JPH08335722A - Thermoelectric conversion module - Google Patents

Thermoelectric conversion module

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JPH08335722A
JPH08335722A JP7142119A JP14211995A JPH08335722A JP H08335722 A JPH08335722 A JP H08335722A JP 7142119 A JP7142119 A JP 7142119A JP 14211995 A JP14211995 A JP 14211995A JP H08335722 A JPH08335722 A JP H08335722A
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JP
Japan
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thermoelectric
conversion module
low temperature
type thermoelectric
thermoelectric material
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Application number
JP7142119A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuo Watanabe
辺 徹 男 渡
Yuichiro Imanishi
西 雄一郎 今
Makoto Miyoshi
好 実 人 三
Kazuhiko Shinohara
原 和 彦 篠
Keiko Kushibiki
引 圭 子 櫛
Masakazu Kobayashi
林 正 和 小
Kenji Furuya
谷 健 司 古
Hiroshi Takao
尾 洋 高
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NGK Insulators Ltd
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
NGK Insulators Ltd
Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

PURPOSE: To provide a safety thermoelectric conversion module resistant to thermal stress caused by thermal expansion and holding a larger difference in temperature between a high-temperature part and a low-temperature part. CONSTITUTION: A thermoelectric conversion module 1 has a plurality of pairs of thermoelectric elements 2 made up of a p-type thermoelectric material 2p and an n-type thermoelectric material 2n arranged linearly and put alternately. An electrode 3 for connecting the adjoining thermoelectric pairs 2 is provided, and a high-temperature heat source is put in contact with an interfacial part 2H between the p-type thermoelectric material 2p and the n-type thermoelectric material 2n in the thermionic element couple 2. A low temperature unit 2L on the opposite side is isolated thermally from the heat source, and a heat insulating and isolating material 5 is provided for isolating electrically the adjoining low temperature units 2L from each other in the thermoelectric pairs 2.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、ゼーベック効果による
熱電発電や、ペルチェ効果による電子冷凍等のいわゆる
熱電変換(可動部のないエネルギ−の直接変換)に利用
される熱電材料を用いた発電器ないしは冷却器に使用さ
れる熱電変換モジュールに係わるものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a generator using a thermoelectric material used for thermoelectric power generation by the Seebeck effect and so-called thermoelectric conversion (direct conversion of energy without moving parts) such as electronic refrigeration by the Peltier effect. Or, it relates to a thermoelectric conversion module used for a cooler.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電発電や電子冷凍等の熱電変換におけ
る熱電効果としては、ゼーベック効果、ペルチェ効果、
トムソン効果などがあり、このうち、ゼーベック効果
は、異種導体または半導体p,nを接合して一方の接合
部を高温にしかつ他方の接合部を低温にすると、温度差
に応じた熱起電力が発生する現象をいい、また、ペルチ
ェ効果は、異種導体または半導体p,nを接合して電流
を流すと、一方の接合部では熱を吸収しかつ他方の接合
部では熱を放出する現象をいい、トムソン効果は、均一
な導体または半導体の一方を高温にしかつ他方を低温に
して温度勾配に沿って直流電流を流すと電流の方向によ
って材料内部で熱の吸収もしくは放出が起きる現象をい
っており、振動,騒音,摩耗等を生じる可動部分が全く
無く、構造が簡単で信頼性が高く、高寿命で保守が容易
であるという特長を持った簡略化されたエネルギー直接
変換装置により、例えば、各種化石燃料等の燃焼によっ
て直接的に直流電力を得たり、冷媒を用いないで温度制
御したりするのに適しているものとなる。
2. Description of the Related Art Thermoelectric effects in thermoelectric conversion such as thermoelectric power generation and electronic refrigeration are Seebeck effect, Peltier effect,
There is a Thomson effect and the like. Among them, the Seebeck effect is such that when different conductors or semiconductors p and n are joined to raise one junction to a high temperature and the other junction to a low temperature, a thermoelectromotive force according to a temperature difference is generated. The Peltier effect is a phenomenon in which, when different conductors or semiconductors p and n are joined and a current is passed, one junction absorbs heat and the other junction releases heat. The Thomson effect is a phenomenon in which one of a uniform conductor or semiconductor is heated to a high temperature and the other is cooled to a low temperature, and a direct current is applied along a temperature gradient, whereby heat is absorbed or released inside the material depending on the direction of the current. , With no moving parts that cause vibration, noise, wear, etc., simple structure, high reliability, long life and easy maintenance If, or obtained directly DC power by the combustion of various fossil fuels, and being suitable for or temperature control without using a coolant.

【0003】このような熱電変換モジュールとしては、
複数のπ字型熱電素子対を並列に配置して高温側と低温
側の両方をそれぞれ基板に固定したカスケード型熱電変
換モジュールや、複数のU字型熱電素子対を配列して低
温側を基板に固定した熱電変換モジュールなどが知られ
ている。そして、このような熱電変換モジュールに係わ
る全般的な技術に関しては、例えば、「熱電半導体とそ
の応用」(西田勲,上村欣一著 日刊工業社発行)に詳
しく記述されている。
As such a thermoelectric conversion module,
Cascade type thermoelectric conversion module in which a plurality of π-shaped thermoelectric element pairs are arranged in parallel and both the high temperature side and the low temperature side are fixed to the substrate, and a plurality of U-shaped thermoelectric element pairs are arranged to form the substrate on the low temperature side. Known are thermoelectric conversion modules fixed to the. The general technology relating to such a thermoelectric conversion module is described in detail, for example, in "Thermoelectric semiconductor and its application" (Isao Nishida, Kinichi Uemura, published by Nikkan Kogyo Co., Ltd.).

【0004】また、熱交換効率が向上した熱電冷却用モ
ジュールとして、p型熱電材料とn型熱電材料と電極を
兼ねた吸放熱フィンとを直線状に配置した熱電変換モジ
ュールも提案されている(例えば、特開平3−9127
2号公報,特開平4−107973号公報,特開平4−
114485号公報,特開平4−212481号公
報)。
As a thermoelectric cooling module having improved heat exchange efficiency, a thermoelectric conversion module has been proposed in which a p-type thermoelectric material, an n-type thermoelectric material, and heat radiation fins also serving as electrodes are linearly arranged ( For example, JP-A-3-9127
No. 2, JP-A-4-107973, JP-A-4-107973.
114485, Japanese Patent Laid-Open No. 4-212481).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、複数の
π字型熱電素子対を並列に配置して高温側と低温側の両
方をそれぞれ基板に固定したカスケード型熱電変換モジ
ュールでは、高温側の基板を加熱したときに高温側の基
板と熱電素子対の高温端が膨張し、膨張しない低温端と
の間に応力が発生することから、低温側と高温側の温度
差が大きくなると各々の接合部分で破壊を生じることが
ありうるという問題点があった。
However, in the cascade type thermoelectric conversion module in which a plurality of π-shaped thermoelectric element pairs are arranged in parallel and both the high temperature side and the low temperature side are fixed to the substrate, the high temperature side substrate is When heated, the high temperature side of the substrate and the high temperature end of the thermoelectric element expand, and stress is generated between the non-expanding low temperature end, so if the temperature difference between the low temperature side and the high temperature side becomes large, at each joint There was a problem that destruction could occur.

【0006】したがって、高温部と低温部との熱膨張差
に起因する応力による破壊を防ぐためには、単一モジュ
ールの面積を小さくせざるをえず、大型の大電力モジュ
ールを実現することができないことから、高温度差を付
けることが必要となる熱電発電技術への適用を阻むもの
となっているという課題があった。
Therefore, in order to prevent the destruction due to the stress caused by the thermal expansion difference between the high temperature portion and the low temperature portion, the area of the single module must be reduced, and a large large power module cannot be realized. Therefore, there has been a problem that the application to thermoelectric power generation technology that requires a high temperature difference is prevented.

