JP2007311656A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】低融点材料と熱電素子との間の熱伝達効率を良好に維持しつつ、気化した低融点材料に起因した熱電素子の性能劣化を防止すること。
【解決手段】本発明は、熱電素子１３０Ａ〜１３０Ｇと低融点材料を使用した緩衝体１２０Ａ〜１２０Ｇとを同一の容器内に収容した熱電モジュール１００Ａ〜１００Ｇにおいて、前記緩衝体の低融点材料を、前記緩衝体を前記熱電素子が設けられる基板に直接接触させると共に、熱電素子を前記熱電素子から隔離して密封するシール手段（１７０、１７２等）を設けることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電素子と低融点材料を使用した緩衝体とを同一の容器内に収容した熱電モジュールに関する。

従来から、この種の熱電モジュールに関連した技術として、温度差のある高温側部材と低温側部材の間に挟まれて熱を伝達すると共に熱応力の緩和を行う熱応力緩和パッドにおいて、多孔質材料をマトリックスとして、その空孔に熱伝導率が大きくかつ融点が運転時の前記低温側部材の温度に近い温度である伝熱材料を含浸させたことを特徴とする熱応力緩和パッドが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、温度差のある２面の間に介在しこれら２面から加圧力を受けると共に高温側の面から低温側の面へと熱を伝える伝熱用クッションであって、使用温度下で液状を呈する低融点材料と、この低融点材料を封入し且つ液状の前記低融点材料の変形を許容する柔軟性を備えるシェルとを有することを特徴とする伝熱用クッションが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許第３４８２１６９号公報 特開２００６−２４６０８号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の発明のような低融点材料を使用した緩衝体を、熱電素子と共に容器内に収めた場合、気化した低融点材料が容器内に滞留するので、熱電素子の内部に入り込み或いは熱電素子の表面に付着しやすくなり、熱電素子の性能が損なわれる虞がある。即ち、気化した低融点材料が熱電素子の内部に入り込むと、熱電素子の物性が変化してしまうし、気化した低融点材料が熱電素子の表面に付着すると、メッキ状態になり、熱電素子の表面に電気が流れてしまうので、いずれの場合も熱電素子の性能が損なわれることになる。

これに対して、上述の特許文献２に記載の発明のように、袋状のシェルに低融点材料を封入する構成では、低融点材料が気化しても袋状のシェル内に封止されるので、低融点材料の蒸気に起因して熱電素子の性能が劣化する虞がなくなる。しかしながら、袋状のシェルに低融点材料を封入する構成では、低融点材料が、熱電素子を支持する基板にシェルを介して接触するので(即ち低融点材料が基板に直接接触しないので)、低融点材料と熱電素子との間の熱伝達効率が悪くなるという問題がある。

そこで、本発明は、低融点材料と熱電素子との間の熱伝達効率を良好に維持しつつ、気化した低融点材料に起因した熱電素子の性能劣化を防止することができる熱電モジュールの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、熱電素子と低融点材料を使用した緩衝体とを同一の容器内に収容した熱電モジュールにおいて、
前記緩衝体の低融点材料を、前記熱電素子が設けられる基板に直接接触させると共に、前記緩衝体を前記熱電素子から隔離して密封するシール手段を設けることを特徴とする。尚、低融点材料を使用した緩衝体としては、低融点材料そのものや、低融点材料を含浸させた弾性体が好適である。

第２の発明は、第１の発明に係る熱電モジュールにおいて、
前記基板が、前記容器の側面との間に隙間ができるように配置されており、
前記シール手段が、前記隙間を封止することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に係る熱電モジュールにおいて、
前記シール手段が、前記容器の上面又は底面と前記基板との間の隙間を封止することを特徴とする。

第４の発明は、第１〜３の何れかの発明に係る熱電モジュールにおいて、
前記シール手段が伸縮構造部を有することを特徴とする。これにより、容器と基板の間に相対変位が生じても、当該相対変位を伸縮構造部により吸収することで、シール手段の剥離等が発生せず、シール手段のシール性を維持することができる。

第５の発明は、第１〜４の何れかの発明に係る熱電モジュールにおいて、
前記容器が屈曲部を有することを特徴とする。これにより、例えば熱源と容器との間に相対的な変位が生じた場合にも、前記容器の屈曲部が変形することで当該相対変位を吸収して熱源との間で高い密着性が維持され、前記緩衝体による高い伝導性を維持することができる。

本発明によれば、低融点材料と熱電素子との間の熱伝達効率を良好に維持しつつ、気化した低融点材料に起因した熱電素子の性能劣化を防止することができる熱電モジュールが得られる。

