JP2008108900A - 熱電変換モジュールおよび熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで、省スペース性に優れ、設置面積当たりの発電量が大きい熱電変換モジュールおよび熱電変換装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る熱電変換モジュール１は、高温側電極２２と低温側電極２４と高温側電極２２および低温側電極２４の間に介装されるｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３とが熱電変換部構成要素２０を構成し、この熱電変換部構成要素２０が１個または電気的に接続された複数個からなる熱電変換部１０と、所定のときに熱電変換部１０から電流を取り出す第１の外部電極４１と、所定のときに熱電変換部１０に電流を供給する第２の外部電極４２と、を備え、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２は、熱電変換部１０を挟んで反対側に設けられるとともに、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２の中心線同士が略一致するように設けられる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換することが可能な熱電変換モジュールおよびこの熱電変換モジュールを複数個連結した熱電変換装置に関する。

近年、エネルギー消費量の急増に伴い、ＣＯ_２等の温室効果ガス量が増大し、地球温暖化の問題が生じている。このため、ＣＯ_２発生を抑制したエネルギー源が求められている。

ＣＯ_２発生が抑制されたエネルギー源としては、火力発電所等から発生する大規模廃熱の場合には蒸気タービンの発電装置等として効率のよい熱電変換システムが実用化されている。しかし、中小工場等から発生する中小規模廃熱の場合には効率のよい熱電変換システムは実用化されていない。

中小規模廃熱に対して蒸気タービンの発電装置等を設けると、廃熱量に対して大掛かりな装置になり、発電効率が極めて低く、既存設備の改造や保守、補修コストに見合う電気量が得られないという問題がある。

そこで、中小規模廃熱であっても簡易かつ小さな装置で電気エネルギーに変換する熱電変換装置として、熱電変換モジュールが注目されている。

熱電変換モジュールは、熱電変換部と、熱電変換部から電流を取り出す第１の外部電極と、熱電変換部に電流を供給する第２の外部電極とを備え、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に熱電変換する。

熱電変換部は、熱電変換部構成要素が１個または複数個電気的に接続されて形成される。熱電変換部構成要素は、高温側電極、低温側電極、ならびに高温側電極と低温側電極との間に介装されるｎ型熱電変換半導体層およびｐ型熱電変換半導体層からなる。

熱電変換部構成要素は、高温側電極、低温側電極、ｎ型熱電変換半導体層およびｐ型熱電変換半導体層が、第１の低温側電極、ｎ型熱電変換半導体層、高温側電極、ｐ型熱電変換半導体層および第２の低温側電極の順番に電気的に直列接続されてなる。熱電変換部構成要素は、ゼーベック効果やペルチェ効果により、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換するようになっている。

従来、熱電変換モジュールとしては、たとえば、特許文献１（特開２００４−１１９８３３号公報）に開示されたものが知られている。

特許文献１に開示された熱電変換モジュールは、対向配置される第１及び第２の絶縁基板に設けられた第１及び第２の電極と、第１及び第２の絶縁基板間に設けられ、両端部が第１及び第２の電極に接合されて電気的に接続されるＰ型及びＮ型の熱電素子とを備える。

また、特許文献１に開示された熱電変換モジュールは、第１及び第２の絶縁基板の少なくとも一方、及びこの絶縁基板の電極にそれぞれ設けられて互いに連通する穴部を備え、前記熱電素子はその端部を前記絶縁基板並びに前記電極の穴部内に挿入させて電極に接合する。

また、特許文献１には、所定時に熱電変換モジュールから電気を取り出す手段（第１の外部電極）および所定時に熱電変換モジュールに電気を供給する手段（第２の外部電極）として、矩形の熱電変換モジュールの一辺から横方向に平行に、２本のリード線が突設されている。

特許文献１に開示された熱電変換モジュールによれば、絶縁基板の反りや、熱電素子の高さ寸法にばらつきがあっても、熱電素子と電極の接合歩留まりを向上させることができる。
特開２００４−１１９８３３号公報 「熱電変換工学―基礎と応用―」リアライズ社、ｐ．３４９−３６３（２００１）

近年、熱電変換モジュールから大きな電気エネルギーを得るために、複数個の熱電変換モジュールの第１の外部電極と第２の外部電極とを直列に接続することが考えられている。

特許文献１に開示された熱電変換モジュールは、熱電変換モジュールを複数個直線的に並べて連結する場合、第１の外部電極と第２の外部電極とを直接接続することができない。

すなわち、特許文献１に開示された熱電変換モジュール９０を、図１５に示すように、複数個、直線的に並べて直列接続する場合には、第１の外部電極９１および第２の外部電極９２を接続する外部電極接続部材４７が別途必要になる。

また、複数個の熱電変換モジュール９０を直列接続した熱電変換装置８０は、熱電変換モジュール９０の列の横方向に、第１の外部電極９１、第２の外部電極９２ならびに外部電極接続部材４７を収容するスペースも必要になる。

このように、特許文献１に開示された熱電変換モジュールは、複数個連結して用いる場合に、第１の外部電極および第２の外部電極を接続する部材（外部電極接続部材）が必要になる。また、特許文献１に開示された熱電変換モジュールは、第１の外部電極、第２の外部電極および外部電極接続部材を接続する部材を設置するスペースも必要になる。このため、特許文献１に開示された熱電変換モジュールは、コストが高く、省スペース性に劣り、設置面積当たりの発電量が小さいという問題がある。

