JP2020150215A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構造で、耐候性に優れており、使用環境下における熱電変換素子の劣化が抑えられ、高温でも良好に安定して使用することが可能な熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】複数の熱電変換素子１１と、これら熱電変換素子１１の一端側に配設された第１電極部２１及び他端側に配設された第２電極部２２と、を有し、第１電極部２１及び第２電極部２２を介して複数の熱電変換素子１１が電気的に接続してなる熱電変換モジュール１０であって、熱電変換素子１１は、絶縁性の無機材料からなる封止層１５によって封止されており、第１電極部２１及び第２電極部２２の一面が封止層１５から露出していることを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、複数の熱電変換素子が電気的に接続してなる熱電変換モジュールに関するものである。

熱電変換素子は、ゼーベック効果あるいはペルティエ効果によって、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換可能な電子素子である。
ゼーベック効果は、熱電変換素子の両端に温度差を生じさせると起電力が発生する現象であり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。ゼーベック効果により発生する起電力は、熱電変換素子の特性によって決まる。近年では、この効果を利用した熱電発電の開発が盛んである。
ペルティエ効果は、熱電変換素子の両端に電極等を形成して電極間で電位差を生じさせると、熱電変換素子の両端に温度差が生じる現象であり、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。このような効果をもつ素子は特にペルティエ素子と呼ばれ、精密機器や小型冷蔵庫などの冷却や温度制御に利用されている。

上述の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールとしては、例えば、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とを交互に直列接続した構造のものが提案されている。
このような熱電変換モジュールにおいては、複数の熱電変換素子の一端側及び他端側に配設された電極部によって熱電変換素子同士が直列接続された構造とされている。

そして、熱電変換素子の一端側と他端側との間で温度差を生じさせることで、ゼーベック効果によって、電気エネルギーを発生させることができる。あるいは、熱電変換素子に電流を流すことで、ペルティエ効果によって、熱電変換素子の一端側と他端側との間に温度差を生じさせることが可能となる。

ここで、上述の熱電変換モジュールを熱源に配設して電気エネルギーを得る場合には、熱源との熱接触状態が重要となる。
そこで、例えば特許文献１には、熱源と熱電変換モジュールとの間に、グラファイトからなる伝熱シートを配設することが開示されている。
特許文献２には、熱源と熱電変換モジュールとの間に、金属からなる伝熱部材を配設することが開示されている。

また、上述の熱電変換モジュールにおいては、使用時における熱電変換素子の劣化を抑制するために、耐候性を確保する必要がある。
そこで、例えば特許文献３には、耐候性を向上させるために、耐熱性の防水フレームを配設した熱電変換モジュールが開示されている。
また、特許文献４には、湿気の侵入を抑制するために、ゴムなどの封止材を配設した熱電変換モジュールが開示されている。

特開２０１８−０７４８７３号公報 特開２０１４−１２７６１７号公報 特開２００７−２２１８９５号公報 特開２００３−３２４２１９号公報

ところで、上述の熱電変換モジュールは、幅広い温度の熱源に配設することで、熱源からの排熱を電気エネルギーに変化することができる。
ここで、例えば２５０℃以上の高温領域で使用した場合、ゴムや樹脂等の有機系の封止材は、熱分解したり、変質して劣化したりするため、使用することができなかった。また、グラファイトにおいても、大気中では酸化によって劣化してしまうため、安定して使用することができなかった。
融点の高い金属であれば使用可能であるが、金属からなる部材を配設した場合には、部品点数が増加し、位置ずれや脱落等によって安定して使用できないおそれがあった。さらに、防水フレーム等を用いた場合には、サイズが大きく、かつ、重量が増大するため、狭いスペースに配置したり、回転体等に配設したりすることは困難であった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、比較的簡単な構造で、耐候性に優れ、使用環境下における熱電変換素子の劣化が抑えられ、高温でも良好に安定して使用することが可能な熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱電変換モジュールは、複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第１電極部及び他端側に配設された第２電極部と、を有し、前記第１電極部及び前記第２電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続してなる熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子は、絶縁性の無機材料からなる封止層によって封止されており、前記第１電極部及び前記第２電極部の一面が前記封止層から露出していることを特徴としている。

