JP5606528B2

JP5606528B2 - 熱電素子及び熱電モジュール

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Publication number: JP5606528B2
Application number: JP2012517335A
Authority: JP
Inventors: 彰啓鈴村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2031-05-27
Also published as: WO2011149063A1; JPWO2011149063A1

Description

本発明は、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用され、低コストで耐久特性に優れる熱電素子及び熱電モジュールに関する。

ペルチェ効果を利用した熱電素子は、熱電モジュールとしてレーザーダイオードの温度制御、恒温槽、冷蔵庫における冷却などに用いられている。

室温付近で使用される冷却用の熱電モジュールは、冷却特性に優れるＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電材料で形成されたＰ型の熱電素子およびＮ型の熱電素子を対にして含む構成となっている。例えば、特に優れた性能を示す熱電材料として、Ｐ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料が用いられ、Ｎ型の熱電素子にはＢｉ_２Ｔｅ_３とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料が用いられる。

そして、熱電モジュールは、このような熱電材料で形成されたＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを直列に電気接続するようにして、Ｐ型熱電素子およびＮ型熱電素子のそれぞれを表面に配線導体（銅電極）が形成されたセラミックス等からなる支持基板上に配列し、半田でＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と配線導体とを接合することによって作製される。

ここで、熱電素子としては、その横断面が真円の円柱状に形成された熱電素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開2003−17763号公報

しかしながら、特許文献１に示すような形状の熱電素子においては、立ち上がり時に熱電素子の内部に急速な熱伝導が起こり、急速な温度変化による負荷がかかるため、熱電素子にクラックが入って正常に機能しなくなるおそれがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、急速な温度変化が抑制され、クラックが生じるのを抑制された熱電素子及び熱電モジュールを提供することを目的とする。

本発明の熱電素子は、熱電材料からなる柱状体の側周面の２か所に、横断面で見たときに直径によって二分された一対の半円を前記直径に沿ってずらすようにして形成された段差部を有することを特徴とする。

また、本発明の熱電素子は、上記構成において、前記段差部が、前記柱状体の側周面において長手方向に連続して形成されていることを特徴とする。

本発明の熱電モジュールは、上記構成において、上記本発明の熱電素子の複数個が基板上に配置されており、これら熱電素子の配置の外周側に前記段差部が配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、熱電材料からなる柱状体の側周面の２か所に、横断面で見たときに直径によって二分された一対の半円を前記直径に沿ってずらすようにして形成された段差部を有することで、熱電素子内部の通電が乱されて、当該熱電素子の長手方向の電位差が横断面全体にわたって均一になるまでに時間がかかるようになることから、立ち上がり時における熱電素子内部の急速な温度変化を抑制して熱電素子にクラックが生じてしまうのを抑制することができる。

参考例の熱電素子の実施の形態の一例を示す斜視図である。参考例の熱電素子の実施の形態の他の例を示す斜視図である。参考例の熱電素子の実施の形態の他の例を示す斜視図である。本発明の熱電素子の実施の形態の一例を示す横断面図である。参考例の熱電素子の実施の形態の他の例を示す横断面図である。本発明の熱電モジュールの実施の形態の一例を示す断面図である。本発明の熱電モジュールの実施の形態の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の熱電素子の実施の形態の例について図面を参照しつつ説明する。

図１は参考例の熱電素子の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図１に示す熱電素子10は、熱電材料からなる横断面形状が円、楕円または角部が丸みを帯びた多角形である柱状体１の側周面の少なくとも一部に、横断面で見たときに凸部２が形成されている。

熱電素子10は、例えばＡ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及びＳｂの少なくとも一方、ＢはＴｅ及びＳｅの少なくとも一方）からなる熱電材料、好ましくはビスマス、テルル系の熱電材料で形成されている。このような熱電材料としては、一度溶融させて固化した溶製材料、合金粉末を粉砕しホットプレス等で焼結させた焼結材料、ブリッジマン法などにより一方向に凝固させた単結晶材料などが挙げられるが、特に単結晶材料が高性能である点で好ましい。

熱電材料からなる横断面形状が円、楕円または角部が丸みを帯びた多角形である柱状体１とは、円柱状体、楕円柱状体または多角柱状体の側周面の角部を丸くして曲面とした柱状体などであり、特に円柱状体が用いられる。例えば円柱状体の場合、その横断面の円の直径が例えば1〜３ｍｍ程度に形成される。このような形状は、例えば一対の割型を用いて上述の方法により形成することができる。

そして、熱電材料からなる柱状体１の側周面の少なくとも一部には、横断面で見たときに凸部２が形成されている。この凸部２は、例えば凸部２の形状に対応する凹部を有する割型を用いることで形成することができる。

