JP2005302783A - 熱電変換モジュール及びその形状評価装置及び形状評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構成材料を変更することなく、熱応力、あるいは、熱ひずみを低減することのできる熱電変換モジュール及びその形状評価装置及び形状評価方法を提供する。
【解決手段】熱電変換モジュール１は、対向配置された電極３１ａと、３１ｂとの間に、金属接合層２１ａ、２１ｂを介してｎ型熱電変換素子１０と、ｐ型熱電変換素子１１が接合されて構成されたブロック４０が、電極３１ａと３１ｂの外側に配置されたセラミックス板５０ａと５０ｂに固定されて構成されている。ｎ型熱電変換素子１０及びｐ型熱電変換素子１１は、高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きい構造とされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度差を利用した発電等に用いられる熱電変換モジュール及びその形状評価装置及び形状評価方法に関する。

発電用に用いる熱電変換モジュールは、上下面に温度差を与えることにより、起電力を発生させ、電力を取り出すものである。また、ペルチェ効果を用いるものについては、熱電変換素子に電圧を印可し、熱電変換モジュールの上下面に温度差を与えるものである。このような熱電変換モジュールは、図１０に示すように、一般的にＰ型の半導体９０とＮ型の半導体９１の対を対向する電極９２の間に配置して電気的に直列に接続し、熱的に並列となるように多数配置して構成されている。また、これらの熱電変換素子を支持するために、その両側に例えばセラミックス板９３等が配置されており、さらに、電流を取り出すための電流取り出し端子９４が設けられている。

上記構成の熱電変換モジュールは、上下面に温度差がつくこと、また、モジュール構成材料の熱膨張差が存在することから、主に高温側において、熱応力、及び、熱ひずみが発生する。従来、このような熱応力、熱ひずみを低減するために、熱電変換素子の構成材料の組み合わせを検討し、熱膨張差が小さい材料を選定し、これに変更する方法が提案されてきた（例えば、特許文献１参照。）
特開２００３−３０９２９４

従来のように、熱電変換素子の構成材料の組み合わせを検討し、熱膨張差が小さい材料を選定し、これに変更することによって、熱応力、あるいは、熱ひずみを低減しようとする方法においては、用いることのできる材料が限られてしまい、電気的、熱的設計をすることが難しくなるという課題がある。そこで、従来行われてきたように構成材料を変更することなく熱応力、あるいは、熱ひずみを低減できるようにすることが望まれている。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、構成材料を変更することなく、熱応力、あるいは、熱ひずみを低減することのできる熱電変換モジュール及びその形状評価装置及び形状評価方法を提供しようとするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の発電用熱電変換モジュールは、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、接合層を介して対向する電極の間に接合され、前記電極が基板に固定された熱電変換モジュールであって、前記ｎ型熱電変換素子、及び、前記ｐ型熱電変換素子の高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の発電用熱電変換モジュールは、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、接合層を介して対向する電極の間に接合され、前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子の間、及び、隣接する前記電極の間に絶縁層が配置された熱電変換モジュールであって、前記ｎ型熱電変換素子、及び、前記ｐ型熱電変換素子の高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きいことを特徴とする。

また、本発明の発電用熱電変換モジュールは、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、接合層を介して対向する電極の間に接合され、前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子の間に絶縁層が配置された熱電変換モジュールであって、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の高温側の断面積が低温側の断面積よりも小さいことを特長とする。

また、本発明の熱電変モジュールの形状評価装置は、熱電変換モジュールを設置する場所の面積についての設置面積情報と、所望の発電電力についての発電電力情報とを入力するための入力部と、所定高さにおいて、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子に発生する熱応力、あるいは、熱ひずみを最小化した形状を求める形状最適化部と、前記入力部から入力された設置面積情報及び発電電力情報と、前記形状最適化部で求められた形状から、前記熱電変換モジュールに使用するｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の形状を算出する熱電素子形状計算部と、前記熱電素子形状計算部で算出された形状のｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、少なくとも熱応力、あるいは、熱ひずみについて所定の基準を満たしているか否かを判定する形状判定手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の熱電変モジュールの形状評価方法は、熱電変換モジュールを設置する場所の面積についての設置面積情報と、所望の発電電力についての発電電力情報とを入力する入力工程と、所定高さにおいて、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子に発生する熱応力、あるいは、熱ひずみを最小化した形状を求める形状最適化工程と、入力された前記設置面積情報及び前記発電電力情報と、前記形状最適化工程で求められた形状から、前記熱電変換モジュールに使用するｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の形状を算出する熱電素子形状計算工程と、前記熱電素子形状計算工程で算出された形状のｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、少なくとも熱応力、あるいは、熱ひずみについて所定の基準を満たしているか否かを判定する形状判定工程とを備えることを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュール及びその形状評価装置及び形状評価方法によれば、構成材料を変更することなく、従来に較べて熱応力、あるいは、熱ひずみを低減することができる。

