(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換素子と、高温側電極と、低温側電極と、容器と、気密封止部材と、緩衝材と、を備え、
前記熱電変換素子は、前記高温側電極と前記低温側電極との間に配置され、
前記熱電変換素子、前記高温側電極及び前記低温側電極は、前記容器と前記気密封止部材とで形成された空間に配置され、
前記緩衝材は、前記低温側電極と前記気密封止部材との間に挟み込まれ、
前記低温側電極と前記緩衝材との接触面積は、前記熱電変換素子の横断面積より大きく、
前記低温側電極が前記緩衝材に接触する面は、前記低温側電極の凸部である、熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記緩衝材は、前記低温側電極と前記気密封止部材とに密着している、請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記空間の気圧は、外気圧よりも低い、請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記気密封止部材の一部は、蛇腹形状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記低温側電極は、１つの凸部を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記低温側電極は、複数の凸部を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記凸部は、曲面である、請求項５又は６に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記凸部は、前記気密封止部材の表面を流れる低温流体の流れ方向に傾斜する面を有する、請求項５〜７のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記熱電変換素子と前記低温側電極とは、個数が等しく、前記低温側電極のすべてが同一の形状を有し、隣接する前記低温側電極同士は、連結部材により電気的に接続されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記低温側電極は、平面部材及び凸形状部材で構成され、前記平面部材は、前記熱電変換素子と前記凸形状部材との間に配置され、隣接する前記前記凸形状部材同士は、平面部材により電気的に接続されている、請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１１】
前記気密封止部材を複数有し、それぞれの前記気密封止部材が前記緩衝材を介して前記低温側電極と密着している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１２】
前記低温側電極の表面には、絶縁層を設け、
前記緩衝材は、導電性を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１３】
さらに、フタ部を備え、
前記気密封止部材と前記フタ部との間には、低温流体流路が形成されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１４】
熱電変換素子と、高温側電極と、緩衝材と接触するように構成された面を介して低温流体との熱交換をする低温側電極と、を備え、
前記熱電変換素子は、前記高温側電極と前記低温側電極との間に配置され、
前記低温側電極の伝熱面積は、前記熱電変換素子の横断面積より大きく、
前記低温側電極の伝熱面は、前記低温側電極の凸部である、熱電変換器。
【請求項１５】
前記低温側電極は、１つ又は複数の凸部を有する、請求項１４記載の熱電変換器。
【請求項１６】
熱電変換素子と、高温側電極と、低温側電極と、を有し、前記低温側電極の伝熱面は、前記低温側電極の凸部である熱電変換器を、高温流体流路を有する容器に、前記高温側電極が前記高温流体流路に接するように設置する工程と、
前記低温側電極の表面に緩衝材を付設する工程と、
気密封止部材を構成要素の一部として用いることにより形成した低温流体流路を前記緩衝材の表面に付設する工程と、を含む、熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１７】
さらに、前記気密封止部材と前記容器とで囲まれた領域を減圧する工程を含む、請求項１６記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項１８】
前記低温流体流路は、前記気密封止部材にフタ部を接合することにより形成する、請求項１６又は１７に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換モジュール及び熱電変換器並びに熱電変換モジュールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、熱電変換素子と電極を備えた熱電変換モジュールと熱源の間に気孔率３０〜９０％の多孔質金属部材を挟み、加圧して多孔質金属部材を塑性変形させた構成とすることにより、熱電変換モジュールと熱源の密着性及び伝熱性を高めた熱電変換システムが開示されている。
【０００３】
