JP6311121B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、熱を電気に変換する熱電変換モジュールに関する。

熱電変換モジュールは、互いに直列に接続されたＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを有する。熱電変換素子は、ゼーベック効果を利用した発電素子として開発されている。例えば、熱電変換モジュールを用いて産業排熱を利用した発電システムの検討がなされているが、低い熱電変換効率や高い発電コストなどの改善すべき課題が指摘されている。

熱電変換素子を含む熱電変換モジュールの一例を、図６に示す（例えば、特許文献１参照）。図６に示す熱電変換モジュール１０では、Ｐ型熱電変換素子５０とＮ型熱電変換素子６０とが、接合電極（電気配線）７０を介して直列に接続され、複数のＰＮ素子対が形成されている。ＰＮ素子対の一方の端面にはセラミック基板８０が、ＰＮ素子対の他方の端面にはセラミック基板９０が配置されている。この熱電変換モジュール１００は、セラミック基板８０を加熱し、ＰＮ素子対の他方のセラミック基板９０を冷却する（非加熱とする）ことで発電を行う。図６における矢印は、加熱および冷却による熱の流れを示す。このような発電により発生した電気を、一対の電流導入端子１５ａおよび１５ｂを介して取り出す。

また、熱電変換材料とその側面を被覆する樹脂膜とを有する熱電変換素子を配列した熱電変換モジュールも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第３９５８８５７号公報 米国特許第６２５２１５４号明細書

熱電変換モジュールは、一方の端部が発熱体に接することにより高温にさらされ、他方の端部が水冷や空冷といった冷却体によって低温にさらされることで発電を行うデバイスである。このように熱電変換モジュールは、温度差のある状態で長期間使用されるため、最高使用温度を規定して、その温度以下で使用できる接合材料で熱電変換素子と電気配線を接続する。例えば最高使用温度が１５０℃の場合、接合材料としては融点が約２００℃であるＳｎＡｇＣｕ系のはんだを用いる。しかしながら、例えば冷却体が故障するなど異常が発生した場合、発熱体からの熱量が熱電変換モジュールに供給され続けてモジュール全体が２００℃以上の高温状態になると、接合材料が溶融する。一般に、熱電変換モジュールは発熱体と冷却体によって一定圧力で挟み込まれて取り付けられているため、接合材料が溶融すると、この一定圧力により接合材料が押し出されて電気的導通機能を失い、熱電変換モジュール自体が機能しなくなることがある。また、熱電変換モジュールは、発電量を多くするために複数個を発熱体に設置して、電気的には直列になるように接続される。しかし、異常によるはんだ飛散でモジュールとしての電気導通が途絶えた場合、直列接続された経路が電気的に途絶え、発電システムとして機能しなくなる。

本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、モジュール全体が高温になった場合でも発電システムとしての機能を継続させることの可能な熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の熱電変換モジュールは、少なくとも２つの電流導入端子と、第１接合材を介した熱電変換素子と前記電流導入端子とを接続する第１電気配線と、前記第１電気配線に設けられた電気導通部材と、第２電気配線と、を備え、前記電気導通部材は、一方の端面は前記第１電気配線に第２接合材を介して接合され、他方の端面は前記第２電気配線との間に空隙を有して設けられたことを特徴とする。

本発明の熱電変換モジュールによれば、モジュール全体が高温になった場合でも、発電システムとしての機能を継続させることができる。

本発明の実施の形態１にかかる熱電変換モジュールを示す概略斜視図 本発明の実施の形態１にかかる熱電変換素子の断面図 本発明の実施の形態１にかかる熱電変換モジュールの断面図 （ａ）本発明の実施の形態１にかかる熱電変換モジュールの一方の電気配線基板を示す平面図、（ｂ）本発明の実施の形態１にかかる熱電変換モジュールの他方の電気配線基板を示す平面図 図３のＡ部分の拡大図 従来の熱電変換モジュールの構成を示す斜視図

