(57)【要約】【課題】熱電素子を構成する半導体と電極の接合部分の熱応力の発生を防止して半導体のクラック発生を防止する熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】略平行に平面どうしで対向する第１と第２の絶縁体間１１、１１ａに、円柱体又は多角柱体のＰ型とＮ型半導体１３、１３ａの一対を並設してなる熱電素子１２の複数組が第１と第２の絶縁体１１、１１ａのそれぞれに設けられる電極１４を介してＰ型とＮ型半導体１３、１３ａを直列に連結して形成される熱電変換モジュール１０において、第１の絶縁体１１又は第２の絶縁体１１ａの電極１４と接続する熱電素子１２の端部にこれと同材質又は異材質からなるねじ１５を有すると共に、ねじ１５をねじ込むためのねじ穴１６を電極１４に有し、ねじ１５をねじ穴１６にねじ止めして熱電素子１２が電気的に接続され、しかもねじ１５とねじ穴１６との間にそれぞれが相互に水平移動できるクリアランス１７を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平行に平面どうしで対向する第１と第２の絶縁体間に、円柱体又は多角柱体のＰ型半導体とＮ型半導体の一対を並設してなる熱電素子の複数組が前記第１と第２の絶縁体のそれぞれに設けられる電極を介して前記Ｐ型半導体と前記Ｎ型半導体を電気的に直列に連結して形成される熱電変換モジュールにおいて、
前記第１の絶縁体又は前記第２の絶縁体の前記電極と接続する前記熱電素子の端部に該熱電素子と同材質又は異材質からなるねじを有すると共に、該ねじをねじ込むためのねじ穴を前記電極に有し、前記ねじを前記ねじ穴にねじ止めして前記熱電素子が電気的に接続され、しかも前記ねじと前記ねじ穴との間に該ねじと該ねじ穴が相互に水平移動できるクリアランス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】
請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、前記ねじと前記ねじ穴との接合部分に導電性グリースが塗布されていることを特徴とする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、温度差による発電、あるいは直流電力の供給によって冷却又は加熱として作用させることができる熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
図３に示すように、従来の熱電変換モジュール５０は、Ｐ型半導体５１とＮ型半導体５１ａの一対の半導体で構成される熱電素子５２を板状のセラミック基板や樹脂基板、フィルム状の樹脂シート等からなる第１、第２の絶縁体５３、５３ａに形成された電極５４を介してＰ型半導体５１とＮ型半導体５１ａを交互且つ連続的に導電性樹脂や、半田等の接合材５５で接合して直列に接続し、両方から第１、第２の絶縁体５３、５３ａで挟み込むようにして締め付け具５６等で締め付けることで形成されている。そして、例えば、熱電発電装置として用いるのに、高温側の一方の第１の絶縁体５３には、第１の絶縁体５３に高温度を効率的に伝えることができるヒートシンク板５７を介して第１の伝熱体５８を、低温側の他方の第２の絶縁体５３ａには、第２の伝熱体５８ａを接触させることで、第１と第２の伝熱体５８、５８ａから熱電素子５２のそれぞれの端子部分に伝わった温度の温度差に比例した大きさの電位を熱電素子５２で発生させるゼーベック効果で発電を行い、その発電電力を電極５４の両端部に接続させたリード線５９、５９ａから取り出している。また、熱電変換モジュール５０を用いる装置としては、リード線５９、５９ａから熱電素子５２へ給電することによるペルチェ効果で第１の伝熱体５８の冷却と第２の伝熱体５８ａの加熱、あるいは、これと反対の第１の伝熱体５８の加熱と第２の伝熱体５８ａの冷却を行うのに用いることもできる。なお、熱電素子５２と電極５４の接合材５５に導電性樹脂を用いる場合には、導電性樹脂の耐熱性が低いので、接合後の加熱温度に限界が生じ熱電変換モジュール５０としての用途が限られることになる。
【０００３】
