JP6933441B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、ゼーベック効果による熱電発電を行う熱電変換モジュールに関する。

熱電変換モジュールは、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である熱電変換素子から構成されるモジュールである。このようなエネルギーの変換性質を利用することで、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、環境問題に配慮した省エネルギー技術として当該熱電変換モジュール及びこれを構成する熱電変換素子が注目されている。

このような熱電変換モジュールは、一般的に、複数個の熱電変換素子（ｐ型半導体及びｎ型半導体）を電極で接合して構成される。このような熱電変換モジュールは、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている熱電変換モジュールは、一対の基板と、一方の端部が当該基板の一方に配置される第１電極と電気的に接続され、他方の端部が当該基板の他方に配置される第２電極と電気的に接続される複数の熱電変換素子と、当該熱電変換素子に電気的に接続される第１電極を、隣接する熱電変換素子に電気的に接続される第２電極に、電気的に接続する接続部とを備えている。

特開２０１３−１１５３５９号公報

しかしながら、特許文献１に開示されているような熱電変換モジュールの構造においては、当該熱変換モジュールをエンジンの排気部等の熱源に搭載して使用する場合、エンジンの排気量の増加に伴って熱量が上昇すると、当該熱源に接触する基板が熱膨張によって歪み或いは湾曲することがある。このような基板の歪み又は湾曲が生じると、熱電変換モジュールの引出用の端子、又は当該端子の近傍（すなわち、熱電変換モジュールの始端及び終端）に位置する電極又は接続部に応力が集中し、当該端子が熱電変換素子から剥離したり、或いは当該端子の近傍に位置する電極が接続部から剥離する問題が生じていた。このような剥離は、熱電変換モジュールにおける内部抵抗及び電圧の変動につながり、信頼性の低下をもたらすことになる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、使用条件に依存することなく電極等の剥離を防止し、信頼性に優れた熱電変換モジュールを提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明の熱電変換モジュールは、並設された複数の熱電変換素子と、片側にのみ前記熱電変換素子が隣接する前記熱電変換素子の一端に接合される一対の導電性材料、及び、両側に前記熱電変換素子が隣接する前記熱電変換素子の一端に接合されて隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する単数または複数の導電性材料からなる第１電極と、前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する単数または複数の導電性材料からなる第２電極と、前記第１電極を被覆する第１被覆部材と、を有し、前記複数の熱電変換素子、前記第１電極、及び前記第２電極は、少なくとも１つの直列接続体を形成し、前記直列接続体の端部には前記第１電極のうち前記片側にのみ前記熱電変換素子が隣接する前記熱電変換素子の一端に接合される一対の導電性材料が位置し、該一対の導電性材料にはそれぞれ可撓性を備える第３電極が配設され、前記第３電極、複数の前記熱電変換素子、及び前記第２電極は、前記第１被覆部材よりも低い熱伝導性を備える第２被覆部材により被覆されている。

上述した熱電変換モジュールにおいて、前記直列接続体を複数有し、前記直列接続体同士を前記第３電極によって接続してもよい。これにより、より多くの熱電変換素子を熱電変化モジュール内に配置し、より優れた熱電変換効率を備える熱電変換モジュールを実現することができる。

上述したいずれかの熱電変換モジュールにおいて、第３電極がメッシュ状金属を含んでもよく、当該メッシュ状電極の両端に金属板が固着された構造を備えていてもよい。これにより、直列接続体の端部に応力集中が生じたとしても、歪による第３電極への影響をより一層低減することができ、第３電極の剥離を確実に防止することができる。

上述した熱電変換モジュールのいずれかにおいて、前記第１電極及び前記第２電極は、可撓性を備える導電性材料からなっていてもよい。これにより、熱電変換モジュールの端部のみならず全ての電極部分における応力に伴う歪みの影響を低減することができ、より信頼性の高い熱電変換モジュールを実現することができる。

本発明に係る熱電変換モジュールによれば、使用条件に依存することなく電極等の剥離を防止し、優れた信頼性を実現することができる。

実施例に係る熱電変換モジュールの斜視図である。 実施例に係る熱電変換モジュールの上面図である。 図２における線III-IIIに沿った切断部端面図である。 実施例に係る熱電変換モジュールに使用される電極の側面図である。 所定試験中の熱電変換モジュールに関する電圧変動を示すグラフである。 所定試験中の比較例に関する電圧変動を示すグラフである。

