JP2009081286A - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】熱応力に由来する熱電変換素子の破壊を防止する熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】一対の電極13,14と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、少なくとも1つの前記熱電変換素子が、2片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、前記熱電変換素子分割片の高さ(L)と当該熱電変換素子分割片の幅(W)とが、下記式(1)の関係を満たすことを特徴とする、熱電変換モジュール200。
(ただし、上記式(1)中、σTEは破壊強度、αは線膨張係数、Eは弾性率、THは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、TRは前記熱電変換素子分割片の初期温度、TCは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。)
【選択図】図3
【解決手段】一対の電極13,14と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、少なくとも1つの前記熱電変換素子が、2片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、前記熱電変換素子分割片の高さ(L)と当該熱電変換素子分割片の幅(W)とが、下記式(1)の関係を満たすことを特徴とする、熱電変換モジュール200。
(ただし、上記式(1)中、σTEは破壊強度、αは線膨張係数、Eは弾性率、THは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、TRは前記熱電変換素子分割片の初期温度、TCは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。)
【選択図】図3
Description
本発明は、温度差による熱応力を緩和することが可能な熱電変換素子を有する熱電変換モジュールに関する。
熱電変換は、熱と電気とが互いに変換される現象であり、モーターなどの動力を介在させることなく熱と電気が直に変換されることから、この現象を利用した熱電変換素子の開発は、近年省エネルギーの観点から注目を集めている。
熱電変換素子の1種である発電素子は、固体の両端に温度差を与えた際起電力が生じるゼーベック効果を利用したものであり、ごみ焼却場や発電所から生じる廃熱や地熱等の熱エネルギーから電力を直接取り出せる点で、産業全体のエネルギー利用効率を高める役割を果たしている。
また、他の熱電変換素子の1種である加熱・冷却素子は、固体の両端に電位差を与えた際温度差が生じるペルチエ効果を利用したものであり、騒音や振動を生じることなく加熱又は冷却が可能であることから、家庭用の電子機器に用いられている。
熱電変換素子の1種である発電素子は、固体の両端に温度差を与えた際起電力が生じるゼーベック効果を利用したものであり、ごみ焼却場や発電所から生じる廃熱や地熱等の熱エネルギーから電力を直接取り出せる点で、産業全体のエネルギー利用効率を高める役割を果たしている。
また、他の熱電変換素子の1種である加熱・冷却素子は、固体の両端に電位差を与えた際温度差が生じるペルチエ効果を利用したものであり、騒音や振動を生じることなく加熱又は冷却が可能であることから、家庭用の電子機器に用いられている。
熱電変換素子にはその用途から、高い導電率、大きな熱起電力、低い熱伝導率の3つを併せ持つ材料、すなわち、電気はよく通すが熱は伝えない材料を用いることが好ましい。その観点から、通常熱電変換素子には良導体と絶縁体の中間の性質を持つ半導体が用いられる。
実用的には、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子を交互に配置し、直列に配線することによって、発電出力又は加熱・冷却出力の増大を図る。図1は一般的な熱電変換モジュールの層構成を模式的に示した図である。図1に示すように、熱電変換モジュール100は、升目状に交互に配置されたp型熱電変換素子1又はn型熱電変換素子2を、一対の電極3によって挟持し、さらに当該挟持物を電極3の両側から基板4で挟持したものから成る。この時前記電極3をそれぞれ対応する熱電変換素子に接合することで、全ての熱電変換素子が電気的に直列に配線され、端の電極5から導線を引き電源又は電源を必要とする機器に接続することができる。
発電装置として用いる場合は、2枚の前記基板4に温度差をかけることにより、各素子に起電力が生じ、電流が流れる。加熱・冷却装置として用いる場合は、2枚の端の電極5に電位差を与えることにより、各素子の両端で温度差が生じ、その結果2枚の基板4の温度差に作用し、加熱又は冷却が可能になる。
前記端の電極5を延長し、他の熱電変換モジュールと接続することで、発電出力又は加熱若しくは冷却出力を増加させることもできる。
発電装置として用いる場合は、2枚の前記基板4に温度差をかけることにより、各素子に起電力が生じ、電流が流れる。加熱・冷却装置として用いる場合は、2枚の端の電極5に電位差を与えることにより、各素子の両端で温度差が生じ、その結果2枚の基板4の温度差に作用し、加熱又は冷却が可能になる。
