KR20180115723A - 열전 변환 셀 및 열전 변환 모듈 - Google Patents

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Abstract

열전 변환 셀 (101A) 은, 관통공 (11) 을 갖고, 그 관통공 (11) 의 관통 방향의 양 단부의 각각에 암 나사부 (절연측 나사부)(12a) 를 갖는 절연 부재 (1A) 와, 열전 변환 소자 (P 형 열전 변환 소자 (31)) 를 갖고, 관통공 (11) 내에 수용된 열전 변환 부재 (3A) 와, 절연 부재 (1A) 의 각 단부에 각각 연결되고, 암 나사부 (12a) 에 대응하는 수 나사부 (전극측 나사부)(22a) 및 관통공 (11) 내의 열전 변환 부재 (3A) 의 단부에 전기적으로 접속된 전극부 (22) 를 갖는 전극 부재 (2A) 를 구비한다.

Description

열전 변환 셀 및 열전 변환 모듈
본 발명은, P 형 열전 변환 소자 또는 N 형 열전 변환 소자를 구비하는 열전 변환 셀 및 그 열전 변환 셀을 사용하여 복수의 P 형 열전 변환 소자와 N 형 변환 소자를 직렬로 배열한 열전 변환 모듈에 관한 것이다.
본원은, 2016년 2월 24일에 출원된 일본 특허출원 2016-032695호 및 2017년 2월 17일에 출원된 일본 특허출원 2017-027771호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
열전 변환 모듈은, 1 쌍의 배선 기판 (절연 기판) 사이에, 1 쌍의 P 형 열전 변환 소자와 N 형 열전 변환 소자를 전극 혹은 직접 접속 상태로 조합한 열전 변환 셀을, P 형, N 형, P 형, N 형의 순으로 교대로 배치되도록, 전기적으로 직렬로 접속한 구성이 된다. 또, 열전 변환 모듈은, 양단을 직류 전원에 접속하고, 펠티에 효과에 의해 각 열전 변환 소자 중에서 열을 이동시키거나 (P 형에서는 전류와 동방향, N 형에서는 전류와 역방향으로 이동시키거나), 혹은, 양 배선 기판 사이에 온도차를 부여하여 각 열전 변환 소자에 제베크 효과에 의해 기전력을 발생시키는 것으로, 냉각, 가열, 혹은 발전으로서의 이용이 가능하다.
열전 변환 모듈에 사용하는 열전 변환 셀로서, 예를 들어 특허문헌 1 에는, 통상 절연 지지체의 격벽을 개재한 일방의 내부에 P 형 열전 변환 소자 (p 형 반도체 소자) 가 충전되고, 타방의 내부에 N 형 열전 변환 소자 (n 형 반도체 소자) 가 충전되고, 일단부에서 P 형 열전 변환 소자와 N 형 열전 변환 소자가 전기적으로 접속된 열전 변환 셀 (열전 변환 소자) 이 개시되어 있다. 또, 특허문헌 1 에는, 통상 절연 지지체의 내부에 P 형 열전 변환 소자와 N 형 열전 변환 소자를 배치한 열전 변환 셀에 의해, 각 열전 변환 셀을 밀착시켜 배치할 수 있으므로, 열전 변환 모듈의 조립 작업이 용이해지는 것이 기재되어 있다.
또, 특허문헌 2 에는, 열전 변환 소자를 구비하는 발전부를 갖고, 계속적으로 동작할 수 있는 온도 검출 장치가 개시되어 있다. 특허문헌 2 에 기재된 온도 검출 장치에서는, 케이스에 열전 변환 소자를 수용하고, 열전 변환 소자를 제 1 전열부와 제 2 전열부 사이에서 가압함으로써 고정시키고 있다. 또, 특허문헌 2 에는, 제 1 전열부와 열전 변환 소자의 사이, 및 제 2 전열부와 열전 변환 소자의 사이 중 어느 일방에, 충격 흡수성을 갖는 열 접속 요소를 개재시킨 고정 구조에 의해, 열전 변환 소자의 파손을 억제하는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 3 에는, 열전 변환 소자 (반도체 소자재 칩) 를 나사공을 갖는 1 쌍의 금속 블록으로 협지하여 접합함으로써 구성된 열전 변환용 기본 소자가 개시되어 있다. 또, 특허문헌 3 에는, 열전 변환용 기본 소자를 금속 세그먼트에 고정 나사에 의해 고정시킴으로써, 열전 변환 모듈 (열전 변환 소자) 을 구성하는 것이 기재되어 있고, 열전 변환 모듈은, 열전 변환용 기본 소자에 직접, 고정 나사를 매립하는 구조에 의해 구성되어 있다.
일본 공개특허공보 2011-134940호 일본 공개특허공보 2015-32747호 일본 공개특허공보 평8-306968호
열전 변환 모듈에는, 열전 변환 모듈의 양면 혹은 편면에 절연 기판이 사용되는 경우가 많다. 그러나, 이 구성에서는 열전 변환 재료와 금속 재료 등의 이종 재료의 계면이 많기 때문에, 제조 프로세스가 복잡해짐과 함께, 열 팽창차 등에 의한 이종 재료의 계면의 박리나 열전 변환 재료의 파괴가 발생하기 쉽다. 특허문헌 1 에 기재되는 열전 변환 셀에 있어서도, 이종 재료의 계면이 많이 존재하여, 열 팽창차에 의한 파괴가 우려된다. 또, 특허문헌 1 에 기재된 열전 변환 셀과 같이, 통상 절연 지지체의 내부에 P 형 열전 변환 소자와 N 형 열전 변환 소자를 충전한 구성에서는, 가공 작업이 번잡해진다.
또, 특허문헌 2 에 기재되는 열전 변환 소자의 고정 구조는, 충격 흡수성을 갖는 열 접속 요소를 개재시킴으로써, 열전 변환 소자의 파손을 억제하고 있지만, 사용하는 부재가 많아, 복수의 열전 변환 소자를 조합하여 대형화하는 구조에 대한 적용이 어렵다.
또, 특허문헌 3 에 기재된 열전 변환 모듈과 같이, 나사공을 갖는 1 쌍의 금속 블록을 열전 변환 소자에 접합한 열전 변환용 기본 소자를 형성하고, 열전 변환용 기본 소자를 금속 세그먼트를 통하여 고정 나사에 의해 고정시키는 구조에서는, 금속 블록과 열전 변환 소자를 접합한 열전 변환용 기본 소자가 필요해지기 때문에, 금속 블록과 열전 변환 재료의 접합성이 양호한 재료가 아니면 출력이나 내구성의 저하를 초래한다. 또, 특허문헌 3 에 기재된 열전 변환용 기본 소자의 구조에서는, 열전 변환 소자를 고정 나사의 수 나사부보다 충분히 굵게 할 필요가 있어, 설계가 어렵다.
또, 열전 변환 모듈은, 복수의 열전 변환 셀의 P 형 열전 변환 소자와 N 형 열전 변환 소자를 교대로 직렬로 접속하고 있는 점에서, 일부의 열전 변환 셀의 파손에 의해, 정상적으로 기능하는 대다수 부분도 포함하여 열전 변환 모듈이 사용 불가능해진다. 또한, 열전 변환 모듈을 최대 출력으로 사용하기 위해서는, 열전 변환 모듈의 내부 저항과 출력처의 부하 저항이 동등해야 한다. 이 때문에, 출력처의 부하 저항에 맞춰, 사후적으로 열전 변환 모듈의 내부 저항을 변경하는 것이 바람직하다. 그러나, 열전 변환 셀끼리가 연결된 구조에서는, 용이하게 변경이나 교환을 실시할 수 없어, 설계의 자유도가 제한되어 있었다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 열전 변환 재료끼리의 열 팽창차에 의한 파손을 방지할 수 있고, 교환이 용이하고, 간편한 구조에 의해 구성된 열전 변환 셀 및 열전 변환 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 열전 변환 셀은, 적어도 1 개의 관통공을 갖고, 그 관통공의 관통 방향의 양 단부의 각각에 절연측 나사부를 갖는 절연 부재와, 적어도 1 개의 열전 변환 소자를 갖고, 상기 관통공 내에 수용된 열전 변환 부재와, 상기 절연 부재의 각 단부에 각각 연결되고, 상기 절연측 나사부에 대응하는 전극측 나사부 및 상기 관통공 내의 상기 열전 변환 부재의 단부에 전기적으로 접속된 전극부를 갖는 전극 부재를 구비한다.
