JP2008016598A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 熱応力の発生を低減させることにより、耐久性を向上させることのできる熱電モジュールを提供すること。
【解決手段】 放熱側絶縁基板１１の上面に下部電極１３を形成し、吸熱側絶縁基板１２の下面に上部電極１４を形成し、対向する下部電極１３と上部電極１４にそれぞれ熱電素子１５の端面を接合して熱電モジュール１０を構成した。また、下部電極１３、上部電極１４および熱電素子１５に通電することにより吸熱側絶縁基板１２が吸熱し、放熱側絶縁基板１１が放熱するようにした。そして、放熱側絶縁基板１１の外面に切り込み部１６を設けた。また、放熱側絶縁基板１１の厚みを１２０〜１０００μｍ、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６の部分の厚みを１０〜１００μｍに設定した。放熱側絶縁基板１１の一辺の長さを１０ｍｍ以上、切り込み部１６の間隔を５〜２０ｍｍに設定した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、熱電変換を利用して加熱または冷却を行うための熱電モジュールに関する。

従来から、ペルチェ効果またはゼーベック効果を利用して熱変換を行ったり、発電を行ったりする熱電モジュールが加熱・冷却装置や発電装置等に用いられている（例えば、特許文献１参照）。この熱電装置（熱電モジュール）は、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面を固着することにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を配列して構成されている。また、この熱電装置では、一対の絶縁基板が、石英ガラス、低膨張ガラス、アンバー合金等の線膨張係数の小さな材料で構成されている。これにより、一対の絶縁基板が熱歪によって劣化することが防止されて、熱電装置の破損が防止され、耐久性が向上する。
特開平４−８５９７４号公報

通常、熱電装置に用いられる一対の絶縁基板には、絶縁処理やパターン配線の付与等の処理が行われる。しかしながら、前述した熱電装置では、一対の絶縁基板にこのような処理を施すことが難しく、良好な絶縁基板の作成が困難になるという問題がある。

本発明は、前述した問題に対処するためになされたもので、その目的は、熱応力の発生を低減させることにより、耐久性を向上させることのできる熱電モジュールを提供することである。

前述した目的を達成するため、本発明に係る熱電モジュールの構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する両内面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合することにより、電極と熱電素子とを接続した状態で一対の絶縁基板間に配置して構成され、電極と熱電素子とに通電することにより一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板が吸熱し、他方の絶縁基板が放熱する熱電モジュールであって、一対の絶縁基板のうちの放熱側の絶縁基板の外面に線状の切り込み部を設けたことにある。

本発明に係る熱電モジュールでは、一対の絶縁基板のうちの放熱により温度が高くなる放熱側の絶縁基板に線状の切り込み部を設けることにより、放熱側の絶縁基板に熱による歪が生じることを防止している。このため、一対の絶縁基板間の温度差により、放熱側の絶縁基板に膨張が生じ、吸熱側の絶縁基板に収縮が生じても、切り込み部によって温度差による膨張・収縮の差が吸収され、一対の絶縁基板や熱電素子等が破壊することが防止される。また、吸熱側の絶縁基板に生じる収縮は熱電モジュールに破損を生じさせるほど大きなものではないが、吸熱側の絶縁基板にも切り込み部を設けることができる。これによると、さらに、熱電モジュールが破損し難くなる。

また、本発明に係る熱電モジュールの他の構成上の特徴は、放熱側の絶縁基板の内面と外面との間の厚みを１２０〜１０００μｍとし、放熱側の絶縁基板における切り込み部を設けた部分の内面から切り込み部の底部までの間の厚みを１０〜１００μｍに設定したことにある。この数値は実験により得られたもので、放熱側の絶縁基板の厚みを１２０〜１０００μｍとし、放熱側の絶縁基板における切り込み部を設けた部分の厚みを１０〜１００μｍにすることにより、破損し難い良好な熱電モジュールを得ることができる。なお、放熱側の絶縁基板における切り込み部を設けた部分の内面から切り込み部の底部までの間の厚みは、１０〜５０μｍに設定することがより好ましい。

