JP3165129B2 - 熱電発電用熱電変換モジュールブロック - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱源から熱起電力
を取り出す熱電変換モジュールを複数用いて組み付けら
れた熱電変換モジュールブロックの構成に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】ｐ型とｎ型の熱電半導体が電気的に接合
した接合部を持つ熱電変換素子対において、接合部を高
温にしかつ熱電半導体の他方を低温にすると、温度差に
応じた熱起電力が発生する現象があり、これをゼーベッ
ク効果と称している。

【０００３】また、上記熱電変換素子対において、一方
の熱電半導体から他方の熱電半導体に電流を流すと、一
方の接合部では熱を吸収し、他方では熱を発生する現象
があり、これをペルチェ効果と称している。

【０００４】さらに、ｐ型またはｎ型の熱電半導体の一
方を高温にしかつ他方を低温にして温度勾配に沿って電
流を流すと、電流の方向によって熱電半導体の内部で熱
の吸収または発生を生じる現象があり、これをトムソン
効果と称している。

【０００５】このような効果を利用した熱電変換装置
は、振動・騒音・摩耗等を生じる可動部分が全くなく、
構造が簡単で信頼性が高く、高寿命で保守が容易である
という特徴をもった簡略化されたエネルギー直接変換装
置となりうるものである。そして、このような熱電変換
装置は、ｐ型とｎ型の熱電半導体が電気的に接合した構
成の熱電変換素子対を１対以上そなえており、素子対接
合部はｐ型およびｎ型熱電半導体同士が直接電気的に接
合した構成、あるいは、ｐ型熱電半導体と電極とｎ型熱
電半導体とが電気的に（すなわち、間接的に）接合した
構成をとるのが普通である。

【０００６】このような構成の熱電変換装置には、熱電
変換素子対の両端に設定した温度差に依存して起電力を
取り出す前記ゼーベック効果を利用した熱電発電装置
や、両端に印加した電圧に依存して温度差を生じさせる
ことにより一端を冷却する前記ペルチェ効果を利用した
熱電冷却装置がある。

【０００７】従来の熱電変換モジュールとしては、例え
ば、特開平５−４１５４３号公報の図３に示すペルチェ
効果を利用した熱電冷却装置用のモジュールがある。こ
のモジュールは、アルミナセラミックスなどの熱伝導性
が良好な絶縁材料からなる２枚の正方形の熱交換基板の
間に複数の熱電素子を配置して挾持した構造を有するも
のである。そして、この場合の熱交換基板は、熱交換性
能を向上させる機能を有するだけでなく、モジュールの
機械的強度を向上させる機能も発揮する。この公知例の
ような熱電冷却装置の場合には、モジュールの両端に発
生する温度差はせいぜい１００℃程度までであり、設置
数も１個〜数十個である。

【０００８】これに対し、熱電発電装置の場合には、モ
ジュールの両端に発生する温度差が約６００℃に達する
場合もあり、設置数も数百個〜数千個におよぶことがあ
る。このため、一般的に発電用のモジュールでは、モジ
ュール両端の温度差に起因する破壊に対する耐久性だけ
でなく、設置時や使用時の機械的圧力や振動による破壊
に対する耐久性が要求される。

【０００９】例えば、排気管や熱交換器壁面などの高温
側熱源から多数のモジュール高温端へ、さらに、モジュ
ール低温端から冷却ジャケットなどの低温側熱源へと、
良好かつ均一に熱伝達させるためには、高温側熱源と低
温側熱源との間でかなりの設置圧力がモジュールにかか
ることとなる。

【００１０】モジュールの機械的強度を増加させるた
め、例えば、米国特許第４，６１１，０８９号明細書に
は、熱電素子を２次元的に配置し、高温端および低温端
の平面形状がほぼ正方形をなすようにした熱電変換モジ
ュールが開示されている。この熱電変換モジュールで
は、縦横に格子状をなす絶縁ホルダーにより熱電素子を
２次元的に配置して保持するようにしている。

【００１１】この熱電変換モジュールでは、高温端と低
温端との間で発生する温度差に起因する熱応力を絶縁ホ
ルダーによって緩和することができ、強度の低い熱電素
子の破壊を避けるのに好適な構成である。また、両端面
が正方形であるモジュールは、上述した設置時の機械的
圧力や振動に対しても強度が高い特徴がある。

【００１２】一般的に、モジュール内に設置された熱電
素子は、高温端と低温端の電極によって電気的に直列に
接続されており、モジュールから発電出力を取り出すた
めに、両端の熱電素子の低温端部分においてメッシュや
より線を用いたリード線が接続されている。そして、複
数の熱電変換モジュールを電気的に接続する場合は、各
モジュールのリード線をハンダ付けするかあるいは圧着
することによって結線することとなる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】特に、自動車排気熱を
熱源として使用する場合などでは、排気ガスの温度と流
量の積である排気熱量がエンジンの運転状況に応じて大
きく変化するため、モジュールの高温端を設置する排気
管表面温度も変化することとなる。また、排気ガスから
排気管に設置した熱電変換モジュールに流れる熱量が大
きくなるほど、その熱電変換モジュールの下流の排気温
度は低下することとなる。

【００１４】このように、排気管表面温度が経時変化す
る場合や温度分布がある場合、モジュール両端の温度差
に依存してモジュールの発電電圧・電流が変化すること
になるが、電気的に直列あるいは並列に接続するモジュ
ール数を電気的に制御することによって、発電電圧を一
定に保持するなど発電効率の最適化制御を行うことが考
えられる。

【００１５】しかし、従来の両端面が正方形の熱電変換
モジュールを設置した場合は、１つのモジュール内にお
いて温度差の分布ができるため、発電出力の最適化制御
が困難となる問題がある。

【００１６】また、モジュール両端に大きな温度差が発
生すると、高温端部の熱膨張のためモジュール全体が反
ることになる。このため高温側と低温側の熱源の間に設
置された熱電変換モジュールにかかる設置圧力が小さい
場合は、モジュール両端面と熱源との間での熱接触が低
下し、モジュール両端に温度差がつかなくなることか
ら、発電出力が急激に低下する問題がある。因みに、従
来の正方形型のモジュールでは、モジュール両端の温度
差が約２５０℃程度の場合において、設置圧力として数
十ｋｇｆ／ｃｍ²以上が必要となる。そして、両端の温
度差が大きくなる場合は、さらに高い設置圧力が必要と
なる。

