JP2017045970A

JP2017045970A - 熱電モジュール

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Publication number: JP2017045970A
Application number: JP2015169887A
Authority: JP
Inventors: 隆前田; Takashi Maeda
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-08-29
Filing date: 2015-08-29
Publication date: 2017-03-02

Abstract

【課題】並列接続された二つの回路の一方が断線した場合でも、熱膨張差によって変形するのを抑制し、信頼性に優れた熱電モジュールを提供する。【解決手段】本発明の熱電モジュール１０は、互いに対向するように配置された一対の支持基板と、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、一対の支持基板の対向する一方主面間に平面視で並んで配置され、直列に接続されて第１の回路３１および直列に接続されて第２の回路３２を構成する複数の熱電素子４とを備え、第１の回路３１および第２の回路３２が互いに並列に接続されているとともに、第１の回路３１および第２の回路３２がともに蛇行し、第１の回路３１に沿うように第２の回路３２が配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は、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。

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る。

このような熱電モジュールとして、互いに対向するように配置された一対の支持基板と、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、一対の支持基板の対向する一方主面間に平面視で並んで配置され、直列に接続されて第１の回路または第２の回路を構成する複数の熱電素子とを備え、第１の回路および第２の回路が互いに並列に接続されている構成の熱電モジュールが知られている（特許文献１を参照）。なお、特許文献１の熱電モジュールでは、第１の回路が支持基板の外周に沿って設けられ、この内側の領域に蛇行した第２の回路がちょうど第１の回路に囲まれるように設けられている。

特開２０１３−１６１９７３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された熱電モジュールにおいては、第１の回路が第２の回路を囲むように形成されているので、どちらか一方の回路が断線した場合、外周部と内側の領域とで温度差が生じ、熱膨張差により熱電モジュールが変形するので、他方の回路においても熱電素子と配線導体との接合部にクラックが生じて回路としての抵抗値が上昇するなど信頼性が低下するおそれがある。

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、並列接続された二つの回路の一方が断線した場合でも、熱膨張差によって変形するのを抑制し、信頼性に優れた熱電モジュールを提供することにある。

本発明の熱電モジュールは、互いに対向するように配置された一対の支持基板と、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対向する一方主面間に平面視で並んで配置され、直列に接続されて第１の回路および直列に接続されて第２の回路を構成する複数の熱電素子とを備え、前記第１の回路および前記第２の回路が互いに並列に接続されているとともに、前記第１の回路および前記第２の回路がともに蛇行し、前記第１の回路に沿うように前記第２の回路が配置されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、断線した場合でも熱電モジュールの外周部と内側の領域とで温度差が生じにくいので、熱膨張差によって変形するのを抑制して、信頼性に優れたものとすることができる。

（ａ）は本実施形態に係る熱電モジュールの一例の一部省略概略斜視図、（ｂ）は（ａ）に示す熱電モジュールの一部透過側面図である。図１に示す熱電モジュールの回路パターンの説明図である。本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の回路パターンの説明図である。本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の回路パターンの説明図である。本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の回路パターンの説明図である。本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の一部透過側面図である。比較例となる熱電モジュールの回路パターンの説明図である。

以下、本実施形態に係る熱電モジュールの一例について、図面を参照して説明する。

図１（ａ）は本実施形態に係る熱電モジュールの一例の一部省略概略斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す熱電モジュールの一部透過側面図である。また、図２は図１に示す熱電モジュールの回路パターンの説明図である。なお、図１（ａ）では図１（ｂ）に示すシール材を省略している。

図１および図２に示す熱電モジュール１０は、互いに対向するように配置された一対の支持基板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２と、一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面間に平面視で並んで配置され、直列に接続されて第１の回路３１および直列に接続されて第２の回路３２を構成する複数の熱電素子４とを備え、第１の回路３１および第２の回路３２が互いに並列に接続されているとともに、第１の回路３１および第２の回路３２がともに蛇行し、第１の回路３１に沿うように第２の回路３２が配置されている。

本実施形態に係る熱電モジュール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のエポキシ樹脂板（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基板であり、それぞれの支持基板１１、１２が互いに対向するように配置されたものである。

