JP2003282969A - 熱電変換モジュール - Google Patents
熱電変換モジュールInfo
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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- H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 吸熱量を大きくしても、そのジュール発熱を
抑制することができる熱電変換モジュールを提供する。 【解決手段】 熱を吸収する吸熱側の上基板と、熱を放
出する放出側の下基板と、上基板及び下基板の各対向面
に形成された夫々複数個の上部電極１２及び下部電極１
１と、上基板と下基板との間に配置された複数個のＰ型
及びＮ型の熱電素子１３とを有する。上部電極１２及び
下部電極１１には、夫々Ｐ型及びＮ型の１対の熱電素子
１３が接続され、上部電極１２及び下部電極１１により
熱電素子１３が直列又は並列に接続されている。上部電
極１２における電流通過断面積は電流密度が５０Ａ／ｍ
ｍ２以下となるような大きさを有している。また、熱電
素子１３の高さは０．７ｍｍ以下である。
抑制することができる熱電変換モジュールを提供する。 【解決手段】 熱を吸収する吸熱側の上基板と、熱を放
出する放出側の下基板と、上基板及び下基板の各対向面
に形成された夫々複数個の上部電極１２及び下部電極１
１と、上基板と下基板との間に配置された複数個のＰ型
及びＮ型の熱電素子１３とを有する。上部電極１２及び
下部電極１１には、夫々Ｐ型及びＮ型の１対の熱電素子
１３が接続され、上部電極１２及び下部電極１１により
熱電素子１３が直列又は並列に接続されている。上部電
極１２における電流通過断面積は電流密度が５０Ａ／ｍ
ｍ２以下となるような大きさを有している。また、熱電
素子１３の高さは０．７ｍｍ以下である。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は吸熱量が高いと共
に、駆動時の発熱を抑制した熱電変換モジュールに関す
る。 【０００２】 【従来の技術】図６乃至図９は、従来の熱電変換モジュ
ールを示す図であり、図６は上基板２を上方から見た平
面図、図７は右側面図、図８は正面図、図９は下基板１
を上方から見た平面図である。通常、アルミナ製の上基
板２と下基板１には、夫々その対向面に、上部電極５と
下部電極６が形成されている。下部電極６のうちの端部
に配置された１対の下部電極６ａ以外の下部電極６と、
上部電極５には、夫々１対のＰ型熱電素子３とＮ型熱電
素子３とが接合されている。下部電極６ａには、１個の
熱電素子３が配置され、更に、リード線７が接続されて
いる。そして、図６及び図９に矢印にて示すように、端
部に配置された下部電極６ａからその上に配置されたＮ
型熱電素子３を経て、上部電極５に電流が流れ、この上
部電極５に接続された対のＰ型熱電素子３を経て、下部
電極６ａに隣接する下部電極６に電流が流れる。このよ
うにして、下部電極６、Ｎ型熱電素子３、上部電極５、
Ｐ型熱電素子６、下部電極６へと電流が流れる。これに
より、ペルチェ効果によって上基板２が抜熱され、熱が
下基板１に流れる。従って、上基板２に搭載された部品
が上基板２により冷却され、下基板１から放熱される。
上部電極５及び下部電極６は厚さが同一であり、５０乃
至１００μｍの範囲にある。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱電変換モジュールは、吸熱量Ｑｃｍａｘが大きな熱電
素子になると、電極に流れる電流が５乃至１０Ａの大電
流になり、電極での発熱量が大きくなり、熱電素子の性
能が劣化するという問題点がある。 【０００４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、吸熱量を大きくしても、そのジュール発熱
を抑制することができる熱電変換モジュールを提供する
ことを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電変換モ
ジュールは、熱を吸収する吸熱側の第１基板と、熱を放
出する放出側の第２基板と、前記第１基板及び前記第２
基板の各対向面に形成された夫々複数個の第１電極及び
第２電極と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置
された複数個のＰ型及びＮ型の熱電素子と、を有し、前
記第１電極及び第２電極には、夫々Ｐ型及びＮ型の１対
の熱電素子が接続され、前記第１電極及び前記第２電極
により前記熱電素子が直列又は並列に接続された熱電変
換モジュールにおいて、前記第１基板に形成された前記
第１電極における電流通過断面積は電流密度が５０Ａ／
ｍｍ２以下となるような大きさを有し、前記熱電素子の
