JP2008010764A - 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15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していく電極板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。
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熱交換基板901及び低温側の熱交換基板902の間に並設される。電極板930は低温側の熱交換基板902とN型半導体素子910との間に介在し、電極板940は低温側の熱交換基板902とP型半導体素子920との間に介在し、電極板950は高温側の熱交換基板901と2つの半導体素子910、920との間に介在する。
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、熱交換基板901、902に対して電気的絶縁性を有する接着材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、高温側の熱交換基板901及び低温側の熱交換基板902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(図15の矢印の向き)に流れる。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、対向する二枚の熱交換基板901、902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、高温側の熱交換基板901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、一般的に、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15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、低温側の熱交換基板902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並びに熱の経路を確保し、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)ためには依然として重要な役割を有する。
By the way, in the
前記課題を解決するための発明は、対向する二枚の熱交換基板の間に並設される互いに極性の異なった少なくとも一対の第1の半導体素子及び第2の半導体素子と、前記二枚の熱交換基板のうち高温側となる一方の前記熱交換基板と前記第1及び前記第2の半導体素子との間と、前記二枚の熱交換基板のうち低温側となる他方の前記熱交換基板と前記第1及び前記第2の半導体素子との間にそれぞれ介在し、前記第1及び前記第2の半導体素子を交互に直列接続していく弾性力を有した電極板と、前記一方及び前記他方の熱交換基板の間に配設されて前記一方及び前記他方の熱交換基板を支持する棒部材と、前記第1及び前記第2の半導体素子と前記電極板とを圧着すべく前記一方及び前記他方の熱交換基板の外側より前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、を有することとする。 The invention for solving the above-described problems includes at least a pair of first and second semiconductor elements having different polarities arranged in parallel between two opposing heat exchange substrates, and the two sheets Among the heat exchange substrates, between the one heat exchange substrate on the high temperature side and the first and second semiconductor elements, and on the other heat exchange substrate on the low temperature side of the two heat exchange substrates. And the first and second semiconductor elements, respectively, and an electrode plate having an elastic force for alternately connecting the first and second semiconductor elements in series; A bar member disposed between the other heat exchange substrates and supporting the one and the other heat exchange substrates, the one and the second semiconductor elements, and the electrode plate for pressure bonding the first and second semiconductor elements Connected to both ends of the rod member from the outside of the other heat exchange substrate. A crimping member is, and to have.
熱電変換装置の導電性並びに熱伝導性を確保しつつ、その熱応力を緩和できる。 The thermal stress can be alleviated while ensuring the conductivity and thermal conductivity of the thermoelectric converter.
=== 第1の実施形態 ===
以下、図面を参照しつつ、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換装置500の構成例について説明する。尚、以下の説明を通して、各部材の番号に関して、同一の部材には同じ番号を付する。
=== First Embodiment ===
Hereinafter, a configuration example of the
<<< 基本構成 >>>
図1に例示されるように、本実施形態の熱電変換装置500は、互いに極性の異なる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50、60、70と、ボルト・ナット(棒部材、圧着部材)90と、を備えて構成される熱電発電装置である。尚、図1は、本実施形態の熱電変換装置500の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。
<<< Basic structure >>>
As illustrated in FIG. 1, the
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呈する半導体素子である。N型半導体素子10及びP型半導体素子20は、本実施形態の熱交換器の対向する高温側の熱交換基板30(熱交換基板、+Z側)及び低温側の熱交換基板40(熱交換基板、−Z側)の間に並設されており、本実施形態の熱電変換装置500におけるπ型の単位ユニットを構成するものである。すなわち、熱電変換装置500は、図1に示されるπ型の単位ユニットが複数個組み合わせて構成されるものであり、これらのπ型の単位ユニット100aの起電力の合計が、熱電発電装置としての熱電変換装置500の起電力となる。
The N-
電極板50、60、70は、N型半導体素子10及びP型半導体素子20を、N・P・N・P・・・等といった順に、交互に直列接続していくための弾性力を有した電極である。例えば、一枚のゴム状の電極板50、60、70が考えられる。
The
電極板50は、低温側の熱交換基板40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60に対応する)をなす銅板にもなりえる。
電極板60は、高温側の熱交換基板30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。
電極板70は、低温側の熱交換基板40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50に対応する)をなす銅板にもなりえる。
The
The
The
なお、本実施形態の電極板50、60、70は、それぞれ、電気的導通させた複数の電極層を形成している。当該複数の電極層は、一枚の電極板50、60、70を短手方向(図中に示すY座標)に沿って少なくとも一回折り曲げることで形成される。例えば、一枚の電極板50を図中に示すI部とII部の箇所で二回折り曲げることによって、各電極層間で電気的導通が分断することなく、渦巻き状の3層分の電極層50a、50b、50cが形成される。また、電極板60、70についても同様に、それぞれ、渦巻き状の3層分の電極層60a、60b、60c、渦巻き状の3層分の電極層70a、70b、70cが形成される。尚、電極板50、60、70それぞれの複数の電極層は、図1に例示する渦巻き状の形状に限らず、例えば、S字状の形状としてもよいが、渦巻き状の形状の方が弾性力の点で優れるので好ましい。
