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技術 熱電変換セル及び熱電変換モジュール

出願人 三菱マテリアル株式会社
発明者 新井皓也駒崎雅人
出願日 2017年9月26日 (1年11ヶ月経過) 出願番号 2017-184795
公開日 2019年4月18日 (5ヶ月経過) 公開番号 2019-062054
状態 未査定
技術分野 熱電素子
主要キーワード 連結金属 各雌ねじ孔 マンガンシリサイド 各ねじ部材 通電加熱焼結法 金属セグメント リベット固定 各電極部材
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年4月18日)のものです。
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図面 (14)

課題

熱電変換材料同士の熱膨張差による破損を防止でき、交換が容易で、簡便な構造により構成された熱電変換セル及び熱電変換モジュールを提供する。

解決手段

熱電変換セルは、少なくとも1個の貫通孔を有する絶縁部材と、少なくとも1個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記貫通孔の貫通方向の一端側に配置され、前記熱電変換部材の一端部に電気的に接続された第1電極部材と、前記貫通方向の他端側に配置され、前記熱電変換部材の他端部に電気的に接続された第2電極部材と、を有し、前記第1電極部材が第1磁石を有し、前記第2電極部材が第2磁石を有し、前記熱電変換部材が前記第1磁石と前記第2磁石との互いの磁力による吸着力により前記第1電極部材と前記第2電極部材との間に挟持されてなる。

概要

背景

熱電変換モジュールは、一組の配線基板絶縁基板)の間に、一対のP型熱電変換素子N型熱電変換素子とを電極あるいは直接に接続状態に組み合わせた熱電変換セルを、P型,N型,P型,N型の順に交互に配置されるように、電気的に直列に接続した構成とされる。また、熱電変換モジュールは、両端を直流電源に接続して、ペルチェ効果により各熱電変換素子中で熱を移動させる(P型では電流と同方向、N型では電流と逆方向に移動させる)、あるいは、両配線基板間に温度差を付与して各熱電変換素子にゼーベック効果により起電力を生じさせるものであり、冷却、加熱、あるいは、発電としての利用が可能である。

熱電変換モジュールに用いる熱電変換セルとして、例えば特許文献1には、筒状絶縁支持体隔壁を介した一方の内部にP型熱電変換素子(p型半導体素子)が充填され、他方の内部にN型熱電変換素子(n型半導体素子)が充填され、一端部でP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とが電気的に接続された熱電変換セル(熱電変換素子)が開示されている。また、特許文献1には、筒状絶縁支持体の内部にP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを配置した熱電変換セルにより、各熱電変換セルを密着して配置できるので、熱電変換モジュールの組立作業が容易になることが記載されている。

また、特許文献2には、熱電変換素子を備える発電部を有し、継続的に動作することができる温度検出装置が開示されている。この特許文献2に記載の温度検出装置では、ケースに熱電変換素子を収容し、熱電変換素子を第1伝熱部と第2伝熱部との間で押圧することによって固定している。また、特許文献2には、第1伝熱部と熱電変換素子との間、及び第2伝熱部と熱電変換素子との間のうちのいずれか一方に、衝撃吸収性を有する熱接続要素を介在させた固定構造により、熱電変換素子の破損を抑えることが記載されている。

さらに、特許文献3には、熱電変換素子(半導体素子材チップ)を螺子孔を有する一対の金属ブロックで挟み接合することにより構成された熱電変換用基本素子が開示されている。また、特許文献3には、この熱電変換用基本素子を金属セグメント固定螺子によって固定することにより、熱電変換モジュール(熱電変換素子)を構成することが記載されており、熱電変換モジュールは、熱電変換用基本素子に直接、固定螺子を埋め込む構造により構成されている。

概要

熱電変換材料同士の熱膨張差による破損を防止でき、交換が容易で、簡便な構造により構成された熱電変換セル及び熱電変換モジュールを提供する。熱電変換セルは、少なくとも1個の貫通孔を有する絶縁部材と、少なくとも1個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記貫通孔の貫通方向の一端側に配置され、前記熱電変換部材の一端部に電気的に接続された第1電極部材と、前記貫通方向の他端側に配置され、前記熱電変換部材の他端部に電気的に接続された第2電極部材と、を有し、前記第1電極部材が第1磁石を有し、前記第2電極部材が第2磁石を有し、前記熱電変換部材が前記第1磁石と前記第2磁石との互いの磁力による吸着力により前記第1電極部材と前記第2電極部材との間に挟持されてなる。

目的

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱電変換材料同士の熱膨張差による破損を防止でき、交換が容易で、簡便な構造により構成された熱電変換セル及び熱電変換モジュールを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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請求項1

少なくとも1個の貫通孔を有する絶縁部材と、少なくとも1個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記貫通孔の貫通方向の一端側に配置され、前記熱電変換部材の一端部に電気的に接続された第1電極部材と、前記貫通方向の他端側に配置され、前記熱電変換部材の他端部に電気的に接続された第2電極部材と、を有し、前記第1電極部材が第1磁石を有し、前記第2電極部材が第2磁石を有し、前記熱電変換部材が前記第1磁石と前記第2磁石との互いの磁力による吸着力により前記第1電極部材と前記第2電極部材との間に挟持されてなること特徴とする熱電変換セル

請求項2

前記絶縁部材の少なくとも一部が、前記第1電極部材と前記第2電極部材との間に配設されていることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換セル。

請求項3

前記絶縁部材は、一端部に形成された前記第1電極部材の一部を収容して回転を防止する第1溝部と、他端部に形成された前記第2電極部材の一部を収容して回転を防止する第2溝部と、を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換セル。

請求項4

前記第1電極部材と前記第2電極部材とは、それぞれ前記第1磁石又は前記第2磁石との間に配設される内部接続金属部と、前記内部接続金属部とは反対側に配設される外部接続金属部と、前記内部接続金属部と前記外部接続金属部との間を接続する連結金属部と、を有する電極金属部を有しており、前記電極金属部が、前記第1磁石又は前記第2磁石よりも熱伝達性及び導電性が高い金属により形成されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の熱電変換セル。

請求項5

請求項1から4のいずれか一項に記載の前記熱電変換セルを複数有し、前記熱電変換セルは、前記熱電変換素子がP型熱電変換素子からなる第1熱電変換セルと、前記熱電変換セルがN型熱電変換素子からなる第2熱電変換セルとを有しており、前記第1熱電変換セルと前記第2熱電変換セルとが交互に直列に接続されてなることを特徴とする熱電変換モジュール

請求項6

隣接して配置される前記第1熱電変換セルと前記第2熱電変換セルの前記第1電極部材同士又は前記第2電極部材同士が一体に形成された連結型電極部材を有し、前記連結型電極部材により、前記第1熱電変換セルと前記第2熱電変換セルとが接続されていることを特徴とする請求項5に記載の熱電変換モジュール。