熱電変換モジュールを熱電発電装置として用いる場合には、熱電素子から取り出される電力を大きくしようとすると、高温側の伝熱体の温度を高くして低温側の伝熱体との温度差を大きくする必要がある。この場合の半導体と電極との接合には、通常半田が用いられるが、半田に軟ろうである低温半田が用いられると半田の耐熱性が約１５０℃と低く、発電効率を向上させるための妨げとなっている。そこで、低温半田に代わって高温半田を使用することが考えられるが、この場合には、高温側の伝熱体の温度を高くすることができるものの高温半田の成分が熱電素子を構成する半導体内に拡散し、しかも半田成分のＳｎや、Ｐｂが電極のＣｕと親和性が高いので、Ｃｕが高温半田を介して半導体内に拡散し、半導体自体の経時的熱電変換効率の低下をきたしている。そこで、熱電素子を構成する半導体と電極の間には、介在層を設けて接合するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、熱電素子を構成する半導体と電極との接合部分には、高温側の熱膨張と低温側の熱収縮によって応力が加わることとなり、長期間の使用によってクラックを発生することがあった。そこで、熱電素子を構成する半導体は、形状を球状とする応力の加わりにくい構造のものとすることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−２９３９０６号公報
【特許文献２】特開平１０−１６３５３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述したような従来の熱電変換モジュールは、次のような問題がある。
熱電素子を構成する半導体と、電極との接合を半田で行う場合においては、例え半導体と電極との間に介在層を設けたとしても、半田接合が剛的接合であるので、稼働時の加熱や停止時の冷却による接合部の熱応力を吸収することができず、この応力によって脆い特性を有する半導体に発生するクラックを完全に防止することができない。同様に、半導体を球状とした場合においても、剛的な半田接合である限り、半導体の熱応力を吸収できないので、半導体に発生するクラックを完全に防止することができない。半導体は、このクラックの発生によって、熱電性能が著しく低下している。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、熱電素子を構成する半導体と電極の接合部分の熱応力の発生を防止して半導体のクラックの発生を防止する熱電変換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】
【０００５】
前記目的に沿う本発明に係る熱電変換モジュールは、略平行に平面どうしで対向する第１と第２の絶縁体間に、円柱体又は多角柱体のＰ型半導体とＮ型半導体の一対を並設してなる熱電素子の複数組が第１と第２の絶縁体のそれぞれに設けられる電極を介してＰ型半導体とＮ型半導体を電気的に直列に連結して形成される熱電変換モジュールにおいて、第１の絶縁体又は第２の絶縁体の電極と接続する熱電素子の端部に熱電素子と同材質又は異材質からなるねじを有すると共に、ねじをねじ込むためのねじ穴を電極に有し、ねじをねじ穴にねじ止めして熱電素子が電気的に接続され、しかもねじとねじ穴との間にねじとねじ穴が相互に水平移動できるクリアランスを有する。
ここで、熱電変換モジュールは、ねじとねじ穴との接合部分に導電性グリースが塗布されているのがよい。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１及びこれに従属する請求項２記載の熱電変換モジュールは、第１又は第２の絶縁体の電極と接続する熱電素子の端部に熱電素子と同材質又は異材質からなるねじを有すると共に、ねじ穴を電極に有し、ねじをねじ穴にねじ止めして熱電素子が電気的に接続され、しかもねじとねじ穴との間にねじとねじ穴が相互に水平移動できるクリアランスを有するので、熱電素子と電極との間には、ねじとねじ穴によるねじ止めによって、電気的な導通を確保できると共に、ねじとねじ穴とのクリアランスによって、熱電素子を構成する半導体と絶縁体の異材質間の熱膨張や熱収縮の差を吸収できるので、熱応力の発生を防止して、半導体のクラック発生を防止することができる。
【０００７】
特に、請求項２記載の熱電変換モジュールは、ねじとねじ穴との接合部分に導電性グリースが塗布されているので、接合部分での電気的接続及び熱伝導的接続の安定性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施するための最良の形態について説明し、本発明の理解に供する。
