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公開番号2025115406
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-08-07
出願番号2022101667
出願日2022-06-24
発明の名称熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールの製造方法
出願人古河電気工業株式会社,国立大学法人東京大学,学校法人早稲田大学
代理人個人,個人
主分類H10N 10/17 20230101AFI20250731BHJP()
要約【課題】熱電変換モジュールの出力密度を向上する。
【解決手段】熱電変換モジュール1は、第1放熱シート部11、低温側第1電極部12及び低温側第2電極部13を有する低温側第1部材10、第2放熱シート部21、低温側第3電極部22及び低温側第4電極部23を有する低温側第2部材20、高温側第1電極部91を備える第1集熱シート部90と、高温側第2電極部101及び高温側第3電極部102を備える第2集熱シート部100と、高温側第4電極部111を備える第3集熱シート部110と、を有する高温側部材80、低温側第1電極部及び高温側第1電極部に電気的に接合する第1熱電変換素子60、低温側第2電極部及び高温側第2電極部に電気的に接合する第2熱電変換素子61、低温側第3電極部及び高温側第3電極部に電気的に接合する第3熱電変換素子62及び低温側第4電極部及び高温側第4電極部に電気的に接合する第4熱電変換素子63を備える。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
温度差のある使用環境下にて、
低温側に配設され、第１放熱シート部と低温側第１電極部と低温側第２電極部とを有する低温側第１部材と、
低温側に配設され、第２放熱シート部と低温側第３電極部と低温側第４電極部とを有する低温側第２部材と、
高温側に配設され、高温側第１電極部を備える第１集熱シート部と、高温側第２電極部および高温側第３電極部を備える第２集熱シート部と、高温側第４電極部を備える第３集熱シート部と、を有する高温側部材と、
前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部に電気的に接合された第１熱電変換素子と、
前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部に電気的に接合された第２熱電変換素子と、
前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部に電気的に接合された第３熱電変換素子と、
前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部に電気的に接合された第４熱電変換素子と、
を備え、
前記低温側第１電極部は、前記第１放熱シート部の面内から前記第１集熱シート部に向かって延在し、
前記低温側第２電極部は、前記第１放熱シート部の面内から前記第２集熱シート部に向かって延在し、
前記低温側第３電極部は、前記第２放熱シート部の面内から前記第２集熱シート部に向かって延在し、
前記低温側第４電極部は、前記第２放熱シート部の面内から前記第３集熱シート部に向かって延在し、
前記高温側第１電極部は、前記第１集熱シート部の面内から前記第１放熱シート部に向かって延在し、
前記高温側第２電極部は、前記第２集熱シート部の面内から前記第１放熱シート部に向かって延在し、
前記高温側第３電極部は、前記第２集熱シート部の面内から前記第２放熱シート部に向かって延在し、
前記高温側第４電極部は、前記第３集熱シート部の面内から前記第２放熱シート部に向かって延在し、
前記第２集熱シート部から前記第１放熱シート部までの高さは、前記第２集熱シート部から前記第２放熱シート部までの高さと異なる、
熱電変換モジュール。
続きを表示（約 2,100 文字）【請求項２】
前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、および前記高温側部材は、薄板または箔である、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、および前記高温側部材は、銅または銅合金である、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれはんだを介して接合されている、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合されている、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記第３集熱シート部は、高温側第５電極部をさらに備え、
前記高温側部材は、高温側第６電極部を備える第４集熱シート部をさらに有し、
前記熱電変換モジュールは、
低温側に配設され、第３放熱シート部と低温側第５電極部と低温側第６電極部とを有する低温側第３部材と、
前記低温側第５電極部および前記高温側第５電極部に電気的に接合された第５熱電変換素子と、
前記低温側第６電極部および前記高温側第６電極部に電気的に接合された第６熱電変換素子と、
をさらに備え、
前記低温側第５電極部は、前記第３放熱シート部の面内から前記第３集熱シート部に向かって延在し、
前記低温側第６電極部は、前記第３放熱シート部の面内から前記第４集熱シート部に向かって延在し、
前記高温側第５電極部は、前記第３集熱シート部の面内から前記第３放熱シート部に向かって延在し、
前記高温側第６電極部は、前記第４集熱シート部の面内から前記第３放熱シート部に向かって延在し、
前記第２集熱シート部から前記第１放熱シート部までの高さ、前記第２集熱シート部から前記第２放熱シート部までの高さ、および前記第２集熱シート部から前記第３放熱シート部までの高さがそれぞれ異なる、
