(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電変換モジュールにおいて、熱電半導体を破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を抑制し、耐久性を向上させる。【解決手段】複数のｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２と、ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２の高温熱源側の面に設置され、ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２を電気的に直列に接続する複数の高温側電極部１３、並びにｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２の低温熱源側の面に設置され、ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２を電気的に直列に接続する複数の低温側電極部１４とを備える熱電変換モジュール１０であって、熱電変換モジュール１０を複数のブロックに分割し、当該複数のブロック間を電極部材１７で互いに電気的に直列接合する。【選択図】図１
2015177050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体と、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体の高温熱源側の面に設置され、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の高温側電極部、並びに前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体の低温熱源側の面に設置され、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の低温側電極部とを具える熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換モジュールを複数のブロックに分割し、当該複数のブロック間を電極部材で互いに電気的に直列接合したことを特徴とする、熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記電極部材は、ブリッジ型の電極部材であ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。
【請求項３】
前記電極部材は、複数の膜体からなることを特徴とする、請求項２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記電極部材は、少なくとも一部が多孔質金属体からな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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば各種産業機器及び自動車などの廃熱を熱源とする、熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の熱電変換モジュール（以下、「モジュール」と略す場合がある）は、複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の上下面、すなわち高温熱源側の面及び低温熱源側の面に電極を配設して電気回路を構成し、さらに上記電極の外側両面にセラミックスなど電気絶縁板を介して、上記熱電半導体及び電極を収納するケース部材を備える構造が一般的である（特許文献１）。
【０００３】
熱電変換モジュールは、上記電極によって電気的に接続され、互いに対をなすｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の上下面に温度差を与えることによって発電するため、高温側の電極の熱膨張の度合いは低温側の電極の熱膨張の度合いよりも大きくなる。このため、熱電半導体及びその上下の電極にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体を破壊したり、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を生じたりする場合がある。
【０００４】
このような問題は特に自動車や産業廃熱などを想定した使用温度５００℃以上の高温用熱電変換モジュールにおいて重大である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−４９８７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、熱電変換モジュールにおいて、熱電半導体を破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を抑制し、耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、
複数のｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体と、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体の高温熱源側の面に設置され、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の高温側電極部、並びに前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体の低温熱源側の面に設置され、前記ｐ型熱電半導体及び前記ｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の低温側電極部とを具える熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換モジュールを複数のブロックに分割し、当該複数のブロック間を電極部材で互いに電気的に直列接合したことを特徴とする、熱電変換モジュールに関する。
【０００８】
本発明によれば、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体と、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の高温熱源側の面に設置され、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する高温側電極部、並びにｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の低温熱源側の面に設置され、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部とを含む熱電変換モジュールにおいて、当該熱電変換モジュールを複数のブロックに分割し、これら複数のブロックを電極部材で互いに電気的に直列接続するようにしている。
