JP5499317B2 - 熱電変換素子及び熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ゼーベック効果を用いて発電を行ったり、又は、ペルチェ効果を用いて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールに関する。

従来、一対の基板と各基板の対向する面に夫々設けられた一対の電極とを備える熱電変換モジュールの両電極間に配置され、一端が一方の電極に電気的に接続され、他端が他方の電極に電気的に接続される複数のｎ形の熱電変換素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１のものによれば、基板上に複数の領域に区分して電極を配置してｐ形とｎ形の熱電変換素子を交互に直列に接続する必要がなく、製造が容易で優れた量産性を有する熱電変換モジュールが得られる。又、ｎ形の熱電変換素子が並列に配置されるため、一部の熱電変換素子が破損しても熱電変換モジュール全体としては熱電変換を行うことができるといったフェールセーフ機能を有し、歩留まりを向上させ、耐久性を向上させることができる。

特開平１１−２７４５７８号公報

上記熱電変換素子は、その両端に温度差をつけると電力を得ることができる。このため、熱電変換素子を用いて排熱から電力を得ることが考えられる。このように、熱電変換素子を発電用として用いる場合には、熱電変換素子の両端部の温度差を適切に保つ必要がある。

従来の熱電変換モジュールの各熱電変換素子は、発電用として用いる場合、高温側の面積と低温側の面積が同一であるため、高温側の吸熱量と低温側の放熱量が同等であるが、低温側の放熱量を大きくして、熱電変換素子の両端部の温度差を確保し易くすることが望まれる。

又、熱電変換素子は、電極に１つずつ半田付やろう付等のろう接により接合されるため、各熱電変換素子が電極に対して傾き易い。熱電変換素子が傾くと素子自体の熱膨張により熱電変換素子が電極から剥離したり、熱電変換素子に亀裂が生じたりする虞がある。従って、従来の熱電変換素子は、歩留まりが悪く、耐久性が低いという問題がある。

又、熱電変換素子は、電極に１つずつ接合されるため、熱電変換モジュールの製造に手間が掛かり量産性が低いという問題がある。

以上の点に鑑み、本発明は、歩留まりを向上させ、耐久性を向上させると共に、両端部の温度差を確保し易く、且つ、傾くことなく電極に容易に接合させることができ、量産性を向上させた熱電変換素子と、この熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールとを提供することを目的とする。

本発明は、一対の基板と、互いに間隔を存して前記基板に夫々配置される第１電極と第２電極と、両電極間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する熱電変換素子とを備える熱電変換モジュールにおいて、前記熱電変換素子は、互いに間隔を存して配置されると共に一端が前記第１電極と電気的に接続される複数の柱状部と、各柱状部の他端を連結すると共に第２電極と電気的に接続される連結部とを備え、該連結部の第２電極と接続される接続面は、各柱状部の一端の第１電極と接続される接続面の面積の合計よりも大きくなるように形成され、前記各柱状部の側面と、前記連結部の前記第１電極に対向する側の面とは、前記第１電極と電気的に非接続とされ、全ての熱電変換素子をｎ形又はｐ形で成形し、一の熱電変換素子に接続された第１電極を、隣接する熱電変換素子に接続された第２電極に電気的に接続して、各熱電変換素子が直列に接続されるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、熱電変換素子が複数の柱状部を備えるため、一部の柱状部が破損しても、他の柱状部によって第１電極と第２電極とを電気的に接続させた状態を保つことができ、これによって熱電変換を行うことができる、いわゆるフェールセーフ機能を有する。このため、本発明の熱電変換モジュールを製造すれば、熱電変換モジュールの歩留まりを向上させ、且つ、耐久性を向上させることができる。

又、連結部の第２電極と電気的に接続される接続面が、各柱状部の一端の第１電極と接続される接続面の面積の合計よりも大きくなるように形成され、前記各柱状部の側面と、前記連結部の前記第１電極に対向する側の面とは、前記第１電極と電気的に非接続とされるため、本発明の熱電変換モジュールは、柱状部側を高温側、連結部側を低温側に配置して発電に用いる場合にも、柱状部の一端側の吸熱量よりも連結部の接続面側の放熱量が大きくなって、両端部の温度差を良好に保つことができ、電力を良好に得ることができる。
また、全ての熱電変換素子をｎ形又はｐ形で成形し、一の熱電変換素子に接続された第１電極を、隣接する熱電変換素子に接続された第２電極に電気的に接続して、各熱電変換素子が直列に接続するため、１つの型の熱電変換素子を単位素子として、熱電変換モジュールの用途に応じて、前記フェールセーフ機能を確保しつつ、要求される電圧、電流に応じて、様々な出力特性の熱電変換モジュールを製造することができ、汎用性を向上させることができる。

