(57)【要約】【課題】全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和できる熱電発電モジュールを提供する。【解決手段】熱電発電モジュール１は、高温側電極部１２と、該高温側電極部１２と離間して対向する低温側電極部２２と、高温側電極部１２と低温側電極部２２との間に配置された極性の異なる複数の熱電素子３０とを備える。低温側電極部２２と熱電素子３０との間には、グリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層２５が設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温側電極部と、前記高温側電極部と離間して対向する低温側電極部と、前記高温側電極部と前記低温側電極部との間に配置された極性の異なる複数の熱電素子とを備える熱電発電モジュールであって、
前記低温側電極部と前記熱電素子との間には、グリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層が設けられていることを特徴とする熱電発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電は、自動車や工場などの排熱を電気エネルギに変換可能であり、クリーンなエネルギ資源として注目されている。熱電発電に用いられる熱電発電モジュールは、極性の異なる２種類の熱電素子（ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子）を高温側電極部と低温側電極部との間に交互に配置させ、高温側電極部及び低温側電極部の間の温度差に応じて電気エネルギを発生させる。
【０００３】
しかし、駆動時の熱電発電モジュールでは、高温側電極部を設けた高温部側が低温側電極部を設けた低温部側よりも大きく熱膨張するので、両者の間に熱応力が発生する。このため、熱電発電モジュールの発電出力が低下したり、熱電素子が破損したりする問題が生じる。
【０００４】
このよう問題を解決するために、幾つか提案がなされている。例えば下記特許文献１には、熱応力が発生しにくい熱電発電モジュールが開示されている。この文献に記載の熱電発電モジュールでは、低温側絶縁基板は非拘束性の熱接触層を介して放熱部と接続されることで、放熱部に固定されることなく、熱接触層によって潤滑された放熱部に沿って移動可能になっている。これによって、低温側絶縁基板を含む低温部側が高温部側の熱膨張を妨げることなく、熱応力の緩和を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１６−２８４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述の熱電発電モジュールでは、高温側（又は低温側）絶縁基板及び高温側（又は低温側）電極部、高温側（又は低温側）電極部及び熱電素子はそれぞれ接合されているため、これらの部位で発生する熱応力を緩和できない問題が残されている。
【０００７】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和できる熱電発電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱電発電モジュールは、高温側電極部と、前記高温側電極部と離間して対向する低温側電極部と、前記高温側電極部と前記低温側電極部との間に配置された極性の異なる複数の熱電素子とを備える熱電発電モジュールであって、前記低温側電極部と前記熱電素子との間には、グリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層が設けられていることを特徴としている。
【０００９】
本発明に係る熱電発電モジュールでは、低温側電極部と熱電素子との間にグリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層が設けられるので、熱電素子と低温側電極部とは直接接合又は固定されていない状態になり、熱膨張時に両者が相対的に移動することが可能である。そのため、高温部側が熱膨張するときに、低温側電極部を含む低温部側がその熱膨張を妨げることがないので、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和することができ、モジュール耐久性の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態に係る熱電発電モジュールを示す概略断面図である。
