JP6690017B2 - 熱電モジュール - Google Patents

Description

本開示は、特に自動車用シートクーラーの温度調節、燃料電池の温度調節等に使用される熱電モジュールに関する。

熱電モジュールは、例えば、熱電素子に電力を供給することによって、一対の支持基板のうちの一方の支持基板と他方の支持基板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、例えば、一方の支持基板と他方の支持基板との間に温度差を与えることによって、熱電素子によって電力を生じさせることができる。これらの性質を活かして、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。

このような熱電モジュールとして、例えば特許文献１に開示された熱電モジュールが挙げられる。特許文献１に開示された熱電モジュールは、一対の絶縁基板と、この一対の絶縁基板の外側の主面にそれぞれ貼り合わされた金属板と、一対の絶縁基板の内側に配置された複数の熱電素子と、一対の絶縁基板の内側の主面に設けられて複数の熱電素子を接続する電極（配線導体）と、給電用のリード部材とを備えている。

特開２００９−１２９９６８号公報

本開示の熱電モジュールは、互いに対向する矩形状の対向領域を有する一対の絶縁基板と、該一対の絶縁基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の絶縁基板の前記一方主面とは反対側の他方主面にそれぞれ設けられた一対の金属板と、前記一対の絶縁基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子とを備えている。そして、前記一対の絶縁基板および前記一対の金属板のうちの少なくとも一方の絶縁基板および金属板は、平面視で前記対向領域の一辺から突出する突出部を有しているとともに、該突出部の一方主面に前記配線導体とは電気的に接続されていない金属パターンを有している。

熱電モジュールの実施形態の一例の分解斜視図である。 図１に示す熱電モジュールの側面図である。 図１に示すIII−III線で切断した要部拡大断面図である。 熱電モジュールの実施形態の他の例の分解斜視図である。 図４に示す熱電モジュールの側面図である。 図４に示すVI−VI線で切断した要部拡大断面図である。 熱電モジュールの実施形態の他の例の分解斜視図である。 図７に示すVIII−VIII線で切断した要部拡大断面図である。 熱電モジュールの実施形態の他の例の分解斜視図である。 熱電モジュールの実施形態の他の例の分解斜視図である。 熱電モジュールの実施形態の他の例の一部透過平面透視図である。

従来の熱電モジュールは、熱電モジュールの組立時および熱電モジュールの使用時に、絶縁基板と金属板との熱膨張差に伴う反りや変形が生じてしまい、耐久性が低下するおそれがあった。また、金属板の外側にヒートシンクが取り付けられて使用される場合には、金属板とヒートシンクとの間に隙間が生じ、放熱性が低下するおそれもあった。

本開示の熱電モジュールは、耐久性が向上するとともに、放熱性の低下を抑制することができるものである。

以下、熱電モジュールの実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は熱電モジュールの実施形態の一例の分解斜視図、図２は図１に示す熱電モジュールの側面図である。また、図３は、図１に示すIII−III線で切断した要部拡大断面図である。

図１〜図３に示す熱電モジュールは、互いに対向する矩形状の対向領域を有する一対の絶縁基板１１，２１と、一対の絶縁基板１１，２１の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体４１，４２と、一対の絶縁基板１１，２１の一方主面とは反対側の他方主面にそれぞれ設けられた一対の金属板１２，２２と、一対の絶縁基板１１，２１の一方主面間に配置された複数の熱電素子３とを備える。そして、一対の絶縁基板１１，２１および一対の金属板１２，２２のうちの少なくとも一方の絶縁基板２１および金属板２２は、平面視で対向領域の一辺から突出する突出部２０を有しているとともに、突出部２０の一方主面に配線導体４２とは電気的に接続されていない金属パターン５を有している。ここで、絶縁基板１１と金属板１２との組み合わせが第１支持基板１であり、絶縁基板２１と金属板２２との組み合わせが第２支持基板２である。

なお、図１においては、説明の都合上、熱電モジュールを一部分解して示している。具体的には、第２支持基板２および配線導体４２を熱電素子３から外してずらしており、図２に示すシール材７も省略している。

本開示の熱電モジュールは、複数の熱電素子３を第１支持基板１と第２支持基板２とからなる一対の支持基板で挟むように支持している。第１支持基板１は上面が第２の支持基板２に対向する一方主面となるように配置され、第２の支持基板２は下面が第１の支持基板１に対向する一方主面となるように配置されている。

