JP2007073889A - Thermoelectric conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱エネルギー及び電気エネルギーを相互に変換する熱電変換装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device that mutually converts heat energy and electric energy.
いわゆるペルチェ効果を利用して電気エネルギーを熱エネルギーに変換したり、いわゆるゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換したりする熱電変換素子が知られている。例えばゼーベック効果を利用する場合、異なる2種類の金属やP型半導体及びN型半導体等の熱電変換素子を熱的に並列に配置し、これらの素子を電気的に直列に接続し外部に負荷を接続して閉回路を構成することにより、この閉回路に電流が流れ、電力として取り出すことができる。このような構成によれば、例えば高温流体及び低温流体の温度差に基づいて熱電発電が可能となる(例えば、特許文献1参照。)。 Thermoelectric conversion elements that convert electrical energy into thermal energy using the so-called Peltier effect, or convert thermal energy into electrical energy using the so-called Seebeck effect are known. For example, when using the Seebeck effect, thermoelectric conversion elements such as two different types of metals, P-type semiconductors, and N-type semiconductors are arranged in parallel thermally, and these elements are electrically connected in series to load the outside. By connecting and configuring a closed circuit, a current flows through the closed circuit and can be taken out as electric power. According to such a configuration, for example, thermoelectric power generation is possible based on a temperature difference between a high-temperature fluid and a low-temperature fluid (see, for example, Patent Document 1).
図8を参照しつつ、熱交換器に配設されて熱電発電装置となる熱電変換装置900の構成例について説明する。同図は、熱電変換装置900の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。この熱電変換装置900は、主として、少なくとも一対のN型半導体素子910及びP型半導体素子920と、これらを交互に直列接続する電極板930、940、950と、を備えて構成されるものである。このようなπ型構造を有する2つの半導体素子910、920及び3つの電極板930、940、950を単位ユニットとして、複数個の単位ユニットが直列接続されることにより、実際の熱電変換装置900が構成される。以下、この単位ユニットの構成について更に詳しく述べる。
With reference to FIG. 8, a configuration example of a
同図に例示されるように、前述した単位ユニットにおいて、N型半導体素子910及びP型半導体素子920は、熱交換器における高温側の金属基板91及び低温側の金属基板92の間に並設されている。電極板930は低温側の金属基板92とN型半導体素子910との間に介在し、電極板940は低温側の金属基板92とP型半導体素子920との間に介在し、電極板950は高温側の金属基板91と2つの半導体素子910、920との間に介在している。
As illustrated in the figure, in the unit unit described above, the N-
また、同図に例示されるように、電極板930、940、950は、金属基板91、92に対して電気的絶縁性を有する接着剤980により固着されている。一方、この電極板930、940、950は、2つの半導体素子910、920に対して半田(又は銀ロウ)990によりろう接されている。尚、電極板930、940、950と、2つの半導体素子910、920とは、例えば溶射により融接されている場合もある。
Further, as illustrated in the figure, the
以上の構成により、高温側の金属基板91及び低温側の金属基板92の温度差に基づいて、電流は、電極板930、N型半導体素子910、電極板950、P型半導体素子920、電極板940の順に流れる(図8の矢印)。尚、熱電冷却装置としての構成例についても上記と同様である。
ところで、前述した構成を備えた熱電変換装置900には、対向する金属基板91、92の熱膨張及び熱収縮に伴う変形により熱応力が発生し易い。例えば、高温側の金属基板91が熱膨張する際、銅板等からなる電極板950及び半田(又は銀ロウ)990も略同様に熱膨張する。一方、N型半導体素子910及びP型半導体素子920は、金属よりも熱膨張係数が小さいことが多いため、電極板950及び半田(又は銀ロウ)990とは膨張率が異なる。このため、半導体素子910、920、電極板950、及び半田(又は銀ロウ)990には、図8におけるXY面に沿って熱応力が作用する。このような熱応力が繰り返し作用した場合、電極板950及び半田(又は銀ロウ)990よりも機械的強度が弱いN型半導体素子910及びP型半導体素子920に先ずクラックが発生し、このクラックが伸展して破断に至り、結果的に熱電変換装置900の寿命が短くなる虞がある。このような問題は、低温側の金属基板92が熱収縮した場合にも同様に発生する。但し、半田(又は銀ロウ)990は、N型半導体素子910及びP型半導体素子920と、電極板930、940、950との間の電流の経路を確保し、熱電変換装置900の起電力を保持する(即ち、熱電変換効率を維持する)ためには依然重要な役割を有する。
By the way, in the
本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、熱電変換装置の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制することにある。 This invention is made | formed in view of this subject, The place made into the objective is to suppress a thermal stress, maintaining the thermoelectric conversion efficiency of a thermoelectric conversion apparatus.
