(57)【要約】【課題】ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料を基板上に平面的に交互に配置して構成された熱電変換モジュールにおいて、様々な熱源を利用した発電および、様々な対象に温度差発生を可能とする。【解決手段】ｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３を平面的に交互に配置して構成された熱電変換素子１１を備えた熱電変換モジュール１であって、複数の凸部２３，２４が設けられた低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２を有し、凸部２３，２４は、ｎ型熱電素子１２とｐ型熱電素子１３との低温接続部１７及び高温接続部１６に対応した位置に熱的に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料を交互に配置して構成された熱電変換素子を備えた熱電変換モジュールであって、
複数の凸部が設けられた外層部材を有し、
前記凸部は、前記ｎ型熱電材料と前記ｐ型熱電材料との接続部に対応した位置に熱的に接続されてい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一対の基板により挟持されており、前記凸部は、前記基板よりも熱伝導性が高く、かつ、前記凸部は、前記基板の面上の前記接続部に対応した位置に熱的に接続されてい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。
【請求項３】
前記凸部により、前記外層部材と前記熱電変換素子とが絶縁されてい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。
【請求項４】
前記外層部材は最外層を構成するように前記熱電変換素子の両面側に一対設けられ、
一方の前記外層部材は高温側外層部材を、他方の前記外層部材は低温側外層部材を形成し、
前記高温側外層部材の前記凸部と前記低温側外層部材の前記凸部とは、それぞれが異なる前記接続部に対応した位置に熱的に接続されてい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】
前記高温側外層部材の前記凸部と前記低温側外層部材の前記凸部とは、それぞれ異なる熱伝導性を有することを特徴とする請求項４に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
複数の前記凸部の間には空間部が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記空間部に、前記凸部よりも熱伝導性が低い材料を設けることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記基板は、絶縁性を備えたシートであ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９】
前記凸部は、前記外層部材とは別体に形成されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記外層部材の表面は黒色であることを特徴とする請求項１から９のいずれか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、ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料を平面的に交互に配置した熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電変換モジュールにおいて、ｎ型の熱電材料及びｐ型の熱電材料を直列接続となるように平面的に交互に成膜して熱電変換素子を構成し、この熱電変換素子の両面を、ポリイミド等の樹脂で構成されるフィルム状の基板で覆い、基板の面内方向の温度勾配を利用して発電するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の構成では、基板及び薄膜の熱電変換素子の柔軟性によって曲面等に対応可能になるため、様々な場所に設置可能であるとともに、薄膜プロセスや印刷プロセスを利用して熱電変換モジュールを容易に形成できるという利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８６２５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の熱電変換モジュールでは、樹脂の基板の表面の一部に、熱伝導率の高い銅などの材料を設け、この熱伝導率の高い部分を介して熱電変換素子に熱を伝達するため、樹脂の基板の大部分は外側に露出している。このため、利用可能な熱源及び冷熱源が限定されるという課題があった。例えば、上記従来の熱電変換モジュールは、熱伝導率の高い部分のみに直接接触する固体の熱源から熱を回収可能である。しかしながら、液体や気体を熱源とする場合、流体の熱源が基板に直接接触したり、流体が樹脂の基板を透過したりすることによる基板及び熱電変換素子の劣化や、熱源が基板の全体に接触することで温度勾配を形成しにくくなることが問題となる。
また、上記従来の熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールを温度差発生装置（ペルチェ素子）として用いる場合、液体や気体に対して温度差を発生させることが難しかった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料を基板上に平面的に交互に配置して構成された熱電変換モジュールにおいて、様々な熱源を利用した発電および、様々な対象に温度差発生を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明は、ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料を交互に配置して構成された熱電変換素子を備えた熱電変換モジュールであって、複数の凸部が設けられた外層部材を有し、前記凸部は、前記ｎ型熱電材料と前記ｐ型熱電材料との接続部に対応した位置に熱的に接続されていることを特徴とする。
