JP2003179273A

JP2003179273A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JP2003179273A
Application number: JP2001376961A
Authority: JP
Inventors: Chiaki Matsubara; 千彰松原; Muhammad Enamul Kabiru; ムハマドエナムルカビル
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2003-06-27

Abstract

(57)【要約】【課題】モジュール厚みの異なるモジュールにおいても
接触熱抵抗が低減でき、装置全体の熱変換効率を向上で
きる熱電変換装置を得る。【解決手段】本発明の熱電変換装置は、高温側と低温
側にそれぞれ電極５を備え、電極の一方側面に複数のP
型半導体とN型半導体の対を交互に配置し、電極の他方
側面に耐熱性絶縁物４を配したモジュールと、そのモジ
ュールの耐熱性絶縁物に熱伝導グリース１を介して接合
した熱交換用の伝熱板とからなるもので、熱伝導グリー
スに耐熱性絶縁物４と伝熱板３との最大間隔より大きい
粒径の金属粒子２を複数配合した構成にしている。ま
た、金属粒子に代えて耐熱性絶縁物と伝熱板との最大間
隔より大きい線径よりなる繊維状の金属網を配合しても
よい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換装置に関
し、特に熱交換器の伝熱板と熱電変換素子との接触部の
熱抵抗の低下による、熱伝達性能の改良に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】熱電変換は、2種の異なる金属やP型、N
型の2種の半導体からなる熱電変換素子により、熱エネ
ルギーを電気エネルギーへ直接変換するゼーベック効果
や電気エネルギーを熱エネルギーへ変換するペルチェ効
果が知られている。これらは、可動部分が無いためメン
テナンスや騒音対策を必要とせず、長期運転が可能であ
る等の特徴がある。この特徴を生かして冷蔵、冷凍や自
動車、各種エンジン等の排ガスからの電力回収に利用さ
れている。この熱電変換装置の一例を図2に示す。これ
は、P型半導体およびN型半導体からなるそれぞれの熱電
変換素子７は電極５にはんだ（図示せず）を介して接続
され、電極５はセラミックスなどの耐熱性絶縁板４に接
着、固定されている。耐熱性絶縁板４の背面側には金属
材料などにより形成された熱交換器の伝熱板３が熱伝導
グリース１を用いて接合されている。このような熱電変
換装置においては、熱電変換素子と熱交換器の伝熱板と
の間の熱抵抗が少ないことが望まれる。上述の構成で
は、熱抵抗を少なくするために、耐熱性絶縁板の厚みを
薄くしても、機械的強度のために薄くするには限度があ
る。熱抵抗を低減するための改良として、熱伝導性グリ
ースに粉末状セラミックスを配合して、耐熱性絶縁物を
排し、その代わりに粉末状セラミックスにより絶縁を保
つ構成のものがある（特開平11-168245）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、通常の
製造においてもモジュール厚にはバラツキがある。上記
従来の熱電変換装置においては、図２に示すモジュール
Ａの厚みL1とモジュールＢの厚みL2が異なる。高温側の
伝熱板３と低温側の伝熱板３′はモジュールを介して機
械的に固定されているが、モジュール厚みの大きいもの
は伝熱板と直接接触するが、モジュール厚の薄いものは
熱伝導グリース層を介して浮いた状態で固定されること
になる。熱電発電装置ではモジュール厚みにバラツキが
ある複数のモジュールを配置するが、そのときに発生す
る問題点を図３で説明する。図３は、一例として8個の
モジュールを設定した場合を示したものである。モジュ
ール１１を伝熱板１０で取付ねじ１２で設定した場合を
上面から見た図である。図３で伝熱板１０の平面度やモ
ジュール厚みにより、モジュールと伝熱板が機械的に接
触するのは数個のモジュール（ハッチングで示す１−
３、２−１、２−４）に限られることを模式的に示して
いる。接触しないモジュールは機械的な締め付け圧力が
かからない状態で、熱伝導グリースを介して設定されて
いる。図４に伝熱板とモジュールの接触圧力とその接触
部の熱抵抗の関係を示す。接触圧力が上昇するとともに
接触部熱抵抗は指数関数的に低減する。最適な接触圧力
は接触部熱抵抗がほぼ一定となるＣ点領域が最適であ
る。上記の機械的な締め付け圧力がかからない状態で設
定されたモジュールの熱抵抗は大きくなり、ひいては装
置全体の熱変換効率低下へ大きく影響するという問題点
があった。熱抵抗低下を目的にした開示例（特開平11-1
68245）では、熱伝導性グリースに粉末状セラミックス
を配合して、耐熱性絶縁物を排し、その代わりに粉末状
セラミックスにより絶縁する構成であるが、耐熱性絶縁
物を排した分の熱抵抗を低減できるが、バラツキのある
複数のモジュールへ接触圧力をかけると、厚みの大きい
モジュールの熱伝導性グリースに配合された粉末状セラ
ミックスは機械的に破壊する問題が残った。そこで、本
発明の目的は、モジュール厚みの異なるモジュールにも
適切な接触圧力を付与することにより、接触熱抵抗が低
減でき、装置全体の熱変換効率を向上することができる
熱電変換装置を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するた
め、本発明はつぎの構成にしている。 (1)高温側と低温側にそれぞれ電極を備え、前記電極の
一方側面に複数のP型半導体とN型半導体の対を交互に配
置し、前記電極の他方側面に耐熱性絶縁物を配したモジ
ュールと、前記モジュールの耐熱性絶縁物に熱伝導グリ
ースを介して接合した熱交換用の伝熱板とからなる熱電
変換装置において、前記熱伝導グリースに前記耐熱性絶
縁物と前記伝熱板との最大間隔より大きい粒径の金属粒
子を配合した構成にしたものである。本構成によれば、
厚みにバラツキがあっても、伝熱板とモジュールに最適
な接触圧力に設定することができるので熱抵抗を低下す
ることができる。すなわち、所要の熱抵抗に設定し、各
モジュールの接触部熱抵抗は均一化し、装置の全体の最
適な熱変換効率を得ることができる。 (2)前記金属粒子に代えて前記耐熱性絶縁物と前記伝熱
板との最大間隔より大きい線径よりなる繊維状の金属網
を配合したものである。本構成によれば、金属粒を最適
に配合する手間を省くとともに、熱電装置の組み立てを
容易にすることができる。 (3)前記金属粒子および前記金属網は、異なる複数の粒
径および金属網からなるものである。本構成によれば、
接触部の圧力により、伝熱板と耐熱性絶縁板との接触面
積を調整することができる。 (4)前記金属粒子および前記金属網の材質は、複数の種
類ものである。本構成によれば、材質により熱伝導率や
接触圧力を調整して最適な伝熱板と耐熱性熱絶縁板との
接触面積を調整できる。