Note that the
この結果、熱交換基板30、31とN型半導体素子10及びP型半導体素子20との間の熱膨張係数の相違に起因して、熱交換基板30、31の熱膨張又は熱収縮が生じた場合にN型半導体素子10及びP型半導体素子20には熱応力が発生することになるが、電極板50、60、70が、当該熱応力を緩和させるための、いわゆる弾性を有したバネとして機能することになる。
As a result, due to the difference in thermal expansion coefficient between the
例えば、電極板50、60、70の折り曲げ箇所である図1に示すI部とII部は弾性力に富むので、N型半導体素子10及びP型半導体素子20の熱変形が吸収される、すなわち熱応力が緩和される。尚、当該熱応力は、図1に示すXY面に沿った横方向に発生する場合と、図1に示すZY平面に沿った縦方向に発生する場合とがあるが、電極板50、60、70は、これらの横方向並びに縦方向の熱応力をともに緩和させる働きを有する。
For example, the I part and the II part shown in FIG. 1 where the
さらに、電極板50、60、70がいわゆるバネとして機能することで、電極板50、60、70と、N型半導体素子10及びP型半導体素子20との密着性が向上することになる。しかして、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20双方の対向する面(図1に示すXY面)同士が粗くて平坦な形状でなかったとしても、電極板50、60、70が備える弾性力によってそれらの面の粗さを吸収することができる。よって、前述した密着性が得られるので、熱電変換装置500の主たる目的である電気伝導性並びに熱伝導性が確保される。
Furthermore, since the
ボルト・ナット90は、ボルト90aとナット90bで構成され、電極板50、60、70と、N型半導体素子10及びP型半導体素子20の圧着面との間を、半田や銀ろう等を介在させずに、機械的に圧着させる部材である。
The bolt /
ボルト90aは、対向する熱交換基板30、40の間に配設されて熱交換基板30、40を支持する棒部材と、熱交換基板30の外側(+Z側)を開口させた座ぐり31に当接する頭部(圧着部材)と、を有する部材である。尚、本実施形態のボルト90aは、対向する熱交換基板30、40の間に、N型半導体素子10及びP型半導体素子20とそれらと圧着させる電極板50、60、70に対して並列に配設される場合である。
The
ナット(圧着部材)90bは、低温側の熱交換基板40の外側(−Z側)を開口させた座ぐり41を貫いたボルト90aの棒部材の頭部と反対側の先端部分に形成されるネジ(不図示)と噛合する圧着部材である。すなわち、ボルト90aは、高温側の熱交換基板30の外側(+Z側)にある座ぐり31から挿入されており、ナット90bは、低温側の熱交換基板40の外側(−Z側)にある座ぐり41に現れるボルト90aのネジと噛合する。
The nut (crimp member) 90b is formed at the tip of the
ボルト・ナット90を使用することにより、N型半導体素子10及びP型半導体素子20と、電極板50、60、70との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板30、40と電極板50、60、70との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。
By using the bolts and
この結果、例えば、熱交換基板30、電極板60、P型半導体素子20、電極板70並びに熱交換基板40をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板60、P型半導体素子20並びに電極板70をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板40、電極板50、N型半導体素子10、電極板60並びに熱交換基板30をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板50、N型半導体素子10並びに電極板60をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。
As a result, for example, the heat transfer path through the
また、ボルト・ナット90を使用することにより、N型半導体素子10及びP型半導体素子20と、電極板50、60、70との間は、図1に示すXY面及びZY面に沿った相互の摺動が可能となるとともに、熱交換基板30、40と電極板50、60、70との間についても、図1に示すXY面及びZY面に沿った相互の摺動が可能となる。この結果、熱交換基板30、31とN型半導体素子10及びP型半導体素子20との間の熱膨張係数の相違に起因して、N型半導体素子10及びP型半導体素子20に生じる熱応力が緩和されることになる。
Further, by using the bolts and
ところで、熱電変換装置101の熱電変換効率を向上させるために基板30、40の間には熱伝導性の媒体をできるだけ介在させない必要がある。このため、例えば、ボルト90a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。ボルト・ナット90の材料としては、例えば、ポリイミド樹脂、SIO2ガラス又はジルコニア等が挙げられる。あるいは、ボルト90a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、この棒部は、熱伝導性が低いという条件を満たすならば、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90には例えばSUS等の金属製のものが使用できるため、例えば、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。
By the way, in order to improve the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric conversion device 101, it is necessary that a thermally conductive medium is not interposed between the
固体潤滑性物質(絶縁性潤滑材)80は、例えば、窒化ホウ素(BN)粒子等を採用することができる。固体潤滑性物質80は、電極板50、60、70との間の電気的絶縁性並びに潤滑性をともに確保するために、熱交換基板30の内側(−Z側)及び熱交換基板40の内側(+Z側)の面に対し塗布される。なお、電極板50、60、70と熱交換基板30、40の面との間は電気的絶縁体が介在していればよい。但し、固体潤滑性物質80を用いた方が、電極板50、60、70と熱交換基板30、40の面との間のXY面及びYZ面に沿った相互の変位をより円滑化させる。すなわち、熱交換基板30、40の熱膨張又は熱収縮に伴ってN型半導体素子10及びP型半導体素子20に生じ得る熱応力を緩和させることができる。
For example, boron nitride (BN) particles can be employed as the solid lubricant (insulating lubricant) 80. In order to ensure both electrical insulation and lubricity between the
<<< 半導体素子の選択の自由度向上 >>>
N型半導体素子を構成する様々な合金は、耐熱温度や、熱電材料としての性能を示すいわゆる無次元性能指数が最大となる温度(以下、最大性能温度という。)が規定されている。尚、N型半導体素子の推奨温度は、例えば、n-CoSb合金ではおよそ800Kであり、n-MgSi合金ではおよそ700Kであり、n-PbTe合金ではおよそ600Kであり、n-BiTe合金ではおよそ300Kであることが知られている。尚、「n-」はいわゆるNドープを意味する。
<<< Improvement of flexibility in selection of semiconductor elements >>>
Various alloys constituting the N-type semiconductor element have a heat-resistant temperature and a temperature at which a so-called dimensionless figure of merit indicating performance as a thermoelectric material is maximized (hereinafter referred to as maximum performance temperature). The recommended temperature of the N-type semiconductor element is, for example, about 800K for n-CoSb alloy, about 700K for n-MgSi alloy, about 600K for n-PbTe alloy, and about 300K for n-BiTe alloy. It is known that “N−” means so-called N-doping.