本発明によれば、熱電変換モジュールは、複数の凸部が設けられた外層部材を有し、凸部は、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料との接続部に対応した位置に熱的に接続されている。このため、外層部材により熱源から熱を回収し、この熱を凸部を介して熱電変換素子に確実に伝達できるとともに、熱源と熱電変換素子側とが直接的に接触しない構造を実現できる。このため、例えば流体を熱源とした場合であっても、熱電変換素子側と流体とを直接接触させることなく、熱を回収して発電できる。また、熱電変換モジュールが熱源から輻射熱を受ける場合には、外層部材により輻射熱を効率良く回収できる。さらに、熱源から熱電変換素子側への輻射熱を外層部材によって遮蔽できるため、外層部材を介しない熱伝達を抑制し、熱電変換素子に大きな温度勾配を形成できる。これにより、熱源が流体であっても問題なく発電可能であり、様々な熱源から効率よく熱を回収して発電できる。また、熱電材料に電流を流すことによって、さまざまな熱源形状に適用可能な温度差発生装置（ペルチェ素子）として使用することも可能となる。
【０００７】
上記構成において、前記熱電変換素子は一対の基板により挟持されており、前記凸部は、前記基板よりも熱伝導性が高く、かつ、前記凸部は、前記基板の面上の前記接続部に対応した位置に熱的に接続されている構成としても良い。
この場合、熱電変換素子は一対の基板により挟持されており、凸部は、基板よりも熱伝導性が高く、かつ、凸部は、基板の面上の接続部に対応した位置に熱的に接続されているため、樹脂の基板及び熱電変換素子への流体の熱媒体の接触を防止できるとともに、凸部によって熱電変換素子に大きな温度勾配を形成できる。
上記構成において、前記凸部により、前記外層部材と前記熱電変換素子とが絶縁されている構成としても良い。
この場合、凸部によって外層部材と熱電変換素子を絶縁できるため、熱電変換素子を絶縁する樹脂のシート等が必要なく、構造を簡単にできる。
【０００８】
上記構成において、前記外層部材は最外層を構成するように前記熱電変換素子の両面側に一対設けられ、一方の前記外層部材は高温側外層部材を、他方の前記外層部材は低温側外層部材を形成し、前記高温側外層部材の前記凸部と前記低温側外層部材の前記凸部とは、それぞれが異なる前記接続部に対応した位置に熱的に接続されている構成としても良い。
この場合、外層部材は最外層を構成するように熱電変換素子の両面側に一対設けられ、一方の外層部材は高温側外層部材を、他方の外層部材は低温側外層部材を形成し、高温側外層部材の凸部と低温側外層部材の凸部とは、それぞれが異なる接続部に対応した位置に熱的に接続されているため、熱電変換素子に、より大きな温度勾配を形成できる。
【０００９】
上記構成において、前記高温側外層部材の前記凸部と前記低温側外層部材の前記凸部とは、それぞれ異なる熱伝導性を有する構成としても良い。
この場合、上述した効果に加え、異なる熱伝導性物質を用いることによりモジュール厚等の設計許容範囲を広くすることができるという利点がある。
また、上記構成において、複数の前記凸部の間には空間部が形成されている構成としても良い。
この場合、複数の凸部の間において外部の熱源からの伝搬する熱を、空間部によって断熱できるため、熱電変換素子により大きな温度勾配を形成できる。
【００１０】
上記構成において、前記空間部に、前記凸部よりも熱伝導性が低い材料を設ける構成としても良い。
この場合、空間部に、凸部よりも熱伝導性が低い材料を設けるため、空間部側の熱電変換素子に外層部材から熱が伝達されることを抑制でき、熱電変換素子により大きな温度勾配を形成できる。
また、上記構成において、前記基板は、絶縁性を備えたシートである構成としても良い。
この場合、シートを基板に用いることにより、熱電変換モジュールの柔軟性及び絶縁性を確保できる。また、熱源が基板に接触することを外層部材によって防止できるので、シートを基板に用いた場合の耐久性の問題を解消できる。
さらに、前記凸部は、前記外層部材とは別体に形成されている構成であっても良い。
この場合、上記構成において、前記外装部材と凸部を異なる材料を用いる構成としても良い。前記凸部および前記凸部の間を絶縁材料とすることで、前記基板がない構成とすることが可能になるという利点がある。
この場合、凸部が別体であるため、熱電変換モジュールの要求特性に合わせて凸部の熱伝導率を自由に設定できる。
また、前記外層部材の表面は黒色である構成としても良い。
この場合、外層部材によって、熱媒体からの輻射熱をより効率よく回収して発電できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ｎ型熱電材料及びｐ型熱電材料を基板上に平面的に交互に配置して構成された熱電変換モジュールにおいて、様々な熱源から効率よく熱を回収した発電、および温度差発生を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す図である。
【図２】熱電変換モジュールの断面図である。
【図３】第１の実施の形態の変形例を示す断面図である。
【図４】第２の実施の形態における熱電変換モジュールの断面図である。
【図５】第３の実施の形態における熱電変換モジュールの断面図である。
【図６】第４の実施の形態における熱電変換モジュールの断面図である。
【図７】熱電変換モジュールの参考例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す斜視図であり、理解の便宜を図るため一部破断面を示している。
図１に示すように、熱電変換モジュール１は、フレキシブル基板部１０上に熱電変換素子１１を平面的に配置したシート状のフレキシブルな発電モジュールであり、フレキシブル基板部１０の面内方向に生じる温度差によって発電する。
【００１４】
