JPWO2013129057A1 - 熱電モジュール、熱電発電装置および熱電発電器 - Google Patents

Abstract

熱電モジュール（１０）は、低温側配線（２ａ）と、高温側配線（２ｂ）と、低温側部材（１１）と、ＢｉＴｅ系材料からなる複数の低温側熱電変換素子（１２）と、高温側部材（１３）と、ＢｉＴｅ系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子（１４）と、絶縁部材（１５）と、輻射熱遮断板（１６）と、低温側電極（１７）と、高温側電極（１８）とを備えている。輻射熱遮断板（１６）は、低温側配線（２ａ）および高温側配線（２ｂ）よりも高温側部材（１３）側に配置されている。これにより、配線の焼損を抑制することができる熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器を得ることができる。

Description

本発明は、熱電モジュール、熱電発電装置および熱電発電器に関するものであり、特に、カスケード型の熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器に関するものである。

周知のように、熱電変換素子は、ペルチェ効果によって電気エネルギを熱エネルギに変換したり、ゼーベック効果によって熱エネルギを電気エネルギに変換したりすることができる。そして、そのような熱電変換の効率と容量を増大させるために、整列された複数の熱電変換素子を含む熱電モジュールが作成されて利用されている。

複数の熱電変換素子を含む熱電モジュールがたとえば特開２００５−７９３４７号公報（特許文献１）に開示されている。この公報に記載された熱電モジュールでは、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とに熱電変換素子が挟まれており、熱電変換素子と電気的に接続されたリード線が低温側絶縁基板に取付けられている。また高温側絶縁基板と低温側絶縁基板との間に輻射防止板が設けられている。この熱電モジュールは、輻射防止板を設けることによって熱電モジュール内部の輻射および対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させて熱電モジュールの熱伝達を向上させている。これにより熱電変換効率の向上が図られている。

特開２００５−７９３４７号公報

ところで、熱電変換素子は、材質によって高い熱電変換効率を有する温度領域が異なっている。そのため、異なる材料からなる熱電変換素子をそれぞれ高い熱電変換効率を有する温度領域で用いることによって熱電モジュール全体として熱電変換効率を向上させることができる。このため、異なる材料からなる熱電変換素子を互いに重ねて、高温域で高い熱電変換効率を有する材料からなる熱電変換素子を高温側に配置し、低温域で高い熱電変換効率を有する材料からなる熱電変換素子を低温側に配置したカスケード型の熱電モジュールが提案されている。

このカスケード型の熱電モジュールでは、高温側の熱電変換素子の配線が高温側にあるため高温側の熱によって配線が焼損するという問題がある。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、配線の焼損を抑制することができる熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器を提供することである。

本発明の熱電モジュールは、低温側部材と、複数の低温側熱電変換素子と、低温側電極と、低温側配線と、高温側部材と、複数の高温側熱電変換素子と、高温側電極と、高温側配線と、絶縁部材と、輻射熱遮断板とを備えている。複数の低温側熱電変換素子は低温側部材側に配置されておりＢｉＴｅ（ビスマステルル）系材料からなる。低温側電極は複数の低温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する。低温側配線は低温側電極に電気的に接続されている。高温側部材は低温側部材と対向する。複数の高温側熱電変換素子は高温側部材側に配置されておりＢｉＴｅ系材料とは異なる材料からなる。高温側電極は複数の高温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する。高温側配線は高温側電極に電気的に接続されている。絶縁部材は低温側熱電変換素子と高温側熱電変換素子とに挟まれている。輻射熱遮断板は絶縁部材と高温側部材との間に配置されている。輻射熱遮断板は、低温側配線および高温側配線よりも高温側部材側に配置されている。

本発明の熱電モジュールによれば、ＢｉＴｅ系材料からなる複数の低温側熱電変換素子とＢｉＴｅ系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子とに絶縁部材が挟まれている。そして、輻射熱遮断板は、絶縁部材と高温側部材との間に配置されており、低温側配線および高温側配線よりも高温側部材側に配置されている。これにより、複数の低温側熱電変換素子および複数の高温側熱電変換素子を有するカスケード型の熱電モジュールにおいて、輻射熱遮断板によって高温側部材からの輻射熱を遮断することにより、高温側配線の焼損を抑制することができる。

上記の熱電モジュールによれば、輻射熱遮断板を低温側部材に接続する熱回路部材をさらに備えている。これにより、熱回路部材を経由して輻射熱遮断板の熱を低温側部材に伝達することによって輻射熱遮断板の温度上昇を抑制することができる。このため、輻射熱遮断板からの輻射熱による高温側配線の焼損を抑制することができる。

上記の熱電モジュールによれば、熱回路部材はバネ部材を含んでいる。これにより、バネ部材が弾性変形することによって、輻射熱遮断板の熱変形により熱回路部材に生じる熱応力を抑制することができる。このため、熱回路部材の故障を抑制することができる。

上記の熱電モジュールによれば、低温側部材は熱回路部材に接続される低温側プレートを含んでいる。これにより、熱回路部材を経由して輻射熱遮断板の熱を低温側プレートに伝達することによって輻射熱遮断板の温度上昇を抑制することができる。

