JP3724262B2 - Thermoelectric module - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に接続して構成した熱電素子モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電素子モジュールは、ｐ型とｎ型の熱電素子を金属電極で順次接続するにあたり、π型直列回路を構成して、外部と電気的に接続できるように、直列配列の終端からリード線を引き出したものとして構成され、電極の外側にはモジュールの構造維持及び外部との熱輸送のためにセラミック基板が配されたものが一般的である。
【０００３】
しかし、この構造のモジュールでは、熱電素子が脆弱なことと、熱電素子とセラミック基板との線膨張係数が異なるために、使用時に素子に加わる熱応力によって素子が破壊してしまうことが多く、信頼性に問題があった。
【０００４】
このために、セラミック基板を設けていないタイプの熱電素子モジュールも存在しているが、この場合、π型構造で直列に配列されているということは、モジュール自体が蛇腹構造となり、ハンドリングが困難であるという問題がある。
【０００５】
ここにおいて、特開平１０−５１０３９号公報には、熱電素子間に樹脂を充填することで、熱電素子の補強を図るとともにモジュールに柔軟性を与えることを図ったものが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、樹脂でモジュール全体を固着してしまう上記公報に開示のものでは、熱が樹脂を伝わって放熱側から冷却側に移動するために熱リークが大きく、モジュールの冷却効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは冷却効率を低下させることなく信頼性を向上させることができる熱電素子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、隣接する熱電素子間を電極によって交互に接続することで複数個の熱電素子を複数個の電極で電気的に直列に接続しているπ型の熱電素子モジュールであって、各熱電素子の側面を有機性樹脂からなる被覆層で被覆するとともに、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設け、隣接する２つの熱電素子の被覆層同士を、熱電素子の一方の電極側の端部において結合してブリッジを形成していることに特徴を有している。
【０００９】
脆性材料である熱電素子を被覆層で被覆することで素子の補強を行い、また、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設けることで、被覆層を通じた熱伝導を抑えることができるようにしたものである。
【００１０】
上記熱電素子としては、円柱状のものを好適に用いることができる。
【００１２】
熱電素子と被覆層との間にポリイミド層を設けることも好ましい。
【００１３】
被覆層を気泡含有樹脂で形成してもよい。
【００１４】
電極は、熱電素子との接合部の厚みが両接合部をつないでいるブリッジ部の厚みよりも厚いものを好適に用いることができ、また金属製の微細ボールを含有する半田で熱電素子に接合しておくことが好ましい。
【００１５】
電極は、その表面が絶縁性有機膜で被覆されているものであってもよく、電極と熱電素子との接合部を樹脂で被覆していてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１に示すように、ｎ型の熱電素子１とｐ型の熱電素子１とを交互に電極２によって接続するとともに、π型配置とすることで、これら熱電素子１を直列接続し、終端から外部接続用のリード線２８を導出している点で従来の熱電素子モジュールと変わりはないが、ここでは両端が電極２，２に接合されている熱電素子１の側面を、厚み５〜２０μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂からなる被覆層３で被覆している。なお、図に示す熱電素子モジュールはセラミック基板を配していないタイプ（スケルトンタイプ）であるが、片面にセラミック基板４を配したもの、あるいは両面にセラミック基板４，４を配したものであってもよい。
【００１７】
いずれにしても、脆性材料である熱電素子１の側面を被覆層３で被覆して熱電素子１を補強していることから、熱応力で熱電素子１にクラックが発生してしまうおそれを低減することができる。また、被覆層３はその厚みが薄くて隣接する熱電素子１との間に空間が存在しており、被覆層３を通じた熱伝導は殆どなく、従って熱リークによるところの熱電変換効率の低下がないものである。
【００１８】
この時、図２に示すように、熱電素子１として円柱形のものを用いて、該熱電素子１の外周面に被覆層３を被覆するならば、角型断面を有している熱電素子１を用いる場合に比して、熱電素子１そのものにおける応力集中部が分散することになるために、熱電素子モジュールとしての信頼性がさらに高くなる。
【００１９】
熱電素子モジュールとしてのハンドリングの点を改善するために、隣接する熱電素子１、１の被覆層３，３同士を結合するブリッジ３０を設けてもよい。ブリッジ３０は被覆層３を形成している樹脂と同じ樹脂で形成するが、被覆層３及びブリッジ３０は、厚み５〜１０００μｍのエポキシ樹脂を好適に用いることができる。
【００２０】
本発明では図１に示すように、一方の電極２側に全てのブリッジ３０を形成することで、柔軟性を確保しつつハンドリング性を高めることができる。また、柔軟性の故に熱電素子モジュールの熱応力に対する信頼性が高くなる。
【００２２】
