JP2004158582A - 多段熱電モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】各段の熱電変換部における熱電素子を、高い耐久性を備えた方法により電気的に接続することによって、信頼性が高い多段熱電モジュールを提供する。
【解決手段】複数個のｎ型及びｐ型の第１段熱電素子を交互に隣り合わせに並べ、放熱側基板４ｈと中段基板４ｍとの対向面上に形成された複数個の銅電極に接合し挟持することにより直列に接続し、複数個のｎ型及びｐ型の第２段熱電素子を交互に隣り合わせに並べ、中段基板４ｍと吸熱側基板４ｃとの対向面上に形成された複数個の銅電極に接合し挟持することにより直列に接続する。そして、中段基板４ｍ端部に矩形の切欠５を設け、１対の接続用熱電素子１の一方の端を放熱側基板４ｈ上の銅電極と接合し、切欠５を貫通させて他端を吸熱側基板４ｃ上の銅電極と接合することによって、１段目熱電変換部１５の熱電素子２と２段目熱電変換部１６の熱電素子３とを電気的に直列接続する。
【選択図】 図２
【解決手段】複数個のｎ型及びｐ型の第１段熱電素子を交互に隣り合わせに並べ、放熱側基板４ｈと中段基板４ｍとの対向面上に形成された複数個の銅電極に接合し挟持することにより直列に接続し、複数個のｎ型及びｐ型の第２段熱電素子を交互に隣り合わせに並べ、中段基板４ｍと吸熱側基板４ｃとの対向面上に形成された複数個の銅電極に接合し挟持することにより直列に接続する。そして、中段基板４ｍ端部に矩形の切欠５を設け、１対の接続用熱電素子１の一方の端を放熱側基板４ｈ上の銅電極と接合し、切欠５を貫通させて他端を吸熱側基板４ｃ上の銅電極と接合することによって、１段目熱電変換部１５の熱電素子２と２段目熱電変換部１６の熱電素子３とを電気的に直列接続する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果を持つ熱電素子対を絶縁基板間に配置した熱電モジュールを、熱流が一方向になるように多段に積み重ねて構成された多段熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり、逆に電気エネルギーを供給することにより熱エネルギーを移動し冷却作用を及ぼしたりする熱電材料として、ＢｉＴｅ系の半導体が良好な熱電性能を有する熱電材料として利用されている。特に、この半導体の持つ熱電効果の１種であるペルチェ効果を利用した電子冷却素子及びゼーベック効果を利用した熱電素子は、構造が簡単で小型化及び軽量化が容易であること並びに無音及び無振動でメンテナンスも不要であることから、特殊な用途向けの小型冷蔵庫及び半導体レーザ等の半導体装置内部の温度調整器への適用等、広範囲に利用できる可能性がある。
【０００３】
このようなペルチェ効果を利用した電子冷却及びゼーベック効果を利用した熱電発電に用いる熱電モジュールは、多段型のモジュール構造に組み立てられて使用されるものがある。例えば、図５に示すような２段型熱電モジュール１００においては、第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと第１段ｐ型熱電素子１０１ｐとが交互に隣り合わせて配置され、上部電極１０３ｄ及び下部電極１０３ｅを介して直列接続され、中段絶縁基板１０４ｍと下側絶縁基板１０４ｈとで挟まれて１段目熱電変換部１０５を形成している。同様に、第２段ｎ型熱電素子１０２ｎと第２段ｐ型熱電素子１０２ｐとが交互に隣り合わせて配置され、上部電極１０３ａ及び下部電極１０３ｂを介して直列接続され、上側絶縁基板１０４ｃと中段絶縁基板１０４ｍとで挟まれて２段目熱電変換部１０６を形成している。また、中段絶縁基板１０４ｍの一部には貫通孔１０７が形成されており、この貫通孔１０７の内周壁には導電性被膜１０８が塗布されている。この導電性被膜１０８は、１段目熱電変換部１０５における第１段ｎ型熱電素子１０１ｎに接合された上部電極１０３ｄと２段目熱電変換部１０６における第２段ｐ型熱電素子１０２ｐに接合された下部電極１０３ｂとに接続され、これらの１段目熱電変換部１０５の第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと２段目熱電変換部１０６の第２段ｐ型熱電素子１０２ｐとを電気的に直列接続している。このようにして構成される従来の２段型熱電モジュール１００においては、これらの各段の熱電素子に通電することによって、各熱電素子が各段の吸熱側でペルチェ吸熱すると共に各段の放熱側でペルチェ放熱し、例えば、吸熱側の最外側となる上側絶縁基板１０４ｃから放熱側の最外側となる下側絶縁基板１０４ｈに向けて一方向に熱が流れる。中段絶縁基板１０４ｍは、１段目熱電変換部１０５の吸熱側絶縁基板であり、且つ、２段目熱電変換部１０６の放熱側絶縁基板でもある。
【０００４】
このような従来の２段型熱電モジュール１００に通電すると、例えば、１段目熱電変換部１０５に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎ及び第１段ｐ型熱電素子１０１ｐに電流が流れる。これらのｎ型及びｐ型の熱電素子１０１ｎ，１０１ｐは、ペルチェ効果によって、吸熱側となる中段絶縁基板１０４ｍ側で吸熱すると共に、放熱側となる下側絶縁基板１０４ｈで放熱する。この電流は、更に、中段絶縁基板１０４ｍに設けられた貫通孔１０７内周壁に形成された導電性被膜１０８を介して第１段ｎ型熱電素子１０１ｎから第２段ｎ型熱電素子１０２ｎに流れる。そうすると、２段目熱電変換部１０６に配置された第２段ｐ型熱電素子１０２ｐ及び第２段ｎ型熱電素子１０２ｎにも順次交互に電流が流れ、２段目熱電変換部１０６においても、１段目熱電変換部１０５と同様に、ペルチェ効果によって、吸熱側となる上側絶縁基板１０４ｃ側で吸熱すると共に、放熱側となる中段絶縁基板１０４ｍ側で放熱する。この従来の多段熱電モジュール１００においては、貫通孔１０７内周壁に形成された導電性被膜１０８を介して各段の熱電素子同士を電気的に接続することによって、リード線等で各段の熱電素子同士を接続する場合と比較して、よりコンパクトで信頼性が高い多段熱電モジュールを構成している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１９００７１号公報（第１頁、第４図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の多段熱電モジュール１００において、より高密度に熱電素子を設置するために、例えば、図６に示すように、１段目熱電変換部１０５に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎの直上に第２段ｎ型熱電素子１０２ｎを配置し、これらの第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと第２段ｎ型熱電素子１０２ｎとの間に位置する中段絶縁基板１０４ｍに貫通孔１０７を設けて、この貫通孔１０７内周壁に形成された導電性被膜１０８を、第１段ｎ型熱電素子１０１ｎとはんだ１１０ｄを介して接合された上部電極１０３ｄ及び第２段ｎ型熱電素子１０２ｎとはんだ１１０ｂを介して接合された下部電極１０３ｂと一体化させることによって、１段目熱電変換部１０５に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと２段目熱電変換部１０６に配置された第２段ｎ型熱電素子１０２ｎとを電気的に接続するような場合、この貫通孔１０７の内部には気泡（ボイド）１１１が残ってしまう。