JP2007093106A - Heat exchanging device - Google Patents
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
本発明は、ペルチェ効果を利用して冷却、加熱、発電等に好適に使用される熱電モジュールに関する。 The present invention relates to a thermoelectric module that is suitably used for cooling, heating, power generation, and the like using the Peltier effect.
従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素子は、冷却用途などの熱電モジュールとして恒温槽、冷蔵庫、半導体製造装置等に使用されている。また、電流を反転させることで冷却と加熱の両方が可能であるため、冷温庫や空調機としても使用されている。 Conventionally, thermoelectric elements using the Peltier effect have been used in thermostats, refrigerators, semiconductor manufacturing apparatuses and the like as thermoelectric modules for cooling applications and the like. Moreover, since both cooling and heating are possible by reversing an electric current, it is used also as a cold storage and an air conditioner.
図1は、従来の熱電モジュールを示す一部破断斜視図である。図1に示すように、この熱電モジュールは、対向して配置された一対の支持基板1a、1bを有し、これらの支持基板1a、1bの対向する内面間に複数の熱電素子3a、3bが配列され、隣り合う熱電素子3a、3b間を電極2a、2bにより電気的に連結したものであり、リード線4を通じて電力が供給される構造を有している。
FIG. 1 is a partially broken perspective view showing a conventional thermoelectric module. As shown in FIG. 1, this thermoelectric module has a pair of
このような熱電モジュールを備えた冷却装置としては、フィンプレートと受熱ブロックの間にペルチェ効果を有する熱電モジュールを挟み込んでこれらをスタッドボルトにより一体化したもの(特許文献1参照)、ペルチェ素子に接続される熱交換器の形状を変更し、熱効率を高めたもの(特許文献2参照)、熱交換器としてコルゲートフィンを用いた熱電装置(特許文献3参照)等がある。
しかしながら、特許文献1に記載の冷却装置においては、熱電モジュールとフィンとの熱抵抗が高いために冷却効率が低くなるばかりでなく、スタッドボルトからの熱の逆流が避けられず、十分な冷却性能を得ることができなかった。しかも、スタットボルト等によって熱電モジュールを部分的に強固に固定すると、複雑な構造になるばかりか、機械的な歪みや熱的な歪みが発生し、信頼性の低いものとなる。
However, in the cooling device described in
また、特許文献2に記載の熱交換器においては、フィンピッチが2〜4mmのため、複数のフィンを持った熱交換器を得るためには大型のものとなるため、小型で高性能なものを得るのは困難である。
Further, in the heat exchanger described in
さらに、特許文献3に記載の熱電装置においては、フィンと熱電基板が熱的に接触しているだけであり、また、フィンの形状もコルゲートフィンの長さを適宜設定するだけであり、熱効率の改善には限界があった。
Further, in the thermoelectric device described in
したがって、本発明の目的は、熱交換能力が高く、構造が複雑になることなく、信頼性が高い熱交換装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a heat exchange device having high heat exchange capability and high reliability without complicating the structure.
本発明の熱交換装置は、対向して配置された一対の支持基板を有し、これらの支持基板の対向する内面間に複数の熱電素子が配列され、隣り合う熱電素子間を電極により電気的に連結した熱電モジュールと、前記一対の支持基板のうち、少なくとも一方の支持基板の外面側に配設されたコルゲートフィンとを備えた熱交換装置において、前記コルゲートフィンは、前記支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、隣り合う2つの前記接合領域をつなぎ、前記熱電モジュールとは反対側に凸の形状である熱交換領域とを有し、前記接合領域の幅が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいことを特徴とする。 The heat exchanging device of the present invention has a pair of support substrates arranged to face each other, a plurality of thermoelectric elements are arranged between the opposing inner surfaces of these support substrates, and the adjacent thermoelectric elements are electrically connected by electrodes. And a corrugated fin disposed on the outer surface side of at least one of the pair of support substrates, wherein the corrugated fin is on the outer surface side of the support substrate. A plurality of bonding regions bonded to each other and two adjacent bonding regions connected to each other, and a heat exchange region having a convex shape on the opposite side of the thermoelectric module, and the widths of the bonding regions are adjacent to each other It is characterized by being larger than the interval between the joining regions.
本発明における前記コルゲートフィンは前記熱電モジュールに接合材により接合されており、該接合材は、前記コルゲートフィンと前記支持基板の外面との間に部分的に充填されているのが好ましい。具体的には、例えば、本発明における前記接合材は、前記接合領域と前記支持基板の外面との間にのみ充填されていてもよく、また、前記接合領域と前記支持基板の外面との間には、前記接合材が充填されており、かつ、空隙が存在する形態であってもよい。 In the present invention, the corrugated fin is bonded to the thermoelectric module with a bonding material, and the bonding material is preferably partially filled between the corrugated fin and the outer surface of the support substrate. Specifically, for example, the bonding material in the present invention may be filled only between the bonding region and the outer surface of the support substrate, or between the bonding region and the outer surface of the support substrate. May be filled with the bonding material and may have a gap.
また、本発明における前記複数の接合領域は、前記複数の熱電素子にほぼ対向する位置にそれぞれ配置されているのがよい。 Moreover, it is preferable that the plurality of joining regions in the present invention are respectively disposed at positions substantially facing the plurality of thermoelectric elements.
