JPH11307828A

JPH11307828A - 熱電変換装置

Info

Publication number: JPH11307828A
Application number: JP10110531A
Authority: JP
Inventors: Nanayuki Takeuchi; 七幸竹内; Toshiharu Hoshi; 星　　俊治
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1998-04-21
Filing date: 1998-04-21
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】熱応力による絶縁基板と電極、電極と熱電素
子の剥離を防止することができ、絶縁基板上に設けられ
るＯリングの耐久性の劣化を防止することができる熱電
変換装置を提供する。【解決手段】板面が円形の吸熱側絶縁基板１ｂの上に
複数枚の薄板状の下部電極３が耐熱性接着剤により接着
されて配設されている。そして、各下部電極には１対の
ｐ型熱電素子２ａ及びｎ型熱電素子２ｂがハンダ層によ
り接合されている。また、ｐ型熱電素子２ａ及びｎ型熱
電素子２ｂの上端は、隣接する下部電極３上に配置され
たｐ型熱電素子２ａとｎ型熱電素子２ｂとに上部電極を
ハンダ層により接合することにより、接続されている。
この下部電極３及び上部電極によりｐ型熱電素子２ａと
ｎ型熱電素子２ｂとが交互に直列に接続されている。ま
た、上部電極上には板面が円形の放熱側絶縁基板１ａが
耐熱性接着剤により接着されて配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ペルチェ効果を利
用した熱電変換装置に関し、特に、熱応力による絶縁基
板と電極との間の接合部における剥離等が防止された熱
電変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】種類が異なる２物質を接合させ、２箇所
の接合部を有する回路を構成し、一方の接合部を高温に
加熱し、他方の接合部を低温に冷却すると、接合部の温
度差に基づく起電力が発生する。この現象をゼーベック
効果という。

【０００３】また、同様に接合させた２物質に直流電流
を流すと、一方の接合部で熱を吸収し、他方の接合部で
熱を発生する。この現象をペルチェ効果という。

【０００４】更に、均質な物質に温度勾配を設け、この
温度勾配がある方向に電流を流すと、この物質内で熱の
吸収又は発生がある。この現象をトムソン効果という。

【０００５】これらのゼーベック効果、ペルチェ効果及
びトムソン効果は熱電効果といわれる可逆反応であり、
ジュール効果及び熱伝導等の非可逆現象と対比される。
これらの可逆過程及び非可逆過程を組み合わせて、電子
冷熱等に利用されている。

【０００６】図４は従来の熱電変換装置を示す模式図で
ある。従来の熱電変換装置においては、板面が四角形の
放熱側絶縁基板１１ｂの上に複数枚の薄板状の下部電極
１３ｂが耐熱性接着剤（図示せず）により接着されて配
設されている。そして、各下部電極１３ｂ上には１対の
ｐ型熱電素子１２ａ及びｎ型熱電素子１２ｂがハンダ層
（図示せず）により接合されている。また、ｐ型熱電素
子１２ａの上端は、隣接する下部電極１３ｂ上に配置さ
れたｎ型熱電素子１２ｂに上部電極１３ａをハンダ層
（図示せず）により接合することにより接続され、ｎ型
熱電素子１２ｂの上端は、隣接する別の下部電極１３ｂ
上に配置されたｐ型熱電素子１２ａに上部電極１３ａを
ハンダ層により接合することにより接続されている。こ
の下部電極１３ｂ及び上部電極１３ａによりｐ型熱電素
子１２ａとｎ型熱電素子１２ｂとが交互に直列に接続さ
れている。こうして、ｐ型熱電素子１２ａ、ｎ型熱電素
子１２ｂ、上部電極１３ａ及び下部電極１３ｂからペル
チェ素子が構成される。また、上部電極１３ａ上には板
面が四角形の吸熱側絶縁基板１１ａが耐熱性接着剤（図
示せず）により接着されて配設されている。更に、この
熱電素子の直列接続体の両端に配置された上部電極１３
ａ又は下部電極１３ｂにはリード線（図示せず）が接続
されている。放熱側絶縁基板１１ｂ及び吸熱側絶縁基板
１１ａとしては、アルミナ板又はアルマイト処理が施さ
れたアルミニウム板等が使用されている。

【０００７】このように構成された従来の熱電変換装置
においては、リード線に所定の方向から電流が流される
と、下部電極１３ｂで熱が発生し、上部電極１３ａで熱
が吸収される。これにより、吸熱側絶縁基板１１ａの外
表面と接している空間又は物体が冷却され、放熱側絶縁
基板１１ｂの外表面と接している空間又は物体が加熱さ
れる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の熱電変換装置を使用していると、熱応力により装
置が変形し、絶縁基板と電極、電極と熱電素子との間の
接合部にて剥離が生じるという問題点がある。

