JP5656295B2 - 熱電変換モジュールとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換モジュールとその製造方法に関する。

熱電変換素子は、ペルチェ効果、あるいはゼーベック効果を利用した素子が用いられる。この熱電変換素子は、構造が簡単で、かつ取扱いが容易で安定な特性を維持できることから、近年、広範囲にわたる利用が注目されている。特に電子冷却素子として用いたとき、局所冷却および室温付近の精密な温度制御が可能であることから、オプトエレクトロニクス、半導体レーザなどの恒温化などに向けて広く研究が進められている。

前述のような電子冷却素子、或いは、熱電発電に用いる熱電モジュールは、図７に示すように、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２とを接続電極６０１を介して接続することでＰＮ素子対を形成し、このＰＮ素子対を複数個直列に配列して構成される。このとき、ＰＮ素子対を流れる電流の方向によって、Ｐ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられる。図７において、６０２、６０３は外部接続端子であり、６０４はセラミック製の基板であり、Ｈは熱の流れる向きを示す矢印である。

この熱電変換素子の材料には、当該素子の利用温度域で、物質固有の定数であるゼーベック係数αと比抵抗ρと熱伝導率Ｋによって表される性能指数Ｚ（＝α^２／ρＫ）が大きな材料が用いられる。熱電変換素子として一般に用いられる結晶材は、Ｂｉ_２Ｔｅ_３系材料である（例えば、特許文献１参照）。

熱電変換モジュールのＰＮ素子対の加熱および冷却には、熱輸送を容易にするために、通常、流体が使用される。例えば熱電変換モジュールは、管の外側の温度とは異なる温度の流体が流れる管の外周壁面に前記熱電変換モジュールを配置することによって、管の内部と外部との温度差による電力を発生させることができる。

図８は従来の管状熱電変換モジュールの基本的な構成を示す。この管状熱電変換モジュールは、１対の積層素子を有する。積層素子は、それぞれ高分子材料層（基板）５０１と、Ｐ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２と、これらを電気的に直列に接続する接続電極３０１から形成されている。この２つの積層素子は、接着性樹脂５０２によって、それぞれの高分子材料層５０１同士で接着されている。こうして接着された積層素子が、らせん形或いは円形形状に巻かれている。Ｐ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２はそれぞれ接続電極３０１にはんだ付けされている（例えば、特許文献２参照）。

図９は従来の管状熱電変換モジュールの他の基本的な構成を示す。この管状熱電変換モジュール４０１は、金属管４０２の外周面に当接可能な内側基板及びこの内側基板に貼り合わされた外側基板を有する絶縁性基板４０３と、この絶縁性基板４０３の貫通孔に配置される熱電変換素子４１１〜４１４、４２１〜４２４、４３１〜４３４、・・・、４ｍ１〜４ｍ４と、これらの熱電変換素子の各端部を接続する表面接続電極４０４Ｘ及び裏面接続電極４０４Ｙと、熱電変換素子４１１、４１４に接続されるリード線４０４ａ、４０４ｂと、で構成されている。熱電変換素子４１１〜４ｍ４の一端は、内側基板の表面に露呈し、他端は外側基板の表面に露呈している。

熱電変換素子４１１〜４ｍ４は、Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とを含んでいる。金属管４０２の周方向及び軸方向に、それぞれ、Ｐ型熱電変換素とＮ型熱電変換素子とが交互に配置されている。例えば４１１がＰ型熱電変換素子であり、４１４がＮ型熱電変換素子である。また、４２１がＮ型熱電変換素子であり、４３１がＰ型熱電変換素子である。全体としてＰ型及びＮ型の熱電変換素子が交互にマトリクス状に配置されている。そして、内側基板に露呈したＰ型熱電変換素子の端部とＮ型熱電変換素子４２１の端部とが裏面接続電極４０４Ｙによって接続される。一方、絶縁性基板４０３の外側基板に露呈したＮ型熱電変換素子とＰ型熱電変換素子とが表面接続電極４０４Ｘによって接続されている。これによって、Ｐ型熱電変換素子４１１からＮ型熱電変換素子４１４までの全ての熱電変換素子が電気的に直列に接続される（例えば、特許文献３参照）。

また、熱電変換素子、又は、熱電変換素子が電気的に直列又は並列に接続されてなる熱電変換素子群が、可撓性を有する電極部材によって電気的に直列に接続されてなる熱電変換モジュールが知られている。例えば、熱電変換素子が、伸縮自在な繊維状の電極部材で電気的に直列に接続されてなる熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献４参照。）。

さらに、可撓性を有する基板によって支持された熱電変換素子又は熱電変換素子群が、金網や平編線等の可撓性を有する電極部材で電気的に直列に接続されてなる熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献５〜８参照。）。そのほかにも、熱電変換素子の両端に配置されている電極を平編線や金属テープで連絡することによって、熱電変換素子を電気的に直列に接続してなる熱電変換モジュール；及び、ガラスシートを介して接着されている熱電変換素子がワイヤによって電気的に直列に接続されてなる熱電変換モジュール；が知られている（例えば、特許文献９及び１０参照。）

