JP2007509498A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】本発明の熱電モジュールは、その各々が正六角形の角柱体の形態にて具体化されるｎ型及びｐ型導電作用の半導性枝部を備えている。上記枝部は、金属スイッチングバスによって接続され、該金属スイッチングバスは、隣接する角柱体の基部と接触し、これにより、電気的連鎖体を形成する

Description

円筒状形態のｎ型及びｐ型導電作用（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）の半導性枝部（ｂｒａｎｃｈ）を備え、隣接するシリンダ基部が金属スイッチングバスにより接続された、熱電モジュールは既知である（１９９７年に発行された英国特許明細書２，３０７，３３９号）。

先行技術の熱電モジュールは、その半導性枝部の品質ファクタが低いため、その効率が劣るという不利益な点を有する。円筒状枝部は、半導性材料を円筒状の押出し成形ノズルを通じて押出し成形することにより得られるため、バーがノズルから出るとき、バーを切断することにより形成される枝部は、その横側部が損傷した構造の層を備える。このことは、円筒状板部分を製造するために使用した半導性材料の品質ファクタが劣化することになる。損傷した構造の層は、約０．２ｍｍの厚さと、例えば、約０．８ｍｍの小さい枝部の直径とを有しており、損傷した構造の層は、−Ｚ枝部の全体的な品質ファクタに著しく影響する。更に、押出し成形ノズルを通して半導性材料を押出し成形するステップを備える、円筒状の枝部を製造するこの方法は、生産性が低く、このため、モジュールのコストが増大することになる。

金属スイッチングバスによって接続され、これにより電気回路を形成するｎ型及びｐ型導電作用の半導性枝部を備える熱電モジュール（１９９５年に発行された米国特許明細書５，４０９，５４７号、Ｃｌ１３６−２０４）は、技術的要旨及びこれにより実現される結果の点にて本発明に従ったモジュールに最も近い。

先行技術の熱電モジュールにおいて、スイッチングバスにより隣接する枝部にはんだ付けした対向する金属被覆面を有する立方体の形態であることが好ましい矩形の基部を有する平行６面体の形態にて半導性枝部が提供される。

先行技術の熱電モジュールの不利益な点は、特に、平行６面体の面の寸法が１ｍｍ以下であるとき、モジュールの製造過程の生産性が低いことに起因してそのコストが高い点にある。半導性材料の最高の品質ファクタに相応する方向に向けて枝部を配置し、（この場合、枝部の金属被覆面は水平面上に休止する）半導性の枝部がほぼ立方体の形態を有するようにすることはかなり難しい。手操作による組み立て方法を使用しなければならず、このことは、熱電モジュールの製造過程の生産性を著しく低下させ、従って、そのコストが増大することになる。

このため、本発明の１つの目的は、その製造過程の生産率を向上させると共に、熱電モジュールのコストを低減することである。

上記の目的を達成するため、金属スイッチングバスにより接続され、これにより電気回路を形成し、上記枝部の各々が正六角形の角柱体の形態にて形成され、また、上記スイッチングバスは、隣接する角柱体の基部と接触する、ｎ型及びｐ型導電作用の半導性枝部を備える、新規な熱電モジュールの設計が提供される。

正六角形の角柱体の形態にて形成された半導性の枝部のため、スイッチングバスにて半導性枝部を受容するステップを自動化することにより、熱電モジュールの製造過程の生産性を著しく向上させることが可能である。色々な面の形態が与えられた目的物を異なる方向に配置することができるロボットを使用することにより、枝部は、正六面体の形態にて形成されるため、枝部をスイッチングバスに対して精密に配置することが容易となる。かかるロボットは、正六面体として形成される角柱体の基部から矩形の側面を容易に識別し、また、角柱体をスイッチングバスの所望の部分まで搬送することができる。この所望の部分に対し、基部にて角柱体を受容すべくはんだ合金及びはんだ溶剤の混合体が予め施されている。

