JP7313660B2 - Thermoelectric conversion module - Google Patents
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Description
本発明は、熱電変換モジュール、特に、熱電発電に使用される熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module, particularly to a thermoelectric conversion module used for thermoelectric power generation.
従来より、熱電発電用の熱電変換モジュールが知られている。このような熱電変換モジュールは、一般に、複数の熱電素子(n型半導体素子及びp型半導体素子)と、複数の熱電素子を電気的に接続するための複数の金属電極と、複数の熱電素子及び複数の金属電極を挟持する一対の絶縁基板(例えば、セラミック基板)とによって構成されている。 BACKGROUND ART Conventionally, thermoelectric conversion modules for thermoelectric power generation have been known. Such a thermoelectric conversion module generally includes a plurality of thermoelectric elements (n-type semiconductor elements and p-type semiconductor elements), a plurality of metal electrodes for electrically connecting the plurality of thermoelectric elements, and a pair of insulating substrates (for example, ceramic substrates) sandwiching the plurality of thermoelectric elements and the plurality of metal electrodes.
熱電発電用の熱電変換モジュールにおいては、高温面(高温側絶縁基板)と低温面(低温側絶縁基板)との間に所定(例えば、300℃程度)の温度差を与えることによって発電が行われる。 In a thermoelectric conversion module for thermoelectric power generation, power is generated by providing a predetermined temperature difference (for example, about 300° C.) between a high temperature surface (high temperature side insulating substrate) and a low temperature surface (low temperature side insulating substrate).
従来の熱電変換モジュールは、熱流方向と垂直な面が広く、熱流方向の厚さが薄い平板状の形状を有しているため、高温面を加熱した際、熱源から流入する熱の大部分は、発電に利用されずにそのまま熱伝導によって低温面へ流出してしまうことになる。そのため、そのままでは、低温面の温度が上昇して、充分な温度差が確保できないことになるので、従来の熱電変換モジュールにおいては、低温面にヒートシンクを接合し、さらにそのヒートシンクを強制空冷するなどして、高温面と低温面との間に発電に必要な温度差を確保するようにしていた。 A conventional thermoelectric conversion module has a flat plate shape with a wide surface perpendicular to the heat flow direction and a thin thickness in the heat flow direction. As a result, the temperature of the low-temperature surface rises and a sufficient temperature difference cannot be ensured. Therefore, in a conventional thermoelectric conversion module, a heat sink is attached to the low-temperature surface, and the heat sink is forcedly air-cooled to ensure the temperature difference necessary for power generation between the high-temperature surface and the low-temperature surface.
しかしながら、熱電変換モジュールとヒートシンクとは、通常、熱伝導性グリース等を介して接合されるため、低温面から雰囲気(例えば、25℃程度の空気)までの熱伝達路に大きな熱抵抗が存在することとなり、その分、冷却効率が低下することになっていた。 However, since the thermoelectric conversion module and the heat sink are usually bonded via thermally conductive grease or the like, there is a large thermal resistance in the heat transfer path from the low temperature surface to the atmosphere (for example, air at about 25° C.), which reduces the cooling efficiency.
なお、特開平8-46248号公報には、金属電極をパターニングしてある一対の絶縁性セラミックス基板で、n型熱電材料とp型熱電材料が挟まれた構造をしている熱電素子の性能を高めるため、その外側に放熱板と吸熱板がシリコングリースなどにより接着されている構成が開示されている。 Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-46248 discloses a configuration in which a heat radiating plate and a heat absorbing plate are adhered to the outside of the thermoelectric element with silicone grease or the like in order to enhance the performance of the thermoelectric element, which has a structure in which an n-type thermoelectric material and a p-type thermoelectric material are sandwiched between a pair of insulating ceramic substrates on which metal electrodes are patterned.
本発明の目的は、熱電素子の低温側の冷却効率を向上させることが可能な熱電変換モジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion module capable of improving the cooling efficiency on the low temperature side of thermoelectric elements.
本発明に係る第一の熱電変換モジュールは、少なくとも一つの熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記熱電発電部は、熱電素子と、当該熱電素子の低温端に接続された低温側導電部とを備え、前記低温側導電部は、前記熱電素子と同じ極性のゼーベック係数を有することを特徴とする。 A first thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric conversion module having at least one thermoelectric power generation section, wherein the thermoelectric power generation section includes a thermoelectric element and a low temperature side conductive section connected to a low temperature end of the thermoelectric element, and the low temperature side conductive section has a Seebeck coefficient of the same polarity as that of the thermoelectric element.
