(57)【要約】【課題】  健全性を備えた大型モジュールを実現し、熱電半導体の実質的な充填密度を向上させる。【解決手段】  少なくとも高温熱源側の加熱板７ａと熱電半導体２の熱源側電極部３との間に、熱伝導性を有する滑り材５を介在させると共に加熱板７ａと冷却板６とを連結する連結板７ｂとを備え、滑り材５を介して冷却板６と加熱板７ａとの間で熱電半導体２並びに電極部３，４を挟んで一体化し、滑り材５が加圧状態において熱源側電極部３または加熱板７ａとの間の相対的摺動を許容するようにしている。【選択図】        図１
2006049872.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の熱電半導体と、前記熱電半導体の高温熱源側の面に設置され前記熱電半導体を電気的に直列に接続する熱源側電極部と、前記熱電半導体の低温熱源側の面に設置され前記熱電半導体を電気的に直列に接続する放熱側電極部と、前記熱源側電極部を覆い高温熱源から熱を受ける加熱板と、前記放熱側電極部を覆い低温熱源へ熱を伝える冷却板と、少なくとも前記熱源側電極部と前記加熱板との間に介在される熱伝導性を有する滑り材と、前記冷却板と前記加熱板とを連結し前記滑り材を介して前記冷却板と加熱板との間で前記熱電半導体並びに電極部を挟んで一体化する連結板とを備え、前記加熱板と前記冷却板との間に作用する加圧力により、前記滑り材が前記熱源側電極部に押圧されて前記熱源側電極部と一体に保持され、且つ前記滑り材が前記加圧状態において前記熱源側電極部または前記加熱板との間の相対的摺動を許容する熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記加熱板と前記冷却板とは前記連結板で全周側面が覆われて前記加熱板と前記冷却板との間の空間を密閉する気密の容器を構成し、該容器内の圧力を当該容器の外の圧力よりも低いものとして、差圧により前記加圧力を得るものである請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記滑り材は低摩擦係数のシート材である請求項１または２記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記シート材は電気絶縁性の高分子シートであることを特徴とする請求項３記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記シート材はカーボンシートであり、前記電極部と前記シート材との間に電気絶縁材あるいは電気絶縁層が介在している請求項３記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記滑り材としてグリースを用いるものである請求項２記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記容器内が真空である請求項２から６のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記容器内を不活性雰囲気または還元雰囲気で満たしたものである請求項２から７のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記容器は前記部分に前記加熱板と前記冷却板との間隔を伸縮可能とするベローズを備え、前記加熱板と前記冷却板との間に作用する加圧力により前記ベローズを変形させて前記加熱板と前記熱源側電極部とを前記滑り材を介して密着させるものである請求項２から８のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記加熱板の前記高温側熱源に向かう面の放射率に比べ、前記連結板の面の放射率を小さくしたものである請求項１から９のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
熱電変換モジュールの使用温度下で液状を呈する低融点材料と、この低融点材料を封入し且つ液状の前記低融点材料の変形を許容する柔軟性を備えるシェルとを有する伝熱用クッションを、前記加熱板とこれに接触する高温熱源との間または前記冷却板とこれに接触する低温熱源との間の少なくとも一方に備えるものである請求項１から１０のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記伝熱用クッションと加熱板あるいは前記冷却板との間には熱伝導性を有する低摩擦係数のシート材からなる第２の滑り材が介在されている請求項１１記載の熱電変換モジュール。
【請求項１３】
前記熱源側電極部が電極層と電気絶縁層を有する傾斜機能材料で構成され、かつ前記滑り材がカーボンシートである請求項１または２記載の熱電変換モジュール。
【請求項１４】
前記熱源側電極部と前記カーボンシートとの間にさらにマイカシートを介在させたものである請求項１３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、例えば各種産業機器および自動車などの廃熱を熱源とする熱電変換システムに用いられる熱電変換モジュールに関する。さらに詳述すると、本発明は、熱電変換モジュールを大型化するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱電変換モジュールは、図１６に示すように、複数対の熱電半導体１０１の上下面に電極１０２を備えることで電気回路を構成し、さらにそれぞれの電極の外側に電気絶縁性を備える板１０３例えばセラミックス板あるいは電気絶縁膜を有する金属板などを備える構造が一般的である。これら複数対の熱電半導体１０１と電極１０２を２枚の板１０３で挟み付けるようにして接着剤やろう材等の接合材で結合することによって熱電変換モジュールが組み立てられる。別の形式としては、図１７に示すように、熱電半導体１０１の電極１０２の一方若しくは双方を、電極層と電気絶縁層を有する傾斜機能材料から成るコンプライアント・パッド（ＦＧＭコンプライアント・パッド、特許文献１，特許文献２参照）１０４に置換し、さらにその外側に、セラミックスなどの電気絶縁性または金属などの導電性の板１０３を備える構造もある。
【０００３】
更に、熱電変換モジュールは、熱電半導体１０１と電極１０２またはＦＧＭコンプライアント・パッド１０４のみで電気回路を構成できるため、熱電半導体１０１を挟み付ける板１０３は発電上は必ずしも無くても良い。そこで、片面または両面の板１０３が無い構造の熱電変換モジュールも存在する。このように片面または両面の板１０３が無い構造は、内部が見えることからスケルトン型と呼ばれている。
【０００４】
【特許文献１】特許第３０５６０４７号
【特許文献２】特許第３４８２０９４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、スケルトン型の熱電変換モジュールは、電極１０２またはＦＧＭコンプライアント・パッド１０４のみで熱電半導体１０１を互いに結合するため、強度が弱く壊れやすい欠点がある。特に、両面に板１０３を備えないスケルトン構造は、組み立てが難しく、手作業での組み立てはできるにせよ、工業的な量産には適さない。以上の理由から、量産規模の従来の熱電変換モジュールは、両面に板１０３を備える図１６並びに図１７に示すような構造が一般的となっている。
【０００６】
ところが、図１６並びに図１７に示すような熱電変換モジュールの構造では、大型化が難しく、平面寸法が４ｃｍ角程度のものが一般的で、大きなものでも７ｃｍ角程度である。これ以上の大型化を実現できない理由は、熱電変換モジュールに負荷される温度差に起因する熱応力が、上記温度差と熱電変換モジュールの寸法の積にほぼ比例するためである。即ち、熱電半導体を挟み付ける板、中でも高温熱源側に配置される加熱面側の板１０３ａが熱膨張するために、この板１０３ａの周辺部の電極１０２またはＦＧＭコンプライアント・パッド１０４並びにこれらと接合された熱電半導体１０１の加熱面側は、板１０３ａの膨張に伴って同方向に移動する。しかし低温熱源側に配置される冷却面側の板１０３ｂは熱膨張しないため、熱電半導体１０１およびその上下の電極１０２またはＦＧＭコンプライアント・パッド１０４には、せん断応力が作用し、脆弱な熱電半導体１０１を破壊したり、各部材間の接合面で剥離を生じる恐れがある。この問題は特に自動車や産業廃熱などを想定した使用温度５００℃以上の高温用熱電変換モジュールにおいて重大である。例えば４ｃｍ角のモジュールの加熱面側の板１０３ａとして銅またはステンレス鋼を採用している場合において５００℃に加熱すると、端部の変位量（板の中心から計った相対変位量）は０．１６ｍｍ程度となる。上記板１０３ａがセラミックスの場合は、上記変位量は０．０７ｍｍ程度となる。この加熱板１０３ａの熱膨張に起因するせん断力の発生は、加熱板１０３ａの大型化に伴い無視できない問題となり、モジュールの大型化を妨げる要因となる。
