JP5159264B2 - Thermoelectric device and thermoelectric module - Google Patents
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本発明は、熱エネルギを電気エネルギに、また電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱電素子デバイス及びこれらから構成される熱電モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric device that directly converts thermal energy into electrical energy and electrical energy into thermal energy, and a thermoelectric module composed of these devices.
一般に、熱電素子デバイスは、互いに対向する２つの電極と、この間に挿入される、ｐ型熱電変換半導体及びｎ型熱電変換半導体の対とから構成される。そして、熱電変換半導体が有するトムソン効果、ペルチェ効果、又はゼーベック効果等の熱電効果を利用することにより、熱エネルギが電気エネルギに、また電気エネルギが熱エネルギに直接変換される。また、実用的には、熱電素子デバイスを並列配置することにより構成した熱電モジュールが利用されている。 In general, a thermoelectric device is composed of two electrodes facing each other and a pair of a p-type thermoelectric conversion semiconductor and an n-type thermoelectric conversion semiconductor inserted between them. Then, by using a thermoelectric effect such as a Thomson effect, a Peltier effect, or a Seebeck effect that the thermoelectric conversion semiconductor has, heat energy is directly converted into electric energy and electric energy is directly converted into heat energy. Moreover, practically, a thermoelectric module configured by arranging thermoelectric element devices in parallel is used.
このような熱電変換デバイス又は熱電モジュールの一例が、特許文献１に記載されている。特許文献１では、対向する電極と、この間に林立する柱状のｐ型熱―電気直接変換半導体及びｎ型熱―電気直接変換半導体とから構成される熱電変換装置が開示されている。
An example of such a thermoelectric conversion device or thermoelectric module is described in
そして、これらの半導体と放熱電極との間が半田により接合される一方、吸熱電極はその一部に変形可能な網構造部材を有しており、この網構造部材が上記の半導体としゅう動可能に接している。 And while these semiconductors and the heat dissipation electrode are joined by soldering, the heat absorption electrode has a deformable net structure member, and this net structure member can be moved with the above semiconductor. Is in contact with
上記の熱電変換装置では、網構造部材の変形及びしゅう動により、吸熱電極と熱電半導体と間の熱膨張差に起因する熱応力が緩和され、熱電変換装置の破損や損傷を防止することができる。 In the above-described thermoelectric conversion device, the deformation and sliding of the net structure member alleviates the thermal stress caused by the difference in thermal expansion between the endothermic electrode and the thermoelectric semiconductor, and can prevent breakage or damage to the thermoelectric conversion device. .
また、特許文献２では、熱電素子を挟んで対向する電極のうち、高温側の電極は、電極部材と、導電性を有した電極部材と接するように設けられた弾性部材と、弾性部材及び熱電素子と接するように設けられた導電性を有した均熱部材とで構成される熱電変換装置が開示されている。
しかし、特許文献１に開示されている熱電変換装置では、高温側熱源の実用状況下にあっては、熱源の温度分布発生による熱膨張差が存在することにより、熱電変換装置に局所的な変形を与え、熱電気変換装置の破損または性能劣化が生じる等により、熱電変換装置が本来有する熱電変換効率を十分に発揮できないという不都合があった。
However, in the thermoelectric conversion device disclosed in
しかも、上記の熱電変換装置では、高温側熱源からの熱エネルギを、熱電半導体と網構造部材との接触面の表面に均一に伝達する対策が十分でないため、熟エネルギを電気エネルギに変換する際には、熱電素子に生じる起電力を十分に利用することができないという不都合であった。 Moreover, in the above-described thermoelectric conversion device, there is not enough countermeasure to uniformly transmit the heat energy from the high temperature side heat source to the surface of the contact surface between the thermoelectric semiconductor and the net structure member. However, the electromotive force generated in the thermoelectric element cannot be fully utilized.
また、特許文献２に開示されている熱電変換装置では、高温側の電極が、弾性部材、均熱部材そして電極部材と複数の部材によって構成されているため、製造時に複数の工程を経る必要があるため煩雑となる。
Further, in the thermoelectric conversion device disclosed in
また、均熱部材が高温側の電極に用いられているため、熱電素子との接触面の表面に均一に熱は伝導するが、弾性部材が熱電素子デバイス内の熱応力を完全に緩和できるわけではなく、熱電変換装置に局所的な変形を与えることも考えられる。 In addition, since the soaking member is used for the electrode on the high temperature side, heat is uniformly conducted to the surface of the contact surface with the thermoelectric element, but the elastic member can completely relieve the thermal stress in the thermoelectric element device. Instead, it may be possible to locally deform the thermoelectric converter.
