JP2017208478A - 熱電変換モジュールおよび熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の熱電変換モジュールを組立てて熱電変換装置を構成する場合において、優れた熱電変換効率を得ることができる熱電変換モジュールおよび熱電変換装置を提供すること。【解決手段】本発明の熱電変換モジュールは、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられた複数の熱電変換素子と、前記基板の表面に設けられた導体からなり複数の前記熱電変換素子の間を接続して回路を構成する配線と、前記回路に接続された端子を有する端子部とを備え、前記端子部は絶縁層と導体層が積層されてフレキシブルに構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、熱電変換モジュールおよび熱電変換装置に関する。

従来より、複数の熱電変換素子を内蔵した熱電変換モジュール、および複数の熱電変換モジュールを接続して構成される熱電変換装置が知られている。このような熱電変換装置類は、温度差により電力を生成する用途、あるいは電力を温度差に変換する用途に使用される。

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

特開２００８−１０８９００号公報

このような熱電変換装置は、所定規模の出力を得るために、多数の熱電変換モジュールを直列および並列に接続して構成する場合がある。従来の熱電変換装置は、多数の熱電変換モジュールを接続して構成した際に、十分な熱電変換効率を得ることが困難であった。

本発明は、多数の熱電変換モジュールを組立てて熱電変換装置を構成する場合において、優れた熱電変換効率を得ることができる熱電変換モジュールおよび熱電変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の熱電変換モジュールは、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられた複数の熱電変換素子と、前記基板の表面に設けられた導体からなり複数の前記熱電変換素子の間を接続して回路を構成する配線と、
前記回路に接続された端子を有する端子部とを備え、前記端子部は絶縁層と導体層が積層されてフレキシブルに構成される。

本発明の第２の熱電変換モジュールは、一対の基板と、前記一対の基板の向かい合う側の面に設けられた導体からなる配線と、前記一対の基板の間に設けられ前記配線によって接続された複数の熱電変換素子と、前記配線と前記熱電変換素子とによって構成された回路に接続された端子とを備え、前記端子は前記基板の一方に設けられた切り欠き部から露出している。

本発明の熱電変換装置は、複数の熱電変換モジュールと、前記複数の熱電変換モジュールの端子が接続されたフレキシブル基板とを備え、前記熱電変換モジュールは、上記第１の熱電変換モジュールまたは第２の熱電変換モジュールである。

上記の構成を有することにより、本発明の熱電変換モジュールおよび熱電変換装置は、熱電変換装置を構成した際に優れた熱電変換効率を有する。

実施の形態１の熱電変換モジュールの斜視図 同熱電変換モジュールの分解斜視図 同熱電変換モジュールの部分断面図 実施の形態１の熱電変換装置の上面図 同熱電変換装置の部分拡大図 同熱電変換装置の部分断面図 実施の形態１の第１の変形例の熱電変換モジュールの斜視図 同熱電変換モジュールの部分断面図 実施の形態１の第２の変形例の熱電変換モジュールの斜視図 同熱電変換モジュールの部分断面図 実施の形態１の第３の変形例の熱電変換モジュールの斜視図 同熱電変換モジュールの分解斜視図 実施の形態１の第３の変形例の熱電変換装置の上面図 実施の形態２の熱電変換モジュールの斜視図 同熱電変換モジュールの分解斜視図 同熱電変換装置の部分断面図 実施の形態２の熱電変換装置の上面図 同熱電変換装置の部分拡大図 同熱電変換装置の部分断面図

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下では全ての図を通じて共通する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における熱電変換モジュール１０の斜視図である。図２は、図１に示す熱電変換モジュール１０の分解斜視図である。図３は、図１に示す熱電変換モジュール１０のＡ−Ａ線における部分断面図である。図４は、実施の形態１における熱電変換装置２０の上面図である。図５は、図４に示す熱電変換装置２０のＢ部の部分拡大図である。図６は、図５に示す熱電変換装置２０のＣ−Ｃ線における部分断面図である。

図１〜図６において、熱電変換モジュール１０は、対向する一対の基板１１、１２と、一対の基板１１、１２が互いに向かい合う側の表面に設けられた導体からなる配線１、２と、配線１、２によって接続された複数の熱電変換素子３と、配線１に接続された導体からなる端子１３を有する。複数の熱電変換素子３は、側面方向から絶縁性の封止体４を用いて一対の基板１１、１２の間で封止される。

熱電変換素子３としては、例えば、ｐ型半導体からなるものおよびｎ型半導体からなるものが用いられ、交互に直列に接続される。封止体４としては、シリコンゴムなどの接着剤を用いることができる。

