JP2004207658A

JP2004207658A - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP2004207658A
Application number: JP2002377911A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Tachibana; 敬久橘
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】高強度で、吸熱性に優れる熱電モジュールを提供する。
【解決手段】セラミックス等の絶縁性の下基板１及び上基板２にメッキ等により夫々下部電極３及び上部電極４を形成し、下基板１及び上基板２は下部電極３と上部電極４が対向するように平行に配置し、両者の間に銅又は銅合金からなる複数個の導電性チップ７及びそれらと接合された複数個の熱電素子５を配置する。導電性チップ７は熱電素子５の下端部に接合されており、更に導電性チップ７の下端部は下部電極３に接合されている。また、熱電素子５の上端部は上部電極４に接合されている。下部電極３及び上部電極４には、ｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが交互に配置され、隣接するｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが、その上端部で１個の上部電極４ａに接続されている。また、両端部の熱電素子が接合された下部電極３には夫々リード線８が接続されている熱電モジュール。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果を利用した熱電モジュールに関し、特に強度及び吸熱性に優れる熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６（ａ）は従来の一般的な熱電モジュールを示す断面図であり、図６（ｂ）はその斜視図である。図６（ａ）においては、はんだ等の接合部材部分は省略しており、以下の図も同様である。図６（ｂ）においては、モジュール内部の構造を見やすくするため上基板を省略している。また、各熱電素子のｐ型及びｎ型の区別については、図６（ｂ）に「Ｐ」及び「Ｎ」の符号を付する。図６（ａ）に示すように、従来の熱電モジュールは、絶縁性の下基板１及び上基板２に夫々下部電極３及び上部電極４を形成し、下部電極３と上部電極４が対向するように下基板１及び上基板２を平行に配置し、両者の間に複数個の熱電素子５を配置して構成されている。図６（ｂ）に示すように、下部電極３及び上部電極４には、ｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが交互に配置され、隣接する１対の下部電極３上に接合された熱電素子のうち、隣接するｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂの上部を１個の上部電極４に接合することにより、複数個のｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂとが交互に直列に接続されている。この直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極３に、夫々リード線８がはんだ等により接合されている。
【０００３】
また、下部電極３及び上部電極４により接続されたｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂに電流を流すと、電流はｎ型熱電素子５ｂ下側から上部電極４を通ってｐ型熱電素子５ａの下側へ流れる。一方、エネルギーはｐ型熱電素子５ａでは電流と同じ方向に、ｎ型熱電素子５ｂでは電流と逆の方向へ移動するため、上部電極４側ではエネルギーが不足して温度が下がり（吸熱）下部電極側ではエネルギーが放出されて温度が上がる（放熱）。
【０００４】
前記熱電モジュールの吸熱量（Ｑ_ｃ）は、下記数式１に示すように、前述したペルチェ効果による熱移動から、熱を輸送するためのジュール熱（電力消費による発熱）及び熱の逆流分を差し引くことにより求められる。数式１において、Ｋはペルチェ定数、Ｉは駆動電流、Ｒは素子の等価抵抗、μはモジュールの熱伝導率、ΔＴは吸熱面（上部電極側）と放熱面（下部電極側）の温度差である。
【０００５】
【数１】

【０００６】
従来の熱電モジュールにおいて、駆動電流及び素子数を変えずに、吸熱性を向上させるためには、熱電素子の厚さを薄くするか、又は熱電素子の総断面積を大きくして素子の等価抵抗を下げなければならなかった。しかしながら、前記熱電素子の厚さを薄くすると、熱電モジュールとして十分な耐久性及び機械的強度が得られないといった問題が生じる。また、熱電素子の断面積を大きくすると、モジュール自体も大きくなり、小型機器への適用が困難になる。