本発明は、上記の不都合を解消し、熱電素子デバイス内の熱応力を緩和するとともに、高温側熱源の温度分布による局所的な変形に追従する構造とすることにより、熱電素子デバイスの性能を向上させ、熱電変換効率が向上した熱電素子デバイス及びこれを用いる熱電モジュールを提供することを目的とする。 The present invention improves the performance of the thermoelectric device by eliminating the above inconvenience, relaxing the thermal stress in the thermoelectric device, and following the local deformation due to the temperature distribution of the high temperature side heat source. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric element device having improved thermoelectric conversion efficiency and a thermoelectric module using the same.
上記目的を達成するために本発明の一実施例に係る熱電素子デバイスは、高温側基板部材の母材、補強材を例えば４分割にすることにより、熱電素子デバイスが高温側熱源の温度分布による局所的な変形を受ける高温側基板の範囲を１／４に小さくすることができる。温度分布による変形をうける領域を小さくすることにより、たとえば高温側基板に垂直方向の変位量も１／４に低減することができる。よって、高温側熱源の温度分布による局所的な変形によって生じる隙間量、内部構造物への応力を低減することができる。 In order to achieve the above object, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is configured such that the base material and the reinforcing material of the high-temperature side substrate member are divided into, for example, four parts, so that the thermoelectric device depends on the temperature distribution of the high-temperature side heat source. The range of the high temperature side substrate subjected to local deformation can be reduced to ¼. By reducing the region subjected to deformation due to the temperature distribution, for example, the amount of displacement in the direction perpendicular to the high temperature side substrate can also be reduced to ¼. Therefore, it is possible to reduce the amount of gaps caused by local deformation due to the temperature distribution of the high temperature side heat source and the stress on the internal structure.
しかしながら、これらの分割された高温基板部材は、熱電素子デバイスの組立ての際、分割した数だけ高温基板部材の設置を行うことが必要となり、組立て性が低下する。それとともに、分割した数だけ高温基板部材の設置をすることによる煩雑さが、ひいては不良品の熱電素子デバイスの発生率を上昇させる結果を招くことになる。 However, these divided high-temperature substrate members need to be installed by the number of divided high-temperature substrate members when the thermoelectric device is assembled, and the assemblability is lowered. At the same time, the complexity of installing the high-temperature substrate members as many as the number of divisions results in an increase in the incidence of defective thermoelectric device.
そこで、分割された母材、補強材より弾性が低い部材で接合することにより、高温側基板の設置を一回で行うことを可能とし、熱電素子デバイスの組立て性の向上を図ることができる。 Therefore, by joining with the divided base material and the member having lower elasticity than the reinforcing material, it is possible to install the high temperature side substrate at one time, and to improve the assembling property of the thermoelectric device.
熱電効果を有する材料は、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、MgAgAs型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物、もしくはこれらの混合物、又はこれらの接合体であると好適である。 Materials that have a thermoelectric effect include substances that have bismuth and tellurium as the main phase, substances that have bismuth and antimony as the main phase, and elements in the voids in the CoSb 3- group compound crystals that have a skutterudite crystal structure. A substance having a filled skutterudite structure as a main phase, a substance having a half-Heusler compound having a MgAgAs type crystal structure as a main phase, a clathrate compound containing barium and gallium, or a mixture thereof, or these A joined body is preferable.
熱電素子が、互いに離間するｎ型電導部及びｐ型電導部から構成される熱電素子対であり、第１及び第２の電極のいずれか一方が、ｎ型電導部上に配置される第１の部分と、ｐ型電導部上に配置される第２の部分とに離間すると、一層好ましい。 The thermoelectric element is a thermoelectric element pair composed of an n-type conductive portion and a p-type conductive portion that are separated from each other, and one of the first and second electrodes is a first that is disposed on the n-type conductive portion. It is more preferable that the portion is separated from the second portion disposed on the p-type conductive portion.
（１）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、熱電効果を有する材料から構成される熱電素子と、前記熱電素子の一端側に設置され、構造的不連続となるように分割された複数の高温側基板と、前記熱電素子と前記高温側基板との間に設置された第１の電極と、前記熱電素子の他端側に設置された低温側基板と、前記熱電素子と前記低温側基板との間に設置された第２の電極とを有する。 (1) The thermoelectric element device according to the present embodiment includes a thermoelectric element made of a material having a thermoelectric effect, and a plurality of high temperatures that are installed on one end side of the thermoelectric element and divided so as to be structurally discontinuous. A side substrate, a first electrode disposed between the thermoelectric element and the high temperature side substrate, a low temperature side substrate disposed on the other end side of the thermoelectric element, the thermoelectric element and the low temperature side substrate, And a second electrode disposed between the two electrodes.
（２）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記（１）であって、さらに前記高温側基板は、絶縁性を有し前記第１の電極と接する高温側基板母材と、前記高温側基板母材上に設けられた高温側基板補強材で構成されている。 (2) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (1), wherein the high-temperature side substrate has a high-temperature side substrate base material that has insulation and is in contact with the first electrode, and the high-temperature side It is comprised by the high temperature side board | substrate reinforcement material provided on the board | substrate base material.
