WO2007145183A1 - 熱電変換モジュールおよび熱電変換素子用コネクタ - Google Patents

Abstract

［課題］導通不良の無い電気的信頼性が高い熱電変換モジュールおよび熱電変換素子用コネクタの提供を目的としている。 ［解決手段］本発明一実施形態に係る熱電変換モジュールＭでは、各熱電変換素子３０が第１および第２の電極面３０ｃ，３０ｄを有するとともに、互いに隣り合う熱電変換素子３０，３０同士が所定形状のコネクタＣ１，Ｃ２を介して電気的に接続されている。また、コネクタＣ１（Ｃ２）は、互いに隣り合う熱電変換素子３０，３０のうちの一方の第１の電極面３０ｃと他方の第２の電極面３０ｄとにそれぞれ嵌合して取り付けられる一対の嵌合部４０，４２（５０，５２）と、これらの一対の嵌合部同士を接続する接続部４４（５４）とを有している。

Description

熱電変換モジュールおよび熱電変換素子用コネクタ

技術分野

[0001] 本発明は、基板上に熱電変換素子を配し、該熱電変換素子の電極と、該電極とは 異なる他の電極とを導電性の所定形状のコネクタを介して電気的に接続して成る熱 電変換モジュール、および、熱電変換素子の電極を他の電極に対して電気的に接 続するための熱電変換素子用コネクタに関する。

背景技術

[0002] 熱電変換とは、ゼーベック効果やペルチェ効果を利用して、熱エネルギと電気エネ ルギとを相互に変換することをいう。この熱電変換を利用すれば、ゼーベック効果を 用いて熱流力も電力を取り出すことができ、また、ペルチェ効果を用いて材料に電流 を流すことで吸熱により冷却現象を起こすことが可能となる。このような熱電変換は、 直接変換であることからエネルギ変換の際に余分な老廃物を排出せず、また、排熱 の有効利用が可能であるとともに、モータやタービンのような可動装置が不要である ためメンテナンスの必要がな ヽと ヽつた様々な特徴を有しており、エネルギの高効率 利用技術として注目されて ヽる。

熱電変換には、通常、熱電変換素子と呼ばれる金属や半導体の素子が用いられて おり、基板上に n型半導体素子と p型半導体素子とが交互に配置されるとともに、隣 接する半導体素子同士が電極によって互いに接続されるモジュール構造 (例えば、 特許文献 1参照）のものや、同じ導電型の複数の半導体素子が所定の配列を成して 設けられるとともに、これらの半導体素子の両面に位置する電極同士がリード線によ り接続されて成るモジュール構造のもの（例えば、特許文献 2参照）が知られている。 いずれの構造においても、平板状の複数の半導体素子を水平に寝かせた状態で平 面的に配列する構成を基本として！、る。

特許文献 1：特開平 7— 211944号公報

特許文献 2 :国際公開公報 05Z124881号パンフレット

発明の開示 発明が解決しょうとする課題

[0003] ところで、同じ導電型の半導体素子の電極同士をリード線で接続して成る後者のモ ジュール構造のものは、基板上に同一素材の単素子を直列的に取り付けることにより 、素子構造に工夫を加え、それにより、熱電変換効率の向上を図ろうとするものであ るが、複合金属酸ィ匕物力 成る複数の焼結体を 1つずつ直列に基板上に貼り付ける 構造であるため、素子とリード線との接続が不十分になり易ぐ接続が不十分であると 、導通不良が発生する虞がある。

[0004] 本発明は、前記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、導通 不良の無 、電気的信頼性が高 ヽ熱電変換モジュールおよび熱電変換素子用コネク タを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0005] 前記課題を解決するために、請求項 1に記載された熱電変換モジュールは、基板 上に熱電変換素子を配し、該熱電変換素子に形成される電極と、該電極とは異なる 他の電極とを導電性の所定形状のコネクタを介して電気的に接続して成る熱電変換 モジュールであって、前記コネクタは、前記熱電変換素子の電極に嵌合して取り付け られる第 1の嵌合部と、該第 1の嵌合部および前記他の電極と電気的に接続されるコ ネクタリード部とを有していることを特徴とする。

[0006] この請求項 1に記載された熱電変換モジュールによれば、従来の接続用リード線と 嵌合部とがー体ィ匕したコネクタを用いているため、確実な導通が得られ、電気的な信 頼性が向上する。

つまり、従来の接続用リード線の代わりに、当該リード線をいわば一体的に組み込む ようなコネクタを使用し、このコネクタにより熱電変換素子の電極と他の電極とを電気 的に接続して ヽるため、導通不良の無 、電気的信頼性が高 ヽ熱電変換モジュール を提供できる。

[0007] なお、上記構成にぉ 、て、「熱電変換素子」とは、ゼーベック効果やペルチェ効果 を利用して熱エネルギと電気工ネルギとを相互に変換する素子のことであり、従来か ら知られる全ての構造 (組成）のものを含んでいる。また、上記構成において、コネク タの材質としては、高温酸化雰囲気中で鲭び難い、銀、真鍮、 SUS等を挙げることが できる。また、上記構成において、熱電変換素子の電極の数は任意である。更に、上 記構成において、「他の電極」とは、例えば同じ基板上の他の熱電変換素子の電極 であっても良く、あるいは、熱電変換モジュールが電気的に接続される外部電極であ つても良い。

[0008] また、請求項 2に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1に記載された熱電変 換モジュールにおいて、前記熱電変換素子は、表面積が最も大きい主面を有すると ともに、当該主面の両側にそれぞれ電極が位置しており、前記電極が前記基板と対 向され且つ前記主面が前記基板に対して略垂直となるように縦長に立設して配置さ れていることを特徴とする。

[0009] この請求項 2に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1に記載された熱 電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、熱電変換素子を縦長に立 設した状態で配列することにより、熱電変換素子の高さ方向の寸法を大きくして、素 子抵抗を高め、電流を抑制するとともに、素子両端間の温度差を取り易くしているた め、起電力が上がり、高い熱電変換効率を得ることができるようになる (その詳細につ いては、後述の実施形態を参照)。

なお、上記構成において、熱電変換素子の形状は、棒状や、矩形断面形状 (直方体 など)を含む多面体形状など、任意に選択することができる。要は、表面積が最も大 きい主面と、主面の両側にそれぞれ位置する電極とを有するとともに、前記電極が前 記基板に接触され且つ前記主面が前記基板に対して略垂直となるように縦長に立設 して配置できるような形状であれば、どのような形状であっても構わな 、。

また、請求項 3に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1または請求項 2に記載 された熱電変換モジュールにお 、て、前記コネクタが前記基板上に所定の配列で予 め固定されて 、ることを特徴とする。

この請求項 3に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1または請求項 2に 記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、コネクタが基 板上に所定の配列で予め固定されて 、るため、コネクタの第 1の嵌合部に対して熱 電変換素子を嵌め込んで装着するだけで簡単に熱電変換モジュールを作成すること ができ、組立の手間 (製造工程)を軽減できる (組立性が向上する)。 なお、上記構成では、コネクタを従来のリード線に用いられている金属によって形成 し、コネクタの第 1の嵌合部の取り付け幅を熱電変換素子の電極の幅よりも小さく設 定することが好ましい。このようにすれば、熱電変換素子をコネクタの第 1の嵌合部に 押し込んで嵌め付ける際に、第 1の嵌合部が弹性的に押し広げられて、ワンタッチ式 に熱電変換素子の電極がコネクタの第 1の嵌合部に取り付けられるとともに、リード線 に使用される金属の特性により熱電変換素子とコネクタとを隙間無く接合できるため 、熱電変換素子とコネクタとの間で導通不良や接触不良が生じなくなり有益である。 また、このようにコネクタの第 1の嵌合部の取り付け幅を熱電変換素子の電極の幅より も小さく設定する構成においては、第 1の嵌合部を一対の折り曲げ片によって形成す るとともに、各折り曲げ片の両端縁をテーパ状に形成することが好ましい。このように すると、熱電変換素子を折り曲げ片の両端縁側力 そのテーパ形状に沿って第 1の 嵌合部内にスライドさせて押し込むことにより、折り曲げ片が弹性的にスムーズに押し 広げられていくため、前述した作用効果に加え、コネクタに対する熱電変換素子の装 着が容易になる。

また、請求項 4に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 3のいずれ 力 1項に記載された熱電変換モジュールにお 、て、前記熱電変換素子の前記電極 は、熱電変換素子の両側に位置する一対の第 1および第 2の電極から成り、前記熱 電変換素子は、前記第 1の電極と対向する第 1の基板と、前記第 2の電極と対向する 第 2の基板との間で挟持されていることを特徴とする。