以下、図面を参照して、幾つかの実施例に分けて本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明の実施例１による熱電モジュール１００Ａの基本断面を示す断面図である。熱電モジュール１００Ａは、例えば自動車の廃熱を利用して電気を生成する装置であり、例えばエンジンからの排ガスの排出経路(エキゾーストパイプやマフラー)に設けられてよく、この場合、排ガスの熱を利用して電気を生成することになる。以下では、熱電モジュールにおいて、マフラーのような熱源から熱を受け取る側を高温側と称し、その逆側を、低温側という。以下では、説明の便宜上、熱電モジュール１００Ａの実際の設置状態での上下方向とは関係なく、図１に示すように、高温側を下方向とし、低温側を上方向とする。

熱電モジュール１００Ａは、容器として機能するケース１４０Ａを有する。ケース１４０Ａは、底面１４２Ａと、底面１４２Ａの周縁から立設される周壁（側壁）１４４Ａとを有し、高温側が閉じた内部空間を画成する。

熱電モジュール１００Ａは、ケース１４０Ａの底面１４２Ａが熱源に押し付けられるように設置される。ケース１４０Ａの底面１４２Ａは、熱源に対して隙間なく接するように、熱源の形状に沿った形状を有する。例えば、熱源が円筒状の形状であれば、底面１４２Ａは、奥行き方向（紙面垂直方向）で熱源の曲率半径に応じた曲面を構成する。また、底面１４２Ａは、熱源との密着性を高めるため、適当な可撓性を有するように構成される。同様の観点から、ケース１４０Ａの周壁１４４Ａには、屈曲部１４６Ａが形成される。屈曲部１４６Ａは、周壁１４４Ａの全周に亘って形成されるが、部分的に形成されてもよい。これにより、製造公差等によりケース１４０Ａの底面１４２Ａと熱源と間に僅かな隙間が存在する場合であっても、熱源に対して熱電モジュール１００Ａを押し付けて設置した際にケース１４０Ａの底面１４２Ａないし屈曲部１４６Ａが変形して、熱電モジュール１００Ａ（ケース１４０Ａの底面１４２Ａ）と熱源との高い密着性（適切な押し付け力）が維持される。

ケース１４０Ａには、下から順に、緩衝体１２０Ａ、高温側絶縁基板１０４Ａ、高温側電極１０８Ａ、熱電素子１３０Ａ、低温側電極１１０Ａ及び低温側絶縁基板１１２Ａが収容されている。尚、図示の例では、低温側絶縁基板１１２Ａが、ケース１４０Ａの内部空間を上方から閉塞する蓋の役割を果たしている。ケース１４０Ａの内部空間には、熱電素子１３０Ａが酸化しないように不活性ガスが充填される。

高温側絶縁基板１０４Ａは、後述の緩衝体１２０Ａの低融点金属に直接接触するため、低融点金属に対して良好な耐性を有する材料から形成され、又は耐性を付与するための表面処理がなされてもよい。高温側絶縁基板１０４Ａは、ケース１４０Ａの周壁１４４Ａよりも僅かに小さい外形を有し、ケース１４０Ａの周壁１４４Ａとの間に隙間１４８Ａを画成する。この隙間１４８Ａは、ケース１４０Ａの変形や、熱膨張係数の相違に起因した温度変化に伴う高温側絶縁基板１０４Ａとケース１４０Ａの熱膨張量の相違を吸収すべく設定されている。

熱電素子１３０Ａは、図１に示すように、Ｐ型熱電半導体１３２ＡとＮ型熱電半導体１３４Ａからなり、Ｐ型熱電半導体１３２ＡとＮ型熱電半導体１３４Ａが交互に配列されてなる。互いに隣接するＰ型熱電半導体１３２Ａ及びＮ型熱電半導体１３４Ａ間は、低温側と高温側で交互に低温側電極１１０Ａ又は高温側電極１０８Ａにより電気的に接続される。低温側電極１１０Ａは、低温側絶縁基板１１２Ａに担持され、高温側電極１０８Ａは、高温側絶縁基板１０４Ａに担持される。尚、低温側電極１１０Ａ、高温側電極１０８Ａ、熱電素子１３０Ａ、低温側絶縁基板１１２Ａ及び高温側絶縁基板１０４Ａのうちの幾つかの部材又は全ては、接着等により一体化されてケース１４０Ａ内に組み付けられるものであってよい。

