JPH0529667A

JPH0529667A - 熱電変換モジユール

Info

Publication number: JPH0529667A
Application number: JP3179966A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Hayashibara; 光男林原; Asako Koyanagi; 阿佐子小柳; Moriaki Tsukamoto; 守昭塚本; Shigehiro Shimoyashiki; 重広下屋敷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-19
Filing date: 1991-07-19
Publication date: 1993-02-05

Abstract

(57)【要約】【目的】熱電素子と基板との接合部に生じる応力を緩
和し、熱電素子の充填密度を向上させる。【構成】熱電変換モジュールは高温側および低温側の
両方に基板を有する。基板21にはＰ型素子１およびＮ型
素子２が電極11を介して接続されており、分割した基板
22のそれぞれには、Ｐ型素子１あるいはＮ型素子２の一
方のみが電極12を介して並列に接続されている。１つの
熱電変換モジュール内の極性の等しい素子の熱膨張率は
等しいため、基板21と基板22の距離は、加熱により伸縮
はするが、全ての素子の伸びは等しいため、基板21とＰ
型素子１およびＮ型素子２の接合部、基板22とＰ型素子
１およびＮ型素子2 の接合部には熱膨張率差による熱応
力は発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱エネルギを電気エネ
ルギに変換する熱電発電システムに係わり、特に信頼性
および効率の向上に好適な熱電変換モジュールに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】通常、熱電素子を用いた発電では、実用
的な電圧、電流を得るため、複数個の熱電素子を電気的
に接続した熱電変換モジュールを用いる。従来技術とし
ては、「直接エネルギ変換」（昭和４３年、好学社、ザ
ットン著）に記載のモジュールが知られている。

【０００３】図１９は「直接エネルギ変換」記載の熱電
変換モジュールを説明する説明図である。

【０００４】本図に示すように、Ｐ型とＮ型の熱電素子
１、２を電極11、12を介して直列に接続し、下部を高温
配管、加熱板等で加熱し、上部を冷却することにより、
下部から供給された熱エネルギが熱電素子を貫流して電
気エネルギに変換され、端子32から同33に向かって電流
Ｉが流れ、負荷Ｌに電力を供給するものである。

【０００５】一方、熱源として、火炎、温風等を用いる
例が、実開昭63-201361、実開昭63-137961、実開平1-11
0457号公報により知られている。これらは、熱電素子の
高温側を基板を介さずに接続し、Ｐ型とＮ型の熱膨張率
の差によって生じる熱応力を、フレキシブルなコネクタ
を用いることによって緩和するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】「直接エネルギ変換」
に記載の技術の場合、Ｐ型およびＮ型の熱電素子の熱膨
張率の差、基板と熱電素子の熱膨張率の差によって、基
板と熱電素子の接合部に応力が発生し、回路の破断、モ
ジュールの破損が生じる。

【０００７】実開昭63-201361及び実開昭63-137961号公
報に記載されている例では、以下に示す問題点がある。

【０００８】（１）Ｐ型とＮ型からなる一対の熱電素子
の片方は、基板（放熱板）に接触していないため、熱電
素子に温度差が得られない。そのため、本来この使用条
件で得られる電力が得られない。すなわち熱電変換モジ
ュールとしての効率は低下する。（２）上記技術を用い
て熱電素子に温度差をもたらす場合は、基板（放熱板）
に接触する熱電素子の低温側の面積を大きくすることが
考えられるが、熱電素子の充填密度が下がり、これも熱
電変換モジュールの効率を低下させる原因になる。

【０００９】（３）熱電素子の充填密度を上げると、金
属電極の変形による短絡が生じる可能性がある。従来例
は、この点について配慮されておらず、このことも高充
填化の障害になる。

【００１０】実用新案平1-110457号公報に記載されてい
る例の場合、熱電素子は基板（放熱板）に直接固定され
ていないため、構造的に不安定である。また、弾性コネ
クタを介在とした放熱のため、放熱効率が低下し、熱電
変換モジュールとしての効率は低下する。

【００１１】さらに、実用新案昭63-201361、実用新案
昭63-137961、実用新案平1-110457号公報に記載されて
いる例の場合は、いずれも大気中に露出した金属電極を
用いるが、低温側とはいえ、200℃まで温度が上昇する
こともあり、長時間使用すると、金属電極の酸化によ
り、熱電変換モジュールの出力が低下する可能性があ
る。

【００１２】本発明の第１目的は、高温側と低温側の両
方に基板を用いた熱電変換モジュールにおいて、基板と
熱電素子の接合部に生じる熱応力を緩和し、熱電素子の
充填密度を向上させることにある。

