JP2018032685A - Thermoelectric converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱を電力に変換し、あるいは電力を熱に変換する熱電変換器に関する。 The present invention relates to a thermoelectric converter that converts heat into electric power or converts electric power into heat.
従来、対象物を冷却または加熱するために、熱電変換器が用いられている。また、近年、工場などで生じる排熱を電力に変換するために、熱電変換器が用いられている。この種の熱電変換器は、ゼーベック効果、ペルチェ効果またはトムソン効果などの熱電効果を利用したp型熱電変換素子とn型熱電変換素子とを多数組み合わせて構成され得る。 Conventionally, thermoelectric converters are used to cool or heat an object. In recent years, thermoelectric converters are used to convert exhaust heat generated in factories and the like into electric power. This type of thermoelectric converter can be configured by combining a number of p-type thermoelectric conversion elements and n-type thermoelectric conversion elements using thermoelectric effects such as Seebeck effect, Peltier effect, or Thomson effect.
以下の特許文献1には、多数の熱電変換素子を2つの基板間に配置した熱電変換器が記載されている。また、熱膨張による基板の変形によって熱電変換素子が破損することを抑制するために、一方の基板を複数の分割基板から構成することが記載されている。
しかし、上記特許文献1の構成では、一方の基板が複数の分割基板から構成されているため、基板の数が増加し、各分割基板をそれぞれ位置決めしつつ設置するといった煩雑な工程が必要となってしまう。さらに、組み立て時に各分割基板を位置調整するために、位置調整用のジグ等を挿入するための隙間を分割基板間に確保する必要がある。この隙間には、熱電変換素子を配置できないため、その分、熱電変換器に配置可能な熱電変換素子の数が減少し、結果、熱電変換器の性能が低下するとの問題が生じる。
However, in the configuration of
かかる課題に鑑み、本発明は、熱による基板の変形によって熱電変換素子が破損することを抑制しつつ、熱電変換器の性能を高く維持でき、且つ、基板の組み立て作業を容易に行い得る熱電変換器を提供することを目的とする。 In view of such a problem, the present invention is capable of maintaining the performance of the thermoelectric converter high while suppressing the thermoelectric conversion element from being damaged by the deformation of the substrate due to heat, and capable of easily assembling the substrate. The purpose is to provide a vessel.
本発明の主たる態様に係る熱電変換器は、熱伝導性の第1基板と、熱伝導性の第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に配置された複数の熱電変換素子と、を備える。ここで、少なくとも前記第1基板は、複数の領域に分割され、熱による各領域の面内方向の変形を弾性的に吸収する緩衝部によって、隣り合う前記領域が互いに連結されている。 A thermoelectric converter according to a main aspect of the present invention includes a heat conductive first substrate, a heat conductive second substrate, and a plurality of thermoelectric conversions disposed between the first substrate and the second substrate. An element. Here, at least the first substrate is divided into a plurality of regions, and the adjacent regions are connected to each other by a buffer portion that elastically absorbs deformation in the in-plane direction of each region due to heat.
本態様に係る熱電変換器によれば、熱により各領域が面内方向に変形した場合、この変形が緩衝部によって吸収されるため、各領域における変形が隣の領域に伝搬して累積されることがない。このため、熱による第1基板の変形(面積増加)が顕著に大きくなることがなく、第1基板の変形により、熱電変換素子に大きな力が付与されることがない。よって、第1基板の熱膨張により熱電変換素子が破損することを抑制することができる。 According to the thermoelectric converter according to this aspect, when each region is deformed in the in-plane direction due to heat, the deformation is absorbed by the buffer portion, so that the deformation in each region is propagated to the adjacent region and accumulated. There is nothing. For this reason, the deformation | transformation (area increase) of the 1st board | substrate by a heat | fever does not become large significantly, and a big force is not provided to a thermoelectric conversion element by a deformation | transformation of a 1st board | substrate. Therefore, it can suppress that a thermoelectric conversion element is damaged by the thermal expansion of a 1st board | substrate.
また、隣り合う領域が緩衝部により連結されているため、第1基板は全ての領域が一体化された1つの部材となっている。このため、組み立て時には、第1基板全体をそのまま位置調整して設置すればよく、各領域を個別に位置調整して設置するといった煩雑な作業は必要ない。よって、第1基板の組み立て作業を容易に行うことができる。 Moreover, since the adjacent area | region is connected by the buffer part, the 1st board | substrate is one member with which all the area | regions were integrated. For this reason, at the time of assembly, it is only necessary to adjust the position of the entire first substrate as it is, and it is not necessary to perform complicated operations such as adjusting the positions of the respective regions individually. Therefore, the assembly work of the first substrate can be easily performed.
また、このように、組み立て時には第1基板全体を位置調整すればよいため、分割領域間に、位置調整用のジグ等を挿入するための大きな隙間を確保する必要がない。このため、分割領域間の隙間によって、配置可能な熱電変換素子の数が減少することがなく、よって、熱電変換器の性能を高く維持することができる。 Further, as described above, since the position of the entire first substrate may be adjusted at the time of assembly, it is not necessary to secure a large gap for inserting a position adjusting jig or the like between the divided regions. For this reason, the number of the thermoelectric conversion elements which can be arrange | positioned does not reduce by the clearance gap between division | segmentation area | regions, Therefore, the performance of a thermoelectric converter can be maintained highly.