上記の熱電モジュールによれば、低温側部材は、絶縁材料からなり、複数の低温側熱電変換素子と低温側プレートとの間に挟まれた低温側均熱板を含んでいる。これにより、低温側均熱板によって低温側プレートからの熱の分布を均一にすることができる。

上記の熱電モジュールによれば、輻射熱遮断板は、絶縁基板と、絶縁基板の少なくとも高温側部材側の表面の一部を被覆する被覆部とを含んでいる。これにより、絶縁基板によって高温側熱電変換素子との絶縁を確保することができ、被覆部によって高温側部材からの輻射熱を反射することができる。

上記の熱電モジュールによれば、高温側熱電変換素子は、ＭｇＳｉ（マグネシウムシリコン）系材料、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）系材料、ＣｏＳｂ（コバルトアンチモン）系材料およびＰｂＴｅ（鉛テルル）系材料よりなる群から選ばれる１種以上の材料を含んでいる。これにより、それぞれが高い熱電変換効率を有する温度領域で用いられることによって熱電変換効率を向上することができる。

上記の熱電モジュールによれば、低温側熱電変換素子は低温側電極に半田材によって取り付けられており、高温側熱電変換素子は高温側電極にロウ材によって取り付けられている。これにより、低温側熱電変換素子を低温側電極に半田材によって固定することができ、高温側熱電変換素子を高温側電極にロウ材によって確実に固定することができる。

上記の熱電モジュールによれば、高温側配線は、絶縁部材を貫通し、絶縁部材よりも低温側部材側に配設されている。これにより、高温側配線を高温側部材から離れた位置に配置することができる。このため、高温側配線の焼損をさらに抑制することができる。

本発明の熱電発電装置は、上記の熱電モジュールを複数備えている。低温側配線は複数の熱電モジュールの各々の低温側電極同士を電気的に接続しており、高温側配線は複数の熱電モジュールの各々の高温側電極同士を電気的に接続している。これにより、熱電モジュールを複数備えることによって熱電発電装置の熱電発電量を大きくすることができる。また複数の熱電モジュールの各々の低温側電極同士および高温側電極同士を電気的に接続することによって低温側と高温側とでそれぞれに適した電圧を用いることができる。

本発明の熱電発電器は、上記の熱電発電装置と、熱電発電装置の低温側部材に取り付けられ、かつ低温熱媒が内部を循環する低温熱媒部材と、熱電発電装置の高温側部材に取り付けられ、かつ高温熱媒が内部を循環する高温熱媒部材とをさらに備えている。これにより、低温熱媒部材と高温熱媒部材とによって供給される熱によって熱電発電装置で熱電発電することができる。

上記の熱電発電器によれば、熱電発電装置と、低温熱媒部材と、高温熱媒部材とを取り囲む筺体をさらに備えている。筺体の内部空間は真空密閉されている。これにより、高温側熱電変換素子および低温側熱電変換素子が酸化されて熱電変換効率が低下することを抑制することができる。

以上説明したように本発明によれば、熱電モジュールの配線の焼損を抑制することができる。

本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を概略的に示す正面図である。 本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を概略的に示す右側面図である。 本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成を概略的に示す左側面図である。 図２および図３のＰ１部の低温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。 図２および図３のＰ１部の低温用モジュールの構成を概略的に示す側面図である。 図７のＰ２部の拡大図である。 図２および図３のＰ１部の高温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。 図２および図３のＰ１部の高温用モジュールの構成を概略的に示す側面図である。 図１０のＰ３部の拡大図である。 図２および図３のＰ１部の高温用モジュールの構成を概略的に示す分解斜視図である。 図１２の高温側熱電変換素子の周辺の構成を概略的に示す分解斜視図である。 図９のＰ４部の一例を概略的に示す拡大図である。 本発明の実施の形態１における熱電発電装置の輻射熱遮断板が変形した状態を概略的に示す正面図である。 本発明の実施の形態２における熱電発電装置の構成を概略的に示す斜視図である。 本発明の実施の形態２における熱電発電装置の構成を概略的に示す正面図である。 本発明の実施の形態２における熱電発電装置の構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態２における熱電発電装置の構成を概略的に示す右側面図である。 本発明の実施の形態３における熱電発電器の構成を概略的に示す部分正面図である。 本発明の実施の形態４における熱電発電器の構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態５における低温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態５における高温用モジュールの構成を概略的に示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
まず本発明の実施の形態１における熱電発電装置の構成について説明する。

図１および図２を参照して、熱電発電装置１は、複数の熱電モジュール１０を有している。複数の熱電モジュール１０は熱エネルギを電気エネルギに変換するためのものである。複数の熱電モジュール１０は配線２によって互いに電気的に接続されている。配線２は、低温側配線２ａと、高温側配線２ｂとを有している。複数の熱電モジュール１０はネジ３および支柱４によって支持されている。

複数の熱電モジュール１０の各々は、低温側配線２ａと、高温側配線２ｂと、低温側部材１１と、複数の低温側熱電変換素子１２と、高温側部材１３と、複数の高温側熱電変換素子１４と、絶縁部材１５と、輻射熱遮断板１６と、低温側電極１７と、高温側電極１８と、熱回路部材２０と、ネジ２２と、ボルト２３とを有している。なお、図１では見やすくするため低温側熱電変換素子１２などは簡略化して示されている。

