(57)【要約】【課題】簡単な構造で、しかも熱ストレスによる破損の少ない熱電モジュールを提供する。【解決手段】熱電モジュールにおいて、交互に配設されたｐ型及びｎ型の熱電素子（１３，１４）と、熱電素子（１３，１４）間にそれぞれ交互に配設された外側電極（１５）及び内側電極（１６）とを備え、外側電極（１５）及び内側電極（１６）のうち少なくともいずれか一方が、電極（１５，１６）と熱をやりとりする対象物に概略沿った形状を有しており、内側電極（１６）が、電極（１５，１６）と熱をやりとりする対象物を囲んでいることを特徴とする熱電モジュール。【選択図】　　　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電モジュールにおいて、
交互に配設されるｐ型及びｎ型の熱電素子（１３，１４）と、
熱電素子（１３，１４）間にそれぞれ交互に配設される外側電極（１５）及び内側電極（１６）とを備え、
前記外側電極（１５）及び内側電極（１６）のうち少なくともいずれか一方の少なくとも一部が、電極（１５，１６）と熱をやりとりする対象物に概略沿った形状を有している
ことを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
熱電モジュールにおいて、
交互に配設されるｐ型及びｎ型の熱電素子（１３，１４）と、
熱電素子（１３，１４）間にそれぞれ交互に配設される外側電極（１５）及び内側電極（１６）とを備え、
前記内側電極（１６）が、電極（１５，１６）と熱をやりとりする対象物を囲んでいる
ことを特徴とする熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、自動車やボイラー等の排気配管の排熱を利用して発電を起こし、エネルギーを回収するための円筒形の熱電モジュールが知られている。例えば、特許文献１に示されたものを、第１従来技術とする。図３６は、同公報に開示された熱電モジュールを表しており、以下図３６に基づいて第１従来技術を説明する。
【０００３】
図３６において、熱電モジュール１１０は、内筒である中空のパイプ１１２と、外筒であるハウジング１１１とを備えている。パイプ１１２とハウジング１１１との間には、ｐ型及びｎ型の熱電素子１１３，１１４が円周方向に交互に配設されている。
熱電素子１１３，１１４の一端部同士は、内側電極１１６によって連接され、内側電極１１６は、図示しない絶縁体を介してパイプ１１２に接触している。また、熱電素子１１３，１１４の他端部同士は、外側電極１１５によって連接され、外側電極１１５は、図示しない絶縁体を介してハウジング１１１に接触している。
例えば、パイプ１１２の内部を熱を持った排気ガスが通過すると、熱電素子１１３，１１４に、ゼーベック効果による起電力が発生する。この起電力を電力線１２９，１２９間から取り出すことにより、排熱を利用した発電を行なっている。
【０００４】
また、非特許文献１には、リング形状の熱電素子１１３，１１４を用いて、円筒形状の熱電モジュール１１０を形成する例が記載されている。これを、第２従来技術とする。
第２従来技術の斜視図を、図３７に示す。図３７に示すように、第２従来技術においては、パイプ１１２とハウジング１１１との間に、リング状の熱電素子１１３，１１４を交互に並べ、その間に円板状の電極１１５，１１６を配設している。そして、図示しない電力線より、起電力を取り出している。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−２５４０８２号公報
【非特許文献１】
（社）電気学会新エネルギー・環境研究会試料『円筒形状熱電モジュールの発電特性解析』２０００年３月１５日発行、
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術には、次に述べるような問題がある。
即ち、第１従来技術においては図３６に示すように、電極１１５，１１６を円筒の壁面に沿わせて、曲率を有する構造とし、この電極１１５，１１６の曲面に熱電素子１１３，１１４を接合している。
これを実現するためには、熱電素子１１３，１１４を電極１１５，１１６と同様に曲率を有する構造とする必要がある。さもないと、熱電素子１１３，１１４と電極１１５，１１６との間の密着性が悪くなって電気抵抗が生じ、電流が好適に流れずに、熱電モジュール１１０の発電性能が低下する。
【０００７】
ところが、熱電素子１１３，１１４は、ウェハや棒状の材料を焼結したものを、切断して製作されるのが一般的である。そのため、円柱形や直方体形状に製作するのは容易であるが、図３６のように、電極１１５，１１６と接する面を、その電極１１５，１１６と一致する曲率を有するように製作するのは、非常に困難である。
即ち、このような熱電モジュール１１０を実現するためには、パイプ１１２やハウジング１１１の形状に合わせた特殊な形状の熱電素子１１３，１１４を製作する必要があり、多大な費用を要するという問題がある。
【０００８】
さらに第１実施形態によれば、熱電素子１１３，１１４と電極１１５，１１６との間を、ハンダづけによって接合している。排気ガスの温度は非常に高くなることがあるため、内側電極１１６と外側電極１１５との温度差が大きくなる。その結果、パイプ１１２が膨張するなどして、熱電素子１１３，１１４や接合部分に大きなストレスがかかり、いずれかが破損するようなことがある。
