JP2007266444A

JP2007266444A - 熱電変換モジュール

Info

Publication number: JP2007266444A
Application number: JP2006091495A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Sakamoto; 俊貴坂本; Norihiko Kanezuka; 憲彦金塚; Tsutomu Tamaki; 努田牧
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Okano Electric Wire Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Okano Electric Wire Co Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP4832137B2

Abstract

【課題】広範囲の温度変化が生じても、回路端部の電極と熱電変換素子との接続部が破断することを防止し、熱電変換モジュールの長期信頼性を向上する。
【解決手段】絶縁性基板３０の複数の各素子嵌合孔３に、対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合し、熱電変換素子５ａ，５ｂとその端側に設けた電極２とにより熱電変換素子の回路を形成する。この回路の始端側と終端側に配置された各電極２ａ，２ｂにはリード端子７の一端側を接続し、リード端子７の他端側は絶縁性基板３０に固定する。熱電変換モジュールの熱変動に伴う熱電変換素子５ａ，５ｂおよび絶縁性基板３０の伸縮変位に応じてリード端子７自身を変形させ、リード端子７に接続されている電極２と該電極２に接続された熱電変換素子５ａ，５ｂとの接続部に生じる応力を緩和する応力緩和構成８をリード端子７に設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば光通信用のＬＤ（レーザダイオード）光源、半導体製造装置、医療バイオ関連装置、高密度実装された盤内のクーラー、工業用レーザーの冷却等に用いられる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。ペルチェモジュールは、冷却も加熱もでき、精密な温度コントロール、高速冷却・加熱が可能、小型が可能、フロンガスを使用しない等の大きな長所があり、その適用は拡大している。

図９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８、図９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９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型の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成された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。例えば、Ｐ型の熱電変換素子５ａにはアンチモンがドープされ、Ｎ型の熱電変換素子５ｂにはセレンがドープされる。

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、これらの電極２は、半田４を介して熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合されている。

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。

熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の始端側に配置された電極２（２ａ）と終端側に配置された電極２（２ｂ）には、それぞれカシメ端子等で形成された金属製のリード端子７の一端側が半田４により接続されて、該リード端子７の他端側は絶縁性基板３０に固定されている。この固定部には前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路と外部の電源回路等とを接続するリード線２８の一端側が半田１０によって固定されている。

この熱電変換モジュールにおいて、上記電源回路からリード線２８とリード端子７を介して熱電変換素子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１０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９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。

特開平９−１８１３６２号公報特開平１０−１７８２１６号公報

ところで、図１０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、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。

それに対し、図９に示したような、いわゆるスケルトンタイプと呼ばれているペルチェモジュールは、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。そのため、図１０に示したような、電極・基板固着型のペルチェモジュールに比べると、図９に示したようなタイプのペルチェモジュールは、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。

なお、本発明者は、スケルトンタイプのペルチェモジュールにおいて、以下に示すような、熱歪みに対する耐久性能の試験を行い、従来のペルチェモジュールの使用温度における耐久性を調べた。この耐久性の試験は、図６（ａ）の断面図に示すような実験系を用いて行っており、同図において、ペルチェモジュールには符号１を付してある。

同図に示すように、上記耐久性の試験は、ペルチェモジュール１を、熱伝導シート（図示せず）を介してヒートシンク２０とアルミブロック２１で挟み込み、アルミブロック２１内にサーミスタ１９を設けてアルミブロック２１の温度を測定し、リード線２８に流す電流を交互に反転させることにより、アルミブロック２１の測温点の温度が、図６（ｂ）に示すような温度変化の周期で２５℃〜８０℃になるように、ペルチェモジュール１によるアルミブロック２１の加熱・冷却を繰り返し行うものである。温度上昇は、ペルチェモジュール１にマイナスの直流電流を、温度下降はペルチェモジュールにプラスの直流電流を与えて行われる。

上記実験により得られた、ペルチェモジュール１の熱サイクルに対する代表的な耐久性を示すデータを図７（ａ）に示す。この図において、横軸はサイクル数、縦軸はペルチェモジュール１の導体抵抗（熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の導体抵抗）を示す。熱サイクル数が増えても、導体抵抗は安定しており、熱サイクルに対する長期耐久性能があることが確認された。なお、耐久性に問題がある場合は、前記導体抵抗が増加し、最終的には熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の破断に至る。

しかしながら、近年、半導体分野等で、さらに温度範囲の厳しい条件が要求されており、例えば半導体チップの検査を行うハンドラー装置等では、温度範囲が−４０〜＋１２０℃程度が要求されるようになった。

