JP6170013B2 - 熱電モジュールおよびこれを用いた熱電装置 - Google Patents

Description

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およびこれを用いた熱電装置に関するものである。

熱電モジュールとして、例えば、特許文献１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、対向する２つの支持基板と、２つの支持基板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、熱電素子に電圧を加えることによって、熱電素子の一端側と他端側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、熱電素子の一端側と他端側との間に温度差を与えることによって、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。

特開２００７−２６６１３８号公報

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、以下のような問題点があった。例えば、熱電モジュールを熱電発電に使用するときには、一方の支持基板の全面を平坦な面を有する外部の熱源に接触させることになる。このとき、一方の支持基板のうち外部の熱源に接触している面と、この面に対向する面との間には温度差が生じることになる。この温度差によって熱源に接触している面側とこの面に対向する面側との間で熱膨張量に差が生じる場合があった。これにより、一方の支持基板において周縁部が熱源から離れるように反ってしまう場合があった。その結果、一方の支持基板と熱源との接触面積が減少してしまい、一方の支持基板と熱源との間で熱が伝わりにくくなってしまい、熱電発電の効率が低下してしまう場合があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、一方の支持基板と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる熱電モジュールおよびこれを用いた熱電装置を提供することにある。

本発明の一態様の熱電モジュールは、第１支持基板と、該第１支持基板の上面に下面が対向するように設けられた上面が平坦な第２支持基板と、前記第１支持基板の上面および前記第２支持基板の下面の間に複数配列された熱電素子と、前記第２支持基板の上面に下面が接するように設けられた熱拡散板とを備えており、該熱拡散板の上面が平坦な面を有する熱源の当該平坦な面と接する熱源接触面であるとともに、該熱源接触面は中央が凹に
なるように前記熱拡散板の全体が湾曲していることを特徴とする。

本発明の他の態様の熱電装置は、上述の熱電モジュールと、該熱電モジュールが前記熱源接触面で接している熱源とを備えており、前記熱拡散板が前記熱源に押し付けられることによって前記熱源接触面が平坦に変形した状態で前記熱源に接することを特徴とする。

本発明の一態様の熱電モジュールによれば、第２支持基板の上面に熱拡散板が設けられていることによって、第２支持基板の代わりに熱拡散板を熱源に接触させることになるために、第２支持基板に反りが生じる可能性を低減できる。そして、この熱拡散板の上面が熱源と接する熱源接触面であるとともに、中央が凹になるように全体が湾曲していることによって、熱拡散板と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる。具体的には、熱拡散板の熱源接触面の中央が凹になるように全体が湾曲していることによって、熱拡散板に周縁部が熱源から離れるような反りが生じたときに、熱拡散板の熱源接触面を平坦に近付けることができる。そのため、熱拡散板と熱源との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱拡散板と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる。

また、本発明の熱電装置は、第２支持基板の上面に熱拡散板が設けられていることから、第２支持基板の代わりに熱拡散板を熱源に接触させることになるために、第２支持基板に反りが生じる可能性を低減できる。そして、この熱拡散板が熱源に押し付けられて平坦になっている状態で熱源に接することによって、熱拡散板に凹に湾曲した形状に戻ろうとする内部応力を働かせることができる。そのため、熱拡散板のうち熱源接触面と熱源接触面に対向する面との間に温度差が生じて、熱源接触面側と熱源接触面に対向する面側との間で熱膨張量に差が生じたとしても、熱拡散板に反りが生じることを抑制できる。その結果、熱拡散板と熱源との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱源から熱拡散板への熱を伝わりやすくすることができる。

本発明の一実施形態の熱電モジュールを示す断面図である。 図１に示した熱電モジュールを用いた熱電装置の断面図である。

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複数の熱電素子３と、第２支持基板２の上面に下面が接するように設けられた熱拡散板４とを備えている。

＜第１支持基板の構成＞
第１支持基板１は、主に、第２支持基板２と共に熱電素子３を支持するための部材である。第１支持基板１は、四角形状の部材である。

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、横を１０〜５０ｍｍ、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５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電極の構成＞
第１電極５は、熱電素子３に電圧を加えるため、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１に示すように、第１電極５は、第１支持基板１の上面に設けられている。第１電極５は、第２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１電極５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５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、これを第１電極５となる部分にマスキングを施して、これ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５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５６を形成してもよい。

