JP2016092017A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】熱抵抗が小さく、放熱性に優れ、高温側と低温側の間に大きな温度差を形成できる熱電モジュールが望まれる。【解決手段】熱電モジュールは、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の熱電特性を有する第１熱電素子と、Ｐ型およびＮ型のいずれか他方の熱電特性を有する第２熱電素子と、前記第１および第２熱電素子の低温側を電気的に接続する第１電極と、を備え、前記第１電極は、ヒートシンクとして機能するよう、前記第１および第２熱電素子からアーチ状に延在する。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電モジュールに関する。

熱を電気エネルギーに直接変換する、ゼーベック効果に基づく技術は、未利用廃熱を回収する技術の一つとして近年注目されている。

バルク型の熱電素子を用いる熱電モジュールは、一般的にπ型構造を有する。このような熱電モジュールにおいて、Ｐ型とＮ型の熱電素子は、電気的には平板電極を介して直列に接続され、熱的には並列に構成される。この熱電モジュールでは、高温側から低温側へ流れる熱流に伴って、キャリアが拡散する。これによって、電流が一定の方向に流れて、電力を取り出すことができる。

一般的に、上記のような熱電モジュールの製造方法は、下記の工程を備える：
ホットプレス法などにより作成したＰ型熱電材料製およびＮ型熱電材料製のインゴットからＰ型とＮ型の熱電素子をそれぞれ切り出す工程と；
切り出されたＰ型とＮ型の熱電素子を下部基板上に配置し、下部基板上に配置された第２平板電極を介して両熱電素子を電気的に接続する工程と；
Ｐ型とＮ型の熱電素子の低温側を上部基板上に配置された第１平板電極を介して電気的に接続する工程。

熱電モジュールの効率を向上させるためには、高温側と低温側の温度差を大きくすることが求められる。このため、熱電素子の低温側を水冷板と接触させたり、放熱パッドと接触させたりすることが行われている。

特許文献１には、高温側基板および低温側基板にそれぞれ溝を形成し、これらの溝に放熱パッドをそれぞれ埋め込み、Ｐ型およびＮ型熱電素子の低温側を電気的に接続する第１平板電極と、Ｐ型およびＮ型熱電素子の高温側を電気的に接続する第２平板電極とをそれぞれ放熱パッドに接触させる熱電モジュールが開示されている。

特開２０１３−２６６１８号公報

以下の分析は、本発明によって与えられたものである。
上述したように、熱電モジュールに水冷板又は放熱パッドを追加すると、熱抵抗が増加するという問題が生じる。特許文献１の熱電モジュールによれば、電極と放熱パッドの界面、および基板と放熱パッドの界面で、新たな熱抵抗が生じる。さらに、特許文献１の熱電モジュールによれば、基板に放熱パッドを埋め込むため、放熱性の改善効果が限定的であるという問題がある。これらの問題は、熱電モジュールにおいて高温側と低温側間の温度差を減少させる原因となる。

かくして、熱抵抗が小さく、放熱性に優れ、高温側と低温側の間に大きな温度差を形成できる熱電モジュールが望まれる。

本開示の第１視点によれば、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の熱電特性を有する第１熱電素子と、Ｐ型およびＮ型のいずれか他方の熱電特性を有する第２熱電素子と、前記第１および第２熱電素子の低温側を電気的に接続する第１電極と、を備え、前記第１電極は、ヒートシンクとして機能するよう、前記第１および第２熱電素子からアーチ状に延在する、熱電モジュールが提供される。

上記熱電モジュールの効果を下記に例示する：
（１）第１電極がヒートシンクを兼用しているため、熱電モジュールの構成部材数が少なく、熱抵抗が小さい。
（２）第１電極がアーチ形状（乃至部分ループ状もしくはセミループ状）を有しているため、第１電極の全長が長く、放熱面積が広い。
（３）（１）および（２）の効果より、大きな温度差を得ることができるため、発電量あるいは冷暖房能力が大きくなる。
（４）第１電極が可撓性を有するため、熱電モジュールの変形および設計自由度が高い。よって、本開示の熱電モジュールは、装着面（熱源又は放熱面）が曲面である場合にも、好適に適用される。