【０００９】
このような、ハンダづけの破損を防ぐための技術としては、例えば特開平３−９１２７２号公報に開示されたようなものがある。これは、ｐ型の熱電素子と、吸熱側の電極と、ｎ型の熱電素子と、排熱側の電極とを、この順序で交互一列に積み重ねたものであり、これらを一括締結することにより、接合部分をなくして熱によるストレスがかかっても、熱電モジュールが破損しないようにしている。
【００１０】
しかしながら、上記同公報に開示された技術においては、例えば熱源が固体や液体などの場合に、どのように熱をやりとりするかといった具体的な構成が開示されていない。また、このような熱電モジュールを、第１、第２従来技術のように、例えば円筒形の排気配管の排熱から熱を奪うような場合に、どのように用いるかといった構成も記されてはいない。
【００１１】
また、第２従来技術においては、リング状の熱電素子１１３，１１４を製作している。このようなリング形状の熱電素子１１３，１１４は、第１従来技術と同様に特注によって製作する必要があり、多大な費用を要する。
【００１２】
本発明は、上記の問題に着目してなされたものであり、簡単な構造で、しかも熱ストレスによる破損の少ない熱電モジュールを提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段、作用及び効果】
上記の目的を達成するために本発明は、熱電モジュールにおいて、
交互に配設されたｐ型及びｎ型の熱電素子と、
熱電素子間にそれぞれ交互に配設された外側電極及び内側電極とを備え、
外側電極及び内側電極のうち少なくともいずれか一方が、電極と熱をやりとりする対象物に概略沿った形状を有している。
熱電素子の形状を対象物の形状に合わせるのに比べ、電極の形状を対象物の形状に沿わせることは極めて容易であり、これにより、効率良く熱の伝達が行なわれて、熱電モジュールの効率が向上する。
【００１４】
また本発明は、熱電モジュールにおいて、
交互に配設されたｐ型及びｎ型の熱電素子と、
熱電素子間にそれぞれ交互に配設された外側電極及び内側電極とを備え、
内側電極が、電極と熱をやりとりする対象物を囲んでいる。
これにより、対象物の熱をその周囲から効率的に電極に伝えることができ、熱電モジュールの効率が向上する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
まず、第１実施形態を説明する。図１は、本実施形態に係る熱電モジュール１０の外見図を示している。図１において、熱電モジュール１０は、中空円筒形状のパイプ１２と、パイプ１２を略中央部に嵌合した中空のハウジング１１とを備えている。
ハウジング１１とパイプ１２との間の空間には、後述する熱電素子と電極とが配設されている。発電型の熱電モジュール１０では、パイプ１２の内部を通過する排気ガス２８の熱エネルギーにより、起電力を生じさせて発電を行なう。また、温度調節型の熱電モジュールでは、パイプ１２の内部を通過する流体の温度調節を行なう。
【００１６】
図２に、ｐ型熱電素子１３と外側電極１５とを組み合わせたｐ型熱電ユニット１７の構成図を示す。外側電極１５は、円筒の一端部のみを円形の底板１５Ｂによって塞いだ、茶筒のような形状をしている。外側電極１５の円筒形部材を、外側伝熱板１５Ａと言う。
底板１５Ｂの略中央部には、パイプ１２よりも大きな径の、円形の孔１９が設けられている。孔１９の周囲には、ｐ型熱電素子１３が円周状に複数並んでおり、ｐ型熱電素子１３の底面と底板１５Ｂとの間は、ハンダづけなどにより接合されている。以下の説明において、熱電素子１３，１４が底板１５Ｂ，１６Ｂと接合された面を熱電素子１３，１４の底面、その反対側の面を頂面と呼ぶ。尚、熱電素子１３，１４の形状としては、以下円柱形として説明するが、直方体などの他の形状でもよい。
【００１７】
図３に、ｎ型熱電素子１４と内側電極１６とを組み合わせたｎ型熱電ユニット１８の構成図を示す。内側電極１６は、円形の底板１６Ｂの略中央部に、パイプ１２がほぼ隙間なく入る内径を有する円筒形の内側伝熱板１６Ａを、垂直に屹立させた形状をしている。
ｎ型熱電ユニット１８の底板１６Ｂには、ｎ型熱電素子１４が円周状に複数並んでおり、ｎ型熱電素子１４の底面と底板１６Ｂとの間は、ハンダづけなどにより接合されている。
【００１８】
図４に、熱電モジュール１０の正面断面図、図５にそのＡ−Ａ方向から見た側面断面図をそれぞれ示す。ハウジング１１は、茶筒形状の本体部１１Ａと、蓋部１１Ｂとを備えている。まず、ハウジング１１の本体部１１Ａにパイプ１２を嵌め込んで接合する。そして、その内部に、まず図４中左方からスプリング２３を挿入し、ｎ型熱電ユニット１８とｐ型熱電ユニット１７とを、交互に挿入していく。
外側伝熱板１５Ａの外側面及び内側伝熱板１６Ａの内側面は、ハウジング１１の内側面及びパイプ１２の外側面に、それぞれ曲率を合わせて形成されている。その結果、外側伝熱板１５Ａの外側面がハウジング１１の内側面に、内側伝熱板１６Ａの内側面がパイプ１２の外側面に、それぞれ密着する。このとき、両者の間に伝熱グリース等を介挿して、熱伝導度を高めるのがよい。
【００１９】
またこのとき、外側伝熱板１５Ａの軸方向の高さは、隣接する外側伝熱板１５Ａに触れない限り、高くするのがよい。これにより、外側伝熱板１５Ａとハウジング１１の内側面との接触面積が大きくなり、熱の伝導がよくなる。また、図４に示すように、外側伝熱板１５Ａと隣接する外側伝熱板１５Ａとの間に、電気的に絶縁な絶縁体３６を介挿すると、絶縁がより確実となる。