高さは０．７ｍｍ以下であることを特徴とする。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の
実施例に係る熱電変換モジュールの電極及び熱電素子を
示す正面図、図２は同じくその平面図である。隣接する
１対の下部電極１１上に設けられた隣接する１対の熱電
素子（ｎ型及びｐ型）１３は、その上面で上部電極１２
により接続されている。そして、従来の熱電変換モジュ
ールを示す図４乃至図７と同様に、下部電極１１及び上
部電極１２と熱電素子１３とが接続されており、上部電
極１２側が吸熱の冷却側になっている。この吸熱側の上
部電極１２は、放熱側の下部電極１１よりも、電流通過
断面積が大きく、しかも、上部電極１２は、その電流密
度が５０Ａ／ｍｍ２以下となるように、駆動電流に応じ
てその電流通過断面積が決められている。また、熱電素
子１３の高さは、０．７ｍｍ以下である。 【０００７】本実施例においては、吸熱側の上部電極１
２における電流通過断面積が放熱側の下部電極１１にお
ける電流通過断面積よりも大きくなるようにすると共
に、吸熱側の上部電極１２における電流密度を５０Ａ／
ｍｍ２以下にする。なお、熱電変換モジュールの吸熱側
の上部電極１２を流れる電流の電流密度ｉは、図１及び
図２に示すように、上部電極１２の厚さをｄ１、上部電
極１２の幅をｗ、熱電素子１３の幅をＷとし、駆動電流
をＩとすると、下記数式１にて示される。 【０００８】 【数１】 ｉ＝Ｉ／（Ｗ・ｄ１） 【０００９】熱電変換モジュールが実現できる上部電極
１２と下部電極１１との間の温度差の最大値をΔＴｍａ
ｘとする。本発明者等が電流密度ｉと熱電素子の性能を
示すΔＴｍａｘとの関係を調べた結果、電流密度ｉとΔ
Ｔｍａｘとの関係は、図３に示すようになることを見い
だした。この図３に示すように、電流密度ｉが５０Ａ／
ｍｍ２以下である場合に、ΔＴｍａｘが１００℃以上と
極めて大きくなる。特に、この効果は、吸熱側の上部電
極１２における電流密度ｉとの関連が強く、吸熱側の電
極における電流密度が５０Ａ／ｍｍ２を超えると、熱電
変換モジュールの性能の低下が大きい。従って、本発明
においては、吸熱側の電極の電流密度ｉが５０Ａ／ｍｍ
２以下となるように、駆動電流に応じて吸熱側の電極の
電流通過断面積（Ｗ×ｄ１）を決める。 【００１０】最大吸熱量Ｑｃｍａｘは、熱電素子１３の
高さが低いほど、高くなり、冷却効率を高めることがで
きる。この効果を得るためには、熱電素子１３の高さを
０．７ｍｍ以下にすることが必要である。図４は横軸に
熱電素子１３の高さをとり、縦軸にＱｃｍａｘをとって
両者の関係を示すグラフ図である。なお、図４におい
て、Ｑｃｍａｘの単位は「Ｗ」である。この図に示すよ
うに、熱電素子１３の高さが、０．７ｍｍ以下の場合
に、Ｑｃｍａｘが約１２Ｗ以上と高くなる。また、熱電
素子１３に流すことができる電流の最大値をＩｍａｘと
する。図５は横軸に熱電素子１３の高さをとり、縦軸に
Ｉｍａｘをとって両者の関係を示すグラフ図である。な
お、図５において、Ｉｍａｘの単位は「Ａ」である。こ
の図に示すように、熱電素子１３の高さが０．７ｍｍ以
下である場合は、Ｉｍａｘも約６Ａ以上と極めて高いも
のである。 【００１１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
吸熱側の電極の電流密度を５０Ａ／ｍｍ２以下にすると
共に、熱電素子の高さを０．７ｍｍ以下にしたので、ジ
ュール発熱による熱電変換モジュールの性能の低下を防
止することができる。
に、駆動時の発熱を抑制した熱電変換モジュールに関す
る。 【０００２】 【従来の技術】図６乃至図９は、従来の熱電変換モジュ
ールを示す図であり、図６は上基板２を上方から見た平
面図、図７は右側面図、図８は正面図、図９は下基板１
を上方から見た平面図である。通常、アルミナ製の上基
板２と下基板１には、夫々その対向面に、上部電極５と
下部電極６が形成されている。下部電極６のうちの端部
に配置された１対の下部電極６ａ以外の下部電極６と、
上部電極５には、夫々１対のＰ型熱電素子３とＮ型熱電
素子３とが接合されている。下部電極６ａには、１個の
熱電素子３が配置され、更に、リード線７が接続されて
いる。そして、図６及び図９に矢印にて示すように、端
部に配置された下部電極６ａからその上に配置されたＮ
型熱電素子３を経て、上部電極５に電流が流れ、この上
部電極５に接続された対のＰ型熱電素子３を経て、下部
電極６ａに隣接する下部電極６に電流が流れる。このよ
うにして、下部電極６、Ｎ型熱電素子３、上部電極５、
Ｐ型熱電素子６、下部電極６へと電流が流れる。これに
より、ペルチェ効果によって上基板２が抜熱され、熱が
下基板１に流れる。従って、上基板２に搭載された部品
が上基板２により冷却され、下基板１から放熱される。
上部電極５及び下部電極６は厚さが同一であり、５０乃
