気密ケース入り熱電変換モジュール
【課題】大型の気密ケースに複数の熱電変換モジュールを封入可能とし、モジュールの実質的充填密度を向上させ、モジュール出力当たりの製造コストを低減する。
【解決手段】気密ケース１３を加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との二部材で構成すると共に、少なくとも一方のケース半体例えば加熱側ケース半体１１が内方に収納する熱電変換モジュール５の受熱面と平行な底面１１ｃと他方のケース半体例えば冷却側ケース半体１２と接合される周縁１１ａ及び底面１１ｃと周縁１１ａとの間を繋ぐ側面１１ｂとを有し、かつ側面１１ｂが周方向に波形を成している可撓面３２を有する可撓性のケース半体としている。
【解決手段】気密ケース１３を加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との二部材で構成すると共に、少なくとも一方のケース半体例えば加熱側ケース半体１１が内方に収納する熱電変換モジュール５の受熱面と平行な底面１１ｃと他方のケース半体例えば冷却側ケース半体１２と接合される周縁１１ａ及び底面１１ｃと周縁１１ａとの間を繋ぐ側面１１ｂとを有し、かつ側面１１ｂが周方向に波形を成している可撓面３２を有する可撓性のケース半体としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電半導体に加わる温度差を利用して発電する熱電変換モジュールに関する。さらに詳述すると、本発明は、熱電変換モジュールの大型化を可能とする気密ケース入りの熱電変換モジュールの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の量産規模の一般的構造の熱電変換素子は、複数対の熱電半導体の上下面に電極を備えることで電気回路を構成し、さらにそれぞれの電極の外側に電気絶縁性を備える板例えばセラミックス板あるいは電気絶縁膜を有する金属板を配置して挟み付けるように接着剤やろう材等の接合材で結合することによって組み立てられてモジュール化されている。
【０００３】
この熱電変換モジュールは、高温の空気中などの酸化雰囲気であったり、ゴミ焼却炉の燃焼ガスのような腐食性雰囲気下に設置する場合、熱電半導体や電極部分が外気に晒される構造の熱電変換モジュールでは酸化または腐食の恐れが伴う。したがって、従来の熱電変換モジュールは、このような雰囲気下に剥き出しにして設置できないため、高温ガスをダクトや仕切壁で隔離して、間接的に熱電変換モジュールを加熱する方法が一般的である。しかし、このようなシステムは、ダクトや仕切壁などの構造物が新たに必要になるばかりか、間接加熱のために熱電半導体に加わる温度差が減少する分だけ熱電変換モジュールの発電性能が低下する欠点がある。
【０００４】
そこで、本発明者等は、気密ケース入り熱電変換モジュールを提案した（特許文献１）。この気密ケース入り熱電変換モジュールは、気密ケースに複数対の熱電半導体を収容し、これら熱電半導体の高温熱源側の面に熱電半導体を電気的に直列に接続する熱源側電極部を設置すると共に、熱電半導体の低温熱源側の面に熱電半導体を電気的に直列に接続する放熱側電極部を設置し、ケース内部を減圧ないし真空にしたものである。ここで、気密ケースは、熱源側電極部を覆い高温熱源から熱を受ける加熱板と、放熱側電極部を覆い低温熱源へ熱を伝える冷却板と、冷却板と加熱板とを連結し滑り材を介して冷却板と加熱板との間で熱電半導体並びに電極部を挟んで一体化する連結板とで構成されている。そして、気密ケース内の少なくとも熱源側電極部と加熱板との間には加圧状態におけるこれらの間の相対的摺動を許容するように熱伝導性を有する滑り材が介在され、加熱板と冷却板との間に作用する加圧力により、滑り材が熱源側電極部に押圧されて熱源側電極部と一体に保持されるように設けられている。
【０００５】
一方、熱電変換モジュールは、平面寸法が４ｃｍ角程度のものが一般的で、大きなものでも７ｃｍ角程度である。これ以上の大型化は、モジュールに負荷される温度差に起因する熱応力が温度差とモジュール寸法の積にほぼ比例するため、熱電半導体を挟みつける加熱板の熱膨張に起因するせん断力の発生が脆弱な熱電半導体を破壊したり、各部材間の接合面で剥離を生じる恐れがあることから、実現が難しいものとなっている。そこで、従来の気密ケース入り熱電変換モジュールは、４ｃｍ角〜７ｃｍ角程度の１個の熱電変換モジュールを気密ケースに封入した構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４９８７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、気密ケースには貫通電極を２個備える必要があり、またケース内部には貫通電極とモジュールをリード線で接続する必要があるため、１個の気密ケースに１個の熱電変換モジュールを封入する構造では、モジュールの実質的な充填密度（与えられた伝熱面積に対するモジュール設置面積の比率）が低くなる問題を有している。
【０００８】
また、１個の気密ケースに１個の熱電変換モジュールを封入する構造では、モジュール本体に比べて貫通電極などを含む気密ケースのコストが相対的に大きくなり、気密ケース入り熱電変換モジュールの製造コストを押し上げてしまう問題がある。
【０００９】
上述の問題を解決するには、１個の気密ケースに複数個の熱電変換モジュールを封入することが望まれる。しかしながら、気密ケース入り熱電変換モジュールにおいては、熱電変換モジュールの熱を受ける面（以下、受熱面と呼ぶ）とケースの受熱面（熱電変換モジュールの受熱面と平行な平面）との密着性が損なわれると、接触熱抵抗が増加して熱電変換モジュールに負荷される温度差が低減して出力低下を招く恐れがあるという問題を抱えている。そして、大型気密ケースに数百度の温度差が付加されると、ケースに熱変形（加熱面に近い方と冷却面に近い方の熱膨張差に起因するケースの面外変形）が生じ、モジュールとケース内面の密着性が損なわれて接触熱抵抗が増加しモジュールの出力低下を招く恐れがある。即ち、熱電変換モジュールを収容する容積を確保するため箱形となる気密ケースは、密着性を上げるために容器の肉厚を薄くして変形し易くしても、モノコック構造であるため構造物としての剛性が強く薄板でもケースが変形できずに密着できない問題がある。モノコック構造の特徴が熱電変換用モジュール用の気密ケースでは欠点となってしまう。このため、熱電変換モジュールの面外変形に対してケースの変形が追従できずに熱電変換モジュールとの間に隙間が発生する虞がある。
【００１０】
また、ケースの熱変形によりケースには熱応力が発生する。この熱応力の大きさはケースの大きさおよび上下面の温度差の積に比例する。従って大型ケースほど大きな熱応力が発生し、また大きな温度差が付加されるケースほど大きな熱応力が発生する。その結果、最悪の場合、ケースが破損する恐れがある。即ち、気密ケースは、熱を良く受ける受熱面部分が最も伸びあるい収縮するのに対し、受熱面部分から離れ溶接される周縁部に近づくに従って熱の影響が少なくなりあるいは他方のケース半体からの熱の影響を受け、伸張あるいは収縮し難くなる。したがって、箱形のケースの場合、例えば受熱面が加熱されて膨張する（面積が増加する）と、周縁部と受熱面との間を繋ぐ側面のうち加熱面に近い部分が引っ張られることになる。即ち、側面の薄板には引っ張り応力と剪断応力とが作用する。しかし、薄板といえども箱形（モノコック）構造であるため、引っ張り応力や剪断応力に対する抵抗は強く、箱の一部を構成する側面が部分的に伸びるように変形することは容易ではない。よってケースに大きな応力が発生し、ケースの破損に至る虞がある。
【００１１】
したがって、従来の気密ケース入り熱電変換モジュールのケース構造では、大型化することに無理があるのが現状である。特に大きな温度差を負荷される大型の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいてこの問題は重要である。
【００１２】
本発明は気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、大型の気密ケースに複数の熱電変換モジュールを封入可能とし、モジュールの実質的充填密度を向上させ、モジュール出力当たりの製造コストを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するため、本発明は、熱電変換モジュールを気密ケースに収容して内部を減圧または真空とする気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、気密ケースは加熱側ケース半体と冷却側ケース半体との二部材で構成されると共に、少なくとも一方のケース半体が内方に収納する前記熱電変換モジュールの受熱面と平行な底面と他方のケース半体と接合される周縁及び底面と周縁との間を繋ぐ側面とを有し、かつ側面が周方向に波形を成している可撓性のケース半体であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、気密ケースの内部に冷却パネルを設置し、該冷却パネルを気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される冷却媒体で冷却して熱電変換モジュールの冷却側の受熱面を気密ケース内で直接冷却すると共に熱電モジュールの加熱側の受熱面を加熱側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うようにしている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、気密ケースの内部に加熱パネルを設置し、該加熱パネルを気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される加熱媒体で加熱して熱電変換モジュールの加熱側の受熱面を気密ケース内で直接加熱すると共に熱電モジュールの冷却側の受熱面を冷却側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うようにしている。
【００１６】
ここで、冷却パネルあるいは加熱パネルは、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える一方の室と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する他方の室との２室に気密ケースの内部を分画する仕切り板で構成されていることが好ましい。また、冷却パネルあるいは加熱パネルは、ケース半体とは分離された独立した容器から成り、気密ケースを貫通する冷却媒体出入り口配管と接続されて外部熱媒体供給源との間で熱媒体を循環させるものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールによれば、少なくとも一方のケース半体の受熱面となる底面が加熱されて膨張（面積が増加）したり冷却されて収縮する（面積が減少する）と、底面に近い部分の波形の側面のピッチを広げたり狭めたりする変形を起こすことで、底面の膨張あるいは収縮に追従してケース全体を無理なく変形させてその健全性を維持するようにしている。即ち、気密ケースの側面を波形にすることにより、薄板の面方向のしなやかな曲がりで気密ケースの変形を可能にして、膨らみ易いあるいは縮み易い構造とできる。したがって、気密ケースの加熱側のケース半体の底面と冷却側のケース半体の底面との両面間に生ずる垂直方向の温度勾配に起因する熱応力緩和を実現することができる。
【００１８】
即ち、ケース半体の側面の底面側寄りでは波の間隔が広がりあるいは縮まり、底面から離れた溶接部・周縁側寄りの側面では波の間隔があまり大きく変化せずに、側面の底面側寄りと溶接部・周縁側寄りとで変形量を異ならせることができる。これにより、気密ケースの受熱面となるケース半体の底面はモジュールの面外変形（平面だったモジュールが凸レンズのように平面ではなくなる変形）に追従するように面方向に伸縮しあるいは変形し、密着状態を維持することができる。したがって、熱電変換モジュールの受熱面とケース半体の底面との接触界面における接触熱抵抗を小さくして、熱電半導体に大きな温度差を与えることができるので、出力低下を招く恐れがない。
【００１９】
さらに、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールによれば、１個の気密ケースに複数個の熱電変換モジュールを封入することができるので、モジュールの実質的充填密度（与えられた伝熱面積に対するモジュール設置面積の比率）を向上させ、出力密度（単位面積当たりの出力）を増大させることができる。また、モジュール本体に比べて貫通電極などを含む気密ケースのコストを相対的に下げることができるので、気密ケース入り熱電変換モジュールの製造コストを低減できる。さらに、大型の気密ケースでも大きな温度差での使用が可能になる。
【００２０】
また、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、外部熱媒体供給源から供給される冷却媒体を循環させる冷却パネルあるいは加熱媒体を循環させる加熱パネルを気密ケース内に内蔵して、熱電変換モジュールの一方の受熱面を気密ケース内で直接冷却あるいは加熱すると共に熱電モジュールの他方の受熱面をケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うようにすれば、気密ケースの片面に加熱流体あるいは冷却流体を流すダクトを加圧接触させて熱の授受を行う場合にも、ダクトを気密ケースの片面に押し付けるだけで済み、加圧機構を簡素化できる。また、気密ケース入り熱電変換モジュールに対向する放射熱源からの放射伝熱あるいは気密ケース入り熱電変換モジュールの周りを流れる熱媒体による対流伝熱によって熱電変換モジュールの一方の受熱面が加熱あるいは冷却されると共に、気密ケース内の冷却パネルあるいは加熱パネルを介して熱電変換モジュールの他方の受熱面が冷却あるいは加熱されるので、加圧接触させる機構あるいは気密ケースと熱媒体を通すダクトとの間での熱伝導性グリースなどの粘性熱伝導物質の塗布を必要としない。依って、本発明にかかる気密ケース入り熱電変換モジュールはその用途において制限を受けることが少ない。このため、高温熱源からの放射熱下、例えば粉末冶金焼結炉や各種電気炉などの工業炉内で発生する被加熱物などから発生する廃熱を放射伝熱の熱源としたり、あるいは産業廃棄物焼却炉などの熱を伴う各種産業設備から排出される廃ガスや廃液などの高温流体を対流伝熱の熱源としたり、さらには固体熱源に接触させて熱伝導により得られる熱を熱源とするなど、あらゆる環境下において、気密ケース入り熱電変換モジュールを配置するだけで使用することができる。