以下、本発明の詳細を、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係わる熱電変換モジュールの一実施形態の要部概略構成を示すものである。同図に示すように、例えば銅板等から構成され、対向配置された電極３１ａと、３１ｂとの間に、例えばＳｎＰｂ系のはんだ等からなる金属接合層２１ａ、２１ｂを介してｎ型熱電変換素子１０とｐ型熱電変換素子１１が接合されてブロック４０が構成されており、このようなブロック４０が、電極３１ａと３１ｂの外側に配置されたセラミックス板５０ａと５０ｂに固定されて、熱電変換モジュール１が構成されている。また、ｎ型熱電変換素子１０、及びｐ型熱電変換素子１１は、高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きい構造とされている。

上記構成の熱電変換モジュール１では、熱電変換モジュール１の対向する電極３１ａ、３１ｂ面（上下面）に温度差が存在すると、ゼーベック効果により起電力を発生し、電力が得られる。このような熱電変換モジュール１は、一方の電極面が高温に、他方の電極面は低温に曝されるために、熱電変換モジュール１内には温度の分布が生じ、また、各構成部材に熱膨張差が存在することから、特に高温側において、熱応力、及び、熱ひずみが発生し易い。

本実施形態においては、ｎ型熱電変換素子１０、及び、ｐ型熱電変換素子１１の高温側断面積と低温側断面積が異なり、高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きい形状をしている。このようにｎ型熱電変換素子１０、及び、ｐ型熱電変換素子１１の断面積を変化させた構造は、従来型の、高温側と低温側の断面積が等しい構造よりも発生する最大熱応力、及び、熱ひずみを小さくすることができる。

図２は、ｎ型熱電変換素子１０、及びｐ型熱電変換素子１１の高温側断面積が低温側断面積よりも大きい構造をしている熱電変換モジュール１について、有限要素法（ＦＥＭ）による熱応力解析を行った結果を示している。同図においては、熱ひずみの大きさを濃淡で示してあり、熱ひずみの大きい部位ほど薄く示してある。この結果によると、はんだ接合部の角部に熱ひずみの大きい個所が見られ、その最大ひずみは、０．４９％であった。一方、同様な有限要素法（ＦＥＭ）による熱応力解析を、従来型の、高温側断面積と低温側断面積が等しい構造の熱電変換モジュールについて行ったところ、その最大ひずみは、０．５４％で。あった。

したがって、本実施形態の熱電変換モジュール１では、従来に較べて約１割の熱ひずみ低減効果があることが分かる。このように本実施形態の熱電変換モジュール１では、ｎ型熱電変換素子１０、及びｐ型熱電変換素子１１の高温側断面積が低温側断面積よりも大きい形状とすることにより、構成材料を変更することなく熱ひずみを低減することができ、熱電変換モジュールの信頼性を向上することができる。

なお、上記熱電変換モジュール１は、電極３１ａと３１ｂの外側にセラミックス板５０ａ、５０ｂが配置された構成となっているが、後述するように、構造が相違する場合は、ｎ型熱電変換素子１０、及び、ｐ型熱電変換素子１１の高温側の断面積が低温側の断面積よりも小さい方が、発生する最大熱応力、及び熱ひずみが小さくなる場合もある。

図３は、他の実施形態に係る熱電変換モジュール２の構成を示すものである。同図に示すように、熱電変換モジュール２は、例えばＡｌ等から構成され、対向配置された電極３２ａと、３２ｂとの間に、例えばＭｏ等からなる金属接合層２２ａ、２２ｂを介してｎ型熱電変換素子１０と、ｐ型熱電変換素子１１が接合されており、樹脂等からなる絶縁層５１がこれらの構成物の間に充填されて固定化された構成となっている。また、ｎ型熱電変換素子１０、及びｐ型熱電変換素子１１は、高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きい構造とされている。