技術分野

0001

本発明は、P型熱電変換素子又はN型熱電変換素子を備える熱電変換セル及び、その熱電変換セルを用いて複数のP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを直列に配列した熱電変換モジュールに関する。

背景技術

0002

熱電変換モジュールは、一組の配線基板絶縁基板)の間に、一対のP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを電極あるいは直接に接続状態に組み合わせた熱電変換セルを、P型,N型,P型,N型の順に交互に配置されるように、電気的に直列に接続した構成とされる。また、熱電変換モジュールは、両端を直流電源に接続して、ペルチェ効果により各熱電変換素子中で熱を移動させる(P型では電流と同方向、N型では電流と逆方向に移動させる)、あるいは、両配線基板間に温度差を付与して各熱電変換素子にゼーベック効果により起電力を生じさせるものであり、冷却、加熱、あるいは、発電としての利用が可能である。

0003

熱電変換モジュールに用いる熱電変換セルとして、例えば特許文献1には、筒状絶縁支持体隔壁を介した一方の内部にP型熱電変換素子(p型半導体素子)が充填され、他方の内部にN型熱電変換素子(n型半導体素子)が充填され、一端部でP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とが電気的に接続された熱電変換セル(熱電変換素子)が開示されている。また、特許文献1には、筒状絶縁支持体の内部にP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを配置した熱電変換セルにより、各熱電変換セルを密着して配置できるので、熱電変換モジュールの組立作業が容易になることが記載されている。

0004

また、特許文献2には、熱電変換素子を備える発電部を有し、継続的に動作することができる温度検出装置が開示されている。この特許文献2に記載の温度検出装置では、ケースに熱電変換素子を収容し、熱電変換素子を第1伝熱部と第2伝熱部との間で押圧することによって固定している。また、特許文献2には、第1伝熱部と熱電変換素子との間、及び第2伝熱部と熱電変換素子との間のうちのいずれか一方に、衝撃吸収性を有する熱接続要素を介在させた固定構造により、熱電変換素子の破損を抑えることが記載されている。

0005

さらに、特許文献3には、熱電変換素子(半導体素子材チップ)を螺子孔を有する一対の金属ブロックで挟み接合することにより構成された熱電変換用基本素子が開示されている。また、特許文献3には、この熱電変換用基本素子を金属セグメント固定螺子によって固定することにより、熱電変換モジュール(熱電変換素子)を構成することが記載されており、熱電変換モジュールは、熱電変換用基本素子に直接、固定螺子を埋め込む構造により構成されている。

先行技術

0006

特開2011‐134940号公報
特開2015‐32747号公報
特開平8‐306968号公報

発明が解決しようとする課題

0007

このような熱電変換モジュールには、熱電変換モジュールの両面あるいは片面に絶縁基板が用いられることが多い。しかし、この構成では熱電変換材料金属材料等の異種材料の界面が多いため、製造プロセスが複雑になるとともに、熱膨張差等による異種材料の界面の剥離や熱電変換材料の破壊が生じやすい。特許文献1に記載される熱電変換セルにおいても、異種材料の界面が多く存在し、熱膨張差による破壊が懸念される。また、特許文献1に記載の熱電変換セルのように、筒状絶縁支持体の内部にP型熱変換素子とN型熱電変換素子とを充填した構成では、加工作業が煩雑になる。また、特許文献2に記載される熱電変換素子の固定構造は、衝撃吸収性を有する熱接続要素を介在させることにより、熱電変換素子の破損を抑えているが、使用する部材が多く、複数の熱電変換素子を組み合わせて大型化する構造への適用が難しい。

0008

また、特許文献3に記載の熱電変換モジュールのように、螺子孔を有する一対の金属ブロックを熱電変換素子に接合した熱電変換用基本素子を設け、熱電変換用基本素子を金属セグメントを介して固定螺子により固定する構造では、金属ブロックと熱電変換素子とを接合した熱電変換用基本素子が必要になるため、金属ブロックと熱電変換材料の接合性が良い材料でなければ出力や耐久性の低下を招いてしまう。また、特許文献3に記載の熱電変換用基本素子の構造では、熱電変換素子を固定螺子の雄ねじ部よりも十分に太くする必要があり、設計が難しい。

0009

また、熱電変換モジュールは、複数の熱電変換セルのP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを交互に直列に接続していることから、一部の熱電変換セルの破損により、正常に機能する大多数部分も含めて熱電変換モジュールが使用不可能となる。さらに、熱電変換モジュールを最大出力で使用するためには、熱電変換モジュールの内部抵抗出力先負荷抵抗とが同等でなければならない。このため、出力先の負荷抵抗に合わせて、事後的に熱電変換モジュールの内部抵抗を変更することが望ましい。しかし、熱電変換セル同士が連結された構造では、容易に変更や交換を行えず、設計の自由度が制限されていた。

0010

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、熱電変換材料同士の熱膨張差による破損を防止でき、交換が容易で、簡便な構造により構成された熱電変換セル及び熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明の熱電変換セルは、少なくとも1個の貫通孔を有する絶縁部材と、少なくとも1個の熱電変換素子を有し、前記貫通孔内に収容された熱電変換部材と、前記貫通孔の貫通方向の一端側に配置され、前記熱電変換部材の一端部に電気的に接続された第1電極部材と、前記貫通方向の他端側に配置され、前記熱電変換部材の他端部に電気的に接続された第2電極部材と、を有し、前記第1電極部材が第1磁石を有し、前記第2電極部材が第2磁石を有し、前記熱電変換部材が前記第1磁石と前記第2磁石との互いの磁力による吸着力により前記第1電極部材と前記第2電極部材との間に挟持されてなる。

0012

熱電変換セルは、熱電変換部材(熱電変換素子)の両端部のそれぞれに設けられた第1電極部材の第1磁石と第2電極部材の第2磁石との互いの磁力による吸着力により、第1電極部材と第2電極部材との間に熱電変換部材が挟持され、電気的に接続される。このように、熱電変換部材と各電極部材(第1電極部材及び第2電極部材)とは接合されておらず、各電極部材の間に熱電変換部材が挟持されることにより電気的に接続されるので、異種材料の熱膨張差が生じる場合でも各部材の破損を防止でき、接続状態を良好に維持できる。

0013

また、熱電変換部材と各電極部材との電気的な接続は、第1磁石と第2磁石との磁力の吸着力により保持されているのみであるので、各電極部材の間に熱電変換部材を配置するだけで熱電変換部材を各電極部材の間に挟持でき、熱電変換セルの組み立てを容易に行える。また、各電極部材の間に挟持された熱電変換部材は、各電極部材を引き離すことで容易に取り出すことができ、熱電変換セルの分解も容易に行うことができる。したがって、絶縁部材の内部に収容される熱電変換部材に破損が生じたり、設計変更により熱電変換部材の交換が必要になったりした際にも、熱電変換部材の交換を容易に行うことができる。

