JP2005093532A - 熱電素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】高い効率で発電することができる熱電素子モジュールを提供すること。
【解決手段】対向配置される吸熱板１および放熱板２と、上記吸熱板１と放熱板２の間に所定間隔を存して交互に並設され、両端部間に温度差を与えることで、低温側から高温側に起電力を発生する複数の柱体からなる第１熱電素子３ａ、及び高温側から低温側に起電力を発生する複数の柱体からなる第２熱電素子３ｂと、上記吸熱板１と放熱板２にそれぞれ設けられ、上記第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂの上記吸熱板１側の端部同士および放熱板２側の端部同士を上記第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂの並設方向に沿って交互に接続することで、上記複数の第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂを電気的直列に接続する接続部材とを具備し、上記第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂのうち、ゼーベック係数の大きい方の断面積を相対的に大きくした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、温度差を利用して発電を行う熱電素子モジュールに関する。

従来の熱電素子モジュールの構成を図６に示す。

図６に示すように、この熱電素子モジュールは、高温側に配置されて吸熱面として作用する吸熱板１００ａと、低温側に配置されて放熱面として作用する放熱板１００ｂを有する。

これら吸熱板１００ａと放熱板１００ｂは対向配置されており、その間には両端部間に温度差を与えることにより、低温側から高温側に向かって起電力を発生させる複数の第１熱電素子１０２ａと、高温側から低温側に向かって起電力を発生させる複数の第２熱電素子１０２ｂが所定間隔で交互に並設されている。

第１熱電素子１０２ａと第２熱電素子１０２ｂは、略同じ長さの柱状体からなり、その軸心線と直交する断面積は略等しくなるよう形成されている。

隣り合う第１熱電素子１０２ａと第２熱電素子１０２ｂは、吸熱板１００ａ又は放熱板１００ｂ上の接続部材１０３によって組み合わせをずらしながら交互に接続されており、これによって、複数の第１熱電素子１０２ａと第２熱電素子１０２ｂは、電気的に直列に接続されている。

上記構成の熱電素子モジュールにおいて、吸熱板１００ａと放熱板１００ｂの間に温度差を与えると、これらの間に配置された第１熱電素子１０２ａの両端部間及び第２熱電素子１０２ｂの両端部間には所定の電位差が発生する。そして、第１熱電素子１０２ａと第２熱電素子１０２ｂに発生した電位差は、接続部材１０３を介して足し合わされ、熱電素子モジュールの出力電圧となる。

ところで、上述したように、複数の第１熱電素子と第２熱電素子は、電気的に直列に接続されているため、第１熱電素子と第２熱電素子には同じ値の電流が流れることになる。

しかしながら、第１熱電素子と第２熱電素子はゼーベック係数や抵抗率などの特性が異なるため、図７に示すように最大出力［Ｗ］が得られる電流値に差がある。そのため、従来は第１熱電素子と第２熱電素子の最大出力［Ｗ］を同時に得ることができず、発電の効率を最大にすることができていなかった。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高い効率で発電することができる熱電素子モジュールを提供することにある。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の熱電素子モジュールは次のように構成されている。

（１）対向配置される第１絶縁基板及び第２絶縁基板と、上記第１絶縁基板と第２絶縁基板を連結するように所定間隔で並設され、両端部間に温度差を与えることで、第１の方向に起電力を発生する複数の第１熱電素子、及び上記第１の方向と反対方向である第２の方向に起電力を発生する複数の第２熱電素子と、上記第１熱電素子と第２熱電素子の上記第１絶縁基板側の端部同士及び上記第２絶縁基板側の端部同士を上記第１熱電素子と第２熱電素子の並設方向に沿って交互に接続することで、上記複数の第１熱電素子と第２熱電素子を電気的に直列に接続する接続部材とを具備し、上記第１熱電素子と第２熱電素子のうち、ゼーベック係数が大きい方の断面積を相対的に大きくしたことを特徴とする。

（２）（１）に記載された熱電素子モジュールであって、上記第１熱電素子と第２熱電素子は、その軸心線と直交する断面が矩形状であるとともに、各々の側面が対向するように配置され、しかも対向する上記側面の形状及び寸法が略等しいことを特徴とする。

本発明によれば、与えられる温度差に対して高い効率で発電することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る熱電素子モジュールの構成を吸熱板を省略して説明する正面図、図２は同実施の形態に係る熱電素子モジュールの構成を矢印Ａ方向から示す側面図、図３は同実施の形態に係る熱電素子モジュールの構成を矢印Ｂ側から示す側面図。

