CN103311427A - 热电转换模块及热电转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供热电转换模块及热电转换装置，其能够将热电转换元件高密度地排列并灵活地安装到各种形状的热源。该热电转换模块采用的结构包括：第一热电转换元件，其由具有中空部的筒状的热电转换材料构成；以及第二热电转换元件，其由传导型不同于上述第一热电转换元件且固定于上述中空部的热电转换材料构成。
Description
技术领域
本发明涉及热电转换模块及热电转换装置
背景技术
以往存在利用塞贝克效应将热转换成电的热电转换装置。对于热电转换装置，使用由通过给予温度梯度以产生电动势的半导体构成的热电转换材料。根据传导型的不同，半导体热电转换材料有p型热电转换材料与n型热电转换材料。当温度梯度的方向相同时，p型热电转换材料与n型热电转换材料的电动势的方向相反。
图9表示以往的普通的热电转换装置。普通的热电转换装置具备：多个p型热电转换材料501及多个n型热电转换材料502；以及多个电极601，其分别电连接相邻的各组p型热电转换材料501及n型热电转换材料502的两个端部。多个p型热电转换材料501、多个n型热电转换材料502及多个电极601例如被陶瓷基板604覆盖并固定。并且，外部连接端子602、603连接于一端的电极与另一端的电极以输出电力。
以往，提出了将热电转换装置中的热电转换材料制成各种形态的方案。
例如，在专利文献1中，公开了在多孔性耐热绝缘体的贯穿孔的内壁面将p型热电转换材料或n型热电转换材料设置成膜状的结构(参照专利文献1的图1)。另外，在专利文献1中公开了将其内壁面形成p型热电转换材料或n型热电转换材料的贯穿孔设为圆锥台状的结构(参照专利文献1的图3)。
专利文献2、3中，公开了在具有柔性的蜂窝结构体的多个贯穿孔内交替插入了n型热电转换材料与p型热电转换材料的热电转换模块。该热电转换模块中，n型热电转换材料与p型热电转换材料的各端面经由金属片而连接。
专利文献
专利文献1：日本特开平6-097514号公报
专利文献2：日本特开平9-199765号公报
专利文献3：美国专利第5952728号说明书
以往的普通热电转换装置采用不具有柔性的块状或板状的结构，因此无法灵活地安装到各种形状的热源。另外，在将热电转换装置分割成小型的块并安装到各种形状的热源时，例如像将小型的块形状的多个热源转换装置安装到圆柱状的热源的情况那样，会产生下述问题：接触热源的热电转换材料的密度下降，热量利用效率降低。
发明内容
本发明的目的在于提供能够将热电转换材料高密度地排列并灵活地安装到各种形状的热源的热电转换模块及热电转换装置。
本发明的一个方案的热电转换模块采用的结构包括：第一热电转换元件，其由具有中空部的筒状的热电转换材料构成；以及第二热电转换元件，其由传导型不同于所述第一热电转换元件且固定于所述中空部的热电转换材料构成。
本发明的一个方案的热电转换装置采用的结构包括多个热电转换模块，其各自为上述热电转换模块，所述多个热电转换模块以将所述中空部连通的方向连结并电连接。
根据本发明，能够将热电转换材料高密度地排列并灵活地安装到各种形状的热源。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的热电转换模块中所使用的热电转换元件的图，（A）是其纵剖视图，（B）是俯视图。
图2是用于说明图1的热电转换元件的一例制造方法的图。
图3是表示本发明的实施方式的热电转换模块的图，（A）是纵剖视图，（B）是俯视图。
图4是表示本发明的实施方式的热电转换模块的变形例的纵剖视图。
图5（A）、（B）是表示本发明的实施方式1的热电转换装置的图。
图6是表示实施方式1的热电转换装置中的相邻的两个热电转换模块的连接例之一的示意图。
图7是表示实施方式1的热电转换装置中的相邻的两个热电转换模块的连接例之一的示意图。
图8是表示本发明的实施方式2的热电转换装置的图。
图9是表示一例以往的热电转换装置的结构图。
符号说明
100、110、110A热电转换元件
