JP6170013B2 - 熱電モジュールおよびこれを用いた熱電装置 - Google Patents

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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およびこれを用いた熱電装置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、対向する2つの支持基板と、2つの支持基板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。
特開2007−266138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、以下のような問題点があった。例えば、熱電モジュールを熱電発電に使用するときには、一方の支持基板の全面を平坦な面を有する外部の熱源に接触させることになる。このとき、一方の支持基板のうち外部の熱源に接触している面と、この面に対向する面との間には温度差が生じることになる。この温度差によって熱源に接触している面側とこの面に対向する面側との間で熱膨張量に差が生じる場合があった。これにより、一方の支持基板において周縁部が熱源から離れるように反ってしまう場合があった。その結果、一方の支持基板と熱源との接触面積が減少してしまい、一方の支持基板と熱源との間で熱が伝わりにくくなってしまい、熱電発電の効率が低下してしまう場合があった。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、一方の支持基板と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる熱電モジュールおよびこれを用いた熱電装置を提供することにある。
本発明の一態様の熱電モジュールは、第1支持基板と、該第1支持基板の上面に下面が対向するように設けられた上面が平坦な第2支持基板と、前記第1支持基板の上面および前記第2支持基板の下面の間に複数配列された熱電素子と、前記第2支持基板の上面に下面が接するように設けられた熱拡散板とを備えており、該熱拡散板の上面が平坦な面を有する熱源の当該平坦な面と接する熱源接触面であるとともに、該熱源接触面は中央が凹に
なるように前記熱拡散板の全体が湾曲していることを特徴とする。
本発明の他の態様の熱電装置は、上述の熱電モジュールと、該熱電モジュールが前記熱源接触面で接している熱源とを備えており、前記熱拡散板が前記熱源に押し付けられることによって前記熱源接触面が平坦に変形した状態で前記熱源に接す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、第2支持基板の上面に熱拡散板が設けられていることによって、第2支持基板の代わりに熱拡散板を熱源に接触させることになるために、第2支持基板に反りが生じる可能性を低減できる。そして、この熱拡散板の上面が熱源と接する熱源接触面であるとともに、中央が凹になるように全体が湾曲していることによって、熱拡散板と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる。具体的には、熱拡散板の熱源接触面の中央が凹になるように全体が湾曲していることによって、熱拡散板に周縁部が熱源から離れるような反りが生じたときに、熱拡散板の熱源接触面を平坦に近付けることができる。そのため、熱拡散板と熱源との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱拡散板と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる。
また、本発明の熱電装置は、第2支持基板の上面に熱拡散板が設けられていることから、第2支持基板の代わりに熱拡散板を熱源に接触させることになるために、第2支持基板に反りが生じる可能性を低減できる。そして、この熱拡散板が熱源に押し付けられて平坦になっている状態で熱源に接することによって、熱拡散板に凹に湾曲した形状に戻ろうとする内部応力を働かせることができる。そのため、熱拡散板のうち熱源接触面と熱源接触面に対向する面との間に温度差が生じて、熱源接触面側と熱源接触面に対向する面側との間で熱膨張量に差が生じたとしても、熱拡散板に反りが生じることを抑制できる。その結果、熱拡散板と熱源との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱源から熱拡散板への熱を伝わりやすくすることができる。
本発明の一実施形態の熱電モジュールを示す断面図である。 図1に示した熱電モジュールを用いた熱電装置の断面図である。
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複数の熱電素子3と、第2支持基板2の上面に下面が接するように設けられた熱拡散板4とを備えている。
<第1支持基板の構成>
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。第1支持基板1は、四角形状の部材である。
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、縦を10〜120mm、横を10〜50mm、厚さを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5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電極の構成>