さらに、前記熱交換領域における対向する内面間の最大間隔が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいのが好ましく、前記熱交換領域は、対向する内面間の間隔が前記支持基板から遠ざかるにつれて大きくなるのがより好ましい。 Furthermore, it is preferable that the maximum interval between the inner surfaces facing each other in the heat exchange region is larger than the interval between the adjacent bonding regions, and the heat exchange region becomes larger as the interval between the inner surfaces facing each other increases from the support substrate. More preferably.
本発明における前記支持基板は樹脂層を含んでいるのがよく、前記樹脂層はアルミナセラミックスを分散させた熱硬化性樹脂からなるのがよい。 In the present invention, the support substrate preferably includes a resin layer, and the resin layer is preferably made of a thermosetting resin in which alumina ceramics are dispersed.
本発明の熱交換装置よれば、コルゲートフィンが、支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、隣り合う2つの接合領域をつなぎ、熱電モジュールとは反対側に凸の形状である熱交換領域とを有し、接合領域の幅が隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいので、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接触面積を大きくすることができる。これにより、熱交換効率を高め、十分な放熱性を確保し、熱応力を低下させることができる。また、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接触面積を大きくすることで、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接合強度を高めることができる。したがって、本発明によれば、信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。 According to the heat exchange device of the present invention, the corrugated fin connects the plurality of bonding regions bonded to the outer surface side of the support substrate and the two adjacent bonding regions, and the heat is convex on the opposite side of the thermoelectric module. Since the width of the junction region is larger than the interval between adjacent junction regions, the contact area between the corrugated fin and the thermoelectric module can be increased. Thereby, heat exchange efficiency can be improved, sufficient heat dissipation can be ensured, and thermal stress can be reduced. Further, by increasing the contact area between the corrugated fin and the thermoelectric module, the bonding strength between the corrugated fin and the thermoelectric module can be increased. Therefore, according to the present invention, a highly reliable heat exchange device can be obtained.
また、コルゲートフィンが熱電モジュールに接合材により接合されており、接合材がコルゲートフィンと支持基板の外面との間に部分的に充填されているときには、コルゲートフィンと支持基板の外面との間の全域に充填されている場合と比較して、温度変化に伴う接合材の膨張収縮の自由度を増加させることができる。これにより、熱電モジュールとコルゲートフィンの間に発生する熱応力を低減するとともに、発生した熱応力を分散し吸収することができるので、より信頼性の高い熱交換装置とすることができる。具体的には、接合材が接合領域と支持基板の外面との間にのみ充填されているとき、すなわちコルゲートフィンの形状を利用して接合材を接合領域に対応する部分にのみ充填するときには、熱電モジュールとコルゲートフィンの間に発生する熱応力を均一に分散し低減させることができるので、より信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。また、他の具体例として、接合領域と支持基板の外面との間に接合材が充填されており、かつ、空隙が存在するときには、温度変化に伴う接合材の膨張収縮の自由度を増加させることができ、信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。 Further, when the corrugated fin is bonded to the thermoelectric module by a bonding material and the bonding material is partially filled between the corrugated fin and the outer surface of the support substrate, the corrugated fin is disposed between the corrugated fin and the outer surface of the support substrate. Compared with the case where the entire region is filled, the degree of freedom of expansion and contraction of the bonding material accompanying the temperature change can be increased. Thereby, while reducing the thermal stress which generate | occur | produces between a thermoelectric module and a corrugated fin, the generated thermal stress can be disperse | distributed and absorbed, it can be set as a more reliable heat exchange apparatus. Specifically, when the bonding material is filled only between the bonding region and the outer surface of the support substrate, that is, when filling the bonding material only in a portion corresponding to the bonding region using the shape of the corrugated fin, Since the thermal stress generated between the thermoelectric module and the corrugated fin can be uniformly dispersed and reduced, a more reliable heat exchange device can be obtained. As another specific example, when the bonding material is filled between the bonding region and the outer surface of the support substrate, and there is a gap, the degree of freedom of expansion and contraction of the bonding material due to temperature change is increased. Therefore, a highly reliable heat exchange device can be obtained.
また、複数の接合領域が複数の熱電素子にほぼ対向する位置にそれぞれ配置されているときには、各熱電素子からの熱をコルゲートフィンの対応する接合領域に効率よく伝達することができるので、熱交換効率をより向上させることができる。 In addition, when the plurality of junction regions are arranged at positions almost opposite to the plurality of thermoelectric elements, heat from each thermoelectric element can be efficiently transferred to the corresponding junction region of the corrugated fin, so that heat exchange Efficiency can be further improved.
さらに、熱交換領域における対向する内面間の最大間隔が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいとき、熱交換領域における対向する内面間の間隔が支持基板から遠ざかるにつれて大きくなるときには、コルゲートフィンと熱電モジュールとの接触面積を確保しつつ、熱交換領域の表面積を増加させることができるので、熱交換効率をより向上させることができる。 Further, when the maximum interval between the inner surfaces facing each other in the heat exchange region is larger than the interval between the adjacent bonding regions, and when the interval between the inner surfaces facing each other in the heat exchange region increases as the distance from the support substrate increases, Since the surface area of the heat exchange region can be increased while securing the contact area with the thermoelectric module, the heat exchange efficiency can be further improved.
