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JP2015177050A - Thermoelectric conversion module - Google Patents

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JP2015177050A
JP2015177050A JP2014052655A JP2014052655A JP2015177050A JP 2015177050 A JP2015177050 A JP 2015177050A JP 2014052655 A JP2014052655 A JP 2014052655A JP 2014052655 A JP2014052655 A JP 2014052655A JP 2015177050 A JP2015177050 A JP 2015177050A
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thermoelectric
thermoelectric conversion
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temperature side
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JP2014052655A
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Japanese (ja)
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征央 根岸
Motohiro Negishi
征央 根岸
孝広 地主
Takahiro Jinushi
孝広 地主
昌尚 冨永
Masanao Tominaga
昌尚 冨永
石島 善三
Zenzo Ishijima
善三 石島
森 正芳
Masayoshi Mori
正芳 森
山上 武
Takeshi Yamagami
武 山上
松田 洋
Hiroshi Matsuda
洋 松田
寛治 松本
Kanji Matsumoto
寛治 松本
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Honda Motor Co Ltd
Resonac Corp
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Honda Motor Co Ltd
Hitachi Chemical Co Ltd
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Abstract

【課題】熱電変換モジュールにおいて、熱電半導体を破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を抑制し、耐久性を向上させる。【解決手段】複数のp型熱電半導体11及びn型熱電半導体12と、p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12の高温熱源側の面に設置され、p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12を電気的に直列に接続する複数の高温側電極部13、並びにp型熱電半導体11及びn型熱電半導体12の低温熱源側の面に設置され、p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12を電気的に直列に接続する複数の低温側電極部14とを備える熱電変換モジュール10であって、熱電変換モジュール10を複数のブロックに分割し、当該複数のブロック間を電極部材17で互いに電気的に直列接合する。【選択図】図1A thermoelectric conversion module is provided with improved durability by suppressing breakage of a thermoelectric semiconductor and suppressing peeling at a joint surface between a thermoelectric semiconductor and an electrode. A plurality of p-type thermoelectric semiconductors (11) and n-type thermoelectric semiconductors (12); 12 are electrically connected in series, and the p-type thermoelectric semiconductor 11 and the n-type thermoelectric semiconductor 12 are installed on the surface of the low-temperature heat source side of the p-type thermoelectric semiconductor 11 and the n-type thermoelectric semiconductor 12. are electrically connected in series, the thermoelectric conversion module 10 is divided into a plurality of blocks, and the plurality of blocks are electrically connected by electrode members 17. connected in series. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本発明は、例えば各種産業機器及び自動車などの廃熱を熱源とする、熱電変換モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion module using, for example, waste heat from various industrial equipment and automobiles as a heat source.

従来の熱電変換モジュール(以下、「モジュール」と略す場合がある)は、複数のp型熱電半導体及びn型熱電半導体の上下面、すなわち高温熱源側の面及び低温熱源側の面に電極を配設して電気回路を構成し、さらに上記電極の外側両面にセラミックスなど電気絶縁板を介して、上記熱電半導体及び電極を収納するケース部材を備える構造が一般的である(特許文献1)。   A conventional thermoelectric conversion module (hereinafter sometimes abbreviated as “module”) has electrodes arranged on the upper and lower surfaces of a plurality of p-type thermoelectric semiconductors and n-type thermoelectric semiconductors, that is, the surface on the high-temperature heat source side and the surface on the low-temperature heat source side. In general, a structure is provided that includes an electric circuit and a case member that accommodates the thermoelectric semiconductor and the electrode on both outer sides of the electrode via an electric insulating plate such as ceramics (Patent Document 1).

熱電変換モジュールは、上記電極によって電気的に接続され、互いに対をなすp型熱電半導体及びn型熱電半導体の上下面に温度差を与えることによって発電するため、高温側の電極の熱膨張の度合いは低温側の電極の熱膨張の度合いよりも大きくなる。このため、熱電半導体及びその上下の電極にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体を破壊したり、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を生じたりする場合がある。   Since the thermoelectric conversion module generates power by applying a temperature difference between the upper and lower surfaces of the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor that are electrically connected to each other and paired with each other, the degree of thermal expansion of the electrode on the high temperature side Is greater than the degree of thermal expansion of the low temperature side electrode. For this reason, shear stress, tensile stress, and compressive stress act on the thermoelectric semiconductor and the upper and lower electrodes, and the fragile thermoelectric semiconductor may be destroyed or peeling may occur at the joint surface between the thermoelectric semiconductor and the electrode. .

このような問題は特に自動車や産業廃熱などを想定した使用温度500℃以上の高温用熱電変換モジュールにおいて重大である。   Such a problem is particularly serious in a high-temperature thermoelectric conversion module having a use temperature of 500 ° C. or higher assuming automobiles and industrial waste heat.

