(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
素子部両端の温度差によって生じた熱起電力を利用し前記素子部両端に接合（ろう材を介在させるものを除く）された金属製の電極部間で発電する熱電発電モジュールにおいて、前記電極部のうち低温側電極部を高温側電極部よりも薄く形成したことを特徴とする熱電発電モジュール。
【請求項２】
少なくとも前記低温側電極部における抵抗増大分を補完し得る程度に前記高温側電極部を厚く形成したことを特徴とする請求項１記載の熱電発電モジュール。
【請求項３】
素子部両端の温度差によって生じた熱起電力を利用し前記素子部両端に接合（ろう材を介在させるものを除く）された電極部間で発電する熱電発電モジュールにおいて、複数の異種金属を積層して前記電極部を形成したことを特徴とする熱電発電モジュール。
【請求項４】
前記電極部は、前記素子部側から順に積層した鉄、銅、ニッケルの各層によって形成したことを特徴とする請求項３記載の熱電発電モジュール。
【請求項５】
前記電極部のヤング率が鋳造した部材のヤング率よりも低くなるように形成したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の熱電発電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電発電モジュールに関する。さらに詳述すると、本発明は熱電発電モジュールの熱的耐性についての構造改良および信頼性向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱電発電モジュール（本明細書では、複数の接合体を電気的に接続して構成した単位を意味する）は、主に素子部およびその両端の電極部によって構成され、素子部両端の温度差によって生ずる熱起電力を利用して発電する。そして、特に素子部と電極部の接合状態が、モジュール内にどれ程の応力を生じさせるかという点で熱電発電モジュール全体の信頼性に影響を与えている。従来、この接合は、比較的安価かつ簡易なはんだ付けによって行うことが一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、はんだ接合した場合、接合後の残留応力あるいは発電時の温度差に伴う熱応力がはんだ部および素子部に生じる問題があった。また、使用する熱源の温度変動に伴い、素子部に温度差のある状態と温度差のない状態とを繰り返す熱サイクルによる応力の変化によっても、はんだ部の劣化が発生していた。そして、これらの熱応力や繰り返される応力の変化により、はんだ部や素子部を劣化させ、熱電発電モジュールの信頼性を低下を招くことがあった。
【０００４】
一方、はんだ付以外の方法、例えば直接接合などの方法によって作成した熱電発電モジュールにおいても問題が生じることがあった。すなわち、発電の際、間隔がわずか数ミリの素子部間に数十度から数百度の温度差が生じるため、素子部と電極部（例えば鋳造した板からなる電極部）との線膨張率の違いによって素子部に大きな熱応力が発生し、この熱応力が熱電発電モジュールの信頼性に影響を与えることがあった。このため、応力によって電極と素子との接合界面や素子部が劣化し、熱電発電モジュールとしての信頼性が低下してしまうという上記と同様の問題が生じていた。
【０００５】
そこで、本発明は、素子部における応力を緩和させて信頼性を向上させた熱電発電モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、素子部両端の温度差によって生じた熱起電力を利用し素子部両端に接合（ろう材を介在させるものを除く）された金属製の電極部間で発電する熱電発電モジュールにおいて、接合体の電極部のうち低温側電極部を高温側電極部よりも薄く形成したものである。このように薄く形成された低温側電極は、低温側電極と素子部との境界（低温側接合界面）付近の素子部に発生した最大主応力σ１を低減させる。これにより、素子部の内部応力を緩和させ、接合界面や素子部の劣化を防ぐことが可能となる。
【０００９】
この場合、請求項２記載の発明のように、少なくとも低温側電極部における抵抗増大分を補完し得る程度に高温側電極部を厚く形成することが好ましい。低温側電極部を薄く形成すると隣合う素子との電気的接続のための電極部の電流面積が減るため全電極部抵抗が増大するが、高温側電極部を厚く形成することによってこの増大分を打ち消すように補完・調整することができる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、素子部両端の温度差によって生じた熱起電力を利用し素子部両端に接合（ろう材を介在させるものを除く）された電極部間で発電する熱電発電モジュールにおいて、複数の異種金属を積層して電極部を形成したものである。この場合、異種材料を多層化することによって形成された電極部が、残留応力あるいは温度差に伴う熱応力が小さくなるように作用する。これにより、素子部に生じる応力を緩和し、接合界面や素子部の劣化を防ぐことが可能となる。
