JP4481606B2 - Thermoelectric converter - 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する熱電変換モジュールあるいは熱電変換ユニットを備えた熱電変換装置に係り、特に熱損失を低減し、熱電変換効率を向上させた熱電変換装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device including a thermoelectric conversion module or a thermoelectric conversion unit that directly converts heat energy into electric energy, and more particularly to a thermoelectric conversion device that reduces heat loss and improves thermoelectric conversion efficiency.
一般に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あるいはユニットは、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電効果を利用して、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。 In general, this type of thermoelectric conversion device includes a thermoelectric conversion module or a thermoelectric conversion unit in which a plurality of thermoelectric conversion modules are combined. The thermoelectric conversion module or unit is configured by combining P-type semiconductor and N-type semiconductor thermoelectric conversion elements, and directly converts thermal energy into electrical energy using thermoelectric effects such as the Thomson effect, Peltier effect, Seebeck effect, etc. It is like that.
従来の熱電変換装置には、特開2003−179274号公報(特許文献1)に開示されたものがある。 A conventional thermoelectric conversion device is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-179274 (Patent Document 1).
この熱電変換装置は、熱電変換モジュールを複数対のP型半導体およびN型半導体の柱状熱電変換素子を対向する絶縁基板間に並列状に林立させ、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。
従来の熱電変換装置は、P型半導体およびN型半導体からなる各柱状熱電変換素子の両端部を半田層を介して絶縁性基板上の電極にリジットに固定させて剛体構造の熱電変換モジュールを構成している。熱電変換モジュールは各熱電変換素子の両側が電極にリジットに固定される剛体構造を採用するため、熱膨張に対する自由度が小さく、熱電変換モジュールの使用時、各熱電変換素子の熱膨張に伴い、高温側端部に大きな応力集中が発生し、熱電変換素子の破損や損傷を生じさせ、機械的寿命を損ねる原因となっていた。 A conventional thermoelectric conversion device constitutes a rigid thermoelectric conversion module by rigidly fixing both ends of each columnar thermoelectric conversion element composed of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor to an electrode on an insulating substrate via a solder layer. is doing. Since the thermoelectric conversion module adopts a rigid structure in which both sides of each thermoelectric conversion element are rigidly fixed to the electrodes, the degree of freedom with respect to thermal expansion is small, and when using the thermoelectric conversion module, along with the thermal expansion of each thermoelectric conversion element, A large stress concentration occurs at the end portion on the high temperature side, causing breakage or damage to the thermoelectric conversion element, which is a cause of deteriorating the mechanical life.
また、熱電変換装置は、熱電変換モジュールあるいはユニットの熱電変換効率(性能)を向上させるためには、熱電変換素子への熱供給と熱電変換素子からの放熱がスムーズに行なわれ、かつ熱源の高温側系統から供給された熱は、全て熱電変換素子10を通って低温側系統から放熱されることが望ましい。
Further, in order to improve the thermoelectric conversion efficiency (performance) of the thermoelectric conversion module or unit, the thermoelectric conversion device smoothly supplies heat to the thermoelectric conversion element and releases heat from the thermoelectric conversion element, and the heat source has a high temperature. It is desirable that all the heat supplied from the side system is radiated from the low temperature side system through the
しかし、従来の熱電変換モジュールあるいはユニットでは、高温側系統(熱供給)から供給された熱の一部は、熱電変換素子あるいは熱電変換モジュールの隙間において、熱輻射や対流によって熱量伝達され、熱電変換素子を通過せずに低温側系統に達するものが存在するため、熱電変換モジュールあるいはユニットの熱電変換効率は、熱電変換素子の持つ性能に対して低い等の問題があった。 However, in the conventional thermoelectric conversion module or unit, a part of the heat supplied from the high temperature side system (heat supply) is transferred by heat radiation or convection in the gap between the thermoelectric conversion element or thermoelectric conversion module, and the thermoelectric conversion Since there are those that reach the low temperature system without passing through the element, there is a problem that the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion module or unit is low with respect to the performance of the thermoelectric conversion element.
しかも、従来の熱電変換モジュールあるいはユニットでは、熱電変換モジュールからの熱損失防止対策が一切考慮されておらず、大きな熱損失が生じたり、また、各熱電変換素子は両端がそれぞれ半田層を介して電極に接合されるリジット構造であるため、熱電変換モジュールの熱伝導率が小さく、熱電変換効率が大きくとれないため、発生する起電力も小さい等の問題があった。 Moreover, in the conventional thermoelectric conversion module or unit, no measures for preventing heat loss from the thermoelectric conversion module are taken into consideration, and a large heat loss occurs, and both ends of each thermoelectric conversion element are respectively connected via solder layers. Since the rigid structure is bonded to the electrode, the thermoelectric conversion module has a low thermal conductivity, and the thermoelectric conversion efficiency cannot be increased.
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熱損失対策を充分にかつ効果的に施し、熱電変換効率を向上させ、大きな起電力が得られるようにした熱電変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and has been provided with sufficient and effective measures for heat loss of the thermoelectric conversion module, improving the thermoelectric conversion efficiency, and obtaining a large electromotive force. An object is to provide an apparatus.
本発明の他の目的は、熱電変換モジュールあるいはユニットの熱伝達を向上させ、熱電変換効率を向上させた熱伝達変換装置を提供するにある。 Another object of the present invention is to provide a heat transfer conversion device that improves heat transfer of a thermoelectric conversion module or unit and improves thermoelectric conversion efficiency.