フレキシブル基板部１０は、熱電変換素子１１を両面からそれぞれ覆う一対の、低温側基板１４および高温側基板１５で構成される。低温側基板１４は熱電変換素子１１の一方の面を覆い、高温側基板１５は他方の面を覆い、熱電変換素子１１は低温側基板１４と高温側基板１５との間に狭持されている。低温側基板１４及び高温側基板１５は、絶縁性及び可撓性を有するフィルム（シート）により構成されている。例えば、低温側基板１４及び高温側基板１５の材料としては、ポリイミド、カプトン、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリサルフォン（ＰＳＦ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエチルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイト（ＰＰＳ）、ポリシラザン、フレキシブルガラス等を用いることができる。これらの材料から、熱電変換素子１１の動作温度や、動作環境等によって適切なものを選択すればよく、ここでは、ポリイミドのフィルムが用いられている。
【００１５】
熱電変換素子１１は、複数のｎ型熱電素子１２（ｎ型熱電材料）及びｐ型熱電素子１３（ｐ型熱電材料）を交互に直列接続したものである。詳細には、熱電変換素子１１は、低温側基板１４上に、帯状のｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３を直線状に交互に成膜することで形成される。ｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３の膜の幅、長さ及び厚さは材料特性等によって適切なものを選択する。図示した実施の形態においては、略同一である。ｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３の配列パターンは、フレキシブル基板部１０の面内にｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３を高密度に配置可能なように、複数の折り返し部（不図示）を含んでいる。
ｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３の配列の両端には、熱電変換素子１１の電極が形成される。一方の電極（不図示）はｎ型熱電素子１２の端部に接続され、他方の電極（不図示）はｐ型熱電素子１３の端部に接続される。
【００１６】
ｎ型熱電素子１２の材料としては、例えば、クロメルが用いられ、ｐ型熱電素子１３の材料としては、コンスタンタンが用いられる。
他の熱電材料としては、例えば、ＢｉＴｅ系材料、ＰｂＴｅ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料、シリサイド系材料、スクッテルダイト系材料、遷移金属酸化物系材料、亜鉛アンチモン系材料、ホウ素化合物、クラスレート化合物、クラスタ固体、酸化亜鉛系材料、カーボンナノチューブ等を用いることができる。ＢｉＴｅ系材料の例として、ＢｉＴｅ、ＳｂＴｅ、ＢｉＳｅ、およびこれらの化合物が挙げられる。ＰｂＴｅ系材料の例として、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＡｇＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ、及びこれらの化合物が挙げられる。Ｓｉ−Ｇｅ系材料の例として、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅが挙げられる。シリサイド系材料の例として、ＦｅＳｉ、ＭｎＳｉ、ＣｒＳｉ等が挙げられる。スクッテルダイト系材料の例として、ＭＸ3、ＲＭ4Ｘ12と表記される化合物が挙げられる。ここで、Ｍは、Ｃｏ、Ｒｈ、またはＩｒであり、Ｘは、Ａｓ、Ｐ、またはＳｂであり、Ｒは、Ｌａ、Ｙｂ、またはＣｅを表す。遷移金属酸化物系材料として、ＮａＣｏＯ、ＣａＣｏＯ、ＺｎＩｎＯ、ＳｒＴｉＯ、ＢｉＳｒＣｏＯ、ＰｂＳｒＣｏＯ、ＣａＢｉＣｏＯ、ＢａＢｉＣｏＯ等が挙げられる。亜鉛アンチモン系材料の例として、ＡｎＳｂが挙げられる。ホウ素化合物の例として、ＣｅＢ、ＢａＢ、ＳｒＢ、ＣａＢ、ＭｇＢ、ＶＢ、ＮｉＢ、ＣｕＢ、ＬｉＢ等が挙げられる。クラスレート化合物の例として、ＢａＧａＡｌＳｉ、ＢａＧａＡｌＧｅが挙げられる。クラスタ固体の例として、Ｂクラスタ、Ｓｉクラスタ、Ｃクラスタ、ＡｌＲｅ、ＡｌＲｅＳｉ等が挙げられる。酸化亜鉛系材料の例として、ＺｎＯが挙げられる。
【００１７】
熱電変換素子１１の成膜後に、低温側基板１４とは反対側の熱電変換素子１１の面に高温側基板１５が被覆されることで、一対の絶縁シート（低温側基板１４、高温側基板１５）からなるフレキシブル基板部１０内に平面状の熱電変換素子１１が挟まれたモジュールが形成される。ここでは、低温側基板１４上に熱電変換素子１１を成膜しているが、これに限らず、高温側基板１５上に熱電変換素子１１を成膜し、その後、低温側基板１４を熱電変換素子１１に被覆する構成としても良い。また、成膜以外の方法により熱電変換素子１１を設けてもよい。
フレキシブル基板部１０内には、ｎ型熱電素子１２とｐ型熱電素子１３との接続部が略等ピッチで並んでおり、隣接する一対の接続部間にそれぞれ温度差を形成することで、熱電発電が可能となる。すなわち、熱電発電の観点からは、フレキシブル基板部１０内に配された熱電変換素子１１には、高温にされるべき高温接続部１６と、低温にされるべき低温接続部１７とが略等ピッチで交互に複数形成されている。
【００１８】
１つの高温接続部１６の両側には、一対の低温接続部１７が位置しており、ｐ型熱電素子１３では、高温接続部１６から低温接続部１７に電流が流れ、ｎ型熱電素子１２では、低温接続部１７から高温接続部１６に電流が流れ、熱電変換素子１１の全体としては、図１中の右側から左側へ電流が流れる。