特許文献２には、低温側電極は、高温側基板に向かって突出し、押圧部材は、外側の熱電変換素子における低温側基板側の部分を、他の外側の熱電変換素子に向かって押圧することにより、押圧部材の熱による損傷、並びに高温側での押圧部材を介した放熱及びそれによる熱電変換効率の低下を抑制でき、熱電変換素子と電極とが接合材により接合されていない場合であっても、電気的に良好な接触状態を得る熱電変換モジュールが開示されている。
【０００４】
特許文献３には、複数のｐ型熱電変換素子と複数のｎ型熱電変換素子とを高温側の面と低温側の面とをそろえて交互に並べて配置し、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子との間に接合金属材料を挟み、高温側の面と低温側の面とが熱伝導性が良い絶縁材で覆われるように構成することにより、高温環境下や温度変動環境下で熱電素子と電極間に発生する熱応力を抑制し、実使用環境下でも高い信頼性を確保できる熱電変換モジュールが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−１９５４４１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１２３３９号公報
【特許文献３】特開２０１４−４９７１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
熱電変換器は、温度の異なる高温源と低温源との温度差を利用して、熱電変換素子に温度分布を生じさせてゼーベック効果で熱電変換する。したがって、熱電変換素子を有する熱電変換モジュールの変換効率を向上するには、熱電変換素子以外の部分の熱抵抗を低減して、熱電変換素子の内部に生じる温度差を大きくすることが有効である。また、動作時における大きな温度変化によって生じる熱応力を低減して熱電変換器の信頼性を向上するには、各部材の熱変形差を吸収できる構造が有効である。
【０００７】
特許文献１に記載の多孔質金属部材は、電極の高さのばらつきに対応して密着性を確保するものであるが、熱抵抗の低減の面では改善の余地がある。
【０００８】
特許文献２に記載の押圧部材は、弾性体で狭い範囲を押圧する構成であるため、一様でかつ適切な力を加える観点からは改善の余地がある。
【０００９】
特許文献３に記載の電極をなくした構成は、熱応力を抑制する効果は得られるが、熱電変換素子の伝熱面積を拡大することを想定したものではない。
【００１０】
本発明の目的は、熱電変換素子以外の部材の熱抵抗が小さく、かつ、変形を吸収できる熱電変換モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、熱電変換素子と、高温側電極と、低温側電極と、容器と、気密封止部材と、緩衝材と、を備えた熱電変換モジュールであって、熱電変換素子は、高温側電極と低温側電極との間に配置され、熱電変換素子、高温側電極及び低温側電極は、容器と気密封止部材とで形成された空間に配置され、緩衝材は、低温側電極と気密封止部材との間に挟み込まれ、低温側電極と緩衝材との接触面積は、熱電変換素子の横断面積より大きい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱電変換素子以外の部材の熱抵抗が小さく、かつ、変形を吸収できる熱電変換モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】実施例１の熱電変換モジュールを示す外観斜視図である。
【図１Ｂ】実施例１の熱電変換モジュールを示す側面図である。
【図１Ｃ】図１ＢのＡ−Ａ断面図である。
【図２】実施例１の熱電変換器における素子の配置を示す外観斜視図である。
【図３Ａ】実施例１の上側電極を示す外観斜視図である。
【図３Ｂ】実施例１の上側電極を示す外観斜視図である。
【図３Ｃ】実施例１の上側電極を示す外観斜視図である。
【図３Ｄ】実施例１の熱電変換器における上側電極の配置を示す外観斜視図である。
【図４】実施例１の熱電変換器における下側電極の配置を示す外観斜視図である。
【図５Ａ】実施例１の熱電変換器の下側電極と素子と上側電極とを接合した状態を示す外観斜視図である。
【図５Ｂ】実施例１の熱電変換器の下側電極と素子と上側電極とを接合した状態を示す側面図である。
【図５Ｃ】図５ＢのＢ−Ｂ断面図である。
【図６Ａ】実施例１の熱電変換モジュールの下側流路とケースとを接合した状態を示す外観斜視図である。
【図６Ｂ】実施例１の熱電変換モジュールの下側流路とケースとを接合した状態を示す側面図である。
【図６Ｃ】図６ＢのＣ−Ｃ断面図である。
【図７Ａ】図５Ａに示す熱電変換器と、図６Ａに示す構造体と、を接合した状態を示す外観斜視図である。
【図７Ｂ】図５Ａに示す熱電変換器と、図６Ａに示す構造体と、を接合した状態を示す側面図である。
【図７Ｃ】図７ＢのＤ−Ｄ断面図である。
【図８Ａ】図７Ａに示す構造体に更に緩衝材を配置した状態を示す外観斜視図である。
【図８Ｂ】図７Ａに示す構造体に更に緩衝材を配置した状態を示す側面図である。
【図８Ｃ】図８ＢのＥ−Ｅ断面図である。
【図９Ａ】図８Ａに示す構造体に接合するフタ等を示す外観斜視図である。
【図９Ｂ】図９Ａに示すフタ等に接合する気密封止部材を示す外観斜視図である。
