JP2006013200A - Thermoelectric transducing module, substrate therefor cooling device, and power generating device - Google Patents

Thermoelectric transducing module, substrate therefor cooling device, and power generating device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for a thermoelectric transducing module which has superior long-period stability by dispersing stress generated on an installation interface between the substrate and a metal layer, and also to provide the thermoelectric transducing module, a cooling device, and a power generating device. <P>SOLUTION: The insulating substrate is mounted with a plurality of thermoelectric transducing elements and has metal layer formed on both its surfaces. In the substrate for the thermoelectric transducing module, the metal layers on both the surfaces when projected are different in center position and/or shape and/or area. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、温度制御用、保冷用、発電用として好適に使用される熱電変換モジュール用基板及びそれを用いた熱電変換モジュール及び冷却装置及び発電装置に関する。   The present invention relates to a substrate for a thermoelectric conversion module suitably used for temperature control, cold insulation, and power generation, and a thermoelectric conversion module, a cooling device, and a power generation device using the same.

熱電変換素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とからなるＰＮ接合対に電流を流すと一端が発熱するとともに他端が吸熱するというペルチェ効果を利用したもので、これをモジュール化した熱電変換モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。   The thermoelectric conversion element utilizes the Peltier effect that one end generates heat and the other end absorbs heat when a current is passed through a PN junction pair composed of a P-type semiconductor and an N-type semiconductor. Is capable of precise temperature control, is small and has a simple structure, and is expected to be widely used for electronic cooling elements such as freonless cooling devices, photodetectors, semiconductor manufacturing equipment, and laser diode temperature control. Yes.

また、逆に熱電変換素子の両端に温度差をつけると、電位差が生ずる特徴を有しており、排熱回収発電などへの利用が期待されている。   On the other hand, when a temperature difference is given to both ends of the thermoelectric conversion element, it has a characteristic that a potential difference is generated, and is expected to be used for exhaust heat recovery power generation and the like.

熱電モジュールの構造は、例えば図１に示したように、支持基板１ａ、１ｂの表面に、それぞれ金属層３ａ、３ｂが形成され、さらにＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂからなる複数の熱電変換素子２が挟持されるように、接合材６で接合されている。   For example, as shown in FIG. 1, the thermoelectric module has a structure in which metal layers 3a and 3b are formed on the surfaces of support substrates 1a and 1b, respectively, and an N-type thermoelectric conversion element 2a and a P-type thermoelectric conversion element 2b. It joins with the joining material 6 so that the several thermoelectric conversion element 2 may be clamped.

そして、これらの熱電変換素子２は、電気的に直列になるように金属層３ａ、３ｂで接続し、さらに外部接続端子４に接続されている。この外部接続端子４には、接合材６によってリード線５が接続し、外部と電気的に接続し、熱電変換モジュール７が形成される。   These thermoelectric conversion elements 2 are connected by metal layers 3 a and 3 b so as to be electrically in series, and further connected to the external connection terminal 4. A lead wire 5 is connected to the external connection terminal 4 by a bonding material 6 and is electrically connected to the outside to form a thermoelectric conversion module 7.

支持基板１ａ、１ｂの熱電変換素子２の接続側と反対面にも、熱応力緩和のため金属層３ｃ、３ｄ（３ｄは不図示）が形成される。   Metal layers 3c and 3d (3d not shown) are also formed on the surfaces of the support substrates 1a and 1b opposite to the connection side of the thermoelectric conversion element 2 for thermal stress relaxation.

また、より低温まで冷却したい場合、あるいはより高温の熱源を利用して発電効率を高めたい場合、例えば図２に示したように、２段以上の熱電変換素子２を積層した構造にすることができる。この場合、中間の支持基板１ｃの両面には、熱電変換素子２の接続のための金属層３ｅ、３ｆ（３ｆは不図示）が形成される。   Further, when it is desired to cool to a lower temperature, or when it is desired to increase the power generation efficiency by using a higher temperature heat source, for example, as shown in FIG. 2, a structure in which two or more stages of thermoelectric conversion elements 2 are laminated is used. it can. In this case, metal layers 3e and 3f (3f not shown) for connecting the thermoelectric conversion elements 2 are formed on both surfaces of the intermediate support substrate 1c.

