JP6193772B2 - Thermoelectric module - Google Patents
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Description
本発明は、温度調節、特に自動車用シートクーラーおよび燃料電池の温度調節に使用される熱電モジュールに関するものである。 The present invention relates to a thermoelectric module used for temperature adjustment, particularly for vehicle seat cooler and fuel cell temperature adjustment.
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、複数の熱電素子と、複数の熱電素子を接続する熱電素子用配線パターンと、基板に一体形成された、温度測定または温度制御を行ない必要に応じて過電流を検出遮断するためのサーミスタとを備えている。熱電モジュールは、例えば、熱電素子に電力を供給することによって、その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、例えば、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。これらの性質を活かして、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。 As a thermoelectric module, for example, a thermoelectric module described in Patent Document 1 is known. The thermoelectric module described in Patent Document 1 includes a plurality of thermoelectric elements, a thermoelectric element wiring pattern for connecting the plurality of thermoelectric elements, and temperature measurement or temperature control integrally formed on the substrate, and overcurrent as necessary. And a thermistor for detecting and blocking. For example, the thermoelectric module can generate a temperature difference between one end side and the other end side of the thermoelectric element by supplying electric power to the thermoelectric element. Moreover, the thermoelectric module can generate electric power by giving a temperature difference between the one end side and other end side of a thermoelectric element, for example. Taking advantage of these properties, thermoelectric modules are used for temperature control or thermoelectric generation.
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、冷却用として使用中に周囲が高温になるとその影響で正温度係数サーミスタの抵抗が増大し、熱電素子に過電流が流れていないにも関わらず電流を遮断してしまう誤動作が生じるという問題点があった。 However, in the thermoelectric module described in Patent Document 1, when the ambient temperature becomes high during use for cooling, the resistance of the positive temperature coefficient thermistor increases due to the influence, and no overcurrent flows through the thermoelectric element. There was a problem that a malfunction that interrupted the current occurred.
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたものであり、サーミスタの誤動作による電流遮断の発生を防止しつつ冷却用として冷却性能を維持することができる熱電モジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric module capable of maintaining cooling performance for cooling while preventing occurrence of current interruption due to malfunction of the thermistor. And
本発明の一様態の熱電モジュールは、第１領域および該第１領域に隣接する第２領域を有する上面を備えた第１支持基板と、前記第１領域に下面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１領域および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第１支持基板の下面または前記第２支持基板の上面の少なくとも一方に設けられたフィンと、前記第２領域に金属製の接合材によって固定されて実装された直方体状の正温度係数サーミスタとを備えており、前記接合材は、前記正温度係数サーミスタのうち対向する２つの側面に設けられており、前記正温度係数サーミスタの少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着しているとともに、前記接合材は、前記正温度係数サーミスタのうち前記フィンを通過する気体の入口側の側面よりも、前記フィンを通過する気体の出口側の側面に多く設けられていることを特徴とする。 A thermoelectric module according to one aspect of the present invention is provided with a first support substrate having an upper surface having a first region and a second region adjacent to the first region, and a lower surface facing the first region. Fins provided on at least one of the second support substrate , a plurality of thermoelectric elements arranged between the first region and the second support substrate, and the lower surface of the first support substrate or the upper surface of the second support substrate And a rectangular parallelepiped positive temperature coefficient thermistor fixed and mounted on the second region by a metal bonding material, and the bonding material is disposed on two opposing side surfaces of the positive temperature coefficient thermistor. provided, wherein with attached from the lower end to the upper end at least a portion of at least one side surface of the positive temperature coefficient thermistor, wherein the bonding material, said one of said positive temperature coefficient thermistor Than the inlet side of the side surface of the gas passing through the fin, characterized in that it is often provided on the side surface of the outlet side of the gas passing through the fin.
本発明の一態様の熱電モジュールによれば、接合材が正温度係数サーミスタの少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着していることから、正温度係数サーミスタから接合材へ良好に放熱できるようになるので、使用中に周囲の高温の影響で正温度係数サーミスタの温度が上昇して抵抗が増大するのを抑制することができ、誤動作によって電流を遮断することを抑制できる。その結果、熱電モジュールの信頼性が向上する。 According to the thermoelectric module of one aspect of the present invention, since the bonding material adheres from the lower end to the upper end in at least a part of at least one side surface of the positive temperature coefficient thermistor, the positive temperature coefficient thermistor is excellent from the bonding material. Therefore, it is possible to prevent the resistance of the positive temperature coefficient thermistor from increasing due to the influence of the surrounding high temperature during use, and to prevent the current from being interrupted due to a malfunction. As a result, the reliability of the thermoelectric module is improved.
以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, a thermoelectric module according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は本発明の一実施形態の熱電モジュール１０の要部を示す図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。なお、図１（ａ）および（ｂ）はいずれも支持基板の端部における正温度係数サーミスタの近傍のみを部分的に示している。図１（ａ）および（ｂ）はいずれも断面図ではないが、部材を把握しやすくするために適宜にハッチングなどを施している。また、図１（ｂ）においては、構成を把握しやすくするために第２支持基板１４を除いた状態で示している。 FIG. 1 is a view showing a main part of a thermoelectric module 10 according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a partial side view and (b) is a partial plan view. 1A and 1B partially show only the vicinity of the positive temperature coefficient thermistor at the end of the support substrate. 1A and 1B are not cross-sectional views, but are appropriately hatched to make it easier to grasp the members. In FIG. 1B, the second support substrate 14 is removed in order to make it easy to grasp the configuration.
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においては、第１領域１３ａおよびこの第１領域１３ａに隣接する第２領域１３ｂを有する上面を備えた第１支持基板１３と、第１領域１３ａに下面が対向するように設けられた第２支持基板１４と、第１領域１３ａおよび第２支持基板１４の間に複数配列された熱電素子１５，１６と、第２領域１３ｂに金属製の接合材１２によって固定されて実装された直方体状の正温度係数サーミスタ１１とを備えている。そして、接合材１２は、正温度係数サーミスタ１１の少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着している。なお、本実施形態は、熱電モジュール１０を温度調節のために例えば冷却用として使用する場合の例で説明する。そのため、第１支持基板１３および第２支持基板１４にはそれぞれ外側に放熱用のフィン１８が接合されており、例えばブロアの風をこのフィン１８に通すことで、温風または冷風を得て温度調節に利用している。温度調節の対象物としては、例えばシートクーラーや燃料電池等が挙げられる。 As shown in FIG. 1, in the thermoelectric module 10 of one embodiment of the present invention, a first support substrate 13 having a first region 13a and a top surface having a second region 13b adjacent to the first region 13a, A second support substrate 14 provided so that the lower surface faces the first region 13a, a plurality of thermoelectric elements 15 and 16 arranged between the first region 13a and the second support substrate 14, and a second region 13b And a rectangular parallelepiped positive temperature coefficient thermistor 11 fixed and mounted by a metal bonding material 12. The bonding material 12 is attached from the lower end to the upper end on at least a part of at least one side surface of the positive temperature coefficient thermistor 11. In addition, this embodiment demonstrates by the example in the case of using the thermoelectric module 10 for cooling, for example for temperature control. For this reason, the first support substrate 13 and the second support substrate 14 are respectively joined with heat-dissipating fins 18 on the outside. For example, by passing the blower air through the fins 18, hot air or cold air is obtained to obtain the temperature. It is used for adjustment. Examples of the temperature adjustment target include a seat cooler and a fuel cell.