低温側部材１１は、熱電モジュール１０を支持する低温側プレート１１ａと、絶縁材料からなり低温側プレート１１ａからの熱を均一化する低温側均熱板１１ｂと、低温側熱電変換素子１２を支持する低温側基板１１ｃとを有している。複数の低温側熱電変換素子１２は低温側部材１１側に配置されている。複数の低温側熱電変換素子１２はＢｉＴｅ系材料からなっている。複数の低温側熱電変換素子１２は互いに隣り合うｐ型熱電半導体素子１２ａとｎ型熱電半導体素子１２ｂとを有している。

高温側部材１３は低温側部材１１と対向するように配置されている。高温側部材１３は、熱電モジュール１０を支持する高温側プレート１３ａと、絶縁材料からなり高温側プレート１３ａからの熱を均一化する高温側均熱板１３ｂと、高温側熱電変換素子１４を支持する高温側基板１３ｃとを有している。複数の高温側熱電変換素子１４は高温側部材１３側に配置されたＢｉＴｅ系材料とは異なる材料からなっている。高温側熱電変換素子１４は、ＭｇＳｉ系材料、ＳｉＧｅ系材料、ＣｏＳｂ系材料およびＰｂＴｅ系材料よりなる群から選ばれる１種以上の材料を含んでいることが好ましい。複数の高温側熱電変換素子１４は互いに隣り合うｐ型熱電半導体素子１４ａとｎ型熱電半導体素子１４ｂとを有している。

絶縁部材１５は低温側熱電変換素子１２と高温側熱電変換素子１４とに挟まれている。絶縁部材１５は、中央均熱板１５ａと、低温側絶縁基板１５ｂと、高温側絶縁基板１５ｃとを有している。

輻射熱遮断板１６は絶縁部材１５と高温側部材１３との間に配置されている。輻射熱遮断板１６は、低温側配線２ａおよび高温側配線２ｂよりも高温側部材１３側に配置されている。輻射熱遮断板１６は低温側配線２ａおよび高温側配線２ｂと高温側部材１３との間に配置されている。

低温側電極１７は複数の低温側熱電変換素子１２を電気的に直列に接続している。低温側電極１７に低温側配線２ａが電気的に接続されている。高温側電極１８は複数の高温側熱電変換素子１４を電気的に直列に接続している。高温側電極１８に高温側配線２ｂが電気的に接続されている。

熱回路部材２０は輻射熱遮断板１６を低温側部材１１に接続している。熱回路部材２０はバネ部材２１を有している。熱回路部材２０はバネ部材２１によってフレキシブルな構造を有している。熱回路部材２０は低温側部材１１にネジ２２で取付けられており、輻射熱遮断板１６にボルト２３で取付けられている。

図２および図３を参照して、低温側配線２ａは複数の熱電モジュール１０の各々の低温側電極１７同士を電気的に接続している。高温側配線２ｂは複数の熱電モジュール１０の各々の高温側電極１８同士を電気的に接続している。なお図３では説明の便宜のため、低温側熱電変換素子１２および高温側熱電変換素子１４は簡略化して図示されており、低温側配線２ａおよび高温側配線２ｂは実線で示されている。

図３〜図５を参照して、複数の熱電モジュール１０の各熱電モジュール１０の低温側熱電変換素子１２および高温側熱電変換素子１４は互いに電気的に直列接続されている。なお図４および図５では見やすくするため低温側熱電変換素子１２および高温側熱電変換素子１４などは実線で示されている。

複数の熱電モジュール１０では各熱電モジュール１０の低温側電極１７のプラス側端子と各熱電モジュール１０の高温側電極１８のマイナス側端子とが互いに電気的に接続されている。これにより、各熱電モジュール１０の低温側熱電変換素子１２は互いに電気的に直列接続されている。そして、一の熱電モジュール１０の低温側電極１７のプラス側端子に電気的に接続された低温側配線２ａと、他の熱電モジュール１０の低温側電極１７のマイナス側端子に電気的に接続された低温側配線２ａとが熱電発電装置１の外側に引き出されている。

同様に各熱電モジュール１０の高温側熱電変換素子１４は互いに電気的に直列接続されている。つまり、複数の熱電モジュール１０では各熱電モジュール１０の高温側電極１８のプラス側端子と各熱電モジュール１０の高温側電極１８のマイナス側端子とが互いに電気的に接続されている。そして、一の熱電モジュール１０の高温側電極１８のプラス側端子に電気的に接続された低温側配線２ａと、他の熱電モジュール１０の高温側電極１８のマイナス側端子に電気的に接続された低温側配線２ａとが熱電発電装置１の外側に引き出されている。

続いて、熱電モジュール１０の構成についてさらに詳しく説明する。
図６〜図８を参照して、熱電モジュール１０の低温用モジュールは、低温側基板１１ｃと低温側絶縁基板１５ｂとの間にＢｉＴｅ系材料からなるｐ型熱電半導体素子１２ａとｎ型熱電半導体素子１２ｂとを交互に電気的に直列接続するように接合して構成されている。低温側基板１１ｃと低温側絶縁基板１５ｂとは、たとえばアルミナおよび窒化アルミニウムなどで形成されている。

