JP4127437B2

JP4127437B2 - Thermo module

Info

Publication number: JP4127437B2
Application number: JP34009198A
Authority: JP
Inventors: 政信畦地
Original assignee: 小松エレクトロニクス株式会社
Priority date: 1998-11-30
Filing date: 1998-11-30
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2018-11-30
Also published as: JP2000164945A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーモモジュールに関し、特に、多様な電源電流電圧仕様に適用可能なサーモモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ペルチェ効果を応用したサーモモジュールが冷却加熱用熱電装置として使用されている。従来のサーモモジュールは、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが直列に複数接続されて構成され、当該直列接続体の両端に印加された電流に応じた冷却加熱機能を発揮していた。
【０００３】
近年、上記のようなサーモ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、多種類の電源電流電圧仕様に対応する必要がでてきた。例えば、コンピュータや光通信等の分野では、低電圧電源の利用が主流となっており、サーモモジュールにおいても低電圧で駆動できるものが望まれている。
【０００４】
サーモモジュールの駆動電圧を変化させる方法としては、特開平８−１７８４９８号公報に記載された技術が知られている。当該公報には、２つのサーモモジュールを直列に接続して２４Ｖで駆動し、並列に接続して１２Ｖで駆動する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記公報に記載された方法では、２つのサーモモジュールを外部で接続する必要があるため、該各モジュールを接続するための配線パターンを予め設けておく必要がある。このような配線パターンの形成には、実装面積の確保が必要であり、高密度実装型の回路に適した方法ではなかった。特に、サーモモジュールやその周辺に配置される回路素子がマイクロオーダーのサイズである場合には、配線パターンの形成自体が困難となるため、上述したような２つのサーモモジュールを外部で接続する方法が適用できない場合があった。
【０００６】
そこで、本発明は、多様な電源電流電圧仕様に適用可能なサーモモジュールを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、一対の熱交換基板（１０）と、各熱交換基板（１０）上に形成された配線パターン（１２）と、一の熱交換基板（１０）の配線パターン（１２）及び他の熱交換基板（１０）の配線パターン（１２）を介して複数の熱電素子（１４）が直列接続された素子列（１６）とを具備するサーモモジュールにおいて、前記配線パターン（１２）を介して複数の前記素子列（１６）が並列接続された並列接続部（１８）を具備し、前記並列接続部（１８）を構成する一の素子列（１６）は、前記各熱交換基板（１０）の外縁に沿って配設され、前記並列接続部（１８）を構成する他の素子列（１６）は、前記一の素子列（１６）の内周に沿って配設されることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記熱交換基板（１０）は、前記配線パターン（１６）がメタライジングによって形成されたメタライズ電極基板であることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記並列接続部（１８）を構成する少なくとも２つの素子列（１６）は、互いに同一の熱電特性を有することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発明において、熱交換基板（１０）は、前記素子列（１６）を挟持する上下一対の組からなり、前記一対の熱交換基板（１０）は、いずれか一方が他方よりも外部に突出し、該突出した部分に外部電極端子（２０）を有することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項５記載の発明は、一対の熱交換基板（１０）と、各熱交換基板（１０）上に形成された配線パターン（１２）と、一の熱交換基板（１０）の配線パターン（１２）及び他の熱交換基板（１０）の配線パターン（１２）を介して複数の熱電素子（１４）が直列接続された素子列（１６）とを具備するサーモモジュールにおいて、複数の前記素子列（１６）と、前記素子列（１６）ごとに独立して設けられた外部電極端子（２０）とを具備し、前記複数の素子列（１６）のうち、一の素子列（１６）は、前記各熱交換基板（１０）の外縁に沿って配設され、前記複数の素子列（１６）のうち、他の素子列（１６）は、前記一の素子列（１６）の内周に沿って配設されることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項６記載の発明は、請求項５記載の発明において、前記熱交換基板（１０）は、前記配線パターン（１６）がメタライジングによって形成されたメタライズ電極基板であることを特徴とする。
【００１４】
また、請求項７記載の発明は、請求項５または請求項６記載の発明において、前記一の素子列（１６）の熱電特性と前記他の素子列（１６）の熱電特性が同一であることを特徴とする。
【００１５】
また、請求項８記載の発明は、請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の発明において、前記熱交換基板（１０）は、前記素子列（１６）を挟持する上下一対の組からなり、前記一対の熱交換基板（１０）は、いずれか一方が他方よりも外部に突出し、該突出した部分に前記外部電極端子（２０）を有することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（発明の概要）
