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技術 熱電変換モジュール

出願人 パナソニックIPマネジメント株式会社
発明者 奥薗英治湯川典昭加納久詞
出願日 2014年8月18日 (6年3ヶ月経過) 出願番号 2014-165716
公開日 2016年3月31日 (4年7ヶ月経過) 公開番号 2016-042525
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 接続配線パターン 引き出しリード線 等温度 縮小方向 拡大方向 外周縁側 熱電変換素子群 変換量
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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(2016年3月31日)のものです。
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図面 (9)

課題

熱から電力への高い変換効率を実現する。

解決手段

第1基板12と、第2基板13と、第1基板12と第2基板13との間に実装配置されて、かつ、それぞれが複数の熱電変換素子16を有する、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とを備え、外周縁側熱電変換素子群14は、第1基板12および第2基板13における外周縁側に配置され、中央側熱電変換素子群15は、外周縁側熱電変換素子群14よりも第1基板12および第2基板13における中央側に配置され、中央側熱電変換素子群15における複数の熱電変換素子16は、外周縁側熱電変換素子群14における複数の熱電変換素子16よりも高密度で実装配置される。

概要

背景

以下、従来の熱電変換モジュールについて図面を用いて説明する。図7は従来の熱電変換モジュールの構成を示した分解斜視図であり、図8は従来の熱電変換モジュールの外観図である。熱電変換モジュール1は、複数の熱電変換素子2が縦横に配置されて、第1基板3と第2基板4とのそれぞれに実装されることによって構成されている。ここで、熱電変換素子2は第1基板3に設けられた配線パターン5と第2基板に設けられた配線パターン5とによって交互に直列に接続されている。そして、第一端の熱電変換素子6および第二端の熱電変換素子7は、引き出しリード線8、9に接続されている。
そして、図8に示すように熱電変換モジュール1は、発熱体10に接触配置されることによって発熱体10で生じた熱を電力へと変換して、引き出しリード線8、9から熱電変換モジュール1の外部へと熱電変換後の電力を出力している。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献1が知られている。

概要

熱から電力への高い変換効率を実現する。第1基板12と、第2基板13と、第1基板12と第2基板13との間に実装配置されて、かつ、それぞれが複数の熱電変換素子16を有する、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とを備え、外周縁側熱電変換素子群14は、第1基板12および第2基板13における外周縁側に配置され、中央側熱電変換素子群15は、外周縁側熱電変換素子群14よりも第1基板12および第2基板13における中央側に配置され、中央側熱電変換素子群15における複数の熱電変換素子16は、外周縁側熱電変換素子群14における複数の熱電変換素子16よりも高密度で実装配置される。

目的

本発明は、熱から電力へ高い効率によって変換することを目的とする

効果

実績

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請求項1

第1基板と、第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に実装配置されて、かつ、それぞれが複数の熱電変換素子を有する、外周縁側熱電変換素子群と中央側熱電変換素子群とを備え、前記外周縁側熱電変換素子群は、前記第1基板および前記第2基板における外周縁側に配置され、前記中央側熱電変換素子群は、前記外周縁側熱電変換素子群よりも前記第1基板および前記第2基板における中央側に配置され、前記中央側熱電変換素子群における前記複数の熱電変換素子は、前記外周縁側熱電変換素子群における前記複数の熱電変換素子よりも高密度で実装配置された熱電変換モジュール

請求項2

前記中央側熱電変換素子群における熱電変換素子の断面積は、前記外周縁側熱電変換素子群における熱電変換素子の断面積よりも小さくした、請求項1に記載の熱電変換モジュール。