また、本発明に係る熱電モジュールのさらに他の構成上の特徴は、放熱側の絶縁基板を四角板状に形成し、放熱側の絶縁基板における内面および外面に沿った一辺の長さを１０ｍｍ以上にするととともに、切り込み部を複数設け隣に位置する切り込み部間の間隔を５〜２０ｍｍに設定したことにある。これによると、放熱側の絶縁基板の大きさに適した間隔で切り込み部を設けることができるため、温度差による膨張・収縮をより効果的に吸収することができる。これによって、熱電モジュールの耐久性をさらに向上させることができる。なお、この場合の切り込み部の間隔は５〜１０ｍｍに設定することがさらに好ましい。

以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る熱電モジュール１０を示している。この熱電モジュール１０は、アルミナからなる四角板状の放熱側絶縁基板１１と吸熱側絶縁基板１２とからなる一対の絶縁基板を備えている。放熱側絶縁基板１１の上面（内面）には一定間隔を保って複数の下部電極１３が取り付けられ、吸熱側絶縁基板１２の下面（内面）に一定間隔を保って複数の上部電極１４が取り付けられている。

そして、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなる複数の熱電素子１５が、それぞれ下端面を下部電極１３にハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極１４にハンダ付けにより固定されて放熱側絶縁基板１１と吸熱側絶縁基板１２を一体的に連結している。また、放熱側絶縁基板１１の下面（外面）には、一定間隔を保って、線状の切り込み部１６が形成されている。この切り込み部１６は、図２に示したように、縦横にそれぞれ３本ずつ設けられて格子状に形成されている。

図３は、下部電極１３と熱電素子１５とが取り付けられた放熱側絶縁基板１１を上方から見た状態を示している。図３に示したように、各下部電極１３は、縦横に一定間隔で配置された熱電素子１５のうちの隣り合った２個の熱電素子１５が配置された部分にかかる長さの長方形に形成されている。そして、各下部電極１３は、長手方向を前後方向に向けた状態で左右に８列前後に４列配置され合計３２個で構成されている。そして、図１および図３に示した最前列の両側に位置する下部電極１３の上面後端側部分に、それぞれ１個の熱電素子１５の下面が接合され、それ以外のすべての下部電極１３の上面両側部分にはそれぞれ熱電素子１５の下面が接合されている。

すなわち、熱電素子１５は全部で６２個用いられている。また、最前列両側の下部電極１３の上面前端側部分には、それぞれリード線１７ａ，１７ｂが接続されている。上部電極１４は、すべて下部電極１３と同形の長方形に形成されており、それぞれ下部電極１３に対して熱電素子１５の略１個分の配置場所に等しい距離をずらして吸熱側絶縁基板１２の下面に取り付けられている。そして、熱電素子１５の上端面は、各熱電素子１５、下部電極１３および上部電極１４が直列に接続されるようにして、各上部電極１４の両側部分にそれぞれ接合されている。

図４は、上部電極１４と熱電素子１５とが取り付けられた吸熱側絶縁基板１２を上方から見た状態を示しており、図４に示したように、最前列に配置された３個の上部電極１４と、最後列に配置された４個の上部電極１４が、長手方向を左右方向に向け他の２４個の上部電極１４は長手方向を前後方向に向けて配置されている。このため、リード線１７ａ，１７ｂ間は、下部電極１３、上部電極１４および熱電素子１５を介して直列状態で接続される。なお、すべての上部電極１４の両側にはそれぞれ熱電素子１５が接合されており、このため上部電極１４の数は、下部電極１３よりも１個少なくなっている。

なお、熱電モジュール１０は、縦横の長さがそれぞれ４０ｍｍで、高さが３．９ｍｍに設定され、熱電素子１５は、上下の端面における縦横の幅がともに、１．０ｍｍに設定され、高さが２．０ｍｍに設定されている。また、この熱電素子１５は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とで構成されており、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とが交互に配置されている。なお、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とは、ともにビスマス・テルル系の合金からなっているが組成は多少異なっている。また、切り込み部１６の幅は０．２ｍｍに設定されている。この切り込み部１６は、ダイシングによって形成されており、切り込み幅は、ダイシングのブレードの厚さに対応している。

