JP2018060822A - 熱電変換モジュールおよびその搭載方法 - Google Patents

Abstract

【課題】薄膜状の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの電力変換効率を向上することを目的とする。
【解決手段】絶縁層と、絶縁層の表面に形成された配線層と、配線層を介して交互に直列接続された薄膜状のＰ型及びＮ型熱電変換素子と、熱電変換素子が搭載される基板と、を備える熱電変換モジュールであって、熱電変換素子は、隣り合う熱電変換素子の素子面が対向し、素子面の長手方向が熱伝達方向となるように配置しており、配線層は、熱電変換素子の熱伝達方向の両端側に配置していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度差を利用して発電する熱電変換モジュールおよびその搭載方法に関する。

工場の廃熱やエンジン駆動の自動車の排熱を利用して発電する熱電変換モジュールは、ｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料をそれぞれ角柱型に成形し、これら一対を熱電素子として、多数の熱電素子を並列に配置し、さらに電気的に直列になるように素子間を配線したものを熱電変換モジュールとしている。これまで廃棄されていた熱を電気に変換して再利用する熱電変換モジュールでは、熱から電気への高効率な変換が強く求められている。

特許文献１には、接触抵抗及び半導体内への熱流を抑制するために、絶縁性フィルム基板上の面方向に、Ｎ型半導体、第１の導電体、Ｐ型半導体、第２の導電体の順に、各半導体・導電体の端部が電気的に導通するように熱電回路を形成し、導電体１を凸部に導電体２を凹部に位置するようにフィルム基板をコルゲート状に構成し、前記凸部および凹部と接触する熱交換手段を双方に設置した熱電装置が開示されている。

特開平４−３０５８６号公報

特許文献１ように、膜状に成型した熱電変換素子を用いることで素子の断面積が小さくなり加熱部から冷却部への熱伝達を抑えることが可能である。しかし、薄膜状の熱電変換素子は厚膜化が困難であることから単位素子当たりの発電量が低下し、充分な発電量が得られないという問題がある。

そこで、本発明は、薄膜状の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの電力変換効率を向上することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る熱電変換モジュールは、絶縁層と、絶縁層の表面に形成された配線層と、配線層を介して交互に直列接続された薄膜状のＰ型及びＮ型熱電変換素子と、熱電変換素子が搭載される基板と、を備え、熱電変換素子は、隣り合う熱電変換素子の素子面が対向し、素子面の長手方向が熱伝達方向となるように配置しており、配線層は、熱電変換素子の熱伝達方向の両端側に配置していることを特徴とする。

本発明によれば、薄膜状の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの電力変換効率を向上できる。

本発明の第１実施形態に係る熱電変換モジュールの断面概略図。 本発明の第１実施形態の変形例に係る熱電変換モジュールの斜視図。 本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュールの断面概略図。 本発明の第３実施形態に係る熱電変換モジュールの断面概略図。 本発明の第４実施形態に係る熱電変換モジュールの断面概略図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照し説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱電変換モジュールの断面概略図である。

第１実施形態の熱電変換モジュールは、絶縁層１と、絶縁層の表面に形成された配線層（電極部）２と、熱電変換素子４、５と、熱電変換素子が搭載される基板３と、熱電変換素子を封止する樹脂７と、熱伝達層８と、を備える。

熱電変換素子４、５は、それぞれＰ型、Ｎ型の半導体素子であり、接合材を介して交互に配線層２に直列接続される。配線層２と熱電変換素子４、５の接合部６、及び熱電変換素子は樹脂７で封止されている。絶縁層１は、熱電変換素子の熱伝達方向の両端（高温側と低温側）に配線層２が交互に位置するように折り曲げられ、隣り合う熱電変換素子の素子面が対向した構造となっている。ここで、熱伝達方向とは、熱電変換モジュールの高温部から低温部へ向かう方向をいう。図１において、矢印の方向が熱伝達方向である。

熱電変換素子４、５は、素子面の長手方向が熱電変換素子の熱伝達方向となるように配置され、長手方向の両端部で配線層２に接合されている。図１において、熱電変換モジュールと外部熱源１００は、絶縁層を介して接触している。外部熱源１００と接触する方が高温側、他方が低温側である。ここで、熱伝達方向とは、熱電変換モジュールの高温側から低温側へ向かう方向をいう。図１において、矢印の方向が熱伝達方向である。熱電変換により発電される電位差ΔＶは、ΔＶ=Ｚ*ΔＴ で表わされる。ここでＺはゼーベック係数、ΔＴは熱電変換素子における高温部と低温部の温度差である。高い電位を得るためには、ゼーベック係数の高い材料を選定し、それらを温度差の大きい状態にすることが必要である。したがって、熱電変換素子をより温度差が生じるように並べることにより、素子両端（図１において上下方向の端部）の温度差が大きくなる。その結果、大きな電位差を得られ、電力変換効率を向上できる。

