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技術 熱電変換モジュール

出願人 株式会社デンソー
発明者 北川新也近藤宏司富坂学
出願日 2018年5月31日 (1年1ヶ月経過) 出願番号 2018-104282
公開日 2019年5月9日 (2ヶ月経過) 公開番号 2019-071403
状態 未査定
技術分野 熱電素子 特殊な電動機、発電機
主要キーワード 低温部材 固体拡散 ニッケル鍍金 高温部材 熱電変換素子間 気密空間 熱電変換 熱電変換素子
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年5月9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 (7)

課題

酸素雰囲気に曝されることによる熱電変換素子等の酸化を防止しながらも、応力による破損が生じることの無い熱電変換モジュールを提供する。

解決手段

熱電変換モジュール10は、複数設けられた熱電変換素子100と、互いに隣り合う熱電変換素子100を繋ぐように設けられた電極200と、熱電変換素子100と電極200との間に形成された接合層120と、を備える。熱電変換モジュール10は、酸素の透過を防止する透過防止被膜300が、少なくとも熱電変換素子100及び接合層120の表面全体を覆うように形成されている。

概要

背景

熱電変換モジュールは、温度差に応じて電位差が生じるというゼーベック効果を利用して、熱エネルギー電気エネルギーに変換するものである。下記特許文献1に記載されているように、このような熱変換モジュールは、複数の熱電変換素子を、例えば銅からなる電極によって直列に繋いだ構成となっている。

熱電変換モジュールは、熱電変換素子の一方側と他方側との間の温度差を大きく保つ必要が有るため、200℃以上の高温環境で使用されることが多い。このため、熱電変換素子や、熱電変換素子と電極との間の接合層酸素雰囲気に曝された状態で使用されると、それぞれが酸化し、電気伝導性が低下してしまうこととなる。

そこで、下記特許文献1に記載の熱電変換発電装置では、熱電変換モジュールの周囲の空間を、セラミックや金属の板で覆われた気密空間とした上で、当該空間を減圧した状態に維持している。このような構成により、熱電変換モジュールの各部が酸素に曝されてしまうことを防止している。

概要

酸素雰囲気に曝されることによる熱電変換素子等の酸化を防止しながらも、応力による破損が生じることの無い熱電変換モジュールを提供する。熱電変換モジュール10は、複数設けられた熱電変換素子100と、互いに隣り合う熱電変換素子100を繋ぐように設けられた電極200と、熱電変換素子100と電極200との間に形成された接合層120と、を備える。熱電変換モジュール10は、酸素の透過を防止する透過防止被膜300が、少なくとも熱電変換素子100及び接合層120の表面全体を覆うように形成されている。

目的

本開示は、酸素雰囲気に曝されることによる熱電変換素子等の酸化を防止しながらも、応力による破損が生じることの無い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
0件

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請求項1

熱エネルギー電気エネルギーに変換する熱電変換モジュール(10,10A,10B)であって、複数設けられた熱電変換素子(100)と、互いに隣り合う前記熱電変換素子を繋ぐように設けられた電極(200)と、前記熱電変換素子と前記電極との間に形成された接合層(120)と、を備え、酸素の透過を防止する透過防止被膜(300)が、少なくとも前記熱電変換素子及び前記接合層の表面全体を覆うように形成されている熱電変換モジュール。

