JP2011061031A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】接触熱抵抗を低減するための面圧を負荷するための機構が不要であり、接触熱抵抗を低減することができる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】熱電変換モジュール１０は、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１とが接合層２５を介して電極２２によって電気的に直列に接続された構成を有する。また、電極２２が、高温側に配置される高温側電極３０と、低温側に配置される低温側電極４０とからなり、高温側電極３０および／または低温側電極４０が、外部と熱交換するための熱交換フィン４２を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度差を利用した発電等に用いられる熱電変換モジュールに関する。

一般に、発電用の熱電変換モジュールは、熱電変換モジュールの高温面（熱源面）に熱を与え、低温面（冷却面）を冷却もしくは常温環境下に置くことにより、その温度差で発電を行うものであり、大きく分けて２種類の様式がある。一つは、両面セラミックスタイプである。この両面セラミックスタイプでは、熱電変換素子どうしを電気的に繋げるために、電極がはんだ付けされた素子を２枚のセラミックス基板で挟み固定している（例えば、非特許文献１参照。）。もう一つは、スケルトンタイプである。このスケルトンタイプでは、熱電変換素子どうしを電気的に繋げるために、電極がはんだ付けされた素子、あるいは、アルミニウムなどの溶射を施した素子を、セラミックス基板で固定している（例えば、非特許文献１参照。）。

これらの熱電変換モジュールを用いて温度差発電を行う場合、熱電変換モジュールを熱源とヒートシンクとの間に設置し、温度差を利用して発電を行う。その際、電極が熱源やヒートシンクを通じて短絡しないように、高温面、低温面に絶縁性のセラミックス基板、あるいは絶縁性の熱伝導シートなどの電気的絶縁物を挿入する。

両面セラミックスタイプにおいては、熱電変換モジュール自体に絶縁性のセラミックス基板が装着固定されているので、例えば、熱電変換モジュールのセラミックス表面に熱伝導グリースを塗布して、熱源やヒートシンクに密着させている。一方、スケルトンタイプは、熱電変換モジュール自体にセラミックス基板（絶縁体）を有しないので、高温面および低温面に、熱伝導グリースを塗布したセラミックス基板を設置、あるいは絶縁性の熱伝導シートを貼り付けて、熱源やヒートシンクに密着させている。

また、上記した、両面セラミックスタイプおよびスケルトンタイプにおいて、熱源やヒートシンクとの密着性を向上させるために、ボルトなどにより０．５〜１ＭＰａ程度の面圧を負荷するのが一般的である。

熱電変換工学−基礎と応用、株式会社リアライズ社、ｐ.３３３

上記した従来の熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールを、熱伝導グリースを塗布した絶縁性のセラミックス基板や絶縁性の熱伝導シートを介して、熱源、冷却媒体、ヒートシンクに密着させている。このような密着部には、通常接触熱抵抗を有しており、絶縁性のセラミックス基板や絶縁性熱伝導シートを備えることで熱損失が生じる。

このような接触熱抵抗やそれに起因する熱損失は、熱電変換モジュールの発電性能に多大な影響を与える。また、このような接触熱抵抗や熱損失が大きいほど、熱電変換素子の高温側と低温側の温度差が小さくなり、発電量が小さくなるという課題があった。また、接触熱抵抗をできる限り小さくするためには、取り付けの際に面圧を負荷する必要がある。この場合、面圧を負荷するための機構を設けなければならず、発電システムが大型化、煩雑化してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、接触熱抵抗を低減するための面圧を負荷するための機構が不要であり、接触熱抵抗を低減することができる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とが接合層を介して電極によって電気的に直列に接続された構成を有し、温度差を利用して発電を行う熱電変換モジュールであって、前記電極が、高温側に配置される高温側電極と、低温側に配置される低温側電極とからなり、前記高温側電極および／または前記低温側電極が、外部と熱交換するための熱交換構造を備えていることを特徴とする熱電変換モジュールが提供される。

