JP2012174911A

JP2012174911A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2012174911A
Application number: JP2011035976A
Authority: JP
Inventors: Takao Saito; 貴夫齋藤
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】高い熱電変換効率を有する熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】熱源４と、Ｐ型及びＮ型半導体素子３ａ，３ｂとを交互に接合してなる蛇腹折り構造を有する熱電変換手段２と、熱電変換手段２の両端の半導体素子５ａ，５ｂに設けられた１対の取り出し電極３ａ，３ｂとを備える。熱電変換手段２は、熱源４の周りを囲むように配置され、Ｐ型半導体素子５ａとＮ型半導体素子５ｂとの折り返し接合部が交互に、熱源側熱接点６ａと放熱側熱接点６ｂを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールの構造に関する。

近年、半導体の消費電力が加速度的に上昇しており、それに伴って発熱量もまた増大している。

例えば、光半導体であるＬＥＤは、従来、消費電力の小さい電気機器の表示灯等に用いられていたが、ＬＥＤの高輝度化に伴い、消費電力の大きい照明等に適用されるようになった。ところが、ＬＥＤは、照明において使用される大電流域では発光効率が低いため、投入した電力の大部分が熱として消費されてしまうという問題点がある。

そこで、ＬＥＤ等の半導体の使用時に発生する排熱の熱エネルギーを、電気エネルギーに変換して回収することが考えられる。そのため、図６に示すように、熱電変換素子であるＰ型半導体素子２１ａとＮ型半導体素子２１ｂとを格子状に交互に並設し、これらを接合電極２２により電気的に直列接続した構成を有する熱電変換ユニット２３を備える熱電変換モジュール２０が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この熱電変換モジュール２０においては、熱源４から発する熱が、熱拡散板２４を介して、熱電変換ユニット２３の上面に位置する熱源側の接合電極２２ａに供給される。すると、熱源側の接合電極２２ａと放熱側の接合電極２２ｂとの間に温度差が生じ、ゼーベック効果によりＰ型半導体素子２１ａとＮ型半導体素子２１ｂとの間に直流電圧が発生する。従って、熱源４から発生する熱エネルギーを熱電変換して、電気エネルギーとして回収することができる。

特開平１０−１２９３５号公報

しかしながら、前記熱電変換モジュール２０では、熱拡散板２４により熱が放散されやすいため、熱源４から離れるほど熱拡散板の温度が低下し、熱電変換効率が低下してしまうという問題点がある。

本発明は、上記問題点を解消し、小型の熱源に対しても高い熱電変換効率を有する熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

本発明の熱電変換モジュールは、熱源と、複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とを交互に接合してなる蛇腹折り構造を有する熱電変換手段と、前記熱電変換手段の蛇腹折り構造の両端部の前記半導体素子に設けられた１対の取り出し電極とを備え、前記熱電変換手段は、前記熱源の周りを囲むように配置されて、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子との折り返し接合部が、交互に熱源側熱接点と放熱側熱接点を構成することを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュールによれば、複数のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とで蛇腹折り構造に形成された熱電変換手段が、熱電変換手段を熱源の周りを囲むように配置されることによって、熱源側熱接点を熱源に近接した状態で密集させることができる。これにより、熱源側熱接点と熱源との距離を短くすることができるため、熱伝達における熱損失を低減して、熱源側熱接点の温度を高くすることができる。

このとき、放熱側熱接点は、熱源から十分に離間し、また、大気や水などの冷媒と接することにより熱を放出している。従って、発熱側熱接点と放熱側熱接点との温度差が大きい状態となり、熱電変換効率を高く維持することができる。

また、本発明の熱電変換モジュールでは、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子に、有機熱電変換材料を用いることが好ましい。

熱電変換モジュールは、出力を大きくするためには、集積度、即ち素子の結合数を多くする必要がある。そこで、有機熱電変換材料を用いることにより、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子を薄型に形成することが容易であり、かつ、この材料は柔軟性を有するので、製造工程や使用時において、折れ、割れ、欠け等による損傷のおそれを少なくすることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールでは、Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子は、前記折り返し接合部における厚さが前記折り返し接合部の間の中間部より薄くなるように形成されることが好ましい。前記折り返し接合部における厚さを薄くすることにより、熱源側熱接点の集積度をより高くすることができる。

本発明の実施形態の熱電変換モジュールを示す説明的斜視図。図１の熱電変換モジュールの要部拡大図。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。実施形態の熱電変換モジュールの熱起電力測定方法の説明図。比較例１の熱電変換モジュールを示す説明的斜視図。従来技術（比較例２）の熱電変換モジュールを示す説明的斜視図。各熱電変換モジュールにおける各熱電変換素子片対の熱起電力の度数分布を示すグラフ。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１及び図２に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール１は、熱電変換ユニット２と、取り出し電極３ａ，３ｂと、熱源４とを備える。

