特許 5736636 熱電変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5736636

(24)【登録日】2015年5月1日

(45)【発行日】2015年6月17日

(54)【発明の名称】熱電変換装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 35/32 20060101AFI20150528BHJP

   H01L 35/16 20060101ALI20150528BHJP

   H01L 35/34 20060101ALI20150528BHJP

【ＦＩ】

   H01L35/32 A

   H01L35/16

   H01L35/34

【請求項の数】3

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2009-176344(P2009-176344)

(22)【出願日】2009年7月29日

(65)【公開番号】特開2011-29543(P2011-29543A)

(43)【公開日】2011年2月10日

【審査請求日】2012年5月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004075

【氏名又は名称】ヤマハ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000660

【氏名又は名称】Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ Ｐａｒｔｎｅｒｓ 特許業務法人

(74)【代理人】

【識別番号】100117466

【弁理士】

【氏名又は名称】岩上 渉

(74)【代理人】

【識別番号】100117396

【弁理士】

【氏名又は名称】吉田 大

(72)【発明者】

【氏名】尾上 勝彦

(72)【発明者】

【氏名】林 高廣

【審査官】 小川 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０８−２９３６２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１５０５３４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３５／３２

Ｈ０１Ｌ ３５／１６

Ｈ０１Ｌ ３５／３４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電極が形成された平面を有する一対の熱交換器であって、前記平面が平行な状態で向かい合うように構成された一対の熱交換器と、
一方の前記平面に形成された前記電極と他方の前記平面に形成された前記電極とに接合された複数の熱電素子とを備え、
前記複数の熱電素子は、
菱面体結晶を形成する材料であるとともに前記菱面体結晶を六方晶系の座標系で表記したときのｃ面が特定の配向方位に配向された材料であり、
前記特定の配向方位が前記平面に垂直であり、かつ、
前記複数の熱電素子における前記特定の配向方位が、前記平面に平行であるとともに互いに垂直な２個の補強方向に対して平行になるように配置されている、
熱電変換装置。

【請求項2】

前記補強方向は、
前記平面の直交する２辺に平行である、
請求項１に記載の熱電変換装置。

【請求項3】

前記複数の熱電素子を前記平面に平行な方向に切断した場合の断面は矩形であり、前記特定の配向方位は前記矩形のいずれかの辺に平行である、
請求項１または請求項２のいずれかに記載の熱電変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は熱電変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、菱面体結晶を形成するＢｉＴｅ系などの材料が熱電材料となることが知られている。当該熱電材料に関しては、結晶粒の微細化と結晶軸の配向性制御とを組み合わせて熱電材料の電気的特性を向上させる各種の技術が知られている。例えば、特許文献１、２にはせん断加工を伴う押出処理を複数回行う技術が開示され、特許文献３にはＥＣＡＰ（Equal-Channel Angular Pressing）によって熱電材料を作成する技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４−３６３６２０号公報

【特許文献2】特開２００２−２３２０２６号公報

【特許文献3】特開２００４−２１１１２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来、熱電材料の電気的特性を向上させるための技術は多数開発されているものの、熱電材料の耐荷重強度、特に、熱電変換装置（モジュール）としての耐荷重強度を向上させるための技術開発は不充分であった。
本発明は、前記課題に鑑みてなされたもので、熱電変換装置の耐荷重強度を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するため、本発明においては、一対の熱交換器において電極が形成された平面を平行に向かい合わせ、一方の平面に形成された電極と他方の平面に形成された電極とに熱電素子を接合する。すなわち、一対の熱交換器のそれぞれの平面に形成された電極間に電流が流れることに伴って一対の熱交換器の一方から他方に熱が流れる状態を構成する。

【0006】

さらに、熱電素子は菱面体結晶構造（空間群Ｒ３−ｍ（−は通常、３の上方に表記される））の熱電材料によって構成される。すなわち、熱電素子は空間群Ｒ３−ｍの菱面体結晶を六方晶系の座標系で表記したときの結晶軸をｃ軸，ａ軸、結晶面をｃ面とした場合、当該ｃ面が特定の配向方位に配向された材料によって構成される（以下、六方晶系の座標系で表記したときのｃ面を単にｃ面と呼ぶ）。本発明では、熱交換器における各平面の間において、当該特定の配向方位が熱交換器の平面に垂直となるように各熱電素子を配置する。すなわち、電極間の電流の方向とｃ面が配向された特定の配向方位とが平行になるように熱電素子を配置する。

【0007】

さらに、複数の熱電素子の少なくとも一部において、ｃ面が配向された特定の配向方位が熱交換器の平面に平行な特定の補強方向に対して平行になるように、各熱電素子を配置する。すなわち、複数の熱電素子の少なくとも一部において、ｃ面が配向された特定の配向方位が補強方向に向くように熱電素子を配置して熱電変換装置を構成する。上述の空間群の結晶構造をもつ材料においては、ｃ面に垂直な方向に荷重をかけた場合よりもｃ面に平行な方向に荷重をかけた場合の方が、耐荷重強度が強い。従って、ｃ面が特定の配向方位に配向されている材料、すなわち、ｃ面の向きが特定の配向方位に揃っている材料においては、特定の配向方位に平行な方向への耐荷重強度が特定の配向方位に垂直な方向への耐荷重強度よりも強い。このため、本発明のように、複数の熱電素子の少なくとも一部において、ｃ面が配向された特定の配向方位が熱交換器の平面に平行な補強方向に対して平行になるように、各熱電素子を配置することにより、補強方向への荷重に対する耐荷重強度が補強方向以外の方向への荷重に対する耐荷重強度よりも強い熱電変換装置を構成することが可能である。すなわち、補強方向に関する熱電変換装置の耐荷重強度を向上させることができる。