以下、図面を参照し、本発明による熱電変換モジュールの実施の形態について、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例の説明に用いる図面は、いずれも本発明による熱電変換モジュール又はその構成部材を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部材の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例で用いる様々な数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜実施例＞
（熱電変換モジュールの構造）
以下において、図１乃至図３を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１の構造について説明する。ここで、図１は本実施例に係る熱電変換モジュール１の斜視図である。また、図２は本実施例に係る熱電変換モジュール１の上面図である。更に、図３は図２における線III-IIIに沿った切断部端面図である。そして、図１における一方向をＸ方向と定義し、Ｘ方向に直交する方向をＹ方向、及びＺ方向と定義するとともに、特に熱電変換モジュール１の高さ方向をＺ方向と定義する。

図１乃至図３から分かるように、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、並設された複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、当該第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの端部に設けられた第１電極３ａ及び第２電極３ｂと、を有している。また、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、熱電変換モジュール１のＸ方向の端部に位置する第１電極３ａ同士を接続する接続電極３ｃと、熱電変換モジュール１の外部接続電極として機能する引出電極３ｄと、を有している。更に、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、第１電極３ａを被覆するように設けられた第１被覆部材４と、当該第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、及び接続電極３ｃを被覆するように設けられた第２被覆部材５と、第２電極３ｂを支持するように設けられた支持基板６と、を有している。

なお、接続電極３ｃのいずれかを選択して説明する場合には、接続電極３ｃ₁、接続電極３ｃ₂、接続電極３ｃ₃、又は接続電極３ｃ₄として説明し、引出電極３ｄのいずれかを選択して説明する場合には、引出電極３ｄ₁、又は引出電極３ｄ₂として説明する。

本実施例において、第１熱電変換素子２ａはＮ型半導体材料から構成され、第２熱電変換素子２ｂはＰ型半導体材料から構成されている。また、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、交互且つマトリックス状（Ｘ方向に８個、Ｙ方向に５個、合計４０個）に配置されている。更に、隣接する第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、第１電極３ａ及び第２電極３ｂを介して電気的に接続されている。そして、図３に示すように、本実施例において、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、直径が互いに異なる円柱体が連結した形状を有している。より具体的には図３に示すように、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂは、直径が大きい第１円柱部１１（例えば、直径５ｍｍ）が第１電極３ａ側に位置し、直径が小さい第２円柱部１２（例えば、直径３ｍｍ）が第２電極３ｂ側に位置している。なお、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの形状はこのような形状に限定されることなく、例えば、円柱状又は角柱状であってもよい。

第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、同一の形状（平板状）を有し、例えば、銅板から形成されている。また、第１電極３ａは、Ｘ方向に５個、Ｙ方向に５個（合計２５個）並設されている。更に、Ｘ方向の両端に位置する第１電極３ａの一端には、第１熱電変換素子２ａ又は第２熱電変換素子２ｂのいずれか一方のみが接続され、他端には接続電極３ｃ又は引出電極３ｄが接続されている。一方、第２電極３ｂ、Ｘ方向に４個、Ｙ方向に５個（合計２０個）並設されている。また、第２電極３ｂの一端には第１熱電変換素子２ａが接続され、他端には第２熱電変換素子２ｂが接続されている。そして、図１及び図３から分かるように、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、Ｚ方向において、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを挟むように配置されている。

このような第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、及び第２電極３ｂの配置関係により、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続されることになる。特に、本実施例においては、Ｘ方向に並設された、４個の第１熱電変換素子２ａ、４個の第２熱電変換素子２ｂ、５個の第１電極３ａ、及び４個の第２電極３ｂから１つの直列接続体１３が形成されている。すなわち、熱電変換モジュール１には合計５個の直列接続体１３が形成されている。また、Ｙ方向において隣接する直列接続体１３同士は、それぞれの一端同士が接続電極３ｃを介して接続されている。なお、直列接続体１３のいずれかを選択して説明する場合には、直列接続体１３ａ、直列接続体１３ｂ、直列接続体１３ｃ、直列接続体１３ｄ、又は直列接続体１３ｅとして説明する。

