JP3598802B2 - 熱電モジュール - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は多数の熱電素子を配列させた熱電モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
熱電モジュールは、P型の熱電素子とN型の熱電素子とを接続して形成されるが、この時、P型熱電素子とN型熱電素子の各上下の電極面を電極に接続して上下に対向する基板間にP型熱電素子とN型熱電素子とを配したものが一般的に用いられている。
【0003】
ところで、熱電モジュールに用いる熱電素子は、ゾーンメルト法により製造された結晶材を機械的に加工することによって得たものと、結晶材を粉砕した粉末を押出しやプレス等により圧粉加工し、その後400℃程度の熱をかけて焼結して得たものとがある。前者のものであれば、P型熱電素子とN型熱電素子の電気的・熱的物性に大きな差はないが、後者のものであると、粉砕した粉の末粒径に熱電素子の電気的・熱的物性が影響をうける。たとえば結晶材の性能として、P型熱電材料に物性値が電気抵抗率0.95〜0.73Ωm、熱伝導率1.65〜1.41W/mK、ゼーベック係数197〜183V/mKのものを用いるとともに、N型熱電材料に電気抵抗率1.05×0.77Ωm、熱伝導率1.72〜1.52W/mK、ゼーベック係数208〜182V/mKのものを用いた場合、P型熱電素子では粉末の粒径が0.1mm程度の時に素子としての性能が最大(電気抵抗率が約1.07〜2.3×10−5Ωm、熱伝導率が約0.75〜1.2W/mK)となり、N型熱電素子では0.1mm程度の時に性能最大(電気抵抗率約1.0×10−5Ωm、熱伝導率約1.2〜1.30W/mK)となる。
【0004】
ここにおいて、従来の熱電モジュールでは、P型熱電素子とN型熱電素子とは同一形状のものを用いていたのであるが、上記のようにP型熱電素子とN型熱電素子とに電気的・熱的特性に差がある場合、夫々の熱電素子の性能を最大に引き出す電流値(最適電流)に差が生じることから、両種熱電素子の両方の性能を最大に引き出すことができない。
【0005】
このために、特開平6−310765号公報には、P型熱電素子とN型熱電素子との長さを異ならせることで両種熱電素子の最適電流を等しくすることが示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、両種熱電素子の長さを異ならせた場合、P型熱電素子とN型熱電素子の各上下の電極面を電極に接続して上下に対向する基板間にP型熱電素子とN型熱電素子とを配した構造のものにおいては、長さが短い方の熱電素子と基板との間に長さの差の分を埋めるために別途銅層等を設けなくてはならず、このような銅層等の存在は、そこで発生するジュール熱や熱抵抗によってモジュールの性能低下を引き起こす要因となる。
【0007】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、P型熱電素子とN型熱電素子とに電気的特性や熱的特性で差がある場合でも、両種熱電素子の両方の性能を最大に引き出すことができる上に、構造的な性能低下要因を新たに生じてしまうこともない熱電モジュールを提供するにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、P型熱電素子とN型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にP型熱電素子とN型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、電極面と平行な平面で切ったP型及びN型熱電素子の断面積比を、P型及びN型熱電素子の電気抵抗値の平均値と熱伝導度の平均値との積が最小付近になるようにしていることに特徴を有している。
【0009】
P型熱電素子とN型熱電素子との電気的・熱的特性の差を断面積で調整することによって、両種熱電素子の長さを同じとすることができる。
熱電素子が熱電材の結晶材粉末を押し出してプレス等の圧粉工程で製造されたものである場合、電極面と平行な平面で切ったP型及びN型熱電素子の断面積をP型熱電素子の方を大きくするとともに、両者の断面積比を1.5〜2.9の範囲とするのが好ましい。
【0010】
いずれの場合も、少なくとも断面積の大きい方の熱電素子は電極面と平行な平面で切った形状が円形状としておくことで、熱応力がよりかかりやすくなる断面積の大きい方の熱電素子に応力集中しにくくなる。
少なくとも断面積が小さい方の熱電素子が中空形状であり、P型熱電素子とN型熱電素子とはほぼ同じ外形寸法であると、やはり一方の熱電素子への応力集中を避けることができる。
【0011】
互いに隣り合う円柱形状のP型熱電素子とN型熱電素子との間を絶縁材で埋めれば、絶縁材による衝撃強度の向上効果を得ることができ、任意の熱電素子の中心からその熱電素子に電気的に隣り合う2つの熱電素子の中心までの直線同士が132〜158°の角度をなす配列で両種熱電素子を配設した時には、絶縁材の量を少なくすることができるために、絶縁材からの熱リーク量を減少させることができる。
【0012】
上記絶縁材は気泡を含有したものや、電極面と垂直な方向に貫通する貫通穴を備えたもの、あるいは電極面と垂直な方向の長さが熱電素子の長さよりも短いものが好ましい。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について説明すると、図1において、上下に対抗する対のセラミック製(たとえばAl2 O3 やTiAl製)基板3,3間には複数のP型熱電素子1pとN型熱電素子1nとを配設するとともに、これらのP型熱電素子1pとN型熱電素子1nの上下の電極面に銅やアルミニウムまたは導電性接着剤等の導電体からなる電極4が接合されて、P型熱電素子1pとN型熱電素子1nとが交互に且つ直列に接続されている。