【0008】

ここで、一対の熱交換器は熱電素子を通じて熱を流すことができればよく、一方が吸熱側、他方が放熱側となって熱交換可能な素材によって構成すればよい。また、各熱交換器には少なくとも一つの平面が形成されており、平行な状態で向かい合うように各熱交換器を配置することで熱交換器の平面の間に熱電素子を配置できるように構成されていればよい。

【0009】

電極は平面に形成され、熱電素子と接合されることによって熱電素子に電流を流し、これによって電極間を熱が流れるように構成されていればよく、この限りにおいて平面上での電極の形状は各種の形状とすることが可能である。むろん、熱電素子は電極の形状似合わせて配置可能な位置が決定される。例えば、一対のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を電気的に直列に接続することによって熱電変換を実現可能に構成されていればよい。むろん、一対のｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が電気的に直列に連続して複数対の熱電素子が直列的に連続するように構成してもよい。

【0010】

さらに、熱電素子は、ｃ面が特定の配向方位に配向された材料によって構成される。ｃ面を特定の配向方位に配向させた状態は、熱電素子内においてｃ面が特定の配向方位に平行となっている結晶が他の方位に配向している結晶よりも統計的に多くなっていればよい。すなわち、特定の配向方位に平行な方向に電流を流した場合に、他の方向に電流を流す場合と比較してより良い電気的特性（性能指数等）になっていればよい。より具体的には、押出処理（ホットプレス法等）や塑性変形を伴う押出処理（せん断付与押出法，ＥＣＡＰ法，ホットフォージ法等）、一方向凝固法，単結晶法等によってｃ面が特定の配向方位に配向するように熱電材料を製造し、当該特定の配向方位に平行な面を含む直方体として材料を切断することにより本発明にかかる熱電素子を製造する構成等を採用可能である。

【0011】

また、ｃ面が特定の配向方位に向いていることが統計的に特定される熱電素子によって本発明にかかる熱電素子を構成してもよい。例えば、ＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction）装置によって熱電材料を切断した断面を測定し、各測定点におけるｃ面の配向方位を測定する。また、当該測定結果に基づいてｃ面の配向方位の度数を特定し、配向方位の最頻値φを特定するとともに当該最頻値φからの配向方位の偏差の絶対値をΔφとし、φからΔφの範囲内にある配向方位の度数の累積値を特定する。そして、度数の累積値が全測定点の８０％となるΔφを配向度とする。そして、当該配向度が例えば、４０°，３０°，２０°，１５°以下となっている場合に上述の最頻値φを熱電素子においてｃ面が配向された特定の配向方位とする構成を採用しても良い。

【0012】

さらに、空間群Ｒ３−ｍの菱面体結晶の結晶構造の材料において、当該菱面体結晶を六方晶系の座標系で表記したときのｃ面に垂直な方向に荷重をかけた場合よりもｃ面に平行な方向に荷重をかけた場合の方が、耐荷重強度が強いため、ｃ面の配向方位が統計的に揃っている場合、熱電素子の耐荷重強度に異方性が生じる。そこで、耐荷重強度の異方性に基づいてｃ面が特定の配向方位に配向されていることを特定しても良い。例えば、対向する２つの正方形を有する直方体においてｃ面の配向方位がランダムであれば当該正方形の辺に平行な方向への耐荷重強度はいずれの辺についてもほぼ等しい。しかし、ｃ面が正方形のいずれかの辺に平行な方向に配向していると、当該辺に平行な方向への耐荷重強度は強く、当該辺に垂直な方向への耐荷重強度は弱くなる。そこで、本発明にかかる熱電素子を、対向する２つの正方形を有する直方体であるとともに正方形のいずれかの辺に平行な方向への耐荷重強度をＡとし、当該辺に垂直な方向への耐荷重強度をＢとしたときＡ≠Ｂ（好ましくはＡ／Ｂ＞１．１、さらに好ましくは１．１６≦Ａ／Ｂ≦１．４４）となっている熱電素子によって構成してもよい。

【0013】

熱電素子は、電極間に電流を流す際に高い電気的性能を示し、熱交換器の平面に平行な補強方向について熱電変換装置の耐荷重強度が強くなるように配置されていればよい。すなわち、熱交換器の平面間で高い電気的性能となるように、熱交換器の平面とｃ面が配向された特定の配向方位とが垂直となるように条件を課した場合、特定の配向方位にはさらに当該平面に垂直な方向を軸とした回転自由度があるため、当該回転自由度の範囲内でｃ面が配向された特定の配向方位を調整することによって熱電変換装置の耐荷重強度を調整することが可能である。そこで、熱電素子の少なくとも一部おいて、ｃ面が配向された特定の配向方位が熱交換器の平面に平行な特定の補強方向に対して平行になるように熱電素子を配置すれば、当該補強方向に特定の配向方位が平行になるように配置されていない場合と比較して熱電変換装置全体としての耐荷重強度を強くすることが可能である。