そこで、本発明者は、熱歪みに対して、さらに厳しい熱サイクル試験をペルチェモジュール１に対して実施した。この実験は、図６（ａ）に示した実験系を用い、アルミブロック２１の測温点の温度が、図６（ｂ）に示した周期と同じ周期で−４０℃〜＋１２０℃になるように、ペルチェモジュール１によるアルミブロック２１の加熱・冷却を繰り返し行ったものである。

その結果を図７（ｂ）に示す。この試験の結果、約６２００サイクル付近から熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の導体抵抗が増加し、約６７００サイクルで、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の破断に至った。

そして、破断箇所を調べたところ、破断箇所は、リード端子７に接続されている電極２ａ，２ｂと、電極２ａ，２ｂに半田４で接続された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続部であった。これは、金属製のリード端子７が熱サイクルに応じて伸張・収縮を繰り返し、その歪みが電極２ａ，２ｂを介して電極２ａ，２ｂと熱電変換素子５との接続部に過大な応力が加わり、破断したものである。

つまり、このタイプのペルチェモジュール１において、熱電変換素子５にはそれぞれ半田付けのみで電極２が固定されているだけであり、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の始端側と終端側の電極２ａ，２ｂには、柔軟性に乏しく、しかも、熱膨張収縮の割合が大きいリード端子７が直接半田付けされているため、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）および絶縁性基板３０の熱膨張収縮の割合とリード端子７の熱膨張収縮の割合との違い等に起因して、リード端子７に接続されている電極２ａ，２ｂと、該電極２ａ，２ｂに接続された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続部に大きな応力がかかり、この接続部で断線が生じやすいと考えられる。

また、スケルトンタイプのペルチェモジュールにおいて、例えばペルチェモジュールの持ち運びや取り付け時に、リード端子７に機械的応力が加えられたときにも、リード端子７に接続されている電極２ａ，２ｂと、該電極２ａ，２ｂに接続された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続部に大きな応力がかかる可能性があるので、本発明者は、ペルチェモジュールの信頼性を高めるためには、リード端子７に加えられる機械的応力にも、上記熱変動にも強い構成が必要であると考えた。

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、例えば−４０℃〜＋１２０℃といった広範囲の温度変化が生じても、リード端子に多少の機械的応力が加えられたりしても、リード端子に接続されている電極と、該電極に接続された熱電変換素子との接続部が破断することを防止でき、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、これらの電極と前記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、該熱電変換素子の回路の始端側に配置された電極と終端側に配置された電極にはそれぞれリード端子の一端側が接続されて該リード端子の他端側は前記絶縁性基板に固定されており、前記リード端子には熱電変換モジュールの熱変動に伴う前記熱電変換素子の伸縮変位および前記絶縁性基板の伸縮変位に応じて、さらにはリード端子に機械的応力が加えられたときの荷重に応じて、前記リード端子自身が変形することで、該リード端子に接続されている電極と該電極に接続された前記熱電変換素子との接続部に生じる応力を緩和する応力緩和構成が形成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。

また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記応力緩和構成はリード端子の長手方向に撓み部と屈曲部の少なくとも一方を１つ以上形成して成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、前記応力緩和構成はリード端子を可撓性熱伝導部材により形成して成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４の発明は、上記第３の発明の構成に加え、前記可撓性熱伝導部材は複数の可撓性熱伝導線を撚って成る可撓性撚り線としたことを特徴とする。

さらに、第５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、前記応力緩和構成はリード端子の長手方向と交わる方向に１つ以上の切り欠き部を形成して成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、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た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、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、これらの電極と前記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いるが、該熱電変換素子の回路の始端側に配置された電極と終端側に配置された電極にそれぞれ接続されたリード端子には、リード端子に接続されている電極と該電極に接続された前記熱電変換素子との接続部に生じる応力を緩和する応力緩和構成が形成されている。

この応力緩和構成は、リード端子に加えられる熱電変換モジュールの熱変動に伴う前記熱電変換素子及び絶縁性基板の伸縮変位に応じて、更にはリード端子に機械的応力が加えられたときの荷重に応じて、リード端子自身を変形させることにより、リード端子に接続されている電極と該電極に接続された熱電変換素子との接続部に生じる応力の緩和を行い、前記リード端子に接続されている電極と該電極に接続された前記熱電変換素子との接続部に生じる応力を緩和するものである。

