JP2003124531A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】高い放熱・吸熱効率を達成することができ、併
せて熱応力に起因する損傷を未然に防止し得る熱電モジ
ュールを提供する。 【解決手段】所定個数の熱電半導体素子Ｐ、Ｎを平面状
に配列し、各熱電半導体素子Ｐ、Ｎの一方の面に一方側
電極２、２…を取付けるとともに、各熱電半導体素子
Ｐ、Ｎの他方の面に他方側電極３、３…を取付けること
によって、全ての熱電半導体素子Ｐ、Ｎを直列接続して
成り、一方側電極２、２…に放熱／吸熱用のフィン(伝
熱フィン)２Ｆ、２Ｆ…を形成するとともに、他方側電
極３、３…に放熱／吸熱用のフィン(伝熱フィン)３Ｆ、
３Ｆ…を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、所定個数の熱電半
導体素子を平面状に配列し、各熱電半導体素子の一方面
に一方側電極を取付けるとともに、各熱電半導体素子の
他方面に他方側電極を取付け、全ての熱電半導体素子を
直列接続して成る熱電モジュールに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】図８に示す従来の熱電装置Ａは、熱電モ
ジュールＭの両面（吸熱面および放熱面）に、フィンの
設けられたヒートシンクＦを取付けることによって構成
されている。 【０００３】ここで、熱電モジュールＭは、所定個数の
熱電半導体素子（Ｐ型素子およびＮ型素子）Ｐ、Ｎを平
面状に配列し、これら熱電半導体素子Ｐ、Ｎの一方面
（図中の上方面）に一方側電極Ｔａ、Ｔａ…を取付ける
とともに、各熱電半導体素子Ｐ、Ｎの他方面（図中の下
方面）に他方側電極Ｔｂ、Ｔｂ…を取付け、全ての熱電
半導体素子Ｐ、Ｎを直列接続することによって構成され
ている。 【０００４】一方、フィンを備えたヒートシンクＦは、
熱電モジュールＭの放熱・吸熱効率を向上させる目的で
取付けられており、一般に熱伝導率の高いアルミニウム
等の金属材料から形成されている。 【０００５】また、一対のヒートシンクＦ、Ｆは、ボル
トＢ、Ｂを用いて互いに締結することにより、熱電モジ
ュールＭを挟み込む格好で所定位置に取付けられてい
る。 【０００６】さらに、熱電モジュールＭにおける一方側
電極Ｔａおよび他方側電極Ｔｂと、上述の如く金属材料
から成る各ヒートシンクＦとの間には、電気的絶縁を目
的としてセラミックス等の絶縁体Ｇが介装されている。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の熱電装置Ａでは、熱電モジュールＭと各ヒートシン
クＦとの間に絶縁体Ｇが介装されているため、熱電モジ
ュールＭと各ヒートシンクＦとの間での熱抵抗が増大
し、熱電モジュールＭの放熱・吸熱効率が低下してしま
う不都合があった。 【０００８】ここで、上述した不都合を解消するべく、
各ヒートシンクＦを樹脂等の非電気伝導性材料から形成
して、絶縁体Ｇを不要とする構成も考えられるものの、
非電気伝導性材料の熱抵抗は金属材料に比べ大きいた
め、熱電モジュールＭにおける放熱・吸熱効率の低下を
解消することは難しい。 【０００９】一方、上述した従来の熱電装置Ａでは、そ
の稼働時、熱電モジュールＭの吸熱面に取付けられたヒ
ートシンクＦと、放熱面に取付けられたヒートシンクＦ
との温度差に起因して、熱電モジュールＭに熱応力が作
用することとなり、熱電半導体素子Ｐ、Ｎの寿命が短縮
したり、熱電モジュールＭが損傷する等の問題を生じて
いた。 【００１０】本発明は上記実状に鑑みて、高い放熱・吸
熱効率を達成することができ、併せて熱応力に起因する
損傷を未然に防止し得る熱電モジュールの提供を目的と
