JP2007184416A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】機器等への組み込みなどの取り扱いが容易であり、かつ、熱歪みや結露等に伴う故障を抑制できる長期信頼性の高い熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】複数の素子嵌合孔３を形成した絶縁性基板３０の各素子嵌合孔３に、対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）をそれぞれ貫通嵌合し、熱電変換素子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、対応するＰ型の熱電変換素子５ａの端面とＮ型の熱電変換素子５ｂの端面間に掛け渡して、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５ａ，５ｂを直列に接続する複数の電極２を形成し、この電極２とＰ型、Ｎ型の熱電変換素子５ａ，５ｂとによって熱電変換素子の回路を形成する。複数の熱電変換素子５ａ，５ｂの両端側の電極２を上下に一括的に挟むセラミック製板部材６，７を電極２と非固着状態で設ける。
【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７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、図６、図７に示すような、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。）。

図７に示すような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の上下両側にそれぞれ、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。

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、半田付け等により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合されている。なお、同図に半田は図示されていない。

また、電極２は、対応するＰ型の熱電変換素子５ａの端面とＮ型の熱電変換素子５ｂの端面と同一方向に伸張し、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端面間に掛け渡して設けられ、前記Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を直列に接続しており、これら熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２とによって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路（ＰＮ素子対）が形成されている。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と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。

また、ペルチェモジュールの別の例として、図８に示すように、上下に互いに間隔を介して対向配置された２枚の絶縁性基板１６，１７の対向面に複数の電極２を互いに間隔を介して形成または固着し、前記絶縁性基板１６，１７間に立設配置した複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側と他端側を、それぞれ対応する前記電極２に半田等を用いて固着したタイプのモジュールがある。このタイプのペルチェモジュールにおいても、図７に示したタイプのペルチェモジュールと同様の加熱・冷却動作が行われる。

なお、図８において、符号２８はリード線を示し、符号１０はリード線２８を接続するための半田を示す。

特開平９−１８１３６２号公報 特開平１０−１７８２１６号公報

ところで、図８に示したような、絶縁性基板１６，１７と電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）とを固着して成る電極・基板固着型のペルチェモジュールは、機器への組み込みなどの取り扱いが容易というメリットがあるものの、モジュール寸法が大きくなるにつれ、その信頼性が著しく低下するという問題があった。

これは、ペルチェモジュールが前記ペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側の面の温度を上げ、他端側の面の温度を下げる場合に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）や電極２の熱膨張収縮が発生するので、絶縁性基板１６，１７と電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）とが固着されていると、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接続部が熱歪を吸収しきれなくなって、時に接続不良を起こすためである。

また、図７に示したようなタイプのペルチェモジュール（いわゆるスケルトン型のペルチェモジュール）等の熱電変換モジュールは、電極２が個々に独立しているので、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接続部における熱歪が分散され、この接続部が熱ストレスを受けることが極めて少なくなるため、電極・基板固着型のペルチェモジュールに比べてはるかに長期的な信頼性を確保できるというメリットがあるが、別の問題を有している。

つまり、スケルトン型の熱電変換モジュールは、電極２がそのままではむき出しであり、なんらかの絶縁が必要なため、電極２の外側に、熱伝導性のよい電気絶縁シートを設けるか、あるいは組み込むケースや機器側に、その熱電変換モジュールとの接触面に絶縁ペーストの塗布等の処理を施すなどの対策が必要である。

このような対策を、熱電変換モジュールの組み込み時等に行わなければならないため、作業工数が増え、また、この作業は標準化しにくい作業のため、品質不良原因となっている等、取り扱いが極めて難しいといった問題があった。また、電気絶縁シートの配設や絶縁ペーストの塗布等では絶縁が完璧に行えない場合もある。絶縁が完璧に行えないと、熱電変換モジュールを的確に動作させることができないため、所定の性能が得られない。さらに、絶縁シートとして考えられるポリイミドは、高価であるために、絶縁シートを設けることにより、熱電変換モジュールの配設コストが高くなるといった問題が生じるおそれもある。

