(57)【要約】      （修正有）【課題】ゼーベック効果、ペルチェ効果を有する熱電半導体素子と両端の電極とで構成した熱電半導体モジュールにおいて、ジュール熱損失を小さくして高能率低損失化する。【解決手段】熱電半導体素子において、電極を、端部から側面にかけて挟み又は囲むようにして、電極と熱電半導体素子ユニットとの接触面積が広くなるようにする。すなわち、素子の中央部を糸巻状にくびれた構造とし、熱貫流を少なく、必用に応じて熱遮断シートを設ける。【選択図】図１
2006294935.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電半導体素子とその両端の低温サイドおよび高温サイドにそれぞれ接合する電極とで形成してなるユニットを１個又は複数有する熱電半導体モジュールにおいて、電極は熱電半導体素子の端面から側面にかけて熱電半導体素子を挟み又は囲むようにし、熱電半導体素子と電極とが接触する面積を実質的に大きくしたことを特徴とする、高能率低損失熱電半導体モジュール
【請求項２】
熱電半導体素子両端の低温サイドおよび高温サイドの断面積をより大きく、かつ熱電半導体素子の前記低温サイドおよび高温サイドの中間の断面積をより小さく、全体として糸巻き状のくびれ構造を形成したことを特徴とする、請求項１の高能率低損失熱電半導体モジュール
【請求項３】
熱電半導体素子の低温サイドと高温サイドとの中間部分に、熱絶縁性で電気絶縁性板状部材を配置し、モジュール周辺の熱貫流を遮断したことを特徴とする、請求項１又は請求項２の高能率低損失熱電モジュール
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、比較的低温（常温域）から約８００℃近い高温までの範囲において熱電効果を利用する高能率低損失の熱電モジュールに関する。熱電効果とは、熱電半導体のゼーベック効果、ペルチェ効果、またはトムソン効果の総称であり、したがって、本願発明は、熱電半導体モジュール又は熱電半導体モジュールを用いた発電装置もしくは冷却／加熱装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
図１０は、既存の熱電装置である。Ｎ型の熱電半導体素子の両端間に温度差が与えられた場合、多数キャリヤは低温側に拡散し、高温サイドから低温サイドに向かう電界が生じる。キャリヤが移動すると、平衡が保たれ、素子両端に電位差が生じる。ここで熱電半導体素子の両端に負荷を接続すると、電流が負荷に流れ、負荷の両端に電位差ができる。一方、高温側接続点へ入ってきた熱はリード線を伝わって逃げる。Ｐ型熱電半導体素子では、熱起動電力はＮ型熱電半導体素子の多数キャリヤの移動とは逆である。Ｐ型及びＮ型熱電半導体は、対にしてπ構造に構成することによって、電気的には直列に、熱的には並列になるように、接続することができる。
【０００３】
熱電半導体素子のゼーベック効果モデルが基本的にπ構造であることを、図９によって説明する。図のように、基本形として、Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子とそれらに接合された電極とから“π構造”が形成される。π構造の熱電半導体モジュールは、その両端の電極に挟まれた間に温度差（ΔＴ）を与えると、ゼーベック効果により熱発電を行い、また、熱電半導体素子に電流を流すとペルチェ効果により電子が移動して、吸熱（低温）サイドと放熱（高温）サイドができる。π構造によれば、Ｐ型熱電半導体素子とＮ型熱電半導体素子と電極とが、１対又は交互に複数ペア、電気的には直列に接続され、熱的には低温サイドと高温サイドが上下に別れて並列に形成される。低温サイドと高温サイドに熱エネルギー（温度差ΔＴ）を供給すればゼーベック効果によって図９（ａ）のように発電装置となる。又電気的に直列な回路に電源を供給すれば図９（ｂ）のようにペルチェ効果によって冷却（吸熱）装置又は加熱（放熱）装置になる。