この請求項 4に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 3の 、 ずれ力 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、 熱電変換素子を一対の基板で挟んで、熱電変換素子を両側力も圧力をかけるように 固定するため、熱電変換素子の電極とコネクタとの接触面積が大きくなる。そのため 、導通不良や接触不良を軽減でき、電気的信頼性を向上させることができる。なお、 これら一対の基板には、アルミナ基板などの絶縁性基板もしくは PVD (物理的気相 成長法）によりステンレス (SUS)などを被着させて絶縁性を付与した基板を用いるこ とが好ましい。これにより、所定の配列で予め固定されているコネクタ同士の電気的 要因により生じた短絡を防止することができる。 また、請求項 5に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 4のいずれ 力 1項に記載された熱電変換モジュールにおいて、前記他の電極は、熱電変換モジ ユールが電気的に接続される外部電極であることを特徴とする。

この請求項 5に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 4の 、 ずれ力 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、 コネクタにより外部電極との接続を簡単且つ確実に行なうことができ、他の装置への 組み込み性に優れるとともに、電気的信頼性も高めることができる。つまり、第 1の嵌 合部を熱電変換素子に嵌め込み且つコネクタリード部を外部電極に接続するだけで 熱電変換モジュールと外部装置 (他のモジュール等）との電気的な接続が成されるた め、組立性が向上する。

また、請求項 6に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 5のいずれ 力 1項に記載された熱電変換モジュールにおいて、前記第 1の嵌合部は、前記熱電 変換素子の装着を案内し、前記熱電変換素子を前記第 1の嵌合部に装着した後に、 前記熱電変換素子に沿うように折り曲げ可能である案内部を有することを特徴とする この請求項 6に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 5の 、 ずれ力 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、 第 1の嵌合部が案内部を有することにより、熱電変換素子をコネクタに装着し易くなる (特に、コネクタの第 1の嵌合部の取り付け幅を熱電変換素子の電極の幅よりも小さく 設定した場合にその効果が大きい)ために、組立効率を向上させることができる。また 、案内部が熱電変換素子に沿うように折り曲げ可能であることにより、コネクタに熱電 変換素子を装着した後で案内部で熱電変換素子を固定することができ、コネクタに おける熱電変換素子の装着安定性を向上させることができる。したがって、導通不良 の無 、電気的信頼性が高 、熱電変換モジュールを提供できる。

また、請求項 7に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 6のいず れカ 1項に記載された熱電変換モジュールにおいて、前記第 1の嵌合部は、折り曲 げ可能であり、折り曲げた際に隣接するコネクタと電気的に接触するために十分な長 さを有する短絡用片を持つことを特徴とする。 この請求項 7に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 6の 、 ずれ力 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、 第 1の嵌合部が短絡用片を持つことにより、熱電変換素子自体の破損ゃ熱電変換素 子の劣化でコネクタとの間で導通不良を起こした場合であっても、短絡用片によりコ ネクタ間を導通させて容易に修復することが可能となる。

また、請求項 8に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 7のいずれ 力 1項に記載された熱電変換モジュールにおいて、前記コネクタリード部は、前記基 板上に配された他の熱電変換素子における他の電極に嵌合して取り付けられる第 2 の嵌合部を有して ヽることを特徴とする。

この請求項 8に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 7の 、 ずれ力 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、 コネクタリード部が、基板上に配された他の熱電変換素子における他の電極に嵌合 して取り付けられる第 2の嵌合部を有しているため、基板上でコネクタにより熱電変換 素子同士を電気的に接続することができる。つまり、従来の接続用リード線の代わり に、当該リード線をいわば一体的に組み込むようなコネクタを使用し、このコネクタに より熱電変換素子の電極同士を電気的に接続しているため、導通不良の無い電気 的信頼性が高 ヽ熱電変換モジュールを提供できる。

[0011] また、請求項 9に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 8のいず れカ 1項に記載された熱電変換モジュールにおいて、前記コネクタリード部は、前記 熱電変換素子の電極面間の側面にぉ 、て、前記電極面から延在する平行部を有す ることを特徴とする。

この請求項 9に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 8の 、 ずれ力 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、 コネクタリード部が平行部を有することにより、コネクタリード部と熱電変換素子との間 の接触面積が大きくなり、より大きな面積で熱電変換素子を保持することができ、コネ クタにおける熱電変換素子の装着安定性を向上させることができる。

[0012] また、請求項 10に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 9のい ずれ力 1項に記載された熱電変換モジュールにお 、て、前記熱電変換素子の両側 に挿入可能であり、電気絶縁性を有する櫛歯を持つ固定部材を具備することを特徴 とする。

この請求項 10に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 9の いずれか 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるととも に、櫛歯を持つ固定部材を具備することにより、一又は複数の熱電変換素子の両側 に櫛歯が挿入され、櫛歯によっても熱電変換素子が支持されることになり、モジユー ルにおける熱電変換素子の装着安定性を向上させることができる。

また、固定部材は、短絡防止のために電気絶縁性を持つことが好ましい。例えば、冷 却面側 (低温側）に固定部材を装着する場合には、固定部材にアルミニウムの陽極 酸化処理 (アルマイト処理)を施し、加熱面側（高温側）に固定部材を装着する場合 には、固定部材に PVD (物理的気相成長法）によりステンレス（SUS)を被着したり、 ガラスコーティングしたりすることが好まし 、。

また、請求項 11に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 10のいず れカ 1項に記載の熱電変換モジュールにお 、て、複数の前記熱電変換素子を前記 基板上に並設することにより所定の配列が形成され、前記コネクタは、前記配列内の 複数の熱電変換素子同士を電気的に接続する第 1のコネクタと、該第 1のコネクタに 接続されている前記配列内の最初または最後の熱電変換素子の電極と前記他の電 極とを電気的に接続する第 2のコネクタとを含んで ヽることを特徴とする。

この請求項 11に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 10 のいずれか 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとと もに、コネクタを用いて縦長の熱電変換素子を接続性良くし力も効率良くモジュール 化することができる。また、熱電変換素子の接続形態によってコネクタを使い分けるこ とができるため、用途に応じた様々な形態の熱電変換素子配列を実現することがで きる。

また、請求項 12に記載された熱電変換モジュールは、請求項 11に記載の熱電変換 モジュールにおいて、前記第 2のコネクタが接続する前記他の電極は、前記配列と隣 り合う他の配列内の熱電変換素子の電極であることを特徴とする。

この請求項 12に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 11に記載された 熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、複数の配列同士をコネク タにより電気的に接続することができるため、用途に応じた様々な形態の熱電変換素 子配列を実現することができる。

また、請求項 13に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 12のいず れカ 1項に記載された熱電変換モジュールにお 、て、前記熱電変換素子の前記電 極は、熱電変換素子の両側に位置する一対の第 1および第 2の電極から成り、前記 第 1および第 2の電極のうちの一方が加熱面として規定され、他方が冷却面として規 定され、前記加熱面と前記冷却面との温度差によって発電することを特徴とする。 この請求項 13に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 12 のいずれか 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとと もに、基板を加熱し、熱電変換素子の冷却面を冷却することで、基板から吸収された 熱エネルギを電気工ネルギに変換することができる。

また、請求項 14に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 13のいず れカ 1項に記載された熱電変換モジュールにお 、て、前記熱電変換素子が複合金 属酸ィ匕物を含む焼結体であることを特徴とする。

この請求項 14に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 13 のいずれか 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとと もに、熱電変換素子を複合金属酸化物の焼結体で構成したことにより、耐熱性や力 学的強度を向上させることができる。

また、請求項 15に記載された熱電変換モジュールは、請求項 14に記載された熱電 変換モジュールにおいて、前記複合金属酸化物が、構成元素として、アルカリ土類 金属と、希土類と、マンガンとを含んでいることを特徴とする。

この請求項 15に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 14に記載された 熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとともに、複合金属元素の酸化物 を、アルカリ土類金属と希土類とマンガンとを構成元素とする酸ィ匕物としたことにより、 高温での耐熱性をより向上させることができる。

なお、アルカリ土類金属としてはカルシウムを用いることが好ましぐ希土類元素とし てはイットリウムまたはランタンを用いることが好ましい。具体的には、ぺロブスカイト型 CaMnO系複合酸化物が挙げられる。ぺロブスカイト型 CaMnO系複合酸化物は、

3 3

一般式 Ca M Mn03 (Mはイットリウムまたはランタンであり、 0. 001≤x≤0. 05

(1 -X) X

である）で表わされるものであることが更に好ましい。

また、請求項 16に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 15のいず れカ 1項に記載された熱電変換モジュールにお 、て、前記各熱電変換素子が互 、 に同一素材力 成ることを特徴とする。