【0007】そして、モジュールの破壊を生じないとし
ても、基板の反り等の発生により、高温側や低温側での
熱源や放熱器などとの熱接触状態が低下することとな
り、必要な温度差を取ることができなくなって、発電電
力の低下を招くなどの不具合の発生も多く見受けられる
という問題点があった。
Even if the module is not destroyed, the warp of the substrate or the like lowers the thermal contact state with the heat source or the radiator on the high temperature side or the low temperature side, so that the necessary temperature difference can be maintained. There was a problem in that many problems such as the decrease in generated power could not be detected because of the inability to take measures.

【0008】また、複数のU字型熱電素子対を配列して
低温側を基板に固定した熱電変換モジュールでは、高温
側が加熱されたときにこの高温側の熱膨張によって熱電
素子内部または低温接続部で破壊を生じることがあり、
そして、低温側だけで熱電素子対が基板に固定されてい
るため、熱応力や機械的な振動により熱電素子対が基板
から脱落しやすいものとなっているので、高い信頼性を
得るには至っていないという問題点があった。
Further, in a thermoelectric conversion module in which a plurality of U-shaped thermoelectric element pairs are arranged and the low temperature side is fixed to the substrate, when the high temperature side is heated, thermal expansion of the high temperature side causes the thermoelectric element inside or the low temperature connecting portion. May cause damage in
Since the thermoelectric element pair is fixed to the substrate only on the low temperature side, the thermoelectric element pair is easily detached from the substrate due to thermal stress or mechanical vibration, so high reliability is not obtained. There was a problem that it did not exist.

【0009】他方、p型熱電材料とn型熱電材料と電極
を兼ねた吸放熱フィンとを直線状に配置した熱電変換モ
ジュールでは、電極を兼ねた熱交換用吸放熱フィンが露
出したものとなっているため、イオン化したガスや電気
伝導性を持った液体等の流体を高温熱源とする発電に適
用しようとした場合に、望ましくない逆電流が熱電交換
モジュールに流れたり、高温熱流体が分解したり、吸放
熱フィンの表面で電気反応を生じて性能が低下したりす
ることがあることから、適用しがたいという問題点があ
った。
On the other hand, in the thermoelectric conversion module in which the p-type thermoelectric material, the n-type thermoelectric material, and the heat absorbing / dissipating fins also serving as electrodes are linearly arranged, the heat exchanging heat dissipating fins also serving as electrodes are exposed. Therefore, if you try to apply a fluid such as an ionized gas or a liquid with electrical conductivity to a high-temperature heat source, an undesired reverse current will flow to the thermoelectric exchange module or the high-temperature thermal fluid will decompose. In addition, there is a problem in that it is difficult to apply since it may cause an electric reaction on the surface of the heat radiation / dissipation fin to deteriorate the performance.

【0010】また、電流量が大きい大出力の熱電変換モ
ジュールでは、電極が多数むき出しになっている構成は
安全上の問題があるという課題があった。
Further, in a high output thermoelectric conversion module having a large amount of current, there is a problem in that the structure in which a large number of electrodes are exposed has a safety problem.

【0011】さらに、この構成では吸放熱フィンと熱電
素子対とが抵抗となる絶縁層を介さずに接触できること
となるので、比較的温度差が小さい低出力熱電冷却モジ
ュールでは熱交換効率が向上するという利点があるもの
の、同時に、熱電素子の高温端の側面が低温ガスと接触
すると共に低温端の側面が高温ガスと接触することとな
ってしまうため、大きい温度差を付けにくいので、高出
力のモジュールにおいては逆に熱交換の効率が落ちて出
力の低下を招くことになるという課題があった。
Further, in this structure, since the heat radiation / radiation fin and the thermoelectric element pair can be brought into contact with each other without interposing the insulating layer serving as the resistance, the heat exchange efficiency is improved in the low output thermoelectric cooling module having a relatively small temperature difference. However, at the same time, the side surface at the high temperature end of the thermoelectric element comes into contact with the low temperature gas and the side surface at the low temperature end comes into contact with the high temperature gas. On the contrary, in the module, there is a problem that the efficiency of heat exchange is lowered and the output is lowered.

【0012】さらにまた、この構成では基本的に熱電変
換素子を大面積に並べることにより効果を発揮する低コ
ストの表面実装技術の適用が不可能であり、従来の一般
的なカスケード型熱電変換モジュールに比べて製造コス
トの面から不利であるという問題点があった。
Furthermore, in this structure, it is basically impossible to apply a low-cost surface mounting technique which is effective by arranging the thermoelectric conversion elements in a large area, and the conventional general cascade type thermoelectric conversion module is not applicable. However, there is a problem in that it is disadvantageous in terms of manufacturing cost as compared with.

【0013】したがって、信頼性が高く、大きな温度差
を付けることが可能である熱電変換モジュールの開発が
望まれているという課題があった。
Therefore, there has been a problem that the development of a thermoelectric conversion module having high reliability and capable of making a large temperature difference is desired.

【0014】[0014]

【発明の目的】本発明は、このような従来の課題にかん
がみてなされたものであって、大きな温度差を付けるこ
とが可能であり、熱膨張による熱応力に強く、安全性が
高い熱電変換モジュールを提供することを目的としてい
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been conceived in view of the conventional problems as described above, and it is possible to make a large temperature difference, resistant to thermal stress due to thermal expansion, and highly safe thermoelectric conversion. It is intended to provide a module.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明に係わる熱電変換
モジュールは、請求項1に記載しているように、p型熱
電材料とn型熱電材料を直線状に配列した適宜数の熱電
素子対をそなえ、電気的に直列接続された隣接する熱電
素子対とは並べて配置された構成としたことを特徴とし
ている。
A thermoelectric conversion module according to the present invention has a suitable number of thermoelectric element pairs in which a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are linearly arranged as described in claim 1. It is characterized in that it is arranged side by side with an adjacent thermoelectric element pair electrically connected in series.

【0016】そして、本発明に係わる熱電変換モジュー
ルの実施態様においては、請求項2に記載しているよう
に、直線状に配列したp型熱電材料とn型熱電材料の境
界部が高温側になると共に境界部とは反対側の各端部が
低温側になり、高温側と低温側とは熱的に遮断されてい
る構成のものとすることができ、請求項3に記載してい
るように、直線状に配列したp型熱電材料とn型熱電材
料の境界部が高温熱源に接触して熱交換すると共に、境
界部とは反対側の各端部が低温部となり、低温部は高温
熱源と遮断されて接触しないものとなっている構成とす
ることができる。
Further, in the embodiment of the thermoelectric conversion module according to the present invention, as described in claim 2, the boundary portion between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material linearly arranged is on the high temperature side. In addition, each end on the side opposite to the boundary becomes the low temperature side, and the high temperature side and the low temperature side can be thermally cut off, as described in claim 3. In addition, the boundary between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material arranged in a straight line makes contact with the high-temperature heat source to exchange heat, and each end opposite to the boundary becomes a low-temperature part, and the low-temperature part has a high temperature. The heat source may be cut off so that it does not come into contact with the heat source.

【0017】同じく、本発明に係わる熱電変換モジュー
ルの実施態様においては、請求項4に記載しているよう
に、一方の熱電素子対の低温部は、前記熱電素子対に並
べて配置された他方の熱電素子対の低温部と電気絶縁性
断熱材を介して隣接している構成のものとすることがで
きる。
Similarly, in the embodiment of the thermoelectric conversion module according to the present invention, as described in claim 4, the low temperature part of one thermoelectric element pair is arranged in parallel with the other thermoelectric element pair. The thermoelectric element pair may be adjacent to the low temperature portion via an electrically insulating heat insulating material.

