(57)【要約】【課題】十分な起電圧を確保しつつ信頼性を向上できる熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】基部５と、複数の第１電極３と、一方の端部が第１電極３と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子２と、熱電変換素子２の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極４とを備える熱電変換モジュール１であって、熱電変換素子２を並列に接続した複数の並列群１７を備え、並列群１７を直列に接続する。または、熱電変換素子２を直列に接続した複数の直列群を備え、直列群を並列に接続する。【選択図】図３
2015070217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の第１電極と、
一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、
該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極とを備える熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換素子を直列に接続した複数の直列群を備え、
該直列群を並列に接続することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
複数の第１電極と、
一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、
該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極とを備える熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換素子を並列に接続した複数の並列群を備え、
該並列群を直列に接続することを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の熱電変換モジュールであって、
電気の入出力を行う一対の端子部を備え、
該端子部の一方は、複数の前記熱電変換モジュールを並べたときに隣り合う熱電変換モジュールの他方の端子部と隣接するように位置し、
一方の前記端子部と、隣接する前記熱電変換モジュールの他方の前記端子部とを結束部材で連結できることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記第１電極又は前記第２電極には、前記熱電変換素子を位置決めする案内部が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項５】
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記第１電極又は前記第２電極は、表面にろう材層を備える部材で成形されることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記第１電極又は前記第２電極が配置される基部を備え、該基部は、複数に分割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７】
請求項６記載の熱電変換モジュールであって、
前記基部は、前記並列群又は前記直列群ごとに分割されることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項８】
請求項１から請求項７の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記複数の熱電変換素子は、ｎ形とｐ形との何れか一方で構成され、
前記第１電極と、隣接する前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第２電極とを電気的に接続する接続部が設けられ、
該接続部には、前記熱電変換素子の熱膨張や熱収縮による変形への追従性を高めるように構成された追従部が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項９】
請求項１から請求項７の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記複数の熱電変換素子は、ｎ形及びｐ形で構成され、
互いに隣接する前記ｎ形の熱電変換素子と前記ｐ形の熱電変換素子とは、前記第１電極同士又は前記第２電極同士で接続され、
該接続される第１電極同士又は前記第２電極同士は、前記第１電極又は前記第２電極の側縁から他方の電極側に向かって屈曲した後、折り返すようにして隣接する前記第１電極又は前記第２電極の側縁へと接続して、前記熱電変換素子の熱膨張による変形を吸収する吸収部を介して接続されることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項１０】
請求項１から請求項９の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
電気の入出力を行う一対の端子部を備え、
前記端子部の少なくとも一方は、前記並列群又は前記直列群に電気的に接続される前記第１電極又は前記第２電極に、前記並列群又は前記直列群の一つの側縁に沿って折れ曲がり、前記少なくとも一方の端子部の温度上昇を抑制する折曲片を介して設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０の何れか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記第１電極は、前記熱電変換素子ごとに対応させて複数設けられ、
前記第２電極は、基部に固定されることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項１２】
