JP2007035907A - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却あるいは放熱用の熱交換器を兼ね備え、空調機、冷温庫、発熱体の冷却、熱電発電等に好適に使用され、特に自動車シートの冷却または加温の用途に好適な熱電モジュールに関する。 The present invention also has a heat exchanger for cooling or radiating heat, and is preferably used for an air conditioner, a cold storage, a cooling of a heating element, a thermoelectric power generation, and the like, and particularly suitable for an application for cooling or heating an automobile seat. About.
従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素子は、冷却用途の熱電モジュールとして恒温槽、冷蔵庫、半導体製造装置等に多用されている。また、電流を反転させることで冷却と加熱の両方が可能であるので、冷温庫や空調機の用途にも使用されている。さらに、この熱電モジュールは温度差を与えることで電気を取り出すことも可能なため、熱電発電装置としても注目されている。 Conventionally, thermoelectric elements using the Peltier effect have been widely used in thermostats, refrigerators, semiconductor manufacturing apparatuses and the like as thermoelectric modules for cooling applications. Moreover, since both cooling and heating are possible by reversing an electric current, it is used also for the use of a cold storage and an air conditioner. Furthermore, since this thermoelectric module can also take out electricity by giving a temperature difference, it attracts attention as a thermoelectric power generation apparatus.
これらの熱電モジュールの代表的な構造としては、図１に示すように、支持基板１ａ、１ｂの表面に、それぞれ配線導体（電極）２ａ、２ｂが形成され、熱電素子３（Ｎ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂ）が配線導体２ａ、２ｂによって挟持されるとともに、電気的に直列に連結されるように構成されている。このＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂは、交互に配列され、電気的に直列になるように配線導体２ａ、２ｂで接続され、さらに外部接続端子４に接続されている。これにより、外部接続端子４から熱電素子３に直流電圧を印加することができ、その電流の向きに応じて吸熱あるいは発熱させることができる。
As a typical structure of these thermoelectric modules, as shown in FIG. 1, wiring conductors (electrodes) 2a and 2b are formed on the surfaces of
この熱電モジュールにおいて吸熱された熱量は、放熱面から放熱され、同時に放熱面は通電されたジュール発熱も放熱させる必要がある。従って、吸熱あるいは発熱のエネルギーを冷温庫あるいは空調機に用いるためには、放熱面を放熱しやすい構造にする必要がある。放熱特性が悪いと放熱できない熱量が冷却面に移動するため、冷却特性を大幅に低下させる。従って、熱電モジュールの冷却効率を高める上で放熱特性を高めることは特に重要である。 The amount of heat absorbed in the thermoelectric module is radiated from the heat radiating surface, and at the same time, the heat radiating surface needs to radiate the heated Joule heat. Therefore, in order to use the energy of heat absorption or heat generation in a cold storage or air conditioner, it is necessary to make the heat radiation surface easy to radiate heat. If the heat dissipation characteristics are poor, the amount of heat that cannot be dissipated moves to the cooling surface, which greatly reduces the cooling characteristics. Therefore, it is particularly important to improve the heat dissipation characteristics in order to increase the cooling efficiency of the thermoelectric module.
放熱面の放熱特性を向上させる方法としては、放熱特性の高い水冷のヒートシンクを接合することが理想的であるが、水冷構造が複雑で大型になるため、一般的にはフィンあるいはファン、さらにはフィン付きのファンなどの熱交換器を放熱面に接着して使用されている。また、冷却面にも熱交換器を使用することで冷却、加熱の両方に使用することが可能になるばかりではなく、フィンを空冷させ、その空気を利用することで冷却あるいは放熱可能な簡易的な空調機として使用可能となる。 As a method of improving the heat dissipation characteristics of the heat dissipation surface, it is ideal to join a water-cooled heat sink with high heat dissipation characteristics, but since the water-cooling structure is complicated and large, generally fins or fans, It is used by adhering a heat exchanger such as a fan with fins to the heat dissipation surface. In addition to using a heat exchanger on the cooling surface, not only can it be used for both cooling and heating, but air can be used to cool or dissipate the fins by air. It can be used as a simple air conditioner.
