JP4287262B2 - 熱電変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換したり、また、外部からの電流の付加により低温側系統から高温側系統に熱を移動させる、熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置に係り、特に外部との電気的取合いを行なうモジュール端子の信頼性・耐久性を向上させ、熱電変換モジュールの性能・信頼性を向上させた熱電変換装置に関する。
この種の熱電変換装置には、熱電変換モジュールあるいは複数の熱電変換モジュールを組み合せた熱電変換ユニットが備えられる。熱電変換モジュールは、P型半導体およびN型半導体の熱電変換素子を組み合せて構成され、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱伝達変換効果を利用して熱エネルギを電気エネルギに直接変換するようになっている。
従来の熱電変換装置には、特開2003−179274号公報(特許文献1参照)に開示されたものがある。
この熱電変換装置は、P型およびN型半導体の柱状熱電変換素子を絶縁基板間に複数対並列状に林立させ、熱電変換素子の両端部に半田層を介して電極に接合する剛体接合構造を採用し、各熱電変換素子を電気的に直列に接続し、熱的に並列配置している。
特開2003−179274号公報
従来の熱電変換装置においては、熱電変換モジュールを構成するP型およびN型半導体の各熱電変換素子の両端温度差を利用して直接電気エネルギに変換し、モジュール外部に電力として取り出したり、または、モジュール外部から熱電変換モジュールに電流を与え、低温側系統から高温側系統に熱の移動を行なうようになっている。熱電変換モジュールは、高温側系統と低温側系統との温度差による熱膨張差が生じ、この熱膨張差に起因して熱変形が発生し、モジュール構造物が破損する虞があった。
また、熱電変換モジュールにおいて、モジュール外部との電気的な取合いを行なうモジュール端子部分は、熱電変換モジュールのモジュール内部と異なり、モジュール設置工程のケーブル配線作業時に加わるテンションならびにモジュール設置後の振動や熱電変換装置等の機器の熱膨張等の環境によって外力が加わる場合がある。このため、モジュール外部との電気的取合いを行なうモジュール端子部分が外力作用により変形し、信頼性・耐久性が低下し、熱電変換モジュールの性能・信頼性が低下するという問題があった。
さらに、熱電変換装置および熱電変換モジュールのモジュール端子部分は、モジュール配線時や運用時に外部と配線で電気的に接続しているため、外力の影響を受け易く、熱電変換モジュールの信頼性・耐久性、ならびに性能を著しく悪化させる原因となる虞がある。
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、熱電変換モジュールのモジュール端子の信頼性ならびに耐久性を向上させ、熱電変換モジュールの性能・信頼性を向上させた熱電変換装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、モジュール端子部分の構造を簡素化し、熱電変換モジュールの組立性を向上させ、生産性を向上させた熱電変換装置を提供するにある。
本発明に係る熱電変換装置は、上述した課題を解決するために、請求項1に記載したように、高温側系統から吸熱される熱エネルギを電気エネルギに変換して取り出したり、または、外部から電流を付与して低温側系統と高温側系統との間で熱移動を生じさせる熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置において、前記熱電変換モジュールは、モジュール内部にP型半導体とN型半導体とから構成される対をなす熱電変換素子と、前記対の熱電変換素子の高温側にスライド可能に自由度をもって装着されたキャップ状もしくはカップ状の高温側電極と、前記熱電変換素子の低温側に結合された低温側電極と、前記高温側電極を高温側系統に熱的に接続させる高温側絶縁基板と、前記低温側電極を低温側系統に熱的に接続させる低温側絶縁基板と、前記低温側絶縁基板の周辺部に接合用金属を介して接合して装着され、モジュール内部を封止するキャップ構造の囲み枠と、前記低温側絶縁基板にモジュール外側から設けられ、モジュール内部を封止するモジュール端子装置とを備え、前記モジュール端子装置は、低温側電極に低温側絶縁基板の電極貫通孔を経て接続され、前記低温側絶縁基板の収納溝に収容されてモジュール外部に設けられるモジュール端子を備え、このモジュール端子により外部に電気的取合いを行なうようにしたものである。
本発明の熱電変換装置においては、熱電変換モジュールのモジュール内部をモジュール端子装置で封止する一方、熱電変換モジュールのモジュール外部に設けられるモジュール端子により、外部と電気的取合いが行なわれるので、モジュール端子等の端子部分の損傷を有効的にかつ未然に防止し、その信頼性・耐久性を向上させることができ、熱電変換モジュールの破損や損傷を防止して信頼性、熱電変換性能を向上させ得る。
また、本発明の熱電変換装置は、熱電変換モジュールのモジュール端子部分の構造を簡素化し、モジュール組立性を向上させ、生産性を向上させることができる。
本発明に係る熱電変換装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る熱電変換装置の第1実施形態を原理的に示す概略図である。
熱電変換装置10は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換したり、外部からの電流付与により、低温側系統から高温側系統に熱移動を生じさせる熱電変換モジュール11を有する。この熱電変換モジュール11は高温側あるいは吸熱側絶縁基板12と低温側あるいは放熱側絶縁基板13との間に挟持される熱電変換素子群15を有する。高温側および低温側絶縁基板12,13は熱伝導性に優れた電気絶縁特性を有するセラミックス等の耐熱性材料で形成される。
熱電変換素子群15は、P型半導体(半導体素子)16およびN型半導体(半導体素子)17を複数対ずつ組み合せ、全体としてマトリックス状あるいは格子状、列状に配設された多数の熱電変換素子で構成される。各熱電変換素子16,17は角柱状、円柱状等の柱状構造をなし、一端側が高温側吸熱面とされ、他端側に低温側放熱面が形成される。
