JPH09321355A - 熱電ユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造に際しての手間を削減する。 【解決手段】 パターンで配列されている接合電極３０
が隣接する接合電極３０に電気的接続用ブリッジ３１に
よって接続された２枚の金属パターンプレート３，３間
に熱電素子１を介在させた熱電モジュールＭを、放熱部
材６と吸熱部材５との間に挟んだ熱電ユニットである。
熱電モジュールＭでは２枚の金属パターンプレート３，
３間にＰ型熱電素子１とＮ型熱電素子１とが接合電極３
０に接合されて交互に配設されている。またＰ型熱電素
子１及びＮ型熱電素子１が相互の金属パターンプレート
３の接合電極３０による電気的接続方向と交叉する方向
に夫々列をなしているとともに、これらＰ型熱電素子１
の列とＮ型熱電素子１の列とが交互に並んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱電モジュールを用
いた熱電ユニットに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電モジュールを用いた熱電ユニット
は、一対の電極プレート間に複数個の熱電素子（ペルチ
ェ素子）を並置配設するとともに各電極プレートに設け
た接合電極に熱電素子を接合することで各熱電素子を電
気的に直列に且つＰ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とを
交互に接続するとともに、これら熱電素子が熱的には並
列になるように接続配置したものとして構成された熱電
モジュールと、通電時に一方の電極プレートを吸熱側、
他方の電極プレートを放熱側として作用する該熱電モジ
ュールの吸熱側に吸熱部材を、放熱側に放熱部材を取り
付けたものとなっている。

【０００３】この時、電極プレート間に配する熱電素子
は上述のようにＰ型のものとＮ型のものとがあり、これ
らを電気的に交互に直列接続すると同時に熱的に並列に
しなくてはならないわけであるが、熱電ユニットの効率
を高めるために実装密度の点から従来はＰ型の熱電素子
とＮ型の熱電素子とを順に並べることのみに留意してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このために、配置の折
り返し部分の関係でＰ型の熱電素子とＮ型の熱電素子と
はｍ行×ｎ列の並びのなかで行において交互に並ぶとと
もに列においても交互に並ぶものとなっており、これ故
に製造に際して両種熱電素子の配置に非常に手間取るも
のとなっていた。

【０００５】本発明はこのような点に鑑み為されたもの
であり、その目的とするところは製造に際しての手間を
削減することができる熱電ユニットを提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】しかして本発明に係る熱
電ユニットは、熱電素子が接合される接合電極を多数備
えた導電性金属板からなるとともに所要のパターンで配
列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続
用ブリッジによって接続された２枚の金属パターンプレ
ート間に熱電素子を介在させた熱電モジュールを、放熱
部材と吸熱部材との間に挟んだ熱電ユニットであり、２
枚の金属パターンプレート間にＰ型熱電素子とＮ型熱電
素子とが接合電極に接合されて交互に配設されている上
記熱電モジュールは、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子が
相互の金属パターンプレートの接合電極による電気的接
続方向と交叉する方向に夫々列をなしているとともに、
これらＰ型熱電素子の列とＮ型熱電素子の列とが交互に
並んでいることに特徴を有している。

【０００７】上記放熱部材と吸熱部材とは相互に接近す
る方向にばね付勢されて熱電モジュールはこのばね圧を
受けたものとしておくことが好ましく、この時のばね加
圧には皿ばね型ワッシャを好適に用いることができる。
放熱部材側に取り付けられた金属パターンプレートはそ
の接合電極間に樹脂が充填されて放熱部材の受熱側表面
に貼り付けられたものであることが好ましい。

【０００８】また熱電モジュールの放熱部材乃至吸熱部
材の取付面の大きさよりも、放熱部材乃至吸熱部材の熱
電モジュールへの取付面を小としておくことが好まし
い。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態の一例につい
て説明すると、図１〜図４に本発明において用いる熱電
モジュールＭの一例を示す。ペルチェ素子である熱電素
子１を一対の電極プレート２，２間に多数配置するとと
もに、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを電極プ
レート２，２の対向面に夫々設けた接合電極３０によっ
て交互に接続することで、全熱電素子１を電気的に直列
に且つ熱的に並列に接続したもので、電極プレート２に
おける接合電極３０と熱電素子１とで構成される上記直
列回路の両端は、各電極プレート２の対向面に形成され
ているとともに外部接続用の端子部３６，３６を介して
リード線３８，３８に接続されている。また上記両電極
プレート２，２間には筒状のシール枠４も配されてお
り、両端が電極プレート２，２に接合されるとともに上
記の全熱電素子１の配置部を囲んでいるシール枠４と電
極プレート２，２とによって、熱電素子１の配置空間が
密閉されている。

