JP2016092027A - Thermoelectric module - Google Patents
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Description
本発明は、自動車用シートクーラーに使用される、または燃料電池等に使用される熱電モジュールに関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric module used for an automobile seat cooler or used for a fuel cell or the like.
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。 For example, the thermoelectric module can generate a temperature difference between one main surface and the other main surface side by supplying electric power to the thermoelectric element. Moreover, the thermoelectric module can generate electric power with a thermoelectric element by giving a temperature difference between one main surface and the other main surface, for example. Taking advantage of these properties, thermoelectric modules are used for temperature control or thermoelectric generation.
このような熱電モジュールとして、例えば特許文献1に開示された熱電モジュールが挙げられる。特許文献1に開示された熱電モジュールは、複数配列された熱電素子と、熱電素子を挟むように設けられた上基板および下基板とを備えている。下基板の下面にはヒートシンクが取り付けられている。
As such a thermoelectric module, the thermoelectric module disclosed by
特許文献1に開示された熱電モジュールにおいては、下基板がセラミック材料から成る。そして、下基板のうち熱電素子が接合される上面に導電層が設けられており、導電層と熱電素子とが接着剤によって接着されている。また、下基板のうちヒートシンクが接合される下面にはメタリック層が設けられており、メタリック層とヒートシンクとが接着剤によって接着されている。
In the thermoelectric module disclosed in
すなわち、熱電素子からヒートシンクへと熱が伝わるときには、熱電素子から接着剤、導電層、下基板、メタリック層および接着剤を経由することになる。このように、熱電素子とヒートシンクとの間に複数の部材が介在することによって、熱電素子とヒートシンクとの間の熱伝達を良好に行なうことが困難であった。その結果、熱電モジュールの熱電変換効率を向上させることが困難であった。 That is, when heat is transferred from the thermoelectric element to the heat sink, the thermoelectric element passes through the adhesive, the conductive layer, the lower substrate, the metallic layer, and the adhesive. As described above, since a plurality of members are interposed between the thermoelectric element and the heat sink, it is difficult to perform good heat transfer between the thermoelectric element and the heat sink. As a result, it has been difficult to improve the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module.
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。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a thermoelectric module with improved thermoelectric conversion efficiency.
本発明の一態様の熱電モジュールは、所定の領域に配列された複数の柱状の熱電素子と、隣接する該熱電素子の一方の端部同士を接続する複数の第1電極層と、隣接する前記熱電素子の他方の端部同士を接続する複数の第2電極層と、前記複数の第1電極層に絶縁性の接合材によって接合された熱交換部材とを備えたことを特徴とする。 The thermoelectric module of one embodiment of the present invention includes a plurality of columnar thermoelectric elements arranged in a predetermined region, a plurality of first electrode layers that connect one end portions of the adjacent thermoelectric elements, and the adjacent ones. A plurality of second electrode layers that connect the other ends of the thermoelectric elements, and a heat exchange member that is bonded to the plurality of first electrode layers with an insulating bonding material.
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。 According to the thermoelectric module of one embodiment of the present invention, thermoelectric conversion efficiency can be improved.
