JP3570345B2 - 熱電モジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電発電又は熱電冷却等に使用される熱電モジュールに関し、特に、熱効率及び機械的強度が高い熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、表１に示すような熱電素子の両面が基板に挟まれている熱電モジュールが知られている。
【０００３】
【表１】
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の熱電モジュールは表１に示すように、（総熱電素子面積）／（基板面積）が０．４１以下であるものしかない。このような熱電モジュールは機械的強度が低く、冷却効率も低いという問題点がある。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、機械強度が高く、冷却効率も高い熱電モジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電モジュールは、ｐ型及びｎ型の複数個の熱電素子が交互に配列され、各熱電素子が直列に接続されるように複数個の電極により接続され、更に前記電極に少なくとも１枚以上の基板が接合されている熱電モジュールにおいて、前記熱電素子の総断面積をＡとし、前記基板面積をＳとし、前記電極の総断面積をＤとするとき、Ａ／Ｓが０．４２以上であり、且つＤ／Ｓが０．７５以上であることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る他の熱電モジュールは、ｐ型及びｎ型の複数個の熱電素子が交互に配列され、各熱電素子が直列に接続されるように複数個の電極により接続され、更に前記電極に少なくとも１枚以上の基板が接合されている熱電モジュールにおいて、前記熱電素子の総断面積をＡとし、前記熱電素子が配列される領域の面積をＰとし、前記電極の総断面積をＤとし、前記基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｐが０．４５以上であり、且つＤ／Ｓが０．７５以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、前記電極の厚さは、５０μｍ以上であることが好ましい。
【００１０】
更に、前記熱電素子の熱電材料の熱伝導率が１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明おいては、熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓを０．４２以上とすることにより、接合面積が増大し、熱電素子間の空気の少なくなるため、機械強度が高く、冷却効率も高くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る熱電モジュールについて添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。図２は同じくその熱電モジュールの熱電素子４の配置を示す平面図である。図１に示すように、本実施例では、基板１の上に電極２が形成され、この電極２の上にはんだ３を介してｐ型及びｎ型の熱電素子４が接合されている。この熱電素子４に電極２が接合されていない側にも同様にはんだ３を介して電極２が接合され、更に電極２には基板１が接合されている。本実施例においては、熱電素子４の総断面積をＡとし、この基板１の基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓが０．４２以上である。また、熱電素子４の総断面積をＡとし、熱電素子４が配列される領域の面積（以下、熱電素子４の占有面積という。）をＰとするとき、Ａ／Ｐが０．４５以上である。更に、電極２の総断面積をＤとし、基板１の基板面積をＳとするとき、Ｄ／Ｓが０．７５以上である。更にまた、電極２の厚さは５０μｍ以上であり、熱電素子４の熱電材料の熱伝導率は１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。
【００１３】
なお、熱電素子４の占有面積とは図２に示すように、基板１上に配列された熱電素子４のうち、最も外側に配列された熱電素子４の外側面を結んで得られる領域Ｂの面積のことである。また、基板１は、例えばＡｌ２Ｏ３を使用して形成することができる。更に、図１に示される基板１の大きさが上下で異なる場合には、小さい方の基板１の面積が基板面積として適用される。更にまた、電極２は例えば、めっき法又はＤＢＣ法（ダイレクト・ボンディング・カッパ接合法）によりＣｕを使用して形成することができる。
【００１４】
以下、本発明の熱電モジュールの数値限定理由について説明する。
【００１５】
熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓ：０．４２以上
熱電素子の配列が密になると、熱電素子と熱電素子との間にある気体、例えば空気又は窒素が少なくなり、対流による損失が小さくなる。また、熱電素子の接合面積が増大するため、耐衝撃性及び耐振動性が向上する。この効果は熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓが０．４２以上で得ることができる。従って、熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓを０．４２以上とする。なお、このＡ／Ｓの値は高いほど熱電モジュールの効率は上昇するので好ましく、Ａ／Ｓが０．５以上であることが好ましい。
【００１６】
熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐ：０．４５以上
熱電素子の配列が密になると、熱電素子と熱電素子との間にある気体、例えば空気又は窒素が少なくなり、対流による損失が小さくなる。また、熱電素子の接合面積が増大するため、耐衝撃性及び耐振動性が向上する。この効果は、図２に示すように、熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐが０．４５以上で得ることができる。従って、熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐは０．４５以上とすることが好ましい。更に好ましくはＡ／Ｐは０．５５以上である。
【００１７】
電極の総断面積をＤとし、基板面積をＳとするとき、Ｄ／Ｓ：０．７５以上
熱電素子の配列が密になり、熱電密度が高くなると、熱流密度が高くなる。これは熱伝導率が高い電極を大きくすることにより、効率的に発散させるためである。この効果を得るために、電極の総断面積をＤとし、基板面積をＳとするとき、Ｄ／Ｓは０．７５以上とすることが好ましい。更に好ましくはＤ／Ｓは０．８以上である。
【００１８】
電極の厚さ：５０μｍ以上
電極の厚さは、厚くなるほど発熱ジュール熱が少ない。特に、熱流密度が大きくなると、電極の温度が高くなりやすい。このため、電極の電気抵抗が高くなりやすいので電極を厚くする必要がある。この効果を得るために、電極の厚さは５０μｍ以上とすることが好ましい。更に好ましくは電極の厚さは１００μｍ以上であり、更に一層好ましくは１５０μｍである。
【００１９】
熱電素子の熱電材料の熱伝導率：１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下
