JP2016082081A

JP2016082081A - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP2016082081A
Application number: JP2014212332A
Authority: JP
Inventors: 隆前田; Takashi Maeda
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2016-05-16

Abstract

【課題】熱電変換効率が向上した熱電モジュールを提供する。
【解決手段】熱電モジュール１０は、第１支持基板１と、第１支持基板１の上側主面に下側主面が対向するように設けられた第２支持基板２と、複数配列された熱電素子３と、第１支持基板１の下側主面および第２支持基板２の上側主面において第１支持基板１の下側主面に設けられた第１フィン７１および第２支持基板２の上側主面に設けられた第２フィン７２とを備えており、第１支持基板１および第２支持基板２の少なくとも片方の他方側の端が、第１フィン７１および第２フィン７２の他方側の端よりも他方側に突出している。これにより、第１フィン７１および第２フィン７２を通過した気体を流れやすくすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動車用シートクーラーに使用される、または燃料電池等の温度調節に使用される熱電モジュールに関するものである。

熱電モジュールは、例えば、熱電素子に電力を供給することによって、一方の主面と他方の主面側との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、例えば、一方の主面と他方の主面との間に温度差を与えることによって、熱電素子によって電力を生じさせることができる。これらの性質を活かして、熱電モジュールは温度調節または熱電発電等に用いられる。

このような熱電モジュールとして、例えば特許文献１に開示された温度調節モジュールが挙げられる。特許文献１に開示された温度調節モジュールは、ペルチェ素子を含む温度調節エレメントと、温度調節エレメントの別々の主面に設けられた２つの熱交換体とを備えている。そして、２つの熱交換体は空気が流れる２つの流路の内部に別々に位置しており、２つの流路は流れる空気が混ざらないように区分けされている。温度調節モジュールは、熱交換体を通じて流路を流れる空気を加熱または冷却することができる。

特表２０１０−５２４２４６号公報

特許文献１に開示された温度調節モジュールにおいては、温度調節エレメントの端面と熱交換体の端面とが連続するように設けられている。そして、流路の壁面が温度調節エレメントと熱交換体との境界付近に接触するように設けられている。このような構成においては、以下の理由から温度調節モジュールの温度調節の効率を向上させることが困難であった。

すなわち、特許文献１の例えば図１に開示された構成において、流路の壁面の内周面側が温度調節エレメントの主面よりも外側（温度調節エレメントの上面よりも上側または温度調節エレメントの下面よりも下側）に位置する場合には、熱交換体を通過した空気が流路の壁面にぶつかってしまうおそれがあった。そのため、温度調節エレメントの主面の近傍を流れる空気が流れにくくなってしまうおそれがあった。また、流路の壁面の外周面側が温度調節エレメントの主面よりも内側（温度調節エレメントの上面よりも下側または温度調節エレメントの下面よりも上側）に位置する場合には、温度調節エレメントから流路へと熱が逃げやすくなってしまい、空気を加熱または冷却しにくくなってしまうおそれがあった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電変換効率が向上した熱電モジュールを提供することにある。

本発明の一態様の熱電モジュールは、第１支持基板と、該第１支持基板の上側主面に下側主面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１支持基板および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第１支持基板の下側主面および前記第２支
持基板の上側主面においてそれぞれの主面に沿って一方側から他方側に向かって気体が流れるように、前記第１支持基板の下側主面に設けられた第１フィンおよび前記第２支持基板の上側主面に設けられた第２フィンとを備えており、前記第１支持基板および前記第２支持基板の少なくとも片方の他方側の端が、前記第１フィンおよび前記第２フィンの他方側の端よりも他方側に突出していることを特徴とする。