【００２１】
さらに、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、冷却パネルあるいは加熱パネルを、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える一方の室と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する他方の室との２室に気密ケースの内部を分画する仕切り板で構成する場合には、ケース半体をプレス加工などで成形する際に熱媒体を流す流路も同時に形成できるので、加工が容易である。しかも、熱電変換モジュールを収納する室と熱媒体が流れる室とを区画する仕切り板で密封するだけの簡単な構造のため液密性の高い構造となり、気密容器内を漏れなく熱媒体が流れて熱電変換モジュールの一面を冷却ないし加熱できる。
【００２２】
また、冷却パネルあるいは加熱パネルをケース半体とは分離された独立した密閉容器で構成する場合には、比較的変形し難いケース半体側でも、側面が波形を成している可撓性のケース半体側でも、いずれのケース半体側にでも必要に応じて配置可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールの一実施形態を示す平面図である。
【図２】同気密ケース入り熱電変換モジュールの側面図である。
【図３】同気密ケース入り熱電変換モジュールのケース半体の側面の波形構造を示す断面図である。
【図４】同気密ケース入り熱電変換モジュールの２つのケース半体を接合の一例を示す断面図である。
【図５】気密ケース内部に９個の熱電変換モジュールを収容した場合の配置例の１つを示す概略平面説明図である。
【図６】可撓性のケース半体の一例を上ケースに適用した実施形態を示す図で、（Ａ）は上から見た斜視図、（Ｂ）は下ケースの内部を下から見た斜視図である。
【図７】図１に示す形状の気密ケースに、冷却面（下面）のみにセラミック板を備える片面スケルトン・モジュールを封入した例を示す縦断面図である。
【図８】図１に示す形状の気密ケースに、加熱・冷却面（上下面）共にセラミック板を備える両面基板付きモジュールを封入した例を示す縦断面図である。
【図９】図１に示す形状の気密ケースに、加熱・冷却面（上下面）共にセラミック板を備えない両面スケルトン・モジュールを封入した例を示す縦断面図である。
【図１０】図９の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図１１】図１に示す形状の容器において、両面スケルトン・モジュールおよび冷却パネルを収容した例を示す縦断面図である。
【図１２】図９の気密ケースの外観を示す図で、（Ａ）は上からみた斜視図、（Ｂ）は下から見た斜視図である。
【図１３】図９の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図１４】加熱側に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用しているが、一方で冷却側には金属板を採用した実施例を示す縦断面図である。
【図１５】図１４の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例である。
【図１６】図１４の実施例において、両面スケルトン・モジュールおよび冷却パネルを収容した実施例を示す縦断面図である。
【図１７】図１６の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図１８】加熱側（上面側）に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用しているが、一方で冷却側（下側）には金属ケースを採用した実施例を示す縦断面図である。
【図１９】図１７の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図２０】図１９の気密ケースの外観を示す図で、（Ａ）は上からみた斜視図、（Ｂ）は下から見た斜視図である。
【図２１】図１９の実施例において、両面スケルトン・モジュールおよび冷却パネルを収容した実施例を示す縦断面図である。
【図２２】図２１の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図２３】本発明の熱電変換モジュールの実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２４】気密ケース内に設ける加熱・冷却パネルの他の実施形態を示すもので、ケース半体と一体に熱媒体の流路と電極用溝部とを形成した下ケースの内部を上から見た斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１から図７に本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールの実施の一形態を示す。この気密ケース入り熱電変換モジュール１は、気密性の容器（以下、気密ケースと呼ぶ）１３に熱電変換モジュール５を密封して内部を減圧または真空としているものである。尚、熱電変換モジュール５は、図７に示すように、少なくとも一対の熱電半導体２と、熱電半導体２と電気的に接続されている一方の電極３及び他方の電極４から構成され、各電極３，４を直列に接続して端部のリード線８から一対の電極９ａ，９ｂに導通させる電気回路を構成している。ここで、一対の電極９ａ，９ｂは電気絶縁体１８並びに気密シール２１を気密ケース１３の電極取り出し用孔１０との間に介在させて気密ケース１３の一隅から気密ケース１３の外に貫通するように設けられている。これにより、気密ケース１３の密封性を保ちつつ、熱電変換モジュール５が発電した電力を気密ケース１３の外側へと取り出すことができるようにしている。熱電変換モジュール５は、例えば図５に示すように、複数モジュールが互いに直列に接続され、その両端部が貫通電極９ａ，９ｂに接続されている。これらを例えば９個まとめて一つのケースに収容した場合、ケース本体の価格は９倍とはならず割安になるため、熱電変換モジュールの出力当たりの設備単価を低減できる。また各モジュールを近接して並べることができるため、熱電変換モジュール５を１個毎に気密ケース１３に収容する場合に比べて単位面積当たりの熱電変換モジュール設置密度を高くできる。因みに、熱電変換モジュール５が発生した電力は図示を省略する電力回収用ラインを介して蓄電装置や電力利用機器に供給される。
【００２６】
気密ケース１３は、本実施形態の場合、加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との二部材で構成されており、熱電変換モジュール５を間に挟んだ状態で周縁１１ａ，１２ａが接合されて１つの気密性の容器を構成するように設けられている。ここで、少なくとも一方のケース半体、本実施形態の場合には加熱側ケース半体１１は、図６に示すように、内方に収納する熱電変換モジュール５の受熱面と平行な底面１１ｃと他方のケース半体１２と接合される周縁１１ａ及び底面１１ｃと周縁１１ａとの間を繋ぐ側面１１ｂとを有し、かつ側面１１ｃが周方向に波形を成して可撓面３２を形成するようにした可撓性の容器に構成されている。本発明において、少なくとも一方のケース半体とは、熱電変換モジュール５に温度差を与え発電するときの主たる温度変化を負担する側の熱源と面するケース半体を主に指すものであり、一般には加熱側のケース半体１１であるが、冷熱源を利用して温度差を得る場合には冷却側のケース半体１２とすることもある。勿論、図示していないが、加熱側と冷却側の双方のケース半体１１，１２を曲げ変形が容易な肉厚でかつ側面１１ｂ，１２ｂが波形となった可撓面３２を構成する可撓性のケース半体としても良いことは言うまでもない。さらに、他方のケース半体は、室温に晒されるなど、一方のケース半体に比べて大きな熱負荷の変動（温度変化）を受けることが少なく、一方のケース半体よりも受ける熱応力が遙かに小さいので、可撓性の容器に構成する必要はない。したがって、他方のケース半体は、特定の構造に限定されず、図４あるいは図７から図１３に示すような比較的肉厚が厚い（0.1 mm〜0.5 mm程度）薄肉容器構造としても良いし、さらには図１８から図２２に示すようなより厚肉の容器構造、場合によっては図１４から図１７に示すような平坦な金属板２８であっても良い。
【００２７】
図１〜図７に示す実施形態の場合には、加熱側ケース半体１１にはプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用し、冷却側ケース半体１２にも薄肉容器を採用している。加熱側ケース半体１１の可撓性容器は、例えば厚さ０．１ ｍｍ程度の薄肉の金属シートをプレス加工（深絞り加工）したものであり、その側面１１ｂが周方向に波形を成すように形成された可撓面３２を構成することにより、気密ケース１３の上下の受熱面間の熱膨張差に対する熱応力緩和が容易な構造とされている。可撓性容器は、圧力差や熱変形によって破断しない程度の強度を維持できる範囲で可能な限り厚みを薄くすることが好ましい。他方、冷却側ケース半体１２の薄肉容器は、例えば厚さ０．５ ｍｍ程度の薄肉の金属シートをプレス加工したものである。本実施形態では、気密ケース１３を貫通する２つの電極９ａ，９ｂが少なくとも冷却側ケース半体１２の底面１２ｃに溶接される。さらには、必要に応じて冷却媒体または加熱媒体を気密ケース１３内に導入して循環させるための出入り口配管１９ａ，１９ｂが冷却側ケース半体１２の底面１２ｃに溶接されている。これら貫通電極９ａ，９ｂ、さらには出入り口配管１９ａ，１９ｂを冷却側ケース半体１２に溶接するには、冷却側ケース半体１２の厚さは０．５ ｍｍ以上あることが望ましい。この気密ケース１３の構造では、加熱側ケース半体１１および冷却側ケース半体１２ともプレス加工品が使えるため、量産による大幅なコスト削減が期待できる。尚、可撓面３２を構成する波形の大きさやピッチなどは特定の値に限定されず、熱電変換モジュールの面外変形に追従できる変形を実現できる材質に応じた曲率半径、高さ、ピッチで形成される。例えば、４ｃｍ角の４つの熱電変換モジュール５を組み込む気密ケース１３を実施する場合、周縁の外寸が縦１１０ｍｍ、横１３０ｍｍ程度の矩形状を成すケース半体に、ピッチ約２１ｍｍ、半径約７．２５ｍｍの波形で、側面が７０°の斜面で形成されると共に５．６ｍｍの高さに設定されることが好ましい。この実施形態の場合、厚み０．１ｍｍの薄板で形成される。波形のピッチや半径などは上述の特定の値に限定されず、必要に応じて適宜値で設定される。
【００２８】
ここで、加熱側及び冷却側ケース半体１１，１２は、熱伝導性に優れる材料の薄板で形成されている。例えば、熱電半導体２としてＢｉＴｅなどを用いる低温用熱電変換モジュール（ケースの加熱側温度２５０℃以下）を構成する場合、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）などの使用が好ましい。また、熱電半導体２として例えばＳｉＧｅやＦｅＳｉなどを用いる高温用熱電変換モジュール（ケースの加熱側温度６００℃程度）を構成する場合、例えばチタン（Ｔｉ）などの耐熱鋼の使用が好ましい。いずれも素材の厚さは０．１ ｍｍ〜０．５ ｍｍ程度が適するが、これに限定せずモジュールの大きさや差圧なども考慮して決定することが好ましい。勿論、使用環境に応じて耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点から最も最適なものが、使用可能な材質として選定される。なお、１個の気密ケース１３に収容できる熱電変換モジュール５の数に制約はないが、加熱側ケース半体１１が各熱電変化モジュール５に均等に密着するためには、気密ケース１３が正方形に近いことが望ましい。但し、ケース半体の材質は例示したものに限定されず、またプレス成形加工により一体成形されることには限定されない。
【００２９】
これら加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２とは、本実施形態の場合、例えば熱電変換モジュール５並びに電極９ａ，９ｂなどの付帯装備を収容した後に真空雰囲気下で加熱側ケース半体１１および冷却側ケース半体１２の周縁１１ａ，１２ａを重ねて周縁１１ａ，１２ａ部分を電子ビーム溶接で接合することによって、内部を減圧または真空状態として一体化されている。このとき、加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との肉厚の差を解消するため、肉厚の薄いケース半体即ち加熱側ケース半体１１の周縁１１ａに他方のケース半体即ち冷却側ケース半体１２ａとほぼ同じ厚さの補助リング２３を宛がってビーム溶接によりへり継手２４を形成するように溶接されている。尚、フランジ１１ａ，１２ａの接合は電子ビーム溶接に限られず、ケース材料に適したその他の溶接法やろう材、接着剤などで接合することが可能である。また、フランジ１１ａ，１２ａを設けずに直接突き合わされた加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２とを接合するようにしても良い。
