特許 7313660 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】2023-07-14

(45)【発行日】2023-07-25

(54)【発明の名称】熱電変換モジュール

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/13 20230101AFI20230718BHJP

   H10N 10/17 20230101ALI20230718BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20230718BHJP

   H10N 10/01 20230101ALN20230718BHJP

【ＦＩ】

H10N10/13

H10N10/17 A

H02N11/00 A

H10N10/01

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019046544

(22)【出願日】2019-03-13

(65)【公開番号】P2020150139

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2022-01-31

(73)【特許権者】

【識別番号】398032289

【氏名又は名称】株式会社テックスイージー

(74)【代理人】

【識別番号】100111084

【弁理士】

【氏名又は名称】藤野 義昭

(72)【発明者】

【氏名】小林 隆秀

(72)【発明者】

【氏名】井上 裕之

【審査官】小山 満

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０４１７７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１９０５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０９７５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０６１０３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１１０４０７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１３

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ０２Ｎ １１／００

Ｈ１０Ｎ １０／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも一つの熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、
前記熱電発電部は、
高温端が電気的に接続された一対の熱電素子と、
当該一対の熱電素子それぞれの低温端に接続された一対の低温側導電部と
を備え、
前記一対の低温側導電部はそれぞれ、対応する熱電素子と同じ極性のゼーベック係数を有する
ことを特徴とする熱電変換モジュール。

【請求項2】

前記熱電発電部を、複数備える
ことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。

【請求項3】

前記低温側導電部は、電線で構成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。

【請求項4】

前記熱電発電部は、前記一対の熱電素子の高温端を電気的に接続する高温側電極を更に備える
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。

【請求項5】

前記熱電発電部の高温側に配置された絶縁基板を更に備える
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電変換モジュール、特に、熱電発電に使用される熱電変換モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来より、熱電発電用の熱電変換モジュールが知られている。このような熱電変換モジュールは、一般に、複数の熱電素子（ｎ型半導体素子及びｐ型半導体素子）と、複数の熱電素子を電気的に接続するための複数の金属電極と、複数の熱電素子及び複数の金属電極を挟持する一対の絶縁基板（例えば、セラミック基板）とによって構成されている。

【0003】

熱電発電用の熱電変換モジュールにおいては、高温面（高温側絶縁基板）と低温面（低温側絶縁基板）との間に所定（例えば、３００℃程度）の温度差を与えることによって発電が行われる。

【0004】

従来の熱電変換モジュールは、熱流方向と垂直な面が広く、熱流方向の厚さが薄い平板状の形状を有しているため、高温面を加熱した際、熱源から流入する熱の大部分は、発電に利用されずにそのまま熱伝導によって低温面へ流出してしまうことになる。そのため、そのままでは、低温面の温度が上昇して、充分な温度差が確保できないことになるので、従来の熱電変換モジュールにおいては、低温面にヒートシンクを接合し、さらにそのヒートシンクを強制空冷するなどして、高温面と低温面との間に発電に必要な温度差を確保するようにしていた。

【0005】

しかしながら、熱電変換モジュールとヒートシンクとは、通常、熱伝導性グリース等を介して接合されるため、低温面から雰囲気（例えば、２５℃程度の空気）までの熱伝達路に大きな熱抵抗が存在することとなり、その分、冷却効率が低下することになっていた。

【0006】

なお、特開平８－４６２４８号公報には、金属電極をパターニングしてある一対の絶縁性セラミックス基板で、ｎ型熱電材料とｐ型熱電材料が挟まれた構造をしている熱電素子の性能を高めるため、その外側に放熱板と吸熱板がシリコングリースなどにより接着されている構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平８－４６２４８号公報（段落０００２、図１０）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の目的は、熱電素子の低温側の冷却効率を向上させることが可能な熱電変換モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る第一の熱電変換モジュールは、少なくとも一つの熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記熱電発電部は、熱電素子と、当該熱電素子の低温端に接続された低温側導電部とを備え、前記低温側導電部は、前記熱電素子と同じ極性のゼーベック係数を有することを特徴とする。

