JP5397180B2 - 熱電発電装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電発電装置に関するものである。

熱電変換素子（ゼーベック素子）は、熱電材料の端部に温度差を設けることにより起電力を生じる素子である。熱電変換素子は、可動部を持たないため、無騒音、無振動であり、設置が容易である。

材料がｎ型であるかｐ型であるかによって起電力の正負が異なるため、熱電変換素子は、通常、ｐ型材料とｎ型材料とは電気的に直列に電極を介して接合し、且つ吸熱側の接合と放熱側の接合とがｎ型材料及びｐ型材料を挟んで反対側に配置された構造（いわゆるπ型構造）を有する。

熱電変換素子を備える熱電発電装置は、その大きさに対してエネルギー変換効率が低い。

特開２００６−２９６０７７号公報

本発明は、熱電変換素子を小さな領域に詰め込んで小型化できる熱電発電装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面によると、
螺旋状の第１熱電素子と、
螺旋状であり、前記第１熱電素子の螺旋軸方向に前記第１熱流路と交互に配置され、前記第１熱電素子とともに二重螺旋を形成する第２熱電素子と、
螺旋状であり第１熱電素子と前記第２熱電素子とを交互に隔てる第１熱流路及び第２熱流路と、
前記第１熱流路に接し、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを電気的に接合する第１電極と、
前記第２熱流路に接し、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを電気的に接合する第２電極と
を備えることを特徴とする熱電発電装置が提供される。

本発明の別の観点によると、
シート状の第１熱電素子であって、一の面に第１電極とドーナツ状の第１リブとを順に設け、他の面に第２電極を設け、前記第１熱電素子の中心を通る第１切り込みを設けた前記第１熱電素子を準備する工程と、
シート状の第２熱電素子であって、一の面に第３電極と前記第１リブよりも曲率が大きいドーナツ状の第２リブとを順に設け、他の面に第４電極を設け、前記第２熱電素子の中心を通る第２切り込みを設けた前記第２熱電素子を準備する工程と、
前記第１切り込みと前記第２切り込みとを互いに食い込ませるように交差させる工程と、
交差させた前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを、前記第１熱電素子において前記一の面の中心を通る法線と前記第２熱電素子において前記一の面の中心を通る法線とが略同一になり且つ前記第１熱電素子の一の面と前記第２熱電素子の一の面とが略同一方向を向くように重ねる工程と
を含むことを特徴とする熱電発電装置の製造方法が提供される。

本発明の熱電発電装置は、熱電変換素子を小さな領域に詰め込むことができるため、小型化できるという利点がある。

第１実施形態の熱電発電装置を説明する模式図である。 第２実施形態の熱電発電装置を示す断面図である。 第３実施形態の熱電発電装置を示す断面図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第１使用態様の構造物を示す断面図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第２使用態様の構造物を示す断面図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第３使用態様の構造物を示す断面図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第４使用態様の構造物を示す断面図である。 第２実施形態の熱電発電装置の第５使用態様の構造物を示す断面図である。

図１は、第１実施形態の熱電発電装置を説明する模式図である。

図１（ａ）は、第１実施形態の熱電発電装置を説明する模式図である。図１（ａ）の上図は第１実施形態の熱電発電装置に含まれる第１熱流路の螺旋軸方向の平面図である。図１（ａ）の下図は、上図のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の点線Ｂで囲まれた部分を含む熱電発電装置の部分斜視図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）の熱電発電装置のうちｎ型熱電素子１４の形状を示す模式図であり、図１（ｄ）は、図１（ａ）の熱電発電装置のうちｐ型熱電素子１３の形状を示す模式図である。図１（ｃ）、（ｄ）において、上図は第１熱流路の螺旋軸方向の平面図、下図は上図のＣ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ断面をそれぞれ示す断面図である。

