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技術 熱電変換モジュール

出願人 日本サーモスタット株式会社
発明者 須田浩根本崇佐藤純一
出願日 2013年9月30日 (5年6ヶ月経過) 出願番号 2013-205420
公開日 2015年4月13日 (4年0ヶ月経過) 公開番号 2015-070217
状態 特許登録済
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 各屈曲片 湾曲形 分割基板 層状コバルト酸化物 抵抗加熱炉内 水平溝 複数固定 放射伝熱
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特許:約8,000万件, クラウドファンディング:約100万年件, 科研費・グラントデータ:約500万件, 発明者・研究者情報:約600万人

この項目の情報は公開日時点(2015年4月13日)のものです。
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図面 (18)

課題

十分な起電圧を確保しつつ信頼性を向上できる熱電変換モジュールを提供する。

解決手段

基部5と、複数の第1電極3と、一方の端部が第1電極3と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子2と、熱電変換素子2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4とを備える熱電変換モジュール1であって、熱電変換素子2を並列に接続した複数の並列群17を備え、並列群17を直列に接続する。または、熱電変換素子2を直列に接続した複数の直列群を備え、直列群を並列に接続する。

概要

背景

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)。

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。

概要

十分な起電圧を確保しつつ信頼性を向上できる熱電変換モジュールを提供する。基部5と、複数の第1電極3と、一方の端部が第1電極3と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子2と、熱電変換素子2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4とを備える熱電変換モジュール1であって、熱電変換素子2を並列に接続した複数の並列群17を備え、並列群17を直列に接続する。または、熱電変換素子2を直列に接続した複数の直列群を備え、直列群を並列に接続する。

目的

本発明は、以上の点に鑑み、十分な起電圧を確保しつつ信頼性を向上できる熱電変換モジュールを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
1件

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請求項1

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電極とを備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子を直列に接続した複数の直列群を備え、該直列群を並列に接続することを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項2

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電極とを備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子を並列に接続した複数の並列群を備え、該並列群を直列に接続することを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項3

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、電気の入出力を行う一対の端子部を備え、該端子部の一方は、複数の前記熱電変換モジュールを並べたときに隣り合う熱電変換モジュールの他方の端子部と隣接するように位置し、一方の前記端子部と、隣接する前記熱電変換モジュールの他方の前記端子部とを結束部材で連結できることを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項4

請求項1から請求項3の何れか1項に記載の熱電変換モジュールであって、前記第1電極又は前記第2電極には、前記熱電変換素子を位置決めする案内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5

請求項1から請求項4の何れか1項に記載の熱電変換モジュールであって、前記第1電極又は前記第2電極は、表面にろう材層を備える部材で成形されることを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項6

請求項1から請求項5の何れか1項に記載の熱電変換モジュールであって、前記第1電極又は前記第2電極が配置される基部を備え、該基部は、複数に分割されていることを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項7

請求項6記載の熱電変換モジュールであって、前記基部は、前記並列群又は前記直列群ごとに分割されることを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項8

請求項1から請求項7の何れか1項に記載の熱電変換モジュールであって、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、前記第1電極と、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電極とを電気的に接続する接続部が設けられ、該接続部には、前記熱電変換素子の熱膨張熱収縮による変形への追従性を高めるように構成された追従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9

請求項1から請求項7の何れか1項に記載の熱電変換モジュールであって、前記複数の熱電変換素子は、n形及びp形で構成され、互いに隣接する前記n形の熱電変換素子と前記p形の熱電変換素子とは、前記第1電極同士又は前記第2電極同士で接続され、該接続される第1電極同士又は前記第2電極同士は、前記第1電極又は前記第2電極の側縁から他方の電極側に向かって屈曲した後、折り返すようにして隣接する前記第1電極又は前記第2電極の側縁へと接続して、前記熱電変換素子の熱膨張による変形を吸収する吸収部を介して接続されることを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項10

請求項1から請求項9の何れか1項に記載の熱電変換モジュールであって、電気の入出力を行う一対の端子部を備え、前記端子部の少なくとも一方は、前記並列群又は前記直列群に電気的に接続される前記第1電極又は前記第2電極に、前記並列群又は前記直列群の一つの側縁に沿って折れ曲がり、前記少なくとも一方の端子部の温度上昇を抑制する折曲片を介して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11

請求項1から請求項10の何れか1項に記載の熱電変換モジュールであって、前記第1電極は、前記熱電変換素子ごとに対応させて複数設けられ、前記第2電極は、基部に固定されることを特徴とする熱電変換モジュール。

