(57)【要約】【課題】熱電変換モジュールの温度差に起因する熱膨張差を吸収可能なモジュール構造とし、モジュール構造物の破損や損傷を有効的かつ効果的に防止したもの。【解決手段】本発明の熱電変換装置に備えられる熱電変換モジュール１１は、Ｐ型半導体１６とＮ型半導体１７とから構成される対をなす熱電変換素子１６，１７と、熱電変換素子１６，１７の高温側系統２３および低温側系統２４側に接する部分にそれぞれ取り付けられる高温側および低温側電極１８，１９と、この高温側電極１８を高温側系統２３に熱的に接続させる高温側絶縁基板１２と、低温側電極１９を低温側系統２４に熱的に接続させる低温側絶縁基板１３と、この低温側絶縁基板１３に装着され、内部に熱電変換素子１６，１７および電極１８，１９を収容して封止する囲み枠２５とを備え、この囲み枠２５は、高温側に自由度を持たせたモジュール構造として低温側絶縁基板１３に接合されたものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側系統から吸熱される熱エネルギを電気エネルギに変換して取り出したり、または、外部から電流を付与して低温側系統と高温側系統との間で熱移動を生じさせる熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置において、
前記熱電変換モジュールは、
Ｐ型半導体とＮ型半導体とから構成される対をなす熱電変換素子と、
上記熱電変換素子の高温側系統および低温側系統に接する部分にそれぞれ取り付けられる高温側および低温側電極と、
この高温側電極を高温側系統に熱的に接続させる高温側絶縁基板と、
上記低温側電極を低温側系統に熱的に接続させる低温側絶縁基板と、
上記低温側絶縁基板に装着され、内部に熱電変換素子および電極を収容し、封止する囲み枠とを備え、
上記囲み枠は、高温側に自由度を持たせたモジュール構造として低温側絶縁基板に接合されたことを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記囲み枠はキャップ形状をなし、その基部を低温側絶縁基板に接合させる一方、その接合基部は断面が倒立台形、Ｈ型、Ｌ型あるいはコの字型等のくびれ部を有する接合用金属により応力軽減構造に構成した請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記囲み枠はキャップ形状をなし、その基部を低温側絶縁基板に接合させる一方、その接合基部は囲み枠の先端部を先細形状、Ｈ型、Ｌ型あるいはコの字型等のくびれ部を持たせた成形加工により応力軽減構造に構成した請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記高温側および低温側電極の少なくとも一方をキャップ形状とし、このキャップ状電極を対をなす熱電変換素子を跨ぐように被せ、キャップ状電極と対をなす熱電変換素子との接触面積を増大させた請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記キャップ状電極は、対をなす熱電変換素子を跨ぐようにスライド可能に被せ、対をなす熱電変換素子とキャップ状電極とを熱膨張による熱電変換素子の変形を吸収可能な接触構造とした請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記高温側電極と低温側電極は、対をなす熱電変換素子の高温側系統および低温側系統に接する部分に、それぞれ互い違いに取り付け、熱電変換モジュールの全熱電変換素子を電気的に直列接続し、かつ熱的に並列に設置された請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記囲み枠は、カバー部分とシールド部分からキャップ形状に形成され、熱電変換素子および電極を内部に収納するモジュール封止構造に構成され、囲み枠内部に充填される不活性ガスを大気圧以下で封入した請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記熱電変換モジュールは内部に熱電変換素子および電極の高温酸化による劣化を防止する酸化防止保護膜を施した請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記熱電変換モジュールは、隣接する熱電変換素子同士または隣接する電極同士の接触による電気的短絡を防止する絶縁板を熱電変換素子間の隙間に設け、上記絶縁板の高さを熱電変換素子の高さより低く構成した請求項１記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換したり、また外部からの電流の付加により低温側と高温側系統の間で熱移動を生じさせる、熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置に係り、熱膨張差に起因する熱電変換モジュールの破損を防止し、熱電変換素子の性能・信頼性を向上させた熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の熱電変換装置には、熱電変換モジュールあるいは複数の熱電変換モジュールを組み合せた熱電変換ユニットが備えられる。熱電変換モジュールは、Ｐ型半導体およびＮ型半導体の熱電変換素子を組み合せて構成され、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱伝達変換効果を利用して熱エネルギを電気エネルギに直接変換するようになっている。