この場合において、前記熱電素子の高温端に接続された高温側導電部を更に備えるようにしてもよい。この場合、前記高温側導電部は、前記熱電素子とは逆の極性のゼーベック係数を有するようにしてもよい。 In this case, a high temperature side conductive portion connected to the high temperature end of the thermoelectric element may be further provided. In this case, the high-temperature-side conductive portion may have a Seebeck coefficient opposite in polarity to that of the thermoelectric element.
本発明に係る第二の熱電変換モジュールは、少なくとも一つの熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記熱電発電部は、高温端が電気的に接続された一対の熱電素子と、当該一対の熱電素子それぞれの低温端に接続された一対の低温側導電部とを備え、前記一対の低温側導電部はそれぞれ、対応する熱電素子と同じ極性のゼーベック係数を有することを特徴とする。 A second thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric conversion module having at least one thermoelectric power generation unit, wherein the thermoelectric power generation unit includes a pair of thermoelectric elements having high temperature ends electrically connected to each other, and a pair of low temperature side conductive portions connected to low temperature ends of the pair of thermoelectric elements, and each of the pair of low temperature side conductive portions has a Seebeck coefficient of the same polarity as that of the corresponding thermoelectric element.
以上の場合において、前記熱電発電部を、複数備えるようにしてもよい。 In the above case, a plurality of thermoelectric generators may be provided.
本発明に係る第三の熱電変換モジュールは、複数の熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記複数の熱電発電部はそれぞれ、熱電素子と、当該熱電素子の低温端に接続された低温側導電部と、前記熱電素子の高温端に接続された高温側導電部とを備え、前記低温側導電部は、ヒートシンクとして機能することを特徴とする。 A third thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric conversion module including a plurality of thermoelectric power generation units, each of the plurality of thermoelectric power generation units comprising a thermoelectric element, a low temperature side conductive portion connected to the low temperature end of the thermoelectric element, and a high temperature side conductive portion connected to the high temperature end of the thermoelectric element, and the low temperature side conductive portion functions as a heat sink.
本発明に係る第四の熱電変換モジュールは、複数の熱電発電部を備えた熱電変換モジュールであって、前記複数の熱電発電部はそれぞれ、高温端が電気的に接続された一対の熱電素子と、当該一対の熱電素子それぞれの低温端に接続された一対の低温側導電部とを備え、前記一対の低温側導電部はそれぞれ、ヒートシンクとして機能することを特徴とする。 A fourth thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric conversion module comprising a plurality of thermoelectric power generation units, each of the plurality of thermoelectric power generation units comprising a pair of thermoelectric elements having high temperature ends electrically connected to each other, and a pair of low temperature side conductive portions connected to low temperature ends of the pair of thermoelectric elements, respectively, and each of the pair of low temperature side conductive portions functioning as a heat sink.
以上の場合において、前記低温側導電部は、電線で構成されているようにしてもよい。 In the above case, the low-temperature-side conductive portion may be composed of an electric wire.
また、上記第一又は第三の熱電変換モジュールにおいて、前記高温側導電部は、電線で構成されているようにしてもよい。 Further, in the first or third thermoelectric conversion module, the high-temperature-side conductive portion may be composed of an electric wire.
また、上記第二又は第四の熱電変換モジュールにおいて、前記熱電発電部は、前記一対の熱電素子の高温端を電気的に接続する高温側電極を更に備えるようにしてもよい。 Moreover, in the second or fourth thermoelectric conversion module, the thermoelectric power generation section may further include a high temperature side electrode that electrically connects the high temperature ends of the pair of thermoelectric elements.
また、以上の場合において、前記熱電発電部の高温側に配置された絶縁基板を更に備えるようにしてもよい。 In the above case, the thermoelectric generator may further include an insulating substrate arranged on the high temperature side of the thermoelectric generator.
本発明によれば、熱電素子の低温側の冷却効率を向上させることが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to improve the cooling efficiency of the low temperature side of a thermoelectric element.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
《第一実施形態》
図1は、本発明による熱電発電部の構成を説明するための図である。
<<First embodiment>>
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a thermoelectric generator according to the present invention.