さらに、スケルトン型の熱電変換モジュールでは、各電極２および熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が、基本的には外部雰囲気に露出する構造となるため、結露対策が難しかった。そして、この結露によって、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）におけるＰ−Ｎ間、Ｐ−Ｐ間、Ｎ−Ｎ間等、本来、短絡してはならない部分が導通してしまい、所定の性能が得られなくなるといった問題があった。

さらに、ペルチェモジュールにおいては、上記のように、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を流すと熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側が冷却せしめられて、空気中の水分が凍り、氷ができ、上記電流を流さなくなるとその氷が溶けて水になり、また電流を流すと氷が形成されるといった動作を繰り返すことにより生じる結露が、むき出しとなっている電極２間の間隔から熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域内部に常に入り込む（該配設領域内部の空気と入れ替わる）外部の空気中の水分により次々と生じる。

そして、その結露が電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に付着すると、電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に腐食が生じ、熱電変換モジュールの故障、破壊等が生じてしまう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、機器等への組み込みなどの取り扱いが容易であり、かつ、熱歪みに伴う接続不良等を抑制でき、さらに、結露等の水に伴う故障を抑制できる長期信頼性の高い熱電変換モジュール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の発明は、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前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、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はそれぞれ、対応する前記Ｐ型の熱電変換素子の端面と前記Ｎ型の熱電変換素子の端面間に掛け渡して前記Ｐ型とＮ型の熱電変換素子を直列に接続する複数の電極が形成されており、この電極と前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とによっ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両端側の電極を上下に一括的に挟むセラミック製板部材が前記電極と非固着状態で設けられ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前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、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はそれぞれ、対応する前記Ｐ型の熱電変換素子の端面と前記Ｎ型の熱電変換素子の端面間に掛け渡して前記Ｐ型とＮ型の熱電変換素子を直列に接続する複数の電極が形成されており、この電極と前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とによっ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両端側の電極を上下に一括的に挟むセラミック製板部材が前記電極と非固着状態で設けら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の発明は、上記第１または第２の発明の構成に加え、前記セラミック製板部材と電極との間に熱伝導性グリースと熱伝導性シートの少なくとも一方が介設されて、前記セラミック製板部材と前記電極とが熱的に接続されていることを特徴とする。

さらに、第４の発明は、上記第１または第２または第３の発明の構成に加え、前記熱電変換素子の回路に電流を流すことにより前記熱電変換素子の一端側が加熱側端部と成して他端側が冷却側端部と成す構成とし、少なくとも前記熱電変換素子の加熱側端部に形成された電極とセラミック製板部材との間には前記熱電変換素子の加熱側端部の温度で液状に相変化する相変化型の熱伝導性シートが介設されていることを特徴とする。

さらに、第５の発明は、上記第１乃至第４のいずれか一つの発明の構成に加え、前記セラミック製板部材は電極と熱電変換素子の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域には接着剤が設けられて該接着剤によって上下のセラミック製板部材が互いに接着されていることを特徴とする。

さらに、第６の発明は、上記第５の発明の構成に加え、前記接着剤は電極と熱電変換素子の配設領域の外周側を囲む態様で設けられた耐水性の接着剤であり、該接着剤によって前記熱電変換素子の配設領域の外周側が液密状に封止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。

本発明は、互いに間隔を介して整列状に複数配置されたＰ型とＮ型の熱電変換素子の上端側と下端側または、複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板の前記素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されたＰ型とＮ型の熱電変換素子の一端側と他端側にそれぞれ、対応する前記Ｐ型の熱電変換素子の端面とＮ型の熱電変換素子の端面間に掛け渡して前記Ｐ型とＮ型の熱電変換素子を直列に接続する複数の電極を形成しているが、複数の熱電変換素子の両端側の電極を上下に一括的に挟むセラミック製板部材が前記電極と非固着状態で設けられているので、電極がむき出しではない。