【図９Ｃ】図９Ａに示すフタ等と気密封止部材とを接合した状態を示す側面図である。
【図９Ｄ】図９ＣのＦ−Ｆ断面図である。
【図１０】図１Ｃの部分拡大図である。
【図１１Ａ】実施例２の熱電変換器を示す外観斜視図である。
【図１１Ｂ】実施例２の熱電変換器を示す側面図である。
【図１１Ｃ】図１１ＢのＧ−Ｇ断面図である。
【図１２Ａ】実施例３の熱電変換器を示す外観斜視図である。
【図１２Ｂ】実施例３の熱電変換器を示す側面図である。
【図１２Ｃ】図１２ＢのＨ−Ｈ断面図である。
【図１３Ａ】実施例４の熱電変換器を示す外観斜視図である。
【図１３Ｂ】実施例４の熱電変換器を示す側面図である。
【図１３Ｃ】図１３ＢのＩ−Ｉ断面図である。
【図１４Ａ】実施例５の熱電変換器を示す外観斜視図である。
【図１４Ｂ】実施例５の熱電変換器を示す側面図である。
【図１４Ｃ】図１４ＢのＪ−Ｊ断面図である。
【図１５Ａ】実施例６の熱電変換器を示す外観斜視図である。
【図１５Ｂ】図１５Ａの上側電極２の組み立て前後を示す外観斜視図である。
【図１５Ｃ】図１５Ａの熱電変換器の側面図である。
【図１５Ｄ】図１５ＣのＫ−Ｋ断面図である。
【図１６】実施例７の熱電変換モジュールを示す断面図である。
【図１７】実施例８の熱電変換器を示す断面図である。
【図１８】実施例８の熱電変換モジュールを示す断面図である。
【図１９】本発明の熱電変換モジュールを備えた自動車を示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一実施形態に係る熱電変換モジュールは、熱電変換素子と、これに接合される電極と、を有し、電極の一部に凸形状となる箇所を備え、電極の凸形状となる箇所と熱源との間には、変形吸収のための緩衝材と、気密封止部材と、を配置し、熱電変換素子を搭載する領域の気圧を外部（外気圧）よりも減圧するものである。
【００１５】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、概略、次のとおりである。
【００１６】
すなわち、当該製造方法は、熱電変換素子と、高温側電極と、低温側電極と、を有する熱電変換器を、高温流体流路を有する容器に、高温側電極が高温流体流路に接するように設置する工程と、低温側電極の表面に緩衝材を付設する工程と、気密封止部材を構成要素の一部として用いることにより形成した低温流体流路を緩衝材の表面に付設する工程と、を含む。
【００１７】
さらに、気密封止部材と容器とで囲まれた領域を減圧する工程を含むことが望ましい。
【００１８】
低温流体流路は、気密封止部材にフタ部を接合することにより形成することが望ましい。
【００１９】
以下、図面を用いて実施例を説明する。
【実施例１】
【００２０】
図１Ａは、本実施例の熱電変換モジュールを示す外観斜視図である。図１Ｂは、本実施例の熱電変換モジュールを示す側面図である。
【００２１】
これらの図に示すように、熱電変換モジュール１００は、ケース９、フタ１０（フタ部）、下側流路６（高温流体流路）、上側流路連結部材１１、電極端子１２及び電極絶縁部材１３を有する。
【００２２】
図１Ｃは、図１ＢのＡ−Ａ断面図である。本図は、熱電変換モジュール１００の内部を示したものである。
【００２３】
ケース９及びフタ１０で覆われた熱電変換モジュール１００の内部には、ゼーベック効果を持つ熱電変換材料で構成された複数の素子１（熱電変換素子）と、上側電極２（低温側電極）と、下側電極３（高温側電極）と、が設置されている。上側電極２及び下側電極３はそれぞれ、素子１の異なる端部に接続されている。
【００２４】
なお、本明細書において「熱電変換器」とは、素子１と、上側電極２と、下側電極３と、を基本要素として含むものをいう。言い換えると、「熱電変換器」は、熱電変換モジュール１００の内部に設置された接合体であって、熱交換に用いる部材を除いた部分をいう。
【００２５】
本実施例においては、上側電極２の主材料は銅であり、下側電極３は銅とセラミックスの積層構造体である。
【００２６】
下側電極３は、下側流路６と接合され、下側流路６は、ケース９（容器）に固定されている。下側流路６やケース９は、厚さ約１ｍｍのステンレス鋼で構成される。下側電極３は、銅とセラミックスの積層構造体であることから、上下面が絶縁されており、素子１と下側流路６との間の絶縁性を確保できる。上側電極２は、緩衝材８を介して気密封止部材７と密着している。気密封止部材７の端部は、フタ１０と結合されている。気密封止部材７には厚さ約０．１ｍｍのステンレス鋼、フタ１０には厚さ約１ｍｍのステンレス鋼を用いている。
【００２７】
緩衝材８は、低弾性で絶縁性を持つ材料で形成されていることが望ましい。このため、緩衝材８としては、樹脂材料が望ましい。緩衝材８を用いることで、密着した状態での緩衝効果を維持しながら素子１と気密封止部材７との間の絶縁を確保することができる。
【００２８】
気密封止部材７とフタ１０とで囲まれる領域が上側流路１４（低温流体流路）となっている。フタ１０の側面部には、上側流路連結部材１１が連結され、上側流路１４に冷却用の流体を供給することができるようになっている。
【００２９】
一般に、伝熱の観点から、上側電極２と緩衝材８との接触面積（伝熱面積）は、素子１の横断面積より大きいことが望ましい。ここで、横断面積は、素子１の通電方向に直交する断面の面積をいう。
【００３０】
