(57)【要約】  構造を単純化すると共に、熱電変換素子と伝熱体との密着性を良好にして、熱伝導効率に優れた熱電変換モジュールを提供する。  熱電変換モジュール１０は、内管１４、及び内管１４と同軸上に所定の間隙を設けて離間する外管１３を有する二重角筒体１５を備える。そして、内管１４と外管１３とが対向する面にそれぞれ電極１２ｃ・１２ｄが配設される。電極１２ｃ・１２ｄは熱電変換素子１２が接続される。熱電変換素子１２は、相反する向きに配置される一方の面が加熱面として規定されると共に他方の面が冷却面として規定される。内管１４の内部及び外管１３の外部のいずれか一方が高温流体を流す第１流体経路として規定されると共に他方が低温流体を流す第２流体経路として規定される。
2009013960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管、及びこの内管と同軸上に所定の間隙を設けて離間する外管を有する二重角筒体と、
前記内管と前記外管とが対向する面にそれぞれ配設される電極と、
前記電極に接続される熱電変換素子と、
を備えることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記熱電変換素子は、相反する向きに配置される一方の面が加熱面として規定されると共に他方の面が冷却面として規定され、
前記内管の内部及び前記外管の外部のいずれか一方が高温流体を流す第１流体経路として規定されると共に他方が低温流体を流す第２流体経路として規定され、
前記加熱面が密着されると共に前記第１流体経路の反対面上に前記電極を介して形成される第１絶縁層と、
前記冷却面が固着されると共に前記第２流体経路の反対面上に前記電極を介して形成される第２絶縁層と、
を備え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。
【請求項３】
前記第２流体経路として規定された面上に、放熱部材を配設することを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記熱電変換素子は、平板状に形成され、かつ前記内管の外面は、平板状に形成されると共に軸方向に延びることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記熱電変換素子は、複合金属酸化物からなる焼結体セルであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記電極は、前記焼結体セルに導電性ペーストを塗布し焼結することによって得られることを特徴とする請求項５記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記熱電変換素子の各々は同一の素材によって成形されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記電極とは異なる他の電極とを電気的に接続する所定形状の導電性部材を備え、
前記導電性部材は、前記電極の一方に嵌合して取り付けられる第１嵌合部と、前記電極及び前記第１嵌合部とは異なる他の電極と電気的に接続されるリード部と、
を有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
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８に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記他の電極は、他の熱電変換素子における前記電極であり、前記リード部は、当該他の熱電変換素子の前記電極の他方に嵌合して取り付けられる第２嵌合部を有することを特徴とする請求項８に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
前記導電性部材は、並列する複数の前記熱電変換素子同士を所定の方向に接続することにより熱電変換素子アレイを形成する第１コネクタと、当該第１コネクタに接続される前記熱電変換素子アレイの最初及び最後のいずれかの熱電変換素子の前記電極の一方と前記他の電極とを電気的に接続する第２コネクタと、を有することを特徴とする請求項８から１０のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記第２コネクタが接続する前記他の電極は、他の前記熱電変換素子アレイの最初及び最後のいずれか一方の熱電変換素子の前記電極の他方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ュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換するための素子であり、例えば、ｐ型及びｎ型の２種類の熱電変換素子（半導体素子）を電気的には直列に接続すると共に、熱的には並列に接続して、各接合部間に温度差を与えると、起電力が発生する。そして、外部に負荷を接続すると電気的出力を得ることができる。このような熱電変換素子を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールが知られている。【０００３】
熱電変換モジュールとしては、特許文献１の図６に示すように、隣接する熱電変換素子間を短絡防止するために絶縁処理が施された平板状の２枚の電気的絶縁基板間に、対向するように形成された電極にｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を交互に配置すると共に、互いに隣接する熱電変換素子を絶縁基板上に形成された電極によって接続した構造（以下平板型モジュールという）が知られている。この平板型モジュールは、熱電変換素子の成形加工が不要であり、モジュールの作成が容易であるため、経済的で汎用性に優れている。【０００４】
例えば、このような平板型モジュールは、高温又は低温の流体が流通する流体経路を囲う伝熱体の外側面に平面を形成して、この外側の平面に平板型モジュールの一方の平面が密着するように取り付けられている。そして、平板型モジュールの他方の平面は外気に開放しているので、前記流体との温度差により、平板型モジュールから電気的出力を得ることができる。【０００５】
一方、この平板型モジュールは、絶縁基板の一方の面が過熱され、絶縁基板の他方の面が冷却される熱膨張の違いから、平板型モジュールに反り（歪ともいう）が生ずることが起こりえる。このような反りの発生は、流体経路を囲う伝熱体の外側面とこの外側面に密着するように取り付けられた平板型モジュールとの密着性が低下して、平板型モジュールの熱伝導効率が低下するのである。したがって、平板状の剛性の固定部材を用いて、流体経路を囲う外側面に平板型モジュールを挟持することにより、平板型モジュールの反りを防止していた。【０００６】
このように平板型モジュールを用いた発電装置は、反りを防止するための固定部材を必要とするため、構成が複雑になるという不具合がある。【０００７】
このような不具合を防止するため、高温流体の流体経路となる内管と、この内管と同一軸心で所定の空隙部を形成して内管の熱を外方へ放出する外管とを有する二重円筒体（電熱体）を備え、内管の外周面と外管の内周面に電極を配設し、それぞれ一方の面側の電極と他方の面側の電極で熱電変換素子を挟み込むようにした熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−２０７６５８号公報
【特許文献２】特開平９−３６４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２の熱電変換モジュールは、内管及び外管で構成される二重円筒体の間隙に電極及び熱電変換素子を配設し、内管が流体経路であると共に、熱電変換素子を伝熱する基板を兼ねている。更に、この内管が膨張して、熱電変換素子に対して圧縮応力を加える構成となっている。そして、電極及び熱電変換素子が内管の外周面と外管の内周面に密着して配置されているので、熱膨張は等方的に熱電変換素子に伝えられることになり、歪及び剪断応力を低減することができる、としている。【０００９】
