JPWO2017017876A1 - 熱電装置および熱電変換ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、熱電素子を用いた熱電装置および熱電変換ユニットに関する。本発明は、解体作業の際の熱電素子の破損を抑制できる熱電装置および熱電変換ユニットを提供することを目的とする。熱電装置（４１）は、熱電変換器（１２）と、第１の熱伝導体（１３）および第２の熱伝導体（１４）と、第１の間隙充填材（２４ａ）と、第１のシート材（２６ａ）とを備える。熱電変換器（１２）は、熱電素子を内蔵している。第１の熱伝導体（１３）および第２の熱伝導体（１４）は、熱電変換器（１２）を間に挟んで対向している。第１の間隙充填材（２４ａ）は、熱電変換器（１２）と第１の熱伝導体（１３）との間に設けられている。第１のシート材（２６ａ）は、第１の熱伝導体（１３）と第１の間隙充填材（２４ａ）との間または熱電変換器（１２）と第１の間隙充填材（２４ａ）との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材（２６ａ）の第１の間隙充填材（２４ａ）と反対側の面は、第１の間隙充填材（２４ａ）よりも粘着性が弱い非粘着面（２８）である。

Description

本発明は、熱電素子を用いた熱電装置および熱電変換ユニットに関する。

このような熱電装置または熱電変換ユニットの一例として、従来から熱電素子を用いた発電装置や熱電素子を用いた熱交換装置が知られている。例えば、特許文献１には、熱電素子を用いた発電装置が開示されている。また、特許文献２には、熱電素子を用いた熱交換装置が開示されている。

特開２０１３−２１１４７１号公報 実開平１−６０１５９号公報

これらの装置においては、定期的なメンテナンスや故障の時に、装置を解体して、部品の補修や交換、あるいは、内部の清掃などを行なう必要がある。しかしながら、装置の解体作業は容易ではなく、そのため解体作業の際に、熱電素子が破損してしまうことがある。

本発明は、解体作業の際の熱電素子の破損を抑制できる熱電装置および熱電変換ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る熱電装置は、熱電変換器と、第１の熱伝導体および第２の熱伝導体と、第１の間隙充填材と、第１のシート材とを備える。熱電変換器は、熱電素子を内蔵している。第１の熱伝導体および第２の熱伝導体は、熱電変換器を間に挟んで対向している。第１の間隙充填材は、熱電変換器と第１の熱伝導体との間に設けられている。第１のシート材は、第１の熱伝導体と第１の間隙充填材との間または熱電変換器と第１の間隙充填材との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材の第１の間隙充填材と反対側の面は、第１の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面である。

また、本発明の一態様に係る熱電変換ユニットは、第１の熱伝導体と第２の熱伝導体との間に設けられ、熱電変換器と、第１の間隙充填材と、第１のシート材とを備える。熱電変換器は、熱電素子を内蔵している。第１の間隙充填材は、熱電変換器と第１の熱伝導体との間に設けられている。第１のシート材は、第１の熱伝導体と第１の間隙充填材との間または熱電変換器と第１の間隙充填材との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材の第１の間隙充填材と反対側の面は、第１の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面である。

上記の構成を有することにより、本発明に係る熱電装置および熱電変換ユニットは、解体作業の際の熱電素子の破損を抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る熱電装置の断面図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る変形例の熱電装置の断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る変形例の熱電装置の断面図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る変形例の熱電装置の断面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る変形例の熱電装置の断面図である。 図６は、本発明の実施の形態１に係る変形例の熱電装置の断面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態２に係る熱電装置の構成部品の断面図である。 図７Ｂは、本発明の実施の形態２に係る熱電装置の構成部品の正面図である。 図８は、本発明の実施の形態２に係る熱電装置の断面図である。 図９は、熱電変換器の外観を示す斜視図である。 図１０は、熱電変換器の内部を示す斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態において、共通する構成要素には同一の参照符号を付し、その重複する説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱電装置４１の断面図である。熱電装置４１は、熱電変換器１２と、第１の熱伝導体１３と、第２の熱伝導体１４とを備える。

第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４は、熱電変換器１２を間に挟んで対向している。第１の熱伝導体１３は第１の媒体１５に接し、第２の熱伝導体１４は第２の媒体１６に接する。第１の媒体１５および第２の媒体１６は、いずれか一方が高温媒体であり、他方が低温媒体である。高温媒体は、低温媒体よりも相対的に高温であり、例えば、スチーム、油、排気ガス、溶融金属などの媒体、あるいは、他の熱源から熱の供給を受ける部材であってよい。低温媒体は、高温媒体よりも相対的に低温であり、例えば、冷却水、油、空気などの媒体、あるいは、他の低温媒体に熱を放出させる部材であってよい。

第１の熱伝導体１３は、例えば、第１の媒体１５を流通させる管路であってよく、あるいは、第１の媒体１５と熱交換可能に結合された部材であってよい。第２の熱伝導体１４は、例えば、第２の媒体１６を流通させる管路であってよく、あるいは、第２の媒体１６と熱交換可能に結合された部材であってよい。第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４は、アルミニウムやステンレスなどの金属からなる構造物、樹脂製の構造物、フィルム等であってよい。

