JP3552567B2

JP3552567B2 - 熱応力緩和パッド及びそれを用いた熱電変換システム並びにペルチェ冷却システム

Info

Publication number: JP3552567B2
Application number: JP01170999A
Authority: JP
Inventors: 満神戸; 亮川崎
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1999-01-20
Filing date: 1999-01-20
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2019-01-20
Also published as: JP2000216444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱を利用して発電などの所定の機能を実行したり発熱する素子や部品等と熱伝達部材との間に挟まれて熱を伝達するパッド及びそれを用いた熱電変換システム並びにペルチェ冷却システムに関する。更に詳述すると、本発明は、熱電変換システム用の熱応力緩和パッドやペルチェ冷却システム用の熱応力緩和パッド、発熱と振動を伴う部品・機器などを制振・保持しかつ固定する架台側に熱を効率的に伝達するためのパッド等として有用な熱応力緩和パッド及びそれを用いた熱電変換システム並びにペルチェ冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱応力緩和パッドは、電力機器、自動車、鉄道、航空機及び一般産業機器などの分野における熱源と受熱体の間に介在させるパッドとして有用なものである。
【０００３】
例えば、熱電変換システムにおいては熱電変換素子と熱源たる加熱ダクト・冷却ダクトとの間での熱応力緩和と伝熱を図るパッドが使用されている。即ち、熱電変換素子から大きな出力を取り出すには、熱電変換素子の両面にできるだけ大きい温度差を与える必要がある。そのためには熱電変換素子を加熱ダクトおよび冷却ダクトで挟み、伝導により熱を伝える方式（ＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＣｏｕｐｌｉｎｇ）が効果的である。しかし、熱電変換素子は上下面の温度差により変形するため、本方式においては熱を良く伝えると同時に熱応力の緩和を行う「熱応力緩和パッド」を熱電変換素子と加熱ダクトおよび冷却ダクトの間にそれぞれ介在させて接合し、熱電変換素子の破損を予防する必要がある。上記構造において接合を行うのは接触抵抗を排除して、熱電変換素子本体に与える有効温度差を大きくするためである。
【０００４】
従来の熱電変換素子用熱応力緩和パッドとしては、米国の宇宙用原子炉ＳＰ−１００用の熱電変換素子用に開発されたものがある。これは１インチ角のニオブ（Ｎｂ）の板に直径数μｍのＮｂのフィラメントを１千万本程度植え付けたもので、非常に複雑な構造で、製作性、寿命およびコストの点で問題があり、一般に普及するには至っていないのが現状である。
【０００５】
そこで、本発明者は、熱伝導率が大きく弾性定数の小さい材料と電気絶縁材料とを接合せずに両者の組成を徐々に変化させた傾斜機能材料を採用した熱応力緩和パッドを提案した（特開平８−１８６２９５号）。これはＳＰ−１００用と同等な性能を有するとともに、大量生産およびコスト低減が可能である。
【０００６】
しかしながら上述の２方式とも、熱応力緩和パッドを熱電変換素子と加熱ダクトおよび冷却ダクトの間にそれぞれ介在させて接合するため、高性能である反面、熱電変換システムの組み立ておよび修理や交換が面倒である欠点を有している。
【０００７】
このため、余り温度の高くない熱源に適用される熱電変換システムのように、性能よりも簡易さを重視する場合には、以下の方法が従来採られている。
【０００８】
第１の方式は、セラミック板に挟まれて組み立て済みの市販の熱電変換ユニット（熱電変換素子を２枚のセラミック板の間に接合した構造を、本文では「熱電変換ユニット」と呼ぶ）を加熱ダクトおよび冷却ダクトの間に挟み、ダクトの上下から加圧する方法である。
【０００９】
また、第２の方式は、熱電変換ユニットと加熱ダクトおよび冷却ダクトとの間にゴムシートを介在させ、ダクトの上下から加圧する方法である。
【００１０】
