WO2005124882A1 - 熱電変換モジュール - Google Patents

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    • H02N11/002—Generators

Definitions

  • the sealing treatment is performed.
  • corrosion resistance and electrical insulation are good.
  • the surface roughness of the electrode contact surface of the good heat conductive substrate is reduced, and the contact thermal resistance is reduced. it can.
  • the anodic oxide film is not necessarily formed on all the good heat conductive substrates that are in contact with the electrodes.
  • One of the opposing good heat conductive substrates is made of aluminum or an aluminum alloy, an anodic oxide film is formed, and the other opposing good heat conductive substrate has, for example, aluminum nitride (A1N) force. Is also good.
  • A1N aluminum nitride
  • the cooling-side good heat conductive substrate is made of aluminum nitride
  • the heat radiating side good heat conductive substrate is made of aluminum or aluminum alloy, and the anodic oxide film is formed. Good.
  • thermoelectric conversion elements are juxtaposed means, for example, that a plurality of ⁇ -type semiconductors formed in a columnar shape and a plurality of ⁇ -type semiconductors are erected, and are alternately brought close to each other. It can be thought that they are arranged in a line. Then, the plurality of ⁇ -type semiconductors and the plurality of ⁇ -type semiconductors have substantially the same height, and the plurality of ⁇ -type semiconductors and the plurality of ⁇ -type semiconductors are connected in series in a ⁇ -type.
  • the good heat conductive substrates 8.9 are made of aluminum or an aluminum alloy, and an anodic oxidation film 10 is provided between the good heat conductive substrates 8.9 and the electrodes 3-5.
  • the anodized film 10 is formed on the high heat conductive substrates 8 and 9 made of aluminum or aluminum alloy.
  • the anodized film 10 is formed with a thickness of 0.1 to 0.5 m.
  • a load is connected between the electrode 4 and the electrode 5 to form a closed circuit, and the good heat conductive substrate 8 is set to the low temperature side, and the good heat conductive substrate 9 is set to the high temperature side.
  • Good thermal conductive substrate 8 and good By giving a temperature difference between the heat conductive substrates 9, a current flows through the closed circuit and can be taken out as electric power.
  • 32 P-type semiconductors 1 and 32 N-type semiconductors 2 formed in columns are alternately arranged.
  • the 32 P-type semiconductors 1 and the 32 N-type semiconductors 2 have substantially the same height, and 32 P-type semiconductors 1 and 32 N-type semiconductors 2 are connected in series in a ⁇ -type.
  • 32 ⁇ semiconductors 1 and 32 ⁇ semiconductors 2 are alternately arranged to form a row, and in this row direction, are formed on both end faces of a plurality of thermoelectric conversion elements. Electrode 3 is connected. Further, one end surfaces of the pair of the semiconductors 1 and 2 arranged at both ends in the column direction are connected by the electrodes 3.
  • an externally connected electrode 4 is connected to the lower end surface of the ⁇ -type semiconductor 1 arranged in the starting row of the starting column, and the ⁇ -type semiconductor 2 arranged in the ending row of the starting column.
  • An externally connected electrode 5 is connected to the lower end face of the slab. Between the electrode 4 and the electrode 5, 32 ⁇ -type semiconductors 1 and 32 ⁇ -type semiconductors 2 are connected in series in a ⁇ -type.
  • thermoelectric conversion elements may be sandwiched between a pair of good heat conductive substrates 81 and 91 facing each other with a heat insulating support (not shown) interposed therebetween.
  • a non-illustrated liquid packing (not shown) is interposed between a pair of opposing good heat conductive substrates 81 and 91, and the liquid packing is bonded to the pair of high heat conductive substrates 81 and 91 that oppose each other.
  • a plurality of thermoelectric conversion elements may be sandwiched.
  • thermoelectric conversion module Next, the operation of the thermoelectric conversion module according to the present invention will be described.
  • a good heat conductive substrate (hereinafter, referred to as an Al 2 O plate) which also has an aluminum oxide force is used.
  • the thermal conductivity k is set to a typical value of “20 (W / (mK)) j, and the thermal conductivity k of a good heat conductive substrate made of aluminum nitride (hereinafter referred to as an A1N plate) is set to a typical value. 170 (W / (mK)) j and set the thermal conductivity k of a good heat conductive substrate (hereinafter referred to as A1 plate) made of aluminum or aluminum alloy copper to 230 (W / (mK)) And the thermal resistance of a good thermal conductive substrate with a thickness of “lmm” is calculated from the above equation, and the following values are obtained.
