JP2006080526A - 薄膜熱電素子モジュール - Google Patents

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Abstract

【課題】熱による性能の低下を防止した薄膜熱電素子モジュールを提供する。
【解決手段】薄膜熱電素子モジュールは、下から順に、高温部モジュール基板10b、単位熱電素子20、低温部モジュール基板10aの順で形成され、両モジュール基板10a,10bは互いに対向して配列される。低温部モジュール基板10aと前記低温部モジュール基板の直下部に位置する上部基板21aとの間に、上部単位モジュール基板11aを形成し、また、前記高温部モジュール基板10bと前記高温部モジュール基板の直上部に位置する下部基板21bとの間に、下部単位モジュール基板11bを形成する。前記上部単位モジュール基板11a及び下部単位モジュール基板11bは、いずれか一方でもよく、その形状は台形に形成され、両者の間に断熱材40a、40bが充填されてもよい。
【選択図】 図 7

Description

本発明は、薄膜熱電素子モジュールに関し、特に薄膜素材を利用した素子を適切に構成して、放熱技術の限界によるモジュール性能の低下を防止し、薄膜素材の潜在的性能を最大限に発揮することができる薄膜熱電素子モジュールに関する。
熱電素子は、熱起電力特性を有する素材の両端に温度差を加えるとき、その両端に熱起電力による電位差が発生する現象、あるいは、前記両端に異種金属を介して、電流を供給するとき、電流の方向に従って界面において冷却又は発熱が生じる現象を利用して、発電又は冷却に使用することができる素子である。
前記熱電素子(モジュール)による発電は、廃熱発電のようにエネルギーの生産に利用することができ、自動車の余熱を利用する発電、燃料電池から発生する熱を利用する発電などを通じて、システムのエネルギー使用効率を向上させることもできる。
一方、前記熱電素子(モジュール)による冷却は、環境危害の問題、騒音の問題、長期的な信頼性の問題などのある既存のコンプレッサー方式の、強力な代案となることは明らかである。ただ、商用化された素材の効率が、未だコンプレッサー方式の効率に及ばないので、広範囲に応用されていないのが実情である。
最近の研究結果によれば、素材がナノスケールの人工的な構造に形成されると、フォノンに起こる素材の熱伝導度を大きく低下させることができ(例えば、非特許文献1参照)、これによって熱電素子の効率が大きく向上することにより、コンプレッサーの効率に近くなるという発表があった(例えば、非特許文献2及び3参照)。しかし、このような素材を塊(aggregation)の形態で作製することが成功していないので、究極的に塊形態の素材で高い性能を得ることが可能であるかは確実ではない。従って、ナノ構造化が容易な薄膜形態の素材の応用が、現在においては、性能を向上させることができる最も確実な方法である。
熱電素子において、熱電素子モジュールが冷却素子として使用されるとき、電流に対して、熱電素子の両端の温度差のプロットは、負の勾配を有するパラボラ形態で表れる。これは、式で表すと次のようである。

ここで、P=αT、αは熱起電力、Tは低温部の温度、R、Kは各々素材の電気抵抗と、熱伝導率(熱抵抗の逆数)を表す。また、QLOADは、低温部から流入される熱量を表し、この値がゼロであり、電流値がIMAX=Π/Rのとき、素子両端間の最大温度差(ΔTMAX)を有する。
従って、