熱電導率による熱電モジュールの性能低下が小さくなるため、熱伝導率は小さい方がよい。特に、熱電素子の断面積が大きい場合には有効である。熱電モジュールの性能を低下させない効果を得るために、熱電素子の熱電材料の熱伝導率は１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下とすることが好ましい。更に好ましくは熱電素子の熱電材料の熱伝導率は１．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、更に一層好ましくは熱電素子の熱電材料の熱伝導率は１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。これらの熱伝導率の値はｐ型の熱電素子及びｎ型の熱電素子共に、この特性を示すことが望ましいが、いずれか一方が満足すればよい。
【００２０】
【実施例】
以下、図１に示す実施例の構造を有する表２乃至表１３に示す熱電モジュールを作製し、その熱電モジュールの実施例について、その機械強度及び冷却効率を比較例と比較して具体的に説明する。ここで、下記表１乃至１３の欄に示す「熱電素子が配列される領域」とは、図２に示すように、熱電素子４が占有する部分のことであり、その領域は図２の斜線部以外の部分で示される領域Ｂのことである。また、下記表１乃至１３の基板の欄に示す「周辺部」とは、「熱電素子が配列される領域」の端から基板１の端までの長さのことであり、図２に示すように、Ｅで示す長さのことである。なお、「熱電素子が配列される領域」は、例えば基板１が正方形又は長方形の場合、（基板の１辺の長さ−（周辺部×２））×（基板の１辺の長さ−（周辺部×２））によって得られる。更に、表１乃至１３の電極の欄に示す「廃熱側総電極面積」は、例えば全ての電極サイズが同一の熱電モジュールの場合、電極面積×（対数＋１）によって得られる。熱電モジュールにより、基板１のサイズが上下（冷却側と廃熱側）で異なるものがあるが、その場合は、基板１のサイズが小さい方の基板１の電極の総断面積をＤとする。例えば、本発明の後述する実施例及び比較例で採用した熱電モジュールのように、上下の基板１のサイズが同じ場合は、廃熱側総電極面積をＤとする。
【００２１】
【表２】
【００２２】
【表３】
【００２３】
【表４】
【００２４】
【表５】
【００２５】
【表６】
【００２６】
【表７】
【００２７】
【表８】
【００２８】
【表９】
【００２９】
【表１０】
【００３０】
【表１１】
【００３１】
【表１２】
【００３２】
【表１３】
【００３３】
第１実施例
表２及び表３に示す構造を有する熱電素子面積が同一で基板サイズが異なる熱電モジュールを作製した。なお、熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００３４】
この熱電モジュールについて同一条件のサンプルを６個用意し、冷却効率及び機械強度について調査した。
【００３５】
冷却効率については、低温側の温度（Ｔｃ）を２５℃とし、高温側の温度（Ｔｈ）を６０℃とし、吸熱量をＱ、冷却効率をη、熱電モジュールの消費電力をＷｐとするとき、冷却効率ηは下記数式１により示される。なお、吸熱量はＴｃ＝Ｔｈ＝４２．５℃における最大吸熱量の１／３とした。この数式１により冷却効率を算出した。なお、測定は乾燥空気中で行った。
【００３６】
【数１】
η＝Ｑ／Ｗｐ
【００３７】
機械強度については、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。図３は耐衝撃性の評価に使用される試料を示す断面図、図４は同じくその斜視図、図５は耐衝撃試験の試験方法を示す模式図であって（ａ）はＺ軸方向の試験方法を示し、（ｂ）はＸ軸方向の試験方法を示し、（ｃ）Ｙ軸方向の試験方法を示す模式図である。試料２０は、冷却側基板１０と廃熱側基板１１との間に熱電素子４が配置された熱電モジュールに対し、その冷却側基板１０の上面に質量が１．２ｇのおもり１２をはんだ３により固定したものである。試料２０は廃熱側基板１１を正面視Ｈ形の衝撃台１３の表面に向け、はんだ３により衝撃台１３に固定されている。試料２０を固定する衝撃台１３の箇所は、図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、耐衝撃試験を行う軸方向により異なる。例えば、Ｚ軸方向の衝撃試験を行う場合、衝撃台１３の凹部に試料２０を固定し、Ｘ軸又はＹ軸方向の衝撃試験を行う場合、衝撃台１３の側部に試料２０を固定する。
【００３８】
耐衝撃性の評価については、上述の試料２０を衝撃台１３に固定し、その衝撃台１３を試験台１５に落下させて、落下衝撃力を加えることにより、１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。（ＭＩＬ規格 ＳＴＤ−８８３，２００２ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｂ １５００Ｇ ０．５ミリ秒）試料２０に加速度を付与する方向は、図４に示すように、基板１０、１１と垂直方向（Ｚ軸方向）及び基板１０、１１の表面に平行な直行する２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の３方向である。夫々の方向について、図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、試料２０の位置を変えて衝撃台１３に固定して衝撃を加えた。この衝撃を加える回数は、各方向及び各向きについて、夫々５回ずつ加えた。即ち、１つの試料２０につき、５（回数）×２（向き）×３（方向）＝３０回の衝撃を与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及びテスト前後の廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘの変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。このΔＡＣＲは下記数式２で求め、ΔΔＴｍａｘは下記数式３により求めた。
【００３９】
【数２】
ΔＡＣＲ＝（（テスト後のＡＣＲ）−（テスト前のＡＣＲ））／（テスト前のＡＣＲ）
【００４０】
【数３】
ΔΔＴｍａｘ＝（（テスト後のΔＴｍａｘ）−（テスト前のΔＴｍａｘ））／（テスト前のΔＴｍａｘ）
【００４１】
図６は耐振動性の評価に使用される試料を示す斜視図である。耐振動性の評価については、耐衝撃性の評価と同様に図３に示す試料２０を使用した。この試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、試料２０に対して振動台１４を一方向に振動させることにより、２０Ｇの加速度を２０乃至２０００Ｈｚの周波数で作用させた。即ち、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。これを１回振動させたとする。（ＭＩＬ規格 ＳＴＤ−８８３，２００７ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ａ ２０Ｇ，２０〜２０００Ｈｚ）
【００４２】
試料２０に加速度を付与する方向は、図６に示すように、基板１０、１１と垂直方向（Ｚ軸方向）及び基板１０、１１の表面に平行な直行する２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の３方向である。夫々の方向について４回、即ち、１つの試料２０につき、４（回数）×３（方向）＝１２回の振動を与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃におけるテスト前後の最大温度差ΔＴｍａｘの変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。なお、ΔＡＣＲは上記数式２で求め、ΔΔＴｍａｘは上記数式３により求めた。これらの結果を表１４乃至１６に示す。
【００４３】
【表１４】