また、支持基板が樹脂層を含むとき、さらには樹脂層がアルミナセラミックスを分散させた熱硬化性樹脂からなるときには、高い効率を確保しつつ、熱応力の発生も少ない信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。 In addition, when the support substrate includes a resin layer, and when the resin layer is made of a thermosetting resin in which alumina ceramics are dispersed, a highly reliable heat exchange device that ensures high efficiency and generates less thermal stress. Can be obtained.
以上のように、本発明によれば、放熱特性及び耐久特性が優れた熱交換装置が得られ、本発明の熱交換装置を用いて冷温庫、空調機等に用いることで冷却効率が高く、高温高湿の環境下でも長期間使用することが可能となる。 As described above, according to the present invention, a heat exchange device having excellent heat dissipation characteristics and durability characteristics can be obtained, and by using the heat exchange device of the present invention for a cold storage, an air conditioner, etc., the cooling efficiency is high, It can be used for a long time even in a high temperature and high humidity environment.
以下、本発明の一実施形態にかかる熱交換装置について図面を参照し詳細に説明する。図2は本実施形態にかかる熱交換装置を示す断面図である。図3はこの熱交換装置に用いられているコルゲートフィンを示す断面図である。図2及び図3に示すように、本実施形態にかかる熱交換装置は、対向して配置された一対の支持基板1a、1bを有し、これらの支持基板1a、1bの対向する内面間に複数の熱電素子3a、3bが配列され、隣り合う熱電素子3a、3b間を電極2により電気的に連結した熱電モジュール6と、一対の支持基板1a、1bのうち、一方の支持基板1aの外面側に配設されたコルゲートフィン7とを備えている。
Hereinafter, a heat exchange device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the heat exchange apparatus according to the present embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a corrugated fin used in this heat exchange device. As shown in FIG.2 and FIG.3, the heat exchange apparatus concerning this embodiment has a pair of
支持基板1aの外面とコルゲートフィン7との間には、支持基板1aとコルゲートフィン7との接合が容易になるように、金属層5が配設されている。この金属層5としては、Cu等のメッキを施した金属板であってもよく、Cu板などを熱間接合したものであってもよい。
A
コルゲートフィン7は、支持基板1aの外面側に接合された複数の接合領域7aと、隣り合う2つの接合領域7a、7aをつなぎ、熱電モジュール6とは反対側に凸の形状である熱交換領域7bとを有している。
The
本実施形態にかかる熱交換装置は、接合領域7aの幅aが隣り合う接合領域7a、7a間の間隔bよりも大きくなるように設計されているので、高い信頼性を備えている。すなわち、コルゲートフィン7と熱電モジュール6との接触面積(接合面積)を大きくすることができるので、熱交換効率が高まって十分な放熱性を確保して熱応力を低下させることができる。また、コルゲートフィン7と熱電モジュール6との接合面積を大きくすることで、コルゲートフィン7と熱電モジュール6との接合強度を高めることができる。
The heat exchange device according to this embodiment is designed to have a high reliability because the width a of the
ここで、接合領域7aの幅aと接合領域7a、7a間の間隔bは、a>b(すなわち、(a/b)>1)の関係を満足すれば本発明の効果を得ることができるが、好ましくは(a/b)≧1.5とするのがよく、より好ましくは(a/b)≧2とするのがよい。これにより、熱電モジュール6の放熱性が大幅に向上し、熱交換装置の効率をさらに高めることが可能になるとともに、接合面積が増加することによる高い接合強度を得ることができる。一方で、(a/b)>10になると、熱電モジュール6とコルゲートフィン7の間に発生する熱応力が大きくなるおそれがあり、信頼性が若干低下する傾向にある。したがって、最も好ましい範囲は、2≦(a/b)≦10である。一方、接合領域7aの幅aと接合領域7a、7a間の間隔bとが(a/b)≦1である場合には、放熱性及び接合強度を向上させることができず、熱交換効率及び信頼性を高めることはできない。
Here, the effect of the present invention can be obtained if the width a of the
このような本実施形態にかかる熱交換装置では、熱電素子3a、3bによって生じた吸熱あるいは放熱をコルゲートフィン7に効率よく伝熱することができる。このとき、コルゲートフィン7の熱交換領域7bに空気や液体などの熱交換媒体を流すことによって、この熱交換媒体を冷却あるいは加熱して、空調機などとして使用することが可能になる。また、コルゲートフィン7を直接断熱された空間に入れることで冷温庫を容易に作製できる。
In such a heat exchange device according to the present embodiment, heat absorption or heat dissipation generated by the
なお、図2に示す本実施形態にかかる熱交換装置では、コルゲートフィン7が一方の支持基板1aの外面に配置されている形態を示しているが、本発明では他方の支持基板1bの外面にもコルゲートフィン7を配設してもよい。このような構造にすることにより、冷却及び加熱の両方に利用可能な熱交換装置を実現することができる。
In the heat exchange apparatus according to the present embodiment shown in FIG. 2, the