ここに、図１は本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュールの説明図、図２（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同熱電変換モジュールの接合部分の変形例の拡大説明図である。
【０００９】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール１０は、略平行に平面どうしで対向する、例えば、窒化アルミニウム、アルミナ等の板状のセラミック基板や、板状の樹脂基板や、フィルム状の樹脂シート、あるいはこれらの組み合わせ等からなる第１の絶縁体１１と、第２の絶縁体１１ａとの間に複数の熱電素子１２を有している。この熱電素子１２は、円柱体又は多角柱体の、例えば、ビスマス・テルル系や、コバルト・アンチモン系等、あるいはこれらの接合体等からなるＰ型半導体１３とＮ型半導体１３ａの一対によって形成されている。一対で構成されるそれぞれＰ型半導体１３とＮ型半導体１３ａは、第１の絶縁体１１と第２の絶縁体１１ａのそれぞれに設けられる、例えば、銅や、モリブデン、あるいはこれらの合金等からなる電極１４を介して電気的に直列に接続されると共に、一対のＰ型半導体１３とＮ型半導体１３ａからなる熱電素子１２の複数組を連続的に電気的に直列に連結している。
【００１０】
このＰ型半導体１３とＮ型半導体１３ａからなる熱電素子１２の端部には、第１の絶縁体１１又は第２の絶縁体１１ａの電極１４に電気的に接続させて、電極１４に熱電素子１２を取り付けるために、熱電素子１２と同材質、すなわち半導体からなり、熱電素子１２の端部から延設されるねじ１５を有している。電極１４には、このねじ１５をねじ込んでねじ止めして接合するためのねじ穴１６を有し、ねじ１５をねじ穴１６でねじ止めしている。このねじ止めによって、Ｐ型半導体１３とＮ型半導体１３ａからなる熱電素子１２は、電気的に直列に接続させることができ、更に、Ｐ型半導体１３とＮ型半導体１３ａで構成される熱電素子１２の平面視してマトリックス状に配列する複数組を連結して全体を電気的に直列状態とすることができる。しかも、ねじ１５とねじ穴１６との間には、ねじ１５をねじ穴１６にねじ止めした時に、ねじ１５がねじ穴１６から抜け落ちないと同時に、ねじ１５とねじ穴１６が相互に水平移動できるクリアランス１７を有している。このクリアランス１７によって、熱電素子１２と電極１４との接合は、接合部が半田接合のような剛的な接合でなく、ねじ１５とねじ穴１６間の接合部に余裕を持たせた接合とすることができて接合部の熱応力集中を吸収でき、熱電素子１２である半導体に発生しやすいクラックの発生を防止することができる。
【００１１】
図２（Ａ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール１０には、Ｐ型半導体１３とＮ型半導体１３ａで構成される熱電素子１２の端部と、第１の絶縁体１１又は第２の絶縁体１１ａの電極１４を接続させるために、熱電素子１２である半導体と異なる材質、例えば、銅や、モリブデン等の金属からなるねじ１５ａが熱電素子１２に半田等の接合材２０で接合して形成されるものがある。また、図２（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュール１０には、熱電素子１２の端部と、第１の絶縁体１１又は第２の絶縁体１１ａの電極１４とを接続させるために、熱電素子１２である半導体と同じ材質、又は熱電素子１２である半導体とは異なる材質からなり、接合面の両方側でねじ止めできるねじ１５ｂの一方側が熱電素子１２の端部に設けた接合用のねじ穴１６ａにねじ止めして形成されるものがある。このねじ止めの場合には、ねじ１５ｂと、ねじ穴１６ａとの間に、ねじ１５ｂがねじ穴１６ａと嵌合できればよく、特段のクリアランスを設ける必要はない。そして、電極１４には、このねじ１５ａ、１５ｂをねじ込んでねじ止めして接合するためのねじ穴１６を有し、ねじ１５ａ、１５ｂをこのねじ穴１６でねじ止めすることで、Ｐ型半導体１３とＮ型半導体１３ａからなる熱電素子１２の複数組を電気的に直列状態としている。ねじ１５ａ、１５ｂとねじ穴１６との間には、ねじ１５ａ、１５ｂをねじ穴１６にねじ止めした時に、ねじ１５ａ、１５ｂがねじ穴１６から抜け落ちないと同時に、ねじ１５ａ、１５ｂとねじ穴１６が相互に水平移動できるクリアランス１７を有している。