である。
また、素材の電気伝導度をσ、熱伝導度をKとすれば

または、

である。

ここで、

は、素材性能指数(material performance index)と呼び、素材の断面積や高さと関係なしに素材自体の物性によってのみ決定される単位の無い物性の値である。従って、ΔTMAXもやはり断面積や高さと関係がない。
現在商用化された素材の場合、前記ZTは1よりやや小さい。素子としては、高温部が30℃のとき、最大温度差が60〜80℃程度である。
現在、最も一般的な素子は、単結晶素材または押出素材を利用して、小片の単位に切断加工した後、組立てられ、その場合には、単位素材の断面積は、約数mm、高さは約1mm程度である。この場合、最大温度差で発生する電流は約5Aであり、従って直流(DC)電源供給装置は高価となる。
一方、最大の冷却力は式(1)で I=IMAX、 ΔT=0の場合であるため、
QLOADMZX=KΔTMAXである。ここで、ΔTMAXは素材の断面積や高さに関係のない値である。したがって、薄膜又は数百ミクロン以内の厚膜素材を利用する場合、素材の高さが低いので、熱抵抗が低く、単位面積当たりの高い冷却密度を得ることができる。素材の高さを10ミクロン、単位面積を100ミクロン×100ミクロン水準にする場合、数百W/cmに達する冷却密度を得ることができる。
S,-M. Lee, D. Cahill, R. Venkatasubramanian, Thermal conductivity of Si-Ge superlattices, Appl. Phys. Lett. 70(1997)2957. Venkatasubramanian, R., Siivola, E., Colpitts, T. & Quinn, B. Thin-film thermoelectric devices with high room-temperature figures of merit. Nature 413, 597-602(2001). Harman, T. C., Taylor, P. J., Walsh, M. P. & LaForge, B. E. Quantum dot superlattice thermoelectric materials and devices Science 297, 2229-2232(2002).
しかし、高温部においては相応する発熱密度が形成される。もし、高温部から発生される熱を放熱によって除去されなければ、高温部の温度が上昇して、熱電素子の両端に温度差が発生しても、外気温度に対比して低温部の温度は低下しない現象が発生する。従って、高温部の放熱は非常に重要であり、実際的な素子の応用性能を左右する要素である。
しかし、現在開発されている技術では、放熱密度が数十W/cmのレベルであるため、冷却密度をこれに適合させるべく素材の単位面積当たり占有比率を減少させる必要がある。前記冷却密度を減少させるために、素材の単位面積当たり占有比率を減少させるには、広い面積を持つ素子を作製し、使用しなければならない。
現在の薄膜製造技術において、大面積の薄膜を製作するに要するコストは非常に高い。従って、このことは、低温部の熱負荷の総量が大きいレーザダイオード(LD)や、発光ダイオード(LED)の場合には大きな問題にならないが、熱負荷の総量が数十から数百Wに至る冷蔵庫やエアコンなどへの応用においては、製品の競争力の観点から問題にならざるを得ない。
本発明は、前記問題を解決するべく案出された発明であり、その目的は、薄膜素材を利用した冷却/発電モジュールを提供することである。
さらに、本発明は、低温部モジュール基板と高温部モジュール基板間に所定の間隔を維持し、内部に断熱材を充填することにより、放熱技術の限界に因るモジュール性能の低下を防止し、薄膜素材の潜在的性能を最大限に発揮することができる薄膜熱電素子モジュールを提供する。