【０００４】
Ｐ型及びＮ型熱電半導体を対にして接合した回路では、電気抵抗が低く熱伝導率が高い異種金属（銅の電極）を介してπ構造を形成するとき、電極の温度は、熱電半導体素子接合部と等しく、Ｐ型とＮ型の熱電半導体に発生する多数キャリヤの移動方向は同じになる。このことは、電気的には直列に、熱的には並列になるようにπ構造を形成したとき、ジュール熱および熱伝導に関する熱の移動が最小となって、熱の放散による損失がなくなることを意味する。
【０００５】
熱電装置を構成するπ構造は、スタンダードな製品としては、４ｃｍ角の板の間にＰ／Ｎ熱電半導体素子（サイコロ形、円筒など）のペア１２７個をπ構造ユニットとして整列させたものがある。
【０００６】
熱電素子の性能向上のために種々の研究がなされているが、結果ははかばかしくなく、熱電材料の特徴を表す因子であるＺ値を向上させるしかないとまで言われている。事実、熱電半導体材料に関する提案もなされている。しかし、Ｚ値は電気伝導率に比例しかつ熱伝導率に逆比例する値である。ふつう、電気伝導率の高い材料は熱伝導率も高い性質を持つ。このことが、Ｚ値を所望の値にすることを難しくし、現在に至るも大きな改善が見られない。
【０００７】
また、現状では、ゼーベック熱電発電装置として、低温領域向けのものは少ない。製鉄所や発電所の炉熱に向けて、非常な高熱下の利用を目的として研究されているものが多い。
【０００８】
本出願人は、先に、熱電半導体の特性を生かしつつ熱電効果の効率を向上させるため、薄層熱電素子をスパイラルやジグザグに折り畳み多数立体化し集積化させてトータル発電量を向上させる改良技術を提案した（特許文献１）。前記改良技術は、高密度集積薄層の素子に限定せず、一般化させることができる。一方、個々の熱電素子にも改良すべき点を見出した。第１に、電極または電極と熱電素子との接合構造、そして第２に、熱電半導体自体の構造である。本願発明は、課題として、熱電半導体素子と電極との接合構造に関しては接触面積を広くして電流密度を大きくすること、そして、熱電半導体素子の構造については、ジュール損の少ない構造、具体的に熱貫流のロスを防ぐ構造を提供する。
【特許文献１】特願２００４−１６０８８６出願
【特許文献２】特開平０８−２２８０２７号公報
【特許文献３】２００１−１５６３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明の課題は、比較的低温領域から約８００°Ｃ近い高温域まで使用できる高能率低損失の熱発電モジュールを提供することにある。
【００１０】
熱電素子、例えばπ構造の熱電素子の長さ、幅、形状を、発電効率が最大となるようにするには、モジュールの内部抵抗を低く設定するような方向が考えられる。モジュールの内部抵抗を低く設定すると、見かけ上発電量が向上するようにみえるが、同時に、ジュール熱と熱伝導によるロスを考慮しなければならない。ジュール熱は、電気抵抗のある物質に電流を流すとき発生し、熱伝導は、熱電素子内の温度勾配があると素子を伝わって熱の流れを生じるものである。ゼーベック効果、ペルチェ効果およびトムソン効果は可逆現象であるが、ジュール熱と熱伝導は非可逆現象である。熱電モジュールとしての熱の収支関係は、可逆現象と非可逆現象との複合作用であり、非可逆現象の部分がゼーベック効果、ペルチェ効果の能力を低下させる要因になりやすい。
【００１１】
本願発明の主要な課題は、改良された電極の形態および熱電半導体素子の形態、電極との接触関係を提供することである。
【００１２】
