JPH0333083Y2 - - Google Patents
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Description
【考案の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本考案は、熱電発電装置に係り、特にその実装
構造に関する。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a thermoelectric power generation device, and particularly to its mounting structure.
例えば、鉄硅化物（FeSi2）に夫々マンガン
（Mn）またはコバルト（Co）等の適性不純物を
添加したＰ形半導体とＮ形半導体とを一端側で接
合して形成したＵ字形の熱電発電素子は、温度差
を与えるだけで簡単に起電力を生じ、優れた耐熱
性酸化性を呈しかつ安定な特性を維持できること
から、熱エネルギーの有効利用化への要求が高ま
つている今日、実用化が期待されているデバイス
である。
For example, a U-shaped thermoelectric power generating element is formed by bonding a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, each made of iron silicide (FeSi 2 ) doped with appropriate impurities such as manganese (Mn) or cobalt (Co), at one end. It is easy to generate an electromotive force just by applying a temperature difference, exhibits excellent heat resistance and oxidation resistance, and can maintain stable characteristics, so it has been put into practical use today as the demand for effective use of thermal energy is increasing. This is a highly anticipated device.
このような熱電発電素子では、起電力は高温側
であるPN接合部と、低温側である陽極側および
陰極側端部との温度差△ｔによつて決まる。従つ
て効率良く電気エネルギーを獲得するためには、
接合側を効率良く加熱すると共に低温側である陽
極側および陰極側の開放端（接合側の反対側）の
放熱性を高めることが重要な課題となる。 In such a thermoelectric power generation element, the electromotive force is determined by the temperature difference Δt between the PN junction on the high temperature side and the anode and cathode end portions on the low temperature side. Therefore, in order to obtain electrical energy efficiently,
An important issue is to efficiently heat the bonding side and to improve the heat dissipation of the open ends of the anode and cathode sides (opposite to the bonding side), which are low temperature sides.
また、大きな起電力を得るために複数の熱電発
電素子を接続して用いることも多く、実装作業が
容易であること、装置が小形であること等も要求
される。 Furthermore, in order to obtain a large electromotive force, a plurality of thermoelectric generating elements are often connected and used, and it is also required that the mounting work be easy and that the device be small.
そこで本考案者らは熱電発電素子の低温側端部
を導電性被膜で被覆し、夫々一端側に前記低温側
端部が当接するとともに他端側が外部接続端子と
なるように形成された２つの配線パターンを有す
る放熱板上に、前記熱電発電素子の該低温側端部
を載置した状態で放熱ケースの上板と底板とによ
つてこれを挟み圧着固定した後、全体を加熱し、
前記導電性被膜と前記配線パターンとを融着せし
めるようにした組立て方法を提案している。（特
願60−241187）
この方法によれば放熱ケースの上板と底板とに
よつて熱電発電素子の低温側端部をパターン上に
固着せしめた放熱板が常に押圧された状態で挟み
込まれており、素子と外部接続端子（電極配線パ
ターン）との電気的接触性および素子と放熱ケー
スとの熱接触性が良好となる。 Therefore, the present inventors coated the low-temperature side end of the thermoelectric power generation element with a conductive film, and formed two ends so that the low-temperature side end came into contact with one end and the other end served as an external connection terminal. The low-temperature side end of the thermoelectric power generation element is placed on a heat sink having a wiring pattern, which is sandwiched and crimped between the top plate and the bottom plate of the heat sink case, and then heated as a whole;
An assembly method is proposed in which the conductive film and the wiring pattern are fused together. (Patent Application No. 60-241187) According to this method, the heat sink, which has the low-temperature side end of the thermoelectric generating element fixed on the pattern, is always pressed and sandwiched between the top plate and bottom plate of the heat dissipation case. As a result, electrical contact between the element and the external connection terminal (electrode wiring pattern) and thermal contact between the element and the heat dissipation case are improved.
