JP2018032685A - 熱電変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱による基板の変形によって熱電変換素子が破損することを抑制しつつ、熱電変換器の性能を高く維持でき、且つ、基板の組み立て作業を容易に行い得る熱電変換器を提供する。
【解決手段】熱電変換器１は、熱伝導性の第１基板１０と、熱伝導性の第２基板２０と、第１基板１０と第２基板２０との間に配置された複数の熱電変換素子３０と、を備える。少なくとも第１基板１０は、複数の領域１０ａに分割され、熱による各領域１０ａの面内方向の変形を弾性的に吸収する緩衝部１１によって、隣り合う領域１０ａが互いに連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱を電力に変換し、あるいは電力を熱に変換する熱電変換器に関する。

従来、対象物を冷却または加熱するために、熱電変換器が用いられている。また、近年、工場などで生じる排熱を電力に変換するために、熱電変換器が用いられている。この種の熱電変換器は、ゼーベック効果、ペルチェ効果またはトムソン効果などの熱電効果を利用したｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とを多数組み合わせて構成され得る。

以下の特許文献１には、多数の熱電変換素子を２つの基板間に配置した熱電変換器が記載されている。また、熱膨張による基板の変形によって熱電変換素子が破損することを抑制するために、一方の基板を複数の分割基板から構成することが記載されている。

特開２０１６−７２５７９号公報

しかし、上記特許文献１の構成では、一方の基板が複数の分割基板から構成されているため、基板の数が増加し、各分割基板をそれぞれ位置決めしつつ設置するといった煩雑な工程が必要となってしまう。さらに、組み立て時に各分割基板を位置調整するために、位置調整用のジグ等を挿入するための隙間を分割基板間に確保する必要がある。この隙間には、熱電変換素子を配置できないため、その分、熱電変換器に配置可能な熱電変換素子の数が減少し、結果、熱電変換器の性能が低下するとの問題が生じる。

かかる課題に鑑み、本発明は、熱による基板の変形によって熱電変換素子が破損することを抑制しつつ、熱電変換器の性能を高く維持でき、且つ、基板の組み立て作業を容易に行い得る熱電変換器を提供することを目的とする。

本発明の主たる態様に係る熱電変換器は、熱伝導性の第１基板と、熱伝導性の第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置された複数の熱電変換素子と、を備える。ここで、少なくとも前記第１基板は、複数の領域に分割され、熱による各領域の面内方向の変形を弾性的に吸収する緩衝部によって、隣り合う前記領域が互いに連結されている。

本態様に係る熱電変換器によれば、熱により各領域が面内方向に変形した場合、この変形が緩衝部によって吸収されるため、各領域における変形が隣の領域に伝搬して累積されることがない。このため、熱による第１基板の変形（面積増加）が顕著に大きくなることがなく、第１基板の変形により、熱電変換素子に大きな力が付与されることがない。よって、第１基板の熱膨張により熱電変換素子が破損することを抑制することができる。

また、隣り合う領域が緩衝部により連結されているため、第１基板は全ての領域が一体化された１つの部材となっている。このため、組み立て時には、第１基板全体をそのまま位置調整して設置すればよく、各領域を個別に位置調整して設置するといった煩雑な作業は必要ない。よって、第１基板の組み立て作業を容易に行うことができる。

また、このように、組み立て時には第１基板全体を位置調整すればよいため、分割領域間に、位置調整用のジグ等を挿入するための大きな隙間を確保する必要がない。このため、分割領域間の隙間によって、配置可能な熱電変換素子の数が減少することがなく、よって、熱電変換器の性能を高く維持することができる。

なお、本発明において、「複数の領域に分割され」とは、隣り合う領域の端縁が、面内方向に離れつつ、緩衝部によって橋架される形態を広く含むものである。また、「緩衝部」は、第１基板に一体形成された形態の他、第１基板とは別の部材で構成される形態も広く含むものである。

