JP2006032850A

JP2006032850A - 熱電変換モジュール

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Publication number: JP2006032850A
Application number: JP2004213304A
Authority: JP
Inventors: Jun Niekawa; 潤贄川; Hisashi Morichi; 寿森地
Original assignee: TOHOKU OKANO ELECTRONICS KK
Current assignee: TOHOKU OKANO ELECTRONICS KK
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】スケルトンタイプの熱電変換モジュールの特長を持ちながら、熱交換性能および電気絶縁性に対する信頼性を高める。
【解決手段】Ｐ型とＮ型の各熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）を、それぞれ、絶縁性の中間支持基板３に形成された別々の貫通孔に嵌合し中間支持基板３の表裏両面側にそれぞれ突出した形態でもって中間支持基板３に固定する。それらＰ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎとの表裏両側の各端面には、それぞれ、Ｐ型熱電変換素子２ＰとＮ型熱電変換素子２Ｎを電気的に直列接続させるための電極４を配設する。その電極４には、熱電変換素子２との接続面となる内がわ面４ａに対向して反対側となる外がわ面４ｂに絶縁層１０を積層形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば光通信用部品や、理化学機器や、携帯用クーラ等に用いられたり、半導体製造プロセス中の温度管理等に用いられて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールや、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールに関するものである。

図６には熱電変換モジュールの一構造例が模式的な側面図により示されている。この熱電変換モジュール１は、セラミック板上に電極をパターニングし、熱電素子をその間に挟んだ構造を持つ所謂セラミック電極タイプの一般的なモジュール構造に対し、スケルトンタイプと呼ばれるものである。このスケルトンタイプの熱電変換モジュール１においては、Ｐ型の熱電変換素子２（２Ｐ）と、Ｎ型の熱電変換素子２（２Ｎ）とが、それぞれ、絶縁性の中間支持基３に形成された別々の貫通孔に嵌合され中間支持基板３の表裏両側にそれぞれ突出した形態でもって中間支持基板３に例えば接着剤等で固定されている。また、それらＰ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎとは交互に配置されており、これらＰ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎとのそれぞれの表裏両側の各端面には例えばはんだにより電極４が接合され、この電極４によって、複数のＰ型とＮ型の熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）が電気的に直列接続されている。

熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）としては、例えばペルチェ素子が知られており、Ｐ型の熱電変換素子２（２Ｐ）はＰ型（ｐ型）半導体により形成され、Ｎ型の熱電変換素子２（２Ｎ）はＮ型（ｎ型）半導体により形成されており、これら熱電変換素子２は、例えば、ビスマス・テルル等の金属間化合物にアンチモンやセレン等の元素を添加することにより製造される。

一般的な熱電変換モジュール（ペルチェモジュール）では、例えば、中間支持基板３は、板厚が０．３mm〜０．６mm程度の例えばガラスエポキシ板により構成されている。また、熱電変換素子２は円柱状や角柱状等の柱状と成し、１つの熱電変換素子２の長さは１．５mm〜２mm程度であり、当該熱電変換素子２は、中間支持基板３の下側に０．５mm〜０．８mm程度の長さが突出するように中間支持基板３に固定されている。

このような熱電変換モジュール１では、Ｐ型の熱電変換素子２ＰとＮ型の熱電変換素子２Ｎと電極４との直列接続回路に電流を通電させると、熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）と電極４との接合部（界面）で冷却・加熱効果（つまり、ペルチェ効果）が生じる。つまり、このペルチェ効果によって、例えば、熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）の図６の上方側（表面側）の端部が加熱すると、熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）の図６の下方側（裏面側）の端部は冷却する。また、電流の向きを逆向きにすると、熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）の図６の上方側の端部が冷却し、熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）の図６の下方側の端部は加熱する。このように電流通電によって、熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）と電極４との接合部は冷却あるいは加熱し、当該接合部が冷却するか加熱するかは電流の向きによって定まる。

スケルトンタイプの熱電変換モジュール１は上記のように構成されている。このスケルトンタイプの熱電変換モジュール１では、電極４が露出していることから、例えば、図７の点線に示されるような例えばポリマー等から成る絶縁シート６を介し絶縁性を確保しながら冷却対象物あるいは加熱対象物に隣接配置されることとなる。