室温付近で使用される冷却用熱電モジュールには、冷却特性が優れるという観点からＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電変換素子２が一般的に用いられている。 A thermoelectric module 2 made of A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se) is used for the cooling thermoelectric module used near room temperature from the viewpoint of excellent cooling characteristics. Commonly used.

Ｎ型熱電変換素子２ａにはＢｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３との固溶体が、Ｐ型熱電変換素子２ｂにはＢｉ２Ｔｅ３とＢｉ２Ｓｅ３との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）が熱電変換素子２に広く用いられている。 A solid solution of Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3 is shown for the N-type thermoelectric conversion element 2a, and a solid solution of Bi 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 shows a particularly good performance for the P-type thermoelectric conversion element 2b. Therefore, this A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se) is widely used for the thermoelectric conversion element 2.

また発電用途には、２００〜３００℃までは冷却用途と同様、Ｂｉ−Ｔｅ系が主に使用され、さらにそれ以上の温度域では、Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｍｇ−Ｓｉ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、ＴＡＧＳ系（ＧｅＴｅ−ＡｇＳｂＴｅ）、Ｚｎ−Ｓｂ系、スクッテルダイト系などが熱電変換素子２に使用される。   Also, for power generation applications, Bi-Te system is mainly used up to 200 to 300 ° C. as in the cooling application, and in a temperature range higher than that, Mn-Si system, Mg-Si system, Si-Ge system, Pb—Te, TAGS (GeTe—AgSbTe), Zn—Sb, skutterudite, and the like are used for the thermoelectric conversion element 2.

このようなＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂを対にしたものを複数直列に電気的に接続する。   A plurality of such N-type thermoelectric conversion elements 2a and P-type thermoelectric conversion elements 2b in pairs are electrically connected in series.

ここで熱電変換モジュール７は、温度差、熱サイクルによる熱膨張差から支持基板１や熱電変換素子２にクラックが発生する、あるいは破損する場合があったため絶縁層を有する金属基板に凹凸をつけ、応力を緩和することが提唱されている（特許文献１参照）。
特開２０００−１６４９４３号公報 Here, the thermoelectric conversion module 7 has unevenness on the metal substrate having the insulating layer because the support substrate 1 and the thermoelectric conversion element 2 may be cracked or damaged due to the temperature difference and the thermal expansion difference due to the thermal cycle. It has been proposed to relieve stress (see Patent Document 1).
Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-164943

しかしながら特許文献１の金属基板は、熱膨張が大きいため、変形や伸縮が大きく接合部や熱電変換素子が破損する場合があり、不十分であった。   However, since the metal substrate of Patent Document 1 has a large thermal expansion, deformation and expansion / contraction are large, and the joint portion and the thermoelectric conversion element may be damaged, which is insufficient.

また熱膨張が小さく、耐熱性、絶縁性に優れるセラミック基板においても、基板上に設置された裏表の金属層との収縮差によって、破損する場合があった。本発明者は、この現象を鋭意調査分析した結果、絶縁基板の表裏両面に設置してある金属層の投影図が一致する場合に破損しやすいことを見出した。   Further, even a ceramic substrate having a small thermal expansion and excellent heat resistance and insulation may be damaged due to a difference in shrinkage between the front and back metal layers installed on the substrate. As a result of earnest investigation and analysis of this phenomenon, the present inventor has found that the projections of the metal layers installed on both the front and back surfaces of the insulating substrate are likely to be damaged.

従って、本発明の目的は、基板と金属層の設置界面に発生する応力を分散させることにより、長期安定性に優れた熱電変換モジュール用基板及び熱電変換モジュール及び冷却装置及び発電装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion module substrate, a thermoelectric conversion module, a cooling device, and a power generation device that are excellent in long-term stability by dispersing stress generated at the installation interface between the substrate and the metal layer. It is in.

上記に鑑みて本発明は、複数の熱電変換素子を実装し、金属層を両面に形成してなる支持基板であって、両面の金属層の投影した際の中心位置及び／又は形状及び／又は面積が異なることを特徴とするものである。   In view of the above, the present invention is a support substrate in which a plurality of thermoelectric conversion elements are mounted and metal layers are formed on both surfaces, and the center position and / or shape and / or shape when the metal layers on both surfaces are projected. The area is different.

