(57)【要約】【課題】熱電変換効率の低下の抑制又は熱電変換効率の向上を図りつつ、熱効力による熱電変換素子の破壊及び熱電変換素子や電極の接合不良を防止する。【解決手段】本発明の一態様において、熱電変換モジュール１は、複数の電気的接続手段３によって接続された複数の熱電変換素子２ａを具備する。複数の熱電変換素子２ａの少なくとも一つは、使用時に熱電変換素子２ａ内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れるＸ方向に対して垂直な断面が、３以上の角部を持つ多角形状であり角部の少なくとも一つが曲率を持つ。【選択図】      図１
2005223140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電気的接続手段によって接続された複数の熱電変換素子を具備する熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電変換素子の少なくとも一つは、使用時に前記熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が、３以上の角部を持つ多角形状であり前記角部の少なくとも一つが曲率を持つことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記断面は、長方形と正方形を除いた多角形状であることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項３】
複数の電気的接続手段によって接続された複数の熱電変換素子を具備する熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電変換素子の少なくとも一つは、使用時に前記熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が、少なくとも一つの直線と少なくとも一つの曲線とを含むことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項４】
複数の電気的接続手段によって接続された複数の熱電変換素子を具備する熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電変換素子の少なくとも一つは、使用時に前記熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が、曲率が一定でない曲線を含む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乃至請求項４のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電変換素子を最密充填となるように配置したことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項６】
複数の電気的接続手段によって接続された複数の熱電変換素子を具備する熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電変換素子は、使用時に前記熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が円形であり、最密充填となるように配列されている
ことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項７】
複数の電気的接続手段によって接続された複数の熱電変換素子を具備する熱電変換モジュールにおいて、
前記複数の熱電変換素子に含まれる複数の第１の熱電変換素子が配置された場合に生じる間隙に、前記複数の熱電変換素子に含まれる複数の第２の熱電変換素子が配置され、前記第１の熱電変換素子と前記第２の熱電変換素子とは、大きさと形状とのうち少なくとも一方が異な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乃至請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールを具備する熱電変換システムにおいて、
前記熱電変換モジュールが取り付けられる熱源部を具備することを特徴とする熱電変換システム。
【請求項９】
請求項８記載の熱電変換システムにおいて、
前記熱電変換モジュールと前記熱源部との間に、熱伝導手段をさらに具備することを特徴とする熱電変換システム。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールを具備する熱電変換システムにおいて、
前記熱電変換モジュールが取り付けられる温度制御対象部と、
前記熱電変換モジュールに対して電気を供給する手段と
