JP6139439B2

JP6139439B2 - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP6139439B2
Application number: JP2014035720A
Authority: JP
Inventors: 智弘古川
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: JP2015162511A

Description

本発明は、恒温槽、冷蔵庫、自動車用のシートクーラー、半導体製造装置、レーザーダイオードもしくは燃料電池等の温度調節または廃熱発電等の熱電発電に使用される熱電モジュールに関するものである。

熱電モジュールとして、例えば特許文献１に記載の熱電モジュールが知られている。特許文献１に記載の熱電モジュールは、第１の支持基板と、第１の支持基板に対向する第２の支持基板と、第１の支持基板と第２の支持基板との間に設けられた複数の熱電素子とを備えている。

熱電モジュールは、熱電素子の両端に電圧を加えることによって、熱電素子の一端側と他端側との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、熱電素子の一端側と他端側との間に温度差を与えることによって、電力を生じさせることができる。これらの性質から、熱電モジュールは、温度調節または熱電発電等に用いられる。

そして、特許文献１に記載の熱電モジュールは、第１の支持基板の内面に設けられた温度検出素子をさらに備えている。この温度検出素子によって、第１の支持基板の温度を検知している。

特開平１０−２７０７６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の熱電モジュールにおいては、第１の支持基板の内面に温度検出素子が設けられていることから、第１の支持基板に温度変化が生じた場合には速やかに検知することができるものの、第２の支持基板に温度変化が生じた場合には、第２の支持基板の熱が熱電素子および第１の支持基板を介して温度検出素子に伝わることから、温度変化の検知に長い時間を要していた。その結果、熱電モジュールを温度調節に用いる際には、この温度調節に長い時間を要する場合があった。また、熱電モジュールを熱電発電に用いる際には、熱電モジュールに伝わる熱の調整に長い時間がかかることによって、熱電モジュールの発電効率が低下する場合があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、第１の支持基板に温度変化が生じた場合だけではなく、第２の支持基板に温度変化が生じた場合にも速やかに検知することができる熱電モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一態様の熱電モジュールは、第１領域および該第１領域に隣接する第２領域を有する上面を備えた第１支持基板と、前記第１領域に下面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１領域および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第２領域に実装された、上面および側面を有するサーミスタとを備えており、該サーミスタの上面が前記第２支持基板の下面よりも上方に位置しているとともに、前記サーミスタの側面が前記第２支持基板に接触していることを特徴とする。

本発明の一態様の熱電モジュールによれば、サーミスタの上面が第２支持基板の下面よりも上方に位置しているとともに、サーミスタの側面が第２支持基板に接触していることによって、第２支持基板からサーミスタへと熱が伝わりやすくなることから、第１支持基板に温度変化が生じた場合だけではなく、第２支持基板に温度変化が生じた場合をも速やかに検知することができる。その結果、熱電モジュールを温度調節に用いる際には、この温度調節にかかる時間を短縮できる。また、熱電モジュールを熱電発電に用いる際には、第２支持基板の温度変化を速やかに検知することができることから、熱電モジュールに伝わる熱の調整を速やかに行なうことができるので、熱電モジュールを好ましい温度環境下で発電させることができる。その結果、熱電モジュールの発電効率が低下することを抑制できる。

本発明の一実施形態の熱電モジュールを示す分解斜視図である。図１に示した熱電モジュールの平面図である。図２に示した熱電モジュールのＡ−Ａ’断面の断面図である。図２に示した熱電モジュールのＢ−Ｂ’断面の部分断面図である。

以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュール１０について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０は、第１支持基板１と、第１支持基板１に対向するように設けられた第２支持基板２と、第１支持基板１の主面および第２支持基板２の主面の間に設けられた熱電素子３と、第１支持基板１に実装されたサーミスタ４とを備えている。なお、図１においては、説明の都合上、熱電モジュール１０を一部分解して示している。また、図１では図示を省略しているが、図３に示すように、熱電モジュール１０は、熱電素子３を封止する封止材８をさらに備えている。