【００１１】
また、この積層化した電極部は、請求項４記載の発明のように、素子部側から順に積層した鉄、銅、ニッケルの各層によって形成すれば、素子部の応力を十分に緩和させることが可能となり好適である。
また、請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれか１つに記載の熱電発電モジュールにおいて、電極部のヤング率が鋳造した部材のヤング率よりも低くなるように形成したものである。この場合、熱電発電モジュールの電極部は、鋳造された材料を電極部として用いた熱電発電モジュールよりもヤング率が低いために、素子部の歪みが小さくなり、しいては素子部の発生する応力が小さくなる。したがって、素子部の内部応力を緩和させ、内部応力が熱電発電モジュール全体に与える影響を小さくすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１に、本発明の熱電発電モジュールを構成している接合体の第１の実施形態を示す。この接合体１は、素子部２の両端の温度差によって生じた熱起電力を利用し素子部２の両端に接合（ろう材を介在させるものを除く）された電極部３，３間で発電するもので、本実施形態では電極部３として、鋳造した部材よりもヤング率（縦弾性係数）が低くなるようにした電極を備えるよう形成している。このとき、電極部３の形成方法は特に限定されないが、例えば溶射、めっき、さらには粉末焼結によって電極部３のヤング率を鋳造した部材よりも小さくすることができる。
【００１４】
このような接合体１では、鋳造した部材を電極部とした接合体と比較して電極部３のヤング率が低いため、素子部２の歪みが小さくなり、素子部２の内部応力を緩和させることができる。この場合、電極部３のヤング率を鋳造した部材のヤング率よりも低くしている限り素子部２の内部応力を低減させることができるが、この電極部３のヤング率を例えば鋳造した部材の半分以下とすると応力低減効果がより顕著となるため好適である。
【００１５】
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。すなわち、上述の実施形態は、素子部２に生じる内部応力の緩和を図る一形態に過ぎず、他の形態によって同様の効果を得ることができる。
【００１６】
例えば、図３に示すように、接合体１の低温側電極部３ａの厚みを高温側電極部３ｂの厚みよりも薄くした第２の実施形態によっても素子部２の応力を緩和させることができる。この場合、薄く形成された低温側電極部３ａが、素子部２の低温側接合界面付近で発生した最大主応力σ１を緩和させる。
【００１７】
なお、このように低温側電極部３ａを薄くした場合、低温側電極部３ａの電気抵抗が増大し、ひいては複数の接合体１により構成される熱電発電モジュールの発電性能を低下させるおそれがある。すなわち、素子部２に電極部３を接合した接合体は、モジュール化（本明細書では、複数の接合体を電気的に接合することを意味する）を図るため図５に示すように隣りの接合体１の電極部３，３同士を電気的に接続する必要があり、その際、電極部３の厚みにより電気の流れる面積（図中斜線によって表示）が決まることから電極部３の電気抵抗に影響を与える。そこで、この第２の実施形態においては、低温側電極部３ａを薄くしたことで低温側電極部抵抗が増大した分の影響は、少なくとも厚み変更前と同程度の全電極部抵抗が得られるように高温側電極部３ｂを厚くすることによって補うことが好ましい（図３）。なお本実施形態では、素子接合界面の電極外周に傾き（例えば鉛直軸に対して４５度）を設けるというさらに異なる応力緩和方策を採用しているが、本明細書では詳しく言及しない（矢田他；日本機械学会論文集５４巻５０８号、ｐ２１２８、１９８７）。
【００１８】
また、低温側電極部３ａおよび高温側電極部３ｂを積層して形成する第３の実施形態によって素子部２の内部応力を緩和させることもできる。この第３の実施形態では、例えば図７に示すように異種材料を多層化して電極を接合し、積層電極部３，３を形成している。この積層電極部３，３は、素子部２の残留応力あるいは温度差に伴う熱応力を小さくするよう作用する。
【００１９】
なお、上述した第２あるいは第３の実施形態では、材料が特に限定されることはなく、どの熱電材料であっても適用可能である。また、その際に接合する電極部３の材質は、対象とする熱電材料によって変わるため適宜選択する。
【００２０】
