JP2018120908A - Electrothermal power module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電発電モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric power generation module.
熱電発電は、自動車や工場などの排熱を電気エネルギに変換可能であり、クリーンなエネルギ資源として注目されている。熱電発電に用いられる熱電発電モジュールは、極性の異なる2種類の熱電素子(p型熱電素子とn型熱電素子)を高温側電極部と低温側電極部との間に交互に配置させ、高温側電極部及び低温側電極部の間の温度差に応じて電気エネルギを発生させる。 Thermoelectric power generation is attracting attention as a clean energy resource because it can convert exhaust heat from automobiles and factories into electrical energy. A thermoelectric power generation module used for thermoelectric power generation has two types of thermoelectric elements (p-type thermoelectric element and n-type thermoelectric element) having different polarities arranged alternately between a high-temperature side electrode part and a low-temperature side electrode part. Electric energy is generated according to the temperature difference between the electrode part and the low temperature side electrode part.
しかし、駆動時の熱電発電モジュールでは、高温側電極部を設けた高温部側が低温側電極部を設けた低温部側よりも大きく熱膨張するので、両者の間に熱応力が発生する。このため、熱電発電モジュールの発電出力が低下したり、熱電素子が破損したりする問題が生じる。 However, in the thermoelectric power generation module at the time of driving, since the high temperature part side provided with the high temperature side electrode part is thermally expanded more than the low temperature part side provided with the low temperature side electrode part, thermal stress is generated between them. For this reason, the problem that the electric power generation output of a thermoelectric power generation module falls or a thermoelectric element is damaged arises.
このよう問題を解決するために、幾つか提案がなされている。例えば下記特許文献1には、熱応力が発生しにくい熱電発電モジュールが開示されている。この文献に記載の熱電発電モジュールでは、低温側絶縁基板は非拘束性の熱接触層を介して放熱部と接続されることで、放熱部に固定されることなく、熱接触層によって潤滑された放熱部に沿って移動可能になっている。これによって、低温側絶縁基板を含む低温部側が高温部側の熱膨張を妨げることなく、熱応力の緩和を図っている。
Several proposals have been made to solve such problems. For example,
しかし、上述の熱電発電モジュールでは、高温側(又は低温側)絶縁基板及び高温側(又は低温側)電極部、高温側(又は低温側)電極部及び熱電素子はそれぞれ接合されているため、これらの部位で発生する熱応力を緩和できない問題が残されている。 However, in the thermoelectric power generation module described above, the high temperature side (or low temperature side) insulating substrate and the high temperature side (or low temperature side) electrode part, the high temperature side (or low temperature side) electrode part, and the thermoelectric element are joined together. There remains a problem that the thermal stress generated in this part cannot be relaxed.
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和できる熱電発電モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such technical problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric power generation module that can alleviate the thermal stress generated in the module as a whole.
本発明に係る熱電発電モジュールは、高温側電極部と、前記高温側電極部と離間して対向する低温側電極部と、前記高温側電極部と前記低温側電極部との間に配置された極性の異なる複数の熱電素子とを備える熱電発電モジュールであって、前記低温側電極部と前記熱電素子との間には、グリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層が設けられていることを特徴としている。 A thermoelectric power generation module according to the present invention is disposed between a high temperature side electrode portion, a low temperature side electrode portion facing away from the high temperature side electrode portion, and the high temperature side electrode portion and the low temperature side electrode portion. A thermoelectric power generation module comprising a plurality of thermoelectric elements having different polarities, wherein a heat transfer conductive layer made of grease or a metal mesh member is provided between the low temperature side electrode portion and the thermoelectric element. It is a feature.
本発明に係る熱電発電モジュールでは、低温側電極部と熱電素子との間にグリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層が設けられるので、熱電素子と低温側電極部とは直接接合又は固定されていない状態になり、熱膨張時に両者が相対的に移動することが可能である。そのため、高温部側が熱膨張するときに、低温側電極部を含む低温部側がその熱膨張を妨げることがないので、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和することができ、モジュール耐久性の向上を図ることができる。 In the thermoelectric power generation module according to the present invention, since the heat transfer conductive layer made of grease or a metal mesh member is provided between the low temperature side electrode part and the thermoelectric element, the thermoelectric element and the low temperature side electrode part are directly joined or fixed. It is possible to move relative to each other during thermal expansion. Therefore, when the high-temperature part side thermally expands, the low-temperature part side including the low-temperature side electrode part does not hinder the thermal expansion, so the overall thermal stress generated in the module can be relaxed, and the module durability Can be improved.
