JP2019134517A - Thermoelectric conversion device - Google Patents
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Description
本開示は、温度調節、例えば自動車のシートクーラーまたは燃料電池,リチウムイオン電池などの温度調節に使用される熱電変換装置に関するものである。 The present disclosure relates to a thermoelectric conversion device used for temperature control, for example, temperature control of a vehicle seat cooler or a fuel cell, a lithium ion battery, or the like.
熱電変換装置として、互いに対向して配置された一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の対向する一方主面間に前記配線導体によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子と、一方の前記支持基板の他方主面に取り付けられたフィンを備えた熱電モジュールを備え、この熱電モジュールを内部に収容して固定し、前記一対の支持基板に沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器を備えるものが知られている(例えば特許文献1を参照)。 As a thermoelectric conversion device, between a pair of support substrates disposed opposite to each other, wiring conductors provided respectively on one opposing main surface of the pair of support substrates, and one opposing main surface of the pair of support substrates A thermoelectric module having a plurality of thermoelectric elements arranged so as to be electrically connected to each other by the wiring conductor, and a fin attached to the other main surface of one of the support substrates, and accommodating the thermoelectric module inside And a container having a space in which air flows from the upstream side toward the downstream side along the pair of support substrates is known (see, for example, Patent Document 1).
従来の熱電変換装置は、空気が流れる流路方向において、支持基板の端面とフィンの端面とが同じ位置に設けられていた。 In the conventional thermoelectric conversion device, the end surface of the support substrate and the end surface of the fin are provided at the same position in the direction of the flow path through which air flows.
近年、例えば熱電変換装置の冷却性能をより向上させるため、フィンからの放熱性の向上がより求められている。言い換えると、伝熱性の向上が求められている。 In recent years, for example, in order to further improve the cooling performance of the thermoelectric conversion device, improvement in heat dissipation from the fins is more demanded. In other words, improvement in heat transfer is required.
本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、より伝熱性の向上した熱電変換装置を提供する。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and provides a thermoelectric conversion device with further improved heat transfer.
本開示の熱電変換装置は、互いに対向して配置された一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の対向する一方主面間に前記配線導体によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子と、一方の前記支持基板の他方主面に取り付けられた第1のフィンとを備えた熱電モジュールを含んでいる。また熱電変換装置は、前記熱電モジュールを内部に収容して固定しており、前記第1のフィンに沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器を含んでいる。そして、前記熱電モジュールにおける前記第1のフィンは、当該第1のフィンが取り付けられた前記支持基板よりも下流側に向かって張り出している。 The thermoelectric conversion device according to the present disclosure includes a pair of support substrates disposed to face each other, wiring conductors provided on one opposing main surfaces of the pair of support substrates, and one of the pair of support substrates facing each other. A thermoelectric module comprising a plurality of thermoelectric elements arranged so as to be electrically connected between the main surfaces by the wiring conductor, and a first fin attached to the other main surface of one of the support substrates. Yes. The thermoelectric converter includes a container having the space in which air flows from the upstream side toward the downstream side along the first fin, with the thermoelectric module housed and fixed therein. And the said 1st fin in the said thermoelectric module has protruded toward the downstream rather than the said support substrate to which the said 1st fin was attached.
本開示の熱電変換装置によれば、上流側から下流側に向けて流れる空気が、第1のフィンを通過する際に当該第1のフィンと接触する面積が大きくなって、第1のフィンと空気との間の熱伝導量が多くなる。また、第1のフィンの下流側に流れた空気と、一対の支持基板間における最も下流側に近い位置に配置された熱電素子との間隔を大きくすることができる。したがって、高い伝熱性を得ることができる。 According to the thermoelectric conversion device of the present disclosure, when the air flowing from the upstream side toward the downstream side passes through the first fin, the area in contact with the first fin increases, and the first fin The amount of heat conduction with the air increases. Moreover, the space | interval of the air which flowed to the downstream of the 1st fin, and the thermoelectric element arrange | positioned in the position nearest to the downstream between a pair of support substrates can be enlarged. Therefore, high heat conductivity can be obtained.
以下、熱電変換装置の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of a thermoelectric conversion device will be described in detail with reference to the drawings.
