JP4622577B2 - 熱電変換用カスケードモジュール - Google Patents

Description

本発明は、熱電性能が優位となる温度域が異なる熱電材料素子を用いた複数の熱電変換用モジュールを、温度勾配に合わせて層状に配置すると共に接合してカスケード型としてなる熱電変換用カスケードモジュールに関するものである。

一般に、熱電半導体の熱電特性を利用して熱電発電、熱電冷却、熱電加熱を行う熱電変換装置は、いずれもその基本構成として、図６にその一例の概略を示す如き熱電変換用モジュールを備えている。すなわち、図６に示す熱電変換用モジュールは、所要数のＰ型の熱電材料素子（熱電半導体素子）１とＮ型の熱電材料素子（熱電半導体素子）２とを交互に並べ、これらのＰ型熱電材料素子１とＮ型熱電材料素子２が直列に導通されるように、上記Ｐ型とＮ型の各熱電材料素子１と２の一端部同士及び他端部同士を、それぞれモジュール電極（金属電極）３及び４を介し順次接続する。更に、上記各モジュール電極３と４の外側に、耐熱性と熱伝導性を考慮してアルミナや窒化アルミ等のセラミック製として上記モジュール電極３，４を固定する絶縁基板５と６をそれぞれ設けるようにしてある。これにより、上記Ｐ型とＮ型の各熱電材料素子１と２、及び、該各熱電材料素子１と２の両端部にそれぞれ取り付けられている各モジュール電極３と４が、熱電発電時に各熱電材料素子１，２に対し熱流の作用する方向又は熱電冷却、熱電加熱時の通電方向の両側から上記絶縁基板５と６により挟まれた構造となるようにしてある。

上記熱電変換用モジュールを用いて熱電発電を行わせる場合は、一方の絶縁基板５又は６を熱源より熱を受けるための受熱側とし、且つ他方の絶縁基板６又は５をヒートシンク等の低熱源側へ熱を放出（排出）するための放熱側として使用するものであるため、各熱電材料素子１及び２には、熱流の作用する方向に沿って温度勾配が生じると共に、該各熱電材料素子１及び２の熱流の作用する方向の両側にそれぞれ設けられている絶縁基板５と６では、一方が高温になり、他方が低温になるよう互いに温度差が生じる。このため、上記絶縁基板５と６には、上記温度差に依存して熱膨張による変形量に差が生じる。

又、上記熱電変換用モジュールを用いて熱電冷却又は熱電加熱を行わせる場合は、各熱電材料素子１及び２における通電方向の一端側が冷却されると共に、他端側が加熱されるようになることから、上記各熱電材料素子１及び２には、それぞれ通電方向に沿って温度勾配が生じる。このため、上記各熱電材料素子１及び２の通電方向の一端側に設けられている絶縁基板５又は６は冷却される一方、通電方向の他端側の絶縁基板６又は５は加熱されるため、該各絶縁基板５と６に温度差が生じ、このため、冷却されて低温側となる絶縁基板５又は６は熱収縮する一方、加熱されて高温側となる絶縁基板６又は５は熱膨張するようになるため、絶縁基板５と６には変形量に差が生じる。

上記のようにして熱電発電時又は熱電冷却、熱電加熱時に、熱電変換用モジュールの絶縁基板５と６に温度差に伴う変形量の差が生じると、各熱電材料素子１及び２の一端部をモジュール電極３を介して絶縁基板５に固定した位置と、各熱電材料素子１及び２の他端部をモジュール電極４を介して絶縁基板６に固定した位置に、絶縁基板５，６の面方向、すなわち、モジュール広がり方向に沿って相対的なずれが生じる。

ところで、一般に、物体の温度変化に伴う変形は、該物体の線膨張係数と温度とサイズの積に支配されるため、上記絶縁基板５と６の変形量の差は、絶縁基板５，６の中央部より外周側へ行くほど拡大される。なお、熱電材料素子１，２とモジュール電極３，４とは異種材料であるため、熱膨張を合せることは困難である。

そのために、上記熱電変換用モジュールにて熱電発電又は熱電冷却、熱電加熱を行わせるときには、モジュール内周側に配設されている各熱電材料素子１及び２に比して、モジュール外周部に配設されている各熱電材料素子１及び２に対し、より大きな熱応力が作用するようになり、このため、モジュール外周部に位置している各熱電材料素子１及び２が、作用する熱応力によって割れを生じる等、劣化し易くなる虞が懸念される。又、各熱電材料素子１及び２が劣化し易いため、熱電変換用モジュールの寿命に影響する。

そこで、上記したような熱電発電時又は熱電冷却、熱電加熱時に各熱電材料素子１及び２に作用する熱応力を低減させることができるようにするための手法の一つとしては、図７に示す如く、図６に示したと同様の構成における各モジュール電極３，４の外側の絶縁基板５，６を省略した構造、すなわち、交互配置したＰ型とＮ型の各熱電材料素子１と２が直列に導通されるよう、これらの熱電材料素子１と２の一端部と他端部をそれぞれ順次接続するためのモジュール電極３と４を、それぞれ外部に露出させるようにした所謂スケルトン構造の熱電変換用モジュールが従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。かかる構成としてあることにより、上記スケルトン構造の熱電変換用モジュールでは、熱電発電時又は熱電冷却、熱電加熱時に、図６に示した如き構成としてある熱電変換用モジュールでは絶縁基板５と６に温度差により変形量に差が生じることに起因して各熱電材料素子１及び２に作用していたような熱応力が、各熱電材料素子１と２に対して作用する虞を解消できるようにしてある。更に、モジュール電極３及び４の外側に絶縁基板がないスケルトン構造としてあることによって、図６に示した如き熱電変換用モジュールでは、熱流が各絶縁基板５，６を通過することで生じていた熱通過量の低下や、各モジュール電極３，４と各絶縁基板５，６との接合部分に生じていた接触熱抵抗をなくすことができるため、より効率的な熱交換を行なうことが可能とされている。なお、図７における符号７は熱電変換用モジュールの形状を保持するために、各熱電材料素子１と２の中央部分を固定する樹脂板を示す。