さらに、第３の方式は、耐熱性樹脂または耐熱性ゴム等の中に熱伝導率の大きい材料のファイバーを一定方向に配向させて存在させた複合体により、良好な熱伝導と熱応力緩和を達成した熱応力緩和パッド（特願平９−１１９７２３号）を採用する方法である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら第１の方式では、加圧力が弱いと接触抵抗が大きくなり、熱が伝わり難くなるため、熱電変換素子に作用する温度差が低減し出力が低下する。逆に加圧力を高めると、出力は上がるが、熱電変換素子を破壊する恐れがある。このため加圧力の調整が難しい。一方、接触抵抗を低減するには、接触面となるセラミック板および加熱・冷却ダクトの平面度および表面粗さを高精度に仕上げ、接触面の密着度を向上させる必要がある。しかし温度差を与えれば、セラミック板および加熱・冷却ダクト自体が面外変形するため、常に良好な密着をさせることは不可能である。また起動・停止時には熱過渡に起因する熱応力の回避のため加圧力を必ず暖める必要があり、実用性の点で劣っていた。
【００１２】
また、第２の方式では柔軟なゴムシートが熱応力を緩和するため、加圧力の調整は不要であるが、ゴムの熱伝導率が悪いため、熱電変換素子に与えられる温度差が著しく低減し出力が大幅に低下する欠点がある。
【００１３】
さらに、第３の方式では耐熱性樹脂などが熱応力を緩和するため、加圧力の調整は不要であり、しかもファイバーとして銅を使用すれば見かけの熱伝導率をアルミニウムと同等程度まで高めることができるが、耐熱性樹脂などの使用上限温度が３００℃以下のため、それ以上の高温領域では使用できない欠点があった。このため、この熱電変換素子はＢｉＴｅ系熱電変換素子には使用できるが、高温側運転温度が最高で８００℃程度に達するＳｉＧｅ系素子には使用できない。
【００１４】
したがって、性能よりも簡易さやコスト低減を重視する高温用熱電変換システムにおいては、接合や加圧力の調整などが不要で、かつより大きな温度差を熱電変換素子に与えられる熱応力緩和パッドが望まれる。
【００１５】
また、ペルチェ冷却システムにおいても上述の熱電変換システムと同様に、ペルチェ冷却素子と冷却面および放熱面とに良好な熱伝導を保証し、かつペルチェ冷却素子の熱応力を緩和するための熱応力緩和パッドが望まれている。
【００１６】
更に、振動をともなう部品・機器などを制振・保持する場合には、ゴムや樹脂製のパッドを据え付け面に介在させることが一般的だが、これらの材料は熱伝導率が極めて小さいため、部品・機器が発熱を伴う場合にはこれを熱的に孤立させることになり、冷却手段を別途装備するなどの必要が生じる不都合が合った。このような状況で用いるパッドとしては、熱を部品・機器からその据え付け面に良好に伝達する特性が望まれる。
【００１７】
本発明は性能よりも簡易さを重視する環境下における使用が好適な熱応力緩和パッド、即ち接合や加圧力の調整などが不要でかつ熱が伝わり易い熱応力緩和パッドを提供することを目的とする。より具体的には、本発明の第１の目的は、金属並の高い熱伝導率を達成し、熱電変換素子またはペルチェ冷却素子本体に大きな温度差を与える熱応力緩和パッドを提供することにある。また、本発明の第２の目的は、加熱および冷却ダクトの上下からの加圧力の調整を不要とする熱応力緩和パッドを提供することにある。また、本発明の第３の目的は、熱伝達部材および素子等との密着性を向上させ、これらとの間の接触抵抗を低減させる熱応力緩和パッドを提供することにある。更に、本発明は、熱伝達部材および素子などの受熱面の平面度および表面粗さに対する要求条件を緩和することを第４の目的とする。更に、本発明は、熱応力緩和パッドの製作が容易でコスト低減を可能とすることを第５の目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、本発明の請求項１記載の発明は、熱を利用して所定の機能を実行したりあるいは発熱する素子や部品と熱伝達部材との間に接合せずに挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、多孔性のマトリックス中に熱伝導率の大きい材料から成るファイバーを充填するようにしている。
【００１９】
したがって、熱はファイバーにより伝達される。同時に、多孔性のマトリックスは同一材料から成る孔の無いマトリックスに比べて柔軟性が有るので、熱応力の緩和が容易であると共に、平面度や表面粗さにかかわらず、パッドと熱伝達部材および素子や部品などの受熱面の密着性が向上し、接触抵抗が低減する。
【００２０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の熱応力緩和パッドにおいて、ファイバーは熱を伝えたい方向に配向したものであるようにしている。したがって、熱はファイバーが配向されている方向にのみ伝わり、それと直交する方向には熱が伝わり難い。
