JPH11340523A - Thermoelectric transducing system - Google Patents
Thermoelectric transducing systemInfo
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- JPH11340523A JPH11340523A JP10141582A JP14158298A JPH11340523A JP H11340523 A JPH11340523 A JP H11340523A JP 10141582 A JP10141582 A JP 10141582A JP 14158298 A JP14158298 A JP 14158298A JP H11340523 A JPH11340523 A JP H11340523A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】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却などのい
わゆる熱電変換（可動部のないエネルギーの直接変換）
に利用される熱電材料を用いた熱電変換システムに関す
るものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to so-called thermoelectric conversion (direct conversion of energy without moving parts) such as thermoelectric power generation by the Seebeck effect and electronic cooling by the Peltier effect.
The present invention relates to a thermoelectric conversion system using a thermoelectric material used for a thermoelectric material.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、熱電変換システムには、熱電材料
に温度差をつけたときに生ずる熱起電力（ゼーベック効
果）を利用した発電用システムと、逆に熱電材料に電流
を流したときの吸発熱作用（ペルチェ効果）を利用する
電子冷却用システムとに大別される。このうち、発電用
システムは、構造が簡単で、振動、騒音、摩耗などを生
じる可動部がなく、熱源の規模を選ばないなどの特徴が
あるため、携帯型電源や、各種の排熱を電力として回収
し有効利用する手段として注目されている。一方、電子
冷却用システムは、フロンなどの冷媒を使用せず全固体
の冷却方式として有用性が高く、その応用製品は冷蔵
庫、半導体冷却装置、精密温度コントローラーなど広範
囲に及んでいる。2. Description of the Related Art Conventionally, a thermoelectric conversion system includes a power generation system using a thermoelectromotive force (Seebeck effect) generated when a temperature difference is applied to a thermoelectric material, and a thermoelectric conversion system when a current flows through the thermoelectric material. It is broadly classified into an electronic cooling system that uses the heat absorption and heat generation (Peltier effect). Among them, the power generation system has features such as simple structure, no moving parts that generate vibration, noise, and wear, and the scale of the heat source can be selected. It is attracting attention as a means of collecting and effectively utilizing it. On the other hand, electronic cooling systems have high utility as all-solid cooling methods without using refrigerants such as chlorofluorocarbons, and their applied products are widely used in refrigerators, semiconductor cooling devices, precision temperature controllers, and so on.
【０００３】一般に、発電用として用いる熱電変換シス
テムは、図３に示した構成となっている。同図を参照し
ながら従来の構成を説明する。図３（ａ）において、１
１は熱電素子であり、金属電極１２を介してｐ型とｎ型
の複数の熱電素子１１が交互に電気的に直列に接続され
ている。熱電素子１１と金属電極１２との接合はハンダ
付けにより機械的に強固に接合されている。さらに、モ
ジュール全体の機械的強度や、金属製熱交換器１４，１
６との絶縁性を確保するために熱電素子１１と電極１２
からなる部分は対向する２枚のセラミック板１３の間に
ハンダ付けにより固定されている。この構成の熱電変換
モジュールは一般にセラミックタイプと呼ばれている。
この他にも、図３（ｂ）に示すように、セラミックス板
１３と熱電素子１１及び電極１２との間の熱膨張の差に
起因した応力の緩和のため、セラミック板１３と電極１
２とをハンダで接合せず、熱伝導性グリス１８を介して
フリーな状態に保つスケルトンタイプといわれる熱電変
換モジュールが一般的に知られている。このような熱電
変換モジュールに係わる全般的な技術は、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
新聞社発行）や「熱電変換システム技術総覧」（梶川武
信他編、リアライズ社発行）に詳述されている。Generally, a thermoelectric conversion system used for power generation has a configuration shown in FIG. The conventional configuration will be described with reference to FIG. In FIG. 3A, 1
Reference numeral 1 denotes a thermoelectric element, and a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements 11 are alternately electrically connected in series via a metal electrode 12. The junction between the thermoelectric element 11 and the metal electrode 12 is mechanically and strongly joined by soldering. Further, the mechanical strength of the entire module and the metal heat exchangers 14, 1
6 and thermoelectric element 11 and electrode 12
Is fixed between two opposing ceramic plates 13 by soldering. The thermoelectric conversion module having this configuration is generally called a ceramic type.