各熱電変換素子16,17の吸熱面は、高温側あるいは吸熱側電極18に接合あるいは接触せしめられる一方、その放熱面は、低温側あるいは放熱側電極19に直接あるいは半田層27を介して一体にかつ剛性的に取り付けられる。吸熱側電極18は高温側絶縁性基板12に設けられ、放熱側電極19は低温側絶縁基板13に設けられる。
一方、熱電変換モジュール11は、熱電変換素子16,17の高温側吸熱面と低温側放熱面で生成される熱電変換素子両端の温度差により起電力を得るため、熱電変換モジュール11の性能は素子両端の温度差を大きく保つことにより、より高い熱電変換性能を得ることができる。逆に熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17に電流を外部から付加することにより、各熱電変換素子16,17内に低温側系統24から高温側系統23への熱移動を生じさせることができる。
熱電変換モジュール11は、各熱電変換素子16,17に取り付けられる高温側電極18と低温側電極19とを交互にジグザグ状にあるいは互い違いに跨設するように接合させ、配列することにより、図1および図2に示すように、全熱電変換素子16,17が電気的に直列に接続され、熱的に並列配設される。各熱電変換素子16,17で発生した起電力はモジュール端子20により外部と電気的な取合いが行なわれ、外部に出力(電力)として取り出される。
熱電変換モジュール11には熱電変換性能を向上させるために、熱損失防止対策や熱伝導向上対策が施される。熱電変換モジュール11は、熱電変換性能を向上させるためには、熱電変換素子16,17への熱供給と熱電変換素子16,17からの放熱がスムーズに行なわれ、図1および図2に示すように、高温部材や高温部位等の熱源である高温側系統23から供給された熱が、全て柱状の熱電変換素子16,17を通過し、低温側系統24から放熱されることが望ましい。
図2は、熱電変換装置10に備えられる熱電変換モジュール11の断面構造を示すものである。熱電変換モジュール11は、P型半導体16およびN型半導体17の柱状熱電変換素子が複数対ずつ林立状態に組み合されて構成される熱電変換素子群15をモジュール内部に備える。熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17は一端側が高温側(吸熱側)電極18を介して、高温側絶縁基板12に接続され、各熱電変換素子16,17の他端側は、低温側(放熱側)電極19を介して、低温側絶縁基板13に機械的に接続される。
熱電変換モジュール11は、数cm平方、例えば2cm平方の大きさで高さ数mm〜数cm、例えば3mm〜5mmのモジュール構造体である。熱電変換モジュール11は、熱電変換素子16,17の高温側系統23と低温側系統24側の両端温度差により起電力を得るため、この熱電変換素子16,17の両端温度差を大きく保つことで、より高い熱電変換性能を直接得ることができる。しかし、熱電変換モジュール11は、柱状の熱電変換素子16,17の両端側に生じる温度差や高温側系統23と低温側系統24との温度差が全面的に均一ではないため、各熱電変換素子16,17とシールド部材である囲み枠25の高温側と低温側との間に熱膨張差が生じる。
この熱膨張差に起因して囲み枠25と低温側絶縁基板13との間に変形が生じ易い。
囲み枠25は、ステンレス鋼(SUS)やコパール等の金属材料を絞り加工や削り出し加工により成形され、各熱電変換素子16,17および電極18,19をモジュール内部に収納し、各熱電変換素子16,17および電極18,19を周囲環境(外気)から封止し、遮断するシールド構造をなす一方、囲み枠25の内部にHe,Ar等の不活性ガスや窒素の耐酸化ガスが大気圧以下で充填され、熱電変換素子16,17や電極18,19の高温酸化による劣化を防止している。囲み枠25は低温側絶縁基板13の周辺部に装着される。囲み枠25は熱電変換モジュール11の周りを封じ込める囲み部分25aと熱電変換モジュール11の高温側を覆うカバー部分25bとが一体のキャップ構造とされ、この囲み枠25により、熱電変換モジュール11は形状保持機能を備えるようになっている。
図2においては、囲み枠25のカバー部分25bの内側に高温側絶縁基板12を接触配置した例を示したが、囲み枠25のカバー部分25bを絶縁基板としたものであってもよい。囲み枠25の高温側は、高温側系統23と高温側絶縁基板12との間に自由度を持たせて挟持され、この高温側絶縁基板12に高温側電極18が接触している。
また、囲み枠25の低温側絶縁基板13への装着は、囲み枠25と低温側絶縁基板13との熱膨張差に起因する変形を吸収するために、囲み枠25の高温側に自由度をもたせた接合支持構造とされる。囲み枠25の低温側接合基部は応力を吸収し易い接合用金属26(あるいは枠基部接合構造)を介して低温側絶縁基板13に接合される。囲み枠25の低温基部側を応力吸収し易い接合構造とすることにより、低温側絶縁基板13の損傷低減を図ることができる。
一方、熱電変換モジュール11を構成する熱電変換素子群15はP型半導体16とN型半導体17とが対をなす熱電変換素子を形成している。各対の熱電変換素子16,17の高温側はキャップ状あるいはカップ状の高温側電極18がスライド可能に自由度をもって装着され、各熱電変換素子16,17の熱膨張による熱変形を吸収可能に構成する一方、各熱電変換素子16,17と高温側電極18との接触面積を大きくとっている。熱電変換モジュール11の高温側は、高温側系統23、囲み枠25のカバー部分25b、高温側絶縁基板12、高温側電極18および各熱電変換素子16,17の高温側端面が自由度のある接触構造とされる。
熱電変換素子16,17の低温側は、半田層27を介して低温側電極19に結合され、この低温側電極19は銅ローや銀ロー等の接合層28を介して低温側絶縁基板12に接合される。熱電変換素子16,17の低温側は、低温側電極19を介して低温側絶縁基板13に剛体的に一体接合される剛体接合構造とされる。熱電変換素子16,17の低温側を半田層27を用いることなく、電着等で低温側電極19に一体に接合してもよい。
