JP2006032849A

JP2006032849A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2006032849A
Application number: JP2004213293A
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】製造が容易で安価な熱電変換モジュールと製造方法を提供する。
【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。これらの熱電変換素子５の配列位置に対応させて形成した素子貫通孔６を有する支持シート７の素子貫通孔６に熱電変換素子５を圧入状に貫通し、支持シート７の素子貫通孔６の外周側領域が対応する熱電変換素子５の側面を支持し、かつ、支持シート７を絶縁性基板３０の表面に当接固定して熱電変換素子５を絶縁性基板３０に支持固定する。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。
【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。

絶縁性基板３０の素子嵌合孔３の内径は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外径より大きめに形成されており、それにより、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への挿入作業が容易に行えるようになっている。そして、例えば図７（ａ）、（ｂ）に示すように、素子嵌合孔３に挿入された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と素子嵌合孔３との隙間を埋めるように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と絶縁性基板３０とに介設された接着剤１５によって、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が対応する素子嵌合孔３に固定されている。

図６に示したように、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

しかしながら、上記のように、従来の熱電変換モジュールは、接着剤１５を用いて、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を固定しており、この接着剤１５による固定を良好に行うためには、接着剤１５を均一に塗布して均一に乾燥させなければならないために、その作業が容易でなく、製造歩留まりの低下やコストアップを招く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、製造が容易で、安価な熱電変換モジュールおよびその製造方法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の本発明の熱電変換モジュールは、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それぞれ前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔に貫通嵌合され、前記熱電変換素子の貫通方向の一端側と他端側にそれぞれ設けられた電極を介して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、前記複数の熱電変換素子の配列位置に対応させて形成した素子貫通孔を有する支持シートの素子貫通孔に前記熱電変換素子が圧入状に貫通し、前記支持シートの素子貫通孔の外周側領域が対応する熱電変換素子の側面を支持し、かつ、前記絶縁性基板の表面に当接して前記熱電変換素子を前記絶縁性基板に支持し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の発明の熱電変換モジュールは、上記第１の発明の構成に加え、前記支持シートは絶縁性基板の表面に当接している当接面が絶縁性基板に固定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。

さらに、第３の発明の熱電変換モジュールは、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記熱電変換素子は断面が矩形状の素子により形成されており、支持シートの素子貫通孔は前記熱電変換素子の矩形状の対角線に沿って形成されたスリットにより形成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。

さらに、第４の発明の熱電変換モジュールの製造方法は、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子の嵌合用の素子嵌合孔をそれぞれ複数配列形成した絶縁性基板の素子嵌合孔に対応する熱電変換素子を貫通嵌合し、前記複数の熱電変換素子の前記絶縁性基板への配列位置に対応する位置に素子貫通孔を形成した支持シートを用意し、該支持シートの前記素子貫通孔に前記熱電変換素子を圧入状に貫通して前記素子貫通孔の外周側領域で前記熱電変換素子の側面を支持し、かつ、前記支持シートを前記絶縁性基板の表面に当接することにより前記熱電変換素子を前記絶縁性基板に支持し、然る後に、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それぞれ互いに間隔を介した複数の電極を設け、該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を電気的に導通接続して熱電変換素子の回路を形成す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、支持シートには、絶縁性基板に形成された素子嵌合孔に貫通嵌合された複数の熱電変換素子の配列位置に対応させて素子貫通孔が形成され、この支持シートの素子貫通孔に前記熱電変換素子が圧入状に貫通し、前記支持シートの素子貫通孔の外周側領域が対応する熱電変換素子の側面を支持し、かつ、前記絶縁性基板の表面に当接して前記熱電変換素子を前記絶縁性基板に支持しているので、それぞれの熱電変換素子を接着剤によって対応する素子嵌合孔に固定する場合に必要な接着剤の均一塗布や均一乾燥の手間が必要なく、簡単に熱電変換素子を素子嵌合孔に支持できる。