熱電変換器１２は、熱電変換モジュールとも呼ばれ、熱電素子１７（図１０参照）を内蔵している。熱電変換器１２の一例を図９および図１０に示す。

図９は熱電変換器１２の外観を示す斜視図であり、図１０は熱電変換器１２の内部を示す斜視図である。図９および図１０において、熱電変換器１２は、一対の基板１８の間に複数の熱電素子１７を有する。複数の熱電素子１７は、一対の基板１８のそれぞれの表面に形成された複数の電極１９を介して電気的に接続され、入出力のための一対のリード線２０に電気的に接続される。複数の熱電素子１７および複数の電極１９は、封止材２１を用いて一対の基板１８の間で封止される。図１０の熱電変換器１２は、図９の熱電変換器１２から上側の基板１８および封止材２１を取り除いたものである。熱電素子１７としては、例えば、Ｎ型半導体およびＰ型半導体が用いられる。熱電変換器１２は、一対の基板１８間の温度差によって、熱電素子１７に生じる熱起電力を利用して発電を行い、一対のリード線２０に電力を出力できる。あるいは、熱電変換器１２の一対のリード線２０に電力を投入して、一方の基板１８からの吸熱を促進するとともに、他方の基板１８からの放熱を促進することによって、一対の基板１８間の熱交換を行なうことができる。図９および図１０に示した熱電変換器１２の構成は一例であり、他の公知の様々な構成を適用できる。

熱電装置４１（図１参照）においては、定期的なメンテナンスや故障の時に、熱電変換器１２などの部品の補修や交換、あるいは、内部の清掃などを行なう必要がある。そのため、熱電装置４１は、少なくとも熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３とが分離可能に構成されている。すなわち、熱電装置４１を解体する場合、例えば、熱電変換器１２と、熱電装置４１は、第１の熱伝導体１３と、第２の熱伝導体１４とに別個に解体される場合がある。あるいは、熱電装置４１は、第２の熱伝導体１４に接合された状態の熱電変換器１２と、第１の熱伝導体１３とに解体される場合がある。第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４は、例えば、ボルト（図示せず）およびナット（図示せず）などの組立部材を用いて組立てられている。

さらに、熱電装置４１は、第１の熱伝導体１３と熱電変換器１２との間の熱伝達ロスを低減し、発電効率または熱交換効率を確保するとともに、熱電素子１７の破損を抑制するために、第１の間隙充填材２４ａと可撓性を有する第１のシート材２６ａとを備える。熱電装置４１において、第１の間隙充填材２４ａは熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間に設けられており、第１のシート材２６ａは熱電変換器１２と第１の間隙充填材２４ａとの間に設けられている。また、熱電装置４１は、第２の間隙充填材２４ｂを備える。第２の間隙充填材２４ｂは、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間に設けられている。熱電装置４１において、取り外し可能で熱電変換機能を有するユニットが、熱電変換ユニット５１である。熱電変換ユニット５１は、熱電変換器１２と、第１の間隙充填材２４ａと、第１のシート材２６ａと、第２の間隙充填材２４ｂとによって構成される。熱電変換器１２の故障時には、熱電装置４１から熱電変換ユニット５１が取り外され、交換または修理される。また、熱電変換機能が不要になった場合には、熱電変換ユニット５１は熱電装置４１から取り外される。熱電装置４１において、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４とは、熱電変換ユニット５１を間に挟んで所定の力で締結される。

第１の間隙充填材２４ａおよび第２の間隙充填材２４ｂは、第１の熱伝導体１３、第２の熱伝導体１４、熱電変換器１２などの表面の微細な凹凸、および、第１の熱伝導体１３と熱電変換器１２との間あるいは第２の熱伝導体１４と熱電変換器１２との間の微細な隙間を充填する。これにより、第１の間隙充填材２４ａおよび第２の間隙充填材２４ｂは、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との間の熱の伝達特性を向上させる。第１の間隙充填材２４ａおよび第２の間隙充填材２４ｂは、接触面の微細な凹凸や隙間に対して追随可能な表面を有する。熱電装置４１において、第１の間隙充填材２４ａおよび第２の間隙充填材２４ｂは、熱伝導グリスである。熱伝導グリスは放熱グリスとも呼ばれ、一般的に比較的粘度の高い液体やゲル状の物質が熱伝導グリスに用いられる。熱伝導グリスのベースには液状あるいはゲル状の変性シリコン樹脂が使用されることが多く、熱伝導グリスの内部には熱伝導率の高い金属あるいは金属酸化物が分散されている場合が多い。熱伝導グリスは、液状またはゲル状の他に、半固体状のものであってもよく、粘着剤や接着剤のような様態のものであってもよい。なお、第１の間隙充填材２４ａおよび第２の間隙充填材２４ｂは、熱伝導グリスの他に、例えば、熱伝導特性の良好なグリス、接着剤、粘着剤、樹脂シートなどであってもよい。

第１のシート材２６ａは、可撓性を有するシートであり、例えば、アルミニウム箔、銅箔などの金属箔や樹脂製のシートである。第１のシート材２６ａの厚みは、例えば、１μｍ〜５００μｍである。第１のシート材２６ａは、可撓性を有することにより、密着する面の微細な凹凸や隙間に追随でき、熱の伝達ロスを低減できる。第１のシート材２６ａの第１の間隙充填材２４ａと反対側の面は、第１の間隙充填材２４ａよりも粘着性が弱い非粘着面２８である。熱電装置４１において、第１のシート材２６ａの非粘着面２８は熱電変換器１２に接触している。これにより、熱電装置４１が第１の熱伝導体１３と熱電変換器１２とに解体される際に、熱電変換器１２に加わる応力が低減される。そのため、熱電装置４１は熱電素子１７の破損を抑制できる。また、第１のシート材２６ａの非粘着面２８は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間の吸着力を低減する。そのため、熱電装置４１の解体作業が容易になり、熱電変換器１２の交換あるいは修理の作業効率が向上する。第１のシート材２６ａは、非粘着面２８と反対側の面で第１の間隙充填材２４ａに接し、第１の熱伝導体１３と第１のシート材２６ａとの間で第１の間隙充填材２４ａを密封している。すなわち、第１の間隙充填材２４ａは、第１のシート材２６ａを用いて密封されている。

