JP2007035974A - Thermoelectric converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の熱電半導体チップの吸熱面に吸熱側電極を取り付けるとともに、各熱電半導体チップの放熱面に放熱側電極を取り付け、全ての熱電半導体チップと電気的に直列に、熱的に並列接続してなる熱電変換装置に係わり、特に、製造性がよく、優れた信頼性を有する熱電変換装置に関する。 The present invention attaches an endothermic electrode to the endothermic surfaces of a plurality of thermoelectric semiconductor chips, and attaches an endothermic electrode to the heat dissipating surface of each thermoelectric semiconductor chip so that all thermoelectric semiconductor chips are electrically in series and thermally in parallel. The present invention relates to a thermoelectric conversion device that is connected, and particularly relates to a thermoelectric conversion device that has good manufacturability and excellent reliability.
熱電変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果などの熱電変換効果を利用した熱電半導体チップを組み合わせて構成され、電気を熱に変換する温度調整ユニットとしては、すでに量産化されている。また、発電ユニットとしても研究開発が進められている。 Thermoelectric conversion devices are configured by combining thermoelectric semiconductor chips using thermoelectric conversion effects such as the Thomson effect, Peltier effect, and Seebeck effect, and are already mass-produced as temperature adjustment units that convert electricity into heat. Research and development is also underway as a power generation unit.
発電ユニットとしての熱電変換装置は、複数の熱電半導体チップが電極を有する絶縁基板に挟まれて配列され、電気的に直列に、熱的に並列に接続されている。 A thermoelectric conversion device as a power generation unit is arranged by sandwiching a plurality of thermoelectric semiconductor chips between insulating substrates having electrodes, and is electrically connected in series and thermally in parallel.
熱電変換装置の発電効率を熱電半導体チップ自体の発電効率に近づけるためには、熱電半導体チップの一端部への熱供給と熱電半導体チップの他端部からの放熱がスムースに行われる必要がある。そのため、熱電変換装置を構成する基板には、熱伝導に優れたセラミックス基板が使用されている。さらに、熱電半導体チップの端部に配置される電極は、電気抵抗の低い材料によって構成されている。 In order to bring the power generation efficiency of the thermoelectric conversion device closer to the power generation efficiency of the thermoelectric semiconductor chip itself, it is necessary to smoothly supply heat to one end of the thermoelectric semiconductor chip and release heat from the other end of the thermoelectric semiconductor chip. Therefore, a ceramic substrate excellent in heat conduction is used as the substrate constituting the thermoelectric conversion device. Furthermore, the electrode arranged at the end of the thermoelectric semiconductor chip is made of a material having a low electrical resistance.
このような熱電変換装置においては、各熱電半導体チップの両端の温度差を直接電気エネルギに変換するため、高温側と低温側との熱膨張差により熱変形が生じる。このため、各構成部材の接合部や熱電半導体チップが破損したり、接合部分に隙間ができて熱伝導効率が低下し、熱電変換性能が低下するなどという問題があった。また、高温環境下で各電極や熱電半導体チップなどが酸化して信頼性が低下するという問題も生じていた。 In such a thermoelectric conversion device, the temperature difference between both ends of each thermoelectric semiconductor chip is directly converted into electric energy, so that thermal deformation occurs due to the difference in thermal expansion between the high temperature side and the low temperature side. For this reason, there existed a problem that the junction part and thermoelectric semiconductor chip | tip of each structural member were damaged, or the clearance gap was formed in the junction part, heat conduction efficiency fell, and the thermoelectric conversion performance fell. In addition, there has been a problem that the reliability of each electrode, thermoelectric semiconductor chip, and the like decreases due to oxidation under a high temperature environment.
これらの問題を解決するために、従来から多くの提案がなされている。例えば、配線基板に形成された複数の電極に熱電半導体チップの一端面を固着し、その熱電半導体チップの他端面には接触するように複数の電極を配置し、熱電半導体チップの一端面から他端面方向に圧力を加えて構成した熱電変換装置が開示されている（特許文献１参照）。そして、この構造により、熱電変換装置が加熱されて熱変形しても、各熱電半導体チップと接触配置された電極面ですべりが生じるので、熱電半導体チップの接合部や熱電半導体自身が損傷しにくく、信頼性の高い熱電変換装置であるとしている。 In order to solve these problems, many proposals have been conventionally made. For example, one end face of a thermoelectric semiconductor chip is fixed to a plurality of electrodes formed on a wiring board, and a plurality of electrodes are arranged so as to contact the other end face of the thermoelectric semiconductor chip. A thermoelectric conversion device configured by applying pressure in the end face direction is disclosed (see Patent Document 1). With this structure, even when the thermoelectric conversion device is heated and thermally deformed, slippage occurs on the electrode surface arranged in contact with each thermoelectric semiconductor chip, so that the junction of the thermoelectric semiconductor chip and the thermoelectric semiconductor itself are not easily damaged. It is said that it is a highly reliable thermoelectric conversion device.
