WO2021157565A1

WO2021157565A1 - 熱電変換構造体

Info

Publication number: WO2021157565A1
Application number: PCT/JP2021/003712
Authority: WO
Inventors: 皓也新井
Original assignee: 三菱マテリアル株式会社
Priority date: 2020-02-07
Filing date: 2021-02-02
Publication date: 2021-08-12
Also published as: US20230059024A1; KR20220137649A; EP4102581A1; JP2021125645A; CN115039242A

Abstract

この熱電変換構造体は、熱源と、この熱源に取り付けられた熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換構造体であって、前記熱電変換モジュールは、複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第１電極部及び他端側に配設された第２電極部と、を有し、前記第１電極部及び前記第２電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続した構造とされ、熱電変換モジュールの少なくとも前記熱源側を向く前記第１電極部側は固定されずに開放された構造とされている。

Description

熱電変換構造体

　本発明は、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換する熱電変換構造体に関する。
　本願は、２０２０年２月７日に、日本に出願された特願２０２０－０１９９６６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　熱電変換素子は、ゼーベック効果あるいはペルティエ効果によって、熱エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換可能な電子素子である。
　ゼーベック効果は、熱電変換素子の両端に温度差を生じさせると起電力が発生する現象であり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。ゼーベック効果により発生する起電力は、熱電変換素子の特性によって決まる。近年では、この効果を利用した熱電発電の開発が盛んである。
　ペルティエ効果は、熱電変換素子の両端に電極等を形成して電極間で電位差を生じさせると、熱電変換素子の両端に温度差が生じる現象であり、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。このような効果をもつ素子は特にペルティエ素子と呼ばれ、精密機器や小型冷蔵庫などの冷却や温度制御に利用されている。

　上述の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールとしては、例えば、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とを交互に直列接続した構造のものが提案されている。
　このような熱電変換モジュールにおいては、複数の熱電変換素子の一端側及び他端側に配設された電極部によって熱電変換素子同士が直列接続された構造とされている。

　そして、熱電変換素子の一端側と他端側との間で温度差を生じさせることで、ゼーベック効果によって、電気エネルギーを発生させることができる。あるいは、熱電変換素子に電流を流すことで、ペルティエ効果によって、熱電変換素子の一端側と他端側との間に温度差を生じさせることが可能となる。

　ここで、上述の熱電変換モジュールを熱源に配設して電気エネルギーを得る場合には、熱源との熱接触状態が重要となる。
　そこで、例えば特許文献１には、熱源と熱電変換モジュールとの間に、グラファイトからなる伝熱シートを配設することが開示されている。
　特許文献２には、熱源と熱電変換モジュールとの間に、金属からなる伝熱部材を配設することが開示されている。

特開２０１８－０７４８７３号公報特開２０１４－１２７６１７号公報

　ところで、上述の熱電変換モジュールは、幅広い温度の熱源に配設することで、熱源からの排熱を電気エネルギーに変化することができる。
　ここで、例えば２５０℃以上の高温領域で使用した場合、グラファイトからなる伝熱シートにおいては、酸素含有雰囲気では酸化によって劣化してしまうため、安定して使用することができなかった。
　融点の高い金属であれば高温領域で使用可能であるが、金属からなる部材を配設した場合には、部品点数が増加し、位置ずれや脱落等によって安定して使用できないおそれがあった。

　この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、比較的簡単な構造で、熱源との熱接触が良好であり、効率良く熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行うことが可能な熱電変換構造体を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の熱電変換構造体は、熱源と、この熱源に取り付けられた熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換構造体であって、前記熱電変換モジュールは、複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第１電極部及び他端側に配設された第２電極部と、を有し、前記第１電極部及び前記第２電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続した構造とされ、熱電変換モジュールの少なくとも前記熱源側を向く前記第１電極部側は固定されずに開放された構造とされており、前記第１電極部と前記熱源との間には、絶縁層と、この絶縁層の一方の面側に形成された金属からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面側に形成された金属からなる伝熱層と、を備えた絶縁伝熱基板が配設されており、前記回路層は、前記第１電極部に対応する回路パターンを有し、前記第１電極部と前記回路層とが接触するとともに、前記伝熱層が前記熱源に接触するように、前記絶縁伝熱基板が配設されていることを特徴としている。

