JP2009239031A - Thermoelectric element device and thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱エネルギを電気エネルギに、また電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱電素子デバイス及びこれらから構成される熱電モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric device that directly converts thermal energy into electrical energy and electrical energy into thermal energy, and a thermoelectric module composed of these devices.
一般に、熱電素子デバイスは、互いに対向する2つの電極と、この間に挿入されるp型熱電変換半導体及びn型熱電変換半導体の対とから構成される。そして、熱電変換半導体が有するトムソン効果、ペルチェ効果、又はゼーベック効果等の熱電効果を利用することにより、熱エネルギが電気エネルギに、また電気エネルギが熱エネルギに直接変換される。また、実用的には、熱電素子デバイスを並列配置することにより構成した熱電モジュールが利用されている。 In general, a thermoelectric device is composed of two electrodes facing each other and a pair of a p-type thermoelectric conversion semiconductor and an n-type thermoelectric conversion semiconductor inserted between them. Then, by using a thermoelectric effect such as a Thomson effect, a Peltier effect, or a Seebeck effect that the thermoelectric conversion semiconductor has, heat energy is directly converted into electric energy and electric energy is directly converted into heat energy. Moreover, practically, a thermoelectric module configured by arranging thermoelectric element devices in parallel is used.
このような熱電変換デバイス又は熱電モジュールの一例が、特許文献1に記載されている。特許文献1では、対向する電極と、この間に林立する柱状のp型熱―電気直接変換素子及びn型熱―電気直接変換素子とから構成される熱電変換装置が開示されている。
An example of such a thermoelectric conversion device or thermoelectric module is described in
そして、これらの熱電素子と放熱電極との間が半田により接合される一方、吸熱電極はその一部に変形可能な網構造部材を有しており、この網構造部材が上記の熱電素子としゅう動可能に接している。 The thermoelectric element and the heat dissipation electrode are joined by soldering, and the heat absorption electrode has a deformable net structure member in a part of the thermoelectric element. It touches movably.
上記の熱電変換装置では、網構造部材の変形及びしゅう動により、吸熱電極と熱電素子との間の熱膨張差に起因する熱応力が緩和され、熱電変換装置の破損や損傷を防止することができる。
しかし、特許文献1に開示されている熱電変換装置では、高温側熱源の実用状況下にあっては、熱源の温度分布発生による熱膨張差が存在することにより熱電変換装置に局所的な変形を与える。そのため、網構造部材が吸熱電極と熱電半導体との間に設けられたことによって熱応力は緩和される一方で、網構造部材が熱電素子の全面に渡って常に熱を伝えやすい状態であるとはいえない。
However, in the thermoelectric conversion device disclosed in
つまり、熱電気変換装置の高温側に対して熱源から熱を伝達できる面積が小さくなるため、熱電変換装置が本来有する熱電変換性能を十分に発揮できないという不都合があった。 That is, since the area where heat can be transmitted from the heat source to the high temperature side of the thermoelectric conversion device becomes small, there is a disadvantage that the thermoelectric conversion performance inherent to the thermoelectric conversion device cannot be fully exhibited.
このような現象は、特許文献1に開示されている熱電変換装置に限らず、吸熱電極と熱電素子とを直接接合した熱電変換装置についても当然に起こりうる問題である。
Such a phenomenon is a problem that can naturally occur not only in the thermoelectric conversion device disclosed in
また、熱電変換装置は、熱電素子の上下間の温度差が大きいほど発生する電力も大きくなる。したがって、熱電素子の高温側に対して受熱面積の増加および複数の経路で熱を伝達させることが必要である。 Further, in the thermoelectric conversion device, the generated electric power increases as the temperature difference between the upper and lower sides of the thermoelectric element increases. Therefore, it is necessary to increase the heat receiving area and transfer heat through a plurality of paths to the high temperature side of the thermoelectric element.