また支持基板における両面の金属層の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることを特徴とするものである。   Further, the difference in the proportion of the area occupied by the metal layers on both sides of the support substrate is 70% or less.

また支持基板の厚さが０．３〜３ｍｍであることを特徴とするものである。   The thickness of the support substrate is 0.3 to 3 mm.

また支持基板がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことを特徴とするものである。   The support substrate contains one or more elements selected from Al, Si, Mg, Ca, and C.

また上記熱電変換モジュール用基板を支持基板として熱電変換素子を備えたことを特徴とする。   Further, the thermoelectric conversion module substrate is used as a support substrate, and a thermoelectric conversion element is provided.

また上記熱電変換モジュール用基板を支持基板とし、該支持基板と熱電変換素子を交互に積み重ねて多段構造としたことを特徴とする。   Further, the thermoelectric conversion module substrate is a support substrate, and the support substrate and the thermoelectric conversion elements are alternately stacked to form a multistage structure.

また前記熱電変換モジュールを冷却手段としたことを特徴とする。   The thermoelectric conversion module is a cooling means.

また前記熱電変換モジュールを発電手段としたことを特徴とする。   The thermoelectric conversion module is a power generation means.

本発明は、金属層を両面に形成してなる支持基板において、両面の金属層の投影した際の中心位置及び／又は形状及び／又は面積が異なることにより、金属層と基板の接合界面に発生する熱応力を分散させることができるため、長期安定性に優れた熱電変換モジュール用基板を提供することができる。   In the present invention, in the support substrate formed by forming the metal layers on both sides, the center position and / or the shape and / or the area when the metal layers on both sides are projected are different, so that they occur at the bonding interface between the metal layer and the substrate. Therefore, the thermoelectric conversion module substrate having excellent long-term stability can be provided.

また本発明は、前記基板における両面の金属層の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることにより、表裏の熱膨張差による破損を低減し、より安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。   In the present invention, the difference in the proportion of the area occupied by the metal layers on both sides of the substrate is 70% or less, so that damage due to the difference in thermal expansion between the front and back surfaces is reduced, and a more stable substrate for a thermoelectric conversion module is obtained. Can be provided.

また本発明は、支持基板の厚さが０．３〜３ｍｍであることにより、長期使用に十分耐えうる強度を有し、かつ熱伝導性にも優れているため、より安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。   In addition, the present invention provides a more stable thermoelectric conversion module because the support substrate has a thickness of 0.3 to 3 mm, has sufficient strength to withstand long-term use, and has excellent thermal conductivity. A substrate can be provided.

また本発明は、支持基板がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことにより、長期使用に十分耐えうる強度を有し、かつ熱伝導性にも優れているため、より安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。   In the present invention, since the support substrate contains one or more elements selected from Al, Si, Mg, Ca, and C, it has sufficient strength to withstand long-term use and is excellent in thermal conductivity. A more stable thermoelectric conversion module substrate can be provided.

また本発明は、前記熱電変換モジュール用基板を支持基板としたことにより、長期安定性に優れた熱電変換モジュールを提供することができる。   Moreover, this invention can provide the thermoelectric conversion module excellent in long-term stability by using the said board | substrate for thermoelectric conversion modules as the support substrate.

また本発明は、前記熱電変換モジュールを冷却手段としたことにより、長期安定性に優れた冷却装置を提供することができる。   Moreover, this invention can provide the cooling device excellent in long-term stability by using the said thermoelectric conversion module as a cooling means.

また本発明は、前記熱電変換モジュールを発電手段としたことにより、長期安定性に優れた発電装置を提供することができる。   Moreover, this invention can provide the electric power generating apparatus excellent in long-term stability by using the said thermoelectric conversion module as the electric power generation means.

本発明を、以下の実施形態を基に説明する。   The present invention will be described based on the following embodiments.

図３は、本発明の熱電モジュール用基板の実施の形態を示す。   FIG. 3 shows an embodiment of the thermoelectric module substrate of the present invention.