【０００７】
そこで、熱電モジュールの信頼性を向上するため、熱電素子の両面にニッケル層及び厚さ１０μｍの銅又は銅合金層を形成し、応力集中を緩和する方法（特許文献１参照）、熱電素子の両面に熱応力吸収層を設けることで熱応力を軽減する方法（特許文献２参照）及び、熱電素子の両端に形成された電極部のヤング率を低くし、更に電極の厚みを高温側より低温側を薄くすることで内部応力を緩和する方法（特許文献３参照）等が提案されている。図７は特許文献１乃至３で提案されている熱電モジュールを模式的に示す断面図である。
【０００８】
【特許文献１】
特開平６−３１０７６５号公報（第２−３頁、図３）
【特許文献２】
特開平８−３２１６３５号公報（第２−４頁、図１）
【特許文献３】
特開２００１−２０３４００号公報（第２−５頁、図１−４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１乃至３で提案された熱電モジュールは、図７に示すように、熱電素子５の両面に導電性を有する応力緩和層６を設けている。そのため、熱電素子５と応力緩和層６の接合部に応力が集中し、そこが破壊の起点になり、十分な耐久性が得られないため、更なる耐久向上が求められている。
【００１０】
本発明はかかる問題に鑑みてなされたものであって、高強度で、且つ吸熱性に優れる熱電モジュールを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱電モジュールは、１対の基板の間に複数個の熱電素子を配置してなる熱電モジュールにおいて、前記熱電素子のいずれか一方の面にのみ導電性を有するチップが接合され、一方の基板上の電極と前記導電性を有するチップとが接合され、他方の基板上の電極と前記熱電素子とが接合されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の熱電モジュールにおいては、熱電素子に導電性チップを接合することにより、基板間の距離を長くすることができ、耐久性が向上する。更に、前記熱電素子のいずれか一方の面にのみ前記導電性を有するチップを接合しているため、熱電素子、導電性を有するチップ及び電極における接合面が、両面に導電層を設けた従来の熱電モジュールより少なくなり、より一層耐久性を向上することができる。また、接合工程が容易であるため、めっき等により導電層を形成する方法に比べ、製造時間を短縮することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱電モジュール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実施形態を示す断面図である。本発明の第１実施形態の熱電モジュールは、セラミックス等の絶縁性の下基板１及び上基板２にメッキ等により夫々下部電極３及び上部電極４が形成され、下基板１及び上基板２は下部電極３と上部電極４が対向するように平行に配置され、両者の間に銅又は銅合金からなる複数個の導電性チップ７及びそれらと接合された複数個の熱電素子５が配置されている。導電性チップ７は熱電素子５の下端部に接合されており、更に導電性チップ７の下端部は下部電極３に接合されている。また、熱電素子５の上端部は上部電極４に接合されている。即ち、熱電素子５は導電性チップ７を介して、下部電極３と電気的に接続されている。下部電極３及び上部電極４には、ｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが交互に配置され、隣接する下部電極３ａ及び下部電極３ｂに導電性チップ７を介して接続された熱電素子のうち、隣接するｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが、その上端部で１個の上部電極４ａに接続されている。これにより、複数個のｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが交互に直列に接続されている。また、この直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極３には、夫々リード線８がはんだ等により接合されている。
【００１４】
次に、本実施形態の動作について説明する。本実施形態の熱電モジュールにおいては、リード線８を介して電流を供給すると、下部電極３から導電性チップ７を介してｎ型熱電素子５ｂに電流が流れ、更に上部電極３を経由してｐ型熱電素子５ａに流れる。それにより、従来の熱電モジュールと同様に、上基板２側で吸熱し、下基板１側で放熱する。