同図に示すように、本発明による第一の熱電発電部100は、熱電素子110と、低温側導電部120と、高温側導電部130とを備える。
As shown in the figure, the first
熱電素子110は、所定(例えば、直方体状)の形状を有し、その両端に温度差が与えられると、ゼーベック効果により、起電力を生じさせるものであり、本実施形態においては、n型半導体又はp型半導体によって構成される。熱電素子110の材料としては、例えば、マグネシウムシリサイド(Mg2Si)、鉄シリサイド(FeSi2)、マンガンシリサイド(MnSi1.73)等が考えられる。
The
低温側導電部120は、熱電素子110の低温端に接続されて、熱電素子110によって発電された電力を外部に取り出すためのものであり、本実施形態においては、電線(金属線)によって構成されている。低温側導電部121は、例えば、ろう付けによって、熱電素子110の低温端に接合される。
The low-temperature-side
低温側導電部120は、熱電素子110と同じ極性の熱起電力(ゼーベック係数)を有する材料で構成されている。すなわち、熱電素子110のゼーベック係数が負の値を有する場合は、ゼーベック係数が負の値を有する材料(例えば、アルメル、コンスタンタン等)で構成され、熱電素子110のゼーベック係数が正の値を有する場合は、ゼーベック係数が正の値を有する材料(例えば、銅、鉄、クロメル等)で構成される。
The low-temperature-side
高温側導電部130は、熱電素子110の高温端に接続されて、熱電素子110によって発電された電力を外部に取り出すためのものであり、本実施形態においては、電線によって構成されている。高温側導電部130は、例えば、ろう付けによって、熱電素子110の高温端に接合される。
The high-temperature-side
高温側導電部130は、熱電素子110とは逆の極性の熱起電力(ゼーベック係数)を有する材料で構成されている。すなわち、熱電素子110のゼーベック係数が負の値を有する場合は、ゼーベック係数が正の値を有する材料(例えば、銅、鉄、クロメル等)で構成され、熱電素子110のゼーベック係数が正の値を有する場合は、ゼーベック係数が負の値を有する材料(例えば、アルメル、コンスタンタン等)で構成される。
The high-temperature-side
低温側導電部120及び高温側導電部130は、充分な長さを有するように構成されており、低温側導電部120は、熱電素子110の低温端を冷却するためのヒートシンク(放熱部)としても機能することになる。低温側導電部120及び高温側導電部130を、充分な長さを有するように構成することで、強制空冷をすることなく、熱電素子110の高温端と低温端との間に必要な温度差を確保することが可能となる。
The low-temperature-side
また、熱電発電部100においては、熱電素子110と、ヒートシンク(放熱部)として機能する低温側導電部120とが、絶縁基板や熱伝導性グリースを介することなく、直接接合されているので、従来の熱電変換モジュールと比較して、熱電素子110の低温側の熱抵抗が低減し、熱電素子110の低温側の冷却効率を向上させることができる。
In addition, in the thermoelectric
また、熱電発電部100においては、低温側導電部120を熱電素子110と同じ極性の熱起電力(ゼーベック係数)を有する材料で構成するようにしているので、低温側導電部120の両端に与えられた温度差によって、低温側導電部120においても、熱電素子110と同じ向きの起電力が生じることとなり、その分、熱電発電部100全体での起電力を大きくすることができる。
In addition, in the thermoelectric
《第二実施形態》
図2は、本発明による別の熱電発電部の構成を説明するための図である。
<<Second embodiment>>
FIG. 2 is a diagram for explaining the configuration of another thermoelectric generator according to the present invention.
