JP2010278035A

JP2010278035A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2010278035A
Application number: JP2009125958A
Authority: JP
Inventors: Michiyuki Nakamura; 倫之中村; Masafumi Kusaka; 雅文日下; Junichi Nishioka; 淳一西岡
Original assignee: SWCC Showa Cable Systems Co Ltd
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: JP5249130B2

Abstract

【課題】熱電変換素子と電極の機械的強度を向上させて強固な接合を実現でき、また絶縁基板を用いることなく絶縁性を保持でき、さらに熱電変換素子同士が可撓性を有し、耐久性の高い熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の熱電変換モジュール（１）は、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子（２）が順次交互に配置されており、熱電変換素子の両端側に絶縁体からなるキャップ（３）が被せられている。熱電変換素子とキャップはキャップの内部に充填された金属系接合材（４）により接合され、隣り合うキャップに覆われた熱電変換素子同士が金属テープ（５）を介して順次接続されている。金属テープは、その端部がキャップの内部に充填された金属系接合材と接続されており、金属系接合材は銀ペーストが好ましく、金属テープは銀テープが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電若しくは冷却に使用可能な熱電変換モジュールに係り、特に熱電変換素子と電極との接合部における耐久性に優れ、機械的強度が高く、柔軟性を有する熱電変換モジュールに関する。

従来からゼーベック効果あるいはペルチェ効果を利用する熱電変換モジュールが知られているが、この熱電変換モジュールは、絶縁熱伝導板（基板）の間に電極とＰ型及びＮ型の半導体からなる熱電変換素子を直列になるように配置し、これらの熱電変換素子に温度差を付けて発電させたり（ゼーベック効果）、若しくは電流を流すことにより冷却したり（ペルチェ効果）するものである（例えば、特許文献１〜３参照）。

このような熱電変換モジュールは電極が一体化されているために冷却面と発熱面での温度差により加わる熱歪みがモジュール全体に及び、熱歪みの大きさによっては熱電変換素子が破損する虞があった。また、電極と熱電変換素子の材料同士が異種接合となるために熱膨張率の差が生じた場合には接合部分で破壊が生じる場合もあった。

ところで、熱電変換素子に用いられる材料としては、ビスマス・テルル系、鉛・テルル系あるいはシリコン・ゲルマニウム系などの金属系材料があるが、金属系材料は稀少元素であることや毒性の強い環境負荷物質を含むこと、高温大気中で使用する場合に酸化が生じたり成分元素の融解が生じたりすることなどの問題から、高温環境下では酸化物系材料を用いた方が好ましいとされている。

このように酸化物系材料を用いた熱電変換モジュールにおいては、使用温度領域が高く、通常ハンダの融点を超えてしまうため、ハンダによる強固な接合ができないという状況がある。そういう場合には貴金属ペーストによる接合を行っているが、これは本来接合用の材料ではないので接合強度が弱くなる。

以上のような状況から最近ではスケルトン型の熱電変換モジュールが提案されている。スケルトン型の熱電変換モジュールは中間部に構造材として中間支持基板を設けたものであり、セラミックス絶縁電極のような一体型構造ではなく、個々の熱電変換素子と電極間は結合しているが全体としては一体化しておらず、熱歪みを集中させない構造となっている（例えば、特許文献４参照）。

特開平５−２９６６７号公報特開２００５−３０２７８３号公報特開２０００−１６４９４１号公報特開２００６−３２８５０号公報

上記したように、従来の熱電変換モジュールのうち、絶縁基板を用いたものは熱歪みのために熱電変換素子の破損や電極と熱電変換素子の接合破壊が生じる場合があった。また、酸化物系熱電変換素子の場合は接合強度に問題があった。

一方、スケルトン型の熱電変換モジュールの場合は、熱歪みによる破損は減少するが、電極が剥き出しの状態となっているために電極を別途絶縁する必要があり、また高温雰囲気において機械的耐久性を有し、かつ高温で絶縁でき、さらに熱伝達に支障のない構造とすることは困難であった。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、熱電変換素子と電極の機械的強度を向上させて強固な接合を実現でき、また絶縁基板を用いることなく絶縁性を保持でき、さらに熱電変換素子同士が可撓性を有し、耐久性の高い熱電変換モジュールを提供するものである。