上記したように、第１支持基板１は第１絶縁基板１１と第１金属板１２とからなる。第１支持基板１の一方主面（上面）に第１配線導体４１が設けられることから、第１支持基板１の一方主面（上面）側は第１絶縁基板１１、他方主面側（下面側）は第１金属板１２となる。

一方、第２支持基板２も第１支持基板１と同様に第２絶縁基板２１と第２金属板２２とからなる。第２支持基板２の一方主面（下面）に第２配線導体４２が設けられることから、第２支持基板２の一方主面（下面）側は第２絶縁基板２１、他方主面側（上面側）は第２金属板２２となる。

第１支持基板１を構成する第１絶縁基板１１および第２支持基板２を構成する第２絶縁基板２１の形成材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂、アルミナ質セラミックス、窒化アルミニウム質セラミックス等が挙げられる。また、第１支持基板１を構成する第１金属板１２および第２支持基板２を構成する第２金属板２２の形成材料としては、銅、銀、銀−パラジウム等が挙げられる。

第１支持基板１を構成する第１絶縁基板１１および第２支持基板２を構成する第２絶縁基板２１は、後述する突出部１０および突出部２０を除いて、互いに対向する矩形状の対向領域を有している。この互いに対向する矩形状の領域を平面視したときの寸法は、例えば、縦４０〜５０ｍｍ、横２０〜３０ｍｍ、厚さ０．２５〜０．３５ｍｍに設定することができる。

第１絶縁基板１１および第２絶縁基板２１の一方主面における互いに対向する対向領域には、それぞれ第１配線導体４１，第２配線導体４２が設けられている。この第１配線導体４１，第２配線導体４２は、複数の熱電素子３およびリード部材６を電気的に接続するものである。第１配線導体４１，第２配線導体４２は、例えば第１絶縁基板１１および第２絶縁基板２１の互いに対向する一方主面に銅板を貼り付けておき、第１配線導体４１，第２配線導体４２となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって得ることができる。また、打ち抜き加工によって第１配線導体４１，第２配線導体４２の形状に成形した銅板を第１絶縁基板１１および第２絶縁基板２１に貼り付けることによって得ることもできる。第１配線導体４１，第２配線導体４２の形成材料としては、銅に限られず、例えば銀、銀−パラジウムなどの材料でもよい。

第１絶縁基板１１および第２絶縁基板２１の一方主面間には、複数の熱電素子３が配置されている。熱電素子３は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうか、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、熱電素子３の直径の例えば０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられ、第１配線導体４１，第２配線導体４２とはんだで接合されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２が隣接して交互に配置され、第１配線導体４１，第２配線導体４２およびはんだを介して直列に電気的に接続され、全ての熱電素子３が直列に接続されている。

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は、Ａ₂Ｂ₃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）およびＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が構成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１は、例えば、Ｂｉ₂Ｔｅ₃（テルル化ビスマス）とＳｂ₂Ｔｅ₃（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で構成される。また、ｎ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ₂Ｔｅ₃（テルル化ビスマス）とＢｉ₂Ｓｅ₃（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で構成される。

ここで、ｐ型熱電素子３１となる本体部は、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型の熱電材料を、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となる本体部は、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型の熱電材料を、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。

これらの棒状の本体部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、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、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点でよい。熱電素子３を円柱状とする場合には、寸法は、例えば直径が１〜３ｍｍ、高さが０．３〜５ｍｍに設定される。

第１支持基板１と第２支持基板２とで挟持された複数の熱電素子３の周囲には、必要により、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなるシール材７を設けてもよい。外周側は第１支持基板１と第２支持基板２との間の温度差による変形が大きいが、複数の熱電素子３の周囲、例えば外周側に配置された複数の熱電素子３の隙間を埋めるようにシール材７を設けることで、これが補強材となり、熱電素子３と第１支持基板１、第２支持基板２との間の剥離を抑制できる。

第１支持基板１の一方主面に設けられた第１配線導体４１には、給電用のリード部材６が例えばはんだなどの接合材８やレーザー溶接などで接合されている。リード部材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。なお、本例では、第１支持基板１が平面視で対向領域の一辺から突出する突出部１０を有し、この突出部１０まで第１配線導体４１が延びていて、突出部１０の一方主面上においてリード部材６が第１配線導体４１に接合されている。

