JP2014036196A

JP2014036196A - 熱電ユニット

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Publication number: JP2014036196A
Application number: JP2012178192A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Onoe; 勝彦尾上
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-10
Also published as: JP6069945B2

Abstract

【課題】電気回路を熱電モジュールに近接して付設しつつ、電気回路を保護可能な熱電ユニットを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、伝熱部材と、前記伝熱部材と対向配設される放熱部材と、前記伝熱部材及び前記放熱部材間に配設される熱電モジュールと、前記熱電モジュールに電気的に接続される電気回路とを備える熱電ユニットであって、前記電気回路が、前記放熱部材における前記伝熱部材との対向面側に付設されていることを特徴とする。前記伝熱部材及び前記放熱部材の対向面のうち、少なくとも一方に突出部が形成され、前記突出部と、前記伝熱部材又は前記放熱部材との間に前記熱電モジュールが配設されるとよい。前記伝熱部材と前記放熱部材との間における前記熱電モジュール及び前記電気回路が存在する空間を囲繞するよう配設される枠体を備えるとよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱電ユニットに関する。

対向する２枚の基板の対向面に電極を形成し、この電極にＰ型半導体及びＮ型半導体を交互かつ電気的に接続して得られる熱電モジュールは、２枚の基板間に温度差を与えることでゼーベック効果を発現し、起電力を発生させることができる。

このゼーベック効果により、熱電モジュールの一方の基板を熱源体に近接又は接触させ、他方の基板を冷却することで熱を電気に変換して発電することができる。ただし、ゼーベック効果で得られる電圧は一般的に小さいため、熱電モジュールで得られる電力を有効活用するには、電圧を増幅する昇圧回路や発生した電力を一定量蓄電する蓄電回路等の電気回路に一旦送電することが必要となる。そこで、熱電モジュールと電気的に接続されるこれらの電気回路を筐体内に付設した熱電ユニット（特開２０１２−３９７７３号公報参照）が開発されている。

しかし、前記従来の熱電ユニットは、熱電モジュールと電気回路とが近接して配置されていないため、配線での電力ロスが大きくなる。また、電気回路に対する熱保護が考慮されておらず、熱源からの熱が電気回路に伝達されることによって、電気回路が有する素子が熱によって損傷するおそれがある。

特開２０１２−３９７７３号公報

本発明は、前述のような事情に基づいてなされたものであり、電気回路を熱電モジュールに近接して付設しつつ、電気回路を保護可能な熱電ユニットの提供を目的とする。

前記課題を解決するためになされた発明は、
伝熱部材と、
前記伝熱部材と対向配設される放熱部材と、
前記伝熱部材及び前記放熱部材間に配設される熱電モジュールと、
前記熱電モジュールに電気的に接続される電気回路と
を備える熱電ユニットであって、
前記電気回路が、前記放熱部材における前記伝熱部材との対向面側に付設されていることを特徴とする。

当該熱電ユニットにおいては、伝熱部材を熱源に近接又は接触させることで、伝熱部材及び放熱部材間に温度差が生じ、これらの間に配設された熱電モジュールによって発電が行われ、電力が電気回路に送電される。当該熱電ユニットは、この電気回路が熱電モジュールと同様に放熱部材における伝熱部材の対向面側に付設されるため、熱電モジュールと電気回路との配線距離を短縮でき、かつ放熱部材によって電気回路の温度上昇を抑制できる。その結果、当該熱電ユニットは、優れた発電能力と信頼性とを発揮できる。

前記伝熱部材及び前記放熱部材の対向面のうち、少なくとも一方に突出部が形成され、前記突出部と、前記伝熱部材又は前記放熱部材との間に前記熱電モジュールが配設されるとよい。このように伝熱部材又は放熱部材の対向面に突出部を設けて熱電モジュールを配設することで、熱電モジュールの形状を変更することなく、伝熱部材と放熱部材との距離を拡大できる。その結果、放熱部材側に付設された電気回路と高温体である伝熱部材との距離を容易かつ確実に拡大でき、伝熱部材の放熱による電気回路の温度上昇を抑制して、当該熱電ユニットの信頼性をさらに向上させることができる。

前記伝熱部材と前記放熱部材との間における前記熱電モジュール及び前記電気回路が存在する空間を囲繞するよう配設される枠体を備えるとよい。このように熱電モジュール及び電気回路の存在する空間を枠体で囲むことで、埃等の夾雑物の熱電モジュール及び電気回路への付着や侵入等を防止できる。その結果、電気回路の故障率を低下させて、当該熱電ユニットの信頼性をさらに向上させることができる。