【0010】

この場合において、前記熱電素子の高温端に接続された高温側導電部を更に備えるようにしてもよい。この場合、前記高温側導電部は、前記熱電素子とは逆の極性のゼーベック係数を有するようにしてもよい。

【0011】

本発明に係る第二の熱電変換モジュールは、少なくとも一つの熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記熱電発電部は、高温端が電気的に接続された一対の熱電素子と、当該一対の熱電素子それぞれの低温端に接続された一対の低温側導電部とを備え、前記一対の低温側導電部はそれぞれ、対応する熱電素子と同じ極性のゼーベック係数を有することを特徴とする。

【0012】

以上の場合において、前記熱電発電部を、複数備えるようにしてもよい。

【0013】

本発明に係る第三の熱電変換モジュールは、複数の熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記複数の熱電発電部はそれぞれ、熱電素子と、当該熱電素子の低温端に接続された低温側導電部と、前記熱電素子の高温端に接続された高温側導電部とを備え、前記低温側導電部は、ヒートシンクとして機能することを特徴とする。

【0014】

本発明に係る第四の熱電変換モジュールは、複数の熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記複数の熱電発電部はそれぞれ、高温端が電気的に接続された一対の熱電素子と、当該一対の熱電素子それぞれの低温端に接続された一対の低温側導電部とを備え、前記一対の低温側導電部はそれぞれ、ヒートシンクとして機能することを特徴とする。

【0015】

以上の場合において、前記低温側導電部は、電線で構成されているようにしてもよい。

【0016】

また、上記第一又は第三の熱電変換モジュールにおいて、前記高温側導電部は、電線で構成されているようにしてもよい。

【0017】

また、上記第二又は第四の熱電変換モジュールにおいて、前記熱電発電部は、前記一対の熱電素子の高温端を電気的に接続する高温側電極を更に備えるようにしてもよい。

【0018】

また、以上の場合において、前記熱電発電部の高温側に配置された絶縁基板を更に備えるようにしてもよい。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、熱電素子の低温側の冷却効率を向上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明による熱電発電部の構成を説明するための図である。

【図2】本発明による別の熱電発電部の構成を説明するための図である。

【図3】本発明による熱電変換モジュールの構成を説明するための図である。

【図4】熱電変換モジュール３００を使用する際の状態を説明するための図（その１）である。

【図5】熱電変換モジュール３００を使用する際の状態を説明するための図（その２）である。

【図6】熱電変換モジュール３００を使用する際の状態を説明するための図（その３）である。

【図7】本発明による別の熱電変換モジュールの構成を説明するための図である。

【図8】熱電変換モジュール７００を使用する際の状態を説明するための図（その１）である。

【図9】熱電変換モジュール７００を使用する際の状態を説明するための図（その２）である。

【図10】熱電変換モジュール７００を使用する際の状態を説明するための図（その３）である。

【図11】作製した熱電発電部の構成を説明するための図である。

【図12】測定結果を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。

【0022】

《第一実施形態》
図１は、本発明による熱電発電部の構成を説明するための図である。

【0023】

同図に示すように、本発明による第一の熱電発電部１００は、熱電素子１１０と、低温側導電部１２０と、高温側導電部１３０とを備える。

【0024】

熱電素子１１０は、所定（例えば、直方体状）の形状を有し、その両端に温度差が与えられると、ゼーベック効果により、起電力を生じさせるものであり、本実施形態においては、ｎ型半導体又はｐ型半導体によって構成される。熱電素子１１０の材料としては、例えば、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ₂Ｓｉ）、鉄シリサイド（ＦｅＳｉ_２）、マンガンシリサイド（ＭｎＳｉ_1.73）等が考えられる。