  • A1N plate 5 88 X 10- 6 ( m 2 'K / W)
  • Al plate 4 35 X 10- 6 ( m 2 'KZW)
  • the thermal resistance value when the anodized film is formed on the A1 plate is “4.37 ⁇ 10” 6 j. It can be understood that the value is almost the same as the thermal resistance value of the Al plate alone “4.35 X10 _b ”. Further, the anodized film according to the present invention is a noir-type film, the film thickness of which can be reduced to 0.1, and a withstand voltage of about 400 V, which has a sufficient electric insulation.
  • the anodized film formed on the A1 plate has a porous film, but the porous film is usually 20 to: LOO / zm, and the average film thickness is larger than the barrier type film. Assuming that the average thickness of the porous film is “40 m” on the A1 plate and the thickness of “A1 plate + porous film” is “lmm”, the resultant thermal resistance is as follows.
  • A1 plate + porous coating (40 / zm): 6.17X 10 " 6 (m 2 -K / W)
  • the thermal resistance in the case of forming a porous type coating Al plate becomes "6.17 X 10" 6 j, thermal resistance than the thermal resistance "5.88X10 _6" above the A1N plate growing.
  • the thermal conductivity k of the anodic oxide film was set to “20 (WZ (m′K))”. Therefore, in the case of the porous type coating, it is considered that the numerical value of the thermal conductivity is lower. In that case, the maturing resistance value is further increased.

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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

　安価である良熱伝導性基板から成り、当該良熱伝導性基板と電極との間の電気絶縁性が担保される熱電変換モジュールを提供する。熱電変換素子はπ型に接続されるＰ型半導体１及びＮ型半導体２で構成される。電極３～５は前記熱電変換素子の両端面に接続される。良熱伝導性基板８・９は電極３～５に当接される。良熱伝導性基板８・９は、アルミニウム又はアルミニウム合金から成り、良熱伝導性基板８・９と電極３～５との間に陽極酸化膜１０が設けられる。熱電変換モジュール２０は、良熱伝導性基板８・９が安価であるアルミニウム又はアルミニウム合金から成り、陽極酸化膜１０で良熱伝導性基板と電極との間の電気絶縁性を担保することができる。

Description

明 細 書
熱電変換モジュール
技術分野
[0001] 本発明は、熱電変換モジュールに関する。特に、ゼーベック効果やペルチェ効果 を利用した熱電変換モジュールの構成に関する。
背景技術