【００１３】本発明の第２目的は、基板と熱電素子の熱
膨張率の差に起因する破断と、金属電極の酸化を防止す
ることにある。

【００１４】本発明の第３目的は、熱電変換モジュール
内の金属電極の変形に伴って生じる短絡と、金属電極の
酸化を防止することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、複数のＰ型
素子及びＮ型素子を有する熱電素子と、複数の一方の前
記Ｎ型素子と前記Ｐ型素子を接続する電極を形成した第
１の基板と、複数の他方の前記Ｐ型素子同士を接続する
電極を形成したの第２の基板と、複数の他方の前記Ｎ型
素子同士を接続する電極を形成したの第３の基板とを有
することにより達成される。

【００１６】上記目的は、Ｐ型素子とＮ型素子を直線状
に接合した複数の熱電素子と、それぞれの前記熱電素子
を直列に接続する電極を形成し前記複数の熱電素子の両
側に配置した基板とを有することにより達成される。

【００１７】上記目的は、相対するＰ型素子とＮ型素子
の一方を接合した複数の熱電素子と、それぞれの他方の
Ｐ型素子のみを接合した第１の基板と、それぞれの他方
のＮ型素子のみを接合した第２の基板とを有することに
より達成される。

【００１８】上記目的は、相対するＰ型素子とＮ型素子
の一方を接合した複数の熱電素子と、該複数の熱電素子
の接合部を挿入して固定する孔を有する基板と、それぞ
れの前記Ｐ型素子とＮ型素子の他方を直列に接続する電
極とを有することにより達成される。

【００１９】上記目的は、Ｐ型素子とＮ型素子からなる
複数の熱電素子と、該Ｐ型素子とＮ型素子の一方を接続
する電極を複数個形成した基板と、それぞれの前記Ｐ型
素子とＮ型素子の他方を直列に接続する絶縁被覆された
電導体とを有することにより達成される。

【００２０】

【作用】図２０に、「直接エネルギ変換」に記載の熱電
変換モジュールの熱膨張を解析した計算結果を示す。基
板21上に二種類の熱電素子７及び８を接続し、基板21を
加熱した場合を想定し、加熱温度500℃と設定した。計
算に用いた物性値を表１に示す。

【００２１】

【表１】

【００２２】本図は、熱電素子と基板の接続部（図中矢
印部）に熱応力（約900N/mm²）が発生することを示し、
この値は通常用いられるペーストの臨界応力（約100N/m
m²）を越え、回路破断が生じることを意味する。

【００２３】上記構成によれば、第１の基板と第３の基
板間に配置されている熱電素子は全て同じＰ型素子であ
り、第２の基板と第３の基板間に配置されている熱電素
子は全て同じＮ型素子であり、同じ型の素子の熱膨張率
は基本的に等しいため、素子の温度分布が等しければ、
それぞれの基板内に熱応力は発生しない。また、第１の
基板と第２の基板は別個に独立しているから基板間に異
なる型の素子の熱膨張率による伸び差があっても熱応力
は発生しない。実際は、加熱・放熱条件がモジュール内
でわずかに異なり、それぞれの熱電素子の温度は、10℃
程度のばらつきが生じる。しかし、同じ型の素子におけ
る10℃程度のばらつきがもたらす熱膨張の差によって生
じる熱応力は、本図の例に比べ二桁以上小さく、破断は
生じない。さらに、本発明ではＰ型およびＮ型の熱電素
子は、弾性を有する電導体例えば薄い金属電極を介して
基板（放熱板）と直接接触しているため、高い効率で放
熱できる。また、金属電極の全面を基板（放熱板）に固
定できるため、電極の変形を考慮したスペースが不要で
あり、高充填化が可能である。

【００２４】次に、Ｐ型素子およびＮ型素子を直線状に
接合し熱膨張方向に配置した複数の熱電素子を使用する
と、基板間に有るそれぞれの熱電素子は一対のＰ型およ
びＮ型素子で構成しているから全ての熱電素子の伸びは
等しく基板と熱電素子の接合部には応力が発生しない。
仮に、熱電素子の温度に10℃程度のばらつきが生じた場
合を想定しても、熱電素子と基板の接合部に生じる熱応
力は、本図の場合に比べ、二桁以上小さく、破断は生じ
ない。また、金属電極の全面を基板（放熱板）に固定で
きるため、電極の変形を考慮したスペースが不要であ
り、高充填化が可能である。