【0025】

低温側導電部１２０は、熱電素子１１０の低温端に接続されて、熱電素子１１０によって発電された電力を外部に取り出すためのものであり、本実施形態においては、電線（金属線）によって構成されている。低温側導電部１２１は、例えば、ろう付けによって、熱電素子１１０の低温端に接合される。

【0026】

低温側導電部１２０は、熱電素子１１０と同じ極性の熱起電力（ゼーベック係数）を有する材料で構成されている。すなわち、熱電素子１１０のゼーベック係数が負の値を有する場合は、ゼーベック係数が負の値を有する材料（例えば、アルメル、コンスタンタン等）で構成され、熱電素子１１０のゼーベック係数が正の値を有する場合は、ゼーベック係数が正の値を有する材料（例えば、銅、鉄、クロメル等）で構成される。

【0027】

高温側導電部１３０は、熱電素子１１０の高温端に接続されて、熱電素子１１０によって発電された電力を外部に取り出すためのものであり、本実施形態においては、電線によって構成されている。高温側導電部１３０は、例えば、ろう付けによって、熱電素子１１０の高温端に接合される。

【0028】

高温側導電部１３０は、熱電素子１１０とは逆の極性の熱起電力（ゼーベック係数）を有する材料で構成されている。すなわち、熱電素子１１０のゼーベック係数が負の値を有する場合は、ゼーベック係数が正の値を有する材料（例えば、銅、鉄、クロメル等）で構成され、熱電素子１１０のゼーベック係数が正の値を有する場合は、ゼーベック係数が負の値を有する材料（例えば、アルメル、コンスタンタン等）で構成される。

【0029】

低温側導電部１２０及び高温側導電部１３０は、充分な長さを有するように構成されており、低温側導電部１２０は、熱電素子１１０の低温端を冷却するためのヒートシンク（放熱部）としても機能することになる。低温側導電部１２０及び高温側導電部１３０を、充分な長さを有するように構成することで、強制空冷をすることなく、熱電素子１１０の高温端と低温端との間に必要な温度差を確保することが可能となる。

【0030】

また、熱電発電部１００においては、熱電素子１１０と、ヒートシンク（放熱部）として機能する低温側導電部１２０とが、絶縁基板や熱伝導性グリースを介することなく、直接接合されているので、従来の熱電変換モジュールと比較して、熱電素子１１０の低温側の熱抵抗が低減し、熱電素子１１０の低温側の冷却効率を向上させることができる。

【0031】

また、熱電発電部１００においては、低温側導電部１２０を熱電素子１１０と同じ極性の熱起電力（ゼーベック係数）を有する材料で構成するようにしているので、低温側導電部１２０の両端に与えられた温度差によって、低温側導電部１２０においても、熱電素子１１０と同じ向きの起電力が生じることとなり、その分、熱電発電部１００全体での起電力を大きくすることができる。

【0032】

《第二実施形態》
図２は、本発明による別の熱電発電部の構成を説明するための図である。

【0033】

同図に示すように、本発明による第二の熱電発電部２００は、一対の熱電素子２１１，２１２と、一対の低温側導電部２２１，２２２と、高温側電極２３０とを備える。

【0034】

熱電素子２１１，２１２は、所定（例えば、直方体状）の形状を有し、その両端に温度差が与えられると、ゼーベック効果により、起電力を生じさせるものである。本実施形態においては、一方の熱電素子２１１は、ｎ型半導体で構成され、他方の熱電素子２１２は、ｐ型半導体によって構成される。熱電素子２１１，２１２の材料としては、例えば、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ₂Ｓｉ）、鉄シリサイド（ＦｅＳｉ_２）、マンガンシリサイド（ＭｎＳｉ_1.73）等が考えられる。

【0035】

低温側導電部２２１，２２２はそれぞれ、熱電素子２１１，２１２の低温端に接続されて、熱電素子２１１，２１２によって発電された電力を外部に取り出すためのものであり、本実施形態においては、電線によって構成されている。低温側導電部２２１，２２２は、例えば、ろう付けによって、熱電素子２１１，２１２の低温端に接合される。

