JP2006294935A - High efficiency low loss thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、比較的低温(常温域)から約800℃近い高温までの範囲において熱電効果を利用する高能率低損失の熱電モジュールに関する。熱電効果とは、熱電半導体のゼーベック効果、ペルチェ効果、またはトムソン効果の総称であり、したがって、本願発明は、熱電半導体モジュール又は熱電半導体モジュールを用いた発電装置もしくは冷却/加熱装置の技術分野に属する。 The present invention relates to a high-efficiency, low-loss thermoelectric module that uses the thermoelectric effect in a range from a relatively low temperature (normal temperature range) to a high temperature close to about 800 ° C. The thermoelectric effect is a general term for the Seebeck effect, the Peltier effect, or the Thomson effect of a thermoelectric semiconductor. Therefore, the present invention belongs to the technical field of a thermoelectric semiconductor module or a power generation device or a cooling / heating device using the thermoelectric semiconductor module. .
図10は、既存の熱電装置である。N型の熱電半導体素子の両端間に温度差が与えられた場合、多数キャリヤは低温側に拡散し、高温サイドから低温サイドに向かう電界が生じる。キャリヤが移動すると、平衡が保たれ、素子両端に電位差が生じる。ここで熱電半導体素子の両端に負荷を接続すると、電流が負荷に流れ、負荷の両端に電位差ができる。一方、高温側接続点へ入ってきた熱はリード線を伝わって逃げる。P型熱電半導体素子では、熱起動電力はN型熱電半導体素子の多数キャリヤの移動とは逆である。P型及びN型熱電半導体は、対にしてπ構造に構成することによって、電気的には直列に、熱的には並列になるように、接続することができる。 FIG. 10 shows an existing thermoelectric device. When a temperature difference is given between both ends of the N-type thermoelectric semiconductor element, majority carriers diffuse to the low temperature side, and an electric field is generated from the high temperature side to the low temperature side. When the carrier moves, equilibrium is maintained and a potential difference is generated between both ends of the element. Here, when a load is connected to both ends of the thermoelectric semiconductor element, a current flows through the load, and a potential difference is created between both ends of the load. On the other hand, the heat that has entered the connection point on the high temperature side travels along the lead wire and escapes. In a P-type thermoelectric semiconductor element, the thermal activation power is opposite to the majority carrier movement of the N-type thermoelectric semiconductor element. The P-type and N-type thermoelectric semiconductors can be connected so as to be electrically connected in series and thermally connected in parallel by configuring them in a π structure.
熱電半導体素子のゼーベック効果モデルが基本的にπ構造であることを、図9によって説明する。図のように、基本形として、P型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子とそれらに接合された電極とから“π構造”が形成される。π構造の熱電半導体モジュールは、その両端の電極に挟まれた間に温度差(ΔT)を与えると、ゼーベック効果により熱発電を行い、また、熱電半導体素子に電流を流すとペルチェ効果により電子が移動して、吸熱(低温)サイドと放熱(高温)サイドができる。π構造によれば、P型熱電半導体素子とN型熱電半導体素子と電極とが、1対又は交互に複数ペア、電気的には直列に接続され、熱的には低温サイドと高温サイドが上下に別れて並列に形成される。低温サイドと高温サイドに熱エネルギー(温度差ΔT)を供給すればゼーベック効果によって図9(a)のように発電装置となる。又電気的に直列な回路に電源を供給すれば図9(b)のようにペルチェ効果によって冷却(吸熱)装置又は加熱(放熱)装置になる。 The fact that the Seebeck effect model of a thermoelectric semiconductor element is basically a π structure will be described with reference to FIG. As shown in the figure, as a basic form, a “π structure” is formed from a P-type thermoelectric semiconductor element, an N-type thermoelectric semiconductor element, and electrodes joined to them. A thermoelectric semiconductor module having a π structure generates thermoelectric power by the Seebeck effect when a temperature difference (ΔT) is applied between the electrodes at both ends, and electrons are generated by the Peltier effect when current is passed through the thermoelectric semiconductor element. It moves to create an endothermic (low temperature) side and a heat dissipation (high temperature) side. According to the π structure, a P-type thermoelectric semiconductor element, an N-type thermoelectric semiconductor element, and an electrode are connected in pairs or alternately in pairs, electrically in series, and the low temperature side and the high temperature side are heated up and down. Are formed in parallel. If thermal energy (temperature difference ΔT) is supplied to the low temperature side and the high temperature side, a power generator is obtained as shown in FIG. 9A due to the Seebeck effect. If power is supplied to an electrically serial circuit, a cooling (heat absorption) device or a heating (heat radiation) device is obtained by the Peltier effect as shown in FIG. 9B.
P型及びN型熱電半導体を対にして接合した回路では、電気抵抗が低く熱伝導率が高い異種金属(銅の電極)を介してπ構造を形成するとき、電極の温度は、熱電半導体素子接合部と等しく、P型とN型の熱電半導体に発生する多数キャリヤの移動方向は同じになる。このことは、電気的には直列に、熱的には並列になるようにπ構造を形成したとき、ジュール熱および熱伝導に関する熱の移動が最小となって、熱の放散による損失がなくなることを意味する。 In a circuit where a pair of P-type and N-type thermoelectric semiconductors are joined, when the π structure is formed via a dissimilar metal (copper electrode) having low electrical resistance and high thermal conductivity, the temperature of the electrodes is determined by the thermoelectric semiconductor element. The moving direction of majority carriers generated in the P-type and N-type thermoelectric semiconductors is the same as the junction. This means that when a π structure is formed so that it is electrically in series and thermally parallel, the heat transfer related to Joule heat and heat conduction is minimized, and loss due to heat dissipation is eliminated. Means.