前記課題を解決するための発明は、対向する熱交換基板の間に並設される少なくとも一対の熱電変換用のP型半導体素子及びN型半導体素子と、一方の前記熱交換基板と前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子との間と、他方の前記熱交換基板と前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子との間とに介在し、前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子を交互に直列接続する電極板と、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記P型半導体素子を介して貫通し、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記N型半導体素子を介して貫通する貫通孔と、前記貫通孔に挿入される棒部材と、前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子と、当該P型半導体素子及び当該N型半導体素子と対向する前記電極板とが圧着するように、対向する前記熱交換基板の外側で前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子と、当該P型半導体素子及び当該N型半導体素子と対向する前記電極板とが摺動可能に圧着するように、少なくとも一方の前記熱交換基板の外側と前記圧着部材との間に介在する弾性部材と、を備えてなる熱電変換装置である。 The invention for solving the above problems includes at least a pair of P-type semiconductor elements and N-type semiconductor elements for thermoelectric conversion arranged in parallel between opposing heat exchange boards, one of the heat exchange boards and the P type. The P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element are interposed between the semiconductor element and the N-type semiconductor element and between the other heat exchange substrate and the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element. Electrode plates alternately connected in series, the one heat exchange substrate to the other heat exchange substrate through the electrode plate and the P-type semiconductor element, and the one heat exchange substrate to the other heat exchange A through-hole penetrating through the electrode plate and the N-type semiconductor element to the replacement substrate; a rod member inserted into the through-hole; the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element; and the P-type semiconductor element And the N-type semiconductor A crimping member coupled to both ends of the rod member on the outside of the opposing heat exchange substrate so that the electrode plate facing the child is crimped; the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element; An elastic member interposed between at least one outer side of the heat exchange substrate and the pressure-bonding member so that the P-type semiconductor element and the electrode plate facing the N-type semiconductor element are slidably pressure-bonded; Is a thermoelectric conversion device.
この熱電変換装置によれば、貫通孔及び棒部材により対向して保持される電極板とP型半導体素子及びN型半導体素子とは、圧着部材により、この棒部材の方向に圧着される。この圧着がより強くなれば、例えば、低温側の電極板AからN型半導体素子へ流れる電流、N型半導体素子から高温側の電極板Bへ流れる電流、電極板BからP型半導体素子へ流れる電流、P型半導体素子から低温側の電極板Cへ流れる電流、はより大きくなる。これにより、対向する熱交換基板の間の温度差に応じて生じる電極板A及びCの間の起電力もより大きくなる。尚、このようなゼーベック効果のみならず、ペルチェ効果も含めて、本発明では熱電変換効率が向上すると言える。また、この熱電変換装置によれば、貫通孔及び棒部材により対向して保持される電極板とP型半導体素子及びN型半導体素子とは、弾性部材により、この棒部材と交差する方向に摺動可能となる。 According to this thermoelectric conversion device, the electrode plate, the P-type semiconductor element, and the N-type semiconductor element that are held opposite to each other by the through hole and the bar member are crimped in the direction of the bar member by the crimping member. If this pressure bonding becomes stronger, for example, a current that flows from the low temperature side electrode plate A to the N type semiconductor element, a current that flows from the N type semiconductor element to the high temperature side electrode plate B, and a current that flows from the electrode plate B to the P type semiconductor element. The current, the current flowing from the P-type semiconductor element to the electrode plate C on the low temperature side, becomes larger. Thereby, the electromotive force between the electrode plates A and C generated according to the temperature difference between the opposing heat exchange substrates is further increased. It can be said that the thermoelectric conversion efficiency is improved in the present invention including not only the Seebeck effect but also the Peltier effect. In addition, according to this thermoelectric conversion device, the electrode plate, the P-type semiconductor element, and the N-type semiconductor element that are held opposite to each other by the through hole and the rod member are slid in the direction intersecting the rod member by the elastic member. It becomes possible to move.
よって、もしこの弾性部材の弾性力がより大きくなれば、前述した圧着がより強くなることにより熱電変換効率がより大きくなる。一方、もしこの弾性部材の弾性力がより小さくなれば、前述した圧着がより弱くなることにより、電極板A、B、Cと、P型半導体素子及びN型半導体素子との熱膨張差による熱応力が、電極板A、B、Cと、P型半導体素子及びN型半導体素子との相互の摺動に吸収されてより小さくなる。 Therefore, if the elastic force of the elastic member becomes larger, the above-described pressure bonding becomes stronger, and the thermoelectric conversion efficiency becomes higher. On the other hand, if the elastic force of the elastic member becomes smaller, the above-described pressure bonding becomes weaker, and thus heat due to the thermal expansion difference between the electrode plates A, B, and C and the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element. The stress is absorbed by the sliding of the electrode plates A, B, and C with the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element, and becomes smaller.
従って、弾性部材の弾性力を所定のレベルに設定することにより、前述した圧着及び摺動のバランスをとることができる。つまり、弾性部材の弾性力を、熱電変換装置の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制するように設定することができる。 Therefore, by setting the elastic force of the elastic member to a predetermined level, the above-described pressure bonding and sliding can be balanced. That is, the elastic force of the elastic member can be set so as to suppress the thermal stress while maintaining the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion device.
また、かかる熱電変換装置において、前記電極板に対する前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子の圧着面と、前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子に対する前記電極板の圧着面とのうち、一方の前記圧着面は凸面であり、他方の前記圧着面は凹面である、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、凹面及び凸面は、例えば平坦な圧着面どうしに比べて接触面積が大きい。これにより、電極板とP型半導体素子及びN型半導体素子との接触抵抗がより小さくなるため、熱電変換効率がより大きくなる。
Further, in the thermoelectric conversion device, of the pressure-bonding surface of the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element to the electrode plate, and the pressure-bonding surface of the electrode plate to the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element, One of the pressure-bonding surfaces is preferably a convex surface, and the other pressure-bonding surface is preferably a concave surface.
According to this thermoelectric conversion device, the concave surface and the convex surface have a larger contact area than, for example, flat crimp surfaces. Thereby, the contact resistance between the electrode plate, the P-type semiconductor element, and the N-type semiconductor element becomes smaller, and the thermoelectric conversion efficiency becomes larger.
