JP3613237B2

JP3613237B2 - 熱電モジュール

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Publication number: JP3613237B2
Application number: JP2001369336A
Authority: JP
Inventors: 勝彦尾上; 順也鈴木; 星　　俊治
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2001-12-03
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2021-12-03
Also published as: JP2002232028A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電素子の直列及び並列回路を有する熱電モジュールに関し、特に、信頼性の向上を図った熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は従来の直列型熱電モジュールを示す模式図である（以下、従来例１という）。なお、図１４（ａ）は熱電モジュールの下部基板１０２を上方から見た図、図１４（ｂ）は下部基板１０２の右端縁を中心として上部基板１０１を右方に折り返し、下部基板１０２と上部基板１０１とを見開きの状態で表したものである。Ｐ型熱電素子１０３及びＮ型熱電素子１０４は、図１４（ａ）において、下部基板１０２上に表示されているので、図１４（ｂ）においては本来存在せず、従って、図１４（ｂ）において、二点差線にて表示してある。
【０００３】
熱電モジュールは、上部基板（吸熱側基板）１０１及び下部基板（放熱側基板）１０２が相互に平行に対向配置される。そして、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）に示すように、この上部基板（吸熱側基板）１０１及び下部基板（放熱側基板）１０２の間に複数個のＰ型及びＮ型熱電素子１０３、１０４が相互に平行に配置され、これらの熱電素子１０３、１０４はその両端部が、夫々基板１０１、１０２の対向面上に印刷及びメッキ等により設けられた上部電極１０５及び下部電極１０６に接合されている。各電極１０５、１０６には、隣接してＰ型及びＮ型からなる１対の熱電素子１０３、１０４が配置されており、上部電極１０５に接続されたＮ型熱電素子１０４と、この上部電極５に隣接した他の上部電極１０５に接続されたＰ型熱電素子１０３とが同一の下部電極１０６により接続されている。これにより、全ての熱電素子１０３、１０４が電極１０５、１０６を介して直列に接続されている。
【０００４】
近時、熱電モジュールの利用分野が多岐にわたり、これらの利用分野の要求を満たすためには、他種類の電源電圧使用に対応する必要がある。そこで、上述のような直列型の熱電モジュールではなく、並列回路を有するサーモモジュールが特開平１２−１６４９４５号公報に開示されている（以下、従来例２という）。
【０００５】
図１５（ａ）及び図１５（ｂ）並びに図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、従来例２の夫々第１の実施例及び第２の実施例に記載のサーモモジュールを示す模式図である。図１５、１６は熱電モジュールの上部基板を外して見開きの状態としたものであって、図１５（ａ）及び図１６（ａ）は上部基板側から見た下部基板、図１５（ｂ）及び図１６（ｂ）は下部基板側から見た上部基板を示す。
【０００６】
サーモモジュールは、上部基板２０１及び下部基板２０２が相互に平行に対向配置される。そして、図１５に示すように、上部基板２０１及び下部基板２０２の間に複数個のＰ型熱電素子２０３、Ｎ型熱電素子２０４が相互に平行に配置され、これらの熱電素子２０３、２０４の両端部が上部基板２０１及び下部基板２０２の対向面に形成された夫々上部電極２０５及び下部電極２０６に接合されている。各電極には、Ｐ型熱電素子２０３及びＮ型熱電素子２０４からなる一対の熱電素子が配置され、図１５（ａ）に示す二点鎖線に沿って熱電素子２０３、２０４が直列接続された外側回路２０７が形成されている。また、この外側回路２０７の内側には図１５（ａ）に示す二点鎖線に沿って熱電素子２０３、２０４が直列接続された内側回路２０８が形成されている。そして、下部基板２０２の端部において、この外側回路２０７及び内側回路２０８が並列接続されている。このサーモモジュールにおいては、直列接続に並列接続が組み込まれており、出力及び入力のための端子が各１つずつ設けられている。
【０００７】