この請求項 16に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 15 のいずれか 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとと もに、熱電変換素子を同一素材 (例えば、同サイズ、同形状、同一材料（同一導電型 の半導体など) )で構成したことにより、それぞれの熱電変換素子の電気的特性を統 一することができる。その結果、例えば導電型の異なる素子同士を交互に配置して成 る従来型の熱電変換モジュールと比べて、熱電変換効率を向上させることができる。 また、請求項 17に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 16のいず れカ 1項に記載された熱電変換モジュールにお 、て、前記熱電変換素子の前記電 極は、熱電変換素子の両側に位置する一対の第 1および第 2の電極から成り、前記 第 1の電極と嵌合する第 1の嵌合部を有する一方のコネクタと前記第 2の電極と嵌合 する第 2の嵌合部を有する他方のコネクタとが前記熱電変換素子を挿入できるように その嵌合部同士を対向させて隣り合い、前記熱電変換素子が取り付けられていない 状態における前記一方のコネクタの第 1の嵌合部と前記他方のコネクタの第 2の嵌合 部との間の距離は、熱電変換素子における第 1の電極と第 2の電極との間の距離より も短く設定されて ヽることを特徴とする。

この請求項 17に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 16 のいずれか 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとと もに、先端が窄まった略コの字形状のコネクタに熱電変換素子を嵌合する際、嵌合 部の先端が押し広げられて熱電変換素子が嵌合される。これにより、嵌合部の先端 が熱電変換素子を押圧するので、コネクタにより確実に熱電変換素子を保持すること ができる。また、熱電変換素子が装着されると、互いに対向する嵌合部が略平行とな り、熱電変換モジュールにお 、て各コネクタでの電極と嵌合部との間の接触面積を 均一にすることができる。その結果、熱電効率を向上させることができる。 また、請求項 18に記載された熱電変換モジュールは、請求項 1から請求項 17のいず れカ 1項に記載された熱電変換モジュールにお 、て、前記第 1の嵌合部または前記 第 2の嵌合部は、熱電変換素子の固定用溝に係止されるフック状の係合部を有して いることを特徴とする。

この請求項 18に記載された熱電変換モジュールによれば、請求項 1から請求項 17 のいずれか 1項に記載された熱電変換モジュールと同様の作用効果が得られるとと もに、コネクタの係合部が熱電変換素子の固定用溝に係止することにより熱電変換 素子がコネクタに対して強固に装着されるため、装着安定性を向上できるとともに、 導通不良の無！、電気的信頼性が高 、熱電変換モジュールを提供できる。

[0013] なお、本発明では、前述した特徴的構成を有する熱電変換素子用コネクタも提供さ れる。

発明の効果

[0014] 本発明によれば、従来の接続用リード線と一体になつた嵌合部を有するコネクタに より熱電変換素子同士が電気的に接続されるため、導通不良の無い電気的信頼性 が高い熱電変換モジュールおよび熱電変換素子用コネクタを提供できる。

発明を実施するための最良の形態

[0015] 以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

本発明者は、熱電変換素子のさらなる高出力化を目的として、熱電変換素子の組成 及びその形状にっ 、て検討した。

まず、粉砕ボールを投入した混合ポット内に CaCO、 MnCO、及び Y Ο、さらに純

3 3 2 3 水を加え、この混合ポットを振動ボールミルに装着して 2時間振動させることにより、 混合ポットの内容物を混合した。次いで、得られた混合物を濾過し、乾燥し、乾燥後 の混合物を電気炉において 1000°C、 5時間で仮焼成した。次いで、得られた仮焼成 体を振動ミルで粉砕し、粉砕物を濾過し、乾燥した。次いで、乾燥後の粉砕物にバイ ンダーを添加し、乾燥した後に分級することにより造粒した。その後、得られた造粒体 をプレス機で成型し、得られた成型体を電気炉で 5時間本焼成した。これにより、焼 結体として CaMnO系熱電変換素子を得た。 [0016] また、上記方法で ίま、 Ca Y ΜηΟ〖こお!/ヽて χを 0、 0. 003、 0. 006、 0. 0125、 0 l-x x 3

. 025、 0. 05、 0. 10とした 7種類のサンプルを作製し、それぞれのサンプルの製造 にお ヽて、本焼成温度を 1100°C、 1200°C、 1300°Cに変更した。また、サンプノレと して、約 8mm角で厚さ約 2. 5mmの平板サンプルと、断面が約 2. 5mm X約 3mm で長さが約 8mmの棒状サンプルとを用意した。

[0017] このように 7種類の組成にっ 、て本焼成温度を変えて得られた平板サンプル及び 棒状サンプルに関して、抵抗率 p及びゼーベック係数 OCを測定した。抵抗率 pはデ イジタルボルトメータを用いた 4端子法で測定し、ゼーベック係数 αは図 1に示される 測定装置 Αにより測定した。その結果が図 2および図 3に示されている。

なお、図 1に示される測定装置 Aにおいては、ホットプレート 2上にアルミニウム板 4を 介して配置された一対の銅板 6, 6〖こサンプル 8を挟み、上方の銅板 6上にヒートシン ク 10を配置する。また、一対の銅板 6, 6にはそれぞれディジタルボルトメータ 12およ び熱電対 14が接続されており、熱電対 14はディジタル温度計 16に接続されている。

[0018] 平板サンプルの抵抗率 pは図 2に示すよう〖こなり、平板サンプルのゼーベック係数 αは図 3に示すようになる。図 2および図 3に示されるように、本焼成温度が高いほど 、また、上記組成において Xが大きいほど、抵抗率 ρおよびゼーベック係数 aがとも に低力つた。また、得られた抵抗率 pおよびゼーベック係数 αから出力因子 PF ( = S 2Z /0 )を求めた。その結果が図 4に示されている。図 4から分かるように、上記組成に おける X力^). 003-0. 1であり且つ本焼成温度が 1200°Cの場合に、文献値 [ (Ca

0.9

Bi ) MnO M.Ohtaki

0.1 3

et. J.solid state, chem. 120(1995)]よりも高い出力因子が得られた。また、出力因子 は、上記組成における Xが 0. 0125であり且つ本焼成温度が 1300°Cの場合に、 4. 0 2 X 10"⁴W/ (m-K²)と最も高!ヽ値であった。

[0019] また、棒状サンプルの抵抗率 pは図 5に示すようになり、棒状サンプルのゼ一べッ ク係数 αは図 6に示すようになる。図 5および図 6に示されるように、上記組成におけ る Xの増加に伴う傾向は平板サンプルと同じである。また、ゼーベック係数 αは棒状 サンプルの方が大き力つた。また、抵抗率 ρは平板サンプルとほぼ同等であった。ま た、得られた抵抗率 ρおよびゼーベック係数 aから出力因子 PF ( = S²Z P )を求め た。その結果が図 7に示されている。図 7から分かるように、上記組成における Xが 0. 025であり且つ本焼成温度が 1300°Cの場合に、 8. 85 X 10— "w/ dn.K²)と文献値 [ (Ca Bi ) MnO M.Ohtaki

0.9 0.1 3

et. J.solid state, chem. 120(1995)]よりも 7倍程度の高い出力因子が得られた。

[0020] このように、棒状素子の方が高い出力因子を持つことがわ力つた。このため、棒状 素子を用いて熱電変換モジュールを作製することが好ましいと考えられる。ここで、棒 状素子を用いた熱電変換モジュールにつ 、て考察する。

[0021] 本発明者は、平板状素子を用いた熱電変換モジュールについて先に特許出願し ており、また、それは既に公開されている（国際公開公報 05Z124881号パンフレツ ト)。この公報記載の発明においては、素子に接続するリード線による熱移動をできる だけ抑制するために、素子の断面積を小さくしており、このため、許容電流も小さく抑 える必要がある。したがって、このようなモジュールでは、温度差が 200°C以上になる と、電流値が 10A以上となり、リード線に影響を及ぼすことが考えられる。

[0022] そこで、本発明者は、上述したように高い出力因子を持つ棒状素子を用いることに より、熱電変換モジュールにおいて素子抵抗を高くして電流を抑制させることができ ることを見出した。また、後述するように、素子を縦型にすることにより、温度差が取り 易くなるために、電圧を高くすることができ、熱抵抗を適当な値にすることにより出力 密度を上げることが可能であることを見出した。

[0023] これに関し、まず、図 8を参照しながら、素子の長さによる温度差への影響について 説明する。

素子に熱が伝わる際の素子両端の温度差は、素子の熱伝導率や素子の長さの他に 、熱源温度、冷却温度、素子への熱流入'放出時の熱抵抗により決まる。すなわち、 図 8に示すように、素子 20がー対の支持板 22, 24に挟持されている場合には、熱源 温度 Thは、一方の支持板 22を伝導する際に熱抵抗 R1により T1に低下し、素子 20 を伝導する際に T2に低下し、さらに、他方の支持板 24を伝導する際に熱抵抗 R2〖こ より Tcに低下する。

