特許 7281715 熱電変換モジュール

(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】

(24)【登録日】2023-05-18

(45)【発行日】2023-05-26

(54)【発明の名称】熱電変換モジュール

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/17 20230101AFI20230519BHJP

   H10N 10/852 20230101ALI20230519BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20230519BHJP

【ＦＩ】

H10N10/17 A

H10N10/852

H02N11/00 A

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2019520662

(86)(22)【出願日】2018-11-30

(86)【国際出願番号】 JP2018044177

(87)【国際公開番号】W WO2019225036

(87)【国際公開日】2019-11-28

【審査請求日】2021-09-22

(31)【優先権主張番号】P 2018096911

(32)【優先日】2018-05-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101683

【弁理士】

【氏名又は名称】奥田 誠司

(74)【代理人】

【識別番号】100155000

【弁理士】

【氏名又は名称】喜多 修市

(74)【代理人】

【識別番号】100180529

【弁理士】

【氏名又は名称】梶谷 美道

(74)【代理人】

【識別番号】100125922

【弁理士】

【氏名又は名称】三宅 章子

(74)【代理人】

【識別番号】100135703

【弁理士】

【氏名又は名称】岡部 英隆

(74)【代理人】

【識別番号】100188813

【弁理士】

【氏名又は名称】川喜田 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100184985

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 悠

(74)【代理人】

【識別番号】100202197

【弁理士】

【氏名又は名称】村瀬 成康

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 弘樹

(72)【発明者】

【氏名】菅野 勉

(72)【発明者】

【氏名】玉置 洋正

(72)【発明者】

【氏名】金子 由利子

(72)【発明者】

【氏名】上原 美穂

【審査官】上田 智志

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０１８９０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－１０８９７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１６４９１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１１１３０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－１０１０８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２３１４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２８７９０１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ１０Ｎ １０／８５２

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱電変換モジュールであって、
高温熱源側の基板、
前記基板上に設けられた、電気的に直列接続された複数の熱電変換素子対、
前記基板上に設けられた、電力の入力または出力を行うための一対の外部端子、および
低融点導体、
を具備し、ここで、
前記複数の熱電変換素子対の各々は、ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子を有し、
前記低融点導体は、前記ｐ型熱電変換素子または前記ｎ型熱電変換素子の耐熱温度と略等しい融点を有し、
前記一対の外部端子の一方は、前記複数の熱電変換素子対の一端側にあるｐ型熱電変換素子に電気的に接続する第１接続部を有し、前記一対の外部端子の他方は、前記複数の熱電変換素子対の他端側にあるｎ型熱電変換素子に電気的に接続する第２接続部を有し、
前記第１接続部および前記第２接続部は、前記基板の外側領域によって囲まれた内側領域に位置し、
前記外側領域は、前記基板の面内における最も外側に設けられた複数の前記ｐ型熱電変換素子および複数の前記ｎ型熱電変換素子が存在する領域を含み、
前記低融点導体は、前記基板の前記外側領域によって囲まれた内側領域に設けられ、
前記低融点導体の少なくとも一部は、前記基板の法線方向から見たときに前記一対の外部端子の間に位置し、かつ
前記低融点導体は、前記一対の外部端子の少なくとも一方とは電気的に絶縁されている、
熱電変換モジュール。

【請求項2】

請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
前記低融点導体は、前記一対の外部端子の間の前記基板上に設けられている、熱電変換モジュール。

【請求項3】

請求項１または２に記載の熱電変換モジュールであって、
前記低融点導体の融点は、少なくとも以下の数式（Ｉ）または数式（ＩＩ）を充足し、
Ｔｐ×０．９０≦Ｔｍ≦Ｔｐ×１．１ （Ｉ）
Ｔｎ×０．９０≦Ｔｍ≦Ｔｎ×１．１ （ＩＩ）
ここで、Ｔｍは前記融点であり、Ｔｐは前記ｐ型熱電変換素子の耐熱温度であり、Ｔｎは前記ｎ型熱電変換素子の耐熱温度である、熱電変換モジュール。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記低融点導体は、Ｉｎ－Ｓｎ合金、Ｉｎ－Ｂｉ合金、Ｓｎ－Ｓｂ合金、およびＳｎ－Ｃｕ合金からなる群より選択される合金である、熱電変換モジュール。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記低融点導体の融点は、２００℃以上２３２℃以下である、熱電変換モジュール。