同様に、P型半導体素子を構成する様々な合金についても、耐熱温度や最大性能温度が規定されている。尚、P型半導体素子の最大性能温度は、例えば、p-SiGe合金ではおよそ1100Kであり、p-CeFeSb合金ではおよそ1000Kであり、p-MnSi合金ではおよそ700Kであり、p-BiTe合金ではおよそ300Kであることが知られている。尚、「p-」はいわゆるPドープを意味する。 Similarly, the heat-resistant temperature and the maximum performance temperature are defined for various alloys constituting the P-type semiconductor element. The maximum performance temperature of the P-type semiconductor element is, for example, about 1100K for a p-SiGe alloy, about 1000K for a p-CeFeSb alloy, about 700K for a p-MnSi alloy, and about about a p-BiTe alloy. It is known to be 300K. “P-” means so-called P-doping.
ここで、同一のπ型の単位ユニットを構成するN型半導体素子10及びP型半導体素子20は、熱交換基板30、40の温度に応じて、前述した耐熱温度や最大性能温度を基本的には一致させるように、N型半導体素子10及びP型半導体素子20を選択する必要がある。しかし、同一の耐熱温度並びに最大性能温度のN型半導体素子10及びP型半導体素子20を選択した場合であっても、製造バラツキが潜在的に存在し得る。
Here, the N-
また、後述するカスケード半導体素子で構成した単位ユニット(図13参照)についても同様のことがいえ、高温域仕様のNh型半導体素子200及びPh型半導体素子220と、低温域仕様のPc型半導体素子210及びNc型半導体素子230の耐熱温度を一致させる必要がある。
The same applies to unit units (see FIG. 13) configured by cascade semiconductor elements to be described later. The high-temperature specification Nh-
なお、後述するカスケード半導体素子で構成した単位ユニットの場合では、高温域仕様のNh型半導体素子200及びPh型半導体素子220と、低温域仕様のPc型半導体素子210及びNc型半導体素子230について、積極的に、耐熱温度や最大性能温度を異ならせて使用する場合も考えられる。
In the case of a unit unit composed of cascade semiconductor elements, which will be described later, the high-temperature specification Nh-
例えば、高温側の熱交換基板30が例えば800K以上であり、低温側の基板40が例えば300K以下である場合、高温域仕様のNh型半導体素子200にはn-CoSb合金を使用し、高温域仕様のPh型半導体素子220にはp-CeFeSb合金を使用し、低温域仕様のNc型半導体素子230にはn-BiTe合金を使用し、低温域仕様のPc型半導体素子210にはp-BiTe合金を使用する場合とする。
For example, when the high-temperature side
この場合、熱交換基板30の近傍にあるn-CoSb合金及びp-CeFeSb合金の温度(カスケード半導体素子の温度)は、熱交換基板30の温度(800K以上)に応じた温度となる。一方、熱交換基板40の近傍にあるn-BiTe合金及びp-BiTe合金の温度(カスケード半導体素子の温度)は、熱交換基板40の温度(300K以下)に応じた温度となる。よって、n-CoSb合金及びp-CeFeSb合金は、n-BiTe合金及びp-BiTe合金に比べて、熱交換基板30及び熱交換基板40の温度差(およそ500K以上)に応じた温度差をもって、より高温となる。
In this case, the temperature of the n-CoSb alloy and the p-CeFeSb alloy in the vicinity of the heat exchange substrate 30 (the temperature of the cascade semiconductor element) is a temperature corresponding to the temperature of the heat exchange substrate 30 (800 K or more). On the other hand, the temperature of the n-BiTe alloy and the p-BiTe alloy in the vicinity of the heat exchange substrate 40 (the temperature of the cascade semiconductor element) is a temperature corresponding to the temperature of the heat exchange substrate 40 (300 K or less). Therefore, the n-CoSb alloy and the p-CeFeSb alloy have a temperature difference corresponding to the temperature difference (approximately 500 K or more) between the
この結果、各半導体素子の熱電変換効率の平均値が上記温度分布(800K、300K)において最大となり、例えば、高温域仕様及び低温域仕様のNh型及びNc型半導体素子200、230両方にn-CoSb合金を使用した場合に比べて、熱電変換効率が向上することが見込まれる。
As a result, the average value of the thermoelectric conversion efficiency of each semiconductor element becomes maximum in the above temperature distribution (800K, 300K). For example, n-
そこで、図1に示した本実施形態を採用することによって、電極板50、60、70の弾性力とボルト・ナット90による圧着調整力とによって、N型半導体素子10とP型半導体素子20との間に製造バラツキ(耐熱温度や最大性能温度のバラツキ)があったとしても、当該製造バラツキをπ型の単位ユニット側で吸収することが可能となる。
Therefore, by adopting the present embodiment shown in FIG. 1, the N-
例えば、図2に示すように、π型の単位ユニットにおいて、製造バラツキに起因してN型半導体素子10とP型半導体素子20双方の耐熱温度並びに最大性能温度を一致させた結果、N型半導体素子10と対比してP型半導体素子20のZ方向の長さが短い場合とする。この場合、本実施形態では、電極板50、60、70の弾性力とボルト・ナット90による圧着調整力とによって、N型半導体素子10とP型半導体素子20との間のZ方向の長さの相違を吸収することができる。
For example, as shown in FIG. 2, in the π-type unit unit, as a result of matching the heat resistance temperature and the maximum performance temperature of both the N-
また、カスケード半導体素子で構成する単位ユニットの場合、積極的に、N型半導体素子10及びP型半導体素子の耐熱温度並びに最大性能温度を異ならせて使用することで、熱電変換効率の向上を図る場合があるが、電極板50、60、70の弾性力とボルト・ナット90による圧着調整力とによって、N型半導体素子10及びP型半導体素子の耐熱温度並びに最大性能温度の相違を吸収することができる。
Further, in the case of a unit unit composed of cascade semiconductor elements, the thermoelectric conversion efficiency is improved by actively using the N
すなわち、本実施形態によれば、単位ユニットを構成するN型半導体素子10及びP型半導体素子20を選択する際の自由度が格段に向上することになる。
That is, according to the present embodiment, the degree of freedom when selecting the N-
===第1の実施形態に係るその他の形態===
<<<電極板内にバネを設ける場合>>>
図1に示した本発明の第1の実施形態に関して、電極板50、60、70を構成する複数の電極層の間に介在させるバネ(弾性部材)100をさらに有するのが好ましい。
図3(a)は、この場合におけるπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示したものである。尚、図3(a)に示す実施形態は、電極板60の電極層60a、60bの間の空隙にバネ100を設けた場合である。
=== Other Forms According to First Embodiment ===
<<< When providing a spring in the electrode plate >>>
Regarding the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, it is preferable to further include a spring (elastic member) 100 interposed between a plurality of electrode layers constituting the