【０００９】図５は変形した従来の熱電変換装置を示す
図であって、（ａ）は模式図、（ｂ）は断面図である。
従来の熱電変換装置においては、放熱側絶縁基板１１ｂ
及び吸熱側絶縁基板１１ａの材料の線膨張係数により相
違があるものの、一般的に放熱側絶縁基板１１ｂは膨張
し、吸熱側絶縁基板１１ａは収縮する。そして、変形前
の位置からの変位は中心から離れるにつれて大きくな
り、角部での変位が最大となる。このため、絶縁基板と
電極、電極と熱電素子との間の接合部にて剥離が生じる
虞がある。

【００１０】また、放熱側絶縁基板を冷却する冷媒を流
すために放熱側絶縁基板の外表面上にシール用のＯリン
グを配設することがあるが、基板の変形が生じると、Ｏ
リングに不均一な荷重が印加されＯリングの耐久性が劣
化してしまう。また、特開平６−２０７７６２号公報に
記載されているように、結露等によるペルチェ素子の腐
食を防止するために絶縁基板間にＯリングを介装する場
合があるが、この場合もＯリングが劣化しやすい。そし
て、シール用のＯリングが劣化した場合、そこから冷媒
が流れ出す虞がある。また、吸熱側でも同様のことが起
こる可能性がある。

【００１１】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、熱応力による絶縁基板と電極、電極と熱電
素子の剥離を防止することができ、絶縁基板上に設けら
れるＯリングの耐久性の劣化を防止することができる熱
電変換装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る熱電変換装
置は、ペルチェ効果を有する複数個のペルチェ素子と、
このペルチェ素子の放熱側に配置され円板状又は角数が
６以上の多角形板状の放熱側絶縁基板と、前記ペルチェ
素子の吸熱側に配置され円板状又は角数が６以上の多角
形板状の吸熱側絶縁基板とを有することを特徴とする。

【００１３】本発明においては、放熱側絶縁基板及び吸
熱側絶縁基板の形状が円板状又は角数が６以上の多角形
板状であるので、熱電変換装置の変形は、その周方向で
は実質的に均一なものとなる。従って、熱応力による絶
縁基板と電極、電極と熱電素子との間の接合部における
剥離が生じにくい。また、Ｏリングが絶縁基板間に介装
されたり、絶縁基板の外表面上に配置された場合にも、
Ｏリングの耐久性の劣化が防止される。

【００１４】なお、前記多角形板は、正多角形板であっ
てもよい。

【００１５】

【発明の実施の形態】本願発明者等が前記課題を解決す
べく、鋭意実験研究を重ねた結果、複数個のペルチェ素
子の放熱側又は吸熱側に配置される絶縁基板の形状を円
状又は角数が６以上の多角形板状とすることにより、前
述のように、絶縁基板と電極、電極と熱電素子の接合部
における剥離を防止、絶縁基板上に配置されるＯリング
の耐久性の劣化を防止することができることを見い出し
た。

【００１６】以下、本発明の実施例に係る熱電変換装置
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熱電変換装置を示す模式図で
ある。

【００１７】本実施例に係る熱電変換装置においては、
板面が円形の放熱側絶縁基板１ｂの上に複数枚の薄板状
の下部電極３ｂが耐熱性接着剤（図示せず）により接着
されて配設されている。そして、各下部電極３ｂ上には
１対のｐ型熱電素子２ａ及びｎ型熱電素子２ｂがハンダ
層（図示せず）により接合されている。また、ｐ型熱電
素子２ａの上端は、隣接する下部電極３ｂ上に配置され
たｎ型熱電素子２ｂに上部電極３ａをハンダ層（図示せ
ず）により接合することにより接続され、ｎ型熱電素子
２ｂの上端は、隣接する別の下部電極３ｂ上に配置され
たｐ型熱電素子２ａに上部電極３ａをハンダ層により接
合することにより接続されている。この下部電極３ｂ及
び上部電極３ａによりｐ型熱電素子２ａとｎ型熱電素子
２ｂとが交互に直列に接続されている。こうして、ｐ型
熱電素子２ａ、ｎ型熱電素子２ｂ、上部電極３ａ及び下
部電極３ｂからペルチェ素子が構成される。また、上部
電極３ａ上には板面が円形の吸熱側絶縁基板１ａが耐熱
性接着剤（図示せず）により接着されて配設されてい
る。更に、この熱電素子の直列接続体の両端に配置され
た上部電極３ａ又は下部電極３ｂにはリード線（図示せ
ず）が接続されている。

【００１８】このように構成された本実施例の熱電変換
装置においては、リード線に所定の方向から電流が流さ
れると、下部電極３ｂで熱が発生し、上部電極３ａで熱
が吸収される。これにより、吸熱側絶縁基板１ａの外表
面と接している空間又は物体が冷却され、放熱側絶縁基
板１ｂの外表面と接している空間又は物体が加熱され
る。