本発明の熱電変換モジュールによれば、接触熱抵抗を低減するための面圧を負荷するための機構が不要であり、接触熱抵抗を低減することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の熱電変換モジュールの断面を示す図である。 高温側電極および低温側電極の双方に熱交換構造部を備えた熱電変換モジュールの断面を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の、Ｎｉメッキ層を備えた熱電変換モジュールの断面を示す図である。 本発明に係る第１の実施の形態の、熱交換構造部と電極部材とを接合層を介して接合した構成を有する電極を備える熱電変換モジュールの断面を示す図である。 図４に示した熱電変換モジュールにおいて、板状部材と接合層を他の構成で構成したときの熱電変換モジュールの断面を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の熱電変換モジュールの断面を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態の、熱交換フィンを設けたヒートパイプを備える熱電変換モジュールの断面を示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態の熱電変換モジュールの断面を示す図である。 本発明に係る第４の実施の形態の熱電変換モジュールの断面を示す図である。 比較例１で使用した熱電変換モジュールの断面を示す図である。 実施例１および比較例１における高温側と低温側の温度差の評価結果であり、熱交換フィンの温度と、高温側と低温側の温度差の関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。

図１に示すように、熱電変換モジュール１０は、所定の位置に配置された複数のｎ型熱電変換素子２０と、これらのｎ型熱電変換素子２０に対応して所定の位置に配置された複数のｐ型熱電変換素子２１と、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１と電気的に直列に接続する電極２２とを備えている。また、ｎ型熱電変換素子２０と電極２２、およびｐ型熱電変換素子２１と電極２２は、接合層２５を介して接続されている。具体的には、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１の一端側が電極２２によって接続され、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１の他端側が電極２２によって接続されている。また、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１の一端側と他端側の電極２２のうち一方は、高温側に配置され、高温側電極３０として機能し、他方は、低温側に配置され、低温側電極４０として機能する。

また、高温側電極３０は、板状部材で構成されている。一方、低温側電極４０は、板状部材４１と、熱交換構造部（熱交換構造）として機能する熱交換フィン４２とを備え、これらは一体的に構成されている。

熱交換構造部は、外部と熱交換するための構造を有している。熱交換構造部の一例として、図１に示すように、複数の熱交換フィン４２を備えたフィン構造が挙げられる。熱交換フィン４２は、平板形状に限らず、表面積を増やし熱伝達を効率よく行うために例えば波板形状などで構成されてもよい。

ここで、高温側電極３０および低温側電極４０は、導電性および熱伝導性に優れた材料で構成されることが好ましい。高温側電極３０および低温側電極４０は、具体的には、銅やアルミニウムなどの材料で構成されることが好ましい。

なお、ここでは、低温側電極４０のみが熱交換構造部を備えた一例を示しているが、この構成に限られるものではない。ここで、図２は、高温側電極３０および低温側電極４０の双方に熱交換構造部を備えた熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。図２に示すように、高温側電極３０および低温側電極４０の双方に熱交換構造部を備えてもよい。なお、この構成の場合、高温側電極３０の熱交換構造部は、高温媒体に接触するように配置される。例えば、高温側電極３０の熱交換構造部は、図２に示すように、高温媒体である高温流体５０中に配置されてもよい。このように、高温側電極３０の熱交換構造部を高温媒体に接触するように配置することで、効率よく集熱することができる。また、熱交換構造部は、高温側電極３０のみが備えてもよい。

接合層２５は、ｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１と、高温側電極３０および低温側電極４０とを、電気的および熱的に接続するものである。すなわち、接合層２５は、熱伝導性および電気伝導性に優れた材料で構成されることが好ましい。接合層２５は、例えば、はんだ（はんだペーストを含む）、銀ペーストなどで構成される。

はんだとしては、特に成分等が限定されるものではなく、製造上や信頼性の観点から一般に流通しているはんだ材料を用いるのが好ましい。はんだを用いた場合、接合層２５の厚さは、５０μｍ程度となる。

ここで、接合層２５をはんだで形成する場合、熱電変換素子と接合層２５とが化学的に反応することがある。この場合には、熱電変換素子と接合層２５との界面に反応層が生成し、界面において劣化が生じる。そのため、熱電変換素子の接合層２５と接触する側の端面に、予め、例えばＮｉメッキ層を形成することが好ましい。

図３は、本発明に係る第１の実施の形態の、Ｎｉメッキ層６０を備えた熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。図３に示すように、ｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１と、接合層２５との間にＮｉメッキ層６０を設けることにより、ｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１を保護し、界面での反応を抑えることができる。なお、Ｎｉメッキ層６０の厚さは、あまり厚いと接触熱抵抗や熱損失を低減する効果を低下させてしまうので望ましくない。逆にあまり薄いと接合層２５をはんだで形成した場合に、接合界面における劣化の抑制効果がなくなり好ましくない。