前記端の電極5を延長し、他の熱電変換モジュールと接続することで、発電出力又は加熱若しくは冷却出力を増加させることもできる。
発電素子として各素子にかける温度差は、通常50〜800℃、及び加熱・冷却素子として各素子にかかる温度差は、通常20〜80℃にも達する。かかる温度差による熱伸縮から生じる熱電変換素子の破壊は致命的な問題である。この問題を解決するために、例えば、特許文献1においては、熱電変換素子を複数部分(より具体的には、高温側と低温側の2つ)に分割し、その合わせ面がスライドすることを可能にすることにより、温度差による熱伸縮差を吸収させる構造を提案している。
しかし、特許文献1においては、熱電変換素子に付与される温度差による熱応力は分割によって緩和されるが、熱電変換素子を分割した個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力は考慮されていない。したがって、熱電変換素子全体としては熱伸縮差を吸収させることができたとしても、個々の熱電変換素子分割片が熱応力によって破壊され、その結果熱電変換素子として機能できなくなるということがあり得る。
上記のように、熱電変換素子の熱応力による破壊を防ぐには、熱電変換素子自体の設計に更なる改善が必要であった。本発明は、熱電変換素子分割片の寸法を規定することによって、個々の熱電変換素子自体に付与される温度差による熱応力の緩和を図ることを目的とする。
本発明の熱電変換モジュールは、一対の電極と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、少なくとも1つの前記熱電変換素子が、2片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、前記熱電変換素子分割片の高さ(L)と当該熱電変換素子分割片の幅(W)とが、下記式(1)の関係を満たすことを特徴とする。
(ただし、上記式(1)中、σTEは破壊強度、αは線膨張係数、Eは弾性率、THは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、TRは前記熱電変換素子分割片の初期温度、TCは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。)
このような構成の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の寸法を上記式(1)のように規定することによって、個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和することができ、それにより熱電変換素子自体の破壊を防止することができる。
本発明の熱電変換モジュールは、同じ前記熱電変換素子に含まれる前記熱電変換素子分割片のうち、少なくとも1つの当該熱電変換素子分割片の前記幅(W)が、他の前記熱電変換素子分割片の前記幅(W)よりも小さいことが好ましい。
このような構成の熱電変換モジュールは、前記熱電変換素子分割片の前記幅(W)を小さくするのに伴って、上記式(1)より前記熱電変換素子分割片の前記高さ(L)を小さくすることができ、その結果熱電変換モジュール全体の高さを低くすることができるので、個々の前記熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和しながら熱電変換モジュールの占有体積を小さくすることができる。
本発明によれば、熱電変換素子の寸法を上記式(1)のように規定することによって、個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和することができ、熱電変換素子自体の破壊を防止することができる。
本発明の熱電変換モジュールは、一対の電極と、該一対の電極間に設けられた熱電変換素子を具備し、少なくとも1つの前記熱電変換素子が、2片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており、且つ、前記熱電変換素子分割片の高さ(L)と当該熱電変換素子分割片の幅(W)とが、下記式(1)の関係を満たすことを特徴とする。
(ただし、上記式(1)中、σTEは破壊強度、αは線膨張係数、Eは弾性率、THは前記熱電変換素子分割片の高温側温度、TRは前記熱電変換素子分割片の初期温度、TCは前記熱電変換素子分割片の低温側温度を示す。)
ここでいう「高さ」とは、電流流路方向に略平行方向の長さのことをいう。また、ここでいう「幅」とは、電流流路方向に略垂直方向の長さのことをいう。
ここでいう「初期温度」とは、前記熱電変換素子を発電素子として用いる場合には温度差を付与する前の素子の温度のことを、前記熱電変換素子を加熱・冷却素子として用いる場合には素子の両端に電圧を付与することで温度差が生じる前の素子の温度のことを、それぞれ示す。
また、上記「前記熱電変換素子分割片の高さ(L)と当該熱電変換素子分割片の幅(W)とが、下記式(1)の関係を満たす」とは、多分割片を積み重ねた熱電変換素子全体の高さ及び幅に関しては、上記式(1)の関係を満たさず、多分割片を積み重ねた熱電変換素子を構成する全ての熱電変換素子分割片の高さ及び幅が、個々に上記式(1)の関係を満たすということである。
