JPH10144968A

JPH10144968A - 熱電素子および熱電変換装置

Info

Publication number: JPH10144968A
Application number: JP8298703A
Authority: JP
Inventors: Masaki Yamamoto; 昌樹山本; Isao Abe; 功阿部; Maki Ishizawa; 真樹石沢
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1998-05-29
Anticipated expiration: 2016-11-11
Also published as: JP3506199B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の課題は、熱・電気変換効率の向上、熱
電半導体と伝熱板との高い電気絶縁性、および熱膨張か
らの装置保護を同時に可能とした熱電素子および熱電変
換装置を提供することにある。【解決手段】本発明は、複数のｐ型およびｎ型熱電半導
体１０を挟む二枚の絶縁・熱伝導性シート１２と、この
二枚の絶縁・熱伝導性シート１２を挟み片側は平板な面
を有しかつ平板でない面にＶ字型の断面形状の溝が形成
されている金属板１３とより構成され、前記絶縁・熱伝
導性シート１２が、複数のｐ型およびｎ型熱電半導体１
０を交互かつ連続に接続する電極をその上に備えた薄板
状もしくはフィルム状の絶縁・熱伝導性シート１２より
なり、前記絶縁・熱伝導性シート１２が前記金属板１３
の平面な面に密着していることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度差による発
電、あるいは直流電力の供給による冷却または加熱とし
て作用する熱電素子および熱電変換装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱電変換装置は、図２に示すよう
にｐ型およびｎ型熱電半導体２０を電極２１を介して交
互かつ連続的に接続したものを、熱電素子基板となるセ
ラミック板等の絶縁体２２で挟み込んで構成されてお
り、これを伝熱板２３および伝熱板２４に接触させるこ
とで、伝熱板２３と伝熱板２４の温度差によるゼーベッ
ク効果による発電を行い、その発電電力をリード線２
５，２６から取り出している。またはリード線２５，２
６からの熱電半導体２０への給電によるペルチェ効果に
よる伝熱板２３の冷却と伝熱板２４の加熱、または伝熱
板２３の加熱と伝熱板２４の冷却に用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、熱電素子の基
板として現在一般的に使用されているセラミックには、
電気絶縁性と熱伝導性の双方を兼ね備えているといった
長所がある反面、脆弱で加工性が悪いという短所も持っ
ている。このため、熱電素子基板は平板状にしか加工で
きず、充分な熱接触面積を用いることができないという
課題を持っている。

【０００４】この課題に対しては、従来のセラミックに
変えて電気絶縁用の酸化膜を設けた、シリコンまたはア
ルミニウムを熱電素子基板に使用し、これに直線状また
は曲線状の断面を持つ溝を設けることにより、放熱面積
の拡大を図る方法が、特開平８−３７３２４号公報に開
示されている。

【０００５】しかしこの方法は、放熱面積の拡大により
熱流量が増大するといった点では確かに効果があり、数
十℃程度の温度差で熱電変換装置を運転する場合には良
いが、実際の熱発電システムのように１００℃を超える
温度差で運転する場合、熱電素子基板の内側、即ち熱電
半導体側の面と放熱面との温度差により、金属特有の熱
膨張差が発生し、セラミック板使用時には発生しなかっ
た熱電素子基板の反り、歪みが発生する。

【０００６】この反り、歪みは運転停止後の自然冷却に
よる熱膨張の消滅により元に復元するが、運転・停止の
都度、反り・復元を繰り返すこととなるため、熱電半導
体および熱電素子基板が疲労し、その寿命を短くすると
いった問題が新たに発生する。特に熱電半導体は、一般
的に劈開性を持ち、通常の金属と比べ機械的強度が弱い
という特徴を持つことから、熱電変換装置を高温度差で
断続的に運転するような場合には、不適当な方法であ
る。

【０００７】また酸化膜を設けた、シリコンまたはアル
ミニウムの絶縁電圧は、その膜厚さにもよるが概ね数Ｖ
程度であり、極めて小規模な発電には良いが、熱電変換
装置を直列に数百個接続して使用するような規模の大き
な熱発電システムの場合だと、絶縁用酸化膜の絶縁破壊
を生じるため、実用には問題がある。