又、各柱状部を従来の熱電変換素子と同程度の大きさとすれば、各柱状部は連結部により連結されているため、従来の熱電変換素子を複数まとめて一度に電極に取付けることができることとなり、熱電変換モジュールの量産性が向上する。

更に、熱電変換素子の連結部を第２電極と接合する際に、従来の熱電変換素子の接触面積よりも連結部の接触面積が大きくなるため、熱電変換素子を第２電極に傾けることなく接合させることが容易となる。これにより、熱電変換素子が第２電極に対して傾くことに起因する上述したような熱電変換素子の亀裂の発生や破断を防止し、熱電変換素子の耐久性を向上させることができる。又、連結部と第２電極との接合面積が大きくなるため、両者の接合強度を向上させることができ、熱電変換素子が第２電極から剥離し難くすることができる。

又、本発明の熱電変換素子の各柱状部を従来の熱電変換素子と同一の断面積とし、本発明の熱電変換素子の電極間方向の長さを従来の熱電変換素子の電極間方向の長さと同一とすれば、本発明の熱電変換素子の連結部の第２電極と接合する接触面積が従来の熱電変換素子の第２電極と接合する面積と比較して大きくなるため、熱電変換素子自体の内部抵抗及び熱電変換素子と第２電極との接合部分の電気抵抗を小さく抑えることができ、電力を取り出し易くなって、有利である。

又、本発明の熱電変換モジュールにおいて、各柱状部の一端の接続面の面積を、各柱状部と連結部の接続部分の断面積よりも小さくすれば、柱状部の一端での熱電変換素子の吸熱を更に抑制させることができ、大きな温度差をより確保し易くして、効率よく発電することができる。

又、熱電変換モジュールの一対の基板間に断熱材を配置すれば、輻射熱による基板間の伝熱を阻止し、又、基板間における放熱が防止されるため、両基板間の温度差をより適切に確保することができる。

本発明の熱電変換素子を用いた第１実施形態の熱電変換モジュールを示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子を示す斜視図。 本発明の熱電変換素子を用いた第２実施形態の熱電変換モジュールを示す説明図。 本発明の熱電変換素子を用いた第３実施形態の熱電変換モジュールを示す説明図。 （ａ）は第１実施形態の熱電変換モジュールの模式図及びその等価回路図。（ｂ）は比較例の模式図及びその等価回路図。 本発明の熱電変換素子を用いた第４実施形態の熱電変換モジュールを示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子の製造方法を示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子の製造方法を示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子の材料における温度とゼーベック係数との関係を示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子の材料における温度と電気伝導率との関係を示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子の材料における温度と電力因子との関係を示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子の材料における温度と熱伝導率との関係を示す説明図。 第１実施形態の熱電変換素子の材料における温度と無次元性能指数との関係を示す説明図。 第１実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。 比較例の熱電変換素子モジュールを示す斜視図。 第１実施形態の熱電変換モジュールにおける温度差と電力（出力）との関係を示す説明図。

図１，図２を参照して、本発明の第１実施形態の熱電変換素子を用いた発電用の熱電変換モジュールを説明する。第１実施形態の熱電変換モジュール１は、酸化アルミニウムで成形された絶縁性を有する一対の基板１１，１２と、各基板１１，１２の対向する側の面に設けられた銅板からなる第１、第２電極３１，３２と、両電極３１，３２間に配置されるＭｇ_２Ｓｉ製のｎ形の熱電変換素子２とを備える。