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る熱電変換モジュール１００は、２以上のＰ型熱電変換素子３５０Ｐと、２以上のＮ型熱電変換素子３５０Ｎと、それらを互いに直列に接続する電気配線３６５と、これらを挟みこむ電気配線基板３６０ａ、３６０ｂを含む。Ｐ型熱電変換素子３５０ＰとＮ型熱電変換素子３５０Ｎとは、電気配線３６５によって交互に直列に接続されている。この熱電変換モジュール１００は、一方の電気配線基板３６０ａを加熱し、他方の電気配線基板３６０ｂを冷却する（非加熱とする）ことで発電を行い、一対の電流導入端子１１５ａおよび１１５ｂを介して取り出すことができる。

図１に、本実施の形態１に係る熱電変換モジュール１００におけるＰ型熱電変換素子３５０ＰとＮ型熱電変換素子３５０Ｎの配列状態を示す。

熱電変換モジュール１００のＰ型熱電変換素子３５０ＰとＮ型熱電変換素子３５０Ｎとは、複数の列に沿ってマトリックス状に配置されていることが好ましい。Ｐ型熱電変換素子３５０ＰおよびＮ型熱電変換素子３５０Ｎは、それぞれはんだ材料を一例とする第１接合材３２０により電気配線３６５にはんだ接合されている。すなわち、図１において、Ｐ型熱電変換素子３５０ＰとＮ型熱電変換素子３５０Ｎとは、電気配線３６５により、直列に電気接続されている。電気配線３６５は、電気配線基板３６０に配置された任意の構成部材である。電気配線基板３６０は、例えば熱伝導性の高いセラミック基板（例えば酸化アルミニウム）や、フレキシブル樹脂基板である。電気配線３６５は、たとえば銅配線である。

Ｐ型熱電変換素子３５０ＰとＮ型熱電変換素子３５０Ｎとは、それぞれ、少なくとも熱電変換材料を含む。熱電変換材料の種類は、例えば、使用時に生じる温度差に応じて選択される。熱電変換材料の例には、温度差が常温から５００Ｋまでであればビスマス・テルル系（Ｂｉ−Ｔｅ系）が好ましく、温度差が常温から８００Ｋまでであれば鉛・テルル系（Ｐｂ−Ｔｅ系）またはコバルト・アンチモン系（Ｃｏ−Ｓｂ系）、亜鉛・アンチモン系（Ｚｎ−Ｓｂ系）が好ましく、温度差が常温から１，０００Ｋまでであればシリコン・ゲルマニウム系（Ｓｉ−Ｇｅ系）が好ましい。室温付近で性能が優れている熱電変換材料としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系材料がある。熱電変換材料のドーピングは、熱電変換材料にドーパントを添加することで行われる。Ｐ型ドーパントとしては、例えばＳｂであり、Ｎ型ドーパントとしては、例えばＳｅである。これらのドーパントによる熱電変換材料は、例えば、Ｂｉ_０．５Ｓｂ_１．５Ｔｅ_３やＢｉ_２Ｔｅ_２．７Ｓｅ_０．３である。

Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子における熱電変換材料は、その長軸方向の一端面または両端面が、めっき金属層で被覆されていている。めっき金属層は、はんだに対する濡れ性が高い金属であることが好ましく、またはんだ成分が熱電変換材料に拡散することを抑制する性質（バリア特性）を有する金属であることが好ましい。めっき金属の種類は特に限定されないが、ニッケルめっき、モリブデンめっきなどが好ましい。

図２に熱電変換素子の断面図を示す。Ｐ型熱電変換素子３５０ＰとＮ型熱電変換素子３５０Ｎは共に図２に示すような形状であり、特に電気的性質の差が影響しない場合は、これらをまとめて熱電変換素子３５０とする。熱電変換素子３５０は、熱電変換材料３００と、その長軸方向の両端に成膜されためっき金属層３１０から構成される。熱電変換素子３５０の高さＨ（図２参照）は、例えば、１．０〜３．０ｍｍが好ましく、１．０〜２．０ｍｍがより好ましい。熱電変換素子３５０における熱電変換材料の幅Ｂは、例えば１．８ｍｍである。ただし、これらのサイズは特に限定されない。このとき、熱電変換材料３００におけるめっき金属層３１０との接触面を粗面化することで、熱電変換材料３００とめっき金属層３１０との密着性を高めることができる。図２に示す熱電変換素子３５０は、例えば、熱電変換材料の単結晶または多結晶を壁開して熱電変換材料３００に加工する方法や、熱電変換材料の粉体を焼結して熱電変換材料３００に加工した後、熱電変換材料３００の両端部にめっき金属層３１０を成膜する方法で製造できる。めっき手法は特に限定されない。

