JP2009076603A

JP2009076603A - 発電用熱電変換モジュールの製造方法および発電用熱電変換モジュール

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Publication number: JP2009076603A
Application number: JP2007242957A
Authority: JP
Inventors: Takehisa Hino; 武久日野; Yujiro Nakatani; 祐二郎中谷; Keiichi Sasaki; 恵一佐々木; Kengo Wakamatsu; 建吾若松; Takahiko Shindou; 尊彦新藤; Yoshiyasu Ito; 義康伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-09-19
Filing date: 2007-09-19
Publication date: 2009-04-09

Abstract

【課題】製作コストが安価で製作効率の高い熱電変換モジュールを製造し、単位面積あたりの出力密度の高い熱電変換モジュールを得ることにある。
【解決手段】ハニカム成形型の上面開口部に0.2mm〜0.8mmの厚さの材料で組んだ格子状のハニカムスペーサーを挟み込み、このハニカムスペーサーにより上面開口部が格子状に仕切られたハニカム成形型内に各格子を通して0.5mm〜1.5mm角の棒状のＰ型及びＮ型熱電素子を交互に挿入する第１の工程と、このハニカム成形型内に一定の間隔を存して設置されたＰ型及びＮ型熱電素子相互間の間隙に絶縁樹脂を含浸硬化させてブロックとして成形する第２の工程と、このブロックを各素子の長手方向に対して直交する方向に所定の厚さ毎に切断してブロック片とする第３の工程と、このブロック片の両面側のＰ型及びＮ型熱電素子とが交互に電気的に直列接続されるようにメッキした後、直列接続された素子群の最先及び最終の素子に電極を半田付けする第４の工程とにより発電用熱電変換モジュールを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度差を電気に直接変換する発電用熱電変換モジュールの製造方法および発電用熱電変換モジュールに関する。

熱電材料は、ペルチェ効果を利用した温調素子と、ゼーベック効果を利用した発電素子の２通りに応用される。

前者のペルチェ効果を利用した温調素子は、温度調節に使用され、可搬用温冷蔵庫のほか、光通信の普及により、レーザー発振子の冷却用として必要不可欠なものとなってきている。

その反面、後者のゼーベック効果を利用した発電素子については、産業排熱を利用した数Ｗ〜数十Ｗクラスの発電システムの検討がなされているが、熱電変換効率が低い、発電コストが高いなどの問題があり実用化に至っていない。

近年、工場内に設置されている発電機などにおいては、各種のセンサーを設置して遠隔監視／制御が行なわれている。これらのセンサーは、電池、若しくは１００Ｖ電源から電気が供給されるが、電池を使用した場合には当然時間の経過に伴って消耗するため、一定期間ごとに電池交換を行なう必要があった。

ところで、センサーの駆動電力は種類にもよるが、一般に数十〜百数十ｍＷであり、一方発電機の運転時は発熱していることから、発電機の発熱温度と外気温との温度差を利用すれば、熱電変換モジュールによりセンサーの駆動電源が得られる可能性はある。

図５は、従来の熱電変換モジュールを用いた熱電発電システムを模式的に示す図である。

この熱電発電システムは、図５に示すように熱電変換モジュール１の上面に熱伝導シート２を設け、その上面にヒートシンク３を配置する構成とし、熱電変換モジュール１より得られる発電電力を出力端子４より取出してＤＣ／ＤＣコンバータ５に与えて所望の電圧に変換している。

しかしながら、図５に示すような熱電発電システムの構成では、発電機から発生する熱量が少ないため、多数の熱電変換モジュールを直列に接続しなければ、センサーの駆動に必要な電力を得ることができず、しかも発電コストに費用が嵩むばかりでなく、満足な設置面積あたりの希望発電量を得ることができなかった。

因みに、Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料を用いて、ゼーベック効果による温度差発電やペルチェ効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電素子の製造方法としては、一対の基板に挟まれるように柱状のＰ型熱電材料とＮ型熱電材料を電気的に交互に接合するに際して、基板にパターンニングされた電極に有する凹部に熱電材料を設置するようにしたもの（特許文献１）や、Ｐ型熱電材料及びＮ型熱電材料切断・削除することによってＰ型熱電材料が接合された基板とＮ型熱電材料が接合された基板を向い合せて組立る際に、第１の基板及び第２の基板とＰ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合剤を用いて仮装着するようにしたもの（特許文献２）があるが、いずれも基板と熱電材料との設置又は装着するときの課題をテーマにしたものであり、単位面積当たりの発電量を多くするためのものではない。
特開２００６−２７８３５２特開２００６−２６１１５２