低温側基板１１ｃの上面上には、熱伝導グリース３０を介して低温側電極１７が配置されている。それぞれ独立した低温側電極１７の各々上に半田材３１を介してｐ型熱電半導体素子１２ａとｎ型熱電半導体素子１２ｂが一対ずつ搭載されている。低温側絶縁基板１５ｂの下面上にも熱伝導グリース３０を介して類似の低温側電極１７が配置されている。

低温側絶縁基板１５ｂの低温側電極１７は低温側基板１１ｃの低温側電極１７に比べて相対的に位置がずらされている。その結果、低温側絶縁基板１５ｂの複数の低温側電極１７と低温側基板１１ｃの複数の低温側電極１７との間に半田材３１を介して接合された複数のｐ型熱電半導体素子１２ａとｎ型熱電半導体素子１２ｂは、それぞれ交互に電気的に直列接続されている。

また、低温側基板１１ｃ上には、熱電モジュール１０から電力を供給するために、１つのｐ型熱電半導体素子１２ａのみが搭載された低温側電極１７に１つの低温側配線２ａが半田材によって取付けられている。

低温側基板１１ｃおよび低温側絶縁基板１５ｂはそれぞれたとえば５０ｍｍの長さＤ１と幅Ｄ２とを有している。ｐ型熱電半導体素子１２ａおよびｎ型熱電半導体素子１２ｂはそれぞれたとえば１．９５ｍｍの長さＤ３と幅Ｄ４とを有している。熱電モジュール１０の低温用モジュールはたとえば４．２ｍｍの高さを有している。

図９〜図１３を参照して、熱電モジュール１０の高温用モジュールは、高温側基板１３ｃと高温側絶縁基板１５ｃとの間にＢｉＴｅ系材料とは異なる材料からなるｐ型熱電半導体素子１４ａとｎ型熱電半導体素子１４ｂとを交互に電気的に直列接続するように接合して構成されている。高温側基板１３ｃと高温側絶縁基板１５ｃとは、たとえばアルミナおよび窒化アルミニウムなどで形成されている。

高温側基板１３ｃの上面上には、熱伝導グリース３０を介して高温側電極１８が配置されている。それぞれ独立した高温側電極１８の各々上にロウ材３２を介してｐ型熱電半導体素子１４ａとｎ型熱電半導体素子１４ｂが一対ずつ搭載されている。高温側絶縁基板１５ｃの下面上にも熱伝導グリース３０を介して類似の高温側電極１８が配置されている。

高温側絶縁基板１５ｃの高温側電極１８は高温側基板１３ｃの高温側電極１８に比べて相対的に位置がずらされている。その結果、高温側絶縁基板１５ｃの複数の高温側電極１８と高温側基板１３ｃの複数の高温側電極１８との間にロウ材３２を介して接合された複数のｐ型熱電半導体素子１４ａとｎ型熱電半導体素子１４ｂは、それぞれ交互に電気的に直列接続されている。

また、高温側基板１３ｃ上には、熱電モジュール１０から電力を供給するために、１つのｐ型熱電半導体素子１４ａのみが搭載された高温側電極１８に１つの高温側配線２ｂがロウ材によって取付けられている。

高温側基板１３ｃと高温側絶縁基板１５ｃとの間に輻射熱遮断板１６が配置されている。輻射熱遮断板１６は複数の貫通孔１６ａを有している。輻射熱遮断板１６は複数の貫通孔１６ａによって形成された格子状の枠を有している。複数の貫通孔１６ａの各々にｐ型熱電半導体素子１４ａとｎ型熱電半導体素子１４ｂとがそれぞれ挿入されている。

高温側基板１３ｃおよび高温側絶縁基板１５ｃはそれぞれたとえば２５ｍｍの長さＤ１１と幅Ｄ１２とを有している。ｐ型熱電半導体素子１２ａおよびｎ型熱電半導体素子１２ｂはそれぞれたとえば２．１５ｍｍの長さＤ１３と幅Ｄ１４とを有している。輻射熱遮断板１６はたとえば６９．５ｍｍの長さＤ１７と７０．０ｍｍの幅Ｄ１８とを有している。輻射熱遮断板１６の複数の貫通孔１６ａはそれぞれたとえば２．３５ｍｍの長さＤ１５と幅Ｄ１６とを有している。熱電モジュール１０の高温用モジュールはたとえば４．２ｍｍの高さを有している。

図１４を参照して、輻射熱遮断板１６は、絶縁基板１６ｂと、被覆部１６ｃとを有していてもよい。被覆部１６ｃは絶縁基板１６ｂの少なくとも高温側部材１３側の表面の一部を被覆している。被覆部１６ｃは複数の貫通孔１６ａの間に形成されており、貫通孔１６ａには形成されていない。被覆部１６ｃはたとえば熱反射率の高い塗装またはメッキによって形成されている。被覆部１６ｃの材料としては、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｒ（クロム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｐｔ（白金）、Ｓｎ（スズ）、酸化アルミニウムなどが好ましい。