　本発明の熱電変換構造体によれば、前記第１電極部と前記熱源との間に、金属からなる回路層及び伝熱層を備えた絶縁伝熱基板が配設されており、前記第１電極部と前記回路層とが接触するとともに前記伝熱層が前記熱源に接触するように前記絶縁伝熱基板が配設されているので、熱源と熱電変換モジュールとを密着するように加圧した際に、金属からなる回路層及び伝熱層が変形することになり、第１電極部と回路層、及び、伝熱層と熱源との熱接触が良好となる。これにより、第１電極部と回路層及び伝熱層と熱源の界面における熱抵抗を十分に低減することができ、熱エネルギーと電気エネルギーを効率的に変換することが可能となる。
　また、熱電変換モジュールの少なくとも前記熱源側を向く前記第１電極部側は固定されずに開放された構造とされ、この第１電極部に金属からなる回路層が接触されているので、複数の熱電変換素子が個別に熱膨張した場合であっても、回路層と第１電極部との熱接触を良好に維持することが可能となる。
　さらに、熱源と熱電変換モジュールの間には、回路層と絶縁層と伝熱層が一体化した絶縁伝熱基板が配設されているので、部品点数が少なく、構造が簡単となる。

　ここで、本発明の熱電変換構造体においては、前記回路層及び前記伝熱層は、アルミニウム又はアルミニウム合金、銀又は銀合金、金又は金合金のいずれかで構成されていることが好ましい。
　この場合、アルミニウム又はアルミニウム合金、銀又は銀合金、金又は金合金は、比較的軟らかいため、熱源と熱電変換モジュールとを密着するように加圧した際に、回路層及び伝熱層が容易に変形し、第１電極部と回路層及び伝熱層と熱源との熱接触がさらに良好となる。
　また、アルミニウム又はアルミニウム合金、銀又は銀合金、金又は金合金のいずれかで回路層及び伝熱層を構成すると、酸素含有雰囲気において高温条件で使用した場合であっても、回路層及び伝熱層が劣化することを抑制することができ、安定して使用することが可能となる。

　また、本発明の熱電変換構造体においては、前記回路層の面積が、前記第１電極部の面積以上とされていることが好ましい。
　この場合、複数の熱電変換素子が個別に熱膨張した場合であっても、前記回路層と前記第１電極部との熱接触を良好に維持することができ、熱エネルギーと電気エネルギーを効率的に変換することが可能となる。

　本発明によれば、比比較的簡単な構造で、熱源との熱接触が良好であり、効率良く熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行うことが可能な熱電変換構造体を提供することができる。

本発明の実施形態である熱電変換構造体の概略説明図である。本発明の他の実施形態である熱電変換構造体を構成する熱電変換モジュールの概略説明図である。実施例における試験装置の概略説明図である。

　以下に、本発明の実施形態について添付した図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

　本実施形態に係る熱電変換構造体１は、図１に示すように、熱源３と、この熱源３に取り付けられる熱電変換モジュール１０と、熱源３と熱電変換モジュール１０の間に配設される絶縁伝熱基板３０と、を備えている。

　ここで、熱電変換モジュール１０は、図１に示すように、複数の柱状をなす熱電変換素子１１を備えており、この熱電変換素子１１の長さ方向の一端側（図１において下側）に配設された第１電極部２１、及び、熱電変換素子１１の長さ方向の他端側（図１において上側）に配設された第２電極部２２によって、複数の柱状をなす熱電変換素子１１が電気的に直列接続されている。ここで、第１電極部２１及び第２電極部２２は、例えば図１に示すように、パターン状に配設されることになる。
　なお、本実施形態では、第１電極部２１及び第２電極部２２がそれぞれ固定されておらず、開放された状態とされている。すなわち、本実施形態における熱電変換モジュール１０は、いわゆるスケルトン構造とされている。
　言い換えると、本実施形態では、第１電極部２１及び第２電極部２２はそれぞれ回路層３２に接触するように配置されているが、回路層３２に接合されていない。従って、熱源３、絶縁伝熱基板３０、熱電変換モジュール１０を積層方向に加圧した際に、第１電極部２１及び第２電極部２２をそれぞれ回路層３２に押圧にて密着させ一時的に熱電変換構造体１の積層構造を固定することは出来るが、圧力を解放すると第１電極部２１-回路層３２間、第２電極部２２-回路層３２間が解放される。

