JP2008010764A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換装置の導電性並びに熱伝導性を確保しつつ、その熱応力を緩和する。
【解決手段】対向する二枚の熱交換基板の間に並設される互いに極性の異なった少なくとも一対の第１の半導体素子及び第２の半導体素子と、前記二枚の熱交換基板のうち高温側となる一方の前記熱交換基板と前記第１及び前記第２の半導体素子との間と、前記二枚の熱交換基板のうち低温側となる他方の前記熱交換基板と前記第１及び前記第２の半導体素子との間にそれぞれ介在し、前記第１及び前記第２の半導体素子を交互に直列接続していく弾性力を有した電極板と、前記一方及び前記他方の熱交換基板の間に配設されて前記一方及び前記他方の熱交換基板を支持する棒部材と、前記第１及び前記第２の半導体素子と前記電極板とを圧着すべく前記一方及び前記他方の熱交換基板の外側より前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱エネルギー及び電気エネルギーを相互に変換する熱電変換装置に関する。

いわゆるペルチェ効果を利用して電気エネルギーを熱エネルギーに変換したり、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換したりする熱電変換素子が知られている。例えばゼーベック効果を利用する場合、異なる２種類の金属やＰ型半導体及びＮ型半導体等の熱電変換素子を熱的に並列に配置し、これらの素子を電気的に直列に接続し外部に負荷を接続して閉回路を構成することにより、この閉回路に電流が流れ、電力として取り出すことができる。このような構成によれば、例えば高温流体及び低温流体の温度差に基づいて熱電発電が可能となる（例えば、特許文献１参照。）。

図１５を参照しつつ、熱交換器に配設されて熱電発電装置となる熱電変換装置９００の構成例について説明する。同図は、熱電変換装置９００の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。この熱電変換装置９００は、主として、少なくとも一対のＮ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０と、これらを交互に直列接続していく電極板９３０、９４０、９５０と、を備えて構成されるものである。このようなπ型構造を有する２つの半導体素子９１０、９２０及び３つの電極板９３０、９４０、９５０を単位ユニットとして、複数個の単位ユニットが直列接続されることにより、実際の熱電変換装置９００が構成される。以下、この単位ユニットの構成について更に詳しく述べる。

同図に例示されるように、前述した単位ユニットにおいて、Ｎ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０は、熱交換器における高温側の熱交換基板９０１及び低温側の熱交換基板９０２の間に並設される。電極板９３０は低温側の熱交換基板９０２とＮ型半導体素子９１０との間に介在し、電極板９４０は低温側の熱交換基板９０２とＰ型半導体素子９２０との間に介在し、電極板９５０は高温側の熱交換基板９０１と２つの半導体素子９１０、９２０との間に介在する。

また、同図に例示されるように、電極板９３０、９４０、９５０は、熱交換基板９０１、９０２に対して電気的絶縁性を有する接着材９８０により固着されている。一方、この電極板９３０、９４０、９５０は、２つの半導体素子９１０、９２０に対して半田（又は銀ロウ）９９０によりろう接されている。尚、電極板９３０、９４０、９５０と、２つの半導体素子９１０、９２０とは、例えば溶射により融接されている場合もある。

以上の構成により、高温側の熱交換基板９０１及び低温側の熱交換基板９０２の温度差に基づいて、電流は、電極板９３０、Ｎ型半導体素子９１０、電極板９５０、Ｐ型半導体素子９２０、電極板９４０の順（図１５の矢印の向き）に流れる。尚、熱電冷却装置としての構成例についても上記と同様である。
特開平１１−１７２３４号公報

ところで、前述した構成を備えた熱電変換装置９００には、対向する二枚の熱交換基板９０１、９０２の熱膨張及び熱収縮に伴う変形により熱応力が発生し易い。例えば、高温側の熱交換基板９０１が熱膨張する際、銅板等からなる電極板９５０及び半田（又は銀ロウ）９９０も略同様に熱膨張する。一方、Ｎ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０は、一般的に、電極板９５０及び半田（又は銀ロウ）９９０とは膨張率が異なる。このため、半導体素子９１０、９２０、電極板９５０、及び半田（又は銀ロウ）９９０には、図１５におけるＸＹ面に沿って熱応力が作用する。このような熱応力が繰り返し作用した場合、電極板９５０及び半田（又は銀ロウ）９９０よりも機械的強度が弱いＮ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０に先ずクラックが発生し、このクラックが伸展して破断に至り、結果的に熱電変換装置９００の寿命が短くなる虞がある。このような問題は、低温側の熱交換基板９０２が熱収縮した場合にも同様に発生する。但し、半田（又は銀ロウ）９９０は、Ｎ型半導体素子９１０及びＰ型半導体素子９２０と電極板９３０、９４０、９５０との間の電流の経路並びに熱の経路を確保し、熱電変換装置９００の起電力を保持する（即ち、熱電変換効率を維持する）ためには依然として重要な役割を有する。

前記課題を解決するための発明は、対向する二枚の熱交換基板の間に並設される互いに極性の異なった少なくとも一対の第１の半導体素子及び第２の半導体素子と、前記二枚の熱交換基板のうち高温側となる一方の前記熱交換基板と前記第１及び前記第２の半導体素子との間と、前記二枚の熱交換基板のうち低温側となる他方の前記熱交換基板と前記第１及び前記第２の半導体素子との間にそれぞれ介在し、前記第１及び前記第２の半導体素子を交互に直列接続していく弾性力を有した電極板と、前記一方及び前記他方の熱交換基板の間に配設されて前記一方及び前記他方の熱交換基板を支持する棒部材と、前記第１及び前記第２の半導体素子と前記電極板とを圧着すべく前記一方及び前記他方の熱交換基板の外側より前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、を有することとする。

熱電変換装置の導電性並びに熱伝導性を確保しつつ、その熱応力を緩和できる。

＝＝＝ 第１の実施形態 ＝＝＝
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置５００の構成例について説明する。尚、以下の説明を通して、各部材の番号に関して、同一の部材には同じ番号を付する。