【００１７】モジュールの設置圧力を十分確保するため
に、例えば、冷却ジャケット側に押し付け用のばね機構
などを設置すると、ばね機構部分の方がモジュール部分
よりも大容量となるなど、熱電発電装置全体として大型
化する問題が生じる。

【００１８】一方、両端面が正方形で面積が小さい熱電
変換モジュールを用いた場合は、反りや出力制御性の課
題は解決されるものの、モジュールの設置数が増加する
ため、数百以上のモジュール同士の電気的接続を行いな
がら、高温側と低温側の熱源の間に設置する必要がある
ことから、このような作業は極めて煩雑になる問題があ
る。

【００１９】さらに、正方形のモジュールでは、リード
端電極あるいはリード線を結線したり、引き回したりす
るために、隣接するモジュールとの間で間隔を設ける必
要があることから、モジュールの設置密度が小さくな
り、熱電発電装置がコンパクト化できない問題がある。

【００２０】さらにまた、モジュールの厚さは数ｃｍ程
度であり、その間隔を隔てて、６００℃にも達する場合
がある高温側熱源と、数十〜１００℃程度の低温側熱源
とが位置していることとなるため、モジュールが設置さ
れていない箇所があると、空気や断熱材による熱伝導や
輻射によって、高温端熱源から低温端熱源へとモジュー
ルを通過せずに熱が流れる割合が増加するため、熱電変
換効率が低下する問題がある。

【００２１】さらにまた、モジュールを設置する平滑部
分を有する高温壁面に熱電変換モジュールを設置する場
合、多数の熱電変換モジュールを均一かつ良好に熱接触
させるためには、高温壁面も冷却板側も、高い平面性と
平滑性を有することが必要になるが、高温状態では大面
積になるほど平面性を確保することが困難となる問題が
ある。そして、高温側熱源が自動車などの燃焼機関の排
気ガスや廃棄物の燃焼排気ガスを流す排気管の場合は、
通常、円形断面であるため、モジュールが設置される表
面の平面性は極めて悪い場合が多い。また、排気管の加
工容易性だけでなく、排気ガスが高温でかつ酸性の場合
は、特に、排気管溶接部分の腐蝕防止の点からも円形断
面の排気管を使用する方がよいが、両端面が正方形の熱
電変換モジュールを設置する場合は、溶接箇所の多い矩
形断面や多角形断面の排気管を特別に用意する必要があ
るという問題がある。

【００２２】

【発明の目的】本発明は、上記課題を解決するためにな
されたものであって、熱電変換モジュールの両端に大き
な温度差が生じた場合でも、熱電変換モジュールが反る
ことによる発電出力の低下を防止するとともに、多数の
モジュールを設置してモジュール間の電気的接続を行う
場合の作業が簡便にできる熱電変換モジュールブロック
を提供することを目的としている。

【００２３】また、熱源からの熱流が逃げてしまうこと
により発電損失の原因となっていたモジュール間の隙間
を最小限にして、熱源表面に高密度に熱電変換モジュー
ルが配置できるものとすることにより、コンパクトであ
りながら発電効率の高い熱電発電装置を実現するととも
に、モジュール間の電気的接続は簡便にかつ接続不良に
よる発電出力の損失をなくして行うことができる熱電変
換モジュールブロックを提供することを目的としてい
る。

【００２４】さらには、断面が円形や楕円形の排気管な
どにも容易に設置することが可能であり、排気流方向に
沿って電気的に直列および並列に接続するモジュール数
を変えることによる発電出力の最適化制御をも簡便に行
うことができる熱電発電用熱電変換モジュールブロック
を提供することを目的としている。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱電発電
用熱電変換モジュールブロックは、請求項１に記載して
いるように、複数の熱電変換モジュールを電気的に接続
した熱電発電用熱電変換モジュールブロックにおいて、
少なくとも２対以上のｐ型とｎ型の熱電素子が交互に１
列に配置され、交互に配置されたｐ型とｎ型の熱電素子
が高温端および低温端にそれぞれ形成した電極を介して
電気的に直列に接続され、熱電素子配列のうち両方の端
部に位置する熱電素子の低温端側に発電出力を取り出す
リード端電極が形成され、リード端電極が板状をなすと
共に熱電素子列と平行な方向に突出しており、板状をな
すリード端電極の少なくとも片面にＣｕ層が形成されて
いるライン型熱電変換モジュールを用い、モジュールを
構成する熱電素子列の側面同士を相互に間隔のあいた状
態として平行に配置し、リード端電極に形成したＣｕ層
に板状ないしは網状をなすモジュール接続用Ｃｕ材を接
合して隣接する熱電変換モジュール同士を電気的に接続
した構成としたことを特徴としている。そして、本発明
に係わる熱電変換モジュールブロックにおいては、請求
項２に記載しているように、板状をなすリード端電極の
少なくとも片面にＣｕ層としてＣｕ網状層あるいはＣｕ
箔状層がろう付け接合されているものとしたことを特徴
としている。同じく、本発明に係わる熱電変換モジュー
ルブロックにおいては、請求項３に記載しているよう
に、板状をなすリード端電極の少なくとも片面にＣｕ層
としてＣｕ網状層あるいはＣｕ箔状層が溶接接合されて
いるものとしたことを特徴としている。同じく、本発明
に係わる熱電変換モジュールブロックにおいては、請求
項４に記載しているように、高温端と低温端にそれぞれ
形成した電極およびリード端電極が、ＭｏおよびＭｏ基
合金、ＷおよびＷ基合金、ＳＵＳ（ステンレス鋼）系合
金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金のうちから選ばれる少なくとも１
種の金属で構成され、板状をなすリード端電極とＣｕ層
との間にＮｉ基合金からなる接合層ないしは中間層（熱
応力緩和層など）が形成されているものとしたことを特
徴としている。

