JP2013214635A - Thermoelectric conversion module and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換モジュールとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module and a manufacturing method thereof.
熱電変換モジュールは、ペルチェ効果を利用した温調と、ゼーベック効果を利用した発電の2通りに応用される。前者は温度調節に使用され、可搬用温冷蔵庫のほか、光通信の普及により、レーザー発振子の冷却用としては必要不可欠なものとなってきている。反面、後者のゼーベック効果を利用した発電素子については、産業排熱を利用した数W〜数十Wクラスの発電システムの検討がなされているが、発電量あたりのモジュールが高価であるなどの問題があり、実用化に至っていないのが現状である。 The thermoelectric conversion module is applied in two ways: temperature control using the Peltier effect and power generation using the Seebeck effect. The former is used for temperature control, and it has become indispensable for cooling a laser oscillator due to the spread of optical communication in addition to portable refrigerators. On the other hand, for the power generation element using the latter Seebeck effect, a power generation system of several watts to several tens of watts using industrial waste heat has been studied, but there are problems such as expensive modules per amount of power generation The current situation is that it has not been put to practical use.
従来の熱電変換モジュール100の製造方法としては、図4に示すように、絶縁性基板401にP型及びN型の熱電変換素子101の外径よりも大きめの素子嵌合孔402を複数配列して形成し、これら各々の素子嵌合孔402に熱電変換素子101を交互にそれぞれ貫通嵌合させて配置する。
As a conventional method for manufacturing the
次いで、絶縁性基板401の素子嵌合孔402に貫通嵌合された熱電変換素子101の配列位置に対応する位置に素子貫通孔403を形成した支持シート404を用いて、この支持シート404の素子貫通孔403に熱電変換素子101を圧入、貫通させながら絶縁性基板401の上側から被せるように設ける。
Next, using the
このように、熱電変換素子101を絶縁性基板401に支持固定させ、P型及びN型の熱電変換素子101の素子嵌合孔402への貫通方向の一端側と他端側にそれぞれ互いに間隔を存して複数の電極405を設けて熱電変換素子101を電気的に接続するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。
In this manner, the
しかし、上述のような製造方法では、絶縁性基板401に配列形成された素子嵌合孔402にP型及びN型の熱電変換素子101を交互に貫通嵌合させる必要がある。また、絶縁性基板401の上側から被せられた支持シート404に有する素子貫通孔403に熱電変換素子101を圧入し貫通させて支持固定する必要もある。そのため、作業に多くの手間と時間がかかり、量産に適さないばかりでなく、発電量あたりのモジュール価格が高くなるという問題を有していた。
However, in the manufacturing method as described above, the P-type and N-type
この問題を解消するための製造方法として、図5に示すように、棒状のP型及びN型の熱電変換素子101を複数本交互に且つ熱電変換素子相互間に一定の間隙が存するように配列した後、P型及びN型の熱電変換素子101の相互間に存する間隙に樹脂を充填して、全体が一体化されたブロック302とする。そして、このブロック302を所定の厚さに切断して得られるブロック片の切断面に、P型及びN型熱電変換素子間を交互に電気的に直列接続するための電極405をそれぞれ形成する。
As a manufacturing method for solving this problem, as shown in FIG. 5, a plurality of rod-shaped P-type and N-type
しかる後、電極相互間に存する間隙に耐熱接着剤を塗布してなる熱電変換モジュール100の製造方法において、電極の相互間に存する間隙に塗布される耐熱接着剤の高さは、前記電極表面より低くし、熱電変換モジュール100の使用時に該モジュールの熱源との接触面と塗布した耐熱接着剤との間に空隙層が形成されるようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
Thereafter, in the manufacturing method of the
しかしながら、上述従来の構成では、熱電変換モジュールにより排熱を利用して発電する際、熱源との接触面と塗布した耐熱接着剤との間に空隙層が形成されるようにしているものの、熱源の一部が電極間に存する樹脂部分を通るため、その分発電効率が落ちるという課題を有することになる。 However, in the above-described conventional configuration, when generating power using exhaust heat by the thermoelectric conversion module, a gap layer is formed between the contact surface with the heat source and the applied heat-resistant adhesive. Since a part of the resin passes through the resin portion existing between the electrodes, there is a problem that the power generation efficiency is lowered accordingly.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、P型及びN型の熱電変換素子を交互に配列させる作業を簡易にし、且つ、電極間に存する樹脂部分による発電効率の低下を防ぐことで、発電量あたりのモジュール価格が安価な熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems by simplifying the work of alternately arranging P-type and N-type thermoelectric conversion elements and preventing a decrease in power generation efficiency due to a resin portion existing between the electrodes. An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion module having a low module price per power generation amount and a method for manufacturing the same.