【0018】同じく、本発明に係わる熱電変換モジュー
ルにおいては、請求項5に記載しているように、p型熱
電材料とn型熱電材料を直線状に配列した適宜数の熱電
素子対をそなえ、互いに隣接する熱電素子対においてp
型熱電材料とn型熱電材料とが交互に位置する向きに適
宜数の熱電素子対を並べて配置していると共に、並べて
配置した熱電素子対を電気的に直列接続する電極をそな
え、並べて配置した熱電素子対のp型熱電材料とn型熱
電材料の境界部に高温熱源を接触させると共に境界部と
は反対側の低温部を高温熱源から熱的に遮断しかつ隣接
する熱電素子対の低温部間を電気的に絶縁する電気絶縁
性断熱材を設けた構成としたことを特徴としており、請
求項6に記載しているように、低温部を冷却する水冷ジ
ャケットをそなえた構成のものとしたり、請求項7に記
載しているように、低温部を冷却する放熱フィンをそな
えた構成のものとしたりすることができる。
Similarly, in the thermoelectric conversion module according to the present invention, as described in claim 5, a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are provided in an appropriate number, and a proper number of thermoelectric element pairs are provided. P in adjacent thermoelectric element pairs
Type thermoelectric materials and n-type thermoelectric materials are arranged side by side in an appropriate number so that the thermoelectric element pairs are arranged side by side, and the thermoelectric element pairs arranged side by side are provided with electrodes for electrically connecting in series. A high temperature heat source is brought into contact with a boundary portion between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material of the thermoelectric element pair, and a low temperature portion on the opposite side to the boundary portion is thermally cut off from the high temperature heat source and a low temperature portion of an adjacent thermoelectric element pair. It is characterized by being provided with an electrically insulating heat insulating material that electrically insulates the space between them, and as described in claim 6, it may have a water cooling jacket for cooling the low temperature part. As described in claim 7, it may be configured to have a radiation fin for cooling the low temperature portion.

【0019】本発明に係わる熱電変換モジュールにおい
て、p型熱電材料とn型熱電材料を直線状に配列し、こ
の直線状に配列した熱電素子のp−n境界部(ないしは
接合部)が高温側となりかつ境界部とは反対側の各端部
が低温側となる具体的なモジュール形状としては、例え
ば、並べて配置されて相互に隣接する直線状熱電素子対
の間のすきまのうち両端部側の各低温部を電気絶縁性断
熱材で埋めることにより、p−n境界部付近のすきまの
みに高温熱源である高温熱流体が流れる形状のものとす
ることができる。
In the thermoelectric conversion module according to the present invention, the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are linearly arranged, and the pn boundary (or junction) of the linearly arranged thermoelectric elements is on the high temperature side. And a specific module shape in which each end on the side opposite to the boundary is on the low temperature side is, for example, on both end sides of the clearance between the linear thermoelectric element pairs arranged side by side and adjacent to each other. By filling each low temperature part with an electrically insulating heat insulating material, it is possible to make the high temperature heat fluid, which is a high temperature heat source, flow only in the clearance near the pn boundary.

【0020】また、高温熱流体が流れる配管や金属ブロ
ック,ヒータ材などの高温熱源が熱電素子対間のすきま
のうちp−n境界部だけで接触する形状のものとするこ
ともできる。
Further, the high temperature heat source such as a pipe, a metal block and a heater material through which the high temperature hot fluid flows may be in contact with only the pn boundary of the clearance between the thermoelectric element pairs.

【0021】あるいは、高温熱流体の配管や厚板状高温
体に熱電素子対を貫通させ、配管内部や厚板がp−n境
界部分だけと接触する形状のものとすることもできる。
Alternatively, the thermoelectric element pair may be penetrated through a pipe for high-temperature thermal fluid or a thick plate-shaped high-temperature body so that the inside of the pipe or the thick plate comes into contact only with the pn boundary portion.

【0022】本発明に係わる熱電変換モジュールにおい
て使用される直線状熱電素子対のp−n境界部における
構成は、p型熱電材料とn型熱電材料が直接接合したも
のとすることができるほか、p−n境界部にエネルギー
バンド構造の調整の目的で金属や高ドープ半導体などの
層を介在させたものとしたり、p−n接合強度を増加す
る目的で活性金属層や接合材層を介在させたものとした
り、熱交換フィンの一部を介在させたものとしたりする
こともできる。
The linear thermoelectric element pair used in the thermoelectric conversion module according to the present invention may have a structure in which a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are directly bonded to each other, at the pn boundary. A layer of metal, highly doped semiconductor, or the like may be interposed at the pn boundary for the purpose of adjusting the energy band structure, or an active metal layer or a bonding material layer may be interposed for the purpose of increasing the pn junction strength. Alternatively, the heat exchange fins may be partially inserted.

【0023】本発明に係わる熱電変換モジュールにおい
ては、互いに隣接する熱電素子対のうちp型熱電材料と
n型熱電材料とが交互に位置する向きに熱電素子対を並
べて配置していると共に、並べて配置した熱電素子対を
電気的に直列接続する電極をそなえ、この電極は基板に
より支持させたものとすることができ、この基板は熱交
換器を兼ねるものとすることができる。あるいは、この
ような電極を基板により支持させたモジュール両端は低
温端であるものとすることができ、基板に水冷ジャケッ
トや放熱フィンなどの冷却手段を取り付けたものとする
こともできる。
In the thermoelectric conversion module according to the present invention, the thermoelectric element pairs are arranged side by side such that the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material of the thermoelectric element pairs adjacent to each other are alternately positioned. An electrode for electrically connecting the arranged thermoelectric element pairs in series may be provided, and this electrode may be supported by a substrate, and this substrate may also serve as a heat exchanger. Alternatively, both ends of a module supporting such an electrode by a substrate may be low temperature ends, and a cooling means such as a water cooling jacket or a radiation fin may be attached to the substrate.

【0024】そして、熱電変換システムとしては、出力
の電圧電流値を調整する目的、あるいはモジュール断線
による出力低下を最小限にとどめる目的で、本発明によ
る熱電変換モジュールを複数用いて電気的に直列・並列
に組み合わせて連結して使用することもできる。
In the thermoelectric conversion system, a plurality of thermoelectric conversion modules according to the present invention are used to electrically connect in series for the purpose of adjusting the voltage / current value of the output or minimizing the output reduction due to the module disconnection. It is also possible to combine and use in parallel.

【0025】この場合に、複数の熱電変換モジュールの
配置は、平面的に配置することも、球面に沿って配置す
ることも、多段に積層して配置することもできる。そし
て、機械的強度や耐振動性を増加するために、各モジュ
ールあるいは複数モジュール群の低温端基板部分や電気
絶縁性断熱材部分をねじやばね等で機械的に締結してお
くようになすこともできる。
In this case, the plurality of thermoelectric conversion modules may be arranged in a plane, along a spherical surface, or stacked in multiple stages. Then, in order to increase the mechanical strength and vibration resistance, the low temperature end board part of each module or a group of modules and the electrically insulating heat insulating material part should be mechanically fastened with screws or springs. You can also

【0026】本発明に係わる熱電変換モジュールにおい
て、隣接する熱電素子対間のうち端部側の低温部のすき
まに介在させる電気絶縁性断熱材は、熱伝導性および電
気伝導性が熱電材料よりも小さい材料である。この電気
絶縁性断熱材としては、例えば、シリカガラスやソーダ
石灰ガラス,安定化ジルコニア,粘土質耐火物,断熱れ
んが等を挙げることができる。
In the thermoelectric conversion module according to the present invention, the electrically insulating heat insulating material interposed between the adjacent thermoelectric element pairs in the clearance at the low temperature portion on the end side has thermal conductivity and electrical conductivity higher than that of the thermoelectric material. It is a small material. Examples of the electrically insulating heat insulating material include silica glass, soda lime glass, stabilized zirconia, clay refractories, and heat insulating bricks.

【0027】そして、熱電素子対を構成する熱電材料に
比べて電気絶縁性断熱材の方が熱伝導性が大きい場合に
は、熱電素子対の高温部と低温部との間での温度差を付
けにくくなり、熱電変換効率が低下してしまうので好ま
しくない。
When the electrically insulating heat insulating material has a higher thermal conductivity than the thermoelectric material forming the thermoelectric element pair, the temperature difference between the high temperature portion and the low temperature portion of the thermoelectric element pair is reduced. It is not preferable because it becomes difficult to attach and the thermoelectric conversion efficiency decreases.

【0028】また、熱電素子対を構成する熱電材料に比
べて電気絶縁性断熱材の電気伝導性が大きい場合(電気
絶縁性が小さい場合)には、熱電素子対内で発電した電
力がリークすることとなって出力損失が発生するため好
ましくない。
Further, when the electric conductivity of the electrically insulating heat insulating material is higher than that of the thermoelectric material forming the thermoelectric element pair (when the electric insulation is low), the electric power generated in the thermoelectric element pair leaks. And output loss occurs, which is not preferable.