열전 변환 셀은, 절연 부재의 양 단부의 각각에 형성된 절연측 나사부와, 전극 부재에 형성된 전극측 나사부의 나사 결합에 의해, 절연 부재에 전극 부재가 연결된 구성이 된다. 또, 전극 부재와 열전 변환 부재 (열전 변환 소자) 는, 전극 부재가 절연 부재에 연결됨으로써, 각 전극 부재의 전극부끼리의 사이에 열전 변환 부재가 협지되어, 전기적으로 접속된다.
이와 같이, 열전 변환 부재와 각 전극 부재는 접합되어 있지 않고, 전극부의 사이에 열전 변환 부재가 협지됨으로써 전기적으로 접속되므로, 이종 재료의 열 팽창차에 의한 각 부재의 파손을 방지할 수 있다. 또, 열전 변환 셀은, 절연 부재의 절연측 나사부와 전극 부재의 전극측 나사부를 조으거나 느슨하게 하거나 함으로써, 용이하게 조립이나 분해를 실시할 수 있다. 따라서, 절연 부재의 내부에 수용되는 열전 변환 부재에 파손이 발생하거나, 설계 변경에 의해 열전 변환 부재의 교환이 필요해지거나 한 때에도, 열전 변환 부재의 교환을 용이하게 실시할 수 있다.
또, 절연 부재에 복수의 관통공을 형성하여 각 관통공에 각각 열전 변환 부재를 수용함으로써, 복수의 열전 변환 부재가 배열된 열전 변환 셀을 구성할 수 있다. 이 경우, 절연 부재의 양 단부에는, 관통공의 수에 따라 복수의 전극 부재가 연결된다. 인접하여 배치되는 전극 부재끼리의 사이를 도전성을 갖는 접속 부재에 의해 전기적으로 접속함으로써, 각 관통공의 내부에 수용된 열전 변환 부재의 P 형 열전 변환 소자와 N 형 열전 변환 소자를 교대로 직렬로 접속할 수 있어, 용이하게 열전 변환 모듈을 제조할 수 있다.
또, 동일한 극성을 갖는 열전 변환 셀을 병렬로 조합함으로써, 열전 변환 모듈의 내부 저항을 제어 가능하고, 출력처의 부하 저항에 적응한 열전 변환 모듈의 설계를 임의로 실시할 수 있다. 또한, 사용 가능 온도 영역의 상이한 열전 변환 부재를 수용한 열전 변환 셀끼리를 온도의 구배 방향으로 중첩하여 직렬로 연결함으로써, 세그먼트 구조를 구성할 수 있고, 열전 변환 모듈의 고효율화를 도모할 수 있다.
본 발명의 열전 변환 셀에 있어서, 상기 적어도 1 개의 관통공은 1 개이고, 상기 절연 부재의 양 단부에 형성된 상기 절연측 나사부 중, 일방이 정 (正) 나사로 이루어지고, 타방이 역 (逆) 나사로 이루어지면 된다.
절연 부재의 양 단부에 형성된 절연측 나사부의 일방을 정나사로 하고, 타방을 역나사로 함으로써, 일방과 타방의 절연측 나사부의 체결 방향을 가지런히 할 수 있다. 이 때문에, 절연 부재를 체결 방향으로 회전시킴으로써, 양 단부의 절연측 나사부와 전극 부재의 전극 나사부를 한 번에 연결할 수 있다. 또, 절연 부재를 체결 방향과 역방향으로 회전시킴으로써, 절연측 나사부와 전극측 나사부를 느슨하게 할 수 있어, 절연 부재의 양 단부에 각각 연결되어 있는 전극 부재를 한 번에 떼어낼 수 있다. 따라서, 열전 변환 셀 및 열전 변환 모듈을 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 열전 변환 셀에 있어서, 상기 절연측 나사부가 수 나사부이고, 상기 전극측 나사부가 암 나사부이고, 상기 관통공의 관통 방향에 있어서, 상기 열전 변환 부재가 상기 절연 부재보다 크게 형성된 구성이어도 된다.
본 발명의 열전 변환 셀에 있어서, 상기 절연측 나사부가 암 나사부이고, 상기 전극측 나사부가 수 나사부이고, 상기 관통공의 관통 방향에 있어서, 상기 열전 변환 부재가 상기 절연 부재보다 작게 형성된 구성이어도 된다.
본 발명의 열전 변환 셀에 있어서, 상기 열전 변환 부재는, P 형 열전 변환 소자 또는 N 형 열전 변환 소자로 이루어지는 복수의 상기 열전 변환 소자를 직접 또는 도전성 부재를 개재하여 상기 관통공의 관통 방향으로 적층된 구성이어도 된다.
관통공의 내부에 수용되는 열전 변환 부재는, 단체의 P 형 열전 변환 소자 또는 N 형 열전 변환 소자에 의해 구성할 수도 있고, 복수의 P 형 열전 변환 소자 또는 N 형 열전 변환 소자를 적층하여 구성할 수도 있다. 열전 변환 셀에서는, 열전 변환 부재와 전극 부재의 접합을 실시하지 않고, 전극부끼리의 사이에 열전 변환 부재를 협지함으로써 열전 변환 부재와 전극 부재를 전기적으로 접속한다. 이 때문에, 복수의 열전 변환 셀을 조합함으로써, 상이한 재질로 이루어지는 P 형 열전 변환 소자와 N 형 열전 변환 소자를 조합할 수 있어, 재료의 선택지가 넓어지고, 양 열전 변환 소자의 성능을 갖춰 안정적인 열전 변환 모듈을 구성할 수 있다.
본 발명의 열전 변환 모듈은, 상기 열전 변환 셀을 복수 갖고, 상기 열전 변환 셀은, 상기 열전 변환 소자가 P 형 열전 변환 소자로 이루어지는 제 1 열전 변환 셀과, 상기 열전 변환 소자가 N 형 열전 변환 소자로 이루어지는 제 2 열전 변환 셀을 갖고 있고, 상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 열전 변환 셀이 교대로 직렬로 접속되어 이루어진다.
본 발명의 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 열전 변환 셀은, 도전성을 갖는 접속 부재에 의해 접속되는 구성이어도 된다.
본 발명의 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제 1 열전 변환 셀의 상기 전극 부재와 상기 제 2 열전 변환 셀의 상기 전극 부재가 일체로 형성된 연결형 전극 부재를 갖고, 상기 연결형 전극 부재에 의해 상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 열전 변환 셀이 접속되는 구성이어도 된다.
본 발명의 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 열전 변환 셀이 상기 관통 방향으로 교대로 적층되어 이루어지고, 상기 열전 변환 셀의 일방의 단부에 연결되는 상기 전극 부재에 고온측 핀이 접속되고, 그 열전 변환 셀의 타방의 단부에 연결되는 상기 전극 부재에 저온측 핀이 접속되는 구성이어도 된다.
본 발명의 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 고온측 핀과 상기 저온측 핀은, 상기 전극 부재에 일체로 형성되는 구성이어도 된다.
본 발명에 의하면, 열전 변환 재료끼리의 열 팽창차에 의한 열전 변환 부재의 파손을 방지할 수 있고, 열전 변환 부재의 파손이 발생했을 때에도, 열전 변환 모듈 내의 열전 변환 부재의 교환을 용이하게 실시할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태의 열전 변환 셀을 나타내는 정면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 열전 변환 셀의 종단면도이다.
도 3 은 도 1 에 나타내는 열전 변환 셀의 분해 단면도이다.
도 4 는 도 1 에 나타내는 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 정면도이다.
도 5 는 본 발명의 제 2 실시형태의 열전 변환 셀을 나타내는 종단면도이다.
도 6 은 제 2 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈을 나타내는 정면도이다.
도 7 은 본 발명의 제 3 실시형태의 열전 변환 셀을 나타내는 종단면도이다.
도 8 은 본 발명의 제 4 실시형태의 열전 변환 셀을 나타내는 종단면도이다.
도 9 는 본 발명의 제 5 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 정면도이다.
도 10 은 도 9 의 A-A 선의 화살표 방향에서 본 평단면도이다.
도 11 은 본 발명의 제 6 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 종단면도이다.
도 12 는 도 11 에 나타내는 열전 변환 모듈의 상면도이다.
도 13 은 도 11 에 나타내는 열전 변환 모듈의 하면도이다.
도 14 는 본 발명의 제 7 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 종단면도이다.