ここで、冷却あるいは放熱の両方に使用が可能な熱電モジュールにおける熱交換器の連結方法としては、グリースによる連結手段が簡便であり、一般的に用いられている。また、特許文献１には、放熱特性を高めるために、絶縁層を熱交換器と電極の間に配し、グリースの代わりに熱伝導率の高い導電性接着剤を使用して密着させる方法が開示されている。また、特許文献２には、絶縁基板に樹脂材料からなる薄いシートを使用し、粘着材を用いて接着させる方法 が開示されている。さらに、特許文献３には、絶縁基板の代わりに電気絶縁性のグリースを用いて接着させる方法が開示されている。
しかしながら、冷却、加熱の両方に用いられる熱交換器を兼ね備えた熱電モジュールは、消費電力と冷却性能の比（冷却性能／消費電力）で示される成績係数（ＣＯＰ）では、未だ実用領域では１以下であり、圧縮型冷凍機のＣＯＰの３〜４と比較すると効率が格段に悪く、限定された用途でしか使用されていない。また、近年では、例えば自動車のシートの冷却など、性能を保証する温度及び湿度の幅が広がり、より過酷な環境での用途が広がっており、性能向上と同時に高い耐久特性及び信頼性が要求されている。
However, a thermoelectric module having a heat exchanger used for both cooling and heating still has a coefficient of performance (COP) indicated by the ratio of power consumption to cooling performance (cooling performance / power consumption), which is still less than 1 in the practical range. In comparison with
このような見地において、上述した接着剤、粘着材あるいはグリースなどによる接着では、それらの熱伝導率が低いために放熱特性が良好とは言えず、また気孔を含んだり、あるいは厚みばらつきを生じやすく性能安定性も高めることが困難である。特に、これらの接着材料は有機成分を混合しているために、自動車用などの高温多湿条件で長期間使用した場合に、有機成分の変性により密着性が悪くなり耐久性が十分ではないという問題がある。 In such a viewpoint, the above-mentioned adhesive, adhesive, or grease bonding cannot be said to have good heat dissipation characteristics because of their low thermal conductivity, and also contains pores or tends to cause thickness variations. It is difficult to improve performance stability. In particular, since these adhesive materials are mixed with organic components, when used for a long time under high-temperature and high-humidity conditions, such as those for automobiles, the adhesion is deteriorated due to the modification of the organic components, and the durability is not sufficient. There is.
従って、本発明は、放熱特性が高く、かつ、高温多湿環境において長期信頼性に優れる熱電モジュールを得ることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to obtain a thermoelectric module having high heat dissipation characteristics and excellent long-term reliability in a high temperature and high humidity environment.
上記課題を解決するための本発明の熱電モジュールは、支持基板と、該支持基板の一方の主面側に配列された複数の熱電素子と、該熱電素子と前記支持基板との間に配設され、隣接する熱電素子間を電気的に連結する電極と、前記支持基板の他方の主面側に配設された熱交換器とを備えた熱電モジュールにおいて、前記支持基板が金属板であり、該金属板と前記熱交換器との間にはこれらを連結するための金属からなる連結部材が配設されていることを特徴とする。 The thermoelectric module of the present invention for solving the above problems is provided with a support substrate, a plurality of thermoelectric elements arranged on one main surface side of the support substrate, and between the thermoelectric element and the support substrate. In the thermoelectric module comprising an electrode that electrically connects adjacent thermoelectric elements and a heat exchanger disposed on the other main surface side of the support substrate, the support substrate is a metal plate, A connecting member made of metal for connecting the metal plate and the heat exchanger is disposed between the metal plate and the heat exchanger.
また、本発明における前記連結部材ははんだであるのが好ましく、前記はんだはＳｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、ＺｎおよびＩｎからなる群より選ばれる少なくとも一種を主成分とするＰｂフリーはんだであるのがより好ましく、前記はんだの厚みは５μｍ以上であるのがさらに好ましい。 In the present invention, the connecting member is preferably a solder, and the solder is a Pb-free solder whose main component is at least one selected from the group consisting of Sn, Bi, Ag, Cu, Au, Zn, and In. The thickness of the solder is more preferably 5 μm or more.
本発明における前記金属板と前記電極との間には、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、エポキシおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選ばれる少なくとも１種を主成分とする樹脂層が配設されているのが好ましく、前記樹脂層は無機酸化物または無機窒化物からなるフィラーを含有しているのがより好ましく、前記樹脂層の厚みは０．０１ｍｍ以上であるのがさらに好ましい。 Between the metal plate and the electrode in the present invention, a resin layer mainly composed of at least one selected from the group consisting of polyimide, polyamide, polyamideimide, epoxy and polyethylene terephthalate is disposed. The resin layer preferably contains a filler made of an inorganic oxide or an inorganic nitride, and the thickness of the resin layer is more preferably 0.01 mm or more.