【０００３】
従来の熱電変換装置には、特開２００３−１７９２７４号公報（特許文献１参照）に開示されたものがある。
【０００４】
この熱電変換装置は、Ｐ型およびＮ型半導体の柱状熱電変換素子を絶縁基板間に複数対並列状に林立させ、熱電変換素子の両端部に半田層を介して電極に接合する剛体接合構造を採用し、各熱電変換素子を電気的に直列に接続し、熱的に並列配置している。
【特許文献１】特開２００３−１７９２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の熱電変換装置においては、熱電変換モジュールを構成するＰ型およびＮ型半導体の各熱電変換素子の両端温度差を直接電気エネルギに変換するため、熱電変換モジュールは、高温側系統と低温側系統との温度差による熱膨張差により、熱変形が発生し、モジュール構造物が破損する虞があった。
【０００６】
また、熱電変換モジュールは、高温側系統と低温側系統との温度差に起因する熱膨張差により、熱電変換素子端部の電極と高温側あるいは低温側系統との接合部分に隙間が生じ、この隙間の発生により熱伝導効率が低下し、熱電変換性能が低下するという問題があった。
【０００７】
さらに、熱電変換装置を構成する熱電変換モジュールは高温環境下に設けられるため、熱電変換素子ならびに電極は酸化し易く、電極あるいは熱電変換素子同士の接触により、熱電変換機能が低下したり、損なわれ、信頼性が低下する虞があった。
【０００８】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、熱電変換モジュールを高温側系統と低温側系統との温度差に起因する熱膨張差を吸収可能な自由度の大きなモジュール構造とし、モジュール構造物の破損・損傷を有効的かつ効果的に防止することができる熱電変換装置を提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、熱電変換素子の電極と高温側あるいは低温側系統との接合部分に隙間の発生を防止し、熱伝導効率を向上させて熱電変換性能を効率よく有効的に維持できる熱電変換装置を提供するにある。
【００１０】
さらに、本発明の別の目的は、熱電変換素子および電極の酸化による劣化を防止し、隣接する電極または熱電変換素子同士の接触を未然にかつ有効的に防止し、熱電変換モジュールの信頼性や熱電変換機能を向上させた熱電変換装置を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る熱電変換装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に記載したように、高温側系統から吸熱される熱エネルギを電気エネルギに変換して取り出したり、または、外部から電流を付与して低温側系統と高温側系統との間で熱移動を生じさせる熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置において、前記熱電変換モジュールは、Ｐ型半導体とＮ型半導体とから構成される対をなす熱電変換素子と、上記熱電変換素子の高温側系統および低温側系統に接する部分にそれぞれ取り付けられる高温側および低温側電極と、この高温側電極を高温側系統に熱的に接続させる高温側絶縁基板と、上記低温側電極を低温側系統に熱的に接続させる低温側絶縁基板と、上記低温側絶縁基板に装着され、内部に熱電変換素子および電極を収容し、封止する囲み枠とを備え、上記囲み枠は、高温側に自由度を持たせたモジュール構造として低温側絶縁基板に接合されたものである。
【００１２】
また、上述した課題を解決するために、本発明に係る熱電変換装置は、請求項４に記載したように、前記高温側および低温側電極の少なくとも一方をキャップ形状とし、このキャップ状電極を対をなす熱電変換素子を跨ぐように被せ、キャップ状電極と対をなす熱電変換素子との接触面積を増大させたり、さらに、請求項５に記載したように、前記キャップ状電極は、対をなす熱電変換素子を跨ぐようにスライド可能に被せ、対をなす熱電変換素子とキャップ状電極とを熱膨張による熱電変換素子の変形を吸収可能な接触構造としたものである。
【００１３】
さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る熱電変換装置は、請求項７に記載したように、前記囲み枠は、カバー部分とシールド部分からキャップ形状に形成され、熱電変換素子および電極を内部に収納するモジュール封止構造に構成され、囲み枠内部に充填される不活性ガスを大気圧以下で封入したの、また、請求項８に記載したように、前記熱電変換モジュールは内部に熱電変換素子および電極の高温酸化による劣化を防止する酸化防止保護膜を施したり、さらに、請求項９に記載したように、前記熱電変換モジュールは、隣接する熱電変換素子同士または隣接する電極同士の接触による電気的短絡を防止する絶縁板を熱電変換素子間の隙間に設け、上記絶縁板の高さを熱電変換素子の高さより低く構成したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る熱電変換装置においては、熱膨張差を吸収可能で高温側に自由度の大きなモジュール構造とすることにより、熱電変換モジュールのモジュール構造物の破損や損傷を有効的かつ効果的に防止することができる。
【００１５】
また、本発明に係る熱電変換装置では、熱電変換素子の電極と高温側あるいは低温側系統との接合部分の隙間をなくして、熱伝達効率を向上させ、熱電変換性能を効率よく有効的に維持することができる。
【００１６】
さらに、本発明に係る熱電変換装置では、熱電変換素子や電極の高温酸化による劣化を防止し、熱電変換モジュールの信頼性や熱電変換性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明に係る熱電変換装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態を原理的に示す概略図である。
【００１９】
熱電変換装置１０は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換したり、外部からの電流付与により、熱移動を生じさせる熱電変換モジュール１１を有する。この熱電変換モジュール１１は高温側あるいは吸熱側絶縁基板１２と低温側あるいは放熱側絶縁基板１３との間に挟持される熱電変換素子群１５を有する。高温側および低温側絶縁基板１２，１３は熱伝導性に優れた電気絶縁特性を有するセラミックス等の耐熱性材料で形成される。
【００２０】
熱電変換素子群１５は、Ｐ型半導体（半導体素子）１６およびＮ型半導体（半導体素子）１７を複数対ずつ組み合せ、全体としてマトリックス状あるいは格子状、列状に配設された多数の熱電変換素子で構成される。各熱電変換素子１６，１７は角柱状、円柱状等の柱状構造をなし、一端側が高温側吸熱面とされ、他端側に低温側放熱面が形成される。
【００２１】
各熱電変換素子１６，１７の吸熱面は、高温側あるいは吸熱側電極１８に接合あるいは接触せしめられる一方、その放熱面は、低温側あるいは放熱側電極１９に直接あるいは半田層２７を介して一体にかつ剛性的に取り付けられる。吸熱側電極１８は高温側絶縁性基板１２に設けられ、放熱側電極１９は低温側絶縁基板１３に設けられる。
【００２２】
一方、熱電変換モジュール１１は、熱電変換素子１６，１７の高温側吸熱面と低温側放熱面で生成される熱電変換素子両端の温度差により起電力を得るため、熱電変換モジュール１１の性能は素子両端の温度差を大きく保つことにより、より高い熱電変換性能を得ることができる。逆に熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７に電流を外部から付加することにより、各熱電変換素子１６，１７内に低温側系統２４から高温側系統２３への熱移動を生じさせることができる。
【００２３】
熱電変換モジュール１１は、各熱電変換素子１６，１７に取り付けられる高温側電極１８と低温側電極１９とを交互にジグザグ状にあるいは互い違いに跨設するように接合させ、配列することにより、図１および図２に示すように、全熱電変換素子１６，１７が電気的に直列に接続され、熱的に並列配設される。各熱電変換素子１６，１７で発生した起電力はリード線２０を通して外部に出力（電力）として取り出される。
【００２４】
熱電変換モジュール１１には熱電変換性能を向上させるために、熱損失防止対策や熱伝導向上対策が施される。熱電変換モジュール１１は、熱電変換性能を向上させるためには、熱電変換素子１６，１７への熱供給と熱電変換素子１６，１７からの放熱がスムーズに行なわれ、図１および図２に示すように、高温部材や高温部位等の熱源である高温側系統２３から供給された熱が、全て熱電変換素子１６，１７を通過し、低温側系統２４から放熱されることが望ましい。
【００２５】
図２は、熱電変換装置１０に備えられる熱電変換モジュール１１の断面構造を示すものである。熱電変換モジュール１１は、Ｐ型半導体１６およびＮ型半導体１７の柱状熱電変換素子が複数対ずつ林立状態に組み合されて構成される熱電変換素子群１５を備える。熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７は一端側が高温側（吸熱側）電極１８を介して、高温側系統２３に熱的に接続される高温側絶縁基板１２に機械的に接続され、各熱電変換素子１６，１７の他端側は、低温側（放熱側）電極１９を介して、低温側系統２４に熱的に接続される低温側絶縁基板１３に機械的に接続される。
【００２６】
