JPH1168175A - 熱電モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電素子に接続される自由端側電極が大きく
ても、その熱応力が熱電素子と電極との接合部に作用す
ることを防止でき、接合部の破壊を回避することがで
き、耐久性を向上させることができる熱電モジュールを
提供する。 【解決手段】 Ａｌ製基板５上に配置された複数個のｐ
型熱電素子６ａ及びｎ型熱電素子６ｂは、その上端が蛇
行部分を有する形状の自由端側電極３０にろう付けさ
れ、その下端が蛇行部分を有しない基板側電極２ｂにろ
う付けされて接続されている。これにより、自由端側電
極３０に熱応力が生じても、蛇行部分により緩和され
て、自由端側電極３０と熱電素子６との接合部に熱応力
が作用することが防止されて、耐久性に優れた熱電モジ
ュール２０が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子冷却として使
用されるスケルトンタイプの熱電モジュールに関し、特
に、大型素子において均熱帯面積を大きくすることが可
能であり、しかも熱応力による熱電素子の破壊を防止す
ることができる熱電モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来のスケルトンタイプの熱電モ
ジュールの構造を示す斜視図、図５はは同じくその正面
図、図６は同じくその平面図である。アルマイト処理を
施したＡｌ製基板４上には基板側電極１ｂが接着剤によ
り接着されており、各基板側電極１ｂ上には１対のｐ型
半導体からなる熱電素子６ａとｎ型半導体からなる熱電
素子６ｂとがハンダ付けにより接合されている。一方、
熱電素子６（６ａ、６ｂ）の上端部は隣接する基板側電
極１ｂに設置されたｐ型熱電素子６ａとｎ型熱電素子６
ｂ同士が自由端側電極１ａにより接続されている。この
電極１ａと熱電素子６ａ、６ｂとはハンダ付けにより接
合されており、電極１ａ、１ｂは銅等により形成されて
いる。このようにして、複数個の熱電素子６が直列接続
されている。また、熱電素子６の直列接続体の両端部の
基板側電極１ｂにはリード線７が接続されている。

【０００３】上述のように、スケルトンタイプの熱電モ
ジュール１０においては、熱電素子６に接合された基板
側電極１ｂはＡｌ製基板４に接着されて固定されている
ので、基板側電極１ｂは拘束された状態にある。一方、
熱電素子６の上端部に接合された自由端側電極１ａは拘
束されていない状態にある。

【０００４】この熱電モジュール１０にリード線７を介
して電流を流すと、熱電モジュール１０の自由端が吸熱
して自由端側電極１ａが冷却側となり、対向する基板側
電極１ｂが発熱側となる。なお、スケルトンタイプの熱
電モジュール１０は、セラミックスタイプの熱電モジュ
ールと異なり、自由端側電極１ａは基板により拘束され
ていないので、熱応力に対して強いという利点がある。

【０００５】このような熱電モジュールを金属からなる
均熱板に装着して、この均熱板を１個の熱電モジュール
により均熱する場合、従来の熱電モジュールはサイズが
小さいため、前記均熱板が大きいときは、図７（ａ）に
示すように、均熱板の中央に熱電モジュール１０を配置
して均熱するしか方法がない。しかしながら、このよう
に、大きな均熱板を１個の熱電モジュールで均熱しよう
とすると、熱電素子が接合された部分と、端部とで金属
板に温度差が発生する。

【０００６】このような温度分布の発生を防止するため
に、図７（ｂ）に示すように、均熱板に装着する熱電モ
ジュール１０の数を増加させることが考えられる。しか
し、この方法では１個の均熱板を均熱するための装置コ
ストが高くなる。

【０００７】そこで、図７（ｃ）に示すように、熱電素
子の数を図７（ａ）の場合と同様にして熱電モジュール
を大型化することが考えられる。この場合は素子数が図
７（ａ）の場合と同様であるので、消費電力も同一であ
ると共に、装置コストも増大することはない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、素子数
を同一にして熱電素子６の配設密度を低くし、熱電モジ
ュール１５を均熱板８と同じ大きさまで大型化した場合
は、スケルトン構造であっても、冷却側の自由端側電極
１ａが著しく大きくなるため、この自由端側電極１ａは
熱応力の影響を強く受けるようになる。これにより、自
由端側電極と熱電素子との間の接合部が破壊する虞れが
ある。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、熱電素子に接続される自由端側電極が大き
くても、その熱応力が電極接合部に作用することを防止
することができ、熱電素子と電極との接合部の破壊を回
避することができ、耐久性を向上させることができる熱
電モジュールを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電モジュ
ールは、基板上に複数個の熱電素子が配置され基板側電
極及び自由端側電極により交互に接続されて構成される
スケルトンタイプの熱電モジュールにおいて、前記自由
端側の電極は蛇行部分を有することを特徴とする。この
熱電モジュールにおいて、前記自由端側の電極の蛇行部
分は前記基板上に設けられた支柱により支持されている
ことが好ましい。