0014

また、絶縁部材に複数の貫通孔を設けて各貫通孔にそれぞれ熱電変換部材を収容することで、複数の熱電変換部材が配列された熱電変換セルを構成できる。この場合、各熱電変換部材の数に応じて、それぞれの熱電変換部材の両端部に第1電極部材と第2電極部材とを配設し、第1電極部材と第2電極部材との間に熱電変換部材を挟持して電気的に接続できる。また、この場合において、隣接して配置される第1電極部材又は第2電極部材同士の間を導電性を有する接続部材により電気的に接続することで、各貫通孔の内部に収容された熱電変換部材のP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを交互に直列に接続でき、容易に熱電変換モジュールを製造できる。

0015

また、同じ極性を持つ熱電変換セルを並列に組み合わせることで、熱電変換モジュールの内部抵抗を制御可能であり、出力先の負荷抵抗に適応した熱電変換モジュールの設計を任意に行うことができる。さらに、使用可能温度領域の異なる熱電変換部材を収容した熱電変換セル同士を温度の勾配方向に重ねて直列に連結することで、セグメント構造を構成でき、熱電変換モジュールの高効率化を図ることができる。

0016

また、熱電変換セルの一端側(貫通孔の貫通方向の一端側)に第1磁石が配設され、他端側(貫通孔の貫通方向の他端側)に第2磁石が配設されているので、この熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールにおいては、第1磁石と第2磁石とにより、鉄等の磁性材料で構成された発熱体又は冷却体の一方に熱電変換モジュールの一端側の最表面を直接取り付けることが可能であるとともに、発熱体又は冷却体の他方に熱電変換モジュールの他端側の最表面を直接取り付けることができる。したがって、熱電変換モジュールの取り付けに別途治具等を用いる必要がなく、発熱体又は冷却体への取り付け、及び、取り外しを容易に行うことができる。また、第1磁石と第2磁石とにより、熱電変換モジュールの両端の表面をそれぞれ発熱体又は冷却体に安定して固定した状態を維持できるので、熱電変換素子の一端側と他端側との温度差を確保して、熱電変換モジュールにおいて安定した電力供給を行うことができる。

0017

本発明の熱電変換セルの好ましい実施形態において、前記絶縁部材の少なくとも一部が、前記第1電極部材と前記第2電極部材との間に配設されているとよい。

0018

第1電極部材と第2電極部材との間に絶縁部材を配設することで、熱電変換部材が絶縁部材の貫通孔の内部に収容された状態を維持でき、熱電変換部材が第1電極部材及び第2電極部材以外の部材と接触して短絡することを確実に防止できる。また、第1電極部材、第2電極部材、熱電変換部材及び絶縁部材がばらけることなく、熱電変換セルを一体に取り扱うことができるので、複数の熱電変換セルを組み合わせた熱電変換モジュールの組み立てを円滑に行うことができる。

0019

本発明の熱電変換セルの好ましい実施形態において、前記絶縁部材は、一端部に形成された前記第1電極部材の一部を収容して回転を防止する第1溝部と、他端部に形成された前記第2電極部材の一部を収容して回転を防止する第2溝部と、を有しているとよい。

0020

絶縁部材に第1溝部と第2溝部とを設けておくことで、第1電極部材と第2電極部材とをそれぞれ特定の方向に向けて配設することができるので、複数の熱電変換セルを組み合わせた熱電変換モジュールの組み立てを円滑に行うことができる。

0021

本発明の熱電変換セルの好ましい実施形態において、前記第1電極部材と前記第2電極部材とは、それぞれ前記第1磁石又は前記第2磁石との間に配設される内部接続金属部と、前記内部接続金属部とは反対側に配設される外部接続金属部と、前記内部接続金属部と前記外部接続金属部との間を接続する連結金属部と、を有する電極金属部を有しており、前記電極金属部が、前記第1磁石又は前記第2磁石よりも熱伝達性及び導電性が高い金属により形成されているとよい。

0022

第1電極部材と第2電極部材とのそれぞれに第1磁石又は第2磁石よりも熱伝達性が高い金属により形成された電極金属部を設けておくことにより、電極金属部を介して発熱体又は冷却体から安定して熱電変換部材へ熱伝達を行うことができるので、熱電変換素子の発電効率を向上できる。また、電極金属部は第1磁石又は第2磁石よりも導電性が高い金属により形成されているので、複数の熱電変換セルを備える熱電変換モジュールにおいて、各熱電変換部材の間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュールの導電性を良好に維持できる。

0023

本発明の熱電変換モジュールは、複数の前記熱電変換セルを有し、前記熱電変換セルは、前記熱電変換素子がP型熱電変換素子からなる第1熱電変換セルと、前記熱電変換セルがN型熱電変換素子からなる第2熱電変換セルとを有しており、前記第1熱電変換セルと前記第2熱電変換セルとが交互に直列に接続されてなる。

0024

本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施形態において、隣接して配置される前記第1熱電変換セルと前記第2熱電変換セルの前記第1電極部材同士又は前記第2電極部材同士が一体に形成された連結型電極部材を有し、前記連結型電極部材により、前記第1熱電変換セルと前記第2熱電変換セルとが接続されているとよい。

発明の効果

0025

本発明によれば、熱電変換材料同士の熱膨張差による熱電変換部材の破損を防止でき、熱電変換部材の破損が生じた際にも、熱電変換モジュール内の熱電変換部材の交換を容易に行うことができる。

図面の簡単な説明

0026

本発明の第1実施形態の熱電変換セルを示す縦断面図である。
図1に示す熱電変換セルの外観斜視図である。
図2に示す熱電変換セルの分解斜視図である。
図1に示す熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールの正面図である。
本発明の第2実施形態の熱電変換セルを示す縦断面図である。
本発明の第3実施形態の熱電変換セルを示す縦断面図である。
本発明の第4実施形態の熱電変換セルを示す外観斜視図である。
図7に示す熱電変換セルの分解斜視図である。
図8に示す第1電極部材の分解斜視図である。
電極部材の他の実施形態を示す縦断面図である。
電極部材の他の実施形態を示す縦断面図である。
本発明の第5実施形態の熱電変換モジュールを示す縦断面図である。
本発明の第6実施形態の熱電変換モジュールを示す縦断面図である。

実施例

0027

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
図4に、熱電変換モジュール201の実施形態を示す。この熱電変換モジュール201は、複数の熱電変換セル101,102が組み合わされて配列される。また、熱電変換モジュール201は、P型熱電変換素子31を備える第1熱電変換セル101とN型熱電変換素子32を備える第2熱電変換セル102とが、他端側(図4において下側)に配設された導電性をする接続部材41を介して接続され、P型熱電変換素子31とN型熱電変換素子32とが直列に接続された構成とされる。このように、熱電変換セル101,102を構成する熱電変換素子としてP型熱電変換素子31又はN型熱電変換素子32が用いられる。図面では、P型熱電変換素子31には「P」、N型熱電変換素子32には「N」と図示する。なお、熱電変換モジュール201は、外部への配線42を、各熱電変換セル101,102の一端部から直接引き出す構成としている。