請求項12

請求項11記載の熱電変換モジュールであって、前記第2電極は、前記並列群に対応させて一体に形成されることを特徴とする熱電変換モジュール。

技術分野

0001

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。

背景技術

0002

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)。

0003

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型の熱電変換モジュールで構成される。

0004

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。

0005

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)。

0006

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。

先行技術

0007

特許第4834986号公報
特開2009−176919号公報

発明が解決しようとする課題

0008

ゼーベック効果を利用して熱電変換素子で発電させる場合、熱電変換素子の起電圧は極めて低い。このため、実用化に際しては、熱電変換素子を直列に接続して十分な起電圧が得られるように構成する必要がある。しかしながら、熱電変換素子を直列に接続する場合、何れかの熱電変換素子が破損して電気を流すことができなくなった場合、モジュール全体として使用不能となり、信頼性に劣るという問題がある。

0009

本発明は、以上の点に鑑み、十分な起電圧を確保しつつ信頼性を向上できる熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0010

[1]上記目的を達成するため、本発明は、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電極とを備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子を直列に接続した複数の直列群を備え、該直列群を並列に接続することを特徴とする。

0011

本発明によれば、熱電変換素子を直列に接続した複数の直列群を並列に接続しているため、直列群の1つの熱電変換素子が破損したとしても他の直列群の熱電変換素子で電気を流すことができ、信頼性を向上させることができる。また、各直列群では熱電変換素子が直列に接続されているため、熱電変換モジュールの起電圧を高めることができる。

0012

[2]また、本発明は、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電極とを備える熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子を並列に接続した複数の並列群を備え、該並列群を直列に接続することを特徴とする。

0013

本発明によれば、熱電変換素子を並列に接続した複数の並列群を直列に接続しているため、並列群の1つの熱電変換素子が破損したとしても他の熱電変換素子で電気を流すことができ、信頼性を向上させることができる。また、並列群同士は直列に接続される。このため、熱電変換モジュールの起電圧を高めることができる。

0014

[3]また、本発明においては、電気の入出力を行う一対の端子部を備え、該端子部の一方は、複数の前記熱電変換モジュールを並べたときに隣り合う熱電変換モジュールの他方の端子部と隣接するように位置し、一方の前記端子部と、隣接する前記熱電変換モジュールの他方の前記端子部とを結束部材で連結できる。

0015

本発明によれば、複数の熱電変換モジュールを連結して1つの熱電変換モジュールのように用いることができ、素子密度を高密度に維持しつつ熱電変換モジュールの設置面積を変更し易くすることができる。

0016

[4]また、本発明においては、第1電極又は第2電極に、熱電変換素子を位置決めする案内部を設けることができる。本発明によれば、熱電変換素子を第1電極又は第2電極に接続させるときに、案内部によって位置決めされるため、熱電変換素子を第1電極又は第2電極に誤って(位置がずれて)接続されることを防止し、迅速に熱電変換モジュールを組み立てることができる。

0017

[5]また、本発明においては、第1電極又は前記第2電極は、表面にろう材層を備える部材で成形されることが好ましい。本発明によれば、第1電極又は第2電極と熱電変換素子とを接合させる部分に対応させて、ろう材を設ける工程を省略でき、熱電変換モジュールの製造を容易とすることができる。

0018

[6]また、本発明においては、熱電変換モジュールは第1電極又は第2電極が配置される基部を備え、基部は、複数に分割されることが好ましい。本発明によれば、基部が分割されることで、基部の大きさを容易に変更可能となり、従来のように、熱電変換モジュールの大きさを変更する度に基部を作り直す必要がなくなって、便利である。

0019

[7]また、本発明においては、基部は、並列群又は直列群ごとに分割されることが好ましい。本発明によれば、並列群又は直列群の数を増やすとともに、基部の数も増やせるため、熱電変換モジュールの大きさの変更が更に容易になる。

0020

[8]また、本発明においては、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、第1電極と、隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第2電極とを電気的に接続する接続部が設けられ、接続部には、熱電変換素子の熱膨張熱収縮による変形への追従性を高めるように構成された追従部が設けられることが好ましい。本発明によれば、熱電変換素子が熱膨張又は熱収縮して変形しても、追従部でその変形に対応させることができる。