以上のとおり、本発明によれば、熱による基板の変形によって熱電変換素子が破損することを抑制しつつ、熱電変換器の性能を高く維持でき、且つ、基板の組み立て作業を容易に行い得る熱電変換器を提供することができる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１（ａ）は、実施の形態に係る熱電変換器の構成を模式的に示す分解斜視図である。図１（ｂ）は、実施の形態に係る熱電変換器の組立後の状態を模式的に示す斜視図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、実施の形態に係る熱電変換素子の設置状態を模式的に示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す断面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す平面図である。 図５（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す断面図である。 図６（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す平面図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、実施例３に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す断面図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、実施例３に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す平面図である。 図９（ａ）、（ｂ）は、実施例４に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す断面図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、実施例４に係る熱電変換器の構成および作用を模式的に示す平面図である。 図１１（ａ）は、変更例１に係る熱電変換器の構成を模式的に示す断面図である。図１１（ｂ）は、変更例２に係る熱電変換器の構成を模式的に示す断面図である。 図１２（ａ）は、実施例５に係る熱電変換器の構成を模式的に示す断面図である。図１２（ｂ）は、実施例５に係る熱電変換器の構成を模式的に示す平面図である。 図１３（ａ）は、実施例６に係る熱電変換器の構成を模式的に示す断面図である。図１３（ｂ）は、実施例６に係る熱電変換器の構成を模式的に示す平面図である。 図１４（ａ）は、変更例３に係る熱電変換器の構成を模式的に示す断面図である。図１４（ｂ）は、変更例４に係る熱電変換器の構成を模式的に示す平面図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されている。Ｚ軸方向が熱電変換器１の高さ方向であり、Ｚ軸負方向が下方向である。

図１（ａ）は、熱電変換器１の構成を示す分解斜視図、図１（ｂ）は、熱電変換器１の組立後の状態を示す斜視図である。

図１（ａ）に示すように、熱電変換器１は、第１基板１０と、第２基板２０と、熱電変換素子３０と、を備える。

第１基板１０は、平面視において略正方形の輪郭を有する。後述のように、第１基板１０は、金属層となるベース基板１０１と、ベース基板１０１の下面に形成された絶縁層１０２とからなっている（図３（ａ）参照）。ベース基板１０１は、銅やアルミニウム等の熱伝導特性に優れた材料からなっている。絶縁層１０２は、たとえば、樹脂フィルムからなっている。絶縁層１０２の下面には、熱電変換素子３０の下面と接合される複数の電極１０３が形成されている（図３（ａ）参照）。絶縁層１０２および電極１０３は、熱圧着により形成される。

第１基板１０は、複数の領域１０ａに分割されている。また、熱による各領域１０ａの面内方向の変形を弾性的に吸収する緩衝部１１によって、隣り合う領域１０ａが互いに連結されている。各領域１０ａは、熱電変換素子３０ごとに設定されている。すなわち、平面視において、１つの領域１０ａに１つの熱電変換素子３０が含まれるように、領域１０ａが設定されている。領域１０ａと緩衝部１１の構成例は、追って、実施例１〜５および変更例１、２において詳述する。

第２基板２０は、第１基板１０と同様の形状および大きさを有する。第１基板１０と同様、第２基板２０も、ベース基板２０１の上面に絶縁層２０２が形成された構成となっている（図３（ａ）参照）。ベース基板２０１は、銅やアルミニウム等の熱伝導特性に優れた材料からなっている。第２基板２０の上面には、熱電変換素子３０の下面と接合される複数の電極２０３が形成されている（図３（ａ）参照）。絶縁層２０２および電極２０３は、たとえば、熱圧着により形成される。図１（ａ）の状態では、熱電変換素子３０の下面が、半田で電極２０３に接合されている。

第１基板１０と異なり、第２基板２０は、複数の領域に分割されていない。また、第２基板２０の上面に形成された電極群の中には、熱電変換素子３０に電力を供給し、または、熱電変換素子３０から電力を引き出すためのリード線（図示せず）が半田付けされる電極が含まれている。

熱電変換素子３０は、直方体の形状を有する。熱電変換素子３０は、たとえば、熱を電力に変換する半導体からなっている。熱電変換素子３０は、ゼーベック係数αと比抵抗ρと熱伝導率Ｋによって表される性能指数Ｚ（＝α２／ρＫ）が大きな材料（Ｂｉ２Ｔｅ３系材料、鉛・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料等）にドーパントを添加したものである。添加するドーパントにより、ｐ型とｎ型の２種類の熱電変換素子３０が構成される。ｐ型の熱電変換素子３０を構成するためのドーパントとして、たとえば、Ｓｂが添加される。また、ｎ型の熱電変換素子３０を構成するためのドーパントとして、たとえば、Ｓｅが添加される。熱電変換素子３０の上面および下面には、上述の電極群に接合される電極部が形成されている。熱電変換素子３０が、ペルチェ素子等の、電力により熱を制御する素子からなっていてもよい。

熱電変換器１を形成する際には、熱電変換素子３０の上面に半田ペーストを塗布した状態で、図１（ａ）のように第２基板２０に第１基板１０を重ねる。これにより、第１基板１０下面の電極１０３が、半田ペーストを介して熱電変換素子３０の上面に接触する。その後、第１基板１０と第２基板２０とをリフロー炉に流し、電極１０３と熱電変換素子３０の上面とを、半田により接合する。これにより、図１（ｂ）に示すように、熱電変換器１の組み立てが完了する。