前記のような目的を達成するために、本発明による薄膜熱電素子モジュールは、互に対向するように配置された高温部モジュール基板と低温部モジュール基板と、前記両モジュール基板の間に設けられ、両モジュール間の熱を伝達する単位熱電素子と、前記単位熱電素子の電極に接続されるリード線と含み、前記単位熱電素子は、互に対向するように配列される一対の上部及び下部基板と、前記下部基板の上面及び上部基板の下面に形成される電極と、前記両電極の間に付着される熱電素材を含んでいる。
また、本発明は、前記低温部モジュール基板と高温部モジュール基板との間に所定の間隔を維持することが目的である。この目的は、以下の形態によって達成することができる。
(1)本発明においては、低温部モジュール基板と前記低温部モジュール基板の直下部に位置する基板との間に、低温部モジュール基板と一体に形成された上部単位モジュール基板を、さらに形成することができる。
(2)本発明においては、高温部モジュール基板と前記高温部モジュール基板の直上部に位置する基板との間に、高温部モジュール基板と一体に形成された下部単位モジュール基板をさらに形成することができる。
(3)本発明においては、低温部モジュール基板と前記低温部モジュール基板の直下部に位置する基板との間に、低温部モジュール基板と一体に形成された上部単位モジュール基板と、前記高温部モジュール基板と前記高温部モジュール基板の直上部に位置する基板との間に、高温部モジュール基板と一体に形成された下部単位モジュール基板とを、さらに形成することができる。
前記上部及び下部単位モジュール基板の形態は、台形であることが好ましい。また、前記上部及び下部単位モジュール基板の高さは、1mm以上であることが好ましく、より好ましくは、1〜2mmである。
また、本発明は、前記上部単位モジュール基板と下部単位モジュール基板との間に形成された溝に、断熱材を充填することを特徴とする。
さらに、前記断熱材は、ポリウレタンであることが好ましい。
本発明は、薄膜製造工程を通じて高密度にパターニングされた単位熱電素子を利用して、より広い面積を有するモジュールを製作することによって、薄膜素材の高い素材性能を利用することができ、薄膜素材が有する単位面積当りのコストの問題を解決することができる。
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による好ましい実施形態を詳細に説明する。
図1(a)及び図1(b)は、本発明の第1実施形態による薄膜熱電素子モジュールの一部の部分断面図及び正面図である。さらに、図1(c)は、前記第1実施形態による単位熱電素子の側面図である。
図1(a)乃至図1(c)を参照すると、本実施形態による薄膜熱電素子モジュールは、下から順に、高温部モジュール基板10b、単位熱電素子20、低温部モジュール基板10aの順で形成されている。そして、前記単位熱電素子20の電極には、リード線30a,30bが接続される。
前記低温部モジュール基板10aは上部側に位置し、前記高温部モジュール10bは下部側に位置し、前記両モジュール基板10a,10bは互いに対向して配列される。
前記モジュール基板10a,10bは、前記単位熱電素子20の基板によって絶縁されている状態であるため、別に絶縁体を使用する必要はない。前記モジュール基板10a,10bの材質としては、アルミニウム(Al)、銅(Cu)などが好ましい。
前記単位熱電素子20は、前記両モジュール基板の間に位置して両モジュール間の熱を伝達する素子であって、下から順に、下部基板21b、下部電極22b、熱電素材23、23a,23b、上部電極22a、上部基板21aの順で形成される。