101热电转换材料(n型)
102耐热性绝缘材料
103中空部
111、111A热电转换材料(p型)
112接合部
113中空部
120、120A热电转换模块
300、310热电转换装置
400管(热源)
J1～J4电极
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的各实施方式。
(实施方式1)
图1是表示本发明实施方式1的热电转换模块中所使用的热电转换元件的图，（A）是其纵剖视图，（B）是俯视图。
[热电转换元件]
首先，说明作为本发明实施方式1的热电转换模块的结构要素的热电转换元件100。
热电转换元件100采用具有中空部103的筒状的结构，由筒状的耐热性绝缘材料102及筒状的热电转换材料101构成。
热电转换材料101、耐热性绝缘材料102及热电转换元件100均呈具有锥度的筒形状。通过具有锥度，后述的热电转换模块的制造变得容易。但是，如果不要求制造方法的容易性，则也可无该锥度。
耐热性绝缘材料102为管状的材料，具有空洞且两端开口。
耐热性绝缘材料102具有即使在元件使用时的高温部的温度及热电转换材料的熔点下也能稳定地保持形状的耐热性。
另外，耐热性绝缘材料102具有阻断元件使用时的热电转换材料101的电流的绝缘性。耐热性绝缘材料102只要能够收纳热电转换材料101并具有耐热性及绝缘性即可。从在模块中高密度地排列元件的观点考虑，耐热性绝缘材料102优选为筒状。作为耐热性绝缘材料102的材料，例如可列举二氧化硅、氧化铝等金属氧化物、耐热玻璃和石英。根据耐热性的观点，耐热性绝缘材料102的材料优选为石英，若进一步考虑到成本，则优选为耐热玻璃。
为了确保安装到热源中时的灵活性及高密度性，耐热性绝缘材料102的轴向长度优选为1.0～3.0mm，更优选为1.0～2.0mm，进一步优选为1.5～2.0mm。
另外，耐热性绝缘材料102能够利用最大内径d1与最大外径d2例如为1.8～3.2mm、3～4.4mm左右的材料。当组合使用大直径的耐热性绝缘材料102和小直径的耐热性绝缘材料102时，能够在大直径的热电转换元件100中配置小直径的热电转换元件100。
热电转换材料101为p型热电转换材料或n型热电转换材料。
作为热电转换材料101，能够根据使用时产生的温差来选择材料。例如若使用时的温差为常温至500K，则能够采用铋-碲系(Bi-Te系)材料作为热电转换材料101。另外，若使用时的温差为常温至800K，则能够采用铅-碲系(Pb-Te系)材料，若使用时的温差为常温至1000K，则能够采用硅-锗系(Si-Ge系)材料作为热电转换材料101。
另外，例如通过在上述的热电转换材料中添加适当的掺杂剂，能够获得p型热电转换材料与n型热电转换材料。作为用于获得p型热电转换材料的负掺杂物，例如可列举Sb。作为用于获得n型热电转换材料的掺杂剂，例如可列举Se。通过添加这些掺杂剂，热电转换材料形成混晶。因而，这些掺杂剂例如以“Bi0.5Sb1.5Te3”或“Bi2Te2.7Se0.3”之类的热电转换材料的组成式表达的程度的量而添加在热电转换材料中。
[热电转换元件的制造方法]
接下来说明上述热电转换元件的一例制造方法。
图2是用于说明图1的热电转换元件的一例制造方法的的图。
在制造热电转换元件时，首先准备中空筒状的耐热性绝缘材料102。作为耐热性绝缘材料102，能够使用玻璃、尤其是耐热玻璃(将SiO2与B2O3混合而成的硼硅酸玻璃的一种，热膨胀率为约3×10-6/K左右的材料)。本实施方式中，采用全长L为150mm且内径d1与外径d2分别为1.8mm、3mm的耐热性绝缘材料102。
接下来，在耐热性绝缘材料102的一端，经由配管连接减压装置201。然后，将预先取代为非氧化环境的熔解炉202内的坩埚204加热到规定的温度，使热电转换材料101成为熔融状态。具体而言，利用从线圈203发出的磁场的作用对热电转换材料101进行感应加热，通过外周部与内周部的温差及熔液上下的温差使其产生对流，从而将坩埚204内的熔液搅拌均匀。