【００１０】ここにおいて、上記熱電素子１は、図１か
ら明らかなように、格子状に整列配置されているのであ
るが、図１における列（縦方向）においては、図２に示
すようにＰ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とが交互
に並び、図１における行（横方向）においては図３に示
すように、Ｎ型の熱電素子１のみが、あるいはＰ型の熱
電素子１のみが並ぶようにその配置が定められている。

【００１１】Ｐ型熱電素子１及びＮ型熱電素子１の配置
をこのようにしているのは、次に述べるように、各熱電
素子１の接合電極３０への接合を個々に行うのではな
く、棒状のＰ型熱電素子材及びＮ型熱電素子材を夫々複
数の接合電極３０に跨がるものとして取り付けた後、棒
状の熱電素子材を切断して各接合電極３０上の熱電素子
１に切り離しているからである。

【００１２】上記熱電モジュールＭをその製造手順に従
って説明する。まず電極プレート２から説明すると、こ
こで用いている電極プレート２には、接合電極３０を有
する金属プレート３をセラミック系の基板２０の表面に
接合したものを用いている。図４〜図７にセラミック系
基板２０への接合前の金属プレート３を示す。接合電極
３０は各行（横方向）において機械的接続専用ブリッジ
３２によって相互に接続されており、各列（縦方向）に
おいて一つおきに電気的接続用ブリッジ３１によって接
続されるとともに隣接する行においては電気的接続用ブ
リッジ３１の位置がずらされて略格子状のパターンを有
するものとなっており、これらブリッジ３１，３２によ
って全接合電極３０は一体につながったものとなってい
る。なお、熱電素子１の電気的な接続パターンの関係
で、図中上下両端の行では接合電極３０が間引かれてい
る上に、電気的接続用ブリッジ３１が横方向にも延びる
ものとなっている。

【００１３】ここで上記両ブリッジ３１，３２は、図８
に示すようにその厚みが接合電極３０部分の厚みの半分
以下とされており、しかも機械的接続専用ブリッジ３２
は接合電極３０における熱電素子１が接合される表面側
に、電気的接続用ブリッジ３１は背面側に設けられてお
り、また接合電極３０表面と機械的接続専用ブリッジ３
２表面とが面一に、接合電極３０裏面と電気的接続用ブ
リッジ３１裏面とが面一に形成されている。さらに機械
的接続専用ブリッジ３２は上述のように厚みが薄くなっ
ていることに加えて、孔３３または溝が設けられること
でその断面積が小さくされている。

【００１４】上記電気的接続用ブリッジ３１は、Ｐ型の
熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを交互に接続するため
のものであるのに対して、機械的接続専用ブリッジ３２
は、基板２０への接合前の状態での各接合電極３０の位
置を保つためのものであって熱電素子１間の電気的接続
には関与しておらず、基板２０に接合されることで各接
合電極３０の位置が基板２０によって保たれるようにな
った後は不要な存在であり、従って機械的接続専用ブリ
ッジ３２は金属プレート３の基板２０への接合後には切
除してしまうものである。

【００１５】さらに金属プレート３は、電気的接続用ブ
リッジ３１及び機械的接続専用ブリッジ３２によって一
体につながっている全接合電極３０を囲む外周電極３５
を一体に備えるとともに、この外周電極３５の外側に前
記外部接続用の端子部３６と、センサー接続用端子部３
７とを一体に備えたものとなっている。そして一つおき
の行の左右両端に位置する接合電極３０，３０と外周電
極３５との間が細幅の機械的接続専用ブリッジ３２によ
って接続され、また一角にある接合電極３０が電気的接
続用ブリッジ３１と外周電極３５とを介して端子部３６
に接続されている。

【００１６】なお、機械的接続専用ブリッジ３２で接合
電極３０同士が前述のように横方向に連結されているの
であるが、上下両端の行を除く他の行においては、左右
方向中央部において機械的接続専用ブリッジ３２による
接続は行わず、複数のブロックに区画している。これは
機械的接続専用ブリッジ３２に孔３３を設けて断面積を
小さくしているのと同様に、基板２０への接合時におけ
る熱応力吸収をして反りを防ぐためである。また銅ある
いは銅合金のような導電性金属板からなる金属プレート
３は、全接合電極３０の高さを揃えて熱電素子１の接合
を隙間なく行うことができるようにするために一枚の金
属板に対するエッチング処理で図に示す形態のものにさ
れており、両ブリッジ３１，３２も金属板に対する表裏
からのハーフエッチングで形成しているが、他の加工
法、たとえばプレスや打ち抜きなどによって形成された
ものであってもよい。いずれにしても酸化防止のための
Ｎｉめっきや、半田ぬれ性向上のためのＳｎ，Ａｕめっ
きを設けておくとよい。

