JP2017098327A - Laminated thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、適用温度範囲が異なる2種類以上の熱電変換モジュールが積層されてなる積層型熱電変換モジュール及び熱電変換装置に関する。 The present invention relates to a stacked thermoelectric conversion module and a thermoelectric conversion device in which two or more types of thermoelectric conversion modules having different application temperature ranges are stacked.
従来、熱電変換素子のゼーベック効果又はペルチェ効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに、又は電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する熱電変換モジュールが知られている。一般的な熱電変換モジュールは、p型半導体からなる熱電素子とn型半導体からなる熱電素子を、金属電極を介して「π」型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群と、熱電素子群を支持する絶縁基板(例えばセラミック基板)と、を有する。 Conventionally, a thermoelectric conversion module that directly converts thermal energy into electrical energy or electrical energy into thermal energy using the Seebeck effect or Peltier effect of a thermoelectric conversion element is known. In general thermoelectric conversion modules, a thermoelectric element made of a p-type semiconductor and a thermoelectric element made of an n-type semiconductor are connected in a “π” type via a metal electrode, and a large number of these are assembled and electrically connected in series. A thermoelectric element group, and an insulating substrate (for example, a ceramic substrate) that supports the thermoelectric element group.
熱電変換モジュールは、可動部(機械的な駆動部分)を持たず構造が簡単であるため、摩耗劣化などの心配がなく信頼性・耐久性に優れる、メンテナンスが容易である、小型化・軽量化が容易で適用場所の制限が少ない、という利点がある。このような利点を有することから、大量の熱が排出される工業炉(電気炉や燃焼炉等、各種産業分野で溶解、精錬、加熱等の工程で使用される炉)にも比較的容易に設置することができる。また、熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置は、二酸化炭素を排出することもなく、廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、環境保全や省エネルギーの観点から非常に注目されている。 The thermoelectric conversion module has no moving parts (mechanical drive parts) and has a simple structure, so there is no worry about wear deterioration, etc., it is excellent in reliability and durability, easy maintenance, miniaturization and weight reduction. However, there is an advantage that there are few restrictions on the application place. Because of these advantages, it is relatively easy for industrial furnaces (furnace used in melting, refining, and heating processes in various industrial fields such as electric furnaces and combustion furnaces) from which a large amount of heat is discharged. Can be installed. In addition, thermoelectric power generation devices using thermoelectric conversion modules have attracted considerable attention from the viewpoint of environmental conservation and energy saving as a technology that can recover waste heat and reuse it as an energy source without discharging carbon dioxide. Has been.
熱電変換モジュールにおいては、熱電素子に大きな温度差を付与することにより、得られる電力は増大する。しかしながら、熱電素子の熱電発電効率は温度に依存し、幅広い温度領域にわたって優れた発電特性を発揮する素子材料はない。 In the thermoelectric conversion module, the electric power obtained increases by giving a large temperature difference to the thermoelectric element. However, thermoelectric power generation efficiency of thermoelectric elements depends on temperature, and there is no element material that exhibits excellent power generation characteristics over a wide temperature range.
そこで、工業炉のように数百度以上の高温の熱源を利用して熱電発電を行う場合に好適な熱電変換モジュールとして、適用温度範囲が異なる2種類の熱電変換モジュールが積層されてなる積層型熱電変換モジュールが提案されている(例えば特許文献1)。適用温度範囲とは、熱電素子が劣化することなく、期待する熱電発電効率が得られる温度範囲である。積層型熱電変換モジュールでは、それぞれの熱電変換モジュールに、適用温度範囲内で可能な限り大きな温度差が付与されることが好ましい。 Therefore, as a thermoelectric conversion module suitable for performing thermoelectric power generation using a high-temperature heat source of several hundred degrees or more as in an industrial furnace, a laminated thermoelectric module in which two types of thermoelectric conversion modules having different application temperature ranges are laminated. A conversion module has been proposed (for example, Patent Document 1). The applied temperature range is a temperature range in which the expected thermoelectric power generation efficiency can be obtained without deterioration of the thermoelectric element. In the laminated thermoelectric conversion module, it is preferable that each thermoelectric conversion module is given a temperature difference as large as possible within the applicable temperature range.
