JP2006066822A - Thermoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、Ｎ型熱電素子、Ｐ型熱電素子からなる直列回路に直流電流を流通させることで吸熱、放熱が得られる熱電変換装置に関するものであり、特に、熱電素子の両端に電極部材を介在させて接合される一対の金属基板の構成に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device that can absorb heat and dissipate heat by flowing a direct current through a series circuit composed of an N-type thermoelectric element and a P-type thermoelectric element, and in particular, electrode members are interposed at both ends of the thermoelectric element. The present invention relates to a configuration of a pair of metal substrates that are bonded together.
従来、この種の熱電変換装置として、例えば、特許文献１に示すように、一対の金属基板の間に、Ｐ型とＮ型の複数の熱電素子が電極部材を介在して交互に電気的に直列に接続されて金属基板に接合するように構成している。 Conventionally, as this type of thermoelectric conversion device, for example, as shown in Patent Document 1, a plurality of P-type and N-type thermoelectric elements are alternately and electrically interposed between a pair of metal substrates with electrode members interposed therebetween. It is configured to be connected in series and bonded to the metal substrate.
そして、その金属基板には、樹脂および無機系粉末からなる複合膜から形成した絶縁被膜層が一体的に固着されるとともに、複数の熱電素子は、その金属基板に形成されたと絶縁被膜層と電極部材との間に熱伝導性グリースを介在して接合するように構成している。これにより、熱電素子に接続された電極部材と金属基板との間の電気絶縁性と熱伝導性を向上させるようにしている（例えば、特許文献１参照。）。 An insulating coating layer formed of a composite film made of a resin and an inorganic powder is integrally fixed to the metal substrate, and a plurality of thermoelectric elements are formed on the metal substrate. A heat conductive grease is interposed between the members and the members are joined. Thereby, the electrical insulation and thermal conductivity between the electrode member connected to the thermoelectric element and the metal substrate are improved (for example, refer to Patent Document 1).
また、上記の他に、金属基板に形成された絶縁被膜層を例えば、アルミナ、ジルコニアなどのセラミック材の絶縁材料を溶射させて形成している装置もある（例えば、特許文献２参照。）。
しかしながら、上記特許文献１および特許文献２よれば、金属基板に形成された絶縁被膜層と電極部材との間に熱伝導性グリースを介在して接合するように構成していることで、熱伝導性グリース部分における熱抵抗が熱伝導性の大きい金属材料に比べて大きい。つまり、熱抵抗が大きいと熱電変換装置の熱電変換効率が低下する問題がある。 However, according to Patent Document 1 and Patent Document 2, the heat conductive grease is configured to be joined between the insulating coating layer formed on the metal substrate and the electrode member by interposing a heat conductive grease. The thermal resistance in the conductive grease portion is larger than that of a metal material having a large thermal conductivity. That is, if the thermal resistance is large, there is a problem that the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion device is lowered.
しかも、金属基板に形成された絶縁被膜層の厚みを増加させると電気絶縁性が向上するが、一方の熱伝導性が低下するため、熱伝導性を向上させるためには絶縁被膜層の厚みが出来るだけ薄肉に形成すると望ましい。 In addition, increasing the thickness of the insulating coating layer formed on the metal substrate improves the electrical insulation, but the thermal conductivity of one of them decreases, so in order to improve the thermal conductivity, the thickness of the insulating coating layer is reduced. It is desirable to make it as thin as possible.
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、金属基板側に薄肉の絶縁被膜層を形成して金属基板と熱電素子との間で熱抵抗が小さくなるように接合部を構成させることで、電気絶縁性を確保しつつ熱電変換効率の向上が図れる熱電変換装置を提供することにある。 In view of the above, the object of the present invention is to form a thin insulating film layer on the metal substrate side, and to form a joint so that the thermal resistance is reduced between the metal substrate and the thermoelectric element. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a thermoelectric conversion device capable of improving the thermoelectric conversion efficiency while ensuring electrical insulation.