本発明の特徴は、熱交換基板１０上に形成した配線パターン１２を介して、複数の熱電素子１４が直列接続された素子列１６を並列接続することにある。このような構造により、素子列１６の組み合わせ方を適切に選択すれば、任意の駆動電圧仕様を設定することができる（図１参照）。
【００１７】
（第１の形態）
本発明の第１の形態は、素子列の並列接続に関する発明であり、本発明者は、以下に示すプロセスを通して、この第１の形態を完成させるに至った。
【００１８】
まず、本発明者は、低電圧での駆動を可能にすべく、並列接続という概念に着目し、該並列接続の適用性を検討した。ここで、従来技術のように、単に、モジュール同士を並列接続したのでは、外部配線という問題点が残る。また、ペルチェ効果に関しても、複数モジュールよりは、単一モジュールの方が放熱性・吸熱性に優れており、複数のモジュールを接続する構成は好ましくない。
【００１９】
そこで、本発明者は、モジュール内部での並列接続の実現をさらに検討し、熱交換基板上に形成される配線パターンを利用する構成を見出した。熱交換基板上の配線パターンは、メタライジングによって形成することができるため、微細かつ複雑なパターンが任意に形成可能である。
【００２０】
さらに、本発明者は、このメタライジングの柔軟なパターン形成能力に着目し、単なる並列接続だけでなく、並列接続を組み込んだ直並列回路の形成も可能であることを発見した。任意の直並列回路が形成可能であるということは、任意の電圧で駆動するサーモモジュールが構築可能であることを意味する。このような効果は、従来の直列接続のみの構成では到底期待できないものである。
【００２１】
本発明の第１の形態は、上記観点から構成された発明であり、モジュールの駆動電圧を任意に設定可能とする技術を提供する。
【００２２】
図１は、本発明の第１の形態に係るサーモモジュールの構成を示す概念図である。以下、同図に基づいて、本発明の第１の形態の構成を説明する。
【００２３】
熱交換基板１０は、放熱または吸熱媒体となる部材であり、窒化アルミやアルミナセラミックス等の熱伝導性と絶縁性にすぐれた材料で形成される。この熱交換基板１０は、通常、２枚一組で構成され、上下から熱電素子１４を挟持した構造で配設される。この２枚一組のうち、いずれか一方を他方よりも外部に突出させて、該突出した部分に外部電極端子２０を配設する構造は、本発明の範囲内である。
【００２４】
配線パターン１２は、熱電素子１４を接続する導体パターンであり、メタライジングによって形成する。メタライジングは、絶縁性基板に導体パターンを形成する周知の技術であり、微小サイズのパターニングに適した方法である。メタライジングは、電気めっきやスパッタによるパターン形成方法として公用されている。
【００２５】
熱電素子１４は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを接合して得られた素子対を基礎として形成され、該素子対のＰＮ接合部に電流を流すことによって、ペルチェ効果を奏するものである。熱電素子１４を構成する半導体としては、一般に、Ｂｉ−Ｔｅ系の半導体が用いられる。熱電素子１４が奏したペルチェ効果は、熱交換基板１０を介して、冷却加熱の温度調節に寄与する。
【００２６】
素子列１６は、複数の熱電素子１４が直列に接続されて形成され、サーモモジュールの基本ユニットとなる。本発明では、このような素子列１６を複数組み合わせて、任意の素子回路を構成する。
【００２７】
並列接続部１８は、２以上の素子列１６が配線パターン１２を介して接続された素子グループであり、本発明では、このような並列接続部１８を任意に組み込むことによって、駆動電圧を設定する。
【００２８】
並列接続部１８は、駆動電圧の調整だけでなく、熱電素子１４や配線パターンの断線によって発生する冷却加熱機能停止の予防手段としても効果的である。これは、並列接続部１８を構成する一の素子列１６が断線しても他の素子列１６に電流が流れて、冷却加熱機能が維持されるからである。このような素子列１６の断線は、サーモモジュール駆動時の熱応力によって発生する可能性がある。このような現象は、サーモモジュールのコーナー付近で時折発現する。従って、該コーナー部分に並列接続部１８を設けることは、冷却加熱機能停止の予防に効果的である。例えば、該コーナー部分で素子列１６を並列に接続し、その他の部分は、直列接続で構成した場合には、熱応力の発生によって、該コーナー部分で素子列１６が断線しても、この部分は、並列接続となっているため、冷却加熱機能の停止を防止することができる。
【００２９】
並列接続部１８は、同一の熱電特性を有する素子列１６で構成することが好ましい。これは、各素子列１６に流れる電流が等しくなるため、該各素子列１６を構成する熱電素子１４の使用条件が同じとなり、熱電素子１４の経時変化が各素子列１６で等価になるからである。その結果、駆動電圧の変動や素子列１６の断線等を防止することができる。
【００３０】
好ましくは、同図に示すように、並列接続部１８を構成する一の素子列１６を熱交換基板１０の外縁に沿って配設し、他の素子列１６を前記一の素子列１６の内周に沿って配設する。このような構造により、各素子列１６を同一特性および同一数の熱電素子１４で構成することができ、さらに、熱応力が発生しやすい外側に配設された素子列１６が断線しても熱応力が発生しにくい内側に配設された素子列１６が残るため、冷却機能停止の予防にも効果的である。加えて、熱交換基板１０上に、より多くの熱電素子１４を配置できるという効果も奏する。
【００３１】
外部電極端子２０は、複数の素子列１６からなる回路の外部端子として機能し、同図に示すように、熱交換基板１０の端部に配設される。この外部電極端子２０は、リード、ワイヤーおよび金属バンプ等の周知の電極端子をすべて含む概念である。
【００３２】
上記のように構成されるサーモモジュールは、高密度化や小型化が要求される分野に適する。
【００３３】