本発明によれば、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和することができる。 According to the present invention, the thermal stress generated in the module as a whole can be relaxed.
以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電モジュールの実施形態について説明する。図1は実施形態に係る熱電発電モジュールを示す概略断面図である。本実施形態の熱電発電モジュール1は、例えば自動車の排熱を回収して発電するために用いられるものであり、高温部10と、高温部10と離間して対向する低温部20と、高温部10及び低温部20の間に配置された複数の熱電素子30とを備えている。
Hereinafter, an embodiment of a thermoelectric power generation module according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric power generation module according to an embodiment. The thermoelectric
高温部10は、平板状の高温側絶縁基板11と、該高温側絶縁基板11の低温部20側に面する第1主面11aに所定のパターンで配列された高温側電極部12と、高温側絶縁基板11の第1主面11aとは反対側の第2主面11bに設けられた集熱部13とを有する。
The
高温側絶縁基板11は、電気的絶縁性で且つ熱伝導性を有するものであり、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ボロン、炭化珪素などによって形成されている。また、該高温側絶縁基板11には、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシなどの繊維強化プラスチックなどの樹脂材料を用いても良い。
The high temperature
高温側電極部12は、高温側絶縁基板11の第1主面11aに金属めっき処理を施すことにより形成されている。金属めっきとしては、金めっき、ニッケルめっき、スズめっきなどが挙げられる。高温側電極部12は、対をなすp型熱電素子30aとn型熱電素子30b(後述する)とを導通するように、熱電素子30と電気的に接続している。
The high temperature
集熱部13は、高温側絶縁基板11の第2主面11bに配置された平板状の熱拡散板13aと、熱拡散板13aの上に所定の間隔で配列された複数の吸熱フィン13bとを有する。吸熱フィン13bは、矩形断面を有する棒状を呈し、熱拡散板13aから上方に突設されている。
The
複数の熱電素子30は、互いに対をなすp型熱電素子30aとn型熱電素子30bからなる。これらの熱電素子30は、ペルチェ効果、ゼーベック効果、又はトムソン効果といった熱電効果を有する熱電材料により形成されている。すなわち、p型熱電素子30aはp型熱電材料、n型熱電素子30bはn型熱電材料により形成されている。
The plurality of
熱電材料としては、ビスマス−テルル系化合物、シリサイド系化合物、ハーフホイスラー化合物、鉛−テルル系化合物、シリコン−ゲルマニウム系化合物、スクッテルダイト化合物などが挙げられる。 Examples of thermoelectric materials include bismuth-tellurium compounds, silicide compounds, half-Heusler compounds, lead-tellurium compounds, silicon-germanium compounds, skutterudite compounds, and the like.
そして、p型熱電素子30aとn型熱電素子30bとは、それぞれ角柱状または円柱状に形成され、所定の間隔で離れて設置されている。p型熱電素子30a及びn型熱電素子30bの上端部は、半田付けやロウ付けなどで上述の高温側電極部12に接合されている。
The p-type
一方、低温部20は、平板状の低温側絶縁基板21と、該低温側絶縁基板21の高温部10側に面する第1主面21aに所定のパターンで配列された低温側電極部22と、低温側絶縁基板21の第1主面21aとは反対側の第2主面21bに設けられた放熱部23とを有する。
On the other hand, the
低温側絶縁基板21は、高温側絶縁基板11と同様に、電気的絶縁性で且つ熱伝導性を有しており、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ボロン、炭化珪素などによって形成されている。低温側電極部22は、低温側絶縁基板21の第1主面21aに金属めっき処理を施すことにより形成されている。金属めっきとしては、金めっき、ニッケルめっき、スズめっきなどが挙げられる。そして、低温側電極部22は、熱電素子30の下端部と接合されずに、所定の距離をもって離れて配置されている。
Similar to the high temperature
低温側電極部22の上には、高い伝熱性及び導電性を有するグリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層25が設けられている。この伝熱導電層25は、低温側電極部22を覆うように該低温側電極部22と同じ面積を有するように形成されている。また、伝熱導電層25は熱電素子30の下端部と接合されておらず、所定の距離で離れて配置されている。
On the low temperature
放熱部23は、伝熱グリース24を介して低温側絶縁基板21の第2主面21bに配置されている。この放熱部23は、伝熱グリース24に配置された平板状の熱拡散板23aと、熱拡散板23aの下に所定の間隔で配列された複数の冷却フィン23bとを有する。冷却フィン23bは、矩形断面を有する棒状を呈し、熱拡散板23aから下方に突設されている。
The
このように構成された熱電発電モジュール1では、熱電素子30と低温部20とを相対的に接近させるように高温部10及び低温部20に所定の荷重Fが加えられると、熱電素子30の下端部が伝熱導電層25と接触する。これによって、熱電素子30及び低温側電極部22は伝熱導電層25を介して電気的に導通される。
In the thermoelectric
本実施形態の熱電発電モジュール1によれば、低温側電極部22と熱電素子30との間にグリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層25が設けられるので、熱電素子30と低温側電極部22とは直接接合又は固定されていない状態になり、熱膨張時に両者が相対的に移動することが可能である。そのため、高温部10側が熱膨張するときに、低温側電極部22を含む低温部20側がその熱膨張を妨げることがないので、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和することができ、モジュール耐久性の向上を図ることができる。
According to the thermoelectric
また、伝熱導電層25が金属メッシュ部材からなる場合、熱電素子30及び低温側電極部22の間における相互元素拡散に伴う固着の発生を防止する効果を更に奏する。
Further, when the heat transfer
以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。 Examples of the present invention will be described below. The present invention is not limited to the following examples.
