JP6859739B2 - 熱電変換セル及び熱電変換モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、Ｐ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子を備える熱電変換セル及び、その熱電変換セルを用いて複数のＰ型熱電変換素子とＮ型変換素子とを直列に配列した熱電変換モジュールに関する。
熱電変換モジュールは、一組の配線基板（絶縁基板）の間に、一対のＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを電極あるいは直接に接続状態に組み合わせた熱電変換セルを、Ｐ型，Ｎ型，Ｐ型，Ｎ型の順に交互に配置されるように、電気的に直列に接続した構成とされ、両端を直流電源に接続して、ペルチェ効果により各熱電変換素子中で熱を移動させる（Ｐ型では電流と同方向、Ｎ型では電流と逆方向に移動させる）、あるいは、両配線基板間に温度差を付与して各熱電変換素子にゼーベック効果により起電力を生じさせるもので、冷却、加熱、あるいは、発電としての利用が可能である。
熱電変換モジュールに用いる熱電変換セルとして、例えば特許文献１には、筒状絶縁支持体の隔壁を介した一方の内部にＰ型熱電変換素子（ｐ型半導体素子）が充填され、他方の内部にＮ型熱電変換素子（ｎ型半導体素子）が充填され、一端部でＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが電気的に接続された熱電変換セル（熱電変換素子）が開示されている。また、特許文献１には、筒状絶縁支持体の内部にＰ型熱変換素子とＮ型熱電変換素子とを配置した熱電変換セルにより、各熱電変換セルを密着して配置できるので、熱電変換モジュールの組立作業が容易になることが記載されている。
また、特許文献２には、熱電変換素子を備える発電部を有し、継続的に動作することができる温度検出装置が開示されている。この特許文献２に記載の温度検出装置では、ケースに熱電変換素子を収容し、熱電変換素子を第１伝熱部と第２伝熱部との間で押圧することによって固定している。また、特許文献２には、第１伝熱部と熱電変換素子との間、及び第２伝熱部と熱電変換素子との間のうちのいずれか一方に、衝撃吸収性を有する熱接続要素を介在させた固定構造により、熱電変換素子の破損を抑えることが記載されている。
さらに、特許文献３には、熱電変換素子（半導体素子材チップ）を螺子孔を有する一対の金属ブロックで挟み接合することにより構成された熱電変換用基本素子が開示されている。また、特許文献３には、この熱電変換用基本素子を金属セグメントに固定螺子によって固定することにより、熱電変換モジュール（熱電変換素子）を構成することが記載されており、熱電変換モジュールは、熱電変換用基本素子に直接、固定螺子を埋め込む構造により構成されている。
特開２０１１‐１３４９４０号公報 特開２０１５‐３２７４７号公報 特開平８‐３０６９６８号公報
このような熱電変換モジュールには、熱電変換モジュールの両面あるいは片面に絶縁基板が用いられることが多い。しかし、この構成では熱電変換材料と金属材料等の異種材料の界面が多いため、製造プロセスが複雑になるとともに、熱膨張差等による異種材料の界面の剥離や熱電変換材料の破壊が生じやすい。特許文献１に記載される熱電変換セルにおいても、異種材料の界面が多く存在し、熱膨張差による破壊が懸念される。また、特許文献１に記載の熱電変換セルのように、筒状絶縁支持体の内部にＰ型熱変換素子とＮ型熱電変換素子とを充填した構成では、加工作業が煩雑になる。また、特許文献２に記載される熱電変換素子の固定構造は、衝撃吸収性を有する熱接続要素を介在させることにより、熱電変換素子の破損を抑えているが、使用する部材が多く、複数の熱電変換素子を組み合わせて大型化する構造への適用が難しい。
また、特許文献３に記載の熱電変換モジュールのように、螺子孔を有する一対の金属ブロックを熱電変換素子に接合した熱電変換用基本素子を設け、熱電変換用基本素子を金属セグメントを介して固定螺子により固定する構造では、金属ブロックと熱電変換素子とを接合した熱電変換用基本素子が必要になるため、金属ブロックと熱電変換材料の接合性が良い材料でなければ出力や耐久性の低下を招いてしまう。また、特許文献３に記載の熱電変換用基本素子の構造では、熱電変換素子を固定螺子の雄ねじ部よりも十分に太くする必要があり、設計が難しい。
また、熱電変換モジュールは、複数の熱電変換セルのＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを交互に直列に接続していることから、一部の熱電変換セルの破損により、正常に機能する大多数部分も含めて熱電変換モジュールが使用不可能となる。さらに、熱電変換モジュールを最大出力で使用するためには、熱電変換モジュールの内部抵抗と出力先の負荷抵抗とが同等でなければならない。このため、出力先の負荷抵抗に合わせて、事後的に熱電変換モジュールの内部抵抗を変更することが望ましい。しかし、熱電変換セル同士が連結された構造では、容易に変更や交換を行えず、設計の自由度が制限されていた。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱電変換材料同士の熱膨張差による破損を防止でき、交換が容易で、簡便な構造により構成された熱電変換セル及び熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
本発明の熱電変換セルは、少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、を備え、前記少なくとも１個の貫通孔は１個であり、前記絶縁部材の両端部に設けられた前記絶縁側ねじ部のうち、一方が正ねじからなり、他方が逆ねじからなる。
この場合、前記絶縁側ねじ部が雄ねじ部であり、前記電極側ねじ部が雌ねじ部であり、前記貫通孔の貫通方向において、前記熱電変換部材が前記絶縁部材よりも大きく形成された構成であってもよい。
あるいは、前記絶縁側ねじ部が雌ねじ部であり、前記電極側ねじ部が雄ねじ部であり、前記貫通孔の貫通方向において、前記熱電変換部材が前記絶縁部材よりも小さく形成された構成であってもよい。
また、前記熱電変換部材は、Ｐ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子からなる複数の前記熱電変換素子を直接又は導電性部材を介して前記貫通孔の貫通方向に積層された構成であってもよい。
熱電変換セルは、絶縁部材の両端部のそれぞれに設けられた絶縁側ねじ部と、電極部材に設けられた電極側ねじ部との螺合により、絶縁部材に電極部材が連結された構成とされる。また、電極部材と熱電変換部材（熱電変換素子）とは、電極部材が絶縁部材に連結されることにより、各電極部材の電極部同士の間に熱電変換部材が挟持され、電気的に接続される。このように、熱電変換部材と各電極部材とは接合されておらず、電極部の間に熱電変換部材が挟持されることにより電気的に接続されるので、異種材料の熱膨張差による各部材の破損を防止できる。また、熱電変換セルは、絶縁部材の絶縁側ねじ部と電極部材の電極側ねじ部とを締めたり緩めたりすることで、容易に組み立てや分解を行うことができる。したがって、絶縁部材の内部に収容される熱電変換部材に破損が生じたり、設計変更により熱電変換部材の交換が必要になったりした際にも、熱電変換部材の交換を容易に行うことができる。
