JP5225056B2

JP5225056B2 - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP5225056B2
Application number: JP2008326974A
Authority: JP
Inventors: 浩治徳永; 健一田島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-01-29
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: US20090189239A1; JP2009206497A; US7982278B2

Description

本発明は、熱電モジュールに関する。より詳しくは、例えば、空調機、冷温庫、半導体製造装置、光検出装置、レーザダイオード等の温度調節等に使用される熱電モジュールに関する。

従来の熱電モジュールとしては、例えば、特許文献１に開示されているものがある。湿度による劣化を防止するために、素子の外面にシール材を塗布した熱電モジュールおよび基板間の素子配設部の外周にシール材を充填した熱電モジュールが開示されている。
特開2000−286460号公報

上記のような従来の熱電モジュールは、シール材を備えているので耐湿性能が比較的優れているが、さらなる性能の向上が求められている。

本発明の熱電モジュールは、第１の基板と、該第１の基板と所定の距離を隔てて配置された第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間のスペースに配列された複数のＰ型熱電素子と、前記スペースに配列された複数のＮ型熱電素子と、それぞれが前記スペースで前記複数のＰ型熱電素子の一つおよび前記複数のＮ型熱電素子の一つに接続され、前記複数のＰ型熱電素子および前記複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続する、複数の電極と、前記スペースの周縁部に配置されたシール材と、を備える熱電モジュールであって、前記複数の電極は、前記スペースの周縁部側に配置された第１の電極を備え、該第１の電極は、前記Ｐ型熱電素子との接続部および前記Ｎ型熱電素子との接続部の間の部位に、前記スペースの周縁部から離れる方向に窪む凹部を有しており、前記シール材は、少なくともその一部が前記凹部の内側に存在するとともに、前記第１の基板の角部における前記第１の電極の前記凹部が、前記第１の基板の他の部位における前記第１の電極の前記凹部よりも大きいことを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記第１の電極は、前記Ｐ型熱電素子との接続部および前記Ｎ型熱電素子との接続部の間の部位に、前記スペースの周縁部から離れる方向に突出する凸部を有することを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記第１の基板および前記第２の基板は多角形であり、前記第１の電極は、その長手方向が前記多角形のうち近接する一辺に平行に配置されていることを特徴とするものである。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、前記第１の電極は、前記スペースの周縁部側の外縁が曲線であることを特徴とするものである。

本発明の熱電モジュールは、第１の基板と、第１の基板と所定の距離を隔てて配置された第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間のスペースに配列された複数のＰ型熱電素子と、スペースに配列された複数のＮ型熱電素子と、それぞれがスペースで複数のＰ型熱電素子の一つ及び複数のＮ型熱電素子の一つに接続され、複数のＰ型熱電素子および複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続する、複数の電極と、スペースの周縁部に配置されたシール材と、を備える熱電モジュールであって、複数の電極は、スペースの周縁部側に配置された第１の電極を備え、第１の電極は、Ｐ型熱電素子との接続部およびＮ型熱電素子との接続部の間の部位に、スペースの周縁部から離れる方向に窪む凹部を有することから、スペースの周縁部側に配置された第１の電極が上記凹部を有しているので、第１の電極がシール材よりも外部に露出することが抑制される。これにより、熱電モジュールの耐湿性能が向上するという効果がある。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の構成において、シール材は、少なくともその一部が凹部の内側に存在するときには、シール材と基板との接合面積が増加するので、シール性がさらに向上する。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、第１の電極は、Ｐ型熱電素子との接続部およびＮ型熱電素子との接続部の間の部位に、スペースの周縁部から離れる方向に突出する凸部を有するときには、第１の電極の面積が減少するのを抑制できるので、電極の剛性が低下するのを抑制できる。これにより、熱電モジュール全体の剛性が高いレベルで維持される。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、第１の基板および第２の基板は多角形であり、第１の電極は、その長手方向が多角形のうち近接する一辺に平行に配置されているときには、第１の電極が全周にわたってシール材から外部に露出しにくくなるので、熱電モジュールの耐湿性能および絶縁性能がさらに向上する。

また、本発明の熱電モジュールは、上記の各構成において、第１の電極は、スペースの周縁部側の外縁が曲線であるときには、熱電モジュールの使用時に基板の一方が高温になり他方が低温になるというように温度変化が生じることで基板が変形するので、第１の電極には基板から剥離するような応力が働くが、その応力が緩和されるので第１の電極の耐久性が向上し、その結果、熱電モジュールの耐久性が向上する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態にかかる熱電モジュールについて説明する。
＜第１の実施形態＞
図１〜図５に本発明の第１の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。