【００３０】
また、気密ケース１３の内部即ち熱電変換モジュール収納室１７の圧力は、たとえば、当該気密ケース１３の外の圧力よりも低いものとして少なくとも運転時に０．４気圧以上の差圧が得られる減圧雰囲気又は真空とすることが好ましい。この差圧の存在により気密ケース１３に外からかかる加圧力により、熱電変換モジュール５と加熱側ケース半体１１並びに冷却パネルあるいは加熱パネル７とのそれぞれの接触界面において加圧・密着され、接触熱抵抗が低減される。因みに、本発明者等の実験によると（特許文献１参照）、例えば５５０℃、大気圧下で運転する気密ケース入り熱電変換モジュール１を想定すると、室温（２７℃）での封入圧力（ＰＲＴ）を−０．８気圧（ゲージ圧）とすると、５５０℃に加熱した際の内圧Ｐ５５０は絶対圧で０．５５気圧、ゲージ圧で−０．４５気圧となり、十分な温度差を与えるに十分な圧力を付与できることが判明した。この場合に容器７を外部から押しつける圧力は０．４５ｋｇ／ｃｍ２＝４．５ｔｏｎ／ｍ２である。
【００３１】
以上のように構成された気密ケースと熱電変換モジュールとの組み立てに際しては、溶接前の加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との間で構成される気密ケース１３の内部高さは、収納する熱電変換モジュール５およびカーボンシートなどの滑り材３０やマイカシート２７などの各種構成物の合計高さよりも０．２ｍｍ程度小さく設定されている。即ち、下側となる冷却側ケース半体１２に熱電変換モジュール５および各種構成物を入れ、さらに上側となる加熱側ケース反対１１を乗せると、加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との間には０．２ｍｍ程度の隙間が生ずる。この隙間をケースの周囲から治具により押さえつけて真空下で電子ビーム溶接すると、上側の薄肉の可撓性容器たる加熱側ケース半体１１と下側の薄肉容器たる冷却側ケース反対１２とが変形する（膨らむ）ことにより密封される。電子ビーム溶接は真空チェンバーの中で行うため、容器内部は真空となっている。したがって、収納する熱電変換モジュール５および各種構成物は、波形の可撓面３２付近が変形することにより上下のケース半体１１，１２が完全に密着した状態で１気圧（０．１ MPa=１ kg/cm2）の力で上下から押さえつけられるため、各種構成要素の接触面間に存在する接触熱抵抗が低減でき、熱電変換モジュール５に大きな温度差を与えることができる。
【００３２】
本実施形態における熱電変換モジュール５は、図７に示すように電気絶縁性を有する基板６例えばセラミック基板によって支持されている片面スケルトンモジュールとしているが、これに特に限られるものでない。例えば図８に示すような両面を電気絶縁性基板６で支持した両面基板付きモジュールを組みこんだり、図９などに示すような両面を電気絶縁性基板６で支持せずにマイカシート２７などの電気絶縁材料などを備えるだけの両面スケルトンモジュールを組み込むことも可能である。ここで、両面スケルトン・モジュールは非常に脆弱で曲げの力に対して弱く破損しやすいため、図９及び図１０に示すように、熱電変換モジュール５の冷却側（または少なくとも片面）に例えば厚さ２０μm程度のマイカ（雲母）・シート２７および厚さ１ ｍｍ程度のバックアップ用金属板３３を挿入することが好ましい。マイカ・シート２７は主に電気絶縁のためであり、同程度の厚さの高分子シートまたはガラス板を用いるようにしても良い。また、バックアップ用金属板３３はモジュール本体に曲げ力が作用することを防ぐためであり、熱伝導率の高い金属など（例えば銅板）が適し、剛性を得るに必要な厚さであればよい。このことから、図１１及び図１３に示すように、熱電変換モジュール５の一方の面に冷却パネル２５（あるいは加熱パネル）を設置する場合、あるいは図１４や図１５に示すように他方のケース半体を厚さ数ｍｍの平坦な金属板とする場合、あるいは図１８や図１９に示すように他方のケース半体をプレス成形品よりも厚肉の箱形の非可撓性の金属ケースとする場合には、これらが両面スケルトン・モジュールに曲げ力が作用することを防ぐためバックアップ用金属板３３を組み込む必要はない。
【００３３】
また、電気絶縁性を有する基板６としては、例えばアルミナの板に銅を電極の形状に蒸着した製品がＤＢＣ（Direct Bonding Copper）として入手することも可能であり、これを基板６および電極３あるいは４として利用することもできる。また、基板６としては、セラミック基板の他、電気絶縁性接合剤により電極３あるいは４が接合される構造の金属製基板を用いるようにしても良い。いずれにしても、基板６と加熱側ケース半体１１の底面１１ｃあるいは冷却側ケース半体１２の底面１２ｃとは、例えば接着剤やろう材による接合によって密着されるか、または熱伝導性グリースやカーボンシートなどの滑り材３０を介して密着される。
【００３４】
このパッケージ熱電変換システム１の加熱側ケース半体１１の熱電変換モジュール５と対向する面と電極板３との間には、図７に示すように、熱伝導性を有する滑り材３０を介在させることが好ましい。熱伝導性滑り材３０の介在により加熱側ケース半体１１と電極３との間の熱的連結が図られると共に、加熱側ケース半体１１と電極３との間の相対的摺動即ちずれを容易ならしめる。ここで、滑り材３０は、少なくとも熱伝導性と摺動性（滑り）を備えているものであるが、より好ましくは電気絶縁性を備えていることである。しかし、電極部３と滑り材３０との間に電気絶縁材あるいは電気絶縁層が介在されれば、滑り材３０そのものが電気絶縁性を備える必要はない。そこで、滑り材３０としては、熱伝導性を有する低摩擦係数のシート材あるいはグリースのような粘性物の使用が好ましい。具体的には、シート材としては、カーボンシートあるいは高分子シートの使用が好ましい。カーボンシートは、摺動性に優れる上に熱伝導性並びに耐熱性にも優れるのでより高い最高使用温度の熱電半導体の使用を可能とすると共に、カーボンシートが介在する界面の熱抵抗をこれが存在しない場合の１／１０以下に低減することができる。加えて、図７に示すように、マイカシート２７との併用により電気絶縁を確実なものとした上に界面での熱の伝導と滑りを良好なものとすることができる。特に、気密ケース１３に収めて使用する場合には、大気中で使用する場合よりも高温まで使用することができる。また、高分子シートは、摺動性に優れると共に電気絶縁性であることから、電極材にも直接接触させることができる。さらに、粘性物質であるグリースを滑り材として加熱側ケース半体１１と電極３との間に介在させる場合には、せん断応力の発生を防ぐと共に、粘性物質であるために加熱板と電極部とを隙間なく密着させて当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。これにより熱電半導体に大きな温度差を負荷できる。しかも、気密ケース１３に密封されているため、熱酸化によるグリースの劣化やグリースの蒸発などの問題が無くなり、グリースを長期に安定して容器と熱源側電極部との間に保持できる。
【００３５】
以上のように構成された気密ケース入り熱電変換モジュールによれば、気密ケース１３は容器内外の差圧により外側から押圧力を受ける。この押圧力を利用して気密ケース１３の加熱側ケース半体１１の熱電変換モジュール５と対向する底面１１ｃが熱電変換モジュール５に均一に押しつけられる。そして、気密ケースの加熱側ケース半体１１に受ける熱が熱電変換モジュール５に均一に授受される。そして、加熱側ケース半体１１の受熱面となる底面１１ｃが加熱されることにより、膨張（面積が増加）を起こしても、側面１１ｂの底面１１ｃに近い部分では波形の可撓面３２のピッチが広がるように曲げ変形を起こすことで、底面１１ｃの膨張に追従してケース全体を無理なく変形させる。これにより、加熱側ケース半体１１の底面１１ｃは熱電変換モジュール５の面外変形に追従するように面方向に変形し、密着状態を維持することができる。したがって、熱電変換モジュールの受熱面とケース半体の底面との接触界面における接触熱抵抗を小さくして、熱電半導体に大きな温度差を与えることができるので、出力低下を招く恐れがない。
【００３６】
また、加熱側ケース半体１１の底面１１ｃと電極３との間にマイカシート２７と滑り材３０を介在させているので、底面１１ｃが熱膨張しても、底面１１ｃを滑り材３０の上で面方向に滑らせるので、熱電変換モジュール５には、大きなせん断応力は作用しない。したがって、気密ケース入り熱電変換モジュール１を大型化しても、脆弱な熱電半導体２を破壊したり、接合面で剥離を生じることはない。
【００３７】
ここで、気密ケース１３の加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との配置は、図７に示す関係に特に限定されず、例えば図１０に示すように、加熱側ケース半体１１を下にして、冷却側ケース半体１２を上に配置するようにしても良い。そして、可撓面３２を有する可撓性容器としては、上述のように必ずしも反対側のケース半体よりも肉薄にする必要はない。可撓面３２の波形を曲げ変形させ得る厚さであれば、０．１ｍｍの厚さに限定されるものでなはく、それ以上の厚みを有していても問題はない。例えば、図１０に示す実施形態で、可撓性容器としての冷却側ケース半体１２には電極９ａ，９ｂを貫通させて溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。その反面、２個の貫通電極９ａ，９ｂを溶接しない加熱側ケース半体１１の厚さは０．１ ｍｍ程度としても良い。
【００３８】
また、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールは、気密ケース１３の上下の受熱面（加熱側ケース半体１１の底面１１ｃと冷却側ケース半体１２の底面１２ｃ）を介して外部から加熱されることに限られず、例えば、図１１及び図１３に示すように、気密ケース１３の内部に冷却パネル２５あるいは加熱パネルを配置して気密ケース１３の外から導入する熱媒体を循環させてその熱で熱電変換モジュール５の一方の面を直接に冷却あるいは加熱するようにしても良い。ここで、冷却パネル（あるいは加熱パネル）２５は、密閉された函体内に熱媒体を通過させる流路を形成したもので、例えばチューブを内蔵したり、あるいは図２４に示すようにプレス成形によって底面に溝が形成された函体を蓋で封するようにしたものでも良い。図１１の実施例の場合、図１に示す形状の気密ケース１３の冷却側ケース半体１２側に冷却パネル２５を配置すると共にその上にマイカシート２７を介して両面スケルトン・モジュール５を収容し、さらに両面スケルトン・モジュール５の上受熱面をマイカシート２７とカーボンシート３０を介して可撓性容器から成る加熱側ケース半体１１の底面１１ｃに接触させるようにしている。この場合、熱電変換モジュール５の下の受熱面は冷却パネル２５の内部流路（図示省略）を流れる熱媒体の熱で効率良く冷却される。したがって、気密ケース入り熱電変換モジュール１に加圧機構を用いて外力を付与しなくとも、熱電変換モジュール５には適宜温度差が与えられる。尚、気密ケース１３の下部の冷却側ケース半体１２の底面１２ｃには、２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂが溶接されている。この気密ケースの外観を図１２に示す。
【００３９】
また、冷却パネル２５は他方のケース半体たる薄肉容器側に配置される場合に限られず、波形の可撓面３２を有する可撓性容器側に配置するようにしても良い。例えば、図１３に示す実施例のように、図１１の実施例の気密ケース１３の加熱・冷却面を逆にしたものにも適用可能である。この場合の加熱側（下面側）の容器は厚さ０．１ ｍｍ程度でよい。一方、冷却側（上面側）の可撓性容器は２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４０】
以上のように気密ケース１３の内部に冷却パネル２５（あるいは加熱パネル）を配置した気密ケース入り熱電変換モジュール１によると、熱電変換モジュール５に温度差を与える他方の熱源として放射熱や対流熱、あるいはダクトを介した伝熱などを用いることができるので、様々な用途に使用できる。しかも、加熱ダクトまたは冷却ダクトを一方の熱源とする場合にも、気密ケース入り熱電変換モジュール１と加熱ダクトまたは冷却ダクトとを加圧接触させる必要はあるが、従来の熱電変換システムのように加熱ダクトと冷却ダクトの双方で気密ケース入り熱電変換モジュール１を挟んで加圧する方式に比べて、加圧機構を簡素化できる。他方、放射伝熱あるいは対流伝熱を利用する場合にも、気密ケース１３内の冷却パネル（あるいは加熱パネル）を流れる冷却流体あるいは加熱流体によって熱電変換モジュール５の一方の受熱面が冷却あるいは加熱されるので、加圧接触させる機構を必要としない。このように、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュール１は、気密ケース１３内に冷却流体あるいは加熱流体を流すように設けられているので、あらゆる環境下において気密ケース入り熱電変換モジュール１を配置するだけで使用することができるものである。
【００４１】
また、気密ケース１３を構成する加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との２部材は、必ずしも図１−図１３に示すような、比較的薄肉のプレス成形品を重ね合わせるような構造のものに限られず、伝熱性材料の板とケース半体との組み合わせによって構成するようにしても良い。例えば、図１４に示すように、加熱側ケース半体１１に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用し、冷却側ケース半体として金属板２８を採用するようにしても良い。この場合、金属板２８としては、熱伝導率が高く、使用雰囲気における耐食性に優れ、かつ加熱側の可撓性容器と溶接可能なものであることが望まれる。金属板２８の厚さはケースの大きさにも依存するが、数ｍｍあればよい。ただし、腐食性雰囲気で使用する場合の腐食代を考慮する場合は、使用条件および耐用年数に応じた厚さとすることが望ましい。尚、この金属板２８には２個の貫通電極９ａ，９ｂが溶接される。また、金属板２８は冷却側に配置される場合に限られず、例えば、図１５に示すように、図１４の実施例とは反対に加熱側に金属板２８を配置するようにしても良い。この場合の冷却側ケース半体（上面側）１２を構成する可撓性容器は、２個の貫通電極９ａ，９ｂが溶接されるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４２】