0028

図1図3には、P型熱電変換素子31を用いた第1熱電変換セル101を一例として図示している。第1熱電変換セル101は、図1図3に示すように、1個(単数)の貫通孔111を有する絶縁部材110と、貫通孔111の内部に収容された1個(単数)のP型熱電変換素子31(熱電変換素子)を有する熱電変換部材301と、貫通孔111の貫通方向(図示例では上下方向)の一端側(図示例では上側)に配置され、熱電変換部材301の一端部に電気的に接続された第1電極部材211と、貫通孔111の貫通方向の他端側(図示例では下側)に配置され、熱電変換部材の他端部に電気的に接続された第2電極部材212と、を有する構成とされる。また、図4に示す第2熱電変換セル102は、第1熱電変換セル101と共通の絶縁部材110、第1電極部材211、第2電極部材212を用いた構成とされ、貫通孔111の内部に収容される熱電変換部材302が、1個(単数)のN型熱電変換素子32を有する構成とされる。

0029

P型熱電変換素子31及びN型熱電変換素子32は、例えばテルル化合物スクテルイト充填スクッテルダイトホイスラー、ハーフホイスラークラストレート、シリサイド酸化物シリコンゲルマニウム等の焼結体により構成される。なお、ドーパントによりP型とN型の両方をとれる化合物と、P型かN型のどちらか一方のみの性質をもつ化合物がある。

0030

P型熱電変換素子31の材料として、Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe、TAGS(=Ag‐Sb‐Ge‐Te)、Zn4Sb3、CoSb3、CeFe4Sb12、Yb14MnSb11、FeVAl、MnSi1.73、FeSi2、NaxCoO2、Ca3Co4O7、Bi2Sr2Co2O7、SiGe、Mn0.93V0.03Fe0.04Si1.7などが用いられる。

0031

N型熱電変換素子32の材料として、Bi2Te3、PbTe、La3Te4、CoSb3、FeVAl、ZrNiSn、Ba8Al16Si30、Mg2Si、Mg2SixSn1−x(但し、x=0〜1)、FeSi2、SrTiO3、CaMnO3、ZnO、SiGeなどが用いられる。

0032

例えば、マンガンシリサイド(MnSi1.73)から構成されたP型熱電変換素子31、及びマグネシウムシリサイド(Mg2Si)から構成されたN型熱電変換素子32は、それぞれ母合金ボールミルにて粉砕して例えば粒径75μm以下の粉砕粉末を作製した後、粉砕粉末をプラズマ放電焼結ホットプレス、熱間等方加圧法により焼結して、例えば円盤状、角板状のバルク材を作製しておき、これを例えば角柱状又は円柱状に切断することにより形成される。

0033

また、シリコンゲルマニウム(Si‐Ge)から構成されたP型熱電変換素子31は、Si粉(79.7at%)と、Ge粉(20.1at%)と、B粉(0.2at%)とを混合した混合物を用いて、ガスアトマイズ法により、B(ボロン)がドープされたSi‐Geの微細球状粉末を作製した後、粒状粉末通電加熱焼結法(1250℃、1分保持)により焼結して、例えば円盤状、角板状のバルク材を作製しておき、これを例えば角柱状又は円柱状に切断することにより形成される。

0034

これらの熱電変換素子31,32は、例えば横断面が正方形(例えば、一辺が1mm〜450mm)の角柱状や、横断面が円形(例えば、直径が1mm〜450mm)の円柱状に形成され、長さ(図1の上下方向に沿う長さ、第1電極部材211と第2電極部材212との対向方向に沿う長さ)は0.1mm〜100mmとされる。そして、このようにして形成される各熱電変換素子31,32の両端面には、ニッケル、銀、金のうちのいずれかの層を含むメタライズ層33がめっき又はスパッタリングにより形成される。このメタライズ層33が銀または金からなる場合には、熱電変換素子31,32の両端面に、ニッケル、チタンのいずれかからなる単層又はこれらの積層構造からなるバリア層(図示略)を形成しておき、このバリア層を介してメタライズ層33を形成するとよい。メタライズ層33の厚さは1μm以上100μm以下とされ、各熱電変換部材301,302の長さH11は各熱電変換素子31,32とほぼ同じ長さに形成される。

0035

絶縁部材110は、絶縁性を有する部材により形成され、一般的なセラミックス(例えば、陶器磁器ステアタイトコージライトフォルステライトムライト、マセライト、マコールホトベールジルコニアチタニアイットリアアルミナ窒化ケイ素)、ガラス耐熱性樹脂等の熱伝導性の低い材料が好適に用いられる。

0036

本実施形態の絶縁部材110は、内側に上下方向に沿った四角形の貫通孔111が形成されることにより四角筒状に設けられている。この場合、貫通孔111は、横断面が正方形、一辺が1mm〜500mmの角形に形成されており、熱電変換部材301,302(熱電変換素子31,32)の横断面よりも若干大きく形成され、熱電変換部材301,302を収容可能に設けられている。また、貫通孔111の貫通方向の両端部(一端部及び他端部)のそれぞれには貫通孔111よりも大きく開口した凹部112,112が形成されており、一端側の凹部112に第1電極部材211の一部が収容可能とされ、他端側の凹部112に第2電極部材212の一部が収容可能とされる。

0037

この場合、絶縁部材110の長さ(高さ)H13は熱電変換部材301,302の長さH11よりも大きく形成されるが、熱電変換部材301,302が収容される貫通孔111の貫通方向(上下方向)の長さH12は熱電変換部材301,302の長さH11よりも小さく形成されている。このため、熱電変換部材301,302は、その両端を貫通孔111の両端から突出させた状態で収容可能とされる。

0038

第1電極部材211は第1磁石21を有する構成とされ、第2電極部材212は第2磁石22を有する構成とされる。なお、第1実施形態の熱電変換セル101,102では、第1電極部材211は第1磁石21単体で構成され、第2電極部材212は第2磁石22単体で構成される。

0039

第1磁石21及び第2磁石22は、例えば、使用温度が150℃以下の場合には耐熱ネオジム磁石、200℃以下の場合にはフェライト磁石、300℃以下の場合にはサマリウムコバルト磁石、400℃以下の場合にはアルニコ磁石等を用いることができる。第1磁石21及び第2磁石22には、使用温度に応じて、最も磁力が強い磁石を用いることが好ましい。本実施形態の第1磁石21及び第2磁石22は、それぞれ角柱状(矩形状)に形成されており、導電性を有するサマリウムコバルト磁石からなる。なお、第1磁石21及び第2磁石22は、熱電変換部材301との接続部分の面積(下面)が、熱電変換部材301の大きさに応じて、熱電変換部材301の端面の面積よりも若干大きく設定される。