[0002] ゼーベック効果やペルチェ効果など、熱の流れと電流とが相互に影響を及ぼしあう 物理現象は、「熱電効果」と総称される。そして、熱電効果は異なる熱電能をもつ金 属ゃ半導体を接合した回路に発生する。前記接合部に温度差がある場合、この回路 に電流が生じる現象はゼーベック効果と言われる。ゼーベック効果をもつ熱電変換モ ジュールは、例えば、発電装置として利用されている。
[0003] 一方、前述の回路に電流を流すと、前記接合部は一方が発熱し、他方が吸熱する 現象が起き、この現象はペルチェ効果と言われる。ペルチェ効果をもつ熱電変換モ ジュールは、ペルチヱ素子とも呼ばれており、このペルチヱ素子は、例えば、 CPU (C entral · Processing · Unit)などを熱電冷却するのに利用されて 、る。
[0004] 代表的な熱電変換モジュールは、 P型半導体と N型半導体の相異なる熱電変換材 料を並列に配置し、 P型半導体と N型半導体を π型に直列接続して閉回路を構成し ている。この閉回路に一方向に電流を流したときに、 Ρ型半導体と Ν型半導体の接合 部にお 1、ては電流方向に依存して熱が放出、又は吸収される。
[0005] 前記構成における熱電変換モジュールは、 Ρ型半導体及び Ν型半導体の一方の 端面が吸熱し、 Ρ型半導体及び Ν型半導体の他方の端面が発熱される。一方、前記 構成における熱電変換モジュールにお 、て、 ρ型半導体及び Ν型半導体の一方の 端面を低温側とし、 Ρ型半導体及び Ν型半導体の他方の端面を高温側として、 Ρ型 半導体及び Ν型半導体の両端面に温度差を与えることにより前記閉回路に電流が 流れ、電力として取り出すことができる。
[0006] このように、熱電変換モジュールは、その基本的な構成はほぼ同じである力 ゼー ベック効果を利用して発電するか、ペルチェ効果を利用して温度制御するかの可逆 的な作用が可能である。したがって、熱電変換モジュールは、熱電発電素子モジュ ールとしてもペルチヱ素子 (熱電冷却素子モジュール）としても利用できる。
[0007] 次に、従来の代表的なペルチエ素子としての熱電変換モジュールを、図 3を用いて 説明する。図 3は、従来の熱電変換モジュールの構成を示す正面図である。図 3にお いて、符号 1は P型半導体、符号 2は N型半導体である。図 3に示されるように、 P型半 導体 1と N型半導体 2は交互に並設されている。
[0008] P型半導体 1及び N型半導体 2は電極 3で π型に接続されて!ヽる。一方の端部側に 配置される Ρ型半導体 1の下端面には、外部接続される電極 4が接続され、他方の端 部側に配置される Ν型半導体 2の下端面には、外部接続される電極 5が接続される。 電極 4と電極 5間は、 Ρ型半導体 1及び Ν型半導体 2が π型に直列接続されている。
[0009] 図 3において、 Ρ型半導体 1及び Ν型半導体 2の上端面に接続される電極 3には、 良熱伝導性基板 6が当接される。 Ρ型半導体 1及び Ν型半導体 2の下端面に接続さ れる電極 3〜5には、良熱伝導性基板 7が当接される。この良熱伝導性基板 6 · 7は、 電気絶縁性を有する窒化アルミニウム (A1N)や酸ィ匕アルミニウム (Al Ο )などのセラ
2 3 ミックスが用いられる。
[0010] 図 3において、電極 4と電極 5間に直流電源を接続し、電極 5をプラス（+ )側とし、 電極 4をマイナス（一）側として熱電変換モジュール 30に電流を流せば、良熱伝導性 基板 6は冷却され、良熱伝導性基板 7は温熱される。
[0011] 一方、図 3において、電極 4と電極 5間に負荷を接続して閉回路を構成し、良熱伝 導性基板 6を低温側とし、良熱伝導性基板 7を高温側として、良熱伝導性基板 6と良 熱伝導性基板 7間に温度差を与えることにより前記閉回路に電流が流れ、電力として 取り出すことができる。
[0012] 図 3と同様の構成を有する熱電発電素子モジュールとしては、新規かつ有用な電 気絶縁膜を有する熱電発電素子モジュールが発明されている（例えば、特許文献 1 参照)。
[0013] 特許文献 1による熱電発電素子モジュールは、 Ρ型熱電変換材料と Ν型熱電変換 材料を電極を介して交互に連結してなる熱電変換素子モジュールであって、その電 極の表面に構造単位として— (SiH NH)—を含むポリシラザン溶液を塗布して形成 されたシリカ膜からなる電気絶縁膜を有することを特徴としている。
[0014] 特許文献 1による発明の絶縁膜は、耐熱性及び熱伝導性に優れ、常温から 1300 °Cと!、う広 、温度範囲で有効であり、特に 600〜1300°Cと 、うような高温域にお！ヽ て有効であるとしている。又、特許文献 1の発明によれば、シリカ薄膜を例えば 1 μ m というような極薄に形成できることから熱抵抗を非常に小さくすることができるので、熱 電変換素子モジュールの発電性能を実質上低下させることがないなど優れた効果が 得られるとしている。