したがって、本発明の熱電変換モジュールは、非常に容易に組み立てられるので、製造歩留まりを向上させることができるし、コストも安くできる。

また、本発明の熱電変換モジュールにおいて、支持シートは絶縁性基板の表面に当接している当接面が絶縁性基板に固定されている構成によれば、支持シートの固定により、熱電変換素子をより確実に絶縁性基板に固定でき、より製造歩留まりを向上させることができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールにおいて、熱電変換素子は断面が矩形状の素子により形成されており、支持シートの素子貫通孔は前記熱電変換素子の矩形状の対角線に沿って形成されたスリットにより形成されている構成によれば、支持シートの素子貫通孔を容易に、かつ、的確に形成して、上記効果を発揮することができる。

さらに、本発明の熱電変換モジュールの製造方法によれば、絶縁性基板の素子嵌合孔に対応する熱電変換素子を貫通嵌合し、この熱電変換素子の配列位置に対応する位置に素子貫通孔を形成した支持シートを用意して、該支持シートの前記素子貫通孔に前記熱電変換素子を圧入状に貫通して前記素子貫通孔の外周側領域を前記熱電変換素子の側面を支持して熱電変換モジュールを製造するので、熱電変換素子の絶縁性基板への支持を容易に行い、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）が貫通嵌合されているが、本実施形態例は、この熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板３０への支持構成を、以下に示すような特徴的な構成としている。

すなわち、本実施形態例では、図１に示すように、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配列位置に対応させて形成した素子貫通孔６を有する支持シート７の素子貫通孔６に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が圧入状に貫通し、前記支持シート７の素子貫通孔６の外周側領域が対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面を支持し、かつ、前記絶縁性基板３の表面に当接して前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を前記絶縁性基板３に支持していることを特徴とする。

支持シート７は、耐熱性を有するシール状の接着（粘着）シートにより形成されており、支持シート７は絶縁性基板３０の表面に当接している当接面は絶縁性基板３０に接着により固定されている。また、支持シート７は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面にも接着固定されている。

また、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、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。

本実施形態例は以上のように構成されており、次に、本実施形態例の熱電変換モジュールの製造方法について説明する。まず、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端部（電極２との接触部）に、例えばメッキ処理等の表面処理を施す。この表面処理は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との導通を行いやすくするために行われるものであり、例えばニッケルメッキの母剤の上に金メッキ層や半田メッキ層を積層する等、適宜の処理が行われる。

次に、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を、該熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外径より大きめの素子嵌合孔３を複数配列形成した絶縁性基板３０の対応する素子嵌合孔３にそれぞれ貫通嵌合する。なお、この作業は、例えば絶縁性基板３０を取り付け治具１８上に保持して行う。

そして、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板へ３０の配列位置に対応する位置に素子貫通孔６を形成した支持シート７を用意して、矢印に示すように、支持シート７を絶縁性基板３０の上側（表面側）から被せる。

なお、図３には、支持シート７の形成方法および支持シート７の素子貫通孔６への熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の圧入貫通方法の一例が示されている。例えば図３（ａ）に示すように、支持シート７を形成するシート部材１７を金属枠１０によって支持し、図３（ｂ）に示すように、固定用治具１２のガイドピン１３を金属枠１０に形成したガイドピン孔１１に通す。

この状態で、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３の配列ピッチと同じ配列ピッチの孔開けピン２５を有する孔開け治具１４によりプレスして、シート部材１７に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外径よりも少し小さめの素子貫通孔６を形成し、図３（ｃ）に示すような支持シート７とする。

なお、本実施形態例において、支持シート７を形成するシート部材１７は、シール状のシートとしており、素子貫通孔６の形成前にはシール状の接着面（粘着面）にカバーを設けておき、素子貫通孔６の形成後に、このカバーを外して、以下の工程を行うとより一層作業がしやすい。

つまり、図３（ｄ）に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合した絶縁性基板３０を保持している取り付け治具１８上に、支持シート７をその粘着面を下側にして配置し、金属枠１０のガイドピン孔１１にガイドピン１９を通していき、さらに、図３（ｅ）に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の形成位置に凹部２０を有する圧入治具２１を矢印の方向に押し込んで、支持シート７の素子貫通孔６に前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を圧入状に貫通する。

