JP2014086649A - Thermoelectric conversion module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体の廃熱を熱源とする、熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module using, as a heat source, waste heat of a compressive fluid such as exhaust gas from various industrial equipment and automobiles.
従来の熱電変換モジュールは、複数のp型熱電半導体及びn型熱電半導体の上下面、すなわち高温熱源側の面及び低温熱源側の面に電極を配設して電気回路を構成し、さらに上記電極の外側両面にセラミックスなど電気絶縁板を備える構造が一般的である。 In the conventional thermoelectric conversion module, electrodes are arranged on the upper and lower surfaces of a plurality of p-type thermoelectric semiconductors and n-type thermoelectric semiconductors, that is, on the surface on the high-temperature heat source side and on the surface on the low-temperature heat source side. A structure having an electrical insulating plate such as ceramics on both outer sides is generally used.
一方、近年においては、上記熱電変換モジュールにおいて、高温熱源として各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体の廃熱を利用することが試みられている(例えば、特許文献1〜2参照)。 On the other hand, in recent years, in the thermoelectric conversion module, it has been attempted to use waste heat of a compressive fluid such as exhaust gas from various industrial equipment and automobiles as a high-temperature heat source (see, for example, Patent Documents 1 and 2). .
圧縮性流体から効率よく受熱するためには、上記熱電変換モジュールの圧縮性流体が流れる管体、すなわちエクゾースト管の管壁は薄い方がよい。しかしながら、管体の管壁を薄くすると、当該管壁が変形するため管壁を薄くすることができないでいた。このため、圧縮性流体からの受熱が悪くなり、上記熱電変換モジュールの発電効率が低下してしまうという問題があった。 In order to receive heat efficiently from the compressive fluid, the tube body through which the compressive fluid of the thermoelectric conversion module flows, that is, the tube wall of the exhaust tube, is preferably thin. However, when the tube wall of the tube body is thinned, the tube wall is deformed, so that the tube wall cannot be thinned. For this reason, the heat receiving from a compressive fluid worsened, and there existed a problem that the electric power generation efficiency of the said thermoelectric conversion module will fall.
さらに、管体には温度分布があるため、熱電変換モジュールが均一に膨張せず破壊する恐れがあった。 Furthermore, since the tube has a temperature distribution, the thermoelectric conversion module may not be expanded uniformly and may be broken.
本発明は、熱電変換モジュールにおいて、圧縮性流体を流す管体を薄肉化した場合においても、当該管体の変形及び破損を防止して、特に熱電変換素子を配設する上下面の平坦度を確保することができ、各種産業機器及び自動車等などの排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ熱電変換モジュールを提供することを目的とする。 In the thermoelectric conversion module, even when the tubular body through which the compressive fluid flows is thinned, the tubular body is prevented from being deformed and broken, and in particular, the flatness of the upper and lower surfaces on which the thermoelectric conversion elements are arranged is improved. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion module with high practicality that can be ensured and uses waste heat of a compressive fluid such as exhaust gas from various industrial equipment and automobiles as a heat source.
