(57)【要約】      （修正有）【課題】熱応力に由来する熱電変換素子の破壊を防止する熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】一対の電極１３，１４と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、少なくとも１つの前記熱電変換素子が、２片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、前記熱電変換素子分割片の高さ（Ｌ）と当該熱電変換素子分割片の幅（Ｗ）とが、下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする、熱電変換モジュール２００。2009081286.tif 000010（ただし、上記式（１）中、σＴＥは破壊強度、αは線膨張係数、Ｅは弾性率、ＴＨは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、ＴＲは前記熱電変換素子分割片の初期温度、ＴＣは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。）【選択図】図３
2009081286.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、
少なくとも１つの前記熱電変換素子が、２片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、
前記熱電変換素子分割片の高さ（Ｌ）と当該熱電変換素子分割片の幅（Ｗ）とが、下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする、熱電変換モジュール。
【数１】
2009081286.tif 000009
（ただし、上記式（１）中、σＴＥは破壊強度、αは線膨張係数、Ｅは弾性率、ＴＨは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、ＴＲは前記熱電変換素子分割片の初期温度、ＴＣは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。）
【請求項２】
同じ前記熱電変換素子に含まれる前記熱電変換素子分割片のうち、少なくとも１つの当該熱電変換素子分割片の前記幅（Ｗ）が、他の前記熱電変換素子分割片の前記幅（Ｗ）よりも小さい、請求項１に記載の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、温度差による熱応力を緩和することが可能な熱電変換素子を有する熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換は、熱と電気とが互いに変換される現象であり、モーターなどの動力を介在させることなく熱と電気が直に変換されることから、この現象を利用した熱電変換素子の開発は、近年省エネルギーの観点から注目を集めている。
熱電変換素子の１種である発電素子は、固体の両端に温度差を与えた際起電力が生じるゼーベック効果を利用したものであり、ごみ焼却場や発電所から生じる廃熱や地熱等の熱エネルギーから電力を直接取り出せる点で、産業全体のエネルギー利用効率を高める役割を果たしている。
また、他の熱電変換素子の１種である加熱・冷却素子は、固体の両端に電位差を与えた際温度差が生じるペルチエ効果を利用したものであり、騒音や振動を生じることなく加熱又は冷却が可能であることから、家庭用の電子機器に用いられている。
【０００３】
熱電変換素子にはその用途から、高い導電率、大きな熱起電力、低い熱伝導率の３つを併せ持つ材料、すなわち、電気はよく通すが熱は伝えない材料を用いることが好ましい。その観点から、通常熱電変換素子には良導体と絶縁体の中間の性質を持つ半導体が用いられる。
【０００４】
実用的には、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を交互に配置し、直列に配線することによって、発電出力又は加熱・冷却出力の増大を図る。図１は一般的な熱電変換モジュールの層構成を模式的に示した図である。図１に示すように、熱電変換モジュール１００は、升目状に交互に配置されたｐ型熱電変換素子１又はｎ型熱電変換素子２を、一対の電極３によって挟持し、さらに当該挟持物を電極３の両側から基板４で挟持したものから成る。この時前記電極３をそれぞれ対応する熱電変換素子に接合することで、全ての熱電変換素子が電気的に直列に配線され、端の電極５から導線を引き電源又は電源を必要とする機器に接続することができる。
