JP2012156227A - 熱電発電モジュールのケーシング及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱電発電モジュールのケーシングの構造を簡略化して製造コストを低減するとともに、熱負荷を柔軟な構造により吸収して、熱電発電モジュールの高寿命化を図る。
【解決手段】 放熱基板と蓋体との間に形成された気密空間の内部に熱電素子を挟持するようにした熱電発電モジュールのケーシングにおいて、この蓋体は、金属板を加工することにより、吸熱面部と、吸熱面部と放熱基板との間の側壁を形成する枠体部、放熱基板に対向するフランジ部とが一体成型されたものである。この枠体部の中間部には屈曲部が設けられており、放熱基板に対し吸熱面部あるいはフランジ部を圧縮した状態で、枠体部の下端を放熱基板に気密に接合されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果を利用した熱電素子により、吸熱側と放熱側の温度差により発電を行う熱電発電モジュール用のケーシングに関する。

このような熱電発電モジュールは、ケーシング内に熱電素子を密封し、その一方の面を吸熱側、他方の面を放熱側として、その温度差を利用して熱発電を行うものであるが、下記特許文献１には、蓋、枠、放熱側基板から構成した熱電変換装置のケーシングが示されている。
このケーシングにおいては、放熱側には、放熱側電極を介して、Ｐ型熱電素子の下端がハンダにより固定され、このＰ型熱電素子の上端は、金属細線、吸熱側電極、吸熱側絶縁基板を介して蓋に接触し、放熱側基板と蓋との間には、コバールを介して枠が銀ローによりロー付けされている。

ところで、こうした熱電発電モジュールにおいて、熱電発電効率を高めるためには、放熱側基板と熱電素子下面、そして吸熱側となる蓋による熱電素子上面との密着性を可能な限り高めることにより、熱伝達率を高め、しかも電気的な接触抵抗を低減する必要がある。ところが、熱電発電モジュールにおいては、熱電発電時、吸熱側に発生する熱負荷は、例えば６００℃以上に達することもあり、蓋、枠等は熱膨張し、一方、熱電発電が終了すると最終的には常温まで冷却されることから、熱膨張、収縮のサイクルを頻繁に繰り返すことになる。発明者らの実験によると、吸熱側に発生する熱負荷が５００℃のとき、熱電発電モジュールの内部空間の温度は、２７０℃程度まで上昇し、発電休止時には、常温の３０℃前後まで低下することが確認できた。

しかし、熱電発電モジュールを構成する各部品は、熱膨張率の高い金属系部品、熱膨張率の低いセラミックス系部品等、さまざまな素材で形成されていることから、各部品毎に熱膨張率が異なり、また、それぞれの部品毎に大きさや厚み等に製造誤差が内在するため、熱膨張時、収縮時に応力集中が発生し、蓋と枠、枠と放熱側基板とのロー付け部の密着性が弱まり、熱発電効率が悪化したり、各素子間で剥離等が発生し、寿命を著しく悪化させることがある。

そのため、特許文献１においては、枠を熱膨張率の少ないセラミック基板などで形成し、ロー付けに高価なコバールを採用するとともに、各素子の厚み精度、放熱基板１４、蓋２等の成形精度を非常に高める必要がある。さらに、熱膨張の影響を低減するため、組立後、熱発素子の密着性を高めるため、減圧雰囲気内で封止孔をレーザーにより塞ぐことにより内部を減圧状態に維持する必要があり、高度の密封性も要求され、製造工程も複雑でコストを低減することが困難である。

特許第４４８８７７８号公報

そこで、本発明の目的は、熱電発電モジュールのケーシングの構造を簡略化して製造コストを低減するとともに、熱負荷を柔軟な構造により吸収して、熱電発電モジュールの高寿命化を図ることにある。

