热电转换装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供抑制由施加于热电转换模块的载荷的不均匀所致的热电转换元件的损伤的热电转换装置。热电转换装置包含：容器，其具有容器底部、与容器底部相对的容器顶部、配置于两者之间并且设置成能够伸缩的波纹部；热电转换模块，其收置于容器的内部；水冷套，其收置于容器的内部，与容器底部之间夹有热电转换模块，并且冷却热电转换模块的上部侧；4个按压棒，它们配置于水冷套与容器顶部之间；4个弹簧，它们在容器顶部的上方设置于4个部位，独立地调整经由容器顶部、各按压棒以及水冷套而赋予热电转换模块的载荷。
【专利说明】热电转换装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及利用施加于用了热电半导体的热电转换元件的温差进行发电的热电转换装置。
【背景技术】
[0002]一直以来，已知通过使用了发挥汤姆逊效应、珀尔帖效应或者塞贝克效应等热电效应的热电半导体的热电转换元件将热能转换成电能的热电转换装置。
[0003]这种热电转换装置多设置于高温环境下，为了抑制由温度上升所致的热电转换元件的劣化，多采用在具有气密性的容器(箱体)内收置有多个热电转换元件的构成。
[0004]作为这样的热电转换装置，已知如下的热电转换装置:在气密壳体的内部收置有多个热电转换模块，其中，所述气密壳体包含加热侧一半壳体以及冷却侧一半壳体，通过侧面在周向上形成为波浪形的挠性面构成冷却侧一半壳体与加热侧一半壳体的边界部，并且使该多个热电转换模块的一端侧与加热侧一半壳体接触，使该多个热电转换模块的另一端侧与冷却侧一半壳体接触(参照专利文献I)。
[0005]另外，已知如下的热电转换装置:在在形成于散热基板与盖体之间的气密空间的内部夹持有热电转换元件的热电发电模块的外壳中，通过对金属板进行加工并通过一体成型形成吸热面部、形成吸热面部与散热基板之间的侧壁的框体部和与散热基板相对的凸缘部从而形成盖体，在相对于散热基板压缩吸热面部或凸缘部的状态下，凸缘部气密地接合于散热基板，并且在框体部的中间部形成有弯曲部，该弯曲部在相对于散热基板压缩吸热面部或者凸缘部时以及盖体伴随着吸热面部的加热而热膨胀时，比其他的部分先弯曲以吸收压缩力以及热膨胀，保持散热基板与吸热面部对热电转换元件的夹持力(参照专利文献2)。
[0006]进而，已知如下的热电转换装置:具备:密闭容器，其由金属构件构成内部空间，第I主面与第2主面互相隔离并相对；绝缘层，其形成于第I主面上；布线层，其设置于绝缘层表面；多个热电转换元件，其一端固着地载置于布线层上并电连接；金属细线网，其配置于热电转换元件的另一端并多个热电转换元件之间电连接；和绝缘构件，其设置于金属细线网与第2主面之间，密闭容器具有以覆盖热电转换元件的上面以及侧面的方式由一体构件形成的盖(参照专利文献3)。
[0007]专利文献1:日本特开2011 - 238693号公报
[0008]专利文献2:日本特开2012 - 156227号公报
[0009]专利文献3:日本特许第4901350号公报实用新型内容
[0010]然而，在采用在容器内收置多个热电转换元件的构成的情况下，与容器内的热电转换元件的位置相应地，热电转换元件与容器的紧密接合状态不同。在这样的状态下，在热电转换元件与容器的紧密接合状态良好的部位与不良好的部位，热电转换效率会产生差异。另外，在经由容器向一部分热电转换元件施加显著较大的载荷那样的情况下，恐会在该热电转换元件上产生裂纹等损伤。
[0011]本实用新型的目的在于抑制由施加于热电转换模块的载荷的不均匀所致的热电转换元件的损伤。
[0012]本实用新型的热电转换装置，包含:容器，其具有底部、隔着空间与该底部相对的顶部和配置于该底部与该顶部之间并且设置成能够伸缩的波纹部，在内部形成有空间；热电转换模块，其由多个热电转换元件并排构成，并且收置于所述容器的所述内部；冷却部，其收置于所述容器的所述内部，通过被赋予从所述顶部朝向所述底部的载荷而在与所述底部之间夹入所述热电转换模块，并且冷却该热电转换模块的该顶部侧；和多个载荷调整部，其在所述容器的外侧与所述顶部相对地设有多个，能够分别独立地调整经由该顶部以及所述冷却部赋予所述热电转换模块的载荷。