さらに、基板によって支持された熱電変換素子の直列回路の複数が並列に接続されてなる熱電変換モジュールが知られている。例えば、積み重ねられた基板にある穴に熱電変換素子が配置され、この熱電変換素子を電気的に直列に接続して直列回路を形成し、この直列回路の複数が電気的に並列に接続されてなる熱電変換モジュール（例えば、特許文献１１及び１２参照。）；及び、複数のドーナツ状の基板のそれぞれに形成される熱電変換素子の直列回路を、電気的に並列に接続してなり、前記基板が有する穴に熱源となる管が挿通される熱電変換モジュール（例えば、特許文献１３及び１４参照。）；が知られている。

また、筐体内に収容された熱電変換素子群やチップ状の熱電変換素子群が電気的に並列に接続されてなる熱電変換モジュールも知られている（例えば、特許文献１５〜１８参照。）。

特許第３９５８８５７号公報 特表２００２−５３７６５８号公報 特開２００５−１２９７８４号公報 特開２００９−２０６１１３号公報 特開平９−１８１３６２号公報 米国特許第６０９７０８８号明細書 特開２００９−０４３７５２号公報 米国特許出願公開第２００８／０２２３４２７号明細書 特開２０１０−２７８０３５号公報 米国特許出願公開第２００２／００６９９０７号明細書 特許第３８７９７６９号公報 米国特許出願公開第２００９／００３２０８０号明細書 特開２００８−３０５９９１号公報 米国特許出願公開第２０１０／０１７０５５１号明細書 特開２００８−１０８９００号公報 米国特許出願公開第２００８／０１６３９１６号明細書 特開２０１１−１４８５０号公報 米国特許出願公開第２００７／０２５６７２２号明細書

しかしながら、図８に示す前記従来の管状熱電変換モジュールは、熱伝導率の低い高分子材料層や接着性樹脂が存在することにより、発電に有効な、各々の熱電変換素子の端部間の温度差が小さくなり、発電能力が低下するという問題を有している。また、高分子材料層（基板）の幅により、管状熱電変換モジュールの長さが決まるため、熱源となる管の設置場所のサイズに応じて管状熱電変換モジュールの長さを変更することが困難である。

また、図９に示す前記従来の管状熱電変換モジュールは、絶縁性基板がフレキシブルでないため、この管状熱電変換モジュールが装着される、熱源となる管の径が限定されるという問題を有している。また、１箇所でも破断すると発電不可能になる。

さらに、熱電変換素子又は熱電変換素子群が可撓性を有する電極部材によって電気的に接続されてなる熱電変換モジュールは、管の表面に配置したときの熱電変換素子又は熱電変換素子群の電気的接続の信頼性が十分ではないという問題を有している。

本発明は、上記従来の問題を解決するものであり、発電能力を高めると共に、熱電変換素子の電気的接続の信頼性が高く、かつ管の様々な径及び長さに対応可能な熱電変換モジュールとその製造方法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、本発明は、以下に示す熱電変換モジュールを提供する。
［１］ 交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のＰ型熱電変換素子及び複数のＮ型熱電変換素子と、
前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを接続する、導線が編まれてなる編線Ａと、
前記Ｐ型熱電変換素子の一端面および前記Ｎ型熱電変換素子の一端面と、編線Ａとを接合するはんだまたはろう材と、
前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを接続し、導線が編まれてなり、かつ編線Ａよりも短い編線Ｂと、
前記Ｐ型熱電変換素子の他端面および前記Ｎ型熱電変換素子の他端面と、編線Ｂとを接合するはんだまたはろう材と、
からなる小モジュールを含み、
編線Ａ及び編線Ｂは、それぞれ、三つ編みの編線、四つ編みの編線、六つ編みの編線、または平織りの編線であり、かつ、編線Ａ及び編線Ｂが、それぞれ一重の編線である、熱電変換モジュール。
［２］ 前記導線の径が１００〜４００μｍである、［１］に記載の熱電変換モジュール。
［３］ 編線Ａの表面を覆う絶縁層をさらに含む、［１］又は［２］に記載の熱電変換モジュール。
［４］ 前記小モジュールを複数備え、前記複数の小モジュールが電気的に並列に接続されてなる［１］〜［３］のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。

また本発明は、以下の発電機を提供する。
［５］ 管に巻き付けられた、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールを含む発電機。

さらに本発明は、以下の熱電変換モジュールの製造方法を提供する。
［６］ 導線が編まれてなる三つ編みの編線、四つ編みの編線、六つ編みの編線、または平織りの編線であり、かつ、編線Ａ及び編線Ｂが、それぞれ一重の編線である、編線Ａ、及び編線Ａよりも短い編線Ｂを用意する第１工程と、
複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とを編線Ａ及び編線Ｂによって交互に接続して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続されてなる小モジュールを得る第２工程と、を備え、
前記第２工程は、
前記Ｐ型熱電変換素子の一端面および前記Ｎ型熱電変換素子の一端面と、編線Ａとをはんだまたはろう材で接合し、かつ前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを編線Ａで接続し、
前記Ｐ型熱電変換素子の他端面および前記Ｎ型熱電変換素子の他端面と、編線Ｂとをはんだまたはろう材で接合し、かつ前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを編線Ｂで接続する、熱電変換モジュールの製造方法。
［７］ 前記第１工程及び前記第２工程を含み、前記小モジュールの複数を用意する工程と、
前記小モジュールの複数を電気的に並列に接続する工程と、をさらに含む、［６］に記載の熱電変換モジュールの製造方法。