以上説明した本発明の第１の形態によれば、熱交換基板１０上に複数の素子列１６が並列接続された並列接続部１８を有するため、駆動電圧の任意設定が可能となる。このような素子列１６の並列接続は、熱交換基板１０上の配線パターン１２を介して行われるため、微小かつ複雑な回路構成にも適用可能である。
【００３４】
（第２の形態）
本発明の第２の形態は、回路構成の変更が可能なサーモモジュールに関する発明であり、本発明者は、以下に示すプロセスを通して、この第２の形態を完成させるに至った。
【００３５】
まず、本発明者は、サーモモジュールを複数の電圧仕様の電源で使用したいというユーザーからの要望に答えるべく、サーモモジュールの回路構成を外部から任意に変更できる構成を検討した。
【００３６】
しかし、回路構成を任意に変更するとはいっても、構造体として安定したサーモモジュールの内部構造を変更することは困難であり、また、好ましい方法ではない。
【００３７】
そこで、本発明者は、素子列の接続は、外部からアクセスできる領域で行うという点を原則として、素子列の接続形態が任意に切り替え可能な構造を検討し、各素子列ごとに外部電極端子を設ける構成を想到した。このような構成は、電子回路に求められる高速な切り替え動作にも適合し、構築できる回路パターンの種類も多岐にわたる。
【００３８】
本発明の第２の形態は、上記観点から構成された発明であり、回路パターンの外部切り替えを可能にする技術を提供する。
【００３９】
図２は、本発明の第２の形態に係るサーモモジュールの構成を示す概念図である。同図に示すように、本発明の第２の形態では、熱交換基板１０上に独立した素子列１６が設けられ、各素子列１６には、それぞれ固有の外部電極端子２０が接続される。
【００４０】
サーモモジュールのユーザーは、外部電極端子２０の接続形態によって、素子列１６の接続形態を決定することができる。例えば、同図に示す２つの素子列１６を並列に接続したい場合には、同図中ａで示した端子（以下、「ａ端子」という。その他の端子についても同様とする）とｂ端子とを接続するとともに、ｃ端子とｄ端子とを接続する。そして、ｅ端子またはｆ端子をａ端子またはｂ端子に接続するとともに、ｇ端子またはｈ端子をｃ端子またはｄ端子に接続する。
【００４１】
また、同図に示す２つの素子列１６を直列に接続したい場合には、ａ端子とｂ端子、ｃ端子とｇ端子、ｄ端子とｈ端子をそれぞれ接続すればよい。その他の構成は、前述した第１の形態に準ずる。
【００４２】
上記のように構成されるサーモモジュールは、複数の電源電圧仕様を有する回路系に適する。
【００４３】
以上説明した本発明の第２の形態によれば、各素子列１６ごとに外部電極端子２０が設けられるため、サーモモジュールの回路構成を外部から容易に変更することができる。
【００４４】
【実施例】
（要約）
セラミック基板３０上にメタライジングによって形成した銅パターン２８を介して、Ｐ型素子２２とＮ型素子２４からなる素子対を直列接続し、セラミック基板３０の外縁に沿って外側回路３４を形成し、該外側回路３４の内側に内側回路３６を形成する。そして、セラミック基板３０の端部で該外側回路３４と内側回路３６とを並列接続する（図４参照）。
【００４５】
（第１の実施例）
図３は、本発明の第１の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。以下、同図を用いて、第１の実施例に係るサーモモジュールの構造を説明する。
【００４６】
Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４を挟持する上下２枚のセラミック基板３０には、それぞれ、メタライジングによって、銅パターン２８が形成される。この銅パターン２８の表面には、ニッケルメッキおよび金メッキまたは半田メッキが施され、Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４との接触が良好に行われる。
【００４７】
Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４は、それぞれ、Ｂｉ−Ｔｅ系熱電半導体から構成され、両者ともニッケルメッキおよび金メッキまたは半田メッキが施される。すべてのＰ型素子２２およびＮ型素子２４は、表面実装による自動組み立て工程を経て、銅パターン２８に半田付けされ、同図に示す構造となる。外部電極端子として機能するリード２６は、底面側のセラミック基板３０上に形成された銅パターン２８に接続され、該セラミック基板３０から突出した状態で固定される。
【００４８】
図４は、図３に示すサーモモジュールの回路構造を示すＩＶ−ＩＶ視図である。同図に示すように、底面側のセラミック基板３０上には、板状の銅パターン２８が複数配置され、各銅パターン２８上には、Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４が半田付けされる。そして、上面側のセラミック基板３０にも銅パターン２８が同様に形成され、各Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４を上下のセラミック基板３０で挟持し、半田付けで固定すると、各Ｐ型素子２２およびＮ型素子２４は、図中の２点鎖線にそって直列接続され、セラミック基板３０上に外側回路３４と内側回路３６が構成される。
【００４９】
外側回路３４と内側回路３６は、セラミック基板３０の端部に形成された配線パターン１２上で相互に接続され、並列回路を構成する。そして、該端部の配線パターン１２には、リード２６が接続される。
【００５０】
外側回路３４を構成するＰ型素子２２およびＮ型素子２４の数と、内側回路３６を構成するＰ型素子２２およびＮ型素子２４の数は、同じであり、両者は、同一の熱電特性を有する。
【００５１】
上記のように構成されたサーモモジュールは、１２ｍｍ×１０ｍｍ程度のサイズを有するマイクロモジュールとして完成した例であるが、４ｍｍ×４ｍｍ乃至２０ｍｍ×２０ｍｍ程度のサイズを有するモジュールを構成することも可能である。
【００５２】
（第２の実施例）
図５は、本発明の第２の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。以下、同図を用いて、第２の実施例に係るサーモモジュールの構造を説明する。