＜＜＜ 基本構成 ＞＞＞
図１に例示されるように、本実施形態の熱電変換装置５００は、互いに極性の異なる少なくとも一対の熱電変換用のＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板５０、６０、７０と、ボルト・ナット（棒部材、圧着部材）９０と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図１は、本実施形態の熱電変換装置５００の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。

Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０は、例えば直方体形状を呈する半導体素子である。Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０は、本実施形態の熱交換器の対向する高温側の熱交換基板３０（熱交換基板、＋Ｚ側）及び低温側の熱交換基板４０（熱交換基板、−Ｚ側）の間に並設されており、本実施形態の熱電変換装置５００におけるπ型の単位ユニットを構成するものである。すなわち、熱電変換装置５００は、図１に示されるπ型の単位ユニットが複数個組み合わせて構成されるものであり、これらのπ型の単位ユニット１００ａの起電力の合計が、熱電発電装置としての熱電変換装置５００の起電力となる。

電極板５０、６０、７０は、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０を、Ｎ・Ｐ・Ｎ・Ｐ・・・等といった順に、交互に直列接続していくための弾性力を有した電極である。例えば、一枚のゴム状の電極板５０、６０、７０が考えられる。

電極板５０は、低温側の熱交換基板４０とＮ型半導体素子１０の下部との間に介在する銅板であるとともに、当該単位ユニットに隣接する単位ユニットの電極（当該単位ユニットの電極板６０に対応する）をなす銅板にもなりえる。
電極板６０は、高温側の熱交換基板３０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の上部との間に介在する銅板である。
電極板７０は、低温側の熱交換基板４０とＰ型半導体素子２０の下部との間に介在する銅板であるとともに、当該単位ユニットに隣接する単位ユニットの電極（当該単位ユニットの電極板５０に対応する）をなす銅板にもなりえる。

なお、本実施形態の電極板５０、６０、７０は、それぞれ、電気的導通させた複数の電極層を形成している。当該複数の電極層は、一枚の電極板５０、６０、７０を短手方向（図中に示すＹ座標）に沿って少なくとも一回折り曲げることで形成される。例えば、一枚の電極板５０を図中に示すI部とII部の箇所で二回折り曲げることによって、各電極層間で電気的導通が分断することなく、渦巻き状の３層分の電極層５０ａ、５０ｂ、５０ｃが形成される。また、電極板６０、７０についても同様に、それぞれ、渦巻き状の３層分の電極層６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、渦巻き状の３層分の電極層７０ａ、７０ｂ、７０ｃが形成される。尚、電極板５０、６０、７０それぞれの複数の電極層は、図１に例示する渦巻き状の形状に限らず、例えば、Ｓ字状の形状としてもよいが、渦巻き状の形状の方が弾性力の点で優れるので好ましい。

この結果、熱交換基板３０、３１とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との間の熱膨張係数の相違に起因して、熱交換基板３０、３１の熱膨張又は熱収縮が生じた場合にＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０には熱応力が発生することになるが、電極板５０、６０、７０が、当該熱応力を緩和させるための、いわゆる弾性を有したバネとして機能することになる。

例えば、電極板５０、６０、７０の折り曲げ箇所である図１に示すI部とII部は弾性力に富むので、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の熱変形が吸収される、すなわち熱応力が緩和される。尚、当該熱応力は、図１に示すＸＹ面に沿った横方向に発生する場合と、図１に示すＺＹ平面に沿った縦方向に発生する場合とがあるが、電極板５０、６０、７０は、これらの横方向並びに縦方向の熱応力をともに緩和させる働きを有する。

さらに、電極板５０、６０、７０がいわゆるバネとして機能することで、電極板５０、６０、７０と、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との密着性が向上することになる。しかして、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０双方の対向する面（図１に示すＸＹ面）同士が粗くて平坦な形状でなかったとしても、電極板５０、６０、７０が備える弾性力によってそれらの面の粗さを吸収することができる。よって、前述した密着性が得られるので、熱電変換装置５００の主たる目的である電気伝導性並びに熱伝導性が確保される。

ボルト・ナット９０は、ボルト９０ａとナット９０ｂで構成され、電極板５０、６０、７０と、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の圧着面との間を、半田や銀ろう等を介在させずに、機械的に圧着させる部材である。

ボルト９０ａは、対向する熱交換基板３０、４０の間に配設されて熱交換基板３０、４０を支持する棒部材と、熱交換基板３０の外側（＋Ｚ側）を開口させた座ぐり３１に当接する頭部（圧着部材）と、を有する部材である。尚、本実施形態のボルト９０ａは、対向する熱交換基板３０、４０の間に、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０とそれらと圧着させる電極板５０、６０、７０に対して並列に配設される場合である。

ナット（圧着部材）９０ｂは、低温側の熱交換基板４０の外側（−Ｚ側）を開口させた座ぐり４１を貫いたボルト９０ａの棒部材の頭部と反対側の先端部分に形成されるネジ（不図示）と噛合する圧着部材である。すなわち、ボルト９０ａは、高温側の熱交換基板３０の外側（＋Ｚ側）にある座ぐり３１から挿入されており、ナット９０ｂは、低温側の熱交換基板４０の外側（−Ｚ側）にある座ぐり４１に現れるボルト９０ａのネジと噛合する。

ボルト・ナット９０を使用することにより、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板５０、６０、７０との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板３０、４０と電極板５０、６０、７０との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。

この結果、例えば、熱交換基板３０、電極板６０、Ｐ型半導体素子２０、電極板７０並びに熱交換基板４０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板６０、Ｐ型半導体素子２０並びに電極板７０をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板４０、電極板５０、Ｎ型半導体素子１０、電極板６０並びに熱交換基板３０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板５０、Ｎ型半導体素子１０並びに電極板６０をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。

また、ボルト・ナット９０を使用することにより、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板５０、６０、７０との間は、図１に示すＸＹ面及びＺＹ面に沿った相互の摺動が可能となるとともに、熱交換基板３０、４０と電極板５０、６０、７０との間についても、図１に示すＸＹ面及びＺＹ面に沿った相互の摺動が可能となる。この結果、熱交換基板３０、３１とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との間の熱膨張係数の相違に起因して、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０に生じる熱応力が緩和されることになる。

