JP2006073943A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱電変換装置の電気的な配線および機械的、熱的な接続性を高める。
【解決手段】 熱電変換素子に入出力用配線として銅箔と樹脂フィルムからなるフレキシブル基板をはんだ等で接続する。また、この熱電変換素子を構成する二枚の基板とエレメントの間に存在する間隙に樹脂等の絶縁物が充填されている。フレキシブル基板は、熱電変換素子の高さ内に納まっており、電気的な取付性の向上だけでなく、機械的、熱的な取付性にすぐれたものとなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、Ｐ型およびＮ型熱電材料からなる熱電エレメントを備え、ペルチェ効果による電子冷却と発熱を可能とする熱電変換装置に関する。

熱電変換素子は、Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料とを、金属を介して接合し、ＰＮ接合を形成することにより作製される。この熱電変換素子は、素子に電流を流すことにより、一方の接合対で冷却、他方の接合対で発熱が起こるいわゆるペルチェ効果を生じ、これを利用した冷却装置や精密温度制御装置などとして利用されている。

一般に、熱電変換素子は複数個の熱電エレメントと呼ばれる柱状のＰ型およびＮ型熱電材料片（以下、熱電エレメントと呼ぶ）とこれらを接合する金属電極を備えた２枚の基板により構成されている。Ｐ型及びＮ型熱電エレメントは２枚の基板に挟み込まれた状態で、一端面が一方の基板の金属電極に、他端面がもう一方の基板の金属電極にそれぞれ固着され、該金属電極を介してＰＮ接合対が形成されるとともに、ＰＮ接合対が直列につながれるようになっている。

このような構造をしている熱電変換素子への電力の供給あるいは取り出しを行うために、この熱電変換素子を構成する一方の基板には、はんだ等により単芯または撚線からなるリード線が取り付けられている。

(例えば、特許文献１参照)。
特開平３−２０１５７９号公報（２頁および６頁第１図）

しかしながら、熱電変換素子に取り付けられたリード線により、電力の供給あるいは取り出しを行う場合、電源をはじめとする外部の装置との接続が面倒であったり、取り付ける相手によっては直接取り付けられないといった問題があった。

さらに、熱電変換素子はその原理より、素子を構成する熱電エレメントの基板に平行な断面の断面積とエレメントの高さの比を一定に保てば、小型化、薄型化が可能であることから、近年、熱電変換素子の薄型化、小型化が進んでいる。リード線は、二枚の基板の間に収められた状態で一方の基板にはんだ等で取り付ける方法と、一方の基板に対し電極取り付け部分を大きくした基板に取り付ける方法があった。しかしながら、上述のように薄型化、小型化が進むにつれて、前者の取り付け方法では、リード線が入るのに十分な隙間が基板間に確保できないことが生じる。後者の取り付け方法では、リード線の太さや接合に使用するはんだの盛り上がりにより、リード線を取り付けた基板に対向するもう一方の基板よりこれらが高くなってしまうことが生じる。この場合、熱電変換素子を取り付ける部材とリード線が接触していまい、熱電変換素子と部材との取り付けがうまく出来なくなってしまうという問題があった。

上記課題を解決するため、本発明では、銅箔と樹脂フィルムから構成されるフレキシブル基板（以下、フレキ基板と呼ぶ）を熱電変換素子に取り付けてある。

この発明によれば、熱電変換素子に厚みが薄く、柔軟性に富んだ取り出し用の配線が接続された熱電変換素子とすることができる。これにより、外部装置との接続が容易に行える。熱電変換素子とフレキ基板との取り付けにおいては、フレキ基板を薄くすることにより、二枚の基板の間に収めた状態で一方の基板にはんだ等で取り付ける方法が可能となり、さらに、一方の基板に対し電極取り付け部分を大きくした基板に取り付ける方法の場合、フレキ基板を取り付けた基板に対向するもう一方の基板よりフレキ基板が高くなることなく接続することが可能となる。

また本発明では、熱電変換素子を構成するエレメント間に存在する間隙に樹脂を充填する。これにより、強度に問題があった熱電変換素子の強度を向上する。さらに、熱電変換素子を構成する基板に形成されている電極のうち、もっとも外力をうけるフレキ基板と接続されるべき電極が樹脂により補強されるので、熱電変換素子の信頼性が向上する。

また、本発明では、フレキ基板とこれが接続される熱電変換素子の基板との間に樹脂が充填されている。これにより、フレキ基板と熱電変換素子の基板および電極との接続が強固となるので、強度や信頼性が大幅に向上する。