【0036】

低温側導電部２２１，２２２はそれぞれ、対応する熱電素子２１１，２１２と同じ極性の熱起電力（ゼーベック係数）を有する材料で構成されている。すなわち、ｎ型半導体で構成される熱電素子２１１に接続される低温側導電部２２１は、ゼーベック係数が負の値を有する材料（例えば、アルメル、コンスタンタン等）で構成され、ｐ型半導体で構成される熱電素子２１２に接続される低温側導電部２２２は、ゼーベック係数が正の値を有する材料（例えば、銅、鉄、クロメル等）で構成される。

【0037】

高温側電極２３０は、熱電素子２１１，２１２の高温端に接続されて、熱電素子２１１，２１２の高温端を電気的に接続するものであり、本実施形態においては、導電性を有する平板状の部材（金属板）によって構成されている。熱電素子２１１，２１２及び高温側電極２３０によってπ型熱電素子が構成されることになる。高温側電極２３０は、電気伝導率が高い金属（例えば、銅）で構成されており、例えば、ろう付けによって、熱電素子２１１及び２１２の高温端に接合される。

【0038】

低温側導電部２２１，２２２は、充分な長さを有するように構成されており、低温側導電部２２１，２２２はそれぞれ、対応する熱電素子２１１、２１２の低温端を冷却するためのヒートシンク（放熱部）としても機能することになる。低温側導電部２２１、２２２を、充分な長さを有するように構成することで、強制空冷をすることなく、熱電素子２１１，２１２の高温端と低温端との間に必要な温度差を確保することが可能となる。

【0039】

また、熱電発電部２００においては、熱電素子２１１，２１２と、ヒートシンク（放熱部）として機能する低温側導電部２２１，２２２とが、絶縁基板や熱伝導性グリースを介することなく、直接接合されているので、従来の熱電変換モジュールと比較して、熱電素子２１１，２１２の低温側の熱抵抗が低減し、熱電素子２１１，２１２の低温側の冷却効率を向上させることができる。

【0040】

また、熱電発電部２００においては、低温側導電部２２１，２２２を、対応する熱電素子２１１，２１２と同じ極性の熱起電力（ゼーベック係数）を有する材料で構成するようにしているので、低温側導電部２２１，２２２の両端に生じる温度差によって、低温側導電部２２１，２２２においても、対応する熱電素子２１１，２１２と同じ向きの起電力が生じることとなり、その分、熱電発電部２００全体での起電力を大きくすることができる。

【0041】

《第三実施形態》
次に、前述した第一の熱電発電部１００を使用した熱電変換モジュールについて説明する。

【0042】

図３は、本発明による熱電変換モジュールの構成を説明するための図である。

【0043】

同図に示すように、本発明による第一の熱電変換モジュール３００は、複数（同図に示した例では、５つ）の熱電発電部１００ａ～１００ｅと、絶縁基板３４０と備える。

【0044】

なお、同図では、簡単のため、複数の熱電発電部１００ａ～１００ｅを直線状に並列配置した場合を示しているが、従来の熱電変換モジュールと同様に、複数の熱電発電部を面状に並列配置するようにしてもよい。

【0045】

複数の熱電発電部１００ａ～１００ｅはそれぞれ、前述した熱電発電部１００と同じ構成を有するものであり、熱電素子１１０ａ～１１０ｅと、低温側導電部１２０ａ～１２０ｅと、高温側導電部１３０ａ～１３０ｅとを備える。

【0046】

複数の熱電発電部１００ａ～１００ｅはそれぞれ、前述した熱電発電部１００と同じ構成を有しているので、前述した熱電発電部１００と同様の効果を奏することになる。

【0047】

絶縁基板３４０は、複数の熱電発電部１００ａ～１００ｅの高温側に接合されて、熱電変換モジュール３００の高温面を構成するものであり、例えば、セラミックスによって構成される。