至１００μｍの範囲にある。 【０００３】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱電変換モジュールは、吸熱量Ｑｃｍａｘが大きな熱電
素子になると、電極に流れる電流が５乃至１０Ａの大電
流になり、電極での発熱量が大きくなり、熱電素子の性
能が劣化するという問題点がある。 【０００４】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、吸熱量を大きくしても、そのジュール発熱
を抑制することができる熱電変換モジュールを提供する
ことを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電変換モ
ジュールは、熱を吸収する吸熱側の第１基板と、熱を放
出する放出側の第２基板と、前記第１基板及び前記第２
基板の各対向面に形成された夫々複数個の第１電極及び
第２電極と、前記第１基板と前記第２基板との間に配置
された複数個のＰ型及びＮ型の熱電素子と、を有し、前
記第１電極及び第２電極には、夫々Ｐ型及びＮ型の１対
の熱電素子が接続され、前記第１電極及び前記第２電極
により前記熱電素子が直列又は並列に接続された熱電変
換モジュールにおいて、前記第１基板に形成された前記
第１電極における電流通過断面積は電流密度が５０Ａ／
ｍｍ２以下となるような大きさを有し、前記熱電素子の
高さは０．７ｍｍ以下であることを特徴とする。 【０００６】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の
実施例に係る熱電変換モジュールの電極及び熱電素子を
示す正面図、図２は同じくその平面図である。隣接する
１対の下部電極１１上に設けられた隣接する１対の熱電
素子（ｎ型及びｐ型）１３は、その上面で上部電極１２
により接続されている。そして、従来の熱電変換モジュ
ールを示す図４乃至図７と同様に、下部電極１１及び上
部電極１２と熱電素子１３とが接続されており、上部電
極１２側が吸熱の冷却側になっている。この吸熱側の上
部電極１２は、放熱側の下部電極１１よりも、電流通過
断面積が大きく、しかも、上部電極１２は、その電流密
度が５０Ａ／ｍｍ２以下となるように、駆動電流に応じ
てその電流通過断面積が決められている。また、熱電素
子１３の高さは、０．７ｍｍ以下である。 【０００７】本実施例においては、吸熱側の上部電極１
２における電流通過断面積が放熱側の下部電極１１にお
ける電流通過断面積よりも大きくなるようにすると共
に、吸熱側の上部電極１２における電流密度を５０Ａ／
ｍｍ２以下にする。なお、熱電変換モジュールの吸熱側
の上部電極１２を流れる電流の電流密度ｉは、図１及び
図２に示すように、上部電極１２の厚さをｄ１、上部電
極１２の幅をｗ、熱電素子１３の幅をＷとし、駆動電流
をＩとすると、下記数式１にて示される。 【０００８】 【数１】 ｉ＝Ｉ／（Ｗ・ｄ１） 【０００９】熱電変換モジュールが実現できる上部電極
１２と下部電極１１との間の温度差の最大値をΔＴｍａ
ｘとする。本発明者等が電流密度ｉと熱電素子の性能を
示すΔＴｍａｘとの関係を調べた結果、電流密度ｉとΔ
Ｔｍａｘとの関係は、図３に示すようになることを見い
だした。この図３に示すように、電流密度ｉが５０Ａ／
ｍｍ２以下である場合に、ΔＴｍａｘが１００℃以上と
極めて大きくなる。特に、この効果は、吸熱側の上部電
極１２における電流密度ｉとの関連が強く、吸熱側の電
極における電流密度が５０Ａ／ｍｍ２を超えると、熱電
変換モジュールの性能の低下が大きい。従って、本発明
においては、吸熱側の電極の電流密度ｉが５０Ａ／ｍｍ
２以下となるように、駆動電流に応じて吸熱側の電極の
電流通過断面積（Ｗ×ｄ１）を決める。 【００１０】最大吸熱量Ｑｃｍａｘは、熱電素子１３の
高さが低いほど、高くなり、冷却効率を高めることがで
きる。この効果を得るためには、熱電素子１３の高さを
０．７ｍｍ以下にすることが必要である。図４は横軸に
熱電素子１３の高さをとり、縦軸にＱｃｍａｘをとって
両者の関係を示すグラフ図である。なお、図４におい
て、Ｑｃｍａｘの単位は「Ｗ」である。この図に示すよ
うに、熱電素子１３の高さが、０．７ｍｍ以下の場合
に、Ｑｃｍａｘが約１２Ｗ以上と高くなる。また、熱電
素子１３に流すことができる電流の最大値をＩｍａｘと
する。図５は横軸に熱電素子１３の高さをとり、縦軸に
Ｉｍａｘをとって両者の関係を示すグラフ図である。な
お、図５において、Ｉｍａｘの単位は「Ａ」である。こ
の図に示すように、熱電素子１３の高さが０．７ｍｍ以
下である場合は、Ｉｍａｘも約６Ａ以上と極めて高いも
のである。 【００１１】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
吸熱側の電極の電流密度を５０Ａ／ｍｍ２以下にすると
共に、熱電素子の高さを０．７ｍｍ以下にしたので、ジ
ュール発熱による熱電変換モジュールの性能の低下を防
止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る熱電変換モジュールを示