【０００５】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態の熱電変換装置
について図１に基づいて説明する。図1に示す符号は従
来例の図２と同じであり、異なる点は熱伝導グリース１
にモジュール厚みバラツキの最大値以上の粒径よりなる
金属粒２を配合している点である。本実施形態の熱電発
電装置においては、熱電素子７ははんだ６により電極５
に接続されており、電極５は耐熱性絶縁物４に設定され
てモジュールを形成している。モジュールの耐熱性絶縁
物４は熱交換器（図示せず）の伝熱板３と熱伝導グリー
ス１および前記グリースに含有された金属粒２を介して
機械的に固定されている。図１では、厚みの異なるモジ
ュールＡとモジュールＢを比較して示している。モジュ
ールＡと伝熱板とのギャップｇ１、モジュールＢと伝熱
板とのギャップｇ２はｇ１＜ｇ２の関係にある。伝熱板
とモジュールの機械的な設定により、金属粒２には圧力
がかかり、ギャップが小さい方の金属粒２は扁平に大き
く変形し、ギャップの大きい方の金属粒２はそれほど変
形することはないが、両者とも金属粒を介してモジュー
ルへ機械的圧力を伝達する。粒径はモジュール厚のバラ
ツキの最大値以上に選択しておけば、全てのモジュール
へ金属粒を介して圧力を印加することができる。このこ
とにより、図４のＣ点領域の接触圧力に設定することが
でき、所要の熱抵抗に設定し、各モジュールの接触部熱
抵抗は均一化し、装置の全体の最適な熱変換効率を得る
ことができる。また、従来の熱伝導グリースのみやグリ
ースにセラミックス粒を配合した方法に比べて、本案は
金属粒であるため、熱伝導が優れているため、接触部熱
抵抗を大幅に低減できる。なお、金属粒の材質は金、
銀、銅、アルミ、鉛、はんだ等であり、またその特性が
延性金属のみならず弾性金属でも良い。本発明の第２の
実施形態の熱電発電装置においては、前記熱伝導グリー
スに繊維状金属網を配合したもの（図示せず）で、第1
の実施例での金属粒を最適に配合する手間を省くととも
に、熱電装置の組み立てを容易にすることができる。本
発明の第３の実施の形態の熱電発電装置においては、前
記熱伝導グリースに複数の粒径の異なる金属粒子または
縦糸および横糸の線径の異なる金属網を配合したとこと
を特徴とする熱電変換装置であり、金属粒径や金属網の
線形の異なる組み合わせにすることにより、接触部の圧
力により、伝熱板と耐熱性絶縁板との接触面積を調整で
きるようにしたものである。本発明の第４の実施の形態
の熱電発電装置においては、熱伝導グリースに複数の材
質の異なる金属粒子または縦糸および横糸の材質の異な
る金属網を配合したとことにより、材質により熱伝導率
や接触圧力を調整して最適な伝熱板と耐熱性熱絶縁板と
の接触面積を調整できるようにしたものである。

