JP2009043752A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱源あるいは冷却部において湾曲部を有する箇所でも密着させることができ、熱効率の高い熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の熱電変換モジュール（１）は、複数の熱電変換素子（３）が可撓性のある素材（２）を介して前記可撓性のある素材の両側に配置され、前記複数の熱電変換素子のうちの前記可撓性のある素材が配置されている面の反対側の面に電極（４）が配置されている。可撓性のある素材は耐熱性を有するものが好ましく、また電極は絶縁処理が施された平編線からなり、複数の熱電変換素子に弛みを設けて配置されるようにしてもよい。さらに、本発明の熱電変換モジュールはシート状あるいはワイヤ状として用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電若しくは冷却に使用可能な熱電変換モジュールに係り、特に熱源若しくは冷却部が湾曲しているような箇所に設置できる熱電変換モジュールに関する。

従来からゼーベック効果あるいはペルチェ効果を利用する熱電変換モジュールが知られているが、この熱電変換モジュールは、絶縁熱伝導板（基板）の間に電極とＰ型及びＮ型の半導体からなる熱電変換素子を直列になるように配置し、これらの熱電変換素子に温度差を付けて発電させたり（ゼーベック効果）、若しくは電流を流すことにより冷却したり（ペルチェ効果）するものである（例えば、特許文献１〜３参照）。

また、熱電変換モジュールには基板としてセラミックスや金属が用いられていることもよく知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。

このような熱電変換モジュールは、効率よく発電、冷却を行うために熱源若しくは冷却部に熱電変換モジュールが密着して設置されていることが望ましい。

特開平５−２９６６７号公報 特開２００５−３０２７８３号公報 特開２０００−１６４９４１号公報

上記したように、従来の熱電変換モジュールは、基板と基板の間に電極、熱電変換素子が配置されている。通常熱電変換モジュールには基板としてセラミックス板や金属が用いられていることから、可撓性が悪く、効率よく発電、冷却を行うためには熱源若しくは冷却部が水平な箇所でしか用いられなかった。

従って、熱源若しくは冷却部が湾曲しているような箇所では熱源若しくは冷却部に熱電変換モジュールを密着させることが困難なため、効率よく発電、冷却を行うことが難しかった。

また、基板として用いられているセラミックス板は熱膨張率が小さく、一方金属は熱膨張率が大きいものが多いため、熱電変換素子や電極との間の熱膨張率の違いにより熱電変換モジュールに熱応力が加わり破損が生じる虞もあった。

さらに、従来の熱電変換モジュールを熱源若しくは冷却部に用いた場合は、熱源若しくは冷却部と電極、熱電変換素子の間に基板が介されているので、熱効率が低いという問題もあった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、熱源若しくは冷却部が湾曲しているような箇所であっても密着させることができ、しかも熱効率の高い熱電変換モジュールを提供するものである。

この目的を達成するために本発明の熱電変換モジュールの第１の態様は、熱電変換素子及び電極から構成される熱電変換モジュールにおいて、複数の熱電変換素子が可撓性のある素材を介して可撓性のある素材の両側に配置され、複数の熱電変換素子のうちの可撓性のある素材が配置されている面の反対側の面に電極が配置されていることを特徴とする。

また本発明の熱電変換モジュールの第２の態様は、第１の態様において、可撓性のある素材は耐熱性を有するゴムまたは樹脂からなることを特徴とする。

さらに本発明の熱電変換モジュールの第３の態様は、第２の態様において、可撓性のある素材は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン・アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、エチレン・アクリルゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂の何れか一つからなることを特徴とする。

また本発明の熱電変換モジュールの第４の態様は、第１から第３の態様において、電極は平編線からなることを特徴とする。

さらに本発明の熱電変換モジュールの第５の態様は、第１から第４の態様において、電極は熱電変換素子に跨って設けられ、熱電変換素子間において弛みが設けられていることを特徴とする。