＜第１支持基板１３および第２支持基板１４＞
第１支持基板１３および第２支持基板１４は熱電素子１５，１６および正温度係数サーミスタ１１を支持するための部材である。第１および第２支持基板１３，１４には熱電素子１５、１６および正温度係数サーミスタ１１に電力を供給するための電極１７が設けられることから、第１および第２支持基板１３，１４の少なくとも電極１７側は絶縁材料からなる。第１および第２支持基板１３，１４としては、例えば、アルミナフィラーを添加してなるエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体もしくは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の熱電素子１５，１６と反対側の主面に、外部への伝熱または放熱用の銅板（図示せず）を貼り合わせた基板を用いることができる。また、第１および第２支持基板１３，１４の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の熱電素子１５，１６側の主面に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、酸化アルミニウム質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等からなる絶縁性のセラミック層を設けた基板を用いることができる。
<First support substrate 13 and second support substrate 14>
The first support substrate 13 and the second support substrate 14 are members for supporting the thermoelectric elements 15 and 16 and the positive temperature coefficient thermistor 11. Since the first and second support substrates 13 and 14 are provided with electrodes 17 for supplying electric power to the thermoelectric elements 15 and 16 and the positive temperature coefficient thermistor 11, at least the first and second support substrates 13 and 14 are provided. The electrode 17 side is made of an insulating material. As the first and second support substrates 13 and 14, for example, thermoelectric elements 15 and 16 of an epoxy resin plate to which an alumina filler is added or a ceramic plate such as an aluminum oxide sintered body or an aluminum nitride sintered body are used. A substrate in which a copper plate (not shown) for heat transfer or heat dissipation to the outside is bonded to the main surface on the opposite side can be used. In addition, as another example of the first and second support substrates 13 and 14, an epoxy resin, a polyimide resin, or an aluminum oxide-based ceramic is formed on the main surface of the copper plate, the silver plate, or the silver-palladium plate on the thermoelectric elements 15 and 16 side. A substrate provided with an insulating ceramic layer made of a sintered body or an aluminum nitride sintered body can be used.
第１および第２支持基板１３，１４は、平面視したときの形状が、例えば四角形状または多角形状等である。形状が四角形状である場合には、寸法は、例えば縦を４０〜７０ｍｍ、横を４０〜７０ｍｍ、厚さを０．０５〜３ｍｍに設定することができる。 The first and second support substrates 13 and 14 have, for example, a quadrangular shape or a polygonal shape when viewed in plan. When the shape is a quadrangular shape, the dimensions can be set to 40 to 70 mm in length, 40 to 70 mm in width, and 0.05 to 3 mm in thickness, for example.
＜電極１７＞
電極１７は、熱電素子１５，１６に電力を供給するため、または熱電素子１５，１６で生じた電力を取り出すための部材である。電極１７は複数の熱電素子１５，１６および正温度係数サーミスタ１１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１５およびｎ型熱電素子１６を順に直列に電気的に接続し、さらに正温度係数サーミスタ１１をこれらに直列に電気的に接続している。電極１７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。電極１７は、例えば、第１および第２支持基板１３，１４の熱電素子１５，１６側の主面に銅板を貼り付けておき、これを所望のパターンに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成形した銅板を第１および第２支持基板１３，１４の熱電素子１５，１６側の主面に貼り付けてもよい。
<Electrode 17>
The electrode 17 is a member for supplying electric power to the thermoelectric elements 15 and 16 or taking out electric power generated in the thermoelectric elements 15 and 16. The electrode 17 is provided so as to electrically connect the plurality of thermoelectric elements 15 and 16 and the positive temperature coefficient thermistor 11. Specifically, the adjacent p-type thermoelectric element 15 and n-type thermoelectric element 16 are electrically connected in series in order, and the positive temperature coefficient thermistor 11 is electrically connected in series therewith. The electrode 17 is made of, for example, copper, silver, or silver-palladium. The electrode 17 is formed, for example, by attaching a copper plate to the main surfaces of the first and second support substrates 13 and 14 on the thermoelectric elements 15 and 16 side and etching the copper plate into a desired pattern. Moreover, you may affix the copper plate shape | molded by stamping to the main surface at the side of the thermoelectric elements 15 and 16 of the 1st and 2nd support substrates 13 and 14. FIG.
電極１７の形状および寸法は、電極１７によって接続する熱電素子１５，１６および計温度係数サーミスタ１１の形状、配列および寸法に応じて適宜に設定すればよい。 The shape and dimensions of the electrode 17 may be appropriately set according to the shapes, arrangement, and dimensions of the thermoelectric elements 15 and 16 and the temperature coefficient coefficient thermistor 11 connected by the electrode 17.
＜熱電素子１５，１６＞
熱電素子１５，１６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。本実施形態においては、熱電素子１５をｐ型とし、熱電素子１６をｎ型としている。これらｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６は、例えばＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電材料、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１５は、例えばＢｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｔｅ３（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１６は、例えばＢｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｓｅ３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で形成されている。
<Thermoelectric elements 15 and 16>
The thermoelectric elements 15 and 16 are members for adjusting the temperature by the Peltier effect or generating power by the Seebeck effect. In this embodiment, the thermoelectric element 15 is p-type and the thermoelectric element 16 is n-type. These p-type thermoelectric element 15 and n-type thermoelectric element 16 are, for example, thermoelectric materials made of A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se), preferably Bi (bismuth) or The main body is formed of a Te (tellurium) -based thermoelectric material. Specifically, the p-type thermoelectric element 15 is made of, for example, a thermoelectric material made of a solid solution of Bi 2 Te 3 (bismuth telluride) and Sb 2 Te 3 (antimony telluride). The n-type thermoelectric element 16 is made of a thermoelectric material made of a solid solution of Bi 2 Te 3 (bismuth telluride) and Sb 2 Se 3 (bismuth selenide), for example.
ここで、ｐ型熱電素子１５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１６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。 Here, the thermoelectric material to be the p-type thermoelectric element 15 is a rod-shaped material obtained by solidifying a p-type forming material made of bismuth, antimony and tellurium once melted and solidified in one direction by the Bridgman method. It is. In addition, the thermoelectric material that becomes the n-type thermoelectric element 16 is an n-type forming material made of bismuth, tellurium, and selenium that has been melted once and solidified in one direction by the Bridgman method into a rod shape. is there.
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、切断面のみに電解メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。ｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６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、形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子１５，１６に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子１５，１６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。 After coating the resist which prevents plating from adhering to the side surface of these rod-shaped thermoelectric materials, it cut | disconnects, for example to 0.3-5 mm length using a wire saw. Next, a nickel layer and a tin layer are sequentially formed only on the cut surface by electrolytic plating. The shapes of the p-type thermoelectric element 15 and the n-type thermoelectric element 16 can be, for example, a cylindrical shape, a quadrangular prism shape, or a polygonal prism shape. In particular, the shape is preferably a columnar shape. Thereby, the influence of the thermal stress which arises in the thermoelectric elements 15 and 16 under a heat cycle can be reduced. When the thermoelectric elements 15 and 16 are formed in a columnar shape, the dimensions are set to, for example, a diameter of 1 to 3 mm.
熱電素子１５，１６は、第１支持基板１３の上面の第１領域１３ａおよびこれに対向する第２支持基板１４の下面の間に、熱電素子１５，１６の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数配列される。そして、熱電素子１５，１６は、電極１７にこの電極１７と同様のパターンに塗布された半田によって、電極１７に接合されている。複数の熱電素子１５，１６は、隣接するｐ型熱電素子１５とｎ型熱電素子１６とが電極１７によって交互に直列に接続されて、全体として直列に電気的に接続されている。 The thermoelectric elements 15 and 16 are 0.5 to 2 times the diameter of the thermoelectric elements 15 and 16 between the first region 13a on the upper surface of the first support substrate 13 and the lower surface of the second support substrate 14 facing the first region 13a. A plurality of rows are arranged at intervals. The thermoelectric elements 15 and 16 are joined to the electrode 17 by solder applied to the electrode 17 in the same pattern as the electrode 17. In the plurality of thermoelectric elements 15 and 16, adjacent p-type thermoelectric elements 15 and n-type thermoelectric elements 16 are alternately connected in series by electrodes 17, and are electrically connected in series as a whole.
