JP2006032848A

JP2006032848A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2006032848A
Application number: JP2004213292A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Suzuki; 康弘鈴木
Original assignee: Okano Electric Wire Co Ltd
Current assignee: Okano Electric Wire Co Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】結露等の水に伴う故障を抑制でき、かつ、効率的に機能できる熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】絶縁性基板３０の複数の素子嵌合孔３のそれぞれに、対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合する。熱電変換素子５の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ互いに間隔を介して複数の電極２を設けて熱電変換素子５を電気的に接続し、熱電変換素子５の回路を形成する。熱電変換素子５の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側には、電極２の配設領域を覆うカバー板部材７を設ける。カバー板部材７は電極２と熱電変換素子５の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域には耐水性材料により形成されたパッキン部材６を配置して、パッキン部材６を上下のカバー板部材７間に挟持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば光通信用部品、理化学機器、携帯用クーラ、半導体プロセス中でのプロセス温度管理等に用いられて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールや、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールに関するものである。

ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられており、様々な熱電変換モジュールの構成が提案されている。図６には、代表的な熱電変換モジュールの構造の一例が示されている。この熱電変換モジュールはペルチェモジュールであり、複数の素子嵌合孔３を有する絶縁性基板（絶縁支持板）３０の素子嵌合孔３に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合して形成されている（例えば特許文献１、２、参照。）。

ペルチェモジュールの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型（ｐ型）の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型（ｎ型）の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型およびＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、例えば長さが０．５〜３．０ｍｍ程度のビスマス・テルル等の半導体単結晶で構成されている。

前記絶縁性基板３０は、例えば厚さが０．２〜１．０ｍｍ程度の電気絶縁物の板、例えばガラスエポキシ板により構成されており、この絶縁性基板３０の上下側に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が、例えば０．１〜１．６ｍｍ程度突出するように、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂが、それぞれ、対応する素子嵌合孔３に貫通嵌合されて交互に配置されている。

Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側（ここでは上側）と他端側（ここでは下側）には、それぞれ電極２が配置されている。これらの電極２はいずれも半田付け等により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合されており、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、対応する電極２を介して電気的に直列に接続されて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路（ＰＮ素子対）が形成されている。なお、図に半田は図示されていない。また、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路は、図示されていないリード端子とリード線を介して電源回路等に接続されている。

上記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電極２を介して電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。

このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上端部が発熱せしめられると、この熱がペルチェモジュールの上側に設けられた部材に伝えられ、この部材の加熱が行われる。また、その逆に、ペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の例えば上端部が冷却せしめられると、ペルチェモジュールの上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。

特開平９−１８１３６２号公報特開平１０−１７８２１６号公報

ところで、ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールは、上記のように動作するので、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を流すと、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側が冷却せしめられて、空気中の水分が凍り、氷ができ、上記電流を流さなくなるとその氷が溶けて水になり、また電流を流すと氷が形成されるといった動作を繰り返すことになり、結露が生じる。その結露が電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に付着すると、電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に腐食が生じ、熱電変換モジュールの故障等が生じるといった問題があった。

そこで、例えば樹脂等を用いて電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）間の隙間を埋めることが提案されているが、このように樹脂等を設けると放熱性が悪くなり、熱電変換モジュールが効率的に機能できなくなってしまうといった問題があった。

本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、結露等の水に伴う故障を抑制でき、かつ、効率的に機能できる熱電変換モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ、互いに間隔を介して配置された複数の電極が設けられていると共に、これら複数の電極の配設領域を覆うカバー板部材が設けられて、該カバー板部材によって前記電極を介して前記熱電変換素子を上下に挟む態様と成しており、前記電極を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されており、前記カバー板部材は前記電極と前記熱電変換素子の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域には耐水性材料により形成されたパッキン部材が配置されて、該パッキン部材が前記上下のカバー板部材間に挟持されている構成をもって課題を解決する手段としている。

また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記パッキン部材は断面コ字形状に形成され、該コ字形状の内側を絶縁性基板側に向けてコ字形状の内壁で前記絶縁性基板を挟む態様と成している構成をもって課題を解決する手段としている。

さらに、第３の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記カバー板部材の張り出し領域にはパッキン部材の外側に耐水性のシール材が設けられている構成をもって課題を解決する手段としている。

さらに、第４の発明は、上記第１または第２または第３の発明の構成に加え、前記熱電変換素子の上側に配置されたカバー板部材の外周端部は下側に向けて屈曲し、熱電変換素子の下側に配置されたカバー板部材の外周端部は上側に向けて屈曲しており、これらの屈曲部にパッキン部材が直接またはシール材を介して係止されている構成をもって課題を解決する手段としている。