[0024] この場合において、支持板 22, 24および素子 20を伝導する際の熱量 Qは、下記 式（1)で表される。 [0025] Q= { (Th-Tc) / (Rl +l/k+R2) } - S 式（1)

ここで、 kは熱伝導率を示し、 1は素子 20の長さを示し、 Sは断面積を示す。

[0026] したがって、素子 20両端の温度差 T1 T2は、下記式（2)で表される。

[0027] T1 -T2 = Q/S - (1/k)

= { (Th-Tc) - (1/k) }/ (Rl +l/k+R2)

式 (2)

この式（2)を用いて、素子 20の長さに対する温度差について求めた。求める際の 条件としては、 Th= 500°C、 Tc = 20°Cとし、素子 20の熱伝導率を 2. OWZm'Kと し、熱抵抗 Rl, R2をいずれも 0. 0001〜0. 01m²ZW'Kの範囲で変化させた。ま た、素子 20の長さは 0. lcm〜3. Ocmとした。その結果を図 9に示す。図 9から分か るように、素子の長さが長くなるにつれて温度差が大きくなり、熱抵抗が小さいほど温 度差が大きくなる。また、熱抵抗が 0. 0001m²ZW'Kでは素子の長さが 0. 2cmで 約 400°Cの温度差が得られるのに対して、 0. 01m²ZW'Kでは素子の長さが 0. 2c mで約 23°Cの温度差し力得られない。この結果から、温度差を大きくとるためには、 熱抵抗をできるだけ小さくする必要があることがわかる。

[0028] 次に、素子の長さによる発生最大出力への影響について説明する。

[0029] 熱電変換素子の発生最大出力 Pmaxは、熱起電力 Vと素子の電気抵抗 Rにより下 記式（3)で表される。

[0030] Pmax= (V²/R) /4 式（3)

また、熱起電力は、熱電変換材料のゼーベック係数 αと温度差 ΔΤにより下記式（ 4)により表される。

[0031] V= α · ΔΤ 式（4)

ここで、温度差 ΔΤは、上述したように素子の長さに依存するので、素子の長さに対 する発生最大出力について算出した。この場合、熱電変換材料のゼーベック係数を 250 /z VZKとし、抵抗率を 0. 015 Ω 'cmとし、熱伝導率を 2. OWZm'Kとし、素子 の断面積を 1. Ocm²とした。熱抵抗 Rl, R2をいずれも 0. 0001〜0. 01m²/W-K の範囲で変化させた。その結果を図 10に示す。図 10から分かるように、素子の長さ により発生最大出力が変化し、熱抵抗の値により最大となる素子の長さがある。また、 熱抵抗が小さくなるにつれて、最大出力が得られる素子の長さが短くなることがわか る。また、熱抵抗が 0. 005m²ZW'Kでは素子の長さが 2. Ocm、 0. 001m²/W-K では素子の長さが 0. 4cmと求められた。したがって、熱抵抗が 0. 001m²ZW'K〜 0. 005m²/W'Kの範囲においては、素子の長さが 0. 4cm〜2. Ocmであることが 適当であると考えられる。

[0032] 次に、素子形状の変更による出力特性について説明する。

[0033] 平板状の素子（断面 8mm X 8mm,高さ 2mm)と、棒状（縦型）の素子（断面 8mm

X 2mm、高さ 8mm)とで、電圧、電流、最大発生出力について調べた。その結果を 図 11に示す。この場合、熱源温度を 500°Cとし、冷却温度を 20°Cとし、熱電変換材 料のゼーベック係数 αを 250 μ VZKとし、抵抗率を 0. 015 Ω 'cmとし、熱伝導率を 2. OWZm'Kとした。

[0034] 図 11から分力るように、棒状の素子の方が大きい抵抗であるため、開放電圧が高く 、短絡電流が小さい。また、熱抵抗が 0. 005m²ZW'Kでは出力密度が平板状の素 子よりも大きくなつた。

[0035] このように、熱電変換素子としての出力の点においては、棒状素子の方が好ましい ことがわかった。

そのため、本発明者は、このような棒状素子を実現するため、熱電変換素子を立てた 状態に配列する必要性を見出すとともに、複数の熱電変換素子を立てた状態で接続 性良くし力も効率良く接続してモジュールィ匕できるコネクタを案出した。以下、これに ついて詳しく説明する。

図 17には、 3種類の第 1ないし第 3の熱電変換素子用コネクタ Cl、 C2, C3を用いて 複数の熱電変換素子 30を所定の配列で電気的に接続して構成した本発明の一実 施形態に係る熱電変換モジュール Mが示されている。図示のように、熱電変換素子 3 0の前記配列は、互いに隣り合って並列に延びる第 1ないし第 4の配列 Al, A2, A3 , A4を含んでいる。また、図 17では、各配列 Al, A2, A3, A4毎に 17個の熱電変 換素子 30が直列に接続されるとともに、各配列 A1〜A4同士も直列に接続されてい る。

[0036] 熱電変換モジュール Mを構成する各熱電変換素子 30は、ゼーベック効果やペル チェ効果を利用して熱エネルギと電気工ネルギとを相互に変換する素子であり、互 ヽ に同一素材力 成っている。すなわち、各熱電変換素子 30は、サイズ (例えば、断面 が約 2. 5mm X約 3mmで長さが約 8mm)、形状、材料（同一導電型の半導体など） がいずれも同一に設定されている。具体的に、本実施形態において、各熱電変換素 子 30は、複合金属酸化物から成る焼結体セルであり、構成元素としてアルカリ土類 金属と希土類とマンガンとを含んでいる。特に本実施形態では、 CaMnO系素子が

3 各熱電変換素子 30として使用される。なお、本実施形態では、熱電変換素子 30とし て n型半導体を用いて 、るがこれに限定されな 、。

また、図 18に示されるように、各熱電変換素子 30は、直方体を成しており、表面積が 最も大きい一対の対向する主面 30a, 30bと、これらの主面 30a, 30bの両側〖こそれ ぞれ位置する第 1および第 2の電極 (以下、平面を成していることから、第 1および第 2の電極面と!/、う） 30c, 30dと、残る 2つの佃 J面 30f, 30eとを有して!/ヽる。この場合、 第 1および第 2の電極面 30c, 30dのうちの一方が加熱面として規定され、他方が冷 却面として規定されており、前記加熱面と前記冷却面との温度差によって発電するよ うになつている。

なお、側面 30f, 30eを電極面としても構わない。また、各熱電変換素子 30は、矩形 状ではなぐ棒状、特に円柱状を成していても良い。その場合、円柱体の上面および 下面が電極面として形成され、側面が主面として形成される。

また、本実施形態において、熱電変換素子 30の配列 A1〜A4は、図 19に明確に示 されるように、各熱電変換素子 30の第 1の電極面 30cと対向する第 1の基板 90と、各 熱電変換素子 30の第 2の電極面 30dと対向する第 2の基板 91との間で挟持されて ヽる。この場合、各熱電変換素子 30ίま、電極面 30c, 30d力コネクタ CI, C2, C3を 介して基板 90, 91に接触され且つ主面 30a, 30bが基板 90, 91に対して略垂直と なるように縦長に立設して配置されて 、る。

