JP2010021241A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱熱電素子に熱交換器を固定するに際して、素子破壊を発生させない製造方法を提供する。
【解決手段】第１電極と第２電極とによって電気的に直列に接続された一対のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を複数個備える熱電素子部２０と、前記第１電極が接合される第１絶縁層が形成された第１面と、前記ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を前記第１面に投影した領域の内側に開口部が形成された第１穴と、を備える第１熱交換器３１と、前記第２電極が接合される第２絶縁層が形成された第２面と、前記ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を前記第２面に投影した領域の内側に開口部が形成された第２穴と、を備える第２熱交換器３２と、前記第１穴および前記第２穴に挿入され、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とに対して前記第１面と前記第２面との間に前記熱電素子部を保持させる力を作用させる締結部４０とによって熱電変換装置を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は熱電変換装置に関する。

従来、一対のｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが電気的に直列に接続されて形成された熱電素子部によって吸熱および放熱を行う各種の熱電変換装置が提案されている。例えば、基板を介してｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子と熱交換器との熱的接触を確保し、あるいは、基板を省略するとともに絶縁層等を介してｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子と熱交換器との熱的接触を確保し、さらにｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲の周辺で複数個のネジ等によって熱交換器を固定することによって熱電変換装置を構成している（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１２５２３８号公報

従来の技術においては、熱電変換装置の製造に非常に慎重な作業が要求されていた。
すなわち、従来の技術においては、複数のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲の周辺において複数のネジ（例えば矩形の４隅に配置された４個のネジ）を締めつけることによって当該複数のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を挟む熱交換器を固定している。従って、各ネジを締めつける際には熱交換器が傾き、各ネジからｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に作用する力は各ネジの近傍に配置された局所的なｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に対して伝達され、他の位置に配置されたｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子には伝達されないと言う状況が発生し得る。熱電素子は一般に脆い素材で構成され、過度の力が作用することによって容易に破損してしまうため、複数のネジによって熱電変換装置を組み上げる際に、極めて慎重にネジ締めを行う必要があった。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、容易に製造可能な熱電変換装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため本発明においては、複数のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面や第２面に投影した領域の内側に第１穴，第２穴が形成された第１熱交換器，第２熱交換器に対して、第１穴および第２穴に挿入される締結部を介して熱電素子部を保持させる力を作用させる。すなわち、第１熱交換器と第２熱交換器との間の熱電素子部には複数のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が配置されるが、この配置範囲の投影領域内に第１穴および第２穴が形成され、これらの穴に挿入された締結部を介して第１熱交換器と第２熱交換器とが複数のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に対して接合するように力を作用させる。

このため、締結部から見て局所的な方向にのみｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が配置されることはなく、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲の外側にネジ等の締結部を配置して固定を行う場合と比較して、締結部から見て広範囲な方向にｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が配置されることになる。従って、局所的なｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に対して過度の力を作用させることなく締結部による前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との固定を行うことができ、熱電変換装置を容易に製造することが可能である。

なお、本発明において、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は電極および絶縁層を介して第１熱交換器と第２熱交換器とに挟まれる構成であり、アルミナ等の基板によってｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を挟んだモジュールを熱交換器に接触させる構成ではない。従って、本発明によればアルミナ等の基板を省略することができ、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子と熱交換器との間において熱が効果的に流れるように構成することができる。このため、本発明によれば、高効率の熱電変換装置を容易に製造することが可能である。

ここで、熱電素子部においては、一対のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が第１電極と第２電極とによって電気的に直列に接続され、複数個のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の対によって熱電変換を実施可能に構成されていればよい。すなわち、第１電極と第２電極とのいずれか一方が吸熱側の電極となり、他方が放熱側の電極となり、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とに電流を流すことによって吸熱および放熱を行うことができればよい。むろん、電極間に温度勾配を与えることによって電力を取り出しても良い。

また、熱電素子部は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を備えることによってｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子のそれぞれにおいて熱電変換を行うように構成されていればよい。従って、典型的には第１電極および第２電極とｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子によって構成される一組の構成単位（π型ユニット）の吸熱側と放熱側とが共通の向きになるように各構成単位が配置される。各構成単位同士が電気的に直列に接続されていても良い。

