JPH11177152A - 熱電モジュール - Google Patents

熱電モジュール

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JPH11177152A
JPH11177152A JP9342676A JP34267697A JPH11177152A JP H11177152 A JPH11177152 A JP H11177152A JP 9342676 A JP9342676 A JP 9342676A JP 34267697 A JP34267697 A JP 34267697A JP H11177152 A JPH11177152 A JP H11177152A
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JP
Japan
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thermoelectric
electrode plates
type thermoelectric
thermoelectric module
exchange member
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Withdrawn
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JP9342676A
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English (en)
Inventor
Shuzo Kagawa
修三 香川
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Kubota Corp
Original Assignee
Kubota Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電モジュールと熱交換用部材との間の電気
的絶縁を保ち、かつ熱的抵抗を小さくする。 【解決手段】 対向する一対の電極板18、18の間に
p型熱電材料16が接合されたp型熱電素子21と、対
向する一対の電極板の間にn型熱電材料17が接合され
たn型熱電素子22とが、電気絶縁性の材料から作られ
た平板状の基体11の中に格子状に配置され、熱電素子
が全体として電気的に直列となるように隣り合う電極板
どうしがロー材25により接続されてなる熱電モジュー
ルであって、ロー材による接合部と電極板の表面が、基
体の表面よりも凹んで形成されるようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気的絶縁を保
ち、かつ熱交換用部材との間の熱的抵抗を小さくした熱
電モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】熱電モジュールは、p型熱電素子とn型
熱電素子が電極板を介して電気的に直列となるように接
合されたもので、pn素子対の接合部間に温度差を与え
ると電位差が発生し、また接合部間に電流を流すと、そ
の電流の向きにより吸熱又は発熱する性質を有する。前
者の性質はゼーベック効果と呼ばれ、例えばごみ焼却炉
の廃熱による発電の如き熱電発電用に開発されており、
後者の性質はペルチェ効果と呼ばれ、例えば半導体製造
プロセスにおける恒温装置、エレクトロデバイスの冷却
等の熱電冷却に幅広く利用されている。
【0003】この熱電モジュールとして、図5に示す如
く、対向する一対の電極板(18)(18)の間にp型
熱電材料(16)が接合されたp型熱電素子(21)と、対
向する一対の電極板(18)(18)の間にn型熱電材料(17)が
接合されたn型熱電素子(22)とが、電気的に絶縁性の材
料から形成された平板状の基体(11)の中に、仕切部(13)
を介して格子状に配置され、p型及びn型の熱電素子(2
1)(22)が全体として電気的に直列となるように隣り合う
電極板(18)(18)どうしを上下交互に半田(25)等のロー材
でロー付けしたものがある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】この熱電モジュールで
は、図6に示す如く、厚さ約0.2mm程度のアルミナ箔
の如き電気絶縁材(36)を介在させて、吸熱又は放熱を行
なうための熱交換用部材(42)に密着させて使用に供され
る。なお、熱電モジュールと電気絶縁材(36)の間、及び
電気絶縁材(36)と熱交換用部材(42)の間には、夫々、熱
伝導グリース(48)等が塗布される。この電気絶縁性材(3
6)は、一般に熱伝導率が悪いため、熱電効率を低下させ
る要因となる。また、熱伝導グリース(48)も熱電効率の
低下又は長期信頼性の低下の原因となる。本発明の目的
は、熱電モジュールの基体(11)と熱交換用部材(42)との
間に電気絶縁材(36)を介在させることなく、熱交換用部
材(42)に密着させて使用できる熱電モジュールを提供す
ることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1に記載された発明は、対向する一対の電極
板の間にp型熱電材料が接合されたp型熱電素子と、対
向する一対の電極板の間にn型熱電材料が接合されたn
型熱電素子とが、電気的絶縁性の材料から作られた平板
状の基体の中に格子状に配置され、熱電素子が全体とし