上記の課題を解決するため、本発明による熱電発電モジュールのケーシングは、放熱基板と蓋体との間に形成された機密空間の内部に熱電素子を挟持するようにした熱電発電モジュールのケーシングにおいて、前記蓋体は、金属板を加工することにより、吸熱面部と、該吸熱面部と前記放熱基板との間の側壁を形成する枠体部と、前記放熱基板に対向するフランジ部とが一体成型により形成されたものであり、前記放熱基板に対し、前記吸熱面部あるいは前記フランジ部を圧縮した状態で、該フランジ部が前記放熱基板に気密に接合されており、かつ、前記枠体部の中間部には、前記放熱基板に対し前記吸熱面部あるいは前記フランジ部を圧縮する際、及び前記吸熱面部の加熱に伴い前記蓋体が熱膨張する際、他の部分に先んじて屈曲して圧縮力及び熱膨張を吸収し、前記放熱基板と前記吸熱面部による熱電素子に対する挟持力を保持する屈曲部が形成されている。

また、本発明による熱電発電モジュールのケーシングの製造方法は、放熱基板の上面に複数の熱電素子を配置する工程と、前記熱電素子の上面に、金属板により吸熱面部と、中間部に屈曲部を有する枠体部と前記放熱基板に対向するフランジ部とが一体成型された蓋体を被せる工程と、前記吸熱面部あるいは前記フランジ部を前記放熱基板に対し圧縮する工程と、圧縮された状態で、前記蓋板の枠体部下端と前記放熱基板とを気密に接合する工程とからなる。

本発明によれば、吸熱面部、枠体部、フランジ部が一体成型された蓋体を、吸熱面部あるいはフランジ部を圧縮した状態で、放熱基板に気密に接合されており、しかもこの枠体部の中間部に、放熱基板と吸熱面部による熱電素子に対する挟持力を保持する屈曲部が形成されているので、製造時、吸熱面部あるいはフランジ部を圧縮する際にも、内部の各素子に対する押圧力を適度に抑制するとともに、熱電素子が常温から定常的な熱電発電に到る際、熱電発電モジュールの内部空間に、熱膨張に伴う圧力上昇が発生しても、蓋体と放熱基板のロー付け部、各素子の連結部に大きな応力を発生させることなく、吸収することができ、非常に低コスト且つ堅牢な構造で、熱電発電モジュールの性能を長期間にわたり維持することが可能になる。

本発明のケーシングを採用した熱電発電モジュールの断面図。 本実施例の熱電発電モジュールの俯瞰図。 図２の断面図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。

まず、熱電発電モジュールの全体構造について説明する。
図１に示すように、放熱基板１の上面に形成された回路パターン２の上面に熱電素子３が複数配置されており、各熱電素子３の上端は金属連結板４で電気的に接続されている。なお、この実施例では、熱電素子としてビスマステルル素子を使用し、面積２４×２４mm²のモジュール上面の面積に対し、面積３．２×３．２mm²の素子を１６個配置しており、各熱電素子３の上面を覆うように金属連結板４、絶縁板５及び熱導入板６が載置されている。

蓋体７は、例えば平板状のＳＵＳ材をプレス加工することにより、吸熱面部８、枠体部９とフランジ部１０が全周にわたり一体成型されて裁四角錘状をなすもので、図１において、フランジ部１０は、枠体部９の下端から放熱基板１に対向するよう、平行に形成されている。
なお、図１において、フランジ部１０に連なる枠体部９の下端と、吸熱面部８側の上端部との中間部、好ましくは中央付近の中間部には、全周にわたって、円弧状の屈曲部を形成するビード部１１が設けられており、このビード部１１も、ＳＵＳ材をプレス加工して吸熱面部６と枠体部７を一体成型する際、同時に形成されている。
図２は、本実施例の熱電発電モジュールを俯瞰した状態を、図３は、その断面図を示す。

後述するように、フランジ部１０は、蓋体７を加圧して圧縮した状態で、放熱基板１に気密に接合されるので、各熱電素子３が、回路パターン２を介して放熱基板１と、そして、金属連結板４、絶縁板５及び熱導入板６を介して、蓋体７の吸熱面部８の下面との間で、弾性的に挟圧されて固定支持されるようになっている。
なお、熱導入板６は、枠体部９の下端を放熱基板１に気密に接合する際、その外周が、枠体部９の内周に全周にわたり接触するよう形状が定められており、各部品の位置決めを確実に行い、各部の寸法誤差を吸収するのに適しているが、寸法精度を確保できる場合には、熱導入板６を使用せず、蓋体７の吸熱面部８下面で絶縁板５を直接挟圧するようにしてもよい。