第１熱交換器，第２熱交換器において、第１絶縁層，第２絶縁層は第１電極，第２電極が接合されることにより、第１電極および第２電極から電流が第１熱交換器，第２熱交換器に流れることを防止するとともに第１電極および第２電極から熱が第１熱交換器，第２熱交換器に流れるように構成することができればよい。また、第１絶縁層は第１電極と接合し、第２絶縁層は第２電極と接合すれば良く、各接合においては絶縁層と電極とを予め一体不可分に形成しておいても良いし、他の手段（例えば、ネジ等の固定手段）によって熱的接触を確保しながら接合する構成であっても良い。

第１熱交換器，第２熱交換器の第１面，第２面は、当該第１熱交換器，第２熱交換器の外周を構成する面であれば良く、形状は限定されないが、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に対応した形状とされる。例えば、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とに形成された平面部分に平面状の第１電極や第２電極を形成し、これらの電極および絶縁層を介して第１面および第２面に沿ってｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を並べて配置する構成においては、各ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とに形成された平面部分に対応させて第１面および第２面を平面状に形成する構成を採用可能である。この場合、第１穴，第２穴を第１面，第２面に対して垂直な方向に延びるように形成することが好ましい。

さらに、第１熱交換器，第２熱交換器に形成される第１穴，第２穴は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面，第２面に投影した領域の内側に形成されていればよい。すなわち、第１穴，第２穴に挿入される締結部が各穴に挿入された状態で、当該締結部がｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を貫くように各穴が形成されていればよい。ここで、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の集合において最も外周側に位置するｐ型熱電素子あるいはｎ型熱電素子に接しながら熱電素子部を囲む境界によって定義することができる。

締結部は、第１熱交換器と第２熱交換器とに対して力を作用させ、第１面と第２面との間に熱電素子部を保持させることができればよい。例えば、締結部を介して第１熱交換器と第２熱交換器とを結合する構成によって、対向する第１面と第２面とを相対的に近づけるための力を作用させる構成等を採用可能である。この構成によれば、締結部から見て広い範囲にｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が存在する状態で当該締結部を介して第１熱交換器と第２熱交換器とに力を作用させることができる。従って、第１面および第２面からｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に作用する力を分散させることができる。

さらに、第１面および第２面からｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に作用する力をより確実に分散させるため、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面，第２面に投影した領域の内側で第１穴，第２穴の位置を調整しても良い。すなわち、第１面，第２面に平行な面内で締結部を中心として互いに逆側の位置にｐ型熱電素子やｎ型熱電素子が存在するように第１穴，第２穴の位置を調整すれば、締結部を中心として両側に支点が存在する状態で締結部による第１熱交換器，第２熱交換器の固定を行うことができる。従って、局所的なｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に対して過度の力が作用することを抑制しながら固定を行うことができる。

さらに、より具体的な構成例として、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面および第２穴のそれぞれに投影した領域の重心位置に第１穴および第２穴のそれぞれを形成する構成としても良い。この構成においては、締結部が配置範囲を第１面，第２面のそれぞれに投影した領域の重心を通ることになるため、締結部から見て広範囲にｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が配置されることとなり、局所的なｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に対して過度の力が作用することを極めて効果的に抑制することができる。なお、第１穴，第２穴は上述の重心位置にそれぞれ一個形成される構成であればよいが、他の位置においても別の第１穴，第２穴を形成する構成であっても良い。

さらに、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲において、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置密度が均等になるように構成してもよいし、配置密度が位置毎に異なるように構成してもよい。前者によれば、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲にて吸熱および放熱効率が均等になるように構成することができる。後者によれば、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲にて吸熱および放熱効率を位置毎に変動させることができる。

さらに、第１熱交換器と第２熱交換器との位置を決定するための位置決め機構によって、第１面と第２面との間に熱電素子部を保持する際の第１熱交換器と第２熱交換器との位置を規制しても良い。この構成によれば、正確に第１熱交換器と第２熱交換器の位置を決定することができ、締結部によって第１熱交換器と第２熱交換器とを固定する際の作業性が向上する。

さらに、第１面と第２面との間であって、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲の外側にシール部を配置しても良い。この構成によれば、第１面と第２面との間から熱が流入し、あるいは流出することを抑制することができるため、熱電変換効率を向上させることができる。なお、本発明においては、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲の外側にネジ等を配置する必要がないため、シール部の配置自由度が高く、容易にシール部を構成することができる。