また、伝熱の観点から、上側電極２の横断面積は、素子１の横断面積より大きいことが望ましい。そして、下側電極３の横断面積は、素子１の横断面積より大きいことが望ましい。さらに、上側電極２と素子１との接触面積は、素子１の横断面積より大きいことが望ましい。そして、下側電極３と素子１との接触面積は、素子１の横断面積より大きいことが望ましい。
【００３１】
なお、上側電極２と緩衝材８との接触面は、上側電極２の伝熱面である。
【００３２】
緩衝材８の具体例としては、ポリイミド、ポリイミドアミド等の樹脂、カーボンシートが挙げられる。ポリイミドとグリースとを組み合わせて用いてもよい。この場合に、高熱伝導性フィラを混合したグリースを用いてもよい。また、カーボンシートとしては、伝熱性の観点から、厚さ方向に繊維の長径部分を配置したものが望ましい。
【００３３】
また、図示していないが、下側電極３と下側流路６との間に緩衝材を設けてもよい。この場合の緩衝材の材料としては、カーボンシート、銅箔、ステンレス鋼箔、粉末金属等が望ましい。
【００３４】
さらに、ケース９とフタ１０とが結合され、ケース９とフタ１０と気密封止部材７とで囲まれる領域が減圧領域１５となる。減圧領域１５の内部に配置される複数の素子１は、電極端子１２によって外部との電気的導通が確保されている。電極端子１２は、ケース９に電極絶縁部材１３で固定され、絶縁性が確保されている。電極端子１２の材料には銅、電極絶縁部材１３にはセラミックスを用いた。
【００３５】
本構造において、減圧領域１５を減圧して外部よりも気圧を低くすることで、内外の気圧差によって薄い気密封止部材７が変形する。この変形によって、緩衝材８が圧縮され、上側電極２と気密封止部材７とが緩衝材８を介して密着される。
【００３６】
本実施例の熱電変換モジュール１００を動作する際には、下側流路６と上側流路１４に温度の異なる流体を流す。本実施例では、下側流路６に高温のガスを流し、上側流路１４に低温の冷却水を流した。この温度差によって、それぞれの素子１の上下に温度差が生じ、ゼーベック効果によって発電する。これにより、熱から電気へと変換できる。
【００３７】
この熱電変換モジュール１００においては、上側電極２の上部を凸形状とし、その凸形状となる箇所と気密封止部材７との間に緩衝材８が配置され、熱電変換器が設置された減圧領域１５の気圧が外部よりも減圧されている。これが本発明の特徴である。
【００３８】
本発明の熱電変換モジュール１００では、上側電極２と熱源となる上側流路１４との間に緩衝材８を配置することにより、動作時の温度変化で生じる熱変形を吸収でき、発生する熱応力を低減できる。また、上側電極２、下側電極３及び素子１の高さのばらつきなども緩衝材８で吸収できる。さらに、気密封止部材７が薄い蛇腹形状となっているため、気密封止部材７の変形によっても熱変形や高さのばらつきを吸収できる。これらの効果によって、熱変形や寸法ばらつきの大きい熱電変換器においても、高い信頼性を確保できる。
【００３９】
また、上側電極２の凸形状となる箇所で上側電極２と緩衝材８とを連結することで、電極が凸形状を持たない平面の場合と比較して、上側電極２と緩衝材８とが接する面積を大きくできる。緩衝材部分の熱抵抗は、緩衝材の厚さ／（緩衝材の熱伝導率×面積）である。緩衝材８には樹脂材料を用いており、電極などの材料である金属と比較して熱伝導率が小さいが、本発明によって面積を大きくできるので、緩衝材部分の熱抵抗を小さくできる。このとき、緩衝材８が気圧差によって上側電極２と気密封止部材７との間で圧縮されることで、上側電極２と気密封止部材７とが緩衝材８を介して強固に密着し、電極２と気密封止部材７との間の熱抵抗を低減できる。
【００４０】
ばねなどを用いて機械的に密着する構造では、面積の大きい領域を加圧するためにはその分大きな加圧力が必要になる。しかし、本発明では、気圧差を活用して緩衝材を加圧するので、面積の大きさにかかわらず均一に気圧差分の圧力で加圧できる。
【００４１】
ところで、本実施例の上側電極２は、凸形状を持つことで厚さが増加し、電極が平面の場合と比較して厚さ方向の熱抵抗が増加する。しかし、上側電極２の材料は熱伝導率の大きい銅であり、上側電極２の厚さ方向の熱抵抗は問題にならない。一方、上側電極２に熱伝導率の大きい銅を用いることで、水平方向の熱広がり効果が大きくなり、全体の熱抵抗を低減できる。また、気密封止部材７が蛇腹形状となって冷却水と面することで、気密封止部材７がフィンの効果を持ち、冷却水との伝熱量が大きくなる効果も得ることができる。
【００４２】
気密封止部材７が平面の場合、冷却水との伝熱量を向上するために気密封止部材７の表面にフィンなどを設けることが有効であるが、本発明を備えた熱電変換器では気密封止部材７自体がフィンとなるため、フィンを設ける必要がない。したがって、フィンを追加することで気密封止部材７の剛性が増加することがなく、より上側電極２に密着させることができる。
【００４３】
これらの効果によって、高い変換効率を持つと共に、高い信頼性を持つ熱電変換器を提供できる。なお、本実施例では電極２や電極３の材料に銅を用いたが、アルミニウムなどの材料を用いても良い。アルミニウムを用いた場合、熱伝導率は銅よりは小さいが、他の部材と比較して大きく、熱抵抗の増加は小さい。一方、アルミニウムは、銅よりも軽いので、熱電変換器の重量軽減に有効である。
