JP6920154B2 - Thermoelectric module - Google Patents
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本開示は、熱電モジュールに関し、例えば、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、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に関するものである。 The present disclosure relates to thermoelectric modules, for example, thermoelectric modules used for thermoelectric power generation such as constant temperature baths, refrigerators, seat coolers for automobiles, semiconductor manufacturing equipment, laser diodes or fuel cells, temperature control of batteries, etc. or waste heat power generation. It is about.
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ている。 The thermoelectric module can generate a temperature difference between one main surface and the other main surface, for example, by supplying electric power to a thermoelectric element. Further, the thermoelectric module can generate electric power by the 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, thermoelectric power generation, and the like.
このような熱電モジュールは、例えば、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた配線導体と接合されたリード部材とを備え、該リード部材は、芯線と、芯線が露出する先端部よりも後端側で芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含んでいる(特許文献1を参照)。 Such a thermoelectric module is, for example, between a pair of support substrates having regions facing each other, wiring conductors provided on one of the opposing main surfaces of the pair of support substrates, and one main surface of the pair of support substrates. A plurality of arranged thermoelectric elements and a lead member joined to a wiring conductor provided on one of the support substrates of the pair of support substrates are provided, and the lead member includes a core wire and a tip portion where the core wire is exposed. It includes an elastic coating layer that covers the core wire on the rear end side (see Patent Document 1).
従来、支持基板に設けられた配線導体にリード部材をはんだ付けする場合、リード部材は支持基板の主面に平行に配置されていた。このとき、リード部材の被覆層は、先端が支持基板の側面に垂直に接触していた。 Conventionally, when a lead member is soldered to a wiring conductor provided on a support substrate, the lead member is arranged parallel to the main surface of the support substrate. At this time, the tip of the coating layer of the lead member was in vertical contact with the side surface of the support substrate.
熱電モジュールの放熱面(一方の支持基板)からの放熱は、例えば放熱面にヒートシンクを設け、必要により空冷ファンや水冷機構等を用いて行われる。また、放熱の一部は、リード部材の被覆層を通しても行われる。 Heat dissipation from the heat dissipation surface (one support substrate) of the thermoelectric module is performed by, for example, providing a heat sink on the heat dissipation surface and using an air cooling fan, a water cooling mechanism, or the like if necessary. Part of the heat dissipation is also performed through the coating layer of the lead member.
しかしながら、上記従来の形態にあっては、支持基板と配線導体との熱膨張差によって、リード部材が動いて被覆層の先端が支持基板の側面から離れ、被覆層を通して熱伝導されずに放熱性が悪くなるという問題があった。 However, in the above-mentioned conventional form, due to the difference in thermal expansion between the support substrate and the wiring conductor, the lead member moves and the tip of the coating layer is separated from the side surface of the support substrate, and heat is not conducted through the coating layer and heat is dissipated. There was a problem that it got worse.
本開示は、上記の事情に鑑みてなされたもので、リード部材の被覆層が支持基板から離れにくい熱電モジュールを提供することを目的とする。 The present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a thermoelectric module in which the coating layer of a lead member does not easily separate from a support substrate.
本開示の熱電モジュールは、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材とを備えている。リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含んでいる。リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方
向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の側面に前記被覆層の先端が押し付けられて縮んでいる。
The thermoelectric module of the present disclosure is between a pair of support substrates having regions facing each other, wiring conductors provided on one of the facing main surfaces of the pair of support substrates, and one main surface of the pair of support substrates. It includes a plurality of arranged thermoelectric elements and a lead member joined to the wiring conductor provided on one of the support substrates of the pair of support substrates. The lead member includes a core wire and an elastic coating layer that covers the core wire on the rear end side of the tip portion where the core wire is exposed. The lead member is arranged so as to be inclined from a direction parallel to the one main surface when viewed in a cross section perpendicular to the one main surface, and the tip of the coating layer is pressed against the side surface of the one support substrate. Is shrinking.
また、本開示の他の熱電モジュールは、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた前記配線導体と接合されたリード部材とを備えている。リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含んでいる。リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の稜部に前記被覆層が押し付けられて凹んでいる。 Further, the other thermoelectric modules of the present disclosure include a pair of support substrates having regions facing each other, wiring conductors provided on one of the facing main surfaces of the pair of support substrates, and one of the pair of support substrates. It includes a plurality of thermoelectric elements arranged between the main surfaces and a lead member joined to the wiring conductor provided on one of the support substrates of the pair of support substrates. The lead member includes a core wire and an elastic coating layer that covers the core wire on the rear end side of the tip portion where the core wire is exposed. The lead member is arranged so as to be inclined from a direction parallel to the one main surface when viewed in a cross section perpendicular to the one main surface, and the coating layer is pressed against the ridge portion of the one support substrate. It is dented.