熱電装置を構成するπ構造は、スタンダードな製品としては、4cm角の板の間にP/N熱電半導体素子(サイコロ形、円筒など)のペア127個をπ構造ユニットとして整列させたものがある。 The π structure constituting the thermoelectric device includes a standard product in which 127 pairs of P / N thermoelectric semiconductor elements (dice type, cylinder, etc.) are arranged as a π structure unit between 4 cm square plates.
熱電素子の性能向上のために種々の研究がなされているが、結果ははかばかしくなく、熱電材料の特徴を表す因子であるZ値を向上させるしかないとまで言われている。事実、熱電半導体材料に関する提案もなされている。しかし、Z値は電気伝導率に比例しかつ熱伝導率に逆比例する値である。ふつう、電気伝導率の高い材料は熱伝導率も高い性質を持つ。このことが、Z値を所望の値にすることを難しくし、現在に至るも大きな改善が見られない。 Various studies have been made to improve the performance of thermoelectric elements. However, the results are not ridiculous, and it is said that there is no choice but to improve the Z value, which is a factor representing the characteristics of thermoelectric materials. In fact, proposals for thermoelectric semiconductor materials have also been made. However, the Z value is proportional to the electrical conductivity and inversely proportional to the thermal conductivity. In general, materials with high electrical conductivity have the property of high thermal conductivity. This makes it difficult to set the Z value to a desired value, and no significant improvement has been observed so far.
また、現状では、ゼーベック熱電発電装置として、低温領域向けのものは少ない。製鉄所や発電所の炉熱に向けて、非常な高熱下の利用を目的として研究されているものが多い。 At present, there are few Seebeck thermoelectric generators for low temperature regions. Many researches have been conducted for the purpose of using the steel under heat in the steelworks and power plants under extremely high heat.
本出願人は、先に、熱電半導体の特性を生かしつつ熱電効果の効率を向上させるため、薄層熱電素子をスパイラルやジグザグに折り畳み多数立体化し集積化させてトータル発電量を向上させる改良技術を提案した(特許文献1)。前記改良技術は、高密度集積薄層の素子に限定せず、一般化させることができる。一方、個々の熱電素子にも改良すべき点を見出した。第1に、電極または電極と熱電素子との接合構造、そして第2に、熱電半導体自体の構造である。本願発明は、課題として、熱電半導体素子と電極との接合構造に関しては接触面積を広くして電流密度を大きくすること、そして、熱電半導体素子の構造については、ジュール損の少ない構造、具体的に熱貫流のロスを防ぐ構造を提供する。
本願発明の課題は、比較的低温領域から約800°C近い高温域まで使用できる高能率低損失の熱発電モジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a high-efficiency, low-loss thermoelectric module that can be used from a relatively low temperature range to a high temperature range close to about 800 ° C.
熱電素子、例えばπ構造の熱電素子の長さ、幅、形状を、発電効率が最大となるようにするには、モジュールの内部抵抗を低く設定するような方向が考えられる。モジュールの内部抵抗を低く設定すると、見かけ上発電量が向上するようにみえるが、同時に、ジュール熱と熱伝導によるロスを考慮しなければならない。ジュール熱は、電気抵抗のある物質に電流を流すとき発生し、熱伝導は、熱電素子内の温度勾配があると素子を伝わって熱の流れを生じるものである。ゼーベック効果、ペルチェ効果およびトムソン効果は可逆現象であるが、ジュール熱と熱伝導は非可逆現象である。熱電モジュールとしての熱の収支関係は、可逆現象と非可逆現象との複合作用であり、非可逆現象の部分がゼーベック効果、ペルチェ効果の能力を低下させる要因になりやすい。 In order to maximize the power generation efficiency of the length, width, and shape of a thermoelectric element, for example, a π-structure thermoelectric element, a direction in which the internal resistance of the module is set low can be considered. If the internal resistance of the module is set low, the power generation appears to improve, but at the same time, losses due to Joule heat and heat conduction must be considered. Joule heat is generated when an electric current is passed through a substance having electrical resistance, and heat conduction is caused to flow through the element when there is a temperature gradient in the thermoelectric element. Seebeck effect, Peltier effect and Thomson effect are reversible phenomena, but Joule heat and heat conduction are irreversible phenomena. The heat balance relationship as a thermoelectric module is a combined action of a reversible phenomenon and an irreversible phenomenon, and the portion of the irreversible phenomenon tends to be a factor that reduces the Seebeck effect and the Peltier effect.
本願発明の主要な課題は、改良された電極の形態および熱電半導体素子の形態、電極との接触関係を提供することである。 The main object of the present invention is to provide an improved electrode configuration, thermoelectric semiconductor device configuration, and contact relationship with the electrode.
更に本願発明の別の課題は、熱貫流によるロスを防止する構造を備えた熱電半導体素子、とりわけπ構造に構成したモジュールを提供することである。 Still another object of the present invention is to provide a thermoelectric semiconductor element having a structure for preventing loss due to heat flow, particularly a module having a π structure.
本願発明は、前記課題を解決する高能率低損失熱電モジュールに関するものである。半導体は角柱(サイコロ形状)や円柱でもよく、又薄層の素子であってもよい。単一の熱電素子でも所定の効果を上げ得るが、とりわけ複数のπ構造に構成することで効果が期待できる。 The present invention relates to a high-efficiency low-loss thermoelectric module that solves the above-described problems. The semiconductor may be a prism (dice shape) or a cylinder, or may be a thin layer element. A single thermoelectric element can achieve a predetermined effect, but in particular, the effect can be expected by constituting a plurality of π structures.