しかし、特許文献２の熱電変換モジュールは、上述したように、高温流体の流体経路となる内管と外管との熱膨張の違いにより生じる歪を利用し、この歪を等方的に熱電変化素子に伝えるため、二重円筒体で構成する必要がある。【００１０】
又、平板状の熱電変換素子、又は円弧状に形成された熱電変換素子を二重円筒体内に組み込むことは容易ではなく、熱電変換モジュールの構成も複雑となる。更に、特許文献２の熱電変換モジュールにおいても、熱電変換素子の伝熱される面と伝熱体の伝熱する面とが円弧状で密着しており、両者の熱膨張率の違いから内管及び外管の互いの円弧面が必ずしも正しく密着しない。つまり、曲面形状の内管及び外管と曲面形状の熱電変換素子との熱膨張率の異なる両者の接触が、熱膨張によって点接触になってしまうことによる熱伝導効率の低下が懸念される。【００１１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、熱電変換モジュール自体の構造を単純化しつつ、熱電変換モジュールと伝熱体との密着性を良好にして、熱伝導効率に優れると共に、組立性やメンテナンス性に優れる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）  内管、及びこの内管と同軸上に所定の間隙を設けて離間する外管を有する二重角筒体と、前記内管と前記外管とが対向する面にそれぞれ配設される電極と、前記電極に接続される熱電変換素子と、を備えることを特徴とする熱電変換モジュール。【００１３】
（１）の発明による熱電変換モジュールは、内管、及びこの内管の同軸上に所定の間隙を設けて離間する外管を有する二重角筒体（伝熱体）の前記内管と前記外管とが対向する面にそれぞれ電極が配設されると共に、この電極に熱電変換素子を接続するように構成しているので、熱電変換モジュール自体の構造を単純化しつつ、熱電変換モジュールと伝熱体との密着性を良好にして、熱伝導効率に優れると共に、組立性やメンテナンス性に優れる熱電変換モジュールを提供できる。【００１４】
（２）  前記熱電変換素子は、相反する向きに配置される一方の面が加熱面として規定されると共に他方の面が冷却面として規定され、前記内管の内部及び前記外管の外部のいずれか一方が高温流体を流す第１流体経路として規定されると共に他方が低温流体を流す第２流体経路として規定され、前記加熱面が密着されると共に前記第１流体経路の反対面上に前記電極を介して形成される第１絶縁層と、前記冷却面が固着されると共に前記第２流体経路の反対面上に前記電極を介して形成される第２絶縁層と、を備えることを特徴とする（１）に記載の熱電変換モジュール。【００１５】
（２）の発明による熱電変換モジュールは、熱膨張の大きい高温側の反対面上に熱電変換素子の一方の面を密着（固定しない）すると共に、電極を介して第１絶縁層を形成（窒化アルミ（ＡｌＮ）やシリカ（ＳｉＯ２）を含む絶縁性ペーストなどの絶縁材を被覆）し、この高温側の面とは相反する向きに配置される熱膨張の小さい低温側の面上に熱電変換素子の他方の面を固着すると共に、電極を介して第２絶縁層を形成（陽極酸化処理などの絶縁化処理を施す）するように構成しているので、加熱面側と冷却面側との熱膨張の違いに起因する反りの発生を抑制できる。【００１６】
ここで、特許文献２の熱電変換モジュールは、上述したように、内管及び外管の熱膨張により生じる歪を利用して、この歪を等方的に熱電変換素子に伝えているものであって、熱電変換モジュールに発生する反りの問題は依然として解決していない。したがって、平板型モジュールに適用することは不可能である。しかしながら、（２）の発明による熱電変換モジュールを、平板型モジュールとして発電装置を構成した場合、加熱面側と冷却面側との熱膨張の相違に起因する平板型モジュール自体の歪、及び熱電変化素子に加わる剪断応力の発生を抑制でき、かつ平板型モジュールの反りを防止するための固定部材を必要としないため、熱電変換モジュールの構成も簡単にでき、経済的で汎用性に優れた熱電変換モジュールを提供できる。【００１７】
（３）  前記第２流体経路として規定された面上に、放熱部材を配設することを特徴とする（２）に記載の熱電変換モジュール。【００１８】
（３）の発明による熱電変換モジュールは、二重角筒体の第２の流体経路として規定された面上に、放熱部材（例えば、放熱フィン）を配設したので、二重角筒体の内管又は外管と熱電変換素子との熱膨張により生じる反りを抑制できると共に、この配設された放熱部材により二重角筒体の内管内面又は外管外面からの反りを抑えつけることができるため、熱電変換モジュールと伝熱体との密着性を向上できる。又、この放熱部材は二重角筒体自体を補強するための補強材としても機能させることができる。【００１９】
（４）  前記熱電変換素子は、平板状に形成され、かつ前記内管の外面は、平板状に形成されると共に軸方向に延びることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。【００２０】
（４）の発明による熱電変換モジュールは、前記熱電変換素子が、平板状に形成され、かつ前記内管の外面は、平板状の面に形成されると共に軸方向に延びている。このように、（４）の発明による熱電変換モジュールは、平板状に形成された熱電変換素子の伝熱される面と、平板状に形成され軸方向に延びる伝熱体の伝熱面とが平面で固着又は密着することにより、熱伝導面積を大きくでき、電気的出力を向上させることができる。更に、本発明の熱電変換モジュール自体の大型化も可能にさせる。【００２１】
（５）  前記熱電変換素子は、複合金属酸化物からなる焼結体セルであることを特徴とする（１）から（４）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。【００２２】
（５）の発明による熱電変換モジュールは、熱電変換素子を複合金属酸化物からなる焼結体セルとしたので、ｐ型及びｎ型の熱電変換素子を熱電変換モジュールに用いた際に生じる半導体特性の不揃いに起因する熱電変換効率の低下を解消することができる。【００２３】
（６）  前記電極は、前記焼結体セルに導電性ペーストを塗布し焼結することによって得られることを特徴とする（５）記載の熱電変換モジュール。【００２４】
（６）の発明による熱電変換モジュールは、前記焼結セルに導電ペーストを塗布して、焼結によって電極を得る（熱電変換素子と電極を一体化する）ようにしたので、熱電変換素子に別途電極を配設するという作業を行う必要がないから、熱電変換モジュールの組立が容易となるばかりでなく、熱電変換モジュール自体をシンプルな構造とすることができる。【００２５】
（７）  前記熱電変換素子の各々は同一の素材によって成形されていることを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。【００２６】
（７）の発明による熱電変換モジュールは、熱電変換素子の各々は同一の素材で同一の寸法に成形するようにしたので、各熱電変換素子の電気的特性を統一することができる。したがって、ｐ型及びｎ型の熱電変換素子を交互に配置する従来の熱電変換モジュールに比べて、熱電変換効率を向上させることができる。【００２７】
（８）  前記電極とは異なる他の電極とを電気的に接続する所定形状の導電性部材を備え、前記導電性部材は、前記電極の一方に嵌合して取り付けられる第１嵌合部と、前記電極及び前記第１嵌合部とは異なる他の電極と電気的に接続されるリード部と、を有することを特徴とする（１）から（７）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。【００２８】
（８）の発明による熱電変換モジュールは、熱電変換素子に配設される電極とは異なる他の電極とを電気的に接続する所定形状の導電性部材において、第１嵌合部とリード部とを一体化されているため、確実な導通が得られ、電気的な信頼性が向上する。【００２９】
（９）  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（８）に記載の熱電変換モジュール。【００３０】