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。
Hereinafter, a
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、所定の領域に配列された複数の柱状の熱電素子1と、隣接する熱電素子1の一方の端部同士を接続する複数の第1電極層21と、隣接する熱電素子1の他方の端部同士を接続する複数の第2電極層22と、複数の第1電極層21に絶縁性の接合材3によって接合された熱交換部材4とを備えている。
As shown in FIG. 1, a
熱電素子1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1は柱状の部材であって所定の領域に複数配列されている。熱電素子1は、熱電素子1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。そして、複数の熱電素子1は第1電極層21および第2電極層22によって全体が直列に電気的に接続されている。
The
熱電素子1は、p型熱電素子11とn型熱電素子12とに分類される。熱電素子1(p型熱電素子11およびn型熱電素子12)は、A2B3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11は、例えば、Bi2Te3(テルル化ビスマス)とSb2Te3(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12は、例えば、Bi2Te3(テルル化ビスマス)とSb2Se3(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。
The
熱電素子1(p型熱電素子11およびn型熱電素子12)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1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1に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子1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。
The shape of the thermoelectric element 1 (p-type
第1電極層21および第2電極層22は、複数の熱電素子1を電気的に接続するための部材である。第1電極層21は、隣接する熱電素子1の一方の端部同士を接続している。第2電極層22は、隣接する熱電素子1の他方の端部同士を接続している。第1電極層21および第2電極層22は、例えば、長円状の板材である。第1電極層21および第2電極層22は、例えば、半田等によって形成される接着層5によって熱電素子1に接合されている。第1電極層21および第2電極層22は、例えば、銅等の金属材料から成る。
The
熱交換部材4は、熱交換を行なうための部材であって、第1電極層21に接合されている。熱交換部材4としては、例えば、熱交換フィン4が挙げられる。熱交換フィン4は、例えば、銅等の熱伝導性に優れた金属材料から成る。熱交換フィン4は、図1において、紙面に対して垂直な方向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、熱交換を行なうことができるように設けられている。熱交換フィン4は、絶縁性の接合材3によって第1電極層21に接合されている。
The
接合材3は、熱交換フィン4を第1電極層21に接合するための部材である。接合材3は、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料から成る。接合材3は、第1電極層21の少なくとも上面と熱交換フィン4とを接合している。
The bonding
本実施形態の熱電モジュール10においては、所定の領域に配列された複数の柱状の熱電素子1と、隣接する熱電素子1の一方の端部同士を接続する複数の第1電極層21と、隣接する熱電素子1の他方の端部同士を接続する複数の第2電極層22と、複数の第1電極層21に絶縁性の接合材3によって接合された熱交換部材4とを備えている。これにより、従来の熱電モジュールと比較して、熱電素子1と熱交換部材4との間に介在する部材を減らすことができるので、熱電素子1と熱交換部材4との間の熱伝達を向上させることができる。これにより、熱電モジュール10の熱電変換効率を向上できる。
In the
さらに、図2に示すように、絶縁性の接合材3が第1電極層21同士の間の隙間を覆っていることが好ましい。第1電極層21同士の間の隙間を覆うことによって、第1電極層21同士を固定することができるので、第1電極層21の全体の強度を向上させることができる。これにより、熱電モジュール10の信頼性を向上できる。
Furthermore, as shown in FIG. 2, it is preferable that the
さらに、図3に示すように、絶縁性の接合材3が第1電極層21同士の間の隙間を埋めていることが好ましい。これにより、第1電極層21に対して水平な方向に力が加わったときに、第1電極層21がずれてしまうおそれを低減できる。これにより、熱電モジュール10の信頼性を向上できる。
Furthermore, as shown in FIG. 3, it is preferable that the
さらに、図4に示すように、絶縁性の接合材3が熱電素子1同士の間の隙間に入り込むとともに、熱電素子1に接していることが好ましい。これにより、熱電素子1と第1電極とをさらに強固に接合することができる。これにより、熱電モジュール10の信頼性を向上できる。また、図4に示すように、絶縁性の接合材3が熱電素子1に接しているとともに、熱電素子1同士の間には、接合材3が設けられていない隙間があることが好ましい。これにより、例えば、熱電素子1のうち一端側を発熱させて他端側を冷却させたときに、一端側から他端側に接合材3を介して熱が伝わってしまうことを低減できる。その結果、接合材3を熱電素子1に接触させることによる熱電変換効率の低下を抑制できる。
Furthermore, as shown in FIG. 4, it is preferable that the insulating
さらに、絶縁性の接合材3が樹脂材料および樹脂材料よりも熱伝導率が高い熱伝導粒子から成ることが好ましい。これにより、絶縁性の接合材3による熱伝導を良好に行なうことができる。その結果、熱電モジュール10の熱電変換効率を向上できる。樹脂材料としてエポキシ樹脂を用いる場合には、熱伝導粒子として、例えば、窒化アルミニウム等を用いることができる。このとき、樹脂材料の熱伝導率は0.2W/mK程度であり、熱伝導粒子の熱伝導率は170W/mK程度である。
Furthermore, it is preferable that the insulating
1:熱電素子
11:p型熱電素子
12:n型熱電素子
21:第1電極層
22:第2電極層
3:接合材
4:熱交換部材(熱交換フィン)
10:熱電モジュール
1: Thermoelectric element 11: p-type thermoelectric element 12: n-type thermoelectric element 21: first electrode layer 22: second electrode layer 3: bonding material 4: heat exchange member (heat exchange fin)
10: Thermoelectric module
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