また、図１６においても、相互に平行に対向配置される上部基板３０１及び下部基板３０２の対向面に夫々上部電極３０５及び下部電極３０６が形成され、これらの電極３０５、３０６にＰ型熱電素子３０３及びＮ型熱電素子３０４が接合されている。このサーモモジュールにおいては、図１６（ａ）に示す二点鎖線に沿って直列接続された外側回路３０７及びこの外部回路３０７の内側に図１６（ａ）に示す二点鎖線に沿って直列接続された内側回路３０８に対し、独立して出力及び入力のための端子が設けられている。これらの端子の接続方法を変更することにより、直列のみの回路又は並列接続を組み込んだ回路とすることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例１の熱電モジュールにおいては、直列接続のため、１つでも熱電素子が破壊すると熱電モジュールが全く性能しなくなるという問題点がある。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、従来の熱電モジュールの動作を示す模式図である。図１７（ａ）に示すように、電流は、上部基板上に形成された上部電極５０５に一端が接合されたＰ型熱電素子５０４から下部基板に形成された下部電極５０６を通ってＮ型熱電素子５０３に流れる。そして、Ｎ型熱電素子５０３から上部電極５０５を通ってＰ型熱電素子５０４に流れる。こうして、上部電極５０５及び下部電極５０６によって熱電素子５０３、５０４が直列接続されている。しかし、図１７（ｂ）に示すように、熱電素子の１つ（例えば、熱電素子５０３ａ）が破壊した場合、電流は全く流れなくなり、その素子を通過する電流経路は導通しなくなるため熱電モジュールが機能しなくなってしまうという問題点がある。
【０００９】
また、従来例２においても、例えば外部回路内の熱電素子の１つが破壊した場合、外部回路は機能しなくなり、熱電モジュールの能力が半減する。更に、断線していない内部回路には、断線した外部回路に流れる電流が流れ込むため、過電流となり、内部回路が過剰に発熱して冷却素子等に使用することが不可能となるという問題点がある。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、チップの一部が破壊する等して断線してもモジュールの機能低下を最小限に抑えることができる信頼性が高い熱電モジュールを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願第１発明に係る熱電モジュールは、基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち前記基板の隅部に設けられた前記下部電極及び／又は上部電極のみを、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていることを特徴とする。
【００１２】
本願第２発明に係る熱電モジュールは、基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち前記基板の行方向の２辺縁に沿って配置された前記下部電極及び／又は上部電極のみを、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていることを特徴とする。
【００１３】
本願第３発明に係る熱電モジュールは、基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち少なくとも一部は、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていて、前記基板の隅部に設けられた前記下部電極及び／又は上部電極に接続された前記Ｎ型熱電素子及び／又はＰ型熱電素子の少なくとも一部は、熱流方向に直交する断面が他の熱電素子よりも大きいことを特徴とする。
【００１４】
本願第４発明に係る熱電モジュールは、基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち少なくとも一部は、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続すると共にその下部電極及び／又は上部電極は行方向に隣接する同一導電型の熱電素子間にスリットを有し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていることを特徴とする。
【００１５】
本願第５発明に係る熱電モジュールは、基板と、この基板上に形成された複数個の下部電極と、各下部電極上に複数対設けられたＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、各下部電極における一部のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と隣接する下部電極における一部のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子とに接触するように設けられた複数個の上部電極と、を有し、前記熱電素子により、前記下部電極及び上部電極は交互に直列接続されたものとなり、一の下部電極又は上部電極に接続された複数対の熱電素子の少なくとも一部の熱電素子はその一の下部電極又は上部電極において１又は複数個の並列回路を構成していることを特徴とする。
【００１６】