第１実施形態の熱電発電装置は、螺旋状のｐ型熱電素子１３と、螺旋状であり前記ｐ型熱電素子の螺旋軸方向に前記第１熱流路と交互に配置されｐ型熱電素子１３とともに二重螺旋を形成するｎ型熱電素子１４と、螺旋状でありｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とを交互に隔てる第１熱流路１１及び第２熱流路１２とを備える。ここで、螺旋とは、つるまきばねのような３次元空間の螺旋（ｈｅｌｉｘ）を意味する。第１熱流路１１、第２熱流路１２、ｐ型熱電素子１３、及びｎ型熱電素子１４は、それぞれ略同一の螺旋軸Ｏ−Ｏに沿った螺旋形状を有する。ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とは螺旋軸Ｏ−Ｏ方向に交互に配置される。換言すれば、ｐ型熱電素子１３の螺旋溝の位置にｎ型熱電素子１４が配置される。ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とは直接接触していない。ｐ型熱電素子１３は、螺旋軸Ｏ−Ｏに沿って時計と反対周りに約３６０°旋回し、ｎ型熱電素子１４は、ｐ型熱電素子と同じく螺旋軸Ｏ−Ｏに沿って時計と反対周りに約３６０°旋回する。ｐ型熱電素子１３の螺旋ピッチとｎ型熱電素子１４の螺旋ピッチは等しい。ここで螺旋ピッチは、３６０°旋回するごとに螺旋軸Ｏ−Ｏ方向に進む距離である。なお、旋回の向きは時計回りでもよい。旋回角度は必ずしも約３６０°でなくてよい。

ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４は、それらの螺旋軸Ｏ−Ｏを中心とする略扇形の形状を有する。この形状により、螺旋軸Ｏ−Ｏを中心とする円柱状の空洞部１９を第１熱流路１１と熱交換が可能な第３熱流路として用いることができる。また、空洞部１９の内部に熱源又は冷熱源を配置し、それが第１熱流路１１と熱的に接触していてもよい。

第３電極１５と第６電極１７とが、ｐ型熱電素子１３の表面に、螺旋軸方向にｐ型熱電素子１３を挟むように設けられる。第３電極１５を挟んでｐ型熱電素子１３の反対側に第１リブ２１が設けられる。第７電極１６と第４電極１８とが、ｎ型熱電素子１４の表面に、螺旋軸方向にｎ型熱電素子１４を挟むように設けられる。第７電極１６を挟んでｎ型熱電素子１４の反対側に第２リブ２２が設けられる。

第１リブ２１は、螺旋軸Ｏ−Ｏと第１熱流路１１との間に配置され、第２リブ２２は、前記第１熱流路１１を挟んで螺旋軸Ｏ−Ｏの反対側に配置される。第１リブ２１及び第２リブ２２は、それぞれに隣接するｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４を支持することで、第１熱流路１１及び第２熱流路１２の形状を維持する。

第１リブ２１の螺旋軸は、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４の螺旋軸と略同一である。第１リブ２１は、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４の螺旋の進行方向の一端から他端に渡って接している。第２リブ２２の螺旋軸は、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４の螺旋軸と略同一である。第２リブ２２は、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４の螺旋の進行方向の一端から他端に渡って接している。

ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４として、互いに異なる任意の金属又は半導体性物質を用いることができる。熱電発電装置のエネルギー変換効率を高める点から、通常、ｐ型熱電素子１３としてｐ型半導体、ｎ型熱電素子１４としてｎ型半導体が用いられる。

ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４の主成分は、例えば、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＳｉＧｅ系、シリサイド系、スクッテルダイト系、遷移金属酸化物系、亜鉛アンチモン系、ホウ素化合物、クラスター固体及びカーボンナノチューブなどである。

ＢｉＴｅ系材料は、例えばＢｉＴｅ、ＳｂＴｅ、ＢｉＳｅ及びそれらを含む化合物が挙げられる。また、ＰｂＴｅ系材料は、ＰｂＴｅ、ＳｎＴｅ、ＡｇＳｂＴｅ、ＧｅＴｅ及びそれらを含む化合物が挙げられる。更に、ＳｉＧｅ系材料は、Ｓｉ、Ｇｅ及びＳｉＧｅ等が挙げられ、シリサイド系材料にはＦｅＳｉ、ＭｎＳｉ及びＣｅＳｉが挙げられる。スクッテルダイト系材料は、ＭＸ_３又はＲＭ_４Ｘ_１２と記載される化合物である。但し、ＭはＣｏ、Ｒｈ及びＩｒのいずれかの元素であり、ＸはＡｓ、Ｐ及びＳｂのいずれかの元素であり、ＲはＬａ、Ｙｂ及びＣｅのいずれかの元素である。