【００４４】
以下、図２〜１０を用いて、本実施例の熱電変換モジュールを構成する部品および製造方法の特徴を説明する。
【００４５】
図２は、実施例１の熱電変換器における素子の配置を示す外観斜視図である。
【００４６】
本図においては、素子１は、直方体状である。本図に示すように、複数の素子１を所定の間隔で配置する。本実施例では、素子１は、３行３列の合計９個とした。素子１は、ｐ型とｎ型とが隣り合うように配置されている。
【００４７】
図３Ａ〜３Ｃは、実施例１において用いた上側電極を示す外観斜視図である。
【００４８】
図３Ａに示す上側電極２ａは、凸部を２つ有するものである。図３Ｂに示す上側電極２ｂは、稜線が長い凸部を１つ有するものである。図３Ｃに示す上側電極２ｃは、１個の素子１に結合するものである。
【００４９】
図３Ｄは、図３Ａ〜３Ｃの上側電極を配置した状態を示す外観斜視図である。
【００５０】
隣接する２つの素子１は、上側電極又は下側電極により電気的に連結され、全体としてｐ型とｎ型とが交互に直列に接続される必要がある。また、上側電極の形状は、図１Ｃに示す上側流路１４の形状に影響するため、上側流路１４の内部を流れる冷却水の流れを妨げない形状とすることが望ましい。そこで、図３Ｄに示すように、冷却水の流れに直交する２素子を連結する場合には上側電極２ａを用い、冷却水の流れに並行する２素子を連結する場合には上側電極２ｂを用い、隣接する素子と連結せず外部と連結する場合には上側電極２ｃを用いて、これらを組み合わせることにより、上側電極２全体で冷却水の流れに対して直交する方向の蛇腹形状を形成できる。
【００５１】
それぞれの上側電極２ａ、２ｂ、２ｃは、本実施例では押し出し加工にて作製した。プレス打ち抜き加工などで作製することもできる。電極形状によっては、プレス打ち抜き加工時に生じる端部形状のダレを活用して、目的とする電極形状を作製することもできる。
【００５２】
図４は、実施例１の熱電変換器における下側電極の配置を示す外観斜視図である。
【００５３】
図４においては、図３Ｄに示す上側電極２ａ、２ｂ、２ｃの配置に対応して、隣接する２つの素子１が全体として交互に直列に接続されるように下側電極３ａ、３ｂを配置する。隣接する素子１と連結する場合には下側電極３ａを用い、隣接する素子と連結せず外部と連結する場合には下側電極３ｂを用い、これらを組み合わせることにより、下側電極３全体を構成する。
【００５４】
図５Ａは、図２〜４に示す下側電極と素子と上側電極とを接合した状態を示す外観斜視図である。図５Ｂは、図５Ａの熱電変換器の側面図である。図５Ｃは、図５ＢのＢ−Ｂ断面図である。
【００５５】
図５Ａ〜５Ｃに示すように、素子１の上に上側電極２、下に下側電極３を接合する。このとき、図３Ａ〜４に示すように、上側電極２が連結する２つの素子１と下側電極３が連結する２つの素子１を互い違いにすることで、全ての素子１を電気的に直列に配置することができる。
【００５６】
図６Ａは、実施例１の熱電変換モジュールの下側流路とケースとを接合した状態を示す外観斜視図である。図６Ｂは、その側面図である。図６Ｃは、図６ＢのＣ−Ｃ断面図である。
【００５７】
これらの図は、下側流路６とケース９とを接合した状態を示したものである。下側流路６とケース９とは、ケース９の両端部のみで接合し、ケース９の内部では下側流路６とケース９は接しない。このことにより、下側流路６からケース９に伝わる熱量を小さくでき、下側流路６の温度低下を低減できる。なお、図６Ａに示すように、ケース９には、電極絶縁部材１３を配置するための穴６１を設けている。なお、図６Ａ〜６Ｃに示すものをまとめて高温側熱交換ユニットと呼んでもよい。
【００５８】
図７Ａは、図５Ａに示す熱電変換器と、図６Ａに示す構造体と、を接合した状態を示す外観斜視図である。図７Ｂは、その側面図である。図７Ｃは、図７ＢのＤ−Ｄ断面図である。
【００５９】
これらの図においては、図６Ａ〜６Ｃに示す下側流路６の上面に、図５Ａ〜５Ｃに示す素子１や上側電極２と接合された下側電極３を接合した状態を示している。
【００６０】
図８Ａは、図７Ａに示す構造体に更に緩衝材を配置した状態を示す外観斜視図である。図８Ｂは、その側面図である。図８Ｃは、図８ＢのＥ−Ｅ断面図である。
【００６１】
これらの図においては、上側電極２の上部に緩衝材８を配置している。緩衝材８は上側電極２の凸部の形状に沿って配置している。本実施例では、１枚のシート状の緩衝材８で複数の上側電極２の凸部形状を覆ったが、複数の緩衝材８で覆うこともできる。材料の作製方法や組み立て方法に応じて選択すれば良い。
【００６２】
上側電極２の外部と連結する上側電極２ｃ（図３Ｄに示す。）と電極端子１２を電気的に接合し、電極端子１２をケース９の穴６１から外部に突出させる。下側電極３の外部と連結する電極３ｂと電極端子１２も電気的に接合し、電極端子１２をケース９の穴６１から外部に突出させている。電極端子１２は、電極絶縁部材１３によって固定され、ケース９から絶縁されている。電極端子１２を外部に突出させることで、熱電変換器の内部で発電した電力を外部に取り出すことができる。
【００６３】
図９Ａは、図８Ａに示す構造体に接合するフタ等を示す外観斜視図である。図９Ｂは、図９Ａに示すフタ等に接合する気密封止部材を示す外観斜視図である。図９Ｃは、図９Ａに示すフタ等と気密封止部材とを接合した状態を示す側面図である。図９Ｄは、図９ＣのＦ−Ｆ断面図である。