以上のように、熱電装置４１は、熱電変換器１２と、第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４と、第１の間隙充填材２４ａと、第１のシート材２６ａとを備える。熱電変換器１２は、熱電素子１７を内蔵している。第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４は、熱電変換器１２を間に挟んで対向している。第１の間隙充填材２４ａは、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間に設けられている。第１のシート材２６ａは、熱電変換器１２と第１の間隙充填材２４ａとの間に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材２６ａの第１の間隙充填材２４ａと反対側の面は、第１の間隙充填材２４ａよりも粘着性が弱い非粘着面２８である。

また、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との間に設けられる熱電変換ユニット５１は、熱電変換器１２と、第１の間隙充填材２４ａと、第１のシート材２６ａとを備える。熱電変換器１２は、熱電素子１７を内蔵している。第１の間隙充填材２４ａは、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間に設けられている。第１のシート材２６ａは、熱電変換器１２と第１の間隙充填材２４ａとの間に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材２６ａの第１の間隙充填材２４ａと反対側の面は、第１の間隙充填材２４ａよりも粘着性が弱い非粘着面２８である。

上記構成を有することにより、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間の熱伝達ロスを低減できる。また、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３とに解体される際に内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。すなわち、非粘着面２８を有する第１のシート材２６ａがなければ、第１の間隙充填材２４ａの粘着性のために、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間の気密性が保たれる。そのため、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間の吸着力により、第１の熱伝導体１３から熱電変換器１２をずらすことも引き剥がすことも困難になる。熱電装置４１が非粘着面２８を有する第１のシート材２６ａを備えることにより、第１の熱伝導体１３から熱電変換器１２を引き剥がす際に、非粘着面２８と熱電変換器１２との隙間に容易に空気が流入できる。そのため、熱電装置４１は、熱電変換器１２に過度の応力が加わることなく解体されるため、内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。

また、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との温度差が大きい環境で使用される場合が多い。そのため、運転時あるいは運転前後には、部材間の熱膨張率の違いにより、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１の内部にひずみや応力が加わる場合が多い。熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１のシート材２６ａの非粘着面２８を熱電変換器１２に接触させた構成により、熱電変換器１２に加わる応力を低減できる。そのため、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、熱電装置４１の運転時あるいは運転前後の熱電素子１７の破損も抑制できる。

ここで、第１のシート材２６ａの非粘着面２８は、第１の間隙充填材２４ａよりも粘着性が弱い。すなわち、非粘着面２８は、解体作業時に熱電変換器１２の吸着力を抑制できる程度の粘着性を有していてもよく、全く粘着性や吸着性を有さないわけではない。例えば、第１のシート材２６ａの非粘着面２８にごく微量の機械油や水分が付着してしまった場合に、非粘着面２８は第１の間隙充填材２４ａよりも弱い粘着性を有することがある。しかし、解体作業への影響は小さいため、熱電装置４１は熱電素子１７の破損を抑制できる。

なお、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１の間隙充填材２４ａとして、熱伝導グリスを用いることにより、第１の熱伝導体１３と熱電変換器１２との間の熱伝達効率を向上できる。

さらに、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１のシート材２６ａとして、金属箔を用いることにより、第１の熱伝導体１３と熱電変換器１２との間の熱伝達効率を向上できる。また、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は容易に非粘着面２８を形成できる。

さらに、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、少なくとも熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３とが分離可能に構成されているため、熱電変換器１２の修理および交換が容易である。また、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１の間隙充填材２４ａおよび第２の間隙充填材２４ｂの補充および交換も容易である。そのため、熱電装置４１の性能が適切に維持されやすい。

さらに、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１のシート材２６ａの非粘着面２８を熱電変換器１２に接触させることにより、熱電変換器１２に対する第１の間隙充填材２４ａの付着を抑制できる。そのため、熱電変換器１２の修理および交換作業が容易にかつ効率的になる。また、第１の間隙充填材２４ａの付着による熱電変換器１２の汚れが低減する。

さらに、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１のシート材２６ａを用いて、第１の熱伝導体１３と第１のシート材２６ａとの間に第１の間隙充填材２４ａを密封しているため、第１の間隙充填材２４ａの流出および劣化を抑制できる。そのため、第１の間隙充填材２４ａの補充量および交換頻度が低減され、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は経済的である。

以上に説明した熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、発電装置、あるいは、熱交換装置として動作する。

熱電装置４１および熱電変換ユニット５１が発電装置として動作する場合は、高温媒体に接した熱伝導体（第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４のいずれか一方）と、低温媒体に接した熱伝導体（第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４のいずれか他方）との間の温度差を利用して、熱電素子１７の熱起電力により、発電が行なわれる。熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との温度差により、発電装置として動作する。これにより、熱電素子１７の破損が抑制された発電装置が実現できる。