　熱電変換素子１１は、ｎ型熱電変換素子１１ａとｐ型熱電変換素子１１ｂとを有しており、これらｎ型熱電変換素子１１ａとｐ型熱電変換素子１１ｂが交互に配列されている。　なお、この熱電変換素子１１の一端面及び他端面には、メタライズ層（図示なし）がそれぞれ形成されている。メタライズ層としては、例えば、ニッケル、銀、コバルト、タングステン、モリブデン等や、あるいはそれらの金属繊維でできた不織布等を用いることができる。なお、メタライズ層の最表面（第１電極部２１及び第２電極部２２との接合面）は、Ａｕ又はＡｇで構成されていることが好ましい。

　第１電極部２１及び第２電極部２２は、導電性に優れた材料で構成されており、本実施形態では、銅の圧延板を用いている。なお、上述のメタライズ層と第１電極部２１及び第２電極部２２は、ＡｇろうやＡｇペースト等を用いて接合されている。
　なお、第１電極部２１及び第２電極部２２の厚さは、０．０５ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内とされていることが好ましい。

　ｎ型熱電変換素子１１ａ及びｐ型熱電変換素子１１ｂは、例えば、テルル化合物、スクッテルダイト、充填スクッテルダイト、ホイスラー、ハーフホイスラー、クラストレート、シリサイド、酸化物、シリコンゲルマニウム等の焼結体で構成されている。
　ｎ型熱電変換素子１１ａの材料として、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、ＰｂＴｅ、Ｌａ_３Ｔｅ_４、ＣｏＳｂ_３、ＦｅＶＡｌ、ＺｒＮｉＳｎ、Ｂａ_８Ａｌ_１６Ｓｉ_３０、Ｍｇ_２Ｓｉ、ＦｅＳｉ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＭｎＯ_３、ＺｎＯ、ＳｉＧｅなどが用いられる。
　また、ｐ型熱電変換素子１１ｂの材料として、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、Ｓｂ_２Ｔｅ_３、ＰｂＴｅ、ＴＡＧＳ（＝Ａｇ‐Ｓｂ‐Ｇｅ‐Ｔｅ）、Ｚｎ_４Ｓｂ_３、ＣｏＳｂ_３、ＣｅＦｅ_４Ｓｂ_１２、Ｙｂ_１４ＭｎＳｂ_１１、ＦｅＶＡｌ、ＭｎＳｉ_１．７３、ＦｅＳｉ_２、ＮａｘＣｏＯ_２、Ｃａ_３Ｃｏ_４Ｏ_７、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃｏ_２Ｏ_７、ＳｉＧｅなどが用いられる。
　なお、ドーパントによりｎ型とｐ型の両方をとれる化合物と、ｎ型かｐ型のどちらか一方のみの性質をもつ化合物がある。

　この熱電変換モジュール１０と熱源３との間に配設される絶縁伝熱基板３０は、図１に示すように、絶縁層３１と、この絶縁層３１の一方の面側に形成された金属からなる回路層３２と、絶縁層３１の他方の面側に形成された金属からなる伝熱層３３と、を備えている。

　ここで、絶縁層３１は、絶縁性に優れたセラミックスで構成されていることが好ましい。例えば、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化珪素等を適用することができる。
　また、絶縁層３１の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

　回路層３２は、熱伝導性に優れた金属で構成されており、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、銀又は銀合金、金又は金合金のいずれかで構成されていることが好ましい。
　本実施形態では、回路層３２は、熱伝導性に優れ、かつ、軽量で、比較的軟らかいアルミニウム（例えば、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム）で構成されたものとした。
　また、回路層３２の厚さは、例えば０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

　伝熱層３３は、回路層３２と同様に、熱伝導性に優れた金属で構成されており、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金、銀又は銀合金、金又は金合金のいずれかで構成されていることが好ましい。
　本実施形態では、伝熱層３３は、熱伝導性に優れ、かつ、軽量で、比較的軟らかいアルミニウム（例えば、純度９９．９９ｍａｓｓ％以上の４Ｎアルミニウム）で構成されたものとした。
　また、伝熱層３３の厚さは、例えば０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内とすることが好ましい。