In addition, as shown in FIG. 3B, in order to reduce stress caused by a difference in thermal expansion between the ceramic plate 13 and the thermoelectric element 11 and the electrode 12, the ceramic plate 13 and the electrode 1
A thermoelectric conversion module called a skeleton type that keeps a free state via the heat conductive grease 18 without joining the two with solder is generally known. For example, general technologies related to such thermoelectric conversion modules include “thermoelectric semiconductors and their applications” (Isao Nishida and Kinichi Uemura, published by Nikkan Kogyo Shimbun), and “Overview of thermoelectric conversion system technology” (Takenobu Kajikawa et al.) Edited by Realize Inc.).
【０００４】このように構成される熱電変換モジュール
を実際に発電用システムとして利用する場合には、更に
次のような部品が個別に接合される。即ち、図３（ａ）
に示すように、セラミックタイプでは、高温側熱源１５
と低温側熱源１７との間の熱交換によって熱電変換モジ
ュールに温度差を印加するための金属製熱交換器１４，
１６が、熱伝導性グリス１８を介して接合される。ま
た、図３（ｂ）に示すように、スケルトンタイプでは、
上述の熱交換器とはセラミック板１３と２層の熱伝導性
グリス１８を介して接合される。When the thermoelectric conversion module configured as described above is actually used as a power generation system, the following components are individually joined. That is, FIG.
As shown in FIG.
A metal heat exchanger 14, for applying a temperature difference to the thermoelectric conversion module by heat exchange between the heat source 17 and the low-temperature side heat source 17,
16 are joined via heat conductive grease 18. Also, as shown in FIG. 3B, in the skeleton type,
The above-described heat exchanger is joined to the ceramic plate 13 via two layers of thermally conductive grease 18.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３
（ａ）に示す従来の熱電発電システム（セラミックタイ
プ）を利用する場合、ヒートサイクルに対する信頼性が
乏しいことが課題である。この原因は、熱電変換モジュ
ールの各部材がハンダで接合されているため、各部材の
熱膨張率の差に起因した応力により、熱電素子や各接合
部にクラックが生じるためである。However, FIG.
When using the conventional thermoelectric power generation system (ceramic type) shown in (a), the problem is that the reliability with respect to the heat cycle is poor. The reason for this is that, since the members of the thermoelectric conversion module are joined by solder, cracks occur in the thermoelectric elements and the joints due to the stress caused by the difference in the coefficient of thermal expansion of each member.
【０００６】そこで、ヒートサイクルに対する信頼性を
高めた例として、図３（ｂ）に示すようなスケルトンタ
イプのモジュールを使用したシステムが一般に利用され
ているが、熱交換器と電極との絶縁性確保のため、別途
セラミック板が必要となる。このため、グリス層は低温
側及び高温側で各２ヵ所（計４ヵ所）必要となり、その
分、熱抵抗が増大し、モジュールに温度差が印加されに
くくなるといった課題があった。従って、変換効率を高
くするためには、電極と熱交換器との間の熱抵抗、即ち
セラミック板などの絶縁層と熱伝導性グリス層の熱抵抗
をできるだけ低減させる必要があった。さらに、上述の
セラミック板は熱抵抗を小さくするために０．２５ｍｍ
程度の極薄のものが使用されているため割れやすく、シ
ステム組み上げ時の取り扱いには特に注意が必要であっ
た。Therefore, as an example of improving the reliability with respect to the heat cycle, a system using a skeleton type module as shown in FIG. 3B is generally used. To secure them, a separate ceramic plate is required. For this reason, two grease layers are required on each of the low-temperature side and the high-temperature side (a total of four places), and there is a problem that the thermal resistance increases and the temperature difference is hardly applied to the module. Therefore, in order to increase the conversion efficiency, it is necessary to reduce as much as possible the thermal resistance between the electrode and the heat exchanger, that is, the thermal resistance between the insulating layer such as a ceramic plate and the thermally conductive grease layer. Furthermore, the above-mentioned ceramic plate is 0.25 mm in order to reduce the thermal resistance.
Since it is extremely thin, it is fragile and requires special care when handling the system.
