図面 (/)

この項目の情報は公開日時点(2005年4月7日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (10)

課題

熱電変換モジュールの温度差に起因する熱膨張差を吸収可能なモジュール構造とし、モジュール構造物の破損や損傷を有効的かつ効果的に防止したもの。

解決手段

本発明の熱電変換装置に備えられる熱電変換モジュール11は、P型半導体16とN型半導体17とから構成される対をなす熱電変換素子16,17と、熱電変換素子16,17の高温側系統23および低温側系統24側に接する部分にそれぞれ取り付けられる高温側および低温側電極18,19と、この高温側電極18を高温側系統23に熱的に接続させる高温側絶縁基板12と、低温側電極19を低温側系統24に熱的に接続させる低温側絶縁基板13と、この低温側絶縁基板13に装着され、内部に熱電変換素子16,17および電極18,19を収容して封止する囲み枠25とを備え、この囲み枠25は、高温側に自由度を持たせたモジュール構造として低温側絶縁基板13に接合されたものである。

概要

背景

この種の熱電変換装置には、熱電変換モジュールあるいは複数の熱電変換モジュールを組み合せた熱電変換ユニットが備えられる。熱電変換モジュールは、P型半導体およびN型半導体熱電変換素子を組み合せて構成され、トムソン効果ペルチェ効果ゼーベック効果等の熱伝達変換効果を利用して熱エネルギ電気エネルギ直接変換するようになっている。

従来の熱電変換装置には、特開2003−179274号公報(特許文献1参照)に開示されたものがある。

この熱電変換装置は、P型およびN型半導体の柱状熱電変換素子を絶縁基板間に複数対並列状に林立させ、熱電変換素子の両端部に半田層を介して電極接合する剛体接合構造を採用し、各熱電変換素子電気的に直列に接続し、熱的に並列配置している。
特開2003−179274号公報

概要

熱電変換モジュールの温度差に起因する熱膨張差を吸収可能なモジュール構造とし、モジュール構造物の破損や損傷を有効的かつ効果的に防止したもの。本発明の熱電変換装置に備えられる熱電変換モジュール11は、P型半導体16とN型半導体17とから構成される対をなす熱電変換素子16,17と、熱電変換素子16,17の高温側系統23および低温側系統24側に接する部分にそれぞれ取り付けられる高温側および低温側電極18,19と、この高温側電極18を高温側系統23に熱的に接続させる高温側絶縁基板12と、低温側電極19を低温側系統24に熱的に接続させる低温側絶縁基板13と、この低温側絶縁基板13に装着され、内部に熱電変換素子16,17および電極18,19を収容して封止する囲み枠25とを備え、この囲み枠25は、高温側に自由度を持たせたモジュール構造として低温側絶縁基板13に接合されたものである。

目的

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、熱電変換モジュールを高温側系統と低温側系統との温度差に起因する熱膨張差を吸収可能な自由度の大きなモジュール構造とし、モジュール構造物の破損・損傷を有効的かつ効果的に防止することができる熱電変換装置を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

この技術が所属する分野

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

高温側系統から吸熱される熱エネルギ電気エネルギに変換して取り出したり、または、外部から電流を付与して低温側系統と高温側系統との間で熱移動を生じさせる熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置において、前記熱電変換モジュールは、P型半導体N型半導体とから構成される対をなす熱電変換素子と、上記熱電変換素子の高温側系統および低温側系統に接する部分にそれぞれ取り付けられる高温側および低温側電極と、この高温側電極を高温側系統に熱的に接続させる高温側絶縁基板と、上記低温側電極を低温側系統に熱的に接続させる低温側絶縁基板と、上記低温側絶縁基板に装着され、内部に熱電変換素子および電極を収容し、封止する囲み枠とを備え、上記囲み枠は、高温側に自由度を持たせたモジュール構造として低温側絶縁基板に接合されたことを特徴とする熱電変換装置。

請求項2

前記囲み枠はキャップ形状をなし、その基部を低温側絶縁基板に接合させる一方、その接合基部は断面が倒立台形、H型、L型あるいはコの字型等のくびれ部を有する接合用金属により応力軽減構造に構成した請求項1記載の熱電変換装置。

請求項3

前記囲み枠はキャップ形状をなし、その基部を低温側絶縁基板に接合させる一方、その接合基部は囲み枠の先端部を先細形状、H型、L型あるいはコの字型等のくびれ部を持たせた成形加工により応力軽減構造に構成した請求項1記載の熱電変換装置。

請求項4

前記高温側および低温側電極の少なくとも一方をキャップ形状とし、このキャップ状電極を対をなす熱電変換素子を跨ぐように被せ、キャップ状電極と対をなす熱電変換素子との接触面積を増大させた請求項1記載の熱電変換装置。

請求項5

前記キャップ状電極は、対をなす熱電変換素子を跨ぐようにスライド可能に被せ、対をなす熱電変換素子とキャップ状電極とを熱膨張による熱電変換素子の変形を吸収可能な接触構造とした請求項1記載の熱電変換装置。