この目的を達成するために本発明の熱電変換モジュールの第１の態様は、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子が順次交互に配置されてなる熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子の両端側に絶縁体からなるキャップが被せられており、熱電変換素子とキャップはキャップの内部に充填された金属系接合材により接合され、隣り合うキャップに覆われた熱電変換素子同士が金属テープを介して順次接続されていることを特徴とする。

また本発明の熱電変換モジュールの第２の態様は、第１の態様において、金属テープは、その端部がキャップの内部に充填された金属系接合材と接続されていることを特徴とする。

さらに本発明の熱電変換モジュールの第３の態様は、第１の態様または第２の態様において、金属テープは銀テープからなることを特徴とする。

また本発明の熱電変換モジュールの第４の態様は、第１から第３の態様において、金属系接合材は金属ペースト若しくは金属ろう材であることを特徴とする。

さらに本発明の熱電変換モジュールの第５の態様は、第４の態様において、金属ペーストは銀ペーストからなることを特徴とする。

本発明によれば、熱電変換モジュールを温度差の大きい領域に設置した場合でも熱歪みの集中を受け難く、従って熱電変換素子と電極との接合部分が破壊することがなく、機械的強度の高い熱電変換モジュールを提供することができる。

本発明の熱電変換モジュールの構成の一実施の形態を示す図である。本発明の熱電変換モジュールの作製手順を説明するための図である。

以下、本発明の熱電変換モジュールの好ましい実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の熱電変換モジュールの構成を表した図である。図１（ａ）はその全体斜視図、図１（ｂ）は本発明の熱電変換モジュールのうちの一つの熱電変換素子の断面図を表している。

図１（ａ）、図１（ｂ）において、本発明の熱電変換モジュール１は、熱電変換素子２の両端側に絶縁体からなるキャップ３が被せられている。キャップ３の内部には金属系接合材４が充填されている。この金属系接合材は、例えば金属ペースト若しくは金属ろう材が好ましく、金属ペーストを用いた場合には金属ペーストを焼成することにより熱電変換素子２とキャップ３とが接合される。また、金属系接合材４には金属テープ５の端部が接続されており、各熱電変換素子同士は金属テープ５を電極として電気的に接続されている。

熱電変換素子２はＰ型及びＮ型の素子が順次交互に直列に配置されている。熱電変換素子は金属系材料、酸化物系材料のどちらを用いてもよい。また、キャップ３はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、シリカ（ＳｉＯ_２）、窒化アルミ（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、パイレックス（登録商標）ガラスのような耐熱ガラス等の絶縁性を有するセラミックス材料若しくはガラス材料から構成されている。

キャップ３は上記したように絶縁性を有するセラミックス材料若しくはガラス材料から構成されているので、従来のスケルトン型の熱電変換モジュールのような絶縁処理を施す必要がなく、またキャップ３の絶縁性のために熱電変換モジュールを取り扱う際にショートするような懸念もない。

金属系接合材４は熱伝導率の高い材料であれば特に限定されるものではないが、例えば金属ペーストの場合、ＡｇＰｔペースト、ＡｇＰｄペースト、Ａｕペースト、Ｃｕペースト等が用いられ、特に銀ペーストは熱伝導率が高く、好ましい。また、金属ろう材の場合は銀ろう、金ろう、パラジウムろう等が用いられる。さらに、金属テープ５は電気伝導度の高い材料が好ましく、単線、平編み線、拠り線、コイルバネ等が用いられ、中でも銀テープが本発明の熱電変換モジュールに適している。

このような本発明の熱電変換モジュールにおいては、熱電変換素子２と金属系接合材４との接合面積が大きいので機械的強度が高くなる。また、例えばゼーベック効果を利用する場合、金属系接合材として銀ペーストを用いると、キャップが加熱されると銀ペーストに熱が伝わるが、銀ペーストと熱電変換素子の接触表面積が大きいので効率よく熱電変換素子に熱を伝えることができる。

また、金属テープ５は可撓性を有し、かつ強度も確保しなければならないので、厚さ２００μｍ程度、幅２ｍｍ程度の銀テープを用いることが好ましい。このように金属テープ（銀テープ）５により各熱電変換素子を接続すると、各熱電変換素子同士が可撓性を有することとなるので、本発明の熱電変換モジュールを湾曲した部分にも取り付けることが可能となる。なお、図１においては金属テープ５による熱電変換素子の接続を図中の上下で交互に行っているが、この接続方法については特に限定はなく、片端側同士で接続しても差し支えない。