ところで、熱電変換装置１０１の熱電変換効率を向上させるために基板３０、４０の間には熱伝導性の媒体をできるだけ介在させない必要がある。このため、例えば、ボルト９０ａの少なくとも棒部には、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性の低い材質を用いることが好ましい。ボルト・ナット９０の材料としては、例えば、ポリイミド樹脂、ＳＩＯ２ガラス又はジルコニア等が挙げられる。あるいは、ボルト９０ａの棒部が電気的絶縁性を有するチューブ等で被覆されている場合、この棒部は、熱伝導性が低いという条件を満たすならば、たとえ電気伝導性が高い材質であってもよい。この場合、ボルト・ナット９０には例えばＳＵＳ等の金属製のものが使用できるため、例えば、前述したポリイミド樹脂製のものに比べて部材の調達が容易になる。

固体潤滑性物質（絶縁性潤滑材）８０は、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）粒子等を採用することができる。固体潤滑性物質８０は、電極板５０、６０、７０との間の電気的絶縁性並びに潤滑性をともに確保するために、熱交換基板３０の内側（−Ｚ側）及び熱交換基板４０の内側（＋Ｚ側）の面に対し塗布される。なお、電極板５０、６０、７０と熱交換基板３０、４０の面との間は電気的絶縁体が介在していればよい。但し、固体潤滑性物質８０を用いた方が、電極板５０、６０、７０と熱交換基板３０、４０の面との間のＸＹ面及びＹＺ面に沿った相互の変位をより円滑化させる。すなわち、熱交換基板３０、４０の熱膨張又は熱収縮に伴ってＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０に生じ得る熱応力を緩和させることができる。

＜＜＜ 半導体素子の選択の自由度向上 ＞＞＞
Ｎ型半導体素子を構成する様々な合金は、耐熱温度や、熱電材料としての性能を示すいわゆる無次元性能指数が最大となる温度（以下、最大性能温度という。）が規定されている。尚、Ｎ型半導体素子の推奨温度は、例えば、n-CoSb合金ではおよそ８００Ｋであり、n-MgSi合金ではおよそ７００Ｋであり、n-PbTe合金ではおよそ６００Ｋであり、n-BiTe合金ではおよそ３００Ｋであることが知られている。尚、「n-」はいわゆるＮドープを意味する。

同様に、Ｐ型半導体素子を構成する様々な合金についても、耐熱温度や最大性能温度が規定されている。尚、Ｐ型半導体素子の最大性能温度は、例えば、p-SiGe合金ではおよそ１１００Ｋであり、p-CeFeSb合金ではおよそ１０００Ｋであり、p-MnSi合金ではおよそ７００Ｋであり、p-BiTe合金ではおよそ３００Ｋであることが知られている。尚、「p-」はいわゆるＰドープを意味する。

ここで、同一のπ型の単位ユニットを構成するＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０は、熱交換基板３０、４０の温度に応じて、前述した耐熱温度や最大性能温度を基本的には一致させるように、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０を選択する必要がある。しかし、同一の耐熱温度並びに最大性能温度のＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０を選択した場合であっても、製造バラツキが潜在的に存在し得る。

また、後述するカスケード半導体素子で構成した単位ユニット（図１３参照）についても同様のことがいえ、高温域仕様のＮｈ型半導体素子２００及びＰｈ型半導体素子２２０と、低温域仕様のＰｃ型半導体素子２１０及びＮｃ型半導体素子２３０の耐熱温度を一致させる必要がある。

なお、後述するカスケード半導体素子で構成した単位ユニットの場合では、高温域仕様のＮｈ型半導体素子２００及びＰｈ型半導体素子２２０と、低温域仕様のＰｃ型半導体素子２１０及びＮｃ型半導体素子２３０について、積極的に、耐熱温度や最大性能温度を異ならせて使用する場合も考えられる。

例えば、高温側の熱交換基板３０が例えば８００Ｋ以上であり、低温側の基板４０が例えば３００Ｋ以下である場合、高温域仕様のＮｈ型半導体素子２００にはn-CoSb合金を使用し、高温域仕様のＰｈ型半導体素子２２０にはp-CeFeSb合金を使用し、低温域仕様のＮｃ型半導体素子２３０にはn-BiTe合金を使用し、低温域仕様のＰｃ型半導体素子２１０にはp-BiTe合金を使用する場合とする。

この場合、熱交換基板３０の近傍にあるn-CoSb合金及びp-CeFeSb合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、熱交換基板３０の温度（８００Ｋ以上）に応じた温度となる。一方、熱交換基板４０の近傍にあるn-BiTe合金及びp-BiTe合金の温度（カスケード半導体素子の温度）は、熱交換基板４０の温度（３００Ｋ以下）に応じた温度となる。よって、n-CoSb合金及びp-CeFeSb合金は、n-BiTe合金及びp-BiTe合金に比べて、熱交換基板３０及び熱交換基板４０の温度差（およそ５００Ｋ以上）に応じた温度差をもって、より高温となる。

この結果、各半導体素子の熱電変換効率の平均値が上記温度分布（８００Ｋ、３００Ｋ）において最大となり、例えば、高温域仕様及び低温域仕様のＮｈ型及びＮｃ型半導体素子２００、２３０両方にn-CoSb合金を使用した場合に比べて、熱電変換効率が向上することが見込まれる。

そこで、図１に示した本実施形態を採用することによって、電極板５０、６０、７０の弾性力とボルト・ナット９０による圧着調整力とによって、Ｎ型半導体素子１０とＰ型半導体素子２０との間に製造バラツキ（耐熱温度や最大性能温度のバラツキ）があったとしても、当該製造バラツキをπ型の単位ユニット側で吸収することが可能となる。

例えば、図２に示すように、π型の単位ユニットにおいて、製造バラツキに起因してＮ型半導体素子１０とＰ型半導体素子２０双方の耐熱温度並びに最大性能温度を一致させた結果、Ｎ型半導体素子１０と対比してＰ型半導体素子２０のＺ方向の長さが短い場合とする。この場合、本実施形態では、電極板５０、６０、７０の弾性力とボルト・ナット９０による圧着調整力とによって、Ｎ型半導体素子１０とＰ型半導体素子２０との間のＺ方向の長さの相違を吸収することができる。