ここで、本実施形態において「接合領域」とは、コルゲートフィン7における接合材8との接触部位のことをいう。「接合領域の幅」とは、コルゲートフィン7と接合材8とが接している界面を支持基板1a(又は1b)に投影したときの両端の幅のことをいう。また、この「両端の幅」とは、熱交換領域7bの流路(熱交換媒体が通過する流路)に略垂直な方向の長さをいう。また、「接合領域間の間隔」とは、隣り合う2つの接合領域の端部間の間隔のことをいう。すなわち、隣り合う2つの接合領域の端部を支持基板1a(又は1b)にそれぞれ投影したときの間隔であって、熱交換領域7bの流路(熱交換媒体が通過する流路)に略垂直な方向の長さをいう。
Here, in the present embodiment, the “joining region” refers to a contact portion of the
コルゲートフィン7は、接合材8により熱電モジュール6に接合されている。接合材8は、コルゲートフィン7と支持基板1aの外面側に配設された金属層5との間に、部分的に充填されているのがよい。これにより、コルゲートフィン7と金属板5との間の全域に充填されている場合と比較して、温度変化に伴う接合材の膨張収縮の自由度を増加させることができるので、熱電モジュールとコルゲートフィンの間に発生する熱応力を低減するとともに、発生した熱応力を分散し吸収することができる。
The
ここで、本実施形態において「部分的に充填する」とは、例えば、接合材8を接合領域7aと支持基板1aの外面側に配設された金属層5との間にのみに充填する形態(図2に示すように接合領域間には接合材8が存在しない形態)や、接合領域7aと支持基板1aの外面側に配設された金属層5との間に接合材8を充填し、かつ、接合領域7aと金属層5との間に空隙を設けること等をいう。ここでいう「空隙」とは、金属層5からコルゲートフィン7まで通じる大きな空隙であってもよく、また、接合材8中に分散する複数の小さな空隙であってもよい。
Here, in this embodiment, “partially filled” means, for example, a mode in which the
前者の場合、すなわち図2に示すように接合材8を接合領域7aと支持基板1aの外面側に配設された金属層5との間にのみに充填する形態の場合、コルゲートフィン7を支持基板1aへ投影したときの投影面積cに対して、コルゲートフィン7と金属層5との間に充填された接合材8を支持基板1aに投影したときの投影面積dの割合は、好ましくは(d/c)≧10%、より好ましくは(d/c)≧30%に設定されるのがよい。一方、(d/c)=100%になる場合、すなわちコルゲートフィン7と支持基板1aの外面側に配設された金属層5との間の全域に接合材8が充填される場合は、応力が緩和されにくく、信頼性が低下する恐れがあるので好ましくない。したがって、(d/c)比は10〜95%の範囲であるのがよく、さらに好ましくは30〜90%の範囲であるのがよい。
In the former case, that is, in the case where the
後者の場合、すなわち接合領域7aと金属層5との間に接合材8を充填し、かつ、接合領域7aと金属層5との間に空隙を設ける場合には、熱電モジュール6とコルゲートフィン7の間に発生する熱応力を、より細かく分散させることができ、きわめて信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。また、空隙eの大きさは、0.001〜2mmの直径を持つ略球状が良く、より好ましくは0.01〜1mmが良い。また、空隙eの数は、特に限定されるものではなく、少なくとも1つ以上あることで熱応力を緩和する効果を得ることができる。接合材8の体積に対して空隙eが占める割合は0.01〜60%、好ましくは1〜50%であるのがよい。この空隙eの割合がこの範囲であることにより、適度な応力緩和効果と接合強度を維持することができる。
In the latter case, that is, when the
また、複数の接合領域7aが複数の熱電素子3a、3bにほぼ対向する位置にそれぞれ配置されているとき(図示せず)には、各熱電素子からの熱を対応する接合領域に効率よく伝達することができるので、熱交換効率をより向上させることができる。また、熱電モジュール6とコルゲートフィン7の間に発生する熱応力を、分散させることができ、信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。
In addition, when the plurality of
ここで、本発明において「ほぼ対向する位置にそれぞれ配置されている」とは、1つの接合領域7aと1つの熱電素子3a(又は3b)とが1対1でほぼ対向する位置に配置されている形態、1つの接続領域7aと複数の熱電素子3a,3bとが1対複数でほぼ対向する位置に配置されている形態、複数の接合領域7aと1つの熱電素子3a(又は3b)とが複数対1でほぼ対向する位置に配置されている形態などをいう。具体的には、例えば、1つの接合領域7aと2つの熱電素子3a、3bとが1対2でほぼ対向する位置に配置されている形態が挙げられる。この形態では、1つの接合領域7aと1つの電極2とが1対1でほぼ対向する位置に配置されることになるので、熱交換効率の点でより好ましい。
Here, in the present invention, “arranged at almost opposite positions” means that one
また、熱交換領域7bにおける対向する内面間の最大間隔hを、隣り合う接合領域7a、7a間の間隔bよりも大きくすることによって、熱交換領域7bの表面積を大きくすることができるので、熱電モジュール6の放熱性が大幅に向上し、効率の高い熱交換装置を得ることができる。具体的には、熱交換領域7bの最大間隔hに対して隣り合う接合領域7a、7a間の間隔bの比(h−b)/bを1%以上とするのがよいが、150%を越えると熱電モジュール6の放熱性が低下する傾向にあるので、より好ましくは1〜150%の範囲であるのがよく、さらに好ましくは5〜50%の範囲であるのがよい。
Further, since the surface area of the
本実施形態では、熱交換領域7bは、対向する内面間の間隔が支持基板1aから遠ざかるにつれて大きくなるように形成されている。これにより、熱電モジュール6の放熱性が大幅に向上し、効率の高い熱交換装置を得ることができる。このとき、熱交換領域7bの内面の傾斜角度jは、支持基板1a(又は1b)に垂直な直線に対して1°以上傾斜しているのがよいが、傾斜角度が50°を越えると熱電モジュール6の放熱性が低下する傾向にあるので、1〜50°の範囲が良く、さらに好ましくは2〜10°の範囲が良い。
In the present embodiment, the
また、支持基板1a,1bは樹脂層を含んでいてもよい。すなわち、支持基板1a,1bとして樹脂板を用いてもよく、また、金属やセラミックスからなる基板に樹脂層を積層したものを支持基板1a,1bとして用いてもよい。さらに、樹脂層は、アルミナセラミックスを分散させた熱硬化性樹脂からなるのがよい。これにより、高い絶縁性と効率を確保しつつ、熱応力の発生も少ない信頼性の高い熱交換装置を得ることができる。