このような気泡１１１が残留した多段熱電モジュール１００においては、この多段熱電モジュール１００を稼働することにより熱冷サイクルが発生するような場合、気泡１１１内部の圧力が温度変化に応じて変動し、この気泡１１１周辺に応力が発生する。このため、貫通孔１０７の上下に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎ及び第２段ｎ型熱電素子１０２ｎと夫々の上部電極１０３ｄ及び下部電極１０３ｂに接合するためのはんだ１１０ｄ及び１１０ｂとの接合部にクラックが入り易い等、耐久性が劣化する原因となり、この多段熱電モジュールの性能劣化の要因ともなる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、各段の熱電変換部における熱電素子を高い耐久性を備えた方法により電気的に接続することによって、高い信頼性を有する多段熱電モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る多段熱電モジュールは、上下に対向して配置された３個以上の基板と、前記各基板の各対向面に形成された夫々複数個の上部電極及び下部電極と、前記各基板間に配置された複数個のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子とを有し、前記基板間に配置された熱電素子群毎に前記ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子が交互に直列及び／又は並列に接続されるように前記上部電極及び下部電極に夫々１対あるいは複数対のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子が接触し、更に前記熱電素子群が直列に接続されて構成され、一方の最外側の基板から他方の最外側の基板に向けて一方向に熱が流れる多段の熱電モジュールにおいて、特定の基板の下部電極とそれより２段以上上方の基板の上部電極とを接続する接続用熱電素子を有することを特徴とする。
【０００９】
前記接続用熱電素子は、前記特定の基板の上方の基板に形成されたスルーホール間に配置されると共に、前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続することができる。
【００１０】
前記接続用熱電素子は、前記特定の基板の上方の基板に形成された切欠間に配置されると共に、前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続しても良い。
【００１１】
また、前記特定の基板の上方の基板は、前記特定の基板及び前記２段以上上方の基板よりも平面視での外形寸法が小さく、前記接続用熱電素子は、前記特定の基板及び前記２段以上上方の基板が前記上方の基板より平面視において突出した部分に設けられると共に、前記突出した部分の対抗面に形成された前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続しても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る多段熱電モジュールの実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る多段熱電モジュールにおける接続用熱電素子を示す断面図である。本実施形態においては、放熱側基板４ｈ上に形成された下部電極７ｂ上にはんだ６ｂを介して接合された接続用熱電素子１が、中段基板４ｍに設けられたスルーホール５の間に配置され、吸熱側基板４ｃ上に形成された上部電極７ａ上にはんだ６ａを介して接合されている。接続用熱電素子１は、放熱側基板４ｈ上の下部電極７ｂ及び吸熱側基板４ｃ上の上部電極７ａに夫々はんだ７ｂ及び７ａを介して接続されて、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続している。
【００１３】
このような構成とすることによって、本実施形態に係る多段熱電モジュールにおいては、１段目熱電変換部１５の下部電極７ｂより２段目熱電変換部１６の上部電極７ａに届く高さの接続用熱電素子１が、中段基板４ｍに設けられたスルーホール５を貫通して１段目熱電変換部１５の下部電極７ｂと２段目熱電変換部１６の上部電極７ａとにはんだ６ｂ及び６ａを介して接合される。このため、多段熱電モジュールを稼働させるために通電する場合、この接続用熱電素子１自身が、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続する。よって、従来のように、１段目熱電変換部の熱電素子と２段目熱電変換部の熱電素子とを電気的に接続するために、スルーホール内周壁に導電性被膜を形成する必要が無い。従って、従来の多段熱電モジュールにおいて、スルーホール内部に残存して多段熱電モジュールの耐久性を劣化させる原因となっていた気泡が形成されることがない。また、本実施形態においては、１段目熱電変換部１５の熱電素子と２段目熱電変換部１６の熱電素子とを電気的に接続するのではなく、接続用熱電素子１自身が、１段目熱電変換部１５の熱電素子と２段目熱電変換部１６の熱電素子とを兼ねている。即ち、接合箇所が少ないので、信頼性が高い構成となっている。よって、本実施形態に係る多段熱電モジュールは、耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【００１４】
次に、本発明の第２の実施形態について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は第２の実施形態に係る多段熱電モジュールを示す平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ線による断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図である。本実施形態においては、１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる放熱側基板４ｈ上に形成された銅電極（図示せず）上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第１段熱電素子２が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されると共に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが２．２０ｍｍの立方柱状である１対のｎ型及びｐ型の接続用熱電素子１が、第１段熱電素子２の最端列に配置され、全部で３１対の熱電素子対が１段目に設置されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成されると共に、接続用熱電素子１を間に配置することができる大きさの矩形の切欠２５が１辺に設けられた１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる中段基板４ｍが、熱電素子対とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されている。