この場合、絶縁部材の両端部に設けられた絶縁側ねじ部の一方を正ねじとし、他方を逆ねじとすることで、一方と他方の絶縁側ねじ部の締め込み方向を揃えることができる。このため、絶縁部材を締め込み方向に回転させることで、両端部の絶縁側ねじ部と電極部材の電極ねじ部とを一度に連結できる。また、絶縁部材を締め込み方向と逆方向に回転させることで、絶縁側ねじ部と電極側ねじ部とを緩めることができ、絶縁部材の両端部にそれぞれ連結されている電極部材を一度に取り外せる。したがって、熱電変換セル及び熱電変換モジュールを容易に製造できる。
また、絶縁部材に複数の貫通孔を設けて各貫通孔にそれぞれ熱電変換部材を収容することで、複数の熱電変換部材が配列された熱電変換セルを構成することもできる。この場合、絶縁部材の両端部には、貫通孔の数に応じて複数の電極部材が連結されるが、隣接して配置される電極部材同士の間を導電性を有する接続部材により電気的に接続することで、各貫通孔の内部に収容された熱電変換部材のＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを交互に直列に接続でき、容易に熱電変換モジュールを製造できる。
なお、同じ極性を持つ熱電変換セルを並列に組み合わせることで、熱電変換モジュールの内部抵抗を制御可能であり、出力先の負荷抵抗に適応した熱電変換モジュールの設計を任意に行うことができる。さらに、使用可能温度領域の異なる熱電変換部材を収容した熱電変換セル同士を温度の勾配方向に重ねて直列に連結することで、セグメント構造を構成でき、熱電変換モジュールの高効率化を図ることができる。
本発明の熱電変換セルは、少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、を備え、前記絶縁側ねじ部が雄ねじ部であり、前記電極側ねじ部が雌ねじ部であり、前記貫通孔の貫通方向において、前記熱電変換部材が前記絶縁部材よりも大きく形成された構成であってもよい。
この場合、前記熱電変換部材は、Ｐ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子からなる複数の前記熱電変換素子を直接又は導電性部材を介して前記貫通孔の貫通方向に積層された構成であってもよい。
本発明の熱電変換セルは、少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、を備え、前記絶縁側ねじ部が雌ねじ部であり、前記電極側ねじ部が雄ねじ部であり、前記貫通孔の貫通方向において、前記熱電変換部材が前記絶縁部材よりも小さく形成された構成であってもよい。
この場合、前記熱電変換部材は、Ｐ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子からなる複数の前記熱電変換素子を直接又は導電性部材を介して前記貫通孔の貫通方向に積層された構成であってもよい。
本発明の熱電変換セルは、少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、を備え、前記熱電変換部材は、Ｐ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子からなる複数の前記熱電変換素子を直接又は導電性部材を介して前記貫通孔の貫通方向に積層された構成であってもよい。
貫通孔の内部に収容される熱電変換部材は、単体のＰ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子により構成することもできるし、複数のＰ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子を積層して構成することもできる。熱電変換セルでは、熱電変換部材と電極部材との接合を行うことなく、電極部同士の間に熱電変換部材を挟持することで熱電変換部材と電極部材とを電気的に接続することとしているので、複数の熱電変換セルを組み合わせることで、異なる材質からなるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを組み合わせることができ、材料の選択肢が広がり、両熱電変換素子の性能を揃えて安定した熱電変換モジュールを構成できる。
本発明の熱電変換モジュールは、前記熱電変換セルを複数有し、前記熱電変換セルは、前記熱電変換素子がＰ型熱電変換素子からなる第１熱電変換セルと、前記熱電変換素子がＮ型熱電変換素子からなる第２熱電変換セルとを有しており、前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとが交互に直列に接続されてなる。
本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとは、導電性を有する接続部材により接続される構成であってもよい。
本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記第１熱電変換セルの前記電極部材と前記第２熱電変換セルの前記電極部材とが一体に形成された連結型電極部材を有し、前記連結型電極部材により前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとが接続される構成であってもよい。
本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとが前記貫通方向に交互に積層されてなり、前記熱電変換セルの一方の端部に連結される前記電極部材に高温側フィンが接続され、該熱電変換セルの他方の端部に連結される前記電極部材に低温側フィンが接続される構成であってもよい。
本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記高温側フィンと前記低温側フィンは、前記電極部材に一体に形成される構成であってもよい。
本発明によれば、熱電変換材料同士の熱膨張差による熱電変換部材の破損を防止でき、熱電変換部材の破損が生じた際にも、熱電変換モジュール内の熱電変換部材の交換を容易に行うことができる。