特開平１０−１４４９７０号公報特開平１１−１６８２４５号公報特開２００２−９３５１号公報特開２００４−６３６５６号公報

ところで、熱電変換モジュール１と、冷却対象物あるいは加熱対象物との良好な熱交換を実現するためには、熱電変換モジュール１の電極４と、冷却対象物あるいは加熱対象物との間に介設される絶縁シート６は、絶縁性だけでなく、良好な熱伝導性をも兼ね備えたものであることが望ましい。しかし、実際には、良好な熱伝導性と絶縁性を両立できる絶縁シート６を得ることは甚だ困難である。また、薄い絶縁シート６をハンドリングして設定位置に配置する（貼り付ける）作業は難しく作業性が悪いという問題や、絶縁シート６を精度良く設定通りに熱電変換モジュール１と冷却対象物あるいは加熱対象物との間に配置することが難しいので、絶縁シート６の状態がばらつき、これに起因して、熱電変換モジュール１と冷却対象物あるいは加熱対象物との間の熱交換の性能や、電気的性能がばらつくという問題を招いてしまう。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、スケルトンタイプの熱電変換モジュールの特長を持ちながら、熱交換性能および電気絶縁性に対する信頼性が高いスケルトンタイプの熱電変換モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、この発明は、Ｐ型とＮ型の各熱電変換素子が、それぞれ、絶縁性の中間支持基板に形成された別々の貫通孔に嵌合され中間支持基板の表裏両面側にそれぞれ突出した形態でもって中間支持基板に固定されており、それらＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子の表裏両側の各端面には、それぞれ、Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子を電気的に直列接続させるための電極が配設されている構成を備えた熱電変換モジュールにおいて、電極には、熱電変換素子との接続面となる内がわ面に対向して反対側となる外がわ面に絶縁層が積層形成されていることを特徴としている。また、この発明は、中間支持基板に代えて、メッシュ部材が配設され、Ｐ型とＮ型の各熱電変換素子は、それぞれ、メッシュ部材の別々の網孔に嵌合されメッシュ部材に固定されていることをも特徴としている。

この発明によれば、電極の外がわ面には絶縁層が積層形成されている構成とした。熱電変換モジュールの電極と、冷却対象物あるいは加熱対象物との間を絶縁させることができるように、その電極の外がわ面の絶縁層を構成する材料や絶縁層の厚みを適宜設定することによって、熱電変換モジュールの電極と、冷却対象物あるいは加熱対象物との間に、例えば樹脂材料から成る絶縁シートのような絶縁性を確保するための絶縁部を介設することなく、熱電変換モジュールの電極を直接的あるいは熱伝導グリース等を介しただけで冷却対象物あるいは加熱対象物に当接させることが可能となる。

このように、熱電変換モジュールと、冷却対象物あるいは加熱対象物との間に、例えば絶縁シートを介設しなくて済むので、絶縁シートを介設しない分、熱電変換モジュールを冷却対象物あるいは加熱対象物に配設する作業効率を飛躍的に向上させることができる。また、熱電変換モジュールを直接的あるいは熱伝導グリース等を介しただけで冷却対象物あるいは加熱対象物に当接させることが可能となるので、熱交換効率を大幅に向上させることができる。さらに、熱電変換モジュールと、冷却対象物あるいは加熱対象物との間の熱交換性能や電気的な性能の安定化を図ることができて、熱電変換モジュールの性能に対する信頼性を高めることができる。

さらに、この発明の熱電変換モジュールは、電極が露出するスケルトンタイプの熱電変換モジュールであり、全ての電極を支持固定するための広い面積を持つ絶縁基板が熱電変換素子の表裏両側の端面側に固定されない構成である。熱電変換モジュールの駆動中には、熱電変換素子の表裏の一方側が加熱し、他方側は冷却するので、熱電変換素子の表裏両側の端面側に、それぞれ、全ての電極を支持固定する大きい絶縁基板が固定されていると、表裏一方側の絶縁基板は加熱により熱膨張し、他方側の絶縁基板は冷却により収縮することとなって、熱電変換モジュールに歪みが生じるという問題が発生する。これに対して、この発明では、そのような表裏両側の絶縁基板が無く、熱電変換素子の表裏両側の端部側は自由端のような状態であることから、熱電変換モジュールに歪みが生じにくくなり、長期信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することができる。また、広い面積の絶縁基板が不要であるので、熱電変換モジュールの低コスト化を図ることができる。