この図によれば、支持基板１の両面に金属層３が設けられている。その上に熱電変換素子２が設けられ電気的に直列に接続して、熱電変換モジュールを形成する。   According to this figure, the metal layer 3 is provided on both surfaces of the support substrate 1. A thermoelectric conversion element 2 is provided thereon and electrically connected in series to form a thermoelectric conversion module.

本発明の熱電変換モジュール用基板は、図３における支持基板１の両面に設けられた金属層３からなり、両面の金属層３のパターンを投影した際の中心位置及び／又は形状及び／又は面積が異なることが重要である。これにより支持基板１を挟んで両面に設けられた金属層３と支持基板１の界面に発生する、熱膨張差に起因する応力を分散させることができ、よって繰り返しの熱サイクルに対し長期的に安定した支持基板１を得ることができる。   The substrate for the thermoelectric conversion module of the present invention comprises the metal layers 3 provided on both surfaces of the support substrate 1 in FIG. 3, and the center position and / or shape and / or area when the patterns of the metal layers 3 on both surfaces are projected. It is important that they are different. As a result, it is possible to disperse the stress caused by the difference in thermal expansion generated at the interface between the metal layer 3 provided on both sides of the support substrate 1 and the support substrate 1, and thus, for a long time against repeated thermal cycles. A stable support substrate 1 can be obtained.

また支持基板１両面の金属層３の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることが好ましい。７０％を超えた場合、支持基板１両面の熱膨張差に起因する変形、歪により、金属層の剥離やクラックが発生する場合がある。７０％以下にすることにより、支持基板１両面の熱膨張差を低減でき、よってより長期的に安定した支持基板１を得ることができる。好ましくは５０％以下、さらに好ましくは４０％以下が望ましい。   Moreover, it is preferable that the difference of the ratio of the area which the metal layer 3 of both surfaces of the support substrate 1 occupies is 70% or less. When it exceeds 70%, peeling or cracking of the metal layer may occur due to deformation or distortion caused by the difference in thermal expansion between both surfaces of the support substrate 1. By setting it to 70% or less, the difference in thermal expansion between both surfaces of the support substrate 1 can be reduced, and thus the support substrate 1 that is more stable in the long term can be obtained. Preferably it is 50% or less, more preferably 40% or less.

また支持基板１の厚さが０．３〜３ｍｍであることが好ましい。これにより、支持基板１が長期使用に耐えうる十分な強度を有し、かつ熱伝導性にも優れているため、長期的に安定しかつ性能に優れた熱電変換モジュール用基板を提供することができる。厚さが０．３ｍｍより薄いと強度が不足するため、熱応力により破損しやすくなる。また厚さが３ｍｍより厚いと強度的には十分であるが、熱抵抗が大きくなるため、性能が劣化する。よって好ましくは０．５〜２ｍｍ、さらに好ましくは０．７〜１．５ｍｍが望ましい。   Moreover, it is preferable that the thickness of the support substrate 1 is 0.3-3 mm. Accordingly, since the support substrate 1 has sufficient strength to withstand long-term use and excellent thermal conductivity, it is possible to provide a thermoelectric conversion module substrate that is stable in the long term and excellent in performance. it can. If the thickness is less than 0.3 mm, the strength is insufficient, so that it is easily damaged by thermal stress. If the thickness is greater than 3 mm, the strength is sufficient, but the thermal resistance increases, so the performance deteriorates. Therefore, 0.5 to 2 mm is preferable, and 0.7 to 1.5 mm is more preferable.

また支持基板１がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことが好ましい。これらの元素は、共有結合あるいはイオン結合により強固に結合するため、長期使用に十分耐えうる強度を有し、かつ熱伝導性にも優れてた基板を得ることができる。   The support substrate 1 preferably contains one or more elements selected from Al, Si, Mg, Ca, and C. Since these elements are strongly bonded by a covalent bond or an ionic bond, a substrate having sufficient strength for long-term use and excellent thermal conductivity can be obtained.

これにより長期的に安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。   Thereby, the board | substrate for thermoelectric conversion modules stable for a long term can be provided.

