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熱電変換装置 新技術説明会

国内特許コード P04A006952
整理番号 KN000428
掲載日 2005年3月18日
出願番号 特願平10-075116
登録番号 特許第2873961号
出願日 平成10年2月2日(1998.2.2)
登録日 平成11年1月14日(1999.1.14)
発明者
  • 丹治 雍典
  • 森谷 信一
  • 新野 正之
  • 熊谷 達夫
  • 木皿 且人
出願人
  • 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
発明の名称 熱電変換装置 新技術説明会
発明の概要 【課題】 構造の簡潔化、部品点数の減少をはかり、かつ熱電変換効率を高める。
【解決手段】 相対向する金属セグメント41~43間に、熱電変換材料よりなる熱電変換素子31が挟み込まれ、これら金属セグメントと熱電変換素子31とが、固定ねじ34によって結合された構成とされる。そして、相対向する一方の金属セグメントには、固定ねじの貫通孔が形成され、熱電変換素子には、その中央部に、固定ねじ34の貫通孔35が形成され、更に、他方の金属セグメントには、固定ねじ34の先端と螺合するねじ孔37が形成される。そして、その固定ねじ34を、一方の金属セグメントの貫通孔と、熱電変換素子の貫通孔に挿入し、その先端部をセグメントのねじ孔37に螺合させて、上記相対向する金属セグメントとの間において熱電変換素子31を配置結合する構成とする。
従来技術、競合技術の概要


近年、傾斜機能技術、スクリーン印刷等の周辺技術発展に伴い、熱電変換装置の発展が著しい。図7および図8は、それぞれ従来のいわゆるπ型の熱電変換装置の概略拡大断面図およびその分解断面図を示すもので、この熱電変換装置は、p型およびn型の対の半導体熱電変換素子1が、平面的に配置された第1および第2の金属セグメント11および12と、これらに差し渡って共通に対向して配置された第3の金属セグメント13との間に挟み込まれて一体に結合されてπ字型に構成されてなる。
これら対の熱電変換素子1は、それぞれp型およびn型の半導体熱電変換材料よりなり、両端面に低温側電極3と高温側電極4とが被着形成され、中央に固定ねじ5の貫通孔6が穿設されて成る。また、各金属セグメント11、12および13には、対の熱電変換素子1を並置して挟み込んだ状態で、各貫通孔6と一致する位置にそれぞれ固定ねじの貫通孔7が穿設される。そして、対の固定ねじ5を、第1および第2の金属セグメント11および12の各貫通孔7、対の熱電変換素子1の各貫通孔6、第3の金属セグメント13の対応する各貫通孔7に挿通し、それぞれその先端に、ナット8を螺合させる。ここで各固定ねじ5は、ナット8の螺合先端側とは反対側にドライバー溝を有する大径の頭部が形成されて、これら頭部とナット8との間で各熱電変換素子と金属セグメントとが保持されてこれらが結合一体化されて、π型熱電変換装置9が構成される。
このような構成によるπ型熱電変換装置9は、図9にその平面図を示し、図10にそのA-A線上の断面図を示すように、多数個相互に連結して平面的に配列して、大出力の熱電変換装置を構成する。図11および図12はその要部の断面図および分解断面図である。この場合、1つのπ型熱電変換装置9の第1および第2の金属セグメント11および12が、それぞれ隣り合う他のπ型熱電変換装置の第3の金属セグメント13として機能させるようにする。このようにして、金属セグメント11、12および13によって電気的には、多数の熱電変換素子1が、順次n型-p型ーn型ーp型・・・をもって直列に接続するようにし、熱的には並列に配置されるようにする。
そして、このように多数の熱電変換素子が配列された低温側電極3側に位置する金属セグメントに絶縁シート14を介して低温側の熱伝達基板となるモジュール基板15を配置し、反対側に耐熱性絶縁シート16を介して高温側の熱伝達基板17を配置する。これら低温側のモジュール基板15および高温側の熱伝達基板17には、固定ねじ5の大径頭部とナット8とをそれぞれ挿入する透孔18および19が形成され、透孔18側からそれぞれ固定ねじ5を挿通して、その各先端をナット8に螺合してモジュール基板15と高温側熱電変換伝達板17との間に、複数組のπ型熱電変換装置9、したがって、多数の熱電変換変換素子1が配列されてなる大出力の熱電変換装置を構成する。このようにして、多数の熱電変換素子が直列に接続されて成る熱電変換装置において、その両端の熱電変換素子から、それぞれ出力が取り出される端子板18および19が導出される。

産業上の利用分野


本発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換装置に関わる。

特許請求の範囲 【請求項1】
相対向する金属セグメント間に、熱電変換材料よりなる熱電変換素子が挟み込まれ、これら金属セグメントと熱電変換素子とが、固定ねじによって結合されて成り、
一方の金属セグメントに、上記固定ねじの貫通孔が形成され、
上記熱電変換素子の中央部に、上記固定ねじの貫通孔が形成され、
他方の金属セグメントは、上記固定ねじの先端と螺合するねじ孔が形成され、
上記固定ねじを、上記一方の金属セグメントの貫通孔と、上記熱電変換素子の貫通孔を通じて、上記固定ねじの先端部を上記他方のセグメントのねじ孔に螺合させて、上記両金属セグメントと上記熱電変換素子とを結合して成ることを特徴とする熱電変換装置。