さらに、本発明の別の目的は、熱電変換モジュールあるいはユニットを熱損失の低減および熱伝達を向上させ、各熱電変換素子の性能を効率よく、充分に引出すことができる熱伝達変換装置を提供するにある。 Furthermore, another object of the present invention is to provide a heat transfer conversion device that can reduce the heat loss and improve the heat transfer of the thermoelectric conversion module or unit, and can efficiently and sufficiently draw out the performance of each thermoelectric conversion element. It is in.
本発明に係る熱電変換モジュールは、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、対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、上記熱電変換モジュール内部を、輻射・対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させるために、熱損失防止構造に構成し、前記熱電変換モジュールは各熱電変換素子と吸熱側電極との接合面の少なくとも一方、および各熱電変換素子と放熱側電極との接合面の少なくとも一方に熱伝導特性の優れた物質のメッキあるいは塗装により被膜を形成したり、または前記各熱電変換素子と吸熱側電極との接合面および各熱電変換素子と放熱側電極との接合面に前記熱伝導特性の優れた物質で形成された薄板を介装させ、さらに、前記各熱電変換素子の高温側吸熱面は、吸熱側電極に接触あるいは接合により自由度があり、リジットでない取付けとし、前記各熱電変換素子の低温側放熱面は、放熱側電極に直接あるいは半田層を介して一体に取り付けられ、前記熱損失防止構造は、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を、複数の偏平な小空間に区画するように、複数枚の輻射防止板を多段状に配列して構成されたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-described problem, a thermoelectric conversion module according to the present invention includes a matrix of a plurality of thermoelectric conversion elements between an opposing heat-absorbing-side insulating substrate and a heat-dissipating-side insulating substrate. The thermoelectric conversion elements are arranged in a shape, and the heat absorption side electrode is attached to the heat absorption surface of the thermoelectric conversion element, and the heat dissipation side electrode is attached to the heat dissipation surface, so that all thermoelectric conversion elements are electrically connected in series and thermally in parallel. In the thermoelectric conversion module configured to be connected, the inside of the thermoelectric conversion module is configured to have a heat loss prevention structure in order to reduce the amount of heat that does not pass through the thermoelectric conversion element due to radiation and convection, and the thermoelectric conversion module includes each thermoelectric conversion module. At least one of the joint surfaces between the conversion element and the heat absorption side electrode and at least one of the joint surfaces between each thermoelectric conversion element and the heat radiation side electrode are plated with a material having excellent heat conduction characteristics. Is a thin plate formed with a material having excellent heat conduction characteristics on the bonding surface between each thermoelectric conversion element and the heat absorption side electrode and the bonding surface between each thermoelectric conversion element and the heat radiation side electrode. Furthermore, the high temperature side heat absorption surface of each thermoelectric conversion element has a degree of freedom by contact or bonding to the heat absorption side electrode and is not rigidly attached, and the low temperature side heat dissipation surface of each thermoelectric conversion element The heat loss prevention structure is attached to the side electrode directly or via a solder layer so that the internal space formed by the high temperature side insulating substrate and the low temperature side insulating substrate is divided into a plurality of flat small spaces. In addition, a plurality of radiation prevention plates are arranged in a multi-stage shape .
また、本発明に係る熱電変換モジュールは、上述した課題を解決するために、請求項8に記載したように、対向する吸熱側絶縁基板と、放熱側絶縁基板との間に複数の熱電変換素子をマトリックス状に配列した熱電変換素子群を挟持させ、熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、上記熱電変換モジュール内部を、輻射・対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させるために、熱損失防止構造に構成する一方、前記熱電変換モジュール内部の接合面の少なくとも一方に熱伝導特性に優れた物質を塗布またはメッキにより被膜を施したり、または、前記熱電変換モジュール内部の接合面に熱伝導特性に優れた物質からなる薄板を介装させ、さらに、前記各熱電変換素子の高温側吸熱面は、吸熱側電極に接触あるいは接合により自由度があり、リジットでない取付けとし、前記各熱電変換素子の低温側放熱面は、放熱側電極に直接あるいは半田層を介して一体に取り付けられ、前記熱損失防止構造は高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を複数枚の輻射防止板で偏平な小空間に多段状に仕切って構成されたことを特徴とするものである。 Also, the thermoelectric conversion module according to the present invention, in order to solve the above problems, as described in claim 8, and the heat absorption side insulating substrate facing the plurality of thermoelectric conversion elements between the radiation side insulating substrate The thermoelectric conversion elements are arranged in a matrix, and the heat absorption side electrode is attached to the heat absorption surface of the thermoelectric conversion element, and the heat dissipation side electrode is attached to the heat dissipation surface, so that all thermoelectric conversion elements are electrically connected in series and thermally. In the thermoelectric conversion module configured to be connected in parallel, the thermoelectric conversion module is configured in a heat loss prevention structure in order to reduce the amount of heat that does not pass through the thermoelectric conversion element due to radiation and convection, while the thermoelectric conversion module Applying or plating a material having excellent heat conductivity to at least one of the internal joint surfaces, or applying heat to the joint surface inside the thermoelectric conversion module Conductive properties is interposed sheet made of superior materials, further, the hot-side heat absorbing faces of the thermoelectric conversion element, there is freedom in contact or joined to the heat absorption side electrodes, and attaching not rigid, the conversion each thermoelectric The low temperature side heat radiating surface of the element is attached directly to the heat radiating side electrode directly or via a solder layer, and the heat loss prevention structure has a plurality of internal spaces formed by the high temperature side insulating substrate and the low temperature side insulating substrate. It is characterized in that it is configured by dividing it into flat small spaces in a multistage manner with a radiation preventing plate .
