JP3570345B2 - 熱電モジュール - Google Patents
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Description
【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
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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