【０００７】また、大規模な熱源を利用する場合は、熱
電変換モジュールも大型のものが望まれるが、従来の一
般的なアルミナセラミックスでは、例えば、０．２５ｍ
ｍ厚さ程度で１５０×３００ｍｍ程度の大型のものの製
造は困難であると共に、熱交換器形状に合わせた曲面形
状のセラミック板の製造は困難であった。この場合、ポ
リイミドなどの樹脂フィルムをセラミック板の代わりと
して使用することも考えられているが、熱伝導率が低
く、仮に数十μｍまで薄くしても熱抵抗が大きく、さら
に薄くすると接触面へのゴミ噛みなどによって絶縁性の
確保が困難になるといった課題があった。When a large-scale heat source is used, a large-sized thermoelectric conversion module is desired.
It was difficult to manufacture a large-sized one having a thickness of about 150 m and a thickness of about 150 x 300 mm, and it was also difficult to manufacture a ceramic plate having a curved shape conforming to the shape of a heat exchanger. In this case, it is considered to use a resin film such as polyimide as a substitute for the ceramic plate. However, the thermal conductivity is low, and even if the thickness is reduced to several tens of μm, the thermal resistance is large. There is a problem that it becomes difficult to secure insulation due to bite of dust.
【０００８】また、熱電変換モジュールに印加される温
度差を大きくさせるため、熱交換器に設置されるフィン
を増加させることもできるが、構造が複雑になり熱交換
器が高コストになるばかりか、熱源の圧力損失の増大に
よりポンプやファンを駆動させるための動力が余計に必
要になるといった課題があった。Further, in order to increase the temperature difference applied to the thermoelectric conversion module, the number of fins installed in the heat exchanger can be increased. However, the structure becomes complicated and the cost of the heat exchanger increases. In addition, there has been a problem that extra power is required for driving the pump and the fan due to an increase in pressure loss of the heat source.
【０００９】このように、従来より、種々の検討がなさ
れているが、モジュール構成やシステム構成を改善し、
変換効率を向上させるとともに、システム作製面の実用
性を高めることは困難であるとの課題を有していた。As described above, various studies have been made so far, but the module configuration and the system configuration have been improved.
There is a problem that it is difficult to improve the conversion efficiency and to improve the practicality of the system fabrication.
【００１０】従って、本発明の目的は、従来の熱電変換
システムのこのような課題を考慮し熱電変換システムの
発電性能を従来に比べてより一層向上させるとともに、
大型モジュール又は曲面形状の熱電変換モジュールや熱
交換器に適した絶縁層を有する熱電変換システムを提供
することにある。Accordingly, an object of the present invention is to improve the power generation performance of a thermoelectric conversion system further in comparison with the conventional one, in consideration of such problems of the conventional thermoelectric conversion system.
An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion system having an insulating layer suitable for a large-sized module or a thermoelectric conversion module having a curved surface or a heat exchanger.
【００１１】[0011]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を、
下記の熱電変換システムを提供することにより達成した
ものである。「ｐ型とｎ型の複数の熱電素子が金属電極
を介して交互に電気的に直列に接続された熱電変換モジ
ュールと、該熱電変換モジュールと間接的に接した金属
製熱交換器とを備え、上記熱電変換モジュール又は上記
金属製熱交換器に樹脂及び無機系粉末からなる複合膜か
ら形成した絶縁層が一体的に固着され、上記熱電変換モ
ジュールと上記金属製熱交換器とが、それらの間に上記
絶縁層を配して熱伝導性グリスを介して接合されている
ことを特徴とする熱電変換システム。」「上記樹脂がポ
リイミド系樹脂である、上記熱電変換システム。」「上
記無機系粉末が窒化アルミニウムである、上記熱電変換
システム。」SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides the above object,
This has been achieved by providing the following thermoelectric conversion system. A thermoelectric conversion module in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately and electrically connected in series via metal electrodes; and a metal heat exchanger indirectly in contact with the thermoelectric conversion module. An insulating layer formed of a composite film made of resin and inorganic powder is integrally fixed to the thermoelectric conversion module or the metal heat exchanger, and the thermoelectric conversion module and the metal heat exchanger are connected to each other. "The thermoelectric conversion system characterized in that the insulating layer is interposed therebetween and bonded via thermal conductive grease.""The thermoelectric conversion system in which the resin is a polyimide resin.""The inorganic system. The above-mentioned thermoelectric conversion system, wherein the powder is aluminum nitride. "
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】本発明の熱電変換システムを図１
に示す実施形態について説明する。図１に示す実施形態
の熱電変換システム１は、金属電極１２を介して交互に
電気的に直列に接続されたｐ型とｎ型の複数の熱電素子
１１及び上記金属電極面上に形成された熱伝導性グリス
層１８からなるスケルトンタイプの熱電変換モジュール
１０と、樹脂及び無機系粉末からなる複合膜から形成し
た絶縁層３１がそれぞれ表面に一体的に固着された高温
側熱交換器１４及び低温側熱交換器１６とから構成され
ている。そして、図１に示すように、上記熱電変換モジ
ュール１０と上記高温側熱交換器１４及び上記低温側熱
交換器１６とは、それらの間に上記絶縁層３１を配して
接合されている。尚、図中、１５は上記高温側熱交換器
の高温熱源流通路であり、１７は上記低温側熱交換器の
低温熱源流通路である。FIG. 1 shows a thermoelectric conversion system according to the present invention.
