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発明の名称 空冷機能を利用した熱電変換素子
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−173688(P2007−173688A)
公開日 平成19年7月5日(2007.7.5)
出願番号 特願2005−371921(P2005−371921)
出願日 平成17年12月26日(2005.12.26)
代理人
発明者 小林 慶三 / 三上 祐史 / 松本 章宏
要約 課題
p型及びn型熱電材料の間に導電性板を挟み、これらを間接又は直接接合することにより、一対の熱電素子に対して低温側の冷却機構を付与し、一対の熱電素子の性能を向上させるとともに、メンテナンスを容易にする新規熱電変換素子及びそのモジュールを提供する。

解決手段
p型及びn型熱電材料の間に導電性板を熱電素子からはみ出す形で接合した構造を有する熱電変換素子であって、低温側の冷却効果を高めることにより、一対の熱電素子における熱電変換効率を高めるとともに、風向を考慮した熱電素子の配置により、限られた空間における高効率な熱電変換を行うことを可能とした熱電変換素子。
特許請求の範囲
【請求項1】
空冷機能を付与した熱電変換素子の構造において、(1)p型とn型熱電材料の接合端部に導電性板が挟持されている、(2)その導電性板が素子の外部にまで続く構造を有する、(3)それにより、熱電材料の接合端部の導電性板が冷却板の機能を有する、ことを特徴とする熱電変換素子。
【請求項2】
導電性板が、一対のp−n型熱電素子とのみ接合されている、請求項1記載の熱電変換素子。
【請求項3】
導電性板が、金属からなる、請求項1又は2記載の熱電変換素子。
【請求項4】
導電性板の材料が、熱電変換素子より電気抵抗が低く、熱伝導性が高い材料である、請求項3記載の熱電変換素子。
【請求項5】
p型あるいはn型素子が、金属あるいは金属間化合物で構成されている、請求項1又は2記載の熱電変換素子。
【請求項6】
導電性板と熱電素子が直接接合されている、請求項1又は2記載の熱電変換素子。
【請求項7】
熱電素子から外部にはみ出した導電性板の表面が、絶縁処理されている、請求項1記載の熱電変換素子。
【請求項8】
請求項1から7のいずれかに記載の熱電変換素子を組み合わせてなることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項9】
請求項1から8のいずれかに記載の熱電変換素子又は熱電変換モジュールからなることを特徴とする放熱部材。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、空冷機能を利用した熱電変換素子に関するものであり、更に詳しくは、p型及びn型熱電材料で構成される素子の間に導電性板を挿入し、高冷却機能と高電気伝導性を付与した熱電変換素子に関するものである。本発明に係る熱電変換素子は、一対の素子の接合端部に対して冷却機能を付与することによって熱電変換素子の高性能化を実現するものである。本発明の熱電変換素子は、自動車や二輪車などの内燃機関を有する移動体へ応用することにより、風による冷却機能を利用した大きな発電効果が得られ、移動体の燃費を改善することができる。また、本発明の熱電変換素子は、内燃機関を有する発電機などへ応用することにより、発電性能を向上させることが可能であり、本発明により、地球温暖化防止に対して有効な技術を提供することができる。
【背景技術】
【0002】
熱を電気に変換する熱電材料は、一対のp型及びn型の半導体材料から構成されており、金属と半金属からなる金属間化合物や酸化物などで作製されている。この熱電変換素子は、材料が有するゼーベック係数、熱伝導率、及び電気抵抗により熱電変換効率が決定されるため、様々な元素を添加した材料開発が行われている。通常、この熱電変換素子は、一対の素子では出力が小さいため、いくつかの素子対を電気的に結合したモジュールを用いることで大きな出力が得られるように設計されている。
【0003】