本発明は、複数個連結して用いる場合に、低コストで、省スペース性に優れ、設置面積当たりの発電量が大きい熱電変換モジュールおよび熱電変換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る熱電変換モジュールは、上記課題を解決するものであり、高温側電極と、この高温側電極に対し水平方向にずらして対向配置される低温側電極と、前記高温側電極および前記低温側電極の間に介装されるｎ型熱電変換半導体層およびｐ型熱電変換半導体層とが、第１の低温側電極、前記ｎ型熱電変換半導体層、前記高温側電極、前記ｐ型熱電変換半導体層および第２の低温側電極の順番に電気的に直列接続されて熱電変換部構成要素を構成し、この熱電変換部構成要素が１個または電気的に接続された複数個からなる熱電変換部と、前記高温側電極が前記低温側電極よりも高温であるときに前記熱電変換部から電流を取り出す第１の外部電極と、前記高温側電極が前記低温側電極よりも高温であるときに前記熱電変換部に電流を供給する第２の外部電極と、を備え、前記第１の外部電極および前記第２の外部電極は、前記熱電変換部を挟んで反対側に設けられるとともに、前記第１の外部電極および前記第２の外部電極の中心線同士が略一致するように設けられることを特徴とすることを特徴とする。

また、本発明に係る熱電変換装置は、上記課題を解決するものであり、前記熱電変換モジュールを複数個用い、隣接する熱電変換モジュールを、前記第１の外部電極と第２の外部電極とで電気的に直列に接続したことを特徴とすることを特徴とする。

本発明に係る熱電変換モジュールおよび熱電変換装置によれば、熱電変換モジュールを複数個連結して用いても、低コストで、省スペース性に優れ、設置面積当たりの発電量が大きい。

本発明に係る熱電変換モジュールおよび熱電変換装置の実施の形態について添付図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換モジュール１の斜視図である。図２は、図１を裏側からみた熱電変換モジュール１の斜視図である。図３は、図１のＡ−Ａ線に沿う熱電変換モジュール１の断面図である。

熱電変換モジュール１は、低温側絶縁層３２と、低温側絶縁層３２と協働して密閉された収容空間５８を形成する筐体５６と、第１の外部電極４１と、第２の外部電極４２とを備える。低温側絶縁層３２と筐体５６とが協働して形成される収容空間５８内には、熱電変換部１０が収容される。

熱電変換部１０は、低温側電極２４が、この低温側電極２４の表面のうち、ｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３が設けられる一方の表面と反対側の他方の表面が低温側絶縁層３２に貼設されるように収容される。低温側絶縁層３２としては、たとえば、セラミックス板が用いられる。

筐体５６は、低温側絶縁層３２に封止用金属層５７で接合されることにより、低温側絶縁層３２と協働して密閉された収容空間５８を形成する。

筐体５６としては、通常、ニッケル、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム含有鉄基合金、シリコン含有鉄基合金、コバルト含有鉄基合金および銅合金のいずれかからなる。筐体５６が、これらの金属製であると、収容空間５８内に不活性なガスを充填した場合に、不活性なガスに腐食されにくいため好ましい。

熱電変換部１０は、熱電変換部構成要素２０が１個または電気的に複数個接続されてなるものである。複数個の熱電変換部構成要素２０は、通常直列に接続される。なお、熱電変換部１０は、熱電変換部構成要素２０が複数個電気的に並列に接続されたものであってもよいし、１つの熱電変換部構成要素２０からなるものであってもよい。

熱電変換部構成要素２０は、高温側電極２２と、この高温側電極２２に対し水平方向にずらして対向配置される低温側電極２４と、高温側電極２２および低温側電極２４の間に介装されるｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３とからなる。

ｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３は、それぞれの一方端が同一の高温側電極２２の表面の同じ側に並べて接続される。ｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３は、それぞれの他方端が互いに絶縁された第１の低温側電極２４ａ（２４）および第２の低温側電極ｂ（２４）の表面に別々に接続される。

これにより、熱電変換部構成要素２０は、第１の低温側電極２４ａ（２４）、ｎ型熱電変換半導体層２１、高温側電極２２、ｐ型熱電変換半導体層２３および第２の低温側電極ｂ（２４）の順番に電気的に直列接続された構造になっている。

高温側電極２２とは、熱電変換部構成要素２０の電極のうち、高温側に配置される電極を意味する。高温側電極２２としては、銅箔、銅板等の公知の電極材料が用いられる。

低温側電極２４とは、熱電変換部構成要素２０の電極のうち、低温側に配置される電極２４を意味する。低温側電極２４としては、銅箔、銅板等の公知の電極材料が用いられる。

第１の低温側電極２４ａとは、低温側電極２４のうち、ｎ型熱電変換半導体層２１に接続される部分を意味する。第２の低温側電極２４ｂとは、低温側電極２４のうち、ｐ型熱電変換半導体層２３に接続される部分を意味する。

低温側電極２４は、たとえば、低温側絶縁層３２の表面の全体に、低温側電極２４の形成材料を接合し、エッチングして形成することができる。

熱電変換部１０は、高温側電極２２が、この高温側電極２２の表面のうち、ｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３が設けられる表面と反対側の表面が高温側絶縁層３１に貼設されるように収容される。高温側絶縁層３１としては、たとえば、セラミックス板が用いられる。