【００２６】

【００２７】

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【００３１】同じ目的を達成する本発明に係わる熱電発
電用熱電変換モジュールブロックは、請求項５に記載し
ているように、複数の熱電変換モジュールを電気的に接
続した熱電発電用熱電変換モジュールブロックにおい
て、少なくとも２対以上のｐ型とｎ型の熱電素子が交互
に１列に配置され、交互に配置されたｐ型とｎ型の熱電
素子が高温端および低温端にそれぞれ形成した電極を介
して電気的に直列に接続され、熱電素子配列のうち両方
の端部に位置する熱電素子の低温端側に発電出力を取り
出すリード端電極が形成され、高温端と低温端にそれぞ
れ形成した電極およびリード端電極が、ＭｏおよびＭｏ
基合金、ＷおよびＷ基合金、ＳＵＳ（ステンレス鋼）系
合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金のうちから選ばれる少なくとも
１種の金属で構成され、リード端電極が板状をなすと共
に熱電素子列と平行な方向に突出しており、板状をなす
リード端電極の少なくとも片面に導電性金属層とくに望
ましくはＮｉ層（Ｎｉ合金層を含む）が形成されている
ライン型熱電変換モジュールを用い、モジュールを構成
する熱電素子列の側面同士を相互に例えば必要最小限の
間隔のあいた状態として平行に配置し、リード端電極に
形成したＮｉ層に板状ないしは網状をなすモジュール接
続用Ｃｕ材を接合して隣接する熱電変換モジュール同士
を電気的に接続した構成としたことを特徴としている。

【００３２】そして、本発明に係わる熱電変換モジュー
ルブロックにおいては、請求項６に記載しているよう
に、隣接する熱電変換モジュール側面同士の間隔内部
に、電気絶縁性のペーパー状，綿状あるいは薄板状をな
すセラミックス等の絶縁材を介在させたものとしたこと
を特徴としている。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明に係わる熱電変換モジュー
ルブロックは、上記した構成を有するものであって、リ
ード端電極部分に特徴があるライン型熱電変換モジュー
ルを用いたものであり、リード端電極は熱電素子列方向
と平行な方向に突出した板状をなすものである。

【００３４】図１ないし図４は本発明で用いるライン型
熱電変換モジュールの実施の形態を示すものであって、
このライン型熱電変換モジュール１は、少なくとも２対
以上（図１の場合は簡略化した５対として示す）のｐ型
熱電素子２ｐとｎ型熱電素子２ｎが交互に１列に配置さ
れ、交互に配置されたｐ型熱電素子２ｐとｎ型熱電素子
２ｎがそれぞれの高温端電極３ｈおよび低温端電極３ｌ
を介して電気的に直列に接続され、熱電素子配列のうち
両方の端部に位置する熱電素子２ｐ，２ｎの低温端側に
発電出力を取り出すための板状をなすリード端電極４が
熱電素子列と平行な方向に突出しており、板状をなすリ
ード端電極４の少なくとも片面または両面に導電性金属
層５（Ｃｕ層５ＣやＮｉ層５Ｎ）が形成され、熱電素子
２ｐ，２ｎと電極３ｈ，３ｌとの間に導電性接着層６が
介在していると共に、隣接する熱電素子２ｐ，２ｎの側
面同士の間隔内部に絶縁性ガラス接着層７を設けた構造
をなすものである。

【００３５】そして、熱電素子列と平行な方向に突出し
た板状をなすリード端電極４は、図１に示すように、熱
電素子列と平行な方向に直線状に伸びた形状のものとし
てその上面側のみに導電性金属層５（５Ｃ，５Ｎ）を形
成するものとしたり、図２に示すように、下面側のみに
導電性金属層５（５Ｃ，５Ｎ）を形成するものとした
り、図３に示すように、リード端電極４に対し直交する
方向に導電性金属層５（５Ｃ，５Ｎ）を形成するものと
したり、図４に示すように、リード端電極４はその途中
で屈曲していてその両面に導電性金属層５（５Ｃ，５
Ｎ）を形成するものとしたりすることができ、いずれの
場合においても導電性金属層５（５Ｃ，５Ｎ）は熱電変
換モジュール１の幅から大きくはみ出さない形状をなす
ものとしている。

【００３６】このように、本発明で用いる熱電変換モジ
ュール１において、リード端電極４上には、Ｃｕ層５Ｃ
あるいはＮｉ層５Ｎからなる導電性金属層５が少なくと
も片面に形成されており、このようなＣｕ層５Ｃあるい
はＮｉ層５Ｎはリード端電極４の少なくとも片面に形成
されていればよいが、Ｃｕ層５ＣやＮｉ層５Ｎの形成工
程で生じるリード端電極４の反りや変形を防ぐ目的で両
面に形成したものとすることもでき、Ｃｕ層５Ｃの素材
としてはＣｕ金属やＣｕ基合金を使用することができ、
Ｎｉ層５Ｎの素材としてはＮｉ金属やＮｉ基合金を使用
することができる。

【００３７】そして、リード端電極４の一部に網状（メ
ッシュ状）あるいは箔状（フォイル状）のＣｕ層５Ｃが
形成されている場合は、Ｃｕ層５Ｃの部分において選択
的にハンダないしはろう材とのぬれ性が良好であるた
め、モジュール間隔が狭く配置された状態で、絶縁を確
保したい部分にはハンダないしはろう材が付着しないも
のとし、電気的に接続したいＣｕ層５Ｃが形成された箇
所のみに制御性よくハンダないしはろう材を付着させる
ことができるようになるので、ハンダやろう材がはみ出
して流れることによる絶縁リークの不具合をなくし、電
気的な接続を簡便に行うことができることとなる。

【００３８】また、ライン型熱電変換モジュール１を束
ね、リード端電極４の部分のみを溶融したハンダ浴槽に
浸した場合においても、その後ライン型熱電変換モジュ
ール１を容易に分離して所望の配置にモジュールを設置
することが可能であるため、電気的接続のためのハンダ
付け作業が簡便になる効果がある。

