熱電変換モジュール
【課題】複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされた素子を利用しているにもかかわらず、衝撃や振動が伝わっても、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制可能な熱電変換モジュールを提供すること。
【解決手段】熱電変換モジュール１において、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、いずれも複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされている。複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、それらの素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられている。個々のｐ型素子１１及びｎ型素子１２の構造は、くびれ部分で破断しやすい脆弱な構造となっているが、補強部１６によってくびれ部分での破断が抑制される。
【解決手段】熱電変換モジュール１において、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、いずれも複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされている。複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、それらの素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられている。個々のｐ型素子１１及びｎ型素子１２の構造は、くびれ部分で破断しやすい脆弱な構造となっているが、補強部１６によってくびれ部分での破断が抑制される。
【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やペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うために利用される熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電発電や熱電冷却を行うために利用される熱電変換モジュールの一例として、例えば、ｐ型熱電材料からなる複数のｐ型素子とｎ型熱電材料からなる複数のｎ型素子が二次元的に配列された構造とされた面状の熱電変換モジュールが知られている。このような面状の熱電変換モジュールにおいて、モジュールの表裏両面には、複数の電極が設けられ、各電極を介して一つのｐ型素子と一つのｎ型素子が電気的に接続されることにより、複数のｐ型素子と複数のｎ型素子が交互に直列接続されている。
【０００３】
このような熱電変換モジュールの表面側と裏面側に温度差（温度勾配）を与えると、ｐ型素子では低温側が高電位、高温側が低電位となる一方、ｎ型素子では高温側が高電位、低温側が低電位となる。その結果、低温側ではｐ型素子からｎ型素子へと電流が流れ、高温側ではｎ型素子からｐ型素子へと電流が流れる。
【０００４】
ところで、上述のようなｐ型素子やｎ型素子は、従来、ｐ型熱電材料やｎ型熱電材料と同一組成の原料組成物を加熱して熔解又は焼結したものから、機械的加工（切削加工）によってブロック状の成形体を切り出し、それらを基板上に配列して直列に接続していた。しかし、熱電材料には機械的強度の低いものが多いため、微細な精密加工は難しく、小型化薄型化を図ることは困難であった。また、成形体の切り出し加工では、歩留まりが低くなるという問題もあった。
【０００５】
また、熱伝導性に優れる熱電材料を利用する場合、ブロック状に切り出された素子を利用すると、熱電変換モジュールの表裏に大きな温度差を与えても、素子の内部を熱が伝わりやすいため、素子の両端間では十分な温度差が発現しないという問題があった。
【０００６】
このような諸問題に対し、素子の形状を工夫することにより、素子両端間で大きな温度差を発現させることができ、熱電発電モジュールの小型化をも実現可能な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
この特許文献１に記載の技術においては、ｐ型あるいはｎ型の素子の少なくとも一方の素子の形状が球を複数組み合わせた形状とされており、隣り合う位置にある球と球との接合部分に、断面積が最も小さくなるくびれ部分が形成されている。このような素子を利用すれば、くびれ部分で熱流束が滞るため、ブロック状に切り出された素子よりも素子両端間で熱が伝わりにくくなり、素子両端間の温度差が大きくなるので、熱電変換モジュールの熱電変換性能を向上させることができる。
【０００８】
また、このように個々の素子の性能（起電力）が向上すれば、より小型の素子でも必要な性能を確保できるので、熱電変換モジュールの軽量化、薄型化、小型化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許４５２４３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載されているような、球を複数組み合わせた形状とされた素子（ｐ型素子又はｎ型素子）には上述のようなくびれ部分があるため、ブロック状に切り出された素子に比べると、くびれ部分での機械的強度を確保することが難しく、素子の構造が脆弱になりやすいという点で、未だ改良の余地が残されていた。
【００１１】
そのため、素子がくびれ部分で破断するのを避けるには、熱電変換モジュールに過大な衝撃や振動が伝わらない用途でしか、熱電変換モジュールを利用できず、その用途が限られてしまう、という問題があった。
【００１２】
より具体的な例を挙げれば、例えば、熱電変換モジュールを自動車などに搭載する場合、自動車の走行中には相応の衝撃や振動が熱電変換モジュールに加わるおそれがある。そのため、そのような衝撃や振動によって素子の破断を招くおそれがあれば、そのような素子を採用した熱電変換モジュールを自動車に搭載する用途で使用することは難しいことになる。
【００１３】
また、例えば、熱電変換モジュールを携帯機器などに搭載する場合でも、携帯機器を落としたりどこかにぶつけたりしたときに相応の衝撃が加わるおそれがある。そのため、そのような衝撃によって素子の破断を招くおそれがあれば、そのような素子を採用した熱電変換モジュールを携帯機器に搭載する用途で使用することは難しいことになる。
【００１４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされた素子を利用しているにもかかわらず、衝撃や振動が伝わっても、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制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】
【００１５】
以下、本発明において採用した構成について説明する。
本発明の熱電変換モジュールは、それぞれがｐ型熱電材料からなる複数のｐ型素子とそれぞれがｎ型熱電材料からなる複数のｎ型素子が、間隔を空けた状態で並列に配置されて、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側では一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されるとともに、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の他端側では前記一端側で電気的に接続された素子とは異なる素子間で一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されることにより、いくつかの前記ｐ型素子といくつかの前記ｎ型素子が交互に直列接続された構造が、１組以上形成されており、前記複数のｐ型素子及び前記複数のｎ型素子のうち、一つ以上の素子は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされており、しかも、複数の前記ｐ型素子と複数の前記ｎ型素子との間には、当該素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この熱電変換モジュールにおいて、複数のｐ型素子と複数のｎ型素子との間には、素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部が設けられ、この補強部を設けることで、同等な補強部相当物が設けられていないものに比べ、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制している。