また、かかる熱電変換装置において、前記貫通孔は、挿入された前記棒部材との間に隙間を有することが好ましい。
この熱電変換装置によれば、電極板とP型半導体素子及びN型半導体素子とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能となるため、前述した熱応力がより抑制される。
In this thermoelectric conversion device, it is preferable that the through hole has a gap between the inserted rod member.
According to this thermoelectric conversion device, the electrode plate, the P-type semiconductor element, and the N-type semiconductor element can slide relative to each other by this gap, and thus the above-described thermal stress is further suppressed.
また、かかる熱電変換装置において、前記電極板は、隣接する前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子の間に、前記熱交換基板の膨張及び収縮を吸収するための撓み部を有することが好ましい。
この熱電変換装置によれば、もし熱交換基板が電極板よりも熱膨張した場合、この撓み部が例えば熱交換基板の面に交差する方向に沿って縮むことにより、この熱膨張が電極板とP型半導体素子及びN型半導体素子との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる。或いは、熱交換基板が電極板よりも熱収縮した場合、この撓み部が例えば熱交換基板の面に交差する方向に沿って伸びることにより、この熱収縮が電極板とP型半導体素子及びN型半導体素子との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる。よって、この圧着面に作用し得る熱応力がより抑制される。
In the thermoelectric conversion device, the electrode plate preferably includes a bending portion for absorbing expansion and contraction of the heat exchange substrate between the adjacent P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element. .
According to this thermoelectric conversion device, if the heat exchange substrate expands more than the electrode plate, the flexure shrinks along the direction intersecting the surface of the heat exchange substrate, for example, so that this thermal expansion is It is possible to prevent the pressure bonding surface between the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element from being affected. Alternatively, when the heat exchange substrate is heat-shrinked more than the electrode plate, the bent portion extends along, for example, a direction intersecting the surface of the heat exchange substrate, so that the heat shrinkage is caused by the electrode plate, the P-type semiconductor element, and the N-type. It is possible to prevent the crimping surface with the semiconductor element from being affected. Therefore, the thermal stress that can act on the crimping surface is further suppressed.
また、かかる熱電変換装置において、前記熱交換基板と前記電極板との間は、絶縁性潤滑材で絶縁されることが好ましい。
この熱電変換装置によれば、電極板と熱交換基板との間の相互の変位がより円滑になるため、熱交換基板の熱膨張又は熱収縮が電極板とP型半導体素子及びN型半導体素子との圧着面に影響を及ぼすことが防止される。よって、この圧着面に作用し得る熱応力がより抑制される。
In the thermoelectric conversion device, it is preferable that the heat exchange substrate and the electrode plate are insulated with an insulating lubricant.
According to this thermoelectric conversion device, since the mutual displacement between the electrode plate and the heat exchange substrate becomes smoother, the thermal expansion or contraction of the heat exchange substrate causes the electrode plate, the P-type semiconductor element, and the N-type semiconductor element. It is prevented from affecting the crimping surface. Therefore, the thermal stress that can act on the crimping surface is further suppressed.
また、かかる熱電変換装置において、前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子と対向しない側の前記熱交換基板の面は、前記圧着部材が当該面から退避するための凹部を有する、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、熱交換基板を備える例えば熱交換器が嵩高いものとなることを防止できる。
In this thermoelectric conversion device, it is preferable that the surface of the heat exchange substrate on the side not facing the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element has a recess for the crimping member to retreat from the surface. .
According to this thermoelectric conversion device, for example, a heat exchanger provided with a heat exchange substrate can be prevented from becoming bulky.
また、かかる熱電変換装置において、前記弾性部材は、対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる一方の前記熱交換基板の外側と、前記圧着部材との間に介在する、ことが好ましい。
この熱電変換装置によれば、弾性部材の高温劣化が防止される。また、弾性力の調整等の目的で弾性部材にアクセスし易くなる。
Moreover, in this thermoelectric conversion device, it is preferable that the elastic member is interposed between the outer side of the one heat exchange substrate on the low temperature side among the heat exchange substrates facing each other and the pressure-bonding member.
According to this thermoelectric conversion device, high temperature deterioration of the elastic member is prevented. In addition, the elastic member can be easily accessed for the purpose of adjusting the elastic force.
また、かかる熱電変換装置において、前記貫通孔の内周面は、絶縁材で被覆されることが好ましい。
これにより、複数の電極板の間で、P型半導体素子及びN型半導体素子以外のものにより電気的に短絡する虞が無くなる。
In this thermoelectric conversion device, it is preferable that the inner peripheral surface of the through hole is covered with an insulating material.
As a result, there is no risk of electrical short-circuiting between the plurality of electrode plates due to other than the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element.
また、かかる熱電変換装置において、前記棒部材は、絶縁材で被覆された部材、又は、絶縁材からなる部材の何れかであることが好ましい。
これにより、複数の電極板の間で、P型半導体素子及びN型半導体素子以外のものにより電気的に短絡する虞が無くなる。
In the thermoelectric conversion device, the rod member is preferably either a member covered with an insulating material or a member made of an insulating material.
As a result, there is no risk of electrical short-circuiting between the plurality of electrode plates due to other than the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element.