するものである。 【００１１】 【課題を解決するための手段および効果】上記目的を達
成するべく、本発明に関わる熱電モジュールは、所定個
数の熱電半導体素子を平面状に配列し、各熱電半導体素
子の一方面に一方側電極を取付けるとともに、各熱電半
導体素子の他方面に他方側電極を取付け、全ての熱電半
導体素子を直列に接続して成る熱電モジュールにおい
て、一方側電極および他方側電極の少なくとも一方に伝
熱フィンを形成して成ることを特徴とする。 【００１２】上記構成によれば、一方側電極／他方側電
極に伝熱フィンを直接に形成したことで、フィンの設け
られたヒートシンクを熱電モジュールに取付けていた従
来の装置に対して、絶縁体の介在による熱抵抗がなくな
るために、熱電モジュールにおける放熱・吸熱効率が格
段に向上することとなる。 【００１３】また、上記構成によれば、一方側電極／他
方側電極に伝熱フィンを直接に形成したことで、熱電モ
ジュールを挟んだ一対のヒートシンクをボルトで締結し
ている従来の装置の如き熱応力が発生しないので、熱電
モジュールに不用意な熱応力が作用することもない。 【００１４】したがって、本発明に関わる熱電モジュー
ルによれば、高い放熱・吸熱効率を達成することがで
き、併せて熱応力に起因する損傷を未然に防止すること
が可能となる。 【００１５】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を、図面を
参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明に関わる
熱電モジュールの一実施例を示すものであり、この熱電
モジュール１は、所定個数の熱電半導体素子（Ｐ型素子
およびＮ型素子）Ｐ、Ｎを平面状に配列し、これら熱電
半導体素子Ｐ、Ｎの一方面（図１(ａ)中の上方面）に一
方側電極２、２…を取付けるとともに、各熱電半導体素
子Ｐ、Ｎの他方面（図１(ｂ)中の下方面）に他方側電極
３、３…を取付け、全ての熱電半導体素子Ｐ、Ｎを直列
接続することにより構成されている。 【００１６】ここで、所定個数の熱電半導体素子Ｐと熱
電半導体素子Ｎとは、交互に配置されて格子状にレイア
ウトされており、これら各熱電半導体素子Ｐ、Ｎに対し
て各一方側電極２と各他方側電極３とがハンダ付けによ
って接続され、さらに各熱電半導体素子Ｐ、Ｎの間隙に
は、熱伝導率の低いモールド樹脂やシリコンシーラント
等の絶縁体４が充填されている。 【００１７】図１に示す如く、一方側電極２は、熱電半
導体素子Ｐ、Ｎに接続された矩形状を成すベース部２Ｂ
と、該ベース部２Ｂの外方面（図１(ｂ)中の上方面）に
設けられた多数の放熱／吸熱用のフィン(伝熱フィン)２
Ｆ、２Ｆ…とを有しており、上記ベース部２Ｂと各フィ
ン２Ｆ、２Ｆ…とは、銅(Ｃｕ)やアルミニウム(Ａｌ)
等、電気導電性が良好でかつ熱伝導率の高い金属材料を
用いて一体に形成されている。 【００１８】また、他方側電極３も上述した一方側電極
２と同じく、熱電半導体素子Ｐ、Ｎに接続された矩形状
を成すベース部３Ｂと、該ベース部３Ｂの外方面（図１
(ｂ)中の下方面）に設けられた多数の放熱／吸熱用のフ
ィン(伝熱フィン)３Ｆ、３Ｆ…とを有しており、上記ベ
ース部３Ｂと各フィン３Ｆ、３Ｆ…とは、銅(Ｃｕ)やア
ルミニウム(Ａｌ)等、電気導電性が良好で熱伝導率の高
い金属材料を用いて一体に形成されている。 【００１９】上述した構成の熱電モジュール１によれ
ば、一方側電極２および他方側電極３に、フィン２Ｆお
よびフィン３Ｆを直接に形成したことで、フィンの設け
られたヒートシンクを熱電モジュールに取付けていた従
来の装置（図８参照）に対し、絶縁体の介在による熱抵
抗がなくなるため、上記熱電モジュール１における放熱
・吸熱効率が格段に向上することとなる。 【００２０】さらに、銅(Ｃｕ)やアルミニウム(Ａｌ)