遷移金属酸化物系材料には、ＣａＭｎＯ、ＮａＣｏＯ、ＺｎＩｎＯ、ＳｒＴｉＯ、ＢｉＳｒＣｏＯ、ＰｂＳｒＣｏＯ、ＣａＢｉＣｏＯ及びＢａＢｉＣｏＯ等がある。また、亜鉛アンチモン系材料には例えばＺｎＳｂがあり、ホウ素化合物材料にはＣｅＢ、ＢａＢ、ＳｒＢ、ＣａＢ、ＭｇＢ、ＶＢ、ＮｉＢ、ＣｕＢ及びＬｉＢ等がある。また、クラスター固体材料にはＢクラスター、Ｓｉクラスター、Ｃクラスター、ＡｌＲｅ及びＡｌＲｅＳｉがある。また、酸化亜鉛系材料には例えばＺｎＯがある。ｐ型熱電素子１３に用いられる代表的な組成としてＢｉ_０．５Ｓｂ_１．５Ｔｅ_３が挙げられ、ｎ型熱電素子１４に用いられる代表的な組成としてＢｉ_２Ｔｅ_２．８５Ｓｅ_０．１５が挙げられる。

第１実施形態において、第１リブ２１及び第２リブ２２は導電性を備える。ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とは、ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とによって螺旋軸方向に挟まれた第１熱流路１１に接する部分において、ｐ型熱電素子１３の一方の面に設けた第３電極１５とｎ型熱電素子１４の一方の面に設けた第４電極１８と第３電極１５及び第４電極１８に挟まれる第１リブ（第５電極）２１とを介して、電気的に接合している。第３電極１５、第４電極１８、及び第１リブ２１が第１電極を構成している。また、ｐ型熱電素子１３と前記ｎ型熱電素子１４とは、ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とによって螺旋軸方向に挟まれた第２熱流路１２に接する部分において、螺旋軸方向に挟まれたｐ型熱電素子１３を挟んで第３電極１５の反対側に設けた第６電極１７とｎ型熱電素子１４を挟んで第４電極１８の反対側に設けた第７電極１６と、第６電極１７及び第７電極１６に挟まれる第２リブ（第８電極）２２とを介して、電気的に接合している。第６電極１７、第７電極１６、及び第２リブ２２が第２電極を構成している。

また、第１実施形態において、第１リブ２１及び第２リブ２２は、ｐ型熱電素子１３とｎ型熱電素子１４とを支持し、第１熱流路１１及び第２熱流路１２を確保する。

第１熱流路１１は上記第１電極との間で熱交換を行い、第２熱流路１２は上記第２電極との間で熱交換を行う。第１熱流路１１及び第２熱流路１２は例えば空洞とし、発電時にそれぞれの空洞に温度の異なる熱搬送用媒体を流すことができる。また、第１熱流路１１及び第２熱流路１２は例えばＡｌＮやＳｉＣなどの熱伝導性が高く電気的絶縁性を備える材料を用いて構成することができる。或いは、後述する第２〜第５使用態様のように、熱伝導性が高く電気的絶縁性を備える材料を用いて形成したねじ山付きの導管を第１熱流路と第３熱流路とにわたって配置してもよい。

第１熱流路の温度と前記第２熱流路の温度を異なる温度にすることで、第１実施形態の熱電発電装置を機能させることができる。例えば、第１熱流路１１に熱媒を流し、第２熱流路１２に冷媒を流すと、第２電極（例えば第６電極１７、第７電極１６）を負極、第１電極（例えば第４電極１８、第３電極１５）を正極とする発電装置として機能する。また、例えば、第１熱流路１１に冷媒を流し、第２熱流路１２に熱媒を流すと、第２電極を正極、第１電極を負極とする発電装置として機能する。

