WO2015045602A1 - 熱電モジュール - Google Patents

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Abstract

 本発明の熱電モジュールは、第1領域および第1領域に隣接する第2領域を有する主面を備えた第1支持基板と、第1領域に主面が対向するように設けられた第2支持基板と、第1領域および第2支持基板の主面の間に複数配列された熱電素子と、第2領域に実装された温度検知素子とを備えており、温度検知素子と第2支持基板とが熱伝導部材を介して熱的に接続されている。

Description

熱電モジュール
 本発明は、恒温槽、冷蔵庫、自動車用のシートクーラー、半導体製造装置、レーザーダイオードもしくは燃料電池等の温度調節または廃熱発電等の熱電発電に使用される熱電モジュールに関するものである。
 熱電モジュールとして、例えば、特開2007-294864号公報(以下、特許文献1という)に記載の熱電モジュールが知られている。特許文献1に記載の熱電モジュールは、第1の支持基板と、第1の支持基板に対向する第2の支持基板と、第1の支持基板と第2の支持基板との間に設けられた複数の熱電素子とを備えている。
 熱電モジュールは、複数の熱電素子に電圧を加えることによって、一方の支持基板と他方の支持基板との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、一方の支持基板と他方の支持基板との間に温度差を与えることによって、複数の熱電素子によって電力を生じさせることができる。これらの性質から、熱電モジュールは、温度調節または熱電発電等に用いられる。
 そして、特許文献1に記載の熱電モジュールは、第1の支持基板の内面(第2の支持基板に対向している側の面)に設けられた温度検出素子をさらに備えている。この温度検出素子によって、第1の支持基板の温度を検知している。
 しかしながら、特許文献1に記載の熱電モジュールにおいては、第1の支持基板の内面に温度検出素子が設けられていることから、第1の支持基板に温度変化が生じた場合には速やかにその温度変化を検知することができるものの、第2の支持基板に温度変化が生じた場合には、第2の支持基板の熱が熱電素子および第1の支持基板を介して温度検出素子に伝わることから、その温度変化の検知に長い時間を要していた。その結果、熱電モジュールを温度調節に用いる際には、この温度調節に長い時間を要する場合があった。また、熱電モジュールを熱電発電に用いる際には、熱電モジュールに伝わる熱の調整に長い時間がかかることによって、熱電モジュールの発電効率が低下する場合があった。
 本発明の一態様の熱電モジュールは、第1領域および該第1領域に隣接する第2領域を有する主面を備えた第1支持基板と、前記第1領域に主面が対向するように設けられた第2支持基板と、前記第1領域および前記第2支持基板の主面の間に複数配列された熱電素子と、前記第2領域に実装された温度検知素子とを備えており、該温度検知素子と前記第2支持基板とが熱伝導部材を介して熱的に接続されている。
本発明の一実施形態の熱電モジュールを示す分解斜視図である。 図1に示した熱電モジュールの斜視図である。 図1に示した熱電モジュールの平面図である。 図2に示した熱電モジュールのA-A’断面の断面図である。 図2に示した熱電モジュールのB-B’断面の部分断面図である。 本発明の熱電モジュールの変形例1を示す部分断面図である。 本発明の熱電モジュールの変形例2を示す部分断面図である。
 以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュール10について、図面を参照して詳細に説明する。
 図1に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール10は、第1支持基板1と、第1支持基板1に対向するように設けられた第2支持基板2と、第1支持基板1の主面および第2支持基板2の主面の間に設けられた熱電素子3と、第1支持基板1に実装された温度検知素子4とを備えている。なお、図1においては、説明の都合上、熱電モジュール10を一部分解して示している。また、図1では省略しているが、図2に示すように、熱電モジュール10は、温度検知素子4と第2支持基板2とを熱的に接続する熱伝導部材5および熱電素子3を封止する封止材8をさらに備えている。図2においては、温度検知素子4と熱伝導部材5との位置関係を明確にするために、熱伝導部材5を透過して示している。