【００５３】
同図に示すように、この第２の実施例に係るサーモモジュールには、４本のリード２６が設けられ、その他は、前述した第１の実施例と同様に構成される。
【００５４】
図６は、図５に示すサーモモジュールの回路構成を示すＶＩ−ＶＩ視図である。同図に示すように、第２の実施例に係るサーモモジュールでは、外側回路３４と内側回路３６に対し、独立したリード２６がそれぞれ接続される。
【００５５】
サーモモジュールのユーザーは、このような４本のリード２６にスイッチング回路を接続し、外側回路３４と内側回路３６の接続形態を適宜選択して、この第２の実施例に係るサーモモジュールを使用する。
【００５６】
（第３の実施例）
図７は、本発明の第３の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。同図に示すように、この第３の実施例に係るサーモモジュールは、底面側のセラミック基板３０が上面側のセラミック基板３０よりも大きく形成される。そして、底面側のセラミック基板３０の突出した部分にリード２６が配設される。このような構造により、リード２６を固定するための配線パターン１２にアクセスしやすくなるため、リード２６の取り付けが容易に行える。尚、この構造は、前述した第２の実施例にも適用可能である。
【００５７】
（第４の実施例）
図８は、本発明の第４の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。同図に示すように、この第４の実施例に係るサーモモジュールには、リード２６に代えて、柱状のリード柱３２が設けられる。このリード柱３２は、ワイヤーボンディングをする際に好適である。尚、この構造は、前述した第２の実施例にも適用可能である。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、多様な電源電流電圧仕様に適用可能なサーモモジュールを提供することができる。
【００５９】
また、本発明の第１の形態によれば、熱交換基板１０上に複数の素子列１６が並列接続された並列接続部１８を有するため、駆動電圧の任意設定が可能となる。このような素子列１６の並列接続は、熱交換基板１０上の配線パターン１２を介して行われるため、微小かつ複雑な回路構成にも適用可能である。
【００６０】
また、本発明の第２の形態によれば、各素子列１６ごとに外部電極端子２０が設けられるため、サーモモジュールの回路構成を外部から容易に変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の形態に係るサーモモジュールの構成を示す概念図である。
【図２】本発明の第２の形態に係るサーモモジュールの構成を示す概念図である。
【図３】本発明の第１の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。
【図４】図３に示すサーモモジュールの回路構造を示すＩＶ−ＩＶ視図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。
【図６】図５に示すサーモモジュールの回路構成を示すＶＩ−ＶＩ視図である。
【図７】本発明の第３の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。
【図８】本発明の第４の実施例に係るサーモモジュールの構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…熱交換基板、１２…配線パターン、１４…熱電素子、１６…素子列、１８…並列接続部、２０…外部電極端子、２２…Ｐ型素子、２４…Ｎ型素子、２６…リード、２８…銅パターン、３０…セラミック基板、３２…リード柱、３４…外側回路、３６…内側回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermo module, and more particularly to a thermo module applicable to various power supply current voltage specifications.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a thermo module using the Peltier effect has been used as a thermoelectric device for cooling and heating. A conventional thermo module is configured by connecting a plurality of P-type semiconductors and N-type semiconductors in series, and exhibits a cooling and heating function according to the current applied to both ends of the series connection body.
[0003]
In recent years, the fields of use of the thermo module as described above have been diversified, and in order to satisfy the demands of these fields of use, it has been necessary to support various types of power supply current voltage specifications. For example, in the field of computers, optical communications, etc., the use of a low voltage power source is the mainstream, and a thermo module that can be driven at a low voltage is desired.
