JP2005322848A - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】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。
【解決手段】筒状平面体の一方の主面どうしで対向する高温側の第1の伝熱体11と低温側の第2の伝熱体11a間に設けられ、円柱体又は多角柱体のP型半導体13とN型半導体13aの一対を並設してなる熱電素子12の複数組のそれぞれの端面が高温側の第1の電極14と低温側の第2の電極14aを介してP型半導体13とN型半導体13aを直列に連結して形成される熱電変換モジュール10において、第2の伝熱体11aの一方の主面に貫通孔15を有し、第2の電極14aの外周壁にOリング16を有し、第2の電極14aがOリング16を介して第2の伝熱体11aの貫通孔15の壁面に嵌合して接合されている。
【選択図】図1
【解決手段】筒状平面体の一方の主面どうしで対向する高温側の第1の伝熱体11と低温側の第2の伝熱体11a間に設けられ、円柱体又は多角柱体のP型半導体13とN型半導体13aの一対を並設してなる熱電素子12の複数組のそれぞれの端面が高温側の第1の電極14と低温側の第2の電極14aを介してP型半導体13とN型半導体13aを直列に連結して形成される熱電変換モジュール10において、第2の伝熱体11aの一方の主面に貫通孔15を有し、第2の電極14aの外周壁にOリング16を有し、第2の電極14aがOリング16を介して第2の伝熱体11aの貫通孔15の壁面に嵌合して接合されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、高温に晒される面と低温に晒される面の温度差によって熱電素子に電位を発生させて発電したり、あるいは直流電力の供給によって相対向する面を冷却又は加熱面として利用できる熱電変換モジュールに関する。
図3に示すように、従来の熱電変換モジュール50は、同一又は互いに異なる材質の半導体からなるP型半導体51とN型半導体51aの一対の半導体を並設させて形成されている。P型半導体51とN型半導体51aで構成される熱電素子52は、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のそれぞれに形成された第1、第2の電極54、54a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電気的に直列に接続し、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55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56を介して第1の伝熱体57を、低温側の他方の第2の絶縁体53aには、第2の伝熱体57aを接触させることで、第1と第2の伝熱体57、57a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、その発電電力をリード線58、58a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58、58aから熱電素子52へ給電することでペルチェ効果による第1の伝熱体57の冷却と第2の伝熱体57aの加熱、あるいは、これと反対の第1の伝熱体57の加熱と第2の伝熱体57aの冷却を行うために用いることができる。
上記の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おいては、熱電素子から取り出される発電電力を大きくしようとする場合に、高温側の第1の伝熱体の温度を高くし、低温側の第2の伝熱体との温度差を大きくする必要がある。高温側の第1の伝熱体、あるいは低温側の第2の伝熱体の温度を速やかに熱損失を少なくしてそれぞれ第1の絶縁体、又は第2の絶縁体を通してP型半導体とN型半導体に伝達させるために、従来、第1の絶縁体や第2の絶縁体には、熱伝導性の良い窒化アルミニウム基板や、厚みの薄い樹脂基板、樹脂シート等が用いたれている。また、高温側のヒートシンク板には、熱伝導性がよく、第1の絶縁体の熱膨張係数と近似する、例えば、モリブデン板が用いられている。更に、第1、第2の電極にも、熱伝導性がよく、第1、第2の絶縁体の熱膨張係数と近似する、例えば、モリブデン電極が用いられている。そして、このような各種の材質で構成される熱電変換モジュールの各部材は、絶縁体とヒートシンク板やモリブデン電極をろう付け等で接合した後、熱電素子とモリブデン電極や銅電極を半田や、導電性樹脂等で接合している。しかしながら、それぞれの部材間は、熱膨張係数を近似させたといえども一致させて整合させることが難しいので、熱電素子と電極との接合部分には、熱膨張係数の差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接合部分に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1参照)。
特開平10−163537号公報
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や、導電性樹脂等で行う場合においては、剛的な接合であるので、高温側の加熱や低温側の冷却によって各部材に熱応力が発生し、特に、熱膨張係数が大きく、脆い特性を有する半導体には、大きな応力が集中し、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。
熱電素子を構成する半導体と、電極との接合を半田や、導電性樹脂等で行う場合においては、剛的な接合であるので、高温側の加熱や低温側の冷却によって各部材に熱応力が発生し、特に、熱膨張係数が大きく、脆い特性を有する半導体には、大きな応力が集中し、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。
前記目的に沿う本発明に係る熱電変換モジュールは、筒状平面体の一方の主面どうしで対向する高温側の第1の伝熱体と低温側の第2の伝熱体間に設けられ、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のそれぞれの端面が高温側の第1の電極と低温側の第2の電極を介してP型半導体とN型半導体を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2の伝熱体の一方の主面に貫通孔を有し、第2の電極の外周壁にOリングを有し、第2の電極がOリングを介して第2の伝熱体の貫通孔の壁面に嵌合して接合されている。