そして、対をなす各熱電変換素子16,17の高温側と低温側を高温側電極18と低温側電極19とで交互に順次接合させることにより、熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17は電気的に直列接続され、熱的には各熱電変換素子16,17がマトリックス状あるいは格子状、列状に林立した並列状態に設置される。各熱電変換素子16,17は数mm角程度、例えば2mm〜3mm角程度の角柱状、高さは1mm〜数cm程度、好ましくは2mm〜3mm程度に構成される。
また、熱電変換素子群15の各熱電変換素子16,17間の間隔は1mm以下、例えば0.3mm〜0.4mm程度とすることで、各熱電変換素子16,17の充填密度を高めることができ、熱電変換効率を向上させることができる。
この熱電変換モジュール11は、熱電変換素子16,17を数個ずつマトリックス状に配列しても、全体として数cm角程度の矩形形状の大きさとなる。数cm角の大きさの熱電変換モジュール11でも、高温側を400℃〜600℃、例えば500℃程度、低温側を100℃とし、例えば熱電変換素子16,17を数個×数個(例えば4×4個)のマトリックス状に配列した場合には、実験では1モジュール当り2桁のワット出力が得られる。
この熱電変換モジュール11は、各熱電変換素子16,17の吸熱面を高温側電極18に、その放熱面を低温側電極19にそれぞれ取り付けるが、各熱電変換素子16,17の高温側は、吸熱側電極18に接触等の比較的自由度の高い取付けのモジュール構造となり、半田層を介してリジットに取り付けられることがない。したがって、熱電変換モジュール11は各熱電変換素子16,17が高温側絶縁基板12の高温側電極18にリジットに固定される剛体構造に構成されないので、熱膨張に対する自由度が大きく、熱膨張による応力集中を防止でき、機械的・物理的寿命を充分に維持することができる。
また、熱電変換モジュール11は、モジュール内部に窒素等の耐酸化ガスを充填し、モジュール内部を囲み枠25で封止しており、囲み枠25の低温側を低温側絶縁基板13に固定している。この低温側絶縁基板13に、モジュール外部に電力を取り出したり、また、モジュール外部から熱電変換モジュール11に電流を与えるプラス側あるいはマイナス側のモジュール端子20が設けられる。この熱電変換モジュール11は、プラス側およびマイナス側の一対のモジュール端子20を備えたモジュール端子装置21に構造的特徴を有するものである。
モジュール端子装置21は、熱電変換モジュール11の低温側コーナ部あるいは側部に設けられる。具体的には、モジュール端子装置21は図3に示すようにモジュール端子20が低温側系統24に接する低温側絶縁基板13の収納溝30に納められる。収納溝30に収容されたモジュール端子20はプレート状絶縁材31で覆われ、固定される。収納溝30は、低温側系統24内あるいは低温側絶縁基板13に接触する低温側系統24の接触部位に設けてもよい。
モジュール端子20は、端子基部として薄板状の端子材32を備え、この端子材22は、その一面側から直立する導電材33を介して熱電変換素子16(17)の低温側電極19に電気的に接続される。導電材33は、低温側絶縁基板13の電気的貫通孔34を封止するように充填され、銀ローあるいは銅ロー等で形成される。導電材33は低温側電極19の接合層28と接合され、一体に形成される。
また、モジュール端子20の端子材32から外部取出端子電極部が引き出され、この電極部は収納溝30から熱電変換モジュール11の側外方に突出し、モジュール外部の電気配線(リード線)に接続されるようになっている。モジュール端子20の端子材32は、薄板状のプレート形状の例を示したが、モジュール端子20の部分を外力から保護するために、薄板以外の形状、例えばロッド状の形状とすることができる。
このように、この熱電変換装置10は、熱電変換モジュール11のモジュール外部と電気的な取合いを行なうモジュール端子20の部分を、高温に曝されにくい低温側絶縁基板13の低温側系統24側、または、低温側系統24内あるいは低温側系統24に接触する部位に設けることにより、熱による劣化を防止し、モジュール端子20の端子部分の損傷を低減させ、その信頼性、耐久性を向上させることができる。
熱電変換装置10は、単体の熱電変換モジュール11を組み込むことにより、また、複数の熱電変換モジュール11を直列あるいは並列接続して熱電変換ユニットを組み込むことにより、構成される。
次に熱電変換装置10の作用を説明する。
熱電変換装置10は、図1に示す熱電変換モジュール11を備えており、この熱電変換モジュール11の高温側系統23に熱源等からの高温、例えば400℃〜800℃の放射熱が吸熱される。この放射熱は高温側系統23から高温側絶縁基板12および電極18等を経て柱状の熱電変換素子16,17に熱伝導され、この熱電変換素子16,17を高温側から低温側に熱流となって流れ、その間にトムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果を利用したP型半導体16およびN型半導体17により起電力が得られる。発生した起電力は電気的に直列接続された各熱電変換素子16,17からモジュール端子20を介して外部に取り出される。
各熱電変換素子16,17により熱エネルギが電気エネルギに直接変換されることにより、温度降下した熱流は、低温側電極19から低温側絶縁基板13を経て低温側系統24に熱伝導され、この低温側系統24から外部に放熱される。
高温側系統23から供給された熱(吸熱)が各熱電変換素子16,17に効率よく案内され、各熱電変換素子16,17を通る熱流が少なくなるのを防止するために、各熱電変換素子16,17の表面や高温側および低温側絶縁基板12,13の対向面、電極18,19の露出面に白色あるいは銀色等の熱反射率の高い塗装あるいはメッキの被膜あるいは酸化防止保護膜が施される。
熱電変換素子16,17の表面や対をなす絶縁基板12,13の対向面等の露出面に熱反射率の高い塗装あるいはメッキ等の被膜で被覆することにより、各熱電変換素子16,17からの放出される輻射熱、高温側絶縁基板12からの輻射熱、熱電変換モジュール11内での流体の対流が生じるのを大幅に軽減させることができ、熱損失対策を施すことができる。
熱反射率の高い被膜は、銀(Ag)、白金(Pt)、金(Au)、銅(Cu)、錫、Ni、Zn等をメッキ処理により形成しても、また、焼物の上塗り薬、Al等を塗布することにより、形成してもよい。熱反射率の高い被膜を施す代りに、熱電変換モジュール11内で露出する表面を鏡面仕上げとしてもよい。
