JPH11307826A

JPH11307826A - 熱電モジュール

Info

Publication number: JPH11307826A
Application number: JP10112559A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Nakajo; 康之中條; Toshiharu Hoshi; 星　　俊治
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】基板の温度を均一にして各熱電素子を均一な
使用環境において、各熱電素子が有する熱電性能を十分
に発揮させることができる熱電モジュールを提供する。【解決手段】熱電モジュールは、基板１０上に複数個
の熱電素子１１が配置され、各熱電素子１１が直列に接
続されるように複数個の電極により接続されて構成され
る。熱電素子１１は１０基板の中央部で疎、周辺部で密
になる配置密度で配置されている。

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、各熱電
素子の性能を基板面内で均一に発揮することを可能とす
る熱電モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の熱電モジュールの各熱電素
子の配置態様を示す模式図、図６はその正面図である。
矩形の相互に平行に配置された吸熱側基板１と放熱側基
板２との間に複数個の熱電素子３が相互に平行に且つ等
間隔で配置されている。これらの熱電素子３はその両端
部が、基板１上の対向面に膜の接合又は印刷により設け
られた吸熱側電極４と、基板２上の対向面に膜の接合又
は印刷により設けられた放熱側電極５とに接合されてい
る。各電極には、隣接する１対の熱電素子３が配置され
ており、一の熱電素子３について、同一の吸熱側電極４
に接続された隣接熱電素子３とは別の隣接熱電素子３が
同一の放熱側電極５に接続されている。これにより、全
ての熱電素子３が電極４，５を介して直列に接続されて
いる。

【０００３】この熱電モジュールにおいて、放熱側基板
２の外面にヒートシンク（冷媒）を接触させて放熱側基
板２を冷却しつつ、各熱電素子３に電流を流すと、熱電
素子３のペルチェ効果により、吸熱側基板１側から放熱
側基板２側に向けて各熱電素子３を熱が移動する。そし
て、放熱側基板２に集められた熱は、放熱側基板２にて
その外面に接触する冷媒に伝達され、放熱側基板２が冷
却される。一方、吸熱側基板１においては、熱電素子３
に抜熱されて冷却された吸熱側基板１がこの吸熱側基板
１の外面に接触する空間を冷却して熱電モジュールが冷
却庫として機能する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の熱電モジュールにおいては、各熱電素子３により吸
熱された熱が、放熱側基板２に伝達されて、この放熱側
基板２にて外部に排出されるが、各熱電素子から集めら
れた熱により、放熱側基板２の温度が不均一に上昇す
る。そうすると、熱電素子に印加される吸熱側と放熱側
の温度差が各熱電素子について不均一となり、熱電性能
が均一に発揮されない。各熱電素子は直列に接続されて
いるが、その吸熱側及び放熱側の温度が熱電素子によっ
て相違すると、各熱電素子の熱電性能が十分に発揮され
ず、冷却効率が悪いという問題点がある。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、基板の温度を均一にして各熱電素子を均一
な使用環境において、各熱電素子が有する熱電性能を十
分に発揮させることができる熱電モジュールを提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【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、基板上に複数個の熱電素子が配置され、各熱電
素子が直列に接続されるように複数個の電極により接続
されて構成される熱電モジュールにおいて、前記熱電素
子は前記基板の中央部で疎、周辺部で密になる配置密度
で配置されていることを特徴とする。

【０００７】本発明に係る他の熱電モジュールは、放熱
側基板と、吸熱側基板と、各基板の対向面に設けられた
夫々複数個の放熱側電極及び吸熱側電極と、隣接する対
同士の一方の端部が一の前記放熱側電極に接続されその
他方の端部が隣接する別のものの他方の端部と共に前記
吸熱側電極に接続された複数個の熱電素子と、を有する
熱電モジュールにおいて、前記熱電素子は前記放熱側基
板及び吸熱側基板の中央部で疎、周辺部で密になる配置
密度で配置されていることを特徴とする。

【０００８】本発明は、従来の熱電素子のように、基板
上に各熱電素子が等間隔で配置されている場合に、基板
の温度分布が基板中央部で高く、周辺部で低くなる不均
一な温度分布となる点に着眼し、熱電素子の配置を不均
一にすることにより、基板の温度分布を均一化する。こ
れにより、各熱電素子は全て同一の温度環境におかれる
ことになり、全ての熱電素子が均一な性能を発揮する。
従って、モジュール全体として、高効率で冷却すること
ができる。