図1は、積層型熱電変換モジュールMにおける熱伝達態様を示す図である。図1に示す高温側の熱電変換モジュールM1の熱抵抗R1は、高さd1に比例し、断面積(熱電素子の断面積の総和)A1に反比例する。したがって、熱電変換モジュールM1の断面積A1が大きい程、温度差ΔT1(TH−TB)は小さくなり、ΔT2(TB−TC)は大きくなる。逆に、断面積A1が小さい程、温度差ΔT1は大きくなり、ΔT2は小さくなる。また、熱電変換モジュールM1の高さd1が小さい程、温度差ΔT1は小さくなり、ΔT2は大きくなる。逆に、高さd1が大きい程、温度差ΔT1は大きくなり、ΔT2は小さくなる。低温側の熱電変換モジュールM2の断面積A2、高さd2についても同様のことがいえる。 FIG. 1 is a diagram showing a heat transfer mode in the laminated thermoelectric conversion module M. The thermal resistance R1 of the high-temperature-side thermoelectric conversion module M1 shown in FIG. 1 is proportional to the height d1, and inversely proportional to the cross-sectional area (sum of the cross-sectional areas of the thermoelectric elements) A1. Therefore, the larger the cross-sectional area A1 of the thermoelectric conversion module M1, the smaller the temperature difference ΔT1 (T H −T B ) and the larger ΔT2 (T B −T C ). Conversely, the smaller the cross-sectional area A1, the greater the temperature difference ΔT1 and the smaller ΔT2. Further, as the height d1 of the thermoelectric conversion module M1 is smaller, the temperature difference ΔT1 is smaller and ΔT2 is larger. Conversely, the greater the height d1, the greater the temperature difference ΔT1 and the smaller ΔT2. The same applies to the cross-sectional area A2 and the height d2 of the thermoelectric conversion module M2 on the low temperature side.
このように、熱電変換モジュールM1、M2の断面積A1、A2又は高さd1、d2を調整することにより、熱電変換モジュールM1、M2における温度勾配を調整することができ、それぞれの熱電変換モジュールM1、M2に、最適な温度差ΔT1、ΔT2を付与することができる(特許文献1の図9参照)。これにより、熱電変換モジュールM1、M2のモジュール性能を最大限に引き出すことができる。 Thus, by adjusting the cross-sectional areas A1 and A2 or the heights d1 and d2 of the thermoelectric conversion modules M1 and M2, the temperature gradient in the thermoelectric conversion modules M1 and M2 can be adjusted, and the respective thermoelectric conversion modules M1. , M2 can be provided with optimum temperature differences ΔT1 and ΔT2 (see FIG. 9 of Patent Document 1). Thereby, the module performance of the thermoelectric conversion modules M1 and M2 can be maximized.
しかしながら、熱電変換モジュールの高さ又は断面積を調整する場合、熱源温度に応じて適切な寸法の熱電変換モジュールを設計することになり、熱電モジュールの仕様が多様化され、製造コストが増大する虞がある。特に、熱電変換モジュールの高さを変更する場合、熱電変換装置の筐体寸法も変更する必要がある。 However, when adjusting the height or cross-sectional area of the thermoelectric conversion module, the thermoelectric conversion module having an appropriate dimension is designed according to the heat source temperature, and the specifications of the thermoelectric module may be diversified, resulting in an increase in manufacturing cost. There is. In particular, when changing the height of the thermoelectric conversion module, it is also necessary to change the housing dimensions of the thermoelectric conversion device.
本発明の目的は、熱源温度が異なる様々な環境に設置する場合に好適な積層型熱電変換モジュール及び熱電変換装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a laminated thermoelectric conversion module and a thermoelectric conversion device suitable for installation in various environments having different heat source temperatures.