緩衝体１２０Ａは、高い弾性の多孔質体又は繊維構造材料に低融点金属を含浸させてなる。多孔質体又は繊維構造材料は、例えばスチールウールや炭素繊維等である。低融点金属は、熱伝導率が高く、作動温度下で液体となる材料から選択され、例えば錫が好適である。緩衝体１２０Ａは、図１に示すように、高温側絶縁基板１０４Ａよりも幾分小さい外形を有し、高温側絶縁基板１０４Ａにおける熱電素子１３０Ａが載置された領域をカバーするような大きさを有する。

緩衝体１２０Ａの低融点金属は、ケース１４０Ａの底面１４２Ａから高温側絶縁基板１０４Ａへと熱を伝導する役割を果たす。緩衝体１２０Ａの弾性材料（例えば多孔質体）は、例えば熱源の変形に追従してケース１４０Ａが変形した場合にも、緩衝体１２０Ａが自ら変形することにより当該ケース１４０Ａの変形を吸収し、緩衝体１２０Ａがケース１４０Ａの底面１４２Ａと高温側絶縁基板１０４Ａに対して密着して、ケース１４０Ａの底面１４２Ａと高温側絶縁基板１０４Ａとの間に空隙ができないようにする役割を果たす。これにより、ケース１４０Ａが変形した場合に生じうるケース１４０Ａの底面１４２Ａと高温側絶縁基板１０４Ａとの間の熱抵抗の増加を、防止することができる。

本実施例では、図１に示すように、緩衝体１２０Ａは、その下面がケース１４０Ａの底面１４２Ａ（内側の面）に接触すると共に、その上面が高温側絶縁基板１０４Ａの下面に接触する。従って、熱源に接するケース１４０Ａの底面１４２からの熱は、ケース１４０Ａの底面１４２Ａ、緩衝体１２０Ａの低融点金属、及び、高温側絶縁基板１０４Ａを介して熱電素子１３０Ａへと伝達される。

このように、本実施例では、緩衝体１２０Ａの低融点金属をケース１４０Ａの底面１４２Ａと高温側絶縁基板１０４Ａとの間の空間に直接的に封入するので、例えば低融点金属を袋体に封入してケースと高温側絶縁基板との間に配置する従来的な構成（例えば前記の特許文献２に開示されるような構成）に比して、界面での熱抵抗が小さくなるので、効率の良い熱伝導を実現することができる。即ち、前記の従来的な構成では、低融点金属と袋体との間の界面での熱抵抗、袋体とケースとの間の個体同士の界面での熱抵抗、及び、袋体と高温側絶縁基板との間の個体同士の界面での熱抵抗が存在し、熱抵抗が相対的に大きくなるのに対して、本実施例では、低融点金属とケース１４０Ａとの間の界面での熱抵抗、及び、低融点金属と高温側絶縁基板１０４Ａとの間の界面での熱抵抗しか存在せず、熱抵抗が相対的に小さくなる。

しかしながら、本実施例では、その反面として、緩衝体１２０Ａ（低融点金属）をケース１４０Ａ内の空間に、被覆なく直接的に晒すことになるので、例えば温度が上昇して僅かながら低融点金属が蒸発すると、気化した低融点金属が、ケース１４０Ａの側壁１４４Ａと高温側絶縁基板１０４Ａとの間の僅かな隙間１４８Ａを介して、ケース１４０Ａの熱電素子１３０Ａ側の空間１１４Ａに侵入しうる。かかる低融点金属の蒸気が、熱電素子１３０Ａ側の空間１１４Ａに侵入すると、上述の如く、熱電素子１３０Ａの性能が損なわれる虞がある。即ち、低融点材料の蒸気が熱電素子１３０Ａの内部に入り込むと、熱電素子１３０Ａの物性が変化してしまうし、低融点材料の蒸気が熱電素子１３０Ａの表面に付着すると、メッキ状態になる熱電素子１３０Ａの表面に電気が流れてしまう。

そこで、本実施例では、熱電モジュール１００Ａは、ガスケット１７０を有する。ガスケット１７０は、耐熱繊維の不織布が好適である。ガスケット１７０は、図１に示すように、ケース１４０Ａの底面１４２Ａと高温側絶縁基板１０４Ａとの間に、緩衝体１２０Ａを外周側から囲繞するように設けられる。即ち、ガスケット１７０は、高温側絶縁基板１０４Ａの下面側の外周縁と、ケース１４０Ａの底面１４２Ａの外周縁との間に挟まるように設けられ、ケース１４０Ａの緩衝体１２０Ａ側の空間１１８Ａと、ケース１４０Ａの熱電素子１３０Ａ側の空間１１４Ａとの間の流体の流通を封止する。

