JP2011124375A - 熱電デバイス及び熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】位置決めが容易で、適正な電気接続が可能な、熱電デバイス及び熱電モジュールを提供する。
【解決手段】熱電デバイス１０は、熱電効果を有する材料を含んで構成される熱電素子１１、１２と、前記熱電素子１１，１２の端部に配置される電極１３と、を備え、前記電極１３は、電極部材１５と、導電性を有し、前記電極部材１５と前記熱電素子１１，１２との間に配され、前記熱電素子１１，１２に対向する対向部２１と前記対向部２１の周縁から前記熱電素子１１，１２とは反対側に折り返されてなる折返部２２とを有する均熱部材１６と、前記対向部２１の前記熱電素子１１，１２とは反対側に配置されるとともに少なくともその周縁の一部が前記均熱部材１６の前記対向部２１と前記折返部２２との間にて挟持される弾性部材１７と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電デバイス及び熱電モジュールに関する。

熱電デバイスとして、例えば、互いに対向する２つの電極部材と、この２つの電極部材間に林立する一対の熱電素子とを備えて構成されるものが知られている（例えば、特許文献１または特許文献２参照）。熱電素子が有するトムソン効果、ペルチェ効果、又はゼーベック効果等の熱電効果を利用することにより、熱エネルギが電気エネルギに、また電気エネルギが熱エネルギに直接変換される。また、実用的には、複数の熱電デバイスを並列配置することにより構成した熱電モジュールが利用されている。

このような熱電デバイスにおいて、吸熱側の電極部材と熱電素子との間に、板状の均熱部材と板状の弾性部材とを積層した構成が知られている。

特開２００７−６６９８７号公報 特開２００５−６４４５７号公報

しかしながら上述の技術では以下の問題がある。すなわち、上述のように構成された熱電デバイスでは、均熱部材の上に弾性部材が載置されている構成であり、均熱部材と弾性部材の位置決めが困難である。また、複数の熱電デバイスを並列した際に隣接する熱電デバイスの位置ずれにより適正な電気接続が妨げられる場合がある。

そこで、本発明は、位置決め容易で、適正な電気接続が可能な、熱電デバイス及び熱電モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る熱電デバイスは、熱電効果を有する材料を含んで構成される熱電素子と、前記熱電素子の一端に配置される第１電極と、を備え、前記第１電極は、電極部材と、導電性を有し、前記電極部材と前記熱電素子との間に配され、前記熱電素子に対向する対向部と前記対向部の周縁から前記熱電素子とは反対側に折り返されてなる折返部とを有する均熱部材と、前記対向部の前記熱電素子とは反対側に配置されるとともに少なくともその周縁の一部が前記均熱部材の前記対向部と前記折返部との間にて挟持される弾性部材と、
を積層して有することを特徴とする。

本発明の一形態に係る熱電モジュールは、前記熱電デバイスを複数備え、複数の前記熱電デバイスが、隣り合う前記熱電デバイスと電気的に直列に接続されたことを特徴とする。

本発明に係る熱電デバイス及び熱電モジュールによれば、位置決めが容易となり、適正な電気接続が可能となる。

本発明の第１実施形態に係る熱電デバイスの構成を示す断面図。 同熱電デバイスの構成を示す平面図。 同熱電デバイスの一部を示す斜視図。 同熱電デバイスの製造工程を示す説明図。 同熱電デバイスの製造工程を示す説明図。 同熱電デバイスの製造工程を示す説明図。 同熱電デバイスの製造工程を示す説明図。 同熱電デバイスの製造工程を示す説明図。 本発明の他の実施形態に係る熱電デバイスの製造工程を示す説明図。 本発明の他の実施形態に係る熱電デバイスの製造工程を示す説明図。 同実施形態に係る熱電モジュールの構成を示す斜視図。 本発明の他の実施形態に係る熱電デバイスの構成を示す断面図。 本発明の他の実施形態に係る熱電デバイスの構成を示す断面図。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態にかかる熱電デバイス１０及び熱電モジュール１００について、図１乃至図１０を参照して説明する。なお、各図において説明のため、適宜、構成を拡大、縮小または省略して概略的に示している。図中矢印Ｘ，Ｙ及びＺはそれぞれ互いに直交する３方向を示す。