図 17に明確に示されるように、互いに隣り合う熱電変換素子 30同士は、一方の素子 の第 1の電極面（"電極"） 30aと他方の素子の第 2の電極面（"他の電極"） 30bと力所 定形状のコネクタ Cを介して電気的に接続されている。このようなコネクタ Cは、各配 列 A1〜A4内の熱電変換素子 30同士を電気的に接続する略コの字形状 (第 1の形 状）の第 1のコネクタ CI (図 13参照）と、互いに隣り合う配列 Al, A2(A2, A3 ; A3, A4)のうちの一方の配列内の 1つの熱電変換素子 30と他方の配列内の他の 1つの 熱電変換素子 30とを電気的に接続する略 S字形状 (第 2の形状)の第 2のコネクタ C2 (図 14参照）とから成る。また、熱電変換モジュール Mには、配列全体の最初の熱電 変換素子 30Aおよび最後の熱電変換素子 30Bと外部電極（図示しない"他の電極" )とを電気的に接続するための更なる第 2のコネクタ（以下、第 3のコネクタという） C3 ( C3a, C3b)も存在する（図 15および図 16参照）。なお、コネクタ CI, C2, C3の材質 としては、高温酸化雰囲気中で鲭び難い、銀、真鍮、 SUS等を挙げることができる。 図 12の（a)および図 13に示されるように、第 1のコネクタ C1は、基板 90, 91上に配 される 1つの熱電変換素子 30の第 1または第 2の電極面（"電極"） 30c, 30dに嵌合 して取り付けられる第 1の嵌合部 40と、第 1の嵌合部 40を"他の電極"に対して電気 的に接続するコネクタリード部 45とを有している。また、コネクタリード部 45は、基板 9 0, 91上に配される他の 1つの熱電変換素子 30の前記"他の電極"としての第 1また は第 2の電極面 30c, 30dに嵌合して取り付けられる第 2の嵌合部 42と、この第 2の 嵌合部 42と第 1の嵌合部 40とを接続する接続部 44とから成る。また、各嵌合部 40, 42は、主面 30a, 30bの端縁を両側力も挟み込む折り曲げ片 eを両端に有している。 更に、各折り曲げ片 eの両端縁には斜めに切り欠かれたテーパ部 47が設けられてい る。また、本実施形態では、図 12の（a)に示される展開状態で板状体力も切り出され た第 1のコネクタ C1を嵌合部 40, 42と接続部 44との境界部で略 90度に折り曲げると ともに、嵌合部 40, 42の両端の折り曲げ片 eを 90度以上折り曲げることにより、図 13 に示される略コの字状の使用形態を得ることができる。そして、例えば、第 1の嵌合部 40を同一配列内の互いに隣り合う熱電変換素子 30, 30のうちの一方の第 1の電極 面 ("電極"） 30cに嵌合するとともに、第 2の嵌合部 42を前記隣り合う熱電変換素子 3 0, 30のうちの他方の第 2の電極面（"他の電極"） 30dに嵌合させると、接続部 44が 上下にわたって斜めに方向付けられ、互いに隣り合う熱電変換素子 30, 30同士が 電気的に接続される。この場合、図 17に示されるように、第 1のコネクタ C1は、熱電 変換素子 30の同一の配列内では接続部 44が互 ヽに同じ方向で斜めに向けられる ように取り付けられるとともに、隣り合う配列間では接続部 44の方向が逆向きになるよ うに取り付けられる（例えば、第 1の配列 A1内の接続部 44の傾斜方向は、第 2の配 列 A2内の接続部 44の傾斜方向と逆である）。また、主面 30a, 30bに対して接続部 4 4が位置する側は、同一配列内では全て同じであるが、隣り合う配列間では逆となる 。すなわち、第 1の配列 A1内では、接続部 44が側面 30e側に位置される力 第 2の 配列 A2内では、接続部 44が側面 30f側に位置される。

[0038] なお、ここでは、折り曲げ片 eを 90度以上折り曲げて傾斜させることにより、第 1のコ ネクタ C1の嵌合部 40, 42の取り付け幅 W1 (図 13の（b)参照）が熱電変換素子 30の 電極面 30c, 30dの幅 W2 (図 18参照）よりも小さく設定されている。このようにすれば 、熱電変換素子 30を第 1のコネクタ C1の嵌合部 40, 42に押し込んで嵌め付ける際 に、嵌合部 40, 42 (折り曲げ片 e)が弹性的に押し広げられて、ワンタッチ式に熱電 変換素子 30の電極面 30c, 30dをコネクタ C1の嵌合部 40, 42に取り付けることがで きるとともに、熱電変換素子 30とコネクタ C1とを隙間無く接合できるため、熱電変換 素子 30とコネクタ C1との間で導通不良や接触不良が生じなくなり有益である。特に、 本実施形態では、各折り曲げ片 eの両端縁に斜めに切り欠かれたテーパ部 47が設 けられているため、図 20に示されるように、熱電変換素子 30を折り曲げ片 eの両端縁 側からそのテーパ形状に沿って嵌合部 40, 42内にスライドさせて押し込むことができ 、また、それによつて折り曲げ片 eを弹性的にスムーズに押し広げることができるため、 第 1のコネクタ C1に対する熱電変換素子 30の装着が容易になる。

[0039] また、図 12の（b)および図 14に示されるように、第 2のコネクタ C2は、基板 90, 91 上に配される 1つの熱電変換素子 30の第 1または第 2の電極面（"電極"） 30c, 30d に嵌合して取り付けられる第 1の嵌合部 50と、第 1の嵌合部 50を"他の電極"に対し て電気的に接続するコネクタリード部 55とを有している。また、コネクタリード部 55は、 基板 90, 91上に配される他の 1つの熱電変換素子 30の前記"他の電極"としての第 1または第 2の電極面 30c, 30dに嵌合して取り付けられる第 2の嵌合部 52と、この第 2の嵌合部 52と第 1の嵌合部 50とを接続する接続部 54とから成る。また、各嵌合部 5 0, 52は、主面 30a, 30bの端縁を両側から挟み込む折り曲げ片 eを両端に有してい る。更に、各折り曲げ片 eの両端縁には斜めに切り欠かれたテーパ部 57が設けられ ている。また、本実施形態では、図 12の (b)に示される展開状態で板状体力も切り出 された第 2のコネクタ C2を嵌合部 50, 52と接続部 54との境界部で略 90度に折り曲 げるとともに、嵌合部 50, 52の両端の折り曲げ片 eを 90度以上折り曲げることにより、 図 14に示される略コの字状の使用形態を得ることができる。そして、例えば、第 1の 嵌合部 50を、互いに隣り合う配列 Al, A2(A2, A3 ; A3, A4)のうちの一方の配列内 の端部に位置する 1つの熱電変換素子 30の第 1の電極面（"電極"） 30c (または、第 2の電極面 30d)に嵌合させるとともに、第 2の嵌合部 52を、前記隣り合う配列のうち の他方の配列内の端部に隣接して位置する他の 1つの熱電変換素子 30の第 2の電 極面（"他の電極"） 30d (または、第 1の電極面 30c)に嵌合させると、これらの隣り合 ぅ熱電変換素子 30間に接続部 54が挟み込まれるように位置されるとともに、これらの 熱電変換素子 30, 30同士が電気的に接続される。

[0040] なお、この第 2のコネクタ C2の場合も、折り曲げ片 eを 90度以上折り曲げて傾斜さ せることにより、コネクタ C2の嵌合部 50, 52の取り付け幅 W1 (図 14の（b)参照）が熱 電変換素子 30の電極面 30c, 30dの幅 W2 (図 18参照）よりも小さく設定されている。 したがって、熱電変換素子 30を第 2のコネクタ C2の嵌合部 50, 52に押し込んで嵌 め付ける際に、嵌合部 50, 52 (折り曲げ片 e)が弹性的に押し広げられて、ワンタッチ 式に熱電変換素子 30の電極面 30c, 30dをコネクタ C2の嵌合部 50, 52に取り付け ることができるとともに、熱電変換素子 30とコネクタ C2とを隙間無く接合できるため、 熱電変換素子 30とコネクタ C2との間で導通不良や接触不良が生じなくなり有益であ る。特に、本実施形態では、各折り曲げ片 eの両端縁に斜めに切り欠かれたテーパ部 57が設けられているため、第 1のコネクタ C1と同様に、熱電変換素子 30を折り曲げ 片 eの両端縁側力もそのテーパ形状に沿って嵌合部 50, 52内にスライドさせて押し 込むことができ、また、それによつて折り曲げ片 eを弹性的にスムーズに押し広げるこ とができるため、第 2のコネクタ C2に対する熱電変換素子 30の装着が容易になる。

[0041] また、図 12の（c)に示されるように、第 3のコネクタ C3は、熱電変換素子 30の第 1の 電極 30c (または，第 2の電極面 30d)に対して嵌合して取り付けられる第 1の嵌合部 60と、第 1の嵌合部 60の端部から垂直に延びるとともに外部電極と電気的に接続さ れるコネクタリード部 64とを有している。嵌合部 60は、主面 30a (30b)の端縁を両側 から挟み込む折り曲げ片 eを両端に有している。また、各折り曲げ片 eの両端縁には 斜めに切り欠かれたテーパ部 67が設けられて 、る。

また、第 3のコネクタ C3は、配列全体の最初の熱電変換素子 30A (図 17参照）と外 部電極（図示しない"他の電極"）とを電気的に接続するためのコネクタ C3a (図 15参 照）と、配列全体の最後の熱電変換素子 30B (図 17参照）と外部電極 (図示せず)と を電気的に接続するためのコネクタ C3b (図 16参照）とに分けられる力 いずれのコ ネクタ C3a, C3bも、図 12の（c)に示される展開状態で板状体力も切り出されたコネ クタ C3から形成される。