更に本願発明の別の課題は、熱貫流によるロスを防止する構造を備えた熱電半導体素子、とりわけπ構造に構成したモジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明は、前記課題を解決する高能率低損失熱電モジュールに関するものである。半導体は角柱（サイコロ形状）や円柱でもよく、又薄層の素子であってもよい。単一の熱電素子でも所定の効果を上げ得るが、とりわけ複数のπ構造に構成することで効果が期待できる。
【００１４】
本願発明においては、主要な課題として、熱電半導体素子と電極との接触面積を実質的に広くする。具体的には、電極の形態を、熱電半導体素子端面から素子の側面にまで広げ、オーバーラップさせるように、あるいはカバーで囲むように設けることにより、電極面積を実質的に大きくし、電極面積に応じた自由キャリヤがゼーベック効果によって形成され、より大きい熱起電力を生じるようにする。また、電極が接合される熱電半導体の表面を平面でなく、波形や孔あき構造とすることで、熱電半導体素子と電極との実質的な接触面積を広くすることができる。
【００１５】
電極を半導体素子の側面まで囲むようにした場合、熱電半導体素子周辺で、熱高温サイドから低温サイドへ熱が移動し易くなると、発電装置としても、加熱冷却装置としても、効率が下がるおそれがある。そこで、各熱電半導体素子は低温サイドと高温サイドとを断熱する構造が特に求められる。モジュール周辺を真空構造にすることは効果があるが、真空構造はコストを上昇させる。そこで、本願発明においては、熱電半導体の中央部、高温サイドと低温サイドの中間部分に、熱貫流遮断シートを装着する。真空構造を必要とせず、電極間の熱貫流を防止することができ、熱の移動を制限できる効果がある。仕切り板を設けた先行技術は存在する（特許文献２、同３）。これらと本願発明は、構造上一見似ているが、先行技術では仕切り板は半導体素子を機構的に支持するために設けられている。それに対して本願発明では、熱電半導体素子における電極を囲まれた構造としたときの熱の移動を、仕切り板の断熱作用によって一層遮断させた点に特徴がある。もちろん、機構的支持と兼用することもできる。
【００１６】
次に、ポピュラーな４０４０サイズ熱電モジュールを例として、電極を、円柱形の熱電半導体素子の高温サイド又は低温サイドである端面から側面にかけて囲むように形成した場合のジュール損を求める。
【００１７】
電極を熱電素子の側面までかぶせるように延長して接合し、電極面積＝（素子断面積Ｓ１＋サイド電極面積Ｓ２）としたときの発電量について考察する。
ゼーベック係数（温度差１度あたりの起電電圧）α＝２．２５×１０−４Ｖ／Ｋ
電気抵抗率 ρ ＝１．１２×１０−５  Ωｍ
熱電半導体素子ペア数：Ｐ／Ｎ＝１２７
素子断面積Ｓ１ ＝（１．８×１０−３／２）２π＝２．５４×１０−６ｍ２
サイド電極面積Ｓ２ ＝０．５×１０−３×１．８×１０−３π
＝２．８３×１０−６ｍ２
素子長  Ｌ ＝１．８ｍｍ
素子長  Ｌ２＝１．８−（０．５／２）×２＝１．３ｍｍ
有効素子長Ｌ２＝１．３ｍｍのときモジュールの全抵抗は
Ｒｅｍ（Ｓ１＋Ｓ２）＝ρ×１２７×２×１．３／（Ｓ１＋Ｓ２）
＝１．１２×１０−５×１２７×２×（１．３×１０−３）／（５.３７×１０−６）
＝０．６９Ω
であるので、温度差ΔＴｊ＝３０Ｋのとき、Ｌ＝１．３ｍｍとすると、モジュールの発電量は、
Ｐｅｍ＝（α×１２７×２×３０）２／０．６９×（１／４）
＝１．０５８Ｗ ・・・・・（Ａ）
が得られる。
【００１８】
一方、温度差ΔＴｊ＝３０Ｋのとき、Ｌ＝１．８ｍｍであれば、
モジュールの全抵抗は
Ｒｅｍ  ＝２．８４×１０−５×（１．８×１０−３）／（５．３７×１０−６）
＝０．９５２Ω
したがって、モジュールの発電量は
Ｐｅｍ＝２．９２／（０．９５２×４）
＝０．７７Ｗ ・・・・・（Ｂ）
【００１９】
これに対して、電極面積＝素子断面積（電極をかぶせない従来の形態）であると、モジュールの全抵抗は、