도 15 는 본 발명의 제 8 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 종단면도이다.
도 16 은 본 발명의 제 9 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 종단면도이다.
도 17 은 본 발명의 제 10 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 종단면도이다.
도 18 은 본 발명의 제 11 실시형태의 열전 변환 셀을 나타내는 정면도이다.
도 19 는 도 18 에 나타내는 열전 변환 셀의 종단면도이다.
도 20 은 도 18 에 나타내는 열전 변환 셀의 분해 사시도이다.
도 21 은 본 발명의 제 12 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 22 는 도 21 에 나타내는 열전 변환 모듈의 종단면도이다.
도 23 은 본 발명의 제 13 실시형태의 열전 변환 셀을 사용한 열전 변환 모듈의 사시도이다.
도 24 는 도 23 에 나타내는 열전 변환 모듈의 종단면도이다.
도 25 은 도 23 에 나타내는 열전 변환 모듈의 분해 단면도이다.
도 26 은 본 발명의 제 14 실시형태의 열전 변환 모듈을 나타내는 사시도이다.
도 27 은 본 발명의 제 15 실시형태의 열전 변환 모듈을 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.
도 4 에, 열전 변환 모듈 (201) 의 실시형태를 나타낸다. 이 열전 변환 모듈 (201) 은, 복수의 열전 변환 셀 (101A, 101B) 을 갖고, 도전성을 갖는 접속 부재 (4) 를 통하여 P 형 열전 변환 소자 (31) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (101A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (101B) 이 접속되어 있고, P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 가 직렬로 접속된 구성이 된다. 열전 변환 셀 (101A, 101B) 을 구성하는 열전 변환 소자로서, P 형 열전 변환 소자 (31) 또는 N 형 열전 변환 소자 (32) 가 사용된다. 또한, 도 1 ∼ 도 3 에는, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 사용한 제 1 열전 변환 셀 (101A) 을 일례로서 도시하고 있다.
제 1 열전 변환 셀 (101A) 은, 도 1 ∼ 도 3 에 나타내는 바와 같이, 1 개 (단수) 의 관통공 (11) 을 갖는 절연 부재 (1A) 와, 관통공 (11) 의 내부에 수용된 1 개 (단수) 의 P 형 열전 변환 소자 (31) (열전 변환 소자) 를 갖는 열전 변환 부재 (3A) 와, 절연 부재 (1A) 의 각 단부에 각각 연결된 1 쌍의 전극 부재 (2A, 2A) 를 구비하는 구성이 된다. 또, 도 4 에 나타내는 제 2 열전 변환 셀 (101B) 은, 열전 변환 셀 (101A) 과 공통의 절연 부재 (1A) 와 1 쌍의 전극 부재 (2A, 2A) 를 사용하여 구성되고, 관통공 (11) 의 내부에 수용되는 열전 변환 부재 (3B) 가, 1 개 (단수) 의 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 갖는 구성이 된다.
절연 부재 (1A) 는, 절연성을 갖는 부재에 의해 형성되고, 일반적인 세라믹스 (예를 들어, 도기, 자기, 스테어타이트, 코디에라이트, 포르스테라이트, 멀라이트, 마세라이트, 마코르, 포토빌, 지르코니아, 티타니아, 이트리아, 알루미나, 질화규소), 유리, 수지 등의 열 전도성이 낮은 재료가 바람직하게 사용된다. 본 실시형태의 절연 부재 (1A) 는, 내측에 관통공 (11) 이 형성됨으로써 원통상으로 형성되어 있고, 관통공 (11) 의 양 개구부 (양 단부) 에 암 나사부 (12a) 가 형성되고, 이들의 암 나사부 (12a) 에 의해 본 발명에 있어서의 절연측 나사부가 구성되어 있다. 또한, 암 나사부 (12a) 는, 정나사 (우측 나사) 가 된다.
전극 부재 (2A) 는, 도전성을 갖는 부재에 의해 형성되고, 알루미늄이나 알루미늄 합금, 황동 등의 금속 재료가 바람직하게 사용된다. 전극 부재 (2A) 는, 도 1 ∼ 도 3 에 나타내는 바와 같이, 원판상의 헤드부 (21) 와, 이 헤드부 (21) 로부터 세워져 형성된 원기둥상의 전극부 (22) 를 갖고 있다. 또, 전극부 (22) 의 외주면에, 절연 부재 (1A) 의 암 나사부 (12a) 에 대응하는 수 나사부 (22a) 가 형성되어 있고, 이 수 나사부 (22a) 에 의해 본 발명에 있어서의 전극측 나사부가 구성되어 있다.
그리고, 전극 부재 (2A) 는, 그 수 나사부 (22a) 와 절연 부재 (1A) 의 암 나사부 (12a) 의 나사 결합에 의해, 절연 부재 (1A) 에 착탈 가능하게 장착되고, 수 나사부 (22a) 와 암 나사부 (12a) 를 나사 결합시킴으로써, 관통공 (11) 내에 수용되는 열전 변환 부재 (3A) 또는 열전 변환 부재 (3B) 의 단부에 전극부 (22) 의 하면이 맞닿는다. 또, 암 나사부 (12a) 와 수 나사부 (22a) 의 나사 결합에 의해, 1 쌍의 전극 부재 (2A, 2A) 가, 각각 절연 부재 (1A) 의 양 단부에 연결됨으로써, 각 전극 부재 (2A, 2A) 의 전극부 (22, 22) 끼리의 사이에 열전 변환 부재 (3A) 또는 열전 변환 부재 (3B) 가 협지되어, 각 전극 부재 (2A) 와 열전 변환 부재 (3A) 또는 열전 변환 부재 (3B) 가 전기적으로 접속된다.
이와 같이, 열전 변환 부재 (3A) (P 형 열전 변환 소자 (31)) 또는 열전 변환 부재 (3B) (N 형 열전 변환 소자 (32)) 와 각 전극 부재 (2A) 는 접합되어 있지 않고, 절연 부재 (1A) 의 암 나사부 (12a) 와 각 전극 부재 (2A) 의 수 나사부 (22a) 를 조이거나 느슨하게 하거나 함으로써, 열전 변환 셀 (101A, 101B) 의 조립이나 분해를 용이하게 실시할 수 있다. 또한, 전극 부재 (2A) 의 전극부 (22) 는, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 와의 접속 부분의 면적 (하면) 이, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 크기에 따라, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 단면의 면적보다 약간 크게 설정된다.
P 형 열전 변환 소자 (31) 및 N 형 열전 변환 소자 (32) 의 재료로는, 텔루르 화합물, 스커터루다이트, 충전 스커터루다이트, 호이슬러, 하프 호이슬러, 클라트레이트, 실리사이드, 산화물, 실리콘게르마늄 등이 있고, 도펀트에 의해 P 형과 N 형의 양방을 취할 수 있는 화합물과, P 형이나 N 형의 어느 일방만의 성질을 갖는 화합물이 있다.
P 형 열전 변환 소자의 재료로서, Bi2Te3, Sb2Te3, PbTe, TAGS (=Ag-Sb-Ge-Te), Zn4Sb3, CoSb3, CeFe4Sb12, Yb14MnSb11, FeVAl, MnSi1.73, FeSi2, NaxCoO2, Ca3Co4O7, Bi2Sr2Co2O7, SiGe 등이 사용된다.
N 형 열전 변환 소자의 재료로서, Bi2Te3, PbTe, La3Te4, CoSb3, FeVAl, ZrNiSn, Ba8Al16Si30, Mg2Si, FeSi2, SrTiO3, CaMnO3, ZnO, SiGe 등이 사용된다.
이것들의 재료 중, 환경에 대한 영향이 적고, 자원 매장량도 풍부한 실리사이드계 재료가 주목받고 있는 점에서, 본 실시형태에서도 실리사이드계 재료를 사용한다. 즉, P 형 열전 변환 소자 (31) 가 망간실리사이드 (MnSi1.73), N 형 열전 변환 소자 (32) 가 마그네슘실리사이드 (Mg2Si) 에 의해 형성된다. 이것들 P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 는, 예를 들어 횡단면이 정방형, 1 변이 1 ㎜ ∼ 8 ㎜ 의 각기둥상으로 형성되고, 길이 (관통공 (11) 의 관통 방향을 따른 길이) 는 2 ㎜ ∼ 8 ㎜ 가 된다. 또, 도 2 및 도 3 에 나타내는 바와 같이, 각 열전 변환 소자 (31, 32) 의 길이 (h1) 는, 절연 부재 (1A) 의 길이 (높이) (h21) 보다 작게 형성된다.
