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JP6009382B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、ゼーベック効果を用いて発電を行ったり、又は、ペルチェ効果を用いて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールに関する。
従来、両端部に電極を夫々有する複数の熱電変換素子を、基部上に配置した熱電変換モジュールが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1の熱電変換モジュールは、n形の熱電変換素子とp形の熱電変換素子との2種類の熱電変換素子を交互に配置して電気的に直列に接続した所謂πレグ型の熱電変換モジュールで構成される。
特許文献1の熱電変換モジュールでは、熱電変換モジュールの高温側を、断熱材で覆われた抵抗加熱炉内の加熱室に対して非接触とされ、熱電変換モジュールの高温側では、加熱室からの放射伝熱を受ける構造としている。従って、特許文献1の熱電変換モジュールでは、高温側の絶縁体としての基部が省略されている。なお、熱電変換モジュールの高温側を抵抗加熱炉内の加熱室に接触させる場合には、絶縁体で構成される基部を設けることとなる。
また、n形又はp形の何れか一方の熱電変換素子の1種類だけで構成される所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールも知られている(例えば、特許文献2参照)。
特許文献2の熱電変換モジュールは、熱電変換素子の一方の電極と、隣接する熱電変換素子の他方の電極とを一体的に且つ電気的に直列に接続する接続部を有しており、2つの電極と接続部とによりU字状のコネクタを構成している。このU字状のコネクタは金属板を折り曲げて形成されている。熱電変換モジュールを製造するときには、このU字状のコネクタを基部に予め複数固定させておく。そして、熱電変換素子は、このU字状のコネクタに横から押し込まれるようにして2つの電極の間に挿入され、コネクタと接続される。
特許第4834986号公報 特開2009−176919号公報
従来の所謂ユニレグ型の熱電変換モジュールは、U字状のコネクタに熱電変換素子を押し込む必要があるため、組立て難く量産性が低いという問題がある。
本発明は、以上の点に鑑み、量産性を向上させた熱電変換モジュールを提供することを目的とする。
[1]上記目的を達成するため、本発明は、基部と、複数の第1電極と、一方の端部が前記第1電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第2電極と、前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第1電極を、隣接する前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第2電極に、電気的に接続する接続部とを備え、前記複数の熱電変換素子は、n形とp形との何れか一方で構成され、前記複数の熱電変換素子が電気的に直列に接続される熱電変換モジュールであって、前記接続部は、前記第2電極と一体に形成されると共に、前記第1電極と別体に構成され、前記第1電極は、前記熱電変換素子の一方の端部と電気的に接触する素子配置部と、前記接続部の先端を受け入れる受入部とを備え、前記第1電極または前記第2電極は、前記基部上に配置され、前記基部に沿うと共に互いに直交する2つの軸線をX軸及びY軸として、前記熱電変換素子は、前記基部上に前記X軸方向に複数並べられて素子列を構成し、該素子列は、Y軸方向に複数並べられ、該受入部は、前記素子列内において、前記素子配置部の前記X軸方向に位置し、前記接続部が素子列内の熱電変換素子を電気的に接続する場合と、前記接続部が隣接する素子列の間同士を電気的に接続する場合の何れであっても、同一形状の接続部で受け入れられるように構成され、前記第1電極は、全て同一形状に構成され、前記第2電極は、全て同一形状に構成されることを特徴とする。