また、カスケード半導体素子で構成する単位ユニットの場合、積極的に、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子の耐熱温度並びに最大性能温度を異ならせて使用することで、熱電変換効率の向上を図る場合があるが、電極板５０、６０、７０の弾性力とボルト・ナット９０による圧着調整力とによって、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子の耐熱温度並びに最大性能温度の相違を吸収することができる。

すなわち、本実施形態によれば、単位ユニットを構成するＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０を選択する際の自由度が格段に向上することになる。

＝＝＝第１の実施形態に係るその他の形態＝＝＝
＜＜＜電極板内にバネを設ける場合＞＞＞
図１に示した本発明の第１の実施形態に関して、電極板５０、６０、７０を構成する複数の電極層の間に介在させるバネ（弾性部材）１００をさらに有するのが好ましい。
図３（ａ）は、この場合におけるπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示したものである。尚、図３（ａ）に示す実施形態は、電極板６０の電極層６０ａ、６０ｂの間の空隙にバネ１００を設けた場合である。

この場合、電極板５０、６０、７０内にバネ１００を更に設けることで、図１に示した実施形態と対比して、電極板５０、６０、７０の弾性力が増すことになり、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との間の密着性向上による熱伝導性並びに電気伝導性の更なる確保や、熱交換基板３０、４０の熱膨張又は熱収縮に伴ってＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０に生じ得る熱応力をさらに緩和させることが可能となる。

＜＜＜ボルト等を素子内に貫通させる場合＞＞＞
図１に示した本発明の第１の実施形態に関して、一方の熱交換基板３０の外側（＋Ｚ側）を開口した座ぐり３２から他方の熱交換基板４０の外側（−Ｚ側）を開口した座ぐり（不図示）までの間で電極板６０、７０及びＰ型半導体素子２０を介して貫通し、また、一方の熱交換基板３０の座ぐり３２から他方の熱交換基板４０の座ぐりまでの間で電極板６０、５０及びＮ型半導体素子１０を介して貫通する貫通孔１１をそれぞれ設け、ボルト９１ａがこれらの貫通孔１１に挿入されることが好ましい。尚、ボルト９１ａの頭部の反対側にあるネジに対して、ナット（不図示）が噛合されることは言うまでもない。

図３（ｂ）は、この場合におけるπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示したものである。尚、図３（ｂ）に示す実施形態は、ボルト９１ａを、熱交換基板３０とその内側の面に塗布させる固体潤滑性物質８０、電極板６０、Ｎ型半導体素子１０、電極板５０及び熱交換基板４０とその内側に塗布される固体潤滑性物質８０を上下方向（±Ｚ方向）に貫通させた貫通孔１１へと挿入した場合である。尚、ボルト９１ａの頭部の反対側にあるネジに対してナット（不図示）が噛合される。この場合、図１に示した実施形態と対比して、熱交換基板３０、４０と、電極板５０、６０、７０と、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との間の密着性の更なる向上が図られるので、熱伝導性並びに電気伝導性の更なる確保が可能となる。

さらに、貫通孔１１及びボルト９１ａの棒部との間に隙間を生じさせるべく、貫通孔１１の径とボルト９１ａの棒部の径の大きさが設定されることが好ましい。この結果、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０は、この隙間の分だけ相互に摺動可能となる。よって、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との熱膨張差によるＸＹ面及びＹＺ面に沿った熱応力が、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０とのＸＹ面及びＹＺ面に沿った相互の摺動において吸収されるので、更に緩和させることが可能となる。

ところで、本実施形態のボルト９１ａは、貫通孔１１の内面と、ボルト９１ａの棒部とが相互に電気的絶縁性を有する必要がある。また、熱電変換装置５００の熱電変換効率を向上させるべく、高温側の熱交換基板３０及び低温側の熱交換基板４０の間には熱伝導性の媒体をできるだけ介在させない方が良い。

そこで、例えば、ボルト９１ａの少なくとも棒部としては、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性の低い材質を用いることが好ましい。ボルト９１ａの材料としては、例えば、ポリイミド樹脂、ＳＩＯ２ガラス又はジルコニア等が挙げられる。あるいは、例えば、貫通孔１１の内周面又はボルト９１ａの棒部が、電気的絶縁性を有するチューブ等で被覆されている場合には、この棒部は、熱伝導性が低ければ、たとえ電気伝導性が高い材質であってもよい。この場合、ボルト９１ａとしては、例えばＳＵＳ等の金属製のものが使用できるため、例えば、前述したポリイミド樹脂製のものに比べて部材調達が容易になる。

＜＜＜ボルト等を素子内に貫通させ且つ電極板内にバネを設ける場合＞＞＞
図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示したπ型構造の単位ユニットに関して、図３（ａ）に示したように、電極板５０、６０、７０の内部にバネ１００を設けた場合のπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示したものである。

尚、図３（ｃ）に示す実施形態は、ボルト９１ａを、熱交換基板３０とその内側の面に塗布させる固体潤滑性物質８０、電極板６０、Ｎ型半導体素子１０、電極板５０及び熱交換基板４０とその内側に塗布される固体潤滑性物質８０を上下方向（±Ｚ方向）に貫通させた貫通孔１１へと挿入した上で、更に、電極板６０の電極層６０ａ、６０ｂの間にある空隙にバネ１００を設けた場合である。尚、ボルト９１ａの頭部の反対側にあるネジに対してナット（不図示）が噛合される。

図３（ｃ）に示す場合では、図３（ｂ）に示した実施形態と対比して、電極板６０の弾性力が更に増すことになり、熱交換基板３０、４０と、電極板５０、６０、７０と、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との間の密着性向上によって熱伝導性並びに電気伝導性の更なる確保が可能となる。また、熱交換基板３０、４０の熱膨張又は熱収縮に伴ってＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０に生じ得る熱応力をさらに緩和させることが可能となる。