本発明の熱電変換モジュールは、熱伝導率の高い材料で構成されているため、高い発電能力を得ることができる。また、本発明の熱電変換モジュールは、フレキシブルであり、また、らせん形状又ははしご形状の構造を可能とすることから、様々な径及び長さを有する、熱源となる管に適用できる。更に、前記一端面を接続する編線Ａが、前記他端面を接続する編線Ｂよりも長い。このため、本発明の熱電変換モジュールを熱源となる管に配置したときに、前記他端面を接続する編線Ｂ同士或いは熱電変換素子同士がショートし、発電能力が低下するのを防ぐこともできる。このように、熱電変換素子の電気的接続の高い信頼性がもたらされる。

本発明の実施の形態１における熱電変換モジュールの概略構成を示す図 本発明の実施の形態１における熱電変換モジュールの製造方法を示す図 複数の導電性材料の線からなる編線の例を示す上面図 本発明における小モジュールの他の製造方法を説明する図 本発明の実施の形態２における熱電変換モジュールの概略構成を示す図 本発明の実施の形態２における熱電変換モジュールの製造方法を示す図 特許文献１に記載された従来の熱電変換モジュールの斜視図 特許文献２に記載された従来の熱電変換モジュールの断面図 特許文献３に記載された従来の熱電変換モジュールの概略構成を示す図

本発明の熱電変換モジュールは、小モジュールを含む。前記小モジュールは、複数のＰ型熱電変換素子及び複数のＮ型熱電変換素子と、これらの素子を接続する導電性の編線Ａ及び編線Ｂと、からなる。

前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子は、温度差によって起電力が生じる熱電変換材料に、適当なドーパントを添加し、所望の形状に成形することによって得られる。前記熱電変換材料は、使用時に生じる温度差に応じて選ぶことができる。熱電変換素子材料としては、例えば、前記温度差が常温から５００Ｋまでであればビスマス−テルル（Ｂｉ−Ｔｅ）合金が、前記温度差が常温から８００Ｋまでであれば鉛−テルル（Ｐｂ−Ｔｅ）合金が、前記温度差が常温から１，０００Ｋまでであればシリコン−ゲルマニウム（Ｓｉ−Ｇｅ）合金が好ましい。Ｐ型の熱電変換材料を得るためのドーパントとしては、例えばＳｂが挙げられる。Ｎ型の熱電変換材料を得るためのドーパントとしては、例えばＳｅが挙げられる。これらのドーパントは、例えば「Ｂｉ_０．５Ｓｂ_１．５Ｔｅ_３」や「Ｂｉ_２Ｔｅ_２．７Ｓｅ_０．３」のような熱電変換材料の組成式で表される程度の量で、熱電変換材料に添加される。前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子は、Ｐ型熱電変換材料又はＮ型熱電変換材料のインゴットを、ダイシング等の通常の方法で切断することによって得ることができる。前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子は、方向Ｘ（図２（ｂ）中の矢印Ｘ）に沿って交互に配置される。

前記Ｐ型熱電変換素子及び前記Ｎ型熱電変換素子は、方向Ｘに沿う一端面と他端面とをそれぞれ有する。「方向Ｘに沿う一端面／他端面」とは、例えば、方向Ｘの直交する方向Ｙ（図２（ｂ）中の矢印Ｙ）における端面である。

編線Ａは、方向Ｘにおいて、前記Ｐ型熱電変換素子（例えば図２（ｂ）中の符号１０１ａ）の一端面と、その一方の隣りの前記Ｎ型熱電変換素子（符号１０２ｂ）の一端面とを接続する。前記一端面とは、例えば図２（ｂ）における上側の端面である。編線Ｂは、方向Ｘにおいて、前記Ｐ型熱電変換素子（符号１０１ａ）の他端面と、その他方の隣りの前記Ｎ型熱電変換素子（符号１０２ｃ）の他端面とを接続する。前記他端面とは、例えば図２（ｂ）における下側の端面である。編線Ａ及び編線Ｂは、いずれも、はんだ付けやろう付け等の、熱電変換材料と金属電極との通常の接合方法によって、と前記熱電変換素子と接続することができる。

編線Ａ及び編線Ｂは、いずれも、導線が編まれてなる導電性の編線からなる。前記編線は、一重の編線であることが、前記熱電変換素子と前記編線との接続の信頼性を高める観点から好ましい。ここで「一重」とは、導線が編まれた部分の重なりがないことを言う。前記編線としては、例えば、三つ編みの編線、四つ編みの編線、六つ編みの編線、平織りの編線、及びメッシュ、が挙げられる。