技術分野

0001

本発明は、各種電子機器に使用される熱電変換モジュールに関するものである。

背景技術

0002

以下、従来の熱電変換モジュールについて図面を用いて説明する。図7は従来の熱電変換モジュールの構成を示した分解斜視図であり、図8は従来の熱電変換モジュールの外観図である。熱電変換モジュール1は、複数の熱電変換素子2が縦横に配置されて、第1基板3と第2基板4とのそれぞれに実装されることによって構成されている。ここで、熱電変換素子2は第1基板3に設けられた配線パターン5と第2基板に設けられた配線パターン5とによって交互に直列に接続されている。そして、第一端の熱電変換素子6および第二端の熱電変換素子7は、引き出しリード線8、9に接続されている。
そして、図8に示すように熱電変換モジュール1は、発熱体10に接触配置されることによって発熱体10で生じた熱を電力へと変換して、引き出しリード線8、9から熱電変換モジュール1の外部へと熱電変換後の電力を出力している。

0003

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献1が知られている。

先行技術

0004

特開2014−82403号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、従来の熱電変換モジュール1では、熱電変換モジュール1が発熱体10の上に配置されて発熱体10からの熱を受けた際に、発熱体10と接触する熱電変換モジュール1における第1基板3の温度は上昇するものの、その温度分布ムラを有する。この温度分布のムラは、熱電変換モジュール1の側面などの露出部分が周囲環境に対して熱を放射することによって生じるものである。このため、第1基板3において破線によって示された概ね閉じた形状の等温度線は、熱電変換モジュールの中央側に向かうにつれて高い温度を示す。

0006

つまり、熱電変換モジュール1の外周縁部1aと中央部1b付近とでは生じる温度が異なることから、個々の伝熱変換素子2によって生じる電力にも差が生じる。この結果として熱電変換モジュール1は、発熱体10から熱電変換素子2へと伝えられる熱が高い効率で電力へと変換され難いという課題を有するものであった。

0007

そこで本発明は、熱から電力へ高い効率によって変換することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

0008

そして、この目的を達成するために本発明は、第1基板と、第2基板と、前記第1基板と前記第2基板との間に実装配置されて、かつ、それぞれが複数の熱電変換素子を有する、外周縁側熱電変換素子群と中央側熱電変換素子群とを備え、前記外周縁側熱電変換素子群は、前記第1基板および前記第2基板における外周縁側に配置され、前記中央側熱電変換素子群は、前記外周縁側熱電変換素子群よりも前記第1基板および前記第2基板における中央側に配置され、かつ、前記外周縁側熱電変換素子群よりも高密度で実装配置された、ことを特徴としたものである。

発明の効果

0009

本発明によれば、熱電変換モジュールは熱から電力へ高い効率によって変換することができるものである。

図面の簡単な説明

0010

本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成を示す分解斜視図
本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの外観斜視図
本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成の一部を示す詳細図
本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの温度分布を示す特性図
本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第1の上面図
本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第2の上面図
従来の熱電変換モジュールの分解斜視図
従来の熱電変換モジュールの外観図

実施例

0011

以下、本発明の実施の形態の一例について図面を参照しながら説明する。

0012

(実施の形態)
図1は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成を示す分解斜視図であり、図2は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの外観斜視図である。熱電変換モジュール11は、第1基板12と、第2基板13と、外周縁側熱電変換素子群14と、中央側熱電変換素子群15とを含む。

0013

そして、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは、第1基板12と第2基板13との間に実装配置されている。また、外周縁側熱電変換素子群14および、中央側熱電変換素子群15は、それぞれが複数の熱電変換素子16を有する。

0014

ここで、外周縁側熱電変換素子群14は、第1基板12および第2基板13における外周縁側に配置されている。そして、中央側熱電変換素子群15は、外周縁側熱電変換素子群14よりも第1基板12および第2基板13における中央側に配置されている。そしてさらに、中央側熱電変換素子群15における複数の熱電変換素子16は、外周縁側熱電変換素子群14における複数の熱電変換素子16よりも高密度で実装配置されている。

0015

以上の構成によって、発熱体17によって発生した熱は熱電変換モジュール11に伝達されるとともに、熱電変換モジュール11の外周縁部11aに比較して温度が高くなった熱電変換モジュール11の中央部11bの熱は、中央側熱電変換素子群15によって高い効率で電力へと変換される。