本発明によれば、絶縁性基板の複数の素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されたＰ型とＮ型の熱電変換素子の一端側と他端側には、熱電変換素子を電気的に接続する複数の電極と、該電極の配設領域を覆うカバー板部材とが設けられ、このカバー板部材は、電極を介して前記熱電変換素子を上下に挟む態様と成すと共に、前記電極と前記熱電変換素子の配設領域より外側に張り出して、その間に、耐水性材料により形成されたパッキン部材を挟持しているので、例えば熱電変換モジュールの作動によって結露が生じても、その結露の水滴が電極や熱電変換素子の配設領域に侵入することを、カバー板部材とパッキン部材とにより抑制できる。

したがって、本発明によれば、結露によって、電極や熱電変換素子に腐食が生じて熱電変換モジュールの故障等が生じるといった問題を抑制できる。

また、本発明において、パッキン部材は断面コ字形状に形成され、該コ字形状の内側を絶縁性基板側に向けてコ字形状の内壁で前記絶縁性基板を挟む態様と成している構成によれば、パッキン部材のコ字形状の内壁で前記絶縁性基板を挟むことにより、パッキン部材をより安定してカバー板部材間に挟持でき、熱電変換素子や電極への結露の付着抑制もより安定して行える。

さらに、本発明において、カバー板部材の張り出し領域にはパッキン部材の外側に耐水性のシール材が設けられている構成によれば、シール材を設けることにより、より一層確実に、熱電変換素子や電極側へ結露の水滴が侵入付着することを抑制できる。

さらに、本発明において、熱電変換素子の上側に配置されたカバー板部材の外周端部は下側に向けて屈曲し、熱電変換素子の下側に配置されたカバー板部材の外周端部は上側に向けて屈曲しており、これらの屈曲部にパッキン部材が直接またはシール材を介して係止されている構成によれば、パッキン部材を容易に係止でき、歩留まり良く、低コストで熱電変換モジュールを製造できる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。

図１（ａ）には、本発明に係る熱電変換モジュールの一実施形態例が模式的な断面図により示されている。この図に示すように、本実施形態例の熱電変換モジュール１も、図６に示した熱電変換モジュールと同様に、例えばガラス繊維強化のエポキシ樹脂により形成された絶縁性基板３０を有しており、該絶縁性基板３０には、図４に示すように、互いに間隔を介して複数の素子嵌合孔３が形成されている。また、本実施形態例でも、従来例と同様に、それぞれの素子嵌合孔３には、対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が貫通嵌合固定されている。

また、図１（ａ）に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ、互いに間隔を介して配置された複数の電極２が設けられ、該電極２を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂとが電気的に接続されて熱電変換素子５の回路が形成されている。なお、前記一端側に配置された電極２と他端側に配置された電極２とは、互いに位置をずらして配設されており、前記熱電変換素子５の回路は、図１（ｂ）に示すリード線２８を介して電源回路等の電気回路に接続されている。

本実施形態例の熱電変換モジュールは、以下に示す構成を特徴的な構成としている。第１に、本実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側には、複数の電極２の配設領域を覆うカバー板部材７が設けられており、該カバー板部材７によって前記電極２を介して前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を上下に挟む態様と成している。なお、図１（ｂ）は、本実施形態例の熱電変換モジュールを、カバー板部材７を一部省略した平面図により模式的に示している。

第２に、本実施形態例では、前記カバー板部材７は前記電極２と前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域には、ゴムやエラストマー等の弾性を有する耐水性材料により形成されたパッキン部材６が配置されて、該パッキン部材６が前記上下のカバー板部材７間に挟持されていることを特徴とする。

図２（ｂ）には、パッキン部材６（６ａ，６ｂ）の平面図が、図２（ｃ）には、パッキン部材６ａの斜視図が示されている。これらの図に示されるように、パッキン部材６は断面コ字形状に形成されており、図２（ａ）には、パッキン部材６ａの一辺をコ字形状の内側から見た図が示されている。

本実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との配設領域の外周側において、リード線２８の引き出し領域を除く領域にパッキン部材６を設けるために、上記のように、２つのパッキン部材６ａ，６ｂを有する構成としている。また、図１（ａ）に示したように、パッキン部材６は、コ字形状の内側を絶縁性基板３側に向けて、コ字形状の内壁で前記絶縁性基板３を挟む態様と成している。