本発明では、前記金属板の厚みは０．５ｍｍ以下であるのがよく、また、前記金属板及び/または熱交換器は銅またはアルミニウムであるのがよい。 In the present invention, the thickness of the metal plate may be 0.5 mm or less, and the metal plate and / or the heat exchanger may be copper or aluminum.
本発明の熱電モジュールによれば、熱交換器が、支持基板である金属板に、金属からなる連結部材により連結されているので、グリース、導電性接着剤、粘着剤などのように有機成分を多く含む材料を用いて熱交換器を接合する場合と比較して、熱抵抗を大幅に低減することができるため、熱電モジュールの効率を高めることができる。また、連結部材が有機成分を含まないので、高温高湿下における変性が少なく、自動車用途などのように高温多湿条件下であっても、長期的に安定した性能を得ることができる。 According to the thermoelectric module of the present invention, since the heat exchanger is connected to the metal plate as the support substrate by the connecting member made of metal, the organic component such as grease, conductive adhesive, and adhesive is removed. Compared with the case where the heat exchanger is joined using a material containing a large amount, the thermal resistance can be greatly reduced, so that the efficiency of the thermoelectric module can be increased. In addition, since the connecting member does not contain an organic component, there is little denaturation under high temperature and high humidity, and long-term stable performance can be obtained even under high temperature and high humidity conditions such as for automobiles.
また、金属板と電極との間に樹脂層を配設するときには、電極と、金属板および熱交換器との電気的絶縁状態を維持し、熱交換器の確実な絶縁が可能となる。また、樹脂層がポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、エポキシおよびポリエチレンテレフタレートからなる群より選ばれる少なくとも１種を主成分とするときには、高温高湿雰囲気中における樹脂の変質を抑え、長期間の使用が可能となる。さらに、樹脂層が酸化物または窒化物からなるフィラーを含有しているときには、樹脂の熱伝導性を高め、放熱特性を向上させることができる。また、樹脂層の厚みを０．０１ｍｍ以上にするときには、電気的な絶縁性能の耐久性を安定して高いレベルに維持することができる。 In addition, when the resin layer is disposed between the metal plate and the electrode, the electrical insulation state between the electrode, the metal plate, and the heat exchanger is maintained, and the heat exchanger can be reliably insulated. In addition, when the resin layer is mainly composed of at least one selected from the group consisting of polyimide, polyamide, polyamideimide, epoxy and polyethylene terephthalate, it is possible to suppress deterioration of the resin in a high-temperature and high-humidity atmosphere and use it for a long time. It becomes. Furthermore, when the resin layer contains a filler made of oxide or nitride, the thermal conductivity of the resin can be increased and the heat dissipation characteristics can be improved. Further, when the thickness of the resin layer is 0.01 mm or more, the durability of the electrical insulation performance can be stably maintained at a high level.
また、連結部材としてはんだを用いるときには、熱応力あるいは変形に対してはんだが応力を緩和する働きをするので、冷却あるいは放熱の繰り返しを行う使用条件下においても優れた耐久性を発揮する。このはんだがＳｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、ＺｎおよびＩｎからなる群より選ばれる少なくとも一種を主成分とするＰｂフリーはんだであるときには、Ｐｂを含有することによる環境への影響を低減できると同時にこれらのはんだは密着性が高いために熱交換器と金属板の連結強度を高めることができる。さらに、はんだの厚みを５μｍ以上にするときには、はんだの一部が熱交換器の側面にまで広がって熱交換器と金属板との接合面積が大きくなるので、接合強度を高めることができるとともに、熱抵抗および熱抵抗のばらつきを低下させ、熱電モジュールの性能ばらつきを低減することができる。 Further, when solder is used as the connecting member, the solder works to relieve the stress against thermal stress or deformation, so that excellent durability is exhibited even under use conditions in which cooling or heat dissipation is repeated. When this solder is a Pb-free solder whose main component is at least one selected from the group consisting of Sn, Bi, Ag, Cu, Au, Zn, and In, it is possible to reduce the environmental impact by containing Pb. At the same time, since these solders have high adhesion, the connection strength between the heat exchanger and the metal plate can be increased. Furthermore, when the thickness of the solder is 5 μm or more, a part of the solder spreads to the side surface of the heat exchanger and the joining area between the heat exchanger and the metal plate is increased, so that the joining strength can be increased. It is possible to reduce thermal resistance and variations in thermal resistance, and reduce performance variations in thermoelectric modules.
