JP6240514B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Description
本発明は、ゼーベック効果による熱電発電を行う熱電変換モジュールに関する。
熱電変換モジュールは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。
このような熱電変換モジュールは、一般的に、複数個の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。このような熱電変換モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている熱電変換モジュールは、一対の基板と、一方の端部が当該基板の一方に配置される第１電極と電気的に接続され、他方の端部が当該基板の他方に配置される第２電極と電気的に接続される複数の熱電変換素子と、当該熱電変換素子に電気的に接続される第１電極を、隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第２電極に、電気的に接続する接続部とを備えている。
しかしながら、特許文献１に開示されているような熱電変換モジュールの構造においては、熱電変換素子の寸法バラツキに起因して、熱電変換素子と電極との接合強度にバラツキが発生し、熱電変換モジュール全体としての強度の低下が生じてしまう。また、露出した熱電変換素子においても放熱がなされ、電極間の温度差がバラツキ且つ小さくなり、熱電変換効率の向上を図ることが困難である。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた強度及び熱電変換効率を備えるとともに、安定した熱電発電を行うことができる熱電変換モジュールを提供することにある。
上述した目的達成するため、本発明の熱電変換モジュールは、並設された複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、前記第１電極の冷却をなす冷却機構と、前記第１電極を被覆する第１被覆部材と、前記複数の熱電変換素子のそれぞれの少なくとも一部分を被覆する第２被覆部材と、を有し、前記第２被覆部材は前記第１被覆部材よりも低い熱伝導率を備え、前記複数の熱電変換素子及び前記第２電極を被覆することを特徴とする。
上述した熱電変換モジュールにおいて、前記第１被覆部材は、金属材料が混合された樹脂からなってもよい。
上述したいずれかの熱電変換モジュールにおいて、前記第２被覆部材は、断熱材料を含んでいてもよい。また、このような場合、前記第２被覆部材は、前記断熱材料が混合された樹脂からなってもよい。
本発明に係る熱電変換モジュールによれば、モジュール自体の強度を向上させつつ、優れた熱電変換効率によって安定した熱電発電を行うことができる。
以下、図面を参照し、本発明による熱電変換モジュールの実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による熱電変換モジュール又はその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。
＜実施例＞
（熱電変換モジュールの構造）
以下において、図１及び図２を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１の構造について説明する。ここで、図１は本実施例に係る熱電変換モジュール１の斜視図であり、図２は図１における線II-IIに沿った断面図である。そして、図１における一方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、及びＺ方向と定義するとともに、特に熱電変換モジュール１の高さ方向をＺ方向と定義する。
（熱電変換モジュールの構造）
以下において、図１及び図２を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１の構造について説明する。ここで、図１は本実施例に係る熱電変換モジュール１の斜視図であり、図２は図１における線II-IIに沿った断面図である。そして、図１における一方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、及びＺ方向と定義するとともに、特に熱電変換モジュール１の高さ方向をＺ方向と定義する。
図１及び図２から分かるように、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、並設された複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、当該第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの端部に設けられた第１電極３ａ及び第２電極３ｂと、第１電極３ａを被覆するように設けられた第１被覆部材４と、当該第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを被覆するように設けられた第２被覆部材５と、第２電極３ｂを支持するように設けられた支持基板６と、を有している。
本実施例において、第１熱電変換素子２ａはＮ型半導体材料から構成され、第２熱電変換素子２ｂはＰ型半導体材料から構成されている。そして、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、交互且つマトリックス状に配置されており、且つ第１電極３ａ及び第２電極３ｂを介して電気的に接続されている。
本実施例において、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、一辺が約３ｍｍであり、長さが５ｍｍから１０ｍｍの直方体状に形成されているが、このような形状に限定されることなく、例えば円柱状であってもよい。
第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、同一の形状（平板状）を有し、例えば、銅板から形成されている。また、図１に示すように、第１電極３ａは、Ｘ方向の両端に配置された５個（より具体的には、＋Ｘ方向の端部に２個、−Ｘ方向の端部に３個）がＹ方向に延在するように長辺方向の向きが調整され、当該５個に挟まれた１２個がＸ方向に延在するように長辺方向の向きが調整されている。一方、第２電極３ｂ全て（１８個）は、Ｘ方向に延在するように長辺方向の向きが調整されている。更に、第１電極３ａ及び第２電極３ｂの表面上であって両端部分に、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが接合されている。すなわち、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを挟むように配置されている。
このような第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの配置関係により、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続されることになる。より具体的には、図１及び図２に示すように、第２電極３ｂの熱電変換素子が接合されていない部分である外部接続部７から外部接続部８に至る直列接続回路が形成されることになる。ここで、図１及び図２には図示していないものの、外部接続部７、８には、外部接続配線が半田等の接合部材により接合されることになる。
