特許 6681356 熱電変換モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6681356

(24)【登録日】2020年3月25日

(45)【発行日】2020年4月15日

(54)【発明の名称】熱電変換モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 35/32 20060101AFI20200406BHJP

   H01L 35/30 20060101ALI20200406BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20200406BHJP

【ＦＩ】

   H01L35/32 A

   H01L35/30

   H02N11/00 A

【請求項の数】6

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-41909(P2017-41909)

(22)【出願日】2017年3月6日

(65)【公開番号】特開2018-148037(P2018-148037A)

(43)【公開日】2018年9月20日

【審査請求日】2017年10月5日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「クリーンデバイス社会実装推進事業／熱発電デバイスによる中温度域独立給電型センシングモジュールの用途開拓」に関する委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】306013120

【氏名又は名称】昭和電線ケーブルシステム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】特許業務法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 倫之

(72)【発明者】

【氏名】西岡 淳一

【審査官】 田邊 顕人

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−０３４１３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０２８４２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−２２５３４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−１７４１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−３６８２９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２８７７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０２９６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１６−０７２５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２３９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４４１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２１６６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８６４６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６８５６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−２２３８２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１０９９４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２３５０８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０２３５４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０１９７９２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−００４２１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ３５／３２

Ｈ０１Ｌ ３５／３０

Ｈ０２Ｎ １１／００

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

高温側の熱源と低温側の冷却板との間に配置される熱電変換モジュールであって、
Ｍｎ_３Ｓｉ_７のｐ型半導体からなる柱状の第１の熱電素子及びＭｇ_２Ｓｉのｎ型半導体からなる柱状の第２の熱電素子を、金属電極を介してπ型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群と、
前記熱電素子群の低温側に配置される第１の絶縁基板と、
前記熱電素子群の高温側に配置される第２の絶縁基板と、を備え、
前記第１の絶縁基板は、前記第１の熱電素子及び前記第２の熱電素子ごとに分割されている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の絶縁基板の分割された個々の面積は、前記第１の熱電素子及び前記第２の熱電素子と略同一であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。

【請求項3】

前記第１の絶縁基板の前記熱電素子群が配置されている面とは反対側の面に配置される弾性シートを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換モジュール。

【請求項4】

前記弾性シートは、シリコーンゴムで形成されることを特徴とする請求項３に記載の熱電変換モジュール。

【請求項5】

前記絶縁基板は、Ａｌ_２Ｏ_３で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱電変換モジュール。

【請求項6】

前記金属電極は、Ａｇ又はＮｉで形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に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、熱電変換モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、熱電素子のゼーベック効果又はペルチェ効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに、又は電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する熱電変換モジュールが知られている（例えば特許文献１〜３）。

【0003】

熱電変換モジュールは、可動部（機械的な駆動部分）を持たず構造が簡単であるため、摩耗劣化などの心配がなく信頼性・耐久性に優れる、メンテナンスが容易である、小型化・軽量化が容易で適用場所の制限が少ない、という利点がある。このような利点を有することから、大量の熱が排出される工業炉（電気炉や燃焼炉等、各種産業分野で溶解、精錬、加熱等の工程で使用される炉）にも比較的容易に設置することができる。また、熱電変換モジュールを用いた熱電発電装置は、二酸化炭素を排出することもなく、廃熱を回収してエネルギー源として再利用することができる技術として、環境保全や省エネルギーの観点から非常に注目されている。

【0004】

一般的な熱電変換モジュールは、ｐ型半導体及びｎ型半導体からなる柱状の熱電素子を、金属電極を介してπ型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群と、熱電素子群を挟持する２枚の絶縁基板（例えば、セラミック基板）と、を備える。絶縁基板の一方（以下「第１の絶縁基板」と称する）が高温側である熱源に設置され、他方（以下「第２の絶縁基板」と称する）が低温側である冷却板に設置される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平８−１８６２９６号公報