ここで、第１電極３ａ及び第２電極３ｂは、銅板に限定されることなく、他の導電性材料（例えば、アルミニウム等の金属材料）によって形成されてもよい。また、第１電極３ａ及び第２電極３ｂの数量、形状は上述した内容に限定されることなく、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂ（すなわち、起電力の大きさ）に応じて適宜変更することができる。更には、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂを並列に接続するように第１電極３ａ及び第２電極３ｂを配設してもよい。

接続電極３ｃ及び引出電極３ｄは、同一の構造を有している。具体的には、図４に示すように、両電極はメッシュ状金属２１と、当該メッシュ状金属２１の両端に固着された２つの金属板２２から構成されている。接続電極３ｃ及び引出電極３ｄは良好な可撓性を備えるメッシュ状金属２１を含むため、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄ自体としても可撓性を備えることになる。ここで、メッシュ状金属２１の開口率及び開口寸法は、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄに優れた可撓性を備えさせることができる範囲内において、適宜設定することができる。

また、本実施例において、メッシュ状金属２１及び金属板２２は銅から形成されているが、これらの材料は銅に限定されることなく、他の金属を用いることができる。特に、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄの良好な可撓性を保持しつつ、優れた電気伝導率も保持できる材料が好ましい。更に、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄは、電極自体が良好な可撓性を保持することができれば、メッシュ状金属２１を用いることなく、メッシュ状とは異なる構造の金属材料を使用してもよい。

図２に示すように、−Ｙ側に位置する引出電極３ｄ₁に接続された直列接続体１３ａの他端（＋Ｘ側）に接続電極３ｃ₁が接続されており、当該接続電極３ｃ₁を介して１つＹ側に位置する直列接続体１３ｂが接続されることになる。また、直列接続体１３ｂは、直列接続体１３ａと接続した端部とは反対側（−Ｘ側）においても接続電極３ｃ₂が接続されており、当該他の接続電極３ｃ₂を介して１つＹ側に位置する直列接続体１３ｃに接続されることになる。更に、同様の接続構成により、直列接続体１３ｃと直列接続体１３ｄが＋Ｘ側において接続電極３ｃ₃を介して接続され、直列接続体１３ｄと直列接続体１３ｅが−Ｘ側において接続電極３ｃ₄を介して接続されている。そして、直列接続体１３ｅの＋Ｘ側には、引出電極３ｄ₂が接続されている。

このような、直列接続体１３と接続電極３ｃとの接続関係により、熱電変換モジュール１には、ジグザク状の１つの直列接続回路が形成されることになる。そして、当該直列接続回路の両端には、外部接続用の引出電極３ｄが配置されているため、熱電変換モジュール１にて生じた電力を外部に取り出すことが可能になる。なお、このようなジグザグ状の１つの直列接続回路を形成するため、直列接続体１３ａ、１３ｃ、１３ｅと、直列接続体１３ｂ、１３ｄとにおける第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの配置関係は逆になっている。

図１及び図３から分かるように、第１被覆部材４は、第１電極３ａが埋設されるように、第１電極３ａの表面を被覆している。また、第１被覆部材４は絶縁性を備える樹脂から形成され、且つ当該樹脂には熱伝導性材料として機能するアルミニウム、銅、又は窒化アルミニウム等の金属材料が混合されている。このような構造により、第１被覆部材４は、比較的に高い熱伝導性を備えるとともに、第１電極３ａの周囲の電気的絶縁状態を良好に維持する。

また、図１及び図３から分かるように、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃが埋設されるように、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃを被覆している。また、第２被覆部材５は絶縁性を備える樹脂から形成され、且つ当該樹脂には断熱材料が混合されている。例えば、第２被覆部材５を形成する断熱材料としては、グラスウール等の繊維系断熱材やポリスチレンフォーム等の発泡系断熱材を用いることができる。

このような構造により、第２被覆部材５は、第１被覆部材４よりも低い熱伝導性を備え、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃにおける放熱を抑制する機能を備える。そして、第２被覆部材５は、第１電極３ａ及び第２電極３ｂ間の温度差を大きくし且つその温度差を一定に保ち、より大きな起電力を生じさせることができる。また、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃの周囲の電気的絶縁状態を良好に維持する。