FIG. 3A shows a side sectional view of a unit unit having a π-type structure in this case. Note that the embodiment shown in FIG. 3A is a case where the
この場合、電極板50、60、70内にバネ100を更に設けることで、図1に示した実施形態と対比して、電極板50、60、70の弾性力が増すことになり、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20との間の密着性向上による熱伝導性並びに電気伝導性の更なる確保や、熱交換基板30、40の熱膨張又は熱収縮に伴ってN型半導体素子10及びP型半導体素子20に生じ得る熱応力をさらに緩和させることが可能となる。
In this case, by further providing the
<<<ボルト等を素子内に貫通させる場合>>>
図1に示した本発明の第1の実施形態に関して、一方の熱交換基板30の外側(+Z側)を開口した座ぐり32から他方の熱交換基板40の外側(−Z側)を開口した座ぐり(不図示)までの間で電極板60、70及びP型半導体素子20を介して貫通し、また、一方の熱交換基板30の座ぐり32から他方の熱交換基板40の座ぐりまでの間で電極板60、50及びN型半導体素子10を介して貫通する貫通孔11をそれぞれ設け、ボルト91aがこれらの貫通孔11に挿入されることが好ましい。尚、ボルト91aの頭部の反対側にあるネジに対して、ナット(不図示)が噛合されることは言うまでもない。
<<< When bolts or the like are passed through the element >>>
With respect to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the outside (−Z side) of the other
図3(b)は、この場合におけるπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示したものである。尚、図3(b)に示す実施形態は、ボルト91aを、熱交換基板30とその内側の面に塗布させる固体潤滑性物質80、電極板60、N型半導体素子10、電極板50及び熱交換基板40とその内側に塗布される固体潤滑性物質80を上下方向(±Z方向)に貫通させた貫通孔11へと挿入した場合である。尚、ボルト91aの頭部の反対側にあるネジに対してナット(不図示)が噛合される。この場合、図1に示した実施形態と対比して、熱交換基板30、40と、電極板50、60、70と、N型半導体素子10及びP型半導体素子20との間の密着性の更なる向上が図られるので、熱伝導性並びに電気伝導性の更なる確保が可能となる。
FIG. 3B shows a side sectional view of the unit unit of the π-type structure in this case. In the embodiment shown in FIG. 3B, the
さらに、貫通孔11及びボルト91aの棒部との間に隙間を生じさせるべく、貫通孔11の径とボルト91aの棒部の径の大きさが設定されることが好ましい。この結果、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20は、この隙間の分だけ相互に摺動可能となる。よって、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20との熱膨張差によるXY面及びYZ面に沿った熱応力が、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20とのXY面及びYZ面に沿った相互の摺動において吸収されるので、更に緩和させることが可能となる。
Furthermore, it is preferable that the size of the diameter of the through
ところで、本実施形態のボルト91aは、貫通孔11の内面と、ボルト91aの棒部とが相互に電気的絶縁性を有する必要がある。また、熱電変換装置500の熱電変換効率を向上させるべく、高温側の熱交換基板30及び低温側の熱交換基板40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。
By the way, the
そこで、例えば、ボルト91aの少なくとも棒部としては、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。ボルト91aの材料としては、例えば、ポリイミド樹脂、SIO2ガラス又はジルコニア等が挙げられる。あるいは、例えば、貫通孔11の内周面又はボルト91a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91aとしては、例えばSUS等の金属製のものが使用できるため、例えば、前述したポリイミド樹脂製のものに比べて部材調達が容易になる。
Therefore, for example, as at least the rod portion of the
<<<ボルト等を素子内に貫通させ且つ電極板内にバネを設ける場合>>>
図3(c)は、図3(b)に示したπ型構造の単位ユニットに関して、図3(a)に示したように、電極板50、60、70の内部にバネ100を設けた場合のπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示したものである。
<<< When a bolt or the like is passed through the element and a spring is provided in the electrode plate >>>
FIG. 3C shows a case where the
尚、図3(c)に示す実施形態は、ボルト91aを、熱交換基板30とその内側の面に塗布させる固体潤滑性物質80、電極板60、N型半導体素子10、電極板50及び熱交換基板40とその内側に塗布される固体潤滑性物質80を上下方向(±Z方向)に貫通させた貫通孔11へと挿入した上で、更に、電極板60の電極層60a、60bの間にある空隙にバネ100を設けた場合である。尚、ボルト91aの頭部の反対側にあるネジに対してナット(不図示)が噛合される。
In the embodiment shown in FIG. 3 (c), the
図3(c)に示す場合では、図3(b)に示した実施形態と対比して、電極板60の弾性力が更に増すことになり、熱交換基板30、40と、電極板50、60、70と、N型半導体素子10及びP型半導体素子20との間の密着性向上によって熱伝導性並びに電気伝導性の更なる確保が可能となる。また、熱交換基板30、40の熱膨張又は熱収縮に伴ってN型半導体素子10及びP型半導体素子20に生じ得る熱応力をさらに緩和させることが可能となる。
In the case shown in FIG. 3 (c), the elastic force of the
<<<導電性並びに熱伝導性を有した接着剤を使用する場合>>>
図1並びに図3(a)〜(c)に示した本発明の第1実施形態に関して、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20との間は、導電性並びに熱伝導性を有した接着材110dで接着することが好ましい。尚、熱交換基板30、40の内側に固体潤滑性物質80を塗布させる場合には、更に、熱交換基板30、40と固体潤滑性物質80との間を接着剤110aで接着し、固体潤滑性物質80と電極板50、60、70との間を接着剤110bで接着し、さらに、電極板50、60、70の各電極層のうち密着させる層間に接着剤110cで接着することが好ましい。
<<< When using an adhesive having conductivity and thermal conductivity >>>
With respect to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 and FIGS. 3A to 3C, there is electrical conductivity between the
尚、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤110a〜110dの材料としては、例えば、図5に示した仕様を示す銀充填型セラミックペーストを採用することができる。銀充填型セラミックペーストとは、耐熱性に優れたセラミックペーストに対して銀を充填させることで、更に高導電性並びに高伝導性の特性を実現した接着剤である。尚、銀充填型セラミックペーストに限られず、密着性を確保するだけならば非導電性樹脂をベースにした一般のエポキシ接着剤等を採用してもよいが、銀充填型セラミックペーストの方が、高導電性を得られるので好適である。 In addition, as a material of adhesive 110a-110d which has electroconductivity and heat conductivity, the silver filling type | mold ceramic paste which shows the specification shown in FIG. 5 is employable, for example. The silver-filled ceramic paste is an adhesive that realizes further high conductivity and high conductivity characteristics by filling silver into a ceramic paste having excellent heat resistance. It should be noted that the present invention is not limited to silver-filled ceramic paste, and a general epoxy adhesive or the like based on a non-conductive resin may be adopted as long as adhesion is ensured. This is suitable because high conductivity can be obtained.
