JP2013084874A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギ貯蔵素子の各々に対して冷却が可能にし、エネルギ貯蔵装置の冷却の効率を高めるような構造を有する熱電モジュールを提供する。
【解決手段】本発明の熱電モジュール１００は、交互に配置される複数のＰ型熱電素子１１０及びＮ型熱電素子１２０と、Ｐ型熱電素子１１０とＮ型熱電素子１２０との間の各々に設けられる金属電極１３０と、Ｐ型熱電素子１１０とＮ型熱電素子１２０との間に位置する金属電極１３０の下面に接続される吸熱板１４０と、Ｎ型熱電素子１２０とＰ型熱電素子１１０との間に位置する金属電極１３０の上面に接続される発熱板１５０とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱電モジュールに関し、特に、エネルギ貯蔵装置に組み込まれるエネルギ貯蔵素子の各々に対して冷却が可能になるような構造を有する熱電モジュールに関する。

熱電素子（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｖｉｃｅ）とは熱電変換を用いるもので、自然系、機械ビルなどの人工物における温度の差によって起電力が発生する現象であるゼーベック効果（Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ）を用いる素子である。一般に、この熱電素子は、特許文献１に示されているように、熱電素子内の熱またはキャリアの移動方向が低温領域と高温領域との対向面間で垂直方向になされる。

熱電変換（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ）とは、熱エネルギと電気エネルギとの間のエネルギの変換である。熱電素子は大きく、熱電材料の両端に温度差がある時に電気が発生するゼーベック効果を用いる発電と、該熱電材料に電流を流すとその両端間に温度勾配が発生するようなペルティエ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）を用いる冷却との二つのアプリケーションを有する。

ゼーベック効果を用いると、コンピュータや自動車エンジンなどで発生した熱を電気エネルギに変換することができる。また、ペルティエ効果を用いると、冷媒が不要な各種冷却システムを具現することができる。そのため、最近、新エネルギ開発、廃エネルギ回数、環境保護などへの関心が高まるにつれて、熱電素子への関心も高くなっている。

特に、現在、電気／電子／通信／コンピュータ産業／自動車産業などに電源として用いられるエネルギ貯蔵装置は、高い駆動電圧を得るために、エネルギ貯蔵素子、例えば、複数のリチウムイオン電池（Ｌｉｔｈｉｕｍｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ）または複数の電気化学キャパシタ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ）からなる一つのモジュールとして製作されている。この場合、発熱によってエネルギ貯蔵装置の性能や寿命を低下させるという問題がある。そのため、最近には、熱電モジュールを用いるエネルギ貯蔵装置の冷却、システムへの研究が活発に行われている。

以下、従来の熱電モジュールの構成及びその冷却原理について説明し、該熱電モジュールをエネルギ貯蔵装置に適用する場合に発生する問題に対して詳記する。

図１は、従来の一般的な熱電素子モジュールを概略的に示す部分切欠斜視図である。

図１に示すように、従来の熱電素子モジュール１は、Ｐ型熱電材料３とＮ型熱電材料５とを備える。セラミックまたは窒化ケイ素で製造された一対の絶縁基板７には各々所定のパターンで電極９が付着され、これらの熱電材料３、５は電極９によって電気的に直列接続されている。

従来の熱電素子モジュール１において、端子２に接続されたリード線４を通じて電極９に直流電圧を印加すると、ペルティエ効果によって、Ｐ型熱電材料３からＮ型熱電材料５へと電流が流れる側は熱が発生し、反対に、Ｎ型熱電材料５からＰ型熱電材料３へと電流が流れる側は熱を吸収するようになる。よって、発熱側に接合された絶縁基板７は加熱され、吸熱側に接合された絶縁基板７は冷却される。

このような従来熱電モジュール１を用いるエネルギ貯蔵装置の冷却システムは、一例として、特許文献２に示されているように、単純にエネルギ貯蔵素子（図３中の符号１０）上に熱電モジュール（図３中の符号１４）を設けて吸熱部として作動する下部絶縁基板を通じて、熱を吸放出するような形態で具現されている。