以上、実施の形態において詳細に説明したように本発明によれば、外部との電気接続が容易な熱電変換装置を提供することが出来る。また、薄型化された熱電変換素子に対して、本発明を適用すれば、配線が、基板間に納まるので、熱電変換素子の基板と被冷却物、放熱部材等の取り付け部材と配線が接触することなく本発明である熱電変換装置を取付けることができるので、単なる機械的な接続に加え、熱的な接続の向上が図れる。さらに、これらの電気的接続および機械的、熱的な接続性の向上により、発熱が問題となる半導体部品をはじめとする小型電子部品の冷却が容易に行うことが出来るようになるので、これらを使用する電子機器の性能向上、たとえば、ノイズの低減や演算速度の高速化が図れるようになる。

本発明に関わる第１の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施の形態例に係わる熱電変換装置の熱電変換素子とフレキシブル基板の取り付け部付近の上面および側面からの図を示したものである。

熱電変換素子１は、アルミナ製の第１の基板２とこれに対向するアルミナ製の第２の基板３と、これらの２枚の基板に形成されたＰＮ接合用電極４とこれらに挟まれ、かつ、ＰＮ接合用電極４にはんだにより接合されている複数のエレメント５、さらに、接続用電極６から構成されている。本実施の形態例では、アルミナ製の第1の基板１および第２の基板３の厚みは共に０．２ｍｍ、PN接合用電極４および接続用電極６の厚みを０．０５ｍｍ、エレメントの基板に平行な断面での大きさは０．１５ｍｍ×０．１５ｍｍ、エレメントの高さは０．２ｍｍ、エレメントの本数を４８本（２４対）とした。熱電変換素子の寸法は第１の基板が、縦１．７ｍｍ、横２．２ｍｍ、第２の基板が、縦１．７ｍｍ、横３．３ｍｍとした。また、接続用電極６の実質的なフレキ基板７の取り付け部の大きさは、縦０．６ｍｍ、横０．６ｍｍとした。この熱電変換素子１の電気特性は、４．８Ωであり、ペルチェ効果における最大電流値、すなわち、第１の基板２と第２の基板３との間に作ることが出来る最大温度差を与える電流値は、６００ｍＡである。

この熱電変換素子１に取り付けられるフレキ基板７の銅箔８は、厚み３５μｍ、幅フィルム９ａおよびフィルム９ｂで挟まれたフレキ基板内で０．５ｍｍとし、第２の基板３上の接続用電極６との接続部として、縦０．３ｍｍ、横０．３ｍｍの開口部が露出しており、この部分には、はんだ付け性を高めるためにはんだがメッキされている。また、フィルム９aおよび９ｂには、耐熱性をもたせるためポリイミド樹脂を使用し、接着層を含め厚みは５０μｍとした。このフレキ基板７の長さを５０ｍｍとした場合、フレキ基板７による抵抗の増化は約０．１Ωであり、熱電変換素子１の電気抵抗である４．８Ωに対し、約２％の増化に留まっており、性能に大きな影響を及ぼすことはない。

これらの熱電変換素子１とフレキ基板７は、接続用電極６で、はんだ１０を介して接続した。接続は、クリームはんだを銅箔の開口部に必要量塗布し、熱電変換素子１およびフレキ基板７を治具により固定し、第２の基板３の外面（電極が無い面）より加熱することにより行った。

このようにして作製した熱電変換装置には、変形、折り曲げが自由に行えるフレキ基板が取り付けられているため、外部装置との電気的な配線が容易に行えると同時に電気配線が平面的なフレキ基板７であるため、熱電変換装置本体のヒートシンクへの取り付けも容易であり、取り付け位置精度もあげることができた。

本発明に関わる第２の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図２は、本実施の形態例に係わる熱電変換装置の熱電変換素子とフレキシブル基板の取り付け部付近の上面および側面からの図を示したものである。

熱電変換素子１は、アルミナ製の第１の基板２とこれに対向するアルミナ製の第２の基板３と、これらの２枚の基板に形成されたＰＮ接合用電極４とこれらに挟まれ、かつ、ＰＮ接合用電極４にはんだにより接合されている複数のエレメント５、さらに、接続用電極６から構成されている。本実施の形態例では、アルミナ製の第1の基板１および第２の基板３の厚みは共に０．２ｍｍ、PN接合用電極４および接続用電極６の厚みを０．０５ｍｍ、エレメントの基板に平行な断面での大きさは０．３５ｍｍ×０．３５ｍｍ、エレメントの高さは０．２ｍｍ、エレメントの本数を８０本（４０対）とした。熱電変換素子の寸法は第１の基板が、縦５．６ｍｍ、横７ｍｍ、第２の基板が、縦５．６ｍｍ、横８ｍｍとした。また、接続用電極６の実質的なフレキ基板７の取り付け部の大きさは、縦２．５ｍｍ、横０．６ｍｍとした。この熱電変換素子１の電気特性は、１．５Ωであり、ペルチェ効果における最大電流値、すなわち、第１の基板２と第２の基板３との間に作ることが出来る最大温度差を与える電流値は、３Ａである。