＜正温度係数サーミスタ１１＞
正温度係数サーミスタ１１は、熱電素子１５，１６および電極１７とともに構成する回路に過電流が流れた際に、その過電流によって発生するジュール発熱でこの正温度係数サ
ーミスタ１１の抵抗が上昇することで、過電流を低減または遮断して回路を保護するための部材である。正温度係数サーミスタ１１は、熱電素子１５，１６に対して電気的に直列に接続するように設けられて直流回路を構成している。正温度係数サーミスタ１１の材質としては、例えばチタン酸バリウムに代表されるセラミックスに、またはポリエチレンなどの結晶性ポリマーにカーボンブラックなどの導電性粒子を分散させたものが用いられるが、これに限られず、温度の上昇に対する抵抗の上昇が大きい素材であれば使用可能である。正温度係数サーミスタ１１は、平面視したときの形状が、例えば四角形状または多角形状である。形状が四角形状である場合には、寸法は、例えば縦を１〜８ｍｍ、横を１〜８ｍｍ、高さを０．５〜３ｍｍに設定することができる。この正温度係数サーミスタ１１の側面には、その周りの面にも一部が回り込むように、電極１７に接続される側面電極を有している。この側面にキャスタレーションと呼ばれる上下方向の窪みを設け、このキャスタレーションにも側面電極を形成することで、接合材１２として半田を用いて側面電極を電極１７に半田付けする際に、正温度係数サーミスタ１１の下面側の電極１７との間だけでなく、キャスタレーションの下部にも半田が這い上がるようにして側面電極を電極１７に接合させることができ、電極１７への接合をより強固にすることができる。
<Positive temperature coefficient thermistor 11>
The positive temperature coefficient thermistor 11 has an increase in resistance of the positive temperature coefficient thermistor 11 due to Joule heat generated by the overcurrent when an overcurrent flows through a circuit configured with the thermoelectric elements 15 and 16 and the electrode 17. A member for protecting the circuit by reducing or cutting off the overcurrent. The positive temperature coefficient thermistor 11 is provided so as to be electrically connected in series to the thermoelectric elements 15 and 16 to constitute a DC circuit. The material of the positive temperature coefficient thermistor 11 is, for example, a ceramic material typified by barium titanate or a conductive polymer such as carbon black dispersed in a crystalline polymer such as polyethylene, but is not limited thereto. Any material can be used as long as it has a large resistance to temperature rise. The shape of the positive temperature coefficient thermistor 11 when viewed in plan is, for example, a quadrangular shape or a polygonal shape. When the shape is a quadrangular shape, the dimensions can be set to, for example, 1 to 8 mm in length, 1 to 8 mm in width, and 0.5 to 3 mm in height. The side surface of the positive temperature coefficient thermistor 11 has a side electrode connected to the electrode 17 so that a part of the side surface also surrounds the surrounding surface. A vertical temperature coefficient called a castellation is provided on this side surface, and a side electrode is also formed on this castellation, so that when the side electrode is soldered to the electrode 17 using solder as the bonding material 12, a positive temperature coefficient The side electrode can be joined to the electrode 17 so that the solder crawls up not only to the electrode 17 on the lower surface side of the thermistor 11 but also to the lower part of the castellation, thereby further strengthening the joining to the electrode 17. be able to.
そして、図１（ａ）に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０においては、接合材１２を正温度係数サーミスタ１１の下面側および側面のキャスタレーションの下部だけではなく、キャスタレーションの上部にまで半田を這い上がらせることによって、正温度係数サーミスタ１１の側面の一部において接合材１２を下端から上端にまで付着させて電極１７に接合している。これにより、正温度係数サーミスタ１１から接合材１２へ良好に放熱できるようになるので、使用中に周囲の高温の影響で正温度係数サーミスタ１１の温度が上昇して抵抗が増大するのを抑制することができ、誤動作によって電流を遮断することを抑制できる。その結果、熱電モジュール１０の信頼性が向上する。 As shown in FIG. 1 (a), in the thermoelectric module 10 according to the embodiment of the present invention, the bonding material 12 is not only the lower side of the positive temperature coefficient thermistor 11 and the lower side of the castellation, but also the castellation. The bonding material 12 is adhered from the lower end to the upper end on a part of the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 11 and is bonded to the electrode 17 by scooping up the solder to the upper part of the positive temperature coefficient thermistor 11. As a result, heat can be radiated well from the positive temperature coefficient thermistor 11 to the bonding material 12, so that the temperature of the positive temperature coefficient thermistor 11 is prevented from increasing due to the influence of the surrounding high temperature during use. It is possible to suppress current interruption due to malfunction. As a result, the reliability of the thermoelectric module 10 is improved.
＜接合材１２＞
接合材１２は、正温度係数サーミスタ１１を電極１７に接合し、正温度係数サーミスタ１１と電極１７とを電気的に接続するための部材である。接合材１２には、例えばＳｎ−Ｐｂ合金やＳｂ−Ｓｎ合金などのろう材または半田、あるいはＡｇやＡｕなどの金属微粒子をエポキシ樹脂などに分散させた導電性接着剤が用いられる。
<Bonding material 12>
The bonding material 12 is a member for bonding the positive temperature coefficient thermistor 11 to the electrode 17 and electrically connecting the positive temperature coefficient thermistor 11 and the electrode 17. For the bonding material 12, for example, a brazing material or solder such as Sn—Pb alloy or Sb—Sn alloy, or a conductive adhesive in which metal fine particles such as Ag or Au are dispersed in an epoxy resin or the like is used.
本発明の一実施形態の熱電モジュール１０においては、正温度係数サーミスタ１１を第１支持基板１３の第２領域１３ｂの電極１７の上に配置し、例えば自動機によって半田ごてを正温度係数サーミスタ１１の電極１７上の側面に配置し、半田ごての温度を接合材１２の融点よりも１０〜１００℃高くしておいて接合材１２として糸状の半田を正温度係数サーミスタ１１の側面と半田ごてとの間に上端から流し込むことによって、半田ごてと接触して溶融した接合材１２が正温度係数サーミスタ１１の側面の上端から下端にまで流れ、さらに下面側まで流れ込む。これによって、図１に示す構造で接合材１２を付着させることができる。また、これに限らず、接合材１２としてペースト状の半田または導電性接着剤を正温度係数サーミスタ１１の側面の上端から下端を経て下面側に至るまで塗布し、加熱などの処理で接合材１２を溶融または硬化させる方法を採用することもできる。 In the thermoelectric module 10 according to one embodiment of the present invention, the positive temperature coefficient thermistor 11 is disposed on the electrode 17 in the second region 13b of the first support substrate 13, and the soldering iron is replaced with the positive temperature coefficient thermistor by an automatic machine, for example. 11 is disposed on the side surface of the electrode 17, and the temperature of the soldering iron is set to be higher by 10 to 100 ° C. than the melting point of the bonding material 12. By pouring from the upper end between the irons, the bonding material 12 that has melted in contact with the soldering iron flows from the upper end to the lower end of the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 11 and further flows to the lower surface side. Accordingly, the bonding material 12 can be attached with the structure shown in FIG. The bonding material 12 is not limited to this, and paste-like solder or conductive adhesive is applied from the upper end of the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 11 to the lower surface side through the lower end, and the bonding material 12 is processed by heating or the like. It is also possible to employ a method of melting or curing the material.
接合材１２が正温度係数サーミスタ１１の少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着していることで、正温度係数サーミスタ１１から接合材１２への放熱が良好になる。その結果、周囲の高温で正温度係数サーミスタ１１の温度が上昇して、過電流が流れていないにもかかわらず電流を低減・遮断してしまうという誤作動の発生を抑えることができるので、熱電モジュール１０の信頼性が向上する。 Since the bonding material 12 adheres from at the lower end to the upper end on at least a part of at least one side surface of the positive temperature coefficient thermistor 11, heat radiation from the positive temperature coefficient thermistor 11 to the bonding material 12 becomes good. As a result, since the temperature of the positive temperature coefficient thermistor 11 rises at a high ambient temperature, it is possible to suppress the occurrence of a malfunction that reduces or cuts off the current even though no overcurrent flows. The reliability of the module 10 is improved.
＜フィン１８＞
図１において簡略に示したフィン１８は、これを通過する気体に、電力を供給した熱電
素子１５，１６の一端側と他端側との間に発生した温度差を効率よく伝えるため、またはこれを通過する気体の熱を熱電素子１５，１６に効率よく伝えて熱電素子１５，１６の一端側と他端側に温度差を発生させることによって電力を生じさせるための部材である。フィン１８は、熱伝導率の高い、例えば銅、銀またはアルミニウム等によって形成される。また、フィン１８の形状および寸法などは、フィン１８を通過する気体と第１および第２支持基板１３，１４を介した熱電素子１５，１６との間で効率よく所望の熱交換ができるように、熱電モジュール１０の仕様に応じて適宜設定すればよい。
<Fin 18>
The fin 18 schematically shown in FIG. 1 efficiently transmits a temperature difference generated between one end side and the other end side of the thermoelectric elements 15 and 16 to which power is supplied to the gas passing therethrough, or the same. This is a member for generating electric power by efficiently transferring the heat of the gas passing through the thermoelectric elements 15 and 16 to generate a temperature difference between the one end side and the other end side of the thermoelectric elements 15 and 16. The fin 18 is made of, for example, copper, silver or aluminum having a high thermal conductivity. Further, the shape and dimensions of the fin 18 are such that desired heat exchange can be efficiently performed between the gas passing through the fin 18 and the thermoelectric elements 15 and 16 via the first and second support substrates 13 and 14. What is necessary is just to set suitably according to the specification of the thermoelectric module 10. FIG.