以上より、本発明の熱電変換モジュールは、従来のような絶縁基板を用いた一体型の構造ではなく、個々の熱電変換素子が独立した構造となっているので、熱歪みの集中を受け難く、長期の使用においても耐久性に極めて優れている。

本発明の熱電変換モジュールは次のようにして作製することができる。図２は本発明の熱電変換モジュールの作製手順を説明するための図である。まず図２（ａ）において、セラミックス材料からなるキャップ３を用意する。本実施の形態においては一例として２個用意するが、１個でもよく、また３個以上でも差し支えない。そしてこのキャップ３に予め金属系接合材として金属ペースト４を必要量だけ充填する。

次に図２（ｂ）において示すように、金属テープ５を２個のキャップ３に跨らせるようにして金属テープ５の先端をそれぞれの金属ペースト４に挿入する。さらに図２（ｃ）において、熱電変換素子２をキャップ３内に差し込む。なお、図２（ｂ）における金属テープ５の挿入と図２（ｃ）における熱電変換素子２の差し込みとを同時に行ってもよい。その後、図２（ｄ）に示すように金属ペースト４を焼成して熱電変換素子２とキャップ３を接合する。このようにして順次各熱電変換素子同士を金属テープにより接続する。

なお、図２においては熱電変換素子の片側だけにキャップを被せる例を示しているが、片側のキャップの取り付けが終わった後に同じように反対側のキャップの取り付けを行うようにする。この場合、複数の熱電変換素子の片側だけにまず一斉にキャップを取り付け、その後反対側のキャップの取り付けを行ってもよく、あるいは一つずつの熱電変換素子についてまず片側のキャップの取り付けを行い、次に反対側にキャップを取り付けてもよい。いずれの方法を採用するにしても本発明の熱電変換モジュールの作製において最も適した方法を選択することができる。

次に、本発明の熱電変換モジュールのうちの一つの熱電変換素子について引張応力及び剪断応力を求めた結果を比較例とともに示す。
＜実施例＞
直径３ｍｍ、高さ６ｍｍの熱電変換素子の両端に外径５ｍｍ、内径４ｍｍ、底辺厚さ１ｍｍ、高さ３ｍｍのキャップを被せた。キャップの内部には予め必要量の銀ペーストが充填されており、熱電変換素子にキャップを被せた後に８５０℃で加熱して銀ペーストの焼成を行った。この時の引張応力は５０．０ＭＰａ、剪断応力は９０．２ＭＰａであった。
＜比較例＞
直径３ｍｍ、高さ６ｍｍの熱電変換素子を用い、アルミナ基板に銀ペーストで電極を印刷し、その上に銀ペーストで熱電変換素子の底面だけを接合し、銀ペーストの焼成を行った。この時の引張応力は５．０ＭＰａ、剪断応力は３．０ＭＰａであった。

上記実施例及び比較例から、本発明の熱電変換モジュールは従来の熱電変換モジュールに比べて極めて高い機械的強度を有していることが明らかとなった。

以上より、従来の熱電変換モジュールに比べて本発明の熱電変換モジュールは、熱電変換素子と電極の接合における機械的強度が高く、また絶縁基板を用いることなく絶縁性を保持でき、さらに熱電変換素子同士が可撓性を有している。また、その構造上熱歪みの集中を受け難いため、長期的使用における耐久性が極めて高い。

１熱電変換モジュール
２熱電変換素子
３キャップ
４金属系接合材
５金属テープ

Claims

Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子が順次交互に配置されてなる熱電変換モジュールにおいて、前記熱電変換素子の両端側に絶縁体からなるキャップが被せられており、前記熱電変換素子と前記キャップは前記キャップの内部に充填された金属系接合材により接合され、隣り合う前記キャップに覆われた前記熱電変換素子同士が金属テープを介して順次接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
前記金属テープは、その端部が前記キャップの内部に充填された金属系接合材と接続されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
前記金属テープは銀テープからなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱電変換モジュール。
前記金属系接合材は金属ペースト若しくは金属ろう材であることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかの請求項に記載の熱電変換モジュール。
前記金属ペーストは銀ペーストからなることを特徴とする請求項４記載の熱電変換モジュール。