WO2014141551A1 - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a thermoelectric conversion module that performs power generation using the Seebeck effect or performs cooling and heating using the Peltier effect.
- thermoelectric conversion module in which a plurality of thermoelectric conversion elements each having electrodes at both ends are arranged on a base (see, for example, Patent Document 1).
- thermoelectric conversion module of Patent Document 1 is a so-called ⁇ -leg type thermoelectric conversion in which two types of thermoelectric conversion elements, n-type thermoelectric conversion elements and p-type thermoelectric conversion elements, are alternately arranged and electrically connected in series. Consists of modules.
- thermoelectric conversion module of Patent Document 1 the high temperature side of the thermoelectric conversion module is not in contact with the heating chamber in the resistance heating furnace covered with the heat insulating material, and on the high temperature side of the thermoelectric conversion module, It is structured to receive radiant heat transfer. Therefore, in the thermoelectric conversion module of Patent Document 1, the base as an insulator on the high temperature side is omitted. In addition, when making the high temperature side of a thermoelectric conversion module contact the heating chamber in a resistance heating furnace, the base part comprised with an insulator will be provided. In addition, a so-called uni-leg type thermoelectric conversion module configured by only one type of either n-type or p-type thermoelectric conversion elements is also known (for example, see Patent Document 2).
- thermoelectric conversion module of Patent Document 2 has a connection portion that integrally and electrically connects one electrode of a thermoelectric conversion element and the other electrode of an adjacent thermoelectric conversion element, A U-shaped connector is constituted by the electrode and the connecting portion. This U-shaped connector is formed by bending a metal plate.
- a plurality of U-shaped connectors are fixed to the base in advance. The thermoelectric conversion element is inserted between the two electrodes so as to be pushed into the U-shaped connector from the side, and is connected to the connector.
- thermoelectric conversion module has a problem that it is difficult to assemble and low in mass productivity because it is necessary to push a thermoelectric conversion element into a U-shaped connector.
- An object of this invention is to provide the thermoelectric conversion module which improved mass productivity in view of the above point.
- the present invention provides a base, a plurality of first electrodes, a plurality of thermoelectric conversion elements each having one end electrically connected to the first electrode, and the thermoelectric A plurality of second electrodes respectively electrically connected to the other end of the conversion element and the first electrode electrically connected to the thermoelectric conversion element are electrically connected to the adjacent thermoelectric conversion element A connection portion electrically connected to the second electrode, wherein the plurality of thermoelectric conversion elements are configured by either n-type or p-type, and the plurality of thermoelectric conversion elements are electrically
- the connecting portion is formed integrally with the second electrode, and is configured separately from the first electrode, and the first electrode is the thermoelectric conversion module.
- the first electrode or the second electrode is disposed on the base, and two axes along the base and orthogonal to each other are set as an X axis and a Y axis, and the thermoelectric conversion element is A plurality of element rows are arranged in the X-axis direction on the base, and a plurality of element rows are arranged in the Y-axis direction, and the receiving part is the X of the element arrangement portion in the element row.
- the connection portion is electrically connected to the thermoelectric conversion elements in the element row and the connection portion is electrically connected between adjacent element rows, which are located in the axial direction.
- the first electrodes are all configured in the same shape, and the second electrodes are all configured in the same shape.
- connection portion is integrally formed with the second electrode, and the first electrode and the connection portion are configured separately. For this reason, after mounting the thermoelectric conversion element on the first electrode or the second electrode, the remaining electrode is mounted on the thermoelectric conversion element, so that the thermoelectric conversion module can be easily assembled and compared while suppressing the increase in the number of parts.
- a thermoelectric conversion module that can be easily assembled can be provided.
- the receiving portion is constituted by a plurality of holes, and the hole located at the center of the plurality of holes is a hole that receives the connecting portion in the element row, and is arranged in the left-right direction.
- the hole portion positioned can be a hole portion that receives the connection portion between the element rows.
- the first electrode includes an extending portion extending from the element placement portion along the base, the receiving portion is provided in the extending portion, and the first electrode is erroneously formed on the base.
- a misassembly prevention unit composed of a convex part or a concave part is provided. According to the present invention, it is possible to prevent the first electrode from being erroneously installed with respect to the base, and to improve the yield.
- the present invention is also a method for assembling a thermoelectric conversion module, wherein an alignment member including a plurality of cutout holes corresponding to the arrangement and shape of the plurality of first electrodes is arranged on the base, and The first electrode is arranged on the base by fitting one electrode.
- a portion corresponding to the misassembly prevention portion of the first electrode is also formed in the cutout hole of the alignment member. Therefore, even if an attempt is made to place the first electrode on the base in an incorrect state, the misassembly is performed.
- the prevention portion or the corresponding notch hole portion becomes an obstacle, and the first electrode cannot be fitted into the notch hole of the alignment member. Thereby, it can prevent installing a 1st electrode accidentally with respect to a base, and can aim at the improvement of a yield.
- thermoelectric conversion module 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
- the thermoelectric conversion module 1 according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 3 is a so-called unileg type in which a plurality of n-type thermoelectric conversion elements are electrically connected in series, and is an insulation formed of aluminum oxide.
- a pair of plate-like base portions 11 having the properties are provided.
- the base portion located above is omitted in order to make the inside of the thermoelectric conversion module 1 easy to see. 1 is necessary for reasons such as prevention of a short circuit when the thermoelectric conversion module 1 is used in contact with a heat source having a conductive exterior such as metal.