【０００９】
したがって、ｐ型熱電半導体及びｎ型熱電半導体の上下面に温度差を与えることによって上記熱電変換モジュールを動作させて発電する際に、熱電変換モジュールの全体では、高温側の電極（高温側電極部）の熱膨張の度合いが低温側の電極（低温側電極部）の熱膨張の度合いよりも十分に大きくなっても、各ブロック単位では、高温側電極部の熱膨張の度合を抑制することができる。
【００１０】
このため、熱電変換モジュールの全体では、熱電半導体及びその上下の電極にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体を破壊したり、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を生じたりする場合でも、ブロック単位では、熱電半導体及びその上下の電極に生じるせん断力や引張応力、圧縮応力を抑えることができ、脆弱な熱電半導体を破壊したり、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を生じたりすることがない。結果として、熱電変換モジュール全体においても、上述した熱電半導体の破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面における剥離を抑制することができる。
【００１１】
なお、複数のブロックは電極部材によって電気的に直列接合されている。したがって、熱電半導体１１，１２等が属する各ブロックは、熱電変換モジュール素子を構成するとともに、複数のブロックも全体として熱電変換モジュールを構成することになる。結果として、本発明の熱電変換モジュールはその機能を担保することになる。
【００１２】
本発明の一例において、上記電極部材はブリッジ型の電極部材から構成することができる。ブリッジ型の電極部材は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュールを動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱膨張し、熱電変換モジュールの動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュールを構成するブロック間の電気的接合をより確実に行うことができる。
【００１３】
また、上記ブリッジ型の電極部材は、複数の膜体から構成することができる。この場合、例えば各ブロックに属する高温側電極部の膨張及び収縮が大きく、いくつかの膜体が分断したような場合においても、膜体のいくつかは分断せずに残存し、その導電性を担保し、電極部材としての機能を果たすことができる。なお、膜体が分断しない場合は、上記ブリッジ型の電極部材と同様の作用効果を奏する。
【００１４】
また、本発明の一例において、上記電極部材は、少なくとも一部を多孔質金属体から構成することができる。この場合、電極部材の上記多孔質金属体から構成される部分は、他の非多孔質金属体から構成される部分に比較して密度が低減している。したがって、このような多孔質金属体は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュールを動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱膨張し、熱電変換モジュールの動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュールを構成するブロック間の電気的接合をより確実に行うことができる。
【００１５】
なお、電極部材を多孔質金属体から構成する場合は、各ブロックに属する電極部との接触部分において、上記多孔質金属体を圧潰してなる非多孔質金属体とすることが好ましい。この場合、各ブロックに属する電極部との接触抵抗を低減することができる。
【００１６】
また、電極部材を多孔質金属体から構成する場合は、各ブロックに属する電極部との接触部分においては、バルク状の金属体とし、各ブロックから延在した前記金属体同士を接合するようにして多孔質金属体を配設することもできる。この場合も、各ブロックに属する電極部との接触抵抗を低減することができる。
【００１７】
上記電極部材は、各ブロックに属する高温側電極部及び低温側電極部のいずれと接合させてもよいが、高温側電極部と接合させることが好ましい。上述のように、熱電変換モジュールを動作及び停止させた際に、より大きな熱膨張及び熱収縮を生じさせるのは高温側電極部である。したがって、高温側電極部の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんで電極部材を選定し、接合させることにより、当該電極部材が高温側電極部の熱膨張及び熱収縮に十分に追従することができ、ブロック間の電気的接合をより確実なものとすることができる。
【００１８】
なお、低温側電極部の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんで電極部材を選定し、接合させると、高温側電極部の熱膨張及び熱収縮によって低温側電極部が引っ張られ、これによって、低温側電極部に接合した電極部材が当該接合面から剥離したり、電極部材自体が破断したりする場合がある。
【発明の効果】
【００１９】
以上、本発明によれば、熱電変換モジュールにおいて、熱電半導体を破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を抑制し、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。
【図２】第２の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。
【図３】第３の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールの詳細並びにその他の特徴について、実施の形態に基づいて説明する。
【００２２】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。
図１に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール１０は、マトリックス状に交互に配列された複数のｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２と、ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２の高温熱源側の面に設置され、これら熱電半導体１１，１２を直列に接続する高温側電極部１３と、ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２の低温熱源側の面に設置され、これら熱電半導体１１，１２を直列に接続する低温側電極部１４とを有している。