ところで、上記したように、熱電変換用モジュールを用いて熱電発電や熱電冷却、熱電加熱を行わせる場合には、Ｐ型及びＮ型の各熱電材料素子１及び２に対して、熱流の作用する方向又は通電方向に沿って温度勾配が形成されるようになるが、上記各熱電材料素子１及び２の熱電性能は、温度に敏感な特性を有している。すなわち、上記Ｐ型及びＮ型の各熱電材料素子１及び２を構成する熱電材料の組成を、或る温度域で良好な熱電性能を発揮できるように設定したとしても、その温度域を外れた温度条件の下では、別の組成の熱電材料の方が、優れた熱電性能を得られることがある。たとえば、一般に、よく知られているビスマス（Ｂｉ）・テルル（Ｔｅ）系の材料組成を有する熱電材料素子は、上限が２５０〜３００℃程度までの温度範囲であれば比較的良好な熱電性能を示すが、３００℃以上となるようなより高温の温度条件の下では、鉛テルル系や、シリコン・ゲルマニウム系、コバルト・アンチモン系、シリサイド系等、別の組成の熱電材料による素子を用いる方が、より良好な熱電性能を得ることができることがある。

そこで、たとえば、５００〜６００℃あるいは更に高温の熱源により得られる広い温度領域を利用して熱電発電を行う場合や、熱電冷却や熱電加熱を行う際の冷却あるいは加熱すべき温度域が広い場合等に用いるための熱電変換用のモジュールとして、モジュール全体に形成させることが所望される温度勾配の領域を、低温域から高温域までの複数の温度域に分け、分けられた各温度域ごとに、該各温度域にてそれぞれ良好な熱電性能を得ることができるような材料組成のＰ型及びＮ型の熱電材料素子を用いた熱電変換用モジュールを形成し、これら低温域から高温域の異なる温度域でそれぞれ優れた熱電性能が得られるようにしてある熱電変換用モジュールを、上記モジュール全体に所望される温度勾配に合せて積層することにより、熱電変換の高効率化を図ることができるようにしたカスケード型の熱電変換用モジュール（以下、熱電変換用カスケードモジュールという）が提案されてきている。

図８は上記熱電変換用カスケードモジュールの一例として、ペルチェ効果に基く熱電冷却を目的とした熱電変換用カスケードモジュールを示すもので、図６に示したと同様に、交互配置したＰ型及びＮ型の各熱電材料素子１，２と、これらの熱電材料素子１，２を直列に導通させるよう一端部同士及び他端部同士を順次接続するモジュール電極３，４と、上記各モジュール電極３，４の外側に固定した絶縁基板５，６とからなる熱電変換用モジュールにおけるＰ型及びＮ型の熱電材料素子１，２として、それぞれ高温側で良好な熱電性能が得られる熱電材料組成のＰ型及びＮ型の熱電材料素子（熱電エレメント）１ａ及び２ａを用いてなる熱電変換用モジュール（熱電変換素子）８ａと、同様に、それぞれ低温側で良好な熱電性能が得られるＰ型及びＮ型の熱電材料素子（熱電エレメント）１ｂ及び２ｂを用いてなる熱電変換用モジュール（熱電変換素子）８ｂを形成し、この優れた熱電性能が得られる温度域が異なる、すなわち、高温域側と低温域側にそれぞれ温度適性を有する２つの熱電変換用モジュール８ａと８ｂを、図８に示す如く上下に積層配置すると共に、下側の熱電変換用モジュール８ａにおける上端部の絶縁基板５と、上側の熱電変換用モジュール８ｂの下端部の絶縁基板６の互いに相対向する面同士を、はんだ材、ろう材、接着材等で接合してなる構成としてある。これにより、上記熱電変換用カスケードモジュールによれば、低温側に温度適性を有する上方の熱電変換用モジュール８ｂの上面側の絶縁基板５の上側に取り付けた熱負荷となる部品（図示せず）より発せられる熱が、上記低温側に温度適性を有する熱電変換用モジュール８ｂにより吸熱され、更に、高温側に温度適性を有する熱電変換用モジュール８ａにより、上記熱と低温側の熱電変換用モジュール８ｂより発熱される熱を吸熱し、該熱電変換用モジュール８ａの下端部の絶縁基板６から排出することができるようにしてある（たとえば、特許文献２参照）。

なお、交互配置したＰ型及びＮ型の熱電材料素子と、これらのＰ型とＮ型の熱電材料素子を直列に導通させるためのモジュール電極と、該各モジュール電極の外側に設けた絶縁基板（アルミナセラミックス基板）とを備えた構成としてある１段式の熱電変換用のモジュールにて、上記各熱電材料素子の一端側と他端側に設けられている各絶縁基板に温度差が生じて該各絶縁基板に熱膨張による変形量の差が生じても、上記各熱電材料素子に熱応力が作用しないようにするための手法としては、対向配置された２枚の絶縁基板の内側面にそれぞれ設けてある一対のモジュール電極の間に、Ｐ型とＮ型の各熱電材料素子を、該各熱電材料素子の両端部がモジュール電極に対し摺動可能に接触するよう配置すると共に、該各熱電材料素子とモジュール電極とを各絶縁基板にて挟持させるようにした構成とすることも提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

特開２００２−３５３５２５号公報 特開２００４−２８１４５１号公報 特開平９−３２１３４９号公報

ところが、上記図８に示した従来の熱電変換用カスケードモジュールでは、積層配置された各層の熱電変換用モジュール（熱電変換素子）８ａと８ｂは、上述したように、Ｐ型及びＮ型の各熱電材料素子（熱電エレメント）１ａ及び２ａ又は１ｂ及び２ｂの両端部を、モジュール電極３，４を介し絶縁基板５，６に固定した構成、すなわち、図６に示した熱電変換用モジュールと同様の構成をそれぞれ有しているものであるため、熱電発電時又は熱電冷却、熱電加熱時にモジュール全体に温度勾配が生じて、各熱電変換用モジュール８ａと８ｂにおける低温側の絶縁基板５と高温側の絶縁基板６にそれぞれ温度差が生じ、これにより該各絶縁基板５と６に、熱膨張するときの変形量に差が生じると、上記各熱電材料素子１ａと２ａ又は１ｂと２ｂに対して熱応力が作用することとなる。