本発明の第１実施形態の熱電変換セルを示す正面図である。 図１に示す熱電変換セルの縦断面図である。 図１に示す熱電変換セルの分解断面図である。 図１に示す熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの正面図である。 本発明の第２実施形態の熱電変換セルを示す縦断面図である。 第２実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールを示す正面図である。 本発明の第３実施形態の熱電変換セルを示す縦断面図である。 本発明の第４実施形態の熱電変換セルを示す縦断面図である。 本発明の第５実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの正面図である。 図９のＡ‐Ａ線の矢視方向の平断面図である。 本発明の第６実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの縦断面図である。 図１１に示す熱電変換モジュールの上面図である。 図１１に示す熱電変換モジュールの下面図である。 本発明の第７実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの縦断面図である。 本発明の第８実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの縦断面図である。 本発明の第９実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの縦断面図である。 本発明の第１０実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの縦断面図である。 本発明の第１１実施形態の熱電変換セルを示す正面図である。 図１８に示す熱電変換セルの縦断面図である。 図１８に示す熱電変換セルの分解斜視図である。 本発明の第１２実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールを示す斜視図である。 図２１に示す熱電変換モジュールの縦断面図である。 本発明の第１３実施形態の熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの斜視図である。 図２３に示す熱電変換モジュールの縦断面図である。 図２３に示す熱電変換モジュールの分解断面図である。 本発明の第１４実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図である。 本発明の第１５実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図４に、熱電変換モジュール２０１の実施形態を示す。この熱電変換モジュール２０１は、複数の熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂを有し、導電性を有する接続部材４を介してＰ型熱電変換素子３１を備える第１熱電変換セル１０１ＡとＮ型熱電変換素子３２を備える第２熱電変換セル１０１Ｂとが接続されており、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とが直列に接続された構成とされる。熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂを構成する熱電変換素子として、Ｐ型熱電変換素子３１又はＮ型熱電変換素子３２が用いられる。なお、図１〜図３には、Ｐ型熱電変換素子３１を用いた第１熱電変換セル１０１Ａを一例として図示している。
第１熱電変換セル１０１Ａは、図１〜図３に示すように、１個（単数）の貫通孔１１を有する絶縁部材１Ａと、貫通孔１１の内部に収容された１個（単数）のＰ型熱電変換素子３１（熱電変換素子）を有する熱電変換部材３Ａと、絶縁部材１Ａの各端部にそれぞれ連結された一組の電極部材２Ａ，２Ａとを備える構成とされる。また、図４に示す第２熱電変換セル１０１Ｂは、熱電変換セル１０１Ａと共通の絶縁部材１Ａと一組の電極部材２Ａ，２Ａを用いて構成され、貫通孔１１の内部に収容される熱電変換部材３Ｂが、１個（単数）のＮ型熱電変換素子３２を有する構成とされる。
絶縁部材１Ａは、絶縁性を有する部材により形成され、一般的なセラミックス（例えば、陶器、磁器、ステアタイト、コージライト、フォルステライト、ムライト、マセライト、マコール、ホトベール、ジルコニア、チタニア、イットリア、アルミナ、窒化ケイ素）、ガラス、樹脂等の熱伝導性の低い材料が好適に用いられる。本実施形態の絶縁部材１Ａは、内側に貫通孔１１が形成されることにより円筒状に設けられており、貫通孔１１の両開口部（両端部）に雌ねじ部１２ａが設けられ、これらの雌ねじ部１２ａにより本発明における絶縁側ねじ部が構成されている。なお、雌ねじ部１２ａは、正ねじ（右ねじ）とされる。
電極部材２Ａは、導電性を有する部材により形成され、アルミニウムやアルミニウム合金、黄銅等の金属材料が好適に用いられる。電極部材２Ａは、図１〜図３に示すように、円板状の頭部２１と、この頭部２１から立設された円柱状の電極部２２とを有している。また、電極部２２の外周面に、絶縁部材１Ａの雌ねじ部１２ａに対応する雄ねじ部２２ａが設けられており、この雄ねじ部２２ａにより本発明における電極側ねじ部が構成されている。
そして、電極部材２Ａは、その雄ねじ部２２ａと絶縁部材１Ａの雌ねじ部１２ａとの螺合により、絶縁部材１Ａに着脱可能に取り付けられており、雄ねじ部２２ａと雌ねじ部１２ａとを螺合させることで、貫通孔１１内に収容される熱電変換部材３Ａ又は熱電変換部材３Ｂの端部に電極部２２の下面が当接されるようになっている。また、雌ねじ部１２ａと雄ねじ部２２ａとの螺合により、一組の電極部材２Ａ，２Ａが、それぞれ絶縁部材１Ａの両端部に連結されることで、各電極部材２Ａ，２Ａの電極部２２，２２同士の間に熱電変換部材３Ａ又は熱電変換部材３Ｂが挟持され、各電極部材２Ａと熱電変換部材３Ａ又は熱電変換部材３Ｂとが電気的に接続される。
このように、熱電変換部材３Ａ（Ｐ型熱電変換素子３１）又は熱電変換部材３Ｂ（Ｎ型熱電変換素子３２）と各電極部材２Ａとは接合されておらず、絶縁部材１Ａの雌ねじ部１２ａと各電極部材２Ａの雄ねじ部２２ａとを締めたり緩めたりすることで、熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂの組み立てや分解を容易に行うことができる。なお、電極部材２Ａの電極部２２は、熱電変換部材３Ａ，３Ｂとの接続部分の面積（下面）が、熱電変換部材３Ａ，３Ｂの大きさに応じて、熱電変換部材３Ａ，３Ｂの端面の面積よりも若干大きく設定される。
Ｐ型熱電変換素子３１及びＮ型熱電変換素子３２の材料としては、テルル化合物、スクッテルダイト、充填スクッテルダイト、ホイスラー、ハーフホイスラー、クラストレート、シリサイド、酸化物、シリコンゲルマニウムなどがあり、ドーパントによりＰ型とＮ型の両方をとれる化合物と、Ｐ型かＮ型のどちらか一方のみの性質をもつ化合物がある。また、Ｐ型熱電変換素子の材料として、Ｂｉ２Ｔｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、ＴＡＧＳ（＝Ａｇ‐Ｓｂ‐Ｇｅ‐Ｔｅ）、Ｚｎ４Ｓｂ３、ＣｏＳｂ３、ＣｅＦｅ４Ｓｂ１２、Ｙｂ１４ＭｎＳｂ１１、ＦｅＶＡｌ、ＭｎＳｉ１．７３、ＦｅＳｉ２、ＮａｘＣｏＯ２、Ｃａ３Ｃｏ４Ｏ７、Ｂｉ２Ｓｒ２Ｃｏ２Ｏ７、ＳｉＧｅなどが用いられ、Ｎ型熱電変換素子の材料として、Ｂｉ２Ｔｅ３、ＰｂＴｅ、Ｌａ３Ｔｅ４、ＣｏＳｂ３、ＦｅＶＡｌ、ＺｒＮｉＳｎ、Ｂａ８Ａｌ１６Ｓｉ３０、Ｍｇ２Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＳｒＴｉＯ３、ＣａＭｎＯ３、ＺｎＯ、ＳｉＧｅなどが用いられる。