特開2006−49872号JP 2006-49872 A

本発明は、熱電変換モジュールにおいて、熱電半導体を破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を抑制し、耐久性を向上させることを目的とする。   An object of the present invention is to improve durability by destroying a thermoelectric semiconductor in a thermoelectric conversion module or suppressing peeling at a joint surface between the thermoelectric semiconductor and an electrode.

上記目的を達成すべく、本発明は、
複数のp型熱電半導体及びn型熱電半導体と、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体の高温熱源側の面に設置され、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の高温側電極部、並びに前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体の低温熱源側の面に設置され、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の低温側電極部とを具える熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換モジュールを複数のブロックに分割し、当該複数のブロック間を電極部材で互いに電気的に直列接合したことを特徴とする、熱電変換モジュールに関する。
In order to achieve the above object, the present invention provides:
A plurality of p-type thermoelectric semiconductors and n-type thermoelectric semiconductors are installed on the surface of the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor on the high-temperature heat source side, and the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor are electrically connected in series. A plurality of high-temperature side electrode portions connected to the low-temperature heat source side of the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor, and electrically connecting the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor in series A thermoelectric conversion module comprising a plurality of low temperature side electrode parts,
The thermoelectric conversion module is divided into a plurality of blocks, and the plurality of blocks are electrically connected in series with each other with an electrode member.

本発明によれば、p型熱電半導体及びn型熱電半導体と、p型熱電半導体及びn型熱電半導体の高温熱源側の面に設置され、p型熱電半導体及びn型熱電半導体を電気的に直列に接続する高温側電極部、並びにp型熱電半導体及びn型熱電半導体の低温熱源側の面に設置され、p型熱電半導体及びn型熱電半導体を電気的に直列に接続する低温側電極部とを含む熱電変換モジュールにおいて、当該熱電変換モジュールを複数のブロックに分割し、これら複数のブロックを電極部材で互いに電気的に直列接続するようにしている。   According to the present invention, the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor are installed on the surface of the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor on the high temperature heat source side, and the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor are electrically connected in series. A high temperature side electrode portion connected to the low temperature heat source side surface of the p type thermoelectric semiconductor and the n type thermoelectric semiconductor, and a low temperature side electrode portion electrically connecting the p type thermoelectric semiconductor and the n type thermoelectric semiconductor in series In such a thermoelectric conversion module, the thermoelectric conversion module is divided into a plurality of blocks, and the plurality of blocks are electrically connected to each other in series by electrode members.

したがって、p型熱電半導体及びn型熱電半導体の上下面に温度差を与えることによって上記熱電変換モジュールを動作させて発電する際に、熱電変換モジュールの全体では、高温側の電極(高温側電極部)の熱膨張の度合いが低温側の電極(低温側電極部)の熱膨張の度合いよりも十分に大きくなっても、各ブロック単位では、高温側電極部の熱膨張の度合を抑制することができる。   Therefore, when the thermoelectric conversion module is operated to generate power by giving a temperature difference between the upper and lower surfaces of the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor, the thermoelectric conversion module as a whole has a high temperature side electrode (high temperature side electrode portion). ), The degree of thermal expansion of the high temperature side electrode portion can be suppressed in each block unit even if the degree of thermal expansion is sufficiently larger than that of the low temperature side electrode (low temperature side electrode portion). it can.

このため、熱電変換モジュールの全体では、熱電半導体及びその上下の電極にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体を破壊したり、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を生じたりする場合でも、ブロック単位では、熱電半導体及びその上下の電極に生じるせん断力や引張応力、圧縮応力を抑えることができ、脆弱な熱電半導体を破壊したり、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を生じたりすることがない。結果として、熱電変換モジュール全体においても、上述した熱電半導体の破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面における剥離を抑制することができる。   For this reason, in the entire thermoelectric conversion module, shear stress, tensile stress, and compressive stress act on the thermoelectric semiconductor and the upper and lower electrodes, thereby destroying the fragile thermoelectric semiconductor and peeling off at the joint surface between the thermoelectric semiconductor and the electrode. Even in the case of generating a block, it is possible to suppress the shearing force, tensile stress, and compressive stress generated in the thermoelectric semiconductor and its upper and lower electrodes in a block unit, destroying the fragile thermoelectric semiconductor, and bonding between the thermoelectric semiconductor and the electrode No peeling occurs on the surface. As a result, even in the entire thermoelectric conversion module, the above-described destruction of the thermoelectric semiconductor and peeling at the joint surface between the thermoelectric semiconductor and the electrode can be suppressed.

なお、複数のブロックは電極部材によって電気的に直列接合されている。したがって、熱電半導体11,12等が属する各ブロックは、熱電変換モジュール素子を構成するとともに、複数のブロックも全体として熱電変換モジュールを構成することになる。結果として、本発明の熱電変換モジュールはその機能を担保することになる。   The plurality of blocks are electrically connected in series by electrode members. Therefore, each block to which the thermoelectric semiconductors 11, 12, etc. belong constitutes a thermoelectric conversion module element, and a plurality of blocks also constitute a thermoelectric conversion module as a whole. As a result, the thermoelectric conversion module of the present invention secures its function.