＜第１支持基板１の構成＞
第１支持基板１は、主に第２支持基板２と共に熱電素子３を支持するための部材である。図１および図２に示すように、第１支持基板１は、四角形状の板状部材であって、第２支持基板２と対向する主面（以下、上面ともいう）に第１領域１１および第１領域１１に隣接する第２領域１２を有する。第１領域１１は、第１支持基板１の端から主面の大部分を占めるとともに、第２支持基板２とともに熱電素子３を支持する領域である。

第２領域１２は、第１支持基板１のうち第１領域１１以外の領域であり、第１領域１１に隣接している。第２領域１２は、サーミスタ４が設けられる領域である。

本実施形態の熱電モジュール１０の第１支持基板１の寸法は、例えば、縦１０〜１２０ｍｍ、横１０〜５０ｍｍ、厚さ０．１〜５ｍｍに設定することができる。

第１支持基板１は、上面に第１電極６が設けられることから、少なくとも上面側は絶縁材料から成る。第１支持基板１としては、例えば、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体あるいは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の下面側の主面に外部への伝熱または放熱用の銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。また、第１支持基板１の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の上面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムセラミックス等から成る絶縁性の層を設けた基板を用いることができる。

＜第１電極６の構成＞
第１電極６は、熱電素子３に電力を与えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。図３に示すように、第１電極６は、第１支持基板１の上面に設けられている。第１電極６は、第２電極７と共に、複数の熱電素子３を電気的に直列に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子３が直列に接続されている。第１電極６は、例えば銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第１電極６は、例えば、第１支持基板１の上面に銅板を貼り付けておき、これを第１電極６となる部分にマスキングを施して、これ以外の領域をエッチングで取り除くことによって形成される。また、打ち抜き加工によって第１電極６の形状に成形した銅板を第１支持基板１に貼り付けることによって第１電極６を形成してもよい。

＜第２支持基板２の構成＞
第２支持基板２は、主に第１支持基板１と共に熱電素子３を挟んで支持するための部材である。第２支持基板２は、第１支持基板１の第１領域１１に主面が対向するように設けられている。第２支持基板２と第１領域１１とによって、複数の熱電素子３が挟まれて支持されている。第２支持基板２は、例えば四角形状である。第２支持基板２の寸法は、第１領域１１と共に複数の熱電素子３を支持できるように設定される。具体的には、第２支持基板２の形状が四角形状である場合には、例えば縦８〜１００ｍｍ、横１０〜５０ｍｍ、厚さ０．１〜５ｍｍに設定することができる。本実施形態の熱電モジュール１０においては、第２支持基板２は、主面の形状と寸法が第１領域１１と同一であるとともに、図２に示すように、平面視したときに全体が第１領域１１に重なっている。これにより、熱電モジュール１０に上下方向に力が加わった際の耐久性が向上している。

第２支持基板２は、第１支持基板１に対向する主面（以下、下面ともいう）に第２電極７が設けられることから、少なくとも下面側は絶縁材料から成る。第２支持基板２としては、第１支持基板１に用いることができる上述の部材と同様の部材を用いることができる。

＜第２電極７の構成＞
第２電極７は、熱電素子３に電力を与えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。図３に示すように、第２電極７は、第２支持基板２の下面に設けられている。第２電極７は、第１電極６と共に複数の熱電素子３を電気的に直列に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子３が直列に接続されている。第２電極７は、例えば銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第２電極７は、例えば、第２支持基板２の下面に銅板を貼り付けておき、これを第２電極７となる部分にマスキングをして、これ以外の領域をエッチングすることによって形成される。また、打ち抜き加工によって第２電極７の形状に成形した銅板を第２支持基板２に貼り付けることによって第２電極７を形成してもよい。

＜熱電素子３の構成＞
熱電素子３は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうため、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。熱電素子３は、第１領域１１および第２支持基板２の主面の間に複数配列されている。熱電素子３は、熱電素子３の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられる。そして、熱電素子３は、第１電極６と同様のパターンに塗布された半田によって第１電極６に接合されている。複数の熱電素子３は、第１電極６および第２電極７によって全体が直列に電気的に接続されている。

熱電素子３は、ｐ型熱電素子３１とｎ型熱電素子３２とに分類される。熱電素子３（ｐ
型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）から成る熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）またはＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１３は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）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で形成される。また、ｎ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｓｅ_３（セレン化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成される。

ここで、ｐ型熱電素子３１となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるｐ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるｎ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。