ｐ型熱電変換半導体層２３のｐ型熱電変換半導体およびｎ型熱電変換半導体層２１のｎ型熱電変換半導体は、公知の性能指数の大きい熱電材料で作製される。

性能指数の大きい熱電材料としては、たとえば、ビスマス・テルル含有化合物を主相とする物質、ビスマス・セレン含有化合物を主相とする物質、ビスマス・アンチモン含有化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型構造のＣｏＳｂ_３基化合物結晶中の空隙に原子を充填したフィルドスクッテルダイト型構造化合物を主相とする物質、ＭｇＡｇＡｓ型構造のハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウム・ガリウムをゲスト原子とするクラスレート化合物、前記物質間または物質と化合物との混合物、および、前記物質間または物質と化合物との接合体が用いられる。ｐ型熱電変換半導体およびｎ型熱電変換半導体が、上記熱電材料で作製されると、熱電変換効率が高いため好ましい。

ｐ型熱電変換半導体層２３およびｎ型熱電変換半導体層２１は、通常、円柱状、直方体状、多角柱状に形成され、底面および頂面が高温側電極２２および低温側電極２４に接合される。

熱電変換部１０は、高温側絶縁層３１と筐体５６との間に高温側金属板５１が介装される。高温側金属板５１としては、通常、ニッケル、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム含有鉄基合金、シリコン含有鉄基合金、コバルト含有鉄基合金および銅合金のいずれかからなる。高温側金属板５１が、これらの金属製であると、収容空間５８内に不活性なガスを充填した場合に、不活性なガスに腐食されにくいため好ましい。

低温側絶縁層３２と筐体５６とが協働して形成される密閉された収容空間５８内は、通常、真空状態または不活性なガス雰囲気にされる。収容空間５８内を、真空状態または不活性なガス雰囲気を充填した状態にすることにより、収容空間５８内に配置される熱電変換部１０を構成するｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３や、高温側電極２２、低温側電極２４等の電極の高温下での酸化等が抑制される。

収容空間５８内の真空状態は、完全な真空状態でなくてもよく、公知の真空ポンプ等で実現される程度の真空状態であればよい。

収容空間５８内に封入される不活性なガスは、通常、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンからなる群より選択される少なくとも１種である。

不活性なガスは、収容空間５８内に、２５℃で外気圧よりも低圧になるように封入される。封入される不活性なガスの圧力が２５℃で外気圧よりも低圧であると、熱電変換モジュール１の動作時に、収容空間５８内が数百℃、たとえば８００℃程度の高温になり、不活性なガスの圧力が高くなって熱電変換部１０が破損したり、不活性なガスが漏れて収容空間５８内の気密性が低下したりすることを抑制することができる。

低温側絶縁層３２の外側、すなわち、熱電変換モジュール１が収容されない側には低温側金属板５２が貼設される。低温側金属板５２としては、通常、ニッケル、ニッケル基合金、鉄基合金、クロム含有鉄基合金、シリコン含有鉄基合金、コバルト含有鉄基合金および銅合金のいずれかからなる。

熱電変換モジュール１は、高温側電極２２が低温側電極２４よりも高温であるときに熱電変換部１０から電流を取り出す第１の外部電極４１と、高温側電極２２が低温側電極２４よりも高温であるときに熱電変換部１０に電流を供給する第２の外部電極４２とを備える。第１の外部電極４１および第２の外部電極４２は、たとえば、銅板、銅ニッケル合金板等の公知の導電性金属板が用いられる。

熱電変換モジュール１を、高温側電極２２が低温側電極２４よりも高温になる通常の条件で熱を電気に変換する手段として用いる場合、第１の外部電極４１は正極であり、第２の外部電極４２は負極である。

一方、熱電変換モジュール１を、高温側電極２２が低温側電極２４よりも低温になる特殊な条件で熱を電気に変換する手段として用いる場合、第１の外部電極４１は負極になり、第２の外部電極４２は正極になる。

第１の外部電極４１および第２の外部電極４２は、筐体５６内の熱電変換部１０を挟んで反対側に設けられるとともに、矩形の低温側絶縁層３２の対向する２辺のそれぞれの中央部付近から反対方向に突設される。また、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２は、第１の外部電極４１の中心線（図１中、Ｌ）および第２の外部電極４２の中心線（図１中、Ｍ）が略一致するように設けられる。ここで、中心線とは、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２それぞれの幅方向の中心を示す線を意味する。

第１の外部電極４１および第２の外部電極４２は、低温側絶縁層３２の外側表面上、すなわち、低温側絶縁層３２の表面のうち、低温側電極２４が設けられない側の表面に設けられる。

第１の外部電極４１および第２の外部電極４２は、それぞれ、低温側絶縁層３２を貫通する電流取出部４６で低温側電極２４に電気的に接続される。電流取出部４６は、低温側絶縁層３２に設けられた貫通穴の内部に銀粉、銅粉等の導電性物質が充填されたフィルドビアになっている。