接下来，从熔解炉202的上部插入耐热性绝缘材料102，在保持为规定温度的预热区域205中保持规定时间。随后，对于耐热性绝缘材料102，将耐热性绝缘材料102的一端浸渍到坩埚204中，通过减压装置201产生负压，将熔融的热电转换材料101导入到耐热性绝缘材料102的内部。本实施方式中，采用了Bi2Te3系材料作为热电转换材料101。
当向耐热性绝缘材料102内填充热电转换材料101后，根据耐热性绝缘材料102的预热温度，热电转换材料101固化并确定结晶状态。如果热电转换材料101无流动，则热电转换材料101的固化仅取决于耐热性绝缘材料102的温度，结晶的优先生长方向为垂直于耐热性绝缘材料102的内壁面的方向。
但是，如果在固化时热电转换材料101流动，则结晶的优先生长方向为合成了冷却方向与流动方向的方向，能够获得沿该方向定向的结晶结构。
结晶的定向方向会影响到热电转换材料101的热电转换特性。因而，通过控制热电转换材料101的抽吸速度与冷却速度，能够控制结晶的定向方向，从而控制与定向方向相关的热电转换特性。
通过耐热性绝缘材料102吸取的热电转换材料101越接近耐热性绝缘材料102的中心部，温度越高，流动不受抑制。由此，若加快吸取速度，则中央变成空洞，能够获得热电转换材料以膜状固化在筒的内壁面有的结构。
然后，通过将该结构切断成规定长度，形成图1的热电转换元件。通过使用p型热电转换材料，从而形成p型热电转换元件，通过使用n型热电转换材料，从而形成n型热电转换元件。
[热电转换模块]
图3是表示本发明的实施方式1的热电转换模块的图，（A）是其纵剖视图，（B）是俯视图。
本发明实施方式1的热电转换模块120具备上述热电转换元件100及直径比其小的热电转换元件110。小直径的热电转换元件110配置在热电转换元件100的内侧。
内侧的热电转换元件110由热电转换材料111构成，该热电转换材料111为具有中空部113的筒状，且在外周面及内周面附加有锥度。作为热电转换材料111，例如使用由p型半导体构成的热电转换材料(称作p型热电转换材料)。
例如，以图2中说明的制造方法形成中空筒状且具有锥度的p型热电转换材料之后，去除外侧的耐热性绝缘材料102，从而能够制造内侧的热电转换元件110。
内侧的热电转换元件110被固定于外侧的热电转换元件100的中空部103。虽无特别限制，但是为了便于布线连接，小直径的热电转换元件110的轴向的一端及另一端从外侧的热电转换元件100的端部突出。
对于外侧的热电转换元件100，使用由n型半导体构成的热电转换材料(称作n型热电转换材料)作为热电转换材料101。另外，外侧的热电转换元件100与内侧的热电转换元件110只要热电转换材料101、111的传导型互不相同即可，也可对外侧的热电转换元件100采用p型热电转换材料而对内侧的热电转换元件110采用n型热电转换材料。
内侧的热电转换元件110经由接合部112固接于热电转换元件100的内壁面。在接合部112中填充具有导电性的材料或者具有绝缘性的材料。当利用该部分来电连接两个热电转换材料101、111时，只要使用具有导电性的材料即可，另外，当不需要该部位的电连接时，只要使用具有绝缘性的材料即可。
而且，当两个热电转换元件100、110仅通过物理接触来接合时，也可省略用于固接两方的接合部112。
另外，当不需要通过接合部112进行电连接时，配置在内侧的热电转换元件110也可与外侧的热电转换元件100同样地，采用由耐热性绝缘材料覆盖周围的结构。
图4是表示本发明实施方式的热电转换模块的变形例的纵剖视图。
另外，如图4的热电转换模块120A所示，内侧的热电转换元件110A也可以由不具有中空部113的圆锥台状的热电转换材料111A构成。
图3的热电转换模块120中，通过内侧的热电转换元件110具有中空部113，从而能够在热电转换材料111的内壁面设置电极。但是，当在热电转换材料111的轴向的端部设置电极时，也可以如图4所示无中空部。
[热电转换装置]
(实施方式1)
图5是表示本发明实施方式1的热电转换装置的图，（A）是其俯视图，（B）是表示安装于作为热源的管上的状态的说明图。