第１実施形態の熱電発電装置において、ｐ型熱電素子１３、第３電極１５、第６電極１７、ｎ型熱電素子１４、第７電極１６、第４電極１８は、螺旋軸Ｏ−Ｏに垂直な方向に伸ばすことができるので、第１熱流路１１に対し第１電極（第３電極１５、第４電極１８）の接触面積を容易に増やすことができ、第２熱流路１２に対し第２電極（第６電極１７、第７電極１６）の接触面積を容易に増やすことができる。ゆえに、第１実施形態の熱電発電装置は、第１熱流路１１と熱交換する第３熱流路（空洞部）１９の体積に対して高密度に熱電素子を配置することができ、熱電発電装置を小型化できる。

上記第１実施形態において、第１リブ２１は第３電極１５と第６電極１７とを電気的に接続する機能と、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４を支持する機能とを有するが、両機能はそれぞれ異なる部材により実現されていてもよい。例えば、図１（ａ）において、第１リブ２１は支持機能と絶縁性を有し、その第１リブ２１の螺旋軸側の表面に導電性材料（図示せず）が設けられ第３電極１５と第６電極１７とを電気的に接続して第１電極を形成していてもよい。同様に、第２リブ２２は第７電極１６と第４電極１８とを電気的に接続する機能と、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４を支持する機能とを有するが、両機能はそれぞれ異なる部材により実現されていてもよい。例えば、図１（ａ）において、第２リブ２２は支持機能と絶縁性を有し、その第２リブ２２の螺旋軸側の表面に導電性材料（図示せず）が設けられ、その導電性材料が第７電極１６と第４電極１８とを電気的に接続して第２電極を形成していてもよい。このとき、第１リブ２１及び第２リブ２２は第１電極及び第２電極の材料よりも熱伝導率が低いことが好ましく、このような材料として、例えば、エポキシ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ＡＢＳ（Ａｃｒｙｌｏｎｉｔｒｉｌｅ Ｂｕｔａｄｉｅｎｅ Ｓｔｙｒｅｎｅ）樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。

以下、上記第１実施形態の熱電発電装置を製造する方法について、例を挙げて説明する。まず、一の面に電極と円周状の第１リブとを順に設け、他の面に電極を設け、円心を通る切り込みを設けた円形シート状のｐ型熱電素子を準備する。また、一の面に電極と第１リブよりも曲率が大きい円周状の第２リブとを順に設け、他の面に電極を設け、中心を通る切り込みを設けた円形シート状のｎ型熱電素子を準備する。このようなｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子を準備する方法は特に限定されるものではないが、例えば以下の方法で作成することができる。はじめに、シート状のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子を例えば焼結法によりそれぞれ作成する。各熱電素子の厚さは例えば２ｍｍである。次に、シート状の各熱電素子を打ち抜き、ドーナツ状に加工する。ドーナツ状の熱電素子は、例えば外周の直径が２０ｍｍ、中央孔の直径が５ｍｍである。次に、ドーナツの各熱電素子の両面に例えば銅メッキにより電極を形成する。次に、例えば商品名「ドータイト」（藤倉化成株式会社製）などの接着性能を有する導電性樹脂を市販のメタルマスク印刷機を用いて、各熱電素子の一方の面に円周状に塗布し、リブを形成する。ｎ型熱電素子において、リブは例えば中心から６ｍｍの位置に、高さ３００μｍ、幅３００μｍの大きさで設けられる。ｐ型熱電素子において、リブは例えば中心から１９ｍｍの位置に、高さ３００μｍ、幅３００μｍの大きさで設けられる。次に、リブを形成した各熱電素子に、円心を通る放射方向の切り込みを１箇所入れる。切り込み幅（円周方向の幅）は、例えば２ｍｍ程度である。

次に、ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子の切り込み部が互いに食い込むように交差させ、その後、重ねる。このとき、ｐ型熱電素子において主面の円心を通る法線とｎ型熱電素子において主面の円心を通る法線とが略同一になるように、且つ、各熱電素子のリブが形成された面が略同一方向を向くように２つの熱電素子を重ねる。その結果、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子は螺旋状に変形され、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とがリブと各熱電素子の両面に設けられた電極とを介して電気的に接合されることで上記第１電極及び第２電極が形成され、上記第１熱流路及び第２熱流路が形成される。交差させ重ねた２枚の熱電素子は、等圧プレス（温度１５０℃、時間３０ｍｉｎ、圧力２ＭＰａ）で圧力をかけて強固に一体化する。こうして、第１実施形態の熱電発電装置が得られる。