本実施形態では図示されていないが、前記熱電素材23と上部電極22aとの間には、ソルダ(はんだ)層が形成される。前記ソルダ層は、錫(Sn)系列の素材を使用するのが好ましい。
前記上部及び下部基板21a,21bは、熱拡散に優れている素材が好ましく、例えば、Si,Cu,Alなどの金属と、AlN、BeOなどの絶縁体基板を挙げられる。なお、前記基板21a,21bの材質としてSiを使用する場合、前記Siは、電気伝導度があるため、表面に薄い絶縁膜を形成しなければならない。前記熱電素材23には、N型熱電素材23aとP型熱電素材23bがある。
次に、前記図1(a)乃至図1(c)に図示されている実施形態を、図2乃至図4を参照してより詳細に説明する。
図2は、本発明の第2実施形態による薄膜熱電素子モジュールの正面図である。
図2を参照すると、本実施形態では図1bに図示された薄膜熱電素子モジュールに対して、前記低温部モジュール基板10aと前記低温部モジュール基板の直下部に位置した上部基板21aとの間に、上部単位モジュール基板11aを形成している。
前記上部単位モジュール基板11aは、前記低温部モジュール基板10aと一体形であることが好ましい。前記上部単位モジュール基板11aは、その高さ(H)が1mm以上であることが好ましいが、より好ましくは、1〜2mmである。
前記の上部単位モジュール基板の高さ(H)が2mm以上になると、機械的な強度が次第に低くなり、コストアップになる問題がある。
前記のように低温部モジュール基板10aと上部基板21aとの間に、上部単位モジュール基板11aを形成することによって、前記低温部モジュール基板10aと高温部モジュール基板10bとの間の間隔が、図1の場合より広くなる。
これによって、本実施形態においては、空気と放射による熱伝導に起因する熱の逆流を防止して、薄膜熱電素子モジュールの性能を向上させることができる。
図3は、本発明の第3実施形態による薄膜熱電素子モジュールの正面図である。
図3を参照すると、本実施形態では図1(b)に図示された薄膜熱電素子モジュールに対して、前記高温部モジュール基板10bと前記高温部モジュール基板の直上部に位置した下部基板21bとの間に、下部単位モジュール基板11bを形成している。
前記下部単位モジュール基板11bは、前記高温部モジュール基板10bと一体形であることが好ましい。前記下部単位モジュール基板11bは、図2の実施形態で説明された上部単位モジュール基板とその諸元(高さなど)及び特徴が同一であるため、ここでは省略する。
図4は、本発明の第4実施形態による薄膜熱電素子モジュールの正面図である。
図4を参照すると、本実施形態においては、図1(b)に図示された薄膜熱電素子モジュールに対して、前記低温部モジュール基板10aと前記低温部モジュール基板の直下部に位置する上部基板21aとの間に、上部単位モジュール基板11aを形成し、また、前記高温部モジュール基板10bと前記高温部モジュール基板の直上部に位置する下部基板21bとの間に、下部単位モジュール基板11bを形成する。
前記上部単位モジュール基板11a及び下部単位モジュール基板11bは、前記低温部モジュール基板10a及び前記高温部モジュール基板10bと一体型であることが好ましい。
前記上部単位モジュール基板11a及び下部単位モジュール基板11bは、図2の説明部分に説明された上部単位モジュール基板とその諸元(高さなど)及び特徴が同一であるため、ここでは省略する。
次に、図5乃至図7に示す実施形態は、前記図2乃至図4に図示された本発明の実施形態を補完するものである。
図5は、図2の上部単位モジュール基板11aの形態を変形し、低温部モジュール基板10aと接する単位熱電素子間の溝に、断熱材を充填したことを示す正面図である。
