JP2003110156A - 熱電変換モジュールおよびそれに用いる接着剤 - Google Patents
熱電変換モジュールおよびそれに用いる接着剤Info
- Publication number
- JP2003110156A JP2003110156A JP2001299313A JP2001299313A JP2003110156A JP 2003110156 A JP2003110156 A JP 2003110156A JP 2001299313 A JP2001299313 A JP 2001299313A JP 2001299313 A JP2001299313 A JP 2001299313A JP 2003110156 A JP2003110156 A JP 2003110156A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thermoelectric conversion
- conversion module
- carbon
- conversion element
- joining
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高出力に対応可能でありながら信頼性を高め
ることができる熱電変換モジュールを提供する。 【解決手段】 熱電変換素子１の両側に、冷却ダクト４
および加熱ダクト５を熱応力緩和パッド７を介して接合
し、応力緩和パッド７と熱電変換素子１との接合のため
の接合介在層６を、主として炭素系物質と結着剤物質と
からなる炭素系接合材とした。
ることができる熱電変換モジュールを提供する。 【解決手段】 熱電変換素子１の両側に、冷却ダクト４
および加熱ダクト５を熱応力緩和パッド７を介して接合
し、応力緩和パッド７と熱電変換素子１との接合のため
の接合介在層６を、主として炭素系物質と結着剤物質と
からなる炭素系接合材とした。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、熱エネルギーを
電気エネルギーに変換するための熱電変換モジュールに
係り、特に、高出力に対応可能でありながら信頼性を高
める技術に関する。また、本発明は、上記のような熱電
変換モジュールに適用して好適な接着剤に関するもので
もある。
電気エネルギーに変換するための熱電変換モジュールに
係り、特に、高出力に対応可能でありながら信頼性を高
める技術に関する。また、本発明は、上記のような熱電
変換モジュールに適用して好適な接着剤に関するもので
もある。
【０００２】
【従来の技術】熱電変換素子を用いた熱電変換モジュー
ルによる直接発電システムは、構造が簡単で可動部分が
ないため、信頼性が高く保守点検が容易であるという利
点があるが、現状の出力密度およびエネルギー変換効率
は未だ低いため、宇宙用など特殊な用途でしかも低い出
力規模に限って開発が行われてきた。しかしながら、昨
今の環境対策の観点から、ゴミ焼却炉などの廃熱を利用
した発電システムへの適用が期待を集めており、発電単
価の低減や熱電変換モジュールシステムの耐久性の向上
などが望まれている。
ルによる直接発電システムは、構造が簡単で可動部分が
ないため、信頼性が高く保守点検が容易であるという利
点があるが、現状の出力密度およびエネルギー変換効率
は未だ低いため、宇宙用など特殊な用途でしかも低い出
力規模に限って開発が行われてきた。しかしながら、昨
今の環境対策の観点から、ゴミ焼却炉などの廃熱を利用
した発電システムへの適用が期待を集めており、発電単
価の低減や熱電変換モジュールシステムの耐久性の向上
などが望まれている。
【０００３】熱電変換素子には、ＢｉＴｅ系、ＢｉＳｎ
系、ＦｅＳｉ系、ＳｉＧｅ系などがあり、それぞれ熱電
変換の目的や用途、設置環境によって素子を使い分けて
いる。図３に従来の熱電変換モジュールの一例を示す。
この図に示す熱電変換モジュールは、たとえばＢｉＴｅ
等からなる熱電変換素子１の両側に、銅等からなる電極
２を積層し、電極２の一面に、雲母等からなる電気絶縁
層３を介して冷却ダクト４および加熱ダクト５をそれぞ
れ積層して構成されている。このような熱電変換モジュ
ールでは、冷却ダクト４に送風するとともに加熱ダクト
５に高温の廃ガス等を供給することにより、熱電変換素
子１に熱伝導を発生させて発電し、発生した電気を電極
２から取り出すことができる。
系、ＦｅＳｉ系、ＳｉＧｅ系などがあり、それぞれ熱電
変換の目的や用途、設置環境によって素子を使い分けて
いる。図３に従来の熱電変換モジュールの一例を示す。
この図に示す熱電変換モジュールは、たとえばＢｉＴｅ
等からなる熱電変換素子１の両側に、銅等からなる電極
２を積層し、電極２の一面に、雲母等からなる電気絶縁
層３を介して冷却ダクト４および加熱ダクト５をそれぞ
れ積層して構成されている。このような熱電変換モジュ
ールでは、冷却ダクト４に送風するとともに加熱ダクト
５に高温の廃ガス等を供給することにより、熱電変換素
子１に熱伝導を発生させて発電し、発生した電気を電極
２から取り出すことができる。
【０００４】上記のような熱電変換モジュールでは、熱
電変換素子１、電極２、電気絶縁層３および冷却、加熱
ダクト４、５の各部材は、加圧して圧着状態にしたりハ
ンダなどのロウ材を用いて接合し、一体化するのが一般
的であった。しかしながら、圧着による一体化では、各
部材の接触界面における接触熱抵抗により熱電変換モジ
ュールの温度落差が大きく、熱電変換素子１の出力が損
なわれるという欠点があった。なお、圧着の加圧力を増
加すると接触熱抵抗をいくらか緩和できるが、その加圧
力に熱電変換素子１の熱応力が加わり、熱履歴により脆
弱な熱電変換素子１が破損するという懸念があった。
電変換素子１、電極２、電気絶縁層３および冷却、加熱
ダクト４、５の各部材は、加圧して圧着状態にしたりハ
ンダなどのロウ材を用いて接合し、一体化するのが一般
的であった。しかしながら、圧着による一体化では、各
部材の接触界面における接触熱抵抗により熱電変換モジ
ュールの温度落差が大きく、熱電変換素子１の出力が損
なわれるという欠点があった。なお、圧着の加圧力を増
加すると接触熱抵抗をいくらか緩和できるが、その加圧