（９）の発明による熱電変換モジュールは、導電性部材により外部電極との接続を簡単かつ確実に行うことができるため、他の装置への組み込み性に優れると共に、電気的な信頼性を向上させることができる。【００３１】
（１０）  前記他の電極は、他の熱電変換素子における前記電極であり、前記リード部は、当該他の熱電変換素子の前記電極の他方に嵌合して取り付けられる第２嵌合部を有することを特徴とする（８）に記載の熱電変換モジュール。【００３２】
（１０）の発明による熱電変換モジュールは、リード部が他の熱電変換素子の電極の他方に嵌合して取り付けられる第２嵌合部を有しているので、第１及び第２嵌合部によって容易にしかも確実に熱電変換素子に形成された電極同士を電気的に接続することができ、導通不良の発生を抑制することができる。【００３３】
（１１）  前記導電性部材は、並列する複数の前記熱電変換素子同士を所定の方向に接続することにより熱電変換素子アレイを形成する第１コネクタと、当該第１コネクタに接続される前記熱電変換素子アレイの最初及び最後のいずれかの熱電変換素子の前記電極の一方と前記他の電極とを電気的に接続する第２コネクタと、を有することを特徴とする（８）から（１０）のいずれかに記載の熱電変換モジュール。【００３４】
（１１）の発明による熱電変換モジュールは、導電性部材が、並列する複数の熱電変換素子同士を所定の方向に電気的に接続することにより、熱電変換素子アレイを形成する第１コネクタを有すると共に、当該第１コネクタに接続されている熱電変換素子アレイの最初及び最後の熱電変換素子のいずれか一方の電極と他の電極とを電気的に接続する第２コネクタを有しているので、熱電変換素子の接続形態に応じてコネクタを使い分けることができ、用途に応じて様々な形態の熱電変換素子アレイの接続を容易にしかも確実に行うことができる。【００３５】
（１２）  前記第２コネクタが接続する前記他の電極は、他の前記熱電変換素子アレイの最初及び最後のいずれか一方の熱電変換素子の前記電極の他方であることを特徴とする（１１）に記載の熱電変換モジュール。【００３６】
（１２）の発明による熱電変換モジュールは、第２コネクタによって複数の熱電変換素子アレイ同士を電気的に接続することができるため、用途に応じて様々な形態の熱電変換素子アレイの接続を容易にしかも確実に行うことができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明による熱電変換モジュールは、内管、及びこの内管の同軸上に所定の間隙を設けて離間する外管を有する二重角筒体（伝熱体）の前記内管と前記外管とが対向する面にそれぞれ電極が配設されると共に、この電極に熱電変換素子を接続するように構成しているので、熱電変換モジュール自体の構造を単純化しつつ、熱電変換モジュールと伝熱体との密着性を良好にして、熱伝導効率に優れると共に組立性やメンテナンス性に優れる熱電変換モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態による熱電変換モジュールの斜視分解組立図であり、外管の一部を破断して示している。
【図２】前記実施形態による熱電変換モジュールの斜視外観図であり、外管の周囲に放熱部材を配設している。
【図３】前記実施形態による熱電変換モジュールの右側面図である。
【図４】前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる熱電変換素子の斜視外観図である。
【図５】前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる熱電変換素子アレイの縦断面図である。
【図６】前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる第１コネクタを示す図であり、図６（Ａ）は第１コネクタの展開図、図６（Ｂ）は第１コネクタの右側面図、図６（Ｃ）は、一対の熱電変換素子を第１コネクタで接続した状態を示す斜視外観図、図６（Ｄ）は第１コネクタの正面図である。
【図７】図７は、熱電変換素子と第１コネクタとの関係を示す図であり、図７（Ａ）は、並設配置される熱電変換素子に第１コネクタを接続した状態を示す斜視外観図、図７（Ｂ）は、熱電変換素子と変形例による第１コネクタとを対向配置した図である。
【図８】前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる第２コネクタを示す図であり、図８（Ａ）は第２コネクタの展開図、図８（Ｂ）は第２コネクタの右側面図、図８（Ｃ）は、隣接する一組の熱電変換素子を第２コネクタで接続した状態を示す斜視外観図である。
【図９】前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる第３コネクタの展開図である。
【図１０】前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる一方の第３コネクタを示す図であり、図１０（Ａ）は一方の第３コネクタの右側面図、図１０（Ｂ）は熱電変換素子に一方の第３コネクタを接続した状態を示す斜視外観図、図１０（Ｃ）は一方の第３コネクタの正面図である。
【図１１】前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる他方の第３コネクタを示す図であり、図１１（Ａ）は他方の第３コネクタの右側面図、図１１（Ｂ）は熱電変換素子に他方の第３コネクタを接続した状態を示す斜視外観図、図１１（Ｃ）は他方の第３コネクタの正面図である。
【図１２】図１に示す熱電変換モジュールの特性を測定した際の試験器具の配置図である。
【図１３】図１に示す熱電変換モジュールの使用例を説明する図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０  熱電変換モジュール
１１  熱電変換素子アレイ
１２  熱電変換素子（単素子）
１２ｃ・１２ｄ  第１及び第２の電極（第１及び第２の電極面）
１３  外管
１４  内管
１５  二重角筒体
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００４１】
図１は、本発明の一実施形態による熱電変換モジュールの斜視分解組立図であり、外管の一部を破断して示している。図２は、前記実施形態による熱電変換モジュールの斜視外観図であり、外管の周囲に放熱部材を配設している。図３は、前記実施形態による熱電変換モジュールの右側面図である。図４は、前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる熱電変換素子の斜視外観図である。
【００４２】
図５は、前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる熱電変換素子アレイの縦断面図である。図６は、前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる第１コネクタを示す図であり、図６（Ａ）は第１コネクタの展開図、図６（Ｂ）は第１コネクタの右側面図、図６（Ｃ）は、一対の熱電変換素子を第１コネクタで接続した状態を示す斜視外観図、図６（Ｄ）は第１コネクタの正面図である。図７は、熱電変換素子と第１コネクタとの関係を示す図であり、図７（Ａ）は、並設配置される熱電変換素子に第１コネクタを接続した状態を示す斜視外観図、図７（Ｂ）は、熱電変換素子と変形例による第１コネクタとを対向配置した図である。
【００４３】
図８は、前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる第２コネクタを示す図であり、図８（Ａ）は第２コネクタの展開図、図８（Ｂ）は第２コネクタの右側面図、図８（Ｃ）は、隣接する一組の熱電変換素子を第２コネクタで接続した状態を示す斜視外観図である。
【００４４】