銀ペーストは、銀微粒子と有機溶剤とを含むペースト状の接合剤である。銀ペーストにおいて、特に、銀微粒子の平均粒径はナノオーダであることが好ましい。このナノオーダの銀微粒子で構成することで、ナノオーダの銀微粒子どうしが融着接合することによって、熱伝導性および電気伝導性に優れた接合層２５を形成することができる。また、銀ペーストを用いて接合層２５を形成することで、接合層２５の厚さは、５μｍ程度となる。

ここで、接合層２５を構成する材料として、上記したはんだを用いても、十分な熱伝導性および電気伝導性を得ることができるが、さらに熱伝導性および電気伝導性を向上させるためには、銀ペーストを用いることが好ましい。銀ペーストを用いた場合、上記したように、はんだを用いた場合よりも接合層２５を薄く形成することができる。そのため、熱抵抗、電気抵抗を小さくすることができる。例えば、ナノオーダの銀微粒子を用いた銀ペーストで接合層２５を形成した場合、電気比抵抗、熱伝導率は、それぞれ０．１μΩ・ｍ程度、２５Ｗ／ｍ・Ｋ程度となる。一方、Ｓｎ−４０重量％Ｐｂはんだで接合層２５を形成した場合、電気比抵抗、熱伝導率は、０．１４μΩ・ｍ程度、５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。上記した接合層２５の厚さを考慮すると、接合層２５における電気抵抗、熱抵抗は、銀ペーストを用いた場合には、Ｓｎ−４０重量％Ｐｂはんだを用いた場合よりも、それぞれ１／１４、１／５程度となる。このように、接触熱抵抗や熱損失を抑制することで、熱電変換モジュール１０の高温側と低温側の温度差を大きくすることができ、発電量を増加することができる。

次に、熱電変換モジュール１０の製造方法について説明する。

まず、複数のｎ型熱電変換素子２０を所定の位置に配置し、これらのｎ型熱電変換素子２０に対応させて複数のｐ型熱電変換素子２１を所定の位置に配置する。この際、各熱電変換素子間は所定の間隔が空けられている。

続いて、第１のｎ型熱電変換素子２０の一端と、この第１のｎ型熱電変換素子２０に隣接して配置されている第１のｐ型熱電変換素子２１の一端とを第１の高温側電極３０で電気的に接続する。この際、第１のｎ型熱電変換素子２０の一端と第１の高温側電極３０、および第１のｐ型熱電変換素子２１の一端と第１の高温側電極３０は、例えば、はんだや銀ペーストを用いて接合される。その際、接合部には、接合層２５が形成される。ここで、はんだや銀ペーストなどの接合部材を接合面に配置し、例えばリフロー炉などによって接合部材を溶融することで、各熱電変換素子と各電極が接合される。

続いて、第１のｎ型熱電変換素子２０の他端と、この第１のｎ型熱電変換素子２０に隣接して配置されている第２のｐ型熱電変換素子２１の他端とを第１の低温側電極４０で電気的に接続する。一方、第１のｐ型熱電変換素子２１の他端と、この第１のｐ型熱電変換素子２１に隣接して配置されている第２のｎ型熱電変換素子２０の他端とを第２の低温側電極４０で電気的に接続する。第１のｎ型熱電変換素子２０の他端と第１の低温側電極４０、第２のｐ型熱電変換素子２１の他端と第１の低温側電極４０、第１のｐ型熱電変換素子２１の他端と第２の低温側電極４０、および第２のｎ型熱電変換素子２０の他端と第２の低温側電極４０は、例えば、上記同様に、はんだや銀ペーストを用いて接続され、接合層２５が形成される。

このようにして、高温側電極３０または低温側電極４０を用いて、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１とを電気的に直列に接続し、熱電変換モジュール１０が得られる。

上記した熱電変換モジュール１０では、高温側電極３０と低温側電極４０との間に温度差が生じると、ゼーベック効果により起電力を発生し、電力が得られる。例えば、低温側電極４０の熱交換フィン４２によって多くの熱量を外部に放出することで、高温側電極３０と低温側電極４０との間の温度差は大きくなり、発電量を増加することができる。