本発明の一例において、上記電極部材はブリッジ型の電極部材から構成することができる。ブリッジ型の電極部材は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュールを動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱膨張し、熱電変換モジュールの動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュールを構成するブロック間の電気的接合をより確実に行うことができる。   In one example of the present invention, the electrode member can be composed of a bridge-type electrode member. Since the bridge-type electrode member can be easily expanded and contracted by heating and cooling and deformed, when the thermoelectric conversion module is operated to generate electric power, the high-temperature side electrode portion in each block expands thermally, and the thermoelectric When the operation of the conversion module is stopped, the thermal expansion and thermal contraction can be easily followed even when the high temperature side electrode portion in each block is thermally contracted. Therefore, electrical connection between the blocks constituting the thermoelectric conversion module can be more reliably performed.

また、上記ブリッジ型の電極部材は、複数の膜体から構成することができる。この場合、例えば各ブロックに属する高温側電極部の膨張及び収縮が大きく、いくつかの膜体が分断したような場合においても、膜体のいくつかは分断せずに残存し、その導電性を担保し、電極部材としての機能を果たすことができる。なお、膜体が分断しない場合は、上記ブリッジ型の電極部材と同様の作用効果を奏する。   The bridge-type electrode member can be composed of a plurality of film bodies. In this case, for example, even when the expansion and contraction of the high temperature side electrode part belonging to each block is large and some film bodies are divided, some of the film bodies remain without being divided, and the conductivity is reduced. The function as an electrode member can be fulfilled. When the film body is not divided, the same effects as the above-described bridge-type electrode member are obtained.

また、本発明の一例において、上記電極部材は、少なくとも一部を多孔質金属体から構成することができる。この場合、電極部材の上記多孔質金属体から構成される部分は、他の非多孔質金属体から構成される部分に比較して密度が低減している。したがって、このような多孔質金属体は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュールを動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱膨張し、熱電変換モジュールの動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュールを構成するブロック間の電気的接合をより確実に行うことができる。   In one example of the present invention, the electrode member can be at least partially composed of a porous metal body. In this case, the density of the portion composed of the porous metal body of the electrode member is lower than that of the portion composed of another non-porous metal body. Therefore, since such a porous metal body can be easily expanded and contracted by heating and cooling and deformed, when the thermoelectric conversion module is operated to generate electric power, the high temperature side electrode portion in each block is heated. When the operation of the thermoelectric conversion module is expanded and the high temperature side electrode portion in each block is thermally contracted, the thermal expansion and contraction can be easily followed. Therefore, electrical connection between the blocks constituting the thermoelectric conversion module can be more reliably performed.

なお、電極部材を多孔質金属体から構成する場合は、各ブロックに属する電極部との接触部分において、上記多孔質金属体を圧潰してなる非多孔質金属体とすることが好ましい。この場合、各ブロックに属する電極部との接触抵抗を低減することができる。   In addition, when comprising an electrode member from a porous metal body, it is preferable to set it as the nonporous metal body formed by crushing the said porous metal body in a contact part with the electrode part which belongs to each block. In this case, the contact resistance with the electrode part belonging to each block can be reduced.

また、電極部材を多孔質金属体から構成する場合は、各ブロックに属する電極部との接触部分においては、バルク状の金属体とし、各ブロックから延在した前記金属体同士を接合するようにして多孔質金属体を配設することもできる。この場合も、各ブロックに属する電極部との接触抵抗を低減することができる。   In addition, when the electrode member is composed of a porous metal body, a bulk metal body is formed at the contact portion with the electrode portion belonging to each block, and the metal bodies extending from each block are joined to each other. It is also possible to dispose a porous metal body. Also in this case, the contact resistance with the electrode part belonging to each block can be reduced.

上記電極部材は、各ブロックに属する高温側電極部及び低温側電極部のいずれと接合させてもよいが、高温側電極部と接合させることが好ましい。上述のように、熱電変換モジュールを動作及び停止させた際に、より大きな熱膨張及び熱収縮を生じさせるのは高温側電極部である。したがって、高温側電極部の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんで電極部材を選定し、接合させることにより、当該電極部材が高温側電極部の熱膨張及び熱収縮に十分に追従することができ、ブロック間の電気的接合をより確実なものとすることができる。   The electrode member may be joined to either the high temperature side electrode part or the low temperature side electrode part belonging to each block, but is preferably joined to the high temperature side electrode part. As described above, when the thermoelectric conversion module is operated and stopped, it is the high temperature side electrode section that causes larger thermal expansion and contraction. Therefore, by selecting and bonding the electrode member in accordance with the degree of thermal expansion and contraction of the high temperature side electrode part, the electrode member can sufficiently follow the thermal expansion and thermal contraction of the high temperature side electrode part. It is possible to make electrical connection between the blocks more reliable.