図１〜図３に示すように、この熱電素子モジュールは、高温側に配置されて吸熱面として作用する吸熱板１と、低温側に配置されて放熱面として作用する放熱板２を有する。

これら吸熱板１と放熱板２は、略矩形状の絶縁材からなり、所定の間隔を存して対向配置されている。吸熱板１の材料としてはセラミック等の耐熱性を備えた絶縁材料、放熱板２の材料としては酸化アルミニウム等の一般的な絶縁材料が用いられる。

吸熱板１と放熱板２の間には、発電層３が設けられている。この発電層３は、両端部間に温度差を与えることで、低温側から高温側に向かう方向（第１の方向）に起電力を発生させる複数の第１熱電素子３ａと、高温側から低温側に向かう方向（第２の方向）に起電力を発生させる複数の第２熱電素子３ｂから構成される。第１熱電素子３ａとしては、第２熱電素子３ｂよりもゼーベック係数［μＶ／Ｋ］が大きく、抵抗率［Ω／ｍ］が小さい金属材料が用いられる。

これら第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂは、互いに直交するＸ方向とＹ方向に対して所定間隔で交互に配置されている。

Ｘ方向に対して隣り合う第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂは、吸熱板１に所定間隔で並設されたアルミニウム製の第１接続電極４ａ（接続部材）と、放熱板２に所定間隔で並設されたアルミニウム製の第２接続電極４ｂ（接続部材）によって、第１、第２熱電素子３ａ、３ｂの組み合わせずらしながら交互に接続されている。これによって、Ｘ方向に並設された第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂは、側面視略蛇行状に連結されている。

第１、第２熱電素子３ａ、３ｂと第１、第２接続電極４ａ、４ｂは、耐熱性を有する接合材料５によって電気的に接続されている。なお、接合材料５の材料としては、例えばＡｌ−１２ｗｔ％Ｓｉ等が用いられる。

一方、Ｘ方向両端部に配置され、Ｙ方向に対して隣り合う第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂは、吸熱板１のＸ方向両側に千鳥状に設けられた銅製の第３接続電極４ｃ（接続部材）と第４接続電極４ｄ（接続部材）によって交互に接続されている。

第１、第２熱電素子３ａ、３ｂと第３、第４接続電極４ｃ、４ｄは、一般的に使用される接合材料８によって電気的に接続されている。なお、接合材料８の材料としては、はんだ等が用いられる。

これによって、全ての第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂは、第１〜第４接続電極４ａ〜４ｄを介して電気的に直列に接続されている。

第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂは、略同じ長さの柱状体からなり、その軸心線と直交する断面は共に矩形状をなしている。また、第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂは、互いに平行な２側面がＸ方向とＹ方向にそれぞれ沿うように配置されている。

第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂのＹ方向に対する長さ寸法は、略等しく形成されている。一方、第１熱電素子３ａのＸ方向に対する長さ寸法は、第２熱電素子３ｂよりも長く形成されている。これによって、第１熱電素子３ａの軸心線と直交する断面の面積は、第２熱電素子３ｂよりも大きく設定されている。

上記構成の熱電素子モジュールによれば、吸熱板１と放熱板２に温度差を与えると、これらの間に配置された第１熱電素子３ａ及び第２熱電素子３ｂにはゼーベック効果により所定の電位差が発生する。

第１、第２熱電素子３ａ、３ｂで発生した電位差は、これら熱電素子３ａ、３ｂ間を接続する第１〜第４接続電極４ａ〜４ｄを介して足し合わされ、熱電素子モジュールの出力電圧［Ｖ］となる。

ところで、ゼーベック効果では、ゼーベック係数が大きい材料ほど、吸熱板１と放熱板２に与えられた温度差に対して大きな起電力を発生する。そこで、本発明では、ゼーベック係数の大きな第１熱電素子３ａの断面積を、ゼーベック係数の小さな第２熱電素子３ｂの断面積よりも大きくすることで、大きな出力電圧［Ｖ］を得ようとしている。

ところが、第１熱電素子３ａの断面積を大きくすると熱電素子モジュールが大型化する。そのため、第１の熱電素子３ａの断面積を大きくする場合には、その分だけ第２の熱電素子３ｂの断面積を小さくしたい。

しかしながら、第２熱電素子は抵抗率が大きいため、断面積を小さくすると内部に電流が流れた時に大きな電圧降下が発生し、結果として出力パワー［Ｗ］を低下させる原因となる。

そこで、発明者は、第１熱電素子３ａの断面積を第２熱電素子３ｂより大きくするだけでなく、実際の出力パワー［Ｗ］を測定することにより、最大出力が得られる第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂの断面の面積比を測定した。

その結果、図５に示すように、第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂの間には、最大の出力パワー［Ｗ］を得るための最適な面積比が存在することを確認した。なお、この最適な面積比は、第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂの材料によって決定されるものであるが、本実施の形態に係る第１の熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂの組み合わせでは、第１熱電素子３ａの断面積／第２熱電素子３ｂの断面積が２となるときが最適な面積比となることが分かる。