（３）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(２）であって、さらに、前記複数の高温側基板は、隣り合う前記高温側基板部材同士を前記高温側基板母材または前記高温側補強材と比べて同等または低い弾性を有する接合部材で接合する。 (3) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (2), and the plurality of high temperature side substrates are arranged such that the high temperature side substrate members adjacent to each other are the high temperature side substrate base material or the high temperature side. It joins with the joining member which has the elasticity equivalent or low compared with a reinforcing material.
（４）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(３）であって、前記複数の高温側基板部材は、前記接合部材により接合されることにより、物性的弾性または構造的弾性のいずれか一つ以上の弾性特性を有する。 (4) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (3), wherein the plurality of high-temperature side substrate members are bonded by the bonding members, thereby being either physical elastic or structural elastic. Has one or more elastic properties.
（５）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(４）であって、前記接合部材は前記第１の電極であり、隣り合う前記高温側基板同士を少なくとも１つ以上の前記第１の電極で接合する。 (5) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (4), in which the bonding member is the first electrode, and the adjacent high-temperature substrates are at least one of the first electrodes. Join with electrodes.
（６）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(４）であって、前記複数の高温側基板は、隣り合う前記高温側基板部材同士について、前記第１の電極と接する側を前記接合部材で接合する。 (6) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (4), wherein the plurality of high temperature side substrates are bonded to the side where the high temperature side substrate members adjacent to each other are in contact with the first electrode. Join with members.
（７）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(６）であって、前記接合部材は、前記第１の電極と接する。 (7) The thermoelectric element device according to this embodiment is the above (6), wherein the joining member is in contact with the first electrode.
（８）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(６）であって、前記接合部材は、前記第１の電極と接しない。 (8) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (6), wherein the joining member does not contact the first electrode.
（９）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(４）であって、隣り合う前記高温側基板の前記高温側基板補強材同士と前記接合部材は一体の材料であり、隣り合う前記高温側基板の前記高温側基板補強材同士が構造的連続となるように設けられている。 (9) The thermoelectric device according to the present embodiment is the above (4), wherein the high-temperature side substrate reinforcing materials of the adjacent high-temperature side substrates and the bonding member are an integral material, and the adjacent high-temperature devices The high temperature side substrate reinforcing materials of the side substrates are provided so as to be structurally continuous.
（１０）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(９）であって、隣り合う前記高温側基板補強材同士は、少なくとも一箇所以上で構造的連続性を有する。 (10) The thermoelectric element device according to this embodiment is (9) described above, and the adjacent high-temperature side substrate reinforcing materials have structural continuity at least at one or more locations.
（１１）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(３）であって、前記第１の電極、前記第２の電極および前記熱電素子が外気から遮断する枠を有する。 (11) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (3), and includes a frame in which the first electrode, the second electrode, and the thermoelectric element are shielded from outside air.
（１２）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）であって、前記第１の電極は、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子と接するように設けられた均熱部材とを備える。 (12) The thermoelectric device according to the present embodiment is the above (1), wherein the first electrode includes an electrode member, an elastic member having conductivity and provided on the electrode member, and conductivity. And a soaking member provided on the elastic member and in contact with the thermoelectric element.
（１３）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）であって、前記第２の電極が、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子と接するように設けられた均熱部材とを備える。 (13) The thermoelectric element device according to the present embodiment is the above (1), wherein the second electrode is an electrode member, an elastic member having conductivity and provided on the electrode member, and conductivity. And a soaking member provided on the elastic member and in contact with the thermoelectric element.
（１４）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）から(１３)のいずれか１つであって、前記熱電素子における熱電効果を有する材料は、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、MgAgAs型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物、もしくはこれらの混合物、又はこれらの接合体である。 (14) The thermoelectric device according to this embodiment is any one of the above (1) to (13), and the material having a thermoelectric effect in the thermoelectric device includes a compound of bismuth and tellurium as a main phase. Substances with a main phase consisting of a compound containing bismuth and antimony, a compound having a filled skutterudite structure in which voids in the CoSb 3- based compound crystal having a skutterudite type crystal structure are filled A material having a half-Heusler compound having an MgAgAs type crystal structure as a main phase, a clathrate compound containing barium and gallium, a mixture thereof, or a conjugate thereof.
（１５）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）から（１４）のいずれか１つであって、前記熱電素子が、互いに離間するｎ型電導部及びｐ型電導部から構成される熱電素子対であり、前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれか一方が、前記ｎ型電導部上に配置される第１の部分と、前記ｐ型電導部上に配置される第２の部分とに離間する。 (15) The thermoelectric device according to the present embodiment is any one of the above (1) to (14), and the thermoelectric device includes an n-type conductive portion and a p-type conductive portion that are separated from each other. One of the first electrode and the second electrode is disposed on the n-type conductive portion and the p-type conductive portion. Separated from the second portion.