本実施の形態の熱電発電装置１では、熱電モジュール１０の低温側部材１１に低温の熱が加えられ、高温側部材１３に高温の熱が加えられることによって、低温側熱電変換素子１２および高温側熱電変換素子１４のそれぞれにおいて起電力が発生して、低温側配線２ａおよび高温側配線２ｂのそれぞれに電流が流れる。すなわち、熱電モジュール１０の高温側と低温側との温度差によって電力が取り出される。

図１５を参照して、この際、高温側は低温側より熱によって大きく延びる。つまり高温側は低温側より大きく熱変形する。高温側部材１３は低温側部材１１より大きく延びる。また、輻射熱遮断板１６も低温側部材１１より大きく延びる。そのため、輻射熱遮断板１６は高温側部材１３に向かって凸型に変形する。輻射熱遮断板１６に取付けられた熱回路部材２０はバネ部材２１によって弾性変形する。本実施の形態では、輻射熱遮断板１６の熱変形にあわせて熱回路部材２０のバネ部材２１が低温側部材１１側に変形する。これにより、熱回路部材２０に生じる熱応力が軽減される。

次に本実施の形態の作用効果について説明する。
本実施の形態の熱電モジュール１０によれば、ＢｉＴｅ系材料からなる複数の低温側熱電変換素子１２とＢｉＴｅ系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子１４とに絶縁部材１５が挟まれている。そして、輻射熱遮断板１６は、絶縁部材１５と高温側部材１３との間に配置されており、低温側配線２ａおよび高温側配線２ｂよりも高温側部材１３側に配置されている。これにより、複数の低温側熱電変換素子１２および複数の高温側熱電変換素子１４を有するカスケード型の熱電モジュール１０において、輻射熱遮断板１６によって高温側部材１３からの輻射熱を遮断することにより、高温側配線２ｂの焼損を抑制することができる。

また、熱電モジュール１０は輻射熱遮断板１６を低温側部材１１に接続する熱回路部材２０を有しているため、熱回路部材２０を経由して輻射熱遮断板１６の熱を低温側部材１１に伝達することによって輻射熱遮断板１６の温度上昇を抑制することができる。このため、輻射熱遮断板１６からの輻射熱による高温側配線２ｂの焼損を抑制することができる。

また熱回路部材２０はバネ部材２１を有しているため、バネ部材２１が弾性変形することによって、輻射熱遮断板１６の熱変形により熱回路部材２０に生じる熱応力を抑制することができる。このため、熱回路部材２０の故障を抑制することができる。

また低温側部材１１は熱回路部材２０に接続される低温側プレート１１ａを有しているため、熱回路部材２０を経由して輻射熱遮断板１６の熱を低温側プレート１１ａに伝達することによって輻射熱遮断板１６の温度上昇を抑制することができる。

また低温側部材１１は、複数の低温側熱電変換素子１２と低温側プレート１１ａとの間に挟まれた低温側均熱板１１ｂを有しているため、低温側均熱板１１ｂによって低温側プレート１１ａからの熱の分布を均一にすることができる。

また輻射熱遮断板１６は、絶縁基板１６ｂと、絶縁基板１６ｂの少なくとも高温側部材１３側の表面の一部を被覆する被覆部１６ｃとを有しているため、絶縁基板１６ｂによって高温側熱電変換素子１４との絶縁を確保することができ、被覆部１６ｃによって高温側部材１３からの輻射熱を反射することができる。

また高温側熱電変換素子１４は、ＭｇＳｉ（マグネシウムシリコン）系材料、ＳｉＧｅ（シリコンゲルマニウム）系材料、ＣｏＳｂ（コバルトアンチモン）系材料およびＰｂＴｅ（鉛テルル）系材料よりなる群から選ばれる１種以上の材料を含んでいる。これにより、それぞれが高い熱電変換効率を有する温度領域で用いられることによって熱電変換効率を向上することができる。

低温側熱電変換素子は低温側電極に半田材によって取り付けられており、高温側熱電変換素子は高温側電極にロウ材によって取り付けられている。これにより、低温側熱電変換素子１２を低温側電極１７に半田材３１によって固定することができ、高温側熱電変換素子１４を高温側電極１８にロウ材３２によって確実に固定することができる。

本実施の形態の熱電発電装置１は熱電モジュール１０を複数備えている。低温側配線２ａは複数の熱電モジュール１０の各々の低温側電極１７同士を電気的に接続しており、高温側配線２ｂは複数の熱電モジュール１０の各々の高温側電極１８同士を電気的に接続している。これにより、熱電モジュール１０を複数備えることによって熱電発電装置１の熱電発電量を大きくすることができる。また複数の熱電モジュール１０の各々の低温側電極１７同士および高温側電極１８同士を電気的に接続することによって低温側と高温側とでそれぞれに適した電圧を用いることができる。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２では、実施の形態１と対比して熱回路部材２０の構成が異なっている。図１６〜図１９を参照して、本実施の形態の熱電発電装置１では、熱回路部材２０はボルト２４と、コイルバネ２５とを有している。また熱回路部材２０はワッシャ２６を有していてもよい。本実施の形態ではボルト２４は輻射熱遮断板１６の貫通孔ならびに輻射熱遮断板１６の下面上に配置されたワッシャ２６および低温側プレート１１ａの上面上に配置されたワッシャ２６に挿入されている。

