JP2019012736A - 熱電変換モジュール、及び、熱電変換モジュールの使用方法 - Google Patents
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ゼーベック効果は、熱電変換素子の両端に温度差を生じさせると起電力が発生する現象であり、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。ゼーベック効果により発生する起電力は、熱電変換素子の特性によって決まる。近年では、この効果を利用した熱電発電の開発が盛んである。
ペルティエ効果は、熱電変換素子の両端に電極等を形成して電極間で電位差を生じさせると、熱電変換素子の両端に温度差が生じる現象であり、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する。このような効果をもつ素子は特にペルティエ素子と呼ばれ、精密機器や小型冷蔵庫などの冷却や温度制御に利用されている。
このような熱電変換モジュールにおいては、複数の熱電変換素子の一端側及び他端側にそれぞれ伝熱板が配置され、この伝熱板に配設された電極部によって熱電変換素子同士が直列接続された構造とされている。なお、上述の伝熱板として、絶縁層と電極部とを備えた絶縁回路基板を用いることがある。
例えば、特許文献1には、ロータリーキルン炉の炉本体の内部温度を測定するためのロータリーキルン炉用温度測定装置であって、炉本体の内部に感温部が配置される温度センサと、炉本体に配設されて温度センサの測定データを送信する送信機と、送信機から送信された測定データを受信する受信機と、炉本体からの放熱を回収して送信機へ電力を供給する熱電池と、を備えたものが提案されている。
そして、熱電池は、炉本体側に配置される熱吸収板と、この熱吸収板と対向配置される熱放出板と、これら熱吸収板と熱放出板の間に配設された熱電変換素子と、を備えた熱電変換モジュールとされている。
また、取り付けに第1磁石を用いているので、別途、治具等を用いる必要がなく、発熱体又は冷却体への取り付け、及び、取り外しを容易に行うことができる。
この場合、第1伝熱板と第2伝熱板とが近接する方向に磁力が作用するように、第1伝熱板に配設された第1磁石と第2伝熱板に配設された第2磁石を配置することにより、第1伝熱板及び第2伝熱板との間に配設された熱電変換素子が強く挟持されることになり、第1伝熱板と熱電変換素子、及び、熱電変換素子と第2伝熱板との密着性を向上させることが可能となる。
この場合、ヒートシンクに内包された第3磁石を利用して、ヒートシンクを第2伝熱板に積層配置することができ、熱電変換素子の一端側と他端側との温度差をさらに確保することができる。また、ヒートシンクを比較的容易に配設することができ、熱電変換モジュールの構造が簡単となる。
この場合、第1放熱層が発熱体又は冷却体に接触することになり、第1放熱層で熱を拡げて第1絶縁回路基板の全体に伝熱させることができる。なお、この第1放熱層に第1磁石が配置されていてもよい。
また、第1磁石を用いて取り付けているので、別途、治具等を用いる必要がなく、発熱体又は冷却体への取り付け、及び、取り外しを容易に行うことができる。
ここで、図1及び図2に示すように、熱電変換素子11の一端側に配設された第1伝熱板20には第1電極部25が形成され、熱電変換素子11の他端側に配設された第2伝熱板30には第2電極部35が形成されており、これら第1電極部25及び第2電極部35によって、複数の柱状をなす熱電変換素子11が電気的に直列接続されている。
なお、本実施形態では、第1伝熱板20となる第1絶縁回路基板においては、図1に示すように、第1絶縁層21の他方の面(図1において下面)に、第1放熱層26が形成されている。
ここで、第1電極部25は、図2に示すように、第1絶縁層21の一方の面に、パターン状に形成されている。
ここで、第1磁石24は、使用温度に応じてその材質を選択することが好ましい。例えば、使用温度が150℃以下の場合には耐熱ネオジム磁石、200℃以下の場合にはフェライト磁石、200℃以下の場合にはサマリウムコバルト磁石、400℃以下の場合にはアルニコ磁石等を用いることができる。使用温度に応じて、最も磁力が強い磁石を用いることが好ましい。
また、第1磁石24の第1絶縁層21の一方の面に占める面積は、1%以上99%未満とすることが好ましい。熱電発電を効率的に行いたい場合は1%付近とし、確実な固定が求められる一方でセンシング用途などの大きな電力が求められない場合は99%付近とすればよい。1%未満では熱電変換モジュールに対し磁力が弱く、固定が困難になるおそれがあり、99%以上では熱電発電の効率が著しく損なわれるおそれがある。
本実施形態では、図1及び図2に示すように、アルミニウムからなる第1電極部25の表面に第1磁石24をセラミックス製の接着剤によって接合している。
なお、本実施形態では、第2伝熱板30となる第2絶縁回路基板においては、図1に示すように、第2絶縁層31の他方の面(図1において上面)に、第2放熱層36が形成されている。
ここで、第2電極部35は、図3に示すように、第2絶縁層31の一方の面に、パターン状に形成されている。
ここで、第2磁石34は、第1磁石24と同様に、使用温度に応じて材質を選択することが好ましい。
また、第2磁石34の第2絶縁層31の一方の面に占める面積は、1%以上99%未満とすることが好ましい。
本実施形態では、図1及び図3に示すように、アルミニウムからなる第2電極部35の表面に第2磁石34をセラミックス製の接着剤によって接合している。