【０００７】
一方、複数の熱電変換モジュールを備えた熱電変換システムにおいて単位面積当たりの出力を上げるには、熱電半導体１０１の充填密度を上げる必要がある。従来の熱電変換システムでは、充填密度は５０％程度である。これ以上充填密度を上げられない理由としては、（１）熱電半導体１０１が互いに接触して短絡しないように適度な隙間が必要であること、（２）熱電変換モジュールの周囲およびリード線の取り付け部には熱電半導体１０１を置けない場所があること、（３）隣接する熱電変換モジュールが互いに干渉しないように熱電変換モジュール間に適切な隙間が必要であること、が挙げられる。上記のうち、熱電変換モジュールが小さいほど（２）および（３）の影響が相対的に大きくなる。従って、充填密度を上げるには、できるだけ熱電変換モジュールを大型化することが望ましい。しかし、その場合は上記に述べたように、大型化にともなう別の問題が生じてしまう。また、熱抵抗を低減させることが熱電変換効率を向上させる上で要求されるが、熱電モジュールの構成要素を密着させるために加熱板と冷却板との間で熱電半導体を強力に挟みつけると、脆弱な熱電半導体が圧潰する虞があるので、熱抵抗を低減させることが難しかった。
【０００８】
また、熱電変換モジュールの設置される雰囲気が、高温の空気中など酸化雰囲気であったり、ゴミ焼却炉の燃焼ガスのような腐食性雰囲気である場合、熱電半導体や電極部分が外気に晒される構造の熱電変換モジュールでは酸化または腐食の恐れが伴う。したがって、従来の熱電変換モジュールは、このような雰囲気下に剥き出しにして設置できないため、上記高温ガスをダクトや仕切壁で隔離して、間接的に熱電変換モジュールを加熱する方法が一般的である。しかし、このようなシステムは、ダクトや仕切壁などの構造物が新たに必要になるばかりか、間接加熱のために熱電半導体に加わる温度差が減少する分だけ熱電変換モジュールの発電性能が低下する欠点がある。
【０００９】
そこで本発明は、健全性を備えた大型モジュールを実現し、熱電半導体の実質的な充填密度を向上させ、出力密度を増大できる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。更に本発明は、強度を向上でき、いかなる雰囲気下でも使用でき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】
【００１０】
かかる目的を達成するため、本発明の熱電変換モジュールは、少なくとも一対の熱電半導体と、前記熱電半導体の高温熱源側の面に設置され前記熱電半導体を電気的に直列に接続する熱源側電極部と、前記熱電半導体の低温熱源側の面に設置され前記熱電半導体を電気的に直列に接続する放熱側電極部と、前記熱源側電極部を覆い高温熱源から熱を受ける加熱板と、前記放熱側電極部を覆い低温熱源へ熱を伝える冷却板と、少なくとも前記熱源側電極部と前記加熱板との間に介在される熱伝導性を有する滑り材と、前記冷却板と前記加熱板とを連結し前記滑り材を介して前記冷却板と加熱板との間で前記熱電半導体並びに電極部を挟んで一体化する連結板とを備え、前記加熱板と前記冷却板との間に作用する加圧力により、前記滑り材が前記熱源側電極部に押圧されて前記熱源側電極部と一体に保持され、且つ前記滑り材が前記加圧状態において前記熱源側電極部または前記加熱板との間の相対的摺動を許容するようにしている。
【００１１】
したがって、本発明によると、少なくとも熱源側電極部が高温熱源側の加熱板と直接接合されることなく滑り材を介在させることにより、高温熱源側の加熱板が熱膨張しても、加熱板と滑り材との間で滑りが生ずるために、熱電半導体および熱源側電極部および放熱側電極部にはせん断応力が作用しない。また、シート材が介在する界面は、熱電変換モジュールに作用する加圧力により良好に密着し、当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。さらに、本発明の熱電変換モジュールは、冷却板と加熱板とが連結板で連結され、滑り材を介して冷却板と加熱板との間で熱電半導体並びに電極部を挟んで一体化される。
【００１２】
また、本発明の熱電変換モジュールにおいて、加熱板と冷却板とは連結板で全周側面が覆われて加熱板と冷却板との間の空間を密閉する気密の容器を構成し、該容器内の圧力を当該容器の外の圧力よりも低いものとして、差圧により加熱板と冷却板との間に加圧力を得るようにすることが好ましい。このように、連結板を全周側面に配置して気密の容器とする場合には、熱電変換モジュールの構成部品が容器内に密封されるので、外気の影響を受けない。加えて、熱電変換モジュールの構成部品が容器内に収容されるので、外部からの物理的衝撃や圧力・温度などの急激な変動などを緩和し、外部からの力に対する強度が高まる。さらに、滑り材が介在する加熱板と熱源側電極部との間の界面は、容器内外の差圧により容器外から加圧されるため、より良好に密着する。
【００１３】
また、気密容器を用いて熱電変換モジュールの構成部品を密封する場合、容器内を真空あるいは不活性雰囲気または還元雰囲気とすることが好ましい。この場合、容器の内部に収容された熱電変換モジュールの構成部品並びに滑り材の酸化による劣化を防止できる。
【００１４】
ここで、滑り材は、少なくとも熱伝導性と摺動性（滑り）を備えているものである。この滑り材は電気絶縁性を備えていることが好ましい。しかし、電極部と滑り材との間に電気絶縁材あるいは電気絶縁層が介在されれば、滑り材そのものが電気絶縁性を備える必要はない。そこで、滑り材としては、熱伝導性を有する低摩擦係数のシート材あるいはグリースのような粘性物の使用が好ましい。さらに、シート材としては、カーボンシートあるいは高分子シートの使用が好ましい。カーボンシートは、摺動性に優れる上に熱伝導性並びに耐熱性にも優れるのでより高い最高使用温度の熱電半導体の使用を可能とすると共に、カーボンシートが介在する界面の熱抵抗をこれが存在しない場合の１／１０以下に低減することができる。特に、気密容器に収めて使用する場合には、大気中で使用する場合よりも高温まで使用することができる。また、高分子シートは、摺動性に優れると共に電気絶縁性であることから、電気絶縁層を有さない電極材および電気絶縁層を有するＦＧＭコンプライアント・パッドのいずれにも直接接触させることができる。さら、粘性物質であるグリースを滑り材として加熱板と熱源側電極部との間に介在させる場合には、加熱板の膨張に起因するせん断応力の作用をしない。
【００１５】
さらに、滑り材としてカーボンシートを用いる場合、該カーボンシートと接触する電極部には、電極層と電気絶縁層を有する傾斜機能材料で構成される電極部とすることが好ましく、さらに好ましくは熱源側電極部とカーボンシートとの間にさらにマイカシートを介在させることである。この場合には、カーボンと電極部との電気絶縁を確実なものとした上に加熱板と電極部との間での滑りを良好なものとすることができる。
【００１６】
また、滑り材として熱伝導性のグリースを用いる場合には、気密の容器であることが好ましい。この場合、容器の加熱側内面と熱源側電極部との間の熱伝導性を有するグリースは、容器と熱源側電極部との相対的なスライド移動を可能にしてせん断応力の発生を防ぐと共に、粘性物質であるために加熱板と電極部とを隙間なく密着させて当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。これにより熱電半導体に大きな温度差を負荷できる。しかも、気密容器に密封されているため、熱酸化によるグリースの劣化やグリースの蒸発などの問題が無くなり、グリースを長期に安定して容器と熱源側電極部との間に保持できる。