0021

[9]また、本発明においては、複数の熱電変換素子をn形及びp形で構成する場合には、互いに隣接するn形の熱電変換素子とp形の熱電変換素子とは、第1電極同士又は第2電極同士で接続され、接続される第1電極同士又は第2電極同士は、第1電極又は第2電極の側縁から他方の電極側に向かって屈曲した後、折り返すようにして隣接する前記第1電極又は前記第2電極の側縁へと接続して、前記熱電変換素子の熱膨張による変形を吸収する吸収部を介して接続されることが好ましい。本発明によれば、n形の熱電変換素子とp形の熱電変換素子との熱膨張率の差を、吸収部で吸収することができる。

0022

[10]また、本発明においては、電気の入出力を行う一対の端子部を備え、端子部の少なくとも一方は、並列群又は直列群に電気的に接続される第1電極又は第2電極に、並列群又は直列群の一つの側縁に沿って折れ曲がり、前記少なくとも一方の端子部の温度上昇を抑制する折曲片を介して設けられることが好ましい。

0023

本発明によれば、折曲片により、端子部の輻射熱により熱電変換素子の両端の温度差が適切に保てなくなる状態を抑制させることができる。

0024

[11]また、本発明においては、第1電極は、熱電変換素子ごとに対応させて複数設けられ、第2電極は、基部に固定することができる。

0025

本発明によれば、第1電極は、熱電変換素子ごとに対応させて設けられるため、隣接する第1電極の間の間隔が拡縮可能となり、熱電変換素子の熱膨張や熱収縮による変形を第1電極側で吸収させることができる。

0026

[12]また、本発明においては、第2電極を基部に固定する場合には、第2電極は、並列群に対応させて一体に形成される。

0027

本発明によれば、第2電極を並列群に対応させて一体に形成することにより、複数の熱電変換素子に接続される第2電極を一度に配置することができ、熱電変換モジュールの組み立てを簡略化することができる。

図面の簡単な説明

0028

本発明の第1実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
図1の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
第1実施形態の熱電変換モジュールの分解図。
第1実施形態の熱電変換モジュールを複数連結させた状態で示す斜視図。
図4の熱電変換モジュールを分離して示す斜視図。
第1実施形態の熱電変換モジュールの変形例を示す説明図。
本発明の第2実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
図7の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
第2実施形態の熱電変換モジュールの分解図。
第2実施形態の第1電極と第2電極と両者を接続する接続部とを示す斜視図。
図10のXI−XI線の断面図。
本発明の第3実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
図12の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
第3実施形態の熱電変換モジュールの分解図。
本発明の第4実施形態の熱電変換モジュールを示す斜視図。
図15の熱電変換モジュールを向きを変えて示す斜視図。
第4実施形態の熱電変換モジュールの分解図。

実施例

0029

[第1実施形態]
図1から図5を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第1実施形態を説明する。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2が電気的に接続された所謂ユニレグ型のものである。

0030

熱電変換素子2は、Mg2Si製であり、四角柱状に形成される。従来、熱電変換素子の材料としては、人体への有害性(有害化が危惧されるものを含む)を有するものが多く、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。

0031

熱電変換素子2の上端には、第1電極3が接合される。これにより、熱電変換素子2と第1電極3とが電気的に接続される。熱電変換素子2の下端には、第2電極4が接合される。これにより、熱電変換素子2と第2電極4とが電気的に接続される。

0032

第1電極3及び第2電極4は、熱電変換素子2が接続される側の表面にろう材層を備えるニッケル板(Ni板)で成形されている。この第1電極3及び第2電極4は、ろう材層を一体に形成されたものでもよく、又は、ニッケル板の表面にろう材をスクリーン印刷した後、第1電極3及び第2電極4の形状に打ち抜いて形成してもよい。

0033

このように構成される第1電極3及び第2電極4を用いることにより、第1電極3又は第2電極4ごとに、ろう材のプリント等を行う必要がなくなり、ろう材の印刷回数を減らして製造工程の簡略化を図ることができる。

0034

尚、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。また、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もでき、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。

0035

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が本実施形態では、予め表面(両面又は片面)にろう材層を備える板状の部材を電極3,4として用いている。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(上下端)にニッケル等の接合層を形成させて、熱電変換素子2と電極3,4との接合を容易としてもよい。

0036

第2電極4は板状の基部5上に固定されている。基部5は、酸化アルミニウムで成形された絶縁性を有する板状体で構成される。尚、基部5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。本実施形態の熱電変換モジュール1では、下方を高温側、上方を低温側として用いるものとして説明する。