図３に、図１におけるＸ−Ｘ線に沿った熱電変換モジュールの断面図、つまり、熱電変換素子同士の電気接続方向に沿った熱電変換モジュールの断面図を示す。図３に示すように、本実施の形態に係る熱電変換モジュール１００は、電流導入端子１１５ａ、１１５ｂと熱電変換素子３５０とをつなぐ第１電気配線３６６に、熱電変換素子３５０とは別に電気導通部材４００を設けていることを特徴とする。電気導通部材４００は、図３に示すように、その片方の端部が第１電気配線３６６に第２接合材４３０で接続されており、反対側の端部が対向する第２電気配線４２０に対して空隙が設けられて配置されている。なお、電気導通部材４００が配置される位置は、熱電変換素子３５０が直列接続された電気配線の電気的末端である。

さらに詳しく説明するために、図４（ａ）、（ｂ）に、本発明の実施の形態１にかかる熱電変換モジュールの電気配線基板を示す平面図を示す。図４（ａ）は、図３の下側の基板である電気配線基板３６０ｂを熱電変換素子３５０側から見た平面図であり、図４（ｂ）は、図３の上側の基板である電気配線基板３６０ａを熱電変換素子３５０側から見た平面図である。

図４に示すように、電気配線基板３６０ａ、３６０ｂにはそれぞれ電気配線３６５が形成され、Ｐ型熱電変換素子３５０ＰやＮ型熱電変換素子３５０Ｎが交互に配置されている。そして、図４（ａ）に示すように、一方の電気配線基板３６０ａには、電流導入端子１１５ａ、１１５ｂとそれに近い熱電変換素子３５０とを接続する第１電気配線３６６に、電気導通部材４００が配置されている。また、図４（ｂ）に示すように、他方の電気配線基板３６０ｂには、熱電変換素子３５０とは独立して第２電気配線４２０が形成されている。第２電気配線４２０は、電気導通部材４００とは接していないが、対向する位置に形成されている。

ここで、例えば熱電変換モジュール１００の片側に設けられた冷却体が故障するなど異常が発生した場合、発熱体からの熱量が熱電変換モジュールに供給され続けてモジュール全体が２００℃以上の高温状態になると、接合材３２０、４３０が溶融する。一般に、熱電変換モジュールは発熱体と冷却体によって一定圧力で挟み込まれて取り付けられているため、第１接合材３２０が溶融すると、この一定圧力により第１接合材３２０が押し出されて電気配線基板３６０ａが沈み込む。その結果、電気導通部材４００と第２電気配線４２０が接することになり、電流導入端子１１５ａ、１１５ｂとが、第１電気配線３６６および電気導通部材４００および第２電気配線４２０による最短の電気導通経路が形成されることになる。なお、電気導通部材４００が空隙を介して対向する第２電気配線４２０の表面には、電気導通経路の形成をより確実にするために、少なくとも電気導通部材４００の第２電気配線４２０への投影面において金めっきまたはニッケルめっきまたは銀めっきが形成されていることが望ましい。

このように最短の電気導通経路が形成されることで、この熱電変換モジュール１００は機能しなくなり複数の熱電変換モジュール群としての熱電変換効率は落ちるが、熱電変換素子３５０が直列に接続する主回路とは別の電気導通経路を作り出すことができ、複数の熱電変換モジュールを直列で接続した場合の電気導通は確保することができる。

図５に、本実施の形態にかかる熱電変換モジュールの断面図における電気導通部材４００（図４のＡ部分）の拡大図を示す。Ｙ１は熱電変換素子３５０と第１電気配線３６６を接合している第１接合材３２０の接合高さであり、Ｙ２は熱電変換素子３５０の反対の端部と電気配線３６５を接合している第１接合材３２０の接合高さである。また、Ｙ３は電気導通部材４００と第１電気配線３６６を接合している第２接合材４３０の接合高さである。