<<<バネを介してナットをボルトに噛合させる場合>>>
図1並びに図3(a)〜(c)に示した本発明の第1実施形態に関して、低温側の熱交換基板40の外側(−Z側)の座ぐり41、42に現れるボルト90a、91aのネジに対しバネ95を介してナット90b等を噛合させるようにしてもよい。図6は、図1に対応した実施形態に対してバネ95を介在させた場合である。
<<< When engaging a nut with a bolt via a spring >>>
With respect to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 and FIGS. 3A to 3C, the
この場合、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20は、ボルト90aの頭部、ナット90b、及びバネ95によって、図6に示すZ軸方向に圧着される。尚、バネ95より、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20とは、バネ95によって、図6に示すYZ面に沿って摺動可能となる。
In this case, the
ここで、もしナット90bがボルト90aに対してより締め込まれれば、バネ95の弾性力がより大きくなって、前述した圧着がより強まり、ひいては、接触抵抗がより小さくなる。よって、電極板50、N型半導体素子10、電極板60、P型半導体素子20、電極板70へ流れる電流はより大きくなり、高温側の熱交換基板30及び低温側の熱交換基板40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。
Here, if the
一方、もしナット90bがボルト90aからより緩められれば、バネ95の弾性力がより小さくなって、前述した圧着がより弱まり、電極板50、60、70と、N型半導体素子10及びP型半導体素子20との熱膨張差によるYZ面に沿った熱応力が、電極板50、60、70とN型半導体素子10及びP型半導体素子20とのYZ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
以上より、バネ95を介したボルト・ナット90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95の弾性力を、熱電変換装置500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できる。
From the above, by setting the degree of tightening of the bolts and
尚、バネ95は、高温劣化防止及び圧着の調整のために、低温側の基板40に設けることが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば高温側の熱交換基板30及び低温側の熱交換基板40の両方に備えていてもよい。
The
=== 第2の実施形態 ===
以下、図面を参照しつつ、本発明の第2の実施形態に係る熱電変換装置510の構成例について説明する。ここで、本発明の第2の実施形態は、電極板51、61、71を構成する複数の電極層に関して、1枚の電極板51、61、71を短手方向に沿って一回折り曲げてコの字状又は逆コの字状に形成した場合である。尚、図7は、本実施形態の熱電変換装置510の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。
=== Second Embodiment ===
Hereinafter, a configuration example of the
本発明の第2実施形態では、図1に示した本発明の第1の実施形態と対比して、1枚の電極板51、61、71を一回折り曲げただけの単純な構成をとるが、本発明の第1の実施形態の場合と同様に、例えば、電極板51、61、71の折り曲げ箇所である図7に示すI部は弾性力に富むので、N型半導体素子10及びP型半導体素子20の熱変形が吸収される、すなわち熱応力が緩和される。
In contrast to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the second embodiment of the present invention has a simple configuration in which one
また、ボルト・ナット90を使用することにより、N型半導体素子10及びP型半導体素子20と、電極板51、61、71との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板30、40と電極板51、61、71との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。
Further, by using the bolt /
この結果、例えば、熱交換基板30、電極板61、P型半導体素子20、電極板71並びに熱交換基板40をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板61、P型半導体素子20並びに電極板71をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板40、電極板51、N型半導体素子10、電極板61並びに熱交換基板30をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板51、N型半導体素子10並びに電極板61をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。
As a result, for example, the heat transfer path passing through the
また、本発明の第1の実施形態の場合と同様に、電極板51、61、71の内部にバネ100を設ける場合(図8(a)参照)、ボルト91a等を電極板51、61、71及びN型半導体素子10及びP型半導体素子20の内部に上下方向(±Z方向)へと貫通させる場合(図8(b)参照)、ボルト91a等を電極板51、61、71及びN型半導体素子10及びP型半導体素子20の内部に上下方向(±Z方向)へと貫通させ且つ電極板51、61、71内部にバネ100を設ける場合(図8(c)参照)、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤110a、110b、110dを使用する場合(図4参照)が採用され得る。それぞれ、本発明の第1の実施形態で説明した前述した理由に基づくものである。
Similarly to the case of the first embodiment of the present invention, when the
=== 第3の実施形態 ===
以下、図面を参照しつつ、本発明の第3の実施形態に係る熱電変換装置520の構成例について説明する。ここで、本発明の第3の実施形態は、電極板52、62、72を構成する複数の電極層に関して、1枚の電極板52、62、72を短手方向に沿って一回折り曲げてコの字状又は逆コの字状に形成した上で、当該コの字状又は逆コの字状の開口部140を、導電性の特質の他に弾性力を有した導電材120と、導電性並びに熱伝導性を確保するための接着剤130と、によって電気的導通させた場合である。尚、図9は、本実施形態の熱電変換装置520の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。
=== Third Embodiment ===
Hereinafter, a configuration example of the
ここで、電極板52、62、72の開口部140に介在して当該開口部140を電気的導通させる導電材120としては、電極板52、62、72の弾性力を更に向上させるために、円筒状又は角柱状の金属繊維織物や蛇腹(銅等)を採用することが好ましい。尚、導電材120は、電極板52、62、72やN型半導体素子10及びP型半導体素子20の断面形状に基づいて選定する必要がある。
また、導電材120を電極板52、62、72に接着させる接着材としては、図5に示した仕様の銀充填型セラミックペーストを採用することが好適である。
Here, in order to further improve the elastic force of the electrode plates 52, 62, 72 as the
Further, as an adhesive for adhering the