凸部２の横断面形状は、図１に示すように三角状であってもよく、また矩形状であってもよい。ここで、横断面で見て、凸部２の高さは１〜200μｍであるのが通電を乱すという点で効果的である。また、横断面で見て、凸部２の起点となる部位の幅は１〜1000μｍであるのが通電を乱すという点で効果的である。さらに、縦断面で見て、凸部２の起点となる部位の幅（熱電素子10の長手方向の長さ）は少なくとも１μｍであるのが通電を乱すという点で効果的である。なお、熱電素子10は、横断面で見たときに凸部２があるものの、基本的には横断面形状が円、楕円または角部が丸みを帯びた多角形の柱状体であることから、横断面形状が円、楕円または角部が丸みを帯びた多角形である柱状体１としている。

このような熱電素子10によれば、まず内部の通電が乱される。そして、当該熱電素子10の長手方向の電位差が横断面全体にわたって均一になるまでに時間がかかるようになる。そして、熱電素子10の両端部に温度差がつくのが通常よりも遅くなる。そして、熱電素子10の両端部における膨張または収縮が、通電状態の良好な場合よりも遅くなる。したがって、急激な温度変化を防ぎ、熱電素子10にクラックが生じてしまうのを抑制することができる。

また、熱電素子10は、図２に示すように、横断面として柱状体１の端面を見たときに凸部２が形成されているのが好ましい。柱状体１の端面に面して凸部２が形成されていることで、より通電を乱すことができる。すなわち、柱状体１の端面は電流の入り口となる部分であり、この部分に凸部２が形成されることで長手方向の中央部または途中に形成されるよりも、より通電を乱すことができる。また、柱状体１の端面近傍は温度差による変位が大きい部位であることから、この部分に凸部２が形成されることで、この部分の急速な温度変化をより抑制することができる。これにより、立ち上がり時における熱電素子10の内部の急速な温度変化をより抑制して熱電素子にクラックが生じてしまうのをより抑制することができる。

なお、電流が反転するようにして熱電素子10が用いられる場合は、柱状体１の端面は電流の入り口にも出口にもなる部分であることから、入り口と出口のいずれの端面に面して凸部２が形成されていても好ましい。より好ましくは、凸部２が柱状体１の一方の端面および他方の端面に面してそれぞれ形成されているのがよい。

また、熱電素子10は、横断面で見たときに複数の凸部が等間隔に形成されているのが好ましい（図示せず）。横断面で見て凸部が複数形成される場合、通常２〜４個程度に形成されるが、横断面で見たときに複数の凸部（図示せず）が等間隔に形成されていることで、端面内で均等に膨張または収縮しないことによるひねりのような力が発生するのを抑制し、熱電素子10の端面とこれが接合される基板との間の接合部への負荷を低減することができる。なお、ここでいう等間隔とは、横断面で見たときの外周上の間隔が、それぞれの間隔の平均値に対してプラスマイナス10％以内であることをいう。

また、熱電素子10は、横断面で見て、複数の凸部として凸部が等間隔に２つ形成されているのが好ましい（図示せず）。凸部が２つ形成された熱電素子10のほうが、凸部が３つまたは４つ形成された熱電素子10よりも作製しやすい。すなわち、熱電素子10は、合わせた割型に合金を流し込んで作製した線状材料を最終的に切断して柱状体１としたものであるが、この割型が２分割の構成であれば、それぞれの割型（両側）から押さえるだけで任意形状の線状材料を作製することが可能であり、３分割以上の割型よりも一度に作製しやすいとの効果を奏する。

また、熱電素子10は、図３に示すように、凸部２が柱状体１の側周面において長手方向に連続して形成されていてもよい。熱電素子10の端部の膨張または収縮による応力は、柱状体１の一端面から他端面にわたる側周面全体にかかるため、この側周面全体にかかる応力は凸部２が長手方向に連続して形成されていることによって緩和することができる。

以上述べたように、図１に示す熱電素子10は、横断面形状が円、楕円または角部が丸みを帯びた多角形である柱状体１の側周面の少なくとも一部に凸部２が形成された構成であり、図２に示す熱電素子10は、横断面として柱状体１の端面を見たときに凸部２が形成された構成であり、図３に示す熱電素子10は、凸部２が柱状体１の側周面において長手方向に連続して形成された構成である。しかしながら、本発明の熱電素子としては、これらの凸部２が設けられた構成に限定されず、凸部２にかえて段差部が形成された構成であってもよい。

例えば、図４に示すように、本発明の熱電素子は、横断面で見て、直径によって二分された一対の半円を、この直径に沿ってわずかにずらすようにして形成された段差部３を柱状体１の側周面の少なくとも一部に有する。また、図５に示すように、参考例の熱電素子は、横断面で見て、異なる長さの直径を有する円をその直径によって二分して得られたそれぞれの半円を、互いの直径を重ね合わせるとともに互いの円弧上から等距離にある点を一致させるようにして形成された段差部３を柱状体１の側周面の少なくとも一部に有する構成でもよい。