図１は、実施形態に係る熱電デバイス１０の構成を示す断面図であり、図２は平面図、図３は斜視図である。本実施形態に係る熱電デバイス１０は、熱電効果を有する材料を含んで構成される一対の熱電素子１１，１２と、熱電素子１１，１２のＺ方向一方側（上側）に配される第１電極１３と、熱電素子１１のＺ方向他方側（下側）に配される第２電極１４ａと、熱電素子１２のＺ方向他方側（下側）に配される第３電極１４ｂと、を備えて構成されている。

一対の熱電素子１１，１２は、互いに離間してＸ方向に並んで配置され、Ｚ方向に離間する第１電極１３と、第２電極１４ａ，第３電極１４ｂとの間に林立している。一対の熱電素子１１，１２は、ペルチェ効果、ゼーベック効果、又はトムソン効果といった熱電効果を有する熱電材料からそれぞれ構成される。熱電効果を有する材料は、例えば、ビスマスとテルルの化合物を主相とする物質、ビスマスとアンチモンの化合物を主相とする物質、スクッテルダイト型結晶構造を有するＣｏＳＢ３基化合物結晶中の空隙に元素を充填したフィルドスクッテルダイト構造を有する化合物を主相とする物質、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有するハーフホイスラー化合物を主相とする物質、バリウムとガリウムを含むクラスレート化合物、もしくはこれらの混合物、又はこれらの接合体である。これらは、熱伝導率が比較的小さいという性質を有している。このため、これらの物質等から熱電素子１１，１２が構成される場合には、熱電素子１１，１２内での温度勾配が維持され易いため、熱電デバイス１０の性能が向上される。例えば、一方の熱電素子１１がｎ型電導性、他方の熱電素子１２がｐ型電導性である。

第１電極１３は、電極部材１５と、均熱部材１６と、弾性部材１７とが、Ｚ方向に積層され、一対の熱電素子１１，１２のＺ方向一方側の一対の端面を覆うように構成されている。

均熱部材１６は、一枚の薄い板状の部材が曲成されてなり、導電性を有して構成されている。均熱部材１６は、熱電素子１１，１２に比べて、高い熱伝導性を有するよう構成される。具体的には、均熱部材１６は、金属箔などの薄い板材から構成される。

より具体的には、均熱部材１６は、比較的安価で熱伝導率も大きな、鉄、ニッケル、タンタル、チタン、タングステン、モリブデン、ニオブ、銅、炭素のいずれかの薄板から構成されると好ましい。また、これら元素のいずれかを主成分とする物質、又はこのような物質や上記の元素のうちの２つ以上から構成される合金、化合物もしくは混合物を用いて、均熱部材１６を構成することもできる。さらに、均熱部材１６は、上述した、元素、物質、又は合金等のうちの２つ以上を貼り合わせて構成されていてもよい。

均熱部材１６は、一対の熱電素子１１，１２の一端面（図中上面）にそれぞれ接触する一対の対向部２１と、対向部２１の周縁から熱電素子１１，１２とは反対側に折り返されてなる折返部２２と、一対の対向部２１の間を連結し熱電素子１１，１２の間の間隔に入り込むように形成された連結部２３と、を一体に有している。

一対の対向部２１は、熱電素子１１，１２の一端面に対応する所定形状をなし、ここでは矩形状に構成されている。この一対の対向部２１の間に連結部２３が配置される。連結部２３は熱電素子１１，１２の間の間隙に入り込むようにＶ字型に曲成され、一対の熱電素子１１，１２の間でＺ方向に凹む凹部２４を構成している。この凹部２４によって一対の熱電素子１１，１２と均熱部材１６との相対位置が規制されるようになっている。

一対の対向部２１のＹ方向両端縁は、弾性部材１７の端縁を覆うように折り返された折返部２２を構成している。

弾性部材１７は、矩形のプレート状に構成され、導電性を有している。また、弾性部材１７は、所定の弾性を有し、特に、熱電素子１１，１２に比べて変形し易くなるように構成されている。具体的には、弾性部材１７は、網状、格子状、又はハニカム状等の形状を有すると有益であり、本実施形態では、金属細線網などの編込線により構成される弾性部材１７が採用されている。弾性部材１７を構成する素材の固有の弾性率が、熱電素子１１，１２及び電極部材１５を構成する素材の固有の弾性率より高いとより有益であるが、これに限られない。例えば、素材自体の弾性率に拘わらず、弾性部材１７が、上述の形状に構成されることによって、全体として、熱電素子１１，１２が有する弾性よりも高く、電極部材１５が有する弾性と同等か高い弾性を有している。