Ｒｅｍ  ＝１．１２×１０−５×１２７×２×（１．８×１０−３）／（２．５４×１０−６）
＝２．１０Ω
であり、ΔＴｊ＝３０Ｋのとき、発電量は、
Ｐｅｍ  ＝２９２／（２．１０×４）＝０．３５Ｗ ・・・・・・・・・（Ｃ）
であるから、電極を側面にまでかぶせる構造にすると、（Ａ）（Ｂ）のように発電量を改善できることがわかる。
【００２０】
本願発明の高能率低損失熱電モジュールは、また、熱電半導体素子の任意の位置において、さらにドットホールを有する構造とし、熱電半導体素子ユニットの抵抗調整が出来ることが望ましい。
【００２１】
本願発明の高能率低損失熱電モジュールのさらに別の大きい特徴は、熱電半導体素子と電極との接合面において、熱電半導体素子の表面を非平面に、すなわち、波形、櫛形、あるいはドットホール構造とすることによって、接触面積を実質的に拡大して、電流密度を大きくできることにある。さらに、製造工程において非平面の形状、たとえば、ドットホールやスリットを変更することによって、熱電半導体素子の抵抗値を任意に調整することができるようにしたことである。
【００２２】
本願発明の高能率低損失熱電モジュールにおいて、さらに、熱電半導体素子の高温サイドと低温サイドとの中間部にくびれ構造を形成することを提案する。このとき、両サイドの温度差に応じて発生する熱移動の効果を近似的に考察する。
【００２３】
本願発明において、熱電モジュール中央部にくびれを形成したものを考察する。くびれによって、縦の長さの方向に温度勾配が形成される。温度勾配に対する熱の通過を求める。熱電半導体素子を伝わって、熱の流れが生じる。このときの温度勾配に直角な単位断面積内を、単位時間内に通過する熱量αｋは、次の式（１）であらわされる。
ακ＝κ×ｄＴ／ｄＬ  ・・・・・・（１）
κ：熱伝導率（ｗ／ｍＫ）
温度勾配のある方向の長さをＬとし、１Ｋ（ケルビン）あたり、単位時間に貫流する熱量Ｋωは式（２）で表される。
Ｋω＝κ×Ｓ／Ｌ  ・・・・・・・・（２）
Ｓ：総断面積、κ：熱伝導率（ｗ／ｍＫ）、Ｌ：熱移動距離
このとき、熱抵抗Ｗは、Ｋωの逆数で表される。
Ｗ＝１／Ｋω  ・・・・・・・・（３）
【００２４】
モデルとして、長さＬの円形断面を有する熱電半導体素子の中央部を所定サイズの円錐状のくびれ構造とする。くびれ部分の径Φｎに対する１Ｋ（ケルビン）あたりの単位時間に貫流する熱量、平均くびれ径ｒに対する電気抵抗を求め、４０４０サイズ（１２７ペア）の発電量を求める。くびれ径Φｎのときの体積は、円錐台形Ｖ（底辺Ｄ、上辺δ、高さｈ）の２倍であるので、
２Ｖ＝［（π／１２）×ｈ（Ｄ２＋δ２＋δ×Ｄ）］×２  ・・・・（４）
上式（４）の体積から、Ｌ＝１．８ｍｍのとき、くびれΦｎの平均半径ｒは、
ｒ２πＬ＝２Ｖより
ｒ＝ＳＱＲＴ（２Ｖ／πＬ）（ｍｍ）・・・・・（５）
（ＳＱＲＴ：√）
式（２）より１Ｋあたりの単位時間に流れる熱貫流量は
Ｗфｎ＝κ×π／Ｌ  （Ｗ／Ｋ）  ・・・・・（６）
【００２５】
温度差ΔＴ＝３０℃とすると熱貫流量は
Ｗфｎ×３０＝３０×（κ×ｒ２π／Ｌ）  （ｗ）・・・（７）
平均半径より熱電半導体素子の電気抵抗を求め、１２７ペアの発電量を求める。
１素子の電気抵抗Ｒは
Ｒ＝ρ×Ｌ／Ｓ      ・・・・・・・・・（８）
ρ（電気抵抗率）＝１．１５×１０−５  （Ωｍ）
１２７ペアのモジュールの電気抵抗Ｒｅｍは、
Ｒｅｍ  ＝Ｒ×１２７×２  （Ω）・・・・・・・（９）
１２７ペアのモジュールとしての発電量Ｐｗфｎは、
Ｐｗфｎ＝（１２７×２×ΔＴ）２／Ｒｅｍ×（１／４）・・・・（１０）
で表される。ここに、
α（ゼーベック係数）＝１．２５×１０−４  （Ｖ／Ｋ）
ΔＴ（温度差）＝３０℃とする。
Ｒｅｍ  （１２７ペアのモジュールの電気抵抗）
【００２６】