また、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16に記載したように、請求項1または8に記載の熱電変換モジュールを備え、前記熱電変換モジュールを複数個組み合わせて熱電変換ユニットを構成したことを特徴とするものである。
Moreover, in order to solve the above-described problem, a thermoelectric conversion device according to the present invention includes the thermoelectric conversion module according to claim 1 or 8 as described in
本発明に係る熱電変換装置においては、熱電変換モジュールあるいは熱電変換ユニットに熱損失防止構造を備えたので、高温側系統からの吸熱を熱電変換モジュールの各熱電変換素子に効率的に案内でき、熱電変換性能を向上させることができ、熱電変換モジュールや熱電変換ユニットに可動部分がないので信頼性が向上し、機械的・物理的寿命を充分に維持できる。 In the thermoelectric conversion device according to the present invention, since the thermoelectric conversion module or the thermoelectric conversion unit is provided with a heat loss prevention structure, the heat absorption from the high temperature side system can be efficiently guided to each thermoelectric conversion element of the thermoelectric conversion module, Conversion performance can be improved, and since there are no moving parts in the thermoelectric conversion module or thermoelectric conversion unit, the reliability is improved and the mechanical and physical life can be sufficiently maintained.
また、本発明に係る熱電変換装置は、熱電変換モジュールや熱電変換ユニット内の熱伝導特性を向上させたので、熱電変換モジュールの各熱電変換素子を流れる熱流が増大し、熱電変換性能ひいては発電性能を大幅に向上させることができる。 Moreover, since the thermoelectric conversion device according to the present invention has improved the heat conduction characteristics in the thermoelectric conversion module and the thermoelectric conversion unit, the heat flow flowing through each thermoelectric conversion element of the thermoelectric conversion module increases, and the thermoelectric conversion performance and thus the power generation performance Can be greatly improved.
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。 An embodiment of a thermoelectric conversion device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
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。 FIG. 1 is a schematic diagram showing in principle a first embodiment of a thermoelectric conversion device according to the present invention.
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す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、熱電変換手段を構成するマトリックス状、格子状あるいは列状の熱電変換素子群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、かつ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。高温側絶縁基板12の外表面は高温側伝熱面12aに、その内表面は高温側壁面12bとされ、また、低温側絶縁基板13の外表面は低温側伝熱面13aに、その内表面は低温側壁面13bに構成される。
The
熱電変換素子群15は、角柱状、円柱状等の柱状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わせ、全体としてマトリックス状あるいは格子状に配設し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は一端側が高温側の吸熱面とされ、他端側に低温側の放熱面に成形される。各熱電変換素子16,17の吸熱面は、吸熱側電極18に接触あるいは接合せしめられる一方、その放熱面は放熱側電極19に直接あるいは半田層20を介して一体に取り付けられる。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。
The thermoelectric
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21と低温側放熱面22で生成される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。
On the other hand, the
熱電変換モジュール11は、各熱電変換素子16,17に取り付けられる吸熱側電極18と放熱側電極19とを交互にジグザグ状に配列することにより、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リード線23を通して外部に取り出される。
As shown in FIG. 2, the
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、高温部材や高温部位等の熱源である高温側系統から供給された熱が、全て熱電変換素子16,17を通過し、低温側系統から放熱されることが望ましい。
In order to improve the thermoelectric conversion performance, the
高温側系統から供給された熱の一部が、熱電変換素子16,17間や熱電変換モジュール11の隙間に生じる熱輻射や対流によって熱伝達され、熱電変換素子16,17間を通る熱流が少なくなるのを防止するため、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の対向面や電極18,19の露出面に白色または銀色等の熱反射率の高い塗装あるいはメッキの被膜24が施される。
A part of the heat supplied from the high temperature side system is transferred by heat radiation or convection generated between the
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24で被覆されることにより、各熱電変換素子16,17からの放出される輻射熱a、高温側絶縁基板12からの輻射熱b、熱電変換モジュール11内での流体の対流c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。
The surface of the
熱反射率の高い被膜24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、Al2O3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24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。
The
この熱損失防止対策を施すことにより、高温側絶縁基板12や各熱電変換素子16,17の高温側壁面の温度低下を防止でき、熱電変換素子16,17の低温側部分や低温側絶縁基板13の温度上昇を有効的に防止でき、各熱電変換素子16,17の両端部の温度差を減少させることが少なく、熱電変換性能ひいては発電性能を低下させることがない。
By taking this heat loss prevention measure, it is possible to prevent the temperature of the high-temperature
また、熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17は高温側電極18および低温側電極19に接合あるいは接触せしめられるが、その際、各熱電変換素子16,17と高温側電極18または低温側電極19との接合面の少なくとも一方に、熱伝導の大きな材料、例えばCu,Ag,Au,Niでメッキを施してもよい。これにより、各熱電変換素子16,17の熱伝導効率を向上させることができる。
The
熱電変換モジュール11は、熱源や高温側系統から高温、例えば400℃〜800℃の放射熱を高温側絶縁基板12で吸熱し、この吸熱された熱を各熱電変換素子16,17に案内し、熱流を熱電変換素子16,17内を流すことにより発電作用が生じ、熱流は例えば100℃程度に温度降下する。温度降下した熱流は低温側絶縁基板13から放熱される。
The
その際、熱電変換モジュール11は内部の露出表面に熱反射率の大きな物質による被膜24が施され、熱損失防止構造に構成される。このため、熱電変換モジュール11の内部空間(隙間)に生じる輻射a,bや対流cの発生が少なく、熱電変換モジュール11の高温側で吸熱した熱を各熱電変換素子16,17に有効的に導き、熱電変換能力ひいては発電能力を向上させることができる。
At that time, the
熱電変換モジュール11の熱電変換素子群15を構成する各熱電変換素子16,17は数mm程度、例えば2〜3mm程度の角柱状に形成され、柱状熱電変換素子16,17の高さは1mm〜数cm程度、好ましくは2〜3mm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。
The
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500℃〜600℃、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。
The
この熱電変換モジュール11は、各熱電変換素子16,17の吸熱面を吸熱側電極18に、その放熱面を放熱側電極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の吸熱側電極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。
In this
図3は、本発明に係る熱電変換装置の第2実施形態を原理的に示す図である。 FIG. 3 is a view showing in principle the second embodiment of the thermoelectric conversion device according to the present invention.
