JP2011091137A - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換材料を利用した熱電モジュールに関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric module using a thermoelectric conversion material.
ペルチェ効果(Peltier effect)は、異なる金属を接合して電圧を印加したとき、接合部で発熱や吸熱が生じる現象である。発熱と吸熱は電流の流れる方向で決定される。このペルチェ効果を利用した熱電モジュールが開発されている。 The Peltier effect is a phenomenon in which, when different metals are joined and a voltage is applied, heat is generated or absorbed. Heat generation and heat absorption are determined by the direction of current flow. Thermoelectric modules using the Peltier effect have been developed.
図6(a)、(b)に示す従来の熱電モジュール50は、基板12、基板12の上の熱電変換部14、熱電変換部14の両端に接続された一対の電極16a,16bを備える。基板12は絶縁基板である。熱電変換部14は、ペルチェ効果の大きい金属や熱電半導体を薄膜状にした熱電変換材料が挙げられ、例えばBi−Te系、Pb−Te系、Si−Ge系の材料が挙げられる。電極16a,16bは、金属で形成された正極と負極である。
A conventional
熱電モジュール50の熱電変換部14がP型の半導体材料であるとする。この場合、矢印方向に電流Iが流れれば、電極16aと熱電変換部14の接合部で吸熱され、電極16bと熱電変換部14の接合部で発熱される。冷却をおこないたい箇所に電極16aを直接的または間接的に接触させることによって、接触された箇所が冷却される。このような熱電モジュール50は、電子機器の局所冷却に使用したりすることができる。なお、熱電変換部14がN型の半導体材料であれば、発熱と吸熱が逆になる。
It is assumed that the
しかし、電極16aと電極16bの間の距離が短い場合、熱電変換部14及び基板12の熱伝導によって電極16bから電極16aに熱が移動する。電極16aやその付近が暖められ、局所冷却をおこなうことができない。
However, when the distance between the
下記の特許文献1には、基板が2箇所に分割された熱電モジュールが開示されている。基板を介して熱の移動が生じない。しかし、基板が分割されたことによって、熱電変換部の中心で亀裂が生じやすい。
The following
本発明の目的は、基板と熱電変換部間の熱の移動量を小さくし、電極間の温度差を保つことが可能な熱電モジュールを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a thermoelectric module capable of reducing the amount of heat transferred between a substrate and a thermoelectric conversion unit and maintaining a temperature difference between electrodes.
熱電モジュールは、絶縁性の基板と、前記基板上に薄膜状態で形成された熱電変換部と、前記熱電変換部上に形成され、熱電変換部の一の方向に並べられた一対の電極とを備える。また、電極間の距離は、熱電変換部における一の方向の長さの1/2以下である。電極間距離を熱電変換部の長さの1/2以下にし、電極間の熱の移動を小さくする。 The thermoelectric module includes an insulating substrate, a thermoelectric conversion portion formed in a thin film state on the substrate, and a pair of electrodes formed on the thermoelectric conversion portion and arranged in one direction of the thermoelectric conversion portion. Prepare. Moreover, the distance between electrodes is 1/2 or less of the length of the one direction in a thermoelectric conversion part. The distance between the electrodes is set to ½ or less of the length of the thermoelectric conversion part to reduce the heat transfer between the electrodes.
熱電変換部の厚みは0.1mm以下である。また、電極間の距離は1mm以下である。さらに、熱電変換部の熱伝導率は1W/mK以下である。上記構成にすることにより、電極間の熱の移動を小さくする。 The thickness of the thermoelectric conversion part is 0.1 mm or less. The distance between the electrodes is 1 mm or less. Furthermore, the thermal conductivity of the thermoelectric converter is 1 W / mK or less. With the above configuration, the movement of heat between the electrodes is reduced.
基板と電極との間に熱電変換部があり、基板を介して熱が移動しにくい。 There is a thermoelectric conversion portion between the substrate and the electrode, and heat hardly moves through the substrate.
本発明によると、上記構成にすることにより、電極と熱電変換材料の接合部、つまり吸熱及び発熱する部位が従来の構成とは異なり、熱の移動が小さくなる。従来の構成では電極間の温度差を大きく保てなかったが、電極間隔などを上記の構成にすることによって、電極間の温度差が大きく保てる。 According to the present invention, by adopting the above-described configuration, the joint between the electrode and the thermoelectric conversion material, that is, the portion that absorbs heat and generates heat, unlike the conventional configuration, the heat transfer becomes small. In the conventional configuration, the temperature difference between the electrodes could not be kept large. However, the temperature difference between the electrodes can be kept large by adopting the above-described configuration of the electrode spacing.