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、上述の熱電モジュール１０は、温度調節のために用いる例を示したが、これに限られない。具体的には、熱電発電のために用いられてもよい。 In addition, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the above-described thermoelectric module 10 has been described as being used for temperature adjustment, but is not limited thereto. Specifically, it may be used for thermoelectric power generation.
＜変形例１＞
次に、本発明の他の実施形態である変形例１の熱電モジュールについて説明する。
<Modification 1>
Next, the thermoelectric module of the modification 1 which is other embodiment of this invention is demonstrated.
図２は本発明の変形例１の熱電モジュール２０の要部を示す図１と同様の図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。図２に示す熱電モジュール２０は基本的に図１に示す熱電モジュール１０と同じ構成であるが、熱電モジュール２０においては、接合材２２が正温度係数サーミスタ２１における下面側の角部と第１支持基板２３の上面との間に入り込んでいる。すなわち、図２（ａ）に示すように、この熱電モジュール２０においては、接合材２２を正温度係数サーミスタ２１の側面の一部において下端から上端にまで付着しているとともに、キャスタレーションの下部および正温度係数サーミスタ２１の下面側に加えて下面側の角部にまで広がっている。そして、接合材２２が正温度係数サーミスタ２１における下面側の角部と第１支持基板２３の上面に形成された電極２７との間に入り込んでいる。これにより、熱電素子２５，２６の一端側と他端側との温度差に伴う熱膨張差によって発生する電極２７の反りによって正温度係数サーミスタ２１の下側の角部に応力が加わり、そのために正温度係数サーミスタ２１が破損するのを、下面側の角部と第１支持基板１３の上面との間に入り込んでいる接合材２２が正温度係数サーミスタ２１の下面側の角部を保護することから、それを抑制して熱電モジュール２０の耐久性を向上させることができる。 FIG. 2 is a view similar to FIG. 1 showing the main part of the thermoelectric module 20 of the first modification of the present invention, where (a) is a partial side view and (b) is a partial plan view. The thermoelectric module 20 shown in FIG. 2 has basically the same configuration as the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1, but in the thermoelectric module 20, the bonding material 22 has a corner portion on the lower surface side of the positive temperature coefficient thermistor 21 and the first support. It penetrates between the upper surface of the substrate 23. That is, as shown in FIG. 2A, in this thermoelectric module 20, the bonding material 22 is attached from the lower end to the upper end in a part of the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 21, and the lower part of the castellation and In addition to the lower surface side of the positive temperature coefficient thermistor 21, it extends to the corners on the lower surface side. The bonding material 22 enters between the corner portion on the lower surface side of the positive temperature coefficient thermistor 21 and the electrode 27 formed on the upper surface of the first support substrate 23. As a result, stress is applied to the lower corner of the positive temperature coefficient thermistor 21 due to the warp of the electrode 27 caused by the difference in thermal expansion caused by the temperature difference between the one end side and the other end side of the thermoelectric elements 25, 26. When the positive temperature coefficient thermistor 21 is damaged, the bonding material 22 entering between the corner portion on the lower surface side and the upper surface of the first support substrate 13 protects the corner portion on the lower surface side of the positive temperature coefficient thermistor 21. Therefore, the durability of the thermoelectric module 20 can be improved by suppressing it.
また、変形例１の熱電モジュール２０においては、電極２７のパターンについて、図２（ｂ）に示すように、正温度係数サーミスタ２１から熱電素子２５，２６に至る電極２７の幅をそれぞれ途中で狭めている。このような電極形状によれば、正温度係数サーミスタ２１の半田接合時に半田ごてに接触して溶融した接合材２２が正温度係数サーミスタ２１側面の上端から下端まで流れて、さらに下面側まで流れ込む際に、熱電素子２５，２６に向かう接合材２２の塗れ広がりが電極２７の狭い部分で抑えられることになる。その結果、正温度係数サーミスタ２１の下面側の接合材２２量が増加し、正温度係数サーミスタ２１の下面側の角部に接合材２２が回り込むことで、図２に示す構造で接合材２２を付着させることができる。また、これに限らず、接合材２２としてペースト状の半田または導電性接着剤を正温度係数サーミスタ２１の側面の上端から下端を経て下面側および角部に至るまで塗布し、加熱などの処理で接合材２２を溶融または硬化させる方法を採用することもできる。 Further, in the thermoelectric module 20 of the first modification, as shown in FIG. 2B, the width of the electrode 27 from the positive temperature coefficient thermistor 21 to the thermoelectric elements 25 and 26 is narrowed in the middle of the electrode 27 pattern. ing. According to such an electrode shape, the bonding material 22 that has melted by contact with the soldering iron when soldering the positive temperature coefficient thermistor 21 flows from the upper end to the lower end of the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 21 and further flows into the lower surface side. At this time, the spreading of the bonding material 22 toward the thermoelectric elements 25 and 26 is suppressed at the narrow portion of the electrode 27. As a result, the amount of the bonding material 22 on the lower surface side of the positive temperature coefficient thermistor 21 is increased, and the bonding material 22 wraps around the corner portion on the lower surface side of the positive temperature coefficient thermistor 21, thereby forming the bonding material 22 with the structure shown in FIG. Can be attached. Further, the present invention is not limited thereto, and paste-like solder or conductive adhesive is applied as the bonding material 22 from the upper end of the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 21 to the lower surface side and the corner portion, and is heated. A method of melting or curing the bonding material 22 can also be adopted.
この熱電モジュール２０によれば、接合材２２が正温度係数サーミスタ２１における下面側の角部と第１支持基板２３の上面の電極２７との間に入り込んでいることから、熱電素子２５，２６の一端側と他端側の温度差に伴う熱膨張差によって電極２７の反りが発生し、これによって正温度係数サーミスタ２１の下側の角部に応力が加わるために正温度係数サーミスタ２１が破損するという不具合を、角部まで接合された接合材２２が正温度係
数サーミスタ２１の角部を保護するので、正温度係数サーミスタ２１の破壊を抑制して熱電モジュール２０の耐久性を向上させることができる。
According to this thermoelectric module 20, since the bonding material 22 enters between the corner portion on the lower surface side of the positive temperature coefficient thermistor 21 and the electrode 27 on the upper surface of the first support substrate 23, the thermoelectric elements 25 and 26. The electrode 27 is warped due to a difference in thermal expansion caused by the temperature difference between the one end side and the other end side, and thereby stress is applied to the lower corner portion of the positive temperature coefficient thermistor 21, so that the positive temperature coefficient thermistor 21 is damaged. Since the bonding material 22 bonded to the corner protects the corner of the positive temperature coefficient thermistor 21, the destruction of the positive temperature coefficient thermistor 21 can be suppressed and the durability of the thermoelectric module 20 can be improved. .
さらに、熱電モジュール１０および熱電モジュール２０において、正温度係数サーミスタ２１の両端を電極２７に接合している接合材２２について、フィン２８を通過する気体の出口側における接合材２２の量を入口側の接合材２２の量よりも多くすることが好ましい。 Further, in the thermoelectric module 10 and the thermoelectric module 20, the amount of the bonding material 22 on the outlet side of the gas passing through the fins 28 on the inlet side is determined for the bonding material 22 in which both ends of the positive temperature coefficient thermistor 21 are bonded to the electrode 27. The amount is preferably larger than the amount of the bonding material 22.
