JP2016072559A

JP2016072559A - 熱電素子の配列による熱電モジュール

Info

Publication number: JP2016072559A
Application number: JP2014203220A
Authority: JP
Inventors: 土屋　次郎; Jiro Tsuchiya; 次郎土屋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2016-05-09

Abstract

【課題】一連のＮ型とＰ型の熱電素子を交互に配列して用いる熱電モジュールに於ける熱電素子の端部間の電気的接続が熱電モジュールの熱歪みにより劣化することのない熱電モジュールを提供する。【解決手段】絶縁層１０を挟む第一および第二の導電層１２、１４の積層体１６を貫通して開けられた一連の孔１８にＮ型とＰ型の熱電素子２０が交互に位置するように嵌め込まれ、一連の熱電素子２０の配列に沿って見て第一の導電層１２は各Ｐ型熱電素子を囲む領域２２から各Ｎ型熱電素子を囲む領域２４への遷移部にて絶縁層１０により仕切られ、第二の導電層は各Ｎ型熱電素子を囲む領域２８から各Ｐ型熱電素子を囲む領域３０への遷移部にて絶縁層１０により仕切られている。【選択図】図２

Description

本発明は、一連の熱電素子を配列し且それらの各対を電気的に直列に接続して熱電変換により起電力を生じる発電装置を製造するための熱電モジュールに係る。

互に平行に隔置された一対のフレキシブル基板の間に一連のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を交互に位置するようにフレキシブル基板に垂直に配列し、一方のフレキシブル基板には前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｎ型熱電素子の端部とそれに隣り合う各Ｐ型熱電素子の端部とを電気的に接続する導電パッドを設け、他方のフレキシブル基板には前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｐ型熱電素子の端部とそれに隣り合う各Ｎ型熱電素子の端部とを電気的に接続する導電パッドを設け、前記一対のフレキシブル基盤の間に前記一連の熱電素子を挟んだ重合体の両面間の温度差に基づいて前記一連の熱電素子の各対の直列接続の始端部と終端部の間に起電力を生ずるようになっている熱電モジュールが、下記の特許文献１に記載されている。

特開２０１１-１９３０１３

上記特許文献１に記載の熱電モジュールの構造では、導電パッドに対する熱電素子の各端部の接続は、電気的接続であると同時に両者の電気的接続を維持する剛固な機械的結合であり、フレキシブル基板に担持された導電パッドとそれに端部を固定された熱電素子とはＴ型構造体となることから、一対のフレキシブル基板間の温度差に伴い、一対のフレキシブル基板間の熱膨脹の差により熱電モジュールに熱歪みが生ずると、熱電素子と導電パッドのＴ型接合部には大きな曲げ応力が作用して同接合部に機械的破損を生じ、かかる曲げ応力の作用が繰り返されると、熱電素子と導電パッドの接合部の導電接続を良好に維持することが困難になると考えられる。またフレキシブル基板とそこに設けられた導電接続用の導電パッドでは熱容量が小さく、高熱源から熱電素子への熱入および熱電素子から低熱源への排熱を効率良く行なう上でも問題があると考えられる。

本発明は、一連のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子を交互に配列して用いる熱電モジュールに於ける上記の如き問題に鑑み、これらの点に関し改良された熱電モジュールを提供することを課題としている。

上記の課題を解決すべく、本発明は、絶縁層とその両側にあって前記絶縁層により互に電気的に隔離された第一および第二の導電層とを積層した積層体と、前記積層体の３つの層を貫通して開けられた一連の孔にＰ型とＮ型が交互に位置するように嵌め込まれた一連の熱電素子とを有し、前記第一の導電層は前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｐ型熱電素子を囲む領域から各Ｎ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層により当該Ｐ型熱電素子を囲む領域と当該Ｎ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されており、前記第二の導電層は前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｎ型熱電素子を囲む領域から各Ｐ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層により当該Ｎ型熱電素子を囲む領域と当該Ｐ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されており、前記積層体の両面間の温度差に基づいて前記一連の熱電素子の各対の直列接続の始端部と終端部の間に起電力を生ずるようになっていることを特徴とする熱電モジュールを提案するものである。

前記第一および第二の導電層のいずれか一方または両方は金属の層であってよい。高温側の熱源が輻射熱源であるときのために、高温側となる導電層は、輻射率の高い材料とされてよい。低温側となる導電層は、熱伝導率の高い材料とされるのが好ましい。