また、熱電変換モジュール11は、高温側系統23に接するモジュール内部は高温となるので、各熱電変換素子16,17および電極18,19を高温環境下での酸化から保護する必要がある。
この熱電変換装置10では、熱電変換モジュール11の少なくとも周囲を囲み枠25で囲んでモジュール内部を気密に封止し、かつ、モジュール内部に窒素等の耐酸化ガスを充填させ、各熱電変換素子16,17および電極18,19の酸化を防止し、酸化による損傷が生じないように保護している。
また、モジュール外部と電気的な取り合いを行なう、モジュール端子20には、モジュール内部と異なり、モジュール設置工程のケーブル配線作業時にテンションが加わったり、また、熱電変換モジュール11の設置後の振動や熱膨張等の環境により外力が加わる場合がある。
しかし、熱電変換装置10は、熱電変換モジュール11の低温側外側にモジュール端子20が設けられる。このモジュール端子20の端子材32は低温側絶縁基板13の収納溝30に収容されており、モジュール端子20に伝わる外力が、熱電変換素子16,17や低温側電極19に悪影響を与えることのないモジュール端子20の電気的取合い構造となっている。
しかも、モジュール端子20の端子材32は導電材33を介して熱電変換素子16(17)の低温側電極19に電気的に接続されるが、導電材33は、端子材32から直立して低温側絶縁基板13の電気的貫通孔34に充填され、モジュール内部は気密に保たれる。このため、モジュール内部の気密性や封止性は維持される。
また、熱電変換モジュール11の熱膨張や外部ケーブル配線を介してモジュール端子20に加えられる外力は、低温側絶縁基板13の収納溝で受けて吸収されるので、この外力が導電材33を介して低温側電極19に伝わったり、この低温側電極19および熱電変換素子16(17)を変形させるのを確実に防止することができる。
すなわち、熱電変換モジュール11の低温側外側に、モジュール端子20が独立して外力を吸収可能に設けられるので、モジュール端子20の部分の信頼性や耐久性を損なうことがなく、熱電変換モジュール11の性能や信頼性を損なうこともない。
また、高温側系統23と低温側系統24に作用する温度差により、各熱電変換素子16,17や囲み枠25に熱膨張による熱変形が生じる。各熱電変換素子16,17や囲み枠25の熱変形は、熱電変換素子16,17の高温側電極18への自由度の高い取付構造、囲み枠25の低温側絶縁基板13への固定構造により吸収することができる。
各熱電変換素子16,17は低温側絶縁基板13側への取付は剛体の固定取付構造となるが、高温側絶縁基板12側へは自由度の高い取付構造により熱膨張に伴う熱変形を吸収できる。熱電変換モジュール11の高温側は自由度の高い熱電変換構造となり、モジュール構造体の自由度が大きい。したがって、囲み枠25の低温側絶縁基板13の支持構造を剛体支持構造としても、囲み枠25と低温側絶縁基板13との熱膨張差による変形を吸収でき、低温側絶縁基板13の破損や損傷を有効的に防止できる。また、各熱電変換素子16,17の電極18,19と高温側系統23および低温側系統24の接合部分に生じる隙間の発生を有効的に防止でき、熱伝導の低下による熱電変換性能の低下を有効的に抑制できる。
さらに、熱電変換モジュール11は囲み枠25で封止され、外部環境(大気)からシールドして熱電変換モジュール11内を負圧に窒素等の不活性ガスで維持することができ、各熱電変換素子16,17や電極18,19の高温酸化による劣化を防止することができる。各熱電変換素子16,17や電極18,19の高温酸化による劣化防止により、隣接する電極18および19同士、さらには隣接する熱電変換素子16,17同士の接触を有効的に防止でき、電気的短絡事象が生じるのを抑制することができる。
熱電変換モジュール11は隣り合う電極18や19同士、隣り合う熱電変換素子16,17同士の接触を防止し、電気的短絡事象が生じるのを有効的に抑制できるので、熱電変換モジュール11の信頼性を向上させ、熱電変換性能の向上を図ることができる。
また、この熱電変換装置10は、熱電変換モジュール11のモジュール端子20間に電圧を印加することにより、熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17に電流を流すことができ、この電流を流すことにより、低温側系統24から高温側系統23に各熱電変換素子16,17を通して熱移動を生じさせることができる。この熱移動により、低温側系統24を冷房、冷媒、冷却源として用い、高温側系統23を暖房、熱源として用いることができる。
熱電変換モジュール11のモジュール端子20に作用させる電圧の+極と−極を反転させて接続することにより、上述とは逆向きの熱移動を生じさせることができる。この場合、高温側系統23から低温側系統24に熱移動が生じる。
すなわち、熱電変換モジュール11は外部から電流を与えることにより低温側系統24から高温側系統23に熱移動を生じさせ、さらに、印加される電圧を逆にし、外部からの電流の向きを変えることにより、高温側系統23から低温側系統24に熱移動を生じさせることができる。
また、熱電変換モジュール11は可逆作用を有し、この熱電変換モジュール11の高温側系統23と低温側系統24とを温度差がある環境下に設置すれば、高温側系統23で吸熱した放射熱等が熱流となって各熱電変換素子16,17内を通る際に、ペルチェ効果やゼーベック効果により、各熱電変換素子16,17内に起電力が発生し、発生した起電力は、モジュール端子装置21から外部に電力として取り出すことができる。このように、熱電変換モジュール11は可逆作用を有する。
図4は、本発明に係る熱電変換装置の第2実施形態を示す簡略的な部分断面図である。
図4に示された熱電変換装置10Aは、熱電変換モジュール11Aのモジュール端子装置40が、図1ないし図3に示される熱電変換装置10と基本的には異なるが、他の構成および作用は実質的に異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