また本発明の熱電変換モジュールの第６の態様は、第１から第５の態様において、電極に絶縁処理が施されていることを特徴とする。

さらに本発明の熱電変換モジュールの第７の態様は、第１から第６の態様において、熱電変換モジュールがシート状であることを特徴とする。

また本発明の熱電変換モジュールの第８の態様は、第１から第６の態様において、熱電変換モジュールがワイヤ状であることを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュールの第１の態様では、可撓性のある素材を介して熱電変換素子が配置されているので、熱電変換モジュールを熱源若しくは冷却部が湾曲している箇所に設置する場合でも密着させて設置できるので熱効率の高い熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の熱電変換モジュールの第２の態様では、可撓性のある素材として耐熱性を有するゴムまたは樹脂を用いるので、熱源からの熱や冷却すべき高温の対象物に対しても本来の機能を損なうことがない熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の熱電変換モジュールの第３の態様では、可撓性のある素材として種々の耐熱性を有するゴムまたは樹脂を選択することができるので、目的に合わせた適切な熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の熱電変換モジュールの第４の態様では、電極として伸縮性のある平編線を用いるので、熱電変換モジュールが湾曲されて設置されるような場合でもその湾曲部の形状に合わせて電極も伸縮可能となり、熱電変換モジュールの湾曲部に対する密着性が高くなる。

本発明の熱電変換モジュールの第５の態様では、電極が熱電変換素子間に弛みを設けて配置されるので、熱電変換モジュールが湾曲されて設置されるような場合でも電極の伸縮性がより高くなり、熱電変換モジュールの湾曲部に対する密着性がさらに向上する。

本発明の熱電変換モジュールの第６の態様では、電極に絶縁処理が施されているので、熱源や冷却部が導電性のある材料から構成されている場合であっても電極が接することにより回路が短絡するようなことがない熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の熱電変換モジュールの第７の態様では、熱電変換モジュールをシート状に形成しているので、面的な広がりのある湾曲した熱源や冷却部の箇所に設置可能な熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の熱電変換モジュールの第８の態様では、熱電変換モジュールをワイヤ状に形成しているので、パイプのような湾曲した熱源や冷却部に螺旋状に熱電変換モジュールを巻き付けて使用することができる。

以下、本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の熱電変換モジュールの構成を表した斜視図である。図１において、本発明の熱電変換モジュール１は、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン・アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、エチレン・アクリルゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などからなる可撓性のある素材２を介して、Ｐ型半導体及びＮ型半導体からなる熱電変換素子３が複数個配置されている。

なおここで、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン・アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、エチレン・アクリルゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などは１５０℃程度の耐熱性を有しており、またシリコーンゴム、フッ素ゴムなどは３００℃程度の耐熱性を有しているが、本発明は特にこれらのゴムあるいは樹脂に限定されるものではなく、本発明の目的にかなうものならば他のゴム若しくは樹脂であっても差し支えない。

このように可撓性のある素材を介して熱電変換モジュールを配置すると、例えば図１に模式的に示すように湾曲させることが可能となるので、熱源や冷却部が湾曲しているような場合でも、その形状に合わせて熱電変換モジュールを密着させることができる。なお、可撓性のある素材２は、ゼーベック効果により温度差を利用して発電する場合は、熱源からの熱が可撓性のある素材２を介して伝わるために耐熱性を有しているものが好ましく、また、ペルチェ効果を利用して冷却する場合も冷却すべき対象物が高温の場合には耐熱性を有しているものが好ましい。

また熱電変換素子３には、可撓性のある素材２と接している面と反対側の面に電極４が配置されている。この電極４は、その目的が達成されるならば特に用いられる材料、形状等に制限はないが、平編線を用いると熱電変換モジュールが湾曲されて設置されるような場合に、その湾曲部の形状に合わせて電極も伸縮可能となるので好ましい。

このような構成の熱電変換モジュールは、可撓性のある素材２上に熱電変換モジュールが配置されているので、矢印で示すように図における上下どちらの方向にも湾曲させることが可能である。

特に、複数の熱電変換素子に跨って電極を配置するような場合には熱電変換素子間に弛みを設けて配置すると、より伸縮性が向上する。図２は複数の熱電変換素子に跨って電極を配置した例を表す図であり、熱電変換素子３、３に跨って電極４が弛みを設けて配置されている状況を示している。図２において、図２（ａ）は熱電変換素子３の面のうち可撓性のある素材２と反対側の面に電極４が弛みを設けて配置されている例であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の図を可撓性のある素材を省略して下方から見た図である。

なお、電極４には絶縁皮膜を被覆するなどの処理を施してもよい。このような処理を行うと、例えば熱源や冷却部が導電性のある材料により構成されているような場合には、熱源や冷却部と電極が接することにより回路が短絡するようなことがなくなるので好ましい。

