JPH10190072A

JPH10190072A - 熱電モジュール

Info

Publication number: JPH10190072A
Application number: JP8350929A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Onoe; 勝彦尾上; Yuuma Horio; 裕磨堀尾; Toshiharu Hoshi; 星　　俊治
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1996-12-27
Filing date: 1996-12-27
Publication date: 1998-07-21

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】熱伝導性が優れており、耐衝撃性が高い熱電
モジュールを提供する。【解決手段】アトマイズ法等の液体急冷法によりアル
ミニウム合金粉末体を作製し、これをふるいにより所定
の粒径の微粉末に分留する。この微粉末をアルミニウム
製容器に加圧充填するキヤンニングを行い、容器内のガ
スの脱気処理後、容器を封止し、これを押し出しプレス
機により押し出し成形して熱電モジュール用基板１が得
られる。この粉末成形アルミニウム合金からなる基板の
ヤング率は８０００ｋｇ／ｍｍ²以上を得る。この基板
上板１ａ表面にアルマイト処理を行って熱伝導性絶縁性
のアルマイト層２を形成する。アルマイト層の多孔性皮
膜を封孔処理により絶縁性を向上させた後、薄板状の銅
電極３が接着され、この銅電極３と熱電素子４とをハン
ダ５により直列に接続され、リード線７が接続されて熱
電モジュール１０が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は熱電発電及び熱電冷
却等に使用される熱電モジュールに関し、特に、熱伝導
率及び耐衝撃性を向上させることができる熱電モジュー
ルに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、熱電モジュール用基板として使用
されている材料は、酸化アルミニウム（以下、アルミナ
という）、展伸アルミニウム合金（以下、展伸Ａｌ合金
という）等がある。特に、アルミナは低コストの材料で
あり、熱電モジュール用基板として多く使用されてい
る。このアルミナの強度は高く、熱電モジュールの基板
材料として極めて優れている。一方、展伸Ａｌ合金は、
一般の各種製品に多用される金属材料であるが、通常、
熱電モジュール用基板として電気的絶縁性を保有させる
ため、表面にアルマイト処理をする。この展伸Ａｌ合金
の熱伝導率は極めて高く、また、材料が安価であること
から熱電モジュールの基板材料に好適である。

【０００３】この展伸Ａｌ合金を適用している例とし
て、例えば、クーラーボックス等がある。図６はクーラ
ーボックスの構造の一例を示す断面図である。クーラー
ボックスの容器本体５２及び蓋５４は断熱材を使用して
形成されており、これにより容器内部５１と外気とは熱
的に遮断されている。そして、容器内部５１はアルミニ
ウム製内壁材５３により内張りされ、このアルミニウム
製内壁材５３に接触して低温側アルミニウム製ブロック
５５が容器本体５２に装着されている。また、電子冷凍
素子となる熱電モジュール４０が低温側アルミニウム製
ブロック５５に接触するように配置されており、更に高
温側アルミニウム製ブロック５６が熱電モジュール４０
を間に挟んで低温側アルミニウム製ブロック５５と対向
するように配置されている。即ち、熱電モジュール４０
の吸熱側に低温側アルミニウム製ブロック５５が接続さ
れ、熱電モジュール４０の熱放出側に高温側アルミニウ
ム製ブロック５６が接続されている。更に、高温側アル
ミニウム製ブロック５６には、アルミニウム製フィン５
７が接触するように配設されており、このアルミニウム
製フィン５７の近傍には冷却用のファン５８が設けられ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、クーラ
ーボックス５０は落下衝撃を受けることがあり、これに
より冷凍素子である熱電モジュール４０が破損すること
がある。その結果、クーラーボックス５０の保冷性が損
なわれる。従って、熱伝導率及び耐衝撃性を高めた熱電
モジュール４０が強く要望されている。

【０００５】従来の一般的な熱電モジュール用基板材料
としては、アルミナ、展伸Ａｌ合金、窒化アルミニウム
及び酸化ベリリウム（以下、ベリリアという）がある
が、これらを使用した基板は以下の問題点がある。