なお、本発明において、「複数の領域に分割され」とは、隣り合う領域の端縁が、面内方向に離れつつ、緩衝部によって橋架される形態を広く含むものである。また、「緩衝部」は、第1基板に一体形成された形態の他、第1基板とは別の部材で構成される形態も広く含むものである。 In the present invention, “divided into a plurality of regions” widely includes forms in which the edges of adjacent regions are bridged by the buffer portion while being separated in the in-plane direction. In addition to the form integrally formed with the first substrate, the “buffer portion” widely includes a form constituted by a member different from the first substrate.
以上のとおり、本発明によれば、熱による基板の変形によって熱電変換素子が破損することを抑制しつつ、熱電変換器の性能を高く維持でき、且つ、基板の組み立て作業を容易に行い得る熱電変換器を提供することができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to maintain high performance of the thermoelectric converter while suppressing the thermoelectric conversion element from being damaged by the deformation of the substrate due to heat, and to easily perform the assembly work of the substrate. A transducer can be provided.
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施の形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施の形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施の形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。 The effects and significance of the present invention will become more apparent from the following description of embodiments. However, the embodiment described below is merely an example when the present invention is implemented, and the present invention is not limited to what is described in the following embodiment.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。便宜上、各図には、互いに直交するX、Y、Z軸が付記されている。Z軸方向が熱電変換器1の高さ方向であり、Z軸負方向が下方向である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. For convenience, the X, Y, and Z axes that are orthogonal to each other are appended to each drawing. The Z-axis direction is the height direction of the
図1(a)は、熱電変換器1の構成を示す分解斜視図、図1(b)は、熱電変換器1の組立後の状態を示す斜視図である。
FIG. 1A is an exploded perspective view showing a configuration of the
図1(a)に示すように、熱電変換器1は、第1基板10と、第2基板20と、熱電変換素子30と、を備える。
As shown in FIG. 1A, the
第1基板10は、平面視において略正方形の輪郭を有する。後述のように、第1基板10は、金属層となるベース基板101と、ベース基板101の下面に形成された絶縁層102とからなっている(図3(a)参照)。ベース基板101は、銅やアルミニウム等の熱伝導特性に優れた材料からなっている。絶縁層102は、たとえば、樹脂フィルムからなっている。絶縁層102の下面には、熱電変換素子30の下面と接合される複数の電極103が形成されている(図3(a)参照)。絶縁層102および電極103は、熱圧着により形成される。
The
第1基板10は、複数の領域10aに分割されている。また、熱による各領域10aの面内方向の変形を弾性的に吸収する緩衝部11によって、隣り合う領域10aが互いに連結されている。各領域10aは、熱電変換素子30ごとに設定されている。すなわち、平面視において、1つの領域10aに1つの熱電変換素子30が含まれるように、領域10aが設定されている。領域10aと緩衝部11の構成例は、追って、実施例1〜5および変更例1、2において詳述する。
The
第2基板20は、第1基板10と同様の形状および大きさを有する。第1基板10と同様、第2基板20も、ベース基板201の上面に絶縁層202が形成された構成となっている(図3(a)参照)。ベース基板201は、銅やアルミニウム等の熱伝導特性に優れた材料からなっている。第2基板20の上面には、熱電変換素子30の下面と接合される複数の電極203が形成されている(図3(a)参照)。絶縁層202および電極203は、たとえば、熱圧着により形成される。図1(a)の状態では、熱電変換素子30の下面が、半田で電極203に接合されている。
The
第1基板10と異なり、第2基板20は、複数の領域に分割されていない。また、第2基板20の上面に形成された電極群の中には、熱電変換素子30に電力を供給し、または、熱電変換素子30から電力を引き出すためのリード線(図示せず)が半田付けされる電極が含まれている。
Unlike the
熱電変換素子30は、直方体の形状を有する。熱電変換素子30は、たとえば、熱を電力に変換する半導体からなっている。熱電変換素子30は、ゼーベック係数αと比抵抗ρと熱伝導率Kによって表される性能指数Z(=α2/ρK)が大きな材料(Bi2Te3系材料、鉛・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料等)にドーパントを添加したものである。添加するドーパントにより、p型とn型の2種類の熱電変換素子30が構成される。p型の熱電変換素子30を構成するためのドーパントとして、たとえば、Sbが添加される。また、n型の熱電変換素子30を構成するためのドーパントとして、たとえば、Seが添加される。熱電変換素子30の上面および下面には、上述の電極群に接合される電極部が形成されている。熱電変換素子30が、ペルチェ素子等の、電力により熱を制御する素子からなっていてもよい。