【００３９】Ｃｕ層５Ｃとリード端電極４との間には、
接合層や熱応力緩和層などの中間層が形成されているも
のとすることもできる。そのリード端電極４の部分に
は、モジュール内の熱電素子特性や素子数にも依存する
が、数アンペア〜数十アンペアの電流が流れるため、Ｃ
ｕ層５Ｃとリード端電極４との接合界面は電気的に低抵
抗であることが重要である。すなわち、界面抵抗が高い
場合は、熱電素子部分で発電した電流をリード端子部分
で消費してしまうことになり、取り出される発電電力は
小さくなるので好ましくない。そして、Ｃｕ層５として
Ｃｕ箔状層やＣｕ網状層をろう付け接合した構成のもの
や、スポット溶接、レーザビーム溶接、超音波溶接した
構成のものが、界面抵抗が小さくなるので好ましい。

【００４０】特に、リード端電極４の素材として、Ｍｏ
およびＭｏ基合金、ＷおよびＷ基合金、ＳＵＳ（ステン
レス鋼）系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金を用いた場合は、リ
ード端電極４とＣｕ層５Ｃとの間にＮｉ基合金からなる
接合層が形成されている構成のものとするのが良い。具
体的には、リード端電極４とＣｕ層５ＣとをＮｉ基ろう
材によりろう付け接合した構成としたものや、リード端
電極４とＣｕ箔５Ｃとの間にＮｉ基接合層を介して溶接
接合した構成としたものが、リード端子部分の界面抵抗
が低く、熱応力による熱電素子部分の電極部分との間で
の剥離や熱電素子の割れを誘発することなく、リード端
子部分を形成することができる。

【００４１】Ｎｉ基ろう材やＮｉ基接合層は、リード端
電極４とＣｕ層５Ｃとの間にＮｉ基合金箔を設置して加
熱や通電などのエネルギー注入を行って接合することに
より形成することができる。また、リード端電極４の一
部あるいはＣｕ層５Ｃの表面に、リード端電極４の一部
にメッキ法、蒸着法、スパッタ法、などの成膜法やＮｉ
基合金ペーストの塗布法などによりＮｉ層を成膜したも
のや、Ｎｉ層とのクラッド材を用意してその後接合した
ものとすることができる。

【００４２】一方、リード端電極４の素材として、Ｍｏ
およびＭｏ基合金、ＷおよびＷ基合金、ＳＵＳ（ステン
レス鋼）系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金を用いた場合には、
少なくとも片面にＮｉ層５Ｎが形成されているものとす
ることにより、リード端電極４の部分の抵抗を小さくし
て、隣接する熱電変換モジュール１と電気的な接続を行
うことができる。

【００４３】そして、リード端電極４の少なくとも片面
にＮｉ層５Ｎが形成されているものとした場合は、Ｃｕ
板あるいはＣｕ網（Ｃｕメッシュ）線と容易に必要な箇
所にだけ溶接することができ、モジュール内の熱電素子
２ｐ，２ｎと電極３ｈ，３ｌとの接合部などに障害を与
えることなく、界面抵抗が小さい状態で電気的な接続作
業を簡便に行うことができることとなる。

【００４４】例えば、隣接するモジュールのリード端同
士や発電出力の取り出しターミナルとリード端電極４を
接続する場合、リード端電極４に形成したＮｉ層５Ｎ上
にＣｕ板やＣｕメッシュ線を渡して配置し、スポット溶
接する方法や、レーザー溶接する方法を用いることがで
きる。この場合のＮｉ層５Ｎとしては、リード端電極４
の一部にメッキ法、蒸着法、スパッタ法、などの成膜法
やＮｉ基合金ペーストの塗布法などによりＮｉ層を成膜
したものや、Ｎｉ層５Ｎとのクラッド材を用いることが
できる。

【００４５】本発明で用いる熱電変換モジュール１は、
そのリード端部の構成に特徴があり、リード端部を形成
する工程に依存するものではない。例えば、あらかじめ
Ｃｕ層５ＣやＮｉ層５Ｎが形成されたリード端電極４を
作成し、高温端電極３ｈおよび低温端電極３ｌと熱電素
子２ｐ，２ｎとを接合する工程と同時にリード端電極４
と熱電素子２ｐ，２ｎとを接合する工程を採ることがで
きる。

【００４６】また、Ｃｕ層５Ｃを形成する場合、一部に
Ｎｉ接着層を形成したリード端電極４を他の電極と同時
に熱電素子に接合した後に、網状あるいは箔状のＣｕ層
５Ｃを接合したり、隣接するモジュールや発電出力の取
り出しターミナルとＣｕ板とＣｕ網材で電気的に接続し
たりすることができる。

【００４７】ライン型熱電変換モジュールの設置数が多
い熱電発電装置では、あらかじめ複数のライン型熱電変
換モジュールを電気的に直列あるいは並列に接続したモ
ジュールブロックを作成しておいて、熱電発電装置に組
み込むことが考えられる。本発明による熱電変換モジュ
ールブロックの特徴は、複数のライン型熱電変換モジュ
ールを各モジュールの熱電素子列が平行となるように配
置し、リード端電極４上に形成したＣｕ層５Ｃ上に板状
あるいは網状をなすモジュール接続用Ｃｕ材をハンダ付
けして隣接する熱電変換モジュール１同士を電気的に接
続したことを特徴とするものである。あるいは、複数の
ライン型熱電変換モジュール１を各モジュールの熱電素
子列が平行となるように配置し、リード端電極４上に形
成したＮｉ層５Ｎ上に板状あるいは網状をなすモジュー
ル接続用Ｃｕ材を溶接して隣接する熱電変換モジュール
１同士を電気的に接続したことを特徴とするものであ
る。

【００４８】また、隣接する熱電変換モジュール１の側
面同士の間に、ペーパー状、綿状あるいは薄板状をなす
セラミックスなどの絶縁材を配置したことを特徴とする
モジュールブロックである。本発明の熱電変換モジュー
ルブロックの特徴は、ライン型熱電変換モジュールの複
数個を、各熱電素子列と相互に平行となるように配置
し、隣接するモジュールのリード端電極同士をＣｕ板あ
るいはＣｕ網材などのモジュール接続用導電材をハンダ
付けあるいは溶接することにより電気的に接続したもの
であり、各熱電変換モジュールの熱電素子列の側面は、
隣接するモジュールの側面と接着されていないものとし
たところに特徴がある。そして、相隣接する側面の間
は、リード端電極同士を電気的に接続するＣｕ板の形状
などにより一定間隔の隙間をあけたものとしてモジュー
ルブロックに形成したものとすることができる。