請求項6

前記高温側電極と低温側電極は、対をなす熱電変換素子の高温側系統および低温側系統に接する部分に、それぞれ互い違いに取り付け、熱電変換モジュールの全熱変換素子電気的に直列接続し、かつ熱的に並列に設置された請求項1記載の熱電変換装置。

請求項7

前記囲み枠は、カバー部分シールド部分からキャップ形状に形成され、熱電変換素子および電極を内部に収納するモジュール封止構造に構成され、囲み枠内部に充填される不活性ガス大気圧以下で封入した請求項1記載の熱電変換装置。

請求項8

前記熱電変換モジュールは内部に熱電変換素子および電極の高温酸化による劣化を防止する酸化防止保護膜を施した請求項1記載の熱電変換装置。

請求項9

前記熱電変換モジュールは、隣接する熱電変換素子同士または隣接する電極同士の接触による電気的短絡を防止する絶縁板熱電変換素子間の隙間に設け、上記絶縁板の高さを熱電変換素子の高さより低く構成した請求項1記載の熱電変換装置。

技術分野

0001

本発明は、熱エネルギ電気エネルギ直接変換したり、また外部からの電流の付加により低温側と高温側系統の間で熱移動を生じさせる、熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置係り熱膨張差に起因する熱電変換モジュールの破損を防止し、熱電変換素子の性能・信頼性を向上させた熱電変換装置に関する。

背景技術

0002

この種の熱電変換装置には、熱電変換モジュールあるいは複数の熱電変換モジュールを組み合せた熱電変換ユニットが備えられる。熱電変換モジュールは、P型半導体およびN型半導体の熱電変換素子を組み合せて構成され、トムソン効果ペルチェ効果ゼーベック効果等の熱伝達変換効果を利用して熱エネルギを電気エネルギに直接変換するようになっている。

0003

従来の熱電変換装置には、特開2003−179274号公報(特許文献1参照)に開示されたものがある。

0004

この熱電変換装置は、P型およびN型半導体の柱状熱電変換素子を絶縁基板間に複数対並列状に林立させ、熱電変換素子の両端部に半田層を介して電極接合する剛体接合構造を採用し、各熱電変換素子電気的に直列に接続し、熱的に並列配置している。
特開2003−179274号公報

発明が解決しようとする課題

0005

従来の熱電変換装置においては、熱電変換モジュールを構成するP型およびN型半導体の各熱電変換素子の両端温度差を直接電気エネルギに変換するため、熱電変換モジュールは、高温側系統と低温側系統との温度差による熱膨張差により、熱変形が発生し、モジュール構造物が破損する虞があった。

0006

また、熱電変換モジュールは、高温側系統と低温側系統との温度差に起因する熱膨張差により、熱電変換素子端部の電極と高温側あるいは低温側系統との接合部分に隙間が生じ、この隙間の発生により熱伝導効率が低下し、熱電変換性能が低下するという問題があった。

0007

さらに、熱電変換装置を構成する熱電変換モジュールは高温環境下に設けられるため、熱電変換素子ならびに電極は酸化し易く、電極あるいは熱電変換素子同士の接触により、熱電変換機能が低下したり、損なわれ、信頼性が低下する虞があった。

0008

本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、熱電変換モジュールを高温側系統と低温側系統との温度差に起因する熱膨張差を吸収可能な自由度の大きなモジュール構造とし、モジュール構造物の破損・損傷を有効的かつ効果的に防止することができる熱電変換装置を提供することを目的とする。

0009

また、本発明の他の目的は、熱電変換素子の電極と高温側あるいは低温側系統との接合部分に隙間の発生を防止し、熱伝導効率を向上させて熱電変換性能を効率よく有効的に維持できる熱電変換装置を提供するにある。

0010

さらに、本発明の別の目的は、熱電変換素子および電極の酸化による劣化を防止し、隣接する電極または熱電変換素子同士の接触を未然にかつ有効的に防止し、熱電変換モジュールの信頼性や熱電変換機能を向上させた熱電変換装置を提供するにある。

課題を解決するための手段

0011

本発明に係る熱電変換装置は、上述した課題を解決するために、請求項1に記載したように、高温側系統から吸熱される熱エネルギを電気エネルギに変換して取り出したり、または、外部から電流を付与して低温側系統と高温側系統との間で熱移動を生じさせる熱電変換モジュールを備えた熱電変換装置において、前記熱電変換モジュールは、P型半導体とN型半導体とから構成される対をなす熱電変換素子と、上記熱電変換素子の高温側系統および低温側系統に接する部分にそれぞれ取り付けられる高温側および低温側電極と、この高温側電極を高温側系統に熱的に接続させる高温側絶縁基板と、上記低温側電極を低温側系統に熱的に接続させる低温側絶縁基板と、上記低温側絶縁基板に装着され、内部に熱電変換素子および電極を収容し、封止する囲み枠とを備え、上記囲み枠は、高温側に自由度を持たせたモジュール構造として低温側絶縁基板に接合されたものである。

