特開 2017-163034 熱電変換モジュール及び熱電変換素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-163034(P2017-163034A)

(43)【公開日】2017年9月14日

(54)【発明の名称】熱電変換モジュール及び熱電変換素子

(51)【国際特許分類】

   H01L 35/32 20060101AFI20170818BHJP

   H01L 35/34 20060101ALI20170818BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20170818BHJP

【ＦＩ】

   H01L35/32 A

   H01L35/34

   H02N11/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-47301(P2016-47301)

(22)【出願日】2016年3月10日

(71)【出願人】

【識別番号】391064005

【氏名又は名称】株式会社アツミテック

(74)【代理人】

【識別番号】100090022

【弁理士】

【氏名又は名称】長門 侃二

(72)【発明者】

【氏名】内山 直樹

(72)【発明者】

【氏名】久保 和哉

(57)【要約】

【課題】比較的に高温の熱源に設置しても優れた発電性能を維持することができる熱電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】加熱源に設置される熱電変換モジュールであって、並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続し、且つ前記加熱源から離間して配設される第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続し、且つ前記加熱源側に配設される第２電極と、を有し、前記熱電変換素子は、前記第１電極に接続した第１構造部、前記第２電極に接続し且つ前記第１構造部よりも体積が小なる第２構造部を備えること。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

加熱源に設置される熱電変換モジュールであって、
並設された複数の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続し、且つ前記加熱源から離間して配設される第１電極と、
前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続し、且つ前記加熱源側に配設される第２電極と、を有し、
前記熱電変換素子は、前記第１電極に接続した第１構造部、前記第２電極に接続し且つ前記第１構造部よりも体積が小なる第２構造部を備える熱電変換モジュール。

【請求項2】

前記第１構造部と前記第２構造部との体積差に応じて、前記加熱源からの熱伝導を制御する請求項１に記載の熱電変換モジュール。

【請求項3】

前記第２構造部は、前記第１構造部よりも小なる外形寸法を備える請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。

【請求項4】

前記第１構造部及び前記第２構造部の形状は円柱状であり、
前記第２構造部の直径は第１構造部の直径よりも小なる請求項３に記載の熱電変換モジュール。

【請求項5】

前記第２構造部に空洞が形成されている請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。

【請求項6】

前記第１構造部に、前記第２構造部に形成された空洞よりも小なる空洞が形成されている請求項５に記載の熱電変換モジュール。

【請求項7】

第１構造部と、
前記第１構造部よりも体積が小なる第２構造部と、有し、
前記第１構造部に比して第２構造部が高温に曝される熱電変換素子。

【請求項8】

前記第１構造部と前記第２構造部との体積差に応じて、加熱源からの熱伝導を制御する請求項７に記載の熱電変換素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ゼーベック効果による熱電発電を行う熱電変換モジュール、及び当該熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子に関する。

【背景技術】

【0002】

熱電変換モジュールは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。

【0003】

このような熱電変換モジュールは、一般的に、複数個の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。このような熱電変換モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている熱電変換モジュールは、一対の基板と、一方の端部が当該基板の一方に配置される第１電極と電気的に接続され、他方の端部が当該基板の他方に配置される第２電極と電気的に接続される複数の熱電変換素子と、当該熱電変換素子に電気的に接続される第１電極を、隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第２電極に、電気的に接続する接続部とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１３−１１５３５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に開示されているような熱電変換モジュールの構造においては、当該熱変換モジュールをエンジンの排気部等の加熱源に搭載して使用する場合、エンジンの近傍に搭載する場合や、エンジンの排気量の増加等に伴って熱量が上昇すると、熱電変換素子自体の温度が上昇しすぎてしまい、熱電変換素子の発電性能が低下する問題が生じていた。

【0006】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、比較的に高温の熱源に設置しても優れた発電性能を維持することができる熱電変換モジュール、及び比較的に高温の環境下においても発電性能が劣化しない熱電変換素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換モジュールは、加熱源に設置される熱電変換モジュールであって、並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続し、且つ前記加熱源から離間して配設される第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続し、且つ前記加熱源側に配設される第２電極と、を有し、前記熱電変換素子は、前記第１電極に接続した第１構造部、前記第２電極に接続し且つ前記第１構造部よりも体積が小なる第２構造部を備える。