このモジュールは、熱源に接触している側を高温側、その反対側を低温側として、高温側と低温側の温度差により起電力を生成している。モジュールの低温側では、熱を効率的に放散するために、ヒートシンクなどの放熱手段が利用されている。このため、熱電変換モジュールは、大型になり、狭く限られた空間で利用するためには、小型化する必要があった。また、ヒートシンクでは、大面積での放熱を利用するため、空気の流れや方向などを考慮した効率的な冷却を実現することが難しいという問題があった。
【0004】
熱電変換素子を小型化するためには、素子を微細加工して小型化する技術や、薄膜化する技術が有効であり、例えば、熱電材料成形体や単分散熱電マイクロ粒子の規則配列焼結に関する技術開発がなされている(特許文献1、非特許文献1)。また、放熱プレートの形状を考慮した熱電変換装置に関する技術開発もなされている(特許文献2)。しかし、これらの方法及び手段は、いずれも一対のp型及びn型素子を複数組み合わせた熱電モジュールを小型化する技術であり、一対の素子自体を小型化することはできていない。
【0005】
また、従来の技術では、モジュールを構成する素子に異常(破損など)が発生した場合には、モジュールすべてを交換する必要があり、メンテナンスや修理が難しいという問題を有していた。これを解決するために、例えば、新しい熱電変換素子に関する技術開発も行われている(特許文献3)が、この素子は、熱電材料が変換効率の低い鉄珪化物に限定されている上、パイ型熱電材料をチタン系活性ロウ材を用いたロウ付けにより一体化したものであるため、汎用性にかけるという問題があった。
【0006】
【特許文献1】特開2004−071870号公報
【特許文献2】特開平5−175556号公報
【特許文献3】特開平6−97512号公報
【非特許文献1】川崎亮 他「単分散熱電マイクロ粒子の規則配列焼結とその熱電特性」マテリアルインテグレーション Vol.14,No.8(2001)p51
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
このような状況の中で、本発明者らは、上記の問題点を解決するために鋭意研究を重ねた結果、p型熱電材料とn型熱電材料の接合部分に使われる導電性材料を大型化し、フィンとしての機能を付与させることにより、一対の熱電素子の高温側と低温側の温度差を大きくできることを見出し、更に研究を重ねて、本発明を完成した。
【0008】
すなわち、本発明は、一対のp型及びn型熱電材料からなる熱電素子に着目し、p型及びn型熱電材料の接続部分に空冷機能を付与して熱電変換効率を高めるためになされたものである。本発明は、一対の熱電材料からなる素子において、一対の素子の接合端部に冷却機能を持たせることによって、高温側と低温側の温度差を大きくして起電力を高めることを可能とした新規熱電変換素子を提供すること課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
(1)空冷機能を付与した熱電変換素子の構造において、1)p型とn型熱電材料の接合端部に導電性板が挟持されている、2)その導電性板が素子の外部にまで続く構造を有する、3)それにより、熱電材料の接合端部の導電性板が冷却板の機能を有する、ことを特徴とする熱電変換素子。
(2)導電性板が、一対のp−n型熱電素子とのみ接合されている、前記(1)記載の熱電変換素子。
(3)導電性板が、金属からなる、前記(1)又は(2)記載の熱電変換素子。
(4)導電性板の材料が、熱電変換素子より電気抵抗が低く、熱伝導性が高い材料である、前記(3)記載の熱電変換素子。
(5)p型あるいはn型素子が、金属あるいは金属間化合物で構成されている、前記(1)又は(2)記載の熱電変換素子。
(6)導電性板と熱電素子が直接接合されている、前記(1)又は(2)記載の熱電変換素子。
(7)熱電素子から外部にはみ出した導電性板の表面が、絶縁処理されている、前記(1)記載の熱電変換素子。
(8)前記(1)から(7)のいずれかに記載の熱電変換素子を組み合わせてなることを特徴とする熱電変換モジュール。
(9)前記(1)から(8)のいずれかに記載の熱電変換素子又は熱電変換モジュールからなることを特徴とする放熱部材。