Further, the
樹脂層10の厚みは、500μm以下とするのが良いが、安定した絶縁性を確保するためには10μm以上が好ましい。したがって、樹脂層10の厚みは10〜500μmが良く、さらに好ましくは、50〜200μmが良い。また、この樹脂層10として熱硬化性樹脂を用いる場合には、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾール等の各種樹脂を用いることができ、これらは高温下でも化学的に安定して使用可能である。しかし、ポリ塩化ビニール、アクリル樹脂、ポリアセタール樹脂等の熱可塑性樹脂を支持基板1a,1bの樹脂層に用いた場合、特に高温下での強度や絶縁性が劣ることがあるため、好ましくない。
The thickness of the resin layer 10 is preferably 500 μm or less, but is preferably 10 μm or more in order to ensure stable insulation. Therefore, the thickness of the resin layer 10 is preferably 10 to 500 μm, and more preferably 50 to 200 μm. Moreover, when using a thermosetting resin as this resin layer 10, various resins, such as a phenol resin, an epoxy resin, a silicone resin, a polyester resin, a polyamideimide, a polyimide, a polybenzimidazole, can be used, for example, It can be used chemically and stably even at high temperatures. However, when a thermoplastic resin such as polyvinyl chloride, an acrylic resin, or a polyacetal resin is used for the resin layer of the
また、アルミナセラミックス11の粒径は20〜100μmが適切であり、これによって、樹脂層10の強度を高めると共に、熱伝導性も高め、放熱特性を向上することができる。 Moreover, 20-100 micrometers is suitable for the particle size of the alumina ceramic 11, and by this, while improving the intensity | strength of the resin layer 10, heat conductivity can also be improved and a thermal radiation characteristic can be improved.
コルゲートフィン7を構成する材料としては、公知のものが使用でき、特に限定されるものではないが、例えば熱伝導性の高い銅、無酸素銅、リン青銅などを用いることができる。また、耐食性に優れたアルミニウム製のフィンであってもよい。
A known material can be used for the
また、コルゲートフィンを例えば図2に示すような形状に成形するには、雌型を使ったプレス成形や押出成形または鍛造などの方法を用いることができる。 In order to form the corrugated fin into a shape as shown in FIG. 2, for example, a method such as press molding using a female die, extrusion molding or forging can be used.
以下、本実施形態にかかる熱電モジュール6の製造方法について説明する。まず、公知の技術で作製された熱電材料からなる熱電素子3a,3bを準備する。この熱電材料は、ビスマス、テルル系材料が高い熱電特性を得られる点で好ましい。また、熱電材料としては、一度溶融させて固化した溶製材料、合金粉末を粉砕しホットプレス等で焼結させた焼結材料、ブリッジマン法などにより一方向に凝固させた単結晶材料などを使用することができるが、特に単結晶材料が高性能である点で好ましい。熱電素子の作製方法は、インゴットをスライスして、ニッケルなどでメッキ、蒸着、溶射などにより反応防止層を形成した後、ダイシング加工を行い、素子を得る方法がある。また、単結晶状の棒に耐環境性を有するエポキシ樹脂などの耐メッキ性の樹脂をコーティングした後、切断し、電解メッキ、無電界メッキなどで切断面のみにニッケルを成膜させる方法がコストと水分による腐食をさらに防止する上で好ましい。また、ニッケル層の上にSnまたはAuの層を配設することが連結部材との連結性を高める上で好ましい。
Hereinafter, the manufacturing method of the
次に、前述した支持基板1a、1bを準備する。本発明では、支持基板1a、1bは熱硬化性樹脂等から成る樹脂層10を含むことが好ましい。支持基板1の主面に電極2を形成する方法としては、公知の方法が適宜使用できるが、熱圧着による接着が容易であるため望ましい。接着強度を高めるために接着剤をコーティングする方法など施しても良い。これらの面に金属板および電極を接着した後に片面あるいは両面をフォトレジスト法によりパターンエッチングを行い、電極が金属配線された絶縁基板が得られる。パターンエッチングする金属としてはアルミニウムまたは銅がよく、特に銅が熱伝導率及び電気伝導性も高いため好ましい。さらに支持基板1の外面側には、電極2と同様の方法で、金属層5を形成しておくのがよい。
Next, the
次に、熱電素子3a、3bと支持基板1aを接合する。まず、支持基板1aに形成した電極2の表面にはんだを配列する。はんだを配列する方法はいくつかあるが、スクリーン印刷法により配列する方法が容易である。ついで、はんだが配列された電極2の表面に熱電素子3a、3bを配列する。熱電素子3a、3bはN型とP型の2種類の素子であり、これらを千鳥状に配列する。接合する方法としては公知の技術であればいずれでも良いが、N型およびP型それぞれを別々に振動させながら配列穴加工された冶具に振り込む振込み式で配列させた後、転写し絶縁基板上に配列する方法が簡便で好ましい。ついで、電極2を配列した支持基板1bを準備し、上記と同様にして電極2の表面にはんだを配列する。この支持基板1bを熱電素子3a、3bの他方側の端部に設置する。配置された熱電素子を挟んだ支持基板1a、1bを公知の技術によりはんだ接合する。はんだ接合の方法としては、リフロー炉あるいはヒーターによる加熱などいずれでも良いが、支持基板1a、1bに樹脂を用いる場合、上下面に応力をかけながら加熱することがはんだと素子の密着性を高める上で好ましい。
Next, the