本発明によれば、第2電極に接続部が一体に形成され、第1電極と接続部とは別体に構成される。このため、第1電極または第2電極に熱電変換素子を載せた後、残りの電極を熱電変換素子に載せることによって、熱電変換モジュールを容易に組み立てることができ、部品点数の増加を抑えながら比較的容易に組立て可能な熱電変換モジュールを提供することができる。
[2]また、本発明においては、受入部を複数の孔部で構成し、複数の孔部のうち中央に位置する孔部が素子列内で接続部を受け入れる孔部であり、左右方向に位置する孔部が素子列の間で接続部を受け入れる孔部とすることができる。
[3]また、本発明において、第1電極は、素子配置部から基部に沿って延びる延設部とを備え、延設部に受入部が設けられ、第1電極は、基部上に誤って配置されることを防止すべく、凸部又は凹部で構成される誤組み防止部が設けられる。
本発明によれば、第1電極を基部に対して誤って設置することを防止し、歩留まりの向上を図ることができる。
[4]また、本発明は、熱電変換モジュールの組立て方法であって、複数の第1電極の配置及び形状に対応する切欠孔を複数備える整列部材を、基部上に配置し、切欠孔に第1電極を嵌め込むことにより、第1電極を基部上に配置することを特徴とする。
かかる組立て方法によれば、整列部材の切欠孔にも第1電極の誤組み防止部に対応する部分が形成されるため、第1電極を誤った状態で基部上に配置しようとしても、誤組み防止部またはこれに対応する切欠孔の部分が障害となり、第1電極を整列部材の切欠孔に嵌め込むことができない。これにより、第1電極を基部に対して誤って設置することを防止し、歩留まりの向上を図ることができる。
本発明の熱電変換モジュールの一実施形態を一部拡大して示す斜視図。 本実施形態の熱電変換モジュールを分解して示す斜視図。 本実施形態の熱電変換モジュールを示す平面図。 本実施形態の第1電極を示す斜視図。 本実施形態の第2電極を示す説明図。 本実施形態の熱電変換モジュールの組立て方法であって、整列部材を用いて第1電極を基部上に配置し、整列部材を持ち上げた状態の組立て工程の一部を示す説明図。
図1から図6を参照して、本発明の実施形態の熱電変換モジュールを説明する。図1から図3に示す第1実施形態の熱電変換モジュール1は、複数のn形の熱電変換素子が電気的に直列に接続された所謂ユニレグ型のものであり、酸化アルミニウムで成形された絶縁性を有する一対の板状の基部11を備える。図1から図3では、熱電変換モジュール1の内部を見易くすべく、上方に位置する基部を省略している。なお、図1において上方に位置する基部は、熱電変換モジュール1を金属のような導電性の外装を有する熱源に対して接触させて用いるときは短絡防止等の理由から必要であるが、熱源が絶縁されている場合、または熱源に接触させることなく放射伝熱を受けるように構成する場合には、上方に位置する基部は無くてもよい。また、基部の材質は、熱源に応じて適宜変更してもよい。例えば、上方の基部を絶縁性の熱伝導シートで構成してもよい。また、上方の基部のみを残し、下方の基部11を無くして、熱電変換モジュール1を構成することもできる。
両基部11の対向する側の面には、ニッケル板(Ni板)からなる第1電極3及び第2電極4が夫々複数設けられている。両電極3,4間には、MgSi製のn形の熱電変換素子2が配置されている。
従来、熱電変換素子の材料としては、BiTe系、PbTe系、CoSb系のものが使用されているが、何れも人体への有害性(有害化が危惧されるものを含む)を有するものであり、また、高価である。これに対し、MgSiは、人体に無害であり環境負荷が小さく、また、資源が豊富であり安価である。また、MgSiは、比重が軽いため、非常に軽い熱電変換素子2を作製することができる。このため、近年、熱電変換素子の材料として、MgSiが注目されている。
尚、両基部11は、酸化アルミニウムに限らず、他の材料で成形してもよい。また、電極3,4は、ニッケル(Ni)に限らず、他の材料のもの、例えば、ニッケル(Ni)でめっきした銅(Cu)を用いてもよい。
