JP2008053301A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子に接合される電極に起因する電気的及び熱的な損失又はその一方の増加を抑制しつつ他方の損失を低減することにある。
【解決手段】適宜の間隔を存して配置される複数個の熱電変換素子１ａ，１ｂと、これら各熱電変換素子の熱通過面となる一方の面間および他方の面間をそれぞれ接続する電極２を含む熱電変換モジュールにおいて、少なくとも一方の電極２として、各熱電変換素子相互間に対応する間隙部分に突条部２ａを有する形状にして、熱電変換素子と接合している部位の厚さよりも大きくする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数の熱電変換素子を電気的に接続して構成した熱電変換モジュールに関する。

熱電変換モジュールは、図１０および図１１に示すように縦、横方向に適宜の間隔を存してそれぞれ配置された複数の熱電変換素子１がその上下面に配置された電極２により電気的に接続され、その回路の端部には電気的な入出力端子３としてリード線が半田４などによって接続されたものが一般的である。この場合、図１０に示すようにモジュールの上下両面側にアルミナなどの絶縁板５を配して電極２と熱電変換素子１とを保持するものや、図１１に示すように熱電変換素子１相互間に存する間隙部にエポキシなどの絶縁性樹脂６を配して電極２と熱電変換素子１を保持するものもある。これらの熱電変換モジュールにおいては、電気的な損失と熱的な損失を低減させることで、熱電変換効率を向上させることができる。

従来の一般的な構造のモジュールにおいては、電極厚さ（主たる熱通過方向と平行な高さ）を厚くすると断面積の増加によりモジュールの電気抵抗が減少し、電気的な損失を低減できるが、一方で電極は熱電変換素子の端面（熱が出入りする面）に与える熱の抵抗となっているため、電極厚さを増加させると熱電変換素子に付与される温度差（電極の受熱面の温度と放熱面の温度との差）が小さくなり、熱的な損失が増加してしまう。逆に電極厚さを薄くすると熱的損失を低減できるが、電極部の電気抵抗が増加して電気的損失が大きくなってしまうという問題があった。

ところで、熱電冷却モジュールにおける熱的損失の低減については電極部にフィンを設ける手法（特許文献１）や、熱電変換素子の実装密度の向上を狙った電極形成手法（特許文献２）などがあるが、これらは何れも小型の冷却用途を意図したものであり、発電用途の大型熱電変換モジュールに適用することは困難である。

一方、発電用途熱電変換モジュールに要求される特性は、小型の冷却用熱電変換モジュールの要求特性と同様ではない。特に各種工場排熱の回収などによる熱電発電を目指した熱電変換モジュールは、比較的大型であり、素子の実装密度の向上や小型化よりも発電効率や信頼性の向上が強く求められる傾向にある。
特開平９−９７９３０号公報 特開２００４−８７８２７号公報

このように熱電変換モジュールの変換効率を向上させるためには、熱的及び電気的な損失の少なくとも一方だけでも低減させる必要がある。しかし、上述の従来の熱電変換モジュールにおいては、電極厚さの増加によりモジュールの内部電気抵抗の低減を図ろうとすると、熱的な損失が増大するという問題があった。また逆に、電極厚さの低減により熱的損失の低減を図ろうとすると、内部電気抵抗が増大するという問題があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、電極部における熱的な損失を低減または増大を抑制しつつ電気的な損失を低減できる高効率な熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、適宜の間隔を存して配置される複数個の熱電変換素子と、これら各熱電変換素子の熱通過面となる一方の面間および他方の面間をそれぞれ接続する電気的接続手段を含む熱電変換モジュールにおいて、少なくとも一方の前記電気的接続手段として、前記熱電変換素子と接合している領域に対応する部位の厚さよりもそれ以外の領域における部位の厚さの一部又は全部を大きくしたものである。

また、本発明は、適宜の間隔を存して配置される複数個の熱電変換素子と、これら各熱電変換素子の熱通過面となる一方の面間および他方の面間をそれぞれ接続する電気的接続手段を含む熱電変換モジュールにおいて、少なくとも一方の前記電気的接続手段として、熱電変換素子と接合されている面の面積よりも、主にモジュール外部と熱の授受を行う面の面積の方が大きな形状としたものである。

本発明によれば、熱電変換素子に接合される電極に起因する電気的及び熱的な損失又はその一方の増加を抑制しつつ他方の損失を低減できる高効率な熱電変換換モジュールが提供できる。

以下本発明による熱電変換換モジュールの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明による熱電変換換モジュールの第１の実施形態を示す斜視図である。なお、図では説明を簡単にするため、２個の熱電変換素子とそれらをつなぐ電極のみを示し、対向する電極、入出力端子、および熱電変換素子及び電極を保持する絶縁性物質は省略してある。

本実施形態では、図１（ａ）に示すように適宜の間隔を存して配置される熱電変換素子１ａ，１ｂに電気的に接続される電極２として、熱電変換素子１ａ，１ｂ相互間に対応する部分に同図（ｂ）に示すように断面が三角形の突条部２ａを有する形状にして、その突条部２ａを有する部分の厚さを熱電変換素子１ａ，１ｂが配置される部分の厚さよりも厚くなるようにしたものである。

