JP4775932B2

JP4775932B2 - 伝熱用クッションおよびこれを備える熱電変換モジュール

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Publication number: JP4775932B2
Application number: JP2004198981A
Authority: JP
Inventors: 満神戸; 英雄四方
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2024-07-06
Also published as: JP2006024608A

Description

本発明は、伝熱用クッションおよびこれを備える熱電変換モジュールに関する。さらに詳述すると、本発明は、クッションと伝熱の機能を兼ね備える伝熱用クッションおよびこれを備える熱電変換モジュールに関する。

発熱機器から放熱設備まで熱を輸送する熱輸送手段としては、冷却材を強制循環させるループ、ヒートパイプ、銅やカーボンファイバー等の高熱伝導材料、ヒートポンプおよびペルチェ冷却システム等がある。いずれの熱輸送手段を採用する場合でも、効率的に発熱機器から放熱設備まで熱を輸送するためには、例えば図３に概略構成を示すように、発熱機器１０１の発熱面１０１ａとこの発熱面１０１ａと対向する熱輸送手段１０３の面１０３ａ、および放熱設備１０２の受熱面１０２ａとこの受熱面１０２ａと対向する熱輸送手段１０３の面１０３ａ’とを確実に接触させて、接触熱抵抗を低減する必要がある。

一方、熱源からの廃熱などを利用して発電を行う熱電変換モジュールがある。この熱電変換モジュール１０５は、例えば図４に示すように、交互に並ぶ複数のＰ型熱電半導体１０６ａとＮ型熱電半導体１０６ｂと、隣接するＰ型熱電半導体１０６ａとＮ型熱電半導体１０６ｂとを交互に電気的に連結する電極１０７と、電極１０７の熱源側に積層される電気絶縁性の受熱板１０８と、受熱板１０８の反対側の電極１０７に積層されて冷却手段により冷却される電気絶縁性の冷却板１０９とを備えている。

この熱電変換モジュール１０５においては、発電性能の向上のために、熱電半導体１０６の両面にできるだけ大きい温度差を与える必要がある。このために従来では、図４（Ａ）に示すように、組み立て済みの熱電変換モジュール１０５を熱源としての加熱ダクト１１０および冷却手段としての冷却ダクト１１１の間に挟み、ダクト１１０，１１１の上下から加圧力を作用させて、加熱ダクト１１０および冷却ダクト１１１が熱電変換モジュール１０５に密着するようにし、接触熱抵抗を低減して熱を効果的に伝導させる方法がとられている。また、図４（Ｂ）に示すように、熱電変換モジュール１０５と加熱ダクト１１０および冷却ダクト１１１の間にゴムシート１１２を介在させ、ダクト１１０，１１１の上下から加圧力を作用させる方法もある。さらに、図４（Ｃ）に示すように、熱電変換モジュール１０５と加熱ダクト１１０および冷却ダクト１１１の間に熱伝導の良いグリース１１３を介在させ、ダクト１１０，１１１の上下から加圧力を作用させる方法もある（特許文献１参照）。

特開平１１−３０７８２号公報

しかしながら、図３に示す発熱機器１０１の発熱面１０１ａと熱輸送手段１０３の面１０３ａ、および熱輸送手段１０３の面１０３ａ’と放熱設備１０２の受熱面１０２ａを単に接触させた場合の接触熱抵抗は、表面仕上げ状態や面同士を押し付ける加圧力などにも依存するが、一般に１０^−３〜１０^−２（ｍ^２Ｋ／Ｗ）程度となり、接触面で大きな温度落差を発生し熱抵抗となる。接触熱抵抗を低減するには接触面を接合することが最も効果的だが、接合により両部材の相対変位が不可能になり、部材の温度変化にともなう熱膨張差を吸収できず、部材の破損につながる恐れがある。

また、熱電変換システムにおいて、図４（Ａ）に示す熱電変換モジュール１０５を挟んだダクト１１０，１１１の上下から加圧力を作用させる方式では、加圧力が弱いと接触熱抵抗が大きくなり、熱電半導体１０６本体への温度差が低減し出力が低下する。逆に加圧力を高めると出力は上がるが、熱電半導体１０６本体を破壊する恐れがあり、加圧力の調整が極めて難しい。このため、接触熱抵抗を低減するには、接触面となる受熱板１０８、冷却板１０９および加熱ダクト１１０、冷却ダクト１１１の平面度および表面粗さを向上させるため高精度の仕上げを行い、接触面の密着度を向上させる必要がある。但し、このような高精度の仕上げを行った場合でも、温度差が生じれば、受熱板１０８、冷却板１０９および加熱ダクト１１０、冷却ダクト１１１の接触面が曲面状に変形してしまう（面外変形とも呼ばれる）ため、常に良好な密着を保つことは不可能である。接触面が曲面状に変形してしまうと接触面間に隙間を生じ、大きな接触熱抵抗が発生してしまう。加えて、図４（Ａ）に示すシステムでは、起動・停止時には熱過渡に起因する熱応力の回避のため加圧力を必ず緩める必要があり、実用性の点で劣る。