を具備することを特徴とする熱電変換システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の熱電変換システムにおいて、
前記熱電変換モジュールと前記温度制御対象部との間に、熱伝導手段をさらに具備することを特徴とする熱電変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の熱電変換素子を電気的に接続して構成される熱電変換モジュール及び熱電変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールは、直方体形状の熱電変換素子を正方格子状に規則的に配列し、この熱電変換素子を金属電極板で順次接続したπ形直列回路である。
【０００３】
一般的に、熱電変換モジュールでは、構造維持及び外部との熱輸送維持のために、金属電極板の外側に、絶縁基板が配置される。また、特開２００１−１１９０７６号公報には、熱電変換モジュールの構造維持のために、金属電極板の外部に絶縁基板に加えて熱電変換素子の側面に絶縁性樹脂などを備えることが開示されている。
【０００４】
しかしながら、上記熱電変換モジュールでは、熱電変換素子が脆弱なこと、又は熱電変換素子、金属電極板、絶縁基板、絶縁性樹脂の熱膨張係数が異なるために使用時に熱応力が生じることを理由として、熱電変換素子の破壊、金属電極板の接合不良が発生する場合がある。
【０００５】
特に、熱電変換素子の角部では、その周囲に比べて高い応力が発生する。
【０００６】
このため、熱電変換素子を円柱形状として熱応力が局所的に高まることを防止した熱電変換モジュールがある。
【０００７】
しかしながら、単に、熱電変換素子を円柱形状とした場合には、直方体型の熱電変換素子を用いた場合と比べて、熱電変換素子の充填率が低下し、熱電変換モジュールの熱電変換効率が低下する場合がある。
【０００８】
特開平１１−３０７８２８号公報には、熱応力による絶縁基板と電極、電極と熱電変換素子の剥離を防止する熱電変換装置が開示されている。
【０００９】
この特開平１１−３０７８２８号公報の熱電変換装置は、放熱側及び吸熱側の両面に円形又は角数が６以上の多角形の絶縁基板を配置している。これにより、絶縁基板の熱膨張又は熱収縮による変位が周方向で均一化され、熱応力による剥離を防止できる。
【特許文献１】特開２００１−１１９０７６号公報
【特許文献２】特開平１１−３０７８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
熱電変換モジュールは、多数の熱電変換素子を電気的に直列に接続して構成されるため、一ヶ所でも接続不良や素子破壊が発生すると、正常に作用しなくなる。
【００１１】
上記の特開平１１−３０７８２８号公報の熱電変換装置では、熱電変換素子とこの熱電変換素子の側面の絶縁性樹脂などの熱膨張係数の違いに起因する熱応力や、熱電変換素子と金属電極板の熱膨張係数の違いに起因する熱応力を低減することは困難である。
【００１２】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、熱電変換効率の低下の抑制又は熱電変換効率の向上を図りつつ、熱効力による熱電変換素子の破壊及び熱電変換素子や電極の接合不良などを防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明を実現するにあたって講じた具体的手段について以下に説明する。
【００１４】
本発明の第１から第５の態様において、熱電変換モジュールは、複数の電気的接続手段によって接続された複数の熱電変換素子を具備する。
【００１５】
第１の態様において、複数の熱電変換素子の少なくとも一つは、使用時に熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が、３以上の角部を持つ多角形状であり角部の少なくとも一つが曲率を持つ。
【００１６】
第２の態様において、複数の熱電変換素子の少なくとも一つは、使用時に熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が、少なくとも一つの直線と少なくとも一つの曲線とを含む。
【００１７】
第３の態様において、複数の熱電変換素子の少なくとも一つは、使用時に熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が、曲率が一定でない曲線を含む。
【００１８】
第４の態様において、複数の熱電変換素子は、使用時に熱電変換素子内で熱と電気とのうち少なくとも一方が主に流れる方向に対して垂直な断面が円形であり、最密充填となるように配列されている。
【００１９】