また、金属板の厚みが０．５ｍｍ以下であるときには、熱電モジュールの可撓性が向上し、熱電モジュールの変形に対する応力を緩和することが可能となるので、モジュールの耐久性を高めることができる。さらに、金属板及び／または熱交換器が銅またはアルミニウムであるときには、熱電モジュールの放熱性能をより高めることができる。 Further, when the thickness of the metal plate is 0.5 mm or less, the flexibility of the thermoelectric module is improved and the stress against deformation of the thermoelectric module can be relaxed, so that the durability of the module can be improved. . Furthermore, when the metal plate and / or the heat exchanger is copper or aluminum, the heat dissipation performance of the thermoelectric module can be further improved.
以上のように、本発明によれば、放熱特性及び耐久特性が優れた熱電モジュールが得られ、本発明の熱電モジュールを用いて冷温庫、空調機等に用いることで冷却効率が高く、高温高湿の環境下でも長期間使用することが可能となる。 As described above, according to the present invention, a thermoelectric module having excellent heat dissipation characteristics and durability characteristics can be obtained. By using the thermoelectric module of the present invention for a cold storage room, an air conditioner, etc., cooling efficiency is high, It can be used for a long time even in a humid environment.
図２は本発明の一実施形態にかかる熱電モジュールを示す断面図である。 FIG. 2 is a sectional view showing a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention.
図２に示すように、本実施形態にかかる熱電モジュールは、金属板６ａ、６ｂからなる一対の金属板６と、金属板６ａおよび金属板６ｂのそれぞれの一方の主面側（対向する主面間）に配列された複数のＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂからなる熱電素子３と、該熱電素子３と金属板６ａとの間および熱電素子３と金属板６ｂとの間に配設され、隣接するＮ型熱電素子３ａ及びＰ型熱電素子３ｂ間を電気的に連結する電極２と、金属板６ａの他方の主面側および金属板６ｂの他方の主面側にそれぞれ配設された熱交換器７，７とを備えている。また、金属板６ａと電極２との間および金属板６ｂと電極２との間には樹脂層５がそれぞれ配設されている。さらに、金属板６ａと熱交換器７との間および金属板６ｂと熱交換器７との間にはこれらを連結するための金属からなる連結部材８，８がそれぞれ配設されている。各熱電素子３は、電極２により電気的に直列に連結されている。
As shown in FIG. 2, the thermoelectric module according to the present embodiment includes a pair of metal plates 6 including
このような構造の熱電モジュールでは、電極２に発生する吸熱または放熱を熱交換器７に伝熱し、熱交換器７によって冷却または放熱される。このとき、熱交換器７に空気を流し空冷させることによって、冷却または加熱された空気が発生し、空調機として使用することが可能である。また、熱交換器７を直接断熱された空間に入れることで冷温庫を容易に作製できる。
In the thermoelectric module having such a structure, heat absorption or heat dissipation generated in the
本発明では、図２における熱交換器７と金属板６とが金属からなる連結部材８により連結されていることが重要である。金属からなる連結部材によって連結することで、有機成分を含むグリース等で連結した場合と比べて、熱電素子３を連結する電極２の表面に発生した吸熱あるいは放熱の熱伝導性を高め、熱抵抗を低減できる。さらに、有機成分を含まないために、長期使用による蒸発や揮発による変性等がなく、安定して使用することができる。
In the present invention, it is important that the
具体的には、自動車の車内では、例えば温度−１０℃〜８０℃、湿度１０〜８５％といった幅広い温度、湿度域に晒されるため、有機成分を含むグリース等の連結部材の場合、有機成分の蒸発や揮発による重量減少によって密着性及び熱伝導性が損なわれていくが、金属からなる連結部材８ではそのような重量減少がないために安定して使用することができる。
Specifically, in an automobile, for example, since it is exposed to a wide range of temperatures and humidity ranges such as a temperature of −10 ° C. to 80 ° C. and a humidity of 10 to 85%, in the case of a connecting member such as grease containing an organic component, Adhesion and thermal conductivity are impaired by weight reduction due to evaporation or volatilization, but the