각 열전 변환 소자 (31, 32) 는, 예를 들어 볼 밀로 모합금을 예를 들어 입경 75 ㎛ 이하로 분쇄 후, 플라스마 방전 소결, 핫 프레스, 열간 등방압 가압법에 의해 예를 들어 원반상, 각 판상의 벌크재를 제작하고, 이것을 예를 들어 각기둥상으로 절단함으로써 형성된다. 각 열전 변환 소자 (31, 32) 의 양 단면에, 니켈, 금 등의 도금으로 이루어지는 메탈라이즈층 (33) 이 형성된다.
본 실시형태의 열전 변환 셀 (101A, 101B) 에 있어서는, 절연 부재 (1A) 의 관통공 (11) 의 내부에 P 형 열전 변환 소자 (31) 를 갖는 열전 변환 부재 (3A) 또는 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 갖는 열전 변환 부재 (3B) 를 수용함과 함께, 양 전극 부재 (2A, 2A) 사이에 열전 변환 부재 (3A) 또는 열전 변환 부재 (3B) 를 협지함으로써, 전극 부재 (2A) 와 열전 변환 부재 (3A, 3B) 를 전기적으로 접속한다. 따라서, 이종 금속의 열 팽창차에 의한 각 부재의 파손을 방지할 수 있다.
또, 열전 변환 셀 (101A, 101B) 은, 절연 부재 (1A) 의 암 나사부 (12a) 와 전극 부재 (2A) 의 수 나사부 (22a) 를 조이거나 느슨하게 하거나 함으로써, 용이하게 조립이나 분해를 실시할 수 있다. 따라서, 절연 부재 (1A) 의 내부에 수용되는 열전 변환 부재 (3A, 3B) 에 파손이 발생하거나, 설계 변경에 의해 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 교환이 필요해지거나 하였을 때에도, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 교환을 용이하게 실시할 수 있다.
도 4 에 나타내는 바와 같이, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (101A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (101B) 을 사용하여, 제 1 열전 변환 셀 (101A) 과 제 2 열전 변환 셀 (101B) 을, P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 가 교대로 직렬로 접속되도록 복수 조합함으로써, 열전 변환 모듈 (201) 을 용이하게 제조할 수 있다. 열전 변환 모듈 (201) 은, 제 1 열전 변환 셀 (101A) 과 제 2 열전 변환 셀 (101B) 을 병렬로 나열하여 배치하고, 일방의 측부 (도 4 에서는 상측) 에 배치되는 전극 부재 (2A, 2A) 사이를 접속 부재 (4) 를 통하여 접속함으로써 제조된다. 접속 부재 (4) 는, 도전성을 갖는 부재에 의해 형성되고, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 바람직하게 사용할 수 있다.
전극 부재 (2A) 의 헤드부 (21) 와 절연 부재 (1A) 사이에 접속 부재 (4) 를 협지함으로써, 전극 부재 (2A) 와 접속 부재 (4) 를 통하여 제 1 열전 변환 셀 (101A) 과 제 2 열전 변환 셀 (101B) 이 전기적으로 접속되고, P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 가 직렬로 접속된다. 접속 부재 (4) 는, 전극 부재 (2A) 의 수 나사부 (22a) 와 절연 부재 (1A) 의 암 나사부 (12a) 를 조이거나 느슨하게 하거나 함으로써, 착탈 가능하게 형성된다.
도 1 ∼ 도 4 에 나타내는 열전 변환 셀 (101A, 101B) 에서는, 헤드부 (21) 를 갖는 전극 부재 (2A) 를 사용하고 있었지만, 도 5 에 나타내는 제 2 실시형태의 열전 변환 셀 (제 1 열전 변환 셀) (102) 과 같이, 외주면 전체에 수 나사부 (22a) 가 형성된, 이른바 고정 나사 (오목 나사) 에 의해 전극 부재 (2B) 를 구성해도 된다. 절연 부재 (1A) 로부터 돌출되는 전극 부재 (2B) 의 수 나사부 (22a) 에, 이 수 나사부 (22a) 에 대응하는 암 나사부 (정나사) (52a) 를 갖는 너트 (5) 를 장착할 수 있고, 전극 부재 (2B) 의 수 나사부 (22a) 와 너트 (5) 의 암 나사부 (52a) 의 나사 결합에 의해, 열전 변환 셀 (102) 의 높이를 자유롭게 조정할 수 있다. 이 때문에, 열전 변환 셀 (102) 의 높이의 자유도를 향상시킬 수 있다. 너트 (5) 는, 도전성을 갖는 부재에 의해 형성되고, 알루미늄이나 알루미늄 합금, 황동 등의 금속 재료가 바람직하게 사용된다.
또한, 제 2 실시형태의 열전 변환 셀 (102) 에 있어서, 제 1 실시형태의 열전 변환 셀 (101A, 101B) 및 열전 변환 모듈 (201) 과 공통되는 요소에는, 동일 부호를 붙이고 설명을 생략한다. 또, 동일하게, 이후의 제 3 실시형태 ∼ 제 13 실시형태의 열전 변환 셀 및 열전 변환 모듈에 있어서도, 선행하는 실시형태와 공통되는 요소에는, 동일 부호를 붙이고 설명을 생략한다.
도 4 에 나타내는 열전 변환 모듈 (201) 에서는, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (101A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (101B) 을 병렬로 나열하여 배치한 구성으로 하고 있었지만, 도 6 에 나타내는 제 3 실시형태의 열전 변환 모듈 (202) 과 같이, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (103A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (103B) 을 관통공 (11) 의 관통 방향으로 교대로 적층하여 배치한 구성으로 해도 된다.
열전 변환 모듈 (202) 에 있어서는, 제 1 열전 변환 셀 (103A) 과 제 2 열전 변환 셀 (101B) 이, 각각의 관통공 (11) 의 암 나사부 (12a) 에 장착되는 전극 부재 (2B) 를 통하여 접속된다. 전극 부재 (2B) 는, 전술한 바와 같이, 외주면 전체에 수 나사부 (22a) 가 형성되어 있고 이른바 고정 나사 (오목 나사) 에 의해 구성되는 것이다. 그리고, 전극 부재 (2B) 에는, 그 상면과 하면에 각각 전극부 (22, 22) 가 형성되어 있고, 전극 부재 (2B) 는 2 개의 전극 부재를 일체로 형성한 구성이 된다. 그리고, 이 전극 부재 (2B) 에 의해, 본 발명에 있어서의 연결형 전극 부재가 구성되고, 제 1 열전 변환 셀 (103A) 과 제 2 열전 변환 셀 (103B) 이 전극 부재 (2B) 에 의해 접속된다.
또, 열전 변환 모듈 (202) 의 각 전극 부재 (2B) 에는, 전극 부재 (2B) 마다 교대로 고온측 핀 (6A) 과 저온측 핀 (6B) 이 장착되어 있다. 즉, 열전 변환 모듈 (202) 은, 제 1 열전 변환 셀 (103A) 또는 제 2 열전 변환 셀 (103B) 의 개개의 단위에서는, 일방의 단부에 연결되는 전극 부재 (2B) 에 고온측 핀 (6A) 이 접속되고, 타방의 단부에 연결되는 전극 부재 (2B) 에 저온측 핀이 접속된 구성이 된다. 그리고, 열전 변환 모듈 (202) 은, 도 6 의 우측을 고온부측으로 하고, 도 6 의 좌측을 저온부측으로 하면, 도 6 의 상측에서 하측을 향하여 전류가 흘러, 발전할 수 있다.
상기 실시형태의 열전 변환 셀 (101A, 101B, 102, 103A, 103B) 에서는, 관통공 (11) 의 내부에 수용되는 열전 변환 부재 (3A, 3B) 를, P 형 열전 변환 소자 (31) 또는 N 형 열전 변환 소자 (32) 중 어느 1 개 (단수) 의 열전 변환 소자를 갖는 구성으로 하고, P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 가 교대로 직렬로 접속되도록 복수 조합함으로써 열전 변환 모듈 (201, 202) 을 구성하고 있었지만, 도 7 에 나타내는 제 3 실시형태의 열전 변환 모듈 (203) 과 같이, 사용 가능 온도 영역이 상이한 열전 변환 소자 (P 형 열전 변환 소자) (34A ∼ 34C) 를 구비하는 열전 변환 셀 (104A ∼ 104C) 끼리를, 고온부측에서 저온부측에 걸쳐 온도의 구배 방향으로 중첩하여 직렬로 연결한 구성으로 할 수도 있다.