被覆層３をエポキシ樹脂で形成する場合は、図３に示すように、熱電素子１に厚み５〜２０μｍのポリイミド樹脂からなる内層３１を被覆した後、被覆層３を厚み５〜１０００μｍで設けるとよい。内層３１の存在により、エポキシ樹脂である被覆層３と熱電素子１との密着力が向上して、被覆層３によるところの熱電素子１の補強効果が向上する。
【００２３】
被覆層３は図４に示すように、気泡３３を含有する樹脂で形成してもよい。たとえば、直径１〜１００μｍの気泡を含有するエポキシ樹脂で厚み５〜１０００μｍの被覆層３を形成するのである。気泡３３が存在するために、被覆層３は熱伝導率が低くなっており、被覆層３によるところの熱輸送を下げることができるために、熱電素子モジュールの性能向上を得ることができる。なお、図３及び図４はスケルトンタイプのものを示しているが、片面にセラミック基板４を配したものや、両面にセラミック基板４，４を配したものであってもよいのはもちろんである。
【００２４】
少なくとも片面にセラミック基板４を配したものでは、セラミック基板４と熱電素子１との線膨張差による熱応力が問題となるが、この点は図５に示すように、銅からなる電極２における熱電素子１との接合部２０の厚みを、両接合部２０，２０をつないでいるブリッジ部２１の厚みよりも厚いものとすることで緩和することができる。たとえばブリッジ部２１の厚みが０．２〜２ｍｍである場合、接合部２０の厚みは０．５〜３ｍｍとする。金属製の電極２が有する弾性を利用して、セラミック基板４と熱電素子１との線膨張差によって生ずる熱応力を緩和するのである。
【００２５】
上記熱応力は、図６に示すように、電極２と熱電素子１との接合用の半田５として、直径０．０５〜１ｍｍの銅製のボール５０を含んだものを用いても緩和することができる。微細なボール５０を多数含んだ半田５は、応力緩和層として機能するだけの厚み（０．１ｍｍ以上）を持つことになるからである。
【００２６】
電極２に関しては、その表面を絶縁性有機膜２４で覆っておくことも好ましい。たとえばパリレンやポリイミドを蒸着して厚み５〜２５μｍの絶縁性有機膜２４を電極２における熱電素子１との接合面を除く部分に形成しておけば、熱電素子モジュールを放熱板や冷却板と組み合わせてユニット化するにあたり、電極２間の絶縁信頼性が向上する。なお、この絶縁性有機膜２４の形成は、上記の各例において、セラミック基板４を配さない全てのものに適用することができる。
【００２７】
図８は電極２と熱電素子１との半田による接合部をエポキシ系の樹脂６で被覆したものを示している。この樹脂６は、電極２と熱電素子１との接合部を補強する上に、収縮応力によって接合部に対して電極２と熱電素子１との接触圧を高める方向の圧縮力を常時加えるために、接合部の信頼性を高くする。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、隣接する熱電素子間を電極によって交互に接続することで複数個の熱電素子を複数個の電極で電気的に直列に接続しているπ型の熱電素子モジュールであって、各熱電素子の側面を有機性樹脂からなる被覆層で被覆するとともに、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設けているために、脆性材料である熱電素子は被覆層による被覆で補強されたことになり、熱応力によるところの破壊が生じにくくなるものであり、また、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設けるために、被覆層を通じた熱伝導を抑えることができ、被覆層の存在が熱電変換効率の低下を招くことがないものであり、更に、隣接する２つの熱電素子の被覆層同士を、熱電素子の一方の電極側の端部において結合してブリッジを形成したことで柔軟性を確保しつつハンドリング性の向上を図ることができる。
【００２９】
そして、熱電素子として円柱状のもの用いれば、熱電素子そのものにおける応力集中を分散させることができるために、熱電素子の破壊のおそれが更に少なくなる。
【００３２】
熱電素子と被覆層との間にポリイミド層を設けることも好ましい。被覆層と熱電素子との密着力を高めて、熱電素子の補強効果を向上させることができる。
【００３３】
被覆層を気泡含有樹脂で形成しておけば、被覆層の熱伝導率を下げることができるために、被覆層によるところの熱伝導をさらに抑えることができる。
【００３４】
電極には、熱電素子との接合部の厚みが両接合部をつないでいるブリッジ部の厚みよりも厚いものを用いると、セラミック基板を配したものにおいても、熱電素子にかかる熱応力を緩和させることができる。また、金属製の微細ボールを含有する半田で熱電素子に接合しておいても、やはり熱電素子にかかる熱応力を緩和することができ、熱電素子の破壊を防ぐことができる。
【００３５】
電極の表面を絶縁性有機膜で被覆しておけば、ユニット化に際しての絶縁信頼性が向上する。
【００３６】
さらに電極と熱電素子との接合部を樹脂で被覆しておくと、電極と熱電素子との接合部の信頼性を高めることができる。
【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) は断面図、 (b) は構造説明図である。
【図２】 他例の熱電素子及び被覆層の斜視図である。
【図３】 他例の断面図である。
【図４】 さらに他例の断面図である。
【図５】 (a)(b) は共に別の例の断面図である。
【図６】 (a)(b) は共にさらに別の例の断面図である。
【図７】 (a)(b) は共に他の例の断面図である。
【図８】 別の例の断面図である。
【符号の説明】
１ 熱電素子
２ 電極
３ 被覆層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric element module configured by electrically connecting p-type and n-type thermoelectric elements.
