(57)【要約】【課題】大型の気密ケースに複数の熱電変換モジュールを封入し、モジュールの実質的充填密度を向上させ、モジュール出力当たりの製造コストを低減する。【解決手段】熱電変換モジュール３０を気密ケース２に収容して内部を減圧または真空とし、気密ケース２内外の圧力差により熱電変換モジュール３０を加圧して、熱電変換モジュール３０と気密ケース２を互いに密着させる方式の気密ケース入り熱電変換モジュール１において、気密ケース２を構成する加熱面側ケース１０、冷却面側ケース２０のうちの両方または一方を、熱電変換モジュール３０が１つまたは複数収容される凸部１１を複数有する薄肉ケースとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電変換モジュールを気密ケースに収容して内部を減圧または真空とし、前記気密ケースの一部または全部を可撓性の薄肉ケースとして、前記気密ケース内外の圧力差により前記熱電変換モジュールを加圧して、前記熱電変換モジュールと前記気密ケースを互いに密着させる方式の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、
前記気密ケースを構成する加熱面側ケースおよび冷却面側ケースの両方または一方を、前記熱電変換モジュールが１つまたは複数収容される凸部を複数有する薄肉ケースとしたことを特徴とする気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記薄肉ケースの厚さが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の気密ケース入り熱電変換モジュール。
【請求項３】
複数の前記凸部が完全に分離せず、一部が互いに合体していることを特徴とする請求項１または２に記載の気密ケース入り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、減圧または真空とされる気密ケース内に熱電変換モジュールを収容した気密ケース入り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の強度および耐久性を改善し、いかなる雰囲気でも使用可能とするために、気密ケース入り熱電変換モジュール（特許文献１）および水冷パネルを内蔵した気密ケース入りモジュール（特許文献２）が発明されている。さらにこれらの特徴を引き継ぎ、複数の熱電変換モジュールを封入可能な大型の気密ケースもある（特許文献３）。しかしこれらの発明は以下の問題点を抱えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−０４９８７２号公報
【特許文献２】国際公開ＷＯ２０１０／０８４７１８号
【特許文献３】特開２０１１−２３８６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１) 充填密度の限界
特許文献１および２の熱電変換モジュール（以後モジュールと略す）は、平面寸法が４ｃｍ角程度のものが一般的で、大きなものでも７ｃｍ角程度だった。これ以上大きくできない理由は、モジュールに負荷される温度差に起因する熱応力が、上記温度差とモジュール寸法の積にほぼ比例するためである。従来の気密ケース入り熱電変換モジュールはこのようなモジュール１個を気密ケースに封入したものである。この気密ケースには貫通電極を２個備える必要があり、またケース内部には上記貫通電極とモジュールをリード線で接続する必要があるため、モジュールの実質的な充填密度（与えられた伝熱面積に対するモジュール設置面積の比率）に制約があった。
【０００５】
２) 製造コストの制約
特許文献１および２の気密ケース入り熱電変換モジュールは、上記１) に述べたように１個の気密ケースにモジュール１個を封入するため、モジュール本体に比べて貫通電極などを含む気密ケースのコストが相対的に大きい。また通常２分割の気密ケースを電子ビーム溶接する工程では、治具による気密ケースの保持および真空チェンバーの真空引きに時間を要し、量産およびコスト低減の課題となっている。
【０００６】
３) プレス型製作およびプレス成型コストの課題