以上説明したように、本発明の熱電ユニットは、電気回路を熱電モジュールに近接して付設しつつ、電気回路を保護することができるため、優れた発電能力と信頼性とを発揮し、センサーノード等の電源として好適に用いることができる。

本発明の第一実施形態に係る熱電ユニットの模式的側面図本発明の第二実施形態に係る熱電ユニットの模式的側面図本発明の第三実施形態に係る熱電ユニットの模式的側面図本発明の第四実施形態に係る熱電ユニットの模式的断面図

以下、適宜図面を参照しつつ本発明の熱電ユニットの実施の形態を詳説する。

＜第一実施形態＞
図１の熱電ユニット１は、伝熱部材２と、放熱部材３と、この伝熱部材２と放熱部材３との間に配設される熱電モジュール４と、この熱電モジュール４に電気的に接続される電気回路５とを備える。以下、この熱電ユニット１の構造を具体的に説明する。

伝熱部材２は、平面視で長方形の略平板状であり、放熱部材３と対向する放熱部材対向面２ａを有する。伝熱部材２の放熱部材対向面２ａと反対側の面は、熱を受け取るために熱源に近接又は接触される。

伝熱部材２の厚さとしては、熱源からの受熱と、熱電モジュール４及び放熱部材３の支持とが可能であれば特に限定されず、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。伝熱部材２の平面積（放熱部材対向面２ａの面積）は、熱電モジュール４を配置できれば特に限定されず、伝達する熱量や当該熱電ユニット１の設置場所に合わせて適宜設計することができ、例えば長辺が２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下、短辺が１８ｍｍ以上９０ｍｍ以下とすることができる。

伝熱部材２の材質としては、熱伝導性の高い金属やセラミックス等を用いることができるが、これらの中でも軽量で加工性のよいアルミニウムが特に好ましい。

放熱部材３は、略平板状の基材部３ａと、この基材部３ａの一方の面に形成された放熱手段である放熱フィン３ｂとを有する。基材部３ａは、平面視で長方形状であり、基材部３ａの放熱フィン３ｂと反対側の面は、前記伝熱部材２と対向する伝熱部材対向面３ｃである。放熱フィン３ｂは、基材部３ａと略垂直に接続された複数の柱状体からなり、熱電モジュール４を介して放熱部材３に伝わってくる熱を表面から空気中へ放熱するヒートシンクの機能を奏する。

放熱部材３の基材部３ａの厚さとしては特に限定されず、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることができる。また、基材部３ａの平面積（伝熱部材対向面３ｃの面積）は、熱電モジュール４及び電気回路５を付設可能であれば特に限定されず、放熱量に合わせて適宜設計することができるが、当該熱電ユニット１の取扱い性の観点からは伝熱部材２の平面積と略等しくすることが好ましい。

放熱フィン３ｂを構成する柱状体の形状は特に限定されず、円柱状でも角柱状でもよい。また、各柱状体からさらに小型のフィンを突出させてもよい。柱状体の直径（最大幅）、高さ、本数等は放熱量に合わせて適宜設計することができ、例えば柱状体の直径（最大幅）を５ｍｍ、高さを２０ｍｍ、本数を７２本とすることができる。

放熱部材３の材質としては、伝熱部材２と同様に熱伝導性の高い金属やセラミックス等を用いることができ、これらの中でもアルミニウムを用いることが好ましい。また、放熱フィン３ｂは基材部３ａと一体形成してもよく、基材部３ａと別体で形成したものを接合してもよい。

熱電モジュール４は、第一基板４ａ、第二基板４ｂ、複数の配線電極４ｃ、複数のＰ型半導体４ｄ、複数のＮ型半導体４ｅ及び２つの出力用電極４ｆを有する。第一基板４ａ及び第二基板４ｂは板状体であり、互いに対向して略平行に配設されている。第一基板４ａ及び第二基板４ｂの対向する面にはそれぞれ複数の配線電極４ｃがパターン形成されている。第一基板４ａに形成される配線電極４ｃと第二基板４ｂに形成される配線電極４ｃとは、直方体状に形成され、第一基板４ａ及び第二基板４ｂ間に架設されるＰ型半導体４ｄ及びＮ型半導体４ｅを交互に直列接続する。１つの配線電極４ｃには、Ｐ型半導体４ｄとＮ型半導体４ｅとが１つずつ接続される。また、端部に形成される電気出力用の２つの出力用電極４ｆは、Ｐ型半導体４ｄ又はＮ型半導体４ｅのどちらか一方のみが接続され、熱電モジュールの出力端子（プラス極及びマイナス極）を形成している。熱電モジュール４は、第一基板４ａと第二基板４ｂとの間に温度差が生じると熱の移動による発電を行い、この発電される電力を出力用電極４ｆから取り出すことができる。なお、電極と半導体とは、例えば半田によって電気的に接続することができる。