【００１１】本発明においては、自由端側電極は蛇行部
分を有するので、自由端側電極が大きくてもこの蛇行部
分で自由端側電極の収縮を緩衝することができる。従っ
て、熱電素子と自由端側電極との接合部に応力が作用し
てその接合部が破壊することを防止できる。従って、本
発明により、熱電モジュールの耐久性を向上させること
ができる。

【００１２】また、自由端側電極の蛇行部分を前記基板
上に設けられた支柱により支持した場合は、自由端側電
極が垂れ下がり、曲げ変形することが抑制される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
添付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明
の実施例に係るスケルトンタイプの熱電モジュール２０
の構造を示す平面図である。本実施例の熱電モジュール
２０はアルマイトによる絶縁化処理されたＡｌ製基板５
上に配置された複数個のｐ型熱電素子６ａとｎ型熱電素
子６ｂを有する。これらの熱電素子６ａ、６ｂの下端
は、基板５上に接着された基板側電極２ｂにハンダ付け
により接合されており、その上端はハンダ付けにより自
由端側電極３０に接合されている。この自由端側電極３
０は平面視で３つの屈曲部分を有して蛇行する形状を有
している。これらの熱電素子６は基板側電極２ｂ及び自
由端側電極３０により交互に接続されて直列接続されて
おり、この直列体の両端部の基板側電極２ｂにはリード
線７が接続されて、熱電モジュール２０が組み立てられ
ている。

【００１４】本実施例においては、自由端側電極３３が
蛇行部分を有するので、自由端側電極３３が熱応力によ
り収縮しようとしても、この熱応力は蛇行部分で緩衝さ
れて、熱応力が電極３３と素子６との接合界面に作用す
ることはなく、このため、電極３３の剥離を防止するこ
とができる。

【００１５】図２（ａ）乃至（ｃ）は本実施例の蛇行部
分を有する自由端側電極の変形例を示す平面図、（ｄ）
は同じく他の変形例を示す縦断面図である。図２（ａ）
は２箇所の蛇行部分を有するＳ字形状の自由端側電極３
０を示し、図２（ｂ）は１箇所の蛇行部分を有するＣ字
形状の自由端側電極３１を示し、図２（ｃ）は２つに分
岐した蛇行部分を有するＯ字形状の自由端側電極３２を
示す。これらの自由端側電極の蛇行部分はいずれも平面
視で蛇行するものである。一方、図２（ｄ）に示す自由
端側電極３３は縦方向にＶ字形状に屈曲した蛇行部分を
有するものである。これらの自由端側電極はいずれも図
１に示すものと同様の効果を奏する。

【００１６】なお、本発明に係る蛇行部分を有する電極
形状は上記の実施例に限定されるものでなく、電極に発
生する熱応力を緩和することができる電極形状であれ
ば、蛇行部分の方向、蛇行部分の大きさ、曲り角度の大
小、蛇行部分の数又は電極の分岐数等は任意である。

【００１７】図３（ａ）は本発明の他の実施例に係るス
ケルトンタイプの熱電モジュールを示す縦断面図、図３
（ｂ）は同じく本発明の更に他の実施例に係る熱電モジ
ュールを示す縦断面図である。図３（ａ）に示す熱電モ
ジュールは、図１及び図２（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に、平面方向に蛇行した自由端側電極３０を有するもの
である。この熱電モジュール３０はｐ型熱電素子６ａと
ｎ型熱電素子６ｂとの間の略中央位置の基板５上に設け
られた支柱３５により、自由端側電極３０の略中央部が
支持されたものである。また、図３（ｂ）に示す熱電モ
ジュールは、図２（ｄ）に示す自由端側電極３３をｐ型
熱電素子６ａ及びｎ型熱電素子６ｂとの間の基板５上に
設けられた２つの支柱３６により支持したものである。
このように自由端側電極６ａ、６ｂの中間部分を支柱３
６により支持することにより、自由端側電極３３がその
蛇行部分で垂れ下がり、曲げ変形が生じることを防止す
ることができる。

【００１８】なお、本発明の自由端側電極を支持する支
柱は上記の実施例に限定されるものでなく、自由端側電
極の曲げを防止することができれば、支柱の数量、支柱
の形状、支柱の大きさ、及び支柱と各種蛇行部分を有し
た自由端側電極との組合せ等は任意である。