上記したように、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０によれば、熱交換構造部を有する電極２２を備えるため、従来の電変換モジュールが備えるような、電極と熱交換構造部とを絶縁層を介して密着させる機構を設ける必要がない。そのため、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、絶縁層を設けることで生じていた接触熱抵抗やそれに起因する熱損失を抑制することができる。このように、接触熱抵抗や熱損失を抑制することで、熱電変換モジュール１０の高温側と低温側の温度差を大きくすることができ、発電量を増加することができる。

また、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、従来の電変換モジュールが備えるような、電極と熱交換構造部とを絶縁層を介して密着させる機構を設ける必要がないため、コンパクト化および製作コストの削減などを図ることができる。

ここで、上記した第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、熱交換構造部を有する電極２２、すなわち熱交換構造部と電極が一体的に構成された一例を示したが、熱交換構造部と電極とを、前述した接合層２５を構成する材料を用いて接合する構成としてもよい。

図４は、本発明に係る第１の実施の形態の、熱交換構造部と電極部材とを接合層を介して接合した構成を有する電極を備える熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。

図４に示すように、低温側電極４０は、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１と接合層２５を介して電気的に接続された低温側電極部材７０と、この低温側電極部材７０と接合層７５を介して電気的に接合される、板状部材４１と熱交換フィン４２とが一体的に構成された熱交換構造部とを備えている。ここで、接合層７５は、接合層２５を構成することができる材料と同じ材料で構成される。

このように、低温側電極４０を構成することで、熱交換構造部を有する電極を構成することができる。これによって、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、従来の熱電変換モジュールのような、電極と熱交換構造部とを絶縁層を介して設ける構成は不要となる。そのため、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、絶縁層を設けることで生じていた接触熱抵抗やそれに起因する熱損失を抑制することができる。このように、接触熱抵抗や熱損失を抑制することで、熱電変換モジュール１０の高温側と低温側の温度差を大きくすることができ、発電量を増加することができる。

なお、この構成は、低温側電極４０のみに備えることに限られない。例えば、この構成を高温側電極３０および低温側電極４０の双方に備えてもよい。また、この構成を高温側電極３０のみに備えてもよい。

また、低温側電極４０の板状部材４１と、この板状部材４１をｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１に接合する接合層２５の構成は、上記した構成に限られるものではない。図５は、図４に示した熱電変換モジュール１０において、板状部材４１と接合層２５を他の構成で構成したときの熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。

ここでは、接合層２５の代わりに、ｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１の端面に、Ｍｏなどを溶射して溶射層８０が形成されている。また、その溶射層８０上に、Ａｌなどを溶射して、低温側電極４０および高温側電極３０の電極部材８５、９０が形成されている。なお、この場合、図示しないが、ｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１間には、例えば絶縁部材が充填されているので、ｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１の端面が所定の間隔をあけて配置されていても、溶射により電極部材８５、９０を形成することが可能となる。

このように、ｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１の端面に溶射層８０を設けることで、各熱電変換素子２０、２１と電極部材８５、９０とが反応して劣化するのを防止することができる。

（第２の実施の形態）
本発明に係る第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０は、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０と電極２２の熱交換構造部のみが異なり、他の構成は同じである。そこで、ここでは、第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０における電極２２の熱交換構造について主に説明する。

図６は、本発明に係る第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。なお、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図６に示すように、高温側電極３０は、板状部材で構成されている。一方、低温側電極４０は、板状部材４１と、熱交換構造部（熱交換構造）として機能するヒートパイプ４３とを備えている。低温側電極４０において、ヒートパイプ４３は、板状部材４１に一端が接合された形状を有し、板状部材４１と一体的に構成されている。ここでは、各低温側電極４０の表面の両端側に、外部に向けて２本のヒートパイプ４３を備えた一例を示している。なお、ヒートパイプ４３は、少なくとも１つ備えられていればよい。

ここで、ヒートパイプ４３の内部には、作動液が真空封入されており、ヒートパイプ４３の一端側（板状部材４１側）が加熱されると、作動液が蒸発する。この蒸発熱を、ｎ型熱電変換素子２０側やｐ型熱電変換素子２１側から吸収している。蒸発した蒸気は、ヒートパイプ４３の他端側（外部に突き出した先端側）で、凝縮して液体になる。この際、蒸発熱が外部に放出される。このようにして、低温側電極４０からより多くの熱量を外部に放出することで、高温側電極３０と低温側電極４０との間の温度差は大きくなり、発電量を増加することができる。