【0014】

補強方向は、熱交換器の平面に平行な任意の方向から耐荷重強度を向上させるべき方向として選択された特定の方向であれば良く、むろん、補強方向は２個以上であっても良い。例えば、第１の方向と、当該第１の方向に垂直な第２の方向とを補強方向とし、少なくとも一部の熱電素子においてｃ面が配向された特定の配向方位を第１の方向に平行とし、他の熱電素子における少なくとも一部についてｃ面が配向された特定の配向方位を第２の方向に平行とすれば、第１の方向および第２の方向についての耐荷重強度を強くすることが可能である。なお、ｃ面が配向された特定の配向方位が補強方向に平行となっている熱電素子の数が増えるほど耐荷重強度が強くなるため、補強方向が１個であれば全ての熱電素子についてｃ面が配向された特定の配向方位が補強方向に平行となるように熱電素子を配置することが好ましい。また、補強方向がＮ個（Ｎは２以上の整数）であれば１／Ｎ個の熱電素子におけるｃ面が配向された特定の配向方位が第Ｎの方向に平行になるように熱電素子を配置することが好ましい。

【0015】

さらに、熱交換器の平面に平行な方向に熱電素子を切断した場合の断面が矩形となるように複数の熱電素子を構成し、かつ、特定の配向方位が当該矩形のいずれかの辺に平行となるように構成してもよい。この構成によれば、当該矩形のいずれかの辺に平行な方向の耐荷重強度が当該辺に垂直な方向の耐荷重強度よりも強くなる。従って、熱電素子において当該矩形の辺の向きを調整することによってｃ面が配向された特定の配向方位の向きを調整することが可能になり、複数の熱電素子において極めて容易にｃ面が配向された特定の配向方位の向きを揃えるなどの調整することが可能になる。

【0016】

さらに、熱電素子の形状を考慮して熱電変換装置の耐荷重強度を調整する構成を採用しても良い。例えば、複数の熱電素子を熱交換器の平面に平行な方向に切断した場合の断面形状から当該平面に平行な方向の複数の熱電素子の耐荷重強度を特定し、他の方向と比較して相対的に強い方向あるいは弱い方向を上述の補強方向とする構成を採用しても良い。すなわち、複数の熱電素子の少なくとも一部において、ｃ面が配向された特定の配向方位は補強方向に平行に向けられるが、当該補強方向が、熱電素子の断面形状から特定される耐荷重強度が強いあるいは弱い方向と一致するように構成する。

【0017】

熱電素子の断面形状から特定される耐荷重強度が強い方向と上述の補強方向とを一致させる構成によれば、熱電素子の形状によって耐荷重強度が強くなっている方向を補強してより強くすることが可能である。一方、熱電素子の断面形状から特定される耐荷重強度が弱い方向と上述の補強方向とを一致させる構成によれば、熱電素子の形状によって耐荷重強度が弱くなっている方向を補強し、耐荷重強度の方向依存性を抑制することが可能である。

【0018】

ここで、熱交換器の平面に平行な方向の耐荷重強度は複数の熱電素子の断面形状から特定されればよい。従って、複数の熱電素子のそれぞれについて断面形状を評価して個々の熱電素子の耐荷重強度を特定しさらに複数の熱電素子の全体としての耐荷重強度を評価しても良いし、複数の熱電素子を集合として捉えて断面形状を評価しても良く、種々の構成を採用可能である。断面形状の評価としては、断面の外周の縦横比や断面二次モーメント等を採用可能である。また、複数の熱電素子を集合として捉える構成例としては、断面に平行な方向に移動させることによって熱電素子を詰めた状態を仮定し、その状態における断面の集合について耐荷重強度を評価しても良い。例えば、熱電素子を詰めた状態で断面が集合として長方形となる場合、長辺方向への耐荷重強度は強く、短辺方向への耐荷重強度は弱くなる。従って、長辺方向と特定の配向方位とが平行になるように熱電素子を配置すれば当該長辺方向への耐荷重強度をより強くすることができる。一方、短辺方向と特定の配向方位とが平行になるように熱電素子を配置すれば当該短辺方向への耐荷重強度をより強くすることができ、長辺方向と短辺方向との耐荷重強度の差異を抑制することができる。

【0019】

さらに、複数の熱電素子を熱交換器の平面に平行な方向に切断した場合の断面形状から当該平面に平行な方向の複数の熱電素子の耐荷重強度を特定し、当該耐荷重強度が同一である２個の方向を特定し、これらのいずれかを上述の補強方向とする構成を採用しても良い。２個の方向において断面形状から特定される耐荷重強度が略同一である場合、断面形状のみに着目すれば各方向の耐荷重強度は変わらないが、そのいずれか一方を補強方向としてｃ面が配向された特定の配向方位を一致させると、当該一方への耐荷重強度を強くすることが可能になる。