図１（ｂ）の状態において、全ての熱電変換素子３０が、第１基板１０側の電極１０３と第２基板２０側の電極２０３によって直列に接続される。すなわち、第１基板１０と第２基板２０には、全ての熱電変換素子３０を直列に接続可能なパターンで、電極１０３と電極２０３が配置されている。

なお、第２基板２０側の電極２０３と熱電変換素子３０下面との接合と、第１基板１０側の電極１０３と熱電変換素子３０上面との接合を、同時に行ってもよい。この場合、第２基板２０上の電極２０３に半田ペーストを塗布した後、治具により、電極２０３上に熱電変換素子３０を配置する。その後、上記と同様、第２基板２０に第１基板１０を重ねて、第１基板１０と第２基板２０をリフロー炉に流す。これにより、半田ペーストが溶融し、半田による電極１０３と熱電変換素子３０上面との接合とともに、半田による電極２０３と熱電変換素子３０下面との接合が行われる。これにより、図１（ｂ）に示すように、熱電変換器１の組み立てが完了する。

こうして、熱電変換器１の組み立てが完了した後、熱電変換素子３０に電力を供給し、または、熱電変換素子３０から電力を引き出すためのリード線が熱電変換器１に接続される。

図２（ａ）、（ｂ）は、熱電変換素子３０の設置状態を模式的に示す図である。なお、図２（ａ）では、便宜上、第１基板１０の図示が省略され、第１基板１０側の電極１０３のみが図示されている。また、図２（ｂ）では、電極２０３の配置が明瞭となるように、さらに、熱電変換素子３０と電極１０３の図示が省略されている。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、第２基板２０は、熱電導特性に優れたベース基板２０１と、絶縁層２０２とからなっている。絶縁層２０２の上面に、電極２０３群が形成されている。第１基板１０の下面には、電極１０３群が形成されている。電極１０３群と電極２０３群は、それぞれ、熱電変換素子３０の上面および下面に半田で固着されている。熱電変換素子３０群は、電極１０３群と電極２０３群によって直列に接続されている。

ところで、上記構成を有する熱電変換器１が発電に用いられる場合、たとえば、第１基板１０の上面が熱源に接触され、第２基板２０は空冷手段等によって冷却される。この場合、第１基板１０は、数１００℃（たとえば２００℃）程度となり、第２基板２０は、数１０℃（たとえば２０℃）程度となる。このように第１基板１０の温度が高まると、第１基板１０は、常温時の状態から熱膨張し、面内方向に拡張して面積が広がる。他方、第２基板２０は、熱膨張せずに、常温時の面積がそのまま維持される。

このように、第１基板１０と第２基板２０との間に面積の差が生じると、熱電変換素子３０の上面が第１基板１０の面内方向に引っ張られて、熱電変換素子３０の植立方向に垂直な方向の力が、熱電変換素子３０に付与される。ここで、第１基板１０が分割されていない場合、面積差による第１基板１０と第２基板２０との間の相対的な位置ずれ量は、第１基板１０の中央から周辺部に向かうに伴って累積される。このため、熱膨張により熱電変換素子３０に付与される力は、熱電変換器１の周辺部に向かうほど大きくなる。

このように、熱電変換素子３０に大きな力が付与されると、この力によって、熱電変換素子３０が破損し、あるいは、熱電変換素子３０と電極１０３、２０３との間の半田付けが外れることが起こり得る。こうなると、熱電変換器１からの出力が得られなくなってしまう。この問題は、熱電変換器１が対象物の冷却に用いられる場合も同様に起こり得る。

そこで、本実施の形態では、第１基板１０を複数の領域１０ａに分割し、各領域１０ａを緩衝部１１で連結することにより、熱膨張による面積の拡大が、隣の領域１０ａに伝搬しないよう構成されている。これにより、熱電変換素子３０の破損等が抑制されている。以下、緩衝部１１により領域１０ａを連結する具体的構成例について、図３（ａ）〜図１２（ｂ）を参照して説明する。

＜実施例１＞
図３（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す断面図である。図３（ａ）、（ｂ）は、Ｙ−Ｚ平面に平行な平面で熱電変換素子３０の位置を切断した断面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、実施例１に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す平面図である。図４（ａ）、（ｂ）は、Ｘ軸正側かつＹ軸負側の角付近をＺ軸正側から見た平面図である。図４（ａ）、（ｂ）には、熱電変換素子３０の領域が破線で示されている。

図３（ａ）および図４（ａ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置される前の状態（常温時の状態）を示し、図３（ｂ）および図４（ｂ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置された後の状態（発電時の状態）を示している。図３（ｂ）および図４（ｂ）には、熱膨張の方向が矢印で模式的に示されている。