第1電極5は、熱電素子3に電圧を加えるため、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1に示すように、第1電極5は、第1支持基板1の上面に設けられている。第1電極5は、第2電極6と共に、複数の熱電素子3を電気的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5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5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5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5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56を形成してもよい。
<第2支持基板の構成>
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に下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支持基板1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支持基板1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、例えば縦を8〜100mm、横を10〜50mm、厚さを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、平面視したときに全体が第1支持基板1に重なっている。
第2支持基板2は、第1支持基板1と対向する下面に第2電極6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電極の構成>
第2電極6は、熱電素子3に電圧を加えるため、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1に示すように、第2電極6は、第2支持基板2の下面に設けられている。第2電極6は、第1電極5と共に、複数の熱電素子3を電気的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2電極6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6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6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6を形成してもよい。
<熱電素子の構成>
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支持基板1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、半田によって第1電極5に接合されている。複数の熱電素子3は、第1電極5および第2電極6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31は、例えば、BiTe(テルル化ビスマス)とSbTe(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、BiTe(テルル化ビスマス)とSbSe(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、切断面のみに電気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、熱源素子3を側面に角が無い形状にすることができるので、ヒートサイクル下において熱電素子3の側面に局所的に熱応力が集中することによってクラックが生じる可能性を低減できる。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に設定される。
<熱拡散板の構成>
熱拡散板4は、熱源から第2支持基板2へ熱を拡散させて伝えるための部材である。熱拡散板4は、第2支持基板2の上面に下面が接するように設けられている。熱拡散板4は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等を用いて第2支持基板2に接着されている。
熱拡散板4は、上面が全面で熱源と接する熱源接触面40であるとともに、熱源接触面40は中央が凹になるように全体が湾曲している。熱拡散板4は、例えば、アルミニウムまたは銅等の熱伝導性に優れていて比較的変形しやすい部材から成る。熱電モジュール10は、熱拡散板4が設けられていることによって、熱源の温度分布にばらつきがあったとしても、このばらつきを熱拡散板4内部での熱の拡散によって低減して、第2支持基板2の全体にほぼ一様に熱を伝えることができる。これにより、第2支持基板2に生じる熱応力を低減できる。
本実施形態の熱電モジュール10は、第2支持基板2の上面に熱拡散板4が設けられており、この熱拡散板4の上面が熱源と接する熱源接触面40であるとともに、熱源接触面40が中央が凹になるように全体が湾曲していることによって、熱拡散板4と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる。具体的には、熱拡散板4の熱源接触面40の全面を平坦な面を有する熱源に接触させたときに、熱拡散板4の熱源接触面40と熱源接触面40に対向する面(下面)との間に温度差が生じることになり、熱拡散板4に周縁部が熱源から離れるような反りが生じることになる。このとき、熱拡散板4の熱源接触面40を中央があらかじめ凹になるように全体を湾曲させておくことによって、熱源接触面40に反りが生じたときに、熱源接触面40を平坦に近付けることができる。そのため、熱拡散板4と熱源との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱拡散板4と熱源との間の熱を伝わりやすくすることができる。