以上の計算より、温度差ΔＴ＝３０℃、１２７ペアのモジュールに対する値を［表１］に示す。また、式（７）、式（９）、式（１０）より、１２７ペアのモジュールの温度差（ΔＴ）に対する熱貫流量と発電量を、くびれ径Φｎ＝１．３ｍｍ、１．５ｍｍ，１．８ｍｍについて、［表２］に示す。
【００２７】
【表１】
2006294935.tif 000003
【表２】
2006294935.tif 000004
【発明の効果】
【００２８】
１．８ｍｍから１．５ｍｍにくびれを形成した場合、約１５％の熱貫流減少を期待できるが、同時に発電量の低下もある。そこで、熱電半導体の中央部、高温サイドと低温サイドの中間部分に、熱貫流防止シートを設けると、真空構造を用いなくても、熱の移動が相当量制限できる。前記の特許文献２等でも同様な仕切り板が用いられており、一見構造上似ているところがあるが、特許文献２では仕切り板は半導体素子を機構的に支えるものである。本願発明では、かぶせ構造の電極における熱的な不利を、仕切り板の断熱作用によって改善することができる。すなわち、くびれ構造による熱貫流の減少とシートによる熱貫流減少との相乗効果によって、熱貫流のロスを減少させる一層大きい作用が期待できる。
【００２９】
電極をかぶせ構造にして熱電半導体素子との接触面積を実質的に拡大したことは、電流密度を大きくする効果を生む。さらに、電極と半導体素子の接合面を非平面の形状、たとえばドットホールやスリットを設けてサイズを変更することによって、熱電半導体素子の抵抗値を任意に調整することができる。
【００３０】
本願発明の高能率低損失熱電モジュールにおいて、熱電半導体素子をくびれ構造としたことは、高温側と低温側との間で不所望な熱の流れをおきにくくする。これによって、特に熱貫流を小さくする課題を効果的に解決する。
【００３１】
高温サイドと低温サイドの中間に熱貫流防止シートを設けることは、熱の無駄な貫流によるロスを改善する。また、真空構造が不要になり、コストダウンをはかることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の高能率低損失熱電半導体モジュールを実施するための最良の形態は、熱電半導体素子とその両端の低温サイドおよび高温サイドにそれぞれ接合する電極とで形成してなるユニット、好ましくは、Ｐ型およびＮ型熱電半導体素子からなるπ構造ユニットを、１個又は複数有する熱電半導体モジュールにおいて、熱電半導体素子と電極とが接触する面積を実質的に大きくするため、電極は熱電半導体素子の端面から側面にかけて熱電半導体素子を挟み又は囲むようにする。すなわち、熱電半導体素子と電極とが接触する面積を実質的に広くすることにより、電流密度が大きくなるようにした点に特徴がある。熱電半導体素子は、円柱、角柱（サイコロ型）とすることができるが、薄層（薄膜又は厚膜）でもよい。
【００３３】
熱電半導体素子両端の低温サイドおよび高温サイドの断面のサイズをより大きく、かつ熱電半導体素子の前記低温サイドおよび高温サイドの中間の断面のサイズをより小さく、全体として糸巻き状のくびれ構造を形成した前記の高能率低損失熱電半導体モジュールが望ましい。くびれ構造によって、熱電半導体素子の低温サイドと高温サイドとの間の熱貫流を小さくすることができる。
【００３４】
さらに、モジュール周囲の一部又は全部を断熱性、電気絶縁性、防湿性の材料によってシールし、熱貫流ロスをさらに少なくすることができる。熱電半導体素子は低温サイドと高温サイドの中間、特にそのくびれ部分に、熱貫流を遮断する熱絶縁性で電気絶縁性板状部材を配置することによって、真空構造を用いないでモジュール周辺の熱貫流を防止するため、一層高能率低損失とすることができる。
【実施例１】
【００３５】
