JP6066743B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

帯状のシート基材上に複数の熱電変換素子を配置した熱電変換モジュールに関する。

従来より、物体を加熱又は冷却したい場合或いは、物体と外気との温度差により発電したい場合に、熱電変換素子を備えた熱電変換モジュールを用いて、加熱・冷却或いは発電が行われている（例えば、特許文献１）。
さらに、配管に巻き付けて使用するために、フレキシブル性を具備する熱電変換モジュールも提案されている（例えば、特許文献２，３）。

特許第３５０１３９４号公報 特許第２８９６４９７号公報 特開２００５−２１７３５３号公報

熱電変換モジュールは、低温側／高温側の両側ともはんだ接合しておけば、強固な接合状態となり信頼性の高い導通性が得られるが、フレキシブル性が損なわれてしまう。

一方、フレキシブル性を確保するために、高温側と低温側とを交互に接続し、接続電極に柔軟性を持たせる構造の場合、構造上堅牢性に乏しく、接続電極に必要以上の応力が加わってしまい、導通性が経年変化するおそれがある。

また、接合部に導電性を有する弾性樹脂を用いると、長期的に使用した場合に経年変化が生じ、導通性を損なうおそれがある。

そこで本発明は、フレキシブル構造を備えつつ、信頼性の高い導通性を維持できる、フレキシブル熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
可撓性シート基材と、
前記可撓性シート基材上に隔離形成された複数の電極パッドを備えた電極部と、
前記電極部にペア接続されたＰ型熱電半導体とＮ型熱電半導体を備えた熱電半導体部と、
電極パッドに接続されたＰ型熱電半導体と当該電極パッドに隣接する他の電極パッドに接
続されたＮ型熱電半導体とが直列接続となるようにＰ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを
圧接しつつブリッジ接続する圧接電極部と、
前記電極部と圧接電極部とを弾性体で固定しておく弾性体固定部とを備え、
前記弾性体が硬化後に体積収縮する材料からなり、当該弾性体が、対向する前記電極部と圧接電極部との間に充填されて固定されていることで、前記圧接電極部を圧接状態にしているフレキシブル熱電変換モジュールである。

請求項２に記載の発明は、
前記圧接電極部は、前記熱電半導体と接触する部分が、バンプ形状である
ことを特徴とする、請求項１に記載のフレキシブル熱電変換モジュールである。

請求項３に記載の発明は、
前記圧接電極部は、前記熱電半導体部と接触する部分が、弾性体で形成されている
ことを特徴とする、請求項１に記載のフレキシブル熱電変換モジュールである。

請求項４に記載の発明は、
前記電極部は、前記熱電半導体部と接触する部分が、前記熱電半導体との接触面積よりも広い面積で凹んだ形状をしている
ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のフレキシブル熱電変換モジュールである。

本発明に係るフレキシブル熱電変換モジュールは、フレキシブル構造を備えつつ、信頼性の高い導通性を維持できる。

本発明を具現化する形態の一例を示す斜視図である。 図１に示したフレキシブル熱電変換モジュールの断面図である。 本発明を具現化する別の形態の一例を示す断面図である。 本発明を具現化するさらに別形態の一例を示す断面図である。

本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。以下の説明では、本発明に係るフレキシブル熱電変換モジュールの例として、リボン状のフレキシブル熱電変換モジュール１の構造について説明する。
各図中の直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、ＸＹ平面を水平面、Ｚ方向を鉛直方向とする。

図１は、本発明を具現化する形態の一例を示す斜視図であり、フレキシブル熱電変換モジュール１の外観を示している。
図２は、図１に示したフレキシブル熱電変換モジュールの断面図であり、フレキシブル熱電変換モジュール１の内部構造を示している。図２（ａ）は、図１においてＹ方向に見た断面を示し、図２（ｂ）は、図１においてＸ方向から見た断面を示している。

本発明に係るフレキシブル熱電変換モジュール１は、可撓性シート基材２と、電極部３と、熱電半導体部４と、圧接電極部５と、弾性体固定部６とを備えている。

可撓性シート基材２は、フレキシブル熱電変換モジュールの各構成部品を実装するものであり、加熱又は冷却対象となる部材に貼り付けたり巻き付けたりして使用するために可撓性を有している。具体的には、可撓性シート基材２として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリカーボネートなどのプラスチック樹脂や、エラストマー材料（いわゆるゴム材料）などをシート状に形成したものが例示できる。なお、可撓性シート基材２は、本体全体を絶縁材料で構成することが好ましいが、導電性を有する材料の表面を絶縁処理したもので構成しても良い。