【００１７】
また、本発明にかかる熱電変換モジュールの容器は連結板部分に加熱板と冷却板との間隔を伸縮可能とするベローズを備え、加熱板と冷却板との間に作用する加圧力によりベローズを変形させて加熱板と熱源側電極部とを滑り材を介して密着させるようにすることが好ましい。この場合、容器の内外での圧力差により加わる圧力によりべローズが変形して、容器の加熱側内面と容器内部の熱電変換モジュールの構成部品との密着が促進される。
【００１８】
また、本発明の熱電変換モジュールは、加熱板の高温側熱源に向かう面の放射率に比べ、連結板の面の放射率を小さくすることが好ましい。この場合、放射率が大きい加熱板の高温熱源に向かう面は熱を吸収し易くなって加熱され、熱電半導体の周りを囲む連結板の面は放射率が小さく熱を吸収し難くなって加熱され難くなるので、熱電半導体の周りからの入熱を遮って熱電半導体に負荷される温度差を大きくできる。しかも、熱電変換モジュールの側面即ち連結板部分からの発電に寄与しない入熱量が少なくなるので、気密の容器を用いる場合には無用の内圧の上昇を抑えることができる。
【００１９】
また、本発明にかかる熱電変換モジュールは、熱電変換モジュールの使用温度下で液状を呈する低融点材料と、この低融点材料を封入し且つ液状の低融点材料の変形を許容する柔軟性を備えるシェルとを有する伝熱用クッションを、加熱板とこれに接触する高温熱源との間または冷却板とこれに接触する低温熱源との間の少なくとも一方若しくは双方に備えることが好ましい。これにより、使用温度下で液状を呈する低融点材料およびこの低融点材料を封入する柔軟なシェルが、接触する伝熱面の曲面状の変形（面外変形）に追従して、２つの伝熱面の間を良好に充填し、これら２面の間に空隙が生じてしまうことを防いで、接触熱抵抗を小さくする。しかも、液状の低融点材料は熱伝導率が高いので、伝熱用クッションそのものの熱抵抗を低く抑えることができ、効率的に熱を伝える。また、液状の低融点材料を封入した柔軟なシェルがクッションとして機能し、むやみに強く挟み付けなくとも高温熱源と加熱板とを密着させ得る。
【００２０】
さらに、好ましくは、伝熱用クッションと加熱板あるいは冷却板との間には熱伝導性を有する低摩擦係数のシート材からなる第２の滑り材を介在させることである。この場合には、伝熱面が熱膨張した場合でも、伝熱面を第２の滑り材上で滑らせて面方向にスライド移動させるので、シェルに作用しようとするせん断応力を逃がし、シェルの破壊を防止できる。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１記載の熱電変換モジュールによれば、高温熱源側の加熱板が膨張しても、熱源側電極部との間に介在される滑り材によって滑りを生じさせるため、熱電半導体および熱源側電極部および放熱側電極部にはせん断応力が作用することがない。このため、熱電変換モジュールを大型化しても、脆弱な熱電半導体を破壊したり、接合面で剥離を生じることがなく、熱電変換モジュールの大型化が可能となり、熱電半導体の実質的な充填密度を向上でき、出力密度（単位面積当たりの出力）を増大することができる。また、滑り材が介在する界面は、熱電変換モジュールに作用する加圧力により良好に密着し、当該界面における接触熱抵抗を小さくできるので、熱電半導体に大きな温度差を負荷できる。さらに、本発明の熱電変換モジュールは、冷却板と加熱板とが連結板で連結され、滑り材を介して冷却板と加熱板との間で熱電半導体並びに電極部を挟んで一体化されているので、モジュールとしての強度が強く壊れ難いものとなると共に取り扱いが容易になる上に、組み立ても容易で工業的な量産に適するものとなる。
【００２２】
さらに請求項２記載の熱電変換モジュールによれば、熱電変換モジュールの構成部品が気密の容器内に密封されるので、いかなる雰囲気例えば酸化雰囲気や腐食性雰囲気の下でも使用することができる。加えて、熱電変換モジュールの構成部品が気密の容器内に収容されるので、外部からの力に対する強度が高まる。さらに、滑り材が介在する少なくとも加熱板と熱源側電極部との間の界面は、容器内外の差圧により容器外から加圧されるため、良好な密着性により当該界面における接触熱抵抗を小さくでき、さらに熱電半導体に大きな温度差を負荷できる。
【００２３】
また、請求項３記載の熱電変換モジュールによれば、滑り材としてシート材を採用しているので、組み立て時の取り扱いが容易である。
【００２４】
さらに請求項４記載の熱電変換モジュールによれば、滑り材として高分子シート材を採用しているので、摺動性に優れると共に電気絶縁性であることから、電気絶縁層を有さない電極材に対しても、あるいは電気絶縁層を有するＦＧＭコンプライアント・パッドのいずれにも直接接触させることができ、モジュール部品点数を削減できると共に構造を簡単にすることができる。
【００２５】
さらに請求項５記載の熱電変換モジュールによれば、滑り材としてカーボンシートを採用することにより、摺動性だけでなく熱伝導性並びに耐熱性にも優れるので、熱抵抗が大幅に低減して大きな熱負荷をかけることができる。しかも、カーボンシートは耐熱性に優れるので、熱電半導体の使用最高温度を高温域のものとすることが可能である。
【００２６】
さらに請求項６記載の熱電変換モジュールによれば、滑り材として粘性物質であるグリースを採用しているので、加熱板と電極部とを隙間なく密着させて当該界面における接触熱抵抗を小さくできると共に熱電半導体に大きな温度差を負荷できる。しかも、加熱板の熱膨張時にも、グリースの潤滑効果により、加熱板が滑らかに移動するので、熱源側並びに放熱側の電極部や熱電半導体にはせん断応力が作用しない上に、各電極部と加熱板あるいは冷却板との間の密着関係も損なわれない。
【００２７】
さらに請求項７，８記載の熱電変換モジュールによれば、容器内を真空または不活性雰囲気または還元雰囲気とするので、容器の内部に収容された熱電変換モジュールの構成部品並びに滑り材の酸化による劣化を防止できる。
【００２８】
さらに請求項９記載の熱電変換モジュールによれば、容器の内外での圧力差により加わる圧力によりべローズが変形して、容器の加熱側内面と容器内部の熱電変換モジュールの構成部品との密着が促進されるので、より熱抵抗を少なくして大きな温度差を負荷できる。
【００２９】
さらに請求項１０記載の熱電変換モジュールによれば、加熱板からの給熱量を大きくしながら熱電半導体の周りからの入熱を遮って熱電半導体に負荷される温度差を大きくできるので、熱電半導体に負荷される温度差を大きくできる。熱電変換モジュールの発電性能は熱電半導体に負荷される温度差のほぼ２乗に比例するため、熱電変換モジュールの発電性能を大幅に向上できる。しかも、熱電変換モジュールの側面即ち連結板部分からの発電に寄与しない入熱量が少なくなるので、気密の容器を用いる場合には内圧の上昇を抑えて、容器の膨張による部品相互の密着を妨げることがないし、容器内の減圧度そのものを少なくすることも可能となる。
【００３０】
さらに請求項１１記載の熱電変換モジュールによれば、使用温度下で液状を呈する低融点材料およびこの低融点材料を封入する柔軟なシェルが、接触する伝熱面の曲面状の変形（面外変形）に追従して、２つの伝熱面の間を良好に充填し、これら２面の間に空隙が生じてしまうことを防いで接触熱抵抗を小さくすると共に液状の低融点材料が熱伝導率が高く伝熱用クッションそのものの熱抵抗を低く抑えることができるので、効率的に熱を伝えることができる。これにより、熱電変換モジュールに負荷できる温度差をさらに増大でき、熱電変換モジュールの発電電力を向上できる。すなわち実質的なエネルギー変換効率を向上できる。これにより熱電変換システムの発電単価を低減できる。また、液状の低融点材料を封入した柔軟なシェルがクッションとして機能し、むやみに強く挟み付けなくとも高温熱源と加熱板とが密着できるので、熱電変換モジュールに作用する加圧力により熱電半導体が破壊してしまうことを防止できる。
【００３１】