これらは、内側伝熱板１６Ａに関しても、同様である。
【００２０】
熱電ユニット１７，１８を挿入後、電力線接続用電極２５を図４中左方からパイプ１２に挿入する。パイプ１２の図４中左端部近傍には、ネジ山が形成されており、このネジ山に固定用のナット２４をねじ込む。そして、蓋部１１Ｂをハウジング１１の本体部１１Ａに接合又は嵌合することにより、本実施形態に係る熱電モジュール１０を形成する。
これにより図４に示すように、ハウジング１１とパイプ１２との間には、ｐ型及びｎ型の熱電素子１３，１４が、それぞれ外側電極１５及び内側電極１６を介して、交互に配設される。即ち、ｐ型熱電素子１３の底面は外側電極１５に、頂面は内側電極１６にそれぞれ接触する。逆に、ｎ型熱電素子１４の底面は内側電極１６に、頂面は外側電極１５にそれぞれ接触する。
【００２１】
このとき、ナット２４のねじ込みとスプリング２３の付勢力とにより、内側電極１６とｐ型熱電素子１３とが互いに強固に押しつけ合って密着し、接合されていないにも拘らず、低抵抗で電気的に導通する。これは、外側電極１５とｎ型熱電素子１４との間においても、同様である。
そして、パイプ１２の外面及びハウジング１１の内面には、それぞれ図示しない絶縁層が形成されており、電極１５，１６同士が互いに導通するのを防いでいる。或いは、各伝熱板１５Ａ，１６Ａのパイプ１２又はハウジング１１と接する側の面に、絶縁層を形成してもよい。
また、電力線接続用電極２５及び図４中右端部の内側電極１６には、電力線２９，２９が接続されている。電力線２９，２９は、図示しない導入端子を介して、ハウジング１１と電気的に接することなくハウジング１１外部に取り出される。
【００２２】
以下、本発明の作用について、説明する。
このような熱電モジュール１０を、例えば自動車の排気管に、排気ガス２８がパイプ１２内を通るように接続する。これにより、排気ガス２８の熱が、パイプ１２を介して内側電極１６を温める。一方、ハウジング１１は外気と接触してパイプ１２内部よりも低温になっているので、外側伝熱板１５Ａ及び内側伝熱板１６Ａを介して、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４の頂面と底面との間に温度差が生じる。
その結果、熱電素子１３，１４に、ゼーベック効果による起電力が発生する。この起電力を、前記電力線２９，２９間から取り出すことにより、排熱を利用した発電が可能となっている。
【００２３】
また、他の応用例として、前記電力線２９，２９を介して熱電素子１３，１４に電流を流すと、電流の向きにより、パイプ１２を冷却又は加熱することが可能となる。従って、パイプ１２の内部に流体を流し、この流体を温度調節することもできる。例えば、半導体製造装置に用いられるレジスト液等の薬液をパイプ１２内に流し、この薬液の温度を精密に制御することも可能である。
【００２４】
以上説明したように第１実施形態によれば、円筒形のハウジング１１と、その内部を貫通するパイプ１２との間に、ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とを、軸方向に交互に配設している。そして、ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４との間に、ハウジング１１に沿って熱的に接触した外側電極１５と、パイプ１２に沿って熱的に接触した内側電極１６とを、交互に介装している。
これにより、直方体や円柱形等の、一般的な熱電素子１３，１４を用いることができるので、装置のコストが低減される。また、一般的な熱電素子１３，１４を用いることにより、その発電や温度調節の性能が予測可能である。
【００２５】
また、第１実施形態によれば、外側電極１５及び内側電極１６が底板１５Ｂ，１６Ｂと、これに略垂直な伝熱板１５Ａ，１６Ａとを備えており、これをハウジング１１及びパイプ１２に密着させている。これにより、ハウジング１１及びパイプ１２と電極１５，１６との密着度が向上するので、熱が伝わりやすく、損失が少ない。
従って、発電装置として用いる場合には、より多くの起電力を得ることができる。また、温調装置として用いる場合には、より精密な温度調節が可能であり、また、温度の調節範囲も大きくなる。
【００２６】
さらに、熱電素子１３，１４の底面と電極１５，１６とをそれぞれハンダづけし、熱電素子１３，１４の頂面と１５，１６電極との間を、それぞれスプリング２３の付勢力によって密着させている。これにより、温度差によって熱的なストレスが生じても、密着した箇所がずれることによってストレスを吸収し、すべてをハンダづけした場合のように、接合部分や熱電素子１３，１４が破損することが少ない。
【００２７】
また、ハウジング１１の外部でハンダづけによって熱電素子１３，１４と電極１５，１６とを接合したものを、挿入するようにしている。これにより、ハウジングの内部でハンダづけをする必要がなく、組み立てが簡単になる。特に、ｐ型熱電素子１３の位置と、これに軸方向に隣接するｎ型熱電素子１４の位置とを互いに合わせる必要がないので、組み立てが容易である。
【００２８】