[0002]
[Prior art]
In order to connect p-type and n-type thermoelectric elements sequentially with metal electrodes, thermoelectric element modules form a π-type series circuit, and lead wires are drawn from the end of the series arrangement so that they can be electrically connected to the outside. In general, a ceramic substrate is arranged outside the electrode for maintaining the structure of the module and for heat transfer with the outside.
[0003]
However, in the module of this structure, since the thermoelectric element is fragile and the linear expansion coefficient of the thermoelectric element and the ceramic substrate are different, the element is often destroyed by the thermal stress applied to the element during use. There was a problem with sex.
[0004]
For this reason, there is a type of thermoelectric module that does not have a ceramic substrate. In this case, however, the fact that the modules themselves are arranged in series with a π-type structure makes it difficult to handle. There is a problem that there is.
[0005]
Here, Japanese Patent Laid-Open No. 10-51039 proposes a technique in which a thermoelectric element is reinforced and a module is given flexibility by filling a resin between the thermoelectric elements.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the thing disclosed in the above publication in which the entire module is fixed with resin, heat is transferred from the heat radiation side to the cooling side through the resin, so that the heat leakage is large and the cooling efficiency of the module is lowered.
[0007]
This invention is made | formed in view of such a point, The place made into the objective is to provide the thermoelectric element module which can improve reliability, without reducing cooling efficiency.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Thus, the present invention is a π-type thermoelectric module in which a plurality of thermoelectric elements are electrically connected in series with a plurality of electrodes by alternately connecting adjacent thermoelectric elements with electrodes, The side surface of each thermoelectric element is covered with a coating layer made of an organic resin, a space is provided between the coating layers of adjacent thermoelectric elements, and the coating layers of two adjacent thermoelectric elements are connected to one electrode side of the thermoelectric element. It is characterized in that it forms a bridge by joining at the ends .
[0009]
The thermoelectric element, which is a brittle material, is covered with a coating layer to reinforce the element, and by providing a space between the coating layers of adjacent thermoelectric elements, heat conduction through the coating layer can be suppressed. Is.
[0010]
As the thermoelectric element, a cylindrical element can be suitably used.
[0012]
It is also preferable to provide a polyimide layer between the thermoelectric element and the coating layer.
[0013]
The coating layer may be formed of a bubble-containing resin.
[0014]
An electrode having a thickness that is thicker than the thickness of the bridge part connecting the joints to the thermoelectric element can be suitably used, and the electrode can be joined to the thermoelectric element with solder containing fine metal balls. It is preferable to keep it.
[0015]
The surface of the electrode may be covered with an insulating organic film, or the joint between the electrode and the thermoelectric element may be covered with a resin.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment. As shown in FIG. 1, n-type thermoelectric elements 1 and p-type thermoelectric elements 1 are alternately connected by electrodes 2 and π-type arrangement is performed. Thus, these thermoelectric elements 1 are connected in series, and the lead wires 28 for external connection are led out from the end points, but this is not different from the conventional thermoelectric element module. The side surface of the thermoelectric element 1 to be joined is covered with a coating layer 3 made of polyimide resin or epoxy resin having a thickness of 5 to 20 μm. The thermoelectric element module shown in the figure is a type without a ceramic substrate (skeleton type), but has a ceramic substrate 4 on one side or ceramic substrates 4 and 4 on both sides. Also good.
[0017]
In any case, since the thermoelectric element 1 is reinforced by covering the side surface of the thermoelectric element 1, which is a brittle material, the possibility of cracking in the thermoelectric element 1 due to thermal stress is reduced. be able to. Further, the coating layer 3 is thin and has a space between the adjacent thermoelectric elements 1 and there is almost no heat conduction through the coating layer 3, so that the thermoelectric conversion efficiency is reduced due to heat leakage. There is nothing.