特に、上記熱電変換用カスケードモジュールは、高温側と低温側の温度差が大きい場合に適用できるようにするためのものであるため、高温側と低温側に配置される絶縁基板５と６の温度差が大きくなり易く、このため、上記各絶縁基板５と６の変形量の差が大きくなることが想定される。しかし、各熱電変換用モジュール８ａと８ｂにおける各熱電材料素子１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂに対して作用する熱応力を緩和する考えは何ら示されていない。

このため、上記従来の熱電変換用カスケードモジュールは、接合用絶縁基板５と６のサイズの増加に伴って該各絶縁基板５と６の熱膨張時の変形量の差が拡大されることを避けるために、モジュール全体の広がり方向の面積を、数ｃｍ角レベルに抑える必要が生じており、大型化するのが難しいというのが実状である。

なお、図７に示した如きスケルトン構造の熱電変換用モジュールは、モジュール全体に温度勾配が生じるときにも各熱電材料素子に作用する熱応力を低減させることができると共に、接触熱抵抗を低減させることができる点で、図６に示した熱電変換用モジュールよりも有利なものとすることができるものであるが、かかるスケルトン構造の熱電変換用モジュールを積層してカスケード型とすることは、従来行われていない。

すなわち、図７に示した如きスケルトン構造の熱電変換用モジュール同士を積層してカスケード型とする場合には、スケルトン構造の熱電変換用モジュール同士を積層配置すると共に、積層された各熱電変換用モジュールにおける相対向する面同士を固定する必要が生じるが、この場合、上記スケルトン構造の熱電変換用モジュールは、両面にモジュール電極３及び４がそれぞれ露出された構成としてあるため、積層配置されたスケルトン構造の熱電変換用モジュール同士の間で相対向した配置とされるモジュール電極３と４とを接合するときの接合部分に、絶縁性を付与する必要がある。このように、モジュール電極３と４とを接合するときに両者の間に絶縁性を得るための手法としては、図８に示した熱電変換用カスケードモジュールの各層の熱電変換用モジュール８ａと８ｂで相対向配置となっているモジュール電極３と４の間で絶縁性を担っている絶縁基板５や６と同様のアルミナや窒化アルミ等のセラミック製としてある熱伝導性の良好な絶縁基板を、積層配置する２つのスケルトン構造の熱電変換用モジュールの間に全面に亘り介在させて、該絶縁基板の両面に、積層する各スケルトン構造の熱電変換用モジュール同士の間で相対向するモジュール電極３と４を、それぞれはんだ付け等により固定することが考えられる。

しかし、この場合には、各スケルトン構造の熱電変換用モジュールの各モジュール電極３，４と絶縁基板との接合部分が剛構造となるため、この接合部分では熱応力を逃すことができなくなってしまい、このために、一段モジュールとしてのスケルトン構造の熱電変換モジュールが有する熱応力を低減できるという利点を有効活用できなくなるという問題がある。

なお、一般に、応力緩和には接合部の面積を減らすことが効果的であるが、複数の熱電変換用のモジュールを積層してカスケード型とするときに、接合部の面積の減少に伴って熱流通過面積が減ると、熱電性能の低下に繋がるという問題がある。

上記特許文献３に記載されたものは、絶縁基板である２枚のアルミナセラミックス基板の内側にモジュール電極を設け、その間にＰ型とＮ型の熱電材料素子をそれぞれ摺動自在に配置した構成としてある１段の熱電変換用のモジュールに関するものであって、スケルトン型の熱電変換用モジュールに関するものではなく、更には、複数の熱電変換用のモジュールを積層してなるカスケード型の熱電変換用モジュールに関する考えは全く示されていない。なお、特許文献３には、１段の熱電変換用モジュールにおける高温側のアルミナセラミックス基板が膨張し、低温側のアルミナセラミックス基板が収縮するときに、モジュール周縁近傍部の熱電材料素子に大きな応力が加わることを緩和するために、アルミナセラミックス基板を分割構造とするという考えは示されているが、該基板の分割構造に関する具体的な記載は全くない。

そこで、本発明は、スケルトン構造の熱電変換用モジュールを積層してカスケード型とするときにも各熱電材料素子に作用する熱応力を緩和させることができ、且つ熱流通過面積の減少を抑制できる熱電変換用カスケードモジュールを提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、交互配置したＰ型及びＮ型熱電材料素子の一端部同士及び他端部同士をモジュール電極にて順次接続してなる構造のスケルトン型の熱電変換用モジュールを、熱電性能が優位となる温度域が異なる熱電材料素子をそれぞれ用いて複数形成し、該各熱電性能が優位となる温度域がそれぞれ異なる複数のスケルトン型熱電変換用モジュールを、熱電性能が優位となる温度域が低温域から高温域となる順に積層配置し、更に、該積層配置した各スケルトン型熱電変換用モジュールのうちの各隣接するもの同士の間に、モジュール広がり方向の面内にて、上記熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールのＰ型及びＮ型熱電材料素子の熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の端部を接続してなるモジュール電極における上記熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の面と、上記熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールのＰ型及びＮ型熱電材料素子の熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の端部を接続してなるモジュール電極における上記熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の面が露出しない位置にスリットが存在するように小面積の領域に分けられた接合用絶縁基板を配置し、且つ上記各隣接するスケルトン型熱電変換用モジュールで相対向するモジュール電極同士を、上記接合用絶縁基板を介在させて接合させるようにしてなる構成を有する熱電変換用カスケードモジュールとする。更に、接合用絶縁基板を、該接合用絶縁基板のモジュール広がり方向の面内での面積が、熱電性能が優位となる温度域が異なる各スケルトン型熱電変換用モジュール同士で相対向するモジュール電極のモジュール広がり方向の面内での面積と同様のサイズを有するもの、又は、該接合用絶縁基板のモジュール広がり方向の面内での面積が、熱電性能が優位となる温度域が異なる各スケルトン型熱電変換用モジュール同士で相対向するモジュール電極のうちのモジュール広がり方向の面内での面積が大きい方のモジュール電極の該モジュール広がり方向の面内での面積と同様のサイズを有するものとする。