上記目的を達成すべく、本発明は、
圧縮性流体を流すための筒状の管体と、
前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、前記管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、
前記高温側電極部上において、少なくとも一対のp型熱電半導体及びn型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子上において、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部と、
前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、前記管体、前記高温側電極部、前記熱電変換素子、及び前記低温側電極部を収納するためのケース部材とを具え、
前記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、前記熱電変換素子の非形成領域において、前記管体の上管壁及び下管壁の少なくとも一方が、前記管体の前記下管壁及び前記上管壁の少なくとも一方と当接するように凹んでリブを形成し、
前記高温側電極部及び前記低温側電極部の少なくとも一方は、前記リブに起因して形成された凹部を跨ぐようにして形成されたブリッジ状電極を含むことを特徴とする、熱電変換モジュールに関する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A tubular tube for flowing a compressive fluid;
A high temperature side electrode portion disposed on each of an upper surface side and a lower surface side of the tube body and electrically insulated from the tube body;
A thermoelectric conversion element in which at least a pair of a p-type thermoelectric semiconductor and an n-type thermoelectric semiconductor are electrically connected in series on the high temperature side electrode portion;
On the thermoelectric conversion element, a low-temperature side electrode portion that electrically connects the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor in series;
A case member for housing the tubular body, the high temperature side electrode portion, the thermoelectric conversion element, and the low temperature side electrode portion so as to provide a gap for flowing a refrigerant between the low temperature side electrode portion and With
In the non-formation region of the thermoelectric conversion element, at least one of the upper tube wall and the lower tube wall of the tubular body is the lower tube of the tubular body in a direction substantially perpendicular to the flow direction of the compressive fluid. Forming a rib indented to contact at least one of the wall and the upper tube wall;
At least one of the high temperature side electrode part and the low temperature side electrode part includes a bridge-like electrode formed so as to straddle a recess formed due to the rib, and relates to a thermoelectric conversion module.
本発明によれば、例えば各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流す熱電変換モジュールの管体に、当該管体の上管壁及び下管壁の少なくとも一方が、管体の下管壁及び上管壁の少なくとも一方と当接するように凹んでリブを形成するようにしている。したがって、上記管体を薄肉化し、管体内を流れる圧縮性流体の熱を管体の上下面に配設した熱電変換素子に効率良く伝達させようとした場合においても、リブが管体上下面の支持部材として機能するようになるので、管体の剛性を高く保持することができる。 According to the present invention, for example, at least one of the upper tube wall and the lower tube wall of the thermoelectric conversion module that flows a compressive fluid such as exhaust gas from various industrial equipment and automobiles, etc. A rib is formed to be recessed so as to contact at least one of the tube wall and the upper tube wall. Therefore, even when the tubular body is thinned and the heat of the compressive fluid flowing through the tubular body is efficiently transferred to the thermoelectric conversion elements disposed on the upper and lower surfaces of the tubular body, the ribs are formed on the upper and lower surfaces of the tubular body. Since it comes to function as a support member, the rigidity of the tube can be kept high.
なお、リブの形態は、管体の下管壁及び上管壁の少なくとも一方に当接させる側を狭窄して曲げ加工部の頂部を構成し、管体の下管壁及び上管壁に当接しない側を開口させるように凹ませ、凹み部分が空間として残存させるようにすることもできるし、管体の下管壁及び上管壁の少なくとも一方に当接させる側を狭窄して曲げ加工部の頂部を構成し、管体の下管壁及び上管壁に当接しない側を閉口させるように凹ませ、リブの両側壁面が接触及び密着し、凹み部分に空間が残存しないようにすることもできる。この場合、後者の形態におけるリブの方の強度が増大するので、管体の剛性をより高く保持することができる。 The rib is formed by constricting the side to be brought into contact with at least one of the lower tube wall and the upper tube wall of the tube body to form the top of the bent portion, and is in contact with the lower tube wall and the upper tube wall of the tube body. The side that does not contact is recessed so that it opens, and the recessed portion can be left as a space, or the side that makes contact with at least one of the lower and upper tube walls of the tube is narrowed and bent. Construct the top of the part, and dent so that the side that does not contact the lower tube wall and upper tube wall of the tube is closed, the both side walls of the rib are in contact and in close contact, so that no space remains in the recessed part You can also In this case, since the strength of the rib in the latter form is increased, the rigidity of the tubular body can be kept higher.
結果として、管体の上下面の変形を抑制することができ、当該上下面の平坦度を向上させることができる。このため、管体の上下面に高温側電極部を密着させることができ、さらに熱電変換素子を、高温側電極部を介して密着させることができるので、管体を薄肉化した場合においても、当該管体内を流れる圧縮性流体の熱を効率良く伝達することができる。 As a result, deformation of the upper and lower surfaces of the tubular body can be suppressed, and the flatness of the upper and lower surfaces can be improved. For this reason, the high temperature side electrode portion can be brought into close contact with the upper and lower surfaces of the tubular body, and further, the thermoelectric conversion element can be brought into close contact with the high temperature side electrode portion, so even when the tubular body is thinned, The heat of the compressive fluid flowing through the tube can be efficiently transferred.