＜第２支持基板の構成＞
第２支持基板２は、主に第１支持基板１と共に熱電素子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に下面が対向するように設けられている。第２支持基板２と第１支持基板１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、横を１０〜５０ｍｍ、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、平面視したときに全体が第１支持基板１に重なっている。

第２支持基板２は、第１支持基板１と対向する下面に第２電極６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電極の構成＞
第２電極６は、熱電素子３に電圧を加えるため、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１に示すように、第２電極６は、第２支持基板２の下面に設けられている。第２電極６は、第１電極５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２電極６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、これを第２電極６となる部分にマスキングをして、これ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６の形状に成形した銅板を第２支持基板２に貼り付けることによって第２電極６を形成してもよい。

＜熱電素子の構成＞
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。そして、熱電素子３は、半田によって第１電極５に接合されている。複数の熱電素子３は、第１電極５および第２電極６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_２Ｂ_３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、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（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、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｓｅ_３（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、熱源素子３を側面に角が無い形状にすることができるので、ヒートサイクル下において熱電素子３の側面に局所的に熱応力が集中することによってクラックが生じる可能性を低減できる。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。

＜熱拡散板の構成＞
熱拡散板４は、熱源から第２支持基板２へ熱を拡散させて伝えるための部材である。熱拡散板４は、第２支持基板２の上面に下面が接するように設けられている。熱拡散板４は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等を用いて第２支持基板２に接着されている。

熱拡散板４は、上面が全面で熱源と接する熱源接触面４０であるとともに、熱源接触面４０は中央が凹になるように全体が湾曲している。熱拡散板４は、例えば、アルミニウムまたは銅等の熱伝導性に優れていて比較的変形しやすい部材から成る。熱電モジュール１０は、熱拡散板４が設けられていることによって、熱源の温度分布にばらつきがあったとしても、このばらつきを熱拡散板４内部での熱の拡散によって低減して、第２支持基板２の全体にほぼ一様に熱を伝えることができる。これにより、第２支持基板２に生じる熱応力を低減できる。

本実施形態の熱電モジュール１０は、第２支持基板２の上面に熱拡散板４が設けられており、この熱拡散板４の上面が熱源と接する熱源接触面４０であるとともに、熱源接触面４０が中央が凹になるように全体が湾曲していることによって、熱拡散板４と熱源との間で熱を伝わりやすくすることができる。具体的には、熱拡散板４の熱源接触面４０の全面を平坦な面を有する熱源に接触させたときに、熱拡散板４の熱源接触面４０と熱源接触面４０に対向する面（下面）との間に温度差が生じることになり、熱拡散板４に周縁部が熱源から離れるような反りが生じることになる。このとき、熱拡散板４の熱源接触面４０を中央があらかじめ凹になるように全体を湾曲させておくことによって、熱源接触面４０に反りが生じたときに、熱源接触面４０を平坦に近付けることができる。そのため、熱拡散板４と熱源との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱拡散板４と熱源との間の熱を伝わりやすくすることができる。

本実施形態の熱拡散板４は、平面視したときの形状が四角形であって、板の全体が湾曲することによって熱源接触面４０の中央が凹になるように全体が湾曲している。より詳し
くは、熱拡散板４は、図１に示す断面だけではなく、熱拡散板４に垂直な断面で見たときに、その断面においても同様に湾曲している。このような熱拡散板４は、金属板に外力を加えて湾曲させることによって得ることができる。

熱拡散板４の寸法は、下面が第２支持基板２の上面よりも大きくなるように適宜設定される。熱拡散板４の全体が湾曲している場合における熱拡散板４の反り量は、熱拡散板４がアルミニウムから成るとともに寸法を縦を６２ｍｍ、横を６２ｍｍ、厚さを１ｍｍに設定した場合には、例えば、２５０μｍ程度に設定できる。なお、ここでいう反り量とは、３次元測定器を用いて熱拡散板４の外周の角部の４点の位置を測定して、この４点を通る仮想面を考えたときに、この仮想面から見て熱拡散板４の中央がどの程度低いところに位置しているかを測定したものである。