さらに、冷却パネル２５と金属板２８とは併用するようにしても良い。例えば、図１６に示すように、図１４の実施例において、冷却側の金属板２８の上に冷却パネル２５を配置してからマイカシート２７を介在させて両面スケルトン・モジュール５を収容するようにしても良い。この実施例の場合、冷却側ケース半体となる金属板２８には、２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂが溶接可能となる。また、図１７に示すように、金属板２８を加熱面側として上方の冷却面側の可撓性容器即ち冷却側ケース半体１２に冷却パネル２５を配置するようにして、図１６の実施例とは逆の配置関係としても良い。この場合の冷却側（上面側）の可撓性容器は２個の貫通電極９ａ，９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４３】
また、可撓性を必要としない他方のケース半体としては、プレス成形品よりも厚肉の非可撓性のケース半体を採用するようにしても良い。例えば、図１８に示すように、加熱側（上面側）に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器から成る加熱側ケース半体１１を採用し、冷却側（下側）には非可撓性の金属ケースから成る冷却側ケース半体１２を採用するようにしても良い。この場合、非可撓性の金属ケースから成る冷却側ケース半体１２には２個の貫通電極９ａ，９ｂが溶接されている。また、図１９に示すように、非可撓性の金属ケースを加熱面側として、上方の可撓性容器から成る冷却側ケース半体１２から２個の貫通電極９ａ，９ｂを取り出すようにしても良い。この場合の冷却側（上面側）の可撓性容器は貫通電極９ａ，９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。尚、図２０に図１９のケースの外観を示す。
【００４４】
さらに、プレス成形品よりも厚肉の非可撓性のケース半体と冷却パネル２５（あるいは加熱パネル）とを併用するようにしても良い。例えば、図２１に示すように、図１９の実施例において、非可撓性の金属ケースを冷却面側として、非可撓性の冷却側ケース半体１２の上に冷却パネル２５を配置してからマイカシート２７を介在させて両面スケルトン・モジュール５を収容するようにしても良い。この実施例の場合、冷却側ケース半体１２となる金属ケースには、２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂが溶接されている。また、図２２に示すように、非可撓性の金属ケースを加熱面側（加熱側ケース半体１１）として、上方の冷却面側の可撓性容器即ち冷却側ケース半体１２に冷却パネル２５を配置するようにして、図２１の実施例とは逆の配置関係としても良い。この場合の冷却側（上面側）の可撓性容器は２個の貫通電極９ａ，９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、冷却媒体あるいは加熱媒体を気密ケース１３の中に導入して気密ケース１３内で熱電変換モジュール５の一方の受熱面を直接冷却あるいは加熱するための手法として気密ケース１３とは別体の冷却パネル２５あるいは加熱パネル（図示省略）を内蔵する例を挙げて主に説明しているが、場合によっては図２３及び図２４に示すように、一方のケース半体例えば冷却側ケース半体１２の底部に流路１６を形成する凹凸を設けて仕切り板７で塞ぐことにより、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える熱電変換モジュール収納室１７と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する熱媒体循環室１４との２室に気密ケースの内部を分画し、かつ仕切り板７を冷却パネルあるいは加熱パネルとして機能させることも可能である。
【００４６】
この実施形態の気密ケース１３では、冷却側ケース半体１２の全域を熱媒体循環室１４とせずに、一側に電極を取り出し配置するための電極用溝部２２を設け、仕切り板７の上方の空間と連通して熱電変換モジュール収納室１７の一部を構成させている。この熱媒体循環室１４と電極用溝部２２とは、堰２０によって区切られており、熱媒体循環室１４を包囲する堰２０の上面に載置するように冷却パネルあるいは加熱パネル７を被せることによって冷却側ケース半体１２の一部、即ち熱電変換モジュール５が配置される部分の下にのみ熱媒体が偏り無く均一に流れる流路１６が設けられている。仕切り板７は、堰２０の上面に段差を設けて形成された受座３１に嵌合させて接合されることによって冷却側ケース半体１２との間に液密の流路１６を形成する。このとき、仕切り板７はその周囲を受座３１で支えられると共に内側を複数の仕切り壁１５によって支えられている。これにより、図示していない外部の熱媒体供給源から供給される熱媒体で直接仕切り板７を冷却ないし加熱し、熱電変換モジュール基板６を介して熱電変換モジュール５の一面に熱を効率的に与えることを実現できる。なお、熱媒体としては、特定の物質に限られるものではなく、通常には水あるいは油、冷媒などから適宜選択される。熱媒体が偏り無く均一に流れ、熱電変換モジュール５の一面に熱を効率的に与えることを実現できる。また、冷却側ケース半体１２は、本実施形態の場合、熱媒体との共存性に優れた材料からなる薄板をプレスによる絞り加工によって図示形状に成形されている。さらに、仕切り板７および出入り口配管１９ａ，１９ｂの材質は、冷却または加熱流体との共存性に優れたものが好ましく、例えば水に対してはステンレス鋼が適する。
【００４７】
熱媒体を流す流路１６は、例えば図２３及び２４に示すように、冷却側ケース半体１２の底面から仕切り板７へ向けて隆起しかつ互いに入り組むように交互に逆方向に突出する複数の仕切り壁１５によって形成された幾重にも曲がりくねった１本の溝であり、その両端に熱媒体の出入り口となる入口管１９ａと出口管１９ｂとがそれぞれ形成されている。熱媒体の入口管１９ａと出口管１９ｂとは、冷却側ケース半体１２の底面に開口された孔２９にろう付けや溶接で接合された配管によって構成され、図示していない外部の熱媒体供給源と接続されている。これにより、熱媒体循環室１４には、外部熱媒体供給源（図示省略）から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路１６を形成し、仕切り板７を介在させて流路１６内を循環する熱媒体で熱電半導体２の一方の面に熱授受を図るようにしている。
【００４８】
電極９ａ，９ｂおよび熱媒体出入口配管１９ａ，１９ｂの一方または両方を気密ケース１３の底面ではなく側面あるいは上面（加熱側ケース半体１１の底面１１ｃ）に設置することもできる。電極９ａ，９ｂを冷却側ケース半体１２の側面に設置する場合には、冷却側ケース半体１２全体を仕切り板７で２層に分け、仕切り板７の上の層に熱電変換モジュール５と電極９ａ，９ｂが置かれる熱電変換モジュール収納室１７が形成され、仕切り板７の下の層に冷却用または加熱用の熱媒体を流す流路１６が全面的に形成することができる。
【００４９】
また、上述の図１１〜図２２の各実施例においては、両面スケルトン・モジュールを封入したもので説明しているが、これに特に限られず、片面スケルトン・モジュールでも両面基板付きモジュールでも良い。
【実施例】
【００５０】
（パネルおよび出入り口配管の材質・形状）
ケースの材質は、耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点で選択する。例えば熱電半導体としてBiTeなどを用いる低温用モジュール（ケースの加熱側温度２５０℃以下）では、アルミニウム(Al)、銅(Cu) およびステンレス鋼(ＳＵＳ３０４,ＳＵＳ３１６など)などが使用できる。また熱電半導体としてSiGeなどを用いる高温用モジュール（ケースの加熱側温度６００℃程度）では、チタン(Ti)などが使用できる。いずれも素材の厚さは０．１ ｍｍ〜０．５ ｍｍ程度が適するが、これに限定せずモジュールの大きさや差圧なども考慮して決定するべきである。冷却または加熱パネルおよび出入り口配管の材質は、冷却または加熱媒体との共存性に優れたものが好ましい。例えば水に対してはステンレス鋼などが適する。
（冷却または加熱媒体の流量）
ここで、冷却流体として水を使用する場合において、水の入り口温度が２５℃で、出口温度を４５℃とする場合の必要流量は、以下の手順で求められる。因みに、熱電変換モジュールの変換効率を１０％、１個当たりの出力を１０Ｗとすると、冷却水で除去すべき熱量は９０Ｗである。
P ＝ WCpΔT
ここに P ：冷却水で除去すべき熱量 （＝90 W＝0.09 kW）
W ：水の流量 （kg/s）
Cp ：水の比熱 （＝4.2 kWs/kgK）
ΔT ：水の出入り口温度差 （＝20 K）
W ＝ P/（CpΔT) ＝ 0.09/（4.2×20）
＝0.00１１（kg/s）＝ １.１（g/s）
また、冷却パネル２５の内部での水の流速は、次式で計算される。冷却パネル２５内の流路の流路幅を７ｍｍ、流路高さを５ｍｍとすると、流路断面積は０．３５ｃｍ２である。よって、
V=Q/A=１.１/0.35=3.１ (cm/s)
ここにV：冷却水流速（cm/s）
Q：冷却水流量（=１.１ cm3/s）
Ａ：流路断面積（=0.35 cm2）
前記流速３．１(ｃｍ／ｓ)であれば、その流動圧損は極めて小さく問題とならない程度である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、高温熱源からの放射で加熱する熱電変換モジュール、例えば粉末冶金焼結炉や各種電気炉などの工業炉の内部において若しくは炉外部で被加熱部品から放射される廃熱を利用して発電する熱電変換モジュール、あるいは産業廃棄物焼却炉などの熱を利用あるいは伴う各種産業設備から排出される廃ガスや廃液などの高温流体の廃熱を対流伝熱により利用して発電する熱電変換モジュールや、さらには固体の加熱源あるいは冷却源に接触させて加熱あるいは冷却して発電する熱電変換モジュールに適するものであり、あらゆる環境下において気密ケース入り熱電変換モジュールを配置するだけで使用することができるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１ 気密ケース入り熱電変換モジュール
５ 熱電変換モジュール
７ 仕切り板（冷却パネルあるいは加熱パネルとして機能する）
１１ 加熱側ケース半体
１１ａ 周縁
１１ｂ 側面
１１ｃ 底面
１２ 冷却側ケース半体
１２ａ 周縁
１２ｂ 側面
１２ｃ 底面
１３ 気密ケース
１４ 熱媒体循環室
１６ 熱媒体が循環する流路
１７ 熱電変換モジュール収納室
１９ａ，１９ｂ 図示しない熱媒体供給源と接続される熱媒体出入り口（配管）
２５ 冷却パネル
２８ 他方のケース半体を構成する金属板
３２ 可撓面（波形の側面）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電半導体に加わる温度差を利用して発電する熱電変換モジュールに関する。さらに詳述すると、本発明は、熱電変換モジュールの大型化を可能とする気密ケース入りの熱電変換モジュールの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の量産規模の一般的構造の熱電変換素子は、複数対の熱電半導体の上下面に電極を備えることで電気回路を構成し、さらにそれぞれの電極の外側に電気絶縁性を備える板例えばセラミックス板あるいは電気絶縁膜を有する金属板を配置して挟み付けるように接着剤やろう材等の接合材で結合することによって組み立てられてモジュール化されている。
【０００３】
この熱電変換モジュールは、高温の空気中などの酸化雰囲気であったり、ゴミ焼却炉の燃焼ガスのような腐食性雰囲気下に設置する場合、熱電半導体や電極部分が外気に晒される構造の熱電変換モジュールでは酸化または腐食の恐れが伴う。したがって、従来の熱電変換モジュールは、このような雰囲気下に剥き出しにして設置できないため、高温ガスをダクトや仕切壁で隔離して、間接的に熱電変換モジュールを加熱する方法が一般的である。しかし、このようなシステムは、ダクトや仕切壁などの構造物が新たに必要になるばかりか、間接加熱のために熱電半導体に加わる温度差が減少する分だけ熱電変換モジュールの発電性能が低下する欠点がある。
【０００４】
そこで、本発明者等は、気密ケース入り熱電変換モジュールを提案した（特許文献１）。この気密ケース入り熱電変換モジュールは、気密ケースに複数対の熱電半導体を収容し、これら熱電半導体の高温熱源側の面に熱電半導体を電気的に直列に接続する熱源側電極部を設置すると共に、熱電半導体の低温熱源側の面に熱電半導体を電気的に直列に接続する放熱側電極部を設置し、ケース内部を減圧ないし真空にしたものである。ここで、気密ケースは、熱源側電極部を覆い高温熱源から熱を受ける加熱板と、放熱側電極部を覆い低温熱源へ熱を伝える冷却板と、冷却板と加熱板とを連結し滑り材を介して冷却板と加熱板との間で熱電半導体並びに電極部を挟んで一体化する連結板とで構成されている。そして、気密ケース内の少なくとも熱源側電極部と加熱板との間には加圧状態におけるこれらの間の相対的摺動を許容するように熱伝導性を有する滑り材が介在され、加熱板と冷却板との間に作用する加圧力により、滑り材が熱源側電極部に押圧されて熱源側電極部と一体に保持されるように設けられている。