このような形状の電極２とすることで、次のような効果を得ることができる。

（１）電極の熱電変換素子１ａ，１ｂに接合されている部分の厚さ（ｔ）が従来のモジュールと同等の場合は、熱電変換素子に付与される温度差を低下させることなく電極２の電子の移動に有効な断面積を突条部２ａだけ増加できるので、その分電気抵抗を低減することができる。

（２）逆に従来のモジュールと同等の内部電気抵抗を維持したまま（電極の断面積を変えずに）、熱電変換素子と接合されている部位での電極厚さを突条部２ａの断面積に相当する分だけ従来のモジュールより薄くできるため、熱電変換素子に付与される温度差を増加させることができる。

（３）適切に選択された電極の形状によっては、熱的な損失と電気的な損失の両方を低減させることも可能である。

電極は、図１に示したように、熱電変換素子の主に熱の出入りする面（熱通過面）以外の部位で電極と熱電変換素子が接触しないように形状が工夫されている。その理由は熱の出入りする面以外の部位で電極と熱電変換素子が接触すると出力される起電力が低下してしまうためである。

上記では電極２として、熱電変換素子１ａ，１ｂ相互間に対応する部分に断面が三角形の突条部２ａを有する形状としたが、図２に示すように熱電変換素子１ａ，１ｂ相互間に対応する部分に断面が円弧形の突条部２ｂを有する形状や、図３に示すように熱電変換素子１ａ，１ｂ相互間に対応する部分に断面が台形の突条部２ｃを有する形状など様々な形状のものであっても良い。

これらの電極形状において、電極の最も厚い部分の厚みと最も薄い部分の厚みの差は、該電極が接合されている熱電変換素子の厚さ（主たる熱流及び／又は電流の流れる方向の長さ）の５０％未満となることが望ましい。

また、電極は導電性の良い材料からなることが望ましく、例えば銀、金、銅、アルミニウム、およびこれらを含んだ合金などからなることが望ましい。

さらに、電極はバルクの金属材料から成形して、熱電変換素子と半田などで接合しても良いし、溶射やメッキなどのプロセスで熱電変換素子上に成形しても良い。

次に本発明の第２の実施形態を図４を用いて説明する。

本実施形態では、図４（ａ）に示すように適宜の間隔を存して配置される熱電変換素子１ａ，１ｂに電気的に接続される電極２として、同図（ｂ）に示すように熱電変換素子１ａ，１ｂの並設方向と同一方向の一辺部分に断面が三角形の突条部２ｄを有する形状にして、その突条部２ｄを有する部分の厚さを熱電変換素子１ａ，１ｂが配置される部分の厚さよりも厚くなるようにしたものである。

このような電極形状としても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

上記実施形態では、電極２の熱電変換素子１ａ，１ｂの並設方向と同一方向の一辺部分に断面が三角形の突条部２ｄを有する形状としたが、図５に示すように熱電変換素子１ａ，１ｂの並設方向と同一方向の対向する両辺部分に断面が三角形の突条部２ｄを有する形状としても良い。

このような電極形状とすれば、より大きな電気抵抗の低減効果を得ることができる。

本実施形態において、図６（ａ），（ｂ）に示すように電極２として、熱電変換素子１ａ，１ｂの並設方向と同一方向の一辺部分に断面が三角形の突条部２ｄを有し、且つ熱電変換素子１ａ，１ｂ相互間に対応する部分に断面が三角形の突条部２ａとを有する形状としても良い。

また、図７に示すように熱電変換素子１ａ，１ｂの並設方向と同一方向の対向する両辺部分に断面が三角形の突条部２ｄを有し、且つ熱電変換素子１ａ，１ｂ相互間に対応する部分に断面が三角形の突条部２ａとを有する形状としても良い。

このようにすれば、さらにモジュール内部電気抵抗の低減が可能である。

さらに、図８に示すように熱電変換素子１ａ，１ｂの並設方向と同一方向の対向する両辺部分とこれと直交する両辺部分に断面が三角形の突条部２ｄ，２ｅを有し、且つ熱電変換素子１ａ，１ｂ相互間に対応する部分に断面が三角形の突条部２ａとを有する形状としても良い。

このように電気抵抗低減に寄与しない熱電変換素子１ａ，１ｂの並設方向と直交する対向する両辺部分に突条部２ｅを有する電極形状にすると、電極上に熱電変換素子を配する際に位置決めがし易いという利点も得られる。

次に本発明の第３の実施形態を図９を用いて説明する。

本実施形態では、図９（ａ），（ｂ）に示すように電極２の熱電変換素子１ａ，１ｂと接合されている面（放熱面）２ｇの面積よりも、電極２の主にモジュール外部と熱の授受を行う面（アルミナ基板などと接合される受熱面）２ｆの面積の方が大きくなるような形状、つまり角推台形としたものである。