熱電変換素子2の一端は第1電極3に接合され、他端は第2電極4に接合される。接合方法としては、半田付、ろう付等のろう接、或いは銀ペースト等の導電性接着剤による接着、拡散接合を用いることができ、熱電変換モジュールの用途等に応じて適宜選択して接合する。
ろう接により接合する場合には、ろう(半田)を熱電変換素子2の両端部に予めペーストしておいてもよい。熱電変換素子2の表面は細かい凹凸を有する面となっているが、ろう(半田)や銀ペースト等で表面の凹凸を覆うことにより平滑な面とすることができ、これにより、熱電変換素子2と電極3,4との接合状態が良好となり、優れた導電性を確保できる。また、熱電変換素子2を作製する際に、熱電変換素子2の両端にニッケル層を形成させてもよい。
図4に示すように、第1電極3は、熱電変換素子2を配置する素子配置部31と、素子配置部31から基部11に沿って延びる延設部32とを備える。即ち、熱電変換素子2の一方の端部に素子配置部31が電気的に接続される。また、図5に示すように、第2電極4は、熱電変換素子2を配置する素子配置部41と、素子配置部41の側縁部からL字状に屈曲して延びる四角柱形棒状の接続部42とを備える。即ち、熱電変換素子2の他方の端部に素子配置部41が電気的に接続される。
第1電極3の延設部32には、接続部42の先端が挿入される孔部33a,33b,33cが3つ設けられている。本実施形態においては、この3つの孔部33a,33b,33cで受入部33を構成している。接続部42は、その先端を第1電極3に設けられた受入部33に挿入されて、ろう接等により接合される。これにより、第1電極3と、第1電極3が設けられた熱電変換素子2に隣接する熱電変換素子に設けられた第2電極4とは、電気的に直列に接続される。なお、接続部42は、電極3,4と同様にニッケル(Ni)を用いているが、これに限らず、他の金属、例えば、ニッケルめっきを施した銅(Cu)を用いてもよい。
ここで、基部11の表面に沿うと共に互いに直交する2つの軸線をX軸及びY軸とする。図3においては、横方向がX軸方向、縦方向がY軸方向となる。熱電変換素子2は、基部11上にX軸方向に複数(図面では5つ)並べられた素子列6を構成する。この素子列6は、Y軸方向に複数(図面では6列)並べられる。図面では、1つの熱電変換モジュール1は、30個の熱電変換素子2を備えることとなる。
また、図3の最も上に位置する素子列6の右端に位置する熱電変換素子2の一方の端部には、電気を取り出す入出力用の端子7が設けられている。この端子7は、熱電変換素子2が配置される素子配置部7aから基部11の外に大きく突出した長方形状に形成されている。
また、図3の最も下に位置する素子列6の右端に位置する熱電変換素子2の他方の端部には、電気を取り出す入出力用の端子7が設けられている。この端子7は、熱電変換素子2が配置される素子配置部7aから基部11の外に大きく突出すると共に、クランク状に屈曲している。そして、この端子7の図3における右側の端部が、最も上に位置する素子列6の端子7と同一の高さに位置するように構成されている。
なお、本実施形態においては、素子列6が偶数列であるが、奇数列で構成してもよい。素子列6が奇数列の熱電変換モジュール1を構成する場合には、例えば、図3の最も上に位置する素子列6に設けられる端子7を左端に位置する第1電極3に設ければよい。
また、図4に示すように、延設部32の左右両側縁部には、凹部32aが夫々設けられている。この凹部32aは、基部11上に第1電極3を配置する際に用いられる。具体的には、基部11上に第1電極3を配置する際には、図6に示す整列部材8が用いられる。図6に示すように、整列部材8には、複数の第1電極3の配置及び形状に対応する切欠孔8aが複数設けられている。
熱電変換モジュール1の組立てにおいて、基部11上に第1電極3を配置するときには、まず、整列部材8を基部11上に設置する。そして、切欠孔8aに第1電極3を嵌め合わせていく。