0012

また、上述した課題を解決するために、本発明に係る熱電変換装置は、請求項4に記載したように、前記高温側および低温側電極の少なくとも一方をキャップ形状とし、このキャップ状電極を対をなす熱電変換素子を跨ぐように被せ、キャップ状電極と対をなす熱電変換素子との接触面積を増大させたり、さらに、請求項5に記載したように、前記キャップ状電極は、対をなす熱電変換素子を跨ぐようにスライド可能に被せ、対をなす熱電変換素子とキャップ状電極とを熱膨張による熱電変換素子の変形を吸収可能な接触構造としたものである。

0013

さらに、上述した課題を解決するために、本発明に係る熱電変換装置は、請求項7に記載したように、前記囲み枠は、カバー部分シールド部分からキャップ形状に形成され、熱電変換素子および電極を内部に収納するモジュール封止構造に構成され、囲み枠内部に充填される不活性ガス大気圧以下で封入したの、また、請求項8に記載したように、前記熱電変換モジュールは内部に熱電変換素子および電極の高温酸化による劣化を防止する酸化防止保護膜を施したり、さらに、請求項9に記載したように、前記熱電変換モジュールは、隣接する熱電変換素子同士または隣接する電極同士の接触による電気的短絡を防止する絶縁板熱電変換素子間の隙間に設け、上記絶縁板の高さを熱電変換素子の高さより低く構成したものである。

発明の効果

0014

本発明に係る熱電変換装置においては、熱膨張差を吸収可能で高温側に自由度の大きなモジュール構造とすることにより、熱電変換モジュールのモジュール構造物の破損や損傷を有効的かつ効果的に防止することができる。

0015

また、本発明に係る熱電変換装置では、熱電変換素子の電極と高温側あるいは低温側系統との接合部分の隙間をなくして、熱伝達効率を向上させ、熱電変換性能を効率よく有効的に維持することができる。

0016

さらに、本発明に係る熱電変換装置では、熱電変換素子や電極の高温酸化による劣化を防止し、熱電変換モジュールの信頼性や熱電変換性能を向上させることができる。

発明を実施するための最良の形態

0017

本発明に係る熱電変換装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

0018

図1は、本発明に係る熱電変換装置の第1実施形態を原理的に示す概略図である。

0019

熱電変換装置10は、熱エネルギを電気エネルギに直接変換したり、外部からの電流付与により、熱移動を生じさせる熱電変換モジュール11を有する。この熱電変換モジュール11は高温側あるいは吸熱側絶縁基板12と低温側あるいは放熱側絶縁基板13との間に挟持される熱電変換素子群15を有する。高温側および低温側絶縁基板12,13は熱伝導性に優れた電気絶縁特性を有するセラミックス等の耐熱性材料で形成される。

0020

熱電変換素子群15は、P型半導体(半導体素子)16およびN型半導体(半導体素子)17を複数対ずつ組み合せ、全体としてマトリックス状あるいは格子状、列状に配設された多数の熱電変換素子で構成される。各熱電変換素子16,17は角柱状円柱状等の柱状構造をなし、一端側が高温側吸熱面とされ、他端側に低温側放熱面が形成される。

0021

各熱電変換素子16,17の吸熱面は、高温側あるいは吸熱側電極18に接合あるいは接触せしめられる一方、その放熱面は、低温側あるいは放熱側電極19に直接あるいは半田層27を介して一体にかつ剛性的に取り付けられる。吸熱側電極18は高温側絶縁性基板12に設けられ、放熱側電極19は低温側絶縁基板13に設けられる。

0022

一方、熱電変換モジュール11は、熱電変換素子16,17の高温側吸熱面と低温側放熱面で生成される熱電変換素子両端の温度差により起電力を得るため、熱電変換モジュール11の性能は素子両端の温度差を大きく保つことにより、より高い熱電変換性能を得ることができる。逆に熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17に電流を外部から付加することにより、各熱電変換素子16,17内に低温側系統24から高温側系統23への熱移動を生じさせることができる。

0023

熱電変換モジュール11は、各熱電変換素子16,17に取り付けられる高温側電極18と低温側電極19とを交互にジグザグ状にあるいは互い違いに跨設するように接合させ、配列することにより、図1および図2に示すように、全熱変換素子16,17が電気的に直列に接続され、熱的に並列配設される。各熱電変換素子16,17で発生した起電力はリード線20を通して外部に出力(電力)として取り出される。

0024

熱電変換モジュール11には熱電変換性能を向上させるために、熱損失防止対策熱伝導向上対策が施される。熱電変換モジュール11は、熱電変換性能を向上させるためには、熱電変換素子16,17への熱供給と熱電変換素子16,17からの放熱がスムーズに行なわれ、図1および図2に示すように、高温部材高温部位等の熱源である高温側系統23から供給された熱が、全て熱電変換素子16,17を通過し、低温側系統24から放熱されることが望ましい。