また、図４（Ｂ）に示す方式では、柔軟なゴムシート１１２が熱応力を緩和するため、加圧力の微妙な調整は不要だが、ゴムシート１１２の熱伝導率が悪いため、熱電半導体１０６本体への温度差が著しく低減し出力が大幅に低下する欠点がある。また、図４（Ｃ）に示す方式は、グリース１１３がすぐに酸化して劣化してしまったり蒸発してしまうため、実用システムでは採用できない。

また、特に加熱ダクト１１０は運転・停止中の温度差に起因する大きな熱膨張変位を生ずるため、熱電変換モジュール１０５がこの変位を許容できる構造が不可欠である。さもないと繰り返し応力により熱電変換モジュール１０５を破壊することになる。熱膨張変位量は、加熱ダクト１１０の寸法（固定位置から自由端までの距離）および運転・停止中の温度差に比例する。例えば一辺が２ｍの炭素鋼製の加熱ダクト１１０をその中心部で固定する場合、固定位置から自由端までの距離は１ｍである。この加熱ダクト１１０が運転中は５２０℃となり、停止中は２０℃となるとすると、その変位量は次式で計算される。

＜数式１＞
変位量＝線膨張係数×温度差×距離
＝１６×１０^−６×（Ｋ^−１）×５００（Ｋ）×１０００（ｍｍ）＝８（ｍｍ）

このように熱電変換モジュール１０５は、接触熱抵抗を低減するためにしっかりと加圧され拘束されている必要があると同時に、上記の熱膨張による変位量を許容する必要がある。このような相反する要求を両立できる方策が求められているのが現状である。

そこで本発明は、接触熱抵抗を低減して熱を効果的に伝導させ、尚且つ熱膨張変位を容易に吸収できる伝熱用クッションおよびこれを備える熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、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り、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と共に前記使用温度よりも融点が高い材料から成るシェルとを有し、前記シェルの前記高温側の面と対向する面または前記低温側の面と対向する面の一方または双方にカーボンシートが設けられるようにしている。

したがって、使用温度下で液状を呈する低融点材料およびこの低融点材料を封入する柔軟なシェルが、接触する伝熱面の曲面状の変形（面外変形）に追従して、２つの伝熱面の間を良好に充填し、これら２面の間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。従って、伝熱用クッションは対向する２面と常に良好な密着状態を保つ。しかも、液状の低融点材料は熱伝導率が高いので、伝熱用クッションの熱抵抗を低く押さえることができ、効率的に高温側の面から低温側の面へと熱を伝えることができる。
したがって、伝熱面が熱膨張した場合でも、伝熱面をシート材上で滑らせて面方向にスライド移動させるので、シェルに作用しようとするせん断応力を逃がし、シェルの破壊を防止できる。これにより、伝熱面が大型となる場合の大きな熱膨張変位、例えば大型の加熱ダクトの運転・停止中の温度差に起因する熱膨張変位を許容できる。
カーボンシートは摺動性に優れると共に、カーボンシートが介在する界面の熱抵抗を、これがない場合の１／１０以下に低減することができる。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の伝熱用クッションにおいて、シェルは金属フォイルよりなるものとしている。この場合、シェルは熱伝導率の高い金属製とされ、且つ薄く形成されるので、伝熱用クッションの熱抵抗を低く押さえることができ、効率的に高温側の面から低温側の面へと熱を伝えることができる。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の伝熱用クッションにおいて、低融点材料は融点が使用温度以下の金属であるものとしている。この場合、低融点材料は熱伝導率の高い金属であり、しかも使用温度下で溶融状態となり更に熱伝導率が高まるので、伝熱用クッションの熱抵抗を低く押さえることができ、効率的に高温側の面から低温側の面へと熱を伝えることができる。

また、請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の伝熱用クッションにおいて、低融点材料は、融点が使用温度以下の金属に、当該金属よりも熱伝導率の高い微粒子を添加してなるものとしている。従って、使用温度よりも融点が低く且つ高い熱伝導率を有するとの低融点材料に適した条件を満足させることができる。