一方、管体にリブを形成した場合においては、管体の上下面において、当該リブの非形成領域、すなわちリブを中心とした両側に熱電変換素子を構成するp型半導体素子及びn型半導体素子を配列し、さらに、リブを跨ぐようにして、p型半導体素子及びn型半導体素子を電気的に直列に接続する高温側電極部及び低温側電極部を配設する。 On the other hand, when ribs are formed on the tubular body, p-type semiconductor elements and n-type semiconductor elements that form thermoelectric conversion elements on the upper and lower surfaces of the tubular body on the rib non-formation regions, that is, on both sides centered on the ribs. And a high temperature side electrode portion and a low temperature side electrode portion for electrically connecting the p-type semiconductor element and the n-type semiconductor element in series so as to straddle the rib.
この場合、特に高温側電極部は管体に直接接触しているので、管体内を流れる圧縮性流体の熱の影響を受けやすく、通常のような板状の電極から構成した場合においては、高温側電極部の熱膨張によって特にリブ近傍に応力集中が生じ、部分的に断裂等、破損してしまう場合がある。したがって、管体上に配設した熱電変換素子の全体から、生成した電流を取り出すことができない場合がある。 In this case, since the high temperature side electrode part is in direct contact with the pipe body, it is easily affected by the heat of the compressive fluid flowing in the pipe body. Due to the thermal expansion of the side electrode portion, stress concentration occurs particularly in the vicinity of the rib, which may be partially broken or damaged. Therefore, the generated current may not be extracted from the entire thermoelectric conversion element disposed on the tube.
しかしながら、本発明においては、リブの両側に高温側電極部を分割配置し、これら2つの分割高温側電極部間を、上記リブを跨ぐようにしてブリッジ状の電極で接続するようにしている。ブリッジ状電極は、例えば薄板、板ばね状の電極部材、銅線、銅の撚り線等から構成することができるので柔軟性に富み、上述のように高温側電極部が膨張した場合においても、上記ブリッジ状電極は容易に変形することができる。したがって、高温側電極部の熱膨脹による応力集中に起因した、当該高温側電極部の部分的な断裂等の破損を防止することができる。この結果、管体上に配設した熱電変換素子の全体から、生成した電流を取り出すことができなくなるという問題を回避することができる。 However, in the present invention, the high temperature side electrode portions are arranged separately on both sides of the rib, and the two divided high temperature side electrode portions are connected by a bridge-like electrode so as to straddle the rib. The bridge-like electrode can be composed of, for example, a thin plate, a leaf spring-like electrode member, a copper wire, a copper stranded wire, etc., so that it is rich in flexibility, and even when the high temperature side electrode portion expands as described above, The bridge electrode can be easily deformed. Therefore, it is possible to prevent damage such as partial tearing of the high temperature side electrode portion due to stress concentration due to thermal expansion of the high temperature side electrode portion. As a result, the problem that it becomes impossible to take out the produced | generated electric current from the whole thermoelectric conversion element arrange | positioned on a tubular body can be avoided.
なお、ブリッジ状電極は、高温側電極部の一部を構成するので、本願発明においては、当該高温側電極部の構成要素に含めている。 In addition, since the bridge-like electrode constitutes a part of the high temperature side electrode portion, in the present invention, it is included in the constituent elements of the high temperature side electrode portion.
本発明の一例において、上記高温側電極部は、順次に積層された第1の金属層/絶縁層/第2の金属層の3層構造とし、ブリッジ状電極は、第2の金属層と電気的に接続するようにして形成することができる。 In an example of the present invention, the high-temperature side electrode portion has a three-layer structure of a first metal layer / insulating layer / second metal layer that are sequentially stacked, and the bridge-shaped electrode is electrically connected to the second metal layer. Can be formed so as to be connected to each other.