図3は熱電変換装置を構成する熱電変換モジュール11Aの断面構造を簡略的に示すものであり、図2に示された熱電変換モジュール11と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
FIG. 3 schematically shows a cross-sectional structure of the
この熱電変換モジュール11Aは高温側絶縁基板12と低温側絶縁基板13との間に間隔をおいて輻射防止板30を介装させたものである。輻射防止板30は熱反射率の高い物質、例えばステンレス鋼、Niメッキを施した鉄、アルミ(アルマイト)、亜鉛等で形成される。
This
輻射防止板30は、高温側絶縁基板12と低温側絶縁基板13との隙間に介装される薄板であり、この隙間の部分に熱の伝わる方向と垂直な面に隙間を2分するように設けられる。
The
高温側および低温側絶縁基板12,13の間に輻射防止板30を設けることにより、熱電変換モジュール11A内部の輻射や対流により、熱電変換素子16,17を通過しない熱量を低減させ、熱源である高温側系統から高温側絶縁基板12で受熱した熱を各熱電変換素子16,17を有効的に通して低温側絶縁基板13に案内し、この低温側絶縁基板13から外部に放熱している。
By providing the
熱電変換モジュール11Aは、熱源等から受熱した熱が熱電変換素子群15の各熱電変換素子16,17を熱流として流れるとき発電機能が生じ、起電力を生成する。各熱電変換素子16,17を通る熱流による発電作用により温度降下して低温側絶縁基板13に案内される。
The
その際、熱電変換モジュール11Aは内部の露出表面に図2に示されたものと同様、白色または銀色等の熱反射率の高い物質で塗装やメッキを行ない、熱反射率の高い被膜を施してもよい。この被膜を施す代りに、熱電変換モジュール11Aの内部の露出表面、少なくとも絶縁基板12,13の内表面を鏡面仕上げに形成してもよい。
At that time, the
図4は、図3に示された熱電変換モジュール11Aの第1変形例を示すものである。
FIG. 4 shows a first modification of the
この変形例に示された熱電変換モジュール11Bは、高温側絶縁基板12と低温側絶縁基板13との間(隙間)に複数枚の輻射防止板30を間隔をおいて設けたものである。他の構成は図3に示された熱電変換モジュール11Aと異ならないので同じ符号を付して説明を省略する。
In the thermoelectric conversion module 11B shown in this modification, a plurality of
図4に示された熱電変換モジュール11Bは、複数枚の輻射防止板30を多段構造に配設したものである。各輻射防止板30を適宜間隔をおいて両絶縁基板12,13間の内部空間(隙間)に配設することにより、この内部空間を複数の小空間に区画され、熱損失防止構造に構成される。
The thermoelectric conversion module 11B shown in FIG. 4 has a plurality of
各輻射防止板30は、熱反射率の高い物質で形成された薄板であり、各輻射防止板30はこれを貫通する複数の柱状熱電変換素子16,17により間隔保持される。
Each
しかして、熱電変換モジュール11Bの両絶縁基板12,13間に形成される内部空間を並設された各輻射防止板30により複数の小空間に区画し、各小空間を両絶縁基板12,13と略平行に形成することにより、熱損失防止構造となり、両絶縁基板12,13間の内部空間に大きな輻射や対流作用が生じるのを有効的かつ確実に防止している。
Thus, the internal space formed between the two insulating
複数の輻射防止板30を多段状に配設して、両絶縁基板12,13間の内部空間を複数の偏平な小空間に仕切ることにより、輻射および対流等による熱の流出を防止でき、結果的に高温側絶縁基板12で受熱し、吸熱した熱を各熱電変換素子16,17に導くことができる。
By arranging a plurality of
図5は、熱電変換モジュールの第2変形例を示すものである。 FIG. 5 shows a second modification of the thermoelectric conversion module.