さらに、本実施形態例は、カバー板部材７の張り出し領域にはパッキン部材６の外側に耐水性のシール材１０が設けられていることを特徴とする。このシール材１０は、例えば弾性接着剤等によりゼリー状に形成されている。なお、シール材１０の素材や形状は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。

さらに、本実施形態例は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上側に配置されたカバー板部材７の外周端部が下側に向けて屈曲し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の下側に配置されたカバー板部材７の外周端部が上側に向けて屈曲しており、これらの屈曲部９に、パッキン部材６がシール材１０を介して係止されていることを特徴とする。

なお、本実施形態例において、カバー板部材７は、片面側に絶縁膜８を形成して成る金属板により形成されており、絶縁膜８の形成面を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）側に向けて配置して形成され、絶縁膜８によって、金属板７と電極２とが絶縁されている。絶縁膜８は例えば膜厚が１０００Å〜３０００Åのセラミックやシリコンガラス等の薄膜としており、前記金属板はアルマイトされたアルミニウム板により形成されている。また、絶縁膜８と電極２との間には、シリコン等の熱伝導グリースや熱伝導接着剤が設けられている。

本実施形態例は以上のように構成されており、図３（ａ）に示すように、従来例に示したような熱電変換モジュールとパッキン部材６とを用意し、該熱電変換モジュールの外周側にパッキン部材６を設けて、図３（ｂ）に示すように、パッキン部材６のコ字形状の内側で絶縁性基板３の端部を挟む。

そして、熱電変換モジュールの上下両側に、カバー板部材７を設け、絶縁膜８の形成面側を電極２側に向けて配置し、カバー板部材７で電極２を介して熱電変換素子５を挟む態様としてカバー板部材７を電極２側に固定すると共に、パッキン部材６をカバー板部材７により挟持する。

なお、パッキン部材６は、図３および図２の（ｃ）に示したように、コ字形状の内側を開き気味にしておいて、上下のカバー板部材７で挟持すると、パッキン部材６とカバー板部材７とが隙間無くピタッとつくので好ましい。

本実施形態例によれば、以上のように、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との配設領域を覆い、電極２を介して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を上下に挟む態様のカバー板部材７を設け、このカバー板部材７を電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域より外側に張り出し、この張り出し領域の上下のカバー板部材７間には、耐水性材料により形成されたパッキン部材６を挟持しているので、例えば熱電変換モジュールの作動によって結露が生じても、その結露による水滴が電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に付着することをカバー板部材７とパッキン部材６とにより抑制できる。

したがって、本実施形態例によれば、結露によって、電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に腐食が生じて熱電変換モジュールの故障等が生じるといった問題を抑制できる。

また、本実施形態例によれば、パッキン部材６は断面コ字形状に形成され、該コ字形状の内側を絶縁性基板３側に向けてコ字形状の内壁で前記絶縁性基板３を挟む態様と成しているので、パッキン部材６のコ字形状の内壁で前記絶縁性基板３を挟むことにより、パッキン部材６をより安定してカバー板部材７間に挟持でき、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）や電極２への結露の付着抑制もより安定して行える。

さらに、本実施形態例によれば、カバー板部材７の張り出し領域にはパッキン部材６の外側に耐水性のシール材１０が設けられているので、シール材１０を設けることにより、より一層確実に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）や電極２側に結露による水滴が付着することを抑制できる。

さらに、本実施形態例によれば、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の上側に配置されたカバー板部材７の外周端部は下側に向けて屈曲し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の下側に配置されたカバー板部材７の外周端部は上側に向けて屈曲しており、これらの屈曲部にパッキン部材６がシール材１０を介して係止されているので、パッキン部材６を容易に係止でき、また、シール材１０の流れ防止の役割も果たすことができるので、歩留まり良く、低コストで熱電変換モジュールを製造できる。

さらに、本実施形態例の熱電変換モジュールは、電極２を介して該熱電変換素子５を挟む態様で金属板のカバー板部材７を設け、カバー板部材７の片面側に形成した絶縁膜８により、カバー板部材７と前記電極２とを絶縁しているので、例えば熱電変換モジュールと接触配置される（例えば熱電変換モジュール上に搭載される）冷却対象物や加熱対象物等が電気伝導性を有していても、この電気伝導性により電極同士が導通することを防げる。

したがって、本発明の熱電変換モジュールは、使用しやすく、かつ、効率良く機能できるペルチェモジュール等の熱電変換モジュールを実現できる。

なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば上記実施形態例では、シール材１０を設けたが、シール材１０を省略し、パッキン部材６をカバー板部材７の屈曲部９に直接係止してもよい。ただし、シール材１０を設けると、より一層確実に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）や電極２側への水の侵入を抑制できる。

