ、ＡｇおよびＣｕ等の金属材料；酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素および炭化ケイ素等のセラミック材料；グラファイトおよびＣＮＴ等のカーボン材料；により構成されることが好ましい。また、金属材料としては、ステンレス鋼を好適に用いることもできる。放熱部材３０が上記所定の材料を含めば、高温部と低温部との温度差をより一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率をより一層高めることができる。

なお、放熱部材３０としては、図１０の断面図に示すように、上記所定の材料を含んでなるヒートシンク３０’を好適に用いることもできる。ここで、図１０は、図２と同じく、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。そして、ヒートシンク３０’としては、自然空冷型、強制空冷型、水冷型などの既知の形式のヒートシンクを用いることができる。

また、放熱部材３０の熱伝導率は１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましく、５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることがより好ましく、１００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが更に好ましく、２００Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが特に好ましい。放熱部材３０の熱伝導率が上記下限以上であれば、高温部と低温部との温度差をより一層大きくして、熱電変換モジュール１００の熱電変換効率をより一層高めることができる。

放熱部材３０は、第２高熱伝導体２と接続する限り、特に制限されることなく配置することができ、例えば、放熱部材３０は、熱電変換素子体２０の上方の面および下方の面の少なくとも一方の側に配置することができる。また、上述した図８〜１０の断面図では、放熱部材３０は、熱電変換素子体２０における第１高熱伝導体１が配置される面側とは反対側に配置されているが、これに限定されることはない。

ここで、図１１に、熱電変換モジュール１００が第２高熱伝導体と放熱部材とを更に備える場合の更に他の一例の断面図を示す。なお、図１１は、図２と同じく、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。図１１の断面図では、放熱部材３０は、熱電変換素子体２０における第１高熱伝導体１が配置される面側に配置されている。このように、放熱部材３０と第１高熱伝導体１とを熱電変換素子体２０の同一の面側に配置する場合、放熱効率を高くする観点から、放熱部材３０が第１高熱伝導体１に接触しないことが好ましい。そして、放熱部材３０と第１高熱伝導体１との接触を防止する手段としては、特に限定されないが、図１１の断面図に示すように、熱電変換素子体２０の面上において、第２高熱伝導体２を第１高熱伝導体１よりも高い形状にすることで、放熱部材３０を第１高熱伝導体１よりも上方に配置する方法などが挙げられる。

なお、放熱部材３０およびヒートシンク３０’の形状は、特に限定されないが、通常は板状の形状である。そして、上述した図８〜１１の断面図に示した熱電変換モジュール１００を上面から見た場合、放熱部材３０またはヒートシンク３０’は熱電変換素子体の一部または全部を覆う板状の形状を有する。

そして、上述した図８〜１１の断面図では、第２高熱伝導体２および放熱部材３０がいずれも、熱電変換素子体２０の上方および／または下方の面に配置されているが、それ以外の配置にすることも可能である。

例えば、図１２に、第２高熱伝導体が熱電変換素子体の外縁の外側まで延在して放熱部材と接続する場合の平面図を示す。図１２の平面図に示す熱電変換モジュール１０１は、図１に示した熱電変換モジュール１００の構成に加えて、３本の第２高熱伝導体２と、１枚の放熱部材３０とを更に備える。ここで、３本の第２高熱伝導体２は、いずれも棒状であり、長尺構造６の長手方向に対して直交し、且つ、２３個の接合部５のうち、第１高熱伝導体１が接続していない１２個の接合部５に対して接続するように配置される。このとき、１本の棒状の第２高熱伝導体２が、長尺構造６の短手方向に揃って配置された４個の接合部５に対して接続する。さらに、３本の棒状の第２高熱伝導体２が、いずれも第１高熱伝導体１の熱源接続部１Ｂ側とは反対方向に、且つ、熱電変換素子体２０（基板１０）の平面に平行に伸び、熱電変換素子体２０の外縁の外側まで延在して、放熱部材３０と接続している。