すなわち、本実施形態では、図 12の（c)に示される展開状態で板状体力 切り出さ れた第 3のコネクタ C3を嵌合部 60とコネクタリード部 64との境界部で略 90度に折り 曲げ且つコネクタリード部 64の途中部分 69で略 90度に折り曲げるとともに、嵌合部 6 0の両端の折り曲げ片 eを 90度以上折り曲げると、図 15に示されるように、配列全体 の最初の熱電変換素子 30Aと外部電極（図示しない"他の電極"）とを電気的に接続 するためのコネクタ C3aを得ることができる。一方、図 12の（c)に示される展開状態で 板状体力も切り出された第 3のコネクタ C3を嵌合部 60とコネクタリード部 64との境界 部で略 90度に折り曲げるとともに、嵌合部 60の両端の折り曲げ片 eを 90度以上折り 曲げると、図 16に示されるように、配列全体の最後の熱電変換素子 30Bと外部電極（ 図示しない"他の電極"）とを電気的に接続するためのコネクタ C3bを得ることができ る。そして、コネクタ C3aおよびコネクタ C3bの嵌合部 60を配列全体の最初および最 後の熱電変換素子 30A, 30Bの第 1または第 2の電極面 30c (30d)に嵌合するととも に、コネクタリード部 64を外部電極に対して接続すると、熱電変換モジュール Mと外 部装置 (または、外部素子、外部回路）とが電気的に接続される。なお、この第 3のコ ネクタ C3の場合も、折り曲げ片 eを 90度以上折り曲げて傾斜させることにより、コネク タ C3の嵌合部 60の取り付け幅 W1 (図 15の (b)参照）が熱電変換素子 30の電極面 30c, 30dの幅 W2 (図 18参照）よりも小さく設定されて！、る。

なお、本実施形態の 1つの態様としては、各コネクタ CI, C2, C3が基板 90 (及び Z 又は基板 91)上に所定の配列で予め固定されており、これらのコネクタ CI, C2, C3 の嵌合部 40, 42, 50, 52, 60に対して各熱電変換素子 30を嵌め込んで装着するこ とにより、互いに電気的に接続される熱電変換素子 30の配列 Al, A2, A3, A4が形 成される。無論、各コネクタ CI, C2, C3を個別に熱電変換素子 30に対して予め嵌 め付け、こうして形成されたコネクタ付の熱電変換素子 30を基板 90, 91上に所定の 配列で取り付けるようにしても構わな 、。

以上のような構成の熱電変換モジュール Mにおいては、各熱電変換素子 30の高 温部と低温部との間で発生する熱エネルギが電気工ネルギに変換される。そして、得 られた電気工ネルギは、コネクタリード部 64を介して外部電極に電力として供給され る。

以上説明したように、本実施形態において、互いに隣り合う熱電変換素子 30同士は 、一方の素子の第 1の電極面 30cと他方の素子の第 2の電極面 30dとが所定形状の コネクタ CI, C2を介して電気的に接続されている。このように、従来の接続用リード 線の代わりに、当該リード線をいわば一体的に組み込むようなコネクタ (従来の接続 用リード線と嵌合部とがー体ィ匕したコネクタ） CI, C2を使用し、これらのコネクタ C1, C2により熱電変換素子 30同士を電気的に接続すると、導通不良の無い電気的信頼 性が高 、熱電変換モジュール Mを提供できる。

この場合、前述したように、各コネクタ CI, C2, C3を基板 90 (及び Z又は基板 91) 上に所定の配列で予め固定しておき、これらのコネクタ CI, C2, C3の嵌合部 40, 4 2, 50, 52, 60に対して各熱電変換素子 30を嵌め込んで装着することにより、互い に電気的に接続される熱電変換素子 30の配列 Al, A2, A3, A4を形成するように すれば、簡単に熱電変換モジュールを作成することができるため、組立の手間（製造 工程)を軽減できる (組立性が向上する)。

また、本実施形態において、熱電変換素子 30は、その電極面 30c, 30dが基板 90, 91と対向され且つその主面 30a, 30b力基板 90, 91に対して略垂直となるように縦 長に立設して配置されている。このように熱電変換素子 30を縦長に立設した状態で 配列すると、本実施形態の導入部分で前述したように、熱電変換素子 30の高さ方向 の寸法が大きくなり、素子抵抗が高くなつて、電流が抑制されるとともに、素子両端間 の温度差が取り易くなつて、起電力が上がり、高い熱電変換効率を得ることができる ようになる。

また、本実施形態の熱電変換モジュール Mでは、熱電変換素子 30の配列 A1〜A4 がー対の基板 90, 91間で挟持されている。このように、熱電変換素子 30の配列 A1 〜A4を一対の基板 90, 91で挟んで、熱電変換素子 30を両側力 圧力をかけるよう に固定すると、熱電変換素子 30の電極面 30a, 30bとコネクタ CI, C2, C3との接触 面積が大きくなるため、導通不良や接触不良を軽減でき、電気的信頼性を向上させ ることがでさる。

また、本実施形態の熱電変換モジュール Mでは、その電気的な接続位置に応じて、 対応する適切な形状を有する 3種類のコネクタ CI, C2, C3を使用するようになって いる。そのため、縦長の熱電変換素子 30を接続性良くし力も効率良くモジュールィ匕 することができるとともに、熱電変換素子 30の接続形態によってコネクタを使い分ける ことができるため、用途に応じた様々な形態の熱電変換素子配列を実現することがで きる。

また、本実施形態の熱電変換モジュール Mでは、熱電変換素子 30が複合金属酸化 物の焼結体によって形成されているため、耐熱性や力学的強度を向上させることが できる。特に本実施形態では、前記複合金属元素の酸化物を、アルカリ土類金属と 希土類とマンガンとを構成元素とする酸ィ匕物としたことにより、高温での耐熱性をより 向上させることができる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で 種々変形して実施できることは言うまでもない。例えば、前述した実施形態では、同じ 導電型の複数の半導体素子が所定の配列を成して設けられるとともに、これらの半 導体素子の両面に位置する電極同士がコネクタにより接続されて成るモジュール構 造が一例として挙げられているが、本発明は、基板上に n型半導体素子と p型半導体 素子とが交互に配置されるとともに、隣接する半導体素子同士が電極によって互い に接続されるモジュール構造のものにも適用できる。また、コネクタの形状も前述した 実施形態に限定されない。例えば、第 3のコネクタ C3に関して変形例を挙げると、図 21の（a)に示されるように第 1の嵌合部 60の中央力もコネクタリード部 64が延出する 形状も考えられる。このような形状では、途中部分 69での折り曲げの有無に応じて図 21の（b)に示されるような 2つの種類のコネクタ C3a, C3bを得ることができ、これによ り、例えば図 22に示されるように、外部電極の位置関係に適合させるベぐ配列全体 の最初の熱電変換素子 30Aおよび最後の熱電変換素子 30B力もコネクタリード部 6 4を同一平面内で延ばすことができる。

[0044] また、前述した実施形態では、熱電変換素子がコネクタに取り付けられて 、な 、状 態において熱電変換素子の両側に嵌合するコネクタの嵌合部同士の距離が熱電変 換素子の電極面間の距離より短くても良い。具体的には、例えば図 19に示されるよう な配列 A1における第 1のコネクタ C1に関しては、第 1の電極面 30cと嵌合する第 1の 嵌合部 40を有する一方のコネクタ C1と第 2の電極面 30dと嵌合する第 2の嵌合部 42 を有する他方のコネクタとが熱電変換素子 30を挿入できるようにその嵌合部 40, 42 同士を対向させて隣り合っているが、その場合に、図 23に示されるように、熱電変換 素子 30が取り付けられていない状態における隣り合う一方の第 1のコネクタ C1の第 1 の嵌合部 40と他方の第 1のコネクタ C1の第 2の嵌合部 40との間の距離 Yは、熱電変 換素子 30における第 1の電極面 30cと第 2の電極面 30dとの間の距離 Xよりも短く設 定されていても良い。

[0045] このようにすると、先端が窄まった略コの字形状のコネクタ C1に熱電変換素子 30を 嵌合する際、嵌合部 40, 42の先端が押し広げられて熱電変換素子 30が嵌合される 。これにより、嵌合部 40, 42の先端が熱電変換素子 30を押圧するので、コネクタ C1 により確実に熱電変換素子 30を保持することができる。また、熱電変換素子 30が装 着されると、互いに対向する嵌合部 40, 42が略平行となり、熱電変換モジュールに おいてコネクタ C1での電極面 30c, 30dと嵌合部 40, 42との間の接触面積を均一に することができる。その結果、熱電効率を向上させることができる。無論、このような構 成は第 2および第 3のコネクタ C2, C3に対して適用することができる。