また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１つに記載の伝熱用クッションにおいて、低融点材料を封入した状態でシェルの内部に隙間ができるようにしている。この場合、低融点材料が溶融した際の体積膨張を吸収することができ、低融点材料の体積膨張によりシェルが破損してしまうことを防止できる。

また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の伝熱用クッションにおいて、前記隙間を真空とする又は不活性雰囲気とするようにしている。この場合、低融点材料の酸化を防ぐことができる。

また、請求項７記載の発明は、少なくとも一対の熱電素子と、熱源から熱を受ける受熱部と、前記熱電素子を挟んで前記受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、前記受熱部と前記放熱部との温度差により発電する熱電変換モジュールにおいて、前記受熱部または前記放熱部の一方または双方に、請求項１から６のいずれか１つに記載の伝熱用クッションを備えるようにしている。

したがって、使用温度下で液状を呈する低融点材料およびこの低融点材料を封入する柔軟なシェルが、接触する伝熱面の曲面状の変形（面外変形）に追従して、２つの伝熱面の間を良好に充填し、これら２面の間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。従って、伝熱用クッションは対向する２面と常に良好な密着状態を保つ。しかも、液状の低融点材料は熱伝導率が高いので、伝熱用クッションの熱抵抗を低く押さえることができ、効率的に熱を伝えることができる。これにより、熱電変換モジュールに負荷できる温度差を従来よりも増大でき、熱電変換モジュールの発電電力を向上できる。すなわち実質的なエネルギー変換効率を向上できる。これにより熱電変換システムの発電単価を低減できる。また、液状の低融点材料を封入した柔軟なシェルがクッションとして機能し、熱電変換モジュールに作用する加圧力により熱電素子が破壊してしまうことを防止する。

しかして請求項１記載の伝熱用クッションによれば、使用温度下で液状を呈する低融点材料およびこの低融点材料を封入する柔軟なシェルが、接触する伝熱面の曲面状の変形（面外変形）に追従して、２つの伝熱面の間を良好に充填し、これら２面の間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。しかも、液状の低融点材料は熱伝導率が高いので、伝熱用クッションの熱抵抗を低く押さえることができる。よって、高温側の面から低温側の面へと効率的に熱を伝えることができる。この伝熱用クッションを用いることにより、発熱機器や放熱設備あるいは熱輸送手段などの伝熱面の平面度および表面粗さに対する要求条件を緩和することができ、また、対向する２つの伝熱面を直接接合しなくて済むので、対向する２つの伝熱面の熱膨張差によって部材を破損してしまうこともない。
しかも、請求項１記載の伝熱用クッションによれば、伝熱面が熱膨張した場合でも、伝熱面をシート材上で滑らせて面方向にスライド移動させるので、シェルに作用しようとするせん断応力を逃がし、シェルの破壊を防止できる。これにより、伝熱面が大型となる場合の大きな熱膨張変位、例えば大型の加熱ダクトの運転・停止中の温度差に起因する熱膨張変位を許容できる。
特に、請求項１記載の伝熱用クッションによれば、シート材をカーボンシートとしているので、カーボンシートは摺動性に優れると共に、カーボンシートが介在する界面の熱抵抗を、これがない場合の１／１０以下に低減することができる。

さらに請求項２記載の伝熱用クッションによれば、シェルは金属フォイルよりなるものとしているので、伝熱用クッションの熱抵抗をより低く押さえることができ、効率的に高温側の面から低温側の面へと熱を伝えることができる。

さらに請求項３記載の伝熱用クッションによれば、低融点材料は融点が使用温度以下の金属としているので、伝熱用クッションの熱抵抗をより低く押さえることができ、効率的に高温側の面から低温側の面へと熱を伝えることができる。

さらに請求項４記載の伝熱用クッションによれば、低融点材料は、融点が使用温度以下の金属に、当該金属よりも熱伝導率の高い微粒子を添加してなるものとしているので、使用温度よりも融点が低く且つ高い熱伝導率を有するとの低融点材料に適した条件を満足させることができる。

さらに請求項５記載の伝熱用クッションによれば、低融点材料を封入した状態でシェルの内部に隙間ができるようにしているので、低融点材料が溶融した際の体積膨張を吸収することができ、低融点材料の体積膨張によりシェルが破損してしまうことを防止できる。