本発明の一態様の熱電モジュールによれば、熱電変換効率を向上できる。

本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの分解斜視図である。図１に示す熱電モジュールを通風管に配置したときの断面図である。変形例の熱電モジュールを示す断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュール１０について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０は、第１支持基板１と、第１支持基板１の上側主面に下側主面が対向するように設けられた第２支持基板２と、第１支持基板１および第２支持基板２の間に複数配列された熱電素子３とを備えている。さらに、第１支持基板１の下側主面には第１フィン７１が、第２支持基板２の上側主面には第２フィン７２が、それぞれ設けられている。なお、図１においては、説明の都合上、熱電モジュール１０の一部を分解および省略して示している。

第１支持基板１は、主に、第２支持基板２と共に複数の熱電素子３を支持するための部材である。図１に示すように、第１支持基板１は、四角形状の部材であって、第２支持基板２と対向する上側主面を有する。

本実施形態の熱電モジュール１０の第１支持基板１の寸法は、例えば、縦を４５〜６０ｍｍに、横を２０〜２５ｍｍに、厚さを０．１５〜０．３５ｍｍに設定することができる。

第１支持基板１は、上側主面に第１電極４が設けられることから、少なくとも上側主面側は絶縁材料から成る。第１支持基板１としては、例えば、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体あるいは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の下面側の主面に外部への伝熱または放熱用の銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。また、第１支持基板１の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の上面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムセラミックス等から成る絶縁性の層を設けた基板を用いることができる。

第１電極４は、熱電素子３に電力を与えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。第１電極４は、第１支持基板１の上側主面に設けられている。第１電極４は、第２の支持基板の下側主面に設けられている第２電極（図示せず）とともに、複数の熱電素子３を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子３が直列に接続されている。第１電極４は、例えば銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第１電極４は、例えば、第１支持基板１の上側主面に銅板を貼り付けておき、これに対して第１電極４となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって形成される。また、打ち抜き加工
によって第１電極４の形状に成形した銅板を第１支持基板１に貼り付けることによって第１電極４を形成してもよい。

第２支持基板２は、主に第１支持基板１と共に複数の熱電素子３を挟んで支持するための部材である。第２支持基板２は、第１支持基板１に下側主面が対向するように設けられている。第２支持基板２の下側主面と第１支持基板１の上側主面とによって、複数の熱電素子３が挟まれて保持されている。第２支持基板２は、例えば四角形状である。第２支持基板２の寸法は、第１支持基板１と共に複数の熱電素子３を保持できるように設定される。具体的には、第２支持基板２の形状が四角形状である場合には、例えば縦を４５〜６０ｍｍに、横を１９〜２４ｍｍに、厚さを０．１５〜０．３５ｍｍに設定することができる。本実施形態の熱電モジュール１０においては、第２支持基板２２は、平面視したときに全体が第１支持基板１に重なっている。これにより、熱電モジュール１０に上下方向の力が加わった際の耐久性が向上している。

第２支持基板２は、第１支持基板１に対向する下側主面に第２電極が設けられることから、少なくとも下側主面側は絶縁材料から成る。第２支持基板２としては、第１支持基板１に用いることができる上述の部材と同様の部材を用いることができる。

第２電極は、熱電素子３に電力を与えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。第２電極は、第２支持基板２の下側主面に設けられている。第２電極は、第１電極４と共に、複数の熱電素子３を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子３が直列に接続されている。第２電極は、例えば銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第２電極は、例えば、第２支持基板２の下側主面に銅板を貼り付けておき、この銅板の第２電極となる部分にマスキングをして、マスクした領域以外の領域をエッチングすることによって形成される。また、打ち抜き加工によって第２電極の形状に成形した銅板を第２支持基板２の下側主面に貼り付けることによって第２電極を形成してもよい。

熱電素子３は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうため、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。熱電素子３は、第１支持基板１の上側主面および第２支持基板２の下側主面の間に複数配列されている。熱電素子３は、熱電素子３の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられる。これら複数の熱電素子３は、第１電極４と同様のパターンに塗布された半田によって第１電極４に接合されている。そして、複数の熱電素子３は第１電極４および第２電極によって全体が直列に電気的に接続されている。