本発明の熱電変換モジュールによれば、前記熱電変換素子は、絶縁性の無機材料からなる封止層によって封止されているので、２５０℃以上の高温領域で使用した場合であっても、封止層が変質せずに耐候性に優れており、熱電変換素子の劣化を抑制することができる。また、絶縁性の無機材料からなる封止層によって熱電変換素子を保護しているので、構造が簡単であり、熱電変換モジュールの小型化及び軽量化を図ることができる。
また、前記第１電極部及び前記第２電極部の一面が前記封止層から露出しているので、熱電変換素子で生じた電気エネルギーをこれら前記第１電極部及び前記第２電極部を介して効率良く取り出すことができる。

ここで、本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記封止層を構成する前記無機材料は、２５℃における熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。
この場合、封止層を介して熱が伝達されることを抑制でき、熱電変換素子の一端側と他端側とで温度差を十分に確保でき、熱電変換効率を向上させることができる。

また、本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記熱電変換素子の一端側に、第１絶縁層と前記第１絶縁層の一方の面に形成された第１回路層とを備えた第１絶縁回路基板が配設されており、前記封止層から露出した前記第１電極部を覆うように、前記第１回路層が配置されている構成としてもよい。
この場合、第１電極部と前記第１回路層との接触が良好となり、かつ、第１絶縁層によって絶縁性が確保されるため、熱電変換効率を十分に向上させることが可能となる。また、上述のように、第１絶縁回路基板を配設することで、絶縁性と伝熱性を確保でき、部品点数の削減を図ることができる。

ここで、本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記第１回路層の接触面積が、前記第１電極部の露出面積以上とされていることが好ましい。
この場合、前記封止層から露出した前記第１電極部を覆うように配設される前記第１回路層の接触面積が、第１電極部の露出面積以上とされているので、前記第１電極部と前記封止層との間の界面から湿気等が侵入することを抑制でき、熱電変換素子の劣化をさらに確実に抑制することが可能となる。

また、本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記熱電変換素子の他端側に、第２絶縁層と前記第２絶縁層の一方の面に形成された第２回路層とを備えた第２絶縁回路基板が配設されており、前記封止層から露出した前記第２電極部を覆うように、前記第２回路層が配置されている構成としてもよい。
この場合、第２電極部と前記第２回路層との接触が良好となり、かつ、第２絶縁層によって絶縁性が確保されるため、熱電変換効率を十分に向上させることが可能となる。また、上述のように、第２絶縁回路基板を配設することで、絶縁性と伝熱性を確保でき、部品点数の削減を図ることができる。

ここで、本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記第２回路層の接触面積が、前記第２電極部の露出面積以上とされていることが好ましい。
この場合、前記封止層から露出した前記第２電極部を覆うように配設される前記第２回路層の接触面積が、第２電極部の露出面積以上とされているので、前記第２電極部と前記封止層との間の界面から湿気等が侵入することを抑制でき、熱電変換素子の劣化をさらに確実に抑制することが可能となる。

本発明によれば、比較的簡単な構造で、耐候性に優れ、使用環境下における熱電変換素子の劣化が抑えられ、高温でも良好に安定して使用することが可能な熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の実施形態である熱電変換モジュールの概略説明図である。 図１に示すＡ−Ａ断面矢視図である。 図１に示すＢ−Ｂ断面矢視図である。 本発明の実施形態である熱電変換モジュールの製造方法を示すフロー図である。 本発明の他の実施形態である熱電変換モジュールの概略説明図である。 本発明の他の実施形態である熱電変換モジュールの概略説明図である。

以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

本実施形態に係る熱電変換モジュール１０は、図１に示すように、複数の柱状をなす熱電変換素子１１を備えており、この熱電変換素子１１の長さ方向の一端側（図１において下側）に配設された第１電極部２１、及び、熱電変換素子１１の長さ方向の他端側（図１において上側）に配設された第２電極部２２によって、複数の柱状をなす熱電変換素子１１が電気的に直列接続されている。ここで、第１電極部２１及び第２電極部２２は、例えば図２に示すように、パターン状に配設されることになる。
なお、本実施形態では、第１電極部２１及び第２電極部２２がそれぞれ固定されておらず、いわゆるスケルトン構造の熱電変換モジュールとされている。