この応力緩和構成を設けることにより、本発明の熱電変換モジュールは、広範囲の温度変化が生じても、この温度変化に伴う熱電変換素子および絶縁性基板の伸縮変位量とリード端子における絶縁性基板の固定部と電極接続部との高さ方向および長さ方向の変位量の差を小さくすることができるし、リード端子に機械的応力が加えられても、そのときにリード端子自身が変形して、リード端子に接続されている電極と、該電極に接続された熱電変換素子との接続部に生じる応力を的確に緩和でき、前記接続部が破断することを防止できる。

つまり、従来の熱電変換モジュールにおいては、熱電変換モジュールに大きな温度変化が生じると、熱電変換素子および絶縁性基板の熱膨張収縮の割合とリード端子の熱膨張収縮の割合との違い等に起因して、リード端子に接続されている電極と、該電極に接続された熱電変換素子との接続部に大きな応力がかかり、また、リード端子に機械的な応力が加わると、同様に、リード端子に接続されている電極と、該電極に接続された熱電変換素子との接続部に大きな応力がかかり、前記接続部で破断が生じやすかったと考えられる。

それに対し、本発明の熱電変換モジュールは、リード端子自身が変形することにより、前記の如く、リード端子に接続されている電極と、該電極に接続された熱電変換素子との接続部に大きな応力がかかることを防止できるので、温度変動に伴う熱電変換素子の回路の破断を抑制でき、長期信頼性の高い熱電変換モジュールを実現することができる。

また、応力緩和構成を、リード端子の長手方向に撓み部と屈曲部の少なくとも一方を１つ以上形成して成る構成によれば、リード端子が熱により膨張収縮すると、それに伴い、リード端子が撓み部や屈曲部で変形することによって、上記応力緩和効果を奏することができる。

さらに、本発明において、応力緩和構成はリード端子を可撓性熱伝導部材により形成して成る構成によれば、熱電変換モジュールの使用温度の下限値では撓みがないようであっても、前記下限値よりは高い温度においてはリード端子が撓むように配置することにより、リード端子が熱により膨張収縮すると、それに伴い、リード端子全体の撓み変形量を変位させることができ、また、リード端子に機械的応力が加えられたときには、リード端子が撓み変形するので、上記応力緩和効果を発揮できる。

特に、可撓性熱伝導部材は複数の可撓性熱伝導線を撚って成る可撓性撚り線とすると、その撓み量が容易に変位しやすく、上記効果を発揮することができる。

さらに、本発明において、応力緩和構成はリード端子の長手方向と交わる方向に１つ以上の切り欠き部を形成して成る構成によれば、リード端子が熱により膨張すると、切り欠き部の長手方向の長さが小さくなり、また、その逆に、リード端子が熱により収縮すると、切り欠き部の長手方向の長さが大きくなるようにリード端子が変形し、また、機械的応力が加えられたときにも切り欠き部が変形することにより、上記応力緩和効果を奏することができる。

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第１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、図９に示したようなスケルトンタイプの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を有しており、絶縁性基板３０は、厚さ６ｍｍのガラスエポキシ製である。

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おり、各熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、基板面方向の断面が２ｍｍ×２ｍｍの正方形状で、その高さは２．３ｍｍである。

本実施形態例の特徴的なことは、ペルチェモジュール１の熱変動に伴う熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の伸縮変位および絶縁性基板３０の伸縮変位に応じて、更にはリード端子７に機械的応力が加えられた荷重に応じて、リード端子７自身を変形させ、リード端子７に接続されている電極２ａ，２ｂと該電極２ａ，２ｂに接続された熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続部に生じる応力を緩和する応力緩和構成８を、リード端子７に形成したことである。

本実施形態例において、リード端子７は真鍮製であり、前記応力緩和構成８は、それぞれのリード端子７の長手方向に互いに間隔を介して形成した複数（ここでは２個）の屈曲部（折り返し部）９により形成されている。リード端子７は、幅が４ｍｍ、厚さが０．３ｍｍの板状であり、屈曲部９による折り返し高さ（熱電変換素子５の高さ方向の長さ）は２ｍｍと成している。

２つのリード端子７は、いずれも、長手方向に応力緩和構成８を設けた構造であり、その一端側がそれぞれ、前記絶縁性基板３０より下側に配置された電極２ａ，２ｂに接続され、２つの屈曲部９から成る応力緩和構成８が素子嵌合孔３を通して絶縁性基板３０の上側に突出した後、他端側が絶縁性基板３０の下側に半田１０を介して固定され、リード線２８と接続されている。なお、リード端子７は、素子嵌合孔３に固定されずに挿入されている。