本実施形態の熱拡散板4は、平面視したときの形状が四角形であって、板の全体が湾曲することによって熱源接触面40の中央が凹になるように全体が湾曲している。より詳し
くは、熱拡散板4は、図1に示す断面だけではなく、熱拡散板4に垂直な断面で見たときに、その断面においても同様に湾曲している。このような熱拡散板4は、金属板に外力を加えて湾曲させることによって得ることができる。
熱拡散板4の寸法は、下面が第2支持基板2の上面よりも大きくなるように適宜設定される。熱拡散板4の全体が湾曲している場合における熱拡散板4の反り量は、熱拡散板4がアルミニウムから成るとともに寸法を縦を62mm、横を62mm、厚さを1mmに設定した場合には、例えば、250μm程度に設定できる。なお、ここでいう反り量とは、3次元測定器を用いて熱拡散板4の外周の角部の4点の位置を測定して、この4点を通る仮想面を考えたときに、この仮想面から見て熱拡散板4の中央がどの程度低いところに位置しているかを測定したものである。
さらに、本実施形態の熱電モジュール10によれば、第2支持基板2の外周が熱拡散板4の外周よりも内側に位置している。これにより、熱拡散板4の周縁部に変形が生じたとしても、この周縁部の変形によって第2支持基板2に生じる影響を低減できる。
さらに、本実施形態の熱電モジュール10によれば、熱拡散板4の熱伝導率が第2支持基板2の熱伝導率よりも小さい。これにより、熱拡散板4の上面から下面に向って熱がゆっくりと伝わることになるので、熱源から伝わる熱を拡散させて第2支持基板2に伝えることができる。また、第2支持基板2の熱伝導率が大きいことによって、熱拡散板4で拡散された熱を速やかに熱電素子3に伝えることができる。
さらに、本実施形態の熱電モジュール10によれば、熱拡散板4の厚みが第2支持基板2の厚みよりも厚い。これにより、熱拡散板4の上面から下面に熱が伝わるのに要する時間が長くなるので、熱源の温度分布に経時変化がある場合に、この温度分布の経時変化をゆるやかにして第2支持基板2に熱を伝えることができる。さらに、第2支持基板2の厚みが熱拡散板4よりも薄いことによって、第2支持基板2に伝わった熱を速やかに熱電素子3に伝えることができる。
図2に示すように、本実施形態の熱電装置100は、上述の熱電モジュール10と、熱電モジュール10が熱源接触面40で接している熱源7とを備えている。熱源7としては、例えば、コンピュータ、自動車の排気ガス、産業炉または工業炉等を用いることができる。
熱源7は熱源接触面40の全面と接することから、熱源7のうち熱源接触面40と接する面は熱源接触面40よりも大きい。熱拡散板4が熱源7に押し付けられることによって、熱源接触面40が平坦に変形した状態で熱源7に接している。これにより、熱拡散板4に凹に湾曲した形状に戻ろうとする内部応力を働かせることができる。そのため、熱拡散板4のうち熱源接触面40と熱源接触面40に対向する面との間に温度差が生じたとしても、熱拡散板4に反りが生じることを抑制できる。その結果、熱拡散板4と熱源7との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱拡散板4と熱源7との間で熱を伝わりやすくすることができる。例えば、上述のように熱拡散板4がアルミニウムから成り、縦が62mm、横が62mm、厚さが1mm、反り量が250μmの場合には、7500N程度の圧力を加えながら熱拡散板4を熱源7に押し付けることによって、熱拡散板4の熱源接触面40を平坦にした状態で熱源7に接触させることができる。
なお、本実施形態の熱電モジュール10および熱電装置100においては、第1支持基板1、第2支持基板2および熱拡散板4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、第2支持基板2および熱拡散板4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、第2支持基板2および熱拡散板4の形状は、四角形を除く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
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:熱拡散板
40:熱源接触面
5:第1電極
6:第2電極
7:熱源
10:熱電モジュール
100:熱電装置

Claims (5)

  1. 第1支持基板と、該第1支持基板の上面に下面が対向するように設けられた上面が平坦な第2支持基板と、前記第1支持基板の上面および前記第2支持基板の下面の間に複数配列された熱電素子と、前記第2支持基板の前記上面に下面が接するように設けられた熱拡散板とを備えており、
    該熱拡散板の上面が平坦な面を有する熱源の当該平坦な面と接する熱源接触面であるとともに、該熱源接触面は中央が凹になるように前記熱拡散板の全体が湾曲していることを特徴とする熱電モジュール。
  2. 前記第2支持基板の外周が前記熱拡散板の外周よりも内側に位置していることを特徴とする請求項1に記載の熱電モジュール。
  3. 前記熱拡散板の熱伝導率が前記第2支持基板の熱伝導率よりも小さい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。
  4. 前記熱拡散板の厚みが前記第2支持基板の厚みよりも大きい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。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれかに記載の熱電モジュールと、該熱電モジュールが前記熱源接触面で接している熱源とを備えており、前記熱拡散板が前記熱源の前記平坦な面に押し付けられることによって前記熱源接触面が平坦に変形した状態で前記熱源に接することを特徴とする熱電装置。
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