【0029】本発明に係わる熱電変換モジュールにおい
て使用される熱電材料は、一般的に公知である熱電半導
体の単結晶体や焼結体などを使用することが可能であ
り、例えば、FeSi,PbTe,SiGe,Bi
Te,GeTe−Ag,SbTe,GdSe
どのSe化合物の半導体等を用いることが可能である。
The thermoelectric material used in the thermoelectric conversion module according to the present invention may be a generally known single crystal body or sintered body of thermoelectric semiconductor, such as FeSi 2 , PbTe. , SiGe, Bi 2
It is possible to use semiconductors of Se compounds such as Te 3 , GeTe-Ag, SbTe 2 , and Gd 2 Se 3 and the like.

【0030】そして、焼結体である場合には、公知の圧
粉−常圧焼結法や、ホットプレス焼結法などによって製
造することができ、ホットプレス焼結法の場合はp型熱
電材料およびn型熱電材料の原料粉末を同時に成形型に
仕込み、一度の焼成でp−n境界部(ないしは接合部)
をもった熱電素子対を得るようになすこともできる。
When it is a sintered body, it can be manufactured by a known powder compact-normal pressure sintering method or hot press sintering method. In the case of the hot press sintering method, it is a p-type thermoelectric material. Material and raw material powder of n-type thermoelectric material are simultaneously charged into a molding die, and pn boundary (or junction) is formed by one firing.
It is also possible to obtain a thermoelectric element pair having

【0031】さらに、熱電材料は、低温部間における電
気絶縁性断熱材のほかに、酸化防止や昇華防止、絶縁、
高温熱流体との反応防止等の目的で、熱電材料の全面な
いしは部分的にガラス,アルミナ,窒化硅素等の保護膜
を形成しておくようになすこともできる。
Further, the thermoelectric material is used as an electrically insulating heat insulating material between low temperature parts, as well as for oxidation prevention, sublimation prevention, insulation,
For the purpose of preventing reaction with the high temperature hot fluid, a protective film of glass, alumina, silicon nitride or the like may be formed on the entire surface or a part of the thermoelectric material.

【0032】そして、本発明による熱電変換モジュール
は、自動車の排気熱や焼却設備の排出熱,発電所の排
熱,太陽光などを利用した熱電発電システム、あるいは
給湯機器や暖房器具,加熱器具,照明器具などの排熱を
利用した熱電発電システムやセンサー制御システムなど
にも適用することが可能であり、あるいは、熱電変換冷
蔵冷凍機,局所冷却器などにも適用することが可能であ
る。
The thermoelectric conversion module according to the present invention is a thermoelectric power generation system utilizing exhaust heat of automobiles, exhaust heat of incineration equipment, exhaust heat of power plants, sunlight, or hot water supply equipment, heating equipment, heating equipment, The present invention can be applied to a thermoelectric power generation system using exhaust heat of lighting equipment, a sensor control system, or the like, or can be applied to a thermoelectric conversion refrigerating refrigerator, a local cooler, or the like.

【0033】[0033]

【発明の作用】本発明に係わる熱電変換モジュールは、
請求項1に記載しているように、p型熱電材料とn型熱
電材料を直線状に配列した適宜数の熱電素子対をそな
え、電気的に直列接続された隣接する熱電素子対とは並
べて配置された構成としたから、p型熱電材料とn型熱
電材料とが直線状に配列していることによって、熱電変
換効率の向上ならびにモジュールの小型化が容易なもの
となる。
The thermoelectric conversion module according to the present invention comprises:
As described in claim 1, a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are provided in an appropriate number of thermoelectric element pairs, and the adjacent thermoelectric element pairs electrically connected in series are arranged side by side. Since the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are linearly arranged because they are arranged, the thermoelectric conversion efficiency can be improved and the module can be easily downsized.

【0034】そして、請求項2に記載しているように、
直線状に配列したp型熱電材料とn型熱電材料の境界部
が高温側になると共に境界部とは反対側の各端部が低温
側になり、高温側と低温側とは熱的に遮断されている構
成のものとすることによって、熱膨張による変化はp−
n方向に生じると共に熱電材料の境界部を中心として対
称となり、熱膨張により寸法がp−n方向に増大したと
しても端部に設けられる電極や基板を押す方向の力が作
用することとなるので、反りや変形等が生じず熱応力に
強いものになると共に、高温側と低温側とで大きな温度
差が付けられることとなって小型かつ大容量の熱電変換
モジュールとなる。また、高温側には基板を有しない構
成となっているので、高温側に基板を有する場合におけ
るような素子の破壊や基板の剥離などといった不具合が
なくなる。さらに、モジュールの両端が低温側となるの
で、複数モジュールの連結や他部品への組付けが容易な
ものとなる。
Then, as described in claim 2,
The boundary between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material arranged in a straight line becomes the high temperature side, and each end opposite to the boundary becomes the low temperature side, and the high temperature side and the low temperature side are thermally isolated By adopting the configuration described above, the change due to thermal expansion is p-
It occurs in the n direction and becomes symmetrical about the boundary of the thermoelectric material, and even if the dimension increases in the pn direction due to thermal expansion, the force for pushing the electrode or substrate provided at the end portion acts. As a result, the thermoelectric conversion module is small in size and large in capacity because it is resistant to thermal stress without warping or deformation, and has a large temperature difference between the high temperature side and the low temperature side. Further, since the substrate is not provided on the high temperature side, problems such as element breakage and substrate peeling that occur when the substrate is provided on the high temperature side are eliminated. Furthermore, since both ends of the module are on the low temperature side, it is easy to connect a plurality of modules and assemble them to other parts.

【0035】また、請求項3に記載しているように、直
線状に配列したp型熱電材料とn型熱電材料の境界部が
高温熱源に接触して熱交換すると共に、境界部とは反対
側の各端部が低温部となり、低温部は高温熱源と遮断さ
れて接触しないものとなっている構成のものとすること
によって、熱膨張による寸法の変化はp−n方向に生じ
ると共に境界部を中心として対称で且つ低温部に向けて
次第に小さなものとなり、熱膨張により寸法がp−n方
向に増大したとしても端部に設けられる電極や基板を押
す方向に力が作用することとなるので、反りや変形等が
発生せずくりかえしの膨張・収縮に対しても破損を生じ
がたいものとなり、熱応力に強いものになると共に、高
温側と低温側とで大きな温度差が付けられることとなっ
て小型かつ大容量の熱電変換モジュールとなり、両端側
が低温部となるため組付け性,連結性,安全性等に優れ
た熱電変換モジュールとなる。
Further, as described in claim 3, the boundary portion between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material which are linearly arranged is in contact with the high temperature heat source for heat exchange, and is opposite to the boundary portion. Each end on the side is a low temperature part, and the low temperature part is cut off from the high temperature heat source so that it does not come into contact with the high temperature heat source. Is symmetric with respect to, and becomes gradually smaller toward the low temperature part, and even if the dimension increases in the pn direction due to thermal expansion, a force acts in the direction of pushing the electrode or substrate provided at the end. However, it does not cause warping or deformation and is less likely to be damaged by repeated expansion and contraction, is resistant to thermal stress, and has a large temperature difference between the high temperature side and the low temperature side. Small size and large capacity Becomes thermoelectric conversion module, of assembly since the both ends becomes a low temperature portion, connectivity, an excellent thermoelectric conversion module in safety and the like.

【0036】さらに、請求項4に記載しているように、
一方の熱電素子対の低温部は、前記熱電素子対に並べて
配置された他方の熱電素子対の低温部と電気絶縁性断熱
材を介して隣接している構成とすることによって、熱電
素子対の密度を高くしても電流リーク等の不具合が生じ
がたいものとなって大容量の熱電変換モジュールの小型
化がはかられることとなる。
Further, as described in claim 4,
The low temperature portion of one thermoelectric element pair is adjacent to the low temperature portion of the other thermoelectric element pair arranged side by side with the thermoelectric element pair via an electrically insulating heat insulating material, thereby Even if the density is increased, problems such as current leakage are unlikely to occur, and the large-capacity thermoelectric conversion module can be downsized.