【請求項6】

請求項５に記載の熱電変換モジュールであって、
前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子の各々は、Ｂｉ－Ｔｅ系材料から形成され、かつ
前記低融点導体は、Ｉｎ－Ｓｎ合金である、熱電変換モジュール。

【請求項7】

請求項１から６のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記低融点導体は、前記基板の中心に設けられている、熱電変換モジュール。

【請求項8】

請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
低温熱源側の基板をさらに備え、
前記高温熱源側および低温熱源側の基板によって、前記複数の熱電変換素子対は挟持される、熱電変換モジュール。

【請求項9】

請求項１から８のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記一対の外部端子の間隔は、前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子の熱電変換素子対の間隔に等しい、熱電変換モジュール。

【請求項10】

請求項１から９のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記一対の外部端子の間に設けられた他の低融点導体をさらに備える、熱電変換モジュール。

【請求項11】

請求項１から１０のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記低融点導体の融点よりも低い温度雰囲気において、前記低融点導体は、前記一対の外部端子の少なくとも一方とは電気的に絶縁されている、熱電変換モジュール。

【請求項12】

請求項１から１１のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記耐熱温度は、前記複数の熱電変換素子対のうちの少なくとも１つの熱膨張に起因して、前記複数の熱電変換素子対の直列接続が切断するときの温度である、熱電変換モジュール。

【請求項13】

請求項１から１２のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記低融点導体の融点以上の温度雰囲気では、溶融した前記低融点導体によって前記一対の外部端子は短絡する、熱電変換モジュール。

【請求項14】

請求項１から１３のいずれか１項に記載の熱電変換モジュールであって、
前記高温熱源側の基板は、溶融した前記低融点導体をガイドする溝を有し、
前記低融点導体の少なくとも一部は、前記溝に設けられている、熱電変換モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は熱電変換モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

熱電変換素子（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ）は、熱を電力に、または電力を熱に変換することができる素子である。ゼーベック効果を示す熱電材料から形成した熱電変換素子は、比較的低温（例えば２００℃以下）の熱源から熱エネルギーを得て電力に変換することができる。例えば、このような熱電変換素子を利用した熱発電技術によれば、従来、蒸気、温水、排気ガスなどの形態で未利用のまま周囲環境に捨てられていた熱エネルギーを回収して有効に活用することが可能になる。

【0003】

一般の熱電変換素子は、キャリアの電気的極性が互いに異なるｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子の対、いわゆる「π型構造」を有する。その構造は、例えば非特許文献１に開示されている。「π型構造」の熱電変換素子では、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とが電気的に直列に、かつ熱的に並列に接続される。本明細書では、ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子の対を「熱電変換素子対」と呼ぶこととする。複数の熱電変換素子対のそれぞれを互いに電気的に直列接続することにより熱電変換モジュールが構成される。熱電変換モジュールは、例えば数十個程度の熱電変換素子対を備える。熱エネルギーを電力に変換することにより、熱電変換モジュールから例えば数ｍＶ～数Ｖの電圧が得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－９７７９号公報

【文献】特開２０１６－３５８８２号公報

【非特許文献】

【0005】

【文献】G. JEFFREY SNYDER and ERIC S. TOBERER, “Complex thermoelectric materials”, Nature Materials, Vol. 7, No. 2, 2008, pp. 105-114

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

より多くの発電量を得るために、複数の熱電変換モジュールを電気的に直列接続して熱発電システムを構成することがある。この熱発電システムでは、複数の熱電変換モジュールの一部が故障すると、複数の熱電変換モジュールが直列接続されているため、熱発電システム全体としての電気的導通が途絶えてしまう。このような場合であっても、熱発電システムの継続利用が望まれている。