【００２３】
また、熱電変換モジュール１０は、４つのブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分割され、各ブロック内には、７×４個の熱電半導体１１，１２が属している。さらに、隣接するブロック同士の端部は、当該ブロックの端部に位置する相対向する高温側電極部１３間において、単一の膜体からなるブリッジ型の電極部材１７によって電気的に接合されており、これによって４つのブロックＡ，Ｂ，Ｃ，ＤがＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの順に直列に接続されるようになっている。したがって、熱電半導体１１，１２等が属する各ブロックは、熱電変換モジュール素子を構成し、４つのブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは全体として熱電変換モジュールを構成して、熱電変換モジュール１０はその機能を担保することになる。
【００２４】
なお、ブリッジ型の電極部材１７で接合する箇所は、隣接するブロック同士の端部に位置する高温側電極部１３間に限定されるものではなく、任意の箇所において接合することができる。
【００２５】
本実施形態では、熱電変換モジュール１０を４つのブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分割しているが、分割するブロックの数は４つに限られるものでなく、例えば４〜１２０個の範囲で設定することができる。また、各ブロックに属する熱電半導体１１，１２の数を７×４個としているが、各ブロックに属する熱電半導体１１，１２の数は必要に応じて任意の数とすることができ、例えば２〜３６個とすることができる。また、熱電半導体１１，１２の形状を画定する幅、長さ、高さ等の大きさは例えば１〜３ｍｍとすることができる。
【００２６】
本実施形態の熱電変換モジュール１０によれば、当該熱電変換モジュール１０を４つのブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分割し、これら４つのブロックをブリッジ型の電極部材１７で互いに電気的に直列接続するようにしている。
【００２７】
したがって、ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２の上下面に温度差を与えることによって熱電変換モジュール１０を動作させて発電する際に、熱電変換モジュール１０の全体では、高温側電極部１３の熱膨張の度合いが低温側電極部１４の熱膨張の度合いよりも十分に大きくなっても、各ブロック単位では、高温側電極部１３の熱膨張の度合を抑制することができる。
【００２８】
このため、熱電変換モジュール１０の全体では、熱電半導体１１，１２及びその上下の電極１３，１４にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体１１，１２を破壊したり、熱電半導体１１，１２及び電極１３，１４間の接合面で剥離を生じたりする場合でも、ブロック単位では、熱電半導体１１，１２及びその上下の電極１３，１４に生じるせん断力や引張応力、圧縮応力を抑えることができ、脆弱な熱電半導体１１，１２を破壊したり、熱電半導体１１，１２及び電極１３，１４間の接合面で剥離を生じたりすることがない。結果として、熱電変換モジュール１０全体においても、上述した熱電半導体１１，１２の破壊や、熱電半導体１１，１２及び電極１３，１４間の接合面における剥離を抑制することができる。
【００２９】
また、本実施形態では、ブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄをブリッジ型の電極部材１７で電気的に直列に接続している。ブリッジ型の電極部材１７は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュール１０を動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部１３が熱膨張し、熱電変換モジュール１０の動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部１３が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュール１０を構成するブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ間の電気的接合をより確実に行うことができる。
【００３０】
なお、本実施形態においては、ブリッジ型の電極部材１７を高温側電極部１３と接合させるようにしている。熱電変換モジュール１０を動作及び停止させた際に、より大きな熱膨張及び熱収縮を生じさせるのは高温側電極部１３である。したがって、高温側電極部１３の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんでブリッジ型の電極部材１７を選定し、接合させることにより、当該電極部材１７が高温側電極部１３の熱膨張及び熱収縮に十分に追従することができ、ブロック間の電気的接合をより確実なものとすることができる。
【００３１】
一方、低温側電極部１４の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんでブリッジ型の電極部材１７を選定し、接合させると、高温側電極部１３の熱膨張及び熱収縮によって低温側電極部１４が引っ張られ、これによって、低温側電極部１４に接合したブリッジ型の電極部材１７が接合面から剥離したり、電極部材１７自体が破断したりする場合がある。
【００３２】
ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２は熱伝導率が低く、高温側及び低温側で大きな温度差を得、熱電変換（ゼーベック効果）により大きな電位差を生成する材料から構成することが好ましく、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系，Ｐｂ−Ｔｅ系，Ｓｉ−Ｇｅ系，あるいはＭｇ−Ｓｉ系，Ｍｎ−Ｓｉ系等の半導体材料から構成する。
【００３３】
高温側電極部１３、低温側電極部１４及びブリッジ型の電極部材１７は、耐熱性及び機械的強度に優れるとともに、比較的高い導電性を示すことが要求され、例えば、Ｍｏ，Ｃｕ，Ｗ，Ｔｉ，Ｎｉおよびこれらの合金あるいはステンレス鋼などから構成することができる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図２は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。なお、図１に示す熱電変換モジュール１０と同一あるいは類似の構成要素については同一の符号を用いている。
【００３５】