0040

そして、絶縁部材110の貫通孔111内に熱電変換部材301を収容した状態で、第1電極部材211を一端側の凹部112内に配置し、第2電極部材212を他端側の凹部112内に配置することで、第1磁石21と第2磁石22との互いの磁力による吸着力により、第1電極部材211と第2電極部材212との間に熱電変換部材301を挟持して取り付けることができる。この際、貫通孔111の長さH12は熱電変換部材301の長さH11よりも小さく設定されているので、貫通孔111の両端から熱電変換部材301の両端が突出して配置され、第1電極部材211と第2電極部材212との間に熱電変換部材301が挟持される。これにより、第1電極部材211及び第2電極部材212と熱電変換部材301とが電気的に接続される。

0041

また、絶縁部材110の一端部の凹部112に第1電極部材211を収容し、絶縁部材110の他端部の凹部112に第2電極部材212を収容することで、絶縁部材110の一部(貫通孔11の周辺部分)が第1電極部材211と第2電極部材212との間に配設される。このように、第1電極部材211と第2電極部材212との間に絶縁部材110を配設することで、熱電変換部材301が絶縁部材110の貫通孔111の内部に収容された状態を維持でき、熱電変換部材301が第1電極部材211及び第2電極部材212以外の部材を接触して短絡することを確実に防止できる。また、第1電極部材211、第2電極部材212、熱電変換部材301及び絶縁部材110がばらけることなく、第1熱電変換セル101を一体に取り扱うことができる。

0042

このように、第1熱電変換セル101では、熱電変換部材301と各電極部材(第1電極部材211及び第2電極部材212)とは接合されておらず、第1磁石21と第2磁石22との磁力の吸着力により保持されているのみである。このため、異種材料の熱膨張差が生じる場合でも第1電極部材211及び第2電極部材212と熱電変換部材301との接続状態を維持でき、各部材の破損を防止できる。また、このように構成される第1熱電変換セル101は、各電極部材211,212の間に熱電変換部材301を配置するだけで、熱電変換部材301を各電極部材211,212の間に挟持でき、組み立てを容易に行える。また、各電極部材211,212の間に挟持された熱電変換部材301は、各電極部材211,212を引き離すことで貫通孔111の内部から容易に取り出すことができ、第1熱電変換セル101の分解も容易に行うことができる。したがって、絶縁部材110の内部に収容される熱電変換部材301に破損が生じたり、設計変更により熱電変換部材301の交換が必要になったりした際にも、熱電変換部材301の交換を容易に行うことができる。

0043

また、第1熱電変換セル101では、熱電変換部材301を角柱状に形成し、絶縁部材110の貫通孔111を熱電変換部材301の横断面よりも若干大きく形成した角形に形成したので、熱電変換部材301を絶縁部材110の貫通孔111内に高密度で配置できる。したがって、電流効率の高い第1熱電変換セル101を構成できる。

0044

また、図4に示すように、P型熱電変換素子31を備える第1熱電変換セル101とN型熱電変換素子32を備える第2熱電変換セル102とを、P型熱電変換素子31とN型熱電変換素子32とが交互に直列に接続されるように複数組み合わせることにより、熱電変換モジュール201を容易に製造できる。この場合、熱電変換モジュール201は、第1熱電変換セル101と第2熱電変換セル102とを並列に並べて配置し、一方の側部(図4では下側)に配置される第2電極部材212,212間を接続部材41を介して接続することにより製造される。

0045

なお、接続部材41は、導電性を有する部材により形成され、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金、銀又は銀合金、ニッケル又はニッケル合金等を好適に用いることができる。本実施形態の接続部材41は、矩形平板状に形成される。各第2電極部材212,212の間を接続部材41により接続することにより、接続部材41を介して第1熱電変換部材301と第2熱電変換部材302とが電気的に接続され、P型熱電変換素子31とN型熱電変換素子32とが直列に接続される。この場合、接続部材41と各第2電極部材212,212とは、モジュールの使用温度に合わせ、モジュールの使用温度が200℃以下であればはんだ等、200℃以上であれば(あるいは200℃を超えていれば)銀ペースト等により接続(固定)されており、接続部材41により第1熱電変換セル101と第2熱電変換セル102との間隔や配置が維持される。なお、接合のために、磁石にニッケルめっき等を施す方が好ましい。

0046

また、このように第1熱電変換セル101と第2熱電変換セル102とを用いた熱電変換モジュール201では、各熱電変換セル101,102の一端側に第1磁石21が配設されているので、第1磁石21の磁力により、鉄等の磁性材料で構成された発熱体又は冷却体(二点鎖線及び符号501又は502で表す。)の表面に、熱電変換モジュール201の一端側の最表面を直接取り付けることが可能である。したがって、熱電変換モジュール201の取り付けに別途の治具等を用いる必要がなく、発熱体又は冷却体への取り付け、及び、取り外しを容易に行うことができる。また、第1磁石21の磁力による吸着力により、熱電変換モジュール201の一端側の最表面を発熱体又は冷却体に安定して固定した状態を維持でき、P型熱電変換素子31とN型熱電変換素子32の一端側と他端側との温度差を確保して、安定した電力供給を行うことができる。

0047

また、第1実施形態の熱電変換モジュール201には、各熱電変換セル101,102の他端側にも第2磁石22が配設されているので、一端側の第1磁石21により発熱体又は冷却体の一方に熱電変換モジュール201の一端側の最表面を直接取り付けることが可能であるとともに、他端側の第2磁石22により発熱体又は冷却体の他方に熱電変換モジュール201の他端側の最表面を直接取り付けることができる。したがって、発熱体と冷却体との双方への取り付け、及び、取り外しを容易に行うことができる。また、第1磁石21と第2磁石22とにより、熱電変換モジュール201の両端の表面をそれぞれ発熱体又は冷却体に安定して固定した状態を維持できるので、P型熱電変換素子31とN型熱電変換素子32の一端側と他端側との温度差を確保して、一層安定した電力供給を行うことができる。

0048

(第2実施形態)
第1実施形態の熱電変換セル101,102では、それぞれ第1磁石21からなる第1電極部材211と第2磁石22からなる第2電極部材212とを用いることにより、第1磁石21と第2磁石22とを介して熱電変換部材301,302(熱電変換素子31,32)の間を電気的に接続するとともに、両熱電変換部材301,302に発熱体又は冷却体からの熱を伝達するようにしていた。しかし、図5に示す第2実施形態の熱電変換セル(第1熱電変換セル)103のように、第1電極部材221と第2電極部材222とのそれぞれに第1磁石23又は第2磁石24よりも熱伝達性及び導電性が高い金属により形成された電極金属部25を設けて、磁石23,24に加えて電極金属部25を介して電気接続と熱伝達とを行うこともできる。