さらに、締結部によって第１熱交換器と第２熱交換器とを相対的に固定する構成の例として、ネジ機構を採用しても良い。すなわち、第１穴，第２穴をネジ穴によって構成し、締結部を雄ネジによって構成すれば、雄ネジをネジ穴に挿入して締結することによって第１熱交換器と第２熱交換器とを容易に固定することが可能になる。

さらに、締結部は第１穴と第２穴とに挿入されるため、第１熱交換器と第２熱交換器とは締結部を介して間接的に連結されることになる。そこで、締結部を介して第１熱交換器と第２熱交換器との間で熱が移動しないようにするため、締結部を断熱性の素材で構成したり、締結部を断熱性の素材でコーティングしたりすることが好ましい。むろん、締結部の断熱性能が第１熱交換器および第２熱交換器と比較して高ければよいが、締結部の断熱性能が高いほど熱電変換装置の効率向上に寄与する。断熱性の素材としては、例えば、樹脂が挙げられる。すなわち、締結部を雄ネジにて構成する際に、当該雄ネジを樹脂製のネジとすることが可能であり、この構成によれば、一般に、熱伝導性の高い金属等によって構成される第１熱交換器と第２熱交換器との熱的接触を抑制することができる。

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）熱電変換装置：
（１−１）熱交換器：
（１−２）熱電素子部：
（２）他の実施形態：

（１）熱電変換装置：
図１，図２は、本発明の一実施形態にかかる熱電変換装置１０を示す図であり、本実施形態における熱電変換装置１０は、熱電素子部２０と第１熱交換器３１および第２熱交換器３２と締結部４０とを備えている。なお、図１は、直方体の第１熱交換器３１における第１面３１ａに対して垂直な方向から熱電変換装置１０を眺めた上面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図であり、締結部４０や第１熱交換器３１を分離した状態で示している。

（１−１）熱交換器：
第１熱交換器３１は、対面する２個の正方形を含む直方体からなる良熱伝導体であり、当該正方形の一方は第１絶縁層３１ｂが形成される第１面３１ａとなる。本実施形態において第１熱交換器３１は、銅やアルミニウムあるいはこれらの金属を含んだ良熱伝導体で構成され、対面する２個の正方形に挟まれた平板状の直方体で構成される。また、第１面３１ａに形成される第１絶縁層３１ｂは、アルマイト被膜を形成したアルミニウムや樹脂（熱伝導性のあるフィラーを含んだエポキシやイミド等の樹脂）等によって構成される。本実施形態において、第１絶縁層３１ｂは、第１面３１ａより小さな矩形状に形成される。また、第１熱交換器３１における上述の正方形の中央（重心位置）には、対面する２個の正方形をこれらの正方形に垂直な向きに貫通するネジ穴（第１穴３１ｃ）が形成されている。当該第１穴３１ｃに対しては、第１面３１ａと逆側の面から樹脂製の締結部（雄ネジ）４０を挿入することが可能である。

第２熱交換器３２は、対面する２個の正方形を含む直方体と当該正方形の一方に接続された複数の放熱フィン３２ｄとからなる良熱伝導体であり、正方形の他方は第２絶縁層３２ｂが形成される第２面３２ａとなる。本実施形態において第２熱交換器３２は、銅やアルミニウムあるいはこれらの金属を含んだ良熱伝導体で構成され、対面する２個の正方形に挟まれた平板状の直方体で構成される。また、第２面３２ａに形成される第２絶縁層３２ｂは、アルマイト被膜を形成したアルミニウムや樹脂（熱伝導性のあるフィラーを含んだエポキシやイミド等の樹脂）等によって構成される。本実施形態において、第２絶縁層３２ｂは、第２面３２ａより小さな矩形状に形成される。

また、第２熱交換器３２における上述の正方形の中央（重心位置）には、対面する２個の正方形をこれらの正方形に垂直な向き貫通するネジ穴（第２穴３２ｃ）が形成されている。当該第２穴３２ｃに対しては、第２面３２ａ側から締結部４０を挿入することが可能であり、締結部４０を第１穴３１ｃ，第２穴３２ｃに挿入して締めつけることによって第１熱交換器３１の第１面３１ａと第２熱交換器３２の第２面３２ａとを互いに近づけるように力を作用させることが可能である。

