JP6430781B2 - Thermoelectric module - Google Patents

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本発明は、自動車用シートクーラーに使用される、または燃料電池等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 an automobile seat cooler or used for a fuel cell or the like.

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、一方の主面と他方の主面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、一方の主面と他方の主面との間に温度差を与えることによって、熱電素子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。   For example, the thermoelectric module can generate a temperature difference between one main surface and the other main surface side by supplying electric power to the thermoelectric element. Moreover, the thermoelectric module can generate electric power with a thermoelectric element by giving a temperature difference between one main surface and the other main surface, for example. Taking advantage of these properties, thermoelectric modules are used for temperature control or thermoelectric generation.

このような熱電モジュールとして、例えば特許文献１に開示された熱電モジュールが挙げられる。特許文献１に開示された熱電モジュールは、複数配列された熱電素子と、熱電素子を挟むように設けられた上基板および下基板とを備えている。下基板の下面にはヒートシンクが取り付けられている。   As such a thermoelectric module, the thermoelectric module disclosed by patent document 1 is mentioned, for example. The thermoelectric module disclosed in Patent Document 1 includes a plurality of arrayed thermoelectric elements, and an upper substrate and a lower substrate provided so as to sandwich the thermoelectric elements. A heat sink is attached to the lower surface of the lower substrate.

特開２００８−２１８８９２号公報JP 2008-218892 A

特許文献１に開示された熱電モジュールにおいては、下基板がセラミック材料から成る。そして、下基板のうち熱電素子が接合される上面に導電層が設けられており、導電層と熱電素子とが接着剤によって接着されている。また、下基板のうちヒートシンクが接合される下面にはメタリック層が設けられており、メタリック層とヒートシンクとが接着剤によって接着されている。   In the thermoelectric module disclosed in Patent Document 1, the lower substrate is made of a ceramic material. A conductive layer is provided on the upper surface of the lower substrate to which the thermoelectric element is bonded, and the conductive layer and the thermoelectric element are bonded together with an adhesive. Further, a metallic layer is provided on the lower surface of the lower substrate to which the heat sink is bonded, and the metallic layer and the heat sink are bonded by an adhesive.

すなわち、熱電素子からヒートシンクへと熱が伝わるときには、熱電素子から接着剤、導電層、下基板、メタリック層および接着剤を経由することになる。このように、熱電素子とヒートシンクとの間に複数の部材が介在することによって、熱電素子とヒートシンクとの間の熱伝達を良好に行なうことが困難であった。その結果、熱電モジュールの熱電変換効率を向上させることが困難であった。   That is, when heat is transferred from the thermoelectric element to the heat sink, the thermoelectric element passes through the adhesive, the conductive layer, the lower substrate, the metallic layer, and the adhesive. As described above, since a plurality of members are interposed between the thermoelectric element and the heat sink, it is difficult to perform good heat transfer between the thermoelectric element and the heat sink. As a result, it has been difficult to improve the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電変換効率が向上した熱電モジュールを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a thermoelectric module with improved thermoelectric conversion efficiency.

本発明の一態様の熱電モジュールは、所定の領域に配列された複数の柱状の熱電素子と、隣接する該熱電素子の一方の端部同士を接続する複数の第１電極層と、隣接する前記熱電素子の他方の端部同士を接続する複数の第２電極層と、前記複数の第１電極層に絶縁性の接合材によって接合された熱交換部材とを備え、前記接合材が前記複数の第１電極層同士の間の隙間を埋めており、さらに、前記接合材が前記複数の熱電素子同士の間の隙間に入り込むとともに前記第１電極層を回りこむようにして前記複数の熱電素子のそれぞれの側面に接していることを特徴とする。 The thermoelectric module of one embodiment of the present invention includes a plurality of columnar thermoelectric elements arranged in a predetermined region, a plurality of first electrode layers that connect one end portions of the adjacent thermoelectric elements, and the adjacent ones. A plurality of second electrode layers connecting the other ends of the thermoelectric elements; and a heat exchange member bonded to the plurality of first electrode layers with an insulating bonding material, wherein the bonding material is the plurality of the bonding materials. The gap between the first electrode layers is filled, and the bonding material enters the gap between the plurality of thermoelectric elements and wraps around the first electrode layer, so that each of the plurality of thermoelectric elements It characterized that you have contact with the side surface.

本発明の一態様の熱電モジュールによれば、熱電変換効率を向上できる。   According to the thermoelectric module of one embodiment of the present invention, thermoelectric conversion efficiency can be improved.