本発明の第3実施形態では、図7に示した本発明の第2の実施形態と対比して、電極板52、62、72の折り曲げ箇所である図9に示すI’’部及びII’’部の弾性力の他に、導電材120の弾性力を有するので、N型半導体素子10及びP型半導体素子20の熱変形が更に吸収される、すなわち熱応力が更に緩和される。
In the third embodiment of the present invention, in contrast to the second embodiment of the present invention shown in FIG. 7, the portions I ″ and II ′ shown in FIG. 9 which are the bent portions of the electrode plates 52, 62, 72 are shown. Since it has the elastic force of the
また、ボルト・ナット90を使用することにより、N型半導体素子10及びP型半導体素子20と、電極板52、62、72との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板30、40と電極板52、62、72との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。
Further, by using the bolts and
この結果、例えば、熱交換基板30、電極板62、P型半導体素子20、電極板72並びに熱交換基板40をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板62、P型半導体素子20並びに電極板72をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板40、電極板52、N型半導体素子10、電極板62並びに熱交換基板30をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板52、N型半導体素子10並びに電極板62をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。
As a result, for example, the heat transfer path through the
また、本発明の第1の実施形態の場合と同様に、電極板52、62、72の内部にバネ100を設ける場合(図10(a)参照)、ボルト91a等を電極板52、62、72及びN型半導体素子10及びP型半導体素子20の内部に上下方向(±Z方向)へと貫通させる場合(図10(b)参照)、ボルト91a等を電極板52、62、72及びN型半導体素子10及びP型半導体素子20の内部に上下方向(±Z方向)へと貫通させ且つ電極板52、62、72内部にバネ100を設ける場合(図10(c)参照)、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤110a、110b、110dを使用する場合(図4参照)が採用され得る。それぞれ、本発明の第1の実施形態で説明した前述した理由に基づくものである。
Similarly to the case of the first embodiment of the present invention, when the
=== 第4の実施形態 ===
以下、図面を参照しつつ、本発明の第4の実施形態に係る熱電変換装置530の構成例について説明する。ここで、本発明の第4の実施形態は、電極板53、63、73を構成する複数の電極層に関して、複数枚の電極板53、63、73を熱交換基板30、40とそれぞれ対向させて並列配置させるとともに、当該複数枚の電極板53、63、73の間を、導電性の他に弾性力を確保するための伸縮可能な導電材121と、導電性並びに熱伝導性を確保するための接着剤131と、によって電気的導通させて形成される場合である。
=== Fourth Embodiment ===
Hereinafter, a configuration example of a
尚、図11は、本実施形態の熱電変換装置530の構成例を説明するためのπ型構造の単位ユニットの側部断面図を示している。尚、図11に示す例は、熱交換基板30、40それぞれと対向させる複数枚の電極板53、63、73として、2枚の電極板(53a、53b)、(63a、63b)、(73a、73b)を採用した場合である。
FIG. 11 is a side sectional view of a unit unit having a π-type structure for explaining a configuration example of the
ここで、2枚の電極板(53a、53b)、(63a、63b)、(73a、73b)の間にある空隙を電気的導通させる導電材121としては、本発明の第3の実施形態における導電材120と同様に、円筒状又は角柱状の金属繊維織物や、蛇腹(銅等)を採用することができる。また、導電材121を2枚の電極板(53a、53b)、(63a、63b)、(73a、73b)の間に接着させる接着材としては、図5に示した仕様の銀充填型セラミックペーストを採用することが好適である。
Here, the
本発明の第4実施形態では、前述した本発明の第1乃至第3の実施形態と対比して、電極板53、63、73を複数枚使用する点で異なっており、また、電極板53、63、73として要求される弾性力を、伸縮可能な導電材121によって確保するものである。この結果、本発明の第1乃至第3の実施形態と同様に、N型半導体素子10及びP型半導体素子20の熱変形が吸収される、すなわち熱応力が緩和される。
The fourth embodiment of the present invention is different from the first to third embodiments of the present invention described above in that a plurality of electrode plates 53, 63, 73 are used. , 63, 73 to secure the elastic force required by the expandable
また、ボルト・ナット90を使用することにより、N型半導体素子10及びP型半導体素子20と、電極板53、63、73との間が、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上するとともに、熱交換基板30、40と電極板53、63、73との間についても、それらの圧着面において圧着されて密着性が向上する。
Further, by using the bolt /
この結果、例えば、熱交換基板30、電極板63、P型半導体素子20、電極板73並びに熱交換基板40をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板63、P型半導体素子20並びに電極板73をそれぞれ経由する電気が伝わる経路双方の伝導性を増すことができる。尚、熱交換基板40、電極板53、N型半導体素子10、電極板63並びに熱交換基板30をそれぞれ経由する熱の伝わる経路と、電極板53、N型半導体素子10並びに電極板63をそれぞれ経由する電気が伝わる経路についても同様のことがいえる。
As a result, for example, the heat transfer path through the
また、本発明の第1の実施形態の場合と同様に、電極板53、63、73の内部にバネ100を設ける場合(図12(a)参照)、ボルト91a等を電極板53、63、73及びN型半導体素子10及びP型半導体素子20の内部に上下方向(±Z方向)へと貫通させる場合(図12(b)参照)、ボルト91a等を電極板53、63、73及びN型半導体素子10及びP型半導体素子20の内部に上下方向(±Z方向)へと貫通させ且つ電極板53、63、73内部にバネ100を設ける場合(図12(c)参照)、導電性並びに熱伝導性を有した接着剤110a、110b、110dを使用する場合(図4参照)が採用され得る。それぞれ、本発明の第1の実施形態で説明した前述した理由に基づくものである。
Similarly to the case of the first embodiment of the present invention, when the
< その他の実施形態 >
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.