等、電気導電性が良好で熱伝導率の高い(熱抵抗の低い)
金属材料を用いて、一方側電極２および他方側電極３を
構成するため、熱電モジュール１における更なる放熱・
吸熱効率の向上が期待できる。 【００２１】また、上述した構成の熱電モジュール１に
よれば、一方側電極２および他方側電極３に、フィン２
Ｆおよびフィン３Ｆを直接に形成しているため、熱電モ
ジュールを挟んだ一対のヒートシンクをボルトで締結し
ている従来の装置(図８参照)の如き熱応力が発生するこ
とがなく、その稼働時に熱電モジュール１に対して不用
意な熱応力が作用しないので、熱応力に起因する損傷を
未然に防止することができ、もって熱電モジュールの耐
久性が格段に向上することとなる。 【００２２】さらに、従来の装置(図８参照)におけるヒ
ートシンクを採用していないため、熱電モジュール１の
外観は極めてコンパクトであり、また構造が簡単である
ために生産性も極めて良好なものとなる。 【００２３】また、上述した熱電モジュール１の一方側
電極２および他方側電極３では、矩形状を呈する平板な
ベース部２Ｂおよびベース部３Ｂに、フィン２Ｆおよび
フィン３Ｆを形成しているため、熱電半導体素子Ｐ、Ｎ
と一方側電極２および他方側電極３とは、ベース部２Ｂ
およびベース部３Ｂによって十分な接続面積が確保され
ることとなり、もって従来からの熱電モジュールと同等
の構造上の信頼性を得ることができる。 【００２４】なお、上述した実施例の一方側電極２およ
び他方側電極３においては、電極の短辺方向に展開する
フィンを電極の長辺方向に並設しているが、熱電モジュ
ールのレイアウト等、諸条件によって電極の長辺方向に
展開するフィンを電極の短辺方向に並設する等、フィン
のレイアウトを適宜に設定することが可能である。 【００２５】また、上述した実施例において、一方側電
極２および他方側電極３に形成されたフィンは、一般的
な薄板状を呈するフィンであるが、これをピンフィンに
よっても構成し得ることは言うまでもない。 【００２６】さらに、一方側電極２および他方側電極３
に形成されたフィン２Ｆおよびフィン３Ｆにより、液体
や気体の単層流体に対する伝熱面の拡大効果が齎され
て、一方側電極２および他方側電極３における見掛けの
放熱・吸熱効率が向上することとなるが、フィン２Ｆお
よびフィン３Ｆの設計に際しては、フィン効率を考慮し
ながらサイズ(高さ、厚さ、形状等)を決定すべきである
ことは勿論である。 【００２７】図２は、本発明に関わる熱電モジュールの
他の実施例を示しており、この熱電モジュール１０は、
凝縮によって吸熱側の熱媒体から放熱させる態様で使用
されるものである。 【００２８】一方側電極１２は、熱電半導体素子Ｐ、Ｎ
に接続された矩形状を成すベース部１２Ｂと、該ベース
部１２Ｂの外方面（図２中の上方面）に設けられた多数
のローフィン(伝熱フィン)１２Ｆ、１２Ｆ…とを有して
おり、上記ベース部１２Ｂと各ローフィン１２Ｆ、１２
Ｆ…とは、銅(Ｃｕ)やアルミニウム(Ａｌ)等、電気導電
性が良好で熱伝導率の高い金属材料を用いて一体に形成
されている。 【００２９】ここで、上記ローフィン１２Ｆ、１２Ｆ…
は、本来のフィンの拡大伝熱面効果に、さらに熱媒体の
表面張力効果を加えることにより、凝縮熱伝達率の格段
の向上を実現する構造であって、その形状は一般的に、
高さ５mm以下、ピッチ１０mm以下(スペース５mm以下)に
設定されている。 【００３０】ここで、表面張力による凝縮熱伝達の促進
原理は、図３に示す如くローフィン１２Ｆの先端部で凸
状液面を持つ凝縮液内部の圧力Ｐt が、下記の式(１)に
示すように大気圧より高く、隣合うローフィン１２Ｆの
間の溝部で凹状液面を持つ凝縮液内部の圧力Ｐb が、下
記の式(２)に示すように大気圧より低いため、下記の式