ヒートパイプ４３の種類は、特に限定されないが、例えば、ウィック式、サーモサイホン式などを使用することができる。

また、例えば、ヒートパイプ４３の他端側（外部に突き出した先端側）に、複数の熱交換フィン１００を設けてもよい。図７は、本発明に係る第２の実施の形態の、熱交換フィンを設けたヒートパイプ４３を備える熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。なお、図７に示した熱電変換モジュール１０は、ある限られた空間に熱電変換モジュール１０を設置する際、ヒートパイプ４３どうしが接触しないように構成された一例である。

図７に示すように、ヒートパイプ４３の他端側（外部に突き出した先端側）に複数の熱交換フィン１００を設けることで、ヒートパイプ４３の他端側において、熱交換が促進され、外部への熱放出を効率よく行うことができる。

なお、ここでは、低温側電極４０のみが熱交換構造部を備えた一例を示しているが、この構成に限られるものではない。例えば、高温側電極３０および低温側電極４０の双方に熱交換構造部を備えてもよい。また、高温側電極３０のみに熱交換構造部を備えてもよい。高温側電極３０に熱交換構造部を備えることで、効率よく集熱することができる。

上記したように、第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０によれば、熱交換構造部を有する電極２２を備えるため、従来の電変換モジュールが備えるような、電極と熱交換構造部とを絶縁層を介して密着させる機構を設ける必要がない。そのため、第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、絶縁層を設けることで生じていた接触熱抵抗やそれに起因する熱損失を抑制することができる。このように、接触熱抵抗や熱損失を抑制することで、熱電変換モジュール１０の高温側と低温側の温度差を大きくすることができ、発電量を増加することができる。

また、熱交換構造部としてヒートパイプ４３を備えることで、ヒートパイプ４３の加熱部（受熱部）と冷却部（放熱部）における温度差が小さくても、蒸発と凝縮の潜熱移動により、加熱部からと冷却部に多くの熱量を輸送することができる。そのため、熱電変換モジュール１０の高温側と低温側の温度差を大きくすることができ、発電量を増加することができる。

また、第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０は、熱交換構造部を有する電極２２を備えるため、従来の電変換モジュールが備えていたような、電極と熱交換構造部とを絶縁層を介して密着させる機構を設ける必要がない。そのため、第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、コンパクト化および製作コストの削減などを図ることができる。

なお、ここでは、図１に示した第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０の熱交換構造部をヒートパイプ４３とした一例を示したが、第１の実施の形態で示した他の構成の熱電変換モジュール１０の熱交換構造部としてヒートパイプ４３を使用することもできる。これらの場合においても、上記した第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明に係る第３の実施の形態の熱電変換モジュール１０は、第１の実施の形態および第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０における、高温側電極３０と低温側電極４０との間の構成部材が対流防止部材１１０で覆われている以外は、第１の実施の形態および第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０の構成と同じである。

図８は、本発明に係る第３の実施の形態の熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。なお、第１の実施の形態および第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図８に示すように、第３の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、高温側電極３０と低温側電極４０との間の構成部材が対流防止部材１１０で覆われている。具体的には、所定の間隔をあけて配置されている、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１との間隙に対流防止部材１１０を設けている。また、熱電変換モジュール１０は、高温側電極３０が高温熱源１１５に接触するように配置されている。

対流防止部材１１０は、高温熱源１１５で加熱された周囲に存在する空気などの気体の対流により、低温側電極４０が加熱されるのを防止するものである。すなわち、対流防止部材１１０は、高温側電極３０と低温側電極４０との間の空間における気体の対流を防止するものである。対流防止部材１１０は、高温熱源１１５からの熱を低温側電極４０側へ伝え難い、熱伝導率の小さな材料（例えば、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料）で構成されることが好ましい。また、対流防止部材１１０は、高温側電極３０と低温側電極４０との間に亘って備えられるため、電気絶縁材料であることが好ましい。具体的には、対流防止部材１１０は、例えば、アルミナ系または窒化珪素系のセラミックス、ポリウレタンなどの樹脂系材料などからなる断熱材料などで構成される。