【0020】

なお、熱電素子を詰めた状態で断面が集合として正方形となる場合、ある辺に平行な方向への耐荷重強度と当該ある辺に垂直な辺に平行な方向への耐荷重強度は略一致する。従って、一方の辺の方向と特定の配向方位とが平行になるように熱電素子を配置すれば当該一方の辺への耐荷重強度をより強くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】（１Ａ）〜（１Ｃ）は熱電変換装置を示す図である。

【図2】（２Ａ）は熱電素子、（２Ｂ）は集合としての断面形状、（２Ｃ）および（２Ｄ）は熱電素子の配置を説明するための図である。

【図3】（３Ａ）は熱電変換装置、（３Ｂ）は集合としての断面形状、（３Ｃ）〜（３Ｅ）は熱電素子の配置を説明するための図である。

【図4】（４Ａ）は熱電素子、（４Ｂ）は熱電変換装置、（４Ｃ）は集合としての断面形状、（４Ｄ）および（４Ｅ）は熱電素子の配置を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

ここでは、下記の順序に従って本発明の実施の形態について説明する。
（１）熱電変換装置：
（２）配向方位による耐荷重強度の調整：
（２−１）実施例：
（３）他の実施形態：

【0023】

（１）熱電変換装置：
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態にかかる熱電変換装置１０を示す図であり、本実施形態にかかる熱電変換装置１０は、熱電素子２０と一対の熱交換器３１を備えている。一対の熱交換器３１のそれぞれ対向する２つの正方形を有する直方体であり、図１Ａは熱交換器３１における正方形の面に対して垂直な方向から熱電変換装置１０を眺めた上面図である。図１Ｂは図１ＡのＡ−Ａ断面図であり、図１Ｃは図１ＢのＢ−Ｂ断面図である。なお、熱電素子２０の断面図においては、熱電素子２０がｐ型あるいはｎ型であることを明示するため、「ｐ」あるいは「ｎ」の文字を付記してある。

【0024】

本実施形態においては、一対の熱交換器３１の一方において外面を構成する正方形の面３１ａと一対の熱交換器３１の他方において外面を構成する正方形の面３１ｂとが平行な状態で向かい合うように構成される。また、面３１ａと面３１ｂとのそれぞれには電極３２ａ，３２ｂが形成されている。本実施形態において、電極３２ａ，３２ｂは長方形であるとともに、電極３２ａ，３２ｂを面３１ａに投影した場合に長方形の端部が重なる位置に形成されている。なお、本実施形態において、面３１ａには計１８個の電極３２ａが形成され、面３１ｂには計１９個の電極３２ｂが形成されている。図１Ｃに示すように電極３２ａの中の２個には電流端子３３が接続される。

【0025】

本実施形態において、熱電素子２０はｐ型熱電素子２０ａおよびｎ型熱電素子２０ｂからなり、ｐ型熱電素子２０ａおよびｎ型熱電素子２０ｂのそれぞれは向かい合う２つの正方形を有する同形の直方体で構成される。本実施形態においては、熱電素子２０を構成する各正方形の一方が電極３２ａに接合され、他方が電極３２ｂに接合され、電極３２ａ，３２ｂを介してｐ型熱電素子２０ａとｎ型熱電素子２０ｂとが交互に配置されることによってｐ型熱電素子２０ａおよびｎ型熱電素子２０ｂが電気的に直列に接続される。

【0026】

本実施形態においては、以上の構成において電流端子３３から電流を流すことによって熱交換器３１の一方から他方への熱流を促進することができる。また、熱交換器３１の一方と他方とで熱勾配を与えることによって電流端子３３間に電流を流すことができる。なお、図１Ａ〜図１Ｃにおいては熱電変換装置１０の構造を模式的に示しており、必要に応じて他の部材、例えば、熱交換器３１における熱電素子２０と逆側の表面に取り付けられた放熱フィンやファンなどを追加することが可能である。また、本実施形態の熱交換器３１はアルミナや窒化アルミニウムなどの高熱伝導性セラミクスや表面に絶縁処理がなされた金属基板等によって構成可能である。さらに、電極３２ａ，３２ｂは銅やアルミニウムなどの高電気伝導体によって構成可能である。

【0027】

（２）配向方位による耐荷重強度の調整：
本実施形態において、熱電素子２０は、菱面体結晶を構成するＢｉＴｅ系の熱電素子であり、菱面体結晶を六方晶系の座標系で表記したときのｃ面が特定の配向方位に配向するようにして製造された材料を切断することによって構成される。すなわち、（Ｂｉ，Ｓｂ）_２（Ｔｅ，Ｓｅ）_３の組成とした材料に対して押出処理や塑性変形を伴う押出処理、あるいは一方向凝固法や単結晶法等を適用することによってｃ面を特定の配向方位に配向させた材料を製造する。そして、当該材料を対向する正方形をもつ直方体に切り出して熱電素子２０とする。