The
熱電変換器1を形成する際には、熱電変換素子30の上面に半田ペーストを塗布した状態で、図1(a)のように第2基板20に第1基板10を重ねる。これにより、第1基板10下面の電極103が、半田ペーストを介して熱電変換素子30の上面に接触する。その後、第1基板10と第2基板20とをリフロー炉に流し、電極103と熱電変換素子30の上面とを、半田により接合する。これにより、図1(b)に示すように、熱電変換器1の組み立てが完了する。
When the
図1(b)の状態において、全ての熱電変換素子30が、第1基板10側の電極103と第2基板20側の電極203によって直列に接続される。すなわち、第1基板10と第2基板20には、全ての熱電変換素子30を直列に接続可能なパターンで、電極103と電極203が配置されている。
In the state of FIG. 1B, all the
なお、第2基板20側の電極203と熱電変換素子30下面との接合と、第1基板10側の電極103と熱電変換素子30上面との接合を、同時に行ってもよい。この場合、第2基板20上の電極203に半田ペーストを塗布した後、治具により、電極203上に熱電変換素子30を配置する。その後、上記と同様、第2基板20に第1基板10を重ねて、第1基板10と第2基板20をリフロー炉に流す。これにより、半田ペーストが溶融し、半田による電極103と熱電変換素子30上面との接合とともに、半田による電極203と熱電変換素子30下面との接合が行われる。これにより、図1(b)に示すように、熱電変換器1の組み立てが完了する。
The bonding between the
こうして、熱電変換器1の組み立てが完了した後、熱電変換素子30に電力を供給し、または、熱電変換素子30から電力を引き出すためのリード線が熱電変換器1に接続される。
Thus, after the assembly of the
図2(a)、(b)は、熱電変換素子30の設置状態を模式的に示す図である。なお、図2(a)では、便宜上、第1基板10の図示が省略され、第1基板10側の電極103のみが図示されている。また、図2(b)では、電極203の配置が明瞭となるように、さらに、熱電変換素子30と電極103の図示が省略されている。
2A and 2B are diagrams schematically showing the installation state of the
図2(a)、(b)に示すように、第2基板20は、熱電導特性に優れたベース基板201と、絶縁層202とからなっている。絶縁層202の上面に、電極203群が形成されている。第1基板10の下面には、電極103群が形成されている。電極103群と電極203群は、それぞれ、熱電変換素子30の上面および下面に半田で固着されている。熱電変換素子30群は、電極103群と電極203群によって直列に接続されている。
As shown in FIGS. 2A and 2B, the
ところで、上記構成を有する熱電変換器1が発電に用いられる場合、たとえば、第1基板10の上面が熱源に接触され、第2基板20は空冷手段等によって冷却される。この場合、第1基板10は、数100℃(たとえば200℃)程度となり、第2基板20は、数10℃(たとえば20℃)程度となる。このように第1基板10の温度が高まると、第1基板10は、常温時の状態から熱膨張し、面内方向に拡張して面積が広がる。他方、第2基板20は、熱膨張せずに、常温時の面積がそのまま維持される。
When the
このように、第1基板10と第2基板20との間に面積の差が生じると、熱電変換素子30の上面が第1基板10の面内方向に引っ張られて、熱電変換素子30の植立方向に垂直な方向の力が、熱電変換素子30に付与される。ここで、第1基板10が分割されていない場合、面積差による第1基板10と第2基板20との間の相対的な位置ずれ量は、第1基板10の中央から周辺部に向かうに伴って累積される。このため、熱膨張により熱電変換素子30に付与される力は、熱電変換器1の周辺部に向かうほど大きくなる。
As described above, when an area difference occurs between the
このように、熱電変換素子30に大きな力が付与されると、この力によって、熱電変換素子30が破損し、あるいは、熱電変換素子30と電極103、203との間の半田付けが外れることが起こり得る。こうなると、熱電変換器1からの出力が得られなくなってしまう。この問題は、熱電変換器1が対象物の冷却に用いられる場合も同様に起こり得る。
As described above, when a large force is applied to the
そこで、本実施の形態では、第1基板10を複数の領域10aに分割し、各領域10aを緩衝部11で連結することにより、熱膨張による面積の拡大が、隣の領域10aに伝搬しないよう構成されている。これにより、熱電変換素子30の破損等が抑制されている。以下、緩衝部11により領域10aを連結する具体的構成例について、図3(a)〜図12(b)を参照して説明する。
Therefore, in the present embodiment, the
<実施例1>
図3(a)、(b)は、実施例1に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す断面図である。図3(a)、(b)は、Y−Z平面に平行な平面で熱電変換素子30の位置を切断した断面図である。図4(a)、(b)は、実施例1に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す平面図である。図4(a)、(b)は、X軸正側かつY軸負側の角付近をZ軸正側から見た平面図である。図4(a)、(b)には、熱電変換素子30の領域が破線で示されている。
<Example 1>
3A and 3B are cross-sectional views schematically showing the configuration and operation of the
図3(a)および図4(a)は、熱電変換器1が熱源40に設置される前の状態(常温時の状態)を示し、図3(b)および図4(b)は、熱電変換器1が熱源40に設置された後の状態(発電時の状態)を示している。図3(b)および図4(b)には、熱膨張の方向が矢印で模式的に示されている。
3 (a) and 4 (a) show the state before the
図3(a)および図4(a)に示すように、実施例1では、第1基板10のベース基板101が、縦横に延びるスリット111によって、複数の分割領域R1に分割されている。絶縁層102は、分割されずに1枚のシートとなっている。ベース基板101の各分割領域R1は、絶縁層102で連結されている。すなわち、分割領域R1間の隙間(スリット111)を覆う絶縁層102の部分(連結部102a)によって、隣り合う分割領域R1が互いに連結されている。
As shown in FIG. 3A and FIG. 4A, in Example 1, the
実施例1では、分割領域R1が、図1(a)の領域10aに対応し、連結部102aが、図1(a)の緩衝部11に対応する。上記のように、絶縁層102は、樹脂フィルムで構成されている。このため、連結部102aは、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となっている。