第１の外部電極４１および前記第２の外部電極４２は、熱電変換部１０の低温側絶縁層３２の外側表面上から突設された矩形状の導電性金属板になっている。

第１の外部電極４１および前記第２の外部電極４２は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、イットリア、シリカおよびベリリアからなる群より選択される少なくとも一種のセラミック、またはこのセラミックを含むセラミック化合物からなる無機耐熱材で被覆されると、熱電変換モジュール１がたとえば８００℃程度の高温で使用されても第１の外部電極４１および前記第２の外部電極４２の耐熱性が確保されやすいため好ましい。

また、上記無機耐熱材のアルミナおよびシリカは、無機耐熱材中で粉末または繊維の状態にあると無機耐熱材の耐熱性が向上するためより好ましい。

次に、熱電変換モジュール１の作用について図面を参照して説明する。図４は、熱電変換部構成要素１０の作用を説明する図である。

熱電変換モジュール１は、図４に示すように、高温側電極２２側が低温側電極２４側よりも高温になり、矢印Ｇの向きの熱流が発生すると、ｎ型熱電変換半導体層２１中の電子６１が高温側電極２２側から第１の低温側電極２４ａ側に（矢印Ｈ）に移動する。

また、熱電変換モジュール１は、図４に示すように、高温側電極２２側が低温側電極２４側よりも高温になり、矢印Ｇの向きの熱流が発生すると、ｐ型熱電変換半導体層２３中の正孔６２が高温側電極２２側から第２の低温側電極２４ｂ側に（矢印Ｉ）に移動する。

第１の低温側電極２４ａおよび第２の低温側電極２４ｂの間に、電気的付加６７を含む外部回路６５を接続すると、熱電変換部１０を構成する熱電変換部構成要素２０には、図４の矢印Ｉおよび矢印Ｊの向きに電流が流れる。

熱電変換モジュール１は、第１の低温側電極２４ａと電気的付加６７との間に図示しない第１の外部電極４１が設けられるとともに、第２の低温側電極２４ｂと電気的付加６７との間に図示しない第２の外部電極４２が設けられる。このため、熱電変換モジュール１は、第１の外部電極４１から電流が取り出され、第２の外部電極４２に電流が供給される。これにより、熱電変換モジュール１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

なお、熱電変換モジュール１は、高温側電極２２側が低温側電極２４側よりも低温になるようにすると、図４の矢印Ｊの逆の向きに電流を流れる。この場合、熱電変換モジュール１は、第１の外部電極４１に電流が供給され、第２の外部電極４２から電流が取り出される。

さらに、熱電変換モジュール１は、外部回路６５を接続し、熱電変換部構成要素２０中で第１の低温側電極２４ａから高温側電極２２を介して第２の低温側電極２４ｂに向かって電流を流すと、高温側電極２２が吸熱して周囲を冷却し、第１の低温側電極２４ａおよび第２の低温側電極２４ｂが放熱して周囲を加熱することができる。これにより、熱電変換モジュール１は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。

また、熱電変換モジュール１は、外部回路６５を接続し、熱電変換部構成要素２０中で第２の低温側電極２４ｂから高温側電極２２を介して第１の低温側電極２４ａに向かって電流を流すと、第１の低温側電極２４ａおよび第２の低温側電極２４ｂが吸熱して周囲を冷却し、高温側電極２２が放熱して周囲を加熱することができる。

熱電変換モジュール１によれば、熱電変換モジュール１を複数個連結して用いる場合に、低コストで、省スペース性に優れ、設置面積当たりの発電量が大きくなる。

また、熱電変換モジュール１によれば、熱電変換部１０を構成するｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３や、高温側電極２２、低温側電極２４等の電極の高温下での酸化等を抑制することが可能になる。

熱電変換モジュール１は、図５に示すように、複数個用い、隣接する熱電変換モジュール１を、第１の外部電極４１と第２の外部電極４２とで直列に接続すると、熱電変換装置７０を構成することができる。熱電変換装置７０は、熱電変換モジュール１を電気的に直列、かつ直線状に接続したものである。

隣接する熱電変換モジュール１の、第１の外部電極４１と第２の外部電極４２との接続方法としては、たとえば、はんだで接続したり、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２に穴を設け図示しないボルトおよびナットで固定したりする方法が用いられる。

熱電変換装置７０によれば、熱電変換モジュール１よりも大きな電気エネルギー、特に大きな電圧を取り出すことが可能になる。

また、熱電変換装置７０によれば、隣接する熱電変換モジュール１同士を、中心線が略一致するように設けられた第１の外部電極４１および第２の外部電極４２で直接に接続するため、隣接する熱電変換モジュール１の第１の外部電極４１と第２の外部電極４２との間に、別途、外部電極接続部材４７を設ける必要がなく、低コストで、省スペース性に優れ、設置面積当たりの発電量が大きい熱電変換装置が得られる。

熱電変換モジュール１は、図６に示すように、複数個接続して熱電変換装置７０Ａを構成してもよい。熱電変換装置７０Ａは、熱電変換モジュール１を電気的に直列、かつ直線状に接続した部分と、熱電変換モジュール１を電気的に直列、かつ屈曲状に接続した部分と、を含むものである。

熱電変換モジュール１を電気的に直列、かつ屈曲状に接続した部分は、隣接する熱電変換モジュール１の、第１の外部電極４１と第２の外部電極４２とが、外部電極接続部材４７を介して接続される。

外部電極接続部材４７は、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２と同様に、たとえば、銅板、銅ニッケル合金板等の公知の導電性金属板が用いられる。