【０００８】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、実用的な熱発電システムに供することを可能とする
ため、高温度差による断続的な運転に対しても、熱電半
導体および熱電素子基板を疲労させることなく、熱電半
導体と伝熱板との高い電気絶縁性、および熱膨張からの
装置保護を同時に可能とし、併せて熱流量の増大による
熱・電気変換効率を向上させる熱電素子および熱電変換
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の熱電素子は、複数のｐ型およびｎ型熱電半導
体と、前記熱電半導体を交互かつ連続に接続する電極
と、前記熱電半導体および電極を挟む二枚の絶縁体と、
片側は平板な面を有しかつ平板でない面にＶ字型もしく
はＵ字型の断面形状の溝が形成されている二枚の絶縁体
を挟む金属基板とで構成される熱電素子において、前記
電極と前記絶縁体が、複数のｐ型およびｎ型熱電半導体
を交互かつ連続に接続する電極をその上に備えた薄板状
もしくはフィルム状の絶縁・伝熱性シートで構成され、
前記絶縁・伝熱性シートが前記金属基板の平面な面に密
着していることを特徴とするものである。

【００１０】また本発明の熱電変換装置は、熱電素子を
二枚の伝熱板で挟み込んだ構造の熱電変換装置におい
て、前記熱電素子が請求項１記載の熱電素子であり、前
記伝熱板が金属板でありかつその熱電素子との接触面が
請求項１記載のＶ字型もしくはＵ字型の断面形状の溝と
同様の溝を有し、該熱電素子と該伝熱板とが嵌合し、こ
れをボルトにより固定することを特徴とするものであ
る。また本発明の熱電変換装置は、前記熱電変換装置に
おいて、伝熱板の内部に伝熱用の管状穴を備えることを
特徴とするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。［実施形態例１］本発明の第一実施形態例を図１を参照
して説明する。４ｃｍ四方の金属板１３に厚さ１ｍｍを
残して、頂角角度２０度、深さ２．８ｍｍのＶ字型断面
の溝を３９本掘った。この金属板１３との嵌合が可能と
なるよう、金属伝熱板１４にも同様なＶ字型断面の溝を
掘った。この金属板１３とビスマス・テルル系のｐ型お
よびｎ型熱電半導体１０の間に、厚さ３１μｍの電極付
き絶縁・熱伝導性シート１２を挟み込み、さらに金属板
１３と金属伝熱板１４との間に、嵌合面の熱抵抗削減の
ため、介在物として厚さ１０μｍの純銅箔を挟み込んだ
後、両者を嵌合させて、四隅をボルト１６で固定した。
なお、電極付き絶縁・熱伝導性シート１２は、ポリエス
テルフィルム上にポリイミドフィルムを接着し、さらに
その上に電極および回路をパターニングした銅箔を接着
して構成している。これを電気的に直列に３２個接続し
た。最後に金属伝熱板１４の加熱側に１７０度の水蒸気
を送り、他方の金属伝熱板１４には２５℃の冷却水を送
って試験を行った。

【００１２】この結果、嵌合部による支持のため、絶縁
・熱伝導性シート１２および金属板１３よりなる熱電素
子基板１１および金属伝熱板１４に、反り・歪みの発生
はなく、熱電半導体１０にもひびや劈開などは認められ
なかった。また、絶縁・熱伝導性シート１２には傷、破
れなどは見られず、１ＭΩ以上の良好な絶縁特性を示し
た。さらに、純銅箔にも嵌合による傷、破れ等は見られ
なかった。一方、実験開始から十分時間をおいて定常状
態に達した後の、冷却水の流量とその温度上昇分を測定
することにより、熱電変換装置を通過する熱流量を調べ
たところ、従来技術による、同寸法の熱電変換装置の場
合の約２．４倍に増加した。この結果から明らかなよう
に、従来の技術に比べて、反り、歪みからの熱電変換装
置の保護と高い電気絶縁性、および熱流量の増大を同時
に実現させるという改善がなされた。なお、電極付き絶
縁・熱伝導性シート１２はシリコンゴム製のフィルム上
に電極および回路をパターニングした銅箔を接着したも
のでの置き換えによっても構成可能である。［実施形態例２］本発明の第二実施形態例を図５を参照
して説明する。４ｃｍ四方の金属板５３に厚さ１ｍｍを
残して、深さ３ｍｍの正弦曲線状のＵ字型断面の溝を１
５本掘った。この金属板５３との嵌合が可能となるよ
う、金属伝熱板５４にも同様な正弦曲線状のＵ字型断面
の溝を掘った。以下、実施形態例１と同様にして試験を
行った。すなわち、この金属板５３とビスマス・テルル
系のｐ型およびｎ型熱電半導体５０の間に、厚さ３１μ
ｍの電極付き絶縁・熱伝導性シート５２を挟み込み、さ
らに金属板５３と金属伝熱板５４との間に、嵌合面の熱
抵抗削減のため、介在物として厚さ１０μｍの純銅箔を
挟み込んだ後、両者を嵌合させて、四隅をボルト５６で
固定した。なお、電極付き絶縁・熱伝導性シート５２
は、ポリエステルフィルム上にポリイミドフィルムを接
着し、さらにその上に電極および回路をパターニングし
た銅箔を接着して構成している。これを電気的に直列に
３２個接続した。最後に金属伝熱板５４の加熱側に１７
０度の水蒸気を送り、他方の金属伝熱板５４には２５℃
の冷却水を送って試験を行った。