さらに請求項６記載の伝熱用クッションによれば、上記隙間を真空とする又は不活性雰囲気とするので、低融点材料の酸化を防ぐことができる。

さらに請求項７記載の熱電変換モジュールによれば、上記伝熱用クッションを備えるので、熱電変換モジュールに負荷できる温度差を従来よりも増大でき、熱電変換モジュールの発電電力を向上できる。すなわち実質的なエネルギー変換効率を向上できる。これにより熱電変換システムの発電単価を低減できる。また、液状の低融点材料を封入した柔軟なシェルがクッションとして機能し、熱電変換モジュールに作用する加圧力により熱電素子が破壊してしまうことを防止する。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１に本発明の伝熱用クッションの実施の一形態を示す。この伝熱用クッション１は、温度差のある２面Ｓ１，Ｓ２の間に介在しこれら２面Ｓ１，Ｓ２から加圧力を受けると共に高温側の面Ｓ１から低温側の面Ｓ２へと熱を伝えるものである。

例えば発熱機器から放熱設備まで熱を輸送する熱輸送手段において、発熱機器と熱輸送手段との間に伝熱用クッション１を介在させる場合は、発熱機器の発熱面が高温側の面Ｓ１となり、発熱機器の発熱面と対向する熱輸送手段の面が低温側の面Ｓ２となる。また、熱輸送手段と放熱設備との間に伝熱用クッション１を介在させる場合は、放熱設備の受熱面が低温側の面Ｓ２となり、放熱設備の受熱面と対向する熱輸送手段の面が高温側の面Ｓ１となる。本実施形態では、高温側の面を加熱面Ｓ１と呼び、低温側の面を受熱面Ｓ２と呼び、加熱面Ｓ１を有する部材を熱源２と呼び、受熱面Ｓ２を有する部材を受熱部材３と呼ぶ。例えば図１は、熱源２が加熱ダクトであり、受熱部材３が冷却ダクトである例を示す。

この伝熱用クッション１は、融点が使用温度以下である低融点材料４と、この低融点材料４を封入し且つ液状の低融点材料４の変形を許容する柔軟性を備えるシェル５とを備えている。

シェル５の厚みは、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２の温度差による曲面状の変形（面外変形）に柔軟に追従することができるように、また熱抵抗を小さくする観点から、薄くすることが望ましく、例えば２０μｍ〜１００μｍ（０．１ｍｍ）程度とすることが好ましい。また、シェル５の材料は、使用温度下で低融点材料４を確実に密封できるように融点が使用温度よりも高く、且つ封入する低融点材料４との共存性が良いものが選択される。特に高い熱伝導率を有する金属材料の利用が好ましい。例えば、使用温度が２５０℃以下の場合にはアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などが利用でき、使用温度が４００℃以下ではステンレス鋼（ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６）などが利用でき、使用温度が６００℃以下では、インコネル（Inconel）などが利用できる。本実施形態のシェル５は例えば薄い金属フォイル（金属箔）を用いて形成されている。但し、シェル５の材料が金属に限定されるものではない。

一方、低融点材料４は、使用温度よりも融点が低く、且つ高い熱伝導率を有し、シェル５との共存性が良いものが選択される。具体的には、すず（Ｓｎ：融点２３２℃）、ビスマス（Ｂｉ：融点２７１℃）などが利用できる。ここで、融点が使用温度以下の金属に、当該金属よりも熱伝導率の高い微粒子を添加することで、使用温度よりも融点が低く且つ高い熱伝導率を有するとの条件を満足した低融点材料４を得るようにしても良い。例えばビスマスに、銅（Ｃｕ）またはタングステン（Ｗ）などの微粒子を添加することで、見かけの熱伝導率を高めることができる。この他、高価なため一般的ではないが、ガリウム（Ｇａ：融点３０℃）、インジウム（Ｉｎ：融点１５７℃）なども低融点材料４として利用可能である。但し、低融点材料４が金属に限定されるものではない。例えば、金属以外では溶融塩（例えばＮａＮＯ_３／ＫＮＯ_３）などを低融点材料４として利用できる。