請求項１１記載の熱電変換モジュールであって、
前記第２電極は、前記並列群に対応させて一体に形成されることを特徴とする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、ゼーベック効果を用いて発電を行ったり、又は、ペルチェ効果を用いて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、両端部に電極を夫々有する複数の熱電変換素子を、基部上に配置した熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の熱電変換モジュールは、ｎ形の熱電変換素子とｐ形の熱電変換素子との２種類の熱電変換素子を交互に配置して電気的に直列に接続した所謂π型の熱電変換モジュールで構成される。
【０００４】
特許文献１の熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールの高温側を、断熱材で覆われた抵抗加熱炉内の加熱室に対して非接触とされ、熱電変換モジュールの高温側では、加熱室からの放射伝熱を受ける構造としている。従って、特許文献１の熱電変換モジュールでは、高温側の絶縁体としての基部が省略されている。なお、熱電変換モジュールの高温側を抵抗加熱炉内の加熱室に接触させる場合には、絶縁体で構成される基部を設けることとなる。
【０００５】
また、ｎ形又はｐ形の何れか一方の熱電変換素子の１種類だけで構成される所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
特許文献２の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の一方の電極と、隣接する熱電変換素子の他方の電極とを一体的に且つ電気的に直列に接続する接続部を有しており、２つの電極と接続部とによりＵ字状のコネクタを構成している。このＵ字状のコネクタは金属板を折り曲げて形成されている。熱電変換モジュールを製造するときには、このＵ字状のコネクタを基部に予め複数固定させておく。そして、熱電変換素子は、このＵ字状のコネクタに横から押し込まれるようにして２つの電極の間に挿入され、コネクタと接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４８３４９８６号公報
【特許文献２】特開２００９−１７６９１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ゼーベック効果を利用して熱電変換素子で発電させる場合、熱電変換素子の起電圧は極めて低い。このため、実用化に際しては、熱電変換素子を直列に接続して十分な起電圧が得られるように構成する必要がある。しかしながら、熱電変換素子を直列に接続する場合、何れかの熱電変換素子が破損して電気を流すことができなくなった場合、モジュール全体として使用不能となり、信頼性に劣るという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上の点に鑑み、十分な起電圧を確保しつつ信頼性を向上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】
［１］上記目的を達成するため、本発明は、複数の第１電極と、一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極とを備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子を直列に接続した複数の直列群を備え、該直列群を並列に接続することを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、熱電変換素子を直列に接続した複数の直列群を並列に接続しているため、直列群の１つの熱電変換素子が破損したとしても他の直列群の熱電変換素子で電気を流すことができ、信頼性を向上させることができる。また、各直列群では熱電変換素子が直列に接続されているため、熱電変換モジュールの起電圧を高めることができる。
【００１２】
［２］また、本発明は、複数の第１電極と、一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極とを備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子を並列に接続した複数の並列群を備え、該並列群を直列に接続することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、熱電変換素子を並列に接続した複数の並列群を直列に接続しているため、並列群の１つの熱電変換素子が破損したとしても他の熱電変換素子で電気を流すことができ、信頼性を向上させることができる。また、並列群同士は直列に接続される。このため、熱電変換モジュールの起電圧を高めることができる。
【００１４】
［３］また、本発明においては、電気の入出力を行う一対の端子部を備え、該端子部の一方は、複数の前記熱電変換モジュールを並べたときに隣り合う熱電変換モジュールの他方の端子部と隣接するように位置し、一方の前記端子部と、隣接する前記熱電変換モジュールの他方の前記端子部とを結束部材で連結できる。
【００１５】
本発明によれば、複数の熱電変換モジュールを連結して１つの熱電変換モジュールのように用いることができ、素子密度を高密度に維持しつつ熱電変換モジュールの設置面積を変更し易くすることができる。
【００１６】
［４］また、本発明においては、第１電極又は第２電極に、熱電変換素子を位置決めする案内部を設けることができる。本発明によれば、熱電変換素子を第１電極又は第２電極に接続させるときに、案内部によって位置決めされるため、熱電変換素子を第１電極又は第２電極に誤って（位置がずれて）接続されることを防止し、迅速に熱電変換モジュールを組み立てることができる。