【０００５】
一方、熱電変換モジュールは、平面寸法が４ｃｍ角程度のものが一般的で、大きなものでも７ｃｍ角程度である。これ以上の大型化は、モジュールに負荷される温度差に起因する熱応力が温度差とモジュール寸法の積にほぼ比例するため、熱電半導体を挟みつける加熱板の熱膨張に起因するせん断力の発生が脆弱な熱電半導体を破壊したり、各部材間の接合面で剥離を生じる恐れがあることから、実現が難しいものとなっている。そこで、従来の気密ケース入り熱電変換モジュールは、４ｃｍ角〜７ｃｍ角程度の１個の熱電変換モジュールを気密ケースに封入した構造とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−４９８７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、気密ケースには貫通電極を２個備える必要があり、またケース内部には貫通電極とモジュールをリード線で接続する必要があるため、１個の気密ケースに１個の熱電変換モジュールを封入する構造では、モジュールの実質的な充填密度（与えられた伝熱面積に対するモジュール設置面積の比率）が低くなる問題を有している。
【０００８】
また、１個の気密ケースに１個の熱電変換モジュールを封入する構造では、モジュール本体に比べて貫通電極などを含む気密ケースのコストが相対的に大きくなり、気密ケース入り熱電変換モジュールの製造コストを押し上げてしまう問題がある。
【０００９】
上述の問題を解決するには、１個の気密ケースに複数個の熱電変換モジュールを封入することが望まれる。しかしながら、気密ケース入り熱電変換モジュールにおいては、熱電変換モジュールの熱を受ける面（以下、受熱面と呼ぶ）とケースの受熱面（熱電変換モジュールの受熱面と平行な平面）との密着性が損なわれると、接触熱抵抗が増加して熱電変換モジュールに負荷される温度差が低減して出力低下を招く恐れがあるという問題を抱えている。そして、大型気密ケースに数百度の温度差が付加されると、ケースに熱変形（加熱面に近い方と冷却面に近い方の熱膨張差に起因するケースの面外変形）が生じ、モジュールとケース内面の密着性が損なわれて接触熱抵抗が増加しモジュールの出力低下を招く恐れがある。即ち、熱電変換モジュールを収容する容積を確保するため箱形となる気密ケースは、密着性を上げるために容器の肉厚を薄くして変形し易くしても、モノコック構造であるため構造物としての剛性が強く薄板でもケースが変形できずに密着できない問題がある。モノコック構造の特徴が熱電変換用モジュール用の気密ケースでは欠点となってしまう。このため、熱電変換モジュールの面外変形に対してケースの変形が追従できずに熱電変換モジュールとの間に隙間が発生する虞がある。
【００１０】
また、ケースの熱変形によりケースには熱応力が発生する。この熱応力の大きさはケースの大きさおよび上下面の温度差の積に比例する。従って大型ケースほど大きな熱応力が発生し、また大きな温度差が付加されるケースほど大きな熱応力が発生する。その結果、最悪の場合、ケースが破損する恐れがある。即ち、気密ケースは、熱を良く受ける受熱面部分が最も伸びあるい収縮するのに対し、受熱面部分から離れ溶接される周縁部に近づくに従って熱の影響が少なくなりあるいは他方のケース半体からの熱の影響を受け、伸張あるいは収縮し難くなる。したがって、箱形のケースの場合、例えば受熱面が加熱されて膨張する（面積が増加する）と、周縁部と受熱面との間を繋ぐ側面のうち加熱面に近い部分が引っ張られることになる。即ち、側面の薄板には引っ張り応力と剪断応力とが作用する。しかし、薄板といえども箱形（モノコック）構造であるため、引っ張り応力や剪断応力に対する抵抗は強く、箱の一部を構成する側面が部分的に伸びるように変形することは容易ではない。よってケースに大きな応力が発生し、ケースの破損に至る虞がある。
【００１１】
したがって、従来の気密ケース入り熱電変換モジュールのケース構造では、大型化することに無理があるのが現状である。特に大きな温度差を負荷される大型の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいてこの問題は重要である。
【００１２】
本発明は気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、大型の気密ケースに複数の熱電変換モジュールを封入可能とし、モジュールの実質的充填密度を向上させ、モジュール出力当たりの製造コストを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
かかる目的を達成するため、本発明は、熱電変換モジュールを気密ケースに収容して内部を減圧または真空とする気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、気密ケースは加熱側ケース半体と冷却側ケース半体との二部材で構成されると共に、少なくとも一方のケース半体が内方に収納する前記熱電変換モジュールの受熱面と平行な底面と他方のケース半体と接合される周縁及び底面と周縁との間を繋ぐ側面とを有し、かつ側面が周方向に波形を成している可撓性のケース半体であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、気密ケースの内部に冷却パネルを設置し、該冷却パネルを気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される冷却媒体で冷却して熱電変換モジュールの冷却側の受熱面を気密ケース内で直接冷却すると共に熱電モジュールの加熱側の受熱面を加熱側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うようにしている。
【００１５】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、気密ケースの内部に加熱パネルを設置し、該加熱パネルを気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される加熱媒体で加熱して熱電変換モジュールの加熱側の受熱面を気密ケース内で直接加熱すると共に熱電モジュールの冷却側の受熱面を冷却側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うようにしている。
【００１６】
ここで、冷却パネルあるいは加熱パネルは、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える一方の室と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する他方の室との２室に気密ケースの内部を分画する仕切り板で構成されていることが好ましい。また、冷却パネルあるいは加熱パネルは、ケース半体とは分離された独立した容器から成り、気密ケースを貫通する冷却媒体出入り口配管と接続されて外部熱媒体供給源との間で熱媒体を循環させるものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールによれば、少なくとも一方のケース半体の受熱面となる底面が加熱されて膨張（面積が増加）したり冷却されて収縮する（面積が減少する）と、底面に近い部分の波形の側面のピッチを広げたり狭めたりする変形を起こすことで、底面の膨張あるいは収縮に追従してケース全体を無理なく変形させてその健全性を維持するようにしている。即ち、気密ケースの側面を波形にすることにより、薄板の面方向のしなやかな曲がりで気密ケースの変形を可能にして、膨らみ易いあるいは縮み易い構造とできる。したがって、気密ケースの加熱側のケース半体の底面と冷却側のケース半体の底面との両面間に生ずる垂直方向の温度勾配に起因する熱応力緩和を実現することができる。
【００１８】
即ち、ケース半体の側面の底面側寄りでは波の間隔が広がりあるいは縮まり、底面から離れた溶接部・周縁側寄りの側面では波の間隔があまり大きく変化せずに、側面の底面側寄りと溶接部・周縁側寄りとで変形量を異ならせることができる。これにより、気密ケースの受熱面となるケース半体の底面はモジュールの面外変形（平面だったモジュールが凸レンズのように平面ではなくなる変形）に追従するように面方向に伸縮しあるいは変形し、密着状態を維持することができる。したがって、熱電変換モジュールの受熱面とケース半体の底面との接触界面における接触熱抵抗を小さくして、熱電半導体に大きな温度差を与えることができるので、出力低下を招く恐れがない。
【００１９】
さらに、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールによれば、１個の気密ケースに複数個の熱電変換モジュールを封入することができるので、モジュールの実質的充填密度（与えられた伝熱面積に対するモジュール設置面積の比率）を向上させ、出力密度（単位面積当たりの出力）を増大させることができる。また、モジュール本体に比べて貫通電極などを含む気密ケースのコストを相対的に下げることができるので、気密ケース入り熱電変換モジュールの製造コストを低減できる。さらに、大型の気密ケースでも大きな温度差での使用が可能になる。
【００２０】
また、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、外部熱媒体供給源から供給される冷却媒体を循環させる冷却パネルあるいは加熱媒体を循環させる加熱パネルを気密ケース内に内蔵して、熱電変換モジュールの一方の受熱面を気密ケース内で直接冷却あるいは加熱すると共に熱電モジュールの他方の受熱面をケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うようにすれば、気密ケースの片面に加熱流体あるいは冷却流体を流すダクトを加圧接触させて熱の授受を行う場合にも、ダクトを気密ケースの片面に押し付けるだけで済み、加圧機構を簡素化できる。また、気密ケース入り熱電変換モジュールに対向する放射熱源からの放射伝熱あるいは気密ケース入り熱電変換モジュールの周りを流れる熱媒体による対流伝熱によって熱電変換モジュールの一方の受熱面が加熱あるいは冷却されると共に、気密ケース内の冷却パネルあるいは加熱パネルを介して熱電変換モジュールの他方の受熱面が冷却あるいは加熱されるので、加圧接触させる機構あるいは気密ケースと熱媒体を通すダクトとの間での熱伝導性グリースなどの粘性熱伝導物質の塗布を必要としない。依って、本発明にかかる気密ケース入り熱電変換モジュールはその用途において制限を受けることが少ない。このため、高温熱源からの放射熱下、例えば粉末冶金焼結炉や各種電気炉などの工業炉内で発生する被加熱物などから発生する廃熱を放射伝熱の熱源としたり、あるいは産業廃棄物焼却炉などの熱を伴う各種産業設備から排出される廃ガスや廃液などの高温流体を対流伝熱の熱源としたり、さらには固体熱源に接触させて熱伝導により得られる熱を熱源とするなど、あらゆる環境下において、気密ケース入り熱電変換モジュールを配置するだけで使用することができる。
【００２１】
さらに、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、冷却パネルあるいは加熱パネルを、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える一方の室と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する他方の室との２室に気密ケースの内部を分画する仕切り板で構成する場合には、ケース半体をプレス加工などで成形する際に熱媒体を流す流路も同時に形成できるので、加工が容易である。しかも、熱電変換モジュールを収納する室と熱媒体が流れる室とを区画する仕切り板で密封するだけの簡単な構造のため液密性の高い構造となり、気密容器内を漏れなく熱媒体が流れて熱電変換モジュールの一面を冷却ないし加熱できる。
【００２２】
また、冷却パネルあるいは加熱パネルをケース半体とは分離された独立した密閉容器で構成する場合には、比較的変形し難いケース半体側でも、側面が波形を成している可撓性のケース半体側でも、いずれのケース半体側にでも必要に応じて配置可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールの一実施形態を示す平面図である。
【図２】同気密ケース入り熱電変換モジュールの側面図である。
【図３】同気密ケース入り熱電変換モジュールのケース半体の側面の波形構造を示す断面図である。
【図４】同気密ケース入り熱電変換モジュールの２つのケース半体を接合の一例を示す断面図である。
【図５】気密ケース内部に９個の熱電変換モジュールを収容した場合の配置例の１つを示す概略平面説明図である。
【図６】可撓性のケース半体の一例を上ケースに適用した実施形態を示す図で、（Ａ）は上から見た斜視図、（Ｂ）は下ケースの内部を下から見た斜視図である。
【図７】図１に示す形状の気密ケースに、冷却面（下面）のみにセラミック板を備える片面スケルトン・モジュールを封入した例を示す縦断面図である。
【図８】図１に示す形状の気密ケースに、加熱・冷却面（上下面）共にセラミック板を備える両面基板付きモジュールを封入した例を示す縦断面図である。
【図９】図１に示す形状の気密ケースに、加熱・冷却面（上下面）共にセラミック板を備えない両面スケルトン・モジュールを封入した例を示す縦断面図である。
【図１０】図９の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図１１】図１に示す形状の容器において、両面スケルトン・モジュールおよび冷却パネルを収容した例を示す縦断面図である。
【図１２】図９の気密ケースの外観を示す図で、（Ａ）は上からみた斜視図、（Ｂ）は下から見た斜視図である。