また前記熱電変換モジュール用基板を支持基板としたことにより、長期安定性に優れた熱電変換モジュールを提供することができる。   Moreover, the thermoelectric conversion module excellent in long-term stability can be provided by using the said board | substrate for thermoelectric conversion modules as the support substrate.

熱電変換モジュールは、図１に示したように、下部支持基板１ａ、上部支持基板１ｂの表面に、それぞれ金属層３ａ、３ｂが形成され、さらにＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂからなる複数の熱電変換素子２が金属層３ａ、３ｂによって挟持されるように配置し、接合材６で接合されている。また下部支持基板１ａ、上部支持基板１ｂの背面にも、それぞれ金属層３ｃ、３ｄ（３ｃは不図示）が形成されている。   As shown in FIG. 1, in the thermoelectric conversion module, metal layers 3a and 3b are formed on the surfaces of the lower support substrate 1a and the upper support substrate 1b, respectively, and further an N-type thermoelectric conversion element 2a and a P-type thermoelectric conversion element 2b. A plurality of thermoelectric conversion elements 2 made of are arranged so as to be sandwiched between metal layers 3 a and 3 b, and are joined by a joining material 6. Metal layers 3c and 3d (3c not shown) are also formed on the back surfaces of the lower support substrate 1a and the upper support substrate 1b, respectively.

熱電変換素子２はＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂの２種からなり、下部支持基板１ａの一方の主面上にマトリックス状に配列されている。Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂは、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型と交互に、且つ電気的に直列になるように金属層３ａ、３ｂで接続し、一つの電気回路を形成する。冷却用途及び３００℃以下での発電用途では熱電変換素子２は、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているＢｉ−Ｔｅ系が好ましい。これにより良好な冷却効果を得ることができる。Ｐ型としてＢｉ０．４Ｓｂ１．６Ｔｅ３、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３など、Ｎ型としてＢｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５、Ｂｉ２Ｔｅ２．９Ｓｅ０．１などが好適に使用される。 The thermoelectric conversion elements 2 are composed of two types of N-type thermoelectric conversion elements 2a and P-type thermoelectric conversion elements 2b, and are arranged in a matrix on one main surface of the lower support substrate 1a. N-type thermoelectric conversion element 2a and P-type thermoelectric conversion element 2b are connected by metal layers 3a and 3b so as to be alternately and electrically in series with N-type, P-type, N-type and P-type, An electric circuit is formed. In the cooling application and the power generation application at 300 ° C. or lower, the thermoelectric conversion element 2 is preferably a Bi—Te system having the most excellent thermoelectric conversion performance near room temperature. Thereby, a good cooling effect can be obtained. Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 , Bi 0.5 Sb 1.5 Te 3, etc. as P type, Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 , Bi 2 Te 2.9 Se 0.1 as N type Etc. are preferably used.

また図２に示すように、より低温まで冷却したい場合、あるいはより高温の熱源を利用して発電効率を高めたい場合、２段以上熱電変換素子２を積層した構造にすることができる。この場合、中間の支持基板１ｃの両面には、熱電変換素子２の接続のための金属層３ｅ、３ｆ（３ｆは不図示）が形成し、電気的に接続される。   In addition, as shown in FIG. 2, when it is desired to cool to a lower temperature, or when it is desired to increase the power generation efficiency by using a higher temperature heat source, a structure in which two or more stages of thermoelectric conversion elements 2 are stacked can be formed. In this case, metal layers 3e and 3f (3f not shown) for connecting the thermoelectric conversion elements 2 are formed on both surfaces of the intermediate support substrate 1c and are electrically connected.

次に、本発明の熱電モジュールの製造方法について、図１の熱電モジュール７の製造方法を例として説明する。   Next, the manufacturing method of the thermoelectric module of the present invention will be described by taking the manufacturing method of the thermoelectric module 7 of FIG. 1 as an example.

まず、熱電変換素子２を準備する。本発明によれば、熱電変換素子２は周知の方法によって得られるものを用いることができる。即ち、焼結法、単結晶法、溶製法、薄膜法のいずれかによって得られた結晶を使用することが可能である。   First, the thermoelectric conversion element 2 is prepared. According to the present invention, the thermoelectric conversion element 2 can be obtained by a known method. That is, it is possible to use crystals obtained by any one of a sintering method, a single crystal method, a melting method, and a thin film method.