【００４４】
【表１５】
【００４５】
【表１６】
【００４６】
上記表１４乃至１６に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至４はいずれも冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が０．４２以上、更に望ましくは０．５以上で良好な結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．２８乃至３０は（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲の下限値未満であると共に、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子が配列される領域の面積）の値が本発明の下限値未満であるため、冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができなかった。
【００４７】
第２実施例
表３乃至表５に示す構造を有する基板サイズが同一で熱電素子面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４８】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００４９】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００５０】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表１７に示す。
【００５１】
【表１７】
【００５２】
上記表１７に示すように、実施例Ｎｏ．５乃至８はいずれも冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が０．４２以上、更には０．５以上で高特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３１乃至３４は（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲の下限値未満であると共に、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子が配列される領域の面積）の値が本発明の下限値未満であるため、冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができなかった。
【００５３】
第３実施例
表５及び表６に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の総面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５４】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００５５】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００５６】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表１８に示す。
【００５７】
【表１８】
【００５８】
上記表１８に示すように、実施例Ｎｏ．９及び１０は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（電極の総面積）／（基板面積）の値が０．７５以上、更に好ましくは０．８以上で高い特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３５は請求項１を満足するものの、（電極の総面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性については良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００５９】
第４実施例
表５及び表６に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の総面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００６０】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００６１】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００６２】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表１９に示す。
【００６３】
【表１９】
【００６４】
上記表１９に示すように、実施例Ｎｏ．１１は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３６及び３７は請求項１を満足するものの、（電極の総面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性については良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００６５】
第５実施例
表５乃至表８に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の厚さが異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００６６】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００６７】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００６８】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２０に示す。
【００６９】
【表２０】
【００７０】
上記表２０に示すように、実施例Ｎｏ．１２乃至１５は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、電極の厚さが５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上で高い特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３８及び３９は請求項１を満足するものの、電極の厚さが本発明の範囲未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００７１】
第６実施例
表７及び表８に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の厚さが異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００７２】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００７３】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００７４】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２１に示す。
【００７５】
【表２１】
【００７６】