図１に、本願発明の実施例１として、最もシンプルな構成を示す。（ａ）は角柱形の熱電半導体素子に電極を接合した実施例、（ｂ）は円柱の熱電半導体素子に電極を接合した実施例、（ｃ）は角柱形の熱電半導体素子中央部をくびれ形状とした実施例、そして（ｄ）は円柱形の熱電半導体素子中央部をくびれ形状とした実施例である。１はＰ型熱電半導体素子又はＮ型熱電半導体素子、２は電極である。熱電半導体素子１に電極２を接合する際、電極は単に熱電半導体素子の上下端部のみでそれらを接合させるのでなく、電極によって熱電半導体素子の端面から側面にかけて挟み又は囲むことにより、電流密度が大きくなるようにしたことが特徴である。電極は、熱電半導体素子を接合するための凹部を有する皿状の形態がよい。これによって、熱電半導体素子と電極との接触面積を実質的に広くする。さらに、中央にくびれを入れた構造とすることによって、端面間の熱貫流によるロスを少なくする。
【００３６】
熱電半導体素子１の材料は、ＢｉＴｅＰｂ（低温〜２００℃）や鉄シリサイド（３００〜７００℃）等である。電極２は、例えば銅など導電率の高い材料を接合又は蒸着する。ニッケルメッキを併用するほうが望ましい。
【実施例２】
【００３７】
図２に、実施例２として、熱電半導体素子に電極を囲むように接合する工程略図（イ）〜（ニ）及び横断面（ホ）を示す。実施例は、熱電半導体素子に電極を囲むように接合するものである。電極２の厚みおよびハンダによる接合部はいくらか誇張して描いてある。以上は、モジュールの熱電半導体素子が単一の場合であるが、図２ｂに、π型構造モジュールに適した電極の例を示す。左は角柱用、右は円柱用である。いずれも、接合するπ構造の熱電モジュールにあわせ、１対の（２つの）凹部を有する、皿形状に作る。
【実施例３】
【００３８】
図３は、π構造モジュールを構成する組立工程の略図を示す実施例３である。図示しないホットプレートを兼ねる治具の上に、電極２を複数個ならべ、図の波線で記載した部分にハンダペースト３を入れ、（イ）→（ロ）→（ハ）→（ニ）の順に電極２と熱電半導体素子１とを接合させる。電極は、図２ｂと同様のものを用いている。図ではハンダ３を凹部を満たすように波線で記載しているが、ハンダが極端にあふれない程度に適当量とする。ハンダの電極は、熱電半導体素子の端部から側面の一部を囲むように覆い、熱電半導体素子と電極との接触面積を広くする。
【００３９】
多数のπ構造は、上下を放熱板および受熱板４に挟んで整列させる。放熱板および受熱板は熱良導性電気絶縁性材料とする。例えば、シート状セラミック基板とすることができる。
【００４０】
モジュールは、パターンにより、数百〜数千の対からなる熱電素子とすることもできる。発電装置として利用するときは、両端から電極に導線を引き出し、図示しないバッテリーに接続して蓄電するか、利用機器へ電気的に接続する。
【実施例４】
【００４１】
図４は、Ｎ型熱電半導体素子とＰ型熱電半導体素子とをπ構造のモジュールとした実施例４であり、（ａ）は、柱形の熱電半導体をπ構造とした実施例、（ｂ）は、熱電半導体中央部にくびれ７３を付したπ構造の実施例である。電極は、例えば前記の図２ｂのものを用いる。熱電半導体素子にくびれを設ける理由は、図１について述べたように、熱貫流によるロスを低減させるためであるが、図４（ｃ）、（ｄ）の例は、その熱貫流によるロスをさらに低減させるため、モジュールに熱貫流防止シート５をつけたものの縦断面図である。（ｃ）では、一枚タイプの熱貫流遮断シートをモジュール中央部に設けた。また、（ｄ）では、中間にくびれを設けた熱電半導体において、列ごとに分割したタイプの熱貫流遮断シートを装着した。シートの材料としては、有機系のユリアやフェノール系のペーパーが最適である。電気絶縁性、断熱性、防湿性のものであれば、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、ふっ素樹脂、シート状セラミックなども用いることができる。
【実施例５】