【0048】

以上のような構成を有する熱電変換モジュール３００は、電源として要求される電圧・電流の仕様に応じて、低温側導電部１２０ａ～１２０ｅ及び高温側導電部１３０ａ～１３０ｅの端部を適宜、電気的に接続し、複数の熱電発電部１００ａ～１００ｅを直列又は並列に適宜接続した状態で使用されることになる。

【0049】

図４～図６は、熱電変換モジュール３００を使用する際の状態を説明するための図である。

【0050】

図４は、熱電変換モジュール３００が備える５つの熱電発電部１００ａ～１００ｅを直列に接続して使用する例を示し、図５は、熱電変換モジュール３００が備える４つの熱電発電部１００ａ～１００ｄを直列に接続して使用する例を示し、図６は、熱電変換モジュール３００が備える４つの熱電発電部１００ａ～１００ｃ、１００ｅを直列に接続して使用する例を示している。

【0051】

図４に示した例においては、熱電発電部１００ａの低温側導電部１２０ａと熱電発電部１００ｂの高温側導電部１３０ｂとが配線４０１で接続され、熱電発電部１００ｂの低温側導電部１２０ｂと熱電発電部１００ｃの高温側導電部１３０ｃとが配線４０２で接続され、熱電発電部１００ｃの低温側導電部１２０ｃと熱電発電部１００ｄの高温側導電部１３０ｄとが配線４０３で接続され、熱電発電部１００ｄの低温側導電部１２０ｄと熱電発電部１００ｅの高温側導電部１３０ｅとが配線４０４で接続され、熱電発電部１００ｅの低温側導電部１２０ｅと負荷４５０の一方の端子とが配線４０５で接続され、負荷４５０の他方の端子と熱電発電部１００ａの高温側導電部１３０ａとが配線４０６で接続されている。

【0052】

また、図５に示した例においては、熱電発電部１００ａの低温側導電部１２０ａと熱電発電部１００ｂの高温側導電部１３０ｂとが配線５０１で接続され、熱電発電部１００ｂの低温側導電部１２０ｂと熱電発電部１００ｃの高温側導電部１３０ｃとが配線５０２で接続され、熱電発電部１００ｃの低温側導電部１２０ｃと熱電発電部１００ｄの高温側導電部１３０ｄとが配線５０３で接続され、熱電発電部１００ｄの低温側導電部１２０ｄと負荷５５０の一方の端子とが配線５０４で接続され、負荷５５０の他方の端子と熱電発電部１００ａの高温側導電部１３０ａとが配線５０５で接続されている。

【0053】

また、図６に示した例においては、熱電発電部１００ａの低温側導電部１２０ａと熱電発電部１００ｂの高温側導電部１３０ｂとが配線５０１で接続され、熱電発電部１００ｂの低温側導電部１２０ｂと熱電発電部１００ｃの高温側導電部１３０ｃとが配線５０２で接続され、熱電発電部１００ｃの低温側導電部１２０ｃと熱電発電部１００ｅの高温側導電部１３０ｅとが配線５０６で接続され、熱電発電部１００ｅの低温側導電部１２０ｅと負荷５５０の一方の端子とが配線５０７で接続され、負荷５５０の他方の端子と熱電発電部１００ａの高温側導電部１３０ａとが配線５０５で接続されている。

【0054】

図４及び図５に示すように、熱電変換モジュール３００においては、外部の結線を切り替えることにより、複数の熱電発電部１００ａ～１００ｅを自由に組み合わせて使用することができるので、電源として要求される電圧・電流の仕様に柔軟に対応することが可能となる。

【0055】

また、複数の熱電発電部１００ａ～１００ｅの一部（例えば、熱電発電部１００ｄ）が破損した場合でも、図５に示すように、使用していない熱電発電部（例えば、熱電発電部１００ｅ）が存在している場合は、図６に示すように、外部の結線を一部変更するだけで、熱電変換モジュール３００の使用を継続することが可能となる。