熱電装置４１および熱電変換ユニット５１が熱交換装置として動作する場合には、熱電変換器１２に電力が供給され、熱電素子１７に流れる電流の向きに応じて、第１の熱伝導体１３から第２の熱伝導体１４へと、あるいは、第２の熱伝導体１４から第１の熱伝導体１３へと、熱の伝達を促進または抑制する動作が行なわれる。熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、熱電変換器１２に電力が供給されることにより、第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４の一方から他方へと熱の伝達を促進または抑制させる熱交換装置として動作する。これにより、熱電素子１７の破損が抑制された熱交換装置が実現できる。

図２は、本発明の実施の形態１に係る変形例の熱電装置４２の断面図である。図２に示す熱電装置４２は、図１に示す熱電装置４１の構成に加えて、さらに可撓性を有する第２のシート材２６ｂを備える。第２のシート材２６ｂは、熱電変換器１２と第２の間隙充填材２４ｂとの間に設けられている。熱電装置４２において、熱電変換ユニット５２は、熱電変換器１２と、第１の間隙充填材２４ａと、第２の間隙充填材２４ｂと、第１のシート材２６ａと、第２のシート材２６ｂとによって構成される。第２のシート材２６ｂは、第１のシート材２６ａと同様に、可撓性を有するシートであり、例えば、アルミニウム箔、銅箔などの金属箔や樹脂製のシートである。第２のシート材２６ｂの第２の間隙充填材２４ｂと反対側の面は、第２の間隙充填材２４ｂよりも粘着性が弱い非粘着面２８である。熱電装置４２において、第２のシート材２６ｂの非粘着面２８は熱電変換器１２に接触している。第２のシート材２６ｂは、非粘着面２８と反対側の面で第２の間隙充填材２４ｂに接し、第２の熱伝導体１４と第２のシート材２６ｂとの間で第２の間隙充填材２４ｂを密封している。熱電装置４２は、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４とが分離可能に構成されている。

図２に示す熱電装置４２および熱電変換ユニット５２は、第２の間隙充填材２４ｂと、第２のシート材２６ｂとをさらに備える。第２の間隙充填材２４ｂは、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間に設けられている。第２のシート材２６ｂは、熱電変換器１２と第２の間隙充填材２４ｂとの間に設けられ、可撓性を有している。第２のシート材２６ｂの第２の間隙充填材２４ｂと反対側の面は、第２の間隙充填材２４ｂよりも粘着性が弱い非粘着面２８である。

この構成により、熱電装置４２および熱電変換ユニット５２は、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間の熱伝達ロスを低減できる。また、熱電装置４２および熱電変換ユニット５２は、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４とに解体される際に内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。

また、熱電装置４２および熱電変換ユニット５２において、熱電変換器１２の両面に、第１のシート材２６ａの非粘着面２８と第２のシート材２６ｂの非粘着面２８とがそれぞれ接触している。これにより、熱電変換器１２に対する第１の間隙充填材２４ａおよび第２の間隙充填材２４ｂの付着を抑制できる。そのため、熱電変換器１２の修理および交換作業が容易にかつ効率的になる。

図３は、本発明の実施の形態１に係るさらに他の変形例の熱電装置４３の断面図である。図３に示す熱電装置４３は、図２に示す熱電装置４２の構成と比べて、第１のシート材２６ａおよび第２のシート材２６ｂが設けられている位置が異なる。すなわち、第１のシート材２６ａは第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材２４ａとの間に設けられており、第１のシート材２６ａの第１の間隙充填材２４ａと反対側の面は、第１の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面２８である。また、第２のシート材２６ｂは第２の熱伝導体１４と第２の間隙充填材２４ｂとの間に設けられており、第２のシート材２６ｂの第２の間隙充填材２４ｂと反対側の面は、第２の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面２８である。熱電装置４３において、熱電変換ユニット５３は、熱電変換器１２と、第１の間隙充填材２４ａと、第１のシート材２６ａと、第２の間隙充填材２４ｂと、第２のシート材２６ｂとによって構成される。

熱電装置４３および熱電変換ユニット５３において、第１のシート材２６ａの非粘着面２８は第１の熱伝導体１３に接触している。第１の間隙充填材２４ａの一方の面は第１のシート材２６ａの非粘着面２８と反対側の面に接触し、第１の間隙充填材２４ａの他方の面は熱電変換器１２に接触している。また、第２のシート材２６ｂの非粘着面２８は第２の熱伝導体１４に接触している。第２の間隙充填材２４ｂの一方の面は第２のシート材２６ｂの非粘着面２８と反対側の面に接触し、第２の間隙充填材２４ｂの他方の面は熱電変換器１２に接触している。

このように、熱電装置４３は、熱電変換器１２と、第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４と、第１の間隙充填材２４ａと、第１のシート材２６ａとを備える。熱電変換器１２は、熱電素子１７を内蔵している。第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４は、熱電変換器１２を間に挟んで対向している。第１の間隙充填材２４ａは、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間に設けられている。第１のシート材２６ａは、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材２４ａとの間に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材２６ａの第１の間隙充填材２４ａと反対側の面は、第１の間隙充填材２４ａよりも粘着性が弱い非粘着面２８である。

また、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との間に設けられる熱電変換ユニット５３は、熱電変換器１２と、第１の間隙充填材２４ａと、第１のシート材２６ａとを備える。熱電変換器１２は、熱電素子１７を内蔵している。第１の間隙充填材２４ａは、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間に設けられている。第１のシート材２６ａは、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材２４ａとの間に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材２６ａの第１の間隙充填材２４ａと反対側の面は、第１の間隙充填材２４ａよりも粘着性が弱い非粘着面２８である。