このように構成された熱電モジュール１０は、所定の機器内に設置されて、例えば、熱電気変換装置として使用される。すなわち、リード線１７ａ，１７ｂの端部を電源に接続して、熱電モジュール１０に電力を供給すると、熱電モジュール１０の吸熱側絶縁基板１２には吸熱が生じて吸熱側絶縁基板１２側は冷却され、放熱側絶縁基板１１には放熱が生じて放熱側絶縁基板１１側は加熱される。

つぎに、以上のように構成した熱電モジュール１０にそれぞれ所定の変形を加えて形成した実施例による熱電モジュールと、比較例による熱電モジュールとに対して熱冷サイクルテストを行った結果について説明する。実施例としては、切り込み部１６の数、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さ、放熱側絶縁基板１１の厚み、切り込み部１６の間隔および放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みのうちの所定の部分の値をそれぞれ変更した熱電モジュールを用いた。また、比較例による熱電モジュールとしては切り込み部のないものを用いた。

熱冷サイクルテストは、図５に示したように、各熱電モジュール（図５には、熱電モジュール１０を記載している。）を、上面に熱伝導率のよいグリスからなる接着層２１が形成された銅タングステン製のヒートシンク２２上に設置し、ヒートシンク２２の温度を室温程度に保持した状態で行った。この場合、切り込み部１６内にも接着層２１を形成した。また、熱電モジュール（１０）の上面に、接着層２１と同一材料からなる接着層２３を形成し、その上面にヒートスプレッダー２４を介して発熱体２５を設置した。なお、比較例による熱電モジュールには、切り込み部１６がないため、接着層２１はヒートシンク２２に対向する下面だけに形成した。

そして、各熱電モジュールに、電流を流す操作を繰り返し、その間に放熱側絶縁基板１１の温度を８５℃に１５分間保持したのちに、−４０℃に１５分間保持して１サイクルとした。その熱冷サイクルテストを１００サイクル繰り返したときの各熱電モジュールの破損状態を比較した。この場合の破損は、各熱電モジュールに通電したときの交流抵抗の絶対値による変化率｜ΔＡＣＲ｜が５％のときを基準として変化率｜ΔＡＣＲ｜が５％を超えたときに破損したものとした。その結果を下記の表１に示している。

表１における実施例１〜４の熱電モジュールは、それぞれ切り込み部１６の数を５本、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さを６０ｍｍ、放熱側絶縁基板１１の厚みを６３５μｍ、切り込み部１６の間隔を１０ｍｍとし、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを５０〜２０μｍの範囲で変更した。この実施例１〜４ではすべての熱電モジュールにおいて破損が生じることがなく良好な結果が示された。

また、実施例５，６の熱電モジュールは、それぞれ放熱側絶縁基板１１の厚みを６３５μｍ、切り込み部１６の間隔を１０ｍｍ、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを５０μｍとした。そして、実施例５の熱電モジュールでは、切り込み部１６の数を３本、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さを４０ｍｍとし、実施例６の熱電モジュールでは、切り込み部１６の数を１本、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さを２０ｍｍとした。この実施例５，６の熱電モジュールにおいても破損は発生せず良好な結果が示された。

さらに、実施例７〜１１の熱電モジュールでは、前述した各設定値のうちの所定の設定値を、良好な熱電モジュールを得るための限度に近い値に設定した。すなわち、実施例７では放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを１００μｍにし、実施例８では放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを１０μｍに、そして、実施例９では切り込み部１６の間隔を２０ｍｍにして、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを１００μｍにそれぞれ設定した。

また、実施例１０では切り込み部１６の間隔を５ｍｍにして、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを１００μｍにし、実施例１１では放熱側絶縁基板１１の厚みを１０００μｍにして、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを１０μｍにそれぞれ設定した。この実施例７〜１１の熱電モジュールにおいても破損は発生せず良好な結果が示された。

また、実施例１２，１３の熱電モジュールでは、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを、良好な熱電モジュールを得るための限度を超えていると考えられる値に設定した。すなわち、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを、実施例１２では１５０μｍに設定し、実施例１３では５μｍに設定した。その結果、実施例１２の熱電モジュールでは熱冷サイクルテストにより破損が発生し、実施例１３の熱電モジュールではハンドリング中に破損が生じた。また、比較例１による熱電モジュールは、放熱側絶縁基板の一辺の長さを６０ｍｍ、放熱側絶縁基板の厚みを６３５μｍに設定した。その結果、比較例１の熱電モジュールでは熱冷サイクルテストにより破損が発生した。