[0004]
As a method of changing the driving voltage of the thermo module, a technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-178498 is known. The publication discloses a technique in which two thermo modules are connected in series and driven at 24 V, and connected in parallel and driven at 12 V.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method described in the above publication, since it is necessary to connect two thermo modules externally, it is necessary to provide a wiring pattern for connecting the modules. In order to form such a wiring pattern, it is necessary to secure a mounting area, which is not a method suitable for a high-density mounting type circuit. In particular, when the thermomodule and the circuit elements arranged in the periphery thereof have a micro-order size, it is difficult to form the wiring pattern. Therefore, there is a method of connecting the two thermomodules as described above externally. There were cases where it was not applicable.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a thermo module applicable to various power supply current voltage specifications.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention described in claim 1 includes a pair of heat exchange boards (10), a wiring pattern (12) formed on each heat exchange board (10), and one heat exchange board ( 10) a thermo module comprising an element array (16) in which a plurality of thermoelectric elements (14) are connected in series via a wiring pattern (12) of 10) and a wiring pattern (12) of another heat exchange substrate (10) . And a plurality of element rows (16) connected in parallel via the wiring pattern (12), and one element row (16) constituting the parallel connection portion (18). Is arranged along the outer edge of each heat exchange substrate (10), and the other element row (16) constituting the parallel connection portion (18) is arranged on the inner periphery of the one element row (16). It is characterized by being arranged along .
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the heat exchange substrate (10) is a metallized electrode substrate in which the wiring pattern (16) is formed by metalizing. .
[0009]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, at least two element rows (16) constituting the parallel connection portion (18) have the same thermoelectric characteristics. It is characterized by that.
[0011]
According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the heat exchange substrate (10) comprises a pair of upper and lower pairs sandwiching the element row (16), One of the pair of heat exchange substrates (10) protrudes more outward than the other, and the protruding portion has an external electrode terminal (20).
[0012]
Further, the invention according to claim 5 is a pair of heat exchange boards (10), a wiring pattern (12) formed on each heat exchange board (10), and a wiring pattern of one heat exchange board (10). (12) and an element row (16) in which a plurality of thermoelectric elements (14) are connected in series via a wiring pattern (12) of another heat exchange substrate (10) , a plurality of the elements A column (16) and an external electrode terminal (20) provided independently for each of the element columns (16), and one element column (16) of the plurality of element columns (16) is And arranged along the outer edge of each of the heat exchange substrates (10). Among the plurality of element rows (16), the other element row (16) is arranged on the inner periphery of the one element row (16). It is characterized by being arranged along.
[0013]
The invention according to claim 6 is the invention according to claim 5 , wherein the heat exchange substrate (10) is a metallized electrode substrate in which the wiring pattern (16) is formed by metallizing. .
[0014]
The invention according to claim 7 is the invention according to claim 5 or claim 6 , wherein the thermoelectric characteristics of the one element row (16) and the thermoelectric characteristics of the other element row (16) are the same. It is characterized by.
[0015]
The invention according to claim 8 is the invention according to any one of claims 5 to 7 , wherein the heat exchange substrate (10) comprises a pair of upper and lower pairs sandwiching the element row (16). One of the pair of heat exchange substrates (10) protrudes more outward than the other, and the protruding portion has the external electrode terminal (20).
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Summary of Invention)
A feature of the present invention resides in that an element row 16 in which a plurality of thermoelectric elements 14 are connected in series is connected in parallel via a wiring pattern 12 formed on the heat exchange substrate 10. With such a structure, an arbitrary driving voltage specification can be set by appropriately selecting the combination of the element rows 16 (see FIG. 1).
[0017]
(First form)
The first aspect of the present invention is an invention related to parallel connection of element rows, and the present inventor has completed the first aspect through the following process.
[0018]
First, in order to enable driving at a low voltage, the present inventors focused on the concept of parallel connection and examined the applicability of the parallel connection. Here, if the modules are simply connected in parallel as in the prior art, the problem of external wiring remains. Further, with respect to the Peltier effect, a single module is more excellent in heat dissipation and heat absorption than a plurality of modules, and a configuration in which a plurality of modules are connected is not preferable.
[0019]
Therefore, the present inventor further studied the realization of parallel connection inside the module, and found a configuration using a wiring pattern formed on the heat exchange board. Since the wiring pattern on the heat exchange substrate can be formed by metallizing, a fine and complicated pattern can be arbitrarily formed.
[0020]
Further, the present inventor has paid attention to the flexible pattern forming ability of metallizing and found that it is possible to form not only a simple parallel connection but also a series-parallel circuit incorporating a parallel connection. The fact that an arbitrary series-parallel circuit can be formed means that a thermo module driven by an arbitrary voltage can be constructed. Such an effect cannot be expected at all with the conventional configuration of only serial connection.
[0021]
The first aspect of the present invention is an invention configured from the above viewpoint, and provides a technique that allows the drive voltage of a module to be arbitrarily set.