このようにして、１段目熱電変換部１５が構成されている。一方、中段基板４ｍの上面にも銅電極（図示せず）が形成されており、この銅電極上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第２段熱電素子３が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されている。また、これらの第２段熱電素子３と、中段基板４ｍに設けられた切欠２５を貫通して第２段熱電素子３と隣り合わせに並んだ接続用熱電素子１とが、直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が４．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる吸熱側基板４ｃが、第２段熱電素子３及び接続用熱電素子１とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されることによって、全部で８対の熱電素子対が２段目に設置されている。このようにして、２段目熱電変換部１６が構成されている。
【００１５】
次に、本発明の第３の実施形態について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は第３の実施形態に係る多段熱電モジュールを示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃによる断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）におけるＤ−Ｄによる断面図である。本実施形態においては、１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる放熱側基板４ｈ上に形成された銅電極（図示せず）上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第１段熱電素子２が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されると共に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが２．２０ｍｍの立方柱状である１対のｎ型及びｐ型の接続用熱電素子１が、中段基板４ｍから離れて第１段熱電素子２の最端列に配置されると共に、吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈが突出したモジュール外端部に配置されることによって、全部で２９対の熱電素子対が１段目に設置されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成された長辺が８．０ｍｍ、短辺が７．０ｍｍの長方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる中段基板４ｍが、熱電素子対とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されている。このようにして、１段目熱電変換部１５が構成されている。一方、中段基板４ｍの上面にも銅電極（図示せず）が形成されており、この銅電極上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第２段熱電素子３が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されている。また、これらの第２段熱電素子３と、中段基板４ｍから離れて吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈが突出したモジュール外端部に配置されて第２段熱電素子３と隣り合わせに並んだ接続用熱電素子１とが、直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が４．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる吸熱側基板４ｃが、第２段熱電素子３及び接続用熱電素子１とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されることによって、全部で７対の熱電素子対が２段目に設置されている。このようにして、２段目熱電変換部１６が構成されている。
【００１６】
本発明の第２及び第３の実施形態においては、１段目熱電変換部１５の下部電極より２段目熱電変換部１６の上部電極に届く高さの接続用熱電素子１が、中段基板４ｍ端部に設けられた矩形の切欠２５の間か又は中段基板４ｍから離れて吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈが突出したモジュール外端部に配置されることによって、１段目熱電変換部１５の下部電極７ｂと２段目熱電変換部１６の上部電極７ａとにはんだ６ｂ及び６ａを介して接合される。このため、多段熱電モジュールを稼働させるために通電する場合、１段目熱電変換部１５に配置された一部の熱電素子２を経由して流れた電流が、この１対の接続用熱電素子１のうちの１個を介して１段目熱電変換部１５から２段目熱電変換部１６へ流れ（上向き矢印にて図示）、２段目熱電変換部１５に配置された熱電素子３を経由した後、もう１個の接続用熱電素子１を介して１段目熱電変換部１５へ戻り（下向き矢印にて図示）、残りの熱電素子２に流れる。このようにして接続用熱電素子１は、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続することができる。よって、従来のように、１段目熱電変換部と２段目熱電変換部とを電気的に接続するための導電性被膜等を形成する必要が無い。従って、１段目熱電変換部と２段目熱電変換部とを電気的に接続するためのスルーホール内部等に残存して多段熱電モジュールの耐久性を劣化させる原因となっていた気泡が形成されることもない。また、本発明においては、１段目熱電変換部１５の熱電素子と２段目熱電変換部１６の熱電素子とを電気的に接続するのではなく、接続用熱電素子１自身が、１段目熱電変換部１５の熱電素子２と２段目熱電変換部１６の熱電素子３とを兼ねていて接合箇所が少ないので、熱冷サイクルに対しての耐久性が高い構成となっている。よって、本発明に係る多段熱電モジュールは、耐久性を向上させることができる。なお、図２に示す第２実施形態の中段基板４ｍのように、切欠型の場合には、チップとの寸法マージンをとることができるという利点があり、図３に示す第３実施形態の吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈのように、突出型の場合には、基板加工が少なくてすむという利点がある。
【００１７】
本実施形態においては、多段熱電モジュールとして、２段の熱電変換部で構成される熱電モジュールの例を示したが、本発明は段数を限定せずに複数の段数を有する多段熱電モジュールに適用することができる。
【００１８】
【実施例】