この熱電変換素子１に取り付けられるフレキ基板７の銅箔８は、厚み３５μｍ、幅フィルム９ａおよびフィルム９ｂで挟まれたフレキ基板内で２．５ｍｍとし、第２の基板３上の接続用電極６との接続部として、縦１．５ｍｍ、横０．４ｍｍの開口部が露出しており、この部分には、はんだ付け性を高めるためにはんだがメッキされている。また、フィルム９aおよび９ｂには、耐熱性をもたせるためポリイミド樹脂を使用し、接着層を含め厚みは５０μｍとした。このフレキ基板７の長さを５０ｍｍとした場合、フレキ基板７による抵抗の増化は約０．０２３Ωであり、熱電変換素子１の電気抵抗である１．５Ωに対し、約１．５％の増化に留まっており、性能に大きな影響を及ぼすことはない。

これらの熱電変換素子１とフレキ基板７は、接続用電極６で、はんだ１０を介して接続した。接続は、クリームはんだを銅箔の開口部に必要量塗布し、熱電変換素子１およびフレキ基板７を治具により固定し、第２の基板３の外面（電極が無い面）より加熱することにより行った。

次に、フレキ基板７を接合した後、熱電変換素子１のエレメント５やPN接合電極４の間隙と第２の基板３とフレキ基板７との間に存在する間隙に、硬化前のエポキシ樹脂を充填し、加熱することにより硬化することにより樹脂充填部１１を形成する。

このようにして作製した熱電変換装置には、変形、折り曲げが自由に行えるフレキ基板７が取り付けられているため、外部装置との電気的な配線が容易に行えると同時に電気配線が平面的なフレキ基板７であるため、熱電変換装置本体のヒートシンクへの取り付けも容易であり、取り付け位置精度もあげることができた。さらに、エレメントの間隙には、樹脂が充填されているため熱電変換素子の機械的強度は格段上昇しており、ヒートシンクに銀ペーストや熱伝導性を有する接着剤などのように熱を加えることにより強力に接着する接合剤でも破損することなく接続することができる同時に、熱電変換素子１とフレキ基板７の接続も樹脂により補強されているため、フレキ基板の無理な変形や引っ張りにたいしても破損は生じなかった。

また、本実施の形態で用いた熱電変換素子１にフレキ基板７の代わりに同じ抵抗を有するリード線を用いた場合、単芯の銅線では直径が０．３３ｍｍとなり、撚線では、これ以上の太さとなることはいうまでもなく、被覆線を用いればさらに外径寸法は大きくなる。図３は、このような銅線を熱電変換素子１にはんだ付けにより接続したものを示した図である。銅線１２は、はんだ１３により接続されているが、はんだ１３が盛り上がり、第１の基板２の上面を超えてしまったことに加え、被覆１４も同様に第１の基板２の上面を超えており、第１の基板２より大きな冷却対象物を取り付けることが出来なかった。

以上のように、第１の基板２の上面の高さを超えるような銅線や被覆線、さらに、はんだ等の接続材の盛り上がりによる取り付け対象物の制限が本実施の形態により解消することができた。

本発明の第１の実施の形態に係わる熱電変換素子の概要を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に関わる下段の熱電変換素子の電極と熱電エレメントの配置を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に関わる上段の熱電変換素子の電極と熱電エレメントの配置を示す図である。

符号の説明

１・・・熱電変換素子
２・・・第１の基板
３・・・第２の基板
４・・・PN接合用電極
５・・・エレメント
６・・・接続用電極
７・・・フレキ基板
８・・・銅箔
９ａ、９ｂ・・・・フィルム
１０・・・はんだ
１１・・・樹脂充填部
１２・・・銅線
１３・・・はんだ

Claims (4)

1. Ｐ型熱電材料からなる複数のＰ型熱電エレメントと、
   Ｎ型熱電材料からなる複数のＮ型熱電エレメントと、
   これらＰ型及びＮ型の異種熱電エレメントを一対ずつ接合してＰＮ接合対を形成可能とする電極を有する第１の基板と、
   前記第１の基板とともに、前記Ｐ型およびＮ型熱電エレメントを挟む状態に配置され、PN接合対を形成可能とする電極を有する第２の基板と、を備えた熱電変換素子において、
   前記第２の基板にフレキシブル基板が接続されていることを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱電変換素子の第１の基板と第２の基板に存在している空隙の一部または全部が樹脂により充填されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記熱電変換装置の第２の基板とこれに接続されているフレキシブル基板との間にある空隙の一部または全部が樹脂により充填されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。
4. 前記フレキシブル基板は、銅箔と樹脂フィルムとからなることを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項に記載の熱電変換装置。

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