この変形例に示された熱電変換モジュール11Cは、複数の輻射防止板30を間隔保持手段33で所定の間隔に保持した間隔保持構造が図4に示された熱電変換モジュール11Bと相違するだけであり、他の構成、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。図5の熱電変換モジュール11Cでは高温側絶縁基板や低温側絶縁基板、各絶縁基板に接合、張設等で取り付けられる電極の図示を省略している。
The
図5に示された熱電変換モジュール11Cは、間隔保持手段33で複数の輻射防止板30を多段構造に間隔保持している。間隔保持手段33は各輻射防止板30に頭付きボルト34を挿通させてナット35で締着し、各輻射防止板30をスペーサ36で多段構造に間隔保持したものである。各輻射防止板30にはボルト34および熱電変換素子16,17を挿通させる孔が予め穿設されている。
In the
間隔保持手段33はボルト・ナット等の締着手段34,35とスペーサ36とから構成され、図4に示すものと同様、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板(共に図示せず)の間の内部空間を偏平な小空間に多段式に形成し、熱損失防止構造としている。輻射防止板30の配設間隔は、薄板の厚さや枚数により間隔調整をすることができる。
The interval holding means 33 is composed of fastening means 34 and 35 such as bolts and nuts, and a
図6は熱電変換モジュールの第3変形例を示すものである。 FIG. 6 shows a third modification of the thermoelectric conversion module.
この変形例に示された熱電変換モジュール11Dは、各輻射防止板30の間隔保持手段38の構成を図5に示す熱電変換モジュール11Cと異にするだけで、他の構成、作用は図5の熱電変換モジュール11Cと異ならないので同じ符号を付して説明を省略する。
The thermoelectric conversion module 11D shown in this modified example is different from the
この熱電変換モジュール11Dは、各輻射防止板30の端部を鋭角に折曲し、折曲部39の先端部を隣接する輻射防止板30の非折曲側の表面に接触させることにより、間隔保持手段38を構成したものである。この場合、間隔保持手段38は、独立した構成部材を必要とせず、輻射防止板30の端部折曲加工のみで構成できるので、部品点数が少なくなり、コストの低減を図ることができる。また、輻射防止板30の端部を折り曲げて間隔調整することにより、熱損失防止構造に構成できる。
The thermoelectric conversion module 11D is configured such that the end of each
一方、熱電変換モジュール11Dの図示しない高温側および低温側絶縁基板の内部空間に介装される輻射防止板30は熱反射率の大きな物質からなる薄板で形成される。このため、輻射防止板30の端部折曲げにより形成される折曲部は、鋭角に折曲させることが条件となる。また、輻射防止板30の端部を折曲する代りに、輻射防止板30の一部を舌片状に切り起こし、この舌片を鋭角に折り曲げることにより、間隔保持手段に構成してもよい。さらに、舌片は、熱電変換素子16,17を通す輻射防止板30の孔部を利用して形成してもよい。孔部として打ち抜かれる部分に舌片を形成し、この舌片を間隔保持手段としてもよい。
On the other hand, the
図7は本発明に係る熱電変換装置の第3実施形態を示す原理的な図である。 FIG. 7 is a principle view showing a third embodiment of the thermoelectric converter according to the present invention.
図7は、熱電変換装置を構成する熱電変換モジュール11に熱電変換素子16,17やその接合部酸化による劣化防止構造を備えたものである。
In FIG. 7, the
この熱電変換モジュール11は、密閉されたボックス状のケーシング41内に格納され、この密閉ケーシング41内を気密に保持している。熱電変換モジュール11を気密封止構造で保持することにより、熱電変換モジュール11を気密の環境下に設置することができ、その酸化を有効的かつ確実に防止できる。
The
図7に示された熱電変換装置10Aでは、熱電変換モジュール11を気密に保つために、密閉ケーシング41の内面41aまたは外面41bあるいはその双方に白色または銀色等の熱反射率の高い物質で塗装し、被膜24を形成したり、この被膜に代えて密閉ケーシング41の内外表面を鏡面状態に仕上げてもよい。
In the
密閉ケーシング41内に収納される熱電変換モジュール11は、図2に示す熱電変換モジュールと同じ構成、作用を奏するので、同じ符号を付して説明を省略する。
Since the
図8は本発明に係る熱電変換装置の第4実施形態を示す図である。 FIG. 8 is a diagram showing a fourth embodiment of the thermoelectric conversion device according to the present invention.
図8は、熱電変換装置10Bを熱電変換ユニット45で構成した例を示す。熱電変換ユニット45は複数の熱電変換モジュール11を組み合わせて構成される。図8の例では、3個の熱電変換モジュール11を組み合わせて構成される。熱電変換ユニット45は複数の熱電変換モジュール11を電気的に直列あるいは並列に接続することにより組み立てられる。
FIG. 8 shows an example in which the
各熱電変換モジュール11は、偏平なボックス状容器である密閉ケーシング46内に格納される。密閉ケーシング46内は各熱電変換モジュール11の集合体である熱電変換ユニット45の酸化を防止するために気密構造に形成される。
Each
熱電変換ユニット45は密閉ケーシング46内に気密封止構造で封止され、収納されることにより、熱電変換ユニット45に外気から遮断されて気密に保持されるために、ユニットの酸化を有効的に防止でき、熱電変換ユニット45の機械的・物理的寿命を維持することができる。
Since the
密閉ケーシング46内に収容される熱電変換ユニット45は、要求される出力に応じて熱電変換モジュール11の個数やモジュール同士の接続方法が決定される。各熱電変換モジュール11は図2に示され熱電変換モジュール11と異ならないので、同じ符号を付して説明を省略する。
In the
複数の熱電変換モジュール11を収めた容器である密閉ケーシング46の壁面46aには白色または銀色等の熱反射率の高い物質で塗装が塗布され、熱反射率の高い被膜が形成される。塗装を施す代りに、密閉ケーシング46の壁面46aを鏡面状態に仕上げてもよい。
Coating is applied to the wall surface 46a of the sealed
図9は本発明に係る熱電変換装置の第5実施形態を示す図である。 FIG. 9 is a view showing a fifth embodiment of the thermoelectric conversion device according to the present invention.