上記製造方法によれば、表面に円周状にリブを設けたシート状のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子から、上記第１実施形態の熱電発電装置を容易に作成することができる。

図２は、第２実施形態の熱電発電装置を示す断面図であり、螺旋軸を通り、図１（ａ）のＥ−Ｅ断面に対応する断面図である。なお、第２実施形態の熱電発電装置において、第１実施形態の熱電発電装置と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図２の熱電発電装置は、図１の熱電発電装置と同様の構成を持つ構造体が螺旋軸の方向に複数接続積層される。図２の熱電発電装置において、装置３１のｐ型熱電材料１３とｎ型熱電材料１４とが、それぞれ装置３２のｐ型熱電材料１３とｎ型熱電材料１４とに接続され、装置３２のｐ型熱電材料１３とｎ型熱電材料１４とが、それぞれ装置３３のｐ型熱電材料１３とｎ型熱電材料１４とに接続されている。すなわち、第２実施形態の熱電発電装置は、図１の熱電発電装置と同様の構成の装置３１〜３３が電気的に並列に接続されている。

装置３１において、図１（ａ）に示されるｐ型熱電素子１３の螺旋の側端部４２に対応する側端部と、装置３２において、図１（ａ）に示されるｐ型熱電素子１３の螺旋の側端部４１に対応する側端部とが接合される。また、装置３１において、図１（ａ）に示されるｎ型熱電素子１４の螺旋の側端部４４に対応する側端部と、装置３２において、図１（ａ）に示されるｐ型熱電素子１３の螺旋の側端部４３に対応する側端部とが接合される。装置３２と装置３３との間においても同様に接合されている。接合の方法は、例えば、絶縁性で、且つ熱硬化性の接着剤を各側端部に塗布し、側端部同士を接合することができる。第２実施形態の熱電発電装置は、第１実施形態のそれと同様、高密度に配置されうるため、小型化が可能である。また、第２実施形態の熱電発電装置が生じる起電力は第１実施形態のそれと同じである一方、第２実施形態の熱電発電装置の容量は第１実施形態のそれより大きい。また、後述の第２〜第５使用態様のように、第２実施形態の熱電発電装置は、第１熱流路に対してねじ山を備える導管を配置したり、第２熱流路に対してねじ山を備えるヒートシンクを配置したりすることができる。このように、第２実施形態の熱電素子は、第１電極及び第２電極に熱を供給することが容易な構造を備える。

以下、上記第２実施形態の熱電発電装置を製造する方法の一例を説明する。ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子のシートを作成する工程から、リブを形成する工程までは、上記第１実施形態の熱電発電装置を製造する方法の一例と同様に行う。リブ形成後、各素子の切り込み部側面に絶縁性の熱硬化接着剤（１５０℃硬化タイプ）を塗布する。次に、２枚の素子の切れ込み部で交差させ重ね合わせた後、それを３組重ね合わせ、等圧プレス（温度１５０℃、時間３０ｍｉｎ、圧力２ＭＰａ）で積層し、第２実施形態の熱電発電装置を得る。

上記製造方法によれば、第１実施形態の熱電発電素子の製造方法と同様に、表面に円周状にリブを設けたシート状のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子から、上記第２実施形態の熱電発電装置を容易に作成することができる。

図３は、第３実施形態の熱電発電装置を示す断面図である。図３は、図１の熱電発電装置を電気的に直列に接続した熱電発電装置の断面図である。なお、第３実施形態の熱電発電装置において、第１及び第２実施形態の熱電発電装置と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省略する。図３（ａ）は、螺旋軸を通り、図１（ａ）及び図３（ｂ）のＥ−Ｅ断面に対応する断面図である。第２実施形態の熱電発電素子と異なる点は、図１の熱電発電素子に対応する装置５１と装置５２の間にスペーサー５３を配置することである。スペーサー５３を配置することにより、第１実施形態と同様の構成を持つ熱電発電装置を電気的に直列に接続し、起電力を大きくすることができる。