しかし、上記の従来技術になる熱電変換装置では、熱電半導体チップの高さのバラツキを吸収するために熱電半導体チップの一端面はハンダで固着された構造である。このため、固着されている接合部には熱電半導体チップと電極（固着部材）の熱変形量の違いによって応力が発生したり、あるいは、熱電半導体チップ自身に内部応力が発生したりする。これらの発生応力は接合部や熱電半導体チップ自身の損傷に繋がるため、信頼性面でなお課題がある。 However, the thermoelectric conversion device according to the above-described prior art has a structure in which one end face of the thermoelectric semiconductor chip is fixed with solder in order to absorb variations in the height of the thermoelectric semiconductor chip. For this reason, stress is generated in the bonded portion due to the difference in thermal deformation between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode (fixing member), or internal stress is generated in the thermoelectric semiconductor chip itself. Since these generated stresses lead to damage to the joint and the thermoelectric semiconductor chip itself, there are still problems in terms of reliability.
また、熱電半導体チップと電極が接合材料を用いて接合された構造で、密閉容器を具備し、密閉容器内の湿度を極小に保持して熱電変換装置の劣化による発電効率の低下の少ない熱電変換装置が知られている（特許文献２参照）。 Thermoelectric conversion with a thermoelectric semiconductor chip and electrode bonded using a bonding material, with a sealed container, keeping the humidity inside the sealed container to a minimum, and reducing the decrease in power generation efficiency due to deterioration of the thermoelectric conversion device An apparatus is known (see Patent Document 2).
しかし、この熱電変換装置においても、熱電半導体チップと電極とが接合材料を用いて接合された構造であり、熱電半導体チップと電極とが固着されている。それゆえ特許文献１に記載の熱電変換装置と同様に信頼性面で課題がある。
本発明は、上記の課題を解決し、熱電変換装置が加熱され熱変形しても、熱電半導体チップの接合部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくい、信頼性に優れた熱電変換装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems, and provides a highly reliable thermoelectric conversion device in which even if the thermoelectric conversion device is heated and thermally deformed, the joint portion of the thermoelectric semiconductor chip and the thermoelectric semiconductor chip itself are hardly damaged. For the purpose.
本発明の熱電変換装置は、低温側板と、この低温側板に対向する高温側板と、低温側板および高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材および高温側電極部材と、これらの低温側電極部材と高温側電極部材との間に設けられ一端側を低温側電極部材に接触するとともに他端側を高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップと、低温側板と高温側板の相対位置を保持する結合部材とを備え、低温側板と高温側板との間には熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材によって保持されていることを特徴とする。 The thermoelectric conversion device of the present invention includes a low temperature side plate, a high temperature side plate opposed to the low temperature side plate, a plurality of low temperature side electrode members and a high temperature side electrode member disposed so as to be in contact with the opposing surfaces of the low temperature side plate and the high temperature side plate. A plurality of electrodes arranged between the low temperature side electrode member and the high temperature side electrode member and electrically arranged in series with one end side contacting the low temperature side electrode member and the other end side contacting the high temperature side electrode member. Thermoelectric semiconductor chip and a coupling member that holds the relative position of the low temperature side plate and the high temperature side plate, and compression pressure is applied between the low temperature side plate and the high temperature side plate in the axial direction of the thermoelectric semiconductor chip. The pressure is held by the coupling member.
本発明の熱電変換装置において、低温側板および高温側板の少なくとも一方は、低温側電極部材および高温側電極部材の位置を規制する位置規制部位を有することが望ましい。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, it is desirable that at least one of the low temperature side plate and the high temperature side plate has a position restricting portion that restricts the positions of the low temperature side electrode member and the high temperature side electrode member.
また、本発明の熱電変換装置において、低温側板および高温側板の少なくとも一方は、低温側電極部材および高温側電極部材の位置と熱電半導体チップの位置とを規制する位置規制部位を有することが望ましい。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, it is desirable that at least one of the low temperature side plate and the high temperature side plate has a position restricting portion that restricts the position of the low temperature side electrode member and the high temperature side electrode member and the position of the thermoelectric semiconductor chip.
本発明の熱電変換装置において、低温側電極部材及び高温側電極部材の少なくとも一方は、熱電半導体チップの位置を規制する位置規制部位を有することが望ましい。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, it is desirable that at least one of the low temperature side electrode member and the high temperature side electrode member has a position restricting portion that restricts the position of the thermoelectric semiconductor chip.
本発明の熱電変換装置において、熱電半導体チップと低温側電極部材との間および熱電半導体チップと高温側電極部材との間の少なくとも一方に、導電性の変形可能な弾性構造部材を有することができる。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, a conductive and deformable elastic structural member can be provided between at least one of the thermoelectric semiconductor chip and the low temperature side electrode member and between the thermoelectric semiconductor chip and the high temperature side electrode member. .
また、本発明の熱電変換装置において、低温側板と低温側電極部材との間および高温側板と高温側電極部材との間の少なくとも一方に、熱伝導性のよい変形可能な弾性構造部材を有することが好ましい。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, a deformable elastic structural member having good thermal conductivity is provided at least between the low temperature side plate and the low temperature side electrode member and between the high temperature side plate and the high temperature side electrode member. Is preferred.