0016

つまり、温度が高くなる熱電変換モジュール11の中央部11bは、複数の熱電変換素子16が外周縁部11aに比較して高密度で実装された中央側熱電変換素子群15が配置されている部分でもある。したがって、大きな熱エネルギーが多くの熱電変換素子16によって熱電変換されるので、発熱体17によって発生した熱は少ない損失で効率よく電力に変換される。

0017

以下、熱電変換モジュール11の詳しい構成および動作について説明する。外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは、第1基板12と第2基板13との間に実装配置されることで第1基板12と第2基板13へ電気的に接続されている。そしてさらに、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは、第1基板12と第2基板13との間に配置された接着剤などからなる樹脂層18によって第1基板12および第2基板13へ機械的に固着されている。

0018

また、図3の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成の一部を示す詳細図のように、第1基板12に設けられた配線パターン19aは、P型半導体あるいはN型半導体である個々の熱電変換素子16を直列に接続している。ここでは省略しているが実際には図面中の上側に、配線パターン19bが設けられた第2基板13が配置されている。ここで、第1基板12および第2基板13は、銅などの高い熱伝導性を有する材質を用いることが望ましい。また、ここでは図示していないが、第1基板12および第2基板13における熱電変換素子16の実装面にはポリイミド樹脂などの薄く、かつ、絶縁性に優れた樹脂層が形成されたうえで、配線パターン19a、19bが設けられるとよい。これにより、第1基板12から熱電変換素子16への熱伝導性を低下させることなく、あるいは、第2基板13から熱電変換素子16への熱伝導性を低下させることなく、熱電変換素子16と第1基板12あるいは第2基板13との絶縁性が確保できる。

0019

また、複数が直列に接続された熱電変換素子16における最も端部に配置された端部熱電変換素子16a、16bにはぞれぞれ、引き出しリード線20a、20bが接続されている。

0020

図3では、複数の熱電変換素子16が単一の群を形成しているが、先にも述べたように、本発明の実施の形態では複数の熱電変換素子16によって、複数の外周縁側熱電変換素子群14および中央側熱電変換素子群15が形成されている。また、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは、引き出しリード線20a、20bによって接続されてもよく、あるいは、群間接続配線パターン(図示せず)によって接続されてもよい。また図1では、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは空間を介して第1基板12に配置されているが、これは便宜上のためであり、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは密接して配置されていても構わない。また、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは互いに一部が混在した境界領域を有しても構わない。

0021

ここで、熱電変換モジュール11内では、全て同等特性のN型の熱電変換素子16ならびに、全て同等特性のP型の熱電変換素子16が用いられている。また、個々の熱電変換素子16が有する熱から電力への変換特性も同等であるとともに、この変換特性は熱電変換素子16が有する固有定数と、熱電変換素子16の両端に存在する温度差に依存する。この温度差は、概ね第1基板12と第2基板13との温度差に相当する。

0022

しかし、個々の熱電変換素子16が熱を電力へと変換するにあたっては、変換量あるいは変換効率限界が存在する。このため、熱容量やあるいは温度差が大きな部位には、個々の能力を向上させた熱電変換素子16としてではなく、熱電変換素子16を配置密度が大きな群として熱電変換素子群が配置されるとよい。この一方で、熱容量やあるいは温度差が小さな部位には、配置密度を小さくした熱電変換素子群が配置されるとよい。

0023

ここでは、図4の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの温度分布を示す特性図のように、熱電変換モジュール11における発熱体17と接する第1基板12と第2基板13とでは温度分布が異なる。

0024

発熱体17に対して直接に接触している第1基板12は、特に外部環境へ露出しない中央部11bの温度は発熱体17の温度に対応して上昇し易く、この一方で外部環境へ一部が露出している外周縁部11aの温度は中央部11bに比較して上昇し難い特性を有する。

0025

また、発熱体17に対して直接に接触していない第2基板13は、第1基板12の温度特性曲線に比較して、外周縁部11aと中央部11bとで温度の差は生じ難い。これは、第2基板13は、発熱体17とは反対面が全て外部環境へ露出することに起因するものである。