0049

第1磁石23と第2磁石24には、第1実施形態と同様の磁石を好適に用いることができる。なお、第1磁石23と第2磁石24の形状は、例えば円柱状や角柱状に形成されるが、この場合、各磁石23,24は円柱状に形成される。また、各磁石23,24は複数の小さな磁石から構成されていてもよい。

0050

電極金属部25は、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、黄銅等の金属材料が好適に用いられる。そして、第1電極部材221と第2電極部材222とは、それぞれ第1磁石23又は第2磁石24との間に配設される内部接続金属部51と、内部接続金属部51とは反対側に配設される外部接続金属部52と、内部接続金属部51と外部接続金属部52との間を接続する連結金属部53と、を有する。この場合、内部接続金属部51は円板状に形成されており、連結金属部53は内部接続金属部51の周縁に立設した円筒状に形成される。また、外部接続金属部52は円環状に形成されており、連結金属部53の外周から径方向に突出したフランジ状に形成される。外部接続金属部52の外径Doは、貫通孔121の直径Diよりも大きく設定されており、連結金属部53と内部接続金属部51だけが、貫通孔121内に収容可能とされる。

0051

また、電極金属部25には、これらの内部接続金属部51と連結金属部53と外部接続金属部52とで囲まれた収容凹部54が形成され、この収容凹部54内に磁石23,24が収容可能に設けられている。そして、第1電極部材221と第2電極部材222とは、それぞれ電極金属部25の収容凹部54内に磁石23,24が嵌入され、各磁石23,24と電極金属部25とが一体に設けられている。なお、第1電極部材221と第2電極部材222においては、図5に示すように、収容凹部54の深さd1は各磁石23,24の厚みt1よりも大きく(深く)形成されており、各磁石23,24が各電極金属部25の最表面よりも内側に配設され、収容凹部54内に内包されるようになっている。

0052

なお、電極金属部25と各磁石23,24との固定は嵌入(圧入)に限られず、図示は省略するが、電極金属部25に固定爪を形成して各磁石23,24をカシメ固定してもよいし、セラミックス製の接着剤や、エポキシ等の耐熱樹脂により接合してもよい。

0053

絶縁部材120は、第1実施形態と同様の絶縁部材110の材料を好適に用いることができる。この場合、絶縁部材120は、内側に上下方向に沿って円形の貫通孔121が形成されることにより、円筒状に設けられている。なお、貫通孔121を多角形に形成することもできる。この場合、貫通孔121は、円柱状の熱電変換部材301の横断面よりも若干大きく形成され、熱電変換部材301(P型熱電変換素子31)を収容可能に設けられている。また、貫通孔121は、絶縁部材120の長さ方向(円筒軸方向)の全長にわたり形成されている。

0054

この場合、絶縁部材120の長さ(高さ)H13は熱電変換部材301の長さH11よりも大きく形成され、熱電変換部材301は、その全体が貫通孔121の内側に収容可能とされる。また、貫通孔121の貫通方向の両端部(一端部及び他端部)のそれぞれに、すなわち一端側に第1電極部材221の一部(内部接続金属部51等)が収容可能とされ、他端側に第2電極部材222の一部(内部接続金属部51等)が収容可能とされる。なお、第1電極部材221と第2電極部材222との間に熱電変換部材301を挟持した状態において、第1電極部材221の外部接続金属部52の内面と第2電極部材222の外部接続金属部52の内面との上下方向の間隔H14は、絶縁部材120の長さH13よりも小さく設定される。

0055

このように、絶縁部材120(貫通孔121)の長さH13は間隔H14よりも小さく設定されているので、絶縁部材120の貫通孔121内に熱電変換部材301を収容した状態で、第1電極部材221を貫通孔121の一端側に配置し、第2電極部材222を貫通孔121の他端側に配置することで、第1磁石23と第2磁石24との互いの磁力による吸着力により、第1電極部材221と第2電極部材222との間に熱電変換部材301を挟持して取り付けることができる。また、この状態において、第1電極部材221の外部接続金属部52と第2電極部材222の外部接続金属部52との間に、絶縁部材120を配置できるので、第1電極部材221、第2電極部材222、熱電変換部材301及び絶縁部材120がばらけることなく、第1熱電変換セル103を一体に取り扱うことができる。

0056

第2実施形態の熱電変換セル103においても、熱電変換部材301と各電極部材(第1電極部材221及び第2電極部材222)とを接合することなく、第1磁石23と第2磁石24との磁力の吸着力により、熱電変換部材301と各電極部材221,222との電気的な接続状態を維持できる。また、第2実施形態の熱電変換セル103においては、第1電極部材221と第2電極部材222とのそれぞれに第1磁石23又は第2磁石24よりも熱伝達性が高い金属により形成された電極金属部25を設けたので、磁石23,24だけでなく電極金属部25を介して発熱体又は冷却体から安定して熱電変換部材301へ熱伝達を行うことができる。したがって、熱電変換素子31,32の発電効率を向上できる。また、電極金属部25は第1磁石23又は第2磁石24よりも導電性が高い金属により形成されているので、図示は省略するが、複数の熱電変換セルを備える熱電変換モジュールに適用することで、各熱電変換部材の間の電気的な接続を良好に維持でき、熱電変換モジュールの導電性を良好に維持できる。

0057

なお、第2実施形態の熱電変換セル103において、第1実施形態の熱電変換セル101,102と共通する要素には、同一符号を付して説明を省略する。また、同様に、以降の第3実施形態〜第6実施形態の熱電変換セル及び熱電変換モジュールにおいても、先行する実施形態と共通する要素には、同一符号を付して説明を省略する。

0058

(第3実施形態)
図6図8は、第3実施形態の熱電変換セル(第1熱電変換セル)104を示している。図5に示す第2実施形態の熱電変換セル103では、内部接続金属部51と外部接続金属部52と連結金属部53とが一体に形成された一つの部品により電極金属部25を構成したが、電極金属部の構成は第2実施形態の構成に限定されるものではない。図6図8に示す第3実施形態のように、複数の部品を組み合わせて電極金属部28を構成することもできる。

0059

第1磁石26と第2磁石27とには、第1実施形態と同様の材料の磁石を好適に用いることができる。なお、第1磁石26と第2磁石27は、それぞれ円筒状や角筒状に形成され、内側に上下方向に貫通する挿通孔261,271を有している。この場合、各磁石26,27は円筒状に形成されており、挿通孔261,271の開口は円形に形成されている。