【０００６】先ず、アルミナは強度が高いものの、熱伝
導率が極めて低いために、熱電モジュールの熱流損失が
大きい。また、靱性が低く脆いため、衝撃力を受けた場
合に基板が比較的容易に損傷する。次に、展伸Ａｌ合金
については、アルミナに比して熱伝導率が優れている
が、強度が著しく低いため、衝撃を受けると基板は容易
に変形してしまう。従って、耐衝撃性が求められる装置
等に展伸Ａｌ合金からなる熱電モジュール基板を使用す
ることはできない。更に、窒化アルミニウムについて
は、熱伝導率がアルミナよりも大きいものの、展伸Ａｌ
合金より低い。更にまた、窒化アルミニウムはアルミナ
よりも高価である。一方、ベリリアについては熱伝導率
が極めて高く熱電モジュールとしての熱特性は優れてい
るが、危険な毒物であるためその取り扱いは難しく、現
在はほとんど使用されていない。

【０００７】このように、熱伝導性が優れ、且つ耐衝撃
性が高い熱電モジュール用基板は未だ得られていない。

【０００８】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、熱伝導性が優れており、耐衝撃性が高い熱
電モジュールを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電モジュ
ールは、粉末成形アルミニウム合金からなる基板と、こ
の基板上に配置された熱電素子とを有することを特徴と
する。この場合に、前記基板と熱電素子との間に銅電極
を配置することができる。

【００１０】本発明においては、熱電モジュール用基板
に粉末成形アルミニウム合金を使用しているので、熱伝
導性及び耐衝撃性に極めて優れた熱電モジュールを得る
ことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
添付の図面を参照して具体的に説明する。図１（ａ）は
本発明の実施例に係る熱電モジュールの構造を示す斜視
図、図１（ｂ）は本発明の実施例に係る熱電モジュール
の構造を拡大して示す側面図である。熱電モジュール１
０は粉末成形アルミニウム合金（以下、Ｐ．Ｍ．Ａｌ合
金という）からなる２枚の基板１ａ、１ｂと、基板１
ａ、１ｂ間に挟持された複数の熱電素子４とを有する。
基板１ａ、１ｂの夫々対向面には絶縁性のアルマイト層
２が積層されており、このアルマイト層２の上には複数
の薄板状の銅電極３が耐熱性接着剤により接着されてい
る。Ｐ．Ｍ．Ａｌ合金と電極との接着にエポキシ系等の
絶縁性接着剤を使用すればアルマイト層は省略しても構
わない。この際、接着剤中に石英フィラー等の絶縁粒を
添加すればより絶縁は確実となる。そして、各銅電極３
には、熱電素子４がハンダ５により接合されている。従
って、熱電素子４は銅電極３を介して基板１ａ、１ｂ間
に挟持されている。熱電素子４はｐ形又はｎ形の半導体
からなり、複数の熱電素子４はｐ形半導体素子とｎ形半
導体素子とが銅電極３により交互に直列に接続されるよ
うに配置されている。この熱電素子４の直列接続体の両
端に配置された銅電極３にリード線７が接続されてい
る。このようにして、熱電モジュール１０が組み立てら
れている。本実施例のＰ．Ｍ．Ａｌ合金からなる熱電モ
ジュール１０の寸法としては、例えば、基板上板１ａの
厚さは０．１乃至１．０ｍｍ、基板下板１ｂの厚さは
０．１乃至１．０ｍｍ、熱電素子４の大きさは縦１．４
ｍｍ、横１．４ｍｍ、高さ１．７ｍｍ、そして、熱電モ
ジュール１０の全体寸法は縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、高
さ５ｍｍである。

【００１２】次に、図２は熱電モジュール用基板の製造
方法を工程順に示すフローチャート図、図３（ａ）乃至
（ｅ）は同じく熱電モジュール用基板の製造方法を工程
順に示す模式図である。先ず、熱電モジュール用基板の
原料となる微粉末３１を、例えば、図３（ａ）に示すよ
うに、アトマイズ法等の液体急冷法により作製する。即
ち、Ａｌ合金を高周波コイルの誘電加熱してＡｌ合金を
溶融させ、容器の下方から溶湯３０を噴出させると同時
にＡｒ等の不活性ガスを吹き付け、不活性ガスのガス圧
により溶湯３０を微細な粒状にして、冷却固化させ、粉
末３１を得る（ステップＡ１）。次に、このＰ．Ｍ．Ａ
ｌ合金からなる粉末体３１をふるいを使用して分留し
て、粒度を揃え所定の粒径を有する微粉末を得る（ステ
ップＡ２）。