フィン２８に気体を通過させることによってその影響で正温度係数サーミスタ２１内にも温度勾配が生じ、それに伴う熱応力が生じているが、正温度係数サーミスタ２１の両端を電極２７に接合している接合材２２について、フィン２８を通過する気体の出口側における接合材２２の量を入口側の接合材２２の量よりも多くすることで、正温度係数サーミスタ２１からの気体の出口側の接合材２２への放熱を気体の入口側の接合材２２への放熱よりも良好に行なうことができる。すなわち、正温度係数サーミスタ２１からの気体の出口側の接合材２２への放熱を気体の入口側の接合材２２への放熱よりも良好に行なえるようになるので、フィン２８での気体の通過によって正温度係数サーミスタ２１の一端側から他端側へ生じている温度勾配を効率よく低減して熱応力を低減することができ、熱膨張差に起因する熱応力を小さくすることによって、熱電モジュール２０の耐久性を向上させることができる。 By passing the gas through the fin 28, a temperature gradient is also generated in the positive temperature coefficient thermistor 21 due to the influence of the gas, and thermal stress is generated accordingly, but both ends of the positive temperature coefficient thermistor 21 are joined to the electrode 27. For the bonding material 22, the amount of the bonding material 22 on the gas outlet side passing through the fins 28 is made larger than the amount of the bonding material 22 on the inlet side, so that the bonding material on the gas outlet side from the positive temperature coefficient thermistor 21. The heat radiation to 22 can be performed better than the heat radiation to the bonding material 22 on the gas inlet side. That is, since the heat radiation from the positive temperature coefficient thermistor 21 to the bonding material 22 on the gas outlet side can be performed better than the heat radiation to the bonding material 22 on the gas inlet side, the gas passes through the fins 28. Thus, the temperature gradient generated from one end side to the other end side of the positive temperature coefficient thermistor 21 can be efficiently reduced to reduce the thermal stress, and the thermoelectric module can be reduced by reducing the thermal stress caused by the thermal expansion difference. The durability of 20 can be improved.
また、これに限らず、フィン２８を通過する気体の出口側における接合材２２の熱伝導率が入口側の接合材２２の熱伝導率よりも高くなるように接合材２２の材質・密度を変えることでも同様の効果を得ることができる。 In addition, the material and density of the bonding material 22 are changed so that the thermal conductivity of the bonding material 22 on the outlet side of the gas passing through the fins 28 is higher than the thermal conductivity of the bonding material 22 on the inlet side. The same effect can be obtained.
＜変形例２＞
次に、本発明のさらに他の実施形態である変形例２の熱電モジュールについて説明する。
<Modification 2>
Next, a thermoelectric module of Modification 2 which is still another embodiment of the present invention will be described.
図３は本発明の変形例２の熱電モジュール３０の要部を示す図１と同様の図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。図３に示す熱電モジュール３０においては、正温度係数サーミスタ３１が接合材３２とともに樹脂３９によって覆われている。なお、図３においては、樹脂３９によって覆われている正温度係数サーミスタ３１および接合材３２を破線で示している。正温度係数サーミスタ３１が接合材３２とともに樹脂３９によって覆われていることにより、熱電素子１５，１６を通して正温度係数サーミスタ３１に過電流が通電した時の正温度係数サーミスタ３１における発熱が外部に放熱しにくくなるので、過電流に対する正温度係数サーミスタ３１の感度を向上させることができる。また、樹脂３９に覆われていることによって周囲の高温が正温度係数サーミスタ３１に伝わりにくくなるので、使用中の周囲の高温の影響で正温度係数サーミスタ３１の抵抗が増大して温度が上昇するのを抑制することができ、誤動作によって電流を遮断することが抑制できる。その結果、熱電モジュール３０の信頼性が向上する。 FIG. 3 is a view similar to FIG. 1 showing a main part of a thermoelectric module 30 according to a second modification of the present invention, wherein (a) is a partial side view and (b) is a partial plan view. In the thermoelectric module 30 shown in FIG. 3, a positive temperature coefficient thermistor 31 is covered with a resin 39 together with a bonding material 32. In FIG. 3, the positive temperature coefficient thermistor 31 and the bonding material 32 covered with the resin 39 are indicated by broken lines. Since the positive temperature coefficient thermistor 31 is covered by the resin 39 together with the bonding material 32, the heat generated in the positive temperature coefficient thermistor 31 when heat is applied to the positive temperature coefficient thermistor 31 through the thermoelectric elements 15 and 16 is dissipated to the outside. Therefore, the sensitivity of the positive temperature coefficient thermistor 31 against overcurrent can be improved. Further, since the surrounding high temperature is difficult to be transmitted to the positive temperature coefficient thermistor 31 by being covered with the resin 39, the resistance of the positive temperature coefficient thermistor 31 increases due to the influence of the surrounding high temperature during use, and the temperature rises. It is possible to prevent the current from being interrupted by malfunction. As a result, the reliability of the thermoelectric module 30 is improved.
この樹脂３９としては、絶縁性であり、正温度係数サーミスタ３１、接合材３２および電極３７に対して化学的に反応しない、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはウレタン樹脂等を用いるとよい。樹脂３９は、例えばディスペンサー、スプレーまたはディップ法等で正温度係数サーミスタ３１、接合材３２および電極３７を覆うように塗布し、経時または加熱によって硬化させることで形成することができる。樹脂３９は、正温度係数サーミスタ３１の全体およびそれとともに接合材３２の一部できれば全体を覆う寸法にするのが望ましく、厚さは例えば０．１〜２ｍｍに設定される。また、樹脂３９は、正温度係数サーミスタ３１の熱膨張係数が大きい場合には、その熱膨張を阻害しないように、適度な弾力性を有することが好ましい。また、樹脂３９を発泡させ、または気相を含む多層
構造にすることで、樹脂３９の熱伝導率を低くして、正温度係数サーミスタ３１の感度および信頼性をより向上させることもできる。
As this resin 39, it is preferable to use, for example, a silicone resin, an epoxy resin, or a urethane resin that is insulative and does not chemically react with the positive temperature coefficient thermistor 31, the bonding material 32, and the electrode 37. The resin 39 can be formed by applying the resin 39 so as to cover the positive temperature coefficient thermistor 31, the bonding material 32, and the electrode 37 by, for example, a dispenser, a spray or a dip method, and curing the resin 39 over time or by heating. The resin 39 is desirably dimensioned to cover the whole of the positive temperature coefficient thermistor 31 and a part of the bonding material 32 if possible, and the thickness is set to 0.1 to 2 mm, for example. In addition, when the thermal expansion coefficient of the positive temperature coefficient thermistor 31 is large, the resin 39 preferably has an appropriate elasticity so as not to inhibit the thermal expansion. In addition, by foaming the resin 39 or forming a multilayer structure including a gas phase, the thermal conductivity of the resin 39 can be lowered, and the sensitivity and reliability of the positive temperature coefficient thermistor 31 can be further improved.
＜実施例１＞
上述の本発明の実施形態の熱電モジュール１０を以下のようにして作製した。
<Example 1>
The thermoelectric module 10 of the above-described embodiment of the present invention was manufactured as follows.
まず、ｐ型熱電素子１５として、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ２．９１Ｓｅ０．０９組成のインゴットを準備し、アルゴン雰囲気中で溶融させたインゴットをφ１ｍｍの穴が空いたカーボン型に流し込み、徐々に冷却することでφ１ｍｍの棒状インゴットとした。これを長さ方向に０．８ｍｍ間隔でスライスすることにより、φ１ｍｍ、高さ０．８ｍｍのｐ型熱電素子１５を作製した。 First, an ingot having a composition of Bi 0.5 Sb 1.5 Te 2.91 Se 0.09 was prepared as a p-type thermoelectric element 15, and the ingot melted in an argon atmosphere was changed to a carbon type having a hole of φ1 mm. By pouring and gradually cooling, a rod-shaped ingot having a diameter of 1 mm was obtained. By slicing this at intervals of 0.8 mm in the length direction, a p-type thermoelectric element 15 having a diameter of 1 mm and a height of 0.8 mm was produced.
同様に、ｎ型熱電素子１６として、Ｂｉ２．０Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５組成に０．０２質量％のＳｂＩ３粉末と０．０４質量％のＳｂＢｒ３粉末とを添加したインゴットを準備し、アルゴン雰囲気中で溶融させたインゴットをφ１ｍｍの穴が空いたカーボン型に流し込み、徐々に冷却することでφ１ｍｍの棒状のインゴットとした。これを長さ方向に０．８ｍｍ間隔でスライスすることにより、φ１ｍｍ、高さ０．８ｍｍのｎ型熱電素子１６を作製した。 Similarly, an ingot prepared by adding 0.02 mass% SbI 3 powder and 0.04 mass% SbBr 3 powder to Bi 2.0 Te 2.85 Se 0.15 composition is prepared as the n-type thermoelectric element 16. Then, the ingot melted in an argon atmosphere was poured into a carbon mold having a hole having a diameter of 1 mm, and gradually cooled to obtain a rod-shaped ingot having a diameter of 1 mm. By slicing this at 0.8 mm intervals in the length direction, an n-type thermoelectric element 16 having a diameter of 1 mm and a height of 0.8 mm was produced.