ここで、横断面で見て、段差部３における段差の高さは、１〜200μｍであるのが通電を乱すという点で効果的である。また、段差部３は柱状体１の側周面の少なくとも一部に設けられていればよく、縦断面で見て段差部３の起点となる部位の幅（熱電素子10の長手方向の長さ）は少なくとも１μｍであるのが通電を乱すという点で効果的である。

また、本発明の熱電素子は、横断面として柱状体１の端面を見たときに図４に示すような段差部３が形成された構成である。さらに、本発明の熱電素子は、図４に示すような段差部３が柱状体１の側周面において長手方向に連続して形成された構成であってもよい。

図４に示す段差部３は、例えば一対の割型を幅方向（長手方向と垂直な方向）にわずかにずらして合わせることで形成することができ、図５に示す段差部３は、例えば径（開口部の幅）の異なる割型を合わせることで形成することができる。なお、例えば使用する割型の数を増やすことで、横断面で見た段差部３の個数を増加させることができる。

以上述べた熱電素子10は、Ｎ型の熱電素子とＰ型の熱電素子とを含む概念である。Ｎ型の熱電素子およびＰ型の熱電素子はそれぞれ異なる熱電材料を用いて得られ、このＮ型の熱電素子とＰ型の熱電素子とを直列に電気接続させて基板上に配置（一対の支持基板の主面間に配置）することで、後述の熱電モジュールが形成される。

以下、本発明の熱電モジュールの実施の形態の例について説明する。

図６に示す熱電モジュールは、対向する一対の支持基板４（４ａ，４ｂ）と、これらの支持基板４（４ａ，４ｂ）の一方の主面間に配列された複数の熱電素子10（Ｎ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ）と、熱電素子10（Ｎ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ）と支持基板４（４ａ，４ｂ）との間に配設され、隣接するＮ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ間を電気的に連結する配線導体７（７ａ，７ｂ）と、支持基板４（４ａ，４ｂ）の他方の主面側に配設された熱交換器５とを備えている。支持基板４（４ａ，４ｂ）と配線導体７（７ａ，７ｂ）との間には樹脂層８が配設され、さらに支持基板４（４ａ，４ｂ）と熱交換器５との間にはこれらを連結するための金属からなる連結部材６が配設されている。各熱電素子10は、配線導体７により電気的に直列に連結されている。

このような構造の熱電モジュールでは、配線導体７ａ，７ｂに発生する吸熱または放熱を熱交換器５に伝熱し、熱交換器５によって冷却または放熱される。このとき、熱交換器５に空気を流し空冷させることによって、冷却または加熱された空気が発生し、空調機として使用することが可能である。また、熱交換器５を直接断熱された空間に入れることで冷温庫を作製できる。

ここで、このような熱電モジュールにおいて、熱電素子10の複数個が基板上に配置されており、これら熱電素子10の配置の外周側に凸部または段差部が配置されているのが好ましい。図７に示すように、支持基板４の外周側に配置された熱電素子10において、熱電素子10の配置の外周側は支持基板４により拘束されずに変位が大きくなってクラックが発生しやすい傾向があるが、熱電素子10の配置の外周側に凸部または段差部が配置されていることで、クラックの発生を抑制することができる。

以下、図６に示す熱電モジュールの製造方法について説明する。

まず、図１に示す熱電素子10（Ｎ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ）と支持基板４とを接合する。

具体的には、支持基板４上に形成した配線導体７の少なくとも一部に半田ペーストあるいは半田ペーストよりなる接合材を塗布し、半田層を形成する。ここで、塗布方法としては、メタルマスクあるいはスクリーンメッシュを用いたスクリーン印刷法がコスト、量産性の面から好ましい。

ついで、半田が塗布された配線導体７の表面に熱電素子10を配列する。熱電素子10はＮ型熱電素子10ａとＰ型熱電素子10ｂの２種類の素子を配列することが必要である。接合する方法としては公知の技術であればいずれでも良いが、Ｎ型熱電素子10ａおよびＰ型熱電素子10ｂのそれぞれを別々に振動させながら配列穴加工された治具に振り込む振込み式で配列させた後、転写して支持基板４上に配列する方法が簡便で好ましい。

支持基板４上に熱電素子10（Ｎ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ）を配列した後、熱電素子10（Ｎ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ）の上面に反対側の支持基板４を設置する。

具体的には、配線導体７の表面に半田が塗布された支持基板４を熱電素子10（Ｎ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ）の上面に公知の技術により半田接合する。半田接合の方法としては、リフロー炉あるいはヒーターによる加熱などいずれでも良いが、支持基板４に樹脂を用いる場合、上下面に応力をかけながら加熱することが半田と熱電素子10（Ｎ型熱電素子10ａ及びＰ型熱電素子10ｂ）の密着性を高める上で好ましい。