【００４９】また、相隣接するモジュール側面の間の間
隔内部に、電気絶縁性のペーパー状、綿状あるいは薄板
状をなすセラミックスなどの絶縁材を配置して挾持し、
リード端電極同士を電気的に接続してモジュールブロッ
クに形成したものとすることもできる。

【００５０】本発明による熱電変換モジュールブロック
は、正方形型のモジュールと異なり、各ライン型熱電変
換モジュールと絶縁性セラミックスとが接着していない
ものとすることもできるので、モジュール高温端と低温
端の熱膨張差に起因する熱応力に強く、熱電素子列と垂
直方向について反りにくくなる特徴がある。また、製造
が容易で安価であるが、平滑度や平面度が低い熱源に対
しても各ライン型熱電変換モジュールが接着されていな
いため、熱源と各ライン型熱電変換モジュールとの間で
の熱接触を均質なものにして設置することができる。

【００５１】

【発明の効果】本発明による熱電発電用熱電変換モジュ
ールブロックでは、請求項１に記載しているように、複
数の熱電変換モジュールを電気的に接続した熱電発電用
熱電変換モジュールブロックにおいて、少なくとも２対
以上のｐ型とｎ型の熱電素子が交互に１列に配置され、
交互に配置されたｐ型とｎ型の熱電素子が高温端および
低温端にそれぞれ形成した電極を介して電気的に直列に
接続され、熱電素子配列のうち両方の端部に位置する熱
電素子の低温端側に発電出力を取り出すリード端電極が
形成され、リード端電極が板状をなすと共に熱電素子列
と平行な方向に突出しており、板状をなすリード端電極
の少なくとも片面にＣｕ層が形成されているライン型熱
電変換モジュールを用い、モジュールを構成する熱電素
子列の側面同士を相互に間隔のあいた状態として平行に
配置し、リード端電極に形成したＣｕ層に板状ないしは
網状をなすモジュール接続用Ｃｕ材を接合して隣接する
熱電変換モジュール同士を電気的に接続したものとした
から、熱電変換モジュールの両端に大きな温度差が生じ
た場合でも、熱電変換モジュールが反ることによる発電
出力の低下を防止することが可能であるとともに、多数
のモジュールを設置してその設置密度を高いものとする
ことが可能でありかつまた設置密度を高くしたときでも
モジュール間の電気的接続を行う場合の作業が簡便にで
き、余分なハンダやろう材の付着に起因する絶縁破壊の
発生を防止することが可能であり、熱源からの熱流が逃
げてしまうことによる発電損失の原因となっていたモジ
ュール間の隙間を最小限にして、熱源表面に高密度に熱
電変換モジュールが配置できるものとなることにより、
コンパクトでありながら発電効率の高い熱電発電装置を
実現するとともに、モジュール間の電気的接続は簡便に
かつ接続不良による発電出力の損失をなくして行うこと
ができ、さらには、断面が円形や楕円形の排気管などに
も容易に設置することが可能であり、排気流方向に沿っ
て電気的に直列および並列に接続するモジュール数を変
えることによる発電出力の最適化制御をも簡便に行うこ
とができ、モジュールの設置数が多い場合であってもそ
れらの設置および電気的な接続を簡便に行うことが可能
であると共に、モジュール両端の温度差によるモジュー
ルブロックの反りが低減することにより設置圧力の低い
コンパ クトなモジュールブロックとすることができ、コ
ンパクトでありながら発電効率の高い熱電発電装置を得
ることが可能であるという著しく優れた効果がもたらさ
れる。 そして、請求項２に記載しているように、板状を
なすリード端電極の少なくとも片面にＣｕ層としてＣｕ
網状層あるいはＣｕ箔状層がろう付け接合されているも
のとすることによって、リード端電極とＣｕ層との間で
の界面抵抗を小さなものとすることができると共に、隣
接する熱電変換モジュールを電気的に接続する場合にリ
ード端電極とその他の電極ないしは導電材との間の接合
部などに剥離やクラックなどの不具合を発生させるのを
防止することが可能であり、発電電力の損失を小さなも
のとすることが可能であるという著しく優れた効果がも
たらされる。 また、請求項３に記載しているように、板
状をなすリード端電極の少なくとも片面にＣｕ層として
Ｃｕ網状層あるいはＣｕ箔状層が溶接接合されているも
のとすることによって、リード端電極とＣｕ層との間で
の界面抵抗を小さなものとすることができると共に、隣
接する熱電変換モジュールを電気的に接続する場合にリ
ード端電極とその他の電極ないしは導電材との間の接合
部などに剥離やクラックなどの不具合を発生させるのを
防止することが可能であり、発電電力の損失を小さなも
のとすることが可能であるという著しく優れた効果がも
たらされる。さらに、請求項４に記載しているように、
高温端と低温端にそれぞれ形成した電極およびリード端
電極が、ＭｏおよびＭｏ基合金、ＷおよびＷ基合金、Ｓ
ＵＳ（ステンレス鋼）系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金のうち
から選ばれる少なくとも１種の金属で構成され、板状を
なすリード端電極とＣｕ層との間にＮｉ基合金からなる
接合層ないしは中間層が形成されているものとすること
によって、リード端部の界面抵抗を小さくすることがで
きると共に、自動車排気ガスを高温端側とする場合のよ
うな大きな温度差を生じる環境で使用したときでも熱応
力による熱電素子部分と電極部分との間での剥離や熱電
素子の割れを誘発することなく電気的損失の少ないリー
ド端部を形成できることになるという著しく優れた効果
がもたらされる。

