JP6987656B2

JP6987656B2 - 熱電変換装置

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Publication number: JP6987656B2
Application number: JP2018012750A
Authority: JP
Inventors: 俊和梶原
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2018-01-29
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2022-01-05
Anticipated expiration: 2038-01-29
Also published as: JP2019134517A

Description

本開示は、温度調節、例えば自動車のシートクーラーまたは燃料電池，リチウムイオン電池などの温度調節に使用される熱電変換装置に関するものである。

熱電変換装置として、互いに対向して配置された一対の支持基板と、該一対の支持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、前記一対の支持基板の対向する一方主面間に前記配線導体によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子と、一方の前記支持基板の他方主面に取り付けられたフィンを備えた熱電モジュールを備え、この熱電モジュールを内部に収容して固定し、前記一対の支持基板に沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器を備えるものが知られている（例えば特許文献１を参照）。

特開２００５−１２１２５０号公報

従来の熱電変換装置は、空気が流れる流路方向において、支持基板の端面とフィンの端面とが同じ位置に設けられていた。

近年、例えば熱電変換装置の冷却性能をより向上させるため、フィンからの放熱性の向上がより求められている。言い換えると、伝熱性の向上が求められている。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたもので、より伝熱性の向上した熱電変換装置を提供する。

本開示の熱電変換装置は、互いに対向して配置された一対の支持基板と、該一対の支持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、前記一対の支持基板の対向する一方主面間に前記配線導体によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子と、一方の前記支持基板の他方主面に取り付けられた第１のフィンとを備えた熱電モジュールを含んでいる。また熱電変換装置は、前記熱電モジュールを内部に収容して固定しており、前記第１のフィンに沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器を含んでいる。そして、前記熱電モジュールにおける前記第１のフィンは、当該第１のフィンが取り付けられた前記支持基板よりも下流側に向かって張り出しており、前記第１のフィンは、金属の板状体が折り曲げられてなり、複数の底面部、複数の立設部、および複数の天面部を有する形状であり、前記天面部は、前記複数の立設部の間に位置している。

本開示の熱電変換装置によれば、上流側から下流側に向けて流れる空気が、第１のフィンを通過する際に当該第１のフィンと接触する面積が大きくなって、第１のフィンと空気との間の熱伝導量が多くなる。また、第１のフィンの下流側に流れた空気と、一対の支持基板間における最も下流側に近い位置に配置された熱電素子との間隔を大きくすることができる。したがって、高い伝熱性を得ることができる。

熱電変換装置の一例の概略断面図である。図１に示す熱電変換装置の一部透過平面図である。図２に示すｉｉｉ−ｉｉｉ線で切断した断面図である。熱電変換装置の他の例の概略断面図である。図４に示す熱電変換装置の一部透過平面図である。熱電変換装置の他の例の概略断面図である。熱電変換装置の他の例の概略断面図である。熱電変換装置の他の例の概略断面図である。

以下、熱電変換装置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〜図３に示す熱電変換装置は、互いに対向して配置された一対の支持基板１１，１２と、一対の支持基板１１，１２の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体２１，２２と、一対の支持基板１１，１２の対向する一方主面間に配線導体２１，２２によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子３と、一方の支持基板１１の他方主面に取り付けられた第１のフィン４１とを備えた熱電モジュール５を含んでいる。

熱電モジュール５を構成する互いに対向して配置された一対の支持基板１１、１２は、例えば四角形状の互いに対向する領域を有し、この領域で複数の熱電素子３を挟んで支持している。この矩形状の互いに対向する領域を平面視したときの寸法は、例えば、縦４０ｍｍ〜８０ｍｍ、横２０ｍｍ〜４０ｍｍ、厚さ０．２５ｍｍ〜０．３５ｍｍに設定することができる。

支持基板１１は下面が支持基板１２に対向する一方主面となるように配置され、支持基板１２は上面が支持基板１１に対向する一方主面となるように配置されている。例えば、支持基板１１が相対的に低温となる低温側支持基板であり、支持基板１２が相対的に高温となる高温側支持基板である。

支持基板１１は支持基板１２に対向する一方主面である下面に配線導体２１が設けられ、支持基板１２は支持基板１１に対向する一方主面である上面に配線導体２２が設けられることから、支持基板１１の少なくとも下面側の表面および支持基板１２の少なくとも上面側の表面は絶縁材料からなる。例えば、一対の支持基板１１、１２は、アルミナフィラーを添加してなる厚み５０μｍ〜２００μｍのエポキシ樹脂からなる基板本体の外側の他方主面に伝熱用（放熱用）の厚み５０μｍ〜５００μｍの銅板を貼り合わせた構成である。また、一対の支持基板１１、１２としては、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなる基板本体の外側の他方主面に銅などの金属板を貼り合わせた構成であってもよく、銅、銀、銀−パラジウムなどの導電性材料からなる基板本体の内側の一方主面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナ、窒化アルミニウムなどからなる絶縁層を設けた構成であってもよい。

