JP6435504B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、熱電変換素子を備えて構成される熱電変換モジュールに関するものである。

近年、熱電変換素子を備えて構成される熱電変換モジュールが注目されている。熱電変換モジュールとしては、例えば図５に示されるもの（特許文献１を参照）があげられる。

図５に示したように、この熱電変換モジュール１００は、複数の熱電変換素子１１０を備えており、そのｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子が電極１５０を介して直列に接続されて複数のｐｎ素子対が形成されている。熱電変換素子１１０同士は、互いの間の短絡を防止するため水平方向には所定間隔をあけて配置されている。ｐｎ素子対の一方の端面には基板２００が配され、他方の端面には基板３００が配されている。基板２００、３００は熱伝導に優れる材質のものが用いられている。直列に接続された複数のｐｎ素子対の両端位置のものにはリード線４００が接続されている。

熱電変換モジュール１００は、例えば基板２００を加熱し、基板３００を冷却すれば、ｐｎ素子対に生じるゼーベック効果でリード線４００から所定の電力が得られる。つまり、発電装置として活用できる。

または、熱電変換モジュール１００は、リード線４００に所定の電流を流すと、ｐｎ素子対に生じるペルチェ効果によって、例えば基板２００が加熱状態になり、また基板３００は冷却状態になる。つまり、冷却装置などとしても活用できるものであった。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２０１４−５３５２８号公報

近年、熱電変換モジュール１００は、発電装置として用いる際に、効率よく大きい出力電力が得られる安価なものが求められるようになっている。

熱電変換モジュール１００は、複数の熱電変換素子１１０が水平方向では互いに間隔をもった状態で配置されていたため、基板２００、３００間の熱電変換素子１１０以外の部分が空気層になる構成であった。

熱電変換モジュール１００から得られる出力電力は、例えば加熱する側の基板２００と冷却する側の基板３００との温度差、言い換えると、複数の熱電変換素子１１０に加わる温度差に左右される。

ここに、熱電変換モジュール１００のように、基板２００と基板３００との間の熱電変換素子１１０以外の部分が空気層になっていると、図５内に矢印で示すように、加熱した基板２００側（所謂高温側）からの輻射熱が基板間の空気層に伝わって、空気層を介して冷却する基板３００側（所謂低温側）に伝わり、これによって基板３００の温度が上昇してしまい、熱電変換素子１１０に加わる温度差が小さくなるという課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、基板間での不要な熱の伝達が抑えられると共に、生産性の向上も図れる構成の熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、第１基板と第２基板との間に複数の熱電変換素子が配され、その複数の熱電変換素子が第１基板の第１電極および第２基板の第２電極を介して直列に接続されて構成される熱電変換モジュールにおいて、第１基板または第２基板の少なくとも一方の対向面側に、空気の熱伝導率よりも小さい熱伝導率の絶縁レジストを設けたものとする。そして、絶縁レジストは、第１電極または第２電極に所定厚みで重なって形成され、その側端面が熱電変換素子の側面に間隙をもって位置する第１部分を有した形状に形成して、第１部分の側端面で熱電変換素子の設置箇所が構成されるようにするものである。

本発明は、対向して配置された基板の少なくとも一方の対向面側に、空気の熱伝導率よりも小さい熱伝導率の絶縁レジストを設け、その絶縁レジストの側端面で熱電変換素子の設置箇所を構成するようにしたため、熱電変換素子の組み込みが容易で生産性の向上が図れる上、基板間での不要な熱の伝達が抑えられる熱電変換モジュールを得ることができるという有利な効果が得られる。

本発明の実施形態による熱電変換モジュールの断面図 同熱電変換モジュールの要部である第１基板の斜視図 同熱電変換モジュールの側面図 同熱電変換モジュールの変形例の側面図 従来の熱電変換モジュールの構成を示す斜視図

本発明による熱電変換モジュールについて、以下に図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施形態による熱電変換モジュールの断面図、図２は同熱電変換モジュールの要部である第１基板の斜視図、図３は同熱電変換モジュールの側面図、図４は同熱電変換モジュールの変形例の側面図である。

図１、図３に示すように、本発明の実施形態による熱電変換モジュール３は、対向して配置された第１基板１０と第２基板２０と、その間に配された複数の熱電変換素子５とを有している。熱電変換素子５は、水平方向では所定の配列状態で配置されており、複数のｐ型熱電変換素子と複数のｎ型熱電変換素子とからなる。両者は同じ外形の直方体状である。