[0022]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a thermo module according to the first embodiment of the present invention. The configuration of the first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
[0023]
The heat exchange substrate 10 is a member that serves as a heat dissipation or heat absorption medium, and is formed of a material having excellent thermal conductivity and insulation, such as aluminum nitride and alumina ceramics. This heat exchange substrate 10 is usually composed of a set of two sheets, and is arranged with a structure in which a thermoelectric element 14 is sandwiched from above and below. It is within the scope of the present invention that either one of the two sheets is protruded to the outside of the other and the external electrode terminal 20 is disposed on the protruding portion.
[0024]
The wiring pattern 12 is a conductor pattern that connects the thermoelectric elements 14 and is formed by metalizing. Metalizing is a well-known technique for forming a conductor pattern on an insulating substrate, and is a method suitable for patterning of a minute size. Metallizing is used as a pattern forming method by electroplating or sputtering.
[0025]
The thermoelectric element 14 is formed on the basis of an element pair obtained by bonding a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, and exhibits a Peltier effect by flowing a current through a PN junction portion of the element pair. As a semiconductor constituting the thermoelectric element 14, a Bi-Te based semiconductor is generally used. The Peltier effect produced by the thermoelectric element 14 contributes to the temperature adjustment of the cooling and heating via the heat exchange substrate 10.
[0026]
The element row 16 is formed by connecting a plurality of thermoelectric elements 14 in series, and serves as a basic unit of the thermo module. In the present invention, an arbitrary element circuit is configured by combining a plurality of such element rows 16.
[0027]
The parallel connection part 18 is an element group in which two or more element rows 16 are connected via the wiring pattern 12. In the present invention, the drive voltage is set by arbitrarily incorporating such a parallel connection part 18. .
[0028]
The parallel connection portion 18 is effective not only for adjusting the driving voltage but also as a means for preventing the cooling and heating function from being stopped due to disconnection of the thermoelectric element 14 or the wiring pattern. This is because even if one element row 16 constituting the parallel connection portion 18 is disconnected, a current flows to the other element row 16 and the cooling and heating function is maintained. Such disconnection of the element row 16 may occur due to thermal stress when the thermo module is driven. Such a phenomenon sometimes appears near the corner of the thermo module. Therefore, providing the parallel connection portion 18 at the corner portion is effective in preventing the cooling and heating function from being stopped. For example, when the element rows 16 are connected in parallel at the corner portions and the other portions are configured in series connection, even if the element rows 16 are disconnected at the corner portions due to generation of thermal stress, this portion Since they are connected in parallel, the cooling and heating function can be prevented from stopping.
[0029]
The parallel connection portion 18 is preferably composed of element rows 16 having the same thermoelectric characteristics. This is because the current flowing through each element row 16 becomes equal, the usage conditions of the thermoelectric elements 14 constituting each element row 16 are the same, and the change over time of the thermoelectric elements 14 is equivalent in each element row 16. is there. As a result, it is possible to prevent fluctuations in the drive voltage, disconnection of the element array 16, and the like.
[0030]
Preferably, as shown in the figure, one element row 16 constituting the parallel connection portion 18 is arranged along the outer edge of the heat exchange substrate 10, and the other element row 16 is arranged inside the one element row 16. Arrange along the circumference. With such a structure, each element row 16 can be composed of the same characteristics and the same number of thermoelectric elements 14, and even if the element row 16 disposed outside where the thermal stress is likely to occur is disconnected, heat is generated. Since the element row 16 disposed on the inner side where stress is hardly generated remains, it is effective in preventing the cooling function from being stopped. In addition, there is an effect that more thermoelectric elements 14 can be arranged on the heat exchange substrate 10.
[0031]
The external electrode terminal 20 functions as an external terminal of a circuit composed of a plurality of element rows 16 and is disposed at the end of the heat exchange substrate 10 as shown in FIG. The external electrode terminal 20 is a concept including all known electrode terminals such as leads, wires, and metal bumps.
[0032]
The thermomodule configured as described above is suitable for a field where high density and miniaturization are required.
[0033]
According to the first embodiment of the present invention described above, the drive voltage can be arbitrarily set because the parallel connection portion 18 having the plurality of element rows 16 connected in parallel on the heat exchange substrate 10 is provided. Such parallel connection of the element rows 16 is performed via the wiring pattern 12 on the heat exchange substrate 10, and thus can be applied to a minute and complicated circuit configuration.
[0034]
(Second form)
The second aspect of the present invention is an invention relating to a thermomodule capable of changing the circuit configuration, and the present inventor has completed the second aspect through the process described below.
[0035]
First, the present inventor studied a configuration in which the circuit configuration of the thermo module can be arbitrarily changed from the outside in order to respond to a request from a user who wants to use the thermo module with a power supply having a plurality of voltage specifications.
[0036]
However, although the circuit configuration is arbitrarily changed, it is difficult to change the internal structure of the thermo module that is stable as a structure, and is not a preferable method.
[0037]
Therefore, the present inventor studied a structure in which the connection form of the element rows can be arbitrarily switched based on the point that the connection of the element rows is performed in an area accessible from the outside, and the external electrode terminal for each element row. I came up with a configuration to provide Such a configuration is suitable for a high-speed switching operation required for an electronic circuit, and a wide variety of circuit patterns can be constructed.