本発明に係る積層型熱電変換モジュールは、平板状の複数の熱電変換モジュールが熱の伝達方向に沿って積層された積層型熱電変換モジュールであって、
前記複数の熱電変換モジュールは、それぞれ、p型半導体からなる柱状の第1の熱電素子及びn型半導体からなる柱状の第2の熱電素子を、金属電極を介してπ型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群を有し、
前記複数の熱電変換モジュールのうちの少なくとも一つは、複数の単位モジュールを組み合わせた複合モジュールであり、前記単位モジュールの個数を変更可能であることを特徴とする。
The laminated thermoelectric conversion module according to the present invention is a laminated thermoelectric conversion module in which a plurality of flat thermoelectric conversion modules are laminated along a heat transfer direction,
Each of the plurality of thermoelectric conversion modules connects a columnar first thermoelectric element made of a p-type semiconductor and a columnar second thermoelectric element made of an n-type semiconductor to a π-type via a metal electrode. It has a group of thermoelectric elements that are assembled and electrically connected in series,
At least one of the plurality of thermoelectric conversion modules is a composite module in which a plurality of unit modules are combined, and the number of the unit modules can be changed.
本発明に係る熱電変換装置は、上記の積層型熱電変換モジュールと、
前記積層型熱電変換モジュールの高温側端面に配置され、前記積層型熱電変換モジュールを加熱する受熱板と、
前記積層型熱電変換モジュールの低温側端面に配置され、前記積層型熱電変換モジュールを冷却する冷却板と、
前記積層型熱電変換モジュール、前記受熱板及び前記冷却板を収容する筐体と、を備えることを特徴とする。
A thermoelectric conversion device according to the present invention includes the above-described laminated thermoelectric conversion module,
A heat receiving plate disposed on a high-temperature side end face of the laminated thermoelectric conversion module and heating the laminated thermoelectric conversion module;
A cooling plate that is disposed on a low-temperature side end face of the laminated thermoelectric conversion module and cools the laminated thermoelectric conversion module;
And a housing for housing the laminated thermoelectric conversion module, the heat receiving plate, and the cooling plate.
本発明によれば、単位モジュールの個数を調整することにより熱電変換モジュールに形成される温度勾配を調整し、それぞれの熱電変換モジュールに最適な温度差を付与することができるので、熱源温度が異なる様々な環境に設置する場合に、容易に対応することができる。 According to the present invention, the temperature gradient formed in the thermoelectric conversion module can be adjusted by adjusting the number of unit modules, and an optimum temperature difference can be given to each thermoelectric conversion module, so the heat source temperature is different. When installing in various environments, it can be easily handled.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図2は、本発明の一実施の形態に係る熱電変換装置1を示す図である。図2に示すように、熱電変換装置1は、積層型熱電変換モジュール10、受熱板20、冷却板30、及び筐体40を有する。積層型熱電変換モジュール10、受熱板20、及び冷却板30は、例えば、筐体40に収容された状態で、冷却板30の背面(積層型熱電変換モジュール10と接触する面と反対の面)に補強梁60を介して押圧ボルト50を締め込むことにより、固定される。
FIG. 2 is a diagram showing a thermoelectric conversion device 1 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 2, the thermoelectric conversion device 1 includes a stacked