しかしながら、熱電発電素子は激しい温度変化
を伴うため、熱応力によつて素子にクラツクが発
生したり、素子が折れたりすることがある。 However, since thermoelectric power generation elements are subject to severe temperature changes, thermal stress may cause cracks in the elements or breakage of the elements.
例えば、第７図に示すようなＵ字型の熱電発電
素子の低温側端子LEの一方を固定し、他方をフ
リーにした状態で高温側端部HEがガスバーナの
炎等によつて加熱される場合を考えてみよう。 For example, one of the low-temperature side terminals LE of a U-shaped thermoelectric power generation element as shown in Fig. 7 is fixed, and the high-temperature side end HE is heated by the flame of a gas burner, etc. with the other left free. Let's consider a case.
まず、点火（SP）されて温度上昇が始まると、
最初Ｕ字形の外側部分が急速に温度上昇し、膨張
することにより、第８図に示す如くフリーの低温
側端子LE１は内側（一方向）に移動せしめられ
る。（第８図中、横軸に時間をとつた。）
そして、高温側端部HE全体が徐々に加熱せし
められていくと、低温側端子LEは徐々に開き、
フリー側は外側（＋方向）に移動せしめられる。 First, when it is ignited (SP) and the temperature begins to rise,
Initially, the temperature of the outer portion of the U-shape rapidly rises and expands, causing the free low-temperature side terminal LE1 to move inward (in one direction) as shown in FIG. (In Fig. 8, time is plotted on the horizontal axis.) Then, as the entire high-temperature side end HE is gradually heated, the low-temperature side terminal LE gradually opens.
The free side is moved outward (in the + direction).
また、ガスバーナが急に消されると（点FP）、
高温側端部の外側がまず急冷せしめられることに
より、フリーの低温側端子LE１は一時的に外側
に動き、更に全体が冷却されてくると、徐々に元
の位置に戻る。 Also, if the gas burner is suddenly turned off (point FP),
As the outside of the high temperature side end is first rapidly cooled, the free low temperature side terminal LE1 temporarily moves outward, and as the whole is further cooled, it gradually returns to its original position.
これに対し、前述の如く、低温側端子の両方を
固定してしまうと、素子には、温度変化による熱
応力が加わるため、素子が破壊され易くなるもの
と考えられる。 On the other hand, as described above, if both low-temperature side terminals are fixed, thermal stress due to temperature changes will be applied to the element, so it is thought that the element will be more likely to be destroyed.
また、素子自体は破壊に至らなくても放熱板に
応力が加わり、クラツクが発生したり破壊が生じ
たりすることがあつた。 Further, even if the element itself did not break, stress was applied to the heat sink, causing cracks or breakage.
本考案は、前記実情に鑑みてなされたもので、
実装が容易で、長寿命の熱電発電装置を提供する
ことを目的とする。 This invention was made in view of the above-mentioned circumstances,
The purpose is to provide a thermoelectric power generation device that is easy to implement and has a long life.
そこで本考案では、Ｐ形半導体とＮ形半導体と
をその一端側でPN接合を形成するように接合せ
しめてなる複数の熱電発電素子の低温側端子の１
方を、放熱板に対し熱電発電素子が垂直となるよ
うに固定すると共に、もう１方の低温側端子は放
熱板に対して固定することなくフリー端子とし、
隣接素子のフリー端子を弾性部材からなるコネク
タを介して相互接続するようにしている。
Therefore, in the present invention, one of the low-temperature side terminals of a plurality of thermoelectric power generating elements is made by joining a P-type semiconductor and an N-type semiconductor so as to form a PN junction at one end side.
one side is fixed so that the thermoelectric generation element is perpendicular to the heat sink, and the other low temperature side terminal is not fixed to the heat sink and is a free terminal,
Free terminals of adjacent elements are interconnected via connectors made of elastic members.
