JP2005277206A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各部材が加熱され熱変形をしても、摺動構造の信頼性に優れ、生産性が高く、性能バラつきを低減した熱電変換装置を提供する。
【解決手段】弾性を有する網目状の導電性部材として金属細線網６を低温側の放熱側電極１３と熱電素子１０，１１との間に配置する。この構成により、熱電変換装置の動作時に金属細線網６が高温にならないようにして、その弾性が失われないようにする。また、この構成により、放熱側電極１３と熱電素子１０，１１とをはんだで接合することを不要にする。さらに、金属細線網６の弾性により、熱電変換装置の組立時における熱電素子１０，１１の高さバラつきを吸収する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の熱電素子の吸熱面に吸熱側電極を取り付けるとともに、各熱電素子の放熱面に放熱側電極を取り付け、全ての熱電素子が電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に接続された熱電変換装置に関し、特に構造の信頼性、生産性を向上させる技術に関する。

熱電変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用した装置であり、電気を熱に変換する温度調整ユニットとしては、既に量産化されている。また、発電ユニットとしても研究開発が進められている。発電ユニットとしての熱電変換装置は、複数の熱電素子が、電気的に直列に接続され、かつ熱的には並列に配置されており、各熱電素子の吸熱側の端部には吸熱側電極が取り付けられ、各熱電素子の放熱側の端部には放熱側電極が取り付けられた構成である（特許文献１参照）。

熱電変換装置の発電効率を熱電素子自体の発電効率に近づけるためには、熱電素子の吸熱側端部への熱供給と熱電素子の放熱側端部からの放熱とが速やかに行われる必要がある。そのため、吸熱側電極が配置される側の絶縁基板や放熱側電極が配置される側の絶縁基板には、熱伝導に優れたセラミックス基板が使用される。さらに、熱電素子の各端部に配置される吸熱側電極、放熱側電極は、電気抵抗の低い材料によって構成される。

熱電変換装置は、加熱されたときに熱電変換の動作をするので、動作時には各構成部材は常温時に比して熱膨張する。このとき、各構成部材の線膨張係数の違いや、吸熱側と放熱側との温度差により、各部材での変形量が異なることになる。この熱変形量の違いにより、熱電素子の接合部や熱電素子が損傷し易くなる場合があった。

これを防止するため、従来は、放熱側電極と熱電素子とをはんだ接合する一方で、吸熱側電極と熱電素子間には弾性を有する綱目状の導電性部材を配置する構成としていた。すなわち、吸熱側電極と熱電素子については、はんだ接合をするのではなく、両者間に弾性を有する綱目状の導電性部材を配置して接触させるだけで熱的・電気的に接続する摺動構造とすることで、各部材の変形による影響を緩和するようにしていた。
特開２００２−２３２０２８号公報

ところが、熱電変換装置は高温で動作するため、吸熱側電極と熱電素子間に配置された綱目状の導電性部材の弾性が熱電変換装置の動作時の高温によって著しく劣化し、長時間の使用では摺動構造の信頼性が低下してしまうという問題があった。

また、放熱側電極と熱電素子とのはんだ接合には、時間がかかるため、生産性が低いという問題があった。さらに、はんだ接合時に熱電素子が水平方向と垂直方向に動くため、熱電変換装置内の複数の熱電素子で高さのバラつきが発生し、熱源と熱電素子間の熱抵抗が増大し、熱電変換装置の性能バラつきが大きくなるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各部材が加熱され熱変形をしても、摺動構造の信頼性に優れ、生産性が高く、性能バラつきを低減した熱電変換装置を提供することにある。

本発明に係る熱電変換装置は、複数の放熱側電極を備えた絶縁基板と、前記複数の放熱側電極の上にそれぞれ配置された複数の網目状の導電性部材と、前記複数の導電性部材に一端面が接触するようにそれぞれ配置された複数の熱電素子と、前記複数の熱電素子の他端面に接触するようにそれぞれ配置された複数の吸熱側電極と、前記複数の吸熱側電極の上から圧力を加えるように配置され、前記絶縁基板との間で各吸熱側電極と各熱電素子と各放熱側電極とを保持する蓋部と、前記絶縁基板と前記蓋部との相対位置を規定する結合部材と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、導電性部材を低温の放熱側電極と熱電素子との間に配置したことで、動作時に導電性部材が高温環境下におかれないようにして、導電性部材の弾性が劣化しないようにしている。また、放熱側電極と熱電素子とのはんだ接合を不要にし、熱電変換装置の生産性が向上している。また、導電性部材を網目状とし、厚さ方向に弾性を備えるようにして、熱電素子の高さのバラつきをこの導電性部材で吸収できるようにしている。