前記出力用電極４ｆにはリード線６が接続され、リード線６を電気回路５に接続することで、熱電モジュール４で発電した電力を電気回路５に送ることができる。出力用電極４ｆは、第一基板４ａ及び第二基板４ｂのどちら側に設けてもよいが、リード線６の長さを短縮するために放熱部材３に接合される第一基板４ａに付設することが好ましい。

第一基板４ａ及び第二基板４ｂの材質としては、電気的絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、熱伝導性の高いセラミックを用いることが好ましい。このようなセラミックとしては、例えばアルミナ、窒化アルミナ、炭化珪素等を挙げることができる。

配線電極４ｃ及び出力用電極４ｆの材質としては、電気伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えばアルミニウム、ニッケル、銅、あるいはこれらの合金等を挙げることができる。これらの中でも加工性が高く電気伝導性に優れる銅が好ましい。また、銅にはニッケルや金がメッキされることが望ましい。

Ｐ型半導体４ｄ及びＮ型半導体４ｅは、公知の半導体素子を用いることができ、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３系の半導体素子を用いることができる。また、熱電モジュール４が有する熱電素子の個数は、得られる温度差や所望する電力等にあわせて適宜設計することができる。

熱電モジュール４のサイズとしては特に限定されず、例えば厚みを１ｍｍ以上５ｍｍ以下、長辺を１０ｍｍ以上８０ｍｍ以下、短辺を８ｍｍ以上７０ｍｍ以下とすることができる。

熱電モジュール４の伝熱部材２及び放熱部材３への配設方法は特に限定されず、例えば半田や接着剤等を用いて接合することができる。接着剤を用いて接合する場合は、熱伝導性の高いフィラー配合接着剤を用いることが好ましい。

熱電モジュール４の伝熱部材２及び放熱部材３間における配設個所は特に限定されないが、伝熱効率の観点から、平面視でこれらの放熱部材対向面２ａ及び伝熱部材対向面３ｃの中央部に配設することが好ましい。

電気回路５は、電気回路基板５ａに機能素子５ｂが配設されたものであり、伝熱部材対向面３ｃに付設されている。この電気回路５としては、具体的には熱電モジュール４から発生する電圧を昇圧させる昇圧回路、電気を蓄電する蓄電回路、温度や湿度等を検知するモニター回路、モニターした情報を送信する送信回路や、その他のコントロール回路等を挙げることができる。ひとつの電気回路基板５ａには複数の機能素子５ｂが配設されていてもよい。また、電気回路５は伝熱部材対向面３ｃ上に複数を組み合わせて付設することができる。

電気回路５の放熱部材３への付設方法は特に限定されず、電気回路基板５ａに接着剤を塗布して伝熱部材対向面３ｃに接着する方法等を用いることができる。この接着剤としては断熱性の高い接着剤が好ましい。また、ネジ締めによる付設、はめこみによる付設でもよい。

また、電気回路５への伝熱をさらに抑制するため、電気回路基板５ａと放熱部材３との間に断熱材を介在させ、この断熱材を介して電気回路５を放熱部材３に付設することが好ましい。この断熱材としては、熱伝導性が低いものであれば特に限定されず、例えば繊維、樹脂、ゴム等を用いることができる。この断熱材は、電気回路基板５ａへ接着してもよいし、電気回路基板５ａに形成材料を塗布して形成してもよい。

電気回路５の伝熱部材対向面３ｃにおける付設箇所は特に限定されず、熱電モジュール４の周辺に適宜付設することができる。

熱電モジュール４の出力用電極４ｆと電気回路５とを電気接続するリード線６の接続方法は特に限定されず、公知の方法を用いることができる。具体的には、例えば半田付け、圧着金具による接続、導電性接着剤による接着、ワイヤボンディング等を挙げることができる。

当該熱電ユニット１は、熱電モジュール４と電気接続される電気回路５が、伝熱部材対向面３ｃに付設されているため、熱電モジュール４と電気回路５との接続距離を短縮して電力ロスを低減することができる。また、電気回路５の温度上昇を抑制し、電気回路５の熱による故障を防止することができる。