＜＜＜導電性並びに熱伝導性を有した接着剤を使用する場合＞＞＞
図１並びに図３（ａ）〜（ｃ）に示した本発明の第１実施形態に関して、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との間は、導電性並びに熱伝導性を有した接着材１１０ｄで接着することが好ましい。尚、熱交換基板３０、４０の内側に固体潤滑性物質８０を塗布させる場合には、更に、熱交換基板３０、４０と固体潤滑性物質８０との間を接着剤１１０ａで接着し、固体潤滑性物質８０と電極板５０、６０、７０との間を接着剤１１０ｂで接着し、さらに、電極板５０、６０、７０の各電極層のうち密着させる層間に接着剤１１０ｃで接着することが好ましい。

尚、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤１１０ａ〜１１０ｄの材料としては、例えば、図５に示した仕様を示す銀充填型セラミックペーストを採用することができる。銀充填型セラミックペーストとは、耐熱性に優れたセラミックペーストに対して銀を充填させることで、更に高導電性並びに高伝導性の特性を実現した接着剤である。尚、銀充填型セラミックペーストに限られず、密着性を確保するだけならば非導電性樹脂をベースにした一般のエポキシ接着剤等を採用してもよいが、銀充填型セラミックペーストの方が、高導電性を得られるので好適である。

＜＜＜バネを介してナットをボルトに噛合させる場合＞＞＞
図１並びに図３（ａ）〜（ｃ）に示した本発明の第１実施形態に関して、低温側の熱交換基板４０の外側（−Ｚ側）の座ぐり４１、４２に現れるボルト９０ａ、９１ａのネジに対しバネ９５を介してナット９０ｂ等を噛合させるようにしてもよい。図６は、図１に対応した実施形態に対してバネ９５を介在させた場合である。

この場合、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０は、ボルト９０ａの頭部、ナット９０ｂ、及びバネ９５によって、図６に示すＺ軸方向に圧着される。尚、バネ９５より、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０とは、バネ９５によって、図６に示すＹＺ面に沿って摺動可能となる。

ここで、もしナット９０ｂがボルト９０ａに対してより締め込まれれば、バネ９５の弾性力がより大きくなって、前述した圧着がより強まり、ひいては、接触抵抗がより小さくなる。よって、電極板５０、Ｎ型半導体素子１０、電極板６０、Ｐ型半導体素子２０、電極板７０へ流れる電流はより大きくなり、高温側の熱交換基板３０及び低温側の熱交換基板４０の間の温度差に応じて生じる起電力（熱電変換効率）もより大きくなる。

一方、もしナット９０ｂがボルト９０ａからより緩められれば、バネ９５の弾性力がより小さくなって、前述した圧着がより弱まり、電極板５０、６０、７０と、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０との熱膨張差によるＹＺ面に沿った熱応力が、電極板５０、６０、７０とＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０とのＹＺ面に沿った相互の摺動に吸収されてより小さくなる。

以上より、バネ９５を介したボルト・ナット９０の締め込みの度合いを所定のレベルに設定することにより、前述した圧着及び摺動のバランスをとることができる。つまり、バネ９５の弾性力を、熱電変換装置５００の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制するように設定できる。

尚、バネ９５は、高温劣化防止及び圧着の調整のために、低温側の基板４０に設けることが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば高温側の熱交換基板３０及び低温側の熱交換基板４０の両方に備えていてもよい。

＝＝＝ 第２の実施形態 ＝＝＝
以下、図面を参照しつつ、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換装置５１０の構成例について説明する。ここで、本発明の第２の実施形態は、電極板５１、６１、７１を構成する複数の電極層に関して、１枚の電極板５１、６１、７１を短手方向に沿って一回折り曲げてコの字状又は逆コの字状に形成した場合である。尚、図７は、本実施形態の熱電変換装置５１０の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。

本発明の第２実施形態では、図１に示した本発明の第１の実施形態と対比して、１枚の電極板５１、６１、７１を一回折り曲げただけの単純な構成をとるが、本発明の第１の実施形態の場合と同様に、例えば、電極板５１、６１、７１の折り曲げ箇所である図７に示すI部は弾性力に富むので、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の熱変形が吸収される、すなわち熱応力が緩和される。

また、ボルト・ナット９０を使用することにより、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板５１、６１、７１との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板３０、４０と電極板５１、６１、７１との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。

この結果、例えば、熱交換基板３０、電極板６１、Ｐ型半導体素子２０、電極板７１並びに熱交換基板４０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板６１、Ｐ型半導体素子２０並びに電極板７１をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板４０、電極板５１、Ｎ型半導体素子１０、電極板６１並びに熱交換基板３０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板５１、Ｎ型半導体素子１０並びに電極板６１をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。

また、本発明の第１の実施形態の場合と同様に、電極板５１、６１、７１の内部にバネ１００を設ける場合（図８（ａ）参照）、ボルト９１ａ等を電極板５１、６１、７１及びＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の内部に上下方向（±Ｚ方向）へと貫通させる場合（図８（ｂ）参照）、ボルト９１ａ等を電極板５１、６１、７１及びＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の内部に上下方向（±Ｚ方向）へと貫通させ且つ電極板５１、６１、７１内部にバネ１００を設ける場合（図８（ｃ）参照）、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｄを使用する場合（図４参照）が採用され得る。それぞれ、本発明の第１の実施形態で説明した前述した理由に基づくものである。

＝＝＝ 第３の実施形態 ＝＝＝
以下、図面を参照しつつ、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換装置５２０の構成例について説明する。ここで、本発明の第３の実施形態は、電極板５２、６２、７２を構成する複数の電極層に関して、１枚の電極板５２、６２、７２を短手方向に沿って一回折り曲げてコの字状又は逆コの字状に形成した上で、当該コの字状又は逆コの字状の開口部１４０を、導電性の特質の他に弾性力を有した導電材１２０と、導電性並びに熱伝導性を確保するための接着剤１３０と、によって電気的導通させた場合である。尚、図９は、本実施形態の熱電変換装置５２０の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。

ここで、電極板５２、６２、７２の開口部１４０に介在して当該開口部１４０を電気的導通させる導電材１２０としては、電極板５２、６２、７２の弾性力を更に向上させるために、円筒状又は角柱状の金属繊維織物や蛇腹（銅等）を採用することが好ましい。尚、導電材１２０は、電極板５２、６２、７２やＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の断面形状に基づいて選定する必要がある。
また、導電材１２０を電極板５２、６２、７２に接着させる接着材としては、図５に示した仕様の銀充填型セラミックペーストを採用することが好適である。