In the first embodiment, the divided region R1 corresponds to the
図3(b)に示すように、第1基板10の上面が熱源40に接触するよう熱電変換器1が設置されると、熱源40の熱により、ベース基板101の分割領域R1の温度が上昇する。これにより、分割領域R1は、熱膨張し、面内方向に拡張して、面積が広がる。他方、第2基板20は、熱膨張することなく、常温時の面積がそのまま維持される。
As shown in FIG. 3B, when the
実施例1では、隣り合う分割領域R1間に隙間(スリット111)が形成されているため、このように分割領域R1が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域R1に伝搬することがない。すなわち、分割領域R1が熱膨張により面内方向に拡張した場合、図3(b)および図4(b)に示すように、分割領域R1間の隙間(スリット111)が縮まり、これに伴い連結部102aが弾性変形する。たとえば、図3(b)の状態において、連結部102aは、スリット111の幅方向に圧縮され、また、スリット111の深さ方向に撓む。こうして、各分割領域R1の面積の拡張が、スリット111と連結部102aによって吸収される。
In the first embodiment, since the gap (slit 111) is formed between the adjacent divided regions R1, even if the divided region R1 is thermally expanded in this way and the area is expanded, the expansion of the area is the adjacent divided region. There is no propagation to R1. That is, when the divided region R1 is expanded in the in-plane direction due to thermal expansion, the gap (slit 111) between the divided regions R1 is reduced as shown in FIGS. The
このように、実施例1の構成によれば、第1基板10のベース基板101が複数の分割領域R1に分割されているため、熱により各分割領域R1が面内方向に変形したとしても、各分割領域R1における変形が隣の分割領域R1に伝搬して累積されることがない。各分割領域R1における面内方向に変形は、緩衝部である連結部102aによって吸収される。よって、熱による第1基板10の変形により、熱電変換素子30に大きな力が付与されて熱電変換素子30が破損することが抑制され得る。
Thus, according to the configuration of the first embodiment, since the
また、隣り合う分割領域R1が連結部102aにより連結されているため、第1基板10は全ての分割領域R1が一体化された1つの部材となっている。このため、組み立て時には、第1基板10全体をそのまま位置調整して設置すればよく、各分割領域R1を個別に位置調整して設置するといった煩雑な作業は必要ない。よって、第1基板10の組み立て作業を容易に行うことができる。
Further, since the adjacent divided regions R1 are connected by the connecting
また、このように、組み立て時には第1基板10全体を位置調整すればよいため、分割領域R1間の隙間を、位置調整用のジグ等を挿入するために大きく確保する必要がない。このため、分割領域R1間の隙間によって、配置可能な熱電変換素子30の数が減少することがない。よって、熱電変換器1の性能を高く維持できる。
Further, as described above, since the position of the entire
このように、実施例1によれば、熱による第1基板10の変形によって熱電変換素子30が破損することを抑制しつつ、熱電変換器1の性能を高く維持でき、且つ、第1基板10の組み立て作業を容易に行うことができる。
Thus, according to the first embodiment, the performance of the
<実施例2>
図5(a)、(b)は、実施例2に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す断面図である。図5(a)、(b)は、図3(a)、(b)と同様の方法で、熱電変換器1を切断した断面図である。図6(a)、(b)は、実施例2に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す平面図である。図6(a)、(b)は、図4(a)、(b)と同じ領域の平面図である。図5(a)および図6(a)は、熱電変換器1が熱源40に設置される前の状態(常温時の状態)を示し、図5(b)および図6(b)は、熱電変換器1が熱源40に設置された後の状態(発電時の状態)を示している。
<Example 2>
FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views schematically showing the configuration and operation of the
実施例2では、実施例1のスリット111が溝112に置き換えられている。その他の構成は、実施例1と同様である。
In the second embodiment, the
実施例2では、溝112の底面と絶縁層102の上面との間に、ベース基板101の肉薄の層が残っている。すなわち、分割領域R1間の隙間(溝112)の位置の絶縁層102の部分(連結部102a)とともに、ベース基板101の溝112の底面下側の部分(連結部112a)によって、隣り合う分割領域R1が互いに連結されている。
In Example 2, the thin layer of the
実施例2では、分割領域R1が、図1(a)の領域10aに対応し、連結部102aおよび連結部112aが、図1(a)の緩衝部11に対応する。ここで、ベース基板101は、銅やアルミニウム等の材料で構成されているため、図5(a)に示すように、溝112によりベース基板101の厚みを肉薄に減少させて連結部112aを形成することにより、連結部112aは、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となっている。
In the second embodiment, the divided region R1 corresponds to the
実施例2においては、隣り合う分割領域R1間に隙間(溝112)が形成されているため、分割領域R1が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域R1に伝搬することがない。すなわち、分割領域R1が熱膨張により面内方向に拡張した場合、図5(b)および図6(b)に示すように、分割領域R1間の隙間(溝112)が縮まり、これに伴い連結部102aおよび連結部112aが弾性変形する。たとえば、図5(b)の状態において、連結部102aおよび連結部112aは、溝112の深さ方向に撓む。こうして、各分割領域R1の面積の拡張が、溝112と連結部102aおよび連結部112aとによって吸収される。