【００２５】そして、Ｐ型素子とＮ型素子を接合し折り
曲げた形状の複数の熱電素子のうち、第１の基板にはＰ
型素子のみを接合するから、熱電素子の伸びおよびその
方向は全て等しいため、伸び差が無く基板に熱応力はほ
とんど発生しない。同様に第２の基板にはＮ型素子のみ
を接合するから、伸び差が無く基板に熱応力はほとんど
発生しない。本発明ではＰ型およびＮ型の熱電素子は、
弾性を有する電導体例えば薄い金属電極を介して基板
（放熱板）と直接接触しているため、高い効率で放熱で
きる。

【００２６】更に、熱電素子を基板に固定する際に基板
に開けた素子と同寸の孔の中に固定することにより、基
板への接着をより強固にし、回路破断の防止効果を高め
ることができる。導電性材料を介して、金属電極を用い
ることなく熱電素子を電気的に接続できるため、電極の
酸化に起因する劣化が生じない。

【００２７】それから、熱電素子を直列に接続する絶縁
被覆された電導体を用いることにより、大気を遮断でき
るため、電極の酸化を防止でき、電極が熱電素子に接触
したとしても、電極が電気的に絶縁されているため、回
路の短絡が起こらない。

【００２８】

【実施例】本発明の一実施例を図を用いて説明する。

【００２９】第１実施例図１は本発明の第１実施例の構成を示す斜視図である。
本図に示す熱電変換モジュールは高温側および低温側の
両方に基板を有する。高温側の基板21にはＰ型素子１お
よびＮ型素子２が電極11を介して接続されており、分割
した低温側の基板22のそれぞれには、Ｐ型素子１あるい
はＮ型素子２の一方のみが電極12を介して並列に接続さ
れている。一般に、１つの熱電変換モジュール内の極性
の等しい素子の熱膨張率は等しいため、基板21と基板22
の距離は、加熱により伸縮はするが、全ての素子の伸び
は等しいため、基板21とＰ型素子１およびＮ型素子２の
接合部、基板22とＰ型素子１およびＮ型素子２の接合部
には応力は発生しない。本発明によれば、基板と素子の
接合部に応力は発生しないため、素子回路の破断、モジ
ュールの破損を防止できる。また、熱電素子は全て基板
（放熱板）に固定されており、弾性コネクタを介した放
熱よりも１０〜２０％大きな温度差をもたらすことがで
きる。また、電極は基板に固定されているため、電極の
変形を考慮したスペースが不要で、従来よりも２０〜３
０％、熱電素子の充填密度を向上できる。従って、モジ
ュール全体としての効率は、３０〜５０％増加する。

【００３０】図２は、Ｐ型素子１とＮ型素子２とを、電
極11およびリード線４により直列に接続した場合の斜視
図である。従来技術では、弾性コネクタに熱伝導の機能
をもたせているが、本実施例の場合、リード線４（従来
の弾性コネクタに相当）は、単に電気伝導の機能のみを
有するため、小さくあるいは細くできる。従って、従来
技術よりも２０〜３０％、熱電素子の充填密度を上げら
れる。また、図１と同様に、基板21と基板22の距離は、
加熱により伸縮はするが、全ての素子の伸びは等しいた
め、基板21とＰ型素子１およびＮ型素子２の接合部、基
板22とＰ型素子１およびＮ型素子２の接合部には応力は
発生しない。

【００３１】図３は図２に示す基板22に放熱フィン５を
取り付けた場合の斜視図である。

【００３２】この場合、図２に比べて３０〜１００％放
熱量を増加させることができ、熱電変換モジュールとし
ての効率は向上する。

【００３３】図４は、熱電素子を放射状に配置した例の
斜視図である。高温側の基板21の外側に電極11、Ｐ型素
子１あるいはＮ型素子２、電極12、分割した低温側の基
板22が順次固定され、熱電素子は主として径方向に熱膨
張するが、低温側の基板22がそれぞれ独立しており、基
板21と熱電素子１、２の接合部、基板22と熱電素子１、
２の接合部には応力はほとんど発生しない。熱電変換モ
ジュールを円筒若しくはパイプ内に収納する場合に適し
ている。

【００３４】図５は、図４の熱電素子低温側に放熱フィ
ンを配置した例の斜視図である。熱電素子低温側に放熱
フィンを取り付け、放熱効率をさらに高めている。この
場合図４に比較し３０〜１００％放熱量を増加させるこ
とができ、熱電変換モジュールとしての効率が向上す
る。