【００６４】
図９Ａにおいては、フタ１０と上側流路連結部材１１とを接合した状態を示している。
【００６５】
図９Ｂに示すように、気密封止部材７は、外周部が平面形状で中央部が蛇腹形状を持つ薄板であり、プレス加工によって製造したものである。図９Ｃに示すように、フタ１０の下面に気密封止部材７の外周部をロウ付けで接合することで、図９Ｄに示すように、上側流路１４を構成する。フタ１０と上側流路連結部材１１と気密封止部材７とを接合したものを低温側熱交換ユニットと呼ぶ。
【００６６】
図８Ａ〜８Ｃに示す構造体と、図９Ｃに示す低温側熱交換ユニットとをロウ付けで接合することにより、図１Ａ〜１Ｃに示す熱電変換モジュールを作製する。このとき、上側電極２の凸部形状と、気密封止部材７の蛇腹形状が合致するように配置する。各部材の寸法誤差などによって、上側電極２の凸部形状と気密封止部材７の蛇腹形状は完全には合致しないが、これらの間に配置される低弾性の緩衝材８が形状の差異を吸収することで、上側電極２と気密封止部材７が緩衝材８を介して密着する。
【００６７】
次に、減圧領域１５を略真空に減圧すると、減圧領域１５は外部から１気圧で加圧される。
【００６８】
図１０は、図１Ｃの部分拡大図である。
【００６９】
図１０に示すように、気密封止部材７の蛇腹形状は各面がそれぞれ垂直に１気圧で加圧され、緩衝材８が圧縮されて密着する。これにより、気密封止部材７と上側電極２との間の熱抵抗を小さくすることができる。
【００７０】
以上のように、図２〜１０に示すような部材や構造体を作製し、組み立てることにより、図１Ａ〜１Ｃに示す熱電変換モジュールを作製することができる。
【００７１】
以上のことから、本発明を備えた熱電変換モジュールの構造および製造方法を用いることで、高い変換効率を持つと共に、高い信頼性を持つ熱電変換器を提供できる。
【実施例２】
【００７２】
図１１Ａは、実施例２の熱電変換器を示す外観斜視図である。図１１Ｂは、その側面図である。図１１Ｃは、図１１ＢのＧ−Ｇ断面図である。
【００７３】
実施例１との相違点は、次のとおりである。
【００７４】
実施例１では、１つの素子に対して上側電極２が１つの凸部を持つ。これに対して、本実施例では、図１１Ｃに示すように、１つの素子に対して上側電極２が複数の凸部を持つ。すなわち、上側電極２には、凹部も形成されている。
【００７５】
本実施例においても、複数の凸部それぞれが緩衝材８に密着し、かつ、緩衝材８が気密封止部材７と密着する。これにより、密着する面積（すなわち伝熱面積）を更に増加できるので、熱抵抗をより低減できる。また、冷却水に対するフィンのピッチを小さくできる効果を持つ。最適なフィンのピッチは、冷却水の冷媒や流速や圧力損失によって異なるため、熱電変換モジュールを用いる条件に合わせて実施例１又は本実施例を選択すれば良い。
【００７６】
本実施例において、冷却水の流れに直交する２つの素子を連結する電極２がｎ個の凸部を持つ場合、冷却水の流れに並行する２つの素子を連結する電極は２ｎ個の凸部を持つ。
【実施例３】
【００７７】
図１２Ａは、実施例３の熱電変換器を示す外観斜視図である。図１２Ｂは、その側面図である。図１２Ｃは、図１２ＢのＨ−Ｈ断面図である。
【００７８】
実施例１及び２との相違点は、本実施例では上側電極２の凸部が曲面で構成される点である。上側電極２の凸部が曲面で構成される場合でも、気圧差による加圧は上側電極２の表面各位置に垂直に作用するため、気密封止部材７と上側電極２を緩衝材８で密着させて熱抵抗を小さくすることができる。また、上側電極２の凸部が角部を持たず滑らかな表面となることで、熱変形や寸法ばらつきを吸収する場合に、角部が変形を拘束することがなく滑らかに吸収できる。冷却水の冷媒や流速や圧力損失などの条件を基に、実施例１若しくは２又は本実施例のようにフィン形状を選択することができる。
【実施例４】
【００７９】
図１３Ａは、実施例４の熱電変換器を示す外観斜視図である。図１３Ｂは、その側面図である。図１３Ｃは、図１３ＢのＩ−Ｉ断面図である。
【００８０】
他の実施例との相違点は、実施例１〜３では上側電極２の凸部が冷却水の流れに垂直方向にテーパを持っているのに対して、本実施例では冷却水の流れ方向にもテーパ（傾斜する面）を持つ点である。実施例１〜３では、冷却水の流れ方向に対して上側電極２の前面および後面が垂直となる。冷却水の冷媒や流速や圧力損失などの条件によっては、本実施例のように前面や後面にテーパを持たせた方が適切な場合があるので、使用条件によって選択することができる。
【００８１】
なお、本実施例では、上側電極２の凸部の冷却水流れ方向のテーパを高さ方向に設けているが、水平方向に設けることもできる。冷却水の冷媒や流速や圧力損失などの条件によって選択すれば良い。
【実施例５】
【００８２】
図１４Ａは、実施例５の熱電変換器を示す外観斜視図である。図１４Ｂは、実施例５の熱電変換器を示す側面図である。図１４Ｃは、図１４ＢのＪ−Ｊ断面図である。
【００８３】
他の実施例との相違点は、実施例１〜４では、図３Ａ〜３Ｄに示すように、連結する素子の方向に合わせて形状の異なる複数の上側電極２を用いたが、本実施例では、素子１つに対して１つの同じ形状の上側電極２を用いている点である。
【００８４】