ロボットにより角柱体を最適に位置決めし且つ、該角柱体をスイッチングバスの要求された位置に位置決めするから、角柱体をスイッチングバスにて受容するステップは、劇的に速くなり、従って、熱電モジュールの製造過程の生産性は向上する。ｎ型及びｐ型導電作用の半導性材料で出来た全ての正六面体角柱体は、同一の寸法を有することが有益であり、それは、この場合、全てのモジュール角柱体の上方基部を同一の平面内に配置することにより（それらの下方基部が別の水平面内に配置されるとき）、スイッチング過程は簡単となるからである。スイッチングバスは、スイッチングされる隣接した角柱体の六角形の基部に完全に重なり得るような寸法とされることが好ましく、それは、この場合、電流が角柱体の基部からスイッチングバスを通って流れるとき、電気抵抗が減少すると共に、モジュールに入り且つ、モジュールから出る熱の流れの一層均一な分配も保証されるからである。正六角形角柱体を製造するために使用される半導性材料は、適宜な粉体状の半導性材料を領域溶融又は熱成形することにより得られることが好ましく、それは、かかる半導性材料は、正に最高の熱電品質ファクタＺを有するからである。熱電モジュールには、電気絶縁性板が設けられ、その板の対向面が互いに平行に配置されるようにすることが好ましい。これと同時に、スイッチングバスは、板と接触するように配置されることが好ましく（例えば、スイッチングバス材料を適宜なパターンを通して板の表面に吹き付けることにより）、それは、板の高熱伝導率のため、熱の流れは全ての角柱体にて均一に分配され、従って、熱電モジュールの効率が向上するからである。熱電モジュールには、低熱伝導率の電気的絶縁材料で出来たフレームが設けられることが好ましく、該フレームは、一列にて配置されるようにする（例えば、その内部に六角形の枝部が配置される貫通セルを有するハニカムの形態にて）。この場合、対向する板間にて生ずる熱の漏洩が比較的少ない状態にて熱電モジュールの機械的強度を著しく増大させることが可能である。これと同時に、熱電モジュールの製造過程にてスイッチングバスに六角形角柱体を受容することは、迅速となり、このため、そのコストが低減する。

本発明は、その実施の形態の特別な例及び添付図面により更に説明する。
ｎ型導電作用（負の導電作用型）材料にて出来て、正六角形の角柱体として形成された半導性枝部（２）と、ｐ型導電作用（正の導電作用型）材料にて出来ており且つ、正六角形の角柱体として形成された半導性枝部（３）と、金属で出来ており且つ、典型的に、角柱体の基部に施され、追加的な金属層（図示せず）を通じてはんだ合金（はんだ合金層は図示せず）を使用して上記枝部にはんだ付けしたスイッチングバス（４）と、電流を供給し且つ（又は）電流を排出する金属コネクタ（５、６）と、高伝導率の材料にて出来た、図２に示した電気絶縁性板（７、８）と、六角形の角柱体を受容し得るよう貫通するセル（１０）を有する、一列状の形態をした電気絶縁性材料にて出来た、図３に示したフレーム（９）と、半導性材料にて出来ており且つ、図４に示した円板（１１）の形態をしたブランク部品とを備える熱電モジュール（１）が図１に示されている。金属スイッチングバスが電気回路を形成し得るよう半導性枝部（２、３）に接続されている。枝部（２、３）は、その一部がモジュールにて提供されるならば、直列に接続される。極めて多数の枝部（２、３）（数十、数百の枝部）がモジュール（１）の一部を形成する場合、電気回路の一部を形成する枝部（２、３）の並列−直列及び直列−並列接続部、すなわちモジュール接続線図を使用してその使用の確実性を向上させる。角柱体（２、３）は、通常、それらの基部がはんだ合金（図示せず）によって金属スイッチングバス（４）に取り付けられており、薄い（５ないし２０μｍ）金属層、例えば、ニッケル層が、それ以前に、角柱体（２、３）の六角形の基部に施されて、枝部の半導性材料及びはんだ合金構成要素がスイッチングバス内に拡散するのを防止する。

正六角形角柱体の形態をした半導性枝部（２、３）は、色々な方法により得ることができる。上記形態の枝部の改良された生産性を提供する、これらの１つについて検討する。これと同時に、モジュールの製造方法についても説明する。領域溶融は、直径２０ないし３０ｍｍのバーの形態にて高効率の半導性材料を得るために実行される（通常、テルル化ビスマスに基づく三元合金が使用される、１９７９年、キエフのナウコフ デュミカ パブリジャーズ（Ｎａｕｋｏｖａ Ｄｕｍｋａ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ）からのアナチャック エル．アイ．（Ａｎａｔｙｃｈｕｋ Ｌ．Ｉ．）熱要素及び熱電装置（Ｔｈｅｒｍａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）２１８−２２０頁を参照）。バーは、円板に切断され、その厚さは、例えば、１ｍｍの枝部の高さに相応する。上記円板の平坦面の両側は金属被覆されている。次に、円板を基部に取り付け（例えば、接着により）、円板は、図４に示すように、３方向に切断し、円板の基部は、連続的な各切断が為される前に、６０°回転させる。形成される正六角形の角柱体が基部から分離された後、角柱体は、対象物の形状に感応可能なロボット（例えば、日本のＭＤＣから入手可能なＥＣＭ−９３ロボット）により、その基部がスイッチングバスの必要とされる部分内にある状態にて、はんだ合金及びはんだ溶剤の混合体が予め施された面に受容される。ロボットの助けを受けて、全てのｎ型及びｐ型導電作用角柱体（２、３）を下方スイッチングバス（４）の表面に受容したならば、はんだ合金及びはんだ溶剤ペーストが予め施された層を有する残りのスイッチングバス（４）は、上記角柱体の上方基部に配置される。形成される組立体に熱が加えられ、そのとき、スイッチングバス（４）は、はんだ合金を使用して、正六角形の角柱体の形態にて配置された枝部（２、３）の基部に施された金属層に取り付けられる。このように、熱電モジュール（１）の製造方法が完了する。