なお、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、銅板に限定されることなく、他の導電性材料（例えば、アルミニウム等の金属材料）によって形成されてもよい。また、第１電極３ａ及び第２電極３ｂの数量、形状は上述した内容に限定されることなく、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂ（すなわち、起電力の大きさ）に応じて適宜変更することができる。更には、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを並列に接続するように第１電極３ａ及び第２電極３ｂを配設してもよい。
図１及び図２から分かるように、第１被覆部材４は、第１電極３ａが埋設されるように、第１電極３ａの表面を被覆している。また、第１被覆部材４は絶縁性を備える樹脂から形成され、且つ当該樹脂には熱伝導性材料として機能するアルミニウム、銅、又は窒化アルミニウム等の金属材料が混合されている。このような構造により、第１被覆部材４は、比較的に高い熱伝導性を備えるとともに、第１電極３ａの周囲の電気的絶縁状態を良好に維持する。
また、図２に示すように、第１被覆部材４には、空洞４ａが形成されている。当該空洞４ａには冷却水が供給され、当該冷却水を循環させることによって空洞４ａの周囲を冷却することができる。すなわち、第１被覆部材４には、冷却機構９が形成されている。このような冷却機構９が第１被覆部材４に形成されることにより、第１電極３ａを冷却することができる。特に、第１被覆部材４が比較的に高い熱伝導性を備えているため、冷却機構９による冷却効果を高める（すなわち、効率よく冷却する）ことができる。このように第１電極３ａが冷却されると、第１電極３ａと第２電極３ｂとの間に温度差が発生し、起電力が生じることになる。
なお、本実施例においては、第１被覆部材４に空洞４ａを形成し、当該空洞４ａ内に冷却水を供給することで、第１電極３ａの冷却を可能にしているが、空洞４ａに代えて複数の凸部を形成し、第１被覆部材４をヒートシンクとして機能させてもよい。すなわち、本実施例のような水冷の冷却機構ではなく、空冷の冷却機構を用いてもよい。
図１及び図２から分かるように、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、及び第２電極３ｂが埋設されるように、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、及び第２電極３ｂを被覆している。また、第２被覆部材５は絶縁性を備える樹脂から形成され、且つ当該樹脂には断熱材料が混合されている。例えば、第２被覆部材５を形成する断熱材料としては、グラスウール等の繊維系断熱材やポリスチレンフォーム等の発泡系断熱材を用いることができる。
このような構造により、第２被覆部材５は、第１被覆部材４よりも低い熱伝導性を備え、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、及び第２電極３ｂにおける放熱を抑制する機能を備える。そして、第２被覆部材５は、第１電極３ａ及び第２電極３ｂ間の温度差を大きくし且つその温度差を一定に保ち、より大きな起電力を生じさせることができる。また、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、及び第２電極３ｂの周囲の電気的絶縁状態を良好に維持する。
また、第２被覆部材５によって第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、及び第２電極３ｂが比較的に強固に保持されているため、熱電変換モジュール１自体の強度を向上させることがきる。更に、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが完全に被覆されているため、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの破損及び汚れ等を防止することができ、熱電変換モジュール１自体の熱電変換効率及び信頼性の低下を抑制することができる。そして、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ及び第２電極３ｂとの接合界面の縁部が露出しないため、熱電変換素子と電極との接合強度を向上させるとともに、経年変化にともなう接合強度の低下を抑制することができ、接合界面におけるクラックの発生を防止できる。
なお、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、及び第２熱電変換素子２ｂを完全に被覆している必要はなく、その一部分を被覆していてもよい。このような場合であっもて、第１電極３ａと第２電極３ｂとの間に温度差を生じさせつつ当該温度差を一定に保つことができ、熱電変換モジュール１自体の強度を向上させることができるからである。
また、第２被覆部材５は、第１被覆部材４と同様に、熱伝導性材料として機能する材料が混合されていてもよい。このような場合であっても、第２被覆部材５は、第１被覆部材４よりも低い熱伝導性を備える必要がある。
更に、第２被覆部材５にも、第１被覆部材４と同様に空洞を設け、冷却水を供給出来るようにしてもよい。すなわち、第２被覆部材５にも冷却機構を形成してもよい。このような構成とすることで、第１電極３ａと第２電極３ｂとの間の温度差をより高精度で一定に保つことができる。
そして、本実施例においては、第１被覆部材４及び第２被覆部材５の主材料が樹脂であったが、セラミックス等の材料を用いてもよい。このような場合であっても、第２電極３ｂを被覆する材料が、第１電極３ａを被覆する材料よりも低い熱伝導率を備える必要がある。
図２に示すように、支持基板６は、第２電極３ｂを支持するように、第２電極３ｂと接合している。支持基板６は、絶縁材料から構成されており、例えば、ガラスエポキシ基板等の一般的な絶縁基板を用いることができる。
（熱電変換モジュールの製造方法）
本実施例に係る熱電変換モジュール１の製造方法としては、製造装置を構成する通電加圧部材として機能する２つのパンチの間に、準備した第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂを配置する。その後、２つのパンチを第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂに向かって加圧しつつ電流を供給する。これにより、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ及び第２電極３ｂとが拡散接合（プラズマ接合）され、複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続される。このような通電加圧は、真空、窒素ガス、又は不活性ガス雰囲気のチャンバ内で行われる。