外部電極接続部材４７は、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２と同様に、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、イットリア、シリカおよびベリリアからなる群より選択される少なくとも一種のセラミック、またはこのセラミックを含むセラミック化合物からなる無機耐熱材で被覆されると、熱電変換モジュール１がたとえば８００℃程度の高温で使用されても外部電極接続部材４７の耐熱性が確保されやすいため好ましい。

また、上記無機耐熱材のアルミナおよびシリカは、無機耐熱材中で粉末または繊維の状態にあると無機耐熱材の耐熱性が向上するためより好ましい。

熱電変換装置７０Ａによれば、熱電変換モジュール１よりも大きな電気エネルギー、特に大きな電圧を取り出すことが可能になる。

また、熱電変換装置７０Ａによれば、熱電変換装置７０の効果に加え、電気的に直列に接続した熱電変換モジュール１を平面内に効率よく収容することができるため、低コストで、省スペース性に優れ、設置面積当たりの発電量が大きい熱電変換装置が得られる。

熱電変換モジュール１は、図７に示すように、複数個接続して熱電変換装置７０Ｂを構成してもよい。熱電変換装置７０Ｂは、熱電変換モジュール１を電気的に直列、かつ直線状に接続した部分が複数個並列に接続されたものである。

熱電変換装置７０Ｂに用いられる外部電極接続部材４７は、熱電変換装置７０Ａに用いられる外部電極接続部材４７と同じ材質で作製される。

熱電変換装置７０Ｂによれば、熱電変換モジュール１よりも大きな電気エネルギー、特に大きな電圧を長時間取り出すことが可能になる。

また、熱電変換装置７０Ｂによれば、熱電変換装置７０の効果に加え、電気的に直列に接続した熱電変換モジュール１を平面内に効率よく収容するとともに、長時間電気エネルギーを取り出すことができるため、低コストで、省スペース性に優れ、設置面積当たりの発電量が大きい熱電変換装置が得られる。

［第２の実施形態］
次に本発明に係る熱電変換モジュールの第２の実施形態について添付図面（図８および図９）を参照して説明する。

第２の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ａは、第１の実施形態として示された熱電変換モジュール１に対し、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２に代えて、第１の外部電極４１Ａおよび第２の外部電極４２Ａを用いる点で異なり、この点以外は同じである。このため、同一の構成に同一符号を用い、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

図８は、本発明に係る第２の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ａを示す平面図であり、図９は、熱電変換モジュール１Ａを示す底面図である。

熱電変換モジュール１Ａの第１の外部電極４１Ａおよび第２の外部電極４２Ａは、筐体５６内の熱電変換部１０を挟んで反対側に設けられるとともに、矩形の低温側絶縁層３２の対向する２辺のそれぞれの中央部よりこの２辺の端部側に寄った位置から反対方向に突設される。

また、第１の外部電極４１Ａおよび第２の外部電極４２Ａは、第１の外部電極４１の中心線（図８中、Ｎ）および第２の外部電極４２の中心線（図８中、Ｏ）が略一致するように設けられる。

第１の外部電極４１Ａおよび第２の外部電極４２Ａは、筐体５６への取り付け位置以外は第１の実施形態に示された熱電変換モジュール１の第１の外部電極４１および第２の外部電極４２と同じであるため、この他の説明を省略する。

熱電変換モジュール１Ａは、熱電変換モジュール１と同様の効果を有する。

熱電変換モジュール１Ａは、複数個用い、隣接する熱電変換モジュール１Ａを、第１の外部電極４１Ａと第２の外部電極４２Ａとで直列に接続すると、熱電変換装置（図示せず）を構成することができる。

熱電変換モジュール１Ａを用いた熱電変換装置は、熱電変換モジュール１を用いた熱電変換装置７０、７０Ａ、７０Ｂにおいて、熱電変換モジュール１を熱電変換モジュール１Ａに代えた点以外は同じであるため、構成および作用の説明を省略する。

［第３の実施形態］
次に本発明に係る熱電変換モジュールの第３の実施形態について添付図面（図１０）を参照して説明する。

第３の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｂは、第１の実施形態として示された熱電変換モジュール１に対し、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２に代えて、第１の外部電極４１Ｂおよび第２の外部電極４２Ｂを用いる点で異なり、この点以外は同じである。このため、同一の構成に同一符号を用い、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

図１０は、本発明に係る第３の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｂを示す斜視図である。

熱電変換モジュール１Ｂの第１の外部電極４１Ｂおよび第２の外部電極４２Ｂは、熱電変換モジュール１の第１の外部電極４１および第２の外部電極４２と同様の導電性金属板であることに加え、さらに第１の外部電極４１Ｂと第２の外部電極４２Ｂとが表面を面一にして接合可能な接合部として、第１の外部電極４１Ｂの先端部に接合部４３、第２の外部電極４２Ｂの先端部に接合部４４を設けた構成になっている。

接合部４３および４４は、それぞれ、第１の外部電極４１Ｂおよび第２の外部電極４２Ｂの先端部の一部から同じ大きさ、形状の直方体を切り欠いたものになっており、接合部４３および４４は、いわゆる、あいじゃくり構造になっている。