実施形態１に係る熱電モジュールにおいて、低温側の第１電極の構成を説明するための模式図である。 実施形態１に係る熱電モジュールにおいて、高温側の第２電極の一例を説明するための模式図である。 実施形態１に係る熱電モジュールにおいて、高温側の第２電極の他例を説明するための模式図である。 図２に示したような熱電モジュールの適用例（実施形態２）を説明するための模式図である。 図３に示したような熱電モジュールの適用例（実施形態２）を説明するための模式図である。 実施形態３に係る熱電モジュールの全体構成の一例を説明するための模式図である。 （Ａ）〜（Ｉ）は、第１電極の形状に関する複数の変形例（実施形態４）を説明するための模式図である。 図７（Ｈ）に示したような断面形状の第１電極を用いた実施形態５に係る熱電モジュールの全体構成の一例を説明するための模式図である。 実験結果を説明するためのグラフである。

（形態１）形態１は、第１視点のとおりである。
（形態２）前記第１および第２熱電素子は、柱状であり、前記第１電極の一端部は、前記第１熱電素子の前記低温側の端面に接合され、前記第１電極の他端部は、前記第２熱電素子の前記低温側の端面に接合され、前記第１電極は、前記第１および第２熱電素子の前記低温側の前記端面の上方でアーチ状に延在する。前記第１および第２熱電素子は、例えば円柱状、多角形状（例えば三〜八角柱状）、頂面を有する円錐形状に形成される。
（形態３）前記第１電極は、前記第１および第２熱電素子の低温側の端面から、少なくとも３ｍｍ突出する。
（形態４）前記第１電極の横断面は、矩形状である。あるいは、前記第１電極の横断面は、円状でもよい。
（形態５）前記第１電極は、複数の電極から構成される。
（形態６）前記熱電モジュールを覆うカバー（収容するハウジング）を備え、前記第１電極は、前記カバー（ハウジング）の内面と前記第１および第２熱電素子との間に形成される空間内に、暴露される。
（形態７）熱電モジュールは、さらに、前記第１熱電素子と熱電特性（伝導型）が異なり、前記第２熱電素子と熱電特性が同じである第３熱電素子と、前記第１および第３熱電素子の高温側を電気的に接続する第２電極と、を備え、前記第２電極は、ヒートシンクとして機能するよう、前記第１および第３熱電素子からアーチ状に延在する。

熱を効率よく逃がすためには、熱抵抗を小さくすると共に、熱伝導性がよく表面積が大きな部材へ、熱を伝導させることが重要である。そのため、特許文献１のように、熱電素子と上部基板の間に、放熱パッドのような異種部材を挿入すると、部材間の密着性は向上するが、上部基板に埋め込まれた放熱パッドからの放熱性が低く、又放熱パッドの熱伝導率、耐久性およびコストに関して、新たな課題が生じる。本開示の第１電極によれば、そのアーチ形状によって、上記課題を解決することができる。

第１電極は、第１および第２熱電素子の上方でアーチを描くことが好ましい。これによって、第１電極と第１および第２熱電素子との干渉が防止され、多数の熱電素子を密集して配置することができると共に、第１電極からの放熱性が向上する。

第１電極は、放熱面積が大きくなるよう、又は空間占有率が大きくなるよう、湾曲又は折れまがっていること、特に、複数の変曲点又は複数の折曲点を有することが好ましい。

高温側に配置される第２電極には、一般的な平板電極を用いることができる。なお、熱電素子の高温側に入力される熱量が過大である場合、第２電極にも、第１電極と同様にアーチ状の電極を用いて、入力される熱量を制限することができる。