熱電変換ユニット２は、例えば、ポリアニリンを基材とする有機熱電変換材料からなる。有機熱電変換材料は、例えば、４８ｍｍ×５ｍｍの矩形状であって、長手方向の両端部の厚さが０．１ｍｍ、中央部の厚さが０．３ｍｍのＰ型熱電変換素子片５ａ及びＮ型熱電変換素子片５ｂを形成している。熱電変換ユニット２は、Ｐ型熱電変換素子片５ａ及びＮ型熱電変換素子片５ｂを、例えば５５対、備える。

５５対のＰ型熱電変換素子片５ａ及びＮ型熱電変換素子片５ｂは、Ｐ型熱電変換素子片５ａとＮ型熱電変換素子片５ｂとが交互に折り返し接合されるように、長手方向の端部を、例えば、１〜２ｍｍ程度の範囲で導電性接着剤を用いて接着され、幅５ｍｍの蛇腹折り構造を有する。導電性接着剤としては、例えば、ドータイト（商品名、藤倉化成株式会社）、ドーデント（商品名、ニホンハンダ株式会社）等を挙げることができる。

また、熱電変換ユニット２は、両端の熱電変換素子片５ａ，５ｂに、一対の取り出し電極３ａ，３ｂが接続されている。取り出し電極３ａ，３ｂは、熱電変換ユニット２の両端の熱電変換素子片５ａ，５ｂに、別途接続されたものでもよく、熱電変換ユニット２の両端の熱電変換素子片５ａ，５ｂを延長させたものであってもよい。

また、熱電変換ユニット２は、一対の取り出し電極３ａ，３ｂが対向するように円形に展開され、熱源４の周りを取り囲むように配置されている。ここで、Ｐ型熱電変換素子片５ａとＮ型熱電変換素子片５ｂとの折り返し接合部は、熱源に近接する熱源側熱接点６ａと、熱源から離間する側であり、大気や水等の冷媒に接する放熱側熱接点６ｂとなる。また、熱源４は、例えば、チップサイズが５ｍｍ角の照明用高出力ＬＥＤである。

また、熱電変換ユニット２は、上記配置を固定するために、全体を絶縁性樹脂７で固められている。このとき、図３に示すように、熱源からの熱伝導を向上させるために、熱電変換ユニット２の中心の熱源４を搭載する部分に、例えば、円柱形に成形した高熱伝導材料８を、いずれの熱電変換素子片５ａ，５ｂにも短絡しないように埋め込んでおいてもよい。

絶縁性樹脂７としては、例えば、エポキシ樹脂等を用いることができる。ただし、絶縁性樹脂７は熱伝導率が低いため、熱接点６ａ，６ｂを厚く覆ってしまうと、熱損失が大きくなり、熱電変換性能が低下してしまう。そこで、本実施形態では、例えば、１ｍｍ厚程度となるようにした。

高熱伝導材料８としては、例えば、銅、アルミニウム、炭素含有樹脂等を用いることができる。本実施形態では、例えば、直径４ｍｍ×高さ３ｍｍの銅円柱を用いた。図３に示すように、熱源４を搭載する高熱伝導材料８は、熱電変換ユニット２の固定に用いた絶縁性樹脂７と、面高さが一致していることが好ましい。搭載する熱源４に対して絶縁性が必要な場合には、０．１〜０．５ｍｍ程度の深さとなるように埋め込んでもよい。

次に、実施例及び比較例を示す。
〔実施例〕
上記実施形態の熱電変換モジュール１を用い、以下の条件において熱起電力を測定した。

先ず、図４に示すように、熱源４として４Ｗ白色ＬＥＤを搭載した熱電変換モジュール１を、２５℃の水が収容された水槽に、放熱側熱接点６ｂが完全に浸るように保持して沈めた。このとき、熱源４及び熱源側熱接点６ａは、水に接触しないようにした。そして、図示しない取り出し電極を別途追加しながら、Ｐ型熱電変換素子片５ａ及びＮ型熱電変換素子片５ｂ一対毎の熱起電力を測定した。前記測定した熱起電力のうち、最も発電量の大きい熱電変換素子片対の発電量を１００％としたときの各熱電変換素子片対の発電量の相対値の度数分布を、図７に示す。

〔比較例１〕
図５に示すように、５ｍｍ×４８ｍｍの矩形状であって、短手方向の両端部の厚さが０．１ｍｍ、中央部の厚さが０．３ｍｍのＰ型熱電変換素子片１１ａ及びＮ型熱電変換素子片１１ｂを用い、短手方向の端部を１〜２ｍｍ程度の範囲で導電性接着剤を用いて接着していることを除き、実施例と全く同一にして熱電変換ユニット１２を得た。