本発明の熱電変換用カスケードモジュールによれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）交互配置したＰ型及びＮ型熱電材料素子の一端部同士及び他端部同士をモジュール電極にて順次接続してなる構造のスケルトン型の熱電変換用モジュールを、熱電性能が優位となる温度域が異なる熱電材料素子をそれぞれ用いて複数形成し、該各熱電性能が優位となる温度域がそれぞれ異なる複数のスケルトン型熱電変換用モジュールを、熱電性能が優位となる温度域が低温域から高温域となる順に積層配置し、更に、該積層配置した各スケルトン型熱電変換用モジュールのうちの各隣接するもの同士の間に、モジュール広がり方向の面内にて、上記熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールのＰ型及びＮ型熱電材料素子の熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の端部を接続してなるモジュール電極における上記熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の面と、上記熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールのＰ型及びＮ型熱電材料素子の熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の端部を接続してなるモジュール電極における上記熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の面が露出しない位置にスリットが存在するように小面積の領域に分けられた接合用絶縁基板を配置し、且つ上記各隣接するスケルトン型熱電変換用モジュールで相対向するモジュール電極同士を、上記接合用絶縁基板を介在させて接合させるようにしてなる構成としてあるので、使用時の温度環境により接合用絶縁基板に熱膨張が生じるときには、小面積に分けられている領域がそれぞれ熱膨張するようになるため、それぞれの領域の変形量を小さく抑えることができる。しかも、上記小面積の領域間にはスリットが配されているため、上記個々の小面積の領域の熱膨張を、スリットにより吸収できて、隣接する領域に影響を与える虞を低減できる。したがって、モジュール内における熱膨張による応力を、モジュール厚さ方向にのみ生じさせるようにすることができることから、各スケルトン型熱電変換用モジュールの熱電材料素子に作用する熱応力を緩和させることができる。
（２）更に、接合用絶縁基板を、該接合用絶縁基板のモジュール広がり方向の面内での面積が、熱電性能が優位となる温度域が異なる各スケルトン型熱電変換用モジュール同士で相対向するモジュール電極のモジュール広がり方向の面内での面積と同様のサイズを有するものとした構成とすることにより、各モジュール電極の断面積よりも、接合用絶縁基板の面積を大きく設定できるため、主な熱流通過面積の減少を防ぐことができ、このため、熱電性能が低下する虞を抑制できる。
（３）以上により、モジュール全体の熱応力の集中する部分の応力を引き下げることができて、モジュールの損傷を未然に防止することが可能となり、このため、モジュール全体の広がり方向の面積の大型化を図ることが可能になる。
（４）更に又、積層するスケルトン型熱電変換用モジュール同士の間に、モジュール広がり方向の全体に連続する構成要素がなくなるため、寸法精度を多少落とすことが可能になり、このためコスト的に有利なものとすることが可能になる。
（５）接合用絶縁基板を、該接合用絶縁基板のモジュール広がり方向の面内での面積が、熱電性能が優位となる温度域が異なる各スケルトン型熱電変換用モジュール同士で相対向するモジュール電極のうちのモジュール広がり方向の面内での面積が大きい方のモジュール電極の該モジュール広がり方向の面内での面積と同様のサイズを有するものとした構成とすることにより、スケルトン型熱電変換用モジュール同士のモジュール電極の大きさが相違する場合にも、熱流通過面積を低減させることなく接合用基板のサイズを小さく設定できて、該接合用基板の熱膨張による変形量を小さく抑えることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１（イ）（ロ）は本発明の熱電変換用カスケードモジュールの実施の一形態を示すもので、図７に示したスケルトン型の熱電変換用モジュールと同様に、交互配置したＰ型熱電材料素子１及びＮ型熱電材料素子２と、これらの熱電材料素子１と２とを直列に導通させるよう上記Ｐ型とＮ型の各熱電材料素子の一端部同士及び他端部同士を順次接続するモジュール電極３及び４とからなるスケルトン型の熱電変換用モジュールと同様の構成における上記Ｐ型熱電材料素子１とＮ型熱電材料素子２として、モジュール全体に形成させることが所望される温度勾配の領域を低温域から高温域までの複数の温度域、たとえば、低温域と高温域の２つの温度域に分けたときの高温域で良好な熱電性能が得られるような熱電材料組成としてあるＰ型熱電材料素子１ｘとＮ型熱電材料素子２ｘを用いて高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘを形成する。同様に、上記２つに分けた温度域のうちの低温域にて良好な熱電性能がそれぞれ得られるような熱電材料組成としてあるＰ型熱電材料素子１ｙとＮ型熱電材料素子２ｙを用いて低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙを形成する。更に、上記高温域と低温域でそれぞれ良好な熱電性能を発揮できる２つのスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙを、図１（イ）に示すように積層配置し、該各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの間で互いに相対向する配置となるモジュール電極、すなわち、図上上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘの下端部に位置している各モジュール電極４と、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙにおける上端部に位置している各モジュール電極３との間に、モジュール広がり方向の面内にて所要個所にスリット１１が存在するよう所要の小面積の領域に分けられた接合用絶縁基板１０を、介在させるよう配置すると共に、該接合用絶縁基板１０の上面に、上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘにおけるモジュール電極４の下面を、又、上記接合用絶縁基板１０の下面に、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３の上面をそれぞれ接合して、上記積層配置された２つのスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙとを一体化してカスケード構造とする。