図1〜図3に示す熱電変換装置は、互いに対向して配置された一対の支持基板11,12と、一対の支持基板11,12の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体21,22と、一対の支持基板11,12の対向する一方主面間に配線導体21,22によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子3と、一方の支持基板11の他方主面に取り付けられた第1のフィン41とを備えた熱電モジュール5を含んでいる。
The thermoelectric conversion device shown in FIGS. 1 to 3 includes a pair of
熱電モジュール5を構成する互いに対向して配置された一対の支持基板11、12は、例えば四角形状の互いに対向する領域を有し、この領域で複数の熱電素子3を挟んで支持している。この矩形状の互いに対向する領域を平面視したときの寸法は、例えば、縦40mm〜80mm、横20mm〜40mm、厚さ0.25mm〜0.35mmに設定することができる。
The pair of
支持基板11は下面が支持基板12に対向する一方主面となるように配置され、支持基板12は上面が支持基板11に対向する一方主面となるように配置されている。例えば、支持基板11が相対的に低温となる低温側支持基板であり、支持基板12が相対的に高温となる高温側支持基板である。
The
支持基板11は支持基板12に対向する一方主面である下面に配線導体21が設けられ、支持基板12は支持基板11に対向する一方主面である上面に配線導体22が設けられることから、支持基板11の少なくとも下面側の表面および支持基板12の少なくとも上面側の表面は絶縁材料からなる。例えば、一対の支持基板11、12は、アルミナフィラーを添加してなる厚み50μm〜200μmのエポキシ樹脂からなる基板本体の外側の他方主面に伝熱用(放熱用)の厚み50μm〜500μmの銅板を貼り合わせた構成である。また、一対の支持基板11、12としては、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなる基板本体の外側の他方主面に銅などの金属板を貼り合わせた構成であってもよく、銅、銀、銀−パラジウムなどの導電性材料からなる基板本体の内側の一方主面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナ、窒化アルミニウムなどからなる絶縁層を設けた構成であってもよい。
Since the
一対の支持基板11、12の対向する内側の一方主面には、それぞれ配線導体21、22が設けられている。この配線導体21、22は、例えば一対の支持基板11、12の内側の対向する一方主面に銅板を貼り付けておき、配線導体21、22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得ることができる。また、打ち抜き加工によって配線導体21、22の形状に成形したものでもよい。配線導体21、22の形成材料としては、銅に限られず、例えば銀、銀−パラジウムなどの材料でもよい。
一対の支持基板11、12の対向する内側の一方主面間には、配線導体21、22によって電気的に接続されるように、複数の熱電素子3が配置されている。複数の熱電素子3
は、p型熱電素子31およびn型熱電素子32である。この熱電素子3は、例えばペルチェ効果によって温度調節を行なうための部材である。熱電素子3は、例えば熱電素子3の直径の0.5倍〜2倍の間隔で縦横の並びに複数配列され、配線導体21、22とはんだで接合されている。具体的には、p型熱電素子31およびn型熱電素子32が隣接して交互に配置され、例えば配線導体21、22およびはんだを介して直列に電気的に接続され、全ての熱電素子3が直列に接続されている。
A plurality of
Are a p-type
複数の熱電素子3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)からなる熱電材料、好ましくはBi(ビスマス)およびTe(テルル)系の熱電材料で本体部が構成されている。具体的には、p型熱電素子31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構成される。また、n型熱電素子32は、例えば、Bi2Te3(テルル化ビスマス)とBi2Se3(セレン化ビスマス)との固溶体からなる熱電材料で構成される。
The plurality of
熱電素子3の形状は、例えば円柱状、四角柱状、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により、使用時の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。複数の熱電素子3を円柱状とする場合には、寸法は、例えば直径が0.5mm〜3mm、高さが0.3mm〜5mmに設定される。
The shape of the
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固化したBi、SbおよびTeからなるp型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径0.5mm〜3mmの断面円形の棒状体としたものである。また、n型熱電素子32となる熱電材料は、一度溶融させて固化したBi、TeおよびSeからなるn型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径0.5mm〜3mmの断面円形の棒状体としたものである。
Here, the thermoelectric material to be the p-type
必要により、これら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0.3〜5.0mmの長さ(厚さ)に切断する。ついで、必要により、切断面のみに、例えば電気メッキでNi層を形成し、その上にSn層を形成し、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。
If necessary, after coating a resist that prevents the plating from adhering to the side surfaces of these thermoelectric materials, the wire is sawed to a length (thickness) of, for example, 0.3 to 5.0 mm. Then, if necessary, a p-type
なお、配線導体21または配線導体22には、リード部材がはんだ等の接合材を用いるか、レーザー溶接等で接合される。リード部材は、熱電素子に電力を与えるため、または熱電素子で生じた電力を取り出すための部材である。