The embodiment shown in FIG. The thermoelectric conversion system 1 of the embodiment shown in FIG. 1 is formed on a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements 11 that are electrically connected in series alternately via metal electrodes 12 and on the metal electrode surface. A high-temperature heat exchanger 14 and a low-temperature heat exchanger 14 in which a skeleton-type thermoelectric conversion module 10 composed of a thermally conductive grease layer 18 and an insulating layer 31 formed of a composite film composed of a resin and an inorganic powder are integrally fixed to the surfaces. And a side heat exchanger 16. As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion module 10, the high-temperature side heat exchanger 14, and the low-temperature side heat exchanger 16 are joined by disposing the insulating layer 31 therebetween. In the drawing, reference numeral 15 denotes a high-temperature heat source flow passage of the high-temperature heat exchanger, and reference numeral 17 denotes a low-temperature heat source flow passage of the low-temperature heat exchanger.
【００１３】而して、本発明の熱電変換システムにおい
て熱電素子として使用される熱電材料としては、利用す
る熱源の温度域に対応して一般的に公知であるビスマス
テルル系、ビスマスアンチモン系、鉄シリサイド系、鉛
テルル系、シリコンゲルマニウム系などの熱電半導体の
単結晶や焼結体などを使用することが可能であるが、絶
縁層を形成する複合膜の形成材料の樹脂としてポリイミ
ド系樹脂を使用する場合は、その使用可能な温度域から
ビスマステルル系が望ましい。The thermoelectric material used as a thermoelectric element in the thermoelectric conversion system of the present invention includes bismuth telluride, bismuth antimony, and iron which are generally known according to the temperature range of the heat source to be used. It is possible to use a single crystal or sintered body of a thermoelectric semiconductor such as silicide, lead tellurium, or silicon germanium, but use a polyimide resin as the resin for the composite film forming the insulating layer. In this case, a bismuth telluride is preferable because of its usable temperature range.
【００１４】また、熱交換器の材質は、制限されるもの
ではなく、銅合金、アルミ合金、ステンレスなどを使用
できる。また、図１には示されていないが、熱電変換モ
ジュールへの熱入力を増加させるため、熱交換器の流通
路内にフィンを設置することもできる。また、熱電変換
モジュールの形状は平板型が一般的であるが、熱源の種
類や、それにともなった熱交換器の形状に合わせ任意の
形状を取ることもできる。The material of the heat exchanger is not limited, and copper alloy, aluminum alloy, stainless steel, etc. can be used. Although not shown in FIG. 1, fins can be provided in the flow passage of the heat exchanger to increase heat input to the thermoelectric conversion module. The shape of the thermoelectric conversion module is generally a flat plate type, but any shape can be adopted according to the type of heat source and the shape of the heat exchanger associated therewith.
【００１５】また、本発明の熱電変換システムの絶縁層
を形成する複合膜の形成材料の樹脂としては、ポリエチ
レン、ポリプロピレンなどを使用することもできるが、
その耐熱性からポリイミド系樹脂が特に望ましい。As the resin of the composite film forming the insulating layer of the thermoelectric conversion system of the present invention, polyethylene, polypropylene or the like can be used.
A polyimide resin is particularly desirable because of its heat resistance.