さて、本実施例においては、熱電発電モジュールは、次のような手順で製造される。
まず、回路パターン２を備えた放熱基板１を加工盤に位置決め固定し、その上面に設けたマーカーに合わせて、複数の熱電素子３を載置し、さらにその上面に金属連結板４、絶縁板５、熱導入板６を順次位置決めして載置する。また、熱電素子３、金属連結板４、絶縁板５、熱導入板６は、単にそれぞれを順次位置決めして載置してもよいが、ハンダ等の金属ロー材を用いたロー付けや焼結等により予め接合しておいてもよい。

次に、予め、平板状のＳＵＳ材をプレス加工などにより成形した蓋体７を、放熱基板１に対して位置決めして熱導入板６の上方から被せると、その吸熱面部８が、全面にわたり熱導入板６に接した状態となる。その状態で、上方から蓋体７の吸熱面部８をプレス機により押圧すると、金属連結板４、絶縁板５、熱導入板６等が圧縮され、枠体部９の下端のフランジ部１０が放熱基板１に接し、ビード部１１の両端部を支点とした曲げモーメントが作用して他の部分に先んじて屈曲し、枠体部９全体が下方に収縮して蓋体７が圧縮された状態となる。

あるいは、吸熱面部８を押圧するのに換え、上方からフランジ部１０の全周のみを押圧する押圧子を備えたプレス機によりフランジ部１０を押圧すると、ビード部１１が伸展し、熱電素子３、金属連結板４、絶縁板５、熱導入板６にかかる押圧力が適度に抑制された状態で、フランジ部１０が放熱基板１に接することとなる。
その状態で枠体部９下端のフランジ部１０を電気溶接、レーザー溶接あるいはロー付けなどを用いて、接合して放熱基板１に気密に接合する。

接合後、プレス機による圧縮力を解除すると、蓋体７を構成するＳＵＳ材の弾性力により、ビード部１１の両端部を支点として元の状態に戻ろうとするが、枠体部９下端のフランジ部１０が放熱基板１に気密に接合されているため、内部が所定の負圧になった状態でバランスすることになる。なお、回路パターン２、熱電素子３、金属連結板４、絶縁板５及び熱導入板６を含めた各部品の総合的な高さは、プレスによる圧縮時において、これら各部品を破壊することがないように設定されている。そして、圧縮力解除後は、熱電発電を行っている際の高温状態でも、あるいは発電休止時の常温状態でも各部品が破壊することなく、しかも、放熱基板１と蓋体７の吸熱面部８下面との間で、熱電発電モジュールの内部の負圧に維持されて、各部品に対し常に十分な弾性的な挟圧力が確保できるよう、ビード部１１の両端部を支点とした屈曲に伴う圧縮代あるいは伸展代が予め設定されている。

すなわち、各部品のうち、圧縮に伴い破損する可能性が高いものは、熱電素子３であるが、熱電素子３としてビスマステルル素子を使用した場合、通常５０〜１００ＭＰａで圧縮すると破損が起きるので、プレス機により、これ以下の圧力で圧縮する必要がある。
一方、プレス機による圧縮力解除後に、熱電発電モジュールの内圧が０．５×１０^５Ｐａ以下の負圧となるよう圧縮すれば、熱電発電を行う高温状態でも、熱電発電モジュールの内部の圧力を常時負圧に維持することができる。したがって、蓋体の吸熱面部６を圧縮するプレス機は、圧縮力を高精度に調整できるものを使用することが好ましい。

発明者らの実験によると、蓋体７を構成するＳＵＳ材の板厚が０．０５ｍｍで圧縮力解除後の内圧が０．５×１０^５Ｐａとなるように、蓋体７の吸熱面部８をプレス機により圧縮力する場合でも、熱電素子１個当たりに加わる圧力は０．１８〜０．３６ＭＰａ程度であり、破損を生じるおそれはない。