熱電変換モジュール１１は、数ｃｍ平方、例えば２ｃｍ平方の大きさで高さ数ｍｍ〜数cｍ、例えば３ｍｍ〜５ｍｍのモジュール構造体である。熱電変換モジュール１１は、熱電変換素子１６，１７の高温側系統２３と低温側系統２４側の両端温度差により起電力を得るため、この熱電変換素子１６，１７の両端温度差を大きく保つことで、より高い熱電変換性能を得ることができる。このため、熱電変換モジュール１１は、柱状の熱電変換素子１６，１７の両端側に生じる温度差や高温側系統２３と低温側系統２４との温度差が全面的に均一ではないため、各熱電変換素子１６，１７とシールド部材である囲み枠２５の高温側と低温側との間に熱膨張差が生じる。
【００２７】
この熱膨張差に起因して囲み枠２５と低温側絶縁基板１３との間に変形が生じ易い。
【００２８】
囲み枠２５は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）やコパール等の金属材料を絞り加工や削り出し加工により成形され、各熱電変換素子１６，１７および電極１８，１９を内部に収納し、各熱電変換素子１６，１７および電極１８，１９を周囲環境（外気）から封止し、遮断するシールド構造をなす一方、囲み枠２５の内部にＨｅ，Ａｒ等の不活性ガスや窒素が大気圧以下で充填され、熱電変換素子１６，１７や電極１８，１９の高温酸化による劣化を防止している。囲み枠２５は低温側絶縁基板１３の周辺部に装着される。囲み枠２５は熱電変換モジュール１１の周りを封じ込める囲み部分２５ａと熱電変換モジュール１１の高温側を覆うカバー部分２５ｂとが一体のキャップ構造とされ、この囲み枠２５により、熱電変換モジュール１１は形状保持機能を備えるようになっている。
【００２９】
図２においては、囲み枠２５のカバー部分２５ｂの内側に高温側絶縁基板１２を接触配置した例を示したが、囲み枠２５のカバー部分２５ｂを絶縁基板としたものであってもよい。囲み枠２５の高温側は、高温側系統２３と高温側絶縁基板１２との間に自由度を持たせて挟持され、この高温側絶縁基板１２に高温側電極１８が接触している。
【００３０】
また、囲み枠２５の低温側絶縁基板１３への装着は、囲み枠２５と低温側絶縁基板１３との熱膨張差に起因する変形を吸収するために、囲み枠２５の高温側に自由度をもたせた接合支持構造とされる。囲み枠２５の接合基部は応力を吸収し易い接合用金属２６（あるいは枠基部接合構造）を介して低温側絶縁基板１３に接合される。囲み枠２５の基部側を応力吸収し易い接合構造とすることにより、低温側絶縁基板１３の損傷低減を図ることができる。
【００３１】
一方、熱電変換モジュール１１を構成する熱電変換素子群１５はＰ型半導体１６とＮ型半導体１７とが対をなす熱電変換素子を形成している。各対をなす熱電変換素子１６，１７の高温側はキャップ状あるいはカップ状の高温側電極１８がスライド可能に自由度をもって装着され、各熱電変換素子１６，１７の熱膨張による熱変形を吸収可能に構成する一方、各熱電変換素子１６，１７と高温側電極１８との接触面積を大きくとっている。熱電変換モジュール１１の高温側は、高温側系統２３、囲み枠２５のカバー部分２５ｂ、高温側絶縁基板１２、高温側電極１８および各熱電変換素子１６，１７の高温側端面が自由度のある接触構造とされる。
【００３２】
熱電変換素子１６，１７の低温側は、半田層２７を介して低温側電極１９に結合され、この低温側電極１９は銅ローや銀ロー等の接合層２８を介して低温側絶縁基板１２に接合される。熱熱電変換素子１６，１７の低温側は、低温側電極１９を介して低温側絶縁基板１３に剛体的に一体接合される剛体接合構造とされる。熱電変換素子１６，１７の低温側を半田層２７を用いることなく、電着等で一体に接合してもよい。
【００３３】
そして、対をなす各熱電変換素子１６，１７の高温側と低温側を高温側電極１８と低温側電極１９とで交互に順次接合させることにより、熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７は電気的に直列接続され、熱的には各熱電変換素子１６，１７がマトリックス状あるいは格子状、列状に林立した並列状態に設置される。各熱電変換素子１６，１７は数ｍｍ角程度、例えば２ｍｍ〜３ｍｍ角程度の角柱状、高さは１ｍｍ〜数ｃｍ程度、好ましくは２ｍｍ〜３ｍｍ程度に構成される。
【００３４】
また、熱電変換素子群１５の各熱電変換素子１６，１７間の間隔は１ｍｍ以下、例えば０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ程度とすることで、各熱電変換素子１６，１７の充填密度を高めることができ、熱電変換効率を向上させることができる。
【００３５】
この熱電変換モジュール１１は、熱電変換素子１６，１７を数個ずつマトリックス状に配列しても、全体として数ｃｍ角程度の大きさとなる。数ｃｍ角の大きさの熱電変換モジュール１１でも、高温側を４００℃〜６００℃、例えば５００℃程度、低温側を１００℃とし、例えば熱電変換素子１６，１７を数個×数個（例えば４×４個）のマトリックス状に配列した場合には、実験では１モジュール当り２桁のワット出力が得られる。
