(57)【要約】【課題】種々の技術分野で、熱を電気に変換する、または電気を熱に変換する熱電変換モジュールに関し、熱膨張による破損の防止を図れる構成のものを提供することを目的とする。【解決手段】複数の熱電変換素子５を挟んでそれぞれ両側に第１金属基板１０および第２金属基板２０を配置し、第１金属基板１０を複数の分割基板１０Ａに分割して構成し、各分割基板１０Ａを互いに間隙５０を有して各分割基板１０Ａを配置することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の熱電変換素子と、
前記複数の熱電変換素子を挟んでそれぞれ両側に配置される第１金属基板および第２金属基板と、
前記第１金属基板は複数の分割基板に分割されて構成され、各分割基板は互いに間隙を有して配置されたことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記第１金属基板は高温側であり、前記第２金属基板は低温側である請求項１記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記第２金属基板に前記第１金属基板の各分割基板を接続する配線パターンが形成された請求項１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、熱電変換素子を備えて構成される熱電変換モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、熱電変換素子を備えて構成される熱電変換モジュールが注目されている。熱電変換モジュールとしては、例えば図３に示されるもの（特許文献１を参照）があげられる。
【０００３】
図３に示したように、この熱電変換モジュール１００は、複数の熱電変換素子１１０を備えており、そのｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子が電極１５０を介して直列に接続されて複数のｐｎ素子対が形成されている。熱電変換素子１１０同士は、互いの間の短絡を防止するため水平方向には所定間隔をあけて配置されている。ｐｎ素子対の一方の端面には基板２００が配され、他方の端面には基板３００が配されている。基板２００、３００は熱伝導に優れる材質のものが用いられている。直列に接続された複数のｐｎ素子対の電気的な接続の両端位置のものにはリード線４００Ａ，４００Ｂが接続されている。
【０００４】
熱電変換モジュール１００は、例えば基板２００を加熱し、基板３００を冷却すれば、ｐｎ素子対に生じるゼーベック効果でリード線４００Ａ，４００Ｂから所定の電力が得られる。つまり、発電装置として活用できる。
【０００５】
または、熱電変換モジュール１００は、リード線４００Ａ，４００Ｂに所定の電流を流すと、ｐｎ素子対に生じるペルチェ効果によって、例えば基板２００が加熱状態になり、また基板３００は冷却状態になる。つまり、冷却装置などとしても活用できるものであった。
【０００６】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１４−５３５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、熱電変換モジュール１００は、発電装置として用いる際に、高い出力電力を求められるようになっている。
【０００９】
熱電変換モジュール１００を高出力にするには、熱電変換素子１１０の数を多くする必要がある。そのため、基板２００、３００の面積が大きくなる。
【００１０】
熱電変換モジュール１００としては、基板２００、３００に熱伝導率の高い金属基板、例えば銅基板を用いて発電効率を高めたものが知られている。そのため、熱電変換モジュール１００の高出力化を図る場合、金属基板を用いた熱電変換モジュール１００を採用することが有効である。
【００１１】
しかしながら、基板２００、３００が金属基板の場合、熱膨張による変形量が従来のセラミック基板に比べて大きい。また、熱電変換モジュール１００を高出力にするために基板２００、３００の面積が大きくなっている。そのため、熱膨張による基板２００と基板３００との変形量の差が大きくなり、高温側の基板に厚み方向の変形（そり）が発生し、熱電変換素子１１０が基板から剥離して断線したり、熱電変換素子１１０自体が破損されたりして熱電変換モジュール１００の破損が発生するという課題があった。
【００１２】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、金属基板を用いてその金属基板の面積を大きくした場合に熱膨張による高温側の基板の変形により破損されるのを防止した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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、複数の熱電変換素子を挟んでそれぞれ両側に第１金属基板および第２金属基板を配置し、第１金属基板を複数の分割基板により構成し、各分割基板を互いに間隙を有して配置するようにしている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、互いに間隙を有して配置される複数の分割基板により第１金属基板を構成しているので、熱膨張により第１金属基板と第２金属基板の変形量が相違しその変形量の相違に基づく第１金属基板および第２金属基板の変形が各分割基板の間隙により吸収され、熱電変換モジュールの破損を防止できるという有利な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態による熱電変換モジュールの分解斜視図