本発明の第３実施形態では、図７に示した本発明の第２の実施形態と対比して、電極板５２、６２、７２の折り曲げ箇所である図９に示すＩ’’部及びII’’部の弾性力の他に、導電材１２０の弾性力を有するので、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の熱変形が更に吸収される、すなわち熱応力が更に緩和される。

また、ボルト・ナット９０を使用することにより、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板５２、６２、７２との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板３０、４０と電極板５２、６２、７２との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。

この結果、例えば、熱交換基板３０、電極板６２、Ｐ型半導体素子２０、電極板７２並びに熱交換基板４０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板６２、Ｐ型半導体素子２０並びに電極板７２をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板４０、電極板５２、Ｎ型半導体素子１０、電極板６２並びに熱交換基板３０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板５２、Ｎ型半導体素子１０並びに電極板６２をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。

また、本発明の第１の実施形態の場合と同様に、電極板５２、６２、７２の内部にバネ１００を設ける場合（図１０（ａ）参照）、ボルト９１ａ等を電極板５２、６２、７２及びＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の内部に上下方向（±Ｚ方向）へと貫通させる場合（図１０（ｂ）参照）、ボルト９１ａ等を電極板５２、６２、７２及びＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の内部に上下方向（±Ｚ方向）へと貫通させ且つ電極板５２、６２、７２内部にバネ１００を設ける場合（図１０（ｃ）参照）、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｄを使用する場合（図４参照）が採用され得る。それぞれ、本発明の第１の実施形態で説明した前述した理由に基づくものである。

＝＝＝ 第４の実施形態 ＝＝＝
以下、図面を参照しつつ、本発明の第４の実施形態に係る熱電変換装置５３０の構成例について説明する。ここで、本発明の第４の実施形態は、電極板５３、６３、７３を構成する複数の電極層に関して、複数枚の電極板５３、６３、７３を熱交換基板３０、４０とそれぞれ対向させて並列配置させるとともに、当該複数枚の電極板５３、６３、７３の間を、導電性の他に弾性力を確保するための伸縮可能な導電材１２１と、導電性並びに熱伝導性を確保するための接着剤１３１と、によって電気的導通させて形成される場合である。

尚、図１１は、本実施形態の熱電変換装置５３０の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。尚、図１１に示す例は、熱交換基板３０、４０それぞれと対向させる複数枚の電極板５３、６３、７３として、２枚の電極板（５３ａ、５３ｂ）、（６３ａ、６３ｂ）、（７３ａ、７３ｂ）を採用した場合である。

ここで、２枚の電極板（５３ａ、５３ｂ）、（６３ａ、６３ｂ）、（７３ａ、７３ｂ）の間にある空隙を電気的導通させる導電材１２１としては、本発明の第３の実施形態における導電材１２０と同様に、円筒状又は角柱状の金属繊維織物や、蛇腹（銅等）を採用することができる。また、導電材１２１を２枚の電極板（５３ａ、５３ｂ）、（６３ａ、６３ｂ）、（７３ａ、７３ｂ）の間に接着させる接着材としては、図５に示した仕様の銀充填型セラミックペーストを採用することが好適である。

本発明の第４実施形態では、前述した本発明の第１乃至第３の実施形態と対比して、電極板５３、６３、７３を複数枚使用する点で異なっており、また、電極板５３、６３、７３として要求される弾性力を、伸縮可能な導電材１２１によって確保するものである。この結果、本発明の第１乃至第３の実施形態と同様に、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の熱変形が吸収される、すなわち熱応力が緩和される。

また、ボルト・ナット９０を使用することにより、Ｎ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０と、電極板５３、６３、７３との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板３０、４０と電極板５３、６３、７３との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。

この結果、例えば、熱交換基板３０、電極板６３、Ｐ型半導体素子２０、電極板７３並びに熱交換基板４０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板６３、Ｐ型半導体素子２０並びに電極板７３をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板４０、電極板５３、Ｎ型半導体素子１０、電極板６３並びに熱交換基板３０をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板５３、Ｎ型半導体素子１０並びに電極板６３をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。

また、本発明の第１の実施形態の場合と同様に、電極板５３、６３、７３の内部にバネ１００を設ける場合（図１２（ａ）参照）、ボルト９１ａ等を電極板５３、６３、７３及びＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の内部に上下方向（±Ｚ方向）へと貫通させる場合（図１２（ｂ）参照）、ボルト９１ａ等を電極板５３、６３、７３及びＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０の内部に上下方向（±Ｚ方向）へと貫通させ且つ電極板５３、６３、７３内部にバネ１００を設ける場合（図１２（ｃ）参照）、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｄを使用する場合（図４参照）が採用され得る。それぞれ、本発明の第１の実施形態で説明した前述した理由に基づくものである。

＜ その他の実施形態 ＞
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されるとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

＝＝＝ カスケード型 ＝＝＝
前述した実施形態では、単体のＮ型半導体素子１０及びＰ型半導体素子２０を採用した熱電変換装置５００、５１０、５２０、５３０の場合であったが、例えば、図１３に示すように、高温側（＋Ｚ側）の熱交換基板３０の側に設けた弾力性を有する電極板３００と圧着される高温域仕様のＮｈ型半導体素子２００と、低温側（−Ｚ側）の熱交換基板４０の側に設けた弾力性を有する電極板３１０と圧着される低温域仕様のＰｃ型半導体素子２１０と、が電流入力用の電極板３２０を介在させてボルト・ナット９０により圧着させて成る第１のカスケード型半導体素子と、高温側の熱交換基板３０の側に設けた弾力性を有する電極板３００と圧着させる高温域仕様のＰｈ型半導体素子２２０と、低温側の熱交換基板４０の側に設けた弾力性を有する電極板３１０と圧着させる低温域仕様のＮｃ型半導体素子２３０と、が電流出力用の電極板３３０を介在させてボルト・ナット９０により圧着させて成る第２のカスケード型半導体素子と、を採用した熱電変換装置６００であってもよい。