詳述すると、高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘの各熱電材料素子１ｘ，２ｘと、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙの各熱電材料素子１ｙ，２ｙは、いずれも熱流が作用する方向又は通電方向に対して直角な平面での断面形状がほぼ同様の矩形状となるようにしてあり、これにより、該スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙにて各熱電材料素子１ｘと２ｘ及び１ｙと２ｙをそれぞれ直列に接続するためのモジュール電極３，４が、同様のサイズの矩形状となるようにしてある。又、上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘにおける下端部のモジュール電極４と、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙにおける上端部のモジュール電極３は、モジュール広がり方向（図１（ロ）における上下左右方向）に関して同様の配列とされるようにしてある。これにより、上記各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙを積層配置するときに、上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４と、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３を、上下方向に１対１で相対向して配置させることができるようにしてある。

上記接合用絶縁基板１０は、絶縁性と耐熱性を備えたアルミナや窒化アルミ等のセラミック製とし、少なくとも、該接合用絶縁基板１０を介して接合すべきスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４又はスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３のうち、いずれか大きい方と同様のサイズを有するようにしてある。本実施の形態では、上記したように、上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４と、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３とを同様の形状としてあると共に、上下方向に１対１で対応した配置となるようにしてあることから、上記接合用絶縁基板１０を、たとえば、上側と下側の各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙにて相対向配置される一対のモジュール電極４と３とほぼ同様の小さい面積の矩形状となるようにしてある。すなわち、上記接合用絶縁基板１０は、モジュール広がり方向（図１（ロ）における上下左右方向）の面内にて、モジュール電極３，４同士の配列間隔に相当する幅寸法を有するスリット１１を、図１（ロ）に示す如く、直交する２方向にそれぞれ所要間隔で格子状に配列するよう存在させることによって分割された小面積の矩形状となるようにしてある。したがって、個々の接合用絶縁基板１０は、それぞれ上記格子状に配されるスリット１１によって４方を囲まれた状態となるようにしてある。

なお、上記接合用絶縁基板１０と、スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４、及び、スケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３との接合は、はんだ付けやろう付け、その他のいかなる接合方法を採用してもよい。

以上の構成とすることにより、上記各接合用絶縁基板１０の面積が、該各接合用絶縁基板１０の上面に接合された高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘの各モジュール電極４にそれぞれ取り付けられている熱電材料素子１ｘと２ｘの断面積の和、及び、接合用絶縁基板１０の下面に接合された低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙの各モジュール電極３にそれぞれ取り付けられている熱電材料素子１ｙと２ｙの断面積の和、すなわち、該各熱電変換用モジュール９ｘと９ｙにおけるそれぞれのＰ型とＮ型の熱電材料素子対の熱流通過面積をいずれも上回るようにして、上記接合用絶縁基板１０を介した接合部分にて、上下の各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの主な熱流通過面積の減少を抑制できるようにしてある。

なお、図１（イ）におけるスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの上下位置は、両者を積層配置した状態を図示するための便宜上の配置であって、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの製造時や使用時における高温域側と低温域側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの配置を規定するものではない。したがって、本発明の熱電変換用カスケードモジュールを使用するときの姿勢としては、高温域側及び低温域側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ，９ｙの向きを自在に設定してよい。後述する各実施の形態についても同様とする。

本発明の熱電変換用カスケードモジュールを、たとえば、熱電発電に用いる場合は、高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘにて外部に露出されているモジュール電極３を、直接、あるいは、該モジュール電極３に取り付けた図示しない受熱板等を介して高温の熱源からの受熱面とし、一方、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙにて外部に露出されているモジュール電極４を、ヒートシンク等の低熱源（図示せず）に接触させると、上記高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極３で受けられた熱により、各熱電材料素子１ｘと２ｘを直列に順次接続しているモジュール電極３と４のうち、上記一方のモジュール電極３が加熱されるようになるため、上記スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘにて熱電発電が行われる。

上記高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘにおける熱電発電により熱エネルギーの一部が消費されることにより、熱流は、該高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘの各熱電材料素子１ｘと２ｘを通過するときに温度低下され、これにより、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙにて良好な熱電性能が得られるような所要温度とされた後、該各熱電材料素子１ｘと２ｘの下端面同士を接続しているモジュール電極４より、接合用絶縁基板１０を経て、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３に受けられる。これにより、上記低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙでは、各熱電材料素子１ｙと２ｙを直列に順次接続しているモジュール電極３と４のうち、一方のモジュール電極３が加熱されるようになるため、上記スケルトン型熱電変換用モジュール９ｙにて熱電発電が行われるようになる。

したがって、上記高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙにより、それぞれ良好な熱電性能が得られるような温度条件の下で熱電発電を行わせることができるため、熱電発電を高効率で行わせることができる。

上記のような熱電発電時には、各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙに対し、それぞれ熱流の作用する方向に温度勾配が生じるようになるが、上記高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙとの間に介在させてある接合用絶縁基板１０は、上記各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙの接合すべきモジュール電極３，４とほぼ同様な小面積のものとしてあるため、個々の接合用絶縁基板１０の熱膨張によるモジュール広がり方向の変形量を小さく抑えることができる。しかも、該各接合用絶縁基板１０は周りがスリット１１により囲まれるようにしてあるため、それぞれの接合用絶縁基板１０の熱膨張による変形は、その周りのスリット１１により吸収されて、モジュール広がり方向の面内で隣接する他の接合用絶縁基板１０に影響を与える虞はない。よって、モジュール内周部から外周部に存在するすべての熱電材料素子１ｘ，１ｙ，２ｘ，２ｙに対して大きな熱応力が作用する虞を未然に防止できる。

したがって、モジュール内における熱膨張による応力を、モジュール厚さ方向にのみ生じさせるようにすることができて、接合用絶縁基板１０の部分で該接合用絶縁基板１０の面方向に沿って広がる熱応力を極力下げることができることから、積層された各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙにおけるそれぞれの熱電材料素子１ｘ，２ｘ及び１ｙ，２ｙに作用する熱応力を緩和させることができる。

又、上記熱電発電の際、高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘを通過した熱流は、該スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘにおける熱流通過面積を上回るような面積を有するようにしてある接合用絶縁基板１０を経て、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙへ受けられるようにしてあるため、熱電性能が低下する虞を抑制できる。