上記構成によれば、放熱板に対して熱電発電素
子が垂直に配列されるため、小形かつコンパクト
なものとなる。
According to the above configuration, since the thermoelectric power generation elements are arranged perpendicularly to the heat sink, the device becomes small and compact.
また、隣接素子間の相互接続は弾性部材からな
るコネクタによつてなされているため、発生した
熱応力は弾性部材からなる電極板によつて吸収さ
れ、素子にクラツクや破壊を生ぜしめたりするこ
とはない。 In addition, since interconnections between adjacent elements are made by connectors made of elastic materials, the generated thermal stress is absorbed by the electrode plates made of elastic materials, which may cause cracks or breakage of the elements. There isn't.
望ましくは、放熱板上に支持用の案内溝を形成
し、この案内溝内に熱電発電素子の低温側端子の
一方を装置するようにすれば、位置決めが容易で
位置ずれもなく信頼性の高いものとなる。 Preferably, a supporting guide groove is formed on the heat sink, and one of the low-temperature side terminals of the thermoelectric generating element is installed in this guide groove, so that positioning is easy and there is no misalignment, resulting in high reliability. Become something.
以下、本考案の実施例について、図面を参照し
つつ詳細に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
第１図は、本考案実施例の熱電発電装置を示す
図、第２図はその組立て説明図である。 FIG. 1 is a diagram showing a thermoelectric generator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an explanatory diagram of its assembly.
この熱電発電装置は、６個のＵ字形の鉄−シリ
コン熱電発電素子１〜６の低温側端子１ａ，１ｂ
…６ａ，６ｂを、交互にＰ側端子１ａ…６ａとＮ
側端子１ｂ…６ｂとが隣接するように互いに平行
に所定の間隔で配列し、配線パターン７を担持し
てなるアルミナセラミツク製の放熱板８の案内溝
９内に挿通し、該配線パターン７上に該Ｐ側端子
１ａ，３ａ，５ａ、Ｎ側端子２ｂ，４ｂ，６ｂを
接続する一方、自由側の端子１ｂと２ａ，３ｂと
４ａ，５ｂと６ａとをSUS４３０と指称されて
いるステンレス製の板バネからなる弾性コネクタ
１０を介して接続してなるものである。 This thermoelectric power generation device consists of low temperature side terminals 1a, 1b of six U-shaped iron-silicon thermoelectric power generation elements 1 to 6.
...6a and 6b are alternately connected to P side terminal 1a...6a and N
The side terminals 1b...6b are arranged parallel to each other at predetermined intervals so as to be adjacent to each other, and are inserted into the guide groove 9 of the alumina ceramic heat dissipation plate 8 supporting the wiring pattern 7. Connect the P side terminals 1a, 3a, 5a and the N side terminals 2b, 4b, 6b to the terminals, while connecting the free side terminals 1b and 2a, 3b and 4a, 5b and 6a to stainless steel designated SUS430. They are connected via an elastic connector 10 made of a plate spring.
この放熱板は、第３図ａ，ｂおよびｃに示す如
く端部に６個の案内溝９ａを形成する突起９ｂを
具備してなるアルミナセラミツク製の板状体から
なり、メタライズ層からなる配線パターン７を具
備している。 This heat dissipation plate is made of an alumina ceramic plate having protrusions 9b forming six guide grooves 9a at the end as shown in FIGS. 3a, b and c, and has wiring made of a metallized layer. It has pattern 7.
また、弾性コネクタは、第４図ａ，ｂおよびｃ
に示す如く、１枚の板バネを、両端でコの字状に
折り曲げ支持部１０ａを形成すると共に、中央を
湾曲せしめてなり、この支持部１０ａで熱電発電
素子の低温側端子（Ｐ側端子又はＮ側端子）を挟
み込み、半田で固着するようになつている。な
お、この低温側端子の端部には、あらかじめ半田
膜を形成しておくようにする。 In addition, the elastic connectors are shown in Fig. 4 a, b and c.