【００３５】第２実施例図６は、本発明の熱電変換モジュールの第２実施例の構
成を示す斜視図である。Ｐ型素子１とＮ型素子２は直線
状に配置され、中央部で接合し高温側となり、その両端
で電極12を介して基板22に固定され低温側となる。低温
側の基板22と基板22間の距離は、加熱により伸縮はする
が、Ｐ型素子１とＮ型素子２の一対で構成した素子の伸
びは等しいため、基板22とＰ型素子１およびＮ型素子２
の接合部に応力は発生しない。また、熱電素子が無駄な
スペース無しに密に配置されている為、従来例に比較し
３０％程度高い充填効率を達成できる。

【００３６】図７は、図６の熱電素子低温側に放熱フィ
ンを配置した例の斜視図である。熱電素子低温側に放熱
フィンを取り付け、放熱効率をさらに高めている。この
場合図６に比較し放熱量を増加させることができ、熱電
変換モジュールとしての効率が向上する。

【００３７】第３実施例図８は、本発明の熱電変換モジュールの第３実施例の構
成を示す斜視図である。Ｐ型素子とＮ型素子を中央部で
接合し熱電素子をＵ字状に形成し、複数の同特性の他方
の素子のみを接合した２枚の基板を有する。中央部の接
合部が高温側で低温側のみに基板を有し、Ｐ型素子１と
Ｎ型素子２は、図９に示す接着材６により基板22と基板
22にそれぞれ固定され、リード線４により直列に接続さ
れる。本実施例の場合も、基板22と基板22の距離は、熱
電素子の加熱により伸縮するが、それぞれの基板には同
じ特性の素子のみが固定されている為、素子の伸び及び
その方向は等しくそれぞれの基板に素子の伸び差による
応力はほとんど発生しない。

【００３８】図１０も、Ｐ型素子とＮ型素子を中央部で
接合し熱電素子をＵ字状に形成し、複数の同特性の他方
の素子のみを接合した２枚の基板を有する構成を示す斜
視図である。Ｐ型素子１とＮ型素子２は、図１０に示す
電極12を介して基板22にそれぞれ固定され、素子を図１
１に示す電極12により並列に接続したものである。本図
の場合も図８と同様に応力はほとんど発生しない。

【００３９】図１２は、図８に示した基板22の両端を湾
曲させた例の斜視図である。熱電変換モジュール内に粉
塵が入りにくい構造にしたものである。また、図１３に
示すようにモジュール内部での電気的短絡を防止できる
効果もある。

【００４０】第４実施例図１４は、本発明の熱電変換モジュールの第４実施例の
構成を示す縦断面図である。Ｐ型素子１及びＮ型素子２
を直接接合し、接合部を基板21上の素子と同径の孔には
め込み固定したものである。基板21に適当な熱膨張率を
持つ材料を選べば、この方法によって強固に素子と基板
を固定できる。一方の熱電素子を構成するＰ型素子１と
他の熱電素子を構成するＮ型素子２を直列に接続する電
極12に金属を用いると、その弾性によりＰ型素子１とＮ
型素子２の熱膨張率の差がもたらす応力を緩和出来る。

【００４１】図１５は、タンデム型の熱電変換モジュー
ルの構成を示す縦断面図である。

【００４２】一般に熱電素子は材料によって最適動作温
度が異なる。そこで温度勾配方向に各温度で最も良い熱
電特性を示す熱電素子を接合して熱電変換モジュールを
構成する。このような構成とすることにより、さらに高
い発電効率を達成できる。

【００４３】図１６は、図１４に示した熱電変換モジュ
ールの変形例を示す縦断面図である。Ｐ型素子１及びＮ
型素子２は、電極13を介して接合され、素子と素子の間
隙には基板21と同材質若しくは他の材質の絶縁材23を配
し基板21上の素子と同径の孔にはめ込み固定したもので
ある。本実施例の場合、金属電極13は大気から遮断され
るため、金属電極の酸化による熱電変換モジュールの効
率低下は生じない。また、素子と素子を直接に接合した
ものに比較して接合部における起電力の相殺による損失
が無く、素子の発電効率が高い。

【００４４】図１７は、熱電素子を接続する電極に絶縁
膜を被覆した熱電変換モジュールの例を示す縦断面図で
ある。このような構成とすることにより、粉塵あるいは
湿気によるモジュール内部の短絡を防止できる効果があ
る。

【００４５】図１８は熱電変換モジュール内部の大気に
面する部分全体に絶縁膜を被覆した縦断面図である。こ
のような構成とすることにより、粉塵あるいは湿気によ
るモジュール内部の短絡を防止できる効果がある。