【0008】

上述した熱電変換モジュールにおいて、前記第１構造部と前記第２構造部との体積差に応じて、前記加熱源からの熱伝導を制御してもよい。これにより、各熱電変換素子の発電温度の最適化をより高精度に行うことができる。

【0009】

上述したいずれかの熱電変換モジュールにおいて、前記第２構造部は前記第１構造部よりも小なる外形寸法を備えていてもよい。この場合において、前記第１構造部及び前記第２構造部の形状は円柱状であり、前記第２構造部の直径は第１構造部の直径よりも小なることであってもよい。これにより、第１構造部と第２構造部との体積差を確実に設定することができ、各熱電変換素子の発電温度の最適化をより一層高精度に行うことができる。

【0010】

上述した熱電変換モジュールにおいて、前記第２構造部に空洞が形成されていてもよい。この場合において、前記第１構造部に前記第２構造部に形成された空洞よりも小なる空洞が形成されていてもよい。これにより、第１構造部と第２構造部との体積差を確実に設定することができ、各熱電変換素子の発電温度の最適化をより一層高精度に行うことができる。

【0011】

上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換素子は、第１構造部と、前記第１構造部よりも体積が小なる第２構造部と、有し、前記第１構造部に比して第２構造部が高温に曝される。

【0012】

上述した熱電変換素子において、前記第１構造部と前記第２構造部との体積差に応じて、加熱源からの熱伝導を制御してもよい。これにより、各熱電変換素子の発電温度の最適化をより高精度に行うことができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明に係る熱電変換モジュールによれば、比較的に高温の熱源に設置しても優れた発電性能を維持することができる。また、本発明に係る熱電変換素子によれば、比較的に高温の環境下においても発電性能の劣化が生じない。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施例に係る熱電変換モジュールの斜視図である。

【図2】実施例に係る熱電変換モジュールの上面図である。

【図3】図２における線III-IIIに沿った切断部端面図である。

【図4】実施例に係る熱電変換モジュールに使用される熱電変換素子の概略構成図である。

【図5】実施例に係る熱電変換モジュールに使用される電極の側面図である。

【図6】変形例に係る熱電変換素子の概略構成図である。

【図7】変形例に係る熱電変換素子の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照し、本発明による熱電変換モジュールの実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による熱電変換モジュール又はその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

【0016】

＜実施例＞
（熱電変換モジュールの構造）
以下において、図１乃至図４を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１の構造について説明する。ここで、図１は本実施例に係る熱電変換モジュール１の斜視図である。また、図２は本実施例に係る熱電変換モジュール１の上面図である。更に、図３は図２における線III-IIIに沿った切断部端面図である。そして、図４は熱電変換モジュール１を構成する熱電変換素子の概略構成図である。なお、図１における一方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、及びＺ方向と定義するとともに、特に熱電変換モジュール１の高さ方向をＺ方向と定義する。

【0017】

図１乃至図３から分かるように、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、並設された複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、当該第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの端部に設けられた第１電極３ａ及び第２電極３ｂと、を有している。また、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、熱電変換モジュール１のＸ方向の端部に位置する第１電極３ａ同士を接続する接続電極３ｃと、熱電変換モジュール１の外部接続電極として機能する引出電極３ｄと、を有している。更に、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、第１電極３ａを被覆するように設けられた第１被覆部材４と、当該第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、及び接続電極３ｃを被覆するように設けられた第２被覆部材５と、第２電極３ｂを支持するように設けられた支持基板６と、を有している。そして、支持基板６側が車両用のエンジン等の加熱源に接触するように、熱電変換モジュール１が当該加熱源に設置されることになる。