特許文献 1：特開 2001— 326394号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0015] 図 3に示された従来の代表的な熱電変換モジュールは、良熱伝導性基板として、 電気絶縁性と熱伝導性を考慮して、窒化アルミニウムや酸ィ匕アルミニウムなどのセラ ミックスが用いられている。特許文献 1による発明は、その実施例において、良熱伝 導性基板として、アルミナ磁器 (Al O
2 3 )が用いられている。
[0016] しカゝしながら、良熱伝導性基板として用いられる窒化アルミニウム (A1N)は、電気絶 縁性及び熱伝導性が良好であるが、一般的に高価であるという問題がある。一方、 良熱伝導性基板として用いられる酸ィ匕アルミニウム (Al O )は、安価であり電気絶縁
2 3
性が良好であるが、熱伝導性が劣るという問題がある。
[0017] 本発明は、上述した課題を解決すベぐ安価である良熱伝導性基板から成り、当該 良熱伝導性基板と電極との間の電気絶縁性が担保される熱電変換モジュールを提 供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0018] 発明者は、上記目的を満たすため、良熱伝導性基板が熱抵抗の低！ヽ一般金属か ら成り、当該良熱伝導性基板と電極との間に電気絶縁膜を設ける構成とし、以下のよ うな新たな熱電変換モジュールを発明した。
[0019] (1) π型に接続される P型半導体及び N型半導体で構成される熱電変換素子と、 前記熱電変換素子の両端面に接続される電極と、前記電極に当接される良熱伝導 性基板と、を備える熱電変換モジュールであって、前記良熱伝導性基板は、アルミ- ゥム又はアルミニウム合金カゝら成り、当該良熱伝導性基板と前記電極との間に陽極 酸ィ匕膜が設けられることを特徴とする熱電変換モジュール。
[0020] 本発明による熱電変換モジュールは、 π型に接続される P型半導体及び N型半導 体で構成される熱電変換素子を備えて ヽる。 Ρ型半導体及び Ν型半導体で構成され る熱電変換素子は、例えば、一般的に用いられているビスマス—テルルイ匕合物、ァ ンチモン テルル化合物、ビスマス テルル アンチモン化合物、ビスマス テルル セレン化合物の他に、鉛 ゲルマニウム化合物、シリコン ゲルマニウム化合物な どの材料が用いられる。 Ρ型半導体及び Ν型半導体は、例えば、柱状に形成され、当 該 Ρ型半導体及び Ν型半導体におけるそれぞれのほぼ平行する両端面が電気的接 続端面を有している。
[0021] そして、 Ρ型半導体及び Ν型半導体は、ほぼ同じ高さを有し、当該 Ρ型半導体及び Ν型半導体が π型に接続される。 Ρ型半導体及び Ν型半導体が π型に接続されると は、 Ρ型半導体と Ν型半導体が直列に接続されることであってよい。
[0022] 本発明による熱電変換モジュールは、前記熱電変換素子の両端面に接続される電 極を備えている。電極は、例えば、平板状の導電性金属板であってよぐ電極の電気 抵抗は低いことが好ましい。電極は、熱電変換素子の両端面に接合されて電気的に 接続されてもよぐ例えば、はんだで接合されてもよぐ溶接により接合されてもよい。 又、電極は、熱電変換素子の両端面に導電性接着剤により接着されて電気的に接 続されてもよい。
[0023] 又、例えば、電気絶縁膜に銅箔板を貼り付け、この銅箔板をパターンエッチングし て、電極としてもよぐこのパターンエッチングされた電極を熱電変換素子の両端面に 当接するようにして、前記熱電変換素子の両端面に当該電極を接続してもよい。な お、ノターンエッチングされた電極は、導電性のメツキが施されてもよい。
[0024] 本発明による熱電変換モジュールは、前記電極に当接される良熱伝導性基板を備 えている。例えば、対向する一対の良熱伝導性基板は、熱絶縁支柱で挟持され、前 記電極に当接されてもよい。又、電極と良熱伝導性基板間にシリコーンなどの良熱伝 導性材料が設けられ、良熱伝導性基板が前記電極に当接されてもよ!ヽ。
[0025] 本発明による熱電変換モジュールは、前記良熱伝導性基板がアルミニウム又はァ ルミ-ゥム合金力 成ることを特徴として 、る。
[0026] この発明による良熱伝導性基板に適用されるアルミニウムは、純アルミニウムであつ てよぐアルミニウムの純度が 99. 7〜99. 0%の工業用純アルミニウムが入手の容易 性や価格の上力も好ま 、。