本願第６発明に係る熱電モジュールは、基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極又は前記上部電極のうち、一方の電極上には４個の熱電素子が配置される並列回路が少なくとも一部で構成され、他方の電極上には各１個のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが配置される直列回路が少なくとも一部で構成されることを特徴とする。
【００１８】
本発明においては、熱電素子（チップ）が破壊した場合であっても、並列回路を有するため、破壊した熱電素子を通らない電流経路を使用することができ、熱電モジュールの性能低下を最小限にとどめることができる。
【００１９】
【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具体的に説明する。図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の第１実施例に係る熱電モジュールを示す模式図であり、図１（ａ）は熱電モジュールの下部基板２を上方から見た図、図１（ｂ）は下部基板２の右端縁を中心として上部基板１を右方に折り返し、下部基板２と上部基板１とを見開きの状態で表したものである。Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４は、図１（ａ）において、下部基板２上に表示されているので、図１（ｂ）においては本来存在せず、従って、図１（ｂ）において、二点差線にて表示してある。
【００２０】
本実施例の熱電モジュールにおいては、上部基板１と下部基板２とが相互に平行に対向して配置される。この上部基板１及び下部基板２の対向面には、図１に示すように、印刷及びメッキ等によって夫々上部電極５、７、８及び下部電極６が形成されている。本実施例においては、下部基板２上に正方形の下部電極６が４行４列で形成されている。これに対して、上部基板１上には上部電極が５行形成され、２乃至４行目の４列の上部電極５は下部電極６と同様に正方形をなす。また、１行目の２個の上部電極７は、上部電極５の２列分の長さの行方向の長辺と、上部電極５の１／２行分の長さの列方向の短辺とを有し、上部電極５の１、２列間、及び３、４列間に夫々位置するように形成されている。また、５行目の上部電極８は、上部電極７と同様の長方形をなし、上部電極５の２、３列間に位置するように１つ形成されている。
【００２１】
Ｐ型熱電素子３と、Ｎ型熱電素子４とが、夫々行方向に２個づつ配列されており、列方向については、Ｐ型熱電素子３とＮ型熱電素子４とが交互になるように配列されている。従って、本実施例の各下部電極及び上部電極には、Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４が夫々２個ずつ４個接合されている。従来例１の熱電モジュールは平面視で長方形の下部電極に夫々１対のＮ型及びＰ型熱電素子が配置され、また、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とがマトリクス状に配置されていた。これに対して、本実施例においては、列方向にはＰ型及びＮ型が交互に配置され、行方向は、同一導電型の熱電素子が２列並び、２列毎にＰ型及びＮ型が交互に配置されている。また、１行目及び５行目に形成された夫々上部電極７及び８には、２列に並んだＰ型熱電素子３と、２列に並んだＮ型熱電素子４とが同一行方向に並んで配置されている。そして、１個の上部電極５に接合された２個のＮ型熱電素子４と、この上部電極５の列方向に隣接した上部電極５に接合された２個のＰ型熱電素子３とは、同一の下部電極６により接合されている。また、１行目の下部電極６に接合された２個のＮ型熱電素子４及びこの下部電極６の行方向に隣接した下部電極６に接合された２個のＰ型熱電素子３とが、同一の上部電極７により接合されている。同様に、４行目の２列及び３列に配置された２個の下部電極６に接合された基板の辺縁側の２個のＰ型熱電素子３及び２個のｎ型熱電素子４はいずれも１個の上部電極８により接合されている。
【００２２】
即ち、上部電極５、７、８と下部電極６とは、熱電素子３、４を介して、交互に直列接続されており、同一の上部電極５、７、８及び下部電極６上に２列のＰ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４が配置されることにより、熱電素子は並列回路で接続されている。同一の上部電極又は下部電極上に配置された４個の熱電素子により形成される並列回路において、隣接するＰ型熱電素子３とＮ型熱電素子４との間の１対の直列回路は相互に電気抵抗が等しいことが好ましい。
【００２３】
更に、下部基板２の４行１列目及び４行４列目に形成された下部電極６においては、夫々２個のＮ型熱電素子４及び２個のＰ型熱電素子３のみが配置されており、これらの下部電極６の基板辺縁側の約半分の領域は、熱電モジュールの出力又は入力端子として、夫々リード（図示せず）に接続されるようになっている。
【００２４】
次に、本実施例に係る熱電モジュールの動作について説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）は本実施例に係る熱電モジュールの動作を示す模式図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）において、左側及び右側には、夫々下部基板６及び上部基板５の電流の流れを示す模式図、中央には下部基板上に配置された熱電素子を示す斜視図を示す。