【0007】

本開示の例示的な実施形態は、複数の熱電変換モジュールのうちの一部のモジュールが高温に晒されて故障した場合であっても、熱発電システムの継続利用が可能な熱電変換モジュールを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の熱電変換モジュールは、基板、前記基板上に設けられた、電気的に直列接続された複数の熱電変換素子対、前記基板上に設けられた、電力の入力または出力を行うための一対の外部端子、および低融点導体、を具備し、ここで、前記複数の熱電変換素子対の各々は、ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子を有し、前記低融点導体は、前記ｐ型熱電変換素子または前記ｎ型熱電変換素子の耐熱温度と略等しい融点を有し、前記一対の外部端子の一方は、前記複数の熱電変換素子対の一端側にあるｐ型熱電変換素子に電気的に接続する第１接続部を有し、前記一対の外部端子の他方は、前記複数の熱電変換素子対の他端側にあるｎ型熱電変換素子に電気的に接続する第２接続部を有し、前記第１接続部および前記第２接続部は、前記基板の外側領域によって囲まれた内側領域に位置し、前記外側領域は、前記基板の面内における最も外側に設けられた複数の前記ｐ型熱電変換素子および複数の前記ｎ型熱電変換素子が存在する領域を含み、前記低融点導体は、前記基板の前記外側領域によって囲まれた内側領域に設けられ、かつ、前記低融点導体の少なくとも一部は、前記基板の法線方向から見たときに前記一対の外部端子の間に位置し、前記低融点導体は、前記一対の外部端子の少なくとも一方とは電気的に絶縁されている。

【発明の効果】

【0009】

本開示の例示的な実施形態によれば、複数の熱電変換モジュールのうちの一部のモジュールが高温に晒されて故障した場合であっても、故障していない熱電変換モジュールを利用することによって熱発電システムの継続利用が可能な熱電変換モジュールが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、例示的な実施形態による熱電変換モジュール１００の構成を模式的に示す斜投影図である。

【図2】図２は、例示的な実施形態による熱電変換モジュール１００の構成を模式的に示す平面図である。

【図3】図３は、一対の外部端子４０、それに電気的に接続されるｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎを拡大して示す模式図である。

【図4A】図４Ａは、基板１０Ｈに設けられた低融点導体６０を拡大して示す模式図である。

【図4B】図４Ｂは、基板１０Ｈに設けられた低融点導体６０を拡大して示す模式図である。

【図5】図５は、一対の外部端子４０の間に設けられた支持体６１によって支持された低融点導体６０を示す模式図である。

【図6】図６は、溶融した低融点導体６０により一対の外部端子４０が短絡した状態を示す模式図である。

【図7】図７は、溶融した低融点導体６０をガイドする、基板１０Ｈに設けた溝７０を示す模式図である。

【図8A】図８Ａは、従来の熱電変換モジュール２００の典型的な構成を模式的に示す斜投影図である。

【図8B】図８Ｂは、従来の熱電変換モジュール２００の構成を模式的に示す平面図である。

【図9】図９は、一対の外部端子４０を短絡させるスイッチＳＷを実装した熱電変換モジュール２００の構成を模式的に示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった本願発明者らの知見を説明する。

【0012】

図８Ａは、従来の熱電変換モジュール２００の典型的な構成を模式的に示している。図８Ｂは、基板の法線方向（図面のｚ方向）から熱電変換モジュール２００を見たときの、低温熱源側の基板１０Ｃ上の複数の熱電変換素子対２０の配置・配線の様子を模式的に示している。従来の熱電変換モジュール２００の構成は、例えば非特許文献１に開示されているとおりである。図面が煩雑になることを避けるために、図８Ａにおいて高温熱源側の基板１０Ｈの一部を省略している。