本発明の熱電モジュールについて図面を用いて説明する。 The thermoelectric module of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に示す熱電モジュール10は、絶縁性の基板12、基板12の上に熱電変換材料を薄膜状に形成した熱電変換部14、および熱電変換部14の上に形成された一対の電極16a,16bを備える。
A
基板12は、ガラス基板、セラミック基板、または樹脂基板が挙げられる。熱電変換部14はペルチェ効果が利用できるものである。具体的には、熱電半導体を薄膜状にしたものであり、Bi−Te系、Pb−Te系、またはSi−Ge系の材料が挙げられる。電極16a,16bは、正極と負極であり、銅や銅合金などの金属で形成される。熱電変換部14の一の方向に電極16a,16bが並べられる。図1であれば、x軸方向に電極16a,16bが並べられているが、y軸方向に並べられても良い。
Examples of the
また、図2のように、電極16a,16bの一部が基板12に接するようにしても良い。それぞれ電極16a,16bの基板に接している部分の距離が十分離れていれば、基板12を介して熱の移動が生じにくくなっている。
Further, as shown in FIG. 2, a part of the
その他、電極間に電流Iが流れるように電源を備え、電源と電極16a,16bとが接続される。吸熱側の電極16a(または16b)は、局所冷却をおこないたい箇所に直接または間接的に接触される。
In addition, a power source is provided so that a current I flows between the electrodes, and the power source and the
次に本発明の熱電モジュール10の発熱と吸熱について、種々の計算結果を説明する。図2の熱電モジュール10をモデルとして計算に使用した。熱電変換部14の熱伝導率は0.5W/mK、基板12の厚みは0.05mm、基板12の熱伝導率は1.0W/mK、電極16a,16bは銅、電極16a,16bの厚みは0.01mm、熱電モジュール10のx方向は0.5mm、y方向は3mmである。
Next, various calculation results regarding heat generation and heat absorption of the
シミュレーション結果1
熱電変換材料14の長さをwt、電極間隔の長さをwg、長さの比をwt/wgとし、長さの比を変化させた場合のシミュレーション結果を表1に示す。最高温度は発熱している電極16a(または16b)の最高温度、最低温度は吸熱している電極16b(または16a)の最低温度である。減少率は、長さの比が5の場合を基準とした温度差の変化を示すものである。長さの比と温度の減少率をグラフにすると図3のようになる。電極間隔と熱電変換部14の長さが同一の場合は、従来の熱電モジュール50と同じ構成である。
Table 1 shows the simulation results when the length ratio of the
表1より、長さの比が2より小さくなると急激に温度差の減少率(長さの比が5の場合の温度差との比較)が大きくなる。発熱の電極16a(16b)と吸熱の電極16b(16a)とで温度差が小さくなっていることより、両電極間で熱の移動が生じていることが分かる。電極16a,16bが基板12に接することによって、基板12を介して熱の移動が生じている。反対に長さの比が2より大きくなると温度の減少率が小さくなる。両電極間で熱の移動が小さいことが分かる。したがって、熱電変換部14の上に電極16a,16bを形成することが好ましく、特に電極間の距離が、熱電変換部14のx軸方向の長さの1/2以下、特に1/5〜1/2が好ましいことが分かる。
From Table 1, when the length ratio is smaller than 2, the temperature difference reduction rate (comparison with the temperature difference when the length ratio is 5) increases rapidly. Since the temperature difference between the
シミュレーション結果2
2種の長さの比(wt/wg)が1及び3において、熱電変換部14の厚みを変化させた場合のシミュレーション結果を表2に示す。長さの比が1の場合、従来の熱電モジュール50であり、長さの比が3の場合、本願の熱電モジュール10である。また、減少率は、熱電変換部14の同じ厚みにおける、長さの比1及び3の温度差の変化である。熱電変換部14の厚みと温度差の減少率の関係をグラフにすると図4のようになる。
Table 2 shows the simulation results when the thickness of the
表2より、熱電変換部14の厚みが厚くなると熱電変換部14によって電極16a,16bから基板12に熱が伝わりにくく、本願と従来とで温度差の変化(減少率)が小さくなる。すなわち、本願と従来との差が無くなる。本発明の構成であれば、熱電変換部14の厚みが0.1mm以下、特に0.01〜0.1mmにすることによって、従来の構成よりも温度差が大きくなり、本発明の構成の効果が発揮される。
From Table 2, when the thickness of the
シミュレーション結果3
2種の長さの比(wt/wg)が1及び3において、電極間隔を変化させた場合のシミュレーション結果を表3に示す。長さの比が1の場合、従来の熱電モジュール50であり、長さの比が3の場合、本願の熱電モジュール10である。また、減少率は、同じ電極間隔における、長さの比1及び3温度差の変化である。電極間隔と温度差の減少率の関係をグラフにすると図5のようになる。
Table 3 shows the simulation results when the electrode spacing is changed when the ratio of the two lengths (wt / wg) is 1 and 3. When the length ratio is 1, it is the conventional
表3より、電極間隔が長くなれば電極間を熱が移動しにくくなり、本願と従来とで温度差の変化(減少率)が小さくなる。すなわち、図1のように熱電変換部14の上に電極16a,16bを形成する必要が無くなる。したがって、本発明の構成は電極間隔が1mm以下、特に0.1〜1mmとすることよって、熱電変換部14の上に電極16a,16bを形成する効果が生じる。