一般に市販されている熱電変換モジュールは、ペルチェ素子として使用することを前提として作製されており、通常１．５mm〜２．０mm角のビスマス・テルル系材料をサイコロ状に切断した多数の素子を１〜１．５mmの間隔で直列に配列したものである。

このような熱電変換モジュールを製造するには、まず２０〜４０mmの棒状に作製したビスマス・テルル一方向凝固棒材を厚さ１〜２mm程度のウェハ形状にワイヤーソーなどを利用して切断した後、ダイシングソーにて所定のサイコロ形状に切断される。

その後、サイコロ状の熱電変換素材をＰ，Ｎ交互に直列となるように並べ、半田で電極に接続することによって熱電変換モジュールを製造していた。この場合、ダイシングソーの精度で言えば、素子寸法は１mm以下とすることができる。

しかしながら、ビスマス・テルル系熱電変換材料は脆性材料であり、１mm以下とすることによりチッピングにより使用できない素材の発生率が高くなる、素子の位置決め治具の精度が厳密となる、素子の組立のコストが上がるなどの問題が生じる。

さらに、機械を用いた熱電変換モジュールの組立工程に特有な問題として、半田付け時の余剰な半田による素子相互間の短絡があり、この短絡を防止する目的で素子相互間を１〜１．５mmの間隔をとって作製している。

このようにして製造された熱電変換モジュールをセンサー用などの電源として使用する場合、昇圧電気回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の最低入力電圧を発電する必要がある。

また、熱電変換モジュールの設置面積は限られているため、出力密度の高いモジュールが必要となる。この場合、単位面積あたりの起電圧は、単位面積あたりにＰ型素子とＮ型素子の素子対が何組あるかで決定され、この素子対が多いほど、起電圧が大きくなる。

しかしながら、従来の熱電変換モジュールでは、素子寸法が大きく、素子間隔が広いため、使用希望条件にて十分な起電圧を得ることができなかった。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、単位面積あたりの起電圧が高く、かつ製作コストが安価で製作効率の高い発電用熱電変換モジュールの製造方法および発電用熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上記の目的を達成するため、ハニカム成形型の上面開口部に０．２mm〜０．８mmの厚さの板材で組まれた格子状のハニカムスペーサーを挟み込み、このハニカムスペーサーにより上面開口部が格子状に仕切られたハニカム成形型内に各格子を通して０．５mm〜１．５mm角の棒状のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子を交互に挿入する第１の工程と、このハニカム成形型内に一定の間隔を存して設置されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子相互間の間隙に絶縁樹脂を含浸硬化させてブロックとして成形する第２の工程と、この第２の工程で成形されたブロックを各素子の長手方向に対して直交する方向に所定の厚さ毎に切断してブロック片とする第３の工程と、この第３の工程で切断されたブロック片の両面側のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが交互に電気的に直列接続されるようにメッキした後、直列接続された素子群の最先及び最終の素子に出力端子となる電極を半田付けする第４の工程とにより発電用熱電変換モジュールを製造する。

本発明によれば、製作コストが安価で製作効率の高い熱電変換モジュールを製造することができ、単位面積あたりの出力密度の高い熱電変換モジュールを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による発電用熱電変換モジュールの製造方法を説明するための第１の実施形態を示す工程図である。

図１において、棒状のＰ型素子６及びＮ型素子７は、等方性高密度黒鉛素材（例えば東洋炭素（株）製ＩＳＯ−８８等）により所望の棒状形状になるような２分割鋳型を作製し、これらを組合せた鋳型内に溶解したビスマス・テルルを注湯し、凝固させた後、鋳型を元の２分割鋳型に分離することによって、棒状のビスマス・テルル素材として作製したものである（図示せず）。この棒状のビスマス・テルル素材は０．５mm〜１.５mm角、または０．８mm〜１．１mmφで１００mm長さ以上のものを容易に得ることができる。