[0038]
The second embodiment of the present invention is an invention configured from the above viewpoint, and provides a technique that enables external switching of circuit patterns.
[0039]
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration of a thermo module according to the second embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the second embodiment of the present invention, an independent element row 16 is provided on the heat exchange substrate 10, and a unique external electrode terminal 20 is connected to each element row 16.
[0040]
The user of the thermo module can determine the connection form of the element array 16 according to the connection form of the external electrode terminals 20. For example, when two element rows 16 shown in the figure are to be connected in parallel, the terminal indicated by a in the figure (hereinafter referred to as “a terminal”; the same applies to other terminals) and the b terminal And the c terminal and the d terminal are connected. The e terminal or the f terminal is connected to the a terminal or the b terminal, and the g terminal or the h terminal is connected to the c terminal or the d terminal.
[0041]
Further, when it is desired to connect the two element arrays 16 shown in the figure in series, the a terminal and b terminal, the c terminal and g terminal, and the d terminal and h terminal may be connected respectively. Other configurations conform to the first embodiment described above.
[0042]
The thermo module configured as described above is suitable for a circuit system having a plurality of power supply voltage specifications.
[0043]
According to the second embodiment of the present invention described above, since the external electrode terminal 20 is provided for each element row 16, the circuit configuration of the thermo module can be easily changed from the outside.
[0044]
【Example】
(wrap up)
A pair of elements composed of a P-type element 22 and an N-type element 24 are connected in series via a copper pattern 28 formed by metalizing on the ceramic substrate 30, and an outer circuit 34 is formed along the outer edge of the ceramic substrate 30. An inner circuit 36 is formed inside the outer circuit 34. Then, the outer circuit 34 and the inner circuit 36 are connected in parallel at the end of the ceramic substrate 30 (see FIG. 4).
[0045]
(First embodiment)
FIG. 3 is a perspective view showing the structure of the thermo module according to the first embodiment of the present invention. Hereinafter, the structure of the thermo module according to the first embodiment will be described with reference to FIG.
[0046]
Copper patterns 28 are formed on each of the upper and lower ceramic substrates 30 sandwiching the P-type element 22 and the N-type element 24 by metallizing. The surface of the copper pattern 28 is subjected to nickel plating and gold plating or solder plating, so that contact with the P-type element 22 and the N-type element 24 can be made satisfactorily.
[0047]
The P-type element 22 and the N-type element 24 are each composed of a Bi—Te-based thermoelectric semiconductor, and both are plated with nickel, gold, or solder. All the P-type element 22 and the N-type element 24 are soldered to the copper pattern 28 through an automatic assembly process by surface mounting, resulting in the structure shown in FIG. The lead 26 functioning as an external electrode terminal is connected to a copper pattern 28 formed on the ceramic substrate 30 on the bottom surface side, and is fixed in a state protruding from the ceramic substrate 30.
[0048]
4 is a IV-IV view showing the circuit structure of the thermomodule shown in FIG. As shown in the figure, a plurality of plate-like copper patterns 28 are arranged on the ceramic substrate 30 on the bottom side, and a P-type element 22 and an N-type element 24 are soldered on each copper pattern 28. . The copper pattern 28 is similarly formed on the ceramic substrate 30 on the upper surface side. When the P-type elements 22 and the N-type elements 24 are sandwiched between the upper and lower ceramic substrates 30 and fixed by soldering, the P-type elements 22 are arranged. The N-type element 24 is connected in series along a two-dot chain line in the drawing, and an outer circuit 34 and an inner circuit 36 are formed on the ceramic substrate 30.
[0049]
The outer circuit 34 and the inner circuit 36 are connected to each other on the wiring pattern 12 formed at the end of the ceramic substrate 30 to constitute a parallel circuit. A lead 26 is connected to the wiring pattern 12 at the end.
[0050]
The number of P-type elements 22 and N-type elements 24 constituting the outer circuit 34 and the number of P-type elements 22 and N-type elements 24 constituting the inner circuit 36 are the same, and both have the same thermoelectric characteristics. Have.
[0051]
The thermo module configured as described above is an example completed as a micro module having a size of about 12 mm × 10 mm, but a module having a size of about 4 mm × 4 mm to 20 mm × 20 mm can also be configured. .
[0052]
(Second embodiment)
FIG. 5 is a perspective view showing the structure of a thermo module according to the second embodiment of the present invention. Hereinafter, the structure of the thermo module according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
[0053]
As shown in the figure, the thermomodule according to the second embodiment is provided with four leads 26, and the others are configured in the same manner as in the first embodiment described above.
[0054]
6 is a VI-VI view showing a circuit configuration of the thermo module shown in FIG. As shown in the figure, in the thermomodule according to the second embodiment, independent leads 26 are connected to the outer circuit 34 and the inner circuit 36, respectively.