【００１７】そして上記金属プレート３は図９に示すよ
うにアルミナやベリリアなどの絶縁性を有するとともに
熱伝導性能の良いセラミック系の基板２０の表面に接合
固定されて電極プレート２が構成される。この時、各接
合電極３０の裏面や電気的接続用ブリッジ３１の裏面、
外周電極３５の裏面、端子部３６，３７の裏面が基板２
０に接触接合され、機械的接続専用ブリッジ３２は基板
２０の表面から浮いた状態となる。

【００１８】上記接合には基板２０がアルミナであり且
つ金属プレート３が銅板である場合、ＤＢＣ法と称され
ている共晶を形成することによる接合方法を好適に用い
ることができる。接合時に金属プレート３が１０００℃
以上の高温になることから硬度が低下し、熱電素子１を
柔らかく支持することになるために熱電素子１への応力
緩和の効果を期待することができるからである。ちなみ
に通常１％程度の歪みで使用されるので、この時の銅の
応力は焼純前の１／２近くに低減しており、これは実用
上ヤング率が１／２の材料で指示することにほぼ等し
い。なお、上記のような温度となるために金属プレート
３と基板２０との熱膨張率の差が接合後に基板２０に反
りを生じさせてしまうことになるが、前述の応力緩和部
の存在がこの反りを低減させている。金属プレート３と
基板２０との接合はＤＢＣ法に限定するものではなく、
ろう付けなどによって接合してもよい。

【００１９】次いで一方の電極プレート２の接合電極３
０に棒状のＰ型熱電素子材１ａと棒状のＮ型熱電素子材
１ｂとを接合する。この時、接合電極３０の各行に図１
０に示すように両熱電素子材１ａ，１ｂを交互に接合す
る。接合には半田付けが好適であり、このために熱電素
子材１ａ，１ｂにおける接合面にはめっきや蒸着によっ
て電極を形成しておくことが好ましい。

【００２０】また熱電素子材１ａ，１ｂには、図１１に
も示すように、その幅Ｘが接合電極３０の幅Ｙと同じか
やや小さいものを用いる。熱電素子１で発生する熱量を
接合電極３０を通じて基板２０側に確実に逃がすことが
できるようにすることで性能低下を避けるためであり、
もし熱電素子１の幅Ｘの方が接合電極Ｙの幅よりも大き
い場合には、熱電素子１における接合電極３０に接して
いない部分で熱疲労が生じて素子破壊が生じてしまうか
らである。

【００２１】なお、熱電素子材１ａと熱電素子材１ｂと
は同じ幅でなくともよい。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱
電素子１の材料特性を完全に合わせることはできないの
で、両熱電素子材１ａ，１ｂの幅を変えることが最も効
率のよい状態を得ることについての有効な方策となるか
らである。両熱電素子材１ａ，１ｂの高さが異なってい
てもよい。この場合は接合電極３０の高さを行によって
変えることで応じることができる。

【００２２】一方の基板２０への熱電素子材１ａ，１ｂ
の接合装着が完了すれば、次いで棒状の熱電素子材１
ａ，１ｂの切断を行う。この切断はたとえば図１２及び
図１３に示すように、砥石（ダイシング・ソウ）１５を
用いて行う。ここで示した実施の形態のものにおいて
は、熱電素子材１ａ，１ｂの各切断部が直線状に並ぶよ
うに接合電極３０の配置パターンを決めており、全熱電
素子材１ａ，１ｂをまとめて直線状に切断すれば、各接
合電極３０上に熱電素子１を個々に分離された状態で残
るようにしていることから、切断も容易であり、また図
示例のように、複数の砥石１５で必要箇所をまとめて切
断することで切断作業に要する時間の短縮も図ることが
できる。棒状の熱電素子材１ａ，１ｂを接合した後に切
断することは、各熱電素子１の劈開面を揃えることがで
きることにもなり、耐久性のばらつきを少なくすること
ができる。

【００２３】また、ここでは熱電素子材１ａ，１ｂの切
断にあたり、図１３からも明らかなように、機械的接続
専用ブリッジ３２の切断も同時に行うようにしている。
つまり熱電素子材１ａ，１ｂの切断をその切断箇所の下
方に位置している機械的接続専用ブリッジ３２ごと切断
することで行うのである。機械的接続専用ブリッジ３２
は基板２０から浮いた状態にあるために、また外周電極
３５や電気的接続用ブリッジ３１はその厚みが薄くて基
板２０側に寄っているために、砥石１５が基板２０に接
してしまう状態を招いたり外周電極３５や両端の行の電
気的接続用ブリッジ３１まで切断したりしてしまう状態
を招くことなく上記の切断を行うことができる。