本願発明においては、主要な課題として、熱電半導体素子と電極との接触面積を実質的に広くする。具体的には、電極の形態を、熱電半導体素子端面から素子の側面にまで広げ、オーバーラップさせるように、あるいはカバーで囲むように設けることにより、電極面積を実質的に大きくし、電極面積に応じた自由キャリヤがゼーベック効果によって形成され、より大きい熱起電力を生じるようにする。また、電極が接合される熱電半導体の表面を平面でなく、波形や孔あき構造とすることで、熱電半導体素子と電極との実質的な接触面積を広くすることができる。 In the present invention, as a main problem, the contact area between the thermoelectric semiconductor element and the electrode is substantially increased. Specifically, the electrode area is increased from the end face of the thermoelectric semiconductor element to the side face of the element, and is provided so as to be overlapped or surrounded by a cover, so that the electrode area is substantially increased. Corresponding free carriers are formed by the Seebeck effect, resulting in a larger thermoelectromotive force. Moreover, the substantial contact area between the thermoelectric semiconductor element and the electrode can be widened by forming the surface of the thermoelectric semiconductor to which the electrode is bonded into a corrugated or perforated structure instead of a flat surface.
電極を半導体素子の側面まで囲むようにした場合、熱電半導体素子周辺で、熱高温サイドから低温サイドへ熱が移動し易くなると、発電装置としても、加熱冷却装置としても、効率が下がるおそれがある。そこで、各熱電半導体素子は低温サイドと高温サイドとを断熱する構造が特に求められる。モジュール周辺を真空構造にすることは効果があるが、真空構造はコストを上昇させる。そこで、本願発明においては、熱電半導体の中央部、高温サイドと低温サイドの中間部分に、熱貫流遮断シートを装着する。真空構造を必要とせず、電極間の熱貫流を防止することができ、熱の移動を制限できる効果がある。仕切り板を設けた先行技術は存在する(特許文献2、同3)。これらと本願発明は、構造上一見似ているが、先行技術では仕切り板は半導体素子を機構的に支持するために設けられている。それに対して本願発明では、熱電半導体素子における電極を囲まれた構造としたときの熱の移動を、仕切り板の断熱作用によって一層遮断させた点に特徴がある。もちろん、機構的支持と兼用することもできる。
When the electrode is surrounded to the side surface of the semiconductor element, if heat easily moves from the hot high temperature side to the low temperature side around the thermoelectric semiconductor element, the efficiency may be lowered in both the power generation device and the heating / cooling device. . Therefore, each thermoelectric semiconductor element is particularly required to have a structure that insulates the low temperature side and the high temperature side. Although a vacuum structure around the module is effective, the vacuum structure increases costs. Therefore, in the present invention, a heat-flow blocking sheet is attached to the central portion of the thermoelectric semiconductor, the intermediate portion between the high temperature side and the low temperature side. A vacuum structure is not required, heat flow between the electrodes can be prevented, and heat transfer can be limited. There is a prior art provided with a partition plate (
次に、ポピュラーな4040サイズ熱電モジュールを例として、電極を、円柱形の熱電半導体素子の高温サイド又は低温サイドである端面から側面にかけて囲むように形成した場合のジュール損を求める。 Next, taking a popular 4040 size thermoelectric module as an example, Joule loss is determined when the electrode is formed so as to surround the end surface from the high temperature side or the low temperature side of the cylindrical thermoelectric semiconductor element.
電極を熱電素子の側面までかぶせるように延長して接合し、電極面積=(素子断面積S1+サイド電極面積S2)としたときの発電量について考察する。
ゼーベック係数(温度差1度あたりの起電電圧)α=2.25×10−4V/K
電気抵抗率 ρ =1.12×10−5 Ωm
熱電半導体素子ペア数:P/N=127
素子断面積S1 =(1.8×10−3/2)2π=2.54×10−6m2
サイド電極面積S2 =0.5×10−3×1.8×10−3π
=2.83×10−6m2
素子長 L =1.8mm
素子長 L2=1.8−(0.5/2)×2=1.3mm
有効素子長L2=1.3mmのときモジュールの全抵抗は
Rem(S1+S2)=ρ×127×2×1.3/(S1+S2)
=1.12×10−5×127×2×(1.3×10−3)/(5.37×10−6)
=0.69Ω
であるので、温度差ΔTj=30Kのとき、L=1.3mmとすると、モジュールの発電量は、
Pem=(α×127×2×30)2/0.69×(1/4)
=1.058W ・・・・・(A)
が得られる。
The amount of power generated when the electrodes are extended and joined so as to cover the side surfaces of the thermoelectric element and the electrode area = (element cross-sectional area S 1 + side electrode area S 2 ) will be considered.
Seebeck coefficient (electromotive voltage per degree of temperature difference) α = 2.25 × 10 −4 V / K
Electrical resistivity ρ = 1.12 × 10 −5 Ωm
Number of thermoelectric semiconductor element pairs: P / N = 127
Element cross-sectional area S 1 = (1.8 × 10 −3 / 2) 2 π = 2.54 × 10 −6 m 2
Side electrode area S 2 = 0.5 × 10 −3 × 1.8 × 10 −3 π
= 2.83 × 10 −6 m 2
Element length L = 1.8mm
Element length L 2 = 1.8− (0.5 / 2) × 2 = 1.3 mm
When the effective element length L 2 = 1.3 mm, the total resistance of the module is R em (S1 + S2) = ρ × 127 × 2 × 1.3 / (S 1 + S 2 )
= 1.12 × 10 −5 × 127 × 2 × (1.3 × 10 −3 ) / (5.37 × 10 −6 )
= 0.69Ω
Therefore, when the temperature difference ΔTj = 30K and L = 1.3 mm, the power generation amount of the module is
P em = (α × 127 × 2 × 30) 2 /0.69×(1/4)
= 1.058W (A)
Is obtained.