本第１の実施の形態では、ｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３は、低温接続部１７及び高温接続部１６で互いに直接接合されているが、低温接続部１７及び／または高温接続部１６に銅等の導体材料を設け、この導体材料を介してｎ型熱電素子１２とｐ型熱電素子１３とを接続する構成としても良い。
【００１９】
図２は、熱電変換モジュール１の断面図である。
図１及び図２に示すように、熱電変換モジュール１は、フレキシブル基板部１０の両面を覆う外層部材２０を備えて構成される。外層部材２０は、低温側基板１４を被覆する低温側外層部材２１と、高温接続部１６を被覆する高温側外層部材２２とを有して一対で構成される。熱電変換モジュール１は、低温側外層部材２１と高温側外層部材２２との間に温度差を生じることにより、熱電変換素子１１に面内方向の温度勾配を生じ、発電する。このため、低温側外層部材２１側には冷熱源が配置され、高温側外層部材２２側には熱源が配置される。これら熱源および冷熱源は、それ自体が熱及び冷熱を発するものであってもよいが、冷熱源からの冷熱を伝搬する熱媒体と、熱源からの熱を伝搬する熱媒体とを、それぞれ低温側外層部材２１側と高温側外層部材２２側に配置してもよい。すなわち、低温側外層部材２１と高温側外層部材２２とを、熱媒体に接触させることで発電できる。これらの熱媒体は固体であっても流体であってもよい。例えば、高温または低温の流体が流れる配管の表面を熱媒体とすることもできるし、水や空気等を熱媒体とすることもできる。なお、当然のことながら、低温側外層部材２１側の熱媒体と高温側外層部材２２側の熱媒体とが相対的な温度差を有していればよく、各熱媒体の絶対的な温度は限定されない。本実施形態では一例として、低温側外層部材２１に気体または液体の熱媒体が接し、高温側外層部材２２には熱媒体として温水が接する場合について説明する。
【００２０】
低温側外層部材２１は、低温側基板１４側に突出する複数の凸部２３を内面側に有する。低温側外層部材２１の外表面２１ａは、外部の熱媒体に接触する熱媒体接触面である。
各凸部２３は、外部の熱媒体から外表面２１ａに伝達された熱を低温接続部１７に伝達するために形成されており、低温接続部１７の配列のピッチに略等しいピッチで、低温接続部１７に対応した位置に形成され、直線的に並べて配置されている。
凸部２３の先端は、低温側外層部材２１に密着する接続面２３ａとなっており、接続面２３ａは平坦面である。
【００２１】
高温側外層部材２２は、高温側基板１５側に突出する複数の凸部２４を内面側に有する。高温側外層部材２２の外表面２２ａは、外部の熱媒体に接触する熱媒体接触面である。高温側外層部材２２の外表面２２ａには、低温側外層部材２１側の熱媒体よりも高温の熱媒体が設けられる。各凸部２４は、温水から外表面２２ａに伝達された熱を高温接続部１６に伝達する。各凸部２４は、高温接続部１６の配列のピッチに略等しいピッチで、高温接続部１６に対応した位置に形成され、直線的に並べて配置されている。
凸部２４の先端は、高温接続部１６に密着または接触する平坦な接続面２４ａとなっている。
【００２２】
低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２は、樹脂製の低温側基板１４及び高温側基板１５よりも熱伝導率が高い材料を用いて形成された薄板状または箔状の部材である。本実施形態では、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２を銅箔として構成した例を示す。低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２は、例えばアルミニウム等の銅以外の金属またはこれらの金属化合物、セラミックス、高熱伝導性樹脂等を用いて構成することもできる。凸部２３及び各凸部２４は、例えばエッチング加工によって、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２に一体に形成される。本第１の実施形態において、低温側外層部材２１及び凸部２３は同一の材料からなり、高温側外層部材２２及び凸部２４は同一の材料で構成される。
ここで、一例として、凸部２３，２４を除く低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２の板厚は３５μｍであり、凸部２３，２４の高さは３５μｍであり、凸部２３，２４の配列方向の長さは２００μｍである。また、一例として、ｎ型熱電素子１２及びｐ型熱電素子１３は、厚さが２μｍであり、長さはそれぞれ２００μｍであり、低温側基板１４及び高温側基板１５は厚さが２５μｍである。
【００２３】
低温側外層部材２１は、各凸部２３が各低温接続部１７に重なるように低温側基板１４に被覆される。各凸部２３間は凹部となっており、低温側外層部材２１が被覆されると、低温側外層部材２１の内側で各凸部２３間には、空間部２５が形成される。各空間部２５は、各高温接続部１６に重なる位置に配置されている。
低温側の熱媒体から低温側外層部材２１の外表面２１ａに伝達された冷熱は、凸部２３及び接続面２３ａの直下の低温側基板１４を介して低温接続部１７に伝達される。一方、空間部２５を介して低温側外層部材２１の冷熱が伝搬することはほとんど無い。従って、低温側の熱媒体によって高温接続部１６が冷却されることが抑制される。
【００２４】
高温側外層部材２２は、各凸部２４が各高温接続部１６に重なるように高温側基板１５に被覆される。各凸部２４間は凹部となっており、高温側外層部材２２が被覆されると、高温側外層部材２２の内側で各凸部２４間には、空間部２６が形成される。各空間部２６は、各低温接続部１７に重なる位置に配置されている。
高温側外層部材２２の外表面２２ａに伝達された温水の熱は、凸部２４及び接続面２４ａの直下の高温側外層部材２２を介して高温接続部１６に伝達される。一方、空間部２６を介して高温側外層部材２２の熱が伝搬することはほとんど無い。従って、熱媒体である温水の熱によって低温接続部１７が加熱されることが抑制される。
【００２５】