【００２４】なお、両端の行では、前述のように接合電
極３０が間引かれている上に、他の行では接合電極３０
が位置する部分が厚みの薄い電気的接続用ブリッジ３１
の存在部分となっているために、上記切断によって接合
電極３０上にのみ熱電素子１が残り、熱電素子材１ａの
電気的接続用ブリッジ３１の上方にあった部分は取り除
かれることになる。

【００２５】図１４にこうして切断作業を行った後の状
態を、図１５に切除部分をハッチングで示したものを示
す。接合電極３０の図中左右方向は、一端の行の中央部
の接合電極３０，３０間が電気的接続用ブリッジ３１で
つながっているだけで、完全に分離されており、また外
周電極３５との接続も端子部３６との接続のための電気
的接続用ブリッジ３１でつながっただけとなる。なお上
記切断に際しては、端子部３６と端子部３７との間の切
り離しや外周電極３５と端子部３７との切り離しもなさ
れる。また、端子部３６，３７に設けた電気的接続用ブ
リッジ３１、つまり金属プレート３の裏面側に寄った厚
みの薄い部分は、接合電極３０部分とほぼ同じ厚みに形
成された端子部３６，３７に砥石１５の通過部を形成す
るために設けたものであり、このために接合電極３０を
接続している機械的接続専用ブリッジ３２と同じ並びで
設けてある。したがって切断線の目安ともなっている。

【００２６】熱電素子材１ａ，１ｂの接合の後、まず熱
電素子材１ａ，１ｂのみを切断し、次いで機械的接続専
用ブリッジ３２の切断を行うようにしてもよい。この場
合、熱電素子材１ａ，１ｂの切断と機械的接続専用ブリ
ッジ３２の切断に夫々適した切断部材を用いることがで
き、また幅の異なる切断部材を用いることで熱電素子１
の幅と接合電極１の幅とを夫々好ましい値に設定するこ
とができる。

【００２７】電極プレート２の金属プレート３における
機械的接続専用ブリッジ３２の切断を予め行っておき、
その後に熱電素子材１ａ，１ｂの接合とその切断を行っ
てもよい。この場合も熱電素子材１ａ，１ｂの切断を機
械的接続専用ブリッジ３２の切断負荷が加わらない状態
で行うことができて、熱電素子材１ａ，１ｂの切断を的
確に行うことができる。もちろん切断作業の手間の点に
おいては、熱電素子材１ａ，１ｂの切断時に機械的接続
専用ブリッジ３２も同時に切断することが最も好まし
い。

【００２８】切断線が直線となるように接合電極３０の
配置と電気的接続用ブリッジ３１による電気的接続のパ
ターンを決定しているものを示したが、回路パターンは
後述のように各種設定が可能である上に切断線が直線と
なるようにしなくてはならないものではない。しかし切
断線が直線となるようにしておくことが切断作業性の点
で最も優れたものとなる上に、複数の切断線を同時に切
断して切断に要する時間の削減を図ることにも容易に応
ずることができることになる。砥石１５に代えてレーザ
ーや高圧水ジェット等を用いて切断を行ってもよい。

【００２９】他方の電極プレート２については、上記電
極プレート２の金属プレート３と同一のものを基板２０
に接合して、その機械的接続専用ブリッジ３２の切断を
行っておく。図１６にこの切断を行った後の電極プレー
ト２を示す。切断箇所は上記一方の電極プレート３で切
断したところと同じである。切断が完了すれば、図１７
に示すように、矩形筒状のシール枠４の接合取付を一方
の電極プレート２に対して行った後、上記他方の電極プ
レート２を被せて他方の電極プレート２側の接合電極３
０と熱電素子１との接合及びシール枠４と他方の電極プ
レート２との接合を行う。シール枠４は前述のように熱
電素子１の配置部分を密封するためのもので、両端開口
縁が各電極プレート２，２の金属プレート３，３におけ
る閉ループとなった外周電極３５部分に機械的及び電気
的に接合されることで、電極プレート２，２と併せて全
熱電素子１の配置空間を密閉する。閉ループとなった外
周電極３５部分に接合することと、端子部３６を外周電
極３５を介して引き出していることから、熱電素子１ま
での電源路を上記密封状態を維持しつつ確保することが
できるものである。外周電極３５の内側に配する場合、
外周電極３５から内側に伸びた機械的接続専用ブリッジ
３２の切断残りの部分についてはシール枠４の該等部分
に溝を設けてこれを避ける。