【００１６】また、上記樹脂中に分散される無機系粉末
としては、シリカ粉末、酸化マグネシウム粉末、アルミ
ナ粉末、炭化ケイ素粉末、窒化ケイ素粉末、窒化アルミ
粉末又はこれらの混合物などを挙げることができる。上
記樹脂と上記無機系粉末との配合比率は、樹脂が５〜５
０wt％に対して無機系粉末が５０〜９５wt％が好まし
い。より好ましくは樹脂が１０〜４５wt％に対して無機
系粉末が５５〜９０wt％である。Examples of the inorganic powder dispersed in the resin include silica powder, magnesium oxide powder, alumina powder, silicon carbide powder, silicon nitride powder, aluminum nitride powder, and mixtures thereof. The mixing ratio of the resin and the inorganic powder is such that the resin is 5 to 5
The content of the inorganic powder is preferably 50 to 95 wt% with respect to 0 wt%. More preferably, the amount of the inorganic powder is 55 to 90% by weight based on 10 to 45% by weight of the resin.
【００１７】また、絶縁層の厚さは、５μｍ〜２００μ
ｍが望ましいが、薄すぎると絶縁性の確保が困難になる
こと、また、厚すぎると熱抵抗が増大することから、２
０〜８０μｍが特に望ましい。The thickness of the insulating layer is 5 μm to 200 μm.
m is desirable, but if it is too thin, it becomes difficult to secure insulation, and if it is too thick, the thermal resistance increases.
0 to 80 μm is particularly desirable.
【００１８】上記絶縁層を熱電変換モジュール又は熱交
換器のどちらか一方に予め形成しておくことにより、ス
ケルトンタイプのモジュールを用いてもグリス層を高温
側と低温側の各１ヵ所（計２ヵ所）にすることができ、
接合部の熱抵抗を低減させることができるばかりでな
く、システム作製時の労力を軽減することができる。そ
して、本発明の熱電変換システムは、発電所などの排
熱、ゴミ焼却設備の排熱、自動車の排熱、太陽光などを
利用した熱電発電システムに適用することが可能であ
る。また、ペルチェ効果を利用した電子冷却用システム
にも用いることができる。By forming the insulating layer in advance on one of the thermoelectric conversion module and the heat exchanger, the grease layer can be formed on each of the high-temperature side and the low-temperature side (2 in total) even when a skeleton type module is used. Places),
Not only can the thermal resistance of the joint be reduced, but also the labor required during system fabrication can be reduced. The thermoelectric conversion system of the present invention can be applied to a thermoelectric power generation system that utilizes waste heat of a power plant, waste heat of a garbage incinerator, exhaust heat of an automobile, sunlight, and the like. Further, it can also be used for an electronic cooling system utilizing the Peltier effect.
【００１９】[0019]
【作用】本発明の熱電変換システムは、例えば、スケル
トンタイプの熱電変換モジュールと金属製熱交換器との
間に設置されるセラミック板の代わりに、樹脂及び無機
系粒子からなる複合膜を用いて絶縁を行ったもので、そ
れによって、従来の耐久性や機械的強度を損なうことな
く、接触面での熱伝導性を大幅に改善することができ、
さらにはシステム製造面で簡便化されるとともに、大型
のものや曲面形状の熱電変換モジュールにも対応できる
ようになる。その結果、熱電変換システムの変換効率や
発電能力を従来のものより向上させることが可能とな
る。The thermoelectric conversion system of the present invention uses, for example, a composite membrane composed of resin and inorganic particles instead of a ceramic plate installed between a skeleton type thermoelectric conversion module and a metal heat exchanger. With insulation, it can greatly improve the thermal conductivity at the contact surface without compromising the conventional durability and mechanical strength,
Further, the system can be simplified in terms of system manufacturing, and it can be adapted to a large-sized or curved thermoelectric conversion module. As a result, the conversion efficiency and the power generation capacity of the thermoelectric conversion system can be improved as compared with the conventional one.