原則として、銅、銀及び高導電率の材料にて出来たスイッチングバス（４）は、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮｂ、すなわち高熱伝導率の材料で通常出来ている電気絶縁性板（７、８）にそれ以前に取り付けられる。金属コネクタ（５、６）は、通常、スイッチングバス（４）の端縁領域にはんだ付けされる。フレーム（９）を製造するため、例えば、ガラス発泡材、ポリイミド発泡材及び同様の材料のような、低熱伝導率の電気絶縁性材料が使用される。

熱電モジュール（１）の作用について、以下、対象物を冷却すべく使用されるモードに関して説明する。冷却する対象物（図示せず）を板（７）の上面に受容し且つ、熱電モジュールの（１）のコネクタ（５、６）の接続部を直流供給源（図示せず）に取り付けたとき、電流は半導性枝部（２、３）を通って流れるようにされ、また、板（７）に臨む上記枝部の熱電接続部におけるゼーベック効果（Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ）のため、冷却すべき対象物から吸引された熱エネルギが吸収される。熱電モジュール（１）の半導性枝部（２、３）を通って流れる電流の強さを制御することにより、板（７）の面に受容された対象物は必要な温度まで冷却される。電流の強さを制御すべく使用される電流コントローラは、図示されていない。

本発明に従った熱電モジュールは、約１ｍｍの枝部を有する先行技術の熱電モジュールよりも２０％低コストである。更に、本発明に従った熱電モジュールの製造過程の生産性は、全ての過程ステップがほぼ完全に自動化されるため、著しく改良される。

本発明は、好ましくは、小型の寸法（約１ｍｍ）の半導性枝部を有する、すなわち０．３ないし１．５ｍｍの寸法とされた枝部の高さ、半径又は枝部の基部の面を有する、熱電発生装置及び（又は）熱電冷却装置にて適用可能であろう。

電気絶縁性板が設けられた熱電モジュールの全体（等角）図である。 電気絶縁性板の部分の間に配置された熱要素の全体（正面）図である。 六角形の角柱体を受容するハニカム貫通セルを有する一列として配置された低熱伝導率の電気絶縁性板で出来たフレームの図である。 六角形の角柱体を製造する円板の形態にて出来た半導体材料のブランク部品を示す（上記形態の枝部を得るため連続的な３つの切断方向Ｉ、ＩＩ、及びＩＩＩを示す）図である。

Claims (6)

1. 金属スイッチングバスにより接続され、これにより、電気回路を形成するｎ型及びｐ型導電作用の半導性枝部を備える熱電モジュールにおいて、
   前記枝部（２、３）の各々が正六角形角柱体の形態にて出来ており、前記スイッチングバス（４）が隣接する角柱体の基部と接触することを特徴とする、熱電モジュール。
2. 請求項１に記載の熱電モジュールにおいて、
   全てのｎ型及びｐ型導電作用角柱体は、同一の寸法を有することを特徴とする、熱電モジュール。
3. 請求項１に記載の熱電モジュールにおいて、
   隣接する六角形の角柱体の基部を接続するスイッチングバス（４）の各々は、該スイッチングバスが受容される角柱体基部と完全に重なり合うような寸法とされることを特徴とする、熱電モジュール。
4. 請求項１に記載の熱電モジュールにおいて、
   正六角形の角柱体を形成する半導性材料は、適宜な粉末化した半導性材料のゾーン溶融又は熱成形により得られることを特徴とする、熱電モジュール。
5. 請求項１に記載の熱電モジュールにおいて、
   高熱伝導率材料にて出来た電気的絶縁性板（７、８）が更に設けられ、
   前記板は、その対向する面が互いに平行に配置され、
   スイッチングバス（４）は、前記面に隣接することを特徴とする、熱電モジュール。
6. 請求項１又は５に記載の熱電モジュールにおいて、
   低熱伝導率の電気的絶縁材料にて出来たフレーム（９）が更に設けられ、
   前記フレームは、六角形の角柱体が受容される貫通するセル（１０）を有する一列にて配置されることを特徴とする、熱電モジュール。
   

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