【0037】さらにまた、請求項5に記載の熱電変換モ
ジュールの構成とすることによって、熱電材料の境界部
とこの境界部とは反対側の両端部の低温部との間で大き
い温度差が付けられることとなり、熱膨張による熱応力
に強いものになると共に、大容量をもつ熱電変換モジュ
ールの小型化がはかられることとなり、高温側には基板
を有しないため高温側に基板を有する場合におけるよう
な素子の破壊や基板の剥離などといった不具合がなくな
り、モジュールの両端が低温部となるので、複数モジュ
ールの連結性や他部品との組付け性などがより一層向上
したものとなる。
Furthermore, by adopting the structure of the thermoelectric conversion module according to the fifth aspect, a large temperature difference is provided between the boundary portion of the thermoelectric material and the low temperature portions at both ends opposite to the boundary portion. In addition to being resistant to thermal stress due to thermal expansion, a thermoelectric conversion module having a large capacity can be miniaturized. Problems such as element breakage and substrate peeling are eliminated, and both ends of the module are low temperature portions, so that the connectivity of a plurality of modules and the assembling with other components are further improved.

【0038】そして、請求項6に記載しているように、
低温部を冷却する水冷ジャケットをそなえたものとした
り、請求項7に記載しているように、低温部を冷却する
放熱フィンをそなえたものとしたりすることによって、
熱電素子対自体は水冷ジャケットや放熱フィンの内部に
組み付けられるものとすることによって、低温部の冷却
作用を向上させて大きい温度差が付けられることになる
と共に高温部および電極は水冷ジャケットや放熱フィン
の内部に配設されたものとなるため安全性がより一層向
上したものになる。
Then, as described in claim 6,
By providing a water cooling jacket for cooling the low temperature portion, or by providing a radiating fin for cooling the low temperature portion as described in claim 7,
Since the thermoelectric element pair itself is assembled inside the water cooling jacket or the radiation fin, the cooling effect of the low temperature part is improved and a large temperature difference is provided, and the high temperature part and the electrode are water cooling jacket and the radiation fin. Since it is disposed inside the vehicle, the safety is further improved.

【0039】[0039]

【実施例】実施例1 図1は本発明に係わる熱電変換モジュールの一実施例に
おける縦断面説明図であって、この熱電変換モジュール
1は、図1において少ない点々を付して示すp型熱電材
料2pと図1において多い点々を付して示すn型熱電材
料2nを直線状に配列した多数の熱電素子対2をそな
え、互いに隣接する熱電素子対2においてp型熱電材料
2pとn型熱電材料2nとが交互に位置する向きに多数
の熱電素子対2を並べて配置していると共に、並べて配
置した熱電素子対2を電気的に直列接続する電極3およ
びこの電極3を支持する基板4をそなえ、並べて配置し
た熱電素子対2のp型熱電材料2pとn型熱電材料2n
の境界部2Hに高温熱源を接触させる高温流体流路5a
を有していると共に境界部2Hとは反対側の端部2Lで
ある低温部を高温熱源から熱的に遮断しかつ隣接する熱
電素子対2の端部(低温部)2L.2L間を電気的に絶
縁する電気絶縁性断熱材5を設け、基板4には冷却ブロ
ック6を設けた構造をなすものである。
EXAMPLE 1 FIG. 1 is a vertical cross-sectional explanatory view of an example of a thermoelectric conversion module according to the present invention. This thermoelectric conversion module 1 is a p-type thermoelectric module shown with a few dots in FIG. The material 2p is provided with a large number of thermoelectric element pairs 2 in which the n-type thermoelectric material 2n shown in FIG. 1 with many dots is linearly arranged, and the p-type thermoelectric material 2p and the n-type thermoelectric material 2p are adjacent to each other. A large number of thermoelectric element pairs 2 are arranged side by side in such a manner that the materials 2n are alternately arranged, and an electrode 3 for electrically connecting the thermoelectric element pairs 2 arranged side by side in series and a substrate 4 supporting this electrode 3 are arranged. The p-type thermoelectric material 2p and the n-type thermoelectric material 2n of the thermoelectric element pair 2 arranged side by side are provided.
High temperature fluid passage 5a for contacting a high temperature heat source with the boundary portion 2H of the
And the end portion 2L on the side opposite to the boundary portion 2H is thermally cut off from the high temperature heat source and the end portion (low temperature portion) 2L. An electrically insulating heat insulating material 5 that electrically insulates between the 2L is provided, and a cooling block 6 is provided on the substrate 4.

【0040】図2は、図1に示した熱電変換モジュール
1の製造工程を例示するものであって、本実施例におけ
る熱電材料としてはSiGeを主成分とするp型熱電材
料2pおよびn型熱電材料2nを使用し、図2の(A)
に示すようにそれぞれホットプレス焼結法によって円盤
形状の焼結体からなるものとした。
FIG. 2 exemplifies a manufacturing process of the thermoelectric conversion module 1 shown in FIG. 1. As the thermoelectric material in this embodiment, the p-type thermoelectric material 2p and the n-type thermoelectric material containing SiGe as a main component are used. Using the material 2n, FIG.
As shown in FIG. 5, each of them was made of a disc-shaped sintered body by the hot press sintering method.

【0041】そして、図2の(B)に示すように下側の
p型熱電材料2pの表面にろう材7を載せ、加熱するこ
とによって、図2の(C)に示すようにp,n一体型の
円盤形状の焼結体とし、これを図2の(D)に示すよう
に左右方向に切断して長方体形状としたのち、さらに図
2の(E)に示すように前後方向に切断して直方体形状
をなす熱電素子対2を得た。
Then, as shown in FIG. 2B, the brazing material 7 is placed on the surface of the p-type thermoelectric material 2p on the lower side and heated, so that p, n as shown in FIG. An integrated disc-shaped sintered body was cut in the left-right direction as shown in FIG. 2 (D) to form a rectangular parallelepiped shape, and then in the front-back direction as shown in FIG. 2 (E). Then, the thermoelectric element pair 2 having a rectangular parallelepiped shape was obtained.

【0042】一方、図2の(F)に示すように、前後方
向において幅広の矩形状をなす高温流体流路5aを形成
していると共に上下方向に直方体形状の熱電素子対挿入
孔5bを多数そなえた電気絶縁性断熱材5を用意し、互
いに隣接する熱電素子対2においてp型熱電材料2pと
n型熱電材料2nとが交互に位置する向きにして各々の
熱電素子対2を熱電素子対挿入孔5bに挿入した。
On the other hand, as shown in FIG. 2F, a high temperature fluid flow path 5a having a rectangular shape wide in the front-rear direction is formed, and a large number of rectangular parallelepiped thermoelectric element pair insertion holes 5b are formed in the vertical direction. The prepared electrically insulating heat insulating material 5 is prepared, and the thermoelectric element pairs 2 are arranged such that the p-type thermoelectric material 2p and the n-type thermoelectric material 2n are alternately positioned in the thermoelectric element pairs 2 adjacent to each other. It was inserted into the insertion hole 5b.

【0043】続いて、図2の(G)に示すように、上側
の基板4(4U)の下面および下側の基板4(4D)の
上面のそれぞれにおいて、並べて配置した熱電素子対2
のp型熱電材料2pとn型熱電材料2nとが電気的に直
列接続されるように電極3をパターン形成したものを用
意して、下側の基板4(4D)と、多数の熱電素子対2
を挿入した電気絶縁性断熱材5と、上側の基板4(4
U)とを重ね合わせ、並べて配置した熱電素子対2を直
列接続すると共に、各基板4の外側には冷却ブロック6
を設けて図1に示した熱電変換モジュール1とする。
Subsequently, as shown in FIG. 2G, the thermoelectric element pair 2 arranged side by side on each of the lower surface of the upper substrate 4 (4U) and the upper surface of the lower substrate 4 (4D).
Prepared by patterning the electrodes 3 so that the p-type thermoelectric material 2p and the n-type thermoelectric material 2n are electrically connected in series, and the lower substrate 4 (4D) and a large number of thermoelectric element pairs are prepared. Two
With the electrically insulating heat insulating material 5 and the upper substrate 4 (4
U) and the thermoelectric element pairs 2 arranged side by side are connected in series, and a cooling block 6 is provided outside each substrate 4.
To provide the thermoelectric conversion module 1 shown in FIG.