前記導線の径は、５０〜４００μｍであることが、柔軟な編線を得る観点、及び、熱電変換素子と編線との十分な接合強度を得る観点から好ましく、８０〜３００μｍであることがより好ましい。

編線Ａは、編線Ｂよりも長い。ここで、編線Ａの長さとは、前記Ｐ型熱電変換素子の方向Ｘにおける一方の端縁と、前記Ｎ型熱電変換素子の方向Ｘにおける他方の端縁とを接続する、編線Ａの部分の長さである。また、編線Ｂの長さとは、前記Ｐ型熱電変換素子の方向Ｘにおける他方の端縁と、前記Ｎ型熱電変換素子の方向Ｘにおける一方の端縁とを接続する、編線Ｂの部分の長さである。編線Ａの長さと編線Ｂの長さは、前記熱電変換素子の大きさや、発電機として熱電変換モジュールが配置されるときの、熱源となる管の外径によって決めることができる。編線Ａは、前記Ｐ型熱電変換素子の方向Ｘにおける一方の端縁と、前記Ｎ型熱電変換素子の方向Ｘにおける他方の端縁との間隔Ａ（図２（ｂ）の符号Ａ）と、前記Ｐ型熱電変換素子の前記一端面の方向Ｘにおける長さと、前記Ｎ型熱電変換素子の前記一端面の方向Ｘにおける長さと、を合わせた長さを有することが好ましい。編線Ｂは、前記Ｐ型熱電変換素子の方向Ｘにおける他方の端縁と、前記Ｎ型熱電変換素子の方向Ｘにおける一方の端縁との間隔Ｂ（図２（ｂ）の符号Ｂ）と、前記Ｐ型熱電変換素子の前記他端面の方向Ｘにおける長さと、前記Ｎ型熱電変換素子の前記他端面の方向Ｘにおける長さと、を合わせた長さを有することが好ましい。

本発明の熱電変換モジュールは、本発明の効果が得られる範囲において、前述した構成以外の他の構成をさらに有していてもよい。このような他の構成としては、例えば、編線Ａの表面を覆う絶縁層、及び、電線が挙げられる。

前記絶縁層は、配線の絶縁に用いられる通常の材料を用いて形成することができる。絶縁層の材料としては、例えば、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、及びウレタン樹脂が挙げられる。絶縁層は、前記熱電変換素子に接続された後の編線Ａの表面に形成されることが、編線と熱電変換素子との間の十分な接合強度を得る観点から好ましい。

前記電線は、前記小モジュールの複数を電気的に並列に接続するための部材である。前記電線は、導電性の部材であればよく、可撓性を有することが、発電機として管に配置されるときの熱電変換モジュールのより多様な配置を可能とする観点から好ましい。

前記小モジュールは、直列の鎖状の熱電変換モジュールとなる。この熱電変換モジュールは、例えば、熱源となる管の外周壁に編線Ｂが接するように、例えば円弧状に、或いはらせん状に巻き付けられる。そして、前記熱電変換モジュールの両端間に、必要に応じて外部接続端子などの導電部材を介して、電気機器又は蓄電池が電気的に接続される。こうして、前記熱電変換モジュールは、前記熱源となる管の内外の温度の差によって起電力を生じる発電機とすることができる。

また前記小モジュールは、その複数を、一対の前記電線に並列に接続することによって、はしご状の熱電変換モジュールとなる。この熱電変換モジュールは、例えば、熱源となる管の周方向に沿って前記小モジュールが配置され、かつ編線Ｂが前記管の外周壁に接するように、前記管に巻き付けられる。そして、必要に応じて外部接続端子などの導電部材を介して、前記電線間に電気機器又は蓄電池が接続される。こうして、前記熱電変換モジュールは、前記熱源となる管の内外の温度の差によって起電力を生じる発電機とすることができる。

前述した直鎖状の熱電変換モジュールの製造では、まず、編線Ａ及び編線Ｂを用意する（第１工程）。そして、複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とを編線Ａ及び編線Ｂによって交互に接続して前記小ジュールを得る（第２工程）。前記第２工程では、前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを編線Ａで接続する。また、前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを編線Ｂで接続する。前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを編線Ａで接続する工程と、前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを編線Ｂで接続する工程とは、この順で行われてもよいし、逆の順で行われてもよい。

前述したはしご状の熱電変換モジュールは、前記第１工程と前記第２工程とによって前記小モジュールの複数を用意し、前記小モジュールの複数を電気的に並列に接続することによって製造することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の第一の実施の形態における熱電変換モジュール１００の概略図である。図１（ａ）は熱電変換モジュール１００の斜視図、図１（ｂ）は熱電変換モジュール１００の上面図である。