【００１７】
［５］また、本発明においては、第１電極又は前記第２電極は、表面にろう材層を備える部材で成形されることが好ましい。本発明によれば、第１電極又は第２電極と熱電変換素子とを接合させる部分に対応させて、ろう材を設ける工程を省略でき、熱電変換モジュールの製造を容易とすることができる。
【００１８】
［６］また、本発明においては、熱電変換モジュールは第１電極又は第２電極が配置される基部を備え、基部は、複数に分割されることが好ましい。本発明によれば、基部が分割されることで、基部の大きさを容易に変更可能となり、従来のように、熱電変換モジュールの大きさを変更する度に基部を作り直す必要がなくなって、便利である。
【００１９】
［７］また、本発明においては、基部は、並列群又は直列群ごとに分割されることが好ましい。本発明によれば、並列群又は直列群の数を増やすとともに、基部の数も増やせるため、熱電変換モジュールの大きさの変更が更に容易になる。
【００２０】
［８］また、本発明においては、複数の熱電変換素子は、ｎ形とｐ形との何れか一方で構成され、第１電極と、隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第２電極とを電気的に接続する接続部が設けられ、接続部には、熱電変換素子の熱膨張や熱収縮による変形への追従性を高めるように構成された追従部が設けられることが好ましい。本発明によれば、熱電変換素子が熱膨張又は熱収縮して変形しても、追従部でその変形に対応させることができる。
【００２１】
［９］また、本発明においては、複数の熱電変換素子をｎ形及びｐ形で構成する場合には、互いに隣接するｎ形の熱電変換素子とｐ形の熱電変換素子とは、第１電極同士又は第２電極同士で接続され、接続される第１電極同士又は第２電極同士は、第１電極又は第２電極の側縁から他方の電極側に向かって屈曲した後、折り返すようにして隣接する前記第１電極又は前記第２電極の側縁へと接続して、前記熱電変換素子の熱膨張による変形を吸収する吸収部を介して接続されることが好ましい。本発明によれば、ｎ形の熱電変換素子とｐ形の熱電変換素子との熱膨張率の差を、吸収部で吸収することができる。
【００２２】
［１０］また、本発明においては、電気の入出力を行う一対の端子部を備え、端子部の少なくとも一方は、並列群又は直列群に電気的に接続される第１電極又は第２電極に、並列群又は直列群の一つの側縁に沿って折れ曲がり、前記少なくとも一方の端子部の温度上昇を抑制する折曲片を介して設けられることが好ましい。
【００２３】
本発明によれば、折曲片により、端子部の輻射熱により熱電変換素子の両端の温度差が適切に保てなくなる状態を抑制させることができる。
【００２４】
［１１］また、本発明においては、第１電極は、熱電変換素子ごとに対応させて複数設けられ、第２電極は、基部に固定することができる。
【００２５】
本発明によれば、第１電極は、熱電変換素子ごとに対応させて設けられるため、隣接する第１電極の間の間隔が拡縮可能となり、熱電変換素子の熱膨張や熱収縮による変形を第１電極側で吸収させることができる。
【００２６】
［１２］また、本発明においては、第２電極を基部に固定する場合には、第２電極は、並列群に対応させて一体に形成される。
【００２７】
本発明によれば、第２電極を並列群に対応させて一体に形成することにより、複数の熱電変換素子に接続される第２電極を一度に配置することができ、熱電変換モジュールの組み立てを簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
【図２】図１の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
【図３】第１実施形態の熱電変換モジュールの分解図。
【図４】第１実施形態の熱電変換モジュールを複数連結させた状態で示す斜視図。
【図５】図４の熱電変換モジュールを分離して示す斜視図。
【図６】第１実施形態の熱電変換モジュールの変形例を示す説明図。
【図７】本発明の第２実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
【図８】図７の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
【図９】第２実施形態の熱電変換モジュールの分解図。
【図１０】第２実施形態の第１電極と第２電極と両者を接続する接続部とを示す斜視図。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線の断面図。
【図１２】本発明の第３実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
【図１３】図１２の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
【図１４】第３実施形態の熱電変換モジュールの分解図。
【図１５】本発明の第４実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
【図１６】図１５の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
【図１７】第４実施形態の熱電変換モジュールの分解図。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［第１実施形態］
図１から図５を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第１実施形態を説明する。図１から図３に示す第１実施形態の熱電変換モジュール１は、複数のｎ形の熱電変換素子２が電気的に接続された所謂ユニレグ型のものである。
【００３０】