尚、上記の説明においては、熱電素子１３，１４を、電極１５，１６上に一重に円周状に配列させたが、これに限られるものではなく、例えばさらに小型の熱電素子１３，１４を、同心円状や千鳥状やハニカム状、或いはランダムに多重に並べてもよい。
また、図６に示すように、熱電素子１３，１４は複数と限られるものではなく、それぞれ単数でもよい。さらには、熱電ユニット１７，１８は、複数段に並べると限られるものではなく、１つのｐ型熱電ユニット１７と１つのｎ型熱電ユニット１８との組み合わせのみでもよい。
【００２９】
また、ｐ型熱電素子１３に外側電極１５を、ｎ型熱電素子１４に内側電極１６を、それぞれ接合するように説明したが、これに限られるものではなく、逆にｎ型熱電素子１４に外側電極１５を、ｐ型熱電素子１３に内側電極１６をそれぞれ接合してもよい。さらには、熱電素子１３，１４の頂面と電極１５，１６の底板１５Ｂ，１６Ｂとを、それぞれ接合してもよい。
また、図７に示すように、内側電極１６にｐ型熱電素子１３の頂面とｎ型熱電素子１４の底面とを接合し、これに外側電極１５を押しつけるようにしてもよい。勿論、熱電素子１３，１４を外側電極１５に接合して、これに内側電極１６を押しつけてもよい。
【００３０】
また、ハウジング１１の外部で熱電素子１３，１４と電極１５，１６とをハンダづけして熱電ユニット１７，１８を形成し、これを挿入するように説明したが、これに限られるものではない。例えばパイプ１２に電極１５，１６を挿入し、この上に熱電素子１３，１４を並べることを繰り返し、最後にハウジング１１をパイプ１２に嵌合させて押しつけることにより、ハンダづけを用いずに熱電モジュール１０を構成してもよい。
【００３１】
図８に、ｎ型熱電ユニット１８の他の構成例を示す。図８において、内側電極１６の内側伝熱板１６Ａには、切り込み３３が設けられている。内側伝熱板１６Ａの内径は、パイプ１２とはめ合い程度の公差を有する寸法になっており、内側伝熱板１６Ａを、プレスなどで力をかけてパイプ１２に押し込む。これにより、内側伝熱板１６Ａとパイプ１２との接触がより密になり、熱伝導度が高まって熱の損失が小さく、高効率の熱電モジュール１０が構成される。
これは外側電極１５に対しても同様であり、外側伝熱板１５Ａに切り込み３３を入れ、ハウジング１１にギリギリで押し込める程度の太さにすることにより、外側伝熱板１５Ａとハウジング１１との間の熱伝導性を、より高めることができる。
【００３２】
また、図９に示すように、内側電極１６の内側伝熱板１６Ａ及び底板１６Ｂに割り３７を入れ、内側電極１６を一部が欠けたような形状にしてもよい。このとき、内側伝熱板１６Ａの内径を、パイプ１２の外径よりも、わずかに小さくする。このような内側電極１６に、パイプ１２を押し込むことにより、たわんで広がった内側電極１６が戻ろうとしてパイプ１２を締めつける。即ち、内側電極１６のたわみが、バネのような働きをして、内側電極１６とパイプ１２との密着性が向上する。
このような割り３７については、外側電極１５に関しても同様である。
【００３３】
また、例えば第２従来技術（図３７）に示したものと同様に、リング形状の熱電素子１３，１４を製作し、これを、それぞれ外側電極１５及び内側電極１６に接合して構成してもよい。これにより、直方体や円柱形の熱電素子１３，１４を並べたものに比べて、熱電素子１３，１４を数多く並べることができるので、熱電モジュール１０の能力が増大する。
【００３４】
さらには、図１０に示すように、扇形の熱電素子１３，１４を製作し、これを並べてリング状に熱電素子１３，１４を構成してもよい。このように、複数の熱電素子１３，１４によってリングを構成することにより、例えば熱電素子１３，１４の製作時に不良が生じても、不良の生じた小さな熱電素子１３，１４だけを交換すればよく、リング形状の熱電素子１３，１４すべてを交換する必要がない。
【００３５】
次に、第２実施形態を説明する。図１１は、第２実施形態における、熱電モジュール１０の正面断面図を示している。図１１において熱電モジュール１０は、ハウジング１１の周囲を水冷する、水冷ジャケット３１を備えている。
冷却水３０を、この水冷ジャケット３１に通すことにより、ハウジング１１をより効率的に冷却し、熱電素子１３，１４による発電や温度調節の効率を向上させることが可能となっている。
【００３６】
また熱電モジュール１０は、パイプ１２内壁に内部フィン２７を備えている。これにより、パイプ１２内部を、例えば排気ガス２８が通る際に、排気ガス２８の熱を効率的にパイプ１２に伝えることができる。これにより、熱電素子１３，１４による発電や温度調節の効率を向上させることが可能である。
【００３７】
次に、第３実施形態を説明する。図１２は、第３実施形態における、熱電モジュール１０の正面断面図を示している。図１２において、ハウジング１１の外側面及びパイプ１２の内側面には、それぞれ外部フィン２６及び内部フィン２７が形成されている。
これにより、ハウジング１１と外気との間の熱交換を、空冷によって行なう場合にも、より効率的な熱交換が可能であり、熱電素子１３，１４による発電や温度調節の効率が向上する。
【００３８】
次に、第４実施形態を説明する。図１３は、第４実施形態における、熱電モジュール１０の側面断面図を示している。図１３において、内側電極１６及び外側電極１５は、中心線を境に２分割され、互いの間には絶縁体３４が介挿されている。或いは、絶縁体３４の代わりに、互いが導通しないような隙間を設けてもよい。