0037

また、図面では、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、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もの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、熱電変換モジュール1を接触させるものが絶縁されている場合、または接触させることなく放熱(冷却)でき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、接触させるものに応じて適宜変更してもよい。例えば、上方の基部を可撓性を備える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5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。また、上下両方の基部がなくてもよい。

0038

図1に示すようにX方向とY方向を定義する。本実施形態の熱電変換モジュール1は、X方向に4つ熱電変換素子2が並び、Y方向に4つ熱電変換素子2が並ぶ、合計16個の熱電変換素子2で1つの熱電変換モジュール1が構成される。

0039

図3に分解して示すように、本実施形態の熱電変換モジュール1の最も手前(図2では最も奥)に位置するX方向に並ぶ4つの熱電変換素子2に電気的に接続される4つの第2電極4は、一体に形成された一体型第2電極6として構成されている。

0040

一体型第2電極6のY方向側縁には、上方に向かって折り曲げられる折曲片7が形成されている。そして、折曲片7の最も手前側先端縁からL字状の第1端子部8が設けられている。第1端子部8は、L字状の先端部分が熱電変換素子2の上方側(低温側)に位置するように形成されている。これにより、第1端子部8が熱源(高温側)から離れて第1端子部8の温度上昇を抑制でき、温度上昇に伴う第1端子部8での電気抵抗の増加を防止することができる。また、第1端子部8のL字状の先端部分は、基部5よりも外方へと延びている。

0041

折曲片7を設けることにより、第1端子部8を流れる電流に対して必要な断面積を小さくすることができる。従って、折曲片7を設けることにより、第1端子部8の面積を小さくすることができ、高温側から熱が伝導され、また電流の流れによって発熱する第1端子部8の輻射熱の影響で、熱電変換素子2の両端部の温度差が小さくなることを抑制することができる。

0042

一体型第2電極6の熱電変換素子2と電気的に接続される部分には、熱電変換素子2に対応させて凹ませた凹部6aが設けられている。この凹部6aによって、熱電変換素子2が一体型第2電極6に固定されるときに位置決めされる。これにより、一体型第2電極6に熱電変換素子2を誤って(位置がずれて)接合されることを防止し、迅速に熱電変換モジュール1を組み立てることができる。

0043

また、熱電変換素子2の位置決めのための治具別途に用意する必要がなく、また、治具設置用スペースも必要ないため、基部5の単位面積当たりの熱電変換素子2の密度を向上できる。凹部6aは、本実施形態の一体型第2電極6における本発明の案内部として機能する。

0044

また、図3に分解して示すように、本実施形態の熱電変換モジュール1の最も奥(図2では最も手前)に位置するX方向に並ぶ4つの熱電変換素子2に電気的に接続される4つの第1電極3は、一体に形成された一体型第1電極9として構成されている。

0045

一体型第1電極9は、Y方向側縁には、下方に向かって屈曲した屈曲片10が形成されている。一体型第1電極9の各第1電極3は、屈曲片10を介して一体に接続されている。また、屈曲片10には、各第1電極3の間に位置させて上縁から下方に向かって切り欠かれたスリット11が設けられている。

0046

屈曲片10のX方向手前側(図2では奥側)の側縁には、第1端子部8に対応させて第2端子部12が設けられている。

0047

一体型第1電極9以外の第1電極3は、Y方向に隣接する熱電変換素子2に電気的に接続される第2電極4と接続部13を介して略Z字状に一体に形成される。接続部13には、その中央部分を切り欠かれた切欠部14が設けられている。この切欠部14により、接続部13の断面積が接続部13を流れる電流に対して必要最小限とされ、接続部13における高温側から低温側への熱伝導を最小限に抑え、熱電変換素子2の両端の温度差が小さくなることを防止することができる。

0048

接続部13で接続される第1電極3及び第2電極4には、X方向側縁から熱電変換素子2側に向かって折り返される折返部15が設けられている。この折返部15は、熱電変換素子2のX方向側面に対応して設けられており、熱電変換素子2と第1電極3又は第2電極4との位置決めとして用いられる。本実施形態においては、凹部6aに加えて、折返部15も本発明の案内部として機能する。なお、折返部15は、第1電極3又は第2電極4の一方にのみ設けてもよく、例えば、第1電極3には設けなくてもよい。