図９は、前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる第３コネクタの展開図である。図１０は、前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる一方の第３コネクタを示す図であり、図１０（Ａ）は一方の第３コネクタの右側面図、図１０（Ｂ）は熱電変換素子に一方の第３コネクタを接続した状態を示す斜視外観図、図１０（Ｃ）は一方の第３コネクタの正面図である。図１１は、前記実施形態による熱電変換モジュールに用いられる他方の第３コネクタを示す図であり、図１１（Ａ）は他方の第３コネクタの右側面図、図１１（Ｂ）は熱電変換素子に他方の第３コネクタを接続した状態を示す斜視外観図、図１１（Ｃ）は他方の第３コネクタの正面図である。
【００４５】
図１２は、図１に示す熱電変換モジュールの特性を測定した際の試験器具の配置図である。図１３は、図１に示す熱電変換モジュールの使用例を説明する図である。
【００４６】
最初に、本発明による熱電変換モジュールの構成を説明する。図１及び図３において、熱電変換モジュール１０は、複数の熱電変換素子アレイ１１を有し、各熱電変換素子アレイ１１は、複数の熱電変換素子（以下、単素子と呼ぶ）１２を備えている。そして、これら単素子１２の互いに対向する主面には、後述するようにして電極が形成され、導電性部材（以下、コネクタと呼ぶ）によって、単素子１２同士が接続されて熱電変換素子アレイ１１となっている。
【００４７】
図１において、熱電変換モジュール１０は、角筒状の金属製の外管１３及び角筒状の金属製の内管１４を備えている。外管１３と内管１４とは、間隙部をおいて同軸状に配置されている。図１及び図３の実施形態において、外管１３及び内管１４は、四角筒状に形成されており、所定の方向に延びる４つの平面を有している。そして、外管１３及び内管１４は、外管１３の内面と内管１４の外面とが互いに対向した状態に配置されている。外管１３と内管１４とは、二重角筒体１５を構成している。
【００４８】
図１及び図３において、外管１３の内面と内管１４の外面との間（前述の間隙部）には、複数の熱電変換素子アレイ１１が配設されている。つまり、内管１４の４つの外面（平面）上にそれぞれ熱電変換素子アレイ１１が配置されており、熱電変換素子アレイ１１は、外管１３の内面に当接している。図１及び図３の実施形態において、４つの熱電変換素子アレイ１１が配設されており、それぞれ第１〜第４の配列Ａ１〜Ａ４で表している。
【００４９】
図１及び図３において、熱電変換素子アレイ１１の各配列Ａ１〜Ａ４は、第１から第３コネクタ２１〜２３を用いて電気的に接続されている。なお、第３コネクタ２３は、後述する第３コネクタ２３ａ及び第３コネクタ２３ｂを示している（図１０及び図１１参照）。各熱電変換素子アレイ１１は、例えば、５０個の単素子１２が直列に接続されてよく、熱電変換素子アレイ１１の各配列Ａ１〜Ａ４同士も直列に接続されている。
【００５０】
次に、熱電変換素子（単素子）について説明する。図示された各単素子１２は、ゼーベック効果又はペルチェ効果を利用して熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換する素子であり、互いに同一素材からなっている。ここで、各単素子１２は、サイズ（例えば、８．３ｍｍ×８．３ｍｍ角で厚さ２．４５ｍｍ）、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。具体的には、各単素子１２は、複合金属酸化物からなる焼結体セルであり、例えば、ペロブスカイト型複合酸化物系素子（一例として、ＣａＭｎＯ３系単素子）が用いられる。この単素子に用いられるペロブスカイト型複合酸化物として、Ｃａ（１−ｘ）ＹｘＭｎＯ３（Ｙはイットリウム及びランタノイドの中から選ばれる少なくとも１種類の元素であり、かつ、０．０１≦ｘ≦０．０５である）が用いられることが好ましい。通常、焼結体セルに使用される、Ｂｉ−Ｔｅ系などの半導体のように、稀少元素や環境負荷物質を含まず、高い耐熱性を有し、高温において長時間使用しても電熱特性の劣化が少ないといった優れた特性を有する。又、焼結体セルの主成分に高価なコバルト含有酸化物を含むと、熱電変換モジュールの汎用化・大型化を図る上で好ましくない。一方、このペロブスカイト型複合酸化物系単素子として、Ｃａ（１−ｘ）ＹｘＭｎＯ３（Ｙはイットリウム及びランタノイドの中から選ばれる少なくとも１種類の元素であり、かつ、０．０１≦ｘ≦０．０５である）が用いることによって、焼結体セルの高温における耐熱性をより向上でき、かつ安価に量産化・大型化を達成することが可能となる。なお、Ｂｉ−Ｔｅ系などの半導体は高温域における耐熱性（高温安定性）が低く、高温域における使用は困難であり、しかも高価かつ有毒な稀少元素（例えば、Ｔｅ、Ｇｅなど）を含むため、製造コストが高くなり、環境負荷も大きくなる。又、焼結体セルに用いる材料として、上記の稀少元素や環境負荷物質を含まず、高温安定性に優れ、かつ環境負荷が小さいコバルトを含有する酸化物も注目されているが、前述のようにコバルトは高価であるため、熱電変換モジュールの量産化・大型化を図る上で好ましくない。
【００５１】
図４に示されるように、単素子１２は、直方体状（平板状）に形成されている。単素子１２は、表面積が最も大きい対向する一対の主面１２ａ・１２ｂを有している。そして、単素子１２は、一対の主面１２ａ・１２ｂの両側に位置する第１及び第２の電極（電極面ともいう）１２ｃ及び１２ｄと、残る一対の側面１２ｅ・１２ｆと、を有している。図４において、単素子１２は、第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄのいずれか一方が加熱面として規定されてよく、他方が冷却面として規定されてよく、加熱面と冷却面との温度差によって発電が行われる。なお、残る一対の側面１２ｅ・１２ｆをそれぞれ電極面としてもよい。又、後述するように、第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄのいずれか一方に第１の絶縁層が形成され、第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄの他方に第２の絶縁層が形成される。
【００５２】
再び、本発明による熱電変換モジュールの構成を説明する。図２に示すように、外管１３の外表面には、放熱部材を配設することが好ましい。図２の実施形態では、前述の放熱部材として、複数のフィン１３１と放熱板１３２とが一体成形された放熱フィン１３ａを用いている。そして、複数のフィン１３１は、放熱板１３２から隆起するように、略平行な山脈状に形成されている。放熱板１３２は、平坦な取り付け面を有している。放熱フィン１３ａは、アルミニウムなどの放熱特性に優れた金属体からなることが好ましく、複数のフィン１３１及び放熱板１３２は、外管１３の軸方向に延在している。
【００５３】
図２において、放熱フィン１３ａは、ビス１３ｂなどの締結具を用いて、外管１３の外表面に固定されている。図２に示された実施形態では、外管１３の三外面に放熱フィン１３ａを固定しているが、外管１３の一つの外面に放熱フィン１３ａを固定してよく、外管１３の相反する向きにある一対の外面に放熱フィン１３ａを固定してよく、外管１３の四外面に放熱フィン１３ａを固定してもよい。期待する放熱特性により、一つ以上の放熱フィン１３ａが適宜に配置される。
【００５４】
このように放熱フィン１３ａを外管１３の外表面に固定すると、放熱フィン１３ａによって熱電変換モジュール１０の放熱が良好になる。又、放熱フィン１３ａは、略平行な山脈状の複数のフィンを形成しているので、曲げモーメントに対する剛性が大きい。このような剛性に大きい放熱フィン１３ａを外管１３の外表面に固定することにより、熱膨張に起因する外管１３の反り（歪）を効果的に抑制することができる。つまり、単素子１２と外管１３との密着性（熱伝導効率）が良好となる。その結果、熱電変換モジュールの熱効率を高くすることができる。なお、放熱フィン１３ａは、二重角筒体で構成される熱電変換モジュール１０を補強するための補強材としても機能させることができる。
【００５５】