即ち、図１３中、右側の熱電モジュール１０と左側の熱電モジュール１０とは、それぞれ独立した別個の熱電モジュール１０，１０となる。その結果、熱電素子１３，１４の断面積の合計Ａが半分で、高さＬが不変の熱電モジュール１０が、２台作動することになる。
【００３９】
熱電モジュール１０における熱電変換効率は、熱電素子１３，１４の断面積の合計Ａと高さＬとの比Ａ／Ｌによって定まり、比Ａ／Ｌは最適値を有することが知られている。従って、図１３に示すように熱電モジュール１０を分割することにより、比Ａ／Ｌを変えて最適値に近づけ、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上させることが可能である。
尚、２個に分割した場合について説明したが、比Ａ／Ｌが最適値に近くなるように分割すればよい。例えば、熱電モジュール１０を３個に分割すると、分割された熱電モジュール１０の比Ａ／Ｌは、３分の１となり、４個に分割すると４分の１となる。
或いは、図１４に示したように、２分割された電極１５，１６のうち、片方のみをパイプ１２に沿わせるようにしてもよい。また、２分割に限らず、全周の３分の１や４分の３など、適当な電極１５，１６の形状にしてもよい。
【００４０】
次に、第５実施形態を説明する。図１５は、第５実施形態における、熱電モジュール１０の正面断面図を示している。図１５において、外側電極１５は平板形状をしており、ハウジング１１の外周部に突出している。外側電極１５とハウジング１１との間には、図示しない絶縁層が介装されている。或いは、ハウジング１１を絶縁物で製作してもよい。
これにより、外側電極１５を、ハウジング１１を介さずに直接外気に触れさせているので、外側電極１５と外気との間の熱交換の熱損失が低減する。従って、効率的な熱交換が可能であり、熱電素子１３，１４による発電や温度調節の効率が向上する。
【００４１】
次に、第６実施形態を説明する。図１６は、第６実施形態における、熱電モジュール１０の正面断面図を示している。図１６における熱電モジュール１０は、図１５に示した熱電モジュール１０から、ハウジング１１を取り去った形状をしている。パイプ１２の図１６中右端部近傍には、図示しないネジ山が形成されており、このネジ山にナット２４と同様に固定用のナット３５をねじ込んでいる。このように、ハウジング１１を取り去ることにより、外側電極１５と外気との間の熱交換が、より高効率で行なわれる。
【００４２】
次に、第７実施形態を説明する。図１７は、第７実施形態に係る熱電モジュール１０の斜視図、図１８はその正面断面図を示している。図１７、図１８において熱電モジュール１０は、中空のパイプ１２の代わりに、中実のロッド３８を備えており、この周囲にｐ型熱電ユニット１７とｎ型熱電ユニット１８とを交互に嵌め込んでいる。
このように第７実施形態によれば、パイプ１２の内部を通る流体だけでなく、ロッド３８などの固体から熱を奪って発電を行なったり、固体の温度調節を行なうことが、可能である。
【００４３】
次に、第８実施形態を説明する。図１９は、第８実施形態における、熱電モジュール１０の正面断面図を示している。図１９において熱電モジュール１０は、上記各実施形態と同様に、ｐ型熱電ユニット１７とｎ型熱電ユニット１８とを交互に組み合わせている。そして、内側電極１６の内側伝熱板１６Ａと、隣接する内側電極１６の底板１６Ｂとを、例えば樹脂ベースの絶縁性の接着剤４９等で接着している。
さらに、ｐ型熱電素子１３の頂面と内側電極１６の底板１６Ｂとを、ハンダづけしている。また、ｎ型熱電素子１４の頂面と外側電極１５の底板１５Ｂとを、ハンダづけしている。そして、両端の内側電極１６，１６に、パイプ４８，４８を接着剤４９で接着している。
【００４４】
即ち、パイプ１２を内部に嵌挿せず、内側電極１６の内側伝熱板１６Ａによって流路２０を形成し、例えばその内部に排気ガス２８などの流体を流している。これにより、パイプ１２を介することなく、流体と内側伝熱板１６Ａとの間で熱が直接伝わるので、伝熱効率が向上する。流路２０に流体を流す代わりに、第７実施形態のように、中実のロッド３８を内部に嵌挿させてもよい。
【００４５】
次に、第９実施形態を説明する。図２０は、第９実施形態における、熱電モジュール１０の正面断面図を示している。図２０において、熱電モジュール１０は、例えば図１６に示した熱電モジュールの、熱電素子１３，１４の周囲に、絶縁性のシリコンゴム等のモールド材３９を充填して、モールドしている。これにより、熱電素子１３，１４の表面から熱が逃げることが少なくなるので、エネルギーの損失が小さくなり、熱電モジュール１０の効率が向上する。
このようなモールドは、他の実施形態に対しても応用可能である。
【００４６】
尚、上記の各実施形態においては、ハウジング１１及びパイプ１２をいずれも円筒形状としたが、これに限られるものではない。例えば、少なくともいずれか一方が楕円筒形状でもよく、さらには直方体形状でもよい。しかしながら、排気管は円筒形状であることが多く、少なくともパイプ１２を円筒形状にすることにより、排気ガスを好適に内部を通すことが可能である。
【００４７】
次に、第１０実施形態を説明する。図２１は、第１０実施形態における、ｐ型熱電ユニット１７及びｎ型熱電ユニット１８の斜視図を示している。