本開示の熱電モジュールによれば、被覆層が支持基板の側面から離れそうになったとしても、被覆層の縮んだ部分または凹んだ部分がもとに戻って離れるのを抑制できるので、放熱性が向上する。 According to the thermoelectric module of the present disclosure, even if the coating layer is about to separate from the side surface of the support substrate, it is possible to prevent the shrunk or recessed portion of the coating layer from returning to its original position and thus dissipating heat. Is improved.
以下、熱電モジュールの例について、図面を参照して説明する。 Hereinafter, an example of the thermoelectric module will be described with reference to the drawings.
図1は熱電モジュールの例の概略斜視図であり、図2は図1に示す熱電モジュールの平面図、図3は図2に示す熱電モジュールの一部透過側面図、図4は図2に示すIV−IV線で切断した概略断面図である。 1 is a schematic perspective view of an example of a thermoelectric module, FIG. 2 is a plan view of the thermoelectric module shown in FIG. 1, FIG. 3 is a partially permeated side view of the thermoelectric module shown in FIG. 2, and FIG. 4 is shown in FIG. It is a schematic cross-sectional view cut along the IV-IV line.
図1〜図4に示す熱電モジュール10は、互いに対向する領域を有する一対の支持基板11、12と、一対の支持基板11、12の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体21、22と、一対の支持基板11、12の一方主面間に配置された複数の熱電素子3と、一対の支持基板11、12のうちの一方の支持基板11に設けられた配線導体21と接合されたリード部材4とを備えている。
In the
熱電モジュール10を構成する一対の支持基板11、12は、例えば矩形状の互いに対向する領域を有し、この領域で複数の熱電素子3を挟んで支持している。この矩形状の互いに対向する領域を平面視したときの寸法は、例えば、縦40〜80mm、横20〜40mmに設定することができる。
The pair of
支持基板11は上面が支持基板12に対向する一方主面となるように配置され、支持基板12は下面が支持基板11に対向する一方主面となるように配置されている。例えば、支持基板11が相対的に高温となる高温側支持基板であり、支持基板12が相対的に低温
となる低温側支持基板である。
The
支持基板11は支持基板12に対向する一方主面である上面に配線導体21が設けられ、支持基板12は支持基板11に対向する一方主面である下面に配線導体22が設けられることから、支持基板11の上面側および支持基板12の下面側は絶縁材料からなる。例えば、一対の支持基板11、12は、アルミナフィラーを添加してなる厚み50〜200μmのエポキシ樹脂からなる基板本体の外側の主面に厚み50〜500μmの銅板を貼り合わせた構成である。また、一対の支持基板11、12としては、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなる基板本体の外側の主面に銅などの金属板を貼り合わせた構成であってもよく、銅、銀、銀−パラジウムなどの導電性材料からなる基板本体の内側の主面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナ、窒化アルミニウムなどからなる絶縁層を設けた構成であってもよい。
Since the
一対の支持基板11、12の対向する内側の一方主面には、それぞれ配線導体21、22が設けられている。この配線導体21、22は、例えば支持基板11、12の内側の対向する主面に銅板を貼り付けておき、配線導体21、22となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって得ることができる。また、打ち抜き加工によって配線導体21、22の形状に成形したものでもよい。配線導体21、22の形成材料としては、銅に限られず、例えば銀、銀−パラジウムなどの材料でもよい。
一対の支持基板11、12の対向する内側の一方主面間には、配線導体21、22によって電気的に接続されるように、複数の熱電素子3が配置されている。複数の熱電素子3は、p型熱電素子31およびn型熱電素子32である。この熱電素子3は、例えばペルチェ効果によって温度調節を行なうための部材である。熱電素子3は、例えば熱電素子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、配線導体21、22とはんだで接合されている。具体的には、p型熱電素子31およびn型熱電素子32が隣接して交互に配置され、配線導体21、22およびはんだを介して直列に電気的に接続され、全ての熱電素子3が直列に接続されている。
A plurality of
複数の熱電素子3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)からなる熱電材料、好ましくはBi(ビスマス)およびTe(テルル)系の熱電材料で本体部が構成されている。具体的には、p型熱電素子31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構成される。また、n型熱電素子32は、例えば、Bi2Te3(テルル化ビスマス)とBi2Se3(セレン化ビスマス)との固溶体からなる熱電材料で構成される。
The plurality of
熱電素子3の形状は、例えば円柱状、四角柱状、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により、使用時のヒートサイクル下において熱電素子3に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子3を円柱状とする場合には、寸法は、例えば直径が0.5〜3mm、高さが0.3〜5mmに設定される。
The shape of the
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固化したBi、SbおよびTeからなるp型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径0.5〜3mmの断面円形の棒状体としたものである。また、n型熱電素子32となる熱電材料は、一度溶融させて固化したBi、TeおよびSeからなるn型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径0.5〜3mmの断面円形の棒状体としたものである。