【図１３】図９の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図１４】加熱側に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用しているが、一方で冷却側には金属板を採用した実施例を示す縦断面図である。
【図１５】図１４の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例である。
【図１６】図１４の実施例において、両面スケルトン・モジュールおよび冷却パネルを収容した実施例を示す縦断面図である。
【図１７】図１６の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図１８】加熱側（上面側）に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用しているが、一方で冷却側（下側）には金属ケースを採用した実施例を示す縦断面図である。
【図１９】図１７の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図２０】図１９の気密ケースの外観を示す図で、（Ａ）は上からみた斜視図、（Ｂ）は下から見た斜視図である。
【図２１】図１９の実施例において、両面スケルトン・モジュールおよび冷却パネルを収容した実施例を示す縦断面図である。
【図２２】図２１の実施例において、加熱・冷却面を逆にした実施例を示す縦断面図である。
【図２３】本発明の熱電変換モジュールの実施の一形態を示す縦断面図である。
【図２４】気密ケース内に設ける加熱・冷却パネルの他の実施形態を示すもので、ケース半体と一体に熱媒体の流路と電極用溝部とを形成した下ケースの内部を上から見た斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００２５】
図１から図７に本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールの実施の一形態を示す。この気密ケース入り熱電変換モジュール１は、気密性の容器（以下、気密ケースと呼ぶ）１３に熱電変換モジュール５を密封して内部を減圧または真空としているものである。尚、熱電変換モジュール５は、図７に示すように、少なくとも一対の熱電半導体２と、熱電半導体２と電気的に接続されている一方の電極３及び他方の電極４から構成され、各電極３，４を直列に接続して端部のリード線８から一対の電極９ａ，９ｂに導通させる電気回路を構成している。ここで、一対の電極９ａ，９ｂは電気絶縁体１８並びに気密シール２１を気密ケース１３の電極取り出し用孔１０との間に介在させて気密ケース１３の一隅から気密ケース１３の外に貫通するように設けられている。これにより、気密ケース１３の密封性を保ちつつ、熱電変換モジュール５が発電した電力を気密ケース１３の外側へと取り出すことができるようにしている。熱電変換モジュール５は、例えば図５に示すように、複数モジュールが互いに直列に接続され、その両端部が貫通電極９ａ，９ｂに接続されている。これらを例えば９個まとめて一つのケースに収容した場合、ケース本体の価格は９倍とはならず割安になるため、熱電変換モジュールの出力当たりの設備単価を低減できる。また各モジュールを近接して並べることができるため、熱電変換モジュール５を１個毎に気密ケース１３に収容する場合に比べて単位面積当たりの熱電変換モジュール設置密度を高くできる。因みに、熱電変換モジュール５が発生した電力は図示を省略する電力回収用ラインを介して蓄電装置や電力利用機器に供給される。
【００２６】
気密ケース１３は、本実施形態の場合、加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との二部材で構成されており、熱電変換モジュール５を間に挟んだ状態で周縁１１ａ，１２ａが接合されて１つの気密性の容器を構成するように設けられている。ここで、少なくとも一方のケース半体、本実施形態の場合には加熱側ケース半体１１は、図６に示すように、内方に収納する熱電変換モジュール５の受熱面と平行な底面１１ｃと他方のケース半体１２と接合される周縁１１ａ及び底面１１ｃと周縁１１ａとの間を繋ぐ側面１１ｂとを有し、かつ側面１１ｃが周方向に波形を成して可撓面３２を形成するようにした可撓性の容器に構成されている。本発明において、少なくとも一方のケース半体とは、熱電変換モジュール５に温度差を与え発電するときの主たる温度変化を負担する側の熱源と面するケース半体を主に指すものであり、一般には加熱側のケース半体１１であるが、冷熱源を利用して温度差を得る場合には冷却側のケース半体１２とすることもある。勿論、図示していないが、加熱側と冷却側の双方のケース半体１１，１２を曲げ変形が容易な肉厚でかつ側面１１ｂ，１２ｂが波形となった可撓面３２を構成する可撓性のケース半体としても良いことは言うまでもない。さらに、他方のケース半体は、室温に晒されるなど、一方のケース半体に比べて大きな熱負荷の変動（温度変化）を受けることが少なく、一方のケース半体よりも受ける熱応力が遙かに小さいので、可撓性の容器に構成する必要はない。したがって、他方のケース半体は、特定の構造に限定されず、図４あるいは図７から図１３に示すような比較的肉厚が厚い（0.1 mm〜0.5 mm程度）薄肉容器構造としても良いし、さらには図１８から図２２に示すようなより厚肉の容器構造、場合によっては図１４から図１７に示すような平坦な金属板２８であっても良い。
【００２７】
図１〜図７に示す実施形態の場合には、加熱側ケース半体１１にはプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用し、冷却側ケース半体１２にも薄肉容器を採用している。加熱側ケース半体１１の可撓性容器は、例えば厚さ０．１ ｍｍ程度の薄肉の金属シートをプレス加工（深絞り加工）したものであり、その側面１１ｂが周方向に波形を成すように形成された可撓面３２を構成することにより、気密ケース１３の上下の受熱面間の熱膨張差に対する熱応力緩和が容易な構造とされている。可撓性容器は、圧力差や熱変形によって破断しない程度の強度を維持できる範囲で可能な限り厚みを薄くすることが好ましい。他方、冷却側ケース半体１２の薄肉容器は、例えば厚さ０．５ ｍｍ程度の薄肉の金属シートをプレス加工したものである。本実施形態では、気密ケース１３を貫通する２つの電極９ａ，９ｂが少なくとも冷却側ケース半体１２の底面１２ｃに溶接される。さらには、必要に応じて冷却媒体または加熱媒体を気密ケース１３内に導入して循環させるための出入り口配管１９ａ，１９ｂが冷却側ケース半体１２の底面１２ｃに溶接されている。これら貫通電極９ａ，９ｂ、さらには出入り口配管１９ａ，１９ｂを冷却側ケース半体１２に溶接するには、冷却側ケース半体１２の厚さは０．５ ｍｍ以上あることが望ましい。この気密ケース１３の構造では、加熱側ケース半体１１および冷却側ケース半体１２ともプレス加工品が使えるため、量産による大幅なコスト削減が期待できる。尚、可撓面３２を構成する波形の大きさやピッチなどは特定の値に限定されず、熱電変換モジュールの面外変形に追従できる変形を実現できる材質に応じた曲率半径、高さ、ピッチで形成される。例えば、４ｃｍ角の４つの熱電変換モジュール５を組み込む気密ケース１３を実施する場合、周縁の外寸が縦１１０ｍｍ、横１３０ｍｍ程度の矩形状を成すケース半体に、ピッチ約２１ｍｍ、半径約７．２５ｍｍの波形で、側面が７０°の斜面で形成されると共に５．６ｍｍの高さに設定されることが好ましい。この実施形態の場合、厚み０．１ｍｍの薄板で形成される。波形のピッチや半径などは上述の特定の値に限定されず、必要に応じて適宜値で設定される。
【００２８】
ここで、加熱側及び冷却側ケース半体１１，１２は、熱伝導性に優れる材料の薄板で形成されている。例えば、熱電半導体２としてＢｉＴｅなどを用いる低温用熱電変換モジュール（ケースの加熱側温度２５０℃以下）を構成する場合、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）などの使用が好ましい。また、熱電半導体２として例えばＳｉＧｅやＦｅＳｉなどを用いる高温用熱電変換モジュール（ケースの加熱側温度６００℃程度）を構成する場合、例えばチタン（Ｔｉ）などの耐熱鋼の使用が好ましい。いずれも素材の厚さは０．１ ｍｍ〜０．５ ｍｍ程度が適するが、これに限定せずモジュールの大きさや差圧なども考慮して決定することが好ましい。勿論、使用環境に応じて耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点から最も最適なものが、使用可能な材質として選定される。なお、１個の気密ケース１３に収容できる熱電変換モジュール５の数に制約はないが、加熱側ケース半体１１が各熱電変化モジュール５に均等に密着するためには、気密ケース１３が正方形に近いことが望ましい。但し、ケース半体の材質は例示したものに限定されず、またプレス成形加工により一体成形されることには限定されない。
【００２９】
これら加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２とは、本実施形態の場合、例えば熱電変換モジュール５並びに電極９ａ，９ｂなどの付帯装備を収容した後に真空雰囲気下で加熱側ケース半体１１および冷却側ケース半体１２の周縁１１ａ，１２ａを重ねて周縁１１ａ，１２ａ部分を電子ビーム溶接で接合することによって、内部を減圧または真空状態として一体化されている。このとき、加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との肉厚の差を解消するため、肉厚の薄いケース半体即ち加熱側ケース半体１１の周縁１１ａに他方のケース半体即ち冷却側ケース半体１２ａとほぼ同じ厚さの補助リング２３を宛がってビーム溶接によりへり継手２４を形成するように溶接されている。尚、フランジ１１ａ，１２ａの接合は電子ビーム溶接に限られず、ケース材料に適したその他の溶接法やろう材、接着剤などで接合することが可能である。また、フランジ１１ａ，１２ａを設けずに直接突き合わされた加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２とを接合するようにしても良い。
【００３０】
また、気密ケース１３の内部即ち熱電変換モジュール収納室１７の圧力は、たとえば、当該気密ケース１３の外の圧力よりも低いものとして少なくとも運転時に０．４気圧以上の差圧が得られる減圧雰囲気又は真空とすることが好ましい。この差圧の存在により気密ケース１３に外からかかる加圧力により、熱電変換モジュール５と加熱側ケース半体１１並びに冷却パネルあるいは加熱パネル７とのそれぞれの接触界面において加圧・密着され、接触熱抵抗が低減される。因みに、本発明者等の実験によると（特許文献１参照）、例えば５５０℃、大気圧下で運転する気密ケース入り熱電変換モジュール１を想定すると、室温（２７℃）での封入圧力（ＰＲＴ）を−０．８気圧（ゲージ圧）とすると、５５０℃に加熱した際の内圧Ｐ５５０は絶対圧で０．５５気圧、ゲージ圧で−０．４５気圧となり、十分な温度差を与えるに十分な圧力を付与できることが判明した。この場合に容器７を外部から押しつける圧力は０．４５ｋｇ／ｃｍ２＝４．５ｔｏｎ／ｍ２である。
【００３１】
以上のように構成された気密ケースと熱電変換モジュールとの組み立てに際しては、溶接前の加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との間で構成される気密ケース１３の内部高さは、収納する熱電変換モジュール５およびカーボンシートなどの滑り材３０やマイカシート２７などの各種構成物の合計高さよりも０．２ｍｍ程度小さく設定されている。即ち、下側となる冷却側ケース半体１２に熱電変換モジュール５および各種構成物を入れ、さらに上側となる加熱側ケース反対１１を乗せると、加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との間には０．２ｍｍ程度の隙間が生ずる。この隙間をケースの周囲から治具により押さえつけて真空下で電子ビーム溶接すると、上側の薄肉の可撓性容器たる加熱側ケース半体１１と下側の薄肉容器たる冷却側ケース反対１２とが変形する（膨らむ）ことにより密封される。電子ビーム溶接は真空チェンバーの中で行うため、容器内部は真空となっている。したがって、収納する熱電変換モジュール５および各種構成物は、波形の可撓面３２付近が変形することにより上下のケース半体１１，１２が完全に密着した状態で１気圧（０．１ MPa=１ kg/cm2）の力で上下から押さえつけられるため、各種構成要素の接触面間に存在する接触熱抵抗が低減でき、熱電変換モジュール５に大きな温度差を与えることができる。
【００３２】
本実施形態における熱電変換モジュール５は、図７に示すように電気絶縁性を有する基板６例えばセラミック基板によって支持されている片面スケルトンモジュールとしているが、これに特に限られるものでない。例えば図８に示すような両面を電気絶縁性基板６で支持した両面基板付きモジュールを組みこんだり、図９などに示すような両面を電気絶縁性基板６で支持せずにマイカシート２７などの電気絶縁材料などを備えるだけの両面スケルトンモジュールを組み込むことも可能である。ここで、両面スケルトン・モジュールは非常に脆弱で曲げの力に対して弱く破損しやすいため、図９及び図１０に示すように、熱電変換モジュール５の冷却側（または少なくとも片面）に例えば厚さ２０μm程度のマイカ（雲母）・シート２７および厚さ１ ｍｍ程度のバックアップ用金属板３３を挿入することが好ましい。マイカ・シート２７は主に電気絶縁のためであり、同程度の厚さの高分子シートまたはガラス板を用いるようにしても良い。また、バックアップ用金属板３３はモジュール本体に曲げ力が作用することを防ぐためであり、熱伝導率の高い金属など（例えば銅板）が適し、剛性を得るに必要な厚さであればよい。このことから、図１１及び図１３に示すように、熱電変換モジュール５の一方の面に冷却パネル２５（あるいは加熱パネル）を設置する場合、あるいは図１４や図１５に示すように他方のケース半体を厚さ数ｍｍの平坦な金属板とする場合、あるいは図１８や図１９に示すように他方のケース半体をプレス成形品よりも厚肉の箱形の非可撓性の金属ケースとする場合には、これらが両面スケルトン・モジュールに曲げ力が作用することを防ぐためバックアップ用金属板３３を組み込む必要はない。