これらの材料のうち、環境への影響が少なく、資源埋蔵量も豊富なシリサイド系材料が注目されていることから、本実施形態でもシリサイド系材料を用いる。すなわち、Ｐ型熱電変換素子３１がマンガンシリサイド（ＭｎＳｉ１．７３）、Ｎ型熱電変換素子３２がマグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）により形成される。これらＰ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とは、例えば横断面が正方形、一辺が１ｍｍ〜８ｍｍ）の角柱状に形成され、長さ（貫通孔１１の貫通方向に沿う長さ）は２ｍｍ〜８ｍｍとされる。また、図２及び図３に示すように、各熱電変換素子３１，３２の長さｈ１は、絶縁部材１Ａの長さ（高さ）ｈ２１よりも小さく形成される。
なお、各熱電変換素子３１，３２については、例えばボールミルにて母合金を例えば粒径７５μｍ以下に粉砕後、プラズマ放電焼結、ホットプレス、熱間等方圧加圧法により例えば円盤状、各板状のバルク材を作製し、これを例えば角柱状に切断することにより形成される。なお、各熱電変換素子３１，３２の両端面に、ニッケル、金等のめっきからなるメタライズ層３３が形成される。
このように、本実施形態の熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂにおいては、絶縁部材１Ａの貫通孔１１の内部にＰ型熱電変換素子３１を有する熱電変換部材３Ａ又はＮ型熱電変換素子３２を有する熱電変換部材３Ｂを収容するとともに、両電極部材２Ａ，２Ａの間に熱電変換部材３Ａ又は熱電変換部材３Ｂを挟持することにより、電極部材２Ａと熱電変換部材３Ａ，３Ｂとを電気的に接続することとしているので、異種金属の熱膨張差による各部材の破損を防止できる。また、熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂは、絶縁部材１Ａの雌ねじ部１２ａと電極部材２Ａの雄ねじ部２２ａとを締めたり緩めたりすることで、容易に組み立てや分解を行うことができ、絶縁部材１Ａの内部に収容される熱電変換部材３Ａ，３Ｂに破損が生じたり、設計変更により熱電変換部材３Ａ，３Ｂの交換が必要になった際にも、熱電変換部材３Ａ，３Ｂの交換を容易に行うことができる。
また、図４に示すように、Ｐ型熱電変換素子３１を備える第１熱電変換セル１０１ＡとＮ型熱電変換素子３２を備える第２熱電変換セル１０１Ｂとを用いて、これら熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂを、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とが交互に直列に接続されるように複数組み合わせることにより、熱電変換モジュール２０１を容易に製造できる。この熱電変換モジュール２０１は、第１熱電変換セル１０１Ａと第２熱電変換セル１０１Ｂとを並列に並べて配置し、一方の側部（図４では上側）に配置される電極部材２Ａ，２Ａ間を接続部材４を介して接続することにより製造される。接続部材４は、導電性を有する部材により形成され、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金を好適に用いることができる。
この場合、電極部材２Ａの頭部２１と絶縁部材１Ａとの間に接続部材４を挟持することにより、電極部材２Ａと接続部材４とを介して第１熱電変換セル１０１Ａと第２熱電変換セル１０１Ｂとが電気的に接続され、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とが直列に接続される。また、接続部材４は、電極部材２Ａの雄ねじ部２２ａと絶縁部材１Ａの雌ねじ部１２ａとを締めたり緩めたりすることで、着脱可能に設けられる。
また、図１〜図４に示す熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂでは、頭部２１を有する電極部材２Ａを用いていたが、図５に示す第２実施形態の熱電変換セル（第１熱電変換セル）１０２のように、外周面全体に雄ねじ部２２ａが設けられた、いわゆる止めねじ（イモねじ）により電極部材２Ｂを構成してもよい。この場合、絶縁部材１Ａから突出する電極部材２Ｂの雄ねじ部２２ａに、この雄ねじ部２２ａに対応する雌ねじ部（正ねじ）５２ａを有するナット５を取り付けることができ、これら電極部材２Ｂの雄ねじ部２２ａとナット５の雌ねじ部５２ａとの螺合により、熱電変換セル１０２の高さを自由に調整できる。このため、熱電変換セル１０２の高さの自由度を向上できる。ナット５は、導電性を有する部材により形成され、アルミニウムやアルミニウム合金、黄銅等の金属材料が好適に用いられる。
なお、第２実施形態の熱電変換セル１０２において、第１実施形態の熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂ及び熱電変換モジュール２０１と共通する要素には、同一符号を付して説明を省略する。また、同様に、以降の第３実施形態〜第１３実施形態の熱電変換セル及び熱電変換モジュールにおいても、先行する実施形態と共通する要素には、同一符号を付して説明を省略する。
また、図４に示す熱電変換モジュール２０１では、Ｐ型熱電変換素子３１を備える第１熱電変換セル１０１ＡとＮ型熱電変換素子３２を備える第２熱電変換セル１０１Ｂとを並列に並べて配置した構成としていたが、図６に示す第３実施形態の熱電変換モジュール２０２のように、Ｐ型熱電変換素子３１を備える第１熱電変換セル１０３ＡとＮ型熱電変換素子３２を備える第２熱電変換セル１０３Ｂとを貫通孔１１の貫通方向に交互に積層して配置した構成としてもよい。
この熱電変換モジュール２０２においては、第１熱電変換セル１０３Ａと第２熱電変換セル１０１Ｂとが、それぞれの貫通孔１１の雌ねじ部１２ａに取り付けられる電極部材２Ｂを介して接続される。電極部材２Ｂは、前述したように、外周面全体に雄ねじ部２２ａが設けられており、いわゆる止めねじ（イモねじ）により構成されるものである。そして、電極部材２Ｂには、その上面と下面とにそれぞれ電極部２２，２２が形成されており、電極部材２Ｂは２個の電極部材を一体に形成した構成とされる。そして、この電極部材２Ｂにより、本発明における連結型電極部材が構成され、第１熱電変換セル１０３Ａと第２熱電変換セル１０３Ｂとが電極部材２Ｂにより接続される。
また、熱電変換モジュール２０２の各電極部材２Ｂには、電極部材２Ｂごとに交互に高温側フィン６Ａと低温側フィン６Ｂとが取り付けられている。すなわち、熱電変換モジュール２０２は、第１熱電変換セル１０３Ａ又は第２熱電変換セル１０３Ｂの個々の単位では、一方の端部に連結される電極部材２Ｂに高温側フィン６Ａが接続され、他方の端部に連結される電極部材２Ｂに低温側フィンが接続された構成とされる。そして、熱電変換モジュール２０２は、図６の右側を高温部側とし、図６の左側を低温部側とすると、図６の上側から下側に向かって電流が流れ、発電できるようになっている。