高温側電極部は、管体と電気的に絶縁するようにして配設するが、管体及び高温側電極部は、一般に金属体からなるので、管体と高温側電極部との間に絶縁体(絶縁層)を直接配設すると、特に絶縁体と管体との密着性(接合性)が悪く、これらの間に隙間を形成して管体から高温側電極部への伝熱を十分に行うことができない場合がある。 The high temperature side electrode portion is disposed so as to be electrically insulated from the tube body. However, since the tube body and the high temperature side electrode portion are generally made of a metal body, insulation is provided between the tube body and the high temperature side electrode portion. If the body (insulating layer) is placed directly, the adhesion (bonding) between the insulator and the tube is particularly poor, and a gap is formed between them to sufficiently transfer heat from the tube to the high-temperature side electrode. May not be able to be done.
しかしながら、上述のような3層構造とすることにより、第1層目に位置する第1の金属層は管体と接触することになるが、両者ともに金属体からなるので、これら間の密着性(接合性)が向上し、両者の間に隙間を形成することがない。したがって、管体から高温側電極部への伝熱性が向上する。 However, with the three-layer structure as described above, the first metal layer located in the first layer comes into contact with the tubular body, but both are made of a metal body, so the adhesion between them is (Jointability) is improved and no gap is formed between them. Therefore, the heat transfer from the tubular body to the high temperature side electrode portion is improved.
なお、高温側電極部を上述のように3層構造とした場合、上記ブリッジ状電極は最上層に位置する第2の金属層と接続するようにする。これによって、高温側電極部の熱膨脹による応力集中に起因した、当該高温側電極部の部分的な断裂等の破損をより効果的に防止することができる。 In the case where the high temperature side electrode portion has a three-layer structure as described above, the bridge electrode is connected to the second metal layer located at the uppermost layer. As a result, it is possible to more effectively prevent breakage such as partial tearing of the high temperature side electrode portion due to stress concentration due to thermal expansion of the high temperature side electrode portion.
以上、本発明によれば、熱電変換モジュールにおいて、圧縮性流体を流す管体を薄肉化した場合においても、当該管体の変形及び破損を防止して、特に熱電変換素子を配設する上下面の平坦度を確保することでき、各種産業機器及び自動車等などの排ガス等の圧縮性流体の廃熱等を熱源とする、実用性に富んだ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 present invention, in the thermoelectric conversion module, even when the tubular body through which the compressive fluid flows is thinned, the upper and lower surfaces that prevent deformation and breakage of the tubular body and in particular arrange the thermoelectric conversion element. Therefore, it is possible to provide a practical thermoelectric conversion module that uses waste heat of a compressive fluid such as exhaust gas from various industrial equipment and automobiles as a heat source.
以下、本発明の熱電変換モジュールの詳細並びにその他の特徴について、実施の形態に基づいて説明する。 Hereinafter, the details and other features of the thermoelectric conversion module of the present invention will be described based on embodiments.
図1は、本実施形態の熱電変換モジュールの一例を概略的に示す斜視図であり、図2は、図1に示す熱電変換モジュールのI−I線に沿った断面図であり、図3は、図1に示す熱電変換モジュールのII-II線に沿った断面図である。また、図4は、図2に示す熱電変換モジュールのリブ近傍を拡大して示す図である。 FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the thermoelectric conversion module of the present embodiment, FIG. 2 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 1, taken along line II, and FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of the thermoelectric conversion module shown in FIG. FIG. 4 is an enlarged view showing the vicinity of the rib of the thermoelectric conversion module shown in FIG.