本発明は、上記の不都合を解消し、熱電素子に複数の経路で熱を伝達させるとともに、高温側熱源の温度分布による局所的な変形が生じた場合であっても効率よく熱を伝達させる熱電素子デバイス及びこれを用いる熱電モジュールを提供することを目的とする。 The present invention eliminates the above inconveniences and allows the thermoelectric element to transfer heat through a plurality of paths and efficiently transfer heat even when local deformation occurs due to the temperature distribution of the high temperature side heat source. An object is to provide an element device and a thermoelectric module using the element device.
上記目的を達成するために本発明の一実施例に係る熱電素子デバイスは、以下のように構成されている。 In order to achieve the above object, a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is configured as follows.
(1)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、互いに離間するn型電導部及びp型電導部から構成され、熱電効果を有する材料から構成される熱電素子対と、前記熱電素子対の一端側に設置された高温側基板と、前記熱電素子対と前記高温側基板との間に設置された第1の電極と、前記熱電素子対と接するように前記熱電素子対の間に配置された伝熱部材と、前記熱電素子対の他端側に設置された低温側基板と、前記熱電素子対と前記低温側基板との間に設置された第2の電極とを有する。 (1) The thermoelectric element device according to the present embodiment is composed of an n-type conductive part and a p-type conductive part that are separated from each other, and a thermoelectric element pair made of a material having a thermoelectric effect, and one end side of the thermoelectric element pair A high-temperature side substrate placed on the substrate, a first electrode placed between the thermoelectric element pair and the high-temperature side substrate, and a transmission disposed between the thermoelectric element pair so as to be in contact with the thermoelectric element pair. A thermal member, a low temperature side substrate disposed on the other end side of the thermoelectric element pair, and a second electrode disposed between the thermoelectric element pair and the low temperature side substrate.
(2)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(1)であって、前記伝熱部材は、横方向断面がΩ形状である。 (2) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (1), and the heat transfer member has an Ω-shaped cross section in the lateral direction.
(3)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(2)であって、前記伝熱部材は、前記熱電素子対それぞれの上面と、前記第1の電極との間で挟まれて接触する。 (3) The thermoelectric device according to the present embodiment is the above (2), and the heat transfer member is sandwiched between and contacts the upper surface of each thermoelectric element pair and the first electrode. .
(4)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(3)であって、前記伝熱部材は、前記熱電素子対のそれぞれの側面と少なくとも一箇所ずつ接する。 (4) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (3), wherein the heat transfer member is in contact with each side surface of the thermoelectric element pair at least one place.
(5)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(4)であって、前記伝熱部材は、弾性を有する金属材料で構成される。 (5) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (4), and the heat transfer member is made of a metal material having elasticity.
(6)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(5)であって、前記伝熱部材は、前記弾性を有する金属材料と銅膜の2層で構成されており、前記第1の電極と前記銅膜を介して接触する。 (6) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (5), wherein the heat transfer member includes two layers of the elastic metal material and a copper film, and the first electrode And contact through the copper film.
(7)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(1)であって、前記第1の電極、前記第2の電極および前記熱電素子対が外気から遮断する枠を有する。 (7) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (1), and includes a frame in which the first electrode, the second electrode, and the thermoelectric element pair are shielded from outside air.
(8)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(1)であって、前記第1の電極は、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子対と接するように設けられた均熱部材とを備える。 (8) The thermoelectric device according to the present embodiment is the above (1), wherein the first electrode includes an electrode member, an elastic member having conductivity and provided on the electrode member, and conductivity. And a soaking member provided on the elastic member and in contact with the thermoelectric element pair.
(9)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(1)であって、前記第2の電極が、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子と接するように設けられた均熱部材とを備える。 (9) The thermoelectric device according to the present embodiment is the above (1), wherein the second electrode is an electrode member, an elastic member having conductivity and provided on the electrode member, and conductivity. And a soaking member provided on the elastic member and in contact with the thermoelectric element.