そこで、本実施の形態では、第１熱電素子３ａの断面積を第２熱電素子３ｂの約２倍、すなわち、第１熱電素子３ａのＸ方向に対する長さ寸法を第２熱電素子３ｂの約２倍としている。

その結果、与えられた温度差に対して、大きな出力パワー［Ｗ］を得ることができる。言い換えれば、与えられた温度差に対して高い効率で発電することができる。

次に、上記構成の熱電素子モジュールを製造する工程について説明する。

図４（ａ）〜（ｃ）は同実施の形態に係る熱電素子モジュールの製造工程を示す工程図である。

図４（ａ）に示すように、吸熱板１上の所定位置に第１接続電極４ａ、第３接続電極４ｃ、及び第４接続電極４ｄを形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、第１、第３、第４接続電極４ａ、４ｃ、４ｄ上にＡｌ−Ｓｉ等の接合材料５を供給し、この接合材料５の上に治具（不図示）を用いて第１熱電素子３ａと第２熱電素子３ｂを配置する。そして、吸熱板１と第１、第２熱電素子３ａ、３ｂを治具ごと水素炉などの非酸化雰囲気の炉に入れ、約６００［度］まで加熱する。これによって、接合材料５が溶融され、吸熱板１上に第１、第２熱電素子３ａ、３ｂが固定される。

一方、上述の工程とは別に、図４（ｃ）に示すように、放熱板２の所定位置に第２接続電極４ｂを形成する。次に、第２接続電極４ｂ上にハンダペースト等の接合材料８を供給し、この接合材料８の上に吸熱板１上に固定された第１、第２熱電素子３ａ、３ｂを配置する。そして、接合材料８を加熱し、第１、第２熱電素子３ａ、３ｂに吸熱板１を固定する。

以上で熱電素子モジュールの製造工程が終了となる。

このように、吸熱板１上に第１、第２熱電素子３ａ、３ｂを固定する際に治具を用いることで、複数の第１、第２熱電素子３ａ、３ｂを正確に配置することができる。しかも、加熱時にも、治具によって第１、第２熱電素子３ａ、３ｂの相対位置を維持するため、接合材料５の溶融により生じる表面張力などの影響で、第１、第２熱電素子３ａ、３ｂの位置が吸熱板１に対してずれることがない。

なお、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施の段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本実施の形態に係る熱電素子モジュールは、温度差を利用して発電させる用途に用いられるものであったが、通電により熱移動を促進するペルチェモジュールも含まれる。

本発明の一実施の形態に係る熱電素子モジュールの構成を吸熱板を省略して説明する正面図。 同実施の形態に係る熱電素子モジュールの構成を矢印Ａ方向から示す側面図。 同実施の形態に係る熱電素子モジュールの構成を矢印Ｂ側から示す側面図。 同実施の形態に係る熱電素子モジュールの製造工程を示す工程図。 同実施の形態に係る第１熱電素子と第２熱電素子の断面の面積比を種々に変化させた場合の出力を示すグラフ図。 従来の熱電素子モジュールの構成を示す概略図。 第１熱電素子と第２熱電素子の電流−出力特性を示すグラフ図。

符号の説明

１…吸熱板（第１絶縁基板）、２…放熱板（第２絶縁基板）、３ａ…第１熱電素子、３ｂ…第２熱電素子、４ａ〜４ｄ…第１〜第４接続電極（接続部材）。

Claims (2)

1. 対向配置される第１絶縁基板及び第２絶縁基板と、
   上記第１絶縁基板と第２絶縁基板を連結するように所定間隔で並設され、両端部間に温度差を与えることで、第１の方向に起電力を発生する複数の第１熱電素子、及び上記第１の方向と反対方向である第２の方向に起電力を発生する複数の第２熱電素子と、
   上記第１熱電素子と第２熱電素子の上記第１絶縁基板側の端部同士及び上記第２絶縁基板側の端部同士を上記第１熱電素子と第２熱電素子の並設方向に沿って交互に接続することで、上記複数の第１熱電素子と第２熱電素子を電気的に直列に接続する接続部材と、
   を具備し、
   上記第１熱電素子と第２熱電素子のうち、ゼーベック係数が大きい方の断面積を相対的に大きくしたことを特徴とする熱電素子モジュール。
2. 上記第１熱電素子と第２熱電素子は、その軸心線と直交する断面が矩形状であるとともに、各々の側面が対向するように配置され、しかも対向する上記側面の形状及び寸法が略等しいことを特徴とする請求項１記載の熱電素子モジュール。

Images