そして、図２（ｅ）、（ｆ）に示すように、支持シート７の素子貫通孔６の外周側領域が対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の側面を支持し、かつ、支持シート７を前記絶縁性基板３０の表面に当接固定して前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０に支持固定する。

その後、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それぞれ互いに間隔を介した複数の電極２を設けると、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とを電気的に導通接続する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路が形成される。

本実施形態例によれば、上記のように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設位置に対応する位置に素子貫通孔６を形成した支持シート７を設け、素子貫通孔６に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を圧入状に貫通することにより、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０に支持するようにしたので、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を接着剤１５によって絶縁性基板３０に固定する従来例と異なり、簡単に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を絶縁性基板３０に支持して熱電変換モジュールを形成できる。

つまり、本実施形態例によれば、それぞれの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を接着剤１５によって対応する素子嵌合孔３に固定する場合に必要な、接着剤１５の均一塗布や均一乾燥の手間が必要なく、非常に容易に組み立てられるので、製造歩留まりを向上させることができるし、コストも安くできる。

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、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。

また、上記実施形態例では、支持シート７には、円形状の素子貫通孔６を形成したが、素子貫通孔６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る。例えば図５（ａ）に示すように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を断面が矩形状の素子により形成し、図５（ｂ）に示すように、支持シート７の素子貫通孔６は熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の矩形状の対角線に沿って形成されたスリットにより形成してもよい。

さらに、上記実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側と他端側にそれぞれ電極２を半田により設けたが、例えば導電弾性部材により形成された電極部を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側と他端側に設けてもよい。この場合、導電弾性部材により形成した電極部を熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に圧接する構成とすれば、半田を設ける手間を省け、熱電変換モジュールの製造をより一層にできるし、支持シート７が耐熱性を有していなくてもよいので、その分だけ、支持シート７の適用範囲を広くできる。

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断面説明図である。上記実施形態例の熱電変換モジュールにおける熱電変換素子の配設工程と支持工程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の熱電変換素子を支持する支持シート形成工程とこのシートによる熱電変換素子の支持工程を模式的に示す説明図である。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支持シートの素子貫通孔の説明図である。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。従来の熱電変換モジュールにおける絶縁性基板への熱電変換素子固定方法例を示す断面説明図である。

符号の説明

２電極
３素子嵌合孔
５，５ａ，５ｂ熱電変換素子
６素子貫通孔
７支持シート
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それぞれ前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔に貫通嵌合され、前記熱電変換素子の貫通方向の一端側と他端側にそれぞれ設けられた電極を介して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、前記複数の熱電変換素子の配列位置に対応させて形成した素子貫通孔を有する支持シートの素子貫通孔に前記熱電変換素子が圧入状に貫通し、前記支持シートの素子貫通孔の外周側領域が対応する熱電変換素子の側面を支持し、かつ、前記絶縁性基板の表面に当接して前記熱電変換素子を前記絶縁性基板に支持していることを特徴とする熱電変換モジュール。
支持シートは絶縁性基板の表面に当接している当接面が絶縁性基板に固定され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。
熱電変換素子は断面が矩形状の素子により形成されており、支持シートの素子貫通孔は前記熱電変換素子の矩形状の対角線に沿って形成されたスリットにより形成さ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。
Ｐ型とＮ型の熱電変換素子の嵌合用の素子嵌合孔をそれぞれ複数配列形成した絶縁性基板の素子嵌合孔に対応する熱電変換素子を貫通嵌合し、前記複数の熱電変換素子の前記絶縁性基板への配列位置に対応する位置に素子貫通孔を形成した支持シートを用意し、該支持シートの前記素子貫通孔に前記熱電変換素子を圧入状に貫通して前記素子貫通孔の外周側領域で前記熱電変換素子の側面を支持し、かつ、前記支持シートを前記絶縁性基板の表面に当接することにより前記熱電変換素子を前記絶縁性基板に支持し、然る後に、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それぞれ互いに間隔を介した複数の電極を設け、該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を電気的に導通接続して熱電変換素子の回路を形成することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。