尚、「Ｎｈ型半導体素子及びＰｈ型半導体素子」とは、高温域において熱電変換効率が相対的に高いＮ型及びＰ型半導体素子をそれぞれ意味し、「Ｎｃ型半導体素子及びＰｃ型半導体素子」とは、低温域において熱電変換効率が相対的に高いＮ型及びＰ型半導体素子をそれぞれ意味する。また、電極板３００、３１０は、図１、図２等に示した第１の実施形態に係る電極板５０、６０と同様に、当該電極板３００、３１０を短手方向に沿って少なくとも二回折り曲げて渦巻き状に形成されることで弾力性を獲得したものであるが、これに限られず、前述した各種実施形態を採用することができる。

ここで、熱電変換装置６００の高温側に着目すれば、電流Ｉｈは、電極板３２０、Ｎｈ型半導体素子２００、電極板３００、Ｐｈ型半導体素子２２０、電極板３３０の順に流れる（図１３の矢印参照）。一方、熱電変換装置６００の低温側に着目すれば、電流Ｉｃは、電極板３２０、Ｐｃ型半導体素子２１０、電極板３１０、Ｎｃ型半導体素子２３０、電極板３３０の順に流れる（図１３の矢印参照）。すなわち、電極板３２０を流れる電流Ｉｈ＋Ｉｃのうち、熱電変換装置６００の高温側には、熱交換基板３０における高温と、電極板３２０と電極板３３０の間における中間温度と、の温度差に基づく起電力が発生して電流Ｉｈが流れる一方で、熱電変換装置６００の低温側には、電極板３２０と電極板３３０の間における中間温度と、熱交換基板４０における低温との温度差に基づく起電力が発生して電流Ｉｃが流れる。

このように、カスケード半導体素子を採用した熱電変換装置６００の場合、半導体素子２００、２１０、２２０、２３０それぞれのＺ軸方向の長さが相対的に短くなり、電気抵抗が小さくなるために、ジュール発熱による熱損失が低減される。この結果、熱電変換装置６００の熱電変換効率がより向上することなる。さらに、熱電変換装置６００は、弾性力に富んだ電極板３００、３１０と、ボルト・ナット９０による圧着によって電気的伝導性並びに熱伝導性をともに向上させる仕組みによって、熱交換基板３０、４０の熱膨張又は熱収縮に起因した半導体素子２００、２１０、２２０、２３０の熱応力を緩和させつつ、電気的伝導性並びに熱伝導性を同時に確保することができる。

また、図１３に示す以外にも、図１４に示すように、高温側の熱交換基板３０の側に設けた電極板７１０と圧着される高温域仕様のＰｈ型半導体素子２２０と、低温側の熱交換基板４０の側に設けた電極板７２０と圧着される低温域仕様のＰｃ型半導体素子２１０と、が導電性及び熱伝導性を具備した接着材７４０を介して直列接続され且つボルト・ナット９０により圧着させて成る半導体素子と、高温側の熱交換基板３０の側に設けた電極板７１０と圧着させる高温域仕様のＮｈ型半導体素子２００と、低温側の熱交換基板４０の側に設けた電極板７３０と圧着させる低温域仕様のＮｃ型半導体素子２３０と、が導電性及び熱伝導性を具備した接着材７４０を介して直列接続され且つボルト・ナット９０により圧着させて成る半導体素子と、を用いた熱電変換装置７００であってもよい。尚、電極板７１０、７２０、７３０は、図１３に示した電極板３００、３１０５０、６０と同様に、当該電極板７１０、７２０、７３０を短手方向に沿って少なくとも二回折り曲げて渦巻き状に形成されることで弾力性を獲得したものであるが、これに限られず、前述した各種実施形態を採用することができる。当該熱電変換装置７００もまた、熱交換基板３０、４０の熱膨張又は熱収縮に起因した半導体素子２００、２１０、２２０、２３０の熱応力を緩和させつつ、電気的伝導性並びに熱伝導性を同時に確保することができる。

＝＝＝ 単位ユニット毎の分離 ＝＝＝
前述した熱電変換装置５００、５１０、５２０、５３０、６００は、１枚の高温側の熱交換基板３０と、１枚の低温側の熱交換基板４０との間に設けられているが、これに限定されるものではなく、これらの熱交換基板３０、４０は、単位ユニット毎に分離してもよい。この場合、分離された熱交換基板３０、４０及び単位ユニットを新たな単位とすれば、本実施形態の熱交換器の部分的な修理や変更等に対して柔軟な対応が可能となる。

＝＝＝ 同心円形 ＝＝＝
前述した熱電変換装置５００、５１０、５２０、５３０、６００は、平面形状をなし対向する熱交換基板３０、４０の間に設けられたものであるが、これに限定されるものではない。熱電変換装置５００、５１０、５２０、５３０、６００は、例えば、蒸気配管の外周面を高温側の熱交換基板３０とし、その更に外周面を低温側の熱交換基板４０とする同心円形を呈するものでもよい。

＝＝＝ 熱電冷却装置＝＝＝
前述した熱電変換装置５００、５１０、５２０、５３０、６００は、ゼーベック効果を利用した熱電発電装置の場合であったが、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装置であってもよい。尚、この場合、熱電変換装置５００、５１０、５２０、５３０、６００に電流を供給する所定の電源が別途必要となる。

本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置の構成例によって半導体素子の選択の自由度が向上することを説明するため図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図の一部である。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図の一部である。 本発明の第１の実施形態に係る接着材の仕様を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図の一部である。 本発明の第３の実施形態に係る熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図の一部である。 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第４の実施形態に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図の一部である。 本発明に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。 本発明に係る熱電変換装置のその他の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。 従来の熱電変換装置の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。