【００３６】
この熱電変換モジュール１１は、各熱電変換素子１６，１７の吸熱面を高温側電極１８に、その放熱面を低温側電極１９にそれぞれ取り付けるが、各熱電変換素子１６，１７の高温側は、吸熱側電極１８に接触等の比較的自由度の高い取付けのモジュール構造となり、半田層を介してリジットに取り付けられることがない。したがって、熱電変換モジュール１１は各熱電変換素子１６，１７が高温側絶縁基板１２の高温側電極１８にリジットに固定される剛体構造に構成されないので、熱膨張に対する自由度が大きく、熱膨張による応力集中を防止でき、機械的・物理的寿命を充分に維持することができる。
【００３７】
熱電変換装置１０は、単体の熱電変換モジュール１１を組み込むことにより、また、複数の熱電変換モジュール１１を直列あるいは並列接続して熱電変換ユニットを組み込むことにより、構成される。
【００３８】
次に熱電変換装置１０の作用を説明する。
【００３９】
熱電変換装置１０は、図１に示す熱電変換モジュール１１を備えており、熱電変換モジュール１１の高温側系統２３に熱源等からの高温、例えば４００℃〜８００℃の放射熱が吸熱される。この放射熱は高温側系統２３から高温側絶縁基板１２および電極１８等を経て熱電変換素子１６，１７に熱伝導され、この熱電変換素子１６，１７を高温側から低温側に熱流となって流れ、その間にトムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果を利用したＰ型半導体１６およびＮ型半導体１７により起電力が得られる。発生した起電力は電気的直列接続された各熱電変換素子１６，１７からリード線２０を介して外部に取り出される。
【００４０】
各熱電変換素子１６，１７により熱エネルギが電気エネルギに変換されることにより、温度降下した熱流は、低温側電極１９から低温側絶縁基板１３を経て低温側系統２４に熱伝導され、この低温側系統２４から外部に放熱される。
【００４１】
高温側系統２３から供給された熱（吸熱）が各熱電変換素子１６，１７に効率よく案内され、各熱電変換素子１６，１７を通る熱流が少なくなるのを防止できるために、各熱電変換素子１６，１７の表面や高温側および低温側絶縁基板１２，１３の対向面、電極１８，１９の露出面に白色あるいは銀色等の熱反射率の高い塗装あるいはメッキの被膜あるいは酸化防止保護膜が施される。
【００４２】
熱電変換素子１６，１７の表面や対をなす絶縁基板１２，１３の対向面等の露出面に熱反射率の高い塗装あるいはメッキ等の被膜で被覆されることにより、各熱電変換素子１６，１７からの放出される輻射熱、高温側絶縁基板１２からの輻射熱、熱電変換モジュール１１内での流体の対流が生じるのを大幅に軽減させることができ、熱損失対策を施すことができる。
【００４３】
熱反射率の高い被膜は、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａu）、銅（Ｃｕ）、錫、Ｎｉ、Ｚｎ等をメッキ処理により形成しても、また、焼物の上塗り薬、Ａｌ２Ｏ３等を塗布することにより、形成してもよい。熱反射率の高い被膜を施す代りに、熱電変換モジュール１１内で露出する表面を鏡面仕上げとしてもよい。
【００４４】
また、高温側系統２３と低温側系統２４に作用する温度差により、各熱電変換素子１６，１７や囲み枠２５に熱膨張による熱変形が生じる。各熱電変換素子１６，１７や囲み枠２５の熱変形は、熱電変換素子１６，１７の高温側電極１８への取付構造、囲み枠２５の低温側絶縁基板１３への支持構造により吸収することができる。
【００４５】
各熱電変換素子１６，１７は低温側絶縁基板１３側への取付は剛体取付構造となるが、高温側絶縁基板１２側へは自由度の高い取付構造により熱膨張に伴う熱変形を吸収できる。熱電変換モジュール１１の高温側は自由度の高い熱電変換構造となり、モジュール構造体の自由度が大きい。したがって、囲み枠２５の低温側絶縁基板１３の支持構造を剛体支持構造としても、囲み枠２５と低温側絶縁基板１３との熱膨張差による変形を吸収でき、低温側絶縁基板１３の破損や損傷を有効的に防止できる。また、各熱電変換素子１６，１７の電極１８，１９と高温側系統２３および低温側系統２４の接合部分に生じる隙間の発生を有効的に防止でき、熱伝導の低下による熱電変換性能の低下を有効的に抑制できる。
【００４６】
さらに、熱電変換モジュール１１は囲み枠２５で封止され、外部環境（大気）からシールドして熱電変換モジュール１１内を負圧に窒素等の不活性ガスで維持することができ、各熱電変換素子１６，１７や電極１８，１９の高温酸化による劣化を防止することができる。各熱電変換素子１６，１７や電極１８，１９の高温酸化による劣化防止により、隣接する電極１８および１９相互、さらには隣接する熱電変換素子１６，１７同士の接触を有効的に防止でき、電気的短絡事象が生じるのを抑制することができる。
【００４７】
熱電変換モジュール１１は隣り合う電極１８や１９相互、隣り合う熱電変換素子１６，１７同士の接触を防止し、電気的短絡事象が生じるのを有効的に抑制できるので、熱電変換モジュール１１の信頼性を向上させ、熱電変換性能の向上を図ることができる。