リード部材６の接合部には、当該接合部の保護および補強のために、必要により例えばエポキシ樹脂、シリコーン樹脂などの樹脂からなる被覆材９が設けられている。

第２支持基板２には、平面視で対向領域の一辺から突出する突出部２０が設けられている。この突出部２０は、第２支持基板２の一方主面に垂直な方向から見てリード部材６の接合部とは重ならない位置に設けられている。

ここで、突出部１０および突出部２０の突出量（突出距離）は例えば１〜５ｍｍとされ、第１支持基板１，第２支持基板２の辺に沿った幅は例えば５〜３０ｍｍとされる。

被覆材９が設けられる場合には、被覆材９を突出部１０と突出部２０とに接合させることで、被覆材９の接合強度を向上させることができる。

ところで、このような突出部２０を単に設けた場合に、耐久性や放熱性が低下するおそれがある。それゆえ、本実施形態の熱電モジュールにおいては、突出部２０の一方主面に配線導体４２とは電気的に接続されていない金属パターン５を有している。これにより、第２絶縁基板２１を第２金属板２２と金属パターン５とで挟み込むことになり、突出部２０の剛性が向上する。また、第２絶縁基板２１と第２金属板２２との熱膨張差による反りや変形を抑制できる。したがって、熱電モジュールの耐久性が向上するとともに、放熱性の低下も抑制することができる。

なお、突出部２０に設けられる金属パターン５は、例えば、突出部２０の形状に合わせた形状であって、突出部２０の辺とは若干の隙間を設けて、突出部２０の各辺に沿った外周形状を有するパターンとされる。この金属パターン５は、突出部２０の一方主面の面積の７０〜９５％の面積を占めるのが効果的である。

また、金属パターン５は第２金属板２２と同じ材質からなる構成とすることができる。これにより、熱応力による反りや変形をさらに抑制することができる。

また、図４〜図６に示すように、突出部２０は、第２支持基板２の対向領域の一辺の端部から突出している構成とすることができる。言い換えると、突出部２０は第２支持基板２の角部に隣接して設けられた構成とすることができる。

図１〜図３に示すような突出部２０が第２支持基板２の角部から離れて設けられる構成よりも、図４〜図６に示すような突出部２０が第２支持基板２の角部に隣接して設けられる構成のほうが熱応力による反りや変形を生じ易い。このような構成において、突出部２０の一方主面に配線導体４２とは電気的に接続されていない金属パターン５を有していることで、最も熱応力による反りや変形を生じ易い角部の剛性を向上させ、熱応力を低減させることができる。

また、図７および図８に示すように、突出部２０は、第２支持基板２の対向領域の一辺の両端部からそれぞれ１個ずつ突出している構成とすることもできる。これにより、被覆材９をそれぞれの突出部２０と接合させることができ、被覆材９の接合強度を向上させることができる。また、第２金属板２２の両端部からの放熱量に差がなくなり、部分的な温度ばらつきを低減できる。

また、図９に示すように、突出部２０は、平面視で対向領域から遠ざかるにしたがって幅が狭くなっている構成とすることもできる。

ここで、図９に示す形態は、突出部２０における対向領域の一辺に沿った方向の端側に位置する辺（外側の辺２０ａ）および対向領域の一辺に沿った方向の中央部側に位置する辺（内側の辺２０ｂ）がともに対向領域の一辺に垂直な方向から傾斜しており、対向領域から遠ざかるにしたがって幅が狭くなっている構成である。これにより、外気が突出部２０の先端部から付け根部にかけて流れ込んで抜けやすく、熱源より熱を引かせやすくなるので、放熱性、耐久性をより向上させることができる。

一方、図１０に示すように、突出部２０は、平面視で、外側の辺２０ａが対向領域の一辺に垂直な方向に延びているとともに、内側の辺２０ｂが対向領域の一辺に垂直な方向から傾斜しており、対向領域から遠ざかるにしたがって幅が狭くなっている構成とすることもできる。なお、ここでいう対向領域の一辺とは、突出部２０が突出する一辺のことを意味する。また、外側の辺２０ａとは、突出部２０の幅方向（対向領域の一辺に沿った方向）の両側に位置する辺のうち、対向領域の一辺に沿った方向の端側に位置する辺のことをいう。また、内側の辺２０ｂとは、突出部２０の幅方向（対向領域の一辺に沿った方向）の両側に位置する辺のうち、対向領域の一辺に沿った方向の中央部側に位置する辺のことをいう。