受熱板20は、積層型熱電変換モジュール10の高温側端面に接触して配置される。受熱板20は、例えば熱電変換装置1が設置される炉内の熱を吸収して、積層型熱電変換モジュール10を加熱する。加熱温度(熱源温度)は、熱電変換装置1が設置される環境に応じて変化する。
The
冷却板30は、積層型熱電変換モジュール10の低温側端面に接触して配置される。冷却板30は、例えば、金属製の板材に水を流通させるパイプを埋設した構成を有する。冷却板30に所定の流量で水を流すことにより、積層型熱電モジュール10の低温側を所定の温度に冷却することができる。冷却温度は、例えば30℃である。
The
積層型熱電変換モジュール10は、温度差を利用して発電出力を得ることができる平板状のモジュールである。熱電変換装置1においては、受熱板20から熱電変換モジュール10に熱が流入し、冷却板30に向かって伝達される。
The laminated
図3は、積層型熱電変換モジュール10を示す図である。図3Aは、積層型熱電変換モジュール10の平面図であり、図3Bは、熱電変換モジュール10の断面図である。図3に示すように、積層型熱電変換モジュール10は、高温域用の第1の熱電変換モジュール11及び低温域用の第2の熱電変換モジュール12を有する。第1の熱電変換モジュール11と第2の熱電変換モジュール12の間には、金属製又はカーボン製の均熱板(図示略)が介在する。
FIG. 3 is a diagram showing the stacked
第1の熱電変換モジュール11は、複数の単位モジュール11Sを組み合わせた複合モジュールである。本実施の形態では、単位モジュール11Sの個数は1〜9個であり、容易に変更することができる。また、単位モジュール11Sは、平面視で正方形状を有する。図3では、第1の熱電変換モジュール11は、単位モジュール11Sが2行2列で隙間なく配列され、全体として正方形状となっている。
The first
第2の熱電変換モジュール12は、複数の単位モジュール12Sを組み合わせた複合モジュールである。本実施の形態では、単位モジュール12Sの個数は1〜9個であり、容易に変更することができる。また、単位モジュール12Sは、平面視で正方形状を有する。図3では、第2の熱電変換モジュール12は、単位モジュール12Sが3行3列で隙間なく配列され、全体として正方形状となっている。
The second
第1の熱電変換モジュール11を構成する単位モジュール11Sと第2の熱電変換モジュール12を構成する単位モジュール12Sの面積は同じであってもよいし、異なっていてもよい。単位モジュール11S、12Sの面積とは、単位モジュール11S、12Sを構成する絶縁基板104、105(図4参照)の面積である。また、単位モジュール11S、12Sの平面視における形状は、正方形状に限定されず、容易に組み合わせられる形状であればよい。
The area of the
図3に示すように、第1の熱電変換モジュール11のモジュール面積が第2の熱電変換モジュール12のモジュール面積よりも小さい場合、第1の熱電変換モジュール11は、平面視において、第2の熱電変換モジュール12の略中央に配置されるのが好ましい。また、第1の熱電変換モジュール11のモジュール面積が第2の熱電変換モジュール12のモジュール面積よりも大きい場合、第2の熱電変換モジュール12は、平面視において、第1の熱電変換モジュール11の略中央に配置されるのが好ましい。第1の熱電変換モジュール11のモジュール面積とは、単位モジュール11Sの面積の総和であり、第2の熱電変換モジュール12のモジュール面積とは、単位モジュール12Sの面積の総和である。
As shown in FIG. 3, when the module area of the first
図4は、単位モジュール11S、12Sを示す図である。図4に示すように、単位モジュール11S、12Sは、それぞれ、熱電素子群110と、熱電素子群110を挟持する2枚の絶縁基板104、105を有する。熱電素子群110は、p型半導体からなる第1の熱電素子101及びn型半導体からなる第2の熱電素子102を、金属電極103を介して「π」型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した構成を有する。以下において、第1の熱電素子101と第2の熱電素子102を区別しない場合は、「熱電素子101、102」と表記する。
FIG. 4 is a diagram showing the
熱電素子101、102は、角柱状又は円柱状の部材である。熱電素子101、102を円柱状の部材で形成する場合、熱応力に対する耐性が向上する。
The
第1の熱電変換モジュール11において、熱電素子101、102は、酸化物化合物半導体で形成される。第1の熱電素子101は、例えば実質的にCa3Co4O9からなるp型半導体で形成される。第2の熱電素子102は、例えば実質的にCaMnO3からなるn型半導体で形成される。この場合、第1の熱電変換モジュール11の適用温度範囲は900℃以下となる。
In the first
「実質的にCa3Co4O9からなる」とは、必須成分Ca、Co及びO以外の任意成分を含んでいてもよいことを意味し、一般式CaaMbCo4Oc(M:Na、K、Li、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Zn、Pb、Sr、Ba、Al、Bi、Y及びランタノイドを含む群から選択される少なくとも一種の元素、2.2≦a≦3.6、0≦b≦0.8、8≦c≦10)で表される。 “Substantially consists of Ca 3 Co 4 O 9 ” means that an optional component other than the essential components Ca, Co and O may be included, and the general formula Ca a M b Co 4 O c (M : At least one element selected from the group comprising Na, K, Li, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Pb, Sr, Ba, Al, Bi, Y and a lanthanoid; 2 ≦ a ≦ 3.6, 0 ≦ b ≦ 0.8, 8 ≦ c ≦ 10).