上記のような構成において、断面積をどのように変化させれば、最大応力を最小化することができるかは、ＦＥＭによる熱応力解析を行い、次に、熱応力解析の結果発生した最大応力を最小化する形状最適化解析を行うことによって求めることができる。形状最適化解析は、例えば力法用い、発生最大応力を最小化するようにＦＥＭモデルの要素を変化させて行うことができる。このような最適化の解析を行った結果、ｎ型熱電変換素子１０、及びｐ型熱電変換素子１１の高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きい形状とすることにより、従来型の、高温側断面積と低温側断面積が等しい構造の熱電変換モジュールに較べて、最大発生応力を約５．４％低減できることが分かった。

以上のとおり、図３に示した熱電変換モジュール２は、ｎ型熱電変換素子１０、及びｐ型熱電変換素子１１の高温側断面積が低温側断面積よりも大きい形状とすることにより、構成材料を変更することなく熱ひずみを低減することができ、熱電変換モジュールの信頼性を向上することができる。

次に、図４を参照して他の実施形態に係る熱電変換モジュール３について説明する。この熱電変換モジュール３は、ｎ型熱電変換素子１０とｐ型熱電変換素子１１が、絶縁体である樹脂５２の中に埋めこまれてブロック４１が構成され、このブロック４１に、金属接合層（Ｍｏ接合層）２２ａ、２２ｂを介して、電極（Ａｌ電極）３２ａ、３２ｂが接合されて構成されている。したがって、図４に示されるとおり、隣接する電極（Ａｌ電極）３２ａ同士の間、及び、隣接する電極（Ａｌ電極）３２Ｂ同士の間には、樹脂５２が存在しない構造となっている。

そして、この熱電変換モジュール３では、ｎ型熱電変換素子１０、及びｐ型熱電変換素子１１は、高温側の断面積が低温側の断面積よりも小さい構造となっている。本実施形態においても、前述したと同様にＦＥＭによる熱応力解析を行い、次に、熱応力解析の結果発生した最大応力を最小化する形状最適化解析を行ったころ、最適化後の形状は、ｎ型熱電変換素子１０及びｐ型熱電変換素子１１の高温側の断面積が低温側の断面積よりも小さい形状となり、従来型の、高温側断面積と低温側断面積が等しい構造の熱電変換モジュールに較べて、最大発生応力を約７．１％低減できることが分かった。なお、形状最適化解析は力法用い、発生最大応力を最小化するようにＦＥＭモデルの表面を変化させて最適化を行った。

以上のとおり、図４に示した熱電変換モジュール３では、ｎ型熱電変換素子１０及びｐ型熱電変換素子１１の高温側断面積が低温側断面積よりも小さい形状とすることにより、構成材料を変更することなく熱ひずみを低減することができ、熱電変換モジュールの信頼性を向上することができる。

上記熱電変換モジュール３のように、構造によっては、高温側の断面積が低温側の断面積よりも小さい方が、発生する最大熱応力、及び熱ひずみが小さくなる場合もある。その理由の一つとしては、前述した図１の熱電変換モジュール１では、電極３１ａ，３１ｂがセラミックス板５０ａと５０ｂに固定された構造となっており、また、図３の熱電変換モジュール２では、電極３２ａ，３２ｂが実質的に絶縁層５１によって固定された構造となっていて、電極３１ａ，３１ｂ及び電極３２ａ，３２ｂの熱膨張による伸縮が抑制されるのに対して、図４の熱電変換モジュール３では、電極３２ａ，３２ｂの熱膨張による伸縮がより大きくなるためと考えられる。

上述した実施形態においては、図２に示したとおり、熱ひずみがｎ型熱電変換素子１０及びｐ型熱電変換素子１１の角部で特に増大する傾向がある。このため、この角部における熱ひずみを軽減するためには、例えば、図５に示すように、ｎ型熱電変換素子１０及びｐ型熱電変換素子１１の角部を面取りした形状としたり、図６に示すように、ｎ型熱電変換素子１０及びｐ型熱電変換素子１１の角部にＲを設けた形状とすることが好ましい。このように、角部を面取りする、あるいは、角部にＲ部（曲面部）を設けることにより、ｎ型熱電変換素子１０及びｐ型熱電変換素子１１の角部に発生する熱ひずみを分散し、軽減することができる。