【００４８】
また、この熱電変換装置１０は、熱電変換モジュール１１のリード線２０，２０間に電圧を印加することにより、熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７に電流を流すことができ、この電流を流すことにより、低温側系統２４から高温側系統２３に各熱電変換素子１６，１７を通して熱移動を生じさせることができる。この熱移動により、低温側系統２４を冷房、冷媒、冷却源として用い、高温側系統２３を暖房、熱源として用いることができる。
【００４９】
熱電変換モジュール１１の両リード線２０，２０に作用させる電圧の＋極と−極を反転させて接続することにより、上述とは逆向きの熱移動を生じさせることができる。この場合、高温側系統２３から低温側系統２４に熱移動が生じる。
【００５０】
すなわち、熱電変換モジュール１１は外部から電流を与えることにより低温側系統２４から高温側系統２３に熱移動を生じさせ、さらに、印加される電圧を逆にし、外部からの電流の向きを変えることにより、高温側系統２３から低温側系統２４に熱移動を生じさせることができる。
【００５１】
また、熱電変換モジュール１１は可逆作用を有し、この熱電変換モジュール１１の高温側系統２３と低温側系統２４とを温度差がある環境下に設置すれば、高温側系統２３で吸熱した放射熱等が熱流となって各熱電変換素子１６，１７内を通る際に、ペルチェ効果やゼーベック効果により、各熱電変換素子１６，１７内に起電力が発生し、発生した起電力は、リード線２０を通して外部に電力として取り出すことができる。このように、熱電変換モジュール１１は可逆作用を有する。
【００５２】
図３は熱電変換モジュールの第１変形例を示すものである。
【００５３】
この熱電変換モジュール１１Ａは、囲み枠２５の支持構造を改良したものであり、図３（Ａ）は接合用金属３０を用いた例を、図３（Ｂ）は囲み枠２５の接合基部３１の形状を応力吸収し易いくびれ形状とした例をそれぞれ示す。この他の構成および作用は、図２に示された熱電変換モジュール１１と異ならないので説明を省略する。
【００５４】
図３（Ａ）は、囲み枠２５の基部に縦断面が逆台形あるいは倒立台形形状をなす接合用金属３０を銅ローや銀ロー等の接合層３２を介して低温側絶縁基板１３に接合したものである。
【００５５】
囲み枠２５の基部側を接合用金属３０を介して低温側絶縁基板１３に接合用金属３０を介して接合させることにより、囲み枠２５の接合支持構造は、変形や応力を吸収し易いくびれ構造とすることができ、囲み枠２５と低温側絶縁基板１３との熱膨張差による変形歪みを吸収でき、低温側絶縁基板１３の熱損傷を有効的に防止できる。
【００５６】
図３（Ｂ）は、囲み枠２５を低温側絶縁基板１３に接合させるのに、接合用金属を用いることなく、囲み枠２５の基部側を削り出しや絞り加工等の機械加工、あるいはエッチング処理により縦断面を逆台形形状に成形加工する。囲み枠２５の接合基部３１を先端に向って先細形状とし、接合基部３１の先端側を接合層３２を介して低温側絶縁基板１３に接合させたものである。
【００５７】
この場合にも、囲み枠２５の接合基部３１を応力を吸収し易いくびれ形状とすることができ、囲み枠２５と低温側絶縁基板１３との間に生じた熱膨張差による変形歪みを吸収し、低温側絶縁基板１３が熱損傷を受けるのを軽減させることができる。
【００５８】
図３（Ａ）および（Ｂ）に示された熱電変換モジュール１１Ａにおいては、シールド部材である囲み枠２５の接合基部を接合用金属３０あるいは囲み枠２５の基部の機械加工等により逆台形（倒立台形）形状あるいは先細形状とすることで、応力を吸収し易いくびれ形状とし、低温側絶縁基板１３に熱損傷の低減を図ることができる。
【００５９】
図４は熱電変換モジュール１１の第２変形例を示すものである。
【００６０】
この熱電変換モジュール１１Ｂは、囲み枠２５の低温側絶縁基板１３への接合支持構造（装着構造）を、図４（Ａ）では縦断面Ｈ型の接合用金属３５を用いることにより、図４（Ｂ）は囲み枠２５の囲み部分２５ａの基部を縦断面Ｈ型の接合基部３６に成形加工することで、応力吸収性に優れた支持接合構造としたものである。他の構成および作用は図２に示された熱電変換モジュール１１と異ならないので説明を省略する。
【００６１】
図４（Ａ）に示す囲み枠（シールド部材）２５は、その囲み部分２５ａの基部にＨ型接合用金属３５を用いて、低温側絶縁基板１３に接合層３２を介して接合させた、くびれ形状を採用し、接合部を応力吸収し易い形状を採用したものであり、図４（Ｂ）に示す囲み枠２５は、その接合基部をＨ型接合基部３６に成形加工して接合部の応力吸収し易いくびれ形状としたものである。
【００６２】
図４（Ａ）および（Ｂ）は、囲み枠２５の囲み部分２５ａの基部に応力軽減構造を採用することにより、低温側絶縁基板１３の熱損傷を有効的に防止し、基板の損傷低減を図ったものである。
【００６３】
図５は熱電変換モジュールの第３変形例を示すものである。
【００６４】