これらの棒状の熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて、例えば０．３〜５ｍｍの長さに切断する。次いで、切断面のみに電解メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。最後に、溶解液でレジストを除去することによって、熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）を得ることができる。

熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）の形状は、例えば円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子３の形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子３に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３を円柱状に形成する場合には、寸法は、例えば直径が１〜３ｍｍに、長さが前述の０．３〜５ｍｍに設定される。

＜サーミスタ４の構成＞
サーミスタ４は、熱電モジュール１０の温度を測定するための部材である。図２に示すように、サーミスタ４は、第１支持基板１の第２領域１２に実装されている。

サーミスタ４は、例えば、カーボン粒子を含むポリマー系のＰＴＣサーミスタである。ＰＴＣサーミスタは、温度が閾値以上になると急激に熱膨張を起こすことによって、ポリマーが熱膨張を起こしてカーボン粒子の粒子間距離が離れることによって、電気抵抗が上昇する機能を有する。サーミスタ４は、第１電極６に電気的に接続されている。サーミスタ４の電極部分は、ろう材によって第１電極６に接合されている。本実施形態においては、サーミスタ４は、電気的に直列に接続された複数の熱電素子３に対して電気的に直列に接続されている。

＜封止材８の構成＞
封止材８は、熱電素子３を第１支持基板１および第２支持基板２の間に気密に封止するための部材である。図３および図４に示すように、封止材８は、第１領域１１の周縁部およびそれに対向する第２支持基板２の主面の間に設けられている。封止材８は、複数の熱電素子３をまとめて取り囲んでいる。つまり、封止材８は、第１領域１１と第２支持基板２との間に環状に設けられている。封止材８は、例えばエポキシ樹脂等の樹脂材料から成る。封止材８のうち第１支持基板１の主面に平行な方向の厚みは、例えば０．５〜２ｍｍ程度に設定することができる。封止材８が設けられていることによって、熱電素子３の耐環境性を向上させることができる。

本実施形態の熱電モジュール１０によれば、図４に示すように、サーミスタ４の上面が第２支持基板２の下面よりも上方に位置しているとともに、サーミスタ４の側面が第２支
持基板２に接触している。そのため、第２支持基板２からサーミスタ４へと熱が伝わりやすくなることから、第１支持基板１に温度変化が生じた場合だけではなく、第２支持基板２に温度変化が生じた場合をも速やかに検知することができる。

その結果、熱電モジュール１０を温度調節に用いる際には、この温度調節にかかる時間を短縮できる。また、熱電モジュール１０を熱電発電に用いる際には、第２支持基板２の温度変化を速やかに検知することができることから、熱電モジュール１０に伝わる熱の調整を速やかに行なうことができるので、熱電モジュール１０を好ましい温度環境下で発電させることができる。その結果、熱電モジュール１０の発電効率が低下することを抑制できる。サーミスタ４の上面と第２支持基板２の下面との上下方向の差は、例えば、０．１〜３ｍｍ程度に設定できる。

本実施形態の熱電モジュール１０においては、サーミスタ４の側面と第２支持基板２の側面とが面接触している。これにより、第２支持基板２からサーミスタ４への熱伝達を良好に行なうことができる。

また、本実施形態の熱電モジュール１０においては第１支持基板１および第２支持基板２がそれぞれ四角形状であるが、これに限られない。第１支持基板１および第２支持基板２の形状は、熱電モジュール１０を取り付ける外部の部材の構造に応じて、その形状を適宜変更することができる。具体的には、第１支持基板１および第２支持基板の形状は、四角形以外の多角形状であってもよいし、円形状または楕円形状であってもよい。

１：第１支持基板
１１：第１領域
１２：第２領域
２：第２支持基板
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４：サーミスタ
６：第１電極
７：第２電極
８：封止材
１０：熱電モジュール

Claims

第１領域および該第１領域に隣接する第２領域を有する上面を備えた第１支持基板と、前記第１領域に下面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１領域および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第２領域に実装された、上面および側面を有するサーミスタとを備えており、
該サーミスタの上面が前記第２支持基板の下面よりも上方に位置しているとともに、前記サーミスタの側面が前記第２支持基板に接触していることを特徴とする熱電モジュール。