【図２】実施例の熱電発電モジュールを示す概略断面図である。
【図３】比較例１の熱電発電モジュールを示す概略断面図である。
【図４】比較例２の熱電発電モジュールを示す概略断面図である。
【図５】実施例及び比較例の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明に係る熱電発電モジュールの実施形態について説明する。図１は実施形態に係る熱電発電モジュールを示す概略断面図である。本実施形態の熱電発電モジュール１は、例えば自動車の排熱を回収して発電するために用いられるものであり、高温部１０と、高温部１０と離間して対向する低温部２０と、高温部１０及び低温部２０の間に配置された複数の熱電素子３０とを備えている。
【００１３】
高温部１０は、平板状の高温側絶縁基板１１と、該高温側絶縁基板１１の低温部２０側に面する第１主面１１ａに所定のパターンで配列された高温側電極部１２と、高温側絶縁基板１１の第１主面１１ａとは反対側の第２主面１１ｂに設けられた集熱部１３とを有する。
【００１４】
高温側絶縁基板１１は、電気的絶縁性で且つ熱伝導性を有するものであり、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ボロン、炭化珪素などによって形成されている。また、該高温側絶縁基板１１には、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシなどの繊維強化プラスチックなどの樹脂材料を用いても良い。
【００１５】
高温側電極部１２は、高温側絶縁基板１１の第１主面１１ａに金属めっき処理を施すことにより形成されている。金属めっきとしては、金めっき、ニッケルめっき、スズめっきなどが挙げられる。高温側電極部１２は、対をなすｐ型熱電素子３０ａとｎ型熱電素子３０ｂ（後述する）とを導通するように、熱電素子３０と電気的に接続している。
【００１６】
集熱部１３は、高温側絶縁基板１１の第２主面１１ｂに配置された平板状の熱拡散板１３ａと、熱拡散板１３ａの上に所定の間隔で配列された複数の吸熱フィン１３ｂとを有する。吸熱フィン１３ｂは、矩形断面を有する棒状を呈し、熱拡散板１３ａから上方に突設されている。
【００１７】
複数の熱電素子３０は、互いに対をなすｐ型熱電素子３０ａとｎ型熱電素子３０ｂからなる。これらの熱電素子３０は、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により形成されている。すなわち、ｐ型熱電素子３０ａはｐ型熱電材料、ｎ型熱電素子３０ｂはｎ型熱電材料により形成されている。
【００１８】
熱電材料としては、ビスマス−テルル系化合物、シリサイド系化合物、ハーフホイスラー化合物、鉛−テルル系化合物、シリコン−ゲルマニウム系化合物、スクッテルダイト化合物などが挙げられる。
【００１９】
そして、ｐ型熱電素子３０ａとｎ型熱電素子３０ｂとは、それぞれ角柱状または円柱状に形成され、所定の間隔で離れて設置されている。ｐ型熱電素子３０ａ及びｎ型熱電素子３０ｂの上端部は、半田付けやロウ付けなどで上述の高温側電極部１２に接合されている。
【００２０】
一方、低温部２０は、平板状の低温側絶縁基板２１と、該低温側絶縁基板２１の高温部１０側に面する第１主面２１ａに所定のパターンで配列された低温側電極部２２と、低温側絶縁基板２１の第１主面２１ａとは反対側の第２主面２１ｂに設けられた放熱部２３とを有する。
【００２１】
低温側絶縁基板２１は、高温側絶縁基板１１と同様に、電気的絶縁性で且つ熱伝導性を有しており、例えばアルミナ、窒化アルミニウム、窒化ボロン、炭化珪素などによって形成されている。低温側電極部２２は、低温側絶縁基板２１の第１主面２１ａに金属めっき処理を施すことにより形成されている。金属めっきとしては、金めっき、ニッケルめっき、スズめっきなどが挙げられる。そして、低温側電極部２２は、熱電素子３０の下端部と接合されずに、所定の距離をもって離れて配置されている。
【００２２】
低温側電極部２２の上には、高い伝熱性及び導電性を有するグリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層２５が設けられている。この伝熱導電層２５は、低温側電極部２２を覆うように該低温側電極部２２と同じ面積を有するように形成されている。また、伝熱導電層２５は熱電素子３０の下端部と接合されておらず、所定の距離で離れて配置されている。
【００２３】