　そして、絶縁伝熱基板３０においては、回路層３２と絶縁層３１と伝熱層３３とが接合されて一体化している。
　これら回路層３２及び伝熱層３３の形成方法には、特に制限はなく、絶縁層３１の一方の面及び他方の面に金属板（アルミニウム板）をろう付け等の既存の接合方法を適宜選択して接合してもよい。
　また、回路層３２の回路パターンの形成方法には、特に制限はなく、エッチング法であってもよいし、金属片を回路パターン状に接合してもよい。

　なお、本実施形態においては、図１に示すように、熱電変換素子１１の他端側にも、上述した絶縁伝熱基板３０が配設されている。

　そして、本実施形態である熱電変換構造体１においては、第１電極部２１と回路層３２とが接触するとともに、伝熱層３３が熱源３に接触するように、熱源３と熱電変換モジュール１０との間に、絶縁伝熱基板３０が配設されている
　上述の熱源３、絶縁伝熱基板３０、熱電変換モジュール１０は、積層方向に加圧した状態で固定されている。
　また、熱電変換モジュール１０の第２電極部２２側には、ヒートシンク４０が配設されている。このヒートシンク４０は、絶縁伝熱基板３０伝熱層３３に積層される天板部４１と、天板部４１から立設されたフィン部４２と、を備えている。ヒートシンク４０は熱伝動性の高い材料、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金等から構成されている。

　この熱電変換構造体１においては、第１電極部２１側が熱源３に配置されて高温部となり、第２電極部２２側がヒートシンク４０による放熱によって低温部となり、熱エネルギーと電気エネルギーとの変換が実施される。

　以上のような構成とされた本実施形態である熱電変換構造体１においては、第１電極部２１と熱源３との間に、金属からなる回路層３２及び伝熱層３３を備えた絶縁伝熱基板３０が配設されており、第１電極部２１と回路層３２とが接触するとともに伝熱層３３が熱源３に接触するように絶縁伝熱基板３０が配設されているので、熱源３と熱電変換モジュール１０とを密着するように加圧した際に、金属からなる回路層３２及び伝熱層３３が変形し、第１電極部２１と回路層３２、及び、伝熱層３３と熱源３との熱接触が良好となる。これにより、第１電極部２１と回路層３２及び伝熱層３３と熱源３の界面における熱抵抗を十分に低減することができ、熱エネルギーと電気エネルギーを効率的に変換することが可能となる。

　また、熱電変換モジュール１０の少なくとも熱源３側を向く第１電極部２１側は固定されずに開放された構造とされ、この第１電極部２１に金属からなる回路層３２が接触されているので、複数の熱電変換素子１１が個別に熱膨張した場合であっても、回路層３２と第１電極部２１との熱接触を良好に維持することが可能となる。
　さらに、熱源３と熱電変換モジュール１０の間には、回路層３２と絶縁層３１と伝熱層３３が一体化した絶縁伝熱基板３０が配設されているので、部品点数が少なく、構造が簡単となる。

　本実施形態において、回路層３２及び伝熱層３３は、アルミニウム又はアルミニウム合金、銀又は銀合金、金又は金合金のいずれかで構成されている場合には、熱源３と熱電変換モジュール１０とを密着するように加圧した際に、回路層３２及び伝熱層３３が比較的容易に変形し、第１電極部２１と回路層３２及び伝熱層３３と熱源３との熱接触がさらに良好となる。
　また、酸素含有雰囲気において高温条件で使用した場合であっても、回路層３２及び伝熱層３３が早期に劣化することを抑制することができ、安定して使用することが可能となる。

　また、本実施形態において、回路層３２の対向面積（第１電極部２１側を向く面の面積）が、第１電極部２１の対向面積（回路層３２側を向く面の面積）以上とされている場合には、回路層３２と第１電極部２１が確実に接触し、複数の熱電変換素子１１が個別に熱膨張した場合であっても、回路層３２と第１電極部２１との熱接触を良好に維持することができ、熱エネルギーと電気エネルギーを効率的に変換することが可能となる。