次に、第１支持基板１３として、縦２２ｍｍ、横５５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの寸法のＣｕ／エポキシ樹脂／Ｃｕ基板を準備した。この第１支持基板１３の上面のＣｕを、第１領域１３ａにおいて複数配列する熱電素子１５，１６を直列に電気的に接続するように順次接合し、途中の熱電素子１５，１６に正温度係数サーミスタ１１を直列に電気的に接続するように第２領域１３ｂにおいて接合する電極パターンになるようにエッチング処理して、電極１７を形成した。同様に、第２支持基板１４として、縦２２ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの寸法のＣｕ／エポキシ樹脂／Ｃｕ基板を準備し、この第２支持基板１４の下面のＣｕを、第１領域１３ａにおいて複数配列する熱電素子１５，１６を直列に電気的に接続するように順次接合する電極パターンになるようにエッチング処理して、電極１７を形成した。 Next, a Cu / epoxy resin / Cu substrate having dimensions of 22 mm in length, 55 mm in width, and 0.15 mm in thickness was prepared as the first support substrate 13. Cu on the upper surface of the first support substrate 13 is sequentially joined so that a plurality of thermoelectric elements 15 and 16 arranged in the first region 13a are electrically connected in series, and a positive temperature coefficient is applied to the thermoelectric elements 15 and 16 on the way. Etching was performed to form an electrode 17 to be joined in the second region 13b so that the thermistor 11 was electrically connected in series to form an electrode 17. Similarly, a Cu / epoxy resin / Cu substrate having dimensions of 22 mm in length, 50 mm in width, and 0.15 mm in thickness is prepared as the second support substrate 14, and Cu on the lower surface of the second support substrate 14 is changed to the first region. An electrode 17 was formed by performing an etching process so that a plurality of thermoelectric elements 15 and 16 arranged in 13a were sequentially joined so as to be electrically connected in series.
次に、ｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６が配置される電極１７上にＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを塗布し、ｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６を、互いに間隔をあけて第１支持基板１３の電極１７の上に交互に複数配列し、それらｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６の上に電極１７を介して第２支持基板１４を配置した後、加熱してＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを溶融させ、熱電素子１５，１６と電極１７とを半田で接合した。 Next, an Sb—Sn solder paste is applied on the electrode 17 on which the p-type thermoelectric element 15 and the n-type thermoelectric element 16 are arranged, and the p-type thermoelectric element 15 and the n-type thermoelectric element 16 are spaced apart from each other. A plurality of the support substrates 13 are alternately arranged on the electrodes 17, and the second support substrate 14 is disposed on the p-type thermoelectric elements 15 and the n-type thermoelectric elements 16 via the electrodes 17. The Sn solder paste was melted, and the thermoelectric elements 15 and 16 and the electrode 17 were joined with solder.
次に、第１支持基板１３の下面および第２支持基板１４の上面にＳｎ−Ｂｉ半田ペーストを塗布し、それぞれにフィン１８を配置して、加熱してＳｎ−Ｂｉ半田ペーストを溶融させ、第１および第２支持基板１３，１４にフィン１８を接合した。このフィン１８には、表面積を十分広く確保するために、幅２２ｍｍのＣｕ箔を高さ１１ｍｍになるように規則正しく折りたたんだものを使用した。 Next, the Sn—Bi solder paste is applied to the lower surface of the first support substrate 13 and the upper surface of the second support substrate 14, the fins 18 are disposed on each, and the Sn—Bi solder paste is melted by heating, Fins 18 were joined to the first and second support substrates 13 and 14. In order to ensure a sufficiently large surface area, the fin 18 used was a 22 mm wide Cu foil that was regularly folded to a height of 11 mm.
次に、正温度係数サーミスタ１１としてカーボンブラック系のポリマーＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタを準備し、第１支持基板１３の第２領域１３ｂの電極１７の上に、この正温度係数サーミスタ１１を配置した。そして、自動機によって半田ゴテを正温度係数サーミスタ１１の電極１７上の側面に配置し、この側面の上端から金属製の接合材１２としてＳｂ−Ｓｎ半田を流し込むことで、正温度係数サーミスタ１１の両端の側面の下端から上端にまで、より具体的にはキャスタレーション部、側面の下端および正温度係数サーミスタ１１の下面の電極と電極１７との間にまで接合材１２を付着
させて、熱電モジュール１０を作製した。
Next, a carbon black polymer PTC (Positive Temperature Coefficient) thermistor is prepared as the positive temperature coefficient thermistor 11, and the positive temperature coefficient thermistor 11 is disposed on the electrode 17 in the second region 13 b of the first support substrate 13. did. Then, the soldering iron is placed on the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 11 on the electrode 17 by an automatic machine, and Sb—Sn solder is poured as the metal bonding material 12 from the upper end of the side surface. The bonding material 12 is adhered from the lower end to the upper end of the side surfaces at both ends, more specifically, between the electrode 17 on the castellation portion, the lower end of the side surface, and the lower surface of the positive temperature coefficient thermistor 11 and the thermoelectric module. 10 was produced.
次に、作製した熱電モジュール１０についての種々の評価を行なった。この熱電モジュール１０の評価は、全てフィン１８にブロアによって一定風量の気体を通過させた状態で行なった。冷却性能は、一定電圧を印加した際に熱電素子１５，１６の一端側と他端側との間に生じる温度差を求めることによって評価した。また、耐久性は、繰り返し反転通電試験を行なった前後での熱電モジュール１０の抵抗変化率を求めることによって評価した。また、過電流に対する感度は、室温で熱電素子１５，１６への印加電流を徐々に増加し、電流が遮断された電流値を求めることで評価した。また、高温における信頼性は、熱電素子１５，１６に一定電圧を印加した状態で周囲の温度を徐々に高め、電流が遮断された時の温度を求めることで評価した。 Next, various evaluations about the produced thermoelectric module 10 were performed. The thermoelectric module 10 was evaluated in a state where a certain amount of gas was passed through the fins 18 by a blower. The cooling performance was evaluated by obtaining a temperature difference generated between one end side and the other end side of the thermoelectric elements 15 and 16 when a constant voltage was applied. Moreover, durability was evaluated by calculating | requiring the rate of resistance change of the thermoelectric module 10 before and after repeatedly performing the inversion energization test. The sensitivity to overcurrent was evaluated by gradually increasing the current applied to the thermoelectric elements 15 and 16 at room temperature and obtaining the current value at which the current was interrupted. The reliability at high temperature was evaluated by gradually increasing the ambient temperature while applying a constant voltage to the thermoelectric elements 15 and 16 and determining the temperature when the current was interrupted.
具体的には、冷却性能の評価は、ブロア電圧１１．１５Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０に８Ｖの電圧を印加し、熱電素子１５，１６の一端側と他端側との間に生じた温度差を求めた。その結果、冷却性能は平均５．４２℃であった。 Specifically, the evaluation of the cooling performance is performed by applying a voltage of 8 V to the thermoelectric module 10 with the blower voltage of 11.15 V and blowing air to the fins 18, and connecting the one end side and the other end side of the thermoelectric elements 15 and 16. The temperature difference produced between them was determined. As a result, the cooling performance averaged 5.42 ° C.
また、耐久性の評価は、ブロア電圧１０Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０に１４．５Ｖの電圧を印加し、１５秒毎に印加電圧を反転させて、これを５００サイクル行ない、試験前後の抵抗変化率を求めた。その結果、この耐久試験における抵抗変化率は平均０．８８％であった。 The durability was evaluated by applying a voltage of 14.5 V to the thermoelectric module 10 with the blower voltage 10 V blown to the fin 18, inverting the applied voltage every 15 seconds, and performing this for 500 cycles. The rate of change in resistance before and after the test was determined. As a result, the average resistance change rate in this durability test was 0.88%.
