JP2006013133A - 熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来に較べて発電効率を高めることができ、高効率化を図ることのできる熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】 熱電変換モジュール１には、絶縁性の固定部材２が設けられ、この絶縁性の固定部材２によって、多数のｎ型熱電変換素子３とｐ型熱電変換素子４が、所定位置に固定されている。ｎ型熱電変換素子３とｐ型熱電変換素子４の上下には、夫々電極５が形成され、ｎ型熱電変換素子３とｐ型熱電変換素子４が電気的に直列に接続されている。電極５は、絶縁性の固定部材２の表面より突出するように配置されており、隣接する電極５と電極５との間には、空隙部６が形成されている。
【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熱電変換モジュールの製造方法に関する。

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、熱電変換モジュール内の半導体内に温度差をつけることで発電を行う。

このような熱電変換モジュールの構成の一例を図９に示す。同図に示されるように、熱電変換モジュール９０は、射出成形等によって形成された樹脂製の枠（固定部材）９１を具備している。そしてこの樹脂製の枠９１に、所定形状に切断したＰ型の半導体９２とＮ型の半導体９３を配置し、その上下に溶射等により電極９４を形成してこれらを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（例えば、非特許文献１参照。）。

なお、上記のように樹脂製の枠９１によって、Ｐ型の半導体９２とＮ型の半導体９３を支持、固定する構成としているのは、上下面における温度差に起因してＰ型の半導体９２とＮ型の半導体９３に加わる熱応力を抑制するためである。

このような構成の熱電変換モジュールの外観は、図１０に示すようになっている。図９、図１０に示されるように、上記の熱電変換モジュールでは、電極９４と樹脂製の枠（固定部材）９１とが同一平面上に位置する状態（面一の状態）となるよう構成されている。そして、この熱電変換モジュールの上下面に温度差を与えることにより、起電力を得るようになっている。

このため、電極９４を通り、Ｐ型の半導体９２及びＮ型の半導体９３を通って、上面から下面へ、もしくは下面から上面へ熱が伝達されるとともに、その間の樹脂製の枠９１にも熱が伝達される。したがって、樹脂製の枠９１の部分を通って伝達される熱の分は発電に寄与せずに無駄になり、発電効率が低下するという課題がある。
A.S.Kushch et.al. "20th International Conference on Thermoelectrics",2001,p.422-430

上記したように、熱電変換モジュールでは、発電に寄与せずに無駄に伝達される熱があり、これによって発電効率が低下するという課題があり、さらに発電効率を高め、高効率化することが望まれている。

本発明は、かかる従来に事情に対処してなされたもので、従来に較べて発電効率を高めることができ、高効率化を図ることのできる熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造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、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、前記電極を、前記絶縁性の固定部材の表面より突出するように形成したことを特徴とする。

また、本発明の他の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、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、前記電極の間に位置する前記絶縁性の固定部材の表面に、溝状の凹部を設けたことを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、前記電極の間に位置する前記絶縁性の固定部材の表面に、溝状の凹部を設けた熱電変換モジュールの製造方法において、前記凹部を、サンドブラスト又はダイヤモンドカッター又はエンドミル又はレーザーにより切削して形成したことを特徴とする。

また、本発明の他の熱電変換モジュールの製造方法は、ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、前記電極の間に位置する前記絶縁性の固定部材の表面に、溝状の凹部を設けた熱電変換モジュールの製造方法において、前記絶縁性の固定部材を熱可塑性樹脂から構成し、前記凹部に対応した凸部を有する治具を加熱して押し当て軟化成形し前記凹部を形成することを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュール及び熱電変換モジュールの製造方法によれば、従来に較べて発電効率を高めることができ、高効率化を図ることができる。

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、熱電変換モジュール１には、例えば、絶縁性樹脂等から構成された絶縁性の固定部材２が設けられ、この絶縁性の固定部材２によって、多数のｎ型熱電変換素子３とｐ型熱電変換素子４が、所定位置に固定されている。

ｎ型熱電変換素子３とｐ型熱電変換素子４の上下には、夫々電極５が形成されている。そして、これらの電極５によって、ｎ型熱電変換素子３とｐ型熱電変換素子４が電気的に直列に接続されている。

電極５は、絶縁性の固定部材２の表面より突出するように配置されており、隣接する電極５と電極５との間には、空隙部６が形成されている。

上記電極５は、例えば、電極５の形状の開口部を有するマスク等を介して、導電性の金属をガス溶射若しくは大気プラズマ溶射すること等によって形成できる。この場合、固定部材２の表面と、ｎ型熱電変換素子３及びｐ型熱電変換素子４の上下面が同一平面上に位置する状態（面一となった状態）から、金属を溶射して盛るようにすれば、電極５が固定部材２の表面から突出した状態とすることができる。

また、電極５と固定部材２の表面が略平坦な状態から、固定部材２の表面に、切削加工等によって溝状の凹部を形成することによっても、電極５が固定部材２の表面から突出した状態とすることができる。いずれの方法を用いても良く、これらを組み合わせても、他の方法を用いても良い。固定部材２の表面に切削加工等によって溝状の凹部を形成した場合、その全体の外観は、例えば、図２に示すようになる。なお、図２は、一方向のみに凹部を形成した状態を示してあるが、図２に示された凹部と直交する方向にさらに凹部を形成することが好ましい。