図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、実施例１では、第１基板１０のベース基板１０１が、縦横に延びるスリット１１１によって、複数の分割領域Ｒ１に分割されている。絶縁層１０２は、分割されずに１枚のシートとなっている。ベース基板１０１の各分割領域Ｒ１は、絶縁層１０２で連結されている。すなわち、分割領域Ｒ１間の隙間（スリット１１１）を覆う絶縁層１０２の部分（連結部１０２ａ）によって、隣り合う分割領域Ｒ１が互いに連結されている。

実施例１では、分割領域Ｒ１が、図１（ａ）の領域１０ａに対応し、連結部１０２ａが、図１（ａ）の緩衝部１１に対応する。上記のように、絶縁層１０２は、樹脂フィルムで構成されている。このため、連結部１０２ａは、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となっている。

図３（ｂ）に示すように、第１基板１０の上面が熱源４０に接触するよう熱電変換器１が設置されると、熱源４０の熱により、ベース基板１０１の分割領域Ｒ１の温度が上昇する。これにより、分割領域Ｒ１は、熱膨張し、面内方向に拡張して、面積が広がる。他方、第２基板２０は、熱膨張することなく、常温時の面積がそのまま維持される。

実施例１では、隣り合う分割領域Ｒ１間に隙間（スリット１１１）が形成されているため、このように分割領域Ｒ１が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域Ｒ１に伝搬することがない。すなわち、分割領域Ｒ１が熱膨張により面内方向に拡張した場合、図３（ｂ）および図４（ｂ）に示すように、分割領域Ｒ１間の隙間（スリット１１１）が縮まり、これに伴い連結部１０２ａが弾性変形する。たとえば、図３（ｂ）の状態において、連結部１０２ａは、スリット１１１の幅方向に圧縮され、また、スリット１１１の深さ方向に撓む。こうして、各分割領域Ｒ１の面積の拡張が、スリット１１１と連結部１０２ａによって吸収される。

このように、実施例１の構成によれば、第１基板１０のベース基板１０１が複数の分割領域Ｒ１に分割されているため、熱により各分割領域Ｒ１が面内方向に変形したとしても、各分割領域Ｒ１における変形が隣の分割領域Ｒ１に伝搬して累積されることがない。各分割領域Ｒ１における面内方向に変形は、緩衝部である連結部１０２ａによって吸収される。よって、熱による第１基板１０の変形により、熱電変換素子３０に大きな力が付与されて熱電変換素子３０が破損することが抑制され得る。

また、隣り合う分割領域Ｒ１が連結部１０２ａにより連結されているため、第１基板１０は全ての分割領域Ｒ１が一体化された１つの部材となっている。このため、組み立て時には、第１基板１０全体をそのまま位置調整して設置すればよく、各分割領域Ｒ１を個別に位置調整して設置するといった煩雑な作業は必要ない。よって、第１基板１０の組み立て作業を容易に行うことができる。

また、このように、組み立て時には第１基板１０全体を位置調整すればよいため、分割領域Ｒ１間の隙間を、位置調整用のジグ等を挿入するために大きく確保する必要がない。このため、分割領域Ｒ１間の隙間によって、配置可能な熱電変換素子３０の数が減少することがない。よって、熱電変換器１の性能を高く維持できる。

このように、実施例１によれば、熱による第１基板１０の変形によって熱電変換素子３０が破損することを抑制しつつ、熱電変換器１の性能を高く維持でき、且つ、第１基板１０の組み立て作業を容易に行うことができる。

＜実施例２＞
図５（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す断面図である。図５（ａ）、（ｂ）は、図３（ａ）、（ｂ）と同様の方法で、熱電変換器１を切断した断面図である。図６（ａ）、（ｂ）は、実施例２に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す平面図である。図６（ａ）、（ｂ）は、図４（ａ）、（ｂ）と同じ領域の平面図である。図５（ａ）および図６（ａ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置される前の状態（常温時の状態）を示し、図５（ｂ）および図６（ｂ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置された後の状態（発電時の状態）を示している。

実施例２では、実施例１のスリット１１１が溝１１２に置き換えられている。その他の構成は、実施例１と同様である。

実施例２では、溝１１２の底面と絶縁層１０２の上面との間に、ベース基板１０１の肉薄の層が残っている。すなわち、分割領域Ｒ１間の隙間（溝１１２）の位置の絶縁層１０２の部分（連結部１０２ａ）とともに、ベース基板１０１の溝１１２の底面下側の部分（連結部１１２ａ）によって、隣り合う分割領域Ｒ１が互いに連結されている。