0049

本実施形態においては、第1電極3、第2電極4及び接続部13で構成される略Z字状の部材を略Z字状部材16と定義する。

0050

本実施形態においては、一体型第2電極6に電気的に接続される4つの熱電変換素子2、及び一体型第1電極9に電気的に接続される4つの熱電変換素子2が、並列群17を構成する。2つの並列群17は、Y方向に並ぶ3つの略Z字状部材16及び2つの熱電変換素子2を介して4箇所で直列に接続される。

0051

また、本実施形態の基部5は、並列群17に対応させて、Y方向に4つに分割された分割基板18で構成される。このように基部5が分割されることにより、本実施形態の熱電変換モジュール1は、設置個所が凸曲面のような湾曲した場所であっても設置し易くなる。

0052

また、分割基板18の数を変更することにより基部5の大きさを容易に変更することができる。これにより、熱電変換モジュール1の大きさを変更することが容易となり、設計自由度が高まる。また、基部5を複数の分割基板18で構成することにより、熱電変換素子2の熱膨張や熱収縮による変形も吸収し易くなる。また、本実施形態の分割基板18は並列群17に対応させて設けているため、並列群17の数の増減に対応させて分割基板18の数も増減させることができ、熱電変換モジュール1の設計自由度が更に高まる。

0053

図4及び図5は、第1実施形態の熱電変換モジュール1を3つY方向に並べて、隣接する第1端子部8と第2端子部12とを、略筒状に形成された弾性力を備える結束部材19で結束したものである。

0054

このように、本実施形態の熱電変換モジュール1は、複数並べて重なり合う第1端子部8と第2端子部12とを結束部材19で結束することにより、あたかも1つの熱電変換モジュールとして構成することが可能となり、熱電変換モジュール1の設置個所の広さに応じて、素子密度を高密度に維持しつつ設置面積の変更が容易となる。換言すれば、本実施形態の熱電変換モジュール1によれば、設置自由度が向上される。また、熱電変換モジュール1の間の無駄なスペースを最小限に留めることができ、熱電変換モジュール1の連結体の小型化を図ることもできる。

0055

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の下側の基部5を例えば300℃から600℃の熱源に取付け、上側の基部(図示省略)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。

0056

本実施形態の熱電変換モジュール1によれば、2つの並列群17をY方向に並ぶ3つの略Z字状部材16及び2つの熱電変換素子2を介して4箇所で直列に接続される。これにより、並列群17の何れかの熱電変換素子2が破損したとしても、他の熱電変換素子2で、熱を電気に、又は電気を熱に変換することができ、信頼性を向上させることができる。

0057

また、本実施形態の熱電変換モジュール1は、熱電変換素子2が直列に接続される部分を備えるため、起電圧を高めることができる。また、本実施形態においては、略Z字状部材16、熱電変換素子2及び分割基板18を追加したり削除したりすることで、熱電変換モジュール1をY方向に任意の大きさに変更することができる。従って、本実施形態の熱電変換モジュール1は、信頼性を向上させつつ、大きさの変更を容易とすることができる。

0058

また、本実施形態においては、第2電極4は基部5に固定されるが、一体型第1電極9にはスリット11が設けられ、他の第1電極3は夫々接続される熱電変換素子2に対応させて互いに間隔を保持している。従って、熱電変換素子2や基部5の熱膨張や熱収縮による変形を第1電極3側で吸収することができる。

0059

なお、本実施形態においては、略Z字状部材16の第2電極4がX方向において熱電変換素子2毎に分離しているものを説明した。しかしながら、図6に示す第1実施形態の変形例のように、略Z字状部材16の第2電極4は、X方向に隣接するもの同士を一体型第2電極6の如く一体に形成してもよい。この場合、第1実施形態の2つの並列群17の間に位置する熱電変換素子もX方向に4つ並んだ並列群となる。図6に示す第1実施形態の変形例では、第2電極4に、後述する第2実施形態にて詳しく説明する熱電変換素子2の位置決めのための凹部4aと同一の凹部4aが設けられている(図10及び図11参照)。

0060

また、本実施形態においては、一体型第2電極6に電気的に接続される4つの熱電変換素子2、及び一体型第1電極9に電気的に接続される4つの熱電変換素子2を並列群17として説明した。しかしながら、第1実施形態の熱電変換モジュールは、見方を変えれば、2つの並列群17を、四箇所で直列に接続するY方向に並ぶ3つの略Z字状部材16及び2つの熱電変換素子2が夫々直列群を構成していると定義することもできる。