【0013】

熱電変換モジュール２００は、高温熱源側の基板１０Ｈ、低温熱源側の基板１０Ｃ、両基板に挟持された複数の熱電変換素子対２０および一対の外部端子４０を備える。以降、高温熱源側の基板１０Ｈおよび低温熱源側の基板１０Ｃを、それぞれ単に基板１０Ｈおよび基板１０Ｃと表記する場合がある。これらの基板の少なくとも表面は、絶縁体材料で形成される。熱電変換素子対２０は、ｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎを有する。例えば、複数のｐ型熱電変換素子２１Ｐおよび複数のｎ型熱電変換素子２１Ｎは、低温熱源側の基板１０Ｃに格子状に配置される。複数の熱電変換素子対２０は、基板１０Ｈに設けられた配線３０Ｈおよび基板１０Ｃに設けられた配線３０Ｃによって、互いに電気的に直列接続される。ｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎは、例えばはんだまたは接着剤を用いて配線３０Ｈ、３０Ｃに接合される。

【0014】

一対の外部端子４０は、熱電変換モジュール２００に電力の入力または出力を行うための端子である。一対の外部端子４０は、互いに直列接続された複数の熱電変換素子対２０に電気的に接続される。一対の外部端子４０は、複数の熱電変換素子対２０の配置および配線の効率を考慮して、図８Ａに示すように典型的には基板１０Ｃの隅に配置される。

【0015】

基板１０Ｈを加熱して基板１０Ｃを冷却する、つまり基板１０Ｈを加熱して基板１０Ｃを非加熱とすることにより、熱電変換素子対２０のｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎにおいて温度差が生じる。ゼーベック効果によって起電力が発生する。熱電変換モジュール２００は、熱エネルギーを電力に変換する。熱電変換モジュール２００の内部で発生した電力は、一対の外部端子４０から外部に取り出すことができる。

【0016】

一対の外部端子４０から熱電変換モジュール２００に電流を注入すると、今度はペルチェ効果により、例えば、一方の基板１０Ｃの表面では吸熱が起こり、他方の基板１０Ｈの表面では放熱が起こる。熱電変換モジュール２００は、電力を熱エネルギーに変換する。このように、熱電変換モジュール２００は、電力を用いた冷却・加熱を行うこともできる。

【0017】

例えば冷却機能の故障によって、熱電変換モジュール２００は、正常動作時よりも高温状態になり得る。その場合、熱膨張により、特に熱電変換素子と配線の間の接合部でひび割れが生じ易くなる。これは、材料の熱膨張係数または材料の間での熱膨張係数の違いに起因すると考えられる。複数の熱電変換素子対２０のうちの１つでもこのように故障すると、熱電変換モジュール２００は電気的に断線状態となる。その結果、熱電変換モジュール２００は機能しなくなってしまう。

【0018】

複数の熱電変換モジュール２００を用いて例えば熱発電システムを構成することができる。熱発電システムにおいて、複数の熱電変換モジュール同士は、典型的には電気的に直列接続される。より多くの熱電変換モジュールを接続することにより、より多くの発電量が得られる。

【0019】

複数の熱電変換モジュール２００のうちのどれか１つにおいて断線が生じたとする。その場合、例え残りの熱電変換モジュール２００では断線が生じていなくても、熱発電システム全体としての電気的導通が途絶えてしまう。例えば、熱電変換モジュール２００が規定温度以上の高温に晒された場合には、熱発電システムは機能しなくなる。

【0020】

上記の問題を解決するために、一対の外部端子４０を短絡させることにより、システム全体の電気的導通を維持する技術が考案されている。特許文献１は、高温状態のときにだけ電気導通部を用いて電流導入端子を短絡する技術を開示している。熱電変換モジュールが高温状態になると、内部の接合材が溶融する。その結果、基板が沈み込むことによって熱電変換モジュールの厚さが減少する。この現象を利用して、高温状態に達したときにだけ、電流導入端子は、電気導通部に電気的に接触することによって短絡する。特許文献２は、高温で融解する可溶導体の融点以上の温度雰囲気において動作する温度短絡素子を開示している。可溶導体の融点以上の温度雰囲気において可溶導体は溶融して凝固することにより、隣接する２つの電極は短絡する。

【0021】

上述したとおり、従来の熱電変換モジュール２００の構成では、一対の外部端子４０は、モジュールの外側領域５０の特に隅に位置している。本明細書において、外側領域５０は、基板の全領域の中の、格子状に配置された複数の熱電変換素子対２０のうちの最も外側に配置された熱電変換素子対２０の群が存在する破線で示す領域を指す。