上記表２１に示すように、実施例Ｎｏ．１６乃至１９は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、電極の厚さが５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、更に好ましくは１５０μｍ以上で高い特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．４０は請求項１及び３は満足するものの、電極の厚さが本発明の範囲の下限値未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率は若干劣った。また、電極が厚いと、熱電モジュールの総厚が大きくなるため、機械的強度が低下すると考えられる。
【００７７】
第７実施例
表６、９及び１０に示す構造を有する熱電素子面積が同一で熱電材料の熱伝導率が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍであった。
【００７８】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００７９】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００８０】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２２に示す。
【００８１】
【表２２】
【００８２】
上記表２２に示すように、実施例Ｎｏ．２０及び２１は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。特に、冷却効率は極めて優れた結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．４１乃至４４は請求項１及び４は満足するものの、熱電材料の熱伝導率が本発明の範囲の上限値を超えているため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率は若干劣った。
【００８３】
第８実施例
表９乃至表１１に示す構造を有する熱電素子面積が同一で熱電材料の熱伝導率が異なる熱電モジュールを作製した。なお、熱電素子の高さは０．７ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍであった。
【００８４】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、低温側の温度（Ｔｃ）を２５℃とし、高温側の温度（Ｔｈ）を６０℃とし、吸熱量をＱ、冷却効率をη、熱電素子の消費電力をＷｐとするとき、熱効率ηは上記数式１により示される。なお、吸熱量はＴｃ＝Ｔｈ＝４２．５℃における最大吸熱量の１／３とした。この数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００８５】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００８６】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２３に示す。
【００８７】
【表２３】
【００８８】
上記表２３に示すように、実施例Ｎｏ．２２及び２３は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性が極めて優れていた。特に、冷却効率は極めて優れた結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．４５乃至４８は請求項１、３及び４は満足するものの、熱電材料の熱伝導率が本発明の範囲を超えているため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００８９】
第９実施例
表１２及び表１３に示す構造を有する熱電素子面積が同一で熱電素子の占有面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱伝導率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００９０】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、上述の数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００９１】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００９２】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２４に示す。
【００９３】
【表２４】
【００９４】
上記表２４に示すように、実施例Ｎｏ．２４乃至２７は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子の占有面積）の値が０．４５以上、更に０．５５以上で高い特性を得ることができた。
【００９５】
一方、比較例Ｎｏ．４９乃至５１は（熱電素子の総断面積）／（熱電素子の占有面積）の値が本発明の範囲の下限値未満であると共に、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子が配列される領域の面積）の値が本発明の下限値未満であるため、冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができなかった。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明においては、熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓを０．４２以上とすることにより、接合面積が増大し、熱電素子間の空気の少なくなるため、機械強度が高く、冷却効率も高い熱電モジュールを得ることができる。
【００９７】
また、熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐを０．４５以上とすることにより、接合面積が増大し、熱電素子間の空気の少なくなるため、機械強度が高く、冷却効率も高い熱電モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。
【図２】同じくその熱電モジュールの熱電素子の配置を示す平面図である。
【図３】耐衝撃性の評価に使用される試料を示す断面図である。
【図４】同じくその斜視図である。
【図５】耐衝撃試験の試験方法を示す模式図であって（ａ）はＺ軸方向の試験方法を示し、（ｂ）はＸ軸方向の試験方法を示し、（ｃ）Ｙ軸方向の試験方法を示す模式図である。
【図６】耐振動性の評価に使用される試料を示す斜視図である。
【符号の説明】
１；基板、 ２；電極、 ３；はんだ、 ４；熱電素子、 １０；冷却側基板、１１；廃熱側基板、 １２；おもり、 １３；衝撃台、 １４：振動台、 １５；試験台、 ２０；試料、 Ｂ；領域
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電発電又は熱電冷却等に使用される熱電モジュールに関し、特に、熱効率及び機械的強度が高い熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、表１に示すような熱電素子の両面が基板に挟まれている熱電モジュールが知られている。
【０００３】
【表１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の熱電モジュールは表１に示すように、（総熱電素子面積）／（基板面積）が０．４１以下であるものしかない。このような熱電モジュールは機械的強度が低く、冷却効率も低いという問題点がある。