【００２５】
図２（ａ）に示すように、下部基板上の下部電極６上に配置された２つのＰ型熱電素子３に流れ込んだ電流は、下部電極６上に配置された２つのＮ型熱電素子４に流れる。即ち、各Ｐ型熱電素子３は２つのＮ型熱電素子４に流れる２つの電流経路を有する。この２つのＮ型熱電素子４は、２つのＰ型熱電素子と共に上部電極５に接合されている。従って、下部基板側と同様に、これら各Ｎ型熱電素子４は同一上部電極５上に形成された２つのＰ型熱電素子３に流れる２つの電流経路を有している。即ち、１つの熱電素子は、これを通過する電流経路を各２つずつ有している。
【００２６】
このように構成された熱電モジュールにおいて、１つの熱電素子が破壊した場合の動作について説明する。図２（ｂ）に示すように、例えば下部電極６ａ及び上部電極５ａに接合されたＮ型熱電素子４ａが破壊した場合、下部電極６ａにおいて、２つのＰ型熱電素子３からの電流は、破壊したＮ型熱電素子４ａには流れず、このＮ型熱電素子４ａとは対となるＮ型熱電素子４ｂに流れる。そして、上部電極５ａにおいては、このＮ型熱電素子４ｂからの電流は同じく上部電極５ａ上に接合されている２つのＰ型熱電素子３へ流れるの２つの電流経路に別れる。即ち、破壊したＮ型熱電素子４ａを有する上部電極５ａ及び下部電極６ａにおいては、破壊したＮ型熱電素子４ａと共に配置されているＮ型熱電素子４ｂを通過する電流経路のみとなり、Ｎ型熱電素子４ｂに全電流が流れ込むが、その後、対向基板の電極に入ると再び並列接続となって２つの電流経路に別れる。従って、素子が破壊された場合でも、電流経路を確保することができると共に、熱電モジュールの性能低下を局所的にとどめることができる。
【００２７】
次に、本発明の効果について説明する。本実施例の等価回路を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）は本実施例の電流の流れを示す図であって、右側に熱電モジュールの一部を示す回路図、左側にその模式図を示す。なお、本実施例と比較するため、図３（ａ）及び（ｂ）には、夫々従来例１及び従来例２の電流の流れを示す。図３（ｃ）に示すように、本実施例の熱電モジュールは、全ての熱電素子が並列接続されているため、例えば、熱電素子６０が破壊された場合、電流（Ｉ＝２ｉ）は、破壊された素子を通る一方の経路６１には流れなくなるが、破壊した素子６０を通過しない他方の経路６２を通過することができる。従って、破壊している素子６０及びこの素子６０に直接接続された熱電素子以外の全ての熱電素子を使用することができる。更に、他方の経路６２を通過した電流（Ｉ＝２ｉ）は対向基板側の電極にて再び電流Ｉ＝ｉで並列回路６３に流れ込むため、過電流となる領域を最小限とし、過電流により熱電素子が破壊されことを防止することができる。これに対して、図３（ａ）に示すように、従来例１のように、全ての素子を直列接続とした場合は、破壊した素子６４を通過する電流経路６５を使用することができなくなり、熱電モジュールは全く機能しなくなる。また、図３（ｂ）に示すように、直列接続された回路は並列接続されている場合は、破壊した素子６６があると、破壊した素子６６を含む電流経路６７を構成する全ての熱電素子は機能しなくなる。更に、破壊した素子を通らない他方の電流経路６８に全ての電流（Ｉ＝２ｉ）が集中し、過電流となり発熱して熱電モジュールとしての機能を失う。
【００２８】
本実施例によれば、全ての熱電素子が並列接続されているため、素子が破壊された場合においても、電流経路を確保することができる。更に、この電流経路を通過した電流は対向基板に流れると、再び並列回路に流れ込むため、過電流となる領域を最小限として熱電モジュールを局所的な性能低下にとどめることができる。
【００２９】
なお、本実施例においては、上部電極及び下部電極に４個の熱電素子を配置するものとしたが、必要に応じて４個以上、例えば６個の熱電素子を配置してもよい。また、本実施例では、１行目の電極７で電流経路を折り返しているが、このような折り返しの電極を１列目に配置することにより、行列逆転させてもよい。また、折り返し電極７，８を、１行目、１列目に配置されるように、電極をパターニングして設けても良い。
【００３０】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、本実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。なお、以下、図４乃至図７及び図９乃至図１１においても、図１と同様に、熱電モジュールの上部基板を外して見開きの状態としたものであって、（ａ）は上部基板側から見た下部基板、（ｂ）は下部基板側から見た上部基板を示すものとする。また、図４乃至図１２に示す第２乃至第８の実施例において、図１に示す第１の実施例と同一の構成要素には同一の符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、本第２の実施例においては、上部基板１は第１の実施例と同様の構成であるが、下部基板１２が上部基板１より大きい。即ち、４行目に形成される下部電極において、１列目及び４列目に形成される下部電極１６は、列方向が長辺となる上面視で長方形の形状になっている。この４行１列目及び４行４列目の長方形の下部電極の端部には熱電素子が１行２列で形成され、この端部とは反対側の端部に端子１０設けられて上部基板１から露出されている。本実施例においても、第１の実施例の同様の効果を奏する。