사용 가능 온도 영역이 상이한 열전 변환 부재 (3C ∼ 3E) 를 수용한 열전 변환 셀 (104A ∼ 104C) 끼리를 온도의 구배 방향으로 중첩하여 직렬로 연결함으로써, 세그먼트 구조를 구성할 수 있고, 열전 변환 모듈의 고효율화를 도모할 수 있다.
열전 변환 모듈 (203) 에 있어서도, 절연 부재 (1A) 의 관통공의 양 개구부에 1 쌍의 전극 부재 (2B, 2B) 를 장착하고, 양 전극 부재 (2B, 2B) 사이에 열전 변환 부재 (3C ∼ 3E) 를 협지함으로써, 열전 변환 부재 (3C ∼ 3E) 와 각 전극 부재 (2B) 가 전기적으로 접속된다. 또, 열전 변환 부재 (3C ∼ 3E) 를 전극 부재 (2B) 를 개재하여 적층하는 것 이외에도, 각 열전 변환 부재 (3C ∼ 3E) 를 알루미늄 등의 도전성 부재를 개재하여 적층할 수 있다. 도전성 부재를 개재하여 열전 변환 부재 (3C ∼ 3D) 를 적층함으로써, 도전성 부재와 열전 변환 부재를 밀착시킬 수 있고, 전기 저항을 낮출 수 있다.
도 8 에 나타내는 제 4 실시형태의 열전 변환 셀 (105) 과 같이, 절연 부재 (1B) 의 관통공 (11) 의 내부에 수용되는 열전 변환 부재 (3F) 가, 복수의 열전 변환 소자 (P 형 열전 변환 소자) (34A ∼ 34C) 를 직접 또는 도전성 부재를 개재하여 관통공 (11) 의 관통 방향으로 적층된 구성인 것이어도 된다. 열전 변환 소자 (34A ∼ 34C) 를 관통공 (11) 내에 중첩하여 수용하고, 절연 부재 (1A) 의 상하에 장착되는 양 전극 부재 (2A, 2A) 사이에 협지함으로써, 각 열전 변환 소자 (34A ∼ 34C) 를 연결하는 것도 가능하다. 이 경우, 전극 부재에 의한 전기 저항이나 열저항이 없어지기 때문에, 전극 부재를 사용한 경우보다 높은 출력을 얻을 수 있다.
절연 부재 (1B) 의 관통공 (11) 의 내부에 있는 열전 변환 소자 (34A ∼ 34C) 끼리나, 메탈라이즈층 (33) 끼리나, 메탈라이즈층 (33) 과 열전 변환 소자끼리가 화학 반응하는 경우, 혹은 사용 온도 영역이 크게 상이한 경우에는, 도 7 에 나타내는 구성을 사용한 편이 좋다. 이 경우, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 전극 부재 (2B) 를 사용하여 열전 변환 소자 (34A ∼ 34C) 끼리를 격리할 수 있고, 예를 들어 상측에 배치되는 열전 변환 부재 (3C) 의 저온부측으로부터 전달되는 온도보다 충분히 저하된 온도를, 그 하측에 배치되는 열전 변환 부재 (3D) 의 고온부측에 전달하는 것이 가능해진다.
이와 같이, 상이한 재료로 이루어지는 열전 변환 소자 (열전 변환 부재) 를 조합함으로써, 재료의 선택지가 넓어지고, 성능을 갖춘 안정적인 열전 변환 모듈을 구성할 수 있다. 또, 동일한 극성을 갖는 열전 변환 셀을 병렬로 조합함으로써, 열전 변환 모듈의 내부 저항을 제어 가능하고, 출력처의 부하 저항에 적응한 열전 변환 모듈의 설계를 임의로 실시할 수 있다.
상기 실시형태의 열전 변환 셀 (101A, 101B, 102, 103A, 103B, 104A ∼ 104C, 105) 에서는, 1 개 (단수) 의 관통공 (11) 을 갖는 절연 부재 (1A) 를 사용하는 구성으로 하고 있었지만, 도 9 및 도 10 에 나타내는 제 5 실시형태의 열전 변환 셀 (106) 과 같이, 복수의 관통공 (11) 을 갖는 절연 부재 (1C) 를 사용하는 구성으로 해도 된다. 절연 부재 (1C) 에는, 도 9 및 도 10 에 나타내는 바와 같이, 2 개의 관통공 (11) 이 병렬로 배치되어 있고, 각각의 관통공 (11) 의 내부에, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 갖는 열전 변환 부재 (3A) 와, N 형 열전 변환 소자 (32) 를 갖는 열전 변환 부재 (3B) 가 수용되어 있다.
이 경우에도, 각 관통공 (11) 의 양 개구부에 장착된 1 쌍의 전극 부재 (2A, 2A) 에 의해, 관통공 (11) 의 내부에 수용된 열전 변환 부재 (3A) 또는 열전 변환 부재 (3B) 를 협지함으로써, 각 전극 부재 (2A) 와 열전 변환 부재 (3A, 3B) 를 전기적으로 접속할 수 있다. 또, 도 9 에 나타내는 바와 같이 절연 부재 (1C) 의 일방의 측부에 배치되는 전극 부재 (2A, 2A) 끼리의 사이를 접속 부재 (4) 를 통하여 접속함으로써, 각 관통공 (11) 의 내부에 수용된 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 교대로 직렬로 접속할 수 있어, 용이하게 열전 변환 모듈 (204) 을 제조할 수 있다.
도 11 ∼ 도 13 에 나타내는 제 6 실시형태의 열전 변환 셀 (107A) 과 같이, 3 개 이상의 관통공 (11) 을 갖는 절연 부재 (1D) 를 사용하여, 열전 변환 모듈 (205) 을 구성할 수도 있다. 절연 부재 (1D) 에는, 도 12 및 도 13 에 나타내는 바와 같이, 합계 16 개의 관통공 (11) 이 매트릭스상으로 배치되어 있고, 각각의 관통공 (11) 의 내부에, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 갖는 열전 변환 부재 (3A) 와, N 형 열전 변환 소자 (32) 를 갖는 열전 변환 부재 (3B) 중 어느 것이 수용되어 있다. 각 관통공 (11) 의 양 개구부에 전극 부재 (2A, 2A) 를 장착함으로써, 관통공 (11) 의 내부에 수용된 열전 변환 부재 (3A) 또는 열전 변환 부재 (3B) 가 1 쌍의 전극 부재 (2A, 2A) 사이에 협지되어, 각 전극 부재 (2A) 와 열전 변환 부재 (3A, 3B) 가 전기적으로 접속된다.
또, 열전 변환 셀 (107A) 의 각 관통공 (11) 에 장착된 전극 부재 (2A, 2A) 사이를, 접속 부재 (4) 를 통하여 접속함으로써, 각 관통공 (11) 의 내부에 수용된 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 교대로 직렬로 접속할 수 있어, 용이하게 열전 변환 모듈 (205) 을 제조할 수 있다.
도 14 에 나타내는 바와 같이, 복수의 열전 변환 부재 (3G ∼ 3J) 가 수용된 열전 변환 셀 (107B) 을 복수 적층함으로써, 세그먼트 구조의 열전 변환 모듈 (206) 을 구성할 수도 있다. 이 제 7 실시형태의 열전 변환 모듈 (206) 에 있어서는, 2 개의 열전 변환 셀 (107B) 사이가, 각 관통공 (11) 에 장착되는 전극 부재 (2B) 를 통하여 접속되고, 각 관통공 (11) 에 장착된 전극 부재 (2A, 2A) 사이가 접속 부재 (4) 를 통하여 접속됨으로써, P 형 열전 변환 소자 (35A) 및 P 형 열전 변환 소자 (35B) 와 N 형 열전 변환 소자 (36A) 및 N 형 열전 변환 소자 (36B) 가 교대로 직렬로 접속된다.