前記熱電変換素子は、実用的にはp型熱電変換素子及びn型熱電変換素子を交互に並べて用いる。
ここでいうp型熱電変換素子とは、ペルチエ効果を利用した加熱・冷却素子においては、当該素子に流れる電流の上流で冷却され、電流の下流で加熱されるものをいう。また、ゼーベック効果を利用した発電素子においては、当該素子の冷却された低温側から加熱された高温側に向かって電流が流れるものをいう。
具体的には、テルル化ビスマス(Bi2Te3)とテルル化アンチモン(Sb2Te3)との固溶体に代表されるビスマステルル系材料、PbTeに代表される鉛テルル系材料、コバルト酸化物に代表される金属酸化物系材料、Si0.8Ge0.2に代表されるシリコンゲルマニウム系材料、コバルトとアンチモンの合金を含むスクッテルダイド化合物系材料、金属ケイ化物であるシリサイド化合物系材料、Ba8Ga18−xGe28+x(0≦x≦2)に代表されるクラスレート化合物系材料が挙げられる。この内、鉛やテルル、アンチモン等の毒性の高い金属を含まず、且つ、コバルトのような高価な希少金属を含まないという点で、クラスレート化合物系材料を用いるのが好ましい。
具体的には、テルル化ビスマス(Bi2Te3)とテルル化アンチモン(Sb2Te3)との固溶体に代表されるビスマステルル系材料、PbTeに代表される鉛テルル系材料、コバルト酸化物に代表される金属酸化物系材料、Si0.8Ge0.2に代表されるシリコンゲルマニウム系材料、コバルトとアンチモンの合金を含むスクッテルダイド化合物系材料、金属ケイ化物であるシリサイド化合物系材料、Ba8Ga18−xGe28+x(0≦x≦2)に代表されるクラスレート化合物系材料が挙げられる。この内、鉛やテルル、アンチモン等の毒性の高い金属を含まず、且つ、コバルトのような高価な希少金属を含まないという点で、クラスレート化合物系材料を用いるのが好ましい。
ここでいうn型熱電変換素子とは、ペルチエ効果を利用した加熱・冷却素子においては、当該素子に流れる電流の上流で加熱され、電流の下流で冷却されるものをいう。また、ゼーベック効果を利用した発電素子においては、当該素子の加熱された高温側から冷却された低温側に向かって電流が流れるものをいう。
具体的には、テルル化ビスマス(Bi2Te3)とセレン化ビスマス(Bi2Se3)との固溶体に代表されるビスマステルル系材料、PbTeに代表される鉛テルル系材料、コバルト酸化物に代表される金属酸化物系材料、Si0.8Ge0.2に代表されるシリコンゲルマニウム系材料、コバルトとアンチモンの合金を含むスクッテルダイド化合物系材料、金属ケイ化物であるシリサイド化合物系材料、Ba8Ga18−xGe28+x(2≦x≦4)に代表されるクラスレート化合物系材料が挙げられる。この内、鉛やテルル、アンチモン等の毒性の高い金属を含まず、且つ、コバルトのような高価な希少金属を含まないという点で、クラスレート化合物系材料を用いるのが好ましい。
具体的には、テルル化ビスマス(Bi2Te3)とセレン化ビスマス(Bi2Se3)との固溶体に代表されるビスマステルル系材料、PbTeに代表される鉛テルル系材料、コバルト酸化物に代表される金属酸化物系材料、Si0.8Ge0.2に代表されるシリコンゲルマニウム系材料、コバルトとアンチモンの合金を含むスクッテルダイド化合物系材料、金属ケイ化物であるシリサイド化合物系材料、Ba8Ga18−xGe28+x(2≦x≦4)に代表されるクラスレート化合物系材料が挙げられる。この内、鉛やテルル、アンチモン等の毒性の高い金属を含まず、且つ、コバルトのような高価な希少金属を含まないという点で、クラスレート化合物系材料を用いるのが好ましい。
ここでいう電極とは、熱電変換素子を直列に配列することで熱電変換素子間の電子の授受を補助するものである。なお、後述のように基板と熱電変換素子との熱のやり取りを妨げてはならないことから、熱抵抗が小さく良導体であることが要求され、銅、アルミニウム、ニッケル、金、タングステン等またこれらの合金を用いることができる。この中では、特に良導体として優れている銅を用いるのが好ましい。
また、熱電変換素子と拡散接合ができるように、電極内にチタンを混合したチタン‐銅電極を用いることもできる。
また、熱電変換素子と拡散接合ができるように、電極内にチタンを混合したチタン‐銅電極を用いることもできる。
ここでいう基板とは、電極を通じて熱電変換素子と熱の授受を行うものである。熱抵抗が小さく絶縁体であること、耐振動及び衝撃性に優れること等が要求されることから、材質としてはアルミナ、ムライト、シリコンカーバイド、アルミナイトライド、シリコンナイトライドのうち少なくとも1種からなる焼結体を例示できる。特に、アルミナイトライド又はアルミナから成るセラミクスを用いるのが好ましい。
また、メタライズ電極付き基板を用いることで、はんだ付けによって素子と基板とを直接接合することができる。メタライズ電極付き基板とは、予め基板の所定の位置にメタライズ電極が薄く塗布されたものである。メタライズ電極の厚さ及び素材は、導電性とはんだ付けによる接合性とを鑑みて、5〜100μmの銅電極であるのが好ましい。