次に、得られた熱電素子の両面に取り付けられた支持基板４と熱交換器５を連結部材６にて連結する。使用する熱交換器５はその用途によって形、材質が異なるが、冷却を主とする空調機器として使用する場合は、銅製のフィンが好ましく、特に空冷で使用する場合、空気と接触する面積が増えるように波状の形で作製されたフィンが望ましい。また、放熱側の熱交換器５をより熱交換量が大きいものにすることによって放熱をよくし、冷却特性を向上させることができる。

最後に、得られた熱交換器５が連結された熱電モジュールに電流を通電するためのリード線（図示せず）を半田ごて、レーザー等で接合し、本発明の熱電モジュールが得られる。

以下、実施例を挙げて参考例についてさらに詳細に説明する。

まず、一度溶融させて固化したＢｉ、Ｔｅ、ＳｅからなるＮ型の熱電材料及びＢｉ_、Ｓｂ_、ＴｅからなるＰ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、直径１．８ｍｍの棒状のＮ型熱電材料及び棒状のＰ型熱電材料を、それぞれ条件(形状)を異ならせて２種類準備した。

具体的には、条件１（比較例）として、棒状のＮ型熱電材料及び棒状のＰ型熱電材料の側面に突起部を有しないものを用意し、条件２（実施例）として、棒状のＮ型熱電材料及び棒状のＰ型熱電材料の側面にそれぞれ突起部を有するものを用意した。

ついで、棒状のＮ型熱電材料及び棒状のＰ型熱電材料の表面を硝酸でエッチング処理した後、絶縁層となる被覆材を被覆した。被覆材はエポキシ樹脂からなる耐はんだ性レジスト（ソルダレジスト）である。被覆材の被覆方法としては、ディッピング法を用いた。

次に、被覆材が被覆された棒状のＮ型熱電材料及び棒状のＰ型熱電材料を長さ１．６ｍｍになるように、ワイヤーソーにて切断し、Ｎ型熱電素子（Ｎ型熱電材料からなる柱状体）及びＰ型熱電素子（Ｐ型熱電材料からなる柱状体）を得た。得られたＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子は、電解メッキで切断面にニッケル層を形成した。なお、条件２（実施例）のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子における突起部は、図１に示す突起部を長手方向に延ばしたような形状であって、当該突起部の横断面における起点の幅は60μｍ、横断面における高さは40μｍ、長手方向の長さは1ｍｍとした。

ついで、配線導体として厚み105μｍの銅配線が形成された支持基板40ｍｍ×40ｍｍを準備した。この配線導体上に、メタルマスクを用いて95Ｓｎ−５Ｓｂの半田ペーストを塗布した。

さらに、この半田ペースト上に、Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子が電気的に直列になるようにパーツフィーダを使用して各熱電素子を配設した。上記のように配列されたＮ型熱電素子とＰ型熱電素子を２枚の支持基板で挟み込むようにし、上下面に応力をかけながらリフロー炉で加熱処理した。最後に、支持基板と熱交換器とを連結部材にて連結して熱電モジュールを得た。

次に、組み立てたモジュールの評価として、それぞれの条件の素子で作製した熱電モジュールを50個準備し、熱電特性を示す冷却性能をＩｍａｘの電流（６Ａ）を印加して、上下の熱交換器の温度差を測定した。その後、３分間隔でＯＮ、ＯＦＦする通電試験を20000サイクル行った。この通電試験後の熱電素子のクラックの発生を確認したところ、条件１の熱電素子で作製された熱電モジュールでは端部にクラックが生じた熱電素子があったが、条件２の熱電素子で作製された熱電モジュールでは熱電素子端部にクラックは全く生じなかった。

この結果より、参考例の実施例となる条件２では、20000サイクル後でも熱交換器の温
度差特性の変化が生じず、条件１よりも優れた耐久性を発揮することができることがわかる。

10 熱電素子
10ａＮ型熱電素子
10ｂＰ型熱電素子
１柱状体
２凸部
３段差部
４，４ａ，４ｂ支持基板
５熱交換器
６連結部材
７配線導体
８樹脂層

Claims

熱電材料からなる柱状体の側周面の２か所に、横断面で見たときに直径によって二分された一対の半円を前記直径に沿ってずらすようにして形成された段差部を有することを特徴とする熱電素子。
前記段差部が、前記柱状体の側周面において長手方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
請求項１または請求項２に記載の熱電素子の複数個が基板上に配置されており、これら熱電素子の配置の外周側に前記段差部が配置されていることを特徴とする熱電モジュール。