力に熱電変換素子１の熱応力が加わり、熱履歴により脆
弱な熱電変換素子１が破損するという懸念があった。
【０００５】一方、ハンダなどのロウ材により各部材ど
うしを接合した場合には、接合のためにロウ材を溶解状
態とするため、２００〜３００℃程度に加熱する必要が
あり、その加熱温度によっては熱電変換素子１を劣化さ
せてしまうおそれがある。また、ロウ材の溶解温度以上
の環境下に熱電変換モジュールを設置すると、ロウ材が
溶解・流出してしまうので、設置場所が制限され、熱電
変換モジュールの用途に制限を受けるという欠点があっ
た。
うしを接合した場合には、接合のためにロウ材を溶解状
態とするため、２００〜３００℃程度に加熱する必要が
あり、その加熱温度によっては熱電変換素子１を劣化さ
せてしまうおそれがある。また、ロウ材の溶解温度以上
の環境下に熱電変換モジュールを設置すると、ロウ材が
溶解・流出してしまうので、設置場所が制限され、熱電
変換モジュールの用途に制限を受けるという欠点があっ
た。
【０００６】また、ハンダは鉛を含むため、環境保護の
観点で既に製造および使用が禁止されている国や地域も
あり、将来、我が国においてもハンダが使えなくなる可
能性がある。この対策として鉛を含まない接合材（Lead
Free Solder）の開発が各国で行われているが、接合強
度およびコストの点で従来のハンダを凌ぐものはまだ得
られていないのが現状である。したがって、将来、ハン
ダの生産および使用が中止になった場合には、熱電変換
モジュールの組立にも重大な支障をきたすおそれがあ
る。
観点で既に製造および使用が禁止されている国や地域も
あり、将来、我が国においてもハンダが使えなくなる可
能性がある。この対策として鉛を含まない接合材（Lead
Free Solder）の開発が各国で行われているが、接合強
度およびコストの点で従来のハンダを凌ぐものはまだ得
られていないのが現状である。したがって、将来、ハン
ダの生産および使用が中止になった場合には、熱電変換
モジュールの組立にも重大な支障をきたすおそれがあ
る。
【０００７】熱電変換素子から大きな出力を取り出すに
は、熱電変換素子の両面にできるだけ大きい温度差を与
える必要がある。そのためには、図３に示すように、熱
電変換素子を加熱および冷却ダクトではさみ、伝導によ
り熱を伝える方式（Conduction Coupling）が効果的で
ある。しかしながら、熱電変換素子の上下面の温度差が
あまりに大きいと、熱電変換素子に永久歪が生じたり破
損するおそれがある。そのため、熱電変換素子の破損を
予防するために、熱電変換素子と加熱、冷却ダクトの間
に、熱伝導性が良好で熱応力の緩和の作用を有する熱応
力緩和パッドを介在させて接合する技術が提案されてい
る。
は、熱電変換素子の両面にできるだけ大きい温度差を与
える必要がある。そのためには、図３に示すように、熱
電変換素子を加熱および冷却ダクトではさみ、伝導によ
り熱を伝える方式（Conduction Coupling）が効果的で
ある。しかしながら、熱電変換素子の上下面の温度差が
あまりに大きいと、熱電変換素子に永久歪が生じたり破
損するおそれがある。そのため、熱電変換素子の破損を
予防するために、熱電変換素子と加熱、冷却ダクトの間
に、熱伝導性が良好で熱応力の緩和の作用を有する熱応
力緩和パッドを介在させて接合する技術が提案されてい
る。
【０００８】具体的には、特開平８−１８６２９５号
（特許 第３０５６０４７号）公報に開示されているよ
うに、熱伝導率が大きく弾性定数の小さい材料と電気絶
縁材料とを接合せずに、両者の組成を徐々に変化させた
傾斜機能材料を採用した熱応力緩和パッドがある。この
熱応力緩和パッドと熱電変換素子および加熱、冷却ダク
トを接合すると、従来の圧着型に比べ接触熱抵抗を格段
に低減することができる。また熱応力緩和パッドがクッ
ションの役割をするため、加熱、冷却ダクトの熱膨張差
に起因する熱応力を緩和することができ、熱電変換素子
の破壊を防止することができる。
（特許 第３０５６０４７号）公報に開示されているよ
うに、熱伝導率が大きく弾性定数の小さい材料と電気絶
縁材料とを接合せずに、両者の組成を徐々に変化させた
傾斜機能材料を採用した熱応力緩和パッドがある。この
熱応力緩和パッドと熱電変換素子および加熱、冷却ダク
トを接合すると、従来の圧着型に比べ接触熱抵抗を格段
に低減することができる。また熱応力緩和パッドがクッ
ションの役割をするため、加熱、冷却ダクトの熱膨張差
に起因する熱応力を緩和することができ、熱電変換素子
の破壊を防止することができる。
【０００９】
【発明が解決すべき課題】前述したように、熱電変換モ
ジュールシステムを広く普及させるためには、熱電変換
特性に優れながら、環境依存が少なく、しかも環境影響
へも配慮した接合形態とした熱電変換モジュールシステ
ムを提供する必要がある。この場合、当然ながら、熱電
変換素子等の各部材を一体化する際の工程で、熱電変換
素子に悪影響を及ぼさないことも考慮しなければならな
い。しかしながら、そのような技術は未だ提供されてい
ないのが実情である。
ジュールシステムを広く普及させるためには、熱電変換
特性に優れながら、環境依存が少なく、しかも環境影響
へも配慮した接合形態とした熱電変換モジュールシステ
ムを提供する必要がある。この場合、当然ながら、熱電
変換素子等の各部材を一体化する際の工程で、熱電変換
素子に悪影響を及ぼさないことも考慮しなければならな
い。しかしながら、そのような技術は未だ提供されてい
ないのが実情である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の熱電変換モジュ
ールは、熱電変換素子の両側に、冷却手段および加熱手
段を中間部材を介して接合し、一体化した熱変換モジュ
ールにおいて、中間部材と熱電変換素子との接合のため
の接合介在層を、主として炭素系物質と結着剤物質とか
らなる炭素系接合材としたことを特徴としている。
ールは、熱電変換素子の両側に、冷却手段および加熱手
段を中間部材を介して接合し、一体化した熱変換モジュ
ールにおいて、中間部材と熱電変換素子との接合のため
の接合介在層を、主として炭素系物質と結着剤物質とか
らなる炭素系接合材としたことを特徴としている。
【００１１】上記構成の熱電変換モジュールにあって