ここで、本実施の形態において、電気導通部材４００と第２電気配線４２０との間に設けられる空隙の長さＹ４はＹ１とＹ２の合計値よりも小さく、Ｙ１とＹ２の合計値からＹ３を引いた値よりも大きく設定している。これは、異常発生時に第１接合材３２０が溶融して押し出された場合、電気配線基板３６０ａと第２電気配線４２０が下方向に沈み込むが、空隙Ｙ４をＹ１とＹ２の合計値つまり第２電気配線４２０の沈み込み量より小さくしておけば電気導通部材４００と第２電気配線４２０が確実に接することができるためである。この関係を式に表すと次のようになる。

（数１）
Ｙ４＜Ｙ１＋Ｙ２・・・（１）
また、第２電気配線４２０の沈み込み量Ｙ１＋Ｙ２から空隙量Ｙ４を引いた値が第２接合材４３０の変形量になるが、この変形量が第２接合材４３０の厚みＹ３より大きいと溶融した第２接合材４３０が押し出されて接合を確保できなくなる。したがって、第２接合材４３０が押し出されない関係を式に表すと次のようになる。

（数２）
Ｙ１＋Ｙ２−Ｙ４＜Ｙ３・・・（２）
この式からＹ４を導くと次のようになる。

（数３）
Ｙ１＋Ｙ２−Ｙ３＜Ｙ４・・・（３）
したがって、Ｙ４は式（１）と式（３）より、次式のように表される。

（数４）
Ｙ１＋Ｙ２−Ｙ３＜Ｙ４＜Ｙ１＋Ｙ２・・・（４）
ここで、第２接合材４３０は第１接合材３２０と同じ材質であってもよいし、同じ高さであってもよい。なお、第２接合材４３０は、その融点が第１接合材３２０の融点より高い材料を選択することで、第１接合材３２０が溶融飛散した場合でも、電気導通部材４００の姿勢を安定させることができるため、望ましい。

以上の構成をとることにより、熱電変換モジュールが高温状態になり、はんだが飛散して熱電変換素子が配置される電気回路が遮断された場合でも熱電変換モジュールとしては発電能力を失うものの、電流導入端子１１５ａと電流導入端子１１５ｂの間に電気導通を確保することができ、発電システムとして熱電変換モジュールを直列に複数枚使用している場合、その中の一つが異常となっても電流経路を確保し、発電システムとして機能継続させることができる。

上記のとおり、本発明の熱電変換モジュールは、多数の熱電変換モジュールを使用して大きな発電量を得る発電システムの信頼性を向上させるものであり、ゴミ焼却炉や製鉄炉、自動車の排気ダクト、などの幅広い用途に使用することが出来て、安定稼動に寄与することができる。

１０、１００ 熱電変換モジュール
１５ａ、１５ｂ、１１５ａ、１１５ｂ 電流導入端子
５０、３５０Ｐ Ｐ型熱電変換素子
６０、３５０Ｎ Ｎ型熱電変換素子
７０、３６５ 電気配線
８０、９０ セラミック基板
３００ 熱電変換材料
３１０ めっき金属層
３２０ 第１接合材
３５０ 熱電変換素子
３６０、３６０ａ、３６０ｂ 電気配線基板
３６６ 第１電気配線
４００ 電気導通部材
４２０ 第２電気配線
４３０ 第２接合材

Claims (2)

1. 第１の電流導入端子と、
   第１接合材を介した熱電変換素子と前記第１の電流導入端子とを接続する第１の第１電気配線と、
   前記第１の第１電気配線に第１の第２接合材で接合された第１の電気導通部材と、
   前記第１の電気導通部材との間に第１の空隙を介して設けられた第２電気配線と、
   前記第２電気配線との間に第２の空隙を介して設けられた第２の電気導通部材と、
   前記第２の電気導通部材と第２の第２接合材で接合された第２の第１電気配線と、
   前記第２の第１電気配線と接続される第２の電流導入端子と、を備え、
   前記第２電気配線は、前記第１接合材が溶融した場合に前記第１の電気導通部材と前記第２の電気導通部材とに接触して、前記第１の電流導入端子と前記第２の電流導入端子とを接続する、
   熱電変換モジュール。
2. 前記熱電変換素子は、複数存在し、Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子から構成されたＰＮ素子対を構成する、
   請求項１に記載の熱電変換モジュール。

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