中間支持基板に代えて、メッシュ部材が配設されている構成を備えているものにあっては、メッシュ部材は柔軟性を有しているので、熱電変換モジュール全体が柔軟性を持つものとなる。これにより、表面が曲面である物や、表面形状が変化する物などにも、この発明の熱電変換モジュールを取り付けて冷却あるいは加熱することが可能となる。特に、この発明では、電極の外がわ面に絶縁層を積層形成することにより、熱電変換モジュールと冷却対象物あるいは加熱対象物との間に例えば絶縁シート等を配置しなくてよいので、この絶縁シート等を省略できることによって、例えば、表面が曲面である物や、表面形状が変化する物などへの熱電変換モジュールの取り付け作業の効率化を図ることができる。

さらに、電極は、銅と、アルミニウムと、銅を含む合金と、アルミニウムを含む合金とのうちの何れか１つの導体材料により構成されており、この電極の外がわ面には、セラミックスの絶縁層が積層形成されている構成を備えているものや、電極はアルミニウムにより構成されており、この電極の外がわ面にはアルマイトの絶縁層が積層形成されている構成を備えているものにあっては、電極の外がわ面にセラミックやアルマイトの絶縁層を積層形成することは容易であるので、製造の煩雑化を防止することができる。また、セラミックスの絶縁層や、アルマイトの絶縁層は、例えば樹脂材料から成る絶縁シートに比べれば格段に熱伝導に優れているものであることから、熱電変換モジュールの熱交換性能をより一層高めることができる。

さらにまた、電極の外がわ面に積層形成されている絶縁層のエッジ部に丸みがつけられているものにあっては、絶縁層のひずみを緩和できたり、例えば、絶縁層の上側から押圧力が加えられたときに、絶縁層のエッジ部に集中的に大きな力が加えられることを防止できて、絶縁層のエッジ部の欠けや、エッジ部にクラックが発生することを回避することができる。

以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。なお、この実施形態例の説明において、図６に示される熱電変換モジュール１と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

図１（ａ）には第１実施形態例の熱電変換モジュールを表面側から見た模式的な平面図が示され、図１（ｂ）には図１（ａ）に示される熱電変換モジュールを裏面側から見た模式的な平面図が示され、図１（ｃ）には図１（ａ）のＡ−Ａ部分の模式的な断面図が示され、図１（ｄ）には図１（ａ）のＢ−Ｂ部分の模式的な断面図が示されている。

この第１実施形態例の熱電変換モジュール１はスケルトンタイプの熱電変換モジュールであり、Ｐ型とＮ型の各熱電変換素子２（２Ｐ，２Ｎ）と、中間支持基板３と、電極４とを有して構成されている。すなわち、この第１実施形態例では、中間支持基板３は例えばガラスエポキシ板等の絶縁基板により構成されており、この中間支持基板３には、表面側から裏面側に貫通する複数の貫通孔７が間隔を介してマトリクス状に配列形成されている。

Ｐ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎとは、交互に配列配置されるように中間支持基板３の別々の貫通孔７にそれぞれ嵌合され、中間支持基板３の表裏両側にそれぞれ突出した形態でもって中間支持基板３に例えば接着剤により固定されている。これらＰ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎとは、表裏両側の各端面に例えばはんだにより接合された電極４によって、電気的に直列接続されている。これらＰ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎと、電極４とから成る直列接続回路の一端側α（図１（ａ）参照）と、他端側βとは、それぞれ、外部の電流供給源に接続される外部接続部と成している。外部の電流供給源から上記直列接続回路に電流を通電させることにより、熱電変換モジュール１は、ペルチェ効果により、冷却対象物（例えばレーザダイオード）の冷却、あるいは、加熱対象物の加熱を行うことができる。

この第１実施形態例において最も特徴的な電極４には、熱電変換素子２との接続面となる内がわ面４ａに対向して反対側となる外がわ面４ｂに絶縁層１０が積層形成されている。この絶縁層１０は、電極４と、当該電極４に絶縁層１０を介して隣接する冷却対象物あるいは加熱対象物とを絶縁できるように、絶縁層１０を構成する絶縁材料や絶縁層１０の厚みが、電極４と冷却対象物あるいは加熱対象物との間の熱伝導性や、電極４との接合強度や、製造の容易さ等を考慮しながら適宜設定されて構成されている。