열전 변환 모듈 (206) 의 각 관통공 (11) 내에 수용되는 각각의 열전 변환 부재 (3G ∼ 3J) 에는, 도 8 에 나타내는 열전 변환 셀 (105) 의 열전 변환 부재 (3F) 와 같이, P 형 열전 변환 소자 또는 N 형 열전 변환 소자로 이루어지는 복수의 열전 변환 소자를 직접 또는 도전성 부재를 개재하여 관통공 (11) 의 관통 방향으로 적층된 구성인 것을 사용할 수도 있다. 또, 열전 변환 모듈 (206) 과 동일한 구성의 열전 변환 모듈을, 도 8 에 나타내는 열전 변환 셀 (105) 과 동일한 P 형 열전 변환 소자로 이루어지는 열전 변환 부재를 갖는 제 1 열전 변환 셀과, N 형 열전 변환 소자로 이루어지는 열전 변환 부재를 갖는 제 2 열전 변환 셀을 병렬로 나열하여 배치함과 함께, 관통공의 관통 방향으로 적층하여 배치함으로써 구성할 수도 있다.
제 1 실시형태의 열전 변환 모듈 (201) 등에서는, 각 관통공 (11) 에 장착된 전극 부재 (2A, 2A) 사이를 접속 부재 (4) 를 통하여 접속하고 있었지만, 도 15 에 나타내는 제 8 실시형태의 열전 변환 모듈 (207) 과 같이, 2 개의 전극부 (22, 22) 를 갖는 연결형 전극 부재 (2C) 를 사용하여, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (108A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (108B) 을 병렬로 배치하여, 각 열전 변환 부재 (3A, 3B) 를 전기적으로 접속할 수도 있다.
연결형 전극 부재 (2C) 의 2 개의 전극부 (22, 22) 는, 헤드부 (23) 를 개재하여 일체로 형성되어 있으므로, 각 전극부 (22) 의 수 나사부 (22a) 에, 각각 개별의 절연 부재 (1A) 를 장착할 수 있다. 즉, 절연 부재 (1A) 의 일방의 암 나사부 (12a) 를 각 전극부 (22) 의 수 나사부 (22a) 에 나사 결합시켜 연결시킨 후, 절연 부재 (1A) 의 타방의 암 나사부 (12a) 에, 1 개의 전극부 (22) 를 갖는 전극 부재 (2A) 의 수 나사부 (22a) 를 연결시킨다. 이로써, 열전 변환 부재 (3A) 의 P 형 열전 변환 소자 (31) 와 열전 변환 부재 (3B) 의 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 교대로 직렬로 접속할 수 있다.
상기 제 1 ∼ 제 8 실시형태에서는, 절연 부재의 양 단부에 형성된 암 나사부 (12a) (절연측 나사부) 의 나사 방향을 동일한 방향 (정방향) 으로 하고 있었지만, 도 16 에 나타내는 제 9 실시형태의 열전 변환 모듈 (208) 과 같이, 절연 부재 (1E) 의 일방의 암 나사부 (12a) 를 정나사 (우측 나사) 로 하고, 타방의 암 나사부 (12b) 를 역나사 (좌측 나사) 로 함으로써, 일방과 타방의 암 나사부 (12a, 12b) 의 체결 방향 (회전 방향) 을 가지런히 할 수 있다. 이 경우, 절연 부재 (1E) 의 일방의 단부에 연결되는 전극 부재 (2A, 2C) 에는, 일방의 암 나사부 (12a) 에 대응하도록, 전극부 (22) 에 정나사의 수 나사부 (22a) 가 형성된 것을 사용한다. 또, 절연 부재 (1E) 의 타방의 단부에 연결되는 전극 부재 (2D) 에는, 타방의 암 나사부 (12b) 에 대응하도록, 전극부 (22) 에 역나사의 수 나사부 (22b) 가 형성된 것을 사용한다.
이와 같이 구성함으로써, 절연 부재 (1E) 를 일방향으로 회전시키는 것만으로, 절연 부재 (1E) 의 양단측에 배치 형성되는 일방의 암 나사부 (12a) 와 이 암 나사부 (12a) 에 대응하는 전극 부재 (2A, 2C) 의 수 나사부 (22a), 타방의 암 나사부 (12b) 와 이 암 나사부 (12b) 에 대응하는 전극 부재 (2D) 의 수 나사부 (22b) 를, 한 번에 체결하거나 또는 느슨하게 할 수 있다. 이로써, 절연 부재 (1E) 와 이 절연 부재 (1E) 의 양 단부에 연결되는 1 쌍의 전극 부재 (2A, 2D 또는 2C, 2D) 의 착탈을 한 번에 실시할 수 있다. 따라서, P 형 열전 변환 소자 (31) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (109A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (109B) 을 복수 조합함과 함께, 각각의 P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 교대로 직렬로 접속할 수 있어, 대형의 열전 변환 모듈 (208) 을 용이하게 제조할 수 있다.
또한, 도 17 에 나타내는 제 10 실시형태와 같이, 전극 부재 (2E ∼ 2G) 에 세라믹스판 (41) 과 열 전달 금속층 (42) 을 갖는 구성의 것을 사용하여, 열전 변환 모듈 (209) 을 구성할 수도 있다.
세라믹스판 (41) 은, 일반적인 세라믹스, 예를 들어 알루미나 (Al2O3), 질화알루미늄 (AlN), 질화규소 (Si3N4) 나, 그래파이트판 상에 성막한 다이아몬드 박막 기판 등의 열 전도성의 높은 절연성을 갖는 부재를 사용할 수 있다. 또, 열 전달 금속층 (42) 에는, 알루미늄이나 구리 등의 탄성 변형, 소성 변형하기 쉽고, 열 전도성이 우수한 부재를 사용할 수 있다.
전극부 (22) (헤드부 (21, 23)) 의 외측에 세라믹스판 (41) 을 형성해 둠으로써, 열전 변환 모듈 (209) 을, 표면이 도전성의 재료로 덮인 열원 등에 설치한 경우, 전극부 (22) 와 열원 등과의 사이에 세라믹스판 (41) 이 개재하여, 열원 등과 전극부 (22) 가 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 열원 등과 전극부 (22) 의 전기적인 접속 (리크) 을 확실하게 회피할 수 있어, 절연 상태를 양호하게 유지할 수 있다.
또, 전극 부재 (2E ∼ 2G) 에 열 전달 금속층 (42) 을 형성해 둠으로써, 열전 변환 모듈 (209) 을 열원 등에 설치하였을 때에, 열 전달 금속층 (42) 과 열원 등을 접촉시킬 수 있고, 열전 변환 모듈 (209) 과 열원 등의 밀착성을 높여 열 전달성을 향상시킬 수 있다. 따라서, 열전 변환 모듈 (209) 의 열전 변환 성능 (발전 효율) 을 향상시킬 수 있다.
상기의 제 1 ∼ 제 10 실시형태에 있어서는, 절연측 나사부를 암 나사부 (12a, 12b) 로 구성하고, 전극측 나사부를 수 나사부 (22a, 22b) 로 구성했지만, 절연측 나사부를 수 나사부로 구성하고, 전극측 나사부를 암 나사부로 구성할 수도 있다. 이하, 절연측 나사부를 수 나사부로 구성하고, 전극측 나사부를 암 나사부로 구성한 예에 대하여 설명한다.
도 18 ∼ 도 20 은, 제 11 실시형태의 제 1 열전 변환 셀 (열전 변환 셀) (301) 을 나타내고 있다. 이 제 1 열전 변환 셀 (301) 은, 관통공 (71) 을 갖는 절연 부재 (7A) 와, 관통공 (71) 에 수용된 열전 변환 부재 (3A) 와, 절연 부재 (7A) 의 각 단부에 각각 연결된 전극 부재 (8A, 8A) 를 구비한다. 또한, 각 부품을 구성하는 부재 (재료) 에는, 상기의 실시형태와 동일한 것이 사용되는 점에서 설명을 생략한다.
절연 부재 (7A) 는, 내측에 1 개의 관통공 (71) 이 형성됨으로써 원통상으로 형성되고, 그 외측에 수 나사부 (72a) 가 형성되고, 절연 부재 (7A) 의 각 단부를 포함하는 외주면 전체에 수 나사부 (72a) 가 형성되어 있다. 또한, 수 나사부 (72a) 는 정나사 (우측 나사) 가 되고, 이 수 나사부 (72a) 에 의해 본 발명에 있어서의 절연측 나사부가 구성된다.
전극 부재 (8A) 는, 윗면부와 원통부를 갖는 캡상으로 형성되어 있다. 이 중, 윗면부가 전극부 (81) 가 되고, 원통부의 내면에 수 나사부 (72a) 에 대응하는 정나사의 암 나사부 (82a) 가 형성되어 있다. 이 암 나사부 (82a) 가 본 발명의 전극측 나사부가 된다. 절연 부재 (7A) 와 각 전극 부재 (8A) 는, 수 나사부 (72a) 와 암 나사부 (82a) 의 나사 결합에 의해, 착탈 가능하게 형성된다.