さらに、本発明によれば、連結部材８は、金属であれば特に限定されるものではなく、例えばＡｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ａｌなどのロウ材であってもよいが、はんだであるのが望ましい。はんだが好ましい理由は、以下の通りである。すなわち、前述したように熱電モジュールは両面において大きな温度差を発生させるために熱応力が発生しやすい。この熱応力は特に連結部に集中しやすいため、連結部に変形しやすいはんだを用いることで冷熱の繰り返しに対する耐久性を大幅に高めることが可能となる。特に、Ｓｎ、Ｂｉ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、ＺｎおよびＩｎからなる群より選ばれる少なくとも一種を主成分とするはんだを用いることで、接合強度を高め、耐久性を高めることができる。具体的なはんだ組成としては、質量％比で、４２Ｓｎ−５８Ｂｉ、９５Ｓｎ−５Ｓｂ、９６．５Ｓｎ−３．５Ａｇ、４８Ｓｎ−５２Ｉｎ、９６．５Ｓｎ−３Ａｇ−０．５Ｃｕ、８０Ａｕ−２０Ｓｎ、９１Ｓｎ−９Ｚｎなどが好適に使用できる。また、Ｐｂフリーはんだとすることで環境への影響を小さくし、Ｐｂイオンによる耐久性の劣化を抑制することができる。
Further, according to the present invention, the connecting
連結部材８の厚みは、５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、より好ましくは１０〜２０μｍにするのがよい。これにより、熱交換器７と連結部材８の界面に密着不良が生じるのを防止し、熱抵抗を低減させることができる。この厚みが５μｍ未満である場合、密着していない空間が発生しやすくなり熱抵抗を増大させると同時に密着性を低下させるおそれがある。特にそのような密着不良の領域は応力も集中しやすく繰り返し使用における耐久性も劣化させるおそれがある。
The thickness of the connecting
金属板６の厚みは、熱応力を緩和する見地から、０．５ｍｍ以下、好ましくは０．１〜０．３ｍｍであるのがよい。厚みが０．５ｍｍを超える場合、剛性が高くなり容易に変形できずに応力集中を引き起こし繰り返しの耐久特性を低下させるおそれがある。 The thickness of the metal plate 6 is 0.5 mm or less, preferably 0.1 to 0.3 mm, from the viewpoint of relaxing thermal stress. If the thickness exceeds 0.5 mm, the rigidity becomes high and the film cannot be easily deformed, causing stress concentration, which may reduce repeated durability characteristics.
また、金属板６は、連結部材８で熱交換器７と連結される面と反対側の面に絶縁層を形成するが、この絶縁層は樹脂層５であることが望ましい。樹脂層５としては、ポリイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、エポキシ、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の少なくとも１種を用いることで前述した高温高湿環境においても化学的に安定した特性を得ることができる。樹脂層５の厚みは、０．０１ｍｍ以上にすることが絶縁性を保つ上で好ましく、より好ましくは０．０２ｍｍ以上、さらに好ましくは０．０３ｍｍ以上、特に好ましくは０．０３〜０．１ｍｍであるのがよい。金属板６の表面に樹脂層５を形成する方法としては、例えば２００〜４００℃程度の温度をかけながら応力をかけ圧着する熱圧着による方法が例示できる。
The metal plate 6 forms an insulating layer on the surface opposite to the surface connected to the
樹脂層５には、無機酸化物または無機窒化物といった高熱伝導性のフィラーを含有することが絶縁層の熱伝導率を高め、熱抵抗を低減させるうえで好ましい。フィラーの添加率は、３０体積％以上、好ましくは３０〜７０体積％であるのがよい。また、フィラーは、粒径が１μｍ以上、好ましくは１０〜１００μｍ程度で、鱗片状の粒子であるのが、熱伝導率を高める上で好ましい。フィラーとしては、例えばアルミナ、酸化亜鉛、酸化ケイ素などの酸化物、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの窒化物を例示することができる。
The
金属板６及び／または熱交換器７を構成する材料は、銅またはアルミニウムであるのが高い熱伝導率が得られ、熱交換特性を高める上で望ましい。特に、両方とも同じ材料で熱膨張率を合わせることで、連結時の熱応力を低減することができる。さらに、両方とも銅を用いることがはんだ接合を容易にさせる上で好ましい。アルミニウムを用いる場合は、表面にＳｎなどのメッキ層を形成することではんだ接合が可能になる。
The material constituting the metal plate 6 and / or the
本発明では、熱交換器７としては、放熱するための構造を有しているものであれば特に限定されず、図２に示すような空気が流れる空間を有する構造や放熱用のピンが多数ある構造のフィンなどが好ましく、さらにファンを兼ね備えたものであれば空冷が同時に可能となる。また、熱交換器７としては、表面積を大きくしたウェーブ型や表面に凹凸を設けた構造を付与することでさらに熱交換効率を高めることが可能となるので望ましい。
In the present invention, the
