JP2018107424A - ケース付熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
なお、熱電変換素子は電圧が低いことから、絶縁基板であるセラミックス基板の周縁部よりも熱伝達金属層の周縁部を外側に突出して設けた場合であっても、熱伝達金属層がセラミックス基板の一方の面に接合された配線金属層と物理的に接触しない限り、電気的なリークを生じることがない。
熱電変換素子の材料には、酸素と反応するものが存在する。例えばマグネシウムシリサイド系は、酸素と反応することで錆を生じ、脆くなる。また、熱電変換素子以外にも、配線金属層等の金属は、酸素と反応して酸化することにより錆を生じ、脆くなる。また、これらの酸化反応は、熱電変換素子やその他の金属が水分と接触することにより促進される。
したがって、ケースの内部に乾燥剤を配置しておくことで、ケースの内部に存在する水分を乾燥剤により吸収できるので、熱電変換素子やその他の金属の酸化反応を抑制することができる。また、ケースの内部に脱酸剤を配置しておくことで、ケースの内部に存在する酸素を脱酸剤により吸収できるので、熱電変換素子やその他の金属が酸化することを防止できる。これにより、熱電変換モジュールを長期にわたり安定して使用でき、熱電変換モジュールの熱電交換性能を高く維持できる。
(第1実施形態)
図1〜図4に示すように、第1実施形態のケース付熱電変換モジュール101は、外部と区切られた内部空間50を有するケース5と、その内部空間50に収容された熱電変換モジュール1とを有する。このケース付熱電変換モジュール101は、図1に示すように、高温ガスが流れる高温側流路91と、冷却水が流れる低温側流路92との間に介在するように取り付けられることにより、熱電変換装置81を構成する。
一方、配線金属層10に銀を用いることで、熱伝導性や導電性を良好に維持でき、厚さを比較的薄く形成した場合でも電気抵抗を低くできる。また、銀を用いることで、配線金属層10の耐熱性や耐酸化性を向上させることができる。なお、配線金属層10を銀で形成する場合には、配線金属層10の厚さは10μm以上200μm以下とすることが好ましい。
なお、ケース5と各配線基板210,220(熱伝達金属層20)との間を、ろう付けやはんだ付け、超音波接合等で接合しておくこともでき、この場合には、さらにケース5と熱電変換モジュール1との密着性及び熱伝達性を向上できるので、熱電交換性能をさらに向上させることができる。
(第2実施形態)
例えば、図1〜図4に示される第1実施形態のケース付熱電変換モジュール101においては、熱伝達金属層20の周縁部がセラミックス基板30の周縁部よりも外側に突出して形成されていたが、図5に示す第2実施形態のケース付熱電変換モジュール102のように、熱伝達金属層20の周縁部をセラミックス基板30の周縁部と同じ大きさに形成して、セラミックス基板30の全面と熱伝達金属層20を接合してもよい。この場合も、セラミックス基板30の全面に熱伝達金属層20を接合することで、特許文献2のように、セラミックス基板よりも熱伝達金属層の平面サイズを小さくした場合と比較して、熱電変換モジュール1とケース5との熱伝達性を向上でき、熱伝達金属層20とケース5とを接触させて、セラミックス基板30とケース5とが接触することを確実に防止できる。なお、図5において、第1実施形態と共通する要素には同一符号を付して説明を省略する。
この図5に示す例では、下ケース520の上部フランジ部524を上ケース510の下部フランジ部513よりも外側に大きく形成しておき、その下ケース520の上部フランジ部524の基端部に上ケース510の下部フランジ部513を重ねた状態で、下ケース520の上部フランジ部524の先端部を内側に折り込むことで、下ケース510の上部フランジ部524の基端部と先端部との間に上ケース510の下部フランジ部513を挟持して、上ケース510と下ケース520とが固定されている。なお、第2実施形態においても、かしめ構造と併せて、下部フランジ部513と上部フランジ部524との間を樹脂製の接着剤531により接合してもよい。
図6に示す第3実施形態のケース付熱電変換モジュール103は、ケース5の内部に、符号542で示す乾燥剤又は脱酸剤が配置されている。図6では、乾燥剤と脱酸剤とを共通の符号542で表す。この場合、ケース5に、乾燥剤又は脱酸剤542を収容する収容部541が設けられており、この収容部541内に乾燥剤又は脱酸剤542を収容することで、乾燥剤又は脱酸剤542をケース5内の一箇所に固定している。また、収容部541は、ケース5の内部において熱電変換モジュール1と接触しない位置に配置されており、乾燥剤又は脱酸剤542が熱電変換モジュール1と接触することが防止されている。
また、ケース付熱電変換モジュール103では、収容部541を低温側に配置される下ケース520に形成したので、乾燥剤又は脱酸剤542が耐熱性の低い材料で構成されている場合にも、これらの乾燥剤又は脱酸剤542を安定した状態で使用できる。
図6に示す第3実施形態のケース付熱電変換モジュール103では、金網等より乾燥剤又は脱酸剤542の収容部541を形成し、乾燥剤又は脱酸剤542をケース5内の特定の位置に固定していたが、図7に示す第4実施形態のケース付熱電変換モジュール104のように、乾燥剤又は脱酸剤542を磁石543の磁力による吸着力より固定することもできる。この場合、乾燥剤又は脱酸剤542は、鉄等の磁性材料で構成されたものを用いる。あるいは、乾燥剤又は脱酸剤542に鉄等の磁石に吸着する板材や粉末を袋等の内部に入れたり、あるいは取り付けて、非磁性の乾燥剤又は脱酸剤を固定することもできる。