また、第１〜第３の各実施形態を単独で実施した場合に素子部２の応力緩和効果が得られるのは上述したとおりであるが、好ましくは各実施形態のいずれかを組み合わせることである。具体的には、第１の実施形態に第２の実施形態を組み合わせ、あるいは第１の実施形態に第３の実施形態を組み合わせることによって、素子部２における応力を緩和させて信頼性を向上させる効果を相乗的かつ効果的に発揮させることが可能となる。
【００２１】
【実施例】
以下に、図に示す計算モデルを用いて応力緩和を図った各実施例について具体的に説明する。計算モデルは中心軸周りの回転モデルの片断面を示したもので、図中上側が高温側、下側が低温側である。
【００２２】
（第１の実施例）
熱電発電モジュールを構成する接合体１に、鋳造した部材よりもヤング率が小さな電極部３を形成した。電極部３のヤング率を鋳造した部材よりも小さくする具体的方法は溶射、焼結、めっきなどである。例えばここでは、６００℃の電極作製温度下、粉末焼結によって図１に示すように厚み１ｍｍの鉄電極部３を形成した後、３０℃に冷却したときの残留応力について計算した。そして、電極部３を形成する鉄のヤング率を鋳造した部材に対して変化させた場合の最大主応力σ１の変化を調べた（図２）。本実施例では、鋳造した部材のヤング率を１００％とし、鋳造した部材のヤング率の２０％、３０％、４０％そして５０％の場合のヤング率を有する電極部３についてそれぞれ調べた。なお、図２に示すグラフの縦軸は、電極部３が鋳造した部材であるときに発生した最大主応力σ１の最大値を１とした場合の各ヤング率のとき素子部２に発生した最大主応力σ１の最大値の割合をそれぞれ示したものである。
【００２３】
図示するように、粉末焼結で形成した電極部３のヤング率が小さくなるにしたがって素子部２の応力も低減した。特に、鋳造した部材のヤング率の３０％の場合で約半分、そして２０％では約１／３にまで緩和が達成できることがわかる。
【００２４】
（第２の実施例）
次に、高温側と低温側とで異なる厚みの電極部３ａ，３ｂを接合した実施例を示す。図３、図４に、計算モデルを示す。両計算モデルは、電極部３にニッケル電極、素子部２にビスマス・テルル系素子を採用した中心軸周りの回転モデルである。そして、図４に示す比較対象モデルでは低温側と高温側の電極部３ａ，３ｂが等しい厚み（ともに１ｍｍ）であるのに対し、図３に示す本実施例説明モデルは、低温側電極部３ａの方が高温側電極部３ｂよりも薄くなるよう形成している（高温側２ｍｍに対して低温側０．３ｍｍ）。
【００２５】
そして、電極部接合温度を４００℃とし、その後３０℃に冷却した場合の残留応力と、３０℃から高温側電極部３ｂの上面は３００℃、低温側電極部３ａの下面は５０℃とした場合の発電時の応力について計算した。そして、発電時応力の方が残留応力よりも大きな応力を発生したので、発電時応力で応力緩和効果を比較した。図６に発電時応力が最大となった面での応力分布を示す。なお、縦軸は応力緩和方策適用前（図４に示した比較対象計算モデル）での最大応力値を１とした場合の応力の割合によって示している。図６に示すように、高温側と低温側とで電極部３ａ，３ｂを異なった厚みにすることにより素子部２の応力の低減が図られている。この場合、素子部２の半径ｒが２．５ｍｍ以下、特に２．０ｍｍ以下の領域において応力低減の効果が顕著となった。
【００２６】
（第３の実施例）
さらに、電極部３を多層化した実施例を示す。ここでは異種材料を多層化して電極部３を形成し、この電極部３を素子部２に接合することによって素子部２で発生する応力の緩和を図った。本実施例計算モデルは、図７に示すように、鉛・テルルからなる厚み１ｍｍの素子部２を中心に、鉛・テルル系素子部２の高温側および低温側それぞれの面に鉄箔４，４（ともに厚み１０μｍ）を接合し、さらにその両端に厚み０．４９ｍｍの銅板５，５を接合する。銅はヤング率が鉄より小さく、かつ、線膨張率が鉄より大きく鉛・テルル系素子部２に近い。そして、銅板５，５には厚み１ｍｍのニッケル電極部３ａ，３ｂを接合して積層接合体１を形成した。したがって、この熱電発電モジュールを構成する積層接合体１は低温側電極部３ａ、高温側電極部３ｂともに厚みの等しいニッケル電極によって形成されている。一方、比較対象計算モデルは、図８に示すように厚み１ｍｍの鉄電極部を接合して接合体１を形成したものである。
【００２７】
そして、電極部接合温度を６００℃とし、その後３０℃に冷却した場合の残留応力と、高温側は３０℃から３６０℃、低温側は３０℃から３００℃とした場合の発電時応力について計算した。残留応力の方が発電時応力よりも大きな応力が発生したので、残留応力で応力緩和効果を比較した。図９に、残留応力が最大となった面での応力分布を示す。このグラフの縦軸は、応力緩和方策適用前の計算モデル（比較対象モデル）の最大応力値を１としたときの応力の割合を示している。図９に示すように、異種材料を多層化した電極部３ａ，３ｂを素子部２に接合することにより、素子部２の応力の低減が図られている。
