(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板に対向する第２の基板と、
前記第１の基板及び前記第２の基板の間に挟持して配置され、前記第１の基板及び前記第２の基板とそれぞれ対向する両端面に一対の電極の一方又は他方を有し、直方体又は角柱体の形状に形成された複数の熱電変換素子と、
前記複数の熱電変換素子が、その表面積が最も大きい主面を対向させて横に隣り合い、前記主面が前記第１の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たとき、隣り合う前記熱電変換素子同士の互いに異なる電極を電気的に接続する第１のコネクタとを備え、
前記第１のコネクタは、
前記熱電変換素子の一方の電極に嵌合して取り付けられる第１の嵌合部と、
横に隣り合う他の前記熱電変換素子の他方の電極に嵌合して取り付けられる第２の嵌合部と、
前記第１の嵌合部及び前記第２の嵌合部の間を接続する接続部とを有し、
前記接続部が、展開視において、前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部とを少なくとも一部の傾斜区間により接続し、実装したとき、横に隣り合う前記熱電変換素子の互いに対向していない側面の一方側に位置する
ことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記第１のコネクタが前記第１の基板上に所定の配列で予め固定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。
【請求項３】
前記第１の嵌合部は、前記熱電変換素子の装着を案内し、前記熱電変換素子が装着されたとき、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または請求項２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
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他の前記第１の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から請求項３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記接続部は、前記熱電変換素子の互いに対向していない側面の一方側において、前記一対の電極の一方又は他方が設けられている前記端面から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４のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
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さらに備え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。
【請求項７】
前記一対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６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
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から請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
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８に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記複数の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９のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
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第１のコネクタの前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部との間の垂直距離は、前記熱電変換素子の前記一対の電極同士の間の垂直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１０のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記第１の嵌合部または前記第２の嵌合部は、前記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１１のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１３】
前記複数の熱電変換素子が所定の配列状に配置されたとき、隣り合う前記熱電変換素子同士の互いに異なる電極を電気的に接続する第２のコネクタをさらに備え、
前記第２のコネクタは、
前記熱電変換素子の一方の電極に嵌合して取り付けられる第１の嵌合部と、
縦に隣り合う他の前記熱電変換素子の他方の電極と嵌合して取り付けられる第２の嵌合部と、
前記第１の嵌合部及び前記第２の嵌合部の間を接続する接続部とを有し、
前記接続部が、展開視において、前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部とを直線区間により接続し、実装したとき、縦に隣り合う前記熱電変換素子の互いに対向する側面の側に位置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。
【請求項１４】
前記複数の熱電変換素子が所定の配列状に配置されたとき、最初又は最後に配置される前記熱電変換素子の一方の電極を外部の他方の電極と電気的に接続する第３のコネクタをさらに備え、
前記第３のコネクタは、
前記熱電変換素子の一方の電極に嵌合して取り付けられる第１の嵌合部と、
前記第１の嵌合部から、展開視において、Ｌ字状又はＴ字状に折り曲げ可能に延在する直線区間を有し、実装したとき、外部の他方の電極に接続されるコネクタリード部を形成する接続部とを有することを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１５】
第１の基板と前記第１の基板に対向する第２の基板の間に挟持して配置され、前記第１の基板及び前記第２の基板とそれぞれ対向する両端面に一対の電極の一方又は他方を有し、直方体又は角柱体の形状に形成された複数の熱電変換素子が、表面積が最も大きい主面を対向させて横に隣り合い、前記主面が前記第１の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たとき、隣り合う前記熱電変換素子同士の互いに異なる電極を、又は最初若しくは最後に配置される前記熱電変換素子の一方の電極と外部の他方の電極とを電気的に接続する熱電変換素子用コネクタであって、
前記熱電変換素子の一方の電極に嵌合して取り付けられる第１の嵌合部と、
横に隣り合う他の前記熱電変換素子の他方の電極又は外部の他方の電極に嵌合して取り付けられる第２の嵌合部と、
前記第１の嵌合部及び前記第２の嵌合部の間を接続する接続部とを有し、
前記接続部が、展開視において、前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部とを少なくとも一部の傾斜区間により接続し、実装したとき、横に隣り合う前記熱電変換素子の互いに対向していない側面の一方側に位置することを特徴とする熱電変換素子用コネクタ。
【請求項１６】
前記接続部が、展開視において、前記傾斜区間に代えて、前記第１の嵌合部と前記第２の嵌合部とを直線区間により接続し、実装したとき、縦に隣り合う前記熱電変換素子の互いに対向する側面の側に位置することを特徴とする請求項１５に記載の熱電変換素子用コネクタ。
【請求項１７】
前記接続部が、展開視において、前記傾斜区間及び前記第２の嵌合部に代えて、前記第１の嵌合部からＬ字状又はＴ字状に折り曲げ可能に延在する直線区間を有し、実装したとき、最初又は最後に配置される前記熱電変換素子の一方の電極を外部の他方の電極と接続するコネクタリード部を形成することを特徴とする請求項１５に記載の熱電変換素子用コネクタ。
【発明の詳細な説明】
【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から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いといっ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いる。
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いる。
【特許文献１】特開平７−２１１９４４号公報
【特許文献２】国際公開公報０５／１２４８８１号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【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、複合金属酸化物から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く、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一体化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いるため、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を提供できる。【０００７】
なお、上記構成において、「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エ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錆び難い、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っても良い。【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い。
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いて、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い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いるため、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の嵌合部が弾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から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、折り曲げ片が弾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のいずれか１項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、熱電変換素子を一対の基板で挟んで、熱電変換素子を両側から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のいずれか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。
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のいずれか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、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。【００１０】