【００１７】
より具体的には、この熱電変換モジュールでは、補強部となる樹脂組成物が素子間に充填されて、各素子が樹脂組成物中に埋没した状態になっている。そのため、熱電変換モジュールに衝撃や振動が伝わったことに起因して、熱電変換モジュールの各部に応力が作用しても、その応力が各素子に過度に集中することはなく、補強部にも分散する。
【００１８】
したがって、補強部相当物が設けられていない場合に比べ、同程度の衝撃や振動が伝わったとしても、個々の素子に作用する応力を低減でき、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制することができる。
【００１９】
なお、このような補強部を形成する樹脂組成物については、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制可能な樹脂組成物であれば、特に限定されるものではなく、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂いずれを利用することもできる。ただし、素子間に充填する都合上、充填時には、各素子に過大な負荷をかけることなく充填可能な程度の流動性を有するものが好ましく、例えば粘度が５００ｍＰａ・ｓ〜５００Ｐａ・ｓ程度の樹脂組成物が好ましい。一方、充填後には、補強部として機能する程度の硬さを呈する樹脂組成物が好ましい。
【００２０】
そのような樹脂組成物の代表的な例を挙げれば、例えば、熱硬化性樹脂であれば、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、及びアクリル樹脂などを挙げることができる。また、熱可塑性樹脂であれば、スチレン系エラストマーなどを挙げることができる。中でも、衝撃や振動を吸収ないし減衰させる特性を有する樹脂組成物であると、素子にかかる負荷を単に分散させるだけではなく、効果的に低減できるので、その点で、シリコーン樹脂やスチレン系エラストマーは特に好ましい。
【００２１】
また、前記補強部は、少なくとも一層の断熱層を備えると好ましい。このような断熱層が設けられていれば、熱電変換モジュールの表裏両面の間に断熱層が介在する構造となるので、熱電変換モジュールの表裏両面に温度差が生じやすくなり、各素子の起電力を向上させることができる。
【００２２】
断熱層を設けるに当たっては、補強部全体が一層の断熱層として構成されていてもよいし、補強部を複数の層が積層された積層構造として、それら複数の層のうち、一層以上が断熱層として構成されていてもよい。
【００２３】
また、断熱層を形成する樹脂組成物については、所期の断熱作用がある層を形成できれば特に限定されないが、一例としては、熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満程度の断熱層を形成可能な樹脂組成物であると好ましい。
【００２４】
より具体的な一例としては、前記断熱層は、中空粒子を含有する樹脂組成物によって形成されていると好ましい。このような中空粒子を含有する樹脂組成物であれば、中空粒子によって形成される中空部が断熱効果を発揮するので、マトリクス樹脂を選定する際にマトリクス樹脂そのものの熱伝導性を過度に考慮しなくても、所期の断熱層を容易に形成することができる。
【００２５】
また、前記補強部は、前記断熱層に加えて、少なくとも一層の熱伝導層を備え、前記熱伝導層は、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端又は他端に接する位置に設けられていると好ましい。
【００２６】
このような構造を採用すれば、熱電変換モジュールの表裏両面のうち、高温側となる位置に熱伝導層がある場合には、素子端部の加熱を促すことができ、一方、低温側となる位置に熱伝導層がある場合には、素子端部からの放熱を促すことができる。したがって、高温側及び低温側のうち、いずれか一方に熱伝導層がある場合、又は両方に熱伝導層がある場合、どの場合においても、熱電変換モジュールの表裏両面には温度差が生じやすくなり、各素子の起電力を向上させることができる。
【００２７】
なお、熱伝導層を形成する樹脂組成物については、所期の熱伝導作用がある層を形成できれば特に限定されないが、一例としては、熱伝導率が０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上程度の熱伝導層を形成可能な樹脂組成物であると好ましい。
【００２８】
さらに、前記補強部は、粘着性のある樹脂組成物によって形成されており、当該補強部表面の粘着性を利用して、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側から熱を奪う放熱部材が貼り付けられていると好ましい。
【００２９】
このような構造を採用すれば、放熱部材によって熱を放出させることができるので、熱電変換モジュールの表裏両面には温度差が生じやすくなり、各素子の起電力を向上させることができる。しかも、このような放熱部材を設けるに当たっては、補強部表面の粘着性を利用して放熱部材が貼り付けられているので、補強部とは別の粘着剤や粘着テープなどを利用しなくても放熱部材を貼り付けることができる。したがって、別の粘着剤や粘着テープなどが不要な分だけ余計なコストがかからないのはもちろんのこと、別の粘着剤や粘着テープなどによって各素子や補強部から放熱部材への熱移動が阻害されることもなく、効率よく放熱を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は事例１，２として例示する熱電変換モジュールの縦断面図、（ｂ）は事例３，４，５として例示する熱電変換モジュールの縦断面図。
【図２】（ａ）は事例６，７として例示する熱電変換モジュールの縦断面図、（ｂ）は事例８として例示する熱電変換モジュールの縦断面図、（ｃ）は事例９として例示する熱電変換モジュールの縦断面図。
【図３】事例１０として例示する熱電変換モジュールの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
次に、本発明の実施形態について、いくつかの具体的な事例を挙げて説明する。
〔１〕事例１
図１（ａ）に示すように、熱電変換モジュール１は、それぞれがｐ型熱電材料（本事例ではＦｅ2Ｖ0.9Ｔｉ0.1Ａｌ）からなる複数のｐ型素子１１と、それぞれがｎ型熱電材料（本事例ではＦｅ2ＶＡｌ0.9Ｓｉ0.1）からなる複数のｎ型素子１２とを備え、これらｐ型素子１１及びｎ型素子１２が互いに間隔を空けた状態で並列に配置されている。
【００３２】
これらｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、各素子の一端側（図１（ａ）中に示す低温側）において、一つのｐ型素子１１と一つのｎ型素子１２が電極１３を介して電気的に接続されている。また、各素子の他端側（図１（ａ）中に示す高温側）においては、一端側で電極１３を介して電気的に接続された素子とは異なる素子間で、一つのｐ型素子１１と一つのｎ型素子１２が電極１４を介して電気的に接続されている。電極１４は、基板１５の表面に形成されている。
【００３３】
また、図１（ａ）には表れないが、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、図１（ａ）が描かれた紙面に垂直な方向にも配列されている。そして、それら図１（ａ）に表れないｐ型素子１１及びｎ型素子１２も含め、熱電変換モジュール１内にある複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２すべてが交互に直列接続されている。
【００３４】
また、この熱電変換モジュール１において、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、いずれも複数（図１（ａ）では四つ）の粒子（図１（ａ）では球状粒子、直径５００μｍ）を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされている。
【００３５】