本実施形態例は以上のように構成されており、本実施形態例も図９に示したような従来の熱電変換モジュールと同様に、加熱冷却動作を行うが、本実施形態例において、リード端子７には、２つの屈曲部９を有する応力緩和構成８が形成されており、リード端子７が熱により膨張すると、それに伴い、例えば図２（ａ）に示すように、リード端子７が屈曲部９で変形し、リード端子７が熱により収縮すると、それに伴い、例えば図２（ｂ）に示すように、リード端子７が屈曲部９で変形する。

このことによって、本実施形態例は、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）および絶縁性基板３０の変位量とリード端子７の変位量の差を吸収でき、接合点の半田４及び半田１０に特段の応力がかかることなく、リード端子７の高さＨを、常に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板３０からの下側への突出高さとほぼ同等の値に、リード端子７の、電極２ａ，２ｂとの接続部と絶縁性基板３０との固定部との間の長さＬを、常に、この間の絶縁性基板３０の長さとほぼ同等の値にできる。

つまり、本実施形態例では、ペルチェモジュールの熱変動に伴う熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）および絶縁性基板３０の伸縮変位に応じて、リード端子７が屈曲部９で変形することによって、リード端子７における絶縁性基板３０の固定部と電極接続部との高さおよび長さ方向の距離を追従変位させることができるので、リード端子７に接続されている電極２ａ，２ｂと該電極２ａ，２ｂに接続された前記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）との接続部に生じる応力を緩和することができ、この接続部が破断することを防止することができる。

また、リード端子７に、例えばペルチェモジュールの持ち運び時等に上下方向に機械的応力が加えられたときには、屈曲部９が屈曲して、リード端子７の熱電変換素子高さ方向の変位量を小さくでき、リード端子７の高さＨを、常に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板３０からの下側への突出高さに近い値にできる。

また、例えばペルチェモジュールを装置などに組み込む際、リード線２８が引っ張られてリード端子７の長手方向に機械的応力が加えられたときには、屈曲部９が屈曲して、半田４および半田１０に発生する応力を緩和できる。

したがって、本実施形態例の熱電変換モジュールは、熱変動に伴う熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路の破断を抑制可能で、多少の機械的応力付与にも強い、長期信頼性の高い熱電変換モジュールを実現することができる。

図３（ａ）には、本発明に係る熱電変換モジュールの第２実施形態例が模式的な断面図により示されており、図３（ｂ）には、図３（ａ）の破線枠Ａ内の平面図が示されている。

第２実施形態例は上記第１実施形態例とほぼ同様に構成されており、第２実施形態例が上記第１実施形態例と異なる特徴的なことは、リード端子７に形成する屈曲部９を水平方向（絶縁性基板３０の基板面方向）に形成して応力緩和構成８を形成したことである。

第２実施形態例は以上のように構成されており、第２実施形態例も上記第１実施形態例と同様の動作により同様の効果を奏することができる。

図４（ａ）には、本発明に係る熱電変換モジュールの第３実施形態例が模式的な断面図により示されており、図４（ｂ）には、図４（ａ）の破線枠Ａ内を下側から見た平面図が示されている。

第３実施形態例は上記第１、第２実施形態例とほぼ同様に構成されており、第３実施形態例が上記第１、第２実施形態例と異なる特徴的なことは、応力緩和構成８が、リード端子７の長手方向と交わる方向に１つ以上（ここでは２つ）の切り欠き部６を形成して成ることである。なお、図４（ｃ）は、リード端子７の構成を平面図と側面図により示す図である。また、第３実施形態例では、リード端子７は絶縁性基板３０の下側に斜めに配置されて、その他端側は絶縁性基板３０の下側に半田１０により固定されており、絶縁性基板３０を貫通していない。

第３実施形態例は以上のように構成されており、本実施形態例も図９に示したような従来の熱電変換モジュールと同様に、加熱冷却動作を行うが、リード端子７が熱により膨張すると、切り欠き部６の長手方向の長さが小さくなり、また、その逆に、リード端子７が熱により収縮すると、切り欠き部６の長手方向の長さが大きくなることから、リード端子７の高さＨを、常に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の絶縁性基板３０からの下側への突出高さとほぼ同等の値に、リード端子７の、電極２ａ，２ｂとの接続部と絶縁性基板３０との固定部との間の長さＬを、常に、この間の絶縁性基板３０の長さとほぼ同等の値にでき、上記第１、第２実施形態例と同様の効果を奏することができる。