なお、低温側電極部の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんで電極部材を選定し、接合させると、高温側電極部の熱膨張及び熱収縮によって低温側電極部が引っ張られ、これによって、低温側電極部に接合した電極部材が当該接合面から剥離したり、電極部材自体が破断したりする場合がある。   In addition, when selecting and joining the electrode member in accordance with the degree of thermal expansion and thermal contraction of the low temperature side electrode part, the low temperature side electrode part is pulled by the thermal expansion and thermal contraction of the high temperature side electrode part. The electrode member joined to the low temperature side electrode part may peel off from the joining surface, or the electrode member itself may break.

以上、本発明によれば、熱電変換モジュールにおいて、熱電半導体を破壊や、熱電半導体及び電極間の接合面で剥離を抑制し、耐久性を向上させることができる。   As described above, according to the present invention, in the thermoelectric conversion module, the thermoelectric semiconductor can be broken, or peeling can be suppressed at the joint surface between the thermoelectric semiconductor and the electrode, thereby improving durability.

第1の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the thermoelectric conversion module in 1st Embodiment. 第2の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the thermoelectric conversion module in 2nd Embodiment. 第3の実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows schematic structure of the thermoelectric conversion module in 3rd Embodiment.

以下、本発明の気密ケース入り熱電変換モジュールの詳細並びにその他の特徴について、実施の形態に基づいて説明する。   Hereinafter, details and other characteristics of the thermoelectric conversion module with an airtight case of the present invention will be described based on embodiments.

(第1の実施形態)
図1は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。
図1に示すように、本実施形態の熱電変換モジュール10は、マトリックス状に交互に配列された複数のp型熱電半導体11及びn型熱電半導体12と、p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12の高温熱源側の面に設置され、これら熱電半導体11,12を直列に接続する高温側電極部13と、p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12の低温熱源側の面に設置され、これら熱電半導体11,12を直列に接続する低温側電極部14とを有している。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a thermoelectric conversion module in the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion module 10 of this embodiment includes a plurality of p-type thermoelectric semiconductors 11 and n-type thermoelectric semiconductors 12 arranged alternately in a matrix, and p-type thermoelectric semiconductors 11 and n-type thermoelectric semiconductors. 12 is installed on the surface of the high-temperature heat source side, and is installed on the surface of the p-type thermoelectric semiconductor 11 and the n-type thermoelectric semiconductor 12 on the low-temperature heat source side that connects these thermoelectric semiconductors 11 and 12 in series. It has the low temperature side electrode part 14 which connects these thermoelectric semiconductors 11 and 12 in series.

また、熱電変換モジュール10は、4つのブロックA,B,C,Dに分割され、各ブロック内には、7×4個の熱電半導体11,12が属している。さらに、隣接するブロック同士の端部は、当該ブロックの端部に位置する相対向する高温側電極部13間において、単一の膜体からなるブリッジ型の電極部材17によって電気的に接合されており、これによって4つのブロックA,B,C,DがA→B→C→Dの順に直列に接続されるようになっている。したがって、熱電半導体11,12等が属する各ブロックは、熱電変換モジュール素子を構成し、4つのブロックA,B,C,Dは全体として熱電変換モジュールを構成して、熱電変換モジュール10はその機能を担保することになる。   The thermoelectric conversion module 10 is divided into four blocks A, B, C, and D, and 7 × 4 thermoelectric semiconductors 11 and 12 belong to each block. Furthermore, the edge part of adjacent blocks is electrically joined by the bridge-type electrode member 17 which consists of a single film body between the opposing high temperature side electrode parts 13 located in the edge part of the said block. As a result, the four blocks A, B, C, and D are connected in series in the order of A → B → C → D. Therefore, each block to which the thermoelectric semiconductors 11, 12, etc. belong constitutes a thermoelectric conversion module element, and the four blocks A, B, C, D constitute a thermoelectric conversion module as a whole, and the thermoelectric conversion module 10 has its function. Will be secured.

なお、ブリッジ型の電極部材17で接合する箇所は、隣接するブロック同士の端部に位置する高温側電極部13間に限定されるものではなく、任意の箇所において接合することができる。   In addition, the location joined by the bridge-type electrode member 17 is not limited between the high temperature side electrode portions 13 located at the ends of adjacent blocks, and can be joined at any location.

本実施形態では、熱電変換モジュール10を4つのブロックA,B,C,Dに分割しているが、分割するブロックの数は4つに限られるものでなく、例えば4〜120個の範囲で設定することができる。また、各ブロックに属する熱電半導体11,12の数を7×4個としているが、各ブロックに属する熱電半導体11,12の数は必要に応じて任意の数とすることができ、例えば2〜36個とすることができる。また、熱電半導体11,12の形状を画定する幅、長さ、高さ等の大きさは例えば1〜3mmとすることができる。   In the present embodiment, the thermoelectric conversion module 10 is divided into four blocks A, B, C, and D, but the number of blocks to be divided is not limited to four, for example, in the range of 4 to 120. Can be set. Moreover, although the number of thermoelectric semiconductors 11 and 12 belonging to each block is 7 × 4, the number of thermoelectric semiconductors 11 and 12 belonging to each block can be any number as necessary. It can be 36. Further, the width, length, height, and the like that define the shape of the thermoelectric semiconductors 11 and 12 can be set to, for example, 1 to 3 mm.