【0028】

図２Ａにおいては熱電素子２０を模式的に示しており、ｃ面が配向された特定の配向方位の方向を直線Ｃで示している。同図２Ａに示すように、熱電素子２０は直方体を構成し、ｃ面が配向された特定の配向方位は当該直方体を構成する正方形の面２０ｃに対して垂直であるとともに、直方体を構成する長方形の面２０ｄに対して垂直、長方形の面２０ｅに対して平行となっている。なお、熱電素子２０においては、ｃ面が特定の配向方位に平行となっている結晶が他の方位に配向している結晶よりも統計的に多くなっていればよい。従って、全ての結晶のｃ面が厳密に直線Ｃと平行になっていなくても本発明の熱電素子２０とすることができる。例えば、面２０ｄに対して垂直な方向における耐荷重強度と面２０ｅに対して垂直な方向における耐荷重強度とが異なる程度にｃ面が直線Ｃに近くなっていればよい。また、面２０ｃに対して垂直な方向に電流を流した場合の熱電素子２０の電気的特性が面２０ｅに対して垂直な方向に電流を流した場合の熱電素子２０の電気的特性よりも高い特性となっていればよい。さらに、上述の最頻値φを図２Ａの直線Ｃと平行な配向方位としたとき、上述の配向度が、例えば、４０°（好ましくは３０°以下、さらに好ましくは２０°や１５°以下）となっている場合にｃ面が配向された特定の配向方位が直線Ｃと平行であるとみなすことが可能である。むろん、以上のような製造工程の過程あるいは後において、材料に対して電解メッキや無電解メッキによってニッケルメッキや金メッキを施す構成とすることが可能である。

【0029】

図２Ａに示すように、正方形の面２０ｃを有する直方体においてｃ面が配向された特定の配向方位を面２０ｄに対して垂直、面２０ｅに対して平行に構成すると、面２０ｄに対して垂直な方向における耐荷重強度は面２０ｅに対して垂直な方向における耐荷重強度よりも強くなる。そこで、図１Ａ〜１Ｃに示す構造の熱電変換装置１０において、熱電素子２０の向きを調整することによって熱電変換装置１０の耐荷重強度を調整することができる。

【0030】

本実施形態においては、複数の熱電素子２０の形状から特定される耐荷重強度の方向依存性を強調あるいは抑制するように熱電素子２０の向きを調整する構成としている。本実施形態においては、複数の熱電素子２０を図１Ｃのように面３１ａ，３１ｂに平行な方向に切断した場合の断面形状を集合として捉え、当該断面形状から耐荷重強度の方向依存性を特定する。図１Ａ〜１Ｃに示す熱電変換装置１０の場合、面３１ａ，３１ｂに平行な方向に熱電素子２０を移動させて隙間なく詰めた状態を仮定することによって熱電素子２０を断面形状の集合を定義する。

【0031】

図２Ｂは、図１Ｃに示すような断面において熱電素子２０を隙間なく詰めた状態を示す図である（電極等は省略）。なお、同図２Ｂにおいては、熱交換器３１の面３１ａ，３１ｂの一辺に平行な方向をｘ軸方向として定義し、ｘ軸に垂直な方向をｙ軸方向として定義した。本実施形態において、熱電素子２０は、ｘ軸に平行な方向およびｙ軸に平行な方向に各６個，計３６個並べられるため、熱電素子２０を隙間なく詰めることで構成される集合としての断面形状は図２Ｂに示すように正方形となる。従って、当該集合としての断面形状において、ｘ軸方向への長さとｙ軸方向への長さは等しく、断面形状からはｘ軸に平行な方向への耐荷重強度とｙ軸に平行な方向への耐荷重強度とは等しいと言える。

【0032】

従って、複数の熱電素子２０においてｃ面が配向された特定の配向方位を特定の補強方向に揃えると、当該補強方向への耐荷重強度を強くすることができる。図２Ｃは、図１Ｃに示すような断面において熱電素子２０に配向方位を示す直線Ｃを付すとともに断面を示すハッチ等を省略して示した図である。なお、座標系は図２Ｂと同様である。同図２Ｃに示す例では、複数の熱電素子２０の全てにおいて配向方位がｘ軸と平行である。熱電素子２０においては当該配向方位と平行な方向に対する耐荷重強度が強く、配向方位と垂直な方向に対する耐荷重強度が弱い。従って、図２Ｃに示す例においてはｘ軸に対して平行な方向における耐荷重強度がｙ軸に対して平行な方向における耐荷重強度よりも強くなる。また、配向方位がｙ軸に対して平行となっている熱電素子２０の数と、配向方位がｘ軸に対して平行となっている熱電素子２０の数とが等しい場合と比較して、ｘ軸に対して平行な方向に対する耐荷重強度が強くなる。

【0033】

以上の例においては、ｘ軸と平行な方向が補強方向であり、補強方向は１個であったが、補強方向を２個以上設定しても良い。図２Ｄは２個の方向を補強方向として設定した場合の例を示しており、同図２Ｄにおいても、図１Ｃに示すような断面において熱電素子２０に配向方位を示す直線Ｃを付すとともに断面を示すハッチ等を省略して示している。座標系は図２Ｂと同様である。同図２Ｄに示す例では、複数の熱電素子２０の半数において配向方位がｘ軸と平行であり、半数において配向方位がｙ軸と平行である。従って、図２Ｄに示す例においては配向方位の観点からも、ｘ軸に対して平行な方向における耐荷重強度とｙ軸に対して平行な方向における耐荷重強度とが等しくなる。この結果、熱電素子２０の集合としての断面形状から特定される耐荷重強度の方向依存性と同じ方向依存性を維持したまま耐荷重強度を強くすることができる。また、全ての熱電素子２０における配向方位がｘ軸に対して平行となっている場合と比較して、ｙ軸に対して平行な方向に対する耐荷重強度が強くなる。