As shown in the figure, a single plate spring is bent at both ends to form a support part 10a, and the center is curved, and this support part 10a connects the low-temperature side terminal (P-side terminal) of the thermoelectric generating element. (or N-side terminal) is sandwiched and fixed with solder. Note that a solder film is formed in advance on the end of this low temperature side terminal.
更に、低温側端子と弾性コネクタの支持部との
間は、亜鉛系の半田合金層Ｓを介して固着され
る。 Further, the low-temperature side terminal and the support portion of the elastic connector are fixedly bonded via a zinc-based solder alloy layer S.
この亜鉛系の半田合金層は、融点が約400℃以
上となるように構成された高融点半田であり、接
合時にホウ酸系又はフツ酸系のフラツクスを用い
るようにすれば、このように低温側端子の表面に
形成されている酸化膜上に直接半田接合するよう
にしても、良好な電気的および機械的接続が達成
される。 This zinc-based solder alloy layer is a high-melting-point solder that has a melting point of approximately 400°C or higher, and if a boric acid-based or hydrofluoric acid-based flux is used during bonding, it can be used at such low temperatures. A good electrical and mechanical connection can also be achieved by soldering directly onto the oxide film formed on the surface of the side terminal.
また、熱電発電素子１〜６は、夫々鉄硅化物
（FeSi2）にマンガン（Mn）をドーピングしたた
Ｐ形半導体と、鉄硅化物にコバルト（Co）をド
ーピングしたＮ形半導体とを直接粉末形成接合し
て、一端側がPN接合を形成した高温側端部を構
成すると共に他端側がＰ形およびＮ形の２つの低
温側端子（Ｐ側端子、Ｎ側端子）を構成するよう
にしたＵ字形の素子である。 Thermoelectric power generating elements 1 to 6 are made by directly powdering a P-type semiconductor made of iron silicide (FeSi 2 ) doped with manganese (Mn) and an N-type semiconductor made of iron silicide doped with cobalt (Co), respectively. The U is formed and joined so that one end side forms a high temperature side end forming a PN junction, and the other end side forms two low temperature side terminals (P side terminal, N side terminal) of P type and N type. It is a glyph element.
また、製造に際しては、次のような方法がとら
れる。 In addition, the following method is used for manufacturing.
まず、放熱板上にメタライズ法により配線パタ
ーンを形成する。 First, a wiring pattern is formed on a heat sink by a metallization method.
そして、放熱板の案内溝９に熱電発電素子の低
温側端子を挿通し、前記配線パターンに対応する
位置で、半田接合する。このとき、Ｐ側端子１ａ
とＮ側端子２ｂ、Ｐ側端子３ａとＮ側端子４ｂ、
Ｐ側端子５ａ、Ｎ側端子６ｂが配線パターン上に
固着される。そしてＮ側端子２ｂとＰ側端子３
ａ、Ｎ側端子４ｂとＰ側端子５ａはこの配線パタ
ーン上で電気的に接続されるようにする。 Then, the low-temperature side terminals of the thermoelectric power generation elements are inserted into the guide grooves 9 of the heat sink and soldered together at positions corresponding to the wiring pattern. At this time, P side terminal 1a
and N side terminal 2b, P side terminal 3a and N side terminal 4b,
The P-side terminal 5a and the N-side terminal 6b are fixed onto the wiring pattern. And N side terminal 2b and P side terminal 3
a, the N-side terminal 4b and the P-side terminal 5a are electrically connected on this wiring pattern.
この後、上側でフリーの状態にあるＮ側端子１
ｂとＰ側端子２ａ、Ｎ側端子３ｂとＰ側端子４
ａ、Ｎ側端子５ｂとＰ側端子６ａを夫々、弾性コ
ネクタ１０で半田接合する。 After this, N side terminal 1 which is in a free state on the upper side
b and P side terminal 2a, N side terminal 3b and P side terminal 4
a. The N-side terminal 5b and the P-side terminal 6a are soldered together using elastic connectors 10, respectively.