 <第1支持基板1の構成>
 第1支持基板1は、主に、第2支持基板2と共に複数の熱電素子3を支持するための部材である。図1に示すように、第1支持基板1は、四角形状の部材であって、第2支持基板2と対向する主面(以下、上面ともいう)に第1領域11および第1領域11に隣接する第2領域12を有する。第1領域11は、第1支持基板1の端から主面の大部分を占めるとともに、対向する第2支持基板2と共に複数の熱電素子3を支持する領域である。
 第2領域12は、第1支持基板1のうち第1領域11以外の領域であり、第1領域11に隣接している。第2領域12は、温度検知素子4が設けられる領域である。
 本実施形態の熱電モジュール10の第1支持基板1の寸法は、例えば、縦を10~120mmに、横を10~50mmに、厚さを0.1~5mmに設定することができる。
 第1支持基板1は、上面に第1電極6が設けられることから、少なくとも上面側は絶縁材料から成る。第1支持基板1としては、例えば、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体あるいは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の下面側の主面に外部への伝熱または放熱用の銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。また、第1支持基板1の他の例としては、銅板、銀板または銀-パラジウム板の上面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムセラミックス等から成る絶縁性の層を設けた基板を用いることができる。
 <第1電極6の構成>
 第1電極6は、熱電素子3に電力を与えるため、または熱電素子3で生じた電力を取り出すための部材である。図4に示すように、第1電極6は、第1支持基板1の上面に設けられている。第1電極6は、第2の支持基板2の下面に設けられている第2電極と共に、複数の熱電素子3を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するp型熱電素子31およびn型熱電素子32を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子3が直列に接続されている。第1電極6は、例えば銅、銀または銀-パラジウム等によって形成される。第1電極6は、例えば、第1支持基板1の上面に銅板を貼り付けておき、これに対して第1電極6となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって形成される。また、打ち抜き加工によって第1電極6の形状に成形した銅板を第1支持基板1に貼り付けることによって第1電極6を形成してもよい。
 <第2支持基板2の構成>
 第2支持基板2は、主に第1支持基板1と共に複数の熱電素子3を挟んで支持するための部材である。第2支持基板2は、第1支持基板1の第1領域11に主面(以下、下面ともいう)が対向するように設けられている。第2支持基板2の下面と第1支持基板1の上面の第1領域11とによって、複数の熱電素子3が挟まれて支持されている。第2支持基板2は、例えば四角形状である。第2支持基板2の寸法は、第1支持基板1の第1領域11と共に複数の熱電素子3を支持できるように設定される。具体的には、第2支持基板2の形状が四角形状である場合には、例えば縦を8~100mmに、横を10~50mmに、厚さを0.1~5mmに設定することができる。本実施形態の熱電モジュール10においては、第2支持基板2は、主面の形状および寸法が第1支持基板1の第1領域11と同一であるとともに、平面視したときに全体が重なっている。これにより、熱電モジュール10に上下方向に力が加わった際の耐久性が向上している。
 第2支持基板2は、第1支持基板1に対向する主面(下面)に第2電極7が設けられることから、少なくとも下面側は絶縁材料から成る。第2支持基板2としては、第1支持基板1に用いることができる上述の部材と同様の部材を用いることができる。
 <第2電極7の構成>