従来、熱電変換素子の材料としては、ＢｉＴｅ、ＰｂＴｅ、ＣｏＳｂのものが使用されているが、何れも人体への有害性（有害化が危惧されるものを含む）を有するものであり、又、高価である。Ｍｇ_２Ｓｉは、人体に無害であり環境負荷が小さく、又、資源が豊富であり安価である。又、比重が軽いため、非常に軽い熱電変換素子２を成形することができる。このため、近年、熱電変換素子の材料として、Ｍｇ_２Ｓｉが注目されている。

尚、基板１１，１２は、酸化アルミニウムに限らず、他の材料で成形してもよい。又、各電極３１，３２は、薄い膜状として基板１１，１２に設けてもよい。又、電極３１，３２は、銅に限らず、他の材料のものを用いてもよい。

熱電変換素子２は、一端２２ａが第１電極３２に接合される複数の四角柱状部２２と、四角柱状部２２の他端を一体に連結する矩形板状の連結部２１とで構成され、剣山状となっている。連結部２１は第２電極３１に接合される。各柱状部２２の側面と、連結部２１の第１電極３２に対向する側の面とは、第１電極３２と電気的に非接続とされる。接合方法としては、半田付、ろう付等のろう接、或いは銀ペースト等の導電性接着剤による接着を用いることができ、熱電変換モジュールの用途等に応じて適宜選択して接合する。

ろう接により接合する場合には、ろう（半田）を熱電変換素子２の両端部に予めペーストしておいてもよい。熱電変換素子２の表面は細かい凹凸を有する面となっているが、ろう（半田）や銀ペースト等で表面の凹凸を覆うことにより平滑な面とすることができ、これにより、熱電変換素子２と電極３１，３２との接合状態が良好となり、優れた導電性を確保できる。電極３１には、リード線４１がろう接されている。電極３２には、リード線４２がろう接されている。

又、熱電変換モジュール１の基板１１，１２間には、断熱材５が配置されている。これにより、輻射熱による基板１１，１２間の伝熱を阻止すると共に、基板１１，１２間における放熱が防止されるため、両基板１１，１２間の温度差をより適切に確保することができる。尚、断熱材５としては、酸化シリコンやアルミナの多孔質体を用いることが好ましいが、他の材料を用いてもよい。

次に、図７、図８を参照して、第１実施形態の熱電変換素子２の製造方法について説明する。まず、図７に示すように、上下方向に貫通する円柱状の貫通孔Ｄ１を有する型Ｄの下方開口を貫通孔Ｄ１にパンチＰ１を内挿させて閉塞した状態で、型Ｄの貫通孔Ｄ１内に上方開口から粉末状のＭｇ_２Ｓｉ（平均粒子径約６３μｍ）を入れる。

そして、粉末状のＭｇ_２Ｓｉを貫通孔Ｄ１の上方開口からパンチＰ２を内挿して加圧して、粉末状のＭｇ_２Ｓｉの吹出しを防止すべくアルゴン雰囲気（アルゴンの圧力０．０６ＭＰａ）とした後、５分をかけて室温から５００℃まで上昇させる第１段階、４分をかけて５００℃から７００℃まで上昇させる第２段階、５分をかけて７００℃から７５０℃まで上昇させる第３段階、２分をかけて７５０℃から７７５℃まで上昇させる第４段階の４つの段階的な焼結条件で焼結処理を行う。得られた焼結体のサイズは、直径１５ｍｍ、高さ１０ｍｍである。尚、焼結温度は組成比等により適宜選択されるが、通常は７００℃〜９５０℃の範囲で行うことができる。

次いで、図８に示すように、得られた焼結体を回転テーブルＴに載置し、ワイヤーソーＹを昇降させることにより、図面手前側から奥側に向って互いに間隔を存して順に、第１切断部２ｂ、３つの溝２ａ，２ａ，２ａ、第２切断部２ｃを形成する。そして、回転テーブルＴを回転して焼結体を９０度回転させた後、手前側から奥側に向って互いに間隔を存して順に、第３切断部２ｄ、３つの溝２ａ，２ａ，２ａ、第４切断部２ｅを形成する。このようにして、図２に示す熱電変換素子２が成形される。

尚、溝２ａ及び切断部２ｂ〜２ｅを形成する方法としては、ワイヤーソーＹに限らず、例えば、ブレードソーやマイクロブラスト等で行うこともできる。

又、熱電変換素子２の製造方法はこれに限られるものではなく、他の方法を用いてもよい。例えば、剣山状の型に粉末状のＭｇ_２Ｓｉを入れて焼結してもよいし、射出成形を用いてもよい。射出成形で熱電変換素子２を成形する場合には、剣山状の型に熔融させたＭｇ_２Ｓｉを流し込めばよい。