は、熱電変換素子と中間部材とを接合する接合介在層を
主として炭素系物質と結着剤物質とからなる炭素系接合
材としているので、ハンダ材料において懸念された設置
環境温度によって接合介在層が溶解したりすることがな
く、環境依存がなく広範な用途に用いることができると
ともに、環境への影響がなく、しかも、各部材の一体化
に際して熱電変換素子への悪影響も防止することができ
る。
は、熱電変換素子と中間部材とを接合する接合介在層を
主として炭素系物質と結着剤物質とからなる炭素系接合
材としているので、ハンダ材料において懸念された設置
環境温度によって接合介在層が溶解したりすることがな
く、環境依存がなく広範な用途に用いることができると
ともに、環境への影響がなく、しかも、各部材の一体化
に際して熱電変換素子への悪影響も防止することができ
る。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について説明する。熱電変換素子には、ＢｉＴｅ系、Ｂ
ｉＳｎ系、ＦｅＳｉ系、ＳｉＧｅ系など、任意のものを
用いることができる。中間部材は、熱電変換素子側へ向
かうに従って熱伝導率が徐々に大きくなるとともに弾性
定数および電気絶縁性が徐々に小さくなる熱応力緩和パ
ッドであることが望ましい。このような熱応力緩和パッ
ドは、熱伝導率が大きく弾性定数の小さい材料と電気絶
縁材料とを接合せずに、両者の組成を徐々に変化させた
傾斜機能材料であり、接触熱抵抗を格段に低減するとと
もに、加熱、冷却手段の熱膨張差に起因する熱応力を緩
和することを可能とする。また、熱応力緩和パッドの熱
電変換素子側の端部は電気電導率が高いから、その部分
を電極として用いることができる。あるいは、接合介在
層も炭素系物質を含み電気伝導率が高いから、その部分
を電極として用いることも可能である。
について説明する。熱電変換素子には、ＢｉＴｅ系、Ｂ
ｉＳｎ系、ＦｅＳｉ系、ＳｉＧｅ系など、任意のものを
用いることができる。中間部材は、熱電変換素子側へ向
かうに従って熱伝導率が徐々に大きくなるとともに弾性
定数および電気絶縁性が徐々に小さくなる熱応力緩和パ
ッドであることが望ましい。このような熱応力緩和パッ
ドは、熱伝導率が大きく弾性定数の小さい材料と電気絶
縁材料とを接合せずに、両者の組成を徐々に変化させた
傾斜機能材料であり、接触熱抵抗を格段に低減するとと
もに、加熱、冷却手段の熱膨張差に起因する熱応力を緩
和することを可能とする。また、熱応力緩和パッドの熱
電変換素子側の端部は電気電導率が高いから、その部分
を電極として用いることができる。あるいは、接合介在
層も炭素系物質を含み電気伝導率が高いから、その部分
を電極として用いることも可能である。
【００１３】上記のような熱応力緩和パッドは、電極と
絶縁層とを兼ね備えたものであるが、それに代えて電極
と電気絶縁層をそれぞれ設けることができる。この場
合、電極と熱電変換素子との間に接合介在層を設けるこ
とが必須となるが、電極と電気絶縁層、あるいは電気絶
縁層と冷却、加熱手段との間にも接合介在層を設けるこ
とができる。また、電極や電気絶縁層以外の中間部材を
設ける場合にも、それら中間部材の間または中間部材と
冷却、加熱手段との間に接合介在層を設けることができ
る。さらに、熱応力緩和パッドと冷却、加熱パッドとの
間に接合介在層を設けることもできる。なお、冷却手段
および加熱手段の代表的なものとしては、内部に気体を
流通させるダクトがあるが、本発明では他の任意の手段
を用いることができる。なお、接合介在層を設けない部
材どうしの接合には、たとえば熱電変換モジュールの両
側から加圧して圧着状態にする等任意の手段を用いるこ
とができる。
絶縁層とを兼ね備えたものであるが、それに代えて電極
と電気絶縁層をそれぞれ設けることができる。この場
合、電極と熱電変換素子との間に接合介在層を設けるこ
とが必須となるが、電極と電気絶縁層、あるいは電気絶
縁層と冷却、加熱手段との間にも接合介在層を設けるこ
とができる。また、電極や電気絶縁層以外の中間部材を
設ける場合にも、それら中間部材の間または中間部材と
冷却、加熱手段との間に接合介在層を設けることができ
る。さらに、熱応力緩和パッドと冷却、加熱パッドとの
間に接合介在層を設けることもできる。なお、冷却手段
および加熱手段の代表的なものとしては、内部に気体を
流通させるダクトがあるが、本発明では他の任意の手段
を用いることができる。なお、接合介在層を設けない部
材どうしの接合には、たとえば熱電変換モジュールの両
側から加圧して圧着状態にする等任意の手段を用いるこ
とができる。
【００１４】接合介在層のシート抵抗値は、１〜１００
Ω／□であることが望ましい。シート抵抗値（Ｒ□）は
被膜の導電性を表すものであり、値が小さいものほど電
気伝導性に優れている。このシート抵抗値は以下の式に
より算出することができる。
Ω／□であることが望ましい。シート抵抗値（Ｒ□）は
被膜の導電性を表すものであり、値が小さいものほど電
気伝導性に優れている。このシート抵抗値は以下の式に
より算出することができる。
【００１５】
【数１】
【００１６】ここで、シート抵抗値が１００Ω／□を越
えると電気伝導性が高くなり、熱電変換モジュールのシ
ステム全体としてみると、従来の技術で挙げたレベル
（電気抵抗）と変わらないものとなってしまう。一方、
シート抵抗値が低い、すなわち電気伝導度に優れたもの
であれば、熱電変換のロスが少ないものとなり望ましい
ものとなるが、接合介在層を本発明のような炭素系接合
材とした場合には、１Ω／□が下限と考えられる。
えると電気伝導性が高くなり、熱電変換モジュールのシ
ステム全体としてみると、従来の技術で挙げたレベル
（電気抵抗）と変わらないものとなってしまう。一方、
シート抵抗値が低い、すなわち電気伝導度に優れたもの
であれば、熱電変換のロスが少ないものとなり望ましい
ものとなるが、接合介在層を本発明のような炭素系接合
材とした場合には、１Ω／□が下限と考えられる。
【００１７】この発明における熱電変換モジュールの接
合介在層は、主として炭素系物質と結着剤物質から構成
される炭素系接合材である。炭素系物質としては、天然
黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、カーボンブラック、メ
ソフェーズカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）および
メソフェーズカーボンファイバー（ＭＣＦ）のいずれか
１つ以上を単体あるいは混合物とした形態で用いること
ができる。なかでもリン状またはリン片状の天然黒鉛と
導電性カーボンブラックとを混合したものが好適であ
る。また、炭素系物質として、現在はまだ高価であるた
め商用性の観点で実用的ではないが、カーボンナノチュ
ーブ、フラーレンなどの炭素系ナノ材料も使用できると
考える。また、電気伝導性をさらに向上させるために、
Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属粒子を添加しても良
い。この場合、シート抵抗値は０．０１〜０．１Ω／□
程度となる。
合介在層は、主として炭素系物質と結着剤物質から構成
される炭素系接合材である。炭素系物質としては、天然
黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、カーボンブラック、メ
ソフェーズカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）および
メソフェーズカーボンファイバー（ＭＣＦ）のいずれか
１つ以上を単体あるいは混合物とした形態で用いること
ができる。なかでもリン状またはリン片状の天然黒鉛と
導電性カーボンブラックとを混合したものが好適であ
る。また、炭素系物質として、現在はまだ高価であるた
め商用性の観点で実用的ではないが、カーボンナノチュ
ーブ、フラーレンなどの炭素系ナノ材料も使用できると
考える。また、電気伝導性をさらに向上させるために、
Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの金属粒子を添加しても良
い。この場合、シート抵抗値は０．０１〜０．１Ω／□
程度となる。
【００１８】なお、炭素系物質は、固定炭素分が９０％
以上、すなわちできる限り純度の高いものが望ましく、
平均粒子径は０．０２〜１００μｍの範囲のものが良
い。また、材料単体の電気伝導特性を示す指標の粉体抵
抗値が０．００１〜１Ω・ｃｍの範囲のものが良い。な
お、この粉体抵抗値は、黒鉛材料では圧縮密度が２．０
ｇ／ｃｍ３程度の場合であり、カーボンブラックでは圧
縮密度が１．２ｇ／ｃｍ ３程度の場合である。
以上、すなわちできる限り純度の高いものが望ましく、
平均粒子径は０．０２〜１００μｍの範囲のものが良
い。また、材料単体の電気伝導特性を示す指標の粉体抵
抗値が０．００１〜１Ω・ｃｍの範囲のものが良い。な
お、この粉体抵抗値は、黒鉛材料では圧縮密度が２．０
ｇ／ｃｍ３程度の場合であり、カーボンブラックでは圧
縮密度が１．２ｇ／ｃｍ ３程度の場合である。
【００１９】接合介在層を構成する結着剤物質は、樹脂
系材料またはアルカリ物質含有ケイ酸塩化合物であるこ
とが望ましい。樹脂系材料としては、フェノール樹脂、
フタル酸樹脂、アルキッド樹脂、アミノ樹脂、エポキシ
樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂
等を適用することができる。このような樹脂系材料を結
着剤物質として使用することができるのは、熱電変換素
子がＢｉＴｅ系のように耐熱温度が２４０℃程度の場合
や、熱電変換素子が耐熱性のある場合であっても、熱電
変化モジュールを使用する環境が３００℃程度までの場
合である。
系材料またはアルカリ物質含有ケイ酸塩化合物であるこ
とが望ましい。樹脂系材料としては、フェノール樹脂、
フタル酸樹脂、アルキッド樹脂、アミノ樹脂、エポキシ
樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂
等を適用することができる。このような樹脂系材料を結
着剤物質として使用することができるのは、熱電変換素
子がＢｉＴｅ系のように耐熱温度が２４０℃程度の場合
や、熱電変換素子が耐熱性のある場合であっても、熱電
変化モジュールを使用する環境が３００℃程度までの場
合である。
【００２０】結着剤物質としてのアルカリ物質含有ケイ
酸塩化合物としては、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウ
ム、ケイ酸カリウムが挙げられる。結着剤物質としてア
ルカリ物質含有ケイ酸塩化合物を結着剤を選択するの
は、熱電変換モジュールの使用環境温度が３００〜７５
０℃になる場合である。このような高温環境下ではロウ
材や本件発明の樹脂系材料による炭素系結合材では、接
合介在層が熱変化してしまうが、アルカリ物質含有ケイ
酸塩化合物とした場合には熱変化が起こらないので、安
定した性能を提供できる熱電変換モジュールとなる。し
たがって、アルカリ物質含有ケイ酸塩化合物にこだわら
ず、高温環境下で熱変化しない材料、例えば、コロイダ
ルシリカ、コロイダルアルミナ、エチルシリケート、重
リン酸カリウム、重リン酸アルミニウムおよび低融点ガ
ラスなども使用することができる。このように、この発
明による熱電変換モジュールの接合介在層は、ハンダ材
料のように鉛を含んだ材料ではない炭素系接合材である
ので、環境に及ぼす影響が少ない。
酸塩化合物としては、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸リチウ
ム、ケイ酸カリウムが挙げられる。結着剤物質としてア
ルカリ物質含有ケイ酸塩化合物を結着剤を選択するの
は、熱電変換モジュールの使用環境温度が３００〜７５
０℃になる場合である。このような高温環境下ではロウ
材や本件発明の樹脂系材料による炭素系結合材では、接
合介在層が熱変化してしまうが、アルカリ物質含有ケイ
酸塩化合物とした場合には熱変化が起こらないので、安
定した性能を提供できる熱電変換モジュールとなる。し
たがって、アルカリ物質含有ケイ酸塩化合物にこだわら
ず、高温環境下で熱変化しない材料、例えば、コロイダ
ルシリカ、コロイダルアルミナ、エチルシリケート、重
リン酸カリウム、重リン酸アルミニウムおよび低融点ガ
ラスなども使用することができる。このように、この発