なお、放熱フィン３２ｄは、第２面３２ｂと逆側の正方形の複数箇所から当該正方形に対して垂直な方向に延びる直方体状の部位であり、放熱効率を高めるために形成されている。すなわち、本実施形態における熱電変換装置１０においては、第１熱交換器３１の第１面３１ａと逆側の正方形側で吸熱を行い、第２熱交換器３２の放熱フィン３２ｄ側で放熱を行うように構成される。

（１−２）熱電素子部：
熱電素子部２０は一対のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を備える構成単位を複数個備え、当該熱電素子部２０は第１絶縁層３１ｂと第２絶縁層３２ｂとの間に挟まれるように設置される。本実施形態において、熱電素子部２０は、複数のｐ型熱電素子２１ｐおよびｎ型熱電素子２１ｎと、複数の第１電極２１ａおよび第２電極２１ｂとを備えている。ｐ型熱電素子２１ｐとｎ型熱電素子２１ｎとは直方体状に形成されており、一方側の端部に第１電極２１ａが接続され他方側の端部に第２電極２１ｂが接続される。なお、本実施形態においては、第１絶縁層３１ｂ側の電極を第１電極２１ａ、第２絶縁層３２ｂ側の電極を第２電極２１ｂと呼んでいる。

また、熱電素子部２０において第１電極２１ａおよび第２電極２１ｂは、ｐ型熱電素子２１ｐおよびｎ型熱電素子２１ｎを電気的に直列に接続するように構成されている。すなわち、１つの第１電極２１ａには一対のｐ型熱電素子２１ｐとｎ型熱電素子２１ｎとが接続され、当該一対のｐ型熱電素子２１ｐとｎ型熱電素子２１ｎとのそれぞれは、異なる第２電極２１ｂに接続される。

本実施形態においては、当該第１電極２１ａおよび第２電極２１ｂによって電気的に直列に接続されたｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子がさらに複数個電気的に直列に接続されて熱電素子部２０が構成される。なお、本実施形態における熱電素子部２０は、予め第２熱交換器３２側に形成され、第２絶縁層３２ｂと第２電極２１ｂとが接合された状態で第１熱交換器３１の第１絶縁層３１ｂを第１電極２１ａに接触させながら締結部４０を締めることによって第１絶縁層３１ｂと第１電極２１ａとを接合させることになる。

すなわち、本実施形態においては、第２熱交換器３２に形成された第２絶縁層３２ｂの表面に銅等の金属パターンを形成することで予め第２電極２１ｂを形成し、当該第２電極２１ｂの表面にｐ型半導体を接合してｐ型熱電素子２１ｐとし、当該第２電極２１ｂの表面にｎ型半導体を接合してｎ型熱電素子２１ｎとする。なお、本実施形態において、ｐ型熱電素子２１ｐおよびｎ型熱電素子２１ｎは略同じ長さの素子であり、例えば、Ｂｉ，Ｓｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素と、Ｔｅ，Ｓｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素とによって（Ｂｉ，Ｓｂ）_２（Ｔｅ，Ｓｅ）_３の組成の合金を生成することによって製造する。すなわち、当該合金において元素の組成比を調整することによってｐ型あるいはｎ型の半導体を形成し、適宜、熱処理等を行うことによって熱電素子を製造する。

さらに、ｐ型熱電素子２１ｐとｎ型熱電素子２１ｎとの端部に銅等の金属パターンを形成して第１電極２１ａを形成することで、図２に示すように第２熱交換器３２と熱電素子部２０とが接合された状態を得る。一方、第１熱交換器３１においては、予め第１絶縁層３１ｂを形成しておく。この状態において、熱電素子部２０に第１絶縁層３１ｂを接触させながら締結部４０を第１穴３１ｃおよび第２穴３２ｃに挿入し、締め付けを行うと、第１熱交換器３１と第２熱交換器３２とに対して第１面３１ａと第２面３２ａとの間に熱電素子部２０を保持させる力を作用させることができ、熱電変換装置１０を製造することができる。

以上の構成によれば、直列接続されたｐ型熱電素子２１ｐとｎ型熱電素子２１ｎとに対して所定の方向の電流を流すことによって第１熱交換器３１側から吸熱し、第２熱交換器３２側から放熱する熱電変換を行うことができる。また、第１穴３１ｃおよび第２穴３２ｃは、それぞれ、第１面３１ａおよび第２面３２ａを構成する正方形の重心に位置し、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面３１ａおよび第２面３２ａに投影した領域の重心は、当該正方形の重心と共通である。従って、第１穴３１ｃおよび第２穴３２ｃの開口部は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面３１ａおよび第２面３２ａに投影した領域の内側に位置する。