【００１２】
ここで、熱電変換モジュール１０は、ねじ１５、１５ａ、１５ｂとねじ穴１６との接合部分に、導電性グリースが塗布されているのがよい。この導電性グリースには、電気的な導電性と熱的な熱伝導性を兼ね備えさせることができるので、ねじ１５、１５ａ、１５ｂとねじ穴１６との接合部分での電気的接合、及び熱伝導的接合の安定化を促進させることができる。
【００１３】
上記の熱電変換モジュール１０を熱電変換装置の一種である熱電発電装置として用いる場合には、例えば、第１の絶縁体１１側に銅や、モリブデン、あるいはこれらの合金等からなるヒートシンク板１８を介して、排気ガスや、廃熱等のような高温の気体や、高温体を冷却した後の排水のような高温の液体等の高温媒体を通過させることができる空洞体等からなる第１の伝熱体１９を設けている。また、第２の絶縁体１１ａ側には、例えば、冷却水や、冷風のような低温媒体を通過させることができる空洞体等からなる第２の伝熱体１９ａを設けている。なお、ヒートシンク板１８は、高温の気体や、高温の液体等から得られ高温の熱を熱電素子１２に効率的に伝熱させるために設けられている。また、第１の伝熱体１９と第２の伝熱体１９ａを第１の絶縁体１１と第２の絶縁体１１ａにそれぞれが接することができるようにするためには、締め付け具２１で締め付けることで熱伝導を強固にしている。上記のように構成された熱電発電装置は、第１の伝熱体１９と第２の伝熱体１９ａから熱電素子１２のそれぞれの端子部分に伝わった温度の温度差に比例した大きさの電位を熱電素子１２で発生させるゼーベック効果で発電を行い、その発電電力を熱電素子１２を直列に接続させた両端の電極１４のそれぞれから延設させたリード線２２、２２ａから取り出すことで電力を得ている。
【００１４】
また、この熱電変換モジュール１０を用いる熱電変換装置には、リード線２２、２２ａから熱電素子１２へ給電することによるペルチェ効果によって、第１の伝熱体１９側の冷却と第２の伝熱体１９ａ側の加熱、あるいは、第１の伝熱体１９側の加熱と第２の伝熱体１９ａ側の冷却を行うために熱移動をさせることができるこれと接する被接触物の加熱や冷却のための装置として各種の応用ができる。なお、第１の絶縁体１１及び／又は第２の絶縁体１１ａにセラミック基板を用いる場合には、熱伝導率の高い、例えば、窒化アルミニウム基板を用いることでそれぞれの熱媒体を有効に活用できたり、被加熱物又は被冷却物を効率的に加熱又は冷却させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
本発明の熱電変換モジュールは、高温側と低温側との温度差が大きくなっても熱電素子である半導体に不具合を発生させることなく大きい電力を得ることができ、廃熱等を利用して発電できる熱電発電装置や、高い電力を流して高温側と低温側との温度差を大きくしても熱電素子である半導体に不具合を発生させることなく高温や、低温が引き出せる冷、温風器、加熱、冷却装置、狭い所や、過酷な所で用いるための電力供給用としての各種装置、熱媒体を循環させる経済的な発電装置等に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュールの説明図である。
【図２】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ同熱電変換モジュールの接合部分の変形例の拡大説明図である。
【図３】従来の熱電変換モジュールの説明図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０：熱電変換モジュール、１１：第１の絶縁体、１１ａ：第２の絶縁体、１２：熱電素子、１３：Ｐ型半導体、１３ａ：Ｎ型半導体、１４：電極、１５、１５ａ、１５ｂ：ねじ、１６、１６ａ：ねじ穴、１７：クリアランス、１８：ヒートシンク板、１９：第１の伝熱体、１９ａ：第２の伝熱体、２０：接合材、２１：締め付け具、２２、２２ａ：リード線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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