明による熱電変換モジュールの接合介在層は、ハンダ材
料のように鉛を含んだ材料ではない炭素系接合材である
ので、環境に及ぼす影響が少ない。
【００２１】この発明では、上記した炭素系物質並びに
結着剤物質を主たる構成とした炭素系接合材で熱電変換
モジュールの接合介在層を達成するが、この接合介在層
は、これら主構成物質を含んだ接着剤を塗布・熱処理す
ることで形成することができる。熱電変換モジュールに
適用する接着剤としては、炭素系物質および結着剤物質
を適当な溶媒中に分散させたものが好ましい。溶媒は、
結着剤物質が樹脂系材料の場合は樹脂系材料と相溶性の
ある有機溶剤を用い、結着剤物質がアルカリ物質含有ケ
イ酸塩化合物の場合は水またはエチルアルコール、好ま
しくはイオン純水または蒸留水を用いる。また、接着剤
中に炭素系物質を安定的に分散させるため、セルロース
類やアクリル樹脂、天然樹脂などの分散剤、カップリン
グ剤や界面活性剤などの分散助剤、防腐剤、粘性調整剤
などの添加剤を適宜添加することが望ましい。これらの
材料を投入して、分散処理により塗料化することで熱電
変換モジュールに適用する接着剤が得られる。
結着剤物質を主たる構成とした炭素系接合材で熱電変換
モジュールの接合介在層を達成するが、この接合介在層
は、これら主構成物質を含んだ接着剤を塗布・熱処理す
ることで形成することができる。熱電変換モジュールに
適用する接着剤としては、炭素系物質および結着剤物質
を適当な溶媒中に分散させたものが好ましい。溶媒は、
結着剤物質が樹脂系材料の場合は樹脂系材料と相溶性の
ある有機溶剤を用い、結着剤物質がアルカリ物質含有ケ
イ酸塩化合物の場合は水またはエチルアルコール、好ま
しくはイオン純水または蒸留水を用いる。また、接着剤
中に炭素系物質を安定的に分散させるため、セルロース
類やアクリル樹脂、天然樹脂などの分散剤、カップリン
グ剤や界面活性剤などの分散助剤、防腐剤、粘性調整剤
などの添加剤を適宜添加することが望ましい。これらの
材料を投入して、分散処理により塗料化することで熱電
変換モジュールに適用する接着剤が得られる。
【００２２】この接着剤を熱電変換素子、電極、電気絶
縁層および周辺構造材の接合すべき面に塗布し、熱処理
または自然乾燥により接着剤中の溶媒を蒸発または揮発
させることで、個々の部材を炭素系接合材とした接合介
在層を介して接合し、一体化することで熱電変換モジュ
ールとする。なお、接着剤の各部材への塗布は、接着剤
の形態により適宜選ぶことができ、例えば、スクリーン
印刷、ヘラや刷毛塗り、ローラー塗布、ディッピング、
シリンジ注入等の手法で行うことができる。
縁層および周辺構造材の接合すべき面に塗布し、熱処理
または自然乾燥により接着剤中の溶媒を蒸発または揮発
させることで、個々の部材を炭素系接合材とした接合介
在層を介して接合し、一体化することで熱電変換モジュ
ールとする。なお、接着剤の各部材への塗布は、接着剤
の形態により適宜選ぶことができ、例えば、スクリーン
印刷、ヘラや刷毛塗り、ローラー塗布、ディッピング、
シリンジ注入等の手法で行うことができる。
【００２３】なお、本発明は、上記のような熱電変換モ
ジュールに適用する接合介在層を形成する接着剤であっ
て、主として溶媒、炭素系物質および結着剤物質からな
ることを特徴とするものでもある。
ジュールに適用する接合介在層を形成する接着剤であっ
て、主として溶媒、炭素系物質および結着剤物質からな
ることを特徴とするものでもある。
【００２４】次に、図１および図２を参照して本発明の
具体的な構成を説明する。図１に示す熱電変換モジュー
ルは、熱電変換素子１の両側に、電極２を接合介在層６
を介して接合し、電極２の一面に、電気絶縁層（中間部
材）３を介して冷却ダクト（冷却手段）４および加熱ダ
クト（加熱手段）５をそれぞれ積層したものであり、熱
電変換素子１および電極（中間部材）２どうし以外の部
材どうしは、熱電変換モジュールの両側から加圧して圧
着状態にすることで接合されている。このような熱電変
換モジュールでは、冷却ダクト４に送風するとともに加
熱ダクト５に高温の廃ガス等を供給することにより、熱
電変換素子１に熱伝導を発生させて発電し、発生した電
気を電極２から取り出すことができる。
具体的な構成を説明する。図１に示す熱電変換モジュー
ルは、熱電変換素子１の両側に、電極２を接合介在層６
を介して接合し、電極２の一面に、電気絶縁層（中間部
材）３を介して冷却ダクト（冷却手段）４および加熱ダ
クト（加熱手段）５をそれぞれ積層したものであり、熱
電変換素子１および電極（中間部材）２どうし以外の部
材どうしは、熱電変換モジュールの両側から加圧して圧
着状態にすることで接合されている。このような熱電変
換モジュールでは、冷却ダクト４に送風するとともに加
熱ダクト５に高温の廃ガス等を供給することにより、熱
電変換素子１に熱伝導を発生させて発電し、発生した電
気を電極２から取り出すことができる。
【００２５】次に、図２に示す熱電変換モジュールは、
熱電変換素子１の両側に、熱応力緩和パッド７を接合介
在層６を介して接合し、熱応力緩和パッド（中間部材）
７の一面に、接合介在層６を介して冷却ダクト４および
加熱ダクト５をそれぞれ積層したものである。ここで、
熱応力緩和パッド７は、熱電変換素子１側へ向かうに従
って熱伝導率が徐々に大きくなるとともに弾性定数およ
び電気絶縁性が徐々に小さくなる傾斜機能材料（Functi
onally Graded Material）で構成されている。このよう
な熱電変換モジュールにおいても、冷却ダクト４に送風
するとともに加熱ダクト５に高温の廃ガス等を供給する
ことにより、熱電変換素子１に熱伝導を発生させて発電
し、発生した電気を電極２から取り出すことができる。
熱電変換素子１の両側に、熱応力緩和パッド７を接合介
在層６を介して接合し、熱応力緩和パッド（中間部材）
７の一面に、接合介在層６を介して冷却ダクト４および
加熱ダクト５をそれぞれ積層したものである。ここで、
熱応力緩和パッド７は、熱電変換素子１側へ向かうに従
って熱伝導率が徐々に大きくなるとともに弾性定数およ
び電気絶縁性が徐々に小さくなる傾斜機能材料（Functi
onally Graded Material）で構成されている。このよう
な熱電変換モジュールにおいても、冷却ダクト４に送風