請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、前記低温側第３部材、および前記高温側部材は、薄板または箔である、請求項６に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、前記低温側第３部材、および前記高温側部材は、銅または銅合金である、請求項６に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第５熱電変換素子は前記低温側第５電極部および前記高温側第５電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第６熱電変換素子は前記低温側第６電極部および前記高温側第６電極部にそれぞれはんだを介して接合されている、請求項６に記載の熱電変換モジュール。
【請求項１０】
前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第５熱電変換素子は前記低温側第５電極部および前記高温側第５電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第６熱電変換素子は前記低温側第６電極部および前記高温側第６電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合されている、請求項６に記載の熱電変換モジュール。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールの製造方法に関する。
続きを表示（約 7,200 文字）【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールは、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。熱電変換を実際に行う場合、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とを用い、これらを交互に電気的に直列に接続する構造を採用するのが一般的である。このような熱電変換モジュールは、産業・民生用プロセスや移動体から排出される熱を有効利用して電力に変換することができるため、熱電変換は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。
【０００３】
従来技術の熱電変換モジュールとして、例えば特許文献１には、蛇腹状モジュール帯および線状部材を有し、蛇腹状モジュール帯が、絶縁性基板、絶縁性基板の主面上に予め設定された間隔で配置された複数の熱電変換層、および絶縁性基板の主面上に各熱電変換層を挟んで配置される複数の配線部材を備え、交互に山折りまたは谷折りされて蛇腹構造に形成され、絶縁性基板の蛇腹状の折り返しによる複数の板状部それぞれに形成される複数の貫通孔を有する、熱電変換デバイスが記載されている。そして、特許文献１の熱電変換デバイスは、自己支持性および設置性が高い、と記載されている。
【０００４】
しかしながら、特許文献１の熱電変換デバイスでは、出力を向上するために、熱電変換デバイスの設置面積を大きくする必要があり、省スペース化は容易ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
国際公開第２０１７／０３８５２５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本開示の目的は、設置面積に対する出力密度を向上できる熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］温度差のある使用環境下にて、低温側に配設され、第１放熱シート部と低温側第１電極部と低温側第２電極部とを有する低温側第１部材と、低温側に配設され、第２放熱シート部と低温側第３電極部と低温側第４電極部とを有する低温側第２部材と、高温側に配設され、高温側第１電極部を備える第１集熱シート部と、高温側第２電極部および高温側第３電極部を備える第２集熱シート部と、高温側第４電極部を備える第３集熱シート部と、を有する高温側部材と、前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部に電気的に接合された第１熱電変換素子と、前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部に電気的に接合された第２熱電変換素子と、前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部に電気的に接合された第３熱電変換素子と、前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部に電気的に接合された第４熱電変換素子と、を備え、前記低温側第１電極部は、前記第１放熱シート部の面内から前記第１集熱シート部に向かって延在し、前記低温側第２電極部は、前記第１放熱シート部の面内から前記第２集熱シート部に向かって延在し、前記低温側第３電極部は、前記第２放熱シート部の面内から前記第２集熱シート部に向かって延在し、前記低温側第４電極部は、前記第２放熱シート部の面内から前記第３集熱シート部に向かって延在し、前記高温側第１電極部は、前記第１集熱シート部の面内から前記第１放熱シート部に向かって延在し、前記高温側第２電極部は、前記第２集熱シート部の面内から前記第１放熱シート部に向かって延在し、前記高温側第３電極部は、前記第２集熱シート部の面内から前記第２放熱シート部に向かって延在し、前記高温側第４電極部は、前記第３集熱シート部の面内から前記第２放熱シート部に向かって延在し、前記第２集熱シート部から前記第１放熱シート部までの高さは、前記第２集熱シート部から前記第２放熱シート部までの高さと異なる、熱電変換モジュール。
［２］前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、および前記高温側部材は、薄板または箔である、上記［１］に記載の熱電変換モジュール。
［３］前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、および前記高温側部材は、銅または銅合金である、上記［１］または［２］に記載の熱電変換モジュール。