更に、第２被覆部材５によって第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第２電極３ｂ、及び接続電極３ｃが比較的に強固に保持されているため、熱電変換モジュール１自体の強度を向上させることがきる。更に、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが完全に被覆されているため、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂの破損及び汚れ等を防止することができ、熱電変換モジュール１自体の熱電変換効率及び信頼性の低下を抑制することができる。そして、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ及び第２電極３ｂとの接合界面の縁部が露出しないため、熱電変換素子と電極との接合強度を向上させるとともに、経年変化にともなう接合強度の低下を抑制することができ、接合界面におけるクラックの発生を防止できる。

なお、第２被覆部材５は、第１熱電変換素子２ａ、及び第２熱電変換素子２ｂを完全に被覆している必要はなく、その一部分を被覆していてもよい。このような場合であっもて、第１電極３ａと第２電極３ｂとの間に温度差を生じさせつつ当該温度差を一定に保つことができ、熱電変換モジュール１自体の強度を向上させることができるからである。また、第２被覆部材５は、第１被覆部材４と同様に、熱伝導性材料として機能する材料が混合されていてもよい。このような場合であっても、第２被覆部材５は、第１被覆部材４よりも低い熱伝導性を備える必要がある。更に、本実施例においては、第１被覆部材４及び第２被覆部材５の主材料が樹脂であったが、セラミックス等の材料を用いてもよい。このような場合であっても、第２電極３ｂを被覆する材料が、第１電極３ａを被覆する材料よりも低い熱伝導率を備える必要がある。

そして、図１及び図３に示すように、支持基板６は、第２電極３ｂを支持するように、第２電極３ｂと接合している。支持基板６は、絶縁材料から構成されており、例えば、ガラスエポキシ基板等の一般的な絶縁基板を用いることができる。

（熱電変換モジュールの製造方法）
本実施例に係る熱電変換モジュール１の製造方法としては、製造装置を構成する通電加圧部材として機能する２つのパンチの間に、準備した第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄを配置する。その後、２つのパンチを第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄに向かって加圧しつつ電流を供給する。これにより、第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂと、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄとが拡散接合（プラズマ接合）され、複数の第１熱電変換素子２ａ及び第２熱電変換素子２ｂが直列に接続され、５つの直列接続体１３及びこれらの直列接続体からなる直列接続回路が形成される。このような通電加圧は、真空、窒素ガス、又は不活性ガス雰囲気のチャンバ内で行われる。

次に、接合した状態の第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄを支持基板６上に実装する。より具体的には、支持基板６上に形成された金属パターン上に第２電極３ｂを半田等の接合部材を介して接合し、第１熱電変換素子２ａ、第２熱電変換素子２ｂ、第１電極３ａ、第２電極３ｂ、接続電極３ｃ、及び引出電極３ｄの支持をなす。

次に、一般的なインサート形成によって第２被覆部材５を形成し、その後に同様のインサート形成によって第１被覆部材４を形成する。以上の工程を経て、熱電変換モジュール１が完成することになる。

（本実施例と比較例との比較）
次に、図５及び図６を参照しつつ、本実施例に係る熱電変換モジュール１と、比較品である比較例に係る熱電変換モジュール（以下、比較例と称する）とについて実施した試験及びその結果について説明する。ここで、本実施例に係る熱電変換モジュール１と比較例との相違点は、比較例には接続電極３ｃ及び引出電極３ｄに相当する部材として、非可撓性の板状の金属電極が使用されていることである。

図５は所定試験中の熱電変換モジュール１に関する電圧変動を示すグラフであり、図６は所定試験中の比較例に関する電圧変動を示すグラフである。なお、図５及び図６において、縦軸が電圧（任意単位）であり、横軸が経過時間（秒）である。また、所定試験とは、熱電変換モジュール１及び比較例を熱源である汎用エンジン（４００ｃｃ・３７００ｒｐｍ）に設置して耐久性を確認する試験のことである。また、当該所定試験においては、水冷チラー（２０℃設定、流量：４．５Ｌ／ｍｉｎ）を使用して冷却を行っている。