この熱電変換モジュール１１ｃは、低温側絶縁基板１３への囲み枠２５の接合支持構造（装着構造）を、図５（Ａ）では、縦断面Ｌ字型の接合用金属３７を用いることにより、図５（Ｂ）では囲み枠２５の囲み部分（シールド部分）２５ａを縦断面のＬ字型の接合基部３８に成形加工することで、応力吸収性に優れた支持接合構造としたものである。他の構成および作用は、図２に示された熱電変換モジュール１１と異ならないので説明を省略する。
【００６５】
図５（Ａ）に示す囲み枠（シールド部材）２５は、その囲み部分２５ａの基部にＬ字型接合用金属３７を用いて、低温側絶縁基板１３に接合層３２を介して接合させたくびれ形状の応力軽減構造を採用したものであり、図５（Ｂ）では、囲み枠２５の囲み部分２５ａの基部を縦断面Ｌ字型の接合基部３８に成形加工して、低温側絶縁基板１３に接合層３２で接合させた応力軽減構造が採用される。
【００６６】
図５（Ａ）および（Ｂ）は、囲み枠２５の基部に応力軽減構造を採用することにより、低温側絶縁基板１３の熱損傷を有効的に防止し、基板の損傷低減を図ったものである。
【００６７】
図６は、熱電変換モジュールの第４変形例を示すものである。
【００６８】
この熱電変換モジュール１１Ｄは、低温側絶縁基板１３への囲み枠２５の接合支持構造（装着構造）を、図６（Ａ）では縦断面コ字型の接合用金属３９を用いることにより、図６（Ｂ）では、囲み枠２５の囲み部分（シールド部分）２５ａを縦断面コ字型の接合基部４０に成形加工することで、応力吸収性に優れた支持接合構造としたものである。
【００６９】
他の構成および作用は、図２に示された熱電変換モジュール１１と異ならないので説明を省略する。
【００７０】
図６（Ａ）に示す囲み枠（シールド部材）２５は、その囲み部分２５ａの基部にコ字型接合用金属３９を用いて、低温側絶縁基板１３に接合層３２で接合されたくびれ形状の応力軽減構造を採用したものであり、図６（Ｂ）では、囲み枠２５の囲み部分２５ａの基部を縦断面コ字型の接合基部４０に成形加工して、低温側絶縁基板１３に接合させた応力軽減構造が採用される。
【００７１】
図６（Ａ）および（Ｂ）は、シールド部材である囲み枠２５の基部に応力軽減構造を採用することにより、低温側絶縁基板１３の熱損傷を有効的に防止し、基板の損傷軽減を図ったものである。
【００７２】
図７（Ａ）および（Ｂ）は、熱電変換モジュールに備えられる電極装着構造の変形例を示すものである。
【００７３】
図７（Ａ）は、熱電変換モジュール１１の各熱電変換素子１６，１７に装着される電極４４の装着構造を示す平断面図であり、図７（Ｂ）は電極４４の装着構造を示す側面図である。
【００７４】
電極４４は対をなすＰ型およびＮ型半導体の熱電変換素子１６，１７の高温側端部を覆い、跨設するように被せるキャップ形状に構成される。電極４４をキャップ型として対の熱電変換素子１６，１７の端部を跨設するように被せることにより、熱電変換素子１６，１７と電極４４との接触面積を増加させることができる。
【００７５】
熱電変換素子１６，１７と電極４４の接触面積を増大させることにより、熱電変換素子１６，１７の高温側と高温側系統の熱伝導に対する抵抗を軽減させることができ、高温側系統から各熱電変換素子１６，１７へ流れる熱量を増加させることができ、熱電変換機能を高効率化させることができる。
【００７６】
電極４４は、各熱電変換素子１６，１７の低温側端部を覆うように跨設させ、被せてもよい。この電極４４を各熱電変換素子１６，１７の低温側端部に装着することにより、熱電変換素子１６，１７の低温側と低温側系統の熱伝導に対する抵抗を軽減させることができる。
【００７７】
キャップ型電極４４を各熱電変換素子１６，１７の高温側および低温側の双方の端部を互い違いに覆うように装着してもよい。
【００７８】
熱電変換モジュール１１Ｅの他の構成および作用は、図２に示される熱電変換モジュール１１と異ならないので、説明を省略する。
【００７９】
図７に示された熱電変換モジュール１１Ｅでは、キャップ型電極４４を対をなす熱電変換素子１６，１７の高温側および低温側端部の少なくとも一方、好ましくは、高温側端部に被せて装着したので、電極４４と熱電変換素子１６，１７の接触面積を増大させることができ、熱伝導性を向上させることができる。この接触面積の増大により、熱伝導効率を向上させることができ、高温側系統から各熱電変換素子１６，１７へ流れる熱流を有効的かつスムーズに案内し、熱流を増加させることができる。
【００８０】
図８は本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を示すものである。
【００８１】
この実施形態に示された熱電変換装置１０Ａは、熱電変換モジュール５０の内部に酸化防止保護膜５１を設けたものである。図８では、酸化防止保護膜５１をシールド部材である囲み枠２５の内側に塗布した例を示す。
【００８２】
酸化防止保護膜５１は、熱電変換素子１６，１７や電極１８，１９より酸化し易い薄膜であっても、また酸化防止メタルの金属箔を貼付したものでもよい。
【００８３】