１．熱電変換モジュールの構成：
本実施の形態における熱電変換モジュール１００は、Ｐ型熱電変換素子１０１、Ｎ型熱電変換素子１０２、編線１０３、及び編線１０４、から基本的に構成されている。編線１０３は編線Ａに相当する。編線１０４は編線Ｂに相当する。なお、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２とは、図１に示すらせん形状の周方向に順次交互に配置されている。このとき、図１に示すように、Ｐ型熱電変換素子１０１の一方の端面とＮ型熱電変換素子１０２の一方の端面とが、編線１０３によってそれぞれ接続され、Ｐ型熱電変換素子１０１の他方の端面とＮ型熱電変換素子１０２の他方の端面とが、編線１０４によってそれぞれ接続されている。このような熱電変換素子と編線との配置関係により、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２の全ての熱電変換素子が直列に接続される。

なお、本実施の形態では、特に全ての熱電変換素子が直列に接続（配列）される形態を示すが、例えば熱電変換モジュール１００に求められる電圧および電流によっては、一部の熱電変換素子が並列に接続されていてもよい。

また、本実施の形態では、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２の材料として、室温付近で性能が優れているＢｉ−Ｔｅ系材料を使用している。しかし、熱電変換素子の材料は、これに特に限定されるものではなく、熱電変換モジュール１００の使用環境や使用目的に応じて任意に変えてもよい。

編線１０３は、編線１０４よりも長い。これにより、熱電変換モジュール１００を熱源となる管（図示せず）にらせん状に巻きつけた際に、編線１０４同士、或いは、熱電変換素子同士のショートを抑制でき、発電能力の低下を防ぐことができる。

更に、編線１０３及び編線１０４の材料としては、熱伝導率が優れているＣｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、及びこれらいずれかの元素を含む合金を用いるとよい。

２．編線の構成：
編線１０３と編線１０４は、図３に示すように、複数の導線同士が編んであるメッシュ（図３（ａ））等の編線であることがより好ましい。これにより、はんだ、ろう材等の接合材料を用いて、Ｐ型熱電変換素子１０１又はＮ型熱電変換素子１０２と、編線１０３又は編線１０４とを接合した際に、接合材料と編線１０３及び編線１０４との接触面積が大きくなる。

よって、熱電変換モジュール１００を熱源となる管（図示せず）にらせん状に巻きつける際に、Ｐ型熱電変換素子１０１又はＮ型熱電変換素子１０２と、編線１０３又は編線１０４との接合部に応力が掛かった場合でも、接合部が破断することを防ぐことができる。また、長期の接合信頼性（寿命）も向上する。

また、熱電変換素子と編線との接合時に、前記接合材料が編線の導線間に行き渡る。このため、接合部が前記接合材料によって盛り上がることが抑制される。このため、前記編線は、熱電変換素子と熱源となる管との接触性を高める観点からも好ましい。

また、編線１０３及び編線１０４は、編線の長手方向に直交する断面の形状が環状でないことが好ましい。断面形状が環状であると、端面形状における中心部、すなわち編線の表面と裏面の間に空気の層が存在し、その空気の層により表面と裏面の熱伝達が妨げられる。これにより、はんだやろう材等が編線に濡れにくくなり、接合強度が低下することがある。よって、導線が編まれた部分の重なりがないこと（編線が一重であること）は、編線と熱電変換素子との接合強度を高める観点から好ましい。

例えば、平編みの編線は、断面形状が環状となる観点から好ましくない。前記編線は、メッシュ（図３（ａ））、三つ編みの編線（図３（ｂ））、平四つ編みの編線（図３（ｃ））、及び六つ編みの編線（図３（ｄ））等の一重の編線が好ましい。また、前記編線は、図３（ｅ）に示す、一重の編線である平織りの編線でもよい。例えば平四つ編みの編線は、１本の直径が約０．１２ｍｍのＣｕ線８本を平四つ編みしてなる。この編線の幅は約１ｍｍであり、厚さは約０．３ｍｍである。前記編線を１Ｎの荷重で引っ張ったときの前記編み線の伸び率は、１．２〜１０％である。

３．熱電変換モジュールの製造方法：
次に、図１に示した熱電変換モジュール１００の製造方法について、図２を用いて説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、前記編線を２．５〜２０ｍｍ程度の長さに切断して複数の編線を用意する（第１工程）。前記編線は、例えば、線径８０μｍのＣｕ線を平織りしてなる１００メッシュの編線である。この編線の幅は２ｍｍである。前記編線の、１Ｎの荷重で引っ張ったときの伸び率は１．２％である。次に、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２を交互に、編線１０３と編線１０４を用いて、直列接続する（第２工程。図２（ｂ））。こうして前記小モジュールを得る。Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２とを間隔Ａで接続する長さを有する編線が編線１０３に用いられる。また、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２とを間隔Ｂで接続する長さを有する編線が編線１０４に用いられる。編線１０３の長さは実質的に同じであり、編線１０４の長さも実質的に同じである。編線１０３は、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２との間で弛まないように、張設される。同様に編線１０４も、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２との間で弛まないように、張設される。