（１６）本実施形態に係る熱電モジュールは、上記(１）から（１５）のいずれか１つに記載されている、複数個の熱電素子デバイスが、該複数個の熱電素子デバイスのいずれもが該複数個の熱電素子デバイスのいずれもが隣の熱電モジュールと電気的に接続されるように構成されている。 (16) The thermoelectric module according to the present embodiment includes a plurality of thermoelectric element devices described in any one of (1) to (15) above, and any of the plurality of thermoelectric element devices. All of the plurality of thermoelectric element devices are configured to be electrically connected to the adjacent thermoelectric module.
本発明に係る熱電素子デバイス及びこれを用いる熱電モジュールは、熱電素子デバイス内に生じる応力を緩和できるとともに、高温側熱源の局所的変形によって生じる隙間量の低減、内部構造物への応力緩和する構造であるため、熱電素子デバイスの熱電変換効率の劣化を防止しすることができる。これらの分割された部材を接合することにより、高温側基板の設置を一回で行うことを可能とし、熱電素子デバイスの組立て性、信頼性並びに生産性の向上を図ることができる。 The thermoelectric element device and the thermoelectric module using the same according to the present invention can alleviate the stress generated in the thermoelectric element device, reduce the amount of gap caused by local deformation of the high-temperature side heat source, and reduce the stress on the internal structure Therefore, deterioration of the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric device can be prevented. By joining these divided members, the high temperature side substrate can be installed at one time, and the assembly, reliability, and productivity of the thermoelectric device can be improved.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付す。また、添付図面は、実施形態に係る熱電素子デバイス１００及び熱電モジュールを模式的に示しているに過ぎない。このため、厚さと平面寸法との関係や各部材の厚さの比率等が、現実の設計通りに現されているとは限らないことに留意すべきである。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. Further, the attached drawings only schematically show the
（第１の実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る熱電素子デバイス１００および熱電モジュールの構成を示す側面断面図の概略図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional side view showing the configuration of a
図示の通り、熱電素子デバイス１００は、低温側系統１、高温側系統２、低温側電極３、熱電素子４、低温側基板５、ケース６、高温側基板７、高温側電極１０を有している。
As illustrated, the
熱電素子４は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の対で構成されている。そして、熱電素子４が配列される位置に対応して配列された低温側に設けられた低温側電極３は、低温側基板５にアレイ状に配列されている。そして、低温側基板５と接するように熱電素子デバイス１００を冷却するための低温側系統１が設けられている。
The
低温側基板５は、熱電素子４と接続されている低温側電極３を電気的に絶縁するために電気的絶縁性を有する材料が用いられている。そして、熱電素子４の低温側基板５側は、低温側系統１と熱的に接続している。
The low temperature side substrate 5 is made of an electrically insulating material in order to electrically insulate the low
また、熱電素子デバイス１００は、複数の熱電素子４を外気から遮断するように筐体であるケース６を有している。ケース６は、複数の熱電素子４の周囲を取り囲む金属枠で構成され、低温側基板と接続することで、複数の熱電素子４を密封している。ケース６は、複数の熱電素子４等からなる内部構成品を外気から遮断するとともに、ケース６の内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する。
In addition, the
不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンから選択されるガスからなることが好ましい。或いはこれらの混合ガスでもよい。これらの非酸化性の気体をケース６内に封入し、内部雰囲気を非活性とすることにより、半導体チップ等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱電素子デバイス１００が得られる。