如图5的（A）所示，本实施方式1的热电转换装置300具有沿轴向将多个热电转换模块120连结而成的模块列。所谓轴向，是指各热电转换元件100的中空部103连通的方向。另外，该连结是具有柔性的连结。
而且，该热电转换装置300中，多个上述模块列并列地固定于具有柔性的带体301上。
如图5的（B）所示，实施方式1的热电转换装置300对于管400等热源，能够卷绕成螺旋状来使用。
[电极结构]
图6及图7是表示实施方式1的热电转换装置中的相邻的两个热电转换模块的连接例之一的示意图。
在图6及图7中，省略了各热电转换模块120的热电转换材料101、111及电极J1～J4以外的结构。另外，以箭头表示在施加热量时热电转换材料101、111所产生的电动势。
热电转换模块120的电极结构能够根据热电转换材料101、111的传导型的设定(将p型与n型中的哪个配置在外侧，哪个配置在内侧)与电流的流动方向等而进行各种变更。
图6及图7的例子是将外侧的热电转换材料101设为n型、内侧的热电转换材料111设为p型，使电流从图中的左侧流向右侧的结构的一例。
图6及图7的例子中，在n型热电转换材料101的外周面设有电极J1，在内周面设有电极J2。另外，在p型热电转换材料111的轴向的一端设有电极J3，在另一端设有电极J4。
通过将电极J1～J4设置在热电转换模块120的周方向的整周范围，从而能够将热电转换模块120形成为旋转对称的结构，由此，能够降低热电转换模块120及热电转换装置300的制造成本。另外，对于电极J1～J4，也可省略远离热源的范围的电极J1a～J4a，通过节省这些电极，能够避免不必要的电流在远离热源的范围流过热电转换材料101、111，从而提高热电转换效率。
图6的例子中，在一个热电转换模块120中，电连接四个电极J1～J4中的两个电极J2、J3。该连接既可经由导线进行，也可使用电极图形来进行。
另外，相邻的两个热电转换模块120、120之间，沿着电流的流动方向，利用导线连接前方的热电转换模块120的电极J1与后方的热电转换模块120的电极J4。
即，图6的例子中，多个热电转换模块120的各热电转换材料101、111以n型-p型-n型-p型的顺序连接。
接下来说明发电动作。
来自热源的热量H使热电转换模块120的靠近热源的一侧产生大的温度梯度。另一方面，在远离热源的一侧，温度梯度小。因而，热电转换材料101、111产生的电动势(图6中以箭头表示)中，靠近热源一侧的电动势成为支配性电动势。
因此，根据图6的电极J1～J4的连接，能够将n型热电转换材料101的电动势与p型热电转换材料111的电动势相加而生成沿着模块列的单向电压。
图7的例子中，在相邻的两个一组的热电转换模块120、120中的前方(图中的右侧)的热电转换模块120中，两个电极J1、J4电连接。另外，在后方(图中的左侧)的热电转换模块120中，两个电极J2、J3电连接。
而且，在两个一组的热电转换模块120、120之间，前方的热电转换模块120的电极J3与后方的热电转换模块120的电极J4电连接。
另一方面，一组热电转换模块120中的前方的热电转换模块120与另一组热电转换模块120中的后方的热电转换模块120之间，电极J1、J2电连接。
即，图7的例子中，多个热电转换模块120的各热电转换材料101、111以n型-p型-p型-n型的顺序连接。
通过这样的连接，也能够将n型热电转换材料101的电动势与p型热电转换材料111的电动势相加而生成沿着模块列的单向电压。
[实施方式的效果]
如上所述，根据实施方式1的热电转换装置300，能够不拘于热源的形状而将多个热电转换模块120灵活地安装到热源。另外，在设置时，n型热电转换材料101与p型热电转换材料111高密度地接近热源。因而，能够有效地利用热量来进行高效率的发电。
(实施方式2)
图8是表示本发明的实施方式2的热电转换装置的结构图。图8中示出各热电转换模块120的纵剖面。
实施方式2的热电转换装置310是在多个热电转换模块120的中空部内穿过作为热源的管400，且多个热电转换模块120依次电连接而构成。