【特許文献2】特開２０１５−１７７０４８号公報

【特許文献3】特開２０１５−１７７０４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上述した熱電変換モジュールにおいては、稼働時に、熱電素子に温度勾配が形成されるため、熱電素子が熱膨張する。熱電素子群の全体を覆う１枚の絶縁基板によって厚さ方向の変形は規制されているので、熱電素子に用いられるｐ型半導体とｎ型半導体の熱膨張係数が異なる場合、熱電素子（特に熱膨張量の大きい方の熱電素子）や絶縁基板に歪が生じる。そのため、熱電素子と金属電極との接合部に空気層が形成されて内部抵抗が上昇したり、金属電極と絶縁基板との接合部に空気層が形成されて入熱量が減少したりして、出力特性が低下する虞がある。さらには、熱電素子や絶縁基板が破損する虞もある。一方、出力特性を単に向上させたとしても、経時的に内部抵抗が上昇し長期耐久性が得られず出力保持期間が低下する虞や、熱電変換モジュールの取り付け・取り外しを繰り返す中で熱電素子に不要な応力が加わることで、出力が低下し再現性が低下してしまう虞もある。

【0007】

ところで、３００〜６００℃の中温領域で使用される熱電変換モジュールにおいては、シリサイド系半導体であるＭｇ_２Ｓｉを適用した熱電素子の使用が見込まれている。Ｍｇ_２Ｓｉのｎ型半導体は、中温領域で高い熱電性能を発揮するためである。しかしながら、Ｍｇ_２Ｓｉのｐ型半導体は熱的に不安定なため、ｐ型半導体には、Ｍｎ_３Ｓｉ_７の使用が検討されている。この場合、熱膨張係数に約１．５倍の開きがあるため、ＢｉＴｅ系半導体等を適用した場合に比較して歪が大きくなる。したがって、上述した課題がより顕著となる。

【0008】

本発明の目的は、ｐ型半導体とｎ型半導体の熱膨張係数の差による出力特性の低下を防止できるとともに、熱電素子等の構成部材の破損を防止できる、高い信頼性を有する熱電変換モジュールを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明に係る熱電変換モジュールは、
高温側の熱源と低温側の冷却板との間に配置される熱電変換モジュールであって、
Ｍｎ_３Ｓｉ_７のｐ型半導体からなる柱状の第１の熱電素子及びＭｇ_２Ｓｉのｎ型半導体からなる柱状の第２の熱電素子を、金属電極を介してπ型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群と、
前記熱電素子群の低温側に配置される第１の絶縁基板と、
前記熱電素子群の高温側に配置される第２の絶縁基板と、を備え、
前記第１の絶縁基板は、前記第１の熱電素子及び前記第２の熱電素子ごとに分割されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、ｐ型半導体とｎ型半導体の熱膨張係数の差による出力特性の低下を防止できるとともに、熱電素子等の構成部材の破損を防止できる、高い信頼性を有する熱電変換モジュールが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施の形態に係る熱電変換モジュールを示す図である。

【図2】熱電変換モジュールの設置状態を示す断面図である。

【図3】実施例１に係る熱電変換モジュールの設置状態を示す断面図である。

【図4】図４Ａ、図４Ｂは、比較例に係る熱電変換モジュールの設置状態を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。

【0013】

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１を示す図である。図２は、熱電変換モジュール１の設置状態を示す断面図である。図２では、熱電変換モジュール１における１つの熱電素子対だけを示している。

【0014】

図１、図２に示すように、熱電変換モジュール１は、熱電素子群１０と、熱電素子群１０を挟持する絶縁基板１４、１５を有する。熱電素子群１０は、ｐ型半導体からなる第１の熱電素子１１及びｎ型半導体からなる第２の熱電素子１２を、金属電極１３を介して「π」型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した構成を有する。以下において、第１の熱電素子１１と第２の熱電素子１２を区別しない場合は、「熱電素子１１、１２」と表記する。