【００２１】
さらに、請求項３記載の発明は、熱を利用して所定の機能を実行したりあるいは発熱する素子や部品と熱伝達部材との間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、多孔性のマトリックス中の一部に熱伝導率の大きい材料を含浸させるようにしている。したがって、熱は含浸された熱伝導率の大きい材料により伝達される。
【００２２】
また、請求項４記載の発明は、熱を利用して所定の機能を実行したりあるいは発熱する素子や部品と熱伝達部材との間に接合せずに挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドを、多孔性であると共に熱伝導率の大きい材料で構成するようにしている。したがって、熱応力緩和パッドの熱伝導率が大きいので、熱は容易に伝達される。
【００２３】
さらに、請求項５記載の発明は、請求項１から４までのいずれか記載の熱応力緩和パッドにおいて、熱応力緩和パッドの表面付近の空孔率は内側の空孔率よりも大きいものとしている。したがって、熱応力緩和パッドの表面付近では空孔率が大きいので、空孔率が小さい部分よりも柔軟性が高くなる。これにより、パッドと熱伝達部材および素子や部品などの受熱面の密着性が向上する。一方、熱応力緩和パッドの内側では空孔率が小さいので、空孔率が大きい部分よりも熱伝導率が高くなる。このため、熱応力緩和パッドの熱伝導率の低減を防止することができる。
【００２４】
また、請求項６記載の発明は、請求項１から５までのいずれか記載の熱応力緩和パッドにおいて、熱応力緩和パッドの表面は微少な凹凸を有するようにしている。したがって、熱応力緩和パッドの使用中に温度差により面外変形した場合でも、パッドと熱伝達部材および素子や部品などの受熱面の密着性が向上する。
【００２５】
一方、請求項７記載の熱電変換システムは、請求項１から６までのいずれか記載の熱応力緩和パッドを熱電変換ユニットと加熱ダクト並びに冷却ダクトとの間に介在して成るようにしている。この場合、熱応力緩和パッドと熱電変換ユニット並びに加熱・冷却ダクトとの密着が強い加圧なしに良好な接触状態を維持できるため、これらの間での接合の必要がなく、発電システム全体の組み立ておよび熱電変換ユニットの交換が容易となる。
【００２６】
また、請求項８記載のペルチェ冷却システムは、請求項１から６までのいずれか記載の熱応力緩和パッドをペルチェ冷却素子と放熱板並びに冷却板との間に介在して成るようにしている。この場合にも、熱応力緩和パッドとペルチェ素子並びに放熱板・冷却板との密着が強い加圧なしに良好な接触状態を維持できるため、これらの間での接合の必要がなく、冷却システム全体の組み立ておよびペルチェ素子の交換が容易となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す一実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
図１に本発明の熱応力緩和パッド１の一実施形態を示す。この熱応力緩和パッド１は、多孔性のマトリックス２中に熱伝導率の大きい材料から成るファイバー３を充填して成る。すなわち、熱応力緩和パッド１は、ファイバー３とマトリックス２との複合体から成る。このため、ファイバー３が主に熱伝導すると共に、マトリックス２がファイバー３を保持しながら熱応力の緩和を図る。
【００２９】
また、この実施形態では、ファイバー３は熱を伝えたい方向に配向されて充填されている。このため、熱はファイバー３が配向されている方向にのみ伝わり、それと直交する方向には熱が伝わり難いので、この熱応力緩和パッド１を熱伝導率異方性パッドして利用することができる。
【００３０】
ここで、ファイバー３の材質は高い熱伝導率を有しているものであることが必要であるが、特定の材質に限定されず、パッド１の用途に応じて適宜決定すべきである。表１にファイバー３の選定の目安を示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
例えば、熱電変換システムおよびペルチェ冷却システム用の熱応力緩和パッドとして構成する場合には、限られた面積に大きな熱流束を与えることが重要である。この観点では熱伝導率λの大きい材料を選定すべきである。従ってコストを度外視できるならば銀が最適であり、コストを考慮するならば銅が適切である。
【００３３】