Here, the thermoelectric material to be the p-type
必要により、これら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0.3〜5.0mmの長さ(厚さ)に切断する。ついで、必要により、切断面のみに、例えば電気メッキでNi層を形成し、その上にSn層を形成し、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。
If necessary, the sides of these thermoelectric materials are coated with a resist that prevents plating from adhering, and then cut to a length (thickness) of, for example, 0.3 to 5.0 mm using a wire saw. Then, if necessary, a Ni layer is formed only on the cut surface by, for example, electroplating, and a Sn layer is formed on the Ni layer, so that the p-type
なお、支持基板11と支持基板12との間に配置された複数の熱電素子3の周囲には、必要により、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなるシール材を設けてもよい。外周側は支持基板11と支持基板12との間の温度差による変形が大きいが、一対の支持基板11、12の一方主面間における外周側に配置された複数の熱電素子3の隙間を埋めるようにシール材を設けることで、これが補強材となり、熱電素子3と配線導体21、22との間の剥離を抑制できる。
If necessary, a sealing material made of a resin such as a silicone resin or an epoxy resin may be provided around the plurality of
一対の支持基板11、12のうちの一方の支持基板11には、必要により突出部111が設けられている。ここで、突出部111とは、平面視したときに支持基板11における支持基板12と対向する領域よりもはみ出た領域のことであり、図3において二点鎖線よりも左側の部分のことである。
If necessary, a
突出部111の突出量(突出距離)は例えば1〜5mmとされ、突出部111の支持基板11の辺に沿った方向の幅は例えば5mm〜40mm(短い辺の全域)とされる。
The protrusion amount (protrusion distance) of the
支持基板11の一方主面上にある配線導体21は突出部111まで設けられていて、突出部111の一方主面上に設けられた配線導体21にリード部材4の端部がはんだ等の接合材6で接合されている。なお、配線導体21とリード部材4との接合には、はんだの他、レーザーを用いた溶接であってもよい。
The
リード部材4は、熱電モジュール10と外部回路とを電気的に接続するもので、熱電素子3に電力を与えるか、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。このリード部材4は、芯線41と、被覆層42とを含んでいる。リード部材4は、配線導体21と接合される先端部が、芯線41の露出した形状になっている。また、リード部材4は、先端部よりも後端側で芯線41を覆う、弾性を有する被覆層42を含んでいる。言い換えると、芯線41の配線導体21と電気的に接続される少なくとも先端部を除き、芯線41の側周面には被覆層42が設けられている。
The
ここで、リード部材4の先端部とは、支持基板11に設けられた配線導体21に接合される側の端部のことを意味する。リード部材4の先端部は芯線41の露出した形状になっているとは、リード部材4を配線導体21に電気的に接続するために、芯線41が被覆層442よりも先端側に突出していることを意味する。なお、リード部材4と外部回路との
接続のために、リード部材4の後端部も芯線41が露出していてもよく、リード部材4の後端部にコネクターが取り付けられていてもよい。
Here, the tip end portion of the
芯線41は、例えば銅からなり、直径が0.15〜0.30mmの金属線を複数本束ねたもの、例えば15〜30本束ねたものである。被覆層42は、例えばポリ塩化ビニル、ポリエチレンなどからなり、厚み0.2〜0.4mmとされる。
The
そして、リード部材4は、一対の支持基板11、12の一方主面に垂直な断面で見たときに、一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、一方の支持基板11の側面に被覆層42の先端が押し付けられて縮んでいる。リード部材4の縮む量としては、例えば100μm〜800μmに設定される。
When the
この構成によれば、リード部材4の被覆層42の先端が支持基板11の側面から離れそ
うになったとしても、被覆層42の縮んだ部分がもとに戻るように伸びるので、支持基板11の側面から離れるのを抑制でき、熱電モジュール10の放熱性が向上する。
According to this configuration, even if the tip of the
このような形態とするには、リード部材4を支持基板11に対して傾けて、被覆層42先端を支持基板11の側面に押し付けながら接合材6などで芯線41と配線導体21とを接合すればよい。
In such a form, the
また、リード部材4と支持基板11とが熱伝導性部材5で接続されていてもよい。言い換えると、リード部材4から支持基板11にかけてこれらの一部を覆うように熱伝導部材5を設けてもよい。なお、図1〜図4に示す形態では、リード部材4を配線導体21に接合する接合材6の一部が露出するように熱伝導性部材5が設けられているが、図5〜図8に示すように、リード部材4を配線導体21に接合する接合材6の全体を覆うように熱伝導性部材5が設けられてもよい。このとき、熱伝導性部材5は支持基板11の側面に接合されていてもよく、支持基板11の一方主面とは反対側の他方主面にかけて接合されていてもよい。
Further, the
熱伝導性部材5の材質としては、絶縁体であり、室温での加工性に優れ、かつ硬化が容易な樹脂で熱伝導率が比較的高いエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。さらに、これらの樹脂に、当該樹脂よりも熱伝導率の大きなフィラー、例えば窒化アルミニウムなどのセラミックス、金属などの粒子を含んでもよい。熱伝導性部材5の厚みとしては、一対の支持基板11、12の間隔および熱電素子3の高さと同じ程度までの範囲内の厚みとすることができる。
Examples of the material of the heat
この構成によれば、支持基板11の熱が熱伝導性部材5を通じて被覆層42に伝わるとともに熱伝導性部材5の表面から放熱されるため、熱電モジュール10の冷却性能を向上させることができる。また、リード部材4の接合強度も向上する。
According to this configuration, the heat of the