【0022】

図９は、一対の外部端子４０を短絡させることが可能なスイッチＳＷを実装した熱電変換モジュール２００の構成を模式的に示している。スイッチＳＷは、例えば特許文献２と同様に可溶導体であり得る。一対の外部端子４０の間の熱電変換素子対２０をスイッチＳＷに置き換えることにより、図９に示す構成が得られる。この構成では、一対の外部端子４０の間にスイッチＳＷは配置される。このように単純に置き換えた場合、スイッチＳＷは、必然的に基板１０Ｃの外側領域５０に配置されることとなる。

【0023】

実際、熱電変換モジュール２００の側面からも放熱が起こるので、外側領域５０は基板１０Ｃの中心付近よりも高温になりにくい。そのため、例えば冷却機能の故障によって、熱電変換モジュール２００の中心付近は、複数の熱電変換素子対２０の電気的な接続が切断する温度にまで達する。その場合でも、外側領域５０はその温度にまで達しない可能性がある。その結果、従来の構成にスイッチＳＷを設けるだけでは、一対の外部端子４０を短絡させるスイッチＳＷは正常に機能しない可能性が高い。また、従来の構成では、一対の外部端子４０は離れている。そのため、単純にその端子の間にスイッチＳＷを設けるだけでは、端子間を短絡させるには不十分であると考えられる。

【0024】

さらに、従来の構成において、低温熱源側の基板１０ＣにスイッチＳＷを設けても、それを機能させるだけの十分な熱量が伝わらないという問題がある。非特許文献１に示されるように、一対の外部端子４０は、一般的に低温熱源側の基板１０Ｃに設けられる。その理由の１つは、高温熱源側の基板１０Ｈに外部端子を設けると、それがヒートシンクとして機能し、そこから放熱が起こり易くなるためである。

【0025】

熱電変換モジュールが高温に晒された場合において、一対の外部端子の間をより正確に短絡させる技術が望まれる。本願発明者らは、高温熱源側の基板の外側領域によって囲まれた内側領域に低融点導体を設けることを上記の知見に基づいて見出し、本開示に至った。

【0026】

＜例示的な実施形態＞
以下、添付の図面を参照しながら、本開示による熱電変換モジュールの実施形態を説明する。

【0027】

図１は、本実施形態による熱電変換モジュール１００の構成を模式的に示している。図面が煩雑になることを避けるために、図１において低温熱源側の基板１０Ｃの一部を省略している。図２は、基板１０Ｈの法線方向（図面のｚ方向）から熱電変換モジュール１００を見たときの、高温熱源側の基板１０Ｈ上の複数の熱電変換素子対２０の配置・配線の様子を模式的に示している。本明細書では、高温熱源側および低温熱源側の２枚の基板１０Ｈ、１０Ｃを備える熱電変換モジュール１００を例に、本開示の実施形態を説明する。ただし、低温熱源側の基板１０Ｃを有しない熱電変換モジュールも知られている。そのようなモジュールは、「ハーフスケルトンタイプ」と呼ばれることがある。ハーフスケルトンタイプの熱電変換モジュールも本開示の範疇である。以降、上述した従来の構成と重複する説明は省略する。

【0028】

熱電変換モジュール１００は、高温熱源側の基板１０Ｈ、低温熱源側の基板１０Ｃ、複数の熱電変換素子対２０、一対の外部端子４０および低融点導体６０を備える。高温熱源側の基板１０Ｈおよび低温熱源側の基板１０Ｃの材料は、少なくともそれらの表面が電気的絶縁性を有していさえすれば特に限定されない。ただし、熱伝導率が高く、耐熱性の高い材料が好ましい。例えば、材料として酸化アルミニウムを好適に用いることができる。