[0018]
At this time, as shown in FIG. 2, if a thermoelectric element 1 having a cylindrical shape is used and the outer peripheral surface of the thermoelectric element 1 is covered with a coating layer 3, the thermoelectric element 1 having a square cross section is provided. Compared with the case of using, since the stress concentration portion in the thermoelectric element 1 itself is dispersed, the reliability as the thermoelectric element module is further increased.
[0019]
In order to improve handling as a thermoelectric element module, a bridge 30 that couples the covering layers 3 and 3 of the adjacent thermoelectric elements 1 and 1 may be provided. The bridge 30 is formed of the same resin as the resin forming the covering layer 3, but the covering layer 3 and the bridge 30 can suitably use an epoxy resin having a thickness of 5 to 1000 μm .
[0020]
In the present invention, as shown in FIG. 1 , by forming all the bridges 30 on the one electrode 2 side , the handleability can be improved while ensuring flexibility. In addition, because of flexibility, the reliability of the thermoelectric element module with respect to thermal stress is increased.
[0022]
When the coating layer 3 is formed of an epoxy resin, as shown in FIG. 3 , after coating the thermoelectric element 1 with an inner layer 31 made of a polyimide resin having a thickness of 5 to 20 μm, the coating layer 3 is provided with a thickness of 5 to 1000 μm. Good. The presence of the inner layer 31 improves the adhesion between the coating layer 3 that is an epoxy resin and the thermoelectric element 1, and the reinforcing effect of the thermoelectric element 1 by the coating layer 3 is improved.
[0023]
Coating layer 3 as shown in FIG. 4, it may be formed of a resin containing bubbles 33. For example, the coating layer 3 having a thickness of 5 to 1000 μm is formed of an epoxy resin containing bubbles having a diameter of 1 to 100 μm. Since the bubbles 33 are present, the thermal conductivity of the coating layer 3 is low, and the heat transport by the coating layer 3 can be lowered, so that the performance of the thermoelectric element module can be improved. 3 and 4 show a skeleton type, it goes without saying that the ceramic substrate 4 may be provided on one side, or the ceramic substrates 4 and 4 may be provided on both sides. .
[0024]
In the case where the ceramic substrate 4 is disposed on at least one side, thermal stress due to the difference in linear expansion between the ceramic substrate 4 and the thermoelectric element 1 becomes a problem . This point, as shown in FIG. The thickness of the joint portion 20 with the element 1 can be reduced by making it thicker than the thickness of the bridge portion 21 connecting the joint portions 20 and 20. For example, when the thickness of the bridge portion 21 is 0.2 to 2 mm, the thickness of the joint portion 20 is set to 0.5 to 3 mm. By utilizing the elasticity of the metal electrode 2, the thermal stress generated by the difference in linear expansion between the ceramic substrate 4 and the thermoelectric element 1 is relieved.
[0025]
As shown in FIG. 6 , the thermal stress can be alleviated even when the solder 5 for bonding the electrode 2 and the thermoelectric element 1 includes a copper ball 50 having a diameter of 0.05 to 1 mm. it can. This is because the solder 5 containing many fine balls 50 has a thickness (0.1 mm or more) sufficient to function as a stress relaxation layer.
[0026]
The surface of the electrode 2 is preferably covered with an insulating organic film 24. For example, if parylene or polyimide is vapor-deposited and an insulating organic film 24 having a thickness of 5 to 25 μm is formed on a portion of the electrode 2 excluding the joint surface with the thermoelectric element 1, the thermoelectric element module is combined with a heat sink or a cooling plate. As a result, the insulation reliability between the electrodes 2 is improved. The formation of the insulating organic film 24 can be applied to all of the above examples in which the ceramic substrate 4 is not disposed.
[0027]
FIG. 8 shows a solder joint between the electrode 2 and the thermoelectric element 1 covered with an epoxy resin 6. The resin 6 reinforces the joint between the electrode 2 and the thermoelectric element 1 and constantly applies a compressive force in the direction of increasing the contact pressure between the electrode 2 and the thermoelectric element 1 to the joint due to contraction stress. , Increase the reliability of the joint.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, the present invention is a π-type thermoelectric element module in which a plurality of thermoelectric elements are electrically connected in series with a plurality of electrodes by alternately connecting adjacent thermoelectric elements with electrodes. In addition, the side surfaces of each thermoelectric element are covered with a coating layer made of an organic resin, and a space is provided between the coating layers of adjacent thermoelectric elements, so that the thermoelectric element, which is a brittle material, is reinforced by covering with a coating layer. Thus, the breakage due to the thermal stress is less likely to occur, and in order to provide a space between the coating layers of the adjacent thermoelectric elements, the heat conduction through the coating layer can be suppressed. der thing presence of never causing a decrease in thermoelectric conversion efficiency is, further, a coating layer of adjacent two thermoelectric elements to form a bridge attached at the ends of one electrode side of the thermoelectric element This It is possible to improve the handling properties while maintaining flexibility in.