実施例２では、分割領域Ｒ１が、図１（ａ）の領域１０ａに対応し、連結部１０２ａおよび連結部１１２ａが、図１（ａ）の緩衝部１１に対応する。ここで、ベース基板１０１は、銅やアルミニウム等の材料で構成されているため、図５（ａ）に示すように、溝１１２によりベース基板１０１の厚みを肉薄に減少させて連結部１１２ａを形成することにより、連結部１１２ａは、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となっている。

実施例２においては、隣り合う分割領域Ｒ１間に隙間（溝１１２）が形成されているため、分割領域Ｒ１が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域Ｒ１に伝搬することがない。すなわち、分割領域Ｒ１が熱膨張により面内方向に拡張した場合、図５（ｂ）および図６（ｂ）に示すように、分割領域Ｒ１間の隙間（溝１１２）が縮まり、これに伴い連結部１０２ａおよび連結部１１２ａが弾性変形する。たとえば、図５（ｂ）の状態において、連結部１０２ａおよび連結部１１２ａは、溝１１２の深さ方向に撓む。こうして、各分割領域Ｒ１の面積の拡張が、溝１１２と連結部１０２ａおよび連結部１１２ａとによって吸収される。

実施例２によれば、実施例１と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例２では、隣り合う分割領域Ｒ１が、絶縁層１０２の一部である連結部１０２ａとともに、ベース基板１０１の一部である金属性の連結部１１２ａによって連結されているため、上記実施例１に比べて、分割領域Ｒ１がより強固に支持される。よって、第１基板１０の取り扱いが容易となり、第１基板１０の位置決めおよび取り付けをより簡便に行い得る。また、第１基板１０の機械的強度を高めることができ、これにより、熱電変換器１全体の機械的強度を高めることができる。

＜実施例３＞
図７（ａ）、（ｂ）は、実施例３に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す断面図である。図７（ａ）、（ｂ）は、図３（ａ）、（ｂ）と同様の方法で、熱電変換器１を切断した断面図である。図８（ａ）、（ｂ）は、実施例３に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す平面図である。図８（ａ）、（ｂ）は、図４（ａ）、（ｂ）と同じ領域の平面図である。図７（ａ）および図８（ａ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置される前の状態（常温時の状態）を示し、図７（ｂ）および図８（ｂ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置された後の状態（発電時の状態）を示している。

実施例３では、実施例１のスリット１１１の部分に、隣り合う分割領域Ｒ１を連結する梁部１１４が形成されている。図８（ａ）に示すように、梁部１１４は、隣り合う分割領域Ｒ１間の隙間（スリット１１１）を斜めに横切るように、ベース基板１０１に一体形成されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

実施例３では、分割領域Ｒ１間の隙間（スリット１１１）を覆う絶縁層１０２の部分（連結部１０２ａ）とともに、梁部１１４によって、隣り合う分割領域Ｒ１が互いに連結されている。

実施例３では、分割領域Ｒ１が、図１（ａ）の領域１０ａに対応し、連結部１０２ａおよび梁部１１４が、図１（ａ）の緩衝部１１に対応する。ここで、ベース基板１０１は、銅やアルミニウム等の材料で構成されているため、図８（ａ）に示すように梁部１１４を肉薄に形成することにより、梁部１１４は、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となる。

実施例３においては、隣り合う分割領域Ｒ１間に隙間（スリット１１１）が形成されているため、分割領域Ｒ１が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域Ｒ１に伝搬することがない。すなわち、分割領域Ｒ１が熱膨張により面内方向に拡張した場合、図７（ｂ）および図８（ｂ）に示すように、分割領域Ｒ１間の隙間（スリット１１１）が縮まり、これに伴い連結部１０２ａおよび梁部１１４が弾性変形する。たとえば、図８（ｂ）の状態において、連結部１０２ａは、スリット１１１の幅方向に圧縮され、あるいは、スリット１１１の深さ方向に撓む。また、図８（ｂ）の状態において、梁部１１４は、傾き角がより鋭角となるように弾性変形する。こうして、各分割領域Ｒ１の面積の拡張が、スリット１１１と連結部１０２ａおよび梁部１１４とによって吸収される。

実施例３によれば、実施例１と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例３では、隣り合う分割領域Ｒ１が、絶縁層１０２の一部である連結部１０２ａとともに、ベース基板１０１の一部である金属性の梁部１１４によって連結されているため、上記実施例１に比べて、分割領域Ｒ１がより強固に支持される。よって、第１基板１０の取り扱いが容易となり、第１基板１０の位置決めおよび取り付けを簡便に行い得る。また、第１基板１０の機械的強度を高めることができ、これにより、熱電変換器１全体の機械的強度を高めることができる。