請求項2

前記透過防止被膜は電気絶縁性を有する材料によって形成されている、請求項1に記載の熱電変換モジュール。

請求項3

前記透過防止被膜が、更に前記電極の表面全体をも覆うように形成されている、請求項1又は2に記載の熱電変換モジュール。

請求項4

前記透過防止被膜は無機材料によって形成されている、請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。

請求項5

前記無機材料はアルミナである、請求項4に記載の熱電変換モジュール。

請求項6

前記無機材料は窒化アルミニウムである、請求項4に記載の熱電変換モジュール。

請求項7

前記無機材料は窒化ケイ素である、請求項4に記載の熱電変換モジュール。

請求項8

前記前記透過防止被膜の内側に中間層(310)が形成されている、請求項1乃至7のいずれか1項に記載の熱電変換モジュール。

請求項9

前記中間層はシリコーンレジンによって形成されている、請求項8に記載の熱電変換モジュール。

請求項10

前記中間層には、前記中間層における熱抵抗を低下させるためのフィラーが埋め込まれている、請求項8又は9に記載の熱電変換モジュール。

請求項11

前記フィラーは酸化ケイ素又は酸化アルミニウムのいずれかである、請求項10に記載の熱電変換モジュール。

技術分野

0001

本開示は、熱エネルギー電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールに関する。

背景技術

0002

熱電変換モジュールは、温度差に応じて電位差が生じるというゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。下記特許文献1に記載されているように、このような熱変換モジュールは、複数の熱電変換素子を、例えば銅からなる電極によって直列に繋いだ構成となっている。

0003

熱電変換モジュールは、熱電変換素子の一方側と他方側との間の温度差を大きく保つ必要が有るため、200℃以上の高温環境で使用されることが多い。このため、熱電変換素子や、熱電変換素子と電極との間の接合層酸素雰囲気に曝された状態で使用されると、それぞれが酸化し、電気伝導性が低下してしまうこととなる。

0004

そこで、下記特許文献1に記載の熱電変換発電装置では、熱電変換モジュールの周囲の空間を、セラミックや金属の板で覆われた気密空間とした上で、当該空間を減圧した状態に維持している。このような構成により、熱電変換モジュールの各部が酸素に曝されてしまうことを防止している。

先行技術

0005

特開2014−75541号公報

発明が解決しようとする課題

0006

特許文献1に記載の熱電変換モジュールでは、それぞれの熱電変換素子を繋ぐ電極が、気密空間を区画する部材に対してろう付けにより接合されている。このような構成においては、それぞれの電極間の距離は、上記部材への接合によって拘束された状態となっている。このため、熱電変換モジュールが高温環境において使用されているときには、熱電変換モジュールの一部において上記拘束に伴う応力が発生し、熱電変換素子と電極との間の接合層等が破損してしまう可能性がある。また、熱電変換モジュールで発生した電力を、気密空間の外に取り出すためには、例えばハーメッチクシールのような構造が必要になる。このため、そのためのコストが高くなるという問題も生じる。

0007

本開示は、酸素雰囲気に曝されることによる熱電変換素子等の酸化を防止しながらも、応力による破損が生じることの無い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

0008

本開示に係る熱電変換モジュールは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュール(10,10A,10B)であって、複数設けられた熱電変換素子(100)と、互いに隣り合う熱電変換素子を繋ぐように設けられた電極(200)と、熱電変換素子と電極との間に形成された接合層(120)と、を備える。この熱電変換モジュールでは、酸素の透過を防止する透過防止被膜(300)が、少なくとも熱電変換素子及び接合層の表面全体を覆うように形成されている。

0009

このような構成の熱電変換モジュールでは、酸化による性能劣化の生じやすい部分である熱電変換素子及び接合層の表面全体が、酸素の透過を防止する透過防止被膜によって覆われている。これにより、熱電変換素子等が直接酸素に触れることがなくなるので、酸化による電気伝導性の低下を防止することができる。

0010

また、上記の透過防止被膜は、熱電変換素子及び接合層の表面全体を覆うように形成された被膜なので、それぞれの電極間の距離や熱電変換素子間の距離は、透過防止被膜によっては拘束されない。このため、熱電変換モジュールが高温環境において使用されているときであっても、熱電変換モジュールの一部において大きな応力が発生することはない。

発明の効果

0011

本開示によれば、酸素雰囲気に曝されることによる熱電変換素子等の酸化を防止しながらも、応力による破損が生じることの無い熱電変換モジュールが提供される。

図面の簡単な説明

0012

図1は、第1実施形態に係る熱電変換モジュールの全体構成を示す図である。
図2は、図1のII−II断面を示す図である。
図3は、第2実施形態に係る熱電変換モジュールの構成を示す断面図である。
図4は、中間層を形成するシリコーンレジン分子構造を示す図である。
図5は、変形例に係る熱電変換モジュールの、負電極の構成を説明するための図である。
図6は、第3実施形態に係る熱電変換モジュールの、中間層及びその近傍の構成を示す断面図である。