さらに、複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、それらの素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられている。この補強部１６は、シリコーン樹脂系ポッティング材によって形成されたものである。本事例においては、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）を５０：５０の重量比で配合した樹脂組成物（粘度：５００ｍＰａ・ｓ）にて、基板１５上の素子１１，１２をポッティングすることにより、補強部１６を形成した。
【００３６】
以上のように構成された熱電変換モジュール１によれば、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２が、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされているので、ブロック状に切り出された素子よりも素子両端間で熱が伝わりにくくなり、素子両端間の温度差が大きくなるので、熱電変換モジュール１の熱電変換性能を向上させることができる。また、このように個々の素子の性能（起電力）が向上すれば、より小型の素子でも必要な性能を確保できるので、熱電変換モジュール１の軽量化、薄型化、小型化を図ることができる。
【００３７】
しかも、個々のｐ型素子１１及びｎ型素子１２の構造は、上記のようなくびれ部分のある構造となっているので、ブロック状に切り出された素子に比べ、くびれ部分で破断しやすい脆弱な構造となっているが、複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられているので、補強部１６によってくびれ部分での破断が抑制される。
【００３８】
したがって、このような補強部１６相当の構成を備えていないものに比べ、耐衝撃性及び振動特性が向上し、この熱電変換モジュール１であれば、車載用途やモバイル機器等の用途においても使用することができるようになる。
【００３９】
さらに、補強部１６が設けられていることにより、補強部１６が低温側と高温側との間で熱移動を妨げる断熱材として機能し、ｐ型素子１１やｎ型素子１２から放射される熱を補強部１６によって遮断することができる。また、素子間の隙間が補強部１６で埋められていれば、対流によって低温側へ熱が伝わることもない。よって、補強部１６がない場合以上に、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくすることができ、より高性能な熱電変換モジュール１とすることができる。
【００４０】
〔２〕事例２
事例２として説明する熱電変換モジュール１は、構造的には事例１で示した熱電変換モジュール１と同等のものである。ただし、補強部１６を形成する樹脂組成物として、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）の配合比を４０：６０の重量比で配合した樹脂組成物（粘度：５００ｍＰａ・ｓ）に変更した。この補強部１６の硬さは、アスカーＣ硬度が１０であった。
【００４１】
このような熱電変換モジュール１でも、上記事例１同様、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされているので、素子両端間の温度差が大きくなり、熱電変換モジュールの熱電変換性能を向上させることができる。
【００４２】
また、複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられているので、補強部１６によってくびれ部分での破断を抑制でき、車載用途やモバイル機器等の用途においても使用することができるようになる。
【００４３】
さらに、補強部１６が設けられていることにより、補強部１６が低温側と高温側との間で熱移動を妨げる断熱材として機能するので、補強部１６がない場合以上に、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくすることができ、より高性能な熱電変換モジュール１とすることができる。
【００４４】
〔３〕事例３
事例３として説明する熱電変換モジュール２１は、図１（ｂ）に示すように、補強部２３の微視的構造が、マトリクス２３ａ中に無数の中空部２３ｂを有する構造とされている点で、上述の事例１，２とは相違するものである。
【００４５】
本事例において、補強部２３を形成する樹脂組成物としては、事例１と同様の二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））１００重量部に対し、中空粒子（日本フィライト株式会社製 Ｆｉｌｌｉｔｅ２００−７、直径５〜１５０μｍ）９０重量部を配合した樹脂組成物（粘度：５０Ｐａ・ｓ）を利用した。この補強部２３の硬さは、アスカーＣ硬度が３０であった。
【００４６】
このような熱電変換モジュール１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、補強部２３には、中空粒子を配合することによって形成された中空部２３ｂが形成されているので、事例１，２以上に補強部２３の断熱層としての性能が向上する。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００４７】
〔４〕事例４
事例４として説明する熱電変換モジュール２１は、構造的には事例３で示した熱電変換モジュール２１と同等のものである。ただし、補強部２３を形成する樹脂組成物として、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）の配合比を４０：６０の重量比に変更し、このシリコーンゲル１００重量部に対し、中空粒子（日本フィライト株式会社製 Ｆｉｌｌｉｔｅ２００−７）９０重量部を配合した（粘度：５０Ｐａ・ｓ）。この補強部２３の硬さは、アスカーＣ硬度が６０であった。
【００４８】
このような熱電変換モジュール２１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、補強部２３には、中空粒子を配合することによって形成された中空部２３ｂが形成されているので、上記事例３同様、事例１，２以上に補強部２３の断熱層としての性能が向上する。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００４９】
〔５〕事例５
事例５として説明する熱電変換モジュール２１は、構造的には事例３，４で示した熱電変換モジュール２１と同等のものである。ただし、補強部２３を形成する樹脂組成物として、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）に代えて、ウレタン樹脂（サンユレック株式会社製 ＳＵ−３００１）を使用し、このウレタン樹脂１０００重量部に対し、中空粒子（日本フィライト株式会社製 Ｆｉｌｌｉｔｅ２００−７）５０重量部を配合した（粘度：１００Ｐａ・ｓ）。この補強部２３の硬さは、アスカーＣ硬度が８０であった。
【００５０】
このような熱電変換モジュール２１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、補強部２３には、中空粒子を配合することによって形成された中空部２３ｂが形成されているので、上記事例３，４同様、事例１，２以上に補強部２３の断熱層としての性能が向上する。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５１】
〔６〕事例６
事例６として説明する熱電変換モジュール３１は、図２（ａ）に示すように、補強部３３の構造が、断熱層３３ａと熱伝導層３３ｂの積層構造とされている点で、上述の事例１〜５とは相違するものである。
【００５２】
本事例において、断熱層３３ａを形成する樹脂組成物としては、事例１と同様の二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））を使用した。一方、熱伝導層３３ｂを形成する樹脂組成物としては、事例１と同様の二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））１００重量部に対し、アルミナ（昭和電工株式会社製 ＡＳ−１０）３００重量部を配合した樹脂組成物（粘度：５０Ｐａ・ｓ）を利用した。熱伝導層３３ｂの硬さは、アスカーＣ硬度が２０であった。
【００５３】
このような熱電変換モジュール３１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部に熱伝導層３３ｂが設けてあるので、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５４】
〔７〕事例７
