(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに離間するｎ型電導部及びｐ型電導部から構成され、熱電効果を有する材料で構成される熱電素子対と、
前記熱電素子対の一端側に設置された高温側基板と、
前記熱電素子対と前記高温側基板との間に設置された第１の電極と、
前記熱電素子対のそれぞれの側面と少なくとも一箇所ずつ接するように前記熱電素子対の間に配置され、金属材料で構成された伝熱部材と、
前記熱電素子対の他端側に設置された低温側基板と、
前記熱電素子対と前記低温側基板との間に設置された第２の電極と、
を有することを特徴とする熱電素子デバイス。
【請求項２】
前記伝熱部材は、横方向断面がΩ形状であることを特徴とする請求項１記載の熱電素子デバイス。
【請求項３】
前記伝熱部材は、前記熱電素子対それぞれの上面と、前記第１の電極との間で挟まれて接触することを特徴とする請求項２記載の熱電素子デバイス。
【請求項４】
前記伝熱部材は、弾性を有することを特徴とする請求項３記載の熱電素子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱エネルギを電気エネルギに、また電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱電素子デバイス及びこれらから構成される熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、熱電素子デバイスは、互いに対向する２つの電極と、この間に挿入されるｐ型熱電変換半導体及びｎ型熱電変換半導体の対とから構成される。そして、熱電変換半導体が有するトムソン効果、ペルチェ効果、又はゼーベック効果等の熱電効果を利用することにより、熱エネルギが電気エネルギに、また電気エネルギが熱エネルギに直接変換される。また、実用的には、熱電素子デバイスを並列配置することにより構成した熱電モジュールが利用されている。
【０００３】
このような熱電変換デバイス又は熱電モジュールの一例が、特許文献１に記載されている。特許文献１では、対向する電極と、この間に林立する柱状のｐ型熱―電気直接変換素子及びｎ型熱―電気直接変換素子とから構成される熱電変換装置が開示されている。
【０００４】
そして、これらの熱電素子と放熱電極との間が半田により接合される一方、吸熱電極はその一部に変形可能な網構造部材を有しており、この網構造部材が上記の熱電素子としゅう動可能に接している。
【０００５】
上記の熱電変換装置では、網構造部材の変形及びしゅう動により、吸熱電極と熱電素子との間の熱膨張差に起因する熱応力が緩和され、熱電変換装置の破損や損傷を防止することができる。
【特許文献１】特開２００５−６４４５７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に開示されている熱電変換装置では、高温側熱源の実用状況下にあっては、熱源の温度分布発生による熱膨張差が存在することにより熱電変換装置に局所的な変形を与える。そのため、網構造部材が吸熱電極と熱電半導体との間に設けられたことによって熱応力は緩和される一方で、網構造部材が熱電素子の全面に渡って常に熱を伝えやすい状態であるとはいえない。
【０００７】
つまり、熱電気変換装置の高温側に対して熱源から熱を伝達できる面積が小さくなるため、熱電変換装置が本来有する熱電変換性能を十分に発揮できないという不都合があった。
【０００８】
このような現象は、特許文献１に開示されている熱電変換装置に限らず、吸熱電極と熱電素子とを直接接合した熱電変換装置についても当然に起こりうる問題である。
【０００９】
また、熱電変換装置は、熱電素子の上下間の温度差が大きいほど発生する電力も大きくなる。したがって、熱電素子の高温側に対して受熱面積の増加および複数の経路で熱を伝達させることが必要である。
【００１０】
本発明は、上記の不都合を解消し、熱電素子に複数の経路で熱を伝達させるとともに、高温側熱源の温度分布による局所的な変形が生じた場合であっても効率よく熱を伝達させる熱電素子デバイス及びこれを用いる熱電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】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明の一実施例に係る熱電素子デバイスは、以下のように構成されている。
【００１２】
（１）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、互いに離間するｎ型電導部及びｐ型電導部から構成され、熱電効果を有する材料から構成される熱電素子対と、前記熱電素子対の一端側に設置された高温側基板と、前記熱電素子対と前記高温側基板との間に設置された第１の電極と、前記熱電素子対と接するように前記熱電素子対の間に配置された伝熱部材と、前記熱電素子対の他端側に設置された低温側基板と、前記熱電素子対と前記低温側基板との間に設置された第２の電極とを有する。
【００１３】
（２）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）であって、前記伝熱部材は、横方向断面がΩ形状である。