そして、このヒートシンク40の天板部41には、第3磁石44が配設されている。ここで、第2伝熱板30(第2絶縁回路基板)に配設された第2磁石34と、ヒートシンク40の天板部41に配設された第3磁石44とは、互いに対向するとともに対向する面が互いに異なる極となるように配設されており、第2伝熱板30(第2絶縁回路基板)の第2放熱層36とヒートシンク40の天板部41とが磁力によって固定されている。ヒートシンク40は熱伝動性の高い材料、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅や銅合金等から構成されている。
また、第3磁石44の天板部41の面に占める面積は、1%以上50%未満とすることが好ましい。
なお、第3磁44の配設方法には、特に制限はないが、図1に示すように、ヒートシンク40に収容凹部を形成して、この収容凹部内に第3磁石44を嵌入させるとよい。この場合、図1に示すように、第2放熱層36とヒートシンク40が直接接触することにより、第2放熱層36からヒートシンク40への熱伝導を低下させることが無い。
なお、この熱電変換素子11の一端面及び他端面には、メタライズ層(図示なし)がそれぞれ形成されている。メタライズ層としては、例えば、ニッケル、銀、コバルト、タングステン、モリブデン等や、あるいはそれらの金属繊維でできた不織布等を用いることができる。なお、メタライズ層の最表面(第1電極部25及び第2電極部35との接合面)は、Au又はAgで構成されていることが好ましい。
n型熱電変換素子11aの材料として、例えば、Bi2Te3、PbTe、La3Te4、CoSb3、FeVAl、ZrNiSn、Ba8Al16Si30、Mg2Si、FeSi2、SrTiO3、CaMnO3、ZnO、SiGeなどが用いられる。
また、p型熱電変換素子11bの材料として、例えば、Bi2Te3、Sb2Te3、PbTe、TAGS(=Ag‐Sb‐Ge‐Te)、Zn4Sb3、CoSb3、CeFe4Sb12、Yb14MnSb11、FeVAl、MnSi1.73、FeSi2、NaxCoO2、Ca3Co4O7、Bi2Sr2Co2O7、SiGeなどが用いられる。
なお、ドーパントによりn型とp型の両方をとれる化合物と、n型かp型のどちらか一方のみの性質をもつ化合物がある。
本実施形態である熱電変換モジュール10においては、例えば、第1伝熱板20側を高温部とし、第2伝熱板30側を低温部として使用され、熱エネルギーと電気エネルギーとの変換が実施される。
このように、熱電変換素子11の一端側に配設された第1伝熱板20(第1絶縁回路基板)と、熱電変換素子11の他端側に配設された第2伝熱板30(第2絶縁回路基板)とで温度差が確保され、効率良く電力を得ることが可能となる。
また、取り付けに第1磁石24を用いているので、別途、治具等を用いる必要がなく、発熱体(本実施形態では、ロータリーキルン炉の炉本体3の側壁)への取り付け、及び、取り外しを容易に行うことができる。
また、ヒートシンク40の天板部41に第3磁石44が配設されており、第2伝熱板30(第2絶縁回路基板)に配設された第2磁石34と、ヒートシンク40の天板部41に配設された第3磁石44とは、互いに対向するとともに対向する面が互いに異なる極となるように配設されているので、第2伝熱板30(第2絶縁回路基板)の第2放熱層36にヒートシンク40を磁力によって固定することができる。
さらに、本実施形態では、ヒートシンクを、天板部とフィンとを備えた構造の物として説明したが、ヒートシンクの構造に制限はない。
11 熱電変換素子
20 第1伝熱板(第1絶縁回路基板)
21 第1絶縁層
24 第1磁石
25 第1電極部
30 第2伝熱板(第2絶縁回路基板)
31 第2絶縁層
34 第2磁石
35 第2電極部
40 ヒートシンク
44 第3磁石
Claims (5)
- 複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第1電極部及び他端側に配設された第2電極部と、を有し、前記第1電極部及び前記第2電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続してなる熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換素子の一端側には、第1絶縁層と、この第1絶縁層の一方の面に形成された前記第1電極部と、を備えた第1伝熱板が配設されており、この第1伝熱板に、第1磁石が配設されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 前記熱電変換素子の他端側には、前記第2電極部を備えた第2伝熱板が配設されており、前記第2伝熱板に第2磁石が配設されていることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第2伝熱板の前記第2電極部とは反対側に、ヒートシンクが積層配置されており、前記ヒートシンクに第3磁石が内包されていることを特徴とする請求項2に記載の熱電変換モジュール。
- 前記第1伝熱板は、前記第1絶縁層の前記第1電極部とは反対側の面に、第1放熱層を備えていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
- 複数の熱電変換素子と、これら熱電変換素子の一端側に配設された第1電極部及び他端側に配設された第2電極部と、を有し、前記第1電極部及び前記第2電極部を介して複数の前記熱電変換素子が電気的に接続してなる熱電変換モジュールの使用方法であって、
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の熱電変換モジュールの前記第1伝熱板に配設された前記第1磁石を用いて、前記熱電変換モジュールを発熱体又冷却体に取り付けることを特徴とする熱電変換モジュールの使用方法。
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