図１および図２に示すように、本実施形態の熱電モジュールは、対向して配置された一対の基板１１，１３（第１の基板１１、第２の基板１３）と、一対の基板１１，１３の対向面間のスペースに配列された複数のＰ型熱電素子１５および複数のＮ型熱電素子１７と、Ｐ型熱電素子１５とＮ型熱電素子１７を電気的に直列に接続するために一対の基板１１，１３の対向面にそれぞれ配列された複数の電極１９と、を備えている。この熱電モジュールは、一対の基板１１，１３間のスペースの周縁部にシール材２１が配置されている。これにより、一対の基板１１，１３の間に存在するスペースはシール材２１により囲まれて密閉された状態になるので、熱電モジュールの耐湿性能が向上する。

図３および図４に示すように、複数の電極１９のうち基板１１（１３）の周縁部に沿って配置された第１の電極１９ａは、基板１１の周縁部１１ａ側の外縁の一部が第１の基板１１の周縁部１１ａから離れる方向に窪む凹部２３を有している。この凹部２３は、Ｐ型熱電素子１５の接続部分とＮ型熱電素子１７の接続部分との間に位置し、かつ、第１の基板１１の周縁部１１ａ側に位置している。このように第１の電極１９ａの一部に凹部２３が形成されていることで、第１の電極１９ａがシール材２１から外部に露出するのを抑制できるので、第１の電極１９ａの劣化が抑制される。その結果、熱電モジュールの耐湿性能がより向上するとともに、絶縁性能も向上する。

第１の電極１９ａに設けられる凹部２３を構成する外縁の一部は曲線からなることが好ましい。熱電モジュールの使用時には、第１の基板１１および第２の１３の一方が高温になり他方が低温になる。このように温度変化が生じることで第１の基板１１が変形するので第１の電極１９ａには第１の基板１１から剥離するような応力が働く。本実施形態にかかる第１の電極１９ａのように外縁が曲線からなる凹部２３が形成されていることで、上記応力が緩和されるので第１の電極１９ａの耐久性が向上し、その結果、熱電モジュールの耐久性が向上する。

この場合、第１の電極１９ａに設けられる凹部２３を構成する外縁の一部（曲線部）が円弧状の曲線から成ることが好ましく、応力が緩和され易いものとなる。その他の形状として、楕円弧状の曲線等であってもよい。

また、図９に示すように、第１の基板１１の角部（隅部）において応力が大きくなり易いため、第１の基板１１の角部における第１の電極１９ａの凹部２３を構成する曲線部の大きさまたは深さを、第１の基板１１の他の部位における第１の電極１９ａの凹部２３を構成する曲線部よりも大きくまたは深く形成することが好ましい。この場合、第１の基板１１の角部（隅部）において生じるより大きな応力を緩和することができる。

また、第１の電極１９ａの凹部２３を構成する曲線部は、一つの第１の電極１９ａに複数あってもよい。この場合、凹部２３は波形等の形状となる。

さらに、第１の電極１９ａの両端部の外縁も円弧状等の曲線から成ることが好ましい。この場合、第１の電極１９ａの両端部においても応力を緩和することができる。

また、図３および図４に示すように、シール材２１は凹部２３に入り込んでいることが好ましい。これにより、シール材２１と第１の基板１１との接合面積が増加するので、シール性がさらに向上する。

図５に示すように、第１の基板１１の対向面が四角形等の多角形である場合、第１の基板１１の周縁部１１ａに沿って配置された第１の電極１９ａは、それらの長手方向が対向面の近接する一辺に平行に配置されていることが好ましい。これにより、第１の電極１９ａが全周にわたってシール材２１から外部に露出しにくくなるので、熱電モジュールの耐湿性能および絶縁性能がさらに向上する。また、電極１９の長手方向が全て同方向に配置される場合と比較して、曲げ位置による第１の基板１１の強度差を小さくすることができるので、基板の強度が向上する。

図３〜５に示す第１の実施形態では、第１の基板１１の周縁部１１ａに沿って配置された第１の電極１９ａは、第１の基板１１の周縁部１１ａ側にのみ凹部２３が形成されており、第１の基板１１の周縁部１１ａ側と反対側の外縁は直線状であるが、後述する図６に示すような形態であってもよい。
＜第２の実施形態＞
図６に本発明の第２の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。なお、本実施形態においては前述した第１の実施形態と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる熱電モジュールでは、第１の基板１１の周縁部１１ａに沿って配置された第１の電極１９ｂは、第１の基板１１の周縁部１１ａ側の外縁の一部が第１の基板１１の周縁部１１ａから離れる方向に窪む凹部２５を有していることに加え、第１の基板１１の周縁部１１ａ側とは反対側に位置する外縁の一部が第１の基板１１の周縁部１１ａから離れる方向に突出する凸部２７を有している。この凸部２７はＰ型熱電素子１５の接続部分とＮ型熱電素子１７の接続部分との間に位置している。これにより、図３および図４に示す第１の実施形態と比較して第１の電極１９ｂの面積が減少するのを抑制できるので、電極の剛性が低下するのを抑制できる。これにより、熱電モジュール全体の剛性が高いレベルで維持される。