[0013]在这样的热电转换装置中，其特征在于:还包括:座板，其设置成与所述底部相对；顶板，其设置成与所述顶部相对；和连接部，其在所述容器的外侧连接所述座板与所述顶板；多个所述载荷调整部分别具有:弹性构件，其配置于所述顶部与所述顶板之间；和调整构件，其安装成相对于所述顶板在从所述顶部朝向所述底部的方向上进退自如，通过在与该顶部之间夹入所述弹性构件来调整经由该弹性构件赋予该顶部的载荷，由此，在能够稳定地进行载荷调整部对容器的载荷赋予方面优选。
[0014]另外，其特征在于:还包含传递构件，其收置于所述容器的内部并且配置于所述顶部与所述冷却部之间，将施加于该顶部的载荷传递到该冷却部，由此在能够抑制冷却部对热电转换模块的冷却效率下降的方面优选。
[0015]进而，其特征在于:所述传递构件设有多个，并且所述传递构件分别配置于夹着所述顶部与多个所述载荷调整部分别相对的位置，由此在能够更可靠地进行对热电转换模块的载荷的调整的方面优选。
[0016]进而另外，其特征在于:所述热电转换元件包括含Sb (锑)并且具有填充方钴矿构造的热电半导体，由此，在能够在更高温的环境下进行热电转换的方面优选。
[0017]根据本实用新型，能够抑制由施加于热电转换模块的载荷的不均匀所致的热电转换元件的损伤。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是应用了实施方式的热电转换系统的俯视图。
[0019]图2是图1中的II —II剖视图。
[0020]图3是图1中的III—III剖视图。
[0021]图4是图1中的IV —IV剖视图。
[0022]图5是用于说明热电转换模块的构成的立体图。
[0023]附图标记说明
[0024]I…热电转换系统，2...热电转换装置，3...排气管，4...安装部，
[0025]10…座板,20…容器,21…容器底部,22...波纹部,23...容器顶部，
[0026]30…受:热板,40…热电转换模块,50…冷却机构,60...按压棒，
[0027]70...电流导入端子,80...热电偶端口，90...脱气.气体导入管，
[0028]100…顶板，110…支柱，120…底板固定部，130…顶板固定部，
[0029]140…弹簧，150…弹簧座部，160…弹簧保持部
【具体实施方式】
[0030]以下，参照附图对本实用新型的实施方式详细进行说明。
[0031]图1是应用了实施方式的热电转换系统I的俯视图。另外，图2是图1中的II 一II剖视图，图3是图1中的III—III剖视图，图4是图1中的IV —IV剖视图。该热电转换系统I例如用于将在垃圾焚烧站所产生的热能转换成电能。
[0032]本实施方式的热电转换系统I具备:排气管3，其供通过燃烧等而产生的高温废气通过；热电转换装置2，其将在排气管3中通过的废气的热转换成电力；和安装部4，其用于将热电转换装置2安装于排气管3。
[0033]在这里，排气管3是组装例如含不锈钢等的金属板而构成的，在该例子中，使得最高加热到800°C左右的废气在内部中通过。
[0034]另外，热电转换装置2具备:座板10，其形成为正方形状并且设置成其背面侧与排气管3接触(或者在排气管3内露出)；和容器20，其搭载于座板10的表面侧，并且在内部收置后述的热电转换模块40等。在这里，容器20具有:容器底部21 (底部的一例)，其形成为圆形状并且设置成其背面与座板10的表面接触；波纹部(褶皱部)22，其为圆筒状且其外周面形成为波纹状，并且设置成其下侧与容器底部21的表面接触；容器顶部23 (顶部的一例)，其形成为圆形状并且设置成其背面与波纹部22的上侧接触。而且，容器底部21以及波纹部22用螺栓等结合，并且波纹部22以及容器顶部23也用螺栓等结合，由此构成一体化的容器20。该容器20的波纹部22与施加于容器底部21与容器顶部23之间的载荷相应地伸缩，其结果，使得容器底部21与容器顶部23之间的距离能够改变。S卩，搭载于座板10的容器20具有能够在上方向A以及下方向B上伸缩的构成。
[0035]进而，热电转换装置2具备:受热板30，其形成为圆形状，并且设置成其背面与在容器20的内部露出的容器底部21的表面接触，由此经由座板10以及容器底部21从排气管3承受热；和多个热电转换模块40,它们搭载于受热板30的表面侧并将受热板30的热转换成电力。再者，对于热电转换模块40的构成将后述。