上記目的を達成するために、本発明の熱電変換モジュールは、以下の構成に特徴を有する。 In order to achieve the above object, the thermoelectric conversion module of the present invention is characterized by the following configuration.
〔1〕交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のP型熱電変換素子及び複数のN型熱電変換素子からなる熱電変換モジュールにおいて、複数の熱電変換素子で囲まれる空間に、スペーサ部材を配置したこと。 [1] In a thermoelectric conversion module including a plurality of P-type thermoelectric conversion elements and a plurality of N-type thermoelectric conversion elements that are alternately arranged and electrically connected in series, a spacer is provided in a space surrounded by the plurality of thermoelectric conversion elements. Arranged members.
〔2〕上記〔1〕において、前記複数の熱電変換素子で囲まれる空間は、接着剤が充填されてなること。 [2] In the above [1], the space surrounded by the plurality of thermoelectric conversion elements is filled with an adhesive.
〔3〕上記〔1〕または〔2〕において、前記スペーサ部材は、絶縁体からなること。 [3] In the above [1] or [2], the spacer member is made of an insulator.
〔4〕上記〔3〕において、前記絶縁体は棒状のガラスであること。 [4] In the above [3], the insulator is rod-shaped glass.
〔5〕上記〔1〕〜〔4〕において、隣り合う2つの熱電変換素子とスペーサ部材との間には空隙部を有すること。 [5] In the above [1] to [4], a gap is provided between two adjacent thermoelectric conversion elements and the spacer member.
〔6〕上記〔1〕〜〔5〕において、前記スペーサ部材は、円柱形状であること。 [6] In the above [1] to [5], the spacer member has a cylindrical shape.
〔7〕上記〔1〕〜〔6〕において、1つのスペーサ部材に近接する熱電変換素子の数は4つであること。 [7] In the above [1] to [6], the number of thermoelectric conversion elements adjacent to one spacer member is four.
〔8〕上記〔1〕〜〔6〕において、1つのスペーサ部材に近接する熱電変換素子の数は3つであること。 [8] In the above [1] to [6], the number of thermoelectric conversion elements adjacent to one spacer member is three.
また、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、以下の工程を特徴として有する。 Moreover, the manufacturing method of the thermoelectric conversion module of this invention has the following processes as the characteristics.
〔9〕熱電変換素子を配列するための治具を準備し、前記治具の内部にP型とN型の熱電変換素子を交互に配列させる第1工程と、
前記複数の熱電変換素子とで形成される凹部にスペーサ部材を配列させる第2工程と、
前記スペーサ部材の表面に接着剤を塗布する第3工程と、
所定の配列数になるまで前記第2及び第3工程を繰り返した後、前記接着剤を硬化させブロックとする第4工程と、
前記ブロックをスライスし、P型とN型の熱電変換素子が順次直列に接続するように、配線を形成する第5工程と、からなること。
[9] A first step of preparing a jig for arranging thermoelectric conversion elements, and alternately arranging P-type and N-type thermoelectric conversion elements inside the jig;
A second step of arranging a spacer member in a recess formed by the plurality of thermoelectric conversion elements;
A third step of applying an adhesive to the surface of the spacer member;
A fourth step of repeating the second and third steps until the predetermined number of arrangements, and then curing the adhesive to form a block;
And a fifth step of slicing the block and forming wiring so that the P-type and N-type thermoelectric conversion elements are sequentially connected in series.
以上のように、本発明の熱電変換モジュールおよびその製造方法によれば、熱電変換素子を交互に配列させる作業が簡易で、且つ発電効率の低下を防ぐことにより、発電量あたりのモジュール価格が安価な熱電変換モジュールを提供することができる。また、スペーサが存在することで、強度が大きく、長期信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することができる。 As described above, according to the thermoelectric conversion module and the method of manufacturing the same of the present invention, the operation of alternately arranging thermoelectric conversion elements is simple, and the module price per power generation amount is low by preventing a decrease in power generation efficiency. A thermoelectric conversion module can be provided. In addition, the presence of the spacer can provide a thermoelectric conversion module having high strength and high long-term reliability.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの横断面図、図2は図1のスペーサ付近の拡大図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of a spacer in FIG.