電極部３は、可撓性シート基材２の上にランド若しくはパッドと呼ばれる電極（以下、電極パッド３１という）が複数形成されており、複数の電極部は互いに隔離した状態で形成されたものである。具体的には、電極部３は、銅やアルミなどの導電性材料を薄膜形成したものが例示できる。電極パッド３１の具体的な形成方法としては、金属薄膜を可撓性シート基材２上に形成した後、エッチング処理する形態が例示できる。

熱電半導体部４は、Ｐ型熱電半導体４１とＮ型熱電半導体４２とを備え、Ｐ型熱電半導体４１とＮ型熱電半導体４２とは、電極パッド３１上に所定の間隔を設けてペア接続されたものである。また、熱電半導体部４は、複数ある電極パッド３１の数に応じて、ペア接続されたＰ型熱電半導体４１とＮ型熱電半導体４２とをそれぞれ複数備えて構成されている。具体的には、Ｐ型熱電半導体４１とＮ型熱電半導体４２とは、電極パッド３１上に、はんだ接合されている。また、詳細を後述するが、はんだ接合に限らず、圧接する形態でも良い。

圧接電極部５は、電極パッドに接続されたＰ型熱電半導体と当該電極パッドに隣接する他の電極パッドに接続されたＮ型熱電半導体とが直列接続となるようにＰ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを圧接しつつブリッジ接続するものである。

圧接電極部５は、Ｐ型熱電半導体４１及びＮ型熱電半導体４２と接する側が、面接触若しくは線接触、点接触となっている。また、圧接電極部５は、Ｐ型熱電半導体４１及びＮ型熱電半導体４２とは、はんだ接合のような堅牢な接合ではなく、互いが触れ合い横滑りできる程度の圧接状態で導通がとられている。

弾性体固定部６は、対向する電極部３と圧接電極部５とを弾性体６１で固定しておくものである。具体的には、弾性体６１は、可撓性エポキシ樹脂やシリコーン樹脂、ビニル樹脂、ゴム系樹脂等が例示でき、硬化後に体積収縮する材料であることが好ましい。弾性体固定部６は、熱電半導体部４と圧接電極部５とを接触させた状態、より好ましくは圧接させた状態で、対向する電極部３と圧接電極部５との間に充填し固定する。

そうすることで、熱電半導体部４と圧接電極部５とは、互いが触れ合い横滑りできる程度の圧接状態となる。そして、フレキシブル熱電変換モジュール１を曲げ伸ばししても、導通が損なわれること（つまり、断線状態となること）を防ぎ、信頼性の高い導通性を維持できる。

なお、弾性体固定部６は、Ｐ型熱電半導体４１やＮ型熱電半導体４２と直接触れ合わずに形成されることが好ましい。しかし、圧接電極部５がＰ型熱電半導体４１やＮ型熱電半導体４２が互いに触れ合い横滑りできれば、弾性体固定部６は、Ｐ型熱電半導体４１やＮ型熱電半導体４２と触れ合った状態で形成されていても良い。

［圧接電極部の別形態］
図３は、本発明を具現化する別形態の一例を示す断面図である。
図３に示すフレキシブル熱電変換モジュール１ｂは、図２に示したフレキシブル熱電変換モジュール１と、基本的な構造は同じであるが、圧接電極部５ｂの形状が相違する。フレキシブル熱電変換モジュール１ｂは、圧接電極部５ｂは、熱電半導体部４（つまり、Ｐ型熱電半導体４１及びＮ型熱電半導体４２）と接触する部分が、バンプ形状の突起物５１となっている。そのため、圧接電極部５ｂの導通部分は、常に突出した部分が熱電半導体部４と触れ合う。そうすることで、フレキシブル熱電変換モジュールを曲げ伸ばししても、導通が損なわれることを防ぎ、より信頼性の高い導通性を維持できる。

［圧接電極部のさらに別形態］
図４は、本発明を具現化するさらに別形態の一例を示す断面図である。
図４に示すフレキシブル熱電変換モジュール１ｃは、図２に示したフレキシブル熱電変換モジュール１と、基本的な構造は同じであるが、圧接電極部５ｃの形状が相違する。フレキシブル熱電変換モジュール１ｃは、圧接電極部５ｃは、熱電半導体部４（つまり、Ｐ型熱電半導体４１及びＮ型熱電半導体４２）と接触する部分が、弾性体で形成されている。この場合、弾性体としては、圧接電極部５ｃの一部を打ち抜き加工するなどして、板バネ状の突起物５２を形成して構成することができる。そうすることで、フレキシブル熱電変換モジュールを過度に曲げ伸ばししても、圧接電極部５の導通部分が常に突出した状態を維持しつつ、熱電半導体部４と接触する部分の圧力集中が緩和される。そのため、熱電半導体部４との導通が損なわれることや、熱電半導体部４に集中応力が加わることによる破損を防ぎ、信頼性の高い導通性を維持できる。