さらに、本発明の熱電変換装置において、低温側電極部材および高温側電極部材の少なくとも一方は、導電性の変形可能な弾性構造部材であってもよい。 Furthermore, in the thermoelectric conversion device of the present invention, at least one of the low temperature side electrode member and the high temperature side electrode member may be a conductive elastic deformable structural member.
本発明の熱電変換装置において、結合部材と低温側板および高温側板とは溶接またはろう材によって結合されて、熱電半導体チップおよび電極部材を収容する密閉容器を形成することが望ましい。そして、このような密閉容器内の雰囲気は減圧雰囲気、窒素雰囲気および不活性ガス雰囲気の少なくとも１つから選ばれることが好ましい。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, it is desirable that the coupling member, the low temperature side plate, and the high temperature side plate are coupled by welding or brazing material to form a sealed container that accommodates the thermoelectric semiconductor chip and the electrode member. The atmosphere in the sealed container is preferably selected from at least one of a reduced pressure atmosphere, a nitrogen atmosphere, and an inert gas atmosphere.
また、熱電変換装置の低温側板または高温側板のいずれかを変形可能な部材として、外部からの圧縮圧力を利用して熱電半導体チップと電極部材との密着を確保するようにしてもよい。 Further, either the low-temperature side plate or the high-temperature side plate of the thermoelectric conversion device may be used as a deformable member, and the close contact between the thermoelectric semiconductor chip and the electrode member may be ensured by using external compression pressure.
本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップの端面と各電極面とは自由度の高い接触構造となっており、固着された剛体構造ではない。従って、各部材の線膨張係数の違いによって異なる熱変形量が生じても、低温側、高温側ともに各熱電半導体チップと各電極面で滑りが生じるので、接触部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくい。従って、信頼性の高い熱電変換装置を提供することができる。 In the thermoelectric conversion device of the present invention, the end surface of each thermoelectric semiconductor chip and each electrode surface have a contact structure with a high degree of freedom, and are not a rigid structure that is fixed. Therefore, even if different amounts of thermal deformation occur due to differences in the coefficient of linear expansion of each member, sliding occurs on each thermoelectric semiconductor chip and each electrode surface on both the low temperature side and the high temperature side, so that the contact portion and the thermoelectric semiconductor chip itself are damaged. Hateful. Therefore, a highly reliable thermoelectric conversion device can be provided.
また、接合用のハンダを用いていないため、熱電変換装置の耐熱性がハンダの溶融温度によって左右されない。従って、耐熱性に優れた熱電変換装置を提供することができる。 Further, since no joining solder is used, the heat resistance of the thermoelectric converter is not affected by the melting temperature of the solder. Therefore, it is possible to provide a thermoelectric conversion device having excellent heat resistance.
さらに、複数の電極部材も他部材に固定しない独立させた構造であるため、従来ハンダ材を用いて吸収していた５０μｍ程度の熱電半導体チップの高さバラツキがあっても、個々の電極部材が変形することでこの程度の高さバラツキを吸収することができる。 Furthermore, since the plurality of electrode members are independent structures that are not fixed to other members, even if there is a variation in the height of the thermoelectric semiconductor chip of about 50 μm that has been absorbed by using a solder material, the individual electrode members By deforming, it is possible to absorb this height variation.
本発明の熱電変換装置は、低温側板や高温側板などに低温側電極や熱電半導体チップの位置を規制する部位を有している。このため、熱電変換装置に過度の衝撃が加わった場合にも、各部材の相対位置を保持して各部材間の絶縁性を確保することができる。また、製造時には従来必須であった各部材を整列させる組み付け治具を必要とせず、直接各部材を組み付けることができるので簡単に熱電変換装置を製造することができる。 The thermoelectric conversion device of the present invention has a portion for regulating the positions of the low temperature side electrode and the thermoelectric semiconductor chip on the low temperature side plate, the high temperature side plate, and the like. For this reason, even when an excessive impact is applied to the thermoelectric conversion device, it is possible to maintain the relative position of each member and to ensure insulation between the members. Moreover, since the assembly jig which aligns each member essential in the past at the time of manufacture is not required and each member can be assembled directly, a thermoelectric conversion apparatus can be manufactured easily.
また、本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップと各電極との間に弾性構造部材を備えている。このため、吸収できる熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造部材の弾性量分向上し、より一層信頼性を高めることができる。 Moreover, the thermoelectric conversion device of the present invention includes an elastic structural member between the thermoelectric semiconductor chip and each electrode. For this reason, the size of the height variation of the thermoelectric semiconductor chip that can be absorbed is improved by the amount of elasticity of the elastic structural member, and the reliability can be further enhanced.
さらに、本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップが減圧雰囲気又は不活性ガス雰囲気内に密閉して配置される。このため、熱電変換装置が高温に加熱されても、酸化や腐食による熱電半導体チップなどの劣化を防止することができる。 Furthermore, in the thermoelectric conversion device of the present invention, the thermoelectric semiconductor chip is hermetically disposed in a reduced pressure atmosphere or an inert gas atmosphere. For this reason, even if the thermoelectric conversion device is heated to a high temperature, deterioration of the thermoelectric semiconductor chip or the like due to oxidation or corrosion can be prevented.