事例７として説明する熱電変換モジュール３１は、構造的には事例６で示した熱電変換モジュール３１と同等のものである。ただし、補強部３３を形成する樹脂組成物として、
二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））１００重量部に対し、アルミナ（昭和電工株式会社製 ＡＳ−１０）５００重量部を配合したものを使用した（粘度：５００Ｐａ・ｓ）。熱伝導層３３ｂの硬さは、アスカーＣ硬度が５０であった。
【００５５】
このような熱電変換モジュール３１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部に熱伝導層３３ｂが設けてあるので、事例６同様、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５６】
〔８〕事例８
事例８として説明する熱電変換モジュール４１は、図２（ｂ）に示すように、補強部４３の構造が、断熱層４３ａと熱伝導層４３ｂの積層構造とされている点で、上述の事例１〜５とは相違する。また、熱伝導層４３ｂが断熱層４３ａよりも高温側に設けてある点で、事例６，７とも相違する。なお、断熱層４３ａ及び熱伝導層４３ｂそれぞれを形成する樹脂組成物については、事例６と同じものを使用した。
【００５７】
このような熱電変換モジュール４１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部に熱伝導層４３ｂが設けてあるので、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部の加熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５８】
〔９〕事例９
事例９として説明する熱電変換モジュール５１は、図２（ｃ）に示すように、補強部５３の構造が、断熱層５３ａとその両側にある熱伝導層５３ｂ，５３ｃの三層構造とされている点で、上述の事例１〜８とは相違する。なお、断熱層５３ａ及び熱伝導層５３ｂ，５３ｃそれぞれを形成する樹脂組成物については、事例６と同じものを使用した。
【００５９】
このような熱電変換モジュール５１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部に熱伝導層５３ｂが設けてあるので、事例６，７同様、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。しかも、事例８同様、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部にも熱伝導層５３ｃが設けてあるので、事例１〜７以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部の加熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００６０】
〔１０〕事例１０
事例１０は、図３に示すように、事例１として説明した熱電変換モジュール１に対して、放熱部材６１（金属製の放熱フィン）を取り付けたものである。この放熱部材６１は、補強部１６の表面に生じる粘着性を利用して、補強部１６に対して貼り付けられている。
【００６１】
このような熱電変換モジュール５１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、放熱部材６１が設けてあるので、事例１以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００６２】
また、補強部１６表面の粘着性を利用して放熱部材６１が貼り付けられているので、補強部１６とは別の粘着剤や粘着テープなどを利用しなくても放熱部材６１を貼り付けることができる。したがって、別の粘着剤や粘着テープなどが不要な分だけ余計なコストがかからないのはもちろんのこと、別の粘着剤や粘着テープなどによって放熱部材６１への熱移動が阻害されることもなく、効率よく放熱を促すことができる。
【００６３】
〔１１〕その他の事例
以上、本発明の実施形態について、いくつかの事例を挙げて説明したが、本発明は上記の具体的な事例に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
【００６４】
例えば、上記事例では、ｐ型熱電材料、ｎ型熱電材料として、特定の組成比のＦｅ2ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、この組成比は一例であり、ｐ型又はｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、適宜組成比を変更してもかまわない。また、上記実施形態では、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料に第４元素としてＳｉを添加する例を示したが、これもｐ型又はｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、任意の第４元素を添加することができる。
【００６５】
また、上記実施形態では、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、他の熱電材料を利用してもよい。そのような熱電材料としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ−Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、Ｆｅ−Ｓｉ系熱電材料、Ｓｉ−Ｇｅ系熱電材料、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電材料など、各種合金系の熱電材料を挙げることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１，２１，３１，４１，５１・・・熱電変換モジュール、１１・・・ｐ型素子、１２・・・ｎ型素子、１３，１４・・・電極、１５・・・基板、１６，２３，３３，４３，５３・・・補強部、２３ｂ・・・中空部、３３ａ，４３ａ，５３ａ・・・断熱層、３３ｂ，４３ｂ，５３ｂ，５３ｃ・・・熱伝導層、６１・・・放熱部材。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゼーベック効果による熱電発電やペルチェ効果による熱電冷却（電子冷却）を行うために利用される熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、熱電発電や熱電冷却を行うために利用される熱電変換モジュールの一例として、例えば、ｐ型熱電材料からなる複数のｐ型素子とｎ型熱電材料からなる複数のｎ型素子が二次元的に配列された構造とされた面状の熱電変換モジュールが知られている。このような面状の熱電変換モジュールにおいて、モジュールの表裏両面には、複数の電極が設けられ、各電極を介して一つのｐ型素子と一つのｎ型素子が電気的に接続されることにより、複数のｐ型素子と複数のｎ型素子が交互に直列接続されている。
【０００３】
このような熱電変換モジュールの表面側と裏面側に温度差（温度勾配）を与えると、ｐ型素子では低温側が高電位、高温側が低電位となる一方、ｎ型素子では高温側が高電位、低温側が低電位となる。その結果、低温側ではｐ型素子からｎ型素子へと電流が流れ、高温側ではｎ型素子からｐ型素子へと電流が流れる。
【０００４】
ところで、上述のようなｐ型素子やｎ型素子は、従来、ｐ型熱電材料やｎ型熱電材料と同一組成の原料組成物を加熱して熔解又は焼結したものから、機械的加工（切削加工）によってブロック状の成形体を切り出し、それらを基板上に配列して直列に接続していた。しかし、熱電材料には機械的強度の低いものが多いため、微細な精密加工は難しく、小型化薄型化を図ることは困難であった。また、成形体の切り出し加工では、歩留まりが低くなるという問題もあった。
【０００５】
また、熱伝導性に優れる熱電材料を利用する場合、ブロック状に切り出された素子を利用すると、熱電変換モジュールの表裏に大きな温度差を与えても、素子の内部を熱が伝わりやすいため、素子の両端間では十分な温度差が発現しないという問題があった。
【０００６】
このような諸問題に対し、素子の形状を工夫することにより、素子両端間で大きな温度差を発現させることができ、熱電発電モジュールの小型化をも実現可能な技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