又、第１実施形態の熱電変換素子２は、図２に四角柱状のものを示したが、これに限らず、他の形状、例えば、円柱状としてもよい。熱電変換素子２を円柱状に成形する場合には、例えば、円柱状の型を利用して、上述した第１から第４の４つの切断部２ｂ〜２ｅに代えて溝２ａを形成することにより得られる。

又、柱状部２２の本数、高さ、溝２ａの幅、連結部２１の大きさ、厚さについては、熱電変換素子２の温度差の確保、高温側からの輻射熱、熱伝導、熱電変換素子２自体の機械的強度等を鑑みて、適宜に選択する。

次に、第１実施形態の熱電変換モジュール１の作動について説明する。熱電変換モジュール１の基板１２を熱源に取付け、基板１１を冷却させると、熱電変換素子２の両端で温度差が生じ、ゼーベック効果により電流が流れて発電する。このとき、発電し続ける為には、熱電変換素子２の両端で所定の温度差が維持され続ける必要があるが、第１実施形態では、熱電変換素子２の材料として熱伝導率の小さいＭｇ_２Ｓｉを用いているため、温度差を良好に維持することができる。

又、これに加えて、第１実施形態の熱電変換素子２は、断面矩形状のブロック体に格子状の溝２ａを形成したものであり、連結部２１の電極３１と接触する他方の面２１ｂの面積が、各柱状部２２の先端２２ａの面積の合計よりも大きくなる。このため、熱電変換素子２は、その形状から高温側の端部では吸熱が抑制されると共に、低温側の端部では放熱が促進され、両端での温度差をより適切に維持することができる。

第１実施形態の熱電変換素子２を用いた熱電変換モジュール１によれば、熱電変換素子２が複数の柱状部２２を備えるため、一部の柱状部２２が破損しても、他の柱状部２２で第１電極３２と第２電極３１とが電気的に接続された状態を保つことができ、これによって熱電変換を行うことができる。このため、第１実施形態の熱電変換モジュール１によれば、歩留まりを向上させ、且つ、耐久性を向上させることができる。

又、連結部２１の第２電極３１と電気的に接続される接続面２１ｂが、各柱状部２２の一端２２ａの面積の合計よりも大きいため、熱電変換素子２は、柱状部２２の一端２２ａ側の吸熱量よりも連結部２１の接続面２１ｂ側の放熱量が大きくなって、両端部の温度差を良好に保つことができ、電力を良好に得ることができる。

又、各柱状部２２を従来の熱電変換素子と同程度の大きさとすれば、各柱状部２２は連結部２１により連結されているため、従来の熱電変換素子を複数まとめて一度に第２電極に取付けることができることとなり、熱電変換モジュール１の量産性が向上する。

更に、第２電極３１と電気的に接続する連結部２１の接続面２１ｂは、従来の熱電変換素子が第２電極に電気的に接続する面の合計面積よりも、溝２ａの分だけ大きくなる。従って、熱電変換素子２を第２電極３１に傾けることなく接合させることが容易となる。

これにより、熱電変換素子２が第２電極３１に対して傾くことに起因する熱電変換素子２の亀裂の発生や破断を防止し、熱電変換素子２の耐久性を向上させることができる。又、連結部２１と第２電極３１との接合面積が大きくなるため、両者の接合強度を向上させることができ、熱電変換素子２が第２電極３１から剥離し難くすることができる。

又、一般的に熱電変換素子は非常に脆く、例えば、溝２ａを形成することなくブロック体のままの状体のものを熱電変換素子として用いた場合には、一旦亀裂が生じるとその亀裂の影響により、素子全体が容易に破断してしまう虞がある。これに対し、第１実施形態の熱電変換素子２は、複数の柱状部２２を備えるため、仮に１つの柱状部２２に亀裂が生じたとしても、他の柱状部２２はこの亀裂の影響を受けない。従って、第１実施形態の熱電変換素子２は、従来の熱電変換素子と比較して耐久性を向上させることができる。