また、メタライズ電極付き基板を用いることで、はんだ付けによって素子と基板とを直接接合することができる。メタライズ電極付き基板とは、予め基板の所定の位置にメタライズ電極が薄く塗布されたものである。メタライズ電極の厚さ及び素材は、導電性とはんだ付けによる接合性とを鑑みて、5〜100μmの銅電極であるのが好ましい。
上記「2片以上の熱電変換素子分割片同士が界面において固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されており」とは、必ずしも前記分割片同士の界面が、電流流路方向に全て垂直であるということを意味しない。図2は、2片の熱電変換素子分割片と電流流路方向とを示した断面模式図である。図2(a)及び(b)には、電流流路方向6と、電流流路方向上流の熱電変換素子分割片7及び電流流路方向下流の熱電変換素子分割片8を示している。図2(a)に示すように、前記分割片7及び前記分割片8の界面が、前記方向6に垂直であってもよいし、また、図2(b)に示すように、前記界面が前記方向6に垂直でなく、斜めになっていてもよい。ただし、本発明から外れる例を示す図8に示すように、2つの熱電変換素子分割片9の界面が、電流流路方向6と平行であることはないものとする。
さらに、熱電変換素子分割片同士は接合されず、互いに押し付け合うことによって電気的な導通を取る。なおこの際、熱電変換素子分割片同士の界面にはすべりやすく電気的導通を妨げない材料、例えばグラファイト、金、銅を塗布することで、熱電変換素子分割片にかかる熱応力をより緩和することができる。
さらに、熱電変換素子分割片同士は接合されず、互いに押し付け合うことによって電気的な導通を取る。なおこの際、熱電変換素子分割片同士の界面にはすべりやすく電気的導通を妨げない材料、例えばグラファイト、金、銅を塗布することで、熱電変換素子分割片にかかる熱応力をより緩和することができる。
以下、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。図3は本発明の熱電変換モジュールの典型例の断面模式図である。本発明の熱電変換モジュール200は、p型熱電変換素子15及びn型熱電変換素子16と、前記素子15又は前記素子16を挟持し且つ接合した一対の電極13及び14と、当該電極13及び14を挟持し且つ接合した一対の基板11及び12を有する。さらに、前記素子15及び前記素子16は、それぞれp型熱電変換素子分割片15a及び15b、n型熱電変換素子分割片16a及び16bの2片ずつが固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されている。
前記電極14を延長することにより他の熱電変換素子を追加して配線することも可能で、その場合には、前記電極14、前記p型熱電変換素子15、前記電極13、前記n型熱電変換素子16、前記電極14の順の繰り返し単位によって前記p型熱電変換素子15及び前記n型熱電変換素子16が交互且つ直列に配線されるようにする。
前記電極14を延長することにより他の熱電変換素子を追加して配線することも可能で、その場合には、前記電極14、前記p型熱電変換素子15、前記電極13、前記n型熱電変換素子16、前記電極14の順の繰り返し単位によって前記p型熱電変換素子15及び前記n型熱電変換素子16が交互且つ直列に配線されるようにする。
さらに、前記p型熱電変換素子分割片15a及び15b並びに前記n型熱電変換素子分割片16a及び16bは、図に示すような高さL1〜L4、及び幅W1〜W2をそれぞれ有している。なお、L1+L2=L3+L4であり、また、W1、W2の値は互いに独立である。
図3に示す各前記分割片の各長さの組(L1,W1)、(L2,W1)、(L3,W2)、(L4,W2)は、それぞれ上記式(1)に示す高さ方向の長さ(L)と幅方向の長さ(W)の関係を満たす。
図3に示す各前記分割片の各長さの組(L1,W1)、(L2,W1)、(L3,W2)、(L4,W2)は、それぞれ上記式(1)に示す高さ方向の長さ(L)と幅方向の長さ(W)の関係を満たす。
式(1)は、「熱電変換システム設計のための解析」(小川吉彦著、森北出版、1998年発行)p.103〜104の記載を参考に導き出すことができる。図4は、温度差による方形構造物の変形についての説明図である。
図4に示すように、高さL、幅Wの方形の構造物21(奥行きは省略)が始めに一様温度TRであったとする。次に、前記構造物21の上部が温度TCに冷却され、且つ、前記構造物21の下部が温度THに加熱されることで、変形した構造物22になったとする。このとき、変化した面は半径RHの円断面の一部となるが、その中心でなす角度θは十分小さいとする。
図4に示すように、高さL、幅Wの方形の構造物21(奥行きは省略)が始めに一様温度TRであったとする。次に、前記構造物21の上部が温度TCに冷却され、且つ、前記構造物21の下部が温度THに加熱されることで、変形した構造物22になったとする。このとき、変化した面は半径RHの円断面の一部となるが、その中心でなす角度θは十分小さいとする。
図4に示す、温度THに加熱された面(以下、高温側面と呼ぶ)の加熱後の幅WHと幅変化δWHは、
WH = W + δWH ・・・式(2)
と表される。また、温度変化に対応して長さが変化する割合を示す線膨張係数αを用いると、幅変化δWH、幅W、温度TH及び初期温度TRの関係は、式(3)のように記述できる。