 第2電極7は、熱電素子3に電力を与えるため、または熱電素子3で生じた電力を取り出すための部材である。図4に示すように、第2電極7は、第2支持基板2の下面に設けられている。第2電極7は、第1電極6と共に、複数の熱電素子3を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するp型熱電素子31およびn型熱電素子32を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子3が直列に接続されている。第2電極7は、例えば銅、銀または銀-パラジウム等によって形成される。第2電極7は、例えば、第2支持基板2の下面に銅板を貼り付けておき、この銅板の第2電極7となる部分にマスキングをして、マスキングをした領域以外の領域をエッチングすることによって形成される。また、打ち抜き加工によって第2電極7の形状に成形した銅板を第2支持基板2の下面に貼り付けることによって第2電極7を形成してもよい。
 <熱電素子3の構成>
 熱電素子3は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうため、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。熱電素子3は、第1支持基板1の主面の第1領域11および第2支持基板2の主面の間に複数配列されている。熱電素子3は、熱電素子3の直径の0.5~2倍の間隔で縦横の並びに複数設けられる。これら複数の熱電素子3は、第1電極6と同様のパターンに塗布された半田によって第1電極6に接合されている。そして、複数の熱電素子3は第1電極6および第2電極7によって全体が直列に電気的に接続されている。
 熱電素子3は、p型熱電素子31とn型熱電素子32とに分類される。熱電素子3(p型熱電素子31およびn型熱電素子32)は、A型結晶(AはBiおよび/またはSb、BはTeおよび/またはSe)から成る熱電材料、好ましくはBi(ビスマス)またはTe(テルル)系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、p型熱電素子31は、例えば、BiTe(テルル化ビスマス)とSbTe(テルル化アンチモン)との固溶体からなる熱電材料で形成される。また、n型熱電素子32は、例えば、BiTe(テルル化ビスマス)とSbSe(セレン化アンチモン)との固溶体からなる熱電材料で形成される。
 ここで、p型熱電素子31となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるp型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、n型熱電素子32となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるn型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。
 これらの棒状の熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて、例えば0.3~5mmの長さに切断する。次いで、切断面のみに電気メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。最後に、溶解液でレジストを除去することによって、熱電素子3(p型熱電素子31およびn型熱電素子32)を得ることができる。
 熱電素子3(p型熱電素子31およびn型熱電素子32)の形状は、例えば円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子3の形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子3に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子3を円柱状に形成する場合には、寸法は、例えば直径が1~3mmに設定される。
 <温度検知素子4の構成>
 温度検知素子4は、熱電モジュール10の温度を測定するための部材である。図3および図5に示すように、温度検知素子4は、第1支持基板1の第2領域12に実装されている。温度検知素子4が第2領域12に設けられていることによって、第1支持基板1の上面と第2支持基板2の下面との間隔よりも厚みが大きい温度検知素子4であっても、容易に実装することができる。