上記構成を有することにより、熱電装置４３および熱電変換ユニット５３は、熱電装置４１における説明と同様に、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間の熱伝達ロスを低減できる。また、熱電装置４３および熱電変換ユニット５３は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３とに解体される際に内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。

また、熱電装置４３および熱電変換ユニット５３は、第１のシート材２６ａの非粘着面２８を第１の熱伝導体１３に接触させたことにより、第１の熱伝導体１３に対する第１の間隙充填材２４ａの付着を抑制できる。そのため、熱電変換器１２の修理および交換作業が容易にかつ効率的になる。また、第１の間隙充填材２４ａの付着による第１の熱伝導体１３の汚れが低減する。

また、熱電装置４３および熱電変換ユニット５３は、第２のシート材２６ｂの非粘着面２８を第２の熱伝導体１４に接触させたことにより、第２の熱伝導体１４に対する第２の間隙充填材２４ｂの付着を抑制できる。そのため、熱電変換器１２の修理および交換作業が容易にかつ効率的になる。また、第２の間隙充填材２４ｂの付着による第２の熱伝導体１４の汚れが低減する。

図４は、本発明の実施の形態１に係るさらに他の変形例の熱電装置４４の断面図である。図４に示す熱電装置４４は、図１に示す熱電装置４１の構成に加えて、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材２４ａとの間に第１のシート材２６ａを設けている。すなわち、第１のシート材２６ａは、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材２４ａとの間および熱電変換器１２と第１の間隙充填材２４ａとの間の両方に設けられている。熱電装置４４において、第１の間隙充填材２４ａと、第１のシート材２６ａとは、第１のシート材ユニット３０ａを構成する。第１のシート材ユニット３０ａは、第１のシート材２６ａを用いて第１の間隙充填材２４ａを両面から挟むとともに第１の間隙充填材２４ａの外周を密封したものである。すなわち、第１のシート材ユニット３０ａの外面は、第１のシート材２６ａの非粘着面２８である。また、第１のシート材２６ａの非粘着面２８は、第１の熱伝導体１３および熱電変換器１２の両方に接触している。なお、第１のシート材ユニット３０ａにおいて、第１の間隙充填材２４ａは、図４に示すように複数の第１のシート材２６ａで挟まれていてもよいし、一枚の第１のシート材２６ａで挟まれていてもよい。熱電装置４４において、熱電変換ユニット５４は、熱電変換器１２と、第１のシート材ユニット３０ａと、第２の間隙充填材２４ｂとによって構成される。

このように熱電装置４４において、第１のシート材２６ａは、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材２４ａとの間および熱電変換器１２と第１の間隙充填材２４ａとの間の両方に設けられている。第１のシート材２６ａの非粘着面２８は、第１の熱伝導体１３および熱電変換器１２の両方に接触している。

この構成により、熱電装置４４において、第１の熱伝導体１３および熱電変換器１２の両方が第１の間隙充填材２４ａに接触しない。そのため、第１の熱伝導体１３および熱電変換器１２の両方に対して第１の間隙充填材２４ａが付着したり、第１の熱伝導体１３および熱電変換器１２がべたついたりするおそれが少ない。そのため、熱電装置４４の解体時の作業性が向上する。

また、熱電装置４４は、第１のシート材２６ａを用いて第１の間隙充填材２４ａを密封したことにより、第１の間隙充填材２４ａの成分の蒸発、酸化および劣化を抑制できる。そのため、第１の間隙充填材２４ａおよび第１の間隙充填材２４ａを挟む第１のシート材２６ａが長い期間使用でき、熱電装置４４は経済的である。

図５は、本発明の実施の形態１に係るさらに他の変形例の熱電装置４５の断面図である。熱電装置４５は、図４における熱電装置４４の構成において、第２の間隙充填材２４ｂの代わりに第２のシート材ユニット３０ｂを備える。第２のシート材ユニット３０ｂは、第１のシート材ユニット３０ａと同様に、第２のシート材２６ｂを用いて第２の間隙充填材２４ｂを両面から挟むとともに第２の間隙充填材２４ｂの外周を密封したものである。すなわち、第２のシート材ユニット３０ｂの外面は、第２のシート材２６ｂの非粘着面２８である。熱電装置４５において、熱電変換ユニット５５は、熱電変換器１２と、第１のシート材ユニット３０ａと、第２のシート材ユニット３０ｂとによって構成される。

このように、熱電装置４５において、第２のシート材２６ｂは、第２の熱伝導体１４と第２の間隙充填材２４ｂとの間および熱電変換器１２と第２の間隙充填材２４ｂとの間の両方に設けられている。第２のシート材２６ｂの非粘着面２８は、第２の熱伝導体１４および熱電変換器１２の両方に接触している。

この構成により、熱電装置４５は、第２の熱伝導体１４および熱電変換器１２の両方が第２の間隙充填材２４ｂに接触しない。そのため、第２の熱伝導体１４および熱電変換器１２の両方に対して第２の間隙充填材２４ｂが付着したり、第２の熱伝導体１４および熱電変換器１２がべたついたりするおそれが少ない。そのため、熱電装置４５の解体時の作業性が向上する。