実施例

0013

以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

0014

第1実施形態に係る熱電変換モジュール10の構成について、図1及び図2を参照しながら説明する。熱電変換モジュール10は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換するための装置である。本実施形態における熱電変換モジュール10は、不図示の車両に搭載されるものであって、内燃機関で生じる熱を利用して発電するために用いられる。熱電変換モジュール10は、熱電変換素子100と、電極200と、接合層120(図2を参照)と、を備えている。

0015

熱電変換素子100は、ゼーベック効果によって電位差を生じさせるための素子であって、熱電変換モジュール10において複数設けられている。熱電変換素子100としては、例えばシリコンゲルマニウム系の素子が用いられる。熱電変換素子100は、図1図2における上下方向の一端が高温となり、他端が低温となっているときに、同方向に沿った電位差を生じさせる。複数の熱電変換素子100は、図1に示されるように単一面に沿って並ぶように配置されている。互いに隣り合う熱電変換素子100は、後述の電極200によって繋がっている。その結果、全ての熱電変換素子100は、電極200によって電気的に直列に繋がっている。全ての熱電変換素子100が直列に並ぶことにより、一本の電流経路が形成されている。

0016

電極200は、互いに隣り合う一対の熱電変換素子100を繋ぐための金属板であり、本実施形態では銅によって形成されている。電極200は、上記電流経路に沿って並ぶように複数設けられている。

0017

電極200は、上記電流経路の一方側及び他方側の端部となる位置にもそれぞれ設けられている。上記電流経路の一方側の端部に配置された電極200が、図1では正電極210として示されている。また、上記電流経路の他方側の端部に配置された電極200が、図1では負電極220として示されている。正電極210及び負電極220は、互いに隣り合う熱電変換素子100を繋ぐためのものではなく、熱電変換モジュール10で生じた電力を外部に出力するための出力端子として機能するものである。

0018

接合層120は、熱電変換素子100と電極200との間を繋ぐろう材からなる層である。図2に示されるように、接合層120は、全ての熱電変換素子100と電極200との間に形成されている。

0019

尚、熱電変換素子100のうち接合層120によって接合されている部分には、予めバリア層110が形成されている。バリア層110は、例えば熱電変換素子100の表面にニッケル鍍金を施すことにより形成された層である。バリア層110は、熱電変換素子100と接合層120との間における固体拡散を防止することを目的として形成されている。

0020

熱電変換モジュール10が使用される際には、図1及び図2において上方側に配置された方の電極200の全体に、不図示の高温部材(例えば内燃機関からの熱によって高温となっている部材)が当接した状態とされる。また、図1及び図2において下方側に配置された方の電極200の全体に、不図示の低温部材(例えば冷却水によって一定の温度に維持されている部材)が当接した状態とされる。熱電変換モジュール10のうち、上記高温部材によって高温に維持される部分のことを、以下では「高温部SH」とも称する。また、上記低温部材によって低温に維持される部分のことを、以下では「低温部SL」とも称する。

0021

それぞれの熱電変換素子100は、ゼーベック効果が生じている際において、上記電流経路に沿って正電極210側となる端部の方が高電位となり、負電極220側となる端部の方が低電位となるように配置されている。例えば、図2の左側に配置された方の熱電変換素子100は、高温部SH側の端部が高電位となり、低温部SL側の端部が低電位となるように配置されている。一方、図2の右側に配置された方の熱電変換素子100は、高温部SH側の端部が低電位となり、低温部SL側の端部が高電位となるように配置されている。このような配置により、それぞれの熱電変換素子100で生じる電圧は小さいが、電流経路の両端で生じる電圧(正電極210と負電極220との間の電圧)は比較的大きくなる。これにより、熱電変換モジュール10からは比較的大きな電力を取り出すことができる。

0022

本実施形態に係る熱電変換モジュール10では、全ての熱電変換素子100、接合層120、及び電極200(ただし正電極210及び負電極220の端部を除く)の表面全体が、透過防止被膜300によって覆われている。図1では、透過防止被膜300によって覆われた部分が点線で示されている。