本実施形態の熱電変換モジュール２０は、図１に示す第１の実施形態の熱電変換モジュール１０において、単一の膜体からなるブリッジ型の電極部材１７に代えて、複数の膜体からなるブリッジ型の電極部材２７を用いた以外は同一の構成を採っている。したがって、以下においては、本実施形態の熱電変換モジュール２０の特徴である電極部材２７の構成及びその作用効果について説明する。
【００３６】
本実施形態の熱電変換モジュール２０においては、ブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの高温側電極部１３に接合し、これらブロックを電気的に直列接合するブリッジ型の電極部材２７を金属製の複数の膜体２７−１，２７−２，２７−３，２７−４から構成している。
【００３７】
この場合、例えば各ブロックに属する高温側電極部１３の膨張及び収縮が大きく、膜体２７−１及び２７−３が分断したような場合においても、残存する膜体２７−２及び２７−４によってその導電性を担保することができ、電極部材２７としての機能を果たすことができる。
【００３８】
なお、膜体２７−１等が分断しない場合は、ブリッジ型の電極部材１７と同様の作用効果を奏する。すなわち、複数の膜体２７−１〜２７−４は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュール２０を動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部１３が熱膨張し、熱電変換モジュール２０の動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部１３が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュール２０を構成するブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ間の電気的接合をより確実に行うことができる。
【００３９】
また、熱電変換モジュール２０を構成する熱電半導体１１，１２を４つのブロックＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分割することによる作用効果は第１の実施形態における熱電変換モジュール１０と同様である。すなわち、ｐ型熱電半導体１１及びｎ型熱電半導体１２の上下面に温度差を与えることによって熱電変換モジュール２０を動作させて発電する際に、熱電変換モジュール２０の全体では、高温側電極部１３の熱膨張の度合いが低温側電極部１４の熱膨張の度合いよりも十分に大きくなっても、各ブロック単位では、高温側電極部１３の熱膨張の度合を抑制することができる。
【００４０】
このため、熱電変換モジュール２０の全体では、熱電半導体１１，１２及びその上下の電極１３，１４にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体１１，１２を破壊したり、熱電半導体１１，１２及び電極１３，１４間の接合面で剥離を生じたりする場合でも、ブロック単位では、熱電半導体１１，１２及びその上下の電極１３，１４に生じるせん断力や引張応力、圧縮応力を抑えることができ、脆弱な熱電半導体１１，１２を破壊したり、熱電半導体１１，１２及び電極１３，１４間の接合面で剥離を生じたりすることがない。結果として、熱電変換モジュール２０全体においても、上述した熱電半導体１１，１２の破壊や、熱電半導体１１，１２及び電極１３，１４間の接合面における剥離を抑制することができる。
【００４１】
なお、本実施形態では、膜体の数を４としたが、必要に応じて任意の数とすることができる。また、膜体の厚さは必要に応じて任意の値に設定することができるが、例えば０．００２ｍｍ〜０．２ｍｍとすることができる。
【００４２】
なお、その他の特徴及び作用効果については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４３】
（第３の実施形態）
図３は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。なお、図１に示す熱電変換モジュール１０と同一あるいは類似の構成要素については同一の符号を用いている。
【００４４】
本実施形態の熱電変換モジュール３０は、図１に示す第１の実施形態の熱電変換モジュール１０において、単一の膜体からなるブリッジ型の電極部材１７に代えて、多孔質金属体からなる電極部材３７を用いた以外は同一の構成を採っている。したがって、以下においては、本実施形態の熱電変換モジュール３０の特徴である電極部材３７の構成及びその作用効果について説明する。
【００４５】
本実施形態の熱電変換モジュール３０では、電極部材３７を多孔質金属体から構成している。多孔質金属体は、同じ材料の非多孔質金属体に比較して密度が低減している。したがって、このような多孔質金属体は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュール３０を動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部１３が熱膨張し、熱電変換モジュール３０の動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部１３が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュール３０を構成するブロック間の電気的接合をより確実に行うことができる。
【００４６】
なお、本実施形態では、電極部材３７の各ブロックに属する高温側電極部１３との接触部分３７Ａにおいて、上記多孔質金属体を圧潰してなる非多孔質金属体としている。したがって、各ブロックに属する高温側電極部１３との接触抵抗を低減することができる。
【００４７】
電極部材３７を多孔質金属体から構成する場合、例えば気孔率を５０％〜９５％とすることができる。
【００４８】
なお、その他の特徴及び作用効果については第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４９】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【００５０】
例えば、第３の実施形態において、電極部材を多孔質金属体から構成する場合は、各ブロックに属する高温側電極部との接触部分においては、バルク状の金属体とし、各ブロックから延在した前記金属体同士を接合するようにして多孔質金属体を配設することもできる。この場合も、各ブロックに属する電極部との接触抵抗を低減することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１０，２０，３０  熱電変換モジュール
１１  ｐ型熱電半導体
１２  ｎ型熱電半導体
１３  高温側電極部
１４  低温側電極部
１５  第１の絶縁部材
１６  第２の絶縁部材
１７，２７，３７  電極部材
【図１】
2015177050.tif 000003
【図２】
2015177050.tif 000004
【図３】
2015177050.tif 000005