[0055]
The user of the thermo module connects the switching circuit to these four leads 26, selects the connection form of the outer circuit 34 and the inner circuit 36 as appropriate, and uses the thermo module according to the second embodiment. .
[0056]
(Third embodiment)
FIG. 7 is a perspective view showing the structure of a thermo module according to the third embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the thermomodule according to the third embodiment, the ceramic substrate 30 on the bottom surface side is formed larger than the ceramic substrate 30 on the top surface side. The lead 26 is disposed on the protruding portion of the ceramic substrate 30 on the bottom side. With such a structure, the wiring pattern 12 for fixing the lead 26 can be easily accessed, so that the lead 26 can be easily attached. This structure can also be applied to the second embodiment described above.
[0057]
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a perspective view showing the structure of a thermo module according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in the figure, the thermomodule according to the fourth embodiment is provided with a columnar lead column 32 instead of the lead 26. The lead pillar 32 is suitable for wire bonding. This structure can also be applied to the second embodiment described above.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a thermo module applicable to various power supply current voltage specifications.
[0059]
In addition, according to the first embodiment of the present invention, the drive voltage can be arbitrarily set because the parallel connection portion 18 in which the plurality of element rows 16 are connected in parallel is provided on the heat exchange substrate 10. Such parallel connection of the element rows 16 is performed via the wiring pattern 12 on the heat exchange substrate 10, and thus can be applied to a minute and complicated circuit configuration.
[0060]
Further, according to the second embodiment of the present invention, since the external electrode terminal 20 is provided for each element row 16, the circuit configuration of the thermo module can be easily changed from the outside.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of a thermo module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram showing a configuration of a thermo module according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a structure of a thermo module according to the first embodiment of the present invention.
4 is a IV-IV view showing a circuit structure of the thermo module shown in FIG. 3; FIG.
FIG. 5 is a perspective view showing the structure of a thermo module according to a second embodiment of the present invention.
6 is a VI-VI view showing a circuit configuration of the thermo module shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a perspective view showing a structure of a thermo module according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing a structure of a thermo module according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Heat exchange board | substrate, 12 ... Wiring pattern, 14 ... Thermoelectric element, 16 ... Element row | line | column, 18 ... Parallel connection part, 20 ... External electrode terminal, 22 ... P-type element, 24 ... N-type element, 26 ... Lead, 28 ... Copper pattern, 30 ... Ceramic substrate, 32 ... Lead pillar, 34 ... Outer circuit, 36 ... Inner circuit

Claims

A pair of heat exchange boards (10), a wiring pattern (12) formed on each heat exchange board (10), a wiring pattern (12) of one heat exchange board (10), and another heat exchange board ( 10) a thermomodule comprising an element array (16) in which a plurality of thermoelectric elements (14) are connected in series via a wiring pattern (12) ;
A plurality of element rows (16) connected in parallel via the wiring pattern (12) ;
One element row (16) constituting the parallel connection portion (18)
Arranged along the outer edge of each of the heat exchange substrates (10),
The other element rows (16) constituting the parallel connection portion (18)
A thermo module arranged along the inner periphery of the one element row (16) .

The heat exchange substrate (10)
The thermo module according to claim 1, wherein the wiring pattern (16) is a metallized electrode substrate formed by metallizing.

At least two element rows (16) constituting the parallel connection portion (18) are:
3. The thermomodule according to claim 1, wherein the thermomodule has the same thermoelectric characteristics.

The heat exchange substrate (10)
It consists of a pair of upper and lower sides sandwiching the element row (16),
The pair of heat exchange substrates (10)
Either one protrudes outside rather than the other and has an external electrode terminal (20) in the protruding part. The thermomodule according to any one of claims 1 to 3 characterized by things.

A pair of heat exchange boards (10), a wiring pattern (12) formed on each heat exchange board (10), a wiring pattern (12) of one heat exchange board (10), and another heat exchange board ( 10) a thermomodule comprising an element array (16) in which a plurality of thermoelectric elements (14) are connected in series via a wiring pattern (12) .
A plurality of the element rows (16);
An external electrode terminal (20) provided independently for each element row (16),
Among the plurality of element rows (16), one element row (16) is:
Arranged along the outer edge of each of the heat exchange substrates (10),
Of the plurality of element rows (16), the other element rows (16) are:
A thermo module arranged along the inner periphery of the one element row (16).

The heat exchange substrate (10)
The thermomodule according to claim 5, wherein the wiring pattern (16) is a metallized electrode substrate formed by metallizing.

The thermomodule according to claim 5 or 6 , wherein the thermoelectric characteristics of the one element row (16) and the thermoelectric characteristics of the other element row (16) are the same.

The heat exchange substrate (10)
It consists of a pair of upper and lower sides sandwiching the element row (16),
The pair of heat exchange substrates (10)
Either one protrudes outside rather than the other, and has the said external electrode terminal (20) in this protruding part. The thermomodule in any one of Claim 5 thru | or 7 characterized by the above-mentioned.