また、かかる熱電変換装置において、前記P型半導体素子は、対向する前記熱交換基板のうち、高温側となる一方の前記熱交換基板の側の第1のP型半導体素子と、対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる他方の前記熱交換基板の側の第2のP型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、前記N型半導体素子は、前記高温側となる一方の熱交換基板の側の第1のN型半導体素子と、前記低温側となる他方の熱交換基板の側の第2のN型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、前記第1のP型半導体素子及び前記第1のN型半導体素子の熱電変換効率は、前記高温側において前記低温側よりも高く、前記第2のP型半導体素子及び前記第2のN型半導体素子の熱電変換効率は、前記低温側において前記高温側よりも高い、ことが好ましい。
これにより、熱電変換装置の熱電変換効率がより向上する。
Further, in the thermoelectric conversion device, the P-type semiconductor element includes the heat that faces the first P-type semiconductor element on the side of the one heat exchange board that is on a high temperature side among the heat exchange boards that face each other. A cascade type semiconductor element in which the second P-type semiconductor element on the side of the other heat exchange board on the low-temperature side among the exchange boards is crimped by the crimping member via an electrode plate; The type N semiconductor element includes a first N type semiconductor element on the side of the one heat exchange substrate on the high temperature side and a second N type semiconductor element on the side of the other heat exchange substrate on the low temperature side. It is a cascade type semiconductor element that is crimped by the crimping member through an electrode plate, and the thermoelectric conversion efficiency of the first P-type semiconductor element and the first N-type semiconductor element is the low temperature side at the high temperature side. Higher than the second P-type The thermoelectric conversion efficiency of the conductive element and the second N-type semiconductor element is higher than the high temperature side in the low temperature side, it is preferable.
Thereby, the thermoelectric conversion efficiency of a thermoelectric conversion apparatus improves more.
熱電変換装置の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制できる。 Thermal stress can be suppressed while maintaining the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric converter.
===熱電変換装置の構成===
以下、図面を参照しつつ、本実施の形態の熱電変換装置100’、100”、100の構成例について説明する。尚、各部材の番号に関して、同一の部材には同じ番号が付されている。
=== Configuration of Thermoelectric Converter ===
Hereinafter, a configuration example of the
<<<第1の実施の形態>>>
図1に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置100’は、少なくとも一対の熱電変換用のN型半導体素子10’及びP型半導体素子20’と、電極板30’、40’、50’と、貫通孔1b’、2b’、10b’、20b’と、ボルト・ナット(棒部材、圧着部材)60と、バネ(弾性部材)70と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図1は、本実施の形態の熱電変換装置100’の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
<<<< first embodiment >>>>
As illustrated in FIG. 1, the
本実施の形態のN型半導体素子10’及びP型半導体素子20’は、例えば直方体形状をなし、上下方向(Z軸方向)に貫通孔10b’、20b’を有する半導体素子である。これらの半導体素子10’、20’は、本実施の形態の熱交換器の対向する高温側基板1’(熱交換基板、+Z側)及び低温側基板2’(熱交換基板、−Z側)の間に並設され、本実施の形態の熱電変換装置100’の単位ユニットを構成するものである。
The N-