In the second embodiment, since a gap (groove 112) is formed between the adjacent divided regions R1, even if the divided region R1 is thermally expanded and the area is expanded, the area is expanded to the adjacent divided region R1. There is no propagation. That is, when the divided region R1 is expanded in the in-plane direction due to thermal expansion, the gap (groove 112) between the divided regions R1 is reduced as shown in FIGS. The
実施例2によれば、実施例1と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例2では、隣り合う分割領域R1が、絶縁層102の一部である連結部102aとともに、ベース基板101の一部である金属性の連結部112aによって連結されているため、上記実施例1に比べて、分割領域R1がより強固に支持される。よって、第1基板10の取り扱いが容易となり、第1基板10の位置決めおよび取り付けをより簡便に行い得る。また、第1基板10の機械的強度を高めることができ、これにより、熱電変換器1全体の機械的強度を高めることができる。
According to the second embodiment, the same effect as the first embodiment can be achieved. In addition, in the second embodiment, the adjacent divided regions R1 are connected by the metallic connecting
<実施例3>
図7(a)、(b)は、実施例3に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す断面図である。図7(a)、(b)は、図3(a)、(b)と同様の方法で、熱電変換器1を切断した断面図である。図8(a)、(b)は、実施例3に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す平面図である。図8(a)、(b)は、図4(a)、(b)と同じ領域の平面図である。図7(a)および図8(a)は、熱電変換器1が熱源40に設置される前の状態(常温時の状態)を示し、図7(b)および図8(b)は、熱電変換器1が熱源40に設置された後の状態(発電時の状態)を示している。
<Example 3>
7A and 7B are cross-sectional views schematically showing the configuration and operation of the
実施例3では、実施例1のスリット111の部分に、隣り合う分割領域R1を連結する梁部114が形成されている。図8(a)に示すように、梁部114は、隣り合う分割領域R1間の隙間(スリット111)を斜めに横切るように、ベース基板101に一体形成されている。その他の構成は、実施例1と同様である。
In the third embodiment, a
実施例3では、分割領域R1間の隙間(スリット111)を覆う絶縁層102の部分(連結部102a)とともに、梁部114によって、隣り合う分割領域R1が互いに連結されている。
In the third embodiment, the adjacent divided regions R1 are connected to each other by the
実施例3では、分割領域R1が、図1(a)の領域10aに対応し、連結部102aおよび梁部114が、図1(a)の緩衝部11に対応する。ここで、ベース基板101は、銅やアルミニウム等の材料で構成されているため、図8(a)に示すように梁部114を肉薄に形成することにより、梁部114は、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となる。
In the third embodiment, the divided region R1 corresponds to the
実施例3においては、隣り合う分割領域R1間に隙間(スリット111)が形成されているため、分割領域R1が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域R1に伝搬することがない。すなわち、分割領域R1が熱膨張により面内方向に拡張した場合、図7(b)および図8(b)に示すように、分割領域R1間の隙間(スリット111)が縮まり、これに伴い連結部102aおよび梁部114が弾性変形する。たとえば、図8(b)の状態において、連結部102aは、スリット111の幅方向に圧縮され、あるいは、スリット111の深さ方向に撓む。また、図8(b)の状態において、梁部114は、傾き角がより鋭角となるように弾性変形する。こうして、各分割領域R1の面積の拡張が、スリット111と連結部102aおよび梁部114とによって吸収される。
In Example 3, since the gap (slit 111) is formed between the adjacent divided regions R1, even if the divided region R1 is thermally expanded and the area is expanded, the expansion of the area is performed in the adjacent divided region R1. There is no propagation. That is, when the divided region R1 expands in the in-plane direction due to thermal expansion, the gap (slit 111) between the divided regions R1 is reduced as shown in FIGS. The
実施例3によれば、実施例1と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例3では、隣り合う分割領域R1が、絶縁層102の一部である連結部102aとともに、ベース基板101の一部である金属性の梁部114によって連結されているため、上記実施例1に比べて、分割領域R1がより強固に支持される。よって、第1基板10の取り扱いが容易となり、第1基板10の位置決めおよび取り付けを簡便に行い得る。また、第1基板10の機械的強度を高めることができ、これにより、熱電変換器1全体の機械的強度を高めることができる。