このため、本実施例においては、上側電極２の電気的な接続が問題となる。これを解決するため、本実施例においては、上側電極連結部材１５１（単に「連結部材」ともいう。）を用いて隣接する上側電極２を連結している。
【００８５】
本実施例では、複数の形状の上側電極２を用意する必要がないので、製造に必要な部品の種類を削減できる。その一方、上側電極２を上側電極連結部材１５１で連結する工程が必要になる。これらを鑑み、用いる上側電極２を選定すれば良い。
【実施例６】
【００８６】
図１５Ａは、実施例６の熱電変換器を示す外観斜視図である。図１５Ｂは、図１５Ａの上側電極２の組み立て前後を示す外観斜視図である。図１５Ｃは、図１５Ａの熱電変換器の側面図である。図１５Ｄは、図１５ＣのＫ−Ｋ断面図である。
【００８７】
他の実施例との相違点は、本実施例では、図１５Ａに示すように、上側電極２は、凸部がすべて四角錐状（ピラミッド状）の同一の形状を有する点である。図１５Ｂに示すように、これらの凸部１０２（凸形状部材）の下面は、板状の導体１１２（平面部材）により電気的に接続されている。凸部１０２と導体１１２とを接合したものが上側電極２である。凸部１０２と導体１１２とを別部材とすることにより、冷却水の冷媒や流速や圧力損失などの条件に応じて凸部１０２のみを変更することができ、平面部材を共通化することができる。
【００８８】
上側電極２や素子１や下側電極３や下側流路６を接合する際に加圧が必要な場合、上側電極２が凸部を持っていると加圧箇所が平面にならないので、加圧のための治具などが必要になる場合がある。
【００８９】
一方、本実施例では、凸部を持たない上側電極２を用いて素子１や下側電極３や下側流路６を接合し、最後に凸部を追加することで、素子１や下側電極３や下側流路６は平面の加圧で接合できる。その一方、部品数が増加する。また、上側電極２の平面部材と凸部の接合工程が必要になる。これらを鑑み、用いる上側電極２を選定すれば良い。
【実施例７】
【００９０】
図１６は、実施例７の熱電変換モジュールを示す断面図である。
【００９１】
他の実施例との相違点は、実施例１〜６では下側流路６の一面に素子１を配置したが、本実施例では、図１６に示すように、下側流路６の複数の面に素子１を配置している点である。さらに、上側流路１４も両側に配置し、それに対応して上側電極２や気密封止部材７も両側に配置される。下側流路６、素子１等は、ケース１０９に収納され、フタ１０も両側に付設される。低温流体流路１１４も両側に形成される。
【００９２】
本実施例では、下側流路６を流れる高温ガスの熱エネルギーを回収するための伝熱面積を大きくし、熱エネルギーをより有効に電気に変換することができる。その一方、熱電変換器が大きくなり、部品数が増加する。これらを鑑み、用いる熱電変換器の構造を選定すれば良い。
【００９３】
なお、図１６では、下側流路６の上下面に素子１を配置しているが、側面など他の面に素子１を配置しても良い。また、下側流路６が曲面を持つ場合には、曲面に沿って素子１を配置することも可能である。その場合、気密封止部材７を素子１の配置位置に合わせた形状とする。
【００９４】
いずれの素子配置においても、気密封止部材７はそれぞれ垂直に気圧差分の圧力が加圧されるので、本発明の効果を得ることができる。
【実施例８】
【００９５】
図１７は、実施例８の熱電変換器を示す断面図である。
【００９６】
他の実施例との相違点は、次のとおりである。
【００９７】
実施例１〜７では、緩衝材８に絶縁性の樹脂材料を用いることにより、上側電極２と気密封止部材７との間の絶縁を確保している。これに対し、本実施例では、図１７に示すように、上側電極２の凸部の表面に絶縁層１８１を設けてある。これにより、上側電極２と気密封止部材７との間の絶縁を確保する。
【００９８】
本実施例では、上側電極２と気密封止部材７との間の絶縁を上側電極２で確保できるので、緩衝材８の材料に銅箔やアルミニウム箔等の導電性の材料を選ぶことができる。そのため、より熱伝導率の大きい材料を用いることで熱抵抗を低減することや、より低弾性の材料を用いることで変形吸収性を向上することや、より密着力の大きい材料を用いることで密着界面の熱抵抗を低減するなど、材料選択の幅が広がる。
【００９９】
図１８は、実施例８の熱電変換モジュールを示す断面図である。
【０１００】
本図において、上側電極２の凸部の表面に設けられた絶縁層１８１は、上側電極２の下部にまで達している、これに対して、気密封止部材７や緩衝材８は、上側電極２の下部までは到達しない。そのため、各部材の寸法誤差があった場合であっても、上側電極２の端部で電気的短絡が生じることはない。
【０１０１】
絶縁層１８１は、セラミックスの溶射により形成することが望ましい。このようにして形成した絶縁層１８１は、熱電変換モジュールを稼働している際に、不要なガスが発生しにくい。また、絶縁層１８１は、エナメル塗料（一般に樹脂塗料）を塗布することにより形成してもよいし、スプレーにより樹脂を塗布してもよい。
【実施例９】
【０１０２】
図１９は、本発明の熱電変換モジュールを備えた自動車を示す概略断面図である。
【０１０３】
本図において、熱電変換モジュール２１０は、自動車の車体２０１の前部に配置されている。熱電変換モジュール２１０の下側流路６（図１）には、エンジン２２０から出る高温の排気ガスを供給する。下側流路６を通過した排気ガスは、車体２０１の後部の排気口２３０から排出される。一方、熱電変換モジュール２１０の上側流路１４（図１）には、外気を流す。ここで、外気の代わりに、空冷され車体２０１の内部を循環する冷却水を用いてもよい。