熱電変換素子１１は、ｎ型熱電変換素子１１ａとｐ型熱電変換素子１１ｂとを有しており、これらｎ型熱電変換素子１１ａとｐ型熱電変換素子１１ｂが交互に配列されている。
なお、この熱電変換素子１１の一端面及び他端面には、メタライズ層（図示なし）がそれぞれ形成されている。メタライズ層としては、例えば、ニッケル、銀、コバルト、タングステン、モリブデン等や、あるいはそれらの金属繊維でできた不織布等を用いることができる。なお、メタライズ層の最表面（第１電極部２１及び第２電極部２２との接合面）は、Ａｕ又はＡｇで構成されていることが好ましい。

ｎ型熱電変換素子１１ａ及びｐ型熱電変換素子１１ｂは、例えば、テルル化合物、スクッテルダイト、充填スクッテルダイト、ホイスラー、ハーフホイスラー、クラストレート、シリサイド、酸化物、シリコンゲルマニウム等の焼結体で構成されている。
ｎ型熱電変換素子１１ａの材料として、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、ＰｂＴｅ、Ｌａ_３Ｔｅ_４、ＣｏＳｂ_３、ＦｅＶＡｌ、ＺｒＮｉＳｎ、Ｂａ_８Ａｌ_１６Ｓｉ_３０、Ｍｇ_２Ｓｉ、ＦｅＳｉ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＭｎＯ_３、ＺｎＯ、ＳｉＧｅなどが用いられる。
また、ｐ型熱電変換素子１１ｂの材料として、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３、ＰｂＴｅ、ＴＡＧＳ（＝Ａｇ‐Ｓｂ‐Ｇｅ‐Ｔｅ）、Ｚｎ_４Ｓｂ_３、ＣｏＳｂ_３、ＣｅＦｅ_４Ｓｂ_１２、Ｙｂ_１４ＭｎＳｂ_１１、ＦｅＶＡｌ、ＭｎＳｉ_１．７３、ＦｅＳｉ_２、ＮａｘＣｏＯ_２、Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_７、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃｏ_２Ｏ_７、ＳｉＧｅなどが用いられる。
なお、ドーパントによりｎ型とｐ型の両方をとれる化合物と、ｎ型かｐ型のどちらか一方のみの性質をもつ化合物がある。

そして、本実施形態においては、熱電変換素子１１は、絶縁性の無機材料からなる封止層１５によって封止されており、図１に示すように、第１電極部２１及び第２電極部２２の一面が封止層１５から露出するように構成されている。
ここで、封止層１５を構成する無機材料は、硬化後（封止層１５の状態）で、温度２５℃における電気抵抗率が１×１０^６Ω・ｍ以上とされている。なお、温度２００℃における電気抵抗率は、１×１０^６Ω・ｍ以上であることが好ましく、温度上昇により導電性が増加しない材料が好ましい。

また、本実施形態においては、封止層１５を構成する無機材料は、２５℃における熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。

封止層１５を構成する無機材料としては、具体的には、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカから選択される１種又は２種以上を用いることができる。

また、本実施形態においては、図１に示すように、熱電変換素子１１の一端側には、第１絶縁層３１と、第１絶縁層３１の一方の面に形成された第１回路層３２と、第１絶縁層３１の他方の面に形成された第１伝熱層３３と、を備えた第１絶縁回路基板３０が配設されている。
そして、第１回路層３２は、図３に示すように、第１電極部２１と同様のパターンを有するように構成されており、封止層１５から露出した第１電極部２１を覆うように配置される。
ここで、第１回路層３２の接触面積は、第１電極部２１の露出面積以上とされており、第１電極部２１の露出面を確実に覆うように構成されている。

さらに、本実施形態においては、図１に示すように、熱電変換素子１１の他端側には、第２絶縁層４１と、第２絶縁層４１の一方の面に形成された第２回路層４２と、第２絶縁層４１の他方の面に形成された第２伝熱層４３と、を備えた第２絶縁回路基板４０が配設されている。
そして、第２回路層４２は、第２電極部２２と同様のパターンを有するように構成されており、封止層１５から露出した第２電極部２２を覆うように配置される。
ここで、第２回路層４２の接触面積は、第２電極部２２の露出面積以上とされており、第２電極部２２の露出面を確実に覆うように構成されている。

ここで、第１絶縁層３１及び第２絶縁層４１は、絶縁性に優れたセラミックスで構成されていることが好ましい。例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素等を適用することができる。
これら第１絶縁層３１及び第２絶縁層４１の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