または、熱電モジュールをエネルギ貯蔵モジュールその自体の上端または左右側面に付着する形態で具現されている。

米国特許出願公開第２００９-００２５７７３号 特開２００５-０５７００６号 韓国特許出願公開第１０−２００８-００３９１１５号

しかし、このようなシステムでは、エネルギ貯蔵素子の各々に対しては冷却が行わず、冷却効率が落ちるという問題がある。すなわち、エネルギ貯蔵装置において、発熱の主な構成装置は個々のエネルギ貯蔵素子であって、このようなエネルギ貯蔵素子で、最も広い面積を占める前面や後面に対して冷却が行わず、冷却効率が落ちてしまうことになる。

本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、エネルギ貯蔵素子の各々に対して冷却が可能にし、エネルギ貯蔵装置の冷却の効率を高めるような構造を有する熱電モジュールを提供することに、その目的ある。

上記目的を解決するために、本発明による熱電モジュールは、交互に配置される複数のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子との間に各々に設けられる金属電極と、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の下面に接続される吸熱板と、前記Ｎ型熱電素子と前記Ｐ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の上面に接続される発熱板と、を含む。

また、本発明の他の実施形態による熱電モジュールは、交互に配置される複数のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子との間各々に設けられる金属電極と、前記Ｎ型熱電素子とＰ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の下面に接続される吸熱板と、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の上面に接続される発熱板と、を含む。

一実施形態によれば、前記熱電モジュールは、前記吸熱板の前面及び後面のうちのいずれか一つ、または両面に設けられるエネルギ貯蔵素子を、さらに含む。

一実施形態によれば、前記Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子は、前記発熱板と所定の間隔を置いて離間される。

また、前記Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子は、前記吸熱板と所定の間隔を置いて離間される。

また、前記発熱板の前面は、ｚ軸を向けて露出する。

また、前記吸熱板の前面と前記金属電極の前面とが異なる角度で向けるようにして接続される。

また、前記金属電極、前記吸熱板及び前記発熱板は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＡｌＣ）及びアルミニウム（Ａｌ）のうちの少なくともいずれか一つから成る。

また、前記吸熱板の断面積は、前記エネルギ貯蔵素子の断面積より広い。

本発明による熱電モジュールをエネルギ貯蔵装置の冷却システムに適用する場合、該エネルギ貯蔵装置に設けられたエネルギ貯蔵素子の各々に対して冷却が可能で、冷却の効率を極大化することができるという効果が奏する。

従来の一般的な熱電素子モジュールを概略的に示す部分切欠斜視図である。 本発明による熱電モジュールの正面図である。 本発明による熱電モジュールの一部構成を示す斜視図である。 本発明による熱電モジュールにエネルギ貯蔵素子が付着された状態を示す模式図である。 本発明による熱電モジュールにおける熱の移動経路を示す模式図である。 本発明の他の実施形態による熱電モジュールの正面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態は図面を参考にして詳細に説明する。次に示される各実施の形態は当業者にとって本発明の思想が十分に伝達されることができるようにするために例として挙げられるものである。従って、本発明は以下示している各実施の形態に限定されることなく他の形態で具体化されることができる。そして、図面において、装置の大きさ及び厚さなどは便宜上誇張して表現されることができる。明細書全体に渡って同一の参照符号は同一の構成要素を示している。

本明細書で使われた用語は、実施形態を説明するためのものであって、本発明を制限しようとするものではない。本明細書において、単数形は文句で特別に言及しない限り複数形も含む。明細書で使われる「含む」とは、言及された構成要素、ステップ、動作及び／又は素子は、一つ以上の他の構成要素、ステップ、動作及び／又は素子の存在または追加を排除しないことに理解されたい。