また、上記実施形態の熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２，１０３Ａ，１０３Ｂでは、貫通孔１１の内部に収容される熱電変換部材３Ａ，３Ｂを、Ｐ型熱電変換素子３１又はＮ型熱電変換素子３２のいずれか１個（単数）の熱電変換素子を有する構成とし、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とが交互に直列に接続されるように複数組み合わせることにより熱電変換モジュール２０１，２０２を構成していたが、図７に示す第３実施形態の熱電変換モジュール２０３のように、使用可能温度領域が異なる熱電変換素子（Ｐ型熱電変換素子）３４Ａ〜３４Ｃを備える熱電変換セル１０４Ａ〜１０４Ｃ同士を、高温部側から低温部側にかけて温度の勾配方向に重ねて直列に連結した構成とすることも可能である。
このように、使用可能温度領域の異なる熱電変換部材３Ｃ〜３Ｅを収容した熱電変換セル１０４Ａ〜１０４Ｃ同士を温度の勾配方向に重ねて直列に連結することで、セグメント構造を構成でき、熱電変換モジュールの高効率化を図ることができる。
なお、この熱電変換モジュール２０３においても、絶縁部材１Ａの貫通孔の両開口部に一組の電極部材２Ｂ，２Ｂを取り付けて、両電極部材２Ｂ，２Ｂ間に熱電変換部材３Ｃ〜３Ｅを挟持することにより、熱電変換部材３Ｃ〜３Ｅと各電極部材２Ｂとが電気的に接続される。また、熱電変換部材３Ｃ〜３Ｅを電極部材２Ｂを介して積層する以外にも、各熱電変換部材３Ｃ〜３Ｅをアルミニウム等の導電性部材を介して積層できる。導電性部材を介して熱電変換部材３Ｃ〜３Ｄとを積層することで、導電性部材と熱電変換部材とを密着させることができ、電気抵抗を下げることができる。
また、図８に示す第４実施形態の熱電変換セル１０５のように、絶縁部材１Ｂの貫通孔１１の内部に収容される熱電変換部材３Ｆが、複数の熱電変換素子（Ｐ型熱電変換素子）３４Ａ〜３４Ｃを直接又は導電性部材を介して貫通孔１１の貫通方向に積層された構成のものであってもよい。熱電変換素子３４Ａ〜３４Ｃを貫通孔１１内に重ねて収容して、絶縁部材１Ａの上下に取り付けられる両電極部材２Ａ，２Ａの間に挟持することで、各熱電変換素子３４Ａ〜３４Ｃを連結することも可能である。この場合、電極部材による電気抵抗や熱抵抗がなくなるため、電極部材を使用した場合よりも高い出力を得ることができる。
なお、絶縁部材１Ｂの貫通孔１１の内部にある熱電変換素子３４Ａ〜３４Ｃ同士や、メタライズ層３３同士や、メタライズ層３３と熱電変換素子同士が化学反応してしまう場合、若しくは使用温度領域が大きくことなる場合には、図７に示す構成を用いた方がよい。この場合、図７に示すように、電極部材２Ｂを使用して熱電変換素子３４Ａ〜３４Ｃ同士を隔離でき、例えば上側に配置される熱電変換部材３Ｃの低温部側から伝わる温度よりも十分に低下した温度を、その下側に配置される熱電変換部材３Ｄの高温部側に伝えることが可能となる。
このように、異なる材料からなる熱電変換素子（熱電変換部材）を組み合わせることで、材料の選択肢が広がり、性能を揃えて安定した熱電変換モジュールを構成できる。また、同じ極性を持つ熱電変換セルを並列に組み合わせることで、熱電変換モジュールの内部抵抗を制御可能であり、出力先の負荷抵抗に適応した熱電変換モジュールの設計を任意に行うことができる。
上記実施形態の熱電変換セル１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２，１０３Ａ，１０３Ｂ，１０４Ａ〜１０４Ｃ，１０５では、１個（単数）の貫通孔１１を有する絶縁部材１Ａを用いる構成としていたが、図９及び図１０に示す第５実施形態の熱電変換セル１０６のように、複数の貫通孔１１を有する絶縁部材１Ｃを用いる構成としてもよい。絶縁部材１Ｃには、図９及び図１０に示すように、２つの貫通孔１１が並列に配置されており、それぞれの貫通孔１１の内部に、Ｐ型熱電変換素子３１を有する熱電変換部材３Ａと、Ｎ型熱電変換素子３２を有する熱電変換部材３Ｂとが収容されている。
この場合も、各貫通孔１１の両開口部に取り付けられた一組の電極部材２Ａ，２Ａにより、貫通孔１１の内部に収容された熱電変換部材３Ａ又は熱電変換部材３Ｂを挟持することで、各電極部材２Ａと熱電変換部材３Ａ，３Ｂとを電気的に接続できる。また、図９に示すように絶縁部材１Ｃの一方の側部に配置される電極部材２Ａ，２Ａ同士の間を接続部材４を介して接続することで、各貫通孔１１の内部に収容された熱電変換部材３Ａ，３ＢのＰ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とを交互に直列に接続することができ、容易に熱電変換モジュール２０４を製造できる。
さらに、図１１〜図１３に示す第６実施形態の熱電変換セル１０７Ａのように、３つ以上の貫通孔１１を有する絶縁部材１Ｄを用いて、熱電変換モジュール２０５を構成することもできる。絶縁部材１Ｄには、図１２及び図１３に示すように、合計１６個の貫通孔１１がマトリクス状に配置されており、それぞれの貫通孔１１の内部に、Ｐ型熱電変換素子３１を有する熱電変換部材３Ａと、Ｎ型熱電変換素子３２を有する熱電変換部材３Ｂとのいずれかが収容されている。そして、各貫通孔１１の両開口部に電極部材２Ａ，２Ａを取り付けることにより、貫通孔１１の内部に収容された熱電変換部材３Ａ又は熱電変換部材３Ｂが一組の電極部材２Ａ，２Ａ間に挟持され、各電極部材２Ａと熱電変換部材３Ａ，３Ｂとが電気的に接続されている。
また、このように構成される熱電変換セル１０７Ａの各貫通孔１１に取り付けられた電極部材２Ａ，２Ａ間を、接続部材４を介して接続することで、各貫通孔１１の内部に収容された熱電変換部材３Ａ，３ＢのＰ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とを交互に直列に接続でき、容易に熱電変換モジュール２０５を製造できる。
また、図１４に示すように、複数の熱電変換部材３Ｇ〜３Ｊが収容された熱電変換セル１０７Ｂを複数積層することで、セグメント構造の熱電変換モジュール２０６を構成することもできる。この第７実施形態の熱電変換モジュール２０６においては、２つの熱電変換セル１０７Ｂの間が、各貫通孔１１に取り付けられる電極部材２Ｂを介して接続され、各貫通孔１１に取り付けられた電極部材２Ａ，２Ａ間が接続部材４を介して接続されることで、Ｐ型熱電変換素子３５Ａ及びＰ型熱電変換素子３５ＢとＮ型熱電変換素子３６Ａ及びＮ型熱電変換素子３６Ｂとが交互に直列に接続される。