Note that the lead member is bonded to the
支持基板11と支持基板12との間に配置された複数の熱電素子3の周囲には、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなるシール材7を設けてもよい。外周側は支持基板11と支持基板12との間の温度差による変形が大きいが、一対の支持基板11、12の一方主面間における外周側に配置された複数の熱電素子3の隙間を埋めるようにシール材を設けることで、これが補強材となって熱電素子3と配線導体21、22との間の剥離を抑制できる。
A sealing
熱電モジュール5は、一方の支持基板11の他方主面に取り付けられた第1のフィン41を含んでいる。
The
第1のフィン41の材質としては、例えば熱伝導率の高い銅、アルミ、鉄などが用いられる。第1のフィン41は、図1および図2に示すように、例えば左から右に風が流れたときに、この風の流れを阻害しないようにしつつ、熱電モジュール5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。例えば、第1のフィン41は、支
持基板11,12の他方主面に垂直な方向および他方主面に沿った方向に延びる複数の平行に並べられた立設部411と、隣り合う立設部411の支持基板11,12の他方主面に隣接する端部と端部とを接続する底面部412とを有している。そして、第1のフィン41との間で熱伝達される空気は、立設部411および隣り合う立設部411の間の隙間が延びる方向に沿って流れるようになっている。言い換えると、立設部411および底面部412は、空気の流れに沿って配置されている。
As a material of the
第1のフィン41を支持基板11の他方主面に接合する接合材には、例えばSn−Bi系はんだ、Sn−Sb系はんだ、Sn−Ag−Cu系はんだなどが用いられる。
As a bonding material for bonding the
熱電変換装置は、熱電モジュール5を内部に収容して固定しており、第1のフィン41に沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器6を含んでいる。言い換えると、熱電変換装置は、内部を空気が流れる容器6を備え、当該容器6の内部に熱電モジュール5は収容されている。このとき、熱電モジュール5は、立設部411および底面部412が空気の流れに沿って配置されるように、収容されている。
The thermoelectric conversion device accommodates and fixes the
なお、容器6の内部に収容される熱電モジュール5は、例えば容器6の内壁に直接または間接的に固定されるなどして保持されるが、その保持方法に限定はない。また、容器6は、内部に空気を流す通路を有するものであればよく、形状に限定はない。
The
そして、図1および図2に示すように、熱電モジュール5における第1のフィン41は、当該第1のフィン41が取り付けられた支持基板11,12よりも下流側に向かって張り出している。なお、図における破線は、透視による支持基板11の位置を表している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
この構成によれば、上流側から下流側に向けて流れる空気が、第1フィン41を通過する際に当該第1のフィン41と接触する面積が大きくなって、第1のフィン41と空気との間の熱伝導量が多くなる。また、第1フィン41の下流側に流れた空気と、一対の支持基板11,12間における最も下流側に近い位置に配置された熱電素子3との間隔を大きくすることができる。したがって、高い伝熱性、放熱の場合は高い冷却性能を得ることができる。
According to this configuration, when the air flowing from the upstream side toward the downstream side passes through the
ここで、図4および図5に示すように、他方の支持基板12の他方主面に第2のフィン42を備え、第2のフィン42は、当該第2のフィン42が取り付けられた支持基板12よりも下流側に向かって張り出していてもよい。
Here, as shown in FIGS. 4 and 5, the second main surface of the
このとき、第1のフィン41と第2のフィン42との張り出しの長さが同じであってもよく、これにより高い伝熱性、放熱の場合はより高い冷却性能を得ることができる。
At this time, the protruding lengths of the
そして、図6に示すように、第1のフィン41および第2のフィン42が一対の支持基板11,12より張り出して互いに対向している領域にセパレータ8が挿入されていてもよい。
Then, as shown in FIG. 6, the
セパレータ8の材質は、例えばポリプロピレンなどの樹脂が挙げられる。セパレータ8の厚みは、一対の支持基板11,12の間隔の範囲内で、例えば少なくとも1mmあればよい。
Examples of the material of the
セパレータ8は、熱電モジュール5を保持するとともに、低温側と高温側とを分離するために設けられるが、上記の構成によれば、突出している第1のフィン41および第2のフィン42の間へのセパレータ8の位置決めがし易くなるとともに、高温側と低温側の分離性が向上する。
The
このとき、第1のフィン41と第2のフィン42との張り出しの長さが異なっていてもよく、これによりセパレータ8を第1のフィン41と第2のフィン42との間に挿入し易くなる。
At this time, the protruding lengths of the
また、図7に示すように、第1フィン41および第2のフィン42は、金属の板状体が折り曲げられてなり、複数の底面部412,422、複数の立設部411,421、および複数の天面部413,423を有する形状であってもよい。そして、第1のフィン41および第2のフィン42が一対の支持基板11,12より張り出して互いに対向している領域において、支持基板11,12の延長方向に沿って第1のフィン41のみに接する薄板9が設けられていてもよい。
Further, as shown in FIG. 7, the
薄板9の材質は、例えば銅、セラミックス、アルミニウム、ステンレス(SUS)などが挙げられる。なお、薄板9は支持基板11と同じ材質であってもよく、支持基板11に連続して設けられていてもよい。薄板9の厚みは、例えば50〜100μmに設定される。
Examples of the material of the thin plate 9 include copper, ceramics, aluminum, and stainless steel (SUS). The thin plate 9 may be made of the same material as that of the