このように、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２に凸部２３，２４及び空間部２５，２６をそれぞれ設けたため、高温接続部１６をできるだけ冷却せずに低温接続部１７だけを低温側の熱媒体で冷却できるとともに、低温接続部１７をできるだけ加熱せずに高温接続部１６だけを高温側の熱媒体（温水）で加熱できる。このため、熱電変換素子１１の面方向に大きな温度勾配を形成でき、効率良く発電できる。
【００２６】
また、本第１の実施の形態では、高温側外層部材２２及び低温側外層部材２１でフレキシブル基板部１０を被覆し、高温側外層部材２２及び低温側外層部材２１を介して熱電変換素子１１に熱を伝達する構成とした。このため、熱媒体が低温側基板１４や高温側基板１５に直接接触しないので、熱媒体が高温側基板１５及び低温側基板１４の耐久性等に影響することを防止できる。例えば、高温側基板１５をポリイミド製のフィルムにより構成した場合、フィルムを透過した水分による熱電材料への影響を比較的受け易いが、熱媒体が高温側基板１５に接触しない構成としたことで、温水等の水系の流体から熱を直接回収でき、効率良く発電できる。低温側基板１４においても同様である。このように、フレキシブル基板部１０を高温側外層部材２２及び低温側外層部材２１で覆うことで耐環境性が向上するため、熱電変換モジュール１を様々な設置場所に設置して発電できる。
【００２７】
また、熱媒体には高温側外層部材２２、低温側外層部材２１の全面が接触可能である。このため、例えば特許文献１記載の構成のように、基板の表面の一部にのみ熱伝導率の高い材料を配した構成と比較して、効率よく熱を回収できる。従って、熱電変換素子１１に高い温度勾配を形成でき、発電効率が良い。さらに、高温側外層部材２２の外表面２２ａを黒色に着色しておくことで、外側の熱媒体の輻射熱をより効果的に回収できる。
また、フレキシブル基板部１０が高温側外層部材２２及び低温側外層部材２１で被覆されているため、外層部材２０の外側の熱媒体の輻射熱を高温側外層部材２２及び低温側外層部材２１によって遮蔽でき、輻射熱によって熱電変換素子１１の温度勾配が低下することを防止できる。このため、発電効率が良い。
また、高温側外層部材２２及び低温側外層部材２１によって、熱電変換モジュール１の剛性を確保でき、その分だけ低温側基板１４及び高温側基板１５の厚さを小さくできるため、低温側基板１４及び高温側基板１５で発生する伝熱のロスを低減できる。このため、発電効率が良い。
【００２８】
以上説明したように、本発明を適用した第１の実施の形態によれば、熱電変換モジュール１は、複数の凸部が設けられた外層部材を有し、凸部は、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料との接続部に対応した位置に熱的に接続されている。このため、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２により外部の熱媒体の熱を回収し、この熱を凸部２３，２４を介して熱電変換素子１１に伝達できるとともに、熱媒体と低温側基板１４、高温側基板１５及び熱電変換素子１１とが直接的に接触しない構造を実現している。このため、上記の例のように流体を熱媒体（熱源）とした場合であっても、熱媒体と熱電変換素子１１側とを直接接触させることなく、熱を回収して発電できる。また、熱電変換モジュール１が熱媒体から輻射熱を受ける場合、低温側外層部材２１または高温側外層部材２２により輻射熱を回収し、熱電変換素子１１側への輻射熱を遮蔽する。このため、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２を介しない熱伝達を抑制して、熱電変換素子１１に大きな温度勾配を形成できる。従って、熱媒体が流体であっても問題なく発電可能であり、様々な熱源から効率よく熱を回収し、発電できる。
【００２９】
また、熱電変換素子１１は一対の低温側基板１４及び高温側基板１５により挟持されており、凸部２３，２４は、低温側基板１４及び高温側基板１５よりも熱伝導性が高く、かつ、凸部２３，２４は、低温側基板１４及び高温側基板１５の面上の低温接続部１７及び高温接続部１６に対応した位置に熱的に接続されているため、樹脂の低温側基板１４及び高温側基板１５及び熱電変換素子１１への流体の熱媒体の接触を防止できるとともに、凸部２３，２４によって熱電変換素子に大きな温度勾配を形成できる。
【００３０】
また、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２は熱電変換モジュール１の最外層を構成するように熱電変換素子１１の両面側に一対設けられ、熱電変換素子１１は、一対の低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２によって挟持されている。高温側外層部材２２の凸部２４と低温側外層部材２１の凸部２３とは、それぞれが高温接続部１６及び低温接続部１７に対応した異なる位置に熱的に接続されているため、流体の熱媒体の低温側基板１４及び高温側基板１５への接触を防止でき、且つ、熱電変換素子１１に大きな温度勾配を形成できる。
また、複数の凸部２３，２４の間には空間部２５，２６が形成されており、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２の外側の熱媒体からの熱を空間部２５，２６によって断熱できるため、熱電変換素子１１に大きな温度勾配を形成できる。
【００３１】
また、流体の熱媒体が低温側基板１４及び高温側基板１５に接触することを低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２によって防止でき、ポリイミド等の樹脂製の低温側基板１４及び高温側基板１５を基板に用いることができるため、熱電変換モジュール１の柔軟性及び絶縁性を確保できる。
さらに、凸部２３，２４は低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２に一体に形成されており、凸部２３，２４と低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２との接合部等が存在せず熱伝達のロスを抑えることができるため、熱電変換素子１１に大きな温度勾配を形成できる。