また、発熱と振動をともなう部品・機器などを制振・保持し、かつ熱を有効に除去するためのパッドとしては、大きな熱流束を与えるとともにパッドの柔軟性も重要である。従って熱伝導率λが大きいと同時に弾性定数Ｅが小さいことすなわちλ／Ｅが大きいことが望ましい。この観点ではコストを度外視できるならば銀が最適であり、コストを考慮するならば銅およびアルミニウムが適する。銅に比べアルミニウムのファイバーを採用したパッドでは、単位面積当たりの熱流束が約半分となるが、柔軟性は前者の約２倍となる。したがって熱流束を重視する場合は銅のフィラメント、柔軟性を重視する場合はアルミニウムのフィラメントを選定することが好ましい。
【００３４】
また、航空・宇宙用など重量の制約が厳しいシステムにおいて熱伝導媒体として本パッドを使用する場合には、熱伝導率λが大きいと同時に比重ρが小さいこと、すなわちλ／ρが大きいことが望ましい。この観点ではベリリウムが最適である。ただしベリリウムは切削や溶融時に人体に有害なため、製造工程では十分な対策が必要であることから、次善の策としてはアルミニウムが適する。
【００３５】
尚、ファイバー３は線径が細いほど軸方向・垂直方向に圧縮した際の柔軟性が良好でかつマトリックス２とのなじみも良いことから細径であることが好ましく、例えば直径数μｍ〜数１０μｍであることが好ましい。また、ファイバー３の長さはパッド厚さと等しいことが好ましい。しかしファイバー３の長さがパッド厚さより短くても、ファイバー３がマトリックス２内部で互いに接触していれば、１本のファイバー３がパッド１の両端面に露出する場合よりは性能が劣るものの近似した性能は得られる。
【００３６】
また、マトリックス２は多孔性とされている。ここで、マトリックス２を構成する材料としては、高熱伝導率、低ヤング率で、かつ使用温度よりも高い融点であると共にファイバー３との反応性が悪いこと等の条件が望まれ、具体的にはカーボン、銅、金、銀、プラチナ等の材料を使用することが好ましい。このうち、カーボンは熱伝導率１２０Ｗ／ｍＫ、ヤング率１０００ｋｇ／ｍｍ^２（１０ＧＰａ）、融点３５５０℃、銅とは反応せずアルミニウムとは８００℃まで反応しないという性質を有しており、マトリックス２の材料として特に好ましい。
【００３７】
さらに、マトリックス２の表面は平滑面にしている。これにより、接触する相手側部材との密着性を向上して接触抵抗を小さくすることができる。また、マトリックス２の空孔率は、厚さ方向に均一な分布に成るように形成している。
【００３８】
そして、この熱応力緩和パッド１を製造する方法は特に限定されるものではないが、例えば溶射法、エッチング法、溶出法、電位差法等を適用することができる。例えば溶射法は、カーボンやカーボン複合材の製法として実用化されているものであり、配向性を持たせた銅製等のファイバー３の束にマトリックス２となるカーボン等の材料を適度な充填密度で溶射する方法である。
【００３９】
また、エッチング法は、ファイバー３を溶かさずにマトリックス２の材料のみを適度に溶かすエッチング液を使用する方法であり、ファイバー３とマトリックス２とから成る複合体をエッチング液に浸漬してマトリックス２のみを適度に溶かして多孔性にする方法である。例えば、粉末冶金法または鋳造法などによりニオブ製のファイバー３と銅製のマトリックス２とから成る複合体を作成し、この複合体を強酸性のエッチング液に適度な時間だけ浸漬することにより、銅を溶かしてマトリックス２を多孔性にすることができる。
【００４０】
さらに、溶出法は、ファイバー３とマトリックス２から成る複合体をマトリックス２の融点よりもやや高い温度に維持して、マトリックス２を適度に溶かし出して多孔性にする方法である。この方法は、ファイバー３の融点よりもマトリックス２の融点が低い場合に適用できる。例えば、鋳造法により融点１０８３℃の銅製のファイバー３と融点３２７℃の鉛製のマトリックス２との複合体を作成し、この複合体を４００℃程度に維持してマトリックス２を適度に溶かし出して多孔性にすることができる。
【００４１】
また、電位差法は、ファイバー３とマトリックス２から成る複合体に対して電解液中で電位差を与えてイオン化傾向の差を利用することによりマトリックス２を適度に溶かし出して多孔性にする方法である。例えば、粉末冶金法により銅製のファイバー３とニッケル製のマトリックス２との複合体を作成し、この複合体に電解液中で電位差を与えてマトリックス２を適度に溶かし出して多孔性にすることができる。
【００４２】
そして、このマトリックス２中へのファイバー３の充填率は、特に限定されるものではないが、接触する相手側部材との間で高い密着性を得られる程度の弾力性を有すると共に見かけの熱伝導率を大幅に低下させない範囲とすることが要求され、例えば約６０％程度を上限として許容される熱伝導率の範囲で決定される。ファイバー３の見かけの熱伝導率は充填率に比例するため、充填率が低いと伝熱量も低減するからである。