図３（ｂ）の上図は、スペーサーを螺旋軸方向から見た上面図である。図３（ｂ）の下図は、図３（ａ）上図のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の点線Ｂで囲まれた部分を含むスペーサーの部分斜視図である。スペーサー５３は、螺旋状の第１熱流路１１と、螺旋状であり第１熱流路の螺旋軸方向に第１熱流路と交互に隣接するように配置された第２熱流路１２と、第１熱流路１１と第２熱流路１２とを交互に隔てる絶縁体６４及び導電体６３とを備える。

絶縁体６４の一方の面に螺旋状の第３リブ６２が設けられる。第３リブ６２は、絶縁体６４と導電体６３とを支持し、第２熱流路１２を確保する。但し、第３リブ６２は、装置５２とスペーサー５３との間で絶縁体６４と装置５２の第６電極１７とを支持する。また、導電体６３の一方の面に螺旋状の第４リブ６１が設けられる。第４リブ６１は、導電体６３と絶縁体６４とを支持し、第１熱流路１１を確保する。但し、第４リブ６１は、装置５２とスペーサー５３との間で導電体６３と装置５１の第４電極１８とを支持する。第４リブ６１は導電性を有する。

装置５１において図１（ａ）に示されるｐ型熱電素子１３の螺旋の側端部４２に対応する側端部と、スペーサー５３において図３（ｂ）に示される導電体６３の螺旋の側端部４５とが接合される。また、装置５１において、図１（ａ）に示されるｎ型熱電素子１４の螺旋の側端部４４に対応する側端部と、スペーサー５３において、図３（ｂ）に示される絶縁体６４の螺旋の側端部４７に対応する側端部とが接合される。また、スペーサー５３において図３（ｂ）に示される導電体６３の螺旋の側端部４６と、装置５２において図１（ａ）に示されるｐ型熱電素子１３の螺旋の側端部４１に対応する側端部とが接合される。また、スペーサー５３において、図３（ｂ）に示される絶縁体６４の螺旋の側端部４８と、装置５２において、図１（ａ）に示されるｐ型熱電素子１３の螺旋の側端部４３に対応する側端部とが接合される。接合の方法は、例えば、絶縁性で、且つ熱硬化性の接着剤を各側端部に塗布し、側端部同士を接合することができる。

絶縁体６４は、螺旋軸に沿って時計と反対周りに約３６０°旋回し、導電体６３は、絶縁体６４と同じく螺旋軸に沿って時計と反対周りに約３６０°旋回する。第１熱流路１１、第２熱流路１２、ｐ型熱電素子１３、及びｎ型熱電素子１４は、それぞれ略同一の螺旋軸Ｏ−Ｏに沿った螺旋形状を有する。

導電体６３は、装置５１の第２リブ２２及び第７電極１６と装置５２の第４電極１８とを電気的に接続する。一方、絶縁体６４は、装置５１の第１リブ２１及び第３電極１５と装置５２の第６電極１７とを電気的に絶縁する。

第３実施形態の熱電発電装置は、第１実施形態のそれと同様、高密度に配置されうるため、小型化が可能である。また、第３実施形態の熱電発電装置は、第１実施形態の熱電発電装置と同様の構成を有する複数の構造物を、上記スペーサーを介して螺旋軸の方向に接続積層することにより、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを電気的に直列に交互に接続した構造を備えるため、第１及び第２実施形態の熱電発電装置より生じる起電力が大きい。