(10)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(1)から(9)のいずれか1つであって、前記熱電素子対における熱電効果を有する材料は、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、MgAgAs型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物、もしくはこれらの混合物、又はこれらの接合体である。 (10) The thermoelectric device according to the present embodiment is any one of the above (1) to (9), and the material having a thermoelectric effect in the thermoelectric device pair is composed of a compound of bismuth and tellurium as a main phase. The main phase is a compound having a filled skutterudite structure in which voids in a CoSb 3- based compound crystal having a skutterudite crystal structure are filled, and a substance having a bismuth and antimony compound as a main phase. A substance, a substance mainly composed of a half-Heusler compound having an MgAgAs type crystal structure, a clathrate compound containing barium and gallium, or a mixture thereof, or a conjugate thereof.
(11)本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(1)から(10)のいずれか1つであって、前記熱電素子対は、互いに離間するn型電導部及びp型電導部から構成され、前記第1の電極及び前記第2の電極のいずれか一方が、前記n型電導部上に配置される第1の部分と、前記p型電導部上に配置される第2の部分とに離間する。 (11) The thermoelectric device according to the present embodiment is any one of the above (1) to (10), and the thermoelectric device pair includes an n-type conductive portion and a p-type conductive portion that are separated from each other. A first portion in which one of the first electrode and the second electrode is disposed on the n-type conductive portion, and a second portion disposed on the p-type conductive portion, Separate.
(12)本実施形態に係る熱電モジュールは、上記(1)から(11)のいずれか1つに記載されている、複数個の熱電素子デバイスが、該複数個の熱電素子デバイスのいずれもが隣の熱電モジュールと電気的に接続されるように構成されている。 (12) The thermoelectric module according to this embodiment includes a plurality of thermoelectric element devices described in any one of (1) to (11) above, and the plurality of thermoelectric element devices are all It is configured to be electrically connected to the adjacent thermoelectric module.
本発明に係る熱電素子デバイス及びこれを用いる熱電モジュールは、弾性を有する伝熱部材を設けることで、熱電素子の側面からも熱を伝達することができるため、熱電素子間の温度差を大きくできるため、発生する電力も大きくなる。 The thermoelectric element device according to the present invention and the thermoelectric module using the thermoelectric element device can provide heat from a side surface of the thermoelectric element by providing an elastic heat transfer member, so that the temperature difference between the thermoelectric elements can be increased. For this reason, the generated electric power also increases.