特許文献１および２の気密ケース入り熱電変換モジュールの制約を改善するために、特許文献３では１個の気密ケースにモジュールを複数個封入する。ただしこのような大型気密ケースに数百度の温度差が付加されると、ケースに熱変形（加熱面に近い方と冷却面に近い方の熱膨張差に起因するケースの面外変形）が生ずる。この熱変形によりモジュールとケース内面の密着性が損なわれて接触熱抵抗が増加しモジュールの出力低下を招く恐れがある。またケースの熱変形によりケースには熱応力が発生する。この熱応力の大きさはケースの大きさおよび上下面の温度差の積に比例する。従って大型ケースほど大きな熱応力が発生し、また大きな温度差が付加されるケースほど大きな熱応力が発生する。その結果最悪の場合ケースが破損する恐れがある。そこで特許文献３では、上記気密ケースを構成する加熱面側ケースおよび冷却面側ケースの両方または一方の側面部を薄肉かつ波形の可撓性として熱膨張差に対する熱応力緩和を容易にし、上記ケースの加熱・冷却面に垂直方向の温度勾配に起因する熱応力緩和を実現する構造である。
【０００７】
しかしながら特許文献３の気密ケースは、プレス成型コストの課題がある。側面部を波形としたプレスケース製作のためのプレス型は、数値制御の工作機械により加工可能であるが、複雑形状のため加工に時間を要し高価である。また薄い金属板を上記形状に成型するには、数組のプレス型を必要とするため、これらの総額は非常に高価となる。さらにこのような数組のプレス型により薄い金属板を所定の形状に成型するには多数のプレス工程を必要とし、そのコストも高価である。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、以下の目的を達成する気密ケース入り熱電変換モジュールを提供するためのものである。
１．大型の気密ケースに複数の熱電変換モジュールを封入し、モジュールの実質的充填密度を向上させ、モジュール出力当たりの製造コストを低減する。
２．薄肉で可撓性のある金属ケースのプレス成型コストを低減させる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、熱電変換モジュールを気密ケースに収容して内部を減圧または真空とし、前記気密ケースの一部または全部を可撓性の薄肉ケースとして、前記気密ケース内外の圧力差により前記熱電変換モジュールを加圧して、前記熱電変換モジュールと前記気密ケースを互いに密着させる方式の気密ケース入り熱電変換モジュールにおいて、前記気密ケースを構成する加熱面側ケースおよび冷却面側ケースの両方または一方を、前記熱電変換モジュールが１つまたは複数収容される凸部を複数有する薄肉ケースとしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、以下の作用を得る。
１．加熱面側ケースと冷却面側ケースの合わせ面を電子ビーム溶接する場合、それに要する時間およびコストは、特許文献３と同程度で特許文献１および２に比べて短時間で、そのためモジュール出力当たりのコスト低減を実現できる。
２．加熱面側ケースおよび冷却面側ケースの両方または一方の複数の凸部はあまり大きくならないため、加熱・冷却面の温度差に起因する熱応力の緩和は容易である。
３．各凸部の側面を単純な形状とすることにより、プレス型製作およびプレス成型コストを低減できる。
【００１１】
本発明は、前記薄肉ケースの厚さが０．３ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、複数の前記凸部が完全に分離せず、一部が互いに合体していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
１．モジュールの実質的充填密度（与えられた伝熱面積に対するモジュール設置面積の比率）が向上し、出力密度（単位面積当たりの出力）が増大する。
２．プレス型製作コストおよびプレス成型コストを低減できる。
３．気密ケース組み立てのための溶接の工程短縮およびコスト低減（いずれもモジュール出力当たり）が可能。
４．大型の気密ケースでも大きな温度差での使用が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態に係る気密ケース入り熱電変換モジュールを示す（ａ）平面図、（ｂ）Ａ−Ａ断面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】一実施形態の気密ケース入り熱電変換モジュールが具備する熱電変換モジュールの斜視図である。
【図４】同熱電変換モジュールの側面図である。
【図５】本発明の変形例に係る気密ケース入り熱電変換モジュールの（ａ）平面図、（ｂ）Ｃ−Ｃ断面図である。
【図６】本発明のさらに他の変形例に係る気密ケース入り熱電変換モジュールの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［１］一実施形態の構成