下側の基板１１は、可撓性と絶縁性を有するポリイミドフィルムからなるフレキシブル基板である。基板１１の一部は熱電変換モジュール１０の本体の対向する辺の両側から外方向に延長した延長部１４を有する。基板１１の上側の面には導体からなる配線１が設けられ、延長部１４の上側の面には端子１３が設けられている。端子１３と延長部１４は積層されて、熱電変換モジュール１０の本体の対向する辺の両側から外方向に延長する端子部１５を構成する。

下側の基板１１の構成材料としては、ポリイミドフィルムの他に、他の樹脂基板や金属
基板などの可撓性を有する基板を使用することができる。下側の基板１１として金属基板のように導電性を有する基板１１を使用する場合には、基板１１と配線１との間および延長部１４と端子１３との間に絶縁層を設け、絶縁性を確保する。

上側の基板１２は、銅からなる金属基板であり、基板１２の下側の表面には配線２が設けられ、基板１２と配線２との間には絶縁性と密着性を確保するための絶縁層１６が設けられている。上側の基板１２の構成材料としては、金属銅基板以外には、銅以外の金属基板、酸化アルミニウムなどのセラミック基板、ポリイミドなどの有機物からなるフレキシブル基板などを使用することができる。

熱電変換モジュール１０は、下側の基板１１として、ポリイミドフィルムなどのフレキシブルな部材を用いて構成することにより、別途他の部材を用いることなく、端子部１５をフレキシブルな構成とすることができ、熱電変換モジュール１０の製造にかかる部材および工数を低減することができ、経済的に熱電変換モジュール１０を製造できる。

下側の基板１１あるいは上側の基板１２として、銅板などの金属基板を用いることにより、基板１１あるいは基板１２の熱伝導率を向上することができ、熱電変換モジュール１０の熱電変換特性を向上することができる。

端子部１５は、可撓性を有する端子１３と可撓性を有する延長部１４が積層されてフレキシブルに構成され、端子１３の接続構造の自由度を確保すると共に、端子１３の接続作業を容易にすることができる。ここで、端子部１５がフレキシブルであるとは、力を加えることにより変形可能であることをいう。端子部１５は、熱電変換モジュール１０の対向する一対の辺の両側にそれぞれ設けられ、熱電変換モジュール１０を格子状に配置することにより高密度に接続することが可能になる。端子部１５は、熱電変換モジュール１０の厚みよりも薄く構成されることにより、熱電変換モジュール１０における端子部１５を除く本体部の基板１１、１２の面に効率的に熱伝達することが可能になり、熱電変換モジュール１０の熱電変換効率が高まる。

熱電変換モジュール１０は、発電手段あるいは、冷却手段、あるいは加熱手段として活用することが出来る。熱電変換モジュール１０を発電手段として使用する場合には、上下の基板１１、１２に温度差を加え、端子１３から熱起電力を出力することができる。熱電変換モジュール１０を冷却手段あるいは加熱手段として活用する場合には、対向する端子１３の間に電力を加えることにより、その加える電圧の方向に応じて冷却あるいは加熱を行なうことができる。

図４〜図６において、熱電変換装置２０は、複数の熱電変換モジュール１０がフレキシブル基板２１を介して格子状に接続されている。熱電変換装置２０は、多数の熱電変換モジュール１０を直列および並列に接続することにより、より大規模な発電装置あるいは冷却装置あるいは加熱装置として利用される。

熱電変換装置２０において、フレキシブル基板２１は、樹脂部２２と導体部２３が積層された構成を有し、可撓性を有する。熱電変換モジュール１０の端子１３とフレキシブル基板２１の導体部２３は接続部２４を介して接続されている。接続部２４の接合方法としては、例えば、はんだ付け、スポット溶接などを用いることができる。熱電変換装置２０は、端子部１５の端子１３とフレキシブル基板２１の導体部２３を対向させて接続した構成を有し、これにより、極めて厚みの薄い配線により複数の熱電変換モジュール１０を接続することが可能になる。この構成は、厚みが薄く熱電変換効率の高い熱電変換モジュール１０を利用することを可能にする。一般に、熱電変換モジュール１０は厚みが薄いほど熱利用効率が高く、熱電変換効率が高い。熱電変換装置２０は、厚みの薄い熱電変換モジ
ュール１０相互を極めて厚みの薄い配線によって接続することができるため極めて高い熱変換効率を可能にする。