以下、添付図面を参照して、本発明の構成及び作用効果について詳記する。

図２は、本発明による熱電モジュールの正面図で、図３は、本発明による熱電モジュールの一部構成を示す斜視図である。

図２及び図３に示すように、本発明による熱電モジュール１００は、交互に配置される複数のＰ型熱電素子１１０及びＮ型熱電素子１２０と、前記Ｐ型熱電素子１１０とＮ型熱電素子１２０との間に各々に設けられる金属電極１３０と、前記Ｐ型熱電素子１１０とＮ型熱電素子１２０との間に位置する前記金属電極１３０の下面に接続される吸熱板１４０と、前記Ｎ型熱電素子１２０と前記Ｐ型熱電素子１１０との間に位置する前記金属電極１３０の上面に接続される発熱板１５０とを含む。

前記複数のＰ型熱電素子１１０及びＮ型熱電素子１２０は、当業界で用いられるものならいずれもよい。例えば、ビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）及びセレン（Ｓｅ）よりなる郡から選ばれる少なくとも２種以上が挙げられる。

前記金属電極１３０は、前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子との間の各々に設けられ、これらのＰ型熱電素子１１０とＮ型熱電素子１２０とを電気的に直列接続する。

詳しくは、従来の熱電モジュールは、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とが下部電極パターンと上部電極パターンとの間に１個ずつ交互に並んで配設され、電極的には直列で接続され、構造的には並列で接続される。これに対して、本発明による熱電モジュール１００は、複数のＰ型熱電素子１１０及びＮ型熱電素子１２０が交互に配置され、前記金属電極１３０が前記Ｐ型熱電素子１１０とＮ型熱電素子１２０との間に各々設けられることによって、電極的には勿論、構造的にも直列で接続される形態を取る。

前記金属電極１３０は、熱電導性が優秀な銅（Ｃｕ）、銀（Ａｕ）、金（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びタングステン（Ｗ）のうちの少なくともいずれか一つが挙げられるが、これに限定するものではない。

示されていないが、、本発明による熱電モジュール１００は、両端に電圧を印加するために、前記複数のＰ型熱電素子１１０のうち最も左側に位置するＰ型熱電素子の左側面、及び前記複数のＮ型熱電素子１２０のうち最も右側に位置するＮ型熱電素子の右側面の各々に、金属電極が設けられてもよい。

このような構造によって、本発明による熱電モジュール１００に直流電圧を印加すると、Ｐ型熱電素子１１０内の正孔はマイナスの方へ、前記Ｎ型熱電素子１２０内の電子はプラスの方へ移動することになる。

図４は、吸熱板にエネルギ貯蔵素子が設けられた状態を示す模式図である。図４に示すように、吸熱板１４０は、冷却させようとする対象が発熱する熱を吸収する機能をする。これによって、前記吸熱板の前面（図３の１４０ａ）には、エネルギ貯蔵素子１６０が位置している。

このエネルギ貯蔵素子１６０は、例えば、リチウムイオン電池、電気化学キャパシタなどが挙げられるが、これに限定するものではない。

該冷却対象は、前記吸熱板の前面（図３の１４０ａ）の他に、後面にも位置してもよく、前後両面に位置してもよい。

このように、前記吸熱板に、発熱量の最も多いエネルギ貯蔵素子の中で断面積の最も広い面が直接位置する。このような構成がエネルギ貯蔵素子の各々に対して適用されて、冷却が行われることによって、従来の熱電モジュールを単にエネルギ貯蔵装置に付着して冷却する方式に比べて、冷却の効率を極大化することができる。

さらに効果的な熱伝達のために、前記吸熱板１４０の断面積は前記エネルギ貯蔵素子１６０の断面積より広く構成するのが望ましい。但し、吸熱板１４０間に短絡によって電気的なショットが発生しないように構成しなければならないことは当然である。

一方、前記吸熱板の前面（図３の１４０ａ）と前記金属電極の前面（図３の１３０ａ）とは異なる角度で向けるようにして接続される。一例として、図３に示すように、前記金属電極の前面１３０ａはｘ軸方向を向けるようにし、前記吸熱板の前面１４０ａはｙ軸方向を向けるようにして接続してもよい。

このような構造によって、エネルギ貯蔵装置においては、エネルギ貯蔵素子の配置方向に合わせて前記吸熱板の配置角度を適切に変更することができる。これによって、多様な形態のエネルギ貯蔵装置に対して、本発明による熱電モジュールを能動的に適用することができる。