同図に示すように、本発明による第二の熱電発電部200は、一対の熱電素子211,212と、一対の低温側導電部221,222と、高温側電極230とを備える。
As shown in the figure, the second
熱電素子211,212は、所定(例えば、直方体状)の形状を有し、その両端に温度差が与えられると、ゼーベック効果により、起電力を生じさせるものである。本実施形態においては、一方の熱電素子211は、n型半導体で構成され、他方の熱電素子212は、p型半導体によって構成される。熱電素子211,212の材料としては、例えば、マグネシウムシリサイド(Mg2Si)、鉄シリサイド(FeSi2)、マンガンシリサイド(MnSi1.73)等が考えられる。
The
低温側導電部221,222はそれぞれ、熱電素子211,212の低温端に接続されて、熱電素子211,212によって発電された電力を外部に取り出すためのものであり、本実施形態においては、電線によって構成されている。低温側導電部221,222は、例えば、ろう付けによって、熱電素子211,212の低温端に接合される。
The low temperature side
低温側導電部221,222はそれぞれ、対応する熱電素子211,212と同じ極性の熱起電力(ゼーベック係数)を有する材料で構成されている。すなわち、n型半導体で構成される熱電素子211に接続される低温側導電部221は、ゼーベック係数が負の値を有する材料(例えば、アルメル、コンスタンタン等)で構成され、p型半導体で構成される熱電素子212に接続される低温側導電部222は、ゼーベック係数が正の値を有する材料(例えば、銅、鉄、クロメル等)で構成される。
The low-temperature-side
高温側電極230は、熱電素子211,212の高温端に接続されて、熱電素子211,212の高温端を電気的に接続するものであり、本実施形態においては、導電性を有する平板状の部材(金属板)によって構成されている。熱電素子211,212及び高温側電極230によってπ型熱電素子が構成されることになる。高温側電極230は、電気伝導率が高い金属(例えば、銅)で構成されており、例えば、ろう付けによって、熱電素子211及び212の高温端に接合される。
The high-
低温側導電部221,222は、充分な長さを有するように構成されており、低温側導電部221,222はそれぞれ、対応する熱電素子211、212の低温端を冷却するためのヒートシンク(放熱部)としても機能することになる。低温側導電部221、222を、充分な長さを有するように構成することで、強制空冷をすることなく、熱電素子211,212の高温端と低温端との間に必要な温度差を確保することが可能となる。
The low temperature side
また、熱電発電部200においては、熱電素子211,212と、ヒートシンク(放熱部)として機能する低温側導電部221,222とが、絶縁基板や熱伝導性グリースを介することなく、直接接合されているので、従来の熱電変換モジュールと比較して、熱電素子211,212の低温側の熱抵抗が低減し、熱電素子211,212の低温側の冷却効率を向上させることができる。
In addition, in the thermoelectric
また、熱電発電部200においては、低温側導電部221,222を、対応する熱電素子211,212と同じ極性の熱起電力(ゼーベック係数)を有する材料で構成するようにしているので、低温側導電部221,222の両端に生じる温度差によって、低温側導電部221,222においても、対応する熱電素子211,212と同じ向きの起電力が生じることとなり、その分、熱電発電部200全体での起電力を大きくすることができる。
In addition, in the thermoelectric
《第三実施形態》
次に、前述した第一の熱電発電部100を使用した熱電変換モジュールについて説明する。
<<Third Embodiment>>
Next, a thermoelectric conversion module using the first
図3は、本発明による熱電変換モジュールの構成を説明するための図である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the configuration of the thermoelectric conversion module according to the present invention.
同図に示すように、本発明による第一の熱電変換モジュール300は、複数(同図に示した例では、5つ)の熱電発電部100a~100eと、絶縁基板340と備える。
As shown in the figure, the first
なお、同図では、簡単のため、複数の熱電発電部100a~100eを直線状に並列配置した場合を示しているが、従来の熱電変換モジュールと同様に、複数の熱電発電部を面状に並列配置するようにしてもよい。
For the sake of simplicity, FIG. 1 shows a case in which a plurality of thermoelectric
複数の熱電発電部100a~100eはそれぞれ、前述した熱電発電部100と同じ構成を有するものであり、熱電素子110a~110eと、低温側導電部120a~120eと、高温側導電部130a~130eとを備える。
Each of the plurality of