0060

電極金属部28は、第2実施形態の電極金属部25と同様に、磁石26,27よりも熱伝達性及び導電性が高い金属(アルミニウム、黄銅、銅、銀、金等)により形成される。また、電極金属部28は、第1磁石26又は第2磁石27との間に配設される内部接続金属部81と、内部接続金属部81とは反対側に配設される外部接続金属部82と、内部接続金属部81と外部接続金属部82との間を接続する連結金属部83と、を有する。図9に示すように、内部接続金属部81は円板状に形成されており、連結金属部83は内部接続金属部81の中央に立設した円柱状に形成され、内部接続金属部81と連結金属部83とが一体に設けられている。また、連結金属部83の外周面には雄ねじ84が設けられており、内部接続金属部81と連結金属部83とでねじ部材85が構成されている。連結金属部83(雄ねじ84)の外径は、磁石26,27の挿通孔261,271の内径よりも小径に設けられており、連結金属部83が磁石26,27の挿通孔261,271に挿通可能に設けられている。

0061

一方、外部接続金属部82は、内部接続金属部81及び連結金属部83とは別体に設けられ、平面が長方形状矩形板状に形成されている。また、外部接続金属部82には、連結金属部83の雄ねじ84に対応する雌ねじ孔86が設けられている。そして、雄ねじ84を磁石26,27の挿通孔261,271に挿通した状態で雄ねじ84と雌ねじ孔86とを螺合させることにより、内部接続金属部81と外部接続金属部82との間に磁石26,27を挟持して取り付けることができる。また、雄ねじ84と雌ねじ孔86との螺合により、外部接続金属部82と連結金属部83とが電気的に接続され、連結金属部83を介して内部接続金属部81と外部接続金属部82とが電気的に接続される。

0062

また、外部接続金属部82には、長手方向の一端部に外部配線部87が一体に形成されており、この外部配線部87を介して熱電変換セル104の内部に収容された熱電変換部材301(P型熱電変換素子31)を容易に外部に接続できるようになっている。

0063

絶縁部材130は、第1実施形態と同様の絶縁部材110の材料を好適に用いることができる。本実施形態の絶縁部材130は、内側に上下方向に沿った四角形の貫通孔131が形成されることにより四角筒状に設けられている。また、貫通孔131は、横断面が正方形に形成されており、熱電変換部材301(P型熱電変換素子31)の横断面よりも若干大きく形成され、熱電変換部材301を収容可能に設けられている。また、貫通孔131の貫通方向の両端部(一端部及び他端部)のそれぞれには貫通孔131よりも大きく開口した凹部132,132が形成されており、一端側の凹部132に第1電極部材231の一部が収容可能とされ、他端側の凹部132に第2電極部材232の一部が収容可能とされる。

0064

この場合、絶縁部材130の長さ(高さ)H13は熱電変換部材301の長さH11よりも大きく形成されるが、熱電変換部材301が収容される貫通孔131の貫通方向(上下方向)の長さH12は熱電変換部材301の長さH11よりも小さく形成されており、熱電変換部材301は、その両端を貫通孔131の両端から両凹部132,132に突出させた状態で収容可能とされる。

0065

また、一端側の凹部132には、絶縁部材130の内側と外側とを連絡する第1溝部133が形成されており、この第1溝部133内に第1電極部材231の外部配線部87が配置可能とされる。第1溝部133の両側壁の内面間の幅と外部配線部87の幅との差は僅かに設定されており、第1溝部133内に外部配線部87を配置した状態で絶縁部材130の周方向に回転させようとすると、外部配線部87が第1溝部133の両側壁に当たって回り止めされるようになっている。

0066

また同様に、他端側の凹部132にも、絶縁部材130の内側と外側とを連絡する第2溝部134が形成されており、この第2溝部134内に第2電極部材232の外部配線部87が配置可能とされる。第2溝部134の両側壁の内面間の幅と外部配線部87の幅との差は僅かに設定されており、第2溝部134内に外部配線部87を配置した状態で絶縁部材130の周方向に回転させようとすると、外部配線部87が第2溝部134の両側壁に当たって回り止めされるようになっている。

0067

そして、このように構成される絶縁部材130において、貫通孔131内に熱電変換部材301を収容した状態で、第1電極部材231を一端側の凹部132内に配置し、第2電極部材232を他端側の凹部132内に配置する。この際、第1電極部材231の外部配線部87を第1溝部133内に配置し、第2電極部材232の外部配線部87を第2溝部134内に配置することで、第1電極部材231と第2電極部材232とをそれぞれ特定の方向に向けて配設できる。そして、第1磁石26と第2磁石27との互いの磁力による吸着力により、第1電極部材231と第2電極部材232との間に熱電変換部材301を挟持して取り付けることができ、熱電変換セル104の組み立てを円滑に行うことができる。

0068

なお、本実施形態では、各電極部材231,232の電極金属部28を複数の部材で形成し、各部材を互いにねじ固定することで各磁石26,27と電極金属部28とを一体に取り扱い可能に設けていたが、電極金属部28の構成は、これに限定されるものではない。
例えば、図10に示す電極部材241の電極金属部45のように、外部接続金属部412の挿通孔401に通した連結金属部413の先端を押し潰してリベット固定する等、他の構成を採用することもできる。なお、図10では、内部接続金属部を符号411と表している。また、図示は省略するが、図10に示す電極部材241の構成において、内部接続金属部411と外部接続金属部412の構成を逆にしても良い。この場合、外部接続金属部と連結金属部とを一体に形成し、内部接続金属部に挿通孔を形成して、内部接続金属部側でリベット固定すればよい。

0069

また、例えば図11に示す電極部材242のように、外部接続金属部422に集熱フィン424を一体に設けた電極金属部46を構成してもよい。なお、図11では、連結金属部423と外部接続金属部422と集熱フィン424とを一体に形成しており、内部接続金属部421の挿通孔402に通した連結金属部423の先端を押し潰してリベット固定することで、電極金属部46を構成している。

0070

(第4実施形態)
上記実施形態の熱電変換セル101〜104では、1個(単数)の貫通孔を有する絶縁部材110〜130を用いる構成としていたが、図12に示す第4実施形態の熱電変換セル105のように、複数の貫通孔141を有する絶縁部材140を用いる構成としてもよい。この場合、絶縁部材140には、図12に示すように、2つの貫通孔141が並列に配置されており、各貫通孔141の両端部にそれぞれ電極部材251,252の一部を収容可能な凹部142が設けられている。そして、それぞれの貫通孔141の内部に、P型熱電変換素子31を有する熱電変換部材301と、N型熱電変換素子32を有する熱電変換部材302と、が収容されている。なお、図12では、第1溝部を符号143で表している。なお、各電極部材251,252の電極金属部28の構成は、第3実施形態と同様に構成できる。

0071

第4実施形態の熱電変換セル105においても、第1磁石26と第2磁石27との互いの磁力の吸着力により、第1電極部材251と第2電極部材252との間に各熱電変換部材301,302を挟持でき、各電極部材251,252と熱電変換部材301,302とを電気的に接続できる。また、例えば図12に示すように、絶縁部材140の他端側に配置される第2電極部材252,252同士の間を接続部材43を介して接続することで、各貫通孔141の内部に収容された熱電変換部材301のP型熱電変換素子31と熱電変換部材302のN型熱電変換素子32とを交互に直列に接続することができ、容易に熱電変換モジュール202を製造できる。