【００４２】
図５に、熱貫流遮断シート５の実施例を示す。（ａ）（ｂ）は、角柱又は円柱型の熱電半導体素子における熱貫流遮断のための一枚タイプ熱貫流遮断シートである。また、（ｃ）（ｄ）は、角柱および円柱型の熱電半導体素子における熱貫流遮断のための分割タイプ熱貫流遮断シートである。
【００４３】
多数の熱電半導体素子を含むユニットに貫流防止シート５を設ける場合、図５（ａ）（ｂ）のようにパターンプレスしたペーパー（ペーパー状部材）を、電極を接合する前に、若干折曲げるようにして素子間にわたし、定位置で広げる。ユニットの全周にわたって、ペーパーの耳の部分を挟み込むバインダを設けて、ユニット外周に枠６を形成し、纒めるとよい。
【実施例６】
【００４４】
図６は、熱貫流遮断シート５を角柱形の熱電半導体素子に装着した、実施例６の上面図（電極直下の横断面図）であり、放・吸熱板４は図示していない。（ａ）は、一枚タイプの熱貫流遮断シートをモジュールに付した実施例、（ｂ）は、分割タイプの熱貫流遮断シートをモジュールに付した実施例である。
【００４５】
熱貫流遮断シート５は、柔軟で伸縮性のある材料であれば、一枚のシートで形成することが可能である。しかし、熱貫流遮断シートは、柔軟な材料だけでなく、硬質のものを用いることもある。その場合は、各列ごとに個別に分割したシートを適用すると、一層断熱作用を有利に発揮できる。放熱（吸熱）板４を取り付ける前、又は取り付けた後で熱貫流遮断シート５を装着することができる。熱貫流遮断シート５は、外枠６を設けて固定することができる。
【実施例７】
【００４６】
図７（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示す実施例７では、さらに、熱電半導体素子に電極を接合する際、熱電半導体素子の電極と接する部分の面を凹凸面など非平面にして、熱電半導体素子と電極との接触面積を実質的に広くすることにより、電流密度が大きくなるようにした。すなわち、熱電半導体素子の接合部の形状を、図７（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）のように凹凸のほか、櫛形、波形、あるいは（ｄ）のように孔あき（ドットホール）などの構造とし、電極はそれら非平面に合わせて接合する。図７の（ｂ）〜（ｅ）の実施例は、それらの複数を任意に組み合わせることができる。又、図５（図６）の熱貫流遮断シート５とも組合せてもよい。
【実施例８】
【００４７】
図８に、実施例８として、熱電素子１中央部にくびれ構造７３やスリット７１等を設けたものを示す。くびれ構造は、図８（ａ）（ｂ）など種々の形状が可能である。また、熱電モジュールから効率的に電力を取り出すために、熱電ユニットにおける熱電半導体素子の抵抗値を最適の値にするため、図８（ｃ）のように、熱電半導体素子の任意の場所にスリット７１又はドットホール７２を設け抵抗値を所望の値に調整することができる。
【００４８】
熱電モジュールにおいて、電極によって側面まで囲む構造を適用するとともに、各熱電半導体素子の低温サイドと高温サイドとを断熱するために、高温低温の両サイドの中間を糸巻きのようなくびれ構造７３を形成する。中央部に空間が介在するので、熱貫流を小さくすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本願発明の高能率低損失熱電モジュールは、効率の良いペルチェ効果冷却装置として応用可能である。熱電半導体素子のＺ値は現状の能力のままでも、単位面積あたりのゼーベック効果による発電能力又はペルチェ効果による冷却能力が向上する。
【００５０】