【００１４】
（３）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(２）であって、前記伝熱部材は、前記熱電素子対それぞれの上面と、前記第１の電極との間で挟まれて接触する。
【００１５】
（４）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(３）であって、前記伝熱部材は、前記熱電素子対のそれぞれの側面と少なくとも一箇所ずつ接する。
【００１６】
（５）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(４）であって、前記伝熱部材は、弾性を有する金属材料で構成される。
【００１７】
（６）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(５）であって、前記伝熱部材は、前記弾性を有する金属材料と銅膜の２層で構成されており、前記第１の電極と前記銅膜を介して接触する。
【００１８】
（７）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）であって、前記第１の電極、前記第２の電極および前記熱電素子対が外気から遮断する枠を有する。
【００１９】
（８）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）であって、前記第１の電極は、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子対と接するように設けられた均熱部材とを備える。
【００２０】
（９）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）であって、前記第２の電極が、電極部材と、導電性を有し前記電極部材上に設けられる弾性部材と、導電性を有し前記弾性部材上に設けられ、前記熱電素子と接するように設けられた均熱部材とを備える。
【００２１】
（１０）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）から(９)のいずれか１つであって、前記熱電素子対における熱電効果を有する材料は、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSb3基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、MgAgAs型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物、もしくはこれらの混合物、又はこれらの接合体である。
【００２２】
（１１）本実施形態に係る熱電素子デバイスは、上記(１）から（１０）のいずれか１つであって、前記熱電素子対は、互いに離間するｎ型電導部及びｐ型電導部から構成され、前記第１の電極及び前記第２の電極のいずれか一方が、前記ｎ型電導部上に配置される第１の部分と、前記ｐ型電導部上に配置される第２の部分とに離間する。
【００２３】
（１２）本実施形態に係る熱電モジュールは、上記(１）から（１１）のいずれか１つに記載されている、複数個の熱電素子デバイスが、該複数個の熱電素子デバイスのいずれもが隣の熱電モジュールと電気的に接続されるように構成されている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る熱電素子デバイス及びこれを用いる熱電モジュールは、弾性を有する伝熱部材を設けることで、熱電素子の側面からも熱を伝達することができるため、熱電素子間の温度差を大きくできるため、発生する電力も大きくなる。
【００２５】
また、熱電素子デバイス内に生じる熱応力によって、電極と熱電素子の接触面との間に隙間が生じた場合であっても、弾性を有する伝熱部材を設けることで、熱電素子の側面から熱を伝達することができるため、熱電発電性能が低下することはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付す。また、添付図面は、実施形態に係る熱電素子デバイス２００及び熱電モジュール１００を模式的に示しているに過ぎない。このため、厚さと平面寸法との関係や各部材の厚さの比率等が、現実の設計通りに現されているとは限らないことに留意すべきである。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態に係る熱電モジュール１００の構成を示す概略図である。図示の通り、熱電モジュール１００は、複数の熱電素子デバイス２００を２次元的に配列することにより構成されている。ここで、熱電素子デバイス２００は、高温側電極１０及び低温側電極５と、その間にこれらと電気的かつ熱的に接続される熱電素子４とから構成される。また、熱電モジュール１００は、図２に示すように、複数の熱電素子デバイス２００をケース６で囲まれている。そして、低温側系統１、高温側系統２で熱電モジュール１００を挟むことで、熱電モジュール１００に生じた温度差により発電することができる。
【００２８】
また、熱電モジュール１００と外部回路との間の電気エネルギの授受は、低温側電極２と接続して設けられる２本の導線２０により行われる。