図５において、一つの熱電変換素子アレイ１１（例えば、配列Ａ１）に注目すると、単素子１２における第１の電極面１２ｃは、外管１３の内面１３ｃと対向している。一方、単素子１２における第２の電極面１２ｄは、内管１４の外面１４ｃと対向している。そして、外管１３と内管１４とによって規定される間隙部に熱電変換素子アレイ１１が配設されている。図５に示されるように、各単素子１２は、外管１３及び内管１４に対して略垂直となるように配列されている。各単素子１２は、第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄが第１から第３コネクタ２１〜２３を介して、それぞれ外管１３の内面１３ｃと内管１４の外面１４ｃとに接触している（図５参照）。
【００５６】
図１及び図３において、熱電変換素子アレイ１１において隣接する単素子１２・１２同士は、一方の単素子１２の第１の電極面１２ｃと他方の単素子１２の第２の電極面１２ｄとが所定の形状を有するコネクタ（第１から第３コネクタ２１〜２３）を介して電気的に接続されている。
【００５７】
図１及び図３において、第１コネクタ２１は、コの字状に形成されており、各熱電変換素子アレイ１１における単素子１２・１２同士を電気的に接続している（図６及び図７参照）。第２コネクタ２２は、Ｌ字状に形成されており、隣接する一組の熱電変換素子アレイ１１・１１における一方の熱電変換素子アレイ１１の最後の単素子１２、他方の熱電変換素子アレイ１１の最初の単素子１２を電気的に接続している（図８参照）。
【００５８】
又、図１及び図３において、第３コネクタ２３は、直列接続された熱電変換素子アレイ１１の最初の単素子１２及び最後の単素子１２と、図示しない他の電極となる外部電極とを電気的に接続している。これら第１から第３コネクタ２１〜２３は、高温酸化雰囲気中において錆び難い、銀、銅合金（例えば真鍮）、ステンレス（ＳＵＳ）などを用いることが好ましい。
【００５９】
次に、第１コネクタの構造を説明する。図６において、第１コネクタ２１は、第１嵌合部４０とリード部４５を有している（図６（Ａ）参照）。第１嵌合部４０は、単素子１２における第１又は第２の電極面１２ｃ・１２ｄに嵌合して取り付けられる（図４参照）。リード部４５は、第１嵌合部４０を他の電極に対して電気的に接続する。又、リード部４５は、第２嵌合部４２と接続部４４を有している。第２嵌合部４２は、別の単素子１２における第１又は第２の電極面１２ｃ・１２ｄ（他の電極）に嵌合して取り付けられる。接続部４４は、第１嵌合部４０と第２嵌合部４２とを接続している。
【００６０】
図６において、第１嵌合部４０は、一対の主面１２ａ・１２ｂの端部を両側から挟み込む一対の折り曲げ片ｅ・ｅを両端に形成している（図４参照）。同様に、第２嵌合部４２は、一対の主面１２ａ・１２ｂの端部を両側から挟み込む一対の折り曲げ片ｅ・ｅを両端に形成している（図４参照）。各折り曲げ片ｅの両端部には、斜めに切り欠かれた面取り部４７が設けられている。
【００６１】
図６において、第１コネクタ２１は、図６（Ａ）に示された展開板が折り曲げ成形されて、図６（Ｂ）に示すコの字状の第１コネクタ２１を得ている。第１コネクタ２１は、最初に、一対の折り曲げ片ｅ・ｅを直角以上に折り曲げ成形されてよく、次に、第１及び第２嵌合部４０・４２と接続部４４との境界で略直角に折り曲げ成形される。第１コネクタ２１は、二つの折り曲げ成形工程を経ることなく、一括して折り曲げ成形してもよい。そして、第１コネクタ２１は、第１嵌合部４０を同一の熱電変換素子アレイ１１における隣接する単素子１２の内の一方の第１の電極面１２ｃに嵌合し、第２嵌合部４２を他方の第２の電極面１２ｄに嵌合する（図４及び図６（Ｃ）参照）。このように組み立てられることにより、接続部４４が上下に亘って斜めに方向付けられて、隣接する単素子１２・１２同士が電気的に接続される。
【００６２】
図１に示されるように、熱電変換素子アレイ１１において、第１コネクタ２１は、接続部４４が互いに同一の方向で斜めに配置されるように取り付けられている（図６（Ｃ）参照）。又、隣接する熱電変換素子アレイ１１・１１では、第１コネクタ２１は、接続部４４の傾斜方向が互いに逆向きとなるように取り付けられている（図６（Ｃ）参照）。更に、一対の主面１２ａ・１２ｂに対して接続部４４が位置する側は、同一の熱電変換素子アレイ１１内では全て同一であるが、隣接する熱電変換素子アレイ１１の間では逆となる。つまり、一方の熱電変換素子アレイ１１内では、接続部４４が側面１２ｅ側に位置付けられるが、他方の熱電変換素子アレイ１１では接続部４４が側面１２ｆ側に位置付けられている（図４及び図６（Ｃ）参照）。
【００６３】
図６において、折り曲げ片ｅを直角以上に折り曲げており、第１コネクタ２１の第１及び第２嵌合部４０・４２の取り付け幅Ｗ１（図６（Ｄ）参照）は、単素子１２の第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄの幅Ｗ２（図４参照）よりも小さく設定されている。
【００６４】
このようにすれば、単素子１２を第１及び第２嵌合部４０・４２に押し込んで嵌め付ける際、一対の折り曲げ片ｅ・ｅが弾性的に押し広げられて、いわゆる、ワンタッチ式に単素子１２の第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄをそれぞれ第１及び第２嵌合部４０・４２に取り付けることができる。更に、単素子１２と第１コネクタ２１とを隙間なく接合することができる。この結果、単素子１２と第１コネクタ２１との間で導通不良又は接触不良などを防止できる（図４及び図６（Ｃ）参照）。
【００６５】
特に、図６（Ａ）に示されるように、一対の折り曲げ片ｅ・ｅの両端には、面取り部４７が形成されているので、図７（Ａ）に示すように、単素子１２の第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄを第１及び第２嵌合部４０・４２の内部にスライドさせて押し込むことができる。この結果、一対の折り曲げ片ｅ・ｅを弾性的にスムーズに押し広げることができ、第１コネクタ２１に対する単素子１２の装着が容易となる。
【００６６】
次に、第２コネクタの構造を説明する。図８において、第２コネクタ２２は、第１嵌合部５０とリード部５５を有している。第１嵌合部５０は、単素子１２の第１又は第２の電極面１２ｃ・１２ｄに嵌合して取り付けられる（図４参照）。リード部５５は、第１嵌合部５０を他の電極に対して電気的に接続する。又、リード部５５は、第２嵌合部５２と接続部５４を有している。第２嵌合部５２は、別の単素子１２における第１又は第２の電極面１２ｃ・１２ｄ（他の電極）に嵌合して取り付けられる。接続部５４は、第１嵌合部５０と第２嵌合部５２とを接続している。
【００６７】
図８において、第１嵌合部５０は、一対の主面１２ａ・１２ｂの端部を両側から挟み込む一対の折り曲げ片ｅ・ｅを両端に形成している（図４参照）。同様に、第２嵌合部５２は、一対の主面１２ａ・１２ｂの端部を両側から挟み込む一対の折り曲げ片ｅ・ｅを両端に形成している（図４参照）。各折り曲げ片ｅの両端部には、斜めに切り欠かれた面取り部５７が設けられている。
【００６８】
図８において、第２コネクタ２２は、図８（Ａ）に示された展開板が折り曲げ成形されて、図８（Ｂ）に示すＬ字状の第２コネクタ２２を得ている。第２コネクタ２２は、最初に、一対の折り曲げ片ｅ・ｅを直角以上に折り曲げ成形されてよく、次に、第２嵌合部５２と接続部４４との境界で略直角に折り曲げ成形される。第２コネクタ２２は、二つの折り曲げ成形工程を経ることなく、一括して折り曲げ成形してもよい。図８（Ｃ）において、第１嵌合部５０は、一方の熱電変換素子アレイ１１の最後に位置する単素子１２の第１の電極面１２ｃ（又は第２の電極面１２ｄ）に嵌合させてよく、第２嵌合部５２は、他方の熱電変換素子アレイ１１の最初に位置する単素子１２の第２の電極面１２ｄ（又は第１の電極面１２ｃ）に嵌合させている。このように組み立てられることにより、第２コネクタ２２は、隣接する（直交する）熱電変換素子アレイ１１・１１同士を電気的に接続する（図１参照）。
【００６９】
図８において、折り曲げ片ｅを直角以上に折り曲げており、第２コネクタ２２の第１及び第２嵌合部５０・５２の取り付け幅は、単素子１２の第１及び第２電極面１２ｃ・１２ｄの幅Ｗ２（図４参照）よりも小さく設定されている。
【００７０】