From Table 3, if the distance between the electrodes becomes longer, it becomes difficult for heat to move between the electrodes, and the change (decrease rate) in the temperature difference between the present application and the conventional one becomes smaller. That is, it is not necessary to form the
さらに、本発明の構成は、基板12の熱伝導率が熱電変換部14の熱伝導率よりも高い場合に効果的であるが、基板12の熱伝導率が熱電変換部14の熱伝導率よりも低い場合であっても、電極16a,16bから基板12までの間に熱電変換部14を介することとなる。したがって、電極間の熱移動を小さくすることができる。
Furthermore, the configuration of the present invention is effective when the thermal conductivity of the
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。 In addition, the present invention can be carried out in a mode in which various improvements, modifications, and changes are added based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the spirit of the present invention.
10:熱電モジュール
12:基板
14:熱電変換部
16a,16b:電極
10: Thermoelectric module 12: Substrate 14:
Claims (5)
前記基板上に熱電変換材料を薄膜状態で形成した熱電変換部と、
前記熱電変換部上の一対の電極と、
を備えた熱電モジュールであって、
前記電極間の距離が、熱電変換材料における電極の並べられた方向の長さの1/2以下である熱電モジュール。 An insulating substrate;
A thermoelectric conversion part in which a thermoelectric conversion material is formed in a thin film state on the substrate;
A pair of electrodes on the thermoelectric converter;
A thermoelectric module comprising:
The thermoelectric module in which the distance between the electrodes is ½ or less of the length in the direction in which the electrodes are arranged in the thermoelectric conversion material.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009242128A JP2011091137A (en) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | Thermoelectric module |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2009242128A JP2011091137A (en) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | Thermoelectric module |
Publications (1)
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JP2011091137A true JP2011091137A (en) | 2011-05-06 |
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ID=44109145
Family Applications (1)
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JP2009242128A Withdrawn JP2011091137A (en) | 2009-10-21 | 2009-10-21 | Thermoelectric module |
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JP (1) | JP2011091137A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2016219609A (en) * | 2015-05-21 | 2016-12-22 | 秋田県 | Thermoelectric transducer and power generation device |
KR20210082947A (en) * | 2019-12-26 | 2021-07-06 | 포항공과대학교 산학협력단 | A electrochemical peltier cell and method for fabricating the same |
-
2009
- 2009-10-21 JP JP2009242128A patent/JP2011091137A/en not_active Withdrawn
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JP2016219609A (en) * | 2015-05-21 | 2016-12-22 | 秋田県 | Thermoelectric transducer and power generation device |
KR20210082947A (en) * | 2019-12-26 | 2021-07-06 | 포항공과대학교 산학협력단 | A electrochemical peltier cell and method for fabricating the same |
KR102311546B1 (en) * | 2019-12-26 | 2021-10-08 | 포항공과대학교 산학협력단 | A electrochemical peltier cell and method for fabricating the same |
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