The inert gas is preferably composed of a gas selected from nitrogen, helium, neon, argon, krypton and xenon. Or these mixed gas may be sufficient. By enclosing these non-oxidizing gases in the
また、熱電素子デバイス１００において、不活性ガス雰囲気の圧力が、常温で外気圧より低く設定されていることが好ましい。ケース６内の不活性ガス雰囲気の圧力を外気圧より低く設定することにより、高温時の内圧の上昇に伴う破損を防止するとともにケース６内の不活性ガス雰囲気中に水分が残留することが効果的に防止でき、水分による半導体チップの劣化損傷を効果的に抑止できる。さらに、ケース６内のガス雰囲気における熱伝導性が低下するために、熱電素子４から金属枠方向に熱が放散することが防止でき、熱−電気変換効率を高めることができる。
Moreover, in the
ケース６を構成する金属は、例えばニッケル基合金のような耐熱合金もしくは耐熱金属から形成される。耐熱合金もしくは耐熱金属としては、高温度使用環境における耐久性の点から、ニッケル基合金の他、ニッケル、炭素鋼、ステンレス鋼、クロムを含む鉄基合金、シリコンを含む鉄基合金、コバルトを含有する合金又はニッケル若しくは銅を含有する合金のいずれかより選択されることが好ましい。
The metal constituting the
熱電素子４は、低温側電極３との接触する側と逆側に高温側電極１０が接触している。そして、高温側電極１０と接触するように高温側基板７が設けられている。高温側基板７は、ケース６と接触して設けられ、高温側基板７と対向するように熱電素子デバイス１００を熱するための高温側系統２が設けられている。
In the
熱電素子４を構成するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は、図１に示すように高温側電極１０および低温側電極４によって直列接続されている。
The p-type thermoelectric element and the n-type thermoelectric element constituting the
次に、本発明にかかる高温側基板７について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、図１に示す熱電モジュールについて、Ｘ側からＹ側に向かって見た高温側基板７のＩ−Ｉ断面図である。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、高温側基板７および高温側電極１０の側面断面図の拡大図である。図２（ｄ）は、Ｙ側からＸ側に向かって見た高温側基板７および高温側電極１０のII−II断面図である。
Next, the high temperature side board |
高温側基板７は、高温側基板母材８と高温側基板補強材９を有している。高温側基板７は、熱電素子４と接続された高温側電極１０とケース６の間に設けられている。
The high
高温側基板母材７は、高温側電極１０を電気的に絶縁するため、電気的絶縁性を有し熱伝導性の高い材料（例えばセラミック）で構成されている。高温側基板補強材９は、高温側基板母材７とケース６の間に設けられている。高温側基板補強材９は、破損し易い高温側基板母材７を保護するために、例えば、弾性を有する金属が設けられている。熱電素子４の高温側基板７側は、ケース６および高温側系統２と熱的に接続している。ここでは、高温側基板７は、高温側基板母材８と高温側基板補強材９を有している場合ついて説明するが、高温側基板７が高温側基板補強材９を有さず、高温側基板母材８のみであっても同様である。
In order to electrically insulate the high
図２（ｄ）に示すように、高温側電極１０は、高温側基板７の高温側基板母材８に複数配列されている。
As shown in FIG. 2D, a plurality of high
また、図３（ａ）は、図１に示す熱電モジュールについて、Ｘ側からＹ側に向かって見た高温側基板７のＩ−Ｉ断面図である。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、高温側基板７および高温側電極１０の側面断面図の拡大図である。図３（ｄ）は、Ｙ側からＸ側に向かって見た高温側基板７および高温側電極１０のII−II断面図である。
Moreover, Fig.3 (a) is II sectional drawing of the high temperature side board |
本発明にかかる高温側基板７は、図３に示す状態から図２に示すように分割溝１１を設けたものである。従来は、図３に示すように高温側基板７には分割溝１１は設けられていない。
The high
図２（ａ）は、図３（ａ）に示す高温側基板７を構成する高温側基板母材８および高温側基板補強材９に対して、Ｘ側からＹ側に向かう方向に、高温側基板母材８および高温側基板補強材９を分断するように分割溝１１が設けられている。分割溝１１は、分割溝１１によって分割された複数の高温側基板７が連続とならないように、複数の高温側基板７を分割している。
2A shows a high temperature side in a direction from the X side to the Y side with respect to the high temperature side
ここでは、高温側基板７の中心線沿って、分割溝１１が２つ設けられている。これによって、高温側基板７は、構造的連続性を有しない４つの分割された高温側基板７に分割されている。高温側基板７の分割数は２以上であれば、十分に効果を得ることが可能である。本実施形態においては、高温側基板７を４分割にした場合を例に説明する。
Here, two dividing
高温側系統２には温度分布が生じるため、高温側系統２を構成する部材は温度分布に対応した熱膨張を起こす。よって、高温側系統２を構成する部材は変形を生じ、熱電素子デバイス１００は、その変形の影響を受けて、隙間の発生、内部構造物への応力の発生を招く。構造に生じた隙間は、熱伝導の低下並びに電気抵抗の増加を生じせしめ、熱電素子デバイス１００の性能を低下させる。