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のいずれか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、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や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のいずれか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の嵌合部を有してい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い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のいずれか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おいて、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のいずれか１項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、モジュ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い。
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のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールにおいて、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い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か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のいずれか１項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エ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のいずれか１項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。
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化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く、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、ペロブスカイト型ＣａＭｎＯ３系複合酸化物が挙げられる。ペロブスカイト型ＣａＭｎＯ３系複合酸化物は、一般式Ｃａ（１−Ｘ）ＭＸＭｎＯ３（Ｍはイットリウムまたはランタンであり、０．００１≦ｘ≦０．０５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のいずれか１項に記載された熱電変換モジュールにおいて、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。
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のいずれか１項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。
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い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のいずれか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。【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っ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ついて検討した。
まず、粉砕ボールを投入した混合ポット内にＣａＣＯ3、ＭｎＣＯ3、及びＹ2Ｏ3、さらに純水を加え、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℃、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ＣａＭｎＯ3系熱電変換素子を得た。【００１６】
また、上記方法では、Ｃａ1-xＹxＭｎＯ3においてｘを０、０．００３、０．００６、０．０１２５、０．０２５、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いて、本焼成温度を１１００℃、１２００℃、１３００℃に変更した。また、サンプルとして、約８ｍｍ角で厚さ約２．５ｍｍの平板サンプルと、断面が約２．５ｍｍ×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種類の組成につい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ρ及びゼーベック係数αを測定した。抵抗率ρはディ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Ａ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にサンプル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ρは図２に示すようになり、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αがともに低かった。また、得られた抵抗率ρおよびゼーベック係数αから出力因子ＰＦ（＝Ｓ2／ρ）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が０．００３〜０．１であり且つ本焼成温度が１２００℃の場合に、文献値［（Ｃａ0.9Ｂｉ0.1）ＭｎＯ3 M.Ohtaki
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℃の場合に、４．０２×１０-4Ｗ／（ｍ・Ｋ2）と最も高い値であった。【００１９】
また、棒状サンプルの抵抗率ρは図５に示すようになり、棒状サンプルのゼーベック係数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かった。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αから出力因子ＰＦ（＝Ｓ2／ρ）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℃の場合に、８．８５×１０-4Ｗ／（ｍ・Ｋ2）と文献値［（Ｃａ0.9Ｂｉ0.1）ＭｎＯ3 M.Ohtaki
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かった。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いて考察する。【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０５／１２４８８１号パンフレット）。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℃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が一対の支持板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により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）／（Ｒ１＋ｌ／ｋ＋Ｒ２）｝・Ｓ                  式（１）
ここで、ｋは熱伝導率を示し、ｌ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・（ｌ／ｋ）
＝｛（Ｔｈ−Ｔｃ）・（ｌ／ｋ）｝／（Ｒ１＋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℃、Ｔｃ＝２０℃とし、素子２０の熱伝導率を２．０Ｗ／ｍ・Ｋとし、熱抵抗Ｒ１，Ｒ２をいずれも０．０００１〜０．０１ｍ2／Ｗ・Ｋの範囲で変化させた。また、素子２０の長さは０．１ｃｍ〜３．０ｃｍ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０．０００１ｍ2／Ｗ・Ｋでは素子の長さが０．２ｃｍで約４００℃の温度差が得られるのに対して、０．０１ｍ2／Ｗ・Ｋでは素子の長さが０．２ｃｍで約２３℃の温度差しか得られない。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ΔＴにより下記式（４）により表される。【００３１】
Ｖ＝α・ΔＴ                                                式（４）
ここで、温度差ΔＴ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２５０μＶ／Ｋとし、抵抗率を０．０１５Ω・ｃｍとし、熱伝導率を２．０Ｗ／ｍ・Ｋとし、素子の断面積を１．０ｃｍ2とした。熱抵抗Ｒ１，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０．００５ｍ2／Ｗ・Ｋでは素子の長さが２．０ｃｍ、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０．００１ｍ2／Ｗ・Ｋ〜０．００５ｍ2／Ｗ・Ｋの範囲においては、素子の長さが０．４ｃｍ〜２．０ｃｍ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×８ｍｍ、高さ２ｍｍ）と、棒状（縦型）の素子（断面８ｍｍ×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℃とし、冷却温度を２０℃とし、熱電変換材料のゼーベック係数αを２５０μＶ／Ｋとし、抵抗率を０．０１５Ω・ｃｍとし、熱伝導率を２．０Ｗ／ｍ・Ｋとした。【００３４】
図１１から分かるように、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０．００５ｍ2／Ｗ・Ｋでは出力密度が平板状の素子よりも大きくなった。【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かも効率良く接続してモジュール化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Ｃ１、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３０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Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４を含んでいる。また、図１７では、各配列Ａ１，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エネルギとを相互に変換する素子であり、互いに同一素材から成っている。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×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、ＣａＭｎＯ3系素子が各熱電変換素子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型半導体を用いているがこれに限定されない。
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の両側に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の電極面という）３０ｃ，３０ｄと、残る２つの側面３０ｆ，３０ｅとを有している。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っている。
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、矩形状ではなく、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いる。この場合、各熱電変換素子３０は、電極面３０ｃ，３０ｄがコネクタＣ１，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いる。