絶縁処理としては、エナメル被覆、シリカコーティング（ホーロー等）、耐熱テープ（マイカ、ガラス等）の貼り付け、高温セラミックスの接着剤やペーストでのコーティングなどを行うとよい。

ここで、本発明の熱電変換モジュールは熱源や冷却部の形状に合わせて、シート状若しくはワイヤ状とすることができる。図３は本発明の熱電変換モジュールを熱源や冷却部の形状に合わせて設置する場合の例を示したものであり、図３（ａ）は面的な広がりのある湾曲した熱源や冷却部の一部の箇所にシート状の熱電変換モジュールを設置した例であり、熱源若しくは冷却部、例えばパイプ５のような湾曲した形状に合わせて熱電変換モジュール１を密着させることが可能である。

一方、図３（ｂ）は例えばパイプ５のような筒状の熱源や冷却部の周囲に螺旋状にワイヤ状の熱電変換モジュール１を巻き付けた例であり、やはり湾曲した熱源や冷却部に熱電変換モジュールを密着して設置することが可能である。

次に、本発明の具体的な例として、本発明の熱電変換モジュールを温度差のある箇所に設置して出力（発電量、単位：Ｗ）を測定した実施例を従来の基板を用いた比較例とともに示す。
＜実施例１＞
可撓性のある素材としてシリコーンゴムを用い、このシリコーンゴムを介して熱電変換素子として酸化物系のＰ型半導体であるＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９とＮ型半導体であるＬａＮｉＯ_３を交互に配置し、電極としてガラス耐熱テープにより絶縁処理を施した平編線を用いたシート状の熱電変換モジュールを準備した。

なお、シート状の熱電変換モジュールのサイズは縦×横が２３５．５ｍｍ×２０４．５ｍｍであり、可撓性のある素材として厚さ２ｍｍのシリコーンゴムを用い、熱電変換素子は、Ｐ型半導体のサイズとして縦×横×高さが７ｍｍ×７ｍｍ×６ｍｍ、Ｎ型半導体のサイズとして縦×横×高さが５ｍｍ×５ｍｍ×６ｍｍである。

このようなシート状の熱電変換モジュールを高温側として加熱した直径２００ｍｍのＳＵＳ管上に湾曲部に密着するように貼り付け、一方低温側としてアクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物と水を使用した保冷剤を熱電変換モジュール形状に凍らして、熱電変換モジュールを覆うように設置した。

なお、ＳＵＳ管の温度は約１５０℃及び約３００℃とし、保冷剤の温度は約５０℃及び約１００℃とした。また、熱電変換素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体の結合を１対とし、縦方向に１０対、横方向に９対並べ、すべて直列に結合して合計１８０対の熱変換モジュールとして構成した。

測定結果を表１に示す。

＜実施例２＞
可撓性のある素材としてシリコーンゴムを用い、このシリコーンゴムを介して熱電変換素子として酸化物系のＰ型半導体であるＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９とＮ型半導体であるＬａＮｉＯ_３を交互に配置し、電極としてガラス耐熱テープにより絶縁処理を施した平編線を用いたワイヤ状の熱電変換モジュールを準備した。

このようなワイヤ状の熱電変換モジュールを高温側として加熱した直径２００ｍｍのＳＵＳ管上に螺旋状に巻き付け、一方低温側としては冷風を用いた。なお、ＳＵＳ管の温度は３００℃とし、冷風の温度は２７０℃とした。

ワイヤ状の熱電変換モジュールのサイズは、Ｐ型半導体とＮ型半導体の結合を１対とし、１８０対結合した長さ１．２ｍの熱電変換素子を１本とし、これを１０本直列になるように巻き付け、合計で１０００対が直列になるようにして測定を行った。

測定結果を表２に示す。

＜実施例３＞
可撓性のある素材としてフッ素樹脂を用い、このフッ素樹脂を介して熱電変換素子として酸化物系のＰ型半導体であるＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９とＮ型半導体であるＬａＮｉＯ_３を交互に配置し、電極としてガラス耐熱テープにより絶縁処理を施した平編線を用いたシート状の熱電変換モジュールを準備した。

なお、シート状の熱電変換モジュールのサイズは縦×横が７０ｍｍ×７０ｍｍであり、熱電変換素子は、Ｐ型半導体のサイズとして縦×横×高さが７ｍｍ×７ｍｍ×６ｍｍ、Ｎ型半導体のサイズとして縦×横×高さが５ｍｍ×５ｍｍ×６ｍｍである。