さらに請求項１２記載の熱電変換モジュールによれば、伝熱面が熱膨張した場合でも、伝熱面を第２の滑り材上で滑らせて面方向にスライド移動させるので、シェルに作用しようとするせん断応力を逃がし、シェルの破壊を防止できる。これにより、伝熱面が大型となる場合の大きな熱膨張変位、例えば大型の加熱ダクトの運転・停止中の温度差に起因する熱膨張変位を許容できる。
【００３２】
さらに請求項１３記載の熱電変換モジュールによれば、加熱板と熱源側電極部との間にカーボンシートを滑り材として用いているので、摺動性だけでなく熱伝導性に優れ、かつびに耐熱性にも優れるので、熱抵抗が大幅に低減して大きな熱負荷をかけることができる。しかも、カーボンシートは耐熱性に優れるので、熱電半導体の使用最高温度を高温域のものとすることが可能である。
【００３３】
さらに請求項１４記載の熱電変換モジュールによれば、熱源側電極部とカーボンシートとの間にマイカシートを介在させることで、カーボンと電極部との電気絶縁を確実なものとした上に加熱板と電極部との間での滑りを良好なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３５】
図１から図９に本発明の熱電変換モジュールの実施の一形態を示す。この熱電変換モジュール１は、気密の容器７に熱電半導体２を密封するタイプであり、少なくとも一対の熱電半導体２と、熱電半導体２の熱源側の面に設置され熱電半導体２と電気的に接続されている熱源側電極部３と、熱源側電極部３とは反対側で熱電半導体２の低温側の面に設置され熱電半導体２と電気的に接続されている放熱側電極部４並びに各電極部３，４をそれぞれ覆って受熱部を構成する加熱板７ａ並びに冷却板６とを備え、加熱板７ａ並びに冷却板６を各々介して熱電半導体２の高温側の受熱面と低温側の放熱面との間にかけられる温度差により発電するものである。
【００３６】
この熱電変換システム１の少なくとも加熱板７ａと熱源側電極部３の間には、熱伝導性を有する滑り材５が備えられ、滑り材５を介在させて加熱板７ａと熱源側電極部３との間の熱的連結が図られている。ここで、滑り材５としては少なくとも熱伝導性を有しかつ２部材間の摺動を容易ならしめる物質であれば良く、本実施形態においては例えば低摩擦係数の材質からなる熱伝導性を有するシート材あるいは熱伝導性のグリースなどが採用されている。また、本実施形態における加熱板７ａ並びに冷却板６は、熱電半導体２と各電極部３，４を収容する気密性の容器７の一部を構成するものである。即ち、加熱板７ａと冷却板６とは、それらの全周側面を連結板７ｂで覆われるように連結されて、加熱板７ａと冷却板６との間の空間を密閉する気密の容器７を構成するようにしている。そして、容器７内の圧力を当該容器７の外の圧力よりも低いものとして、容器内外の差圧により加熱板７ａと冷却板６との間、即ち加熱板７ａの内側の面（高温面Ｓ１と呼ぶ）と冷却板６の内側の面（低温面Ｓ２と呼ぶ）との間に作用する加圧力により、滑り材５が熱源側電極部３に押圧されて密着され熱源側電極部３と一体に保持されるように設けられている。尚、図１から図９の例では熱源の図示を省略している。本実施形態の熱電変換モジュールにおいては、受熱の方法は特に限定されず、容器上面の加熱板への熱源との直接接触による伝熱でも、離れた熱源からの放射熱あるいはガス状熱源による熱伝達によっても良い。
【００３７】
本実施形態の場合の気密の容器７は、剛性の高い冷却板６とその上に被せられる比較的柔軟性のある箱形状の蓋体７０とで構成され、冷却板６と蓋体７０の周縁とを溶接あるいは接着剤やロウ付けで接合することにより一体化されている。蓋体７０は、加熱板７ａ部分と連結板７ｂ部分とを含むものであり、例えば１枚の薄い金属板をプレス成形加工して作製される。ここで、蓋体７０のシート材５と対向する上面部７ａが加熱板に相当し、周辺の側面部７ｂが連結板に相当する。
【００３８】
容器７は内外の差圧により外側から押圧力を受ける。この押圧力を利用して容器７の加熱板７ａ部分の内面により、シート材５および更に内側に位置する熱源側電極部３を均一に押しつける。容器７は、内外の差圧により変形してシート材５を良好に押圧できる程度の柔軟性と、外気に押圧されても密封性を確保できる程度の剛性とを備える。
【００３９】
熱電半導体２として例えばＢｉＴｅなどを用いて低温用の熱電変換モジュール１を構成する場合、容器７の上面の加熱板７ａ部分の温度は例えば２５０℃程度以下となるため、蓋体７０の材質としては、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）などを採用できる。また、熱電半導体２として例えばＦｅＳｉなどを用いて高温用の熱電変換モジュール１を構成する場合、容器７の加熱側即ち加熱板７ａ部分の温度は例えば６００℃程度となるため、蓋体７０の材質としては、インコネル（Special Metals Corporationの登録商標）などを採用できる。
【００４０】
但し、蓋体７０の材質は上記に例示したものに限定されず、また必ずしも金属に限定されず、耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点から適宜選択して良い。またプレス成形加工により一体品の蓋体７０を作製することには限定されない。例えば一枚の板をプレス成形加工で深絞りすることが困難な材質の場合は、シート材５と対向する上面の加熱板７ａ部分とその周辺の曲率部（連結板の一部）のみを一枚の板でプレス成形加工し、他の側面部即ち残りの連結板部分を冷却板と一体にあるいは別の部材（金属またはセラミックなど）で用意して、これらを溶接またはろう材や接着剤を用いた接合などの方法により組み立てて、容器７を構成するようにしても良い。
【００４１】
容器７の加熱板７ａ部分と連結板７ｂ部分とを構成する蓋体７０の厚みは、内外の差圧により変形してシート材５を良好に押圧できるように、また熱抵抗を小さくする観点から、薄くすることが望ましく、例えば２０μｍ〜０．５ｍｍ程度とすることが好ましい。但し、上記例示に限定されるものではなく、熱電変換モジュール１の大きさや差圧の大きさなどに応じて適宜決定するべきである。
【００４２】
容器７の加熱板７ａ部分の内面（高温面Ｓ１）と熱源側電極部３との間に介在させるシート材５としては、接触熱抵抗を低減でき、且つ高い摺動性（即ち低摩擦係数）、耐熱性、容器７の加熱板７ａ部分の変形に追従できる柔軟性を備えるものが選択される。より望ましくは、厚さ方向に高い熱伝導率を有する材質が選択される。例えば、カーボンシートや高分子シートなどの利用が好ましい。
【００４３】
尚、カーボンシートは電気伝導性であるため、カーボンシートをシート材５として用いる場合には、熱源側電極部３は絶縁層を備える必要がある。一方、高分子シートなどの電気絶縁性シートをシート材５として用いる場合には、熱源側電極部３は絶縁層を備える必要がない。絶縁層を備える熱源側電極部３として、電極層と電気絶縁層を有する傾斜機能材料から成るコンプライアント・パッド（ＦＧＭコンプライアント・パッド）３０を用いても良い。ＦＧＭコンプライアント・パッド３０は、例えば熱電半導体２側が電極層、その反対側が電気絶縁層で、両者の組成が連続的に変化するものであり、例えば特許第３０５６０４７号や特許第３４８２０９４号に開示された物を利用することができる。尚、両面が電極層、内部が電気絶縁層から成るＦＧＭコンプライアント・パッド３０を用いても良い。
【００４４】
ここで、既存のカーボンシートは、面方向の熱伝導率は高いが、厚さ方向の熱伝導率が低いものが一般的である。しかし、このような既存のカーボンシートでも、接触熱抵抗を大きく低減できる効果が得られることが、本願発明者の実験により明らかになった。以下に当該実験について説明する。
【００４５】
例えば厚さ方向の熱伝導率が５Ｗ／ｍＫ、厚さ０．１５ｍｍのカーボンシートを、銅製の２つのブロックの間に介在させて、０．４ｋｇ／ｃｍ２で加圧して、熱抵抗を測定した。また、比較例として、カーボンシートを介在させずに、上記２つのブロックを上記と同じ圧力で加圧して、熱抵抗を測定した。さらに上記測定を温度条件を変化させて行った。測定結果を表１に示す。
【００４６】
【表１】