【0018】

なお、接続電極３ｃのいずれかを選択して説明する場合には、接続電極３ｃ₁、接続電極３ｃ₂、接続電極３ｃ₃、又は接続電極３ｃ₄として説明し、引出電極３ｄのいずれかを選択して説明する場合には、引出電極３ｄ₁、又は引出電極３ｄ₂として説明する。

【0019】

本実施例において、第１熱電変換素子２ａはＮ型半導体材料から構成され、第２熱電変換素子２ｂはＰ型半導体材料から構成されている。また、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、交互且つマトリックス状（Ｘ方向に８個、Ｙ方向に５個、合計４０個）に配置されている。更に、隣接する第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、第１電極３ａ及び第２電極３ｂを介して電気的に接続されている。

【0020】

図３及び図４に示すように、本実施例において、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、直径が互いに異なる円柱体が連結した形状を有している。より具体的には図４に示すように、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、外形寸法である直径が大きい第１円柱部（第１構造部）１１（例えば、直径５ｍｍ）が第１電極３ａ側に位置し、直径が小さい第２円柱部（第２構造部）１２（例えば、直径３ｍｍ）が第２電極３ｂ側に位置している。すなわち、各熱電変換素子は、第１電極３ａに接続した第１円柱部１１、第２電極３ｂに接続し且つ第１円柱部１１よりも体積が小なる第２円柱部１２から構成され、外形として段差が形成されている。このような各熱電変換素子における体積差を設けることにより、加熱源からの熱伝導を制御することができることになる。なお、当該熱伝導の制御については、後述する試験結果の説明の際に詳細に説明する。

【0021】

第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、同一の形状（平板状）を有し、例えば、銅板から形成されている。また、第１電極３ａは、Ｘ方向に５個、Ｙ方向に５個（合計２５個）並設されている。更に、Ｘ方向の両端に位置する第１電極３ａの一端には、第１熱電変換素子２ａ又は第２熱電変換素子２ｂのいずれか一方のみが接続され、他端には接続電極３ｃ又は引出電極３ｄが接続されている。一方、第２電極３ｂ、Ｘ方向に４個、Ｙ方向に５個（合計２０個）並設されている。また、第２電極３ｂの一端には第１熱電変換素子２ａが接続され、他端には第２熱電変換素子２ｂが接続されている。そして、図１及び図３から分かるように、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、Ｚ方向において、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを挟むように配置されている。

【0022】

このような第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの配置関係により、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続されることになる。特に、本実施例においては、Ｘ方向に並設された、４個の第１熱電変換素子２ａ、４個の第２熱電変換素子２ｂ、５個の第１電極３ａ、及び４個の第２電極３ｂから１つの直列接続体１３が形成されている。すなわち、熱電変換モジュール１には合計５個の直列接続体１３が形成されている。また、Ｙ方向において隣接する直列接続体１３同士は、それぞれの一端同士が接続電極３ｃを介して接続されている。なお、直列接続体１３のいずれかを選択して説明する場合には、直列接続体１３ａ、直列接続体１３ｂ、直列接続体１３ｃ、直列接続体１３ｄ、又は直列接続体１３ｅとして説明する。

【0023】

ここで、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、銅板に限定されることなく、他の導電性材料（例えば、アルミニウム等の金属材料）によって形成されてもよい。また、第１電極３ａ及び第２電極３ｂの数量、形状は上述した内容に限定されることなく、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂ（すなわち、起電力の大きさ）に応じて適宜変更することができる。更には、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを並列に接続するように第１電極３ａ及び第２電極３ｂを配設してもよい。

【0024】

接続電極３ｃ及び引出電極３ｄは、同一の構造を有している。具体的には、図５に示すように、両電極はメッシュ状金属２１と、当該メッシュ状金属２１の両端に固着された２つの金属板２２から構成されている。接続電極３ｃ及び引出電極３ｄは良好な可撓性を備えるメッシュ状金属２１を含むため、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄ自体としても可撓性を備えることになる。ここで、メッシュ状金属２１の開口率及び開口寸法は、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄに優れた可撓性を備えさせることができる範囲内において、適宜設定することができる。