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１および図２は、加熱面側（上面側）にプレス成形した薄肉の可撓性容器１０を採用し、冷却面側（下面側）に機械加工の容器２０を採用した一実施形態の気密ケース２内に熱電変換モジュール３０を収容した気密ケース入り熱電変換モジュール１を示している。以降の説明では加熱面側の可撓性容器１０を加熱面側ケース１０、機械加工の容器２０を冷却面側ケース２０と称する。
【００１６】
加熱面側ケース１０は厚さ０．１ｍｍ程度、最大でも０．３ｍｍ程度の薄肉の金属シートをプレス加工（深絞り加工）したもので、凸部１１を３個備える。各凸部１１は、平面視正方形状、断面台形状であり、一辺の長さ（図１（ｂ）：Ｌで示す）は５０ｍｍ以下の大きさとされる。凸部１１はあまり大きくないため、上下面の熱膨張差に対する熱応力緩和が容易である。凸部１１の深さは、熱応力緩和およびプレス成型性の観点で数ｍｍ程度とすることが望ましい。また、冷却面側ケース２０との合わせ面に密着するような周辺形状となっている。
【００１７】
一方、冷却面側ケース２０は厚さ１．０ｍｍ程度の金属製容器で、加熱面側ケース１０の鍔１２との合わせ面に鍔（フランジ）２２を設けている。加熱面側ケース１０および冷却面側ケース２０の合わせ面は電子ビーム溶接などの手段で溶接され、気密ケース２が構成される。本実施形態では、冷却面側ケース２０の側面に貫通電極４０を合計２個配設し、溶接している。凸部１１内には、熱電変換モジュール３０が１個収容される。熱電変換モジュール３０はリード線３５によって互いに直列に接続され、さらに２つの貫通電極４０にリード線３５が接続されている。
【００１８】
熱電変換モジュール３０は、図３および図４に示すように、マトリクス状に配列され、温度差が与えられることで発電する複数の熱電変換素子３１と、これら熱電変換素子３１を直列に接続する高温側電極３２および低温側電極３３とからなるもので、全体として矩形状に形成されている。なお、図１および図２では熱電変換モジュール３０を簡略化して示している。熱電変換素子３１は、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリサイド系、マンガン−シリサイド系、鉄−シリサイド系、ビスマス−テルル系等の、ゼーベック効果により温度差に応じた起電力を発生するものが適宜用いられる。
【００１９】
各電極３２，３３は銅板等からなるもので、熱電変換素子３１はそれら電極３２，３３を介して交互に直列に接続されている。高温側電極３２は、隣接する一対の熱電変換素子３１の上面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。また、低温側電極３３は、隣接する一対の熱電変換素子３１の下面間に架け渡されて固定され、それら一対の熱電変換素子３１を接続している。熱電変換モジュール３０で発電された電気は、図３に示す一対のリード線３５を介して取り出される。
【００２０】
上記特許文献１〜３と同様に、上下の加熱面側ケース１０、冷却面側ケース２０を合わせた気密ケース２の内部高さは、収納する熱電変換モジュール３０および各種構成物（不図示）の合計高さよりも、例えば０．２ｍｍ程度小さくする形態で製造することができる。すなわち冷却面側ケース２０に、収納する熱電変換モジュール３０および各種構成物を入れ、さらに加熱面側ケース１０を載せると、ケース１０，２０間には０．２ｍｍの隙間が生ずる。この隙間を周囲から治具により押さえつけて電子ビーム溶接すると、加熱面側ケース１０および冷却面側ケース２０が変形する（膨らむ）ことにより密封される。電子ビーム溶接は真空チェンバーの中で行うため、気密ケース２内部は真空となっている。従って収納する熱電変換モジュール３０および各種構成物は、上下のケース１０，２０が完全に密着した状態で１気圧（０．１ＭＰａ＝１ｋｇ／ｃｍ２）の力で上下から押さえつけられるため、各種構成要素の接触面間に存在する接触熱抵抗が低減でき、熱電変換モジュール３０に大きな温度差を与えることができる。
【００２１】
加熱面側ケース１０および冷却面側ケース２０の材質は、耐熱性、耐蝕性、加工性などの観点で選択する。例えば熱電変換素子３１としてビスマス−テルル系などを用いる低温用熱電変換モジュール（加熱面側ケース１０の加熱温度２５０℃以下）では、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ） およびステンレス鋼（ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６など)などが使用できる。また例えば熱電変換素子３１としてシリコン−ゲルマニウム系などを用いる高温用熱電変換モジュール（加熱面側ケース１０の加熱温度６００℃程度）では、チタン（Ｔｉ）などが使用できる。いずれも素材の厚さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍ程度が適するが、これに限定せず熱電変換モジュール３０の大きさや差圧なども考慮して決定するべきである。