図１０に示す形態は、突出部２０が第２支持基板２の角部に隣接して設けられ、突出部２０の内側の辺２０ｂのみが傾斜している構成であり、内側の辺２０ｂの傾斜角度が図９に示すものよりも急な角度になっているものである。この構成によれば、外側の辺２０ａの側で突出部２０の剛性をもたせるとともに、内側の辺２０ｂの側で外気が突出部２０の先端部から付け根部にかけて流れ込んで抜けやすく、特に突出部２０の内側の付け根部でこもりやすい熱を引かせやすくなるので、放熱性、耐久性をより向上させることができる。

また、図１１に示すように、対向領域の外周に沿って樹脂からなるシール材７が設けられている場合において、金属パターン５は一部がシール材７と重なる位置まで延びている構成とすることもできる。なお、金属パターン５は、シール材７とは重なるが、第２配線導体４２とは接続されないように設けられる。これにより、突出部２０の剛性をさらに向上させることができる。

以下、実施例を挙げて本実施形態について説明する。

まず、Ｂｉ、Ｓｂ、Ｔｅ、ＳｅからなるＮ型熱電材料およびｐ型熱電材料をブリッジマン法により溶融凝固させ、直径１．５ｍｍの断面円形の棒状の熱電材料を作製した。具体的には、ｐ型熱電材料はＢｉ₂Ｔｅ₃（テルル化ビスマス）とＳｂ₂Ｔｅ₃（テルル化アンチモン）との固溶体で作製し、ｎ型熱電材料はＢｉ₂Ｔｅ₃（テルル化ビスマス）とＢｉ₂Ｓｅ₃（セレン化ビスマス）との固溶体で作製した。ここで、表面を粗化させるため、棒状のｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料の表面を硝酸でエッチング処理を行った。

次に、棒状のｐ型熱電材料および棒状のｎ型熱電材料を高さ（厚さ）１．６ｍｍになるようにワイヤーソーにて切断し、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を得た。得られたｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子には、電解メッキで切断面にニッケル層を形成した。

次に、アルミナフィラーを添加したエポキシ樹脂の両主面に厚み１０５μｍの銅板（Ｃｕ）を圧接した両主面銅貼り基板、および、アルミナフィラーを添加したエポキシ樹脂の一方主面に厚み１０５μｍの銅板（Ｃｕ）を他方主面に厚み１０５μｍのアルミ板（Ａｌ）を圧接した一方主面銅貼り−他方主面アルミ貼り基板について、一方主面の銅板にエッチングを施し所望の配線パターン（第１配線導体、第２配線導体）を形成した第１支持基板および第２支持基板（対向領域は４０ｍｍ角）を準備した。このとき、第１支持基板および第２支持基板のそれぞれについて、図１、図４および図７の形状の基板を準備した。

さらに、この半田ペースト上に、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が電気的に直列になるようにマウンターを使用して各熱電素子を１２７個ずつ配設した。上記のように配列されたｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを第１の支持基板と第２の支持基板とで挟み込むようにし、上下面に圧力をかけながらリフロー炉で加熱し、第１配線導体および第２配線導体と熱電素子とを半田で接合した。

次に、エア式ディスペンサを用いて、第１支持基板および第２支持基板の間に外周に沿ってシリコーンからなるシール材を塗布した。

熱電モジュールに電流を通電するためのリード部材２本を第１配線導体に半田ごてで接合した。

次に、エア式ディスペンサを用いて、リード部材の接合部に加熱硬化型のエポキシ樹脂を塗布し、乾燥機で加熱し、エポキシ樹脂を硬化させて、熱電モジュールを得た。

なお、試料Ｎｏ．１として、図１に示す形状の突出部を有するものであって、金属板がアルミニウム、金属パターンが銅からなるものを用意した。また、試料Ｎｏ．２として、図１に示す形状の突出部を有するものであって、金属板が銅、金属パターンが金属板と同じ材質の銅からなるものを用意した。また、試料Ｎｏ．３として、図４に示す形状の突出部を有するものであって、金属板が銅、金属パターンが金属板と同じ材質の銅からなるものを用意した。また、試料Ｎｏ．４として、図７に示す形状の突出部を有するものであって、金属板が銅、金属パターンが金属板と同じ材質の銅からなるものを用意した。また、試料Ｎｏ．５（比較例）として、図１に示す形状の突出部であって、金属板がアルミニウムで金属パターンを有していないものを用意した。