以下、本発明の熱電変換装置について実施例によって図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, the thermoelectric conversion device of the present invention will be described with reference to the drawings by way of examples.
図１は、実施例１の熱電変換装置１の構成を示す断面概要図である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating a configuration of a
熱電変換装置１は、低温側板１２と、この低温側板１２に接触するように配置される複数の低温側電極部材１３と、複数の高温側電極部材１６と、この高温側電極部材１６と接触するように配置される高温側板１７と、一端面で低温側電極部材１３に接触し、他端面で高温側電極部材１６と接触するとともに電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップ１４、１５と、低温側板１２と高温側板１７との相対位置を保持する結合部材１８とを備えている。そして、低温側板１２と高温側板１７との間には熱電半導体チップ１４、１５の軸方向に圧縮するように圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材１８によって保持されている。
The
ここで、低温側板１２は絶縁性のアルミナセラミックスであり低温側板１２と低温側電極部材１３とを絶縁している。また、低温側板１２には、位置規制部位である凹部１２ａと凸部１２ｂとが形成されており、凹部１２ａに所定の低温側電極部材１３を嵌着することで複数の各低温側電極部材１３の位置を規制すると同時に、凸部１２ｂで複数の低温側電極部材１３同士を絶縁している。また、高温側板１７は絶縁性のアルミナセラミックスであり高温側板１７と高温側電極部材１６とを絶縁している。この高温側板１７には凹部１７ａと凸部１７ｂとが形成されており、凹部１７ａに所定の高温側電極部材１６を嵌着することで複数の各高温側電極部材１６の位置を規制すると同時に、凸部１７ｂで複数の高温側電極部材１６同士を絶縁している。ここで、本明細書において「嵌着」とは、一方の部材が他方の部材に対してある程度の相対的変位が可能なように保持される形態を意味する。また、「嵌入」も同様に互いの部材が相対変位可能に保持される形態を意味する。
Here, the low
低温側電極部材１３は、低温側板１２とともに熱電半導体チップ１４、１５の位置を規制する凹部（位置規制部位）１３ａを有しており、所定の熱電半導体チップを嵌挿することで、複数の熱電半導体チップの各々の相対位置を規制することができる。また、高温側電極部材１６は高温側板１７の凹部１７ａに嵌入するバスタブ形状であり、バスタブの側壁に沿って熱電半導体チップ１４、１５を配置することでそれらの相対位置を規制することができる。電極部材は、良好な導電性を有するとともに、圧縮圧力で熱電半導体チップと密着接触できる変形可能な材料であることが望ましく、銅やアルミニウムあるいは銀などを好適に用いることができる。
The low temperature
以上のように熱電変換装置１は、各部材（絶縁板、電極部材、熱電半導体チップ）が相互に所定の位置規制部位により位置決めされており、また各部材はそれぞれ固着されていないので、圧縮圧力により密着接触できるように変形に対する自由度を持った接触構造となっている。
As described above, in the
熱電半導体チップは複数のＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とからなり、各々は一端面で低温側電極部材１３に接触し、他端面で高温側電極部材１６と接触して交互に配置されており、各電極部材を介して電気的に直列配列されている。
The thermoelectric semiconductor chip is composed of a plurality of P-type
低温側板１２の周縁部と高温側板１７の側面部と、これらに対向する枠１８の対向面にはメタライズ２１が施され、低温側板１２と高温側板１７とはろう材２２で枠１８に接合されている。
枠１８はステンレス鋼や鉄・ニッケル・コバルト合金（例えば、商品名：コバール）などの金属材料からなり、低温側板１２と高温側板１７とともに、熱電半導体チップ１４、１５や低温側電極部材１３、高温側電極部材１６などを収容して周囲環境から密閉封止する密封構造を形成する。この密封構造の内部は酸化や腐食防止のために減圧雰囲気となっており、所望によりヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスや窒素ガスなどが充填される。
The
次に、熱電変換装置１の作用を説明する。熱電変換装置１には、図１に示すように複数の熱電半導体チップ１４、１５が電気的に直列配置されている。熱電変換装置１の高温側板１７に熱源などからの高温、例えば、４００℃〜８００℃の放射熱が吸熱される。この放射熱は高温側板１７および高温側電極部材１６などを経て熱電半導体チップ１４、１５に熱伝導され、熱電半導体チップ１４、１５を高温側から低温側に熱流となって流れ、その間にゼーベック効果により起電力が生じる。発生した電力は電気的に直列配列された各熱電半導体チップ１４、１５からリード線１９を介して外部へ取り出される。
Next, the effect | action of the
各熱電半導体チップ１４、１５により熱エネルギが電気エネルギに変換されることにより温度降下した熱流は、低温側電極部材１３から低温側板１２を経て熱伝導され外部へ放熱される。
The heat flow that has fallen in temperature due to the thermal energy converted into electrical energy by the