【0034】

（２−１）実施例：
次に、特定の組成のＢｉＴｅ系熱電材料から切り出した熱電素子を利用した熱電変換装置１０に関する耐荷重強度の測定例を説明する。測定対象の熱電変換装置１０において、熱電素子２０は、Ｂｉ_0.4Ｓｂ_1.6Ｔｅ_3.0の組成の材料について５００℃の設定温度においてＥＣＡＰ法による押出処理を行って製造したｐ型熱電材料と、Ｂｉ_1.9Ｓｂ_0.1Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3の組成の材料について５００℃の設定温度においてＥＣＡＰ法による押出処理を行って製造したｎ型熱電材料とによって構成される。すなわち、これらのｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とのそれぞれにおいてｃ面が配向された特定の配向方位が直方体の面２０ｃおよび面２０ｄに垂直かつ面２０ｅに平行になるように切り出して熱電素子２０を構成した。なお、本実施例において、面２０ｃは一辺０．７ｍｍの正方形であり、面２０ｃに垂直な方向の長さ（図２Ａにおける面２０ｄ，２０ｅの長方形の長辺）は０．８ｍｍである。また、熱電変換装置１０の面３１ａ，３１ｂは一辺が６ｍｍの正方形である。さらに、以上のようにして製造した熱電素子２０において配向方位が直方体の面２０ｃおよび面２０ｄに垂直かつ面２０ｅに平行であるとみなした場合の配向度は１８°であった。当該配向度は熱電素子２０の切断面をＴＳＬ社製のＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction）装置で計測し、解析ソフトウェア（名称：ＯＩＭ，バージョン３．５）にて解析することによって確認されている。

【0035】

以上のようにして製造された熱電素子２０を図２Ｃおよび図２Ｄに示す例のように配置して熱電変換装置１０を構成し、それぞれの熱電変換装置１０において、一方の熱交換器３１を平面上に固定し、他方の熱交換器３１の一端から平面に平行かつ熱交換器３１の辺に対して垂直な方向に荷重を作用させ、熱電素子２０が破壊された時点での荷重を測定した。その結果、図２Ｄにおけるｘ方向に荷重を作用させた場合に熱電素子２０が破壊された時点での荷重を１００としたとき、図２Ｃにおけるｘ方向は１０５、図２Ｃにおけるｙ方向は９５、図２Ｄにおけるｙ方向は１００の荷重を作用させた時点で熱電素子２０が破壊された。

【0036】

従って、この例において、図２Ｃのように全ての熱電素子２０においてｃ面が配向された特定の配向方位をｘ方向に平行となるように熱電素子２０を配置すると、図２Ｄと比較してｘ方向に平行な荷重に対する耐荷重強度が５％向上し、ｙ方向に平行な荷重に対する耐荷重強度が５％低下することが明らかになった。また、図２Ｄのように、半数の熱電素子２０においてｃ面が配向された特定の配向方位をｘ軸に平行となるように熱電素子２０を配置し、半数の熱電素子２０においてｃ面が配向された特定の配向方位をｙ軸に平行となるように熱電素子２０を配置すると、ｘ方向およびｙ方向のいずれにおいても等しい耐荷重強度を持たせることが可能である。従って、図２Ｃに示す例は、他の方向と比較して特定の一方向に大きな荷重が作用する状況に適用することが好ましく、作用する荷重の方向依存性が小さい状況に適用することが好ましい。

【0037】

（３）他の実施形態：
本発明においては、ｃ面が配向された特定の配向方位の向きを複数の熱電素子において調整することによって所望の方向への耐荷重強度を向上させることができればよく、上述の実施形態以外にも種々の構成を採用可能である。

【0038】

例えば、複数の熱電素子の配置パターンは図１Ａ〜１Ｃに示す構成に限定されない。図３Ａ〜３Ｅに示す構成においては、図１Ａ〜１Ｃに示す構成よりも熱電素子の個数が少なく、一対の熱交換器３１１のそれぞれが備える長方形の面を向かい合わせた状態において、各面の間に２４個の熱電素子２０１を配置した例を示している。すなわち、熱交換器３１１のそれぞれが備える長方形の面の短辺に沿って４個、長辺に沿って６個の熱電素子２０１を並べることによって熱電変換装置を構成している。他の構成は、図１Ａ〜１Ｃに示す熱電変換装置と同様の構成である。なお、図３Ａ〜図３Ｅにおいては、一対の熱交換器３１１のそれぞれが備える長方形の長辺に平行な方向をｘ軸方向として定義し、ｘ軸に垂直な方向をｙ軸方向として定義した。また、図３Ａは、図１Ｃのように、熱電素子２０１を、一対の熱交換器３１１のそれぞれが備える長方形の面に平行な方向で切断した状態を示している。図３Ｂは、図２Ｂのように熱電素子２０１を隙間なく詰めた状態を示す図である（電極等は省略）。図３Ｃ〜図３Ｅにおいては、ｃ面が配向された特定の配向方位を直線Ｃにて示している。