0061

この場合、4つの直列群は、一体型第2電極6及び一体型第1電極9で並列に接続されていることとなる。また、この場合、基部5は、直列群に対応させて、X方向に4つに分割して4つの分割基板で構成してもよい。この場合、熱電変換モジュールの大きさを変更するには一体型第2電極及び一体型第1電極の大きさを変更する必要があるが、直列群の数をX方向に増減させるだけで熱電変換モジュールの大きさを変更できるため、信頼性を向上させつつ、設計変更が比較的容易となる。

0062

また、第1実施形態の接続部13に後述する第2実施形態の切欠溝213aを設けてもよい。接続部13に切欠溝を設ければ、接続部13は上下方向に伸縮し易くなり、熱電変換素子2の熱膨張や熱収縮による変形への追従性を高めることができる。また、各熱電変換素子2の高さにバラツキが生じたとしても切欠溝を変形させることで第1電極3を熱電変換素子2に押し付けて熱電変換素子2と第1電極3及び第2電極4とを確実に接合させることができる。このように、当該切欠溝は本発明の追従部に該当する。なお、本発明の追従部は、切欠溝に限らず、熱電変換素子の熱膨張や熱収縮に追従するように上下方向に伸縮できるものであれば他の構成であってもよい。例えば、追従部は、波形状(蛇腹形状)、くの字形状湾曲形状であってもよい。

0063

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。

0064

また、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。

0065

また、本実施形態においては、熱電変換素子2としてn形のものだけを用いたものを説明したが、これに限らず、p形の熱電変換素子だけを用いてもよい。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。

0066

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。

0067

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。

0068

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の下方側を熱源に接触させる高温側、上方側を放熱(冷却)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、上方側を高温側とし、下方側を低温側に設定してもよい。

0069

また、第1端子部8及び第2端子部12の向きは、熱電変換モジュール1同士を結束部材19で連結させるか否かを考慮した上で、適宜変更可能である。

0070

[第2実施形態]
次に、図7から図11を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第2実施形態を説明する。なお、第1実施形態のものと同一のものは、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図7及び図8の符号217は、第2実施形態の並列群を示す。

0071

図7から図9に示すように、第2実施形態の熱電変換モジュール201は、第1実施形態の変形例として尚書きで説明したように第1実施形態の熱電変換モジュール1の略Z字状部材16の第2電極4をX方向で一体に形成するとともに(図9から図11参照)、第1実施形態の熱電変換モジュール1を2つ並べて連結し1つの熱電変換モジュールとしたものである。

0072

図8のY方向手前(図7及び図9では、Y方向奥)に示すように、X方向に一体に連結された4つの第1電極3は、X方向に一体に連結された4つの第2電極4(図9の分解図参照)と一体的に連結されている。この連結部分は、クランク状に屈曲したクランク部203aを備える。

0073

このクランク部203aにより、X方向に一体に連結された4つの第1電極3の図8におけるY方向手前の側縁(図7及び図9では、Y方向奥の側縁)から下方に垂下する垂下部203bが熱電変換素子2から若干離れるように構成される。これにより、垂下部203bの輻射熱の影響を熱電変換素子2が受け難くしている。

0074

また、クランク部203aにより、連結された4つの第1電極3と連結された4つの第2電極4との上下方向の距離を、熱電変換素子2の熱膨張又は熱収縮に追従できるようにしている。即ち、本実施形態においては、クランク部203aも本発明の追従部に該当する。

0075

また、第2実施形態の熱電変換モジュール201では、接続部213の形状が第1実施形態のものと異なる。第1実施形態の接続部13は、その中央部分が切り欠かれた切欠部14が設けられている。これに対し、第2実施形態の接続部213は、その中央部分だけを残し、側縁部分が切り欠かれた切欠部214が設けられている。

0076

この切欠部214によっても、接続部213の断面積が接続部213を流れる電流に対して必要最小限とされ、接続部213における高温側から低温側への熱伝導を最小限に抑え、熱電変換素子2の両端の温度差が小さくなることを防止することができる。

0077

また、接続部213には、その表面にX方向に水平溝状に切り欠かれた切欠溝213aが上下方向に間隔を存して2か所に設けられている。この切欠溝213aにより、接続部213は上下方向に伸縮し易くなり、熱電変換素子2の熱膨張や熱収縮による変形への追従性を高めることができる。また、各熱電変換素子2の高さにバラツキが生じたとしても切欠溝213aを変形させることで第1電極3を熱電変換素子2に押し付けて熱電変換素子2と第1電極3及び第2電極4とを確実に接合させることができる。