熱電変換素子２は、Ｍｇ２Ｓｉ製であり、四角柱状に形成される。従来、熱電変換素子の材料としては、人体への有害性（有害化が危惧されるものを含む）を有するものが多く、また、高価である。これに対し、Ｍｇ２Ｓｉは、人体に無害であり環境負荷が小さく、また、資源が豊富であり安価である。また、Ｍｇ２Ｓｉは、比重が軽いため、非常に軽い熱電変換素子２を作製することができる。このため、近年、熱電変換素子の材料として、Ｍｇ２Ｓｉが注目されている。
【００３１】
熱電変換素子２の上端には、第１電極３が接合される。これにより、熱電変換素子２と第１電極３とが電気的に接続される。熱電変換素子２の下端には、第２電極４が接合される。これにより、熱電変換素子２と第２電極４とが電気的に接続される。
【００３２】
第１電極３及び第２電極４は、熱電変換素子２が接続される側の表面にろう材層を備えるニッケル板（Ｎｉ板）で成形されている。この第１電極３及び第２電極４は、ろう材層を一体に形成されたものでもよく、又は、ニッケル板の表面にろう材をスクリーン印刷した後、第１電極３及び第２電極４の形状に打ち抜いて形成してもよい。
【００３３】
このように構成される第１電極３及び第２電極４を用いることにより、第１電極３又は第２電極４ごとに、ろう材のプリント等を行う必要がなくなり、ろう材の印刷回数を減らして製造工程の簡略化を図ることができる。
【００３４】
尚、電極３，４は、ニッケル（Ｎｉ）に限らず、他の材料のもの、例えば、ニッケル（Ｎｉ）でめっきした銅（Ｃｕ）を用いてもよい。また、接合方法としては、半田付、ろう付等のろう接、或いは銀ペースト等の導電性接着剤による接着、拡散接合を用いることもでき、熱電変換モジュールの用途等に応じて適宜選択して接合する。
【００３５】
ろう接により接合する場合には、ろう（半田）を熱電変換素子２の両端部に予めペーストしておいてもよいが本実施形態では、予め表面（両面又は片面）にろう材層を備える板状の部材を電極３，４として用いている。熱電変換素子２の表面は細かい凹凸を有する面となっているが、ろう（半田）や銀ペースト等で表面の凹凸を覆うことにより平滑な面とすることができ、これにより、熱電変換素子２と電極３，４との接合状態が良好となり、優れた導電性を確保できる。また、熱電変換素子２を作製する際に、熱電変換素子２の両端（上下端）にニッケル等の接合層を形成させて、熱電変換素子２と電極３，４との接合を容易としてもよい。
【００３６】
第２電極４は板状の基部５上に固定されている。基部５は、酸化アルミニウムで成形された絶縁性を有する板状体で構成される。尚、基部５は、酸化アルミニウムに限らず、他の材料で成形してもよい。本実施形態の熱電変換モジュール１では、下方を高温側、上方を低温側として用いるものとして説明する。
【００３７】
また、図面では、熱電変換モジュール１の内部を見易くすべく、上方に位置する基部を省略している。なお、上方に位置する基部は、熱電変換モジュール１を金属のような導電性の外装を有するものに対して接触させて用いるときは短絡防止等の理由から必要であるが、熱電変換モジュール１を接触させるものが絶縁されている場合、または接触させることなく放熱（冷却）できるように構成する場合には、上方に位置する基部は無くてもよい。また、基部の材質は、接触させるものに応じて適宜変更してもよい。例えば、上方の基部を可撓性を備える絶縁性の熱伝導シートで構成してもよい。また、上方の基部のみを残し、下方の基部５を無くして、熱電変換モジュール１を構成することもできる。また、上下両方の基部がなくてもよい。
【００３８】
図１に示すようにＸ方向とＹ方向を定義する。本実施形態の熱電変換モジュール１は、Ｘ方向に４つ熱電変換素子２が並び、Ｙ方向に４つ熱電変換素子２が並ぶ、合計１６個の熱電変換素子２で１つの熱電変換モジュール１が構成される。
【００３９】
図３に分解して示すように、本実施形態の熱電変換モジュール１の最も手前（図２では最も奥）に位置するＸ方向に並ぶ４つの熱電変換素子２に電気的に接続される４つの第２電極４は、一体に形成された一体型第２電極６として構成されている。
【００４０】
一体型第２電極６のＹ方向側縁には、上方に向かって折り曲げられる折曲片７が形成されている。そして、折曲片７の最も手前側の先端縁からＬ字状の第１端子部８が設けられている。第１端子部８は、Ｌ字状の先端部分が熱電変換素子２の上方側（低温側）に位置するように形成されている。これにより、第１端子部８が熱源（高温側）から離れて第１端子部８の温度上昇を抑制でき、温度上昇に伴う第１端子部８での電気抵抗の増加を防止することができる。また、第１端子部８のＬ字状の先端部分は、基部５よりも外方へと延びている。
【００４１】
折曲片７を設けることにより、第１端子部８を流れる電流に対して必要な断面積を小さくすることができる。従って、折曲片７を設けることにより、第１端子部８の面積を小さくすることができ、高温側から熱が伝導され、また電流の流れによって発熱する第１端子部８の輻射熱の影響で、熱電変換素子２の両端部の温度差が小さくなることを抑制することができる。
【００４２】
一体型第２電極６の熱電変換素子２と電気的に接続される部分には、熱電変換素子２に対応させて凹ませた凹部６ａが設けられている。この凹部６ａによって、熱電変換素子２が一体型第２電極６に固定されるときに位置決めされる。これにより、一体型第２電極６に熱電変換素子２を誤って（位置がずれて）接合されることを防止し、迅速に熱電変換モジュール１を組み立てることができる。
【００４３】
また、熱電変換素子２の位置決めのための治具を別途に用意する必要がなく、また、治具設置用のスペースも必要ないため、基部５の単位面積当たりの熱電変換素子２の密度を向上できる。凹部６ａは、本実施形態の一体型第２電極６における本発明の案内部として機能する。
【００４４】
また、図３に分解して示すように、本実施形態の熱電変換モジュール１の最も奥（図２では最も手前）に位置するＸ方向に並ぶ４つの熱電変換素子２に電気的に接続される４つの第１電極３は、一体に形成された一体型第１電極９として構成されている。
【００４５】