符号の説明

１１ 貫通孔
１２０、１２１ 導電材
１１０ａ〜１１０ｄ、 接着剤
１３０、１３１ 接着剤
１４０ 開口部
１０、９１０ Ｎ型半導体素子
２０、９２０ Ｐ型半導体素子
２００ Ｎｈ型半導体素子
２１０ Ｐｃ型半導体素子
２２０ Ｐｈ型半導体素子
２３０ Ｎｃ型半導体素子
３０、４０、９０１、９０２ 熱交換基板
３１、４１、３２、４２ 座ぐり
３００、３１０、３２０、３３０ 電極板
５０〜５３、６０〜６３、７０〜７３ 電極板
５０ａ〜５０ｃ、６０ａ〜６０ｃ、７０ａ〜７０ｃ 電極層
５００、５１０、５２０、５３０ 熱電変換装置
６００、７００、９００ 熱電変換装置
７１０、７２０、７３０ 電極板
７４０ 接着剤
８０ 固体潤滑性物質
９０ ボルト・ナット
９０ａ、９１ａ ボルト
９０ｂ ナット
９５、１００ バネ
９３０、９４０、９５０ 電極板
９８０ 接着剤
９９０ 半田（又は銀ロウ）

Claims (17)

1. 対向する二枚の熱交換基板の間に並設される互いに極性の異なった少なくとも一対の第１の半導体素子及び第２の半導体素子と、
   前記二枚の熱交換基板のうち高温側となる一方の前記熱交換基板と前記第１及び前記第２の半導体素子との間と、前記二枚の熱交換基板のうち低温側となる他方の前記熱交換基板と前記第１及び前記第２の半導体素子との間にそれぞれ介在し、前記第１及び前記第２の半導体素子を交互に直列接続していく弾性力を有した電極板と、
   前記一方及び前記他方の熱交換基板の間に配設されて前記一方及び前記他方の熱交換基板を支持する棒部材と、
   前記第１及び前記第２の半導体素子と前記電極板とを圧着すべく前記一方及び前記他方の熱交換基板の外側より前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、
   を有することを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記棒部材は、前記対向する熱交換基板の間で、前記第１及び前記第２の半導体素子並びに当該第１及び第２の半導体素子に圧着される前記電極板に対して、並列に配設されること、
   を特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記第１の半導体素子及び当該第１の半導体素子に圧着させる前記電極板を介して貫通し、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記第２の半導体素子及び当該第２の半導体素子に圧着させる前記電極板を介して貫通する貫通孔を有しており、
   前記棒部材は、前記貫通孔へと挿入されること、
   を特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
4. 前記貫通孔は、前記挿入された棒部材との間に隙間を生じさせる大きさであること、を特徴とする請求項３に記載の熱電変換装置。
5. 前記電極板に介在させる弾性部材を更に有すること、を特徴とする請求項２又は３に記載の熱電変換装置。
6. 前記熱交換基板と前記電極板との間は、絶縁性潤滑材で絶縁されること、を特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の熱電変換装置。
7. 前記第１及び前記第２の半導体素子と当該第１及び第２の半導体素子に圧着される前記電極板との間は、導電性並びに熱伝導性を有した接着材で接着されること、を特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の熱電変換装置。
8. 前記熱交換基板と前記絶縁性潤滑材との間と、前記絶縁性潤滑材と前記電極板との間は、導電性並びに熱伝導性を有した接着材によって接着されること、を特徴とする請求項６又は７に記載の熱電変換装置。
9. 前記接着剤は、銀充填型セラミックペーストであること、を特徴とする請求項７又は８に記載の熱電変換装置。
10. 前記電極板は、当該電極板を短手方向に沿って少なくとも一回折り曲げて形成されること、を特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の熱電変換装置。
11. 前記電極板は、当該電極板を短手方向に沿って少なくとも二回折り曲げて渦巻き状に形成されること、を特徴とする請求項１０に記載の熱電変換装置。
12. 前記電極板は、当該電極板を短手方向に沿って一回折り曲げてコの字状又は逆コの字状に形成されること、を特徴とする請求項１０に記載の熱電変換装置。
13. 前記電極板の前記コの字状又は前記逆コの字状の開口部に、弾性力を有した導電材を介在させること、を特徴とする請求項１２に記載の熱電変換装置。
14. 前記電極板は、複数の前記電極板を前記熱交換基板と対向させて並列配置させたものであり、当該複数の電極板の間に弾力性を有した導電材を介在させること、を特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の熱電変換装置。
15. 前記導電材は、金属繊維織物又は蛇腹であること、を特徴とする請求項１３又は１４に記載の熱電変換装置。
16. 前記第１の半導体素子は、前記一方の前記熱交換基板の側に設けた一方の前記電極板と圧着される第１のＮ型半導体素子と、前記他方の前記熱交換基板の側に設けた他方の前記電極板と圧着される第１のＰ型半導体素子と、が電流入力用の電極板を介在させて前記圧着部材により圧着させて成る第１のカスケード型半導体素子であり、
    前記第２の半導体素子は、前記一方の熱交換基板の側に設けた一方の前記電極板と圧着させる第２のＰ型半導体素子と、前記他方の熱交換基板の側に設けた他方の前記電極板と圧着させる第２のＮ型半導体素子と、が電流出力用の電極板を介在させて前記圧着部材により圧着させて成る第２のカスケード型半導体素子であり、
    前記第１のＮ型半導体素子及び前記第２のＰ型半導体素子の熱電変換効率は、前記高温側において前記低温側よりも高く、
    前記第２のＰ型半導体素子及び前記第１のＮ型半導体素子の熱電変換効率は、前記低温側において前記高温側よりも高い、
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の熱電変換装置。
17. 前記第１の半導体素子は、前記一方の前記熱交換基板の側に設けた一方の前記電極板と圧着される第１のＰ型半導体素子と、前記他方の前記熱交換基板の側に設けた他方の前記電極板と圧着される第２のＰ型半導体素子と、が直列接続され、且つ、前記圧着部材により圧着させて成る半導体素子であり、
    前記第２の半導体素子は、前記一方の熱交換基板の側に設けた一方の前記電極板と圧着させる第１のＮ型半導体素子と、前記他方の熱交換基板の側に設けた他方の前記電極板と圧着させる第２のＮ型半導体素子と、が直列接続され、且つ、前記圧着部材により圧着されて成る半導体素子であり、
    前記第１のＰ型半導体素子及び前記第１のＮ型半導体素子の熱電変換効率は、前記高温側において前記低温側よりも高く、
    前記第２のＰ型半導体素子及び前記第２のＮ型半導体素子の熱電変換効率は、前記低温側において前記高温側よりも高い、
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれかに記載の熱電変換装置。
    
    

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