図７は、縦軸を熱電変換モジュールの発電電力、横軸を熱電変換素子の断面積と高さとの比を表すアスペクト比として、これらの関係を示すものである。同図に示されるように、一般に熱電変換モジュールにおいては、アスペクト比が小さくなると、発電電力が増大する。したがって、例えば、熱電変換素子の高さが一定の場合、断面積が大きい方が発電効率が良い。逆に、断面積が一定の場合、熱電変換素子の高さは小さい方が発電効率が良い。一方で、上述した各実施形態の如く、断面積を変化させた形状を有する熱電変換素子においては、熱応力、あるいは、熱ひずみを低減させるために、高温側、あるいは、低温側の断面積を小さくする必要もある。すなわち、信頼性確保のために小さくした断面積において、必要な発電電力を確保するためには、どの程度の高さの熱電変換素子が必要であるか、決定する必要がある。

図８は、このような熱電変換モジュールの形状評価を行うための熱電変換モジュールの形状評価装置の構成を示すものであり、図９はその動作を示すフローチャートである。図８に示すように、熱電変換モジュールの形状評価装置６０は、入力部７０と、形状最適化部７１と、熱電素子形状計算部７２と、形状判定部７３とを備えている。

入力部７０は、熱電変換モジュールを設置する場所の面積（設置面積情報）と、所望の発電電力（発電電力情報）を入力するためのものである（図９のステップ１０１）。この入力部７０から入力された面積によって、配置することのできるｎ型熱電変換素子及びｐ型熱電変換素子の数や総断面積が制限される。そして、この面積の条件を満たし、かつ、入力された所望の発電電力についての条件を満たす形状で、さらに、熱応力、あるいは、熱ひずみについての制約条件を満たし信頼性を満たしている形状が、熱電変換モジュールの形状評価装置６０によって求める対象となる。

また、形状最適化部７１は、熱応力、あるいは、熱ひずみを制約条件として、発生する熱応力を最小化したｎ型熱電変換素子及びｐ型熱電変換素子の形状（断面積）を算出するものである。この形状最適化部７１では、最初に所定の熱電変換素子高さ（ｈ0 ）を設定し、このｈ0 における熱応力を最小化した形状（断面積）を求めるようになっている（図９のステップ１０２）。

熱電素子形状計算部７２は、入力部７０の入力情報（設置面積情報）と、形状最適化部７１より得られた形状（断面積）についての情報から、設置可能なｎ型熱電変換素子及びｐ型熱電変換素子の数を算出し、この算出した数と入力部７０の入力情報（発電電力情報）から、ｎ型熱電変換素子及びｐ型熱電変換素子に必要とされる熱電変換素子高さ（ｈ1 ）を算出して熱電素子形状を求める（図９のステップ１０３）。

形状判定部７３では、熱電素子形状計算部７２で得られた熱電素子形状が、所望の発電電力を満たしているか否かと、熱応力、あるいは、熱ひずみについての制約条件を満たし信頼性を満たしているか否かを判定する（図９のステップ１０４）。

そして、これらの条件を満たしている場合は、熱電素子形状計算部７２で得られた熱電素子形状の計算結果が出力される（図９のステップ１０５）。

一方、例えば熱応力、あるいは、熱ひずみについての制約条件を満たしていない場合は、熱電変換素子高さを熱電素子形状計算部７２で算出されたｈ1 とし（図９のステップ１０６）、形状最適化部７１及び熱電素子形状計算部７２における再計算（図９のステップ１０２，１０３）を、この条件を満たすまで繰り返して実行するようになっている。

なお、上記形状最適化部７１は、力法による形状最適化手法とすることにより、制約条件の下、最適な形状を計算することができる。また、実験計画法と応答曲面法を組み合わせた最適化手法とすることにより、最大発生応力σは、
σ＝ｆ（Ｘｉ）
（Ｘｉは、熱電変換素子の断面積、高さ、各構成部材の厚さ等の設計パラメータ）というような応答曲面で表わされ、制約条件の下で最大発生応力σを最小化する設計パラメータ値を求めることができ、最適な形状を得ることができる。