- thermoelectric conversion module 1 can be configured by leaving only the upper base portion and eliminating the lower base portion 11.
- An n-type thermoelectric conversion element 2 made of Mg 2 Si is disposed between the electrodes 3 and 4.
- thermoelectric conversion element As a material of the thermoelectric conversion element, BiTe type, PbTe type, CoSb type are used, all of which are harmful to the human body (including those that are feared to be harmful), It is also expensive.
- Mg 2 Si is harmless to the human body, has a small environmental load, is rich in resources, and is inexpensive. Moreover, since Mg 2 Si has a low specific gravity, a very light thermoelectric conversion element 2 can be produced. For this reason, in recent years, Mg 2 Si has attracted attention as a material for thermoelectric conversion elements.
- both bases 11 are not limited to aluminum oxide, and may be formed of other materials.
- the electrodes 3 and 4 are not limited to nickel (Ni) but may be made of other materials, for example, copper (Cu) plated with nickel (Ni).
- thermoelectric conversion element 2 One end of the thermoelectric conversion element 2 is joined to the first electrode 3, and the other end is joined to the second electrode 4.
- a joining method soldering, brazing, or the like, or adhesion or diffusion bonding using a conductive adhesive such as silver paste can be used, and it is appropriately selected and joined according to the use of the thermoelectric conversion module. .
- brazing When joining by brazing, brazing (solder) may be pasted to both ends of the thermoelectric conversion element 2 in advance.
- the surface of the thermoelectric conversion element 2 is a surface having fine irregularities, it can be made a smooth surface by covering the irregularities on the surface with solder (solder), silver paste, or the like, whereby the thermoelectric conversion element 2 As a result, the bonding state between the electrode 3 and the electrode 4 is improved, and excellent conductivity can be secured. Further, when the thermoelectric conversion element 2 is manufactured, a nickel layer may be formed on both ends of the thermoelectric conversion element 2.
- the first electrode 3 includes an element arrangement part 31 for arranging the thermoelectric conversion element 2 and an extending part 32 extending from the element arrangement part 31 along the base 11. That is, the element arrangement part 31 is electrically connected to one end of the thermoelectric conversion element 2.
- the second electrode 4 has an element arrangement portion 41 for arranging the thermoelectric conversion element 2 and a quadrangular columnar rod-like shape extending from the side edge portion of the element arrangement portion 41 by bending in an L shape. And a connection unit 42. That is, the element arrangement portion 41 is electrically connected to the other end portion of the thermoelectric conversion element 2.
- the extension part 32 of the first electrode 3 is provided with three holes 33a, 33b, 33c into which the tip of the connection part 42 is inserted.
- the receiving part 33 is comprised by these three hole parts 33a, 33b, and 33c.
- the connection part 42 has its tip inserted into the receiving part 33 provided on the first electrode 3 and is joined by brazing or the like. Thereby, the 1st electrode 3 and the 2nd electrode 4 provided in the thermoelectric conversion element adjacent to the thermoelectric conversion element 2 in which the 1st electrode 3 was provided are electrically connected in series.
- the connection part 42 uses nickel (Ni) similarly to the electrodes 3 and 4, it is not restricted to this, You may use copper (Cu) which gave other metal, for example, nickel plating.
- thermoelectric conversion elements 2 constitute a plurality of element rows 6 arranged on the base 11 in the X-axis direction (five in the drawing). A plurality (6 in the drawing) of the element rows 6 are arranged in the Y-axis direction.
- one thermoelectric conversion module 1 includes 30 thermoelectric conversion elements 2.
- an input / output terminal 7 for taking out electricity is provided at one end of the thermoelectric conversion element 2 located at the right end of the element row 6 located at the top of FIG.
- the terminal 7 is formed in a rectangular shape that protrudes greatly out of the base portion 11 from the element placement portion 7a where the thermoelectric conversion element 2 is placed.
- an input / output terminal 7 for taking out electricity is provided at the other end of the thermoelectric conversion element 2 located at the right end of the element row 6 located at the bottom of FIG.
- the terminal 7 protrudes greatly out of the base 11 from the element arrangement portion 7a where the thermoelectric conversion element 2 is arranged, and is bent in a crank shape.
- the right end of the terminal 7 in FIG. 3 is configured to be located at the same height as the terminal 7 of the element row 6 located at the top.
- the element rows 6 are even rows, but they may be odd rows.
- the terminal 7 provided in the element array 6 located at the top of FIG. 3 may be provided in the first electrode 3 located at the left end. .
- the recessed part 32a is each provided in the right-and-left both sides edge part of the extending part 32.
- the recess 32 a is used when the first electrode 3 is disposed on the base 11.
- the alignment member 8 shown in FIG. 6 is used.
- the alignment member 8 is provided with a plurality of cutout holes 8 a corresponding to the arrangement and shape of the plurality of first electrodes 3.
- thermoelectric conversion module 1 In assembling the thermoelectric conversion module 1, when the first electrode 3 is disposed on the base 11, the alignment member 8 is first installed on the base 11. Then, the first electrode 3 is fitted into the notch hole 8a.
- thermoelectric conversion module 1 of this embodiment it can prevent installing the 1st electrode 3 accidentally with respect to the base 11, and can aim at the improvement of a yield.
- the alignment member 8 used in the method for assembling the thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment is also provided with a terminal notch hole 8c so that the terminal 7 can also be aligned.