このようにすれば、単素子１２を第１及び第２嵌合部５０・５２に押し込んで嵌め付ける際、一対の折り曲げ片ｅ・ｅが弾性的に押し広げられて、いわゆる、ワンタッチ式に単素子１２の第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄをそれぞれ第１及び第２嵌合部５０・５２に取り付けることができる。更に、単素子１２と第２コネクタ２２とを隙間なく接合することができる。この結果、単素子１２と第２コネクタ２２との間で導通不良又は接触不良などを防止できる（図４及び図８参照）。
【００７１】
特に、図８（Ａ）に示されるように、一対の折り曲げ片ｅ・ｅの両端には、面取り部５７が形成されているので、図８（Ｃ）に示すように、単素子１２の第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄを第１及び第２嵌合部５０・５２の内部にスライドさせて押し込むことができる。この結果、一対の折り曲げ片ｅ・ｅを弾性的にスムーズに押し広げることができ、第２コネクタ２２に対する単素子１２の装着が容易となる。
【００７２】
次に、第３コネクタの構造を説明する。第３コネクタ２３は、熱電変換素子アレイ１１の最初の単素子１２と外部電極とを電気的に接続するための第３コネクタ２３ａ（図１０参照）と、熱電変換素子アレイ１１の最後の単素子１２と外部電極とを電気的に接続するための第３コネクタ２３ｂ（図１１参照）とに分けられるが、いずれの第３コネクタ２３ａ・２３ｂ共に、図９に示された展開板が折り曲げ成形されて所望の形状を得ている。
【００７３】
図９において、第３コネクタ２３は、第１嵌合部６０とリード部６４と有している。第１嵌合部６０は、単素子１２の第１の電極面１２ｃ（又は第２の電極面１２ｄ）に嵌合して取り付けられる（図４参照）。リード部６４は、第１嵌合部６０の端部から直交する方向に延びており、図示しない他の電極となる外部電極と電気的に接続される。図９において、第１嵌合部６０は、一対の主面１２ａ・１２ｂの端部を両側から挟み込む一対の折り曲げ片ｅ・ｅを両端に形成している（図４参照）。
【００７４】
ここで、第３コネクタ２３ａは、図９に示された展開板が折り曲げ成形されて、図１０に示された屈折した形状を得ている。図１０において、第３コネクタ２３ａは、最初に、一対の折り曲げ片ｅ・ｅを直角以上に折り曲げ成形されてよく、次に、第１嵌合部６０とリード部６４との境界で略直角に折り曲げ成形される。更に、リード部６４が略直角に折り曲げ成形される。第３コネクタ２３ａは、三つの折り曲げ成形工程を経ることなく、一括して折り曲げ成形してもよい。
【００７５】
一方、第３コネクタ２３ｂは、図９に示された展開板が折り曲げ成形されて、図１１に示された略平坦な形状を得ている。図１１において、第３コネクタ２３ｂは、一対の折り曲げ片ｅ・ｅを直角以上に折り曲げ成形されている。なお、リード部６４は、切断工具を用いて適宜な長さに切断することもできる。
【００７６】
そして、一対の第３コネクタ２３ａ・２３ｂの各第１嵌合部６０を熱電変換素子アレイ１１の最初及び最後の単素子１２の第１の電極面１２ｃ（又は第２の電極面１２ｄ）に嵌合し（図１０（Ｂ）及び図１１（Ｂ）参照）、リード部６４を外部電極（他の電極）に接続する。これによって、熱電変換素子アレイ１１が外部装置に電気的に接続される。
【００７７】
図１０及び図１１において、折り曲げ片ｅを直角以上に折り曲げており、第３コネクタ２３ａ・２３ｂの各第１嵌合部６０の取り付け幅Ｗ１は、単素子１２の電極面１２ｃ及び１２ｄの幅Ｗ２（図４参照）よりも小さく設定されている。したがって、単素子１２を各第１嵌合部６０に押し込んで嵌め付ける際、一対の折り曲げ片ｅ・ｅが弾性的に押し広げられて、いわゆる、ワンタッチ式に単素子１２の第１及び第２の電極面１２ｃ・１２ｄを各第１嵌合部６０に取り付けることができる。
【００７８】
次に、本発明による熱電変換モジュールの作用を説明する。図１及び図３において、内管１４の両端には、それぞれ円筒状の導入部１４ａ及び導出部１４ｂが形成されている。そして、導入部１４ａから内管１４内に高温流体又は低温流体が導入され、導出部１４ｂから導出される。実施形態では、内管１４内に低温流体が導入され（つまり、内管１４の内部に低温流体を流す第２の流体経路１０２が規定され）、外管１３の外部に高温流体を流す第１の流体経路１０３として規定されている。なお、外管１３をその外側から加熱すること自体も外管１３の外部に高温流体を流すことに相当する。又、内管１４の内部に高温流体を流す第１の流体経路１０３を規定し、外管１３の外部に低温流体を流す第２の流体経路１０２を規定するようにしてもよい。
【００７９】
ところで、前述の単素子１２を作成する際、例えば、まず粉砕ボールを投入した混合ポット内にＣａＣＯ３、ＭｎＣＯ３、及びＹ２Ｏ３、更に、純水を加えて、混合ポットを振動ボールミルに装着し、２時間振動させ、混合ポット内の内容物を混合した。
【００８０】
続いて、得られた混合物を濾過・乾燥し、乾燥後の混合物を電気炉によって、温度１２００℃で５時間仮焼成した。そして、この仮焼成体を振動ミルで粉砕した後、粉砕物を濾過・乾燥した。次に、乾燥後の粉砕物にバインダーを添加し、乾燥した後分級して造粒した。その後、造粒体を、プレス機を用いて成型して、この成型体を電気炉で５時間焼成し、焼結体としてＣａＭｎＯ３系単素子を得た。
【００８１】
このＣａＭｎＯ３系単素子は、Ｃａ１−ｘＹｘＭｎＯ３の組成を有し、ここでは、ｘ＝０．０１２５である。又、各単素子は、そのサイズが８．３ｍｍ×８．３ｍｍ角で厚さ２．４５ｍｍであった。又、ゼーベック係数を測定したところ、２２０μＶ／Ｋであり、抵抗率は、０．０１４Ω・ｃｍであった。更に、単素子自体の抵抗値は０．０５７Ωであり、その重量は０．７０ｇであった。
【００８２】
そして、熱電変換モジュール１０を作成の際には、熱膨張の大きい高温側の反対面上に単素子１２の一方の面を密着（固定しない）すると共に、電極を介して第１の絶縁層（例えば、窒化アルミ（ＡｌＮ）やシリカ（ＳｉＯ２）を含む絶縁性ペーストなどの絶縁材）１００を形成し、この高温側の面とは相反する向きに配置される熱膨張の小さい低温側の面上に単素子１２の他方の面を固着すると共に、電極を介して第２の絶縁層（例えば、陽極酸化処理などの絶縁化処理を施して形成された絶縁層）１０１を形成する（例えば、図６（Ｃ）又は図７（Ａ）参照）。つまり、この実施の形態においては、第１の絶縁層１００が電極を介して第１の流体経路１０３（実施の形態では外管の外部）の反対面上に密着し、第２の絶縁層１０１が電極を介して第２の流体経路１０２（実施の形態では内管の内部）の反対面上に固着することになる。
【００８３】
例えば、図１及び図３の実施形態において、内管１４は、肉厚が１．５ｍｍ程度のアルミニウム製の角管を用いてよく、アルミニウム製の角管は、ステンレス（ＳＵＳ）製の角管より熱伝導特性に優れ、一般に安価であるというメリットがある。又、外管１３は、一対のステンレス製のＬ形チャンネル材を組み合わせてよく、複数の熱電変換素子アレイ１１を内管１４に配設した後に、一対のＬ形チャンネル材を溶接などで結合すれば、組立が容易となる。
【００８４】
ここで、上述の単素子１２を用いた熱電変換モジュール１０の特性を調べてみた。図１２に示されるように、断熱用容器（ＳＵＳ）７１に熱電変換モジュール１０をセットし（熱電変換モジュール１０が断熱用容器７１を貫通する状態にセットする）、断熱用容器７１をカセットコンロ７２上に配置し、断熱用容器７１を加熱する。そして、導入部１４ａから冷却水を導入した。
【００８５】
図１２に示されるように、断熱用容器７１の表面に配置された熱電対７３ａを熱電対用デジタルマルチメーター（デジボル）に接続し、熱電変換モジュールの出力端子を特性測定用デジボル７４に接続して、熱電変換モジュール１０の特性を測定した。
【００８６】
その結果、熱電変換モジュール１０の周囲温度が６５６℃の際、開放電圧７．３５９Ｖ、出力８７３ｍＷが得られ、冷却水の流速を６００ｍｌ／分まで下げても出力の低下はほとんどなかった。そして、導出部１４ｂからは温度４１℃の温水が得られ、湯沸かし器として機能することが確認できた。そして、試験後の熱電変換モジュール１０の抵抗値を測定したところ、１７．５Ωとなり、初期の抵抗値よりも２Ω増加していた。