電極５を構成する導電性の金属としては、例えばＡｌ等を使用することができる。しかし、ｎ型熱電変換素子３及びｐ型熱電変換素子４との反応を防止するため、例えば、Ｍｏ等をｎ型熱電変換素子３及びｐ型熱電変換素子４の上に薄く溶射した後、Ａｌを溶射することが好ましい。電極５の厚さは、例えば、５００μｍ程度である。

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５（上下面）の間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。この時、熱電変換モジュール１の上下面には、例えば、図４に示すように、電気的には絶縁性で、かつ、熱伝導度の高い材料からなる熱伝導シート７が配置される。そして、熱伝導シート７を介して熱電変換モジュール１の上下面に温度差が加えられる。この際に、電極５は熱伝導シート７に接触しているが、固定部材２の表面は、空隙部６によって熱伝導シート７とは接触しない状態となる。これによって、固定部材２を介して熱電変換モジュール１の上下面に無駄に伝わる熱の量を低減することができ、熱電変換モジュール１の発電効率を向上させることができる。

図４に示した構成の場合、空隙部６には、実質的に空気が充填された状態となっている。しかし、空気以外の物質で、固定部材２を構成する物質より熱伝導率の低い物質を空隙部６に充填するようにしても良い。

図３のグラフは、上記構成の熱電変換モジュール１の実施例として、ＢｉＴｅ系の熱電変換素子を用いた６０ｍｍ角の熱電変換モジュールにおいて、高温部の温度が１３０℃、低温部の温度が３０℃の場合の変換効率を算出した結果を、図９，１０に示した構造の比較例と比較して示したものである。なお、固定部材２を構成する樹脂材料の０℃での熱伝導率は１．９×１０^-1Ｗ／（ｍ・Ｋ）、空気の熱伝導率は２．４×１０^-2Ｗ／（ｍ・Ｋ）として算出した。同図に示すように、実施例では、比較例に比べて変換効率が２％程度向上した。

図５〜８は、絶縁性樹脂等からなる固定部材２に溝状の凹部８を形成して、上記した熱電変換モジュール１を製造する方法を示すものである。固定部材２に溝状の凹部８を形成する場合、図５に示すように、サンドブラストや低出力レーザー等の切削機械５０を用いて、切削加工により凹部８を形成する方法がある。また、図６に示すようにダイヤモンドカッター６０、或いは、図７に示すようにエンドミル７０を用いて、切削加工により凹部８を形成する方法がある。さらに、図８に示すように、予め固定部材２を熱可塑性樹脂から構成しておき、凹部８の形状に合わせた凸部を有する金属製或いはセラミックス製の治具８０を加熱して押し当て、凹部８を形成する方法がある。これらのどの方法を用いて凹部８を形成してもよい。このような、機械的に溝状の凹部８を形成する場合には、必ずしも正確な位置決めができるとは限らず、また、正確な位置決め精度を求めると製作コストの上昇を招く惧れがある。よって、そのような場合、図５（ｂ）に示すように、電極５のごく近傍の固定部材２が残されていても問題無い。このような構造によっても、固定部材の断面積が従来に比較して大幅に減少し、それに伴って熱の伝達は従来に比較して大幅に減少する。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来に較べて熱電変換モジュールの発電効率を高めることができ、高効率化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係わる熱電変換モジュールの要部概略構成を示す図。 図１の熱電変換モジュールの全体構成を示す図。 本発明に係わる実施例と比較例の変換効率の算出結果を示すグラフ。 図１の熱電変換モジュールの示す図。 本発明の一実施形態に係わる熱電変換モジュールの製造方法を示す図。 本発明の他の一実施形態に係わる熱電変換モジュールの製造方法を示す図。 本発明の他の一実施形態に係わる熱電変換モジュールの製造方法を示す図。 本発明の他の一実施形態に係わる熱電変換モジュールの製造方法を示す図。 従来の熱電変換モジュールの要部概略構成を示す図。 図９の熱電変換モジュールの全体構成を示す図。

符号の説明

１…熱電変換モジュール、２……固定部材、３…ｎ型熱電変換素子、４…ｐ型熱電変換素子、５…電極、６…空隙部、７…熱伝導シート、８…凹部。

Claims (6)

1. ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、
   前記電極を、前記絶縁性の固定部材の表面より突出するように形成したことを特徴とする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、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、
   前記電極の間に位置する前記絶縁性の固定部材の表面に、溝状の凹部を設けたことを特徴とする熱電変換モジュール。
3. 前記絶縁性の固定部材が、絶縁性樹脂から構成されたことを特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換モジュール。
4. 前記電極上に、電気的に絶縁性で熱を伝導させる熱伝導シートを設けたことを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の熱電変換モジュール。
5. ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、前記電極の間に位置する前記絶縁性の固定部材の表面に、溝状の凹部を設けた熱電変換モジュールの製造方法において、
   前記凹部を、サンドブラスト又はダイヤモンドカッター又はエンドミル又はレーザーにより切削して形成したことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
6. ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子が、対向する電極の間に配置され、前記ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子の間に、当該ｎ型熱電変換素子、及び、ｐ型熱電変換素子を所定位置に固定するための絶縁性の固定部材が配置された熱電変換モジュールであって、前記電極の間に位置する前記絶縁性の固定部材の表面に、溝状の凹部を設けた熱電変換モジュールの製造方法において、
   前記絶縁性の固定部材を熱可塑性樹脂から構成し、前記凹部に対応した凸部を有する治具を加熱して押し当て軟化成形し前記凹部を形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。

Images