- positioning part 31 the contact area with the thermoelectric conversion element 2 of the element arrangement
- the recess 32a in the extending portion 32 as described above, it is possible to prevent the first electrode 3 from being mistakenly arranged on the base portion 11 without reducing the arrangement area of the thermoelectric conversion element 2.
- convex portions may be formed on the left and right side edges of the extended portion 32 of the first electrode 3, and concave portions corresponding to the convex portions may be formed in the cutout holes 8a.
- the convex portion can be provided on the peripheral edge portion of the element arrangement portion 31.
- the recess or projection of the extended portion 32 may be formed at the tip (the end on the side away from the element placement portion 31). In this case, for example, one recess or projection is provided at the center Alternatively, two may be provided so as to be positioned between the holes and to be the left and right objects.
- the element rows 6 are arranged in order from the upper side to the lower side in the first element row 61, the second element row 62, the third element row 63, the fourth element row 64, the fifth element row 65, the first element row. It is defined as a six-element row 66, the first element row 61, the third element row 63, and the fifth element row 65 are odd-numbered rows, the second element row 62, the fourth element row 64, and the sixth element row 66 are even-numbered rows. Define.
- the first electrodes 3 in the odd rows 61, 63, 65 are arranged so that the extending portion 32 is positioned on the right side of the element placement portion 31.
- the first electrodes 3 in the even-numbered columns 62, 64, and 66 are arranged so that the extending portion 32 is positioned on the left side of the element placement portion 31, as shown in FIG. That is, in the thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment, all the extending portions 32 are located in the X-axis direction of the element placement portion 31.
- the second electrodes 4 in the odd rows 61, 63, 65 are arranged so that the connection part 42 is located on the left side of the element arrangement part 41 except for the second electrode 4 located on the leftmost side. And the front-end
- the second electrodes 4 of the even-numbered columns 62, 64, and 66 are arranged such that the connection portion 42 is located on the right side of the element placement portion 41 except for the second electrode 4 located on the rightmost side. . And the front-end
- the second electrode 4 located on the leftmost side of the odd rows 61, 63, 65 is for electrically connecting the element rows 6 in series.
- tip of the connection part 42 is inserted in the hole 33a located in the right side of the receiving part 33, and is joined by brazing.
- connection portion 42 is disposed so as to be positioned below the element placement portion 41. And the front-end
- connection portion 42 is inserted into the central hole portion 33 b, and between the element rows 6, the connection portion 42 is inserted into the left and right hole portions 33 a and 33 c.
- the inside of the element rows 6 and between the element rows 6 can be electrically connected without changing the connection portion 42 having the same shape.
- thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment it is possible to make the manufacturing easier than before while suppressing an increase in the number of parts as compared with the case where both electrodes and the connection portion are separated. .
- the 1st electrode 3 is also formed in the left-right symmetric shape by which the receiving part 33 was comprised by three hole part 33a, 33b, 33c, all the 1st electrodes 3 can be formed in the same shape. Moreover, since the 1st electrode 3 is a left-right symmetric shape, there is no difference in front and back, and it becomes easier to assemble.
- thermoelectric conversion module 1 is arranged so as to be positioned at the position.
- thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment since the extended portions 32 of all the first electrodes 3 can be arranged in the X-axis direction of the element arrangement portion 31, the element density can be improved.
- the receiving portion 33 is configured by the three holes 33a, 33b, and 33c.
- the receiving portion of the present invention is not limited to this.
- the receiving part may be configured with one hole that is long in the left-right direction, or the left-side hole 33c may be omitted and the center and the right-side holes 33a and 33b may be configured.
- the first electrode 3 may be appropriately turned over so that the connecting part 42 extending from the adjacent element row 6 can be received by the right hole 33a.
- the thermoelectric conversion element 2 of this embodiment showed the square pillar-shaped thing in FIG. 2, it is good also as not only this but another shape, for example, a cylindrical shape.
- thermoelectric conversion module 1 of the present embodiment When the upper base (not shown) of the thermoelectric conversion module 1 is attached to a heat source of, for example, 300 ° C. to 600 ° C. and the base 11 is cooled, a temperature difference occurs at both ends of the thermoelectric conversion element 2 and current flows due to the Seebeck effect. Generate electricity. At this time, in order to continue power generation, it is necessary to maintain a predetermined temperature difference at both ends of the thermoelectric conversion element 2, but in the first embodiment, Mg 2 having a low thermal conductivity as the material of the thermoelectric conversion element 2 is used. Since Si is used, the temperature difference can be maintained satisfactorily.
- thermoelectric conversion element 2 since the connection portion 42 is integral with the second electrode 4 and separate from the first electrode 3, the thermoelectric conversion element 2 is attached to the first electrode 3 fixed to the base portion 11. And electrically connecting the second electrode 4 to the other end of the thermoelectric conversion element 2 and connecting the first electrode 3 and the second electrode 4 between the adjacent thermoelectric conversion elements 2. Can be connected to the receiving portion 33 of the first electrode 3 so that they are electrically connected. Therefore, unlike the conventional thermoelectric conversion module, it is not necessary to push the thermoelectric conversion element into the U-shaped connector, and the mass productivity of the thermoelectric conversion module is improved.
- thermoelectric conversion element 2 is made of Mg 2 Si, but is not limited thereto.
