JP2005317629A - Thermoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度差による発電、あるいは直流電力の供給によって冷却又は加熱として作用させることができる熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module that can act as cooling or heating by power generation due to a temperature difference or supply of DC power.
図3に示すように、従来の熱電変換モジュール50は、P型半導体51とN型半導体51aの一対の半導体で構成される熱電素子52を板状のセラミック基板や樹脂基板、フィルム状の樹脂シート等からなる第1、第2の絶縁体53、53aに形成された電極54を介してP型半導体51とN型半導体51aを交互且つ連続的に導電性樹脂や、半田等の接合材55で接合して直列に接続し、両方から第1、第2の絶縁体53、53aで挟み込むようにして締め付け具56等で締め付けることで形成されている。そして、例えば、熱電発電装置として用いるのに、高温側の一方の第1の絶縁体53には、第1の絶縁体53に高温度を効率的に伝えることができるヒートシンク板57を介して第1の伝熱体58を、低温側の他方の第2の絶縁体53aには、第2の伝熱体58aを接触させることで、第1と第2の伝熱体58、58aから熱電素子52のそれぞれの端子部分に伝わった温度の温度差に比例した大きさの電位を熱電素子52で発生させるゼーベック効果で発電を行い、その発電電力を電極54の両端部に接続させたリード線59、59aから取り出している。また、熱電変換モジュール50を用いる装置としては、リード線59、59aから熱電素子52へ給電することによるペルチェ効果で第1の伝熱体58の冷却と第2の伝熱体58aの加熱、あるいは、これと反対の第1の伝熱体58の加熱と第2の伝熱体58aの冷却を行うのに用いることもできる。なお、熱電素子52と電極54の接合材55に導電性樹脂を用いる場合には、導電性樹脂の耐熱性が低いので、接合後の加熱温度に限界が生じ熱電変換モジュール50としての用途が限られることになる。
As shown in FIG. 3, a conventional
熱電変換モジュールを熱電発電装置として用いる場合には、熱電素子から取り出される電力を大きくしようとすると、高温側の伝熱体の温度を高くして低温側の伝熱体との温度差を大きくする必要がある。この場合の半導体と電極との接合には、通常半田が用いられるが、半田に軟ろうである低温半田が用いられると半田の耐熱性が約150℃と低く、発電効率を向上させるための妨げとなっている。そこで、低温半田に代わって高温半田を使用することが考えられるが、この場合には、高温側の伝熱体の温度を高くすることができるものの高温半田の成分が熱電素子を構成する半導体内に拡散し、しかも半田成分のSnや、Pbが電極のCuと親和性が高いので、Cuが高温半田を介して半導体内に拡散し、半導体自体の経時的熱電変換効率の低下をきたしている。そこで、熱電素子を構成する半導体と電極の間には、介在層を設けて接合するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、熱電素子を構成する半導体と電極との接合部分には、高温側の熱膨張と低温側の熱収縮によって応力が加わることとなり、長期間の使用によってクラックを発生することがあった。そこで、熱電素子を構成する半導体は、形状を球状とする応力の加わりにくい構造のものとすることが提案されている(例えば、特許文献2参照)。
しかしながら、前述したような従来の熱電変換モジュールは、次のような問題がある。
熱電素子を構成する半導体と、電極との接合を半田で行う場合においては、例え半導体と電極との間に介在層を設けたとしても、半田接合が剛的接合であるので、稼働時の加熱や停止時の冷却による接合部の熱応力を吸収することができず、この応力によって脆い特性を有する半導体に発生するクラックを完全に防止することができない。同様に、半導体を球状とした場合においても、剛的な半田接合である限り、半導体の熱応力を吸収できないので、半導体に発生するクラックを完全に防止することができない。半導体は、このクラックの発生によって、熱電性能が著しく低下している。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、熱電素子を構成する半導体と電極の接合部分の熱応力の発生を防止して半導体のクラックの発生を防止する熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
However, the conventional thermoelectric conversion module as described above has the following problems.
In the case where the semiconductor constituting the thermoelectric element and the electrode are joined by soldering, even if an intervening layer is provided between the semiconductor and the electrode, the solder joining is a rigid joining, so heating during operation Further, it is impossible to absorb the thermal stress of the joint due to cooling at the time of stopping, and it is impossible to completely prevent cracks generated in a semiconductor having brittle characteristics due to this stress. Similarly, even when the semiconductor is made spherical, as long as it is a rigid solder joint, the thermal stress of the semiconductor cannot be absorbed, so that the cracks generated in the semiconductor cannot be completely prevented. The semiconductor has a markedly reduced thermoelectric performance due to the occurrence of cracks.