Since a temperature distribution occurs in the high
ここで、高温側基板７を分割した構造とすることにより、分割された高温側基板７の各々を構造的に独立させることにより、高温側系統２を構成する部材は、高温側系統２を構成する部材のうち変形した箇所と対向する位置に設けられた分割された高温側基板７のそれぞれの部位の変形に追従して移動することが可能となる。
Here, by making the high
すなわち、高温側基板７の高温側基板母材８および高温側基板補強材９を図２に示すように、例えば高温側基板７を４分割にすることにより、熱電素子デバイス１００が高温側系統７の温度分布による局所的な変形を受ける高温側基板７の範囲を１／４に小さくすることができる。つまり、高温側系統３の温度分布による局所的な変形が生じたとき、変形した箇所と対向する位置に設けられた分割された高温側基板７のみが影響を受けるのみで、残りの分割された高温側基板７は影響を受けない。
That is, the high temperature side
そのため、高温側系統３の温度分布により変形を受ける高温側基板７の領域を小さくすることにより、例えば、高温側基板７のＸ側からＹ側に沿った垂直方向の変位量も低減することができる。よって、高温側系統３（熱源）の温度分布による局所的な変形によって生じる隙間量、内部構造物（熱電素子４）への応力を低減することを可能とする。
Therefore, by reducing the region of the high
ここでは、高温側基板７に分割溝１１を設けたが、低温側基板５にも分割溝１１を設けて低温側基板５を分割することもできる。
Here, the dividing
上記説明したように、高温側電極１０は、電極部材のみで構成された例を示したが、図４に示すように、高温側電極１０が、高温側電極１０は、電極部材１０１と、この電極部材１０１の下面と接するよう設けられる弾性部材１０２と、この弾性部材１０２に接するよう設けられる均熱効果を有する均熱部材１０３を用いてもよい。均熱部材１０３は、熱電素子４と接続している。
As described above, the example in which the high
弾性部材１０２は、高温側電極１０の一部を構成しており、導電性を有している。また、弾性部材１０２は、所定の弾性を有し、特に、熱電素子４に比べて変形し易くなるように構成されると好ましい。
The
均熱部材１０３は、高温側電極１０の一部を構成し、導電性を有している。また、均熱部材１０３は、熱電素子４に比べて、高い熱伝導性を有するよう構成される。具体的には、均熱部材１３は、金属箔などの薄い板材から構成される。また、均熱部材１０３は、弾性部材１０２が有する熱伝導性よりも高い熱伝導性を全体として有すると好ましい。
The soaking
ここで、均熱部材１０３は、均熱効果があると説明したが、材料の拡散を防止する機能を有するものであってもよい。
Here, the
熱電素子４は、図１に示す通り、互いに離間した対により構成されている。熱電素子４、ペルチェ効果、ゼーベック効果、又はトムソン効果といった熱電効果を有する熱電材料からそれぞれ構成される。このような材料の典型的なものとして、以下の熱電半導体、すなわち、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するＣｏＳｂ３基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物がある。
As shown in FIG. 1, the
また、これらの混合物から熱電素子４を構成することもできる。さらに、これらの物質、化合物、又は混合物の接合体により、熱電素子４を構成してもよい。これらは、熱伝導率が比較的小さいという性質を有している。このため、これらの物質等から熱電素子４が構成される場合には、熱電素子４内での温度勾配が維持され易いため、熱電素子デバイス１００の性能が向上される。
Moreover, the
また、これらの熱電半導体には、ｐ型電導及びｎ型電導といった２つの電導型がある。本実施形態のように、熱電素子４が対として構成される場合は、典型的には、この対の一方がｎ型電導性であり、他方がｐ型電導性である。
In addition, these thermoelectric semiconductors have two conductivity types, p-type conductivity and n-type conductivity. When the
熱電素子４は、高温側電極１０の均熱部材１０３と接するように配置され、均熱部材１０３に対しては、接合も接着もされない。すなわち、熱電素子４は均熱部材１０３と接触するに留まる。低温側電極３は、半田などの接合材により、熱電素子４に対して接合されている。
The
このように、熱電素子デバイス１００が動作中には、熱電素子デバイス１００内は、温度分布が生じている。この温度分布により、熱電素子デバイス１００内には、熱膨張係数の差による熱応力が生じている。
Thus, while the
本実施形態においては、弾性部材１０２が金属細線網などの編込線により構成され、熱電素子４が有する弾性よりも高く、電極部材１０１が有する弾性と同等か高い弾性を有しているため、熱応力を緩和することができる。言い換えると、弾性部材１０２は、電極部材１０１と熱電素子３との間の熱膨張係数の差により生じる熱応力を緩和する機能を有する。このため、熱応力により熱電素子デバイス１００内に生じ得る破損や、熱電素子４の劣化といった問題を解消することができる。なお、熱応力は、均熱部材１０３は熱電素子４に接触しているに過ぎず、両者は互いに偏倚することができるため、より緩和される。
In the present embodiment, the
均熱部材１０３は、弾性部材１０２に接合又は接触し、かつ熱電素子４に接触し、しかも、これらよりも熱伝導性に優れるため、弾性部材１０２からの熱エネルギを均熱部材１０３の平面内で均熱化した上で、熱電素子４に伝達することができる。
The