図5を参照すると、本実施形態においては前記上部単位モジュール基板11aの形態を台形に形成した。これによって、本実施形態では単位熱電素子20と低温部モジュール基板10aとの熱抵抗を低減させ、低温部の温度をさらに低減せしめることができる。
さらに、本実施形態では前記低温部モジュール基板10aと接し、前記各々の上部単位モジュール基板との間に形成された溝に、断熱材40aを充填させた。前記断熱材40aは、空気より熱伝導度が低く、対流を防止し、輻射による熱伝導を減少させる特徴を有するものが好ましい。好適な断熱材40aとしては、ポリウレタンフォーム(PUF)が好ましい。前記のように、本実施形態によれば、溝に断熱材40aを充填することによって、溝における対流による熱の伝達を遮断させることができる。
図6は、図3の下部単位モジュール基板11bの形態を変形し、高温部モジュール基板10bと接する単位熱電素子間の溝に、断熱材40bを充填させたことを示す正面図である。
図6を参照すると、本実施形態においては、下部単位モジュール基板11bを台形の形態に形成した。これによって、本実施形態では両モジュール間の断熱度を向上させながら、単位熱電素子から発生する熱の流れを、より効率的に拡散させることができる。
なお、本実施形態においては、前記高温部モジュール基板と接し、前記各々の下部単位モジュール基板との間に形成された溝に断熱材40bを充填させる。前記断熱材40bに関しては、前記図5の説明部分の内容と同様であるため、ここでは省略する。
図7は、図4の上部単位モジュール基板11a及び下部単位モジュール基板11bの形態を変形し、単位熱電素子間の溝に、断熱材をそれぞれ充填したことを示す正面図である。
図7を参照すると、本実施形態においては、上部単位モジュール基板11a及び下部単位モジュール基板11bを台形の形態に形成した。これによって、本実施形態では両モジュール間の断熱度を向上させながら、単位熱電素子20から発生する熱の流れを、より効率的に拡散させることができる。
さらに、本実施形態においては、前記低温部モジュール基板と接し、それぞれの上部単位モジュール基板との間に形成された溝及び前記高温部モジュール基板と接し、それぞれの下部単位モジュール基板との間に形成された溝に断熱材40a、40bをそれぞれ充填させた。前記断熱材40a、40bに関しては、前記図5の説明部分の内容と同一であるため、ここでは省略する。
以上、本発明の好適な実施形態を参照して詳細に説明したが、当業者であれば本発明の請求範囲に記載されている思想・領域から外れない範囲内で多様に修正/変更が可能であることは勿論であろう。
(a)及び(b)は、本発明の第1実施形態による薄膜熱電素子モジュールの一部切断図及び正面図であり、(c)は本発明の第1実施形態による単位熱電素子の側面図である。 本発明の第2実施形態による薄膜熱電素子モジュールの正面図である。 本発明の第3実施形態による薄膜熱電素子モジュールの正面図である。 本発明の第4実施形態による薄膜熱電素子モジュールの正面図である。 図2の上部単位モジュール基板の形態を変形し、低温部モジュール基板と接する単位熱電素子間の溝に、断熱材を充填したことを示す正面図である。 図3の下部単位モジュール基板の形態を変形し、高温部モジュール基板と接する単位熱電素子間の溝に、断熱材を充填したことを示す正面図である。 図4の上部単位モジュール基板及び下部単位モジュール基板の形態を変形し、単位熱電素子間の溝に、断熱材を充填したことを示す正面図である。
符号の説明
10a: 低温部モジュール基板 10b: 高温部モジュール基板
11a: 上部単位モジュール基板 11b: 下部単位モジュール基板
20: 単位熱電素子 21a: 上部基板
21b: 下部基板 22a: 上部電極
22b: 下部電極 23: 熱電素材
23a:N型熱電素材 23b:P型熱電素材
30a,30b: リード線 40a,40b:断熱材