「実質的にCaMnO3からなる」とは、必須成分Ca、Mn及びO以外の任意成分を含んでいてもよいことを意味し、一般式Ca1−xM1 xMn1−yM2 yOz(M1:Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Yb、Dy、Ho、Er、Tm、Tb、Lu、Sr、Ba、Al、Bi、Y及びLaを含む群から選択される少なくとも一種の元素、M2:Ta、Nb、W及びMoを含む群から選択される少なくとも一種の元素、0≦x≦0.5、0≦y≦0.2、2.7≦z≦3.3)で表される。 The phrase “consisting essentially of CaMnO 3 ” means that an optional component other than the essential components Ca, Mn and O may be included, and the general formula Ca 1-x M 1 x Mn 1-y M 2 y O z (M 1 : selected from the group comprising Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Yb, Dy, Ho, Er, Tm, Tb, Lu, Sr, Ba, Al, Bi, Y and La At least one element, M 2 : at least one element selected from the group comprising Ta, Nb, W and Mo, 0 ≦ x ≦ 0.5, 0 ≦ y ≦ 0.2, 2.7 ≦ z ≦ 3 .3).
第2の熱電変換モジュール12において、熱電素子101、102は、ビスマス・テルル系半導体で形成される。この場合、第2の熱電変換モジュール11の適用温度範囲は、200℃以下となる。第1の熱電素子101は、例えばBiの一部をSbで置換したp型BiSbTeで形成される。第2の熱電素子102は、例えばTeの一部をSeで置換したn型BiTeSeで形成される。
In the second
金属電極103は、例えばAgで形成される。熱電素子101、102と金属電極103は、例えば半田付けにより接合される。
The
絶縁基板104、105は、例えばセラミック基板である。絶縁基板104、105は、隣接する単位モジュール11S、12Sと係合するための係合溝又は係合片を有していてもよい。これにより、単位モジュール11S、12Sを容易に隙間なく配列することができる。
The insulating
熱電変換装置1が炉内に設置され、第1の熱電変換モジュール11及び第2の熱電変換モジュール12のそれぞれに温度差が付与されると、起電力が生じる。この電力は、それぞれの単位モジュール11S、12Sの電流リード106、107を介して取り出される。なお、第1の熱電変換モジュール11において、隣接する単位モジュール11Sの電流リード106、107を接続してもよい。第2の熱電変換モジュール12についても同様である。
When the thermoelectric conversion device 1 is installed in the furnace and a temperature difference is applied to each of the first
第1の熱電変換モジュール11を構成する単位モジュール11Sの個数及び第2の熱電変換モジュール12を構成する単位モジュール12Sの個数は、熱電変換装置1が設置される環境の熱源温度に応じて設定される。単位モジュール11S、12Sの個数を変更しても、積層型熱電変換モジュール10の高さは同じなので、筐体40の寸法を変更する必要はない。
The number of
本実施の形態では、第1の熱電変換モジュール11と第2の熱電変換モジュール12の接合部分の境界温度(均熱板の温度)が、第2の熱電変換モジュール12の耐用温度(適用温度範囲の上限)である200℃となるように、単位モジュール11S、12Sの個数が調整される。例えば、熱源温度が800℃である場合、第1の熱電変換モジュール11には600℃の温度差が付与されることになる。
In the present embodiment, the boundary temperature (temperature of the soaking plate) of the joint portion between the first
このとき、第1の熱電変換モジュール11及び第2の熱電変換モジュール12のうち、出力性能の高い方の個数が最大(本実施の形態では9個)に設定され、出力性能の低い方の個数が調整されるのが好ましい。本実施の形態の場合、第2の熱電変換モジュール12の出力性能が高いので、第1の熱電変換モジュール11を構成する単位モジュール11Sの個数が調整される。これにより、積層型熱電変換モジュール10のモジュール性能を最大限に活かすことができる。
At this time, of the first
このように、積層型熱電変換モジュール10は、 平板状の第1の熱電変換モジュール11及び第2の熱電変換モジュール12(複数の熱電変換モジュール)が熱の伝達方向に沿って積層された積層型熱電変換モジュールである。第1の熱電変換モジュール11及び第2の熱電変換モジュール12は、それぞれ、p型半導体からなる柱状の第1の熱電素子101及びn型半導体からなる柱状の第2の熱電素子102を、金属電極103を介してπ型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群110を有する。第1の熱電変換モジュール11及び第2の熱電変換モジュール12(複数の熱電変換モジュールのうちの少なくとも一つ)は、それぞれ複数の単位モジュール11S、12Sを組み合わせた複合モジュールであり、単位モジュール11S、12Sの個数を変更可能となっている。
Thus, the laminated
積層型熱電変換モジュール10によれば、単位モジュール11S、12Sの個数を調整することにより第1の熱電変換モジュール11及び第2の熱電変換モジュール12に形成される温度勾配を調整し、最適な温度差を付与することができるので、熱源温度が異なる様々な環境に設置する場合に、容易に対応することができる。また、同一設計の単位モジュール11S、12Sを用いるので、熱源ごとに適した寸法の熱電変換モジュールを設計する必要はなく、筐体40の寸法を変更する必要もない。
According to the laminated
[実施例]
実施例では、以下の構成を有する積層型熱電変換モジュールを作製した。
第1の熱電変換モジュール:最大9個の単位モジュールからなる複合モジュール
第1の熱電素子:
素子材料:実質的にCa3Co4O9からなるp型半導体
素子サイズ:
断面積:10〜20mm2、高さ:4〜10mm(角柱)
第2の熱電素子:
素子材料:例えばCaMnO3からなるn型半導体
素子サイズ:
断面積:10〜15mm2、高さ:第1の熱電素子と同じ(角柱)
絶縁基板:
基板材料:セラミック基板