これにより、緩衝体１２０Ａの低融点金属が蒸発しても、低融点金属の蒸気は、ガスケット１７０により、ケース１４０Ａの熱電素子１３０Ａ側の空間１１４Ａへの侵入が阻まれるので、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ａの性能劣化を防止することができる。

このように本実施例によれば、緩衝体１２０Ａの低融点金属を高温側絶縁基板１０４Ａの下面に直接接触させつつ、緩衝体１２０Ａの低融点金属の蒸気が熱電素子１３０Ａ周辺の空間１１４Ａに侵入するのを防止することができる。これにより、ケース１４０Ａから熱電素子１３０Ａまでの熱伝達経路における熱抵抗を少なくして熱伝導効率を高めつつ、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ａの性能劣化を防止することができる。

図２は、本発明の実施例２による熱電モジュール１００Ｂの基本断面を示す断面図である。実施例２は、上述の実施例１に対して、ガスケット１７０に代えて、ガスバリア膜１７２がシール手段を構成する点が異なる。上述の実施例１と同様の構成については、上述の実施例１と同様の参照符号を付して説明を省略し、以下では、実施例２特有の構成について主に説明する。

ガスバリア膜１７２は、例えばセラミック材料等により形成され、ケース１４０Ｂの側壁１４４Ｂと高温側絶縁基板１０４Ｂとの間の僅かな隙間１４８Ｂを封止するように設けられる。即ち、ガスバリア膜１７２は、ケース１４０Ｂの側壁１４４Ｂに沿ったリング状の形態を有し、外周側の端部がケース１４０Ｂの側壁１４４Ｂに接着等により固定され、内周側の端部が高温側絶縁基板１０４Ｂの外周縁に接着等により固定される。

これにより、緩衝体１２０Ｂの低融点金属が蒸発しても、低融点金属の蒸気は、ガスバリア膜１７２により、ケース１４０Ｂの熱電素子１３０Ｂ側の空間１１４Ｂへの侵入が阻まれるので、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｂの性能劣化を防止することができる。

このように本実施例２によっても、上述の実施例１と同様、緩衝体１２０Ｂの低融点金属を高温側絶縁基板１０４Ｂの下面に直接接触させつつ、緩衝体１２０Ｂの低融点金属の蒸気が熱電素子１３０Ｂ周辺の空間１１４Ｂに侵入するのを防止することができる。これにより、ケース１４０Ｂから熱電素子１３０Ｂまでの熱伝達経路における熱抵抗を少なくして熱伝導効率を高めつつ、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｂの性能劣化を防止することができる。

また、本実施例２において、ガスバリア膜１７２は、好ましくは、図２に示すように、屈曲した状態（即ちたるみを有する状態）で、ケース１４０Ｂの側壁１４４Ｂと高温側絶縁基板１０４Ｂの外周縁との間に架設される。これにより、ケース１４０Ｂの変形や、温度変化に伴い高温側絶縁基板１０４Ｂとケース１４０Ｂに熱膨張量差等に起因して、高温側絶縁基板１０４Ｂとケース１４０Ｂとの間に径方向の内外方向で相対変位が生じた場合でも、ガスバリア膜１７２が伸縮して当該相対変位を吸収するので、ガスバリア膜１７２の剥離等が発生することがなく、ガスバリア膜１７２による高いシール機能が維持される。

図３は、本発明の実施例３による熱電モジュール１００Ｃの基本断面を示す断面図である。以下、上述の実施例１と同様の構成については、上述の実施例１と同様の参照符号を付して説明を省略し、実施例３特有の構成について主に説明する。

緩衝体１２０Ｃは、低融点金属そのものからなる。即ち、緩衝体１２０Ｃは、多孔質体又は繊維構造材料を含まず、低融点金属からなる。

ケース１４０Ｃの緩衝体１２０Ｃ側の空間１１８Ｃと、ケース１４０Ｃの熱電素子１３０Ｃ側の空間１１４Ｃとの間の流体の流通は、ガスケット１７４により封止される。即ち、ケース１４０Ｃの緩衝体１２０Ｃ側の空間１１８Ｃには、液体の低融点金属が充填され、当該液体の低融点金属を囲繞するように、ガスケット１７４が設けられる。ガスケット１７４は、低融点金属（液体）を封止する必要があるので、シール性の高いものが望ましい。このため、ガスケット１７４は、図３に示すように、金属製のＣ断面のＯリングが好適である。