切欠孔8aには、第1電極3に設けられた凹部32aに対応する凸部8bが形成されている。従って、素子配置部31に対する延設部32の位置が誤った状態で第1電極3を切欠孔8aに嵌合させようとしても、凹部32aと凸部8bとの位置がずれて凸部8bが障害となり、第1電極3を切欠孔8aに適切に嵌め合わすことができない。これにより、本実施形態の熱電変換モジュール1によれば、第1電極3を基部11に対して誤って設置することを防止し、歩留まりの向上を図ることができる。また、本実施形態の熱電変換モジュール1の組立て方法において用いられる整列部材8には、端子7も整列できるように端子用切欠孔8cも設けられている。
なお、素子配置部31の左右両側縁部に凹部を設けることも考えられるが、これでは素子配置部31の熱電変換素子2との接触面積が減少してしまう。上述の如く延設部32に凹部32aを設けることにより、熱電変換素子2の配置面積を減少させることなく、第1電極3を基部11に誤って配置することを防止できる。
また、第1電極3の延設部32の左右両側縁部に凸部を形成し、切欠孔8aに凸部に対応する凹部を形成してもよい。この場合、凸部を素子配置部31の周縁部に設けることもできる。また、延設部32の凹部または凸部は、先端部(素子配置部31から離隔する側の端部)に形成してもよく、この場合、例えば、凹部または凸部を中央に1つ設けてもよいし、孔部の間に位置させて左右対象となるように2つ設けてもよい。
ここで、図3において、各素子列6を上方から下方に向かって順に第1素子列61、第2素子列62、第3素子列63、第4素子列64、第5素子列65、第6素子列66と定義し、第1素子列61、第3素子列63、第5素子列65を奇数列、第2素子列62、第4素子列64、第6素子列66を偶数列と定義する。
奇数列61,63,65の第1電極3は、図3に示すように、延設部32が素子配置部31の右側に位置するように並べられている。これに対して、偶数列62,64,66の第1電極3は、図3に示すように、延設部32が素子配置部31の左側に位置するように並べられている。即ち、本実施形態の熱電変換モジュール1では、全ての延設部32が素子配置部31のX軸方向に位置している。
奇数列61,63,65の第2電極4は、最も左に位置する第2電極4を除いて、接続部42が素子配置部41の左側に位置するように配置される。そして、接続部42の先端が受入部33の中央に位置する孔部33bに挿入され、ろう接等により接合される。これに対して、偶数列62,64,66の第2電極4は、最も右に位置する第2電極4を除いて、接続部42が素子配置部41の右側に位置するように配置される。そして、接続部42の先端が受入部33の中央に位置する孔部33bに挿入され、ろう接等により接合される。
奇数列61,63,65の最も左に位置する第2電極4は、素子列6の間を電気的に直列に接続するためのものであり、図3において、接続部42が素子配置部41の下側に位置するように配置されている。そして、接続部42の先端が受入部33の右側に位置する孔部33aに挿入され、ろう接等により接合される。
また、偶数列のうち端子7が設けられていない第2素子列62と、第4素子列64の最も右に位置する第2電極4は、素子列6の間を電気的に直列に接続するためのものであり、図3において、接続部42が素子配置部41の下側に位置するように配置されている。そして、接続部42の先端が受入部33の左側に位置する孔部33cに挿入され、ろう接等により接合される。
このように、素子列6内では接続部42を中央の孔部33bに挿入し、素子列6の間では接続部42を左右の孔部33a,33cに挿入するため、接続部42の形状を変えることなく同一形状の接続部42のままで、素子列6内及び素子列6の間を電気的に接続することができる。
従って、本実施形態の熱電変換モジュール1によれば、両電極と接続部とを別体としたものと比較して部品点数の増加を抑えながら、従来よりも製造の容易化を図ることができる。
また、第1電極3も3つの孔部33a,33b,33cで受入部33が構成された左右対称の形状に形成されているため、全ての第1電極3を同一形状に形成することができる。また、第1電極3は、左右対称の形状であるため、裏表の違いが無く、更に組立て易いなものとなっている。