図9は、熱電変換装置10Cを熱電変換ユニット50に適用した例を示すものである。この熱電変換ユニット50は、複数の熱電変換モジュール11Aを組み合わせて構成される。図8の例では、3個の熱電変換モジュール11Aを組み合わせて構成される。
FIG. 9 shows an example in which the
各熱電変換モジュール11Aは図3に示された熱電変換モジュール11Aと同じ構成、作用を有するので、同じ符号を付して説明を省略する。各熱電変換モジュール11Aは、偏平なボックス状容器である密閉ケーシング46内に格納される。密閉ケーシング46内は気密構造とされ、収納される熱電変換ユニット50の酸化を防止している。熱電変換ユニット50の酸化が防止されることにより、熱電変換ユニット50の機械的・物理的寿命を充分に維持させることができる。
Each
熱電変換ユニット50は、要求される出力に応じて熱電変換モジュール11Aの個数やモジュール同士の接続方法が決定される。各熱電変換モジュール11Aに備えられる熱損失防止構造の輻射防止板30は図8に示すように、各熱電変換モジュール11Aで共用させてもよく、各熱電変換モジュール11Aで個別に設けてもよい。
In the
図9では、熱電変換ユニット50を構成する各熱電変換モジュール11Aは、高温側および低温側絶縁基板12,13間の内部空間に1枚の輻射防止板30を介装させて熱損失防止構造とした例を示したが、各熱電変換モジュール11Aに代えて、図4ないし図6に示される熱電変換モジュール11B,11C,11Dを用いても、また、各熱電変換モジュール11Aを他の熱電変換モジュール11B,11C,11Dと共用させてもよい。
In FIG. 9, each
各熱電変換モジュール11A(11B,11C,11D)に輻射防止板30を設けることにより、熱損失防止構造とすることができ、熱輻射や対流作用による熱の流出を効率よく防止できる。
By providing the
図10は本発明に係る熱電変換装置の第6実施形態を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing a sixth embodiment of a thermoelectric conversion device according to the present invention.
図10は熱電変換装置10Dを熱伝導特性の優れた熱電変換モジュール11に適用した例を示す。
FIG. 10 shows an example in which the thermoelectric conversion device 10D is applied to a
この熱電変換装置10Dは、熱電変換モジュール11の高温側伝熱面12aを高温側系統55に接合させ、熱電変換モジュール11の低温側伝熱面13aを低温側系統56に接合させたものである。高温側系統55は、高温部材あるいは高温部位等の熱源(図示せず)から放出される輻射熱等の放熱を受熱あるいは集熱しており、高温側系統55で吸熱した熱は、熱伝導性に優れた高温側絶縁基板12に伝熱され、吸熱側電極18を経て熱電変換素子群15の各熱電変換素子16,17に導かれる。
This thermoelectric conversion device 10D is obtained by joining the high temperature side
その際、高温側系統55と熱電変換モジュール11との接合面あるいは接触面57の熱伝導特性を向上させるために、少なくとも一方の接合面(接触面)に、熱伝導性の優れた物質、例えばAu,Ag,Cuおよび酸化物等でメッキ処理(熱処理)を施している。
At that time, in order to improve the heat conduction characteristics of the joint surface or the
このメッキ処理(熱処理)は、低温側系統56と熱電変換モジュール11との接合面(接触面)58の少なくとも一方に施してもよい。また、熱電変換素子群15の各熱電変換素子16,17と吸熱側電極18の接合面あるいは接触面59の少なくとも一方、さらに、各熱電変換素子16,17と放熱側電極19の接合面あるいは接触面60の少なくとも一方に、それぞれ施すようにしてもよい。
This plating process (heat treatment) may be performed on at least one of the joint surfaces (contact surfaces) 58 between the low
熱電変換モジュール11と高温側系統55との接合面(接触面)の少なくとも一方、熱電変換モジュール11と低温側系統56との接合面の少なくとも一方、また、熱電変換素子群15の各熱電変換素子16,17と吸熱側電極18との接合面または接触面の少なくとも一方、さらには各熱電変換素子16,17と放熱側電極19との接合面の少なくとも一方に、熱伝導性の優れた物質でメッキ処理等の熱処理を施すことにより、接合面の接触面積を増大させることができ、熱電変換モジュール11の熱伝導特性を向上させることができる。
At least one of the joint surfaces (contact surfaces) between the
熱電変換モジュール11の熱伝導特性を向上させることにより、熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17に案内される熱流を増加させることができ、熱電変換性能、すなわち発電性能を向上させることができる。
By improving the heat conduction characteristics of the
また、熱電変換モジュール11の各接合面あるいは接触面の少なくとも一方の面に熱伝導性の優れた物質でメッキ処理する代りに、各接合面の間に熱伝導に優れた金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)の薄板を介装したり、銅等の熱伝導の良い薄板にAgまたは酸化物のメッキ処理を施したものを挟み込んでもよい。
In addition, instead of plating each bonding surface or at least one of the contact surfaces of the
さらに、この熱電変換装置10Dは、熱電変換モジュール11を備えた例を説明したが、この熱電変換モジュール11に代えて図3ないし図6に示された熱電変換モジュールを採用してもよい。
Furthermore, although this thermoelectric conversion apparatus 10D demonstrated the example provided with the
図11は、本発明に係る熱電変換装置の第7実施形態を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing a seventh embodiment of the thermoelectric conversion device according to the present invention.