[0046] また、前述した実施形態では、コネクタ CI, C2, C3に対する熱電変換素子 30の 挿入嵌合を容易にするため、図 24に示されるように、熱電変換素子 30の端縁 99が 丸みを帯びていても良い。すなわち、熱電変換素子 30の端縁 99が所定の曲率で R 面取りされていても良い。このようにすれば、熱電変換素子 30をコネクタ CI, C2, C 3に挿入する際に引っ掛力り難くなり、熱電変換素子 30をコネクタ CI, C2, C3ヘス ムーズに挿入できる。なお、このような熱電変換素子 30の形状は成形時の金型を変 更することで簡単に実現できる。 [0047] また、コネクタ CI, C2, C3に対する熱電変換素子 30の挿入性を高めるという観点 では、図 25に示されるような構成も考えられる。すなわち、図 25は一例として第 1のコ ネクタ C1を示している力 この場合、第 1の嵌合部 40および第 2の嵌合部 42は、そ の端縁に、熱電変換素子 30の装着を案内し且つ熱電変換素子 30を嵌合部 40, 42 に装着した後に熱電変換素子 30に沿うように内側に折り曲げ可能（図 25の (b) (c) 参照）な案内部 100を有している。この案内部 100は、片状を成しており、外側に向 力つて広がるように延びて 、る。

[0048] このように嵌合部 40, 42が案内部 100を有していれば、熱電変換素子 30をコネク タ C1に装着し易くなる (特に、コネクタの嵌合部の取り付け幅を熱電変換素子の電極 の幅よりも小さく設定した場合（図 23の構成など）にその効果が大きい)ために、組立 効率を向上させることができる。また、案内部 100が熱電変換素子 30に沿うように折 り曲げ可能であることにより、コネクタ C1に熱電変換素子 30を装着した後で案内部 1 00で熱電変換素子を固定することができ（図 25の（c)参照）、コネクタ C1における熱 電変換素子 30の装着安定性を向上させることができる。したがって、導通不良の無 い電気的信頼性が高い熱電変換モジュールを提供できる。無論、このような構成は 第 2および第 3のコネクタ C2, C3に対して適用することができる。

[0049] また、コネクタにおける熱電変換素子の装着安定性の向上という観点からは図 26 に示されるような構成も考えられる。すなわち、図 26は一例として第 1のコネクタ C1を 示しているが、この場合、第 1の嵌合部 40および第 2の嵌合部 42 (具体的には、各折 り曲げ片 e)は、熱電変換素子 30の上下両側に形成された固定用溝 102 (図 26の (a )参照）に係止されるフック状の係合部 104を有している（図 26の（b)参照)。このよう にすると、装着時にコネクタ C1の係合部 104が熱電変換素子 30の固定用溝 102に 係止する（図 26の（c)参照）ことにより熱電変換素子 30がコネクタ C1に対して強固に 装着されるため、装着安定性を向上できるとともに、導通不良の無い電気的信頼性 が高い熱電変換モジュールを提供できる。無論、このような構成は第 2および第 3の コネクタ C2, C3に対して適用することができる。

[0050] また、コネクタにおける熱電変換素子の装着安定性の向上という観点からは更に図 27に示されるような構成も考えられる。すなわち、図 27は一例として第 1のコネクタ C 1を示しているが、この場合、コネクタリード部を構成する接続部 44は、図 27の（a)に 示されるように、熱電変換素子 30の電極面 30c, 30d間の側面において、電極面 30 c, 30dから延在する平行部 120を上下両側に有している。コネクタリード部がこのよう な平行部 120を有することにより、コネクタリード部 (接続部 44)と熱電変換素子 30と の間の接触面積が大きくなり、より大きな面積で熱電変換素子 30を保持することがで き、コネクタ C1における熱電変換素子 30の装着安定性を向上させることができる。

[0051] なお、本構成に加えて或いは本構成とは別個に、更なる装着安定性を確保するた め、図 27の（b)に示されるような熱電変換素子 30の両側に挿入可能で且つ電気絶 縁性を有する櫛歯 110を持つ固定部材 105を設けても良 、。このような櫛歯 110を 持つ固定部材 105を設けると、一又は複数の熱電変換素子 30の両側に櫛歯 110が 挿入され (図 27の（c) (d)参照）、櫛歯 110によっても熱電変換素子 30が両側力も支 持されることになり、モジュールにおける熱電変換素子 30の装着安定性を向上させ ることができる。また、固定部材 105は、短絡防止のために電気絶縁性を持っている ため、特に熱電変換素子 30同士が露出して対向する熱電変換素子 30の側方で電 気的絶縁 (熱電変換素子 30同士の短絡防止）を図ることができ有益である。なお、こ の場合、例えば冷却面側 (低温側）に固定部材 105を装着する場合には、固定部材 105にアルミニウムの陽極酸ィ匕処理 (アルマイト処理)を施し、加熱面側（高温側）に 固定部材 105を装着する場合には、固定部材 105に PVD (物理的気相成長法）によ りステンレス（SUS)を被着したり、ガラスコーティングしたりすることが好ましい。

[0052] また、前述した実施形態では、図 28に示されるような構成を付加することもできる。

すなわち、図 28に示される構成では、コネクタ Cl、 C2, C3の第 1の嵌合部 40, 50, 60 (無論、第 2の嵌合部であっても良い）は、折り曲げ可能で且つ折り曲げた際に隣 接するコネクタと電気的に接触するために十分な長さを有する短絡用片 130を有し ている。この短絡用片 130は、例えば折り曲げ片 eに固着されて折り曲げ片 eに沿つ て延びており、折り曲げ片 eの端縁から更に所定の長さだけ延びたその延在部に修 復用短絡線 (ハリガネ等）が挿通される揷通穴 130aが設けられて 、る。

[0053] このような構成では、例えば図 28の（b)に示されるように、 1つの熱電変換素子 30' が破損したり劣化してコネクタ C1との間で導通不良を起こした場合には、当該熱電 変換素子 30，の両側の短絡用片 130を折り曲げて、その折り曲げ部分 130 'を用 Vヽ て修復用短絡線により熱電変換素子 30'の両側の熱電変換素子 30, 30同士を電気 的に短絡させる。このように、各コネクタに予め短絡用片 130を設けておけば、どの熱 電変換素子が破損 (劣化)しても、熱電変換素子を交換するなどの困難な作業を行 なうことなく簡単にコネクタ間を導通させて修復することができるようになる。

図面の簡単な説明

[図 1]ゼーベック係数測定装置の模式図である。

[図 2]平板サンプルにおける抵抗率の測定結果を示すグラフ図である。

[図 3]平板サンプルにおけるゼーベック係数の測定結果を示すグラフ図である。

[図 4]図 2および図 3に示される抵抗率およびゼーベック係数力 求めた平板サンプ ルの出力因子の結果を示すグラフ図である。

[図 5]棒状サンプルにおける抵抗率の測定結果を示すグラフ図である。

[図 6]棒状サンプルにおけるゼーベック係数の測定結果を示すグラフ図である。

[図 7]図 5および図 6に示される抵抗率およびゼーベック係数力 求めた棒状サンプ ルの出力因子の結果を示すグラフ図である。

圆 8]素子長による温度差への影響を説明するための熱伝導モデル図である。 圆 9]素子長と温度差との間の関係を示すグラフ図である。

圆 10]素子長と発生最大出力との間の関係を示すグラフ図である。

[図 11]素子形状を平板と縦型とした場合の電圧、電流、最大発生出力等についての 計算結果を示す図である。

[図 12] (a)は熱電変換素子の同一配列内で使用される第 1の熱電変換素子用コネク タの展開状態の平面側面図、（b)は熱電変換素子の隣り合う配列間で使用される第 2の熱電変換素子用コネクタの展開状態の平面図、 (c)は熱電変換素子の配列と外 部電極との間で使用される第 3の熱電変換素子用コネクタの展開状態の平面図であ る。

[図 13] (a)は同一配列内の隣接する熱電変換素子同士を第 1の熱電変換素子用コ ネクタで接続した状態を示す斜視図、 (b)は第 1の熱電変換素子用コネクタの正面図 、（c)は第 1の熱電変換素子用コネクタの側面図である。 [図 14] (a)は隣り合う配列間で隣接する熱電変換素子同士を第 2の熱電変換素子用 コネクタで接続した状態を示す斜視図、 (b)は第 2の熱電変換素子用コネクタの正面 図、（c)は第 2の熱電変換素子用コネクタの側面図である。

[図 15] (a)は外部電極に接続される第 3の熱電変換素子用コネクタを配列の最初に 位置する熱電変換素子に取り付けた状態を示す斜視図、（b)は第 3の熱電変換素子 用コネクタの正面図、（c)は第 3の熱電変換素子用コネクタの側面図である。