第５の態様では、複数の熱電変換素子に含まれる複数の第１の熱電変換素子が配置された場合に生じる間隙に、前記複数の熱電変換素子に含まれる複数の第２の熱電変換素子が配置され、前記第１の熱電変換素子と前記第２の熱電変換素子とは、大きさと形状とのうち少なくとも一方が異なる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては、熱電変換効率の低下の抑制又は熱電変換効率の向上を図りつつ、熱効力による熱電変換素子の破壊及び熱電変換素子や電極の接合不良を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において同一の要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本実施の形態では、使用時に熱電変換素子内で熱が主に流れる方向と垂直な方向の断面を、角部が曲率を持つ正方形とした熱電変換モジュールについて説明する。
【００２３】
図１は、本実施の形態に係る熱電変換モジュールの構成の一例を示す断面図である。
【００２４】
この図１では、熱電変換モジュール１を、使用時に熱電変換素子２ａ内で熱の流れる主な方向（以下、「Ｘ方向」という）と平行な断面で表している。
【００２５】
なお、Ｘ方向は、熱電変換素子２ａの軸方向、熱電変換素子２ａと電極３との接合方向、熱電変換素子２ａ内で電流の流れる方向と定義してもよい。
【００２６】
熱電変換モジュール１は、複数の熱電変換素子２ａ、電極３、絶縁基板４、絶縁性樹脂５とを具備する。なお、熱電変換モジュール１は、絶縁基板４と絶縁性樹脂５とのうち少なくとも一方を構成要素から削除してもよい。
【００２７】
熱電変換素子２ａの両端は、それぞれ異なる他の熱電変換素子２ａと電極３を介して接続される。熱電変換素子２ａの両端において、電極３は、熱電変換素子２ａ一個分ずれた状態で熱電変換素子２ａを接続する。本実施の形態では、複数の熱電変換素子２ａは、直列に接続されているが、並列に接続されるとしてもよい。
【００２８】
熱電変換素子２ａと電極３と他の熱電変換素子２ａとは、π型の構成となる。熱電変換モジュール１の熱電変換素子２ａは、ゼーベック効果により発電、あるいはペルチェ効果により放熱又は吸熱を行う。
【００２９】
電極３の一方の面には、熱電変換素子２ａが接続される。電極３の他方の面には、絶縁基板４が備えられる。また、熱電変換素子２ａの電極３と接続されていない側面には、絶縁性樹脂５が備えられる。
【００３０】
図２は、熱電変換素子２ａの一例を示す断面図である。
【００３１】
この図２は、熱電変換素子２ａのＸ方向に垂直な断面を表している。
【００３２】
熱電変換素子２ａのＸ方向に垂直な断面は、角部が曲率を持つ正方形状となっている。なお、曲率の半径は、０．２ｍｍ以上であることが望ましい。
【００３３】
このように、熱電変換素子２ａのＸ方向に垂直な断面の角部に、曲率を持たせることにより、熱電変換素子２ａに生じる熱応力の局所的な集中を避けることができ、熱電変換素子２ａの破壊を防止できる。
【００３４】
また、熱電変換素子２ａと例えば電極３などの他の部材との接続不良、剥離を防止できる。そして、高効率で信頼性の高い熱電変換モジュール１を提供することができる。
【００３５】
なお、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面は、３以上の角部を持つ多角形状であり角部の少なくとも一つが曲率を持つとしてもよい。
【００３６】
例えば、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面は、角部が曲率を持つ長方形状でもよい。
【００３７】
また、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面は、長方形と正方形を除いた角部の数が３以上の多角形状でもよい。
【００３８】
また、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面は、少なくとも一つの直線と少なくとも一つの曲線とを含む形状としてもよい。
【００３９】
また、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面は、曲率が一定でない曲線を含む形状としてもよい。
【００４０】
このように、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面に曲率を持たせることにより、熱電変換素子に生じる熱応力の局所的な集中を避けることができ、上記熱電変換素子２ａと同様の効果を得ることができる。
【００４１】
（第２の実施の形態）
本実施の形態においては、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面を６角形とした熱電変換モジュールについて説明する。
【００４２】
図３は、本実施の形態に係る熱電変換モジュールに具備されている熱電変換素子の一例を示す断面図である。この図３は、上記図２と同様に、Ｘ方向に垂直な方向の断面を表している。