次に、上記で得られた熱電モジュール6にコルゲートフィン7を接合材8により接合する。ここで、接合材8はコルゲートフィン7に部分的に接合するのが良い。接合材8がコルゲートフィン7と支持基板1aの外面との間に部分的に充填されるようにするためには、例えば、支持基板1aの外面側に配設された金属層5に対して、あらかじめパターンエッチング等を行って、コルゲートフィン7のうち、本当に接合したい接合領域7aの部分にのみ金属層5を設けておけば良い。すなわち、接合材8が金属層5部分のみに濡れるようにしておけば良い。同様にして、接合材8を接合領域7aのうちでさらに部分的に充填することもできる。このようにして接合材8は、金属層5とコルゲートフィン7の接合領域7aとに挟まれた部分のみに充填され、発生する応力を緩和することが可能となる。
Next, the
また、別の方法として、接合材8そのものをスクリーン印刷等の手法を使って金属層5の上に巧みに塗り分けることによっても接合材8を部分的に充填することが可能となる。
As another method, the
また、接合材8を接合領域7aと支持基板1aの外面側に配設された金属層5との間にのみに充填するためには、コルゲートフィン7そのものの形状を利用すればよい。具体的には、例えば支持基板1aの外面側に全面的に配設された金属層5に対して、接合材8をスクリーン印刷等の手法を使って10〜50μmのごく薄く設けて、コルゲートフィン7を接合すれば、接合材8は金属層5とコルゲートフィン7の接触した部分しか充填されない。これによって、接合材8を接合領域7aと支持基板1aの外面側に配設された金属層5との間にのみ見事に充填することができる。
In order to fill the
さらにまた、接合材8を、接合領域7aと支持基板1aの外面との間に充填しつつ、空隙を存在させるためには、あらかじめ接合材8の中に発泡剤等を添加しておくことによって可能となる。例えば、接合材8の中に必要な空隙量に見合ったロジンやパラフィンなどを添加しておくことによって、所望の空隙を得ることができる。しかるに、支持基板1aの外面側に配設された金属層5に対して、発泡剤を添加した接合材8をスクリーン印刷等の手法を使って200μm等の厚みで設けて、コルゲートフィン7を接合すれば、接合材8は金属層5とコルゲートフィン7の間に空隙を保持しながら充填されることになる。
Furthermore, in order to allow the gap to exist while filling the
最後に、コルゲートフィン7に連結された熱電モジュール6に対し、熱電モジュール6に電流を通電するためのリード線4(図示せず)をはんだこて等で接合し、本発明の熱交換装置が得られる。
Finally, a lead wire 4 (not shown) for energizing the
以上のように、本発明によれば、放熱特性及び耐久特性が優れた熱交換装置が得られ、本発明の熱交換装置を用いて冷温庫、空調機等に用いることで冷却効率が高く、高温高湿の環境下でも長期間使用することが可能となる。 As described above, according to the present invention, a heat exchange device having excellent heat dissipation characteristics and durability characteristics can be obtained, and by using the heat exchange device of the present invention for a cold storage, an air conditioner, etc., the cooling efficiency is high, It can be used for a long time even in a high temperature and high humidity environment.
N型熱電素子材料としてBi2Te2.85Se0.15、P型熱電素子の材料としてBi0.4Sb1.6Te3からなる合金粉末を準備した。なお、N型熱電素子の材料にはドーパントとしてIを0.1重量%添加した。これらの熱電素子材料を成形したのち水素還元雰囲気で焼結させ、断面寸法2mm、高さ2.5mmの熱電素子を得た。この熱電素子の支持基板として、大きさが30×60mmの支持基板を用意した。この支持基板の一方の主面(内面)側には120対の熱電素子を配列し、隣接する前記熱電素子間を電極により電気的に連結して熱電モジュールとした。また、前記支持基板の他方の主面(外面)側には冷却用と放熱用のコルゲートフィンを各々接合し、熱電モジュールと合わせ熱交換装置とした。 An alloy powder made of Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 as the N-type thermoelectric element material and Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 as the material of the P-type thermoelectric element was prepared. Note that 0.1 wt% of I was added as a dopant to the material of the N-type thermoelectric element. These thermoelectric element materials were molded and then sintered in a hydrogen reducing atmosphere to obtain thermoelectric elements having a cross-sectional dimension of 2 mm and a height of 2.5 mm. As a support substrate for this thermoelectric element, a support substrate having a size of 30 × 60 mm was prepared. 120 pairs of thermoelectric elements were arranged on one main surface (inner surface) side of the support substrate, and the adjacent thermoelectric elements were electrically connected by electrodes to form a thermoelectric module. In addition, cooling and heat dissipation corrugated fins were joined to the other main surface (outer surface) side of the support substrate, respectively, and combined with the thermoelectric module to form a heat exchange device.