Claims (30)

  1. 低温部モジュール基板と、
    前記低温部モジュール基板の下に、前記低温部モジュール基板と対向するように配置される高温部モジュール基板と、
    前記高温部モジュール基板と前記低温部モジュール基板との間に設けられ、熱電素材を有する少なくとも1つ以上の単位熱電素子と、
    前記単位熱電素子に電源を供給するための電源供給手段とを含む薄膜熱電素子素子モジュール。
  2. 前記低温部モジュール基板と前記それぞれの単位熱電素子との間には、単位モジュール基板が設けられることを特徴とする請求項1に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  3. 前記単位モジュール基板の前記低温部モジュール基板に設けられた面の幅が、前記単位熱電素子に設けられた面の幅より広いことを特徴とする請求項2に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  4. 前記単位モジュール基板は、高さが1〜2mmであることを特徴とする請求項2に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  5. 前記低温部モジュール基板に設けられた前記少なくとも1つ以上の単位モジュール基板の間には、断熱材が充填されることを特徴とする請求項2に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  6. 前記断熱材は、ポリウレタンフォームで形成されることを特徴とする請求項5に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  7. 前記単位熱電素子は、前記単位モジュール基板が設けられる面に絶縁材を設け、前記単位モジュール基板は、アルミニウムまたは銅の中から選択される1つ以上の金属で形成されることを特徴とする請求項2に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  8. 前記高温部モジュール基板と前記それぞれの単位熱電素子との間には、単位モジュール基板が設けられることを特徴とする請求項1に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  9. 前記単位モジュール基板の前記高温部モジュール基板に設けられた面の幅が、前記単位熱電素子に設けられた面の幅より広いことを特徴とする請求項8に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  10. 前記単位モジュール基板は、高さが1〜2mmであることを特徴とする請求項8に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  11. 前記高温部モジュール基板に設けられた前記単位モジュール基板の間には、断熱材が充填されることを特徴とする請求項8に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  12. 前記断熱材は、ポリウレタンフォームで形成されることを特徴とする請求項11に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  13. 前記単位熱電素子は、前記単位モジュール基板が設けられる面に絶縁材を設け、前記単位モジュール基板は、アルミニウムまたは銅の中から選択される1つ以上の金属で形成されることを特徴とする請求項8に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  14. 前記低温部モジュール基板と前記それぞれの単位熱電素子との間、及び前記高温部モジュール基板と前記それぞれの単位熱電素子との間には、それぞれ単位モジュール基板が設けられることを特徴とする請求項1に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  15. 前記単位モジュール基板の前記低温部モジュール基板又は高温部モジュール基板に設けられた面の幅が、前記単位熱電素子に設けられた面の幅より広いことを特徴とする請求項14に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  16. 前記単位モジュール基板は、高さが1〜2mmであることを特徴とする請求項14に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  17. 前記高温部モジュール基板に設けられた前記単位モジュール基板の間、及び前記低温部モジュール基板に設けられた前記単位モジュール基板の間には、それぞれ断熱材が充填されることを特徴とする請求項14に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  18. 前記断熱材は、ポリウレタンフォームで形成されることを特徴とする請求項17に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  19. 前記単位熱電素子は、前記単位モジュール基板が設けられる面に絶縁材を設け、前記単位モジュール基板は、アルミニウムまたは銅の中から選択される1つ以上の金属で形成されることを特徴とする請求項14に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  20. 前記少なくとも1つ以上の単位熱電素子は、各々上部基板、前記上部基板の下に前記上部基板と対向するように配設される下部基板、前記上部基板の下に設けられる上部電極、前記下部基板の上に設けられる下部電極、及び前記上部電極と前記下部電極の間に設けられる熱電素材を具備することを特徴とする請求項1に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  21. 前記単位熱電素子は、前記熱電素材と、前記上部電極または前記下部電極の中から選択される1つ以上の電極との間に、各々ソルダ層を形成することを特徴とする請求項20に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  22. 前記上部基板及び下部基板は、それぞれ絶縁体で形成されることを特徴とする請求項20に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  23. 前記上部基板及び下部基板は、それぞれ珪素、銅、アルミニウム、窒化アルミニウム、又は、酸化ベリリウムの中から選択される1つ以上の物質でなることを特徴とする請求項20に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  24. 前記電源供給手段は、前記上部電極及び下部電極に連結されるリード線であることを特徴とする請求項20に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  25. 前記低温部モジュール基板と、前記少なくとも1つ以上の単位熱電素子毎に具備されたそれぞれの上部基板との間には、単位モジュール基板が設けられることを特徴とする請求項20に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  26. 前記単位モジュール基板の前記低温部モジュール基板に設けられた面の幅が前記上部基板に設けられた面の幅より広いことを特徴とする請求項25に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  27. 前記高温部モジュール基板と、前記単位熱電素子毎に具備されたそれぞれの下部基板との間には、単位モジュール基板が設けられることを特徴とする請求項20に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  28. 前記単位モジュール基板は、前記高温部モジュール基板に設けられた面の幅が前記下部基板に設けられた面の幅より広いことを特徴とする請求項27に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  29. 前記低温部モジュール基板と、前記単位熱電素子毎に具備されたそれぞれの上部基板との間、及び前記高温部モジュール基板と、前記単位熱電素子毎に具備されたそれぞれの下部基板との間には、各々単位モジュール基板が設けられることを特徴とする請求項20に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
  30. 前記単位モジュール基板の前記低温部モジュール基板または高温部モジュール基板に設けられた面の幅が、前記上部基板または前記下部基板に設けられた面の幅より広いことを特徴とする請求項29に記載の薄膜熱電素子素子モジュール。
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