複数の熱電発電部100a~100eはそれぞれ、前述した熱電発電部100と同じ構成を有しているので、前述した熱電発電部100と同様の効果を奏することになる。
Since each of the plurality of thermoelectric
絶縁基板340は、複数の熱電発電部100a~100eの高温側に接合されて、熱電変換モジュール300の高温面を構成するものであり、例えば、セラミックスによって構成される。
The insulating
以上のような構成を有する熱電変換モジュール300は、電源として要求される電圧・電流の仕様に応じて、低温側導電部120a~120e及び高温側導電部130a~130eの端部を適宜、電気的に接続し、複数の熱電発電部100a~100eを直列又は並列に適宜接続した状態で使用されることになる。
The
図4~図6は、熱電変換モジュール300を使用する際の状態を説明するための図である。
4 to 6 are diagrams for explaining the state when the
図4は、熱電変換モジュール300が備える5つの熱電発電部100a~100eを直列に接続して使用する例を示し、図5は、熱電変換モジュール300が備える4つの熱電発電部100a~100dを直列に接続して使用する例を示し、図6は、熱電変換モジュール300が備える4つの熱電発電部100a~100c、100eを直列に接続して使用する例を示している。
FIG. 4 shows an example in which the five thermoelectric
図4に示した例においては、熱電発電部100aの低温側導電部120aと熱電発電部100bの高温側導電部130bとが配線401で接続され、熱電発電部100bの低温側導電部120bと熱電発電部100cの高温側導電部130cとが配線402で接続され、熱電発電部100cの低温側導電部120cと熱電発電部100dの高温側導電部130dとが配線403で接続され、熱電発電部100dの低温側導電部120dと熱電発電部100eの高温側導電部130eとが配線404で接続され、熱電発電部100eの低温側導電部120eと負荷450の一方の端子とが配線405で接続され、負荷450の他方の端子と熱電発電部100aの高温側導電部130aとが配線406で接続されている。
In the example shown in FIG. 4, the low temperature side
また、図5に示した例においては、熱電発電部100aの低温側導電部120aと熱電発電部100bの高温側導電部130bとが配線501で接続され、熱電発電部100bの低温側導電部120bと熱電発電部100cの高温側導電部130cとが配線502で接続され、熱電発電部100cの低温側導電部120cと熱電発電部100dの高温側導電部130dとが配線503で接続され、熱電発電部100dの低温側導電部120dと負荷550の一方の端子とが配線504で接続され、負荷550の他方の端子と熱電発電部100aの高温側導電部130aとが配線505で接続されている。
Further, in the example shown in FIG. 5, the low temperature side
また、図6に示した例においては、熱電発電部100aの低温側導電部120aと熱電発電部100bの高温側導電部130bとが配線501で接続され、熱電発電部100bの低温側導電部120bと熱電発電部100cの高温側導電部130cとが配線502で接続され、熱電発電部100cの低温側導電部120cと熱電発電部100eの高温側導電部130eとが配線506で接続され、熱電発電部100eの低温側導電部120eと負荷550の一方の端子とが配線507で接続され、負荷550の他方の端子と熱電発電部100aの高温側導電部130aとが配線505で接続されている。
Further, in the example shown in FIG. 6, the low temperature side
図4及び図5に示すように、熱電変換モジュール300においては、外部の結線を切り替えることにより、複数の熱電発電部100a~100eを自由に組み合わせて使用することができるので、電源として要求される電圧・電流の仕様に柔軟に対応することが可能となる。
As shown in FIGS. 4 and 5, in the
また、複数の熱電発電部100a~100eの一部(例えば、熱電発電部100d)が破損した場合でも、図5に示すように、使用していない熱電発電部(例えば、熱電発電部100e)が存在している場合は、図6に示すように、外部の結線を一部変更するだけで、熱電変換モジュール300の使用を継続することが可能となる。
Further, even if some of the plurality of thermoelectric
《第四実施形態》
次に、前述した第二の熱電発電部200を使用した熱電変換モジュールについて説明する。
<<Fourth embodiment>>
Next, a thermoelectric conversion module using the second
図7は、本発明による別の熱電変換モジュールの構成を説明するための図である。 FIG. 7 is a diagram for explaining the configuration of another thermoelectric conversion module according to the present invention.