また、この熱電変換モジュール２０６の各貫通孔１１内に収容されるそれぞれの熱電変換部材３Ｇ〜３Ｊには、図８に示す熱電変換セル１０５の熱電変換部材３Ｆのように、Ｐ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子からなる複数の熱電変換素子を直接又は導電性部材を介して貫通孔１１の貫通方向に積層された構成のものを用いることもできる。また、熱電変換モジュール２０６と同様の構成の熱電変換モジュールを、図８に示す熱電変換セル１０５と同様のＰ型熱電変換素子からなる熱電変換部材を有する第１熱電変換セルと、Ｎ型熱電変換素子からなる熱電変換部材を有する第２熱電変換セルとを並列に並べて配置するとともに、貫通孔の貫通方向に積層して配置することにより構成することもできる。
また、第１実施形態の熱電変換モジュール２０１等では、各貫通孔１１に取り付けられた電極部材２Ａ，２Ａ間を接続部材４を介して接続していたが、図１５に示す第８実施形態の熱電変換モジュール２０７のように、２個の電極部２２，２２を有する連結型電極部材２Ｃを用いて、Ｐ型熱電変換素子３１を備える第１熱電変換セル１０８ＡとＮ型熱電変換素子３２を備える第２熱電変換セル１０８Ｂとを並列に配置し、各熱電変換部材３Ａ，３Ｂを電気的に接続することもできる。
この場合、連結型電極部材２Ｃの２個の電極部２２，２２は、頭部２３を介して一体に形成されているので、各電極部２２の雄ねじ部２２ａに、それぞれ個別の絶縁部材１Ａを取り付けることができる。すなわち、絶縁部材１Ａの一方の雌ねじ部１２ａを各電極部２２の雄ねじ部２２ａに螺合させて連結させた後、絶縁部材１Ａの他方の雌ねじ部１２ａに、１個の電極部２２を有する電極部材２Ａの雄ねじ部２２ａを連結させる。これにより、熱電変換部材３ＡのＰ型熱電変換素子３１と熱電変換部材３ＢのＮ型熱電変換素子３２とを交互に直列に接続できる。
また、上記第１〜第８実施形態では、絶縁部材の両端部に設けられた雌ねじ部１２ａ（絶縁側ねじ部）のねじ方向を同一の方向（正方向）としていたが、図１６に示す第９実施形態の熱電変換モジュール２０８のように、絶縁部材１Ｅの一方の雌ねじ部１２ａを正ねじ（右ねじ）とし、他方の雌ねじ部１２ｂを逆ねじ（左ねじ）とすることで、一方と他方の雌ねじ部１２ａ，１２ｂの締め込み方向（回転方向）を揃えることができる。この場合、絶縁部材１Ｅの一方の端部に連結される電極部材２Ａ，２Ｃには、一方の雌ねじ部１２ａに対応するように、電極部２２に正ねじの雄ねじ部２２ａが形成されたものを用いる。また、絶縁部材１Ｅの他方の端部に連結される電極部材２Ｄには、他方の雌ねじ部１２ｂに対応するように、電極部２２に逆ねじの雄ねじ部２２ｂが形成されたものを用いる。
このように構成することで、絶縁部材１Ｅを一方向に回転させるだけで、絶縁部材１Ｅの両端側に配設される一方の雌ねじ部１２ａとこの雌ねじ部１２ａに対応する電極部材２Ａ，２Ｃの雄ねじ部２２ａ、他方の雌ねじ部１２ｂとこの雌ねじ部１２ｂに対応する電極部材２Ｄの雄ねじ部２２ｂを、一度に締め込むこと又は緩めることができる。これにより、絶縁部材１Ｅとこの絶縁部材１Ｅの両端部に連結される一組の電極部材２Ａ，２Ｄ又は２Ｃ，２Ｄとの着脱を一度に行える。したがって、Ｐ型熱電変換素子３１を備える第１熱電変換セル１０９ＡとＮ型熱電変換素子３２を備える第２熱電変換セル１０９Ｂとを複数組み合わせるとともに、それぞれのＰ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とを交互に直列に接続でき、大型の熱電変換モジュール２０８を容易に製造できる。
さらに、図１７に示す第１０実施形態のように、電極部材２Ｅ〜２Ｇにセラミックス板４１と熱伝達金属層４２とを有する構成のものを用いて、熱電変換モジュール２０９を構成することもできる。
セラミックス板４１は、一般的なセラミックス、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）や、グラファイト板上に成膜したダイヤモンド薄膜基板等の熱伝導性の高い絶縁性を有する部材を用いることができる。また、熱伝達金属層４２には、アルミニウムや銅等の弾性変形、塑性変形しやすく、熱伝導性に優れる部材を用いることができる。
このように、電極部２２（頭部２１，２３）の外側にセラミックス板４１を設けておくことで、熱電変換モジュール２０９を、表面が導電性の材料で覆われた熱源等に設置した場合、電極部２２と熱源等との間にセラミックス板４１が介在し、熱源等と電極部２２とが接触することを防止できる。したがって、熱源等と電極部２２との電気的な接続（リーク）を確実に回避でき、絶縁状態を良好に維持できる。また、電極部材２Ｅ〜２Ｇに熱伝達金属層４２を設けておくことで、熱電変換モジュール２０９を熱源等に設置したときに、熱伝達金属層４２と熱源等とを接触させることができ、熱電変換モジュール２０９と熱源等との密着性を高めて熱伝達性を向上できる。したがって、熱電変換モジュール２０９の熱電変換性能（発電効率）を向上できる。
また、上記の第１〜第１０実施形態においては、絶縁側ねじ部を雌ねじ部１２ａ，１２ｂで構成し、電極側ねじ部を雄ねじ部２２ａ，２２ｂで構成したが、絶縁側ねじ部を雄ねじ部で構成し、電極側ねじ部を雌ねじ部で構成することもできる。以下、絶縁側ねじ部を雄ねじ部で構成し、電極側ねじ部を雌ねじ部で構成した例について、説明する。
図１８〜図２０は、第１１実施形態の第１熱電変換セル（熱電変換セル）３０１を示している。この第１熱電変換セル３０１は、貫通孔７１を有する絶縁部材７Ａと、貫通孔７１に収容された熱電変換部材３Ａと、絶縁部材７Ａの各端部にそれぞれ連結された電極部材８Ａ，８Ａとを備える。なお、各部品を構成する部材（材料）には、上記の実施形態と同様のものが用いられることから、説明を省略する。
絶縁部材７Ａは、内側に１個の貫通孔７１が形成されることにより円筒状に形成され、その外側に雄ねじ部７２ａが設けられ、絶縁部材７Ａの各端部を含む外周面全体に雄ねじ部７２ａが形成されている。なお、雄ねじ部７２ａは正ねじ（右ねじ）とされ、この雄ねじ部７２ａにより本発明における絶縁側ねじ部が構成される。
電極部材８Ａは、天面部と円筒部とを有するキャップ状に形成されている。このうち、天面部が電極部８１とされ、円筒部の内面に雄ねじ部７２ａに対応する正ねじの雌ねじ部８２ａが形成されている。この雌ねじ部８２ａが本発明の電極側ねじ部とされる。そして、絶縁部材７Ａと各電極部材８Ａとは、雄ねじ部７２ａと雌ねじ部８２ａとの螺合により、着脱可能に設けられている。
また、図１９に示すように、絶縁部材７Ａの長さ（高さ）ｈ２２は、熱電変換部材３Ａの長さｈ１よりも小さく形成されている。このため、熱電変換部材３Ａを貫通孔７１に挿通させて貫通孔７１内に収容させると、熱電変換部材３Ａの端部を貫通孔７１から突出させた状態で配設できる。したがって、一組の電極部材８Ａ，８Ａをそれぞれ絶縁部材７Ａの両端部に連結すると、熱電変換部材３Ａの端部に電極部８１を確実に当接できる。そして、各電極部材８Ａ，８Ａの電極部８１，８１同士の間に熱電変換部材３Ａを挟持させることで、各電極部材８Ａ，８Ａと熱電変換部材３Ａとを電気的に接続できる。
このように、絶縁部材７Ａの絶縁側ねじ部を雄ねじ部７２ａとし、電極部材８Ａの電極側ねじ部を雌ねじ部８２ａとした場合にも、これら雄ねじ部７２ａと雌ねじ部８２ａとを締めたり緩めたりすることで、第１熱電変換セル３０１の組み立てや分解を容易に行うことができる。