以上により、本発明の熱電変換用カスケードモジュールでは、主な熱流通過面積を低減させることなく接合面積を減らすことができるため、モジュール全体の熱応力の集中する部分の応力を引き下げることができて、モジュールの破壊（抵抗増加）を防止することが可能となり、このため、モジュール全体の広がり方向の面積の大型化を図ることが可能になる。

又、積層する高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙとの間に、モジュール広がり方向に連続する絶縁基板のような構成要素がなくなるため、寸法精度を多少落とすことが可能になり、このためコスト的に有利なものとすることが可能になる。

ところで、物体の温度変化に伴う変形は、線膨張係数と温度とサイズの積に支配されるものであるため、物体のサイズが或る程度小さければ、熱膨張に伴う変形量を比較的小さく抑制することが可能である。

このことに鑑みて、本発明の熱電変換用カスケードモジュールにおけるスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの相対向するモジュール電極４と３の間に介在させる接合用絶縁基板１０の大きさ（サイズ）を、上記図１（イ）（ロ）に示した如き各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ、９ｙのモジュール電極３，４の１つずつと対応するような小面積のものとすることに代えて、多少拡大させてもよい。すなわち、接合用絶縁基板１０の大きさと、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に所要温度となる上記接合用絶縁基板１０の熱膨張に伴う変形量は相関する。又、上記接合用絶縁基板１０の熱膨張に伴う変形量と、接合用絶縁基板１０の変形に起因して該接合用絶縁基板１０に接合されている高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４、及び、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３にそれぞれ取り付けられている熱電材料素子１ｘ，２ｘ及び１ｙ，２ｙに対して作用することとなる熱応力の大きさは相関する。このために、上記接合用絶縁基板１０の大きさは、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に、各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙの各熱電材料素子１ｘ，２ｘ及び１ｙ，２ｙに対して作用することとなる熱応力の大きさに影響を与えることになる。したがって、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に、各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ，９ｙの各熱電材料素子１ｘ，２ｘ，１ｙ，２ｙに対して作用する熱応力が、該各熱電材料素子１ｘ，２ｘ，１ｙ，２ｙに損傷を生じさせる虞のない程度に抑制できる範囲内であれば、接合用絶縁基板１０のサイズを多少大きくしてもよい。

図２（イ）（ロ）は、このように、接合用絶縁基板１０のサイズを、各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ、９ｙのモジュール電極３，４の１つずつと対応するような大きさよりも拡大する場合の本発明の実施の他の形態を示すものである。すなわち、図１（イ）（ロ）に示したと同様の構成において、積層配置された高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４と、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３との間に、複数のモジュール電極３，４、たとえば、図２（ロ）にて上下左右に近接した４つのモジュール電極３，４を覆うことができるようなサイズとして形成してある接合用絶縁基板１０ａを、積層配置した上記高温域用と低温域用の各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙとの間で互いに対向配置されているモジュール電極３と４の近接する４つの組ごとにそれぞれ介在させて配置し、１つの接合用絶縁基板１０ａに上記４組の対向配置されているモジュール電極３，４を一緒に接合させるようにしたものである。なお、図２（イ）（ロ）において図１（イ）（ロ）に示したものと同一のものには同一符号が付してある。

かかる構成とすることによっても、上記図１（イ）（ロ）に示した実施の形態と同様の効果を得ることができる。

又、図３は本発明の実施の更に他の形態を示すもので、図１（イ）（ロ）に示したと同様の構成において、接合用絶縁基板を、接合すべきモジュール電極３，４とほぼ同様のサイズの矩形状の接合用絶縁基板１０とすることに代えて、接合すべきモジュール電極３，４とほぼ同様の幅寸法を有する狭幅の領域が、高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極３，４を介した各熱電材料素子１ｘ，２ｘの直列接続回路、及び、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３，４を介した各熱電材料素子１ｙ，２ｙの直列接続回路の配置に沿って蛇行するように延びた形状の接合用絶縁基板１０ｂとしたものである。

上記接合用絶縁基板１０ｂは、たとえば、モジュール広がり方向（図３における上下左右方向）の全面に亘る平板状の絶縁性の基板に、図上左右方向のスリット１１を、上下方向所要間隔で複数平行に、且つ、図上上下方向に配列された各スリット１１が、交互に左右の辺部まで達するよう設けることにより、該各スリット１１によって、図上上下方向に分けられた狭幅の領域（小面積の領域）が、左右へ交互に蛇行しながら一連に連なる形状となるようにしてある。更に、該接合用絶縁基板１０ｂの両面に、積層配置した高温域用と低温域用の各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙの間にて互いに相対向する配置とされるモジュール電極４及び３を、それぞれ接合させるようにしてある。なお、図３において図１（イ）（ロ）に示したものと同一のものには同一符号が付してある。

本実施の形態においても、図１（イ）（ロ）に示したと同様の効果を得ることができる。

次に、図４は本発明の実施の別の形態として、積層配置する高温域用と低温域用の各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙにおける熱電材料素子１ｘ，２ｘ及び１ｙ，２ｙの断面積が相違する場合の適用例を示すものである。

すなわち、熱電材料素子は、組成が変化すると、電気抵抗等の物性値が変化することがある。このために、図１（イ）（ロ）に示したと同様の熱電変換用カスケードモジュールを構成するために積層する高温域用と低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙにて、それぞれ用いている高温域用の熱電材料素子１ｘ，２ｘと低温域用の熱電材料素子１ｙ，２ｙに、材料組成の相違により電気抵抗等の物性値の相違が生じていることがある。このように物性値の異なる熱電材料素子１ｘ，２ｘと１ｙ，２ｙをそれぞれ用いた高温域用と低温域用の各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙでは、所望の熱電性能を得ることができるようにするために、それぞれ用いる熱電材料素子１ｘ，２ｘと１ｙ，２ｙで断面積を相違させることがある。たとえば、図４では、下側に配置された低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙの個々の熱電材料素子１ｙ及び２ｙが、上側に配置される高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘの下端部のモジュール電極４とほぼ同様の大きさとなるようにしてある。