ここで、第1電極3の並べ方としては、偶数列62,64,66の図3における最も左側に位置する第1電極3だけを、延設部32が素子配置部31の上側に位置するように配置し、奇数列の素子列のうちの第3素子列63と第5素子列65の図3における最も右側に位置する第1電極3だけを、延設部32が素子配置部31の上側に位置するように配置して、熱電変換モジュール1を構成することも考えられる。
しかしながら、これでは、素子列61〜66の間に延設部32分のスペースを空ける必要があり、熱電変換モジュール1の素子密度が低下してしまう。本実施形態の熱電変換モジュール1では、全ての第1電極3の延設部32が素子配置部31のX軸方向に配置できるため、素子密度を向上させることができる。
なお、本実施形態においては、受入部33を3つの孔部33a,33b,33cで構成したものを説明したが、本発明の受入部はこれに限らない。例えば、受入部を左右方向に長手の1つの孔で構成してもよく、また、左側の孔部33cを省略して、中央と右側の孔部33a,33bの2つで構成してもよい。受入部を2つの孔部33a,33bで構成する場合には、隣接する素子列6から延びる接続部42を右側の孔部33aで受け入れられるように第1電極3を適宜裏返せばよい。
また、本実施形態の熱電変換素子2は、図2に四角柱状のものを示したが、これに限らず、他の形状、例えば、円柱状としてもよい。
次に、本実施形態の熱電変換モジュール1の作動について説明する。熱電変換モジュール1の上側の基部(図示省略)を例えば300℃から600℃の熱源に取付け、基部11を冷却させると、熱電変換素子2の両端で温度差が生じ、ゼーベック効果により電流が流れて発電する。このとき、発電し続ける為には、熱電変換素子2の両端で所定の温度差が維持され続ける必要があるが、第1実施形態では、熱電変換素子2の材料として熱伝導率の小さいMgSiを用いているため、温度差を良好に維持することができる。
第1実施形態の熱電変換モジュール1によれば、接続部42が第2電極4と一体で且つ第1電極3と別体であるため、基部11に固定した第1電極3に熱電変換素子2の一端を電気的に接続させた後、第2電極4を熱電変換素子2の他端に電気的に接続させると共に、隣接する熱電変換素子2の間で第1電極3と第2電極4とが電気的に接続されるように、第1電極3の受入部33に接続部42を接続することができる。従って、従来の熱電変換モジュールのように熱電変換素子をU字状のコネクタに押し込む必要がなく、熱電変換モジュールの量産性が向上される。
尚、第1実施形態においては、熱電変換素子2をMgSiで作製しているが、これに限られない。例えば、Sb−Te系およびBi−Se系を含めたBi−Te系、Sn−Te系およびGe−Te系を含めたPb−Te系、Ag−Sb−Te系、Ag−Sb−Ge−Te系、Si−Ge系、Fe−Si系、Mn−Si系、Zn−Sb系、カルコゲナイト、スクッテルダイト、フィルドスクッテルダイト、クラスレート、ハーフホイスラー、ホイスラー、炭化ホウ素、層状コバルト酸化物等の任意の熱電変換材料を用いることができる。また、熱電変換素子2はn形に限らず、p形のものを用いてもよい。また、MgSiは、高純度である必要はなく、例えば、研削・研磨加工時に排出される廃シリコーンスラッジを利用して得られるものであってもよい。
また、熱電変換素子2の両端部に、電極との接触抵抗を低減させるべく、接合層を設けてもよい。接合層は熱電変換素子と一体的に形成することもできる。また、接合層及び電極は、Ni、Al、Cu、W、Au、Ag、Co、Mo、Cr、Ti、Pd等、および、これらからなる合金等の任意の材料用いることができる。
また、本実施形態においては、ゼーベック効果を用いた発電用の熱電変換モジュール1を説明したが、本発明の熱電変換モジュールは、ペルチェ効果を用いて冷却又は加熱するものにも同様に用いることができる。
また、本実施形態においては、誤組み防止部として、図6に示す、凹部32aと凸部8bとで構成されたものを説明したが、本発明の誤組み防止部はこれに限らない。例えば、第1電極の四隅のうちの一部を斜めにカットして本発明の凹部としてのカット部を設け、整列部材8にも本発明の凹部としてのカット部に対応するように張り出した部分(凸部)を形成することにより、素子配置部31と延設部32との位置が誤った状態で基部11に設置されることを防止するように構成することもできる。