モジュール端子装置40は、熱電変換素子16(17)に電気的に接続されたプラス側あるいはマイナス側のモジュール端子20と、このモジュール端子20に圧着可能に面接触して電気的に接続される電極端子41とを有する。電極端子41は、電極端子基部43とこの電極端子基部43から低温側系統24を貫いて外部に延びて突出する外部取出端子電極部44とを備える。
モジュール端子20は、薄板状端子材32が低温側系統24に接する収納溝30に収容される一方、端子板33の一面から直立する導電材33を介して熱電変換素子16(17)の低温側電極19に接合される。導電材33は、低温側絶縁基板13を貫通する電気的貫通孔34を封止可能に充填されており、熱電変換モジュール11Aのモジュール内部を気密に保持している。
また、熱電変換モジュール11Aの電極端子41は、モジュール端子20に対向して面接触し、この電極端子41は低温側絶縁基板13に接する低温側系統24の収納溝45に電極端子基部43が収容される。電極端子41の一面から外部取出端子電極部44が突設され、この取出端子電極部44は電気的貫通孔46を貫いて外部に突出している。この外部取出端子電極部44は図示しない外部電気配線に接続される。外部取出端子電極部44は薄板状あるいはロッド状に形成される。
さらに、低温側系統24には、熱電変換モジュール11Aの低温側を冷却する冷却手段48が設けられる。この冷却手段48は低温側系統24内に形成された冷却流路49内に冷却媒体を流すことにより構成される。冷却流路49は、電極端子41と干渉しないセパレート構造とされる。
熱電変換モジュール11Aのモジュール外側に設けられたモジュール端子20は、外部取出用の電極端子41と圧着されて電気的に接合される一方、電極端子41は電極端子基部43と外部取出端子電極部44とを一体構造とした例が示されている。しかし、電極端子基部43と外部取出端子電極部44とを別構造としてもよい。
また、冷却手段48は低温側系統24の冷却流路49内に冷却媒体を流す構成を説明したが、冷却手段48は、低温側系統24の外部にエアフィン等の冷却フィンを設け、この冷却フィン間に冷却媒体流路を形成してもよい。
第2実施形態を示された熱電変換装置10Aは、熱電変換モジュール11Aの外側に設けられたモジュール端子20と、低温側系統24に設けられた電極端子41とが圧着される。モジュール外部と電気的な取合いを行なうモジュール端子装置40に、ケーブル配線作業時にテンションが加わったり、熱電変換モジュール11Aの設置後の振動や熱膨張等の環境によって外力が加わっても、電極端子41とモジュール端子20の面接触やモジュール端子20の収納構造により吸収され、外力がモジュール内部の低温側電極19や熱電変換素子16(17)に伝達されるのを未然にかつ確実に防止できる。
この熱電変換装置10Aにおいては、外部との電気的な取合いを行なうモジュール端子装置40のモジュール端子部分に加わる外力が、モジュール内部に伝達されたり、また、モジュール端子部分が外力により変形するのを確実に防止できる。
したがって、熱電変換モジュール11Aのモジュール端子部分の変形を防止し、その信頼性・耐久性を損ねることがなく、熱電変換モジュール11Aの信頼性や熱電変換性能を向上させることができる。
図5は、本発明に係る熱電変換装置の第3実施形態を示す概略図である。
図5(A)は、第3実施形態の熱電変換装置10Bを示す概略的な部分断面図、図5(B)は図5(A)のV−V線に沿う部分的な平面図である。
この熱電変換装置10Bは、熱電変換モジュール11Bのモジュール端子装置50が、図4に示される熱電変換装置10Aと異なり、他の構成および作用は実質的に異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
モジュール端子装置50は、熱電変換モジュール11Bの外側で低温側絶縁基板13に設けられるモジュール端子20と、このモジュール端子20に弾力的に圧接される電極端子51とを有する。電極端子51は、モジュール外部と電気的な取合いを行なうもので、低温側系統24の収納溝52に収容され、端子固定板53により固定される。
電極端子51は、低温側絶縁基板13側に面する低温側系統24の収納溝52に収容され、電気的絶縁機能を有する端子固定板53により固定される電極端子基部54と、この電極端子基部54から低温側系統24の外側方に延設されて突出する外部取出端子電極部55とを有し、電極端子基部54にはモジュール端子20の端子材32側に、突出する湾曲構造の弾力部56を一体に備える。
この熱電変換装置10Bにおいては、モジュール端子装置50の電極端子51をモジュール端子20から独立させ、外部と電気的な取合いを行なう電極端子部を端子固定板53と電極端子51とからなる独立した構造とし、電極端子51のモジュール端子20への圧着性と組立性を向上させたものである。
電極端子51の電極端子基部54にばね機能を持たせた弾力部56を備えることにより、電極端子51のモジュール端子20への圧着性を向上させることができる。
モジュール端子装置50は、電極端子51の組立性や組付性を向上させるために、低温側系統24の収納溝52に電極端子51をスライド自在の嵌め込み式の構造としてもよい。
図6は、本発明に係る熱電変換装置の第4実施形態を示す概略図である。
図6(A)は、第4実施形態の熱電変換装置10Cを示す概略的な部分断面図、図6(B)は熱電変換装置10Cに備えられるモジュール端子装置60の取付例を示す図である。
第4実施形態に示された熱電変換装置10Cは、図4に示された熱電変換装置10Aと、熱電変換モジュール11Cのモジュール端子装置60の構成を基本的に異にするが、他の構成および作用は、第2実施形態の熱電変換装置10Aと異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
モジュール端子装置60は、熱電変換モジュール11Cの外側で低温側絶縁基板13に設けられたモジュール端子20と、このモジュール端子20に弾力的に圧接される電極端子61と、この電極端子61を収容した端子ケース62と、端子ケース62内で電極端子61をモジュール端子20側にばね付勢するコイルばね等のばね手段63とを有する。ばね手段63はコイルばねに限らず、板ばねや皿ばねであってもよい。
モジュール端子装置60の端子ケース62は、低温側系統24の収納溝64にスライド自在に収納される。端子ケース62はケース内部に電極端子61を収容し、この電極端子61をばね手段63でモジュール端子20側にばね付勢している。端子ケース62は電極端子61をばね付勢状態で収納してユニット化され、ユニット構造の端子ケース62が低温側系統24の収納溝64に着脱自在に収納される。