一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面には、それぞれ配線導体２１、２２が設けられている。この配線導体２１、２２は、例えば一対の支持基板１１、１２の内側の対向する一方主面に銅板を貼り付けておき、配線導体２１、２２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配線導体２１、２２の形状に成形したものでもよい。配線導体２１、２２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。

一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面間には、配線導体２１、２２によって電気的に接続されるように、複数の熱電素子３が配置されている。複数の熱電素子３
は、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２である。この熱電素子３は、例えばペルチェ効果によって温度調節を行なうための部材である。熱電素子３は、例えば熱電素子３の直径の０．５倍〜２倍の間隔で縦横の並びに複数配列され、配線導体２１、２２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、例えば配線導体２１、２２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。

複数の熱電素子３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）からなる熱電材料、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、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構成される。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Ｂｉ_２Ｓｅ_３（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。

熱電素子３の形状は、例えば円柱状、四角柱状、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により、使用時の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。複数の熱電素子３を円柱状とする場合には、寸法は、例えば直径が０．５ｍｍ〜３ｍｍ、高さが０．３ｍｍ〜５ｍｍに設定される。

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固化したＢｉ、Ｓｂおよび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、例えば直径０．５ｍｍ〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させて固化したＢｉ、ＴｅおよびＳｅからなるｎ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、例えば直径０．５ｍｍ〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。

必要により、これら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０．３〜５．０ｍｍの長さ（厚さ）に切断する。ついで、必要により、切断面のみに、例えば電気メッキでＮｉ層を形成し、その上にＳｎ層を形成し、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。

なお、配線導体２１または配線導体２２には、リード部材がはんだ等の接合材を用いるか、レーザー溶接等で接合される。リード部材は、熱電素子に電力を与えるため、または熱電素子で生じた電力を取り出すための部材である。

支持基板１１と支持基板１２との間に配置された複数の熱電素子３の周囲には、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。外周側は支持基板１１と支持基板１２との間の温度差による変形が大きいが、一対の支持基板１１、１２の一方主面間における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を設けることで、これが補強材となって熱電素子３と配線導体２１、２２との間の剥離を抑制できる。

熱電モジュール５は、一方の支持基板１１の他方主面に取り付けられた第１のフィン４１を含んでいる。

第１のフィン４１の材質としては、例えば熱伝導率の高い銅、アルミ、鉄などが用いられる。第１のフィン４１は、図１および図２に示すように、例えば左から右に風が流れたときに、この風の流れを阻害しないようにしつつ、熱電モジュール５から発せられた熱を効率よく取り出すことができるように設けられている。例えば、第１のフィン４１は、支
持基板１１，１２の他方主面に垂直な方向および他方主面に沿った方向に延びる複数の平行に並べられた立設部４１１と、隣り合う立設部４１１の支持基板１１，１２の他方主面に隣接する端部と端部とを接続する底面部４１２とを有している。そして、第１のフィン４１との間で熱伝達される空気は、立設部４１１および隣り合う立設部４１１の間の隙間が延びる方向に沿って流れるようになっている。言い換えると、立設部４１１および底面部４１２は、空気の流れに沿って配置されている。

第１のフィン４１を支持基板１１の他方主面に接合する接合材には、例えばＳｎ−Ｂｉ系はんだ、Ｓｎ−Ｓｂ系はんだ、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系はんだなどが用いられる。

熱電変換装置は、熱電モジュール５を内部に収容して固定しており、第１のフィン４１に沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器６を含んでいる。言い換えると、熱電変換装置は、内部を空気が流れる容器６を備え、当該容器６の内部に熱電モジュール５は収容されている。このとき、熱電モジュール５は、立設部４１１および底面部４１２が空気の流れに沿って配置されるように、収容されている。

なお、容器６の内部に収容される熱電モジュール５は、例えば容器６の内壁に直接または間接的に固定されるなどして保持されるが、その保持方法に限定はない。また、容器６は、内部に空気を流す通路を有するものであればよく、形状に限定はない。

そして、図１および図２に示すように、熱電モジュール５における第１のフィン４１は、当該第１のフィン４１が取り付けられた支持基板１１，１２よりも下流側に向かって張り出している。なお、図における破線は、透視による支持基板１１の位置を表している。

この構成によれば、上流側から下流側に向けて流れる空気が、第１フィン４１を通過する際に当該第１のフィン４１と接触する面積が大きくなって、第１のフィン４１と空気との間の熱伝導量が多くなる。また、第１フィン４１の下流側に流れた空気と、一対の支持基板１１，１２間における最も下流側に近い位置に配置された熱電素子３との間隔を大きくすることができる。したがって、高い伝熱性、放熱の場合は高い冷却性能を得ることができる。