도 19 에 나타내는 바와 같이, 절연 부재 (7A) 의 길이 (높이) (h22) 는, 열전 변환 부재 (3A) 의 길이 (h1) 보다 작게 형성되어 있다. 이 때문에, 열전 변환 부재 (3A) 를 관통공 (71) 에 삽입 통과시켜 관통공 (71) 내에 수용시키면, 열전 변환 부재 (3A) 의 단부를 관통공 (71) 으로부터 돌출시킨 상태로 배치 형성할 수 있다. 따라서, 1 쌍의 전극 부재 (8A, 8A) 를 각각 절연 부재 (7A) 의 양 단부에 연결하면, 열전 변환 부재 (3A) 의 단부에 전극부 (81) 를 확실하게 맞닿게 할 수 있다. 각 전극 부재 (8A, 8A) 의 전극부 (81, 81) 끼리의 사이에 열전 변환 부재 (3A) 를 협지시킴으로써, 각 전극 부재 (8A, 8A) 와 열전 변환 부재 (3A) 를 전기적으로 접속할 수 있다.
이와 같이, 절연 부재 (7A) 의 절연측 나사부를 수 나사부 (72a) 로 하고, 전극 부재 (8A) 의 전극측 나사부를 암 나사부 (82a) 로 한 경우에도, 이들 수 나사부 (72a) 와 암 나사부 (82a) 를 조이거나 느슨하게 하거나 함으로써, 제 1 열전 변환 셀 (301) 의 조립이나 분해를 용이하게 실시할 수 있다.
도 21 및 도 22 는, 제 12 실시형태의 열전 변환 모듈 (401) 을 나타내고 있다. 열전 변환 모듈 (401) 은, P 형 열전 변환 소자 (31) (열전 변환 부재 (3A)) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (302A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) (열전 변환 부재 (3B)) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (302B) 을 관통공 (71) 의 관통 방향으로 교대로 적층함으로써, P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 직렬로 접속한 구성이 된다.
열전 변환 모듈 (401) 에서는, 제 1 열전 변환 셀 (302A) 과 제 2 열전 변환 셀 (302B) 이, 각각의 절연 부재 (7A) 의 단부에 장착되는 연결형 전극 부재 (8B) 를 통하여 접속된다. 각 연결형 전극 부재 (8B) 에는, 도 22 에 나타내는 바와 같이, 상측과 하측에 각각 전극부 (81, 81) 가 형성되어 있고, 제 1 열전 변환 셀 (302A) 의 전극 부재와 제 2 열전 변환 셀 (302B) 의 전극 부재를 일체로 형성한 구성이 된다.
연결형 전극 부재 (8B) 에는, 양측 (상측 및 하측) 에 수 나사부 (72a) 에 대응하는 암 나사부 (82a) 가 형성되어 있다. 각 암 나사부 (82a) 에 절연 부재 (7A) 의 수 나사부 (72a) 를 나사 결합시킴으로써, 연결형 전극 부재 (8B) 의 양측에 각각 절연 부재 (7A) 를 연결할 수 있고, 1 쌍의 연결형 전극 부재 (8B, 8B) 의 전극부 (81, 81) 끼리의 사이에 열전 변환 부재 (3A 또는 3B) 를 협지할 수 있다. 도 23 에 나타내는 바와 같이, 절연 부재 (7A) 와 연결형 전극 부재 (8B) 를 연결함으로써, 연결형 전극 부재 (8B) 와 열전 변환 부재 (3A 또는 3B) 를 교대로 적층하여 제 1 열전 변환 셀 (302A) 과 제 2 열전 변환 셀 (302B) 을 접속할 수 있고, P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 가 교대로 직렬로 접속된 열전 변환 모듈 (401) 을 구성할 수 있다.
또, 연결형 전극 부재 (8B) 에는, 고온측 핀 또는 저온측 핀으로서 사용되는 핀 (83) 이 일체로 형성되어 있다. 열전 변환 모듈 (401) 에서는, 도 21 및 도 22 에 나타내는 바와 같이, 각 전극 부재 (8B) 가 핀 (83) 의 연장 방향을 교대로 역방향으로 하여 배치 형성되어 있다. 이로써, 열전 변환 모듈 (401) 에서는, 도 22 의 좌측을 고온부측으로 하고, 도 22 의 우측을 저온부측으로 하면, 도 22 의 하측에서 상측을 향하여 전류가 흘러, 발전할 수 있다. 이 경우, 도 22 의 좌측으로 연장된 핀 (83) 이 고온측 핀이 되고, 도 22 의 우측으로 연장된 핀 (83) 이 저온측핀이 된다.
도 23 ∼ 도 25 는, 제 13 실시형태의 열전 변환 모듈 (402) 을 나타내고 있다. 열전 변환 모듈 (402) 은, 도 24 에 나타내는 바와 같이, P 형 열전 변환 소자 (31) (열전 변환 부재 (3A)) 를 구비하는 제 1 열전 변환 셀 (303A) 과 N 형 열전 변환 소자 (32) (열전 변환 부재 (3B)) 를 구비하는 제 2 열전 변환 셀 (303B) 을 병렬로 배치하고, P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 연결형 전극 부재 (8C) 를 통하여 접속한 구성이 된다.
열전 변환 모듈 (402) 을 구성하는 절연 부재 (7B) 는, 내측에 1 개의 관통공 (71) 이 형성됨으로써 원통상으로 형성되어 있다. 절연 부재 (7B) 의 외측에는, 관통공 (71) 의 관통 방향의 각 단부에, 정나사의 수 나사부 (72a) 와 역나사의 수 나사부 (72b) 가 각각 형성되고, 수 나사부 (72a) 와 수 나사부 (72b) 사이에, 육각 기둥상의 각기둥부 (73) 가 형성되어 있다. 또한, 수 나사부 (72a, 72b) 에 의해, 본 발명에 있어서의 절연측 나사부가 구성된다.
연결형 전극 부재 (8C) 는, 평판상으로 형성되어 있고, 정나사의 수 나사부 (72a) 에 대응하는 정나사의 암 나사부 (82a) 와, 역나사의 수 나사부 (72b) 에 대응하는 역나사의 암 나사부 (82b) 가, 1 개씩 형성되어 있다. 따라서, 1 개의 연결형 전극 부재 (8C) 에 2 개의 절연 부재 (7B) 가 연결 가능해진다. 또한, 암 나사부 (82a, 82b) 가, 본 발명에 있어서의 전극측 나사부가 된다. 연결형 전극 부재 (8C) 에는, 2 개의 전극부 (81) 가 형성되어 있고, 각 전극부 (81) 는, 각 암 나사부 (82a, 82b) 에 절연 부재 (7B) 를 연결시켰을 때에, 관통공 (71) 의 개구 단부와 대향하는 위치, 즉, 각 암 나사부 (82a, 82b) 의 안쪽에 형성되어 있다.
도 25 에 나타내는 바와 같이, 절연 부재 (7B) 의 관통 방향의 길이 (높이) (h23) 는, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 길이 (h1) 보다 작게 형성되어 있다. 이 때문에, 열전 변환 부재 (3A 또는 3B) 를 관통공 (71) 내에 삽입 통과시켜, 관통공 (71) 내에 수용시키면, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 단부를, 관통공 (71) 으로부터 돌출시켜 배치 형성할 수 있다. 1 쌍의 연결형 전극 부재 (8C, 8C) 사이에 절연 부재 (7B) 의 양 단부를 연결하면, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 단부에 전극부 (81) 를 확실하게 맞닿게 할 수 있다. 따라서, 각 연결형 전극 부재 (8C, 8C) 의 전극부 (81, 81) 끼리의 사이에 열전 변환 부재 (3A) 를 협지할 수 있어, 각 연결형 전극 부재 (8C, 8C) 와 열전 변환 부재 (3A, 3B) 를 전기적으로 접속할 수 있다.