この場合、第１の電極１９ｂに設けられる凸部２７を構成する外縁の一部（曲線部）が円弧状の曲線から成ることが好ましく、応力が緩和され易いものとなる。その他の形状として、楕円弧状の曲線等であってもよい。

また、第１の基板１１の角部（隅部）において応力が大きくなり易いため、第１の基板１１の角部における第１の電極１９ｂの凸部２７を構成する曲線部の大きさまたは突出の長さを、第１の基板１１の他の部位における第１の電極１９ｂの凸部２７を構成する曲線部よりも大きくまたは長く形成することが好ましい。この場合、第１の基板１１の角部（隅部）において生じるより大きな応力を緩和することができる。

また、第１の電極１９ｂの凸部２７を構成する曲線部は、一つの第１の電極１９ｂに複数あってもよい。

さらに、第１の電極１９ｂの両端部の外縁も円弧状等の曲線から成ることが好ましい。この場合、第１の電極１９ｂの両端部においても応力を緩和することができる。
＜第３の実施形態＞
図７に本発明の第３の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。なお、本実施形態においては前述した第１の実施形態と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる熱電モジュールでは、第１の基板１１の周縁部１１ａに沿って配置された第１の電極１９ｃは、Ｐ型熱電素子１５の接続部分とＮ型熱電素子１７の接続部分との間の外縁が内側に窪む２つの凹部２９，３１を有している。このような構成の場合、第１の電極１９ｃがシール材２１から外部に露出するのを抑制できるので、第１の電極１９ｃの劣化が抑制される。また、図７に示すように、第１の基板１１の周縁部１１ａに沿って配置された第１の電極１９ｃの外縁全体を覆うようにシール材２１が配置されている場合には、２つの凹部２９，３１を有していることでシール材２１と第１の基板１１との接合面積がより大きくなるので、シール性がさらに向上する。

この場合、第１の電極１９ｃに設けられる互いに対向する凹部２９，３１が円弧状の曲線から成ることが好ましく、応力が緩和され易いものとなる。その他の形状として、楕円弧状の曲線等であってもよい。

また、第１の基板１１の角部（隅部）において応力が大きくなり易いため、第１の基板１１の角部における第１の電極１９ｃの凹部２９，３１の大きさまたは深さを、第１の基板１１の他の部位における第１の電極１９ｃの凹部２９，３１よりも大きくまたは深く形成することが好ましい。この場合、第１の基板１１の角部（隅部）において生じるより大きな応力を緩和することができる。

また、第１の電極１９ｃの一対の凹部２９，３１は、一つの第１の電極１９ｃに複数対あってもよい。

さらに、第１の電極１９ｃの両端部の外縁も円弧状等の曲線から成ることが好ましい。この場合、第１の電極１９ｃの両端部においても応力を緩和することができる。
＜第４の実施形態＞
図８に本発明の第４の実施形態にかかる熱電モジュールを示す。なお、本実施形態においては前述した第１の実施形態と異なる点のみについて説明し、同様の構成要素については同一の参照符号を用いて重複する説明を省略する。

本実施形態にかかる熱電モジュールでは、第１の基板１１の周縁部１１ａに沿って配置された第１の電極１９ｄは、Ｐ型熱電素子１５の接続部分とＮ型熱電素子１７の接続部分との間の外縁が内側に窪む２つの凹部２９，３１を有している。これらの第１の電極１９ｄの一部は、凹部２９が基板の周縁部１１ａに対向するように配置されており、その他の第１の電極１９ｄは、長手方向の端部が第１の基板１１の周縁部１１ａに隣接する周縁部１１ｂに対向するように配置されている。このような構成の場合、長手方向の端部が第１の基板１１の周縁部１１ｂに対向するように配置された第１の電極１９ｄにおける凹部２９，３１にシール材２１が入り込んでいることによってアンカー効果が得られる。これにより、シール材２１と基板１１との接合強度が向上し、耐湿性能がより向上する。