0078

従って、この切欠溝213aは本発明の追従部に該当する。なお、本発明の追従部は、切欠溝に限らず、熱電変換素子の熱膨張や熱収縮に追従するように上下方向に伸縮できるものであれば他の構成であってもよい。例えば、追従部は、波形状(蛇腹形状)、くの字形状、湾曲形状であってもよい。

0079

第2実施形態の熱電変換モジュール201によっても、信頼性を向上、高起電圧、大きさの変更容易性という第1実施形態の熱電変換モジュール1と同一の作用効果を奏するとともに、同様の変形例を適用することができる。

0080

なお、図11に断面で示すように、第2実施形態においては、接続部213と接続する第1電極3に熱電変換素子2を位置決めする凹部3a(案内部)を設け、接続部213と接続する第2電極4に熱電変換素子2を位置決めする凹部4a(案内部)を設けている。しかしながら、案内部としての凹部3a,4aは何れか一方の電極にのみ設けてもよい。

0081

また、凹部3aに代えて、第1実施形態の折返部15と同様に、第1電極3のX方向側縁に熱電変換素子2側(下方)に向かって折り返される折返部を設けてもよい。また、第1端子部8及び第2端子部12の向きは、第1実施形態のように熱電変換モジュール同士を結束部材19で連結させるか否かを考慮した上で、適宜変更可能である。

0082

[第3実施形態]
次に、図12から図14を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第3実施形態を説明する。なお、第1実施形態又は第2実施形態のものと同一のものは、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図12及び図13における符号17’は第3実施形態の直列群を示す。

0083

第3実施形態の熱電変換モジュール301は、n形の熱電変換素子2とp形の熱電変換素子2’とを電気的に接続する所謂π型のものである。図12に示すように、Y方向に手前からp形、n形、p形、n形の順番で並んでいる。X方向には同一種類の熱電変換素子が4つ並んでいる。

0084

所謂π型の熱電変換モジュールでは、p形の熱電変換素子2’が第1電極と隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第2電極とを接続する接続部として機能する。このため、所謂π型の熱電変換モジュールにおいては、接続部は存在しない。

0085

第3実施形態の2つの一体型第1電極9のY方向間に位置する第1電極3は、Y方向で隣接する第1電極3同士で電気的に接続される。第3実施形態においては、第1電極3のX方向手前の側縁から下方に屈曲するW字状屈曲片20を介してY方向で隣接する第1電極3同士が電気的に接続される。

0086

このW字状屈曲片20は、第1電極3の側縁から垂下する屈曲部と2つの屈曲部同士をY方向で接続する湾曲部とで構成される。n形の熱電変換素子2とp形の熱電変換素子2’とでは熱膨張率が異なるため、W字状屈曲片20は、この膨張差収縮差)に対応できるように変形し易いW字状に形成している。また、W字状屈曲片20によって、基部5の熱膨張によるY方向(水平方向)への熱電変換素子2の間の距離の変化も吸収できる。本実施形態のW字状屈曲片20が本発明の吸収部に該当する。

0087

また、図14に分解して示すように、第3実施形態の第2電極304は、Y方向で隣接するn形の熱電変換素子2とp形の熱電変換素子2’とを電気的に接続するように、n形の熱電変換素子2の第2電極とp形の熱電変換素子2’の第2電極とがY方向で接続され一体化されている。

0088

第3実施形態の熱電変換モジュール301では、Y方向にp形、n形が交互に並ぶ4つの熱電変換素子2,2’で1つの直列群17’を構成し、この直列群17’がX方向に4つ配置されている。各直列群17’は、Y方向両端に設けられた一体型第1電極9で並列に接続されている。

0089

手前側の一体型第1電極9には、第1端子部8が設けられ、奥側の一体型第1電極9には、第1実施形態と同様に第2端子部12が設けられている。第3実施形態の一体型第1電極9は左右対称形となっている。また、第3実施形態の基部5は、直列群17’に対応させてX方向に4つに分割された分割基板318で構成される。

0090

第3実施形態の熱電変換モジュール301によっても、第1と第2の実施形態と同様の作用効果を奏し、信頼性を向上できるとともに、起電圧を高められ、大きさを容易に変更することができる。