図５には、本発明に係る熱電変換モジュールの第４実施形態例が模式的な断面図により示されている。第４実施形態例は、上記第１〜第３実施形態例とほぼ同様に構成されており、第４実施形態例が上記第１〜第３実施形態例と異なる特徴的なことは、リード端子７を、複数の可撓性熱伝導線を撚って成る可撓性撚り線によって形成して成ることにより、応力緩和構成８を形成したことである。可撓線撚り線は、鈴メッキ付きの０．１８ｍｍの軟鋼線を２０本可撓撚りしたものである。

第４実施形態例は以上のように構成されており、第４実施形態例では、リード端子７は可撓性撚り線により形成しているので、ペルチェモジュールの使用温度範囲において、リード端子７が撓むように配置することにより、リード端子７の熱による膨張収縮に伴い、リード端子７全体の撓み変形量が変位し、また、リード端子７に機械的応力が加えられたときもリード端子７の撓み変形量が変位し、上記第１〜第３実施形態例と同様の効果を奏することができる。

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、上記第１、第２実施形態例では、それぞれのリード端子７に２つの屈曲部９を形成したが、屈曲部９の形成個数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、例えば屈曲部９は１つのみ形成してもよいし、３つ以上形成してもよい。また、屈曲部９の代わりに撓み部をリード端子７の長手方向に互いに間隔を介して１つ以上形成してもよいし、屈曲部９と撓み部の両方を１つ以上形成してもよい。

また、上記第３実施形態例では、それぞれのリード端子７に切り欠き部６を２個形成したが、切り欠き部６の形状および形成個数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、例えば切り欠き部６は１つのみ形成してもよいし、３つ以上形成してもよい。また、切り欠き部６は半円形状としてもよい。

さらに、上記第４実施形態例では、リード端子７を形成する可撓線撚り線は、鈴メッキ付きの０．１８ｍｍの軟鋼線を２０本可撓撚りして形成したが、可撓線撚り線の材質や本数、撚り方などは特に限定されるものではなく適宜設定されるものであり、また、撚り線以外の、例えば板状の可撓性熱伝導部材によりリード端子７を形成してもよい。また、このように、リード端子７を可撓性熱伝導部材により形成し、かつ、屈曲部９、撓み部、切り欠き部６の少なくとも１つを１つ以上形成して応力緩和構成８を形成してもよい。

さらに、上記各実施形態例では、絶縁性基板３０はその平面形状を矩形状に形成したが、絶縁性基板３０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、例えば平面形状を略円形状としてもよい。また、絶縁性基板３０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第１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熱変動に伴うリード端子の変形動作を、その変形量を大きく誇張図示して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第２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第３実施形態例と、そのリード端子の構成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第４実施形態例を模式的に示す説明図である。ペルチェモジュールの温度変動による耐久試験の実験系を示す説明図（ａ）と、この実験系により変化させる温度変化を示すグラフ（ｂ）である。ペルチェモジュールの温度変動による耐久試験の結果例を示すグラフである。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例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
３素子嵌合孔
５，５ａ，５ｂ熱電変換素子
６切り欠き部
７リード端子
８応力緩和構成
９屈曲部
２８リード線
３０絶縁性基板

Claims

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、これらの電極と前記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、該熱電変換素子の回路の始端側に配置された電極と終端側に配置された電極にはそれぞれリード端子の一端側が接続されて該リード端子の他端側は前記絶縁性基板に固定されており、前記リード端子には熱電変換モジュールの熱変動に伴う前記熱電変換素子の伸縮変位および前記絶縁性基板の伸縮変位に応じて、さらにはリード端子に機械的応力が加えられたときの荷重に応じて、前記リード端子自身が変形することで、該リード端子に接続されている電極と該電極に接続された前記熱電変換素子との接続部に生じる応力を緩和する応力緩和構成が形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
応力緩和構成はリード端子の長手方向に撓み部と屈曲部の少なくとも一方を１つ以上形成して成ることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
応力緩和構成はリード端子を可撓性熱伝導部材により形成して成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。
可撓性熱伝導部材は複数の可撓性熱伝導線を撚って成る可撓性撚り線としたことを特徴とする請求項３記載の熱電変換モジュール。
応力緩和構成はリード端子の長手方向と交わる方向に１つ以上の切り欠き部を形成して成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。