弾性部材１７は、対向部２１の、熱電素子１１，１２とは反対側の面に接触して配置され、均熱部材１６の対向部２１及び連結部２３を上方から覆うように配置されている。弾性部材１７のＹ方向の端縁は均熱部材１６の折返部２２に覆われ、弾性部材１７の端縁部分が均熱部材１６の対向部２１と折返部２２との間にて挟持される。この構成により、弾性部材１７と均熱部材１６との相対位置が規制されるようになっている。ここでは、弾性部材１７の上面の面積の６０％以上が、折返片により覆われている。

以下、図４乃至図８を参照して、第１電極１３の一部を構成する均熱部材１６と弾性部材１７との積層構造の製造方法の一例を説明する。図４（ａ）の平面図及び図４（ｂ）の断面図に示すように、曲成前の均熱部材１６は、矩形の薄板状であり、Ｘ方向に並列する一対の対向部２１と、その間を連結する連結部２３と、Ｙ方向端縁の折返部２２と、連結部２３のＹ方向両端部にそれぞれ配される一対の片部２５とが、一枚の板状に並んで配置されている。なお、後述するように折返部２２及び片部２５を折り曲げやすくするために、片部２５と折返部２２との間と、片部２５のＸ方向中央に、Ｙ方向に沿う切り込み２６を入れておく。あるいは後述するように片部２５を切断しておいてもよい。

この状態から、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、中央の連結部２３を谷折り状に折り曲げて曲成し、Ｚ方向に凹む凹部２４を構成する。

ついで、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、均熱部材１６の中央部分の上面に弾性部材１７を載置する。このとき、弾性部材１７は対向部２１及び連結部２３に対向させるように配置する。

さらに、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、対向部２１の両端縁の折返部２２を、上方に折り曲げて、弾性部材１７の上面を覆うように折り返す。以上により、均熱部材１６により弾性部材１７が挟持されて一体化された形態となる。

なお、このとき、連結部２３のＹ方向端縁であって、Ｙ方向に並列する折返部２２の間には、矩形状の片部２５がそれぞれ構成される。この片部２５は、例えば、図８の下面図に示すように、折り曲げて対になる熱電素子１１，１２間に配置する。この場合、片部２５が２つの熱電素子１１，１２間に配置されることで、均熱部材１６の上下方向の位置ずれに対し、片部２５がストッパーの役割を果たし、均熱部材１６が位置ずれしにくくなる。また、この片部２５については図９の下面図に示すように熱電素子１１，１２の外側に折り曲げて配置してもよいし、図１０の下面図に示すようにカットして取り除いてもよい。図８乃至図１０は、熱電素子１１，１２上に均熱部材１６を配置した状態で下方から見た下面図である。なお、図３の斜視図においては、カットした場合を例示している。

以上のように構成された均熱部材１６と弾性部材１７の積層構造のさらに上方に、プレート状の電極部材１５が積層され、第１電極１３が、一対の熱電素子１１，１２の上側の端面を覆うように構成される。すなわち一対の熱電素子１１，１２上に均熱部材１６が配置され、その上に弾性部材１７が均熱部材１６の折返部２２に挟持されて配置され、さらに弾性部材１７の上面に電極部材１５が載置される。第１電極１３は、熱電素子１１，１２に対しては接合も接着もされず、接触するに留まる。

第２電極１４ａは、電極部材２７から構成され、一対の熱電素子１１，１２のうち一方の熱電素子１１であるｎ型電導部の下方に配置されている。第３電極１４ｂは、電極部材２８から構成され、他方の熱電素子１２であるｐ型電導部の下方に配置されている。

第２電極１４ａ，第３電極１４ｂは、本実施形態では、はんだなどの接合材３０により、熱電素子１１，１２の均熱部材１６が接している面とは反対側の端面（図中下面）に接合されている。

以上のように構成された熱電デバイス１０において、第１電極１３と、第２電極１４ａ，第３電極１４ｂとに、直流電圧を印加して電流を流すと、第１電極１３と、第２電極１４ａ，第３電極１４ｂとの、一方が放熱面として、他方が吸熱面として機能する。このため、電流の調節により、熱電デバイス１０は温度調整器として動作することができる。また、熱電デバイス１０は温度測定器としても動作することができる。すなわち、第１電極１３と第２電極１４ａ，第３電極１４ｂとの間に温度差に応じて、電位差が生じるため、この電位差を介して、温度を測定することができる。