［４］前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれはんだを介して接合されている、上記［１］～［３］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［５］前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合されている、上記［１］～［３］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［６］前記第３集熱シート部は、高温側第５電極部をさらに備え、前記高温側部材は、高温側第６電極部を備える第４集熱シート部をさらに有し、前記熱電変換モジュールは、低温側に配設され、第３放熱シート部と低温側第５電極部と低温側第６電極部とを有する低温側第３部材と、前記低温側第５電極部および前記高温側第５電極部に電気的に接合された第５熱電変換素子と、前記低温側第６電極部および前記高温側第６電極部に電気的に接合された第６熱電変換素子と、をさらに備え、前記低温側第５電極部は、前記第３放熱シート部の面内から前記第３集熱シート部に向かって延在し、前記低温側第６電極部は、前記第３放熱シート部の面内から前記第４集熱シート部に向かって延在し、前記高温側第５電極部は、前記第３集熱シート部の面内から前記第３放熱シート部に向かって延在し、前記高温側第６電極部は、前記第４集熱シート部の面内から前記第３放熱シート部に向かって延在し、前記第２集熱シート部から前記第１放熱シート部までの高さ、前記第２集熱シート部から前記第２放熱シート部までの高さ、および前記第２集熱シート部から前記第３放熱シート部までの高さがそれぞれ異なる、上記［１］に記載の熱電変換モジュール。
［７］前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、前記低温側第３部材、および前記高温側部材は、薄板または箔である、上記［６］に記載の熱電変換モジュール。
［８］前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、前記低温側第３部材、および前記高温側部材は、銅または銅合金である、上記［６］または［７］に記載の熱電変換モジュール。
［９］前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第５熱電変換素子は前記低温側第５電極部および前記高温側第５電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第６熱電変換素子は前記低温側第６電極部および前記高温側第６電極部にそれぞれはんだを介して接合されている、上記［６］～［８］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［１０］前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第５熱電変換素子は前記低温側第５電極部および前記高温側第５電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第６熱電変換素子は前記低温側第６電極部および前記高温側第６電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合されている、上記［６］～［８］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［１１］前記高温側部材は、高温側第７電極部を備える第５集熱シート部と、高温側第８電極部および高温側第９電極部を備える第６集熱シート部と、高温側第１０電極部を備える第７集熱シート部と、をさらに有し、前記熱電変換モジュールは、低温側に配設され、第４放熱シート部と低温側第７電極部と低温側第８電極部とを有する低温側第４部材と、低温側に配設され、第５放熱シート部と低温側第９電極部と低温側第１０電極部とを有する低温側第５部材と、前記低温側第７電極部および前記高温側第７電極部に電気的に接合された第７熱電変換素子と、前記低温側第８電極部および前記高温側第８電極部に電気的に接合された第８熱電変換素子と、前記低温側第９電極部および前記高温側第９電極部に電気的に接合された第９熱電変換素子と、前記低温側第１０電極部および前記高温側第１０電極部に電気的に接合された第１０熱電変換素子と、をさらに備え、前記低温側第７電極部は、前記第４放熱シート部の面内から前記第５集熱シート部に向かって延在し、前記低温側第８電極部は、前記第４放熱シート部の面内から前記第６集熱シート部に向かって延在し、前記低温側第９電極部は、前記第５放熱シート部の面内から前記第６集熱シート部に向かって延在し、前記低温側第１０電極部は、前記第５放熱シート部の面内から前記第７集熱シート部に向かって延在し、前記高温側第７電極部は、前記第５集熱シート部の面内から前記第４放熱シート部に向かって延在し、前記高温側第８電極部は、前記第６集熱シート部の面内から前記第４放熱シート部に向かって延在し、前記高温側第９電極部は、前記第６集熱シート部の面内から前記第５放熱シート部に向かって延在し、前記高温側第１０電極部は、前記第７集熱シート部の面内から前記第５放熱シート部に向かって延在し、前記第６集熱シート部から前記第４放熱シート部までの高さは、前記第６集熱シート部から前記第５放熱シート部までの高さと異なる、上記［１］に記載の熱電変換モジュール。
［１２］前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、前記低温側第４部材、前記低温側第５部材、および前記高温側部材は、薄板または箔である、上記［１１］に記載の熱電変換モジュール。
［１３］前記低温側第１部材、前記低温側第２部材、前記低温側第４部材、前記低温側第５部材、および前記高温側部材は、銅または銅合金である、上記［１１］または［１２］に記載の熱電変換モジュール。