本実施例３においては、緩衝体１２０Ｃを構成する低融点金属が蒸発しても、低融点金属の蒸気は、ガスケット１７４により、ケース１４０Ｃの熱電素子１３０Ｃ側の空間１１４Ｃへの侵入が阻まれるので、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｃの性能劣化を防止することができる。

ガスケット１７４が設けられるケース１４０Ｃの部分、即ち、ケース１４０Ｃの底部１４２Ｃと側壁１４４Ｃとの境界部（ケース１４０Ｃの底部周縁部）は、好ましくは、図３に示すように、高い剛性を有するように厚肉に形成される。これにより、ケース１４０Ｃの変形に起因したガスケット１７４のシール性の低下を防止することができる。一方、ケース１４０Ｃの底部１４２Ｃは、高い可撓性を有して熱源との高い密着性を維持できるように、周縁部を除いて薄肉に形成される。また、図３に示す例では、ケース１４０Ｃの底部１４２Ｃは、周縁部の下面よりも下方に突出し、熱源に押し付けられた際に変形しやすいように構成されている。

本実施例３によれば、上述の実施例１と同様、緩衝体１２０Ｃを構成する低融点金属を高温側絶縁基板１０４Ｃの下面に直接接触させつつ、緩衝体１２０Ｃを構成する低融点金属の蒸気が熱電素子１３０Ｃ周辺の空間１１４Ｃに侵入するのを防止することができる。これにより、ケース１４０Ｃから熱電素子１３０Ｃまでの熱伝達経路における熱抵抗を少なくして熱伝導効率を高めつつ、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｃの性能劣化を防止することができる。

図４は、本発明の実施例４による熱電モジュール１００Ｄの基本断面を示す断面図である。以下、上述の実施例１と同様の構成については、上述の実施例１と同様の参照符号を付して説明を省略し、実施例４特有の構成について主に説明する。

ケース１４０Ｄは、底面１４２Ｄと、底面１４２Ｄの周縁から立設される周壁１４４Ｄとを有する。周壁１４４Ｄには、高温側絶縁基板１０４Ｄの縁部の端面に向けて突出する突起部１４５Ｄが形成される。突起部１４５Ｄは、周壁１４４Ｄの全周に亘って形成される。互いに対向する突起部１４５Ｄの先端面と高温側絶縁基板１０４Ｄの縁部の端面との間には、隙間１４８Ｄが設定される。隙間１４８Ｄは、ケース１４０Ｄの変形や、温度変化に伴う高温側絶縁基板１０４Ｄとケース１４０Ｄの熱膨張量の相違を吸収する役割を果たす。

ケース１４０Ｄの底面１４２Ｄには、緩衝体１２０Ｄを囲繞するように屈曲部１４６Ｄが形成され、緩衝体１２０Ｄが載置されている底面１４２Ｄの部分に可撓性を付与する。これにより、熱電モジュール１００Ｄが熱源に押し付けられた際に底面１４２Ｄと熱源の高い密着性が保障される。

ケース１４０Ｄの底面１４２Ｄ、及び周壁１４４Ｄの下部（突起部１４５Ｄの上面まで）には、ガスバリア膜１７６がコーティングされる。ガスバリア膜１７６は、例えばセラミック材料を含む液状のコーティング剤を塗布することで形成され、緩衝体１２０Ｄの低融点金属とケース１４０Ｄとの望ましくない反応を防止する役割を果たす。従って、ガスバリア膜１７６は、ケース１４０Ｄの材料が低融点金属と反応性がある場合に特に好適であり、逆に、ケース１４０Ｄの材料が低融点金属と反応性がない場合には、界面の熱抵抗を可能な限り低減すべく設定されなくてよい。

実施例４による熱電モジュール１００Ｄは、上述の実施例１におけるガスケット１７０に代えて、ガスバリア膜１８０をシール手段として備える。

図５は、ガスバリア膜１８０の一例を示す平面図である。ガスバリア膜１８０は、例えばセラミック材料により形成され、図５に示すように、ケース１４０Ｄの側壁１４４Ｄに対応したドーナツ状の形態を有する。ガスバリア膜１８０は、内周側と外周側の中央部付近に、伸縮構造部１８１を有し、径方向の内外方向に伸縮可能に構成されている。伸縮構造部１８１は、蛇腹状に形成されるベローズであってもよい。

ガスバリア膜１８０は、ケース１４０Ｄの側壁１４４Ｄの突起部１４５Ｄと高温側絶縁基板１０４Ｄとの間の僅かな隙間１４８Ｄを封止するように設けられる。ガスバリア膜１８０は、ケース１４０Ｄの緩衝体１２０Ｄ側の空間１１８Ｄと、ケース１４０Ｄの熱電素子１３０Ｄ側の空間１１４Ｄとの間の流体の流通を封止する機能を果たす。ガスバリア膜１８０は、外周側の端部がケース１４０Ｄの突起部１４５Ｄの上面に接着等により固定され、内周側の端部が高温側絶縁基板１０４Ｄの外周縁に接着等により固定される。