- Bi-Te system including Sb-Te system and Bi-Se system
- Pb-Te system including Sn-Te system and Ge-Te system
- Ag-Sb-Te system Ag-Sb-Ge-Te system
- Si-Ge Fe-Si, Mn-Si, Zn-Sb
- chalcogenite skutterudite, filled skutterudite, clathrate, half-Heusler, Heusler, boron carbide, layered cobalt oxide, etc.
- Any thermoelectric conversion material can be used.
- thermoelectric conversion element 2 is not limited to the n-type, and a p-type may be used.
- Mg 2 Si does not have to be highly pure, and may be obtained by using, for example, waste silicone sludge discharged during grinding / polishing.
- a bonding layer may be provided at both ends of the thermoelectric conversion element 2 in order to reduce the contact resistance with the electrode.
- the bonding layer can also be formed integrally with the thermoelectric conversion element.
- the bonding layer and the electrode can be made of any material such as Ni, Al, Cu, W, Au, Ag, Co, Mo, Cr, Ti, Pd, and an alloy made of these.
- thermoelectric conversion module 1 for power generation using the Seebeck effect has been described.
- thermoelectric conversion module of the present invention can be similarly used for those that are cooled or heated using the Peltier effect. it can.
- the misassembly prevention unit has been described as being configured by the recess 32a and the projection 8b shown in FIG. 6, but the misassembly prevention unit of the present invention is not limited thereto.
- a portion of the four corners of the first electrode is cut obliquely to provide a cut portion as a concave portion of the present invention, and the alignment member 8 also protrudes to correspond to the cut portion as the concave portion of the present invention
- the alignment member 8 By forming the (convex portion), it can be configured to prevent the element placement portion 31 and the extension portion 32 from being installed on the base portion 11 in an incorrect state.
- thermoelectric conversion module 1 shown in FIG. 1 is in contact with the heat source and the lower side where the lower side is radiated.
- the method of using the thermoelectric conversion module of the present invention is not limited to this.
- the upper side may be set to the low temperature side and the lower side may be set to the high temperature side.
- SYMBOLS 1 ... Thermoelectric conversion module, 11 ... Base, 2 ... Thermoelectric conversion element, 3 ... 1st electrode, 31 ... Element arrangement
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
【課題】量産性を向上させた熱電変換モジュールとを提供する。 【解決手段】熱電変換モジュール１は、基部１１と、複数の第１電極３と、複数の熱電変換素子２と、複数の第２電極４と、接続部４２とを備える。複数の熱電変換素子２は、ｎ形で構成され、直列に接続される。接続部４２は、第２電極４と一体に形成されると共に、第１電極３と別体に構成される。第１電極３には、接続部４２の先端を受け入れる受入部３３が設けられる。５つの熱電変換素子２をＸ軸方向に並べて構成される素子列６は、Ｙ軸方向に６つ並べられる。受入部３３は、接続部４２が素子列６内の熱電変換素子２を接続する場合と、接続部４２が隣接する素子列６の間同士を接続する場合の何れであっても、同一形状の接続部４２で受け入れられるように構成され、第１電極３及び第２電極４は全て同一形状に構成される。