δWH = αW(TH−TR) ・・・式(3)
WH = W + δWH ・・・式(2)
と表される。また、温度変化に対応して長さが変化する割合を示す線膨張係数αを用いると、幅変化δWH、幅W、温度TH及び初期温度TRの関係は、式(3)のように記述できる。
δWH = αW(TH−TR) ・・・式(3)
図4に示す、温度TCに冷却された面(以下、低温側面と呼ぶ)の冷却後の幅WCと幅変化δWCは、
WC = W − δWC ・・・式(4)
と表される。また、温度変化に対応して長さが変化する割合を示す線膨張係数αを用いると、幅変化δWC、幅W、温度TC及び初期温度TRの関係は、式(5)のように記述できる。
δWC = αW(TR−TC) ・・・式(5)
WC = W − δWC ・・・式(4)
と表される。また、温度変化に対応して長さが変化する割合を示す線膨張係数αを用いると、幅変化δWC、幅W、温度TC及び初期温度TRの関係は、式(5)のように記述できる。
δWC = αW(TR−TC) ・・・式(5)
さらに、角度θは十分小さいとの仮定より、以下に示す式(6)が成立する。式(6)の式変形により式(7)が得られる。
式(2)乃至(5)及び式(7)を用いることで、図4に示す高さ変化ΔLHは、式(8)のように表すことができる。
また、弾性率Eを用いると、高さ変化ΔLH、高さL、破壊強度σの関係は、式(9)のように記述できる。
σ = E(ΔLH/L) ・・・式(9)
したがって、式(9)に式(8)を代入して、以下に示す式(10)を得る。
σ = E(ΔLH/L) ・・・式(9)
したがって、式(9)に式(8)を代入して、以下に示す式(10)を得る。
一方、前記構造物21及び22を、熱変形前後の熱電変換素子分割片と見立てた際に、熱電変換素子分割片の破壊強度をσTEとすると、熱電変換素子分割片が自身の熱応力で破壊されないためには「σ<σTE」でなければならない。したがって式(10)を用いることにより、以下に示す通り式(1)が求められた。
なお、破壊強度σTEは、4点曲げ試験により求めることができる。線膨張係数αは、TMA8140(理学電気(株))を用いて、TMA法により求めることができる。弾性率Eは、パルス法により求めることができる。前記熱電変換素子分割片の高温側温度THと初期温度TRの温度差(TH−TR)、及び高温側温度THと低温側温度TCの温度差(TH−TC)は、熱電対による直接計測により求めることができる。
また、図3においては前記p型熱電変換素子15及び前記n型熱電変換素子16のいずれも2つの熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されているが、前記素子15及び前記素子16のいずれか1つが、熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されていてもよい。また、3つ以上の熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されていてもよいし、さらには、前記素子15及び前記素子16とで積み重なる熱電変換素子分割片の数が異なっていてもよい。なお、一般的な設計においては、すべての前記素子15及び前記素子16の高さ(すなわち、すべての前記素子15又は前記素子16を構成する熱電変換素子分割片の高さの和)を等しくする必要がある。仮に1つの素子の高さが他の素子の高さと異なるとすると、基板によるすべての素子の挟持を正しく行うことができなくなってしまい、基板と各素子との熱の授受が不完全になり、その結果発電出力又は加熱若しくは冷却出力の極端な減少を招いてしまうことになる。
さらに、図5に示すように、熱電変換素子分割片同士の界面が電流流路方向に斜めになっている場合は、最も短い高さLに関してのみ考慮すればよい。この理由としては、上記式(1)を考慮すると、式(1)中のLが最も小さい時において、式(1)の条件が最も厳しくなるからであり、Lの最小値が式(1)を満たせば、熱電変換素子分割片中のいかなる高さLも式(1)を満たすからである。したがって、図5においては、熱電変換素子分割片15a、15b、16a及び16bに関する各長さの組(L7,W3)、(L6,W3)、(L9,W4)、(L12,W4)が、それぞれ上記式(1)に示す高さ(L)と幅(W)の関係を満たしていればよく、高さL5、L8、L10、L11に関しては考慮しなくてよい。
図6は本発明の熱電変換モジュールの変形例の断面模式図である。本発明の熱電変換モジュール300は、p型熱電変換素子35及びn型熱電変換素子36と、前記素子35又は前記素子36を挟持し且つ接合した一対の電極33及び34と、当該電極33及び34を挟持し且つ接合した一対の基板31及び32を有する。さらに、前記素子36は、n型熱電変換素子分割片36a及び36bの2片が固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されている。
前記電極34を延長することにより他の熱電変換素子を追加して配線することも可能で、その場合には、前記電極34、前記p型熱電変換素子35、前記電極33、前記n型熱電変換素子36、前記電極34の順の繰り返し単位によって前記p型熱電変換素子35及び前記n型熱電変換素子36が交互且つ直列に配線されるようにする。