ここで、熱電素子同士の接触を防止するために、前記複数の熱電素子の間に絶縁部材を配置することが望ましい。また、前記結合部材を蓋部と同一の金属材料を用いて形成することが望ましい。

本発明によれば、各部材が加熱され熱変形をしても、摺動構造の信頼性に優れ、生産性が高く、性能バラつきを低減した熱電変換装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施の形態における熱電変換装置の断面構造を示す図である。同図の熱電変換装置１は、複数のｐ型熱電素子１０およびｎ型熱電素子１１を有するものであり、放熱側の絶縁基板１４の平面をなす表面上に複数の放熱側電極１３をアレイ状に備える。各放熱側電極１３の上には厚さ方向に弾性を有する網目状の導電性部材として金属細線網６が配置され、各熱電素子１０，１１は、この金属細線網６に一端面が接触するようにそれぞれ配置される。各熱電素子１０，１１の他端面には、それぞれ吸熱側電極５が接触するように配置され、その上面に吸熱側の絶縁基板４が配置される。絶縁基板１４の表面上の外縁部分にはろう材８により枠９が固定されている。絶縁基板４、吸熱側電極５の上から圧力を加えるようにして蓋部２が配置され、蓋部２の端部は枠９に固定される。すなわち、蓋部２と放熱側の絶縁基板１４とは、その間に各吸熱側電極５、各熱電素子１０，１１、各放熱側電極１３を挟んで離間し対向するように配置されており、熱電素子１０，１１の長手方向、つまり起電力の発生に伴い電流が流れる方向に圧力が加えられるようになっている。また、枠９は、絶縁基板１４と蓋部２との相対位置を規定する役割を果たしている。

このような構成とすることで、熱電素子１０，１１の長さのバラツキを金属細線網６によって吸収し、長さごとの選別や検定などの工程を経ることなく、動作時において熱電素子１０，１１について安定した導通を得ることが可能となる。また、金属細線網６を、動作時に高温になる吸熱側電極５と熱電素子１０，１１との間ではなく、低温の放熱側電極１３と熱電素子１０，１１との間に配置することにより、金属細線網６の弾性が失われないようにしている。

各熱電素子１０，１１の間には、それぞれ絶縁部材２１が配置され、この絶縁部材２１により、熱電素子同士が接触しないようになっている。

枠９は、蓋部２と同一の金属材料を用いて形成される。これにより、枠９と蓋部２との熱膨張率に差が出ないようにして、動作時の熱膨張によって両者の接合部分に損壊が生じないようにしている。

吸熱側の絶縁基板４は、吸熱側電極５と接する主面と対向する主面の全面に銅膜が形成されており、吸熱効率が高められている。

熱電変換装置１の全体は、蓋部２、枠９、放熱側の絶縁基板１４により密閉された箱型構造体となっている。箱型構造体の内部は、大きな温度変化が加えられても構造体に変形・破壊が生じ難いように減圧雰囲気に設定されており、この雰囲気を維持するために箱型構造体によって気密封止されている。

熱電素子１０，１１において生じた起電力は、放熱側の絶縁基板１４に貫通形成されたスルーホール１６に封着された導電線によって外部に取り出される。スルーホール１６の外部側の主面に露出した導電線の部分は、はんだ１７によって絶縁基板１４上に配線された外部電極１８と接続されている。また、絶縁基板１４の外部表面には、放熱性を向上させるための金属被膜１５が形成されている。

本実施の形態では、熱電変換装置の高温側（吸熱側）の使用温度を６００℃とし、各熱電素子１０，１１には、スクッテルダイト構造を有するｐ型およびｎ型の熱電素子を用いる。一方、低温側（放熱側）の使用温度は２００℃とし、放熱側電極１３には銅、放熱側の絶縁基板１４にはＳｉ３Ｎ４基材のセラミックス基板を用いる。各熱電素子１０，１１は、これら吸熱側と放熱側との温度差に応じて発電する。

ここで、熱電素子についてのｐ型ならびにｎ型とは、熱を加えたときの電流の生じる方向が熱の勾配の方向に対して互いに逆向きとなるような関係に構成されたものをいう。ｐ型の熱電素子１０、ｎ型の熱電素子１１を放熱側電極１３ならびに吸熱側電極５によって電気的に直列に接続することにより、起電力の電圧を昇圧させるようになっている。