熱電素子３は、ｐ型熱電素子３１とｎ型熱電素子３２とに分類される。熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）から成る熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）またはＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成される。また、ｎ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｓｅ_３（セレン化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成される。

ここで、ｐ型熱電素子３１となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるｐ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるｎ型の形成材料を、ブリッ
ジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。

これらの棒状の熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて、例えば０．３〜５ｍｍの長さに切断する。次いで、切断面のみに電気メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。最後に、溶解液でレジストを除去することによって、熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）を得ることができる。

熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）の形状は、例えば円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子３の形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子３に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３を円柱状に形成する場合には、寸法は、例えば直径が１〜３ｍｍに設定される。

さらに、本実施形態の熱電モジュール１０は、図２に示すように、複数の熱電素子３を取り囲むように封止材８が設けられている。封止材８は、第１支持基板１および第２支持基板２の間であって、熱電素子３の周囲に設けられている。封止材８としては、例えば、シリコーン樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂材料を用いることができる。封止材８を設けることによって熱電素子３の耐久性を向上できる。

さらに、熱電モジュール１０は、第１支持基板１の下側主面および第２支持基板２の上側主面が流体の流れる流路６に面して用いられる。具体的には、図２に示すように、熱電モジュール１０は、外部装置の通風管５に嵌めこまれて用いられる。図２に示す通風管５においては、流体は空気等の気体であって、第１支持基板１および第２支持基板２のそれぞれの主面に沿って一方側（右側）から他方側（左側）に向かって風が流れている。図２においては、流体の流れる方向を破線の矢印で示している。本実施形態においては、流路６の幅方向の全体にわたって熱電モジュール１０が設けられている。すなわち、流路６の幅と熱電モジュール１０の幅とが等しい。

さらに、第１支持基板１の下側主面に第１フィン７１が設けられているとともに、第２支持基板２の上側主面に第２フィン７２が設けられている。第１フィン７１および第２フィン７２は、図２において右から左に風が流れたときに、風の流れを阻害しないようにしつつ、熱電モジュール１０から発せられた熱を効率よく取り出すことができるように設けられている。第１フィン７１が吸熱用として機能するときには第２フィン７２が放熱用として機能し、また、第１フィン７１が放熱用として機能するときには第２フィン７２が吸熱用として機能する。第１フィン７１および第２フィン７２は、銅等の熱伝導率に優れた金属材料から成る。第１フィン７１および第２フィン７２は、例えば、ろう材等によって第１支持基板１および第２支持基板２に接合されている。

さらに、流路６のうち第１フィン７１および第２フィン７２よりも他方側（左側）においては、第１フィン７１および第２フィン７２を通過した気体が混ざることのないように、セパレータ部５１が設けられている。本実施形態においては、セパレータ部５１の厚みが、第１支持基板１の下側主面と第２支持基板２の上側主面との間の間隔よりも大きい。

そして、第１支持基板１および第２支持基板２の少なくとも片方の他方側の端が、第１フィン７１および第２フィン７２の他方側の端よりも他方側に突出している。具体的には、本実施形態の熱電モジュール１０においては、第１支持基板１のうち他方側の端が、第１フィン７１および第２フィン７２の他方側の端よりも他方側に突出している。これにより、第１支持基板１の他方側の端をセパレータ部５１に押し当てることによって、第１フィン７１および第２フィン７２を通過した気体が混ざることのないようにしたときに、第
１フィン７１とセパレータ部５１との間および第２フィン７２とセパレータ部５１との間に隙間を生じさせることができる。そのため、第１フィン７１および第２フィン７２を通過した気体を流れやすくすることができる。その結果、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上させることができる。第１支持基板１は、例えば、０．１〜２ｍｍ突出させることができる。