発電装置として用いる場合は、２枚の前記基板４に温度差をかけることにより、各素子に起電力が生じ、電流が流れる。加熱・冷却装置として用いる場合は、２枚の端の電極５に電位差を与えることにより、各素子の両端で温度差が生じ、その結果２枚の基板４の温度差に作用し、加熱又は冷却が可能になる。
前記端の電極５を延長し、他の熱電変換モジュールと接続することで、発電出力又は加熱若しくは冷却出力を増加させることもできる。
【０００５】
発電素子として各素子にかける温度差は、通常５０〜８００℃、及び加熱・冷却素子として各素子にかかる温度差は、通常２０〜８０℃にも達する。かかる温度差による熱伸縮から生じる熱電変換素子の破壊は致命的な問題である。この問題を解決するために、例えば、特許文献１においては、熱電変換素子を複数部分（より具体的には、高温側と低温側の２つ）に分割し、その合わせ面がスライドすることを可能にすることにより、温度差による熱伸縮差を吸収させる構造を提案している。
【０００６】
【特許文献１】実開平３−１１２９５５号公報
【０００７】
しかし、特許文献１においては、熱電変換素子に付与される温度差による熱応力は分割によって緩和されるが、熱電変換素子を分割した個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力は考慮されていない。したがって、熱電変換素子全体としては熱伸縮差を吸収させることができたとしても、個々の熱電変換素子分割片が熱応力によって破壊され、その結果熱電変換素子として機能できなくなるということがあり得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、熱電変換素子の熱応力による破壊を防ぐには、熱電変換素子自体の設計に更なる改善が必要であった。本発明は、熱電変換素子分割片の寸法を規定することによって、個々の熱電変換素子自体に付与される温度差による熱応力の緩和を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の熱電変換モジュールは、一対の電極と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、少なくとも１つの前記熱電変換素子が、２片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、前記熱電変換素子分割片の高さ（Ｌ）と当該熱電変換素子分割片の幅（Ｗ）とが、下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１０】
【数１】
2009081286.tif 000003
【００１１】
（ただし、上記式（１）中、σＴＥは破壊強度、αは線膨張係数、Ｅは弾性率、ＴＨは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、ＴＲは前記熱電変換素子分割片の初期温度、ＴＣは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。）
【００１２】
このような構成の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の寸法を上記式（１）のように規定することによって、個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和することができ、それにより熱電変換素子自体の破壊を防止することができる。
【００１３】
本発明の熱電変換モジュールは、同じ前記熱電変換素子に含まれる前記熱電変換素子分割片のうち、少なくとも１つの当該熱電変換素子分割片の前記幅（Ｗ）が、他の前記熱電変換素子分割片の前記幅（Ｗ）よりも小さいことが好ましい。
【００１４】
このような構成の熱電変換モジュールは、前記熱電変換素子分割片の前記幅（Ｗ）を小さくするのに伴って、上記式（１）より前記熱電変換素子分割片の前記高さ（Ｌ）を小さくすることができ、その結果熱電変換モジュール全体の高さを低くすることができるので、個々の前記熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和しながら熱電変換モジュールの占有体積を小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、熱電変換素子の寸法を上記式（１）のように規定することによって、個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和することができ、熱電変換素子自体の破壊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】
【００１６】