【００２９】
図１から明らかなように、各熱電素子デバイス２００は、２本の導線２０の間において、互いに電気的に直列に配置される。このため、２本の導線２０の間に直流電圧を印加して電流を流すと、電流は、各熱電素子デバイス２００と流れ、高温側電極１０及び低温側電極３のいずれか一方が放熱面、他方が吸熱面として機能する。
【００３０】
図２は、本発明の実施形態に係る熱電モジュール１００および熱電素子２００の構成を示す側面断面図の概略図である。
【００３１】
図２に示す熱電モジュール１００および熱電素子２００の構成を示す側面断面図は、図１では省略したケース６等を含めた図１に示す熱電モジュール１００のＡ−Ａ断面図である。
【００３２】
図示の通り、熱電モジュール１００は、低温側電極３、熱電素子４、低温側基板５、ケース６、高温側基板７、高温側電極１０、伝熱部材３０を有し、低温側系統１および高温側系統２で挟まれている。
【００３３】
伝熱部材３０については、後に詳述する。熱電素子４は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の対で構成されている。そして、熱電素子４が配列される位置に対応して配列された低温側に設けられた低温側電極３は、低温側基板５にアレイ状に配列されている。そして、低温側基板５と接するように熱電モジュール１００を冷却するための低温側系統１が設けられている。
【００３４】
低温側基板５は、熱電素子４と接続されている低温側電極３を電気的に絶縁するために電気的絶縁性を有する材料が用いられている。そして、熱電素子４の低温側基板５側は、低温側系統１と熱的に接続している。
【００３５】
熱電素子４は、図２に示す通り、互いに離間した熱電素子４の対により構成されている。熱電素子４は、ペルチェ効果、ゼーベック効果、又はトムソン効果といった熱電効果を有する熱電材料からそれぞれ構成される。このような材料の典型的なものとして、以下の熱電半導体、すなわち、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するＣｏＳｂ３基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物がある。
【００３６】
また、これらの混合物から熱電素子４を構成することもできる。さらに、これらの物質、化合物、又は混合物の接合体により、熱電素子４を構成してもよい。これらは、熱伝導率が比較的小さいという性質を有している。このため、これらの物質等から熱電素子４が構成される場合には、熱電素子４内での温度勾配が維持され易いため、熱電モジュール１００の性能が向上される。
【００３７】
また、これらの熱電半導体には、ｐ型電導及びｎ型電導といった２つの電導型がある。本実施形態のように、熱電素子４が対として構成される場合は、典型的には、この対の一方がｎ型電導性であり、他方がｐ型電導性である。
【００３８】
また、熱電モジュール１００は、複数の熱電素子４を外気から遮断するように筐体であるケース６を有している。ケース６は、複数の熱電素子４の周囲を取り囲む金属枠で構成され、低温側基板５と接続することで、複数の熱電素子４を密封している。ケース６は、複数の熱電素子４等からなる内部構成品を外気から遮断するとともに、ケース６の内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する。
【００３９】
不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトンおよびキセノンから選択されるガスからなることが好ましい。或いはこれらの混合ガスでもよい。これらの非酸化性の気体をケース６内に封入し、内部雰囲気を非活性とすることにより、半導体チップ等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱電モジュール１００が得られる。
【００４０】
また、熱電モジュール１００において、不活性ガス雰囲気の圧力が、常温で外気圧より低く設定されていることが好ましい。ケース６内の不活性ガス雰囲気の圧力を外気圧より低く設定することにより、高温時の内圧の上昇に伴う破損を防止するとともにケース６内の不活性ガス雰囲気中に水分が残留することが効果的に防止でき、水分による半導体チップの劣化損傷を効果的に抑止できる。さらに、ケース６内のガス雰囲気における熱伝導性が低下するために、熱電素子４から金属枠方向に熱が放散することが防止でき、熱−電気変換効率を高めることができる。
【００４１】
ケース６を構成する金属は、例えばニッケル基合金のような耐熱合金もしくは耐熱金属から形成される。耐熱合金もしくは耐熱金属としては、高温度使用環境における耐久性の点から、ニッケル基合金の他、ニッケル、炭素鋼、ステンレス鋼、クロムを含む鉄基合金、シリコンを含む鉄基合金、コバルトを含有する合金又はニッケル若しくは銅を含有する合金のいずれかより選択されることが好ましい。
【００４２】
熱電素子４は、低温側電極３との接触する側と逆側に高温側電極１０が接触している。そして、高温側電極１０と接触するように高温側基板７が設けられている。高温側基板７は、ケース６と接触して設けられ、高温側基板７と対向するように熱電モジュール１００を熱するための高温側系統２が設けられている。