【００５２】

【００５３】

【００５４】

【００５５】

【００５６】

【００５７】同じく、本発明に係わる熱電発電用熱電変
換モジュールブロックでは、請求項５に記載しているよ
うに、複数の熱電変換モジュールを電気的に接続した熱
電発電用熱電変換モジュールブロックにおいて、少なく
とも２対以上のｐ型とｎ型の熱電素子が交互に１列に配
置され、交互に配置されたｐ型とｎ型の熱電素子が高温
端および低温端にそれぞれ形成した電極を介して電気的
に直列に接続され、熱電素子配列のうち両方の端部に位
置する熱電素子の低温端側に発電出力を取り出すリード
端電極が形成され、高温端と低温端にそれぞれ形成した
電極およびリード端電極が、ＭｏおよびＭｏ基合金、Ｗ
およびＷ基合金、ＳＵＳ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金のう
ちから選ばれる少なくとも１種の金属で構成され、リー
ド端電極が板状をなすと共に熱電素子列と平行な方向に
突出しており、板状をなすリード端電極の少なくとも片
面にＮｉ層が形成されているライン型熱電変換モジュー
ルを用い、モジュールを構成する熱電素子列の側面同士
を相互に間隔のあいた状態として平行に配置し、リード
端電極に形成したＮｉ層に板状ないしは網状をなすモジ
ュール接続用Ｃｕ材を接合して隣接する熱電変換モジュ
ール同士を電気的に接続したものとしたから、熱電変換
モジュールの両端に大きな温度差が生じた場合でも、熱
電変換モジュールが反ることによる発電出力の低下を防
止することが可能であるとともに、多数のモジュールを
設置してその設置密度を高いものとすることが可能であ
りかつまた設置密度を高くしたときでもモジュール間の
電気的接続を行う場合の作業が簡便にでき、余分なハン
ダやろう材の付着に起因する絶縁破壊の発生を防止する
ことが可能であり、スポット溶接やレーザ溶接などによ
ってモジュール間の電気的な接続を行うことが可能であ
るため、接続に必要なモジュール間の隙間を小さなもの
とすることができるのでモジュールの小型化を実現する
ことが可能であり、熱源からの熱流が逃げてしまうこと
による発電損失の原因となっていたモジュール間の隙間
を最小限にして、熱源表面に高密度に熱電変換モジュー
ルが配置できるものとなることにより、コンパクトであ
りながら発電効率の高い熱電発電装置を実現するととも
に、モジュール間の電気的接続は簡便にかつ接続不良に
よる発電出力の損失をなくして行うことができ、さらに
は、断面が円形や楕円形の排気管などにも容易に設置す
ることが可能であり、排気流 方向に沿って電気的に直列
および並列に接続するモジュール数を変えることによる
発電出力の最適化制御をも簡便に行うことができ、モジ
ュールの設置数が多い場合であってもそれらの設置およ
び電気的な接続を簡便に行うことが可能であると共に、
モジュール両端の温度差によるモジュールブロックの反
りが低減することにより設置圧力の低いコンパクトなモ
ジュールブロックとすることができ、コンパクトであり
ながら発電効率の高い熱電発電装置を得ることが可能で
あるという著しく優れた効果がもたらされる。

【００５８】そして、請求項６に記載しているように、
隣接する熱電変換モジュール側面同士の間隔内部に、電
気絶縁性のペーパー状，綿状あるいは薄板状をなすセラ
ミックス等の絶縁材を介在させたものとすることによっ
て、モジュールブロックの反りによる熱源とモジュール
ブロックとの間の熱接触の低下を防止することができ、
また、モジュール間の絶縁をより確実なものにすること
が可能であると共に高温側熱源から低温側熱源への伝達
や輻射によって熱が逃げるのを少なくして発電損失の低
下を防ぐことができ、発電効率のより高い熱電発電装置
を得ることが可能であるという著しく優れた効果がもた
らされる。

【００５９】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
るが、本発明はこのような実施例のみに限定されないこ
とはいうまでもない。

【００６０】（実施例１）２枚の炭素板の間に、ｐ型お
よびｎ型のＳｉ−Ｇｅ系半導体原料粉末をそれぞれ別個
に詰めてホットプレス焼結し、これにより得た各々の焼
結体を切断して、端面が３．５ｍｍ角で高さが９．０ｍ
ｍであって両端に炭素層が形成されたｐ型熱電素子およ
びｎ型熱電素子を得た。

【００６１】次いで、図５に示すように、ｐ型熱電素子
２ｐおよびｎ型熱電素子２ｎの９対（合計で１８本）を
交互に絶縁性ガラス接着層７を介し接着することによっ
て熱電素子列１列を形成したのち、熱電素子２ｐ，２ｎ
の炭素層が付いた両端を研磨して素子高さを調整したあ
と、全素子が電気的に直列となるように、熱電素子２
ｐ，２ｎの両端に導電性接着層（ろう材層）６を介して
Ｍｏ製の高温端電極３ｈおよび低温端電極３ｌをろう付
けにより接合した。

【００６２】同時に、熱電素子列の両端に位置する熱電
素子２ｐ，２ｎの低温端にはＭｏ製のリード端電極４を
ろう付けにより接合し、さらに、リード端電極４の先端
には導電性金属層５としてのＣｕ網状層５ＣをＮｉろう
材を用いてろう付けにより接合することによってライン
型熱電変換モジュール１を作製した。

【００６３】ここで作製したライン型熱電変換モジュー
ル１は、熱電素子列方向に平行に複数個そろえた状態と
してリード端電極４の先端部分を溶融したハンダ浴に浸
漬することによって、リード端電極４のＣｕ層５Ｃの部
分にのみハンダを付着させることができるものとなって
いた。さらに、各モジュール１はハンダ部分で互いに接
着して固まりになってしまうことはなかった。そして、
各モジュール１の抵抗を測定したところ、リード端電極
４の接合工程およびハンダの付着工程において、断線す
る不具合を起こしたものはなかった。

【００６４】このように、本発明で用いるライン型熱電
変換モジュール１の構造およびリード端電極４の構成と
することによって、熱電素子内部や熱電素子と電極との
間にクラックを発生させて断線させることなく、モジュ
ール同士の電気的接続作業に必要なハンダのせ工程を簡
便に行うことができるものとなっていた。