【0056】

《第四実施形態》
次に、前述した第二の熱電発電部２００を使用した熱電変換モジュールについて説明する。

【0057】

図７は、本発明による別の熱電変換モジュールの構成を説明するための図である。

【0058】

同図に示すように、本発明による第二の熱電変換モジュール７００は、複数（同図に示した例では、５つ）の熱電発電部２００ａ～２００ｅと、絶縁基板７４０と備える。

【0059】

なお、同図では、簡単のため、複数の熱電発電部２００ａ～２００ｅを直線状に並列配置した場合を示しているが、従来の熱電変換モジュールと同様に、複数の熱電発電部を面状に並列配置するようにしてもよい。

【0060】

複数の熱電発電部２００ａ～２００ｅはそれぞれ、前述した熱電発電部２００と同じ構成を有するものであり、一対の熱電素子２１１ａ～２１１ｅ，２１２ａ～２１２ｅと、一対の低温側導電部２２１ａ～２２１ｅ，２２２ａ～２２２ｅと、高温側電極２３０ａ～２３０ｅとを備える。

【0061】

複数の熱電発電部２００ａ～２００ｅはそれぞれ、前述した熱電発電部２００と同じ構成を有しているので、前述した熱電発電部２００と同様の効果を奏することになる。

【0062】

絶縁基板７４０は、複数の熱電発電部２００ａ～２００ｅの高温側に接合されて、熱電変換モジュール７００の高温面を構成するものであり、例えば、セラミックスによって構成される。

【0063】

以上のような構成を有する熱電変換モジュール７００は、熱電変換モジュール３００と同様、電源として要求される電圧・電流の仕様に応じて、低温側導電部２２１ａ～２２１ｅ，２２２ａ～２２２ｅの端部を適宜、電気的に接続し、複数の熱電発電部２００ａ～２００ｅを直列又は並列に適宜接続した状態で使用されることになる。

【0064】

図８～図１０は、熱電変換モジュール７００を使用する際の状態を説明するための図である。

【0065】

図８は、熱電変換モジュール７００が備える５つの熱電発電部２００ａ～２００ｄを直列に接続して使用する例を示し、図９は、熱電変換モジュール７００が備える４つの熱電発電部２００ａ～２００ｄを直列に接続して使用する例を示し、図１０は、熱電変換モジュール７００が備える４つの熱電発電部２００ａ～２００ｃ、２００ｅを直列に接続して使用する例を示している。

【0066】

図８に示した例においては、熱電発電部２００ａの低温側導電部２２１ａと熱電発電部２００ｂの低温側導電部２２２ｂとが配線８０１で接続され、熱電発電部２００ｂの低温側導電部２２１ｂと熱電発電部２００ｃの低温側導電部２２２ｃとが配線８０２で接続され、熱電発電部２００ｃの低温側導電部２２１ｃと熱電発電部２００ｄの低温側導電部２２２ｄとが配線８０３で接続され、熱電発電部２００ｄの低温側導電部２２１ｄと熱電発電部２００ｅの低温側導電部２２２ｅとが配線８０４で接続され、熱電発電部２００ｅの低温側導電部２２１ｅと負荷８５０の一方の端子とが配線８０５で接続され、負荷８５０の他方の端子と熱電発電部２００ａの低温側導電部２２２ａとが配線８０６で接続されている。

【0067】

また、図９に示した例においては、熱電発電部２００ａの低温側導電部２２１ａと熱電発電部２００ｂの低温側導電部２２２ｂとが配線９０１で接続され、熱電発電部２００ｂの低温側導電部２２１ｂと熱電発電部２００ｃの低温側導電部２２２ｃとが配線９０２で接続され、熱電発電部２００ｃの低温側導電部２２１ｃと熱電発電部２００ｄの低温側導電部２２２ｄとが配線９０３で接続され、熱電発電部２００ｄの低温側導電部２２１ｄと負荷９５０の一方の端子とが配線９０４で接続され、負荷９５０の他方の端子と熱電発電部２００ａの低温側導電部２２２ａとが配線９０５で接続されている。