このような電極形状としても、第１の実施形態と同様に電極の電子の移動に有効な断面積を増加できるので、電気抵抗が低減でき、さらにモジュール外部と熱の授受を行う面の面積の方が大きくなっているため、モジュール外部との熱の授受を効率的に行うことができる。

本実施形態において、電極２の熱電変換素子以外の熱の授受対象が流体である場合には、電極２の主にモジュール外部と熱の授受を行う面（受熱面）にフィンを設けるなどして面積を大きくすることで、熱の授受がさらに効率的に行えるようにしても良い。

ここで、一般に熱電モジュールを保持する絶縁性物質は、一般にはアルミナなどのセラミックス基板が用いられることが多いが、基板によって熱電変換素子１、入出力端子３および電極２を保持するのではなく、熱電変換素子１および入出力端子３の側面をエポキシ樹脂などの絶縁性樹脂で保持する場合もある。

本発明はこの絶縁性物質が基板のものでも樹脂のものでも実施可能である。さらに、本発明は電極としてバルク材だけでなく、溶射などによって形成される場合にも実施可能である。

以上、特定の実施形態に関連して本発明を説明したが、それ以外にも本発明の範囲内に様々な形態が可能であることは当業者にとって容易に理解されるであろう。これらの実施の形態は本発明を例示するものに過ぎず、本発明の範囲を決して制限するものではない。

（ａ）は本発明による熱電変換モジュールにおける第１の実施形態の一例を示す電極で接続された一対の熱電変換素子の斜視図、（ｂ）は電極の斜視図である。 同実施形態の他の例を示す電極の斜視図である。 同実施形態のさらに異なる他の例を示す電極の斜視図である。 （ａ）は本発明による熱電変換モジュールにおける第２の実施形態の一例を示す電極で接続された一対の熱電変換素子の斜視図、（ｂ）は電極の斜視図である。 同実施形態の他の例を示す電極の斜視図である。 （ａ）は本発明による熱電変換モジュールにおける第３の実施形態の一例を示す電極で接続された一対の熱電変換素子の斜視図、（ｂ）は電極の斜視図である。 同実施形態の他の例を示す電極の斜視図である。 同実施形態のさらに異なる他の例を示す電極の斜視図である。 （ａ）は本発明による熱電変換モジュールにおける第４の実施形態の一例を示す電極で接続された一対の熱電変換素子の斜視図、（ｂ）は電極の斜視図である。 従来の一般的な熱電変換モジュールの構成の一例を示した模式図である。 従来の一般的な熱電変換モジュールの構成の他の例を示した模式図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ…熱電変換素子、２…電極、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ…突条部、２ｇ…受熱面、２ｆ…放熱面、３…入出力端子、４…半田、５…絶縁性物質

Claims (6)

1. 適宜の間隔を存して配置される複数個の熱電変換素子と、これら各熱電変換素子の熱通過面となる一方の面間および他方の面間をそれぞれ接続する電気的接続手段を含む熱電変換モジュールにおいて、少なくとも一方の前記電気的接続手段として、前記熱電変換素子と接合している領域に対応する部位の厚さよりもそれ以外の領域における部位の厚さの一部又は全部を大きくしたことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 適宜の間隔を存して配置される複数個の熱電変換素子と、これら各熱電変換素子の熱通過面となる一方の面間および他方の面間をそれぞれ接続する電気的接続手段を含む熱電変換モジュールにおいて、少なくとも一方の前記電気的接続手段として、前記各熱電変換素子相互間に対応する間隙部分における厚さが、熱電変換素子と接合している部位の厚さよりも大きくしたことを特徴とする熱電変換モジュール。
3. 適宜の間隔を存して配置される複数個の熱電変換素子と、これら各熱電変換素子の熱通過面となる一方の面間および他方の面間をそれぞれ接続する電気的接続手段を含む熱電変換モジュールにおいて、少なくとも一方の前記電気的接続手段として、前記各熱電変換素子相互間に対応する間隙部分以外の部位の厚さが、熱電変換素子と接合している部位の厚さよりも大きくしたことを特徴とする熱電変換モジュール。
4. 前記電気的接続手段は、前記熱電変換素子の主に熱及び電流が貫通する面で該電気的接続手段が熱電変換素子と接合する際に、該電気的接続手段が該熱電変換素子の主に熱及び電流が貫通する面以外の部位で接触し得ない形状であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。
5. 適宜の間隔を存して配置される複数個の熱電変換素子と、これら各熱電変換素子の熱通過面となる一方の面間および他方の面間をそれぞれ接続する電気的接続手段を含む熱電変換モジュールにおいて、少なくとも一方の前記電気的接続手段として、熱電変換素子と接合されている面の面積よりも、主にモジュール外部と熱の授受を行う面の面積の方が大きな形状としたことを特徴とする熱電変換モジュール。
6. 前記電気的接続手段は、熱電変換素子と接合されている面の面積よりも、主にモジュール外部と熱の授受を行う面の面積の方が大きな形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱電変換モジュール。

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