【０００６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によればつぎ
の効果がある。 (1)熱伝導グリースに耐熱性絶縁物と伝熱板との最大間
隔より大きい粒径の金属粒子を配合したので、伝熱板と
モジュールに最適な接触圧力に設定することができ、所
要の熱抵抗に設定し、各モジュールの接触部熱抵抗は均
一化し、装置の全体の最適な熱変換効率を得ることがで
きる。 (2)前記金属粒子に代えて前記耐熱性絶縁物と前記伝熱
板との最大間隔より大きい線径よりなる繊維状の金属網
を配合したので、金属粒を最適に配合する手間を省くと
ともに、熱電装置の組み立てを容易にすることができ
る。 (3)前記金属粒子および前記金属網を、異なる複数の粒
径および異なる複数の金属網としたので、接触部の圧力
により、伝熱板と耐熱性絶縁板との接触面積を調整する
ことができる。 (4)前記金属粒子および前記金属網の材質を、複数の種
類からなるようにしたので、材質により熱伝導率や接触
圧力を調整して最適な伝熱板と耐熱性熱絶縁板との接触
面積を調整できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の熱電変換装置を示す縦断面
図

【図２】従来の熱電変換装置の構成を示す縦断面図

【図３】従来の熱電変換装置の組み立て状況を示す上面
図

【図４】接触部熱抵抗と接触圧力を示す特性図

【符号の説明】

１熱伝導グリース２金属粒子３伝熱板４耐熱性絶縁物５電極６はんだ７熱電変換素子８端子１０伝熱板１１モジュール１２取付ねじｇ１、ｇ２ギャップ L1,L2 モジュール厚み

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高温側と低温側にそれぞれ電極を備え、前
記電極の一方側面に複数のP型半導体とN型半導体の対を
交互に配置し、前記電極の他方側面に耐熱性絶縁物を配
したモジュールと、前記モジュールの耐熱性絶縁物に熱
伝導グリースを介して接合した熱交換用の伝熱板とから
なる熱電変換装置において、前記熱伝導グリースに前記耐熱性絶縁物と前記伝熱板と
の最大間隔より大きい粒径の金属粒子を複数配合したこ
とを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】前記金属粒子に代えて前記耐熱性絶縁物
と前記伝熱板との最大間隔より大きい線径よりなる繊維
状の金属網を配合したとことを特徴とする熱電変換装
置。
【請求項３】前記金属粒子および前記金属網は、異なる
複数の粒径および金属網からなることを特徴とする請求
項１または２記載の熱電変換装置。
【請求項４】前記金属粒子および前記金属網の材質は、
複数の種類からなることを特徴とする請求項１または２
記載の熱電変換装置。