0072

なお、図示は省略するが、接続部材43は、絶縁部材140の他端側に配置される第2電極部材252,252同士の間ではなく、絶縁部材140の一端側に配置される第1電極部材251,251同士の間を接続するように配置してもよい。また、熱電変換セル及び熱電変換モジュールは、3つ以上の貫通孔を有する絶縁部材を用いて構成することもできる。

0073

(第5実施形態)
図4に示す第1実施形態の熱電変換モジュール201等では、各貫通孔に取り付けられた電極部材の間(図4では、第2電極部材212,212の間)を接続部材41を介して接続していたが、図13に示す第5実施形態の熱電変換モジュール203のように、隣接して配置される第1熱電変換セル106と第2熱電変換セル107の第2電極部材同士が一体に形成された連結型電極部材253を用いて、P型熱電変換素子31を備える第1熱電変換セル106とN型熱電変換素子32を備える第2熱電変換セル107とを並列に配置し、各熱電変換部材301,302を電気的に接続することもできる。なお、連結型電極部材253は、第2電極部材側ではなく、第1電極部材側に用いることもできる。

0074

第5実施形態の熱電変換モジュール203では、連結型電極部材253の電極金属部29を構成する外部接続金属部92を長尺の矩形平板状に形成しており、この外部接続金属部92により2個の第2電極部材同士を一体に形成している。この場合、外部接続金属部92には、連結金属部93(雄ねじ94)を螺合可能な雌ねじ孔96が間隔をおいて2個形成されており、各雌ねじ孔96に連結金属部93と内部接続金属部91とが一体に形成されたねじ部材95が取り付けられるようになっている。そして、各ねじ部材95,95と外部接続金属部92との間にそれぞれ第2磁石27,27が挟持される。

0075

熱電変換モジュール203においても、第1磁石26と第2磁石27との互いの磁力による吸着力により、各熱電変換部材301,302を連結型電極部材253と各第1電極部材251,251との間に容易に挟持できる。

0076

上記実施形態において説明したように、本実施形態の熱電変換セルにおいては、いずれも第1電極部材の第1磁石と第2電極部材の第2磁石との互いの磁力による吸着力により、第1電極部材と第2電極部材との間に熱電変換部材が挟持され、電気的に接続される。このように、本実施形態の熱電変換セルでは、熱電変換部材と各電極部材(第1電極部材及び第2電極部材)とを接合せずに、各電極部材の間に熱電変換部材を挟持することにより電気的に接続するので、異種材料の熱膨張差が生じる場合でも各部材の破損を防止でき、接続状態を良好に維持できる。

0077

また、熱電変換部材と各電極部材との電気的な接続は、第1磁石と第2磁石との磁力の吸着力により保持されているのみであるので、各電極部材の間に熱電変換部材を配置するだけで熱電変換部材を各電極部材の間に挟持でき、熱電変換セルの組み立てを容易に行える。また、各電極部材の間に挟持された熱電変換部材は、各電極部材を引き離すことで容易に取り出すことができ、熱電変換セルの分解も容易に行うことができる。したがって、絶縁部材の内部に収容される熱電変換部材に破損が生じたり、設計変更により熱電変換部材の交換が必要になったりした際にも、熱電変換部材の交換を容易に行うことができる。
また、熱電変換部材と各電極部材とは、接合せず、第1磁石と第2磁石との磁力の吸着力により保持されているのみであるので、熱電変換セルが従来よりも大型化した場合においても、熱電変換セルの分解や熱電変換部材の交換を容易に行うことができる。

0078

また、絶縁部材に複数の貫通孔を設けて各貫通孔にそれぞれ熱電変換部材を収容することで、複数の熱電変換部材が配列された熱電変換セルを構成できる。この場合、各熱電変換部材の数に応じて、それぞれの熱電変換部材の両端部に第1電極部材と第2電極部材とを配設し、第1電極部材と第2電極部材との間に熱電変換部材を挟持して電気的に接続できる。また、この場合において、隣接して配置される第1電極部材又は第2電極部材同士の間を導電性を有する接続部材により電気的に接続することで、各貫通孔の内部に収容された熱電変換部材のP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを交互に直列に接続でき、容易に熱電変換モジュールを製造できる。

0079

また、同じ極性を持つ熱電変換セルを並列に組み合わせることで、熱電変換モジュールの内部抵抗を制御可能であり、出力先の負荷抵抗に適応した熱電変換モジュールの設計を任意に行うことができる。さらに、使用可能温度領域の異なる熱電変換部材を収容した熱電変換セル同士を温度の勾配方向に重ねて直列に連結することで、セグメント構造を構成でき、熱電変換モジュールの高効率化を図ることができる。

0080

また、熱電変換セルの一端側(貫通孔の貫通方向の一端側)に第1磁石が配設され、他端側(貫通孔の貫通方向の他端側)に第2磁石が配設されているので、この熱電変換セルを用いた熱電変換モジュールにおいては、第1磁石と第2磁石とにより、鉄等の磁性材料で構成された発熱体又は冷却体の一方に熱電変換モジュールの一端側の最表面を直接取り付けることが可能であるとともに、発熱体又は冷却体の他方に熱電変換モジュールの他端側の最表面を直接取り付けることができる。したがって、熱電変換モジュールの取り付けに別途の治具等を用いる必要がなく、発熱体又は冷却体への取り付け、及び、取り外しを容易に行うことができる。また、第1磁石と第2磁石とにより、熱電変換モジュールの両端の表面をそれぞれ発熱体又は冷却体に安定して固定した状態を維持できるので、熱電変換素子の一端側と他端側との温度差を確保して、熱電変換モジュールにおいて安定した電力供給を行うことができる。

0081

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記以外の種々の変更を加えることも可能である。

0082

21,23,26 第1磁石(磁石)
22,24,27 第2磁石(磁石)
25,28,29,45,46電極金属部
31P型熱電変換素子
32N型熱電変換素子
33メタライズ層
41,43接続部材
42配線
51,81,91,411,421内部接続金属部
52,82,92,412,422外部接続金属部
53,83,93,413,423連結金属部
54収容凹部
84雄ねじ
85,95ねじ部材
86,96雌ねじ孔
87外部配線部
101,103,104,106 第1熱電変換セル(熱電変換セル)
102,107 第2熱電変換セル(熱電変換セル)
105 熱電変換セル
110,120,130,140絶縁部材
111,121,131,141貫通孔
112,132,142 凹部
133 第1溝部
134 第2溝部
201,202,203熱電変換モジュール
211,221,231,241 第1電極部材(電極部材)
212,222,232,242 第2電極部材(電極部材)
253 連結型電極部材
261,271挿通孔
301 第1熱電変換部材(熱電変換部材)
302 第2熱電変換部材(熱電変換部材)
401,402 挿通孔
424 集熱フィン

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