Description
本発明は、ゼーベック効果を用いて発電を行ったり、又は、ペルチェ効果を用いて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールに関する。
従来、両端部に電極を夫々有する複数の熱電変換素子を、基部上に配置した熱電変換モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の熱電変換モジュールは、ｎ形の熱電変換素子とｐ形の熱電変換素子との２種類の熱電変換素子を交互に配置して電気的に直列に接続した所謂πレグ型の熱電変換モジュールで構成される。
特許文献１の熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールの高温側を、断熱材で覆われた抵抗加熱炉内の加熱室に対して非接触とされ、熱電変換モジュールの高温側では、加熱室からの放射伝熱を受ける構造としている。従って、特許文献１の熱電変換モジュールでは、高温側の絶縁体としての基部が省略されている。なお、熱電変換モジュールの高温側を抵抗加熱炉内の加熱室に接触させる場合には、絶縁体で構成される基部を設けることとなる。
また、ｎ形又はｐ形の何れか一方の熱電変換素子の１種類だけで構成される所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールも知られている（例えば、特許文献２参照）。
また、ｎ形又はｐ形の何れか一方の熱電変換素子の１種類だけで構成される所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールも知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許文献２の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の一方の電極と、隣接する熱電変換素子の他方の電極とを一体的に且つ電気的に直列に接続する接続部を有しており、２つの電極と接続部とによりＵ字状のコネクタを構成している。このＵ字状のコネクタは金属板を折り曲げて形成されている。熱電変換モジュールを製造するときには、このＵ字状のコネクタを基部に予め複数固定させておく。そして、熱電変換素子は、このＵ字状のコネクタに横から押し込まれるようにして２つの電極の間に挿入され、コネクタと接続される。
従来の所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールは、Ｕ字状のコネクタに熱電変換素子を押し込む必要があるため、組立て難く量産性が低いという問題がある。
本発明は、以上の点に鑑み、量産性を向上させた熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
本発明は、以上の点に鑑み、量産性を向上させた熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
［１］上記目的を達成するため、本発明は、基部と、複数の第１電極と、一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極と、前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第１電極を、隣接する前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第２電極に、電気的に接続する接続部とを備え、前記複数の熱電変換素子は、ｎ形とp形との何れか一方で構成され、前記複数の熱電変換素子が電気的に直列に接続される熱電変換モジュールであって、前記接続部は、前記第２電極と一体に形成されると共に、前記第１電極と別体に構成され、前記第１電極は、前記熱電変換素子の一方の端部と電気的に接触する素子配置部と、前記接続部の先端を受け入れる受入部とを備え、前記第１電極または前記第２電極は、前記基部上に配置され、前記基部に沿うと共に互いに直交する２つの軸線をＸ軸及びＹ軸として、前記熱電変換素子は、前記基部上に前記Ｘ軸方向に複数並べられて素子列を構成し、該素子列は、Ｙ軸方向に複数並べられ、該受入部は、前記素子列内において、前記素子配置部の前記Ｘ軸方向に位置し、前記接続部が素子列内の熱電変換素子を電気的に接続する場合と、前記接続部が隣接する素子列の間同士を電気的に接続する場合の何れであっても、同一形状の接続部で受け入れられるように構成され、前記第１電極は、全て同一形状に構成され、前記第２電極は、全て同一形状に構成されることを特徴とする。
本発明によれば、第２電極に接続部が一体に形成され、第１電極と接続部とは別体に構成される。このため、第１電極または第２電極に熱電変換素子を載せた後、残りの電極を熱電変換素子に載せることによって、熱電変換モジュールを容易に組み立てることができ、部品点数の増加を抑えながら比較的容易に組立て可能な熱電変換モジュールを提供することができる。
［２］また、本発明においては、受入部を複数の孔部で構成し、複数の孔部のうち中央に位置する孔部が素子列内で接続部を受け入れる孔部であり、左右方向に位置する孔部が素子列の間で接続部を受け入れる孔部とすることができる。
［３］また、本発明において、第１電極は、素子配置部から基部に沿って延びる延設部とを備え、延設部に受入部が設けられ、第１電極は、基部上に誤って配置されることを防止すべく、凸部又は凹部で構成される誤組み防止部が設けられる。
本発明によれば、第１電極を基部に対して誤って設置することを防止し、歩留まりの向上を図ることができる。
本発明によれば、第１電極を基部に対して誤って設置することを防止し、歩留まりの向上を図ることができる。
［４］また、本発明は、熱電変換モジュールの組立て方法であって、複数の第１電極の配置及び形状に対応する切欠孔を複数備える整列部材を、基部上に配置し、切欠孔に第１電極を嵌め込むことにより、第１電極を基部上に配置することを特徴とする。