次に、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。本実施例においては、図２に示した第２の実施形態と同一構造の多段熱電モジュールを２２個製造した。また、図４（ａ）は比較例として製造した従来技術による多段熱電モジュールを示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＥ−Ｅによる断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＦ−Ｆによる断面図である。この比較例の多段熱電モジュールにおいては、第２の実施形態と同様に、１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる放熱側基板４ｈ上に形成された銅電極（図示せず）上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第１段熱電素子２が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合され、全部で３１対の熱電素子対が１段目に設置されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる中段基板４ｍが、熱電素子対とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されている。このようにして、１段目熱電変換部１５が構成されている。一方、中段基板４ｍの上面にも銅電極（図示せず）が形成されており、この銅電極上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第２段熱電素子３が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が４．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる吸熱側基板４ｃが、第２段熱電素子３とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されることによって、全部で８対の熱電素子対が２段目に設置されて、２段目熱電変換部１６が構成されている。また、中段基板４ｍの一部には２個のスルーホール１１２が設けられている。そして、スルーホール１１２の内周壁には導電性被膜（図示せず）が形成されており、このスルーホール１１２の上下に配置された第１段熱電素子２及び第２段熱電素子３に接合された銅電極（図示せず）と接続されて、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続している。このように構成された従来技術による多段熱電モジュールを、２２個製造して比較例とした。
【００１９】
上述のような夫々２２個の実施例及び比較例の多段熱電モジュールのサンプルに対し、これらの実施例及び比較例の全てのサンプルのＡＣ抵抗を測定してから、−４０℃で１５分間及び＋８５℃で１５分間の熱冷サイクルを１０００サイクル実施した。その後、ＡＣ抵抗を再測定し、１０００サイクルの熱冷サイクルの前後において、ＡＣ抵抗変化率が５％を超えたサンプルを不良品と判定した。本実施例及び比較例によるサンプルでの判定結果を下記表１に示す。
【００２０】
【表１】
【００２１】
上記表１から明らかなように、従来技術による比較例の多段熱電モジュールでは、熱冷サイクル後に２個の不良品が発生した。一方、本実施例の多段熱電モジュールは、温度差が１２５℃の過酷な１０００サイクルの熱冷サイクルによってもＡＣ抵抗変化率が５％を超える不良品が発生することがなく、優れた耐久性を備えていることが証明された。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る多段熱電モジュールにおいては、接続用熱電素子が、各段の熱電変換部を分ける中段基板に設けられたスルーホール又は切欠を貫通するか若しくは下段の熱電変換部の放熱側基板及び上段の熱電変換部の吸熱側基板が突出したモジュール外端部に中段基板から離れて配置されると共に、下段の熱電変換部の下部電極と上段の熱電変換部の上部電極とにはんだ等を介して接合される。このため、多段熱電モジュールを稼働させるために通電する場合、この接続用熱電素子自身が、複数段の熱電変換部を電気的に接続することができる。よって、従来のように、複数段の熱電変換部を電気的に接続するために、スルーホール内周壁に導電性被膜を形成する必要が無い。従って、従来の多段熱電モジュールにおいて、スルーホール内部に残存して多段熱電モジュールの耐久性を劣化させる原因となっていた気泡は形成されない。また、本発明による複数段の熱電変換部を電気的に接続する方法は、接合箇所が少なく耐久性が高い構成となっている。従って、本発明に係る多段熱電モジュールは、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る多段熱電モジュールを示す部分的断面図である。
【図２】図２（ａ）は第２の実施形態の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａによる断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂによる断面図である。
【図３】図３（ａ）は第３の実施形態の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃによる断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）におけるＤ−Ｄによる断面図である。
【図４】図４（ａ）は比較例としての従来技術による多段熱電モジュールの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＥ−Ｅによる断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＦ−Ｆによる断面図である。
【図５】従来の多段熱電モジュールを示す断面図である。
【図６】従来の多段熱電モジュールにおける問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１；接続用熱電素子
２；第１段熱電素子
３；第２段熱電素子
４ｃ；吸熱側基板
４ｍ；中段基板
４ｈ；放熱側基板
５，１１２；スルーホール
６ａ，６ｂ，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｄ，１１０ｅ；はんだ
７ａ；上部電極
７ｂ；下部電極
１５，１０５；１段目熱電変換部
１６，１０６；２段目熱電変換部
２５；切欠
１００；従来技術による２段型熱電モジュール
１０１ｎ；第１段ｎ型熱電素子
１０１ｐ；第１段ｐ型熱電素子
１０２ｎ；第２段ｎ型熱電素子
１０２ｐ；第１段ｐ型熱電素子
１０３ａ；第２段上部電極
１０３ｂ；第２段下部電極
１０３ｄ；第１段上部電極
１０３ｅ；第１段下部電極
１０４ｃ；上側絶縁基板
１０４ｍ；中段絶縁基板
１０４ｈ；下側絶縁基板
１０７；貫通孔
１０８；導電性被膜
１１１；気泡（ボイド）