基板サイズ:60mm×60mm(正方形板)
素子占有率(絶縁基板の面積に対する熱電素子の断面積):50〜80%
適用温度範囲:900℃以下
第2の熱電変換モジュール:最大9個の単位モジュールからなる複合モジュール
第1の熱電素子:
素子材料:ビスマス・テルル系のp型半導体
素子サイズ:
断面積:2〜5mm2、高さ:1〜3mm(円柱)
第2の熱電素子:
素子材料:ビスマス・テルル系のn型半導体
素子サイズ:
断面積:2〜5mm2、高さ:第1の熱電素子と同じ(円柱)
絶縁基板:
基板材料:セラミック基板
基板サイズ:60mm×60mm(正方形板)
素子占有率:30〜60%
適用温度範囲:200℃以下
[Example]
In the example, a laminated thermoelectric conversion module having the following configuration was manufactured.
First thermoelectric conversion module: Composite module composed of a maximum of nine unit modules First thermoelectric element:
Element material: p-type semiconductor substantially composed of Ca 3 Co 4 O 9 Element size:
Cross-sectional area: 10 to 20 mm 2 , height: 4 to 10 mm (rectangular column)
Second thermoelectric element:
Element material: n-type semiconductor made of, for example, CaMnO 3 Element size:
Cross-sectional area: 10 to 15 mm 2 , height: the same as the first thermoelectric element (rectangular column)
Insulating substrate:
Substrate material: Ceramic substrate Substrate size: 60mm x 60mm (square plate)
Element occupation ratio (cross-sectional area of thermoelectric element with respect to area of insulating substrate): 50 to 80%
Applicable temperature range: 900 ° C. or less Second thermoelectric conversion module: Composite module composed of a maximum of nine unit modules First thermoelectric element:
Element material: Bismuth-tellurium p-type semiconductor Element size:
Cross-sectional area: 2-5 mm 2 , height: 1-3 mm (cylinder)
Second thermoelectric element:
Device material: Bismuth-tellurium n-type semiconductor Device size:
Cross-sectional area: 2 to 5 mm 2 , height: the same as the first thermoelectric element (cylinder)
Insulating substrate:
Substrate material: Ceramic substrate Substrate size: 60mm x 60mm (square plate)
Element occupancy: 30-60%
Applicable temperature range: 200 ° C or less
図5Aは、第1の熱電変換モジュールの単位モジュールを3個、第2の熱電変換モジュールの単位モジュールを9個としたときの積層型熱電電変換モジュールにおける温度勾配を示す図である。この場合、第1の熱電変換モジュールと第2の熱電変換モジュールの面積比A1/A2は33.3%である。図5Aに示すように、第1の熱電変換モジュールの単位モジュールを3個とした場合、熱源温度が800℃である場合に、境界温度が180〜220(200℃近傍)となる。すなわち、積層型熱電変換モジュールを、熱源温度が800℃である環境に設置する場合に、第2の熱電変換モジュールの出力性能を最大限に引き出すことができる。 FIG. 5A is a diagram illustrating a temperature gradient in the stacked thermoelectric conversion module when there are three unit modules of the first thermoelectric conversion module and nine unit modules of the second thermoelectric conversion module. In this case, the area ratio A1 / A2 between the first thermoelectric conversion module and the second thermoelectric conversion module is 33.3%. As shown in FIG. 5A, when the number of unit modules of the first thermoelectric conversion module is three, the boundary temperature is 180 to 220 (near 200 ° C.) when the heat source temperature is 800 ° C. That is, when the stacked thermoelectric conversion module is installed in an environment where the heat source temperature is 800 ° C., the output performance of the second thermoelectric conversion module can be maximized.