電極端子61は、図6(A)に示すように、モジュール端子20の薄板状の端子材32に弾力的に押圧接触する電極端子基部66と、この電極端子基部66から端子ケース62外に延び、低温側系統24の開口部を貫いて外部に突出する外部取出端子電極部67とを一体に有する。電極端子61は、電極端子基部66と外部取出端子電極部67とを別体構造としてもよい。
また、この熱電変換装置10Cは、熱電変換モジュール11Cのモジュール端子20のプラス側とマイナス側とを延設させて設けることにより、プラス側およびマイナス側のモジュール端子20に接触するプラス側とマイナス側の電極端子61を1つの端子ケース62内に収納させてもよい。端子ケース62内にプラス側とマイナス側の電極端子61を一体化して収納することにより、モジュール端子装置60の組立性と信頼性を向上させることができる。
図7は、本発明に係る熱電変換装置の第5実施形態を示す概略図である。
図7(A)および(B)に示される熱電変換装置10Dは、第4実施形態に示される熱電変換装置10Cと、モジュール端子装置70のモジュール端子20に弾力的に接触される電極端子71側のユニット構造が異なるだけである。他の構成および作用は異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
モジュール端子装置70は、図示しない低温側絶縁基板に設けられたモジュール端子と、このモジュール端子に弾力的に接触する電極端子71と、この電極端子71を収容する端子ケース72と、端子ケース72内に収容され、電極端子71をモジュール端子側にばね付勢して押圧するばね手段73とを有する。
モジュール端子装置70の端子ケース72は、低温側系統24の収納溝74内に収められる一方、電極端子71は外周フランジ71a付きの電極端子基部75と、この電極端子基部75から端子ケース72外に延設されて低温側系統24の外部に突出する外部取出端子電極部76とを有する。外部取出端子電極部76は外部と電気的な取合いを行なう端子部分である。
電極端子71は、外周フランジ71aが端子ケース72のケース肩部72aと係合することにより、電極端子71の電極端子基部75の突出量が規制される。端子ケース72のケース肩部72aは、電極端子71の突出量を規制するストッパ機能を有する。
この熱電変換装置10Dでは、低温側系統24内に収容されるモジュール端子装置70の端子ケース72内に、電極端子71とばね手段73とを収容してユニット化することにより、低温側系統24に納められる端子部分を端子ケース72内に全て収納でき、独立したユニット構造とすることができる。このため、熱電変換モジュールと低温側系統24へのモジュール端子装置70の組立性を向上させることができる。
この熱電変換装置10Dは、この変換装置10Dを複数台用いた大規模な熱電変換システムを組み立てる工程において、モジュール端子装置70を構成する端子ケース72の組付けを、外部配線接続処理後に行なうことが容易にできるので、システム組立効率の大幅な向上を期待できる。
図8は、本発明に係る熱電変換装置の第6実施形態を示す部分的な概略図である。
図8(A)および(B)に示される熱電変換装置10Eは、図示しない熱電変換モジュールの外側にプラス側モジュール端子とマイナス側モジュール端子とを延設させて並設し、各モジュール端子に接する電極端子のプラス側とマイナス側を一体のユニット構造としたモジュール端子装置80を設けたものである。このモジュール端子装置80を備えた構成が、図7に示された熱電変換装置10Dと基本的に相違する。他の構成および作用は異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
モジュール端子装置80は、熱電変換装置10Eの低温側系統24内の収納溝81に端子ケース82を収容し、この端子ケース82に図8(B)に示すように、プラス側とマイナス側の電極端子83と、各電極端子83をモジュール端子側にそれぞればね付勢して押圧接触させるばね手段84とを備える。各電極端子83は図示しない熱電変換モジュールのモジュール端子に弾力的に押圧接触される電極端子基部85と、この電極端子基部85から一側に突出し、端子ケース82および低温側系統24を貫いて外部に突出する外部取出し端子電極部86とを備える。外部取出端子電極部86は、外部と電気的な取合いを行なう端子部分を構成している。
この熱電変換装置10Eは、熱電変換モジュールのプラス側およびマイナス側モジュール端子に弾力的に押圧接触される電極端子82,83を1つの端子ケース82内に収容してユニット化しているが、低温側系統24のモジュール端子装置80は、プラス側とマイナス側の電極端子82,83を単一の端子ケース82に組み込んで一体化し、低温側系統24の収納溝81に組み付けたので、プラス側とマイナス側に必要な2工程の組立作業を1工程に収めることができる。
したがって、この熱電変換装置10Eは、熱電変換モジュールのモジュール端子に押圧接触される低温側系統24の電極端子83の組付けに必要なモジュール端子装置80の組立時間を大幅に、例えば1/2に短縮させることができる。
図9は本発明に係る熱電変換装置の第7実施形態を示す概略図である。
この第7実施形態に示された熱電変換装置10Fは、モジュール端子装置90のモジュール端子20と電極端子91との接触面を凹凸の嵌合い構造としたものである。
図9(A)は、熱電変換装置10Fを構成する熱電変換モジュール11Fを概略的に示す部分的な断面図、図9(B)は、図9(A)の熱電変換モジュール11Fを下方から見た概略図、図9(C)は、熱電変換モジュール11Fのモジュール端子20に弾力的に凹凸接合される電極端子91を端子ケース92に収容させた状態を示す図、図9(D)は図9(C)のIX−IX線に沿う断面図、図9(E)は、熱電変換装置10Fの低温側系統24に組み付けられるモジュール端子装置90の断面図を示すものである。熱電変換モジュール11Fおよび低温側系統24の構成および作用は、図1ないし図6に示された熱電変換装置10,10A〜10Cと異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
