JP2007048916A

JP2007048916A - 熱電モジュール

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Publication number: JP2007048916A
Application number: JP2005231375A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Tachibana; 敬久橘
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2005-08-09
Filing date: 2005-08-09
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】小型で、吸熱量が多い熱電モジュールを提供する。
【解決手段】一方の面上に下部電極３が形成された下基板１と、一方の面上に上部電極４が形成された上基板２とが、下部電極３と上部電極４とが対向するように相互に平行に配置され、両者の間に複数個のｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎが配置され、下部電極３及び上部電極４によりこの複数個のｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎが交互に直列に接続されている熱電モジュールにおいて、ｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎの幅ｂを、下部電極３及び上部電極４の幅ａよりも大きくすると共に、ｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎを電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向で下部電極３及び上部電極４からはみ出るように配置する。
【選択図】図１

Description

本発明はペルチェ効果を利用した電子冷却及びゼーベック効果を利用した熱電発電等に使用される熱電モジュールに関する。

ペルチェ効果又はゼーベック効果を利用した熱電モジュールは、構造が簡単で小型化及び軽量化が容易であり、更に、無音及び無振動で動作し、メンテナンスが不要であることから、特殊な用途向けの小型冷蔵庫、半導体レーザ等の半導体装置内部の温度調節器及び発電装置等、様々な分野への適用が検討されている。

図７（ａ）は従来の熱電モジュールを示す断面図であり、図７（ｂ）はその斜視図である。なお、図７（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。また、図７（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。更に、各熱電素子のｐ型及びｎ型の区別については、図７（ｂ）に「Ｐ」及び「Ｎ」の符号を付する。図７（ａ）に示すように、従来の熱電モジュール１００は、例えばセラミックス等からなり一方の面に下部電極１０３及び上部電極１０４が夫々形成された下基板１０１及び上基板１０２が、下部電極１０３と上部電極１０４とが対向するように相互に平行に配置され、この下部電極１０３と上部電極１０４との間に複数個のｐ型熱電素子１０５ｐ及びｎ型熱電素子１０５ｎが配置されている。

その際、図７（ｂ）に示すように、下部電極１０３及び上部電極１０４間には、ｐ型熱電素子１０５ｐ及びｎ型熱電素子１０５ｎが交互に配置され、隣接する１対の下部電極１０３上に接合された熱電素子のうち隣接するｐ型熱電素子１０５ｐ及びｎ型熱電素子１０５ｎの上部を、１個の上部電極１０４に接合することにより、複数個のｐ型熱電素子１０５ｐ及びｎ型熱電素子１０５ｎとが交互に直列に接続されている。そして、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１０３に、夫々リード線１０６がはんだ等により接合されている。

この従来の熱電モジュール１００においては、例えば、下部電極１０３及び上部電極１０４により接続されたｐ型熱電素子１０５ｐ及びｎ型熱電素子１０５ｎに電流を流すと、電流はｎ型熱電素子１０５ｎの下側から上部電極１０４を通ってｐ型熱電素子１０５ｐの下側へ流れる。一方、エネルギーはｐ型熱電素子１０５ｐでは電流と同じ方向に、ｎ型熱電素子１０５ｎでは電流と逆の方向へ移動するため、上部電極１０４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１０３側ではエネルギーが放出されて温度が上がる（放熱）。

また、従来、熱電素子を電極に接合する際の位置ずれによる接続不良を防止し、歩留まりを向上させるために、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを相互に接続する電極、はんだめっき及びはんだペーストの中間部形状が狭隘になるようにした熱電モジュールも提案されている（特許文献１参照）。更に、耐熱ストレス性を向上させて、長寿命化するため、熱電素子及び／又は電極の接合面の略中央部に凹部を形成し、この凹部にはんだ等の接合剤を充填して熱電素子と電極とを接合する熱電気変換装置もある（特許文献２参照）。更にまた、ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子の電気的特性又は熱的特性の差に起因する性能劣化を防止するため、ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子の電極面で切った断面積比を、それら電気抵抗値の平均値と熱伝導率の平均値との積が最小付近になるようにした熱電モジュールも提案されている（特許文献３参照）。