前記積層体の３つの層を貫通して開けられた一連の孔は、前記積層体が所定の形状に成形された後に開けられてよい。前記孔とその中に装着された熱電素子の間の接合部には、該孔の開口端より溶けたはんだを流し込むはんだ溶侵が施されてよい。

前記一連の熱電素子の配列に沿って見て前記第一の導電層の各Ｐ型熱電素子を囲む領域から各Ｎ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層は、前記第一の導電層に溝をエッチングにより形成し、該溝に絶縁層を施すことにより形成されてよい。同様に、前記一連の熱電素子の配列に沿って見て前記第二の導電層の各Ｎ型熱電素子を囲む領域から各Ｐ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層は、前記第二の導電層に溝をエッチングにより形成し、該溝に絶縁層を施すことにより形成されてよい。

熱電素子による熱電モジュールが、絶縁層とその両側にあって前記絶縁層により互に電気的に隔離された第一および第二の導電層とを積層した積層体と、前記積層体の３つの層を貫通して開けられた一連の孔にＰ型とＮ型が交互に位置するように嵌め込まれた一連の熱電素子とを有し、前記第一の導電層は前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｐ型熱電素子を囲む領域から各Ｎ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層により当該Ｐ型熱電素子を囲む領域と当該Ｎ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されており、前記第二の導電層は前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｎ型熱電素子を囲む領域から各Ｐ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層により当該Ｎ型熱電素子を囲む領域と当該Ｐ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されており、前記積層体の両面間の温度差に基づいて前記一連の熱電素子の各対の直列接続の始端部と終端部の間に起電力を生ずるようになっていれば、積層体の一方の側が高熱源に接続され、他方の側が低熱源に接続されることにより積層体の両面間に温度差が生じ、該温度差により第一および第二の導電層とその間に挟まれた絶縁層よりなる重合層に熱歪みが生じても、その熱歪みは重合層全体に漸変的に配分され、第一および第二の導電層と熱電素子の間の接合部に於ける局部的熱変形とはならないので、第一および第二の導電層と熱電素子の間の接合状態は確実に維持される。また第一および第二の導電層はそれぞれ十分大きい熱容量を有するので、高熱源から熱電素子への熱入および熱電素子から低熱源への排熱を効率良く行なうことができる。

前記第一および第二の導電層のいずれか一方または両方が金属の層であれば、金属層は熱による膨張収縮に柔軟に対応するので、上記の重合層全体への熱歪みの漸変的配分はより好ましく行われ、第一および第二の導電層と熱電素子の間の電気的接合状態を確実に維持することがより容易である。また金属層の熱容量は大きいので、高熱源から熱電素子への熱入および熱電素子から低熱源への排熱を効率良く行なうこともより容易である。

前記積層体が所定の形状に成形された後に前記積層体の３つの層を貫通する孔が開けられれば、熱電モジュールの形状の如何によって湾曲状態となる前記積層体を扁平形状に積層された積層体の曲げ成形により製造する場合にも、前記孔とその中に装着された熱電素子の間の整合度を高めることができる。前記孔とその中に装着された熱電素子の間の接合部に該孔の開口端より溶けたはんだを流し込むはんだ溶侵が施されれば、互に電気的に接続される熱電素子の端部間の電気的接続度を更に高めることができる。

前記一連の熱電素子の配列に沿って見て前記第一の導電層の各Ｐ型熱電素子を囲む領域から各Ｎ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層、或いは前記一連の熱電素子の配列に沿って見て前記第二の導電層の各Ｎ型熱電素子を囲む領域から各Ｐ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層が、前記第一または第二の導電層に溝をエッチングにより形成し、該溝に絶縁層を施すことにより形成されれば、これらの絶縁層をより容易に形成することができる。

本発明による熱電モジュールの一つの実施例の一部を示す平面図である。図１に示す熱電モジュールの切断位置Ａ−Ａに於ける断面図である。図１および図２に示す熱電モジュールの製造工程の一例を示す工程図である。本発明による熱電モジュールを用いた発電装置の一例を示す概略図である。本発明による熱電モジュールを用いた発電装置の他の一例を示す概略図である。本発明による熱電モジュールを用いた発電装置の更に他の一例を示す概略図である。