接合部４３および４４は、直方体を切り欠いたあいじゃくり構造に限られず、第１の外部電極４１Ｂと第２の外部電極４２Ｂとが表面を面一にして接合可能な形態であればよい。

第１の外部電極４１Ｂおよび第２の外部電極４２Ｂは、接合部４３および４４をさらに設けた以外は第１の実施形態に示された熱電変換モジュール１の第１の外部電極４１および第２の外部電極４２と同じであるため、この他の説明を省略する。

熱電変換モジュール１Ｂによれば、熱電変換モジュール１と同様の効果を有する上、熱電変換モジュール１Ｂを複数個連結する場合に、第１の外部電極４１Ｂと第２の外部電極４２Ｂに接合部が形成されるため、連結が容易かつ確実になるとともに、第１の外部電極４１Ｂおよび第２の外部電極４２Ｂの連結部分の省スペース性が向上する。

熱電変換モジュール１Ｂは、複数個用い、隣接する熱電変換モジュール１Ｂを、第１の外部電極４１Ｂと第２の外部電極４２Ｂとで直列に接続すると、熱電変換装置（図示せず）を構成することができる。

熱電変換モジュール１Ｂを用いた熱電変換装置は、熱電変換モジュール１を用いた熱電変換装置７０、７０Ａ、７０Ｂにおいて、熱電変換モジュール１を熱電変換モジュール１Ｂに代えた点以外は同じであるため、構成および作用の説明を省略する。

［第４の実施形態］
次に本発明に係る熱電変換モジュールの第４の実施形態について添付図面（図１１）を参照して説明する。

第４の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｃは、第１の実施形態として示された熱電変換モジュール１に対し、第２の外部電極４２に代えて、第２の外部電極４２Ｃを用いる点で異なり、この点以外は同じである。このため、同一の構成に同一符号を用い、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

第２の外部電極４２Ｃは、低温側絶縁層３２の外側表面に設けられた金属層になっており、第１の外部電極４１の先端部の表面と第２の外部電極４２Ｃの表面とが面で接触可能になっている。

熱電変換モジュール１Ｃによれば、熱電変換モジュール１と同様の効果を有する上、熱電変換モジュール１Ｃを複数個連結する場合に、第１の外部電極４１と第２の外部電極４２Ｃの形状が異なるため、連結が容易かつ確実になるとともに、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２Ｃの連結部分の省スペース性が向上する。

熱電変換モジュール１Ｃは、複数個用い、隣接する熱電変換モジュール１Ｃを、第１の外部電極４１と第２の外部電極４２Ｃとで直列に接続すると、熱電変換装置（図示せず）を構成することができる。

熱電変換モジュール１Ｃを用いた熱電変換装置は、熱電変換モジュール１を用いた熱電変換装置７０、７０Ａ、７０Ｂにおいて、熱電変換モジュール１を熱電変換モジュール１Ｃに代えた点以外は同じであるため、構成および作用の説明を省略する。

［第５の実施形態］
次に本発明に係る熱電変換モジュールの第５の実施形態について添付図面（図１２）を参照して説明する。

第５の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｄは、第１の実施形態として示された熱電変換モジュール１に対し、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２に代えて、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄを用いる点で異なり、この点以外は同じである。このため、同一の構成に同一符号を用い、構成および作用の説明を省略または簡略化する。

図１２は、本発明に係る第５の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｄを示す斜視図である。

熱電変換モジュール１Ｄの第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄは、それぞれ、矩形状の基部４８、４９、および矩形状の先端部５１、５２からなるＬ字状の導電性金属板になっている。ここで、先端部とはＬ字状の金属板電極のうち、突設方向の全長さを一方の辺とするとともに突設部分の幅を他方の辺とする矩形部分をいい、基部とは、Ｌ字状の金属板電極から矩形状の先端部を除いた部分をいう。

また、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄは、第１の外部電極４１であるＬ字状の導電性金属板の先端部５１の中心線（図１２中、Ｐ）、および第２の外部電極４２であるＬ字状の導電性金属板の先端部５２の中心線（図１２中、Ｑ）が略一致するように設けられる。

また、低温側絶縁層３２を貫通し低温側電極２４に電気的に接続される電流取出部は、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄの直線状の基部４８、４９に接続される。

このため、熱電変換モジュール１Ｄの、先端部５１、５２の中心線Ｐ、Ｑ同士を結ぶ線で切断した断面には、熱電変換モジュール１の断面図である図３のように電流取出部４６は表されない。熱電変換モジュール１Ｄの断面の図示は省略する。

第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄは、形状がＬ字状になる以外は第１の実施形態に示された熱電変換モジュール１の第１の外部電極４１および第２の外部電極４２と同じであるため、この他の説明を省略する。

熱電変換モジュール１Ｄによれば、熱電変換モジュール１と同様の効果を有する上、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄと、低温側電極２４との電気的接続が、基部４８、４９に接続される電流取出部を介して行われるため、熱電変換部１０を構成する熱電変換部構成要素２０の配列の仕方の自由度が飛躍的に高まる。

すなわち、熱電変換モジュール１Ｄは、電流取出部を介して第１の外部電極４１Ｄに接続される低温側電極２４と、電流取出部を介して第２の外部電極４２Ｄに接続される低温側電極２４とを、矩形の低温側絶縁層３２の対向する辺の中央部付近でなく、たとえば低温側絶縁層３２の対角方向の角部や一辺の両端に位置する隣合う角部に配置することができる。