なお、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。

支持基板１１、１２を平面視したときの寸法は、例えば縦４０〜８０ｍｍ、横２０〜４０ｍｍとされる。

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２が設けられている。この配線導体２は、例えば支持基板１１、１２の内側の主面に貼りあわされた銅板をエッチングによって配線パターンに形成したものであり、後述するｐ型熱電素子４１及びｎ型熱電素子４２間を直列に電気的に接続するように設けられている。配線導体２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２によって電気的に接続されるように、熱電素子４（ｐ型熱電素子４１及びｎ型熱電素子４２）が複数配列されている。

複数の熱電素子４は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電材料、好ましくはビスマス（Ｂｉ）、テルル（Ｔｅ）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４１は、例えばＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（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、ｎ型熱電素子４２は、例えばＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（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。

ここで、ｐ型熱電素子４１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４２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。

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の幅（厚さ）に切断する。ついで、必要により、切断面のみに、例えば電解メッキでＮｉ層を形成し、その上にＳｎ層を形成し、溶解液でレジストを剥離することで、熱電素子４（ｐ型熱電素子４１，ｎ型熱電素子４２）を得ることができる。

なお、熱電素子４の形状は、円柱状、四角柱状または多角柱状でも構わないが、使用時の膨張収縮に伴う応力集中を避けるために、円柱状が好ましい。

この熱電素子４が、例えば０．５〜３ｍｍ、熱電素子サイズ（直径）の０．５〜２．０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４は、配線導体２と同様のパターンに塗布されたはんだペーストにより配線導体２と接合され、複数配列された熱電素子４は配線導体２により電気的接続される。

この平面視で並んで配置された複数の熱電素子４は、図２に示すように、直列に接続されて第１の回路３１または第２の回路３２を構成している。さらに、第１の回路３１および第２の回路３２が互いに並列に接続されているとともに、第１の回路３１および第２の回路３２がともに蛇行し、第１の回路３１に沿うように第２の回路３２が配置されている。なお、図２は図１に示す熱電モジュール１０を平面透視したときの複数の熱電素子４および配線導体２で構成される電気的接続経路（回路パターン）を示している。

具体的には、第１の回路３１は、支持基板１１、１２の一方主面間の外周部を縦方向に延びて、続いて外周部を横方向に延び、横方向の中央部付近で折れ曲がって、支持基板１１、１２の一方主面間の中央部を縦方向に縦断するように延びるパターンが、支持基板１１、１２の一方主面間の幅方向の両端側からそれぞれ設けられて、それぞれが接続した形状をなしている。これにより第１の回路３１が蛇行形状となっている。

一方、第２の回路３２は、第１の回路３１の内側を起点として、第２の回路に沿って延びており、それにより第２の回路３２も蛇行形状となっている。

ここで、第１の回路３１と第２の回路３２との距離は、これらの回路が平行となる位置における最短距離（垂線の長さ）が、例えば０．５〜３ｍｍ、熱電素子サイズ（直径）の
０．５〜２．０倍となるように設定される。

図７に示すような第１の回路７１が第２の回路７２を囲むように形成された熱電モジュールでは、どちらか一方の回路が断線した場合、外周部と内側の領域とで温度差が生じ、熱膨張差により熱電モジュールが変形して信頼性が低下するおそれがある。これに対し、図１および図２に示す構成によれば、第１の回路３１と第２の回路３２とのどちらか一方の回路が断線した場合であっても、並列する回路が寄りそうように配置されているので、熱電モジュール１０の平面視による外周部とこの内側の領域とでの温度差が生じにくく、熱膨張差によるモジュールの変形が生じにくくなる。したがって、他方の回路において熱電素子４と配線導体２との接合部にクラックが生じて抵抗値が上昇するのを抑制し、熱電モジュールの信頼性を向上させることができる。

なお、第１の回路３１と第２の回路３２とが蛇行するパターンについては、図に示す形態に限られず、折れ曲がる回数がもっと多くてもよい。また、図示しないが、並列関係となる回路は、第１の回路３１、第２の回路３２の二つの回路に限定はされず、３つ以上であってもよい。