又、連結部２１の第２電極３１と接合する接触面積が大きいため、熱電変換素子２の内部抵抗、及び熱電変換素子２と第２電極３１との接合部分の電気抵抗を小さく抑えることができ、電力を取り出し易い。

このことを図５の模式図及び等価回路図を用いて説明する。図５（ａ）の上図は、第１実施形態の熱電変換モジュール１を４つの柱状部２２を備えるものとして簡略化して示した模式図であり、図５（ａ）の下図は、上図の等価回路を示している。等価回路のＲ_ｅｘは負荷抵抗を示している。熱電変換素子２の内部抵抗をＲ_２、１つの柱状部２２の内部抵抗をＲ_ｉｎ２、柱状部２２の高さをｈ_１、柱状部２２の一端２２ａの面積をＳ_１、連結部２１の内部抵抗をＲ_ｉｎ３、連結部２１の高さをｈ_２、連結部２１の接続面２１ｂの面積をＳ_２、Ｍｇ_２Ｓｉの電気抵抗率をρとすると、熱電変換素子２の内部抵抗Ｒ_２は次式（１）で求められる。

Ｒ_２＝Ｒ_ｉｎ２／４＋Ｒ_ｉｎ３＝ρ（ｈ_１／４Ｓ_１＋ｈ_２／Ｓ_２） ・・・（１）
図５（ｂ）は比較例の模式図を上図に示し、その等価回路を下図に示したものである。比較例の熱電変換素子は、Ｍｇ_２Ｓｉで成形されたものであり、第１実施形態の柱状部２２の断面積Ｓ_１と同一断面積で、高さが第１実施形態の熱電変換素子２の高さｈ（ｈ＝ｈ_１＋ｈ_２）と同一のものを電極間に４つ配置したものである。比較例の熱電変換素子の内部抵抗をＲ_ｉｎ１、４つの熱電変換素子の内部抵抗の合計をＲ_１とすると、Ｒ_１は次式（２）で求められる。

Ｒ_１＝Ｒ_ｉｎ１／４＝ρ（ｈ_１＋ｈ_２）／（４Ｓ_１） ・・・（２）
第１実施形態の熱電変換素子２の内部抵抗Ｒ_２と比較例の４つの熱電変換素子の内部抵抗の合計Ｒ_１とを比較すべく、Ｒ_１からＲ_２を引いてみると、式（１）、式（２）から次式（３）が求められる。

Ｒ_１−Ｒ_２＝{ρｈ_２（Ｓ_２−４Ｓ_１）}／（４Ｓ_１Ｓ_２） ・・・（３）
ここで、連結部２１の接触面２１ｂの面積Ｓ_２は、柱状部２２間の間隔分だけ柱状部２２の一端２２ａの面積Ｓ_１の合計である４Ｓ_１よりも大きくなる。従って、（Ｓ_２−４Ｓ_１）＞０となるため、式（３）も０を超える値となることが分かる。従って、第１実施形態の熱電変換素子２は、比較例の４つの熱電変換素子よりも内部抵抗が小さいことが分かる。

次に、図５（ａ）における第１実施形態の熱電変換素子２の電極３１，３２との接続部分の接触抵抗について検討する。第１実施形態の熱電変換素子２の電極３１，３２との接続部分の接触抵抗の合計をＲ_ａ、１つの柱状部２２の一端２２ａと第１電極３２との接続部分の接触抵抗をＲ_ｊ１、連結部２１の接続面２１ｂと第２電極３１との接続部分の接触抵抗をＲ_ｊ２、接続部分の電気抵抗率をρ’、接続部分の厚さをｈ_ｓとすると（接合部分は全て一様の接合状態であり全て一様の厚さと仮定する）、Ｒ_ａは次式（４）で求められる。

Ｒ_ａ＝Ｒ_ｊ１／４＋Ｒ_ｊ２＝ρ’（ｈ_ｓ／４Ｓ_１＋ｈ_ｓ／Ｓ_２） ・・・（４）
図５（ｂ）に示す比較例の４つの熱電変換素子の電極３１，３２との接続部分の接触抵抗について検討すると、比較例の４つの熱電変換素子の電極３１，３２との接続部分の接触抵抗の合計をＲ_ｂとすると、比較例の１つの熱電変換素子の各端の接触抵抗は、その面積が柱状部２２の一端２２ａと同一であるため、Ｒ_ｊ１となる。従って、Ｒ_ｂは次式（５）で求められる。