第4実施形態のケース付熱電変換モジュール104では、磁石543をケース5の内側に配置していたが、図8に示す第5実施形態のケース付熱電変換モジュール105のように、磁石543をケース5の外側に配置することもできる。この場合も、磁石543は、上ケース510と下ケース520との間の封止に用いた接着剤531と同様の耐熱性、断熱性に優れた樹脂製の接着剤を使用してケース5に固定される。
第3〜第5実施形態のケース付熱電変換モジュール103〜105では、ケース5の内部に収容部541や磁石543等を用いて乾燥剤又は脱酸剤542を固定していたが、図9に示す第6実施形態のケース付熱電変換モジュール106のように、ケース5の内側に予め乾燥剤又は脱酸剤として機能する金属を蒸着により成膜しておくことで、ケース5の内部に乾燥剤又は脱酸剤545を配置することもできる。
また、第1〜第6実施形態のケース付熱電変換モジュール101〜106では、熱電変換モジュール1のP型熱電変換素子3及びN型熱電変換素子4の配列が線状(一次元状)とされた例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図10及び図11に示す第7実施形態のケース付熱電変換モジュール107のように、P型熱電変換素子3及びN型熱電変換素子4を面状(二次元)に配列してもよい。この第7実施形態において、第1実施形態の図1に相当する図面は省略するが、縦断面構造は図1とほぼ同様である。
また、上記実施形態のケース付熱電変換モジュール101〜107では、上ケース510と下ケース520とにより外部と区切られた内部空間50を形成し、熱電変換モジュール1をケース5内に気密に収容した例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図12及び図13に示す第8実施形態のケース付熱電変換モジュール108のケース6のように、一部に開口部を有するケースを用いる構成とし、このケース6に熱電変換モジュール1を収容してもよい。なお、図12及び図13に示すケース付熱電変換モジュール108では、ケース6は、それぞれU字溝状に形成された上ケース610と下ケース620とで構成され、図12及び図13において左右側の両側面が開いた筒状に形成されている。
210,220 配線基板
3 P型熱電変換素子
4 N型熱電変換素子
5,6 ケース
510,610 上ケース
520,620 下ケース
11,12 電極部
13 内部配線部
141,142 外部配線部
20 熱伝達金属層
30 セラミックス基板
50 内部空間
511 天面部
512 胴部
513 下部フランジ部
521 底面部
522 胴部
523,524 上部フランジ部
531 接着剤
541 収容部
542,545 乾燥剤,脱酸剤
543 磁石
544 仕切り部
81 熱電変換装置
91 高温側流路
92 低温側流路
93 ヒートシンク
94 弾性部材
101,102,103,104,105,106,107,108 ケース付熱電変換モジュール
Claims (8)
- ケースと、前記ケースの内部に収容された熱電変換モジュールとを有し、
前記熱電変換モジュールは、対向配置される配線基板の間にP型熱電変換素子とN型熱電変換素子とを複数対組み合わせて配列し、これらの熱電変換素子が前記配線基板を介して接続されており、
前記配線基板は、セラミックス基板と、前記セラミックス基板の一方の面に接合されて前記熱電変換素子が接合される配線金属層と、前記セラミックス基板の他方の面に接合されて前記ケースの内面に対向接触して配置される熱伝達金属層とを有し、
前記熱伝達金属層の周縁部は、前記セラミックス基板の周縁部と同じか、それよりも外側に突出して形成されていることを特徴とするケース付熱電変換モジュール。 - 前記熱伝達金属層は、アルミニウム又は銅を主成分とする材料により形成されていることを特徴とする請求項1に記載のケース付熱電変換モジュール。
- 前記熱伝達金属層は、純度99.99質量%以上のアルミニウム又は純度99.9質量%以上の銅とされていることを特徴とする請求項2に記載のケース付熱電変換モジュール。
- 前記ケースは上ケースと下ケースとを有し、
前記上ケースと前記下ケースとの間が接合され、前記熱電変換モジュールが前記上ケースと前記下ケースとの間に挟持されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載のケース付熱電変換モジュール。 - 前記上ケースと前記下ケースとの間は、ろう付け、はんだ付け、溶接、超音波接合のいずれかで接合されていることを特徴とする請求項4に記載のケース付熱電変換モジュール。
- 前記上ケースと前記下ケースとの間は樹脂製の接着剤で接合されており、
前記上ケースと前記下ケースとの接合位置は、前記熱電変換モジュールの低温側に配置されていることを特徴とする請求項4に記載のケース付熱電変換モジュール。 - 前記ケースの内部は外部と区切られ気密に保持されており、
前記ケースの内部に乾燥剤又は脱酸剤若しくはこれらの双方が配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のケース付熱電変換モジュール。 - 前記脱酸剤は、前記熱電変換素子よりも酸化しやすい金属により構成されていることを特徴とする請求項7に記載のケース付熱電変換モジュール。
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