上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項１１に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、金属材料からなる一対の金属基板（１４、１６）の間に、Ｐ型とＮ型からなる複数個の熱電素子（１１）の両端がそれぞれ第１電極部材（１２）を介在させて金属基板（１４、１６）に接合されているとともに、金属基板（１４、１６）の一方に第１電極部材（１２）より伝熱される熱を吸熱、放熱する熱交換部（１５）が配設される熱電変換装置において、
複数個の熱電素子（１１）は、第１電極部材（１２）を介して直列的に接続されているとともに、金属基板（１４、１６）には、第１電極部材（１２）と対向する位置に絶縁材料からなる絶縁被膜層（２１）と、その絶縁被膜層（２１）の表面に第１電極部材（１２）に接合する電極部（２２）とが形成されていることを特徴としている。
In order to achieve the above object, the technical means according to claims 1 to 11 are employed. That is, in the invention described in claim 1, between the pair of metal substrates (14, 16) made of a metal material, both ends of a plurality of P-type and N-type thermoelectric elements (11) are respectively the first electrodes. Heat that is bonded to the metal substrate (14, 16) with the member (12) interposed, and absorbs and dissipates heat transferred from the first electrode member (12) to one of the metal substrates (14, 16). In the thermoelectric conversion device in which the exchange part (15) is disposed,
The plurality of thermoelectric elements (11) are connected in series via the first electrode member (12), and the metal substrate (14, 16) is opposed to the first electrode member (12). An insulating coating layer (21) made of an insulating material, and an electrode portion (22) bonded to the first electrode member (12) are formed on the surface of the insulating coating layer (21).
請求項１に記載の発明によれば、金属基板（１４、１６）側に絶縁被膜層（２１）と電極部（２２）とが形成され、かつその電極部（２２）と第一電極部材（１２）を介して熱電素子（１１）が接合されることにより、例えば、上記電極部（２２）と第一電極部材（１２）とをはんだ付けなどで接合することで、熱電素子（１１）と金属基板（１４、１６）との間の熱抵抗を小さくすることが可能となる。 According to the first aspect of the present invention, the insulating coating layer (21) and the electrode portion (22) are formed on the metal substrate (14, 16) side, and the electrode portion (22) and the first electrode member ( 12), the thermoelectric element (11) is joined to the thermoelectric element (11) by, for example, joining the electrode part (22) and the first electrode member (12) by soldering or the like. It becomes possible to reduce the thermal resistance between the metal substrates (14, 16).
また、第一電極部材（１２）の板厚を厚くすることによって、熱電素子（１１）間を流れる電流の必要断面積を確保することができるため、絶縁被膜層（２１）の表面に形成する電極部（２２）の板厚を薄肉にすることができる。これにより、熱電素子（１１）と金属基板（１４、１６）との間における電気絶縁性が確保できるとともに、絶縁被膜層（２１）およびこの絶縁被膜層（２１）と各電極部（１２、２２）との接合部の熱抵抗を小さくできる。従って、装置全体の熱電変換効率の向上が図れる。 Moreover, since the required cross-sectional area of the electric current which flows between the thermoelectric elements (11) can be ensured by increasing the plate thickness of the first electrode member (12), it is formed on the surface of the insulating coating layer (21). The plate thickness of the electrode part (22) can be reduced. Thereby, while being able to ensure the electrical insulation between a thermoelectric element (11) and a metal substrate (14, 16), an insulating coating layer (21), this insulating coating layer (21), and each electrode part (12, 22). ) And the thermal resistance of the joint portion can be reduced. Therefore, the thermoelectric conversion efficiency of the entire apparatus can be improved.
請求項２に記載の発明では、第１電極部材（１２）と電極部（２２）とは、半田付けで接合されていることを特徴としている。請求項２に記載の発明によれば、絶縁被膜層（２１）と第１電極部材（１２）とを熱伝導性グリースを介在させて接合する従来技術よりも熱抵抗が極めて小さくできる。これにより、装置全体の熱電変換効率の向上が図れる。 The invention according to claim 2 is characterized in that the first electrode member (12) and the electrode portion (22) are joined by soldering. According to invention of Claim 2, thermal resistance can be made extremely small rather than the prior art which joins an insulating film layer (21) and a 1st electrode member (12) through heat conductive grease. Thereby, the thermoelectric conversion efficiency of the whole apparatus can be improved.