Ｒ_ｂ＝Ｒ_ｊ１／４＋Ｒ_ｊ１／４＝Ｒ_ｊ１／２＝ρ’ｈ_ｓ／２Ｓ_１ ・・・（５）
第１実施形態の熱電変換素子２の接触抵抗Ｒ_ａと比較例の４つの熱電変換素子の接触抵抗の合計Ｒ_ｂとを比較すべく、Ｒ_ｂからＲ_ａを引いてみると、式（４）、式（５）から次式（６）が求められる。

Ｒ_ｂ−Ｒ_ａ＝ρ’ｈ_ｓ（Ｓ_２−４Ｓ_１）／（４Ｓ_１Ｓ_２） ・・・（６）
ここで、連結部２１の接触面２１ｂの面積Ｓ_２は、柱状部２２間の間隔分だけ柱状部２２の一端２２ａの面積Ｓ_１の合計である４Ｓ_１よりも大きくなる。従って、（Ｓ_２−４Ｓ_１）＞０となるため、式（６）も０を超える値となることが分かる。従って、第１実施形態の熱電変換素子２は、比較例の４つの熱電変換素子よりも接触抵抗が小さいことが分かる。

以上のように、第１実施形態の熱電変換素子２は、比較例の４つの熱電変換素子と比較して内部抵抗及び接触抵抗が小さく電気的なロスが少ないため、比較例のものよりも大きな電力を得ることができる。

又、Ｍｇ_２Ｓｉ原料の熱電変換性能を確認すべく、断面積４ｍｍ^２、高さ８ｍｍで断面正方形状の焼結体を用いて、定常直流法により、ゼーベック係数、電気伝導率及び電力因子（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ）を測定した。熱電特性評価装置は、アルバック理工株式会社製ＺＥＭ−２を用いた。温度とゼーベック係数との関係を図９に、温度と電気伝導率の関係を図１０に、温度と電力因子との関係を図１１に夫々示す。

又、上記熱電モジュール１の熱伝導率をアルバック理工株式会社製ＴＣ−７０００Ｈを用いて測定した。温度と熱伝導率の関係を図１２に示す。

上述の測定により得られたゼーベック係数、電気伝導率、熱伝導率を用いて、熱電変換材料の性能の指標となる無次元性能指数ＺＴの算出を行った。温度と無次元性能指数ＺＴとの関係を図１３に示す。図１３から分かるように、無次元性能指数ＺＴは８７３ＫにおいてＺＴ＝０．６と良好な熱電特性が得られる。

次に、図１４に示す４つの柱状部２２を備える熱電変換素子２を図３の熱電変換モジュール１と同様にして４つ直列に接続した熱電変換モジュール１を用いて、ユニオンマテリアル株式会社製熱電特性評価装置ＵＭＴＥ−１０００Ｍにより、所定の温度差で得られる電力を測定した。尚、図１４に示す熱電変換モジュール１は、基板１１，１２を省略して示している。

この測定においては、低温側の基板１１を１００℃、高温側の基板１２を２００℃〜６００℃とし、各柱状部２２の断面積を４ｍｍ^２、高さ７ｍｍ、溝２ａの幅０．３ｍｍ、連結部２１の高さ３ｍｍ、幅及び奥行き４．３ｍｍ、各熱電変換素子２の高さを１０ｍｍとしている。又、比較例として、図１５に示すように、断面積４ｍｍ^２、高さ１０ｍｍの熱電変換素子を電極３１，３２間に０．３ｍｍの間隔を存して４つ並列に配置したものを１ユニットとして、このユニットを基板１１，１２間に４つ直列に接続した熱電モジュールについても同一の方法により電力を測定した。尚、図１５に示す比較例の熱電変換モジュールは、基板１１，１２を省略して示している。温度差と電力（出力）の関係を図１６に示す。図１６から分かるように、第１実施形態の熱電変換素子２は、比較例のものに対し約２倍の電力を得られることが分かる。