 温度検知素子4は、例えば、カーボン粒子を含むポリマー系のPTCサーミスタである。温度検知素子4は、温度が閾値以上になると急激に熱膨張を起こすことによって、ポリマーが熱膨張を起こしてカーボン粒子の粒子間距離が離れることによって、電気抵抗が上昇する機能を有する。温度検知素子4は、第1電極6と電気的に接続されている。温度検知素子4の電極部分は、ろう材によって第1電極6に接合されている。本実施形態においては、温度検知素子4は、複数の熱電素子3に電気的に直列に接続されている。温度検知素子4の形状が直方体である場合には、温度検知素子4の寸法は、例えば縦を0.5~5mmに、横を1.5~8mmに、厚さを0.3~2mmに設定することができる。
 <封止材8の構成>
 封止材8は、対向する第1支持基板1および第2支持基板2の間の空間に、複数の熱電素子3を気密に封止するための部材である。図2、図4および図5に示すように、封止材8は、第1支持基板1の主面の第1領域11の周縁部および第2支持基板2の主面の間に設けられている。封止材8は、複数の熱電素子3をまとめて取り囲んでいる。つまり、封止材8は、第1支持基板1の第1領域11と第2支持基板2との間に環状に設けられている。封止材8は、例えばエポキシ等の樹脂材料から成る。封止材8のうち第1支持基板1の主面に平行な方向の厚みは、例えば0.5~2mm程度に設定することができる。封止材8が設けられていることによって、熱電素子3の耐環境性を向上させることができる。
 <熱伝導部材5の構成>
 熱伝導部材5は、第2支持基板2の熱を温度検知素子4に伝えるための部材である。温度検知素子4と第2支持基板2とは熱伝導部材5を介して熱的に接続されている。図2、図3および図5に示すように、熱伝導部材5は、温度検知素子4を覆うように設けられているとともに第2支持基板2に接触している。より具体的には、熱伝導部材5は、温度検知素子4の全体を被覆しているとともに第2支持基板2の側面に接している。熱伝導部材5は、第1支持基板1から第2支持基板2に近付くにつれて第1支持基板1の主面に平行な方向の断面が小さくなっている。ここでいう「熱的に接続されている」状態とは、熱伝導部材5が設けられていることによって、熱伝導部材5が設けられていない場合と比較して、第2支持基板2と温度検知素子4との間で熱が伝わりやすくなっている状態を意味している。
 熱伝導部材5としては、熱伝導が良好であるとともに、第2支持基板2および温度検知素子4との密着性に優れる部材が用いられる。熱伝導部材5は、例えばエポキシ樹脂またはシリコーン樹脂等の樹脂材料から成る。これらの樹脂材料を熱伝導部材5として用いる場合には、熱伝導部材5は、例えば、液体定量吐出装置等によって温度検知素子4の周囲に供給した後に、熱または湿気等によって硬化させることによって形成することができる。シリコーン樹脂を熱伝導部材5として用いた場合には熱伝導率を4W/(m・K)程度にすることができる。
 さらに、熱伝導部材5を樹脂材料およびこの樹脂材料よりも熱伝導率が高い熱伝導粒子によって形成しておくことが好ましい。具体的には、樹脂材料としてシリコーン樹脂を用いた場合には、シリコーン樹脂の内部にSnSb等の熱伝導の良好な金属粒子を熱伝導粒子として分散させておくことによって、熱伝導部材5の密着性を維持しつつ、熱伝導をさらに良好にすることができる。特に、上記の金属粒子を温度検知素子4の周辺に多く分布させておくことによって、温度検知素子4に良好に熱を伝えやすくすることができる。
 本実施形態の熱電モジュール10によれば、温度検知素子4と第2支持基板2とが熱伝導部材5を介して熱的に接続されていることによって、第1支持基板1に温度変化が生じた場合だけではなく、第2支持基板2に温度変化が生じた場合にもその温度変化を速やかに検知することができる。その結果、熱電モジュール10を温度調節に用いる際には、この温度調節にかかる時間を短縮できる。また、熱電モジュール10を熱電発電に用いる際には、熱電モジュール10に伝わる熱の調整を速やかに行なうことができるので、熱電モジュール10の発電効率が低下することを抑制できる。