=== カスケード型 ===
前述した実施形態では、単体のN型半導体素子10及びP型半導体素子20を採用した熱電変換装置500、510、520、530の場合であったが、例えば、図13に示すように、高温側(+Z側)の熱交換基板30の側に設けた弾力性を有する電極板300と圧着される高温域仕様のNh型半導体素子200と、低温側(−Z側)の熱交換基板40の側に設けた弾力性を有する電極板310と圧着される低温域仕様のPc型半導体素子210と、が電流入力用の電極板320を介在させてボルト・ナット90により圧着させて成る第1のカスケード型半導体素子と、高温側の熱交換基板30の側に設けた弾力性を有する電極板300と圧着させる高温域仕様のPh型半導体素子220と、低温側の熱交換基板40の側に設けた弾力性を有する電極板310と圧着させる低温域仕様のNc型半導体素子230と、が電流出力用の電極板330を介在させてボルト・ナット90により圧着させて成る第2のカスケード型半導体素子と、を採用した熱電変換装置600であってもよい。
=== Cascade type ===
In the above-described embodiment, the case of the
尚、「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。また、電極板300、310は、図1、図2等に示した第1の実施形態に係る電極板50、60と同様に、当該電極板300、310を短手方向に沿って少なくとも二回折り曲げて渦巻き状に形成されることで弾力性を獲得したものであるが、これに限られず、前述した各種実施形態を採用することができる。
“Nh-type semiconductor element and Ph-type semiconductor element” means N-type and P-type semiconductor elements having relatively high thermoelectric conversion efficiency in a high temperature range, respectively. “Nc-type semiconductor element and Pc-type semiconductor element” Means an N-type semiconductor device and a P-type semiconductor device each having relatively high thermoelectric conversion efficiency in a low temperature range. In addition, the
ここで、熱電変換装置600の高温側に着目すれば、電流Ihは、電極板320、Nh型半導体素子200、電極板300、Ph型半導体素子220、電極板330の順に流れる(図13の矢印参照)。一方、熱電変換装置600の低温側に着目すれば、電流Icは、電極板320、Pc型半導体素子210、電極板310、Nc型半導体素子230、電極板330の順に流れる(図13の矢印参照)。すなわち、電極板320を流れる電流Ih+Icのうち、熱電変換装置600の高温側には、熱交換基板30における高温と、電極板320と電極板330の間における中間温度と、の温度差に基づく起電力が発生して電流Ihが流れる一方で、熱電変換装置600の低温側には、電極板320と電極板330の間における中間温度と、熱交換基板40における低温との温度差に基づく起電力が発生して電流Icが流れる。
Here, focusing on the high temperature side of the
このように、カスケード半導体素子を採用した熱電変換装置600の場合、半導体素子200、210、220、230それぞれのZ軸方向の長さが相対的に短くなり、電気抵抗が小さくなるために、ジュール発熱による熱損失が低減される。この結果、熱電変換装置600の熱電変換効率がより向上することなる。さらに、熱電変換装置600は、弾性力に富んだ電極板300、310と、ボルト・ナット90による圧着によって電気的伝導性並びに熱伝導性をともに向上させる仕組みによって、熱交換基板30、40の熱膨張又は熱収縮に起因した半導体素子200、210、220、230の熱応力を緩和させつつ、電気的伝導性並びに熱伝導性を同時に確保することができる。
As described above, in the case of the
また、図13に示す以外にも、図14に示すように、高温側の熱交換基板30の側に設けた電極板710と圧着される高温域仕様のPh型半導体素子220と、低温側の熱交換基板40の側に設けた電極板720と圧着される低温域仕様のPc型半導体素子210と、が導電性及び熱伝導性を具備した接着材740を介して直列接続され且つボルト・ナット90により圧着させて成る半導体素子と、高温側の熱交換基板30の側に設けた電極板710と圧着させる高温域仕様のNh型半導体素子200と、低温側の熱交換基板40の側に設けた電極板730と圧着させる低温域仕様のNc型半導体素子230と、が導電性及び熱伝導性を具備した接着材740を介して直列接続され且つボルト・ナット90により圧着させて成る半導体素子と、を用いた熱電変換装置700であってもよい。尚、電極板710、720、730は、図13に示した電極板300、31050、60と同様に、当該電極板710、720、730を短手方向に沿って少なくとも二回折り曲げて渦巻き状に形成されることで弾力性を獲得したものであるが、これに限られず、前述した各種実施形態を採用することができる。当該熱電変換装置700もまた、熱交換基板30、40の熱膨張又は熱収縮に起因した半導体素子200、210、220、230の熱応力を緩和させつつ、電気的伝導性並びに熱伝導性を同時に確保することができる。
In addition to the configuration shown in FIG. 13, as shown in FIG. 14, a Ph-
=== 単位ユニット毎の分離 ===
前述した熱電変換装置500、510、520、530、600は、1枚の高温側の熱交換基板30と、1枚の低温側の熱交換基板40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、これらの熱交換基板30、40は、単位ユニット毎に分離してもよい。この場合、分離された熱交換基板30、40及び単位ユニットを新たな単位とすれば、本実施形態の熱交換器の部分的な修理や変更等に対して柔軟な対応が可能となる。
=== Separation by unit ===
The above-described
=== 同心円形 ===
前述した熱電変換装置500、510、520、530、600は、平面形状をなし対向する熱交換基板30、40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。熱電変換装置500、510、520、530、600は、例えば、蒸気配管の外周面を高温側の熱交換基板30とし、その更に外周面を低温側の熱交換基板40とする同心円形を呈するものでもよい。
=== Concentric circles ===
The above-described
=== 熱電冷却装置===
前述した熱電変換装置500、510、520、530、600は、ゼーベック効果を利用した熱電発電装置の場合であったが、ペルチェ効果を利用した熱電冷却装置であってもよい。尚、この場合、熱電変換装置500、510、520、530、600に電流を供給する所定の電源が別途必要となる。
=== Thermoelectric cooling device ===
The
11 貫通孔
120、121 導電材
110a〜110d、 接着剤
130、131 接着剤
140 開口部
10、910 N型半導体素子
20、920 P型半導体素子
200 Nh型半導体素子
210 Pc型半導体素子
220 Ph型半導体素子
230 Nc型半導体素子
30、40、901、902 熱交換基板
31、41、32、42 座ぐり
300、310、320、330 電極板
50〜53、60〜63、70〜73 電極板
50a〜50c、60a〜60c、70a〜70c 電極層
500、510、520、530 熱電変換装置
600、700、900 熱電変換装置
710、720、730 電極板
740 接着剤
80 固体潤滑性物質
90 ボルト・ナット
90a、91a ボルト
90b ナット
95、100 バネ
930、940、950 電極板
980 接着剤
990 半田(又は銀ロウ)
DESCRIPTION OF
Claims (17)
前記二枚の熱交換基板のうち高温側となる一方の前記熱交換基板と前記第1及び前記第2の半導体素子との間と、前記二枚の熱交換基板のうち低温側となる他方の前記熱交換基板と前記第1及び前記第2の半導体素子との間にそれぞれ介在し、前記第1及び前記第2の半導体素子を交互に直列接続していく弾性力を有した電極板と、
前記一方及び前記他方の熱交換基板の間に配設されて前記一方及び前記他方の熱交換基板を支持する棒部材と、
前記第1及び前記第2の半導体素子と前記電極板とを圧着すべく前記一方及び前記他方の熱交換基板の外側より前記棒部材の両端と結合される圧着部材と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。 At least a pair of first semiconductor elements and second semiconductor elements having different polarities arranged in parallel between two opposing heat exchange substrates;