本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの断面図である。It is sectional drawing of the thermoelectric module which concerns on one Embodiment of this invention. 図１に示す熱電モジュールの拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the thermoelectric module shown in FIG. 変形例の熱電モジュールを示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the thermoelectric module of a modification. 変形例の熱電モジュールを示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows the thermoelectric module of a modification.

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。   Hereinafter, a thermoelectric module 10 according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

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、所定の領域に配列された複数の柱状の熱電素子１と、隣接する熱電素子１の一方の端部同士を接続する複数の第１電極層２１と、隣接する熱電素子１の他方の端部同士を接続する複数の第２電極層２２と、複数の第１電極層２１に絶縁性の接合材３によって接合された熱交換部材４とを備えている。   As shown in FIG. 1, a thermoelectric module 10 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of columnar thermoelectric elements 1 arranged in a predetermined region and a plurality of one end portions of adjacent thermoelectric elements 1 connected to each other. The first electrode layer 21, the plurality of second electrode layers 22 connecting the other ends of the adjacent thermoelectric elements 1, and the heat bonded to the plurality of first electrode layers 21 by the insulating bonding material 3. And an exchange member 4.

熱電素子１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１は柱状の部材であって所定の領域に複数配列されている。熱電素子１は、熱電素子１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、複数の熱電素子１は第１電極層２１および第２電極層２２によって全体が直列に電気的に接続されている。   The thermoelectric element 1 is a member for adjusting the temperature by the Peltier effect or generating power by the Seebeck effect. The thermoelectric elements 1 are columnar members, and a plurality of thermoelectric elements 1 are arranged in a predetermined region. A plurality of thermoelectric elements 1 are provided in the vertical and horizontal directions at intervals of 0.5 to 2 times the diameter of the thermoelectric element 1. The plurality of thermoelectric elements 1 are electrically connected in series by the first electrode layer 21 and the second electrode layer 22 in series.

熱電素子１は、ｐ型熱電素子１１とｎ型熱電素子１２とに分類される。熱電素子１（ｐ型熱電素子１１およびｎ型熱電素子１２）は、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１１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１２は、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｓｅ３（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。 The thermoelectric element 1 is classified into a p-type thermoelectric element 11 and an n-type thermoelectric element 12. The thermoelectric element 1 (p-type thermoelectric element 11 and n-type thermoelectric element 12) is a thermoelectric material made of A 2 B 3 type crystal (A is Bi and / or Sb, B is Te and / or Se), preferably Bi ( The main body is formed of a thermoelectric material of bismuth) or Te (tellurium). Specifically, the p-type thermoelectric element 11 is formed 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 12 is formed of a thermoelectric material made of a solid solution of Bi 2 Te 3 (bismuth telluride) and Sb 2 Se 3 (antimony selenide), for example.

熱電素子１（ｐ型熱電素子１１およびｎ型熱電素子１２）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１の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１に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子１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。   The shape of the thermoelectric element 1 (p-type thermoelectric element 11 and n-type thermoelectric element 12) can be, for example, cylindrical, quadrangular, polygonal, or the like. In particular, it is preferable that the thermoelectric element 1 has a cylindrical shape. Thereby, the influence of the thermal stress which arises in the thermoelectric element 1 under a heat cycle can be reduced. In the case where the thermoelectric element 1 is formed in a cylindrical shape, the dimension is set to, for example, a diameter of 1 to 3 mm.

第１電極層２１および第２電極層２２は、複数の熱電素子１を電気的に接続するための部材である。第１電極層２１は、隣接する熱電素子１の一方の端部同士を接続している。第２電極層２２は、隣接する熱電素子１の他方の端部同士を接続している。第１電極層２１および第２電極層２２は、例えば、長円状の板材である。第１電極層２１および第２電極層２２は、例えば、半田等によって形成される接着層５によって熱電素子１に接合されている。第１電極層２１および第２電極層２２は、例えば、銅等の金属材料から成る。   The first electrode layer 21 and the second electrode layer 22 are members for electrically connecting the plurality of thermoelectric elements 1. The first electrode layer 21 connects one ends of the adjacent thermoelectric elements 1. The second electrode layer 22 connects the other ends of the adjacent thermoelectric elements 1. The first electrode layer 21 and the second electrode layer 22 are, for example, oval plate materials. The first electrode layer 21 and the second electrode layer 22 are joined to the thermoelectric element 1 by an adhesive layer 5 formed by, for example, solder. The first electrode layer 21 and the second electrode layer 22 are made of a metal material such as copper, for example.

