JP2020150215A - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
Description
ゼーベック効果は、熱電変換素子の両端に温度差を生じさせると起電力が発生する現象であり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。ゼーベック効果により発生する起電力は、熱電変換素子の特性によって決まる。近年では、この効果を利用した熱電発電の開発が盛んである。
ペルティエ効果は、熱電変換素子の両端に電極等を形成して電極間で電位差を生じさせると、熱電変換素子の両端に温度差が生じる現象であり、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。このような効果をもつ素子は特にペルティエ素子と呼ばれ、精密機器や小型冷蔵庫などの冷却や温度制御に利用されている。
このような熱電変換モジュールにおいては、複数の熱電変換素子の一端側及び他端側に配設された電極部によって熱電変換素子同士が直列接続された構造とされている。
そこで、例えば特許文献1には、熱源と熱電変換モジュールとの間に、グラファイトからなる伝熱シートを配設することが開示されている。
特許文献2には、熱源と熱電変換モジュールとの間に、金属からなる伝熱部材を配設することが開示されている。
そこで、例えば特許文献3には、耐候性を向上させるために、耐熱性の防水フレームを配設した熱電変換モジュールが開示されている。
また、特許文献4には、湿気の侵入を抑制するために、ゴムなどの封止材を配設した熱電変換モジュールが開示されている。
ここで、例えば250℃以上の高温領域で使用した場合、ゴムや樹脂等の有機系の封止材は、熱分解したり、変質して劣化したりするため、使用することができなかった。また、グラファイトにおいても、大気中では酸化によって劣化してしまうため、安定して使用することができなかった。
融点の高い金属であれば使用可能であるが、金属からなる部材を配設した場合には、部品点数が増加し、位置ずれや脱落等によって安定して使用できないおそれがあった。さらに、防水フレーム等を用いた場合には、サイズが大きく、かつ、重量が増大するため、狭いスペースに配置したり、回転体等に配設したりすることは困難であった。
また、前記第1電極部及び前記第2電極部の一面が前記封止層から露出しているので、熱電変換素子で生じた電気エネルギーをこれら前記第1電極部及び前記第2電極部を介して効率良く取り出すことができる。
この場合、封止層を介して熱が伝達されることを抑制でき、熱電変換素子の一端側と他端側とで温度差を十分に確保でき、熱電変換効率を向上させることができる。
この場合、第1電極部と前記第1回路層との接触が良好となり、かつ、第1絶縁層によって絶縁性が確保されるため、熱電変換効率を十分に向上させることが可能となる。また、上述のように、第1絶縁回路基板を配設することで、絶縁性と伝熱性を確保でき、部品点数の削減を図ることができる。
この場合、前記封止層から露出した前記第1電極部を覆うように配設される前記第1回路層の接触面積が、第1電極部の露出面積以上とされているので、前記第1電極部と前記封止層との間の界面から湿気等が侵入することを抑制でき、熱電変換素子の劣化をさらに確実に抑制することが可能となる。
この場合、第2電極部と前記第2回路層との接触が良好となり、かつ、第2絶縁層によって絶縁性が確保されるため、熱電変換効率を十分に向上させることが可能となる。また、上述のように、第2絶縁回路基板を配設することで、絶縁性と伝熱性を確保でき、部品点数の削減を図ることができる。
この場合、前記封止層から露出した前記第2電極部を覆うように配設される前記第2回路層の接触面積が、第2電極部の露出面積以上とされているので、前記第2電極部と前記封止層との間の界面から湿気等が侵入することを抑制でき、熱電変換素子の劣化をさらに確実に抑制することが可能となる。
なお、本実施形態では、第1電極部21及び第2電極部22がそれぞれ固定されておらず、いわゆるスケルトン構造の熱電変換モジュールとされている。
なお、この熱電変換素子11の一端面及び他端面には、メタライズ層(図示なし)がそれぞれ形成されている。メタライズ層としては、例えば、ニッケル、銀、コバルト、タングステン、モリブデン等や、あるいはそれらの金属繊維でできた不織布等を用いることができる。なお、メタライズ層の最表面(第1電極部21及び第2電極部22との接合面)は、Au又はAgで構成されていることが好ましい。
n型熱電変換素子11aの材料として、例えば、Bi2Te3、PbTe、La3Te4、CoSb3、FeVAl、ZrNiSn、Ba8Al16Si30、Mg2Si、FeSi2、SrTiO3、CaMnO3、ZnO、SiGeなどが用いられる。
また、p型熱電変換素子11bの材料として、例えば、Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe、TAGS(=Ag‐Sb‐Ge‐Te)、Zn4Sb3、CoSb3、CeFe4Sb12、Yb14MnSb11、FeVAl、MnSi1.73、FeSi2、NaxCoO2、Ca3Co4O7、Bi2Sr2Co2O7、SiGeなどが用いられる。
なお、ドーパントによりn型とp型の両方をとれる化合物と、n型かp型のどちらか一方のみの性質をもつ化合物がある。
ここで、封止層15を構成する無機材料は、硬化後(封止層15の状態)で、温度25℃における電気抵抗率が1×106Ω・m以上とされている。なお、温度200℃における電気抵抗率は、1×106Ω・m以上であることが好ましく、温度上昇により導電性が増加しない材料が好ましい。