【０００５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、機械強度が高く、冷却効率も高い熱電モジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る熱電モジュールは、ｐ型及びｎ型の複数個の熱電素子が交互に配列され、各熱電素子が直列に接続されるように複数個の電極により接続され、更に前記電極に少なくとも１枚以上の基板が接合されている熱電モジュールにおいて、前記熱電素子の総断面積をＡとし、前記基板面積をＳとし、前記電極の総断面積をＤとするとき、Ａ／Ｓが０．４２以上であり、且つＤ／Ｓが０．７５以上であることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係る他の熱電モジュールは、ｐ型及びｎ型の複数個の熱電素子が交互に配列され、各熱電素子が直列に接続されるように複数個の電極により接続され、更に前記電極に少なくとも１枚以上の基板が接合されている熱電モジュールにおいて、前記熱電素子の総断面積をＡとし、前記熱電素子が配列される領域の面積をＰとし、前記電極の総断面積をＤとし、前記基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｐが０．４５以上であり、且つＤ／Ｓが０．７５以上であることを特徴とする。
【０００９】
また、前記電極の厚さは、５０μｍ以上であることが好ましい。
【００１０】
更に、前記熱電素子の熱電材料の熱伝導率が１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。
【００１１】
本発明おいては、熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓを０．４２以上とすることにより、接合面積が増大し、熱電素子間の空気の少なくなるため、機械強度が高く、冷却効率も高くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例に係る熱電モジュールについて添付の図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。図２は同じくその熱電モジュールの熱電素子４の配置を示す平面図である。図１に示すように、本実施例では、基板１の上に電極２が形成され、この電極２の上にはんだ３を介してｐ型及びｎ型の熱電素子４が接合されている。この熱電素子４に電極２が接合されていない側にも同様にはんだ３を介して電極２が接合され、更に電極２には基板１が接合されている。本実施例においては、熱電素子４の総断面積をＡとし、この基板１の基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓが０．４２以上である。また、熱電素子４の総断面積をＡとし、熱電素子４が配列される領域の面積（以下、熱電素子４の占有面積という。）をＰとするとき、Ａ／Ｐが０．４５以上である。更に、電極２の総断面積をＤとし、基板１の基板面積をＳとするとき、Ｄ／Ｓが０．７５以上である。更にまた、電極２の厚さは５０μｍ以上であり、熱電素子４の熱電材料の熱伝導率は１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。
【００１３】
なお、熱電素子４の占有面積とは図２に示すように、基板１上に配列された熱電素子４のうち、最も外側に配列された熱電素子４の外側面を結んで得られる領域Ｂの面積のことである。また、基板１は、例えばＡｌ２Ｏ３を使用して形成することができる。更に、図１に示される基板１の大きさが上下で異なる場合には、小さい方の基板１の面積が基板面積として適用される。更にまた、電極２は例えば、めっき法又はＤＢＣ法（ダイレクト・ボンディング・カッパ接合法）によりＣｕを使用して形成することができる。
【００１４】
以下、本発明の熱電モジュールの数値限定理由について説明する。
【００１５】
熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓ：０．４２以上
熱電素子の配列が密になると、熱電素子と熱電素子との間にある気体、例えば空気又は窒素が少なくなり、対流による損失が小さくなる。また、熱電素子の接合面積が増大するため、耐衝撃性及び耐振動性が向上する。この効果は熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓが０．４２以上で得ることができる。従って、熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓを０．４２以上とする。なお、このＡ／Ｓの値は高いほど熱電モジュールの効率は上昇するので好ましく、Ａ／Ｓが０．５以上であることが好ましい。
【００１６】
熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐ：０．４５以上
熱電素子の配列が密になると、熱電素子と熱電素子との間にある気体、例えば空気又は窒素が少なくなり、対流による損失が小さくなる。また、熱電素子の接合面積が増大するため、耐衝撃性及び耐振動性が向上する。この効果は、図２に示すように、熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐが０．４５以上で得ることができる。従って、熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐは０．４５以上とすることが好ましい。更に好ましくはＡ／Ｐは０．５５以上である。
【００１７】
電極の総断面積をＤとし、基板面積をＳとするとき、Ｄ／Ｓ：０．７５以上
熱電素子の配列が密になり、熱電密度が高くなると、熱流密度が高くなる。これは熱伝導率が高い電極を大きくすることにより、効率的に発散させるためである。この効果を得るために、電極の総断面積をＤとし、基板面積をＳとするとき、Ｄ／Ｓは０．７５以上とすることが好ましい。更に好ましくはＤ／Ｓは０．８以上である。
【００１８】
電極の厚さ：５０μｍ以上
電極の厚さは、厚くなるほど発熱ジュール熱が少ない。特に、熱流密度が大きくなると、電極の温度が高くなりやすい。このため、電極の電気抵抗が高くなりやすいので電極を厚くする必要がある。この効果を得るために、電極の厚さは５０μｍ以上とすることが好ましい。更に好ましくは電極の厚さは１００μｍ以上であり、更に一層好ましくは１５０μｍである。
【００１９】
熱電素子の熱電材料の熱伝導率：１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下
熱電導率による熱電モジュールの性能低下が小さくなるため、熱伝導率は小さい方がよい。特に、熱電素子の断面積が大きい場合には有効である。熱電モジュールの性能を低下させない効果を得るために、熱電素子の熱電材料の熱伝導率は１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下とすることが好ましい。更に好ましくは熱電素子の熱電材料の熱伝導率は１．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であり、更に一層好ましくは熱電素子の熱電材料の熱伝導率は１．２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下である。これらの熱伝導率の値はｐ型の熱電素子及びｎ型の熱電素子共に、この特性を示すことが望ましいが、いずれか一方が満足すればよい。
【００２０】
【実施例】