するとともに加熱ダクト５に高温の廃ガス等を供給する
ことにより、熱電変換素子１に熱伝導を発生させて発電
し、発生した電気を電極２から取り出すことができる。
【００２６】
【実施例】次に、本発明を実施例を用いて説明するが、
本発明は以下の実施例で限定されるものではない。 ［実施例１］ 〔接着剤の調整〕炭素系物質を天然のリン状黒鉛（日立
粉末冶金製）とアセチレンカーボンブラック（東海カー
ボン製）を５０／５０の配合割合で混合物とし、結着剤
物質をレゾール型フェノール樹脂（昭和高分子製）、溶
媒をブチルカルビトールアセテート（試薬）とし、これ
ら材料を混合・分散処理して接着剤Ａとした。
本発明は以下の実施例で限定されるものではない。 ［実施例１］ 〔接着剤の調整〕炭素系物質を天然のリン状黒鉛（日立
粉末冶金製）とアセチレンカーボンブラック（東海カー
ボン製）を５０／５０の配合割合で混合物とし、結着剤
物質をレゾール型フェノール樹脂（昭和高分子製）、溶
媒をブチルカルビトールアセテート（試薬）とし、これ
ら材料を混合・分散処理して接着剤Ａとした。
【００２７】炭素系物質をメソフェーズカーボンファイ
バー（ペトカ製）、結着剤物質をケイ酸カリウム（日産
化学製）とし、カルボキシメチルセルロースを含んだ蒸
留水中に分散処理して、接着剤Ｂとした。
バー（ペトカ製）、結着剤物質をケイ酸カリウム（日産
化学製）とし、カルボキシメチルセルロースを含んだ蒸
留水中に分散処理して、接着剤Ｂとした。
【００２８】〔熱電変換モジュールの組立て〕熱電変換
素子をＢｉＴｅ系として図１〜図３に示す熱電変換モジ
ュールを組み立てた。ここで、図１のモジュールでは、
加熱ダクト５および冷却ダクト５と熱電変換素子１の間
に、各々厚さ０．１ｍｍの銅電極（Ｃｕ）および厚さ
０．１２ｍｍの電気絶縁層（雲母）を介在させ、熱電変
換素子と電極の接合に接着剤Ｂを使用した。また、それ
ら部材どうし以外では、部材どうしを加圧により圧着し
た。
素子をＢｉＴｅ系として図１〜図３に示す熱電変換モジ
ュールを組み立てた。ここで、図１のモジュールでは、
加熱ダクト５および冷却ダクト５と熱電変換素子１の間
に、各々厚さ０．１ｍｍの銅電極（Ｃｕ）および厚さ
０．１２ｍｍの電気絶縁層（雲母）を介在させ、熱電変
換素子と電極の接合に接着剤Ｂを使用した。また、それ
ら部材どうし以外では、部材どうしを加圧により圧着し
た。
【００２９】図２のモジュールでは、熱電変換素子１、
熱応力緩和パッド７、加熱ダクト５および冷却ダクト４
どうしの接合部に接着剤Ａを塗布して、一体化させた。
また、図３のモジュールは比較例として従来技術であ
り、図１の熱電変換モジュールと基本的な構成は同じで
あるが、熱電変換素子１と電極２間の接合に本発明の接
合介在層は使用せずに、すべての部材どうしを加圧によ
り圧着したものである。
熱応力緩和パッド７、加熱ダクト５および冷却ダクト４
どうしの接合部に接着剤Ａを塗布して、一体化させた。
また、図３のモジュールは比較例として従来技術であ
り、図１の熱電変換モジュールと基本的な構成は同じで
あるが、熱電変換素子１と電極２間の接合に本発明の接
合介在層は使用せずに、すべての部材どうしを加圧によ
り圧着したものである。
【００３０】〔評価結果〕図３の従来技術による熱電変
換モジュールでは、合計６カ所の圧着部分があり、これ
ららの接触熱抵抗により熱電素子本体に負荷される温度
落差は、熱電変換モジュール全体の温度落差の３２％で
あった。図１に示す熱電変換モジュールでは、接着剤Ｂ
の採用により接触熱抵抗が低減し、熱電変換素子１に負
荷される温度落差は熱電変換モジュール全体の温度落差
の３９％となった。さらに、図２の熱応力緩和パッド７
を設けた熱電変換モジュールでは、合計４カ所の界面が
接着剤Ａで接合されている。この熱電変換モジュールで
は、熱応力緩和パッド７の採用による改善効果と炭素系
結合材による熱伝達係数（Gap Conductance）の向上に
より、熱電変換モジュール全体の温度落差の８４％が熱
電素子１に負荷されることが分かった。
換モジュールでは、合計６カ所の圧着部分があり、これ
ららの接触熱抵抗により熱電素子本体に負荷される温度
落差は、熱電変換モジュール全体の温度落差の３２％で
あった。図１に示す熱電変換モジュールでは、接着剤Ｂ
の採用により接触熱抵抗が低減し、熱電変換素子１に負
荷される温度落差は熱電変換モジュール全体の温度落差
の３９％となった。さらに、図２の熱応力緩和パッド７
を設けた熱電変換モジュールでは、合計４カ所の界面が
接着剤Ａで接合されている。この熱電変換モジュールで
は、熱応力緩和パッド７の採用による改善効果と炭素系
結合材による熱伝達係数（Gap Conductance）の向上に
より、熱電変換モジュール全体の温度落差の８４％が熱
電素子１に負荷されることが分かった。
【００３１】すなわち、図２に示す熱電変換モジュール
は、図３に示した従来のものと比べ、熱電素子１に２．
６倍の温度落差を負荷することができ、２．６倍の熱流
速を流せることになる。したがって、熱電変換素子１の
変換効率が同一であると仮定すると、図２の熱電変換モ
ジュールは、従来のものと対比すると２．６倍の出力が
期待できる。
は、図３に示した従来のものと比べ、熱電素子１に２．
６倍の温度落差を負荷することができ、２．６倍の熱流
速を流せることになる。したがって、熱電変換素子１の
変換効率が同一であると仮定すると、図２の熱電変換モ
ジュールは、従来のものと対比すると２．６倍の出力が
期待できる。
【００３２】
【発明の効果】以上説明したとおり本発明によれば、中
間部材と熱電変換素子との接合のための接合介在層を、
主として炭素系物質と結着剤物質とからなる炭素系接合
材としているから、ハンダ材料において懸念された設置
環境温度によって接合介在層が溶解したりすることがな
く、環境依存がなく広範な用途に用いることができると
ともに、環境への影響がなく、しかも、各部材の一体化
に際して熱電変換素子への悪影響も防止することができ
る等の効果が得られる。
間部材と熱電変換素子との接合のための接合介在層を、
主として炭素系物質と結着剤物質とからなる炭素系接合
材としているから、ハンダ材料において懸念された設置
環境温度によって接合介在層が溶解したりすることがな