【０００９】

【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は本発明の
実施例に係る熱電モジュールを示す概念図であって、そ
の熱電素子の配置態様を示す平面図である。この図１に
示すように、本発明においては、放熱側基板１０に対し
て、熱電素子１１が基板の中央部で疎、周辺部で密にな
るように配置されている。

【００１０】本実施例においては、熱電素子からの熱を
受けて高温になりやすい基板中央部における熱電素子の
配置密度を小さくし、比較的放熱されやすい基板周辺部
における熱電素子の配置密度を大きくしているので、放
熱側基板１０における温度分布が均一化する。このた
め、直列に接続された各熱電素子１１には均一な温度負
荷が印加されるので、各熱電素子はその仕様上適切且つ
最大の性能を発揮する。このため、熱電モジュール全体
としてみた場合に、その冷却効率が極めて高い。

【００１１】図２及び図３は本発明の他の実施例に係る
熱電モジュールを示す平面図である。図２において、放
熱側基板２０上の周辺部に３列にわたって熱電素子２１
が密に且つ相互に等間隔で配置されている。そして、こ
れらの周辺部熱電素子２１により囲まれた基板中央部領
域に、周辺部よりも大きな間隔で熱電素子２２が配置さ
れている。このように、周辺部と中央部とでは、夫々均
一に熱電素子２１，２２が配置されている。なお、符号
２３はリード線である。

【００１２】一方、図３に示す熱電モジュールにおいて
は、基板３０上に配置された熱電素子のうち、リード線
３３に接続される周辺部熱電素子３１は密ではあるが、
必ずしも等間隔に配置されているものではない。また、
基板中央部に配置された熱電素子３２も疎に配置されて
いるが、等間隔ではなく、基板中心から周辺部側に向か
ってその間隔が小さくなっていく。

【００１３】これらの実施例においても、図１に示す実
施例と同様に基板表面の温度が均一になり、各熱電素子
はその性能上最適且つ高効率の動作を行う。

【００１４】なお、本発明においては、基板中央部が
疎、基板周辺部が中央部よりも密になるように熱電素子
を配置するが、この熱電素子の不均一配置は、例えば、
以下のような態様にすればよい。即ち、基板全面積の中
心側の６乃至７５％を中央部とし、基板全面積の周辺側
の９４乃至２５％を周辺部とする。そして、この基板中
央部には、（熱電素子の全面積）／（中央部基板面積）
が０．０１乃至０．６になるように熱電素子を配置し、
基板周辺部には、（熱電素子の全面積）／（周辺部基板
面積）が０．３乃至０．９９になるように熱電素子を配
置する。なお、（基板中央部の熱電素子の全面積）／
（中央部基板面積）＜（基板周辺部の熱電素子の全面
積）／（周辺部基板面積）である。このように不均一配
置することにより、基板の温度分布を均一にすることが
できる。

【００１５】基板中央部を、基板全面積の６％未満とす
ると、配置密度を異ならせる効果がなく、熱電素子を均
一に配置した場合と同等であり、基板の温度分布が大き
くなる。一方、基板中央部が基板全面積の７５％より大
きいと、全体の素子密度が低くなり、モジュールのサイ
ズが過大になって冷却装置としての効率が低下する。

【００１６】また、基板周辺部の（熱電素子の全面積）
／（周辺部基板面積）が０．３より小さい場合には、熱
電素子を均一に配置した基板と殆ど同等になり、基板の
温度分布が不均一になる。逆に、基板周辺部の（熱電素
子の全面積）／（周辺部基板面積）が０．９９より大き
くなると、熱電素子が接近しすぎてショートの虞があ
る。

【００１７】更に、基板中央部の（熱電素子の全面積）
／（中央部基板面積）が０．０１より小さい場合には、
その部分のみ局所的に熱電効果が得られない場合があ
る。逆に、基板中央部の（熱電素子の全面積）／（中央
部基板面積）が０．６より大きい場合は、熱電素子を均
一に配置した基板と殆ど同等になり、基板の温度分布が
不均一になる。