また、熱電素子デバイス内に生じる熱応力によって、電極と熱電素子の接触面との間に隙間が生じた場合であっても、弾性を有する伝熱部材を設けることで、熱電素子の側面から熱を伝達することができるため、熱電発電性能が低下することはない。 In addition, even when a gap is generated between the electrode and the contact surface of the thermoelectric element due to the thermal stress generated in the thermoelectric element device, heat can be applied from the side surface of the thermoelectric element by providing an elastic heat transfer member. Therefore, the thermoelectric power generation performance is not deteriorated.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付す。また、添付図面は、実施形態に係る熱電素子デバイス200及び熱電モジュール100を模式的に示しているに過ぎない。このため、厚さと平面寸法との関係や各部材の厚さの比率等が、現実の設計通りに現されているとは限らないことに留意すべきである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. Further, the attached drawings only schematically show the
図1は、本発明の実施形態に係る熱電モジュール100の構成を示す概略図である。図示の通り、熱電モジュール100は、複数の熱電素子デバイス200を2次元的に配列することにより構成されている。ここで、熱電素子デバイス200は、高温側電極10及び低温側電極5と、その間にこれらと電気的かつ熱的に接続される熱電素子4とから構成される。また、熱電モジュール100は、図2に示すように、複数の熱電素子デバイス200をケース6で囲まれている。そして、低温側系統1、高温側系統2で熱電モジュール100を挟むことで、熱電モジュール100に生じた温度差により発電することができる。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a
また、熱電モジュール100と外部回路との間の電気エネルギの授受は、低温側電極2と接続して設けられる2本の導線20により行われる。
In addition, transfer of electrical energy between the
図1から明らかなように、各熱電素子デバイス200は、2本の導線20の間において、互いに電気的に直列に配置される。このため、2本の導線20の間に直流電圧を印加して電流を流すと、電流は、各熱電素子デバイス200と流れ、高温側電極10及び低温側電極3のいずれか一方が放熱面、他方が吸熱面として機能する。
As is clear from FIG. 1, each
図2は、本発明の実施形態に係る熱電モジュール100および熱電素子200の構成を示す側面断面図の概略図である。
FIG. 2 is a schematic side sectional view showing the configuration of the
図2に示す熱電モジュール100および熱電素子200の構成を示す側面断面図は、図1では省略したケース6等を含めた図1に示す熱電モジュール100のA−A断面図である。
2 is a cross-sectional side view taken along line AA of the
図示の通り、熱電モジュール100は、低温側電極3、熱電素子4、低温側基板5、ケース6、高温側基板7、高温側電極10、伝熱部材30を有し、低温側系統1および高温側系統2で挟まれている。
As illustrated, the
伝熱部材30については、後に詳述する。熱電素子4は、p型熱電素子およびn型熱電素子の対で構成されている。そして、熱電素子4が配列される位置に対応して配列された低温側に設けられた低温側電極3は、低温側基板5にアレイ状に配列されている。そして、低温側基板5と接するように熱電モジュール100を冷却するための低温側系統1が設けられている。
The
低温側基板5は、熱電素子4と接続されている低温側電極3を電気的に絶縁するために電気的絶縁性を有する材料が用いられている。そして、熱電素子4の低温側基板5側は、低温側系統1と熱的に接続している。
The low
熱電素子4は、図2に示す通り、互いに離間した熱電素子4の対により構成されている。熱電素子4は、ペルチェ効果、ゼーベック効果、又はトムソン効果といった熱電効果を有する熱電材料からそれぞれ構成される。このような材料の典型的なものとして、以下の熱電半導体、すなわち、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、MgAgAs型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物がある。
The
また、これらの混合物から熱電素子4を構成することもできる。さらに、これらの物質、化合物、又は混合物の接合体により、熱電素子4を構成してもよい。これらは、熱伝導率が比較的小さいという性質を有している。このため、これらの物質等から熱電素子4が構成される場合には、熱電素子4内での温度勾配が維持され易いため、熱電モジュール100の性能が向上される。
Moreover, the
また、これらの熱電半導体には、p型電導及びn型電導といった2つの電導型がある。本実施形態のように、熱電素子4が対として構成される場合は、典型的には、この対の一方がn型電導性であり、他方がp型電導性である。
In addition, these thermoelectric semiconductors have two conductivity types, p-type conductivity and n-type conductivity. When the
また、熱電モジュール100は、複数の熱電素子4を外気から遮断するように筐体であるケース6を有している。ケース6は、複数の熱電素子4の周囲を取り囲む金属枠で構成され、低温側基板5と接続することで、複数の熱電素子4を密封している。ケース6は、複数の熱電素子4等からなる内部構成品を外気から遮断するとともに、ケース6の内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する。