同図に示すように、本発明による第二の熱電変換モジュール700は、複数(同図に示した例では、5つ)の熱電発電部200a~200eと、絶縁基板740と備える。
As shown in the figure, the second
なお、同図では、簡単のため、複数の熱電発電部200a~200eを直線状に並列配置した場合を示しているが、従来の熱電変換モジュールと同様に、複数の熱電発電部を面状に並列配置するようにしてもよい。
For the sake of simplicity, FIG. 1 shows a case in which a plurality of thermoelectric
複数の熱電発電部200a~200eはそれぞれ、前述した熱電発電部200と同じ構成を有するものであり、一対の熱電素子211a~211e,212a~212eと、一対の低温側導電部221a~221e,222a~222eと、高温側電極230a~230eとを備える。
Each of the plurality of thermoelectric
複数の熱電発電部200a~200eはそれぞれ、前述した熱電発電部200と同じ構成を有しているので、前述した熱電発電部200と同様の効果を奏することになる。
Since each of the plurality of thermoelectric
絶縁基板740は、複数の熱電発電部200a~200eの高温側に接合されて、熱電変換モジュール700の高温面を構成するものであり、例えば、セラミックスによって構成される。
The insulating
以上のような構成を有する熱電変換モジュール700は、熱電変換モジュール300と同様、電源として要求される電圧・電流の仕様に応じて、低温側導電部221a~221e,222a~222eの端部を適宜、電気的に接続し、複数の熱電発電部200a~200eを直列又は並列に適宜接続した状態で使用されることになる。
Like the
図8~図10は、熱電変換モジュール700を使用する際の状態を説明するための図である。
8 to 10 are diagrams for explaining the state when the
図8は、熱電変換モジュール700が備える5つの熱電発電部200a~200dを直列に接続して使用する例を示し、図9は、熱電変換モジュール700が備える4つの熱電発電部200a~200dを直列に接続して使用する例を示し、図10は、熱電変換モジュール700が備える4つの熱電発電部200a~200c、200eを直列に接続して使用する例を示している。
FIG. 8 shows an example in which the five thermoelectric
図8に示した例においては、熱電発電部200aの低温側導電部221aと熱電発電部200bの低温側導電部222bとが配線801で接続され、熱電発電部200bの低温側導電部221bと熱電発電部200cの低温側導電部222cとが配線802で接続され、熱電発電部200cの低温側導電部221cと熱電発電部200dの低温側導電部222dとが配線803で接続され、熱電発電部200dの低温側導電部221dと熱電発電部200eの低温側導電部222eとが配線804で接続され、熱電発電部200eの低温側導電部221eと負荷850の一方の端子とが配線805で接続され、負荷850の他方の端子と熱電発電部200aの低温側導電部222aとが配線806で接続されている。
In the example shown in FIG. 8 , the low-temperature side
また、図9に示した例においては、熱電発電部200aの低温側導電部221aと熱電発電部200bの低温側導電部222bとが配線901で接続され、熱電発電部200bの低温側導電部221bと熱電発電部200cの低温側導電部222cとが配線902で接続され、熱電発電部200cの低温側導電部221cと熱電発電部200dの低温側導電部222dとが配線903で接続され、熱電発電部200dの低温側導電部221dと負荷950の一方の端子とが配線904で接続され、負荷950の他方の端子と熱電発電部200aの低温側導電部222aとが配線905で接続されている。
In the example shown in FIG. 9, the low-temperature side
また、図10に示した例においては、熱電発電部200aの低温側導電部221aと熱電発電部200bの低温側導電部222bとが配線901で接続され、熱電発電部200bの低温側導電部221bと熱電発電部200cの低温側導電部222cとが配線902で接続され、熱電発電部200cの低温側導電部221cと熱電発電部200eの低温側導電部222eとが配線906で接続され、熱電発電部200eの低温側導電部221eと負荷950の一方の端子とが配線907で接続され、負荷950の他方の端子と熱電発電部200aの低温側導電部222aとが配線905で接続されている。
In the example shown in FIG. 10, the low-temperature side
図8及び図9に示すように、熱電変換モジュール700においては、外部の結線状態を適宜変更することにより、複数の熱電発電部200a~200eを自由に組み合わせて使用することができるので、電源として要求される電圧・電流の仕様に柔軟に対応することが可能となる。
As shown in FIGS. 8 and 9, in the
また、複数の熱電発電部200a~200eの一部(例えば、熱電発電部200d)が破損した場合でも、図9に示すように、使用していない熱電発電部(例えば、熱電発電部200e)が存在している場合は、図10に示すように、外部の結線を一部変更するだけ、熱電変換モジュール700の使用を継続することが可能となる。
Further, even if some of the plurality of thermoelectric
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、上述した第二実施形態及び第四実施形態においては、高温側電極を介して、一対の熱電素子の高温端を電気的に接続するようにしていたが、一対の熱電素子の高温端を直接接合するようにすることも考えられる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the embodiments of the present invention are, of course, not limited to the above. For example, in the second embodiment and the fourth embodiment described above, the hot ends of a pair of thermoelectric elements are electrically connected via the high temperature side electrodes, but it is also conceivable to directly join the hot ends of the pair of thermoelectric elements.