【００１５】
本実施形態の熱電モジュールにおいては、導電チップ７として熱伝導率及び電気伝導度が高い銅又は銅合金を使用しているため、熱電素子５に電流が流れるのを妨げず、更に電気抵抗の増加による吸熱量の低下も防ぐことができる。また、下部電極３と熱電素子５の間に導電チップ７を設けたことにより、熱電素子５と下部電極３との接合部に生じる熱応力を緩和すると共に、下基板１と上基板２との距離を増すことができ、熱輻射による損失を低減して吸熱性を向上することができる。更にまた、導電チップ７を熱電素子５の両面に設けた場合に比べ、熱応力による影響を少なくすることができる。
【００１６】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図２は本発明の第２実施形態を示す断面図である。本発明の第２実施形態の熱電モジュールは、メッキ等により下部電極３及び上部電極４が形成されたセラミックス等の絶縁性の下基板１及び上基板２が、下部電極３と上部電極４が対向するように平行に配置され、両者の間に銅又は銅合金からなる導電性チップ７及びそれらと接合された複数個の熱電素子５が配置されている。導電性チップ７は熱電素子５の上端部に接合しており、更にその上端部で上部電極４と接合している。また、熱電素子５の下端部は下部電極３と接合している。即ち、熱電素子５は導電性チップ７を介して、上部電極４と電気的に接続されている。下部電極３及び上部電極４には、ｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが交互に配置され、隣接する下部電極３ａ及び下部電極３ｂに接続された熱電素子のうち、隣接するｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが、その上端部で導電性チップ７を介して１個の上部電極４ａに接続されている。これにより、ｐ型熱電素子５ａ及びｎ型熱電素子５ｂが交互に直列に接続されている。また、この直列接続体の両端部の熱電素子が接合された下部電極３には、夫々リード線８がはんだ等により接合されている。
【００１７】
本実施形態の熱電モジュールにおいては、リード線８を介して電流を供給すると、下部電極３からｎ型熱電素子５ｂに電流が流れ、更に導電性チップ７及び上部電極３を経由してｐ型熱電素子５ａに流れる。それにより、従来の熱電モジュール及び第１実施形態同様、上基板２側で吸熱し、下基板１側で放熱する。
【００１８】
また、本実施形態においても、導電チップ７として銅又は銅合金を使用しており、第１実施例同様、熱電素子５に電流が流れるのを妨げず、更に電気抵抗の増加による吸熱量の低下も防ぐことができる。また、上部電極４と熱電素子５の間に導電チップ７を設けたことにより、熱電素子５と下部電極４との接合部に生じる熱応力を緩和すると共に、下基板１と上基板２との距離を増すことができ、熱輻射によるロスを低減して吸熱性を向上することができる。更にまた、導電チップ７を熱電素子５の両面に設けた場合に比べ、熱応力による影響を少なくすることができ、熱電モジュールの信頼性及び吸熱性を向上することができる。
【００１９】
上述した実施形態においては、導電チップ７の材質を銅又は銅合金としたが、それらに限定するものではなく、導電性を有するものであればよい。また、導電チップ７と熱電素子５の接合方法であるが、はんだ接合等の電気的に接続できる一般的な方法を適用することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例の熱電モジュールを作製し、その特性を本発明の範囲から外れる比較例と比較した結果について具体的に説明する。表１には本実施例及び比較例の共通の仕様を示す。また、図３には熱電素子の配置図を示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
実施例１
熱電素子の下端部に、縦１．０ｍｍ、横１．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの銅合金製の導電チップを接合し、図１に示す第１実施形態の構造を有する熱電モジュールを作製した。本実施例においては、本実施例の熱電モジュールの厚さは２．３ｍｍであった。
【００２３】
実施例２
熱電素子の上端部に、縦１．０ｍｍ、横１．０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍの銅合金製の導電チップを接合し、図２に示す第２実施形態の構造を有する熱電モジュールを作製した。本実施例の熱電モジュールの厚さは２．３ｍｍであった。
【００２４】
比較例１