熱電変換モジュール１Ｄは、複数個用い、隣接する熱電変換モジュール１Ｄを、第１の外部電極４１Ｄと第２の外部電極４２Ｄとで直列に接続すると、熱電変換装置（図示せず）を構成することができる。

熱電変換モジュール１Ｄを用いた熱電変換装置は、熱電変換モジュール１を用いた熱電変換装置７０、７０Ａ、７０Ｂにおいて、熱電変換モジュール１を熱電変換モジュール１Ｄに代えた点以外は同じであるため、構成および作用の説明を省略する。

なお、図示しないが、熱電変換モジュール１Ｄにおいて、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄを、それぞれの先端部５１、５２が、第２の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ａの第１の外部電極４１Ａおよび第２の外部電極４２Ａの位置になるように形成してもよい。この場合、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄは、基部４８、４９の長さを適当な長さにする。

また、図示しないが、熱電変換モジュール１Ｄにおいて、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄの先端部５１、５２に、第３の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｂの第１の外部電極４１Ｂの接合部４３、および第２の外部電極４２Ｂの接合部４４のような接合部を形成してもよい。

さらに、図示しないが、熱電変換モジュール１Ｄにおいて、また、第１の外部電極４１Ｄおよび第２の外部電極４２Ｄのいずれかを、第４の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｃの第２の外部電極４２Ｃのような金属層に形成してもよい。

［第６の実施形態］
次に本発明に係る熱電変換モジュールの第６の実施形態について添付図面を参照して説明する。

第６の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｅは、第１の実施形態として示された熱電変換モジュール１に対し、筐体５６を取り付けないものである。

熱電変換モジュール１Ｅによれば、熱電変換モジュール１と同じ効果を有する上、筐体５６を取り付けないため、熱電変換モジュール１に比べて安価かつ軽量にすることができる。

なお、熱電変換モジュール１Ｅは筐体５６を取り付けないため、熱電変換モジュール１Ｅ単体では、熱電変換部１０を真空状態または不活性なガスの雰囲気下に置くことができないが、別途設けた図示しない筐体中に熱電変換モジュール１Ｅを配置し、この筐体中を真空状態または不活性なガスの雰囲気下に置くことにより、熱電変換モジュール１と同様に、熱電変換部１０を構成するｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３や、高温側電極２２、低温側電極２４等の電極の高温下での酸化等を抑制することが可能になる。

［第７の実施形態］
次に本発明に係る熱電変換モジュールの第７の実施形態について添付図面を参照して説明する。

第７の実施形態に示された熱電変換モジュール１Ｆは、第１の実施形態として示された熱電変換モジュール１に対し、筐体５６を取り付けない上、第１の外部電極４１を端部のｐ型熱電変換半導体層２３と低温側絶縁層３２との間に設けるとともに、第２の外部電極４２を端部のｎ型熱電変換半導体層２１と低温側絶縁層３２との間に設け、さらに、電流取出部４６を設けないものである。

熱電変換モジュール１Ｆによれば、熱電変換モジュール１と同じ効果を有する上、筐体５６を取り付けず、電流取出部４６を設けないため、熱電変換モジュール１に比べて安価かつ軽量にすることができる。

また、熱電変換モジュール１Ｆは第１の外部電極４１および第２の外部電極４２を、低温側絶縁層３２の外側表面に設けるのでなく、低温側絶縁層３２と高温側絶縁層３１との間から側面に設けるため、熱電変換モジュール１Ｆを複数個連結する場合に、第１の外部電極４１および第２の外部電極４２の接続スペースを確保しやすい。

なお、熱電変換モジュール１Ｆは筐体５６を取り付けないため、熱電変換モジュール１Ｆ単体では、熱電変換部１０を真空状態または不活性なガスの雰囲気下に置くことができないが、別途設けた図示しない筐体中に熱電変換モジュール１Ｆを配置し、この筐体中を真空状態または不活性なガスの雰囲気下に置くことにより、熱電変換モジュール１と同様に、熱電変換部１０を構成するｎ型熱電変換半導体層２１およびｐ型熱電変換半導体層２３や、高温側電極２２、低温側電極２４等の電極の高温下での酸化等を抑制することが可能になる。