本実施例では、低温側電極部材１３と熱電半導体チップ１４、１５および高温側電極部材１６と熱電半導体チップ１４、１５とはハンダなどの接合によって固定される剛体構造ではなく、熱膨張に対する自由度の高い接触構造となっている。このため、線膨張係数の違いによって各部材に異なる熱変形量が生じても、低温側、高温側ともに各熱電半導体チップ１４、１５と各電極面１３、１６との間で滑りを生じて熱変形量の差を吸収することができる。従って、電極部材と熱電半導体チップとの接触部や熱電半導体チップ１４、１５自身が損傷しにくく、信頼性の高い熱電変換装置１を提供することができる。
In the present embodiment, the low temperature
本実施形態の熱電変換装置１は例えば、以下のような工程により製造する。
For example, the
まず第１工程では、図２に示すように低温側板１２と枠１８とのメタライズ２１が施されている接合部を、ろう材２２を用いて接合する。ここで、低温側板１２は絶縁性を有しかつ熱伝導が良好な例えば、窒化珪素セラミックス、窒化アルミセラミックス、高純度のアルミナセラミックスであることが望ましい。また、低温側板１２は２層からなる多層構造とし、熱電変換された電力を外部に取り出すための内部配線１９を備え、この内部配線１９と外部配線２０とをろう材２２によって接合する。なお、上記のように枠１８と低温側板１２とをろう付けする構造ではなく、低温側板１２をバスタブ状の箱形の構造体として枠１８を用いない構造としてもよい。
First, in the first step, as shown in FIG. 2, the joint portion on which the
第２工程では、低温側板１２の凹部１２ａに所定の低温側電極部材１３を嵌着する。低温側電極部材１３及び高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５は、加圧されて接触される構造である。従って、加圧力を保持するために枠１８はＰ型熱電半導体チップ１４やＮ型熱電半導体チップ１５よりも線膨張係数が小さくかつ熱伝導性の低い材質であることが好ましく、例えば、ステンレス鋼や鉄・ニッケル・コバルト合金（例えば、商品名：コバール）などの金属材料、あるいはジルコニア、アルミナ、ムライトなどのセラミックスが望ましい。
In the second step, a predetermined low temperature
次に、第３工程では、図３に示すように低温側板１２と低温側電極部材１３によって形成される凹部１３ａにＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とを嵌挿する。Ｐ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とは低温側電極部材１３上に交互に配置されるので、第４工程では、図４のようにバスタブ形状の箱形の高温側電極部材１６を隣り合う一対のＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５の高温側端面の上に跨設する。この時、高温側電極部材１６をすでに配置されている低温側電極部材１３と交互にジグザグ状に配置して、全ての熱電半導体チップ１４、１５が電気的に直列に、また、熱的には並列に配置されるようにする。
Next, in the third step, as shown in FIG. 3, the P-type
第５工程では、図５に示すように高温側電極部材１６を位置決めする凹部１７ａを備えた高温側板１７を高温側電極部材１６上に嵌合載置して、複数の高温側電極部材１６同士を絶縁するとともに、各々の相対位置を維持するようにする。
In the fifth step, as shown in FIG. 5, the high
続いて、第６工程では、図６に示すように減圧雰囲気２３中で低温側板１２と高温側板１７に上下に圧力を加えながら、高温側板１７と枠１８とをろう材２２を用いて密閉接合する。なお、高温側板１７の側面と対向する枠１８の接合部には、ろう付けを容易にするために上記のように銅薄膜などのメタライズ２１を施しておく。
Subsequently, in the sixth step, as shown in FIG. 6, the high-
上記の熱電変換装置１では、低温側、高温側ともに熱電半導体チップと電極部材とが加圧接触するように配置された構造であり、各熱電半導体チップと各電極部材との間ですべりを生じることで各部材の熱膨張量の差を吸収することができる。このため、接触部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくく、熱電変換装置の信頼性が大幅に向上するという優れた効果がある。また、複数の電極部材が他の部材に固着されることなく容易に変形可能な独立した構造であるため、熱電半導体チップの高さにバラツキがあっても独立した複数の電極部材が個々に変形して、その高さバラツキを吸収することができる。また、接合用のハンダや変形可能な導電性部材を必要としないので、従来技術による熱電変換装置に比べて、部品点数と工数の低減が可能となる。さらに、従来技術では、製造時に熱電半導体チップや電極部材を整列させるための治具が必要であるのに対して、本実施例ではこのような整列用の治具を使用することなく、電極部材や熱電半導体チップなどを予め形成されている所定の位置へ嵌着することができ、簡単に熱電変換装置を製造することができる。
The
実施例２の熱電変換装置２は図７の断面概要図に示すように、実施例１のアルミナセラミックからなる高温側板１７を絶縁材２５をコーティングした導電性板２４とし、アルミナセラミックの枠１８を導電性板２４と溶接しやすい同種の金属材料の枠１８’とした以外は、実施例１と同様の部材を用いて同様のの構成としたものである。なお、図７で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
As shown in the schematic cross-sectional view of FIG. 7, the