第１基板１０は、銅板１２の一方の面に絶縁層１４が設けられ、その絶縁層１４に重ねて第１電極１６が設けられたものとなっている。第１電極１６は銅から形成されている。絶縁層１４は、ポリイミド樹脂などから形成されている。

第２基板２０も、第１基板１０と同様で、銅板２２の一方の面に絶縁層２４が設けられ、その絶縁層２４に重ねて第２電極２６が設けられたものとなっている。第２電極２６は銅から形成されている。絶縁層２４は、ポリイミド樹脂などから形成されている。

第１電極１６および第２電極２６は、ｐ型熱電変換素子とｎ型熱電変換素子とを交互に直列で接続可能なように、第１基板１０および第２基板２０に配されている。

そして、第１基板１０には、第２基板との対向面側にさらに絶縁レジスト１８が設けられている。絶縁レジスト１８は、その熱伝導率が、空気の熱伝導率よりも小さいものを用いて形成されている。

絶縁レジスト１８は、図１に示すように、断面視では第１電極１６に重なって形成された第１部分１８Ａと、第１電極１６同士の間の絶縁層１４位置に重なって形成された第２部分１８Ｂとからなる。一つの第１電極１６上に、第１部分１８Ａの側端面が壁となる孔部３１Ａが、互いに独立状態で二つ構成されている。半田付け前の状態では、それぞれの孔部３１Ａの底に第１電極１６が露出している。

個々の孔部３１Ａは、平面視では、図２に示したように、第２基板２０側が開口している矩形状である。このように、第１基板１０には、第２基板２０との対向面側に形成された絶縁レジスト１８で複数の孔部３１Ａが定ピッチの行列状に構成されたものとなっている。

孔部３１Ａの矩形状の大きさは、熱電変換素子５の水平断面の外形に相似で若干大きい矩形状に設定されて構成されており、この孔部３１Ａ内がそれぞれの熱電変換素子５の一端側の設置箇所になっている。

言い換えると、第１部分１８Ａの側端面が、熱電変換素子５の側面に対して水平方向に若干の間隙をもって位置するように絶縁レジスト１８が形成されている。そして、第１部分１８Ａは、孔部３１Ａの壁となる側端面の厚みが、熱電変換素子５の高さ寸法の１／３程度の厚みで形成されている。

なお、第１部分１８Ａの側端面の厚みは、熱電変換素子５の対応する側面位置を移動規制が可能な厚みに設定されていればよい。絶縁レジスト１８に厚みをもたせる手法は限定されない。例えば、数回重ね塗りなどして所定厚みに形成すればよい。

なお、第１基板１０の外縁位置にも、図２に示したように、絶縁レジスト１８の第２部分１８Ｂが全周に亘って設けられている。

以上のように、それぞれの熱電変換素子５の配置箇所となる複数の孔部３１Ａが、絶縁レジスト１８によって第１基板１０に設けられている。

第２基板２０は、第１基板１０との対向面側に、第１基板１０の絶縁レジスト１８と同様に設けられている絶縁レジスト２８を有する（図１参照）。

つまり、絶縁レジスト２８によって、一つの第２電極２６上には、互いに独立する二つの矩形状の孔部３１Ｂが構成されている（図１参照）。それぞれの孔部３１Ｂは、第１基板１０側が開口し、半田付け前の状態では、それぞれの底に第２電極２６が露出している。

そして、絶縁レジスト２８は、断面視では第２電極２６に重なって形成された第１部分２８Ａと、第２電極２６同士の間の絶縁層２４位置に重なって形成された第２部分２８Ｂとからなる。孔部３１Ｂの壁は、第１部分２８Ａの側端面で形成されている。そして、各々の孔部３１Ｂは、第１基板１０側に設けられた各々の孔部３１Ａに対向して設けられている。

孔部３１Ｂの矩形状の大きさは、熱電変換素子５の水平断面の外形に相似で若干大きい矩形状に形成されており、この孔部３１Ｂ内がそれぞれの熱電変換素子５の他端側の設置箇所になっている。

なお、第１部分２８Ａの側端面は、熱電変換素子５の側面に対して水平方向に若干の間隙をもって位置することや、孔部３１Ｂの壁となる第１部分２８Ａの側端面の厚みが熱電変換素子５の高さ寸法の１／３程度の厚みであることは絶縁レジスト１８の場合と同じである。また、第１部分２８Ａの側端面の厚みは、熱電変換素子５の対応する側面位置を移動規制が可能な厚みで設定されていればよいことや、第２基板２０の外縁位置に絶縁レジスト２８の第２部分２８Ｂが全周に亘って設けられていることなども同じである。絶縁レジスト２８に厚みをもたせる手法についても、同様で、例えば、数回重ね塗りなどして所定厚みに形成すればよい。