次に、本実施形態にかかる熱電モジュールの製造方法について説明する。まず、公知の技術で作製された熱電材料からなる熱電素子を準備する。この熱電材料は、ビスマス、テルル系材料が高い熱電特性を得られる点で好ましい。また、熱電材料としては、一度溶融させて固化した溶製材料、合金粉末を粉砕しホットプレス等で焼結させた焼結材料、ブリッジマン法などにより一方向に凝固させた単結晶材料などを使用することができるが、特に単結晶材料が高性能である点で好ましい。 Next, a method for manufacturing the thermoelectric module according to the present embodiment will be described. First, a thermoelectric element made of a thermoelectric material manufactured by a known technique is prepared. As this thermoelectric material, bismuth and tellurium materials are preferable in that high thermoelectric characteristics can be obtained. Thermoelectric materials include melted and solidified materials once melted, sintered materials obtained by pulverizing alloy powders and sintered by hot pressing, single crystal materials solidified in one direction by the Bridgeman method, etc. Although it can be used, single crystal materials are particularly preferable because of their high performance.
これらの熱電材料を用いて公知の技術により熱電素子を作製する。熱電素子の作製方法は、インゴットをスライスして、ニッケルなどでメッキ、蒸着、溶射などにより反応防止層を形成した後、ダイシング加工を行い、素子を得る方法がある。また、単結晶状の棒に耐環境性を有するエポキシ樹脂などの耐メッキ性の樹脂をコーティングした後、切断し、電解メッキ、無電界メッキなどで切断面のみにニッケルを成膜させる方法がコストと水分による腐食をさらに防止する上で好ましい。また、ニッケル層の上にＳｎまたはＡｕの層を配設することが連結部材との連結性を高める上で好ましい。 Using these thermoelectric materials, thermoelectric elements are produced by a known technique. As a method for manufacturing a thermoelectric element, there is a method in which an ingot is sliced, a reaction preventing layer is formed by plating, vapor deposition, thermal spraying, or the like with nickel, and then dicing is performed to obtain an element. In addition, it is costly to coat a single crystal rod with an environment-resistant epoxy resin or other plating-resistant resin, and then cut and deposit nickel on the cut surface only by electrolytic plating or electroless plating. It is preferable for further preventing corrosion due to moisture. Further, it is preferable to dispose a Sn or Au layer on the nickel layer in order to improve the connectivity with the connecting member.
次に、前述した金属板６および絶縁基板を準備する。本発明では、絶縁基板は樹脂層５であるのが好ましい。金属板を樹脂層５の一方の面に、電極を樹脂層５の他方の面に形成する方法としては、公知の方法であれば良いが、熱圧着による接着が容易であるため望ましい。接着強度を高めるために接着剤をコーティングする方法など施しても良い。これらの面に金属板および電極を接着した後に片面あるいは両面をフォトレジスト法によりパターンエッチングを行い、電極が金属配線された絶縁基板が得られる。パターンエッチングする金属としてはアルミニウムまたは銅がよく、特に銅が熱伝導率及び電気伝導性も高いため好ましい。
Next, the metal plate 6 and the insulating substrate described above are prepared. In the present invention, the insulating substrate is preferably the
次に、熱電素子３と樹脂層５を接合する。まず、樹脂層５に形成した電極２の表面にはんだを配列する。はんだを配列する方法はいくつかあるが、スクリーン印刷法により配列する方法が容易である。ついで、はんだが配列された電極２の表面に熱電素子３を配列する。熱電素子３はＮ型とＰ型の２種類の素子を千鳥状に配列する。接合する方法としては公知の技術であればいずれでも良いが、Ｎ型およびＰ型それぞれを別々に振動させながら配列穴加工された冶具に振り込む振込み式で配列させた後、転写し絶縁基板上に配列する方法が簡便で好ましい。熱電素子３を配列した後、はんだを配列させた反対の絶縁基板を上面に設置する。配置された熱電素子を挟んだ絶縁基板を公知の技術によりはんだ接合する。はんだ接合の方法としては、リフロー炉あるいはヒーターによる加熱などいずれでも良いが、絶縁基板に樹脂を用いる場合、上下面に応力をかけながら加熱することがはんだと素子の密着性を高める上で好ましい。
Next, the
次に、得られた熱電素子の両面に取り付けられた金属板６と熱交換器７を連結部材８にて連結する。使用する熱交換器７はその用途によって形、材質が異なるが、冷却を主とする空調機器として使用する場合は、銅製のフィンが好ましく、特に空冷で使用する場合、空気と接触する面積が増えるように波状の形で作製されたフィンが望ましい。また、放熱側の熱交換器７をより熱交換量が大きいものにすることによって放熱をよくし、冷却特性を向上させることが出来る。
Next, the metal plate 6 attached to both surfaces of the obtained thermoelectric element and the