Of the two heat exchange substrates, between the one heat exchange substrate on the high temperature side and the first and second semiconductor elements, and the other of the two heat exchange substrates on the low temperature side. An electrode plate having an elastic force interposed between the heat exchange substrate and the first and second semiconductor elements, respectively, and alternately connecting the first and second semiconductor elements in series;
A rod member disposed between the one and the other heat exchange substrate and supporting the one and the other heat exchange substrate;
A pressure-bonding member coupled to both ends of the rod member from the outside of the one and the other heat exchange substrates to pressure-bond the first and second semiconductor elements and the electrode plate;
A thermoelectric conversion device comprising:
を特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置。 The rod member is disposed in parallel with the first and second semiconductor elements and the electrode plate to be crimped to the first and second semiconductor elements between the opposing heat exchange substrates. Being
The thermoelectric conversion device according to claim 1.
前記棒部材は、前記貫通孔へと挿入されること、
を特徴とする請求項1に記載の熱電変換装置。 The one heat exchange substrate to the other heat exchange substrate penetrates through the first semiconductor element and the electrode plate to be crimped to the first semiconductor element, and the one heat exchange substrate to the other heat exchange substrate. Having a through-hole penetrating through the second semiconductor element and the electrode plate to be crimped to the second semiconductor element up to the replacement substrate;
The rod member is inserted into the through hole;
The thermoelectric conversion device according to claim 1.
前記第2の半導体素子は、前記一方の熱交換基板の側に設けた一方の前記電極板と圧着させる第2のP型半導体素子と、前記他方の熱交換基板の側に設けた他方の前記電極板と圧着させる第2のN型半導体素子と、が電流出力用の電極板を介在させて前記圧着部材により圧着させて成る第2のカスケード型半導体素子であり、
前記第1のN型半導体素子及び前記第2のP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1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15のいずれかに記載の熱電変換装置。 The first semiconductor element is provided on the side of the one heat exchange substrate, the first N-type semiconductor element that is pressure-bonded to the one electrode plate, and the other side of the heat exchange substrate. The first P-type semiconductor element that is crimped to the other electrode plate is a first cascade-type semiconductor element that is crimped by the crimping member with an electrode plate for current input interposed therebetween,
The second semiconductor element includes a second P-type semiconductor element to be pressure-bonded to one of the electrode plates provided on the one heat exchange substrate side, and the other of the second heat exchange substrate provided on the other heat exchange substrate side. A second N-type semiconductor element to be pressure-bonded to the electrode plate is a second cascade-type semiconductor element formed by pressure-bonding with the pressure-bonding member with an electrode plate for current output interposed therebetween,
The thermoelectric conversion efficiency of the first N-type semiconductor element and the second P-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 first 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 15, wherein
前記第2の半導体素子は、前記一方の熱交換基板の側に設けた一方の前記電極板と圧着させる第1のN型半導体素子と、前記他方の熱交換基板の側に設けた他方の前記電極板と圧着させる第2のN型半導体素子と、が直列接続され、且つ、前記圧着部材により圧着されて成る半導体素子であり、
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15のいずれかに記載の熱電変換装置。
The first semiconductor element is provided on the side of the one heat exchange substrate, the first P-type semiconductor element that is pressure-bonded to the one electrode plate, and the other side of the heat exchange substrate. A second P-type semiconductor element to be pressure-bonded to the other electrode plate, and a semiconductor element formed by pressure-bonding with the pressure-bonding member.
The second semiconductor element includes a first N-type semiconductor element to be pressure-bonded to one of the electrode plates provided on the one heat exchange substrate side, and the other of the second semiconductor element provided on the other heat exchange substrate side. A second N-type semiconductor element to be pressure-bonded to the electrode plate, and a semiconductor element formed by being pressure-bonded by the pressure-bonding member in series.
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 15, wherein
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