【0025】

また、本実施例において、メッシュ状金属２１及び金属板２２は銅から形成されているが、これらの材料は銅に限定されることなく、他の金属を用いることができる。特に、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄの良好な可撓性を保持しつつ、優れた電気伝導率も保持できる材料が好ましい。更に、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄは、電極自体が良好な可撓性を保持することができれば、メッシュ状金属２１を用いることなく、メッシュ状とは異なる構造の金属材料を使用してもよい。

【0026】

図２に示すように、−Ｙ側に位置する引出電極３ｄ₁に接続された直列接続体１３ａの他端（＋Ｘ側）に接続電極３ｃ₁が接続されており、当該接続電極３ｃ₁を介して１つＹ側に位置する直列接続体１３ｂが接続されることになる。また、直列接続体１３ｂは、直列接続体１３ａと接続した端部とは反対側（−Ｘ側）においても接続電極３ｃ₂が接続されており、当該他の接続電極３ｃ₂を介して１つＹ側に位置する直列接続体１３ｃに接続されることになる。更に、同様の接続構成により、直列接続体１３ｃと直列接続体１３ｄが＋Ｘ側において接続電極３ｃ₃を介して接続され、直列接続体１３ｄと直列接続体１３ｅが−Ｘ側において接続電極３ｃ₄を介して接続されている。そして、直列接続体１３ｅの＋Ｘ側には、引出電極３ｄ₂が接続されている。

【0027】

このような、直列接続体１３と接続電極３ｃとの接続関係により、熱電変換モジュール１には、ジグザク状の１つの直列接続回路が形成されることになる。そして、当該直列接続回路の両端には、外部接続用の引出電極３ｄが配置されているため、熱電変換モジュール１にて生じた電力を外部に取り出すことが可能になる。なお、このようなジグザグ状の１つの直列接続回路を形成するため、直列接続体１３ａ、１３ｃ、１３ｅと、直列接続体１３ｂ、１３ｄとにおける第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの配置関係は逆になっている。

【0028】

また、本実施例においては、直列接続体１３の端部に可撓性を備える接続電極３ｃ及び引出電極３ｄが配設されているため、熱電変換モジュール１の温度上昇に伴う応力集中が生じたとしても、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄが第１電極３ａから剥離することがなくなる。更に、上述した構造により、熱電変換モジュール１を車両に搭載した場合に、エンジンの振動による電極剥離も防止することができる。

【0029】

図１及び図３から分かるように、第１被覆部材４は、第１電極３ａが埋設されるように、第１電極３ａの表面を被覆している。また、第１被覆部材４は絶縁性を備える樹脂から形成され、且つ当該樹脂には熱伝導性材料として機能するアルミニウム、銅、又は窒化アルミニウム等の金属材料が混合されている。このような構造により、第１被覆部材４は、比較的に高い熱伝導性を備えるとともに、第１電極３ａの周囲の電気的絶縁状態を良好に維持する。

【0030】

また、図１及び図３から分かるように、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃが埋設されるように、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃを被覆している。また、第２被覆部材５は絶縁性を備える樹脂から形成され、且つ当該樹脂には断熱材料が混合されている。例えば、第２被覆部材５を形成する断熱材料としては、グラスウール等の繊維系断熱材やポリスチレンフォーム等の発泡系断熱材を用いることができる。

【0031】

このような構造により、第２被覆部材５は、第１被覆部材４よりも低い熱伝導性を備え、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃにおける放熱を抑制する機能を備える。そして、第２被覆部材５は、第１電極３ａ及び第２電極３ｂ間の温度差を大きくし且つその温度差を一定に保ち、より大きな起電力を生じさせることができる。また、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃの周囲の電気的絶縁状態を良好に維持する。

【0032】

更に、第２被覆部材５によって第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃが比較的に強固に保持されているため、熱電変換モジュール１自体の強度を向上させることがきる。更に、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが完全に被覆されているため、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの破損及び汚れ等を防止することができ、熱電変換モジュール１自体の熱電変換効率及び信頼性の低下を抑制することができる。そして、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ及び第２電極３ｂとの接合界面の縁部が露出しないため、熱電変換素子と電極との接合強度を向上させるとともに、経年変化にともなう接合強度の低下を抑制することができ、接合界面におけるクラックの発生を防止できる。