図１および図２に示す熱電モジュールは、絶縁層１０とその両側にあって絶縁層１０により互に電気的に隔離された第一の導電層１２および第二の導電層１４とを積層した積層体１６と、該重合体の３つの層１０、１２、１４を貫通して開けられた一連の孔１８にＮ型とＰ型とが交互に位置するように嵌め込まれた一連の熱電素子２０とを有している。

第一の導電層１２は、一連の熱電素子２０の配列に沿って見て、即ち、今図で左から右に向かって見て、各Ｐ型熱電素子を囲む領域２２から各Ｎ型熱電素子を囲む領域２４への遷移部に設けられた絶縁層２６により当該Ｐ型熱電素子を囲む領域と当該Ｎ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されている。第二の導電層１４は、同様に一連の熱電素子２０の配列に沿って見て、即ち、今図で左から右に向かって見て、各Ｎ型熱電素子を囲む領域２８から各Ｐ型熱電素子を囲む領域３０への遷移部に設けられた絶縁層３２により当該Ｎ型熱電素子を囲む領域と当該Ｐ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されている。

尚、図１に見える通り、この実施例では、上記の構造による一連の熱電素子２０を擁する積層体１６は帯状をなしており、そのような複数の帯状体が、絶縁層３３により互に電気的に隔離された状態にて，一連の熱電素子２０の配列方向とは直角の方向に配列されている。

かくしてＮ型とＰ型とが交互に位置するように配列された一連の熱電素子２０は、その一連の配列に沿って見て、即ち、今図で左から右に向かって見て、各Ｎ型の熱電素子はそれに続く各Ｐ型の熱電素子と第一の導電層１２内に位置する端部にて第一の導電層１２により互に電気的に接続され、各Ｐ型の熱電素子はそれに続く各Ｎ型の熱電素子と第二の導電層１４内に位置する端部にて第二の導電層１４により互に電気的に接続され、一連の熱電素子２０による熱電発電対はその両端間の温度差により生ずる起電力についてみて直列に接続された状態となり、積層体１６の一方の側が高熱源に接続され、他方の側が低熱源に接続されることにより積層体１６の両面間に温度差が生ずると、一連の熱電素子２０による熱電発電対の直列接続の始端部と終端部の間に一連の熱電素子２０による熱電発電対の各々に生ずる起電力を加算した起電力を生ずる。

導電層１２および１４は金属の層であってよい。そして、今、導電層１２の側が高熱源に接続され、導電層１４の側が低熱源に接続されるとし、高温側の熱源が輻射熱源であるときには、高温側となる導電層１２は、輻射率の高い材料とされるのが好ましい。一方、低温側となる導電層１４は、熱伝導率の高い材料とされるのが好ましい。

更に、図示の実施例に於いては、孔１８とその中に装着された熱電素子２０の間の接合部には、該孔の開口端より溶けたはんだを流し込むはんだ溶侵によるはんだ層３４が形成され、導電層１２の側に於けるＮ型熱電素子とＰ型熱電素子の端部どうしの電気的接続および導電層１４の側に於けるＰ型熱電素子とＮ型熱電素子の端部どうしの電気的接続の度合が高められている。

図３は、図１および図２に示す熱電モジュールを製造する一連の工程を一つの実施例について示している。

先ず、絶縁層１０となる平らな絶縁板の両側に導電層１２および１４となる平らな金属板を重ね合わせて積層体１６が形成される（工程Ｋ1）。

次いで、導電層１２および１４に溝３６および３８が図示の如くエッチングにより形成され（工程Ｋ2）、これらの溝内に絶縁材が充填されて絶縁層２６および３２が形成され（工程Ｋ3）、硬化される（工程Ｋ4）。尚、図１に示す絶縁層３３も、同様の溝のエッチングによる形成と絶縁材の充填により形成されてよい。

次いで、製造される熱電モジュールの形状の如何によりモジュールの基板となる積層体１６の一部の湾曲が必要な場合、それに合わせた積層体１６の成形が行われる（工程Ｋ5）。

次いで、成形後の積層体１６の３つの層１０、１２、１４を貫通して熱電素子２０の円筒状外形に対応する一連の円筒状の孔１８が図示の如く開けられ（工程Ｋ6）、これらの孔１８内にＮ型およびＰ型の熱電素子２０が交互の配列で装着される（工程Ｋ７）。