一方、温度差ΔTj=30Kのとき、L=1.8mmであれば、
モジュールの全抵抗は
Rem =2.84×10−5×(1.8×10−3)/(5.37×10−6)
=0.952Ω
したがって、モジュールの発電量は
Pem=2.92/(0.952×4)
=0.77W ・・・・・(B)
On the other hand, when the temperature difference ΔTj = 30K, and L = 1.8 mm,
The total resistance of the module is R em = 2.84 × 10 −5 × (1.8 × 10 −3 ) / (5.37 × 10 −6 )
= 0.952Ω
Therefore, the power generation amount of the module is P em = 2.92 / (0.952 × 4)
= 0.77W (B)
これに対して、電極面積=素子断面積(電極をかぶせない従来の形態)であると、モジュールの全抵抗は、
Rem =1.12×10−5×127×2×(1.8×10−3)/(2.54×10−6)
=2.10Ω
であり、ΔTj=30Kのとき、発電量は、
Pem =292/(2.10×4)=0.35W ・・・・・・・・・(C)
であるから、電極を側面にまでかぶせる構造にすると、(A)(B)のように発電量を改善できることがわかる。
On the other hand, if the electrode area = element cross-sectional area (conventional form in which no electrode is covered), the total resistance of the module is
R em = 1.12 × 10 −5 × 127 × 2 × (1.8 × 10 −3 ) / (2.54 × 10 −6 )
= 2.10Ω
When ΔTj = 30K, the power generation amount is
P em = 292 / (2.10 × 4) = 0.35W (C)
Therefore, it can be seen that the power generation amount can be improved as shown in FIGS.
本願発明の高能率低損失熱電モジュールは、また、熱電半導体素子の任意の位置において、さらにドットホールを有する構造とし、熱電半導体素子ユニットの抵抗調整が出来ることが望ましい。 The high-efficiency low-loss thermoelectric module of the present invention preferably has a structure having a dot hole at an arbitrary position of the thermoelectric semiconductor element, so that the resistance of the thermoelectric semiconductor element unit can be adjusted.
本願発明の高能率低損失熱電モジュールのさらに別の大きい特徴は、熱電半導体素子と電極との接合面において、熱電半導体素子の表面を非平面に、すなわち、波形、櫛形、あるいはドットホール構造とすることによって、接触面積を実質的に拡大して、電流密度を大きくできることにある。さらに、製造工程において非平面の形状、たとえば、ドットホールやスリットを変更することによって、熱電半導体素子の抵抗値を任意に調整することができるようにしたことである。 Another major feature of the high-efficiency low-loss thermoelectric module of the present invention is that the surface of the thermoelectric semiconductor element is non-planar, that is, has a corrugated, comb-shaped, or dot-hole structure at the interface between the thermoelectric semiconductor element and the electrode. Thus, the contact area can be substantially enlarged and the current density can be increased. Furthermore, the resistance value of the thermoelectric semiconductor element can be arbitrarily adjusted by changing a non-planar shape such as a dot hole or a slit in the manufacturing process.
本願発明の高能率低損失熱電モジュールにおいて、さらに、熱電半導体素子の高温サイドと低温サイドとの中間部にくびれ構造を形成することを提案する。このとき、両サイドの温度差に応じて発生する熱移動の効果を近似的に考察する。 In the high-efficiency low-loss thermoelectric module of the present invention, it is further proposed to form a constricted structure at the intermediate portion between the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric semiconductor element. At this time, the effect of the heat transfer generated according to the temperature difference between both sides will be considered approximately.
本願発明において、熱電モジュール中央部にくびれを形成したものを考察する。くびれによって、縦の長さの方向に温度勾配が形成される。温度勾配に対する熱の通過を求める。熱電半導体素子を伝わって、熱の流れが生じる。このときの温度勾配に直角な単位断面積内を、単位時間内に通過する熱量αkは、次の式(1)であらわされる。
ακ=κ×dT/dL ・・・・・・(1)
κ:熱伝導率(w/mK)
温度勾配のある方向の長さをLとし、1K(ケルビン)あたり、単位時間に貫流する熱量Kωは式(2)で表される。
Kω=κ×S/L ・・・・・・・・(2)
S:総断面積、κ:熱伝導率(w/mK)、L:熱移動距離
このとき、熱抵抗Wは、Kωの逆数で表される。
W=1/Kω ・・・・・・・・(3)
In the present invention, a case where a constriction is formed at the center of the thermoelectric module will be considered. The constriction creates a temperature gradient in the lengthwise direction. Find the passage of heat against the temperature gradient. Heat flows through the thermoelectric semiconductor element. The amount of heat αk that passes through the unit cross-sectional area perpendicular to the temperature gradient at this time within the unit time is expressed by the following equation (1).
ακ = κ × dT / dL (1)
κ: Thermal conductivity (w / mK)
The amount of heat Kω that flows through per unit time per 1 K (Kelvin), where L is the length in a direction with a temperature gradient, is expressed by Equation (2).
Kω = κ × S / L (2)
S: total cross-sectional area, κ: thermal conductivity (w / mK), L: heat transfer distance At this time, the thermal resistance W is represented by the reciprocal of Kω.