【0010】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明は、空冷機能を付与した熱電変換素子の構造において、1)p型とn型熱電材料の接合端部に導電性板が挟持されている、2)その導電性板が素子の外部にまで続く構造を有する、3)それにより、熱電材料の接合端部の導電性板が冷却板の機能を有する熱電変換素子の点に特徴を有するものである。
【0011】
本発明では、導電性板が一対のp−n型熱電素子とのみ接合されていること、導電性板が、金属からなること、導電性板の材料が、熱電変換素子より電気抵抗が低く、熱伝導性が高い材料であること、p型あるいはn型素子が、金属あるいは金属間化合物で構成されていること、導電性板と熱電素子が直接接合されていること、及び熱電素子から外部にはみ出した導電性板の表面が、絶縁処理されていること、がそれぞれ好適な実施の態様として例示される。
【0012】
本発明に利用する熱電材料には、これまでに熱電材料として報告されている適宜の材料、例えば、Bi−Te系、Pb−Te系、Fe−Si系、Mg−Si系、Mn−Si系、Si−Ge系、ホイスラー系、スクッテルダイト系、ペロブスカイト系などの熱電材料を利用することができる。これらの熱電材料は、溶解−凝固により目的組成の熱電材料を作製することができるが、高強度の熱電材料を得るためには、組織を微細化することが有効であり、好適には、例えば、粉末冶金的手法により合成された合金粉末を焼結する方法が効果的に使用可能である。本発明では、p型及びn型の材料を作製するための添加元素については、それぞれの熱電材料について、これまでに報告されている適宜の添加元素を任意に用いることが可能である。
【0013】
本発明に利用する導電性板は、p型熱電材料とn型熱電材料を電気的に接合する機能とともに、素子の低温側の冷却機能を有するものである。そのため、導電性板の材料は、熱電材料より電気抵抗が低く、熱伝導率が高い材料であることが好ましい。このような特性を有する一般的な導電性板の材料としては、金属が好適であり、例えば、アルミニウム、銅、金、銀、ニッケル、白金が例示され、更に最も好ましい金属材料としては、銅やアルミニウムが例示される。しかし、これらの材料に限定されるものではなく、これらと同等もしくは類似の材料であれば同様に使用することができる。
【0014】
本発明では、導電性板は、一対の素子の接合端部に設置される。導電性板と熱電材料との接合は、電気的な抵抗を抑えるために、直接接合することが好ましい。それらの接合には、例えば、パルス電流を印加しながら加圧を行うことにより、接触部での局所加熱と固相拡散を利用した接合技術などを利用することができる。また、接合材を利用して導電性板と熱電材料を接合することも可能であり、その場合、接合材としては、熱電材料や導電性板より電気抵抗の小さな材料を利用することも可能である。
【0015】
銀ペーストやハンダなどは、有効な接合材であるが、本発明は、これらに限定されるものではない。本発明では、接合方法及び手段は特に制限されるものではなく、任意の方法及び手段が用いられる。熱電材料は、一般に脆い材料である場合が多く、p型熱電材料とn型熱電材料を接合しても強度が出ない場合が多い。本発明のように、p型熱電材料とn型熱電材料の間に導電性板を挟むことで、熱電材料間の接合が強固となり、一対の熱電素子の強度が高くなり、素子のハンドリングが容易になるという利点が得られる。
【0016】
導電性板は、素子の接合端部に設置され、しかも素子からはみ出すように接合することが必要、かつ重要である。これは、導電性板が、p型熱電材料とn型熱電材料との電気的な接合と、フィンとしての冷却の両機能を担うためである。本発明において、導電性板が素子の外部にまで続く構造を有する、とは、導電性板が、素子の接合端部に設置され、素子からはみ出すように接合されていることを意味する。導電性板が素子からはみ出す量については特に規定しないが、冷却効果の出る大きさ、及び形状であれば問題はなく、素子の導電性板による挟持の形状及び構造は任意に設計することができる。素子からはみ出した部分は、風などを受けて、放熱を行い、熱電素子の低温側の温度を低くする。熱電素子からはみ出した導電性板の表面については、安全などの観点から、絶縁処理として、樹脂などのコーティングや酸化処理、塗装などを行うことが可能である。