According to the third embodiment, the same effect as the first embodiment can be achieved. In addition, in Example 3, the adjacent divided regions R1 are connected together with the connecting
<実施例4>
図9(a)、(b)は、実施例4に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す断面図である。図9(a)、(b)は、図3(a)、(b)と同様の方法で、熱電変換器1を切断した断面図である。図10(a)、(b)は、実施例4に係る熱電変換器1の構成および作用を模式的に示す平面図である。図10(a)、(b)は、図4(a)、(b)と同じ領域の平面図である。図10(a)、(b)には、保護フィルム116が取り外された状態が図示されている。図9(a)および図10(a)は、熱電変換器1が熱源40に設置される前の状態(常温時の状態)を示し、図9(b)および図10(b)は、熱電変換器1が熱源40に設置された後の状態(発電時の状態)を示している。
<Example 4>
FIGS. 9A and 9B are cross-sectional views schematically showing the configuration and operation of the
実施例4では、絶縁層102のスリット111の位置に、絶縁層102を貫通する複数の孔115が形成されている。また、スリット111とともにベース基板101の上面を覆うように、保護層を形成する保護フィルム116が付設されている。保護フィルム116は、可撓性を有しかつ熱伝導性に富む材料からなっている。絶縁層102に形成される孔115の数は、図10(a)に示された数に限定されるものではなく、適宜、変更可能である。その他の構成は、実施例1と同様である。
In Example 4, a plurality of
実施例4では、絶縁層102の連結部102aに孔115が形成されているため、実施例1に比べて、連結部102aがより撓みやすくなっている。また、孔115の上方が保護フィルム116により閉塞されるため、孔115を介して熱電変換器1の内部が露出することがない。さらに、保護フィルム116は、可撓性を有する材料からなっているため、保護フィルム116のスリット111を覆う部分(連結部116a)もまた、外力により容易に撓み得る。
In the fourth embodiment, since the
実施例4では、絶縁層102の連結部102aおよび保護フィルム116の連結部116aが、図1(a)の緩衝部11に対応する。実施例4によれば、実施例1と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例4では、実施例1に比べて、連結部102aの可撓性が高められているため、熱膨張による分割領域R1の変位を、より柔軟に、連結部102aによって吸収できる。
In Example 4, the
なお、実施例1〜3の構成において、さらに、保護フィルム116が付設されてもよい。
In addition, in the structure of Examples 1-3, the
<変更例>
上記実施例4のように、絶縁層102に孔115が形成される場合、図11(a)に示す変更例1のように、スリット111が絶縁樹脂等の弾性材料117で埋められてもよい。これにより、孔115が閉塞されるため、孔115を介して熱電変換器1の内部が露出することがない。
<Example of change>
When the
また、孔115は、必ずしも、絶縁層102を貫通せずともよく、図11(b)に示す変更例2のように、孔115aが、絶縁層102上面から絶縁層102の途中までで終わっていてもよい。この場合、孔115aを介して熱電変換器1の内部が露出しないため、弾性材料117は省略可能であり、同様に、保護フィルム116も省略可能である。
The
ただし、絶縁層102を貫通する孔115を設けた方が、貫通しない孔115aを設けた場合に比べて、絶縁層102の連結部102aがより柔軟に撓みやすくなる。
However, when the
<実施例5>
図12(a)、(b)は、実施例5に係る熱電変換器1の構成を模式的に示す断面図および平面図である。図12(a)の断面図は、図3(a)と同様の方法で熱電変換器1を切断した場合のものである。図12(b)の平面図は、図4(a)と同じ領域のものである。
<Example 5>
12A and 12B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing the configuration of the
実施例5では、ベース基板101の上面にV字状の2つの溝118aを形成するとともに、ベース基板101の下面に逆V字状の1つの溝118bを形成することにより、可撓性の連結部118がベース基板101に一体形成されている。こうして形成された連結部118によって、隣り合う分割領域R1が連結されている。その他の構成は、実施例1と同様である。
In the fifth embodiment, two V-shaped
実施例5では、連結部118が、図1(a)の緩衝部11に対応する。ベース基板101は、銅やアルミニウム等の材料で構成されているため、図12(a)に示すように、溝118a、118bによって連結部118を肉薄に形成することにより、連結部118は、可撓性を有し、外力により弾性変形可能となる。連結部118は、図12(b)に示す矢印方向に弾性変形可能である。
In the fifth embodiment, the connecting
実施例5の構成によれば、分割領域R1が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が、連結部118によって吸収されて、隣の分割領域R1に伝搬することがない。すなわち、分割領域R1が熱膨張により面内方向に拡張した場合、分割領域R1間の間隔が縮まるように、連結部118が弾性変形する。こうして、各分割領域R1の面積の拡張が、連結部118によって吸収される。
According to the configuration of the fifth embodiment, even if the divided region R1 is thermally expanded and the area is expanded, the expansion of the area is not absorbed by the connecting
実施例5によれば、実施例1と同様の効果が奏され得る。加えて、実施例5では、隣り合う分割領域R1が、絶縁層102の一部である連結部102aとともに、ベース基板101の一部である金属性の連結部118によって連結されているため、上記実施例1に比べて、分割領域R1がより強固に支持される。よって、第1基板10の取り扱いが容易となり、第1基板10の位置決めおよび取り付けを簡便に行い得る。また、第1基板10の機械的強度を高めることができ、これにより、熱電変換器1全体の機械的強度を高めることができる。