 さらに、本実施形態の熱電モジュール10によれば、第1領域11の周縁部および第2支持基板2の主面の間に熱電素子3を取り囲んで封止材8が設けられているとともに、熱伝導部材5がこの封止材8に接している。一般的に、熱電モジュール10の使用時には、第1支持基板1と第2支持基板2との間には温度差が生じることから、両者の間に位置する熱電素子3と封止材8とが歪むように変形しようとする。このとき、上述したように封止材8と熱伝導部材5とが接していることによって、封止材8のうち熱伝導部材5に接している部分に生じる変形を抑制することができる。そして、封止材8に生じる変形を抑制することによって、熱電モジュール10の長期信頼性を向上させることができる。
 さらに、本実施形態の熱電モジュール10によれば、熱伝導部材5と封止材8との接触面が曲面になっている。これにより、封止材8と熱伝導部材5との間に熱応力が生じたとしても、接触面が平面である場合と比較して接触面の面積を大きくすることができることから、生じた熱応力を高範囲に分散することができる。これにより、封止材8と熱伝導部材5とが高範囲にわたって少しずつ変形することによって、封止材8に生じる変形を抑制しつつ、熱応力を吸収することができる。その結果、熱電モジュール10の長期信頼性を向上できる。
 さらに、本実施形態の熱電モジュール10によれば、上述した接触面が封止材8側に凹んだ曲面である。具体的には、接触面は断面形状が封止材8側に円弧状に凹んでいる。凹んだ曲面の深さは例えば0.3~1.5mm程度に設定できる。PTCサーミスタから成る温度検知素子4は、温度が閾値以上になったときに膨張する性質がある。そして、温度検知素子4が熱膨張したときには、温度検知素子4を覆っている熱伝導部材5も変形することになる。このとき、熱伝導部材5と封止材8との接触面が封止材8側に凹んでいることによって、熱伝導部材5と封止材8との接触面で局所的に熱応力の集中が生じることを抑制できる。その結果、熱電モジュール10の長期信頼性を向上できる。
 さらに、熱伝導部材5の弾性率が封止材8の弾性率よりも大きいことが好ましい。これにより、封止材8が変形しようとしたときに熱伝導部材5がこの変形を抑制することができる。その結果、ヒートサイクル下における熱電モジュール10の変形を抑制できる。熱伝導部材5の弾性率は、例えば、4MPa程度に設定でき、封止材8の弾性率は、例えば、1.7MPa程度に設定できる。
 なお、本実施形態の熱電モジュール10によれば、第1支持基板1および第2支持基板2がそれぞれ四角形状であるが、これに限られない。第1支持基板1および第2支持基板2の形状は、熱電モジュール10を取り付ける外部の部材の構造に応じて、その形状を適宜変更することができる。具体的には、第1支持基板1および第2支持基板の形状は、四角形を除く多角形状であってもよいし、円形状または楕円形状であってもよい。
 また、図6に示すように、温度検知素子4が上面を有するとともに、温度検知素子4の上面が第2支持基板2の下面よりも上方に位置していてもよい。温度検知素子4の上面を第2支持基板2の下面よりも上方に位置させることによって、第2支持基板2の側面を温度検知素子4の側面に近付けることができる。これにより、温度検知素子4と第2支持基板2との間で熱の伝達をより速やかに行なうことができる。温度検知素子4の上面と第2支持基板2の下面との上下方向の差は、例えば、0.1~3mm程度に設定できる。
 また、図7に示すように、温度検知素子4と第2支持基板2とが熱伝導部材5によって熱的に接続されているとともに、温度検知素子4が第2支持基板2に接していてもよい。これにより、第2支持基板2から温度検知素子4への熱の伝達を、熱伝導部材5を介して行なうだけではなく、第2支持基板2から温度検知素子4へと直接行なうこともできる。その結果、温度検知素子4と第2支持基板2との間で熱の伝達をより速やかに行なうことができる。さらに、温度検知素子4の側面と第2支持基板2の側面とが面接触していることが好ましい。これにより、温度検知素子4と第2支持基板2との接触面積を増やすことができるので、温度検知素子4と第2支持基板との間の熱の伝達をさらに速やかに行なうことができる。
 <実施例>
 以下、実施例を挙げて本発明の熱電モジュール10についてさらに詳細に説明する。まず、上面に第1電極6が設けられた第1支持基板1と、下面に第2電極7が設けられた第2支持基板2とを準備して、これらの間に複数の熱電素子3を配置した。第1支持基板1としては、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板の下面に銅板を貼り付けたものを使用した。同様に第2支持基板2としては、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板の上面に銅板を貼り付けたものを使用した。それぞれのエポキシ樹脂板の厚みは80μmであり、銅板の厚みは120μmである。第1電極6および第2電極7としては、銅から成るものを使用した。銅の厚みは105μmである。