放熱部２３は、伝熱グリース２４を介して低温側絶縁基板２１の第２主面２１ｂに配置されている。この放熱部２３は、伝熱グリース２４に配置された平板状の熱拡散板２３ａと、熱拡散板２３ａの下に所定の間隔で配列された複数の冷却フィン２３ｂとを有する。冷却フィン２３ｂは、矩形断面を有する棒状を呈し、熱拡散板２３ａから下方に突設されている。
【００２４】
このように構成された熱電発電モジュール１では、熱電素子３０と低温部２０とを相対的に接近させるように高温部１０及び低温部２０に所定の荷重Ｆが加えられると、熱電素子３０の下端部が伝熱導電層２５と接触する。これによって、熱電素子３０及び低温側電極部２２は伝熱導電層２５を介して電気的に導通される。
【００２５】
本実施形態の熱電発電モジュール１によれば、低温側電極部２２と熱電素子３０との間にグリース又は金属メッシュ部材からなる伝熱導電層２５が設けられるので、熱電素子３０と低温側電極部２２とは直接接合又は固定されていない状態になり、熱膨張時に両者が相対的に移動することが可能である。そのため、高温部１０側が熱膨張するときに、低温側電極部２２を含む低温部２０側がその熱膨張を妨げることがないので、全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和することができ、モジュール耐久性の向上を図ることができる。
【００２６】
また、伝熱導電層２５が金属メッシュ部材からなる場合、熱電素子３０及び低温側電極部２２の間における相互元素拡散に伴う固着の発生を防止する効果を更に奏する。
【００２７】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は以下の実施例により限定されるものではない。
【００２８】
＜実施例＞
本実施例では、伝熱グリース２４を省略した熱電発電モジュール１（図２参照）を用いて、高温部１０側の温度が５００℃、低温部２０側の温度が１００℃である条件で、熱印加時に発生応力が高い高温且つ外側の高温側電極部１２及び熱電素子３０を熱応力計算部として、それぞれの初期熱応力の計算を行った。なお、計算に使用したソフトはＡＢＡＱＵＳ６−１４であり、伝熱導電層２５にＣｕメッシュ部材、高温側電極部１２及び低温側電極部２２にＣｕめっきをそれぞれ用いた。
【００２９】
＜比較例１＞
図３は比較例１の熱電発電モジュールを示す概略断面図である。比較例１の熱電発電モジュール２は、伝熱導電層２５を設けない点、及び低温側電極部２２が熱電素子３０の下端部と接合される点において実施例と異なっているが、その他の構造が実施例と同様であった。そして、該熱電発電モジュール２に対し、実施例と同様な条件で熱応力計算部の初期熱応力を計算した。
【００３０】
＜比較例２＞
図４は比較例２の熱電発電モジュールを示す概略断面図である。比較例２の熱電発電モジュール３は、伝熱導電層２５を設けない点、低温側電極部２２が熱電素子３０の下端部と直接接合されるとともに低温側絶縁基板２１から所定の距離で離間する点、及び低温側絶縁基板２１の第１主面２１ａの上にカーボンシート層２７を設ける点において実施例と異なっているが、その他の構造が実施例と同様であった。そして、該熱電発電モジュール３に対し、実施例と同様な条件で熱応力計算部の初期熱応力を計算した。
【００３１】
図５は実施例及び比較例の結果を示すグラフである。図５から分かるように、比較例１の応力比を１００％としたときに、比較例１に対して比較例２の高温側電極部１２の応力比が４％、熱電素子３０の応力比が５％それぞれ減少した（言い換えれば、熱応力が緩和された）。一方、実施例は比較例２よりも、高温側電極部１２の応力比が２％、熱電素子３０の応力比が６％（いずれも両側接合比である）更に減少したことが分かった。この結果から、本発明の熱電発電モジュール１によれば全体的にモジュール内で発生する熱応力を緩和できることが確認された。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００３３】
１    熱電発電モジュール
１０    高温部
１１    高温側絶縁基板
１２    高温側電極部
１３    集熱部
１３ａ  熱拡散板
１３ｂ    吸熱フィン
２０    低温部
２１    低温側絶縁基板
２２    低温側電極部
２３    放熱部
２３ａ    熱拡散板
２３ｂ    冷却フィン
２４    伝熱グリース
２５    伝熱導電層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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