＜実施例４＞
図９（ａ）、（ｂ）は、実施例４に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す断面図である。図９（ａ）、（ｂ）は、図３（ａ）、（ｂ）と同様の方法で、熱電変換器１を切断した断面図である。図１０（ａ）、（ｂ）は、実施例４に係る熱電変換器１の構成および作用を模式的に示す平面図である。図１０（ａ）、（ｂ）は、図４（ａ）、（ｂ）と同じ領域の平面図である。図１０（ａ）、（ｂ）には、保護フィルム１１６が取り外された状態が図示されている。図９（ａ）および図１０（ａ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置される前の状態（常温時の状態）を示し、図９（ｂ）および図１０（ｂ）は、熱電変換器１が熱源４０に設置された後の状態（発電時の状態）を示している。

実施例４では、絶縁層１０２のスリット１１１の位置に、絶縁層１０２を貫通する複数の孔１１５が形成されている。また、スリット１１１とともにベース基板１０１の上面を覆うように、保護層を形成する保護フィルム１１６が付設されている。保護フィルム１１６は、可撓性を有しかつ熱伝導性に富む材料からなっている。絶縁層１０２に形成される孔１１５の数は、図１０（ａ）に示された数に限定されるものではなく、適宜、変更可能である。その他の構成は、実施例１と同様である。

実施例４では、絶縁層１０２の連結部１０２ａに孔１１５が形成されているため、実施例１に比べて、連結部１０２ａがより撓みやすくなっている。また、孔１１５の上方が保護フィルム１１６により閉塞されるため、孔１１５を介して熱電変換器１の内部が露出することがない。さらに、保護フィルム１１６は、可撓性を有する材料からなっているため、保護フィルム１１６のスリット１１１を覆う部分（連結部１１６ａ）もまた、外力により容易に撓み得る。

実施例４では、絶縁層１０２の連結部１０２ａおよび保護フィルム１１６の連結部１１６ａが、図１（ａ）の緩衝部１１に対応する。実施例４によれば、実施例１と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例４では、実施例１に比べて、連結部１０２ａの可撓性が高められているため、熱膨張による分割領域Ｒ１の変位を、より柔軟に、連結部１０２ａによって吸収できる。

なお、実施例１〜３の構成において、さらに、保護フィルム１１６が付設されてもよい。

＜変更例＞
上記実施例４のように、絶縁層１０２に孔１１５が形成される場合、図１１（ａ）に示す変更例１のように、スリット１１１が絶縁樹脂等の弾性材料１１７で埋められてもよい。これにより、孔１１５が閉塞されるため、孔１１５を介して熱電変換器１の内部が露出することがない。

また、孔１１５は、必ずしも、絶縁層１０２を貫通せずともよく、図１１（ｂ）に示す変更例２のように、孔１１５ａが、絶縁層１０２上面から絶縁層１０２の途中までで終わっていてもよい。この場合、孔１１５ａを介して熱電変換器１の内部が露出しないため、弾性材料１１７は省略可能であり、同様に、保護フィルム１１６も省略可能である。

ただし、絶縁層１０２を貫通する孔１１５を設けた方が、貫通しない孔１１５ａを設けた場合に比べて、絶縁層１０２の連結部１０２ａがより柔軟に撓みやすくなる。

＜実施例５＞
図１２（ａ）、（ｂ）は、実施例５に係る熱電変換器１の構成を模式的に示す断面図および平面図である。図１２（ａ）の断面図は、図３（ａ）と同様の方法で熱電変換器１を切断した場合のものである。図１２（ｂ）の平面図は、図４（ａ）と同じ領域のものである。

実施例５では、ベース基板１０１の上面にＶ字状の２つの溝１１８ａを形成するとともに、ベース基板１０１の下面に逆Ｖ字状の１つの溝１１８ｂを形成することにより、可撓性の連結部１１８がベース基板１０１に一体形成されている。こうして形成された連結部１１８によって、隣り合う分割領域Ｒ１が連結されている。その他の構成は、実施例１と同様である。

実施例５では、連結部１１８が、図１（ａ）の緩衝部１１に対応する。ベース基板１０１は、銅やアルミニウム等の材料で構成されているため、図１２（ａ）に示すように、溝１１８ａ、１１８ｂによって連結部１１８を肉薄に形成することにより、連結部１１８は、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となる。連結部１１８は、図１２（ｂ）に示す矢印方向に弾性変形可能である。

実施例５の構成によれば、分割領域Ｒ１が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が、連結部１１８によって吸収されて、隣の分割領域Ｒ１に伝搬することがない。すなわち、分割領域Ｒ１が熱膨張により面内方向に拡張した場合、分割領域Ｒ１間の間隔が縮まるように、連結部１１８が弾性変形する。こうして、各分割領域Ｒ１の面積の拡張が、連結部１１８によって吸収される。