【0044】図2に示した製造工程は一例を示すにすぎ
ないものであって、このような工程に限定されないこと
は当然であり、例えば、電極3をパターン形成した下側
の基板4(4D)の上に、熱電素子対2を挿入していな
い電気絶縁性断熱材5を載置し、その後電気絶縁性断熱
材5の熱電素子対挿入孔5bにそれぞれ隣接する毎に
p,nの位置を反対にした熱電素子対2を挿入し、さら
に電極3をパターン形成した上側の基板4(4U)を組
み付けるようにしても良い。
The manufacturing process shown in FIG. 2 is merely an example, and it goes without saying that the manufacturing process is not limited to such a process. For example, the lower substrate 4 (4D) on which the electrode 3 is patterned is formed. ), The electrically insulating heat insulating material 5 in which the thermoelectric element pair 2 is not inserted is placed thereon, and thereafter, the positions of p and n are respectively provided adjacent to the thermoelectric element pair insertion holes 5b of the electrically insulating heat insulating material 5. It is also possible to insert the thermoelectric element pair 2 in which the above is reversed and to assemble the upper substrate 4 (4U) on which the electrode 3 is patterned.

【0045】また、電気絶縁性断熱材5は、熱電素子対
2の端部2Lの低温部を境界部2Hの高温流体から遮断
すると共に、隣接する低温部間を電気的に絶縁するため
に設けているものであり、図2の(F)に示したように
高温流体流路5aと熱電素子対挿入孔5bを形成したブ
ロック状のものでなくとも良く、例えば、多数の熱電素
子対2の両端部2L,2Lで電極3および基板4と接合
した後に、ディッピングや塗布等の手法によって隣接す
る熱電素子対2のうち端部(低温部)2L,2L間のす
き間に電気絶縁性断熱材(5)を設けるようにしても良
い。
Further, the electrically insulating heat insulating material 5 is provided to shield the low temperature portion of the end portion 2L of the thermoelectric element pair 2 from the high temperature fluid of the boundary portion 2H and electrically insulate adjacent low temperature portions. 2F, it does not have to be a block-like one in which the high temperature fluid flow path 5a and the thermoelectric element pair insertion hole 5b are formed as shown in FIG. After joining the electrode 3 and the substrate 4 at both ends 2L, 2L, an electrically insulating heat insulating material (in the gap between the ends (low temperature part) 2L, 2L of the adjacent thermoelectric element pairs 2 by a technique such as dipping or coating ( 5) may be provided.

【0046】図3は、図1に示した熱電変換モジュール
1における冷却ブロック6の具体的構造例を示すもので
あって、配管11を介して冷却水が流入・流出する水冷
ジャケット6とした場合を示しており、この水冷ジャケ
ット6は熱伝導性グリースを介して低温基板4に取り付
けられる。
FIG. 3 shows an example of a concrete structure of the cooling block 6 in the thermoelectric conversion module 1 shown in FIG. 1, in the case of a water cooling jacket 6 in which cooling water flows in and out through a pipe 11. This water cooling jacket 6 is attached to the low temperature substrate 4 via a heat conductive grease.

【0047】図4は、図1に示した熱電変換モジュール
1における冷却ブロック6の別の具体的構造例を示すも
のであって、表面積を増大させた放熱フィン6とした場
合を示しており、この放熱フィン6は熱伝導性グリース
を介して低温基板4に取り付けられる。
FIG. 4 shows another specific example of the structure of the cooling block 6 in the thermoelectric conversion module 1 shown in FIG. 1, showing the case of the radiation fins 6 having an increased surface area. The heat radiation fins 6 are attached to the low temperature substrate 4 via a heat conductive grease.

【0048】そのほか、基板4に上記したような別体の
冷却ブロック6を設けるのではなく、放熱機構を有する
部品自体を基板の代わりに用いても良いことはいうまで
もない。
Besides, needless to say, the component itself having a heat dissipation mechanism may be used instead of the substrate, instead of providing the cooling block 6 as a separate body as described above on the substrate 4.

【0049】そこで、電気絶縁性断熱材5の高温流体流
路5aに配管を接続し、加熱ヒータを通過させた高温の
ガスを導入して熱電発電テストを行った結果、熱電
材料2p,2nの境界部2Hにおける高温部と、この境
界部2Hとは反対側の端部2Lである低温部とで温度差
を400℃に付けて発電することが可能であった。
Therefore, a pipe was connected to the high temperature fluid flow path 5a of the electrically insulating heat insulating material 5 and the high temperature N 2 gas passed through the heater was introduced to conduct a thermoelectric generation test. As a result, the thermoelectric material 2p, It was possible to generate power with a temperature difference of 400 ° C. between the high temperature portion of the 2n boundary portion 2H and the low temperature portion which is the end portion 2L on the opposite side of the boundary portion 2H.

【0050】他方、比較のために、同じ熱電材料を使用
して一般的なカスケード型熱電変換モジュールを作製
し、高温端と低温端とに400℃の温度差を付けるテス
トを試みたが、高温端部分の熱電材料と電極との接合部
において破壊と剥離が生じてしまっていた。
On the other hand, for comparison, a general cascade type thermoelectric conversion module was manufactured using the same thermoelectric material, and an attempt was made to make a temperature difference of 400 ° C. between the high temperature end and the low temperature end. Destruction and peeling have occurred at the joint between the thermoelectric material at the end and the electrode.

【0051】このように、本発明によるモジュール構成
では、大きな温度差を付けることが可能であると共に、
大きな温度差を付けていても、モジュール全体の耐熱応
力バランスが良好であるので、熱膨張に起因する不具合
は生じにくい効果がある。
As described above, in the module structure according to the present invention, it is possible to make a large temperature difference, and
Even if there is a large temperature difference, the heat resistance stress balance of the entire module is good, so there is an effect that problems due to thermal expansion are unlikely to occur.

【0052】実施例2 図5は、図4の場合と同様に冷却ブロックとして放熱フ
ィン6を用いた熱電変換モジュール1を複数用いて、こ
れらを一体化することによって熱電発電ユニットとした
場合を示すものである。
Embodiment 2 FIG. 5 shows a case where a plurality of thermoelectric conversion modules 1 using the radiation fins 6 as cooling blocks are used as in the case of FIG. 4, and these are integrated to form a thermoelectric power generation unit. It is a thing.

【0053】すなわち、図4の場合と同様に多数の熱電
素子対2を互い違いの向きにそれぞれ挿入すると共に熱
電素子対2を電気的に直列接続する電極3をそなえた電
気絶縁性断熱材5と、放熱フィン6とを交互に積層した
状態にして、放熱フィン6の間でモジュール固定ねじ1
2により固定し、電気絶縁性断熱材5に形成した高温流
体流路5aに高温ガス導入フランジ13を取付けて熱電
発電ユニットに組み上げた。
That is, as in the case of FIG. 4, a large number of thermoelectric element pairs 2 are respectively inserted in alternate directions, and an electrically insulating heat insulating material 5 having electrodes 3 for electrically connecting the thermoelectric element pairs 2 in series is provided. , The radiation fins 6 are alternately laminated, and the module fixing screw 1 is provided between the radiation fins 6.
The thermoelectric power generation unit was assembled by fixing the high temperature gas introduction flange 13 to the high temperature fluid flow path 5a formed in the electrically insulating heat insulating material 5 after fixing with the above.