図1〜3に示すように、熱電変換モジュール10は、圧縮性流体を流すための、平坦な上面11A及び下面11Bを有する筒状の管体11を有している。管体11は、その略中央において、管体11の上壁面11Cが下方に向けて凹み、管体11の下壁面11Dに当接してリブ23を形成している。すなわち、管体11の、上記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向においてリブ23が形成されている。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
上述したリブ23が形成された管体11は、例えば、図5に示すように、略中央部に後のリブを形成する外壁面に凹部(溝部)23Xが形成された上部材21Xを準備するとともに、平坦な板状の下部材21Yを準備し、これらの部材を図中丸印で示す箇所で溶接等することにより形成することができる。
For example, as shown in FIG. 5, the
なお、本実施形態では、リブ23を管体11の略中央部に形成しているが、管体11の上面11A又は下面11Bのいずれかの箇所に形成されていれば足りる。但し、管体11の中央部近傍に形成することにより、以下に説明するように、リブ23の作用効果をより効果的に奏することができるようになる。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、管体11の上壁面11Cが下方に向けて凹み、管体11の下壁面11Dに当接してリブ23を形成しているが、管体11の下壁面11Dが上方に向けて凹み、管体11の上壁面11Cに当接することによりリブを形成してもよい。さらに、管体11の上壁面11Cが下方へ向けて凹むと同時に、下壁面11Dが上方へ向けて凹み、これらの凹み部分が互いに当接することによってもリブを形成することができる。なお、この場合においても、管体11の中央部近傍にリブを形成することにより、以下に説明するように、リブの作用効果をより効果的に奏することができるようになる。
Further, in the present embodiment, the
図2では、リブ23の、管体11の上壁面11C側を開口させて、リブ23内に空間が形成されるような構造としているが、当該部分を閉口させて、リブ23の両側壁面を接触及び密着させ、上述のような空間が形成されないような構造とすることもできる。この場合、リブ23の強度がより向上するので、以下に説明するように、リブの作用効果をより効果的に奏することができるようになる。
In FIG. 2, the
管体11の上面11A及び下面11Bには、管体11と電気的に絶縁された高温側電極部12,12が、リブ23の両側に分割されて配設されている。分割された高温側電極部12,12は、リブ23を跨ぐようにして形成されたブリッジ状電極25によって電気的に接続されている。
On the
また、分割された高温側電極部12,12上には、リブ23の形成領域を除いて、p型熱電半導体131及びn型熱電半導体132が互いに隣接するようにしてマトリックス状に配設されるとともに、分割された高温側電極部12,12によって電気的に直列に接続された熱電変換素子13,13が配設されている。さらに、熱電変換素子13,13上には、p型熱電半導体131及びn型熱電半導体132を電気的に直列に接続する低温側電極部14,14が配設されている。
In addition, on the divided high temperature
管体11、高温側電極部12,12、熱電変換素子13,13、及び低温側電極部14,14は、気密に保持されたケース部材15中に収納され、低温側電極部14,14とケース部材15との間には、ケース部材15(熱電変換モジュール10)の外部に設けられた、冷媒の導入口18及び排出口19を通じて、ケース部材15(熱電変換モジュール20)の上壁面15A及び下壁面15Bで形成される空間内に冷媒を導入及び排出して、低温側電極部14,14を冷却するための空隙16が形成されている(図3参照)。
The
また、図3に示すように、空隙16中の、冷媒の導入口18及び排出口19と相対する側には、冷媒からの冷熱を低温側電極部14,14に効率良く伝達するための冷却フィン16Aが配設されている。
Further, as shown in FIG. 3, on the side of the
なお、ケース部材15は、図1及び図3に示すように、II-II方向の断面において、高温側電極部12,12、熱電変換素子13、13、及び低温側電極部14、14が収納され、冷媒を流すための空隙16が形成された部分が最も厚くなっており、当該部分から外方に向けてステップ状に薄くなるように構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 3, the
また、ケース部材15の、高温側電極部12、12、熱電変換素子13,13、及び低温側電極部14,14を収納した空間は、真空排気されて真空状態に保持されている。