また、高温における信頼性の評価は、５０℃から９０℃まで５℃刻みで行なった。恒温槽内においてブロア電圧１０Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０に１４．５Ｖの電圧を印加し、５０℃から９０℃まで５℃ずつ温度を上昇させて、印加電圧が遮断される(５Ｖ以下になる)温度を求めた。その結果、平均８３．０℃で、熱電素子１５，１６への過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。 In addition, the evaluation of reliability at high temperature was performed in increments of 5 ° C. from 50 ° C. to 90 ° C. In a state where air is blown to the fins 18 with a blower voltage of 10 V in the thermostat, a voltage of 14.5 V is applied to the thermoelectric module 10 and the temperature is increased by 5 ° C. from 50 ° C. to 90 ° C., and the applied voltage is cut off. The temperature (being 5 V or less) was determined. As a result, the voltage was cut off at an average of 83.0 ° C. despite no overcurrent to the thermoelectric elements 15 and 16.
また、過電流に対する感度の評価は、２５±２℃の恒温槽内においてブロア電圧１０Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０の熱電素子１５，１６に電流を０Ａから０．５Ａずつ上昇させながら印加し、印加電流が遮断される(１Ａ以下になる)電流を求めた。その結果、平均４．９０Ａで電流が遮断された。 In addition, evaluation of sensitivity to overcurrent is performed by increasing current from 0 A to 0.5 A in the thermoelectric elements 15 and 16 of the thermoelectric module 10 in a state where air is blown to the fin 18 with a blower voltage of 10 V in a thermostat of 25 ± 2 ° C. The current was applied while the applied current was cut off (below 1 A). As a result, the current was cut off at an average of 4.90A.
＜実施例２＞
上記と同様にして、本発明の変形例１の熱電モジュール２０を作製した。ここでは、第１支持基板２３の上面の第２領域２３ｂにおいてＣｕをエッチング処理して電極パターンを形成する際に、図２（ｂ）に示すように、正温度係数サーミスタ２１から熱電素子２５，２６に至る電極２７の幅をそれぞれ途中で狭めて形成した。この第１支持基板２３上の第１領域２３ａの電極２７の上に熱電素子２５，２６を交互に複数配列し、それら熱電素子２５，２６の上に電極２７を介して第２支持基板２４を配置して、熱電素子２５，２６と電極２７とをＳｂ−Ｓｎ半田で接合した。
<Example 2>
In the same manner as described above, a thermoelectric module 20 of Modification 1 of the present invention was produced. Here, when the electrode pattern is formed by etching Cu in the second region 23b on the upper surface of the first support substrate 23, as shown in FIG. 2B, the thermoelectric element 25, The width of the electrode 27 reaching 26 is narrowed in the middle. A plurality of thermoelectric elements 25 and 26 are alternately arranged on the electrodes 27 in the first region 23 a on the first support substrate 23, and the second support substrate 24 is disposed on the thermoelectric elements 25 and 26 via the electrodes 27. The thermoelectric elements 25 and 26 and the electrode 27 were joined with Sb—Sn solder.
次に、第１および第２支持基板２３，２４にフィン２８をＳｎ−Ｂｉ半田で接合した。次に、第１支持基板２３の第２領域２３ｂの電極２７の上に正温度係数サーミスタ２１を配置した。そして、自動機によって半田ゴテを正温度係数サーミスタ２１の電極２７上の側面に配置し、この側面の上端から金属製の接合材２２としてＳｂ−Ｓｎ半田を流し込むことで、正温度係数サーミスタ２１の側面の下端から上端にまで、より具体的には両端の側面の上端、キャスタレーション部、側面の下端、および正温度係数サーミスタ２１の下面の電極と電極２７との間にまで接合材２２を付着させた。その際、正温度係数サーミスタ２１から熱電素子２５，２６に至る電極２７の幅を途中で狭めて形成したことで、電極２７の上面における接合材２２の塗れ広がりを抑え、接合材２２が正温度係数サーミスタ
２１における下面側の角部にまで付着した構造を形成し、熱電モジュール２０を作製した。
Next, the fins 28 were joined to the first and second support substrates 23 and 24 with Sn-Bi solder. Next, the positive temperature coefficient thermistor 21 was disposed on the electrode 27 in the second region 23 b of the first support substrate 23. Then, the soldering iron is placed on the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 21 on the electrode 27 by an automatic machine, and Sb—Sn solder is poured from the upper end of the side surface as the metal bonding material 22, thereby the positive temperature coefficient thermistor 21. The bonding material 22 is attached from the lower end to the upper end of the side surface, more specifically, between the upper end of the side surface at both ends, the castellation portion, the lower end of the side surface, and the electrode 27 on the lower surface of the positive temperature coefficient thermistor 21. I let you. At this time, the width of the electrode 27 extending from the positive temperature coefficient thermistor 21 to the thermoelectric elements 25 and 26 is narrowed in the middle, so that the spread of the bonding material 22 on the upper surface of the electrode 27 is suppressed, and the bonding material 22 has a positive temperature. The thermoelectric module 20 was manufactured by forming a structure adhered to the corners on the lower surface side of the coefficient thermistor 21.
この熱電モジュール２０について熱電モジュール１０と同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．３８℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．２０％であった。また、平均８３．５℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均４．９５Ａで電流が遮断された。 As a result of evaluating the thermoelectric module 20 in the same manner as the thermoelectric module 10, the cooling performance averaged 5.38 ° C. Moreover, the average resistance change rate in the durability test was 0.20%. In addition, the voltage was cut off at an average of 83.5 ° C. despite no overcurrent. Further, the current was interrupted at an average of 4.95 A at an ambient temperature of 25 ± 2 ° C.
また、同様に、フィン２８の気体出口側の接合材２２量を意図的に増やして接合した熱電モジュール２０も作製した。 Similarly, the thermoelectric module 20 joined by intentionally increasing the amount of the joining material 22 on the gas outlet side of the fin 28 was also produced.
この熱電モジュール２０についても同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．４０℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．１４％であった。また、平均８４．０℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均４．８０Ａで電流が遮断された。 As a result of performing the same evaluation on the thermoelectric module 20, the cooling performance was 5.40 ° C on average. The resistance change rate in the durability test was an average of 0.14%. The average voltage was 84.0 ° C., and the voltage was cut off despite no overcurrent. Further, the current was interrupted at an average of 4.80 A at an ambient temperature of 25 ± 2 ° C.
＜実施例３＞
上記と同様にして、本発明の変形例２の熱電モジュール３０を作製した。ここでは、第１支持基板３３の上面の第１領域３３ａの電極３７の上に熱電素子３５，３６を交互に複数配列し、それら熱電素子３５，３６の上に電極３７を介して第２支持基板３４を配置して、熱電素子３５，３６と電極３７とをＳｂ−Ｓｎ半田で接合した。
<Example 3>
In the same manner as described above, a thermoelectric module 30 of Modification 2 of the present invention was produced. Here, a plurality of thermoelectric elements 35, 36 are alternately arranged on the electrodes 37 in the first region 33 a on the upper surface of the first support substrate 33, and the second support is provided on the thermoelectric elements 35, 36 via the electrodes 37. The board | substrate 34 was arrange | positioned and the thermoelectric elements 35 and 36 and the electrode 37 were joined by Sb-Sn solder.
次に、第１および第２支持基板３３，３４にフィン３８をＳｎ−Ｂｉ半田で接合した。次に、第１支持基板３３の第２領域３３ｂの電極３７の上に正温度係数サーミスタ３１を配置した。そして、自動機によって半田ゴテを正温度係数サーミスタ３１の電極３７上の側面に配置し、この側面の上端から金属製の接合材３２としてＳｂ−Ｓｎ半田を流し込むことで、正温度係数サーミスタ３１の側面の下端から上端にまで、より具体的には両端の側面の上端、キャスタレーション部、側面の下端、および正温度係数サーミスタ３１の下面の電極と電極３７との間にまで接合材３２を付着させた。その際、正温度係数サーミスタ３１から熱電素子３５，３６に至る電極３７の幅を途中で狭めて形成したことで、電極３７の上面における接合材３２の塗れ広がりを抑えて、接合材３２を正温度係数サーミスタ３１における下面側の角部にまで付着させた。 Next, the fin 38 was joined to the 1st and 2nd support substrates 33 and 34 with Sn-Bi solder. Next, the positive temperature coefficient thermistor 31 was disposed on the electrode 37 in the second region 33 b of the first support substrate 33. Then, the soldering iron is arranged on the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 31 on the electrode 37 by an automatic machine, and Sb—Sn solder is poured from the upper end of the side surface as the metal bonding material 32, thereby the positive temperature coefficient thermistor 31. The bonding material 32 is attached from the lower end to the upper end of the side surface, more specifically, the upper end of the side surface at both ends, the castellation portion, the lower end of the side surface, and the electrode 37 on the lower surface of the positive temperature coefficient thermistor 31. I let you. At this time, the width of the electrode 37 extending from the positive temperature coefficient thermistor 31 to the thermoelectric elements 35 and 36 is narrowed in the middle, so that the spreading of the bonding material 32 on the upper surface of the electrode 37 is suppressed and the bonding material 32 is made positive. The temperature coefficient thermistor 31 was attached to the corner on the lower surface side.