この結果から、実施例１〜１１のように、切り込み部１６の数を１〜１１本、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さを２０〜６０ｍｍ、放熱側絶縁基板１１の厚みを６３５μｍまたは１０００μｍ、切り込み部１６の間隔を５〜２０ｍｍ、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを１０〜２０μｍの範囲に設定した場合には、破損が生じ難く耐久性に優れた熱電モジュールを得ることができることが分かる。また、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを、実施例１２のように１００μｍよりも大きな１５０μｍにしたり、実施例１３のように１０μｍよりも小さい５μｍにしたりした場合には、それぞれの熱電モジュールは破損しやすくなる。

これから、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さや放熱側絶縁基板１１の厚み等を適度な値に設定しても放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みが所定範囲を超えると良好な熱電モジュールを得ることができないことが分かる。また、比較例１のように、放熱側絶縁基板の一辺の長さや放熱側絶縁基板の厚み等を適度な値に設定しても切り込み部を設けない場合には、良好な熱電モジュールを得ることができないことが分かる。

また、放熱側絶縁基板の一辺の長さを１０ｍｍに設定した小型の熱電モジュールを用い、前述した熱冷サイクルテストと同じ条件で、熱冷サイクルテストを５００サイクル繰り返したときの各熱電モジュールの破損状態を比較した。その結果を下記の表２に示している。表２における実施例１４，１５の熱電モジュールは、それぞれ切り込み部１６の数を１本、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さを１０ｍｍ、切り込み部１６の間隔を５ｍｍ（放熱側絶縁基板１１の中央部を通るようにして切り込み部１６を設けた。）に設定した。

そして、実施例１４では、放熱側絶縁基板１１の厚みを６３５μｍにして、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを５０μｍにし、実施例１５では、放熱側絶縁基板１２の厚みを１２０μｍにして、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを１００μｍに設定した。また、比較例２の熱電モジュールは、放熱側絶縁基板の一辺の長さを１０ｍｍ、放熱側絶縁基板の厚みを１２０μｍに設定し、切り込み部は設けなかった。

この結果、実施例１４の熱電モジュールでは熱冷サイクルテストを５００サイクル繰り返しても破損は生じなかった。実施例１５の熱電モジュールでは、熱冷サイクルテストを２００サイクル繰り返しても破損は生じなかったが、５００サイクル繰り返したときには破損が発生した。また、比較例２の熱電モジュールでは、熱冷サイクルテストを２００サイクル繰り返したときに、破損が発生した。この結果からも、切り込み部１６を設けることによって、熱電モジュールの耐久性を向上させることができることが分かる。また、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さや厚みに対する放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を入れた部分の厚みを所定の範囲に設定することにより、さらに熱電モジュールの耐久性を向上させることができることが分かる。

このように、本実施形態に係る熱電モジュール１０では、放熱側絶縁基板１１に線状の切り込み部１６を設けることにより、放熱側絶縁基板１１に熱による歪が生じることを防止している。このため、吸熱側絶縁基板１２と放熱側絶縁基板１１との温度差により、放熱側絶縁基板１１に膨張が生じ、吸熱側絶縁基板１２に収縮が生じても、切り込み部１６によって温度差による膨張・収縮の差が吸収され、熱電モジュール１０が破損することが防止される。

すなわち、熱電モジュール１０に通電した場合には、図６に示したように、放熱側絶縁基板１１の両側部分が中央部よりも上昇するように熱電モジュール１０に反りが生じるが、このとき、各切り込み部１６の下端開口側部分の幅ａを広げるようにして放熱側絶縁基板１１が変形する。この放熱側絶縁基板１１の変形を切り込み部１６の開口部分で受けることによって、熱電モジュール１０に歪が生じることが防止され、熱電モジュール１０の破損が防止される。また、吸熱側絶縁基板１２にも収縮による変形が生じるが、吸熱側絶縁基板１２側の温度は通常室温近傍の温度であるため、吸熱側絶縁基板１２の変形は熱電モジュール１０に破損を生じさせるほど大きなものにはならない。