はんだを用いて連結させる場合は、はんだを両面の金属板６上に印刷したのち熱交換器７を両側に配置し、熱電素子３を接合させた場合と同様に両側に応力をかけながら加熱することで連結できる。このとき、印刷に使用するはんだの種類、量によって連結状態の厚み、耐熱性、密着性を調整することが可能である。連結される金属の面の凹凸が大きく荒れた面にすることでアンカー効果が発生し、密着性を高めることができる。最後に、得られた熱交換器７が連結された熱電モジュールに電流を通電するためのリード線（図示せず）をはんだこて等で接合し、本発明の熱電モジュールが得られる。
When connecting using solder, after printing the solder on the metal plates 6 on both sides,
上記のようにして得られた熱電モジュールは熱交換器７と熱電素子３の間の連結部にグリースなどの有機成分を用いないため、長期間にわたって連結部の変質による性能変化が起こらず、また水分等による腐食も少なく、さらには冷却と加熱を交互に用いるような用途においても高い耐久特性を有する。
Since the thermoelectric module obtained as described above does not use an organic component such as grease in the connection portion between the
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、支持基板が金属板であり、該金属板と熱交換器との間にこれらの連結するための金属からなる連結部材が配設されている種々の熱電モジュールを包含するものである。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A support substrate is a metal plate, The connection member which consists of a metal for these connection between this metal plate and a heat exchanger is arrange | positioned. The various thermoelectric modules currently used are included.
以下に本発明の実施例を示す。 Examples of the present invention are shown below.
まず、サイズが１．５ｍｍ角の熱電素子と、表１に示す材質でサイズが４０ｍｍ×４０ｍｍの絶縁基板を準備した。次に、熱交換器として銅、アルミニウム、鉄、真鍮から作製され、金属板との接合面のサイズが４０ｍｍ×４０ｍｍの波型のフィンを準備した。銅以外の熱交換器の表面にはＳｎメッキを施した。熱電モジュールの作製方法とフィンを連結させる方法として、以下の３種類の方法で行った。 First, a thermoelectric element having a size of 1.5 mm square and an insulating substrate having the size shown in Table 1 and a size of 40 mm × 40 mm were prepared. Next, a corrugated fin made of copper, aluminum, iron, and brass as a heat exchanger and having a joint surface size of 40 mm × 40 mm with a metal plate was prepared. The surface of the heat exchanger other than copper was subjected to Sn plating. The following three types of methods were used as a method for producing a thermoelectric module and a method for connecting fins.
（方法１）はんだによる連結：表１に示す金属板を絶縁基板の一方の主面に熱圧着した。この絶縁基板の他方の主面には、配線導体（電極）として厚み１０５μｍの銅を所定のパターンで配線した。その後、熱電素子を８０Ａｕ−２０Ｓｎのはんだで電極に接合し、熱電モジュールを作製した。次に、表１に示す種類と厚みのはんだを金属板に印刷し、熱交換器と熱電モジュールを接着させた後、０．１〜０．５ＭＰａで加圧しながらリフロー炉で処理した。リフロー温度は使用するはんだ融点より５０〜１００℃高い温度にて行った。 (Method 1) Connection with solder: The metal plate shown in Table 1 was thermocompression bonded to one main surface of the insulating substrate. On the other main surface of the insulating substrate, copper having a thickness of 105 μm was wired in a predetermined pattern as a wiring conductor (electrode). Then, the thermoelectric element was joined to the electrode with 80Au-20Sn solder to produce a thermoelectric module. Next, the solder of the kind and thickness shown in Table 1 was printed on a metal plate, the heat exchanger and the thermoelectric module were bonded, and then processed in a reflow furnace while being pressurized at 0.1 to 0.5 MPa. The reflow temperature was 50 to 100 ° C. higher than the melting point of the solder used.