本発明の熱電変換モジュールは、一対の電極と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、少なくとも１つの前記熱電変換素子が、２片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、前記熱電変換素子分割片の高さ（Ｌ）と当該熱電変換素子分割片の幅（Ｗ）とが、下記式（１）の関係を満たすことを特徴とする。
【００１７】
【数２】
2009081286.tif 000004
【００１８】
（ただし、上記式（１）中、σＴＥは破壊強度、αは線膨張係数、Ｅは弾性率、ＴＨは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、ＴＲは前記熱電変換素子分割片の初期温度、ＴＣは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。）
【００１９】
ここでいう「高さ」とは、電流流路方向に略平行方向の長さのことをいう。また、ここでいう「幅」とは、電流流路方向に略垂直方向の長さのことをいう。
【００２０】
ここでいう「初期温度」とは、前記熱電変換素子を発電素子として用いる場合には温度差を付与する前の素子の温度のことを、前記熱電変換素子を加熱・冷却素子として用いる場合には素子の両端に電圧を付与することで温度差が生じる前の素子の温度のことを、それぞれ示す。
【００２１】
また、上記「前記熱電変換素子分割片の高さ（Ｌ）と当該熱電変換素子分割片の幅（Ｗ）とが、下記式（１）の関係を満たす」とは、多分割片を積み重ねた熱電変換素子全体の高さ及び幅に関しては、上記式（１）の関係を満たさず、多分割片を積み重ねた熱電変換素子を構成する全ての熱電変換素子分割片の高さ及び幅が、個々に上記式（１）の関係を満たすということである。
【００２２】
前記熱電変換素子は、実用的にはｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子を交互に並べて用いる。
【００２３】
ここでいうｐ型熱電変換素子とは、ペルチエ効果を利用した加熱・冷却素子においては、当該素子に流れる電流の上流で冷却され、電流の下流で加熱されるものをいう。また、ゼーベック効果を利用した発電素子においては、当該素子の冷却された低温側から加熱された高温側に向かって電流が流れるものをいう。
具体的には、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）とテルル化アンチモン（Ｓｂ２Ｔｅ３）との固溶体に代表されるビスマステルル系材料、ＰｂＴｅに代表される鉛テルル系材料、コバルト酸化物に代表される金属酸化物系材料、Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２に代表されるシリコンゲルマニウム系材料、コバルトとアンチモンの合金を含むスクッテルダイド化合物系材料、金属ケイ化物であるシリサイド化合物系材料、Ｂａ８Ｇａ１８−ｘＧｅ２８＋ｘ（０≦ｘ≦２）に代表されるクラスレート化合物系材料が挙げられる。この内、鉛やテルル、アンチモン等の毒性の高い金属を含まず、且つ、コバルトのような高価な希少金属を含まないという点で、クラスレート化合物系材料を用いるのが好ましい。
【００２４】
ここでいうｎ型熱電変換素子とは、ペルチエ効果を利用した加熱・冷却素子においては、当該素子に流れる電流の上流で加熱され、電流の下流で冷却されるものをいう。また、ゼーベック効果を利用した発電素子においては、当該素子の加熱された高温側から冷却された低温側に向かって電流が流れるものをいう。
具体的には、テルル化ビスマス（Ｂｉ２Ｔｅ３）とセレン化ビスマス（Ｂｉ２Ｓｅ３）との固溶体に代表されるビスマステルル系材料、ＰｂＴｅに代表される鉛テルル系材料、コバルト酸化物に代表される金属酸化物系材料、Ｓｉ０．８Ｇｅ０．２に代表されるシリコンゲルマニウム系材料、コバルトとアンチモンの合金を含むスクッテルダイド化合物系材料、金属ケイ化物であるシリサイド化合物系材料、Ｂａ８Ｇａ１８−ｘＧｅ２８＋ｘ（２≦ｘ≦４）に代表されるクラスレート化合物系材料が挙げられる。この内、鉛やテルル、アンチモン等の毒性の高い金属を含まず、且つ、コバルトのような高価な希少金属を含まないという点で、クラスレート化合物系材料を用いるのが好ましい。
【００２５】
ここでいう電極とは、熱電変換素子を直列に配列することで熱電変換素子間の電子の授受を補助するものである。なお、後述のように基板と熱電変換素子との熱のやり取りを妨げてはならないことから、熱抵抗が小さく良導体であることが要求され、銅、アルミニウム、ニッケル、金、タングステン等またこれらの合金を用いることができる。この中では、特に良導体として優れている銅を用いるのが好ましい。
また、熱電変換素子と拡散接合ができるように、電極内にチタンを混合したチタン‐銅電極を用いることもできる。