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果を持つ熱電素子対を絶縁基板間に配置した熱電モジュールを、熱流が一方向になるように多段に積み重ねて構成された多段熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり、逆に電気エネルギーを供給することにより熱エネルギーを移動し冷却作用を及ぼしたりする熱電材料として、ＢｉＴｅ系の半導体が良好な熱電性能を有する熱電材料として利用されている。特に、この半導体の持つ熱電効果の１種であるペルチェ効果を利用した電子冷却素子及びゼーベック効果を利用した熱電素子は、構造が簡単で小型化及び軽量化が容易であること並びに無音及び無振動でメンテナンスも不要であることから、特殊な用途向けの小型冷蔵庫及び半導体レーザ等の半導体装置内部の温度調整器への適用等、広範囲に利用できる可能性がある。
【０００３】
このようなペルチェ効果を利用した電子冷却及びゼーベック効果を利用した熱電発電に用いる熱電モジュールは、多段型のモジュール構造に組み立てられて使用されるものがある。例えば、図５に示すような２段型熱電モジュール１００においては、第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと第１段ｐ型熱電素子１０１ｐとが交互に隣り合わせて配置され、上部電極１０３ｄ及び下部電極１０３ｅを介して直列接続され、中段絶縁基板１０４ｍと下側絶縁基板１０４ｈとで挟まれて１段目熱電変換部１０５を形成している。同様に、第２段ｎ型熱電素子１０２ｎと第２段ｐ型熱電素子１０２ｐとが交互に隣り合わせて配置され、上部電極１０３ａ及び下部電極１０３ｂを介して直列接続され、上側絶縁基板１０４ｃと中段絶縁基板１０４ｍとで挟まれて２段目熱電変換部１０６を形成している。また、中段絶縁基板１０４ｍの一部には貫通孔１０７が形成されており、この貫通孔１０７の内周壁には導電性被膜１０８が塗布されている。この導電性被膜１０８は、１段目熱電変換部１０５における第１段ｎ型熱電素子１０１ｎに接合された上部電極１０３ｄと２段目熱電変換部１０６における第２段ｐ型熱電素子１０２ｐに接合された下部電極１０３ｂとに接続され、これらの１段目熱電変換部１０５の第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと２段目熱電変換部１０６の第２段ｐ型熱電素子１０２ｐとを電気的に直列接続している。このようにして構成される従来の２段型熱電モジュール１００においては、これらの各段の熱電素子に通電することによって、各熱電素子が各段の吸熱側でペルチェ吸熱すると共に各段の放熱側でペルチェ放熱し、例えば、吸熱側の最外側となる上側絶縁基板１０４ｃから放熱側の最外側となる下側絶縁基板１０４ｈに向けて一方向に熱が流れる。中段絶縁基板１０４ｍは、１段目熱電変換部１０５の吸熱側絶縁基板であり、且つ、２段目熱電変換部１０６の放熱側絶縁基板でもある。
【０００４】
このような従来の２段型熱電モジュール１００に通電すると、例えば、１段目熱電変換部１０５に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎ及び第１段ｐ型熱電素子１０１ｐに電流が流れる。これらのｎ型及びｐ型の熱電素子１０１ｎ，１０１ｐは、ペルチェ効果によって、吸熱側となる中段絶縁基板１０４ｍ側で吸熱すると共に、放熱側となる下側絶縁基板１０４ｈで放熱する。この電流は、更に、中段絶縁基板１０４ｍに設けられた貫通孔１０７内周壁に形成された導電性被膜１０８を介して第１段ｎ型熱電素子１０１ｎから第２段ｎ型熱電素子１０２ｎに流れる。そうすると、２段目熱電変換部１０６に配置された第２段ｐ型熱電素子１０２ｐ及び第２段ｎ型熱電素子１０２ｎにも順次交互に電流が流れ、２段目熱電変換部１０６においても、１段目熱電変換部１０５と同様に、ペルチェ効果によって、吸熱側となる上側絶縁基板１０４ｃ側で吸熱すると共に、放熱側となる中段絶縁基板１０４ｍ側で放熱する。この従来の多段熱電モジュール１００においては、貫通孔１０７内周壁に形成された導電性被膜１０８を介して各段の熱電素子同士を電気的に接続することによって、リード線等で各段の熱電素子同士を接続する場合と比較して、よりコンパクトで信頼性が高い多段熱電モジュールを構成している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−１９００７１号公報（第１頁、第４図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の多段熱電モジュール１００において、より高密度に熱電素子を設置するために、例えば、図６に示すように、１段目熱電変換部１０５に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎの直上に第２段ｎ型熱電素子１０２ｎを配置し、これらの第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと第２段ｎ型熱電素子１０２ｎとの間に位置する中段絶縁基板１０４ｍに貫通孔１０７を設けて、この貫通孔１０７内周壁に形成された導電性被膜１０８を、第１段ｎ型熱電素子１０１ｎとはんだ１１０ｄを介して接合された上部電極１０３ｄ及び第２段ｎ型熱電素子１０２ｎとはんだ１１０ｂを介して接合された下部電極１０３ｂと一体化させることによって、１段目熱電変換部１０５に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎと２段目熱電変換部１０６に配置された第２段ｎ型熱電素子１０２ｎとを電気的に接続するような場合、この貫通孔１０７の内部には気泡（ボイド）１１１が残ってしまう。このような気泡１１１が残留した多段熱電モジュール１００においては、この多段熱電モジュール１００を稼働することにより熱冷サイクルが発生するような場合、気泡１１１内部の圧力が温度変化に応じて変動し、この気泡１１１周辺に応力が発生する。このため、貫通孔１０７の上下に配置された第１段ｎ型熱電素子１０１ｎ及び第２段ｎ型熱電素子１０２ｎと夫々の上部電極１０３ｄ及び下部電極１０３ｂに接合するためのはんだ１１０ｄ及び１１０ｂとの接合部にクラックが入り易い等、耐久性が劣化する原因となり、この多段熱電モジュールの性能劣化の要因ともなる。
【０００７】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、各段の熱電変換部における熱電素子を高い耐久性を備えた方法により電気的に接続することによって、高い信頼性を有する多段熱電モジュールを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る多段熱電モジュールは、上下に対向して配置された３個以上の基板と、前記各基板の各対向面に形成された夫々複数個の上部電極及び下部電極と、前記各基板間に配置された複数個のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子とを有し、前記基板間に配置された熱電素子群毎に前記ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子が交互に直列及び／又は並列に接続されるように前記上部電極及び下部電極に夫々１対あるいは複数対のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子が接触し、更に前記熱電素子群が直列に接続されて構成され、一方の最外側の基板から他方の最外側の基板に向けて一方向に熱が流れる多段の熱電モジュールにおいて、特定の基板の下部電極とそれより２段以上上方の基板の上部電極とを接続する接続用熱電素子を有することを特徴とする。