【００３０】ここでシール枠４と外周電極３５との接合
は、図１９に示すように非金属製シール枠４における外
周電極３５との接合に供する両端開口縁の部分に予め
銅、ニッケル、錫等の金属膜４４をメッキや溶射などに
より形成しておき、そして外周電極３５に半田付け４８
やろう付けで接合している。これは長期的に見れば水分
の侵入を許しやすい接着剤の使用を避けて防湿性を高め
るためである。なお、各外周電極３５が端子部３６に接
続されている関係上、上記金属膜４４は両端開口縁に個
々に設けて電気的に接続されないようにしておく。また
シール枠４は外周電極３５の内側で電極プレート２に直
接接する部分を有する図１８及び図１９に示すような断
面形状のものとしておくことで、電極プレート２，２間
の間隔を規制することができるものとしておくことが好
ましい。この場合、半田付けやろう付け部分を見ること
ができるためにその良否の判別が容易である。金属膜４
４を設けていない部分や半田疲労時のクラックからの湿
気侵入防止については接着剤４９の塗布の併用が好まし
い。なお、ここにおけるシール枠４は電極プレート２，
２の対向方向における荷重を担うものともなっている。

【００３１】他方の電極プレート２側の接合電極３０と
熱電素子１との接合は、シール枠４と他方の電極プレー
ト２との接合と同時に行うことになるが、これは次の点
においても好ましいものとなる。すなわちシール枠４に
よって両電極プレート２，２間の間隔を規制すると熱電
素子１の高さのばらつきは半田付けの半田の厚さで調節
されることになるとともに、電極プレート２にかかる荷
重はシール枠４の剛性と熱電素子１の剛性とにより分担
されることになり、熱電素子１にかかる荷重を低減する
ことができるからである。

【００３２】このように構成された熱電モジュールＭ
は、全熱電素子１が両電極プレート２，２の金属プレー
ト３における接合電極３０と電気的接続用ブリッジ３１
とによって電気的に直列に接続されるものであり、また
Ｐ型熱電素子１とＮ型熱電素子１との組が熱的に並列に
接続され、一方の電極プレート２側の端子部３６と他方
の電極プレート２側の端子部３６とを通じて電源に接続
される。

【００３３】ここで上端の行と下端の行とで熱電素子１
を間引いた状態としているのは、両電極プレート２，２
で同一の金属プレート３を用いることができるようにす
ると同時に、Ｐ型熱電素子１同士あるいはＮ型熱電素子
１同士が連続して接続されることを避けるためである。
もっとも一端の行の中央部においては、２つのＰ型熱電
素子１，１を連続して接続している。このような同型熱
電素子１の連続は若干の効率低下を招くのであるが、敢
えてこのようにしているのは接合電極３０及び熱電素子
１の行数を奇数としたものにおいて、上記のように同一
の金属プレート３を両電極プレート２，２で用いること
ができるようにするためと、前述の熱応力緩和のために
金属プレート３を左右二つのブロックに分けることをで
きるようにするためである。衝撃荷重の点からは全く間
引かないようにしてもよい。

【００３４】接合電極３０及び熱電素子１の行数を奇数
としているのは、両端の行にＰ型の熱電素子１を配置す
るためである。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１と
を比較した場合、Ｐ型のものの方が特性が良くて管理し
やすく、コストも安い。従ってＮ型熱電素子材１ｂをＰ
型熱電素子材１ａよりも１本少なくできることと、上述
のように両端の行においては棒状の熱電素子材１ａを使
用するにもかかわらず、熱電素子１を間引いて配置する
ために切除部分が多くなることに鑑み、両端の行にＰ型
のものを配置している。

【００３５】電極プレート２としては、セラミック系の
基板２０を有するもののほか、接合電極３０間の空隙を
熱特性が良好である絶縁性樹脂２５で埋めた図２０及び
図２１に示すものを電極プレート２として用いることが
できる。射出成形あるいは注型によって得ることができ
るこのタイプの電極プレート２は、その裏面を接合電極
３０の裏面と面一とするか凹面としておくことで、接合
電極３０の裏面を直接放熱部材や吸熱部材に接触させる
ことができるためにセラミック系のものに比して放熱特
性が良好であり、このために放熱側に用いると好適な結
果を得ることができる。金属パターンプレート３の表側
については、接合電極３０の表面より絶縁性樹脂２５が
少し高くなるようにしてもよい。半田付け時の異電極と
のショートを防ぐことができる。なお、図２０及び図２
１に示した電極プレート２を用いる場合、棒状熱電素子
材１ａ，１ｂ及び金属プレート３の機械的接続専用ブリ
ッジ３２の切断は、絶縁性樹脂２５も同時に切削するこ
とで行う。