0025

図2は、熱電変換装置10に備えられる熱電変換モジュール11の断面構造を示すものである。熱電変換モジュール11は、P型半導体16およびN型半導体17の柱状熱電変換素子が複数対ずつ林立状態に組み合されて構成される熱電変換素子群15を備える。熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17は一端側が高温側(吸熱側)電極18を介して、高温側系統23に熱的に接続される高温側絶縁基板12に機械的に接続され、各熱電変換素子16,17の他端側は、低温側(放熱側)電極19を介して、低温側系統24に熱的に接続される低温側絶縁基板13に機械的に接続される。

0026

熱電変換モジュール11は、数cm平方、例えば2cm平方の大きさで高さ数mm〜数cm、例えば3mm〜5mmのモジュール構造体である。熱電変換モジュール11は、熱電変換素子16,17の高温側系統23と低温側系統24側の両端温度差により起電力を得るため、この熱電変換素子16,17の両端温度差を大きく保つことで、より高い熱電変換性能を得ることができる。このため、熱電変換モジュール11は、柱状の熱電変換素子16,17の両端側に生じる温度差や高温側系統23と低温側系統24との温度差が全面的に均一ではないため、各熱電変換素子16,17とシールド部材である囲み枠25の高温側と低温側との間に熱膨張差が生じる。

0027

この熱膨張差に起因して囲み枠25と低温側絶縁基板13との間に変形が生じ易い。

0028

囲み枠25は、ステンレス鋼(SUS)やコパール等の金属材料絞り加工や削り出し加工により成形され、各熱電変換素子16,17および電極18,19を内部に収納し、各熱電変換素子16,17および電極18,19を周囲環境外気)から封止し、遮断するシールド構造をなす一方、囲み枠25の内部にHe,Ar等の不活性ガスや窒素が大気圧以下で充填され、熱電変換素子16,17や電極18,19の高温酸化による劣化を防止している。囲み枠25は低温側絶縁基板13の周辺部に装着される。囲み枠25は熱電変換モジュール11の周りを封じ込める囲み部分25aと熱電変換モジュール11の高温側を覆うカバー部分25bとが一体のキャップ構造とされ、この囲み枠25により、熱電変換モジュール11は形状保持機能を備えるようになっている。

0029

図2においては、囲み枠25のカバー部分25bの内側に高温側絶縁基板12を接触配置した例を示したが、囲み枠25のカバー部分25bを絶縁基板としたものであってもよい。囲み枠25の高温側は、高温側系統23と高温側絶縁基板12との間に自由度を持たせて挟持され、この高温側絶縁基板12に高温側電極18が接触している。

0030

また、囲み枠25の低温側絶縁基板13への装着は、囲み枠25と低温側絶縁基板13との熱膨張差に起因する変形を吸収するために、囲み枠25の高温側に自由度をもたせた接合支持構造とされる。囲み枠25の接合基部は応力を吸収し易い接合用金属26(あるいは枠基部接合構造)を介して低温側絶縁基板13に接合される。囲み枠25の基部側を応力吸収し易い接合構造とすることにより、低温側絶縁基板13の損傷低減を図ることができる。

0031

一方、熱電変換モジュール11を構成する熱電変換素子群15はP型半導体16とN型半導体17とが対をなす熱電変換素子を形成している。各対をなす熱電変換素子16,17の高温側はキャップ状あるいはカップ状の高温側電極18がスライド可能に自由度をもって装着され、各熱電変換素子16,17の熱膨張による熱変形を吸収可能に構成する一方、各熱電変換素子16,17と高温側電極18との接触面積を大きくとっている。熱電変換モジュール11の高温側は、高温側系統23、囲み枠25のカバー部分25b、高温側絶縁基板12、高温側電極18および各熱電変換素子16,17の高温側端面が自由度のある接触構造とされる。

0032

熱電変換素子16,17の低温側は、半田層27を介して低温側電極19に結合され、この低温側電極19は銅ローや銀ロー等の接合層28を介して低温側絶縁基板12に接合される。熱熱電変換素子16,17の低温側は、低温側電極19を介して低温側絶縁基板13に剛体的に一体接合される剛体接合構造とされる。熱電変換素子16,17の低温側を半田層27を用いることなく、電着等で一体に接合してもよい。

0033

そして、対をなす各熱電変換素子16,17の高温側と低温側を高温側電極18と低温側電極19とで交互に順次接合させることにより、熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17は電気的に直列接続され、熱的には各熱電変換素子16,17がマトリックス状あるいは格子状、列状に林立した並列状態に設置される。各熱電変換素子16,17は数mm角程度、例えば2mm〜3mm角程度の角柱状、高さは1mm〜数cm程度、好ましくは2mm〜3mm程度に構成される。

0034

また、熱電変換素子群15の各熱電変換素子16,17間の間隔は1mm以下、例えば0.3mm〜0.4mm程度とすることで、各熱電変換素子16,17の充填密度を高めることができ、熱電変換効率を向上させることができる。