図１１に示すように、本実施形態に係る熱電モジュール１００は、熱電デバイス１０が複数個配置されて直列に接続されて構成される。すなわち、熱電モジュール１００において、下方の第２電極１４ａと、隣り合う熱電デバイス１０の下方の第３電極１４ｂとが接続され、さらに一端側の熱電デバイス１０の第２電極１４ａと、他端側の熱電デバイス１０の第３電極１４ｂにそれぞれ接続される導線２９が配されている。

本発明に係る熱電デバイス１０及びこれを用いる熱電モジュール１００は、以下のような効果を奏する。すなわち、第１電極１３において、弾性部材１７を均熱部材１６で挟みこんで挟持したことにより、弾性部材１７の位置決めが容易となる。

また、均熱部材１６の端縁を熱電素子１１，１２とは反対側に折り返し、電極部材１５と弾性部材１７との間に配置したことにより、複数の熱電デバイス１０を並列してモジュール化した場合に、端縁が互いに接触することがない。すなわち、例えば均熱部材の周縁を熱電素子の側面に沿うように折り曲げた垂下部を備える構成では、隣接する熱電デバイスの均熱部材の端縁と接触してしまうが、本実施形態によれば隣接する熱電デバイスの均熱部材との接触を防止することが可能である。

また、対向部２１の端縁を折り返して弾性部材１７を挟む構成により、積層方向の圧力を熱電素子１１，１２に対応する部分に均一に付与することができる。すなわち、例えば連結部の端縁部分のみが折り返された場合には、連結部に圧接力が集中し、熱電素子１１，１２の部分には十分な圧力が付与されないため、電気接続が困難となるが、本実施形態によれば熱電素子１１，１２の周縁部分を折り返して熱電素子上に積層させることにより、熱電素子１１，１２と電極部材１５との電気接合を良好に保つことが可能である。

さらに、弾性部材１７として、搭載装置で吸着しにくい網構造などを採用したとしても、均熱部材１６と一体化することで、吸着が容易となるため、例えば熱電素子１１，１２上に供給する際などの取り扱いが容易となる。

均熱部材１６の中央部に凹部２４を形成し、凹部２４を電気的に接続する対となる熱電素子１１，１２間に配置することで、均熱部材１６と弾性部材１７を熱電素子１１，１２上の所望の箇所に位置決めして容易に積層でき、ショートの不具合を解消できる。

均熱部材１６で弾性部材１７を挟み込む形態とすることで、電極１３，１４と素子間の熱伝導と電気伝導の経路として、弾性部材１７を介した経路に加え、弾性部材１７を介さず均熱部材１６を介した経路を形成することで、熱伝導と電気伝導性能を安定化させ、熱電デバイス１０の熱電変換効率を向上することができる。

均熱部材１６は、弾性部材１７に接触し、かつ熱電素子１１，１２に接触し、しかも、これらよりも熱伝導性に優れるため、弾性部材１７からの熱エネルギを均熱部材１６の平面内で均熱化した上で、熱電素子１１，１２に伝達することができる。仮に、弾性部材が熱電素子と直接に接触する場合は、熱電素子と、弾性確保のため網状等の形状を有する弾性部材と間の接触面積が狭くなるため、熱伝導が阻害されたり、熱均一性が悪化したりするといった問題が生じる。しかし、本実施形態によれば、熱伝導性に優れる均熱部材１６により、均熱部材１６と熱電素子１１，１２の接触面での熱均一性が向上し、熱電変換効率を改善することができる。

弾性部材１７が金属細線網などの編込線により構成され、熱電素子１１，１２が有する弾性よりも高く、電極部材１５が有する弾性と同等か高い弾性を有しているため、熱応力を緩和することができる。言い換えると、弾性部材１７は、電極部材１５と熱電素子１１，１２との間の熱膨張係数の差により生じる熱応力を緩和する機能を有する。このため、熱応力により熱電デバイス１０内に生じ得る破損や、熱電素子１１，１２の劣化といった問題を解消することができる。なお、熱応力は、均熱部材１６は熱電素子１１，１２に接触しているに過ぎず、両者は互いに偏倚することができるため、より緩和される。

熱電デバイス１０内に生じる熱応力を弾性部材１７により緩和できるとともに、弾性部材１７からの熱エネルギを、熱電素子１１，１２の表面に均一に伝達させる対策として均熱部材１６を備えるので、熱電素子１１，１２の表面の温度分布をより均一化することができる。このため、熱電デバイス１０の熱電変換効率を向上することができ、これを用いた熱電モジュール１００の熱電変換効率をも向上することができる。