本実施形態の熱電変換モジュール10によれば、当該熱電変換モジュール10を4つのブロックA,B,C,Dに分割し、これら4つのブロックをブリッジ型の電極部材17で互いに電気的に直列接続するようにしている。   According to the thermoelectric conversion module 10 of the present embodiment, the thermoelectric conversion module 10 is divided into four blocks A, B, C, and D, and these four blocks are electrically connected in series with each other by a bridge-type electrode member 17. Like to do.

したがって、p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12の上下面に温度差を与えることによって熱電変換モジュール10を動作させて発電する際に、熱電変換モジュール10の全体では、高温側電極部13の熱膨張の度合いが低温側電極部14の熱膨張の度合いよりも十分に大きくなっても、各ブロック単位では、高温側電極部13の熱膨張の度合を抑制することができる。   Therefore, when the thermoelectric conversion module 10 is operated to generate power by giving a temperature difference between the upper and lower surfaces of the p-type thermoelectric semiconductor 11 and the n-type thermoelectric semiconductor 12, the thermoelectric conversion module 10 as a whole has the high-temperature side electrode portion 13. Even if the degree of thermal expansion is sufficiently greater than the degree of thermal expansion of the low temperature side electrode part 14, the degree of thermal expansion of the high temperature side electrode part 13 can be suppressed in each block unit.

このため、熱電変換モジュール10の全体では、熱電半導体11,12及びその上下の電極13,14にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体11,12を破壊したり、熱電半導体11,12及び電極13,14間の接合面で剥離を生じたりする場合でも、ブロック単位では、熱電半導体11,12及びその上下の電極13,14に生じるせん断力や引張応力、圧縮応力を抑えることができ、脆弱な熱電半導体11,12を破壊したり、熱電半導体11,12及び電極13,14間の接合面で剥離を生じたりすることがない。結果として、熱電変換モジュール10全体においても、上述した熱電半導体11,12の破壊や、熱電半導体11,12及び電極13,14間の接合面における剥離を抑制することができる。   For this reason, in the thermoelectric conversion module 10 as a whole, the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the upper and lower electrodes 13 and 14 are subjected to shear stress, tensile stress, and compressive stress, and the fragile thermoelectric semiconductors 11 and 12 are destroyed. Even when peeling occurs at the joint surface between the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14, the shearing force, tensile stress, and compressive stress generated in the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14 above and below the block unit. Therefore, the fragile thermoelectric semiconductors 11 and 12 are not destroyed, and no peeling occurs at the joint surface between the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14. As a result, even in the entire thermoelectric conversion module 10, it is possible to suppress the above-described destruction of the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and peeling at the joint surface between the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14.

また、本実施形態では、ブロックA,B,C,Dをブリッジ型の電極部材17で電気的に直列に接続している。ブリッジ型の電極部材17は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュール10を動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部13が熱膨張し、熱電変換モジュール10の動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部13が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュール10を構成するブロックA,B,C,D間の電気的接合をより確実に行うことができる。   In the present embodiment, the blocks A, B, C, and D are electrically connected in series by the bridge-type electrode member 17. Since the bridge-type electrode member 17 can be easily expanded and contracted by heating and cooling and deformed, when the thermoelectric conversion module 10 is operated to generate electric power, the high temperature side electrode portion 13 in each block is thermally expanded. And when operation | movement of the thermoelectric conversion module 10 is stopped, also when the high temperature side electrode part 13 in each block heat-shrinks, it can follow these thermal expansion and thermal shrinkage easily. Therefore, electrical connection between the blocks A, B, C, and D constituting the thermoelectric conversion module 10 can be more reliably performed.

なお、本実施形態においては、ブリッジ型の電極部材17を高温側電極部13と接合させるようにしている。熱電変換モジュール10を動作及び停止させた際に、より大きな熱膨張及び熱収縮を生じさせるのは高温側電極部13である。したがって、高温側電極部13の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんでブリッジ型の電極部材17を選定し、接合させることにより、当該電極部材17が高温側電極部13の熱膨張及び熱収縮に十分に追従することができ、ブロック間の電気的接合をより確実なものとすることができる。   In the present embodiment, the bridge-type electrode member 17 is joined to the high temperature side electrode portion 13. When the thermoelectric conversion module 10 is operated and stopped, it is the high temperature side electrode portion 13 that causes greater thermal expansion and contraction. Therefore, the bridge-type electrode member 17 is selected and bonded in accordance with the degree of thermal expansion and contraction of the high temperature side electrode portion 13, so that the electrode member 17 is thermally expanded and contracted by the high temperature side electrode portion 13. The electrical connection between the blocks can be made more reliable.