Moreover, the
不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンから選択されるガスからなることが好ましい。或いはこれらの混合ガスでもよい。これらの非酸化性の気体をケース6内に封入し、内部雰囲気を非活性とすることにより、半導体チップ等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱電モジュール100が得られる。
The inert gas is preferably composed of a gas selected from nitrogen, helium, neon, argon, krypton and xenon. Or these mixed gas may be sufficient. By enclosing these non-oxidizing gases in the
また、熱電モジュール100において、不活性ガス雰囲気の圧力が、常温で外気圧より低く設定されていることが好ましい。ケース6内の不活性ガス雰囲気の圧力を外気圧より低く設定することにより、高温時の内圧の上昇に伴う破損を防止するとともにケース6内の不活性ガス雰囲気中に水分が残留することが効果的に防止でき、水分による半導体チップの劣化損傷を効果的に抑止できる。さらに、ケース6内のガス雰囲気における熱伝導性が低下するために、熱電素子4から金属枠方向に熱が放散することが防止でき、熱−電気変換効率を高めることができる。
Moreover, in the
ケース6を構成する金属は、例えばニッケル基合金のような耐熱合金もしくは耐熱金属から形成される。耐熱合金もしくは耐熱金属としては、高温度使用環境における耐久性の点から、ニッケル基合金の他、ニッケル、炭素鋼、ステンレス鋼、クロムを含む鉄基合金、シリコンを含む鉄基合金、コバルトを含有する合金又はニッケル若しくは銅を含有する合金のいずれかより選択されることが好ましい。
The metal constituting the
熱電素子4は、低温側電極3との接触する側と逆側に高温側電極10が接触している。そして、高温側電極10と接触するように高温側基板7が設けられている。高温側基板7は、ケース6と接触して設けられ、高温側基板7と対向するように熱電モジュール100を熱するための高温側系統2が設けられている。
In the
熱電素子4を構成するp型熱電素子およびn型熱電素子は、図1に示すように高温側電極10および低温側電極4によって直列接続されている。
The p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element constituting the
次に、図3および図4を用いて、本発明の実施形態にかかる伝熱部材30について説明する。図3は、図1に示す熱電素子デバイス200を分解して示す斜視図である。図4は、図2に示す熱電モジュール100および熱電素子200の構成を示す側面断面図について、伝熱部材30を拡大して示す図である。
Next, the
伝熱部材30は、高温側電極10側であって、高温側電極10で接続されている熱電素子4の間に設けられ、熱電素子4の側面に熱を伝達するものである。
The
伝熱部材30は、1枚の金属板を変形させることで形成される。説明の都合上、伝熱部材30を第1の平面部301、曲面部302、第2の平面部303で構成されているとして説明する。具体的には、図3又は図4に示すように、伝熱部材30は、開口部が上向きに設けられた断面Ω形であり、伝熱部材30の曲面部302は、熱電素子4を構成するp型熱電素子およびn型熱電素子の間に挟まれている。そして、伝熱部材30の平板部301および303は、高温側電極10と熱電素子4の間に接するように挟まれて配置されている。図3および図4では、平板部301および303は、熱電素子4の上面と完全に接するように設けられているが、伝熱部材30がp型熱電素子およびn型熱電素子の熱電素子4の間に吊り下げるように、熱電素子4の上面の一部と接するようにしてもよい。
The
つまり、平板部301および303は、伝熱部材30の熱電素子4間での位置保持する機能および受熱面を確保する機能の両方を有している。また、伝熱部材30の曲面部302は、熱電素子4を構成するp型熱電素子およびn型熱電素子と少なくともそれぞれ1箇所と接するように曲面で構成されている。
That is, the
また、熱電素子デバイス200は、熱電素子デバイス200の上面と下面との間に生じる温度差によって発電するため、曲面部302が熱電素子4の側面と接する位置は、熱電素子4の側面の上部であるほうが好ましい。したがって、伝熱部材30を設けることで、熱電素子4に対する受熱面積の増加および熱伝達経路の拡張を図ることができる。
Further, since the
また、伝熱部材30はΩ型の断面形状をしているので、熱電素子デバイス200の横方向に対してバネ性を有する。したがって、図3に示すように、熱電素子4間に伝熱部材30を挿入する場合、熱電素子4が伝熱部材30を圧接するように配置されている。そのため、熱電素子デバイス200が熱応力または外部からの影響によって横方向のずれが生じた場合であっても、伝熱部材30がそれに追従するため、熱電素子4とは常に接した状態が保たれる。
Moreover, since the
伝熱部材30の材質は、例えば、以下のようなものが用いられる。
As the material of the