열전 변환 모듈 (402) 에서는, 절연 부재 (7B) 는, 양 단부의 수 나사부 (72a, 72b) 의 일방을 정나사로 하고, 타방을 역나사로 하여, 이것들 일방과 타방의 수 나사부 (72a, 72b) 의 체결 방향을 가지런히 하고 있으므로, 절연 부재 (7B) 를 일방향으로 회전시킴으로써, 일방의 수 나사부 (72a) 와 이 수 나사부 (72a) 에 대응하는 연결형 전극 부재 (8C) 의 암 나사부 (82a), 타방의 수 나사부 (72b) 와 이 수 나사부 (72b) 에 대응하는 연결형 전극 부재 (8C) 의 암 나사부 (82b) 를, 한 번에 체결할 수 있거나 또는 느슨하게 할 수 있다. 이 때문에, 절연 부재 (7B) 와 이 절연 부재 (7B) 의 양 단부에 연결되는 1 쌍의 연결형 전극 부재 (8C, 8C) 의 착탈을 한 번에 실시할 수 있다. 또, 절연 부재 (7B) 는, 수 나사부 (72a) 와 수 나사부 (72b) 사이에 형성된 각기둥부 (73) 를 스패너 등으로 파지함으로써 용이하게 회전할 수 있고, 열전 변환 부재 (3A, 3B) 의 P 형 열전 변환 소자 (31) 와 N 형 열전 변환 소자 (32) 가 직렬로 접속된 열전 변환 모듈 (402) 을 용이하게 제조할 수 있다.
도 26 에 나타내는 제 14 실시형태와 같이, 3 개 이상의 절연 부재 (7B) 를 사용하여, 열전 변환 모듈 (403) 을 구성할 수도 있다. 복수의 절연 부재 (7B) 와 연결형 전극 부재 (8C) 를 조합함으로써, 열전 변환 부재 (3A) 의 P 형 열전 변환 소자 (31) 와 열전 변환 부재 (3B) 의 N 형 열전 변환 소자 (32) 를 교대로 직렬로 접속할 수 있고, 용이하게 대형의 열전 변환 모듈 (403) 을 제조할 수 있다.
또, 도 27 에 나타내는 제 15 실시형태와 같이, 연결형 전극 부재 (8D) 에, 세라믹스판 (41) 과 열 전달 금속층 (42) 을 갖는 구성의 것을 사용하여, 열전 변환 모듈 (404) 을 구성할 수도 있다. 전극부 (81) 의 외측에 세라믹스판 (41) 을 형성해 둠으로써, 열원 등과 전극부 (81) 의 전기적인 리크를 확실하게 회피할 수 있어, 절연 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 또, 연결형 전극 부재 (8D) 에 열 전달 금속층 (42) 을 형성해 둠으로써, 열 전달 금속층 (42) 과 열원 등을 접촉시킬 수 있어, 열전 변환 모듈 (404) 과 열원 등의 밀착성을 높여 열 전달성을 향상시킬 수 있다.
상기 실시형태에 있어서 설명한 바와 같이, 본 실시형태의 열전 변환 셀에 있어서는, 전극 부재와 열전 변환 부재 (열전 변환 소자) 는, 전극 부재를 절연 부재에 장착함으로써, 관통공의 양측에 배치된 전극부끼리의 사이에 열전 변환 부재가 협지되어, 전기적으로 접속되는 구성이 된다. 이와 같이, 본 실시형태의 열전 변환 셀에서는, 열전 변환 부재와 각 전극 부재를 접합시키지 않고, 전극부 사이에 열전 변환 부재를 협지함으로써 전기적으로 접속하는 것으로 하고 있으므로, 이종 금속의 열 팽창차에 의해 각 부재의 파손을 방지할 수 있다. 또, 절연 부재와 전극 부재는 암 나사부와 수 나사부의 나사 결합에 의해 착탈 가능하게 형성되어 있으므로, 용이하게 조립이나 분해를 실시할 수 있다. 이 때문에, 절연 부재의 내부에 수용되는 열전 변환 부재에 파손이 발생하거나, 설계 변경에 의해 열전 변환 부재의 교환이 필요해지거나 하였을 때에, 열전 변환 부재의 교환을 용이하게 실시할 수 있어, 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 취지에 일탈하지 않는 범위에 있어서, 상기 이외의 여러 가지의 변경을 더하는 것도 가능하다.
예를 들어, 상기 실시형태에 있어서는, 열전 변환 소자로서 각기둥상의 소자를 사용하였지만, 원기둥상의 소자를 사용할 수도 있다.
산업상 이용가능성
열전 변환 재료끼리의 열 팽창차에 의한 파손을 방지할 수 있고, 교환이 용이하고, 간편한 구조에 의해 구성된 열전 변환 셀 및 열전 변환 모듈을 제공할 수 있다.
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 7A, 7B : 절연 부재
2A, 2E, 8A : 전극 부재
2B, 2C, 2D, 2F, 2G, 8B, 8C, 8D : 연결형 전극 부재 (전극 부재)
3A ∼ 3J : 열전 변환 부재
4 : 접속 부재
5 : 너트
6A : 고온측 핀
6B : 저온측 핀
11 : 관통공
12a, 12b : 암 나사부 (절연측 나사부)
52a : 암 나사부
21, 23 : 헤드부
22 : 전극부
22a, 22b : 수 나사부 (전극측 나사부)
31, 34A ∼ 34C, 35A, 35B : P 형 열전 변환 소자
32, 36A, 36B : N 형 열전 변환 소자
33 : 메탈라이즈층
41 : 세라믹스판
42 : 열 전달 금속층
71 : 관통공
72a, 72b : 수 나사부 (절연측 나사부)
73 : 각기둥부
81 : 전극부
82a, 82b : 암 나사부 (전극측 나사부)
83 : 핀
101A, 101B, 102, 103A, 103B, 104A ∼ 104C, 105, 106, 107A, 107B, 108A, 108B, 109A, 109B, 301, 302A, 302B, 303A, 303B : 열전 변환 셀
201 ∼ 209, 401 ∼ 404 : 열전 변환 모듈

Claims (10)

  1. 적어도 1 개의 관통공을 갖고, 그 관통공의 관통 방향의 양 단부의 각각에 절연측 나사부를 갖는 절연 부재와,
    적어도 1 개의 열전 변환 소자를 갖고, 상기 관통공 내에 수용된 열전 변환 부재와,
    상기 절연 부재의 각 단부에 각각 연결되고, 상기 절연측 나사부에 대응하는 전극측 나사부 및 상기 관통공 내의 상기 열전 변환 부재의 단부에 전기적으로 접속된 전극부를 갖는 전극 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 1 개의 관통공은 1 개이고,
    상기 절연 부재의 양 단부에 형성된 상기 절연측 나사부 중, 일방이 정나사로 이루어지고, 타방이 역나사로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전 변환 셀.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연측 나사부가 수 나사부이고,
    상기 전극측 나사부가 암 나사부이고,
    상기 관통공의 관통 방향에 있어서, 상기 열전 변환 부재가 상기 절연 부재보다 크게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 셀.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 절연측 나사부가 암 나사부이고,
    상기 전극측 나사부가 수 나사부이고,
    상기 관통공의 관통 방향에 있어서, 상기 열전 변환 부재가 상기 절연 부재보다 작게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 변환 부재는, P 형 열전 변환 소자 또는 N 형 열전 변환 소자로 이루어지는 복수의 상기 열전 변환 소자를 직접 또는 도전성 부재를 개재하여 상기 관통공의 관통 방향으로 적층된 구성으로 된 것을 특징으로 하는 열전 변환 셀.
  6. 제 1 항에 기재된 상기 열전 변환 셀을 복수 갖고,
    상기 열전 변환 셀은, 상기 열전 변환 소자가 P 형 열전 변환 소자로 이루어지는 제 1 열전 변환 셀과, 상기 열전 변환 소자가 N 형 열전 변환 소자로 이루어지는 제 2 열전 변환 셀을 갖고 있고,
    상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 열전 변환 셀이 교대로 직렬로 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 열전 변환 셀은, 도전성을 갖는 접속 부재에 의해 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 열전 변환 셀의 상기 전극 부재와 상기 제 2 열전 변환 셀의 상기 전극 부재가 일체로 형성된 연결형 전극 부재를 갖고,
    상기 연결형 전극 부재에 의해 상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 변환 셀이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 열전 변환 셀과 상기 제 2 열전 변환 셀이 상기 관통 방향으로 교대로 적층되어 이루어지고,
    상기 열전 변환 셀의 일방의 단부에 연결되는 상기 전극 부재에 고온측 핀이 접속되고, 그 열전 변환 셀의 타방의 단부에 연결되는 상기 전극 부재에 저온측 핀이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 고온측 핀과 상기 저온측 핀은, 상기 전극 부재에 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
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