【００１３】この結果、嵌合部による支持のため、絶縁
・熱伝導性シート５２および金属板５３よりなる熱電素
子基板５１と金属伝熱板５４に、反り、歪みの発生はな
く、熱電半導体５０にもひびや劈開などは認められなか
った。また、絶縁・熱伝導性シート５２には傷、破れな
どは見られず、１ＭΩ以上の良好な絶縁特性を示した。
さらに、純銅箔にも嵌合による傷、破れ等は見られなか
った。一方、実験開始から十分時間をおいて定常状態に
達した後の、冷却水の流量とその温度上昇分を測定する
ことにより、熱電変換装置を通過する熱流量を調べたと
ころ、従来技術による同寸法の熱電変換装置の場合の約
２．８倍に増加した。この結果から明らかなように、従
来の技術に比べて、反り、歪みからの熱電変換装置の保
護と高い電気絶縁性、および熱流量の増大を同時に実現
させるという改善がなされた。なお、電極付き絶縁・熱
伝導性シート５２は、シリコンゴム製のフィルム上に電
極および回路をパターニングした銅箔を接着したもので
の置き換えによっても構成可能である。

【００１４】以上のように、金属伝熱板１４，５４につ
いて、金属板１３，５３と接触する部分にのみ、金属板
１３，５３に施された熱接触面積の拡大のためのＶ字型
またはＵ字型の溝と同様な溝を施して同基板と嵌合さ
せ、四隅をボルト１６，５６で固定する。

【００１５】さらに、金属伝熱板１４，５４の内部に、
熱電変換装置加熱用の熱源流体または熱電変換装置冷却
用の冷媒を流せるように、伝熱用の管状穴１５，５５を
設ける。

【００１６】また、熱電半導体１０，５０と、放熱板ま
たは吸熱板である金属板１３，５３との絶縁材に、電極
がパターニングされた薄板状またはフィルム状の絶縁・
熱伝導性シート１２，５２を使用する。

【００１７】本発明はこれら３つの手段により、十分な
熱接触面積を確保しつつ、高い電気絶縁性と高い熱伝導
性、および反り、歪みからの熱電変換装置の保護を実現
させることを特徴としている。従来の技術とは、金属伝
熱板１４，５４の形状および構造と、金属伝熱板１４，
５４と熱電素子基板１１，５１との熱接触方法、および
熱電半導体１０，５０と金属板１３，５３との電気絶縁
方法が異なる。

【００１８】すなわち、金属板１３，５３と金属伝熱板
１４，５４とを嵌合して、ボルト１６，５６で固定する
ことにより、熱電素子基板１１，５１を力学的に固定す
る状態となることから、熱膨張による反り、歪みによる
熱電半導体１０，５０への影響を防止できる。このと
き、溝の断面形状を矩形にすると、図３に示すように矩
形の溝となるように加工された金属伝熱板３４にその溝
に嵌合するように加工された金属板３３を嵌合しようと
しても、僅かな寸法誤差でも嵌合できなくなる問題が発
生する。図３中、３０はｐ型およびｎ型熱電半導体、３
１は絶縁・熱伝導性シート、３５は嵌合の不整合部であ
る。また、嵌合部の接触熱抵抗を低減させるため介在物
を介在させる場合、図４に示すように金属板４０の凸部
を介在物４１を介して金属伝熱板４２の凹部に嵌合させ
ようとしても介在物４１を損傷させこの介在物４１の損
傷部４３が逆に嵌合を困難にするという問題が生ずる。
そのためにこのような恐れのないＶ字型またはＵ字型の
断面を持つ溝としている。