【0054】そして、高温ガス導入フランジ13を介し
て熱電素子対2の境界部2Hに高温ガスを導入すると共
に、放熱フィン6に沿うようにして垂直方向から冷却用
ガスを流して熱電発電テストを実施したところ、熱電素
子対2の脱落や接合部の剥離などといった不具合は認め
られず、放熱フィンとモジュールとの間でがたつきが発
生して熱交換効率が低下するなどといった不具合も認め
られなかった。
Then, the high temperature gas is introduced into the boundary portion 2H of the thermoelectric element pair 2 through the high temperature gas introduction flange 13, and the cooling gas is caused to flow from the vertical direction along the heat radiating fins 6 for the thermoelectric power generation test. As a result, the problems such as the detachment of the thermoelectric element pair 2 and the peeling of the joint were not observed, and the problems such as the rattling between the radiation fins and the module and the reduction of the heat exchange efficiency were also observed. There wasn't.

【0055】このように、モジュールの中央部分が高温
部であり且つ両端部分が低温端であって放熱フィン6で
はさみ込む構成としているため、放熱効率の高いモジュ
ールの集積が容易になって大容量の熱電変換装置とする
ことが可能になる。
As described above, since the central portion of the module is the high temperature portion and the both end portions are the low temperature ends and sandwiched by the radiation fins 6, it is easy to integrate the modules having high radiation efficiency, and a large capacity is obtained. The thermoelectric converter can be used.

【0056】また、低温部においてねじ止めなどができ
るユニット構成をとることが可能となるので、ねじや固
定具が高温にさらされることがないようにすることも可
能であり、汎用のねじ材を使用することが可能である。
Further, since it is possible to have a unit structure capable of screwing at a low temperature portion, it is possible to prevent the screws and fixtures from being exposed to high temperatures. It is possible to use.

【0057】それゆえ、熱電変換システムの全体の耐久
性に優れ、製造が容易で安価なものにできるという利点
が得られる。
Therefore, there is an advantage that the thermoelectric conversion system is excellent in overall durability, easy to manufacture and inexpensive.

【0058】[0058]

【発明の効果】本発明に係わる熱電変換モジュールは、
請求項1に記載しているように、p型熱電材料とn型熱
電材料を直線状に配列した適宜数の熱電素子対をそな
え、電気的に直列接続された隣接する熱電素子対とは並
べて配置された構成としたから、p型熱電材料とn型熱
電材料とが直線状に配列していることによって、熱電変
換効率の向上ならびにモジュールの小型化を実現するこ
とが可能となり、高い温度差を付けることが可能である
と共に、高い温度差を付けたときでも熱膨張の違いによ
る反りや変形の発生を防止することが可能であるという
著しく優れた効果がもたらされる。
The thermoelectric conversion module according to the present invention is
As described in claim 1, a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are provided in an appropriate number of thermoelectric element pairs, and the adjacent thermoelectric element pairs electrically connected in series are arranged side by side. Since the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are arranged linearly because they are arranged, it is possible to improve thermoelectric conversion efficiency and reduce the size of the module, which results in a high temperature difference. In addition to the above, it is possible to prevent the occurrence of warpage and deformation due to the difference in thermal expansion even when a high temperature difference is applied, which is a remarkably excellent effect.

【0059】そして、請求項2に記載しているように、
直線状に配列したp型熱電材料とn型熱電材料の境界部
が高温側になると共に境界部とは反対側の各端部が低温
側になり、高温側と低温側とは熱的に遮断されている構
成のものとすることによって、熱膨張による変化はp−
n方向に生じると共に熱電材料の境界部を中心として対
称となり、熱膨張により寸法がp−n方向に増大したと
しても端部に設けられる電極や基板を押す方向の力が作
用することとなるので、反りや変形等が生じず熱応力に
強いものにすることが可能であると共に、高温側と低温
側とで大きな温度差を付けることが可能となって小型か
つ大容量の熱電変換モジュールとすることが可能であ
り、また、高温側には基板を有しない構成となっている
ので、高温側に基板を有する場合におけるような素子の
破壊や基板の剥離などといった不具合が防止され、モジ
ュールの両端が低温側となるので、複数モジュールの連
結や他部品への組付けを容易なものにすることが可能に
なるという著しく優れた効果がもたらされる。
Then, as described in claim 2,
The boundary between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material arranged in a straight line becomes the high temperature side, and each end opposite to the boundary becomes the low temperature side, and the high temperature side and the low temperature side are thermally isolated By adopting the configuration described above, the change due to thermal expansion is p-
It occurs in the n direction and becomes symmetrical about the boundary of the thermoelectric material, and even if the dimension increases in the pn direction due to thermal expansion, the force for pushing the electrode or substrate provided at the end portion acts. It is possible to make it resistant to thermal stress without warping or deformation, and it is possible to make a large temperature difference between the high temperature side and the low temperature side. In addition, since it has a structure that does not have a substrate on the high temperature side, problems such as element destruction and substrate peeling that occur when the substrate is on the high temperature side are prevented, and both ends of the module are prevented. Since the temperature is on the low temperature side, a remarkably excellent effect that the connection of a plurality of modules and the assembling to other parts can be facilitated is brought about.

【0060】また、請求項3に記載しているように、直
線状に配列したp型熱電材料とn型熱電材料の境界部が
高温熱源に接触して熱交換すると共に、境界部とは反対
側の各端部が低温部となり、低温部は高温熱源と遮断さ
れて接触しないものとなっている構成のものとすること
によって、熱膨張による寸法の変化はp−n方向に生じ
ると共に境界部を中心として対称で且つ低温部に向けて
次第に小さなものとなり、熱膨張により寸法がp−n方
向に増大したとしても端部に設けられる電極や基板を押
す方向に力が作用することとなるので、反りや変形等が
発生せずくりかえしの膨張・収縮に対しても破損を生じ
がたいものとすることが可能となり、熱応力に強いもの
にすることが可能であると共に、高温側と低温側とで大
きな温度差を付けることが可能となって小型かつ大容量
の熱電変換モジュールとすることが可能となり、両端側
が低温部となるため組付け性,連結性,安全性等に優れ
た熱電変換モジュールとすることが可能になるという著
しく優れた効果がもたらされる。
Further, as described in claim 3, the boundary portion between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material arranged in a straight line is in contact with the high temperature heat source for heat exchange, and is opposite to the boundary portion. Each end on the side is a low temperature part, and the low temperature part is cut off from the high temperature heat source so that it does not come into contact with the high temperature heat source. Is symmetric with respect to, and becomes gradually smaller toward the low temperature part, and even if the dimension increases in the pn direction due to thermal expansion, a force acts in the direction of pushing the electrode or substrate provided at the end. It is possible to make it resistant to thermal stress and to be resistant to repeated expansion and contraction without warping or deformation, and it is possible to make it resistant to thermal stress and at the same time as high temperature side and low temperature side. With a large temperature difference It becomes possible to make a small-sized and large-capacity thermoelectric conversion module, and since both ends have low temperature parts, it is possible to make a thermoelectric conversion module excellent in assemblability, connectivity, and safety. It has a remarkably excellent effect.

【0061】さらに、請求項4に記載しているように、
一方の熱電素子対の低温部は、前記熱電素子対に並べて
配置された他方の熱電素子対の低温部と電気絶縁性断熱
材を介して隣接している構成とすることによって、熱電
素子対の密度を高くしても電流リーク等の不具合を生じ
がたいものとすることが可能となって大容量の熱電変換
モジュールの小型化が実現されることになるという著し
く優れた効果がもたらされる。
Further, as described in claim 4,
The low temperature portion of one thermoelectric element pair is adjacent to the low temperature portion of the other thermoelectric element pair arranged side by side with the thermoelectric element pair via an electrically insulating heat insulating material, thereby Even if the density is increased, it is possible to prevent problems such as current leakage from occurring, and it is possible to realize the miniaturization of the large-capacity thermoelectric conversion module.