これにより、緩衝体１２０Ｄの低融点金属が蒸発しても、低融点金属の蒸気は、ガスバリア膜１７２により、ケース１４０Ｄの熱電素子１３０Ｄ側の空間１１４Ｄへの侵入が阻まれるので、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｄの性能劣化を防止することができる。また、ケース１４０Ｄの変形や、温度変化に伴い高温側絶縁基板１０４Ｄとケース１４０Ｄに熱膨張量差等に起因して、高温側絶縁基板１０４Ｄがケース１４０Ｄに対して径方向内外に相対変位した場合でも、ガスバリア膜１８０の伸縮構造部１８１が当該相対変位を吸収するので、ガスバリア膜１８０の剥離等が発生することがなく、ガスバリア膜１８０による高いシール機能が維持される。

また、本実施例４によっても、上述の実施例１と同様、緩衝体１２０Ｄの低融点金属を高温側絶縁基板１０４Ｄの下面に直接接触させつつ、緩衝体１２０Ｄの低融点金属の蒸気が熱電素子１３０Ｄ周辺の空間１１４Ｄに侵入するのを防止することができる。これにより、ケース１４０Ｄから熱電素子１３０Ｄまでの熱伝達経路における熱抵抗を少なくして熱伝導効率を高めつつ、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｄの性能劣化を防止することができる。

図６は、本発明の実施例５による熱電モジュール１００Ｅの基本断面を示す断面図である。以下、上述の実施例１と同様の構成については、上述の実施例１と同様の参照符号を付して説明を省略し、実施例５特有の構成について主に説明する。

実施例５による熱電モジュール１００Ｅは、上述の実施例１におけるガスケット１７０に代えて、ガスバリア膜１８２をシール手段として備える。

ガスバリア膜１８２は、高温側絶縁基板１０４Ｅの外形に対応した外形であって、高温側絶縁基板１０４Ｅの外形よりも大きな外形を有する。ガスバリア膜１８２は、図６に示すように、高温側絶縁基板１０４Ｅの下面との間に、緩衝体１２０Ｅを封じ込めることで、ケース１４０Ｅの緩衝体１２０Ｅ側の空間１１８Ｅと、ケース１４０Ｅの熱電素子１３０Ｅ側の空間１１４Ｅとの間の流体の流通を封止する機能を果たす。ガスバリア膜１８２の外周縁は、高温側絶縁基板１０４Ｅの外周縁に対して密着され、ガスバリア膜１８２の外周縁には、下方から押さえ材１８４が設けられる。押さえ材１８４は、例えばスチールウール等の材料からなり、緩衝体１２０Ｅを外周側から囲繞するようなドーナツ状の形態を有する。押さえ材１８４は、ガスバリア膜１８２の外周縁を高温側絶縁基板１０４Ｅの外周縁に対して押圧して、ガスバリア膜１８２と高温側絶縁基板１０４Ｅとの間の密着性、即ちガスバリア膜１８２のシール性を高める役割を果たす。尚、ガスバリア膜１８２の外周縁が高温側絶縁基板１０４Ｅの外周縁に対して気密ないし液密的に固着可能な場合には、押さえ材１８４を無くしてもよい。

本実施例５においては、緩衝体１２０Ｅの低融点金属が蒸発しても、低融点金属の蒸気は、ガスバリア膜１８２により、ケース１４０Ｅの熱電素子１３０Ｅ側の空間１１４Ｅへの侵入が阻まれるので、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｅの性能劣化を防止することができる。

従って、本実施例５によっても、上述の実施例１と同様、緩衝体１２０Ｅの低融点金属を高温側絶縁基板１０４Ｅの下面に直接接触させつつ、緩衝体１２０Ｅの低融点金属の蒸気が熱電素子１３０Ｅ周辺の空間１１４Ｅに侵入するのを防止することができる。これにより、ケース１４０Ｅから熱電素子１３０Ｅまでの熱伝達経路における熱抵抗を少なくして熱伝導効率を高めつつ、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｅの性能劣化を防止することができる。