熱電変換モジュール５０の内部に酸化防止膜５１を設けることにより、熱電変換素子１６，１７および電極１８，１９を高温酸化による劣化から保護することができ、熱電変換素子１６，１７の信頼性を向上させることができる。
【００８４】
その他の構成および作用は、図２に示された熱電変換モジュール１１と異ならないので、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００８５】
なお、図８に示された熱電変換モジュール５０では、囲み枠２５の囲み部分（シールド部分）２５ａの内側に、熱電変換素子１６，１７や電極１８，１９より酸化し易い酸化防止メタルを酸化防止保護膜５１として塗布した例を示したが、この酸化防止保護膜５１は、熱電変換モジュール５０内部の絶縁基板１２，１３の表面や電極および熱電変換素子１６，１７の露出表面に塗布してもよい。
【００８６】
図９は、本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示すものである。
【００８７】
この実施形態に示された熱電変換装置１０Ｂは、熱電変換モジュール５５の内部に、隣り合う熱電変換素子１６，１７同士や隣り合う電極１８，１９相互の電気的接触による短絡を防止するために、絶縁板５６を設けたものである。この絶縁板５６は、熱電変換素子１６，１７の隙間に介装され、かつ絶縁板５６の高さを熱電変換素子１６，１７の高さより僅かに低くし、絶縁板５６を通過する熱量を増加させない構造とした例である。他の構成および作用は、図２に示された熱電変換モジュール１１と異ならないので同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００８８】
絶縁板５６は、高温環境に耐えるセラミックペーパー等の高温絶縁シート素材を裁断することにより構成され、隣り合う熱電変換素子１６，１７間の空隙あるいは隣り合う電極１８または１９間に延びて電気的接触を防止し、電気的に短絡させている。
【００８９】
隣り合う熱電変換素子１６，１７同士または隣り合う電極１８，１９の間に絶縁板５６を設けることにより、熱電変換素子１６，１７同士または電極１８あるいは１９相互の接触による電気的短絡を防止して、熱電変換モジュール５５の信頼性を向上させている。
【００９０】
また、絶縁板５６を熱電変換素子１６，１７の長さ（高さ）より僅かに短かくすることにより、高温側系統２３と低温側系統２４とを熱的に遮断し、熱電変換モジュール５５の熱電変換性能の低下を防止している。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】本発明に係る熱電変換装置の第１実施形態を原理的に示す概略図。
【図２】本発明に係る熱電変換装置に備えられる熱電変換モジュールの断面構造を示す図。
【図３】図２のＡ部を拡大して示すもので、（Ａ）および（Ｂ）は熱電変換モジュールの第１変形例を示す部分図。
【図４】図２のＡ部を拡大して示すもので、（Ａ）および（Ｂ）は熱電変換モジュールの第２変形例を示す部分図。
【図５】図２のＡ部を拡大して示すもので、（Ａ）および（Ｂ）は熱電変換モジュールの第３変形例を示す部分図。
【図６】図２のＡ部を拡大して示すもので、（Ａ）および（Ｂ）は熱電変換モジュールの第４変形例を示す部分図。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は図２に示された熱電変換モジュールに備えられる電極の装着（取付）構造を示す平断面図および側面図。
【図８】本発明に係る熱電変換装置の第２実施形態を示すもので、熱電変換モジュールの断面構造図。
【図９】本発明に係る熱電変換装置の第３実施形態を示すもので、熱電変換モジュールの断面構造図。
【符号の説明】
【００９２】
１０，１０Ａ，１０Ｂ  熱電変換装置
１１  熱電変換モジュール
１２  高温側（吸熱側）絶縁基板
１３  低温側（放熱側）絶縁基板
１５  熱電変換素子群
１６  Ｐ型半導体（熱電変換素子）
１７  Ｎ型半導体（熱電変換素子）
１８  高温側（吸熱側）電極
１９  低温側（放熱側）電極
２０  リード線
２３  高温側系統
２４  低温側系統
２５  囲み枠（シールド部材）
２５ａ  囲み部分（シールド部分）
２５ｂ  カバー部分
２６  接合用金属
２７  半田層
２８  接合層
３０，３５，３７，３９  接合用金属
３１，３６，３８，４０  接合基部
３２  接合層
４４  電極
５０，５５  熱電変換モジュール
５１  酸化防止保護膜
５６  絶縁板
【図１】
2005093560.tif 000003
【図２】
2005093560.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005093560.tif 000006
【図５】
2005093560.tif 000007
【図６】
2005093560.tif 000008
【図７】
2005093560.tif 000009
【図８】
2005093560.tif 000010
【図９】
2005093560.tif 000011