前記電極34を延長することにより他の熱電変換素子を追加して配線することも可能で、その場合には、前記電極34、前記p型熱電変換素子35、前記電極33、前記n型熱電変換素子36、前記電極34の順の繰り返し単位によって前記p型熱電変換素子35及び前記n型熱電変換素子36が交互且つ直列に配線されるようにする。
さらに、前記p型熱電変換素子35並びに前記n型熱電変換素子分割片36a及び36bは、図に示すような高さL13〜L15、幅W5〜W7をそれぞれ有しており、W6>W7である。なお、L13=L14+L15である。
さらに、図6に示す各前記分割片の各長さの組(L13,W5)、(L14,W6)、(L15,W7)は、それぞれ上記式(1)に示す高さ(L)と幅(W)の関係を満たす。
さらに、図6に示す各前記分割片の各長さの組(L13,W5)、(L14,W6)、(L15,W7)は、それぞれ上記式(1)に示す高さ(L)と幅(W)の関係を満たす。
上記式(1)によって寸法を規定され、且つ、2片以上の幅(W)が等しい熱電素子分割片から構成されている熱電変換素子を用いる際、高さ(L)と幅(W)の関係が既に上記式(1)によって規定されていることから、自由に高さ(L)を変更することは難しい。しかし、図6に示すように、同じ前記素子36に含まれる前記分割片36bの前記幅W7が、他の前記分割片36aの前記幅W6よりも小さいという構成を採用することにより、前記幅W7を小さくするのに伴って、上記式(1)より前記分割片36bの前記高さL15を小さく抑えることができ、前記素子36の高さを抑えることができる。それに伴って、熱電変換モジュール全体の高さを低くすることができる。
このような構成の熱電変換モジュールは、熱電変換素子分割片の高さ(L)と幅(W)を上記式(1)のように規定することによって、個々の熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和することができ、熱電変換素子分割片が固着せずに電流流路方向に積み重なることで構成されている熱電変換素子自体の破壊を防止することができる。
また、このような構成の熱電変換モジュールは、前記幅(W)を小さくするのに伴って、上記式(1)より前記熱電変換素子分割片の高さ(L)を小さく抑えることができることから、結果的に熱電変換モジュール全体の高さを低くすることができ、個々の前記熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和しながら熱電変換モジュールの占有体積を小さく抑えることができる。
また、このような構成の熱電変換モジュールは、前記幅(W)を小さくするのに伴って、上記式(1)より前記熱電変換素子分割片の高さ(L)を小さく抑えることができることから、結果的に熱電変換モジュール全体の高さを低くすることができ、個々の前記熱電変換素子分割片自体に付与される温度差による熱応力を緩和しながら熱電変換モジュールの占有体積を小さく抑えることができる。
図7に本発明の実施例1乃至4及び比較例の熱電変換モジュールの一部である、p型熱電変換素子、n型熱電変換素子及び電極の構成を示した。なお、図中白い四辺形がp型熱電変換素子又はp型熱電変換素子分割片であり、それと対をなす黒い四辺形がn型熱電変換素子又はn型熱電変換素子分割片である。また、縦縞の四辺形が、前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子をつなぐ電極を表している。
[実施例1]
図7(a)に示す実施例1は、典型例(図3)を反映したものであり、p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。Ba8Ga18Ge28の破壊強度σTEは110MPa、線膨張係数αは14×10−6、弾性率Eは90GPa、及びBa8Ga16Ge30の破壊強度σTEは110MPa、線膨張係数αは14×10−6、弾性率Eは90GPaであり、前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.27mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(3.2mm,4.0mm)である。
図7(a)に示す実施例1は、典型例(図3)を反映したものであり、p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。Ba8Ga18Ge28の破壊強度σTEは110MPa、線膨張係数αは14×10−6、弾性率Eは90GPa、及びBa8Ga16Ge30の破壊強度σTEは110MPa、線膨張係数αは14×10−6、弾性率Eは90GPaであり、前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.27mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(3.2mm,4.0mm)である。
[実施例2]