図２１に示すように、ｐ型熱電ユニット１７は、四角形状の外側伝熱板１５Ａ及び底板１５ＢからなるＬ字型の外側電極１５を備えており、その底板１５Ｂには、ｐ型熱電素子１３の底面がハンダづけされている。また同様に、ｎ型熱電ユニット１８は、内側伝熱板１６Ａ及び底板１６ＢからなるＬ字型の内側電極１６を備えており、その底板１６Ｂには、ｎ型熱電素子１４の底面がハンダづけされている。
【００４８】
図２２に、これらの熱電ユニット１７，１８を交互に組み合わせた熱電モジュール１０の、正面断面図を示す。図２２において、パイプ１２は例えば四角形状を有しており、その一側面に内側電極１６の内側伝熱板１６Ａが密着している。ｐ型熱電素子１３の頂面と内側電極１６の底面１６Ｂとの間は、例えばハンダづけされている。また、ｎ型熱電素子１４の頂面と外側電極１５の底板１５Ｂとの間も、同様にハンダづけされている。或いは、図示しない手段によって、熱電ユニット１７，１８同士を、軸方向に互いに押さえつけるようにしてもよい。
【００４９】
このように、任意の形状の熱交換を行なう対象物に対し、内側電極１６を上記対象物に沿わせるような形状にすることにより、発電または温調が可能である。またこれは、外側電極１５においても、同様であり、図２２においては、外側電極１５を空冷するように説明したが、例えば外側電極１５に、水冷ジャケット等を密着させる場合も同様である。
さらには、図２３に示すように、四角形状のパイプ１２に対し、４個の熱電モジュールを、内側電極１６がパイプ１２の各面にそれぞれ接するように配置してもよい。或いは、パイプ１２の４面のすべてではなく、１〜３面に接するようにしてもよい。
【００５０】
尚、上記の各実施形態においては、外側電極１５及び内側電極１６が、それぞれ熱電素子１３，１４に接する底板１５Ｂ，１６Ｂと、これに略垂直な伝熱板１５Ａ，１６Ａを有するように説明したが、これに限られるものではない。例えば、いずれか一方または両方が、伝熱板１５Ａ，１６Ａを持たない、円板状の平板であってもよい。
しかしながら、上記実施形態のように、伝熱板１５Ａ，１６Ａをハウジング１１やパイプ１２に接触させるようにしたほうが、両者の間で熱がよく伝わり、熱電モジュール１０の効率が向上する。
【００５１】
次に、第１１実施形態について、説明する。第１１実施形態においては、熱電素子１３，１４を、効率良く電極１５，１６にハンダづけする技術について説明する。尚、説明は、外側電極１５及びｐ型熱電素子１３を例に取って行なうが、内側電極１６及びｎ型熱電素子１４でも同様である。図２４は、ハンダづけ手順を示すフローチャートであり、図２５〜図３０はその説明図である。
【００５２】
まず図２５に示すように、金属等の平板４１の上に、外側電極１５を所定位置に載置する（ステップＳ１１）。このとき、平板４１上には、外側電極１５を載置する位置に、例えば窪みが設けられている。図２５において４２，４３は、それぞれ、平板４１及び外側電極１５の位置決めを行なうための位置決め孔である。
そして図２６に示すように、所定のハンダづけ位置に孔５０を設けたハンダスクリーンを外側電極１５の上から被せ、その上からクリームハンダ４６（図２６では図示せず）を塗る（ステップＳ１２）。これにより、図２７に示すように、外側電極１５の所定位置にクリームハンダ４６が付着する。
【００５３】
次に図２７に示すように、ｐ型熱電素子１３を所定位置に嵌め込んだ素子挿入治具４５を外側電極１５の上から被せ、ｐ型熱電素子１３を上方から押して抜く。これにより、クリームハンダ４６上に、ｐ型熱電素子１３が載置される。（ステップＳ１３）。
そして、図２８に示すように、ｐ型熱電素子１３の上から重し４７を載せ、これを図示しない加熱炉に入れて加熱し、ハンダづけを行なう（ステップＳ１４）。これにより、ｐ型熱電ユニット１７ができる。
【００５４】
こうして製作したｐ型熱電ユニット１７を、図２９に示すようにひっくり返して、外側電極１５の底板１５Ｂの裏面に、ステップＳ１２と同様にハンダスクリーンを用いてクリームハンダ４６を塗布する（ステップＳ１５）。
また、ｎ型熱電ユニット１８も、同様にして製作し、裏面にクリームハンダ４６を塗布する。
こうして、それぞれ裏面にクリームハンダ４６を塗ったｐ型熱電ユニット１７及びｎ型熱電ユニット１８を、図３０に示すように交互に積み重ね、重し４７を乗せて、図示しない加熱炉内でハンダづけを行なう（ステップＳ１６）。
このような手順を用いることにより、効率的に熱電モジュール１０を製造することが可能となっている。尚、熱電素子１３，１４と電極１５，１６との間の接続は、クリームハンダ４６に限定されるものではなく、例えば、導電性接着剤でもよく、またハンダ等を用いずに押し付けるだけでもよい。
【００５５】
次に、第１２実施形態を説明する。第１２実施形態においては、ステップＳ１３において、熱電素子１３，１４を平板４１に載置する際の技術について説明する。
第１２実施形態によれば、図３１に示すように、シリコンゴム等の耐熱性かつ絶縁性を備えた素子保持器５１の内部の所定位置に、熱電素子１３，１４を頂面及び底面が露出するように予め埋め込み、これを平板４１に載置する。そして、ステップＳ１３のように素子保持器５１から熱電素子１３，１４を抜くのではなく、熱電素子１３，１４を素子保持器５１の内部に埋め込んだ状態で、ステップＳ１４において、ハンダづけを行なう。