このようなシート状の熱電変換モジュールを高温側として加熱した直径２００ｍｍのＳＵＳ管上に湾曲部に密着するように貼り付け、一方低温側としてアクリル酸重合体部分ナトリウム塩架橋物と水を使用した保冷剤を熱電変換モジュール形状に凍らして、熱電変換モジュールを覆うように設置した。

なお、ＳＵＳ管の温度は約３００℃とし、保冷剤の温度は約１００℃とした。また、熱電変換素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体の結合を１対とし、２枚のシート状の熱電変換モジュールを縦方向に直列に接続して合計３６対となるようにして測定した。

測定結果を表３に示す。

＜比較例＞
可撓性のある素材を用いず、縦×横×厚さが４０ｍｍ×５０ｍｍ×１ｍｍのセラミックス基板上に熱電変換素子として酸化物系のＰ型半導体であるＣａ_３Ｃｏ_４Ｏ_９とＮ型半導体であるＬａＮｉＯ_３を交互に配置し、電極として銀テープを用いた熱電変換モジュールを準備した。

このような熱電変換モジュールを高温側として加熱した直径２００ｍｍのＳＵＳ管上の湾曲部に貼り付け、一方低温側としては冷風を用いた。なお、ＳＵＳ管の温度は２２５℃とし、冷風の温度は２００℃とした。また、熱電変換素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体の結合を１対とし、基板サイズに合わせて１個の熱電変換モジュールにつき８対配置して、この熱電変換モジュールを直列に２５個接続して図４に示すようにＳＵＳ管の湾曲部に貼り付け、測定した。図４において、ＳＵＳ管４０の湾曲部に熱電変換素子８対を配置した熱電変換モジュール４１を２５個直列に接続した例を示している（図では熱電変換モジュールの接続個数を便宜的に５個で表している）。

測定結果を表４に示す。

上記実施例及び比較例から、ＳＵＳ管の湾曲部に密着して貼り付けることができる本発明の熱電変換モジュールは出力（Ｗ）、即ち発電量が多いのに対して、比較例ではＳＵＳ管と熱電変換モジュールとの間に隙間ができるために十分に熱が伝わらず、極めて低い発電量しか得られなかった。

以上より、従来の基板を用いた熱電変換モジュールに比べて本発明の可撓性のある熱電変換モジュールは湾曲部のある箇所においても高い熱効率が得られることが明らかである

本発明の熱電変換モジュールの構成の一実施の形態を示す斜視図である。 複数の熱電変換素子に跨って電極を配置した例を示す図である。 本発明の熱電変換モジュールを熱源や冷却部の形状に合わせて設置する場合の例を示す図である。 基板を用いた熱電変換モジュールを湾曲部に設置した例を示す図である。

符号の説明

１ 熱電変換モジュール
２ 可撓性のある素材
３ 熱電変換素子
４ 電極
５ パイプ

Claims (8)

1. 熱電変換素子及び電極から構成される熱電変換モジュールにおいて、複数の熱電変換素子が可撓性のある素材を介して前記可撓性のある素材の両側に配置され、前記複数の熱電変換素子のうちの前記可撓性のある素材が配置されている面の反対側の面に電極が配置されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記可撓性のある素材は耐熱性を有するゴムまたは樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記可撓性のある素材は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、クロロスルホン化ポリエチレン・アクリルゴム、エピクロロヒドリンゴム、エチレン・アクリルゴム、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂の何れか一つからなることを特徴とする請求項２記載の熱電変換モジュール。
4. 前記電極は平編線からなることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れか１項記載の熱電変換モジュール。
5. 前記電極は前記熱電変換素子に跨って設けられ、前記熱電変換素子間において弛みが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４までの何れか１項記載の熱電変換モジュール。
6. 前記電極に絶縁処理が施されていることを特徴とする請求項１から請求項５までの何れか１項記載の熱電変換モジュール。
7. 前記熱電変換モジュールはシート状であることを特徴とする請求項１から請求項６までの何れか１項記載の熱電変換モジュール。
8. 前記熱電変換モジュールはワイヤ状であることを特徴とする請求項１から請求項６までの何れか１項記載の熱電変換モジュール。

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