W = 1 / Kω (3)
モデルとして、長さLの円形断面を有する熱電半導体素子の中央部を所定サイズの円錐状のくびれ構造とする。くびれ部分の径Φnに対する1K(ケルビン)あたりの単位時間に貫流する熱量、平均くびれ径rに対する電気抵抗を求め、4040サイズ(127ペア)の発電量を求める。くびれ径Φnのときの体積は、円錐台形V(底辺D、上辺δ、高さh)の2倍であるので、
2V=[(π/12)×h(D2+δ2+δ×D)]×2 ・・・・(4)
上式(4)の体積から、L=1.8mmのとき、くびれΦnの平均半径rは、
r2πL=2Vより
r=SQRT(2V/πL)(mm)・・・・・(5)
(SQRT:√)
式(2)より1Kあたりの単位時間に流れる熱貫流量は
Wфn=κ×π/L (W/K) ・・・・・(6)
As a model, a central portion of a thermoelectric semiconductor element having a circular cross section having a length L is formed as a conical constriction structure having a predetermined size. The amount of heat that flows per unit time per 1 K (Kelvin) with respect to the diameter Φn of the constricted portion and the electric resistance with respect to the average constricted diameter r are obtained, and the amount of power generation of 4040 size (127 pairs) is obtained. Since the volume at the constriction diameter Φn is twice that of the truncated cone V (base D, upper side δ, height h),
2V = [(π / 12) × h (D 2 + δ 2 + δ × D)] × 2 (4)
From the volume of the above equation (4), when L = 1.8 mm, the average radius r of the constriction Φn is
From r 2 πL = 2V r = SQRT (2V / πL) (mm) (5)
(SQRT: √)
From equation (2), the heat flow rate per unit time per 1K is Wф n = κ × π / L (W / K) (6)
温度差ΔT=30℃とすると熱貫流量は
Wфn×30=30×(κ×r2π/L) (w)・・・(7)
平均半径より熱電半導体素子の電気抵抗を求め、127ペアの発電量を求める。
1素子の電気抵抗Rは
R=ρ×L/S ・・・・・・・・・(8)
ρ(電気抵抗率)=1.15×10−5 (Ωm)
127ペアのモジュールの電気抵抗Remは、
Rem =R×127×2 (Ω)・・・・・・・(9)
127ペアのモジュールとしての発電量Pwфnは、
Pwфn=(127×2×ΔT)2/Rem×(1/4)・・・・(10)
で表される。ここに、
α(ゼーベック係数)=1.25×10−4 (V/K)
ΔT(温度差)=30℃とする。
Rem (127ペアのモジュールの電気抵抗)
When the temperature difference ΔT = 30 ° C., the heat-transfer flow rate is as follows: W × n × 30 = 30 × (κ × r 2 π / L) (w) (7)
The electric resistance of the thermoelectric semiconductor element is obtained from the average radius, and the power generation amount of 127 pairs is obtained.
The electrical resistance R of one element is R = ρ × L / S (8)
ρ (electric resistivity) = 1.15 × 10 −5 (Ωm)
The electrical resistance R em of the 127 pair module is
R em = R × 127 × 2 (Ω) (9)
The power generation amount P w ф n as a 127-pair module is
P w ф n = (127 × 2 × ΔT) 2 / R em × (1/4) (10)
It is represented by here,
α (Seebeck coefficient) = 1.25 × 10 −4 (V / K)
ΔT (temperature difference) = 30 ° C.
R em (Electric resistance of 127 pairs of modules)
以上の計算より、温度差ΔT=30℃、127ペアのモジュールに対する値を[表1]に示す。また、式(7)、式(9)、式(10)より、127ペアのモジュールの温度差(ΔT)に対する熱貫流量と発電量を、くびれ径Φn=1.3mm、1.5mm,1.8mmについて、[表2]に示す。 From the above calculation, the temperature difference ΔT = 30 ° C. and the value for 127 pairs of modules are shown in [Table 1]. Further, from Equation (7), Equation (9), and Equation (10), the heat flow rate and power generation amount with respect to the temperature difference (ΔT) of the 127 pairs of modules are expressed by the constriction diameter Φn = 1.3 mm, 1.5 mm, 1 .8 mm is shown in [Table 2].
1.8mmから1.5mmにくびれを形成した場合、約15%の熱貫流減少を期待できるが、同時に発電量の低下もある。そこで、熱電半導体の中央部、高温サイドと低温サイドの中間部分に、熱貫流防止シートを設けると、真空構造を用いなくても、熱の移動が相当量制限できる。前記の特許文献2等でも同様な仕切り板が用いられており、一見構造上似ているところがあるが、特許文献2では仕切り板は半導体素子を機構的に支えるものである。本願発明では、かぶせ構造の電極における熱的な不利を、仕切り板の断熱作用によって改善することができる。すなわち、くびれ構造による熱貫流の減少とシートによる熱貫流減少との相乗効果によって、熱貫流のロスを減少させる一層大きい作用が期待できる。
When the constriction is formed from 1.8 mm to 1.5 mm, a reduction of about 15% in heat flow can be expected, but at the same time, the amount of power generation is also reduced. Thus, if a heat-through prevention sheet is provided in the middle part of the thermoelectric semiconductor, an intermediate part between the high-temperature side and the low-temperature side, the transfer of heat can be considerably limited without using a vacuum structure. The same partition plate is used in the above-mentioned
電極をかぶせ構造にして熱電半導体素子との接触面積を実質的に拡大したことは、電流密度を大きくする効果を生む。さらに、電極と半導体素子の接合面を非平面の形状、たとえばドットホールやスリットを設けてサイズを変更することによって、熱電半導体素子の抵抗値を任意に調整することができる。 The fact that the contact area with the thermoelectric semiconductor element is substantially enlarged by covering the electrodes has the effect of increasing the current density. Further, the resistance value of the thermoelectric semiconductor element can be arbitrarily adjusted by changing the size of the bonding surface between the electrode and the semiconductor element by providing a non-planar shape, for example, a dot hole or a slit.