(３)で示す如き圧力Ｐt と圧力Ｐb との両者の差によっ
て、図中の矢印ｆ、ｆ…で示す如く凝縮液がローフィン
１２Ｆの先端から隣合うローフィン１２Ｆの間の溝部へ
駆動され、この結果、ローフィン１２Ｆの表面における
凝縮液の厚さが薄くなるために凝縮熱伝達率が高くなる
ものである。 Ｐt＝Ｐa＋(σ／Ｒt）…(１)式 Ｐb＝Ｐa−(σ／Ｒb）…(２)式 ΔＰ＝Ｐt−Ｐb＝σ〔（１／Ｒt)＋(１／Ｒb）〕…(３)式 なお、Ｒt はローフィン１２Ｆの先端部における凝縮液
の面曲率半径、Ｒb は隣合うローフィン１２Ｆの間の溝
部における凝縮液の面曲率半径であり、Ｐa は大気圧で
ある。 【００３１】図４は、熱媒体(凝縮液)としてフロリナー
ト(登録商標)を使用した場合の、ローフィンによる凝縮
熱伝達の促進効果を示しており、伝熱温度差（熱媒体蒸
気と伝熱面との間の温度差)ＤＴ＝２０℃、フィンピッ
チｐ＝ 0.6 mm、フィン高さｈ＝１mmのとき、図４に示
す如くローフィンによる凝縮熱伝達率は、平板に対して
約１４倍程度も向上することとなる。 【００３２】図２に示した熱電モジュール１０の構成
は、一方側電極１２にローフィン１２Ｆ、１２Ｆ…を形
成した以外、図１に示した熱電モジュール１と基本的に
同一なので、熱電モジュール１と同一作用を成す要素に
は、図２において図１の符号に１０を加算した１０番台
の符号を附すことで詳細な説明を省略する。 【００３３】上述した構成の熱電モジュール１０におい
ても、高い放熱・吸熱効率を達成することができ、併せ
て熱応力に起因する損傷を未然に防止し得る等、図１を
示して先に説明した熱電モジュール１と同様の作用効果
を得ることができる。 【００３４】なお、上述した実施例の一方側電極１２で
は、電極の短辺方向に延びるローフィン１２Ｆを電極の
長辺方向に並設しているが、熱電モジュールのレイアウ
ト等、諸条件によって電極の長辺方向に延びるローフィ
ンを電極の短辺方向に並設する等、フィンのレイアウト
を適宜に設定することが可能である。 【００３５】また、上述した実施例において、一方側電
極１２の各ローフィン１２Ｆは突条を呈しているが、こ
れをピンの集合によって構成することも可能である。 【００３６】さらに、一方側電極１２におけるローフィ
ン１２Ｆの設計に際しては、表面張力効果を最適化させ
るよう、フィンピッチ(スペース)、高さ、形状等を決定
すべきであることは勿論である。 【００３７】また、一方側電極１２におけるローフィン
１２Ｆの形状としては、図５(ａ)に示すローフィン１２
Ｆａの如き矩形状以外にも、図５(ｂ)に示すローフィン
１２Ｆｂの如き台形状、図５(ｃ)に示すローフィン１２
Ｆｃの如き三角形状、さらには図５(ｄ)に示すローフィ
ン１２Ｆｄの如き波形状等、様々な形状を採用すること
が可能である。 【００３８】図６は、本発明に関わる熱電モジュールの
他の実施例を示しており、この熱電モジュール２０は、
水等の導電性流体を用いて冷却を実施する態様で使用さ
れるものである。 【００３９】各々の他方側電極２３は、熱電半導体素子
Ｐ、Ｎに接続された矩形状の平板から構成されており、
これら他方側電極２３、２３…の外方面（図６中の下方
面）には、水等の導電性流体が循環供給されるウォータ
ジャケット２５が、電気絶縁性を有する絶縁層２６を介
して設置されている。なお、上記ウォータジャケット２
５は、銅(Ｃｕ)やアルミニウム(Ａｌ)等、熱伝導率の高
い金属材料を用いて構成されている。 【００４０】上述した熱電モジュール２０の構成は、他
方側電極２３、２３…を平板から構成し、これら他方側
電極２３、２３…に絶縁層２６を介してウォータジャケ
ット２５を設置した以外、図１に示した熱電モジュール
１と基本的に同一なので、熱電モジュール１と同一作用