以上のように、熱電変換モジュール１０は、一対の基板１１、１２と、一対の基板１１、１２の間に設けられた複数の熱電変換素子３と、基板１１、１２の表面に設けられた導体からなり複数の熱電変換素子３の間を接続して回路を構成する配線１、２と、回路に接続された端子１３を有する端子部１５とを備え、端子部１５は絶縁層と導体層が積層されてフレキシブルに構成される。この構成を有することにより、多数の熱電変換モジュール１０を高密度に接続することが可能になり、熱電変換装置２０を構成した際に優れた熱電変換効率を得ることができる。また、熱電変換モジュール１０はこの構成を有することにより、多数の熱電変換モジュール１０を効率的に接続することが可能になり、大規模な熱電変換モジュール１０の設置作業が容易になる。

さらに、熱電変換モジュール１０において、端子部１５は、基板１１、１２の対向する一対の辺の両側にそれぞれ設けられた構成を有する。この構成を有することにより、熱電変換モジュール１０は、熱電変換装置を構成した際に高密度に配置することが可能になり、優れた熱電変換効率を得ることができる。また、この構成を有することにより、熱電変換モジュール１０は、高密度に接続する作業が容易になる。

さらに、熱電変換モジュール１０において、一対の基板１１、１２の少なくとも一方（基板１１）は可撓性絶縁層からなり、端子部１５の絶縁層は、一方の基板（基板１１）の一部が延長された延長部１４からなる。この構成を有することにより、熱電変換モジュール１０は、端子部１５を形成するために別途他の部材を準備する必要がなく、基板１１と配線１を延長して使用すれば良いので、端子部１５を形成するための追加の工数も少ないため、経済的に熱電変換モジュール１０を製造することができる。

また、熱電変換装置２０は、複数の熱電変換モジュール１０と、複数の熱電変換モジュール１０の端子１３が接続されたフレキシブル基板２１とを備える。この構成を有することにより、熱電変換装置２０は、熱電変換モジュール１０を高密度に接続することが可能になり、優れた熱電変換効率を得ることができる。
（第１の変形例）
図７は、実施の形態１の第１の変形例の熱電変換モジュール３０の斜視図である。図８は、図７に示す熱電変換モジュール３０のＤ−Ｄ線における部分断面図である。

第１の変形例の熱電変換モジュール３０が熱電変換モジュール１０と異なる点は、基板１１における延長部３４の厚みを他の部分よりも薄くして、端子部３５の可撓性を向上した点である。第１の変形例の熱電変換モジュール３０は、端子部３５の可撓性を向上することによって、端子３３の接合の作業性をさらに向上できる。また、熱電変換モジュール３０は熱電変換装置を構成する際の構成の自由度を向上できる。第１の変形例の熱電変換モジュール３０は、下側の基板１１の可撓性が小さい場合であっても、別途他の部材を使用することなく可撓性を有する端子部３５を形成することができるため、経済的に製造することができる。

下側の基板１１および上側の基板１２としては、金属基板を使用する良く、下側の基板１１と配線１との間には絶縁層３６が設けられ、上側の基板１２と配線２との間には絶縁層３７が設けられている。この場合には、基板１１、１２の熱伝導率を向上し、熱電変換モジュール３０の熱電変換特性を向上できると共に、端子部３５の可撓性を向上し熱電変換モジュール３０の接続作業性を確保できる。

下側の基板１１として樹脂基板を用いてもよく、この場合であっても、第１の変形例の
熱電変換モジュール３０のように、延長部３４の厚みを他の部分よりも薄くすることにより、端子部３５の可撓性をより高めることができ、端子３３の接続作業を容易にすることができる。

以上のように第１の変形例の熱電変換モジュール３０において、端子部３５の絶縁層は、一方の基板１１の一部が延長された延長部３４からなり、延長部３４は一方の基板１１の他の部分よりも薄く構成される。この構成により、端子部３５の可撓性をより高めることができ、熱電変換モジュール３０を接続する作業を容易にすることができる。

さらに、熱電変換モジュール３０において、一対の基板１１、１２の少なくとも一方（基板１１）は、金属板の上に絶縁層３６を有し、絶縁層３６を介して金属板の上に配線１の一部が設けられた金属基板であり、端子部３５は金属板の一部が延長されて構成されている。この構成を有することにより、熱電変換モジュール３０は、熱電変換素子３への熱伝達特性が向上してその利用効率が高まるため、熱電変換モジュール３０の熱電変換特性を向上することができる。