本実施例に係る熱電変換モジュール１の製造方法としては、製造装置を構成する通電加圧部材として機能する２つのパンチの間に、準備した第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂを配置する。その後、２つのパンチを第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂに向かって加圧しつつ電流を供給する。これにより、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ及び第２電極３ｂとが拡散接合（プラズマ接合）され、複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続される。このような通電加圧は、真空、窒素ガス、又は不活性ガス雰囲気のチャンバ内で行われる。
次に、接合した状態の第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂを支持基板６上に実装する。より具体的には、支持基板６上に形成された金属パターン上に第２電極３ｂを半田等の接合部材を介して接合し、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの支持をなす。
次に、一般的なインサート形成によって第２被覆部材５を形成し、その後に同様のインサート形成によって第１被覆部材４を形成する。ここで、第１被覆部材４を形成する際に、金型等によって空洞４ａを同時に形成する。
以上の工程を経て、熱電変換モジュール１が完成することになる。
（本実施例の効果）
以上のように、本実施例の熱電変換モジュール１は、並設された複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、これらの熱電変換素子の一端に接合され、隣接する熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極３ａと、これらの熱電変換素子の他端に接合され、隣接する熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極３ｂと、第１電極３ａの冷却をなす冷却機構９と、第１電極３ａを被覆する第１被覆部材４と、これらの熱電変換素子を被覆する第２被覆部材５と、を有している。また、本実施例の熱電変換モジュール１において、第２被覆部材５は第１被覆部材４よりも低い熱伝導率を備えている。
以上のように、本実施例の熱電変換モジュール１は、並設された複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、これらの熱電変換素子の一端に接合され、隣接する熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極３ａと、これらの熱電変換素子の他端に接合され、隣接する熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極３ｂと、第１電極３ａの冷却をなす冷却機構９と、第１電極３ａを被覆する第１被覆部材４と、これらの熱電変換素子を被覆する第２被覆部材５と、を有している。また、本実施例の熱電変換モジュール１において、第２被覆部材５は第１被覆部材４よりも低い熱伝導率を備えている。
このような熱電変換モジュール１の構造により、熱電変換モジュール１の低温側となる第１電極３ａと、高温側となる第２電極３ｂとの温度差を一定に保つことができ、更には第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの周囲の電気的絶縁状態を良好に維持することができるため、安定した熱電発電を行うことができる。
また、熱伝導性の異なる第１被覆部材４及び第２被覆部材５によって第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂを被覆して保持することにより、これらの構成部材が外力等の影響を受けにくくなり、熱電変換モジュール１自体としての強度が向上される。
更に、第２被覆部材５の熱伝導率を第１被覆部材４の熱伝導率よりも低くしているため、低温側に位置する第１電極３ａを良好に冷却しつつ、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂにおける温度低下を抑制することができる。これにより、熱電変換モジュール１の熱電変換効率を向上させつつ、安定した熱電発電を行うことができる。
本実施例の熱電変換モジュール１において、第１被覆部材４は、銅、又は窒化アルミニウム等の金属材料が混合された樹脂から形成されているため、熱伝導性が比較的に高くなり、第１電極３ａをより良好に冷却することができる。
本実施例の熱電変換モジュール１において、第２被覆部材５は、断熱材料が混合された樹脂から形成されているため、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂにおける温度低下の抑制をより一層図ることができる。
本実施例の熱電変換モジュール１において、第２被覆部材５は、複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの全体、並びに第２電極３ｂを被覆しているため、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂにおける温度低下の抑制、及び熱電変換モジュール１自体の強度の向上を図ることができる。
１ 熱電変換モジュール
２ａ 第１熱電変換素子
２ｂ 第２熱電変換素子
３ａ 第１電極
３ｂ 第２電極
４ 第１被覆部材
４ａ 空洞
５ 第２被覆部材
６ 支持基板
７ 外部接続部
８ 外部接続部
９ 冷却機構
２ａ 第１熱電変換素子
２ｂ 第２熱電変換素子
３ａ 第１電極
３ｂ 第２電極
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４ａ 空洞
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９ 冷却機構
Claims (5)
- 並設された複数の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の一端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する第１電極と、
前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する第２電極と、
前記第１電極の冷却をなす冷却機構と、
前記第１電極を被覆する第１被覆部材と、
前記複数の熱電変換素子のそれぞれの少なくとも一部分を被覆する第２被覆部材と、を有し、
前記第２被覆部材は前記第１被覆部材よりも低い熱伝導率を備え、前記複数の熱電変換素子及び前記第２電極を被覆することを特徴とする熱電変換モジュール。 - 前記冷却機構は、前記第１被覆部材内に形成された空洞に冷却水を循環させ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。
- 前記第１被覆部材は、金属材料が混合された樹脂からなることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第２被覆部材は、断熱材料を含むことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第２被覆部材は、前記断熱材料が混合された樹脂からなることを特徴とする請求項４に記載の熱電変換モジュール。
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