また、前記Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子１１０、１２０は、望ましくは、前記吸熱板１４０と所定の間隔を置いて離間されてもよい。

これは、耐久性の弱い熱電素子の特性上、Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子１１０、１２０が前記発熱板１５０と直接接触すると、物理的に破損される恐れがあり、熱電性能が低下する恐れがあるためである。

前記発熱板１５０は、熱の移動によって、前記吸熱板１４０で吸収した熱を外部へ放出する機能をする。特に、前記発熱板１５０の前面（図３の１５０ａ）に放熱フィンが配置されるため、望ましくは、図３に示すように、前記発熱板１５０の前面１５０ａはｚ軸を向けて露出するように構成する。

また、前述のように、前記Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子は、前記発熱板１５０と所定の間隔を置いて離間されることが望ましい。

前記吸熱板１４０及び発熱板１５０は、熱電導性が優秀な銅（Ｃｕ）、銀（Ａｕ）、金（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びタングステン（Ｗ）のうちの少なくともいずれか一つが挙げられるが、これに限定するものではない。

図５は、本発明による熱電モジユールにおける熱の移動経路を示す模式図である。図５を参照して、本発明による熱電モジュール１００における熱の移動経路による冷却方式について詳記する。

示されていないが、本発明による熱電モジュール１００は、両端に電圧を印加するために、前記複数のＰ型熱電素子１１０のうち最も左側に位置するＰ型熱電素子の左側面、及び前記複数のＮ型熱電素子１２０のうち最も右側に位置するＮ型熱電素子の右側面の各々に金属電極が設けられてもよい。

このような構造で、前記複数のＰ型熱電素子１１０のうち最も左側に位置するＰ型熱電素子にマイナスの電圧を印加し、前記複数のＮ型熱電素子１２０のうち最も右側に位置するＮ型熱電素子にプラスの電圧を印加すると、前記各Ｐ型熱電素子１１０内の正孔（ｈｏｌｅ）は、前記吸熱板１４０が吸収した熱を有して前記金属電極１３０の右側に移動し、Ｎ型熱電素子１２０内の電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）は、前記吸熱板１４０が吸収した熱を有して前記金属電極１３０の左側に移動するようになる。

そして、このように前記各Ｐ型熱電素子１１０及びＮ型熱電素子１２０によって移動された熱は、前記金属電極１３０で集中するようになり、該金属電極１３０に集中された熱は前記発熱板１５０を通じて放出されることによって、冷却が行われる。

図６は、本発明の他の実施形態による熱電モジュールの正面図である。図６に示すように、本発明の他の実施形態による熱電モジュール２００は、交互に配置される複数のＮ型熱電素子２２０及びＰ型熱電素子２１０と、前記Ｎ型熱電素子２２０とＰ型熱電素子２１０との間の各々に設けられる金属電極２３０と、前記Ｎ型熱電素子２２０とＰ型熱電素子２１０との間に位置する前記金属電極２３０の下面に接続される吸熱板２４０と、前記Ｐ型熱電素子２１０と前記Ｎ型熱電素子２２０との間に位置する前記金属電極２３０の上面に接続される発熱板２５０とを含む。

示されていないが、、本発明の他の実施形態による熱電モジュール２００は、両端に電圧を印加するために、前記複数のＮ型熱電素子２２０のうち最も左側に位置するＮ型熱電素子の左側面、及び前記複数のＰ型熱電素子２１０のうち最も右側に位置するＰ型熱電素子の右側面の各々に金属電極が設けられてもよい。

このような構造で、前記複数のＮ型熱電素子２２０のうち最も左側に位置するＮ型熱電素子にプラスの電圧を印加し、前記複数のＰ型熱電素子２１０のうち最も右側に位置するＰ型熱電素子にマイナスの電圧を印加すると、前記Ｐ型熱電素子２１０内の正孔は前記吸熱板２４０が吸収した熱を有して前記金属電極２３０の左側に移動し、前記Ｎ型熱電素子２２０内の電子は前記吸熱板２４０が吸収した熱を有して前記金属電極２３０の右側に移動するようになる。