Ｐ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２と、編線１０３及び編線１０４との接続の方法は、例えば、はんだ付け、ろう付け、抵抗溶接、超音波溶接等である。はんだ付け、ろう付けで編線を熱電変換素子に接続することにより、低温で、且つ熱電変換素子に与える荷重を低く抑えて編線を熱電変換素子に接続できる。はんだ、ろう材として、Ｓｎ（錫）、Ｐｂ（鉛）、Ｂｉ（ビスマス）、Ｉｎ（インジウム）、及びこれらいずれかの元素を含む合金を用いることができる。

また、はんだやろう材等の接合材料を使用せずにスポット溶接等の抵抗溶接で編線を熱電変換素子に接続することにより、長期の接続信頼性が向上する。

次に、図２（ｃ）に示すように、熱源となる管の外径に合わせて編線１０３及び編線１０４を変形させることにより、らせん状の熱電変換モジュール１００を形成する。

本実施の形態では、２．５〜２０ｍｍ程度の長さに切断した編線１０３と編線１０４とを用い、Ｐ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２を順次直列に接続して前記小モジュールを製造する方法を示した。前記小モジュールは他の方法で製造することも可能である。

前記の他の方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。
まず、Ｐ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２を交互に並べる。Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２との間隔は、間隔Ａ又は間隔Ｂである。間隔Ａと間隔Ｂとは交互に形成される（図４（ａ））。次いで、編線１０９で、全てのＰ型熱電変換素子１０１の一端面及び全てのＮ型熱電変換素子１０２の一端面を接続し、また編線１１０で、全てのＰ型熱電変換素子１０１の他端面及びＮ型熱電変換素子１０２の他端面を接続する（図４（ｂ））。そして、絶縁すべき箇所で編線１０３と編線１０４をそれぞれ切断して取り除く（図４（ｃ））。編線１０９の前記絶縁すべき箇所は、間隔ＢでＰ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２を接続している部分である。編線１１０の前記絶縁すべき箇所は、間隔ＡでＰ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２を接続している部分である。

編線１０３及び編線１０４の長さは、それぞれ、熱源の形状に応じて適宜に決めることができる。例えば、熱源が、その外周壁に熱電変換モジュール１００が巻き付けられる管である場合では、熱源となる管の径と熱電変換素子の高さとから決めることができる。より具体的には、編線１０３の長さをＡ、編線１０４の長さをＢ、熱源となる管の中心から外周面までの距離をｒ、Ｐ型熱電変換素子１０１又はＮ型熱電変換素子１０２の高さをｈとしたときに、編線１０３の長さＡは、Ｂ＋（ｈ／ｒ）×Ｂ以上であることが好ましく、Ｂ＋（ｈ／ｒ）×Ｂであることがより好ましい。また、熱源が、その外周壁に角部を有する管である場合では、前記角部の曲率半径に応じて、編線１０３及び編線１０４の長さをそれぞれ変えればよい。前記外周壁に角部を有する管は、例えば、断面における外縁の形状が多角形である管が挙げられる。この場合、角部は、断面形状の多角形の角である。

なお、編線１０４は、Ｐ型熱電変換素子１０１の他端面とＮ型熱電変換素子１０２の他端面とを接続しているときに、他の編線１０３、１０４やＰ型熱電変換素子１０１、Ｎ型熱電変換素子１０２のそれぞれと接触しなければ、Ｐ型熱電変換素子１０１の他端面やＮ型熱電変換素子１０２の他端面から方向Ｘに沿ってはみ出ていてもよい。

また、熱電変換モジュール１００の使用環境や使用目的に応じて、編線１０３の外周側表面（図２（ｂ）における編線１０３の上側の表面）や、編線１０４の内周側表面（図２（ｂ）における編線１０４の下側の表面）に絶縁層を形成することもできる。また、熱電変換モジュール１００を絶縁材料で覆うこともできる。

４．効果の確認：
本発明者らは、実際に３，０７２個の熱電変換素子を作製し、この熱電変換素子を編線Ａ及び編線Ｂで電気的に直列に接続して、本実施の形態の熱電変換モジュールを作製した。そしてこの熱電変換モジュールをらせん状に管に巻きつけた。当該管の内部に６０℃の湯を流すと共に、熱電変換モジュールの外部に４℃の氷水を配置させたところ、３．４Ｗの電力が生じたことを確認した。すなわち、上述の本実施の形態に係る熱電変換モジュールは、熱源となる管に配置されることで、発電機としての機能を奏する。

［実施の形態２］
以下、本発明の第二の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図５は、本発明の実施の形態２における熱電変換モジュール２００の概略構成を示す斜視図である。熱電変換モジュール２００は、Ｐ型熱電変換素子１０１、Ｎ型熱電変換素子１０２、編線１０３、編線１０４及び電線１０５から基本的に構成されている。

編線１０３及び編線１０４によって、それぞれ隣接するＰ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２とが交互に、そして電気的に直列に接続されている。編線１０３はＰ型熱電変換素子１０１の上面及びＮ型熱電変換素子１０２の上面に接合されている。編線１０４はＰ型熱電変換素子１０１の上面に対向する面（下面）とＮ型熱電変換素子１０２の上面に対向する面（下面）に接合されている。これにより、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２とが順次交互に、かつ直列に接続されてなる小モジュール１０６が形成されている。