【0033】

なお、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、及び第２熱電変換素子２ｂを完全に被覆している必要はなく、その一部分を被覆していてもよい。このような場合であっもて、第１電極３ａと第２電極３ｂとの間に温度差を生じさせつつ当該温度差を一定に保つことができ、熱電変換モジュール１自体の強度を向上させることができるからである。また、第２被覆部材５は、第１被覆部材４と同様に、熱伝導性材料として機能する材料が混合されていてもよい。このような場合であっても、第２被覆部材５は、第１被覆部材４よりも低い熱伝導性を備える必要がある。更に、本実施例においては、第１被覆部材４及び第２被覆部材５の主材料が樹脂であったが、セラミックス等の材料を用いてもよい。このような場合であっても、第２電極３ｂを被覆する材料が、第１電極３ａを被覆する材料よりも低い熱伝導率を備える必要がある。

【0034】

そして、図１及び図３に示すように、支持基板６は、第２電極３ｂを支持するように、第２電極３ｂと接合している。支持基板６は、絶縁材料から構成されており、例えば、ガラスエポキシ基板等の一般的な絶縁基板を用いることができる。

【0035】

（熱電変換モジュールの製造方法）
本実施例に係る熱電変換モジュール１の製造方法としては、製造装置を構成する通電加圧部材として機能する２つのパンチの間に、準備した第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄを配置する。その後、２つのパンチを第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄに向かって加圧しつつ電流を供給する。これにより、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄとが拡散接合（プラズマ接合）され、複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続され、５つの直列接続体１３及びこれらの直列接続体からなる直列接続回路が形成される。このような通電加圧は、真空、窒素ガス、又は不活性ガス雰囲気のチャンバ内で行われる。

【0036】

次に、接合した状態の第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄを支持基板６上に実装する。より具体的には、支持基板６上に形成された金属パターン上に第２電極３ｂを半田等の接合部材を介して接合し、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄの支持をなす。

【0037】

次に、一般的なインサート形成によって第２被覆部材５を形成し、その後に同様のインサート形成によって第１被覆部材４を形成する。以上の工程を経て、熱電変換モジュール１が完成することになる。

【0038】

（本実施例品と比較例品との比較）
次に、以下の表１を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１を構成する１つの直列接続体１３（以下、実施例品と称する）と、本実施例に係る直列接続体１３とは異なる構造を有する比較例としての直列接続体（以下、比較例品）とについて実施した試験及びその結果について説明する。ここで、本実施例品と比較例品との相違点は、比較例品には段付きの第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂに相当する部材として、円柱状の熱電変換素子が使用されていることである。また、本性能比較のための試験内容としては、実施例品と比較例品とをハンドホットプレスを用いて８０℃に加熱し、デジタル抵抗計を使用して、抵抗、電圧、及び電力を測定した。なお、加熱は、実施例品における第２電極３ｂ（すなわち、第２円柱体１２）側から行っている。

【0039】

【表1】

【0040】

表１に示すように、実施例品は、抵抗、電圧、及び電力のいずれの値も比較例品より高くなっていた。当該抵抗値、電圧値、電力値の差に基づいて発電性能を評価すると、実施例品が比較例品と比較して、発電性能が約４３％向上していることが分かった。これは、実施例品において、体積のより小さい第２円柱部１２側が加熱され、体積のより大きい第１円柱部１１側に向けて熱が伝導して放熱されるため、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの温度上昇が抑制されているからである。すなわち、各熱電変換素子の材料構成を変えることなく、各熱電変換素子の第１円柱部１１及び第２円柱部１２の体積差のみにより、加熱源からの熱伝導が制御され、各熱電変換素子の発電温度の最適化が図られることになる。このような各熱電変換素子の発電温度の最適化により、各熱電変換素子及び熱電変換モジュール１自体の発電効率を向上することができる。