熱交換部材４は、熱交換を行なうための部材であって、第１電極層２１に接合されている。熱交換部材４としては、例えば、熱交換フィン４が挙げられる。熱交換フィン４は、例えば、銅等の熱伝導性に優れた金属材料から成る。熱交換フィン４は、図１において、紙面に対して垂直な方向に風が流れたときに、風の流れを阻害しないようにしつつ、熱交換を行なうことができるように設けられている。熱交換フィン４は、絶縁性の接合材３によって第１電極層２１に接合されている。   The heat exchange member 4 is a member for performing heat exchange, and is joined to the first electrode layer 21. Examples of the heat exchange member 4 include heat exchange fins 4. The heat exchange fin 4 is made of a metal material having excellent thermal conductivity such as copper. In FIG. 1, the heat exchange fins 4 are provided so that heat exchange can be performed while not obstructing the flow of the wind when the wind flows in a direction perpendicular to the paper surface. The heat exchange fin 4 is bonded to the first electrode layer 21 by the insulating bonding material 3.

接合材３は、熱交換フィン４を第１電極層２１に接合するための部材である。接合材３は、例えば、エポキシ樹脂等の樹脂材料から成る。接合材３は、第１電極層２１の少なくとも上面と熱交換フィン４とを接合している。   The bonding material 3 is a member for bonding the heat exchange fin 4 to the first electrode layer 21. The bonding material 3 is made of a resin material such as an epoxy resin, for example. The bonding material 3 bonds at least the upper surface of the first electrode layer 21 and the heat exchange fin 4.

本実施形態の熱電モジュール１０においては、所定の領域に配列された複数の柱状の熱電素子１と、隣接する熱電素子１の一方の端部同士を接続する複数の第１電極層２１と、隣接する熱電素子１の他方の端部同士を接続する複数の第２電極層２２と、複数の第１電極層２１に絶縁性の接合材３によって接合された熱交換部材４とを備えている。これにより、従来の熱電モジュールと比較して、熱電素子１と熱交換部材４との間に介在する部材を減らすことができるので、熱電素子１と熱交換部材４との間の熱伝達を向上させることができる。これにより、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上できる。   In the thermoelectric module 10 of the present embodiment, a plurality of columnar thermoelectric elements 1 arranged in a predetermined region, a plurality of first electrode layers 21 that connect one end portions of adjacent thermoelectric elements 1, and adjacent A plurality of second electrode layers 22 that connect the other ends of the thermoelectric element 1 to be connected, and a heat exchange member 4 that is bonded to the plurality of first electrode layers 21 by an insulating bonding material 3. Thereby, since the member interposed between the thermoelectric element 1 and the heat exchange member 4 can be reduced compared with the conventional thermoelectric module, the heat transfer between the thermoelectric element 1 and the heat exchange member 4 is improved. Can be made. Thereby, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10 can be improved.

さらに、図２に示すように、絶縁性の接合材３が第１電極層２１同士の間の隙間を覆っていることが好ましい。第１電極層２１同士の間の隙間を覆うことによって、第１電極層２１同士を固定することができるので、第１電極層２１の全体の強度を向上させることができる。これにより、熱電モジュール１０の信頼性を向上できる。   Furthermore, as shown in FIG. 2, it is preferable that the insulating bonding material 3 covers the gap between the first electrode layers 21. Since the first electrode layers 21 can be fixed by covering the gaps between the first electrode layers 21, the overall strength of the first electrode layers 21 can be improved. Thereby, the reliability of the thermoelectric module 10 can be improved.

さらに、図３に示すように、絶縁性の接合材３が第１電極層２１同士の間の隙間を埋めていることが好ましい。これにより、第１電極層２１に対して水平な方向に力が加わったときに、第１電極層２１がずれてしまうおそれを低減できる。これにより、熱電モジュール１０の信頼性を向上できる。   Furthermore, as shown in FIG. 3, it is preferable that the insulating bonding material 3 fills a gap between the first electrode layers 21. Thereby, when force is applied to the first electrode layer 21 in a horizontal direction, the possibility that the first electrode layer 21 is displaced can be reduced. Thereby, the reliability of the thermoelectric module 10 can be improved.