このように、各Ｐ型熱電素子２１０及びＮ型熱電素子２２０によって移動された熱は、前記各金属電極２３０で集中するようになり、該金属電極２３０に集中された熱は前記発熱板２５０を通じて放出されることによって、冷却が行われる。

このような熱の移動経路によって、本発明の他の実施形態による熱電モジュール２００は、図２の熱電モジュールと異なり、Ｎ型熱電素子２２０とＰ型熱電素子２１０との間に位置する金属電極２３０の下面には吸熱板２４０が接続されなければならなく、前記Ｐ型熱電素子２１０とＮ型熱電素子２２０との間に位置する前記金属電極２３０の上面には発熱板２５０が接続されなければならない。

一実施形態によれば、熱電モジュール２００は、図２の熱電モジュールと同様に、前記吸熱板２４０の前面及び後面のうちのいずれか一つ、または両面に設けられるエネルギ貯蔵素子をさらに含んでもよい。

前記Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子２１０、２２０は、望ましくは、前記吸熱板２４０と所定の間隔を置いて離間されるように構成する。また、望ましくは、Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子２１０、２２０は、前記発熱板２５０と所定の間隔を置いて離間されるように構成する。

本発明の他の実施形態による熱電モジュール２００は、前記発熱板２５０に放熱フィンが配置されてもよい。そのため、前記発熱板２５０の前面はｚ軸を向けて露出するように構成してもよい。

また、前記吸熱板２４０の前面と前記金属電極２３０の前面とは異なる角度で向けるようにして接続されてもよい。

金属電極２３０、吸熱板２４０及び発熱板２５０は、熱電導性が優秀な銅（Ｃｕ）、銀（Ａｕ）、金（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）及びタングステン（Ｗ）のうちの少なくともいずれか一つが挙げられる。また、エネルギ貯蔵素子の断面積より前記吸熱板２４０の断面積を広く構成することによって、冷却効率を高めることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、前記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００、２００ 熱電モジュール
１１０、２１０ Ｐ型熱電素子
１２０、２２０ Ｎ型熱電素子
１３０、２３０ 金属電極
１４０、２４０ 吸熱板
１５０、２５０ 放熱板
１６０ エネルギ貯蔵素子

Claims (9)

1. 交互に配置される複数のＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子と、
   前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子との間の各々に設けられる金属電極と、
   前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の下面に接続される吸熱板と、
   前記Ｎ型熱電素子と前記Ｐ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の上面に接続される発熱板
   とを含む熱電モジュール。
2. 交互に配置される複数のＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子と、
   前記Ｎ型熱電素子と前記Ｐ型熱電素子との間の各々に設けられる金属電極と、
   前記Ｎ型熱電素子と前記Ｐ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の下面に接続される吸熱板と、
   前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子との間に位置する前記金属電極の上面に接続される発熱板
   とを含む熱電モジュール。
3. 前記吸熱板の前面及び後面のうちのいずれか一つ、または両面に設けられるエネルギ貯蔵素子を、さらに含む請求項１または２に記載の熱電モジュール。
4. 前記Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子は、前記吸熱板と所定の間隔を置いて離間される請求項１または２に記載の熱電モジュール。
5. 前記Ｐ型及び／またはＮ型熱電素子は、前記発熱板と所定の間隔を置いて離間される請求項１または２に記載の熱電モジュール。
6. 前記発熱板の前面がｚ軸を向けて露出する請求項１または２に記載の熱電モジュール。
7. 前記吸熱板の前面と前記金属電極の前面とが異なる角度で向けるようにして接続される請求項１または２に記載の熱電モジュール。
8. 前記金属電極、前記吸熱板及び前記発熱板は、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）及びアルミニウム（Ａｌ）のうちの少なくともいずれか一つから成る請求項１または２に記載の熱電モジュール。
9. 前記吸熱板の断面積は、前記エネルギ貯蔵素子の断面積より広い請求項３に記載の熱電モジュール。

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