Moreover, the space which accommodated the high temperature
なお、管体11の上面21A及び下面21Bに高温側電極部12,12が当接しており、ケース部材15の、冷媒を流すための空間を形成している上壁面15Aに対抗する下壁面15Bに低温側電極部14,14が当接しているが、いずれか一方をろう材等で接合してもよい。
The high temperature
このとき、熱電変換素子13,13等を収納した上記空間を真空にすることによって、ケース部材15の下壁面15Bが熱電変換素子13,13を加圧して、上述した当接部の密着性が向上する。
At this time, the lower wall 15B of the
なお、上述した当接部には、緩衝材や予備材等を管体11の上面11A及び下面11Bと高温側電極部12,12との間、並びにケース部材15の下壁面15Bと低温側電極部14,14との間に挟み込まれるようにして配設することもできる。
It should be noted that a buffer material, a spare material, and the like are provided between the
さらに、ケース部材15(熱電変換モジュール10)には、熱電変換素子13,13にて発生した電流を外部に取り出すための電極端子17,17が、図示しないリード線を介して熱電変換素子13,13と電気的に接続されている。
Furthermore, in the case member 15 (thermoelectric conversion module 10),
図1〜3に示す熱電変換モジュール10においては、管体11内に各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を導入し、当該圧縮性流体の廃熱によって管体11の上面11A及び下面11Bを加熱する。一方、ケース部材15の空隙16中には冷媒を導入する。管体11の上面11A及び下面11Bを加熱した熱は高温側電極部12,12を介して熱電変換素子13,13の下方に伝達され、熱電変換素子13,13の下部を加熱する。一方、空隙16内に導入された冷媒からの冷熱は低温側電極部14,14を介して熱電変換素子13,13の上方に伝達され、熱電変換素子13,13の上部を冷却する。
In the
その結果、熱電変換素子13,13には、ゼーベック効果によって起電力が生じ、この起電力によって、熱電変換素子13,13を構成するp型熱電半導体131及びn型熱電半導体132を電気的に直列に接続した高温側電極部12,12及び低温側電極部14,14を通じて、熱電変換素子13,13の全体に亘って電流が流れるようになり、当該電流は、図示しないリード線を介して、電極端子17,17から熱電変換モジュール10の外部に取出される。
As a result, an electromotive force is generated in the
管体11は、以下に説明するように薄肉化した場合においても十分な剛性を有し、各種産業機器及び自動車等の排ガス等の圧縮性流体を流し、この圧縮性流体に含まれる腐食性ガスに対して抗することができるように、例えばステンレス鋼から構成する。
The
高温側電極部12,12及び低温側電極部14,14は、耐熱性及び機械的強度に優れるとともに、比較的高い導電性を示すことが要求され、例えば、Mo,Cu,W,Ti,Niおよびこれらの合金あるいはステンレス鋼などから構成することができる。なお、電極端子17,17も同様の材料から構成することができる。
The high temperature
また、ブリッジ状電極25は、例えば、薄板、板ばね状の電極部材、銅線、銅の撚り線等の柔軟性に富んだ電極材料から構成することが好ましい。
The bridge-
熱電変換素子13,13を構成するp型熱電半導体131及びn型熱電半導体132は熱伝導率が低く、高温側及び低温側で大きな温度差を得、ゼーベック効果により大きな電位差を生成する材料から構成することが好ましく、例えば、Bi−Te系,Pb−Te系,Si−Ge系,あるいはMg−Si系等の半導体材料から構成する。
The p-type
また、ケース部材15は、熱電変換モジュール10を搭載する各種産業機器及び自動車等の軽量化、耐食性及び剛性の観点から、例えばMg,Al、Mo,Cu,W,Ti,Ni,Fe,ステンレス鋼あるいはこれらの合金から構成することができる。
The
なお、図示しない以下に説明するリード線は、電気的良導体、例えばCu,Ag,Au,Ni,Feおよびこれらの合金等から構成することができる。 In addition, the lead wire demonstrated below which is not shown in figure can be comprised from an electrical good conductor, for example, Cu, Ag, Au, Ni, Fe, these alloys, etc.