本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換モジュールの斜視図。 図１を裏側からみた熱電変換モジュールの斜視図。 図１のＡ−Ａ線に沿う熱電変換モジュールの断面図。 熱電変換部構成要素の作用を説明する図。 本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換モジュールの使用態様を説明する平面図。 本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換モジュールの他の使用態様を説明する平面図。 本発明に係る第１の実施形態に示された熱電変換モジュールのさらに他の使用態様を説明する平面図。 本発明に係る第２の実施形態に示された熱電変換モジュールを示す平面図。 本発明に係る第２の実施形態に示された熱電変換モジュールを示す底面図。 本発明に係る第３の実施形態に示された熱電変換モジュールの斜視図。 本発明に係る第４の実施形態に示された熱電変換モジュールの斜視図。 本発明に係る第５の実施形態に示された熱電変換モジュールの斜視図。 本発明に係る第６の実施形態に示された熱電変換モジュールの断面図。 本発明に係る第７の実施形態に示された熱電変換モジュールの断面図。 従来の熱電変換モジュールの使用態様を説明する平面図。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ、１Ｆ 熱電変換モジュール
１０ 熱電変換部
２０ 熱電変換部構成要素
２１ ｎ型熱電変換半導体層
２２ 高温側電極
２３ ｐ型熱電変換半導体層
２４ 低温側電極
２４ａ 第１の低温側電極（低温側電極）
２４ｂ 第２の低温側電極（低温側電極）
３１ 高温側絶縁層
３２ 低温側絶縁層
４１、４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｄ 外部電極（第１の外部電極）
４２、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ 外部電極（第２の外部電極）
４３、４４ 接合部
４６ 電流取出部
４７ 外部電極接続部材
４８ Ｌ字状の第１の外部電極の基部
４９ Ｌ字状の第２の外部電極の基部
５１ 高温側金属板
５２ 低温側金属板
５３ Ｌ字状の第１の外部電極の先端部
５４ Ｌ字状の第２の外部電極の先端部
５６ ケーシング（筐体）
５７ 封止用金属層
５８ 内部空間
６１ 電子
６２ 正孔
６５ 外部回路
６７ 電気的負荷
７０ 熱電変換装置
８０ 従来の熱電変換モジュール
９０ 従来の熱電変換装置

Claims (14)

1. 高温側電極と、この高温側電極に対し水平方向にずらして対向配置される低温側電極と、前記高温側電極および前記低温側電極の間に介装されるｎ型熱電変換半導体層およびｐ型熱電変換半導体層とが、第１の低温側電極、前記ｎ型熱電変換半導体層、前記高温側電極、前記ｐ型熱電変換半導体層および第２の低温側電極の順番に電気的に直列接続されて熱電変換部構成要素を構成し、この熱電変換部構成要素が１個または電気的に接続された複数個からなる熱電変換部と、
   前記高温側電極が前記低温側電極よりも高温であるときに前記熱電変換部から電流を取り出す第１の外部電極と、
   前記高温側電極が前記低温側電極よりも高温であるときに前記熱電変換部に電流を供給する第２の外部電極と、
   を備え、
   前記第１の外部電極および第２の外部電極は、前記熱電変換部を挟んで反対側に設けられるとともに、前記第１の外部電極および第２の外部電極の中心線同士が略一致するように設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記熱電変換部の低温側電極の表面のうち、前記ｎ型熱電変換半導体層および前記ｐ型熱電変換半導体層が設けられる一方の面と反対側の他方の面に貼設される低温側絶縁層をさらに備え、
   前記第１の外部電極および第２の外部電極は、前記低温側絶縁層の外側表面上に設けられることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記低温側絶縁層と協働して密閉された収容空間を形成する筐体をさらに備え、
   前記熱電変換部は、前記密閉された収容空間内に収容され、
   前記収容空間内は、真空または不活性なガスが封入された状態になっていることを特徴とする請求項２記載の熱電変換モジュール。
4. 前記第１の外部電極および第２の外部電極は、前記熱電変換部の低温側絶縁層の外側表面上から突設された導電性金属板であることを特徴とする請求項２記載の熱電変換モジュール。
5. 前記第１の外部電極および第２の外部電極は、前記熱電変換部から突設された矩形状の導電性金属板であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
6. 前記導電性金属板は、Ｌ字状の導電性金属板であり、
   前記第１の外部電極および第２の外部電極は、Ｌ字状の導電性金属板の先端部の中心線同士が略一致するように設けられることを特徴とする請求項４記載の熱電変換モジュール。
7. 前記第１の外部電極および第２の外部電極は、いずれか一方が前記熱電変換部の低温側絶縁層の外側表面上から突設された導電性金属板であり、他方が前記熱電変換部の低温側絶縁層の外側表面に設けられた金属層であり、
   前記導電性金属板および前記金属層は、前記導電性金属板の表面と前記金属層の表面とが接触可能になっていることを特徴とする請求項２記載の熱電変換モジュール。
8. 前記導電性金属板は、矩形状の導電性金属板であることを特徴とする請求項７記載の熱電変換モジュール。
9. 前記導電性金属板は、Ｌ字状の導電性金属板であり、
   このＬ字状の導電性金属板の先端部の中心線と、前記金属層の中心線とが略一致するように設けられることを特徴とする請求項７記載の熱電変換モジュール。
10. 前記第１の外部電極および第２の外部電極は、一方の熱電変換モジュールの前記第１の外部電極と、他方の熱電変換モジュールの前記第２の外部電極と、が表面を面一にして接合可能になっていることを特徴とする請求項４記載の熱電変換モジュール。
11. 前記第１の外部電極および第２の外部電極は、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、ジルコニア、イットリア、シリカおよびベリリアからなる群より選択される少なくとも一種のセラミック、またはこのセラミックを含むセラミック化合物からなる無機耐熱材で被覆されることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
12. 前記アルミナおよび前記シリカは、粉末であることを特徴とする請求項１１記載の熱電変換モジュール。
13. 前記アルミナおよび前記シリカは、繊維であることを特徴とする請求項１１記載の熱電変換モジュール。
14. 請求項１〜請求項１３のいずれか１項記載の熱電変換モジュールを複数個用い、隣接する熱電変換モジュールを、前記第１の外部電極と第２の外部電極とで電気的に直列に接続したことを特徴とする熱電変換装置。

Images