第１実施形態の熱電変換モジュール１によれば、第１電極３２に電気的に接続される全ての柱状部２２が基板１１に電気的に接続される連結部２１で一体に連結されるため、従来の一対の電極間に複数の熱電変換素子が互いに間隔を存して配列されたものと比較して、熱電変換素子２の基板１１側の機械的強度を飛躍的に向上させることができる。又、熱電変換素子２の基板１１側の機械的強度が向上されるため、基板１１が従来よりも機械的強度（剛性）を必要とせず、基板１１を、剛性の低い低廉な材料で成形したり、薄くしたりすることで、製造コストを抑えることができる。

尚、第１実施形態においては、熱電変換素子２をＭｇ_２Ｓｉで成形しているが、これに限られない。例えば、Ｓｂ−Ｔｅ系およびＢｉ−Ｓｅ系を含めたＢｉ−Ｔｅ系、Ｓｎ−Ｔｅ系およびＧｅ−Ｔｅ系を含めたＰｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｚｎ−Ｓｂ系、カルコゲナイト、スクッテルダイト、フィルドスクッテルダイト、炭化ホウ素、層状コバルト酸化物等の任意の熱電変換材料を用いることができる。又、熱電変換素子２はｎ形に限らず、ｐ形のものを用いてもよい。又、Ｍｇ_２Ｓｉは、高純度である必要はなく、例えば、研削・研磨加工時に排出される廃シリコーンスラッジを利用して得られるものであってもよい。

又、第１実施形態の熱電変換素子２を基板１１，１２間に複数配置して直列に接続するようにしてもよい。例えば、図３に示す第２実施形態の熱電変換モジュール１の如く、２つの熱電変換素子２，２’を用いて、各熱電変換素子２，２’の連結部２１の接続面２１ｂ，２１ｂに、第２電極３１ａ，３１ｂを接合し、各熱電変換素子２，２’の柱状部２２の一端２２ａに、第１電極３２ａ，３２ｂを接合する。そして、熱電変換素子２に接合された第１電極３２ａと、熱電変換素子２’に接合された第２電極３１ｂとを、接続部３３により電気的に接続し、各電極３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂを基板１１，１２に固定してもよい。このように構成することにより、２つの熱電変換素子２，２’が直列に接続され、より多くの電力を得ることができる。

又、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ等、および、これらからなる合金、または、遷移金属シリサイド、ＴｉＮ、ＡｉＴｉＮ等の任意の電極材料用いることができる。又、熱電変換モジュールの大きさに合わせて熱電変換素子２を成形する金型を変更することなく、複数の熱電変換素子２を並べることで様々な大きさの熱電変換モジュールを製造することができ、製造コストを抑えることができる。

尚、接続部３３を電極３２ａ，３１ｂと同一材料で形成する場合には、熱の伝達を抑制するように細く形成すればよい。又、接続部３３を熱伝導率の小さい素材で構成してもよい。図３では、基板１１，１２間に配置された断熱材５を省略して示している。

又、図４に示す第３実施形態のように、熱電変換素子２の柱状部２２を円錐台形状又は角錐台形状に形成して、柱状部２２の一端２２ａの面積ｍを、柱状部２２と連結部２１とが接続する接続部分の断面積ｎより小さくしてもよい。これにより、柱状部２２の一端２２ａの面積が更に小さくなり、熱電変換素子２の高温側での吸熱をより抑制させて、温度差をより適切に維持することができる。尚、図４でも、基板１１，１２間の断熱材５を省略して示している。

又、図６に示す第４実施形態のように、ｎ形の熱電変換素子２ｎとｐ形の熱電変換素子２ｐとを基板１１，１２間に交互に配置して、隣接する熱電変換素子２ｎ，２ｐの第１電極３２ａを電気的に接続し、隣接する熱電変換素子であって、第１電極が分離している側の第２電極３１ｂを電気的に接続することにより、各熱電変換素子２ｎ，２ｐを直列に接続して、従来から周知のいわゆるπ型の熱電変換モジュール１としてもよい。

又、第１〜第３実施形態においては、ゼーベック効果を用いた発電用の熱電変換モジュール１に用いられる熱電変換素子２を説明したが、本発明の熱電変換素子はペルチェ効果を用いて冷却又は加熱する熱電変換モジュールにも同様に用いることができる。