0091

なお、第3実施形態の第2電極304は、X方向に並ぶもの同士を後述する第4実施形態の第2電極の如く一体に構成してもよい。この場合、手前側の4つのp形の熱電変換素子2’と4つのn形の熱電変換素子2とで1つの並列群を構成する。この場合、基部5を後述する第4実施形態の基部の如く、Y方向で2つに分割した分割基板で構成することもできる。

0092

また、第3実施形態においても、第1実施形態及び第2実施形態と同様の変形例を適用することができる。また、n形の熱電変換素子2とp形の熱電変換素子2’との位置を入れ替えてもよい。また、第1端子部8及び第2端子部12の向きは、第1実施形態のように熱電変換モジュール同士を結束部材19で連結させるか否かを考慮した上で、適宜変更可能である。

0093

[第4実施形態]
次に、図15から図17を参照して、本発明の熱電変換モジュールの第4実施形態を説明する。なお、第1から第3実施形態のものと同一のものは、同一の符号を付してその説明を省略する。また、図15及び図16の符号417は、第4実施形態における並列群を示している。

0094

第4実施形態の熱電変換モジュール401は、第3実施形態と同様に、n形の熱電変換素子2とp形の熱電変換素子2’とを電気的に接続する所謂π型のものである。第4実施形態の熱電変換モジュール401は、第3実施形態の熱電変換モジュール301と比較して、第2電極、分割基板、2つの一体型第1電極のY方向間に位置する第1電極3同士の接続構造が異なる。

0095

図17に分解して示すように、2つの一体型第1電極9のY方向間に位置するX方向に4つY方向に2つで合計8つの第1電極3は、一枚の金属板を打ち抜いて後述するように接続部分を折り曲げることにより形成される。図15及び図17においてX方向手前側(図16では奥側)に位置しY方向に並ぶ2つの第1電極3同士は、X方向手前の側縁から下方に屈曲するW字状屈曲片420を介して接続されている。また、図15及び図17においてX方向奥側(図16では手前側)に位置しY方向に並ぶ2つの第1電極3同士は、X方向奥の側縁から下方に屈曲するW字状屈曲片420を介して接続されている。

0096

図15及び図17においてY方向手前側(図16では奥側)に位置しX方向に並ぶ4つの第1電極3は、Y方向手前の側縁から下方に屈曲する屈曲片421を夫々備える。各屈曲片421の下端は連結部422により連結される。この屈曲片421と連結部422とにより、4つの第1電極3がX方向間で接続される。X方向間では、同一の熱電変換素子2,2’が並ぶため、連結部422は、Y方向のW字状屈曲片420のように変形し易いW字状の形状とする必要はない。

0097

図15及び図17においてY方向奥側(図16では手間側)に位置しX方向に並ぶ4つの第1電極3は、Y方向奥の側縁から下方に屈曲する屈曲片421を夫々備える。各屈曲片421の下端は連結部422により連結される。この屈曲片421と連結部422とにより、4つの第1電極3がX方向間で接続される。

0098

また、第4実施形態の第2電極404は、第3実施形態の第2電極304をX方向に並ぶもの同士で一体とすることにより構成されている。また、第4実施形態の基部5は、並列群417に対応させてY方向に2つに分割された分割基板418で構成される。

0099

第4実施形態の熱電変換モジュール401によっても、第1から第3の実施形態と同様に、信頼性を向上、高起電圧、大きさの変更容易性という作用効果を奏することができる。

0100

なお、第4実施形態の第2電極404及び分割基板418は、第3実施形態の第2電極304及び分割基板318に置き換えることもできる。

0101

また、第4実施形態の熱電変換モジュール401においても、第1から第3実施形態の熱電変換モジュールと同様の変形例を適用することができる。また、第1端子部8及び第2端子部12の向きは、第1実施形態のように熱電変換モジュール同士を結束部材19で連結させるか否かを考慮した上で、適宜折り曲げるなどして変更可能である。

0102

1熱電変換モジュール
2熱電変換素子
3 第1電極
4 第2電極
5 基部
6一体型第2電極
6a 凹部(案内部)
7折曲片
8 第1端子部
9 一体型第1電極
10屈曲片
11スリット
12 第2端子部
13 接続部
14切欠部
15 折返部(案内部)
16 略Z字状部材
17並列群
18分割基板
19結束部材
20 W字状屈曲片(第3実施形態の吸収部)
213 接続部(第2実施形態)
213a切欠溝(追従部)

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