また、高温側外層部材２２の外表面２２ａを黒色に着色しておくことで、外側の熱媒体の輻射熱をより効果的に回収して高温接続部１６を加熱でき、発電効率を向上できる。
【００３２】
なお、上記第１の実施の形態は本発明を適用した一態様を示すものであって、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
上記第１の実施の形態では、低温側基板１４及び高温側基板１５の両方が、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２によってそれぞれ被覆されているものとして説明した。本発明はこれに限定されず、低温側基板１４及び高温側基板１５の少なくとも一方が外層部材で被覆されていれば良い。例えば、低温側外層部材２１を設けずに高温側外層部材２２のみを設け、低温側基板１４には、低温接続部１７に重ねて配置される凸部のみを設けた構成としても良い。
また、上記第１の実施の形態では、凸部２３，２４は、エッチング加工によって、低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２に一体に形成されるものとして説明したが、凸部２３，２４は他の製造方法によって形成されても良い。例えば、１枚の外層部材に圧延加工やプレス加工等を施すことによって、凸部２３を一体に備えた低温側外層部材２１や凸部２４を一体に備えた高温側外層部材２２を形成しても良い。
【００３３】
また、上記第１の実施の形態において、空間部２５，２６に、凸部２３，２４よりも熱伝導性が低い樹脂等の断熱材を充填して熱媒体の熱を断熱し、熱電変換素子１１に大きな温度勾配が発生するように構成しても良い。
さらに、外層部材２１，２２と凸部２３，２４を異なる材料を用いて構成しても良い。例えば、凸部２３，２４を絶縁性の高熱伝導性樹脂を用いて形成し、空間部２５，２６に絶縁性断熱材を充填することにより、フレキシブル基板部１０の無い構成することが可能となる。この場合、上述した実施形態に係る効果に加え、外層部の熱を効率的に熱電変換素子１１に伝えることが可能となるため、熱電変換素子１１により大きな温度勾配を発生させることができる。
或いは、空間部２５，２６内の低温側基板１４及び高温側基板１５の表面に、凸部２３，２４よりも薄い金属被覆層を蒸着等によって形成しても良い。この金属被覆層を設けることで、空間部２５，２６を介して低温接続部１７及び高温接続部１６に伝搬する輻射熱の影響をさらに抑制できる。これにより、熱電変換素子１１に、より大きな温度勾配を発生させることができる。
また、上記第１の実施の形態において、低温側外層部材２１と高温側外層部材２２とを、熱伝導率が異なる材料により構成してもよい。すなわち、凸部２３を含む低温側外層部材２１と、凸部２４を含む高温側外層部材２２とが、異なる熱伝導性を有する構成としてもよい。この場合、上述した実施形態に係る効果に加え、素子に必要な機械強度や熱膨張率にあわせた前記凸部の材料を選択することができるという利点がある。この場合の低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２の具体的な例としては、銅とアルミを用いる構成が挙げられる。
【００３４】
また、上記第１の実施形態では、凸部２３、２３の間の空間２５、及び、凸部２４、２４の間の空間２６が、いずれも矩形断面の形状となっている例を示したが、空間２５、２６の断面形状が矩形となっていなくてもよい。例えば、空間２５、２６の隅部が曲面となっていてもよい。また、図３に示すように、空間２５、２６の底面全体が、曲面状（いわゆるＲ形状）の底面部２８となっていてもよい。このような構成とした場合には、凸部２３，２４の強度がより高くなることが期待できる。
また、熱電変換モジュール１は、熱電変換素子１１に電流を流すことで、温度差発生装置（ペルチェ素子）としても使用可能である。上記第１の実施形態の熱電変換モジュール１は、外層部材２０を備えて耐環境性が高いため、液体や気体を含む様々な対象に温度差を形成できる。また、外層部材２０の表面の全体に熱媒体を接触させることができ、効率良く温度差を形成できる。熱電変換モジュール１は、フレキシブルであるため様々な対象に設置でき、例えば、自動車の乗員用シート内に熱電変換モジュール１を設けることで、乗員用シートを加熱及び冷却できる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
以下、図４を参照して、本発明を適用した第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態において、上記第１の実施の形態と同様に構成される部分については、同符号を付して説明を省略する。
上記第１の実施の形態では、凸部２３，２４は低温側外層部材２１及び高温側外層部材２２にエッチング加工によって一体に形成されているものとして説明したが、本第２の実施の形態は、凸部１２３，１２４が別体で設けられる点が、上記第１の実施の形態と異なる。
【００３６】
図４は、第２の実施の形態における熱電変換モジュール１０１の断面図である。
図４に示すように、熱電変換モジュール１０１は、熱電変換素子１１と、フレキシブル基板部１０と、フレキシブル基板部１０の両面を覆う外層部材１２０とを備えて構成される。
外層部材１２０は、低温側基板１４を被覆する低温側外層部材１２１と、高温接続部１６を被覆する高温側外層部材１２２とを有して一対で構成される。
低温側外層部材１２１は、平坦な箔部１２１ａと、各低温接続部１７に対応して箔部１２１ａ上に設けられる複数の凸部１２３とを有する。
高温側外層部材１２２は、平坦な箔部１２２ａと、各高温接続部１６に対応して箔部１２２ａ上に設けられる複数の凸部１２４とを有する。