【００２８】
（組み合わせた実施例１）
上記第１の実施例と第２の実施例を組み合わせた場合について示す。高温側と低温側とで電極部３ａ，３ｂの厚みを異ならせるよう電極部形状を改善したことに加え、電極部材料のヤング率を鋳造した部材の２０％にした。この結果、図１０に示すように、応力緩和効果は明らかに向上した。これを改善方策適用前と適用後の応力値の比較で示す。電極部形状を異ならせただけの場合、適用後の最大応力値は適用前の７７％となった。これに対し、電極部形状変化とヤング率低減化を組み合わせた場合は、適用後の最大応力値が適用前の５２％にまで緩和された。
【００２９】
（組み合わせた実施例２）
さらに、上記第１の実施例と第３の実施例を組み合わせた場合について示す。異種材料を多層化して電極部３を形成したことに加え、電極部材料のヤング率を鋳造した部材の２０％にした。この結果を図１１に示す。図示するように、素子半径ｒがある値の範囲（１．８ｍｍから２．５ｍｍの手前まで）においては、多層化だけ行った場合よりも応力緩和効果が鈍った。ただし、応力緩和効果は、すべての範囲で応力値が低減せずとも、最大の応力値を低減させることによって得られる。最大素子半径２．５ｍｍ付近における最大の応力値について、改善方策適用前と適用後の比較で示す。多層化しただけの場合、適用後の最大応力値は適用前の３２％となった。これに対し、多層化とヤング率低減化を組み合わせた場合は、適用後の最大応力値が適用前の２７％にまで緩和された。
【００３１】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、請求項１記載の熱電発電モジュールは、素子部両端に金属製の電極部が接合（ろう材を介在させるものを除く）されており、且つ、低温側電極部を高温側電極部よりも薄くし、低温側電極と素子部との境界（低温側接合界面）付近で発生した最大主応力σ１を緩和させ、接合界面や素子部の劣化を防いで熱電発電モジュールの信頼性を向上させることができる。
【００３２】
さらに請求項２記載の熱電発電モジュールでは、高温側電極部を厚く形成することにより、低温側電極部を薄くしたことに伴い増大した抵抗を補完・調整することができる。
【００３３】
請求項３記載の熱電発電モジュールでは、素子部両端に電極部が接合（ろう材を介在させるものを除く）されており、多層化した電極部が、残留応力あるいは温度差に伴う熱応力が小さくなるように作用する。これにより、素子部に生じる応力を緩和し、接合部や素子部の劣化を防いで熱電発電モジュールの信頼性を向上させることができる。
【００３４】
この場合、請求項４記載の発明は、鉄、銅、ニッケルの各層を素子部側から順に積層して電極部を形成することで、素子部の応力を十分に緩和させることを可能としている。
さらに請求項５記載の熱電発電モジュールでは、鋳造した部材よりもヤング率が低い電極部を形成しているため素子部の歪みが小さくなる。このため、素子部の内部応力を緩和させ、熱電発電モジュール全体に与える影響を小さくして信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す熱電発電モジュールを構成している接合体の計算モデルである。
【図２】第１の実施例におけるヤング率を変化させることによる素子部最大主応力σ１の緩和効果の例である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す熱電発電モジュールを構成している接合体の計算モデルである。
【図４】図３に示す計算モデルの比較対象モデルである。
【図５】隣りあう接合体の位置関係および接合体間の電流面積を示す斜視図である。
【図６】第２の実施例における高温側電極と低温側電極を異なった厚みにすることによる応力緩和効果例である。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す熱電発電モジュールを構成している接合体の計算モデルである。
【図８】図６に示す計算モデルの比較対象モデルである。
【図９】第３の実施例における異種材料を多層化した電極を素子に接合することによる応力緩和効果例である。
【図１０】第１の実施例と第２の実施例を組み合わせた場合の応力緩和効果例である。
【図１１】第１の実施例と第３の実施例を組み合わせた場合の応力緩和効果例である。
【符号の説明】
１  接合体
２  素子部
３  電極部
３ａ  低温側電極部
３ｂ  高温側電極部
４  鉄箔
５  銅板
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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