熱電素子２０の円筒状外形の径に対し円筒状の孔１８の内径を、両者の嵌め合いが適度の締り嵌めとなる値に設定しておくことにより、孔１８内に熱電素子２０が装着されただけで、相隣る熱電素子の端部間の導電層１２または１４による電気的接続は達成されるが、図示の実施例では、この電気的接続の度合と高めるよう、孔１８と熱電素子２０の間の接合面の外縁に沿ってはんだ塊４０が環状に盛り（工程Ｋ8）、これらのはんだ塊を溶融させ、それを孔１８と熱電素子２０の間の接合面間へしみ込ませ、はんだ層３４を形成する、はんだの溶侵が行われる（工程Ｋ9）。

この実施例では、積層体１６の導電層１４の側の低熱源への接続は、導電層１４の外面に放熱フィンを取り付けて熱を大気中へ放散させることにより行われるようになっており、続く工程として、そのための放熱フィンシート４２の取り付けが行われる（工程Ｋ10）。かかる放熱フィンシートでなく、水等の冷却媒体を通す熱交換器が設けられてもよい。

図４は、図３に示す如き工程にて製造された放熱フィンシート付き熱電モジュールを用いて、自動車のエンジンの排気マニホールドを高熱源とし、大気を低熱源として熱電式発電装置を構成する要領を示す概略図である。図に於いて、１００が放熱フィンシート付き熱電モジュールを用いて作られた皿状の発電ユニットであり、その導電層１２の側をエンジン１０２の排気マニホールド１０４へ向けて配置され、排気マニホールド１０４から熱輻射により熱を受けるようになっている。

図５は、図３に示す如き工程にて製造された放熱フィンシート付き熱電モジュールを用いてサウナ室の壁を構成し、サウナ室の発熱体を高熱源とし、大気を低熱源として熱電式発電装置を構成する要領を示す概略図である。図に於いて、１０６が囲み壁状の発電ユニットであり、その導電層１２の側をサウナ室の発熱体１０８へ向けてそれを囲むように配置され、発熱体１０８から熱輻射により熱を受けるようになっている。

図６は、図３に示す如き工程にて製造された放熱フィンシート付き熱電モジュールを用いてストーブの後壁を構成し、ストーブの発熱体を高熱源とし、大気を低熱源として熱電式発電装置を構成する要領を示す概略図である。図に於いて、１１０が熱反射板状の発電ユニットであり、その導電層１２の側をストーブの発熱体１１２へ向けて配置され、発熱体１１２から熱輻射により熱を受けるようになっている。

以上に於いては、本発明を実施例について詳細に説明したが、図示の実施例について本発明の範囲内にて種々の修正が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。

１０…絶縁層、１２…第一の導電層、１４…第二の導電層、１６…積層体、１８…孔、２０…熱電素子、２２…第一の導電層の各Ｐ型熱電素子を囲む領域、２４…第一の導電層の各Ｎ型熱電素子を囲む領域、２６…絶縁層、２８…第二の導電層の各Ｎ型熱電素子を囲む領域、３０…第二の導電層の各Ｐ型熱電素子を囲む領域、３２，３３…絶縁層、３４…はんだ層、３６，３８…溝、４０…はんだ塊、４２…放熱フィンシート、１００…発電ユニット、１０２…エンジン、１０４…排気マニホールド、１０６…発電ユニット、１０８…発熱体、１１０…発電ユニット、１１２…発熱体

Claims

絶縁層とその両側にあって前記絶縁層により互に電気的に隔離された第一および第二の導電層とを積層した積層体と、前記積層体の３つの層を貫通して開けられた一連の孔にＮ型とＰ型が交互に位置するように嵌め込まれた一連の熱電素子とを有し、前記第一の導電層は前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｐ型熱電素子を囲む領域から各Ｎ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層により当該Ｐ型熱電素子を囲む領域と当該Ｎ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されており、前記第二の導電層は前記一連の熱電素子の配列に沿って見て各Ｎ型熱電素子を囲む領域から各Ｐ型熱電素子を囲む領域への遷移部に設けられた絶縁層により当該Ｎ型熱電素子を囲む領域と当該Ｐ型熱電素子を囲む領域との間で電気的に隔離されており、前記積層体の両面間の温度差に基づいて前記一連の熱電素子の各対の直列接続の始端部と終端部の間に起電力を生ずるようになっていることを特徴とする伝熱モジュール。