次に、樹脂３９としてシリコーン樹脂を準備し、正温度係数サーミスタ３１を側面に付着した接合材２２とともに、またその下の電極３７の一部も覆うように塗布して、これを６０分以上放置して硬化させることで、正温度係数サーミスタ３１が接合材３２とともに樹脂３９によって覆われている熱電モジュール３０を作製した。 Next, a silicone resin is prepared as the resin 39, and the positive temperature coefficient thermistor 31 is applied so as to cover the bonding material 22 attached to the side surface and a part of the electrode 37 therebelow, and is left for 60 minutes or more. Thus, the thermoelectric module 30 in which the positive temperature coefficient thermistor 31 is covered with the resin 39 together with the bonding material 32 was produced.
この熱電モジュール３０について熱電モジュール１０と同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．４２℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．１５％であった。また、８６．５℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均４．６５Ａで電流が遮断された。 The thermoelectric module 30 was evaluated in the same manner as the thermoelectric module 10, and as a result, the cooling performance averaged 5.42 ° C. The resistance change rate in the durability test was an average of 0.15%. Further, at 86.5 ° C., the voltage was cut off despite no overcurrent. In addition, the current was interrupted at an average of 4.65 A at an ambient temperature of 25 ± 2 ° C.
＜実施例４＞
上記と同様にして、本発明の比較例として、図４に示す従来の熱電モジュール４０を作製した。図４は従来の熱電モジュール４０の要部を示す図１と同様の図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。図４に示す熱電モジュール４０は基本的には図１に示す熱電モジュール１０と同じ構成であるが、熱電モジュール４０においては、正温度係数サーミスタ４１の側面において、接合材４２が下端から側面の途中にまでしか付着していない。
<Example 4>
In the same manner as described above, a conventional thermoelectric module 40 shown in FIG. 4 was produced as a comparative example of the present invention. FIG. 4 is a view similar to FIG. 1 showing a main part of a conventional thermoelectric module 40, wherein (a) is a partial side view and (b) is a partial plan view. The thermoelectric module 40 shown in FIG. 4 has basically the same configuration as the thermoelectric module 10 shown in FIG. 1. However, in the thermoelectric module 40, the bonding material 42 is halfway from the lower end to the side of the positive temperature coefficient thermistor 41. It adheres only to.
この比較例においても同様に、第１支持基板４３の第１領域４３ａの電極４７の上に熱電素子４５，４６を交互に複数配列し、それら熱電素子４５，４６の上に電極４７を介して第２支持基板４４を配置して、熱電素子４５，４６と電極４７とをＳｂ−Ｓｎ半田で接合した。 Similarly, in this comparative example, a plurality of thermoelectric elements 45 and 46 are alternately arranged on the electrodes 47 in the first region 43 a of the first support substrate 43, and the electrodes 47 are interposed on the thermoelectric elements 45 and 46. The 2nd support substrate 44 was arrange | positioned and the thermoelectric elements 45 and 46 and the electrode 47 were joined by Sb-Sn solder.
次に、第１および第２支持基板４３，４４にフィン４８をＳｎ−Ｂｉ半田で接合した。次に、第１支持基板４３の第２領域４３ｂの電極４７の上に接合材４２としてＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを塗布し、この上に正温度係数サーミスタ４１を配置した。そして、リフロー炉を用いることでＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを溶融させて電極４７に正温度係数サーミスタ４１を接合することで、正温度係数サーミスタ４１の側面の下端から途中までしか接合材４２が付着していない比較例の熱電モジュール４０を作製した。 Next, the fin 48 was joined to the first and second support substrates 43 and 44 by Sn—Bi solder. Next, an Sb—Sn solder paste was applied as the bonding material 42 on the electrode 47 in the second region 43 b of the first support substrate 43, and the positive temperature coefficient thermistor 41 was disposed thereon. Then, by using a reflow furnace, the Sb—Sn solder paste is melted and the positive temperature coefficient thermistor 41 is bonded to the electrode 47, so that the bonding material 42 adheres only from the lower end to the middle of the side surface of the positive temperature coefficient thermistor 41. A comparative thermoelectric module 40 was prepared.
この熱電モジュール４０についても熱電モジュール１０と同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．３９℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．９０％であった。また、平均７６．５℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均５．０５Ａで電流が遮断された。 The thermoelectric module 40 was evaluated in the same manner as the thermoelectric module 10, and as a result, the cooling performance averaged 5.39 ° C. Moreover, the average resistance change rate in the durability test was 0.90%. In addition, the voltage was cut off despite an average of 76.5 ° C. and no overcurrent. Further, the current was interrupted at an average of 5.05 A at an ambient temperature of 25 ± 2 ° C.
以上の各実施例の結果から、本発明の熱電モジュール１０，２０，３０は、従来の熱電モジュール４０と比較して、冷却性能は良好に維持され、反転通電時の抵抗変化が小さい良好な耐久性を示し、電圧が遮断される温度が高いことで誤動作の発生が抑制され、より低い過電流で電流が遮断される良好な感度を示すことが確認できた。 From the results of the above examples, the thermoelectric modules 10, 20, and 30 of the present invention maintain good cooling performance as compared with the conventional thermoelectric module 40, and have good durability with small resistance change during reverse energization. It was confirmed that the high temperature at which the voltage is cut off suppresses the occurrence of malfunction and shows a good sensitivity to cut off the current at a lower overcurrent.
１０、２０、３０、４０：熱電モジュール
１１、２１、３１、４１：正温度係数サーミスタ
１２、２２、３２、４２：接合材
１３、２３、３３、４３：第１支持基板
１３ａ、２３ａ、３３ａ、４３ａ：第１領域
１３ｂ、２３ｂ、３３ｂ、４３ｂ：第２領域
１４、２４、３４、４４：第２支持基板
１５、２５、３５、４５：熱電素子（ｐ型熱電素子）
１６、２６、３６、４６：熱電素子（ｎ型熱電素子）
１７、２７、３７、４７：電極
３９：樹脂
10, 20, 30, 40: Thermoelectric modules 11, 21, 31, 41: Positive temperature coefficient thermistors 12, 22, 32, 42: Bonding materials 13, 23, 33, 43: First support substrates 13a, 23a, 33a, 43a: 1st area | region 13b, 23b, 33b, 43b: 2nd area | region 14, 24, 34, 44: 2nd support substrate 15, 25, 35, 45: Thermoelectric element (p-type thermoelectric element)
16, 26, 36, 46: Thermoelectric element (n-type thermoelectric element)
17, 27, 37, 47: electrode 39: resin
Claims (3)
前記接合材は、前記正温度係数サーミスタのうち前記フィンを通過する気体の入口側の側面よりも、前記フィンを通過する気体の出口側の側面に多く設けられていることを特徴とする熱電モジュール。 A first support substrate having an upper surface having a first region and a second region adjacent to the first region; a second support substrate provided so that a lower surface faces the first region; and the first region And a plurality of thermoelectric elements arranged between the second support substrates, fins provided on at least one of the lower surface of the first support substrate or the upper surface of the second support substrate, and the second region made of metal And a rectangular parallelepiped positive temperature coefficient thermistor fixed by a bonding material, and the bonding material is provided on two opposing side surfaces of the positive temperature coefficient thermistor , and the positive temperature coefficient thermistor with attached from the lower end to the upper end at least at least a portion of one side of,
The thermoelectric module is characterized in that the bonding material is provided more on the side surface on the outlet side of the gas passing through the fin than on the side surface on the inlet side of the gas passing through the fin in the positive temperature coefficient thermistor. .
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