本実施形態においては、第２支持基板２、第１フィン７１および第２フィン７２の横方向（気体が流れる方向）の寸法が等しく１９ｍｍに設定されている。そして、第１支持基板１の横方向の寸法が２０ｍｍに設定されている。第１支持基板１、第２支持基板２、第１フィン７１および第２フィン７２は一方側の端部の位置が揃っている。そのため、第１支持基板１の他方側の端部は、第２支持基板２、第１フィン７１および第２フィン７２のそれぞれの他方側の端部と比較して他方側に１ｍｍ突出している。

なお、本実施形態においては、第１支持基板１の他方側の端の全体が第１フィン７１よりも他方側に突出していたが、これに限られない。具体的には、第１支持基板１の他方側の一部が第１フィン７１よりも他方側に突出していてもよい。この場合には、第１支持基板１のうち突出している部分をセパレータ部５１に押し当てたときに、第１支持基板１のうち突出していない部分とセパレータ部５１との間に隙間が形成されることになる。この隙間にエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等の樹脂材料を設けて隙間を塞ぐことによって、第１フィン７１を通過した気体と第２フィン７２を通過した気体とが混ざることを低減できる。

また、本実施形態においては、第１支持基板１のみの他方側の端が突出していたが、これに限られない。具体的には、第２支持基板２のみの他方側の端が突出していてもよいし、また、第１支持基板１および第２支持基板２の両方の他方側の端が突出していてもよい。

さらに、第１支持基板１の他方側の端が第２支持基板２の他方側の端よりも他方側に突出している。これにより。第１支持基板１をセパレータ部５１に押し当てたときに、第２支持基板２とセパレータ部５１とが接触しにくくなる。そのため、第１支持基板１からセパレータ部５１に熱が伝わったとしても、この熱が第２支持基板２に伝わってしまうことを低減できる。その結果、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上させることができる。

また、図３に示すように、第１支持基板１の他方側の端面が、第１支持基板１よりも弾性率が小さい弾性体９によって覆われていることが好ましい。これにより、第１支持基板１をセパレータ部５１に押し当てたときに、弾性体９を撓ませることができるので、セパレータ部５１との間に隙間が生じてしまうことを低減できる。そのため、第１フィン７１と第２フィン７２とを通過した気体が混ざることを低減できる。その結果、熱電モジュール１０の熱電交換効率を向上できる。第１支持基板１がガラスエポキシ基板から成る場合には弾性率は２０〜３０Ｇｐａ程度になる。この場合には、弾性体９として、例えば、弾性率が１〜２０Ｍｐａ程度であるシリコーン樹脂を用いることができる。

なお、本実施形態においては、「上側」および「下側」等の表現を用いたが、特に熱電モジュール１０の設置する位置および向きを限定するものではない。すなわち、「上側
および「下側」等の表現は説明を分かりやすくするための便宜上の表現である。そのため、例えば、「上側主面」が上下方向に広がるように、熱電モジュール１０が用いられても構わない。

１：第１支持基板
２：第２支持基板
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４：第１電極
５：通風管
５１：セパレータ部
６：流路
７１：第１フィン
７２：第２フィン
１０：熱電モジュール

Claims

第１支持基板と、該第１支持基板の上側主面に下側主面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１支持基板および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第１支持基板の下側主面および前記第２支持基板の上側主面においてそれぞれの主面に沿って一方側から他方側に向かって気体が流れるように、前記第１支持基板の下側主面に設けられた第１フィンおよび前記第２支持基板の上側主面に設けられた第２フィンとを備えており、
前記第１支持基板および前記第２支持基板の少なくとも片方の他方側の端が、前記第１フィンおよび前記第２フィンの他方側の端よりも他方側に突出していることを特徴とする熱電モジュール。
前記第１支持基板の他方側の端が前記第２支持基板の他方側の端よりも他方側に突出していることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
前記第１支持基板の他方側の端面が、該第１支持基板よりも弾性率が小さい弾性体によって覆われていることを特徴とする請求項２に記載の熱電モジュール。