特許第２５４４２２１号公報特開平９−３２１３５０号公報特開平１１−２７４５７７号公報

しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。図７（ａ）及び（ｂ）並びに特許文献１乃至３に記載の熱電モジュール等の従来の熱電モジュールにおいては、一般に、セラミックス基板上に形成された各電極間には、電気的短絡を避けるために、モジュールを安定して作製できる程度の間隔が設けられている。このため、従来の熱電モジュールは、電極が形成されている部分の面積がセラミックス基板の全面積よりも小さくなっている。更に、従来の熱電モジュールは、吸熱作用に対して熱電材料を有効に利用するため、電極の内側に、即ち、電極からはみ出さないように各熱電素子を配置している。これらの理由から、従来の熱電モジュールでは、セラミックス基板の大きさを変えずに、基板の面積を有効利用して吸熱量を向上させることは困難であるという問題点がある。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、小型で、吸熱量が多い熱電モジュールを提供することを目的とする。

本発明に係る熱電モジュールは、複数の電極上に、各電極に１対のｐ型及びｎ型熱電素子が配置されて接合された熱電モジュールにおいて、前記熱電素子における前記電極上の配列方向に垂直の方向の長さはこの方向における前記電極の長さよりも大きく、前記熱電素子は前記電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向で前記電極上からはみ出ていることを特徴とする。

本発明においては、熱電素子の配列方向に垂直な方向における熱電素子の長さを電極の長さよりも大きくすると共に、熱電素子を電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向で電極上からはみ出るように配置しているため、電極面積にかかわらず熱電素子の断面積を大きくすることができる。その結果、従来の熱電モジュールよりも最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを増加させることができる。

この熱電モジュールは、前記熱電素子の前記電極側の端面の面積をＳ_０とし、この端面における前記電極上に位置している部分の面積をＳ_１としたとき、Ｓ_１／Ｓ_０が０．５以上１未満とすることができる。これにより、効率的に吸熱特性を向上させることができる。

本発明によれば、熱電素子の配列方向に垂直な方向における熱電素子の長さを電極の長さよりも大きくすると共に、熱電素子を電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向で電極上からはみ出るように配置しているため、電極面積にかかわらず熱電素子の断面積を大きくすることができ、小型で、吸熱量が多い熱電モジュールが得られる。

以下、本発明の実施の形態に係る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（ａ）は本実施形態の熱電モジュールを示す平面図であり、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ線による断面図である。なお、図１（ａ）においては、モジュール内部の構造を見やすくするために上基板を省略している。また、図２は図１（ａ）に示す熱電モジュールにおけるｐ型及びｎ型熱電素子の配置状態を模式的に示す平面図である。図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示すように、本実施形態の熱電モジュール１０は、セラミックス等の絶縁材料からなり一方の面上に下部電極３が形成された下基板１と、セラミックス等の絶縁材料からなり一方の面上に上部電極４が形成された上基板２とが、下部電極３と上部電極４とが対向するように相互に平行に配置されている。また、下基板１と上基板２との間には、複数個のｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎが交互に配置されており、各電極には１対のｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎが接合され、一の下部電極３上に接合されたｐ型熱電素子５ｐと、この一の下部電極に隣接する他の下部電極３上に接合されたｎ型熱電素子５ｎとを、１個の上部電極４に接合することにより、ｐ型熱電素子５ｐとｎ型熱電素子５ｎとが交互に直列に接続されている。更に、この下部電極３のうち、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、１対の熱電素子のうち一方のみが接続されていると共に、夫々リード線６がはんだ等により接合されている。

この熱電モジュール１０においては、下部電極３及び上部電極４におけるｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎの配列方向に対して垂直な方向の長さを電極幅ａとし、ｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎにおけるその配列方向に対して垂直な方向の長さを熱電素子幅ｂとしたとき、熱電素子幅ｂが電極幅ａよりも大きく、且つｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎは電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向で下部電極３及び上部電極４からはみ出ている。本実施形態の熱電モジュール１０のように、下部電極３及び上部電極４の幅ａよりも熱電素子幅ｂを大きくして、熱電素子をこれらの電極からはみ出るように配置すると、従来の熱電モジュールよりも熱電素子の総断面積を大きくすることができる。熱電モジュールの最大吸熱量Ｑ_ｍａｘは、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子の高さ）に比例するため、このようにｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎの断面積を大きくすることにより、基板面積を増加させずに最大吸熱量を増加させることができ、その結果、基板サイズ及び素子数が同じである従来の熱電モジュールに比べて最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを向上させることができる。