【0068】

また、図１０に示した例においては、熱電発電部２００ａの低温側導電部２２１ａと熱電発電部２００ｂの低温側導電部２２２ｂとが配線９０１で接続され、熱電発電部２００ｂの低温側導電部２２１ｂと熱電発電部２００ｃの低温側導電部２２２ｃとが配線９０２で接続され、熱電発電部２００ｃの低温側導電部２２１ｃと熱電発電部２００ｅの低温側導電部２２２ｅとが配線９０６で接続され、熱電発電部２００ｅの低温側導電部２２１ｅと負荷９５０の一方の端子とが配線９０７で接続され、負荷９５０の他方の端子と熱電発電部２００ａの低温側導電部２２２ａとが配線９０５で接続されている。

【0069】

図８及び図９に示すように、熱電変換モジュール７００においては、外部の結線状態を適宜変更することにより、複数の熱電発電部２００ａ～２００ｅを自由に組み合わせて使用することができるので、電源として要求される電圧・電流の仕様に柔軟に対応することが可能となる。

【0070】

また、複数の熱電発電部２００ａ～２００ｅの一部（例えば、熱電発電部２００ｄ）が破損した場合でも、図９に示すように、使用していない熱電発電部（例えば、熱電発電部２００ｅ）が存在している場合は、図１０に示すように、外部の結線を一部変更するだけ、熱電変換モジュール７００の使用を継続することが可能となる。

【0071】

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、上述した第二実施形態及び第四実施形態においては、高温側電極を介して、一対の熱電素子の高温端を電気的に接続するようにしていたが、一対の熱電素子の高温端を直接接合するようにすることも考えられる。

【実施例】

【0072】

次に、本発明による熱電発電部の実施例について説明する。

【0073】

まず、以下のようにして、マグネシウムシリサイド（Ｍｇ₂Ｓｉ）製のｎ型熱電素子を作製した。

【0074】

まず、化学量論比がMg_2.02Si_0.99Sb_0.01となるように、純度９９．９％、粒径１８０μｍのマグネシウム（Ｍｇ）粉末、純度９９．９％、粒径１８０μｍのケイ素（Ｓｉ）粉末及び純度９９．９９９％、粒径１８０μｍのアンチモン（Ｓｂ）粉末の秤量を行った。

【0075】

次に、原料粉末が均一になるように混合し、半密閉可能な蓋付き炭素製容器に収容した上で電気炉内に入れ、アルゴンガス雰囲気中、７００℃にて１時間、熱処理を行い、Ｍｇ₂Ｓｉ系熱電材料の固溶体を得た。

【0076】

次に、得られた固溶体を、自動乳鉢によって、粒径３０μｍ以下となるように粉砕を行った。

【0077】

次に、得られた固溶体粉末を、放電プラズマ焼結用の３０φの円柱状冶具に充填した上で、放電プラズマ焼結装置内に入れて、焼結温度８５０℃、焼結時圧力３０ＭＰａ、焼結時間２５分の条件で焼結を行った。

【0078】

その後、室温まで自然冷却させ、得られた焼結体を、１０×１０×１７ｍｍの直方体に加工して、最終的な熱電素子を得た。

【0079】

次に、得られた熱電素子を使用して熱電発電部を作製した。

【0080】

図１１は、作製した熱電発電部の構成を説明するための図である。

【0081】

同図に示すように、熱電発電部１１００は、ｎ型熱電素子１１１０と、低温側導電部としての銅線１１２１及びアルメル線１１２２と、高温側導電部としての銅線１１３０とを備える。

【0082】

なお、本実施例においては、便宜上、一つの熱電素子１１００の低温端に対して、材料の異なる２つの低温側導電部１１２１，１１２２を電気的に接続するようにしている。

【0083】

同図に示すような構成を有する熱電発電部１１００を、以下のようにして作製した。

【0084】

まず、熱電素子１１１０の両端部（銅線接合部分）をＳｉＣ研磨紙で荒らした上で、超音波はんだ付け装置を使用して、黒田テクノ株式会社（神奈川県横浜市港北区）製の特殊はんだ（セラソルザ・エコ）でコーティングした。