【００４３】
パッド１の厚さは熱伝達部材（図示省略）たる例えば加熱ダクトから冷却ダクトまでの温度差および両ダクトの加圧力などを考慮して決定する。すなわち大きな温度差で使用する熱電変換ユニットほど大きな熱応力が発生するため、熱応力緩和パッドを厚くする必要がある。通常は数ｍｍ程度である。
【００４４】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態ではファイバー３は熱を伝えたい方向に配向されて充填されているが、これには限られずファイバー３をランダムに配向して充填するようにしても良い。また、ファイバー３は熱応力緩和パッド１の厚さと等しくパッド１の両面に露出しているが、これには限られず露出していなくても良い。これらの場合も、ファイバー３が熱伝導を行うと共に多孔性のマトリックス２により熱応力の緩和を図ることができる。
【００４５】
また、上述した実施形態では熱応力緩和パッド１を多孔性のマトリックス２中にファイバー３を充填して形成するようにしているが、これには限られず図２に示すように熱応力緩和パッド１を多孔性のマトリックス２の表面等の一部に熱伝導率の大きい材料９を含浸させて形成するようにしても良い。この場合、熱は含浸された伝熱材料９により伝達される。このような熱応力緩和パッド１は、例えばカーボン製の多孔質体から成るマトリックス２に銅等の高熱伝導率の金属を伝熱材料９として含浸させることにより作製することができる。この製造方法は、例えば炉内で多孔質カーボンのブロックと銅の粉末とを接触させた状態で、銅の融点（１０８３℃）以上に加熱すると同時に加圧するようにする。含浸させる高熱伝導率の金属としては、銅に限らず金や銀やプラチナ等を使用しても良い。また、この熱応力緩和パッド１では、伝熱材料９の含有率が大きいほど見かけの熱伝導率は大きくなるが、空孔が少なくなるので熱応力緩和性能は悪くなってしまう。このため、伝熱材料９の含有率は、熱伝導率と熱応力緩和性能とを考慮して設定する。
【００４６】
さらに、上述した各実施形態では熱応力緩和パッド１を多孔性のマトリックス２中に高熱伝導率の主に金属製のファイバー３や伝熱材料９を含有させて形成しているが、これには限られず熱応力緩和パッド１を多孔性であると共に熱伝導率の大きいものにしても良い。この場合、熱応力緩和パッド１の熱伝導率が大きいことにより伝熱されると共に、熱応力緩和パッド１が多孔性で孔が無いよりも柔軟性を有していることにより熱応力が緩和される。この熱応力緩和パッド１は、例えば銅等の高熱伝導率の金属により多孔質体を形成して成る。この製造方法は、焼結炉で銅の粉末を融点直下に加熱して加圧焼結するものであり、これと同時に加熱温度及び加圧条件により空孔率を制御するようにする。この熱応力緩和パッド１では、空孔率が高いと熱応力緩和性能が良くなるが、見かけの熱伝導率は小さくなってしまう。このため、空孔率は、熱伝導率と熱応力緩和性能とを考慮して設定する。
【００４７】
また、上述した各実施形態ではマトリックス２の空孔の分布を厚さ方向に均一にしているが、これには限られずマトリックス２の表面、即ち相手部材への接触面付近の空孔率を内側の空孔率より大きくしても良い。この場合、マトリックス２の表面付近では空孔率が大きいので、空孔率が小さい部分よりも柔軟性が高くなり、パッド１と熱伝達部材および素子や部品などの受熱面への密着性が向上する。しかも、熱応力緩和パッド１の内側では空孔率が小さいので、空孔率が大きい部分よりも熱伝導率が高くなり、熱伝導率の低減を防止することができる。
【００４８】
表面付近と内部とで空孔率を異ならせた熱応力緩和パッド１の製造方法は、含有材料の有無やその形態によって異なる。例えば、図１に示すファイバー３を含有する熱応力緩和パッド１では、溶射法で製造する際にマトリックス２の材料の溶射条件を内層部の空孔率が小さく表層部に向かう程漸次空孔率が大きく成るように傾斜的分布を示すように調節する。これにより、マトリックス２の表面から内側に入るにつれて空孔率が徐々に小さく成る熱応力緩和パッド１を作成することができる。
【００４９】
また、図２に示すマトリックス２に表面から伝熱材料９を含浸させて成る熱応力緩和パッド１では、例えばカーボンブロックを焼結する前の粘土状の固まりであるペレットの段階で、マトリックス２の表面付近の空孔率を大きくすると共に内側に入るにつれて空孔率が徐々に小さくなるようないわゆる傾斜的空孔分布に調整する。さらに、多孔質体のみから成る熱応力緩和パッド１では、例えば銅を焼結する前のペレットの段階で、マトリックス２の表面付近の空孔率を大きくすると共に内側に入るにつれて空孔率が徐々に小さくなるような傾斜的空孔分布に調整する。