熱電変換装置２では、導電性板２４と枠１８’には金属材料である鉄・ニッケル・コバルト合金（コバール）を用い、また、絶縁材２５としてはアルミナセラミックスを用いた。枠１８’と導電性板２４とは同種の金属材料であるのでレーザ溶接により容易に接合することができ、実施例１と同様に減圧雰囲気中で圧縮圧力を加えながら密閉接合する。
In the
このようにして形成された熱電変換装置２は、高温側板２４に実施例１で用いたセラミックスよりも耐衝撃性が高い金属を用いているので、高温側板２４の耐衝撃性が向上し、熱電変換装置２の耐衝撃性を向上することができる。このような熱電変換装置２は、設備の駆動部分など耐衝撃性や耐振動性を必要とする部位に装着する熱電変換装置として好適である。
Since the
図８に実施例３の熱電変換装置３の断面構造を示す。熱電変換装置３は実施例１の熱電変換装置１の高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５との間に弾性構造体２７を介挿し、その他の構成は実施例１と同様としたものである。図８で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the
弾性構造体２７はＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とを電気的に接続するために導電性の材質からなる構造体が必要である。ここでは厚さ方向に弾性変形する銅細線からなる金属細線網を用いた。なお、この他に銅、アルミニウム、あるいは銀などからなる金属製の板ばねを用いてもよい。
The
このような熱電変換装置３は、弾性構造体２７を使用する構造であるため、熱電半導体チップの高さバラツキをこの弾性構造体２７によっても吸収することができ、さらに安定した導通を得ることが可能になる。つまり、熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造体２７の弾性変形量分向上するという優れた効果がある。
Since such a
実施例４の熱電変換装置４は、図９に断面構造を示すように実施例１の高温側電極部材１６と高温側板１７との間に弾性構造体２７を介挿し、その他の構成は実施例１と同様としたものである。なお、図９で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
The
ここで、弾性構造体２７は熱抵抗を少なくするために高熱伝導性材料からなる構造体が望ましい。ここでは、上記の実施例３と同様の金属細線網を用いた。この他にシリコン系などの熱伝導性シートを用いてもよい。また、介挿する弾性構造体２７が銅や銀などのように高い導電性を有する材料であれば、電気抵抗を低減することもできるのでさらに好適である。
Here, the
このような熱電変換装置４は、上記の実施例３と同様に弾性構造体２７を使用する構造であるため、吸収できる熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造体の弾性変形量分向上するという優れた効果がある。
Since such a
実施例５の熱電変換装置５は、低温側板１２と高温側板１７との相対位置を保持する結合部材に、実施例１の枠１８に代えてボルト２８とナット３０とを用いたものである。図１０に熱電変換装置５の断面構造を示す。
The
熱電変換装置５においては、ボルト２８とナット３０との締結によって低温側板１２’と高温側板１７’とに加圧力を負荷すると同時に、加圧力を保持する。なお、本実施例ではボルト２８は一本であるが複数本用いてもよい。
In the
熱電変換装置５では、ボルト締結により各部材の相対的位置を保持している。従って、低温側板１２’と高温側板１７’とは、例えば、鋼、モリブデン、タングステン、あるいはタングステンカーバイドなどの剛性の高い、かつ相対的に板厚の厚い材料で構成されている。それゆえ、低温側板１２と低温側電極部材１３及び高温側板１７と高温側電極部材１６との間に窒化珪素セラミックの絶縁部材３１を介装することで、各部材間の絶縁を図った。
In the
このような熱電変換装置５は、ナットの回転量で締結力を調整することができるので、加圧力が所望の圧縮力となるように容易に管理することができる。
Since such a
なお、本発明の熱電変換装置は上記の実施例１〜５に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することができる。 In addition, the thermoelectric conversion apparatus of this invention is not limited to said Examples 1-5, It can change in the range which does not deviate from the summary of this invention.
例えば、上記の実施例では、熱電変換装置の組み立て時に熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力を加えて枠などの結合部材でこの圧縮圧力を保持するようにしたが、熱電変換装置を所定の位置へ取り付ける時の締結力などの外部からの圧力を必要な圧縮圧力として利用してもよい。 For example, in the above-described embodiment, when the thermoelectric conversion device is assembled, the compression pressure is applied in the axial direction of the thermoelectric semiconductor chip and the compression pressure is held by the coupling member such as a frame. A pressure from the outside such as a fastening force at the time of attachment to the head may be used as a necessary compression pressure.