【００４６】以上述べたように本実施例によれば、次の
ような効果がある。

【００４７】１）基板と熱電素子との接合部に熱応力が
発生しない。

【００４８】２）電極の変形を考慮したスペースが不要
で、電極が電気的に絶縁されているため、熱電変換モジ
ュール内に熱電素子を高い密度で充填できる。

【００４９】３）金属電極の酸化による劣化を防止でき
る。

【００５０】４）Ｐ型およびＮ型の熱電素子が薄い金属
電極を介して基板（放熱板）接触しているため、熱伝導
抵抗が小さく高い効率で放熱できる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、第１の基板と第２の基
板間に配置されている熱電素子は全て同じＰ型素子であ
り、第１の基板と第３の基板間に配置されている熱電素
子は全て同じＮ型素子であり、同じ型の素子の熱膨張率
は全て等しいため、それぞれの基板内における熱膨張率
の差による熱応力を緩和する効果が得られる。

【００５２】また、電極の全面を基板に固定できるた
め、電極の変形を考慮したスペースが不要であり、高充
填化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図２】Ｐ型素子とＮ型素子とを電極及びリード線によ
り直列に接続した場合の斜視図である。

【図３】図２に示す基板に放熱フィンを取り付けた斜視
図である。

【図４】熱電素子を放射状に配置した斜視図である。

【図５】図４の熱電素子低温側に放熱フィンを配置した
斜視図である。

【図６】本発明の第２実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図７】図６の熱電素子低温側に放熱フィンを配置した
例の斜視図である。

【図８】本発明の第３実施例の構成を示す斜視図であ
る。

【図９】図８のＡ−Ａ縦断面図である。

【図１０】本発明の第３実施例を変形した構成を示す斜
視図である。

【図１１】図１０のＢ−Ｂ縦断面図である。

【図１２】図８に示した基板を変形した例の斜視図であ
る。

【図１３】図１２のＣ−Ｃ縦断面図である。

【図１４】本発明の第４実施例の構成を示す縦断面図で
ある。

【図１５】図１４の構成にタンデム型の熱電素子を適用
した構成を示す縦断面図である。

【図１６】図１４の構成を変形した例を示す縦断面図で
ある。

【図１７】図１６の構成を変形した例を示す縦断面図で
ある。

【図１８】図１６の構成を変形した例を示す縦断面図で
ある。

【図１９】従来技術の構成を説明する説明図である。

【図２０】従来技術の構成を解析した計算結果を説明す
る説明図である。

【符号の説明】

１Ｐ型素子２Ｎ型素子４リード線５放熱フィン６接着材７熱電素子８熱電素子１１電極１２電極２１基板２２基板２３絶縁材３２端子３３端子４１絶縁膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者下屋敷重広茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のＰ型素子及びＮ型素子を有する熱
電素子と、複数の一方の前記Ｎ型素子と前記Ｐ型素子を
接続する電極を形成した第１の基板と、複数の他方の前
記Ｐ型素子同士を接続する電極を形成した第２の基板
と、複数の他方の前記Ｎ型素子同士を接続する電極を形
成した第３の基板とを有することを特徴とする熱電変換
モジュール。
【請求項２】Ｐ型素子とＮ型素子を直線状に接合した
複数の熱電素子と、それぞれの前記熱電素子を直列に接
続する電極を形成し前記複数の熱電素子の両側に配置し
た基板とを有することを特徴とする熱電変換モジュー
ル。
【請求項３】相対するＰ型素子とＮ型素子の一方を接
合した複数の熱電素子と、それぞれの他方のＰ型素子の
みを接合した第１の基板と、それぞれの他方のＮ型素子
のみを接合した第２の基板とを有することを特徴とする
熱電変換モジュール。
【請求項４】相対するＰ型素子とＮ型素子の一方を接
合した複数の熱電素子と、該複数の熱電素子の接合部を
挿入して固定する孔を有する基板と、それぞれの前記熱
電素子の他方を接続する弾性を有する電導体とを有する
ことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項５】Ｐ型素子とＮ型素子からなる複数の熱電
素子と、該Ｐ型素子とＮ型素子の一方を接続する電極を
複数個形成した基板と、それぞれの前記熱電素子の他方
を接続する絶縁被覆された弾性を有する電導体とを有す
ることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項６】前記Ｐ型素子及びＮ型素子は、タンデム
型であることを特徴とする請求項４または請求項５に記
載の熱電変換モジュール。