【００５０】
このような傾斜的空孔分布にした熱応力緩和パッド１では、空孔率が高いと熱応力緩和性能が良くなるが、見かけの熱伝導率は小さくなってしまう。このため、空孔率の分布は、熱伝導率と熱応力緩和性能とを考慮して設定する。
【００５１】
さらに、上述した各実施形態では熱応力緩和パッド１の表面を平滑面にしているが、これには限られず表面に微少な凹凸を形成するようにしても良い。ここで、パッド１と相手側部材との接触抵抗を低減するには有効接触面積を大きくする必要があり、この観点では接触面を平滑に研磨することが接触抵抗の低減に有効であるが、熱電変換システムのように運転中に熱電変換素子やパッド１の上下面に大きな温度差が与えられて面外変形すると平滑面では密着性が確保し難くなることがある。これに対し、熱応力緩和パッド１の表面に微少な凹凸を形成することにより、熱応力緩和パッド１の使用中に温度差により面外変形した場合でも、パッド１と熱伝達部材および素子や部品などの受熱面の密着性を良好に維持することができるので、接触抵抗を小さく維持できる。
【００５２】
微少な凹凸の形態としては、例えば羽毛状がある。この羽毛状の凹凸の製法としては例えばリソグラフィー法がある。この方法は、半導体製造工程で実用化されているものであり、処理すべき表面に光硬化型フォトレジストを０．１ｍｍ程度の微細なピッチで隙間を空けてスポット状に塗布し、光を照射して硬化させる。その後、これに対して電解エッチングを行うと、フォトレジストの塗布されていない部分のみがエッチングされて表面に羽毛状の凹凸が形成される。電解エッチングの後には、フォトレジストを除去する。
【００５３】
一方、図３に示すように熱応力緩和パッド１を熱電変換システムに利用し、このパッド１を熱電変換ユニット４と加熱ダクト７並びに冷却ダクト８との間にそれぞれ介在して熱電変換システムを構成してなることもある。この場合には、熱電変換ユニット４および加熱・冷却ダクト７，８と接合の必要がないため、発電システム全体の組み立ておよび熱電変換ユニット４の交換が容易になる。
【００５４】
更に、熱応力緩和パッド１をペルチェ冷却システムに利用し、この熱応力緩和パッド１をペルチェ冷却素子と放熱板並びに冷却板との間に介在してペルチェ冷却システムを構成しても良い。この場合には、ペルチェ冷却素子と放熱板並びに冷却板との接合の必要がないため、冷却システム全体の組み立ておよびペルチェ素子の交換が容易になる。
【００５５】
また、負荷する温度差の小さい熱電変換システムやペルチェ冷却システムにおいては熱応力の発生も大きくないため、熱応力緩和パッド１を高温側または低温側のいずれか一方のみに設置すればよい場合がある。
【００５６】
【実施例】
図３に本発明の熱応力緩和パッド１を熱電変換システムの熱応力緩和パッドに適用した一例を示す。本実施例の熱応力緩和パッド１では、ファイバー３として銅、マトリックス２として多孔質カーボンを採用している。
【００５７】
熱応力緩和パッド１の平面寸法は適用する熱電変換ユニット４の寸法に応じて決定される。一般に市販されているＢｉＴｅ系の熱電変換ユニット４は、各種の寸法のものがあるが、大きなものでも一辺５ｃｍ程度の正方形である。したがって、これよりも大きい熱応力緩和パッドが製作可能ならば、１枚の熱応力緩和パッド１上に多数の熱電変換ユニット４を並べることも可能である。
【００５８】
熱応力緩和パッド１の厚さは加熱ダクト７から冷却ダクト８までの温度差および両ダクト７，８の加圧力などを考慮して決定される。即ち大きな温度差で使用する熱電変換ユニット４ほど大きな熱応力が発生するため、熱応力緩和パッド１を厚くする必要がある。また、加圧力が大きい程、熱応力緩和パッド１を厚くする必要がある。通常は数ｍｍ程度である。
【００５９】
また、ファイバー３は直径数μｍ〜数１０μｍの銅から成る。ファイバー３は熱応力緩和パッド１の厚さと等しくパッド１の両面に露出している。銅は熱伝導率が非常に高く（４００Ｗ／ｍＫ）、ファイバー３の方向への良好な熱伝導が期待できる。例えば、ファイバーの充填率を５０％、多孔質カーボン内部の空孔率５０％と仮定すると共に、カーボンの熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫであるが多孔質カーボンの見かけの熱伝導率を保守的評価により０と仮定すると、ファイバー方向の見かけの熱伝導率は２００Ｗ／ｍＫとなる。これは銅板の約半分程度、アルミニウム板と同程度、鉄板の４倍程度となり、良好な熱伝導特性が得られる。また、数μｍ〜数１０μｍの細い銅ファイバー３は軸方向・パッド厚み方向にも柔軟であり、マトリックス２である多孔質カーボンとの馴染みもよいので、高い柔軟性および良好な密着性が得られる。このため、小さな加圧力でも接触熱抵抗を低減でき、加熱ダクト７および冷却ダクト８の上下からの加圧力を調整する必要がない。しかも、小さな加圧力で運転できるため、熱電変換ユニット４の長寿命化が達成できる。更に、各ダクト７，８および熱電変換ユニット４の受熱面となるセラミックス５の平面度および表面粗さに対する要求条件が緩和される。