また、本実施形態の熱電モジュール１０においては、各熱電素子における電極側の端面の面積をＳ_０とし、この端面における電極上に位置している部分の面積をＳ_１としたとき、Ｓ_１／Ｓ_０が０．５以上１未満であることが望ましい。前述したように、搭載する熱電素子の総断面積を大きくすると熱電モジュールの最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを増加させることができるが、各熱電素子における下部電極３と上部電極４とで挟まれていない部分、即ち、電極からはみ出ている部分は、下部電極３と上部電極４とで挟まれている部分よりも吸熱への寄与が小さい。このため、電極からはみ出ている部分が多すぎると、熱電素子の吸熱効率が低下することがある。そこで、本発明者等は鋭意実験研究を行い、熱電素子の電極側の端面の面積Ｓ_０に対するこの端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１の割合（Ｓ_１／Ｓ_０）を０．５以上１未満とすることにより、基板の面積を有効に使用して、効率的に吸熱特性を向上できることを見出した。なお、Ｓ_１／Ｓ_０が０．５未満の場合、各熱電素子の吸熱効率が低下し、熱電素子の総断面積に見合った最大吸熱量Ｑ_ｍａｘが得られないことがある。また、Ｓ_１／Ｓ_０が１とは、熱電素子の電極側の端面の面積Ｓ_０とこの端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１とが等しい場合、即ち、熱電素子の端面が全て電極上に配置され、はみ出している部分がない場合である。従って、Ｓ_１／Ｓ_０は１未満とする。

次に、前述の如く構成された本実施形態の熱電モジュール１０の動作について説明する。本実施形態の熱電モジュール１０は、リード線６を介して外部電源（図示せず）から電流が供給されると、下部電極３からｎ型熱電素子５ｎに電流が流れ、更に上部電極３を経由してｐ型熱電素子５ｐに流れる。一方、エネルギーはｐ型熱電素子５ｐでは電流と同じ方向に、ｎ型熱電素子５ｎ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３側ではエネルギーが放出されて温度が上がる（放熱）。

本実施形態の熱電モジュールにおいては、ｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎの幅ｂを、下部電極３及び上部電極４の幅ａよりも大きくすると共に、ｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎを夫々、電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向で下部電極３及び上部電極４からはみ出るように配置しているため、従来の熱電モジュールよりもｐ型熱電素子５ｐ及びｎ型熱電素子５ｎの総断面積を大きくすることができ、単位面積あたりの吸熱量を向上させることができる。その結果、基板サイズが同等の従来の熱電モジュールに比べて、最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを向上させることができる。また、従来の熱電モジュールよりも小型の基板を使用して、同等の最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを得ることができる。

以下、本発明の実施例の効果について、本発明の範囲から外れる比較例と比較して説明する。先ず、本発明の第１の実施例として、夫々チップサイズ又は基板サイズが異なる実施例１、実施例２及び比較例１の熱電モジュールを作製した。図３は本発明の実施例１の熱電モジュールを示す断面図であり、図４は実施例２の熱電モジュールを示す断面図であり、図５は本発明の比較例の熱電モジュールを示す断面図である。なお、図３乃至５は図１（ｂ）に示すＢ−Ｂ線による断面図に相当する。先ず、図３に示すように、下基板１１及び上基板として、縦１０．０ｍｍ、横１０．０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのセラミックス基板を使用し、各セラミックス基板上に、幅ａが０．８９ｍｍ、長さが１．８８ｍｍ、厚さが０．０７ｍｍの下部電極１３又は上部電極を夫々０．１ｍｍ間隔で形成した後、縦０．９５ｍｍ、横０．９５ｍｍ、高さ１．０ｍｍの熱電素子１５（ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子）を４９対配置した後、はんだにより各熱電素子１５と下部電極１３及び上部電極とを接合して実施例１の熱電モジュールを作製した。その際、熱電素子１５を、その電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向において下部電極１３及び上部電極からはみ出るようにした。この実施例１の熱電モジュールは、熱電素子１５の電極側の端面の面積Ｓ_０が０．９０ｍｍ^２であり、この端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１が０．８２ｍｍ^２であった。また、熱電素子１５と下部電極１３及び上部電極との間に設けられたはんだ層の厚さはいずれも０．０３ｍｍであり、熱電モジュール全体の厚さ（高さ）は１．８ｍｍであった。