第３の実施の形態の熱電変換モジュール１０によれば、熱電変換モジュール１０における、高温側電極３０と低温側電極４０との間の構成部材を対流防止部材１１０で覆うことで、ｎ型熱電変換素子２０とｐ型熱電変換素子２１との間における、空気などの気体の対流を防止することができる。これによって、高温熱源１１５で加熱された周囲に存在する空気などの気体の対流により、低温側電極４０が加熱されるのを防止することができる。そのため、熱電変換モジュール１０の高温側と低温側の温度差を大きくすることができ、発電量を増加することができる。

また、熱電変換モジュール１０における、高温側電極３０と低温側電極４０との間の構成部材を対流防止部材１１０で覆うことで、熱電変換モジュール１０の外周部から放出される熱量を低減することができ、発電量を増加することができる。

なお、ここでは、図１に示した第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０に対流防止部材１１０を備えた一例を示したが、第１の実施の形態で示した他の構成の熱電変換モジュール１０や第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０に対流防止部材１１０を備えてもよい。これらの場合においても、上記した第３の実施の形態の熱電変換モジュール１０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
本発明に係る第４の実施の形態の熱電変換モジュール１０は、第１の実施の形態および第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０において、低温側電極４０とｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１との境界の外周に熱反射板１２０を備えた以外は、第１の実施の形態および第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０の構成と同じである。

図９は、本発明に係る第４の実施の形態の熱電変換モジュール１０の断面を示す図である。なお、第１の実施の形態〜第３の実施の形態の熱電変換モジュール１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。

図９に示すように、第４の実施の形態の熱電変換モジュール１０では、低温側電極４０とｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１との境界の外周に、水平方向に亘って熱反射板１２０が設けられている。換言すると、ｎ型熱電変換素子２０の低温側電極４０側の接合層２５の外周と、これに隣接して配置されているｐ型熱電変換素子２１やｎ型熱電変換素子２０の低温側電極４０側の接合層２５の外周との間に熱反射板１２０が設けられている。また、熱電変換モジュール１０は、高温側電極３０が高温熱源１１５に接触するように配置されている。

熱反射板１２０は、高温熱源１１５側（高温側電極３０）から低温側電極４０側への放射伝熱を阻止するものである。すなわち、熱反射板１２０は、高温熱源１１５や高温側電極３０からの放射熱を反射して、高温熱源１１５や高温側電極３０からの放射熱が低温側電極４０側へ伝わるのを防止している。熱反射板１２０は、熱反射板１２０に入射した放射エネルギのほとんどを反射もしくは再放射することが好ましく、例えば、入射した全放射エネルギに対する反射もしくは再放射されたエネルギの割合である全反射率が１に近いことが好ましい。なお、全反射率が１に近い材料で構成されることが好ましいため、入射した放射エネルギを透過しやすい材料や、吸収しやすい材料は好ましくない。熱反射板１２０は、例えば、白色の、アルミナ系のセラミックスなどからなる断熱材料、ステンレス鋼などで構成することができる。

第４の実施の形態の熱電変換モジュール１０によれば、低温側電極４０とｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１との境界の外周に、水平方向に亘って熱反射板１２０を設けることで、高温側電極３０や高温熱源１１５からの放射熱が低温側電極４０側へ伝わるのを防止することができる。これによって、低温側電極４０が加熱されるのを防止することができ、熱電変換モジュール１０の高温側と低温側の温度差を大きくすることができ、発電量を増加することができる。

なお、ここでは、図１に示した第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０に熱反射板１２０を備えた一例を示したが、第１の実施の形態で示した他の構成の熱電変換モジュール１０や第２の実施の形態の熱電変換モジュール１０に熱反射板１２０を備えてもよい。これらの場合においても、上記した第４の実施の形態の熱電変換モジュール１０の作用効果と同様の作用効果を得ることができる。

次に、本発明に係る熱電変換モジュール１０における高温側と低温側の温度差が、従来の熱電変換モジュールにおける高温側と低温側の温度差よりも大きいことを実施例および比較例を用いて説明する。

（実施例１）
実施例１では、図１に示された第１の実施の形態の熱電変換モジュール１０を用いて、高温側と低温側の温度差を評価した。

熱電変換モジュール１０は、ビスマス−テルル系の熱電変換素子を用い、５０ｍｍ×５０ｍｍのサイズに形成した。また、接合層２５は、６０Ｓｎ−４０Ｐｂはんだで構成され、厚さは、０．０５ｍｍであった。また、高温側電極３０および低温側電極４０を５０μｍの銅材で構成した。