0035

この熱電変換モジュール11は、熱電変換素子16,17を数個ずつマトリックス状に配列しても、全体として数cm角程度の大きさとなる。数cm角の大きさの熱電変換モジュール11でも、高温側を400℃〜600℃、例えば500℃程度、低温側を100℃とし、例えば熱電変換素子16,17を数個×数個(例えば4×4個)のマトリックス状に配列した場合には、実験では1モジュール当り2桁のワット出力が得られる。

0036

この熱電変換モジュール11は、各熱電変換素子16,17の吸熱面を高温側電極18に、その放熱面を低温側電極19にそれぞれ取り付けるが、各熱電変換素子16,17の高温側は、吸熱側電極18に接触等の比較的自由度の高い取付けのモジュール構造となり、半田層を介してリジットに取り付けられることがない。したがって、熱電変換モジュール11は各熱電変換素子16,17が高温側絶縁基板12の高温側電極18にリジットに固定される剛体構造に構成されないので、熱膨張に対する自由度が大きく、熱膨張による応力集中を防止でき、機械的・物理寿命を充分に維持することができる。

0037

熱電変換装置10は、単体の熱電変換モジュール11を組み込むことにより、また、複数の熱電変換モジュール11を直列あるいは並列接続して熱電変換ユニットを組み込むことにより、構成される。

0038

次に熱電変換装置10の作用を説明する。

0039

熱電変換装置10は、図1に示す熱電変換モジュール11を備えており、熱電変換モジュール11の高温側系統23に熱源等からの高温、例えば400℃〜800℃の放射熱が吸熱される。この放射熱は高温側系統23から高温側絶縁基板12および電極18等を経て熱電変換素子16,17に熱伝導され、この熱電変換素子16,17を高温側から低温側に熱流となって流れ、その間にトムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果を利用したP型半導体16およびN型半導体17により起電力が得られる。発生した起電力は電気的直列接続された各熱電変換素子16,17からリード線20を介して外部に取り出される。

0040

各熱電変換素子16,17により熱エネルギが電気エネルギに変換されることにより、温度降下した熱流は、低温側電極19から低温側絶縁基板13を経て低温側系統24に熱伝導され、この低温側系統24から外部に放熱される。

0041

高温側系統23から供給された熱(吸熱)が各熱電変換素子16,17に効率よく案内され、各熱電変換素子16,17を通る熱流が少なくなるのを防止できるために、各熱電変換素子16,17の表面や高温側および低温側絶縁基板12,13の対向面、電極18,19の露出面に白色あるいは銀色等の熱反射率の高い塗装あるいはメッキ被膜あるいは酸化防止保護膜が施される。

0042

熱電変換素子16,17の表面や対をなす絶縁基板12,13の対向面等の露出面に熱反射率の高い塗装あるいはメッキ等の被膜で被覆されることにより、各熱電変換素子16,17からの放出される輻射熱、高温側絶縁基板12からの輻射熱、熱電変換モジュール11内での流体対流が生じるのを大幅に軽減させることができ、熱損失対策を施すことができる。

0043

熱反射率の高い被膜は、銀(Ag)、白金(Pt)、金(Au)、銅(Cu)、錫、Ni、Zn等をメッキ処理により形成しても、また、焼物上塗り薬、Al2O3等を塗布することにより、形成してもよい。熱反射率の高い被膜を施す代りに、熱電変換モジュール11内で露出する表面を鏡面仕上げとしてもよい。

0044

また、高温側系統23と低温側系統24に作用する温度差により、各熱電変換素子16,17や囲み枠25に熱膨張による熱変形が生じる。各熱電変換素子16,17や囲み枠25の熱変形は、熱電変換素子16,17の高温側電極18への取付構造、囲み枠25の低温側絶縁基板13への支持構造により吸収することができる。

0045

各熱電変換素子16,17は低温側絶縁基板13側への取付は剛体取付構造となるが、高温側絶縁基板12側へは自由度の高い取付構造により熱膨張に伴う熱変形を吸収できる。熱電変換モジュール11の高温側は自由度の高い熱電変換構造となり、モジュール構造体の自由度が大きい。したがって、囲み枠25の低温側絶縁基板13の支持構造を剛体支持構造としても、囲み枠25と低温側絶縁基板13との熱膨張差による変形を吸収でき、低温側絶縁基板13の破損や損傷を有効的に防止できる。また、各熱電変換素子16,17の電極18,19と高温側系統23および低温側系統24の接合部分に生じる隙間の発生を有効的に防止でき、熱伝導の低下による熱電変換性能の低下を有効的に抑制できる。

0046

さらに、熱電変換モジュール11は囲み枠25で封止され、外部環境大気)からシールドして熱電変換モジュール11内を負圧に窒素等の不活性ガスで維持することができ、各熱電変換素子16,17や電極18,19の高温酸化による劣化を防止することができる。各熱電変換素子16,17や電極18,19の高温酸化による劣化防止により、隣接する電極18および19相互、さらには隣接する熱電変換素子16,17同士の接触を有効的に防止でき、電気的短絡事象が生じるのを抑制することができる。