またボルト２４はその先端部が低温側プレート１１ａにネジ込まれることによって低温側プレート１１ａに固定されている。コイルバネ２５は輻射熱遮断板１６の下面上に配置されたワッシャ２６と低温側プレート１１ａの上面上に配置されたワッシャ２６との間に配置されている。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態の熱電モジュール１０では、低温側部材１１に低温の熱が加えられ、高温側部材１３に高温の熱が加えられることによって、輻射熱遮断板１６は高温側部材１３に向かって凸型に変形する。この際、輻射熱遮断板１６の熱変形にあわせてコイルバネ２５はボルト２４に沿って縮むように弾性変形する。これにより、熱回路部材２０に生じる熱応力を抑制することができる。このため、熱回路部材２０の故障を抑制することができる。

（実施の形態３）
図２０を参照して、本発明の実施の形態３の熱電発電器１００は、熱電発電装置１と、低温熱媒部材４０と、高温熱媒部材５０とを有している。低温熱媒部材４０は熱電発電装置１の低温側部材１１に取付けられている。本実施の形態では、低温熱媒部材４０は低温側プレート１１ａに取付けられている。低温熱媒部材４０の内部を低温熱媒４１が循環している。低温熱媒４１としてはたとえば水蒸気が適用され得る。低温熱媒４１の温度はたとえば１４０℃以上１７０℃以下である。

高温熱媒部材５０は熱電発電装置１の高温側部材１３に取付けられている。本実施の形態では、高温熱媒部材５０は高温側プレート１３ａに取付けられている。高温熱媒部材５０の内部を高温熱媒５１が循環している。高温熱媒５１としてはたとえば溶融塩が適用され得る。高温熱媒５１の温度はたとえば５５０℃以上である。また絶縁部材１５の温度はたとえば約２８０℃程度である。

熱回路部材２０は低温熱媒部材４０に取付けられている。なお、熱回路部材２０は低温側プレート１１ａに取付けられていてもよい。

高温側配線２ｂは複数の熱電モジュール１０の各々の絶縁部材１５を貫通し、絶縁部材１５よりも低温側部材１１側を渡って複数の熱電モジュール１０の各々の高温側電極１８同士を電気的に接続している。高温側配線２ｂは絶縁部材１５を貫通し、絶縁部材１５よりも低温側部材１１側に配設されている。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態の熱電発電器１００は、熱電発電装置１の低温側部材１１に取り付けられ、かつ低温熱媒４１が内部を循環する低温熱媒部材４０と、熱電発電装置１の高温側部材１３に取り付けられ、かつ高温熱媒５１が内部を循環する高温熱媒部材５０とをさらに備えている。これにより、低温熱媒部材４０と高温熱媒部材５０とによって供給される熱によって熱電発電装置１で熱電発電することができる。

また、高温側配線２ｂは、絶縁部材１５を貫通し、絶縁部材１５よりも低温側部材１１側に配設されている。これにより、高温側配線２ｂを高温側部材１３から離れた位置に配置することができる。このため、高温側配線２ｂの焼損をさらに抑制することができる。

（実施の形態４）
図２１を参照して、本発明の実施の形態４の熱電発電器１００は、熱電発電装置１と、低温熱媒部材４０と、高温熱媒部材５０と、筺体６０と、真空ポンプ６２と、バルブ６３とを有している。

熱電発電装置１と、低温熱媒部材４０と、高温熱媒部材５０とは筺体６０に取り囲まれている。筺体６０の内部空間６１に熱電発電装置１と、低温熱媒部材４０と、高温熱媒部材５０とが収容されている。筺体６０の内部空間６１は真空ポンプ６２によってバルブ６３を介して真空引きされている。これにより、筺体６０の内部空間６１は真空密閉されている。つまり、筺体６０の内部空間６１の圧力は大気圧より低くなっている。

低温熱媒部材４０に低温熱媒を４１を供給する低温側配管４２は筺体６０の内部空間６１から外部に引き出されている。図示しない低温熱媒４１の供給装置によって低温熱媒４１が低温熱媒部材４０の内部を循環されている。同様に高温熱媒部材５０に高温熱媒を５１を供給する高温側配管５２は筺体６０の内部空間６１から外部に引き出されている。図示しない高温熱媒５１の供給装置によって高温熱媒５１が高温熱媒部材５０の内部を循環されている。また高温側配線２ｂも筺体６０の内部空間６１から外部に引き出されている。低温側配管４２、高温側配管５２および配線２は筺体６０の内部空間６１から外部に引き出されているが、内部空間６１は真空密閉された状態が保たれている。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

本実施の形態の熱電発電器１００によれば、熱電発電装置１と、低温熱媒部材４０と、高温熱媒部材５０とを取り囲む筺体６０の内部空間６１は真空密閉されている。これにより、高温側熱電変換素子１４および低温側熱電変換素子１２が酸化されて熱電変換効率が低下することを抑制することができる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５では、実施の形態１と対比して複数の熱電半導体素子が電気的に並列に接続されている点で異なっている。

図２２を参照して、本実施の形態の熱電モジュールの低温用モジュールでは、低温側基板１１ｃと図示しない低温側絶縁基板との間において低温側電極１７によって挟まれてｐ型熱電半導体素子１２ａと低温側配線２ａとが配置されている。なお、図２２では、説明の便宜のため、低温側絶縁基板等は図示されておらず、低温側絶縁基板の側の低温側電極１７は破線で図示されている。