図４に示す導電チップを設けない従来タイプの熱電モジュールを作製した。本比較例の熱電モジュールの厚さは１．３ｍｍであった。
【００２５】
比較例２
熱電素子の両面に、縦１．０ｍｍ、横１．０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの銅合金製の導電チップを接合し、図７に示す熱電素子の両側に導電チップを設けた熱電モジュールを作製した。本比較例の熱電モジュールの厚さは２．３ｍｍであった。
【００２６】
上記実施例及び比較例について、パワーサイクル試験及び衝撃試験を実施した。図４はパワーサイクル試験を模式的に示す断面図であり、図５は衝撃試験を模式的に示す断面図である。パワーサイクル試験は、図４に示すように、熱電モジュール１０の放熱側及び吸熱側に厚さ１ｍｍのＣｕＷプレート１１ａ及び１１ｂをはんだにより接合し、ホット側のＣｕＷプレート１１ａの温度を６０゜で保持した状態で、１分間熱電モジュール１０に通電して温度差（ΔＴｍａｘ）をかけた後、４分間通電を止めて温度差をなくした。これを１サイクルとして、２万サイクル行い、試験前後のＡＣ抵抗の変化率を測定した。サンプル数は各２２個とし、ＡＣ抵抗の変化率が５％以下のものを合格とした。また、衝撃試験は、図５に示すように、熱電モジュール１０の放熱側に厚さ３ｍｍのＣｕＷプレート１２を、熱電モジュール１０の吸熱側１３には重さ１０ｇのＣｕＷブロック１３を夫々はんだにより接合した後、放熱側のＣｕＷプレート１２を試験ステージ１４に固定した。ＭＩＬ−ＳＴＤ（米軍規格；Military Specifications and MilitaryStandards）−８８３（Method２００２）Condition Ｂに従い、熱電モジュールの直交する３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に各１４７１０ｍ／ｓｅｃ^２（１５００Ｇ）の加速度を５回ずつ加えた。サンプル数は各２２個とし、試験前後のＡＣ抵抗の変化率を測定してＡＣ抵抗の変化率が５％以下のものを合格とした。パワーサイクル試験及び衝撃試験の結果を表２に示す。
【００２７】
【表２】

【００２８】
表２に示すように、導電チップを接合していない従来型の熱電モジュールである比較例１の熱電モジュールは、パワーサイクル試験で１０個、衝撃試験で１５個が不合格であった。また、熱電素子の両側に導電チップを接合した比較例２の熱電モジュールは、パワーサイクル試験で２個、衝撃試験で３個が不合格であった。比較例２の熱電モジュールは、比較例１に比べ不合格数が減少しており、耐久性は向上しているが、全数合格にはならなかった。
【００２９】
一方、熱電素子の上端側だけに導電チップを接合した実施例１及び、熱電素子の下端側だけに導電チップを接合した実施例２の熱電モジュールは、パワーサイクル試験及び衝撃試験を行った試料全てにおいて、ＡＣ抵抗の変化率が５％以下であり、優れた耐久性を示した。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、熱電素子の片側に導電性を有するチップを接合したことで、基板間の距離が長くなり、機械的強度及び吸熱性を向上させることができる。また、熱電素子と導電性を有するチップの接合面が従来構造の半分になるため、耐久性を向上することができる。更に、めっき等により同等の厚さの金属層を形成する場合に比べ、製造工程が容易で、製造時間も短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す断面図である。
【図３】実施例及び比較例の熱電モジュールにおける、熱電素子の配置図である。
【図４】パワーサイクル試験を示す断面図である。
【図５】衝撃試験を示す断面図である。
【図６】（ａ）は従来の熱電モジュールの断面を示す模式図であり、（ｂ）は従来の熱電モジュールの上基板を除いた部分の斜視図である。
【図７】特許文献１乃至３で提案されている熱電モジュールを模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１；下基板２；上基板３、３ａ、３ｂ；下部電極４、４ａ、４ｂ；上部電極５；熱電素子５ａ；ｐ型熱電素子５ｂ；ｎ型熱電素子６；応力吸収層７；導電チップ８；リード線１０；熱電モジュール１１ａ、１１ｂ、１２；ＣｕＷプレート１３；ＣｕＷブロック１４；試験ステージ

Claims

１対の基板の間に複数個の熱電素子を配置してなる熱電モジュールにおいて、前記熱電素子のいずれか一方の面にのみ導電性を有するチップが接合され、一方の基板上の電極と前記導電性を有するチップとが接合され、他方の基板上の電極と前記熱電素子とが接合されていることを特徴とする熱電モジュール。