【0039】

図３Ａ，３Ｂに示す例において、熱電素子２０１を隙間なく詰めることで構成される集合としての断面形状は図３Ｂに示すように長方形となる。従って、当該集合としての断面形状において、ｘ軸方向への長さはｙ軸方向への長さよりも長く、断面形状からはｘ軸に平行な方向への耐荷重強度の方がｙ軸に平行な方向への耐荷重強度よりも相対的に強い。

【0040】

従って、図３Ｃのように、複数の熱電素子２０１の全てにおいてｃ面が配向された特定の配向方位をｘ軸に平行な方向に揃えると、集合としての断面形状から特定される耐荷重強度がｙ軸方向よりも強いｘ軸方向について耐荷重強度を補強することができる。一方、図３Ｄのように、複数の熱電素子２０１の全てにおいてｃ面が配向された特定の配向方位をｙ軸に平行な方向に揃えると、集合としての断面形状から特定される耐荷重強度がｘ軸方向よりも弱いｙ軸方向について耐荷重強度を補強することができる。

【0041】

さらに、同図３Ｅに示すように、複数の熱電素子２０１の半数において配向方位をｘ軸に平行とし、半数において配向方位をｙ軸に平行とする構成を採用しても良い。この構成によれば、熱電素子２０１の集合としての断面形状から特定される耐荷重強度の方向依存性を維持したまま耐荷重強度を強くすることができる。また、全ての熱電素子２０１における配向方位がｘ軸に対して平行となっている場合と比較して、ｙ軸に対して平行な方向に対する耐荷重強度を強くすることができる。さらに、全ての熱電素子２０１における配向方位がｙ軸に対して平行となっている場合と比較して、ｘ軸に対して平行な方向に対する耐荷重強度を強くすることができる。

【0042】

次に、図３Ｃ〜３Ｅに示す熱電変換装置に関する耐荷重強度の測定例を説明する。本例において、熱電素子２０１は、Ｂｉ_0.4Ｓｂ_1.6Ｔｅ_3.0の組成の材料について５００℃の設定温度においてＥＣＡＰ法による押出処理を行って製造したｐ型熱電材料と、Ｂｉ_1.9Ｓｂ_0.1Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3の組成の材料について５００℃の設定温度においてＥＣＡＰ法による押出処理を行って製造したｎ型熱電材料とによって構成される。これらのｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とのそれぞれにおいても形状は図２Ａに示すような直方体であり、ｃ面が配向された特定の配向方位は図２Ａに示す方向と同様である。なお、本実施例においても、面２０ｃは一辺０．７ｍｍの正方形であり、面２０ｃに垂直な方向の長さは０．８ｍｍである。また、熱交換器３１１において電極が形成される面の長方形の長辺は６ｍｍ，短辺は４．１５ｍｍである。さらに、以上のようにして製造した熱電素子２０１において配向方位が直方体の面２０ｃおよび面２０ｄに垂直かつ面２０ｅに平行であるとみなした場合の配向度は１８°であった。当該配向度は熱電素子２０１の切断面をＴＳＬ社製のＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction）装置で計測し、解析ソフトウェア（名称：ＯＩＭ，バージョン３．５）にて解析することによって確認されている。

【0043】

以上のようにして製造された熱電素子２０１を図３Ｃ〜３Ｅに示す例のように配置して熱電変換装置を構成し、上述の実施例と同様に熱電素子２０１が破壊された時点での荷重を測定した。そして、図３Ｅに示す配置においてｘ方向に荷重を作用させて熱電素子２０１を破壊した場合の荷重とｙ方向に荷重を作用させて熱電素子２０１を破壊した場合の荷重との中央値を１００として荷重の相対値を算出した。その結果、図３Ｃにおけるｘ方向は１２０、図３Ｃにおけるｙ方向は７９、図３Ｄにおけるｘ方向は１０６、図３Ｄにおけるｙ方向は９５、図３Ｅにおけるｘ方向は１１４、図３Ｅにおけるｙ方向は８５の荷重を作用させた時点で熱電素子２０１が破壊された。従って、この例からもｃ面が配向された特定の配向方位を補強方向に揃えることによって、当該補強方向に対する耐荷重強度を向上させることが可能であるといえる。

【0044】

さらに、熱電素子の形状は上述の熱電素子２０等のように正方形を含む構成に限定されない。例えば、図４Ａに示すように全ての面が長方形の直方体によって熱電素子２０２を構成してもよい。この例においては、長方形の面２０２ｃが電極に接合される面となり、ｃ面が配向された特定の配向方位は面２０２ｃおよび面２０２ｄに対して垂直であるとともに、面２０２ｅに対して平行である。