0047

熱電変換モジュール11は隣り合う電極18や19相互、隣り合う熱電変換素子16,17同士の接触を防止し、電気的短絡事象が生じるのを有効的に抑制できるので、熱電変換モジュール11の信頼性を向上させ、熱電変換性能の向上を図ることができる。

0048

また、この熱電変換装置10は、熱電変換モジュール11のリード線20,20間に電圧印加することにより、熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17に電流を流すことができ、この電流を流すことにより、低温側系統24から高温側系統23に各熱電変換素子16,17を通して熱移動を生じさせることができる。この熱移動により、低温側系統24を冷房冷媒冷却源として用い、高温側系統23を暖房、熱源として用いることができる。

0049

熱電変換モジュール11の両リード線20,20に作用させる電圧の+極と−極を反転させて接続することにより、上述とは逆向きの熱移動を生じさせることができる。この場合、高温側系統23から低温側系統24に熱移動が生じる。

0050

すなわち、熱電変換モジュール11は外部から電流を与えることにより低温側系統24から高温側系統23に熱移動を生じさせ、さらに、印加される電圧を逆にし、外部からの電流の向きを変えることにより、高温側系統23から低温側系統24に熱移動を生じさせることができる。

0051

また、熱電変換モジュール11は可逆作用を有し、この熱電変換モジュール11の高温側系統23と低温側系統24とを温度差がある環境下に設置すれば、高温側系統23で吸熱した放射熱等が熱流となって各熱電変換素子16,17内を通る際に、ペルチェ効果やゼーベック効果により、各熱電変換素子16,17内に起電力が発生し、発生した起電力は、リード線20を通して外部に電力として取り出すことができる。このように、熱電変換モジュール11は可逆作用を有する。

0052

図3は熱電変換モジュールの第1変形例を示すものである。

0053

この熱電変換モジュール11Aは、囲み枠25の支持構造を改良したものであり、図3(A)は接合用金属30を用いた例を、図3(B)は囲み枠25の接合基部31の形状を応力吸収し易いくびれ形状とした例をそれぞれ示す。この他の構成および作用は、図2に示された熱電変換モジュール11と異ならないので説明を省略する。

0054

図3(A)は、囲み枠25の基部に縦断面が逆台形あるいは倒立台形形状をなす接合用金属30を銅ローや銀ロー等の接合層32を介して低温側絶縁基板13に接合したものである。

0055

囲み枠25の基部側を接合用金属30を介して低温側絶縁基板13に接合用金属30を介して接合させることにより、囲み枠25の接合支持構造は、変形や応力を吸収し易いくびれ構造とすることができ、囲み枠25と低温側絶縁基板13との熱膨張差による変形歪みを吸収でき、低温側絶縁基板13の熱損傷を有効的に防止できる。

0056

図3(B)は、囲み枠25を低温側絶縁基板13に接合させるのに、接合用金属を用いることなく、囲み枠25の基部側を削り出しや絞り加工等の機械加工、あるいはエッチング処理により縦断面を逆台形形状成形加工する。囲み枠25の接合基部31を先端に向って先細形状とし、接合基部31の先端側を接合層32を介して低温側絶縁基板13に接合させたものである。

0057

この場合にも、囲み枠25の接合基部31を応力を吸収し易いくびれ形状とすることができ、囲み枠25と低温側絶縁基板13との間に生じた熱膨張差による変形歪みを吸収し、低温側絶縁基板13が熱損傷を受けるのを軽減させることができる。

0058

図3(A)および(B)に示された熱電変換モジュール11Aにおいては、シールド部材である囲み枠25の接合基部を接合用金属30あるいは囲み枠25の基部の機械加工等により逆台形(倒立台形)形状あるいは先細形状とすることで、応力を吸収し易いくびれ形状とし、低温側絶縁基板13に熱損傷の低減を図ることができる。

0059

図4は熱電変換モジュール11の第2変形例を示すものである。

0060

この熱電変換モジュール11Bは、囲み枠25の低温側絶縁基板13への接合支持構造(装着構造)を、図4(A)では縦断面H型の接合用金属35を用いることにより、図4(B)は囲み枠25の囲み部分25aの基部を縦断面H型の接合基部36に成形加工することで、応力吸収性に優れた支持接合構造としたものである。他の構成および作用は図2に示された熱電変換モジュール11と異ならないので説明を省略する。

0061

図4(A)に示す囲み枠(シールド部材)25は、その囲み部分25aの基部にH型接合用金属35を用いて、低温側絶縁基板13に接合層32を介して接合させた、くびれ形状を採用し、接合部を応力吸収し易い形状を採用したものであり、図4(B)に示す囲み枠25は、その接合基部をH型接合基部36に成形加工して接合部の応力吸収し易いくびれ形状としたものである。

0062

図4(A)および(B)は、囲み枠25の囲み部分25aの基部に応力軽減構造を採用することにより、低温側絶縁基板13の熱損傷を有効的に防止し、基板の損傷低減を図ったものである。