本願発明の高能率低損失熱電モジュールは、前記特許文献１（特に同文献の図１０〜図１２）のように応用し、廃熱利用の発電システムへ付加するなど、ゼーベック効果を利用した環境にやさしい熱電発電に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】（実施例１）本願発明のシンプルな実施例    （ａ）は角柱形の熱電半導体素子に側面までかぶせるように電極を接合した例    （ｂ）は円柱の熱電半導体素子に側面までかぶせるように電極を接合した例    （ｃ）は角柱形の熱電半導体素子中央部をくびれ形状とした実施例    （ｄ）は円柱形の熱電半導体素子中央部をくびれ形状とした実施例
【図２】（実施例２）熱電半導体素子に電極をかぶせるように接合する工程略図（イ）〜（ニ）及び横断面図（ホ）
【図２ｂ】π型構造モジュールに本願発明を適用するための電極（角柱用および円柱用）
【図３】（実施例３）π型構造モジュールに構成する組立工程略図（イ）〜（ニ）
【図４】（実施例４）Ｎ型熱電半導体素子とＰ型熱電半導体素子とをπ構造のモジュールとした実施例    （ａ）柱形の熱電半導体をπ構造に形成した実施例    （ｂ）熱電半導体中央部にくびれを形成したπ構造の実施例    （ｃ）一枚タイプの熱貫流遮断シートを上記（ａ）のモジュールに装着した実施例    （ｄ）分割タイプの熱貫流遮断シートを上記（ｂ）のモジュールに装着した実施例
【図５】（実施例５）熱貫流遮断シートの実施例    （ａ）角柱熱電半導体素子のための一枚タイプ熱貫流遮断シート    （ｂ）円柱熱電半導体素子のための一枚タイプ熱貫流遮断シート    （ｃ）角柱熱電半導体素子のための分割タイプ熱貫流遮断シート    （ｄ）円柱熱電半導体素子のための分割タイプ熱貫流遮断シート
【図６】（実施例６）熱貫流遮断シートを角柱形熱電半導体素子に装着した上面図    （ａ）一枚タイプの熱貫流遮断シートをモジュールに装着した実施例    （ｂ）分割タイプの熱貫流遮断シートをモジュールに装着した実施例
【図７】（実施例７）熱電半導体素子と電極との接合面を実質的に拡大した種々の例    （ａ）電極で熱電半導体素子の接合面を囲むようにした基本的な実施例の縦断面図    （ｂ）熱電半導体素子と電極との接合面を細かい波形にした実施例    （ｃ）同接合面を粗い波形にした実施例    （ｄ）同接合面付近にドットホールを設けた実施例    （ｅ）同接合面を櫛形にした実施例
【図８】（実施例８）熱電半導体素子の側面を種々の構造とした例の縦断面図    （ａ）熱電半導体素子の側面中央部をくびれ構造７３とした例    （ｂ）くびれ構造を設けた（ａ）と別の例    （ｃ）スリット又はドットホールを設けた実施例
【図９】既存の基本的なπ構造の説明図    （ａ）はπ構造のゼーベック効果による発電の原理図    （ｂ）はπ構造のペルチェ効果による加熱（放熱）／冷却（吸熱）装置の原理図
【図１０】既存の熱電装置（Ｎ型熱電半導体素子）における電子移動の説明図
【符号の説明】
【００５２】
１    Ｐ型熱電半導体素子又はＮ型熱電半導体素子
２    電極
３    ハンダ（ハンダペースト）
４    伝熱板（放熱板又は吸熱板）
５    熱貫流遮断シート
６    外枠
７１    スリット
７２    孔あき（ドットホール）構造
７３    くびれ構造
【図１】
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【図２】
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【図２ｂ】
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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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