上述した起電力、すなわち熱電変換効率は、熱電変換素子13,13の上下における温度差が大きくなるにつれて高くなるので、熱電変換素子13,13の下部は熱電変換素子13,13を構成するp型熱電半導体131及びn型熱電半導体132が破損しない限りにおいて高温に加熱されることが望ましい。
The electromotive force, that is, the thermoelectric conversion efficiency described above increases as the temperature difference between the upper and lower sides of the
したがって、図1〜3に示す熱電変換モジュール10においては、管体11を構成する材料、例えばステンレス鋼等の厚さを可能な限り薄く、例えば0.5mm程度とし、管体11内を流れる圧縮性流体の廃熱を熱電変換素子13,13の下部に効率良く伝達する。
Accordingly, in the
一方、本実施形態の熱電変換モジュール10においては、管体11の圧縮性流体の流路と垂直な幅方向の略中央部において、管体11の上管壁11Cが、管体11の下管壁11Dに当接するように凹んでリブ23を形成するようにしている。したがって、管体11を薄肉化し、管体11内を流れる圧縮性流体の熱を管体の上下面に配設した熱電変換素子13,13に効率良く伝達させようとした場合においても、リブ23が支持部材として作用するようになるので、管体11の剛性を高く保持することができる。
On the other hand, in the
したがって、管体11の上下面11A及び11Bの変形を抑制することができ、上下面11A及び11Bの平坦度を向上させることができる。このため、管体11の上下面11A及び11Bに高温側電極部12,12を密着させることができ、さらに熱電変換素子13,13を、高温側電極部12,12を介して密着させることができるので、管体11を薄肉化した場合においても、管体11内を流れる圧縮性流体の熱を効率良く伝達することができる。
Therefore, the deformation of the upper and
管体11を薄肉化した場合、高温側電極部12,12は管体11に直接接触しているので、管体11内を流れる圧縮性流体の熱の影響を受けやすく、熱膨張し易くなるが、本実施形態の熱電変換モジュール10においては、リブ23の両側に配設した分割された高温側電極部12,12間を、リブ23を跨ぐようにしてブリッジ状電極25で接続するようにしている。
When the
上述のように、ブリッジ状電極25は、例えば板ばね状の電極部材等の柔軟性に富んだ電極材料から構成しているので、上述のようにリブ23の両側に配設された分割高温側電極部12,12が熱膨張した場合においても、ブリッジ状電極25は容易に変形することができる。したがって、分割された高温側電極部12,12の熱膨脹をブリッジ状電極25によって吸収することができるので、リブ23の両側に配設された分割された高温側電極部12,12の断線等を防止することができ、熱電変換素子13,13の全体から、生成した電気エネルギーを熱電変換モジュール10の外部に取り出すことができなくなるという問題を回避することができる。
As described above, since the bridge-shaped
なお、本実施形態の熱電変換モジュール10と異なり、高温側電極部12,12をリブ23の両側に分割させず、リブ23を跨ぐようにして連続的に形成した場合は、管体11の温度の不均一性に基づく熱膨張の不均一性に起因する熱応力により、リブ23に過度に応力集中が生じ、高温側電極部12,12及び熱電変換素子13,13間で破損し易くなる。この結果、管体11上に配設した熱電変換素子13,13の全体から、生成した電気エネルギーを取り出すことがより困難になる。
In addition, unlike the
図4に示すように、高温側電極部12,12は、順次に積層された第1の金属層/絶縁層/第2の金属層の3層構造とし、ブリッジ状電極25は、第2の金属層と電気的に接続するようにして形成することができる。
As shown in FIG. 4, the high temperature
高温側電極部12,12は、管体11と電気的に絶縁するようにして配設するが、管体11及び高温側電極部12,12は、上述のように金属体からなるので、管体11と高温側電極部12,12との間に絶縁体(絶縁層)を直接配設すると、特に絶縁体と管体11との密着性(接合性)が悪く、高温側電極部12,12を管体11上に安定的に配置することができない。
The high temperature
しかしながら、上述のような3層構造とすることにより、第1層目に位置する第1の金属層は、管体11と接触することになるが、両者ともに金属体からなるので、これら間の密着性(接合性)を向上させることができる。したがって、高温側電極部12,12を管体11上に安定的に配置することができるようになる。同様に、低温側電極部14,14のケース部材15の下壁面15Bとの密着性(接合性)も向上する。
However, by adopting the three-layer structure as described above, the first metal layer located in the first layer is in contact with the
高温側電極部12,12を上述のように3層構造とした場合、ブリッジ状電極25は最上層に位置する第2の金属層と接続するようにする。これによって、高温側電極部12,12をリブ23の両側に分割配置した場合においても、分割された高温側電極部12,12の熱膨張による変形をブリッジ状電極25の変形によって吸収することができるので、分割された高温側電極部12,12間の断線等を防止することができる。その結果、熱電変換素子13,13の全体から、生成した電気エネルギーを熱電変換モジュール10の外部に取り出すことができなくなるという問題を回避することができる。
When the high temperature
なお、ブリッジ状電極25は、上述のように高温側電極部12,12のみでなく、低温側電極部14,14にも形成することができる。
The bridge-