例えば、(1)Fe、Ni、Co、Cr、Nb、Mo、Ta、W、Hf、Ag、Zn、Cu、Sb、Mn、Ti、Zr、Snのうち少なくとも一つから成る材料で形成される。(2)ステンレス鋼、Ni系超合金、Ni-Co系超合金、Co系超合金のうちのいずれか一つであってもよい。(3)Ni、Cr、Mn、Si、Al、Ti、Cu、C、V、Co、W、Mo、Nb、Nのうち少なくとも一つを含むFe基合金であってもよい。(4)Fe、Cr、Mn、Si、Al、Ti、C、V、Co、W、Mo、Nb、Nのうち少なくとも一つを含むNi基合金であってもよい。(5)Fe、Ni、Cr、Mn、Si、C、V、W、Mo、Nb、Nのうち少なくとも一つを含むCo基合金であってもよい。(6)Fe、Mn、Si、C、V、W、Mo、Nb、N、Al、Tiのうち少なくとも一つを含むNi-Cu系合金であってもよい。(7)上記(1)で示した材料に(1)に示した材料がクラッドもしくはメッキされた材料であってもよい。(8)上記(2)ないし(6)に示した材料に上記(1)に示した材料がクラッドもしくはメッキされた材料であってもよい。 For example, (1) Fe, Ni, Co, Cr, Nb, Mo, Ta, W, Hf, Ag, Zn, Cu, Sb, Mn, Ti, Zr, Sn are formed of a material composed of at least one. . (2) Any one of stainless steel, Ni-based superalloy, Ni-Co-based superalloy, and Co-based superalloy may be used. (3) An Fe-based alloy containing at least one of Ni, Cr, Mn, Si, Al, Ti, Cu, C, V, Co, W, Mo, Nb, and N may be used. (4) A Ni-based alloy containing at least one of Fe, Cr, Mn, Si, Al, Ti, C, V, Co, W, Mo, Nb, and N may be used. (5) A Co-based alloy containing at least one of Fe, Ni, Cr, Mn, Si, C, V, W, Mo, Nb, and N may be used. (6) A Ni—Cu alloy containing at least one of Fe, Mn, Si, C, V, W, Mo, Nb, N, Al, and Ti may be used. (7) The material shown in (1) may be clad or plated with the material shown in (1) above. (8) The material shown in the above (1) may be clad or plated with the material shown in the above (2) to (6).
上記示したように、高温でも融解または化学反応等せず、バネ性を有する材料が適している。 As shown above, a material that does not melt or chemically react even at high temperatures and has a spring property is suitable.
そして、伝熱部材30は、上記(7)または(8)に示したように、2層構造となっている。図4は、伝熱部材30が2層構造となっている図であり、例えば銅の層が設けられる。伝熱部材30が2層構造で構成されている場合、図4に示すように、伝熱部材30は、熱電素子4と接しない面についてクラッドもしくはメッキされた材料として銅の層が設けられる。つまり、伝熱部材30の銅の層は、高温側電極10と接する。熱抵抗を低減するための銅の層を伝熱部材30に設けることで、効率よく伝熱部材30を介して、熱電素子4の側面に熱を伝達することができる。
The
したがって、熱電素子4は、高温側電極10と接する熱電素子4の上面だけでなく、伝熱部材30を介して熱電素子4の側面に熱を伝達することができるので、熱電素子4の高温側に対して複数の経路で熱を伝達させることができる。そのため、熱電モジュール100で発生する電力も大きくなる。
Therefore, the
また、図2に示す熱電モジュール100を構成する高温側基板7は、熱源の温度分布発生による熱膨張差が存在する。したがって、高温側基板7は、熱電モジュール100に対して局所的な変形を与える。その影響により、高温側電極10が熱電素子4の上面と全面に渡って常に接触した状態とはならなくなる。そのため、高温側系統2から熱電素子4に熱を伝達できる面積が小さくなる。
Moreover, the high temperature side board | substrate 7 which comprises the
この場合であっても、伝熱部材30を設けることで、熱電素子4に伝熱部材30を介して熱を伝達できるので、発電効率が落ちることはなくなる。
Even in this case, by providing the
さらに、熱電素子4を構成するp型熱電素子およびn型熱電素子が配置される間隔は極めて狭いため、熱応力または外部からの衝撃により直接接する場合も起こりうる。直接接した場合、熱電素子4が、本来の性能を保持できなくなるため、伝熱部材30は、熱電素子4の位置保持の役割も果たしている。
Furthermore, since the interval at which the p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element constituting the
また、伝熱部材30は、熱電モジュール100に対して横方向の弾性を有する構造であり、高温側電極10と接して、熱を伝達できる構造であればよいため、図5のようにすることもできる。
In addition, the
つまり、伝熱部材30の一部は、熱電素子4の上面と高温側電極10との間に接するように挟まれる位置に配置されている。そして、熱電素子4間では、伝熱部材30は、断面円環状であり、熱電素子4を構成するp型熱電素子およびn型熱電素子と少なくともそれぞれ1箇所と接するように構成されていればよい。伝熱部材30が断面円環状であるため、上記図4に示した伝熱部材30と同様に弾性効果を有する。
That is, a part of the
この伝熱部材30は、熱電モジュール100内部の高温側面から熱電モジュール100内部の低温側面に輻射により伝達した熱を遮り、熱電素子4を介して冷却側面に伝えることを可能とし、熱電モジュール100に加えられる熱が発電に寄与せず低温側から捨てられる量を低減するため、より高い出力を得ることを可能にする。