【0029】

複数の熱電変換素子対２０、より具体的には複数のｐ型熱電変換素子２１Ｐおよび複数のｎ型熱電変換素子２１Ｎは、典型的には、高温熱源側の基板１０Ｈに格子状に配置される。基板１０Ｃ、１０Ｈのｘ方向のサイズは、例えば１ｃｍ～６ｃｍである。ｙ方向のサイズは、例えば１ｃｍ～６ｃｍである。ｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎの各々のｘ方向のサイズは、例えば１．０ｍｍ～３．０ｍｍである。ｙ方向のサイズは、例えば１．０ｍｍ～３．０ｍｍである。ｚ方向の高さは、例えば１．０ｍｍ～３．０ｍｍ程度である。複数の熱電変換素子対２０の配置・配線は、図示する例に限定されない点に留意されたい。

【0030】

ｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎのそれぞれは、少なくとも熱電変換材料を含む。熱電変換材料の種類は特に限定されない。例えば、使用目的の温度に応じて熱電変換材料を選択することができる。例として、室温から２００℃程度の温度域で熱電変換モジュール１００を使用する場合にはＢｉ－Ｔｅ系材料が好ましい。２００℃から５００℃程度の温度域で熱電変換モジュール１００を使用する場合にはＰｂ－Ｔｅ系材料、Ｃｏ－Ｓｂ系材料、Ｚｎ－Ｓｂ系材料、またはＭｇ－Ｓｂ系材料が好ましい。５００℃から１０００℃程度の温度域で熱電変換モジュール１００を使用する場合にはＳｉ－Ｇｅ系材料が好ましい。

【0031】

図３は、一対の外部端子４０、それに電気的に接続されるｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎを拡大して示している。一対の外部端子４０は、図２に示すように、高温熱源側の基板１０Ｈに設けられる。一対の外部端子４０は、複数の熱電変換素子対２０において発生する電力を外部に取り出すための端子である。一対の外部端子４０は、間隔ｗを隔てて基板１０Ｈに近接して配置される。例えば、間隔ｗは、熱電変換素子対２０におけるｐ型熱電変換素子２１Ｐとｎ型熱電変換素子２１Ｎの間隔に等しい。

【0032】

一対の外部端子４０の一方は、ｐ型熱電変換素子２１Ｐとの接触面を有する第１接続部４２を有する。第１接続部４２は、互いに直列接続された複数の熱電変換素子対２０の一端側にあるｐ型熱電変換素子２１Ｐに電気的に接続する。一対の外部端子４０の他方は、ｎ型熱電変換素子２１Ｎとの接触面を有する第２接続部４３を有する。第２接続部４３は、複数の熱電変換素子対２０の他端側にあるｎ型熱電変換素子２１Ｎに電気的に接続する。図２に示すように、第１接続部４２および第２接続部４３は、基板１０Ｈの外側領域５０によって囲まれた内側領域５１に位置する。さらに、第１接続部４２および第２接続部４３は、基板１０Ｈの中心付近において互いに近接している。基板１０Ｈの中心は、略矩形である基板の対角線の交点を指す。ただし、第１接続部４２および第２接続部４３は、基板１０Ｈの内側領域５１にあればよく、必ずしも中央付近に位置している必要はない。

【0033】

配線３０Ｈ、配線３０Ｃおよび一対の外部端子４０の材料は、特に限定されない。ただし、電気伝導率が高く、耐熱性の高い材料が好ましい。例えば、材料として銅または銀配線を用いることができる。配線３０Ｈ、配線３０Ｃおよび一対の外部端子４０の線幅は、熱電変換モジュール１００に流れ得る電流量に基づいて適宜決定される。

【0034】

低融点導体６０は、基板１０Ｈの内側領域５１に設けられる。低融点導体６０の少なくとも一部は、基板１０Ｈの法線方向（図２のｚ方向）から見たときに一対の外部端子４０の間に位置し得る。例えば、低融点導体６０は、図２に示すように一対の外部端子４０の間に位置する。低融点導体６０は、基板１０Ｈの中心付近に設けることが好ましい。これにより、熱電変換モジュール１００が高温に晒された場合、熱が低融点導体６０により良く伝わる。その結果、一対の外部端子４０の間をより正確に短絡させることが可能となる。