次いで、支持基板１として、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスを準備する。基板形状に加工した後、表面にＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＭｇ等の導電性材料を用いて金属層３及び外部接続端子４を、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法、溶射法、ロウ付け法などの手法を用いて形成する。   Next, ceramics such as alumina, aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, and diamond are prepared as the support substrate 1. After processing into the substrate shape, the metal layer 3 and the external connection terminal 4 are formed on the surface using a conductive material such as Zn, Al, Au, Ag, W, Ti, Fe, Cu, Ni, Pt, Pd, and Mg. It is formed using a method such as a plating method, a metallizing method, a DBC (Direct-bonding Copper) method, a chip bonding method, a thermal spraying method, or a brazing method.

次いで、金属層３の上に、熱電変換素子２を配置する。なお、熱電変換素子２は、Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂが交互に並ぶように配列し、且つ電気的に直列に配列され、熱電変換モジュールを形成する。   Next, the thermoelectric conversion element 2 is disposed on the metal layer 3. The thermoelectric conversion elements 2 are arranged so that N-type thermoelectric conversion elements 2a and P-type thermoelectric conversion elements 2b are alternately arranged, and are arranged in series electrically to form a thermoelectric conversion module.

このようにして、本発明の長期安定性に優れた熱電変換モジュール用基板及び熱電変換モジュールを提供することができる。   Thus, the substrate for thermoelectric conversion modules and the thermoelectric conversion module excellent in long-term stability of the present invention can be provided.

出発原料には、Ｂｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５系焼結体からなる熱電変換素子２を準備し、形状は四角柱で、寸法は縦１ｍｍ、横１ｍｍ、高さ２ｍｍであった。 As a starting material, a thermoelectric conversion element 2 made of a Bi 2 Te 2.85 Se 0.15- based sintered body was prepared, and the shape was a quadrangular prism, the dimensions were 1 mm in length, 1 mm in width, and 2 mm in height.

また、支持基板１として、大きさが４０ｍｍ×４０ｍｍのアルミナを用意した。支持基板１は、テープ成形法、プレス法、鋳込み法、排泥法などの成形法、常圧焼成、加圧焼成、ＨＩＰ焼成、ホットプレス焼成などの焼成法などのアルミナ、窒化アルミを製造する通常の製造方法で作製した。金属層３の形成は、メタライズ法、メッキ法、溶射法、ロウ付け法などの常法が適応できる。   In addition, alumina having a size of 40 mm × 40 mm was prepared as the support substrate 1. The support substrate 1 manufactures alumina and aluminum nitride such as a tape forming method, a pressing method, a casting method, a sludge method, or a molding method such as normal pressure firing, pressure firing, HIP firing, or hot press firing. It was produced by a normal manufacturing method. The metal layer 3 can be formed by a conventional method such as a metallizing method, a plating method, a thermal spraying method, or a brazing method.

支持基板１の裏表両面上に、メタライズ法によりＣｕの金属層３を作製した。   A Cu metal layer 3 was formed on both sides of the support substrate 1 by metallization.

下部支持基板１ａの３ａ上に、Ａｕ−Ｓｎなどの接合材６からなる半田ペーストを印刷し、その上に熱電変換素子２を並べ、下部支持基板１ａの反対面から加熱し、熱電変換素子２を固定した。熱電変換素子２の数は、Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂを同数とした。   A solder paste made of a bonding material 6 such as Au—Sn is printed on 3 a of the lower support substrate 1 a, the thermoelectric conversion elements 2 are arranged thereon, and heated from the opposite surface of the lower support substrate 1 a, and the thermoelectric conversion elements 2 Fixed. The number of thermoelectric conversion elements 2 is the same as that of N-type thermoelectric conversion elements 2a and P-type thermoelectric conversion elements 2b.

同様にしてもう一面の上部支持基板１ｂと熱電変換素子２を固定して熱電モジュール７が得られる。   Similarly, the thermoelectric module 7 is obtained by fixing the upper support substrate 1b and the thermoelectric conversion element 2 on the other surface.