【0062】さらにまた、請求項5に記載の熱電変換モ
ジュールの構成とすることによって、熱電材料の境界部
とこの境界部とは反対側の両端部の低温部との間で大き
い温度差を付けることが可能となり、熱膨張による熱応
力に強いものにすることが可能であると共に、大容量を
もつ熱電変換モジュールの小型化を実現することが可能
となり、高温側には基板を有しないため高温側に基板を
有する場合におけるような素子の破壊や基板の剥離など
といった不具合をなくすことができ、モジュールの両端
が低温部となるので、複数モジュールの連結性や他部品
との組付け性などをより一層向上したものにすることが
可能であるという著しく優れた効果がもたらされる。
Furthermore, by adopting the thermoelectric conversion module according to the fifth aspect, a large temperature difference is provided between the boundary portion of the thermoelectric material and the low temperature portions at both ends opposite to the boundary portion. In addition to being able to withstand thermal stress due to thermal expansion, it is also possible to realize miniaturization of a thermoelectric conversion module with a large capacity. It is possible to eliminate problems such as element breakage and substrate peeling when there is a substrate on the side, and both ends of the module are low temperature parts, so connectivity of multiple modules and assembly with other parts etc. The remarkably excellent effect that it can be improved further is brought about.

【0063】そして、請求項6に記載しているように、
低温部を冷却する水冷ジャケットをそなえたものとした
り、請求項7に記載しているように、低温部を冷却する
放熱フィンをそなえたものとしたりすることによって、
熱電素子対自体は水冷ジャケットや放熱フィンの内部に
組み付けられるものとすることによって、低温部の冷却
作用を向上させて大きい温度差を付けることが可能にな
ると共に高温部および電極は水冷ジャケットや放熱フィ
ンの内部に配設されたものとなるため安全性をより一層
向上したものにすることが可能であるという著しく優れ
た効果がもたらされる。
And, as described in claim 6,
By providing a water cooling jacket for cooling the low temperature portion, or by providing a radiating fin for cooling the low temperature portion as described in claim 7,
The thermoelectric element pair itself can be installed inside the water cooling jacket or the heat radiation fins to improve the cooling effect of the low temperature part and make a large temperature difference. Since the fins are arranged inside the fins, the safety can be further improved, which is a remarkably excellent effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係わる熱電変換モジュールの一実施例
を示す縦断面説明図である。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional explanatory view showing an embodiment of a thermoelectric conversion module according to the present invention.

【図2】図1に示した熱電変換モジュールの製造工程例
を図(A)〜図(G)に分けて順次示す斜面説明図であ
る。
2A to 2G are explanatory views of an inclined surface showing an example of a manufacturing process of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 1 separately in FIGS.

【図3】図1に示した熱電変換モジュールの冷却ブロッ
クの他の構造例を示す斜面説明図である。
FIG. 3 is an oblique surface explanatory diagram showing another structural example of the cooling block of the thermoelectric conversion module shown in FIG.

【図4】図1に示した熱電変換モジュールの冷却ブロッ
クの他の構造例を示す斜面説明図である。
FIG. 4 is a perspective view showing another example of the structure of the cooling block of the thermoelectric conversion module shown in FIG.

【図5】本発明に係わる熱電変換モジュールを複数重ね
て構成した熱電変換ユニットの斜面分解説明図である。
FIG. 5 is an exploded perspective view of a thermoelectric conversion unit formed by stacking a plurality of thermoelectric conversion modules according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 熱電変換モジュール 2 熱電素子対 2p p型熱電材料 2n n型熱電材料 2H p型熱電材料とn型熱電材料の境界部 2L 境界部とは反対側の端部(低温部) 3 電極 4 基板 5 電気絶縁性断熱材 6 冷却ブロック DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric conversion module 2 Thermoelectric element pair 2p p-type thermoelectric material 2n n-type thermoelectric material 2H Boundary part of p-type thermoelectric material and n-type thermoelectric material 2L End part (low temperature part) opposite to the boundary part 3 Electrode 4 Substrate 5 Electrical insulating insulation 6 Cooling block

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三 好 実 人 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日 本碍子株式会社内 (72)発明者 篠 原 和 彦 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 櫛 引 圭 子 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 小 林 正 和 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 古 谷 健 司 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 高 尾 洋 神奈川県横浜市神奈川区宝町2番地 日産 自動車株式会社内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Miyoshi Mito 2-5-56 Suda-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture Insulator Hikomoto Co., Ltd. (72) Inventor, Kazuhiko Shinohara Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa No. 2 Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Keiko Kushibiki 2 Takara-cho, Kanagawa-ku, Kanagawa Prefecture, Kanagawa Prefecture Nissan Motor Co., Ltd. (72) Masakazu Kobayashi No. 2 Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama City, Nissan Incorporated (72) Inventor Kenji Furuya 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd. (72) Inventor Hiro Takao 2 Takaracho, Kanagawa-ku, Yokohama, Kanagawa Nissan Motor Co., Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 p型熱電材料とn型熱電材料を直線状に
配列した適宜数の熱電素子対をそなえ、電気的に直列接
続された隣接する熱電素子対とは並べて配置されたこと
を特徴とする熱電変換モジュール。
1. A p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are provided in an appropriate number of thermoelectric element pairs arranged linearly, and adjacent thermoelectric element pairs electrically connected in series are arranged side by side. And a thermoelectric conversion module.
【請求項2】 直線状に配列したp型熱電材料とn型熱
電材料の境界部が高温側になると共に境界部とは反対側
の各端部が低温側になり、高温側と低温側とは熱的に遮
断されている請求項1に記載の熱電変換モジュール。
2. The boundary portion between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material arranged in a straight line is on the high temperature side, and each end opposite to the boundary portion is on the low temperature side. The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion module is thermally cut off.
【請求項3】 直線状に配列したp型熱電材料とn型熱
電材料の境界部が高温熱源に接触して熱交換すると共
に、境界部とは反対側の各端部が低温部となり、低温部
は高温熱源と遮断されて接触しないものとなっている請
求項2に記載の熱電変換モジュール。
3. The boundary portion between the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material, which are linearly arranged, comes into contact with a high temperature heat source to exchange heat, and each end opposite to the boundary portion becomes a low temperature portion, so that the temperature is low. The thermoelectric conversion module according to claim 2, wherein the portion is cut off from the high-temperature heat source and does not come into contact with it.
【請求項4】 一方の熱電素子対の低温部は、前記熱電
素子対に並べて配置された他方の熱電素子対の低温部と
電気絶縁性断熱材を介して隣接している請求項3に記載
の熱電変換モジュール。
4. The low temperature part of one thermoelectric element pair is adjacent to the low temperature part of the other thermoelectric element pair arranged side by side with the thermoelectric element pair via an electrically insulating heat insulating material. Thermoelectric conversion module.
【請求項5】 p型熱電材料とn型熱電材料を直線状に
配列した適宜数の熱電素子対をそなえ、互いに隣接する
熱電素子対においてp型熱電材料とn型熱電材料とが交
互に位置する向きに適宜数の熱電素子対を並べて配置し
ていると共に、並べて配置した熱電素子対を電気的に直
列接続する電極をそなえ、並べて配置した熱電素子対の
p型熱電材料とn型熱電材料の境界部に高温熱源を接触
させると共に境界部とは反対側の低温部を高温熱源から
熱的に遮断しかつ隣接する熱電素子対の低温部間を電気
的に絶縁する電気絶縁性断熱材を設けたことを特徴とす
る熱電変換モジュール。
5. A p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are provided in an appropriate number of thermoelectric element pairs linearly arranged, and the p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material are alternately located in adjacent thermoelectric element pairs. The p-type thermoelectric material and the n-type thermoelectric material of the thermoelectric element pairs arranged side by side are provided with an electrode for electrically connecting the thermoelectric element pairs arranged side by side in an appropriate number A high-temperature heat source is brought into contact with the boundary part of the, and a low-temperature part on the side opposite to the boundary part is thermally insulated from the high-temperature heat source, and an electrically insulating heat insulating material that electrically insulates between the low-temperature parts of adjacent thermoelement A thermoelectric conversion module characterized by being provided.
【請求項6】 低温部を冷却する水冷ジャケットをそな
えた請求項5に記載の熱電変換モジュール。
6. The thermoelectric conversion module according to claim 5, further comprising a water cooling jacket for cooling the low temperature portion.
【請求項7】 低温部を冷却する放熱フィンをそなえた
請求項5に記載の熱電変換モジュール。
7. The thermoelectric conversion module according to claim 5, further comprising radiating fins for cooling the low temperature portion.
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