[0036]进而，热电转换装置2另外在容器20的内部具备冷却多个热电转换模块40的冷却机构50。该冷却机构50具有:水冷套51，其作为冷却部的一例，配置于多个热电转换模块40的上方，与受热板30之间夹入多个热电转换模块40，并且在其内侧设有供水通过的路径(未图示)；和2根水冷管52，它们安装于水冷套51的表面侧，针对水冷套51进行供水以及排水。在这里，2根水冷管52设置成，贯通于在容器20的容器顶部23所设置的孔，从容器20的内部向容器20的上方突出。
[0037]另外，热电转换装置2具有4根按压棒60，它们分别形成为圆柱状，并且设置为，在容器20的内部，各自的下侧的端部顶接于水冷套51的表面且各自的上侧端部顶接于容器顶部23的背面。这4根按压棒60形成为，在从上方观察热电转换装置2时，分别位于将容器20的容器顶部23的圆中央设为中心的正方形的4个顶点。
[0038]进而，热电转换装置2具备I个电流导入端子70、I个热电偶端口 80以及2根脱气?气体导入管90，它们分别贯通于在容器20的容器顶部23所设置的孔而配置。在这里，电流导入端子70用于将在设置于容器20内部的热电转换模块40所产生的电能(电流)向容器20的外部导出。另外，热电偶端口 80用于从容器20的外部将用于测定容器20内部的温度的热电偶(未图示)插入容器20的内部。进而，2根脱气?气体导入管90用于将容器20的内部抽真空或者通过空气和/或惰性气体(例如Ar (氩气))对容器20的内部进行填充。
[0039]进而，热电转换装置2另外具备:顶板100，其形成为十字状，并且在容器20的上方与容器顶部23隔着间隔而配置；4根支柱110，它们分别形成为圆柱状，通过将一端安装于座板10并且将另一端安装于顶板100的端部而从座板10侧支撑顶板100 ;底板固定部120，其将各支柱110的一端侧(下端侧)固定于座板10 ;和顶板固定部130，其将各支柱110的另一端侧(上端侧)固定于顶板100。在这里，各支柱110分别由在外周面上刻有螺纹牙的螺栓构成。与此相对，各底板固定部120以及各顶板固定部130分别由与相对应的支柱110 (螺栓)成对的螺母构成。而且，各支柱110配置成在容器20的外侧包围容器20。这4根支柱110形成为，在从上方观察热电转换装置2时，分别位于将顶板100的中央设为中心的正方形的4个顶点。
[0040]另外，热电转换装置2具备:4个弹簧140，它们配置于顶板100与容器20的容器顶部23之间且位于各按压棒60上方的位置；4个弹簧座部150，它们在容器20的容器顶部23的表面侧且在位于各按压棒60的上方的位置突出地设置，支撑相对应的弹簧140的下侧；和4个弹簧保持部160，它们分别设置成贯通在顶板100所设置的孔，并在顶板100的背面侧且在位于各按压棒60的上方的位置突出地配置，保持相对应的弹簧140的上侧。在这里，各弹簧保持部160由在外周面上刻有螺纹牙的螺栓构成，在设置于顶板100的各孔形成有与该螺纹牙相对应的螺纹槽(未图示)。而且，通过调整各弹簧保持部160相对于顶板100的旋入量，能够调整经由弹簧保持部160、弹簧140以及弹簧座部150从顶板100向容器20(容器顶部23)施加的载荷。在这里，在顶板100上，为了弹簧保持部160而设置的各孔与为了支柱110而设置的各孔相比，位于顶板100的中心侧。
[0041]在本实施方式中，4个弹簧140、4个弹簧座部150与4个弹簧保持部160具有作为多个载荷调整部的功能。另外，弹簧140作为弹性构件发挥作用，弹簧保持部160作为调整构件发挥作用。进而，4个支柱110具有作为连接部的功能。进而，4个按压棒60另外作为多个传递构件发挥作用。
[0042]再者，在热电转换装置2中，座板10、容器20、冷却机构50、按压棒60、热电偶端口80、脱气.气体导入管90、顶板100、支柱110、底板固定部120、顶板固定部130、弹簧140、弹簧座部150以及弹簧保持部160由耐热性以及耐腐蚀性优异的不锈钢构成。但是，对于冷却机构50中的水冷套51中与热电转换模块40相对的部位，例如由耐热性以及绝缘性优异的陶瓷材料(例如氧化铝陶瓷)构成。另一方面，受热板30例如由耐热性以及绝缘性优异的陶瓷材料(例如氧化铝陶瓷)构成。