このように、積層するスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙで、それぞれの熱電材料素子１ｘ，２ｘと１ｙ，２ｙの断面積が相違する場合には、上記スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの間に介在させるための接合用絶縁基板としては、少なくとも、より断面積の大きい熱電材料素子１ｙ，２ｙ同士を接続しているモジュール電極３に対応した面積を備えた接合用絶縁基板１０ｃとし、これにより、該接合用絶縁基板１０ｃのサイズが、上記断面積の大きい方の熱電材料素子１ｙ，２ｙにおける主な熱流通過面積よりもやや大きくなるようにしてある。

したがって、本実施の形態の熱電変換用カスケードモジュールは、図４に示す如く、図１（イ）（ロ）に示したと同様の構成において、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙの熱電材料素子１ｙ，２ｙを、上記したように、高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘの熱電材料素子１ｘ，２ｘよりも大きな断面積を有するものとし、更に、該各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの間で相対向配置されるスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４とスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３との間に、より断面積の大きな熱電材料素子１ｙ，２ｙを使用しているスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３とほぼ同様のサイズごとの間隔でスリット１１が存在するよう分割された接合用絶縁基板１０ｃを配置すると共に、該接合用絶縁基板１０ｃの上面に、上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４を２つずつ接合し、又、上記接合用絶縁基板１０ｃの下面に、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３を１つずつ接合するようにしてある。

その他、図１（イ）（ロ）に示したものと同一のものには同一符号が付してある。

本実施の形態によっても、モジュール全体の主な熱流通過面積を減少させることなく、モジュール広がり方向におけるスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙの接合用絶縁基板１０ｃを介した接合面積を、各接合用絶縁基板１０ｃごとに、すなわち、モジュール広がり方向の面内で小面積に分割して減少させることができるため、図１（イ）（ロ）に示したと同様の効果を得ることができる。

次いで、図５は、図１（イ）（ロ）に示した実施の形態において、積層する高温域用と低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙとの間に、モジュール広がり方向の面内にてスリット１１が存在するよう小面積の領域に分けられた接合用絶縁基板１０を介在させるよう配置すると共に、該接合用絶縁基板１０の上下面に、上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ下端部のモジュール電極４と、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙ上端部のモジュール電極３とを接合、固定するようにした構成に代えて、積層配置したスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘと９ｙとの間に、モジュール広がり方向の全面に亘る接合用絶縁基板１２を介在させるよう配置すると共に、該接合用絶縁基板１２の上下面に、上側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ下端部のモジュール電極４と、下側のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙ上端部のモジュール電極３とを、それぞれ熱伝導性を有する弾性接着剤１３により接合してなる構成としたものである。

上記弾性接着剤１３は、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に接合用絶縁基板１２部分に作用することとなる温度条件に対する耐熱性と、高熱伝導性を有し、更に、接合用絶縁基板１２、スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４の下面、及び、スケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３の上面と接する界面は強固に付着するが、硬化後にも素材自体は柔軟性（弾性）を有するような樹脂系等の接着剤を用いるようにしてある。

その他、図１（イ）（ロ）に示したものと同一のものには同一符号が付してある。

図５の形態の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に、所要の温度条件が作用することによって上記接合用絶縁基板１２に熱膨張による変形が生じると、該変形は、上記接合用絶縁基板１２とスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４との間、及び、接合用絶縁基板１２とスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３との間をそれぞれ柔軟性を備えた状態で接着している弾性接着剤１３自体が変形することで変位量が緩和された後、各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙのモジュール電極４及び３へそれぞれ伝えられる。

したがって、モジュール外周部に存在する上記スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４に取り付けてある各熱電材料素子１ｘ，２ｘ、及び、スケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３に取り付けてある熱電材料素子１ｙ，２ｙにおいても、上記接合用絶縁基板１２の熱膨張による変形に起因して該各熱電材料素子１ｘ，２ｘ，１ｙ，２ｙに生じることとなる熱応力を低減させることができる。なお、上記接合用絶縁基板１２は、モジュール広がり方向の全面に亘るよう設けてあるため、モジュール全体の熱流通過面積を低減させることはない。

以上のことから、上記図５の形態によっても、モジュール全体の熱応力の集中する部分の応力を引き下げることができて、モジュールの破壊（抵抗増加）を防止することが可能となり、このため、モジュール全体の広がり方向の面積の大型化を図ることが可能になる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、以下に示すような構成としてもよい。すなわち、積層するスケルトン型熱電変換用モジュールの熱電材料素子１ｘ，２ｘ，１ｙ，２ｙは、使用時に所望される温度域に合せてビスマス・テルル系、鉛テルル系、シリコン・ゲルマニウム系、コバルト・アンチモン系、シリサイド系等として、材料の基本元素を変化させることにより、良好な熱電性能の得られる温度域が異なるようにしてもよく、あるいは、上記各系の材料の基本元素を変更せずに、各元素の比率や、その他の添加元素や、製造方法（製造条件）等を変えることにより、良好な熱電性能の得られる温度域が異なるようにした熱電材料素子１ｘ，２ｘ，１ｙ，２ｙを用いるようにしてもよい。

図２（イ）（ロ）の実施の形態では、各層のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ，９ｙにおける図２（ロ）にて図上上下左右方向に近接する４つずつのモジュール電極３，４を、１つの接合用絶縁基板１０ａを介して一緒に接合するものとして示したが、１つの接合用絶縁基板１０ａにより接合するモジュール電極３，４の数は、上記接合用絶縁基板１０ａのサイズや形状と、各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ，９ｙにおけるモジュール電極３，４のサイズや配列間隔等に応じて、２つ又は３つ、あるいは、５つ以上のモジュール電極３，４を１つの接合用絶縁基板１０ａへ接合するようにしてもよい。