請求項３に記載の発明では、金属基板（１４、１６）に形成された電極部（２２）は、第１電極部材（１２）の板厚よりも薄肉に形成していることを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、具体的には、後述する請求項４もしくは請求項５に示すように、薄肉の電極部（２２）が容易に絶縁被膜層（２１）の表面に一体で形成できる。これにより、製造コストが安くできるとともに、絶縁被膜層（２１）と電極部（２２）との間の熱抵抗を小さくすることができる。 The invention according to claim 3 is characterized in that the electrode portion (22) formed on the metal substrate (14, 16) is formed thinner than the plate thickness of the first electrode member (12). . According to the invention described in claim 3, specifically, as shown in claim 4 or claim 5 described later, the thin electrode portion (22) is easily integrated with the surface of the insulating coating layer (21). Can be formed. Thereby, while being able to reduce manufacturing cost, the thermal resistance between an insulating coating layer (21) and an electrode part (22) can be made small.
請求項４に記載の発明では、電極部（２２）は、絶縁被膜層（２１）の表面に、ペースト状の導電材料を印刷した後に乾燥させて形成していることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、薄肉の電極部（２２）が容易に絶縁被膜層（２１）の表面に一体で形成できる。 The invention according to claim 4 is characterized in that the electrode portion (22) is formed by printing a paste-like conductive material on the surface of the insulating coating layer (21) and then drying it. According to the fourth aspect of the present invention, the thin electrode portion (22) can be easily formed integrally on the surface of the insulating coating layer (21).
請求項５に記載の発明では、電極部（２２）は、絶縁被膜層（２１）の表面に、導電材料を接合後、エッチング加工で形成していることを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、薄肉の電極部（２２）が容易に絶縁被膜層（２１）の表面に一体で形成できる。 The invention according to claim 5 is characterized in that the electrode portion (22) is formed by etching after bonding a conductive material to the surface of the insulating coating layer (21). According to invention of Claim 5, a thin electrode part (22) can be integrally formed in the surface of an insulating coating layer (21) easily.
請求項６に記載の発明では、電極部（２２）は、第１電極部材（１２）の板厚が０．１〜０．５ｍｍ程度に形成されているのに対して、少なくとも０．１ｍｍ以下の板厚に形成していることを特徴としている。請求項６に記載の発明によれば、電極部（２２）が０．１ｍｍ以下であっても、薄肉の電極部（２２）に、第１電極部材（１２）が半田付けで接合されるので大電流が流れても溶断の不具合はない。 In the invention according to claim 6, the electrode portion (22) is at least 0.1 mm or less, whereas the plate thickness of the first electrode member (12) is about 0.1 to 0.5 mm. It is characterized in that it is formed with a thickness of. According to invention of Claim 6, even if an electrode part (22) is 0.1 mm or less, since a 1st electrode member (12) is joined to a thin electrode part (22) by soldering, There is no fusing defect even if a large current flows.
請求項７に記載の発明では、金属基板（１４、１６）に形成された絶縁被膜層（２１）は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング、もしくはアルミナまたは窒化アルミニウムからなるエアロゾルデポジッション法のいずれかの成膜により形成していることを特徴としている。請求項７に記載の発明によれば、これらの製法は、特に高い電気絶縁性を維持しつつ熱抵抗の低い薄膜の絶縁被膜層（２１）を形成することができる。これにより、熱抵抗が小さくできる。 In the invention according to claim 7, the insulating coating layer (21) formed on the metal substrate (14, 16) is formed by either diamond-like carbon coating or an aerosol deposition method made of alumina or aluminum nitride. It is characterized by being formed by. According to invention of Claim 7, these manufacturing methods can form the insulating coating layer (21) of a thin film with low heat resistance, maintaining especially high electrical insulation. Thereby, thermal resistance can be made small.
請求項８に記載の発明では、絶縁被膜層（２１）は、その膜厚が少なくとも約１０μｍ程度以下に形成されていることを特徴としている。請求項８に記載の発明によれば、例えば、車両用の電源（ＤＣ１２Ｖ、ＤＣ２４Ｖ）であれば、この程度の膜厚で構成できる。 The invention according to claim 8 is characterized in that the thickness of the insulating coating layer (21) is at least about 10 μm or less. According to invention of Claim 8, if it is a power supply for vehicles (DC12V, DC24V), for example, it can be comprised with this film thickness.
請求項９に記載の発明では、金属基板（１４、１６）に形成された絶縁被膜層（２１）は、セラミック塗料、絶縁電着塗装、もしくは絶縁フィルムのいずれかの成膜により形成していることを特徴としている。請求項９に記載の発明によれば、これらの製法は、絶縁被膜層（２１）を薄肉に形成することができる。これにより、熱抵抗が小さくできる。 In the invention according to claim 9, the insulating coating layer (21) formed on the metal substrate (14, 16) is formed by film formation of any one of ceramic paint, insulating electrodeposition coating, or insulating film. It is characterized by that. According to invention of Claim 9, these manufacturing methods can form an insulating film layer (21) thinly. Thereby, thermal resistance can be made small.