実施例５によれば、実施例１と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例５では、隣り合う分割領域Ｒ１が、絶縁層１０２の一部である連結部１０２ａとともに、ベース基板１０１の一部である金属性の連結部１１８によって連結されているため、上記実施例１に比べて、分割領域Ｒ１がより強固に支持される。よって、第１基板１０の取り扱いが容易となり、第１基板１０の位置決めおよび取り付けを簡便に行い得る。また、第１基板１０の機械的強度を高めることができ、これにより、熱電変換器１全体の機械的強度を高めることができる。

なお、実施例５の構成においても、実施例４や変更例２と同様、絶縁層１０２に孔１１５や孔１１５ａが形成されてよい。

＜実施例６＞
図１３（ａ）、（ｂ）は、実施例６に係る熱電変換器１の構成を模式的に示す断面図および平面図である。図１３（ａ）の断面図は、図３（ａ）と同様の方法で熱電変換器１を切断した場合のものである。図１３（ｂ）の平面図は、図４（ａ）と同じ領域のものである。

上記実施例１〜５では、第１基板１０が、金属材料からなるベース基板１０１と絶縁層１０２とから構成されたが、実施例６では、第１基板１０が、セラミック材料からなるベース基板１２１（セラミック層）と、カバー１２２（カバー層）とからなっている。ベース基板１２１の下面には、熱圧着により、電極１２３が設置されている。

ベース基板１２１は、縦横に延びるスリット１２１ａによって、複数の分割領域Ｒ２に分割されている。カバー１２２は、分割されずに１枚のシートとなっている。カバー１２２は、可撓性を有する材料（たとえば、樹脂）からなっている。カバー１２２は、たとえば熱圧着によりベース基板１２１の上面に設置される。

ベース基板１２１の各分割領域Ｒ２は、カバー１２２で連結されている。すなわち、分割領域Ｒ２間の隙間（スリット１２１ａ）を覆うカバー１２２の部分（連結部１２２ａ）によって、隣り合う分割領域Ｒ１が互いに連結されている。

実施例６では、分割領域Ｒ２が、図１（ａ）の領域１０ａに対応し、連結部１２２ａが、図１（ａ）の緩衝部１１に対応する。上記のように、カバー１２２は、可撓性を有する材料で構成されている。このため、連結部１２２ａは、外力により弾性変形可能となっている。

実施例６においても、実施例１と同様の効果が奏され得る。実施例６では、隣り合う分割領域Ｒ２間に隙間（スリット１２１ａ）が形成されているため、分割領域Ｒ２が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域Ｒ２に伝搬することがない。すなわち、分割領域Ｒ２が熱膨張により面内方向に拡張した場合、分割領域Ｒ２間の隙間（スリット１２１ａ）が縮まり、これに伴い連結部１２２ａが弾性変形する。この場合、たとえば、連結部１２２ａは、スリット１２１ａの幅方向に圧縮され、また、スリット１２１ａの深さ方向に撓む。こうして、各分割領域Ｒ２の面積の拡張が、スリット１２１ａと連結部１２２ａによって吸収される。

なお、図１３（ａ）の構成例では、第２基板２０が金属材料からなるベース基板２０１と絶縁層２０２とから構成されているが、第２基板２０もセラミック材料からなるベース基板とカバーとから構成されてもよい。

＜他の変更例＞
上記実施の形態では、領域１０ａ（分割領域Ｒ１、Ｒ２）が、それぞれ、１つの熱電変換素子３０に対応するように設定された。しかしながら、領域１０ａ（分割領域Ｒ１、Ｒ２）は、必ずしも、熱電変換素子３０ごとに設定されなくともよく、たとえば、図１４（ａ）に示すように、平面視において複数の熱電変換素子３０を含むように、領域１０ａ（分割領域Ｒ１、Ｒ２）が設定されてもよい。

このように、領域１０ａ（分割領域Ｒ１、Ｒ２）を広く設定することにより、第１基板１０の機械的強度を高めることができる。他方、領域１０ａ（分割領域Ｒ１、Ｒ２）が広くなるほど、各領域１０ａにおいて、熱膨張による面積変動が大きくなるため、熱膨張により熱電変換素子３０に付与される力が大きくなり、熱電変換素子３０に支障が生じやすくなる。したがって、熱電変換素子３０に対する影響を抑制する観点からは、領域１０ａ（分割領域Ｒ１、Ｒ２）は、なるべく小さい方が好ましく、上記実施の形態のように、領域１０ａ（分割領域Ｒ１、Ｒ２）が熱電変換素子３０ごとに設定されることが最も好ましい。