【００１３】次に、この粒度調整されたＰ．Ｍ．Ａｌ合
金からなる微粉末体３１を、図３（ｂ）に示すように、
アルミニウム製容器３２に加圧充填するカンニング処理
を行う（ステップＡ３）。

【００１４】続いて、図３（ｃ）に示すように、脱気管
３３ａが設けられた蓋３３によりアルミニウム製容器３
２に蓋３３をした後に、これをオイル３４が満たされた
オイルバス等に入れて予備加熱し、空気、水蒸気等を容
器内から強制的に脱ガスする（ステップＡ４）。

【００１５】その後、図３（ｄ）に示すように、脱気管
３３ａをシールして封止する（ステップＡ５）。

【００１６】そして、図３（ｅ）に示すように、微粉末
体３１が充填された容器３２を所望の押し出し温度まで
加熱し、これを容器３２ごと押し出しプレス機３５に挿
入し、押し出し成形する（ステップＡ６）。

【００１７】次いで、直ちに、機械加工又は酸による溶
解等により成形体から容器３２を除去することにより、
熱電モジュール用基板１が得られる（ステップＡ７）。

【００１８】図４は熱電モジュールの製造方法を示すフ
ローチャート図、図５（ａ）乃至（ｅ）は同じく熱電モ
ジュールの製造方法を工程順に示す模式図である。図４
に示すように、熱電モジュールの基板となるＰ．Ｍ．Ａ
ｌ合金からなる基板１は、上述のとおり、通常の直接押
し出し法により、丸棒状又は板状の押し出し成形材が得
られる。そして、この押し出し成形材を薄板状に切断す
ることにより、図５（ａ）に示すように、Ｐ．Ｍ．Ａｌ
合金の基板１が作製される（ステップＢ１）。

【００１９】その後、得られた基板１の表面にシュウ酸
アルマイト法、硫酸アルマイト法又は混酸アルマイト法
等によるアルマイト処理を行い、図５（ｂ）に示すよう
に、絶縁性のアルマイト層２が積層される（ステップＢ
２）。

【００２０】そして、この表面アルマイト処理によって
生成された多孔性皮膜の孔を封じて絶縁性皮膜の微小な
欠陥部を改善するため、加圧蒸気法又は沸騰水煮沸法等
による封孔処理を行う（ステップＢ３）。なお、このア
ルマイト処理による基板の絶縁化の代替として、前述し
たようにエポキシ系等の樹脂を薄く塗布することによる
絶縁化処理を施してもよい。

【００２１】続いて、図５（ｃ）に示すように、封孔処
理が施された基板１の基板上板１ａ及び基板下板１ｂの
夫々の表面に薄板状の複数の銅電極３が所定位置に配置
され、接着剤により接合される（ステップＢ４）。これ
により、銅電極３が設けられた熱電モジュール用基板６
が得られる。

【００２２】一方、熱電材料は焼結法又は溶融法により
製造される（ステップＢ５）。得られた熱電材料はダイ
ヤモンドホイール等により切断され熱電素子４が得られ
る（ステップＢ６）。

【００２３】その後、図５（ｄ）に示すように、得られ
た熱電モジュール用基板６の上板、下板各１枚及び熱電
素子４を使用して、複数の銅電極３が接着された基板下
板１ｂの熱電モジュール用基板６に熱電素子４の端部全
数がハンダ５により接合される。次いで、図５（ｅ）に
示すように、上述と同じく基板上板１ａの熱電モジュー
ル用基板６に熱電素子４の他の端部全数がハンダ５によ
り接合されて組み立てられる（ステップＢ７）。このよ
うにして、熱電モジュール１０が完成する（ステップＢ
８）。