く、環境依存がなく広範な用途に用いることができると
ともに、環境への影響がなく、しかも、各部材の一体化
に際して熱電変換素子への悪影響も防止することができ
る等の効果が得られる。
【図１】 本発明の実施形態の熱電変換モジュールを示
す側面図である。
す側面図である。
【図２】 本発明の他の実施形態の熱電変換モジュール
を示す側面図である。
を示す側面図である。
【図３】 従来の熱電変換モジュールを示す側面図であ
る。
る。
１ 熱電変換素子
２ 電極（中間部材）
３ 電気絶縁層（中間部材）
４ 冷却ダクト（冷却手段）
５ 加熱ダクト（加熱手段）
６ 接合介在層
７ 熱応力緩和パッド（中間部材）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 千代田 博宜
千葉県香取郡多古町水戸１番地 日立粉末
冶金株式会社香取工場内
(72)発明者 神戸 満
東京都狛江市岩戸北２−11−１ 財団法人
電力中央研究所狛江研究所内
Claims (5)
- 【請求項１】 熱電変換素子の両側に、冷却手段および
加熱手段を中間部材を介して接合し、一体化した熱電変
換モジュールにおいて、 上記中間部材と上記熱電変換素子との接合のための接合
介在層を、主として炭素系物質と結着剤物質とからなる
炭素系接合材としたことを特徴とする熱電変換モジュー
ル。 - 【請求項２】 前記中間部材は、上記熱電変換素子側へ
向かうに従って熱伝導率が徐々に大きくなるとともに弾
性定数および電気絶縁性が徐々に小さくなる熱応力緩和
パッド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。 - 【請求項３】 前記接合介在層のシート抵抗値が１〜１
００Ω／□であることを特徴とする請求項１または２に
記載の熱電変換モジュール。 - 【請求項４】 前記接合介在層を構成する前記結着剤物
質が、樹脂系材料またはアルカリ物質含有ケイ酸塩化合
物である請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換モジ
ュール。 - 【請求項５】 請求項１〜４に記載の熱電変換モジュー
ルに適用する接合介在層を形成する接着剤であって、主
として溶媒、炭素系物質および結着剤物質からなること
を特徴とする熱電変換モジュール用接着剤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001299313A JP2003110156A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 熱電変換モジュールおよびそれに用いる接着剤 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001299313A JP2003110156A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 熱電変換モジュールおよびそれに用いる接着剤 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003110156A true JP2003110156A (ja) | 2003-04-11 |
Family
ID=19120084
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001299313A Pending JP2003110156A (ja) | 2001-09-28 | 2001-09-28 | 熱電変換モジュールおよびそれに用いる接着剤 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003110156A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006043402A1 (ja) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Yamaguchi University | 熱電変換モジュール |
| JP2010505382A (ja) * | 2006-09-28 | 2010-02-18 | ローズマウント インコーポレイテッド | パイプライン熱電式発電機アセンブリ |
| JP2011228708A (ja) * | 2010-04-17 | 2011-11-10 | J Eberspaecher Gmbh & Co Kg | 熱転送装置および製造方法 |
| JPWO2010010783A1 (ja) * | 2008-07-22 | 2012-01-05 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 熱電変換素子 |
| US8188359B2 (en) | 2006-09-28 | 2012-05-29 | Rosemount Inc. | Thermoelectric generator assembly for field process devices |
| JP2014078663A (ja) * | 2012-10-12 | 2014-05-01 | Hitachi Chemical Co Ltd | 熱電変換素子組立体及び熱電変換モジュール及びその製造方法 |
| JP2015228498A (ja) * | 2014-05-30 | 2015-12-17 | 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 伸縮性熱電複合体、及びそれを含む熱電素子 |
-
2001
- 2001-09-28 JP JP2001299313A patent/JP2003110156A/ja active Pending
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006043402A1 (ja) * | 2004-10-18 | 2006-04-27 | Yamaguchi University | 熱電変換モジュール |