図２１及び図２２は、第１２実施形態の熱電変換モジュール４０１を示している。この熱電変換モジュール４０１は、Ｐ型熱電変換素子３１（熱電変換部材３Ａ）を備える第１熱電変換セル３０２ＡとＮ型熱電変換素子３２（熱電変換部材３Ｂ）と備える第２熱電変換セル３０２Ｂとを貫通孔７１の貫通方向に交互に積層することにより、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とを直列に接続した構成とされる。
この熱電変換モジュール４０１では、第１熱電変換セル３０２Ａと第２熱電変換セル３０２Ｂとが、それぞれの絶縁部材７Ａの端部に取り付けられる連結型電極部材８Ｂを介して接続される。各連結型電極部材８Ｂには、図２２に示すように、上側と下側とにそれぞれ電極部８１，８１が形成されており、第１熱電変換セル３０２Ａの電極部材と第２熱電変換セル３０２Ｂの電極部材とを一体に形成した構成とされる。また、連結型電極部材８Ｂには、両側（上側及び下側）に雄ねじ部７２ａに対応する雌ねじ部８２ａが形成されており、各雌ねじ部８２ａに絶縁部材７Ａの雄ねじ部７２ａを螺合させることにより、連結型電極部材８Ｂの両側にそれぞれ絶縁部材７Ａを連結でき、一組の連結型電極部材８Ｂ，８Ｂの電極部８１，８１同士の間に熱電変換部材３Ａ又は３Ｂを挟持できる。そして、図２３に示すように、絶縁部材７Ａと連結型電極部材８Ｂとを連結することで、連結型電極部材８Ｂと熱電変換部材３Ａ又は３Ｂとを交互に積層して第１熱電変換セル３０２Ａと第２熱電変換セル３０２Ｂとを接続でき、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とが交互に直列に接続された熱電変換モジュール４０１を構成できる。
また、連結型電極部材８Ｂには、高温側フィン又は低温側フィンとして使用されるフィン８３が一体に形成されている。そして、熱電変換モジュール４０１では、図２１及び図２２に示すように、各電極部材８Ｂがフィン８３の延出方向を交互に逆向きにして配設されている。これにより、熱電変換モジュール４０１では、図２２の左側を高温部側とし、図２２の右側を低温部側とすると、図２２の下側から上側に向かって電流が流れ、発電できるようになっている。この場合、図２２の左側に延出されたフィン８３が高温側フィンとされ、図２２の右側に延出されたフィン８３が低温側フィンとされる。
図２３〜図２５は、第１３実施形態の熱電変換モジュール４０２を示している。この熱電変換モジュール４０２は、図２４に示すように、Ｐ型熱電変換素子３１（熱電変換部材３Ａ）を備える第１熱電変換セル３０３ＡとＮ型熱電変換素子３２（熱電変換部材３Ｂ）を備える第２熱電変換セル３０３Ｂとを並列に配置し、Ｐ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とを連結型電極部材８Ｃを介して接続した構成とされる。
この熱電変換モジュール４０２を構成する絶縁部材７Ｂは、内側に１個の貫通孔７１が形成されることにより円筒状に形成されている。また、絶縁部材７Ｂの外側には、貫通孔７１の貫通方向の各端部に、正ねじの雄ねじ部７２ａと逆ねじの雄ねじ部７２ｂとがそれぞれ形成され、これら雄ねじ部７２ａ，７２ｂの間に、六角柱状の角柱部７３が形成されている。なお、これらの雄ねじ部７２ａ，７２ｂにより、本発明における絶縁側ねじ部が構成される。
また、連結型電極部材８Ｃは、平板状に形成されており、正ねじの雄ねじ部７２ａに対応する正ねじの雌ねじ部８２ａと、逆ねじの雄ねじ部７２ｂに対応する逆ねじの雌ねじ部８２ｂとが、１個ずつ形成されている。したがって、１個の連結型電極部材８Ｃに２個の絶縁部材７Ｂが連結可能とされる。なお、これら雌ねじ部８２ａ，８２ｂが、本発明における電極側ねじ部とされる。また、連結型電極部材８Ｃには、２個の電極部８１が形成されており、各電極部８１は、各雌ねじ部８２ａ，８２ｂに絶縁部材７Ｂを連結させたときに、貫通孔７１の開口端部と対向する位置、すなわち、各雌ねじ部８２ａ，８２ｂの奥側に設けられている。
また、図２５に示すように、絶縁部材７Ｂの貫通方向の長さ（高さ）ｈ２３は、熱電変換部材３Ａ，３Ｂの長さｈ１よりも小さく形成されている。このため、熱電変換部材３Ａ又は３Ｂを貫通孔７１内に挿通させて、貫通孔７１内に収容させると、熱電変換部材３Ａ，３Ｂの端部を、貫通孔７１から突出させて配設できる。一組の連結型電極部材８Ｃ，８Ｃの間に絶縁部材７Ｂの両端部を連結すると、熱電変換部材３Ａ，３Ｂの端部に電極部８１を確実に当接できる。したがって、各連結型電極部材８Ｃ，８Ｃの電極部８１，８１同士の間に熱電変換部材３Ａを挟持でき、各連結型電極部材８Ｃ，８Ｃと熱電変換部材３Ａ，３Ｂとを電気的に接続できる。
熱電変換モジュール４０２では、絶縁部材７Ｂは、両端部の雄ねじ部７２ａ，７２ｂの一方を正ねじとし、他方を逆ねじとして、これら一方と他方の雄ねじ部７２ａ，７２ｂの締め込み方向を揃えているので、絶縁部材７Ｂを一方向に回転させることにより、一方の雄ねじ部７２ａとこの雄ねじ部７２ａに対応する連結型電極部材８Ｃの雌ねじ部８２ａ、他方の雄ねじ部７２ｂとこの雄ねじ部７２ｂに対応する連結型電極部材８Ｃの雌ねじ部８２ｂを、一度に締め込むこと又は緩めることができる。このため、絶縁部材７Ｂとこの絶縁部材７Ｂの両端部に連結される一組の連結型電極部材８Ｃ，８Ｃとの着脱を一度に行える。また、絶縁部材７Ｂは、雄ねじ部７２ａと雄ねじ部７２ｂとの間に形成された角柱部７３をスパナ等で把持することにより容易に回転でき、熱電変換部材３Ａ，３ＢのＰ型熱電変換素子３１とＮ型熱電変換素子３２とが直列に接続された熱電変換モジュール４０２を容易に製造できる。
さらに、図２６に示す第１４実施形態のように、３個以上の絶縁部材７Ｂを用いて、熱電変換モジュール４０３を構成することもでき、複数の絶縁部材７Ｂと連結型電極部材８Ｃとを組み合わせることにより、熱電変換部材３ＡのＰ型熱電変換素子３１と熱電変換部材３ＢのＮ型熱電変換素子３２とを交互に直列に接続でき、容易に大型の熱電変換モジュール４０３を製造できる。
また、図２７に示す第１５実施形態のように、連結型電極部材８Ｄに、セラミックス板４１と熱伝達金属層４２とを有する構成のものを用いて、熱電変換モジュール４０４を構成することもできる。このように、電極部８１の外側にセラミックス板４１を設けておくことで、熱源等と電極部８１との電気的なリークを確実に回避でき、絶縁状態を良好に維持できる。また、連結型電極部材８Ｄに熱伝達金属層４２を設けておくことで、熱伝達金属層４２と熱源等とを接触させることができ、熱電変換モジュール４０４と熱源等との密着性を高めて熱伝達性を向上できる。