The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a thermoelectric conversion module that prevents the occurrence of cracks in a semiconductor by preventing the occurrence of thermal stress at the junction between a semiconductor and an electrode constituting a thermoelectric element. For the purpose.
前記目的に沿う本発明に係る熱電変換モジュールは、略平行に平面どうしで対向する第1と第2の絶縁体間に、円柱体又は多角柱体のP型半導体とN型半導体の一対を並設してなる熱電素子の複数組が第1と第2の絶縁体のそれぞれに設けられる電極を介してP型半導体とN型半導体を電気的に直列に連結して形成される熱電変換モジュールにおいて、第1の絶縁体又は第2の絶縁体の電極と接続する熱電素子の端部に熱電素子と同材質又は異材質からなるねじを有すると共に、ねじをねじ込むためのねじ穴を電極に有し、ねじをねじ穴にねじ止めして熱電素子が電気的に接続され、しかもねじとねじ穴との間にねじとねじ穴が相互に水平移動できるクリアランスを有する。
ここで、熱電変換モジュールは、ねじとねじ穴との接合部分に導電性グリースが塗布されているのがよい。
A thermoelectric conversion module according to the present invention that meets the above-described object is provided by arranging a pair of cylindrical and polygonal P-type semiconductors and N-type semiconductors between first and second insulators facing each other in a plane substantially parallel to each other. In a thermoelectric conversion module in which a plurality of sets of thermoelectric elements provided are formed by electrically connecting a P-type semiconductor and an N-type semiconductor in series via electrodes provided on the first and second insulators, respectively. The end of the thermoelectric element connected to the electrode of the first insulator or the second insulator has a screw made of the same or different material as the thermoelectric element, and has a screw hole for screwing in the electrode. The thermoelectric element is electrically connected by screwing the screw into the screw hole, and there is a clearance that allows the screw and the screw hole to move horizontally between the screw and the screw hole.
Here, in the thermoelectric conversion module, it is preferable that conductive grease is applied to the joint portion between the screw and the screw hole.
請求項1及びこれに従属する請求項2記載の熱電変換モジュールは、第1又は第2の絶縁体の電極と接続する熱電素子の端部に熱電素子と同材質又は異材質からなるねじを有すると共に、ねじ穴を電極に有し、ねじをねじ穴にねじ止めして熱電素子が電気的に接続され、しかもねじとねじ穴との間にねじとねじ穴が相互に水平移動できるクリアランスを有するので、熱電素子と電極との間には、ねじとねじ穴によるねじ止めによって、電気的な導通を確保できると共に、ねじとねじ穴とのクリアランスによって、熱電素子を構成する半導体と絶縁体の異材質間の熱膨張や熱収縮の差を吸収できるので、熱応力の発生を防止して、半導体のクラック発生を防止することができる。
The thermoelectric conversion module according to
特に、請求項2記載の熱電変換モジュールは、ねじとねじ穴との接合部分に導電性グリースが塗布されているので、接合部分での電気的接続及び熱伝導的接続の安定性を得ることができる。
Particularly, in the thermoelectric conversion module according to
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図1は本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュールの説明図、図2(A)、(B)はそれぞれ同熱電変換モジュールの接合部分の変形例の拡大説明図である。
Subsequently, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings to provide an understanding of the present invention.
Here, FIG. 1 is an explanatory diagram of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention, and FIGS.