【0035】

図４Ａ、４Ｂは、基板１０Ｈに設けられた低融点導体６０を拡大して示している。図５は、一対の外部端子４０の間に設けられた支持体６１によって支持された低融点導体６０を示している。低融点導体６０の形状は、例えばドーム型または角柱である。低融点導体６０の融点よりも低い温度雰囲気において、低融点導体６０は、一対の外部端子４０の少なくとも一方とは電気的に絶縁される。例えば、図示するように、低融点導体６０と一対の外部端子４０の間に空隙を設けることにより、低融点導体６０を電気的に絶縁することができる。または、低融点導体６０と一対の外部端子４０の一方とは接触した状態で、低融点導体６０と他方の間に空隙を設けてもよい。いずれの場合も、一対の外部端子４０は短絡しない。このように、低融点導体６０は、モジュール動作、すなわち、電流の入力または出力には影響を与えない。熱電変換モジュール１００は、低融点導体６０の融点以下の温度雰囲気において、従来の熱電変換モジュール２００と同様に動作する。

【0036】

低融点導体６０を電気的に絶縁する方法として、図５に示すように、一対の外部端子４０の間に支持体６１を設けてもよい。支持体６１に例えば板状の低融点導体６０を設けることにより、低融点導体６０を電気的に絶縁しても構わない。この場合、低融点導体６０の少なくとも一部は、基板１０Ｈの法線方向（図２のｚ方向）から見たときに一対の外部端子４０の間に位置し、残りは一対の外部端子４０に重なる。または、低融点導体６０と一対の外部端子４０の間に空隙ではなく絶縁膜を挟むことによって、低融点導体６０を電気的に絶縁しても構わない。

【0037】

低融点導体６０は、ｐ型熱電変換素子２１Ｐまたはｎ型熱電変換素子２１Ｎの耐熱温度と略等しい融点を有する。より詳細には、低融点導体６０の融点は、少なくとも以下の数式（Ｉ）または数式（ＩＩ）を充足する。
Ｔｐ×０．９０≦Ｔｍ≦Ｔｐ×１．１ （Ｉ）
Ｔｎ×０．９０≦Ｔｍ≦Ｔｎ×１．１ （ＩＩ）
ここで、Ｔｍは低融点導体６０の融点である。Ｔｐはｐ型熱電変換素子２１Ｐの耐熱温度である。Ｔｎはｎ型熱電変換素子２１Ｎの耐熱温度である。耐熱温度は、複数の熱電変換素子対２０のうちの少なくとも１つの熱膨張に起因して、複数の熱電変換素子対２０の直列接続が切断する温度である。

【0038】

低融点導体６０の融点は、熱電変換モジュール１００の通常使用時に想定される最高到達温度よりも高い温度である必要がある。そのため、低融点導体６０の融点は、モジュール破損が生じ得る耐熱温度と同程度であることが好ましい。低融点導体６０は、例えば低融点金属である。例えば、熱電変換素子の材料としてＢｉ－Ｔｅ系材料を用いる場合を考える。その場合、通常は約１００℃以下の温度域で熱電変換モジュール１００は使用されることが多く、２００℃以上になると破損が生じ易い。従って、低融点導体６０として、例えばＩｎ－Ｓｎ合金またはＩｎ－Ｂｉ合金が適している。Ｉｎ－Ｓｎ合金の融点は、ＩｎとＳｎの混合比の調整によって１１７℃から２３２℃までの範囲で調整可能である。Ｉｎ－Ｂｉ合金の融点は、ＩｎとＢｉの混合比の調整によって７２℃から２７１℃までの範囲で調整可能である。

【0039】

例えば、使用する熱電変換素子を変えることにより、熱電変換モジュール１００の耐熱性を高め、より高温での使用も可能となる。その場合、低融点導体６０として、例えばＳｎ－Ｓｂ合金またはＳｎ－Ｃｕ合金が適している。Ｓｎ－Ｓｂ合金の融点は、ＳｎとＳｂの混合比の調整によって、２３２℃から６３０℃までの範囲で調整可能である。Ｓｎ－Ｃｕ合金の融点は、ＳｎとＣｕの混合比の調整によって、２２３℃から１０８３℃までの範囲で調整可能である。