すなわち、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の集合において最も外周側に位置するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に接しながら熱電素子部２０を囲む境界によって定義することができる。このため、本実施形態におけるｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を、第１熱交換器３１と第２熱交換器３２とにて熱電素子部２０を挟んだ状態における第１面３１ａおよび第２面３２ａに投影すると、図１に一点鎖線で示すような矩形の領域Ｒとなる。図１のように、第１面３１ａに垂直な方向から当該領域Ｒを眺めると、第１穴３１ｃ（および第２穴３２ｃ）は当該領域Ｒの内側で開口しているため、当該第１穴３１ｃに締結部４０を挿入した状態において締結部４０の軸周りの広い範囲に渡ってｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が存在することになる。

従って、締結部４０によって第１熱交換器３１と第２熱交換器３２とを固定するに際して、第１熱交換器３１から熱電素子部２０に作用する力が熱電素子部２０の局部に作用することを防止することができる。特に、本実施形態において第１穴３１ｃおよび第２穴３２ｃは、図１に示す領域Ｒの重心に位置するため、締結部４０の軸周りのほぼ全範囲にｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が存在することになる。従って、締結部４０の軸周りのほぼ全範囲に渡るｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子によって第１絶縁層３１ｂを支えた状態で締結部４０による第１熱交換器３１と第２熱交換器３２との結合を行うことができ、極めて効果的に第１熱交換器３１から熱電素子部２０に作用する力を分散させることができる。

さらに、本実施形態における締結部４０は、上述のように樹脂によって構成されている。本実施形態において、当該締結部４０は第１熱交換器および第２熱交換器と比較して断熱性能の高い樹脂である。すなわち、第１熱交換器３１と第２熱交換器３２とに熱勾配が生じたときに締結部４０を介して第１熱交換器３１から第２熱交換器３２に熱が移動すると、熱電変換装置１０による熱電変換効率が低下するため、当該熱の移動をできるだけ抑制するために断熱性能の高い樹脂によって締結部４０が形成されている。

従って、高い熱電変換効率の熱電変換装置１０を構成することができる。特に、本実施形態においては、上述の領域Ｒの重心に位置する第１穴３１ｃおよび第２穴３２ｃに締結部４０を挿入する構成であり、吸熱および放熱を行うｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子はその周囲に位置する。従って、締結部４０が熱勾配の最も生じやすい熱電素子部２０の略中央に位置することになるが、本実施形態のように断熱性能の高い樹脂によって締結部４０を構成することにより、熱電変換効率を低下させることなく熱電変換装置１０を構成することが可能である。

さらに、本実施形態においては、第１熱交換器３１および第２熱交換器３２を一個の締結部４０にて固定できるように第１穴３１ｃおよび第２穴３２ｃが形成されている。従って、複数の締結部（例えば、矩形の４隅に配置された４個のボルトなど）によって第１熱交換器３１と第２熱交換器３２とを固定する必要はない。このため、第１熱交換器３１と第２熱交換器３２との間の熱流路となり得る締結部の数を抑制し、当該熱流を抑制することができる。

さらに、本実施形態においては、第１熱交換器３１および第２熱交換器３２を一個の締結部４０にて固定できるため、熱の流路となる第１面３１ａおよび第２面３２ａのできるだけ広い範囲にｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を配置することが可能である。すなわち、正方形の第１面３１ａおよび第２面３２ａの周縁に締結部４０を挿入する必要はないので、第１面３１ａおよび第２面３２ａの縁側にもｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を配置することができ、従来の熱電変換モジュールと比較して単位面積当たりに配置可能なｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の数を多くすることができ、熱電変換性能を向上することができる。

さらに、本実施形態においては、予め第２熱交換器３２側に熱電素子部２０を形成しておき、締結部４０によって第１熱交換器３１を締めつける構成としてある。従って、締結部４０によって第１絶縁層３１ｂと第１電極２１ａとが接合されるものの、締結部４０が一般的に備える遊びの範囲で第１熱交換器３１には第１面３１ａと平行な方向に移動する自由度がある。このため、熱電変換装置１０の動作に伴って第１熱交換器３１等に熱膨張が生じたとしても当該熱膨張に伴って熱電素子部２０が破壊されることを防止することができる。