かかる組立て方法によれば、整列部材の切欠孔にも第１電極の誤組み防止部に対応する部分が形成されるため、第１電極を誤った状態で基部上に配置しようとしても、誤組み防止部またはこれに対応する切欠孔の部分が障害となり、第１電極を整列部材の切欠孔に嵌め込むことができない。これにより、第１電極を基部に対して誤って設置することを防止し、歩留まりの向上を図ることができる。
図１から図６を参照して、本発明の実施形態の熱電変換モジュールを説明する。図１から図３に示す第１実施形態の熱電変換モジュール１は、複数のｎ形の熱電変換素子が電気的に直列に接続された所謂ユニレグ型のものであり、酸化アルミニウムで成形された絶縁性を有する一対の板状の基部１１を備える。図１から図３では、熱電変換モジュール１の内部を見易くすべく、上方に位置する基部を省略している。なお、図１において上方に位置する基部は、熱電変換モジュール１を金属のような導電性の外装を有する熱源に対して接触させて用いるときは短絡防止等の理由から必要であるが、熱源が絶縁されている場合、または熱源に接触させることなく放射伝熱を受けるように構成する場合には、上方に位置する基部は無くてもよい。また、基部の材質は、熱源に応じて適宜変更してもよい。例えば、上方の基部を絶縁性の熱伝導シートで構成してもよい。また、上方の基部のみを残し、下方の基部１１を無くして、熱電変換モジュール１を構成することもできる。
両基部１１の対向する側の面には、ニッケル板（Ｎｉ板）からなる第１電極３及び第２電極４が夫々複数設けられている。両電極３，４間には、Ｍｇ２Ｓｉ製のｎ形の熱電変換素子２が配置されている。
従来、熱電変換素子の材料としては、ＢｉＴｅ系、ＰｂＴｅ系、ＣｏＳｂ系のものが使用されているが、何れも人体への有害性（有害化が危惧されるものを含む）を有するものであり、また、高価である。これに対し、Ｍｇ２Ｓｉは、人体に無害であり環境負荷が小さく、また、資源が豊富であり安価である。また、Ｍｇ２Ｓｉは、比重が軽いため、非常に軽い熱電変換素子２を作製することができる。このため、近年、熱電変換素子の材料として、Ｍｇ２Ｓｉが注目されている。
尚、両基部１１は、酸化アルミニウムに限らず、他の材料で成形してもよい。また、電極３，４は、ニッケル（Ｎｉ）に限らず、他の材料のもの、例えば、ニッケル（Ｎｉ）でめっきした銅（Ｃｕ）を用いてもよい。
熱電変換素子２の一端は第１電極３に接合され、他端は第２電極４に接合される。接合方法としては、半田付、ろう付等のろう接、或いは銀ペースト等の導電性接着剤による接着、拡散接合を用いることができ、熱電変換モジュールの用途等に応じて適宜選択して接合する。
ろう接により接合する場合には、ろう（半田）を熱電変換素子２の両端部に予めペーストしておいてもよい。熱電変換素子２の表面は細かい凹凸を有する面となっているが、ろう（半田）や銀ペースト等で表面の凹凸を覆うことにより平滑な面とすることができ、これにより、熱電変換素子２と電極３，４との接合状態が良好となり、優れた導電性を確保できる。また、熱電変換素子２を作製する際に、熱電変換素子２の両端にニッケル層を形成させてもよい。
図４に示すように、第１電極３は、熱電変換素子２を配置する素子配置部３１と、素子配置部３１から基部１１に沿って延びる延設部３２とを備える。即ち、熱電変換素子２の一方の端部に素子配置部３１が電気的に接続される。また、図５に示すように、第２電極４は、熱電変換素子２を配置する素子配置部４１と、素子配置部４１の側縁部からＬ字状に屈曲して延びる四角柱形棒状の接続部４２とを備える。即ち、熱電変換素子２の他方の端部に素子配置部４１が電気的に接続される。
第１電極３の延設部３２には、接続部４２の先端が挿入される孔部３３ａ，３３ｂ，３３ｃが３つ設けられている。本実施形態においては、この３つの孔部３３ａ，３３ｂ，３３ｃで受入部３３を構成している。接続部４２は、その先端を第１電極３に設けられた受入部３３に挿入されて、ろう接等により接合される。これにより、第１電極３と、第１電極３が設けられた熱電変換素子２に隣接する熱電変換素子に設けられた第２電極４とは、電気的に直列に接続される。なお、接続部４２は、電極３，４と同様にニッケル（Ｎｉ）を用いているが、これに限らず、他の金属、例えば、ニッケルめっきを施した銅（Ｃｕ）を用いてもよい。
ここで、基部１１の表面に沿うと共に互いに直交する２つの軸線をＸ軸及びＹ軸とする。図３においては、横方向がＸ軸方向、縦方向がＹ軸方向となる。熱電変換素子２は、基部１１上にＸ軸方向に複数（図面では５つ）並べられた素子列６を構成する。この素子列６は、Ｙ軸方向に複数（図面では６列）並べられる。図面では、１つの熱電変換モジュール１は、３０個の熱電変換素子２を備えることとなる。
また、図３の最も上に位置する素子列６の右端に位置する熱電変換素子２の一方の端部には、電気を取り出す入出力用の端子７が設けられている。この端子７は、熱電変換素子２が配置される素子配置部７ａから基部１１の外に大きく突出した長方形状に形成されている。
また、図３の最も下に位置する素子列６の右端に位置する熱電変換素子２の他方の端部には、電気を取り出す入出力用の端子７が設けられている。この端子７は、熱電変換素子２が配置される素子配置部７ａから基部１１の外に大きく突出すると共に、クランク状に屈曲している。そして、この端子７の図３における右側の端部が、最も上に位置する素子列６の端子７と同一の高さに位置するように構成されている。
なお、本実施形態においては、素子列６が偶数列であるが、奇数列で構成してもよい。素子列６が奇数列の熱電変換モジュール１を構成する場合には、例えば、図３の最も上に位置する素子列６に設けられる端子７を左端に位置する第１電極３に設ければよい。
また、図４に示すように、延設部３２の左右両側縁部には、凹部３２ａが夫々設けられている。この凹部３２ａは、基部１１上に第１電極３を配置する際に用いられる。具体的には、基部１１上に第１電極３を配置する際には、図６に示す整列部材８が用いられる。図６に示すように、整列部材８には、複数の第１電極３の配置及び形状に対応する切欠孔８ａが複数設けられている。
熱電変換モジュール１の組立てにおいて、基部１１上に第１電極３を配置するときには、まず、整列部材８を基部１１上に設置する。そして、切欠孔８ａに第１電極３を嵌め合わせていく。