＜第二実施形態＞
図２の熱電ユニット１１は、伝熱部材１２と、放熱部材３と、この伝熱部材１２と放熱部材３との間に配設される熱電モジュール４と、この熱電モジュール４に電気接続される電気回路５とを備える。伝熱部材１２以外は、前記図１の熱電ユニット１と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

伝熱部材１２は、略平板状であるが、放熱部材３と対向する放熱部材対向面１２ａの中央部に突出部１２ｂを有している。この突出部１２ｂは、放熱部材３側に突出するように段差状に形成されている。熱電モジュール４はこの突出部１２ｂと放熱部材３の伝熱部材対向面３ｃとに接合されて配設されている。電気回路５は、伝熱部材対向面３ｃ上の突出部１２ｂと対向しない領域に付設されている。

突出部１２ｂの厚さ（放熱部材対向面１２ａからの高さ）としては特に限定されず、例えば１ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることができる。突出部１２ｂの平面積としては、熱電モジュール４の第二基板４ｂの面積よりも大きければ特に限定されないが、伝熱性の観点からは電気回路５と対向する部分が少ないほど好ましいため、第二基板４ｂと略等しくすることが望ましい。

当該熱電ユニット１１は、伝熱部材１２の突出部１２ｂに熱電モジュール４を配設することによって、熱電モジュール４の形状変更を伴わずに、電気回路５と伝熱部材１２との距離を拡大できる。その結果、伝熱部材１２から放熱されて電気回路５に伝わる熱量を低減して、電気回路５の熱故障の防止効果を容易かつ確実に向上させることができる。また、電気回路５に使用される機能素子５ｂの高さが、熱電モジュール４の高さよりも大きい場合であっても、機能素子５ｂが伝熱部材１２に接触することを防ぐことができる。

＜第三実施形態＞
図３の熱電ユニット２１は、伝熱部材２と、放熱部材２３と、この伝熱部材２と放熱部材２３との間に配設される熱電モジュール４と、この熱電モジュール４に電気接続される電気回路５とを備える。放熱部材２３以外は、前記図１の熱電ユニット１と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

放熱部材２３は、前記図１の熱電ユニット１の放熱部材３と同様に、略平板状の基材部２３ａの一方の面に放熱フィン２３ｂを形成した部材である。ただし、この放熱部材２３は、伝熱部材２と対向する伝熱部材対向面２３ｃの中央部に突出部２３ｄを有している。この突出部２３ｄは、伝熱部材２側に突出するように段差状に形成されている。熱電モジュール４はこの突出部２３ｄと伝熱部材２の放熱部材対向面２ａとに接合されて配設されている。電気回路５は、伝熱部材対向面２３ｃにおける突出部２３ｄ以外の領域に付設されている。

突出部２３ｄの厚さ及び平面積は、前記図２の熱電ユニット１１の突出部１２ｂと同様とすることができる。

当該熱電ユニット２１は、放熱部材２３の突出部２３ｄに熱電モジュール４を配設することによって、熱電モジュール４の形状変更を伴わずに、電気回路５と伝熱部材２との距離を拡大できる。その結果、伝熱部材２から放熱されて電気回路５に伝わる熱量を低減して、電気回路５の熱故障の防止効果を容易かつ確実に向上させることができる。また、電気回路５に使用される機能素子５ｂの高さが、熱電モジュール４の高さよりも大きい場合であっても、機能素子５ｂが伝熱部材２に接触することを防ぐことができる。

＜第四実施形態＞
図４の熱電ユニット３１は、伝熱部材２と、放熱部材３と、この伝熱部材２と放熱手段３との間に配設される熱電モジュール４と、この熱電モジュール４に電気接続される電気回路５と、熱電モジュール４及び電気回路５を囲む枠体７とを備える。枠体７以外は、前記図１の熱電ユニット１と同様であるため、同一符号を付して説明を省略する。

枠体７は、筒状体であり、伝熱部材２と放熱部材３との間における熱電モジュール４及び電気回路５が存在する空間を囲繞するように配設されている。枠体７は、伝熱部材２の放熱部材対向面２ａ及び放熱部材３の伝熱部材対向面３ｃに接続されている。

枠体７の高さは、放熱部材対向面２ａ及び伝熱部材対向面３ｃ間の距離に略等しい。枠体７の断面形状は、熱電モジュール４及び電気回路５を囲むことができれば特に限定されないが、強度向上性や放熱性の観点から、その周縁が放熱部材対向面２ａ及び伝熱部材対向面３ｃの周縁と略一致する形状とすることが好ましい。