そのため、本発明によれば、従来のスケルトン型の熱電変換モジュールに不可欠であったむき出しの電極の絶縁対策は不要であり、機器等への組み込みなどの取り扱いが容易となるし、絶縁が完璧に行えないことにより生じる不具合もなく、高価な絶縁シートを設けることによるコストアップの問題も抑制でき、さらに、電極間の間隔から熱電変換素子の配設領域内部に常に入り込む（該配設領域内部の空気と入れ替わる）外部の空気中の水分により、上記結露が次々と生じることはなく、結露等の水に伴う故障も抑制できる。

また、本発明は、セラミック製板部材が電極と非固着状態で設けられているので、熱電変換素子を上下に挟む絶縁性基板と電極とを固着状態としたタイプの熱電変換モジュールと異なり、電極と熱電変換素子との接続部に加わる熱的なストレスを分散できるため、熱歪みに伴う接続不良等を抑制でき、長期信頼性の高い熱電変換モジュールを実現できる。

つまり、本発明の熱電変換モジュールは、前記電極・基板固着型とスケルトン型の良さを兼ね備えた、優れた熱電変換モジュールを実現できる。

また、本発明において、セラミック製板部材と電極との間に熱伝導性グリースと熱伝導性シートの少なくとも一方が介設されて、前記セラミック製板部材と前記電極とが熱的に接続されている構成によれば、セラミック製板部材と電極との熱的接続性を良好にし、より効率良く動作できる熱電変換モジュールを実現できる。

さらに、本発明において、熱電変換素子の回路に電流を流すことにより前記熱電変換素子の一端側が加熱側端部と成して他端側が冷却側端部と成す構成とし、少なくとも前記熱電変換素子の加熱側端部に形成された電極とセラミック製板部材との間には前記熱電変換素子の加熱側端部の温度で液状に相変化する相変化型の熱伝導性シートが介設されている構成によれば、熱伝導性シートの取り付けは例えば常温で行うことにより容易に取り付けることができ、かつ、熱電変換モジュール動作時には熱伝導性シートが液状に変化して熱電変換素子の加熱側端部に設けられたセラミック製板部材との密着性をよくすることができるので、熱的接続性を一層良好にして、より効率良く動作できる熱電変換モジュールを実現できる。

さらに、本発明において、セラミック製板部材は電極と熱電変換素子の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域には接着剤が設けられて該接着剤によって上下のセラミック製板部材が互いに接着されている構成によれば、セラミック製板部材が電極と非固着状態で設けられていることによる長期信頼性の向上効果を発揮できる状態を保ちながら、しかも、上下のセラミック製板部材が互いに接着されていることから、取り扱い性をより一層良好にできる。なお、接着剤としては、例えば高分子系の接着剤が用いられ、このように高分子系の接着剤を用いることにより、上下のセラミック製板部材間の歪みも吸収できる。

さらに、本発明において、接着剤は電極と熱電変換素子の配設領域の外周側を囲む態様で設けられた耐水性の接着剤であり、該接着剤によって前記熱電変換素子の配設領域の外周側が液密状に封止されている構成によれば、熱電変換素子の外周側から熱電変換素子の配設領域に水分が入り込むことを接着剤により確実に抑制できる。そのため、この発明によれば、結露によって、電極や熱電変換素子に腐食が生じて熱電変換モジュールの故障等が生じるといった問題をさらにより一層確実に抑制できる。

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。本実施形態例の熱電変換モジュールはペルチェモジュールであり、本実施形態例も、前記スケルトン型ペルチェモジュールと同様に、互いに間隔を介して複数の素子嵌合孔３が形成された絶縁性基板３０を有している。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）が貫通嵌合固定されている。

本実施形態例がスケルトン型のペルチェモジュールと異なる特徴的なことは、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端側の電極２を上下に一括的に挟むセラミック製板部材６，７が、前記電極２と非固着状態で設けられていることである。これらのセラミック製板部材６，７は、厚さ２ｍｍ、縦、横の大きさが４０ｍｍであり、これらのセラミック製板部材６，７と電極２との間には空気層を排除して熱的結合を良好に保つための熱伝導性グリース８が薄く塗布されている。