以下、図１に示す実施例の構造を有する表２乃至表１３に示す熱電モジュールを作製し、その熱電モジュールの実施例について、その機械強度及び冷却効率を比較例と比較して具体的に説明する。ここで、下記表１乃至１３の欄に示す「熱電素子が配列される領域」とは、図２に示すように、熱電素子４が占有する部分のことであり、その領域は図２の斜線部以外の部分で示される領域Ｂのことである。また、下記表１乃至１３の基板の欄に示す「周辺部」とは、「熱電素子が配列される領域」の端から基板１の端までの長さのことであり、図２に示すように、Ｅで示す長さのことである。なお、「熱電素子が配列される領域」は、例えば基板１が正方形又は長方形の場合、（基板の１辺の長さ−（周辺部×２））×（基板の１辺の長さ−（周辺部×２））によって得られる。更に、表１乃至１３の電極の欄に示す「廃熱側総電極面積」は、例えば全ての電極サイズが同一の熱電モジュールの場合、電極面積×（対数＋１）によって得られる。熱電モジュールにより、基板１のサイズが上下（冷却側と廃熱側）で異なるものがあるが、その場合は、基板１のサイズが小さい方の基板１の電極の総断面積をＤとする。例えば、本発明の後述する実施例及び比較例で採用した熱電モジュールのように、上下の基板１のサイズが同じ場合は、廃熱側総電極面積をＤとする。
【００２１】
【表２】
【表３】
【表４】
【表５】
【表６】
【表７】
【表８】
【表９】
【表１０】
【表１１】
【表１２】
【表１３】
第１実施例
表２及び表３に示す構造を有する熱電素子面積が同一で基板サイズが異なる熱電モジュールを作製した。なお、熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００３４】
この熱電モジュールについて同一条件のサンプルを６個用意し、冷却効率及び機械強度について調査した。
【００３５】
冷却効率については、低温側の温度（Ｔｃ）を２５℃とし、高温側の温度（Ｔｈ）を６０℃とし、吸熱量をＱ、冷却効率をη、熱電モジュールの消費電力をＷｐとするとき、冷却効率ηは下記数式１により示される。なお、吸熱量はＴｃ＝Ｔｈ＝４２．５℃における最大吸熱量の１／３とした。この数式１により冷却効率を算出した。なお、測定は乾燥空気中で行った。
【００３６】
【数１】
η＝Ｑ／Ｗｐ
【００３７】
機械強度については、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。図３は耐衝撃性の評価に使用される試料を示す断面図、図４は同じくその斜視図、図５は耐衝撃試験の試験方法を示す模式図であって（ａ）はＺ軸方向の試験方法を示し、（ｂ）はＸ軸方向の試験方法を示し、（ｃ）Ｙ軸方向の試験方法を示す模式図である。試料２０は、冷却側基板１０と廃熱側基板１１との間に熱電素子４が配置された熱電モジュールに対し、その冷却側基板１０の上面に質量が１．２ｇのおもり１２をはんだ３により固定したものである。試料２０は廃熱側基板１１を正面視Ｈ形の衝撃台１３の表面に向け、はんだ３により衝撃台１３に固定されている。試料２０を固定する衝撃台１３の箇所は、図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、耐衝撃試験を行う軸方向により異なる。例えば、Ｚ軸方向の衝撃試験を行う場合、衝撃台１３の凹部に試料２０を固定し、Ｘ軸又はＹ軸方向の衝撃試験を行う場合、衝撃台１３の側部に試料２０を固定する。
【００３８】
耐衝撃性の評価については、上述の試料２０を衝撃台１３に固定し、その衝撃台１３を試験台１５に落下させて、落下衝撃力を加えることにより、１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。（ＭＩＬ規格 ＳＴＤ−８８３，２００２ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｂ １５００Ｇ ０．５ミリ秒）試料２０に加速度を付与する方向は、図４に示すように、基板１０、１１と垂直方向（Ｚ軸方向）及び基板１０、１１の表面に平行な直行する２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の３方向である。夫々の方向について、図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、試料２０の位置を変えて衝撃台１３に固定して衝撃を加えた。この衝撃を加える回数は、各方向及び各向きについて、夫々５回ずつ加えた。即ち、１つの試料２０につき、５（回数）×２（向き）×３（方向）＝３０回の衝撃を与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及びテスト前後の廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘの変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。このΔＡＣＲは下記数式２で求め、ΔΔＴｍａｘは下記数式３により求めた。
【００３９】
【数２】
ΔＡＣＲ＝（（テスト後のＡＣＲ）−（テスト前のＡＣＲ））／（テスト前のＡＣＲ）
【００４０】
【数３】
ΔΔＴｍａｘ＝（（テスト後のΔＴｍａｘ）−（テスト前のΔＴｍａｘ））／（テスト前のΔＴｍａｘ）
【００４１】
図６は耐振動性の評価に使用される試料を示す斜視図である。耐振動性の評価については、耐衝撃性の評価と同様に図３に示す試料２０を使用した。この試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、試料２０に対して振動台１４を一方向に振動させることにより、２０Ｇの加速度を２０乃至２０００Ｈｚの周波数で作用させた。即ち、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。これを１回振動させたとする。（ＭＩＬ規格 ＳＴＤ−８８３，２００７ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ａ ２０Ｇ，２０〜２０００Ｈｚ）
【００４２】
試料２０に加速度を付与する方向は、図６に示すように、基板１０、１１と垂直方向（Ｚ軸方向）及び基板１０、１１の表面に平行な直行する２方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）の３方向である。夫々の方向について４回、即ち、１つの試料２０につき、４（回数）×３（方向）＝１２回の振動を与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃におけるテスト前後の最大温度差ΔＴｍａｘの変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。なお、ΔＡＣＲは上記数式２で求め、ΔΔＴｍａｘは上記数式３により求めた。これらの結果を表１４乃至１６に示す。
【００４３】
【表１４】
【表１５】
【表１６】
上記表１４乃至１６に示すように、実施例Ｎｏ．１乃至４はいずれも冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が０．４２以上、更に望ましくは０．５以上で良好な結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．２８乃至３０は（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲の下限値未満であると共に、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子が配列される領域の面積）の値が本発明の下限値未満であるため、冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができなかった。
【００４７】
第２実施例
表３乃至表５に示す構造を有する基板サイズが同一で熱電素子面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００４８】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００４９】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００５０】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表１７に示す。