得られた熱電モジュールの第１支持基板および第２支持基板の表面に、熱伝導グリースを塗布し、７５℃に温調されたヒートシンク上にセットし、熱電モジュールに６０Ｗの電力を投入して、温度差を発生させ、通電方向を３０秒間おきに反転させる耐久試験を１００００サイクル実施し、第２支持基板の表面温度をＫ型熱電対で１秒毎にサンプリングし、試験期間中の最高温度を算出した。また、耐久試験前後の抵抗値を４端子交流抵抗計で測定し、抵抗変化率を算出した。その結果を表１に示す。

表１によれば、突出部に金属パターンを配置した試料Ｎｏ．１は、突出部に金属パターンを配置していない試料Ｎｏ．５より、第２支持基板の最高温度が低く、耐久試験前後の熱電モジュールの抵抗変化率も小さいことがわかる。すなわち、試料Ｎｏ．１の熱電モジュールのほうが、放熱性および耐久性に優れることがわかる。

また、第２支持基板を構成する金属板と金属パターンの材質が同一である試料Ｎｏ．２は、試料Ｎｏ．１と比較しても、第２支持基板の最高温度が低く、耐久試験前後の熱電モジュールの抵抗変化率が更に小さく、良好な結果となることがわかる。

また、金属パターンを有する突出部を第２支持基板の端部に配置した試料Ｎｏ．３は、試料Ｎｏ．２と比較しても、第２支持基板の最高温度も低く、耐久試験前後の熱電モジュールの抵抗変化率が更に小さく、良好な結果となることがわかる。

また、金属パターンを有する突出部を第２支持基板の両端部に配置した試料Ｎｏ．４は、試料Ｎｏ．３と比較しても、第２支持基板の最高温度が低く、耐久試験前後の熱電モジュールの抵抗変化率が更に小さく、良好な結果となることがわかる。

１：第１支持基板
１１：第１絶縁基板
１２：第１金属板
２：第２支持基板
２１：第２絶縁基板
２２：第２金属板
２０：突出部
２０ａ：外側の辺
２０ｂ：内側の辺
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４１：第１配線導体
４２：第２配線導体
５：金属パターン
６：リード部材
７：シール材
８：接合材
９：被覆材

Claims (8)

1. 互いに対向する矩形状の対向領域を有する一対の絶縁基板と、該一対の絶縁基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の絶縁基板の前記一方主面とは反対側の他方主面にそれぞれ設けられた一対の金属板と、前記一対の絶縁基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子とを備え、前記一対の絶縁基板および前記一対の金属板のうちの少なくとも一方の絶縁基板および金属板は、平面視で前記対向領域の一辺から突出する突出部を有しているとともに、該突出部の一方主面に前記配線導体とは電気的に接続されていない金属パターンを有していることを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記金属パターンは前記金属板と同じ材質からな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. 前記突出部は、前記一方の絶縁基板の前記対向領域の一辺の端部から突出し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。
4. 前記突出部は、前記一方の絶縁基板の前記対向領域の一辺の両端部からそれぞれ１個ずつ突出していることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
5. 前記突出部は、平面視で前記対向領域から遠ざかるにしたがって幅が狭くなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の熱電モジュール。
6. 前記突出部は、平面視で、外側の辺および内側の辺が前記対向領域の一辺に垂直な方向から傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の熱電モジュール。
7. 前記突出部は、平面視で、外側の辺が前記対向領域の一辺に垂直な方向に延びているとともに、内側の辺が前記対向領域の一辺に垂直な方向から傾斜していることを特徴とする請求項５に記載の熱電モジュール。
8. 前記対向領域の外周に沿って樹脂からなるシール材が設けられており、前記金属パターンは一部が前記シール材と重なる位置まで延びていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のうちのいずれかに記載の熱電モジュール。

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