[0027] 又、例えば、この発明による良熱伝導性基板に適用されるアルミニウム合金は、耐 食性を目的としてカ卩ェ硬化によって強化される Al—Mg化合物、 Al—Mnィ匕合物で あってよく、熱処理性もあり耐食性もよい Al—Mg— Siィ匕合物であってもよい。この発 明による良熱伝導性基板をダイカストなど铸物用のアルミニウム合金とするには、 A1 — Cu化合物、 Al— Cu— Si化合物（ラウタールなど）、 Al— Si化合物（シルミンなど） 、 Al—Mg化合物（ヒドロナリウムなど）、 Al— Cu— Mg— Ni化合物（Y合金など）があ る (以上のアルミニウム合金の分類は「岩波：理化学辞典：第 5版」から抜粋)。
[0028] 更に、本発明による熱電変換モジュールは、当該良熱伝導性基板と前記電極との 間に陽極酸ィ匕膜が設けられることを特徴としている。
[0029] 上記のように、本発明による熱電変換モジュールは、対向する 2つの面において π 型に接続される Ρ型半導体及び Ν型半導体からなる熱電変換素子と、前記熱電変換 素子の π型接続のために前記対向する 2つの面にそれぞれ配置される電極と、前記 電極のうち少なくとも一方の面に配置された電極に当接される良熱伝導性基板とを 備える熱電変換モジュールであって、前記良熱伝導性基板は、アルミニウム又はァ ルミ-ゥム合金力 なり、前記良熱伝導性基板と当接される前記電極との間に陽極酸 化膜が設けられることを特徴としてもょ ヽ。
[0030] 窒化アルミニウム (A1N)や酸化アルミニウム (Al Ο )と比較すると、アルミニウム又
2 3
はアルミニウム合金は、熱抵抗が小さいが良導電性を有しているために、アルミ-ゥ ム又はアルミニウム合金カゝら成る良熱伝導性基板を電極に当接すると電極間が短絡 する。したがって、良導電性を有する良熱伝導性基板と電極との間に、電気絶縁性 を有する陽極酸化膜を設け、良熱伝導性基板と電極との間の電気絶縁性を担保した
[0031] このように、本発明による熱電変換モジュールは、良熱伝導性基板が安価であるァ ルミ-ゥム又はアルミニウム合金力 成り、当該良熱伝導性基板と電極との間に、電 気絶縁性を有する陽極酸化膜を設け、良熱伝導性基板と電極との間の電気絶縁性 を担保することができる。
[0032] (2) (1)に記載の熱電変換モジュールにおいて、前記アルミニウム又はアルミ-ゥ ム合金から成る良熱伝導性基板に前記陽極酸化膜が形成されることを特徴とする熱 電変換モジュール。
[0033] 陽極酸ィ匕は、電気分解の際に陽極でおきる酸化反応であり、アルミニウム又はアル ミニゥム合金を硫酸などの電解液中で電気分解して、アルミニウム又はアルミニウム 合金の表面に形成される Al Oの陽極酸化膜は電気絶縁性を有している。
2 3
[0034] このように、アルミニウム又はアルミニウム合金カゝら成る良熱伝導性基板に電気絶縁 性を有する陽極酸化膜を形成することにより、良熱伝導性基板と電極との間の電気 絶縁性を担保することができる。
[0035] 電解直後の陽極酸ィ匕膜は多孔性の非晶質の Al Oであるが、沸騰水処理、加熱
2 3
蒸気処理を行うと封孔処理される。この状態では耐食性、電気絶縁性が良好である。 このように、良熱伝導性基板に形成された陽極酸化膜に、例えば、封孔処理すること により、良熱伝導性基板の電極当接面の表面粗さが小さくなり、接触熱抵抗を小さく できる。
[0036] 本発明は、電極に当接される良熱伝導性基板の全てに陽極酸化膜が形成されると は限らない。対向する一方の良熱伝導性基板がアルミニウム又はアルミニウム合金か ら成り、陽極酸化膜が形成され、対向する他方の良熱伝導性基板が例えば、窒化ァ ルミ-ゥム（A1N)力もなつていてもよい。例えば、ペルチェ素子において、冷却側の 良熱伝導性基板が窒化アルミニウムカゝら成り、放熱側の良熱伝導性基板がアルミ- ゥム又はアルミニウム合金力 成り、陽極酸化膜が形成されていてもよい。
[0037] (3) (2)記載の熱電変換モジュールにおいて、前記陽極酸ィ匕膜は、 0. 1〜0. 5 mの膜厚で形成されることを特徴とする熱電変換モジュール。
[0038] 前述のとおり、アルミニウム又はアルミニウム合金力 成る良熱伝導性基板に形成さ れた陽極酸化膜は、電気絶縁性を有している。そして、陽極酸化膜の膜厚が厚いほ ど電気絶縁性が増加すると考えられる。一方、陽極酸ィ匕膜の膜厚が厚いほど熱抵抗 が大きくなると考えられる。 [0039] アルミニウム又はアルミニウム合金に形成される陽極酸ィ匕膜は、ポーラス型（多孔質 型)被膜の場合、その平均膜厚は一般に 1〜100 mの範囲で形成可能とされてお り、電気絶縁性の上からは、その平均膜厚は 20 /z m以上に形成されることが好ましく 、熱抵抗を小さくして電気絶縁性を担保する観点カゝらは、好ましくは、その平均膜厚 は 20〜80 μ mの範囲で形成され、より好ましくは、その平均膜厚は 25〜60 μ mの 範囲で形成され、更により好ましくは、その平均膜厚は 30〜40 /ζ πιの範囲で形成さ れる。