また、上記実施の形態では、全ての領域１０ａが同じサイズであったが、領域１０ａは必ずしも同じサイズに揃えられなくてもよい。たとえば、図１４（ｂ）に示すように、熱が集中しやすく熱膨張による面積変動がより顕著となりやすい第１基板１０の中央部は、第１基板１０の外周部よりも、領域１０ａのサイズを小さく設定してもよい。これにより、第１基板１０の外周部において、第１基板１０の機械的強度を高めつつ、熱膨張がより顕著となる中央部において、熱膨張による領域１０ａの面積変動を効果的に抑制することができる。

また、上記実施の形態では、実動作時に高温となる方の基板を分割し、分割した基板を緩衝部により連結したが、実動作時に低温となる方の基板を分割し、分割した基板を緩衝部により連結してもよい。また、必ずしも一方の基板のみを分割して緩衝部により連結しなくてもよく、両方の基板を分割して緩衝部により連結してもよい。

また、第１基板１０は、ベース基板１０１と絶縁層１０２のみならず他の層をさらに含んでいてもよい。また、ベース基板１０１が、複数の層からなっていてもよく、絶縁層１０２が複数の層からなっていてもよい。

この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１ … 熱電変換器
１０ … 第１基板
１０ａ … 領域
１１ … 緩衝部
２０ … 第２基板
３０ … 熱電変換素子
１０１ … ベース基板（金属層）
１０２ … 絶縁層
１０２ａ … 連結部
１１１ … スリット
１１２ … 溝
１１２ａ … 連結部
１１４ … 梁部
１１５ … 孔
１１６ … 保護フィルム
１１７ … 弾性材料
１１８ … 連結部
１１８ａ、１１８ｂ … 溝
１２１ … ベース基板（セラミック層）
１２１ａ … スリット
１２２ … カバー（カバー層）
１２２ａ … 連結部
Ｒ１、Ｒ２ … 分割領域

Claims (11)

1. 熱伝導性の第１基板と、
   熱伝導性の第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に配置された複数の熱電変換素子と、を備え、
   少なくとも前記第１基板は、複数の領域に分割され、熱による各領域の面内方向の変形を弾性的に吸収する緩衝部によって、隣り合う前記領域が互いに連結されている、
   ことを特徴とする熱電変換器。
2. 請求項１に記載の熱電変換器において、
   前記第１基板は、前記熱電変換素子側に配置された絶縁層と、前記絶縁層に対して前記熱電変換素子と反対側に配置された金属層とを備え、
   前記絶縁層は可撓性を有し、
   前記金属層は、それぞれ前記領域に対応する複数の分割領域に分割され、前記分割領域間の隙間の位置の前記絶縁層の部分によって、隣り合う前記分割領域が互いに連結されている、
   ことを特徴とする熱電変換器。
3. 請求項２に記載の熱電変換器において、
   前記分割領域間の隙間において隣り合う前記分割領域を弾性的に連結する連結部が、前記金属層に一体的に形成されている、
   ことを特徴とする、
   ことを特徴とする熱電変換器。
4. 請求項３に記載の熱電変換器において、
   前記連結部は、前記金属層の厚みを肉薄に減少させて構成されている、
   ことを特徴とする熱電変換器。
5. 請求項３に記載の熱電変換器において、
   前記連結部は、前記隙間を斜めに横切る複数の梁部である、
   ことを特徴とする熱電変換器。
6. 請求項２ないし５の何れか一項に記載の熱電変換器において、
   前記隙間の位置の前記絶縁層の部分に孔が形成されている、
   ことを特徴とする熱電変換器。
7. 請求項２ないし６に記載の熱電変換器において、
   前記金属層の上面を覆う保護層をさらに備える、
   ことを特徴とする熱電変換器。
8. 請求項２ないし７に記載の熱電変換器において、
   前記隙間が、弾性材料によって埋められている、
   ことを特徴とする熱電変換器。
9. 請求項１に記載の熱電変換器において、
   前記第１基板は、前記熱電変換素子側に配置されたセラミック層と、前記セラミック層に対して前記熱電変換素子と反対側に配置されたカバー層とを備え、
   前記カバー層は可撓性を有し、
   前記セラミック層は、それぞれ前記領域に対応する複数の分割領域に分割され、前記分割領域間の隙間の位置の前記カバー層の部分によって、隣り合う前記分割領域が互いに連結されている、
   ことを特徴とする熱電変換器。
10. 請求項１ないし９の何れか一項に記載の熱電変換器において、
    前記熱電変換素子ごとに、前記領域が設定されている、
    ことを特徴とする熱電変換器。
11. 請求項１ないし１０の何れか一項に記載の熱電変換器において、
    前記第１基板の周縁部よりも前記第１基板の中央部の方が、前記領域の面積が小さい、
    ことを特徴とする熱電変換器。

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