[0043]另外，安装部4具备:固定用板4A，其形成为框缘状(口字状)，并且将热电转换装置2上的座板10的外边缘部按压到排气管3上；和固定用螺栓4B，其对固定用板4A相对于排气管3螺纹止动，由此经由座板10将热电转换装置2相对于排气管3固定。再者，这些固定用板4A以及固定用螺栓4B也由耐热性以及耐腐蚀性优异的不锈钢构成。
[0044]接下来，对设置于热电转换装置2的热电转换模块40进行说明。
[0045]图5是用于说明热电转换模块40的构成的立体图。但是，在图5中，同时表示了搭载有热电转换模块40的受热板30。
[0046]本实施方式的热电转换模块40构成为，以P型热电转换元件41与η型热电转换元件42交替的方式经由多个电极43将多个P型热电转换元件41与多个η型热电转换元件42接合，而且，经由接合部44将多个电极43中位于下方侧的一部分电极43接合于受热板30。在这里，多个P型热电转换元件41与多个η型热电转换元件42构成为，交替地设置间隔而配置，并且相邻的P型热电转换元件41的η型热电转换元件42在电的方式串联配置而在热的方面并联配置。再者，在图5中，表示了在受热板30之上搭载有I个热电转换模块40的情况，但在本实施方式的热电转换装置2中，实际上在受热板30之上搭载有多个热电转换模块40。
[0047]在本实施方式中，P型热电转换元件41以及η型热电转换元件42分别具有长方体状的形状。另外，P型热电转换元件41包括含SB (锑)并且具有填充方钴矿构造且添加有P型杂质的热电半导体，η型热电转换元件42包括含SB (锑)并且具有填充方钴矿构造且添加有η型杂质的热电半导体。再者，在P型热电转换元件41与对应的电极43之间以及η型热电转换元件42与相对应的电极43之间，能够根据必要设置对施加于它们之间的应力进行缓和的应力缓和层。
[0048]接下来，对由本实施方式的热电转换系统I进行的发电工作(热电转换工作)进行说明。
[0049]再者，在初始状态即被加热为高温的废气通过排气管3内前的状态下，在热电转换装置2，使用了脱气?气体导入管90进行容器20内部的脱气，然后，使用了脱气?气体导入管90向容器20内供给Ar气。由此，容器20在在其内部以I个大气压的压力填充有Ar气的状态下密闭。
[0050]接下来，若伴随着燃烧等被加热到高温的废气在排气管3内通过，则在热电转换装置2中通过该废气经由座板10、容器20的容器底部21以及受热板30加热热电转换模块40的下侧。另一方面，在热电转换装置2中，由冷却机构50经由水冷套51冷却热电转换模块40的上侧。其结果，通过在热电转换模块40的下侧与上侧产生的温差来进行热电转换，热电转换模块40输出电流。而且，从热电转换模块40输出的电流经由电流导入端子70被取出到热电转换装置2的外部。
[0051]在热电转换装置2中，为了提高各热电转换模块40的热电转换效率，重要的是提高从座板10经由容器底部21以及受热板30向热电转换模块40的背面侧传递的热(高温度)的传递效率以及提高从水冷套51向热电转换模块40的表面侧传递的热(低温度)的传递效率。为了简易地实现这一点，就要求提高从座板10至热电转换模块40的背面侧的各构件的紧密接合性，另外提高水冷套51与热电转换模块40的表面侧的紧密接合性。
[0052]在这里，在本实施方式的热电转换装置2中，在容器20内，各热电转换模块40的背面侧经由受热板30被支撑于容器20的容器底部21。另外，在容器20内，各热电转换模块40的表面侧经由冷却机构50的水冷套51以及4根按压棒60被支撑于容器20的容器顶部23。进而，在容器20内，容器底部21以及容器顶部23经由波纹部22而一体化，对波纹部22施加有要使其在上下方向上缩短的力(朝向下方向B的力)。
[0053]因此，在位于容器底部21以及受热板30之上的各热电转换模块40上，经由波纹部22、容器顶部23、4根按压棒60以及水冷套51，施加使其要按压于受热板30的载荷。其结果，在容器20的内部，容器底部21与受热板30的紧密接合度、受热板30与各热电转换模块40的背面侧的紧密接合度、各热电转换模块40的表面侧与水冷套51的紧密接合度分另1J升闻。