伝熱用クッション１は例えば次のように作製される。例えば、２枚の薄い平板状の金属フォイルの一方または両方に対してプレス成形加工などを施し、これら２枚の金属フォイルの周縁を合わせた場合にこれら２枚の金属フォイル間に１〜２ｍｍ程度の隙間ができるようにする。この隙間に、当該隙間と同一厚さのシート状に成形された低融点材料４を入れて、前記２枚の金属フォイルを合わせた状態で、周囲を電子ビーム溶接などの方法により密封する。これにより、上記２枚の金属フォイルはシェル５として機能する。尚、図１は、２枚の平板状金属フォイルの一方のみに対してプレス成形加工を施し、低融点材料４を封入するための隙間を形成した例を示す。但し、図１の構成には限定されず、例えば２枚の平板状金属フォイルの双方に対してプレス成形加工などを施して、シェル５を構成する２枚の金属フォイルを上下対称の形状として、当該シェル５の内部に低融点材料４を封入するための隙間を形成するようにしても良い。また、低融点材料４を粉末（例えば上記に例示した金属の粉末）とし、当該粉末状の低融点材料４をシェル５の内部に形成した隙間に充填するようにしても良い。

ここで、低融点材料４を封入した状態でシェル５の内部に隙間６ができるようにすることが好ましい。例えば本実施形態では、低融点材料４のシートの寸法をシェル５の内部の平面寸法よりも小さくして、シェル５の内部の隙間６を確保するようにしている。隙間６を確保することで、低融点材料４が溶融した際の体積膨張を吸収することができ、低融点材料４の体積膨張によりシェル５が破損してしまうことを防止できる。

さらに、シェル５の内部に確保した隙間６は、真空または不活性雰囲気とすることが、低融点材料４の酸化を防ぐ上で好ましい。尚、シェル５の周囲を電子ビーム溶接により密封する場合は、電子ビーム溶接が真空雰囲気で行われるため、シェル５の内部は自ずと真空になる。シェル５の内部を不活性雰囲気とする場合には、例えばアルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスを低融点材料４とともにシェル５内に封入するようにする。

シェル５を構成する２枚の金属フォイルの間の隙間の大きさ、換言すれば伝熱用クッション１の厚みｈは、大きくするほど、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２の温度差による曲面状の変形に柔軟に追従することができ、加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２との間を良好に充填することができるが、伝熱用クッション１自体の熱抵抗も大きくなるため、必要最小限とすることが好ましい。このため、伝熱用クッション１の厚みｈは、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２に想定される変形の程度により適宜決定する。

加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２には、伝熱用クッション１を押圧する力が作用する。例えば受熱部材３が固定され熱源２が移動可能となる構成とし、熱源２を受熱部材３側に移動させて、図１に示す加圧力Ｐを作用させる。

シェル５内に封入された低融点材料４は例えば熱源２で加熱されて溶融する。シェル５は液状の低融点材料４の変形を許容する柔軟性を備えるので、伝熱用クッション１は加熱面Ｓ１および受熱面Ｓ２に密着し、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２が温度差により曲面状に変形してもこの変形に柔軟に追従して、加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２との間を良好に充填し、加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２の間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。従って、伝熱用クッション１は加熱面Ｓ１および受熱面Ｓ２と常に良好な密着状態を保つ。

ここで、シェル５の加熱面Ｓ１と対向する面または受熱面Ｓ２と対向する面の一方または双方に、加熱面Ｓ１または受熱面Ｓ２が接触し且つ摺動可能なシート材７を設けることがより好ましい。この場合、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２が熱により大きく変化しても、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２がシート材７上を滑りスライド移動するので、当該熱膨張変位を柔軟に許容し、シェル５にせん断応力が作用することを防ぎ、シェル５が破壊されてしまうことを防止できる。加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２の熱による変位量は、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２の大きさ（拘束点からの距離）にほぼ比例するため、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２が大型の場合に特に有効である。一般に加熱面Ｓ１の方が受熱面Ｓ２よりも熱膨張による変位量が大きいため、本実施形態では、シェル５の加熱面Ｓ１と対向する面にシート材７を設けている。但し、シェル５の受熱面Ｓ２と対向する面のみ、または加熱面Ｓ１および受熱面Ｓ２と対向する２面の双方に、シート材７を設けても良い。

シート材７の材質は、接触熱抵抗を低減でき、且つ高い摺動性（即ち低摩擦係数）、耐熱性、シェル５の変形に追従できる柔軟性を備えるものが選択される。より望ましくは、厚さ方向に高い熱伝導率を有する材質が選択される。例えば、カーボンシートや高分子シートなどの利用が好ましい。

例えば本実施形態では、シート材７として既存のカーボンシートを用いている。ここで、シート材７の厚さ方向の熱伝導率は高いことが好ましいが、既存のカーボンシートは、面方向の熱伝導率は高いが、厚さ方向の熱伝導率が低いものが一般的である。しかし、このような既存のカーボンシートでも、接触熱抵抗を大きく低減できる効果が得られることが、本願発明者の実験により明らかになった。以下に当該実験について説明する。