　以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

　本実施形態では、第１電極部２１及び第２電極部２２がそれぞれ固定されておらず、いわゆるスケルトン構造の熱電変換モジュールとし、第１電極部２１側及び第２電極部２２側にそれぞれ絶縁伝熱回路基板３０を配設したものとして説明したが、これに限定されることはない。
　例えば、図２に示す熱電変換構造体１０１のように、熱電変換モジュール１１０が、第１電極部１２１側が固定されておらず、第２電極部１２２が絶縁基板１２５に固定されたハーフスケルトン構造であってもよい。

　本発明の有効性を確認するために行った確認実験について説明する。

　図３に示すように、複数の熱電変換素子が第１電極部と第２電極部で直列接続された構造の熱電変換モジュール１１０を、高温側プレート５１と低温側プレート５２で挟み込み、高温側プレート５１と低温側プレート５２によって、熱電変換モジュール１０を積層方向に圧力０．５ＭＰａで加圧した状態で、高温側プレート５１の温度を１５０℃前後、低温側プレート５２の温度を５０℃前後、高温側プレートの温度を１５０℃前後となるように温度調整した。
　なお、第１電極部が高温側プレート５１側を向くように、かつ、第２電極部が低温側プレート５２側を向くように、熱電変換モジュール１１０を配置した。また、この実験では、第１電極部側が固定されずに開放されたハーフスケルトン構造の熱電変換モジュール１１０を用いた。

　ここで、比較例では、第１電極部と高温側プレート５１との間に、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム板を配設した。
　一方、本発明例では、第１電極部と高温側プレート５１との間に、厚さ０．６３５ｍｍの窒化アルミニウム基板の一方の面にアルミニウム（純度９９．９９ｍａｓｓ％）からなる回路層（厚さ０．２ｍｍ）が形成され、窒化アルミニウム基板の他方の面にアルミニウム（純度９９．９９ｍａｓｓ％）からなる伝熱層（厚さ０．２ｍｍ）が形成された絶縁伝熱基板を配設した。

　そして、開放電圧が２．８Ｖとなるように、高温側プレート５１及び低温側プレート５２を温度調整し、高温側プレート５１及び低温側プレート５２にそれぞれ埋め込まれた熱電対５３，５４により、高温側プレート５１及び低温側プレート５２の温度を実測した。また、高温側プレート５１と低温側プレート５２との温度差を算出した。

　第１電極部と高温側プレートとの間に窒化アルミニウム板を配設した比較例と、第１電極部と高温側プレートとの間に絶縁伝熱基板を配設した本発明例と、を比較すると、開放電圧を２．８Ｖと同一の場合であっても、本発明例の方が、実測の温度差が小さくなっており、高温側プレートと第１電極部との熱接触が比較例よりも改善されていることが確認された。

　以上のことから、本発明例によれば、比較的簡単な構造で、熱源との熱接触が良好であり、効率良く熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行うことが可能な熱電変換構造体を提供可能であることが確認された。

１　熱電変換構造体
３　熱源
１０，１１０　熱電変換モジュール
１１　熱電変換素子
２１　第１電極部
２２　第２電極部
３０　絶縁伝熱基板
３１　絶縁層
３２　回路層
３３　伝熱層

Claims

　熱源と、この熱源に取り付けられた熱電変換モジュールと、を備えた熱電変換構造体であって、
　前記熱電変換モジュールは、複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第１電極部及び他端側に配設された第２電極部と、を有し、前記第１電極部及び前記第２電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続した構造とされ、
　熱電変換モジュールの少なくとも前記熱源側を向く前記第１電極部側は固定されずに開放された構造とされており、
　前記第１電極部と前記熱源との間には、絶縁層と、この絶縁層の一方の面側に形成された金属からなる回路層と、前記絶縁層の他方の面側に形成された金属からなる伝熱層と、を備えた絶縁伝熱基板が配設されており、
　前記回路層は、前記第１電極部に対応する回路パターンを有し、前記第１電極部と前記回路層とが接触するとともに、前記伝熱層が前記熱源に接触するように、前記絶縁伝熱基板が配設されていることを特徴とする熱電変換構造体。
　前記回路層及び前記伝熱層は、アルミニウム又はアルミニウム合金、銀又は銀合金、金又は金合金のいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換構造体。
　前記回路層の対向面積が、前記第１電極部の対向面積以上とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱電変換構造体。