2006049872.tif 000003
【００４７】
表１に示すカーボンシート使用時の熱抵抗の値はカーボンシートを挟む２個の銅ブロックをカーボンシートの面と平行に相対変位させてもほとんど変化しない。また、表１に示すカーボンシート使用時の熱抵抗は、カーボンシートの上下面における銅ブロックとの接触熱抵抗およびカーボンシート自体の熱抵抗の合計である。このうちカーボンシート自体の熱抵抗Ｒｃは式１の計算で求めることができる。
【００４８】
カーボンシート自体の熱抵抗Ｒｃ＝（厚さ）／（熱伝導率）
＝０．１５×１０−３（ｍ）／５（W/mK）
＝３×１０−５（ｍ２Ｋ／Ｗ）        …（１）
【００４９】
一方、熱抵抗の合計をＲとすると、カーボンシートの上下面における銅ブロックとの接触熱抵抗は（Ｒ−Ｒｃ）／２で計算される。即ち、カーボンシートの上下面における銅ブロックとの接触熱抵抗は、１５０〜２００℃で３．５×１０−５ｍ２Ｋ／Ｗ、３００〜４００℃で３×１０−５ｍ２Ｋ／Ｗと推定される。
【００５０】
他方、カーボンシートを介在させない場合の２個の銅ブロックの接触熱抵抗は、１００×１０−５ｍ２Ｋ／Ｗ以上である。従ってカーボンシートを採用することにより、熱抵抗を１／１０以下に低減できる。また、上記実験結果から、カーボンシートが接触熱抵抗を低減する効果を発揮するために、０．４ｋｇ／ｃｍ２以上の加圧力をカーボンシートに作用させることが望ましいと考えられる。尚、厚さ方向の熱伝導率を高くしたカーボンシートも開発される途上にあり、このようなカーボンシートを採用すれば、上記熱抵抗をさらに低減することができる。
【００５１】
また、カーボンシートは、一般に、空気中では４００℃程度まで、真空および不活性雰囲気中では１１００℃程度まで使用可能である。従って容器７内部を真空または不活性雰囲気とすれば、カーボンシート自体は１１００℃まで使用可能である。熱電変換モジュール１の最高使用温度は、一般的には熱電半導体２の制約により決まるが、最も高温で使用できるＳｉＧｅでも最高使用温度は１１００℃である。従ってカーボンシートを使って容器７内部を真空または不活性雰囲気とすれば、いかなる熱電半導体２にも対応できる。
【００５２】
容器７の加熱側内面（高温面Ｓ１）と熱源側電極部３とがシート材５を介して密着するように、容器７の内部は真空となっているか、容器７が設置される雰囲気の圧力において負圧となっている必要がある。容器７の内部を真空とするか、或いは減圧雰囲気とするかは、設置雰囲気の圧力および運転温度などに基づいて適宜決定して良い。また、容器７の内部を減圧雰囲気とする場合においては、当該容器７の内部を不活性雰囲気または還元雰囲気としても良い。これにより、容器７の内部に収容された熱電変換モジュール１の構成部品の酸化による劣化を防止できる。尚、不活性ガスとしてはアルゴン（Ａｒ）が最適である。この他の不活性ガスも使用できるが、窒素（Ｎ）は高温で反応する材料もあるので注意が必要であり、ヘリウム（Ｈｅ）は漏れやすいので余り適さない。また、水素（Ｈ２）を封入して還元雰囲気とすることが適する材料系もある。
【００５３】
例えば５５０℃、大気圧下で運転する熱電変換モジュール１で、室温（２７℃）での封入圧力（ＰＲＴ）を−０．８気圧（ゲージ圧）とすると、５５０℃に加熱した際の内圧Ｐ５５０はボイル・シャルルの法則により式２で計算される。
【００５４】
Ｐ５５０  ＝０．２×（５５０＋２７３）／（２７＋２７３）
＝０．５５気圧（絶対圧）
＝−０．４５気圧（ゲージ圧）        …（２）
【００５５】
従って、５５０℃でも負圧を維持できる。この場合に容器７を外部から押しつける圧力は０．４５ｋｇ／ｃｍ２＝４．５ｔｏｎ／ｍ２である。表１に示したごとく、カーボンシートを介在させて０．４ｋｇ／ｃｍ２で加圧すれば接触熱抵抗の低減に有効である。よって上述したカーボンシートの効果が期待できる。
【００５６】
室温（２７℃）での封入圧力と５５０℃での差圧の関係を表２に示す。熱電変換モジュール１が設置される雰囲気（外圧）は大気圧として計算した。尚、表２に示す圧力の単位は気圧である。
【００５７】
【表２】
2006049872.tif 000004
【００５８】
事例１は容器７内を真空とした場合で、１気圧の差圧を受けるため充分な効果が得られる。事例２は上述した室温（２７℃）での封入圧力（ＰＲＴ）を−０．８気圧（ゲージ圧）とした場合であり、これも充分な効果が得られる。事例３は差圧が不充分で、当該箇所の接触熱抵抗が若干増大する恐れがある。事例４は容器７の内圧の方が大きく、容器７が膨らむために容器７の加熱側内面（高温面Ｓ１）と熱源側電極部３とがシート材５を介して密着できず、接触熱抵抗が極端に増大する。以上より、０．４気圧以上の差圧を達成するには表２の事例１および事例２が望ましく、事例３および事例４は避けるべきである。
【００５９】
容器７の内圧を目的値に設定する方法の例を以下に説明する。容器７を構成する蓋体７０と冷却板６を電子ビーム溶接する場合は、真空雰囲気で行うため、上記溶接方法を採用すれば容器７内部を真空とできる。また、容器７内部を真空とせずに、容器７の内圧を目的値に設定する方法としては、例えば図６に示すように容器７側面にノズル部８を設けておく。そして、蓋体７０と冷却板６を溶接またはろう材等で接合し、一体化された蓋体７０と冷却板６を図示を省略するグローブボックスに入れて先ず真空引きし、次にグローブボックスに不活性ガス又は還元ガスを目的の圧力となるように導入する。これにより容器７の内部も同一圧力になる。その後、ノズル部８の先端を工具で押し潰して、容器７を応急的に密閉する。さらに容器７をグローブボックスから取り出してノズル部８の先端を溶接またはろう材等で完全に密閉する。
【００６０】
熱電変換モジュール１の構成例を図１〜図９に示す。
例えば図１に示す熱電変換モジュール１は、交互に並ぶ複数の熱電半導体２としてのＰ型熱電半導体２ａとＮ型熱電半導体２ｂと、隣接するＰ型熱電半導体２ａとＮ型熱電半導体２ｂとを熱源側で電気的に直列に連結する熱源側電極部３としてのＦＧＭコンプライアント・パッド３０と、隣接するＰ型熱電半導体２ａとＮ型熱電半導体２ｂとを冷却板６側で電気的に直列に連結する放熱側電極部４としての電極材４０と、ＦＧＭコンプライアント・パッド３０の面に載置されるシート材５としてのカーボンシートと、電極材４０が設置される冷却板６と、冷却板６と周縁部が接合されて気密の容器７を構成する蓋体７０とを備え、蓋体７０の上面の加熱板７ａ部分と冷却板６との間でシート材５を介在させて熱電半導体２および各電極部３，４を挟んで一体化すると共に収容するようにしている。
【００６１】
冷却板６は例えば金属板６０であり、この金属製冷却板６０には電気絶縁性接合材９により電気伝導性の電極材４０が接合されている。また、熱電半導体２としてのＰ型熱電半導体２ａとＮ型熱電半導体２ｂは、導電性接合材１０によりＦＧＭコンプライアント・パッド３０および電極材４０に接合されている。ＦＧＭコンプライアント・パッド３０は電気絶縁層を内在するので、シート材５としての電気伝導性のカーボンシート５を直接接触させることができる。また、金属製冷却板６０の上にＦＧＭコンプライアント・パッド３０を接合すれば、電気絶縁性接合材９により電気伝導性の電極材４０を配置することはない。このように滑り材５として耐熱性に優れるカーボンシートを気密容器７内で使用する場合には、熱電半導体としてＦｅＳｉ（最高使用温度７００℃程度）やＳｉＧｅ（最高使用温度１０００℃程度）を用いることが可能となる。更には、カーボンシート５とＦＧＭコンプライアント・パッド３０との間には、図１５に示すように、電気絶縁性を有するシート材例えばマイカシート２５を介在させることでより電気絶縁性を十分なものとすることが好ましい。ここで、熱源側電極３と加熱板７ａとの間に介在される滑り材５が熱伝導性と電気絶縁性並びに摺動性（滑り）の全てを兼ね備えた材質例えば高分子シートのようなものであれば、上述のような複層にする必要はない。尚、蓋体７０と金属製冷却板６０とは例えば溶接等の手段で密着される。
【００６２】