【００２６】
ここでいう基板とは、電極を通じて熱電変換素子と熱の授受を行うものである。熱抵抗が小さく絶縁体であること、耐振動及び衝撃性に優れること等が要求されることから、材質としてはアルミナ、ムライト、シリコンカーバイド、アルミナイトライド、シリコンナイトライドのうち少なくとも１種からなる焼結体を例示できる。特に、アルミナイトライド又はアルミナから成るセラミクスを用いるのが好ましい。
また、メタライズ電極付き基板を用いることで、はんだ付けによって素子と基板とを直接接合することができる。メタライズ電極付き基板とは、予め基板の所定の位置にメタライズ電極が薄く塗布されたものである。メタライズ電極の厚さ及び素材は、導電性とはんだ付けによる接合性とを鑑みて、５〜１００μｍの銅電極であるのが好ましい。
【００２７】
上記「２片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており」とは、必ずしも前記分割片同士の界面が、電流流路方向に全て垂直であるということを意味しない。図２は、２片の熱電変換素子分割片と電流流路方向とを示した断面模式図である。図２（ａ）及び（ｂ）には、電流流路方向６と、電流流路方向上流の熱電変換素子分割片７及び電流流路方向下流の熱電変換素子分割片８を示している。図２（ａ）に示すように、前記分割片７及び前記分割片８の界面が、前記方向６に垂直であってもよいし、また、図２（ｂ）に示すように、前記界面が前記方向６に垂直でなく、斜めになっていてもよい。ただし、本発明から外れる例を示す図８に示すように、２つの熱電変換素子分割片９の界面が、電流流路方向６と平行であることはないものとする。
さらに、熱電変換素子分割片同士は接合されず、互いに押し付け合うことによって電気的な導通を取る。なおこの際、熱電変換素子分割片同士の界面にはすべりやすく電気的導通を妨げない材料、例えばグラファイト、金、銅を塗布することで、熱電変換素子分割片にかかる熱応力をより緩和することができる。
【００２８】
以下、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。図３は本発明の熱電変換モジュールの典型例の断面模式図である。本発明の熱電変換モジュール２００は、ｐ型熱電変換素子１５及びｎ型熱電変換素子１６と、前記素子１５又は前記素子１６を挟持し且つ接合した一対の電極１３及び１４と、当該電極１３及び１４を挟持し且つ接合した一対の基板１１及び１２を有する。さらに、前記素子１５及び前記素子１６は、それぞれｐ型熱電変換素子分割片１５ａ及び１５ｂ、ｎ型熱電変換素子分割片１６ａ及び１６ｂの２片ずつが固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されている。
前記電極１４を延長することにより他の熱電変換素子を追加して配線することも可能で、その場合には、前記電極１４、前記ｐ型熱電変換素子１５、前記電極１３、前記ｎ型熱電変換素子１６、前記電極１４の順の繰り返し単位によって前記ｐ型熱電変換素子１５及び前記ｎ型熱電変換素子１６が交互且つ直列に配線されるようにする。
【００２９】
さらに、前記ｐ型熱電変換素子分割片１５ａ及び１５ｂ並びに前記ｎ型熱電変換素子分割片１６ａ及び１６ｂは、図に示すような高さＬ１〜Ｌ４、及び幅Ｗ１〜Ｗ２をそれぞれ有している。なお、Ｌ１＋Ｌ２＝Ｌ３＋Ｌ４であり、また、Ｗ１、Ｗ２の値は互いに独立である。
図３に示す各前記分割片の各長さの組（Ｌ１，Ｗ１）、（Ｌ２，Ｗ１）、（Ｌ３，Ｗ２）、（Ｌ４，Ｗ２）は、それぞれ上記式（１）に示す高さ方向の長さ（Ｌ）と幅方向の長さ（Ｗ）の関係を満たす。
【００３０】
式（１）は、「熱電変換システム設計のための解析」（小川吉彦著、森北出版、１９９８年発行）ｐ．１０３〜１０４の記載を参考に導き出すことができる。図４は、温度差による方形構造物の変形についての説明図である。
図４に示すように、高さＬ、幅Ｗの方形の構造物２１（奥行きは省略）が始めに一様温度ＴＲであったとする。次に、前記構造物２１の上部が温度ＴＣに冷却され、且つ、前記構造物２１の下部が温度ＴＨに加熱されることで、変形した構造物２２になったとする。このとき、変化した面は半径ＲＨの円断面の一部となるが、その中心でなす角度θは十分小さいとする。
【００３１】
図４に示す、温度ＴＨに加熱された面（以下、高温側面と呼ぶ）の加熱後の幅ＷＨと幅変化δＷＨは、
ＷＨ  ＝  Ｗ  ＋  δＷＨ      ・・・式（２）
と表される。また、温度変化に対応して長さが変化する割合を示す線膨張係数αを用いると、幅変化δＷＨ、幅Ｗ、温度ＴＨ及び初期温度ＴＲの関係は、式（３）のように記述できる。
δＷＨ  ＝  αＷ（ＴＨ−ＴＲ）      ・・・式（３）