[0029]
If a cylindrical element is used as the thermoelectric element, stress concentration in the thermoelectric element itself can be dispersed, so that the possibility of destruction of the thermoelectric element is further reduced.
[0032]
It is also preferable to provide a polyimide layer between the thermoelectric element and the coating layer. The adhesion between the coating layer and the thermoelectric element can be increased to improve the reinforcing effect of the thermoelectric element.
[0033]
If the coating layer is formed of a bubble-containing resin, the thermal conductivity of the coating layer can be lowered, so that the heat conduction due to the coating layer can be further suppressed.
[0034]
When the electrode is thicker than the bridge portion connecting the two junctions, the thermal stress applied to the thermoelectric element is alleviated even when the ceramic substrate is provided. be able to. In addition, even if the thermoelectric element is joined with solder containing metal fine balls, the thermal stress applied to the thermoelectric element can be alleviated and the thermoelectric element can be prevented from being destroyed.
[0035]
If the surface of the electrode is covered with an insulating organic film, the insulation reliability upon unitization is improved.
[0036]
Furthermore, if the joint between the electrode and the thermoelectric element is covered with a resin, the reliability of the joint between the electrode and the thermoelectric element can be increased.
[Brief description of the drawings]
[1] shows an example of an embodiment of the present invention, (a) is a sectional view, (b) the structure diagram.
FIG. 2 is a perspective view of another example thermoelectric element and coating layer.
FIG. 3 is a cross-sectional view of another example.
FIG. 4 is a cross-sectional view of still another example.
[Figure 5] (a) (b) is sectional drawing of another example.
[Fig. 6] (a) (b) is sectional drawing of another example.
[Fig. 7] (a) (b) is sectional drawing of another example.
FIG. 8 is a cross-sectional view of another example.
[Explanation of symbols]
1 Thermoelectric element 2 Electrode 3 Coating layer

Claims (8)

隣接する熱電素子間を電極によって交互に接続することで複数個の熱電素子を複数個の電極で電気的に直列に接続しているπ型の熱電素子モジュールであって、各熱電素子の側面を有機性樹脂からなる被覆層で被覆するとともに、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設け、隣接する２つの熱電素子の被覆層同士を、熱電素子の一方の電極側の端部において結合してブリッジを形成していることを特徴とする熱電素子モジュール。A π-type thermoelectric module in which a plurality of thermoelectric elements are electrically connected in series with a plurality of electrodes by alternately connecting adjacent thermoelectric elements with electrodes, and the side surface of each thermoelectric element is Covering with a coating layer made of an organic resin, providing a space between the coating layers of adjacent thermoelectric elements, and bonding the coating layers of two adjacent thermoelectric elements at the end of one electrode side of the thermoelectric element A thermoelectric element module characterized by forming a bridge . 熱電素子として円柱状のものを用いることを特徴とする請求項１記載の熱電素子モジュール。  The thermoelectric element module according to claim 1, wherein a cylindrical element is used as the thermoelectric element. 熱電素子と被覆層との間にポリイミド層を設けていることを特徴とする請求項１〜２のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。The thermoelectric element module according to claim 1, wherein a polyimide layer is provided between the thermoelectric element and the coating layer. 被覆層を気泡含有樹脂で形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。The thermoelectric element module according to any one of claims 1 to 3, wherein the coating layer is formed of a bubble-containing resin. 電極は、熱電素子との接合部の厚みが両接合部をつないでいるブリッジ部の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。The thermoelectric element module according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrode has a thickness of a joint portion with the thermoelectric element that is greater than a thickness of a bridge portion connecting the joint portions. 電極は、金属製の微細ボールを含有する半田で熱電素子に接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。The thermoelectric element module according to any one of claims 1 to 5, wherein the electrode is joined to the thermoelectric element with solder containing metal fine balls. 電極は、その表面が絶縁性有機膜で被覆されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。The thermoelectric element module according to any one of claims 1 to 6, wherein the surface of the electrode is covered with an insulating organic film. 電極と熱電素子との接合部を樹脂で被覆していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。The thermoelectric element module according to claim 1, wherein a joint portion between the electrode and the thermoelectric element is covered with a resin.
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