編線１０３及び編線１０４は、前記編線である。そして、編線１０３は、編線１０４よりも長い。編線１０３及び編線１０４と、熱電変換素子とは、はんだ、ろう材等の接合材料で接合されている。

また、電線１０５、１０５は、複数の小モジュール１０６の一端同士、及び、他端同士を接続している。これにより、複数の小モジュール１０６が電気的に並列に接続され、熱電変換モジュール２００が形成される。そして、小モジュール１０６において、複数のＰ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２とが電気的に直列に接続されることにより、熱電変換モジュール２００は高出力電圧を得ることができる。

複数の小モジュール１０６が電気的に並列に接続されることにより、熱電変換モジュール２００は、発電機としての使用中に、小モジュール１０６の一部や、小モジュール１０６と電線１０５との接続部の一部が破断しても、発電を継続することができる。また、複数の小モジュール１０６が並列に接続されることにより、フレキシブルであっても熱電変換モジュール２００のねじれを防ぐことができる。

小モジュール１０６において直列に接続されるＰ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２の数や、小モジュール１０６の数は、熱電変換モジュール２００の使用環境や使用目的に応じて選択できる。

編線１０３の長さと編線１０４の長さとは異なる。これにより、熱電変換モジュール２００を熱源となる管に配置するときに、熱源となる管の外周面に編線１０４が接するように、熱電変換モジュール２００が前記管の外周面に配置されることが明確になる。また、上記のように前記管に熱電変換モジュール２００を巻きつけることで、内周側に配置される編線１０４同士がショートして出力電力が低下するのを防ぐことができる。

編線１０３及び編線１０４のうち、小モジュール１０６の両端に配置される編線１０３及び編線１０４の長さは、熱電変換モジュール２００の使用環境や使用目的に応じて、任意に変えることができる。

編線１０３又は編線１０４と熱電変換素子とは、前記接合材料で接合されている。このため、接合材料と編線１０３又は編線１０４の接触面積が大きく、編線１０３又は編線１０４と熱電変換素子との接合強度が大きい。よって、熱源の形状に合わせて熱電変換モジュール２００を変形させる際に、Ｐ型熱電変換素子１０１と編線１０３又は編線１０４との接合部、及び、Ｎ型熱電変換素子１０２と編線１０３又は編線１０４との接合部、に応力がかかっても、接合部が破断するのを防ぐことができる。よって、熱電変換モジュール２００をより強く巻き付けることが必要な熱源にも、熱電変換モジュール２００を適用することができる。このため、熱電変換モジュール２００を設ける熱源の形状をより自由に選ぶことができる。熱電変換モジュール２００をより強く巻き付けることが必要な熱源としては、例えば、径が小さな管、表目に角部を有する熱源、及び、表面に凹凸を有する熱源、が挙げられる。また、熱源となる管への熱電変換モジュール２００の配置の仕様（位置や向き等）をより自由に選ぶことができる。

次に、図５に示した熱電変換モジュール２００の製造方法について、図６を用いて説明する。まず、導電性の編線を２．５〜２０ｍｍ程度の長さに切断し、編線１０３と、それよりも短い編線１０４を用意する。また、導電性材料を切断して、電線１０５を用意する（図６（ａ））。電線１０５は、前記編線であってもよいし、編線でなくても（金属板や金属テープであっても）よい。電線１０５は、可撓性を有することが好ましい。

次に、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２を、編線１０３及び編線１０４を用いて、交互に順次直列接続する。編線１０３及び編線１０４は、それぞれ、Ｐ型熱電変換素子１０１とＮ型熱電変換素子１０２との間で弛まないように、張設される。こうして、方向Ｘに沿ってＰ型熱電変換素子１０１と一方で隣り合うＮ型熱電変換素子１０２との間には間隔Ａを有し、Ｐ型熱電変換素子１０１と他方で隣り合うＮ型熱電変換素子１０２との間には、間隔Ａよりも小さな間隔Ｂを有する小モジュール１０６を形成する（図６（ｂ））。次いで、複数の小モジュール１０６の一端を電線１０５に接続し、複数の小モジュール１０６の他端を別の電線１０５に接続する。これにより、複数の小モジュール１０６が電気的かつ幾何学的に並列に接続され、熱電変換モジュール２００が得られる（図６（ｃ））。

複数の小モジュール１０６の端部の編線と電線１０５とは、はんだ付け、ろう付け、抵抗溶接、超音波溶接等の方法で接続することができる。

本実施の形態では、２．５〜２０ｍｍ程度の長さに切断した編線１０３及び編線１０４を用いたが、図４に示したように、２０ｍｍ以上の長い前記編線で、交互に並んでいる全てのＰ型熱電変換素子１０１及び全てのＮ型熱電変換素子１０２を挟み込み、Ｐ型熱電変換素子１０１及びＮ型熱電変換素子１０２と前記編線とを接合した後、絶縁すべき箇所の前記編線を切断して取り除くことにより、小モジュール１０６を得ることもできる。