例えば厚さ方向の熱伝導率が５（Ｗ／ｍＫ）であり厚さ０．１５（ｍｍ）のカーボンシートを、銅製の２つのブロックの間に介在させて、０．４（ｋｇ／ｃｍ^２）で加圧して、熱抵抗を測定した。また、比較例として、カーボンシートを介在させずに、上記２つのブロックを上記と同じ圧力で加圧して、熱抵抗を測定した。さらに上記測定を温度条件を変化させて行った。測定結果を表１に示す。

表１に示すカーボンシート使用時の熱抵抗の値はカーボンシートを挟む２個の銅ブロックをカーボンシートの面と平行に相対変位させてもほとんど変化しない。また、表１に示すカーボンシート使用時の熱抵抗は、カーボンシートの上下面における銅ブロックとの接触熱抵抗およびカーボンシート自体の熱抵抗の合計である。このうちカーボンシート自体の熱抵抗（Ｒｃ）は以下の計算で求めることができる。

＜数式２＞
カーボンシート自体の熱抵抗（Ｒｃ）＝（厚さ）／（熱伝導率）
＝０．１５×１０^−３（ｍ）／５（Ｗ／ｍＫ）
＝３×１０^−５（ｍ^２Ｋ／Ｗ）

一方、熱抵抗の合計をＲとすると、カーボンシートの上下面における銅ブロックとの接触熱抵抗は（Ｒ−Ｒｃ）／２で計算される。即ち、カーボンシートの上下面における銅ブロックとの接触熱抵抗は、１５０〜２００℃で３．５×１０^−５（ｍ^２Ｋ／Ｗ）、３００〜４００℃で３×１０^−５（ｍ^２Ｋ／Ｗ）と推定される。

他方、カーボンシートを介在させない場合の２個の銅ブロックの接触熱抵抗は、１００×１０^−５（ｍ^２Ｋ／Ｗ）以上である。従ってカーボンシートを採用することにより、熱抵抗を１／１０以下に低減できる。また、上記実験結果から、カーボンシートが接触熱抵抗を低減する効果を発揮するために、０．４（ｋｇ／ｃｍ^２）以上の加圧力をカーボンシートに作用させることが望ましいと考えられる。尚、厚さ方向の熱伝導率を高くしたカーボンシートも開発される途上にあり、このようなカーボンシートを採用すれば、上記熱抵抗をさらに低減することができる。カーボンシートは、一般に、空気中では４００℃程度まで、真空および不活性雰囲気中では１１００℃程度まで使用可能である。

シート材７としてのカーボンシートは、例えば接合材（例えば接着剤やろう材）を用いて、シェル５の加熱面Ｓ１と対向する面に貼り付けられる。また、例えば本実施形態では、接合材（例えば接着剤やろう材）を用いて、シェル５の受熱面Ｓ２と対向する面を、受熱面Ｓ２に貼り付けている。図１の符号９は、シェル５と受熱面Ｓ２を接合する接合材を示す。尚、シート材７とシェル５およびシェル５と受熱面Ｓ２の接合に用いる接合材は、高い熱伝導率を備えるものを用いることが好ましい。

以上のように構成された伝熱用クッション１によれば、液状の低融点材料４およびこの低融点材料４を封入する柔軟なシェル５が、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２の曲面状の変形（面外変形）に追従して、加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２との間を良好に充填し、加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２の間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。従って、伝熱用クッション１は加熱面Ｓ１および受熱面Ｓ２と常に良好な密着状態を保つ。しかも、溶融した金属である低融点材料４は熱伝導率が高く、シェル５は金属製であり且つ柔軟性を達成するように薄く形成されているので、伝熱用クッション１自体の熱抵抗は低く、効率的に加熱面Ｓ１から受熱面Ｓ２へと熱を伝えることができる。この伝熱用クッション１を用いることにより、加熱面Ｓ１および受熱面Ｓ２の平面度および表面粗さに対する要求条件を緩和でき、また、加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２を直接接合しないので、加熱面Ｓ１と受熱面Ｓ２の熱膨張差によって熱源２や受熱部材３を破損してしまうこともない。

さらに、加熱面Ｓ１側が熱膨張した場合でも、加熱面Ｓ１をシート材７上で滑らせて面方向（図１中の矢印Ａ方向）にスライド移動させるので、シェル５に作用しようとするせん断応力を逃がし、シェル５の破壊を防止する。これにより、大型の加熱面Ｓ１の熱膨張変位、例えば大型の加熱ダクトの運転・停止中の温度差に起因する熱膨張変位を許容できる。また、シート材７としてのカーボンシートが介在する界面の熱抵抗を、これがない場合の１／１０以下に低減することができる。