【００２０】[0020]
【実施例】以下、本発明の熱電変換システムを実施例を
挙げて説明する。まず、ポリイミド樹脂と窒化アルミニ
ウムからなる複合膜（絶縁層）の形成方法について説明
する。３００ｃｃセパラブルフラスコに重合溶媒である
ジメチルアセトアミドを２００ｃｃ仕込み、このジメチ
ルアセトアミド中に窒化アルミニウムの粉末を１０２．
７ｇ仕込み超音波分散器に１５分間かけて窒化アルミニ
ウムを一次粒子に分散処理した後、撹拌翼を取りつけて
撹拌を行いながら１，３−ビス（４−アミノフェノキ
シ）ベンゼンを２１．９２９ｇ仕込み、１０分間撹拌を
行った後、２，３，３',４',ビフェニルテトラカルボン
酸ジ無水物を２２．０７１ｇ仕込んだ。３時間反応を行
い、ポリイミド前駆体であるポリアミド酸の窒化アルミ
ニウム含有ドープを得た。このドープ中の窒化アルミニ
ウムの含量はポリイミド成分に対して６９．５wt％であ
った。このドープを４０μｍのフィルターを用い５ｋｇ
／ｃｍ2 の加圧下で窒化アルミニウムの凝集物を濾別し
た。得られたポリイミドドープの粘度は９００ｐｏｉｓ
ｅであった。このドープを高温側及び低温側熱交換器
（銅製）の上に厚さ約２５０μｍの厚さでコーティング
し、２５０℃の熱風条件下でイミド化を行った。得られ
た複合膜（絶縁層）の厚さはほぼ均一で約３０μｍであ
った。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The thermoelectric conversion system of the present invention will be described below with reference to embodiments. First, a method for forming a composite film (insulating layer) made of a polyimide resin and aluminum nitride will be described. 200 cc of dimethylacetamide as a polymerization solvent was charged into a 300 cc separable flask, and aluminum nitride powder was added to the dimethylacetamide.
After the aluminum nitride was dispersed into the primary particles in a 7 g charged ultrasonic disperser for 15 minutes, 21.929 g of 1,3-bis (4-aminophenoxy) benzene was charged while stirring by attaching a stirring blade. After stirring for 2 minutes, 22.71 g of 2,3,3 ′, 4 ′, biphenyltetracarboxylic dianhydride was charged. The reaction was carried out for 3 hours to obtain an aluminum nitride-containing dope of polyamic acid as a polyimide precursor. The content of aluminum nitride in this dope was 69.5% by weight based on the polyimide component. 5 kg of this dope using a 40 μm filter
The aggregate of aluminum nitride was filtered off under a pressure of / cm 2 . The viscosity of the obtained polyimide dope is 900 pois
e. This dope was coated on a high-temperature side and low-temperature side heat exchanger (made of copper) with a thickness of about 250 μm, and imidization was performed under hot air conditions of 250 ° C. The thickness of the obtained composite film (insulating layer) was substantially uniform and was about 30 μm.
【００２１】次に、図１を参照しながら、本実施例の熱
電変換システム（発電用システム）について説明する。
熱交換器１４，１６の表面に形成した複合膜（絶縁層）
３１の表面と、市販されているスケルトンタイプのビス
マステルル系熱電変換モジュール１０の電極面に、熱伝
導性グリス１８を薄く塗布し、図１に示すような構成で
熱電変換モジュール１０を熱交換器１４，１６間に挟み
込み、モジュールの電極面に１０ｋｇ／ｃｍ2 の荷重が
かかるように全体を加圧した。Next, the thermoelectric conversion system (power generation system) of the present embodiment will be described with reference to FIG.
Composite membrane (insulating layer) formed on the surfaces of heat exchangers 14 and 16
The surface 31 and the electrode surface of a commercially available skeleton type bismuth tellurium-based thermoelectric conversion module 10 are thinly coated with heat conductive grease 18, and the thermoelectric conversion module 10 is connected to the heat exchanger with a configuration as shown in FIG. 14 and 16, the whole was pressurized so that a load of 10 kg / cm 2 was applied to the electrode surface of the module.
【００２２】次に、高温側熱源として高温ガス（３００
〜４００℃）を、低温側熱源として冷却水（約２０℃）
を流してやることにより、モジュールに温度差を印加
し、発電特性と温度分布（図１に３２〜３５で示す地点
の温度及びそれらの地点間の温度差）を測定した。発電
特性の評価には電子負荷装置を使用し、その評価回路を
図２に示した。高温側接合部、低温側接合部、及びモジ
ュール電極間に印加される各温度差と主な発電特性の測
定結果を下記〔表１〕に示す。この表は、熱交換器間の
温度差（Ｔｈ−Ｔｌ）が２００℃となる条件下での測定
結果を示している。また、比較例として、厚さ２５０μ
ｍのアルミナ板と、厚さ３０μｍのポリイミド膜を絶縁
層として使用したときの測定結果を示す。この比較例
は、図３（ｂ）に示すように、高温側と低温側で計４ヵ
所のグリス層を有するスケルトンタイプの熱電変換シス
テムである。また、この比較例の熱交換器は、絶縁方法
の相違以外は全く同一のものを使用した。また、熱電変
換モジュールの特性のばらつきの影響をなくすため、同
一のモジュールを使用した。Next, a high-temperature gas (300
~ 400 ° C) as cooling water (about 20 ° C) as a low-temperature side heat source
, A temperature difference was applied to the module, and the power generation characteristics and the temperature distribution (the temperatures at points indicated by 32-35 in FIG. 1 and the temperature difference between those points) were measured. An electronic load device was used to evaluate the power generation characteristics, and the evaluation circuit is shown in FIG. The following Table 1 shows the measurement results of the temperature differences applied between the high-temperature side junction, the low-temperature side junction, and the module electrodes and the main power generation characteristics. This table shows the measurement results under the condition that the temperature difference (Th-Tl) between the heat exchangers is 200 ° C. As a comparative example, a thickness of 250 μm was used.