そして、第1回路層32は、図3に示すように、第1電極部21と同様のパターンを有するように構成されており、封止層15から露出した第1電極部21を覆うように配置される。
ここで、第1回路層32の接触面積は、第1電極部21の露出面積以上とされており、第1電極部21の露出面を確実に覆うように構成されている。
そして、第2回路層42は、第2電極部22と同様のパターンを有するように構成されており、封止層15から露出した第2電極部22を覆うように配置される。
ここで、第2回路層42の接触面積は、第2電極部22の露出面積以上とされており、第2電極部22の露出面を確実に覆うように構成されている。
これら第1絶縁層31及び第2絶縁層41の厚さは、例えば0.1mm以上2mm以下の範囲内とすることが好ましい。
これら第1回路層32及び第2回路層42の厚さは、例えば0.05mm以上2mm以下の範囲内とすることが好ましい。
これら第1伝熱層33及び第2伝熱層43の厚さは、例えば0.05mm以上2mm以下の範囲内とすることが好ましい。
なお、これらの接合方法には、特に制限はなく、ろう付け等の既存の接合方法を適宜選択して採用することが好ましい。
まず、複数の熱電変換素子11を配置し、熱電変換素子11の一端側に第1電極部21を形成するとともに、熱電変換素子11の他端側に第2電極部22を形成する。このとき、複数の熱電変換素子11が直列に接続されるように、第1電極部21及び第2電極部22は所定のパターンを有するように構成されることになる。
次に、第1電極部21及び第2電極部22を形成した複数の熱電変換素子11を型枠内に収容し、型枠内にポッティング材として、例えばセラミックス接着剤の太陽金網株式会社製Thermeez7030(フィラー:シリカ)を2、水道水を1(重量比)とし、よく混合した液体を流し込む。ここで、ポッティング材としては、フィラーとして、アルミナ、マグネシア、ジルコニア、シリカから選択される1種又は2種以上を含むものを使用することが好ましい。
そして、50℃以上70℃以下の温度で20分以上60分以下保持し、ポッティング材を半乾燥させる。
この状態で、第1電極部21及び第2電極部22が露出するように、ポッティング材の整形を行う。なお、出力端子を接続した後にポッティングを行ってもよい。この場合、出力端子の接続部はポッティングされていた方が好ましい。
その後、120℃以上150℃以下の温度で240分以上保持し、ポッティング材を完全に硬化させ、封止層15を形成する。
次に、熱電変換素子11の一端側に第1絶縁回路基板30を配設し、熱電変換素子11の他端側に第2絶縁回路基板40を配設し、第1絶縁回路基板30及び第2絶縁回路基板40によって熱電変換素子11を挟持する。
このとき、第1回路層32が封止層15から露出した第1電極部21を覆うように配置され、第2回路層42が封止層15から露出した第2電極部22を覆うように配置される。
このようにして得られた本実施形態である熱電変換モジュール10においては、例えば、第1絶縁回路基板30側を低温部とし、第2絶縁回路基板40側を高温部として使用され、熱エネルギーと電気エネルギーとの変換が実施される。
また、第1電極部21及び第2電極部22の一面が封止層15から露出しているので、熱電変換素子11において生じた電気エネルギーをこれら第1電極部21及び第2電極部22を介して効率良く取り出すことができる。
11 熱電変換素子
21 第1電極部
22 第2電極部
30 第1絶縁回路基板
31 第1絶縁層
32 第1回路層
40 第2絶縁回路基板
41 第2絶縁層
42 第2回路層
Claims (6)
- 複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第1電極部及び他端側に配設された第2電極部と、を有し、前記第1電極部及び前記第2電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続してなる熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換素子は、絶縁性の無機材料からなる封止層によって封止されており、前記第1電極部及び前記第2電極部の一面が前記封止層から露出していることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 前記封止層を構成する前記無機材料は、25℃における熱伝導率が2W/(m・K)以下であることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換モジュール。
- 前記熱電変換素子の一端側に、第1絶縁層と前記第1絶縁層の一方の面に形成された第1回路層とを備えた第1絶縁回路基板が配設されており、
前記封止層から露出した前記第1電極部を覆うように、前記第1回路層が配置されていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の熱電変換モジュール。 - 前記第1回路層の接触面積が、前記第1電極部の露出面積以上とされていることを特徴とする請求項3に記載の熱電変換モジュール。
- 前記熱電変換素子の他端側に、第2絶縁層と前記第2絶縁層の一方の面に形成された第2回路層とを備えた第2絶縁回路基板が配設されており、
前記封止層から露出した前記第2電極部を覆うように、前記第2回路層が配置されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。 - 前記第2回路層の接触面積が、前記第2電極部の露出面積以上とされていることを特徴とする請求項5に記載の熱電変換モジュール。
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