これにより、第９実施形態で説明したモールド材３９と同様に、熱電素子１３，１４の周囲が絶縁性の素子保持器５１で囲まれるので、熱電素子１３，１４からの放熱によるエネルギーの損失が小さくなり、熱電モジュール１０の効率が向上する。また、わざわざ第９実施形態のように個別にモールドする必要がなく、製造の省力化が行なわれる。
【００５６】
次に、第１３実施形態を説明する。図３２に、第１３実施形態に係る熱電モジュール１０の側面断面図を示す。図３２において熱電モジュール１０は、コの字形状の内側電極１６及び外側電極１５を備えている。内側電極１６の伝熱板１６Ａは、角形のパイプ１２の外壁面の一部に接触している。
また、図３３に第１３実施形態に係る熱電モジュール１０の他の構成例を示す。図３３において、ロッド３８は、小判型の断面形状を有している。図３４及び図３５は、第１３実施形態に係る熱電モジュール１０の更なる他の構成例を示す。図３５は、図３４のＢ−Ｂ視断面図である。図３４及び図３５において、内側電極１６の伝熱板１６Ａは、曲面部材４０表面に沿った曲面形状を有している。このように、角形や小判型、或いは曲面表面などあらゆる形状の、熱をやり取りするパイプ１２やロッド３８や曲面部材４０などの対象物に対しても、応用が可能である。即ち、パイプ１２の内部を流れる流体やロッド３８から熱を奪って発電をしたり、ロッド３８や曲面部材４０や流体の温調を行なったりすることが可能である。
尚、上記各実施形態においては、電極１５，１６又はその伝熱板１５Ａ，１６Ａの全面が、対象物に接触しているように説明したが、電極１５，１６又は伝熱板１５Ａ，１６Ａの一部のみが接触していてもよい。
【００５７】
尚、本発明は、熱電モジュールにおいて、
中空のパイプと、
パイプの外周部に、パイプの軸方向に交互に配設されたｐ型及びｎ型の熱電素子と、
熱電素子間にパイプの軸方向に交互に配設された、外側電極及びパイプに接する内側電極とを備えてもよい。
これにより、熱電素子の電極と接する面を曲面とする必要がなく、一般的な、例えば直方体や円柱形状の熱電素子を用いた構成が可能である。
【００５８】
また、本発明は、熱電モジュールにおいて、
前記外側電極の外径が、内側電極の外径よりも大きくなるようにしてもよい。これにより、外側電極が熱交換用のフィンの役割を果たし、熱交換効率が向上する。
【００５９】
また、本発明は、熱電モジュールにおいて、
中空のパイプと、
パイプの外周部をかこむハウジングと、
パイプとハウジングとの間に、パイプの軸方向に交互に配設されたｐ型及びｎ型の熱電素子と、
熱電素子間にパイプの軸方向に交互に配設された、外側電極及びパイプに接する内側電極とを備えてもよい。
このように、ハウジングを備えた構成とすることにより、熱電素子を外気から保護できる。
【００６０】
また、本発明は、熱電モジュールにおいて、
前記外側電極が、ハウジングの外部に突出してもよい。
これにより、外側電極が熱交換用のフィンの役割を果たし、熱交換効率が向上する。
【００６１】
また、本発明は、熱電モジュールにおいて、
前記外側電極は、熱電素子に接する底板と、これに略垂直に形成されてハウジングに接触する伝熱板とを備え、
前記内側電極は熱電素子に接する底板と、これに略垂直に形成されてパイプに接触する伝熱板を備えてもよい。
これにより、パイプ及びハウジングから電極に熱が効率良く伝わり、熱電モジュールの効率が向上する。
【００６２】
また、本発明は、熱電モジュールにおいて、
熱電素子とその一側の面に接合された電極とを備えた熱電ユニットを、互いに接合することなく接触させて形成してもよい。
これにより、熱電モジュールに熱ストレスが生じた場合にも、接触部がずれるのみで、接合部や熱電素子が破損することがない。
【００６３】
また、本発明は、熱電モジュールにおいて、
熱電素子と電極とを、互いに接合することなく接触させて形成してもよい。
これにより、熱電モジュールに熱ストレスが生じた場合にも、接触部がずれるのみで、接合部や熱電素子が破損することがない。
【００６４】
また、本発明は、熱電モジュールにおいて、
前記電極のすべてが、少なくとも２個以上に分割されていてもよい。
これにより、熱電素子の断面積の合計と高さとの比を、最も熱電変換効率の高い値にすることが可能であり、熱電モジュールの効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る熱電モジュールの外見図。
【図２】第１実施形態に係るｐ型熱電ユニットの構成図。
【図３】第１実施形態に係るｎ型熱電ユニットの構成図。
【図４】第１実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図５】図４のＡ−Ａ方向から見た側面断面図。
【図６】第１実施形態に係る熱電モジュールの他の構成例を示す説明図。
【図７】第１実施形態に係る熱電モジュールの他の構成例を示す説明図。
【図８】第１実施形態に係る内側電極の他の構成例を示す説明図。
【図９】第１実施形態に係る内側電極の他の構成例を示す説明図。
【図１０】第１実施形態に係る熱電素子の他の構成例を示す説明図。
【図１１】第２実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図１２】第３実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図１３】第４実施形態に係る熱電モジュールの側面断面図。