図7(b)に示す実施例2は、典型例(図3)を反映したものであるが、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子はそれぞれ3つの熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されている。上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,460℃,20℃)であり、高温側面から数えて3つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(460℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.3mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.3mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて3つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(2.9mm,4.0mm)である。
図7(b)に示す実施例2は、典型例(図3)を反映したものであるが、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子はそれぞれ3つの熱電変換素子分割片が積み重なることで構成されている。上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,460℃,20℃)であり、高温側面から数えて3つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(460℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.3mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.3mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて3つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(2.9mm,4.0mm)である。
[実施例3]
図7(c)に示す実施例3は、典型例を反映し、図5に示したように熱電変換素子分割片同士の界面が電流流路方向に垂直でなく斜めになっている。上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の考慮すべき高さLと幅Wは(L,W)=(1.3mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の考慮すべき高さLと幅Wは(L,W)=(3.2mm,4.0mm)である。
図7(c)に示す実施例3は、典型例を反映し、図5に示したように熱電変換素子分割片同士の界面が電流流路方向に垂直でなく斜めになっている。上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の考慮すべき高さLと幅Wは(L,W)=(1.3mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の考慮すべき高さLと幅Wは(L,W)=(3.2mm,4.0mm)である。
[実施例4]
図7(d)に示す実施例4は、変形例(図6)を反映したものであり、n型熱電変換素子は2片の熱電変換素子分割片から構成されるのに対し、p型熱電変換素子は1片の素子のみから成る。また、上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,100℃,20℃)であり、n型熱電変換素子を構成する高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子の高さLと幅Wは(L,W)=(4.0mm,4.0mm)であり、n型熱電変換素子を構成する高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.27mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(2.7mm,3.4mm)である。
図7(d)に示す実施例4は、変形例(図6)を反映したものであり、n型熱電変換素子は2片の熱電変換素子分割片から構成されるのに対し、p型熱電変換素子は1片の素子のみから成る。また、上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子の高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,100℃,20℃)であり、n型熱電変換素子を構成する高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,530℃,20℃)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の前記TH、前記TC、前記TRが(TH,TC,TR)=(530℃,100℃,20℃)であることから、p型熱電変換素子の高さLと幅Wは(L,W)=(4.0mm,4.0mm)であり、n型熱電変換素子を構成する高温側面から数えて1つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(1.27mm,4.0mm)であり、高温側面から数えて2つ目の熱電変換素子分割片の高さLと幅Wは(L,W)=(2.7mm,3.4mm)である。