シール材２１は、一対の基板１１，１３間の全体に充填されていてもよいが、以下の理由から第１の基板１１および第２の基板１３の周縁部にのみ配置されている方が好ましい。すなわち、一対の基板１１，１３間にシール材２１が配置された充填部とそれ以外の空隙部とをともに備えているので、充填部を形成したことによる熱電モジュールの冷発熱特性に対する影響を小さくできる。例えば、一対の基板１１，１３間の全体にシール材２１を充填すると熱電モジュールの耐湿性能等は向上させることができるが、冷発熱特性が低下する。熱電モジュールでは基板１１，１３の一方が発熱側となり他方が吸熱側（冷却側）となるので、複数ある熱電素子間の全てに樹脂材を充填するとその充填された樹脂材を通じて第１の基板１１および第２の基板１３間で熱が伝達されて冷発熱特性が低下する。一方、シール材２１が第１の基板１１の周縁部１１ａにのみ配置されている場合には、第１の基板１１および第２の基板１３間における熱の伝達が抑えられて冷発熱特性に対する影響を小さくできる。

シール材２１としては、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などが使用できるがこれらに限定されるものではない。第１の基板１１および第２の基板１３としては、アルミナなどのセラミック基板を用いてもよいが、エポキシ樹脂基板、ポリイミド樹脂基板などの基板を用いることで基板が変形しやすくなるので、電極の密着強度を高めることができる。

なお、上記の各実施形態では、第１の基板１１における第１の電極１９ａ〜１９ｄの形状や配置について説明したが、他方の第２の基板１３についても第１の基板１１と同様に第１の電極１９ａ〜１９ｄが配置されるのが好ましい。また、上記の各実施形態では、熱電素子の断面が円形である場合を例に挙げて説明したが、熱電素子の断面形状は円形以外の例えば多角形などであってもよい。ただし、上記の各実施形態のように外縁の一部が曲線からなる凹部である場合には、その凹部に沿って配置しやすい円形の断面であるのが好ましい。これにより、熱電素子が電極からはみ出しにくくなる。

また、上記した各実施形態にかかる熱電モジュールは発電手段として発電装置に搭載したり、温度調節手段として温度調節装置に搭載することができる。温度調節装置としては、例えば熱電モジュールを冷却手段として用いた冷却装置や、熱電モジュールを加熱手段として用いた加熱装置などが挙げられる。

本発明の第１の実施形態にかかる熱電モジュールを示す斜視図である。図１に示す熱電モジュールにおいてシール材を除いた状態を示す斜視図である。図１に示す熱電モジュールにおける電極の配列状態を示す平面図である。図１におけるＡ−Ａ線による横断面図である。図１に示す熱電モジュールにおける電極の配列状態を示す平面図である。本発明の第２の実施形態にかかる熱電モジュールにおける電極の配列状態を示す平面図である。本発明の第３の実施形態にかかる熱電モジュールにおける電極の配列状態を示す横断面図である。本発明の第４の実施形態にかかる熱電モジュールにおける電極の配列状態を示す横断面図である。本発明の第１の実施形態にかかる熱電モジュールの他例における電極の配列状態を示す平面図である。

符号の説明

１１第１の基板
１１ａ周縁部
１３第２の基板
１５Ｐ型熱電素子
１７Ｎ型熱電素子
１９電極
１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ第１の電極
２１シール材
２３凹部
２７凸部

Claims

第１の基板と、
該第１の基板と所定の距離を隔てて配置された第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間のスペースに配列された複数のＰ型熱電素子と、
前記スペースに配列された複数のＮ型熱電素子と、
それぞれが前記スペースで前記複数のＰ型熱電素子の一つおよび前記複数のＮ型熱電素子の一つに接続され、前記複数のＰ型熱電素子および前記複数のＮ型熱電素子を電気的に直列に接続する、複数の電極と、
前記スペースの周縁部に配置されたシール材と、を備える熱電モジュールであって、
前記複数の電極は、前記スペースの周縁部側に配置された第１の電極を備え、
該第１の電極は、前記Ｐ型熱電素子との接続部および前記Ｎ型熱電素子との接続部の間の部位に、前記スペースの周縁部から離れる方向に窪む凹部を有しており、
前記シール材は、少なくともその一部が前記凹部の内側に存在するとともに、
前記第１の基板の角部における前記第１の電極の前記凹部が、前記第１の基板の他の部位における前記第１の電極の前記凹部よりも大きいことを特徴とする熱電モジュール。
前記第１の電極は、前記Ｐ型熱電素子との接続部および前記Ｎ型熱電素子との接続部の間の部位に、前記スペースの周縁部から離れる方向に突出する凸部を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
前記第１の基板および前記第２の基板は多角形であり、
前記第１の電極は、その長手方向が前記多角形のうち近接する一辺に平行に配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
前記第１の電極は、前記スペースの周縁部側の外縁が曲線であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱電モジュール。