0026

このため、熱電変換モジュール11の、外周縁部11aにおける第1基板12と第2基板13との温度差△Taと、中央部11bにおける第1基板12と第2基板13との温度差△Tbとの間では、△Tbは△Taよりも大きくなるという関係が常に成立する。そして、中央部11bにおける温度差△Tbは大きい値となるため、個々の熱電変換素子16によって生じる電力は大きくなるものの、同時に第1基板12の中央部11bにおける熱容量も大きくなっているため、効率よく熱電変換を行うために中央部11bの近傍には大きな熱容量に対応した熱電変換素子群が必要となる。

0027

そこで、熱電変換モジュール11において、発熱体17から供給される熱が蓄積され易く熱容量が大きくなる部位である中央部11bには、高密度に熱電変換素子16が実装配置された、中央側熱電変換素子群15が対応するように配置されるとよい。この一方で、発熱体17から供給される熱が蓄積され難く熱容量が比較のうえで中央部11bよりも小さな部位である外周縁部11aには、中央側熱電変換素子群15に比較して低密度で熱電変換素子16が実装配置された外周縁側熱電変換素子群14が対応するように配置されるとよい。

0028

これにより、熱電変換モジュール11が発熱体17から受ける熱容量が大きな部位では、高密度に配置された多くの熱電変換素子16が熱電変換を行う。この結果、熱電変換モジュール11における熱電変換は効率が向上する。

0029

図1における説明では、概ね矩形の列状とした外周縁側熱電変換素子群14および中央側熱電変換素子群15を一例とし、両端側に配置された外周縁側熱電変換素子群14によって中央側熱電変換素子群15が挟まれた位置関係としている。しかしながら、外周縁側熱電変換素子群14および中央側熱電変換素子群15の配置は、図5の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第1の上面図に示すように、第1基板12へ枠状に配置した外周縁側熱電変換素子群14の内側に中央側熱電変換素子群15が配置されても構わない。またあるいは、ドーナツ状に配置した外周縁側熱電変換素子群14の内側に中央側熱電変換素子群15が配置され、同心円状に外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とが配置されても構わない。

0030

また、図6の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第2の上面図に示すように、第1基板12へ配置した外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とでは、それぞれの内部における熱電変換素子16の接続状態が異なった形態としてもよい。例えば、中央側熱電変換素子群15において配置される熱電変換素子16の数量が、外周縁側熱電変換素子群14において配置される熱電変換素子16の2倍であると仮定する。ここで、外周縁側熱電変換素子群14では全ての熱電変換素子16が直列に接続され、中央側熱電変換素子群15では2等分で直列接続された熱電変換素子16が並列に配置されてもよい。

0031

これにより、引き出しリード線20a、20b間の電圧は、全てが直列接続であった場合に比較して1/2倍となるが、供給可能な電流は全てが直列接続であった場合に比較して2倍とすることができる。つまり、出力に必要な電圧値あるいは電流値に応じて外周縁側熱電変換素子群14や中央側熱電変換素子群15の内部の接続状態が、配線パターン19a、19bによって変化させられるとよい。当然ながら、引き出しリード線20a、20b間の抵抗値も上記のように外周縁側熱電変換素子群14や中央側熱電変換素子群15の内部の接続状態によって変化させることができる。

0032

図6に示す例では、中央側熱電変換素子群15において2等分されて概ね同数によって直列接続された熱電変換素子16が並列に配置されている。ここで、熱電変換素子16は双方の直列接続部15aで電力が生じる。よって、双方の直列接続部15aによる起電力不平衡となることに起因する循環電流が生じないように、双方の直列接続部15aにおける起電力が平衡状態とされていることが望ましい。

0033

また、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とは近似したインピーダンスを有することが望ましい。ここでは外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とのそれぞれにおける両端のインピーダンスはRとしている。これにより、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とにおいて生じる電力損失は概ね均等となり、特定の領域で電力損失が大きくなることに起因した発電電力の低下は生じない。