【００３３】
また、電気絶縁性を有する基板６としては、例えばアルミナの板に銅を電極の形状に蒸着した製品がＤＢＣ（Direct Bonding Copper）として入手することも可能であり、これを基板６および電極３あるいは４として利用することもできる。また、基板６としては、セラミック基板の他、電気絶縁性接合剤により電極３あるいは４が接合される構造の金属製基板を用いるようにしても良い。いずれにしても、基板６と加熱側ケース半体１１の底面１１ｃあるいは冷却側ケース半体１２の底面１２ｃとは、例えば接着剤やろう材による接合によって密着されるか、または熱伝導性グリースやカーボンシートなどの滑り材３０を介して密着される。
【００３４】
このパッケージ熱電変換システム１の加熱側ケース半体１１の熱電変換モジュール５と対向する面と電極板３との間には、図７に示すように、熱伝導性を有する滑り材３０を介在させることが好ましい。熱伝導性滑り材３０の介在により加熱側ケース半体１１と電極３との間の熱的連結が図られると共に、加熱側ケース半体１１と電極３との間の相対的摺動即ちずれを容易ならしめる。ここで、滑り材３０は、少なくとも熱伝導性と摺動性（滑り）を備えているものであるが、より好ましくは電気絶縁性を備えていることである。しかし、電極部３と滑り材３０との間に電気絶縁材あるいは電気絶縁層が介在されれば、滑り材３０そのものが電気絶縁性を備える必要はない。そこで、滑り材３０としては、熱伝導性を有する低摩擦係数のシート材あるいはグリースのような粘性物の使用が好ましい。具体的には、シート材としては、カーボンシートあるいは高分子シートの使用が好ましい。カーボンシートは、摺動性に優れる上に熱伝導性並びに耐熱性にも優れるのでより高い最高使用温度の熱電半導体の使用を可能とすると共に、カーボンシートが介在する界面の熱抵抗をこれが存在しない場合の１／１０以下に低減することができる。加えて、図７に示すように、マイカシート２７との併用により電気絶縁を確実なものとした上に界面での熱の伝導と滑りを良好なものとすることができる。特に、気密ケース１３に収めて使用する場合には、大気中で使用する場合よりも高温まで使用することができる。また、高分子シートは、摺動性に優れると共に電気絶縁性であることから、電極材にも直接接触させることができる。さらに、粘性物質であるグリースを滑り材として加熱側ケース半体１１と電極３との間に介在させる場合には、せん断応力の発生を防ぐと共に、粘性物質であるために加熱板と電極部とを隙間なく密着させて当該界面における接触熱抵抗を小さくできる。これにより熱電半導体に大きな温度差を負荷できる。しかも、気密ケース１３に密封されているため、熱酸化によるグリースの劣化やグリースの蒸発などの問題が無くなり、グリースを長期に安定して容器と熱源側電極部との間に保持できる。
【００３５】
以上のように構成された気密ケース入り熱電変換モジュールによれば、気密ケース１３は容器内外の差圧により外側から押圧力を受ける。この押圧力を利用して気密ケース１３の加熱側ケース半体１１の熱電変換モジュール５と対向する底面１１ｃが熱電変換モジュール５に均一に押しつけられる。そして、気密ケースの加熱側ケース半体１１に受ける熱が熱電変換モジュール５に均一に授受される。そして、加熱側ケース半体１１の受熱面となる底面１１ｃが加熱されることにより、膨張（面積が増加）を起こしても、側面１１ｂの底面１１ｃに近い部分では波形の可撓面３２のピッチが広がるように曲げ変形を起こすことで、底面１１ｃの膨張に追従してケース全体を無理なく変形させる。これにより、加熱側ケース半体１１の底面１１ｃは熱電変換モジュール５の面外変形に追従するように面方向に変形し、密着状態を維持することができる。したがって、熱電変換モジュールの受熱面とケース半体の底面との接触界面における接触熱抵抗を小さくして、熱電半導体に大きな温度差を与えることができるので、出力低下を招く恐れがない。
【００３６】
また、加熱側ケース半体１１の底面１１ｃと電極３との間にマイカシート２７と滑り材３０を介在させているので、底面１１ｃが熱膨張しても、底面１１ｃを滑り材３０の上で面方向に滑らせるので、熱電変換モジュール５には、大きなせん断応力は作用しない。したがって、気密ケース入り熱電変換モジュール１を大型化しても、脆弱な熱電半導体２を破壊したり、接合面で剥離を生じることはない。
【００３７】
ここで、気密ケース１３の加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との配置は、図７に示す関係に特に限定されず、例えば図１０に示すように、加熱側ケース半体１１を下にして、冷却側ケース半体１２を上に配置するようにしても良い。そして、可撓面３２を有する可撓性容器としては、上述のように必ずしも反対側のケース半体よりも肉薄にする必要はない。可撓面３２の波形を曲げ変形させ得る厚さであれば、０．１ｍｍの厚さに限定されるものでなはく、それ以上の厚みを有していても問題はない。例えば、図１０に示す実施形態で、可撓性容器としての冷却側ケース半体１２には電極９ａ，９ｂを貫通させて溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。その反面、２個の貫通電極９ａ，９ｂを溶接しない加熱側ケース半体１１の厚さは０．１ ｍｍ程度としても良い。
【００３８】
また、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールは、気密ケース１３の上下の受熱面（加熱側ケース半体１１の底面１１ｃと冷却側ケース半体１２の底面１２ｃ）を介して外部から加熱されることに限られず、例えば、図１１及び図１３に示すように、気密ケース１３の内部に冷却パネル２５あるいは加熱パネルを配置して気密ケース１３の外から導入する熱媒体を循環させてその熱で熱電変換モジュール５の一方の面を直接に冷却あるいは加熱するようにしても良い。ここで、冷却パネル（あるいは加熱パネル）２５は、密閉された函体内に熱媒体を通過させる流路を形成したもので、例えばチューブを内蔵したり、あるいは図２４に示すようにプレス成形によって底面に溝が形成された函体を蓋で封するようにしたものでも良い。図１１の実施例の場合、図１に示す形状の気密ケース１３の冷却側ケース半体１２側に冷却パネル２５を配置すると共にその上にマイカシート２７を介して両面スケルトン・モジュール５を収容し、さらに両面スケルトン・モジュール５の上受熱面をマイカシート２７とカーボンシート３０を介して可撓性容器から成る加熱側ケース半体１１の底面１１ｃに接触させるようにしている。この場合、熱電変換モジュール５の下の受熱面は冷却パネル２５の内部流路（図示省略）を流れる熱媒体の熱で効率良く冷却される。したがって、気密ケース入り熱電変換モジュール１に加圧機構を用いて外力を付与しなくとも、熱電変換モジュール５には適宜温度差が与えられる。尚、気密ケース１３の下部の冷却側ケース半体１２の底面１２ｃには、２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂが溶接されている。この気密ケースの外観を図１２に示す。
【００３９】
また、冷却パネル２５は他方のケース半体たる薄肉容器側に配置される場合に限られず、波形の可撓面３２を有する可撓性容器側に配置するようにしても良い。例えば、図１３に示す実施例のように、図１１の実施例の気密ケース１３の加熱・冷却面を逆にしたものにも適用可能である。この場合の加熱側（下面側）の容器は厚さ０．１ ｍｍ程度でよい。一方、冷却側（上面側）の可撓性容器は２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４０】
以上のように気密ケース１３の内部に冷却パネル２５（あるいは加熱パネル）を配置した気密ケース入り熱電変換モジュール１によると、熱電変換モジュール５に温度差を与える他方の熱源として放射熱や対流熱、あるいはダクトを介した伝熱などを用いることができるので、様々な用途に使用できる。しかも、加熱ダクトまたは冷却ダクトを一方の熱源とする場合にも、気密ケース入り熱電変換モジュール１と加熱ダクトまたは冷却ダクトとを加圧接触させる必要はあるが、従来の熱電変換システムのように加熱ダクトと冷却ダクトの双方で気密ケース入り熱電変換モジュール１を挟んで加圧する方式に比べて、加圧機構を簡素化できる。他方、放射伝熱あるいは対流伝熱を利用する場合にも、気密ケース１３内の冷却パネル（あるいは加熱パネル）を流れる冷却流体あるいは加熱流体によって熱電変換モジュール５の一方の受熱面が冷却あるいは加熱されるので、加圧接触させる機構を必要としない。このように、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュール１は、気密ケース１３内に冷却流体あるいは加熱流体を流すように設けられているので、あらゆる環境下において気密ケース入り熱電変換モジュール１を配置するだけで使用することができるものである。
【００４１】
また、気密ケース１３を構成する加熱側ケース半体１１と冷却側ケース半体１２との２部材は、必ずしも図１−図１３に示すような、比較的薄肉のプレス成形品を重ね合わせるような構造のものに限られず、伝熱性材料の板とケース半体との組み合わせによって構成するようにしても良い。例えば、図１４に示すように、加熱側ケース半体１１に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器を採用し、冷却側ケース半体として金属板２８を採用するようにしても良い。この場合、金属板２８としては、熱伝導率が高く、使用雰囲気における耐食性に優れ、かつ加熱側の可撓性容器と溶接可能なものであることが望まれる。金属板２８の厚さはケースの大きさにも依存するが、数ｍｍあればよい。ただし、腐食性雰囲気で使用する場合の腐食代を考慮する場合は、使用条件および耐用年数に応じた厚さとすることが望ましい。尚、この金属板２８には２個の貫通電極９ａ，９ｂが溶接される。また、金属板２８は冷却側に配置される場合に限られず、例えば、図１５に示すように、図１４の実施例とは反対に加熱側に金属板２８を配置するようにしても良い。この場合の冷却側ケース半体（上面側）１２を構成する可撓性容器は、２個の貫通電極９ａ，９ｂが溶接されるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４２】
さらに、冷却パネル２５と金属板２８とは併用するようにしても良い。例えば、図１６に示すように、図１４の実施例において、冷却側の金属板２８の上に冷却パネル２５を配置してからマイカシート２７を介在させて両面スケルトン・モジュール５を収容するようにしても良い。この実施例の場合、冷却側ケース半体となる金属板２８には、２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂが溶接可能となる。また、図１７に示すように、金属板２８を加熱面側として上方の冷却面側の可撓性容器即ち冷却側ケース半体１２に冷却パネル２５を配置するようにして、図１６の実施例とは逆の配置関係としても良い。この場合の冷却側（上面側）の可撓性容器は２個の貫通電極９ａ，９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４３】
また、可撓性を必要としない他方のケース半体としては、プレス成形品よりも厚肉の非可撓性のケース半体を採用するようにしても良い。例えば、図１８に示すように、加熱側（上面側）に図１と同様にプレス成形した薄肉の可撓性容器から成る加熱側ケース半体１１を採用し、冷却側（下側）には非可撓性の金属ケースから成る冷却側ケース半体１２を採用するようにしても良い。この場合、非可撓性の金属ケースから成る冷却側ケース半体１２には２個の貫通電極９ａ，９ｂが溶接されている。また、図１９に示すように、非可撓性の金属ケースを加熱面側として、上方の可撓性容器から成る冷却側ケース半体１２から２個の貫通電極９ａ，９ｂを取り出すようにしても良い。この場合の冷却側（上面側）の可撓性容器は貫通電極９ａ，９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。尚、図２０に図１９のケースの外観を示す。
【００４４】
さらに、プレス成形品よりも厚肉の非可撓性のケース半体と冷却パネル２５（あるいは加熱パネル）とを併用するようにしても良い。例えば、図２１に示すように、図１９の実施例において、非可撓性の金属ケースを冷却面側として、非可撓性の冷却側ケース半体１２の上に冷却パネル２５を配置してからマイカシート２７を介在させて両面スケルトン・モジュール５を収容するようにしても良い。この実施例の場合、冷却側ケース半体１２となる金属ケースには、２個の貫通電極９ａ，９ｂおよび２本の冷却配管１９ａ，１９ｂが溶接されている。また、図２２に示すように、非可撓性の金属ケースを加熱面側（加熱側ケース半体１１）として、上方の冷却面側の可撓性容器即ち冷却側ケース半体１２に冷却パネル２５を配置するようにして、図２１の実施例とは逆の配置関係としても良い。この場合の冷却側（上面側）の可撓性容器は２個の貫通電極９ａ，９ｂを溶接する必要があるため、厚さ０．５ｍｍ程度が望ましい。