【００２４】このように、本発明においては、熱電モジ
ュール用基板に粉末成形アルミニウム合金を使用してい
るので、熱伝導性及び耐衝撃性に極めて優れた熱電モジ
ュールを得ることができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明に係る熱電モジュールの実施例
についてその比較例と比較して具体的に説明する。

【００２６】先ず、アトマイズ法等の液体急冷法によ
り、融解したＡｌ合金を微粉末にしてＰ．Ｍ．Ａｌ合金
粉末体を得た。合金組成としては微細な金属間化合物を
含むＡｌ−Ｎｉ−Ｃｅ合金、Ａｌ−Ｎｉ−Ｔｉ合金、Ａ
ｌ−Ｎｉ−Ｚｒ合金等又は微細な正２０面体構造を有す
るＡｌ−Ｍｎ−Ｃｏ合金、Ａｌ−Ｍｎ−Ｎｉ合金、Ａｌ
−Ｃｒ−Ｎｉ合金等が考えられる。この粉末体をふるい
により分留し、粒度を揃えて３０μｍ以下の極めて微細
な粉末とし、熱電モジュール用基板の原料とした。次
に、アルミニウム製容器にこのＰ．Ｍ．Ａｌ合金粉末体
を充填率約７０乃至８０％まで加圧充填した。次いで、
脱気管が設けられたアルミニウム製容器に蓋をした後
に、真空度２×１０^-5Ｔｏｒｒで脱気し、更に脱気中に
オイルが満たされたオイルバスに入れて温度３００℃、
時間５乃至１０分の予備加熱を行い脱ガスを促進した。

【００２７】その後、脱気管を封止して、Ｐ．Ｍ．Ａｌ
合金粉末体を充填した容器を３５０〜４５０℃の押し出
し温度まで加熱し、これを容器ごと温間押し出しプレス
機に挿入した。なお、押し出し比（押し出し前の断面積
／押し出し後の断面積）を１０に設定して直接押し出し
法により成形した。その後、成形体を切断する際に成形
体から容器を除去することによりＰ．Ｍ．Ａｌ合金から
なる熱電モジュール用基板を得た。この基板の大きさ
は、上板が縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１ｍｍであ
り、下板が縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１ｍｍであっ
た。

【００２８】次に、Ｐ．Ｍ．Ａｌ合金からなる基板の表
面を絶縁化するためにアルマイト処理を行った。この表
面アルマイト処理として、シュウ酸アルマイト法を採用
した。即ち、Ｐ．Ｍ．Ａｌ合金からなる基板を陽極とし
カーボンを陰極として、金属Ａｌを含むシュウ酸浴中に
浸漬した。この処理条件として、浴組成はシュウ酸４０
ｇ／リットル及び金属アルミニウム２ｇ／リットルの混合からな
り、電解条件は電流密度１．２Ａ／ｄｍ²、浴温２０〜
３０℃として、時間６０分の電解処理を行った。そし
て、電気分解させて基板の表面に厚さ約９μｍのアルマ
イト層の皮膜を得た。続いて、沸騰水煮沸法により、市
販の封孔剤を添加した沸騰水にて３０分煮沸して封孔処
理を行った。

【００２９】その後、アルマイト処理及び封孔処理され
た基板の表面に約２００℃の温度に充分耐えるエポキシ
系耐熱性接着剤を使用して、厚さ０．３ｍｍの薄板状の
銅電極を接着した。一方、切断が容易で小型素子の作製
に適した焼結法により熱電素子材を作製した。更に、ハ
ンダ付けを容易にするために熱電素子電極面にＮｉメッ
キを施した。この熱電素子材をダイヤモンドホイールに
て切断して、縦１．４ｍｍ、横１．４ｍｍ、高さ１．７
ｍｍの熱電素子を得た。この熱電素子と基板に接着され
た銅電極とをハンダにより接合し、熱電モジュールを組
み立てた。