According to the fifth embodiment, the same effects as in the first embodiment can be achieved. In addition, in the fifth embodiment, the adjacent divided regions R1 are connected by the metallic connecting
なお、実施例5の構成においても、実施例4や変更例2と同様、絶縁層102に孔115や孔115aが形成されてよい。
In the configuration of the fifth embodiment, the
<実施例6>
図13(a)、(b)は、実施例6に係る熱電変換器1の構成を模式的に示す断面図および平面図である。図13(a)の断面図は、図3(a)と同様の方法で熱電変換器1を切断した場合のものである。図13(b)の平面図は、図4(a)と同じ領域のものである。
<Example 6>
FIGS. 13A and 13B are a cross-sectional view and a plan view schematically showing the configuration of the
上記実施例1〜5では、第1基板10が、金属材料からなるベース基板101と絶縁層102とから構成されたが、実施例6では、第1基板10が、セラミック材料からなるベース基板121(セラミック層)と、カバー122(カバー層)とからなっている。ベース基板121の下面には、熱圧着により、電極123が設置されている。
In the first to fifth embodiments, the
ベース基板121は、縦横に延びるスリット121aによって、複数の分割領域R2に分割されている。カバー122は、分割されずに1枚のシートとなっている。カバー122は、可撓性を有する材料(たとえば、樹脂)からなっている。カバー122は、たとえば熱圧着によりベース基板121の上面に設置される。
The
ベース基板121の各分割領域R2は、カバー122で連結されている。すなわち、分割領域R2間の隙間(スリット121a)を覆うカバー122の部分(連結部122a)によって、隣り合う分割領域R1が互いに連結されている。
Each divided region R <b> 2 of the
実施例6では、分割領域R2が、図1(a)の領域10aに対応し、連結部122aが、図1(a)の緩衝部11に対応する。上記のように、カバー122は、可撓性を有する材料で構成されている。このため、連結部122aは、外力により弾性変形可能となっている。
In the sixth embodiment, the divided region R2 corresponds to the
実施例6においても、実施例1と同様の効果が奏され得る。実施例6では、隣り合う分割領域R2間に隙間(スリット121a)が形成されているため、分割領域R2が熱膨張して面積が拡張しても、面積の拡張が隣の分割領域R2に伝搬することがない。すなわち、分割領域R2が熱膨張により面内方向に拡張した場合、分割領域R2間の隙間(スリット121a)が縮まり、これに伴い連結部122aが弾性変形する。この場合、たとえば、連結部122aは、スリット121aの幅方向に圧縮され、また、スリット121aの深さ方向に撓む。こうして、各分割領域R2の面積の拡張が、スリット121aと連結部122aによって吸収される。
In the sixth embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In Example 6, since the gap (
なお、図13(a)の構成例では、第2基板20が金属材料からなるベース基板201と絶縁層202とから構成されているが、第2基板20もセラミック材料からなるベース基板とカバーとから構成されてもよい。
In the configuration example of FIG. 13A, the
<他の変更例>
上記実施の形態では、領域10a(分割領域R1、R2)が、それぞれ、1つの熱電変換素子30に対応するように設定された。しかしながら、領域10a(分割領域R1、R2)は、必ずしも、熱電変換素子30ごとに設定されなくともよく、たとえば、図14(a)に示すように、平面視において複数の熱電変換素子30を含むように、領域10a(分割領域R1、R2)が設定されてもよい。
<Other changes>
In the embodiment described above, the
このように、領域10a(分割領域R1、R2)を広く設定することにより、第1基板10の機械的強度を高めることができる。他方、領域10a(分割領域R1、R2)が広くなるほど、各領域10aにおいて、熱膨張による面積変動が大きくなるため、熱膨張により熱電変換素子30に付与される力が大きくなり、熱電変換素子30に支障が生じやすくなる。したがって、熱電変換素子30に対する影響を抑制する観点からは、領域10a(分割領域R1、R2)は、なるべく小さい方が好ましく、上記実施の形態のように、領域10a(分割領域R1、R2)が熱電変換素子30ごとに設定されることが最も好ましい。
Thus, the mechanical strength of the 1st board |
また、上記実施の形態では、全ての領域10aが同じサイズであったが、領域10aは必ずしも同じサイズに揃えられなくてもよい。たとえば、図14(b)に示すように、熱が集中しやすく熱膨張による面積変動がより顕著となりやすい第1基板10の中央部は、第1基板10の外周部よりも、領域10aのサイズを小さく設定してもよい。これにより、第1基板10の外周部において、第1基板10の機械的強度を高めつつ、熱膨張がより顕著となる中央部において、熱膨張による領域10aの面積変動を効果的に抑制することができる。
Moreover, in the said embodiment, although all the area |
また、上記実施の形態では、実動作時に高温となる方の基板を分割し、分割した基板を緩衝部により連結したが、実動作時に低温となる方の基板を分割し、分割した基板を緩衝部により連結してもよい。また、必ずしも一方の基板のみを分割して緩衝部により連結しなくてもよく、両方の基板を分割して緩衝部により連結してもよい。 Further, in the above embodiment, the substrate that becomes high temperature during actual operation is divided and the divided substrates are connected by the buffer unit. However, the substrate that becomes low temperature during actual operation is divided, and the divided substrate is buffered. You may connect by a part. Further, it is not always necessary to divide only one substrate and connect it by the buffering portion, and both substrates may be divided and connected by the buffering portion.