また、図２に示す熱電変換モジュール１は、図１における金属製冷却板６０とこれに接合された電極材４０の代わりに、電極材４０が蒸着または接合されたセラミック製の冷却板６１を採用している。電気絶縁性のセラミック板６１を用いて冷却板６を構成するため、冷却板６と電極材４０との間に電気絶縁性接合材９は不要である。例えばアルミナなどの板に銅を電極の形状に蒸着した製品がＤＢＣ（Direct Bonding Copper）として入手可能であり、これを冷却板６および電極材４０として利用することができる。蓋体７０とセラミック製冷却板６１は、例えば接着剤やろう材などを用いて接合され密着される。
【００６３】
また、図３に示す熱電変換モジュール１は、図１におけるＦＧＭコンプライアント・パッド３０の代わりに、放熱側電極部４と同じ電気伝導性の電極材４０を熱源側電極部３として採用している。シート材５は、カーボンシートではなく高分子シートとしている。高分子シートは電気絶縁性であり、電気絶縁層を有さない電極材４０および電気絶縁層を有するＦＧＭコンプライアント・パッド３０のいずれにも直接接触させることができる。高分子としては、例えばポリアリレート、ポリサルファン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファイドなどの準スーパーエンジニアリングプラスチックと呼ばれるもの、あるいはPEEK、ポリアミドイミド、全芳香族エステル、ポリイミドなどのスーパーエンジニアリングプラスチックと呼ばれるものの使用が好ましい。これらプラスチックの場合には、使用限界温度が２００〜２５０℃程度なので、熱電半導体２として例えばＢｉＴｅなどを用いて低温用の熱電変換モジュール１を構成することが可能である。また、図４に示す熱電変換モジュール１は、図２におけるＦＧＭコンプライアント・パッド３０の代わりに、放熱側電極部４と同じ電極材４０を熱源側電極部３として採用している。シート材５は、カーボンシートではなく高分子シートとしている。また、図６に示す熱電変換モジュール１は、図１における熱電変換モジュール１の容器７に、容器７の内圧を目的値に設定するためのノズル部８を設けた例である。また、図７は熱電変換モジュール１の平面形状の一例を示す。蓋体７０を一枚の板からプレス加工するには、図７に示すように角７ｃに曲率を付けることが、成形性の観点で好ましい。
【００６４】
ここで、容器７には、例えばその側面部７ｂにおいて電気絶縁体１１を介して一対の導電部１２が貫通している。この導電部１２の容器７内側の端は、例えばリード線１３を介して熱電変換モジュール１の熱源側電極部３と接続される。本実施形態ではこの構成により、容器７の密封性を保ちつつ、熱電変換モジュール１が発電した電力を容器７の外側へと取り出すことができるようにしている。熱電変換モジュール１が発生した電力は図示を省略する電力回収用ラインを介して蓄電装置や電力利用機器などに供給される。
【００６５】
図８および図９は、容器７の他の構成例を示す。図８は、図１における金属製冷却板６０の周縁を熱源側に向かって立ち上げて、冷却板６０の当該立ち上げた部分６０ａに、電気絶縁体１１を介して一対の導電部１２を設けた例である。一方、図９は、図２におけるセラミック製冷却板６１の周縁を熱源側に向かって立ち上げて、この立ち上げ部分６１ａに、一対の導電部１２を設けた例である。図９の構成では、セラミック製冷却板６１が電気絶縁性であるため、導電部１２を電気絶縁体１１を介することなく冷却板６に直接取り付けることができる。
【００６６】
また、図５に示す熱電変換モジュール１は、図１におけるシート材５の代わりに熱伝導性のグリース１４を用いた例である。グリース１４により、容器７の加熱板７ａ部分の内面（高温面Ｓ１）と熱源側電極部３との間の円滑なスライド移動を実現できる。容器７の加熱板７ａ部分の内面と熱源側電極部３との間に介在させるグリース１４として、例えばシリコーンオイル系のグリース１４で耐熱温度３００℃程度のものの利用が好ましい。特に、シリコーンオイルにアルミナなど熱伝導性のよい粉末を配合したグリース状の製品の利用が好ましい。容器７を密封し、また容器７内を真空または不活性雰囲気とすることで、熱酸化によるグリース１４の劣化やグリース１４の蒸発などの問題が無くなり、グリース１４を長期に安定して容器７の加熱板７ａ部分と熱源側電極部３との間に保持できる。また、グリース１４は良好に容器７の加熱板７ａ部分および熱源側電極部３に密着するため、接触熱抵抗を低減できる。
【００６７】
例えば厚さ方向の熱伝導率０．８Ｗ／ｍＫ、厚さ０．０４ｍｍのグリース１４自体の熱抵抗Ｒｇは、式３の計算で求めることができる。
グリース自体の熱抵抗（Ｒｇ）＝（厚さ）／（熱伝導率）
＝０．０４×１０−３（ｍ）／０．８（W/mK）
＝５×１０−５（ｍ２Ｋ／Ｗ）      …（３）
【００６８】
従って、グリース１４が介在する界面の接触熱抵抗と上記Ｒｇを合計しても、熱抵抗合計は上述のカーボンシート使用時と同等の値が得られると予想される。熱電半導体２としてＢｉＴｅを使用する場合、最高使用温度が２２０℃程度となり、上記に例示したシリコーンオイル系のグリース１４を使用できる。
【００６９】
尚、上記に示した熱電変換モジュール１の構成例は好適例であって、これらの例示に限定されない。例えば、放熱側電極部４として、電極材４０ではなくＦＧＭコンプライアント・パッド３０を用いても良い。また、熱電変換モジュール１を最小単位の熱電半導体２を有するものにする、例えばＰ型とＮ型の熱電半導体を各１個備えるユニ・カップル型としても構わない。また、容器７の内外の差圧による加圧力によって熱電変換モジュール１が一体に保持された状態が常に維持できるような場合には、熱源側電極部３または放熱側電極部４と熱電半導体２、放熱側電極部４と冷却板６とを結合する接合材は必ずしも必要ない。
【００７０】
以上のように構成された熱電変換モジュール１によれば、容器７の加熱板７ａ部分（高温面Ｓ１）と熱源側電極部３との間に介在するシート材５またはグリース１４が、加熱板７ａ部分と熱源側電極部３との相対的なスライド移動を可能にする。このため、例えば容器７が熱膨張しても、容器７の加熱板７ａ部分をシート材５またはグリース１４上で滑らせて面方向にスライド移動させるので、熱電半導体２および熱源側電極部３および放熱側電極部４には、せん断応力は作用しない。従って、熱電変換モジュール１を大型化しても、脆弱な熱電半導体２を破壊したり、接合面で剥離を生じることはない。また、シート材５またはグリース１４が介在する界面は、容器７内外の差圧により容器７外から加圧されるため、良好な密着性により当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。これにより熱電半導体２に大きな温度差を負荷できる。
【００７１】
また、上記のように部材の熱膨張を許容する構造とすることで、熱電変換モジュール１を大型化することが可能となるので、熱電半導体２の実質的な充填密度を向上でき、出力密度（単位面積当たりの出力）を増大することができる。また、熱電変換モジュール１の構成部品は容器７内に収容されるので、外部からの力に対する強度が高まる。また、熱電変換モジュール１の構成部品は容器７に密封されるため、いかなる雰囲気の下でも、例えば酸化雰囲気や腐食性雰囲気の下でも、熱電変換モジュール１を直接設置して使用できる。
【００７２】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。尚、以下に説明する他の実施形態において上述の実施形態と同様の構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００７３】
例えば図１０に示すように、容器７の側面部７ｂにべローズ１５を設ける構造として、容器７の外より加わる圧力によりべローズ１５が変形して、容器７の加熱側内面（高温面Ｓ１）と容器７内部の熱電変換モジュール１の構成部品との密着を促進するようにしても良い。
【００７４】
また、図１１に示す熱電変換モジュール１は、使用温度下で液状を呈する低融点材料１６と、この低融点材料１６を封入し且つ液状の前記低融点材料１６の変形を許容する柔軟性を備えるシェル１７とを有する伝熱用クッション１８を更に備えている。図１１の例では容器７の加熱板７ａ側に伝熱用クッション１８を備えている。但し、容器７の加熱板７ａ側のみに伝熱用クッション１８を備える構成に限定されず、冷却板６側のみ又は加熱板７ａ側と冷却板６側の双方に、伝熱用クッション１８を備える構成としても良い。