モジュール端子装置90は、熱電変換モジュール11Fの低温側絶縁基板13に設けられるモジュール端子20と、このモジュール端子20に凹凸係合される低温側系統24の電極端子91と、この電極端子91を収納する端子ケース92と、この端子ケース92内に収容され、電極端子91をモジュール端子20側にばね付勢するばね手段93とから構成される。モジュール端子20と電極端子91はプラス側とマイナス側が近接して互いに対向するように並設される。低温側系統24に組み付けられるモジュール端子装置90は端子ケース92内に電極端子91およびばね手段93が収容されてユニット化され、このユニット構造のモジュール端子装置90が低温側系統24の収納溝94に納められる。
モジュール端子装置90のモジュール端子20に係合凹部95が、電極端子91に係合凸部96が1箇所以上、例えば2箇所それぞれ形成され、モジュール端子20の係合凹部95に電極端子91の係合凸部96が凹凸結合される。モジュール端子20と電極端子91とを凹凸結合させることにより、嵌合いの精度が向上し、圧着性と信頼性をより一層向上させることができる。
図9では、モジュール端子20に係合凹部95を、電極端子91に係合凸部96を設けた例を示したが、係合凹部と係合凸部の関係は逆であってもよい。また、係合凹部95はモジュール端子20の端子材接触面に形成された球形の窪み(凹部)を採用し、電極端子91の電極端子基部接触面に球形の凸部を形成した例を示したが、係合凹部95および係合凸部96は、多角形であっても、また楕円形状であってもよく、種々の形状を採用してもよい。
また、モジュール端子装置90の低温側系統24をユニット構造とし、端子ケース92内に収容される電極端子91を板状形状とし、この電極端子91内に図5(A)に示すようなモジュール端子20側に突出する弾力部56を係合凸部に代えて湾曲形成してもよい。
さらに、モジュール端子装置90は、図9(C)ないし(E)に示すようにプラス側とマイナス側の電極端子91を端子ケース92内に収容させてユニット化した例を示したが、プラス側とマイナス側の電極端子91を個々の端子ケース内に独立させて収容してもよい。
図10は、本発明に係る熱電変換装置の第8実施形態を示す概略図である。
図10(A)は、熱電変換装置10Gの概略的平面図、図10(B)は熱電変換装置10Gの概略的側面図である。この図10(A)および(B)に示された熱電変換装置10Gは、熱電変換モジュール11Gの低温側外側にモジュール端子装置100を設け、各熱電変換モジュール11Gの両側からモジュール端子装置100の電極端子101を突出させて引き出し、各熱電変換モジュール11Gを複数個連続的にかつシリーズに電気接続して熱電変換装置群(熱電変換ユニット)を構成したものである。
この熱電変換装置10Gにおいては、モジュール端子装置100のプラス側電極端子101とマイナス側電極端子101とを、それぞれ熱電変換モジュール11Gの両側から取り出される構造とし、各熱電変換モジュール11Gをシリーズに連続して電気的に接続させることができるので、組立性と信頼性を向上させることができる。
なお、符号23は高温側系統であり、符号24は低温側系統である。
図11は、本発明に係る熱電変換装置の第9実施形態を示す概略図である。
図11(A)は、第9実施形態に示された熱電変換装置10Hの概略的平面図、図11(B)は熱電変換装置10Hの概略的側面図である。図11(A)および(B)に示された熱電変換装置10Hは、モジュール端子装置110のプラス側電極端子111とマイナス側電極端子111を、熱電変換モジュール11Hの対角線状部分から取り出して、各熱電変換モジュール11Hをシリーズに電気的接続できるようにしたものである。
この熱電変換装置10Hにおいても、図10と同様な作用効果を奏し、組立性と信頼性を向上させることができる。
図12は、本発明に係る熱電変換装置の第10実施形態を示す概略図である。
図12(A)は第10実施形態に示された熱電変換装置10Iの概略的平面図、図12(B)は熱電変換装置10Iに備えられるモジュール端子装置120の電極端子接続構造を示す平面図、図12(C)は図12(B)の側面図である。
この熱電変換装置10Iは、熱電変換モジュールの一側にモジュール端子装置120のプラス側とマイナス側の電極端子121が近接して並設される。モジュール端子装置120のプラス側およびマイナス側の電極端子121は一方に隣接する熱電変換モジュールのマイナス側電極端子121および他方に隣接する熱電変換モジュールのプラス側電極端子121に、外部取出電極部122を介してそれぞれ接続され、複数の熱電変換装置10Iがシリーズに電気的に接続される。なお、符号123は端子固定板である。図12(B)は外部取出電極部122の長さを延長した場合の端子部分の構造を示すものである。
この場合にも、複数の熱電変換装置10Iをシリーズに電気的に接続した熱電変換装置群を構成でき、組立の自由度が増加し、組立性・信頼性を向上させることができる。
なお、図10ないし図12に示す実施形態では、複数台の熱電変換装置をシリーズに電気的接続する例を示したが、複数台の熱電変換装置を並列状に電気的接続してもよい。また、複数台ずつシリーズに接続した熱電変換装置群同士を互いに並列接続させるようにしてもよい。
本発明に係る熱電変換装置の第1実施形態を原理的に示す概略図。 本発明に係る熱電変換装置に備えられる熱電変換モジュールの断面構造を示す図。 本発明に係る熱電変換装置を概略的に示す部分断面図。 本発明に係る熱電変換装置の第2実施形態を概略的に示す部分断面図。 (A)は本発明に係る熱電変換装置の第3実施形態を概略的に示す部分断面図、(B)は電極端子と端子固定板の関係を示す平面図。 (A)は本発明に係る熱電変換装置の第4実施形態を概略的に示す部分断面図、(B)は低温側系統とモジュール端子装置との取付関係を示す図。 (A)は本発明に係る熱電変換装置の第5実施形態を示すもので、低温側系統とモジュール端子装置との取付関係を示す図、(B)は低温側系統にユニット構造のモジュール端子装置が組み込まれた状態を示す図。 (A)は本発明に係る熱電変換装置の第6実施形態を示すもので、低温側系統とモジュール端子装置の取付関係を示す図、(B)は低温側系統にユニット構造のモジュール端子装置が組み込まれた状態を示す図。 (A)は本発明に係る熱電変換装置の第7実施形態を示す熱電変換モジュールの概略的な部分断面図、(B)は図9(A)の熱電変換モジュールを低温側から見た低温側系統にユニット構造のモジュール端子装置が組み込まれた状態を示す図、(C)は上記熱電変換モジュールのモジュール端子に電気的に接合されるユニット構造の電極端子を示す図、(D)は図9(C)のIX−IX線に沿う側断面図、(E)は熱電変換装置の低温側系統に組み込まれるユニット構造のモジュール端子装置を示す断面図。 (A)は本発明に係る熱電変換装置の第8実施形態を示すもので、複数の熱電変換装置をシリーズに接続した電気的接続状態を示す簡略的な平面図、(B)は複数の熱電変換装置の電気的接続状態を示す簡略的な側断面図。 (A)は本発明に係る熱電変換装置の第9実施形態を示すもので、複数の熱電変換装置をシリーズに接続した電気的接続状態を示す簡略的な平面図、(B)は複数の熱電変換装置の電気的接続状態を示す簡略的な側断面図。 本発明に係る熱電変換装置の第10実施形態を示すもので、(A)は複数の熱電変換装置をシリーズに接続した電気的接続状態を示す簡略的な平面図、(B)は熱電変換装置に備えられるモジュール端子装置の電極端子同士の接続状態を示す平面図、(C)は図12(B)の側面図。
符号の説明
10,10A〜10Z 熱電変換装置
11 熱電変換モジュール
12 高温側(吸熱側)絶縁基板
13 低温側(放熱側)絶縁基板
15 熱電変換素子群
16 P型半導体(熱電変換素子)
17 N型半導体(熱電変換素子)
18 高温側(吸熱側)電極
19 低温側(放熱側)電極
20 モジュール端子
21 モジュール端子装置
23 高温側系統
24 低温側系統
25 囲み枠(シールド部材)
26 接合用金属
27 半田層
28 接合層
30 収納溝
31 絶縁材
32 端子材
33 導電材
34 電気的貫通孔
40,50,60,70,80,90 モジュール端子装置
41,51,61,71,83,91 電極端子
44,54,66,75 電極端子基部
45,52,64,74,81,94 収納溝
46 電気的貫通孔
48 冷却手段
49 冷却流路
53 端子固定板
56 弾力部
62,72,82,92 端子ケース
63,73,84,93 ばね手段
95 係合凹部
96 係合凸部
100,110,120 モジュール端子装置
101,111,121 電極端子
122 外部取出電極部

Claims (7)

  1. 高温側系統から吸熱される熱エネルギを電気エネルギに変換して取り出したり、または、外部から電流を付与して低温側系統と高温側系統との間で熱移動を生じさせる熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置において、
    前記熱電変換モジュールは、
    モジュール内部にP型半導体とN型半導体とから構成される対をなす熱電変換素子と、
    前記対の熱電変換素子の高温側にスライド可能に自由度をもって装着されたキャップ状もしくはカップ状の高温側電極と、
    前記熱電変換素子の低温側に結合された低温側電極と、
    前記高温側電極を高温側系統に熱的に接続させる高温側絶縁基板と、
    前記低温側電極を低温側系統に熱的に接続させる低温側絶縁基板と、
    前記低温側絶縁基板の周辺部に接合用金属を介して接合して装着され、モジュール内部を封止するキャップ構造の囲み枠と、
    前記低温側絶縁基板にモジュール外側から設けられ、モジュール内部を封止するモジュール端子装置とを備え、
    前記モジュール端子装置は、低温側電極に低温側絶縁基板の電極貫通孔を経て接続され、前記低温側絶縁基板の収納溝に収容されてモジュール外部に設けられるモジュール端子を備え、このモジュール端子により外部に電気的取合いを行なうようにしたことを特徴とする熱電変換装置。
  2. 前記モジュール端子装置は、前記熱電変換モジュールのモジュール外側から前記低温側絶縁基板の収納溝に収容されるモジュール端子を設け、
    前記モジュール端子はプレート状絶縁材で覆われ、前記モジュール端子から外部取出端子電極部を前記熱電変換モジュールの外部に突出させた請求項1記載の熱電変換装置。
  3. 前記モジュール端子装置は、
    前記熱電変換モジュールのモジュール外側から前記低温側絶縁基板に設けられるモジュール端子と、このモジュール端子に圧着され、前記低温側系統に設けられる電極端子とを有し、
    この電極端子から外部に電気的取合いを行なう外部取出端子電極部を外部に導出させた請求項1記載の熱電変換装置。
  4. 前記モジュール端子装置は、
    前記熱電変換モジュールのモジュール外側から前記低温側絶縁基板に設けられるモジュール端子と、
    このモジュール端子に圧着される電極端子と、
    この電極端子を収容し、前記低温側系統に設けられる端子ケースと、
    前記電極端子をモジュール端子側にばね付勢するばね手段とを備え、
    前記電極端子は外部と電気的な取合いを行なう外部取出端子電極部を設け、前記低温側系統に設けられるモジュール端子装置をユニット構造に構成した請求項1記載の熱電変換装置。
  5. 前記モジュール端子装置は、前記熱電変換モジュールのモジュール外部から前記低温側絶縁基板にプラス側とマイナス側のモジュール端子を近接させて並設し、前記モジュール端子にそれぞれ押圧接触される電極端子のプラス側とマイナス側とを一体的に構成し、
    前記低温側系統に設けられるプラス側およびマイナス側の電極端子をユニット構造に構成した請求項1記載の熱電変換装置。
  6. 前記モジュール端子装置は、前記熱電変換モジュールのモジュール外部に設けられるモジュール端子と、前記低温側系統に設けられる電極端子との接触面を凹凸面接合とした請求項1記載の熱電変換装置。
  7. 前記モジュール端子装置は、前記熱電変換モジュールのモジュール外部に設けられるモジュール端子あるいは前記低温側系統に設けられる電極端子に、外部と電気的な取合い可能なプラス側とマイナス側の外部取出電極部を導出させた構造とし、
    前記外部取出電極部により複数の熱電変換モジュールを連続的に接続可能な構造とした請求項1記載の熱電変換装置。
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