熱電変換モジュール１０と同様に、第１の変形例の熱電変換モジュール３０は、図４に示すように、フレキシブル基板２１を用いて熱電変換装置３８を構成することができる。熱電変換装置３８は熱電変換モジュール３０を高密度に接続することができ、優れた熱電変換効率を有する。
（第２の変形例）
図９は、実施の形態１の第２の変形例の熱電変換モジュール４０の斜視図である。図１０は、図９に示す熱電変換モジュール４０のＥ−Ｅ線における部分断面図である。

第２の変形例の熱電変換モジュール４０が熱電変換モジュール１０と異なる点は、基板１１と別体の可撓性を有する延長部４４を設け、延長部４４の上に端子４３が積層されて端子部４５を構成し、端子４３と配線１を熱電変換モジュール４０の内部で接続した点である。第２の変形例の熱電変換モジュール４０では、例えば、下側の基板１１および上側の基板１２として銅からなる金属基板を使用し、熱電変換モジュール４０の熱電変換特性を向上することができる。下側の基板１１と配線１との間には絶縁層４６が設けられ、上側の基板１２と配線２との間には絶縁層４７が設けられている。延長部４４としてはポリイミドフィルム、端子４３としては金属銅を使用することができる。

第２の変形例の熱電変換モジュール４０において、下側の基板１１および上側の基板１２としては、金属基板の他にも、ガラス繊維をエポキシ樹脂で含浸した複合基板やセラミック基板などの可撓性の少ない部材を使用することができ、熱電変換モジュール４０の設計自由度を向上できる。

熱電変換モジュール１０と同様に、第２の変形例の熱電変換モジュール４０は、図４に示すように、フレキシブル基板２１を用いて熱電変換装置４８を構成することができる。熱電変換装置４８は熱電変換モジュール４０を高密度に接続することができ、優れた熱電変換効率を有する。
（第３の変形例）
図１１は、実施の形態１の第３の変形例の熱電変換モジュール５０の斜視図である。図１２は、熱電変換モジュール５０の分解斜視図である。図１３は、第３の変形例の熱電変換モジュール５０を用いた熱電変換装置５８の上面図である。

第３の変形例の熱電変換モジュール５０が熱電変換モジュール１０と異なる点は、熱電変換モジュール１０が一対の端子１３と端子部１５を有するのに対して、熱電変換モジュール５０は二対の端子５３と端子部５５を有する点である。二対の端子５３は、二対の延
長部５４の上にそれぞれ設けられ、二対の端子部５５を構成する。

第３の変形例の熱電変換モジュール５０は、フレキシブル基板２１に熱電変換モジュール５０の４端の端子５３を接続して熱電変換装置５８を構成する。

以上のように、熱電変換モジュール５０は、基板１１の対向する一対の辺の両側において、それぞれの辺の両側に端子部５５が設けられた構成を有する。この構成により、熱電変換モジュール５０は４端の端子部５５を接続することにより、本体を安定して支持することが可能になり、取り扱いが容易になる。また、熱電変換モジュール５０は４端の端子部５５を接続することにより、端子部５５の１つ当たりにかかる力が低減され、取り扱い時に端子部５５の破損を低減できる。また、この構成により、熱電変換モジュール５０は、接続する端子５３を選択する自由度が広がり、接続のための設計が容易になる。
（実施の形態２）
図１４は、実施の形態２における熱電変換モジュール６０の斜視図である。図１５は、図１４に示す熱電変換モジュール６０の分解斜視図である。図１６は、図１４に示す熱電変換モジュール６０のＦ−Ｆ線における部分断面図である。図１７は、実施の形態２における熱電変換装置７０の上面図である。図１８は、図１７に示す熱電変換装置７０のＧ部の部分拡大図である。図１９は、図１８に示す熱電変換装置７０のＨ−Ｈ線における部分断面図である。

図１４〜図１９において、熱電変換モジュール６０は、対向する一対の基板６１、６２と、一対の基板６１、６２が互いに向かい合う側の表面に設けられた導体からなる配線１、２と、配線１、２によって接続された複数の熱電変換素子３と、配線１に接続された導体からなる一対の端子６３を有する。複数の熱電変換素子３は、側面方向から絶縁性の封止体４を用いて一対の基板６１、６２の間で封止される。

熱電変換モジュール６０は、下側の基板６１の表面に設けた端子６３を、上側の基板６２に設けた切り欠き部６４を通して露出させた構成を有する。

下側の基板６１および上側の基板６２は、銅を主成分とする金属板からなる。下側の基板６１の上側の表面には、絶縁層６５を介して配線１が設けられる。上側の基板６２の下側の表面には、絶縁層６６を介して配線２が設けられる。