コルゲートフィンは、図2に示すような支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、熱電モジュールとは反対側に凸の形状で、かつ、隣り合う2つの接合領域をつなぐ熱交換領域とを有したものとした。ここで前記接合領域の幅aと、隣り合う接合領域間の間隔bを様々に変化させた熱交換装置を準備した。また、コルゲートフィンと支持基板の外面との間の接合状態および空隙状態を様々に変化させたものを準備した。また、支持基板としては、熱交換器と熱電モジュールを絶縁するために、絶縁層としてアルミナセラミック基板、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂を用いたものを準備した。
得られた熱交換装置に50Wの電力を投入して温度差を発生させながら、コルゲートフィンに6m/secの風を放熱、冷却面にあてて、冷却側の風の入り口温度と出口温度の差を温度差とし、流れた空気の比熱から冷却性能を計算した。同時に通電を1分おきに反転させる耐久試験を10000サイクル実施し、耐久試験後の冷却性能の変化を計算した。結果を表1に示す。
The corrugated fin has a plurality of bonding regions bonded to the outer surface side of the support substrate as shown in FIG. 2 and a heat exchange region that is convex on the opposite side of the thermoelectric module and connects two adjacent bonding regions. It was supposed to have. Here, a heat exchange device was prepared in which the width a of the joining region and the interval b between adjacent joining regions were variously changed. Moreover, what changed the joining state and space | gap state between a corrugated fin and the outer surface of a support substrate variously was prepared. Moreover, as a support substrate, in order to insulate a heat exchanger and a thermoelectric module, what used the alumina ceramic substrate, the thermosetting resin, and the thermoplastic resin as an insulating layer was prepared.
Applying 50 W of electricity to the heat exchange device and generating a temperature difference, heat was dissipated to the corrugated fins with 6 m / sec of wind, applied to the cooling surface, and the difference between the inlet and outlet temperatures of the cooling side wind The cooling performance was calculated from the specific heat of the flowing air. At the same time, the endurance test in which the energization was reversed every other minute was performed for 10,000 cycles, and the change in the cooling performance after the endurance test was calculated. The results are shown in Table 1.
なお、試料No.2を除く他の試料については、コルゲートフィンの接合領域と支持基板の外面との間にのみ充填した。試料No.2については、コルゲートフィンの接合領域と支持基板の外面との間だけでなく、隣り合う接合領域間にも接合材を充填した。 In addition, about other samples except sample No. 2, it filled only between the junction area | region of a corrugated fin and the outer surface of a support substrate. For sample No. 2, the bonding material was filled not only between the corrugated fin bonding region and the outer surface of the support substrate, but also between adjacent bonding regions.
また、試料No.1,2を除く他の試料については、複数の接合領域を、複数の熱電素子に対向する位置に配置した。試料No.1,2については、接合領域を、熱電素子に対して無秩序に配置した。 Moreover, about the other samples except sample No. 1 and 2, the some joining area | region was arrange | positioned in the position facing a some thermoelectric element. For sample Nos. 1 and 2, the junction region was randomly arranged with respect to the thermoelectric element.
試料No.31の絶縁層としては熱可塑性樹脂を用い、試料No.32の絶縁層としてはアルミナを用い、他の試料の絶縁層としては熱硬化性樹脂を用いた。絶縁層に含まれる粒子としては、試料No.29がアルミニウムを用い、他の試料がアルミナを用いた。
コルゲートフィンにおける接合領域の幅aが、隣り合う接合領域間の間隔bよりも大きくした熱交換装置は、目標とする20Watt以上の冷却性能が確認され、かつ冷却性能の変化率も目標値20%を下回ることができ、良好な特性を示した。 In the heat exchange device in which the width a of the junction region in the corrugated fin is larger than the interval b between the adjacent junction regions, the target cooling performance of 20 Watt or more is confirmed, and the change rate of the cooling performance is also the target value of 20%. It showed a good characteristic.
特に、接合領域の幅aと隣り合う接合領域間の間隔bの比を、a/b≧2とした熱交換装置は、実施例No.4〜32にみられるように25Watt以上の高い冷却性能が得られた。 In particular, the heat exchange device in which the ratio of the width b of the joining region and the interval b between the adjacent joining regions is a / b ≧ 2, is shown in Example No. As seen in 4 to 32, a high cooling performance of 25 Watt or more was obtained.