なお、熱電変換モジュール２００を熱源に取り付ける際には、熱源の形状に合わせて、編線１０３、編線１０４、及び電線１０５を変形させる。これにより、熱源と熱電変換モジュール２００との接触面積が増加し、高出力電力を得ることができる。

以上、実施の形態１及び２で説明したように、本発明の熱電変換モジュールは、熱源となる管の様々な径および長さに対応でき、編線Ｂ同士、或いは、熱電変換素子同士がショートするのを防ぐこともできる。

また、編線として導電性の編線を用いて、隣り合うＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とが接続されているため、当該編線と、Ｐ型熱電変換素子及びＮ型熱電変換素子との接合強度が向上する。このため、熱電変換モジュールを熱源となる管にらせん形状に巻きつける際、編線と各熱電変換素子との接合部に応力が掛かった場合でも、該接合部の破断を防ぐことができる。よって、信頼性の高い熱電変換モジュールとなる。

また、複数の小モジュールを並列に接続してなる熱電変換モジュールは、小モジュールの一部が破断しても発電が可能である。また、前記熱電変換モジュールは、フレキシブルであるため、様々な径の管に取り付け可能である。よって、熱源となる所望の管に容易に着脱可能である。

本出願は、２０１１年４月２２日出願の特願２０１１−０９５７５１、及び２０１１年４月２２日出願の特願２０１１−０９５７５２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明の熱電変換モジュール及びその製造方法は、発電能力が高く、熱源となる管の様々な径や長さに対応できる直鎖状の熱電変換モジュールを得ることが可能である。また、本発明の熱電変換モジュール及びその製造方法は、熱源となる所望の管に容易に着脱可能である、はしご状の熱電変換モジュールを提供することが可能である。

１００、２００ 熱電変換モジュール
１０１ Ｐ型熱電変換素子
１０２ Ｎ型熱電変換素子
１０３、１０４ 編線
１０５ 電線
１０６ 小モジュール
３０１、６０１ 接続電極
４０１ 管状熱電変換モジュール
４０２ 金属管
４０３ 絶縁性基板
４０４ａ、４０４ｂ リード線
４０４Ｘ 表面接続電極
４０４Ｙ 裏面接続電極
４１１〜４１４、４２１〜４２４、４３１〜４３４、４ｍ１〜４ｍ４ 熱電変換素子
５０１ 高分子材料層
５０２ 接着性樹脂
６０２、６０３ 外部接続端子
６０４ 基板
Ｈ 熱の流れる方向を示す矢印

Claims (7)

1. 交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のＰ型熱電変換素子及び複数のＮ型熱電変換素子と、
   前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを接続する、導線が編まれてなる編線Ａと、
   前記Ｐ型熱電変換素子の一端面および前記Ｎ型熱電変換素子の一端面と、編線Ａとを接合するはんだまたはろう材と、
   前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを接続し、導線が編まれてなり、かつ編線Ａよりも短い編線Ｂと、
   前記Ｐ型熱電変換素子の他端面および前記Ｎ型熱電変換素子の他端面と、編線Ｂとを接合するはんだまたはろう材と、
   からなる小モジュールを含み、
   編線Ａ及び編線Ｂは、それぞれ、三つ編みの編線、四つ編みの編線、六つ編みの編線、または平織りの編線であり、かつ、編線Ａ及び編線Ｂが、それぞれ一重の編線である、熱電変換モジュール。
2. 前記導線の径が１００〜４００μｍである、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 編線Ａの表面を覆う絶縁層をさらに含む、請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記小モジュールを複数備え、前記複数の小モジュールが電気的に並列に接続されてなる請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
5. 管に巻き付けられた、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールを含む発電機。
6. 導線が編まれてなる三つ編みの編線、四つ編みの編線、六つ編みの編線、または平織りの編線であり、かつ、編線Ａ及び編線Ｂが、それぞれ一重の編線である、編線Ａ、及び編線Ａよりも短い編線Ｂを用意する第１工程と、
   複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とを編線Ａ及び編線Ｂによって交互に接続して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが電気的に直列に接続されてなる小モジュールを得る第２工程と、を備え、
   前記第２工程は、
   前記Ｐ型熱電変換素子の一端面および前記Ｎ型熱電変換素子の一端面と、編線Ａとをはんだまたはろう材で接合し、かつ前記Ｐ型熱電変換素子の一端面と前記Ｎ型熱電変換素子の一端面とを編線Ａで接続し、
   前記Ｐ型熱電変換素子の他端面および前記Ｎ型熱電変換素子の他端面と、編線Ｂとをはんだまたはろう材で接合し、かつ前記Ｐ型熱電変換素子の他端面と前記Ｎ型熱電変換素子の他端面とを編線Ｂで接続する、熱電変換モジュールの製造方法。
7. 前記第１工程及び前記第２工程を含み、前記小モジュールの複数を用意する工程と、
   前記小モジュールの複数を電気的に並列に接続する工程と、をさらに含む、請求項６に記載の熱電変換モジュールの製造方法。

Images