【００１８】なお、本願発明は、冷却側基板がない所謂
スケルトン型モジュール又は多段型モジュールのいずれ
にも適用することができる。

【００１９】

【実施例】以下、本実施例の熱電モジュールにおいて基
板の温度分布を測定した結果を、従来の熱電モジュール
における基板温度分布の測定結果と比較して説明する。
図４はモジュールＡ乃至Ｃの基板温度分布を示す。但
し、熱電素子は全部で１２７対であり、熱電素子の最大
電流Ｉｍａｘは６Ａであって、この熱電モジュールに電
流Ｉｍａｘを流し、高温側温度Ｔｈが３００Ｋ、低温側
温度Ｔｃが２７３Ｋで使用した。モジュールＡは基板全
面に熱電素子を均一に配置した従来のものであって、そ
の（熱電素子全面積）／（基板全面積）は０．３であ
る。一方、モジュールＢは基板全面積の２５％を示す中
央部の（熱電素子の全面積）／（中央部基板面積）が
０．２、残りの７５％の周辺部の（熱電素子の全面積）
／（周辺部基板面積）が０．３５の場合の実施例であ
る。また、モジュールＣは基板全面積の２５％を示す中
央部の（熱電素子の全面積）／（中央部基板面積）が
０．１、残りの７５％の周辺部の（熱電素子の全面積）
／（周辺部基板面積）が０．３８の場合の実施例であ
る。

【００２０】熱電モジュールのサイズは４０ｍｍ角であ
り、図４は基板中心をとおり、基板の辺に平行の直線上
において、その中心から±１５ｍｍの範囲における温度
分布である。この図４に示すように、±１５ｍｍの範囲
において、モジュールＡは基板中心から４０％（±６ｍ
ｍ）の範囲で均一な温度分布を示しているのに対し、モ
ジュールＢは基板中心から８０％（±１２．０ｍｍ）、
モジュールＣは基板中心から９０％（±１３．５ｍｍ）
の範囲において基板の温度分布が均一になっている。こ
のように、本発明の実施例の場合、即ち、モジュールＢ
及びＣの場合は、従来のモジュールＡに比して基板の温
度分布が均一である。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
熱電素子を不均一に配置することにより、基板の温度分
布を均一化することができ、これにより、各熱電素子に
対し、同一の性能を発揮させることができ、熱電素子の
仕様上、全ての素子を最適な条件で使用することがで
き、モジュール全体でみた場合に、その冷却効率を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱電モジュールを示す概
略平面図である。

【図２】本発明の他の実施例に係る熱電モジュールを示
す平面図である。

【図３】本発明の更に他の実施例に係る熱電モジュール
を示す平面図である。

【図４】本発明の効果を示す基板温度分布を示すグラフ
図である。

【図５】従来の熱電モジュールを示す概略平面図であ
る。

【図６】同じくその正面図である。

【符号の説明】

１：吸熱側基板、２：放熱側基板、３：熱電素子、４：
吸熱側電極、５：放熱側電極、１０、２０、３０：基
板、１１、２１，２２、３１、３２：熱電素子、２３、
３３：リード線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に複数個の熱電素子が配置され、
各熱電素子が直列に接続されるように複数個の電極によ
り接続されて構成される熱電モジュールにおいて、前記
熱電素子は前記基板の中央部で疎、周辺部で密になる配
置密度で配置されていることを特徴とする熱電モジュー
ル。
【請求項２】放熱側基板と、吸熱側基板と、各基板の
対向面に設けられた夫々複数個の放熱側電極及び吸熱側
電極と、隣接する対同士の一方の端部が一の前記放熱側
電極に接続されその他方の端部が隣接する別のものの他
方の端部と共に前記吸熱側電極に接続された複数個の熱
電素子と、を有する熱電モジュールにおいて、前記熱電
素子は前記放熱側基板及び吸熱側基板の中央部で疎、周
辺部で密になる配置密度で配置されていることを特徴と
する熱電モジュール。
【請求項３】基板全面積の中心側の６乃至７５％を中
央部とし、基板全面積の周辺側の９４乃至２５％を周辺
部とし、基板中央部には、（熱電素子の全面積）／（中
央部基板面積）が０．０１乃至０．６になるように熱電
素子を配置し、基板周辺部には、（熱電素子の全面積）
／（周辺部基板面積）が０．３乃至０．９９になるよう
に熱電素子を配置することを特徴とする請求項１又は２
に記載の熱電モジュール。