【0015】

熱電変換モジュール１は、高温側の熱源２２と低温側の冷却板２１との間に設置される。設置状態において、低温側となる絶縁基板１４を「第１の絶縁基板１４」、高温側となる絶縁基板１５を「第２の絶縁基板１５」と称する。第１の絶縁基板１４と冷却板２１との間には、弾性シート１６が介在する。

【0016】

平板状の熱電変換モジュール１を、一方の面が高温側、他方の面が低温側となるように設置して両面間に温度差を与えると、起電力が生じる。この電力は、熱電変換モジュール１に接続された電流リード１７、１８を介して取り出される。逆に、電流リード１７、１８を介して熱電変換モジュール１に電流を流すと、一方の面で発熱が生じ、他方の面で吸熱が生じる。

【0017】

熱電素子１１、１２は、角柱状又は円柱状の柱状部材である。熱電素子１１、１２を円柱状の部材で形成する場合、熱応力に対する耐性が向上する。

【0018】

熱電素子１１、１２は、シリサイド系半導体で形成される。具体的には、第１の熱電素子１１は、Ｍｎ_３Ｓｉ_７のｐ型半導体で形成され、第２の熱電素子１２は、Ｍｇ_２Ｓｉのｎ型半導体で形成される。Ｍｎ_３Ｓｉ_７の熱膨張係数は１３×１０^−６／Ｋであり、Ｍｇ_２Ｓｉの熱膨張係数は１９×１０^−６／Ｋである。したがって、両者の熱膨張係数の差は１．４６倍である。

【0019】

なお、従来、熱電素子に適用されているＢｉＴｅ系半導体、ＰｂＴｅ系半導体、ＳｉＧｅ系半導体の場合、ｐ型半導体とｎ型半導体の熱膨張係数の差は１．２倍より小さく、シリサイド系半導体の場合よりも明らかに小さい。

【0020】

金属電極１３は、例えばＡｇ又はＮｉで形成される。熱電素子１１、１２と金属電極１３は、例えば半田付けにより接合される。

【0021】

弾性シート１６は、例えばシリコーンゴムで形成される。シリコーンゴムの耐熱温度は２００℃未満であるので、高温側での使用には適さない。弾性シート１６の厚さは、稼働時の熱電素子１１、１２の熱膨張を吸収できる範囲で、できるだけ薄いことが好ましい。

【0022】

第１の絶縁基板１４及び第２の絶縁基板１５は、絶縁性のセラミックスで形成される（いわゆるセラミック基板）。第１の絶縁基板１４及び第２の絶縁基板１５には、例えば、アルミナ、窒化ケイ素、窒化アルミ、ジルコニア、イットリア、炭化ケイ素、ムライト、ステアタイト、フォルステライト、コージライト、またはこれらを含む複合セラミック材料等を適用できる。

【0023】

高温側の第２の絶縁基板１５は、熱電素子群１０の全体を覆う一枚板である。低温側の第１の絶縁基板１４は、分割構造を有し、第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２に対応する位置に配置されている。

【0024】

第１の絶縁基板１４の分割された個々の面積は、第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２と略同一であることが好ましい。これにより、絶縁性を確保しつつ、熱電素子１１、１２の熱膨張に追従することができる。

【0025】

なお、第２の絶縁基板１５は、一枚板でなく、分割構造を有していてもよい。ただし、熱源のある高温側は熱応力がかかりやすいため、第２の絶縁基板１５を分割構造とした場合、第２の絶縁基板１５の端部において、熱応力による隙間（空気層）が形成され、入熱量が低下することが懸念される。
そこで、第２の絶縁基板１５を分割構造とする場合、熱電変換モジュール１の形状を保持できることが前提となる。例えば、第２の絶縁基板１５は、金属電極１３同士の離間部分を補完するように、金属電極１３を跨いで形成される。この場合、熱電変換モジュール１の高温側の面が、第２の絶縁基板１５及び金属電極１３によって一体的に形成されるので、熱電変換モジュール１の形状を保持するための強度を確保することができる。