熱伝達層８は、絶縁層１の折り曲げ部に挟むように配置されている。折り曲げ部に熱伝達層８を挟むことにより、外部熱源から熱電変換素子までの熱伝達時の熱損失を低減できる。なお、熱伝達層は外部熱源と直接接触可能であることが好ましい。

絶縁層には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等を用いることができる。また、絶縁層を折り曲げ可能な形状とするために、絶縁層は可撓性の絶縁フィルムであることが好ましい。例えば、上述の絶縁樹脂をマトリックス層とし、ポリブタジエンやエポキシ基および水酸基、アミノ基等の官能基を有するポリジメチルシロキサンを混合し、可撓性を向上させたものをガラスクロスに含浸後硬化することによりシート状の構成とすることができる。さらに、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルファイド、ポリイミド、ポリエーテルスルフォン等のフィルムが熱源の温度に応じて耐熱性や長期信頼性を考慮して使用することも可能である。

絶縁層１に形成された配線層２は、熱電変換モジュールの電極部として機能する。配線層２は、絶縁層１と共に折り曲げ可能とするために薄くする必要がある。一方、配線層２が薄いと熱源あるいは冷却源からの熱が伝わりにくく、熱電変換素子両端に充分な温度差を形成できなくなる。そこで、熱伝達層８を挿入することにより、熱電変換素子近傍までの熱伝達による損失を低減させ、素子の温度差を確保できる。熱伝達層には熱伝導率が高い材料を用いることが望ましい。例えば、銅、アルミニウム、それらの合金、カーボン、グラフェン等を用いることが可能である。

接合部６を構成する接合材には、高温雰囲気でも劣化の少ない材料を用いることが有効である。例えば、ナノメートルサイズの金、銀、銅粒子の表面を接合温度で分解可能な有機物で被覆したナノ粒子を用いた接合材料や、マイクロメートルサイズの銀および銅の酸化物と還元剤を配合した金属酸化物系の接合材料、錫と銅、あるいは亜鉛とアルミニウムを主成分とする接合時に高融点の合金を形成する接合材料を用いることが可能である。

基板３および封止用の樹脂７は、熱電変換モジュールの搭載環境に置いて劣化をしない物が使用可能である。また、基板３や封止樹脂７の熱伝導率は、熱電変換素子４、５の熱伝導率よりも小さいことが好ましい。特に、加熱部分から冷却部に対し、電気エネルギーに変換されるべき熱エネルギーが放熱を抑制し、熱電変換素子部の温度差を確保するためである。したがって、熱電変換素子を搭載する基板としては、二酸化珪素やジルコニア等の耐熱性が高く熱伝導率の小さい材料が使用可能である。樹脂には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂等を使用可能である。

図２は、第１実施形態の変形例に係る熱電変換モジュールの斜視要図である。図２の熱電変換モジュールにおいては、熱電変換素子４、５を搭載する基板と、配線層２が形成される絶縁層と、が絶縁基板１´として一体となっている。絶縁基板１´は、熱伝達層８を挟み配線層２が外部熱源の高温部および低温部とそれぞれ接するよう成形されている。

以上のように、本実施形態に係る熱電変換モジュールは、薄膜状の熱電変換素子の面方向に熱を移動させることにより、熱電変換モジュールの高温部と冷却部の間に設けた熱電変換素子への熱伝達性を向上できる。さらに、熱電変換モジュールの温度勾配に沿って素子を長く配置させることにより、発電に必要な温度差を熱電変換素子に与えることが可能になる。また、角型の成型が困難な熱電変換素子であっても薄膜状の熱電変換素子を集積化することにより角型成型体と同程度の電力が供給可能となる。

（第２実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面概略図である。以下、第１の実施形態と同様の構成は説明を省略する。本実施形態では絶縁層１１および配線層２２は、搭載する熱電変換素子毎に個片化されている。個片化された配線層同士は熱伝達層８を介して接続されている。熱電素子毎に個片化することにより、接合時の不具合等により正常に配線層と熱電変換素子の接合ができなかった物を試験により選別することが可能となる。その結果、熱電変換モジュールの組立歩留まりの向上が可能になる。