【００３２】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【００３３】
本実施例においては、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、上部基板１に形成される上部電極のうち、４隅に形成される上部電極、即ち、１行目の上部電極７、４行１列目及び４行４列目の上部電極５、及び５行目の上部電極８は第１の実施例と同一として４個の熱電素子を接合するものとし、その他の領域においては、従来と同様に、１対のＰ型及びＮ型熱電素子を接合する上面視で長方形の上部電極２５を形成する。また、下部基板２においても、４隅、即ち１行１列、１行４列、４行１列及び４行４列目に形成される下部電極６は、第１の実施例と同一として２個又は４個の熱電素子を接合するものとし、その他の領域においては従来と同様に、１対のＰ型及びＮ型熱電素子を接合する上面視で長方形の下部電極２６を形成する。即ち、上部基板１の隅部に形成される上部電極７，８及び下部基板２の隅部に形成される上部電極５においては、Ｐ型及びＮ型の熱電素子が２個ずつ配置されて並列回路を構成し、上部電極２５、下部電極２６においては、従来と同様に、熱電素子３、４が直列接続されている。
【００３４】
本実施例においては、熱電モジュールにおいて、基板上で４隅に配置される熱電素子が比較的破壊しやすいことに着目し、この４隅の熱電素子を並列接続する。これにより、４隅の熱電素子が破壊した場合であっても、並列接続された他方の電流経路を使用することができ、熱電モジュールの性能低下を局所的にとどめることができる。
【００３５】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【００３６】
第３の実施例では４隅に形成される上部電極及び下部電極について、４個の熱電素子を接合して並列接続できるものとしたが、本第４実施例においては、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、上部電極については１行目及び５行目、４行目、１列、４列、下部電極については１行目及び４行目に形成される電極、即ち、下部基板２の対向する２辺に形成される下部電極６に４個の熱電素子を接合することにより、下部基板２の対向する１対の辺縁側に形成される下部電極６にのみ並列回路を構成する。これにより、基板上の４隅に配置される破壊しやすい熱電素子については並列接続することができるため、この４隅の熱電素子が破壊されても電流経路を確保することができ、熱電モジュールの性能低下を防止することができる。
【００３７】
なお、第３実施例又は第４実施例においては、基板の夫々隅部又は辺縁に沿う位置に形成される電極に４個の熱電素子を配置して並列回路を形成するものとしたが、必要に応じて、基板上の隅部又は辺縁部以外に配置される電極のうち、その一部に対して複数対の熱電素子を配置して並列回路を構成してもよい。また、基板上の隅部又は辺縁部に配置される電極についても、その一部を並列回路で接続するようにしてもよい。この等価回路を図７に示す。
【００３８】
図７（ａ）及び（ｂ）は、１層の熱電モジュールにおいて、平面的に直列と並列とが共存する場合の態様であり、図７（ａ）は入り口と出口に、電流経路において、１個のＰ型熱電素子と、１個のＮ型熱電素子とが連続する熱電素子直列回路を設け、これらの熱電素子直列回路の間に、２個のＰ型熱電素子（同一電極上）と、２個のＮ型熱電素子（同一電極上）とが連続する熱電素子並列回路を設けたものである。図７（ｂ）は熱電素子並列回路の途中に更に熱電素子直列回路を設けたものである。
【００３９】
図７（ｃ）及び（ｄ）は、いずれも回路自体が並列になる場合の態様であり、例えば、図７（ｃ）は熱電素子直列回路と熱電素子並列回路とが、並列接続され、図７（ｄ）は熱電素子並列回路と熱電素子並列回路とが並列接続されている。いずれも、例えば、２段構造の熱電モジュールとし、外部からの入力端子及び出力端子が、各段のモジュールに夫々設けられるように構成する場合と、１段構造の熱電モジュールにおいて、平面パターンとして上述の態様の並列回路となるようにする場合とがある。
【００４０】
また、１段構造の熱電モジュールにおける平面パターンとして並列回路を設ける場合は、基板上に、電流経路が外側の外側回路と、内側の内側回路とを設けてそれらを並列接続する態様があるが、外側回路と内側回路の双方に熱電素子並列回路を適用したり、又は一方を熱電素子直列回路とし、他方を熱電素子並列回路とすることもできる。更に、２段構造の熱電モジュールとして、並列回路を構成する場合は、上段にのみ、熱電素子並列回路を設けることが望ましい。