（２）他の実施形態：
本発明においては、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面および第２面に投影した領域の内側に開口部が形成された第１穴および第２穴に締結部を挿入することで第１熱交換器と第２熱交換器とを相対的に固定することができればよく、上述の実施形態以外にも種々の構成を採用可能である。例えば、上述の実施形態において、第１穴および第２穴は領域Ｒの内側で開口していれば良く、その位置が領域Ｒの重心以外の位置に形成されていても良い。

すなわち、第１穴および第２穴に挿入される締結部４０から見て広範囲（締結部４０の軸周りに９０度以上の範囲）にｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が存在するように構成すれば、締結部４０によって第１熱交換器３１と第２熱交換器３２とを固定するに際して、第１熱交換器３１から熱電素子部２０に作用する力が熱電素子部２０の局部に作用することを防止することができる。また、第１穴および第２穴は領域Ｒの内側で開口するのであれば、第１穴および第２穴のそれぞれが複数個存在しても良い。

さらに、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲において配置密度が位置毎に異なるよう構成してもよい。図３Ａは、熱電素子部２０以外の構成が図１，図２と同様の構成である熱電変換装置１００を第１熱交換器３１における第１面３１ａに対して垂直な方向から眺めた上面図である。また、図１，図２と同様の構成については同じ符号あるいは符号を省略して示している。

図３Ａに示す実施形態において、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を第１面や第２面に投影した領域Ｒは図１と同様の領域となるが、本実施形態においては、当該領域Ｒにおける単位面積当たりのｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置密度が位置毎に異なる構成となっている。すなわち、図３Ａに示すように、第１穴３１ｃより紙面上方側におけるｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置密度は、第１穴３１ｃより紙面下方側におけるｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置密度より大きくなっている。従って、熱電変換装置１００において第１穴３１ｃより紙面上方側においては、第１穴３１ｃより紙面下方側よりも単位面積当たりの熱交換効率が大きい。

このため、位置毎に異なる熱交換効率であることが望まれる対象に対して適用可能な熱電変換装置を提供することが可能である。また、温度勾配のある対象に対して適用して温度勾配を抑制する熱電変換装置を提供することも可能になる。むろん、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は図３Ａに示す例に限らず種々の配置密度で配置することが可能である。

さらに、位置決め機構によって、第１面３１ａと第２面３２ａとの間に熱電素子部２０を保持する際の第１熱交換器３１と第２熱交換器３２との位置を決定する構成を採用しても良い。図３Ｂは、当該位置決め機構以外の構成が図１，図２と同様の構成である熱電変換装置１０１を示している。当該図３Ｂも第１熱交換器における第１面に対して垂直な方向から眺めた上面図であり、図１，図２と同様の構成については同じ符号あるいは符号を省略して示している

図３Ｂに示す実施形態において、第１熱交換器３１０および第２熱交換器３２０は第１熱交換器３１および第２熱交換器３２のそれぞれとほぼ同様な構成であるが、正方形を構成する第１面および第２面のいずれか一方において、当該正方形の４隅に位置決めピンが形成され、第１面および第２面の他方においてピン挿入穴が形成される。図３Ｂに示す例においては、第１熱交換器３１０において第１面に対して垂直な方向（図３Ｂの紙面に垂直な方向）に延びるピン挿入穴３１０ａが形成されている。また、図示しない第２熱交換器３２０において第２面に対して垂直な方向（図３Ｂの紙面に垂直な方向）に延びる円柱状のピンが形成されている。

当該ピンの半径はピン挿入穴３１０ａの半径より僅かに小さく、各ピンをピン挿入穴３１０ａに挿入可能である。すなわち、締結部４０を第１穴３１０ｃに挿入した状態で第１熱交換器３１０を第２熱交換器３２０に近づけるにあたり、第２熱交換器３２０に形成されたピンが第１熱交換器３１０に形成されたピン挿入穴３１０ａに挿入されると、締結部４０の先端が第２熱交換器３２０に形成された第２穴に挿入されるように構成されている。このため、締結部４０によって第１熱交換器３１０および第２熱交換器３２０を固定する際に極めて容易に両者の位置を決定することが可能である。

さらに、熱電変換装置において熱変換効率の低下を抑制し、また、湿気，腐食性ガス等の外部からの流入を防止するためにシール部を備える構成に本発明を適用しても良い。図３Ｃは当該シール部以外の構成が図１，図２とほぼ同様の構成である熱電変換装置１０２を示している。当該図３Ｃは図２と同様の断面図であり、図１，図２と同様の構成については同じ符号あるいは符号を省略して示している。