ここでは、高温側電極１０が、電極部材１０１、弾性部材１０２、均熱部材１０３を有するとしたが、低温側電極３のみに、電極部材１０１、弾性部材１０２、均熱部材１０３を有するようにしても、高温側電極１０と低温側電極３の両方が、電極部材１０１、弾性部材１０２、均熱部材１０３を有するようにしてもよい。高温側電極１０と低温側電極３の両方が電極部材１０１、弾性部材１０２、及び均熱部材１０３を有することで、熱電素子４は、その上下端において均熱部材１０３と接している。したがって、その上下端において、熱膨張差により発生する熱応力がより緩和されるとともに、均熱性が向上するため、より大きな熱電変換効率が得られる。
Here, the high
均熱部材１０３の形状として、板状を例示したが、熱電素子４と接する部分のみが平板状であれば、熱電素子４間に撓み部分を有するようにすることができる。このよう形状であっても、均熱部材１０３は、弾性部材１０２からの熱を均一にしてから熱電素子４へ伝達することができる。加えて、撓み部分が変形可能なため、均熱部材１０３は熱応力の緩和にも資する。
Although the plate shape is illustrated as the shape of the
（第２の実施形態）
上記第１の実施形態で説明した構造を持った高温側基板７は、高温側基板７が構造的不連続となるように複数に分割されているため、熱電素子デバイス１００を組立てる際、分割した数だけ高温側基板７の設置を行うことが必要となり、組立て性が低下する。
(Second Embodiment)
Since the high
そこで、分割された高温側基板母材８または高温側基板補強材９を接合部材１２により接合することにより、高温側基板７の設置を一回で行うことを可能とし、熱電素子デバイス１００の組立て性の向上を図ることができる。
Therefore, by bonding the divided high temperature side
構造的不連続となるように複数に分割された高温側基板７の接合部材１２による接合について、図５から図８を用いて説明する。図５から図７では、熱電素子デバイス１００の組立て途中の図を示しており、説明の都合上、高温側基板母材８と高温側電極１０は離れた状態で示している。熱電素子デバイス１００を組み立てると、実線で示した高温側電極１０は、破線で示した位置に高温側基板母材８と接触するように設置される。
The joining by the joining
接合部材１２としては、分割された高温側基板母材８、高温側基板補強材９と比べて同等または低い弾性を有する材料で構成されている。複数に分割された高温側基板７は、この接合部材１２によってそれぞれを接合することで構造的に連続性を有する。そのため、熱電素子デバイス１００を組立てる際の組立て性が向上する。さらに、接合部材１２の材質、複数に分割された高温側基板７の接合の仕方によって、高温側基板部材７は、物性的弾性または構造的弾性のいずれか一つ以上の弾性特性を有することとなる。つまり、分割された高温側基板部材７同士は、接合部材１２によって接合されているが、高温側基板部材７が複数に分割された状態と上記第１の実施例で説明した機能と変わらない機能を有する。
The bonding
図５は、図１に示す高温側基板７および高温側電極１０の側面断面図の拡大図である。ここでは、接合部材１２が高温側電極１０ａの場合について説明する。図５に示すように、高温側基板７を分割する分割溝１１が、熱電素子デバイス１００を組立てる際に、高温側電極１０ａと対向する位置に設けられている場合、隣り合う分割された高温側基板７同士を高温側電極１０ａで接合することで、複数に分割された高温側基板７は、構造的連続性を有するようになる。高温側電極１０ａが接合部材１２の替わりとなる。隣り合う分割された高温側基板７同士は、少なくとも１つ以上の高温側電極１０ａで接合すればよい。以上により、分割された高温側基板７の全てが高温側電極１０ａによって構造的連続性を有するようになるため、分割された高温側基板７の設置を一回で行うことを可能とし、設置精度並びに熱電素子デバイス１００の組立て性の向上を図ることができる。
FIG. 5 is an enlarged view of a side sectional view of the high
図６および図７は、図１に示す高温側基板７および高温側電極１０の側面断面図の拡大図である。ここでは、接合部材１２を用いることで、分割された高温側基板母材８を接合した例を示す。ここで用いる接合部材１２は、例えば、０．１ｍｍ以下の厚さの薄箔材など、分割された高温側基板母材８、高温側基板補強材９より弾性が低い部材である必要がある。
6 and 7 are enlarged views of a side sectional view of the high
接合部材１２は、高温側基板母材８を分割した分割溝１１を隠すように全面に渡って設けられている。例えば、図２(ａ)に示すように、高温側基板７の中心線沿って分割溝１１を２つ設けている場合、接合部材１２は、高温側基板母材８の外面に分割溝１１の全てを埋めるように設けられることになる。つまり、Ｙ側からＸ側に向かって高温側基板７を見たとき、高温側基板母材８に設けた分割溝１１の全てを覆うように接合部材１２を設けることができる。また、隣り合う分割された高温側基板７同士が、少なくとも１箇所以上で接合部材１２によって接合されている場合であってもよい。
The joining
図６に示すように、高温側基板７を分割する分割溝１１に設けられた接合部材１２が、熱電素子デバイス１００を組立てる際に、高温側電極１０と対向する位置に設けてもよい。また、図７に示すように、高温側基板７を分割する分割溝１１に設けられた接合部材１２が、熱電素子デバイス１００を組立てる際に、高温側電極１０と対向しない位置に設けてあってもよい。
As shown in FIG. 6, the joining
以上により、分割された高温側基板７の全てが接合部材１２によって構造的連続性を有するようになるため、分割された高温側基板７の設置を一回で行うことを可能とし、設置精度並びに熱電素子デバイス１００の組立て性の向上を図ることができる。
As described above, since all of the divided high-
図８は、図１に示す高温側基板７および高温側電極１０の側面断面図の拡大図である。ここでは、高温側基板補強材９が、隣り合う高温側基板補強材同士が構造的連続となるように設けられている例である。