【００３６】また上記タイプの金属プレート３では、そ
の表裏において絶縁性樹脂２５の金属プレート３に対す
る比率がほぼ同じとなるようにしておくことが反りの防
止の点で好ましく、また金属プレート３との化学結合性
を有するとともに熱膨張係数が金属プレート３に近似し
た材質のものが好ましい。水蒸気の透過を防ぐことがで
きるとともに隙間が生じにくくなるからである。さらに
は金属プレート３よりも十分に低いヤング率の材質であ
ることが好ましい。これらの条件を満足するものとして
は、金属プレート３が銅または銅合金であるならば、エ
ポキシ樹脂、特にＳｉＯ２を添加したものが好適であ
る。そして、図２０及び図２１に示す電極プレート２を
２枚用いた熱電モジュールＭとしてもよいのはもちろん
である。

【００３７】２枚の電極プレート２，２の接合電極３
０，３０による熱電素子１，１の接続の回路パターン
は、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１との列が交互
に並ぶという条件を保つ状態で、図２２及び図２３に示
すような各種のパターンを構成することができる。図２
２(a)は上記の金属プレート３を用いた場合の回路パタ
ーンを示している。図２４に示すようなパターンも可能
である。なお図２４中の２本線による接続は一方の電極
プレート２による接続を、１本線による接続は他方の電
極プレート２による接続を示している。

【００３８】Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ−Ｓｅを主成分とする熱
電素子１の接合電極３０への接合は前述のように半田付
けで行っているが、熱電素子１側の接合面に図２５に示
すようにＭｏ層１７及びＮｉ層１８をバリア層として設
けて電極１１とすることが拡散防止の点で好ましい。ま
た図２５に示すものでは、Ｎｉ層１８の上に更にＳｎ，
Ｂｉ，Ａｇ，Ａｕの中から選択した材料からなる層、た
とえばＳｎ＋Ｂｉ層１９を設けている。この層１９はＮ
ｉ層１８の酸化防止と半田付け性を良くするためであ
る。なおＮｉ層１８は１μ以上の厚みとし、Ｍｏ層１７
はこれより薄くしておくことが望ましい。たとえばＭｏ
層１７を０．２μｍ、Ｎｉ層１８を２μｍ、Ｓｎ＋Ｂｉ
層１９を２μｍとする。

【００３９】熱電素子材１ａ，１ｂとして接合電極３０
の行の並びの全長にわたるものを用いていたが、図２６
に示すように、１行について複数本の熱電素子材１ａ，
１ｂを用いるようにしてもよい。熱電素子材１ａ，１ｂ
として長さの短いものを用いることができるために熱電
素子材１ａ，１ｂの材料利用効率が高くなる上に、接合
電極３０への接合後の電極プレート２の反りによる熱電
素子材１ａ，１ｂへのストレスを低減させることができ
る。

【００４０】金属プレート３における接合電極３０と外
周電極３５とを接続する電気的接続用ブリッジ３１は、
複数設けておいてもよい。異なる接合電極３０が外周電
極３５に電気的接続用ブリッジ３１によって接続されて
いるようにしておくのである。もちろん最終的にはいず
れかの電気的接続用ブリッジ３１によっていずれかの接
合電極３１のみが外周電極３５に接続されるように、他
の電気的接続用ブリッジ３１は切除してしまうのである
が、どの電気的接続用ブリッジ３１を残すかによって、
同じ金属プレート３を用いても、熱電素子１の実装数の
異なるもの、つまり熱電モジュールの性能の異なるもの
を選択して得ることができる。

【００４１】もっとも、電気的接続用ブリッジ３５によ
る接合電極３０と外周電極３５との接続箇所が増える
と、基板２０への接合の際に反りを生じさせやすくなる
ことから、図４〜図７に示した金属プレート３において
は、いくつかの接合電極３０から外周電極３５に向けて
延長片を延出しており、どの延長片を外周電極３５に接
続するかによって外周電極３５を通じて端子部３６に接
続する接合電極３０（回路パターンの一端となる接合電
極３０）を選択することができるようにしてある。

【００４２】上記のような熱電モジュールＭは、図２７
あるいは図２８に示すように、片側の電極プレート２の
外面に吸熱部材５、他側の電極プレート２の外面に放熱
部材６が取り付けられて実用のための熱電ユニットが構
成される。この時、電極プレート２と吸熱部材５または
放熱部材６との間の熱的結合のために、吸熱部材５と放
熱部材６とで熱電モジュールＭを挟持して熱的結合面に
所要の荷重を加えるのであるが、図に示すようなコイル
ばねや皿ばねのようなばね７によって上記荷重を加える
ことが好ましい。図中７０は吸熱部材５と放熱部材６と
を連結するビスであり、ばね７はビス７０の頭部とこの
ビス７０が挿通される部材５との間に配されている。ビ
ス７０，７１には熱伝導率の低い材質のものが用いられ
る。