本願発明の高能率低損失熱電モジュールにおいて、熱電半導体素子をくびれ構造としたことは、高温側と低温側との間で不所望な熱の流れをおきにくくする。これによって、特に熱貫流を小さくする課題を効果的に解決する。 In the high-efficiency low-loss thermoelectric module of the present invention, the constriction structure of the thermoelectric semiconductor element makes it difficult for an undesired heat flow to occur between the high temperature side and the low temperature side. This effectively solves the problem of reducing the heat flow especially.
高温サイドと低温サイドの中間に熱貫流防止シートを設けることは、熱の無駄な貫流によるロスを改善する。また、真空構造が不要になり、コストダウンをはかることができる。 Providing a heat-through prevention sheet between the high-temperature side and the low-temperature side improves loss due to wasteful flow of heat. In addition, a vacuum structure is not necessary, and costs can be reduced.
本発明の高能率低損失熱電半導体モジュールを実施するための最良の形態は、熱電半導体素子とその両端の低温サイドおよび高温サイドにそれぞれ接合する電極とで形成してなるユニット、好ましくは、P型およびN型熱電半導体素子からなるπ構造ユニットを、1個又は複数有する熱電半導体モジュールにおいて、熱電半導体素子と電極とが接触する面積を実質的に大きくするため、電極は熱電半導体素子の端面から側面にかけて熱電半導体素子を挟み又は囲むようにする。すなわち、熱電半導体素子と電極とが接触する面積を実質的に広くすることにより、電流密度が大きくなるようにした点に特徴がある。熱電半導体素子は、円柱、角柱(サイコロ型)とすることができるが、薄層(薄膜又は厚膜)でもよい。 The best mode for carrying out the high-efficiency low-loss thermoelectric semiconductor module of the present invention is a unit formed by a thermoelectric semiconductor element and electrodes bonded to the low-temperature side and the high-temperature side at both ends thereof, preferably P-type In the thermoelectric semiconductor module having one or a plurality of π-structure units composed of N-type thermoelectric semiconductor elements, the electrodes are formed from the end faces of the thermoelectric semiconductor elements to the side surfaces in order to substantially increase the contact area between the thermoelectric semiconductor elements and the electrodes. To sandwich or surround the thermoelectric semiconductor element. That is, the current density is increased by substantially widening the area where the thermoelectric semiconductor element and the electrode are in contact with each other. The thermoelectric semiconductor element may be a cylinder or a prism (dice type), but may be a thin layer (thin film or thick film).
熱電半導体素子両端の低温サイドおよび高温サイドの断面のサイズをより大きく、かつ熱電半導体素子の前記低温サイドおよび高温サイドの中間の断面のサイズをより小さく、全体として糸巻き状のくびれ構造を形成した前記の高能率低損失熱電半導体モジュールが望ましい。くびれ構造によって、熱電半導体素子の低温サイドと高温サイドとの間の熱貫流を小さくすることができる。 The size of the cross section of the low temperature side and the high temperature side of both ends of the thermoelectric semiconductor element is larger, and the size of the cross section between the low temperature side and the high temperature side of the thermoelectric semiconductor element is smaller, and the pinned neck structure is formed as a whole. A high-efficiency, low-loss thermoelectric semiconductor module is desirable. The constriction structure can reduce the heat flow between the low temperature side and the high temperature side of the thermoelectric semiconductor element.
さらに、モジュール周囲の一部又は全部を断熱性、電気絶縁性、防湿性の材料によってシールし、熱貫流ロスをさらに少なくすることができる。熱電半導体素子は低温サイドと高温サイドの中間、特にそのくびれ部分に、熱貫流を遮断する熱絶縁性で電気絶縁性板状部材を配置することによって、真空構造を用いないでモジュール周辺の熱貫流を防止するため、一層高能率低損失とすることができる。 Furthermore, a part or all of the periphery of the module can be sealed with a heat insulating, electrically insulating, and moisture proof material to further reduce the heat flow loss. The thermoelectric semiconductor element is located between the low temperature side and the high temperature side, especially in the constricted part, by arranging a heat insulating and electrically insulating plate-like member that blocks the heat flow. In order to prevent this, it is possible to further reduce the efficiency and loss.