【００３２】
図４に示す、温度ＴＣに冷却された面（以下、低温側面と呼ぶ）の冷却後の幅ＷＣと幅変化δＷＣは、
ＷＣ  ＝  Ｗ  −  δＷＣ      ・・・式（４）
と表される。また、温度変化に対応して長さが変化する割合を示す線膨張係数αを用いると、幅変化δＷＣ、幅Ｗ、温度ＴＣ及び初期温度ＴＲの関係は、式（５）のように記述できる。
δＷＣ  ＝  αＷ（ＴＲ−ＴＣ）      ・・・式（５）
【００３３】
さらに、角度θは十分小さいとの仮定より、以下に示す式（６）が成立する。式（６）の式変形により式（７）が得られる。
【００３４】
【数３】
2009081286.tif 000005
【００３５】
式（２）乃至（５）及び式（７）を用いることで、図４に示す高さ変化ΔＬＨは、式（８）のように表すことができる。
【００３６】
【数４】
2009081286.tif 000006
【００３７】
また、弾性率Ｅを用いると、高さ変化ΔＬＨ、高さＬ、破壊強度σの関係は、式（９）のように記述できる。
σ  ＝  Ｅ（ΔＬＨ／Ｌ）      ・・・式（９）
したがって、式（９）に式（８）を代入して、以下に示す式（１０）を得る。
【００３８】
【数５】
2009081286.tif 000007
【００３９】
一方、前記構造物２１及び２２を、熱変形前後の熱電変換素子分割片と見立てた際に、熱電変換素子分割片の破壊強度をσＴＥとすると、熱電変換素子分割片が自身の熱応力で破壊されないためには「σ＜σＴＥ」でなければならない。したがって式（１０）を用いることにより、以下に示す通り式（１）が求められた。
【００４０】
【数６】
2009081286.tif 000008
【００４１】
なお、破壊強度σＴＥは、４点曲げ試験により求めることができる。線膨張係数αは、ＴＭＡ８１４０（理学電気（株））を用いて、ＴＭＡ法により求めることができる。弾性率Ｅは、パルス法により求めることができる。前記熱電変換素子分割片の高温側温度ＴＨと初期温度ＴＲの温度差（ＴＨ−ＴＲ）、及び高温側温度ＴＨと低温側温度ＴＣの温度差（ＴＨ−ＴＣ）は、熱電対による直接計測により求めることができる。
【００４２】
また、図３においては前記ｐ型熱電変換素子１５及び前記ｎ型熱電変換素子１６のいずれも２つの熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されているが、前記素子１５及び前記素子１６のいずれか１つが、熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されていてもよい。また、３つ以上の熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されていてもよいし、さらには、前記素子１５及び前記素子１６とで積み重なる熱電変換素子分割片の数が異なっていてもよい。なお、一般的な設計においては、すべての前記素子１５及び前記素子１６の高さ（すなわち、すべての前記素子１５又は前記素子１６を構成する熱電変換素子分割片の高さの和）を等しくする必要がある。仮に１つの素子の高さが他の素子の高さと異なるとすると、基板によるすべての素子の挟持を正しく行うことができなくなってしまい、基板と各素子との熱の授受が不完全になり、その結果発電出力又は加熱若しくは冷却出力の極端な減少を招いてしまうことになる。
【００４３】
さらに、図５に示すように、熱電変換素子分割片同士の界面が電流流路方向に斜めになっている場合は、最も短い高さＬに関してのみ考慮すればよい。この理由としては、上記式（１）を考慮すると、式（１）中のＬが最も小さい時において、式（１）の条件が最も厳しくなるからであり、Ｌの最小値が式（１）を満たせば、熱電変換素子分割片中のいかなる高さＬも式（１）を満たすからである。したがって、図５においては、熱電変換素子分割片１５ａ、１５ｂ、１６ａ及び１６ｂに関する各長さの組（Ｌ７，Ｗ３）、（Ｌ６，Ｗ３）、（Ｌ９，Ｗ４）、（Ｌ１２，Ｗ４）が、それぞれ上記式（１）に示す高さ（Ｌ）と幅（Ｗ）の関係を満たしていればよく、高さＬ５、Ｌ８、Ｌ１０、Ｌ１１に関しては考慮しなくてよい。
【００４４】
図６は本発明の熱電変換モジュールの変形例の断面模式図である。本発明の熱電変換モジュール３００は、ｐ型熱電変換素子３５及びｎ型熱電変換素子３６と、前記素子３５又は前記素子３６を挟持し且つ接合した一対の電極３３及び３４と、当該電極３３及び３４を挟持し且つ接合した一対の基板３１及び３２を有する。さらに、前記素子３６は、ｎ型熱電変換素子分割片３６ａ及び３６ｂの２片が固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されている。