電気的に直列接続する構成としては、例えば、ｐ型熱電素子１０、ｎ型熱電素子１１を絶縁基板１４上で行方向および列方向に交互に配置し、各行において一対のｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子の一端にそれぞれ１つの放熱側電極１３を電気的に接触させるとともに、共通の放熱側電極１３に接続されていない隣接する一対のｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子の他端にそれぞれ１つの吸熱側電極５を電気的に接触させ、各行の端部におけるｐ型熱電素子、ｎ型熱電素子については、列方向に隣接する熱電素子同士を放熱側電極１３あるいは吸熱側電極５により電気的に接触させた構成とする。

次に、熱電素子変換装置の製造工程の一例について説明する。図２に示すように、平面状の主面に放熱側電極１３が形成された絶縁基板１４を用意する。続いて、図３に示すように、コバールで作製した枠９を絶縁基板１４の端部における放熱側電極１３にろう材８を用いて接合する。ろう材８には銀ろうを使用する。なお、枠９および絶縁基板１４の材質については、排熱効率、断熱性能、気密性能のバランスを考慮して選定することが望ましいが、熱電変換装置の発電性能を著しく低下させるものでなければ、使用することが可能である。ろう材８は、熱電変換装置の所定の使用温度で接合強度が低下しにくく、コバールと放熱側電極１３との接合状態を保持できるものであれば、その材料を特に限定するものではない。枠９は、高さ方向の両端部、すなわち、蓋２ならびに放熱側の絶縁基板１４との接合部において曲げ加工されていることが望ましい。このような構成とすることで、枠９の一端部と絶縁基板１４をろう付けしたときに、枠９の一端部の曲折部にフィレットが形成されるので、接合強度を向上させることができる。一方、枠９の他端部の曲折部と蓋２との接合についてはレーザ溶接によって行うことで、枠９と蓋２との接触面積を向上させることができる。このように、金属製の枠９の両端の接合部分を曲げ加工しておくことにより、ろう付けにおいてもレーザ溶接においても、接合強度を向上させることが容易となり、この結果、枠９の厚さを薄くすることができる。

続いて、図４に示すように、熱電素子の位置を規制するために絶縁部材２１を配置する。

絶縁部材２１には、Ａｌ２Ｏ３部材を格子状に加工したものを使用する。続いて、図５に示すように、放熱側電極１３上の絶縁部材２１で仕切られた各格子部分に金属細線網６をそれぞれ配置する。金属細線網６には、0.6mmφのCu線を網目状に編んだものを使用する。

続いて、図６に示すように、各格子部分の金属細線網６の上にそれぞれ熱電素子１０，１１を交互に配置する。このときの上からみた状態は、図７の平面図のようになる。熱電素子１０，１１の放熱側端面および吸熱側端面には、放熱側電極および吸熱側電極との接触熱抵抗および電気抵抗を低減するためにCu薄膜を成膜する。Ｃｕ薄膜の膜厚は、例えば、スパッタリング法によりＣｕ薄膜を２μm成膜した後、電気メッキで１８μm成膜し、全体で約２０μmとする。なお、この熱電素子の端面処理については、熱電素子の性能を損ない難いものであれば、特に限定するものではない。

続いて、図８に示すように、吸熱側電極５を有した絶縁基板４を、吸熱側電極５が熱電素子１０，１１に接触するように配置する。続いて、図９に示すように、表裏を連通する開口による封止孔３が設けられた蓋部２を、吸熱側の絶縁基板４の上から圧力を加えながら配置した状態で蓋２の端部と枠９の端部とを溶接する。本実施形態では、蓋部２の素材には、所定の吸熱性能を得ながら、枠９や放熱側の絶縁基板１４との熱膨張差を小さくするために、コバールを使用する。

上述したように、本熱電変換装置は、高温側の使用温度を600℃とし、熱電素子には、スクッテルダイト構造を有するｐ型およびｎ型の熱電素子を使用した構成としたが、600℃の大気雰囲気ではスクッテルダイトの熱電素子は酸化するため、性能が低下することになる。