また、第1基板10は、ベース基板101と絶縁層102のみならず他の層をさらに含んでいてもよい。また、ベース基板101が、複数の層からなっていてもよく、絶縁層102が複数の層からなっていてもよい。
The
この他、本発明の実施の形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。 In addition, the embodiment of the present invention can be variously modified as appropriate within the scope of the technical idea shown in the claims.
1 … 熱電変換器
10 … 第1基板
10a … 領域
11 … 緩衝部
20 … 第2基板
30 … 熱電変換素子
101 … ベース基板(金属層)
102 … 絶縁層
102a … 連結部
111 … スリット
112 … 溝
112a … 連結部
114 … 梁部
115 … 孔
116 … 保護フィルム
117 … 弾性材料
118 … 連結部
118a、118b … 溝
121 … ベース基板(セラミック層)
121a … スリット
122 … カバー(カバー層)
122a … 連結部
R1、R2 … 分割領域
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
121a ... slit 122 ... cover (cover layer)
122a ... connecting part R1, R2 ... divided region
Claims (11)
熱伝導性の第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板との間に配置された複数の熱電変換素子と、を備え、
少なくとも前記第1基板は、複数の領域に分割され、熱による各領域の面内方向の変形を弾性的に吸収する緩衝部によって、隣り合う前記領域が互いに連結されている、
ことを特徴とする熱電変換器。 A thermally conductive first substrate;
A thermally conductive second substrate;
A plurality of thermoelectric conversion elements disposed between the first substrate and the second substrate;
At least the first substrate is divided into a plurality of regions, and the adjacent regions are connected to each other by a buffer portion that elastically absorbs deformation in the in-plane direction of each region due to heat,
A thermoelectric converter characterized by that.
前記第1基板は、前記熱電変換素子側に配置された絶縁層と、前記絶縁層に対して前記熱電変換素子と反対側に配置された金属層とを備え、
前記絶縁層は可撓性を有し、
前記金属層は、それぞれ前記領域に対応する複数の分割領域に分割され、前記分割領域間の隙間の位置の前記絶縁層の部分によって、隣り合う前記分割領域が互いに連結されている、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to claim 1,
The first substrate includes an insulating layer disposed on the thermoelectric conversion element side, and a metal layer disposed on the opposite side of the thermoelectric conversion element with respect to the insulating layer,
The insulating layer is flexible;
The metal layer is divided into a plurality of divided regions each corresponding to the region, and the adjacent divided regions are connected to each other by a portion of the insulating layer at a position of a gap between the divided regions.
A thermoelectric converter characterized by that.
前記分割領域間の隙間において隣り合う前記分割領域を弾性的に連結する連結部が、前記金属層に一体的に形成されている、
ことを特徴とする、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to claim 2, wherein
A connecting portion that elastically connects the divided regions adjacent to each other in the gap between the divided regions is formed integrally with the metal layer.
It is characterized by
A thermoelectric converter characterized by that.
前記連結部は、前記金属層の厚みを肉薄に減少させて構成されている、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to claim 3, wherein
The connecting portion is configured by reducing the thickness of the metal layer thinly,
A thermoelectric converter characterized by that.
前記連結部は、前記隙間を斜めに横切る複数の梁部である、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to claim 3, wherein
The connecting portion is a plurality of beam portions that obliquely cross the gap.
A thermoelectric converter characterized by that.
前記隙間の位置の前記絶縁層の部分に孔が形成されている、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to any one of claims 2 to 5,
A hole is formed in the portion of the insulating layer at the position of the gap,
A thermoelectric converter characterized by that.
前記金属層の上面を覆う保護層をさらに備える、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to any one of claims 2 to 6,
A protective layer covering an upper surface of the metal layer;
A thermoelectric converter characterized by that.
前記隙間が、弾性材料によって埋められている、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to any one of claims 2 to 7,
The gap is filled with an elastic material,
A thermoelectric converter characterized by that.
前記第1基板は、前記熱電変換素子側に配置されたセラミック層と、前記セラミック層に対して前記熱電変換素子と反対側に配置されたカバー層とを備え、
前記カバー層は可撓性を有し、
前記セラミック層は、それぞれ前記領域に対応する複数の分割領域に分割され、前記分割領域間の隙間の位置の前記カバー層の部分によって、隣り合う前記分割領域が互いに連結されている、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to claim 1,
The first substrate includes a ceramic layer disposed on the thermoelectric conversion element side, and a cover layer disposed on the opposite side of the thermoelectric conversion element with respect to the ceramic layer,
The cover layer is flexible;
The ceramic layer is divided into a plurality of divided regions corresponding to the regions, and the adjacent divided regions are connected to each other by a portion of the cover layer at a position of a gap between the divided regions.
A thermoelectric converter characterized by that.
前記熱電変換素子ごとに、前記領域が設定されている、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to any one of claims 1 to 9,
The area is set for each thermoelectric conversion element,
A thermoelectric converter characterized by that.
前記第1基板の周縁部よりも前記第1基板の中央部の方が、前記領域の面積が小さい、
ことを特徴とする熱電変換器。 The thermoelectric converter according to any one of claims 1 to 10,
The area of the region of the central portion of the first substrate is smaller than the peripheral portion of the first substrate.
A thermoelectric converter characterized by that.
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2016
- 2016-08-23 JP JP2016162806A patent/JP2018032685A/en active Pending
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