この特許文献１に記載の技術においては、ｐ型あるいはｎ型の素子の少なくとも一方の素子の形状が球を複数組み合わせた形状とされており、隣り合う位置にある球と球との接合部分に、断面積が最も小さくなるくびれ部分が形成されている。このような素子を利用すれば、くびれ部分で熱流束が滞るため、ブロック状に切り出された素子よりも素子両端間で熱が伝わりにくくなり、素子両端間の温度差が大きくなるので、熱電変換モジュールの熱電変換性能を向上させることができる。
【０００８】
また、このように個々の素子の性能（起電力）が向上すれば、より小型の素子でも必要な性能を確保できるので、熱電変換モジュールの軽量化、薄型化、小型化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許４５２４３８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１に記載されているような、球を複数組み合わせた形状とされた素子（ｐ型素子又はｎ型素子）には上述のようなくびれ部分があるため、ブロック状に切り出された素子に比べると、くびれ部分での機械的強度を確保することが難しく、素子の構造が脆弱になりやすいという点で、未だ改良の余地が残されていた。
【００１１】
そのため、素子がくびれ部分で破断するのを避けるには、熱電変換モジュールに過大な衝撃や振動が伝わらない用途でしか、熱電変換モジュールを利用できず、その用途が限られてしまう、という問題があった。
【００１２】
より具体的な例を挙げれば、例えば、熱電変換モジュールを自動車などに搭載する場合、自動車の走行中には相応の衝撃や振動が熱電変換モジュールに加わるおそれがある。そのため、そのような衝撃や振動によって素子の破断を招くおそれがあれば、そのような素子を採用した熱電変換モジュールを自動車に搭載する用途で使用することは難しいことになる。
【００１３】
また、例えば、熱電変換モジュールを携帯機器などに搭載する場合でも、携帯機器を落としたりどこかにぶつけたりしたときに相応の衝撃が加わるおそれがある。そのため、そのような衝撃によって素子の破断を招くおそれがあれば、そのような素子を採用した熱電変換モジュールを携帯機器に搭載する用途で使用することは難しいことになる。
【００１４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、その目的は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされた素子を利用しているにもかかわらず、衝撃や振動が伝わっても、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制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】
【００１５】
以下、本発明において採用した構成について説明する。
本発明の熱電変換モジュールは、それぞれがｐ型熱電材料からなる複数のｐ型素子とそれぞれがｎ型熱電材料からなる複数のｎ型素子が、間隔を空けた状態で並列に配置されて、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側では一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されるとともに、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の他端側では前記一端側で電気的に接続された素子とは異なる素子間で一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されることにより、いくつかの前記ｐ型素子といくつかの前記ｎ型素子が交互に直列接続された構造が、１組以上形成されており、前記複数のｐ型素子及び前記複数のｎ型素子のうち、一つ以上の素子は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされており、しかも、複数の前記ｐ型素子と複数の前記ｎ型素子との間には、当該素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
この熱電変換モジュールにおいて、複数のｐ型素子と複数のｎ型素子との間には、素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部が設けられ、この補強部を設けることで、同等な補強部相当物が設けられていないものに比べ、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制している。
【００１７】
より具体的には、この熱電変換モジュールでは、補強部となる樹脂組成物が素子間に充填されて、各素子が樹脂組成物中に埋没した状態になっている。そのため、熱電変換モジュールに衝撃や振動が伝わったことに起因して、熱電変換モジュールの各部に応力が作用しても、その応力が各素子に過度に集中することはなく、補強部にも分散する。
【００１８】
したがって、補強部相当物が設けられていない場合に比べ、同程度の衝撃や振動が伝わったとしても、個々の素子に作用する応力を低減でき、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制することができる。
【００１９】
なお、このような補強部を形成する樹脂組成物については、隣り合う粒子同士の接合箇所が破断するのを抑制可能な樹脂組成物であれば、特に限定されるものではなく、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂いずれを利用することもできる。ただし、素子間に充填する都合上、充填時には、各素子に過大な負荷をかけることなく充填可能な程度の流動性を有するものが好ましく、例えば粘度が５００ｍＰａ・ｓ〜５００Ｐａ・ｓ程度の樹脂組成物が好ましい。一方、充填後には、補強部として機能する程度の硬さを呈する樹脂組成物が好ましい。
【００２０】
そのような樹脂組成物の代表的な例を挙げれば、例えば、熱硬化性樹脂であれば、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、及びアクリル樹脂などを挙げることができる。また、熱可塑性樹脂であれば、スチレン系エラストマーなどを挙げることができる。中でも、衝撃や振動を吸収ないし減衰させる特性を有する樹脂組成物であると、素子にかかる負荷を単に分散させるだけではなく、効果的に低減できるので、その点で、シリコーン樹脂やスチレン系エラストマーは特に好ましい。
【００２１】
また、前記補強部は、少なくとも一層の断熱層を備えると好ましい。このような断熱層が設けられていれば、熱電変換モジュールの表裏両面の間に断熱層が介在する構造となるので、熱電変換モジュールの表裏両面に温度差が生じやすくなり、各素子の起電力を向上させることができる。
【００２２】
断熱層を設けるに当たっては、補強部全体が一層の断熱層として構成されていてもよいし、補強部を複数の層が積層された積層構造として、それら複数の層のうち、一層以上が断熱層として構成されていてもよい。
【００２３】
また、断熱層を形成する樹脂組成物については、所期の断熱作用がある層を形成できれば特に限定されないが、一例としては、熱伝導率が０．１Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満程度の断熱層を形成可能な樹脂組成物であると好ましい。
【００２４】
より具体的な一例としては、前記断熱層は、中空粒子を含有する樹脂組成物によって形成されていると好ましい。このような中空粒子を含有する樹脂組成物であれば、中空粒子によって形成される中空部が断熱効果を発揮するので、マトリクス樹脂を選定する際にマトリクス樹脂そのものの熱伝導性を過度に考慮しなくても、所期の断熱層を容易に形成することができる。
【００２５】
また、前記補強部は、前記断熱層に加えて、少なくとも一層の熱伝導層を備え、前記熱伝導層は、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端又は他端に接する位置に設けられていると好ましい。
【００２６】
このような構造を採用すれば、熱電変換モジュールの表裏両面のうち、高温側となる位置に熱伝導層がある場合には、素子端部の加熱を促すことができ、一方、低温側となる位置に熱伝導層がある場合には、素子端部からの放熱を促すことができる。したがって、高温側及び低温側のうち、いずれか一方に熱伝導層がある場合、又は両方に熱伝導層がある場合、どの場合においても、熱電変換モジュールの表裏両面には温度差が生じやすくなり、各素子の起電力を向上させることができる。