また、セラミック製板部材６，７は、その面方向の中心が電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の面方向の中心とほぼ一致するように配置され、セラミック製板部材６，７は電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域より外側に張り出している。

このセラミック製板部材６，７の張り出し領域は、電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域を囲む態様で、縦方向と横方向とに、ほぼ均一に張り出し、この張り出し領域に接着剤９が設けられて、該接着剤９によって上下のセラミック製板部材６，７が互いに接着されている。接着剤９は耐水性のエポキシ系接着剤であり、電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の外周側を囲む態様で設けられ、該接着剤９によって前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の外周側が液密状に（つまり、外部から水分が侵入できないように）封止されている。

なお、本実施形態例において、前記絶縁性基板３０は、厚さ１．５ｍｍ、縦、横の大きさが４５ｍｍである。熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の電極２との接続面にはペーストハンダ（図示せず）が印刷されている。

本実施形態例の熱電変換モジュールを製造するときは、まず、図２（ａ）に示すように、スケルトン型ペルチェモジュールを製造するときのように、絶縁性基板３０と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２を配置し、仮固定した状態で、非酸化雰囲気の炉で半田を溶解凝固させることで、該半田により電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）とをしっかりと固定する。

また、直列接続された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との回路の両端部分の電極２には、電流を通すためのリード端子（図示せず）を設け、このリード端子に、図２（ｂ）に示すように、設定長さのリード線２８を接続し、半田１０により固定する。なお、リード端子は、例えば図６に示したような絶縁性基板３０の平面図にＡで示した位置に、それぞれ設けられ、リード線２８の長さは適宜設定される。

このリード線２８の接続状態で、図２（ｃ）に示すように、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端側の電極２を、熱伝導性グリース８を電極２との対向面に塗布したセラミック製板部材６，７によって上下に一括的に挟む。そして、図１に示したように、電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の周囲に張り出したセラミック製板部材６，７の間にエポキシ系の接着剤９を充填し、この接着剤９を硬化させて、上下のセラミック製板部材６，７を固定すると共に、電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の外周側を液密状に封止する。

本実施形態例は以上のように構成されており、従来のスケルトン型のペルチェモジュールのように、絶縁性基板３０の素子嵌合孔３に熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を挿入嵌合し、対応するＰ型の熱電変換素子５ａの端面とＮ型の熱電変換素子５ｂの端面と同一方向に電極２を伸張して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の端面間に電極２を掛け渡して設けているが、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端側の電極２を上下に一括的に挟むセラミック製板部材６，７が前記電極２と非固着状態で設けられているので、電極２がむき出しではない。

そのため、本実施形態例においては、従来のスケルトン型のペルチェモジュールに不可欠であったむき出しの電極２の絶縁対策は不要であり、機器等への組み込みなどの取り扱いが容易となるし、絶縁が完璧に行えないことにより生じる不具合もなく、高価な絶縁シートを設けることによるコストアップの問題も抑制でき、さらに、むき出しの電極２間から熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域に次々と入り込む空気中の水（水蒸気）による結露に伴う故障も抑制できる。

さらに、本実施形態例によれば、接着剤９は電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の外周側を囲む態様で設けられた耐水性の接着剤であり、該接着剤９によって前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の外周側が液密状に封止されているので、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の外周側から熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域に水分が入り込むことを接着剤９により確実に抑制できる。

そのため、本実施形態例は、結露によって、電極２や熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に腐食が生じてペルチェモジュールの故障等が生じるといった問題を確実に抑制できる。

また、本実施形態例では、セラミック製板部材６，７が電極２と非固着状態で設けられているので、図８に示したような絶縁性基板１６，１７と電極２とを固着状態とした基板・電極固着型の熱電変換モジュールと異なり、熱的なストレスを分散できるため、熱歪みに伴う接続不良等を抑制でき、長期信頼性の高い熱電変換モジュールを実現できる。