【００４１】
次に、本発明の第５の実施例について説明する。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【００４２】
本実施例においては、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、第３の実施例と同様に、基板の４隅に形成される上部電極７及び下部電極６には４個の熱電素子を接合して並列回路を構成する。更に、この４個の熱電素子のうち、基板の隅部に配置される熱電素子及びこれと同一導電型であって、前記隅部に配置される熱電素子と並んで配置される熱電素子からなる熱電素子対について、その一方の熱電素子と上部電極７及び下部電極６との接合面積が他方の熱電素子と上部電極７及び下部電極６との接合面積よりも大きくした熱電素子３３、３４を形成する。上述した如く、４隅に配置される熱電素子は破壊しやすいが、接合面積を大きくすることにより破壊しにくくなると共に、熱電素子３３、３４と並んで配置される同一導電型の熱電素子３、４が破壊した場合、残された電流経路として熱電素子３３、３４に電流が流れ込んで過電流となっても、その断面積が大きいため素子が発熱しにくい。
【００４３】
図９は、第５の実施例の変形例を示す模式図である。なお、図９は、熱電モジュールの上部基板を外した状態であって、上部基板側から見た下部基板を示す。図９に示すように、下部基板２の下部電極６を第１の実施例と同様に構成し、この下部電極６上に配置する熱電素子のうち、本実施例のように、隅部及び端部に配置される熱電素子の一方の熱電素子３３、３４の断面積をこの熱電素子３３、３４に隣接する他方の熱電素子３、４より大きいものとする。なお、上部基板上に形成される上部電極は、図１（ｂ）に示す第１の実施例と同様とする。即ち、リード接続部以外の全ての上部電極及び下部電極上では、これに配置される熱電素子により並列回路が構成され、これらの熱電素子によって全ての電極が直列接続される。これにより、第１の実施例と同様の効果を奏すると共に、素子が破壊しやすい位置の熱電素子に隣接する熱電素子の断面積が大きいため、熱電素子が破壊して過電流が流れても熱電素子が発熱しにくく、従って発熱によって素子が破壊することを防止することができる。
【００４４】
次に、本発明の第６の実施例について説明する。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、本実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【００４５】
本実施例においては、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す第１の実施例の上部電極５及び下部電極６の代わりに、並んで配置される２つの同一導電型の熱電素子の間にスリット４９を設けた上部電極４５及び下部電極４６ａを形成したものである。スリット４９の幅及び長さは、適宜調整することができる。また、異なる熱電素子の間にもスリット４９を設けてもよいが、異なる熱電素子間を横切るような長いスリットとすると電気抵抗が増加するため、素子間を横切らない程度の長さにすることが好ましい。また、下部電極の４行１列及び４列目に形成されている下部電極４６ｂには入力又は出力端子としてリード４０が接続されている。
【００４６】
本実施例においては、第１の実施例と同様の効果を奏すると共に、このようなスリット４９が設けられた上部電極４５及び下部電極４６ａを形成することにより、熱電素子３、４を配置する際に、移動する等して熱電素子同士が接触することを防ぐことができる。
【００４７】
次に、本発明の第７の実施例について説明する。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、本実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【００４８】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、第６の実施例でリードが接続されていた下部電極４６ｂの代わりに、本実施例においては、リード接続部にもスリット５９を設けた下部電極５６が形成されている。これにより、下部電極５６には、スリット５９を挟んで各１つずつリード５０を接続することができ、リード径を細いものとすることができる。
【００４９】
次に、本発明の第８の実施例について説明する。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、本実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。本実施例の熱電モジュールにおいては、図１（ａ）に示す第１の実施例と同一の下部基板２に対して、図６（ｂ）に示す上部基板を組み合わせたものである。即ち、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、下部基板２上に形成される下部電極６上では、配置される４個の熱電素子により並列回路が構成され、上部基板１上に形成される上部電極においては、端部のみ４個の熱電素子により並列回路が構成され、その他の位置には各１個のＰ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４を直列接続する上面視で矩形の上部電極２５を形成する。なお、下部基板２側に１対の熱電素子を接続する矩形の下部電極を形成し、上部基板側に並列回路が構成される４個の熱電素子が配置される方形の上部電極を形成してもよい。