図11は、熱電変換装置10Eを熱伝導特性に優れた熱電変換ユニット45に適用した例を示す。
FIG. 11 shows an example in which the
熱電変換ユニット45は、ボックス状偏平容器である密閉ケーシング46に複数の熱電変換モジュール11が格納される。熱電変換ユニット45は、複数の熱電変換モジュール11を組み合わせて構成される。図11では3個の熱電変換モジュール11を組み合わせた例を図示している。
In the
熱電変換ユニット45の外壁面は、高温側系統55および低温側系統56との接合面となる。高温側系統55は高温部材あるいは高温部位等の熱源から放出される輻射熱等の放熱を受熱あるいは集熱しており、高温側系統55で吸熱した熱は、熱電変換ユニット45に案内され、この熱電変換ユニット45の密閉ケーシング46を経て各熱電変換モジュール11に案内される。
The outer wall surface of the
その際、高温側系統55と熱電変換ユニット45との接合面あるいは接触面の熱伝導特性を向上させるために、少なくとも一方の接合面(接触面)に熱伝導特性の優れた物質、例えばAu,Ag,Cuおよびその酸化物のメッキ処理が施される。
At that time, in order to improve the heat conduction characteristics of the joint surface or the contact surface between the high
このメッキ処理は、熱電変換ユニット45の密閉ケーシング46と熱電変換モジュール11との接合面あるいは接触面の少なくとも一方、また、熱電変換ユニット45と低温側系統56との接合面の少なくとも一方にも施される。それぞれの接合面の間にメッキ処理を施す代りに、熱伝導の優れたAu,Pt,Ag,Cu等の薄板を介装してもよい。また、銅等の熱伝導の良い薄板にAg,Ptまたはその酸化物のメッキ処理を施したものを挟み込んでもよい。
This plating process is also applied to at least one of the joint surface or the contact surface between the sealed
この熱電変換装置10Eは熱電変換ユニット45と高温側系統55や低温側系統56との接合面の少なくとも一方、また、熱電変換ユニット45内の密閉ケーシング46と各熱電変換モジュール11との接合面の少なくとも一方に熱伝導性に優れた物質でメッキ処理を施したり、熱伝導性の優れた薄板を接合面間に介装させたので、熱電変換ユニット45の熱伝導特性を向上させることができる。
The
また、熱電変換ユニット45を構成する各熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17と電極との接合面の少なくとも一方に、熱伝導特性の優れた物質でメッキ処理を施してもよい。
In addition, at least one of the joint surfaces between the
この場合にも、熱電変換ユニット45は、高温側系統55や低温側系統56との接合面の熱伝導特性を向上させることができ、さらに熱電変換ユニット45は各熱電変換モジュール11と密閉ケーシング46との接合面の熱伝導特性を向上させることができ、熱伝導性が向上する。熱電変換ユニット45にメッキ処理等の熱処理を製造工程で加えて熱伝導性を向上させることができるので、高温側系統55から供給された熱を効率的に各熱電変換素子16,17に案内し、各熱電変換素子16,17を通過させて低温側系統56から放熱することができる。
Also in this case, the
高温側系統55で吸熱された熱が、各熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17に効率よく案内させることにより、各熱電変換素子16,17での熱電変換性能を向上させることができる。
The heat absorbed by the high-
10 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(熱電変換手段)
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 吸熱側電極
19 放熱側電極
20 半田層
21 吸熱面
22 放熱面
23 リード線
30 輻射防止板
33,38 間隔保持手段
34 ボルト
35 ナット
36 スペーサ
41 密閉ケーシング
45,50 熱電変換ユニット
46 密閉ケーシング
55 高温側系統
56 低温側系統
57,58,59,60 接合面(接触面)
DESCRIPTION OF
16 P-type semiconductor (thermoelectric conversion element)
17 N-type semiconductor (thermoelectric conversion element)
18 Heat
Claims (22)
熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、
上記熱電変換モジュール内部を、輻射・対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させるために、熱損失防止構造に構成し、
前記熱電変換モジュールは各熱電変換素子と吸熱側電極との接合面の少なくとも一方、および各熱電変換素子と放熱側電極との接合面の少なくとも一方に熱伝導特性の優れた物質のメッキあるいは塗装により被膜を形成したり、または前記各熱電変換素子と吸熱側電極との接合面および各熱電変換素子と放熱側電極との接合面に前記熱伝導特性の優れた物質で形成された薄板を介装させ、
さらに、前記各熱電変換素子の高温側吸熱面は、吸熱側電極に接触あるいは接合により自由度があり、リジットでない取付けとし、前記各熱電変換素子の低温側放熱面は、放熱側電極に直接あるいは半田層を介して一体に取り付けられ、
前記熱損失防止構造は、高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を、複数の偏平な小空間に区画するように、複数枚の輻射防止板を多段状に配列して構成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。 Sandwiching a thermoelectric conversion element group in which a plurality of thermoelectric conversion elements are arranged in a matrix between the opposing heat absorption side insulating substrate and the heat dissipation side insulating substrate;
In the thermoelectric conversion module configured by attaching the heat absorption side electrode to the heat absorption surface of the thermoelectric conversion element and attaching the heat radiation side electrode to the heat dissipation surface, respectively, and connecting all the thermoelectric conversion elements electrically in series and thermally in parallel,
In order to reduce the amount of heat that does not pass through the thermoelectric conversion element due to radiation and convection, the inside of the thermoelectric conversion module is configured in a heat loss prevention structure,
The thermoelectric conversion module is formed by plating or painting a material having excellent heat conduction characteristics on at least one of the joint surfaces of each thermoelectric conversion element and the heat absorption side electrode and at least one of the joint surfaces of each thermoelectric conversion element and the heat radiation side electrode. A thin plate formed of a material having excellent heat conduction characteristics is formed on the bonding surface between each thermoelectric conversion element and the heat absorption side electrode and the bonding surface between each thermoelectric conversion element and the heat radiation side electrode. Let