本実施の形態の電極板30’は、低温側基板2’とN型半導体素子10’の下部との間に介在する銅板であるとともに、当該単位ユニットに隣接する単位ユニットの電極(当該単位ユニットの電極板40’に対応する)をなす銅板でもある。本実施の形態の電極板40’は、低温側基板2’とP型半導体素子20’の下部との間に介在する銅板であるとともに、当該単位ユニットに隣接する単位ユニットの電極(当該単位ユニットの電極板30’に対応する)をなす銅板でもある。本実施の形態の電極板50’は、高温側基板1’とN型半導体素子10’及びP型半導体素子20’の上部との間に介在する銅板である。これらの電極板30’、40’、50’は、N型半導体素子10’及びP型半導体素子20’を、N・P・N・P・・・等と交互に直列接続するためのものである。
The
また、本実施の形態の電極板30’、40’、50’は、基板1’、2’の面に対して、窒化ホウ素(BN)粒子等の固体潤滑性物質(絶縁性潤滑材)80’を介して電気的絶縁性を保持しつつ設けられている。尚、これに限定されるものではなく、電極板30’、40’、50’と基板1’、2’の面との間には、一般に電気的絶縁体が介在していればよい。但し、潤滑性を有する物質を用いた方が、電極板30’、40’、50’と基板1’、2’の面との間のXY面に沿った相互の変位がより円滑になる。
Further, the
更に、本実施の形態の電極板30’、40’、50’は、前述した貫通孔10b’、20b’に対応する貫通孔(不図示)を上下方向に有する。
Further, the
また更に、本実施の形態の電極板30’、40’、50’と、N型半導体素子10’及びP型半導体素子20’の圧着面との間には半田や銀ろう等は介在せず、バネ70の付勢により機械的に圧着されているものとする。
Furthermore, no solder or silver solder is interposed between the
本実施の形態の貫通孔1b’、10b’、2b’は、電極板50’及び電極板30’の貫通孔(不図示)とともに、2つの基板1’、2’間を貫通する貫通孔を構成するものである。この構成は、貫通孔1b’、20b’、2b’についても同様である。
The through
本実施の形態のボルト60aは、前述した貫通孔1b’、2b’、10b’、20b’ の内周面と電気的に絶縁されるとともに当該貫通孔1b’、2b’、10b’、20b’に挿入される棒部(棒部材)と、高温側基板1に対してその貫通孔1b’の開口部に当接する頭部(圧着部材)と、を有する部材である。このボルト60aの棒部における頭部と反対側の先端部分には、本実施の形態のナット(圧着部材)60bが噛合するためのネジ(不図示)が形成されている。この先端部分には、低温側基板2の外側(−Z側)に設けられたバネ(弾性部材)70を介して、ナット60bが噛合している。このバネ70が介在するボルト・ナット60により、N型半導体素子10’と、電極板30’及び電極板50’とは、その圧着面において圧着されるとともに、XY面に沿った相互の摺動が可能となる。同様に、P型半導体素子20’と、電極板40’及び電極板50’とは、その圧着面において圧着されるとともに、XY面に沿った相互の摺動が可能となる。
The
尚、本実施の形態では、貫通孔1b’、2b’、10b’、20b’の径と、ボルト60aの棒部の径とは、当該貫通孔及び棒部の間に隙間が形成されるように設定されている。電極板30’、40’、50’と半導体素子10’、20’とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能となる。
In the present embodiment, the diameters of the through
また、本実施の形態では、貫通孔1b’、2b’、10b’、20b’の内面と、ボルト60aの棒部とは相互に電気的絶縁性を有している必要がある上に、熱電変換装置100’の熱電変換効率を向上させるべく、高温側基板1’及び低温側基板2’の間には熱伝導性の媒体をできるだけ介在させない方が良い。このため、例えば、ボルト60aの少なくとも棒部には、電気的絶縁性を有し且つ熱伝導性の低い材質を用いることが好ましい。このようなボルト・ナット60として例えばポリイミド樹脂製のものが挙げられる。或いは、例えば、貫通孔1b’、2b’、10b’、20b’の内周面又はボルト60aの棒部が、電気的絶縁性を有するチューブ等で被覆されている場合には、この棒部は、熱伝導性が低ければ、たとえ電気伝導性が高い材質であってもよい。この場合、ボルト・ナット60には例えばSUS等の金属製のものが使用できるため、前述したポリイミド樹脂製のものに比べて部材の調達が容易になる。
In the present embodiment, the inner surfaces of the through-
更に、本実施の形態では、ボルト60aは、高温側基板1’の外側(+Z側)から挿入され、ナット60bは、低温側基板2’の外側(−Z側)からこのボルト60aに対しバネ70を介して噛合している。バネ70は、高温劣化防止及び圧着の調整のために、低温側基板2’に設けられていることが好ましい。圧着の調整とは、ボルト60aに対するナット60bの位置の設定を変えてバネ70の弾性力を調整することを意味する。
Further, in the present embodiment, the
<<<第2の実施の形態>>>
図2に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置100”は、少なくとも一対の熱電変換用のN型半導体素子10及びP型半導体素子20と、電極板30”、40”、50”と、貫通孔1b、2b、10b、20bと、ボルト・ナット60と、バネ70と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図2は、本実施の形態の熱電変換装置100”の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
<<< Second Embodiment >>>
As illustrated in FIG. 2, the
本実施の形態の熱電変換装置100”は、前述した第1の実施の形態の熱電変換装置100’の構成を含んでいる。そこで、以下、前述した第1の実施の形態の構成例に対して追加又は一部変更された構成例について説明する。
The
本実施の形態のN型半導体素子10及びP型半導体素子20は、上面(+Z側)及び下面(−Z側)のそれぞれに例えば球面状をなす凸面10a、20aを有している。
The N-
本実施の形態の電極板30”、40”、50”は、前述したN型半導体素子10及びP型半導体素子20がその上下各面に有する凸面10a、20aと対応する凹面30a”、40a”、50a”を有する。本実施の形態では、これらの凸面10a、20aと凹面30a”、40a”、50a”との間には半田や銀ろう等は介在せず、バネ70の付勢により機械的に圧着されているものとする。
The