図1に、本願発明の実施例1として、最もシンプルな構成を示す。(a)は角柱形の熱電半導体素子に電極を接合した実施例、(b)は円柱の熱電半導体素子に電極を接合した実施例、(c)は角柱形の熱電半導体素子中央部をくびれ形状とした実施例、そして(d)は円柱形の熱電半導体素子中央部をくびれ形状とした実施例である。1はP型熱電半導体素子又はN型熱電半導体素子、2は電極である。熱電半導体素子1に電極2を接合する際、電極は単に熱電半導体素子の上下端部のみでそれらを接合させるのでなく、電極によって熱電半導体素子の端面から側面にかけて挟み又は囲むことにより、電流密度が大きくなるようにしたことが特徴である。電極は、熱電半導体素子を接合するための凹部を有する皿状の形態がよい。これによって、熱電半導体素子と電極との接触面積を実質的に広くする。さらに、中央にくびれを入れた構造とすることによって、端面間の熱貫流によるロスを少なくする。
FIG. 1 shows the simplest configuration as
熱電半導体素子1の材料は、BiTePb(低温〜200℃)や鉄シリサイド(300〜700℃)等である。電極2は、例えば銅など導電率の高い材料を接合又は蒸着する。ニッケルメッキを併用するほうが望ましい。
The material of the
図2に、実施例2として、熱電半導体素子に電極を囲むように接合する工程略図(イ)〜(ニ)及び横断面(ホ)を示す。実施例は、熱電半導体素子に電極を囲むように接合するものである。電極2の厚みおよびハンダによる接合部はいくらか誇張して描いてある。以上は、モジュールの熱電半導体素子が単一の場合であるが、図2bに、π型構造モジュールに適した電極の例を示す。左は角柱用、右は円柱用である。いずれも、接合するπ構造の熱電モジュールにあわせ、1対の(2つの)凹部を有する、皿形状に作る。
FIG. 2 shows, as Example 2, process schematic diagrams (A) to (D) and a cross section (E) for joining a thermoelectric semiconductor element so as to surround an electrode. In the embodiment, the thermoelectric semiconductor element is joined so as to surround the electrode. The thickness of the
図3は、π構造モジュールを構成する組立工程の略図を示す実施例3である。図示しないホットプレートを兼ねる治具の上に、電極2を複数個ならべ、図の波線で記載した部分にハンダペースト3を入れ、(イ)→(ロ)→(ハ)→(ニ)の順に電極2と熱電半導体素子1とを接合させる。電極は、図2bと同様のものを用いている。図ではハンダ3を凹部を満たすように波線で記載しているが、ハンダが極端にあふれない程度に適当量とする。ハンダの電極は、熱電半導体素子の端部から側面の一部を囲むように覆い、熱電半導体素子と電極との接触面積を広くする。
FIG. 3 is a third embodiment showing a schematic diagram of an assembling process constituting the π structure module. Place a plurality of
多数のπ構造は、上下を放熱板および受熱板4に挟んで整列させる。放熱板および受熱板は熱良導性電気絶縁性材料とする。例えば、シート状セラミック基板とすることができる。
Many π structures are aligned with the upper and lower sides sandwiched between the heat sink and the
モジュールは、パターンにより、数百〜数千の対からなる熱電素子とすることもできる。発電装置として利用するときは、両端から電極に導線を引き出し、図示しないバッテリーに接続して蓄電するか、利用機器へ電気的に接続する。 Depending on the pattern, the module may be a thermoelectric element composed of hundreds to thousands of pairs. When used as a power generation device, lead wires are drawn out from both ends to the electrode and connected to a battery (not shown) for storage or electrically connected to the device used.
図4は、N型熱電半導体素子とP型熱電半導体素子とをπ構造のモジュールとした実施例4であり、(a)は、柱形の熱電半導体をπ構造とした実施例、(b)は、熱電半導体中央部にくびれ73を付したπ構造の実施例である。電極は、例えば前記の図2bのものを用いる。熱電半導体素子にくびれを設ける理由は、図1について述べたように、熱貫流によるロスを低減させるためであるが、図4(c)、(d)の例は、その熱貫流によるロスをさらに低減させるため、モジュールに熱貫流防止シート5をつけたものの縦断面図である。(c)では、一枚タイプの熱貫流遮断シートをモジュール中央部に設けた。また、(d)では、中間にくびれを設けた熱電半導体において、列ごとに分割したタイプの熱貫流遮断シートを装着した。シートの材料としては、有機系のユリアやフェノール系のペーパーが最適である。電気絶縁性、断熱性、防湿性のものであれば、ポリイミド樹脂、アラミド樹脂、ふっ素樹脂、シート状セラミックなども用いることができる。
FIG. 4 is Example 4 in which an N-type thermoelectric semiconductor element and a P-type thermoelectric semiconductor element are modules having a π structure, and FIG. 4A is an example in which a columnar thermoelectric semiconductor is a π structure. These are examples of a π structure in which a constriction 73 is added to the central portion of the thermoelectric semiconductor. For example, the electrode shown in FIG. 2b is used. The reason for providing the constriction in the thermoelectric semiconductor element is to reduce the loss due to the heat flow as described with reference to FIG. 1, but the examples of FIGS. 4C and 4D further reduce the loss due to the heat flow. In order to reduce, it is a longitudinal cross-sectional view of what attached the thermal-
図5に、熱貫流遮断シート5の実施例を示す。(a)(b)は、角柱又は円柱型の熱電半導体素子における熱貫流遮断のための一枚タイプ熱貫流遮断シートである。また、(c)(d)は、角柱および円柱型の熱電半導体素子における熱貫流遮断のための分割タイプ熱貫流遮断シートである。
FIG. 5 shows an example of the heat-
多数の熱電半導体素子を含むユニットに貫流防止シート5を設ける場合、図5(a)(b)のようにパターンプレスしたペーパー(ペーパー状部材)を、電極を接合する前に、若干折曲げるようにして素子間にわたし、定位置で広げる。ユニットの全周にわたって、ペーパーの耳の部分を挟み込むバインダを設けて、ユニット外周に枠6を形成し、纒めるとよい。
When the flow-through
図6は、熱貫流遮断シート5を角柱形の熱電半導体素子に装着した、実施例6の上面図(電極直下の横断面図)であり、放・吸熱板4は図示していない。(a)は、一枚タイプの熱貫流遮断シートをモジュールに付した実施例、(b)は、分割タイプの熱貫流遮断シートをモジュールに付した実施例である。
FIG. 6 is a top view (cross-sectional view immediately below the electrode) of Example 6 in which the heat-
熱貫流遮断シート5は、柔軟で伸縮性のある材料であれば、一枚のシートで形成することが可能である。しかし、熱貫流遮断シートは、柔軟な材料だけでなく、硬質のものを用いることもある。その場合は、各列ごとに個別に分割したシートを適用すると、一層断熱作用を有利に発揮できる。放熱(吸熱)板4を取り付ける前、又は取り付けた後で熱貫流遮断シート5を装着することができる。熱貫流遮断シート5は、外枠6を設けて固定することができる。
As long as the heat-
図7(a)(b)(c)(d)(e)に示す実施例7では、さらに、熱電半導体素子に電極を接合する際、熱電半導体素子の電極と接する部分の面を凹凸面など非平面にして、熱電半導体素子と電極との接触面積を実質的に広くすることにより、電流密度が大きくなるようにした。すなわち、熱電半導体素子の接合部の形状を、図7(b)(c)(d)(e)のように凹凸のほか、櫛形、波形、あるいは(d)のように孔あき(ドットホール)などの構造とし、電極はそれら非平面に合わせて接合する。図7の(b)〜(e)の実施例は、それらの複数を任意に組み合わせることができる。又、図5(図6)の熱貫流遮断シート5とも組合せてもよい。