図１１は熱電変換装置６の断面構造を示すもので、高温側板１７を周縁部にＶ字溝３２を形成した変形可能な高温側部材３３としている。なお、図示はしないが、高温側部材３３と高温側電極部材１６及び低温側板１２と低温側電極部材１３及び複数の電極部材１３，１６同士は適宜の方法で絶縁されている。また、外部からの圧力を利用して加圧を行うために熱電半導体チップ１４、１５には圧力は負荷されておらず、空隙ｄがある状態で低温側板１２と高温側部材３３とを接合している。しかし、あえて空隙ｄを設けて熱電半導体チップに圧力を加えない構造とする必要はなく、熱電半導体チップの両端面を各電極部材に接触させて仮圧力をかける構造としてもよい。
FIG. 11 shows a cross-sectional structure of the
図１２は熱電変換装置６を高温廃熱管などの所定の部位に装着した状態を示す。熱電変換装置６は、低温側取付部材３４と高温側取付部材３５とに挟持され、ボルトＢ、Ｂの締結の圧力を利用することで、熱電変換装置６に必要な圧縮圧力が負荷されている。なお、この時に高温側部材３３が変形して各部材の接触を可能にしている。このような熱電変換装置６は、高温側部材３３を変形させる構造であるので、高温側部材３３を薄くして熱抵抗を減少することで発電効率を向上させることができる。
FIG. 12 shows a state where the
また、実施例３では図８において高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５との間に弾性構造体２７を介挿したが、弾性構造体２７は導電性材料からなっているので高温側電極部材１６を設けることなく弾性構造体２７で高温側電極部材１６に代替してもよい。高温側電極部材１６を弾性構造体２７で代替することで部品点数を削減しながら実施例３と同様の効果を得ることができる。
Further, in Example 3, the
なお、本実施形態においては、熱電変換装置として、低温側板と高温側板との間の熱量の差に基づいて起電力を生じるゼーベック素子について説明したが、熱電半導体チップに電流を通電して高温側板と低温側板との間に温度差を生じさせるペルチェ素子にも本発明を採用することができる。 In the present embodiment, as the thermoelectric conversion device, the Seebeck element that generates an electromotive force based on the difference in the amount of heat between the low-temperature side plate and the high-temperature side plate has been described. The present invention can also be applied to a Peltier element that causes a temperature difference between the low temperature side plate and the low temperature side plate.
本発明の熱電変換装置は、従来の熱電変換装置のように各部材をハンダなどで接合する剛体構造ではなく、加圧力により各部材の相対位置を保持すると同時に電気の導通を確保する自由度の高い接触構造になっている。従って、熱膨張に対する自由度が大きく、熱膨張量差による熱電半導体の変形を吸収することができる。例えば、高温側は６００℃で、低温側が１００℃といった温度差の大きな熱電変換装置であっても熱電半導体やその電極部材との接触部が損傷しにくく、長期間にわたって高い信頼性を維持することができる。 The thermoelectric conversion device of the present invention is not a rigid body structure in which each member is joined with solder or the like as in the conventional thermoelectric conversion device, but the relative position of each member is maintained by applying pressure, and at the same time, electrical conduction is ensured. High contact structure. Therefore, the degree of freedom with respect to thermal expansion is large, and the deformation of the thermoelectric semiconductor due to the difference in thermal expansion amount can be absorbed. For example, even in a thermoelectric conversion device with a large temperature difference such as 600 ° C. on the high temperature side and 100 ° C. on the low temperature side, the contact portion with the thermoelectric semiconductor and its electrode member is not easily damaged, and high reliability is maintained over a long period of time. Can do.
このような特性を有する本発明の熱電変換装置は、工場などの廃熱回収装置として好適に用いることができる。 The thermoelectric conversion device of the present invention having such characteristics can be suitably used as a waste heat recovery device in a factory or the like.
１：熱電変換装置 １２：低温側板 １３：低温側電極部材 １４：Ｐ型熱電半導体チップ １５：Ｎ型熱電半導体チップ １６：高温側電極部材 １７：高温側板 １８：枠（結合部材）２４：導電性板 ２５：絶縁材 ２７：弾性構造体３１：絶縁部材 1: Thermoelectric conversion device 12: Low temperature side plate 13: Low temperature side electrode member 14: P type thermoelectric semiconductor chip 15: N type thermoelectric semiconductor chip 16: High temperature side electrode member 17: High temperature side plate 18: Frame (coupling member) 24: Conductivity Plate 25: Insulating material 27: Elastic structure 31: Insulating member
Claims (9)
前記低温側板および前記高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材および高温側電極部材と、
前記低温側電極部材と前記高温側電極部材との間に設けられ一端側を前記低温側電極部材に接触するとともに他端側を前記高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップと、
前記低温側板と前記高温側板の相対位置を保持する結合部材とを備え、
前記低温側板と前記高温側板との間には前記熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、該圧縮圧力が前記結合部材によって保持されていることを特徴とする熱電変換装置。 A low temperature side plate, and a high temperature side plate facing the low temperature side plate,
A plurality of low temperature side electrode members and a plurality of high temperature side electrode members disposed so as to be in contact with the opposing surfaces of the low temperature side plate and the high temperature side plate;
A plurality of electrodes arranged between the low temperature side electrode member and the high temperature side electrode member and electrically arranged in series with one end contacting the low temperature side electrode member and the other end contacting the high temperature side electrode member. Thermoelectric semiconductor chip of
A coupling member for holding the relative position of the low temperature side plate and the high temperature side plate;
A thermoelectric conversion device, wherein a compression pressure is applied between the low temperature side plate and the high temperature side plate in an axial direction of the thermoelectric semiconductor chip, and the compression pressure is held by the coupling member.