一方、低温側電極部14の熱膨張及び熱収縮の度合にあわせこんでブリッジ型の電極部材17を選定し、接合させると、高温側電極部13の熱膨張及び熱収縮によって低温側電極部14が引っ張られ、これによって、低温側電極部14に接合したブリッジ型の電極部材17が接合面から剥離したり、電極部材17自体が破断したりする場合がある。   On the other hand, when the bridge-type electrode member 17 is selected and bonded in accordance with the degree of thermal expansion and contraction of the low temperature side electrode portion 14, the low temperature side electrode portion 14 is caused by the thermal expansion and contraction of the high temperature side electrode portion 13. As a result, the bridge-type electrode member 17 bonded to the low-temperature side electrode portion 14 may be peeled off from the bonding surface, or the electrode member 17 itself may be broken.

p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12は熱伝導率が低く、高温側及び低温側で大きな温度差を得、熱電変換(ゼーベック効果)により大きな電位差を生成する材料から構成することが好ましく、例えば、Bi−Te系,Pb−Te系,Si−Ge系,あるいはMg−Si系,Mn−Si系等の半導体材料から構成する。   The p-type thermoelectric semiconductor 11 and the n-type thermoelectric semiconductor 12 are preferably made of a material having low thermal conductivity, obtaining a large temperature difference between the high temperature side and the low temperature side, and generating a large potential difference by thermoelectric conversion (Seebeck effect). For example, it is made of a semiconductor material such as Bi—Te, Pb—Te, Si—Ge, Mg—Si, or Mn—Si.

高温側電極部13、低温側電極部14及びブリッジ型の電極部材17は、耐熱性及び機械的強度に優れるとともに、比較的高い導電性を示すことが要求され、例えば、Mo,Cu,W,Ti,Niおよびこれらの合金あるいはステンレス鋼などから構成することができる。   The high temperature side electrode part 13, the low temperature side electrode part 14, and the bridge-type electrode member 17 are required to exhibit excellent heat resistance and mechanical strength and relatively high conductivity. For example, Mo, Cu, W, It can be composed of Ti, Ni and their alloys or stainless steel.

(第2の実施形態)
図2は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。なお、図1に示す熱電変換モジュール10と同一あるいは類似の構成要素については同一の符号を用いている。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of the thermoelectric conversion module in the present embodiment. In addition, the same code | symbol is used about the same or similar component as the thermoelectric conversion module 10 shown in FIG.

本実施形態の熱電変換モジュール20は、図1に示す第1の実施形態の熱電変換モジュール10において、単一の膜体からなるブリッジ型の電極部材17に代えて、複数の膜体からなるブリッジ型の電極部材27を用いた以外は同一の構成を採っている。したがって、以下においては、本実施形態の熱電変換モジュール20の特徴である電極部材27の構成及びその作用効果について説明する。   The thermoelectric conversion module 20 of the present embodiment is the same as the thermoelectric conversion module 10 of the first embodiment shown in FIG. 1, except that the bridge-type electrode member 17 made of a single film body is replaced with a bridge made of a plurality of film bodies. The same configuration is adopted except that a mold electrode member 27 is used. Therefore, in the following, the configuration of the electrode member 27 that is a feature of the thermoelectric conversion module 20 of the present embodiment and the function and effect thereof will be described.

本実施形態の熱電変換モジュール20においては、ブロックA,B,C,Dの高温側電極部13に接合し、これらブロックを電気的に直列接合するブリッジ型の電極部材27を金属製の複数の膜体27−1,27−2,27−3,27−4から構成している。   In the thermoelectric conversion module 20 of the present embodiment, a plurality of bridge-type electrode members 27 that are joined to the high temperature side electrode portions 13 of the blocks A, B, C, and D and electrically connect these blocks in series are formed. It consists of film bodies 27-1, 27-2, 27-3, 27-4.

この場合、例えば各ブロックに属する高温側電極部13の膨張及び収縮が大きく、膜体27−1及び27−3が分断したような場合においても、残存する膜体27−2及び27−4によってその導電性を担保することができ、電極部材27としての機能を果たすことができる。   In this case, for example, even when the expansion and contraction of the high temperature side electrode portion 13 belonging to each block is large and the film bodies 27-1 and 27-3 are divided, the remaining film bodies 27-2 and 27-4 The conductivity can be ensured, and the function as the electrode member 27 can be achieved.

なお、膜体27−1等が分断しない場合は、ブリッジ型の電極部材17と同様の作用効果を奏する。すなわち、複数の膜体27−1〜27−4は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュール20を動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部13が熱膨張し、熱電変換モジュール20の動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部13が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュール20を構成するブロックA,B,C,D間の電気的接合をより確実に行うことができる。   When the film body 27-1 and the like are not divided, the same effects as the bridge-type electrode member 17 are obtained. That is, since the plurality of film bodies 27-1 to 27-4 can be easily expanded and contracted by heating and cooling and deformed, when the thermoelectric conversion module 20 is operated to generate electric power, When the side electrode section 13 is thermally expanded and the operation of the thermoelectric conversion module 20 is stopped, the thermal expansion and contraction of the high temperature side electrode section 13 in each block can easily follow the thermal expansion and contraction. Can do. Therefore, electrical connection between the blocks A, B, C, and D constituting the thermoelectric conversion module 20 can be more reliably performed.