さらに、本実施形態例によれば、セラミック製板部材６，７と電極２との間に熱伝導性グリース８が介設されて、セラミック製板部材６，７と前記電極２とが熱的に接続されているので、より効率良く動作できる熱電変換モジュールを実現できる。

さらに、本実施形態例によれば、セラミック製板部材６，７は電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域に設けられた接着剤９によって上下のセラミック製板部材６，７が互いに接着されているので、取り扱い性をより一層良好にできる。

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、セラミック製板部材６，７と電極２との間に熱伝導性グリース８を介設したが、熱伝導性グリース８の代わりに、熱伝導性シートを設けてもよいし、熱伝導性グリース８と熱伝導性シートの両方を設けてもよい。

また、熱伝導性シートを設ける場合、以下のような構成にすることもできる。つまり、熱電変換モジュールの構成を、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を流すことにより、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側が加熱側端部と成して他端側が冷却側端部と成すもの（すなわち、ペルチェモジュール）とし、その少なくとも熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の加熱側端部に形成された電極２とセラミック製板部材との間に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の加熱側端部の温度で液状に相変化する相変化型の熱伝導シートを介設することもできる。

熱伝導シートは熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の加熱側端部の温度より低いときには固体またはゲル状であり、上記のように構成すると、熱伝導シートの取り付けは、取り扱いが容易な状態で行うことができ、かつ、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の加熱側端部の温度で液状に相変化することにより、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の加熱側端部に設けられたセラミック製板部材との密着性をよくすることができ、それにより熱的接続性をより一層良好にできるので、より効率良く動作できる熱電変換モジュールを実現できる。

なお、上記のような熱伝導性グリース８や熱伝導性シートを設けずに、本発明の熱電変換モジュールを形成してもよいが、熱伝導性グリース８や熱伝導性シートを設けると、電極２とセラミック製板部材６，７との熱的接続が良好になるので、熱伝導性グリース８や熱伝導性シートを設けることが好ましい。

さらに、上記実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を通すためのリード端子を絶縁性基板３０の端部に設けたが、リード端子は絶縁性基板３０の内側の適宜の位置（例えば、接着剤９により封止されている内部領域の端部）に設けて外側に張り出さないようにしてもよい。

さらに、上記実施形態例では、上下のセラミック製板部材６，７を互いに接着する接着剤９は、電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の外周側を囲む態様で設けたが、接着剤９は、電極２と熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の配設領域の外周側に張り出したセラミック製板部材６，７の張り出し領域の一部に設けてもよく、この場合でも、該接着剤９によって上下のセラミック製板部材６，７を互いに接着することにより熱電変換モジュールの取り扱い性を良好にできる。

さらに、上記実施形態例は、接着剤９はエポキシ系接着剤としたが、接着剤９はエポキシ系接着剤とは限らず、シリコン系接着剤としてもよいし、他の耐水性の接着剤としてもよい

さらに、接着剤９は省略することもでき、この場合、熱電変換モジュールは、例えば図３（ａ）、（ｂ）に示すような態様となる。図３（ａ）は、上記実施形態例において、接着剤９のみを省略した場合の構成を、図３（ｂ）は、接着剤９と熱伝導性グリース８とを省略した場合の構成を、それぞれ、リード線２８の配設構成を省略して示してある。

これらのように、接着剤９を設けない場合でも、例えば図４に示すように、熱電変換モジュールを機器に組み込んで設ける場合等には、例えば機器の熱電変換モジュール配設ケース２０の底板２１と蓋部２２とによって熱電変換モジュールを上下方向に挟んで押さえれば、セラミック製板部材６，７と電極２との熱伝導性が良好な状態で動作させることができ、かつ、熱電変換モジュールを長期的に高い信頼性をもって動作させることができる。

なお、図４においては、ペルチェモジュールに符号１を付しており、また、符号２３はペルチェモジュールにより冷却する冷却対象物を、２４はヒートシンクをそれぞれ示している。この図は、複数のペルチェモジュールにより冷却対象物を冷却する例を示している。