請求項１０に記載の発明では、絶縁被膜層（２１）は、その膜厚が少なくとも約１００μｍ程度以下に形成されていることを特徴としている。請求項１０に記載の発明によれば、例えば、車両用の電源（ＤＣ１２Ｖ、ＤＣ２４Ｖ）であれば、この程度の膜厚で構成できる。
The invention according to
請求項１１に記載の発明では、複数個の熱電素子（１１）は、絶縁材料からなる絶縁基板（１３）に、Ｐ型とＮ型を交互に略碁盤目状に複数個配列させて一体に構成していることを特徴としている。請求項１１に記載の発明によれば、極小部品である熱電素子（１１）とこれに接続する第１電極部材（１２）が絶縁基板（１３）により一体構成ができることで組み付け性が向上できる。
In the invention described in
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means of embodiment mentioned later.
以下、本発明の一実施形態における熱電変換装置１０を図１および図２に基づいて説明する。図１は本実施形態における熱電変換装置１０の全体構成を示す模式図であり、図２は熱電変換装置１０の主要部の構成を示す分解模式図である。本実施形態の熱電変換装置１０は、図１および図２に示すように、一対の金属基板である高温側熱交換器１４と低温側熱交換器１６との間に、Ｐ型とＮ型からなる複数個の熱電素子１１の両端がそれぞれ第１電極部材１２を介在させて上記高温側熱交換器１４と低温側熱交換器１６に接合するように構成している。
Hereinafter, a
複数個の熱電素子１１は、平板状の絶縁材料（例えば、ＰＰＳ樹脂やＬＣＰ樹脂など）からなる絶縁基板１３にＰ型とＮ型を交互に略碁盤目状に複数個配列して一体構成している。また、熱電素子１１はＢｉ−Ｔｅ系化合物からなるＰ型およびＮ型の半導体から構成している。
The plurality of
そして、複数個の熱電素子１１の両端には、隣接した熱電素子１１に直列的に電流が流れるように第１電極部材１２が設けられている。より具体的には、熱電素子１１の上方側がＰ型からＮ型に電流が流れるように接続して、熱電素子１１の下方側がＮ型からＰ型に電流が流れるように接続している。
And the
この第１電極部材１２は、銅材などの導電性材料からなる平板状に形成された電極であって、板厚を例えば、０．１〜０．５ｍｍ程度に形成しており、熱電素子１１間を流れる電流の必要断面積を確保するように形成している。なお、熱電素子１１側と第１電極部材１２とは、熱電素子１１側の電極側にニッケル鍍金を施した後に半田付けにより予め接合して一体に構成している。
The
そして、上方側の第１電極部材１２の電極面と対向する側に金属基板である高温側熱交換器１４が設けられ、下方側の第１電極部材１２の電極面と対向する側に金属基板である低温側熱交換器１６が設けられている。この高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６は、熱電素子１１を複数配置できる程度の大きさの板状体であって、銅、アルミニウム、銀、真鍮などの熱伝導性に優れた材料で形成している。そして、一方に第１電極部材１２により伝熱される熱を吸熱、放熱するための熱交換部であるフィン部材１５が接合されている。
And the high temperature
ここで、熱電素子１１に接合された第１電極部材１２は、ＰＮ接合部を構成する上方側の第１電極部材１２がペルチェ効果により高温の状態となることで、この高温の熱が高温側熱交換器１４を介してフィン部材１５に伝達して冷却流体と熱交換するように構成している。
Here, the
一方、ＮＰ接合部を構成する下方側の第１電極部材１２がペルチェ効果により低温の状態となることで、この低温の熱が低温側熱交換器１４を介してフィン部材１５に伝達して被冷却流体と熱交換するように構成している。つまり、熱電素子１１間を流れる電流量に応じて、一端の第１電極部材１２の温度が上昇して他端の第１電極部材１２の温度が低下し、さらに、電流方向を逆にするとこれらの熱現象が逆転するというものである。
On the other hand, the lower
因みに、この種の熱電変換装置として、一方の高温側熱交換器１４側に、例えば、冷却流体として空気を熱交換させることで温風が得られ、他方の低温側熱交換器１６側に、例えば、被冷却流体として空気を熱交換させることで冷風が得られることで、半導体や電気部品などの発熱部品の冷却用や暖房装置などの加熱用に用いられる。
Incidentally, as this type of thermoelectric conversion device, for example, hot air is obtained by exchanging air as a cooling fluid on one high temperature
ところで、本実施形態の高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６は、フィン部材１５の反対側に、つまり、第１電極部材１２と対向する部位に、絶縁材料からなる絶縁被膜層２１と、その絶縁被膜層２１の表面に第１電極部材１２に接合する電極部２２とを形成している。
By the way, the high temperature