【００８７】
更に、熱電変換モジュールの反りを調べてみたところ、反りの発生はほとんどないことが確認できた。図示の熱電変換モジュール１０では、前述のように、熱膨張の大きい高温側の反対面上に単素子１２の一方の面を密着すると共に、電極を介して第１の絶縁層１００を形成（窒化アルミ（ＡｌＮ）やシリカ（ＳｉＯ２）を含む導電ペーストなどの絶縁材を被覆）し、この高温側の面とは相反する向きに配置される熱膨張の小さい低温側の面上に単素子１２の他方の面を固着すると共に、電極を介して第２の絶縁層１０１を形成（陽極酸化処理などの絶縁化処理を施す）しているので、加熱面側と冷却面側との熱膨張の違いに起因する反りの発生を抑制できることがわかった。
【００８８】
この結果、平板型モジュールのように、反りを防止するための固定部材が不要となり、熱電変換モジュールの構成が簡略化できるばかりでなく、経済的で汎用性に優れた熱電変換モジュールとなる。
【００８９】
次に、上述の熱電変換モジュール１０の応用例について説明する。図１３は、ゴミ焼却炉８１の焼却熱で加熱して発電を行う例を示したものであり、熱電変換モジュール１０をゴミ焼却炉８１に収納し、外管１３の外側から焼却熱によって熱電変換モジュール１０を加熱する。一方、導入部１４ａから低温流体である水道水を蛇口８２から導入する。
【００９０】
単素子１２、つまり、熱電変換素子アレイ１１は内管１４の外面及び外管１３の内面に接触しているから、単素子１２の高温側と低温側の間で生じる熱エネルギーが電気エネルギーに変換され、一対の第３コネクタ２３ａ・２３ｂ（図１参照）を介して外部電極に電力として供給される。そして、外部電極に接続された電灯８３が点灯される。又、内管１４を通過中水道水は温められて、導出部１４ｂから温水として水槽８４などに供給されることになる。
【００９１】
このように、本発明の熱電変換モジュール１０は、二重角筒体１５を用いて、外管１３と内管１４との間に配設される単素子１２の一面を加熱面として規定し、加熱面と対向する他方の面を冷却面として規定し、第１の絶縁層を加熱面に密着させて電極を介して形成すると共に、第２の絶縁層を冷却面に固着させて電極を介して形成するようにしたので、平板状の単素子１２を用いて熱電変換モジュールを構成しても、加熱面側と冷却面側との熱膨張の違いに起因する反りの発生を抑制できる。その結果、熱電変換モジュールの反りを防止するための固定部材を必要としないため、熱電変換モジュールの構成も簡略化にでき、エネルギー変換効率を高めることができる。
【００９２】
なお、図２に関連して説明したように、外管１３の外表面に放熱フィン１３ａを固定するようにすれば、放熱フィン１３ａによって、更に良好に熱電変換モジュール自体の反りを抑制することができる。又、内管１４の内部に高温流体を流す第１の流体経路１０３を規定し、外管１３の外部に低温流体を流す第２の流体経路１０２を規定した際には、第１の絶縁層１００が電極を介して内管の内部（第１の流体経路１０３）の反対面上に密着し、第２の絶縁層１０１が電極を介して外管の外部（第２の流体経路１０２）の反対面上に固着することになる。
【００９３】
又、二重角筒体としては、この断面が三角形状であってよく、更には、四角形状であってよい。そして、四角以上の多角形状でもよく、いずれにしても、軸方向に延びる平面を有する形状であればよい。
【００９４】
更に、「他の電極」としては、導電性部材（コネクタ）で電気的に接続される他の熱電変換素子の電極であってよく、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ってよく、並列する複数の熱電変換素子同士を導電性部材で所定の方向に電気的に接続して形成される熱電変換素子アレイの最初及び最後のいずれかの熱電変換素子の電極でもよい。
【００９５】
上述のように構成された熱電変換モジュール１０は、各単素子１２の高温部と低温部との間で発生する熱エネルギーが電気エネルギーに変換され、この電気エネルギーは、第３コネクタ２３ａ・２３ｂを介して外部電極に電力として供給される（図１参照）。
【００９６】
上述の実施の形態では、隣接する単素子１２同士は、一方の単素子の第１の電極面１２ｃと他方の単素子の第２の電極面１２ｄとが、所定形状の第１及び第２コネクタ２１・２２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第１及び第２のコネクタ（従来の接続用リード線と嵌合部とが一体化したコネクタ）を用い、これら第１及び第２コネクタ２１・２２によって単素子１２同士を電気的に接続すると、導通不良のない電気的信頼性の高い熱電変換モジュール１０を提供できる。
【００９７】
この場合、第１〜第３コネクタ２１・２２・２３を内管１４上に所定の配列で予め固定しておき、これら第１〜第３コネクタ２１・２２・２３の嵌合部に対して各単素子を嵌め込んで装着することによって、互いに電気的に接続される単素子１２の配列Ａ１〜Ａ４を形成するようにすれば、簡単に熱電変換モジュール１０を作成することができる。このため、組み立ての手間（製造工程）を軽減することができる（組み立て性が向上する）。
【００９８】
又、本実施形態では、単素子１２は、その電極面１２ｃ・１２ｄが外管１３、内管１４と対向され、かつその主面１２ａ・１２ｂが外管１３、内管１４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、単素子１２を縦長に立設した状態で配列すると、前述したように、単素子１２の高さ方向の寸法が大きくなり、素子抵抗が高くなって、電流が抑制されると共に、素子両端間の温度差が取り易くなって、起電力が上がり、高い熱電変換効率を得ることができる。
【００９９】
又、本実施形態の熱電変換モジュール１０では、単素子１２の配列Ａ１〜Ａ４が外管１３と内管１４の間で挟持されている。このように、単素子１２の配列Ａ１〜Ａ４を外管１３と内管１４で挟んで、単素子１２の両側から圧力をかけるように固定すると、単素子１２の電極面と第１〜第３のコネクタ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きる。
【０１００】
更に、本実施形態の熱電変換モジュール１０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の３種類のコネクタ（第１〜第３コネクタ２１・２２・２３）を用いている。そのため、縦長の単素子１２を接続性よく、しかも効率よくモジュール化することができるばかりでなく、単素子１２の接続形態に応じ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単素子配列を実現することができる。
【０１０１】
本実施形態の熱電変換モジュール１０では、単素子１２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、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化物としたので、高熱における耐熱性をより向上させることができる。
【０１０２】
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されず、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、上述の実施形態では、同一の導電型の複数の半導体素子が所定の配列をなして設けられると共に、これら半導体素子の両面に位置する電極同士がコネクタによって接続されてな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、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共に、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。
【０１０３】