【0085】

次に、特殊はんだをコーティングした熱電素子１１１０の両端部のそれぞれに、銅線（径２．０ｍｍ、長さ４７０ｍｍ）の一方の端部をヤニなしのＰｂフリーはんだで接合した。

【0086】

次に、アルメル線（径２．３ｍｍ、長さ４７０ｍｍ）の一方の端部（銅線接合部分）に、上記特殊はんだのコーティングを施した上で、当該端部を、熱電素子１１１０の低温端付近において、低温側銅線１１２１にＰｂフリーはんだで接合した。

【0087】

最後に、銅線１１２１，１１３０及びアルメル線１１２２それぞれの他方の端部に、出力用端子としてＹ型端子を接続した。

【0088】

次に、以下のようにして、作製した熱電発電部１１００の発電性能の測定を行った。

【0089】

まず、熱電素子１１１０の高温端をホットプレート上で加熱した状態で、熱電素子１１１０の高温端及び銅線１１２１の出力端それぞれの温度を熱電対で測定すると共に、銅線１１２１及び銅線１１３０の出力端間の電圧をデジタル電圧計で測定した。

【0090】

同様に、熱電素子１１１０の高温端をホットプレート上で加熱した状態で、熱電素子１１１０の高温端及びアルメル線１１２２の出力端それぞれの温度を熱電対で測定すると共に、アルメル線１１２２及び銅線１１３０の出力端間の電圧をデジタル電圧計で測定した。

【0091】

図１２は、測定結果を示す図である。同図において、「Ｔｈ」は、熱電素子１１１０の高温端の温度（単位：℃）を、「Ｔｃ」は低温側導電部１１２１，１１２２の出力端の温度（単位：℃）を、「Ｖout」は、出力端間の電圧（単位：μＶ）を、「αout」は、温度差１度あたりの出力電圧（Ｖout／（Ｔｈ－Ｔｃ））（単位：μＶ／℃）を表している。

【0092】

同図に示すように、低温側導電部として、銅線を使用した場合より、アルメル線を使用した場合の方が、より大きな出力電圧を得ることができている。

【0093】

熱電素子１１１０は、ｎ型半導体であり、負のゼーベック係数を有する。一方、銅線は正のゼーベック係数を有し、アルメル線は、負のゼーベック係数を有する。つまり、低温側導電部として、熱電素子１１１０と同じ極性（すなわち、負）のゼーベック係数を有するアルメル線を使用した場合の方が、熱電素子１１１０とは逆の極性（すなわち、正）のゼーベック係数を有する銅線を使用した場合より、大きな出力電圧が得られていることになる。

【符号の説明】

【0094】

１００，１００ａ～１００ｅ 熱電発電部
１１０，１１０ａ～１１０ｅ 熱電素子
１２０，１２０ａ～１２０ｅ 低温側導電部
１３０，１３０ａ～１３０ｅ 高温側導電部
２００，２００ａ～２００ｅ 熱電発電部
２１１，２１１ａ～２１１ｅ，２１２，２１２ａ～２１２ｅ 熱電素子
２２１，２２１ａ～２２１ｅ，２２２，２２２ａ～２２２ｅ 低温側導電部
２３０，２３０ａ～２３０ｅ 高温側電極
３００ 熱電変換モジュール
３４０ 絶縁基板
４０１～４０６ 配線
４５０ 負荷
５０１～５０７ 配線
５５０ 負荷
７００ 熱電変換モジュール
７４０ 絶縁基板
８０１～８０６ 配線
８５０ 負荷
９０１～９０７ 配線
９５０ 負荷
１１００ 熱電発電部
１１１０ 熱電素子
１１２１ 低温側銅線
１１２２ アルメル線
１１３０ 高温側銅線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】