【００１９】

【実施例】以下、本発明に係る熱電モジュールの実施例
について、その比較例と比較して具体的に説明する。先
ず、実施例の熱電モジュールについては、基板の大きさ
が縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍのＡｌ製板
材を使用した。また、自由端側Ｃｕ電極及び基板側Ｃｕ
電極の寸法は、長さ約１０ｍｍ、幅１．７ｍｍ、厚さ
０．１ｍｍとした。但し、自由端側Ｃｕ電極は図１に示
すように、２箇所の蛇行部分を有したＳ字形状とした
が、基板側Ｃｕ電極は蛇行部分のない長方形の平板であ
り、接着剤によりＡｌ製基板上に接着した。更に、熱電
素子は縦１．５ｍｍ、横１．５ｍｍ、高さ２ｍｍの寸法
とし、ｐ型熱電素子及びｎ型熱電素子を１対として全数
５０対を用意した。この５０対のｐ型熱電素子とｎ型熱
電素子同士は由端側Ｃｕ電極及び基板側Ｃｕ電極に交互
にハンダ付けして直列接続体とし、更に熱電素子の直列
接続体の両端部の基板側電極にリード線を接続した。こ
のようにして、熱電モジュールを組み立てた。

【００２０】なお、比較例の熱電モジュールについて
は、図６に示すように、自由端側Ｃｕ電極は蛇行部分の
ない長方形の平板としたこと以外、全て前記実施例の熱
電モジュールの部材と同一にして熱電モジュールを組み
立てた。

【００２１】これらの熱電モジュールを使用して、耐久
試験を行った。試験方法は熱電モジュールに−４０℃か
ら８５℃の温度範囲で１００サイクルの熱履歴を与え
た。なお、サイクル時間は１サイクル当たり０．５時間
を要した。この熱履歴後、熱電モジュールの熱電素子と
電極との接合部の破壊状況を調べるために、熱電モジュ
ールに通電し、温度サイクル１回目及び１００回目の夫
々について交流抵抗を測定し、その差異を調べた。ま
た、熱電モジュールの熱伝導特性について調べるため、
熱電モジュールの最大温度差（ΔＴmax）を測定した。
そして、得られた結果を表１にまとめて示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】この表１から明らかなように、本実施例の
熱電モジュールは１００サイクルの熱履歴を受けても、
交流抵抗は１サイクル時の交流抵抗と比べて変化がなか
った。また、熱電モジュールの最大温度差（ΔＴmax）
においても、１００サイクルの熱履歴を受けても変化が
なかった。従って、熱電素子と電極との接合部の損傷は
全く生じなかった。一方、比較例の熱電モジュールは１
００サイクルの熱履歴を受けると、交流抵抗値は無限大
になり電流は流れなかった。勿論、最大温度差（ΔＴma
x）の測定は不能となった。このことから、熱電素子と
電極との接合部に破壊が生じたと判断された。このよう
に、本実施例の熱電モジュールは優れた耐久性を示し
た。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
自由端側電極に蛇行部分を設けたので、熱電モジュール
が大型化した場合に、自由端側電極に熱応力が発生して
も、この応力が自由端側電極と熱電素子との接合部に作
用することを防止することができる。これにより、熱電
素子と電極との接合部が破壊することが回避され、熱電
モジュールの耐久性を向上させることができる。また、
自由端側電極に支柱を配設した場合は、自由端側電極が
垂れ下がり曲げ変形することを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例に係るスケルトンタイプの熱
電モジュールの構造を示す平面図である。

【図２】 （ａ）乃至（ｃ）は本発明の実施例に係るス
ケルトンタイプの熱電モジュールの蛇行部分を有する自
由端側電極の変形例を示す平面図、（ｄ）は蛇行部分を
有する自由端側電極の変形例を示す縦断面図である。

【図３】 （ａ）は自由端側電極の蛇孔部分に支柱を配
設した本発明の実施例に係るスケルトンタイプの熱電モ
ジュールを示す縦断面図、（ｂ）は同じく他の実施例を
示す縦断面図である。

【図４】 従来のスケルトンタイプの熱電モジュールを
示す斜視図である。

【図５】 同じくその正面図である。

【図６】 同じくその平面図である。

【図７】 （ａ）は従来の均熱板中央部に１つの熱電モ
ジュールを装着した場合を示す断面図、（ｂ）は均熱板
に所定の間隔を設けて複数の熱電モジュールを装着した
場合を示す断面図、（ｃ）は均熱板に大型の熱電モジュ
ールを装着した場合を示す断面図である。

【符号の説明】

１ｂ、２ｂ；基板側電極、 １ａ、２ａ、３０、３１、
３２、３３；自由端側電極、 ４、５；Ａｌ製基板、
６、６ａ、６ｂ；熱電素子、 ７；リード線、８；均熱
板、 １０、１４、１５、２０；熱電モジュール、 １
１、１２、１３；均熱板付熱電モジュール、 ３５、３
６；支柱

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に複数個の熱電素子が配置され基
   板側電極及び自由端側電極により交互に接続されて構成
   されるスケルトンタイプの熱電モジュールにおいて、前
   記自由端側の電極は蛇行部分を有することを特徴とする
   熱電モジュール。
2. 【請求項２】 前記自由端側の電極の蛇行部分は前記基
   板上に設けられた支柱により支持されていることを特徴
   とする請求項１に記載の熱電モジュール。