低温側電極１７の一方端部上に２つのｐ型熱電半導体素子１２ａと低温側配線２ａとが配置されており、低温側電極１７の他方端部上に２つのｎ型熱電半導体素子１２ｂと低温側配線２ａとが配置されている。低温側電極１７の一方端部および他方端部の間には低温側電極１７の中央部が配置されている。この低温側電極１７の中央部はそれぞれ独立して構成されており、低温側電極１７の各々上にｐ型熱電半導体素子１２ａとｎ型熱電半導体素子１２ｂとが一対ずつ搭載されている。

低温側電極１７の一方端部上に搭載された２つのｐ型熱電半導体素子１２ａはそれぞれ、別の低温側電極１７の中央部に配置されたｎ型熱電半導体素子１２ｂと破線で示された低温側電極１７によって接続されている。同様に低温側電極１７の他方端部上に搭載された２つのｎ型熱電半導体素子１２ｂはそれぞれ、別の低温側電極１７の中央部に配置されたｐ型熱電半導体素子１２ａと破線で示された低温側電極１７によって接続されている。

これにより、低温側電極１７の一方端部の外側に配置されたｐ型熱電半導体素子１２ａと、低温側電極１７の他方端部の外側に配置されたｎ型熱電半導体素子１２ｂと、低温側電極１７の中央部に配置されたｐ型熱電半導体素子１２ａおよびｎ型熱電半導体素子１２ｂとが低温側電極１７によって電気的に接続されている。このようにして外側回路が形成されている。また、低温側電極１７の一方端部の内側に配置されたｐ型熱電半導体素子１２ａと、低温側電極１７の他方端部の内側に配置されたｎ型熱電半導体素子１２ｂと、低温側電極１７の中央部に配置されたｐ型熱電半導体素子１２ａおよびｎ型熱電半導体素子１２ｂとが電気的に接続されている。このようにして内側回路が形成されている。そして、低温側電極１７の一方端部および他方端部において、外側回路と内側回路とが電気的に並列に接続されている。つまり、低温側電極１７は複数のｐ型熱電半導体素子１２ａおよびｎ型熱電半導体素子１２ｂを電気的に並列に接続している。

図２３を参照して、本実施の形態の熱電モジュールの高温用モジュールでは、高温側絶縁基板１３ｃと図示しない高温側基板との間において高温側電極１８によって挟まれてｐ型熱電半導体素子１４ａと高温側配線２ｂとが配置されている。なお、図２３では、説明の便宜のため、高温側基板等は図示されておらず、高温側基板の側の高温側電極１８は破線で図示されている。

高温側電極１８の一方端部上に２つのｐ型熱電半導体素子１４ａと高温側配線２ｂとが配置されており、高温側電極１８の他方端部上に２つのｎ型熱電半導体素子１４ｂと高温側配線２ｂとが配置されている。高温側電極１８の一方端部および他方端部の間には高温側電極１８の中央部が配置されている。この高温側電極１８の中央部はそれぞれ独立して構成されており、高温側電極１８の各々上にｐ型熱電半導体素子１４ａとｎ型熱電半導体素子１４ｂとが一対ずつ搭載されている。ｐ型熱電半導体素子１４ａおよびｎ型熱電半導体素子１４ｂはそれぞれ、輻射熱遮断板１６は複数の貫通孔１６ａに挿入されている。

高温側電極１８の一方端部上に搭載された２つのｐ型熱電半導体素子１４ａはそれぞれ、別の高温側電極１８の中央部に配置されたｎ型熱電半導体素子１４ｂと破線で示された高温側電極１８によって接続されている。同様に高温側電極１８の他方端部上に搭載された２つのｎ型熱電半導体素子１４ｂはそれぞれ、別の高温側電極１８の中央部に配置されたｐ型熱電半導体素子１４ａ破線で示された高温側電極１８によって接続されている。

これにより、高温側電極１８の一方端部の外側に配置されたｐ型熱電半導体素子１４ａと、高温側電極１８の他方端部の外側に配置されたｎ型熱電半導体素子１４ｂと、低温側電極１８の中央部に配置されたｐ型熱電半導体素子１４ａおよびｎ型熱電半導体素子１４ｂとが高温側電極１８によって電気的に接続されている。このようにして外側回路が形成されている。また、高温側電極１８の一方端部の内側に配置されたｐ型熱電半導体素子１４ａと、高温側電極１８の他方端部の内側に配置されたｎ型熱電半導体素子１４ｂと、高温側電極１８の中央部に配置されたｐ型熱電半導体素子１４ａおよびｎ型熱電半導体素子１４ｂとが電気的に接続されている。このようにして内側回路が形成されている。そして、高温側電極１８の一方端部および他方端部において、外側回路と内側回路とが電気的に並列に接続されている。つまり、高温側電極１８は複数のｐ型熱電半導体素子１４ａおよびｎ型熱電半導体素子１４ｂを電気的に並列に接続している。