<実施例>
本実施例では、伝熱グリース24を省略した熱電発電モジュール1(図2参照)を用いて、高温部10側の温度が500℃、低温部20側の温度が100℃である条件で、熱印加時に発生応力が高い高温且つ外側の高温側電極部12及び熱電素子30を熱応力計算部として、それぞれの初期熱応力の計算を行った。なお、計算に使用したソフトはABAQUS6−14であり、伝熱導電層25にCuメッシュ部材、高温側電極部12及び低温側電極部22にCuめっきをそれぞれ用いた。
<Example>
In the present embodiment, using the thermoelectric power generation module 1 (see FIG. 2) in which the
<比較例1>
図3は比較例1の熱電発電モジュールを示す概略断面図である。比較例1の熱電発電モジュール2は、伝熱導電層25を設けない点、及び低温側電極部22が熱電素子30の下端部と接合される点において実施例と異なっているが、その他の構造が実施例と同様であった。そして、該熱電発電モジュール2に対し、実施例と同様な条件で熱応力計算部の初期熱応力を計算した。
<Comparative Example 1>
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the thermoelectric power generation module of Comparative Example 1. The thermoelectric
<比較例2>
図4は比較例2の熱電発電モジュールを示す概略断面図である。比較例2の熱電発電モジュール3は、伝熱導電層25を設けない点、低温側電極部22が熱電素子30の下端部と直接接合されるとともに低温側絶縁基板21から所定の距離で離間する点、及び低温側絶縁基板21の第1主面21aの上にカーボンシート層27を設ける点において実施例と異なっているが、その他の構造が実施例と同様であった。そして、該熱電発電モジュール3に対し、実施例と同様な条件で熱応力計算部の初期熱応力を計算した。
<Comparative example 2>
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the thermoelectric power generation module of Comparative Example 2. In the thermoelectric
図5は実施例及び比較例の結果を示すグラフである。図5から分かるように、比較例1の応力比を100%としたときに、比較例1に対して比較例2の高温側電極部12の応力比が4%、熱電素子30の応力比が5%それぞれ減少した(言い換えれば、熱応力が緩和された)。一方、実施例は比較例2よりも、高温側電極部12の応力比が2%、熱電素子30の応力比が6%(いずれも両側接合比である)更に減少したことが分かった。この結果から、本発明の熱電発電モジュール1によれば全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和できることが確認された。
FIG. 5 is a graph showing the results of Examples and Comparative Examples. As can be seen from FIG. 5, when the stress ratio of Comparative Example 1 is 100%, the stress ratio of the high-temperature
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。 Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various designs can be made without departing from the spirit of the present invention described in the claims. It can be changed.
1 熱電発電モジュール
10 高温部
11 高温側絶縁基板
12 高温側電極部
13 集熱部
13a 熱拡散板
13b 吸熱フィン
20 低温部
21 低温側絶縁基板
22 低温側電極部
23 放熱部
23a 熱拡散板
23b 冷却フィン
24 伝熱グリース
25 伝熱導電層
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記低温側電極部と前記熱電素子との間には、グリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層が設けられていることを特徴とする熱電発電モジュール。 A high temperature side electrode portion, a low temperature side electrode portion facing away from the high temperature side electrode portion, and a plurality of thermoelectric elements having different polarities disposed between the high temperature side electrode portion and the low temperature side electrode portion. A thermoelectric generation module comprising:
A thermoelectric power generation module, wherein a heat transfer conductive layer made of grease or a metal mesh member is provided between the low temperature side electrode portion and the thermoelectric element.
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