図６は、本発明の実施の形態１に係るさらに他の変形例の熱電装置４６の断面図である。熱電装置４６は、図５における熱電装置４５の構成に加えて、断熱材３３をさらに備える。断熱材３３は、例えば、熱伝導性の低い樹脂などで構成される。断熱材３３は、第１のシート材２６ａの非粘着面２８と第２のシート材２６ｂの非粘着面２８との間における、熱電変換器１２が存在しない部分に設けられている。熱電装置４６において、熱電変換ユニット５６は、熱電変換器１２と、第１のシート材ユニット３０ａと、第２のシート材ユニット３０ｂと、断熱材３３とによって構成される。

図６に示す熱電装置４６は、断熱材３３をさらに備える。第１のシート材２６ａは、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材２４ａとの間および熱電変換器１２と第１の間隙充填材２４ａとの間の両方に設けられている。第１のシート材２６ａの非粘着面２８は、第１の熱伝導体１３および熱電変換器１２の両方に接触している。第２のシート材２６ｂは、第２の熱伝導体１４と第２の間隙充填材２４ｂとの間および熱電変換器１２と第２の間隙充填材２４ｂとの両方に設けられている。第２のシート材２６ｂの非粘着面２８は、第２の熱伝導体１４および熱電変換器１２の両方に接触している。断熱材３３は、第１のシート材２６ａの非粘着面２８と第２のシート材２６ｂの非粘着面２８との間における、熱電変換器１２が存在しない部分に設けられている。

この構成により、熱電装置４６は、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との間において熱電変換器１２を介さない熱の流れを抑制できる。そのため、熱電変換器１２の発電効率あるいは熱交換効率が向上する。また、第１のシート材２６ａと第２のシート材２６ｂとの直接の接触が断熱材３３により防止されるため、発電ロスあるいは熱交換ロスが低減する。

以上に説明された熱電装置４１〜４６または熱電変換ユニット５１〜５６は、以下に示される別の変形例および変形例が組み合わされた形態を取り得る。

（１）図１の熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第２の間隙充填材２４ｂを備えなくてもよい。熱電装置４１および熱電変換ユニット５１は、第２の間隙充填材２４ｂを備えなくても、解体作業の際の熱電素子１７の破損を抑制する効果を有する。

（２）図１の熱電装置４１および熱電変換ユニット５１において、第１のシート材２６ａの非粘着面２８は、熱電変換器１２に接触していなくてもよい。例えば、非粘着面２８と熱電変換器１２との間に別のシートが介在していてもよい。また、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１において、第１のシート材２６ａの非粘着面２８と反対側の面は、第１の間隙充填材２４ａに接触していなくてもよい。例えば、第１のシート材２６ａの非粘着面２８と反対側の面と第１の間隙充填材２４ａとの間に別のシートが介在していてもよい。

（３）図２の熱電装置４２および熱電変換ユニット５２において、第２のシート材２６ｂの非粘着面２８は、熱電変換器１２に接触していなくてもよい。また、熱電装置４１および熱電変換ユニット５１において、第２のシート材２６ｂの非粘着面２８と反対側の面は、第２の間隙充填材２４ｂに接触していなくてもよい。

（４）図３の熱電装置４３および熱電変換ユニット５３において、第１のシート材２６ａの非粘着面２８は、第１の熱伝導体１３に接触していなくてもよい。また、熱電装置４３および熱電変換ユニット５３において、第２のシート材２６ｂの非粘着面２８は、第２の熱伝導体１４に接触していなくてもよい。

（５）図１の熱電装置４１および熱電変換ユニット５１において、第１の間隙充填材２４ａは、第１のシート材２６ａを用いて密封されていなくてもよい。

（６）図３の熱電装置４３および熱電変換ユニット５３において、第１の間隙充填材２４ａは、第１のシート材２６ａを用いて密封されていてもよい。すなわち、第１のシート材２６ａは、非粘着面２８と反対側の面で第１の間隙充填材２４ａに接し、熱電変換器１２と第１のシート材２６ａとの間で第１の間隙充填材２４ａを密封してもよい。

（実施の形態２）
図７Ａは、本発明の実施の形態２に係る熱電装置４７（図８参照）を構成する第１のシート材ユニット３５ａまたは第２のシート材ユニット３５ｂの断面図である。図７Ｂは、第１のシート材ユニット３５ａまたは第２のシート材ユニット３５ｂの正面図である。

図７Ａ，Ｂにおいて、第１のシート材ユニット３５ａは、コアシート３６と、第１の間隙充填材である樹脂膜３７と、第１のシート材である金属膜３８とを有する。第２のシート材ユニット３５ｂは、第１のシート材ユニット３５ａと同様に、コアシート３６と、第２の間隙充填材である樹脂膜３７と、第２のシート材である金属膜３８とを有する。

コアシート３６は、例えば、アルミ箔、銅箔などの金属箔である。樹脂膜３７は、例えば、シート状のシリコン樹脂からなり、内部に金属や金属酸化物などの熱伝導の良好な粒子が分散されたものであってもよい。樹脂膜３７は、例えば、コアシート３６の一方の面に、シート状の樹脂を接着する方法、あるいは、液状の樹脂を所望のパターンに印刷し熱や光で重合させる方法により形成されることができる。金属膜３８は、例えば、アルミニウムや銅からなる金属の膜である。金属膜３８は、樹脂膜３７を形成したコアシート３６の表面に、例えば、蒸着、無電解めっき、電解メッキ、あるいは、これらの組み合わせにより形成されることができる。