0063

図5は熱電変換モジュールの第3変形例を示すものである。

0064

この熱電変換モジュール11cは、低温側絶縁基板13への囲み枠25の接合支持構造(装着構造)を、図5(A)では、縦断面L字型の接合用金属37を用いることにより、図5(B)では囲み枠25の囲み部分(シールド部分)25aを縦断面のL字型の接合基部38に成形加工することで、応力吸収性に優れた支持接合構造としたものである。他の構成および作用は、図2に示された熱電変換モジュール11と異ならないので説明を省略する。

0065

図5(A)に示す囲み枠(シールド部材)25は、その囲み部分25aの基部にL字型接合用金属37を用いて、低温側絶縁基板13に接合層32を介して接合させたくびれ形状の応力軽減構造を採用したものであり、図5(B)では、囲み枠25の囲み部分25aの基部を縦断面L字型の接合基部38に成形加工して、低温側絶縁基板13に接合層32で接合させた応力軽減構造が採用される。

0066

図5(A)および(B)は、囲み枠25の基部に応力軽減構造を採用することにより、低温側絶縁基板13の熱損傷を有効的に防止し、基板の損傷低減を図ったものである。

0067

図6は、熱電変換モジュールの第4変形例を示すものである。

0068

この熱電変換モジュール11Dは、低温側絶縁基板13への囲み枠25の接合支持構造(装着構造)を、図6(A)では縦断面コ字型の接合用金属39を用いることにより、図6(B)では、囲み枠25の囲み部分(シールド部分)25aを縦断面コ字型の接合基部40に成形加工することで、応力吸収性に優れた支持接合構造としたものである。

0069

他の構成および作用は、図2に示された熱電変換モジュール11と異ならないので説明を省略する。

0070

図6(A)に示す囲み枠(シールド部材)25は、その囲み部分25aの基部にコ字型接合用金属39を用いて、低温側絶縁基板13に接合層32で接合されたくびれ形状の応力軽減構造を採用したものであり、図6(B)では、囲み枠25の囲み部分25aの基部を縦断面コ字型の接合基部40に成形加工して、低温側絶縁基板13に接合させた応力軽減構造が採用される。

0071

図6(A)および(B)は、シールド部材である囲み枠25の基部に応力軽減構造を採用することにより、低温側絶縁基板13の熱損傷を有効的に防止し、基板の損傷軽減を図ったものである。

0072

図7(A)および(B)は、熱電変換モジュールに備えられる電極装着構造の変形例を示すものである。

0073

図7(A)は、熱電変換モジュール11の各熱電変換素子16,17に装着される電極44の装着構造を示す平断面図であり、図7(B)は電極44の装着構造を示す側面図である。

0074

電極44は対をなすP型およびN型半導体の熱電変換素子16,17の高温側端部を覆い、跨設するように被せるキャップ形状に構成される。電極44をキャップ型として対の熱電変換素子16,17の端部を跨設するように被せることにより、熱電変換素子16,17と電極44との接触面積を増加させることができる。

0075

熱電変換素子16,17と電極44の接触面積を増大させることにより、熱電変換素子16,17の高温側と高温側系統の熱伝導に対する抵抗を軽減させることができ、高温側系統から各熱電変換素子16,17へ流れる熱量を増加させることができ、熱電変換機能を高効率化させることができる。

0076

電極44は、各熱電変換素子16,17の低温側端部を覆うように跨設させ、被せてもよい。この電極44を各熱電変換素子16,17の低温側端部に装着することにより、熱電変換素子16,17の低温側と低温側系統の熱伝導に対する抵抗を軽減させることができる。

0077

キャップ型電極44を各熱電変換素子16,17の高温側および低温側の双方の端部を互い違いに覆うように装着してもよい。

0078

熱電変換モジュール11Eの他の構成および作用は、図2に示される熱電変換モジュール11と異ならないので、説明を省略する。

0079

図7に示された熱電変換モジュール11Eでは、キャップ型電極44を対をなす熱電変換素子16,17の高温側および低温側端部の少なくとも一方、好ましくは、高温側端部に被せて装着したので、電極44と熱電変換素子16,17の接触面積を増大させることができ、熱伝導性を向上させることができる。この接触面積の増大により、熱伝導効率を向上させることができ、高温側系統から各熱電変換素子16,17へ流れる熱流を有効的かつスムーズに案内し、熱流を増加させることができる。

0080

図8は本発明に係る熱電変換装置の第2実施形態を示すものである。

0081

この実施形態に示された熱電変換装置10Aは、熱電変換モジュール50の内部に酸化防止保護膜51を設けたものである。図8では、酸化防止保護膜51をシールド部材である囲み枠25の内側に塗布した例を示す。

0082

酸化防止保護膜51は、熱電変換素子16,17や電極18,19より酸化し易い薄膜であっても、また酸化防止メタル金属箔貼付したものでもよい。

0083

熱電変換モジュール50の内部に酸化防止膜51を設けることにより、熱電変換素子16,17および電極18,19を高温酸化による劣化から保護することができ、熱電変換素子16,17の信頼性を向上させることができる。