【図２】同熱電変換モジュールの断面図
【図３】従来の熱電変換モジュールの構成を示す斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による熱電変換モジュールについて、以下に図面を用いて説明する。
【００１７】
（実施の形態）
図１は本発明の実施形態による熱電変換モジュールの分解斜視図、図２は同熱電変換モジュールの断面図である。
【００１８】
図１、図２に示すように、本発明の実施形態による熱電変換モジュール３は、対向して配置された第１金属基板１０と第２金属基板２０と、その間に配された複数の熱電変換素子５とを有している。熱電変換素子５は、水平方向において所定の配列状態で配置されており、複数のｐ型熱電変換素子と複数のｎ型熱電変換素子とからなる。両者は同じ外形の直方体状である。
【００１９】
第１金属基板１０は、４枚の分割基板１０Ａに分割されて構成されている。一方、第２金属基板２０は１枚の基板により構成されている。
【００２０】
第１金属基板１０を構成する各分割基板１０Ａは、それぞれ銅板１２の一方の面に絶縁層１４が設けられ、その絶縁層１４に重ねて第１電極１６が設けられたものとなっている。第１電極１６は銅から形成されている。絶縁層１４は、ポリイミド樹脂などから形成されている。
【００２１】
第２金属基板２０も、第１金属基板１０と同様で、銅板２２の一方の面に絶縁層２４が設けられ、その絶縁層２４に重ねて第２電極２６が設けられたものとなっている。第２電極２６は銅から形成されている。絶縁層２４は、ポリイミド樹脂などから形成されている。
【００２２】
第１電極１６および第２電極２６は、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とを交互に直列で接続可能なように、第１金属基板１０および第２金属基板２０に配されている。
【００２３】
熱電変換モジュール３は、第１金属基板１０の各分割基板１０Ａおよび各分割基板１０Ａに対応する第２金属基板２０の各領域ごとに配線され、第２金属基板２０において各領域が接続されている。換言すると、各分割基板１０Ａおよび各分割基板１０Ａに対応する第２金属基板２０の各領域ごとに熱電変換モジュール３を分割した４つの分割ユニットを第２金属基板２０に形成された配線により接続した構造となっている。そして、熱電変換モジュール３は、第２金属基板２０の矩形の一辺の両端部分にそれぞれ接続されるリード線４０Ａ，４０Ｂから出力が導出されるようになっている。
【００２４】
熱電変換モジュール３は、各分割ユニットを全て直列に接続して出力電圧を高くしても良いし、各分割ユニットを全て並列に接続して出力電流を大きくしても良い。また、熱電変換モジュール３は、各分割ユニットを直列と並列を組み合わせて接続される構成にしても良い。
【００２５】
ところで、第１金属基板１０は加熱する高温側基板となっており、第２金属基板２０は冷却する低温側基板となっている。そのため、熱電変換モジュール３は第１金属基板１０を加熱し、第２金属基板２０を冷却することにより発電される。あるいは、熱電変換モジュール３はリード線４０Ａ，４０Ｂに電力を供給すると、第１金属基板１０が加熱され、第２金属基板２０が冷却される。
【００２６】
第１金属基板１０は、前述したように４つの分割基板１０Ａにより構成されている。そして、隣接する各分割基板１０Ａ同士は互いに間隙５０を有している。そのため、熱電変換モジュール３を発電させるため第１金属基板１０が加熱されると共に、第２金属基板２０が冷却され、熱膨張による第１金属基板１０と第２金属基板２０との変形量の差が発生してもその変形量の差に基づいて第１金属基板１０および第２金属基板２０の変形が各分割基板１０Ａ同士の間隙５０により吸収される。したがって、第１金属基板１０および第２金属基板２０の厚み方向の変形（そり）が防止され、熱電変換モジュール３の破損が防止される。
【００２７】
本実施形態の場合、分割基板１０Ａにより複数に分割されているのは加熱側の第１金属基板１０である。第１金属基板１０は、熱電変換モジュール３の発電時において熱膨張による変形量が第２金属基板２０に比べて大きい。そのため、第１金属基板１０を分割基板１０Ａにより複数に分割した方が第２金属基板２０を複数に分割するより熱電変換素子に印加される熱応力を小さくできるので、第１金属基板１０を分割基板１０Ａにより複数に分割することが好ましい。しかしながら、これに限定されず、冷却側の金属基板（本実施形態において第２金属基板２０）を複数の分割基板に分割しても熱膨張により第１金属基板１０と第２金属基板２０とに発生する変形量の差に基づく第１金属基板１０および第２金属基板２０の変形は第２金属基板２０の各分割基板同士の間隙５０により吸収される。