ここで、熱電変換モジュールは、第2の電極及び貫通孔が楕円又は小判型形状からなるのがよい。
また、熱電変換モジュールは、第2の電極の外周壁及び/又は貫通孔の壁面にOリングをはめ込むための溝を有するのがよい。
更に、熱電変換モジュールは、第2の電極と貫通孔の嵌合部分にグリースが充填されているのがよい。
また、熱電変換モジュールは、第2の電極の外周壁及び/又は貫通孔の壁面にOリングをはめ込むための溝を有するのがよい。
更に、熱電変換モジュールは、第2の電極と貫通孔の嵌合部分にグリースが充填されているのがよい。
請求項1及びこれに従属する請求項2〜4記載の熱電変換モジュールは、第2の伝熱体の一方の主面に貫通孔を有し、第2の電極の外周壁にOリングを有し、第2の電極がOリングを介して第2の伝熱体の貫通孔の壁面に嵌合して接合されているので、高温側の各部材が剛的に接合されていて熱電素子である半導体に熱応力が集中したとしても、低温側のOリングが緩衝材となって歪みを解放するすることができ、最も強度のない半導体のクラック発生を防止することができる。
特に、請求項2記載の熱電変換モジュールは、第2の電極及び貫通孔が楕円又は小判型形状からなるので、貫通孔に角部がなく、Oリングを第2の電極に確実にはめ込むことができ、第2の電極を楕円又は小判型形状の第2の伝熱体の貫通孔との間に漏れを発生させることなく接合させることができる。
また、請求項3記載の熱電変換モジュールは、第2の電極の外周壁及び/又は貫通孔の壁面にOリングをはめ込むための溝を有するので、Oリングの脱落を防止して第2の電極と第2の伝熱体の貫通孔との間に漏れを発生させることなく接合させることができる。
更に、請求項4記載の熱電変換モジュールは、第2の電極と貫通孔の嵌合部分にグリースが充填されているので、第2の電極と第2の伝熱体の貫通孔との間の漏れを確実に防止して接合させることができる。
また、請求項3記載の熱電変換モジュールは、第2の電極の外周壁及び/又は貫通孔の壁面にOリングをはめ込むための溝を有するので、Oリングの脱落を防止して第2の電極と第2の伝熱体の貫通孔との間に漏れを発生させることなく接合させることができる。
更に、請求項4記載の熱電変換モジュールは、第2の電極と貫通孔の嵌合部分にグリースが充填されているので、第2の電極と第2の伝熱体の貫通孔との間の漏れを確実に防止して接合させることができる。
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)〜(C)はそれぞれ同熱電変換モジュールの変形例の説明図である。
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)〜(C)はそれぞれ同熱電変換モジュールの変形例の説明図である。
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、筒状平面体の一方の主面どうしで対向する高温側の第1の伝熱体11と、低温側の第2の伝熱体11aとの間に複数の熱電素子12を有している。この熱電変換モジュール10に用いられる熱電素子12は、円柱体又は多角柱体からなり、例えば、BiTe(ビスマス・テルル)系、CoSb(コバルト・アンチモン)系、ZnSb(亜鉛・アンチモン)系等からなるP型半導体13とN型半導体13aの一対を並設させて形成されている。P型半導体13とN型半導体13aの一対で構成される熱電素子12は、高温側の第1の電極14と低温側の第2の電極14aでP型半導体13とN型半導体13aが互い違いになるように接続して電気的に直列に接続し、平面視してマトリックス状に配列する一対の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。
この熱電変換モジュール10の低温側の第2の伝熱体11aには、熱電素子12の接する側である一方の主面にこの第2の伝熱体11aの筒状平面体の一方の主面をくり抜くようにして形成された貫通孔15が設けられている。また、この熱電変換モジュール10の熱電素子12に接合された第2の電極14aの外周壁には、この第2の電極14aの外周壁を囲繞するようにしてゴムや、樹脂製等からなる弾性体のOリング16が設けられている。そして、熱電素子12に接合された第2の電極14aは、Oリング16を介して第2の伝熱体11aの貫通孔15の壁面に嵌合して接合されている。高温側の第1の電極14と低温側の第2の電極14aの少なくとも一方が絶縁体に固定しないスケルトンタイプ、因みに、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュールの場合では、低温側の第2の電極14aが絶縁体に固定していないスケルトンタイプの熱電変換モジュール10は、熱電素子12の低温側が第2の伝熱体11aの筒状平面体の中の低温媒体に直接接触させることができる。これにより、例えば、熱電変換モジュール10を熱電発電装置として用いる場合においては、低温側の第2の伝熱体11aの温度を低くし、高温側の第1の伝熱体11との温度差を大きくすることができるので、高い発電電力を得ることができる。
この熱電変換モジュール10は、高温側の第1の伝熱体11と第1の電極14との間に、第1の電極14と接合された熱伝導率の極めて良好な窒化アルミニウム等からなる絶縁体基板17と、熱膨張係数がこの絶縁体基板17と近似し、熱伝導率が良好なモリブデン等からなるヒートシンク板18が絶縁体基板17に接合されて有している。この熱電変換モジュール10は、高温側の絶縁体基板17に、例えば、窒化アルミニウム等を用い、両面に形成するヒートシンク板18と、第1の電極14に、例えば、モリブデン等を用いているので、極めて熱伝導性がよく高温での熱効率を向上できる。また、この熱電変換モジュール10は、高温側において、それぞれの熱膨張係数を近似させることができるので、各部材間の熱応力の発生を防止して材質的に脆い特徴を有する熱電素子12に集中する熱応力を緩和させることができ、高温側における熱電素子12のクラック発生を防止することができる。しかも、この熱電変換モジュール10は、高温側で剛接合している熱電素子12に加熱による熱膨張が発生したとしても、熱電素子12が低温側の第2の電極14aに設けられたOリング16を介して第2の伝熱体11aの貫通孔15の壁面に嵌合して接合されているので、Oリング16の弾力性によって熱応力を吸収することができる。従って、材質的に脆い特徴を有する熱電素子12は、熱電素子12と第1、第2の電極14、14aとのそれぞれの接合部に集中する熱応力を緩和させることができ、熱電素子12のクラック発生を防止することができる。