次に、本発明による熱電発電部の実施例について説明する。 Next, an embodiment of the thermoelectric generator according to the present invention will be described.
まず、以下のようにして、マグネシウムシリサイド(Mg2Si)製のn型熱電素子を作製した。 First, an n-type thermoelectric element made of magnesium silicide (Mg 2 Si) was produced as follows.
まず、化学量論比がMg2.02Si0.99Sb0.01となるように、純度99.9%、粒径180μmのマグネシウム(Mg)粉末、純度99.9%、粒径180μmのケイ素(Si)粉末及び純度99.999%、粒径180μmのアンチモン(Sb)粉末の秤量を行った。 First, magnesium (Mg) powder with a purity of 99.9% and a particle size of 180 μm, silicon (Si) powder with a purity of 99.9% and a particle size of 180 μm, and antimony (Sb) powder with a purity of 99.999% and a particle size of 180 μm were weighed so that the stoichiometric ratio would be Mg 2.02 Si 0.99 Sb 0.01 .
次に、原料粉末が均一になるように混合し、半密閉可能な蓋付き炭素製容器に収容した上で電気炉内に入れ、アルゴンガス雰囲気中、700℃にて1時間、熱処理を行い、Mg2Si系熱電材料の固溶体を得た。 Next, the raw material powders were uniformly mixed, placed in a semi-sealable carbon container with a lid, placed in an electric furnace, and heat-treated at 700° C. for 1 hour in an argon gas atmosphere to obtain a solid solution of a Mg Si- based thermoelectric material.
次に、得られた固溶体を、自動乳鉢によって、粒径30μm以下となるように粉砕を行った。 Next, the obtained solid solution was pulverized with an automatic mortar so as to have a particle size of 30 μm or less.
次に、得られた固溶体粉末を、放電プラズマ焼結用の30φの円柱状冶具に充填した上で、放電プラズマ焼結装置内に入れて、焼結温度850℃、焼結時圧力30MPa、焼結時間25分の条件で焼結を行った。 Next, the obtained solid solution powder was filled in a 30φ cylindrical jig for spark plasma sintering, placed in a spark plasma sintering apparatus, and sintered under the conditions of a sintering temperature of 850 ° C., a sintering pressure of 30 MPa, and a sintering time of 25 minutes.
その後、室温まで自然冷却させ、得られた焼結体を、10×10×17mmの直方体に加工して、最終的な熱電素子を得た。 After that, the resulting sintered body was naturally cooled to room temperature and processed into a rectangular parallelepiped of 10×10×17 mm to obtain a final thermoelectric element.
次に、得られた熱電素子を使用して熱電発電部を作製した。 Next, a thermoelectric generator was produced using the obtained thermoelectric element.
図11は、作製した熱電発電部の構成を説明するための図である。 FIG. 11 is a diagram for explaining the configuration of the fabricated thermoelectric generator.
同図に示すように、熱電発電部1100は、n型熱電素子1110と、低温側導電部としての銅線1121及びアルメル線1122と、高温側導電部としての銅線1130とを備える。
As shown in the figure, the thermoelectric
なお、本実施例においては、便宜上、一つの熱電素子1100の低温端に対して、材料の異なる2つの低温側導電部1121,1122を電気的に接続するようにしている。
In this embodiment, two low-temperature-side
同図に示すような構成を有する熱電発電部1100を、以下のようにして作製した。
A
まず、熱電素子1110の両端部(銅線接合部分)をSiC研磨紙で荒らした上で、超音波はんだ付け装置を使用して、黒田テクノ株式会社(神奈川県横浜市港北区)製の特殊はんだ(セラソルザ・エコ)でコーティングした。
First, both ends (copper wire joints) of the
次に、特殊はんだをコーティングした熱電素子1110の両端部のそれぞれに、銅線(径2.0mm、長さ470mm)の一方の端部をヤニなしのPbフリーはんだで接合した。
Next, one end of a copper wire (diameter: 2.0 mm, length: 470 mm) was joined to each of the two ends of the
次に、アルメル線(径2.3mm、長さ470mm)の一方の端部(銅線接合部分)に、上記特殊はんだのコーティングを施した上で、当該端部を、熱電素子1110の低温端付近において、低温側銅線1121にPbフリーはんだで接合した。
Next, one end (copper wire joint portion) of the alumel wire (diameter 2.3 mm, length 470 mm) was coated with the above special solder, and the end was joined to the low temperature
最後に、銅線1121,1130及びアルメル線1122それぞれの他方の端部に、出力用端子としてY型端子を接続した。
Finally, a Y-shaped terminal was connected as an output terminal to the other ends of the