尚、本実施例５において、緩衝体１２０Ｅは、上述の実施例３と同様、低融点金属そのものであってもよい。この場合、液体の低融点金属は、ガスバリア膜１８２と高温側絶縁基板１０４Ｅとにより画成される閉塞空間内に封入・充填される。この場合も、上述の実施例と同様に、緩衝体１２０Ｅを構成する低融点金属を高温側絶縁基板１０４Ｅの下面に直接接触させつつ、緩衝体１２０Ｅを構成する低融点金属の蒸気が熱電素子１３０Ｅ周辺の空間１１４Ｅに侵入するのを防止することができる。

図７は、本発明の実施例６による熱電モジュール１００Ｆの基本断面を示す断面図である。以下、上述の実施例１と同様の構成については、上述の実施例１と同様の参照符号を付して説明を省略し、実施例６特有の構成について主に説明する。

ケース１４０Ｆは、底面１４２Ｆと、底面１４２Ｆの周縁から立設される周壁１４４Ｆとを有する。周壁１４４Ｆには、高温側絶縁基板１０４Ｆよりも上方側と下方側にそれぞれ、屈曲部１４６Ｆが設けられる。屈曲部１４６Ｆのそれぞれは、上述の各実施例と同様、周壁１４４Ｆの全周に亘って形成されるが、周壁１４４Ｆの周方向に沿って部分的に形成されてもよい。

実施例６による熱電モジュール１００Ｆは、上述の実施例１におけるガスケット１７０に代えて、シール材１８６をシール手段として備える。

シール材１８６は、図７に示すように、高温側絶縁基板１０４Ｆの外周縁に嵌合されるコの字断面を有し、高温側絶縁基板１０４Ｆの外周縁の全周に亘って設けられる。即ち、シール材１８６は、コの字断面の背面側（外周側）が、ケース１４０Ｆの側壁１４４Ｆに密着して当接する。これにより、緩衝体１２０Ｆの低融点金属が蒸発しても、低融点金属の蒸気は、ガスバリア膜１８２により、ケース１４０Ｆの熱電素子１３０Ｆ側の空間１１４Ｆへの侵入が阻まれるので、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｆの性能劣化を防止することができる。

従って、本実施例５によっても、上述の実施例１と同様、緩衝体１２０Ｆの低融点金属を高温側絶縁基板１０４Ｆの下面に直接接触させつつ、緩衝体１２０Ｆの低融点金属の蒸気が熱電素子１３０Ｆ周辺の空間１１４Ｆに侵入するのを防止することができる。これにより、ケース１４０Ｆから熱電素子１３０Ｆまでの熱伝達経路における熱抵抗を少なくして熱伝導効率を高めつつ、低融点金属の蒸発に起因した熱電素子１３０Ｆの性能劣化を防止することができる。

また、本実施例６では、上述の実施例１と異なり、上述の如く、屈曲部１４６Ｆは、高温側絶縁基板１０４Ｆよりも上方側と下方側にそれぞれ設定されている。これにより、シール材１８６が取り付く高温側絶縁基板１０４Ｆの高さに対応する部分のケース１４０Ｆの剛性を低下させずに、ケース１４０Ｆに可撓性を付与することができる。即ち、本実施例６では、高温側絶縁基板１０４Ｆがケース１４０Ｆにシール材１８６を介して接合されているため、高温側絶縁基板１０４Ｆに対するケース１４０Ｆの相対的な変位は、高温側絶縁基板１０４Ｆよりも上方側と下方側の屈曲部１４６Ｆによりそれぞれ吸収される。これにより、高温側絶縁基板１０４Ｆとケース１４０Ｆの周壁１４４Ｆをシール材１８６を介して剛に接合しても、絶縁基板１１２Ｆ、１０４Ｆ上の電極１０８Ｆ，１１０Ｆの変形を防止することができる。また、上述の各実施例と同様に、高温側絶縁基板１０４Ｆよりも下方側の屈曲部１４６Ｆにより、熱源とケース１４０Ｆの底面１４２Ｆとの高い密着性を維持しつつ、緩衝体１２０Ｆの伸縮を吸収することができる。

本実施例６において、図７に示すように、ケース１４０Ｆの底面１４２Ｆには、ガスバリア膜１８８Ｆが載置されてもよい。ガスバリア膜１８８Ｆは、例えばセラミック材料からなり、緩衝体１２０Ｆの低融点金属とケース１４０Ｆとの望ましくない反応を防止する役割を果たす。従って、ガスバリア膜１８８Ｆは、ケース１４０Ｆの材料が低融点金属と反応性がある場合に特に好適であり、逆に、ケース１４０Ｆの材料が低融点金属と反応性がない場合には、界面の熱抵抗を可能な限り低減すべく設定されなくてよい。