上記した熱電変換モジュール１０の高温側電極３０を、高温熱源に接触させ、低温側電極４０の熱交換フィン４２における温度を測定した。

（比較例１）
図１０は、比較例１で使用した熱電変換モジュール２００の断面を示す図である。

図１０に示すように、熱電変換モジュール２００において、ｎ型熱電変換素子２１０およびｐ型熱電変換素子２１１の構成および材料は、実施例１使用した熱電変換モジュール１０のｎ型熱電変換素子２０およびｐ型熱電変換素子２１の構成および材料と同じとした。ｎ型熱電変換素子２１０とｐ型熱電変換素子２１１の一端を接合層２４０を介して高温側電極２２０に接合し、ｎ型熱電変換素子２１０とｐ型熱電変換素子２１１の他端を接合層２４０を介して低温側電極２３０に接合した。このようにして、ｎ型熱電変換素子２１０とｐ型熱電変換素子２１１とを電気的に直列に接続した。接合層２４０は、６０Ｓｎ−４０Ｐｂはんだで構成され、厚さは、０．０５ｍｍであった。

続いて、低温側電極２３０上に、厚さが０．５ｍｍの熱伝導グリース層２５０を介してポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる電気絶縁板２６０を積層した。この電気絶縁板２６０上に、厚さが０．５ｍｍの熱伝導グリース層２７０を介して熱交換フィン構造体２８０を積層した。この熱交換フィン構造体２８０は、実施例１で使用した熱電変換モジュール１０の低温側電極４０と同じ構成を有し、板状部材２８１と、熱交換フィン２８２とを備える構成とした。また、熱交換フィン構造体２８０を構成する材料も実施例１で使用した熱電変換モジュール１０の低温側電極４０と同じとした。また、熱電変換モジュール２００のサイズは、実施例１で使用した熱電変換モジュール１０のサイズと同じとした。

この熱電変換モジュール２００を用いて、実施例１における、高温側と低温側の温度差の評価方法と同じ方法で、熱電変換モジュール２００における高温側と低温側の温度差を評価した。

（実施例１および比較例１のまとめ）
図１１は、上記した実施例１および比較例１における高温側と低温側の温度差の評価結果であり、熱交換フィンの温度と、高温側と低温側の温度差の関係を示す図である。ここで、高温側と低温側の温度差は、高温熱源の温度と熱交換フィンの温度の温度差である。

図１１に示すように、実施した温度範囲において、実施例１の熱電変換モジュール１０における高温側と低温側の温度差は、比較例１の熱電変換モジュール２００における高温側と低温側の温度差よりも、大きいことがわかった。

以上、本発明を一実施の形態により具体的に説明したが、本発明はこれらの実施の形態にのみ限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０…熱電変換モジュール、２０…ｎ型熱電変換素子、２１…ｐ型熱電変換素子、２２…電極、２５…接合層、３０…高温側電極、４０…低温側電極、４１…板状部材、４２…熱交換フィン。

Claims (10)

1. ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とが接合層を介して電極によって電気的に直列に接続された構成を有し、温度差を利用して発電を行う熱電変換モジュールであって、
   前記電極が、高温側に配置される高温側電極と、低温側に配置される低温側電極とからなり、前記高温側電極および／または前記低温側電極が、外部と熱交換するための熱交換構造を備えていることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記熱交換構造が、複数の熱交換フィンを備えたフィン構造であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記熱交換構造が、少なくとも一つのヒートパイプを備えた構造であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
4. 前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子の前記接合層と接合される接合面にメッキ層が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
5. 前記接合層が、はんだまたは銀ペーストで構成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
6. 前記高温側電極および／または前記低温側電極が、前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子と前記接合層を介して接合される導電部材と、前記導電部材と前記熱交換構造を有する部材とを接合する第２の接合層とを具備することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
7. 前記第２の接合層が、はんだまたは銀ペーストで構成されることを特徴とする請求項６記載の熱電変換モジュール。
8. 前記接合層が、はんだまたは銀ペーストで構成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
9. 前記高温側電極と前記低温側電極との間における熱電変換モジュールの構成部材が、対流防止部材で覆われていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。
10. 前記低温側電極と前記ｎ型熱電変換素子および前記ｐ型熱電変換素子との境界の外周に、高温側電極側から低温側電極側への放射伝熱を阻止する熱反射板を備えたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項記載の熱電変換モジュール。

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