なお、本実施の形態のこれ以外の構成は、上述した実施の形態１の構成と同様であるため同一の要素については同一の符号を付し、その説明を繰り返さない。

ここで、外部回路と内部回路とを並列化する際の設計指針として、並列にされた外部回路および内部回路のそれぞれのｐ型熱電半導体素子１４ａおよびｎ型熱電半導体素子１４ｂの対数は同じにされ、外部回路および内部回路の発電電圧は揃えられる。なお、上記では熱電モジュールにおける外部回路と内部回路との並列数は２つであるが、熱電モジュールの発電電圧は出力を調整するパワーモジュールに合わせるように規定されればよく、並列数は２つでなくてもよい。

なお、上記の各実施の形態において、熱電発電装置１の熱電モジュール１０には均熱板は設けられていなくてもよい。

上記の各実施の形態は適宜組み合せられ得る。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることを意図される。

本発明は、低温側および高温側熱電変換素子を有する熱電モジュールならびにそれを備えた熱電発電装置および熱電発電器に特に有利に適用され得る。

１ 熱電発電装置、２ 配線、２ａ 低温側配線、２ｂ 高温側配線、１０ 熱電モジュール、１１ 低温側部材、１１ａ 低温側プレート、１１ｂ 低温側均熱板、１１ｃ 低温側基板、１２ 低温側熱電変換素子、１３ 高温側部材、１３ａ 高温側プレート、１３ｂ 高温側均熱板、１３ｃ 高温側基板、１４ 高温側熱電変換素子、１５ 絶縁部材、１５ａ 中央均熱板、１５ｂ 低温側絶縁基板、１５ｃ 高温側絶縁基板、１６ 輻射熱遮断板、１６ａ 貫通孔、１６ｂ 絶縁基板、１６ｃ 被覆部、１７ 低温側電極、１８ 高温側電極、２０ 熱回路部材、２１ バネ部材、２４ ボルト、２５ コイルバネ、３１ 半田材、３２ ロウ材、４０ 低温熱媒部材、４１ 低温熱媒、５０ 高温熱媒部材、５１ 高温熱媒、６０ 筺体、６１ 内部空間、１００ 熱電発電器。

Claims (12)

1. 低温側部材と、
   前記低温側部材側に配置されたＢｉＴｅ系材料からなる複数の低温側熱電変換素子と、
   前記複数の低温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する低温側電極と、
   前記低温側電極に電気的に接続された低温側配線と、
   前記低温側部材と対向する高温側部材と、
   前記高温側部材側に配置された前記ＢｉＴｅ系材料とは異なる材料からなる複数の高温側熱電変換素子と、
   前記複数の高温側熱電変換素子を電気的に直列および並列のいずれかに接続する高温側電極と、
   前記高温側電極に電気的に接続された高温側配線と、
   前記低温側熱電変換素子と前記高温側熱電変換素子とに挟まれた絶縁部材と、
   前記絶縁部材と前記高温側部材との間に配置された輻射熱遮断板とを備え、
   前記輻射熱遮断板は、前記低温側配線および前記高温側配線よりも前記高温側部材側に配置されている、熱電モジュール。
2. 前記輻射熱遮断板を前記低温側部材に接続する熱回路部材をさらに備えた、請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記熱回路部材はバネ部材を含む、請求項２に記載の熱電モジュール。
4. 前記低温側部材は前記熱回路部材に接続される低温側プレートを含む、請求項２または３に記載の熱電モジュール。
5. 前記低温側部材は、絶縁材料からなり、前記複数の低温側熱電変換素子と前記低温側プレートとの間に挟まれた低温側均熱板を含む、請求項４に記載の熱電モジュール。
6. 前記輻射熱遮断板は、
   絶縁基板と、
   前記絶縁基板の少なくとも前記高温側部材側の表面の一部を被覆する被覆部とを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の熱電モジュール。
7. 前記高温側熱電変換素子は、ＭｇＳｉ系材料、ＳｉＧｅ系材料、ＣｏＳｂ系材料およびＰｂＴｅ系材料よりなる群から選ばれる１種以上の材料を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の熱電モジュール。
8. 前記低温側熱電変換素子は前記低温側電極に半田材によって取り付けられており、
   前記高温側熱電変換素子は前記高温側電極にロウ材によって取り付けられている、請求項１〜７のいずれかに記載の熱電モジュール。
9. 前記高温側配線は、前記絶縁部材を貫通し、前記絶縁部材よりも前記低温側部材側に配設されている、請求項１〜８のいずれかに記載の熱電モジュール。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の熱電モジュールを複数備え、
    前記低温側配線は前記複数の熱電モジュールの各々の前記低温側電極同士を電気的に接続しており、
    前記高温側配線は前記複数の熱電モジュールの各々の前記高温側電極同士を電気的に接続している、熱電発電装置。
11. 請求項１０に記載の熱電発電装置と、
    前記熱電発電装置の前記低温側部材に取り付けられ、かつ低温熱媒が内部を循環する低温熱媒部材と、
    前記熱電発電装置の前記高温側部材に取り付けられ、かつ高温熱媒が内部を循環する高温熱媒部材とをさらに備えた、熱電発電器。
12. 前記熱電発電装置と、前記低温熱媒部材と、前記高温熱媒部材とを取り囲む筺体をさらに備え、
    前記筺体の内部空間は真空密閉されている、請求項１１に記載の熱電発電器。

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