The measurement results when an alumina plate of m m and a polyimide film having a thickness of 30 μm are used as an insulating layer are shown. This comparative example is a skeleton type thermoelectric conversion system having a total of four grease layers on the high temperature side and the low temperature side, as shown in FIG. 3B. The heat exchanger of this comparative example was exactly the same except for the difference in the insulation method. In addition, the same module was used in order to eliminate the influence of variations in the characteristics of the thermoelectric conversion modules.
【００２３】下記〔表１〕に示すように、従来より一般
的に使用されてきたアルミナ板（厚さ２５０μｍ）と比
較して、モジュールの電極間に印加される温度差（Ｔｈ
ｊ−Ｔｌｊ）は３．０％向上し、発電特性は、４．１％
向上した。また、ポリイミド膜（厚さ３０μｍ）と比較
すると、モジュールの電極間に印加される温度差（Ｔｈ
ｊ−Ｔｌｊ）で６．６％向上し、発電特性で１２．６％
ほど向上した。また、この複合膜を使用した熱電変換シ
ステムを熱交換器間温度差（Ｔｈ−Ｔｌ）が０℃、及び
２００℃の間で、周期２時間で２週間のヒートサイクル
試験を行ったが、各部に印加される温度差や発電特性に
変化はなく、信頼性や耐久性においても優れたものであ
ることを確認した。尚、図２において、４０は電子負荷
装置を示し、最大電気出力Ｐmax は次のようにして算出
した。As shown in Table 1 below, the temperature difference (Th) applied between the electrodes of the module is smaller than that of an alumina plate (250 μm thick) which has been generally used conventionally.
j-Tlj) is improved by 3.0%, and the power generation characteristic is increased by 4.1%.
Improved. Also, when compared with a polyimide film (thickness 30 μm), the temperature difference (Th
j-Tlj) is improved by 6.6%, and the power generation characteristic is 12.6%
It has improved. In addition, the thermoelectric conversion system using the composite membrane was subjected to a heat cycle test for two weeks with a cycle of 2 hours at a temperature difference between the heat exchangers (Th-Tl) of 0 ° C and 200 ° C. It was confirmed that there was no change in the temperature difference applied to the sample or the power generation characteristics, and it was excellent in reliability and durability. In FIG. 2, reference numeral 40 denotes an electronic load device, and the maximum electric output Pmax was calculated as follows.
【００２４】[0024]
【数１】 (Equation 1)
【００２５】[0025]
【表１】 [Table 1]
【００２６】[0026]
【発明の効果】本発明の熱電変換システムは、熱交換器
又は熱電変換モジュールのどちらか一方に、樹脂と無機
系粒子からなる複合膜を固着することにより、グリス層
の減少により接合部の熱抵抗を低減させ、発電用システ
ムとしての性能向上を達成するものである。また、熱電
材料及び熱交換器は従来のままで、システムの性能向上
を達成できるので産業上有益である。According to the thermoelectric conversion system of the present invention, the composite film composed of resin and inorganic particles is fixed to one of the heat exchanger and the thermoelectric conversion module. It is intended to reduce the resistance and improve the performance as a power generation system. Further, since the thermoelectric material and the heat exchanger can be maintained as they are, the performance of the system can be improved, which is industrially beneficial.
【図１】図１は、本発明の熱電変換システムの一例を示
す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing an example of a thermoelectric conversion system of the present invention.
【図２】図２は、発電特性の評価装置の回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a power generation characteristic evaluation device.