具体例を挙げると、例えば、電極４が、銅と、アルミニウムと、銅を含む合金と、アルミニウムを含む合金とのうちの何れか１つにより構成されている場合には、絶縁層１０は例えばセラミックスにより構成する。セラミックスには様々な種類があり、ここでは、それらセラミックスのうち、熱伝導度性と絶縁性を兼ね備えたものであれば、何れのセラミックスで絶縁層１０を構成してもよく、例えば、価格が安価で入手が容易なアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）や、熱伝導度性に優れている窒化アルミ（ＡｌＮ）等を挙げることができる。また、熱歪みが心配されるような温度差の大きい環境下での使用が想定される場合には、金属との熱膨張率の差が小さい例えばジルコニア等を用いることが考えられる。この他にも炭化ケイ素や窒化ケイ素等を使うことも可能である。上記のようなセラミックスの絶縁層１０を電極４に積層形成する手法には、例えば、熱圧着や真空吸着による貼り合わせ手法や、溶射やスパッタリングや印刷（塗装）等による成膜形成技術を利用したコーティング手法等というように、様々な手法があり、何れの手法を採用してもよい。

例えば、電極４が、四角形状の１mm×２mm程度の大きさを持つ銅あるいは銅合金の導体板により構成されており、その電極４の厚みが０．２mm〜０．５mm程度である場合には、絶縁層１０の厚みを０．０２mmよりも薄くすると、電極４と冷却対象物あるいは加熱対象物との絶縁を確保することが難しくなり、また、絶縁層１０の厚みを０．２mmよりも厚くすると、電極４と冷却対象物あるいは加熱対象物との間の熱伝導性が悪化することから、この場合には、絶縁層１０の厚みｄは、例えば、０．０２mm≦ｄ≦０．２mmの範囲内の厚みとする。

別の具体例を挙げると、例えば、電極４がアルミニウムにより構成されている場合には、その電極４の外がわ面をアルマイト処理して、アルマイトの絶縁層１０を電極４の外がわ面に積層形成してもよい。アルマイトの絶縁層１０は、例えば、５０μｍ程度の厚みを持つことで、電極４と冷却対象物あるいは加熱対象物との必要十分な絶縁性を確保することができる。

この第１実施形態例では、図２に示される絶縁層上面１０ａの図と、絶縁層側面１０ｂの図と、絶縁層端面１０ｃの図とに示されるように、絶縁層１０のエッジ部Ｅには丸みがつけられている。これにより、絶縁層１０の内部の歪みを緩和することができたり、外力の印加に起因して絶縁層１０のエッジ部Ｅが破損する事態を回避できる。例えば、熱電変換モジュール１は、図３に示されるようなパッケージ１２の内部に収容配置されることがある。そのパッケージ１２は、一対の板状のカバー１３（１３Ａ，１３Ｂ）と、それらカバー１３Ａ，１３Ｂ間に介設される例えばシリコンゴム等のシール部材１４とを有して構成されている。熱電変換モジュール１は、カバー１３Ａ，１３Ｂにより挟持され、その周囲がシール部材１４により囲繞されて、当該熱電変換モジュール１は、カバー１３Ａ，１３Ｂとシール部材１４により構成される気密封止空間内に収容配置される。このようなパッケージ１２内に熱電変換モジュール１が収容配置される場合には、熱電変換モジュール１の絶縁層１０には、パッケージ１２のカバー１３Ａ，１３Ｂ側から押圧力が加えられる。絶縁層１０のエッジ部Ｅに丸みをつけることにより、そのカバー１３Ａ，１３Ｂ側からの押圧力に起因した絶縁層１０のエッジ部Ｅの欠け等の破損を回避することができる。

以下に、第２実施形態例を説明する。なお、この第２実施形態例の説明において、第１実施形態例と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

この第２実施形態例では、中間支持基板３に代えて、図４（ｂ）に示されるようなメッシュ部材１５が配設されている。つまり、図４（ａ）のモデル図に示されるように、Ｐ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎとは、交互に配列配置されるようにメッシュ部材１５の別々の網孔１６に嵌合され、例えば接着剤等によりメッシュ部材１５に固定されている。メッシュ部材１５は、耐熱性および絶縁性を有する材料により構成されている。このメッシュ部材１５を構成する材料としては、例えば、グラスファイバや繊維強化プラスチック等の絶縁材料や、金網の表面に耐熱プラスチックやセラミックスを被覆したもの等を挙げることができる。メッシュ部材１５を構成する材料として、電極４を熱電変換素子２に例えばはんだ付けする際の熱で劣化しない耐熱性を有し、難燃性で、かつ、耐候性を有する材料であれば、より好ましい。