切欠孔８ａには、第１電極３に設けられた凹部３２ａに対応する凸部８ｂが形成されている。従って、素子配置部３１に対する延設部３２の位置が誤った状態で第１電極３を切欠孔８ａに嵌合させようとしても、凹部３２ａと凸部８ｂとの位置がずれて凸部８ｂが障害となり、第１電極３を切欠孔８ａに適切に嵌め合わすことができない。これにより、本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、第１電極３を基部１１に対して誤って設置することを防止し、歩留まりの向上を図ることができる。また、本実施形態の熱電変換モジュール１の組立て方法において用いられる整列部材８には、端子７も整列できるように端子用切欠孔８ｃも設けられている。
なお、素子配置部３１の左右両側縁部に凹部を設けることも考えられるが、これでは素子配置部３１の熱電変換素子２との接触面積が減少してしまう。上述の如く延設部３２に凹部３２ａを設けることにより、熱電変換素子２の配置面積を減少させることなく、第１電極３を基部１１に誤って配置することを防止できる。
また、第１電極３の延設部３２の左右両側縁部に凸部を形成し、切欠孔８ａに凸部に対応する凹部を形成してもよい。この場合、凸部を素子配置部３１の周縁部に設けることもできる。また、延設部３２の凹部または凸部は、先端部（素子配置部３１から離隔する側の端部）に形成してもよく、この場合、例えば、凹部または凸部を中央に１つ設けてもよいし、孔部の間に位置させて左右対象となるように２つ設けてもよい。
ここで、図３において、各素子列６を上方から下方に向かって順に第１素子列６１、第２素子列６２、第３素子列６３、第４素子列６４、第５素子列６５、第６素子列６６と定義し、第１素子列６１、第３素子列６３、第５素子列６５を奇数列、第２素子列６２、第４素子列６４、第６素子列６６を偶数列と定義する。
奇数列６１，６３，６５の第１電極３は、図３に示すように、延設部３２が素子配置部３１の右側に位置するように並べられている。これに対して、偶数列６２，６４，６６の第１電極３は、図３に示すように、延設部３２が素子配置部３１の左側に位置するように並べられている。即ち、本実施形態の熱電変換モジュール１では、全ての延設部３２が素子配置部３１のＸ軸方向に位置している。
奇数列６１，６３，６５の第２電極４は、最も左に位置する第２電極４を除いて、接続部４２が素子配置部４１の左側に位置するように配置される。そして、接続部４２の先端が受入部３３の中央に位置する孔部３３ｂに挿入され、ろう接等により接合される。これに対して、偶数列６２，６４，６６の第２電極４は、最も右に位置する第２電極４を除いて、接続部４２が素子配置部４１の右側に位置するように配置される。そして、接続部４２の先端が受入部３３の中央に位置する孔部３３ｂに挿入され、ろう接等により接合される。
奇数列６１，６３，６５の最も左に位置する第２電極４は、素子列６の間を電気的に直列に接続するためのものであり、図３において、接続部４２が素子配置部４１の下側に位置するように配置されている。そして、接続部４２の先端が受入部３３の右側に位置する孔部３３ａに挿入され、ろう接等により接合される。
また、偶数列のうち端子７が設けられていない第２素子列６２と、第４素子列６４の最も右に位置する第２電極４は、素子列６の間を電気的に直列に接続するためのものであり、図３において、接続部４２が素子配置部４１の下側に位置するように配置されている。そして、接続部４２の先端が受入部３３の左側に位置する孔部３３ｃに挿入され、ろう接等により接合される。
このように、素子列６内では接続部４２を中央の孔部３３ｂに挿入し、素子列６の間では接続部４２を左右の孔部３３ａ，３３ｃに挿入するため、接続部４２の形状を変えることなく同一形状の接続部４２のままで、素子列６内及び素子列６の間を電気的に接続することができる。
従って、本実施形態の熱電変換モジュール１によれば、両電極と接続部とを別体としたものと比較して部品点数の増加を抑えながら、従来よりも製造の容易化を図ることができる。
また、第１電極３も３つの孔部３３ａ，３３ｂ，３３ｃで受入部３３が構成された左右対称の形状に形成されているため、全ての第１電極３を同一形状に形成することができる。また、第１電極３は、左右対称の形状であるため、裏表の違いが無く、更に組立て易いなものとなっている。
ここで、第１電極３の並べ方としては、偶数列６２，６４，６６の図３における最も左側に位置する第１電極３だけを、延設部３２が素子配置部３１の上側に位置するように配置し、奇数列の素子列のうちの第３素子列６３と第５素子列６５の図３における最も右側に位置する第１電極３だけを、延設部３２が素子配置部３１の上側に位置するように配置して、熱電変換モジュール１を構成することも考えられる。
しかしながら、これでは、素子列６１～６６の間に延設部３２分のスペースを空ける必要があり、熱電変換モジュール１の素子密度が低下してしまう。本実施形態の熱電変換モジュール１では、全ての第１電極３の延設部３２が素子配置部３１のＸ軸方向に配置できるため、素子密度を向上させることができる。
なお、本実施形態においては、受入部３３を３つの孔部３３ａ，３３ｂ，３３ｃで構成したものを説明したが、本発明の受入部はこれに限らない。例えば、受入部を左右方向に長手の１つの孔で構成してもよく、また、左側の孔部３３ｃを省略して、中央と右側の孔部３３ａ，３３ｂの２つで構成してもよい。受入部を２つの孔部３３ａ，３３ｂで構成する場合には、隣接する素子列６から延びる接続部４２を右側の孔部３３ａで受け入れられるように第１電極３を適宜裏返せばよい。
また、本実施形態の熱電変換素子２は、図２に四角柱状のものを示したが、これに限らず、他の形状、例えば、円柱状としてもよい。
また、本実施形態の熱電変換素子２は、図２に四角柱状のものを示したが、これに限らず、他の形状、例えば、円柱状としてもよい。
次に、本実施形態の熱電変換モジュール１の作動について説明する。熱電変換モジュール１の上側の基部（図示省略）を例えば３００℃から６００℃の熱源に取付け、基部１１を冷却させると、熱電変換素子２の両端で温度差が生じ、ゼーベック効果により電流が流れて発電する。このとき、発電し続ける為には、熱電変換素子２の両端で所定の温度差が維持され続ける必要があるが、第１実施形態では、熱電変換素子２の材料として熱伝導率の小さいＭｇ２Ｓｉを用いているため、温度差を良好に維持することができる。