本実施の形態のボルト60aの頭部は、高温側基板1に対してその貫通孔1bの開口部に係止されている。一方、バネ70は、低温側基板2における拡径された貫通孔2bに収納されている。このバネ70が介在するボルト・ナット60により、N型半導体素子10と、電極板30”及び電極板50”とは、その凹凸面(凹面及び凸面)10a、30a”、50a”において圧着されるとともに、XY面に沿った相互の摺動が可能となる。同様に、P型半導体素子20と、電極板40”及び電極板50”とは、その凹凸面20a、40a”、50a”において圧着されるとともに、XY面に沿った相互の摺動が可能となる。
The head of the
尚、本実施の形態では、熱交換器における高温側基板1の外側(+Z側)の面及び低温側基板2の外側(−Z側)の面には、ボルト60aの頭部及びナット60bをこれらの面から退避した状態にするための座ぐり(凹部)1a、2aがそれぞれ形成されている。これにより、熱交換器が嵩高くなることが防止される。
In the present embodiment, the head of the
<<<第3の実施の形態>>>
図3に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置100は、少なくとも一対の熱電変換用のN型半導体素子10及びP型半導体素子20と、電極板30、40、50と、貫通孔1b、2b、10b、20bと、ボルト・ナット60と、バネ70と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図3は、本実施の形態の熱電変換装置100の構成例を説明するための単位ユニットの側部断面図である。
<<< Third Embodiment >>>
As illustrated in FIG. 3, the
本実施の形態の熱電変換装置100は、前述した第2の実施の形態の熱電変換装置100”の構成を含んでおり、この第2の実施の形態の構成例に対して相違する構成例として、以下の撓み部30b、40b、50bを更に備えている。
The
本実施の形態の電極板30、40、50は、前述したN・P・N・P・・・におけるN型半導体素子10及びP型半導体素子20の間に撓み部30b、40b、50bを有する。この撓み部30b、40b、50bは、基板1、2と電極板30、40、50との熱膨張差を吸収するために、高温側基板1の外側(+Z側)から内側(−Z側)又は低温側基板2の外側(−Z側)から内側(+Z側)に向かって湾曲した形状をなすものである。
The
図4に例示されるように、本実施の形態の熱電変換装置100は、前述した単位ユニット100a(図4(c))が複数個(例えば16個)組み合わせられて構成されたものである。尚、図4(a)は、第3の実施の形態の熱交換器の高温側基板1から見た電極板30、40の配置例を示す平面図であり、図4(b)は、この熱交換器の高温側基板1から見た電極板50の配置例を示す平面図であり、図4(c)は、この熱電変換装置100のA−A’及びB−B’に沿った断面図である。
As illustrated in FIG. 4, the
同図の例示によれば、16個の単位ユニット100aが直列に接続されており、これにより、N型半導体素子(例えばN型半導体素子10)及びP型半導体素子(例えばP型半導体素子20)がN・P・N・P・・・N・P(以上N・Pが16組)のように交互に直列に接続されることになる。これにより、単位ユニット100aの起電力の合計が、発電装置としての熱電変換装置100の起電力となる。
According to the illustration of the figure, 16
尚、本実施の形態の熱電変換装置100は、1枚の高温側基板1と、1枚の低温側基板2との間に設けられているが、これに限定されるものではなく、これらの基板1、2は、単位ユニット100a毎に分離されていてもよい。この分離された基板及び単位ユニット100aを新たな単位とすれば、本実施の形態の熱交換器の部分的な修理や変更等に柔軟に対応できるものとなる。また、以上の拡張は、前述した第1の実施の形態の熱電変換装置100’及び第2の実施の形態の熱電変換装置100”のそれぞれについても同様に実施できる。
In addition, although the
===熱電変換効率及び熱応力===
前述した構成を備えた熱電変換装置100’、100”、100によれば、貫通孔1b’、1b、2b’、2b、10b’、10b、20b’、20b及びボルト60aの棒部により対向して保持される電極板30’、30”、30、40’、40”、40、50’、50”、50とN型半導体素子10’、10及びP型半導体素子20’、20とは、ボルト60aの頭部、ナット60b、及びバネ70により、図1のZ軸方向に圧着される。また、この熱電変換装置100’、100”、100によれば、電極板30’、30”、30、40’、40”、40、50’、50”、50とN型半導体素子10’、10及びP型半導体素子20’、20とは、バネ70により、図1のXY面に沿って摺動可能となる。
=== Thermoelectric conversion efficiency and thermal stress ===
According to the
もしナット60bがボルト60aに対してより締め込まれれば、バネ70の弾性力がより大きくなって前述した圧着がより強くなることにより、接触抵抗がより小さくなり、電極板30’、30”、30から、N型半導体素子10’、10、電極板50’、50”、50、P型半導体素子20’、20、電極板40’、40”、40へと流れる電流はより大きくなる。これにより、高温側基板1’、1及び低温側基板2’、2の間の温度差に応じて生じる起電力(熱電変換効率)もより大きくなる。
If the
一方、もしナット60bがボルト60aからより緩められれば、バネ70の弾性がより小さくなって前述した圧着がより弱くなることにより、電極板30’、30”、30、40’、40”、40、50’、50”、50と、N型半導体素子10’、10及びP型半導体素子20’、20との熱膨張差によるXY面に沿った熱応力が、上記電極板と上記半導体素子とのXY面に沿った相互の摺動に吸収されてより小さくなる。
On the other hand, if the
以上を踏まえて、バネ70を介したボルト・ナット60の締め込みの度合いを所定のレベルに設定することにより、前述した圧着及び摺動のバランスをとることができる。つまり、バネ70の弾性力を、熱電変換装置100’、100”、100の熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制するように設定することができる。
Based on the above, by setting the degree of tightening of the bolt /