This
上記説明した伝熱部材30は、図2で説明した熱電モジュール100に限られず、以下に示す構成を加えたものに用いることもできる。
The
例えば、図6に示すように、高温側電極10と熱電素子4との間に、熱電素子4が有する弾性よりも高く、高温側電極10が有する弾性と同等か高い弾性を有している金属細線網などの編込線で構成される弾性部材11と、弾性部材11と、熱電素子4との間に金属膜12を設けることもできる。弾性部材11によって、熱電モジュール100内に生じる熱応力を緩和することができる。つまり、熱電素子4または高温側電極10は、熱応力によって変形しても、弾性部材11を介した熱電素子4と高温側電極10との接触面積が小さくなることはないため、熱電モジュール100の熱電変換効率は十分に発揮できる。
For example, as shown in FIG. 6, a metal having a higher elasticity between the high
これに伝熱部材30を設けることで、上記説明したように、熱を伝達する経路が増えるため、さらに、熱電モジュール100の熱電発電性能が良くなる。
By providing the
また、高温側基板7は、複数に分割されていてもよい。分割された高温側基板7の各々を構造的に独立するので、高温側系統2を構成する部材は、高温側系統2を構成する部材のうち変形した箇所と対向する位置に設けられた分割された高温側基板7のそれぞれの部位の変形に追従して移動することが可能となる。上記弾性部材11を用いた場合と同様の効果を生じる。
Moreover, the high temperature side board | substrate 7 may be divided | segmented into plurality. Since each of the divided high temperature side substrates 7 is structurally independent, the members constituting the high temperature side system 2 are divided at positions facing the deformed portions of the members constituting the high temperature side system 2. Further, it is possible to move following the deformation of each part of the high temperature side substrate 7. The same effect as when the
上記説明した高温側基板7を複数に分割した場合と、上記弾性部材11を用いた場合を組み合わせても同様の効果を生じる。
A combination of the case where the high temperature side substrate 7 described above is divided into the case where the
本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.
1…低温側系統、2…高温側系統、3…低温側基板電極材、4…熱電素子、5…低温側基板、6…ケース、7…高温側基板、8…高温側基板母材、9…高温側基板補強材、10…高温側基板電極材、11…弾性部材、12…金属膜、20…導線、30…伝熱部材、100…熱電モジュール、200…熱電素子デバイス、301…平面部、302…曲面部、303…平面部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記熱電素子対の一端側に設置された高温側基板と、
前記熱電素子対と前記高温側基板との間に設置された第1の電極と、
前記熱電素子対と接するように前記熱電素子対の間に配置された伝熱部材と、
前記熱電素子対の他端側に設置された低温側基板と、
前記熱電素子対と前記低温側基板との間に設置された第2の電極と、
を有することを特徴とする熱電素子デバイス。 A thermoelectric element pair composed of a material having a thermoelectric effect, which is composed of an n-type conductive portion and a p-type conductive portion that are separated from each other;
A high temperature side substrate installed on one end side of the thermoelectric element pair;
A first electrode disposed between the thermoelectric element pair and the high temperature side substrate;
A heat transfer member disposed between the thermoelectric element pair so as to be in contact with the thermoelectric element pair;
A low temperature side substrate installed on the other end side of the thermoelectric element pair;
A second electrode disposed between the thermoelectric element pair and the low temperature side substrate;
A thermoelectric device characterized by comprising:
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