【００２７】
なお、熱伝導層を形成する樹脂組成物については、所期の熱伝導作用がある層を形成できれば特に限定されないが、一例としては、熱伝導率が０．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上程度の熱伝導層を形成可能な樹脂組成物であると好ましい。
【００２８】
さらに、前記補強部は、粘着性のある樹脂組成物によって形成されており、当該補強部表面の粘着性を利用して、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側から熱を奪う放熱部材が貼り付けられていると好ましい。
【００２９】
このような構造を採用すれば、放熱部材によって熱を放出させることができるので、熱電変換モジュールの表裏両面には温度差が生じやすくなり、各素子の起電力を向上させることができる。しかも、このような放熱部材を設けるに当たっては、補強部表面の粘着性を利用して放熱部材が貼り付けられているので、補強部とは別の粘着剤や粘着テープなどを利用しなくても放熱部材を貼り付けることができる。したがって、別の粘着剤や粘着テープなどが不要な分だけ余計なコストがかからないのはもちろんのこと、別の粘着剤や粘着テープなどによって各素子や補強部から放熱部材への熱移動が阻害されることもなく、効率よく放熱を促すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】（ａ）は事例１，２として例示する熱電変換モジュールの縦断面図、（ｂ）は事例３，４，５として例示する熱電変換モジュールの縦断面図。
【図２】（ａ）は事例６，７として例示する熱電変換モジュールの縦断面図、（ｂ）は事例８として例示する熱電変換モジュールの縦断面図、（ｃ）は事例９として例示する熱電変換モジュールの縦断面図。
【図３】事例１０として例示する熱電変換モジュールの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
次に、本発明の実施形態について、いくつかの具体的な事例を挙げて説明する。
〔１〕事例１
図１（ａ）に示すように、熱電変換モジュール１は、それぞれがｐ型熱電材料（本事例ではＦｅ2Ｖ0.9Ｔｉ0.1Ａｌ）からなる複数のｐ型素子１１と、それぞれがｎ型熱電材料（本事例ではＦｅ2ＶＡｌ0.9Ｓｉ0.1）からなる複数のｎ型素子１２とを備え、これらｐ型素子１１及びｎ型素子１２が互いに間隔を空けた状態で並列に配置されている。
【００３２】
これらｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、各素子の一端側（図１（ａ）中に示す低温側）において、一つのｐ型素子１１と一つのｎ型素子１２が電極１３を介して電気的に接続されている。また、各素子の他端側（図１（ａ）中に示す高温側）においては、一端側で電極１３を介して電気的に接続された素子とは異なる素子間で、一つのｐ型素子１１と一つのｎ型素子１２が電極１４を介して電気的に接続されている。電極１４は、基板１５の表面に形成されている。
【００３３】
また、図１（ａ）には表れないが、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、図１（ａ）が描かれた紙面に垂直な方向にも配列されている。そして、それら図１（ａ）に表れないｐ型素子１１及びｎ型素子１２も含め、熱電変換モジュール１内にある複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２すべてが交互に直列接続されている。
【００３４】
また、この熱電変換モジュール１において、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、いずれも複数（図１（ａ）では四つ）の粒子（図１（ａ）では球状粒子、直径５００μｍ）を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされている。
【００３５】
さらに、複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、それらの素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられている。この補強部１６は、シリコーン樹脂系ポッティング材によって形成されたものである。本事例においては、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）を５０：５０の重量比で配合した樹脂組成物（粘度：５００ｍＰａ・ｓ）にて、基板１５上の素子１１，１２をポッティングすることにより、補強部１６を形成した。
【００３６】
以上のように構成された熱電変換モジュール１によれば、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２が、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされているので、ブロック状に切り出された素子よりも素子両端間で熱が伝わりにくくなり、素子両端間の温度差が大きくなるので、熱電変換モジュール１の熱電変換性能を向上させることができる。また、このように個々の素子の性能（起電力）が向上すれば、より小型の素子でも必要な性能を確保できるので、熱電変換モジュール１の軽量化、薄型化、小型化を図ることができる。
【００３７】
しかも、個々のｐ型素子１１及びｎ型素子１２の構造は、上記のようなくびれ部分のある構造となっているので、ブロック状に切り出された素子に比べ、くびれ部分で破断しやすい脆弱な構造となっているが、複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられているので、補強部１６によってくびれ部分での破断が抑制される。
【００３８】
したがって、このような補強部１６相当の構成を備えていないものに比べ、耐衝撃性及び振動特性が向上し、この熱電変換モジュール１であれば、車載用途やモバイル機器等の用途においても使用することができるようになる。
【００３９】
さらに、補強部１６が設けられていることにより、補強部１６が低温側と高温側との間で熱移動を妨げる断熱材として機能し、ｐ型素子１１やｎ型素子１２から放射される熱を補強部１６によって遮断することができる。また、素子間の隙間が補強部１６で埋められていれば、対流によって低温側へ熱が伝わることもない。よって、補強部１６がない場合以上に、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくすることができ、より高性能な熱電変換モジュール１とすることができる。
【００４０】
〔２〕事例２
事例２として説明する熱電変換モジュール１は、構造的には事例１で示した熱電変換モジュール１と同等のものである。ただし、補強部１６を形成する樹脂組成物として、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）の配合比を４０：６０の重量比で配合した樹脂組成物（粘度：５００ｍＰａ・ｓ）に変更した。この補強部１６の硬さは、アスカーＣ硬度が１０であった。
【００４１】
このような熱電変換モジュール１でも、上記事例１同様、ｐ型素子１１及びｎ型素子１２は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされているので、素子両端間の温度差が大きくなり、熱電変換モジュールの熱電変換性能を向上させることができる。
【００４２】
また、複数のｐ型素子１１と複数のｎ型素子１２との間には、素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部１６が設けられているので、補強部１６によってくびれ部分での破断を抑制でき、車載用途やモバイル機器等の用途においても使用することができるようになる。
【００４３】
さらに、補強部１６が設けられていることにより、補強部１６が低温側と高温側との間で熱移動を妨げる断熱材として機能するので、補強部１６がない場合以上に、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくすることができ、より高性能な熱電変換モジュール１とすることができる。
【００４４】
〔３〕事例３