次に、以下のようにして、作製した熱電発電部1100の発電性能の測定を行った。
Next, the power generation performance of the produced thermoelectric
まず、熱電素子1110の高温端をホットプレート上で加熱した状態で、熱電素子1110の高温端及び銅線1121の出力端それぞれの温度を熱電対で測定すると共に、銅線1121及び銅線1130の出力端間の電圧をデジタル電圧計で測定した。
First, with the hot end of the
同様に、熱電素子1110の高温端をホットプレート上で加熱した状態で、熱電素子1110の高温端及びアルメル線1122の出力端それぞれの温度を熱電対で測定すると共に、アルメル線1122及び銅線1130の出力端間の電圧をデジタル電圧計で測定した。
Similarly, while the hot end of the
図12は、測定結果を示す図である。同図において、「Th」は、熱電素子1110の高温端の温度(単位:℃)を、「Tc」は低温側導電部1121,1122の出力端の温度(単位:℃)を、「Vout」は、出力端間の電圧(単位:μV)を、「αout」は、温度差1度あたりの出力電圧(Vout/(Th-Tc))(単位:μV/℃)を表している。
FIG. 12 is a diagram showing measurement results. In the figure, “Th” represents the temperature (unit: °C) of the high temperature end of the
同図に示すように、低温側導電部として、銅線を使用した場合より、アルメル線を使用した場合の方が、より大きな出力電圧を得ることができている。 As shown in the figure, a larger output voltage can be obtained when the alumel wire is used as the low temperature side conductive portion than when the copper wire is used.
熱電素子1110は、n型半導体であり、負のゼーベック係数を有する。一方、銅線は正のゼーベック係数を有し、アルメル線は、負のゼーベック係数を有する。つまり、低温側導電部として、熱電素子1110と同じ極性(すなわち、負)のゼーベック係数を有するアルメル線を使用した場合の方が、熱電素子1110とは逆の極性(すなわち、正)のゼーベック係数を有する銅線を使用した場合より、大きな出力電圧が得られていることになる。
100,100a~100e 熱電発電部
110,110a~110e 熱電素子
120,120a~120e 低温側導電部
130,130a~130e 高温側導電部
200,200a~200e 熱電発電部
211,211a~211e,212,212a~212e 熱電素子
221,221a~221e,222,222a~222e 低温側導電部
230,230a~230e 高温側電極
300 熱電変換モジュール
340 絶縁基板
401~406 配線
450 負荷
501~507 配線
550 負荷
700 熱電変換モジュール
740 絶縁基板
801~806 配線
850 負荷
901~907 配線
950 負荷
1100 熱電発電部
1110 熱電素子
1121 低温側銅線
1122 アルメル線
1130 高温側銅線
100, 100a to 100e Thermoelectric
Claims (5)
前記熱電発電部は、
高温端が電気的に接続された一対の熱電素子と、
当該一対の熱電素子それぞれの低温端に接続された一対の低温側導電部と
を備え、
前記一対の低温側導電部はそれぞれ、対応する熱電素子と同じ極性のゼーベック係数を有する
ことを特徴とする熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module comprising at least one thermoelectric generator,
The thermoelectric power generation unit is
a pair of thermoelectric elements having hot ends electrically connected;
a pair of low-temperature-side conductive portions connected to the low-temperature ends of the pair of thermoelectric elements,
A thermoelectric conversion module, wherein each of the pair of low-temperature-side conductive parts has a Seebeck coefficient of the same polarity as that of a corresponding thermoelectric element.
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。 2. The thermoelectric conversion module according to claim 1 , comprising a plurality of said thermoelectric generators.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換モジュール。 3. The thermoelectric conversion module according to claim 1 , wherein the low-temperature-side conductive portion is composed of an electric wire.
ことを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。 4. The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 3, wherein the thermoelectric generator further comprises a high temperature side electrode electrically connecting the high temperature ends of the pair of thermoelectric elements.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。 5. The thermoelectric conversion module according to any one of claims 1 to 4 , further comprising an insulating substrate arranged on the high temperature side of said thermoelectric generator.
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