（方法２）金属ロウによる連結：表１に示す連結部材を用いて金属板と熱交換器を真空炉にてロウ材の融点より５０〜１００℃高い温度で接合した。次に、絶縁基板と金属板が連結された熱交換器を熱圧着し、最後に８０Ａｕ−２０Ｓｎのはんだで熱電素子と熱交換器が連結している配線導体付き絶縁基板とを接合し熱電モジュールを得た。 (Method 2) Connection by metal brazing: Using a connection member shown in Table 1, a metal plate and a heat exchanger were joined in a vacuum furnace at a temperature 50 to 100 ° C. higher than the melting point of the brazing material. Next, the heat exchanger in which the insulating substrate and the metal plate are connected is thermocompression bonded, and finally, the thermoelectric module is joined to the insulating substrate with the wiring conductor in which the thermoelectric element and the heat exchanger are connected with 80Au-20Sn solder. Got.
（方法３）グリース、導電性接着剤による連結：はんだによる接合の方法と同じ手順で熱電モジュールを作製し、次に熱交換器を連結した。連結面に表１に示す連結部材を塗布後、０．１〜０．５ＭＰａの加圧を施し連結させた。 (Method 3) Connection with grease and conductive adhesive: A thermoelectric module was produced in the same procedure as the method of joining with solder, and then a heat exchanger was connected. After applying the connecting member shown in Table 1 to the connecting surface, pressurization of 0.1 to 0.5 MPa was applied for connection.
得られた熱交換器付熱電モジュールに５０Ｗの電力を投入して温度差を発生させながら、両方の熱交換器にそれぞれ６ｍ／ｓｅｃの風を放熱、冷却面にあてて、冷却側の風の入り口温度と出口温度の差を温度差とし、流れた空気の比熱から冷却能力を計算した。同時に通電を１分おきに反転させる耐久試験を１００００サイクル実施し、耐久試験後の冷却能力の変化を計算した。さらに、湿度８０％の環境で１０００時間通電し、連続通電後の冷却能力の変化も合わせて算出した。結果を表１に示す。
表１において、金属板と熱交換器の連結部材として金属以外のグリース等を用いた本発明外である試料Ｎｏ．９〜１１は、初期の冷却能力は比較的高いものの、１００００サイクルの耐久試験後では、冷却能力が初期と比べて８１〜８４％まで低下した。また、湿度８０％で１０００時間運転させたあとの冷却能力は初期と比べて５０〜５６％と大幅に低下した。一方、本発明の範囲内である試料Ｎｏ．１〜８および１２〜３５では絶縁基板の厚みが１０μｍ以下でショートした試料Ｎｏ．２２を除けばいずれも初期冷却能力が２８Ｗ以上あり、１００００サイクルの耐久試験後の冷却特性が８５％以上と高く、また湿度８０％で１０００時間運転させたあとの変化率が８９％以上と高く、本発明品の反転運転及び高湿下における耐久特性が優れていることが確認された。 In Table 1, sample No. 1 outside the present invention using grease other than metal as a connecting member between the metal plate and the heat exchanger. In 9 to 11, although the initial cooling capacity was relatively high, after the endurance test of 10,000 cycles, the cooling capacity decreased to 81 to 84% compared to the initial stage. Moreover, the cooling capacity after 1000 hours of operation at a humidity of 80% was greatly reduced to 50 to 56% compared to the initial stage. On the other hand, Sample No. which is within the scope of the present invention. In samples 1 to 8 and 12 to 35, the sample No. Except for No. 22, the initial cooling capacity is 28 W or more, the cooling characteristics after the endurance test of 10,000 cycles are as high as 85% or more, and the change rate after operating for 1000 hours at 80% humidity is as high as 89% or more. It was confirmed that the product of the present invention was excellent in the inversion operation and durability under high humidity.
１ 支持基板
２ 配線導体
３ 熱電素子
３ａ Ｎ型熱電素子
３ｂ Ｐ型熱電素子
４ 外部接続端子
５ 樹脂層
６ 連結部材
６ａ 連結部材
６ｂ 連結部材
７ 熱交換器
８ 金属板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
6 connecting
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