0034

また図4に示すように、中央部11bにおいて第1基板12と第2基板13とでは、先にも説明したように温度の絶対値や熱容量が大きくなるのみならず、温度差△Tbもまた他の領域に比較して大きくなる。この領域では、第1基板12と第2基板13との間に中央側熱電変換素子群15として複数の熱電変換素子16が高密度で配置されている。そして温度差△Tbが大きくなること、および熱電変換素子16が多く存在することによって、中央側熱電変換素子群15における発生電力が大きくなる。しかしこの一方で、温度差△Tbが大きくなることによって第1基板12から第2基板13への熱電変換素子16を介しての熱伝導が多く発生する。そして、この熱伝導が第1基板12と第2基板13との温度差△Tbを縮小させる。さらにこの結果として、上記の熱伝導が熱電変換素子16における発生電力を大きくする妨げとなる可能性が生じてしまう。

0035

ここで、中央側熱電変換素子群15として配置されている複数の熱電変換素子16における第1基板12から第2基板13へと向かう方向に関する断面積が、外周縁側熱電変換素子群14として配置されている複数の熱電変換素子16における同方向の断面積よりも小さくされるとよい。これによって、第1基板12から第2基板13への熱電変換素子16を介しての熱伝導が低下する。この結果として、第1基板12と第2基板13との温度差△Tbの縮小は抑制され、中央側熱電変換素子群15での熱電変換効率は向上するとともに、発電量が大きくなる。

0036

しかしながら、個々の熱電変換素子16の断面積を小さくすると、個々の熱電変換素子16の抵抗値は大きくなる。これは熱電変換素子16における発生電力を大きくする妨げとなる。一般的にここの熱電変換素子16の発電量Pは、ゼーベック係数S、熱電変換素子16の内部抵抗Riとすると、
P=(S2・△Tb2)/(4・Ri)
として求められる。したがって、発電量Pが大きくなるために、熱電変換素子16の断面積を小さくした前後における、温度差△Tbを2乗した値の増加率が内部抵抗Riの増加率よりも大きくすればよい。

0037

例えば、外周縁側熱電変換素子群14における熱電変換素子16で縮小前の断面積での内部抵抗をRe、中央側熱電変換素子群15で縮小後の断面積での内部抵抗をRc、外周縁側熱電変換素子群14と中央側熱電変換素子群15とで同一の熱電変換素子16を適用したときの中央部11bの温度差を△Tb1、中央側熱電変換素子群15の熱電変換素子16の断面積を縮小したときの中央部11bの温度差を△Tb2とすると、
((Rc−Re)/Re)<((△Tb2−△Tb1)2/△Tb12)
の関係が成立すればよい。
これにより、熱電変換素子16の断面積を小さくすることで、中央側熱電変換素子群15での熱電変換効率は向上する。

0038

また、ここでは個々の熱電変換素子16の断面積が小さくされることに加えて、第1基板12と第2基板13との温度差△Tbが維持されるように、中央側熱電変換素子群15が設けられている。しかしながら、中央側熱電変換素子群15における複数の熱電変換素子16は、外周縁側熱電変換素子群14における複数の熱電変換素子16よりも高密度で実装配置されている。このため先にも述べたように、第1基板12から第2基板13への熱電変換素子16を介しての熱伝導は、中央側熱電変換素子群15の方が外周縁側熱電変換素子群14よりも大きい。よって、中央側熱電変換素子群15と外周縁側熱電変換素子群14とで複数の熱電変換素子16が同等の密度で実装配置されている場合に比較して、△Taと△Tbとの差は拡大方向となることを抑制する、あるいは縮小方向となる。

0039

したがって、第1基板12に生じる歪みや反りは低減され、熱電変換素子16に加わる機械的応力も低減される。この結果、熱電変換モジュール11の信頼性が向上することにもなる。

0040

本発明の熱電変換モジュールは、熱から電力へ高い効率によって変換することができるという効果を有し、各種電子機器において有用である。

0041

11熱電変換モジュール
11a外周縁部
11b 中央部
12 第1基板
13 第2基板
14外周縁側熱電変換素子群
15 中央側熱電変換素子群
16熱電変換素子
17発熱体
18樹脂層
19a、19b配線パターン
20a、20b 引き出しリード線

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