【００５１】
【表１７】
上記表１７に示すように、実施例Ｎｏ．５乃至８はいずれも冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が０．４２以上、更には０．５以上で高特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３１乃至３４は（熱電素子の総断面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲の下限値未満であると共に、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子が配列される領域の面積）の値が本発明の下限値未満であるため、冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができなかった。
【００５３】
第３実施例
表５及び表６に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の総面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００５４】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００５５】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００５６】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表１８に示す。
【００５７】
【表１８】
上記表１８に示すように、実施例Ｎｏ．９及び１０は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（電極の総面積）／（基板面積）の値が０．７５以上、更に好ましくは０．８以上で高い特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３５は請求項１を満足するものの、（電極の総面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性については良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００５９】
第４実施例
表５及び表６に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の総面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００６０】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００６１】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００６２】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表１９に示す。
【００６３】
【表１９】
上記表１９に示すように、実施例Ｎｏ．１１は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３６及び３７は請求項１を満足するものの、（電極の総面積）／（基板面積）の値が本発明の範囲未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性については良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００６５】
第５実施例
表５乃至表８に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の厚さが異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００６６】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００６７】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００６８】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２０に示す。
【００６９】
【表２０】
上記表２０に示すように、実施例Ｎｏ．１２乃至１５は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、電極の厚さが５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上で高い特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．３８及び３９は請求項１を満足するものの、電極の厚さが本発明の範囲未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００７１】
第６実施例
表７及び表８に示す構造を有する熱電素子面積が同一で電極の厚さが異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱電材料の熱伝達率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００７２】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００７３】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００７４】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２１に示す。
【００７５】
【表２１】
上記表２１に示すように、実施例Ｎｏ．１６乃至１９は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、電極の厚さが５０μｍ以上、好ましくは１００μｍ以上、更に好ましくは１５０μｍ以上で高い特性を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．４０は請求項１及び３は満足するものの、電極の厚さが本発明の範囲の下限値未満であるため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率は若干劣った。また、電極が厚いと、熱電モジュールの総厚が大きくなるため、機械的強度が低下すると考えられる。
【００７７】
第７実施例
表６、９及び１０に示す構造を有する熱電素子面積が同一で熱電材料の熱伝導率が異なる熱電モジュールを作製した。なお、第１実施例と同様に熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍであった。
【００７８】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、第１実施例と同様に、上記数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００７９】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００８０】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２２に示す。
【００８１】
【表２２】