【0014】
ここで、P型熱電素子1pとN型熱電素子1nとは電極面と垂直な方向の長さがほぼ等しいが、電極面と平行な平面で切断した断面積は,図2から明らかなように、N型熱電素子1nの断面積ANよりも、P型熱電素子1pの断面積APの方が大きくなっている。
今、 例えばP型熱電素子として、ゼーベック係数200×10−6V/K、電気抵抗率2.3×10−5Ωm、熱伝導率0.75W/mKのものを用いるとともに、N型熱電素子としてゼーベック係数200×10−6V/K、電気抵抗率1.0×l0−5Ωm、熱伝導率1.30W/mKのものを用いた場合、両種熱電素子1p,1nの断面積比AP/ANと1.5〜2.9とすると、P型熱電素子1p及びN型熱電素子1nの夫々の性能を最大に引き出すことが可能となる。なお、図3から明らかなように、両種熱電素子1p,1nの断面積比AP/ANを2.1にすると、両熱電素子1p,1nが同形状である場合に比較して、ほぼ12%の性能向上を図ることができる。
【0015】
図3で縦軸に示している性能指数は、熱電モジュールの性能を表す指数であり、熱電素子のゼーベック係数に比例し、電気抵抗(単位:Ω)と熱伝導度(単位:W/K)に反比例する指数であるために、電気抵抗×熱伝導度を小さな値になるように熱電素子の断面積比を決定することにより、モジュールの性能を向上させることができることになる。
【0016】
P型熱電素子1pとN型熱電素子1nの断面形状は図1及び図2に示したような正方形状とするのではなく、特に断面積が大きい方の熱電素子1pについては、断面形状が円形のものを用いるのが好ましい。図4及び図5に両熱電素子1p,1nの断面形状を円形としたものを示す。
熱電素子1p,1nの断面形状が四角形のように角部をもったものであると、ヒートサイクルをかけたときにその角部に応力の集中が生じ、そこから熱電素子にクラック等が発生し、熱電モジュールの寿命低下の要因となる。両種熱電素子1p,1nの断面積を異ならせたものでは、断面積が大きい方の熱電素子1pに特に大きな熱応力が加わってしまう。しかし、断面形状を円形としておけば、応力集中しやすい角部をもたないので、ヒートサイクル時に熱電素子にクラックが発生することを防止することができ、熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
【0017】
図6及び図7に示すように、少なくとも断面積の小さい方の熱電素子(N型熱電素子1n)を中空形状として、断面積の大きい方の熱電素子(P型熱電素子1p)の断面外形と同じくすれば、P型熱電素子1pとN型熱電素子1nとの外形状が異なるために生じるヒートサイクル時の熱応力の偏りを緩和することができるために、やはり熱電素子にクラック等が発生することを防止し、熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
【0018】
図8及び図9に示すように、P型熱電素子1pとN型熱電素子1nとの間の空間に、セラミック、ガラス、エポキシ、フェノ―ル等の絶縁材5を充填してもよい。熱電モジュールの耐衝撃強度が絶縁材5によって高くなる。もっとも絶縁材5を配することは、絶縁材5からの熱リーク量が問題となるのであるが、N型熱電素子1nに電気的に隣接して電気的に接続される2つのP型熱電素子1p,1pの配置について、これらの各中心を結ぶ線L1,L2とがなす角度を、132〜158°とすると、絶縁材5の断面積を減少させることができるために、ヒートサイクル時の絶縁材5の熱リ―ク量を減少させて熱電モジュールの性能を向上させることができる。なお、熱電素子1p,1nの断面積比AP/ANが1.5の場合は132°、断面積比AP/ANが2.1の場合は図10に示すように142°、断面積比AP/ANが2.9の場合は158°が最適である。
【0019】
上記絶縁材5として、窒素、フッ素、空気等の独立気泡を含有したものを用いると、ヒートサイクル時に絶縁材5の熱抵抗を増加させることができるために、使用時の絶縁材5の熱リ―ク量を減少させることができ、熱電モジュールの性能向上を図ることができる。
絶縁材5に熱電素子1p,1nの電極面と垂直な方向に貫通穴を設けてもよい。レーザ照射やドリルによる穴開け(機械的加工)、あるいは絶縁材中に予めピン等を熱電素子と共に埋め込んでおき、その後にピンだけ射抜く方法等により貫通穴を設けておけば、絶縁材の断面積が減少するために、ヒートサイクル時の絶縁材の熱リーク量を減少させることが可能となり、熱電モジュールの性能を向上させることができる。
【0020】
絶縁材5の長さ(厚さ)を熱電素子1p,1nよりも短くしておいてもよい。レーザ照射や機械的加工、または化学的エッチング等により絶縁材5を除去することで、熱電素子1p,1nの上面と絶縁材5の上面間に距離をもたせれば、熱電素子1p,1nと電極4との接合部で生じている温度差により発生する絶縁材5での熱リ―ク量を減少させることが可能となり、熱電モジュールの性能を向上させることができる。