得られた熱電変換モジュール７の外部接続端子４上に、接合材６を供給しつつ、ソフトビームなどにより加熱し、リード線５を接続した。   The lead wire 5 was connected to the external connection terminal 4 of the obtained thermoelectric conversion module 7 while being heated with a soft beam or the like while supplying the bonding material 6.

このようにして得られた熱電変換モジュール７の下面をヒートシンクに冷却水を流すことによって冷却し、また上面はヒータを取り付け、加熱することにより、熱電変換モジュール７の上下面に温度差をつけた（△Ｔ）。加熱、冷却することにより支持基板１、熱電変換素子２、金属層３などが膨張、収縮し、各々の差によって支持基板１に応力が発生するため高強度の材料が好ましい。   The lower surface of the thermoelectric conversion module 7 obtained in this way was cooled by flowing cooling water through the heat sink, and the upper surface was attached with a heater and heated to create a temperature difference between the upper and lower surfaces of the thermoelectric conversion module 7. (ΔT). By heating and cooling, the support substrate 1, the thermoelectric conversion element 2, the metal layer 3 and the like expand and contract, and a stress is generated in the support substrate 1 due to the difference between them.

また支持基板１は効率的に熱電変換素子２に熱を伝える必要があるため高熱伝導率の材料が好ましい。   Further, since the support substrate 1 needs to efficiently transmit heat to the thermoelectric conversion element 2, a material having high thermal conductivity is preferable.

ヒータに流す電流をＯＮ−ＯＦＦすることにより温度差サイクル試験を行い、３０００サイクル後の熱電変換モジュールの抵抗変化率を測定し、△Ｒ＜５％をＯＫとした。

Figure 2006013200
A temperature difference cycle test was performed by turning on and off the current flowing through the heater, the resistance change rate of the thermoelectric conversion module after 3000 cycles was measured, and ΔR <5% was OK.
Figure 2006013200

実施例として本発明の試料Ｎｏ．２〜２２、２４〜４６は、温度サイクル試験後の△Ｒが５％より小さく良好であった。   As an example, the sample No. 2 to 22 and 24 to 46 had good ΔR of less than 5% after the temperature cycle test.

これに対し、比較例として本発明以外の試料Ｎｏ．１及び２３は、温度サイクル試験後の△Ｒが５％より大きく、本発明の試料に比べて明らかに劣っていた。   On the other hand, as a comparative example, the sample No. Nos. 1 and 23 were clearly inferior to the sample of the present invention because ΔR after the temperature cycle test was larger than 5%.

尚、以下に各試料の結果を個別に説明する。   In addition, the result of each sample is demonstrated separately below.

試料Ｎｏ.５、２８のように金属層の占有する面積の割合の差が７０％までは、△Ｒが２％程度だが、試料Ｎｏ.５、２８のように金属層の占有する面積の割合の差が７０％を超えると、△Ｒが倍になってしまう。   △ R is about 2% when the difference in the proportion of the area occupied by the metal layer is up to 70% as in samples No. 5 and 28, but the proportion of the area occupied by the metal layer as in samples No. 5 and 28 If the difference exceeds 70%, ΔR will double.

試料Ｎｏ.９、３２では基板の厚さが薄いため、熱抵抗が少なく効率が高い反面、温度サイクル試験後の抵抗変化が、若干大きかった。   In Samples Nos. 9 and 32, since the substrate was thin, the thermal resistance was small and the efficiency was high, but the resistance change after the temperature cycle test was slightly large.

逆に試料Ｎｏ.１３、３６では基板の厚さが厚いため強度が高く、温度サイクル試験後の抵抗変化小さかったが、熱抵抗が大きいため、効率が若干下がった。   On the contrary, in Samples Nos. 13 and 36, the substrate was thick, so the strength was high and the resistance change after the temperature cycle test was small, but the thermal resistance was large, so the efficiency was slightly reduced.

試料Ｎｏ.１９、４２では基板にジルコニアを使用したが、他のセラミック製基板に比べ熱伝導率が低いため、若干効率が下がった。   In Sample Nos. 19 and 42, zirconia was used for the substrate, but the efficiency was slightly lowered because the thermal conductivity was lower than that of other ceramic substrates.