［電極部の別形態］
本発明に係る電極部は、図１に示すように平坦な電極パッド３１で構成しても良いが、図４に示すように凹んだ電極パッド３３で構成した電極部３ｂとしても良い。凹んだ電極パッド３３を形成するには、先ず平坦な可撓性シート基材上に平坦な電極パッドを形成し、電極パッドをエンボス加工する形態を例示できる。若しくは、予めエンボス加工された可撓性シート基材の凹んだ部分に電極パッドを形成する形態であっても良い。なお、電極部を凹んだ電極パッド３３で構成した場合、電極パッド３３と熱電半導体部４とは、はんだ接合せずに圧接保持される状態にしておく。このような、凹んだ電極パッド３３の上に熱電半導体部４を配置すれば、フレキシブル熱電変換モジュールを繰り返し曲げ伸ばししても、熱電半導体部４の移動範囲は、凹んだ電極パッド３３の一定の範囲内に限られる。そのため、熱電半導体部４が位置ずれしたとしても、凹んだ電極パッド３３及び圧接電極部５との導通状態を維持できる。

このとき、電極パッド３３は、熱電半導体部４と接触する部分が、熱電半導体４との接触面積よりも広い面積で凹んだ形状をしていることが好ましい。そうすることで、凹んだ電極パッド３３の範囲内で、熱電半導体４が大きく位置ずれしても、凹んだ電極パッド３３と圧接電極部５との導通状態を維持し続けることができる。

なお、電極部を凹んだ電極パッド３３で構成する形態は、圧接電極部５をバンプ形状とした形態や、板バネ状の突起物を形成して構成する形態と組み合わせてフレキシブル熱電変換モジュールを構成することが可能である。

上述したフレキシブル熱電変換モジュール１，１ｂ，１ｃは、電極部３の両端をそれぞれ正極／負極用のリード線接続部として用いることにより、所望の熱電変換モジュールとして機能する。また、長尺の可撓性シート基材を準備し、各部（電極部３、熱電半導体４、圧接電極部５、弾性体固定部６）を一方向（図１におけるＸ方向）に多数配置し、それらを直列接続する個数を増やすようにしても良い。

また、各部をＸ方向に直列接続されたフレキシブル熱電変換モジュールをＹ方向にも複数配置し、当該モジュール同士が並列接続又は直列接続となるようにしても良い。

１ フレキシブル熱電変換モジュール
１ｂ フレキシブル熱電変換モジュール
１ｃ フレキシブル熱電変換モジュール
２ 可撓性シート基材
３ 電極部
３ｂ 電極部
４ 熱電半導体
５ 圧接電極部
５ｂ 圧接電極部
５ｃ 圧接電極部
６ 弾性体固定部
３１ 電極パッド
３３ 凹んだ電極パッド
４１ Ｐ型熱電半導体
４２ Ｎ型熱電半導体
５１ バンプ形状の突起物
５２ 板バネ状の突起物（弾性体）
６１ 弾性体

Claims (4)

1. 可撓性シート基材と、
   前記可撓性シート基材上に隔離形成された複数の電極パッドを備えた電極部と、
   前記電極部にペア接続されたＰ型熱電半導体とＮ型熱電半導体を備えた熱電半導体部と、
   電極パッドに接続されたＰ型熱電半導体と当該電極パッドに隣接する他の電極パッドに接続されたＮ型熱電半導体とが直列接続となるようにＰ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを圧接しつつブリッジ接続する圧接電極部と、
   前記電極部と圧接電極部とを弾性体で固定しておく弾性体固定部とを備え、
   前記弾性体が硬化後に体積収縮する材料からなり、当該弾性体が、対向する前記電極部と圧接電極部との間に充填されて固定されていることで、前記圧接電極部を圧接状態にしているフレキシブル熱電変換モジュール。
2. 前記圧接電極部は、前記熱電半導体と接触する部分が、バンプ形状である
   ことを特徴とする、請求項１に記載のフレキシブル熱電変換モジュール。
3. 前記圧接電極部は、前記熱電半導体部と接触する部分が、弾性体で形成されている
   ことを特徴とする、請求項１に記載のフレキシブル熱電変換モジュール。
4. 前記電極部は、前記熱電半導体部と接触する部分が、前記熱電半導体との接触面積よりも広い面積で凹んだ形状をしている
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のフレキシブル熱電変換モジュール。

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