を成す要素には、図６において図１の符号に２０を加算
した２０番台の符号を附すことで詳細な説明を省略す
る。 【００４１】上述した構成の熱電モジュール２０におい
ても、高い放熱・吸熱効率を達成することができ、併せ
て熱応力に起因する損傷を未然に防止し得る等、先に説
明した熱電モジュール１、１０と同様の作用効果を得る
ことができる。 【００４２】図７は、本発明に関わる熱電モジュールの
他の実施例を示しており、この熱電モジュール３０は、
凝縮によって吸熱側の熱媒体から放熱させるとともに、
水等の導電性流体を用いて冷却を行なう態様で使用され
るものである。 【００４３】各々の他方側電極３３は、熱電半導体素子
Ｐ、Ｎに接続された矩形状の平板から構成されており、
これら他方側電極３３、３３…の外方面（図７中の下方
面）には、水等の導電性流体が循環供給されるウォータ
ジャケット３５が、電気絶縁性を有する絶縁層３６を介
して設置されている。なお、上記ウォータジャケット３
５は、銅(Ｃｕ)やアルミニウム(Ａｌ)等、熱伝導率の高
い金属材料を用いて構成されている。 【００４４】上述した熱電モジュール３０の構成は、他
方側電極３３、３３…を平板から構成し、これら他方側
電極３３、３３…に絶縁層３６を介してウォータジャケ
ット３５を設置した以外、図２に示した熱電モジュール
１０と基本的に同一なので、熱電モジュール１０と同一
作用を成す要素には、図７において図２の符号に２０を
加算した３０番台の符号を附すことで詳細な説明を省略
する。 【００４５】上述した構成の熱電モジュール３０におい
ても、高い放熱・吸熱効率を達成することができ、併せ
て熱応力に起因する損傷を未然に防止し得る等、先に説
明した熱電モジュール１、１０、２０と同様の作用効果
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】(ａ)および(ｂ)は、本発明に関わる熱電モジュ
ールの一実施例を示す全体平面図および断面側面図。 【図２】本発明に関わる熱電モジュールの他の実施例を
示す側面断面図。 【図３】ローフィンの表面張力効果による凝縮熱伝達の
メカニズムを示す原理図。 【図４】ローフィンによる凝縮熱伝達の促進効果を示す
図。 【図５】(ａ)、(ｂ)、(ｃ)、(ｄ)は、図２に示した熱電
モジュールにおけるローフィンの変形例を示す要部断面
図。 【図６】本発明に関わる熱電モジュールの他の実施例を
示す側面断面図。 【図７】本発明に関わる熱電モジュールの他の実施例を
示す側面断面図。 【図８】従来の熱電モジュールを用いた熱電装置を示す
側面図。 【符号の説明】 １、１０、２０、３０…熱電モジュール、 ２、１２、２２、３２…一方側電極、 ２Ｂ、１２Ｂ、２２Ｂ、３２Ｂ…ベース部、 ２Ｆ、２２Ｆ…フィン(伝熱フィン)、 １２Ｆ、１２Ｆa、１２Ｆb、１２Ｆc、１２Ｆd、３２Ｆ
…ローフィン(伝熱フィン)、 ３、１３、２３、３３…他方側電極、 ３Ｂ、１３Ｂ、２３Ｂ、３３Ｂ…ベース部、 ３Ｆ、１３Ｆ…フィン(伝熱フィン)、 ４、１４、２４、３４…絶縁体、 ２５、３５…ウォータジャケット、 Ｐ、Ｎ…熱電半導体素子。

フロントページの続き (72)発明者 谷村 利伸 神奈川県平塚市万田1200 株式会社小松製 作所研究所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 所定個数の熱電半導体素子を平面状に
   配列し、各熱電半導体素子の一方面に一方側電極を取付
   けるとともに、各熱電半導体素子の他方面に他方側電極
   を取付け、全ての熱電半導体素子を直列接続して成る熱
   電モジュールであって、 前記一方側電極および前記他方側電極の少なくとも一方
   に、伝熱フィンを形成して成ることを特徴とする熱電モ
   ジュール。