また、図４に示すように、下基板２１及び上基板として、縦７．５ｍｍ、横７．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのセラミックス基板を使用し、各セラミックス基板上に、幅ａが０．６４ｍｍ、長さが１．３８ｍｍ、厚さが０．０７ｍｍの下部電極２３又は上部電極を夫々０．１ｍｍ間隔で形成した後、縦０．７０ｍｍ、横０．７０ｍｍ、高さ１．０ｍｍの熱電素子２５（ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子）を４９対配置した後、はんだにより各熱電素子２５と下部電極２３及び上部電極とを接合し、実施例２の熱電モジュールを作製した。その際、熱電素子２５を、その電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向において下部電極２３及び上部電極からはみ出るようにした。この実施例２の熱電モジュールは、熱電素子２５の電極側の端面の面積Ｓ_０が０．４９ｍｍ^２であり、この端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１が０．４３ｍｍ^２であった。また、熱電素子２５と下部電極２３及び上部電極との間に設けられたはんだ層の厚さはいずれも０．０３ｍｍであり、熱電モジュール全体の厚さ（高さ）は１．８ｍｍであった。

更に、図５に示すように、下基板１１及び上基板として、縦１０．０ｍｍ、横１０．０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのセラミックス基板を使用し、各セラミックス基板上に、幅ａが０．８９ｍｍ、長さが１．８８ｍｍ、厚さが０．０７ｍｍの下部電極１３又は上部電極を夫々０．１ｍｍ間隔で形成した後、縦０．７０ｍｍ、横０．７０ｍｍ、高さ１．０ｍｍの熱電素子２５（ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子）を４９対配置した後、はんだにより各熱電素子２５と下部電極１３及び上部電極とを接合し、比較例（従来例）の熱電モジュールを作製した。その際、熱電素子２５を、下部電極１３及び上部電極からはみ出さないようにした。従って、この比較例の熱電モジュールは、熱電素子２５の電極側の端面の面積Ｓ_０及びこの端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１は共に０．４９ｍｍ^２である。また、熱電素子２５と下部電極１３及び上部電極との間に設けられたはんだ層の厚さはいずれも０．０３ｍｍであり、熱電モジュール全体の厚さ（高さ）は１．８ｍｍであった。

次に、実施例１、実施例２及び比較例の熱電モジュールについて、放熱側基板の温度（Ｔｈ）を２７℃に固定したときの最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを測定した。その結果を下記表１に示す。

上記表１に示すように、実施例１の熱電モジュールは、基板サイズが同等である比較例１の熱電モジュールに比べて最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを増加させることができた。また、実施例２の熱電モジュールは、比較例の熱電モジュールよりも基板サイズが小さいにもかかわらず、比較例の熱電モジュールと同等の最大吸熱量Ｑ_ｍａｘが得られた。

次に、本発明の第２の実施例として、熱電素子の端面の面積Ｓ_０が異なるＮｏ．１乃至Ｎｏ．７の熱電モジュールを作製した。先ず、縦２０．０ｍｍ、横２０．０ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのセラミックス基板上に、幅ａが１．０ｍｍ、長さが３．０ｍｍで、厚さが０．０７ｍｍの下部電極又は上部電極が、夫々０．１ｍｍ間隔で形成された下基板と上基板との間に、縦０．７ｍｍ、横０．７ｍｍ、高さが１．０ｍｍの熱電素子（ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子）を１６１対配置した後、はんだにより各熱電素子と下部電極及び上部電極とを接合してＮｏ．１の熱電モジュールを作製した。また、同様の方法で、素子の縦及び横の長さが、１．０ｍｍ、１．２ｍｍ、１．４ｍｍ、１．６ｍｍ、１．８ｍｍ又は１．９ｍｍである熱電素子を使用し、Ｎｏ．２乃至０．７の熱電モジュールを作製した。なお、これらの熱電モジュールにおけるはんだ層の厚さはいずれも０．０３ｍｍであり、熱電モジュール全体の厚さ（高さ）は１．８ｍｍであった。そして、Ｎｏ．１乃至Ｎｏ．７の各熱電モジュールについて、放熱側基板の温度（Ｔｈ）を２７℃に固定したときの最大吸熱量Ｑ_ｍａｘを測定した。その結果を下記表２に示す。また、図６は横軸に熱電素子幅ｂをとり、縦軸に熱電素子幅ｂが１．０ｍｍであるときの最大吸熱量Ｑ_{ｍａｘ（ｂ＝１）}に対する最大吸熱量Ｑ_ｍａｘの増加率（Ｑ_ｍａｘ／Ｑｍａｘ_{（ｂ＝１）}）及び熱電素子の電極側の端面の面積Ｓ_０に対するこの端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１の割合（Ｓ_１／Ｓ_０）をとって、熱電素子の電極からはみ出ている部分の割合と最大吸熱量Ｑ_ｍａｘ増加率との関係を示すグラフ図である。