第1の金属層及び第2の金属層は、Al,Cu,Niあるいはこれらの合金から構成することができ、絶縁層は、アルミナ、窒化ケイ素等の絶縁性セラミックから構成することができる。 The first metal layer and the second metal layer can be made of Al, Cu, Ni, or an alloy thereof, and the insulating layer can be made of an insulating ceramic such as alumina or silicon nitride.
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。 While the present invention has been described in detail based on the above specific examples, the present invention is not limited to the above specific examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.
10 熱電変換モジュール
11 管体
12 高温側電極部
13 熱電変換素子
14 低温側電極部
15 ケース部材
16 (低温側電極部及びケース部材間の)空隙
17 電極端子
18 冷媒導入口
19 冷媒排出口
23 リブ
25 ブリッジ状電極
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記管体の上面側及び下面側それぞれに配設され、前記管体と電気的に絶縁された高温側電極部と、
前記高温側電極部上において、少なくとも一対のp型熱電半導体及びn型熱電半導体が電気的に直列に接続された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子上において、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部と、
前記低温側電極部との間に冷媒を流すための空隙を設けるようにして、前記管体、前記高温側電極部、前記熱電変換素子、及び前記低温側電極部を収納するためのケース部材とを具え、
前記圧縮性流体の流路方向と略垂直な方向であって、前記熱電変換素子の非形成領域において、前記管体の上管壁及び下管壁の少なくとも一方が、前記管体の前記下管壁及び前記上管壁の少なくとも一方と当接するように凹んでリブを形成し、
前記高温側電極部及び前記低温側電極部の少なくとも一方は、前記リブに起因して形成された凹部を跨ぐようにして形成されたブリッジ状電極を含むことを特徴とする、熱電変換モジュール。 A tubular tube for flowing a compressive fluid;
A high temperature side electrode portion disposed on each of an upper surface side and a lower surface side of the tube body and electrically insulated from the tube body;
A thermoelectric conversion element in which at least a pair of a p-type thermoelectric semiconductor and an n-type thermoelectric semiconductor are electrically connected in series on the high temperature side electrode portion;
On the thermoelectric conversion element, a low-temperature side electrode portion that electrically connects the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor in series;
A case member for housing the tubular body, the high temperature side electrode portion, the thermoelectric conversion element, and the low temperature side electrode portion so as to provide a gap for flowing a refrigerant between the low temperature side electrode portion and With
In the non-formation region of the thermoelectric conversion element, at least one of the upper tube wall and the lower tube wall of the tubular body is the lower tube of the tubular body in a direction substantially perpendicular to the flow direction of the compressive fluid. Forming a rib indented to contact at least one of the wall and the upper tube wall;
At least one of the high temperature side electrode part and the low temperature side electrode part includes a bridge electrode formed so as to straddle a recess formed due to the rib.
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JP2010245265A (en) * | 2009-04-06 | 2010-10-28 | Honda Motor Co Ltd | Thermoelectric module |
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