【００２８】
また、分割基板１０Ａにより分割する数は、熱電変換モジュール３の大きさや第１金属基板１０および第２金属基板２０の熱膨張による変形量によって適宜変更可能である。
【００２９】
なお、第１金属基板１０および第２金属基板２０の一方を分割すれば良いが、第１金属基板１０および第２金属基板２０の両方を分割の大きさを変えて構成することも考えられる。ただし、各分割ユニットを接続して熱電変換モジュール３を構成するには、第１金属基板１０および第２金属基板２０の一方が分割されない１枚の基板であることが配線および強度の点から好ましい。
【００３０】
本実施形態において、熱電変換モジュール３は、例えば第１金属基板１０の各分割基板１０Ａにそれぞれ熱電変換素子５を実装し、熱電変換素子５が実装された各分割基板１０Ａを１枚基板の第２金属基板２０に治具（図示せず）を用いてそれぞれ所定箇所に設置される。熱電変換素子５は治具により定ピッチの行列状に配置される。熱電変換素子５のそれぞれの端面は第１電極１６と第２電極２６に半田付けされて配置されることになる。各分割基板１０Ａおよび各分割基板１０Ａに対応する第２金属基板２０の各領域ごとの熱電変換モジュール３の各分割ユニットは、熱電変換素子５が実装された各分割基板１０Ａを第２金属基板２０に設置すれば第２金属基板２０に形成される配線により接続される。そのため、熱電変換モジュール３の組み立てが容易で生産性の向上に繋がる。
【００３１】
以上のように構成される熱電変換モジュール３は、従来同様に、例えば第１金属基板１０を加熱し、第２金属基板２０を冷却すれば、ゼーベック効果でリード線４０Ａ，４０Ｂから所定の電力を得ることができる発電装置として活用できる。または、リード線４０Ａ，４０Ｂに所定の電力を供給すると、例えば第１金属基板１０が加熱状態になり、第２金属基板２０が冷却状態になって、冷却装置などに活用することができる。
【００３２】
ここに、熱電変換モジュール３は、発電装置とした場合に、得られる電力を大きくするのに有利である。
【００３３】
すなわち、本実施形態の熱電変換モジュール３は、互いに間隙５０を有して配置される複数の分割基板１０Ａにより第１金属基板１０を構成し、熱膨張により第１金属基板１０と第２金属基板２０の変形量が相違してもその変形量の相違に基づく第１金属基板１０および第２金属基板２０の変形を各分割基板１０Ａの間隙５０が吸収する構成としている。そのため、熱電変換モジュール３は熱電変換素子５を挟んでそれぞれ両側に配置される基板に金属基板を用い、その金属基板の面積を大きくすることが可能となり、熱電変換モジュール３に多くの熱電変換素子５を実装することができる。しかも、熱電変換モジュール３は第２金属基板２０に第１金属基板１０の各分割基板１０Ａを接続する配線を形成することにより容易に一体化することができる。
【００３４】
なお、第１金属基板１０の分割枚数や面積、あるいは第１金属基板１０の各分割基板１０Ａ間の間隙の寸法設定は、熱膨張による第１金属基板１０と第２金属基板２０の変形量、および各分割基板１０Ａの設置時の作業性なども考慮しつつ適宜決定すればよい。
【００３５】
また、当該構成の熱電変換モジュール３は、冷却用途に用いる際にも、熱膨張により第１金属基板１０と第２金属基板２０とに発生する変形量に差が生じ、その差に基づく第１金属基板１０および第２金属基板２０の変形は第１金属基板１０の各分割基板１０Ａ間の間隙５０により吸収されるため、大型化するのに有利であり、冷却効果を高めることができる。
【００３６】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、実施形態により説明した熱電変換モジュール３の各構成要素の材料や形状、あるいは組み立て方は種々変更可能であり、本発明を限定して解釈するためのものではない。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明による熱電変換モジュールは、金属基板を用いて面積の大型化が可能で発電量を大きくすること、あるいは冷却量を大きくすることに有利であり、種々の技術分野で、熱を電気に変換する、または電気を熱に変換する場合に広く適用することが可能である。例えば、加熱炉の廃熱を利用して発電する際などに本発明を採用することができる。
【符号の説明】
【００３８】
３  熱電変換モジュール
５  熱電変換素子
１０  第１金属基板
１０Ａ  分割基板
１２、２２  銅板
１４、２４  絶縁層
１６  第１電極
２０  第２金属基板
２６  第２電極
４０Ａ、４０Ｂ  リード線
５０  間隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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