一体型第１電極９は、Ｙ方向側縁には、下方に向かって屈曲した屈曲片１０が形成されている。一体型第１電極９の各第１電極３は、屈曲片１０を介して一体に接続されている。また、屈曲片１０には、各第１電極３の間に位置させて上縁から下方に向かって切り欠かれたスリット１１が設けられている。
【００４６】
屈曲片１０のＸ方向手前側（図２では奥側）の側縁には、第１端子部８に対応させて第２端子部１２が設けられている。
【００４７】
一体型第１電極９以外の第１電極３は、Ｙ方向に隣接する熱電変換素子２に電気的に接続される第２電極４と接続部１３を介して略Ｚ字状に一体に形成される。接続部１３には、その中央部分を切り欠かれた切欠部１４が設けられている。この切欠部１４により、接続部１３の断面積が接続部１３を流れる電流に対して必要最小限とされ、接続部１３における高温側から低温側への熱伝導を最小限に抑え、熱電変換素子２の両端の温度差が小さくなることを防止することができる。
【００４８】
接続部１３で接続される第１電極３及び第２電極４には、Ｘ方向側縁から熱電変換素子２側に向かって折り返される折返部１５が設けられている。この折返部１５は、熱電変換素子２のＸ方向側面に対応して設けられており、熱電変換素子２と第１電極３又は第２電極４との位置決めとして用いられる。本実施形態においては、凹部６ａに加えて、折返部１５も本発明の案内部として機能する。なお、折返部１５は、第１電極３又は第２電極４の一方にのみ設けてもよく、例えば、第１電極３には設けなくてもよい。
【００４９】
本実施形態においては、第１電極３、第２電極４及び接続部１３で構成される略Ｚ字状の部材を略Ｚ字状部材１６と定義する。
【００５０】
本実施形態においては、一体型第２電極６に電気的に接続される４つの熱電変換素子２、及び一体型第１電極９に電気的に接続される４つの熱電変換素子２が、並列群１７を構成する。２つの並列群１７は、Ｙ方向に並ぶ３つの略Ｚ字状部材１６及び２つの熱電変換素子２を介して４箇所で直列に接続される。
【００５１】
また、本実施形態の基部５は、並列群１７に対応させて、Ｙ方向に４つに分割された分割基板１８で構成される。このように基部５が分割されることにより、本実施形態の熱電変換モジュール１は、設置個所が凸曲面のような湾曲した場所であっても設置し易くなる。
【００５２】
また、分割基板１８の数を変更することにより基部５の大きさを容易に変更することができる。これにより、熱電変換モジュール１の大きさを変更することが容易となり、設計自由度が高まる。また、基部５を複数の分割基板１８で構成することにより、熱電変換素子２の熱膨張や熱収縮による変形も吸収し易くなる。また、本実施形態の分割基板１８は並列群１７に対応させて設けているため、並列群１７の数の増減に対応させて分割基板１８の数も増減させることができ、熱電変換モジュール１の設計自由度が更に高まる。
【００５３】
図４及び図５は、第１実施形態の熱電変換モジュール１を３つＹ方向に並べて、隣接する第１端子部８と第２端子部１２とを、略筒状に形成された弾性力を備える結束部材１９で結束したものである。
【００５４】
このように、本実施形態の熱電変換モジュール１は、複数並べて重なり合う第１端子部８と第２端子部１２とを結束部材１９で結束することにより、あたかも１つの熱電変換モジュールとして構成することが可能となり、熱電変換モジュール１の設置個所の広さに応じて、素子密度を高密度に維持しつつ設置面積の変更が容易となる。換言すれば、本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、設置自由度が向上される。また、熱電変換モジュール１の間の無駄なスペースを最小限に留めることができ、熱電変換モジュール１の連結体の小型化を図ることもできる。
【００５５】
次に、本実施形態の熱電変換モジュール１の作動について説明する。熱電変換モジュール１の下側の基部５を例えば３００℃から６００℃の熱源に取付け、上側の基部（図示省略）を冷却させると、熱電変換素子２の両端で温度差が生じ、ゼーベック効果により電流が流れて発電する。このとき、発電し続ける為には、熱電変換素子２の両端で所定の温度差が維持され続ける必要があるが、第１実施形態では、熱電変換素子２の材料として熱伝導率の小さいＭｇ２Ｓｉを用いているため、温度差を良好に維持することができる。
【００５６】
本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、２つの並列群１７をＹ方向に並ぶ３つの略Ｚ字状部材１６及び２つの熱電変換素子２を介して４箇所で直列に接続される。これにより、並列群１７の何れかの熱電変換素子２が破損したとしても、他の熱電変換素子２で、熱を電気に、又は電気を熱に変換することができ、信頼性を向上させることができる。
【００５７】
また、本実施形態の熱電変換モジュール１は、熱電変換素子２が直列に接続される部分を備えるため、起電圧を高めることができる。また、本実施形態においては、略Ｚ字状部材１６、熱電変換素子２及び分割基板１８を追加したり削除したりすることで、熱電変換モジュール１をＹ方向に任意の大きさに変更することができる。従って、本実施形態の熱電変換モジュール１は、信頼性を向上させつつ、大きさの変更を容易とすることができる。
【００５８】
また、本実施形態においては、第２電極４は基部５に固定されるが、一体型第１電極９にはスリット１１が設けられ、他の第１電極３は夫々接続される熱電変換素子２に対応させて互いに間隔を保持している。従って、熱電変換素子２や基部５の熱膨張や熱収縮による変形を第１電極３側で吸収することができる。
【００５９】
なお、本実施形態においては、略Ｚ字状部材１６の第２電極４がＸ方向において熱電変換素子２毎に分離しているものを説明した。しかしながら、図６に示す第１実施形態の変形例のように、略Ｚ字状部材１６の第２電極４は、Ｘ方向に隣接するもの同士を一体型第２電極６の如く一体に形成してもよい。この場合、第１実施形態の２つの並列群１７の間に位置する熱電変換素子もＸ方向に４つ並んだ並列群となる。図６に示す第１実施形態の変形例では、第２電極４に、後述する第２実施形態にて詳しく説明する熱電変換素子２の位置決めのための凹部４ａと同一の凹部４ａが設けられている（図１０及び図１１参照）。