このように、熱電素子３を破壊することのない範囲で、プレス機により蓋体７の吸熱面部８を圧縮した状態で枠体部９の下端を放熱基板１に気密に接合すれば、ビード部１１の作用により、蓋体が圧縮した状態から、ＳＵＳの弾性力で元の状態に戻ろうとする作用により、熱電発電を行う高温状態を含めて熱電発電モジュールの内圧を常に負圧に維持することが可能となる。したがって、熱電発電に伴う蓋体７等の熱膨張、熱電発電停止時における冷却に伴う収縮が繰り返されても、ビード部１１がこれを吸収し、放熱基板１及び蓋体７による押圧力が維持され、熱電素子３のとの密着性を常時最適に維持することができる。その結果、熱伝導率を高め、接触抵抗を低減することができ、しかも、熱電素子３と金属連結板４との剥離を確実に防止できるので、熱電発電モジュールの耐久性を飛躍的に高めることができる。

なお、上記の実施例に限らず、様々な変更が可能である。
すなわち、実施例では、蓋体７を裁四角錘状としたが、吸熱面部、枠体部及びフランジ部を裁円錘状に一体成形してもよい。また、蓋体７を構成する板材は、ＳＵＳ材に限らず、銅やアルミニウムを含有する合金材でもよい。さらに、ビード部１１に換え、Ｖ字状の窪みを複数設けたり、蛇腹等の屈曲部を設けてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、吸熱面部、中間部に屈曲部を備えた枠体部、及び放熱基板に対向するフランジ部を一体成型することにより蓋体を形成し、この蓋体の吸熱面部あるいはフランジ部を圧縮して屈曲部で収縮した状態で、枠体部の下端を放熱基板に対し気密に接合することにより、熱電発電モジュールが熱膨張、収縮を繰り返しても、枠体部の屈曲部が柔軟にこれを吸収し、熱電発電モジュールの性能を長期間にわたり維持でき、しかも、熱電発電モジュールの製造コストを低減することが可能になるので、例えば、工場、発電プラント等における廃熱回収のみならず、小型自動車における排気系からの熱エネルギ再利用など、様々な分野での利用が期待される。

１ 放熱基板
２ 回路パターン
３ 熱電素子
４ 金属連結板
５ 絶縁板
６ 熱導入板
７ 蓋体
８ 吸熱面部
９ 枠体部
１０ フランジ部
１１ ビード部

Claims (2)

1. 放熱基板と蓋体との間に形成された機密空間の内部に熱電素子を挟持するようにした熱電発電モジュールのケーシングにおいて、
   前記蓋体は、金属板を加工することにより、吸熱面部と、該吸熱面部と前記放熱基板との間の側壁を形成する枠体部と、前記放熱基板に対向するフランジ部とが一体成型により形成されたものであり、前記放熱基板に対し、前記吸熱面部あるいは前記フランジ部を圧縮した状態で、該フランジ部が前記放熱基板に気密に接合されており、かつ、前記枠体部の中間部には、前記放熱基板に対し前記吸熱面部あるいは前記フランジ部を圧縮する際、及び前記吸熱面部の加熱に伴い前記蓋体が熱膨張する際、他の部分に先んじて屈曲して圧縮力及び熱膨張を吸収し、前記放熱基板と前記吸熱面部による熱電素子に対する挟持力を保持する屈曲部が形成されていることを特徴とする熱電発電モジュールのケーシング。
2. 放熱基板の上面に複数の熱電素子を配置する工程と、
   前記熱電素子の上面に、金属板により吸熱面部と、中間部に屈曲部を有する枠体部と前記放熱基板に対向するフランジ部とが一体成型された蓋体を被せる工程と、
   前記吸熱面部あるいは前記フランジ部を前記放熱基板に対し圧縮する工程と、
   圧縮された状態で、前記蓋板の枠体部下端と前記放熱基板とを気密に接合する工程とからなる熱電発電モジュールのケーシングの製造方法。