薄板9のない第2のフィン42側は隣り合う立設部421間の隙間による撓みでセパレータ8を入れやすくし、薄板9のある第1のフィン41側は薄板9との摩擦でセパレータ8を保持しやすくなる。したがって、セパレータ8が挿入しやすくなるとともに、セパレータ8による熱電モジュール5の保持力が強化される。
The
また、薄板9は、第1のフィン41に接する側の表面とは反対側の表面に溝があってもよい。
The thin plate 9 may have a groove on the surface opposite to the surface in contact with the
この溝は、幅が例えば200〜600μmとされ、深さが例えば30〜60μmとされ、隣りあう溝と溝との間隔が例えば500〜8000μmとされる。 This groove has a width of, for example, 200 to 600 μm, a depth of, for example, 30 to 60 μm, and an interval between adjacent grooves of, for example, 500 to 8000 μm.
この構成によれば、薄板9とセパレータ8との密着性が向上し、高温側と低温側の分離性が向上する。なお、複数の溝は一定方向に平行に配置されてもよく、互いに交差するように配置されてもよい。
According to this configuration, the adhesion between the thin plate 9 and the
11、12:支持基板
21、22:配線導体
3:熱電素子
31:p型熱電素子
32:n型熱電素子
41:第1のフィン
42:第2のフィン
411、421:立設部
412、422:底面部
413、423:天面部
5:熱電モジュール
6:容器
7:シール材
8:セパレータ
9:薄板
DESCRIPTION OF
Claims (5)
該熱電モジュールを内部に収容して固定しており、前記第1のフィンに沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器とを含み、
前記熱電モジュールにおける前記第1のフィンは、当該第1のフィンが取り付けられた前記支持基板よりも下流側に向かって張り出していることを特徴とする熱電変換装置。 A pair of support substrates disposed opposite to each other, a wiring conductor provided on each of the opposing main surfaces of the pair of support substrates, and the wiring conductor between the opposing main surfaces of the pair of support substrates. A thermoelectric module comprising a plurality of thermoelectric elements arranged so as to be electrically connected, and a first fin attached to the other main surface of one of the support substrates;
The thermoelectric module is housed and fixed therein, and includes a container having a space through which air flows from the upstream side toward the downstream side along the first fin,
The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein the first fin in the thermoelectric module projects toward a downstream side of the support substrate to which the first fin is attached.
該第2のフィンは、当該第2のフィンが取り付けられた前記支持基板よりも下流側に向かって張り出している請求項1に記載の熱電変換装置。 A second fin on the other principal surface of the other support substrate;
2. The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein the second fin projects toward a downstream side of the support substrate to which the second fin is attached.
前記第1のフィンおよび前記第2のフィンが前記一対の支持基板より張り出して互いに対向している領域において、前記支持基板の延長方向に沿って前記第1のフィンのみに接する薄板が設けられていることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の熱電変換装置。 The first fin and the second fin are formed by bending a metal plate, and have a plurality of bottom surface portions, a plurality of standing portions, and a plurality of top surface portions,
In a region where the first fin and the second fin protrude from the pair of support substrates and face each other, a thin plate that is in contact with only the first fin is provided along the extending direction of the support substrate. The thermoelectric conversion device according to claim 2 or 3, wherein the thermoelectric conversion device is provided.
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