【００４３】図２９、図３０及び図３１により具体的な
吸熱部材５及び放熱部材６を示す。放熱部材６は多数の
放熱フィン６０を有している。図中７１は両部材５，６
間の連結用であり且つこのブロックの取付用を兼ねたビ
スである。吸熱部材５及び放熱部材６の熱電モジュール
Ｍとの接触面の面積を熱電モジュールＭの表面積より小
さくしているが、これは熱漏れを低減するためである。

【００４４】吸熱部材５及び放熱部材６には熱伝導率が
高くて加工が容易であるアルミニウムやその合金を用い
ており、その表面には腐食防止や絶縁のためにアルマイ
ト層が設けられている。アルミニウムに炭素繊維を入れ
たものや銅合金などで形成してもよい。吸熱部材５の表
面は冷却対象となる部材への取付面とするためにビス７
０，７１の頭部はこの面より突出しないようにしてあ
る。

【００４５】ここにおいて、熱電モジュールＭと吸熱部
材５との接触面及び熱電モジュールＭと放熱部材６との
接触面には通常数μｍの厚みとなるシリコングリースを
介在させることで熱抵抗を低減させるのであるが、この
熱抵抗は荷重が大きくなるにつれて低下し、図３２に示
すように１０００〜１５００Ｎの荷重でほぼ安定する。
図中ΔＴは電極間温度差である。一方、熱電素子１その
ものは図３３に示すように荷重が増大すれば耐久性が低
下するものであり、また電極間温度差ΔＴを高くするに
つれてこの温度差によって生じるところの剪断力が作用
するために耐久性が低下する。接触熱抵抗を低減して性
能を上げるには取付荷重を大きくすればよいのである
が、民生用として使用されている熱電素子１では、取付
荷重を上げると信頼性が低下してしまうわけである。

【００４６】上記特性から、一般に取付荷重はほぼ１０
００Ｎを最適荷重としてこの最適荷重となるように取り
付けを行っているのであるが、ビス７０の締付力によっ
てこの値に取付荷重を設定することは困難である。しか
し、上述のようにばね７によって取付荷重を設定してい
ることから、最適荷重への設定が容易となっている。し
かも、ここで用いている熱電モジュールＭは、シール枠
４が取付荷重を分担することによって熱電素子１にかか
る荷重を低減していることから、シール枠４の荷重分担
比を１／２としているならば、熱抵抗を軽減して性能を
向上させるために取付荷重を１０００〜１７００Ｎにセ
ットしても、熱電素子１にかかる荷重は５００〜８５０
Ｎとなり、高い耐久性を得ることができる。図３４にシ
ール枠４がある場合Ａと無い場合Ｂとにおける熱電素子
１の変形量と取付荷重との関係（シール枠４の荷重分担
比は１／２）を示す。

【００４７】接合電極３０を備えた金属パターンプレー
ト３を基板２０に接合したものと、金属パターンプレー
ト３の隙間に絶縁性樹脂２５を充填したものとのいずれ
を電極プレート２とする場合にも、基板２０または絶縁
性樹脂２５と吸熱・放熱部材５，６とを一体として電極
プレート２が吸熱・放熱部材５，６を兼ねるようにして
もよい。つまりは吸熱部材５や放熱部材６に金属パター
ンプレート３が接合されたものとするのである。部品点
数の削減を図ることができる。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明における熱電ユニッ
トは、放熱部材と吸熱部材との間に挟んだ熱電モジュー
ルにおけるＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子を相互の金属
パターンプレートの接合電極による電気的接続方向と交
叉する方向に夫々列をなすものとするとともに、これら
Ｐ型熱電素子の列とＮ型熱電素子の列とを交互に並べて
いることから、その製造に際してのＰ型熱電素子とＮ型
熱電素子との配置が容易なものであり、棒状の熱電素子
材を複数の接合電極に跨がるように取り付けてから切断
するという製造法に応ずることもできるものであって、
製造に際しての手間を削減することができ、コストの低
減にも寄与するものである。

【００４９】そして上記放熱部材と吸熱部材とは相互に
接近する方向にばね付勢されて熱電モジュールはこのば
ね圧を受けたものとしておくと、適切な荷重の設定を容
易に行うことができて、歩留まりの向上を図ることがで
きる。この時のばね加圧には皿ばね型ワッシャを好適に
用いることができる。放熱部材側に取り付けられた金属
パターンプレートはその接合電極間に樹脂が充填された
ものとしておくと、放熱特性の向上を図ることができ
る。