【0017】
熱電材料の形状は、特に指定しないが、素子の高温側の熱が熱電材料へ効率的に伝わる形状であることが好ましい。そのため、熱電材料における高温側の面積が大きいものが好ましい。素子の低温側は、導電性板による冷却効果により強制的に冷却されるため、面積が小さくても熱電材料内での温度勾配を大きくとることができる。また、熱電材料の高温側には、熱源との接触を向上させるために、例えば、熱伝導シートとして市販されている軟質の樹脂シートや熱伝導グリースなどを利用することが可能である。
【0018】
更に、熱電材料は、導電性材料であるため、熱電材料内に気孔や熱伝導性の低い粒子、例えば、セラミックス粒子、中空無機粒子、又は樹脂粒子などを複合化しても電気的な接合は変化しない。そのため、本発明においては、熱電材料の中に、これらの気孔や粒子を複合化することができる。導電性板との接合は、これらを含まない熱電材料の場合と同じ方法及び手段で接合することができる。
【0019】
一対の熱電材料の間に導電性板を挟むことで、1つの熱電素子内に効率的な温度差をつけることが可能であり、それにより、1つの熱電素子の性能を向上させることができる。そのため、熱源の形状が曲率を有するような複雑形状の場合でも、複数の熱電素子を効率的に配置することによって、効率的な発電を行うことが可能となる。また、本発明では、導電性板の方向を素子ごとに変えることができるため、限られた高熱面において、風向を考慮した熱電素子の配置を行うことができる。また、本発明では、上記熱電変換素子を組み合わせて熱電変換モジュールを構築し、提供することができる。更に、本発明では、上記熱電変換素子を用いて空冷フィン等の放熱部材を構築し、提供することができる。
【発明の効果】
【0020】
本発明により、次のような効果が奏される。
(1)本発明により、内燃機関や燃焼、化学変化に伴って発生する熱を、限られた空間で電気へ効率的に変換できる熱電変換素子を提供することができる。これは、廃熱として捨てられている熱エネルギーを再利用することにつながる。
(2)これまで材料の特性のみに依存してきた熱電発電に対して、素子の形状及び構造により実効的なエネルギー変換効率を改善することが可能となり、より実用に近い形状及び構造での熱電発電モジュールを設計することができる。
(3)熱電材料は、1つの素子から発生する起電力が小さいため、微小な素子を多数組み合わせたモジュールで利用するものが多いが、そのために、従来のモジュールのサイズは必然的に大きくなっている。また、従来のモジュールは、振動や衝撃によりモジュールを構成する素子の一部が欠損してもモジュール全体を交換する必要があり、経済的ではない。本発明では、一対の素子に冷却機能を付与して安定的に高出力を生成する構造を実現しているため、モジュールにトラブルが生じても素子のみを交換することにより性能を回復することができる。
(4)冷却機構には、風を利用することができ、また、熱源の形状によらず最適な素子配置を実現することが可能であり、それにより効率的な発電を行うことができる。
(5)一対の素子に高温側と低温側をつなげることができるため、熱源に密着させて発電を行うことができる。そのため、熱源の形状が複雑であっても、効率的な発電を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
次に、実施例に基づいて本発明を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例1】
【0022】
p型熱電材料としてFe−24.7at%V−26at%Alを、n型熱電材料としてFe−25at%V−23.5at%Al−1.5at%Siを、底辺が5mm、高さが15mm、奥行きが3mmとなる直角三角形を断面とする角柱形状にそれぞれ成形し、これらの接合端部に厚みが0.5mmで15mm×3mmの銅板を銀ペーストで接合し、熱電変換素子を作製した。銅板は、素子の端部より12mmはみ出した形状となっているように設置した。この素子を100℃の熱源の上に設置した。
【0023】