次に角形絶縁箱らなるハニカム成形型８の上面開口部に０．２mm〜０．８mm、ここでは例えば０．５mmの厚さの板材で格子状に組んだハニカムスペーサー９を挟み込み、このハニカムスペーサー９により上面開口部が格子状に仕切られたハニカム成形型８内に各格子を通して上述した例えば０．５mm角の棒状のＰ型素子６及びＮ型素子７を交互に挿入することで、各素子は縦及び横方向に一定の間隔（０．５mmの間隔）で配置される。

このハニカム成形型８内に設置されたＰ型素子６及びＮ型素子７相互間に存する間隙に容器１０内に収容された絶縁樹脂を含浸硬化させ、全体が一体化されたプロック１１を成形する。

次にこのブロック１１を各素子の長手方向に対して直交する方向に所定の厚さ毎にカッター１２により切断してブロック片とし、その両面側（切断面）のＰ型素子とＮ型素子とが交互に電気的に直列接続されるようにメッキした後、通電の出入口となる最先端及び最終端の素子にマイクロソルダリング技術により図示しない電極を半田付けし、熱電変換モジュール１３を製作する。

このような製造方法によれば、各素子相互間がハニカムスペーサー９の厚み、ここでは０．５mmの厚みに相当する間隔でＰ型素子６とＮ型素子７が配置されるので、素材にチッピングを生じさせることなく単位面積当たりの本数が４０本／cm2以上の実装密度の高い熱電変換モジュールを効率的に作製することができる。また、大量生産品においても素子間隔を０．５mm以下とすることが可能である。

因みに、一般に市販されている熱電変換モジュールは、機械を用いた組立工程の都合から、通常１．５mm〜２．０mm角の素子を１mm〜１．５mmの間隔で組立られていることから、単位面積当たりの実装密度が本発明に比べて低く、単位面積あたりの起電圧を高めることに限界があった。

ここで、本発明方法により製作された熱電変換モジュール（発明モジュール）による発生電圧と従来の熱電変換モジュール（従来モジュール）による発生電圧の測定結果を表１により検証すると次の通りである。

上記表１において、代表的な使用条件としては、低温側温度２５℃、入熱０．２８W/cm²である。また、発明モジュールが設置面積４２mm角（１７６４ｍｍ²）でＰ／Ｎ対が３９２対であるのに対して、従来モジュールが設置面積４０mm角（１６００ｍｍ²）でＰ／Ｎ対が１２７対である。

発明モジュールの単位面積あたりの素子対数は４４．８本/cm²と従来モジュールの１５．８本/cm²に対し、約２．８倍となっている。また、熱起電圧は素子数にほぼ比例するため、発明モジュールの起電圧は１．６１Ｖと従来品に対して３倍以上になっている。

ところで、現状のＤＣ／ＤＣコンバーターの最小起動電圧は、０．９Ｖ（例えばリニアテクノロジー社リニアレギュレーターIC LTC3025等を使用した場合）必要である。

上記表１から明らかなように、代表的な使用条件（低温側温度２５℃、入熱０．２８W/cm²、センサー設置面積４０〜４２mm四方角）において、従来モジュールではＤＣ／ＤＣコンバーターを起動するために十分な電圧を得ることができないが、発明モジュールではＤＣ／ＤＣコンバーターを起動するために十分な電圧が得られることが分かる。

図２〜図４に本発明により作製した熱電変換モジュールを熱源に設置した状態を示す模式図である。

図２〜図４において、いずれも設置される熱源側鋼板１４は板表面の研削を行い、平面度が０．０２mm以下となるよう調整している。

図２は熱源側板１４がフェライトもしくはマルテンサイト系鋼板等の磁石が吸着する材料を用いた場合の設置例（以下、設置例1と呼ぶ）を示している。すなわち、図２に示すように熱源側鋼板１４に熱伝導を良好にするための熱伝導シート１５を貼付け、その上面に前述した図１に示す工程により製作された熱電変換モジュール１３とその上に熱伝導シート２を介してヒートシンク３を設けた構成の発電機を設置し、この発電機のヒートシンク３に鋼板からなる枠体の下面周囲部に磁石１６を張付けた押え治具１７の開口部を挿通させ、ヒートシンク３の熱伝導シート２側に有するフランジ部を上から押え付けるようにして磁石１６を熱源側鋼板１４に吸着させることで、小型発電機を熱源側鋼板１４に密着させた状態で固定するものである。