また、上述の第１回路層３２及び第２回路層４２は、熱伝導性に優れた金属で構成されており、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金、鉄又は鉄合金等で構成されている。本実施形態では、第１回路層３２及び第２回路層４２は、熱伝導性に優れ、かつ、軽量で、比較的軟らかいアルミニウム（例えば、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム）で構成されたものとした。
これら第１回路層３２及び第２回路層４２の厚さは、例えば０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

第１伝熱層３３及び第２伝熱層４３は、第１回路層３２及び第２回路層４２と同様に、熱伝導性に優れた金属で構成されており、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、銅又は銅合金、鉄又は鉄合金等で構成されている。本実施形態では、第１伝熱層３３及び第２伝熱層４３は、アルミニウム（例えば、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム）で構成されたものとした。
これら第１伝熱層３３及び第２伝熱層４３の厚さは、例えば０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

そして、第１絶縁回路基板３０においては、第１回路層３２と第１絶縁層３１と第１伝熱層３３とが接合されて一体化しており、第２絶縁回路基板４０においては、第２回路層４２と第２絶縁層４１と第２伝熱層４３とが接合されて一体化している。
なお、これらの接合方法には、特に制限はなく、ろう付け等の既存の接合方法を適宜選択して採用することが好ましい。

次に、上述した本実施形態である熱電変換モジュール１０の製造方法について、図４を参照して説明する。

（電極部形成工程Ｓ０１）
まず、複数の熱電変換素子１１を配置し、熱電変換素子１１の一端側に第１電極部２１を形成するとともに、熱電変換素子１１の他端側に第２電極部２２を形成する。このとき、複数の熱電変換素子１１が直列に接続されるように、第１電極部２１及び第２電極部２２は所定のパターンを有するように構成されることになる。

（封止工程Ｓ０２）
次に、第１電極部２１及び第２電極部２２を形成した複数の熱電変換素子１１を型枠内に収容し、型枠内にポッティング材として、例えばセラミックス接着剤の太陽金網株式会社製Thermeez7030（フィラー：シリカ）を２、水道水を１（重量比）とし、よく混合した液体を流し込む。ここで、ポッティング材としては、フィラーとして、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカから選択される１種又は２種以上を含むものを使用することが好ましい。
そして、５０℃以上７０℃以下の温度で２０分以上６０分以下保持し、ポッティング材を半乾燥させる。
この状態で、第１電極部２１及び第２電極部２２が露出するように、ポッティング材の整形を行う。なお、出力端子を接続した後にポッティングを行ってもよい。この場合、出力端子の接続部はポッティングされていた方が好ましい。
その後、１２０℃以上１５０℃以下の温度で２４０分以上保持し、ポッティング材を完全に硬化させ、封止層１５を形成する。

（絶縁回路基板配設工程Ｓ０３）
次に、熱電変換素子１１の一端側に第１絶縁回路基板３０を配設し、熱電変換素子１１の他端側に第２絶縁回路基板４０を配設し、第１絶縁回路基板３０及び第２絶縁回路基板４０によって熱電変換素子１１を挟持する。
このとき、第１回路層３２が封止層１５から露出した第１電極部２１を覆うように配置され、第２回路層４２が封止層１５から露出した第２電極部２２を覆うように配置される。

以上のような工程により、本実施形態である熱電変換モジュール１０が製造されることになる。
このようにして得られた本実施形態である熱電変換モジュール１０においては、例えば、第１絶縁回路基板３０側を低温部とし、第２絶縁回路基板４０側を高温部として使用され、熱エネルギーと電気エネルギーとの変換が実施される。

以上のような構成とされた本実施形態である熱電変換モジュール１０においては、熱電変換素子１１が、絶縁性の無機材料からなる封止層１５によって封止されているので、２５０℃以上の高温領域で使用した場合であっても、封止層１５が変質せずに耐候性に優れており、熱電変換素子１１の劣化を抑制することができる。また、絶縁性の無機材料からなる封止層１５によって熱電変換素子１１を保護しているので、構造が簡単であり、熱電変換モジュール１０の小型化及び軽量化を図ることができる。
また、第１電極部２１及び第２電極部２２の一面が封止層１５から露出しているので、熱電変換素子１１において生じた電気エネルギーをこれら第１電極部２１及び第２電極部２２を介して効率良く取り出すことができる。

また、本実施形態において、封止層１５を構成する無機材料が、２５℃における熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である場合には、封止層１５を介して熱が伝達されることを抑制でき、熱電変換素子１１の一端側と他端側とで温度差を十分に確保でき、熱電変換効率を向上させることができる。