【００４３】
熱電素子４を構成するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は、図１に示すように高温側電極１０および低温側電極４によって直列接続されている。
【００４４】
次に、図３および図４を用いて、本発明の実施形態にかかる伝熱部材３０について説明する。図３は、図１に示す熱電素子デバイス２００を分解して示す斜視図である。図４は、図２に示す熱電モジュール１００および熱電素子２００の構成を示す側面断面図について、伝熱部材３０を拡大して示す図である。
【００４５】
伝熱部材３０は、高温側電極１０側であって、高温側電極１０で接続されている熱電素子４の間に設けられ、熱電素子４の側面に熱を伝達するものである。
【００４６】
伝熱部材３０は、１枚の金属板を変形させることで形成される。説明の都合上、伝熱部材３０を第１の平面部３０１、曲面部３０２、第２の平面部３０３で構成されているとして説明する。具体的には、図３又は図４に示すように、伝熱部材３０は、開口部が上向きに設けられた断面Ω形であり、伝熱部材３０の曲面部３０２は、熱電素子４を構成するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の間に挟まれている。そして、伝熱部材３０の平板部３０１および３０３は、高温側電極１０と熱電素子４の間に接するように挟まれて配置されている。図３および図４では、平板部３０１および３０３は、熱電素子４の上面と完全に接するように設けられているが、伝熱部材３０がｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の熱電素子４の間に吊り下げるように、熱電素子４の上面の一部と接するようにしてもよい。
【００４７】
つまり、平板部３０１および３０３は、伝熱部材３０の熱電素子４間での位置保持する機能および受熱面を確保する機能の両方を有している。また、伝熱部材３０の曲面部３０２は、熱電素子４を構成するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子と少なくともそれぞれ１箇所と接するように曲面で構成されている。
【００４８】
また、熱電素子デバイス２００は、熱電素子デバイス２００の上面と下面との間に生じる温度差によって発電するため、曲面部３０２が熱電素子４の側面と接する位置は、熱電素子４の側面の上部であるほうが好ましい。したがって、伝熱部材３０を設けることで、熱電素子４に対する受熱面積の増加および熱伝達経路の拡張を図ることができる。
【００４９】
また、伝熱部材３０はΩ型の断面形状をしているので、熱電素子デバイス２００の横方向に対してバネ性を有する。したがって、図３に示すように、熱電素子４間に伝熱部材３０を挿入する場合、熱電素子４が伝熱部材３０を圧接するように配置されている。そのため、熱電素子デバイス２００が熱応力または外部からの影響によって横方向のずれが生じた場合であっても、伝熱部材３０がそれに追従するため、熱電素子４とは常に接した状態が保たれる。
【００５０】
伝熱部材３０の材質は、例えば、以下のようなものが用いられる。
【００５１】
例えば、（１）Fe、Ni、Co、Cr、Nb、Mo、Ta、W、Hf、Ag、Zn、Cu、Sb、Mn、Ti、Zr、Snのうち少なくとも一つから成る材料で形成される。（２）ステンレス鋼、Ni系超合金、Ni-Co系超合金、Co系超合金のうちのいずれか一つであってもよい。（３）Ni、Cr、Mn、Si、Al、Ti、Cu、C、V、Co、W、Mo、Nb、Nのうち少なくとも一つを含むFe基合金であってもよい。（４）Fe、Cr、Mn、Si、Al、Ti、C、V、Co、W、Mo、Nb、Nのうち少なくとも一つを含むNi基合金であってもよい。（５）Fe、Ni、Cr、Mn、Si、C、V、W、Mo、Nb、Nのうち少なくとも一つを含むCo基合金であってもよい。（６）Fe、Mn、Si、C、V、W、Mo、Nb、N、Al、Tiのうち少なくとも一つを含むNi-Cu系合金であってもよい。（７）上記（１）で示した材料に（１）に示した材料がクラッドもしくはメッキされた材料であってもよい。（８）上記（２）ないし（６）に示した材料に上記（１）に示した材料がクラッドもしくはメッキされた材料であってもよい。
【００５２】
上記示したように、高温でも融解または化学反応等せず、バネ性を有する材料が適している。
【００５３】
そして、伝熱部材３０は、上記（７）または（８）に示したように、２層構造となっている。図４は、伝熱部材３０が２層構造となっている図であり、例えば銅の層が設けられる。伝熱部材３０が２層構造で構成されている場合、図４に示すように、伝熱部材３０は、熱電素子４と接しない面についてクラッドもしくはメッキされた材料として銅の層が設けられる。つまり、伝熱部材３０の銅の層は、高温側電極１０と接する。熱抵抗を低減するための銅の層を伝熱部材３０に設けることで、効率よく伝熱部材３０を介して、熱電素子４の側面に熱を伝達することができる。
【００５４】
したがって、熱電素子４は、高温側電極１０と接する熱電素子４の上面だけでなく、伝熱部材３０を介して熱電素子４の側面に熱を伝達することができるので、熱電素子４の高温側に対して複数の経路で熱を伝達させることができる。そのため、熱電モジュール１００で発生する電力も大きくなる。