また、熱電変換モジュール20を構成する熱電半導体11,12を4つのブロックA,B,C,Dに分割することによる作用効果は第1の実施形態における熱電変換モジュール10と同様である。すなわち、p型熱電半導体11及びn型熱電半導体12の上下面に温度差を与えることによって熱電変換モジュール20を動作させて発電する際に、熱電変換モジュール20の全体では、高温側電極部13の熱膨張の度合いが低温側電極部14の熱膨張の度合いよりも十分に大きくなっても、各ブロック単位では、高温側電極部13の熱膨張の度合を抑制することができる。   Moreover, the effect by dividing | segmenting the thermoelectric semiconductors 11 and 12 which comprise the thermoelectric conversion module 20 into four blocks A, B, C, and D is the same as that of the thermoelectric conversion module 10 in 1st Embodiment. That is, when the thermoelectric conversion module 20 is operated by generating a temperature difference between the upper and lower surfaces of the p-type thermoelectric semiconductor 11 and the n-type thermoelectric semiconductor 12 to generate power, the entire thermoelectric conversion module 20 Even if the degree of thermal expansion is sufficiently greater than the degree of thermal expansion of the low temperature side electrode part 14, the degree of thermal expansion of the high temperature side electrode part 13 can be suppressed in each block unit.

このため、熱電変換モジュール20の全体では、熱電半導体11,12及びその上下の電極13,14にはせん断応力や引張応力、圧縮応力が作用し、脆弱な熱電半導体11,12を破壊したり、熱電半導体11,12及び電極13,14間の接合面で剥離を生じたりする場合でも、ブロック単位では、熱電半導体11,12及びその上下の電極13,14に生じるせん断力や引張応力、圧縮応力を抑えることができ、脆弱な熱電半導体11,12を破壊したり、熱電半導体11,12及び電極13,14間の接合面で剥離を生じたりすることがない。結果として、熱電変換モジュール20全体においても、上述した熱電半導体11,12の破壊や、熱電半導体11,12及び電極13,14間の接合面における剥離を抑制することができる。   For this reason, in the whole thermoelectric conversion module 20, shear stress, tensile stress, and compressive stress act on the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the upper and lower electrodes 13 and 14, and the fragile thermoelectric semiconductors 11 and 12 are destroyed. Even when peeling occurs at the joint surface between the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14, the shearing force, tensile stress, and compressive stress generated in the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14 above and below the block unit. Therefore, the fragile thermoelectric semiconductors 11 and 12 are not destroyed, and no peeling occurs at the joint surface between the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14. As a result, even in the entire thermoelectric conversion module 20, it is possible to suppress the above-described destruction of the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and peeling at the joint surface between the thermoelectric semiconductors 11 and 12 and the electrodes 13 and 14.

なお、本実施形態では、膜体の数を4としたが、必要に応じて任意の数とすることができる。また、膜体の厚さは必要に応じて任意の値に設定することができるが、例えば0.002mm〜0.2mmとすることができる。   In the present embodiment, the number of film bodies is four, but can be any number as necessary. Moreover, although the thickness of a film body can be set to arbitrary values as needed, it can be 0.002 mm-0.2 mm, for example.

なお、その他の特徴及び作用効果については第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。   Since other features and operational effects are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

(第3の実施形態)
図3は、本実施形態における熱電変換モジュールの概略構成を示す斜視図である。なお、図1に示す熱電変換モジュール10と同一あるいは類似の構成要素については同一の符号を用いている。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a perspective view showing a schematic configuration of the thermoelectric conversion module in the present embodiment. In addition, the same code | symbol is used about the same or similar component as the thermoelectric conversion module 10 shown in FIG.

本実施形態の熱電変換モジュール30は、図1に示す第1の実施形態の熱電変換モジュール10において、単一の膜体からなるブリッジ型の電極部材17に代えて、多孔質金属体からなる電極部材37を用いた以外は同一の構成を採っている。したがって、以下においては、本実施形態の熱電変換モジュール30の特徴である電極部材37の構成及びその作用効果について説明する。   The thermoelectric conversion module 30 of this embodiment is an electrode made of a porous metal body in place of the bridge-type electrode member 17 made of a single film body in the thermoelectric conversion module 10 of the first embodiment shown in FIG. The same configuration is adopted except that the member 37 is used. Therefore, in the following, the configuration of the electrode member 37 that is a feature of the thermoelectric conversion module 30 of the present embodiment and the function and effect thereof will be described.