【００５０】
次に、本実施例の動作について説明する。図１３は、本実施例に係る熱電モジュールの動作を示す模式図である。図１３においては、左側及び右側には、夫々下部基板６及び上部基板２５の電流の流れを示す模式図、中央には下部基板上に配置された熱電素子を示す斜視図を示す。図１３に示すように、下部電極６ａ及び６には、１対のＰ型熱電素子対と、このＰ型熱電素子対から電流が流れ込むＮ型熱電素子対とが形成されている。下部電極６ａ上に形成されたＮ型熱電素子対４ａ、４ｂのうち、Ｎ型熱電素子４ａが破壊した場合、下部電極６ａの２つのＮ型熱電素子３からの電流は、破壊したＮ型熱電素子４ａとは対である他のＮ型熱電素子４ｂに流れ込む。そして、電流はＮ型熱電素子４ｂに接続する上部電極２５ｂ上のＰ型熱電素子３に流れるが、破壊したＮ型熱電素子４ａに接続する上部電極２５ａには電流が流れない。上部電極２５ｂ上のＮ型熱電素子３を通過した電流は下部電極６に流れ込み、再び並列化される。
【００５１】
本実施例においては、下部電極上にＮ型熱電素子対及びＰ型熱電素子対を配列して第１の実施例と同様に並列回路を構成しているため、一方の熱電素子が破壊した場合であっても、電流経路が確保できると共に、上部電極においては、下部電極を２つに分割し、従来と同様にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を各１つずつ直列接続する矩形の電極としたため、熱電素子の位置あわせを容易にすることができる。
【００５２】
なお、上記各実施例において、上部電極及び下部電極の配置は相互に逆であってもよく、二段モジュール等の多段モジュールに適用できることは勿論である。また、Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが行方向に交互に配置され、列方向に複数配置され、上部電極又は下部電極が対角方向に隣接する方向へ接続するように、電極をパターニングして配置されていても良い。
【００５３】
【発明の効果】
以上、詳述したように本発明によれば、熱電モジュールに形成する電極１つに４個の熱電素子を接合して並列回路を構成することにより、熱電素子が破壊した場合であっても電流経路を確保できると共に、素子破壊による性能低下を最小限にとどめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図であって、（ａ）は上部基板側から見た下部基板、（ｂ）は下部基板側から見た上部基板を示す
【図２】（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施例に係る熱電モジュールの動作を示す模式図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）には、夫々従来例１及び従来例２の電流の流れを示す模式図、（ｃ）は本発明の第１の実施例の電流の流れを示す模式図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第２の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第３の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第４の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【図７】（ａ）乃至（ｄ）熱電素子の並列回路と直列回路の接続状態の態様を示す図である。
【図８】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第５の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【図９】本発明の第５の実施例に係る熱電モジュールの変形例を示す模式図である。
【図１０】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第６の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第７の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第８の実施例に係る熱電モジュールを示す模式図である。
【図１３】本発明の第８の実施例に係る熱電モジュールの動作を示す模式図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）は、従来の直列型熱電モジュールを示す模式図である。