次に、本発明の熱電変換モジュール２０の実施形態について説明する。尚、以下の説明において上述の実施形態と同様の構成要素については、同一符号を付してその詳細な説明を省略する。この熱電変換モジュール２０は、少なくとも一対の熱電素子１０と、熱源２から熱を受ける受熱部と、熱電素子１０を挟んで受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、受熱部と放熱部との温度差により発電するものであり、受熱部または放熱部の一方または双方に、伝熱用クッション１を備えている。

例えば図２に示す熱電変換モジュール２０は、交互に並ぶ複数の熱電素子１０としてのＰ型熱電半導体１０ａとＮ型熱電半導体１０ｂと、隣接するＰ型熱電半導体１０ａとＮ型熱電半導体１０ｂとを受熱部側と放熱部側とで交互に電気的に連結する電極１１と、熱源２側の電極１１に積層されて受熱部を構成する受熱板１２と、熱源２とは反対側の電極１１に積層されて放熱部を構成する冷却板１３とを有している。受熱板１２および冷却板１３は電気絶縁性材料、例えばセラミックスなどで構成される。

但し、図２に示す熱電変換モジュール２０は一例であり、図示の構成に限定されず、既知の又は新規の構成を適宜採用できる。例えば、熱電素子１０（Ｐ型熱電半導体１０ａ，Ｎ型熱電半導体１０ｂ）の上下面の両方または一方の電極１１の代わりに、電極層と電気絶縁層を有する傾斜機能材料から成るコンプライアント・パッド（ＦＧＭコンプライアント・パッド）を用いても良い。ＦＧＭコンプライアント・パッドは、例えば熱電素子１０側が電極層、その反対側が電気絶縁層で、両者の組成が連続的に変化するものであり、例えば特許第３０５６０４７号や特許第３４８２０９４号に開示された物を利用することができる。尚、両面が電極層、内部が電気絶縁層から成るＦＧＭコンプライアント・パッドを用いても良い。ＦＧＭコンプライアント・パッドを用いる場合、受熱板１２または冷却板１３は電気絶縁性材料製とする必要はなく、金属製でも良い。また、例えば冷却板１３を省略してＦＧＭコンプライアント・パッドを放熱部として機能させても良い。また、受熱板１２を省略してＦＧＭコンプライアント・パッドを受熱部として機能させても良い。また、熱電変換モジュール２０を最小単位の熱電素子１０を有するものにする、例えばＰ型とＮ型の熱電半導体を各１個備えるユニ・カップル型としても構わない。

図２の例では受熱部となる受熱板１２に、伝熱用クッション１を備えている。熱源２は、例えば加熱ダクトであり、伝熱用クッション１は熱源２と受熱板１２との間に介在する。シート材７は、例えば接合材（例えば接着剤）を用いて、シェル５の加熱面Ｓ１と対向する面に貼り付けられる。また、シェル５の受熱板１２と対向する面は、接合材（例えば接着剤）９を用いて、受熱板１２に貼り付けられる。受熱板１２の表面が受熱面Ｓ２となる。熱電変換モジュール２０の放熱部となる冷却板１３は、冷媒が内部を通過する冷却ダクト１４に、例えば高い熱伝導率を有する接合材（例えば接着剤やろう材）を用いて接合される。図２中の符号１５は、冷却板１３を冷却ダクト１４に接合する接合材を示す。但し、受熱部のみに伝熱用クッション１を備える構成に限定されず、放熱部のみ又は受熱部と放熱部の双方に、伝熱用クッション１を備える構成としても良い。

熱源２としての加熱ダクトと冷却手段としての冷却ダクト１４には、熱電変換モジュール２０を押圧する力が作用する。例えば冷却ダクト１４が固定され熱源２が移動可能となる構成とし、熱源２を冷却ダクト１４側に移動させて、図２に示す加圧力Ｐを作用させる。