【００４５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば上述の実施形態では、冷却媒体あるいは加熱媒体を気密ケース１３の中に導入して気密ケース１３内で熱電変換モジュール５の一方の受熱面を直接冷却あるいは加熱するための手法として気密ケース１３とは別体の冷却パネル２５あるいは加熱パネル（図示省略）を内蔵する例を挙げて主に説明しているが、場合によっては図２３及び図２４に示すように、一方のケース半体例えば冷却側ケース半体１２の底部に流路１６を形成する凹凸を設けて仕切り板７で塞ぐことにより、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える熱電変換モジュール収納室１７と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する熱媒体循環室１４との２室に気密ケースの内部を分画し、かつ仕切り板７を冷却パネルあるいは加熱パネルとして機能させることも可能である。
【００４６】
この実施形態の気密ケース１３では、冷却側ケース半体１２の全域を熱媒体循環室１４とせずに、一側に電極を取り出し配置するための電極用溝部２２を設け、仕切り板７の上方の空間と連通して熱電変換モジュール収納室１７の一部を構成させている。この熱媒体循環室１４と電極用溝部２２とは、堰２０によって区切られており、熱媒体循環室１４を包囲する堰２０の上面に載置するように冷却パネルあるいは加熱パネル７を被せることによって冷却側ケース半体１２の一部、即ち熱電変換モジュール５が配置される部分の下にのみ熱媒体が偏り無く均一に流れる流路１６が設けられている。仕切り板７は、堰２０の上面に段差を設けて形成された受座３１に嵌合させて接合されることによって冷却側ケース半体１２との間に液密の流路１６を形成する。このとき、仕切り板７はその周囲を受座３１で支えられると共に内側を複数の仕切り壁１５によって支えられている。これにより、図示していない外部の熱媒体供給源から供給される熱媒体で直接仕切り板７を冷却ないし加熱し、熱電変換モジュール基板６を介して熱電変換モジュール５の一面に熱を効率的に与えることを実現できる。なお、熱媒体としては、特定の物質に限られるものではなく、通常には水あるいは油、冷媒などから適宜選択される。熱媒体が偏り無く均一に流れ、熱電変換モジュール５の一面に熱を効率的に与えることを実現できる。また、冷却側ケース半体１２は、本実施形態の場合、熱媒体との共存性に優れた材料からなる薄板をプレスによる絞り加工によって図示形状に成形されている。さらに、仕切り板７および出入り口配管１９ａ，１９ｂの材質は、冷却または加熱流体との共存性に優れたものが好ましく、例えば水に対してはステンレス鋼が適する。
【００４７】
熱媒体を流す流路１６は、例えば図２３及び２４に示すように、冷却側ケース半体１２の底面から仕切り板７へ向けて隆起しかつ互いに入り組むように交互に逆方向に突出する複数の仕切り壁１５によって形成された幾重にも曲がりくねった１本の溝であり、その両端に熱媒体の出入り口となる入口管１９ａと出口管１９ｂとがそれぞれ形成されている。熱媒体の入口管１９ａと出口管１９ｂとは、冷却側ケース半体１２の底面に開口された孔２９にろう付けや溶接で接合された配管によって構成され、図示していない外部の熱媒体供給源と接続されている。これにより、熱媒体循環室１４には、外部熱媒体供給源（図示省略）から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路１６を形成し、仕切り板７を介在させて流路１６内を循環する熱媒体で熱電半導体２の一方の面に熱授受を図るようにしている。
【００４８】
電極９ａ，９ｂおよび熱媒体出入口配管１９ａ，１９ｂの一方または両方を気密ケース１３の底面ではなく側面あるいは上面（加熱側ケース半体１１の底面１１ｃ）に設置することもできる。電極９ａ，９ｂを冷却側ケース半体１２の側面に設置する場合には、冷却側ケース半体１２全体を仕切り板７で２層に分け、仕切り板７の上の層に熱電変換モジュール５と電極９ａ，９ｂが置かれる熱電変換モジュール収納室１７が形成され、仕切り板７の下の層に冷却用または加熱用の熱媒体を流す流路１６が全面的に形成することができる。
【００４９】
また、上述の図１１〜図２２の各実施例においては、両面スケルトン・モジュールを封入したもので説明しているが、これに特に限られず、片面スケルトン・モジュールでも両面基板付きモジュールでも良い。
【実施例】
【００５０】
（パネルおよび出入り口配管の材質・形状）
ケースの材質は、耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点で選択する。例えば熱電半導体としてBiTeなどを用いる低温用モジュール（ケースの加熱側温度２５０℃以下）では、アルミニウム(Al)、銅(Cu) およびステンレス鋼(ＳＵＳ３０４,ＳＵＳ３１６など)などが使用できる。また熱電半導体としてSiGeなどを用いる高温用モジュール（ケースの加熱側温度６００℃程度）では、チタン(Ti)などが使用できる。いずれも素材の厚さは０．１ ｍｍ〜０．５ ｍｍ程度が適するが、これに限定せずモジュールの大きさや差圧なども考慮して決定するべきである。冷却または加熱パネルおよび出入り口配管の材質は、冷却または加熱媒体との共存性に優れたものが好ましい。例えば水に対してはステンレス鋼などが適する。
（冷却または加熱媒体の流量）
ここで、冷却流体として水を使用する場合において、水の入り口温度が２５℃で、出口温度を４５℃とする場合の必要流量は、以下の手順で求められる。因みに、熱電変換モジュールの変換効率を１０％、１個当たりの出力を１０Ｗとすると、冷却水で除去すべき熱量は９０Ｗである。
P ＝ WCpΔT
ここに P ：冷却水で除去すべき熱量 （＝90 W＝0.09 kW）
W ：水の流量 （kg/s）
Cp ：水の比熱 （＝4.2 kWs/kgK）
ΔT ：水の出入り口温度差 （＝20 K）
W ＝ P/（CpΔT) ＝ 0.09/（4.2×20）
＝0.00１１（kg/s）＝ １.１（g/s）
また、冷却パネル２５の内部での水の流速は、次式で計算される。冷却パネル２５内の流路の流路幅を７ｍｍ、流路高さを５ｍｍとすると、流路断面積は０．３５ｃｍ２である。よって、
V=Q/A=１.１/0.35=3.１ (cm/s)
ここにV：冷却水流速（cm/s）
Q：冷却水流量（=１.１ cm3/s）
Ａ：流路断面積（=0.35 cm2）
前記流速３．１(ｃｍ／ｓ)であれば、その流動圧損は極めて小さく問題とならない程度である。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、高温熱源からの放射で加熱する熱電変換モジュール、例えば粉末冶金焼結炉や各種電気炉などの工業炉の内部において若しくは炉外部で被加熱部品から放射される廃熱を利用して発電する熱電変換モジュール、あるいは産業廃棄物焼却炉などの熱を利用あるいは伴う各種産業設備から排出される廃ガスや廃液などの高温流体の廃熱を対流伝熱により利用して発電する熱電変換モジュールや、さらには固体の加熱源あるいは冷却源に接触させて加熱あるいは冷却して発電する熱電変換モジュールに適するものであり、あらゆる環境下において気密ケース入り熱電変換モジュールを配置するだけで使用することができるものである。
【符号の説明】
【００５２】
１ 気密ケース入り熱電変換モジュール
５ 熱電変換モジュール
７ 仕切り板（冷却パネルあるいは加熱パネルとして機能する）
１１ 加熱側ケース半体
１１ａ 周縁
１１ｂ 側面
１１ｃ 底面
１２ 冷却側ケース半体
１２ａ 周縁
１２ｂ 側面
１２ｃ 底面
１３ 気密ケース
１４ 熱媒体循環室
１６ 熱媒体が循環する流路
１７ 熱電変換モジュール収納室
１９ａ，１９ｂ 図示しない熱媒体供給源と接続される熱媒体出入り口（配管）
２５ 冷却パネル
２８ 他方のケース半体を構成する金属板
３２ 可撓面（波形の側面）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換モジュールを気密ケースに収容して内部を減圧または真空とする気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、前記気密ケースは加熱側ケース半体と冷却側ケース半体との二部材で構成されると共に、少なくとも一方の前記ケース半体が内方に収納する前記熱電変換モジュールの受熱面と平行な底面と他方の前記ケース半体と接合される周縁及び前記底面と前記周縁との間を繋ぐ側面とを有し、かつ前記側面が周方向に波形を成している可撓性のケース半体であることを特徴とする気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記気密ケースの内部に冷却パネルを設置し、該冷却パネルを前記気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される冷却媒体で冷却して前記熱電変換モジュールの冷却側の受熱面を前記気密ケース内で直接冷却すると共に前記熱電モジュールの加熱側の受熱面を前記加熱側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うものである請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記気密ケースの内部に加熱パネルを設置し、該加熱パネルを前記気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される加熱媒体で加熱して前記熱電変換モジュールの加熱側の受熱面を前記気密ケース内で直接加熱すると共に前記熱電モジュールの冷却側の受熱面を前記冷却側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うものである請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記冷却パネルあるいは加熱パネルは、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える一方の室と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する他方の室との２室に前記気密ケースの内部を分画する仕切り板で構成されているものである請求項２または３記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記冷却パネルあるいは加熱パネルは、前記ケース半体とは分離された独立した容器から成り、前記気密ケースを貫通する冷却媒体出入り口配管と接続されて外部熱媒体供給源との間で熱媒体を循環させるものである請求項２または３記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項１】
熱電変換モジュールを気密ケースに収容して内部を減圧または真空とする気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、前記気密ケースは加熱側ケース半体と冷却側ケース半体との二部材で構成されると共に、少なくとも一方の前記ケース半体が内方に収納する前記熱電変換モジュールの受熱面と平行な底面と他方の前記ケース半体と接合される周縁及び前記底面と前記周縁との間を繋ぐ側面とを有し、かつ前記側面が周方向に波形を成している可撓性のケース半体であることを特徴とする気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記気密ケースの内部に冷却パネルを設置し、該冷却パネルを前記気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される冷却媒体で冷却して前記熱電変換モジュールの冷却側の受熱面を前記気密ケース内で直接冷却すると共に前記熱電モジュールの加熱側の受熱面を前記加熱側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うものである請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記気密ケースの内部に加熱パネルを設置し、該加熱パネルを前記気密ケースの外の外部熱媒体供給源から供給される加熱媒体で加熱して前記熱電変換モジュールの加熱側の受熱面を前記気密ケース内で直接加熱すると共に前記熱電モジュールの冷却側の受熱面を前記冷却側ケース半体を介して外部の熱源との間で熱の授受を行うものである請求項１記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記冷却パネルあるいは加熱パネルは、熱電変換モジュールと気密ケース外部に導出する電極とを備える一方の室と、外部熱媒体供給源から熱媒体を導入し外部熱媒体供給源との間で循環させる流路を形成する他方の室との２室に前記気密ケースの内部を分画する仕切り板で構成されているものである請求項２または３記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記冷却パネルあるいは加熱パネルは、前記ケース半体とは分離された独立した容器から成り、前記気密ケースを貫通する冷却媒体出入り口配管と接続されて外部熱媒体供給源との間で熱媒体を循環させるものである請求項２または３記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１２】
【図２０】
【図２３】
【図２４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図１２】
【図２０】
【図２３】
【図２４】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１１−２３８６９３（Ｐ２０１１−２３８６９３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７４７１（Ｐ２０１０−１０７４７１）
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【出願人】（０００１７３８０９）財団法人電力中央研究所 (1,040)
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