図４の実施の形態において、１つの接合用絶縁基板１０ｃに接合するスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４の数と、スケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３の数は、各モジュール電極４と３のサイズや両者の大小関係、及び、該各モジュール電極３，４の配列間隔、接合用絶縁基板１０ｃの大きさ等に応じて、それぞれ適宜増減してよい。更に、１つの接合用絶縁基板１０ｃに対して、高温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４よりも、低温域用のスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３を多数取り付けるようにしてもよい。

図２（イ）（ロ）の実施の形態、図３の実施の形態及び図４の実施の形態における接合用絶縁基板１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用時に接合用絶縁基板１０ａ，１０ｂ，１０ｃの熱膨張による変形に起因して各スケルトン型熱電変換用モジュール９ｘ及び９ｙの各熱電材料素子１ｘ，２ｘ及び１ｙ，２ｙに対して作用することとなる熱応力の大きさを、該各熱電材料素子１ｘ，２ｘ，１ｙ，２ｙに損傷を生じさせる虞のない程度に抑制できる範囲内であれば、サイズ及び形状は自在に設定してもよい。

接合用絶縁基板１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、本発明の熱電変換用カスケードモジュールの使用環境に対応可能な耐熱性を有し、且つ上下両側に配置されるスケルトン型熱電変換用モジュール９ｘのモジュール電極４とスケルトン型熱電変換用モジュール９ｙのモジュール電極３との間を絶縁できれば、所要の非絶縁材料製の基板に絶縁被膜を形成させたもの等、アルミナや窒化アルミ等のセラミック製以外のものを使用してもよい。更に、図５の形態では、弾性接着剤１３が絶縁性を備えていれば、基板を絶縁材料製とする必要をなくすことが可能である。

積層するスケルトン型熱電変換用モジュールの数は、上記各実施の形態では高温域用と低温域用の２層のものとして示したが、使用時に作用する温度勾配を高温側から低温側へ３つ以上温度域に分けて、それぞれの温度域にて良好な熱電性能を得ることができるような熱電材料素子を用いて形成するスケルトン型熱電変換用モジュールを温度勾配に合せて３層以上積層してもよい。この場合、互いに隣接する層のスケルトン型熱電変換用モジュール同士の接合は、図１（イ）（ロ）の実施の形態、図２（イ）（ロ）の実施の形態、図３の実施の形態又は図４の実施の形態のように、モジュール広がり方向の面内で小面積の領域に分けられた接合用絶縁基板１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃを介在させた接合、又は、図５の形態のように、モジュール広がり方向の全面に亘る接合用絶縁基板１２と弾性接着剤１３とを介した接合のいずれの手法を採用してもよく、更には、隣接する層のスケルトン型熱電変換用モジュール同士の接合部分ごとに、上記各実施の形態に示した接合手法のうち、異なる接合手法を採用してもよい。

本発明の熱電変換用カスケードモジュールは、熱電発電以外の熱電冷却や熱電加熱を行うための熱電変換用モジュールにも適用できること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の熱電変換用カスケードモジュールの実施の一形態を示すもので、（イ）は概略側面図、（ロ）は（イ）のＡ−Ａ方向矢視図である。 本発明の実施の他の形態を示すもので、（イ）は概略側面図、（ロ）は（イ）のＢ−Ｂ方向矢視図である。 本発明の実施の更に他の形態を示す図１（ロ）に対応する図である。 本発明の実施の別の形態を示す概略側面図である。 図１の熱電変換用カスケードモジュールの変形例を示す概略側面図である。 一般に用いられている熱電変換用モジュールの一例の概略を示す側面図である。 従来提案されているスケルトン型熱電変換用モジュールを示す概略側面図である。 従来提案されている熱電変換用カスケードモジュールを示す概略側面図である。

符号の説明

１ｘ，１ｙ Ｐ型熱電材料素子
２ｘ，２ｙ Ｎ型熱電材料素子
３ モジュール電極
４ モジュール電極
９ｘ，９ｙ スケルトン型熱電変換用モジュール
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 接合用絶縁基板
１１ スリット
１２ 接合用絶縁基板
１３ 弾性接着剤

Claims (3)

1. 交互配置したＰ型及びＮ型熱電材料素子の一端部同士及び他端部同士をモジュール電極にて順次接続してなる構造のスケルトン型の熱電変換用モジュールを、熱電性能が優位となる温度域が異なる熱電材料素子をそれぞれ用いて複数形成し、該各熱電性能が優位となる温度域がそれぞれ異なる複数のスケルトン型熱電変換用モジュールを、熱電性能が優位となる温度域が低温域から高温域となる順に積層配置し、更に、該積層配置した各スケルトン型熱電変換用モジュールのうちの各隣接するもの同士の間に、モジュール広がり方向の面内にて、上記熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールのＰ型及びＮ型熱電材料素子の熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の端部を接続してなるモジュール電極における上記熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の面と、上記熱電性能が高温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールのＰ型及びＮ型熱電材料素子の熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の端部を接続してなるモジュール電極における上記熱電性能が低温域側で優位となるスケルトン型熱電変換用モジュールに臨む側の面が露出しない位置にスリットが存在するように小面積の領域に分けられた接合用絶縁基板を配置し、且つ上記各隣接するスケルトン型熱電変換用モジュールで相対向するモジュール電極同士を、上記接合用絶縁基板を介在させて接合させるようにしてなる構成を有することを特徴とする熱電変換用カスケードモジュール。
2. 接合用絶縁基板を、該接合用絶縁基板のモジュール広がり方向の面内での面積が、熱電性能が優位となる温度域が異なる各スケルトン型熱電変換用モジュール同士で相対向するモジュール電極のモジュール広がり方向の面内での面積と同様のサイズを有するものとした請求項１記載の熱電変換用カスケードモジュール。
3. 接合用絶縁基板を、該接合用絶縁基板のモジュール広がり方向の面内での面積が、熱電性能が優位となる温度域が異なる各スケルトン型熱電変換用モジュール同士で相対向するモジュール電極のうちのモジュール広がり方向の面内での面積が大きい方のモジュール電極の該モジュール広がり方向の面内での面積と同様のサイズを有するものとした請求項１記載の熱電変換用カスケードモジュール。

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