熱電素子の材料を下記に例示する：シリサイド系、Ｓｉ−Ｇｅ系、酸化物系、ＰｂＴｅ系、ＴＡＧＳ系、ＬａＴｅ系、充填ステックルダイト系、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｓｅ系、Ｚｎ_４Ｓｂ_３系、およびＢｉ−Ｔｅ系。例えば、Ｐ型熱電素子として、例えば（Ｂｉ，Ｓｂ）_２Ｔｅ_３を用いることができる。Ｎ型熱電素子として、例えばＢｉ_２（Ｔｅ，Ｓｅ）_３を用いることができる。

第１および第２電極は、熱伝導度が高く、電気抵抗が低く、熱電素子との間の熱抵抗を小さくできる材料から構成することが好ましい。例えば、銅、アルミニウム、金、銀、白金、及びそれらの合金である。銅合金として、例えば、Ｃｕ−Ｓｎ系やＣｕ−Ｎｉ系を用いることができる。

熱電素子において、電極が接合される面をめっきしてもよく、電極を熱電素子に直接接合してもよい。

高温側の第２電極が平板状である場合、第２電極は、例えば、電気的絶縁性、例えばセラミックス製の基板を介して、廃熱源ないし放熱面に装着される。

第１電極を第１および第２熱電素子へ接合する方法として、加熱接合、超音波接合、およびろう付け等を用いることができ、或いは接着材、又はボルトやナット等のファスナを用いてもよい。第２電極についても同様である。

廃熱源としては、高温の流体が流れる配管、例えば車両の排気管（例えばＳＵＳ製マニホルド）若しくは内燃機関、或いは炉、例えば熱処理炉が例示される。

以下、実施形態等を、図面を参照しつつ例示する。

［実施形態１］
図１を参照すると、実施形態１に係る熱電モジュールは、Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の熱電特性を有する第１熱電素子１と、Ｐ型およびＮ型のいずれか他方の熱電特性を有する第２熱電素子２と、第１および第２熱電素子１、２の低温側（Ｃｏｌｄ Ｓｉｄｅ）を電気的に接続する第１電極１１と、を備えている。この熱電モジュールでは、高温側（Ｈｏｔ Ｓｉｄｅ）から低温側に向かって、熱流Ｑが発生する。

第１および第２熱電素子１、２は、円柱状である。第１および第２熱電素子１、２は、それらの周面同士が対向するよう配列されている。第１電極１１の一端部すなわち第１接合部１１ａは、第１熱電素子１の低温側の端面に接合されている。第１電極１１の他端部すなわち第２接合部１１ｂは、第２熱電素子２の低温側の端面に接合されている。

第１電極１１は、ヒートシンクとして機能するよう、第１および第２熱電素子１、２からアーチ状に延在している。特に、第１電極１１は、第１および第２熱電素子１、２の低温側の端面の上方でアーチ状に延在している。

第１電極１１の効果について、下記に例示する：
（１）第１電極１１がヒートシンクを兼用しているため、熱電モジュールの構成部材数が少なくなり、熱抵抗が小さくなる（構成部材間の界面における熱抵抗が減少する）。
（２）第１電極１１はアーチ形状を有しているため、全長が長く、放熱面積が広い。
（３）第１電極１１は、第１および第２熱電素子１、２の上方の空間、すなわち、第１および第２熱電素子１、２から離れた位置でアーチを描いているため、放熱性が高い。

次に、この熱電モジュールの高温側の電極について説明する。

図２を参照すると、熱電モジュールは、さらに、第１熱電素子１と熱電特性が異なり、第２熱電素子２と熱電特性が同じである第３熱電素子３と、第１および第３熱電素子１、３の高温側（Ｈｏｔ Ｓｉｄｅ）を電気的に接続する第２電極２１と、を備えている。