【００５０】さらに熱電モジュールの放熱部材乃至吸熱
部材の取付面の大きさよりも、放熱部材乃至吸熱部材の
熱電モジュールへの取付面を小としておくことが好まし
い。熱漏洩を少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示す破断平面図で
ある。

【図２】同上の縦断面図である。

【図３】同上の横断面図である。

【図４】同上に用いる金属プレートの平面図である。

【図５】同上に用いる金属プレートの斜視図である。

【図６】同上に用いる金属プレートの背面図である。

【図７】同上に用いる金属プレートの背面側を示す斜視
図である。

【図８】同上に用いる金属プレートの断面を示してお
り、(a)は横断面図、(b)は縦断面図である。

【図９】同上に用いる電極プレートの加工前状態を示す
斜視図である。

【図１０】同上に用いる電極プレートの熱電素子材の接
合後の斜視図である。

【図１１】同上の接合電極と熱電素子材との断面図であ
る。

【図１２】同上の熱電素子材の切断を示す斜視図であ
る。

【図１３】同上の熱電素子材の切断を示す断面図であ
る。

【図１４】同上の熱電素子材の切断後の状態を示す斜視
図である。

【図１５】同上の熱電素子材の切断部分を示す平面図で
ある。

【図１６】他方の電極プレートの斜視図である。

【図１７】同上のシール枠の取付状態を示す斜視図であ
る。

【図１８】同上のシール枠を示すもので、(a)は斜視
図、(b)は断面図である。

【図１９】同上のシール枠の固定部分を示す拡大断面図
である。

【図２０】他の電極プレートの斜視図である。

【図２１】同上の電極プレートの背面側を示す斜視図で
ある。

【図２２】(a)〜(f)は回路パターン例の説明図である。

【図２３】(a)〜(f)は回路パターン例の説明図である。

【図２４】別の回路パターンの説明図である。

【図２５】同上の熱電素子材の断面図である。

【図２６】電極プレートへの熱電素子材の接合の他例を
示す斜視図である。

【図２７】吸熱部材及び放熱部材の装着例を示す断面図
である。

【図２８】吸熱部材及び放熱部材の他の装着例を示す断
面図である。

【図２９】吸熱部材及び放熱部材の別の装着例を示す断
面図である。

【図３０】同上の放熱部材の平面図である。

【図３１】同上の吸熱部材の平面図である。

【図３２】熱電素子の特性を示す説明図である。

【図３３】熱電素子の他の特性を示す説明図である。

【図３４】シール枠の有無による熱電ユニットの特性を
示す説明図である。

【符号の説明】

Ｍ 熱電モジュール １ 熱電素子 ２ 電極プレート ３ 金属パターンプレート ３０ 接合電極

フロントページの続き (72)発明者 坂井 優里 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 下田 勝義 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 小松 照明 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 村瀬 慎也 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 井上 宏之 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 佐川 昌幸 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電素子が接合される接合電極を多数備
   えた導電性金属板からなるとともに所要のパターンで配
   列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続
   用ブリッジによって接続された２枚の金属パターンプレ
   ート間に熱電素子を介在させた熱電モジュールを、放熱
   部材と吸熱部材との間に挟んだ熱電ユニットであり、２
   枚の金属パターンプレート間にＰ型熱電素子とＮ型熱電
   素子とが接合電極に接合されて交互に配設されている上
   記熱電モジュールは、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子が
   相互の金属パターンプレートの接合電極による電気的接
   続方向と交叉する方向に夫々列をなしているとともに、
   これらＰ型熱電素子の列とＮ型熱電素子の列とが交互に
   並んでいることを特徴とする熱電ユニット。
2. 【請求項２】 放熱部材と吸熱部材とが相互に接近する
   方向にばね付勢されて熱電モジュールはこのばね圧を受
   けていることを特徴とする請求項１記載の熱電ユニッ
   ト。
3. 【請求項３】 ばね加圧は皿ばね型ワッシャによるもの
   であることを特徴とする請求項２記載の熱電ユニット。
4. 【請求項４】 放熱部材側に取り付けられた金属パター
   ンプレートはその接合電極間に樹脂が充填されて放熱部
   材の受熱側表面に貼り付けられたものであることを特徴
   とする請求項１記載の熱電ユニット
5. 【請求項５】 熱電モジュールの放熱部材乃至吸熱部材
   の取付面の大きさよりも、放熱部材乃至吸熱部材の熱電
   モジュールへの取付面が小となっていることを特徴とす
   る請求項１または４記載の熱電ユニット。