事例３として説明する熱電変換モジュール２１は、図１（ｂ）に示すように、補強部２３の微視的構造が、マトリクス２３ａ中に無数の中空部２３ｂを有する構造とされている点で、上述の事例１，２とは相違するものである。
【００４５】
本事例において、補強部２３を形成する樹脂組成物としては、事例１と同様の二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））１００重量部に対し、中空粒子（日本フィライト株式会社製 Ｆｉｌｌｉｔｅ２００−７、直径５〜１５０μｍ）９０重量部を配合した樹脂組成物（粘度：５０Ｐａ・ｓ）を利用した。この補強部２３の硬さは、アスカーＣ硬度が３０であった。
【００４６】
このような熱電変換モジュール１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、補強部２３には、中空粒子を配合することによって形成された中空部２３ｂが形成されているので、事例１，２以上に補強部２３の断熱層としての性能が向上する。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００４７】
〔４〕事例４
事例４として説明する熱電変換モジュール２１は、構造的には事例３で示した熱電変換モジュール２１と同等のものである。ただし、補強部２３を形成する樹脂組成物として、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）の配合比を４０：６０の重量比に変更し、このシリコーンゲル１００重量部に対し、中空粒子（日本フィライト株式会社製 Ｆｉｌｌｉｔｅ２００−７）９０重量部を配合した（粘度：５０Ｐａ・ｓ）。この補強部２３の硬さは、アスカーＣ硬度が６０であった。
【００４８】
このような熱電変換モジュール２１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、補強部２３には、中空粒子を配合することによって形成された中空部２３ｂが形成されているので、上記事例３同様、事例１，２以上に補強部２３の断熱層としての性能が向上する。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００４９】
〔５〕事例５
事例５として説明する熱電変換モジュール２１は、構造的には事例３，４で示した熱電変換モジュール２１と同等のものである。ただし、補強部２３を形成する樹脂組成物として、二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ）に代えて、ウレタン樹脂（サンユレック株式会社製 ＳＵ−３００１）を使用し、このウレタン樹脂１０００重量部に対し、中空粒子（日本フィライト株式会社製 Ｆｉｌｌｉｔｅ２００−７）５０重量部を配合した（粘度：１００Ｐａ・ｓ）。この補強部２３の硬さは、アスカーＣ硬度が８０であった。
【００５０】
このような熱電変換モジュール２１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、補強部２３には、中空粒子を配合することによって形成された中空部２３ｂが形成されているので、上記事例３，４同様、事例１，２以上に補強部２３の断熱層としての性能が向上する。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５１】
〔６〕事例６
事例６として説明する熱電変換モジュール３１は、図２（ａ）に示すように、補強部３３の構造が、断熱層３３ａと熱伝導層３３ｂの積層構造とされている点で、上述の事例１〜５とは相違するものである。
【００５２】
本事例において、断熱層３３ａを形成する樹脂組成物としては、事例１と同様の二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））を使用した。一方、熱伝導層３３ｂを形成する樹脂組成物としては、事例１と同様の二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））１００重量部に対し、アルミナ（昭和電工株式会社製 ＡＳ−１０）３００重量部を配合した樹脂組成物（粘度：５０Ｐａ・ｓ）を利用した。熱伝導層３３ｂの硬さは、アスカーＣ硬度が２０であった。
【００５３】
このような熱電変換モジュール３１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部に熱伝導層３３ｂが設けてあるので、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５４】
〔７〕事例７
事例７として説明する熱電変換モジュール３１は、構造的には事例６で示した熱電変換モジュール３１と同等のものである。ただし、補強部３３を形成する樹脂組成物として、
二液型シリコーンゲル（東レ・ダウコーニング株式会社製、ＳＥ１８８５Ａ、ＳＥ１８８５Ｂ、配合比を５０：５０（重量比））１００重量部に対し、アルミナ（昭和電工株式会社製 ＡＳ−１０）５００重量部を配合したものを使用した（粘度：５００Ｐａ・ｓ）。熱伝導層３３ｂの硬さは、アスカーＣ硬度が５０であった。
【００５５】
このような熱電変換モジュール３１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部に熱伝導層３３ｂが設けてあるので、事例６同様、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５６】
〔８〕事例８
事例８として説明する熱電変換モジュール４１は、図２（ｂ）に示すように、補強部４３の構造が、断熱層４３ａと熱伝導層４３ｂの積層構造とされている点で、上述の事例１〜５とは相違する。また、熱伝導層４３ｂが断熱層４３ａよりも高温側に設けてある点で、事例６，７とも相違する。なお、断熱層４３ａ及び熱伝導層４３ｂそれぞれを形成する樹脂組成物については、事例６と同じものを使用した。
【００５７】
このような熱電変換モジュール４１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部に熱伝導層４３ｂが設けてあるので、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部の加熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００５８】
〔９〕事例９
事例９として説明する熱電変換モジュール５１は、図２（ｃ）に示すように、補強部５３の構造が、断熱層５３ａとその両側にある熱伝導層５３ｂ，５３ｃの三層構造とされている点で、上述の事例１〜８とは相違する。なお、断熱層５３ａ及び熱伝導層５３ｂ，５３ｃそれぞれを形成する樹脂組成物については、事例６と同じものを使用した。
【００５９】
このような熱電変換モジュール５１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部に熱伝導層５３ｂが設けてあるので、事例６，７同様、事例１〜５以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。しかも、事例８同様、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部にも熱伝導層５３ｃが設けてあるので、事例１〜７以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の高温側端部の加熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００６０】
〔１０〕事例１０
事例１０は、図３に示すように、事例１として説明した熱電変換モジュール１に対して、放熱部材６１（金属製の放熱フィン）を取り付けたものである。この放熱部材６１は、補強部１６の表面に生じる粘着性を利用して、補強部１６に対して貼り付けられている。
【００６１】
このような熱電変換モジュール５１でも、上記事例１，２同様の作用、効果を奏するのはもちろんのこと、放熱部材６１が設けてあるので、事例１以上にｐ型素子１１やｎ型素子１２の低温側端部の放熱を促すことができる。したがって、ｐ型素子１１やｎ型素子１２の両端間の温度差を大きくする効果が、より一層向上し、より高性能な熱電変換モジュールとすることができる。
【００６２】
また、補強部１６表面の粘着性を利用して放熱部材６１が貼り付けられているので、補強部１６とは別の粘着剤や粘着テープなどを利用しなくても放熱部材６１を貼り付けることができる。したがって、別の粘着剤や粘着テープなどが不要な分だけ余計なコストがかからないのはもちろんのこと、別の粘着剤や粘着テープなどによって放熱部材６１への熱移動が阻害されることもなく、効率よく放熱を促すことができる。