このようにして形成された熱電発電装置では、
熱電発電素子の低温側端子の一つが、放熱板上に
固着され放熱板が良好である一方、もう一つの低
温側端子は、弾性コネクタにより、弾性的に接続
されており、発生した熱応力はここで吸収される
ため、クラツクや破壊を生じたりすることもなく
信頼性の高いものとなつている。また弾性コネク
タによつて放熱性も良好である。 In the thermoelectric power generation device formed in this way,
One of the low-temperature side terminals of the thermoelectric power generating element is fixed on the heat sink and the heat sink is in good condition, while the other low-temperature side terminal is elastically connected by an elastic connector, and the generated thermal stress is Because it is absorbed here, it does not cause any cracks or destruction, making it highly reliable. Also, the elastic connector provides good heat dissipation.
また、放熱板には案内溝が設けられているた
め、熱電発電素子を装着するに際し、位置決めが
容易で実装作業性が極めて良好であると共に、案
内溝の間にある突起がスペーサの役割を果し、隣
接素子の接触を防止している。 In addition, since the heat dissipation plate is provided with guide grooves, positioning is easy and the mounting workability is extremely good when mounting the thermoelectric generation element, and the protrusions between the guide grooves serve as spacers. This prevents adjacent elements from coming into contact with each other.
加えて、熱電発電素子が放熱板に対して垂直に
配列されているため、小形でコンパクトである。
これは特に薄形素子を用いる場合に特に顕著とな
る。 In addition, since the thermoelectric power generation elements are arranged perpendicularly to the heat sink, it is small and compact.
This is particularly noticeable when using thin elements.
なお、実施例では、放熱板上の突起を一体的に
成形し、案内溝を形成しているが、案内部９０と
配線部１００とを別に形成して第５図に示す如く
接合してもよい。 In the embodiment, the guide grooves are formed by integrally molding the protrusions on the heat sink, but the guide portion 90 and the wiring portion 100 may be formed separately and joined together as shown in FIG. good.
また、放熱板上に案内溝を省略し、熱電素子の
位置決めを別に治具を用いて行ない、実装作業後
その治具を取外すようにしてもよい。 Alternatively, the guide groove may be omitted on the heat sink, the thermoelectric element may be positioned using a separate jig, and the jig may be removed after the mounting work.
更にまた、実施例では配線パーンを直接放熱板
上に形成しているが、第６図に示す如く、案内溝
９を有する放熱板８′上に、配線パターン７を有
する配線板７０を接合するようにしてもよい。 Furthermore, in the embodiment, the wiring pans are formed directly on the heat sink, but as shown in FIG. You can do it like this.
以上説明してきたように、本考案の熱電発電装
置によれば、複数のＵ字形熱電発電素子を放熱板
に対して垂直に配列し、１方の端子のみを放熱板
に固着し、他方の端子は弾性コネクタによつて相
互接続しているため、実装作業性が良好である
上、コンパクトで、熱応力の発生に対しても破壊
されることなく信頼性の高いものとなる。
As explained above, according to the thermoelectric power generation device of the present invention, a plurality of U-shaped thermoelectric power generation elements are arranged perpendicularly to the heat sink, only one terminal is fixed to the heat sink, and the other terminal is fixed to the heat sink. Since they are interconnected by elastic connectors, they have good mounting workability, are compact, and are highly reliable because they do not break even under thermal stress.
第１図は、本考案実施例の熱電発電装置の外観
を示す図、第２図は同装置の分解斜視図、第３図
は、同装置に用いられる弾性コネクタを示す図、
第４図は、同装置に用いられる放熱板を示す図、
第５図および第６図は夫々、放熱板の変形例、第
７図は、熱電発電素子を示す図、第８図は、同素
子の熱歪の状態を示す図である。
１，２，３，４，５，６……熱電発電素子、１
ａ…６ａ……Ｐ側端子、１ｂ…６ｂ……Ｎ側端
子、７……配線パターン、８，８′……放熱板、
９ａ……案内溝、９ｂ……突起、１０……弾性コ
ネクタ、１０ａ……支持部、９０……案内部、１
００……配線部、７０……配線板。
FIG. 1 is a diagram showing the external appearance of a thermoelectric power generating device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the device, and FIG. 3 is a diagram showing an elastic connector used in the device.