前記電極３４を延長することにより他の熱電変換素子を追加して配線することも可能で、その場合には、前記電極３４、前記ｐ型熱電変換素子３５、前記電極３３、前記ｎ型熱電変換素子３６、前記電極３４の順の繰り返し単位によって前記ｐ型熱電変換素子３５及び前記ｎ型熱電変換素子３６が交互且つ直列に配線されるようにする。
【００４５】
さらに、前記ｐ型熱電変換素子３５並びに前記ｎ型熱電変換素子分割片３６ａ及び３６ｂは、図に示すような高さＬ１３〜Ｌ１５、幅Ｗ５〜Ｗ７をそれぞれ有しており、Ｗ６＞Ｗ７である。なお、Ｌ１３＝Ｌ１４＋Ｌ１５である。
さらに、図６に示す各前記分割片の各長さの組（Ｌ１３，Ｗ５）、（Ｌ１４，Ｗ６）、（Ｌ１５，Ｗ７）は、それぞれ上記式（１）に示す高さ（Ｌ）と幅（Ｗ）の関係を満たす。
【００４６】
上記式（１）によって寸法を規定され、且つ、２片以上の幅（Ｗ）が等しい熱電素子分割片から構成されている熱電変換素子を用いる際、高さ（Ｌ）と幅（Ｗ）の関係が既に上記式（１）によって規定されていることから、自由に高さ（Ｌ）を変更することは難しい。しかし、図６に示すように、同じ前記素子３６に含まれる前記分割片３６ｂの前記幅Ｗ７が、他の前記分割片３６ａの前記幅Ｗ６よりも小さいという構成を採用することにより、前記幅Ｗ７を小さくするのに伴って、上記式（１）より前記分割片３６ｂの前記高さＬ１５を小さく抑えることができ、前記素子３６の高さを抑えることができる。それに伴って、熱電変換モジュール全体の高さを低くすることができる。
【００４７】
このような構成の熱電変換モジュールは、熱電変換素子分割片の高さ（Ｌ）と幅（Ｗ）を上記式（１）のように規定することによって、個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和することができ、熱電変換素子分割片が固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されている熱電変換素子自体の破壊を防止することができる。
また、このような構成の熱電変換モジュールは、前記幅（Ｗ）を小さくするのに伴って、上記式（１）より前記熱電変換素子分割片の高さ（Ｌ）を小さく抑えることができることから、結果的に熱電変換モジュール全体の高さを低くすることができ、個々の前記熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和しながら熱電変換モジュールの占有体積を小さく抑えることができる。
【実施例】
【００４８】
図７に本発明の実施例１乃至４及び比較例の熱電変換モジュールの一部である、ｐ型熱電変換素子、ｎ型熱電変換素子及び電極の構成を示した。なお、図中白い四辺形がｐ型熱電変換素子又はｐ型熱電変換素子分割片であり、それと対をなす黒い四辺形がｎ型熱電変換素子又はｎ型熱電変換素子分割片である。また、縦縞の四辺形が、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子をつなぐ電極を表している。
【００４９】
［実施例１］
図７（ａ）に示す実施例１は、典型例（図３）を反映したものであり、ｐ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１８Ｇｅ２８、ｎ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０を用いた。Ｂａ８Ｇａ１８Ｇｅ２８の破壊強度σＴＥは１１０ＭＰａ、線膨張係数αは１４×１０−６、弾性率Ｅは９０ＧＰａ、及びＢａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０の破壊強度σＴＥは１１０ＭＰａ、線膨張係数αは１４×１０−６、弾性率Ｅは９０ＧＰａであり、前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度ＴＨ、低温側温度ＴＣ、初期温度ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（６００℃，５３０℃，２０℃）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の前記ＴＨ、前記ＴＣ、前記ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（５３０℃，１００℃，２０℃）であることから、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（１．２７ｍｍ，４．０ｍｍ）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（３．２ｍｍ，４．０ｍｍ）である。
【００５０】
［実施例２］