[0040] アルミニウム又はアルミニウム合金に形成される前記陽極酸ィ匕膜はノ リヤー型被膜 が形成されることがより好ましい。バリヤ一型被膜は、例えば、ホウ酸アンモ-ゥムなど を含む中性液中で形成され、緻密で電気絶縁性に優れていることに利点がある。更 に、バリヤ一型被膜は、電圧とリニアに結晶が成長するので膜厚をコントロールするこ とがでさる。
[0041] このようなノ リヤー型被膜の場合、その平均膜厚は一般に 0. 01〜0. 8 μ mの範囲 で形成可能とされており、電気絶縁性の上からは、その膜厚は 0.： m以上に形成 されることが好ましぐ熱抵抗を小さくして電気絶縁性を担保する観点カゝらは、その膜 厚は 0. 1〜0. 5 mの範囲で形成されることが好ましい。
[0042] (4) (1)から（3)のいずれかに記載の熱電変換モジュールにおいて、並設される 複数の前記熱電変換素子を前記良熱伝導性基板が挟持することを特徴とする熱電 変換モジュール。
[0043] 本発明による熱電変換モジュールは、前記対向する 2つの面間に前記熱電変換素 子と並設され、直列に接続される、もう 1つの π型に接続される P型半導体及び N型 半導体力 なる熱電変換素子を更に含むことができる。すなわち、複数 (任意の数） の熱電変換素子を並設する熱電変換モジュールも、本発明に含まれうる。
[0044] 「複数の前記熱電変換素子が並設される」とは、例えば、柱状に形成された複数の Ρ型半導体と複数の Ν型半導体が立設した状態で、交互に近接させて行と列に揃え て並べられると考えられてよい。そして、複数の Ρ型半導体及び複数の Ν型半導体は 、ほぼ同じ高さを有し、複数の Ρ型半導体と複数の Ν型半導体が π型に直列接続さ れる。 [0045] 例えば、複数の P型半導体及び複数の N型半導体は交互に配置されて列をなし、 この列方向において、複数の熱電変換素子の両端面に電極が接続される。更に、こ の列方向の両端部に配置される一対の P型半導体及び N型半導体の一方の端面が 電極で接続される。
[0046] これら複数の電極は、一方の面に配置される複数の電極が吸熱側となり、他方の面 に配置される複数の電極が放熱側となるように、複数の熱電変換素子が向きを揃え て配置されている。このように配置された複数の電極に良熱伝導性基板が挟持する ことにより当接する。
[0047] 例えば、対向する一対の良熱伝導性基板間に熱絶縁支柱を介在させ、複数の熱 電変換素子を挟持してもよい。又、対向する一対の良熱伝導性基板間に非導電性 の液状パッキンを介在させ、液状パッキンが対向する一対の良熱伝導性基板を接着 することにより、複数の熱電変換素子を挟持してもよい。
[0048] このように、本発明の熱電変換モジュールは複数の熱電変換素子が配置されて!ヽ るので、熱電変換素子の個数を適宜設定することにより、熱電発電素子モジュールと しては所望の電力が得られ、ペルチェ素子としては所望の冷却能力が得られる。
[0049] 本発明の熱電変換モジュールは、良熱伝導性基板が安価であるアルミニウム又は アルミニウム合金から成り、当該良熱伝導性基板と電極との間に、電気絶縁性を有す る陽極酸化膜を設け、良熱伝導性基板と電極との間の電気絶縁性を担保することが できる。
図面の簡単な説明
[0050] [図 1]本発明の一実施形態による熱電変換モジュールの構成を示す正面図である。
[図 2]本発明の別の実施形態による熱電変換モジュールの構成を示す分解斜視図で ある。
[図 3]従来の熱電変換モジュールの構成を示す正面図である。
符号の説明
[0051] 1 P型半導体
2 N型半導体
3〜5 電極 8 - 9 - 81 - 91 良熱伝導性基板
10 陽極酸化膜
20- 200 熱電変換モジュール
発明を実施するための形態
[0052] 以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
[0053] 図 1は、本発明の一実施形態による熱電変換モジュールの構成を示す正面図であ る。図 2は、本発明の別の実施形態による熱電変換モジュールの構成を示す分解斜 視図である。なお、図 3で示された従来の構成品に付された符号は、以下の説明に おいて、同じ符号を付すこととし、その構成品の説明を割愛する場合がある。
[0054] 最初に、図 3に示された従来の熱電変換モジュールに対比される本発明の熱電変 換モジュールの構成を説明する。