以上のように、それぞれの熱電変換素子５の配置箇所となる複数の孔部３１Ｂが、絶縁レジスト２８によって第２基板２０にも設けられている。なお、孔部３１Ｂ同士は互いに独立し、複数の孔部３１Ｂが定ピッチの行列状に構成されたものとなっていることも第１基板１０側と同じである。

それぞれの熱電変換素子５は、第１基板１０の孔部３１Ａ内とそれに対向する第２基板２０の孔部３１Ｂ内とに両端それぞれを挿通させて、それぞれの端面を第１電極１６と第２電極２６に半田付けされて配されている。直列に接続された熱電変換素子５の両端位置のものには図示しないリード線が装着されている。

以上のように、当該実施形態による熱電変換モジュール３は構成されている。

その動作は、従来同様に、例えば第２基板２０を加熱し、第１基板１０を冷却すれば、ゼーベック効果でリード線から所定の電力を得ることができる発電装置として活用できる。または、リード線に所定の電流を流すと、例えば第２基板２０が加熱状態になり、第１基板１０が冷却状態になって、冷却装置などに活用することができる。

ここに、熱電変換モジュール３は、発電装置とした場合に、得られる電力が大きい。

すなわち、当該構成では、第１基板１０および第２基板２０の対向面のそれぞれに、空気の熱伝導率よりも小さい熱伝導率の絶縁レジスト１８および絶縁レジスト２８を設け、これらの絶縁レジスト１８および絶縁レジスト２８で、熱電変換素子５毎の設置箇所以外を覆った構成としている。

このために、例えば第２基板２０を加熱し、第１基板１０を冷却する場合では、第２基板２０からの熱が絶縁レジスト２８によって従来品に比べて抑えられて絶縁レジスト２８、１８間の空気層に伝達され、さらに、その空気層からの熱が絶縁レジスト１８によってさらに抑えられて第１基板１０に伝達されるようになる。このため、従来品に対して第１基板１０の温度上昇が抑制される。つまり、基板間での不要な熱の伝達が抑制されるため、熱電変換素子５に加わる温度差が小さくなることが抑えられ、得られる電力は従来品よりも大きい。

なお、熱の伝達防止の観点からすれば、絶縁レジスト１８と絶縁レジスト２８とは基板面の全てを覆えばよいが、複数の熱電変換素子５は半田付けが必要である。そのために、当該構成では、第１部分１８Ａ、２８Ａの側端面で熱電変換素子５毎の設置箇所となる孔部３１Ａ、３１Ｂを構成したものとしている。

さらに、その際に、第１部分１８Ａ、２８Ａの厚みとしては、第１部分１８Ａ、２８Ａの側端面によって熱電変換素子５を移動規制可能な厚みに設定している。言い換えると、熱電変換素子５毎の設置箇所を、厚みをもった壁を有する孔部３１Ａ、３１Ｂで構成しておくと、熱電変換素子５を孔部３１Ａ、３１Ｂ内に挿通させるのみで、熱電変換素子５を既定位置に配置することができ、熱電変換素子５の組み込みが容易で生産性の向上に繋がる。

絶縁レジスト１８の第１部分１８Ａや絶縁レジスト２８の第１部分２８Ａの厚みは、熱電変換素子５の水平方向への移動が規制できる厚みであればよいが、好ましくは、熱電変換素子５の高さ寸法の１／４より厚いと好ましい。

また、絶縁レジスト１８を含む第１基板１０と絶縁レジスト２８を含む第２基板２０とを共用化することもできる。この場合には、絶縁レジスト１８、２８の第１部分１８Ａ、２８Ａの側端面の厚みは熱電変換素子５の高さ寸法の１／２以下であればよい。ただし、製造誤差などを考慮すれば、熱電変換素子５の高さ寸法の２／５より小さい厚みにするとよい。

なお、絶縁レジスト１８の第１部分１８Ａと絶縁レジスト２８の第１部分２８Ａとの側端面の厚み同士は、異なる厚みであってもよい。例えば、図４に示した変形例では、第１基板１０の絶縁レジスト１９を厚く形成し、第２基板２０の絶縁レジスト２９を薄く形成している。絶縁レジスト１９は、例えば熱電変換素子５の高さ寸法の３／４程度の厚みで、絶縁レジスト２９は熱電変換素子５の高さ寸法の１／８程度の厚みで形成されたものとしている。この場合では、絶縁レジスト１９側に熱電変換素子５を挿通させて組み込むと、作業性に優れる。そして、薄い厚みの絶縁レジスト２９は熱の伝導度合いなどを考慮しつつ、厚み設定をすればよい。