図1、図2において、熱電変換素子101は円筒状の絶縁体102に囲まれた円柱状の熱電変換材料103からなっている。絶縁体102としては、例えばガラス管が用いることができる。その中でも軟化点が高いことからパイレックス(登録商標)ガラス管を用いることが好ましい。また、熱電変換材料103としては、例えばBi−Te系合金を用いることができる。
1 and 2, the
また、近接する4つの熱電変換素子101に囲まれる位置には、熱電変換素子101同士を接着する機能をもつスペーサ104が存在する。スペーサ104としては、図2(a)に示すように、その表面に接着剤105を被覆した絶縁体106や、図2(b)のように、棒状の接着剤を用いることができる。また、表面に接着剤を被覆する絶縁体106としては、高温でも軟化しない無機材料等を用いることにより、熱電変換モジュール100の使用時の変形を防ぐことができ、長期信頼性が向上する。
Further, a
また、表面に接着剤を被覆した絶縁体106として、熱電変換素子101の円筒状の絶縁体102と同じ材料を用いると、熱電変換モジュール100を使用する際に、円筒状の絶縁体102との熱膨張差が生じないため、熱電変換モジュール100が破壊しにくく、更に長期信頼性が向上する。
Moreover, when the same material as the
1つのスペーサ104には、最近接する4つの熱電変換素子101が存在するが、4つの熱電変換素子101のうち、隣り合う少なくとも2つの熱電変換素子101とスペーサ104との間には、接着剤等が存在しない空間201(「空隙」と称する場合もある。)を有する。これにより熱電変換モジュール100を使用する際に、熱電変換モジュール100の熱源と接する面(高温面)から低温面への熱伝導を抑制でき、発電効率の低下を抑制することができる。
One
次に、本実施の形態の熱電変換モジュール100の製造方法の一例について、図3を参照して説明する。
Next, an example of the manufacturing method of the
まず、円筒状の絶縁体102に、熱電変換材料103を充填させ、円柱状の熱電変換素子101を形成する(図示せず)。充填する方法としては、固体の熱電変換材料103を円筒状の絶縁体102に入れ加熱溶融させる方法や、溶融した熱電変換材料103を円筒状の絶縁体102に流入させる方法などがある。他に円柱状の熱電変換材料103を形成した後、円筒状の絶縁体102を取り外しても良い。しかし、円筒状の絶縁体102が熱電変換材料103の周囲に存在したままの方が、熱電変換素子101同士が接触した際に導通して熱電変換モジュール100の発電能力が低下するのを防ぐことができるので好ましい。
First, a
次に、図3(a)に示すように、熱電変換素子101を配列するための治具301を用い、複数の熱電変換素子101をP型、N型交互に配列させる。一列配列させた後、図3(b)に示すように、配列させた複数の熱電変換素子101の上であり、2つの熱電変換素子101が形成する凹部に、スペーサ104を配列させる。また、スペーサ104として表面に接着剤を被覆した絶縁体を用いる場合には、配列前に絶縁体に接着剤を塗布してから配列させる。
Next, as shown in FIG. 3A, a plurality of
そして、図3(c)に示すように、熱電変換モジュール100として要求される熱電変換素子101の数になるまで、これらを繰り返す。その後、加熱などにより、配列させた熱電変換素子101とスペーサ104を接着させる。
Then, as shown in FIG. 3C, these are repeated until the number of
なお、本実施の形態では、熱電変換素子101とスペーサ104の接着剤の硬化方法として加熱を用いたが、減圧や室温放置、紫外線硬化、及びこれらを組み合わせた方法を用いてもよい。また、本実施の形態では、スペーサ104として、表面に接着剤105を被覆した絶縁体106を用いたが、スペーサ104自体が、接着剤や樹脂で形成されていても良い。これにより、絶縁体106表面へ接着剤105を被覆する工程を省くことができる。
In this embodiment, heating is used as a method for curing the adhesive between the
その後、図3(d)に示すように、治具301を取り外し、熱電変換素子101とスペーサ104とが接着されたブロック302を、所望の厚みに切断(スライス)する。その後、P型とN型の熱電変換素子101が順次直列に接続するように、配線を形成する(図示せず)。配線の形成方法としては、導電材料をはんだ付けする方法、溶射、配線形成された絶縁基板をはんだ付けする方法などを用いることができる。導電材料及び溶射材料としては、Cu、Ni、Al及びこれらを含む合金を用いることができる。
Thereafter, as shown in FIG. 3D, the
スペーサ104が存在することで、熱電変換モジュール100の形状が保持され、また、強度が向上するため、絶縁基板無しの熱電変換モジュール100を形成することができる。通常の熱電変換モジュールでは絶縁基板として高価なアルミナ基板が用いられるため、絶縁基板を用いないことで、コストを大幅に削減することができる。
The presence of the
本実施の形態では、1つのスペーサ104に近接する熱電変換素子101の数が4つの場合について説明したが、3つでもよい。
In the present embodiment, the case where the number of
なお、4つの場合は、図3に示すように、複数の熱電変換素子101を配列させる際に、スペーサ104無しでは配列が崩れるため、スペーサ104によって、熱電変換素子101を配列させる作業が簡易になる。他方、3つの場合は、単位面積当たりの熱電変換素子101の数が多くなるため、同じ熱電変換モジュール100の大きさで高出力を得ることができる。
In the case of four, as shown in FIG. 3, when arranging a plurality of