【０１０４】
本実施例の構成により、従来外気に放出されていた排気ガスの熱エネルギーの一部を回収し、電気エネルギーに変化して利用することができる。
【０１０５】
以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【０１０６】
以下、本発明の効果についてまとめて説明する。
【０１０７】
本発明によれば、電極と熱源との間に配置された緩衝材で動作時に生じる熱変形を吸収することで、発生する熱応力を低減できる。また、電極の凸形状となる箇所で電極と緩衝材を連結することで、電極が平面の場合と比較して電極と緩衝材が連結する面積を大きくできる。緩衝材部分の熱抵抗は、緩衝材の厚さ／（緩衝材の熱伝導率×面積）である。一般に、緩衝材となる材料は、電極などの材料と比較して熱伝導率が小さいが、本発明によって面積を大きくできるので、緩衝材部分の熱抵抗を小さくできる。
【０１０８】
さらに、緩衝材と熱電との間に気密封止部材を配置して熱電変換素子を搭載する領域の気圧を外部よりも減圧することで、気圧差によって緩衝材が電極と気密封止部材の間で圧縮され、電極と気密封止部材が緩衝材を介して強固に密着する。その結果、電極と気密封止部材の間の熱抵抗を低減できる。ばねなどを用いて機械的に密着する構造では、面積の大きい領域を加圧するためにはその分大きな加圧力が必要になるが、本発明では気圧差を活用して緩衝材を加圧するので、面積の大きさにかかわらず均一に気圧差分の圧力で加圧できる。
【０１０９】
これらの効果によって、高い変換効率を持つと共に、高い信頼性を持つ熱電変換器を提供できる。
【符号の説明】
【０１１０】
１：素子、２：上側電極、２ａ、２ｂ、２ｃ：上側電極、３：下側電極、３ａ、３ｂ：下側電極、６：下側流路、７：気密封止部材、８：緩衝材、９、１０９：ケース、１０：フタ、１１：上側流路連結部材、１２：電極、１３：電極絶縁部材、１４：上側流路、１５：減圧領域、６１：電極用穴、１００：熱電変換モジュール、１５１：上側電極連結部材、１８１：絶縁層、２０１：車体、２１０：熱電変換モジュール、２２０：エンジン、２３０：排気口。
【図１Ａ】
0006641858.tif 000002
【図１Ｂ】
0006641858.tif 000003
【図１Ｃ】
0006641858.tif 000004
【図２】
0006641858.tif 000005
【図３Ａ】
0006641858.tif 000006
【図３Ｂ】
0006641858.tif 000007
【図３Ｃ】
0006641858.tif 000008
【図３Ｄ】
0006641858.tif 000009
【図４】
0006641858.tif 000010
【図５Ａ】
0006641858.tif 000011
【図５Ｂ】
0006641858.tif 000012
【図５Ｃ】
0006641858.tif 000013
【図６Ａ】
0006641858.tif 000014
【図６Ｂ】
0006641858.tif 000015
【図６Ｃ】
0006641858.tif 000016
【図７Ａ】
0006641858.tif 000017
【図７Ｂ】
0006641858.tif 000018
【図７Ｃ】
0006641858.tif 000019
【図８Ａ】
0006641858.tif 000020
【図８Ｂ】
0006641858.tif 000021
【図８Ｃ】
0006641858.tif 000022
【図９Ａ】
0006641858.tif 000023
【図９Ｂ】
0006641858.tif 000024
【図９Ｃ】
0006641858.tif 000025
【図９Ｄ】
0006641858.tif 000026
【図１０】
0006641858.tif 000027
【図１１Ａ】
0006641858.tif 000028
【図１１Ｂ】
0006641858.tif 000029
【図１１Ｃ】
0006641858.tif 000030
【図１２Ａ】
0006641858.tif 000031
【図１２Ｂ】
0006641858.tif 000032
【図１２Ｃ】
0006641858.tif 000033
【図１３Ａ】
0006641858.tif 000034
【図１３Ｂ】
0006641858.tif 000035
【図１３Ｃ】
0006641858.tif 000036
【図１４Ａ】
0006641858.tif 000037
【図１４Ｂ】
0006641858.tif 000038
【図１４Ｃ】
0006641858.tif 000039
【図１５Ａ】
0006641858.tif 000040
【図１５Ｂ】
0006641858.tif 000041
【図１５Ｃ】
0006641858.tif 000042
【図１５Ｄ】
0006641858.tif 000043
【図１６】
0006641858.tif 000044
【図１７】
0006641858.tif 000045
【図１８】
0006641858.tif 000046
【図１９】
0006641858.tif 000047