さらに、例えば図３に示しているように、絶縁レジスト１８と絶縁レジスト２８の対向する位置の間に空気層が残る場合には、そこを接着剤で接着した構成にしてもよい。接着剤も、空気の熱伝導率よりも小さい熱伝導率のものを用いると好ましい。そして、接着剤で接着すると、密封状態に構成できるため、熱電変換素子５の腐食などの防止効果も期待できる。

なお、絶縁レジスト１８と絶縁レジスト２８を空気の熱伝導率よりも小さい熱伝導率のものとする方法は特に限定されない。例えば樹脂基材そのものがそれに相当するものであったり、樹脂基材にフィラーなどを混入させて熱伝導率が調整されたものなどであってもよい。なお、絶縁レジスト１８と絶縁レジスト２８の色が白色系であればさらに好ましい。

以上には、絶縁レジスト１８と絶縁レジスト２８の二つの断熱作用を果たすものが基板間に二重で設けられている構成のものを説明したが、例えば第１基板１０のみに絶縁レジスト１８が設けられ、第２基板２０には絶縁レジスト２８が設けられていない構成、またはその逆の構成にしてもよい。なお、絶縁レジスト１８や２８は、熱電変換素子５の高さ寸法の５０％以上程度を合計で覆うようにするとよい。なお、上述したように製造誤差を考慮すれば、その上限は９０％以下程度が目安である。

なお、熱電変換素子５の側面と第１部分１８Ａ、２８Ａの側端面の間の間隙の寸法設定は、熱電変換素子５の組み込み時の作業性なども考慮しつつ適宜決定すればよい。

なお、絶縁レジスト１８と絶縁レジスト２８は、熱の伝達を抑制させる断熱作用を有するものにすると好ましいが、断熱作用を有しないものとしてもよい。つまり、第１部分１８Ａ、第１部分２８Ａの側端面で熱電変換素子５毎の設置箇所を構成し、生産性の向上が図れる構成のものを得てもよい。この場合には、絶縁レジスト１８と絶縁レジスト２８は、空気の熱伝導率よりも熱伝導率が小さくなくてもよいため、材料選択の自由度が広がる。

なお、本発明は、複数個の熱電変換素子５が予め一体化されているものなどに対しても適用することができる。また、第１基板１０や第２基板２０の材質や詳細構成は上述したもののみに限定はされない。

また、当該構成の熱電変換モジュール３は、冷却用途に用いる際にも、基板間での不要な熱の伝達が抑制されるため、効率に優れるものとして活用できる。

本発明による熱電変換モジュールは、熱電変換素子の組み込みが容易で生産性の向上が図れる上、基板間での不要な熱の伝達が抑えられものとして提供することができ、種々の技術分野で、熱を電気に変換する、または電気を熱に変換する場合に広く適用することが可能である。例えば、加熱炉の廃熱を利用する際などに本発明を採用することができる。

３ 熱電変換モジュール
５ 熱電変換素子
１０ 第１基板
１２、２２ 銅板
１４、２４ 絶縁層
１６ 第１電極
１８、２８、１９、２９ 絶縁レジスト
１８Ａ、２８Ａ 第１部分
１８Ｂ、２８Ｂ 第２部分
２０ 第２基板
２６ 第２電極
３１Ａ、３１Ｂ 孔部

Claims (4)

1. 複数の第１電極を有する第１基板と、
   前記第１基板に対向し、複数の第２電極を有する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に互いに間隔をあけて配され、前記第１電極および前記第２電極を介して直列に接続された複数の熱電変換素子とを備え、
   前記第１基板または前記第２基板の少なくとも一方の対向面側に、空気の熱伝導率よりも小さい熱伝導率の絶縁レジストが設けられており、
   前記絶縁レジストは、前記第１電極または前記第２電極に所定厚みで重なって形成され、その側端面が前記熱電変換素子の側面に間隙をもって位置する第１部分を有し、前記第１部分の側端面で前記熱電変換素子の設置箇所が構成されたことを特徴とする熱電変換モジュール。
2. 前記絶縁レジストの第１部分の側端面の厚みが、前記熱電変換素子の高さ寸法の１／４より厚い請求項１記載の熱電変換モジュール。
3. 前記絶縁レジストの色が、白色である請求項１記載の熱電変換モジュール。
4. 前記第１基板および前記第２基板にそれぞれ前記絶縁レジストが設けられ、前記絶縁レジスト同士の間が接着剤で接着された請求項１記載の熱電変換モジュール。

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