図３Ｃに示す実施形態において、第１熱交換器３１１および第２熱交換器３２１が構成する正方形（第１面，第２面）の周縁部においては、熱電素子部２０の外側（ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲の外側）に断熱性の樹脂製のシール部３１１ａが挟まれている。すなわち、シール部３１１ａは、柔軟性のある素材で構成されており、締結部４０によって第１熱交換器３１１を第２熱交換器３２１に対して近づけながら締めていくと、第１熱交換器３１１からシール部３１１ａに対して当該シール部３１１ａを弾性変形させる力が作用する。この結果、シール部３１１ａが弾性変形し、第１熱交換器３１１と第２熱交換器３２１との間にて熱電素子部２０と外部（シール部３１１ａの外側）との熱的接触を抑制し、また、湿気，腐食性ガス等の外部からの流入を防止することが可能である。

なお、本実施形態において、締結部４０を挿入するための第１穴，第２穴は、第１熱交換器３１１および第２熱交換器３２１が構成する正方形の周縁部ではなく当該正方形の重心に形成される。従って、締結部４０がシール部３１１ａと緩衝することはなく、締結部４０を避けてシール部３１１ａを配置する必要はない。このため、シール部３１１ａを備える熱電変換装置であっても多数のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を配置可能な配置範囲を確保することが可能であり、単位面積当たりの熱電変換効率が高い熱電変換装置を提供することが可能である。

さらに、締結部は第１熱交換器と第２熱交換器とを相対的に固定するための力を作用させることができれば良く、上述のようなネジに限られない。例えば、バネ等の弾性体によって締結部に対して一方に向けた力を作用させる構成とし、当該力に逆向きの力を作用させながら締結部を第１穴および第２穴に挿入し、当該逆向きの力を解除することによって締結部を第１熱交換器と第２熱交換器とに対してセットする構成を採用可能である。すなわち、当該セットの結果、締結部に対して一方に向けた力が作用し、当該力が第１熱交換器と第２熱交換器とに対して両者を互いに近づける力となるような機構を構成してもよい。

熱電変換装置を示す図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 （３Ａ）〜（３Ｂ）は熱電変換装置を示す図である。

符号の説明

１０…熱電変換装置、２０…熱電素子部、２１ａ…第１電極、２１ｂ…第２電極、２１ｎ…ｎ型熱電素子、２１ｐ…ｐ型熱電素子、３１…第１熱交換器、３１ａ…第１面、３１ｂ…第１絶縁層、３１ｃ…第１穴、３２…第２熱交換器、３２ａ…第２面、３２ｂ…第２絶縁層、３２ｃ…第２穴、３２ｄ…放熱フィン、４０…締結部

Claims (6)

1. 第１電極と第２電極とによって電気的に直列に接続された一対のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を複数個備える熱電素子部と、
   前記第１電極が接合される第１絶縁層が形成された第１面と、前記ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を前記第１面に投影した領域の内側に開口部が形成された第１穴と、を備える第１熱交換器と、
   前記第２電極が接合される第２絶縁層が形成された第２面と、前記ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の配置範囲を前記第２面に投影した領域の内側に開口部が形成された第２穴と、を備える第２熱交換器と、
   前記第１穴および前記第２穴に挿入され、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器とに対して前記第１面と前記第２面との間に前記熱電素子部を保持させる力を作用させる締結部と、
   を備える熱電変換装置。
2. 前記第１穴および前記第２穴のそれぞれは、前記配置範囲を前記第１面および前記第２面のそれぞれに投影した領域の重心位置に形成されている、
   請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記熱電素子部において、前記ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は前記配置範囲において配置密度が位置毎に異なる、
   請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱電変換装置。
4. 前記第１面と前記第２面との間に前記熱電素子部を保持する際の、前記第１熱交換器と前記第２熱交換器との位置を決定するための位置決め機構を備える、
   請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱電変換装置。
5. 前記第１面と前記第２面との間であって、前記配置範囲の外側に配置されるシール部を備える、
   請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱電変換装置。
6. 前記第１穴と前記第２穴とはネジ穴であり、
   前記締結部は樹脂製の雄ネジである、
   請求項１〜請求項５のいずれかに記載の熱電変換装置。

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