枠体７の材質としては特に限定されないが、伝熱部材２の熱が枠体７を介して放熱部材３に伝わると、伝熱部材２と放熱部材３との温度差が低下し熱電モジュール４の発電量が減少するため、これを防止できる熱伝導性の低い材質が好ましく、例えば樹脂等を用いることができる。また、枠体７は一体形成された筒状体であってもよいし、複数の板状体を組み合わせて構成してもよい。

枠体７は、枠体７内部の温度上昇を抑えるために、放熱用の孔を有しているとよい。さらに、この放熱用孔は放熱部材３に近接する位置に設けることが好ましい。放熱用孔を放熱部材３に近づけて形成することで、伝熱部材２の温度低下を抑制しつつ、電気回路５及び放熱部材３の温度低下を促進できる。

枠体７を伝熱部材２及び放熱部材３に固定する方法は特に限定されず、例えば接着剤を用いて枠体７の上下面を放熱部材対向面２ａ及び伝熱部材対向面３ｃに接合する方法等を用いることができる。

当該熱電ユニット３１は、前記枠体７が熱電モジュール４及び電気回路５を囲んでいるため、外部から侵入する埃等の夾雑物の付着による熱電モジュール４及び電気回路５のショートを防ぎ、回路の故障や誤動作を防止することができる。また、伝熱部材２と放熱部材３とが枠体７を介して接合されるため、当該熱電ユニット３１は高い構造強度及び取扱い性を有する。

＜その他の実施形態＞
本発明の熱電ユニットは前記実施形態に限定されるものではない。前記各実施形態では、放熱手段として放熱フィンを用いたが、本発明の放熱手段はこれに限定されず、例えばファンを用いた強制空冷手法や、液体を用いた冷却手法や、流体（冷媒）を強制循環させる冷却手法を用いることも可能である。

さらに、伝熱部材及び放熱部材の対向面（平面形状）は長方形状に限定されるものではなく、円形状や、他の多角形状とすることも可能である。

また、第二実施形態及び第三実施形態において、伝熱部材及び放熱部材の双方に突出部を形成してもよい。伝熱部材及び放熱部材にそれぞれ突出部を対向するように形成し、これらの突出部に熱電モジュールを配設することで、電気回路と伝熱部材との距離がさらに拡大され、電気回路の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

さらに、第四実施形態において、上述のような筒状体を用いる代わりに、枠体として伝熱部材と放熱部材との間における熱電モジュール及び電気回路が存在する空間を囲うように複数の柱を配設してもよい。このような枠体を用いることで、夾雑物の侵入をある程度防ぎながら当該熱電ユニットの放熱性及び構造強度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明の熱電ユニットは、電気回路を熱電モジュールに近接して付設しつつ、電気回路を保護することが可能であり、自動車等に装備されるセンサーネットワークを形成するセンサーノードの電源等に好適に利用することができる。

１、１１、２１、３１熱電ユニット
２、１２伝熱部材
２ａ、１２ａ放熱部材対向面
１２ｂ突出部
３、２３放熱部材
３ａ、２３ａ基材部
３ｂ、２３ｂ放熱フィン
３ｃ、２３ｃ伝熱部材対向面
２３ｄ突出部
４熱電モジュール
４ａ第一基板
４ｂ第二基板
４ｃ配線電極
４ｄＰ型半導体
４ｅＮ型半導体
４ｆ出力用電極
５電気回路
５ａ電気回路基板
５ｂ機能素子
６リード線
７枠体

Claims

伝熱部材と、
前記伝熱部材と対向配設される放熱部材と、
前記伝熱部材及び前記放熱部材間に配設される熱電モジュールと、
前記熱電モジュールに電気的に接続される電気回路と
を備える熱電ユニットであって、
前記電気回路が、前記放熱部材における前記伝熱部材との対向面側に付設されていることを特徴とする熱電ユニット。
前記伝熱部材及び前記放熱部材の対向面のうち、少なくとも一方に突出部が形成され、
前記突出部と、前記伝熱部材又は前記放熱部材との間に前記熱電モジュールが配設される請求項１に記載の熱電ユニット。
前記伝熱部材と前記放熱部材との間における前記熱電モジュール及び前記電気回路が存在する空間を囲繞するよう配設される枠体を備える請求項１又は請求項２に記載の熱電ユニット。