【００６０】
以上のように構成された熱応力緩和パッド１はファイバー３をパッド厚み方向即ち熱を伝えたい方向に配向させてマトリックス２中に充填し固めるだけなので、製作が容易であると共にコストの低減も可能となる。しかも、この熱応力緩和パッド１は熱電変換ユニット４および加熱ダクト７、冷却ダクト８と接合の必要がないため、発電システム全体の組み立ておよび熱電変換ユニット４の交換が容易である。
【００６１】
（温度および加圧力の条件）
図３に本発明の熱応力緩和パッド１を採用して１ｋｇ／ｃｍ^２（０．１ＭＰａ）で加圧したときの熱伝導状態を示す。図中には実験および計算により推定した温度分布も示す。この例では、市販のＢｉＴｅ系熱電変換ユニット４の上下に本発明の熱応力緩和パッド（厚さはいずれも３ｍｍ）１，１を置き、さらに加熱ダクト７および冷却ダクト８の間に挟み、ダクト７，８の上下から１ｋｇ／ｃｍ^２（０．１ＭＰａ）の圧力で加圧している。本発明の熱応力緩和パッド１は柔軟性および密着性が良好なため余り大きな加圧力を必要としない。過大な加圧力を与えると却ってパッド１を破損させることになる。本構成においては、上下２枚の熱応力緩和パッド１の両面、すなわち合計４個所に接触熱抵抗が存在するが、上記の加圧力における接触熱抵抗の合計は、加熱ダクト７から冷却ダクト８までの全熱抵抗の２０％程度である。この構成では加熱ダクト７から冷却ダクト８までの全温度差の約７２％を熱電変換素子６に与えることができる。
【００６２】
他方、図４は市販の熱電変換ユニット４のセラミックス（電気絶縁板）５に加熱ダクト７と冷却ダクト８とを直接に接触させて１ｋｇ／ｃｍ^２（０．１ＭＰａ）で加圧したときの熱伝導状態を示す。加圧力が小さいため接触熱抵抗が大きく、熱電変換素子６の温度差は全温度差の約４８％となり、出力が小さい。
【００６３】
図５は、市販の熱電変換ユニット４のセラミックス５に加熱ダクト７と冷却ダクト８とを直接に接触させて１０ｋｇ／ｃｍ^２（１ＭＰａ）で加圧したときの熱伝導状態を示す。加圧力が大きいため接触熱抵抗が大小さく、出力が向上するが、熱電変換ユニット４の寿命が短い。また、起動・停止毎に加圧力を調整する必要があり実用性がない。なおこの場合、これ以上加圧力を増加させても接触熱抵抗は減少しないと考えられている。
【００６４】
本発明のパッドと比較パッドとの性能等の比較結果を表２に示す。ここで、表中の（ａ）は図４に示す従来型で市販の熱電変換ユニットを０．１ＭＰａで加圧したとき、（ｂ）は図５に示す従来型で市販の熱電変換ユニットを１ＭＰａで加圧したとき、（ｃ）は図３に示す本発明の実施例である。そして、表中の記号「○」は優れていることを、「△」は劣っていることを、「×」は不可を示している。
【００６５】
【表２】

【００６６】
以上の比較から明らかなように、本発明の熱応力緩和パッド１がダクト（熱伝達部材）７，８と熱交換ユニット４との間で熱を伝達しつつ熱応力を緩和するのに優れていることが理解できる。
【００６７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の請求項１記載の熱応力緩和パッドは、多孔性のマトリックス中に熱伝導率の大きい材料から成るファイバーを充填するようにしているので、熱伝導率の大きい材料のファイバーにより良好な熱伝導特性を得ることができる。
【００６８】
また、請求項１から４までに記載の熱応力緩和パッドによれば、いずれも多孔性のマトリックスを使用しているので、非多孔質の同じ材料のマトリックスを使用する場合に比べて高い柔軟性および良好な密着性が得られるため、小さな加圧力でも接触熱抵抗を低減できると共にパッドを素子や熱伝達部材と共に挟みつける加圧力を調整する必要がない。そして、小さな加圧力で運転できるため、パッドが押しつけられる素子や部品例えば熱電変換システムやペルチェ冷却システムの長寿命化が達成できる。また、パッドがそれ自体の弾力性によって素子や熱伝達部材に対して密着するため、熱伝達部材や素子等のパッドと接する面の平面度および表面粗さに対する要求条件が緩和される。更に、製作が容易で、コスト低減が可能となる。