又、第１〜第３実施形態においては、熱電変換素子２の各柱状部２２の一端２２ａを電極３２，３２ａ，３２ｂに接合しているが、各柱状部２２の先端２２ａと電極３２，３２ａ，３２ｂとの間に隙間ができるように基板１１と基板１２とを断熱部材等で連結して、各柱状部２２の先端２２ａと電極３２，３２ａ，３２ｂとを非接触状態とし、基板１２が加熱されると、熱電変換素子２の熱膨張により各柱状部２２の先端２２ａが電極５，５３，５４と接触する接触状態となるようにしてもよい。これにより、非接触状態においては、熱電変換素子２の柱状部２２の一端２２ａ側から力が加わることが無く、熱電変換モジュール２の耐久性をより向上させることができる。

尚、例えば、マイカ（雲母）、珪酸カルシウムボード、ガラス繊維、ロックウール、スラグウール、セラミック繊維、ワラストナイト、ゾノトライト、アスベスト、セピオライト、パリゴルスカイト、チタン酸カリウム、塩基性硫酸マグネシウム、微粒珪酸粉体：無水珪酸（アエロジル）、含水珪酸（ホワイトカーボン）、珪藻土、トバモライト、ムライトバルーン、シラスバルーン、ガラスバルーン、パーライト、フライアッシュならびに上記材料を含む複合体等の任意の断熱材料を用いることができる。

又、熱電変換素子２の連結部２１の接続面２１ｂ及び柱状部２２の一端２２ａに、電極との接触抵抗を低減させるべく、接合層を設けてもよい。接合層は、ニッケル、アルミ、銅、亜鉛、及びこれらを組合せた合金により形成することが好ましく、又、他の材料で形成してもよい。

接合層を形成する場合、例えば、粉末状のニッケル（平均粒子径約６３μｍ））を、型Ｄの下方開口をパンチＰ１で閉塞された貫通孔Ｄ１に入れ、パンチＰ２で押し固めた後、粉末状のＭｇ_２Ｓｉを貫通孔Ｄ１に入れ、その後に再度、粉末状のニッケルを貫通孔Ｄ１に入れて、再度パンチＰ２で加圧して焼結処理し、両端に接合層を有する円柱状の焼結体を成形すればよい。又、接合層は、めっきにより形成してもよい。

１…熱電変換モジュール、 １１，１２…基板、 ２，２’…熱電変換素子、 ２ｎ…ｎ形の熱電変換素子、 ２ｐ…ｐ形の熱電変換素子、 ２ａ…溝、 ２１…連結部、 ２１ｂ…接続面、 ２２…柱状部、 ２２ａ…柱状部の一端、 ３１，３１ａ，３１ｂ…第２電極、 ３２，３２ａ，３２ｂ…第１電極、 ３３…接続部、 ４１，４２…リード線、 ５…断熱材、 Ｄ…型、 Ｐ１,Ｐ２…パンチ。

Claims (3)

1. 一対の基板と、互いに間隔を存して前記基板に夫々配置される第１電極と第２電極と、両電極間に配置され、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する熱電変換素子とを備える熱電変換モジュールにおいて、
   前記熱電変換素子は、互いに間隔を存して配置されると共に一端が前記第１電極と電気的に接続される複数の柱状部と、各柱状部の他端を連結すると共に第２電極と電気的に接続される連結部とを備え、
   該連結部の第２電極と接続される接続面は、各柱状部の一端の第１電極と接続される接続面の面積の合計よりも大きくなるように形成され、
   前記各柱状部の側面と、前記連結部の前記第１電極に対向する側の面とは、前記第１電極と電気的に非接続とされ、
   全ての熱電変換素子をｎ形又はｐ形で成形し、一の熱電変換素子に接続された第１電極を、隣接する熱電変換素子に接続された第２電極に電気的に接続して、各熱電変換素子が直列に接続されるように構成したことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、前記各柱状部の一端の接続面の面積は、前記各柱状部と前記連結部の接続部分の断面積よりも小さいことを特徴とする熱電変換モジュール。
3. 請求項１又は２に記載の熱電変換モジュールであって、該一対の基板の間に断熱材が配置されることを特徴とする熱電変換モジュール。

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