在实施方式2的热电转换模块120中，热电转换材料111的中空部的直径与管400大致相同，而不具有锥度。由此，热电转换材料111能够紧贴于管400，从而能够将管400的热高效率地传递至热电转换材料111。
另外，热电转换材料111的中空部的直径也可为比管400的外径大。另外，热电转换材料111的中空部也可以是具有锥度的结构。在这些情况下，热电转换材料111的内表面与管400的外表面之间产生间隔部分，但只要向该部分中填充具有导热性的部件即可。通过该结构，也能够将管400的热量高效率地传递至热电转换材料111。
作为热电转换模块120的电极位置及连接结构，能够同样适用图6及图7的例子。但是，实施方式2中，来自管400的热量传到热电转换模块120的周方向的整周范围。因而，优选将电极J1～J4设置在热电转换材料101、111的周方向的整周。
根据该结构，通过来自管400的热量，在热电转换模块120的热电转换材料101、111的整个区域产生电动势。并且，能够将这些电动势相加而生成沿着模块列的单向电压。
如上所述，根据实施方式2的热电转换装置310，对于棒状的热源，能够高密度地设置n型热电转换材料101与p型热电转换材料111，由此能够进行高效率的发电。
以上，说明了本发明的各实施方式。
此外，在上述实施方式中，以将配置在热电转换模块外侧的热电转换材料101设为n型热电转换材料、配置在内侧的热电转换材料111设为p型热电转换材料的结构为例进行了说明。但是，也可以将它们的传导型颠倒。
另外，上述实施方式中，以热电转换材料101、111双方具有锥度的结构为例进行了说明。另外，以热电转换材料101、111的外周面及内周面双方具有锥度的结构为例进行了说明。但是，也可采用热电转换材料101、111均无锥形的结构。另外，锥度既可仅设在热电转换材料101、111中的一方上，另外，也可仅设在外周面或内周面中的一方上。
另外，上述实施方式中，以经由接合部112将两个热电转换材料101、111相互接合的结构为例进行了说明。但是，也可以没有该接合部112，例如也可以采用两个热电转换材料101、111通过直接接触而接合的结构。
而且，多个热电转换模块的连结结构、电极位置及连接结构并不限于实施方式中具体说明的例子，能够进行各种变更。
工业实用性
本发明对于将热转换成电的热电转换装置及热电转换模块有用。
Claims (8)
1.热电转换模块，包括：
第一热电转换元件，其由具有中空部的筒状的热电转换材料构成；以及
第二热电转换元件，其由传导型不同于所述第一热电转换元件且固定于所述中空部的热电转换材料构成。
2.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，
所述第二热电转换元件为中空筒状的结构。
3.如权利要求2所述的热电转换模块，其中，
所述第一热电转换元件及所述第二热电转换元件中的一方或双方为具有锥形的中空筒状的结构。
4.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，
还包括：
设置在所述第一热电转换元件的至少一对电极；以及
设置在所述第二热电转换元件的至少一对电极，
设置在所述第一热电转换元件的所述电极中的至少一个与设置在所述第二热电转换元件的所述电极中的至少一个电连接。
5.如权利要求1所述的热电转换模块，其中，
还包括筒状的耐热绝缘体，
所述第一热电转换元件的热电转换材料以膜状形成在所述耐热绝缘体的内壁面。
6.热电转换装置，包括多个热电转换模块，其各自为权利要求1所述的热电转换模块，
所述多个热电转换模块以将所述中空部连通的方向连结并电连接。
7.如权利要求6所述的热电转换装置，其中，
所述多个热电转换模块的连结是具有柔性的连结。
8.热电转换装置，包括多个热电转换模块，其各自为权利要求2所述的热电转换模块，
所述多个热电转换模块由棒状的热源穿过其中，且连通并电连接。
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