【0022】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、P型熱電素子とN型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にP型熱電素子とN型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、電極面と平行な平面で切ったP型及びN型熱電素子の断面積比を、P型及びN型熱電素子の電気抵抗値の平均値と熱伝導度の平均値との積が最小付近になるようにしているために、電気的・熱的特性の異なるP,N型熱電素子をモジュール化したときにおいても、特性が異なるために生じる性能劣化を無くすことができ、素子性能を最大限活かすことが可能となる。
【0023】
熱電素子が熱電材の結晶材粉末を押し出してプレス等の圧粉工程で製造されたものである場合、電極面と平行な平面で切ったP型及びN型熱電素子の断面積をP型熱電素子の方を大きくするとともに、両者の断面積比を1.5〜2.9の範囲とするのが素子性能を活かす点において最良の結果を得ることができる。
そして少なくとも断面積の大きい方の熱電素子の電極面と平行な平面で切った形状を円形状としていることから、熱応力がよりかかりやすくなる断面積の大きい方の熱電素子に応力集中しにくくなるために、熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
【0024】
少なくとも断面積が小さい方の熱電素子を中空形状とし、P型熱電素子とN型熱電素子とをほぼ同じ外形寸法とすると、一方の熱電素子への応力集中を避けることができ、やはり熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
互いに隣り合う円柱形状のP型熱電素子とN型熱電素子との間を絶縁材で埋めれば、絶縁材による衝撃強度の向上効果を得ることができるものであり、しかも任意の熱電素子の中心からその熱電素子に電気的に隣り合う2つの熱電素子の中心までの直線同士が132〜158°の角度をなす配列で両種熱電素子を配設しておけば、絶縁材の量を少なくすることができるために、絶縁材からの熱リーク量を減少させることができるて性能を向上させることができる。
【0025】
上記絶縁材は気泡を含有したものとしたり、電極面と垂直な方向に貫通する貫通穴を備えたものとしたり、あるいは電極面と垂直な方向の長さが熱電素子の長さよりも短いものとしておくと、熱リーク量を少なくすることができるために性能向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)は斜視図、(b)は基板を外した状態の斜視図、(c)は電極も外した状態の斜視図である。
【図2】同上の水平断面図である。
【図3】同上の特性図である。
【図4】他例を示すもので、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図5】(a)は同上の電極の配置を示す平面図、(b)は同上の熱電素子の水平断面図である。
【図6】さらに他例を示すもので、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図7】(a)は同上の電極の配置を示す平面図、(b)は同上の熱電素子の水平断面図である。
【図8】別の例を示すもので、(a)は基板を外した状態の平面図、(b)は基板を外した状態の断面図である。
【図9】同上の水平断面図である。
【図10】同上の特性図である。
【符号の説明】
1p P型熱電素子
1n N型熱電素子
3 基板
4 電極
Claims (7)
- P型熱電素子とN型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にP型熱電素子とN型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、電極面と平行な平面で切ったP型及びN型熱電素子の断面積比を、P型及びN型熱電素子の電気抵抗値の平均値と熱伝導度の平均値との積が最小付近になるようにしているとともに、少なくとも断面積の大きい方の熱電素子は電極面と平行な平面で切った形状が円形状となっていることを特徴とする熱電モジュール。
- P型熱電素子とN型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にP型熱電素子とN型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、熱電素子は熱電材の結晶材粉末を押し出してプレス等の圧粉工程で製造されたものであり、電極面と平行な平面で切ったP型及びN型熱電素子の断面積をP型熱電素子の方を大きくして両者の断面積比を1.5〜2.9の範囲としているとともに、少なくとも断面積の大きい方の熱電素子は電極面と平行な平面で切った形状が円形状となっていることを特徴とする熱電モジュール。
- 少なくとも断面積が小さい方の熱電素子が中空形状であるとともに、P型熱電素子とN型熱電素子とはほぼ同じ外形寸法であることを特徴とする請求項1または2に記載の熱電モジュール。
- 互いに隣り合う円柱形状のP型熱電素子とN型熱電素子との間が絶縁材で埋められているとともに、任意の熱電素子の中心からその熱電素子に電気的に隣り合う2つの熱電素子の中心までの直線同士が132〜158°の角度をなす配列で両種熱電素子が配設されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電モジュール。
- 絶縁材は気泡を含有していることを特徴とする請求項4記載の熱電モジュール。
- 絶縁材は電極面と垂直な方向に貫通する貫通穴を備えていることを特徴とする請求項4記載の熱電モジュール。
- 絶縁材は電極面と垂直な方向の長さが熱電素子の長さよりも短いことを特徴とする請求項4記載の熱電モジュ―ル。
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