第１のシート材ユニット３５ａおよび第２のシート材ユニット３５ｂにおいて、樹脂膜３７は柔軟性を有する間隙充填材として機能し、金属膜３８は可撓性を有するシート材として機能する。金属膜３８の樹脂膜３７と反対側の表面は、樹脂膜３７よりも粘着性が弱い非粘着面３９である。

図８は、本発明の実施の形態２に係る熱電装置４７の断面図である。熱電装置４７は、熱電変換器１２と、第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４と、第１のシート材ユニット３５ａと、第２のシート材ユニット３５ｂとを備える。第１のシート材ユニット３５ａは熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間に設けられ、第２のシート材ユニット３５ｂは熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間に設けられている。第１のシート材ユニット３５ａおよび第２のシート材ユニット３５ｂは、間隙充填材である樹脂膜３７を有することにより、熱電変換器１２や第１の熱伝導体１３や第２の熱伝導体１４の表面の微細な凹凸形状に追随して変形できる。そのため、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との間の熱伝達ロスが低減する。第１のシート材ユニット３５ａおよび第２のシート材ユニット３５ｂは、可撓性を有するシート材である金属膜３８を有する。金属膜３８の表面である非粘着面３９は、熱電変換器１２、第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４に接触している。これにより、第１の熱伝導体１３の側、あるいは、第２の熱伝導体１４の側に対する熱電変換器１２の吸着力が抑制される。このように、熱電装置４７は、熱電装置４７の解体時に熱電変換器１２に加わる応力を低減できるため、内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。

また、第１のシート材ユニット３５ａおよび第２のシート材ユニット３５ｂは、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間および熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間の吸着力を低減する。これにより、熱電装置４７の解体が容易になり、熱電変換器１２の交換あるいは修理の作業効率が向上する。

このように、熱電装置４７は、熱電変換器１２と、第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４と、第１の間隙充填材（樹脂膜３７）と、第１のシート材（金属膜３８）とを備える。熱電変換器１２は、熱電素子１７を内蔵している。第１の熱伝導体１３および第２の熱伝導体１４は、熱電変換器１２を間に挟んで対向している。第１の間隙充填材（樹脂膜３７）は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間に設けられている。第１のシート材（金属膜３８）は、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材（樹脂膜３７）との間または熱電変換器１２と第１の間隙充填材（樹脂膜３７）との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材（金属膜３８）の第１の間隙充填材（樹脂膜３７）と反対側の面は、第１の間隙充填材（樹脂膜３７）よりも粘着性が弱い非粘着面３９である。

この構成により、熱電装置４７は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間の熱伝達ロスを低減できるとともに、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３とに解体される際に内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。

さらに、熱電装置４７は、第２の間隙充填材（樹脂膜３７）と、第２のシート材（金属膜３８）とを備える。第２の間隙充填材（樹脂膜３７）は、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４の間に設けられている。第２のシート材（金属膜３８）は、第２の熱伝導体１４と第２の間隙充填材（樹脂膜３７）との間または熱電変換器１２と第２の間隙充填材（樹脂膜３７）との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有している。第２のシート材（金属膜３８）の第２の間隙充填材（樹脂膜３７）と反対側の面は、第２の間隙充填材（樹脂膜３７）よりも粘着性が弱い非粘着面３９である。

この構成により、熱電装置４７は、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間の熱伝達ロスを低減できるとともに、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４とに解体される際に内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。

実施の形態２において、熱電変換ユニット５７は、図８に示すように、熱電変換器１２と、これを両側から挟む一対のシート材ユニット３５ａ，３５ｂとによって構成される。

熱電変換ユニット５７は、第１の熱伝導体１３と第２の熱伝導体１４との間に設けられ、熱電変換器１２と、第１の間隙充填材（樹脂膜３７）と、第１のシート材（金属膜３８）とを備える。熱電変換器１２は、熱電素子１７を内蔵している。第１の間隙充填材（樹脂膜３７）は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体との間に設けられている。第１のシート材（金属膜３８）は、第１の熱伝導体１３と第１の間隙充填材（樹脂膜３７）との間または熱電変換器１２と第１の間隙充填材（樹脂膜３７）との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有している。第１のシート材（金属膜３８）の第１の間隙充填材（樹脂膜３７）と反対側の面は、第１の間隙充填材（樹脂膜３７）よりも粘着性が弱い非粘着面３９である。

この構成により、熱電変換ユニット５７は、熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３との間の熱伝達ロスを低減できる。また、熱電装置４７が熱電変換器１２と第１の熱伝導体１３とに解体される際に、熱電変換器１２に加わる応力が低減する。そのため、熱電変換ユニット５７は、内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。

さらに、熱電変換ユニット５７は、第２の間隙充填材（樹脂膜３７）と、第２のシート材（金属膜３８）とを備える。第２の間隙充填材（樹脂膜３７）は、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間に設けられている。第２のシート材（金属膜３８）は、第２の熱伝導体１４と第２の間隙充填材（樹脂膜３７）との間または熱電変換器１２と第２の間隙充填材（樹脂膜３７）との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有している。第２のシート材（金属膜３８）の第２の間隙充填材（樹脂膜３７）と反対側の面は、第２の間隙充填材（樹脂膜３７）よりも粘着性が弱い非粘着面である。

