JP2005322848A - 熱電変換モジュール - Google Patents

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

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。

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。

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。

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。

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（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。

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である。 （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。 従来の熱電変換モジュールの説明図である。

符号の説明

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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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