| JP2006147600A (ja) * | 2004-10-18 | 2006-06-08 | Yamaguchi Univ | 熱電変換モジュール |
| US9184364B2 (en) | 2005-03-02 | 2015-11-10 | Rosemount Inc. | Pipeline thermoelectric generator assembly |
| JP2010505382A (ja) * | 2006-09-28 | 2010-02-18 | ローズマウント インコーポレイテッド | パイプライン熱電式発電機アセンブリ |
| US8188359B2 (en) | 2006-09-28 | 2012-05-29 | Rosemount Inc. | Thermoelectric generator assembly for field process devices |
| JPWO2010010783A1 (ja) * | 2008-07-22 | 2012-01-05 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 熱電変換素子 |
| JP2011228708A (ja) * | 2010-04-17 | 2011-11-10 | J Eberspaecher Gmbh & Co Kg | 熱転送装置および製造方法 |
| EP2378578A3 (de) * | 2010-04-17 | 2012-10-10 | J. Eberspächer GmbH & Co. KG | Wärmeübertrager und Herstellungsverfahren |
| US9021795B2 (en) | 2010-04-17 | 2015-05-05 | Eberspaecher Exhaust Technology Gmbh & Co. Kg | Heat transfer device and manufacturing method |
| JP2014078663A (ja) * | 2012-10-12 | 2014-05-01 | Hitachi Chemical Co Ltd | 熱電変換素子組立体及び熱電変換モジュール及びその製造方法 |
| JP2015228498A (ja) * | 2014-05-30 | 2015-12-17 | 三星電子株式会社Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ． | 伸縮性熱電複合体、及びそれを含む熱電素子 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5237254B2 (ja) | 熱伝導部材、電子装置及び前記熱伝導部材の使用方法 | |
| JP5316602B2 (ja) | 熱拡散部材の接合構造、発熱体の冷却構造、及び熱拡散部材の接合方法 | |
| TWI339400B (en) | Electroconductive thick film composition, electrode, and solar cell formed therefrom | |
| US8123985B2 (en) | Electroconductive thick film composition(s), electrode(s), and semiconductor device(s) formed therefrom | |
| TWI380487B (en) | Thermoelectric device | |
| JP5626830B2 (ja) | 熱電変換モジュール及び熱電変換モジュール作製方法 | |
| US9324896B2 (en) | Thermal receiver for high power solar concentrators and method of assembly | |
| WO2014160033A1 (en) | Thermoelectric module with flexible connector | |
| CA2768803A1 (en) | Thermoelectric modules with improved contact connection | |
| CN104637910A (zh) | 半导体模块和其制造方法 | |
| JP2003110156A (ja) | 熱電変換モジュールおよびそれに用いる接着剤 | |
| JP2007214340A (ja) | 金属超微粒子使用接合材及びそれを用いた半導体装置 | |
| JP2006269682A (ja) | 半導体装置およびその製造方法 | |
| JP2011198674A (ja) | 導電性接合材料、これを用いた半導体装置および半導体装置の製造方法 | |
| JP2006228804A (ja) | 半導体モジュール用セラミックス回路基板及びその製造方法 | |
| KR20060061302A (ko) | Ｐｔｃ 서미스터 및 회로의 보호 방법 | |
| JP4412578B2 (ja) | 熱伝導性材料およびそれを用いた熱伝導性接合体とその製造方法 | |
| JP4322049B2 (ja) | 熱電変換モジュール | |
| WO2018143178A1 (ja) | 熱電変換モジュール | |
| CN1755866B (zh) | 固态复合物熔断元件及其制备方法 | |
| JP2009043672A (ja) | カーボンナノチューブを混合した導電性炭素複合材料および金属はんだ材、導電材、半導電材 | |
| JP2010098035A (ja) | 熱電変換素子 | |
| JP2008078222A (ja) | 熱電変換装置 | |
| JPH1112552A (ja) | 導電性粒子 | |
| JP3143599B2 (ja) | 固体電解質型燃料電池用セパレータ及び作製方法並びに固体電解質型燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A711 Effective date: 20080121 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821 Effective date: 20080121 |