0023

透過防止被膜300は、外部の酸素が熱電変換素子100や接合層120等の表面に到達することを防止するために形成された膜であって、酸素透過性の低い材料からなる薄膜として形成されている。本実施形態では、透過防止被膜300の材料としてアルミナが用いられている。アルミナからなる透過防止被膜300は、例えばALD(Atomic layer deposition:原子層堆積コーティング等の手法によって形成することができる。尚、透過防止被膜300の厚さは数十nmから数十μm程度である。

0024

このように、本実施形態に係る熱電変換モジュールでは、酸化による性能劣化の生じやすい部分である熱電変換素子100及び接合層120、更に電極200の表面全体が、酸素の透過を防止する透過防止被膜300によって覆われている。これにより、熱電変換素子100等が直接酸素に触れることがなくなるので、酸化による電気伝導性の低下を防止することができる。

0025

また、透過防止被膜300は、熱電変換素子100及び接合層120等の表面全体を覆うように形成された被膜なので、それぞれの電極200間の距離や熱電変換素子100間の距離は、透過防止被膜によっては拘束されない。つまり、図2に示されるような電極200間の距離Gの変化が、透過防止被膜300によって拘束されることが無い。このため、熱電変換モジュール10が高温環境において使用されているときであっても、熱電変換モジュール10の一部(特に、接合層120や、接合層120とバリア層110との境界部分)において大きな応力が発生することはない。

0026

本実施形態では、酸素雰囲気に曝されることによる熱電変換素子100等の酸化を、透過防止被膜300によって防止することができ、且つ応力による破損が生じることも防止することができる。本発明者らが解析によって算出したところによれば、各電極200の表面がセラミック板に接合され拘束されているような構成に比べると、高温環境下において生じる応力が1/2程度まで低減されることが確認されている。

0027

また、本実施形態では、熱電変換モジュール10の周囲を金属やセラミックのパッケージで覆う必要が無い。このため、生じた電力を外部に取り出すためのハーメッチクシール構造を採用する必要が無く、製品のコストを従来に比べて低減することができる。

0028

透過防止被膜300の材料としては、本実施形態のアルミナのように、酸素透過性が低く且つ電気絶縁性を有する材料が用いられることが好ましい。電気絶縁性を有する材料が用いられた場合には、電極200と高温部材(又は低温部材)との間における絶縁を、比較的容易な構成において確保することが可能となる。

0029

酸素透過性が低く、且つ電気絶縁性を有する透過防止被膜300の材料としては、アルミナのような無機材料が用いられることが好ましい。このような無機材料としては、アルミナの他に、例えば窒化アルミニウム窒化ケイ素を用いることができる。いずれの場合であっても、無機材料からなる透過防止被膜300はALDコーティングによって形成することが可能である。

0030

透過防止被膜300によって覆われる範囲は、本実施形態のように、全ての熱電変換素子100、接合層120、及び電極200(ただし正電極210及び負電極220の端部を除く)の表面全体であってもよいが、これとは異なる範囲であってもよい。ただし、熱電変換素子100及び接合層120の表面は、酸化による性能の劣化が特に生じやすい部分なので、少なくともこれらの表面全体が、透過防止被膜300によって覆われることが好ましい。

0031

本実施形態では、正電極210及び負電極220のうちその端部近傍の部分が透過防止被膜300によって覆われておらず、外部に露出している。これにより、当該部分が、熱電変換モジュール10で生じた電力を外部に出力するための出力端子として機能する。負電極220等の一部を外部に露出させるための方法としては、例えば、当該部分に予めマスキングを施してから全体に透過防止被膜300を形成し、その後にマスキングを除去すればよい。

0032

尚、負電極220等のうち外部に露出している部分の態様としては、上記のようなものに限られず、図5に示される変形例を採用してもよい。図5の例では、負電極220の略全体が透過防止被膜300によって覆われているのであるが、その上面側の一部(図5において斜線が施されている領域AR)のみが透過防止被膜300によって覆われておらず、外部に露出している。このような構成を実現するためには、例えば、負電極220の表面全体に透過防止被膜300を形成した後に、領域ARの部分に存在する透過防止被膜300を削り落とせばよい。このような構成は、言うまでも無く正電極210についても採用し得る。