【００４３】
熱電変換素子２ｂのＸ方向に垂直な断面は、６角形状となっている。すなわち、熱電変換素子２ｂは、６角柱である。なお、６角形上の断面の角部は、曲率を持つとしてもよい。
【００４４】
また、Ｘ方向に垂直な断面において、熱電変換素子２ｂの配列は最密充填型である。本実施の形態では、隣り合う熱電変換素子２ｂの断面の辺が平行になるように配置されている。
【００４５】
このように、熱電変換素子２ｂの断面を６角形状とすることにより、従来の正方形型又は長方形型の断面の熱電変換素子と比べて、断面の角部の角度が大きくなるため、熱応力の局所的な集中を緩和できる。なお、熱電変換素子の断面の角部を５つ以上とすることで、同様の作用により同様の効果を得ることができる。
【００４６】
また、熱電変換素子２ｂの配列を最密充填型としたため、熱電変換素子２ｂの充填率が高くなり、熱電変換率の低下を防止でき、また熱電変換率を向上させることができる。
【００４７】
本実施の形態においても、上記第１の実施の形態のように、角部を面とりした形状としてもよい。このように、面とりされた角部を含む形状においては、上述したように、面とりＣ＝０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００４８】
（第３の実施の形態）
本実施の形態では、熱電変換素子の最密充填型配列について説明する。なお、本実施の形態において、以下に示す図４から図６までの熱電変換素子の断面は、Ｘ方向に垂直な方向の断面を表している。
【００４９】
図４は、本実施の形態に係る熱電変換素子の最密充填型配列の第１例を示す断面図である。
【００５０】
熱電変換素子２ｃのＸ方向に垂直な断面は、円状である。なお、熱電変換素子のＸ方向に垂直な断面は、例えば楕円状などにしてもよい。
【００５１】
熱電変換素子２ｃは、配列が互い違いになるように、正方格子状の配置をずらして最密充填型配列としている。互いに隣接する任意の３つの熱電変換素子２ｃは、この３つの熱電変換素子２ｃの中心が正三角形の頂点となるように配置されている。
【００５２】
このように、熱電変換素子２ｃの断面を円状とすることにより、断面の角部をなくすことができ、角部にその周囲に比べて高い応力が発生することを防止できる。
【００５３】
また、熱電変換素子２ｃを最密充填型配列とすることにより、熱電変換素子２ｃが正方格子上に配列された場合と比べて、熱電変換素子２ｃの充填率を向上させることができ、熱電変換モジュールの熱電変換効率を向上させることができる。
【００５４】
図５は、本実施の形態に係る熱電変換素子の最密充填型配列の第２例を示す断面図である。
【００５５】
熱電変換素子２ｄのＸ方向に垂直な断面は、三角形状となっている。なお、三角形状の断面の角部は、曲率を持つとしてもよい。曲率を持たせて断面の角部をなくすことにより、角部に高い応力が発生することを防止できる。
【００５６】
熱電変換素子２ｄの配置は、正方格子状であるが、隣接する熱電変換素子２ｄは、互いに１８０度回転された関係となるように配置されている。
【００５７】
これにより、熱電変換素子２ｄの充填率が向上し、熱電変換モジュールの熱電変換効率を向上させることができる。
【００５８】
図６は、本実施の形態に係る熱電変換素子の最密充填型配列の第３例を示す断面図である。
【００５９】
この図６では、第１の熱電変換素子２ｅが配置された場合に生じる間隙に、第２の熱電変換素子２ｆが配置されている。
【００６０】
本実施の形態では、第１の熱電変換素子２ｅの断面を、角部が曲率を持つ正方形状としている。また、第２の熱電変換素子２ｆの断面を、円状としている。しかしながら、この第１の熱電変換素子２ｅの断面の形状と第２の熱電変換素子２ｆの断面の形状とは、自由に変更可能である。また、熱電変換素子の断面の形状は２種類以上であってもよい。また、ある熱電変換素子が配置されている間隙に、断面が同一形状の熱電変換素子を配置するとしてもよい。また、ある熱電変換素子が配置されている間隙に、断面が同一形状で大きさが異なる熱電変換素子を配置するとしてもよい。
【００６１】
このように、ある熱電変換素子が配置されている間隙に、他の熱電変換素子を配置することにより、熱電変換素子の充填率が向上し、熱電変換モジュールの熱電変換効率を向上させることができる。
【００６２】
なお、上記第２，３の実施の形態で説明した各種の熱電変換素子２ｂ〜２ｆは、上記第１の実施の形態の熱電変換素子２ａと同様に、熱電変換モジュールに適用可能である。
【００６３】
（第４の実施の形態）
本実施の形態においては、上記各実施の形態に係る熱電変換モジュールを具備する発電システムについて説明する。
【００６４】
図７は、本実施の形態に係る発電システムの一例を示す側面図である。
【００６５】
発電システム６は、熱源部７に、熱伝導部８を介して、上記各実施の形態で説明した熱電変換モジュール９を取り付けて構成される。
【００６６】