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とが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Ｃ１（図１３参照）と、互いに隣り合う配列Ａ１，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Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の材質としては、高温酸化雰囲気中で錆び難い、銀、真鍮、ＳＵＳ等を挙げることができる。【００３７】
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から切り出された第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３０，３０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が互い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４４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側に位置されるが、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）が弾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、それによって折り曲げ片ｅを弾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５０，５２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から切り出された第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Ａ１，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、これらの隣り合う熱電変換素子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）が弾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の両端縁側から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、それによって折り曲げ片ｅを弾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が設けられている。
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）とに分けられるが、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から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から切り出された第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６０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から切り出された第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いる。
なお、本実施形態の１つの態様としては、各コネクタＣ１，Ｃ２，Ｃ３が基板９０（及び／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Ｃ１，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Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４が形成される。無論、各コネクタＣ１，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い。【００４２】
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エネルギに変換される。そして、得られた電気エネルギは、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Ｃ１，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一体化したコネクタ）Ｃ１，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い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Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を基板９０（及び／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Ｃ１，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Ａ１，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、素子抵抗が高くなって、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が一対の基板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を両側から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Ｃ１，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きる。
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Ｃ１，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を接続性良くしかも効率良くモジュール化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化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。【００４３】
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の中央からコネクタリード部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べく、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からコネクタリード部６４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いない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Ｃ１，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Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３に挿入する際に引っ掛かり難くなり、熱電変換素子３０をコネクタＣ１，Ｃ２，Ｃ３へ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Ｃ１，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を示しているが、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、外側に向かって広がるように延びている。【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１００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Ｃ１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３０ｃ，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を設けても良い。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が両側から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Ｃ１、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（ハリガネ等）が挿通される挿通穴１３０ａが設けられている。【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’を用い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】
【００５４】
【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から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から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。
【図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。
【図９】素子長と温度差との間の関係を示すグラフ図である。
【図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。
【図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ュールの斜視図である。
【図１８】熱電変換素子の斜視図である。
【図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。
【図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。
【図２４】熱電変換素子の変形例を示す概略図である。
【図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。
【図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】
【００５５】
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
【図１】
0005522711.tif 000002
【図２】
0005522711.tif 000003
【図３】
0005522711.tif 000004
【図４】
0005522711.tif 000005
【図５】
0005522711.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005522711.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005522711.tif 000011
【図１１】
0005522711.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0005522711.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0005522711.tif 000016
【図１６】
0005522711.tif 000017
【図１７】
0005522711.tif 000018
【図１８】
0005522711.tif 000019
【図１９】
0005522711.tif 000020
【図２０】
0005522711.tif 000021
【図２１】
0005522711.tif 000022
【図２２】
0005522711.tif 000023
【図２３】
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【図２４】
0005522711.tif 000025
【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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