【００７５】
シェル１７の厚みは、シェル１７が対向する面の温度差による曲面状の変形（面外変形）に柔軟に追従することができるように、また熱抵抗を小さくする観点から、薄くすることが望ましく、例えば２０μｍ〜１００μｍ（０．１ｍｍ）程度とすることが好ましい。また、シェル１７の材料は、使用温度下で低融点材料１６を確実に密封できるように融点が使用温度よりも高く、且つ封入する低融点材料１６との共存性が良いものが選択される。特に高い熱伝導率を有する金属材料の利用が好ましい。例えば、使用温度が２５０℃以下の場合にはアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などが利用でき、使用温度が４００℃以下ではステンレス鋼（ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）などが利用でき、使用温度が６００℃以下では、インコネル（Special Metals Corporationの登録商標）などが利用できる。本実施形態のシェル１７は例えば薄い金属フォイル（金属箔）を用いて形成されている。但し、シェル１７の材料が金属に限定されるものではない。
【００７６】
一方、低融点材料１６は、使用温度よりも融点が低く、且つ高い熱伝導率を有し、シェル１７との共存性が良いものが選択される。具体的には、すず（Ｓｎ：融点２３２℃）、ビスマス（Ｂｉ：融点２７１℃）などが利用できる。ここで、融点が使用温度以下の金属に、当該金属よりも熱伝導率の高い微粒子を添加することで、使用温度よりも融点が低く且つ高い熱伝導率を有するとの条件を満足した低融点材料１６を得るようにしても良い。例えばビスマスに、銅（Ｃｕ）またはタングステン（Ｗ）などの微粒子を添加することで、見かけの熱伝導率を高めることができる。この他、高価なため一般的ではないが、ガリウム（Ｇａ：融点３０℃）、インジウム（Ｉｎ：融点１５７℃）なども低融点材料１６として利用可能である。但し、低融点材料１６が金属に限定されるものではない。例えば、金属以外では溶融塩（例えばＮａＮＯ３／ＫＮＯ３）などを低融点材料１６として利用できる。
【００７７】
伝熱用クッション１８は例えば次のように作製される。例えば、２枚の薄い平板状の金属フォイルの一方または両方に対してプレス成形加工などを施し、これら２枚の金属フォイルの周縁を合わせた場合にこれら２枚の金属フォイル間に１〜２ｍｍ程度の隙間ができるようにする。この隙間に、当該隙間と同一厚さのシート状に成形された低融点材料１６を入れて、前記２枚の金属フォイルを合わせた状態で、周囲を電子ビーム溶接などの方法により密封する。これにより、上記２枚の金属フォイルはシェル１７として機能する。尚、図１１は、２枚の平板状金属フォイルの一方のみに対してプレス成形加工を施し、低融点材料１６を封入するための隙間を形成した例を示す。但し、図１１の構成には限定されず、例えば２枚の平板状金属フォイルの双方に対してプレス成形加工などを施して、シェル１７を構成する２枚の金属フォイルを上下対称の形状として、当該シェル１７の内部に低融点材料１６を封入するための隙間を形成するようにしても良い。また、低融点材料１６を粉末（例えば上記に例示した金属の粉末）とし、当該粉末状の低融点材料１６をシェル１７の内部に形成した隙間に充填するようにしても良い。
【００７８】
ここで、低融点材料１６を封入した状態でシェル１７の内部に隙間１９ができるようにすることが好ましい。例えば本実施形態では、低融点材料１６のシートの寸法をシェル１７の内部の平面寸法よりも小さくして、シェル１７の内部の隙間１９を確保するようにしている。隙間１９を確保することで、低融点材料１６が溶融した際の体積膨張を吸収することができ、低融点材料１６の体積膨張によりシェル１７が破損してしまうことを防止できる。
【００７９】
さらに、シェル１７の内部に確保した隙間１９は、真空または不活性雰囲気とすることが、低融点材料１６の酸化を防ぐ上で好ましい。尚、シェル１７の周囲を電子ビーム溶接により密封する場合は、電子ビーム溶接が真空雰囲気で行われるため、シェル１７の内部は自ずと真空になる。シェル１７の内部を不活性雰囲気とする場合には、例えばアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを低融点材料１６とともにシェル１７内に封入するようにする。
【００８０】
シェル１７を構成する２枚の金属フォイルの間の隙間の大きさ、換言すれば伝熱用クッション１８の厚みｈは、大きくするほど、シェル１７と対向する面の温度差による曲面状の変形に柔軟に追従することができ、シェル１７を挟む２枚の面の間を良好に充填することができるが、伝熱用クッション１８自体の熱抵抗も大きくなるため、必要最小限とすることが好ましい。このため、伝熱用クッション１８の厚みｈは、シェル１７と対向する面に想定される変形の程度により適宜決定する。
【００８１】
図１１の例では、例えば加熱ダクトが熱源２０であり、伝熱用クッション１８は熱源２０と容器７との間に介在する。熱電変換モジュール１の冷却板６は、例えば冷媒が内部を通過する冷却ダクト２１に高い熱伝導率を有する接合材（例えば接着剤やろう材）を用いて接合される。熱源２０としての加熱ダクトと冷却手段としての冷却ダクト２１には、熱電変換モジュール１を押圧する力が作用する。例えば冷却ダクト２１が固定され熱源２０が移動可能となる構成とし、熱源２０を冷却ダクト２１側に移動させて、図１１に示す加圧力Ｐを作用させる。
【００８２】
シェル１７内に封入された低融点材料１６は例えば熱源２０で加熱されて溶融する。シェル１７は液状の低融点材料１６の変形を許容する柔軟性を備えるので、伝熱用クッション１８は熱源２０の加熱面および容器７の加熱板７ａ部分に密着し、熱源２０の加熱面や容器７の加熱板７ａ部分が温度差により曲面状に変形してもこの変形に柔軟に追従して、熱源２０と容器７の加熱板７ａ部分との間を良好に充填し、熱源２０と容器７の加熱板７ａ部分との間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。従って、伝熱用クッション１８は熱源２０および容器７と常に良好な密着状態を保つ。
【００８３】
ここで、シェル１７の熱源２０と対向する面または容器７と対向する面の一方または双方に、熱源２０または容器７が接触し且つ摺動可能な第２のシート材２２を設けることがより好ましい。この場合、熱源２０や容器７の伝熱用クッション１８との接触面が熱膨張により大きく相対変位しても、熱源２０や容器７が第２のシート材２２上を滑りスライド移動するので、当該熱膨張変位を柔軟に許容し、シェル１７にせん断応力が作用することを防ぎ、シェル１７が破壊されてしまうことを防止できる。第２のシート材２２は、例えば熱伝導率の高い接合材（例えば接着剤）を用いて、シェル１７の熱源２０と対向する面に貼り付けられる。また、シェル１７の容器７と対向する面は、熱伝導率の高い接合材（例えば接着剤）２３を用いて、容器７に貼り付けられる。第２のシート材２２には、例えば上述したシート材５と同じカーボンシートや高分子シートなどを用いてよい。
【００８４】
この図１１に示す熱電変換モジュール１によれば、液状の低融点材料１６およびこの低融点材料１６を封入する柔軟なシェル１７が、熱源２０や容器７の加熱板７ａ部分の曲面状の変形（面外変形）に追従して、熱源２０と容器７との間を良好に充填し、熱源２０と容器７との間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。従って、伝熱用クッション１８は熱源２０および容器７と常に良好な密着状態を保つ。しかも、溶融した金属である低融点材料１６は熱伝導率が高く、シェル１７は金属製であり且つ柔軟性を達成するように薄く形成されているので、伝熱用クッション１８自体の熱抵抗は低く、効率的に熱源２０から容器７内の熱電半導体２へと熱を伝えることができる。この伝熱用クッション１８を用いることにより、熱源２０としての加熱ダクトおよび容器７の平面度および表面粗さに対する要求条件を緩和できる。また、液状の低融点材料１６を封入した柔軟なシェル１７がクッションとして機能し、熱電変換モジュール１に作用する加圧力Ｐにより熱電半導体２が破壊してしまうことを防止する。