高温側の第２電極２１として、熱電モジュールにおいて一般的に採用されている、平板電極を用いることができる。或いは、図３を参照すると、高温側の第２電極２１として、第１電極１１と同様に、第１および第３熱電素子１、３の高温側の端面の上方でアーチ状に延在する電極を用いることができる。第２電極２１の一端部すなわち第３接合部２１ａは、第１熱電素子１の高温側の端面に接合されている。第２電極２１の他端部すなわち第４接合部２１ｂは、第３熱電素子３の高温側の端面に接合されている。

図３に示す電極構成は、熱電モジュールの高温側に入力される熱量が過大であり、適切な温度差が得ることが困難である場合、又は熱電モジュールの装着面（熱源の放熱面）の曲率が大きい場合（後述する図５参照）に、好適に適用される。

［実施形態２］
実施形態２では、実施形態１の熱電モジュールを、廃熱源の放熱面が曲面である場合に適用した例を説明する。

図４は、高温側（Ｈｏｔ Ｓｉｄｅ）の第２電極２１として、図２に示したような平板電極を用いた例を示している。図４を参照すると、曲面である放熱面５、例えば、高温の流体が流れる配管の外周面に、電気的絶縁性の基板４を介して、図２に示したような熱電モジュールが装着されている。基板４は、管状である。基板４は、接着材、ろう材又はファスナを用いて、放熱面５に接合することができる。高温側の第２電極２１は、平板状の剛体である。第２電極２１は、接着材、ろう材又はファスナを用いて、基板４に接合することができる。一方、低温側（Ｃｏｌｄ Ｓｉｄｅ）の第１電極１１は、アーチ状であって、高い変形自由度を有する。これによって、第１〜第３熱電素子１〜３並びに第１および第２電極１１、２１から構成される熱電モジュールの基本構造を環状に配列することが容易となっている。かくして、高温側の第２電極２１が剛体であって平板状であるにもかかわらず、熱電モジュールを曲面に装着することが容易となっている。

図５は、高温側の第２電極２１として、図３に示したようなアーチ状電極を用いた他例を示している。以下、図５に示す他例と、図４に示した一例との相違点について説明し、両例の共通点については、上記記載を参照するものとする。

図５を参照すると、図４に比べて曲率が大きい放熱面５に、電気的絶縁性の基板４を介して、図３に示したような熱電モジュールが装着されている。高温側（Ｈｏｔ Ｓｉｄｅ）の第２電極２１も、低温側（Ｃｏｌｄ Ｓｉｄｅ）の第１電極１１と同様に、アーチ状であって、高い変形自由度を有する。このような熱電モジュールは、小径な配管にも装着容易である。

［実施形態３］
図６は、実施形態３に係る熱電モジュールの全体構成の一例を説明するための模式図である。

図６を参照すると、実施形態３の熱電モジュールは、基板４と一体化されてハウジング（４、６）を構成するカバー６を有している。低温側（Ｃｏｌｄ Ｓｉｄｅ）では、多数の第１電極１１が、カバー６内の空間６ａに露出状態で収容されている。これによって、第１電極１１からの放熱性が高められている。なお、放熱性をさらに高めるため、カバー６に孔等を設けることも好ましい。

高温側（Ｈｏｔ Ｓｉｄｅ）において、第２電極２１は、基板４上に固定されている。第２電極２１は、図６に示すような平板状でも、図３に示したようなアーチ状であってもよい。

この熱電モジュールに温度差を与えると、端子７、８を介して電流を取り出すことができる。反対に、この熱電モジュールに、端子７、８を介して電流を供与すると、冷却及び／又は加熱をすることができる。電流の方向を変えることによって、熱電モジュールの第１電極１１側を加熱側とすることもでき、冷却側とすることもできる。

［実施形態４］
図７（Ａ）〜（Ｉ）を参照して、第１電極１１の種々の形状を例示する。

図７（Ａ）〜（Ｄ）を参照すると、第１電極１１は、円弧ないし楕円状、矩形状、オーム字状又は波状を有する。このように、第１電極１１は、熱電素子を高密度で配置できるよう、熱電素子の上方で拡開する形状を有することが好ましい。