以上のように構成された熱電変換モジュール２０によれば、液状の低融点材料４およびこの低融点材料４を封入する柔軟なシェル５が、熱源２や受熱板１２の曲面状の変形（面外変形）に追従して、熱源２と受熱板１２との間を良好に充填し、熱源２と受熱板１２との間に空隙が生じてしまうことを防ぐ。従って、伝熱用クッション１は熱源２および受熱板１２と常に良好な密着状態を保つ。しかも、溶融した金属である低融点材料４は熱伝導率が高く、シェル５は金属製であり且つ柔軟性を達成するように薄く形成されているので、伝熱用クッション１自体の熱抵抗は低く、効率的に熱源２から受熱板１２へと熱を伝えることができる。この伝熱用クッション１を用いることにより、熱源２としての加熱ダクトおよび受熱板１２の平面度および表面粗さに対する要求条件を緩和できる。また、液状の低融点材料４を封入した柔軟なシェル５がクッションとして機能し、熱電変換モジュール２０に作用する加圧力により熱電素子１０が破壊してしまうことを防止する。

さらに、熱源２としての加熱ダクトが熱膨張した場合でも、熱源２の熱電変換モジュール２０に対する接触面（加熱面Ｓ１）をシート材７上で滑らせて面方向（図２中の矢印Ａ方向）にスライド移動させるので、シェル５に作用しようとするせん断応力を逃がし、シェル５の破壊を防止する。これにより、加熱ダクトの運転・停止中の温度差に起因する熱膨張変位を許容できる。また、シート材７としてのカーボンシートが介在する界面の熱抵抗を、これがない場合の１／１０以下に低減することができる。

以上により、熱電変換モジュール２０に負荷できる温度差を従来型の１．８倍程度に増大できる。熱電変換モジュール２０の発電電力は温度差の２乗にほぼ比例するため、同一の熱電変換モジュール２０を使用しても、本発明により熱電変換モジュール２０の発電電力を約３倍に向上できる。すなわち実質的なエネルギー変換効率を約３倍に向上できる。これにより熱電変換システムの発電単価を約１／３に低減できる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、本発明は、大型の加熱・冷却ダクトを備える熱電変換システム、例えば各種産業機器などの廃熱を熱源とする熱電変換システムへの適用が有効であるが、これに限定されず、発熱をともなう機器から熱を効果的に除去するするシステム、例えば自動車などの交通機関、宇宙システムおよび各種産業機器などに適用可能である。また、伝熱用クッション１には、シート材７を備えることが好ましいが、加熱面Ｓ１や受熱面Ｓ２が比較的小型である場合などには、シート材７を省略しても良い。

本発明の伝熱用クッションの実施の一形態を示す側面図であり、一部を断面で示す。本発明の熱電変換モジュールの実施の一形態を示す側面図であり、一部を断面で示す。従来の発熱機器から放熱設備まで熱を輸送する熱輸送手段を示す概略構成図である。従来の熱電変換モジュールを示し、（Ａ）は熱電変換モジュールを加熱ダクトおよび冷却ダクトの間に挟み、ダクトの上下から加圧力を作用させる様子を示し、（Ｂ）は熱電変換モジュールと加熱ダクトおよび冷却ダクトの間にゴムシートを介在させる場合を示し、（Ｃ）は熱電変換モジュールと加熱ダクトおよび冷却ダクトの間にグリースを介在させる場合を示す。

符号の説明

Ｓ１高温側の面（加熱面）
Ｓ２低温側の面（受熱面）
１伝熱用クッション
４低融点材料
５シェル
６シェル内部の隙間
７シート材
１０熱電素子
１２受熱部（受熱板）
１３放熱部（冷却板）
２０熱電変換モジュール

Claims

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り、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と共に前記使用温度よりも融点が高い材料から成るシェルとを有し、前記シェルの前記高温側の面と対向する面または前記低温側の面と対向する面の一方または双方にカーボンシートが設けられていることを特徴とする伝熱用クッション。
前記シェルは金属フォイルよりなることを特徴とする請求項１記載の伝熱用クッション。
前記低融点材料は融点が使用温度以下の金属であることを特徴とする請求項１または２記載の伝熱用クッション。
前記低融点材料は、融点が使用温度以下の金属に、当該金属よりも熱伝導率の高い微粒子を添加してなることを特徴とする請求項１または２記載の伝熱用クッション。
前記低融点材料を封入した状態で前記シェルの内部に隙間ができるようにしたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の伝熱用クッション。
前記隙間を真空とする又は不活性雰囲気とすることを特徴とする請求項５記載の伝熱用クッション。
少なくとも一対の熱電素子と、熱源から熱を受ける受熱部と、前記熱電素子を挟んで前記受熱部の反対側に位置して冷媒により冷却される放熱部とを備え、前記受熱部と前記放熱部との温度差により発電する熱電変換モジュールにおいて、前記受熱部または前記放熱部の一方または双方に、請求項１から６のいずれか１つに記載の伝熱用クッションを備えることを特徴とする熱電変換モジュール。