[0055] 図 1において、 P型半導体 1と N型半導体 2は交互に並設されている。 P型半導体 1 及び N型半導体 2は電極 3で π型に接続されて!、る。一方の端部側に配置される Ρ 型半導体 1の下端面には、外部接続される電極 4が接続され、他方の端部側に配置 される Ν型半導体 2の下端面には、外部接続される電極 5が接続されている。電極 4 と電極 5間は、 Ρ型半導体 1及び Ν型半導体 2が π型に直列接続されている。
[0056] 図 1において、 Ρ型半導体 1及び Ν型半導体 2の上端面に接続される電極 3には、 良熱伝導性基板 8が当接されている。 Ρ型半導体 1及び Ν型半導体 2の下端面に接 続される電極 3〜5には、良熱伝導性基板 9が当接される。
[0057] この良熱伝導性基板 8 · 9は、アルミニウム又はアルミニウム合金から成り、良熱伝導 性基板 8 · 9と電極 3〜5との間に陽極酸ィ匕膜 10が設けられている。陽極酸ィ匕膜 10は 、アルミニウム又はアルミニウム合金力 成る良熱伝導性基板 8 · 9に形成されて!、る 。陽極酸ィ匕膜 10は、 0. 1〜0. 5 mの膜厚で形成されている。
[0058] 図 1において、電極 4と電極 5間に直流電源を接続し、電極 5をプラス（+ )側とし、 電極 4をマイナス（一）側として熱電変換モジュール 20に電流を流せば、良熱伝導性 基板 8は冷却され、良熱伝導性基板 9は温熱される。
[0059] 一方、図 1において、電極 4と電極 5間に負荷を接続して閉回路を構成し、良熱伝 導性基板 8を低温側とし、良熱伝導性基板 9を高温側として、良熱伝導性基板 8と良 熱伝導性基板 9間に温度差を与えることにより前記閉回路に電流が流れ、電力として 取り出すことができる。
[0060] 次に、別の実施形態による熱電変換モジュールの構成を説明する。
[0061] 図 2において、柱状に形成された 32個の P型半導体 1と 32個の N型半導体 2が交 互に配置されている。 32個の P型半導体 1及び 32個の N型半導体 2は、ほぼ同じ高 さを有し、 32個の P型半導体 1と 32個の N型半導体 2が π型に直列接続されている。
[0062] 図 2に示されるように、 32個の Ρ型半導体 1及び 32個の Ν型半導体 2は交互に配置 されて列をなし、この列方向において、複数の熱電変換素子の両端面に電極 3が接 続されている。更に、この列方向の両端部に配置される一対の Ρ型半導体 1及び Ν型 半導体 2の一方の端面が電極 3で接続されて 、る。
[0063] 図 2において、始端列の始端行に配置される Ρ型半導体 1の下端面には、外部接 続される電極 4が接続され、始端列の終端行に配置される Ν型半導体 2の下端面に は、外部接続される電極 5が接続されている。電極 4と電極 5間は、 32個の Ρ型半導 体 1及び 32個の Ν型半導体 2が π型に直列接続されている。
[0064] これら複数の電極 3〜5は、一方の面に配置される複数の電極 3が吸熱側となり、他 方の面に配置される複数の電極 3〜5が放熱側となるように、複数の熱電変換素子が 向きを揃えて配置されている。このように配置された複数の電極 3〜5に良熱伝導性 基板 81 · 91が挟持することにより当接する。
[0065] 例えば、対向する一対の良熱伝導性基板 81 · 91間に図示されない熱絶縁支柱を 介在させ、複数の熱電変換素子を挟持してもよい。又、対向する一対の良熱伝導性 基板 81 · 91間に非導電性の図示されな ヽ液状パッキンを介在させ、液状パッキンが 対向する一対の良熱伝導性基板 81 · 91を接着することにより、複数の熱電変換素子 を挟持してもよ ヽ。
[0066] この良熱伝導性基板 81 · 91は、アルミニウム又はアルミニウム合金カゝら成り、良熱 伝導性基板 81 · 91と電極 3〜5との間に陽極酸ィ匕膜 10が設けられる。陽極酸化膜 1 0は、アルミニウム又はアルミニウム合金力も成る良熱伝導性基板 81 · 91に形成され る。陽極酸ィ匕膜 10は、 0. 1〜0. 5 mの膜厚で形成される。
[0067] このように、熱電変換モジュール 200は複数の熱電変換素子が配置されて 、るの で、熱電変換素子の個数を適宜設定することにより、熱電発電素子モジュールとして は所望の電力が得られ、ペルチェ素子としては所望の冷却能力が得られる。
[0068] 次に、本発明による熱電変換モジュールの作用を説明する。