さらに、本実施形態の熱電モジュール１０によれば、第２支持基板２の外周が熱拡散板４の外周よりも内側に位置している。これにより、熱拡散板４の周縁部に変形が生じたとしても、この周縁部の変形によって第２支持基板２に生じる影響を低減できる。

さらに、本実施形態の熱電モジュール１０によれば、熱拡散板４の熱伝導率が第２支持基板２の熱伝導率よりも小さい。これにより、熱拡散板４の上面から下面に向って熱がゆっくりと伝わることになるので、熱源から伝わる熱を拡散させて第２支持基板２に伝えることができる。また、第２支持基板２の熱伝導率が大きいことによって、熱拡散板４で拡散された熱を速やかに熱電素子３に伝えることができる。

さらに、本実施形態の熱電モジュール１０によれば、熱拡散板４の厚みが第２支持基板２の厚みよりも厚い。これにより、熱拡散板４の上面から下面に熱が伝わるのに要する時間が長くなるので、熱源の温度分布に経時変化がある場合に、この温度分布の経時変化をゆるやかにして第２支持基板２に熱を伝えることができる。さらに、第２支持基板２の厚みが熱拡散板４よりも薄いことによって、第２支持基板２に伝わった熱を速やかに熱電素子３に伝えることができる。

図２に示すように、本実施形態の熱電装置１００は、上述の熱電モジュール１０と、熱電モジュール１０が熱源接触面４０で接している熱源７とを備えている。熱源７としては、例えば、コンピュータ、自動車の排気ガス、産業炉または工業炉等を用いることができる。

熱源７は熱源接触面４０の全面と接することから、熱源７のうち熱源接触面４０と接する面は熱源接触面４０よりも大きい。熱拡散板４が熱源７に押し付けられることによって、熱源接触面４０が平坦に変形した状態で熱源７に接している。これにより、熱拡散板４に凹に湾曲した形状に戻ろうとする内部応力を働かせることができる。そのため、熱拡散板４のうち熱源接触面４０と熱源接触面４０に対向する面との間に温度差が生じたとしても、熱拡散板４に反りが生じることを抑制できる。その結果、熱拡散板４と熱源７との接触面積が減少してしまうことを抑制できるので、熱拡散板４と熱源７との間で熱を伝わりやすくすることができる。例えば、上述のように熱拡散板４がアルミニウムから成り、縦が６２ｍｍ、横が６２ｍｍ、厚さが１ｍｍ、反り量が２５０μｍの場合には、７５００Ｎ程度の圧力を加えながら熱拡散板４を熱源７に押し付けることによって、熱拡散板４の熱源接触面４０を平坦にした状態で熱源７に接触させることができる。

なお、本実施形態の熱電モジュール１０および熱電装置１００においては、第１支持基板１、第２支持基板２および熱拡散板４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、第２支持基板２および熱拡散板４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、第２支持基板２および熱拡散板４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。

１：第１支持基板
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：熱拡散板
４０：熱源接触面
５：第１電極
６：第２電極
７：熱源
１０：熱電モジュール
１００：熱電装置

Claims (5)

1. 第１支持基板と、該第１支持基板の上面に下面が対向するように設けられた上面が平坦な第２支持基板と、前記第１支持基板の上面および前記第２支持基板の下面の間に複数配列された熱電素子と、前記第２支持基板の前記上面に下面が接するように設けられた熱拡散板とを備えており、
   該熱拡散板の上面が平坦な面を有する熱源の当該平坦な面と接する熱源接触面であるとともに、該熱源接触面は中央が凹になるように前記熱拡散板の全体が湾曲していることを特徴とする熱電モジュール。
2. 前記第２支持基板の外周が前記熱拡散板の外周よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
3. 前記熱拡散板の熱伝導率が前記第２支持基板の熱伝導率よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
4. 前記熱拡散板の厚みが前記第２支持基板の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の熱電モジュール。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の熱電モジュールと、該熱電モジュールが前記熱源接触面で接している熱源とを備えており、前記熱拡散板が前記熱源の前記平坦な面に押し付けられることによって前記熱源接触面が平坦に変形した状態で前記熱源に接することを特徴とする熱電装置。

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