図７（Ｅ）を参照すると、第１および第２接合部１１ａ、１１ｂは、第１電極１１の表側に配置されている。図７（Ｆ）を参照すると、第１および第２接合部１１ａ、１１ｂは、第１電極１１の表裏側にそれぞれ配置されている。第１および第２接合部１１ａ、１１ｂの形成位置は、第１電極１１同士が干渉しないよう、定められる。

図７（Ｇ）を参照すると、第１電極１１の横断面は矩形状である。よって、第１電極１１はリボン状である。このような第１電極１１は、その太さ（横断面積）に対して、表面積が大きいため、放熱上有利である。図７（Ｈ）を参照すると、第１電極１１の横断面は円状である。このような第１電極１１は、安価に形成でき、取扱いが容易である。

図７（Ｉ）を参照すると、第１電極１１は、複数の第１電極１１から構成されている。複数の第１電極１１は、第１および第２熱電素子１、２（図１参照）間に、並列接続される。複数の第１電極１１は、一つの第１電極１１よりも、例えば側面分、合計の表面積が大きくなる。

［実施形態５］
図８を参照して、図７（Ｈ）に示したような形状の第１電極１１を用いた熱電モジュールの全体構成の一例を説明する。図８において、第１電極１１は、線状を有しているが、その横断面積は十分に太いため、ヒートシンクとして機能することができる。さらに、複数の第１電極１１は高密度で配置されているため、複数の第１電極１１は、集合体として、高い放熱性を有している。また、第１〜第３熱電素子１〜３を高密度で集積し、かつ電気的に直列に接続するため、第２電極２１の配置方向（第２電極２１の長軸方向）が、熱電モジュールの中央部と端部では変更されている（中央部の配置方向と端部の配置方向とが交差している）。

図１又は図２に示したような構造を有する熱電モジュールを用い、さらに第１電極１１の長さを変えて、熱電モジュールに発生する温度差を計測した。第１電極１１は、第１および第２熱電素子１、２に超音波接合した。なお、超音波接合する場合には、第１および第２熱電素子をめっきすることが好ましい。また、レーザ接合する場合には、めっきをしなくてもよい。第１電極１１には、リボン状のＣｕ製電極を用いた。第１電極１１は、厚みｔを０．２ｍｍ、幅を２ｍｍ、第１および第２接合部１１ａ、１１ｂの面積はそれぞれ０．４＊０．４ｍｍとし、長さを０、１０、２０又は４０ｍｍの間でそれぞれ変更した。電極長さが長いほど、大きなアーチを描き、放熱面積が大きくなる。なお、長さ０ｍｍとは、図１又は図２を参照して、第１電極１１が、第１および第２接合部１１ａ、１１ｂ分の長さと、第１および第２熱電素子１、２が直接接触しないよう設定される僅かなクリアランス分との合計長さしか有していないこと、すなわち、アーチ状ではないことを意味する。熱電モジュールの高温側を２２０℃に加熱したホットプレートに接触させ、上記温度差を計測した。

図９に示す実験結果を参照すると、第１電極１１が長く、アーチが大きくなるほど、温度差ＤＴが大きくなった。長さ０ｍｍの平板状の第１電極に比べて、長さ２０ｍｍのアーチ状の第１電極１１によれば約２０℃大きい温度差が得られ、長さ４０ｍｍのアーチ状の第１電極１１によれば約２７℃大きい温度差が得られた。また、少なくとも３ｍｍ（≒長さ１０ｍｍ／３．１４）、第１および第２熱電素子１、２の低温側端面から突出する、長さ１０ｍｍの第１電極１１によっても、約１０℃の温度差が得られ、このような第１電極１１も、ヒートシンクとして十分に機能することが確認された。さらに好ましくは、第１電極１１は、少なくとも６ｍｍ、９ｍｍ又は１０ｍｍ以上突出する。