さらに、本発明の熱電変換モジュールは、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、絶縁性基板３０を省略し、Ｐ型の熱電変換素子５（５ａ）とＮ型の熱電変換素子５（５ｂ）とを、互いに間隔を介して整列状に複数配置してもよく、これらの場合も、複数の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の両端側の電極２を上下に一括的に挟むセラミック製板部材６，７を電極２と非固着状態で設けることにより、上記実施形態例とほぼ同様の効果を奏することができる。

なお、図５（ａ）は、上記実施形態例において、絶縁性基板３０を省略した例、図５（ｂ）は、上記実施形態例において、接着剤９と絶縁性基板３０とを省略した例、図５（ｃ）は、図５（ｂ）の熱伝導性グリース８を省略した例である。これらの例のように、絶縁性基板３０を省略した場合、これらの図に図示してはいないが、リード端子とリード線は、例えば熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の端部に設けられた電極２に接続することになる。

さらに、本発明において、絶縁性基板３０やセラミック製板部材６，７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、例えば上記実施形態例のように平面形状を正方形状としてもよいし、長方形状としてもよいし、略円形状としてもよい。また、絶縁性基板３０やセラミック製板部材６，７の形成材料も特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。

さらに、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し、その形成材料も、例えばシリコン系の材料等、適宜設定されるものである。

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一実施形態例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製造工程例を模式的に示す説明図である。 本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施形態例を模式的に示す説明図である。 本発明に係る熱電変換モジュールの機器への組み込み状態例を模式的に示す説明図である。 本発明に係る熱電変換モジュールのさらにまた他の実施形態例を模式的に示す説明図である。 熱電変換モジュールに適用される絶縁性基板の平面構成を示す説明図である。 従来のスケルトン型ペルチェモジュールの一例を側面図により示す説明図である。 従来のペルチェモジュールの他の例を側面図により示す説明図である。

符号の説明

２ 電極
５，５ａ，５ｂ 熱電変換素子
６，７ セラミック製板部材
８ 熱伝導性グリース
９ 接着剤
２８ リード線
３０ 絶縁性基板

Claims (6)

1. Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが互いに間隔を介して整列状に複数配置され、前記熱電変換素子の上端側と下端側にはそれぞれ、対応する前記Ｐ型の熱電変換素子の端面と前記Ｎ型の熱電変換素子の端面間に掛け渡して前記Ｐ型とＮ型の熱電変換素子を直列に接続する複数の電極が形成されており、この電極と前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とによっ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両端側の電極を上下に一括的に挟むセラミック製板部材が前記電極と非固着状態で設けられていることを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 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前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、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はそれぞれ、対応する前記Ｐ型の熱電変換素子の端面と前記Ｎ型の熱電変換素子の端面間に掛け渡して前記Ｐ型とＮ型の熱電変換素子を直列に接続する複数の電極が形成されており、この電極と前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とによっ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両端側の電極を上下に一括的に挟むセラミック製板部材が前記電極と非固着状態で設けられていることを特徴とする熱電変換モジュール。
3. セラミック製板部材と電極との間に熱伝導性グリースと熱伝導性シートの少なくとも一方が介設されて、前記セラミック製板部材と前記電極とが熱的に接続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。
4. 熱電変換素子の回路に電流を流すことにより前記熱電変換素子の一端側が加熱側端部と成して他端側が冷却側端部と成す構成とし、少なくとも前記熱電変換素子の加熱側端部に形成された電極とセラミック製板部材との間には前記熱電変換素子の加熱側端部の温度で液状に相変化する相変化型の熱伝導性シートが介設されていることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の熱電変換モジュール。
5. セラミック製板部材は電極と熱電変換素子の配設領域より外側に張り出し、該張り出し領域には接着剤が設けられて該接着剤によって上下のセラミック製板部材が互いに接着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載の熱電変換モジュール。
6. 接着剤は電極と熱電変換素子の配設領域の外周側を囲む態様で設けられた耐水性の接着剤であり、該接着剤によって前記熱電変換素子の配設領域の外周側が液密状に封止されていることを特徴とする請求項５記載の熱電変換モジュール。

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