【図１４】第４実施形態に係る熱電モジュールの他の構成例を示す側面断面図。
【図１５】第５実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図１６】第６実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図１７】第７実施形態に係る熱電モジュールの斜視図。
【図１８】第７実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図１９】第８実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図２０】第９実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図２１】第１０実施形態における、型熱電ユニットの斜視図。
【図２２】第１０実施形態に係る熱電モジュールの正面断面図。
【図２３】第１０実施形態に係る熱電モジュールの他の構成例を示す正面断面図。
【図２４】第１１実施形態に係る熱電モジュールの製造手順を示すフローチャート。
【図２５】第１１実施形態に係る熱電モジュールの製造手順を示す説明図。
【図２６】第１１実施形態に係る熱電モジュールの製造手順を示す説明図。
【図２７】第１１実施形態に係る熱電モジュールの製造手順を示す説明図。
【図２８】第１１実施形態に係る熱電モジュールの製造手順を示す説明図。
【図２９】第１１実施形態に係る熱電モジュールの製造手順を示す説明図。
【図３０】第１１実施形態に係る熱電モジュールの製造手順を示す説明図。
【図３１】第１２実施形態に係る素子挿入器の説明図。
【図３２】第１３実施形態に係る熱電モジュールの側面断面図。
【図３３】第１３実施形態に係る熱電モジュールの他の構成例の側面断面図。
【図３４】第１３実施形態に係る熱電モジュールの更なる他の構成例の側面断面図。
【図３５】図３４のＢ−Ｂ断面での説明図。
【図３６】第１従来技術に係る熱電モジュールの断面図。
【図３７】第２従来技術に係る熱電モジュールの斜視図。
【符号の説明】
１０：熱電モジュール、１１：ハウジング、１２：パイプ、１３：ｐ型熱電素子、１４：ｎ型熱電素子、１５：外側電極、１６：内側電極、１７：ｐ型熱電ユニット、１８：ｎ型熱電ユニット、１９：孔、２３：スプリング、２４：ナット、２５：電力線接続用電極、２６：外部フィン、２７：内部フィン、２８：排気ガス、２９：電力線、３０：冷却水、３１：水冷ジャケット、３３：切り込み、３４：絶縁体、３５：ナット、３６：絶縁体、３７：割り、３８：ロッド、３９：モールド材、４１：平板、４２：孔、４３：孔、４４：ハンダスクリーン、４５：素子挿入治具、４６：クリームハンダ、４７：重し、４８：パイプ、４９：接着剤、５０：孔、５１：素子保持器。
【図１】
2004088057.tif 000003
【図２】
2004088057.tif 000004
【図３】
2004088057.tif 000005
【図４】
2004088057.tif 000006
【図５】
2004088057.tif 000007
【図６】
2004088057.tif 000008
【図７】
2004088057.tif 000009
【図８】
2004088057.tif 000010
【図９】
2004088057.tif 000011
【図１０】
2004088057.tif 000012
【図１１】
2004088057.tif 000013
【図１２】
2004088057.tif 000014
【図１３】
2004088057.tif 000015
【図１４】
2004088057.tif 000016
【図１５】
2004088057.tif 000017
【図１６】
2004088057.tif 000018
【図１７】
2004088057.tif 000019
【図１８】
2004088057.tif 000020
【図１９】
2004088057.tif 000021
【図２０】
2004088057.tif 000022
【図２１】
2004088057.tif 000023
【図２２】
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【図２３】
2004088057.tif 000025
【図２４】
2004088057.tif 000026
【図２５】
2004088057.tif 000027
【図２６】
2004088057.tif 000028
【図２７】
2004088057.tif 000029
【図２８】
2004088057.tif 000030
【図２９】
2004088057.tif 000031
【図３０】
2004088057.tif 000032
【図３１】
2004088057.tif 000033
【図３２】
2004088057.tif 000034
【図３３】
2004088057.tif 000035
【図３４】
2004088057.tif 000036
【図３５】
2004088057.tif 000037
【図３６】
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【図３７】
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