上記実施形態において説明したように、本実施形態の熱電変換セルにおいては、電極部材と熱電変換部材（熱電変換素子）とは、電極部材を絶縁部材に取り付けることにより、貫通孔の両側に配置された電極部同士の間に熱電変換部材が挟持され、電気的に接続される構成とされる。このように、本実施形態の熱電変換セルでは、熱電変換部材と各電極部材とを接合せずに、電極部間に熱電変換部材を挟持することにより電気的に接続することとしているので、異種金属の熱膨張差により各部材の破損を防止できる。また、絶縁部材と電極部材とは雌ねじ部と雄ねじ部の螺合により着脱可能に設けられているので、容易に組み立てや分解を行うことができるとともに、絶縁部材の内部に収容される熱電変換部材に破損が生じたり、設計変更により熱電変換部材の交換が必要になった際にも、熱電変換部材の交換を容易に行え、設計の自由度を向上できる。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に逸脱しない範囲において、上記以外の種々の変更を加えることも可能である。
例えば、上記実施形態においては、熱電変換素子として角柱状の素子を用いたが、円柱状の素子を用いることもできる。
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，７Ａ，７Ｂ…絶縁部材
２Ａ，２Ｅ，８Ａ…電極部材
２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｆ，２Ｇ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ…連結型電極部材（電極部材）
３Ａ〜３Ｊ…熱電変換部材
４…接続部材
５…ナット
６Ａ 高温側フィン
６Ｂ 低温側フィン
１１…貫通孔
１２ａ，１２ｂ…雌ねじ部（絶縁側ねじ部）
５２ａ…雌ねじ部
２１，２３…頭部
２２…電極部
２２ａ，２２ｂ…雄ねじ部（電極側ねじ部）
３１，３４Ａ〜３４Ｃ，３５Ａ，３５Ｂ…Ｐ型熱電変換素子
３２，３６Ａ，３６Ｂ…Ｎ型熱電変換素子
３３…メタライズ層
４１…セラミックス板
４２…熱伝達金属層
７１…貫通孔
７２ａ，７２ｂ…雄ねじ部（絶縁側ねじ部）
７３…角柱部
８１…電極部
８２ａ，８２ｂ…雌ねじ部（電極側ねじ部）
８３…フィン
１０１Ａ，１０１Ｂ，１０２，１０３Ａ，１０３Ｂ，１０４Ａ〜１０４Ｃ，１０５，１０６，１０７Ａ，１０７Ｂ，１０８Ａ，１０８Ｂ，１０９Ａ，１０９Ｂ，３０１，３０２Ａ，３０２Ｂ，３０３Ａ，３０３Ｂ…熱電変換セル
２０１〜２０９，４０１〜４０４…熱電変換モジュール

Claims (9)

  1. 少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、
    少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、
    前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、
    を備え、
    前記少なくとも１個の貫通孔は１個であり、
    前記絶縁部材の両端部に設けられた前記絶縁側ねじ部のうち、一方が正ねじからなり、他方が逆ねじからなることを特徴とする熱電変換セル。
  2. 少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、
    少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、
    前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、
    を備え、
    前記絶縁側ねじ部が雄ねじ部であり、
    前記電極側ねじ部が雌ねじ部であり、
    前記貫通孔の貫通方向において、前記熱電変換部材が前記絶縁部材よりも大きく形成されていることを特徴とする熱電変換セル。
  3. 少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、
    少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、
    前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、
    を備え、
    前記絶縁側ねじ部が雌ねじ部であり、
    前記電極側ねじ部が雄ねじ部であり、
    前記貫通孔の貫通方向において、前記熱電変換部材が前記絶縁部材よりも小さく形成されていることを特徴とする熱電変換セル。
  4. 少なくとも１個の貫通孔を有し、該貫通孔の貫通方向の両端部のそれぞれに絶縁側ねじ部を有する絶縁部材と、
    少なくとも１個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、
    前記絶縁部材の各端部にそれぞれ連結され、前記絶縁側ねじ部に対応する電極側ねじ部及び前記貫通孔内の前記熱電変換部材の端部に電気的に接続された電極部を有する電極部材と、
    を備え、
    前記熱電変換部材は、Ｐ型熱電変換素子又はＮ型熱電変換素子からなる複数の前記熱電変換素子を直接又は導電性部材を介して前記貫通孔の貫通方向に積層された構成とされることを特徴とする熱電変換セル。
  5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の前記熱電変換セルを複数有し、
    前記熱電変換セルは、前記熱電変換素子がＰ型熱電変換素子からなる第１熱電変換セルと、前記熱電変換素子がＮ型熱電変換素子からなる第２熱電変換セルとを有しており、
    前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとが交互に直列に接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
  6. 前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとは、導電性を有する接続部材により接続されていることを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュール。
  7. 前記第１熱電変換セルの前記電極部材と前記第２熱電変換セルの前記電極部材とが一体に形成された連結型電極部材を有し、
    前記連結型電極部材により前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとが接続されていることを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュール。
  8. 前記第１熱電変換セルと前記第２熱電変換セルとが前記貫通方向に交互に積層されてなり、
    前記熱電変換セルの一方の端部に連結される前記電極部材に高温側フィンが接続され、該熱電変換セルの他方の端部に連結される前記電極部材に低温側フィンが接続されていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
  9. 前記高温側フィンと前記低温側フィンは、前記電極部材に一体に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の熱電変換モジュール。
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