【００５５】
また、図２に示す熱電モジュール１００を構成する高温側基板７は、熱源の温度分布発生による熱膨張差が存在する。したがって、高温側基板７は、熱電モジュール１００に対して局所的な変形を与える。その影響により、高温側電極１０が熱電素子４の上面と全面に渡って常に接触した状態とはならなくなる。そのため、高温側系統２から熱電素子４に熱を伝達できる面積が小さくなる。
【００５６】
この場合であっても、伝熱部材３０を設けることで、熱電素子４に伝熱部材３０を介して熱を伝達できるので、発電効率が落ちることはなくなる。
【００５７】
さらに、熱電素子４を構成するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が配置される間隔は極めて狭いため、熱応力または外部からの衝撃により直接接する場合も起こりうる。直接接した場合、熱電素子４が、本来の性能を保持できなくなるため、伝熱部材３０は、熱電素子４の位置保持の役割も果たしている。
【００５８】
また、伝熱部材３０は、熱電モジュール１００に対して横方向の弾性を有する構造であり、高温側電極１０と接して、熱を伝達できる構造であればよいため、図５のようにすることもできる。
【００５９】
つまり、伝熱部材３０の一部は、熱電素子４の上面と高温側電極１０との間に接するように挟まれる位置に配置されている。そして、熱電素子４間では、伝熱部材３０は、断面円環状であり、熱電素子４を構成するｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子と少なくともそれぞれ１箇所と接するように構成されていればよい。伝熱部材３０が断面円環状であるため、上記図４に示した伝熱部材３０と同様に弾性効果を有する。
【００６０】
この伝熱部材３０は、熱電モジュール１００内部の高温側面から熱電モジュール１００内部の低温側面に輻射により伝達した熱を遮り、熱電素子４を介して冷却側面に伝えることを可能とし、熱電モジュール１００に加えられる熱が発電に寄与せず低温側から捨てられる量を低減するため、より高い出力を得ることを可能にする。
【００６１】
上記説明した伝熱部材３０は、図２で説明した熱電モジュール１００に限られず、以下に示す構成を加えたものに用いることもできる。
【００６２】
例えば、図６に示すように、高温側電極１０と熱電素子４との間に、熱電素子４が有する弾性よりも高く、高温側電極１０が有する弾性と同等か高い弾性を有している金属細線網などの編込線で構成される弾性部材１１と、弾性部材１１と、熱電素子４との間に金属膜１２を設けることもできる。弾性部材１１によって、熱電モジュール１００内に生じる熱応力を緩和することができる。つまり、熱電素子４または高温側電極１０は、熱応力によって変形しても、弾性部材１１を介した熱電素子４と高温側電極１０との接触面積が小さくなることはないため、熱電モジュール１００の熱電変換効率は十分に発揮できる。
【００６３】
これに伝熱部材３０を設けることで、上記説明したように、熱を伝達する経路が増えるため、さらに、熱電モジュール１００の熱電発電性能が良くなる。
【００６４】
また、高温側基板７は、複数に分割されていてもよい。分割された高温側基板７の各々を構造的に独立するので、高温側系統２を構成する部材は、高温側系統２を構成する部材のうち変形した箇所と対向する位置に設けられた分割された高温側基板７のそれぞれの部位の変形に追従して移動することが可能となる。上記弾性部材１１を用いた場合と同様の効果を生じる。
【００６５】
上記説明した高温側基板７を複数に分割した場合と、上記弾性部材１１を用いた場合を組み合わせても同様の効果を生じる。
【００６６】
本発明は、前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施形態に係る熱電気変換モジュールの斜視図。
【図２】本発明の実施形態に係る熱電気変換モジュールの横方向断面図。
【図３】本発明の実施形態に係る伝熱部材の構造を示す斜視図。
【図４】本発明の実施形態に係る伝熱部材の構造を示す横方向断面図。
【図５】本発明の他の実施形態に係る伝熱部材の構造を示す横方向断面図。
【図６】本発明に他の実施形態に係る熱電気変換モジュールの横方向断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１…低温側系統、２…高温側系統、３…低温側基板電極材、４…熱電素子、５…低温側基板、６…ケース、７…高温側基板、８…高温側基板母材、９…高温側基板補強材、１０…高温側基板電極材、１１…弾性部材、１２…金属膜、２０…導線、３０…伝熱部材、１００…熱電モジュール、２００…熱電素子デバイス、３０１…平面部、３０２…曲面部、３０３…平面部。
【図１】
0005075707.tif 000002
【図２】
0005075707.tif 000003
【図３】
0005075707.tif 000004
【図４】
0005075707.tif 000005
【図５】
0005075707.tif 000006
【図６】
0005075707.tif 000007