以上のように、本発明によれば、発電量あたりのモジュール価格が安価で、強度が大きく、長期信頼性の高い熱電変換モジュール並びにそれらの製造方法を得ることが可能になる。従って、本発明は、種々の技術分野で、温調や、熱からの発電が必要になる場合に広く適用することが可能である。 As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a thermoelectric conversion module having a low module price per power generation amount, a high strength, and a high long-term reliability, and a manufacturing method thereof. Therefore, the present invention can be widely applied in various technical fields when temperature control or power generation from heat is required.
100 熱電変換モジュール
101 熱電変換素子
102 絶縁体
103 熱電変換材料
104 スペーサ
105 接着剤
106 絶縁体
301 治具
302 ブロック
401 絶縁性基板
402 素子嵌合孔
403 素子貫通孔
404 支持シート
405 電極
DESCRIPTION OF
Claims (9)
複数の熱電変換素子で囲まれる空間に、スペーサ部材を配置したこと、
を特徴とする、熱電変換モジュール。 In a thermoelectric conversion module composed of a plurality of P-type thermoelectric conversion elements and a plurality of N-type thermoelectric conversion elements that are alternately arranged and electrically connected in series,
Arranging spacer members in a space surrounded by a plurality of thermoelectric conversion elements,
A thermoelectric conversion module.
前記複数の熱電変換素子とで形成される凹部にスペーサ部材を配列させる第2工程と、
前記スペーサ部材の表面に接着剤を塗布する第3工程と、
所定の配列数になるまで前記第2及び第3工程を繰り返した後、前記接着剤を硬化させブロックとする第4工程と、
前記ブロックをスライスし、P型とN型の熱電変換素子が順次直列に接続するように、配線を形成する第5工程と、からなること、
を特徴とする、熱電変換モジュールの製造方法。 A first step of preparing a jig for arranging the thermoelectric conversion elements, and alternately arranging P-type and N-type thermoelectric conversion elements inside the jig;
A second step of arranging a spacer member in a recess formed by the plurality of thermoelectric conversion elements;
A third step of applying an adhesive to the surface of the spacer member;
A fourth step of repeating the second and third steps until the predetermined number of arrangements, and then curing the adhesive to form a block;
Slicing the block and forming a wiring so that the P-type and N-type thermoelectric conversion elements are sequentially connected in series.
The manufacturing method of the thermoelectric conversion module characterized by these.
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CN109314172A (en) * | 2016-03-22 | 2019-02-05 | 金瑟姆股份有限公司 | Distributed heat electric material with non-homogeneous heat transfer characteristic |
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2012
- 2012-04-03 JP JP2012084555A patent/JP2013214635A/en active Pending
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JP2019513303A (en) * | 2016-03-22 | 2019-05-23 | ジェンサーム インコーポレイテッドGentherm Incorporated | Distributed Thermoelectrics with Non-uniform Heat Transfer Characteristics |
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