【0041】

以上のように、本実施例においては、熱電変換モジュール１を構成する各熱電変換素子が、互いに体積の異なる第１円柱部（第１構造部）１１及び第２円柱部（第２構造部）１２を備えている。そして、このような各熱電変換素子の構造から、体積が小なる第２円柱部１２を加熱源である高温側に配置し（すなわち、高温側に曝され）、体積が大なる第１円柱部１１を低温側に配置する（すなわち、加熱源である高温側から離間して配置する）ことができるため、各熱電変換素子の発電温度の最適化を図るように各熱電変化素子における熱伝導を制御することが可能になる。換言すると、本実施例に係る熱電変換モジュール１及び各熱電変換素子は、熱電変化素子の材料構成を変更することなく、形状の調整という簡単な手法のみにより、コストを抑えて各熱電変換素子の発電温度の最適化を図ることができる。従って、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、比較的に高温の熱源に設置しても優れた発電性能を維持することができ、本実施例に係る各熱電変換素子は、比較的に高温の環境下においても発電性能の劣化が生じないことになる。

【0042】

（熱電変換素子の変形例）
上述した実施例において、各熱電変換素子が互いに体積の異なる第１円柱部１１及び第２円柱部１２から構成されていたが、熱電変換モジュール１を加熱源に設置した際に、高温側に体積が小なる構造部が位置し、低温側に体積が大なる構造部が位置することができれば、各熱電変換素子の構造は上述したものに限定されない。例えば、図６及び図７に示すように、熱電変換素子内に空洞を形成してもよい。ここで、図６及び図７は、変形例に係る熱電変換素子の概略構成図である。

【0043】

より具体的に、図６において、熱電変換素子３１（Ｐ型半導体材料及びＮ型半導体材料のいずれから構成されてもよい）の外形は円柱状である。また、熱電変換素子３１は、その中心から上側に第１構造部３１ａが配置され、下側に第２構造部３１ｂが配置されている。すなわち、第１構造部３１ａと第２構造部３１ｂとは、外形寸法及び外形形状が同一になっている。更に、第２構造部３１ｂのみに、円柱状の空洞３２が形成されている。このような空洞３２により、第１構造部３１ａと第２構造部３１ｂとの外形寸法及び外形形状が同一であっても、第１構造部３１ａの体積は第２構造部３１ｂの体積よりも大きくなっている。

【0044】

また、図７においても、熱電変換素子４１（Ｐ型半導体材料及びＮ型半導体材料のいずれから構成されてもよい）の外形は円柱状であるが、その内部には円錐台状の空洞４２が形成されている。これにより、熱電変換素子４１は、その中心から上側に体積が大なる第１構造部４１ａが配置され、下側に体積が小なる第２構造部４１ｂが配置されることになる。

【0045】

図６及び図７に示された熱電変換素子３１、４１であっても、体積が小なる第２構造部３１ｂ、４１ｂを加熱源である高温側に配置し、体積が大なる第１構造部３１ａ、４１ａを低温側に配置することができるため、各熱電変換素子の発電温度の最適化を図るように各熱電変化素子における熱伝導を制御することが可能になる。

【0046】

なお、熱電変換素子の外形は、円柱状に限定されることなく、例えば、四角柱であってもよい。このような場合であっても、高温側に配置される第２構造部側に空洞を少なくとも設けることにより、熱電変換素子の構成部の体積差を設けることが必要となる。また、熱電変換素子の外形を円錐台又は角錐台にすることにより、熱電変換素子の外形寸法によって構成部の体積差を実現してもよい。この場合であっても、当該熱電変換素子に空洞を適宜形成してもよい。

【符号の説明】

【0047】

１ 熱電変換モジュール
２ａ 第１熱電変換素子
２ｂ 第２熱電変換素子
３ａ 第１電極
３ｂ 第２電極
３ｃ 接続電極
３ｄ 引出電極
４ 第１被覆部材
５ 第２被覆部材
６ 支持基板
１１ 第１円柱部（第１構造部）
１２ 第２円柱部（第２構造部）
１３ 直列接続体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】