尚、実施例と本比較例とでは、熱電変換素子片の接合方向が相違するが、熱電変換性能は、２つの熱接点間の温度差により決定されるため、上記相違は熱電変換性能に影響を及ぼすものではない。

次に、熱電変換ユニット１２を、熱源４の底面に対して平行となるように配置し、実施例と全く同一にして絶縁性樹脂７でその配置を固定した。このとき、全体形状は、略５０ｍｍ×５０ｍｍ×５ｍｍとなる。そして、熱電変換ユニット１２の上面に、５０ｍｍ×５０ｍｍ×３ｍｍ厚の銅製の熱拡散板１３を、熱伝導性接着剤を用いて接着した。熱伝導性接着剤としては、例えば、シリコーン系接着剤等を挙げることができる。

次に、実施例と同一の熱源４を、熱拡散板１３上面の中心に搭載して本比較例の熱電変換モジュール１０とした。

そして、実施例と同様に、Ｐ型熱電変換素子片１１ａ及びＮ型熱電変換素子片１１ｂ一対毎の熱起電力を測定した。前記測定した熱起電力のうち、最も発電量の大きい熱電変換素子片の発電量を１００％としたときの各熱電変換素子片の発電量の相対値の度数分布を、図７に示す。

〔比較例２〕
実施例と全く同一の有機熱電変換材料を用いて、図６に示す構造を有する熱電変換モジュール２０を用いた。

先ず、有機熱電変換材料からなるＰ型熱電変換素子片２１ａとＮ型熱電変換素子片２１ｂを、１辺３ｍｍの立方体に成形し、隣り合う各熱電変換素子片２１ａ，２１ｂが異種となるように、縦１４個×横１６個を格子状に配置した。このとき、隣り合う各熱電変換素子片２１ａ，２１ｂが短絡しないように、各々１ｍｍずつ間隙を開けた。そして、３ｍｍ×７ｍｍ×０．５ｍｍ厚の銅板片を接合電極２２（２２ａ，２２ｂ）として、Ｐ型熱電変換素子片２１ａとＮ型熱電変換素子片２１ｂとを交互に直列接続となるようにして、前記導電性接着剤で接着した。

次に、実施例と同様にして、図示しない絶縁性樹脂を用いて前記間隙を埋めて固定し、熱電変換ユニット２３とした。このとき、全体形状は、５５ｍｍ×６３ｍｍ×４ｍｍ厚となる。そして、熱電変換ユニット２３の上面に、５５ｍｍ×６３ｍｍ×３ｍｍ厚の銅製の熱拡散板２４を、前記熱伝導性接着剤を用いて接着した。次に、実施例と全く同一の熱源４を、熱拡散板２４上面の中心に搭載して、本比較例の熱電変換モジュール２０とした。

そして、実施例と同様に、Ｐ型熱電変換素子片２１ａ及びＮ型熱電変換素子片２１ｂ一対毎の熱起電力を測定した。本比較例においては、上記測定は、Ｐ型熱電変換素子片２１ａ及びＮ型熱電変換素子片２１ａ１１２対のうち、Ｐ側取り出し電極から接合順に数えて奇数番目（一対おき）の計５６対を測定した。前記測定した熱起電力のうち、最も発電量の大きい熱電変換素子片対の発電量を１００％としたときの各熱電変換素子片対の発電量の相対値の度数分布を、図７に示す。

図７に示すように、実施例では、全ての熱電変換素子片対が同程度の熱起電力となったのに対し、比較例１，比較例２では、熱起電力に大きなばらつきが生じていることが明らかである。

従って、本発明の熱電変換モジュールによれば、全ての熱電変換素子片対の熱源側熱接点を、熱源の近傍かつ等距離に位置させることができるため、小型の熱源に対しても、高い熱電変換効率を得ることができる。

１，１０，２０…熱電変換モジュール、２，１２，２３…熱電変換ユニット、３…取り出し電極、４…熱源、５，１１，２１…熱電変換素子片、６…熱接点。

Claims

熱源と、
複数対のＰ型半導体素子とＮ型半導体素子とを交互に接合してなる蛇腹折り構造を有する熱電変換手段と、
前記熱電変換手段の蛇腹折り構造の両端部の前記半導体素子に設けられた１対の取り出し電極とを備え、
前記熱電変換手段は前記熱源の周りを囲むように配置され、Ｐ型半導体素子とＮ型半導体素子との折り返し接合部が交互に、熱源側熱接点と放熱側熱接点を構成することを特徴とする熱電変換モジュール。
請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子は有機熱電変換材料からなることを特徴とする熱電変換モジュール。
請求項１又は請求項２に記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記Ｐ型半導体素子及びＮ型半導体素子は、前記折り返し接合部における厚さが前記折り返し接合部の間の中間部より薄く形成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。