図1に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール10は、略平行に平面どうしで対向する、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ等の板状のセラミック基板や、板状の樹脂基板や、フィルム状の樹脂シート、あるいはこれらの組み合わせ等からなる第1の絶縁体11と、第2の絶縁体11aとの間に複数の熱電素子12を有している。この熱電素子12は、円柱体又は多角柱体の、例えば、ビスマス・テルル系や、コバルト・アンチモン系等、あるいはこれらの接合体等からなるP型半導体13とN型半導体13aの一対によって形成されている。一対で構成されるそれぞれP型半導体13とN型半導体13aは、第1の絶縁体11と第2の絶縁体11aのそれぞれに設けられる、例えば、銅や、モリブデン、あるいはこれらの合金等からなる電極14を介して電気的に直列に接続されると共に、一対のP型半導体13とN型半導体13aからなる熱電素子12の複数組を連続的に電気的に直列に連結している。
As shown in FIG. 1, a
このP型半導体13とN型半導体13aからなる熱電素子12の端部には、第1の絶縁体11又は第2の絶縁体11aの電極14に電気的に接続させて、電極14に熱電素子12を取り付けるために、熱電素子12と同材質、すなわち半導体からなり、熱電素子12の端部から延設されるねじ15を有している。電極14には、このねじ15をねじ込んでねじ止めして接合するためのねじ穴16を有し、ねじ15をねじ穴16でねじ止めしている。このねじ止めによって、P型半導体13とN型半導体13aからなる熱電素子12は、電気的に直列に接続させることができ、更に、P型半導体13とN型半導体13aで構成される熱電素子12の平面視してマトリックス状に配列する複数組を連結して全体を電気的に直列状態とすることができる。しかも、ねじ15とねじ穴16との間には、ねじ15をねじ穴16にねじ止めした時に、ねじ15がねじ穴16から抜け落ちないと同時に、ねじ15とねじ穴16が相互に水平移動できるクリアランス17を有している。このクリアランス17によって、熱電素子12と電極14との接合は、接合部が半田接合のような剛的な接合でなく、ねじ15とねじ穴16間の接合部に余裕を持たせた接合とすることができて接合部の熱応力集中を吸収でき、熱電素子12である半導体に発生しやすいクラックの発生を防止することができる。
An end portion of the
図2(A)に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール10には、P型半導体13とN型半導体13aで構成される熱電素子12の端部と、第1の絶縁体11又は第2の絶縁体11aの電極14を接続させるために、熱電素子12である半導体と異なる材質、例えば、銅や、モリブデン等の金属からなるねじ15aが熱電素子12に半田等の接合材20で接合して形成されるものがある。また、図2(B)に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール10には、熱電素子12の端部と、第1の絶縁体11又は第2の絶縁体11aの電極14とを接続させるために、熱電素子12である半導体と同じ材質、又は熱電素子12である半導体とは異なる材質からなり、接合面の両方側でねじ止めできるねじ15bの一方側が熱電素子12の端部に設けた接合用のねじ穴16aにねじ止めして形成されるものがある。このねじ止めの場合には、ねじ15bと、ねじ穴16aとの間に、ねじ15bがねじ穴16aと嵌合できればよく、特段のクリアランスを設ける必要はない。そして、電極14には、このねじ15a、15bをねじ込んでねじ止めして接合するためのねじ穴16を有し、ねじ15a、15bをこのねじ穴16でねじ止めすることで、P型半導体13とN型半導体13aからなる熱電素子12の複数組を電気的に直列状態としている。ねじ15a、15bとねじ穴16との間には、ねじ15a、15bをねじ穴16にねじ止めした時に、ねじ15a、15bがねじ穴16から抜け落ちないと同時に、ねじ15a、15bとねじ穴16が相互に水平移動できるクリアランス17を有している。
As shown in FIG. 2A, the
ここで、熱電変換モジュール10は、ねじ15、15a、15bとねじ穴16との接合部分に、導電性グリースが塗布されているのがよい。この導電性グリースには、電気的な導電性と熱的な熱伝導性を兼ね備えさせることができるので、ねじ15、15a、15bとねじ穴16との接合部分での電気的接合、及び熱伝導的接合の安定化を促進させることができる。
Here, in the
上記の熱電変換モジュール10を熱電変換装置の一種である熱電発電装置として用いる場合には、例えば、第1の絶縁体11側に銅や、モリブデン、あるいはこれらの合金等からなるヒートシンク板18を介して、排気ガスや、廃熱等のような高温の気体や、高温体を冷却した後の排水のような高温の液体等の高温媒体を通過させることができる空洞体等からなる第1の伝熱体19を設けている。また、第2の絶縁体11a側には、例えば、冷却水や、冷風のような低温媒体を通過させることができる空洞体等からなる第2の伝熱体19aを設けている。なお、ヒートシンク板18は、高温の気体や、高温の液体等から得られ高温の熱を熱電素子12に効率的に伝熱させるために設けられている。また、第1の伝熱体19と第2の伝熱体19aを第1の絶縁体11と第2の絶縁体11aにそれぞれが接することができるようにするためには、締め付け具21で締め付けることで熱伝導を強固にしている。上記のように構成された熱電発電装置は、第1の伝熱体19と第2の伝熱体19aから熱電素子12のそれぞれの端子部分に伝わった温度の温度差に比例した大きさの電位を熱電素子12で発生させるゼーベック効果で発電を行い、その発電電力を熱電素子12を直列に接続させた両端の電極14のそれぞれから延設させたリード線22、22aから取り出すことで電力を得ている。
When the
また、この熱電変換モジュール10を用いる熱電変換装置には、リード線22、22aから熱電素子12へ給電することによるペルチェ効果によって、第1の伝熱体19側の冷却と第2の伝熱体19a側の加熱、あるいは、第1の伝熱体19側の加熱と第2の伝熱体19a側の冷却を行うために熱移動をさせることができるこれと接する被接触物の加熱や冷却のための装置として各種の応用ができる。なお、第1の絶縁体11及び/又は第2の絶縁体11aにセラミック基板を用いる場合には、熱伝導率の高い、例えば、窒化アルミニウム基板を用いることでそれぞれの熱媒体を有効に活用できたり、被加熱物又は被冷却物を効率的に加熱又は冷却させることができる。