【0040】

ある一態様において、低融点導体６０はＩｎ－Ｓｎ合金である。その融点は、２００℃以上２３２℃以下である。ｐ型熱電変換素子２１Ｐおよびｎ型熱電変換素子２１Ｎの各々は、Ｂｉ－Ｔｅ系材料から形成される。

【0041】

図６は、溶融した低融点導体６０により一対の外部端子４０が短絡した状態を示している。

【0042】

低融点導体６０の融点以上の温度雰囲気では、溶融した低融点導体６０によって一対の外部端子４０は短絡する。例えば、低温熱源側の冷却機能が故障すると、熱電変換モジュール１００内に通常使用時よりもより多くの熱がこもり得る。そのため、耐熱限界の温度近くまでモジュール温度が上昇し得る。そうすると、低融点導体６０の融点は、耐熱温度と同程度であるので、低融点導体６０は溶融して拡散し得る。溶融した低融点導体６０は、一対の外部端子４０の両方に電気的に接触し、その結果、一対の外部端子４０は短絡することとなる。低融点導体６０は、液体または固体状態のいずれにおいても導電性を有する。そのため、一旦溶融した後の低融点導体６０の状態は、モジュール内の温度に依存して固体または液体であり得る。熱発電システムでは、破損した熱電変換モジュール１００はもはや機能しなくなるが、互いに直列接続された複数の熱電変換モジュール１００の電気的導通は確保される。このように、残りの熱電変換モジュール１００が破損していない限りにおいて、熱発電システムを継続して利用することが可能となる。

【0043】

本実施形態によれば、基板１０Ｈの内側領域５１に低融点導体６０を設け、かつ、一対の外部端子４０を近接して配置することにより、熱電変換モジュール１００の側面からの放熱の影響を低減させることが可能となる。その結果、熱電変換モジュール１００は、モジュール温度が耐熱限界近くまで上昇した場合、従来の熱電変換モジュール２００と比べてより正確に動作する。

【0044】

図７は、溶融した低融点導体６０をガイドする、基板１０Ｈに設けた溝７０を示している。

【0045】

基板１０Ｈは、溶融した低融点導体６０をガイドする溝７０を有していてもよい。その場合、低融点導体６０の少なくとも一部は、溝７０に設けられ得る。溝７０を設けることによって、低融点導体６０が溶融したときに拡散する範囲を、一対の外部端子４０の間を短絡させるのに必要十分な範囲に限定することができる。これにより、熱電変換モジュール１００をさらに正確に動作させることができる。

【0046】

本実施形態では、単体の低融点導体６０を基板１０Ｈに設ける構成を説明した。ただし、本開示はこれに限定されない。一対の外部端子４０の間に１個またはそれ以上の他の低融点導体（不図示）をさらに設けるようにしても構わない。これにより、１個の低融点導体が上手く機能しない場合でも、他の低融点導体が機能することで、一対の外部端子４０の間をより正確に短絡させることができる。

【0047】

熱電変換モジュール１００は、低融点導体６０以外は、従来の熱電変換モジュール２００と同じ要素で構成することができる。そのために、熱電変換モジュール１００の製造には公知の手法を広く用いることができる。低融点導体６０は、例えばはんだ付けまたはプリント配線の手法を用いることによって実装される。

【産業上の利用可能性】

【0048】

本開示による熱電変換モジュールは、熱エネルギーと電力との相互変換を行う熱電変換装置に好適に用いることができる。

【符号の説明】

【0049】

１０Ｈ、１０Ｃ ：基板
２０ ：熱電変換素子対
２１Ｐ ：ｐ型熱電変換素子
２１Ｎ ：ｎ型熱電変換素子
３０Ｈ、３０Ｃ ：配線
４０ ：一対の外部端子
４２ ：第１接続部
４３ ：第２接続部
５０ ：外側領域
５１ ：内側領域
６０ ：低融点導体
６１ ：支持体
７０ ：溝
１００ ：熱電変換モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】