て電気的に直列となるように隣り合う電極板どうしがロ
ー材により接続されてなる熱電モジュールにおいて、ロ
ー材による接合部と電極板の表面が、基体の表面よりも
凹んで形成されるようにしたことを特徴としている。
【0006】請求項2に記載された発明は、電極板の表
面に、電気的絶縁性であって、望ましくは基体の材料よ
りも熱伝導率にすぐれる材料からなる層を、基体の表面
と同一平面となるように配備したことを特徴としてい
る。
【0007】
【作用及び効果】請求項1に記載された発明では、ロー
材による接合部と電極板の表面が基体の表面よりも凹ん
で形成されているから、吸熱又は放熱を行なうための熱
交換用部材との間に空間が形成され、その空間が電気的
絶縁層の役割を果たす。なお、熱交換用部材との間に形
成される空間はうすいため、熱伝導グリース等を塗布す
ることにより熱の流通を確保している。従って、熱交換
用部材への取付施工に際し、別途電気絶縁層を設ける必
要性はなくなり、熱伝導用のグリース等を1回塗布する
だけでよいから、施工工程を簡素化することができる。
【0008】請求項2に記載された発明では、吸熱又は
放熱を行なうための熱交換用部材との間に形成された空
間に、電気的絶縁性かつ熱伝導率にすぐれる材料からな
る層を予め設けているから、熱交換用部材との熱伝導率
の向上を達成できる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図1を参照すると、矩形平板状の基体(11)
の中には、p型熱電素子(21)とn型熱電素子(22)の2種
類の熱電素子が、所定の間隔をあけて交互に配置され、
格子状の配列となっている。p型熱電素子(21)とn型熱
電素子(22)は、全体として電気的に直列となるように、
隣り合う上側電極板どうし、下側電極板どうしが、半田
等のロー材(25)を介して上下交互に接続される。また、
ロー材(25)による接合部の表面と、熱電素子(21)(22)の
電極板(18)(18)の表面は、基体(11)の表面から凹むよう
に形成されている(図1では、反対側の面は見えない)。
【0010】なお、熱電素子の個数は所望される発電容
量に応じて適宜選択されるべきものであって、図示の実
施例の個数に限定されるものでないことは理解されるべ
きである。基体(11)は、セラミック又はセメント等の電
気的絶縁性材料から作られており、望ましい材料とし
て、例えばコージェライト(2MgO・2Al23・5
SiO2)を挙げることができる。
【0011】図示の実施例では、符号で示す位置のp
型熱電素子(21)が電気的直列の基端であり、紙面下側の
列から上側の列に向けてジグザグ状に電気的に直列とな
るように接続され、符号で示す位置のn型熱電素子(2
2)が電気的直列の終端となっている。電気的直列の基端
と終端となる熱電素子の各電極板には、機器接続用リー
ド線(32)(32)がそれぞれ接続される。
【0012】p型熱電素子(21)は、対向する一対の電極
板(18)(18)の間にp型熱電材料(16)が予め接合されてお
り、n型熱電素子(22)は、対向する一対の電極板(18)(1
8)の間にn型熱電材料(17)が予め接合されている。これ
ら熱電素子は、金型の中に、電極板を入れ、その上に熱
電材料粉末を充填した後、再び電極板を載せて、ホット
プレスすることにより作製される。p型熱電材料の例と
して、(Bi2Te3)1-x(Sb2Te3)xであってxが0.
70〜0.85のもの、n型熱電材料の例として、(Bi
2Te3)1-x(Bi2Se3)xであってxが0.05〜0.1
5のものを挙げることができるが、これらに限定される
ものでない。なお、組成比は原子数比である。電極板(1
8)はCuが使用されるが、熱電材料との接合性を向上さ
せるために、熱電材料と接触する側の面に、Niメッキ
を施したり、又はMo若しくはTiを蒸着したものを使
用することがより望ましい。
【0013】次に、本発明の熱電モジュールの作製方法
を図2を参照して説明する。図2の断面部は、例えば、
図1のA−A'線に沿う部分に対応している。まず、セ
ラミック等の電気的絶縁性の材料から矩形平板状に形成
され、熱電素子を収容すべき孔(12)が所定の間隔をあけ
て格子状に開設された基体(11)を準備する。基体(11)に
は、隣り合う孔(12)と孔(12)によって仕切部(13)が形成
され、該仕切部(13)には、熱電素子の電極板(18)の厚さ
にほぼ相当する深さの凹所(14)が上下交互に形成される
(図2(a)参照)。この凹所(14)は、隣り合う電極板どう
しを接続するためのロー材(25)を充填するのに必要なス
ペースとなる。
【0014】基体(11)の孔(12)の中へ、p型熱電素子(2
1)とn型熱電素子(22)を交互に配置する(図2(b)参
照)。
【0015】基体(11)の仕切部(13)に形成された凹所(1
4)へ、半田等の導電性ロー材(25)を充填し、隣り合う下
側電極板(18)(18)どうし、隣り合う上側電極板(18)(18)
どうしをロー付けして接合する(図2(c)参照)。ロー付
けは、クリーム状の半田ロー材を所定量塗布した後、高
温エアーフロー炉の中で半田ロー材を溶融凝固させる。
なお、後記する硝酸エッチング量が半田の方が銅よりも
少ない場合には、このロー付接合部(25)は、電極板(18)
の厚さよりも少し薄く形成しておく方が望ましい。
【0016】このようにして、図1ので示す位置のp
型熱電素子(21)から、で示す位置のn型熱電素子(22)
に到るまで、全ての熱電素子が電気的に直列に接続され