【請求項2】
相対向する金属セグメント間に、熱電変換材料よりなる熱電変換素子体が挟み込まれ、低温側にのみ熱伝達板となるモジュール基板が配置されて成り、
該モジュール基板と、上記熱電変換素子と、上記金属セグメントが固定ねじによって結合され、
上記モジュール基板と、上記熱電変換素子の低温側の金属セグメントとに、上記固定ねじの貫通孔が形成され、
上記熱電変換素子の中央部に、上記固定ねじの貫通孔が形成され、
上記熱電変換素子の高温側の金属セグメントに、上記固定ねじの先端と螺合するねじ孔が形成され、
上記固定ねじを、上記モジュール基板の貫通孔と、上記金属セグメントの貫通孔と、上記熱電変換素子の貫通孔を通じて、その先端部を上記他方のセグメントのねじ孔に螺合させて、上記モジュール基板と、上記両金属セグメントと上記熱電変換素子とを結合して成ることを特徴とする熱電変換装置。

【請求項3】
第1および第2の金属セグメントと、これら第1および第2のセグメントに差し渡って対向する第3の金属セグメントとを有し、これら互いに対向する上記第1および第3の金属セグメント間と、上記第2および第3の金属セグメント間とに、それぞれ互いに導電型を異にする半導体熱電変換材料よりなる対の第1および第2の熱電変換素子が挟み込まれ、これら第1の熱電変換素子と、これを挟み込む上記第1および第3の金属セグメントとが第1の固定ねじによって結合され、第2の熱電変換素子と、これを挟み込む上記第2および第3の金属セグメントとが第2の固定ねじによって結合され、
上記第1および第2の金属セグメントと、第3の金属セグメントとの、いずれか一方に、上記第1および第2の固定ねじの貫通孔が形成され、他方に上記第1および第2の固定ねじの先端と螺合するねじ孔が形成され、
上記第1および第2の熱電変換素子の各中央部に、上記固定ねじの貫通孔が形成され、
上記第1および第2の固定ねじを、対応する上記貫通孔に挿通し、各先端部を対応する上記ねじ孔に螺合させて、上記対向する第1および第3の金属セグメントとこれら間の上記第1の熱電変換素子とを結合すると共に、上記対向する第2および第3の金属セグメントとこれら間の上記第2の熱電変換素子とを結合して成ることを特徴とする熱電変換装置。

【請求項4】
第1および第2の金属セグメントと、これら第1および第2のセグメントに差し渡って対向する第3の金属セグメントとを有し、これら互いに対向する上記第1および第3の金属セグメント間と、上記第2および第3の金属セグメント間とに、それぞれ互いに導電型を異にする半導体熱電変換材料よりなる対の第1および第2の熱電変換素子が挟み込まれて構成される熱電変換装置の、低温側にのみ熱伝達板となるモジュール基板が配置されて成り、
該モジュール基板と、上記第1の熱電変換素子と、これを挟み込む上記第1および第3の金属セグメントとが第1の固定ねじによって結合されるとともに、上記モジュール基板と、上記第2の熱電変換素子と、これを挟み込む上記第2および第3の金属セグメントとが第2の固定ねじによって結合され、
上記モジュール基板および該モジュール基板側に配置された金属セグメントと、これとは反対側に配置された金属セグメントとのいずれか一方に上記第1および第2の固定ねじの貫通孔が形成され、他方に上記第1および第2の固定ねじと螺合するねじ溝が形成され、
上記第1および第2の熱電変換素子の各中央部に、それぞれ上記第1および第2の固定ねじの貫通孔が形成され、
上記第1および第2の固定ねじを、対応する貫通孔に挿通し、各先端部を対応する上記ねじ孔に螺合させて、上記第1の固定ねじによって上記対向する第1および第3の金属セグメントとこれら間の上記第1の熱電変換素子とを結合すると共に、上記第2の固定ねじによって上記対向する第2および第3の金属セグメントとこれら間の上記第2の熱電変換素子とを結合して成ることを特徴とする熱電変換装置。

【請求項5】
請求項2または4に記載の熱電変換装置において、
高温側に耐熱性薄膜が被着されたことを特徴とする熱電変換装置。

【請求項6】
低温側と高温側との間に発生する間隙部に耐熱性断熱材を充填したことを特徴とする請求項2、3、4または5に記載の熱電変換装置。

【請求項7】
上記耐熱性断熱材が水ガラスであることを特徴とする請求項6に記載の熱電変換装置。

【請求項8】
上記熱電変換素子と上記金属セグメントとの間に、金属ペーストを介在させたことを特徴とする請求項1、2、3、4、5、6または7に記載の熱電変換装置。

【請求項9】
上記金属ペーストが、室温から熱電変換装置の使用温度までの範囲において、液相金属と固相金属とが常に2相共存相を有する金属によって構成されてなることを特徴とする請求項8に記載の熱電変換装置。

【請求項10】
上記金属ペーストが、GaX In1-X と、MA およびMB の少なくとも一方とを含む組成を有し、
前記xは原子比で、0.1≦x≦0.2に選定され、
前記MA は、Au,Al,Bi,Cuのうちの少なくとも1種以上で、前記金属ペーストの全量に対して0~55重量%添加され、
前記MB は、SnおよびZnのうちの少なくとも1種以上で、前記金属ペーストの全量に対して0~100重量%添加されて成ることを特徴とする請求項8に記載の熱電変換装置。
国際特許分類(IPC)
画像

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出願権利状態 登録
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