［１４］前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第７熱電変換素子は前記低温側第７電極部および前記高温側第７電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第８熱電変換素子は前記低温側第８電極部および前記高温側第８電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第９熱電変換素子は前記低温側第９電極部および前記高温側第９電極部にそれぞれはんだを介して接合され、前記第１０熱電変換素子は前記低温側第１０電極部および前記高温側第１０電極部にそれぞれはんだを介して接合されている、上記［１１］～［１３］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［１５］前記第１熱電変換素子は前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第２熱電変換素子は前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第３熱電変換素子は前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第４熱電変換素子は前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第７熱電変換素子は前記低温側第７電極部および前記高温側第７電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第８熱電変換素子は前記低温側第８電極部および前記高温側第８電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第９熱電変換素子は前記低温側第９電極部および前記高温側第９電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合され、前記第１０熱電変換素子は前記低温側第１０電極部および前記高温側第１０電極部にそれぞれ銀系材料を介して接合されている、上記［１１］～［１３］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［１６］前記熱電変換素子は、クラスレート化合物である、上記［１］～［１５］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［１７］前記熱電変換素子は、ＢａとＧａとＳｎとを含むクラスレート化合物である、上記［１］～［１５］のいずれか１つに記載の熱電変換モジュール。
［１８］上記［１］に記載の熱電変換モジュールを製造する熱電変換モジュールの製造方法であって、熱伝導材料シートと前記熱伝導材料シート上に設けられる電気絶縁シートとを備える基材を切断加工し、第１放熱シート部と低温側第１電極部と低温側第２電極部とを有する低温側第１部材、第２放熱シート部と低温側第３電極部と低温側第４電極部とを有する低温側第２部材、高温側第１電極部を備える第１集熱シート部、高温側第２電極部と高温側第３電極部とを備える第２集熱シート部、および高温側第４電極部を備える第３集熱シート部を形成する、切断工程と、前記低温側第１電極部および前記高温側第１電極部に対して第１熱電変換素子を、前記低温側第２電極部および前記高温側第２電極部に対して第２熱電変換素子を、前記低温側第３電極部および前記高温側第３電極部に対して第３熱電変換素子を、前記低温側第４電極部および前記高温側第４電極部に対して第４熱電変換素子を、それぞれ接合する、接合工程と、前記第１放熱シート部と前記低温側第１電極部との間、前記第１放熱シート部と前記低温側第２電極部との間、前記第２放熱シート部と前記低温側第３電極部との間、前記第２放熱シート部と前記低温側第４電極部との間、前記第１集熱シート部と前記高温側第１電極部との間、前記第２集熱シート部と前記高温側第２電極部との間、前記第２集熱シート部と前記高温側第３電極部との間、前記第３集熱シート部と前記高温側第４電極部との間を、それぞれ折り曲げ、前記第２集熱シート部から前記第１放熱シート部までの高さと、前記第２集熱シート部から前記第２放熱シート部までの高さとを異にする、折り曲げ工程と、を有する熱電変換モジュールの製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、設置面積に対する出力密度を向上できる熱電変換モジュールおよび熱電変換モジュールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図１は、第１実施形態の熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。
図２は、第１実施形態の熱電変換モジュールの一例を示す正面図である。
図３は、第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法に用いる基材の一例を示す斜視図である。
図４は、第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法における切断工程の一例を示す斜視図である。
図５は、第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法における切断工程で得られる切断基材の一例を示す斜視図である。
図６は、第１実施形態の熱電変換モジュールの製造方法における接合工程の一例を示す斜視図である。
図７は、第２実施形態の熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。
図８は、第２実施形態の熱電変換モジュールの一例を示す正面図である。
図９は、第３実施形態の熱電変換モジュールの一例を示す斜視図である。
図１０は、第３実施形態の熱電変換モジュールの一例を示す正面図である。
図１１は、第３実施形態の熱電変換モジュールの他の例を示す斜視図である。
図１２は、第３実施形態の熱電変換モジュールの他の例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、実施形態に基づき詳細に説明する。
（【００１１】以降は省略されています）

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