 そして、複数の熱電素子3を第1支持基板1の第1領域11と第2支持基板2との間に位置させて、それぞれ第1電極6および第2電極7に接合した。熱電素子3としては、直径が1.8mmで高さが1.6mmの円柱状のものを用いた。熱電素子3と第1電極6および第2電極7との接合には半田を用いた。
 次に、第1支持基板1の第1領域11と第2支持基板2との間の空間に対して、複数の熱電素子3を取り囲むように封止材8を設けた。封止材8としては、エポキシ樹脂を用いた。
 そして、第1支持基板1の上面のうち封止材8の外側の領域である第2領域12に温度検知素子4を設けた。温度検知素子4としては、PTCサーミスタを用いた。その後、温度検知素子4および第2支持基板2にそれぞれ接触するように熱伝導部材5を設けて、温度検知素子4と第2支持基板2とを熱的に接続した。熱伝導部材5としては、シリコーン樹脂を用いた。以上のようにして、本発明の実施例の熱電モジュール10(試料1)を作製した。また、比較例として、熱伝導部材5を設けていない熱電モジュール(試料2)を準備した。
 次に、試料1および試料2の評価を行なった。熱電素子3のうち第2支持基板2側において異常発熱が発生した場合を想定して、それぞれの第2支持基板2の上面にヒータを取り付けた。次に、このヒータを発熱させることによって、第2支持基板2を加熱して、温度検知素子4が温度変化を検知するまでの時間を測定した。具体的には、ヒータの温度を常温(20℃)から90℃に5秒間で昇温させた。そして、温度検知素子4の電気抵抗が5%上昇した場合を温度検知素子4が温度変化を検知したものとみなして、ヒータの昇温を開始してから温度検知素子4が温度変化を検知するまでの時間を測定した。その結果、ヒータの昇温を開始してから温度変化を検知するまでの時間は、試料1においては8秒であったが、試料2においては17秒であった。以上の結果から、熱伝導部材5を設けて温度検知素子4と第2支持基板2とを熱的に接続することによって、第2支持基板2に温度変化が生じた場合にもその温度変化を速やかに検知することができることが確認できた。
1:第1支持基板
11:第1領域
12:第2領域
2:第2支持基板
3:熱電素子
31:p型熱電素子
32:n型熱電素子
4:温度検知素子
5:熱伝導部材
6:第1電極
7:第2電極
8:封止材
10:熱電モジュール

Claims (8)

  1.  第1領域および該第1領域に隣接する第2領域を有する主面を備えた第1支持基板と、
    前記第1領域に主面が対向するように設けられた第2支持基板と、
    前記第1領域および前記第2支持基板の主面の間に複数配列された熱電素子と、
    前記第2領域に実装された温度検知素子とを備えており、
    該温度検知素子と前記第2支持基板とが熱伝導部材を介して熱的に接続されている熱電モジュール。
  2.  前記第1領域の周縁部および前記第2支持基板の主面の間に前記熱電素子を取り囲んで封止材が設けられており、前記熱伝導部材が前記封止材に接している請求項1に記載の熱電モジュール。
  3.  前記熱伝導部材と前記封止材との接触面が曲面である請求項2に記載の熱電モジュール。
  4.  前記接触面が、前記封止材側に凹んだ曲面である請求項3に記載の熱電モジュール。
  5.  前記熱伝導部材の弾性率が前記封止材の弾性率よりも大きい請求項2乃至請求項4のいずれかに記載の熱電モジュール。
  6.  前記熱伝導部材は樹脂材料および該樹脂材料よりも熱伝導率が高い熱伝導粒子を含んでいる請求項1乃至請求項5のいずれかに記載の熱電モジュール。
  7.  前記第1支持基板の主面が上面であるとともに前記第2支持基板の主面が下面であって、前記温度検知素子が上面を有するとともに、該温度検知素子の上面が前記第2支持基板の前記主面よりも上方に位置している請求項1乃至請求項6のいずれかに記載の熱電モジュール。
  8.  前記温度検知素子が前記第2支持基板に接している請求項1乃至請求項7のいずれかに記載の熱電モジュール。
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