た熱電モジュールが得られる。なお、電気的直列の基端
と終端となる熱電素子の各電極板には、機器接続用リー
ド線(32)(32)がそれぞれ接続される。
【0017】得られた熱電モジュールは、通常の場合、
基体及び電極板の表面は、平滑度を良くして熱交換用部
材との密着度を高めるために、平面研削又は切削により
表面仕上げ加工が施される。
【0018】次に、このようにして得られた熱電モジュ
ールを硝酸液に浸漬すると、セラミックからなる基体の
表面は全く変化しないが、Cuからなる電極板(18)とロ
ー付接合部(25)はエッチングされ、表面が化学的に溶解
して、基体(11)の表面より凹んだ状態となる(図2(d)
参照)。電極板(18)の表面のエッチング量は約0.1〜
0.3mm程度が適当であり、この量は硝酸濃度と浸漬時
間を変えることにより適宜調節可能である。なお、実施
例では、50体積%の硝酸溶液中で、0.5時間浸漬し
たところ、電極板表面及び半田ロー付接合部のエッチン
グ量は0.2mmであった。
【0019】前述したロー付接合部(25)と電極板(18)の
表面を、基体(11)の表面から凹ませたことにより、吸熱
又は放熱を行なうための熱交換用部材(42)との間に空間
が形成され、その空間が電気的絶縁層の役割を果たす。
なお、図3に示すように、前記空間内、及び基体(11)と
熱交換用部材(42)の間には、熱伝導グリース(48)等が充
填される。本発明の熱電モジュールでは、従来の熱電モ
ジュールのように、熱電モジュールの基体(11)と熱交換
用部材(42)との間にアルミナ等の電気絶縁材(36)を介在
させなくてもよいから、熱交換用部材(42)とは熱伝導グ
リース(48)等を介して直接密着させればよい。
【0020】なお必要に応じて、電極板(18)の表面に
は、熱伝導性にすぐれる材料からなる電気絶縁層(38)
を、基体(11)の表面と同一平面となるように直接形成さ
せることもできる(図2(e)参照)。電気絶縁層(38)を設
ける理由は、電極板(18)又はロー付接合部(25)が、熱交
換用部材(42)と誤って接触して熱電モジュールの電気的
直列回路が短絡するのを防止すると共に熱伝導性を向上
させるためである。なお、ここでの電気絶縁層(38)は、
例えば高純度アルミナから形成することが好ましい。
【0021】この電気絶縁層(38)を設けることにより熱
伝導度は低下するが、従来の熱電モジュールのように、
基体(11)と熱交換用部材(42)との間に電気絶縁材(36)を
介在させる場合と比べると、熱伝導グリース(48)の層を
2層から1層へ減らすことができるため、全体としての
熱伝導度は向上する。
【0022】本発明は、上記実施例の構成に限定される
ものでなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で種々の変
形が可能であることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱電モジュールを示す斜視図である。
【図2】本発明の熱電モジュールの作製工程を説明する
図である。
【図3】本発明の一実施例に係る熱電モジュールが熱交
換用部材に取り付けられた状態を示す断面図である。
【図4】本発明の他の実施例に係る熱電モジュールが熱
交換用部材に取り付けられた状態を示す断面図である。
【図5】従来の熱電モジュールの斜視図である。
【図6】従来の熱電モジュールが熱交換用部材に取り付
けられた状態を示す断面図である。
【符号の説明】
(11) 基体 (13) 仕切部 (18) 電極板 (21) p型熱電素子 (22) n型熱電素子 (25) ロー材 (36) 電気絶縁材 (38) 電気絶縁層 (42) 熱交換用部材 (48) 熱伝導グリース

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対向する一対の電極板(18)(18)の間にp
    型熱電材料(16)が接合されたp型熱電素子(21)と、対向
    する一対の電極板(18)(18)の間にn型熱電材料(17)が接
    合されたn型熱電素子(22)とが、電気的絶縁性の材料か
    ら作られた平板状の基体(11)の中に格子状に配置され、
    熱電素子(21)(22)が全体として電気的に直列となるよう
    に隣り合う電極板(18)(18)どうしがロー材(25)にて接続
    されてなる熱電モジュールにおいて、ロー材(25)による
    接合部と電極板(18)(18)の表面が、基体(11)の表面より
    も凹んで形成されていることを特徴とする熱電モジュー
    ル。
  2. 【請求項2】 電極板(18)の表面には、電気絶縁層(38)
    が、基体(11)の表面と同一平面となるように配備されて
    いる請求項1に記載の熱電モジュール。
JP9342676A 1997-12-12 1997-12-12 熱電モジュール Withdrawn JPH11177152A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4020546A1 (en) * 2020-12-22 2022-06-29 INTEL Corporation Tec-embedded dummy die to cool the bottom die edge hotspot

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