【００６０】
また、本実施形態においては、一体型第２電極６に電気的に接続される４つの熱電変換素子２、及び一体型第１電極９に電気的に接続される４つの熱電変換素子２を並列群１７として説明した。しかしながら、第１実施形態の熱電変換モジュールは、見方を変えれば、２つの並列群１７を、四箇所で直列に接続するＹ方向に並ぶ３つの略Ｚ字状部材１６及び２つの熱電変換素子２が夫々直列群を構成していると定義することもできる。
【００６１】
この場合、４つの直列群は、一体型第２電極６及び一体型第１電極９で並列に接続されていることとなる。また、この場合、基部５は、直列群に対応させて、Ｘ方向に４つに分割して４つの分割基板で構成してもよい。この場合、熱電変換モジュールの大きさを変更するには一体型第２電極及び一体型第１電極の大きさを変更する必要があるが、直列群の数をＸ方向に増減させるだけで熱電変換モジュールの大きさを変更できるため、信頼性を向上させつつ、設計変更が比較的容易となる。
【００６２】
また、第１実施形態の接続部１３に後述する第２実施形態の切欠溝２１３ａを設けてもよい。接続部１３に切欠溝を設ければ、接続部１３は上下方向に伸縮し易くなり、熱電変換素子２の熱膨張や熱収縮による変形への追従性を高めることができる。また、各熱電変換素子２の高さにバラツキが生じたとしても切欠溝を変形させることで第１電極３を熱電変換素子２に押し付けて熱電変換素子２と第１電極３及び第２電極４とを確実に接合させることができる。このように、当該切欠溝は本発明の追従部に該当する。なお、本発明の追従部は、切欠溝に限らず、熱電変換素子の熱膨張や熱収縮に追従するように上下方向に伸縮できるものであれば他の構成であってもよい。例えば、追従部は、波形状（蛇腹形状）、くの字形状、湾曲形状であってもよい。
【００６３】
また、本実施形態の熱電変換素子２は、図２に四角柱状のものを示したが、これに限らず、他の形状、例えば、円柱状としてもよい。
【００６４】
また、第１実施形態においては、熱電変換素子２をＭｇ２Ｓｉで作製しているが、これに限られない。例えば、Ｓｂ−Ｔｅ系およびＢｉ−Ｓｅ系を含めたＢｉ−Ｔｅ系、Ｓｎ−Ｔｅ系およびＧｅ−Ｔｅ系を含めたＰｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｚｎ−Ｓｂ系、カルコゲナイト、スクッテルダイト、フィルドスクッテルダイト、クラスレート、ハーフホイスラー、ホイスラー、炭化ホウ素、層状コバルト酸化物等の任意の熱電変換材料を用いることができる。
【００６５】
また、本実施形態においては、熱電変換素子２としてｎ形のものだけを用いたものを説明したが、これに限らず、ｐ形の熱電変換素子だけを用いてもよい。また、Ｍｇ２Ｓｉは、高純度である必要はなく、例えば、研削・研磨加工時に排出される廃シリコーンスラッジを利用して得られるものであってもよい。
【００６６】
また、熱電変換素子２の両端部に、電極との接触抵抗を低減させるべく、接合層を設けてもよい。接合層は熱電変換素子と一体的に形成することもできる。また、接合層及び電極は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ等、および、これらからなる合金等の任意の材料用いることができる。
【００６７】
また、本実施形態においては、ゼーベック効果を用いた発電用の熱電変換モジュール１を説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、ペルチェ効果を用いて冷却又は加熱するものにも同様に用いることができる。
【００６８】
また、本実施形態においては、図１に示す熱電変換モジュール１の下方側を熱源に接触させる高温側、上方側を放熱（冷却）させる低温側としたものを説明した。しかしながら、本発明の熱電変換モジュールの使用方法はこれに限らず、例えば、図１において、上方側を高温側とし、下方側を低温側に設定してもよい。
【００６９】
また、第１端子部８及び第２端子部１２の向きは、熱電変換モジュール１同士を結束部材１９で連結させるか否かを考慮した上で、適宜変更可能である。
【００７０】
［第２実施形態］
次に、図７から図１１を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第２実施形態を説明する。なお、第１実施形態のものと同一のものは、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図７及び図８の符号２１７は、第２実施形態の並列群を示す。
【００７１】
図７から図９に示すように、第２実施形態の熱電変換モジュール２０１は、第１実施形態の変形例として尚書きで説明したように第１実施形態の熱電変換モジュール１の略Ｚ字状部材１６の第２電極４をＸ方向で一体に形成するとともに（図９から図１１参照）、第１実施形態の熱電変換モジュール１を２つ並べて連結し１つの熱電変換モジュールとしたものである。
【００７２】
図８のＹ方向手前（図７及び図９では、Ｙ方向奥）に示すように、Ｘ方向に一体に連結された４つの第１電極３は、Ｘ方向に一体に連結された４つの第２電極４（図９の分解図参照）と一体的に連結されている。この連結部分は、クランク状に屈曲したクランク部２０３ａを備える。
【００７３】
このクランク部２０３ａにより、Ｘ方向に一体に連結された４つの第１電極３の図８におけるＹ方向手前の側縁（図７及び図９では、Ｙ方向奥の側縁）から下方に垂下する垂下部２０３ｂが熱電変換素子２から若干離れるように構成される。これにより、垂下部２０３ｂの輻射熱の影響を熱電変換素子２が受け難くしている。
【００７４】