図5Bは、第1の熱電変換モジュールの単位モジュールを9個、第2の熱電変換モジュールの単位モジュールを9個としたときの積層型熱電電変換モジュールにおける温度勾配を示す図である。この場合、第1の熱電変換モジュールと第2の熱電変換モジュールの面積比A1/A2は100%である。図5Bに示すように、第1の熱電変換モジュールの単位モジュールを9個とした場合、熱源温度が400℃である場合に、境界温度が180〜220(200℃近傍)となる。すなわち、積層型熱電変換モジュールを、熱源温度が400℃である環境に設置する場合に、第2の熱電変換モジュールの出力性能を最大限に引き出すことができる。 FIG. 5B is a diagram illustrating a temperature gradient in the stacked thermoelectric conversion module when the number of unit modules of the first thermoelectric conversion module is nine and the number of unit modules of the second thermoelectric conversion module is nine. In this case, the area ratio A1 / A2 of the first thermoelectric conversion module and the second thermoelectric conversion module is 100%. As shown in FIG. 5B, when the number of unit modules of the first thermoelectric conversion module is nine, the boundary temperature is 180 to 220 (near 200 ° C.) when the heat source temperature is 400 ° C. That is, when the stacked thermoelectric conversion module is installed in an environment where the heat source temperature is 400 ° C., the output performance of the second thermoelectric conversion module can be maximized.
このように、積層型熱電変換モジュールは、熱源温度が異なる様々な環境に設置する場合に、容易に対応することができる。 As described above, the laminated thermoelectric conversion module can easily cope with installation in various environments having different heat source temperatures.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be changed without departing from the gist thereof.
例えば、実施の形態において、第1の熱電変換モジュール11、第2の熱電変換モジュール12は、絶縁基板104、105のうちの一方を設けないハーフスケルトン型の熱電変換モジュールであってもよい。
For example, in the embodiment, the first
また例えば、積層型熱電変換モジュールを構成する熱電変換モジュールは、3層以上であってもよく、この場合、少なくとも一つの熱電変換モジュールが複合モジュールであればよい。 For example, the thermoelectric conversion module which comprises a laminated | stacked thermoelectric conversion module may be three or more layers, and in this case, at least one thermoelectric conversion module should just be a composite module.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 熱電変換装置
10 積層型熱電変換モジュール
11 第1の熱電変換モジュール(高温域用)
12 第2の熱電変換モジュール(低温域用)
11S、12S 単位モジュール
101 第1の熱電素子
102 第2の熱電素子
103 金属電極
104、105 絶縁基板
106、107 電流リード
110 熱電素子群
20 受熱板
30 冷却板
40 筐体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
12 Second thermoelectric conversion module (for low temperature range)
11S,
Claims (7)
前記複数の熱電変換モジュールは、それぞれ、p型半導体からなる柱状の第1の熱電素子及びn型半導体からなる柱状の第2の熱電素子を、金属電極を介してπ型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群を有し、
前記複数の熱電変換モジュールのうちの少なくとも一つは、複数の単位モジュールを組み合わせた複合モジュールであり、前記単位モジュールの個数を変更可能であることを特徴とする積層型熱電変換モジュール。 A laminated thermoelectric conversion module in which a plurality of plate-like thermoelectric conversion modules are laminated along a heat transfer direction,
Each of the plurality of thermoelectric conversion modules connects a columnar first thermoelectric element made of a p-type semiconductor and a columnar second thermoelectric element made of an n-type semiconductor to a π-type via a metal electrode. It has a group of thermoelectric elements that are assembled and electrically connected in series,
At least one of the plurality of thermoelectric conversion modules is a composite module obtained by combining a plurality of unit modules, and the number of the unit modules can be changed.