ここで、高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６の表面に形成する絶縁被膜層２１の成膜方法について説明する。本実施形態では、ダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）法によって金属表面に薄膜の絶縁被膜層２１を形成している。このダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）法は、高真空中のアーク放電プラヅマで炭化水素を分解し、プラヅマ中のイオンや***分子を高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６の表面にぶつけることで形成している。
Here, a method for forming the insulating
これによれば、絶縁被膜層２１の膜厚を１〜１０μｍ程度の薄膜で形成できる。因みに、膜厚が１０μｍ程度であると、一般的な１ｍｍ程度の板厚のアルミナ基板と比べると熱伝導率λ（Ｗ／ｍｋ）が約３倍、板厚が１／１００であるため、熱抵抗はアルミナ基板の約１／３００程度に相当することになる。従って、ＤＬＣ膜で絶縁被膜層２１を形成することで熱抵抗を大幅に低減できる。
According to this, the insulating
なお、絶縁被膜層２１の成膜方法は上述したこのダイヤモンドライクカーボンコーティング（ＤＬＣ）法に限らず、其の外に、アルミナ（Ａｌ２０３）または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）をエアロゾルデポジション法で成膜させても良い。また、これらの他に、セラミック塗料（例えば、シリカアルミナ系液体セラミックス）をディッピングで塗布後、乾燥させて成膜させても良い。
The method for forming the insulating
さらに、絶縁電着塗装で成膜を形成したり、もしくは絶縁フィルムを貼り付けたりして成膜を形成しても良い。ただし、セラミック塗料の塗布、絶縁電着塗装、および絶縁フィルムの場合には、膜厚が約１００μｍ程度必要である。 Furthermore, the film formation may be formed by forming a film by insulating electrodeposition coating or attaching an insulating film. However, in the case of ceramic coating, insulating electrodeposition coating, and insulating film, a film thickness of about 100 μm is required.
ここで、エアロゾルデポジション法とは、サブミクロン粒径のアルミナ（Ａｌ２０３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等の絶縁材料微粒子を基材に吹きつけ、焼結することなく常温で高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６の表面上に固化させ、セラミックスの絶縁被膜を形成する成膜方法である。これによれば、膜厚をＤＬＣ法と同じように１〜１０μｍ程度の薄膜で形成することができる。
Here, the aerosol deposition method is a method in which fine particles of an insulating material such as alumina (Al203) or aluminum nitride (AlN) having a submicron particle diameter are sprayed on a base material, and the high temperature
この場合、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）は熱伝導率λ（Ｗ／ｍｋ）が１４０〜２００程度、アルミナは３３程度であり、ＤＬＣ法と同様に極めて熱抵抗を小さくすることが可能である。因みに、絶縁電着塗装の場合では熱伝導率λ（Ｗ／ｍｋ）が１０程度であり、絶縁フィルムの場合では０．６〜１２程度である。 In this case, aluminum nitride (AlN) has a thermal conductivity λ (W / mk) of about 140 to 200 and alumina has a level of about 33, so that the thermal resistance can be extremely reduced as in the DLC method. Incidentally, in the case of insulating electrodeposition coating, the thermal conductivity λ (W / mk) is about 10, and in the case of an insulating film, it is about 0.6 to 12.