【０００９】
前記接続用熱電素子は、前記特定の基板の上方の基板に形成されたスルーホール間に配置されると共に、前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続することができる。
【００１０】
前記接続用熱電素子は、前記特定の基板の上方の基板に形成された切欠間に配置されると共に、前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続しても良い。
【００１１】
また、前記特定の基板の上方の基板は、前記特定の基板及び前記２段以上上方の基板よりも平面視での外形寸法が小さく、前記接続用熱電素子は、前記特定の基板及び前記２段以上上方の基板が前記上方の基板より平面視において突出した部分に設けられると共に、前記突出した部分の対抗面に形成された前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続しても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る多段熱電モジュールの実施形態について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る多段熱電モジュールにおける接続用熱電素子を示す断面図である。本実施形態においては、放熱側基板４ｈ上に形成された下部電極７ｂ上にはんだ６ｂを介して接合された接続用熱電素子１が、中段基板４ｍに設けられたスルーホール５の間に配置され、吸熱側基板４ｃ上に形成された上部電極７ａ上にはんだ６ａを介して接合されている。接続用熱電素子１は、放熱側基板４ｈ上の下部電極７ｂ及び吸熱側基板４ｃ上の上部電極７ａに夫々はんだ７ｂ及び７ａを介して接続されて、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続している。
【００１３】
このような構成とすることによって、本実施形態に係る多段熱電モジュールにおいては、１段目熱電変換部１５の下部電極７ｂより２段目熱電変換部１６の上部電極７ａに届く高さの接続用熱電素子１が、中段基板４ｍに設けられたスルーホール５を貫通して１段目熱電変換部１５の下部電極７ｂと２段目熱電変換部１６の上部電極７ａとにはんだ６ｂ及び６ａを介して接合される。このため、多段熱電モジュールを稼働させるために通電する場合、この接続用熱電素子１自身が、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続する。よって、従来のように、１段目熱電変換部の熱電素子と２段目熱電変換部の熱電素子とを電気的に接続するために、スルーホール内周壁に導電性被膜を形成する必要が無い。従って、従来の多段熱電モジュールにおいて、スルーホール内部に残存して多段熱電モジュールの耐久性を劣化させる原因となっていた気泡が形成されることがない。また、本実施形態においては、１段目熱電変換部１５の熱電素子と２段目熱電変換部１６の熱電素子とを電気的に接続するのではなく、接続用熱電素子１自身が、１段目熱電変換部１５の熱電素子と２段目熱電変換部１６の熱電素子とを兼ねている。即ち、接合箇所が少ないので、信頼性が高い構成となっている。よって、本実施形態に係る多段熱電モジュールは、耐久性及び信頼性を向上させることができる。
【００１４】
次に、本発明の第２の実施形態について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は第２の実施形態に係る多段熱電モジュールを示す平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ線による断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ線による断面図である。本実施形態においては、１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる放熱側基板４ｈ上に形成された銅電極（図示せず）上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第１段熱電素子２が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されると共に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが２．２０ｍｍの立方柱状である１対のｎ型及びｐ型の接続用熱電素子１が、第１段熱電素子２の最端列に配置され、全部で３１対の熱電素子対が１段目に設置されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成されると共に、接続用熱電素子１を間に配置することができる大きさの矩形の切欠２５が１辺に設けられた１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる中段基板４ｍが、熱電素子対とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されている。このようにして、１段目熱電変換部１５が構成されている。一方、中段基板４ｍの上面にも銅電極（図示せず）が形成されており、この銅電極上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第２段熱電素子３が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されている。また、これらの第２段熱電素子３と、中段基板４ｍに設けられた切欠２５を貫通して第２段熱電素子３と隣り合わせに並んだ接続用熱電素子１とが、直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が４．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる吸熱側基板４ｃが、第２段熱電素子３及び接続用熱電素子１とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されることによって、全部で８対の熱電素子対が２段目に設置されている。このようにして、２段目熱電変換部１６が構成されている。
【００１５】