下側の基板６１および上側の基板６２としては、金属基板の他に、酸化アルミニウムなどのセラミック基板、あるいはポリイミドなどの有機物からなるフレキシブル基板などを使用することができる。

熱電変換モジュール６０は、下側の基板６１および上側の基板６２として、金属基板を使用することにより、熱伝導性を向上することができ、熱電変換特性を向上できる。

図１７〜図１９において、熱電変換装置７０は、複数の熱電変換モジュール６０がフレキシブル基板７１を介して接続されている。フレキシブル基板７１は、フレキシブルな樹脂部７２と導体部７３が積層された構成を有する。熱電変換モジュール６０の端子６３とフレキシブル基板７１の導体部７３は接続部７４を介して接続されている。

以上のように、熱電変換モジュール６０は、一対の基板６１、６２と、一対の基板６１、６２の向かい合う側の面に設けられた導体からなる配線１、２と、一対の基板６１、６２の間に設けられ配線１、２によって接続された複数の熱電変換素子３と、配線１、２と熱電変換素子３とによって構成された回路に接続された端子６３とを備え、端子６３は基板６１、６２の一方に設けられた切り欠き部６４から露出している。この構成を有するこ
とにより、多数の熱電変換モジュール６０を高密度に接続することが可能になり、熱電変換装置７０を構成した際に優れた熱電変換効率を得ることができる。また、この構成により、熱電変換モジュール６０は、多数の熱電変換モジュール６０を効率的に接続することが可能になり、大規模な熱電変換モジュール６０の設置作業が容易になる。

また、熱電変換装置７０は、複数の熱電変換モジュール６０と、前記複数の熱電変換モジュール６０の端子６３が接続されたフレキシブル基板７１とを備える。この構成を有することにより、熱電変換装置７０は、熱電変換モジュール６０を高密度に接続することが可能になり、優れた熱電変換効率を得ることができる。

本発明の熱電変換モジュールおよび熱電変換装置は、熱電変換機能を有し、発電装置あるいは冷却装置として有用である。

１、２ 配線
３ 熱電変換素子
４ 封止体
１０、３０、４０、５０、６０ 熱電変換モジュール
１１、１２、６１、６２ 基板
１３、３３、４３、５３、６３ 端子
１４、３４、４４、５４ 延長部
１５、３５、４５、５５ 端子部
１６、３６、３７、４６、４７、６５、６６ 絶縁層
２０、３８、４８、５８、７０ 熱電変換装置
２１、７１ フレキシブル基板
２２、７２ 樹脂部
２３、７３ 導体部
２４、７４ 接続部

Claims (8)

1. 一対の基板と、
   前記一対の基板の間に設けられた複数の熱電変換素子と、
   前記基板の表面に設けられた導体からなり複数の前記熱電変換素子の間を接続して回路を構成する配線と、
   前記回路に接続された端子を有する端子部とを備え、
   前記端子部は絶縁層と導体層が積層されてフレキシブルに構成された、
   熱電変換モジュール。
2. 前記端子部は、前記基板の対向する一対の辺の両側にそれぞれ設けられた請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記一対の基板の少なくとも一方は可撓性絶縁層からなり、
   前記端子部の絶縁層は、前記一方の基板の一部が延長された延長部からなる請求項１に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記一対の基板の少なくとも一方は、金属板の上に絶縁層を有し、
   前記絶縁層を介して前記金属板の上に前記配線の一部が設けられた金属基板であり、
   前記端子部は前記金属板の一部が延長されて構成された請求項１に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記端子部の絶縁層は、一方の前記基板の一部が延長された延長部からなり、
   前記延長部は前記一方の基板の他の部分よりも薄く構成された請求項１に記載の熱電変換モジュール。
6. 前記基板の対向する一対の辺の両側において、
   それぞれの前記辺の両側に前記端子部が設けられた請求項１に記載の熱電変換モジュール。
7. 一対の基板と、
   前記一対の基板の向かい合う側の面に設けられた導体からなる配線と、
   前記一対の基板の間に設けられ前記配線によって接続された複数の熱電変換素子と、
   前記配線と前記熱電変換素子とによって構成された回路に接続された端子とを備え、
   前記端子は前記基板の一方に設けられた切り欠き部から露出した熱電変換モジュール。
8. 複数の熱電変換モジュールと、
   前記複数の熱電変換モジュールの端子が接続されたフレキシブル基板とを備え、
   前記熱電変換モジュールは、請求項１から請求項７までのいずれかに記載の熱電変換モジュールである熱電変換装置。

Images