[図 16] (a)は外部電極に接続される第 3の熱電変換素子用コネクタを配列の最後に 位置する熱電変換素子に取り付けた状態を示す斜視図、（b)は第 3の熱電変換素子 用コネクタの正面図、（c)は第 3の熱電変換素子用コネクタの側面図である。

圆 17]第 1ないし第 3の熱電変換素子用コネクタを用いて複数の熱電変換素子を所 定の配列で電気的に接続して構成された本発明の一実施形態に係る熱電変換モジ ユールの斜視図である。

圆 18]熱電変換素子の斜視図である。

圆 19]第 1の配列をその延在方向に対して垂直な方向から見た断面図である。 圆 20]第 1のコネクタに対して熱電変換素子をスライド装着する様子を示す斜視図で ある。

[図 21] (a)は第 3のコネクタの変形例の展開状態の平面図、（b)は (a)の第 3のコネク タの折り曲げ状態の斜視図である。

[図 22]図 21の第 3のコネクタを用いた熱電変換モジュールの斜視図である。

[図 23]コネクタの変形例を示す概略図である。

圆 24]熱電変換素子の変形例を示す概略図である。

圆 25]コネクタの他の変形例を示し、 (a)はコネクタに対して熱電変換素子をスライド 装着する様子を示す側面図、 (b)はコネクタに対して熱電変換素子をスライド装着し た状態を示す側面図、（c)は (b)の状態でコネクタの案内部を内側に折り曲げた状態 を示す側面図である。

圆 26]熱電変換素子とコネクタとの装着構造の変形例であり、 (a)は熱電変換素子の 側面図、（b)はコネクタの側面図、（c)は熱電変換素子をコネクタに装着した状態の 側面図である。 [図 27]コネクタの更に他の変形例を示し、 (a)は平面部を有するコネクタに熱電変換 素子を装着した状態の側面図、（b)はコネクタと組み合わせて或いは別個に設けら れる固定部材の平面図、（c)は (a)の状態で固定部材を装着した側面図、（d)は (a) の状態から固定部材を装着する様子を示す斜視図である。

[図 28]コネクタの他の更なる変形例を示し、 (a)はコネクタの側面図、（b)は（a)のコネ クタに熱電変換素子を装着した状態の側面図である。

符号の説明

30 熱電変換素子

30a, 30b 主面

30c, 30d 電極面

40, 42, 50, 52, 60 嵌合部

44, 54 接続部

64 コネクタリード部

90 第 1の基板

91 第 2の基板

A1 第 1の配列

A2 第 2の配列

A3 第 3の配列

A4 第 4の配列

C1 第 1のコネクタ

C2 第 2のコネクタ

C3 (C3a, C3b) 第 3のコネクタ

M 熱電変換モジュール

Claims

請求の範囲

[1] 基板上に熱電変換素子を配し、該熱電変換素子に形成される電極と、該電極とは 異なる他の電極とを導電性の所定形状のコネクタを介して電気的に接続して成る熱 電変換モジュールであって、

前記コネクタは、前記熱電変換素子の電極に嵌合して取り付けられる第 1の嵌合部 と、該第 1の嵌合部および前記他の電極と電気的に接続されるコネクタリード部とを 有して 、ることを特徴とする熱電変換モジュール。

[2] 前記熱電変換素子は、表面積が最も大きい主面を有するとともに、当該主面の両 側にそれぞれ電極が位置しており、前記電極が前記基板と対向され且つ前記主面 が前記基板に対して略垂直となるように縦長に立設して配置されていることを特徴と する請求項 1に記載の熱電変換モジュール。

[3] 前記コネクタが前記基板上に所定の配列で予め固定されて 、ることを特徴とする請 求項 1または請求項 2に記載の熱電変換モジュール。

[4] 前記熱電変換素子の前記電極は、熱電変換素子の両側に位置する一対の第 1お よび第 2の電極から成り、

前記熱電変換素子は、前記第 1の電極と対向する第 1の基板と、前記第 2の電極と 対向する第 2の基板との間で挟持されていることを特徴とする請求項 1から請求項 3 の！、ずれ力 1項に記載の熱電変換モジュール。

[5] 前記他の電極は、熱電変換モジュールが電気的に接続される外部電極であること を特徴とする請求項 1から請求項 4のいずれか 1項に記載の熱電変換モジュール。

[6] 前記第 1の嵌合部は、前記熱電変換素子の装着を案内し、前記熱電変換素子を 前記第 1の嵌合部に装着した後に、前記熱電変換素子に沿うように折り曲げ可能で ある案内部を有することを特徴とする請求項 1から請求項 5のいずれか 1項に記載の 熱電変換モジュール。

[7] 前記第 1の嵌合部は、折り曲げ可能であり、折り曲げた際に隣接するコネクタと電気 的に接触するために十分な長さを有する短絡用片を持つことを特徴とする請求項 1 力 請求項 6のいずれ力 1項に記載の熱電変換モジュール。

[8] 前記コネクタリード部は、前記基板上に配された他の熱電変換素子における他の 電極に嵌合して取り付けられる第 2の嵌合部を有していることを特徴とする請求項 1か ら請求項 7のいずれ力 1項に記載の熱電変換モジュール。

[9] 前記コネクタリード部は、前記熱電変換素子の電極面間の側面にぉ 、て、前記電 極面力 延在する平行部を有することを特徴とする請求項 1から請求項 8のいずれか

1項に記載の熱電変換モジュール。

[10] 前記熱電変換素子の両側に挿入可能であり、電気絶縁性を有する櫛歯を持つ固 定部材を具備することを特徴とする請求項 1から請求項 9のいずれか 1項に記載の熱 電変換モジュール。

[11] 複数の前記熱電変換素子を前記基板上に並設することにより所定の配列が形成さ れ、

前記コネクタは、前記配列内の複数の熱電変換素子同士を電気的に接続する第 1 のコネクタと、該第 1のコネクタに接続されている前記配列内の最初または最後の熱 電変換素子の電極と前記他の電極とを電気的に接続する第 2のコネクタとを含んで いることを特徴とする請求項 1から請求項 10のいずれか 1項に記載の熱電変換モジ ユーノレ o

[12] 前記第 2のコネクタが接続する前記他の電極は、前記配列と隣り合う他の配列内の 熱電変換素子の電極であることを特徴とする請求項 11に記載の熱電変換モジユー ル。

[13] 前記熱電変換素子の前記電極は、熱電変換素子の両側に位置する一対の第 1およ び第 2の電極から成り、

前記第 1および第 2の電極のうちの一方が加熱面として規定され、他方が冷却面と して規定され、前記加熱面と前記冷却面との温度差によって発電することを特徴とす る請求項 1から請求項 12のいずれか 1項に記載の熱電変換モジュール。

[14] 前記熱電変換素子が複合金属酸化物を含む焼結体であることを特徴とする請求項

1力 請求項 13のいずれ力 1項に記載の熱電変換モジュール。

[15] 前記複合金属酸化物は、構成元素として、アルカリ土類金属と、希土類と、マンガ ンとを含んでいることを特徴とする請求項 14に記載の熱電変換モジュール。

[16] 前記各熱電変換素子が互いに同一素材から成ることを特徴とする請求項 1から請 求項 15のいずれ力 1項に記載の熱電変換モジュール。

[17] 前記熱電変換素子の前記電極は、熱電変換素子の両側に位置する一対の第 1お よび第 2の電極から成り、

前記第 1の電極と嵌合する第 1の嵌合部を有する一方のコネクタと前記第 2の電極 と嵌合する第 2の嵌合部を有する他方のコネクタとが前記熱電変換素子を挿入できる ようにその嵌合部同士を対向させて隣り合い、

前記熱電変換素子が取り付けられていない状態における前記一方のコネクタの第 1 の嵌合部と前記他方のコネクタの第 2の嵌合部との間の距離は、熱電変換素子にお ける第 1の電極と第 2の電極との間の距離よりも短く設定されていることを特徴とする 請求項 1から請求項 16のいずれか 1項記載の熱電変換モジュール。

[18] 前記第 1の嵌合部または前記第 2の嵌合部は、熱電変換素子の固定用溝に係止さ れるフック状の係合部を有していることを特徴とする請求項 1から請求項 17のいずれ 力 1項記載の熱電変換モジュール。

[19] 熱電変換素子の電極を他の電極に対して電気的に接続するための熱電変換素子 用コネクタであって、

前記熱電変換素子の電極に嵌合して取り付けられる第 1の嵌合部と、該第 1の嵌合 部および前記他の電極と電気的に接続されるコネクタリード部とを有していることを特 徴とする熱電変換素子用コネクタ。

[20] 前記コネクタリード部は、前記他の電極に嵌合して取り付けられる第 2の嵌合部を有 していることを特徴とする請求項 18に記載の熱電変換素子用コネクタ。