【図１５】（ａ）及び（ｂ）は、従来例２の第１の実施例のサーモモジュールを示す模式図である。
【図１６】（ａ）及び（ｂ）は、従来例２の第２の実施例のサーモモジュールを示す模式図である。
【図１７】（ａ）及び（ｂ）は、従来の熱電モジュールの作用を示す模式図である。
【符号の説明】
１、１０１、２０１、３０１；上部基板
２、１０２、２０２、３０２；下部基板
３、３３、１０３、２０３、３０３；Ｐ型熱電素子
４、３４、１０４、２０４、３０４；Ｎ型熱電素子
５、７、８、２５、４５、１０５、２０５、３０５；上部電極
６、１６、２６、４６ａ、４６ｂ、５６、１０６、２０６、３０６；下部電極
１０；端子
４９、５９；スリット
２０７、３０７；外部回路
２０８、３０８；内部回路

Claims

基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち前記基板の隅部に設けられた前記下部電極及び／又は上部電極のみを、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち前記基板の行方向の２辺縁に沿って配置された前記下部電極及び／又は上部電極のみを、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち少なくとも一部は、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていて、前記基板の隅部に設けられた前記下部電極及び／又は上部電極に接続された前記Ｎ型熱電素子及び／又はＰ型熱電素子の少なくとも一部は、熱流方向に直交する断面が他の熱電素子よりも大きいことを特徴とする熱電モジュール。
基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極及び上部電極のうち少なくとも一部は、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子をまとめて列方向に隣接する他導電型の複数個の熱電素子に電気的に接続すると共にその下部電極及び／又は上部電極は行方向に隣接する同一導電型の熱電素子間にスリットを有し、これにより、行方向に隣接する同一導電型の複数個の熱電素子は、その少なくとも一部が、前記列方向において相互に並列接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
基板と、この基板上に形成された複数個の下部電極と、各下部電極上に複数対設けられたＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、各下部電極における一部のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と隣接する下部電極における一部のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子とに接触するように設けられた複数個の上部電極と、を有し、前記熱電素子により、前記下部電極及び上部電極は交互に直列接続されたものとなり、一の下部電極又は上部電極に接続された複数対の熱電素子の少なくとも一部の熱電素子はその一の下部電極又は上部電極において１又は複数個の並列回路を構成していることを特徴とする熱電モジュール。
前記基板のうち、前記下部電極が形成される下部基板が、前記上部電極が形成される上部基板よりも大きく、前記下部基板の隅部に形成される下部電極の端部は、前記上部基板から露出されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
前記Ｎ型熱電素子と前記Ｐ型熱電素子とこれらを接続する前記下部電極又は上部電極とからなる電流経路の入口及び出口には、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子が連続する直列回路が形成され、その間に並列回路が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
基板と、この基板上に行列状に配置されて設けられた複数個のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を直列又は並列に接続する下部電極及び上部電極とを有し、前記Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子は行方向については夫々複数個づつ配置され、列方向については前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子とが交互になるように配置されており、前記下部電極及び上部電極は、列方向については前記Ｎ型熱電素子とそれに一方向で隣接するＰ型熱電素子とを電気的に接続し、前記下部電極又は前記上部電極のうち、一方の電極上には４個の熱電素子が配置される並列回路が少なくとも一部で構成され、他方の電極上には各１個のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが配置される直列回路が少なくとも一部で構成されることを特徴とする熱電モジュール。