図５及び図６を比較するとわかるように、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、役９００秒までは電圧が上昇するものの、９００秒以降は電圧の変動が無く、安定した電圧を出力していることが分かる。一方、比較例は、電圧が徐々に上昇するものの、電圧の変動が落ち着くことなく、約２０００秒まで大きな変動を繰り返している。このような差が出る理由としては、本実施例に係る熱電変換モジュール１においては、直列接続体１３の端部に可撓性を備える接続電極３ｃ及び引出電極３ｄが配置されているため、熱電変換モジュール１の温度上昇に伴う応力集中が生じたとしても、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄが第１電極３ａから剥離することが無いためである。一方、比較例においては、直列接続体１３の端部に非可撓性の板状の電極が代わりに配置されているため、比較例の温度上昇にともない当該非可撓性の電極が第１電極３ａから剥離してしまい、電圧が安定せず、その変動が大きいままとなる。

以上のように、本実施例においては、直列接続体１３の端部に可撓性を備える接続電極３ｃ及び引出電極３ｄが配設されているため、熱電変換モジュール１の温度上昇に伴う応力集中が生じたとしても、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄが第１電極３ａから剥離することがなくなる。また、上述した構造により、熱電変換モジュール１を車両に搭載した場合に、エンジンの振動による電極剥離も防止することができる。すなわち、本実施例に係る熱電変換モジュール１は、使用条件に依存することなく電極等の剥離を防止し、優れた信頼性を実現することができる。

なお、本実施例においては、複数の直列接続体１３を形成していたが、１つの直列接続体１３のみを形成し、その両端に引出電極３ｄが配置されている構造であってもよい。この場合においても、熱電変換モジュール１の両端に生じる応力にともなう歪みの影響を低減し、使用条件に依存することなく引出電極３ｄの剥離を防止し、優れた信頼性を実現することができる。

また、本実施例においては、第１電極３ａ及び第２電極３ｂに板状の金属板を使用していたが、接続電極３ｃ及び引出電極３ｄのような可撓性の電極を使用してもよい。このようにすることにより、熱電変換モジュールの端部のみならず、全ての電極部分における応力に伴う歪みの影響を低減することができ、より信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することが可能になる。

１ 熱電変換モジュール
２ａ 第１熱電変換素子
２ｂ 第２熱電変換素子
３ａ 第１電極
３ｂ 第２電極
３ｃ 接続電極（第３電極）
３ｄ 引出電極（第３電極）
４ 第１被覆部材
５ 第２被覆部材
６ 支持基板
１１ 第１円柱部
１２ 第２円柱部
１３ 直列接続体

Claims (5)

1. 並設された複数の熱電変換素子と、
   片側にのみ前記熱電変換素子が隣接する前記熱電変換素子の一端に接合される一対の導電性材料、及び、両側に前記熱電変換素子が隣接する前記熱電変換素子の一端に接合されて隣接する前記熱電変換素子の一端同士を電気的に接続する単数または複数の導電性材料からなる第１電極と、
   前記熱電変換素子の他端に接合され、隣接する前記熱電変換素子の他端同士を電気的に接続する単数または複数の導電性材料からなる第２電極と、
   前記第１電極を被覆する第１被覆部材と、を有し、
   前記複数の熱電変換素子、前記第１電極、及び前記第２電極は、少なくとも１つの直列接続体を形成し、
   前記直列接続体の端部には前記第１電極のうち前記片側にのみ前記熱電変換素子が隣接する前記熱電変換素子の一端に接合される一対の導電性材料が位置し、該一対の導電性材料にはそれぞれ可撓性を備える第３電極が配設され、
   前記第３電極、複数の前記熱電変換素子、及び前記第２電極は、前記第１被覆部材よりも低い熱伝導性を備える第２被覆部材により被覆されている熱電変換モジュール。
2. 前記直列接続体を複数有し、
   前記直列接続体同士を前記第３電極によって接続する請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記第３電極は、メッシュ状金属を含む請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
4. 前記第３電極は、前記メッシュ状金属の両端に金属板が固着された構造を備える請求項３に記載の熱電変換モジュール。
5. 前記第１電極及び前記第２電極は、可撓性を備える導電性材料からなる請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電変換モジュール。

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