第２高熱伝導体２および放熱部材３０を例えば上記の構成にすることにより、放熱部材３０の少なくとも一部が、熱電変換素子体２０および第１高熱伝導体１の熱源接続部１Ｂから、熱電変換素子体２０の面内方向に離隔した位置に配置されることが好ましく、放熱部材３０の全部が、熱電変換素子体２０および熱源接続部１Ｂから、上記所定の方向に離隔した位置に配置されることがより好ましい。放熱部材３０の少なくとも一部が、上記所定の配置にされると、放熱部材３０が熱電変換素子体２０および熱源２００からの輻射熱により加温され難くなるため、放熱部材３０による放熱効率が高まり、高温部と低温部との温度差をより一層大きくして、熱電変換モジュール１０１の熱電変換効率をより一層高めることができる。

そして、本発明の一例にかかる発電システム３００は、上述した熱電変換モジュール１００と熱源２００とを備え、第１高熱伝導体１の熱源接続部１Ｂが熱源２００に接続することで構成される。発電システム３００は、熱電変換モジュール１００を備えるため、高い熱電変換効率を実現し得る。ここで、図３の断面図では、熱源接続部１Ｂが熱源２００に直接接続されているが、熱源接続部１Ｂと熱源２００との接続方法は特に限定されない。

例えば、図１３に、熱源接続部１Ｂが熱源２００に溶接される場合の断面図を示す。また、図１４に、熱源接続部１Ｂが介在物（以下、「第２介在物２０１」と称することがある。）を介して熱源と接続する場合の断面図を示す。なお、図１３および１４はいずれも、図３と同じく、熱電変換モジュール１００の熱源接続部１Ｂの短手方向を通るＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。そして、熱源接続部１Ｂは、図１３の断面図に示すように、熱源２００に溶接され、または、図１４の断面図のように、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料を介して熱源２００に接続することが好ましい。熱源接続部１Ｂが、熱源２００に溶接され、または、上記所定の材料からなる第２介在物２０１を介して熱源２００に接続すれば、第１高熱伝導体１と熱源２００との熱抵抗を小さくし、発電システム３００の熱電変換効率を更に高めることができる。なお、熱源接続部１Ｂと熱源２００とを溶接する方法としては、既知の溶接方法を用いることができる。また、第２介在物２０１として使用し得るゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料としては、上述した第１介在物３１として使用し得る材料を用いることができる。

なお、第１高熱伝導体１の表面のうち、接合部５および熱源２００のいずれにも接触していない表面の少なくとも一部に低熱伝導体２０２が配置されていることが好ましい。第１高熱伝導体１の表面のうち、接合部５および熱源２００のいずれにも接触していない表面の少なくとも一部に低熱伝導体２０２が配置されていれば、熱が第１高熱伝導体１を伝導する際の熱の損失を抑制し、発電システム３００の熱電変換効率を更に高めることができる。ここで、低熱伝導体２０２の少なくとも一部として、独立気泡を有する発泡体を用いることが好ましい。低熱伝導体の少なくとも一部が、独立気泡を有する発泡体であれば、熱が第１高熱伝導体１を伝導する際の熱の損失を更に良好に抑制し、発電システム３００の熱電変換効率を一層高めることができる。そして、上述した低熱伝導体２０２としては、例えば、発泡ウレタン樹脂、発泡フェノール樹脂、発泡スチレン樹脂、発泡ゴム等を用いることができる。中でも、防水性の観点から、発泡ウレタン樹脂を用いることが好ましい。

なお、第１高熱伝導体１の表面のうち、「接合部５および熱源２００のいずれにも接触していない表面」とは、第１高熱伝導体１の表面のうち、接合部５または熱源２００に直接または間接に接触する表面を除いた表面を意味する。例えば、第１高熱伝導体１の熱源接続部１Ｂが上述した第２介在物２０１を介して熱源２００に接続している場合、熱源接続部１Ｂが第２介在物２０１に接触している表面は、上述した「接合部５および熱源２００のいずれにも接触していない表面」には含まれないものとする。