また、本実施形態においては、図1に示す熱電変換モジュール1の上方側を熱源に接触させる高温側、下方側を放熱させる低温側としたものを説明した。しかしながら、本発明の熱電変換モジュールの使用方法はこれに限らず、例えば、図1において、上方側を低温側とし、下方側を高温側に設定してもよい。
1…熱電変換モジュール、 11…基部、 2…熱電変換素子、 3…第1電極、 31…素子配置部、 32…延設部、 32a…凹部(誤組み防止部)、 33…受入部、 33a,33b,33c…孔部、 4…第2電極、 41…素子配置部、 42…接続部、6…素子列、 61〜66…第1〜第6素子列、 7…端子、 7a…素子配置部、 8…整列部材、 8a…切欠孔、 8b…凸部、 8c…端子用切欠孔。

Claims (4)

  1. 基部と、
    複数の第1電極と、
    一方の端部が前記第1電極と夫々電気的に接続される複数の熱電変換素子と、
    該熱電変換素子の他方の端部に夫々電気的に接続される複数の第2電極と、
    前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第1電極を、隣接する前記熱電変換素子に電気的に接続される前記第2電極に、電気的に接続する接続部とを備え、
    前記複数の熱電変換素子は、n形とp形との何れか一方で構成され、
    前記複数の熱電変換素子が電気的に直列に接続される熱電変換モジュールであって、
    前記接続部は、前記第2電極と一体に形成されると共に、前記第1電極と別体に構成され、
    前記第1電極は、前記熱電変換素子の一方の端部と電気的に接触する素子配置部と、前記接続部の先端を受け入れる受入部とを備え、
    前記第1電極または前記第2電極は、前記基部上に配置され、
    前記基部に沿うと共に互いに直交する2つの軸線をX軸及びY軸として、
    前記熱電変換素子は、前記基部上に前記X軸方向に複数並べられて素子列を構成し、
    該素子列は、Y軸方向に複数並べられ、
    該受入部は、前記素子列内において、前記素子配置部の前記X軸方向に位置し、前記接続部が素子列内の熱電変換素子を電気的に接続する場合と、前記接続部が隣接する素子列の間同士を電気的に接続する場合の何れであっても、同一形状の接続部で受け入れられるように構成され、
    前記第1電極は、全て同一形状に構成され、
    前記第2電極は、全て同一形状に構成されることを特徴とする熱電変換モジュール。
  2. 請求項1に記載の熱電変換モジュールであって、
    前記受入部は、複数の孔部で構成され、
    前記複数の孔部のうち中央に位置する前記孔部が前記素子列内で前記接続部を受け入れる孔部であり、左右方向に位置する前記孔部が前記素子列の間で前記接続部を受け入れる孔部であることを特徴とする熱電変換モジュール。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の熱電変換モジュールであって、
    前記第1電極は、前記素子配置部から前記基部に沿って延びる延設部を備え、
    該延設部に前記受入部が設けられ、
    前記第1電極は、前記基部上に誤って配置されることを防止すべく、凸部又は凹部で構成される誤組み防止部が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
  4. 請求項3に記載の熱電変換モジュールの組立て方法であって、
    前記複数の第1電極の配置及び形状に対応する切欠孔を複数備える整列部材を、前記基部上に配置し、
    前記切欠孔に前記第1電極を嵌め込むことにより、前記第1電極を前記基部上に配置することを特徴とする熱電変換モジュールの組立て方法。
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