また、図4および図8に示すように、リード部材4の芯線41が、一方の支持基板11の稜部に接していてもよい。具体的には、リード部材4の芯線41が支持基板11の一方主面に平行な方向から傾いて配置されており、芯線41の露出する先端部の側面が支持基板11の稜部に斜めに当接している。これにより、被覆層42の他に芯線41からも熱伝導が行われるため、放熱性がさらに向上する。
Further, as shown in FIGS. 4 and 8, the
また、図9に示すように、一方の支持基板11の稜部に被覆層42が押し付けられて凹んでいてもよい。具体的には、リード部材4の被覆層42が図4および図8に示す形態よりも支持基板11の上方まで延びていて、リード部材4の被覆層42が支持基板11の一方主面に平行な方向から傾いて配置されており、被覆層42の側面が支持基板11の稜部に斜めに当接し、押し付けられて凹んでいる。リード部材4の凹む量(深さ)としては、例えば100μm〜500μmに設定される。
Further, as shown in FIG. 9, the
この構成によっても、被覆層42が支持基板11の側面から離れそうになったときに、被覆層42の凹んだ部分がもとに戻って離れるのを抑制できるので、放熱性が向上する。
Even with this configuration, when the
また、図10に示すように、リード部材4は、一方主面に垂直な断面で見たときに、芯線41が露出する先端部の傾きのほうが、該先端部よりも後端側の部位の傾きよりも小さくてもよい。
Further, as shown in FIG. 10, when viewed in a cross section perpendicular to the main surface of the
これにより、リード部材4の芯線41が露出する先端部の全体と支持基板11との距離が小さくなるので、支持基板11からリード部材4へ熱伝導しやすくなり、放熱性が向上する。また、芯線41の先端部が配線導体21から離れすぎず、接合材6がリード部材4
の先端部の上側まで回り込むので、芯線41の先端部の全体を接合材6でしっかりと接合でき、接合強度が向上する。
As a result, the distance between the entire tip of the
Since it wraps around to the upper side of the tip portion of the wire, the entire tip portion of the
10:熱電モジュール
11、12:支持基板
111 :突出部
21、22:配線導体
3 :熱電素子
31:p型熱電素子
32:n型熱電素子
4 :リード部材
41:芯線
42:被覆層
5 :熱伝導性部材
6 :接合材
10:
Claims (4)
該リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含み、
前記リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の側面に前記被覆層の先端が押し付けられて縮んでいることを特徴とする熱電モジュール。 A pair of support substrates having regions facing each other, wiring conductors provided on one of the opposing main surfaces of the pair of support substrates, and a plurality of thermoelectric elements arranged between one main surface of the pair of support substrates. And a lead member joined to the wiring conductor provided on one of the support boards of the pair of support boards.
The lead member includes a core wire and an elastic coating layer that covers the core wire on the rear end side of the tip portion where the core wire is exposed.
The lead member is arranged so as to be inclined from a direction parallel to the one main surface when viewed in a cross section perpendicular to the one main surface, and the tip of the coating layer is pressed against the side surface of the one support substrate. A thermoelectric module characterized by being shrunk.
該リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線を覆う弾性を有する被覆層とを含み、
前記リード部材は、前記一方主面に垂直な断面で見たときに、前記一方主面に平行な方向から傾いて配置されるとともに、前記一方の支持基板の稜部に前記被覆層が押し付けられて凹んでいることを特徴とする熱電モジュール。 A pair of support substrates having regions facing each other, wiring conductors provided on one of the opposing main surfaces of the pair of support substrates, and a plurality of thermoelectric elements arranged between one main surface of the pair of support substrates. And a lead member joined to the wiring conductor provided on one of the support boards of the pair of support boards.
The lead member includes a core wire and an elastic coating layer that covers the core wire on the rear end side of the tip portion where the core wire is exposed.
The lead member is arranged so as to be inclined from a direction parallel to the one main surface when viewed in a cross section perpendicular to the one main surface, and the coating layer is pressed against the ridge portion of the one support substrate. A thermoelectric module characterized by being dented.
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