低熱伝導体２０２の配置方法は、本発明の所望の効果が得られる限り、特に限定されることはない。例えば、図１５に、発電システム３００が低熱伝導体２０２を更に備える場合における熱源２００側の（ａ）一例の断面図、および（ｂ）他の一例の断面図を示す。なお、図１５（ａ）および（ｂ）はいずれも、図３と同じく、熱電変換モジュール１００の熱源接続部１Ｂの短手方向を通るＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。
低熱伝導体２０２は、図１５（ａ）の断面図が示すように、熱源接続部１Ｂのうち、熱源２００に接触している面とは反対側の面に配置することができる。
また、低熱伝導体２０２は、図１５（ｂ）の断面図が示すように、熱源２００における第１高熱伝導体１（熱源接続部１Ｂ）が接続する面上の少なくとも一部を被覆することで、第１高熱伝導体１の表面のうち、熱源２００に接触していない表面の少なくとも一部に配置することもできる。

さらに、図１６に、発電システム３００が低熱伝導体２０２を更に備える場合における熱電変換素子体側の（ａ）一例の断面図、および（ｂ）他の一例の断面図を示す。なお、図１６（ａ）および（ｂ）はいずれも、図２と同じく、熱電変換モジュール１００における左から１本目の長尺構造６の長手方向中心を通るＸ１−Ｘ１線に沿う断面図である。

そして、図８の断面図について上述したように、第２高熱伝導体２および放熱部材３０が、熱電変換素子体２０における第１高熱伝導体１が配置される面側とは反対側に配置される場合、低熱伝導体２０２は、例えば、図１６（ａ）の断面図が示すように、熱電変換素子体２０の第１高熱伝導体１が配置される面の少なくとも一部を被覆することで、第１高熱伝導体１の表面のうち、接合部５に接触していない表面の少なくとも一部に配置される。

一方、図１１の断面図について上述したように、第１高熱伝導体１、第２高熱伝導体２および放熱部材３０がいずれも熱電変換素子体２０の同一の面側に配置される場合、低熱伝導体２０２は、図１６（ｂ）の断面図が示すように、第２高熱伝導体２および放熱部材３０に接触しない範囲で、第１高熱伝導体１の接合部５に接触していない表面の少なくとも一部に配置されることが好ましい。このように、低熱伝導体２０２を、第２高熱伝導体２および放熱部材３０に接触しないように配置することで、低熱伝導体２０２との接触により、第２高熱伝導体２および放熱部材３０の放熱効率が低下することを防止できる。

本発明によれば、高い熱電変換効率を有する熱電変換モジュールを提供することができる。また、本発明によれば、高い熱電変換効率を有する発電システムを提供することができる。

１，１’ 第１高熱伝導体
１Ａ，１Ａ’ 接合部接続部
１Ｂ，１Ｂ’ 熱源接続部
１Ｃ 熱電変換素子体との交点
１Ｄ 熱源との交点
２ 第２高熱伝導体
３ ｐ型熱電変換素子
４ ｎ型熱電変換素子
５ 接合部
６ 長尺構造
７ 折り返し接合部材
８ 素子本体
８Ａ 始端
８Ｂ 終端
９Ａ，９Ｂ 電極
１０，１０ａ，１０ｂ 基板
２０ 熱電変換素子体
３０ 放熱部材
３０’ ヒートシンク
３１ 第１介在物
１００，１０１ 熱電変換モジュール
２００，２００’ 熱源
２０１ 第２介在物
２０２ 低熱伝導体
３００ 発電システム

Claims (25)