FIG. 8 is an enlarged view of a side sectional view of the high
図８（ａ）は、図１に示す熱電モジュールについて、Ｘ側からＹ側に向かって見た高温側基板７のＩ−Ｉ断面図である。図８（ｂ）および図８（ｃ）は、高温側基板７および高温側電極１０の側面断面図の拡大図である。
Fig.8 (a) is II sectional drawing of the high temperature side board |
高温側基板７の高温側基板母材８は、中心線に沿って分割溝１１が２つ設けられている。これによって、高温側基板７のうち高温側基板母材８は４つに分割されている。高温側基板母材８の分割数は２以上であれば、十分に効果を得ることが可能である。本実施形態においては、高温側基板母材８を４分割にした場合を例に説明する。ここで、高温側基板７を構成する高温側基板補強材９は、高温側基板母材８と同様に分割せずに、高温側基板７が高温側基板補強材９によって構造的連続性を有するように高温側基板母材８の上面一帯に配置する。このとき、図８に示すＸ側からＹ側に向かって高温側基板７を見たとき、高温側基板母材８に設けた分割溝１１の全てを覆うように高温側基板補強材９を設けることができる。
The high temperature side
図８(ａ)は、隣り合う高温側基板補強材９が、高温側基板母材８に設けた分割溝１１に沿って等間隔で空孔を設けた例である。この場合、高温側基板７は、高温側基板補強材９によって、構造的連続性を有しているが、部分的にしか接続されていないため、分割された高温側基板母材８は、それぞれ独立したものと同等である。つまり、隣り合う高温側基板補強材９同士が、少なくとも一箇所以上で構造的連続性を有するようにしてもよい。これにより、高温側基板母材８に設けた分割溝１１の全てを覆うように高温側基板補強材９を設けた場合に比べ、分割された高温側基板母材８の内の１つが、高温側系統２を構成する部材の変形に追従して移動した場合であっても、他の高温側基板母材８に及ぼす影響が少ない。
FIG. 8A shows an example in which adjacent high temperature side
隣り合った高温側基板母材８上に設けられた高温側基板補強材９同士は、上記説明したように一体となった高温側基板補強材９であっても、高温側基板補強材９に用いられている材料、材質と同一もしくは同等の材料、材質であり、高温側基板母材８、高温側基板補強材９と比べて同等または低い弾性を有する別の接合部材１２で接合してもよい。
Even if the high temperature side
上記説明したように、複数に分割された高温側基板７は、構造的に連続性を有する。そのため、熱電素子デバイス１００を組立てる際の組立て性が向上する。さらに、高温側基板部材７は、物性的弾性または構造的弾性のいずれか一つ以上の弾性特性を有することとなる。つまり、分割された高温側基板部材７同士は、高温側基板部材７が複数に分割された状態と上記第１の実施例で説明した機能と変わらない機能を有する。
As described above, the high-
本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine suitably the component covering different embodiment.
１…低温側系統、２…高温側系統、４…熱電気素子、５…低温側基板、６…ケース、７…高温側基板、８…高温側基板母材、９…高温側基板補強材、１０…高温側基板電極材、１１…分割溝、１２…接合部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記熱電素子の一端側に設置され、構造的不連続となるように分割された複数の高温側基板と、
前記熱電素子と前記高温側基板との間に設置された第１の電極と、
前記第１の電極のうちの少なくとも１つであって、前記高温側基板よりも低い弾性を有し、導電性を有する材料で構成され、隣り合う前記高温側基板同士を接合する接合部材と、
前記熱電素子の他端側に設置された低温側基板と、
前記熱電素子と前記低温側基板との間に設置された第２の電極と、
を有することを特徴とする熱電素子デバイス。 A thermoelectric element composed of a material having a thermoelectric effect;
A plurality of high temperature side substrates installed on one end side of the thermoelectric element and divided so as to be structurally discontinuous;
A first electrode disposed between the thermoelectric element and the high temperature side substrate;
Be at least one of said first electrode, and the bonding member have a lower elasticity than the high temperature side substrate is composed of a conductive material, bonding the hot side substrate adjacent,
A low temperature side substrate disposed in the other end side of the front Kinetsu conductive elements,
A second electrode disposed between the thermoelectric element and the low temperature side substrate;
A thermoelectric device characterized by comprising:
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