前記第2の熱電変換モジュールは、前記第1の熱電素子及び前記第2の熱電素子がビスマス・テルル系半導体で形成されることを特徴とする請求項2に記載の積層型熱電変換モジュール。 In the first thermoelectric conversion module, the first thermoelectric element is formed of a p-type semiconductor substantially made of Ca 3 Co 4 O 9 , and the second thermoelectric element is made of CaMnO 3 substantially Formed of semiconductor,
3. The stacked thermoelectric conversion module according to claim 2, wherein the first thermoelectric element and the second thermoelectric element are formed of a bismuth-tellurium-based semiconductor.
前記第2の熱電変換モジュールは、前記第1の熱電素子及び前記第2の熱電素子の占有率が30〜60%、高さが1〜3mmであり、
前記第1の熱電変換モジュールの面積A1(基板面積の総和)と前記第2の熱電変換モジュールの面積A2との比率A1/A2が25%〜45%であることを特徴とすることを特徴とする請求項3に記載の積層型熱電変換モジュール。 In the first thermoelectric conversion module, the occupation ratio of the first thermoelectric element and the second thermoelectric element (the cross-sectional area of the thermoelectric element with respect to the area of the substrate) is 50 to 80%, and the height is 4 to 10 mm. ,
In the second thermoelectric conversion module, the occupation ratio of the first thermoelectric element and the second thermoelectric element is 30 to 60%, and the height is 1 to 3 mm.
A ratio A1 / A2 of the area A1 (total substrate area) of the first thermoelectric conversion module and the area A2 of the second thermoelectric conversion module is 25% to 45%, The laminated thermoelectric conversion module according to claim 3.
前記第2の熱電変換モジュールは、前記第1の熱電素子及び前記第2の熱電素子の断面積が2〜5mm2であることを特徴とする請求項4に記載の積層型熱電変換モジュール。 In the first thermoelectric conversion module, a cross-sectional area of the first thermoelectric element is 10 to 20 mm 2 , and a cross-sectional area of the second thermoelectric element is 10 to 15 mm 2 .
5. The stacked thermoelectric conversion module according to claim 4, wherein the second thermoelectric conversion module has a cross-sectional area of 2 to 5 mm 2 between the first thermoelectric element and the second thermoelectric element.
前記積層型熱電変換モジュールの高温側端面に配置され、前記積層型熱電変換モジュールを加熱する受熱板と、
前記積層型熱電変換モジュールの低温側端面に配置され、前記積層型熱電変換モジュールを冷却する冷却板と、
前記積層型熱電変換モジュール、前記受熱板及び前記冷却板を収容する筐体と、を備える熱電変換装置。 The laminated thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 6,
A heat receiving plate disposed on a high-temperature side end face of the laminated thermoelectric conversion module and heating the laminated thermoelectric conversion module;
A cooling plate that is disposed on a low-temperature side end face of the laminated thermoelectric conversion module and cools the laminated thermoelectric conversion module;
A thermoelectric conversion device comprising: the stacked thermoelectric conversion module, the heat receiving plate, and a housing that houses the cooling plate.
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