次に、本発明の第３の実施形態について、図３を参照して説明する。図３（ａ）は第３の実施形態に係る多段熱電モジュールを示す平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃによる断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）におけるＤ−Ｄによる断面図である。本実施形態においては、１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる放熱側基板４ｈ上に形成された銅電極（図示せず）上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第１段熱電素子２が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されると共に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが２．２０ｍｍの立方柱状である１対のｎ型及びｐ型の接続用熱電素子１が、中段基板４ｍから離れて第１段熱電素子２の最端列に配置されると共に、吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈが突出したモジュール外端部に配置されることによって、全部で２９対の熱電素子対が１段目に設置されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成された長辺が８．０ｍｍ、短辺が７．０ｍｍの長方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる中段基板４ｍが、熱電素子対とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されている。このようにして、１段目熱電変換部１５が構成されている。一方、中段基板４ｍの上面にも銅電極（図示せず）が形成されており、この銅電極上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第２段熱電素子３が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されている。また、これらの第２段熱電素子３と、中段基板４ｍから離れて吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈが突出したモジュール外端部に配置されて第２段熱電素子３と隣り合わせに並んだ接続用熱電素子１とが、直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が４．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる吸熱側基板４ｃが、第２段熱電素子３及び接続用熱電素子１とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されることによって、全部で７対の熱電素子対が２段目に設置されている。このようにして、２段目熱電変換部１６が構成されている。
【００１６】
本発明の第２及び第３の実施形態においては、１段目熱電変換部１５の下部電極より２段目熱電変換部１６の上部電極に届く高さの接続用熱電素子１が、中段基板４ｍ端部に設けられた矩形の切欠２５の間か又は中段基板４ｍから離れて吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈが突出したモジュール外端部に配置されることによって、１段目熱電変換部１５の下部電極７ｂと２段目熱電変換部１６の上部電極７ａとにはんだ６ｂ及び６ａを介して接合される。このため、多段熱電モジュールを稼働させるために通電する場合、１段目熱電変換部１５に配置された一部の熱電素子２を経由して流れた電流が、この１対の接続用熱電素子１のうちの１個を介して１段目熱電変換部１５から２段目熱電変換部１６へ流れ（上向き矢印にて図示）、２段目熱電変換部１５に配置された熱電素子３を経由した後、もう１個の接続用熱電素子１を介して１段目熱電変換部１５へ戻り（下向き矢印にて図示）、残りの熱電素子２に流れる。このようにして接続用熱電素子１は、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続することができる。よって、従来のように、１段目熱電変換部と２段目熱電変換部とを電気的に接続するための導電性被膜等を形成する必要が無い。従って、１段目熱電変換部と２段目熱電変換部とを電気的に接続するためのスルーホール内部等に残存して多段熱電モジュールの耐久性を劣化させる原因となっていた気泡が形成されることもない。また、本発明においては、１段目熱電変換部１５の熱電素子と２段目熱電変換部１６の熱電素子とを電気的に接続するのではなく、接続用熱電素子１自身が、１段目熱電変換部１５の熱電素子２と２段目熱電変換部１６の熱電素子３とを兼ねていて接合箇所が少ないので、熱冷サイクルに対しての耐久性が高い構成となっている。よって、本発明に係る多段熱電モジュールは、耐久性を向上させることができる。なお、図２に示す第２実施形態の中段基板４ｍのように、切欠型の場合には、チップとの寸法マージンをとることができるという利点があり、図３に示す第３実施形態の吸熱側基板４ｃ及び放熱側基板４ｈのように、突出型の場合には、基板加工が少なくてすむという利点がある。
【００１７】
本実施形態においては、多段熱電モジュールとして、２段の熱電変換部で構成される熱電モジュールの例を示したが、本発明は段数を限定せずに複数の段数を有する多段熱電モジュールに適用することができる。
【００１８】
【実施例】
次に、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。本実施例においては、図２に示した第２の実施形態と同一構造の多段熱電モジュールを２２個製造した。また、図４（ａ）は比較例として製造した従来技術による多段熱電モジュールを示す平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＥ−Ｅによる断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＦ−Ｆによる断面図である。この比較例の多段熱電モジュールにおいては、第２の実施形態と同様に、１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる放熱側基板４ｈ上に形成された銅電極（図示せず）上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第１段熱電素子２が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合され、全部で３１対の熱電素子対が１段目に設置されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が８．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる中段基板４ｍが、熱電素子対とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されている。このようにして、１段目熱電変換部１５が構成されている。一方、中段基板４ｍの上面にも銅電極（図示せず）が形成されており、この銅電極上に、底面形状が１辺が０．７５ｍｍの正方形状で高さが０．９０ｍｍの立方柱状であるｎ型及びｐ型の第２段熱電素子３が交互に隣り合わせに並べられてはんだ（図示せず）を介して接合されている。そして、これらの熱電素子対が直列に接続されるように下面に銅電極（図示せず）のパターンが形成され１辺が４．０ｍｍの正方形状で厚さが０．３ｍｍのアルミナからなる吸熱側基板４ｃが、第２段熱電素子３とはんだ（図示せず）を介して、この下面の銅電極で接合されることによって、全部で８対の熱電素子対が２段目に設置されて、２段目熱電変換部１６が構成されている。また、中段基板４ｍの一部には２個のスルーホール１１２が設けられている。そして、スルーホール１１２の内周壁には導電性被膜（図示せず）が形成されており、このスルーホール１１２の上下に配置された第１段熱電素子２及び第２段熱電素子３に接合された銅電極（図示せず）と接続されて、１段目熱電変換部１５と２段目熱電変換部１６とを電気的に接続している。このように構成された従来技術による多段熱電モジュールを、２２個製造して比較例とした。