図８は、本発明の実施例７による熱電モジュール１００Ｇの基本断面を概略的に示す断面図である。以下、上述の実施例６と同様の構成については、上述の実施例６と同様の参照符号を付して説明を省略し、実施例７特有の構成について主に説明する。

実施例７は、図７に示した実施例６に対して、ガスバリア膜１８８Ｇが、ケース１４０Ｇの底面１４２Ｇ、及び周壁１４４Ｇの下部（シール材１８６の下面まで）にコーティングされている点が異なる。ガスバリア膜１８８Ｇは、例えばセラミック材料からなり、緩衝体１２０Ｇの低融点金属とケース１４０Ｇとの望ましくない反応を防止する役割を果たす。

実施例７によれば、緩衝体１２０Ｇの低融点金属が蒸発しても、低融点金属の蒸気からケース１４０Ｇがガスバリア膜１８８Ｇにより保護されているので、ケース１４０Ｇの耐性が向上する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例では、全て、高温側にシール手段を設定しているが、低温側に緩衝体１２０Ａ〜１２０Ｇを配置して、低温側に同様のシール手段を設定することも可能である。この場合、低融点金属としては、水銀などが好適である。

また、上述では、幾つかの実施例を別々に説明しているが、各実施例の構成は適切に組み合わせることも可能である。例えば、実施例２又は実施例４によるガスバリア膜１７２又は１８０は、上述の実施例１と組み合わせることも可能である。即ち、図１に示したガスケット１７０と共に、ガスバリア膜１７２又は１８０を設けることとしてもよい。この場合、低融点金属の蒸発の侵入を２つのシール手段により阻むことができるので、信頼性が向上する。

以上のとおり本発明は、車両で発生する廃熱を利用する熱電モジュールとして適用可能であるし、その他の用途、例えば住宅やオフィス等で発生する廃熱を利用する熱電モジュールとしても適用することができる。

本発明の実施例１による熱電モジュール１００Ａの基本断面を概略的に示す断面図である。 本発明の実施例２による熱電モジュール１００Ｂの基本断面を概略的に示す断面図である。 本発明の実施例３による熱電モジュール１００Ｃの基本断面を概略的に示す断面図である。 本発明の実施例４による熱電モジュール１００Ｄの基本断面を概略的に示す断面図である。 ガスバリア膜１８０の一例を示す平面図である。 本発明の実施例５による熱電モジュール１００Ｅの基本断面を概略的に示す断面図である。 本発明の実施例６による熱電モジュール１００Ｆの基本断面を概略的に示す断面図である。 本発明の実施例７による熱電モジュール１００Ｇの基本断面を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１００Ａ〜１００Ｇ 熱電モジュール
１０４Ａ〜１０４Ｇ 高温側絶縁基板
１０８Ａ〜１０８Ｇ 高温側電極
１１０Ａ〜１１０Ｇ 低温側電極
１１２Ａ〜１１２Ｇ 低温側絶縁基板
１１４Ａ〜１１４Ｇ ケース内部の熱電素子側の空間
１１８Ａ〜１１８Ｇ ケース内部の緩衝体側の空間
１２０Ａ〜１２０Ｇ 緩衝体、
１３０Ａ〜１３０Ｇ 熱電素子
１４０Ａ〜１４０Ｇ ケース
１４２Ａ〜１４２Ｇ 底面
１４４Ａ〜１４４Ｇ 周壁（側壁）
１４６Ａ〜１４６Ｇ 屈曲部
１４８Ａ〜１４６Ｅ 隙間
１７０ ガスケット
１７２ ガスバリア膜
１７４ ガスケット
１８０ ガスバリア膜
１８１ 伸縮構造部
１８２ ガスバリア膜
１８６ シール材

Claims (5)

1. 熱電素子と低融点材料を使用した緩衝体とを同一の容器内に収容した熱電モジュールにおいて、
   前記緩衝体の低融点材料を、前記熱電素子が設けられる基板に直接接触させると共に、前記緩衝体を前記熱電素子から隔離して密封するシール手段を設けることを特徴とする、熱電モジュール。
2. 前記基板が、前記容器の側面との間に隙間ができるように配置されており、
   前記シール手段が、前記隙間を封止する、請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記シール手段が、前記容器の上面又は底面と前記基板との間の隙間を封止する、請求項１に記載の熱電モジュール。
4. 前記シール手段が伸縮構造部を有する、請求項１〜３の何れかに記載の熱電モジュール。
5. 前記容器が屈曲部を有する、請求項１〜４の何れかに記載の熱電モジュール。

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