図３は本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の回路パターンの説明図である。図３に示すように、第１の回路３１を構成する複数の熱電素子４の数と第２の回路３２を構成する複数の熱電素子の数とが同じになるように構成されてもよい。このようにすることで、第１の回路３１と第２の回路３２とで抵抗値がほぼ同じになり、各回路へ流れる電流値がほぼ等しくなる。したがって、熱電モジュール１０の表面でほぼ均一な冷却、加熱ができる。

図４は本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の回路パターンの説明図である。図４に示すように、第１の回路３１および第２の回路３２が互いに同電位となる複数の部位で接続されていてもよい。なお、同電位となる部位での接続は、配線導体２をこの部位で電気的に接続するようなパターンとすることにより得られる。この構成によれば、第１の回路３１または第２の回路３２の一部が断線した場合、断線した部位の近傍のみ、すなわち、断線した箇所よりも上流側にある同電位となる部位の接続箇所と下流側にある同電位となる部位の接続箇所との間の断線した回路側のみ、電流が流れなくなるだけなので、断線したとしても熱電モジュール１０の性能低下をより小さくすることができる。

図５は本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の回路パターンの説明図である。図５に示すように、第１の回路３１の少なくとも一部が支持基板１１、１２の外周部に設けられており、当該支持基板１１、１２の外周部に設けられた第１の回路３１を構成する複数の熱電素子４の配置の密度が、他の部位における第１の回路３１を構成する複数の熱電素子４の配置の密度よりも高くなっていてもよい。なお、図５に示す例では、支持基板１１、１２の外周部に設けられた第１の回路３１を構成する複数の熱電素子４の間隔をそれ以外の内側の領域に配置された複数の熱電素子４の間隔よりも狭くすることで、支持基板１１、１２の外周部に設けられた第１の回路３１を構成する複数の熱電素子４の配置の密度を高くしている。

複数の熱電素子４の配置の密度を高くする構成としては、支持基板１１、１２の外周部に設けられた第１の回路３１を構成する複数の熱電素子４の間隔をそれ以外の内側の領域に配置された複数の熱電素子４の間隔よりも狭くすることの他、適宜調整すればよい。

この構成によれば、熱の逃げる外周部の温度低下を防止できるので、熱電モジュール１０の平面視による外周部とこの内側の領域とでの温度差が生じにくく、熱膨張差によるモジュールの変形をさらに抑制し、熱電モジュールの信頼性をより向上することができる。

なお、図１に示すように、支持基板１１、１２の一方主面間の外周部を、エポキシ樹脂、シリコン樹脂などからなるシール材５で塞いでもよく、これにより、熱電モジュール１０の内部の結露を防止して、電流のリークによる漏電や破損も抑制することができる。

図６は本実施形態に係る熱電モジュールの他の例の概略断面図である。図６に示す熱電モジュール２０は、一対の支持基板１１、１２の外側の他方主面に、接合材（図示せず）を介して熱交換用のフィン６が取り付けられたものであって、これにより熱電モジュールの熱交換効率を高めることができる。熱交換用のフィン６としては、熱伝導率の高い銅、アルミ、鉄などが使用でき、単位面積あたりの表面積を多くするように、図６に示すように、複数の底面部と、複数の底面部からそれぞれ立設された複数の立設部と、隣り合う立設部同士を接続する複数の天面部とを含み、断面で見て蛇行するように板状体が折り曲げられてなるものなどを好ましく用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明についてさらに詳細に説明する。

まず、ビスマス、アンチモン、テルル、セレンから成るｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料をブリッジマン法によって溶融凝固させ、直径１．４ｍｍの断面円形の棒状の材料を作製した。具体的には、ｐ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体で作製し、ｎ型熱電材料はＢｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＢｉ_２Ｓｅ_３（セレン化ビスマス）との固溶体で作製した。

次に、側面にレジストコート層が被覆された棒状のｐ型熱電材料および棒状のｎ型熱電材料を高さ（厚さ）１．０ｍｍになるようにワイヤーソーにて切断し、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を得た。得られたｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子に、電解メッキで切断面にニッケル層、スズ層を形成し、熱電素子を作成した。