本実施形態の熱電変換モジュール30では、電極部材37を多孔質金属体から構成している。多孔質金属体は、同じ材料の非多孔質金属体に比較して密度が低減している。したがって、このような多孔質金属体は、加熱及び冷却によって容易に膨張及び収縮して変形することができるので、熱電変換モジュール30を動作させて発電する際に、各ブロックにおける高温側電極部13が熱膨張し、熱電変換モジュール30の動作を停止した際に、各ブロックにおける高温側電極部13が熱収縮する際にも、これらの熱膨張及び熱収縮に容易に追随することができる。したがって、熱電変換モジュール30を構成するブロック間の電気的接合をより確実に行うことができる。   In the thermoelectric conversion module 30 of this embodiment, the electrode member 37 is comprised from the porous metal body. The density of the porous metal body is lower than that of the non-porous metal body made of the same material. Therefore, since such a porous metal body can be easily expanded and contracted by heating and cooling and deformed, when the thermoelectric conversion module 30 is operated to generate electric power, the high temperature side electrode portion 13 in each block. When the high temperature side electrode portion 13 in each block thermally contracts when the thermal expansion of the thermoelectric conversion module 30 stops, the thermal expansion and the thermal contraction can be easily followed. Therefore, electrical connection between the blocks constituting the thermoelectric conversion module 30 can be more reliably performed.

なお、本実施形態では、電極部材37の各ブロックに属する高温側電極部13との接触部分37Aにおいて、上記多孔質金属体を圧潰してなる非多孔質金属体としている。したがって、各ブロックに属する高温側電極部13との接触抵抗を低減することができる。   In the present embodiment, the porous metal body is a non-porous metal body that is crushed at the contact portion 37A of the electrode member 37 with the high temperature side electrode portion 13 belonging to each block. Therefore, contact resistance with the high temperature side electrode part 13 which belongs to each block can be reduced.

電極部材37を多孔質金属体から構成する場合、例えば気孔率を50%〜95%とすることができる。   When the electrode member 37 is made of a porous metal body, for example, the porosity can be 50% to 95%.

なお、その他の特徴及び作用効果については第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。   Since other features and operational effects are the same as those in the first embodiment, description thereof will be omitted.

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。   While the present invention has been described in detail based on the above specific examples, the present invention is not limited to the above specific examples, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention.

例えば、第3の実施形態において、電極部材を多孔質金属体から構成する場合は、各ブロックに属する高温側電極部との接触部分においては、バルク状の金属体とし、各ブロックから延在した前記金属体同士を接合するようにして多孔質金属体を配設することもできる。この場合も、各ブロックに属する電極部との接触抵抗を低減することができる。   For example, in the third embodiment, when the electrode member is composed of a porous metal body, a bulk metal body is formed at the contact portion with the high temperature side electrode portion belonging to each block, and extends from each block. A porous metal body may be disposed so as to join the metal bodies. Also in this case, the contact resistance with the electrode part belonging to each block can be reduced.

10,20,30 熱電変換モジュール
11 p型熱電半導体
12 n型熱電半導体
13 高温側電極部
14 低温側電極部
15 第1の絶縁部材
16 第2の絶縁部材
17,27,37 電極部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20, 30 Thermoelectric conversion module 11 P-type thermoelectric semiconductor 12 N-type thermoelectric semiconductor 13 High temperature side electrode part 14 Low temperature side electrode part 15 1st insulating member 16 2nd insulating member 17, 27, 37 Electrode member

Claims (4)

複数のp型熱電半導体及びn型熱電半導体と、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体の高温熱源側の面に設置され、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の高温側電極部、並びに前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体の低温熱源側の面に設置され、前記p型熱電半導体及び前記n型熱電半導体を電気的に直列に接続する複数の低温側電極部とを具える熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換モジュールを複数のブロックに分割し、当該複数のブロック間を電極部材で互いに電気的に直列接合したことを特徴とする、熱電変換モジュール。
A plurality of p-type thermoelectric semiconductors and n-type thermoelectric semiconductors are installed on the surface of the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor on the high-temperature heat source side, and the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor are electrically connected in series. A plurality of high-temperature side electrode portions connected to the low-temperature heat source side of the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor, and electrically connecting the p-type thermoelectric semiconductor and the n-type thermoelectric semiconductor in series A thermoelectric conversion module comprising a plurality of low temperature side electrode parts,
The thermoelectric conversion module, wherein the thermoelectric conversion module is divided into a plurality of blocks, and the plurality of blocks are electrically connected to each other in series with electrode members.
前記電極部材は、ブリッジ型の電極部材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。   The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein the electrode member is a bridge-type electrode member. 前記電極部材は、複数の膜体からなることを特徴とする、請求項2に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 2, wherein the electrode member includes a plurality of film bodies. 前記電極部材は、少なくとも一部が多孔質金属体からな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。   The thermoelectric conversion module according to claim 1, wherein at least a part of the electrode member is made of a porous metal body.
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