JP6822227B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents
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Description
また、このように構成される熱電変換モジュールを熱源に設置して、配線部により接続される両熱電変換素子に熱伸縮差が生じた際にも、多孔質金属層が伸縮して寸法変化を吸収するので、熱伸縮差により熱電変換モジュール内に生じる応力の発生を抑制できる。
第1実施形態の熱電変換モジュール101は、図1〜図3に示すように、対向した配線基板2A,2Bの間に、P型熱電変換素子3及びN型熱電変換素子4を線状(一次元)に配列した構成である。簡便にするため、図1〜図3にはP型熱電変換素子3及びN型熱電変換素子4が二対で配列された例を示しており、合計4個の熱電変換素子3,4が一列に並んで設けられている。
そして、これら熱電変換素子3,4は、例えば横断面が正方形(例えば、一辺が1mm〜8mm)の角柱状に形成され、長さ(図1の上下方向に沿う長さ)は2mm〜8mmとされ、P型熱電変換素子3の長さとN型熱電変換素子4の長さは、ほぼ同じ長さに設定されている。なお、各熱電変換素子3,4の両端面にはニッケル、金等からなるメタライズ層35が形成される。
多孔質金属層13に適用される金属多孔体は、導電層12と主成分を同一の材料(アルミニウム又は銅)とする複数の金属繊維が焼結されてなるものである。すなわち、導電層12がアルミニウムを主成分とする材料により形成される場合は、金属多孔体の金属繊維がアルミニウム繊維で構成され、導電層12が銅を主成分とする材料により形成される場合は、金属多孔体の金属繊維が銅繊維で構成される。そして、金属多孔体は、焼結により複数の金属繊維が互いに連結されて一体化されたものであり、内部に複数の空隙部を有する構成とされる。なお、金属多孔体を構成する各々の金属繊維の外周面には、その外周面から外方に突出する長さが短く、径が細い柱状突起が間隔をおいて複数形成され、隣接する金属繊維が互いの柱状突起において連結されて一体化されている。
なお、金属多孔体の気孔率が20%未満であると、金属多孔体中の金属繊維が密となり、金属多孔体を伸縮させる際に大きな荷重が必要となる。このため、熱電変換素子3,4の熱伸縮に応じた応力緩和効果を得ることが難しくなる。また、気孔率が90%を超える金属多孔体を作ることは難しい。
これら基端側金属層14,15及び熱伝達金属層22の絶縁基板21(セラミックス基板)への接合は、ろう材等を用いて行われる。
配線基板2A,2Bは、まず、例えば図4(a)に示すように、絶縁基板21(セラミックス基板)の一方の面に配線部11A,11Bを構成する基端側金属層14,15を、他方の面に熱伝達金属層22を、Al‐Si系ろう材等により接合する。この場合、絶縁基板21に基端側金属層14,15となるアルミニウム板及び、熱伝達金属層22となるアルミニウム板をそれぞれろう材を介して積層し、これらを積層方向に加圧した状態で610℃〜650℃に加熱することにより、絶縁基板21に基端側金属層14,15及び熱伝達金属層22を接合する。
なお、配線基板に基端側金属層、セラミックス基板、熱伝達金属層を設けずに、導電層と多孔質金属層とで配線基板を構成する場合には、導電層となるアルミニウム板上にチタン粉等が混合されたアルミニウム繊維を配置した後に、そのままの状態で加熱を行えばよい。
銀下地層がある場合、配線基板2A,2Bに設けられた導電層12の銀下地層の上に銀ペーストをスクリーン印刷法等によって塗布し、乾燥させた後、図4(c)に示すように、その銀ペースト層の上に熱電変換素子3,4の端面を重ね合わせるようにして配線基板2A,2Bの間にP型熱電変換素子3及びN型熱電変換素子4を並べて配置し、加熱炉内で、加圧力(接合荷重):0(自重のみ)〜30MPa(好ましくは0.01MPa〜3MPa)、焼成温度:150〜400℃で加熱焼成することにより、導電層12と熱電変換素子3,4とを銀接合層を介して接合し、配線基板2A,2Bの間に、P型熱電変換素子3及びN型熱電変換素子4が直列に接続された熱電変換モジュール101を製造する。あるいは、配線基板2A,2Bに設けられた導電層12と、P型熱電変換素子3およびN型熱電変換素子4との間にろう材を挿入し、加熱炉内で、加圧力(接合荷重):0.01〜10MPa、接合温度:585〜600℃で接合しても良い。
なお、熱電変換素子3,4と配線基板2A,2Bとの接合時に付加される焼成温度は、上記のように600℃以下で行う必要がある。アルミニウム繊維からなる多孔質金属層13にあっては、焼成温度が600℃を超えると、多孔質金属層13中のアルミニウム繊維同士が焼結し、多孔質金属層13の応力緩和効果が減少するおそれがある。
導電層の有無による熱電変換モジュールの内部抵抗への影響を実証するため、図7(a)及び(b)に示すように、導電層12と多孔質体金属層13と基端側金属層14とからなる配線部11C,11Dを作製した。図7(a)に示す配線部11Cは、導電層12の中間に幅1mmのスリット16を入れた。図7(b)に示す配線部11Dは、スリットを入れずに構成した。配線部11C,11Dの導電層12と基端側金属層14とには、それぞれ5mm×11mm×0.4mmtのアルミニウム板を用いた。また、多孔質金属層13には、平均線径100μmで、平均長さ3mmのアルミニウム繊維を焼成して気孔率約60%とし、基端側金属層14と同じ平面サイズで、厚み2mmのものを使用した。
実施例1において、内部抵抗の低かった、すなわちスリットのない導電層を有する配線部を用いた多孔質金属層を有する熱電変換モジュールと、多孔質金属層を有さない基端側金属層のみの配線部を有する熱電変換モジュールを作製し、内部抵抗、開放電圧、最大出力を評価した。
また、作製した熱電変換モジュール201,202へ実際に温度差(高温部500℃、低温部20℃)を与えることで、発電特性を評価し、内部抵抗、開放電圧、最大出力を確認した。
これらの結果を表1に示す。
3 P型熱電変換素子
4 N型熱電変換素子
5 熱源
6 冷却流路
11A,11B,11C,11D,11E,11F 配線部
12 導電層
13 多孔質金属層
14,15 基端側金属層
15a 外部配線部
21 絶縁基板
22 熱伝達金属層
35 メタライズ層
101,102,103,201,202 熱電変換モジュール
Claims (3)
- 対向配置される一対の配線基板の間に線膨張係数の異なる複数の熱電変換素子が組み合わせて配列され、これらの熱電変換素子が前記配線基板を介して接続された熱電変換モジュールであって、
各配線基板は、前記熱電変換素子が接合される配線部を有しており、
前記一対の配線基板のうちの少なくとも一方の配線基板において、隣り合う両熱電変換素子の間を接続して設けられる一方の配線部が、
両熱電変換素子の間を連結して設けられる多孔質ではない面状の導電層と、
前記導電層に接合された多孔質金属層とを有しており、
前記熱電変換素子と前記多孔質金属層との間に前記導電層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。 - 前記導電層は、厚さ0.1mm以上1.2mm以下に形成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。
- 前記一方の配線部には、前記多孔質金属層の前記導電層とは反対側の面に、前記多孔質金属層と主成分が同一の材料により形成された基端側金属層が配設されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換モジュール。
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