【００６９】
特に、請求項２記載の熱応力緩和パッドによれば、ファイバーは熱を伝えたい方向に配向したものとしているので、ファイバー配向方向への熱導伝率は良好でありながらファイバー配向方向と直交方向には良好な断熱特性が得られる。
【００７０】
さらに、請求項５記載の熱応力緩和パッドによれば、熱応力緩和パッドの表面付近では空孔率が大きいので、パッドと熱伝達部材および素子や部品などの受熱面の密着性が向上する。また、熱応力緩和パッドの内側では空孔率が小さいので、熱伝導率の低減を防止することができる。
【００７１】
そして、請求項６記載の熱応力緩和パッドによれば、熱応力緩和パッドの表面は微少な凹凸を有しているので、熱応力緩和パッドの使用中に温度差により面外変形した場合でも、パッドと熱伝達部材および素子や部品などの受熱面の密着性を向上することができる。
【００７２】
更に、請求項１から６までのいずれか記載の熱応力緩和パッドを熱電変換ユニットの熱応力緩和パッドとして利用する場合には、熱電変換ユニットおよび加熱・冷却ダクトと接合の必要がないため、発電装置全体の組み立ておよび熱電変換ユニットの交換が容易である。
【００７３】
更に、請求項１から６までのいずれか記載の熱応力緩和パッドをペルチェ冷却システムの熱応力緩和パッドとして利用する場合には、ペルチェ冷却素子と放熱板並びに冷却板との接合の必要がないため、冷却システム全体の組み立ておよびペルチェ素子の交換が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱応力緩和パッドの一実施形態を示す概略図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図である。
【図２】熱応力緩和パッドの他の実施形態を示す縦断面図である。
【図３】本発明の熱応力緩和パッドを市販の熱電変換ユニットのセラミックスと加熱ダクト並びに冷却ダクトとの間に介在させて１ｋｇ／ｃｍ^２（０．１ＭＰａ）で加圧したときの熱伝導状態を示す概念図である。
【図４】市販の熱電変換ユニットのセラミックス（電気絶縁板）に加熱ダクトと冷却ダクトとを直接に接触させて１ｋｇ／ｃｍ^２（０．１ＭＰａ）で加圧したときの熱伝導状態を示す概念図である。
【図５】市販の熱電変換ユニットのセラミックスに加熱ダクトと冷却ダクトとを直接に接触させて１０ｋｇ／ｃｍ^２（１ＭＰａ）で加圧したときの熱伝導状態を示す概念図である。
【符号の説明】
１熱応力緩和パッド
２マトリックス
３ファイバー
４熱電変換ユニット（熱を利用して発電する素子を含む）
５セラミックス
６熱電変換素子
７加熱ダクト（熱伝達部材）
８冷却ダクト（熱伝達部材）

Claims

熱を利用して所定の機能を実行したりあるいは発熱する素子や部品と熱伝達部材との間に接合せずに挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、多孔性のマトリックス中に熱伝導率の大きい材料から成るファイバーを充填したことを特徴とする熱応力緩和パッド。
前記ファイバーは、熱を伝えたい方向に配向したものであることを特徴とする請求項１記載の熱応力緩和パッド。
熱を利用して所定の機能を実行したりあるいは発熱する素子や部品と熱伝達部材との間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、多孔性のマトリックス中の一部に熱伝導率の大きい材料を含浸させたことを特徴とする熱応力緩和パッド。
熱を利用して所定の機能を実行したりあるいは発熱する素子や部品と熱伝達部材との間に接合せずに挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、多孔性であると共に熱伝導率の大きい材料で構成したことを特徴とする熱応力緩和パッド。
前記熱応力緩和パッドの表面付近の空孔率は内側の空孔率よりも大きいことを特徴とする請求項１から４までのいずれか記載の熱応力緩和パッド。
前記熱応力緩和パッドの表面は微少な凹凸を有していることを特徴とする請求項１から５までのいずれか記載の熱応力緩和パッド。
請求項１から６までのいずれか記載の熱応力緩和パッドを熱電変換ユニットと加熱ダクト並びに冷却ダクトとの間に介在していることを特徴とする熱電変換システム。
請求項１から６までのいずれか記載の熱応力緩和パッドをペルチェ冷却素子と放熱板並びに冷却板との間に介在していることを特徴とするペルチェ冷却システム。