【0026】

第１の絶縁基板１４が第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２のそれぞれに対応して分割して設けられているので、第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２は、第１の絶縁基板１４による制約を受けず、それぞれの熱膨張係数に従って膨張することができる。高温側は第２の絶縁基板１５によって規制されているので、第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２は、低温側に向かって伸長するが、それぞれの熱膨張は、弾性シート１６によって吸収される。

【0027】

これにより、熱電変換モジュール１の構成材料に生じる熱応力を効果的に抑制することができる。したがって、熱電素子１１、１２と金属電極１３との間に空気層が形成されて内部抵抗が上昇したり、金属電極１３と第１の絶縁基板１４との間に空気層が形成されて入熱量が減少したりして、出力特性が低下するのを防止できる。また、熱電素子１１、１２の破損も有効に防止できる。

【0028】

このように、本実施の形態に係る熱電変換モジュール１は、高温側の熱源と低温側の冷却板との間に配置される熱電変換モジュールであって、ｐ型半導体からなる柱状の第１の熱電素子１１及びｎ型半導体からなる柱状の第２の熱電素子１２を、金属電極１３を介してπ型に接続し、これを多数集合させて電気的に直列に接続した熱電素子群１０と、熱電素子群１０の低温側に配置される第１の絶縁基板１４と、低温側に配置される第２の絶縁基板１５と、を備える。第１の絶縁基板１４は、第１の熱電素子１１及び第２の熱電素子１２ごとに分割されている。
さらに、熱電変換モジュール１は、第１の絶縁基板１４の熱電素子群１０が配置されている面とは反対側の面に配置される弾性シート１６を備えるのが好ましい。

【0029】

熱電変換モジュール１によれば、ｐ型半導体とｎ型半導体の熱膨張係数の差による出力特性の低下を防止できるとともに、熱電素子１１、１２等の構成材料の破損を防止することができる。したがって、熱電変換モジュール１は、極めて高い信頼性を有する。

【0030】

［実施例１］
実施例１では、図３に示す熱電変換モジュール２を作成した。すなわち、第１の絶縁基板１４（低温側絶縁基板）を分割構造とし、第２の絶縁基板１５（高温側絶縁基板）を一枚板で形成した。実施例１の熱電変換モジュール２は、図１、２における弾性シート１６を備えていない。第１の絶縁基板１４及び第２の絶縁基板１５はアルミナで形成し、金属電極１３はＡｇで形成した。また、第１の熱電素子１１は、Ｍｎ_３Ｓｉ_７のｐ型半導体で形成し、第２の熱電素子１２は、Ｍｇ_２Ｓｉのｎ型半導体で形成した。

【0031】

［実施例２］
実施例２では、実施の形態で説明した構造を有する熱電変換モジュール１を作成した（図１、図２参照）。すなわち、第１の絶縁基板１４（低温側絶縁基板）を分割構造とし、第２の絶縁基板１５（高温側絶縁基板）を一枚板で形成した。第１の絶縁基板１４と冷却板２１との間に弾性シート１６を介在させた（図２参照）。第１の絶縁基板１４及び第２の絶縁基板１５はアルミナで形成し、金属電極１３はＡｇで形成し、弾性シート１６はシリコーンゴムで形成した。また、第１の熱電素子１１は、Ｍｎ_３Ｓｉ_７のｐ型半導体で形成し、第２の熱電素子１２は、Ｍｇ_２Ｓｉのｎ型半導体で形成した。

【0032】

［比較例１］
比較例１では、実施例２における分割構造の第１の絶縁基板１４に代えて、一枚板の第１の絶縁基板２４を採用した熱電変換モジュール３を作成した（図４Ａ参照）。その他の構成は実施例２と同様である。

【0033】

［比較例２］
比較例２では、実施例２における一枚板の第２の絶縁基板１５に代えて、分割構造の第２の絶縁基板２５を採用した熱電変換モジュール４を作成した（図４Ｂ参照）。その他の構成は実施例と同様である。

【0034】

［評価結果］
実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２の熱電変換モジュール１〜４について、出力特性、出力保持期間（耐久性）及び再現性を評価した。評価結果を表１に示す。