す正面図である。 【図２】同じくその平面図である。 【図３】電流密度とΔＴｍａｘとの関係を示すグラフ図
である。 【図４】熱電素子の高さとＱｃｍａｘとの関係を示すグ
ラフ図である。 【図５】熱電素子の高さとＩｍａｘとの関係を示すグラ
フ図である。 【図６】従来の熱電変換モジュールの上基板を上方から
見た図である。 【図７】同じくその右側面図である。 【図８】同じくその正面図である。 【図９】同じくその下基板を上方から見た平面図であ
る。 【符号の説明】 １；下基板 ２；上基板 ３、１３；熱電素子
５、１２；上部電極 ６、６ａ、１１；下部電極 ７；リード線
す正面図である。 【図２】同じくその平面図である。 【図３】電流密度とΔＴｍａｘとの関係を示すグラフ図
である。 【図４】熱電素子の高さとＱｃｍａｘとの関係を示すグ
ラフ図である。 【図５】熱電素子の高さとＩｍａｘとの関係を示すグラ
フ図である。 【図６】従来の熱電変換モジュールの上基板を上方から
見た図である。 【図７】同じくその右側面図である。 【図８】同じくその正面図である。 【図９】同じくその下基板を上方から見た平面図であ
る。 【符号の説明】 １；下基板 ２；上基板 ３、１３；熱電素子
５、１２；上部電極 ６、６ａ、１１；下部電極 ７；リード線
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 田上 文保
静岡県浜松市中沢町10番１号 ヤマハ株式
会社内
(72)発明者 尾上 勝彦
静岡県浜松市中沢町10番１号 ヤマハ株式
会社内
(72)発明者 星 俊治
静岡県浜松市中沢町10番１号 ヤマハ株式
会社内
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 熱を吸収する吸熱側の第１基板と、熱を
放出する放出側の第２基板と、前記第１基板及び前記第
２基板の各対向面に形成された夫々複数個の第１電極及
び第２電極と、前記第１基板と前記第２基板との間に配
置された複数個のＰ型及びＮ型の熱電素子と、を有し、
前記第１電極及び第２電極には、夫々Ｐ型及びＮ型の１
対の熱電素子が接続され、前記第１電極及び前記第２電
極により前記熱電素子が直列又は並列に接続された熱電
変換モジュールにおいて、前記第１基板に形成された前
記第１電極における電流通過断面積は電流密度が５０Ａ
／ｍｍ２以下となるような大きさを有し、前記熱電素子
の高さは０．７ｍｍ以下であることを特徴とする熱電変
換モジュール。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002086914A JP2003282969A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 熱電変換モジュール |
| US10/393,452 US7081677B2 (en) | 2002-03-26 | 2003-03-21 | Thermoelectric module |
| CNU032515014U CN2689461Y (zh) | 2002-03-26 | 2003-03-26 | 热电模块 |
| CNB031286615A CN100370634C (zh) | 2002-03-26 | 2003-03-26 | 热电模块 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002086914A JP2003282969A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 熱電変換モジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003282969A true JP2003282969A (ja) | 2003-10-03 |
Family
ID=28449338
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002086914A Pending JP2003282969A (ja) | 2002-03-26 | 2002-03-26 | 熱電変換モジュール |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US7081677B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003282969A (ja) |
| CN (2) | CN100370634C (ja) |
Families Citing this family (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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