第１実施形態の熱電変換モジュール１によれば、接続部４２が第２電極４と一体で且つ第１電極３と別体であるため、基部１１に固定した第１電極３に熱電変換素子２の一端を電気的に接続させた後、第２電極４を熱電変換素子２の他端に電気的に接続させると共に、隣接する熱電変換素子２の間で第１電極３と第２電極４とが電気的に接続されるように、第１電極３の受入部３３に接続部４２を接続することができる。従って、従来の熱電変換モジュールのように熱電変換素子をＵ字状のコネクタに押し込む必要がなく、熱電変換モジュールの量産性が向上される。
尚、第１実施形態においては、熱電変換素子２をＭｇ２Ｓｉで作製しているが、これに限られない。例えば、Ｓｂ－Ｔｅ系およびＢｉ－Ｓｅ系を含めたＢｉ－Ｔｅ系、Ｓｎ－Ｔｅ系およびＧｅ－Ｔｅ系を含めたＰｂ－Ｔｅ系、Ａｇ－Ｓｂ－Ｔｅ系、Ａｇ－Ｓｂ－Ｇｅ－Ｔｅ系、Ｓｉ－Ｇｅ系、Ｆｅ－Ｓｉ系、Ｍｎ－Ｓｉ系、Ｚｎ－Ｓｂ系、カルコゲナイト、スクッテルダイト、フィルドスクッテルダイト、クラスレート、ハーフホイスラー、ホイスラー、炭化ホウ素、層状コバルト酸化物等の任意の熱電変換材料を用いることができる。また、熱電変換素子２はｎ形に限らず、ｐ形のものを用いてもよい。また、Ｍｇ２Ｓｉは、高純度である必要はなく、例えば、研削・研磨加工時に排出される廃シリコーンスラッジを利用して得られるものであってもよい。
また、熱電変換素子２の両端部に、電極との接触抵抗を低減させるべく、接合層を設けてもよい。接合層は熱電変換素子と一体的に形成することもできる。また、接合層及び電極は、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ等、および、これらからなる合金等の任意の材料用いることができる。
また、本実施形態においては、ゼーベック効果を用いた発電用の熱電変換モジュール１を説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、ペルチェ効果を用いて冷却又は加熱するものにも同様に用いることができる。
また、本実施形態においては、誤組み防止部として、図６に示す、凹部３２ａと凸部８ｂとで構成されたものを説明したが、本発明の誤組み防止部はこれに限らない。例えば、第１電極の四隅のうちの一部を斜めにカットして本発明の凹部としてのカット部を設け、整列部材８にも本発明の凹部としてのカット部に対応するように張り出した部分（凸部）を形成することにより、素子配置部３１と延設部３２との位置が誤った状態で基部１１に設置されることを防止するように構成することもできる。
また、本実施形態においては、図１に示す熱電変換モジュール１の上方側を熱源に接触させる高温側、下方側を放熱させる低温側としたものを説明した。しかしながら、本発明の熱電変換モジュールの使用方法はこれに限らず、例えば、図１において、上方側を低温側とし、下方側を高温側に設定してもよい。
１…熱電変換モジュール、 １１…基部、 ２…熱電変換素子、 ３…第１電極、 ３１…素子配置部、 ３２…延設部、 ３２ａ…凹部（誤組み防止部）、 ３３…受入部、 ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ…孔部、 ４…第２電極、 ４１…素子配置部、 ４２…接続部、６…素子列、 ６１～６６…第１～第６素子列、 ７…端子、 ７ａ…素子配置部、 ８…整列部材、 ８ａ…切欠孔、 ８ｂ…凸部、 ８ｃ…端子用切欠孔。
Claims (4)
- 基部と、
複数の第１電極と、
一方の端部が前記第１電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、
該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第２電極と、
前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第１電極を、隣接する前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第２電極に、電気的に接続する接続部とを備え、
前記複数の熱電変換素子は、ｎ形とp形との何れか一方で構成され、
前記複数の熱電変換素子が電気的に直列に接続される熱電変換モジュールであって、
前記接続部は、前記第２電極と一体に形成されると共に、前記第１電極と別体に構成され、
前記第１電極は、前記熱電変換素子の一方の端部と電気的に接触する素子配置部と、前記接続部の先端を受け入れる受入部とを備え、
前記第１電極または前記第２電極は、前記基部上に配置され、
前記基部に沿うと共に互いに直交する２つの軸線をＸ軸及びＹ軸として、
前記熱電変換素子は、前記基部上に前記Ｘ軸方向に複数並べられて素子列を構成し、
該素子列は、Ｙ軸方向に複数並べられ、
該受入部は、前記素子列内において、前記素子配置部の前記Ｘ軸方向に位置し、前記接続部が素子列内の熱電変換素子を電気的に接続する場合と、前記接続部が隣接する素子列の間同士を電気的に接続する場合の何れであっても、同一形状の接続部で受け入れられるように構成され、
前記第１電極は、全て同一形状に構成され、
前記第２電極は、全て同一形状に構成されることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項１に記載の熱電変換モジュールであって、
前記受入部は、複数の孔部で構成され、
前記複数の孔部のうち中央に位置する前記孔部が前記素子列内で前記接続部を受け入れる孔部であり、左右方向に位置する前記孔部が前記素子列の間で前記接続部を受け入れる孔部であることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項１又は請求項２に記載の熱電変換モジュールであって、
前記第１電極は、前記素子配置部から前記基部に沿って延びる延設部を備え、
該延設部に前記受入部が設けられ、
前記第１電極は、前記基部上に誤って配置されることを防止すべく、凸部又は凹部で構成される誤組み防止部が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項３に記載の熱電変換モジュールの組立て方法であって、
前記複数の第１電極の配置及び形状に対応する切欠孔を複数備える整列部材を、前記基部上に配置し、
前記切欠孔に前記第１電極を嵌め込むことにより、前記第１電極を前記基部上に配置することを特徴とする熱電変換モジュールの組立て方法。
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