In Example 7 shown in FIGS. 7A, 7B, 7C, 7D, and 7E, when the electrode is bonded to the thermoelectric semiconductor element, the surface of the portion of the thermoelectric semiconductor element that is in contact with the electrode is an uneven surface. The current density is increased by making the contact area between the thermoelectric semiconductor element and the electrode substantially non-planar. That is, the shape of the joint portion of the thermoelectric semiconductor element is not only uneven as shown in FIGS. 7B, 7C, 7D, 7E, but also comb-shaped, corrugated, or perforated as shown in FIG. 7D. The electrodes are joined in conformity with these non-planar surfaces. In the embodiments of FIGS. 7B to 7E, a plurality of them can be arbitrarily combined. Moreover, you may combine with the heat-flow interruption | blocking sheet |
図8に、実施例8として、熱電素子1中央部にくびれ構造73やスリット71等を設けたものを示す。くびれ構造は、図8(a)(b)など種々の形状が可能である。また、熱電モジュールから効率的に電力を取り出すために、熱電ユニットにおける熱電半導体素子の抵抗値を最適の値にするため、図8(c)のように、熱電半導体素子の任意の場所にスリット71又はドットホール72を設け抵抗値を所望の値に調整することができる。
FIG. 8 shows an example 8 in which a constriction structure 73, a
熱電モジュールにおいて、電極によって側面まで囲む構造を適用するとともに、各熱電半導体素子の低温サイドと高温サイドとを断熱するために、高温低温の両サイドの中間を糸巻きのようなくびれ構造73を形成する。中央部に空間が介在するので、熱貫流を小さくすることができる。 In the thermoelectric module, a structure surrounded by electrodes to the side surface is applied, and in order to insulate the low temperature side and the high temperature side of each thermoelectric semiconductor element, a constricted structure 73 is formed between both the high temperature and low temperature sides like a bobbin. . Since there is a space in the center, the heat flow can be reduced.
本願発明の高能率低損失熱電モジュールは、効率の良いペルチェ効果冷却装置として応用可能である。熱電半導体素子のZ値は現状の能力のままでも、単位面積あたりのゼーベック効果による発電能力又はペルチェ効果による冷却能力が向上する。 The high-efficiency low-loss thermoelectric module of the present invention can be applied as an efficient Peltier effect cooling device. Even if the Z value of the thermoelectric semiconductor element is the current capacity, the power generation capacity by the Seebeck effect per unit area or the cooling capacity by the Peltier effect is improved.
本願発明の高能率低損失熱電モジュールは、前記特許文献1(特に同文献の図10〜図12)のように応用し、廃熱利用の発電システムへ付加するなど、ゼーベック効果を利用した環境にやさしい熱電発電に利用することができる。
The high-efficiency low-loss thermoelectric module of the present invention is applied as described in Patent Document 1 (particularly, FIGS. 10 to 12 of the same document) and added to a power generation system using waste heat. It can be used for easy thermoelectric generation.
1 P型熱電半導体素子又はN型熱電半導体素子
2 電極
3 ハンダ(ハンダペースト)
4 伝熱板(放熱板又は吸熱板)
5 熱貫流遮断シート
6 外枠
71 スリット
72 孔あき(ドットホール)構造
73 くびれ構造
1 P-type thermoelectric semiconductor element or N-type
4 Heat transfer plate (heat radiating plate or heat absorbing plate)
5 Heat-
Claims (3)
In a thermoelectric semiconductor module having one or a plurality of units formed of thermoelectric semiconductor elements and electrodes bonded to the low temperature side and the high temperature side at both ends, the electrodes sandwich the thermoelectric semiconductor elements from the end surface to the side surface of the thermoelectric semiconductor element. A high-efficiency, low-loss thermoelectric semiconductor module characterized in that the area where the thermoelectric semiconductor element and the electrode are in contact with each other is substantially increased.
The cross-sectional areas of the low-temperature side and the high-temperature side of both ends of the thermoelectric semiconductor element are larger, and the intermediate cross-sectional area between the low-temperature side and the high-temperature side of the thermoelectric semiconductor element is smaller, so that a pinned neck structure is formed as a whole. The high-efficiency low-loss thermoelectric semiconductor module according to claim 1
3. A heat insulating and electrically insulating plate-like member is disposed in an intermediate portion between the low temperature side and the high temperature side of the thermoelectric semiconductor element to block the heat flow around the module. High efficiency low loss thermoelectric module
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