熱電モジュールでは、温度差に比例して、得られる電圧が大きくなる。電力は電圧の二乗に比例する。したがって、長さ４０ｍｍのアーチ状の第１電極１１によれば、長さ０ｍｍの平板状の第１電極に比べて、得られる電極は１．５倍になる。このような熱電効率の向上が得られる理由を下記に説明する：
（１）第１電極１１が第１および第２熱電素子１、２に直接接合されていることによって、第１電極１１と第１および第２熱電素子１、２との間の熱抵抗が小さくなるため；
（２）第１電極１１が空間に暴露されていることによって、第１電極１１とそれが曝されている空間との間の熱抵抗が小さくなるため；および
（３）第１電極１１の放熱面積が大きいため、と考えられる。

第１電極１１の長さないし表面積の上限は、第１電極１１同士の干渉、第１電極１１と第１および第２熱電素子１、２の干渉、および電気抵抗を考慮して、定めることが好ましい。第１電極１１の好ましい表面積／断面積は、１００〜４００の範囲である。好ましい表面積／断面積の算出式の一例を下記に示す：
２（表裏面分、なお両側面および両端面の面積は単純化のためここでは無視する）×（幅２ｍｍ×長さ１０〜４０ｍｍ）／（幅２ｍｍ×ｔ０．２ｍｍ）。

本開示の熱電モジュールは、ゼーベック効果を利用する発電装置、あるいはベルチェ効果を利用する冷却装置および加熱装置に、適用される。本開示の熱電モジュールは、装着面が平面である場合だけでなく、曲面である場合にも適用される。

なお、上記の特許文献の開示を、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし選択が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。

１ 第１熱電素子
２ 第２熱電素子
３ 第３熱電素子
４ 基板、下部基板
５ 放熱面（廃熱源）
６ カバー
（４，６） ハウジング
７，８ 端子
１１ 第１電極、低温側電極
１１ａ，１１ｂ 第１および第２接合部
２１ 第２電極、高温側電極
２１ａ，２１ｂ 第３および第４接合部
Ｃｏｌｄ Ｓｉｄｅ 低温側
Ｈｏｔ Ｓｉｄｅ 高温側
Ｑ 熱流

Claims (7)

1. Ｐ型およびＮ型のいずれか一方の熱電特性を有する第１熱電素子と、
   Ｐ型およびＮ型のいずれか他方の熱電特性を有する第２熱電素子と、
   前記第１および第２熱電素子の低温側を電気的に接続する第１電極と、
   を備え、
   前記第１電極は、ヒートシンクとして機能するよう、前記第１および第２熱電素子からアーチ状に延在する、ことを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記第１および第２熱電素子は、柱状であり、
   前記第１電極の一端部は、前記第１熱電素子の前記低温側の端面に接合され、
   前記第１電極の他端部は、前記第２熱電素子の前記低温側の端面に接合され、
   前記第１電極は、前記第１および第２熱電素子の前記低温側の前記端面の上方でアーチ状に延在する、ことを特徴とする請求項１記載の熱電モジュール。
3. 前記第１電極は、前記第１および第２熱電素子の低温側の端面から、少なくとも３ｍｍ突出することを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電モジュール。
4. 前記第１電極の横断面は、矩形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の熱電モジュール。
5. 前記第１電極は、複数の電極から構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一に記載の熱電モジュール。
6. 前記熱電モジュールを覆うカバーを備え、
   前記第１電極は、前記カバーの内面と前記第１および第２熱電素子との間に形成される空間に、暴露される、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の熱電モジュール。
7. さらに、前記第１熱電素子と熱電特性が異なり、前記第２熱電子と熱電特性が同じである第３熱電素子と、
   前記第１および第３熱電素子の高温側を電気的に接続する第２電極と、
   を備え、
   前記第２電極は、ヒートシンクとして機能するよう、前記第１および第３熱電素子からアーチ状に延在する、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一に記載の熱電モジュール。

Images