【００８５】
さらに、熱源２０としての加熱ダクトが熱膨張した場合でも、熱源２０の熱電変換モジュール１に対する接触面を第２のシート材２２上で滑らせて面方向（図１１中の矢印Ａ方向）にスライド移動させるので、シェル１７に作用しようとするせん断応力を逃がし、シェル１７の破壊を防止する。これにより、加熱ダクトの運転・停止中の温度差に起因する熱膨張変位を許容できる。また、第２のシート材２２としてのカーボンシートが介在する界面の熱抵抗を、これがない場合の１／１０以下に低減することができる。以上により、熱電変換モジュール１に負荷できる温度差を従来よりも増大でき、熱電変換モジュール１の発電電力を向上できる。すなわち実質的なエネルギー変換効率を向上できる。これにより熱電変換システムの発電単価を低減できる。
【００８６】
また、図１２に示す熱電変換モジュール１は、容器７は図示を省略する熱源から放射で熱を受ける受熱面Ｓ３を有し、受熱面Ｓ３に対して側面Ｓ４となる容器７の外周面部分の放射率を受熱面Ｓ３の放射率よりも小さくするようにしている。放射率が小さい面ほど熱を吸収し難くなって加熱され難くなり、逆に放射率が大きい面ほど熱を吸収し易くなって加熱され易くなる。従って、容器７の受熱面Ｓ３（上面）の放射率を大きく設定することで受熱面Ｓ３は加熱され易くなり、熱電半導体２に負荷される温度差を大きくでき、一方、容器７の側面Ｓ４の放射率を小さく設定することで当該容器７の側面Ｓ４は加熱され難くなり、熱電半導体２の熱落差が小さくなってしまうことを防止できる。熱電変換モジュール１の発電性能は熱電半導体２に負荷される温度差のほぼ２乗に比例するため、上記のように受熱面Ｓ３と側面Ｓ４に異なる放射率を設定することで、熱電変換モジュール１の発電性能を大幅に向上できる。
【００８７】
放射率は、材料のみならず、表面仕上げ状態にも依存し、また空気中での使用する場合には、酸化の程度にも依存する。したがって、容器７の表面の放射率は、例えば容器７を構成する材料の選択によって、または容器素材の一部または全部を覆う１または２以上の被覆材の選択によって、または容器７の表面の仕上げの状態すなわち表面粗さの程度によって、目的とする値に設定することができる。勿論、上述した方策の一部または全部を組み合わせて、容器７表面の放射率を目的とする値に設定することも可能である。被覆材は、例えばコーティングまたは蒸着、メッキ、塗装、貼り付けなどによって素地材に付着させることができる。また、容器７表面を鏡面仕上げとすれば放射率を小さくでき、容器７表面上に微細な凹凸があるような粗仕上げとすれば放射率を大きくできる。
【００８８】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、気密の容器７を採用し、熱電半導体２などの構成部品を収めた容器７内を真空または減圧雰囲気とする構成を主に挙げて説明したが、熱電変換モジュールの一体化と強度の保持を達成するという観点からは、気密容器７である必要なく、加熱板と冷却板との全周縁にわたって連結板を配置していても非気密の容器としても良いし、連結板で部分的に連結するようにしても良い。例えば図１３に示すように、加熱板２６と、放熱側電極部４が接触する冷却板６とを少なくとも２点、好ましくは数点以上において連結板２４を用いて接続して、加熱板２６と冷却板６とに挟まれた熱電変換モジュール１に加圧力Ｐを作用させるようにしている。これにより、シート材５が熱源側電極部３に押圧されて熱電半導体２並びに放熱側電極部４ともども一体に保持されている。尚、使用時には、熱源２０としての加熱ダクトと、冷却ダクト２１との間に熱電変換モジュール１を挟み、当該加熱ダクトと冷却ダクト２１との間の距離を調整することで、熱電変換モジュール１に対して適切な加圧力を作用させるようにしても良い。
【００８９】
また、図１４に示すように、加熱板２６と冷却板６とを連結する連結板２４の範囲を拡張し、ほぼ全周縁にわたって連結板２４を配置することで、加熱板と冷却板との間で非気密の容器を構成するようにしても良い。例えば、幅の広い連結板２４を加熱板２６と冷却板６とにそれぞれ溶接あるいは接着やろう付けなどで接合したり、加熱板２６の周りに４枚の連結板２４を配置した１枚の板を曲げ加工などによって一体に成形したものを冷却板６と接合したりすることによって容易に成形できる。更には、前述の気密容器を構成する蓋体７０の側面の一部に貫通孔をあけて非気密状態とすることも可能である。
【００９０】
この構成によっても、熱源側電極部３は加熱板２６に直接接合されず、加熱板２６と熱源側電極部３との間に介在するシート材５が、加熱板２６と熱源側電極部３と相対的なスライド移動を可能にする。このため、加熱板２６の加熱面が熱膨張しても、加熱板２６の加熱面をシート材５上で滑らせて面方向にスライド移動させるので、熱電半導体２および熱源側電極部３および放熱側電極部４には、せん断応力は作用しない。従って、熱電変換モジュール１を大型化しても、脆弱な熱電半導体２を破壊したり、接合面で剥離を生じることはない。また、シート材５が介在する界面は、熱電変換モジュール１に作用する加圧力Ｐにより良好に密着し、当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。これにより熱電半導体２に大きな温度差を負荷できる。また、熱電変換モジュール１を大型化することが可能となるので、熱電半導体２の実質的な充填密度を向上でき、出力密度（単位面積当たりの出力）を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明の熱電変換モジュールの実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２】本発明の熱電変換モジュールの他の構成例を示す縦断面図である。
【図３】本発明の熱電変換モジュールの更に他の構成例を示す縦断面図である。
【図４】本発明の熱電変換モジュールの更に他の構成例を示す縦断面図である。
【図５】シート材に代えてグリースを用いた熱電変換モジュールの構成例を示す縦断面図である。
【図６】熱電変換モジュールの容器の内圧を目的値に設定するためのノズル部を設けた構成例を示す縦断面図である。
【図７】図１の熱電変換モジュールの平面図である。
【図８】容器の他の構成例を示す縦断面図である。
【図９】容器の更に他の構成例を示す縦断面図である。
【図１０】ベローズを備えた熱電変換モジュールの構成例を示す縦断面図である。
【図１１】伝熱用クッションを備えた熱電変換モジュールの構成例を示す縦断面図である。
【図１２】異なる放射率を有する熱電変換モジュールの構成例を示す縦断面図である。
【図１３】本発明の熱電変換モジュールの他の実施形態の一例を示す縦断面図である。
【図１４】非気密性の容器を用いる熱電変換モジュールの一実施形態を示す縦断面である。
【図１５】気密性容器を用いた熱電変換モジュールの一実施形態を示す斜視図であり、容器を部分的に断面して内部構造を示す。
【図１６】従来の熱電変換モジュールを示す縦断面図である。
【図１７】従来の熱電変換モジュールの他の構成を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  熱電変換モジュール
２  熱電半導体
３  熱源側電極部
４  放熱側電極部
５  シート材
６  冷却板
７  容器
７ａ  加熱板
７ｂ  連結板
１４  グリース
１５  べローズ
１６  低融点材
１７  シェル
１８  伝熱用クッション
２２  第２のシート
２４  連結板
７０  蓋体
Ｓ１  高温面
Ｓ２  低温面
Ｓ３  受熱面
Ｓ４  側面
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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