図７（ｂ）に示す実施例２は、典型例（図３）を反映したものであるが、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子はそれぞれ３つの熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されている。上記同様ｐ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１８Ｇｅ２８、ｎ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０を用いた。前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度ＴＨ、低温側温度ＴＣ、初期温度ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（６００℃，５３０℃，２０℃）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の前記ＴＨ、前記ＴＣ、前記ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（５３０℃，４６０℃，２０℃）であり、高温側面から数えて３つ目の熱電変換素子分割片の前記ＴＨ、前記ＴＣ、前記ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（４６０℃，１００℃，２０℃）であることから、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（１．３ｍｍ，４．０ｍｍ）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（１．３ｍｍ，４．０ｍｍ）であり、高温側面から数えて３つ目の熱電変換素子分割片の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（２．９ｍｍ，４．０ｍｍ）である。
【００５１】
［実施例３］
図７（ｃ）に示す実施例３は、典型例を反映し、図５に示したように熱電変換素子分割片同士の界面が電流流路方向に垂直でなく斜めになっている。上記同様ｐ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１８Ｇｅ２８、ｎ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０を用いた。前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度ＴＨ、低温側温度ＴＣ、初期温度ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（６００℃，５３０℃，２０℃）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の前記ＴＨ、前記ＴＣ、前記ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（５３０℃，１００℃，２０℃）であることから、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の考慮すべき高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（１．３ｍｍ，４．０ｍｍ）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の考慮すべき高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（３．２ｍｍ，４．０ｍｍ）である。
【００５２】
［実施例４］
図７（ｄ）に示す実施例４は、変形例（図６）を反映したものであり、ｎ型熱電変換素子は２片の熱電変換素子分割片から構成されるのに対し、ｐ型熱電変換素子は１片の素子のみから成る。また、上記同様ｐ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１８Ｇｅ２８、ｎ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０を用いた。前記ｐ型熱電変換素子の高温側温度ＴＨ、低温側温度ＴＣ、初期温度ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（６００℃，１００℃，２０℃）であり、ｎ型熱電変換素子を構成する高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の前記ＴＨ、前記ＴＣ、初期温度ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（６００℃，５３０℃，２０℃）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の前記ＴＨ、前記ＴＣ、前記ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（５３０℃，１００℃，２０℃）であることから、ｐ型熱電変換素子の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（４．