前述した第2、3の実施の形態では、電極板30”、30、40”、40、50”、50と、N型半導体素子10及びP型半導体20とは、その凹凸面10a、20a、30a”、30a、40a”、40a、50a”、50aにおいて圧着されているため、例えば平坦な面どうしに比べて接触面積が大きい。これにより、上記電極板と上記半導体素子との接触抵抗がより小さくなって、熱電変換効率がより大きくなる。
In the second and third embodiments described above, the
尚、例えば第3の実施の形態の凹凸面10a、20a、30a、40a、50aでは、N型半導体素子10に凸面10aが形成され、電極板30、40に凹面30a、40aが形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、N型半導体素子10に凹面が形成され、電極板30、40には凸面が形成されてもよい。また、例えば第3の実施の形態の凹凸面10a、20a、30a、40a、50aは球面状をなすものであったが(図5(a)参照)、これに限定されるものではない。ここで、図5は、本実施の形態の電極板30、50とN型半導体素子10との圧着面の構成例を示す断面図である。図5(b)に例示されるように、凹凸面10c、30c、50cは円柱状又は多角柱状をなすものであってもよい。或いは、図5(c)に例示されるように、凹凸面10d、30d、50dは円錐状又は多角錐状をなすものであってもよい。要するに、電極板30、40、50と半導体素子10、20との接触抵抗を小さくしつつ、相互に摺動可能な形状をなすものであれば、如何なるものでもよい。
For example, in the
また、前述した第1〜3の実施の形態では、貫通孔1b’、1b、2b’、2b、10b’、10b、20b’、20bの径と、ボルト60aの棒部の径とは、当該貫通孔及び棒部の間に隙間が形成されるように設定されているため、電極板30’、30”、30、40’、40”、40、50’、50”、50と半導体素子10’、10、20’、20とは、この隙間の分だけ相互に摺動可能である(図1〜3参照)。よって、上記電極板と上記半導体素子との熱膨張差によるXY面に沿った熱応力が、上記電極板と上記半導体素子とのXY面に沿った相互の摺動に吸収されてより小さくなる。
In the first to third embodiments described above, the diameters of the through
更に、前述した第3の実施の形態では、電極板30、40、50は、前述したN・P・N・P・・・におけるN型半導体素子10及びP型半導体素子20の間に撓み部30b、40b、50bを有するため、例えば基板1、2が電極板30、40、50よりも熱膨張した場合、この撓み部30b、40b、50bがZ軸方向に沿って縮むことにより、この熱膨張が電極板30、40、50と半導体素子10、20との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる(図3参照)。或いは、例えば基板1、2が電極板30、40、50よりも熱収縮した場合、この撓み部30b、40b、50bがZ軸方向に沿って伸びることにより、この熱収縮が電極板30、40、50と半導体素子10、20との圧着面に影響を及ぼすことを防止できる(図3参照)。尚、撓み部30b、40b、50bの形状は、図3の例示に限定されるものではなく、要するに、基板1、2と電極板30、40、50との熱膨張差を吸収するのに好適なものであれば、如何なる形状であってもよい。
Further, in the above-described third embodiment, the
また更に、前述した第1〜3の実施の形態では、電極板30’、30”、30、40’、40”、40、50’、50”、50と、基板1’、1、2’、2の面とは、窒化ホウ素(BN)粒子等の固体潤滑性物質80’、80が塗布されている。これにより、上記電極板と上記基板の面との間のXY面に沿った相互の変位がより円滑になるため、上記基板の熱膨張又は熱収縮が、上記電極板と半導体素子10’、10、20’、20との圧着面に影響を及ぼすことが防止される(図1〜3参照)。
Furthermore, in the first to third embodiments described above, the
以上から、本実施の形態の熱電変換装置100’、100”、100は、熱電変換効率を維持しつつ熱応力を抑制可能なものである。
From the above, the
図6に例示されるように、例えば第3の実施の形態のN型半導体素子10及びP型半導体素子20は、例えば電極板10m、20mを介して高温域仕様のNh型半導体素子(第1のN型半導体素子)10hot及びPh型半導体素子(第1のP型半導体素子)20hotと、低温域仕様のNc型半導体素子(第2のN型半導体素子)10cold及びPc型半導体素子(第2のP型半導体素子)20coldとがそれぞれ接合されたいわゆるカスケード型半導体素子10cas、20casであってもよい。Nh型半導体素子及びPh型半導体素子とは、高温域において熱電変換効率が相対的に高いN型及びP型半導体素子をそれぞれ意味し、Nc型半導体素子及びPc型半導体素子とは、低温域において熱電変換効率が相対的に高いN型及びP型半導体素子をそれぞれ意味するものとする。これにより、熱電変換効率がより向上する。尚、図6は、本実施の形態の電極10m、20m、30、40、50及び半導体素子10cas、20casの構成例を示す断面図である。この場合も、例えばNh型半導体素子10hot、電極10m、及びNc型半導体素子10coldは、ボルト・ナット60及びバネ70により摺動可能に圧着されているため、相互の熱膨張差による熱応力が抑制される。
As illustrated in FIG. 6, for example, the N-
===その他の実施の形態===
前述した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく変更、改良されるとともに、本発明にはその等価物も含まれる。
=== Other Embodiments ===
The above-described embodiment is intended to facilitate understanding of the present invention, and is not intended to limit the present invention. The present invention is changed and improved without departing from the gist thereof, and the present invention includes equivalents thereof.