得られた素子は、高温側と低温側で7℃の温度差を生じており、銅板が素子の端部からはみ出していない形状で同じ組成の熱電素子に比して1.6倍の起電力を生成した。
【実施例2】
【0024】
p型熱電材料としてFe−24.7at%V−26at%Alを、n型熱電材料としてFe−25at%V−23.5at%Al−1.5at%Siを、底辺が5mm、高さが15mm、奥行きが3mmとなる直角三角形を断面とする角柱形状にそれぞれ成形し、これらの接合端部に厚みが0.5mmで15mm×3mmの銅板を銀ペーストで接合し、熱電変換素子を作製した。銅板は、素子の端部より12mmはみ出した形状となっているように設置した。この素子を100℃の熱源の上に設置した。
【0025】
得られた素子に空気を1m/sにて送り、銅板の面に垂直に当てた。その結果、高温側と低温側で9℃の温度差を発生し、実施例1の熱電素子に比して3.5倍の起電力を生成した。
【実施例3】
【0026】
p型熱電材料としてFe−24.7at%V−26at%Alを、n型熱電材料としてFe−25at%V−23.5at%Al−1.5at%Siを、底辺が5mm、高さが15mm、奥行きが3mmとなる直角三角形を断面とする角柱形状にそれぞれ成形し、これらの接合端部に厚みが0.5mmで15mm×3mmのアルミニウム板を通電により直接接合し、熱電変換素子を作製した。アルミニウム板は、素子の端部より12mmはみ出した形状となっているように設置した。この素子を100℃の熱源の上に設置した。
【0027】
得られた素子は、高温側と低温側で9℃の温度差が生じており、実施例1の熱電素子に比して1.2倍の起電力を生成した。
【実施例4】
【0028】
p型熱電材料としてFe−24.7at%V−26at%Alを、n型熱電材料としてFe−25at%V−23.5at%Al−1.5at%Siを、底辺が5mm、高さが15mm、奥行きが3mmとなる直角三角形を断面とする角柱形状にそれぞれ成形し、これらの接合端部に厚みが0.5mmで15mm×3mmの銅板を銀ペーストで接合し、熱電変換素子を作製した。銅板は、素子の端部より12mmはみ出した形状となっているように設置した。この素子を150℃の熱源の上に設置した。
【0029】
得られた素子に空気を1m/sにて送り、銅板の面に垂直に当てた。その結果、高温側と低温側で15℃の温度差を発生し、実施例2の熱電素子に比して約1.2倍の起電力を生成した。熱源の温度が高くなると、出力が大きくなることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【0030】
以上詳述したように、本発明は、空冷機能を利用した熱電変換素子に係るものであり、本発明により、熱源の形状に依存せず、自由に配置することができる熱電変換素子を提供できる。また、本発明の熱電変換素子は、素子ごとに冷却機能を有しているため、熱源に密着させて素子を配置することができる。本発明は、熱電発電素子の新しい構造を提供するものであり、本発明の素子を利用することにより、素子の大型化あるいは小型化に柔軟に対応することができる。これにより、限られた空間しかない熱源に対しても効率的な熱電変換を実現することができる。また、素子の破損時にも破損部分の素子のみを交換すれば性能を復元することができ、経済的である。本発明の熱電変換素子は、振動や衝撃が付与される移動体において好適に利用されるものであり、自動車や二輪車への利用が高く期待される。本発明の熱電変換素子を、従来の放熱部材(空冷フィン)の代替材料として利用することで、大きな設計変更なしにエネルギーの効率的な利用が実現できる。また、本発明の熱電変換素子は、二輪車や自動車などの内燃機関と同じ構造を有している発電機などへの転用も比較的容易である。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】熱電素子の形状を示す。
【図2】熱電素子の表面温度分布(実施例2と実施例3の比較)を示す。
【図3】熱電素子の表面温度分布(実施例4)を示す。
【符号の説明】
【0032】
(図1の符号)
1 導電性板
2 p型熱電材料
3 n型熱電材料




 

 


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