【図３】図３（ａ）及び（ｂ）は、従来の熱電変換シス
テムを示す断面図である。FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views showing a conventional thermoelectric conversion system.
１ 熱電変換システム １０ 熱電変換モジュール １１ 熱電素子 １２ 金属電極 １３ セラミック板 １４ 高温側熱交換器 １５ 高温熱源 １６ 低温側熱交換器 １７ 低温熱源 １８ 熱伝導性グリス層 ３１ 複合膜 ３２ 高温側熱交換器温度（Ｔｈ） ３３ モジュール高温端温度（Ｔｈｊ） ３４ モジュール低温端温度（Ｔｌｊ） ３５ 低温側熱交換器温度（Ｔｌ） ４０ 電子負荷装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric conversion system 10 Thermoelectric conversion module 11 Thermoelectric element 12 Metal electrode 13 Ceramic plate 14 High temperature side heat exchanger 15 High temperature heat source 16 Low temperature side heat exchanger 17 Low temperature heat source 18 Thermal conductive grease layer 31 Composite membrane 32 High temperature side heat exchanger Temperature (Th) 33 Module high end temperature (Thj) 34 Module low end temperature (Tlj) 35 Low temperature side heat exchanger temperature (Tl) 40 Electronic load
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桜井 俊秀 山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部 興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者 長井 淳 山口県宇部市大字小串1978番地の５ 宇部 興産株式会社宇部研究所内 (72)発明者 古江 敏彦 福岡県福岡市中央区渡辺通二丁目１番82号 九州電力株式会社内 (72)発明者 今泉 幸男 福岡県福岡市中央区渡辺通二丁目１番82号 九州電力株式会社内 (72)発明者 井上 亨 福岡県福岡市中央区渡辺通二丁目１番82号 九州電力株式会社内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Toshihide Sakurai 5 Ube, Ube-shi, Yamaguchi, 1978 Kobe, Ube Research Laboratories Ube Research Institute (72) Inventor Atsushi Nagai 5 Ube, 1978, Kobe, Ube-shi, Yamaguchi 5 Ube, Kobe Inside Ube Research Laboratories (72) Inventor Toshihiko Furue 2-1-22-1 Watanabe-dori, Chuo-ku, Fukuoka City Inside Kyushu Electric Power Company (72) Inventor Yukio Imaizumi 2-1-1 Watanabe-dori, Chuo-ku, Fukuoka City, Fukuoka Prefecture No. 82 Kyushu Electric Power Co., Inc. (72) Inventor Toru Inoue 2-82 Watanabe Dori, Chuo-ku, Fukuoka City, Fukuoka Prefecture Kyushu Electric Power Co., Ltd.
Claims (3)
を介して交互に電気的に直列に接続された熱電変換モジ
ュールと、該熱電変換モジュールと間接的に接した金属
製熱交換器とを備え、上記熱電変換モジュール又は上記
金属製熱交換器に樹脂及び無機系粉末からなる複合膜か
ら形成した絶縁層が一体的に固着され、上記熱電変換モ
ジュールと上記金属製熱交換器とが、それらの間に上記
絶縁層を配して熱伝導性グリスを介して接合されている
ことを特徴とする熱電変換システム。1. A thermoelectric conversion module in which a plurality of p-type and n-type thermoelectric elements are alternately and electrically connected in series via metal electrodes, and a metal heat exchange indirectly in contact with the thermoelectric conversion module. An insulating layer formed of a composite film made of resin and inorganic powder is integrally fixed to the thermoelectric conversion module or the metal heat exchanger, and the thermoelectric conversion module and the metal heat exchanger Wherein the above-mentioned insulating layers are disposed therebetween and joined via thermal conductive grease.
項１記載の熱電変換システム。2. The thermoelectric conversion system according to claim 1, wherein said resin is a polyimide resin.
る請求項１又は２記載の熱電変換システム。3. The thermoelectric conversion system according to claim 1, wherein the inorganic powder is aluminum nitride.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10141582A JPH11340523A (en) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Thermoelectric transducing system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10141582A JPH11340523A (en) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Thermoelectric transducing system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11340523A true JPH11340523A (en) | 1999-12-10 |
Family
ID=15295356
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10141582A Pending JPH11340523A (en) | 1998-05-22 | 1998-05-22 | Thermoelectric transducing system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11340523A (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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1998
- 1998-05-22 JP JP10141582A patent/JPH11340523A/en active Pending
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