また、クランク部２０３ａにより、連結された４つの第１電極３と連結された４つの第２電極４との上下方向の距離を、熱電変換素子２の熱膨張又は熱収縮に追従できるようにしている。即ち、本実施形態においては、クランク部２０３ａも本発明の追従部に該当する。
【００７５】
また、第２実施形態の熱電変換モジュール２０１では、接続部２１３の形状が第１実施形態のものと異なる。第１実施形態の接続部１３は、その中央部分が切り欠かれた切欠部１４が設けられている。これに対し、第２実施形態の接続部２１３は、その中央部分だけを残し、側縁部分が切り欠かれた切欠部２１４が設けられている。
【００７６】
この切欠部２１４によっても、接続部２１３の断面積が接続部２１３を流れる電流に対して必要最小限とされ、接続部２１３における高温側から低温側への熱伝導を最小限に抑え、熱電変換素子２の両端の温度差が小さくなることを防止することができる。
【００７７】
また、接続部２１３には、その表面にＸ方向に水平溝状に切り欠かれた切欠溝２１３ａが上下方向に間隔を存して２か所に設けられている。この切欠溝２１３ａにより、接続部２１３は上下方向に伸縮し易くなり、熱電変換素子２の熱膨張や熱収縮による変形への追従性を高めることができる。また、各熱電変換素子２の高さにバラツキが生じたとしても切欠溝２１３ａを変形させることで第１電極３を熱電変換素子２に押し付けて熱電変換素子２と第１電極３及び第２電極４とを確実に接合させることができる。
【００７８】
従って、この切欠溝２１３ａは本発明の追従部に該当する。なお、本発明の追従部は、切欠溝に限らず、熱電変換素子の熱膨張や熱収縮に追従するように上下方向に伸縮できるものであれば他の構成であってもよい。例えば、追従部は、波形状（蛇腹形状）、くの字形状、湾曲形状であってもよい。
【００７９】
第２実施形態の熱電変換モジュール２０１によっても、信頼性を向上、高起電圧、大きさの変更容易性という第１実施形態の熱電変換モジュール１と同一の作用効果を奏するとともに、同様の変形例を適用することができる。
【００８０】
なお、図１１に断面で示すように、第２実施形態においては、接続部２１３と接続する第１電極３に熱電変換素子２を位置決めする凹部３ａ（案内部）を設け、接続部２１３と接続する第２電極４に熱電変換素子２を位置決めする凹部４ａ（案内部）を設けている。しかしながら、案内部としての凹部３ａ，４ａは何れか一方の電極にのみ設けてもよい。
【００８１】
また、凹部３ａに代えて、第１実施形態の折返部１５と同様に、第１電極３のＸ方向側縁に熱電変換素子２側（下方）に向かって折り返される折返部を設けてもよい。また、第１端子部８及び第２端子部１２の向きは、第１実施形態のように熱電変換モジュール同士を結束部材１９で連結させるか否かを考慮した上で、適宜変更可能である。
【００８２】
［第３実施形態］
次に、図１２から図１４を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第３実施形態を説明する。なお、第１実施形態又は第２実施形態のものと同一のものは、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図１２及び図１３における符号１７’は第３実施形態の直列群を示す。
【００８３】
第３実施形態の熱電変換モジュール３０１は、ｎ形の熱電変換素子２とｐ形の熱電変換素子２’とを電気的に接続する所謂π型のものである。図１２に示すように、Ｙ方向に手前からｐ形、ｎ形、ｐ形、ｎ形の順番で並んでいる。Ｘ方向には同一種類の熱電変換素子が４つ並んでいる。
【００８４】
所謂π型の熱電変換モジュールでは、ｐ形の熱電変換素子２’が第１電極と隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第２電極とを接続する接続部として機能する。このため、所謂π型の熱電変換モジュールにおいては、接続部は存在しない。
【００８５】
第３実施形態の２つの一体型第１電極９のＹ方向間に位置する第１電極３は、Ｙ方向で隣接する第１電極３同士で電気的に接続される。第３実施形態においては、第１電極３のＸ方向手前の側縁から下方に屈曲するＷ字状屈曲片２０を介してＹ方向で隣接する第１電極３同士が電気的に接続される。
【００８６】
このＷ字状屈曲片２０は、第１電極３の側縁から垂下する屈曲部と２つの屈曲部同士をＹ方向で接続する湾曲部とで構成される。ｎ形の熱電変換素子２とｐ形の熱電変換素子２’とでは熱膨張率が異なるため、Ｗ字状屈曲片２０は、この膨張差（収縮差）に対応できるように変形し易いＷ字状に形成している。また、Ｗ字状屈曲片２０によって、基部５の熱膨張によるＹ方向（水平方向）への熱電変換素子２の間の距離の変化も吸収できる。本実施形態のＷ字状屈曲片２０が本発明の吸収部に該当する。
【００８７】
また、図１４に分解して示すように、第３実施形態の第２電極３０４は、Ｙ方向で隣接するｎ形の熱電変換素子２とｐ形の熱電変換素子２’とを電気的に接続するように、ｎ形の熱電変換素子２の第２電極とｐ形の熱電変換素子２’の第２電極とがＹ方向で接続され一体化されている。
【００８８】
第３実施形態の熱電変換モジュール３０１では、Ｙ方向にｐ形、ｎ形が交互に並ぶ４つの熱電変換素子２，２’で１つの直列群１７’を構成し、この直列群１７’がＸ方向に４つ配置されている。各直列群１７’は、Ｙ方向両端に設けられた一体型第１電極９で並列に接続されている。
【００８９】
手前側の一体型第１電極９には、第１端子部８が設けられ、奥側の一体型第１電極９には、第１実施形態と同様に第２端子部１２が設けられている。第３実施形態の一体型第１電極９は左右対称形となっている。また、第３実施形態の基部５は、直列群１７’に対応させてＸ方向に４つに分割された分割基板３１８で構成される。
【００９０】
第３実施形態の熱電変換モジュール３０１によっても、第１と第２の実施形態と同様の作用効果を奏し、信頼性を向上できるとともに、起電圧を高められ、大きさを容易に変更することができる。