次に、絶縁被膜層２１の表面に形成される電極部２２の形成方法について説明する。本実施形態では、銅材からなる板を接着フィルムで絶縁被膜層２１に接着し、エッチング加工により電極の形状に成形するか、もしくは、ペースト状の導電性材料を絶縁被膜層２１に印刷をしてその後乾燥させて電極部２２を形成させても良い。なお、このときの電極部２２の板厚は、上述した第１電極部材１２の板厚が０．１〜０．５ｍｍ程度に対して、０．１ｍｍ程度以下の薄肉に形成する方が望ましい。
Next, a method for forming the
このように、電極部２２の板厚が薄肉であれば高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６への電極部２２の形成において、上記の形成方法で容易に形成できるとともに、製造コストが最も安くすることができる。
Thus, when the plate thickness of the
また、高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６に形成する絶縁被膜層２１は、高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６の表面全体に形成してもよいが、少なくとも高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６が第１電極部材１２と対向する位置に形成すれば良く。さらに、電極部２２は、第１電極部材１２と対向する位置に、第１電極部材１２の電極面と同等以下の大きさで形成すれば良い。
The insulating
次に、以上の構成による熱電変換装置の組み付け方法について説明する。図２に示すように、熱電素子１１は絶縁基板１３に設けられた基板孔にＰ型とＮ型を交互に略碁盤目状に複数個配列し、隣接した熱電素子１１の両端にそれぞれ第１電極部材１２を接合させて一体に構成する。
Next, a method of assembling the thermoelectric conversion device having the above configuration will be described. As shown in FIG. 2, the
そして、一対の高温側熱交換器１４と低温側熱交換器１６は、予め第１電極部材１２に対向する位置に上述した方法のいずれか一つにより絶縁被膜層２１および電極部２２を形成した後に、絶縁被膜層２１の反対面にフィン部材１５を半田付けで接合させて一体に構成する。
Then, the pair of the high temperature
そして、一体となった高温側熱交換器１４と低温側熱交換器１６との間に、熱電素子１１を挟むように組み付けて電極部２２と第１電極部材１２との接合面をはんだ付けで接合させる。これにより、隣接した熱電素子１１が直列に接続されるとともに、熱電素子１１と高温側熱交換器１４および熱電素子１１と低温側熱交換器１６とが絶縁被膜層２１により電気的に絶縁される。
Then, the
しかも、電極部２２と第１電極部材１２との接合面をはんだ付けで接合させることにより、熱電素子１１と高温側熱交換器１４および熱電素子１１と低温側熱交換器１６との間に構成される各電極部１２、２２の接合面における熱抵抗が小さくすることが可能となる。これにより、熱抵抗が小さくすることが可能となることで装置全体の熱電変換効率の向上が図れる。
In addition, by joining the joining surfaces of the
以上の一実施形態の熱電変換装置１０によれば、高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６側に絶縁被膜層２１と電極部２２とが形成され、かつその電極部２２と第一電極部材１２を介して熱電素子１１が接合されることにより、例えば、上記電極部２２と第一電極部材１２とをはんだ付けなどで接合することで、熱電素子１１と高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６との間の熱抵抗を小さくすることが可能となる。
According to the
また、第一電極部材１２の板厚を厚くすることによって、熱電素子１１間を流れる電流の必要断面積を確保することができるため、絶縁被膜層２１の表面に形成する電極部２２の板厚を薄肉にすることができる。これにより、熱電素子１１と高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６との間における電気絶縁性が確保できるとともに、絶縁被膜層２１およびこの絶縁被膜層２１と各電極部１２、２２との接合部の熱抵抗を小さくできる。従って、装置全体の熱電変換効率の向上が図れる。
Further, by increasing the plate thickness of the
また、第１電極部材１２と電極部２２とは、半田付けで接合されていることにより、絶縁被膜層２１と第１電極部材１２とを熱伝導性グリースを介在させて接合する従来技術よりも熱抵抗が極めて小さくできる。これにより、装置全体の熱電変換効率の向上が図れる。
Further, the
また、高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６に形成された電極部２２は、第１電極部材１２の板厚よりも薄肉に形成していることにより、薄肉の電極部２２が容易に絶縁被膜層２１の表面に一体で形成できる。これにより、製造コストが安くできるとともに、絶縁被膜層２１と電極部２２との間の熱抵抗を小さくすることができる。
Further, since the
また、電極部２２は、絶縁被膜層２１の表面に、ペースト状の導電材料を印刷した後に乾燥させて形成していることにより、薄肉の電極部２２が容易に絶縁被膜層２１の表面に一体で形成できる。また、このほかに、絶縁被膜層２１の表面に、導電材料を接合後、エッチング加工で形成しても良い。
The
具体的に、電極部２２は、第１電極部材１２の板厚が０．１〜０．５ｍｍ程度に形成されているのに対して、少なくとも０．１ｍｍ以下の板厚に形成していることにより、電極部２２が０．１ｍｍ以下であっても、薄肉の電極部２２に、第１電極部材１２が半田付けで接合されるので大電流が流れても溶断の不具合はない。