箔部１２１ａ，１２２ａは、樹脂製の低温側基板１４及び高温側基板１５よりも熱伝導率が高い材料を用いて形成された薄板状または箔状の部材である。箔部１２１ａ，１２２ａに用いられる材料としては、例えば、銅やアルミニウム箔等の他の金属または金属化合物、セラミックス、高熱伝導性樹脂等が挙げられる。また、凸部１２３，１２４は、樹脂製のフレキシブル基板部１０よりも熱伝導率が高い材料を用いて形成された薄板状または箔状の部材である。凸部１２３，１２４に用いられる材料としては、例えば、銅やアルミニウム箔等の他の金属または金属化合物、セラミックス、高熱伝導性樹脂等が挙げられる。
【００３７】
各凸部１２３，１２４は、箔部１２１ａ，１２２ａとは別体として低温側基板１４及び高温側基板１５にそれぞれ設けられている。例えば、凸部１２３，１２４は、低温側基板１４及び高温側基板１５の各々に銅箔等の金属箔を貼り合わせ、この金属箔にエッチング加工を施して凸状に形成したものである。このように形成された凸部１２３，１２４に、箔部１２１ａ，１２２ａを貼り合わせ、ろう付けや金属粒子を用いた拡散接合等によって接合することにより、図４に示した低温側外層部材１２１及び高温側外層部材１２２を実現できる。
本第２の実施の形態では、凸部１２３，１２４が箔部１２１ａ，１２２ａと別体であるため、熱電変換モジュール１０１の要求特性に合わせて凸部１２３，１２４の熱伝導率を自由に設定できる。すなわち、凸部１２３、１２４を、それぞれ、箔部１２１ａ，１２２ａとは異なる材料で構成することができる。
さらに、凸部１２３と、凸部１２４とを、熱伝導率が異なる材料で構成することも可能である。具体的には、低温側凸部１２３にアルミを用い、高温側凸部１２４に銅を用いる例が挙げられる。この場合、上述した実施形態に係る効果に加え、前記高温側凸部と前記低温側凸部での熱膨張に伴う伸び量を近づけることができるという利点がある。
【００３８】
なお、上記第２の実施の形態は本発明を適用した一態様を示すものであって、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
上記第２の実施の形態では、低温側基板１４及び高温側基板１５に、エッチング加工により凸部１２３、１２４を形成し、これら凸部１２３，１２４に箔部１２１ａ，１２２ａを貼り合わせる例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、箔部１２１ａ，１２２ａに、メッキ、溶射及び蒸着等の加工方法によって凸部１２３、１２４をそれぞれ形成して、この凸部を低温側基板１４及び高温側基板１５に密着させる構成としても良い。或いは、低温側基板１４及び高温側基板１５に凸部１２３、１２４を形成し、その後、高熱伝導性樹脂等を溶融させた材料を用いてインサート鋳造を行い、凸部１２３、１２４と一体化させてもよい。
また、熱電変換モジュール１０１は、熱電変換素子１１に電流を流すことで、温度差発生装置（ペルチェ素子）としても使用可能である。
【００３９】
［第３の実施の形態］
以下、図５を参照して、本発明を適用した第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態において、上記第１の実施の形態と同様に構成される部分については、同符号を付して説明を省略する。
上記第２の実施の形態では、凸部１２３，１２４は、箔部１２１ａ，１２２ａの内面の平らな面にそれぞれ貼り合わされているが、本第３の実施の形態は、凸部２２３，２２４が箔部２２１ａ，２２２ａに形成された凹部２２１ｂ，２２２ｂに係合する点で、上記第２の実施の形態と異なる。
【００４０】
図５は、第３の実施の形態における熱電変換モジュール２０１の断面図である。
この図５に示すように、熱電変換モジュール２０１は、熱電変換素子１１と、フレキシブル基板部１０と、フレキシブル基板部１０の両面を覆う外層部材２２０とを備えて構成される。
外層部材２２０は、低温側基板１４を被覆する低温側外層部材２２１と、高温接続部１６を被覆する高温側外層部材２２２とを有して一対で構成される。
低温側外層部材２２１は、平坦な箔部２２１ａと、各低温接続部１７に対応して箔部２２１ａ上に設けられる複数の凸部２２３とを有する。
高温側外層部材２２２は、平坦な箔部２２２ａと、各高温接続部１６に対応して箔部２２２ａ上に設けられる複数の凸部２２４とを有する。
箔部２２１ａ，２２２ａ及び凸部２２３、２２４は、樹脂製の低温側基板１４及び高温側基板１５よりも熱伝導率が高い材料を用いて形成されている。具体的な材料としては、銅やアルミニウム箔等の他の金属または金属化合物、セラミックス、高熱伝導性樹脂等が挙げられる。本実施形態では、箔部２２１ａ，２２２ａに銅箔を用い、凸部２２３、２２４に銅を用いた例を示す。
【００４１】
凸部２２３，２２４は、第２の実施の形態で説明した凸部１２３、１２４と同様の方法により、低温側基板１４及び高温側基板１５の表面に形成できる。
一方、箔部２２１ａには、低温側基板１４側の面に、凹部２２１ｂが形成されている。箔部２２１ａを凸部２２３と接合した場合に、凸部２２３が凹部２２１ｂに嵌入する。箔部２２２ａにも同様に、高温側基板１５側の面に凹部２２２ｂが形成され、箔部２２２ａを凸部２２４と接合して一体化させた場合に凸部２２４が凹部２２２ｂに嵌入する。凸部２２３、２２４は、その先端の一部のみが押部２２１ｂ、２２２ｂにそれぞれ入り込む。他の部分は箔部２２１ａ、２２２ａとフレキシブル基板部１０とを離隔させるので、空間２５、２６が確保される。
凸部２２３，２２４と箔部２２１ａ，２２２ａとを接合する方法としては、ろう付け、金属粒子を用いた拡散接合、接着等が挙げられる。
このように、凸部２２３，２２４を凹部２２１ｂ，２２２ｂに係合させることで、凸部２２３，２２４をより強固に箔部２２１ａ，２２２ａに接合できる。
【００４２】
なお、上記第３の実施の形態は本発明を適用した一態様を示すものであって、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