０ｍｍ，４．０ｍｍ）であり、ｎ型熱電変換素子を構成する高温側面から数えて１つ目の熱電変換素子分割片の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（１．２７ｍｍ，４．０ｍｍ）であり、高温側面から数えて２つ目の熱電変換素子分割片の高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（２．７ｍｍ，３．４ｍｍ）である。
【００５３】
［比較例］
図７（ｅ）に示す比較例は、従来通り、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子のどちらも１片の素子のみから成るものを用いた。また、上記同様ｐ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１８Ｇｅ２８、ｎ型熱電変換素子にはＢａ８Ｇａ１６Ｇｅ３０を用いた。前記ｐ型熱電変換素子及び前記ｎ型熱電変換素子ともに、高温側温度ＴＨ、低温側温度ＴＣ、初期温度ＴＲが（ＴＨ，ＴＣ，ＴＲ）＝（６００℃，１００℃，２０℃）であり、ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子ともに、高さＬと幅Ｗは（Ｌ，Ｗ）＝（３．４ｍｍ，４．０ｍｍ）である。
【００５４】
なお、実施例１乃至４及び比較例の全てにおいて、以下の共通する条件を用いた。すなわち、高温側電極にはＴｉ２Ｃｕ３を用い、拡散接合により熱電変換素子と接合した。低温側電極には銅を用い、低温側電極と接する熱電変換素子の部位にはＡｕメッキ、Ｎｉメッキ、Ａｕメッキの順にメッキを施した後、はんだ付けにより低温側電極と接合した。熱電変換素子を構成する熱電変換素子分割片同士は接合せず、互いに押し付け合い、さらに熱電変換素子分割片同士の界面にすべりやすく電気的導通を妨げない材料である銅を塗布することで電気的な導通を取った。さらに、一対の窒化アルミを基板として、電極の両側から挟持し、熱電変換モジュールを作製した。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】一般的な熱電変換モジュールの層構成を模式的に示した図である。
【図２】２片の熱電変換素子分割片と電流流路方向とを示した断面模式図である。
【図３】本発明の熱電変換モジュールの典型例の断面模式図である。
【図４】温度差による方形構造物の変形についての説明図である。
【図５】熱電変換素子分割片同士の界面が電流流路方向に斜めになっている場合を示した断面模式図である。
【図６】本発明の熱電変換モジュールの変形例の断面模式図である。
【図７】本発明の実施例１乃至４及び比較例の熱電変換モジュールの一部である、ｐ型熱電変換素子、ｎ型熱電変換素子及び電極の構成を示した図である。
【図８】本発明から外れる例を示す図であり、２つの熱電変換素子分割片の界面が、電流流路方向と平行であることを示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
１…ｐ型熱電変換素子
２…ｎ型熱電変換素子
３…電極
４…基板
５…端の電極
６…電流流路方向
７…電流流路方向上流の熱電変換素子分割片
８…電流流路方向下流の熱電変換素子分割片
９…熱電変換素子分割片
１１、１２…基板
１３、１４…電極
１５…ｐ型熱電変換素子
１５ａ、１５ｂ…ｐ型熱電変換素子分割片
１６…ｎ型熱電変換素子
１６ａ、１６ｂ…ｎ型熱電変換素子分割片
２１…方形の構造物
２２…変形した構造物
３１、３２…基板
３３、３４…電極
３５…ｐ型熱電変換素子
３６…ｎ型熱電変換素子
３６ａ、３６ｂ…ｎ型熱電変換素子分割片
１００…熱電変換モジュール
２００…熱電変換モジュール
３００…熱電変換モジュール
【図１】
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【図２】
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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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