Specifically, the
また、高温側熱交換器１４および低温側熱交換器１６に形成された絶縁被膜層２１は、ダイヤモンドライクカーボンコーティング、もしくはアルミナまたは窒化アルミニウムからなるエアロゾルデポジッション法のいずれかの成膜により形成していることにより、これらの製法は、特に高い電気絶縁性を維持しつつ熱抵抗の低い薄膜の絶縁被膜層２１を形成することができる。これにより、熱抵抗が小さくできる。
The insulating
しかも、その絶縁被膜層２１の膜厚が少なくとも約１０μｍ程度以下に形成されていることにより、例えば、車両用の電源（ＤＣ１２Ｖ、ＤＣ２４Ｖ）であれば、この程度の膜厚で構成できる。
In addition, since the insulating
なお、ダイヤモンドライクカーボンコーティング、エアロゾルデポジッション法の他に、セラミック塗料、絶縁電着塗装、もしくは絶縁フィルムのいずれかの成膜により形成しても良い。ただし、これらの製法は膜厚が少なくとも約１００μｍ程度以下に形成されて少し厚くなる。 In addition to the diamond-like carbon coating and the aerosol deposition method, it may be formed by any film formation of ceramic paint, insulating electrodeposition coating, or insulating film. However, in these manufacturing methods, the film thickness is formed to be at least about 100 μm or less and slightly thickened.
また、複数個の熱電素子１１を絶縁材料からなる絶縁基板１３に、Ｐ型とＮ型を交互に略碁盤目状に複数個配列させて一体に構成していることにより、極小部品である熱電素子１１とこれに接続する第１電極部材１２が絶縁基板（１３）により一体構成ができることで組み付け性が向上できる。
In addition, a plurality of
（他の実施形態）
以上の一実施形態では、複数個の熱電素子１１を絶縁基板１３に一体構成した後に、一体となった高温側熱交換器１４と低温側熱交換器１６との間に、熱電素子１１を挟むように組み付けて電極部２２と第１電極部材１２との接合面をはんだ付けで接合するように構成したが、これに限らず、具体的には、図３に示すように、一方の一体となった低温側熱交換器１６の上面に第１電極部材１２と熱電素子１１を配設し、その上面に他方の高温側熱交換器１４を上側に重ねて配設して、熱電素子１１と第１電極部材１２、および第１電極部材１２と電極部２２との接合面をはんだ付けで接合するように構成しても良い。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
１１…熱電素子
１２…第１電極部材
１４…高温側熱交換器（金属基板）
１５…フィン部材（熱交換部）
１６…低温側熱交換器（金属基板）
２１…絶縁被膜層
２２…電極部
DESCRIPTION OF
15 ... Fin member (heat exchange part)
16 ... Low temperature side heat exchanger (metal substrate)
21 ... Insulating
Claims (11)
前記複数個の熱電素子（１１）は、前記第１電極部材（１２）を介して直列的に接続されているとともに、
前記金属基板（１４、１６）には、前記第１電極部材（１２）と対向する位置に絶縁材料からなる絶縁被膜層（２１）と、その絶縁被膜層（２１）の表面に前記第１電極部材（１２）に接合する電極部（２２）とが形成されていることを特徴とする熱電変換装置。 Between the pair of metal substrates (14, 16) made of a metal material, both ends of a plurality of P-type and N-type thermoelectric elements (11) are respectively interposed with the first electrode member (12), and the metal substrate. (14, 16) and a heat exchange part (15) for absorbing and radiating heat transferred from the first electrode member (12) is disposed on one of the metal substrates (14, 16). In the thermoelectric conversion device,
The plurality of thermoelectric elements (11) are connected in series via the first electrode member (12), and
The metal substrate (14, 16) has an insulating coating layer (21) made of an insulating material at a position facing the first electrode member (12), and the first electrode on the surface of the insulating coating layer (21). The thermoelectric conversion apparatus characterized by forming the electrode part (22) joined to a member (12).
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