そこで、このような酸化を防止するため、最後の製造工程では、熱電変換装置を気密封止構造にする。具体的には、熱電変換装置１を減圧雰囲気の中に放置し、封止孔３をレーザにより溶融して塞ぐとともに、放熱側電極１３に接続された配線を放熱側の絶縁基板１４に設けたスルーホール１６を通じて外部へ取り出すことにより、気密封止構造を有した熱電変換装置を得る。

したがって、本実施の形態によれば、弾性を有する網目状の導電性部材として金属細線網６を低温側の放熱側電極１３と熱電素子１０，１１との間に配置したことで、熱電変換装置の組立時における熱電素子の高さバラつきを吸収することができるとともに、熱電変換装置の動作時には金属細線網６は２００℃程度の低温状態にあるので、その弾性が失われることがなく、摺動構造の信頼性を高くすることができる。

本実施の形態によれば、熱電素子１０，１１の位置を規制するための絶縁部材２１を隣り合う熱電素子の間に配置したことで、不意の衝撃による大きなずれが熱電素子に対して加えられたとしても、隣接の熱電素子との接触を防止することができる。また、絶縁部材２１により、熱電素子が、接触している吸熱側電極から離脱することを防止することができる。

本実施の形態によれば、枠９の材質を、蓋部２と同一の金属としたことで、枠９と蓋部２とで熱膨張率が等しくなるので、動作時の熱膨張による両者の接合部分での損壊の発生を防止することができる。

本実施の形態によれば、複数のｐ型熱電素子１０およびｎ型熱電素子１１の吸熱面に取り付けられる吸熱側電極５を、熱電素子１０，１１、絶縁基板４、蓋部２に対して固定するのではなく、接触させるだけの摺動可能な保持構造としたことで、熱電素子１０，１１、吸熱側電極５、絶縁基板４、蓋部２がそれぞれ異なる比率で熱膨張したとしても、各熱電素子１０，１１と吸熱側電極５との接触面ですべりが生じるので、熱電素子の破損等の発生を防ぐことができ、従来の熱電変換装置と比較して優れた信頼性を有する熱電変換装置を提供することができる。

本実施の形態によれば、熱電変換装置を気密封止構造としたことで、内部における減圧雰囲気が実現可能となるので、内部の熱電素子や各部材の接触部分における酸化による劣化を防止することができ、信頼性の高い熱電変換装置を提供することができる。また、これにより、熱電変換装置１をいかなる場所にも設置することが可能となる。

一実施の形態における熱電変換装置の構成を示す断面図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、放熱側の絶縁基板上に放熱側電極が形成された状態を示す断面図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、放熱側の絶縁基板上に枠がろう付けされた状態を示す断面図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、放熱側の絶縁基板上に熱電素子の位置を規制するための格子状の絶縁部材が配置された状態を示す断面図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、絶縁部材により仕切られた各格子部分に金属細線網をそれぞれ配置した状態を示す断面図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、各格子部分で金属細線網の上に熱電素子をそれぞれ配置した状態を示す断面図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、各格子部分で金属細線網の上に熱電素子をそれぞれ配置した状態を示す平面模式図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、熱電素子の上に吸熱側電極と絶縁基板を配置した状態を示す断面図である。 上記熱電変換装置の製造工程において、吸熱側の絶縁基板の上から圧力を加えて配置した蓋部を枠に取り付けた状態を示す断面図である。

符号の説明

１…熱電変換装置、２…蓋部、３…封止孔、４…吸熱側の絶縁基板、５…吸熱側電極、６…金属細線網、８…ろう材、９…枠、１０，１１…熱電素子、１３…放熱側電極、１４…放熱側の絶縁基板、１５…金属被膜、１６…スルーホール、１８…外部電極、２１…絶縁部材

Claims (3)

1. 複数の放熱側電極を備えた絶縁基板と、
   前記複数の放熱側電極の上にそれぞれ配置された複数の網目状の導電性部材と、
   前記複数の導電性部材に一端面が接触するようにそれぞれ配置された複数の熱電素子と、
   前記複数の熱電素子の他端面に接触するようにそれぞれ配置された複数の吸熱側電極と、
   前記複数の吸熱側電極の上から圧力を加えるように配置され、前記絶縁基板との間で各吸熱側電極と各熱電素子と各放熱側電極とを保持する蓋部と、
   前記絶縁基板と前記蓋部との相対位置を規定する結合部材と、
   を有することを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記複数の熱電素子の間に配置された絶縁部材を有することを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
3. 前記結合部材は、前記蓋部と同一の金属材料を用いて形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の熱電変換装置。
   
   

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