さらに、本実施形態においては、第１電極部２１及び第２電極部２２がそれぞれ固定されておらず、いわゆるスケルトン構造の熱電変換モジュールとされており、熱電変換素子１１の一端側に、第１絶縁層３１と第１絶縁層３１の一方の面に形成された第１回路層３２とを備えた第１絶縁回路基板３０が配設され、封止層１５から露出した第１電極部２１を覆うように、第１回路層３２が配置されているとともに、熱電変換素子１１の他端側に、第２絶縁層４１と第２絶縁層４１の一方の面に形成された第２回路層４２とを備えた第２絶縁回路基板４０が配設され、封止層１５から露出した第２電極部２２を覆うように、第２回路層４２が配置されているので、第１電極部２１と第１回路層３２及び第２電極部２２と第２回路層４２の接触が良好となり、かつ、第１絶縁層３１及び第２絶縁層４１によって絶縁性が確保されるため、熱電変換効率を十分に向上させることが可能となる。また、上述のように、第１絶縁回路基板３０及び第２絶縁回路基板４０を配設することで、絶縁性と伝熱性を確保でき、部品点数の削減を図ることができる。

また、本実施形態において、第１回路層３２の接触面積が第１電極部２１の露出面積以上とされるとともに、第２回路層４２の接触面積が第２電極部２２の露出面積以上とされている場合には、第１回路層３２及び第２回路層によって、封止層１５から露出した第１電極部２１及び第２電極部２２を確実に覆うことができ、第１電極部２１及び第２電極部２２と封止層１５との間の界面から湿気等が侵入することを抑制でき、熱電変換素子１１の劣化をさらに確実に抑制することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

本実施形態では、第１電極部２１及び第２電極部２２がそれぞれ固定されておらず、いわゆるスケルトン構造の熱電変換モジュールとし、第１電極部２１側に第１絶縁回路基板３０、及び、第２電極部２２側に第２絶縁回路基板４０を配設したものとして説明したが、これに限定されることはない。

例えば、図５に示す熱電変換モジュール１１０のように、熱電変換素子１１が絶縁性の無機材料からなる封止層１５で封止されていれば、第１電極部１２１及び第２電極部１２２がそれぞれ固定されたリジット構造であってもよい。この場合でも、耐候性が向上し、熱電変換素子１１の劣化を抑制することができる。

また、図６に示す熱電変換モジュール２１０のように、熱電変換素子１１が絶縁性の無機材料からなる封止層１５で封止されていれば、第１電極部２２１側が固定され、第２電極部２２２が固定されていないハーフスケルトン構造であってもよい。この場合でも、耐候性が向上し、熱電変換素子１１の劣化を抑制することができる。なお、ハーフスケルトン構造の場合には、固定されていない第２電極部２２２側に第２絶縁回路基板２４０を配設することが好ましい。また、第２電極部２２２側を高温部として使用することが好ましい。

１０ 熱電変換モジュール
１１ 熱電変換素子
２１ 第１電極部
２２ 第２電極部
３０ 第１絶縁回路基板
３１ 第１絶縁層
３２ 第１回路層
４０ 第２絶縁回路基板
４１ 第２絶縁層
４２ 第２回路層

Claims (6)

1. 複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第１電極部及び他端側に配設された第２電極部と、を有し、前記第１電極部及び前記第２電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続してなる熱電変換モジュールであって、
   前記熱電変換素子は、絶縁性の無機材料からなる封止層によって封止されており、前記第１電極部及び前記第２電極部の一面が前記封止層から露出していることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記封止層を構成する前記無機材料は、２５℃における熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記熱電変換素子の一端側に、第１絶縁層と前記第１絶縁層の一方の面に形成された第１回路層とを備えた第１絶縁回路基板が配設されており、
   前記封止層から露出した前記第１電極部を覆うように、前記第１回路層が配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記第１回路層の接触面積が、前記第１電極部の露出面積以上とされていることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記熱電変換素子の他端側に、第２絶縁層と前記第２絶縁層の一方の面に形成された第２回路層とを備えた第２絶縁回路基板が配設されており、
   前記封止層から露出した前記第２電極部を覆うように、前記第２回路層が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
6. 前記第２回路層の接触面積が、前記第２電極部の露出面積以上とされていることを特徴とする請求項５に記載の熱電変換モジュール。

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