また、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれのメッシュ部材１５の断面図に示されるように、メッシュ部材１５の縦糸１７と横糸１８の織り方には様々な織り方があり、ここでは、特に限定されるものではない。

さらに、メッシュ部材１５の外周部には、例えば、図４（ｃ）に示されるように絶縁材料（例えばプラスチック）から成るフレーム２０が設けられていてもよいし、そのようなフレーム２０は省略されていてもよく、フレーム２０の有無は適宜設定されるものである。

この第２実施形態例では、上記以外の構成は第１実施形態例と同様であり、この第２実施形態例においても、Ｐ型の熱電変換素子２Ｐと、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎとを電気的に直列接続する電極４が設けられ、この電極４の外がわ面には、第１実施形態例と同様な絶縁層１０が積層形成されており、第１実施形態例と同様の効果を得ることができる。

なお、この発明は第１や第２の各実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、第１と第２の各実施形態例の熱電変換モジュール１は四角形状であったが、熱電変換モジュール１は四角形状に限定されるものではなく、例えば、円形状や、台形状や、五角以上の多角形状や、中央部に孔部が設けられている例えばドーナッツ形状等の様々な形態を採り得るものである。なお、熱電変換モジュール１が、ドーナッツ形状のような、中央部に孔部が設けられている形態である場合には、その孔部に冷却対象物あるいは加熱対象物を配置する構成としてもよい。また、熱電変換モジュール１が台形状である場合には、複数の台形状の熱電変換モジュール１の斜辺同士を隣接配置させることにより、大型の円形状の熱電変換モジュールを形成することができる。

さらに、第１や第２の各実施形態例では、ペルチェモジュールを例にして本発明に係る熱電変換モジュールの実施形態例を説明したが、この発明の熱電変換モジュールは、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールにも適用することができる。

第１実施形態例の熱電変換モジュールを説明するための図である。第１実施形態例において特徴的な電極の外がわ面に積層形成された絶縁層の形態を説明するための図である。熱電変換モジュールを収容するパッケージの一形態例を示すモデル図である。第２実施形態例の熱電変換モジュールを説明するための図である。第２実施形態例の熱電変換モジュールを構成するメッシュ部材の織り方の例を説明するためのモデル図である。スケルトンタイプの熱電変換モジュールの一形態例を説明するためのモデル図である。図６に示される熱電変換モジュールの問題点を説明するためのモデル図である。

符号の説明

１熱電変換モジュール
２ＰＰ型の熱電変換素子
２ＮＮ型の熱電変換素子
３中間支持基板
４電極
７貫通孔
１０絶縁層
１５メッシュ部材
１６網孔

Claims

Ｐ型とＮ型の各熱電変換素子が、それぞれ、絶縁性の中間支持基板に形成された別々の貫通孔に嵌合され中間支持基板の表裏両面側にそれぞれ突出した形態でもって中間支持基板に固定されており、それらＰ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子の表裏両側の各端面には、それぞれ、Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子を電気的に直列接続させるための電極が配設されている構成を備えた熱電変換モジュールにおいて、電極には、熱電変換素子との接続面となる内がわ面に対向して反対側となる外がわ面に絶縁層が積層形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
中間支持基板に代えて、メッシュ部材が配設され、Ｐ型とＮ型の各熱電変換素子は、それぞれ、メッシュ部材の別々の網孔に嵌合されメッシュ部材に固定されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
電極は、銅と、アルミニウムと、銅を含む合金と、アルミニウムを含む合金とのうちの何れか１つの導体材料により構成されており、この電極の外がわ面には、セラミックスの絶縁層が積層形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱電変換モジュール。
電極はアルミニウムにより構成されており、この電極の外がわ面にはアルマイトの絶縁層が積層形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱電変換モジュール。
電極の外がわ面に積層形成されている絶縁層のエッジ部には丸みがつけられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の熱電変換モジュール。