【００９１】
なお、第３実施形態の第２電極３０４は、Ｘ方向に並ぶもの同士を後述する第４実施形態の第２電極の如く一体に構成してもよい。この場合、手前側の４つのｐ形の熱電変換素子２’と４つのｎ形の熱電変換素子２とで１つの並列群を構成する。この場合、基部５を後述する第４実施形態の基部の如く、Ｙ方向で２つに分割した分割基板で構成することもできる。
【００９２】
また、第３実施形態においても、第１実施形態及び第２実施形態と同様の変形例を適用することができる。また、ｎ形の熱電変換素子２とｐ形の熱電変換素子２’との位置を入れ替えてもよい。また、第１端子部８及び第２端子部１２の向きは、第１実施形態のように熱電変換モジュール同士を結束部材１９で連結させるか否かを考慮した上で、適宜変更可能である。
【００９３】
［第４実施形態］
次に、図１５から図１７を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第４実施形態を説明する。なお、第１から第３実施形態のものと同一のものは、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図１５及び図１６の符号４１７は、第４実施形態における並列群を示している。
【００９４】
第４実施形態の熱電変換モジュール４０１は、第３実施形態と同様に、ｎ形の熱電変換素子２とｐ形の熱電変換素子２’とを電気的に接続する所謂π型のものである。第４実施形態の熱電変換モジュール４０１は、第３実施形態の熱電変換モジュール３０１と比較して、第２電極、分割基板、２つの一体型第１電極のＹ方向間に位置する第１電極３同士の接続構造が異なる。
【００９５】
図１７に分解して示すように、２つの一体型第１電極９のＹ方向間に位置するＸ方向に４つＹ方向に２つで合計８つの第１電極３は、一枚の金属板を打ち抜いて後述するように接続部分を折り曲げることにより形成される。図１５及び図１７においてＸ方向手前側（図１６では奥側）に位置しＹ方向に並ぶ２つの第１電極３同士は、Ｘ方向手前の側縁から下方に屈曲するＷ字状屈曲片４２０を介して接続されている。また、図１５及び図１７においてＸ方向奥側（図１６では手前側）に位置しＹ方向に並ぶ２つの第１電極３同士は、Ｘ方向奥の側縁から下方に屈曲するＷ字状屈曲片４２０を介して接続されている。
【００９６】
図１５及び図１７においてＹ方向手前側（図１６では奥側）に位置しＸ方向に並ぶ４つの第１電極３は、Ｙ方向手前の側縁から下方に屈曲する屈曲片４２１を夫々備える。各屈曲片４２１の下端は連結部４２２により連結される。この屈曲片４２１と連結部４２２とにより、４つの第１電極３がＸ方向間で接続される。Ｘ方向間では、同一の熱電変換素子２，２’が並ぶため、連結部４２２は、Ｙ方向のＷ字状屈曲片４２０のように変形し易いＷ字状の形状とする必要はない。
【００９７】
図１５及び図１７においてＹ方向奥側（図１６では手間側）に位置しＸ方向に並ぶ４つの第１電極３は、Ｙ方向奥の側縁から下方に屈曲する屈曲片４２１を夫々備える。各屈曲片４２１の下端は連結部４２２により連結される。この屈曲片４２１と連結部４２２とにより、４つの第１電極３がＸ方向間で接続される。
【００９８】
また、第４実施形態の第２電極４０４は、第３実施形態の第２電極３０４をＸ方向に並ぶもの同士で一体とすることにより構成されている。また、第４実施形態の基部５は、並列群４１７に対応させてＹ方向に２つに分割された分割基板４１８で構成される。
【００９９】
第４実施形態の熱電変換モジュール４０１によっても、第１から第３の実施形態と同様に、信頼性を向上、高起電圧、大きさの変更容易性という作用効果を奏することができる。
【０１００】
なお、第４実施形態の第２電極４０４及び分割基板４１８は、第３実施形態の第２電極３０４及び分割基板３１８に置き換えることもできる。
【０１０１】
また、第４実施形態の熱電変換モジュール４０１においても、第１から第３実施形態の熱電変換モジュールと同様の変形例を適用することができる。また、第１端子部８及び第２端子部１２の向きは、第１実施形態のように熱電変換モジュール同士を結束部材１９で連結させるか否かを考慮した上で、適宜折り曲げるなどして変更可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  熱電変換モジュール
２  熱電変換素子
３  第１電極
４  第２電極
５  基部
６  一体型第２電極
６ａ  凹部（案内部）
７  折曲片
８  第１端子部
９  一体型第１電極
１０  屈曲片
１１  スリット
１２  第２端子部
１３  接続部
１４  切欠部
１５  折返部（案内部）
１６  略Ｚ字状部材
１７  並列群
１８  分割基板
１９  結束部材
２０  Ｗ字状屈曲片（第３実施形態の吸収部）
２１３  接続部（第２実施形態）
２１３ａ  切欠溝（追従部）
【図１】
2015070217.tif 000003
【図２】
2015070217.tif 000004
【図３】
2015070217.tif 000005
【図４】
2015070217.tif 000006
【図５】
2015070217.tif 000007
【図６】
2015070217.tif 000008
【図７】
2015070217.tif 000009
【図８】
2015070217.tif 000010
【図９】
2015070217.tif 000011
【図１０】
2015070217.tif 000012
【図１１】
2015070217.tif 000013
【図１２】
2015070217.tif 000014
【図１３】
2015070217.tif 000015
【図１４】
2015070217.tif 000016
【図１５】
2015070217.tif 000017
【図１６】
2015070217.tif 000018
【図１７】
2015070217.tif 000019