また、コルゲートフィンが接合材により熱電モジュールに接合されており、接合材がコルゲートフィンと支持基板の外面との間に部分的に充填されている熱交換装置は、実施例No.3〜32にみられるように、20Watt以上のより良好な冷却性能が得られた。 In addition, the heat exchange device in which the corrugated fin is bonded to the thermoelectric module by the bonding material and the bonding material is partially filled between the corrugated fin and the outer surface of the support substrate is described in Example No. As seen from 3 to 32, a better cooling performance of 20 Watt or more was obtained.
同様に、接合材が接合領域と支持基板の外面との間に充填されており、隣り合う接合領域間には充填されていない熱交換装置は、実施例No.3〜32にみられるように、20Watt以上の良好な冷却性能が得られた。 Similarly, the heat exchange apparatus in which the bonding material is filled between the bonding region and the outer surface of the support substrate and is not filled between the adjacent bonding regions is described in Example No. As can be seen from 3 to 32, good cooling performance of 20 Watt or more was obtained.
さらに、接合領域と支持基板の外面との間に接合材が充填されており、かつ、空隙が存在する熱交換装置は、実施例No.3〜12および実施例No.14〜30にみられるように、耐久試験後の冷却性能の変化率が10%以下と優れた値を示した。しかし、実施例No.13にみられるように、接合材中に空隙を全く含まない熱交換装置の場合、冷却性能の変化率がやや劣っていた。 Furthermore, the heat exchange device in which the bonding material is filled between the bonding region and the outer surface of the support substrate and the air gap exists is shown in Example No. 3-12 and Example No. As seen from 14 to 30, the change rate of the cooling performance after the durability test showed an excellent value of 10% or less. However, Example No. 13, the rate of change in cooling performance was slightly inferior in the case of a heat exchange device that did not include any voids in the bonding material.
また、接合領域を、熱電素子3に対向およびほぼ対向する位置に配置した実験例No.4〜32にみられるように、耐久試験後の冷却性能の変化率が20%以下と良好な値を示した。
In addition, in the experimental example No. 1 in which the joining region is disposed at a position facing and substantially facing the
また、実験例No.21〜24にみられるように、熱交換領域の最大幅を熱交換領域と接合領域の境界部間の幅よりも大きくし、熱交換器の熱交換領域が熱電モジュールの支持基板から遠ざかるにつれて大きくなる離隔部を有するようにした熱交換器は、30Watt以上の特に優れた冷却性能が得られた。 Experimental Example No. As seen from 21 to 24, the maximum width of the heat exchange region is made larger than the width between the boundary portions of the heat exchange region and the joining region, and becomes larger as the heat exchange region of the heat exchanger moves away from the support substrate of the thermoelectric module. In the heat exchanger having the separation portion, a particularly excellent cooling performance of 30 Watt or more was obtained.
また、実験例No.3〜32にみられるように、アルミナセラミックスを含んだ熱硬化性樹脂層からなる支持基板を用いた熱交換器の冷却性能と変化率は、目標値を十分達成できるものであり、電気絶縁性も全く問題なく使用できることがわかった。 Experimental Example No. As can be seen from 3 to 32, the cooling performance and rate of change of the heat exchanger using the support substrate made of the thermosetting resin layer containing alumina ceramics can sufficiently achieve the target value, and the electric insulation It was found that it can be used without any problem.
(比較例)
本発明の範囲外であるNo.1,2は、接合領域の幅がこれらの接合領域間の間隔と同等以下であるので、熱電モジュールの放熱性は向上することなく、熱交換装置の効率を高めることができなかったので不適であった。また、従来技術に基づく熱交換装置も試作してみたが、冷却性能および変化率共に満足できるものではなかった。
(Comparative example)
No. which is outside the scope of the present invention. 1 and 2 are not suitable because the width of the joining area is equal to or less than the distance between these joining areas, and the heat dissipation of the thermoelectric module is not improved and the efficiency of the heat exchange device cannot be increased. there were. In addition, although a prototype of a heat exchange device based on the prior art was tried, both the cooling performance and the rate of change were not satisfactory.
1a,1b 支持基板
2 電極
3 熱電素子
3a N型熱電素子
3b P型熱電素子
4 リード線
5 金属層
6 熱電モジュール
7 コルゲートフィン
7a 接合領域
7b 熱交換領域
8 接合材
9 樹脂層
1a, 1b Support substrate
2
Claims (9)
前記コルゲートフィンは、前記支持基板の外面側に接合された複数の接合領域と、隣り合う2つの前記接合領域をつなぎ、前記熱電モジュールとは反対側に凸の形状である熱交換領域とを有し、前記接合領域の幅が、隣り合う接合領域間の間隔よりも大きいことを特徴とする熱交換装置。 A thermoelectric module having a pair of support substrates disposed opposite to each other, a plurality of thermoelectric elements being arranged between the opposing inner surfaces of these support substrates, and electrically connecting adjacent thermoelectric elements with electrodes; In a heat exchange device comprising a corrugated fin disposed on the outer surface side of at least one of the pair of support substrates,
The corrugated fin has a plurality of bonding regions bonded to the outer surface side of the support substrate and a heat exchange region that connects two adjacent bonding regions and has a convex shape on the opposite side of the thermoelectric module. And the width | variety of the said joining area | region is larger than the space | interval between adjacent joining areas, The heat exchange apparatus characterized by the above-mentioned.
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