熱伝導部８は、熱源部７と熱電変換モジュール９との間で熱を伝搬する。
【００６７】
熱電変換モジュール９は、熱伝導部８を介して熱源部７と接触する面と他方の面との間の温度差により発電を行う。
【００６８】
熱源部７は、固体、液体、気体のいずれでもよく、温熱源でも冷熱源のいずれでもよい。
【００６９】
発電システム６では、発電時に、熱電変換モジュール９内に熱応力が発生する。しかしながら、上述したように、熱電変換モジュール９内の熱応力は緩和される。
【００７０】
また、熱源部７の温度が変動する場合、熱電変換モジュール９には熱サイクルが生じる。しかしながら、熱電変換モジュール９では、熱応力が抑制されるため、熱電変換素子と電極との間、熱電変換素子側面において熱電変換素子を保持する保持体と熱電変換素子との間、熱電変換素子内において、き裂が発生すること、及び発生したき裂が進展することを抑制できる。
【００７１】
（第５の実施の形態）
本実施の形態においては、上記第１から第３の実施の形態で説明した熱電変換モジュールを具備する電気的温度制御システムについて説明する。
【００７２】
図８は、本実施の形態に係る電気的温度制御システムの一例を示す側面図である。
【００７３】
電気的温度制御システム１０は、電気出力装置１１、熱伝導部８、熱電変換モジュール９、温度制御対象物１２を具備する。
【００７４】
電気出力装置１１には、熱電変換モジュール９が接続されている。また、熱電変換モジュール９は、熱伝導部８経由で、温度制御対象物１２と接触している。
【００７５】
電気出力装置１１からの電流は熱電変換モジュール９に供給される。熱電変換モジュール９は、電気出力装置１１から供給された電流を熱に変換する。熱電変換モジュール９の放熱又は吸熱により、温度制御対象物１２の温度は変化する。
【００７６】
したがって、電気出力装置１１から熱電変換モジュール９に供給される電流を制御することで、温度制御対象物１２の温度を制御できる。
【００７７】
温度制御対象物１２は、固体、液体、気体のいずれでもよい。
【００７８】
電気的温度制御システム１０の使用時には、熱電変換モジュール９内に熱応力が発生する。しかしながら、上述したように、熱電変換モジュール９内の熱応力は緩和される。
【００７９】
また、電気的温度制御システム１０のＯＮ／ＯＦＦ、制御温度の変更によって、熱電変換モジュール９には熱サイクルが生じる。しかしながら、熱電変換モジュール９では、熱応力が抑制されるため、熱電変換素子と電極との間、熱電変換素子側面において熱電変換素子を保持する保持体と熱電変換素子との間、熱電変換素子内において、き裂が発生すること、及び発生したき裂が進展することを抑制できる。
【００８０】
上記各実施の形態については、上記の構成そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明は、熱電変換素子を用いて熱電変換を行う分野に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換モジュールの構成の一例を示す断面図。
【図２】同実施の形態に係る熱電変換モジュールに具備されている熱電変換素子の一例を示す断面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換モジュールに具備されている熱電変換素子の一例を示す断面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換素子の最密充填型配列の第１例を示す断面図。
【図５】同実施の形態に係る熱電変換素子の最密充填型配列の第２例を示す断面図。
【図６】同実施の形態に係る熱電変換素子の最密充填型配列の第３例を示す断面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る発電システムの一例を示す側面図。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る電気的温度制御システムの一例を示す側面図。
【符号の説明】
【００８３】
１，９…熱電変換モジュール、２ａ〜２ｆ…熱電変換素子、３…電極、４…絶縁基板、５…絶縁性樹脂、６…発電システム、７…熱源部、８…熱伝導部、１０…電気的温度制御システム、１１…電気出力装置、１２…温度制御対象物
【図１】
2005223140.tif 000003
【図２】
2005223140.tif 000004
【図３】
2005223140.tif 000005
【図４】
2005223140.tif 000006
【図５】
2005223140.tif 000007
【図６】
2005223140.tif 000008
【図７】
2005223140.tif 000009
【図８】
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