試料Ｎｏ.２０、４３では基板にＳＵＳを使用したが、セラミック製基板に比べ熱膨張が大きいため、若干温度サイクル試験後の抵抗変化が大きかった。   In Sample Nos. 20 and 43, SUS was used for the substrate, but the resistance change after the temperature cycle test was slightly larger because of the larger thermal expansion than the ceramic substrate.

本発明の一実施形態の熱電変換モジュールの斜視透視図である。It is a perspective perspective view of the thermoelectric conversion module of one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態の２段熱電変換モジュールの斜視図である。It is a perspective view of the two-stage thermoelectric conversion module of one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態の熱電変換モジュール用支持基板の平面透視図である。It is a plane perspective view of the support substrate for thermoelectric conversion modules of one embodiment of the present invention.

符号の説明Explanation of symbols

１・・・支持基板
１ａ・・・（下部）支持基板
１ｂ・・・（上部）支持基板
１ｃ・・・（中間）支持基板
２・・・熱電変換素子
２ａ・・・Ｎ型熱電変換素子
２ｂ・・・Ｐ型熱電変換素子
３・・・金属層
３ａ・・・（下部内側）金属層
３ｂ・・・（上部内側）金属層
３ｃ・・・（下部外側）金属層
３ｄ・・・（上部外側）金属層
３ｅ・・・（中間部上側）金属層
３ｆ・・・（中間部下側）金属層
４・・・外部接続端子
５・・・リード線
６・・・接合材
７・・・熱電変換モジュール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Support substrate 1a ... (Lower) Support substrate 1b ... (Upper) Support substrate 1c ... (Intermediate) Support substrate 2 ... Thermoelectric conversion element 2a ... N type thermoelectric conversion element 2b ... P-type thermoelectric conversion element 3 ... Metal layer 3a (Lower inner side) Metal layer 3b (Upper inner side) Metal layer 3c (Lower outer side) Metal layer 3d (Upper part) Outer side) Metal layer 3e ... (Upper middle part) Metal layer 3f ... (Lower middle part) Metal layer 4 ... External connection terminal 5 ... Lead wire 6 ... Bonding material 7 ... Thermoelectric Conversion module

Claims (8)

金属層を両面に形成してなる絶縁基板であって、両面の金属層を投影した際の中心位置及び／又は平面形状及び／又は面積が異なることを特徴とする熱電変換モジュール用基板。 A substrate for a thermoelectric conversion module, which is an insulating substrate formed by forming metal layers on both sides, and has a different center position and / or planar shape and / or area when the metal layers on both sides are projected. 前記絶縁基板における両面の金属層の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール用基板。 2. The thermoelectric conversion module substrate according to claim 1, wherein a difference in an area ratio occupied by the metal layers on both surfaces of the insulating substrate is 70% or less. 前記絶縁基板の厚さが０．３〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換モジュール用基板。 The thermoelectric conversion module substrate according to claim 1 or 2, wherein the insulating substrate has a thickness of 0.3 to 3 mm. 前記絶縁基板がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱電変換モジュール用基板。 The thermoelectric conversion module substrate according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating substrate contains one or more elements selected from Al, Si, Mg, Ca, and C. 請求項１乃至４の何れかに記載の熱電変換モジュール用基板を支持基板として熱電変換素子を備えたことを特徴とする熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module comprising a thermoelectric conversion element using the thermoelectric conversion module substrate according to claim 1 as a support substrate. 請求項１乃至４の何れかに記載の前記熱電変換モジュール用基板を支持基板とし、該支持基板と熱電変換素子を交互に積み重ねて多段構造としたことを特徴とする熱電変換モジュール。 A thermoelectric conversion module, wherein the thermoelectric conversion module substrate according to claim 1 is used as a support substrate, and the support substrate and thermoelectric conversion elements are alternately stacked to form a multistage structure. 請求項５または６に記載の熱電変換モジュールを冷却手段としたことを特徴とする冷却装置。 A cooling device comprising the thermoelectric conversion module according to claim 5 as a cooling means. 請求項５または６に記載の熱電変換モジュールを発電手段としたことを特徴とする発電装置。 A power generation apparatus comprising the thermoelectric conversion module according to claim 5 as a power generation means.
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