【００１９】また、金属伝熱板１４，５４の内部に管状
穴１５，５５を設け、これに熱源流体または冷媒を流す
ことにより、金属伝熱板１４，５４の表面は、内部から
一様に加熱あるいは冷却されるため、表面での温度差が
解消され、この温度差による熱膨張量の差による、金属
伝熱板１４，５４自身の反りも抑えることができる。

【００２０】一方、熱電半導体１０，５０と、金属板１
３，５３との絶縁材に、電極がパターニングされた薄板
状またはフィルム状の絶縁・熱伝導性シート１２，５２
を使用することにより、高い電気絶縁性と高い熱伝導性
を確保している他、絶縁・熱伝導性シート１２，５２自
身が持つ柔軟性により、熱電半導体１０，５０および金
属板１３，５３の熱膨張量を吸収することにより、熱電
半導体を熱応力から守ることができる。

【００２１】従って、従来のセラミック板や、先述の酸
化膜を設けたシリコンまたはアルミニウムを用いた技術
では困難であった十分な熱接触面積を確保しつつ、かつ
高い電気絶縁性と高い熱伝導性および反り、歪みからの
熱電変換装置の保護を実現させることが可能となり、本
発明の目的である、熱流量の増大による熱・電気変換効
率の向上、熱電半導体と伝熱板との高い電気絶縁性、お
よび熱膨張からの装置保護を同時に可能とした、熱電変
換装置の提供が可能となる。

【００２２】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、絶縁
・熱伝導性シートの使用と、熱電素子基板と伝熱板との
嵌合と固定、および伝熱板内部に伝熱用管状穴を設ける
ことにより、従来の技術に比べて、十分な熱接触面積を
確保しつつ、かつ１ＭΩ以上の高い電気絶縁性と、従来
技術の２倍を超える高い熱伝導性、および反り、歪みか
らの熱電変換装置の保護を実現させるという効果が得ら
れる。即ち、本発明の目的である、熱・電気変換効率の
向上、熱電半導体と伝熱板との高い電気絶縁性、および
熱膨張からの装置保護を同時に可能とした。熱電変換装
置の提供を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態例を示す断面構成説明図
である。

【図２】従来の熱電変換装置を示す断面構成説明図であ
る。

【図３】熱電変換装置の溝の断面形状を矩形にした場合
に想定される不具合について、嵌合不能となる例を示し
た断面構成説明図である。

【図４】熱電変換装置の溝の断面形状を矩形にした場合
に想定される不具合について、熱抵抗削減のために挿入
する介在物を損傷させる例を示した断面構成説明図であ
る。

【図５】本発明の第二実施形態例を示す断面構成説明図
である。

【符号の説明】

１０，２０，３０，５０…ｐ型およびｎ型熱電半導体１１，５１…熱電素子基板１２，３１，５２…絶縁・熱伝導性シート１３，３３，４０，５３…金属板１４，３４，４２，５４…金属伝熱板１５，５５…伝熱用の管状穴１６，５６…ボルト２１…電極２２…絶縁体２３，２４…伝熱板２５，２６…リード線３５…嵌合の不整合部４１…介在物４３…介在物の損傷部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のｐ型およびｎ型熱電半導体と、前
記熱電半導体を交互かつ連続に接続する電極と、前記熱
電半導体および電極を挟む二枚の絶縁体と、片側は平板
な面を有しかつ平板でない面にＶ字型もしくはＵ字型の
断面形状の溝が形成されている二枚の絶縁体を挟む金属
基板とで構成される熱電素子において、前記電極と前記
絶縁体が、複数のｐ型およびｎ型熱電半導体を交互かつ
連続に接続する電極をその上に備えた薄板状もしくはフ
ィルム状の絶縁・伝熱性シートで構成され、前記絶縁・
伝熱性シートが前記金属基板の平面な面に密着している
ことを特徴とする熱電素子。
【請求項２】熱電素子を二枚の伝熱板で挟み込んだ構
造の熱電変換装置において、前記熱電素子が請求項１記
載の熱電素子であり、前記伝熱板が金属板でありかつそ
の熱電素子との接触面が請求項１記載のＶ字型もしくは
Ｕ字型の断面形状の溝と同様の溝を有し、該熱電素子と
該伝熱板とが嵌合し、これをボルトにより固定すること
を特徴とする熱電変換装置。
【請求項３】請求項２記載の熱電変換装置において、
伝熱板の内部に伝熱用の管状穴を備えることを特徴とす
る熱電変換装置。