次に、支持基板として、厚み方向にＣｕ層／エポキシ樹脂層／Ｃｕ層の三層構造となる基板を準備した。この支持基板の上面のＣｕ層を、熱電素子を直列に電気的に接続する電極パターンになるようにエッチング処理して、配線導体を設けた。

次に、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が配置される配線導体上に、Ｓｂ−Ｓｎ半田ペーストを塗布し、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を、互いに間隔をあけて一対の支持基板のうちの一方の支持基板（第１の支持基板）上の配線導体の上に交互に複数配列し、それらｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子の上に配線導体を介して他方の支持基板（第２の支持基板）を配置した後、加熱してＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを溶融させ、熱電素子と配線導体とを半田で接合した後に、支持基板の一方主面間の外周部における短辺側をエポキシ樹脂、長辺側をシリコン樹脂からなるシール材で塞いだ。

続いて、支持基板の外側の主面に、図６に示すように、接合材としてＳｎ−Ｂｉ系はんだを用いて、銅からなる熱交換用のフィンを取り付けた後に、配線導体に電力供給用のリード線を接続して、評価用の熱電モジュールを作製した。

この熱電モジュールとして、実施例となる熱電モジュールおよび比較例となる熱電モジュールを作製した。具体的には、図２に示す回路パターンの実施例となる熱電モジュール（試料１〜３）を作製した。なお、試料１として第１の回路および第２の回路がともに導通がとれて通電される状態となっているもの、試料２として第１の回路のみが断線しているもの、試料３として第２の回路のみが断線しているものを用意した。

一方、比較例として、図７に示すように、第２の回路は第１の回路に沿って設けられずに、内側の領域で第２の回路のみが蛇行している回路パターンの熱電モジュール（試料４）も作製した。なお、試料４は、第２の回路のみが断線しているものとした。

そして、作製した試料１〜４の熱電モジュールについて、下側熱交換フィンおよび上側熱交換フィンの周囲を密閉した状態でファンによって一定風量の気体を通過させた状態で、信頼性確認としての耐久性の評価を行った。耐久性の評価は、風量が７ｍ^３／ｈにて下側および上側の熱交換フィンに送風した状態で、熱電モジュールに１２Ｖの電圧を印加し、１５秒毎に印加電圧を反転させて、これを１００サイクル行ない、試験前後の抵抗変化率を測定した。その結果を表１に示す。

表１の結果によれば、比較例となる熱電モジュール（試料４）に比べ、実施例となる熱電モジュール（試料１〜３）の抵抗変化率が極めて低いことがわかる。すなわち、実施例の熱電モジュールにおける並列回路のうちの一方が断線しても、熱電モジュールの変形が小さいことから、抵抗変化率が小さく信頼性（耐久性）に優れていることがわかる。

１０、２０：熱電モジュール
１１、１２：支持基板
２：配線導体
３１：第１の回路
３２：第２の回路
４：熱電素子
４１：ｐ型熱電素子
４２：ｎ型熱電素子
５：シール材
６：フィン

Claims

互いに対向するように配置された一対の支持基板と、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対向する一方主面間に平面視で並んで配置され、直列に接続されて第１の回路および直列に接続されて第２の回路を構成する複数の熱電素子とを備え、
前記第１の回路および前記第２の回路が互いに並列に接続されているとともに、前記第１の回路および前記第２の回路がともに蛇行し、前記第１の回路に沿うように前記第２の回路が配置されていることを特徴とする熱電モジュール。
前記第１の回路を構成する前記複数の熱電素子の数と前記第２の回路を構成する前記複数の熱電素子の数とが同じで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。
前記第１の回路および前記第２の回路が互いに同電位となる複数の部位で接続されてい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。
前記第１の回路の少なくとも一部が前記支持基板の外周部に設けられており、当該支持基板の外周部に設けられた前記第１の回路を構成する複数の熱電素子の配置の密度が、第１の回路を構成する他の部位における複数の熱電素子の配置の密度よりも高くなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の熱電モジュール。