上記表２２に示すように、実施例Ｎｏ．２０及び２１は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。特に、冷却効率は極めて優れた結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．４１乃至４４は請求項１及び４は満足するものの、熱電材料の熱伝導率が本発明の範囲の上限値を超えているため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率は若干劣った。
【００８３】
第８実施例
表９乃至表１１に示す構造を有する熱電素子面積が同一で熱電材料の熱伝導率が異なる熱電モジュールを作製した。なお、熱電素子の高さは０．７ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍであった。
【００８４】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、低温側の温度（Ｔｃ）を２５℃とし、高温側の温度（Ｔｈ）を６０℃とし、吸熱量をＱ、冷却効率をη、熱電素子の消費電力をＷｐとするとき、熱効率ηは上記数式１により示される。なお、吸熱量はＴｃ＝Ｔｈ＝４２．５℃における最大吸熱量の１／３とした。この数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、第１実施例と同様に、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００８５】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００８６】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２３に示す。
【００８７】
【表２３】
上記表２３に示すように、実施例Ｎｏ．２２及び２３は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性が極めて優れていた。特に、冷却効率は極めて優れた結果を得ることができた。一方、比較例Ｎｏ．４５乃至４８は請求項１、３及び４は満足するものの、熱電材料の熱伝導率が本発明の範囲を超えているため、耐衝撃性及び耐振動性は良好な結果を得ることができるものの、冷却効率が若干劣った。
【００８９】
第９実施例
表１２及び表１３に示す構造を有する熱電素子面積が同一で熱電素子の占有面積が異なる熱電モジュールを作製した。なお、熱電素子の高さは０．８ｍｍであり、基板の材質はＡｌ２Ｏ３であり、基板の厚さは０．３ｍｍ、熱電素子の熱伝導率は１．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
【００９０】
これらの熱電モジュールについて第１実施例と同様に冷却効率及び機械強度について調査した。冷却効率については、上述の数式１により冷却効率を算出した。機械強度については、耐衝撃性及び耐振動性を評価した。
【００９１】
耐衝撃性については、第１実施例と同様にして、試料２０に対して直交する３方向に１５００Ｇの加速度を０．５ミリ秒作用させた。即ち、この衝撃を１つの試料２０につき、５（回）×２（向き）×３（方向）＝３０回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して衝撃を加え、耐衝撃性の評価を行った。
【００９２】
耐振動性についても、第１実施例と同様にして評価した。即ち、試料２０の廃熱側基板１１を振動台１４の上にはんだ３で固定し、この試料２０に対して振動台１４をＸ、Ｙ又はＺ軸方向のいずれか一方向に振動させて、加速度が２０Ｇとなるようにして周波数を２０から２０００Ｈｚまで上げた。この振動を１つの試料２０につき、４（回）×３（方向）＝１２回与えた。このとき、試料２０の温度２７℃における交流電気抵抗のテスト前後の変化率（ΔＡＣＲ）及び廃熱側基板表面温度が２７℃における最大温度差ΔＴｍａｘのテスト前後の変化率（ΔΔＴｍａｘ）を求めた。同じ条件の試料２０（サンプル）を６個用意し、夫々に対して振動させて耐振動性の評価を行った。これらの結果を表２４に示す。
【００９３】
【表２４】
上記表２４に示すように、実施例Ｎｏ．２４乃至２７は冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができた。即ち、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子の占有面積）の値が０．４５以上、更に０．５５以上で高い特性を得ることができた。
【００９５】
一方、比較例Ｎｏ．４９乃至５１は（熱電素子の総断面積）／（熱電素子の占有面積）の値が本発明の範囲の下限値未満であると共に、（熱電素子の総断面積）／（熱電素子が配列される領域の面積）の値が本発明の下限値未満であるため、冷却効率、耐衝撃性及び耐振動性について良好な結果を得ることができなかった。
【００９６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明においては、熱電素子の総断面積をＡとし、基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｓを０．４２以上とすることにより、接合面積が増大し、熱電素子間の空気の少なくなるため、機械強度が高く、冷却効率も高い熱電モジュールを得ることができる。
【００９７】
また、熱電素子の総断面積をＡとし、熱電素子が配列される領域の面積をＰとするとき、Ａ／Ｐを０．４５以上とすることにより、接合面積が増大し、熱電素子間の空気の少なくなるため、機械強度が高く、冷却効率も高い熱電モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す断面図である。
【図２】同じくその熱電モジュールの熱電素子の配置を示す平面図である。
【図３】耐衝撃性の評価に使用される試料を示す断面図である。
【図４】同じくその斜視図である。
【図５】耐衝撃試験の試験方法を示す模式図であって（ａ）はＺ軸方向の試験方法を示し、（ｂ）はＸ軸方向の試験方法を示し、（ｃ）Ｙ軸方向の試験方法を示す模式図である。
【図６】耐振動性の評価に使用される試料を示す斜視図である。
【符号の説明】
１；基板、 ２；電極、 ３；はんだ、 ４；熱電素子、 １０；冷却側基板、１１；廃熱側基板、 １２；おもり、 １３；衝撃台、 １４：振動台、 １５；試験台、 ２０；試料、 Ｂ；領域
Claims (4)
- ｐ型及びｎ型の複数個の熱電素子が交互に配列され、各熱電素子が直列に接続されるように複数個の電極により接続され、更に前記電極に少なくとも１枚以上の基板が接合されている熱電モジュールにおいて、前記熱電素子の総断面積をＡとし、前記基板面積をＳとし、前記電極の総断面積をＤとするとき、Ａ／Ｓが０．４２以上であり、且つＤ／Ｓが０．７５以上であることを特徴とする熱電モジュール。
- ｐ型及びｎ型の複数個の熱電素子が交互に配列され、各熱電素子が直列に接続されるように複数個の電極により接続され、更に前記電極に少なくとも１枚以上の基板が接合されている熱電モジュールにおいて、前記熱電素子の総断面積をＡとし、前記熱電素子が配列される領域の面積をＰとし、前記電極の総断面積をＤとし、前記基板面積をＳとするとき、Ａ／Ｐが０．４５以上であり、且つＤ／Ｓが０．７５以上であることを特徴とする熱電モジュール。
- 前記電極の厚さは、５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電モジュール。
- 前記熱電素子の熱電材料の熱伝導率が１．３５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
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