【００６５】（実施例２） 実施例１で作成した熱電変換モジュール１の１０本を図
６に示すように並べて配置した。そして、図には示して
いないが、各モジュール１の側面同士の間隔の内部に
は、絶縁材として０．５ｍｍ厚さのセラミックスペーパ
ーを挟んであるものとしている。そしてさらに、各モジ
ュール１はｐ型熱電素子２ｐとｎ型熱電素子２ｎとが交
互に端部に来るように配置し、全モジュール１を電気的
に直列となるようにモジュール接続用Ｃｕ材９としてＣ
ｕ網線をハンダ付けして結線した。そしてさらに、両端
に設置したモジュール１の片端のリード端電極４には、
発電出力取り出し用のＣｕ網線１０を結線して、熱電変
換モジュールブロック１１を作製した。

【００６６】次いで、この熱電変換モジュールブロック
１１のリード端電極４が接合されていない端面（図６の
上面）を高温端とし、絶縁処理をしたヒーターブロック
の上に逆向きにして設置すると共に、低温端側に絶縁処
理を施した水冷板を設置し、水冷板の上部から油圧式の
プレス機で加圧して設置圧力を調整した。また、モジュ
ールブロック１１の発電出力取り出し用Ｃｕ網線１０
は、主に、電圧計、電流計および外部抵抗から構成され
る発電出力測定系に結線した。

【００６７】次いで、モジュールブロック１１の両端に
５００℃の温度差を生じさせて発電した際の発電出力の
設置圧力依存性を評価した。そして、４０ｋｇｆ／ｃｍ
²の設置圧力の時の発電出力を１として、各設置圧力時
の発電出力を調べたところ表１に示す結果であった。

【００６８】表１に示すように、設置圧力が５ｋｇｆ／
ｃｍ²以上であるときに発電出力は、測定誤差内におい
て同等の出力であった。

【００６９】

【表１】

【００７０】表１に示すように、設置圧力が５ｋｇｆ／
ｃｍ²以上であるときに発電出力は測定誤差内において
同等の値を示すものであった。

【００７１】このように、本発明によるライン型熱電変
換モジュール１を用いることにより、高密度にモジュー
ルを設置することができるため、設置数の増加に伴う発
電出力の増加だけでなく、モジュールが設置されていな
い部分からの熱流の逃げによる発電損失を低減すること
が可能となり、これによって、発電効率の高い熱電発電
装置が実現できるとともに、多数のモジュール間の電気
的な接続作業を簡便に行うことができる。

【００７２】また、本発明による熱電変換モジュールブ
ロック１１の構成とすることにより、モジュール両端の
温度差が大きい場合であっても、低設置圧力のもとで高
設置圧力の場合と同様の発電出力を発生させることがで
きることから、熱電発電装置に高設置圧力を確保するた
めの特殊な機構を必要としないコンパクトな熱電発電装
置を実現できるものとなっていた。

【００７３】（実施例３）ｐ型およびｎ型の熱電素子２
ｐ，２ｎが５対配置され、リード端電極４は、あらかじ
め端部両面に厚さ１５μｍのＮｉ接合層を介して、厚さ
１００μｍの箔状Ｃｕ層５Ｃをスポット溶接したものを
使用した以外は、実施例１と同様の熱電変換モジュール
１を作製し、これを図７に示す排気管１２と冷却ジャケ
ット１３との間に設置した。

【００７４】すなわち、断面が楕円形で、内部に矢印Ｇ
方向に排気ガスを流入させることができ、図８にも示す
ように、内部に排気ガスとの間で熱交換を行うための集
熱フィン１２Ｆを有するＳＵＳ（ステンレス鋼）製の排
気管１２と、この排気管１２の周囲に設置されかつ冷却
水を流すための冷却水路１３Ｒが設けられている冷却ジ
ャケット１３との間に熱電変換モジュール１を設置する
ものとした。

【００７５】このとき、本発明による熱電変換モジュー
ル１の熱電素子列を排気ガス流に対し平行となるよう
に、排気管１２の比較的平面性が高い上下の２面に各２
０本づつ配置した。そして、排気管１２とモジュール１
の高温端電極３ｈとの間には中間層として０．２ｍｍ厚
さの窒化アルミニウム板を挿入すると共に、隣接するモ
ジュール１の側面同士の間隔内部には絶縁材として１ｍ
ｍ厚さのセラミックスペーパーを挿入して介在させたも
のとした。

【００７６】さらに、モジュール１間の電気的な接続に
は０．３ｍｍ厚さのＣｕ板をモジュール接続用導電材と
して用い、各モジュール１のリード端電極４の先端のＣ
ｕ層５Ｃ上にスポット溶接機を用いて接続しながら排気
管１２上に設置した。そして、排気ガスの最も上流に配
置した上下合計４０本のモジュールブロック（１１）を
ＵＩとし、排気ガスの下流に向けてモジュールブロック
ＵＩＩ・・・ＵＶＩＩと設置した。また、モジュールブ
ロックＵＩは５本づつを電気的に並列に接続し、各５本
づつの束が直列となるように電気的に接続した。そして
また、モジュールブロックＵＩＩからＵＸにいくに従
い、並列に接続するモジュール数を減少したものとし、
モジュールブロックＵＶ，ＵＶＩおよびＵＶＩＩは４０
本を直列に接続したものとし、発電出力取り出し用導電
材は各モジュールブロックごとに取り出して、それぞ
れ、発電電圧を測定した。

【００７７】このようにして、熱電発電装置をエンジン
の排気管１２に設置して、熱電発電装置の入り口で約６
５０℃の排気ガスを流し、各モジュールブロック１１で
発電電圧を測定したところ、表２に示す結果であった。

【００７８】なお、このとき、熱電発電装置出口での排
気ガス温度は３５０℃であった。

【００７９】

【表２】

【００８０】表２に示すように、排気ガスの流れ方向に
沿って排気ガスの温度が降下するのに伴い、各熱電変換
モジュール１の発電電圧は低下するが、直列に接続する
モジュール数を変えて行うことによって、各モジュール
ブロックの発電電圧はほぼ一定のものにすることができ
た。