【0045】

図４Ｂ〜４Ｆにおいては、一対の熱交換器３１２のそれぞれが備える長方形の面を向かい合わせた状態において、各面の間に１８個の熱電素子２０２を配置した例を示している。すなわち、熱交換器３１２のそれぞれが備える長方形の面の短辺に沿って３個、長辺に沿って６個の熱電素子２０２を並べることによって熱電変換装置を構成している。また、電流端子を接続するための電極は当該長方形の面の両短辺側にそれぞれ形成されている。他の構成は、図１Ａ〜１Ｃに示す熱電変換装置と同様の構成である。なお、図４Ｂ〜図４Ｅにおいても、一対の熱交換器３１２のそれぞれが備える長方形の長辺に平行な方向をｘ軸方向として定義し、ｘ軸に垂直な方向をｙ軸方向として定義した。また、図４Ｂは、図１Ｃのように、熱電素子２０２を、一対の熱交換器３１２のそれぞれが備える長方形の面に平行な方向で切断した状態を示している。図４Ｃは、図２Ｂのように熱電素子２０２を隙間なく詰めた状態を示す図である（電極等は省略）。図４Ｄ〜図４Ｅにおいては、ｃ面が配向された特定の配向方位を直線Ｃにて示している。

【0046】

図４Ｂ，４Ｃに示す例において、熱電素子２０２を隙間なく詰めることで構成される集合としての断面形状は図４Ｃに示すように正方形となる。従って、当該集合としての断面形状において、ｘ軸方向への長さとｙ軸方向への長さとが等しく、断面形状からはｘ軸に平行な方向への耐荷重強度とｙ軸に平行な方向への耐荷重強度とが等しいと言える。

【0047】

従って、図４Ｄのように、複数の熱電素子２０２の全てにおいてｃ面が配向された特定の配向方位をｘ軸に平行な方向に揃えると、ｘ軸方向の耐荷重強度がｙ軸方向の耐荷重強度よりも強くなるように構成することができる。さらに、同図４Ｅに示すように、複数の熱電素子２０２の半数において配向方位をｘ軸に平行とし、半数において配向方位をｙ軸に平行とする構成を採用しても良い。この構成によれば、ｘ軸方向の耐荷重強度とｙ軸方向の耐荷重強度とが等しい状態を維持しながら耐荷重強度を補強することができる。また、全ての熱電素子２０２における配向方位がｘ軸に対して平行となっている場合と比較して、ｙ軸に対して平行な方向に対する耐荷重強度を強くすることができる。さらに、全ての熱電素子２０２における配向方位がｙ軸に対して平行となっている場合と比較して、ｘ軸に対して平行な方向に対する耐荷重強度を強くすることができる。

【0048】

次に、図４Ｄ〜４Ｅに示す熱電変換装置に関する耐荷重強度の測定例を説明する。本例において、熱電素子２０２は、Ｂｉ_0.4Ｓｂ_1.6Ｔｅ_3.0の組成の材料について５００℃の設定温度においてＥＣＡＰ法による押出処理を行って製造したｐ型熱電材料と、Ｂｉ_1.9Ｓｂ_0.1Ｔｅ_2.7Ｓｅ_0.3の組成の材料について５００℃の設定温度においてＥＣＡＰ法による押出処理を行って製造したｎ型熱電材料とによって構成される。また、これらのｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とのそれぞれを図４Ａに示すような直方体に切り出す。本実施例において、面２０２ｃは短辺０．７ｍｍ，長辺１．４ｍｍの長方形であり、面２０２ｃに垂直な方向の長さは０．８ｍｍである。また、熱交換器３１２において電極が形成される面の長方形の長辺は６ｍｍ，短辺は４．６ｍｍである。さらに、以上のようにして製造した熱電素子２０２において配向方位が直方体の面２０２ｃおよび面２０２ｄに垂直かつ面２０２ｅに平行であるとみなした場合の配向度は１８°であった。当該配向度は熱電素子２０２の切断面をＴＳＬ社製のＥＢＳＤ（Electron Back Scatter Diffraction）装置で計測し、解析ソフトウェア（名称：ＯＩＭ，バージョン３．５）にて解析することによって確認されている。

【0049】

以上のようにして製造された熱電素子２０２を図４Ｄ〜４Ｅに示す例のように配置して熱電変換装置を構成し、上述の実施例と同様に熱電素子２０２が破壊された時点での荷重を測定した。そして、図４Ｅに示す配置においてｘ方向に荷重を作用させて熱電素子２０２を破壊した場合の荷重とｙ方向に荷重を作用させて熱電素子２０２を破壊した場合の荷重との中央値を１００として荷重の相対値を算出した。その結果、図４Ｄにおけるｘ方向は１０６、図４Ｄにおけるｙ方向は９５、図４Ｅにおけるｘ方向は１０１、図４Ｅにおけるｙ方向は９９の荷重を作用させた時点で熱電素子２０２が破壊された。従って、図４Ｅにおいてはｘ軸方向およびｙ軸方向への耐荷重強度がほぼ等しく、図４Ｄにおいてはｃ面が配向された特定の配向方位をｘ軸方向に揃えることによって、当該ｘ軸方向に対する耐荷重強度を向上させることが可能であるといえる。

【符号の説明】

【0050】

１０…熱電変換装置、２０…熱電素子、２０…熱電素子、２０ａ…ｐ型熱電素子、２０ｂ…ｎ型熱電素子、２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ…面、３１…熱交換器、３１ａ，３１ｂ…面、３２ａ，３２ｂ…電極、３３…電流端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】