[0054]另外，在本实施方式的热电转换装置2中，在容器20外，容器20的容器底部21的背面侧被支撑于座板10。另外，在容器20外，容器20的容器顶部23的表面侧经由4个弹簧座部150、4个弹簧140以及4个弹簧保持部160被支撑于顶板100。进而，座板10与顶板100经由4个支柱110、4个底板固定部120以及4个顶板固定部130而一体化。进而，另外在被在顶板100所安装的各弹簧保持部160与在容器20的容器顶部23所设置的各弹簧座部150所夹之间的各弹簧140上，施加有要使其在上下方向上伸长的力。
[0055]因此，在容器20的容器顶部23上，经由各弹簧140以及各弹簧座部150施加有要将其按压到下侧(座板10侧)的载荷。其结果，座板10与容器底部21的紧密接合度升高。另外，通过由各弹簧140施加的载荷，在容器20的内部，容器底部21与受热板30的紧密接合度、受热板30与各热电转换模块40的背面侧的紧密接合度、各热电转换模块40的表面侧与水冷套51的紧密接合度分别进一步升高。
[0056]故，通过采用这样的构成，能够提高本实施方式的热电转换装置2中的热电转换效率。
[0057]另外，如本实施方式，在使用多个热电转换元件构成热电转换模块40的情况下，要求对构成热电转换模块40的各热电转换元件均匀地施加载荷。另外，如本实施方式，在使用多个热电转换模块40的情况下，要求对各热电转换模块40均匀地施加载荷。在这里，在施加于热电转换模块40的载荷产生不均勻的情况下,对于被施加相对较大的载荷的部位，热电转换模块40与其他的构成构件的紧密接合性升高，另一方面，对于被施加相对较小的载荷的部位，热电转换模块40与其他的构成构件的紧密接合性降低，作为结果导致热电转换效率下降。另外，在施加于热电转换模块40的载荷显著不均匀的情况下，在被施加相对较大的载荷的部位，恐会在热电转换元件上产生裂纹等损伤。
[0058]与此相对，在本实施方式的热电转换装置2中，安装于顶板100的4根弹簧保持部160构成为能够分别独立地调整旋入量。即，使得能够对从容器20的外部向在容器20的内部所配置的多个热电转换模块40施加载荷的4根弹簧140分别独立地调整载荷。由此，能够抑制施加于各热电转换模块40的载荷以及施加于构成各热电转换模块40的各热电转换元件的载荷的不均匀，能够抑制由偏载荷所致的热电转换效率的下降以及一部分热电转换元件的损伤。
[0059]再者，在本实施方式中，以作为热电转换元件使用包含SB(锑)并且具有填充方钴矿构造的热电半导体的情况为例进行了说明，但并不限定于此，也能够应用于采用了以各种热电半导体为材料的热电转换元件的情况。
【权利要求】
1.一种热电转换装置，其特征在于，包括: 容器，其具有底部、隔着空间与该底部相对的顶部和配置于该底部与该顶部之间并且设置成能够伸缩的波纹部，在内部形成有空间； 热电转换模块，其由多个热电转换元件并排构成，并且收置于所述容器的所述内部；冷却部，其收置于所述容器的所述内部，通过被赋予从所述顶部朝向所述底部的载荷而在与所述底部之间夹入所述热电转换模块，并且冷却该热电转换模块的该顶部侧；和多个载荷调整部，其在所述容器的外侧与所述顶部相对地设有多个，能够分别独立地调整经由该顶部以及所述冷却部赋予所述热电转换模块的载荷。
2.根据权利要求1所述的热电转换装置，其特征在于: 还包括: 座板，其设置成与所述底部相对； 顶板，其设置成与所述顶部相对；和 连接部，其在所述容器的外侧连接所述座板与所述顶板； 多个所述载荷调整部分别具有: 弹性构件，其配置于所述顶部与所述顶板之间；和 调整构件，其安装成相对于所述顶板在从所述顶部朝向所述底部的方向上进退自如，通过在与该顶部之间夹入所述弹性构件来调整经由该弹性构件赋予该顶部的载荷。
3.根据权利要求1或2所述的热电转换装置，其特征在于: 还包含传递构件，其收置于所述容器的内部并且配置于所述顶部与所述冷却部之间，将施加于该顶部的载荷传递到该冷却部。
4.根据权利要求3所述的热电转换装置，其特征在于: 所述传递构件设有多个， 并且所述传递构件分别配置于夹着所述顶部与多个所述载荷调整部分别相对的位置。
5.根据权利要求1或2所述的热电转换装置，其特征在于: 所述热电转换元件包括含Sb(锑)并且具有填充方钴矿构造的热电半导体。
【文档编号】H01L35/32GK204179110SQ201420642462
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年1月9日
【发明者】吉田泰隆, 中岛健一朗 申请人:昭和电工株式会社