また、上記実施形態例では、上下のカバー板部材７は両方とも屈曲部９を有する構成としたが、屈曲部９は上下のカバー板部材７のいずれか一方のみが屈曲部９を有していてもよいし、屈曲部９は省略することもできる。

さらに、上記実施形態例では、リード線２８の引き出し部を除く領域にパッキン部材６を設けるために、２つのパッキン部材６（６ａ，６ｂ）を設けて形成したが、例えば図５に示すように、リード線２８の引き出し孔１１を有する枠形状の１つのパッキン部材６を設けて形成することもできるし、３つ以上のパッキン部材６を設けて形成することもできる。ただし、パッキン部材６間に隙間が生じると、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）や電極２側への水の侵入抑制効果が多少低下するおそれがあり、また、構成の簡略化のためにも少ない点数のパッキン部材６を設けて形成することが好ましい。

さらに、上記実施形態例では、パッキン部材６は断面コ字形状としたが、パッキン部材６は必ずしも断面コ字形状とするとは限らず、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）や電極２側への水の侵入を抑制できる形状であればよい。

さらに、上記実施形態例では、絶縁膜８はセラミック薄膜としたが、絶縁膜８は必ずしもセラミック薄膜とするとは限らず、セラミック以外の薄膜としてもよい。また、絶縁膜８は、ＣＶＤ（化学蒸着）によりポリパラキシリデン等をコーティングして形成してもよい。また、絶縁膜８の膜厚も特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。

さらに、上記実施形態例では、カバー板部材７はアルマイトされたアルミニウムの金属板としたが、カバー板部材７はアルミニウムや銅等の他の金属製の板としてもよいし、金属板以外の板部材により形成してもよい。ただし、金属板は熱伝導性に優れているので、金属板をカバー板部材７として設けると、熱電変換モジュールにより効率的に加熱や冷却の動作が行える。なお、カバー板部材７を金属板により形成する場合は、電極２との絶縁のために、例えば上記実施形態例と同様に電極２側と対向する面に絶縁膜８等を設ける。

さらに、上記実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を断面形状が矩形状の素子としたが、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の形状は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、例えば、その断面形状が円形状の素子としてもよいし、他の形状の素子としてもよい。

さらに、上記実施形態例では、熱電変換モジュールは、いずれも平面形状を略四角形状に形成したが、平面形状が略円形状の熱電変換モジュールとしてもよい。

さらに、上記説明は熱電変換モジュールとしてのペルチェモジュールの構造について例を挙げて説明したが、本発明の熱電変換モジュールの構造は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールの構造にも適用できる。

本発明に係る熱電変換モジュールの構造の一実施形態例を模式的に示す説明図である。上記実施形態例の熱電変換モジュールに適用されているパッキン部材の説明図である。上記実施形態例の熱電変換モジュールの製造工程例を断面図により示す説明図である。上記実施形態例に適用されている絶縁性基板の平面説明図である。本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施形態例に適用されるパッキン部材の説明図である。従来の熱電変換モジュールの一例を側面図により示す説明図である。

符号の説明

２電極
５，５ａ，５ｂ熱電変換素子
６パッキン部材
７カバー板部材
８絶縁膜
１０シール材
３０絶縁性基板

Claims

複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側にはそれぞれ、互いに間隔を介して配置された複数の電極が設けられていると共に、これら複数の電極の配設領域を覆うカバー板部材が設けられて、該カバー板部材によって前記電極を介して前記熱電変換素子を上下に挟む態様と成しており、前記電極を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されており、前記カバー板部材は前記電極と前記熱電変換素子の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域には耐水性材料により形成されたパッキン部材が配置されて、該パッキン部材が前記上下のカバー板部材間に挟持されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
パッキン部材は断面コ字形状に形成され、該コ字形状の内側を絶縁性基板側に向けてコ字形状の内壁で前記絶縁性基板を挟む態様と成していることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
カバー板部材の張り出し領域にはパッキン部材の外側に耐水性のシール材が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の熱電変換モジュール。
熱電変換素子の上側に配置されたカバー板部材の外周端部は下側に向けて屈曲し、熱電変換素子の下側に配置されたカバー板部材の外周端部は上側に向けて屈曲しており、これらの屈曲部にパッキン部材が直接またはシール材を介して係止されていることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の熱電変換モジュール。