Further, in the thermoelectric conversion device using the
本発明の熱電変換モジュールは、高温側と低温側との温度差が大きくなっても熱電素子である半導体に不具合を発生させることなく大きい電力を得ることができ、廃熱等を利用して発電できる熱電発電装置や、高い電力を流して高温側と低温側との温度差を大きくしても熱電素子である半導体に不具合を発生させることなく高温や、低温が引き出せる冷、温風器、加熱、冷却装置、狭い所や、過酷な所で用いるための電力供給用としての各種装置、熱媒体を循環させる経済的な発電装置等に用いることができる。 The thermoelectric conversion module of the present invention can obtain a large electric power without causing a defect in a semiconductor as a thermoelectric element even if a temperature difference between a high temperature side and a low temperature side becomes large, and generates power using waste heat or the like. Thermoelectric power generators that can be used, and even if the temperature difference between the high-temperature side and the low-temperature side is increased by flowing high power, high temperatures and cold, hot air heaters, heating that can draw out low temperatures without causing defects in the semiconductor that is the thermoelectric element It can be used for a cooling device, various devices for supplying power for use in a narrow place or a severe place, an economical power generator for circulating a heat medium, and the like.
10:熱電変換モジュール、11:第1の絶縁体、11a:第2の絶縁体、12:熱電素子、13:P型半導体、13a:N型半導体、14:電極、15、15a、15b:ねじ、16、16a:ねじ穴、17:クリアランス、18:ヒートシンク板、19:第1の伝熱体、19a:第2の伝熱体、20:接合材、21:締め付け具、22、22a:リード線
10: thermoelectric conversion module, 11: first insulator, 11a: second insulator, 12: thermoelectric element, 13: P-type semiconductor, 13a: N-type semiconductor, 14: electrode, 15, 15a, 15b:
Claims (2)
前記第1の絶縁体又は前記第2の絶縁体の前記電極と接続する前記熱電素子の端部に該熱電素子と同材質又は異材質からなるねじを有すると共に、該ねじをねじ込むためのねじ穴を前記電極に有し、前記ねじを前記ねじ穴にねじ止めして前記熱電素子が電気的に接続され、しかも前記ねじと前記ねじ穴との間に該ねじと該ねじ穴が相互に水平移動できるクリアランスを有することを特徴とする熱電変換モジュール。 A plurality of sets of thermoelectric elements in which a pair of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor in the form of a cylinder or a polygonal column are arranged in parallel between first and second insulators facing each other in a plane substantially parallel to each other. And a thermoelectric conversion module formed by electrically connecting the P-type semiconductor and the N-type semiconductor in series via electrodes provided on each of the second insulator and the second insulator,
The end of the thermoelectric element connected to the electrode of the first insulator or the second insulator has a screw made of the same or different material as the thermoelectric element, and a screw hole for screwing the screw And the thermoelectric element is electrically connected by screwing the screw into the screw hole, and the screw and the screw hole move horizontally between the screw and the screw hole. A thermoelectric conversion module characterized by having a possible clearance.
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