上記表２及び図６に示すように、幅ａが１．０ｍｍである電極に、幅ｂが０．７ｍｍ以下である熱電素子を接合したＮｏ．１の熱電モジュールの最大吸熱量Ｑ_ｍａｘは、規準となるＮｏ．２（従来例）の熱電モジュールの最大吸熱量Ｑ_ｍａｘの４９％程度しか得られなかった。また、熱電素子の幅ｂが長くなるに従い、最大吸熱量Ｑ_ｍａｘの増加率は大きくなったが、熱電素子の幅ｂが１．６ｍｍ以上であるＮｏ．５の熱電モジュール（Ｓ_１／Ｓ_０＝０．５１）、Ｎｏ．６の熱電モジュール（Ｓ_１／Ｓ_０＝０．４３）及びＮｏ．７の熱電モジュール（Ｓ_１／Ｓ_０＝０．４０）では、最大吸熱量Ｑ_ｍａｘの増加率が飽和し、略同程度であった。以上の結果より、各熱電素子の吸熱効率を考慮すると、熱電素子の電極側の端面の面積Ｓ_０に対するこの端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１の割合（Ｓ_１／Ｓ_０）は、０．５以上１．０未満とすることが好ましいことが確認された。

（ａ）は本発明の実施形態の熱電モジュールを示す平面図であり、（ｂ）はそのＡ−Ａ線による断面図である。図１（ａ）に示す熱電モジュールにおけるｐ型及びｎ型熱電素子の配置状態を模式的に示す平面図である。実施例１の熱電モジュールを示す断面図である。実施例２の熱電モジュールを示す断面図である。実施例３の熱電モジュールを示す断面図である。横軸に熱電素子幅ｂをとり、縦軸に熱電素子幅ｂが１．０ｍｍであるときの最大吸熱量Ｑ_{ｍａｘ（ｂ＝１）}に対する最大吸熱量Ｑ_ｍａｘの増加率（Ｑ_ｍａｘ／Ｑｍａｘ_{（ｂ＝１）}）及び熱電素子の電極側の端面の面積Ｓ_０に対するこの端面における電極上に位置している部分の面積Ｓ_１の割合（Ｓ_１／Ｓ_０）をとって、熱電素子の電極からはみ出ている部分の割合と最大吸熱量Ｑ_ｍａｘ増加率との関係を示すグラフ図である。（ａ）は従来の熱電モジュールを示す断面図であり、（ｂ）はその斜視図である。

符号の説明

１、１１、２１、１０１；下基板２、１０２；上基板３、１３、２３、１０３；下部電極４、１０４；上部電極５ｎ、１０５ｎ；ｎ型熱電素子５ｐ、１０５ｐ；ｐ型熱電素子６、１０６；リード線１０、１００；熱電モジュール１５、２５；熱電素子ａ；電極幅ｂ；熱電素子幅

Claims

複数の電極上に、各電極に１対のｐ型及びｎ型熱電素子が配置されて接合された熱電モジュールにおいて、前記熱電素子における前記電極上の配列方向に垂直の方向の長さはこの方向における前記電極の長さよりも大きく、前記熱電素子は前記電極上の配列方向及びこの配列方向に垂直の方向で前記電極上からはみ出ていることを特徴とする熱電モジュール。
前記熱電素子の前記電極側の端面の面積をＳ_０とし、この端面における前記電極上に位置している部分の面積をＳ_１としたとき、Ｓ_１／Ｓ_０が０．５以上１未満であることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。