Further, the high temperature side heat absorption surface of each thermoelectric conversion element has a degree of freedom by contact or bonding to the heat absorption side electrode and is not rigidly attached, and the low temperature side heat radiation surface of each thermoelectric conversion element is directly or directly on the heat radiation side electrode. It is attached integrally through the solder layer ,
In the heat loss prevention structure, a plurality of radiation prevention plates are arranged in multiple stages so as to divide an internal space formed by the high temperature side insulating substrate and the low temperature side insulating substrate into a plurality of flat small spaces. A thermoelectric conversion module characterized by being configured .
熱電変換素子の吸熱面に吸熱側電極を、その放熱面に放熱側電極をそれぞれ取り付けて全熱電変換素子を電気的直列にかつ熱的に並列に接続して構成された熱電変換モジュールにおいて、
上記熱電変換モジュール内部を、輻射・対流により熱電変換素子を通過しない熱量を低減させるために、熱損失防止構造に構成する一方、
前記熱電変換モジュール内部の接合面の少なくとも一方に熱伝導特性に優れた物質を塗布またはメッキにより被膜を施したり、または、前記熱電変換モジュール内部の接合面に熱伝導特性に優れた物質からなる薄板を介装させ、
さらに、前記各熱電変換素子の高温側吸熱面は、吸熱側電極に接触あるいは接合により自由度があり、リジットでない取付けとし、前記各熱電変換素子の低温側放熱面は、放熱側電極に直接あるいは半田層を介して一体に取り付けられ、
前記熱損失防止構造は高温側絶縁基板と低温側絶縁基板とで形成される内部空間を複数枚の輻射防止板で偏平な小空間に多段状に仕切って構成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。 Sandwiching a thermoelectric conversion element group in which a plurality of thermoelectric conversion elements are arranged in a matrix between the opposing heat absorption side insulating substrate and the heat dissipation side insulating substrate;
In the thermoelectric conversion module constituted by attaching the heat absorption side electrode to the heat absorption surface of the thermoelectric conversion element and attaching the heat dissipation side electrode to the heat dissipation surface, respectively, and connecting all the thermoelectric conversion elements electrically in series and thermally in parallel,
In order to reduce the amount of heat that does not pass through the thermoelectric conversion element due to radiation and convection, the inside of the thermoelectric conversion module is configured in a heat loss prevention structure,
A thin plate made of a material having excellent heat conductivity on the bonding surface inside the thermoelectric conversion module, or by coating or plating a material having excellent heat conductivity on at least one of the bonding surfaces inside the thermoelectric conversion module Interpose
Further, the high temperature side heat absorption surface of each thermoelectric conversion element has a degree of freedom by contact or bonding to the heat absorption side electrode and is not rigidly attached, and the low temperature side heat radiation surface of each thermoelectric conversion element is directly or directly on the heat radiation side electrode. It is attached integrally through the solder layer ,
The heat loss prevention structure is characterized in that an internal space formed by a high-temperature side insulating substrate and a low-temperature side insulating substrate is formed by dividing a plurality of radiation prevention plates into flat small spaces in a multistage manner. module.
前記熱電変換モジュールを複数個組み合わせて熱電変換ユニットを構成したことを特徴とする熱電変換装置。 The thermoelectric conversion module according to claim 1 or 8 ,
A thermoelectric conversion device comprising a plurality of thermoelectric conversion modules to form a thermoelectric conversion unit.
密閉ケーシングと各熱電変換モジュールとの接合面に熱伝導特性の優れた物質から被膜あるいは薄板を施した請求項16記載の熱電変換装置。 The thermoelectric conversion unit has a plurality of thermoelectric conversion modules stored in a hermetically sealed casing.
The thermoelectric conversion device according to claim 16, wherein a coating or a thin plate is applied to a joint surface between the sealed casing and each thermoelectric conversion module from a material having excellent heat conduction characteristics.
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