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007066987A (en) * | 2005-08-29 | 2007-03-15 | Toshiba Corp | Thermoelement device and thermoelectric module |
| WO2011138521A1 (en) * | 2010-05-05 | 2011-11-10 | Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives | Thermoelectric device which provides for varying the effective height of the contacts of a thermocouple, and method for manufacturing the device |
| WO2013103069A1 (en) * | 2012-01-05 | 2013-07-11 | フタバ産業株式会社 | Thermoelectric generator |
| JP2015522943A (en) * | 2012-05-07 | 2015-08-06 | フォノニック デバイセズ、インク | Thermoelectric heat exchanger components including protective heat spreading lid and optimal thermal interface resistance |
| JP2016009787A (en) * | 2014-06-25 | 2016-01-18 | 株式会社Kelk | Thermoelectric generator |
| US10458683B2 (en) | 2014-07-21 | 2019-10-29 | Phononic, Inc. | Systems and methods for mitigating heat rejection limitations of a thermoelectric module |
| WO2020096228A1 (en) * | 2018-11-08 | 2020-05-14 | 엘지이노텍 주식회사 | Thermoelectric module |
| JP2021506103A (en) * | 2017-12-07 | 2021-02-18 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | Thermoelectric module |
| JP2021512488A (en) * | 2018-01-23 | 2021-05-13 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | Thermoelectric module |
| JP2021520627A (en) * | 2018-04-04 | 2021-08-19 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | Thermoelectric element |
-
2005
- 2005-07-27 JP JP2005218028A patent/JP2007035974A/en active Pending
Cited By (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007066987A (en) * | 2005-08-29 | 2007-03-15 | Toshiba Corp | Thermoelement device and thermoelectric module |
| JP4728745B2 (en) * | 2005-08-29 | 2011-07-20 | 株式会社東芝 | Thermoelectric device and thermoelectric module |
| US8110736B2 (en) | 2005-08-29 | 2012-02-07 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Thermoelectric element device and thermoelectric module |
| WO2011138521A1 (en) * | 2010-05-05 | 2011-11-10 | Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives | Thermoelectric device which provides for varying the effective height of the contacts of a thermocouple, and method for manufacturing the device |
| FR2959876A1 (en) * | 2010-05-05 | 2011-11-11 | Commissariat Energie Atomique | THERMOELECTRIC DEVICE HAVING A VARIATION IN THE EFFECTIVE HEIGHT OF THE PLOTS OF A THERMOCOUPLE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE DEVICE. |
| CN102971878A (en) * | 2010-05-05 | 2013-03-13 | 原子能和代替能源委员会 | Thermoelectric device which provides for varying the effective height of the contacts of a thermocouple, and method for manufacturing the device |
| US9200967B2 (en) | 2010-05-05 | 2015-12-01 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Thermoelectric device which provides for varying the effective height of the contacts of a thermocouple, and method for manufacturing the device |
| WO2013103069A1 (en) * | 2012-01-05 | 2013-07-11 | フタバ産業株式会社 | Thermoelectric generator |
| JP2013140883A (en) * | 2012-01-05 | 2013-07-18 | Futaba Industrial Co Ltd | Thermoelectric generator |
| CN104025326A (en) * | 2012-01-05 | 2014-09-03 | 双叶产业株式会社 | Thermoelectric generator |
| JP2015522943A (en) * | 2012-05-07 | 2015-08-06 | フォノニック デバイセズ、インク | Thermoelectric heat exchanger components including protective heat spreading lid and optimal thermal interface resistance |
| JP2016009787A (en) * | 2014-06-25 | 2016-01-18 | 株式会社Kelk | Thermoelectric generator |
| US10458683B2 (en) | 2014-07-21 | 2019-10-29 | Phononic, Inc. | Systems and methods for mitigating heat rejection limitations of a thermoelectric module |
| JP2021506103A (en) * | 2017-12-07 | 2021-02-18 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | Thermoelectric module |
| JP7420714B2 (en) | 2017-12-07 | 2024-01-23 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | thermoelectric module |
| JP2021512488A (en) * | 2018-01-23 | 2021-05-13 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | Thermoelectric module |
| EP3745480A4 (en) * | 2018-01-23 | 2021-11-10 | LG Innotek Co., Ltd. | Thermoelectric module |
| US11730056B2 (en) | 2018-01-23 | 2023-08-15 | Lg Innotek Co., Ltd. | Thermoelectric module |
| JP7407718B2 (en) | 2018-01-23 | 2024-01-04 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | thermoelectric module |
| JP2021520627A (en) * | 2018-04-04 | 2021-08-19 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | Thermoelectric element |
| EP3764410A4 (en) * | 2018-04-04 | 2021-12-08 | LG Innotek Co., Ltd. | Thermoelectric element |
| EP4277454A3 (en) * | 2018-04-04 | 2024-01-10 | LG Innotek Co., Ltd. | Thermoelectric element |
| JP7442456B2 (en) | 2018-04-04 | 2024-03-04 | エルジー イノテック カンパニー リミテッド | thermoelectric element |
| WO2020096228A1 (en) * | 2018-11-08 | 2020-05-14 | 엘지이노텍 주식회사 | Thermoelectric module |
| US11355689B2 (en) | 2018-11-08 | 2022-06-07 | Lg Innotek Co., Ltd. | Thermoelectric module |
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