図３は発電機を熱源側鋼板１４に設置してボルトにより固定した例（以下設置例２と呼ぶ）を示している。すなわち、図３に示すように熱源側鋼板１４に熱伝導を良好にするための熱伝導シート１５を貼付け、その上面に熱電変換モジュール１３とその上に熱伝導シート２を介してヒートシンク３を設けた構成の発電機を設置し、この発電機のヒートシンク部に枠状の鋼板からなる押え治具１８の開口部を挿通させ、ヒートシンク３の熱伝導シート２側に有するフランジ部を上から押え付けるようにして予め押え治具１８及び熱源側鋼板１４にそれぞれ設けられたタップもしくはネジ穴１９にボルト２０を螺挿することで、発電機を熱源側鋼板１４に密着させた状態で固定するものである。

図４は発電機を熱源側鋼板１４に設置して真空脱気によって固定した例（以下設置例３と呼ぶ）を示している。すなわち、図４に示すように熱源側鋼板１４に熱伝導を良好にするための熱伝導シート１５を貼付け、その上面に熱電変換モジュール１３とその上に熱伝導シート２を介してヒートシンク３を設けた構成の発電機を設置し、この発電機のヒートシンク部に鋼板からなる枠体の下面周囲部に真空パッキング２１を設けた押え治具２２の開口部を挿通させ、ヒートシンク３の熱伝導シート２側に有するフランジ部を上から押え付けて真空パッキング２１を真空引きすることで、発電機を熱源側鋼板１４に密着させた状態で固定するものである。

表２は、設置例１〜３において、熱電変換モジュールにＰ／Ｎ対が３９２個、モジュール寸法が４２mm角、モジュール高さ３mmのものを使用し、気温２５℃で入熱を０．２８W/cm²与えたときのＤＣ／ＤＣコンバータの入力前後の発生電圧（平均値）を示すものである。

なお、上記表２には同一条件にて市販のモジュール（４０mm角モジュール、Ｐ／Ｎ対が１２７個、モジュール高さ３mm）を評価した結果（従来例）を併せて示している。

上記表２から分かるように、従来例ではＤＣ／ＤＣコンバータ入力後の起電圧が０Ｖであるのに対し、本発明による設置例ではいずれも３．０Ｖの出力が得られることが確認できた。

本発明による熱電変換モジュールの製造方法を説明するための第１の実施形態を示す工程図。本発明により作製した熱電変換モジュールを熱源に設置した状態の第１の例を示す模式図。本発明により作製した熱電変換モジュールを熱源に設置した状態の第２の例を示す模式図。本発明により作製した熱電変換モジュールを熱源に設置した状態の第３の例を示す模式図。従来の熱電変換モジュールを熱源に設置した状態を示す模式図。

符号の説明

２…熱伝導シート、３…ヒートシンク、５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６…Ｐ型素子、７…Ｎ型素子、８…ハニカム成形型、９…ハニカムスペーサー、１０…容器、１１…ブロック、１２…カッター、１３…熱電変換モジュール、１４…熱源側鋼板、１５…熱伝導シート、１６…磁石、１７，１８，２２…押え治具、１９…ネジ穴、２０…ボルト、２１…真空パッキング

Claims

ハニカム成形型の上面開口部に０．２mm〜０．８mmの厚さの板材で組まれた格子状のハニカムスペーサーを挟み込み、このハニカムスペーサーにより上面開口部が格子状に仕切られたハニカム成形型内に各格子を通して０．５mm〜１．５mm角の棒状のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子を交互に挿入する第１の工程と、
このハニカム成形型内に一定の間隔を存して設置されたＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子相互間の間隙に絶縁樹脂を含浸硬化させてブロックとして成形する第２の工程と、
この第２の工程で成形されたブロックを各素子の長手方向に対して直交する方向に所定の厚さ毎に切断してブロック片とする第３の工程と、
この第３の工程で切断されたブロック片の両面側のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが交互に電気的に直列接続されるようにメッキした後、直列接続された素子群の最先及び最終の素子に出力端子となる電極を半田付けする第４の工程と
からなる発電用熱電モジュールの製造方法。
請求項１記載の発電用モジュールの製造方法において、
Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の材料としてビスマスおよびテルルを含む材料を用いることを特徴とする発電用熱電変換モジュールの製造方法。
請求項１又は請求項２記載の発電用熱電変換モジュールの製造方法において、
前記熱電変換素子の単位面積当たりの本数が４０本／cm²以上であることを特徴とする発電用熱電変換モジュールの製造方法。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする発電用熱電変換モジュール。