図４〜８は、第２実施形態の熱電発電装置の使用態様である構造物を示す断面図である。

図４は、第２実施形態の熱電発電装置の第１使用態様の構造物を示す断面図である。第１使用態様の構造物は、上記第２実施形態の熱電発電装置の円柱状の空洞部１９、螺旋状の第２熱流路１２、ｐ型熱電素子１３、及びｎ型熱電素子１４に、シーリング材７１ａ、７１ｂを設ける。シーリング７１ａ、７１ｂは、作動時に第１熱流路１１及び第２熱流路１２の一部を構成する。第１熱流路１１において、入口７４ａから第１熱媒体が流入し、出口７４ｂから第１熱媒体が流出する。第１熱流路１１の入口７４ａと出口７４ｂとは、シーリング材７１ａ、７１ｂを貫通する第１熱媒体の流路７２により接続されている。第２熱流路１２において、入口７５ａから第２熱媒体が流入し、出口７５ｂから第２熱媒体が流出する。第２熱流路１２の入口７５ａと出口７５ｂとは、シーリング材７１ａ、７１ｂを貫通する第２熱媒体の流路７３により接続されている。下端の第６電極１７及び１８にそれぞれ設けられた正極の端子７６及び負極の７７から、起電力を取り出す。

図５は、第２実施形態の熱電発電装置の第２使用態様の構造物を示す断面図である。第２使用態様の構造物は、螺旋軸が直線でなく曲線であること、及び第１実施形態の熱電発電装置に対応する構造を６個備えることを除き、第２実施形態と同様の構成を有する。第２実施形態の熱電発電装置は、第２熱流路１２の外周部、及び第１熱流路の内周部にリブが存在しないため、いわば蛇腹構造のように、破損することなく容易に曲げられうる。

図６は、第２実施形態の熱電発電装置の第３使用態様の構造物を示す断面図である。第３使用態様の構造物は、上記第２実施形態の熱電発電装置の円柱状の空洞部１９及び第１熱流路１１に、螺旋のねじ山８２を備える導管８１を配置したものである。ねじ山８２が第１熱流路１１の形状に対応しているため、第３使用態様の構造物は、空洞部１９に対し導管８１をねじ込むことにより形成できる。熱電発電装置の使用時において、導管８１の内部に熱搬送用媒体を流す。第２熱流路１２については、例えば、熱搬送用媒体に浸漬してもよいし、第１使用態様のようにシーリング材７１を設け、内部に熱搬送用媒体を流してもよい。なお、ねじ山を設けた導管が曲がっている場合においても、同様に第２実施形態の熱電発電装置をねじ込むことができる。
ねじ込んだ後の熱電発電装置は図５に示されるように螺旋軸が曲がった形状になる。

図７は、第２実施形態の熱電発電装置の第４使用態様の構造物を示す断面図である。第４使用態様の構造物は、上記第３使用態様の構造物の第２熱流路にねじ山９２を備えるヒートシンク９１を配置したものである。ねじ山９２が第２熱流路の形状に対応しているため、第４使用態様の構造物は、第２熱電発電装置の第２熱流路１２に対しヒートシンク９１をねじ込むことにより形成できる。

図８は、第２実施形態の熱電発電装置の第５使用態様の構造物を示す断面図である。第４使用態様の構造物のヒートシンク９１が、ＩＣチップなどの半導体装置９３に実装されている。半導体装置９３は基板９４上に、はんだバンプ９５を介して設けられている。半導体装置９３で発生した熱は、ヒートシンク９１へ伝わり、第２実施形態における第２熱流路１２に対応するねじ山９２が加熱される。一方、導管８１の内部に冷水を流すことにより、第２実施形態における第１熱流路１１に対応するねじ山８２は冷却される。よって、ｐ型熱電素子１３及びｎ型熱電素子１４を挟む第１電極及び第２電極に温度差が生じ、第２実施形態の熱電素子は起電力を生じる。

第５使用態様の構造物において、第２実施形態の熱電発電装置が生じる起電力によって、例えば、導管８１に熱搬送用媒体を循環させるための循環ポンプを駆動させてもよいし、送風モーターを駆動させて生じる風によりヒートシンクを冷却してもよい。

尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。矛盾のない限りにおいて、複数の実施例を組み合わせても構わない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１１ 第１熱流路
１２ 第２熱流路
１３ ｐ型熱電素子
１４ ｎ型熱電素子
１５ 第３電極
１６ 第７電極
１７ 第６電極
１８ 第４電極
１９ 空洞部
２１ 第１リブ（第５電極）
２２ 第２リブ（第８電極）
３１〜３３ 第１実施形態の熱電発電装置と同様の構成の装置
４１ ｐ型熱電素子の螺旋の側端部
４２ ｐ型熱電素子の螺旋の側端部
４３ ｎ型熱電素子の螺旋の側端部
４４ ｎ型熱電素子の螺旋の側端部
５１、５２ 第１実施形態の熱電発電装置と同様の構成の装置
５３ スペーサー
６１ 第４リブ
６２ 第３リブ
６３ 導電体
６４ 絶縁体
７１ シーリング材
７２ 第１熱媒体の流路
７３ 第２熱媒体の流路
７４ａ 第１熱流路の入口
７４ｂ 第１熱流路の出口
７５ａ 第２熱流路の入口
７５ｂ 第２熱流路の出口
８１ 導管
８２ ねじ山
９１ ヒートシンク
９２ ねじ山
９３ 半導体装置
９４ 基板
９５ はんだバンプ

Claims (8)

1. 螺旋状の第１熱電素子と、
   螺旋状であり、前記第１熱電素子の螺旋軸方向に前記第１熱流路と交互に配置され、前記第１熱電素子とともに二重螺旋を形成する第２熱電素子と、
   螺旋状であり第１熱電素子と前記第２熱電素子とを交互に隔てる第１熱流路及び第２熱流路と、
   前記第１熱流路に接し、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを電気的に接合する第１電極と、
   前記第２熱流路に接し、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを電気的に接合する第２電極と
   を備えることを特徴とする熱電発電装置。
2. 前記第１電極は前記第１熱流路に対向する前記第１熱電素子の表面に設けた第３電極と、前記第１熱流路に対向する前記第２熱電素子の表面に設けた第４電極と、前記第３電極と前記第４電極とを電気的に接続する第５電極を有し、前記第２電極は前記第２熱流路に対向する前記第１素子の表面に設けた第６電極と、前記第２熱流路に対向する前記第２素子の表面に設けた第７電極と、前記第６電極と前記第７電極とを電気的に接続する第８電極とを有することを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
3. 前記第５電極は、螺旋状であり、前記第１熱電素子の螺旋軸と前記第１熱流路との間に配置され、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを支持し、
   前記第８電極は、螺旋状であり、前記第２熱流路を挟んで前記第１熱電素子の螺旋軸の反対側に配置され、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを支持する
   ことを特徴とする請求項２に記載の熱電発電装置。
4. 更に、螺旋状であり、前記第１熱電素子の螺旋軸と前記第１熱流路との間に配置され、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを支持する第１リブと、
   螺旋状であり、前記第２熱流路を挟んで前記第１熱電素子の螺旋軸の反対側に配置され、前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを支持する第２リブと
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電発電装置。
5. 前記第１リブ及び前記第２リブは、前記第１電極及び前記第２電極よりも熱伝導率が低いことを特徴とする請求項４に記載の熱電発電装置。
6. 前記第１熱電素子及び前記第２熱電素子は、螺旋軸を中心とする略扇型の形状を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
7. 前記第１熱電素子及び前記第２熱電素子のうち一方がｐ型熱電材料であり、他方がｎ型熱電材料であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱電発電装置。
8. シート状の第１熱電素子であって、一の面に第１電極とドーナツ状の第１リブとを順に設け、他の面に第２電極を設け、前記第１熱電素子の中心を通る第１切り込みを設けた前記第１熱電素子を準備する工程と、
   シート状の第２熱電素子であって、一の面に第３電極と前記第１リブよりも曲率が大きいドーナツ状の第２リブとを順に設け、他の面に第４電極を設け、前記第２熱電素子の中心を通る第２切り込みを設けた前記第２熱電素子を準備する工程と、
   前記第１切り込みと前記第２切り込みとを互いに食い込ませるように交差させる工程と、
   交差させた前記第１熱電素子と前記第２熱電素子とを、前記第１熱電素子において前記一の面の中心を通る法線と前記第２熱電素子において前記一の面の中心を通る法線とが略同一になり且つ前記第１熱電素子の一の面と前記第２熱電素子の一の面とが略同一方向を向くように重ねる工程と
   を含むことを特徴とする熱電発電装置の製造方法。