以上の如く、本実施形態の熱電デバイス１０によれば、熱電デバイス１０内の熱応力の緩和と、熱電素子１１，１２の電極表面の均熱化による熱電特性の向上を実現するとともに、組立が容易でかつ信頼性の高い熱電モジュール１００とその製造方法を提供するが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、本実施形態は、熱電素子１１，１２が対として構成される場合を例示したが、熱電素子１１，１２が、熱電効果を有する材料から単一部分として構成され、これに併せて第２電極１４ａ，第３電極１４ｂも単一部分として構成されてもよい。この場合にも、熱電デバイスとしての機能が発揮され、上記の効果が発揮される。また、複数の熱電素子で構成されている熱電モジュールに使用される場合にも適用でき、この場合にも同様の効果が発揮される。

上記実施形態においては、説明の便宜上、第１電極１３を上方に配置した場合を示し、弾性部材１７は電極部材１５の下面に設けられている場合を例示したが、これに限られるものではなく、上下を逆にした場合にも本発明を適用可能である。すなわち、熱電素子１１，１２の下側に均熱部材１６と弾性部材１７の積層構造を配置し、その下方に電極部材１５を配置する場合であっても、上記実施形態と同様の効果を得られる。

上記実施形態においては均熱部材１６の凹部２４の形状はＶ字型である場合を例示したがこれに限られるものではない。例えば図１２に示すように馬蹄型としてもよいし、Ｗ字型など、他の形状であっても上記実施形態と同様の効果を得られる。

さらに、図１３に示すように、均熱部材１６のＸ方向両端縁部分について、熱電素子１１，１２側に折り曲げた折り曲げ部１０３を構成しても良い。この場合、この折り曲げ部１０３によって熱電素子１１，１２との位置決めも容易となる。

なお、折返部２２をＹ方向の端縁に配置したがこれに限られるものではなく、対向部２１の外周部分のどこを折り返してもよい。例えばＸ方向の両端縁をそれぞれ折り返してもよいし、全周において折り返しても良い。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１０…熱電デバイス、１１．１２…熱電素子、１３…第１電極、１４ａ…第２電極、
１４ｂ…第３電極、１５…電極部材、１６…均熱部材、１７…弾性部材、２１…対向部、２２…折返部、２３…連結部、２４…凹部、２５…片部、２７…電極部材、
２８…電極部材、２９…導線、３０…接合材、１００…熱電モジュール。

Claims (5)

1. 熱電効果を有する材料を含んで構成される熱電素子と、
   前記熱電素子の一端に配置される第１電極と、を備え、
   前記第１電極は、
   電極部材と、
   導電性を有し、前記電極部材と前記熱電素子との間に配され、前記熱電素子に対向する対向部と前記対向部の周縁から前記熱電素子とは反対側に折り返されてなる折返部とを有する均熱部材と、
   前記対向部の前記熱電素子とは反対側に配置されるとともに少なくともその周縁の一部が前記均熱部材の前記対向部と前記折返部との間にて挟持される弾性部材と、
   を積層して有することを特徴とする熱電デバイス。
2. 一対の前記熱電素子が所定の間隔を有して配置され、
   前記第１電極は、一対の前記対向部と前記折返部とを有する前記均熱部材と、前記弾性部材と、前記電極部材と、を積層して、前記一対の熱電素子の一端側を覆うように一体に構成され、
   前記均熱部材は、一対の前記対向部の間を連結するとともに一対の前記熱電素子の間の間隙に入り込むように曲成された連結部を有することを特徴とする請求項１記載の熱電デバイス。
3. 一方の前記熱電素子の他端側に電極部材を有する第２電極が配置され、他方の前記熱電素子の他端側に電極部材を有する第３電極が配置されたことを特徴とする請求項２記載の熱電デバイス。
4. 前記弾性部材が有する弾性は、前記熱電素子が有する弾性より大きく、且つ前記電極が有する弾性以上であり、
   前記均熱部材が有する熱伝導性は、前記熱電素子が有する熱伝導性より大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか記載の熱電デバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の熱電デバイスを複数備え、複数の前記熱電デバイスが、隣り合う前記熱電デバイスと電気的に直列に接続されたことを特徴とする熱電モジュール。

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