（第３実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る熱電変換モジュールを示す断面概略図である。図４において、熱電変換素子の熱伝達方向の一端側に配置された熱伝達層が放熱のためのフィン９を備える点が実施形態２と異なっている。冷却側の熱伝達層に放熱フィンを設けることにより、熱電変換素子の冷却側の冷却効率を向上させ、熱電変換素子部の温度差を大きくできる。その結果、得られる電位差を増加させ、熱変換効率の向上が可能となる。

（第４実施形態）
第４の実施形態は、第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの熱源への搭載方法に関するものである。図５は、第４の実施形態を示す断面概略図である。本発明に係る熱電変換モジュールは、熱電変換素子部分が固定されていないため、適度な屈曲性を有する。熱電変換モジュールの搭載が期待される物（外部熱源）は、内燃機関を有する自動車の排気部周辺や、工場や大型ビルからの廃熱部である。これらの部位は平面では無くパイプ表面の曲面となっている場合が多い。本発明に係る熱電変換モジュールのように屈曲性に優れている熱電変換モジュールであれば、外部熱源の形状に沿って熱伝達層を接触させることができる。例えば、図５に示すように、熱伝達層８を外部熱源の曲面に沿って設置可能である。このように、本発明に係る熱電変換モジュールは、熱伝達効率の向上および設置部分の小型化に有効である。

以上、本発明に係る熱電変換モジュール実施例を用いて具体的に説明した。なお、本発明は実施例に記載された範囲に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

１、１１…絶縁層、１´…絶縁基板、２、２２…配線層、３…基板、４…Ｎ型熱電変換素子、５…Ｐ型熱電変換素子、６…接合部、７…封止用樹脂、８…熱伝達層、９…冷却フィン、１００…外部熱源

Claims (14)

1. 絶縁層と、前記絶縁層の表面に形成された配線層と、前記配線層を介して交互に直列接続された薄膜状のＰ型及びＮ型熱電変換素子と、前記熱電変換素子が搭載される基板と、を備える熱電変換モジュールであって、
   前記熱電変換素子は、隣り合う前記熱電変換素子の素子面が対向し、かつ素子面の長手方向が熱伝達方向となるように配置しており、
   前記配線層は、前記熱電変換素子の熱伝達方向の両端側に配置していることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記配線層は、前記素子面における長手方向の端部で前記熱電変換素子と接続していることを特徴とする熱電変換モジュール。
3. 請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記絶縁層は可撓性のフィルムであることを特徴とする熱電変換モジュール。
4. 請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記配線層に接するように配置される熱伝達層を備えることを特徴とする熱電変換モジュール。
5. 請求項４に記載の熱電変換モジュールであって、
   少なくとも一部の前記熱伝達層は、外部熱源に接触可能であることを特徴とする熱電変換モジュール。
6. 請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記熱電変換素子を封止する樹脂を備えることを特徴とする熱電変換モジュール。
7. 請求項６に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記基板の熱伝導率及び前記樹脂の熱伝導率の少なくともいずれかが、前記熱電変換素子の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする熱電変換モジュール。
8. 請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記絶縁層は、折り曲げられていることを特徴とする熱電変換モジュール。
9. 請求項６に記載の熱電変換モジュールであって、
   前記配線層は、高温側と低温側に交互に配置していることを特徴とする熱電変換モジュール。
10. 請求項８に記載の熱電変換モジュールであって、
    前記配線層は、高温側及び低温側に交互に位置するように前記絶縁層に形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
11. 請求項５に記載の熱電変換モジュールであって、
    前記基板と前記絶縁層は一体であることを特徴とする熱電変換モジュール。
12. 請求項４に記載の熱電変換モジュールであって、
    前記絶縁層及び前記配線層は、前記熱電変換素子毎に個片化されており、
    前記配線層同士は、前記熱伝達層を介して接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
13. 請求項４または９に記載の熱電変換モジュールであって、
    前記熱電変換素子の熱伝達方向の一端側に配置している前記熱伝達層は、放熱フィンを備えることを特徴とする熱電変換モジュール。
14. 請求項４に記載の熱電変換モジュールの搭載方法であって、
    前記熱伝達層は、外部熱源の形状に沿って前記熱伝達層を接触させることを特徴とする熱電変換モジュールの搭載方法。