FIG. 4 is a diagram showing a heat sink used in the device;
5 and 6 are respectively a modified example of the heat sink, FIG. 7 is a diagram showing a thermoelectric power generating element, and FIG. 8 is a diagram showing a state of thermal distortion of the element. 1, 2, 3, 4, 5, 6... thermoelectric power generation element, 1
a...6a...P side terminal, 1b...6b...N side terminal, 7...Wiring pattern, 8, 8'...Heat sink,
9a...Guide groove, 9b...Protrusion, 10...Elastic connector, 10a...Supporting part, 90...Guiding part, 1
00... Wiring section, 70... Wiring board.
Claims (1)
PN接合を形成するように接合せしめてなり、
低温側端子の１方を該放熱板に対して垂直とな
るように所定の間隔で配列して装着された複数
の熱電発電素子と、 この放熱板上の低温側端子を電気的に相互接
続する接続手段と、 互いに隣接する熱電素子の低温側端子のうち
の他方を弾性的に接続する弾性コネクタと を具備してなる熱電発電装置。 (2) 前記接続手段は、前記放熱板上に形成された
メタライズ層パターンであることを特徴とする
実用新案登録請求の範囲第１項記載の熱電発電
装置。 (3) 前記熱電発電素子は、低温側端子のうちＰ側
端子とＮ側端子とが交互に隣接するように配列
されていることを特徴とする実用新案登録請求
の範囲第１項記載の熱電発電装置。 (4) 前記放熱板は案内溝を有し、この案内溝に熱
電発電素子の低温側端子の１方が装着されるよ
うにしたことを特徴とする実用新案登録請求の
範囲第１項記載の熱電発電装置。[Scope of claims for utility model registration] (1) A heat sink, a P-type semiconductor and an N-type semiconductor on one end thereof.
They are joined to form a PN junction,
A plurality of thermoelectric power generation elements arranged and mounted at predetermined intervals so that one of the low temperature side terminals is perpendicular to the heat sink and the low temperature side terminal on the heat sink are electrically interconnected. A thermoelectric power generation device comprising: a connecting means; and an elastic connector that elastically connects the other of the low-temperature side terminals of mutually adjacent thermoelectric elements. (2) The thermoelectric power generation device according to claim 1, wherein the connection means is a metallized layer pattern formed on the heat sink. (3) The thermoelectric power generating element according to claim 1, wherein the thermoelectric generating element is arranged such that P-side terminals and N-side terminals among the low-temperature side terminals are arranged adjacent to each other alternately. Power generation equipment. (4) The utility model according to claim 1, wherein the heat sink has a guide groove, and one of the low-temperature side terminals of the thermoelectric power generation element is attached to the guide groove. Thermoelectric generator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP553988U JPH0333083Y2 (en) | 1988-01-20 | 1988-01-20 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP553988U JPH0333083Y2 (en) | 1988-01-20 | 1988-01-20 |
Publications (2)
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|---|---|
| JPH01110457U JPH01110457U (en) | 1989-07-26 |
| JPH0333083Y2 true JPH0333083Y2 (en) | 1991-07-12 |
Family
ID=31209000
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP553988U Expired JPH0333083Y2 (en) | 1988-01-20 | 1988-01-20 |
Country Status (1)
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| JP (1) | JPH0333083Y2 (en) |
Families Citing this family (3)
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- 1988-01-20 JP JP553988U patent/JPH0333083Y2/ja not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPH01110457U (en) | 1989-07-26 |
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