【００２２】
本実施形態の気密ケース入り熱電変換モジュール１は、加熱面側ケース１０上に加熱ダクト等の高温側熱源を設置し、冷却面側ケース２０の下面に冷却ダクト等の低温側熱源を設置して、熱電発電装置として構成される。熱電変換モジュール３０は高温側熱源と低温側熱源とによって温度差が与えられて発電する。
【００２３】
本実施形態の気密ケース入り熱電変換モジュール１は、高温排熱用、あるいは極低温用などの用途に適用される。高温排熱用に適用される場合においては、加熱面側ケース１０上に設置される加熱ダクト内には例えば自動車エンジンの排気ガス、工場やゴミ焼却炉等で発生する排熱ガス等の加熱媒体が流され、冷却面側ケース２０の下面に設置される冷却ダクト内には水などの冷却媒体が流される。また、極低温用に適用される場合においては、加熱ダクト内には例えば室温の水などが流され、冷却ダクト内には例えば極低温の液化天然ガス（ＬＮＧ）や液体水素等が流される。
【００２４】
［２］作用および効果
以上が一実施形態の気密ケース入り熱電変換モジュール１の構成である。この一実施形態によれば、加熱面側ケース１０と冷却面側ケース２０の合わせ面を電子ビーム溶接する場合、それに要する時間およびコストが短時間で、そのためモジュール出力当たりのコスト低減を実現できる。また、加熱面側ケース１０の複数の凸部１１は５０ｍｍ以下とあまり大きくないため、加熱・冷却面の温度差に起因する熱応力の緩和は容易である。また、各凸部１１の側面は単純な平坦形状であるため、プレス型製作およびプレス成型コストを低減できる。すなわち本実施形態の気密ケース入り熱電変換モジュール１は、同一の熱電変換モジュール３０が１個入りの気密ケース入り熱電変換モジュール３個分の製造コストに比べ安価である。
【００２５】
また、熱電変換モジュール３０の実質的充填密度（与えられた伝熱面積に対するモジュール設置面積の比率）が向上し、出力密度（単位面積当たりの出力）が増大する。また、大型の気密ケースでも大きな温度差での使用が可能になる。
【００２６】
［３］変形例
図５は、加熱面側ケース１０と水冷パネル２５が仕切り板２６を介して合体した変形例である。水冷パネル２５には、冷却水配管（入り口および出口配管）２７が接続されている。貫通電極４０は仕切り板２６を貫通して溶接されている。本実施例では、加熱面側ケース１０の各凸部１１が完全に分離せず、一部が互いに合体している。この構造では、隣接する凸部１１の連結部分の隙間に熱電変換モジュール３０のリード線３５を通すことができる。これにより貫通電極４０は合計２個で足りる。
【００２７】
図６は６個の熱電変換モジュール３０を並べた例であり、図５の場合と同様に、熱電変換モジュール３０は隣接する凸部１１の連結部分の隙間に通したリード線３５によって直列に接続され、さらに２つの貫通電極４０にリード線３５が接続されている。本発明ではこのように多数の熱電変換モジュール３０を任意の配列で並べることが可能である。加熱面側ケース１０に発生する熱応力は、凸部１１の面方向（縦横）の寸法およびモジュール温度差に比例するため、熱電変換モジュール３０の総数にかかわらず、加熱面側ケース１０に発生する熱応力は同じである。
【００２８】
［４］その他
上記実施形態では各凸部１１に１個の熱電変換モジュール３０を収容しているが、各凸部１１に、より小さな複数の熱電変換モジュール３０を収容しても構わない。凸部１１の面方向（縦横）の寸法およびモジュール温度差が変わらない限り、これに発生する熱応力は同じである。
【００２９】
図３および図４に示した熱電変換モジュール３０の構造は一例であり、本発明はいかなる熱電変換モジュールも採用可能である。通常の熱電変換モジュールは両面にセラミックなどの板を備えるものが多いが、この他に上記セラミック板を片面のみに備える片面スケルトン・モジュール、および上記セラミック板を全く備えないで電極が露出した両面スケルトン・モジュールも採用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
１…気密ケース入り熱電変換モジュール
２…気密ケース
１０…加熱面側ケース
１１…凸部
２０…冷却面側ケース
３０…熱電変換モジュール
【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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