例えば前述した第3の実施の形態の熱電変換装置100は、平面形状をなし対向する基板1、2の間に設けられたものであるが、これに限定されるものではない。図7に例示されるように、熱電変換装置1100は、例えば蒸気配管の外周面を高温側基板1001とし、その更に外周面を低温側基板1002とする同心円形をなすものであってもよい。図7(a)は、本実施の形態の蒸気配管の長手方向に沿って見た熱電変換装置1100の部分断面図であり、図7(b)は、長手方向に垂直な方向から見た熱電変換装置1100の部分断面図であり、図7(c)は、熱電変換装置1100の部分斜視図である。
For example, the
また、前述した第1〜3の実施の形態の熱電変換装置100’、100”、100は、ゼーベック効果を利用した熱電発電装置であったが、これに限定されるものではなく、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装置であってもよい。この場合、熱電変換装置100’、100”、100に電流を供給する所定の電源が別途必要となる。
In addition, the
更に、前述した第1〜3の実施の形態の熱電変換装置100’、100”、100は、低温側基板2’、2にバネ70を備えていたが、これに限定されるものではなく、例えば高温側基板1’、1及び低温側基板2’、2の両方に備えていてもよい。
Furthermore, the
1 高温側基板、1a 座ぐり、1b 貫通孔、
2 低温側基板、2a 座ぐり、2b 貫通孔、
10 N型半導体素子、10a、10c、10d 凸面、10b 貫通孔
20 P型半導体素子、20a 凸面、20b 貫通孔、
10cas、20cas カスケード型半導体素子、
10hot Nh型半導体素子、10cold Nc型半導体素子、
20hot Ph型半導体素子、20cold Pc型半導体素子、
10m、20m、30、40、50 電極板、
30a、30c、30d、40a、50a、50c、50d 凹面、
30b、40b、50b 撓み部、
60 ボルト・ナット、60a ボルト、60b ナット、
70 バネ、80 固体潤滑性物質、
100 熱電変換装置、100a 単位ユニット、
900 熱電変換装置、990 半田(又は銀ロウ)
1 high temperature side substrate, 1a counterbore, 1b through hole,
2 Low temperature side substrate, 2a counterbore, 2b through hole,
10 N-type semiconductor element, 10a, 10c, 10d convex surface, 10b through-hole 20 P-type semiconductor element, 20a convex surface, 20b through-hole,
10cas, 20cas cascade type semiconductor element,
10hot Nh type semiconductor element, 10cold Nc type semiconductor element,
20hot Ph type semiconductor element, 20cold Pc type semiconductor element,
10m, 20m, 30, 40, 50 electrode plate,
30a, 30c, 30d, 40a, 50a, 50c, 50d Concave surface,
30b, 40b, 50b flexure part,
60 bolts and nuts, 60a bolts, 60b nuts,
70 spring, 80 solid lubricant,
100 thermoelectric converter, 100a unit unit,
900 Thermoelectric converter, 990 Solder (or silver solder)
Claims (10)
一方の前記熱交換基板と前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子との間と、他方の前記熱交換基板と前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子との間とに介在し、前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子を交互に直列接続する電極板と、
前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記P型半導体素子を介して貫通し、前記一方の熱交換基板から前記他方の熱交換基板まで前記電極板及び前記N型半導体素子を介して貫通する貫通孔と、
前記貫通孔に挿入される棒部材と、
前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子と、当該P型半導体素子及び当該N型半導体素子と対向する前記電極板とが圧着するように、対向する前記熱交換基板の外側で前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、
前記P型半導体素子及び前記N型半導体素子と、当該P型半導体素子及び当該N型半導体素子と対向する前記電極板とが摺動可能に圧着するように、少なくとも一方の前記熱交換基板の外側と前記圧着部材との間に介在する弾性部材と、
を備えたことを特徴とする熱電変換装置。 At least a pair of P-type semiconductor elements and N-type semiconductor elements for thermoelectric conversion arranged in parallel between the opposing heat exchange substrates;
Interposed between the one heat exchange substrate and the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element, and between the other heat exchange substrate and the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element, An electrode plate for alternately connecting a P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element in series;
The electrode plate and the N type are penetrated from the one heat exchange substrate to the other heat exchange substrate through the electrode plate and the P-type semiconductor element, and from the one heat exchange substrate to the other heat exchange substrate. A through-hole penetrating through the semiconductor element;
A rod member inserted into the through hole;
The P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element and the electrode member opposite to the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element are pressed against each other on the outside of the opposing heat exchange substrate. A crimping member coupled to both ends;
The outside of at least one of the heat exchange substrates so that the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element and the electrode plate facing the P-type semiconductor element and the N-type semiconductor element are slidably pressed. And an elastic member interposed between the crimping member and
A thermoelectric conversion device comprising:
対向する前記熱交換基板のうち、高温側となる一方の前記熱交換基板の側の第1のP型半導体素子と、
対向する前記熱交換基板のうち、低温側となる他方の前記熱交換基板の側の第2のP型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、
前記N型半導体素子は、
前記高温側となる一方の熱交換基板の側の第1のN型半導体素子と、
前記低温側となる他方の熱交換基板の側の第2のN型半導体素子と、が電極板を介して前記圧着部材により圧着されてなるカスケード型半導体素子であり、
前記第1のP型半導体素子及び前記第1のN型半導体素子の熱電変換効率は、前記高温側において前記低温側よりも高く、
前記第2のP型半導体素子及び前記第2のN型半導体素子の熱電変換効率は、前記低温側において前記高温側よりも高い、
ことを特徴とする請求項1乃至9の何れかに記載の熱電変換装置。
The P-type semiconductor element is
A first P-type semiconductor element on one heat exchange substrate side that is on a high temperature side among the heat exchange substrates facing each other;
A cascade-type semiconductor element formed by pressure-bonding the second P-type semiconductor element on the side of the other heat exchange board, which is on the low temperature side, of the opposing heat exchange boards with the pressure-bonding member via an electrode plate Yes,
The N-type semiconductor element is
A first N-type semiconductor element on the side of one heat exchange substrate on the high temperature side;
The second N-type semiconductor element on the side of the other heat exchange substrate on the low-temperature side is a cascade-type semiconductor element formed by pressure bonding with the pressure-bonding member via an electrode plate,
The thermoelectric conversion efficiency of the first P-type semiconductor element and the first N-type semiconductor element is higher on the high temperature side than on the low temperature side,
The thermoelectric conversion efficiency of the second P-type semiconductor element and the second N-type semiconductor element is higher on the low temperature side than on the high temperature side,
The thermoelectric conversion device according to any one of claims 1 to 9, wherein
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