【００８１】このように本発明による熱電変換モジュー
ルおよび熱電変換モジュールブロックを用いることによ
り、表面の平面性がそれほど高くない汎用の排気管を用
いて、熱電変換モジュールとの熱接触性が良好な熱電発
電装置を得ることが可能になる。また、本発明による熱
電変換モジュールおよび熱電変換モジュールブロックを
用いることにより、モジュールを高密度で設置すること
ができるとともに、電気的に直列に接続するモジュール
数を変化させて電気配線を行うなどの作業が簡便に行え
るため、コンパクトでありながら発電効率が高く、熱源
に温度分布がある用途に対しても発電出力の制御性に優
れた熱電発電装置を得ることが可能になる。

【００８２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるライン型熱電変換モジュールの実
施の形態を示す斜面説明図である。

【図２】本発明によるライン型熱電変換モジュールの他
の実施の形態を示す斜面説明図である。

【図３】本発明によるライン型熱電変換モジュールのさ
らに他の実施の形態を示す斜面説明図である。

【図４】本発明によるライン型熱電変換モジュールのさ
らに他の実施の形態を示す斜面説明図である。

【図５】本発明によるライン型熱電変換モジュールの一
実施例を示す斜面説明図である。

【図６】本発明による熱電変換モジュールブロックの一
実施例を示す斜面説明図である。

【図７】排気管に冷却ジャケットを取り付けた状態を示
す斜面説明図である。

【図８】図７における排気管および冷却ジャケット部分
の排気ガス流直交方向の断面説明図（図８の（Ａ））お
よび排気ガス流平行方向の断面説明図（図８の（Ｂ））
である。

【符号の説明】

１ ライン型熱電変換モジュール ２ｐ ｐ型熱電素子 ２ｎ ｎ型熱電素子 ３ｈ 高温端電極 ３ｌ 低温端電極 ４ リード端電極 ５ 導電性金属層 ５Ｃ Ｃｕ層 ５Ｎ Ｎｉ層 ６ 導電性接着層 ７ 絶縁性ガラス接着層 ９ モジュール接続用導電材（Ｃｕ材） １０ 発電出力取り出し用導電材（Ｃｕ線） １１ 熱電変換モジュールブロック １２ 排気管 １２Ｆ 排気管の集熱フィン １３ 冷却ジャケット １３Ｒ 冷却水路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 櫛 引 圭 子 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 (72)発明者 篠 原 和 彦 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 (72)発明者 小 林 正 和 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 (72)発明者 古 谷 健 司 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日 産自動車株式会社 内 審査官 粟野 正明 (56)参考文献 特開 昭58−64075（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−145758（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−243201（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−244466（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−18109（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/32 H01L 35/10

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の熱電変換モジュールを電気的に接
   続した熱電発電用熱電変換モジュールブロックにおい
   て、少なくとも２対以上のｐ型とｎ型の熱電素子が交互
   に１列に配置され、交互に配置されたｐ型とｎ型の熱電
   素子が高温端および低温端にそれぞれ形成した電極を介
   して電気的に直列に接続され、熱電素子配列のうち両方
   の端部に位置する熱電素子の低温端側に発電出力を取り
   出すリード端電極が形成され、リード端電極が板状をな
   すと共に熱電素子列と平行な方向に突出しており、板状
   をなすリード端電極の少なくとも片面にＣｕ層が形成さ
   れているライン型熱電変換モジュールを用い、モジュー
   ルを構成する熱電素子列の側面同士を相互に間隔のあい
   た状態として平行に配置し、リード端電極に形成したＣ
   ｕ層に板状ないしは網状をなすモジュール接続用Ｃｕ材
   を接合して隣接する熱電変換モジュール同士を電気的に
   接続したことを特徴とする熱電発電用熱電変換モジュー
   ルブロック。
2. 【請求項２】 板状をなすリード端電極の少なくとも片
   面にＣｕ層としてＣｕ網状層あるいはＣｕ箔状層がろう
   付け接合されていることを特徴とする請求項１に記載の
   熱電発電用熱電変換モジュールブロック。
3. 【請求項３】 板状をなすリード端電極の少なくとも片
   面にＣｕ層としてＣｕ網状層あるいはＣｕ箔状層が溶接
   接合されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電
   発電用熱電変換モジュールブロック。
4. 【請求項４】 高温端と低温端にそれぞれ形成した電極
   およびリード端電極が、ＭｏおよびＭｏ基合金、Ｗおよ
   びＷ基合金、ＳＵＳ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金のうちか
   ら選ばれる少なくとも１種の金属で構成され、板状をな
   すリード端電極とＣｕ層との間にＮｉ基合金からなる接
   合層ないしは中間層が形成されていることを特徴とする
   請求項１ないし３のいずれかに記載の熱電発電用熱電変
   換モジュールブロック。
5. 【請求項５】 複数の熱電変換モジュールを電気的に接
   続した熱電発電用熱電変換モジュールブロックにおい
   て、少なくとも２対以上のｐ型とｎ型の熱電素子が交互
   に１列に配置され、交互に配置されたｐ型とｎ型の熱電
   素子が高温端および低温端にそれぞれ形成した電極を介
   して電気的に直列に接続され、熱電素子配列のうち両方
   の端部に位置する熱電素子の低温端側に発電出力を取り
   出すリード端電極が形成され、高温端と低温端にそれぞ
   れ形成した電極およびリード端電極が、ＭｏおよびＭｏ
   基合金、ＷおよびＷ基合金、ＳＵＳ系合金、Ｎｉ−Ｃｒ
   系合金のうちから選ばれる少なくとも１種の金属で構成
   され、リード端電極が板状をなすと共に熱電素子列と平
   行な方向に突出しており、板状をなすリード端電極の少
   なくとも片面にＮｉ層が形成されているライン型熱電変
   換モジュールを用い、モジュールを構成する熱電素子列
   の側面同士を相互に間隔のあいた状態として平行に配置
   し、リード端電極に形成したＮｉ層に板状ないしは網状
   をなすモジュール接続用Ｃｕ材を接合して隣接する熱電
   変換モジュール同士を電気的に接続したことを特徴とす
   る熱電発電用熱電変換モジュールブロック。
6. 【請求項６】 隣接する熱電変換モジュール側面同士の
   間隔内部に、電気絶縁性のペーパー状，綿状あるいは薄
   板状をなすセラミックスを介在させたことを特徴とする
   請求項１ないし５のいずれかに記載の熱電発電用熱電変
   換モジュールブロック。