また、放熱側絶縁基板１１の厚みを１２０〜１０００μｍとした場合に、放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を設けた部分の厚みを１０〜１００μｍに設定することにより、破損し難い良好な熱電モジュール１０を得ることができる。なお、テスト結果によると、この場合の放熱側絶縁基板１１における切り込み部１６を設けた部分の厚みを、１０〜５０μｍに設定することにより、さらに良好な熱電モジュール１０を得ることができる。

さらに、放熱側絶縁基板１１の一辺の長さを１０ｍｍ以上にした場合に、切り込み部１６の間隔を５〜２０ｍｍに設定することにより、吸熱側絶縁基板１２と放熱側絶縁基板１１との温度差による膨張・収縮をより効果的に吸収することができる。これによって、熱電モジュール１０の耐久性をさらに向上させることができる。なお、この場合、切り込み部１６の間隔を５〜１０ｍｍに設定することによりさらに好ましい熱電モジュール１０を得ることができる。

また、本発明に係る熱電モジュールは、前述した実施形態に限定するものでなく、適宜変更して実施することができる。例えば、前述した実施形態では、切り込み部１６を、放熱側絶縁基板１１にだけ設けているが、この切り込み部１６は、吸熱側絶縁基板１２の外面にも設けることができる。これによると、さらに耐久性に優れた熱電モジュールを得ることができる。また、熱電モジュールを構成する各部分の形状、大きさ、材質等についても本発明の技術的範囲内で変更が可能である。例えば、吸熱側絶縁基板１２や放熱側絶縁基板１１を構成する材料は、アルミナに限定されず、窒化アルミ、炭化珪素、窒化珪素、表面が絶縁処理されたアルミニウムなどの金属基板等で構成してもよい。

さらに、下部電極１３、上部電極１４および熱電素子１５は、通常電気的に直列に接続されるが、これに限定されるものでなく、並列に接続されてもよい。また、前述した実施形態では、切り込み部１６を格子状に形成しているが、この形状は放熱側絶縁基板１１に生じる変形を吸収できるものであればどのような形状であってもよい。例えば、縦方向にのみ設けてもよいし、横方向にのみ設けてもよい。また、切り込み部１６の断面形状は、四角形の他Ｖ形Ｕ形等種々の形状にすることができる。

本発明の一実施形態に係る熱電モジュールを示した正面図である。 図１の熱電モジュールを示した底面図である。 図１の熱電モジュールが備える吸熱側絶縁基板に下部電極と熱電素子を取り付けた状態を示した平面図である。 図１の熱電モジュールが備える放熱側絶縁基板に上部電極と熱電素子を取り付けた状態を示した平面図である。 熱電モジュールに熱冷サイクルテストを行う状態を示した正面図である。 放熱側絶縁基板の切り込み部が熱電モジュールの変形を防止する状態を示した正面図である。

符号の説明

１０…熱電モジュール、１１…放熱側絶縁基板、１２…吸熱側絶縁基板、１３…下部電極、１４…上部電極、１５…熱電素子、１６…切り込み部。

Claims (3)

1. 対向させて配置した一対の絶縁基板における対向する両内面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を接合することにより、前記電極と前記熱電素子とを接続した状態で前記一対の絶縁基板間に配置して構成され、前記電極と前記熱電素子とに通電することにより前記一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板が吸熱し、他方の絶縁基板が放熱する熱電モジュールであって、
   前記一対の絶縁基板のうちの放熱側の絶縁基板の外面に線状の切り込み部を設けたことを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記放熱側の絶縁基板の内面と外面との間の厚みを１２０〜１０００μｍとし、前記放熱側の絶縁基板における前記切り込み部を設けた部分の内面から切り込み部の底部までの間の厚みを１０〜１００μｍに設定した請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記放熱側の絶縁基板を四角板状に形成し、前記放熱側の絶縁基板における内面および外面に沿った一辺の長さを１０ｍｍ以上にするととともに、前記切り込み部を複数設け隣に位置する切り込み部間の間隔を５〜２０ｍｍに設定した請求項１または２に記載の熱電モジュール。
   

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