0084

その他の構成および作用は、図2に示された熱電変換モジュール11と異ならないので、同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

0085

なお、図8に示された熱電変換モジュール50では、囲み枠25の囲み部分(シールド部分)25aの内側に、熱電変換素子16,17や電極18,19より酸化し易い酸化防止メタルを酸化防止保護膜51として塗布した例を示したが、この酸化防止保護膜51は、熱電変換モジュール50内部の絶縁基板12,13の表面や電極および熱電変換素子16,17の露出表面に塗布してもよい。

0086

図9は、本発明に係る熱電変換装置の第3実施形態を示すものである。

0087

この実施形態に示された熱電変換装置10Bは、熱電変換モジュール55の内部に、隣り合う熱電変換素子16,17同士や隣り合う電極18,19相互の電気的接触による短絡を防止するために、絶縁板56を設けたものである。この絶縁板56は、熱電変換素子16,17の隙間に介装され、かつ絶縁板56の高さを熱電変換素子16,17の高さより僅かに低くし、絶縁板56を通過する熱量を増加させない構造とした例である。他の構成および作用は、図2に示された熱電変換モジュール11と異ならないので同一部材には同一符号を付して説明を省略する。

0088

絶縁板56は、高温環境に耐えるセラミックペーパー等の高温絶縁シート素材裁断することにより構成され、隣り合う熱電変換素子16,17間の空隙あるいは隣り合う電極18または19間に延びて電気的接触を防止し、電気的に短絡させている。

0089

隣り合う熱電変換素子16,17同士または隣り合う電極18,19の間に絶縁板56を設けることにより、熱電変換素子16,17同士または電極18あるいは19相互の接触による電気的短絡を防止して、熱電変換モジュール55の信頼性を向上させている。

0090

また、絶縁板56を熱電変換素子16,17の長さ(高さ)より僅かに短かくすることにより、高温側系統23と低温側系統24とを熱的に遮断し、熱電変換モジュール55の熱電変換性能の低下を防止している。

図面の簡単な説明

0091

本発明に係る熱電変換装置の第1実施形態を原理的に示す概略図。
本発明に係る熱電変換装置に備えられる熱電変換モジュールの断面構造を示す図。
図2のA部を拡大して示すもので、(A)および(B)は熱電変換モジュールの第1変形例を示す部分図。
図2のA部を拡大して示すもので、(A)および(B)は熱電変換モジュールの第2変形例を示す部分図。
図2のA部を拡大して示すもので、(A)および(B)は熱電変換モジュールの第3変形例を示す部分図。
図2のA部を拡大して示すもので、(A)および(B)は熱電変換モジュールの第4変形例を示す部分図。
(A)および(B)は図2に示された熱電変換モジュールに備えられる電極の装着(取付)構造を示す平断面図および側面図。
本発明に係る熱電変換装置の第2実施形態を示すもので、熱電変換モジュールの断面構造図。
本発明に係る熱電変換装置の第3実施形態を示すもので、熱電変換モジュールの断面構造図。

符号の説明

0092

10,10A,10B熱電変換装置
11熱電変換モジュール
12高温側(吸熱側)絶縁基板
13低温側(放熱側)絶縁基板
15熱電変換素子群
16P型半導体(熱電変換素子)
17N型半導体(熱電変換素子)
18 高温側(吸熱側)電極
19 低温側(放熱側)電極
20リード線
23高温側系統
24低温側系統
25囲み枠(シールド部材)
25a囲み部分(シールド部分)
25bカバー部分
26接合用金属
27半田層
28接合層
30,35,37,39 接合用金属
31,36,38,40接合基部
32 接合層
44 電極
50,55 熱電変換モジュール
51酸化防止保護膜
56 絶縁板

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

該当するデータがありません

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

  • 小林隆逸の「 作動媒体特性差発電システム及び該発電システムを用いた作動媒体特性差発電方法」が 公開されました。( 2019/09/12)

    【課題】 自然界の熱エネルギーを温熱源とすることができ、熱エネルギーのロスを極力抑えつつ発電することができる発電システム及び発電方法の提供。【解決手段】 第一作動媒体W1を流通させる第一作動媒体ラ... 詳細

  • 大阪瓦斯株式会社の「 チラーシステム」が 公開されました。( 2019/09/12)

    【課題】低負荷においても効率の低下を緩和できるチラーシステムを提供する。【解決手段】冷媒循環路を循環する冷媒を圧縮する電気駆動式圧縮機45を有し、冷媒の凝縮熱又は蒸発熱により第1熱媒体を加熱又は冷却す... 詳細

  • 株式会社ミクニの「 熱電変換モジュールの製造方法」が 公開されました。( 2019/09/12)

    【課題】p型とn型の熱電変換素子を同時焼成でき、低コスト化が可能になる熱電変換モジュールの作製方法を提供する。【解決手段】p型の熱電変換粒子を含む第1のペーストおよびn型の熱電変換粒子を含む第2のペー... 詳細

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

該当するデータがありません

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