【００６３】
〔１１〕その他の事例
以上、本発明の実施形態について、いくつかの事例を挙げて説明したが、本発明は上記の具体的な事例に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
【００６４】
例えば、上記事例では、ｐ型熱電材料、ｎ型熱電材料として、特定の組成比のＦｅ2ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、この組成比は一例であり、ｐ型又はｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、適宜組成比を変更してもかまわない。また、上記実施形態では、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料に第４元素としてＳｉを添加する例を示したが、これもｐ型又はｎ型熱電材料としての性能を維持できる範囲内で、任意の第４元素を添加することができる。
【００６５】
また、上記実施形態では、Ｆｅ2ＶＡｌ系熱電材料を例示したが、他の熱電材料を利用してもよい。そのような熱電材料としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ−Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、Ｆｅ−Ｓｉ系熱電材料、Ｓｉ−Ｇｅ系熱電材料、Ｐｂ−Ｔｅ系熱電材料など、各種合金系の熱電材料を挙げることができる。
【符号の説明】
【００６６】
１，２１，３１，４１，５１・・・熱電変換モジュール、１１・・・ｐ型素子、１２・・・ｎ型素子、１３，１４・・・電極、１５・・・基板、１６，２３，３３，４３，５３・・・補強部、２３ｂ・・・中空部、３３ａ，４３ａ，５３ａ・・・断熱層、３３ｂ，４３ｂ，５３ｂ，５３ｃ・・・熱伝導層、６１・・・放熱部材。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれがｐ型熱電材料からなる複数のｐ型素子とそれぞれがｎ型熱電材料からなる複数のｎ型素子が、間隔を空けた状態で並列に配置されて、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側では一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されるとともに、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の他端側では前記一端側で電気的に接続された素子とは異なる素子間で一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されることにより、いくつかの前記ｐ型素子といくつかの前記ｎ型素子が交互に直列接続された構造が、１組以上形成されており、
前記複数のｐ型素子及び前記複数のｎ型素子のうち、一つ以上の素子は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされており、
しかも、複数の前記ｐ型素子と複数の前記ｎ型素子との間には、当該素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部が設けられている
ことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記補強部は、少なくとも一層の断熱層を備える
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】
前記断熱層は、中空粒子を含有する樹脂組成物によって形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記補強部は、前記断熱層に加えて、少なくとも一層の熱伝導層を備え、
前記熱伝導層は、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端又は他端に接する位置に設けられている
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記補強部は、熱硬化性樹脂であるシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、及びアクリル樹脂のいずれか、若しくは、熱可塑性樹脂をマトリクスとする樹脂組成物によって形成されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記補強部は、粘着性のある樹脂組成物によって形成されており、
当該補強部表面の粘着性を利用して、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側から熱を奪う放熱部材が貼り付けられている
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１】
それぞれがｐ型熱電材料からなる複数のｐ型素子とそれぞれがｎ型熱電材料からなる複数のｎ型素子が、間隔を空けた状態で並列に配置されて、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側では一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されるとともに、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の他端側では前記一端側で電気的に接続された素子とは異なる素子間で一つの前記ｐ型素子と一つの前記ｎ型素子が電気的に接続されることにより、いくつかの前記ｐ型素子といくつかの前記ｎ型素子が交互に直列接続された構造が、１組以上形成されており、
前記複数のｐ型素子及び前記複数のｎ型素子のうち、一つ以上の素子は、複数の粒子を一列に並べて隣り合う粒子同士を接合した構造とされており、
しかも、複数の前記ｐ型素子と複数の前記ｎ型素子との間には、当該素子間に充填された樹脂組成物によって形成された補強部が設けられている
ことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記補強部は、少なくとも一層の断熱層を備える
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】
前記断熱層は、中空粒子を含有する樹脂組成物によって形成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記補強部は、前記断熱層に加えて、少なくとも一層の熱伝導層を備え、
前記熱伝導層は、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端又は他端に接する位置に設けられている
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記補強部は、熱硬化性樹脂であるシリコーン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、及びアクリル樹脂のいずれか、若しくは、熱可塑性樹脂をマトリクスとする樹脂組成物によって形成されている
ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記補強部は、粘着性のある樹脂組成物によって形成されており、
当該補強部表面の粘着性を利用して、前記ｐ型素子及び前記ｎ型素子の一端側から熱を奪う放熱部材が貼り付けられている
ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１３−１１０１５７（Ｐ２０１３−１１０１５７Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１７１１（Ｐ２０１１−２５１７１１）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００２４２２３１）北川工業株式会社 (268)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（０００２４２２３１）北川工業株式会社 (268)
【出願人】（３０１０２１５３３）独立行政法人産業技術総合研究所 (6,529)
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