このような熱電変モジュールの形状評価装置６０により、所望の発電電力を確保しつつ、信頼性の高い熱電変換モジュールの設計が可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来のように、熱電変換素子の構成材料の組み合わせを検討し、熱膨張差が小さい材料を選定し、これに変更するという方法により、選定出来る材料が限られるということがなく、熱応力、あるいは、熱ひずみを低減する発電用熱電変換モジュールを提供でき、また、所望の発電電力を確保しつつ、信頼性の高い熱電変換モジュールを設計可能な熱電変換モジュールの形状評価装置及び評価方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係わる発電用熱電変換モジュールの要部概略構成を示す図。 図１の発電用熱電変換モジュールける熱ひずみの状態を示す図。 本発明の他の実施形態に係わる発電用熱電変換モジュールの要部概略構成を示す図。 本発明の他の実施形態に係わる発電用熱電変換モジュールの要部概略構成を示す図。 ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子の形状の例を示す図。 ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子の形状の例を示す図。 発電電力と熱電変換素子のアスペクト比との関係を示す図。 熱電変換モジュールの形状評価システムの構成を示す図 図８の熱電変換モジュールの形状評価システムの動作を説明するための図。 従来の熱電変換モジュールの全体の概略構成を示す図。

符号の説明

１…熱電変換モジュール、１０…ｎ型熱電変換素子、１１…ｐ型熱電変換素子、２１ａ，２１ｂ…金属接合層、３１ａ，３１ｂ…電極、４０…ブロック、５０ａ，５０ｂ…セラミックス板。

Claims (10)

1. ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、接合層を介して対向する電極の間に接合され、前記電極が基板に固定された熱電変換モジュールであって、
   前記ｎ型熱電変換素子、及び、前記ｐ型熱電変換素子の高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きいことを特徴とする発電用熱電変換モジュール。
2. ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、接合層を介して対向する電極の間に接合され、前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子の間、及び、隣接する前記電極の間に絶縁層が配置された熱電変換モジュールであって、
   前記ｎ型熱電変換素子、及び、前記ｐ型熱電変換素子の高温側の断面積が低温側の断面積よりも大きいことを特徴とする熱電変換モジュール。
3. ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、接合層を介して対向する電極の間に接合され、前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子の間に絶縁層が配置された熱電変換モジュールであって、
   前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の高温側の断面積が低温側の断面積よりも小さいことを特長とする熱電変換モジュール。
4. 請求項１〜３いずれか１項記載の熱電変換モジュールであって、
   前記ｎ型熱電変換素子、及び、前記ｐ型熱電変換素子の断面の角部が、面取りされた形状、或いは、Ｒを有する形状であることを特徴とする熱電変換モジュール。
5. 熱電変換モジュールを設置する場所の面積についての設置面積情報と、所望の発電電力についての発電電力情報とを入力するための入力部と、
   所定高さにおいて、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子に発生する熱応力、あるいは、熱ひずみを最小化した形状を求める形状最適化部と、
   前記入力部から入力された設置面積情報及び発電電力情報と、前記形状最適化部で求められた形状から、前記熱電変換モジュールに使用するｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の形状を算出する熱電素子形状計算部と、
   前記熱電素子形状計算部で算出された形状のｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、少なくとも熱応力、あるいは、熱ひずみについて所定の基準を満たしているか否かを判定する形状判定手段と
   を備えたことを特徴とする熱電変モジュールの形状評価装置。
6. 前記形状最適化部が、力法による形状最適化法により形状を最適化することを特徴とする請求項５記載の熱電変換モジュールの形状評価装置。
7. 前記形状最適化部が、実験計画法及び応答曲面法から求められた熱応力評価式、あるいは、熱ひずみ評価式に基づく形状最適化法により形状を最適化することを特徴とする請求項５記載の熱電変換モジュールの形状評価装置。
8. 熱電変換モジュールを設置する場所の面積についての設置面積情報と、所望の発電電力についての発電電力情報とを入力する入力工程と、
   所定高さにおいて、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子に発生する熱応力、あるいは、熱ひずみを最小化した形状を求める形状最適化工程と、
   入力された前記設置面積情報及び前記発電電力情報と、前記形状最適化工程で求められた形状から、前記熱電変換モジュールに使用するｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の形状を算出する熱電素子形状計算工程と、
   前記熱電素子形状計算工程で算出された形状のｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、少なくとも熱応力、あるいは、熱ひずみについて所定の基準を満たしているか否かを判定する形状判定工程と
   を備えることを特徴とする熱電変モジュールの形状評価方法。
9. 前記形状最適化工程において、力法による形状最適化法により形状を最適化することを特徴とする請求項８記載の熱電変換モジュールの形状評価方法。
10. 前記形状最適化工程において、実験計画法及び応答曲面法から求められた熱応力評価式、あるいは、熱ひずみ評価式に基づく形状最適化法により形状を最適化することを特徴とする請求項９記載の熱電変換モジュールの形状評価方法。