1. 熱源に接続して用いられる熱電変換モジュールであって、
   熱電変換素子体と、少なくとも１つの第１高熱伝導体と、を備え、
   前記熱電変換素子体は、ｎ個（ｎは４以上の整数）の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎが順番に直列的に接合されてなる素子本体を備え、
   前記ｎ個の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎとして、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが交互に接合され、かつ、前記熱電変換素子Ａ１は、前記ｐ型熱電変換素子または前記ｎ型熱電変換素子であり、
   前記ｎ個の熱電変換素子Ａ１〜Ａｎにおいて、互いに隣接する熱電変換素子間に、前記熱電変換素子Ａ１側から順にｎ−１個の接合部が形成され、
   前記第１高熱伝導体は、前記熱源の熱を前記接合部に伝える部材であって、前記熱源に接続される熱源接続部と、前記熱源接続部とは離隔した位置において、前記接合部に接続する接合部接続部と、を有し、
   前記第１高熱伝導体は、下記（１）または（２）の形態で前記接合部に接続する、熱電変換モジュール。
   （１）前記熱電変換素子Ａ１側から奇数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない
   （２）前記熱電変換素子Ａ１側から偶数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない
2. 前記第１高熱伝導体の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記第１高熱伝導体が金属材料および／またはセラミック材料を含む、請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記第１高熱伝導体がカーボン材料を含む、請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
5. 前記第１高熱伝導体がヒートパイプである、請求項１〜４のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
6. 前記熱電変換素子体が、前記素子本体を担持する基板を更に備え、
   前記基板が可撓性を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
7. 前記基板が、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレンゴム、アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、シクロオレフィン樹脂、および水素添加スチレン系樹脂からなる群より選択される少なくとも１種を含有する、請求項６に記載の熱電変換モジュール。
8. 前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子の少なくとも一方が、導電性高分子化合物および／または繊維状炭素ナノ構造体を含有する、請求項１〜７のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
9. 少なくとも２枚の熱電変換素子体を備え、
   厚み方向に隣接する２枚の熱電変換素子体相互間で、前記第１高熱伝導体に接続する前記接合部同士が前記厚み方向に揃って配置され、
   前記２枚の熱電変換素子体相互間において、前記第１高熱伝導体の接合部接続部が、前記厚み方向に揃って配置された２つの接合部の双方に接続する、請求項１〜８のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
10. 前記第１高熱伝導体が、前記熱源接続部から分岐して、複数の前記接合部に接続する、請求項１〜９のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
11. 更に第２高熱伝導体を備え、
    前記第１高熱伝導体が前記（１）の形態で前記接合部に接続する場合、前記第２高熱伝導体は下記（３）の形態で前記接合部に接続し、
    前記第１高熱伝導体が前記（２）の形態で前記接合部に接続する場合、前記第２高熱伝導体は下記（４）の形態で前記接合部に接続する、請求項１〜１０のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
    （３）前記熱電変換素子Ａ１側から偶数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、奇数番目の接合部には接続しない
    （４）前記熱電変換素子Ａ１側から奇数番目の接合部の少なくとも１つに接続し、かつ、偶数番目の接合部には接続しない
12. 前記第２高熱伝導体の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、請求項１１に記載の熱電変換モジュール。
13. 前記第２高熱伝導体が金属材料および／またはセラミック材料を含む、請求項１１または１２に記載の熱電変換モジュール。
14. 前記第２高熱伝導体がカーボン材料を含む、請求項１１〜１３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
15. 前記第２高熱伝導体がヒートパイプである、請求項１１〜１４のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
16. 更に放熱部材を備え、
    前記第２高熱伝導体が前記放熱部材に接続する、請求項１１〜１５のいずれかに記載の熱電変換モジュール
17. 前記第２高熱伝導体が、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料を介して前記放熱部材に接続する、請求項１６に記載の熱電変換モジュール。
18. 前記放熱部材の少なくとも一部が、前記熱電変換素子体および前記第１高熱伝導体の熱源接続部から、前記熱電変換素子体の面内方向に離隔した位置に配置される、請求項１６または１７に記載の熱電変換モジュール。
19. 前記放熱部材の熱伝導率が１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である、請求項１６〜１８のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
20. 前記放熱部材が金属材料および／またはセラミック材料を含む、請求項１６〜１９のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
21. 前記放熱部材がカーボン材料を含む、請求項１６〜２０のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
22. 熱電変換モジュールと熱源とを備える発電システムであって、
    前記熱電変換モジュールが請求項１〜２１のいずれかに記載の熱電変換モジュールであり、
    前記熱源接続部が熱源に接続する、発電システム。
23. 前記第１高熱伝導体の熱源接続部が、前記熱源に溶接され、または、ゴム状材料、ゲル状材料、および液状材料からなる群から選択される少なくとも１種の材料を介して前記熱源に接続する、請求項２２に記載の発電システム。
24. 前記第１高熱伝導体の表面のうち、前記接合部および前記熱源のいずれにも接触していない表面の少なくとも一部に低熱伝導体が配置されている、請求項２２または２３に記載の発電システム。
25. 前記低熱伝導体の少なくとも一部が、独立気泡を有する発泡体である、請求項２４に記載の発電システム。

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