例えば、上記第３の実施の形態では、低温側基板１４及び高温側基板１５に予め設けられた凸部２２３，２２４と、凹部２２１ｂ，２２２ｂが形成された箔部２２１ａ，２２２ａとを接合する例について説明した。本発明はこれに限定されず、例えば、高熱伝導樹脂を用いたインサート鋳造によって、箔部２２１ａ、２２２ａを形成するとともに凸部２２３，２２４と一体化させてもよい。この場合、事前に凹部２２１ｂ、２２２ｂを形成する必要がない。
また、熱電変換モジュール２０１は、熱電変換素子１１に電流を流すことで、温度差発生装置（ペルチェ素子）としても使用可能である。
【００４３】
［第４の実施の形態］
以下、図６を参照して、本発明を適用した第４の実施の形態について説明する。この第４の実施の形態において、上記第１の実施の形態と同様に構成される部分については、同符号を付して説明を省略する。
上記第１の実施の形態では、熱電変換素子１１は、一対の樹脂製の低温側基板１４および高温側基板１５によって両面から覆われているが、本第４の実施の形態は、低温側基板１４および高温側基板１５が設けられておらず、熱電変換素子１１が低温側外層部材３２１及び高温側外層部材３２２で覆われる点で、上記第１の実施の形態と異なる。
【００４４】
図６は、第４の実施の形態における熱電変換モジュール３０１の断面図である。
この図６に示すように、熱電変換モジュール３０１は、熱電変換素子１１と、熱電変換素子１１の両面を覆う外層部材３２０とを備えて構成される。
外層部材３２０は、熱電変換素子１１の一方の面を覆う低温側外層部材３２１と、熱電変換素子１１の他方の面を覆う高温側外層部材３２２とを有して一対で構成される。
低温側外層部材３２１は、平坦な箔部３２１ａと、各低温接続部１７に対応して箔部３２１ａ上に設けられる複数の凸部３２３とを有する。
高温側外層部材３２２は、平坦な箔部３２２ａと、各高温接続部１６に対応して箔部３２２ａ上に設けられる複数の凸部３２４とを有する。
低温側外層部材３２１は低温の熱媒体側に設けられ、高温側外層部材３２２は高温の熱媒体側に設けられる。
【００４５】
箔部３２１ａ，３２２ａは、熱伝導率が高い材料を用いて形成されたフレキシブルな薄板状または箔状の部材である。箔部３２１ａ，３２２ａに用いられる材料としては、本第４の実施の形態では銅であるが、例えば、アルミニウム箔等の他の金属または金属化合物、セラミックス、高熱伝導性樹脂等を用いることもできる。また、凸部３２３，３２４は、絶縁性を備えるとともに熱伝導率が高い材料を用いて形成された薄板状または箔状の部材である。凸部３２３，３２４に用いられる材料としては、本第４の実施の形態では絶縁性樹脂であるが、例えば、樹脂とアルミナ等のセラミックスとを混合して固化したものであっても良い。
【００４６】
各凸部３２３，３２４は、箔部３２１ａ，３２２ａとは別体として箔部３２１ａ，３２２ａにそれぞれ設けられている。低温側外層部材３２１は、各凸部３２３が各低温接続部１７に重なって接続されるように熱電変換素子１１を覆う。高温側外層部材３２２は、各凸部３２４が各低温接続部１６に重なって接続されるように熱電変換素子１１を覆う。各凸部３２３間には、空間部２５が形成される。各凸部３２４間には、空間部２６が形成される。ここで、凸部３２３と、凸部３２４とは、熱伝導率が異なる材料で構成されても良い。
空間部２５，２６には、凸部３２３，３２４よりも熱伝導率が低く、且つ、絶縁性を備えた樹脂等の断熱材３３０が充填されている。この構成により、空間部２５，２６に対応する部分の熱電変換素子１１と箔部３２１ａ，３２２ａとを確実に絶縁できるとともに、箔部３２１ａ，３２２ａにおける空間部２５，２６に面する部分の熱が熱電変換素子１１へ伝達されることを抑制でき、熱電変換素子１１に大きな温度勾配を形成できる。
【００４７】
本第４の実施の形態によれば、絶縁性を備えるとともに熱伝導率が高い凸部３２３，３２４を備えた低温側外層部材３２１及び高温側外層部材３２２によって熱電変換素子１１を直接覆うため、凸部３２３，３２４によって箔部３２１ａ，３２２ａと熱電変換素子１１とを絶縁し、且つ、低温接続部１７及び高温接続部１６に効率良く熱を伝達できる。このため、上記第１の実施の形態で説明した、ポリイミド等の樹脂で構成される低温側基板１４及び高温側基板１５を設ける必要がなく、様々な熱媒体に対応可能な熱電変換モジュール３０１を簡単な構造で実現できる。
また、低温側基板１４及び高温側基板１５を設けない分だけ熱抵抗が低下するため、外側の熱媒体の熱を効率良く熱電変換素子１１に伝達でき、発電効率が良い。
なお、熱電変換モジュール３０１は、熱電変換素子１１に電流を流すことで、温度差発生装置（ペルチェ素子）としても使用可能である。
【００４８】
図７は、熱電変換モジュール１０２の参考例を示す断面図である。
図７に示す熱電変換モジュール１０２は、熱電変換モジュール１０１において、高温側外層部材１２２の箔部１２２ａ（図４）を設けずに、高温側基板１５の表面において各凸部１２４の間の凹部に、凸部１２４よりも薄い金属被覆層１３０を蒸着等によって形成したものである。金属被覆層１３０を設けることで、高温側の熱媒体からの輻射熱が低温接続部１７に影響することを抑制できるため、熱電変換素子１１に大きな温度勾配を発生させることができ、発電効率が良い。また、樹脂製の高温側基板１５の表面が金属被覆層１３０で覆われて外部に露出しないため、高温側基板１５の耐久性が向上する。
【符号の説明】
【００４９】
１，１０１，２０１，３０１  熱電変換モジュール
１０  フレキシブル基板部
１１  熱電変換素子
１２  ｎ型熱電素子（ｎ型熱電材料）
１３  ｐ型熱電素子（ｐ型熱電材料）
１４  低温側基板（基板）
１５  高温側基板（基板）
１６  高温接続部（接続部）
１７  低温接続部（接続部）
２１，１２１，２２１，３２１  低温側外層部材（外層部材）
２２，１２２，２２２，３２２  高温外層部材（外層部材）
２２ａ  外表面（表面）
２３，２４，１２３，１２４，２２３，２２４，３２３，３２４  凸部
２５，２６  空間部
【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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