次いで、図2(A)〜(C)を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール10の変形例について説明する。ここで、図2(A)は、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール10の変形例の第2の電極14a及び第2の伝熱体11aの部分を平面視した拡大説明図である。また、図2(B)は、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール10の他の変形例のOリング16が設けられた部分を断面視した拡大説明図である。更に、図2(C)は、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール10の更に他の変形例のOリング16が設けられた部分を断面視した拡大説明図である。
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は、低温側の第2の電極14aと、この第2の電極14aが嵌合する筒状平面体からなる第2の伝熱体11aの一方の主面に設けられた貫通孔15が平面視して楕円又は小判型形状に形成されているのがよい。Oリング16は、低温側の熱電素子12に接合された第2の電極14aに隙間なく密着させることができると同時に、第2の伝熱体11aに設けられた第2の電極14aに沿うようにして形成されている貫通孔15に隙間なく密着させることができる。
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は、低温側の第2の電極14aと、この第2の電極14aが嵌合する筒状平面体からなる第2の伝熱体11aの一方の主面に設けられた貫通孔15が平面視して楕円又は小判型形状に形成されているのがよい。Oリング16は、低温側の熱電素子12に接合された第2の電極14aに隙間なく密着させることができると同時に、第2の伝熱体11aに設けられた第2の電極14aに沿うようにして形成されている貫通孔15に隙間なく密着させることができる。
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は、第2の電極14aの外周壁及び/又は貫通孔15の壁面にOリング16をはめ込むための溝19を有するのがよい(図2(B)では第2の電極14aに有する場合を示している)。Oリング16は、溝19によって、Oリング16の設置位置が固定されて脱落を防止することができ、第2の電極14aと第2の伝熱体11aに設けられた貫通孔15の壁面との間に漏れを発生させることなく第2の電極14aと第2の伝熱体11aを接合させることができる。
図2(C)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、第2の電極14aと貫通孔15の嵌合部分にグリース20が充填されているのがよい。第2の伝熱体11aの筒内に流れる気体や液体等の低温媒体は、グリース20によって、確実にシールすることができる。
次に、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ついて説明する。熱電発電装置の高温側には、絶縁体基板17にヒートシンク板18を介して、例えば、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11を設けている。また、低温側には、例えば、冷却水や、冷風のような低温媒体が第2の電極14aに直接接触して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11a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。上記のように構成された熱電発電装置は、第1の伝熱体11と第2の伝熱体11a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第1の電極14又は第2の電極14aの両端のそれぞれから延設させたリード線(図示せず)から取り出すことで電力を得ている。
また、この熱電変換モジュール10を熱電変換装置として用いる場合には、リード線から熱電素子12へ給電することによるペルチェ効果によって、例えば、第1の伝熱体11側の加熱と第2の伝熱体11a側の冷却を行うために熱移動をさせることで、これと接する被接触物の加熱や冷却のための各種の装置として用いることができる。
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。
10:熱電変換モジュール、11:第1の伝熱体、11a:第2の伝熱体、12:熱電素子、13:P型半導体、13a:N型半導体、14:第1の電極、14a:第2の電極、15:貫通孔、16:Oリング、17:絶縁体基板、18:ヒートシンク板、19:溝、20:グリース
Claims (4)
- 筒状平面体の一方の主面どうしで対向する高温側の第1の伝熱体と低温側の第2の伝熱体間に設けられ、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のそれぞれの端面が高温側の第1の電極と低温側の第2の電極を介して前記P型半導体と前記N型半導体を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、
前記第2の伝熱体の前記一方の主面に貫通孔を有し、前記第2の電極の外周壁にOリングを有し、前記第2の電極が前記Oリングを介して前記第2の伝熱体の前記貫通孔の壁面に嵌合して接合されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、前記第2の電極及び前記貫通孔が楕円又は小判型形状からなることを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1又は2記載の熱電変換モジュールにおいて、前記第2の電極の外周壁及び/又は前記貫通孔の壁面に前記Oリングをはめ込むための溝を有することを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1〜3のいずれか1項記載の熱電変換モジュールにおいて、前記第2の電極と前記貫通孔の嵌合部分にグリースが充填されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
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2004
- 2004-05-11 JP JP2004141381A patent/JP2005322848A/ja active Pending
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