【００３０】そして、Ｐ．Ｍ．Ａｌ合金からなる基板の
機械的性質及びこの基板を使用して組み立てられた熱電
モジュールの耐落下衝撃性、熱伝導性の試験を行った。

【００３１】実施例１種々材質のＰ．Ｍ．Ａｌ合金からなる基板を所定の方法
で得て、これら夫々の基板を使用して熱電モジュールを
組み立てた。これら熱電モジュールの落下衝撃試験及び
基板のヤング率を測定した結果を、下記表１にまとめて
示す。なお、落下衝撃試験は地上５０ｃｍの高さから硬
質の床面に熱電モジュールを自由落下させて行った。

【００３２】

【表１】

【００３３】この表１から明らかなように、本実施例の
基板はヤング率が８０００ｋｇ／ｍｍ²以上であり且つ
靱性が高いことから、基板に衝撃を与えても比較例で認
められるような基板に亀裂又は変形が発生しなかった。
このように、熱電モジュールの耐衝撃性は優れた特性を
示した。

【００３４】実施例２実施例１と同様、種々の基板を作製して熱電モジュール
を組み立てた。これら熱電モジュールの熱伝導性を評価
するため、熱電素子の最大温度差（ΔＴｍａｘ）を測定
した結果を、下記表２にまとめて示す。なお、最大温度
差（ΔＴｍａｘ）は熱電変換素子の高温側を２７℃とし
たとき、低温側の温度との差の最大値である。また、熱
電素子の基板以外の部材は全て同じ性能のものを使用し
た。

【００３５】

【表２】

【００３６】この表２から明らかなように、本実施例の
熱電モジュールの最大温度差（ΔＴｍａｘ）は、窒化ア
ルミニウム又は展伸Ａｌ合金からなる基板を使用した熱
電モジュールに匹敵する値であり、優れた特性が得られ
た。

【００３７】実施例３種々材質のＰ．Ｍ．Ａｌ合金からなる基板を所定の方法
で得て、熱電モジュールの熱伝導率及び基板のヤング率
を測定した結果を、下記表３にまとめて示す。

【００３８】

【表３】

【００３９】この表３から明らかなように、本実施例の
熱電モジュールの熱伝導率は２００〜２０３Ｗ／ｍ・Ｋ
であり、アルミナ又は窒化アルミニウムからなる基板を
使用した熱電モジュールに比して熱伝導率が著しく高
い。一方、本実施例の熱電モジュールのヤング率は８０
００ｋｇ／ｍｍ²以上であり、展伸Ａｌ合金からなる基
板を使用した熱電モジュールに比してヤング率は高い結
果を得た。このように、熱電モジュールとして好適な熱
伝導率及び強度を得ることができた。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る熱電モ
ジュールは、基板材料に粉末成形アルミニウム合金を使
用しているので、熱伝導性及び耐衝撃性に極めて優れた
熱電モジュールを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施例に係る熱電モジュー
ルの構造を示す斜視図、（ｂ）は同じくその構造を拡大
して示す側面図である。

【図２】熱電モジュール用基板の製造方法を工程順に
示すフローチャート図である。

【図３】（ａ）乃至（ｅ）は熱電モジュール用基板の
製造方法を工程順に示す模式図である。

【図４】熱電モジュールの製造方法を示すフローチャ
ート図である。

【図５】（ａ）乃至（ｅ）は同じく熱電モジュールの
製造方法を工程順に示す模式図である。

【図６】クーラーボックスの構造の一例を示す断面図
である。

【符号の説明】

１・・・基板、１ａ・・・基板上板、１ｂ・・・基
板下板、２・・・アルマイト層、３・・・銅電極、
４・・・熱電素子、５・・・ハンダ、６・・・熱
電モジュール用基板、７・・・リード線、１０、４
０・・・熱電モジュール、３０・・・溶湯、３１・
・・微粉末、３３ａ・・・脱気管、３４・・・オイ
ル、３５・・・押し出しプレス機、５０・・・クー
ラーボックス、５５・・・低温側アルミニウム製ブロ
ック、５６・・・高温側アルミニウム製ブロック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粉末成形アルミニウム合金からなる基板
と、この基板上に配置された熱電素子とを有することを
特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】前記基板と熱電素子との間に銅電極が配
置され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。