ここで、図４および図５に示すように、他方の支持基板１２の他方主面に第２のフィン４２を備え、第２のフィン４２は、当該第２のフィン４２が取り付けられた支持基板１２よりも下流側に向かって張り出していてもよい。

このとき、第１のフィン４１と第２のフィン４２との張り出しの長さが同じであってもよく、これにより高い伝熱性、放熱の場合はより高い冷却性能を得ることができる。

そして、図６に示すように、第１のフィン４１および第２のフィン４２が一対の支持基板１１，１２より張り出して互いに対向している領域にセパレータ８が挿入されていてもよい。

セパレータ８の材質は、例えばポリプロピレンなどの樹脂が挙げられる。セパレータ８の厚みは、一対の支持基板１１，１２の間隔の範囲内で、例えば少なくとも１ｍｍあればよい。

セパレータ８は、熱電モジュール５を保持するとともに、低温側と高温側とを分離するために設けられるが、上記の構成によれば、突出している第１のフィン４１および第２のフィン４２の間へのセパレータ８の位置決めがし易くなるとともに、高温側と低温側の分離性が向上する。

このとき、第１のフィン４１と第２のフィン４２との張り出しの長さが異なっていてもよく、これによりセパレータ８を第１のフィン４１と第２のフィン４２との間に挿入し易くなる。

また、図７に示すように、第１フィン４１および第２のフィン４２は、金属の板状体が折り曲げられてなり、複数の底面部４１２，４２２、複数の立設部４１１，４２１、および複数の天面部４１３，４２３を有する形状であってもよい。そして、第１のフィン４１および第２のフィン４２が一対の支持基板１１，１２より張り出して互いに対向している領域において、支持基板１１，１２の延長方向に沿って第１のフィン４１のみに接する薄板９が設けられていてもよい。

薄板９の材質は、例えば銅、セラミックス、アルミニウム、ステンレス（ＳＵＳ）などが挙げられる。なお、薄板９は支持基板１１と同じ材質であってもよく、支持基板１１に連続して設けられていてもよい。薄板９の厚みは、例えば５０〜１００μｍに設定される。

薄板９のない第２のフィン４２側は隣り合う立設部４２１間の隙間による撓みでセパレータ８を入れやすくし、薄板９のある第１のフィン４１側は薄板９との摩擦でセパレータ８を保持しやすくなる。したがって、セパレータ８が挿入しやすくなるとともに、セパレータ８による熱電モジュール５の保持力が強化される。

また、薄板９は、第１のフィン４１に接する側の表面とは反対側の表面に溝があってもよい。

この溝は、幅が例えば２００〜６００μｍとされ、深さが例えば３０〜６０μｍとされ、隣りあう溝と溝との間隔が例えば５００〜８０００μｍとされる。

この構成によれば、薄板９とセパレータ８との密着性が向上し、高温側と低温側の分離性が向上する。なお、複数の溝は一定方向に平行に配置されてもよく、互いに交差するように配置されてもよい。

１１、１２：支持基板
２１、２２：配線導体
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４１：第１のフィン
４２：第２のフィン
４１１、４２１：立設部
４１２、４２２：底面部
４１３、４２３：天面部
５：熱電モジュール
６：容器
７：シール材
８：セパレータ
９：薄板

Claims

互いに対向して配置された一対の支持基板と、該一対の支持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、前記一対の支持基板の対向する一方主面間に前記配線導体によって電気的に接続されるように複数配列された熱電素子と、一方の前記支持基板の他方主面に取り付けられた第１のフィンとを備えた熱電モジュールと、
該熱電モジュールを内部に収容して固定しており、前記第１のフィンに沿って上流側から下流側に向けて空気が流れる空間を有する容器とを含み、
前記熱電モジュールにおける前記第１のフィンは、当該第１のフィンが取り付けられた前記支持基板よりも下流側に向かって張り出しており、
前記第１のフィンは、金属の板状体が折り曲げられてなり、複数の底面部、複数の立設部、および複数の天面部を有する形状であり、
前記天面部は、前記複数の立設部の間に位置していることを特徴とする熱電変換装置。
他方の前記支持基板の他方主面に第２のフィンを備え、
該第２のフィンは、当該第２のフィンが取り付けられた前記支持基板よりも下流側に向かって張り出している請求項１に記載の熱電変換装置。
前記第１のフィンおよび前記第２のフィンが前記一対の支持基板より張り出して互いに対向している領域にセパレータが挿入されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
前記第２のフィンは、金属の板状体が折り曲げられてなり、複数の底面部、複数の立設部、および複数の天面部を有する形状であって、
前記第１のフィンおよび前記第２のフィンが前記一対の支持基板より張り出して互いに対向している領域において、前記支持基板の延長方向に沿って前記第１のフィンのみに接する薄板が設けられていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱電変換装置。
前記薄板の前記第１のフィンに接する側の表面とは反対側の表面に溝があることを特徴とする請求項４に記載の熱電変換装置。