【0035】

【表1】

【0036】

＜出力特性の判断基準＞
５００℃の熱源における熱電変換モジュールの出力が０．３Ｗ／ｃｍ^２以上を◎、０．２５Ｗ／ｃｍ^２以上０．３Ｗ／ｃｍ^２未満を○、０．２５Ｗ／ｃｍ^２未満を×とした。
＜耐久性の判断基準＞
熱電変換モジュールの出力が１０％低下するまでの経過時間が１００時間以上を○、１００時間未満を×とした。
＜再現性の判断基準＞
熱電変換モジュールの取り付け・取り外しのサイクルを１０回行った後の出力が、初回取り付け時出力の９０％以上を○、９０％未満を×とした。

【0037】

表１に示すように、低温側の第１の絶縁基板１４を分割構造とし、かつ、第１の絶縁基板１４と冷却板２１との間に弾性シート１６を介在させた実施例２は、出力特性が“◎”であり、耐久性・再現性共に“○”であり、全体として優れた品質を有することが確認された。また、低温側の第１の絶縁基板１４と高温側の第２の絶縁基板１５の構造を変えずに弾性シート１６を介在させない実施例１は、出力特性が“○”となった。

【0038】

低温側絶縁基板を一枚板の第１の絶縁基板２４とした以外は実施例２と同様の構造である比較例１は、一枚板の絶縁基板で熱電素子群を挟持している構造のため熱電変換モジュールの上下面が固定されており取扱性が良く、熱電変換モジュールの取り付け・取り外しの再現性は“○”であった。しかし、熱電変換モジュールの上下面が固定されているため、熱電素子１１、１２の熱膨張により出力特性が０．２５Ｗ／ｃｍ^２未満となり、また、出力特性が経時的に低下した。比較例１の熱電変換モジュールは、出力特性及び耐久性が共に“×”であり、実施例１、実施例２に比較して低品質であることが確認された。熱電素子１１、１２の熱膨張が十分に吸収されず、熱電素子１１と金属電極１３との接合部又は金属電極１３と第１の絶縁基板２４との接合部に空気層が形成されたために、出力特性及び耐久性が低下したと考えられる。

【0039】

実施例２に対して、高温側絶縁基板を分割構造の第２の絶縁基板２５とした比較例２は、出力特性及び耐久性は“○”であった。しかし、高温側絶縁基板も分割構造としたため、取扱性が悪くなり、取り付け・取り外しを繰り返した際の出力特性が低下した。比較例２の熱電変換モジュールは、再現性が“×”であり、実施例１、実施例２に比較して低品質であることが確認された。比較例２の熱電変換モジュール４は、上下面が固定構造ではなく、形状保持が困難であるために、取扱性が悪い。取扱時に熱電変換モジュール４の平板形状が損なわれると、熱電素子１１、１２と金属電極１３との接合部、金属電極１３と第１の絶縁基板１４との接合部、又は金属電極１３と第２の絶縁基板２５との接合部に空気層が形成されやすくなるために、取り付け・取り外しを繰り返した際の出力特性が低下したと考えられる。

【0040】

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

【0041】

例えば、本発明は、熱電素子１１、１２が、ＢｉＴｅ系半導体、ＰｂＴｅ系半導体、ＳｉＧｅ系半導体で形成される場合にも適用できる。これらの半導体で熱電素子１１、１２が形成される場合、ｐ型半導体とｎ型半導体の熱膨張係数の差は、シリサイド系半導体で熱電素子１１、１２が形成される場合に比較して小さいので、実施の形態で示したのと同等以上の効果が得られる。

【0042】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0043】

１ 熱電変換モジュール
１０ 熱電素子群
１１ 第１の熱電素子（ｐ型半導体）
１２ 第２の熱電素子（ｎ型半導体）
１３ 金属電極
１４ 低温側絶縁基板（第１の絶縁基板）
１５ 高温側絶縁基板（第２の絶縁基板）
１６ 弾性シート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】