この構成により、熱電変換ユニット５７は、熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４との間の熱伝達ロスを低減できる。また、熱電装置４７が熱電変換器１２と第２の熱伝導体１４とに解体される際に、熱電変換器１２に加わる応力が低減する。そのため、熱電変換ユニット５７は、内部の熱電素子１７の破損を抑制できる。熱電変換ユニット５７は、熱電変換器１２の両側にそれぞれ第１のシート材ユニット３５ａおよび第２のシート材ユニット３５ｂを有しているが、片側のみに第１のシート材ユニット３５ａまたは第２のシート材ユニット３５ｂを有した構成であってもよい。この構成であっても、熱電変換ユニット５７は、熱電素子１７の破損を抑制する効果を有する。

本発明の熱電装置および熱電変換ユニットは、温度差を利用した発電装置、あるいは、熱電素子を用いた熱交換装置として有用である。

１２ 熱電変換器
１３ 第１の熱伝導体
１４ 第２の熱伝導体
１５ 第１の媒体
１６ 第２の媒体
１７ 熱電素子
１８ 基板
１９ 電極
２０ リード線
２１ 封止材
２４ａ 第１の間隙充填材
２４ｂ 第２の間隙充填材
２６ａ 第１のシート材
２６ｂ 第２のシート材
２８，３９ 非粘着面
３０ａ，３５ａ 第１のシート材ユニット
３０ｂ，３５ｂ 第２のシート材ユニット
３３ 断熱材
３６ コアシート
３７ 樹脂膜
３８ 金属膜
４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７ 熱電装置
５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７ 熱電変換ユニット

Claims (14)

1. 熱電素子を内蔵した熱電変換器と、
   前記熱電変換器を間に挟んで対向した第１の熱伝導体および第２の熱伝導体と、
   前記熱電変換器と前記第１の熱伝導体との間に設けられた第１の間隙充填材と、
   前記第１の熱伝導体と前記第１の間隙充填材との間または前記熱電変換器と前記第１の間隙充填材との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有する第１のシート材とを備え、前記第１のシート材の前記第１の間隙充填材と反対側の面は、前記第１の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面である熱電装置。
2. 前記第１の間隙充填材は、熱伝導グリスである請求項１に記載の熱電装置。
3. 前記第１のシート材は、金属箔である請求項１に記載の熱電装置。
4. 前記熱電変換器と前記第１の熱伝導体とが分離可能に構成されている請求項１に記載の熱電装置。
5. 前記非粘着面は、前記第１の熱伝導体に接触している請求項１に記載の熱電装置。
6. 前記非粘着面は、前記熱電変換器に接触している請求項１に記載の熱電装置。
7. 前記第１のシート材は、前記第１の熱伝導体と前記第１の間隙充填材との間および前記熱電変換器と前記第１の間隙充填材との間の両方に設けられており、
   前記第１のシート材の前記非粘着面は、前記第１の熱伝導体および前記熱電変換器の両方に接触している請求項１に記載の熱電装置。
8. 前記第１の間隙充填材は、前記第１のシート材を用いて密封されている請求項１に記載の熱電装置。
9. 前記熱電変換器と前記第２の熱伝導体との間に設けられた第２の間隙充填材と、
   前記第２の熱伝導体と前記第２の間隙充填材との間または前記熱電変換器と前記第２の間隙充填材との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有する第２のシート材とをさらに備え、
   前記第２のシート材の前記第２の間隙充填材と反対側の面は、前記第２の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面である請求項１に記載の熱電装置。
10. 前記第１のシート材は、前記第１の熱伝導体と前記第１の間隙充填材との間および前記熱電変換器と前記第１の間隙充填材との間の両方に設けられ、前記第１のシート材の前記非粘着面は、前記第１の熱伝導体および前記熱電変換器の両方に接触しており、
    前記第２のシート材は、前記第２の熱伝導体と前記第２の間隙充填材との間および前記熱電変換器と前記第２の間隙充填材との間の両方に設けられ、前記第２のシート材の前記非粘着面は、前記第２の熱伝導体および前記熱電変換器の両方に接触しており、
    前記第１のシート材の前記非粘着面と前記第２のシート材の前記非粘着面との間における、前記熱電変換器が存在しない部分に断熱材が設けられている請求項９に記載の熱電装置。
11. 前記第１の熱伝導体と前記第２の熱伝導体との温度差により、発電装置として動作する請求項１に記載の熱電装置。
12. 前記熱電変換器に電力が供給されることにより、前記第１の熱伝導体および前記第２の熱伝導体の一方から他方へと熱の伝達を促進または抑制させる熱交換装置として動作する請求項１に記載の熱電装置。
13. 第１の熱伝導体と第２の熱伝導体との間に設けられる熱電変換ユニットであって、
    熱電素子を内蔵した熱電変換器と、
    前記熱電変換器と前記第１の熱伝導体との間に設けられた第１の間隙充填材と、
    前記第１の熱伝導体と前記第１の間隙充填材との間または前記熱電変換器と前記第１の間隙充填材との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有する第１のシート材とを備え、前記第１のシート材の前記第１の間隙充填材と反対側の面は、前記第１の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面である熱電変換ユニット。
14. 前記熱電変換器と前記第２の熱伝導体との間に設けられた第２の間隙充填材と、
    前記第２の熱伝導体と前記第２の間隙充填材との間または前記熱電変換器と前記第２の間隙充填材との間の少なくとも一方に設けられ、可撓性を有する第２のシート材とをさらに備え、
    前記第２のシート材の前記第２の間隙充填材と反対側の面は、前記第２の間隙充填材よりも粘着性が弱い非粘着面である請求項１３に記載の熱電変換ユニット。

Images