【００１９】
上述のような夫々２２個の実施例及び比較例の多段熱電モジュールのサンプルに対し、これらの実施例及び比較例の全てのサンプルのＡＣ抵抗を測定してから、−４０℃で１５分間及び＋８５℃で１５分間の熱冷サイクルを１０００サイクル実施した。その後、ＡＣ抵抗を再測定し、１０００サイクルの熱冷サイクルの前後において、ＡＣ抵抗変化率が５％を超えたサンプルを不良品と判定した。本実施例及び比較例によるサンプルでの判定結果を下記表１に示す。
【００２０】
【表１】
上記表１から明らかなように、従来技術による比較例の多段熱電モジュールでは、熱冷サイクル後に２個の不良品が発生した。一方、本実施例の多段熱電モジュールは、温度差が１２５℃の過酷な１０００サイクルの熱冷サイクルによってもＡＣ抵抗変化率が５％を超える不良品が発生することがなく、優れた耐久性を備えていることが証明された。
【００２２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る多段熱電モジュールにおいては、接続用熱電素子が、各段の熱電変換部を分ける中段基板に設けられたスルーホール又は切欠を貫通するか若しくは下段の熱電変換部の放熱側基板及び上段の熱電変換部の吸熱側基板が突出したモジュール外端部に中段基板から離れて配置されると共に、下段の熱電変換部の下部電極と上段の熱電変換部の上部電極とにはんだ等を介して接合される。このため、多段熱電モジュールを稼働させるために通電する場合、この接続用熱電素子自身が、複数段の熱電変換部を電気的に接続することができる。よって、従来のように、複数段の熱電変換部を電気的に接続するために、スルーホール内周壁に導電性被膜を形成する必要が無い。従って、従来の多段熱電モジュールにおいて、スルーホール内部に残存して多段熱電モジュールの耐久性を劣化させる原因となっていた気泡は形成されない。また、本発明による複数段の熱電変換部を電気的に接続する方法は、接合箇所が少なく耐久性が高い構成となっている。従って、本発明に係る多段熱電モジュールは、耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る多段熱電モジュールを示す部分的断面図である。
【図２】図２（ａ）は第２の実施形態の平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａによる断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂによる断面図である。
【図３】図３（ａ）は第３の実施形態の平面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＣ−Ｃによる断面図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）におけるＤ−Ｄによる断面図である。
【図４】図４（ａ）は比較例としての従来技術による多段熱電モジュールの平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるＥ−Ｅによる断面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるＦ−Ｆによる断面図である。
【図５】従来の多段熱電モジュールを示す断面図である。
【図６】従来の多段熱電モジュールにおける問題点を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１；接続用熱電素子
２；第１段熱電素子
３；第２段熱電素子
４ｃ；吸熱側基板
４ｍ；中段基板
４ｈ；放熱側基板
５，１１２；スルーホール
６ａ，６ｂ，１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｄ，１１０ｅ；はんだ
７ａ；上部電極
７ｂ；下部電極
１５，１０５；１段目熱電変換部
１６，１０６；２段目熱電変換部
２５；切欠
１００；従来技術による２段型熱電モジュール
１０１ｎ；第１段ｎ型熱電素子
１０１ｐ；第１段ｐ型熱電素子
１０２ｎ；第２段ｎ型熱電素子
１０２ｐ；第１段ｐ型熱電素子
１０３ａ；第２段上部電極
１０３ｂ；第２段下部電極
１０３ｄ；第１段上部電極
１０３ｅ；第１段下部電極
１０４ｃ；上側絶縁基板
１０４ｍ；中段絶縁基板
１０４ｈ；下側絶縁基板
１０７；貫通孔
１０８；導電性被膜
１１１；気泡（ボイド）
Claims (4)
- 上下に対向して配置された３個以上の基板と、前記各基板の各対向面に形成された夫々複数個の上部電極及び下部電極と、前記各基板間に配置された複数個のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子とを有し、前記基板間に配置された熱電素子群毎に前記ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子が交互に直列及び／又は並列に接続されるように前記上部電極及び下部電極に夫々１対又は複数対のｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子が接触し、更に前記熱電素子群が直列に接続されて構成され、一方の最外側の基板から他方の最外側の基板に向けて一方向に熱が流れる多段の熱電モジュールにおいて、特定の基板の下部電極とそれより２段以上上方の基板の上部電極とを接続する接続用熱電素子を有することを特徴とする多段熱電モジュール。
- 前記接続用熱電素子は、前記特定の基板の上方の基板に形成されたスルーホール間に配置されると共に、前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続することを特徴とする請求項１に記載の多段熱電モジュール。
- 前記接続用熱電素子は、前記特定の基板の上方の基板に形成された切欠間に配置されると共に、前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続することを特徴とする請求項１に記載の多段熱電モジュール。
- 前記特定の基板の上方の基板は前記特定の基板及び前記２段以上上方の基板よりも平面視での外形寸法が小さく、前記接続用熱電素子は前記特定の基板及び前記２段以上上方の基板が前記上方の基板より平面視において突出した部分に設けられると共に、前記突出した部分の対抗面に形成された前記特定の基板の下部電極と前記２段以上上方の基板の上部電極とを接続することを特徴とする請求項１に記載の多段熱電モジュール。
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