[0069] 図 1から図 3に示される構成を有する熱電変換モジュールにおいて、良熱伝導性基 板は熱抵抗が小さぐ電気絶縁性があることが求められる。このような良熱伝導性基 板の熱抵抗は、一般に以下の式で求められる。
R (m2 · K/W) = t (m) /k (W/ (m-K) )
R:熱抵抗
t:良熱伝導性基板の厚さ
k:熱伝導率
[0070] ここで、酸ィ匕アルミニウム力も成る良熱伝導性基板 (以下、 Al O板と表記する）の
2 3
熱伝導率 kを典型的な「20 (W/ (m-K) ) jとおき、窒化アルミニウムから成る良熱伝 導性基板 (以下、 A1N板と表記する）の熱伝導率 kを典型的な「170 (W/ (m-K) ) j とおき、アルミニウム又はアルミニウム合金カゝら成る良熱伝導性基板 (以下、 A1板と表 記する）の熱伝導率 kを「230 (W/ (m-K) )」とおき、厚さ「lmm」の良熱伝導性基板 の熱抵抗を上式から計算すると、以下の数値になる。
Al O板： 5. 0 X 10"5 (m2-K/W)
2 3
A1N板 ：5. 88 X 10—6 (m2'K/W)
Al板 ：4. 35 X 10—6 (m2'KZW)
[0071] 上記のとおり、 A1板は熱抵抗が最も小さ ヽ数値を示すが、 A1板は導電性を有する ために、熱電変換素子の両端面に接続される電極に直接当接させることは好ましく ない。したがって、本発明は、アルミニウム又はアルミニウム合金力も成る良熱伝導性 基板と電極との間に陽極酸ィ匕膜が設けられている。
[0072] 次に、 A蔽に陽極酸ィ匕膜を形成した場合の熱抵抗を算出する。 A1板に陽極酸ィ匕 膜の膜厚が「0. 5 ;ζ ΐη」形成され、「A1板 +陽極酸ィ匕膜」の厚さを「lmm」とすると、そ の合成熱抵抗は、以下の数値となる。
A1板 +陽極酸化膜 (0. 5 ^ πι) :4. 37 X 10"6 (m2-K/W)
[0073] このように、 A1板に陽極酸ィ匕膜を形成した場合の熱抵抗値は「4. 37 X 10"6jであ り、 Al板単独の熱抵抗値「4.35 X10_b」と殆ど変わらない数値であることが理解でき る。又、本発明による陽極酸ィ匕膜はノ リヤー型であり、その膜厚が 0. と薄くす ることができ、耐電圧は 400V程度と十分な電気絶縁性を有して 、る。
[0074] A1板に形成される陽極酸ィ匕膜はポーラス型被膜があるが、ポーラス型被膜は、通 常 20〜： LOO/z mとバリヤ一型被膜に比べてその平均膜厚が厚い。 A1板にポーラス 型被膜の平均膜厚が「40 m」形成され、「A1板 +ポーラス型被膜」の厚さを「lmm」 とすると、その合成熱抵抗は、以下の数値となる。
A1板 +ポーラス型被膜 (40/zm) :6.17X 10"6(m2-K/W)
[0075] このように、 Al板にポーラス型被膜を形成した場合の熱抵抗値は「6.17 X 10"6jと なり、前述の A1N板の熱抵抗値「5.88X10_6」より熱抵抗値が大きくなる。なお、こ こでは、陽極酸化膜の熱伝導率 kを「20(WZ(m'K))」とした。したがって、ポーラス 型被膜の場合は、前記熱伝導率の数値より低くなると考えられる。その場合、前記合 成熟抵抗値は更に大きくなる。
[0076] 陽極酸化膜の平均膜厚 ( μ m)と熱抵抗値 (m2-K/W)の関係を以下の表 1に示し た。なお、表 1では陽極酸ィ匕膜の熱伝導率 kを「20(WZ(m'K))」と仮定して、熱抵 抗値を算出している。
[0077] [表 1]
Figure imgf000014_0001

Claims

請求の範囲
[1] π型に接続される Ρ型半導体及び Ν型半導体で構成される熱電変換素子と、前記 熱電変換素子の両端面に接続される電極と、前記電極に当接される良熱伝導性基 板と、を備える熱電変換モジュールであって、
前記良熱伝導性基板は、アルミニウム又はアルミニウム合金力 成り、当該良熱伝 導性基板と前記電極との間に陽極酸化膜が設けられることを特徴とする熱電変換モ ジュール。
[2] 請求項 1記載の熱電変換モジュールにお 、て、
前記アルミニウム又はアルミニウム合金力 成る良熱伝導性基板に前記陽極酸ィ匕 膜が形成されることを特徴とする熱電変換モジュール。
[3] 請求項 2記載の熱電変換モジュールにお 、て、
前記陽極酸化膜は、 0. 1〜0. 5 /z mの膜厚で形成されることを特徴とする熱電変 換モジュール。
[4] 請求項 1から 3の!、ずれかに記載の熱電変換モジュールにお 、て、
並設される複数の前記熱電変換素子を前記良熱伝導性基板が挟持することを特 徴とする熱電変換モジュール。
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