[比較例]
図7(e)に示す比較例は、従来通り、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子のどちらも1片の素子のみから成るものを用いた。また、上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,100℃,20℃)であり、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高さLと幅Wは(L,W)=(3.4mm,4.0mm)である。
図7(e)に示す比較例は、従来通り、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子のどちらも1片の素子のみから成るものを用いた。また、上記同様p型熱電変換素子にはBa8Ga18Ge28、n型熱電変換素子にはBa8Ga16Ge30を用いた。前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子ともに、高温側温度TH、低温側温度TC、初期温度TRが(TH,TC,TR)=(600℃,100℃,20℃)であり、p型熱電変換素子及びn型熱電変換素子ともに、高さLと幅Wは(L,W)=(3.4mm,4.0mm)である。
なお、実施例1乃至4及び比較例の全てにおいて、以下の共通する条件を用いた。すなわち、高温側電極にはTi2Cu3を用い、拡散接合により熱電変換素子と接合した。低温側電極には銅を用い、低温側電極と接する熱電変換素子の部位にはAuメッキ、Niメッキ、Auメッキの順にメッキを施した後、はんだ付けにより低温側電極と接合した。熱電変換素子を構成する熱電変換素子分割片同士は接合せず、互いに押し付け合い、さらに熱電変換素子分割片同士の界面にすべりやすく電気的導通を妨げない材料である銅を塗布することで電気的な導通を取った。さらに、一対の窒化アルミを基板として、電極の両側から挟持し、熱電変換モジュールを作製した。
1…p型熱電変換素子
2…n型熱電変換素子
3…電極
4…基板
5…端の電極
6…電流流路方向
7…電流流路方向上流の熱電変換素子分割片
8…電流流路方向下流の熱電変換素子分割片
9…熱電変換素子分割片
11、12…基板
13、14…電極
15…p型熱電変換素子
15a、15b…p型熱電変換素子分割片
16…n型熱電変換素子
16a、16b…n型熱電変換素子分割片
21…方形の構造物
22…変形した構造物
31、32…基板
33、34…電極
35…p型熱電変換素子
36…n型熱電変換素子
36a、36b…n型熱電変換素子分割片
100…熱電変換モジュール
200…熱電変換モジュール
300…熱電変換モジュール
2…n型熱電変換素子
3…電極
4…基板
5…端の電極
6…電流流路方向
7…電流流路方向上流の熱電変換素子分割片
8…電流流路方向下流の熱電変換素子分割片
9…熱電変換素子分割片
11、12…基板
13、14…電極
15…p型熱電変換素子
15a、15b…p型熱電変換素子分割片
16…n型熱電変換素子
16a、16b…n型熱電変換素子分割片
21…方形の構造物
22…変形した構造物
31、32…基板
33、34…電極
35…p型熱電変換素子
36…n型熱電変換素子
36a、36b…n型熱電変換素子分割片
100…熱電変換モジュール
200…熱電変換モジュール
300…熱電変換モジュール
Claims (2)
- 同じ前記熱電変換素子に含まれる前記熱電変換素子分割片のうち、少なくとも1つの当該熱電変換素子分割片の前記幅(W)が、他の前記熱電変換素子分割片の前記幅(W)よりも小さい、請求項1に記載の熱電変換モジュール。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007249695A JP2009081286A (ja) | 2007-09-26 | 2007-09-26 | 熱電変換モジュール |
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---|---|---|---|
JP2007249695A JP2009081286A (ja) | 2007-09-26 | 2007-09-26 | 熱電変換モジュール |
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Family Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2007
- 2007-09-26 JP JP2007249695A patent/JP2009081286A/ja active Pending
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US11430936B2 (en) | 2018-08-21 | 2022-08-30 | Lg Chem, Ltd. | Thermoelectric module |
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