0033

第2実施形態について、図3を参照しながら説明する。以下では、第1実施形態と異なる点について主に説明し、第1実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。

0034

図3では、本実施形態に係る熱電変換モジュール10Aの構造が、図2同位置の断面図によって示されている。熱電変換モジュール10Aでは、透過防止被膜300の内側全体に中間層310が形成されている。つまり、本実施形態における透過防止被膜300は、熱電変換素子100の表面や電極200の表面上に直接形成されているのではなく、これらの表面上に予め形成された中間層310を覆うように形成されている。

0035

中間層310は、透過防止被膜300に比べて柔らかい材料、具体的にはシリコーンレジンによって形成されている。図4には、中間層310を形成するシリコーンレジンの分子構造が示されている。シリコーンレジンは、一般的なガラス(Si−O)の分子構造とは異なり、シリコン(Si)に繋がる酸素(O)の一部をメチル基(CH3)に置き換えた分子構造を有している。当該分子構造においては全体が紐状となっているので、中間層310は十分な耐熱性及び絶縁性を有しながらも、ガラス膜よりも柔らかい層として形成される。

0036

一般的に、熱電変換素子100は焼結によって形成されるので、その表面は滑らかとはなっておらず、無数凹凸が形成されていることが多い。このような表面に、透過防止被膜300を直接形成すると、透過防止被膜300の成膜性が低下してしまう可能性がある。その結果、透過防止被膜300の一部に欠陥が生じ、熱電変換素子100等の酸化や絶縁破壊の原因となってしまうことが懸念される。

0037

これに対し、本実施形態では、比較的柔らかい中間層310を介して透過防止被膜300が形成されているので、透過防止被膜300の成膜性を十分に確保することができる。また、透過防止被膜300と中間層310との間の密着性、及び中間層310と熱電変換素子100等との間の密着性が十分に確保され、冷熱の繰り返しに対する透過防止被膜300の耐久性も向上する。更に、中間層310によって外部との電気絶縁性が大幅に向上するという効果も得られる。

0038

第3実施形態について、図6を参照しながら説明する。以下では、上記の第2実施形態と異なる点について主に説明し、第2実施形態と共通する点については適宜説明を省略する。図6では、本実施形態に係る熱電変換モジュール10Bにおける、図3と同位置の断面が拡大して示されている。

0039

本実施形態においても第2実施形態(図3)と同様に、透過防止被膜300の内側に中間層310が形成されている。本実施形態では、中間層310の全体に複数のフィラー311が埋め込まれており、この点において第2実施形態と相違している。一部のフィラー311は、中間層310のうち透過防止被膜300側の表面に露出している。フィラー311は、比較的熱伝導率の高い材料によって形成された粒子状の部材である。このようなフィラー311が埋め込まれていることにより、中間層310における熱抵抗が低下している。その結果、熱電変換モジュール10Bによる電力の生成を更に効率よく行うことが可能となっている。

0040

本実施形態では、フィラー311として酸化ケイ素(SiO)が用いられている。フィラー311としては、酸化ケイ素の他にも酸化アルミニウム(Al2O3)や窒化アルミニウム(NAl)等を用いることができる。

0041

ただし、中間層310の表面における透過防止被膜300の成膜性を向上させることに鑑みれば、窒化アルミニウムよりも、本実施形態のような酸化ケイ素又は酸化アルミニウムを用いることが好ましい。これらの材料は、その表面においてOH基が形成されやすく、当該OH基によって透過防止被膜300の成膜性が向上するからである。尚、フィラー311の表面におけるOH基は、例えば、中間層310を形成した後であり且つ透過防止被膜300を形成するよりも前の時点で、中間層310の表面を高温の水蒸気曝すことによって形成することができる。

0042

以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

0043

10,10A,10B:熱電変換モジュール
100:熱電変換素子
120:接合層
200:電極
300:透過防止被膜

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