又、コネクタの形状も前述の実施の形態に限定されない。例えば、図９から図１１において、第３コネクタ２３に関して変形例を挙げると、第３コネクタの第１嵌合部６０の中央からリード部６４が延出する形状も考えられる。このような形状においては、途中部分での折り曲げの有無によって２つの種類のコネクタを得ることができ、これによって、外部電極の位置関係に適合させるべく、配列全体の最初の単素子１２及び最後の単素子１２からリード部６４を同一平面内で延ばすことができる。
【０１０４】
前述の熱電変換モジュール１０では、単素子１２がコネクタに取り付けられていない状態において、単素子１２の両側に嵌合するコネクタの嵌合部同士の距離が単素子１２の電極面間の距離よりも短くてもよい。例えば、図７（Ａ）において、配列Ａ１における第１コネクタ２１に関しては、第１の電極面１２ｃと嵌合する第１嵌合部４０を有する一方の第１コネクタ２１と、第２の電極面１２ｄと嵌合する第２嵌合部４２を有する他方の第１コネクタ２１とが単素子１２を挿入できるように、嵌合部同士を対向させて隣り合っている。この場合に、図７（Ｂ）に示すように、単素子１２が取り付けられていない状態において、隣接する一方の第１コネクタ２１の第１嵌合部４０と他方の第１コネクタ２１の第２嵌合部４２との間の距離Ｙを、単素子１２における第１の電極面１２ｃと第２の電極面１２ｄとの距離Ｘよりも短く設定するようにしてもよい。
【０１０５】
このようにすると、先端が窄まった略コの字形状の第１コネクタ２１に単素子１２を嵌合する場合、嵌合部４０・４２の先端が押し広げられて単素子１２が嵌合される。これによって、嵌合部４０・４２の先端が単素子１２を押圧するので、第１コネクタ２１によって確実に単素子１２を保持することができる。
【０１０６】
又、単素子１２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第１コネクタ２１での電極面１２ｃ・電極面１２ｄ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。もちろん、このような構成は第２及び第３コネクタ２２・２３に対しても適用することができる。
【０１０７】
前述の熱電変換モジュール１０において、第１〜第３コネクタ２１・２２・２３に対する単素子１２の挿入嵌合を容易にするため、単素子１２の端縁が丸みを帯びるようにしてもよい。つまり、単素子１２の端縁が所定の曲率で面取りされていてもよい。このようにすれば、単素子１２を第１〜第３コネクタ２１・２２・２３に挿入する場合に、引っ掛かりがなくなり、単素子１２を第１〜第３のコネクタにスムーズに挿入できる。なお、このような単素子１２の形状は、成形時の金型を適宜変更することによって簡単に実現することができる。
【０１０８】
又、第１〜第３コネクタ２１・２２・２３に対する単素子１２の挿入性を高めるという観点において、別の構成を考えることができる。例えば、第１コネクタ２１において、第１及び第２嵌合部４０・４２に、その端縁に単素子１２の装着を案内し、かつ単素子１２を第１及び第２嵌合部４０・４２に装着した後に、単素子１２に沿うように内側に折り曲げ可能な案内部（図示せず）を備えるようにしてもよい。この案内部は、例えば、片状をなしており、通常は、外側に向かって広がるように延びている。
【０１０９】
このように、第１及び第２嵌合部４０・４２が案内部を備えていれば、単素子１２を第１コネクタ２１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単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、組み立て効率を向上させることができる。
【０１１０】
又、上記の案内部が単素子１２に沿うように折り曲げ可能であるので、第１コネクタ２１に単素子１２を装着した後に案内部で単素子を固定することができ、第１コネクタ２１における単素子１２の装着安定性を向上させることができる。したがって、導通不良のない電気的信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することができる。もちろん、このような構成は、第２及び第３コネクタ２２・２３に対しても適用することができる。
【０１１１】
又、第１〜第３コネクタ２１・２２・２３に対する単素子１２の挿入性を高めるという観点において、更に別の構成を考えることができる。例えば、第１コネクタ２１において、第１及び第２嵌合部４０・４２（具体的には、各折り曲げ部ｅ）が、単素子１２の上下両側に形成された固定用溝に係止されるフック状の係合部（図示せず）を備えるようにしてもよい。
【０１１２】
このようにすると、装着時において第１コネクタ２１の係合部が単素子１２の固定用溝に係止することによって、単素子１２が第１のコネクタに対して強固に装着されるため、装着安定性を向上させることができると共に、導通不良のない電気的信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することができる。勿論、このような構成は、第２及び第３コネクタ２２・２３に対しても適用することができる。
【０１１３】
又、第１〜第３コネクタ２１・２２・２３に対する単素子１２の挿入性を高めるという観点において、更に別の構成を考えることができる。例えば、第１コネクタ２１において、リード部４５を構成する接続部４４は、単素子１２の電極面１２ｃ・１２ｄ間の側面において、電極面１２ｃ・１２ｄから延在する平行部（図示せず）を上下両側に備えるようにしてもよい。リード部４５がこのような平行部を有すると、リード部４５（接続部４４）と単素子１２との間の接触面積が大きくなり、より大きな面積で単素子１２を保持することができ、第１コネクタ２１における単素子１２の装着安定性を向上させることができる。
【０１１４】
なお、本構成に加えて又は本構成とは別に、さらなる装着安定性を確保するため、単素子１２の両側に挿入可能でかつ電気絶縁性を有する櫛歯を備える固定部材（図示せず）を設けるようにしてもよい。このように櫛歯を備える固定部材を設けると、一つ又は複数の単素子１２の両側に櫛歯が挿入され、櫛歯によっても単素子１２が両側から支持されることになって、熱電変換モジュールにおける単素子１２の装着安定性を向上させることができる。
【０１１５】
又、上記の固定部材は、短絡防止のために電気絶縁性を有しているため、特に、単素子１２同士が露出して、対向する単素子１２の側方で電気的絶縁（単素子同士の短絡防止）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）に固定部材を装着する際には、固定部材にアルミニウム陽極酸化処理（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際には、固定部材にＰＶＤ（物理的気相成長法）によりステンレス（ＳＵＳ）を装着したり、ガラスコーティングしたりすることが好ましい。
【０１１６】
又、上述の実施形態において次の構成を付加するようにしてもよい。例えば、第１〜第３コネクタ２１・２２・２３の第１嵌合部４０・５０・６０（もちろん、第２嵌合部であってもよい）が、折り曲げ可能であってか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（図示せず）を備えるようにしてもよい。この短絡用片は、例えば、折り曲げ片ｅに固着されて、折り曲げ片ｅに沿って延びており、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（針金など）が挿通される挿通穴が設けられている。
【０１１７】
このような構成では、一つの単素子１２が破損したり劣化したりして第１コネクタ２１との間で導通不良を起こした場合には、当該単素子１２の両側の短絡用片を折り曲げて、その折曲げ部分を用いて修復用短絡線によって当該単素子１２の両側の単素子同士を電気的に短絡させる。
【０１１８】
このように、各コネクタに予め短絡用片を設けておけば、どの単素子１２が破損（劣化）しても、単素子１２を交換するなどの困難な作業を行うことなく、簡単にコネクタ間を導通させて修復することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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