さらに、図４に示すように、絶縁性の接合材３が熱電素子１同士の間の隙間に入り込むとともに、熱電素子１に接していることが好ましい。これにより、熱電素子１と第１電極とをさらに強固に接合することができる。これにより、熱電モジュール１０の信頼性を向上できる。また、図４に示すように、絶縁性の接合材３が熱電素子１に接しているとともに、熱電素子１同士の間には、接合材３が設けられていない隙間があることが好ましい。これにより、例えば、熱電素子１のうち一端側を発熱させて他端側を冷却させたときに、一端側から他端側に接合材３を介して熱が伝わってしまうことを低減できる。その結果、接合材３を熱電素子１に接触させることによる熱電変換効率の低下を抑制できる。   Furthermore, as shown in FIG. 4, it is preferable that the insulating bonding material 3 enters the gap between the thermoelectric elements 1 and is in contact with the thermoelectric element 1. Thereby, the thermoelectric element 1 and the 1st electrode can be joined still more firmly. Thereby, the reliability of the thermoelectric module 10 can be improved. In addition, as shown in FIG. 4, it is preferable that the insulating bonding material 3 is in contact with the thermoelectric element 1 and that there is a gap between the thermoelectric elements 1 where the bonding material 3 is not provided. Thereby, for example, when one end side of the thermoelectric element 1 is heated and the other end side is cooled, it is possible to reduce heat from being transmitted from the one end side to the other end side through the bonding material 3. As a result, it is possible to suppress a decrease in thermoelectric conversion efficiency caused by bringing the bonding material 3 into contact with the thermoelectric element 1.

さらに、絶縁性の接合材３が樹脂材料および樹脂材料よりも熱伝導率が高い熱伝導粒子から成ることが好ましい。これにより、絶縁性の接合材３による熱伝導を良好に行なうことができる。その結果、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上できる。樹脂材料としてエポキシ樹脂を用いる場合には、熱伝導粒子として、例えば、窒化アルミニウム等を用いることができる。このとき、樹脂材料の熱伝導率は０．２Ｗ／ｍＫ程度であり、熱伝導粒子の熱伝導率は１７０Ｗ／ｍＫ程度である。   Furthermore, it is preferable that the insulating bonding material 3 is made of a resin material and heat conductive particles having higher heat conductivity than the resin material. Thereby, the heat conduction by the insulating bonding material 3 can be favorably performed. As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric module 10 can be improved. When an epoxy resin is used as the resin material, for example, aluminum nitride or the like can be used as the heat conductive particles. At this time, the thermal conductivity of the resin material is about 0.2 W / mK, and the thermal conductivity of the thermal conductive particles is about 170 W / mK.

１：熱電素子
１１：ｐ型熱電素子
１２：ｎ型熱電素子
２１：第１電極層
２２：第２電極層
３：接合材
４：熱交換部材（熱交換フィン）
１０：熱電モジュール 1: Thermoelectric element 11: p-type thermoelectric element 12: n-type thermoelectric element 21: first electrode layer 22: second electrode layer 3: bonding material 4: heat exchange member (heat exchange fin)
10: Thermoelectric module

Claims (3)

所定の領域に配列された複数の柱状の熱電素子と、隣接する該熱電素子の一方の端部同士を接続する複数の第１電極層と、隣接する前記熱電素子の他方の端部同士を接続する複数の第２電極層と、前記複数の第１電極層に絶縁性の接合材によって接合された熱交換部材とを備え、前記接合材が前記複数の第１電極層同士の間の隙間を埋めており、さらに、前記接合材が前記複数の熱電素子同士の間の隙間に入り込むとともに前記第１電極層を回りこむようにして前記複数の熱電素子のそれぞれの側面に接していることを特徴とする熱電モジュール。 Connecting a plurality of columnar thermoelectric elements arranged in a predetermined area, a plurality of first electrode layers connecting one end of the adjacent thermoelectric elements, and the other end of the adjacent thermoelectric elements A plurality of second electrode layers and a heat exchange member bonded to the plurality of first electrode layers with an insulating bonding material, wherein the bonding material provides gaps between the plurality of first electrode layers. filled and, further, the bonding material is characterized that you have contact with the respective side of the plurality of thermoelectric elements as Komu around the first electrode layer with entering the gap between each other the plurality of thermoelectric elements Thermoelectric module. 前記複数の熱電素子同士の間には、前記接合材が設けられていない隙間があることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。 Wherein the plurality of thermoelectric elements between the adjacent thermoelectric module according to claim 1, wherein a gap there Rukoto that the bonding material is not provided. 前記接合材が樹脂材料および該樹脂材料よりも熱伝導率が高い熱伝導粒子から成る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。   3. The thermoelectric module according to claim 1, wherein the bonding material includes a resin material and heat conductive particles having higher heat conductivity than the resin material.
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