【００１９】そして、放熱側絶縁基板１ｂが膨張し、吸
熱側絶縁基板１ａが収縮する。図２は変形した本発明の
実施例に係る熱電変換装置を示す模式図である。本実施
例においては、放熱側絶縁基板１ｂ及び吸熱側絶縁基板
１ａは円板状であるので、その変形前からの変位は、半
径方向では周縁部に向かって大きくなるが、周方向では
均一となる。従って、従来生じていたような、熱応力に
よる絶縁基板と電極、電極と熱電素子との間の接合部に
おける剥離が防止される。また、放熱側絶縁基板１ｂと
吸熱側絶縁基板１ａとの間又は放熱側絶縁基板１ｂの表
面上にＯリングが配置された場合にも、Ｏリングに印加
される荷重は均一となるので、その耐久性の劣化が防止
される。

【００２０】次に、前述の本実施例の熱電変換装置を製
造する方法について説明する。先ず、熱電素子と絶縁基
板とが別個に作製される。

【００２１】熱電素子は以下のようにして作製される。
先ず、ｎ型半導体又はｐ型半導体の粉末がホットプレス
成形されて成形体が形成される。次いで、この成形体が
ペルチェ素子に組込まれたときに所定の温度差を保つた
めの厚さ、例えば、１．６ｍｍに切断される。次に、切
断された成形体の両切断面に、例えば、Ｎｉ等のメッキ
層がハンダ付け性向上のために形成される。そして、両
切断面に垂直な方向に更に切断されて、所望の形状、例
えば、一辺の長さが１．４ｍｍの直方体形状の熱電素子
に加工される。

【００２２】一方、絶縁基板は、アルミナ板が円形に成
形され、その後、Ｍｏ−Ｍｎ系合金材又はＣｕ材等の金
属材を使用して円形に成形されたアルミナ板がメタライ
ズされることにより作製される。

【００２３】そして、絶縁基板の所定の位置に、例え
ば、Ｃｕ製の長方形電極がパターニングにより形成され
る。電極の一辺の長さは、例えば、１．６ｍｍであり、
他辺の長さは、例えば、７ｍｍである。更に、電極上に
クリームハンダが塗布される。次に、２枚の絶縁基板に
形成された電極間に別個に作製された熱電素子が挟着さ
れる。そして、ハンダ付け炉内で加熱されることによ
り、各部材が接合される。その後、必要なリード線等が
設けられて熱電変換装置が完成される。

【００２４】なお、放熱側絶縁基板及び吸熱側絶縁基板
としては、上述のアルミナ板、陽極酸化によるアルマイ
ト処理が施されたアルミニウム板又は樹脂製で可撓性を
有するフレキシブル基板等が使用可能である。アルマイ
ト処理が施されたアルミニウム板が使用される際には、
例えば、Ｃｕ電極がエポキシ樹脂等により接着される。

【００２５】また、放熱側絶縁基板及び吸熱側絶縁基板
の形状は、円板状に限定されるものではなく、角数が６
以上の多角形板状であってもよい。図３は６角形板状の
絶縁基板が使用された実施例に係る熱電変換装置を示す
模式図である。なお、図３に示す６角形板状の絶縁基板
が使用された実施例において、図１に示す実施例と同一
物には同一の符号を付して、その詳細な説明は省略す
る。本実施例においては、６角形板状の放熱側絶縁基板
２１ｂと吸熱側絶縁基板２１ａとの間に下部電極３ｂ及
び上部電極３ａ等が、図１に示す実施例と同様に、配置
されている。

【００２６】このように構成された本実施例において
も、使用により放熱側絶縁基板２１ｂが膨張し、吸熱側
絶縁基板２１ａが収縮するが、角数が多いので、その変
形前からの変位は周方向では実質的に均一なものとな
る。従って、前述のように、熱応力による剥離が防止さ
れ、Ｏリングが設けられた場合にも、その耐久性の劣化
が防止される。

【００２７】このように、放熱側絶縁基板及び吸熱側絶
縁基板の形状が角数が６以上の多角形板状である場合に
も、放熱側絶縁基板の膨張及び吸熱側絶縁基板の収縮に
より熱電変換装置が変形しても、その変形前からの周方
向における変位は実質的に均一なものとなる。このた
め、絶縁基板と電極、電極と熱電素子との間の接合部に
おける剥離が防止され、絶縁基板上にＯリングが設けら
れた場合にも、その耐久性の劣化が防止される。特に、
前記多角形板が正多角形板であると、その効果が高い。

【００２８】更にまた、熱電変換装置内での熱電素子の
配置は、特に限定されるものではない。例えば、従来の
ように電極同士が互いに直交する直交配置でもよく、電
極が長くなるものの、絶縁基板の中心を対称点とした点
対称の配置も可能である。また、対になる熱電素子同士
が渦巻き状になる配置でもよい。この場合、放熱側絶縁
基板の冷却に冷却ファン等が使用されると、放熱効果が
向上する。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
放熱側絶縁基板及び吸熱側絶縁基板の形状を円板状又は
角数が６以上の多角形板状としているので、熱電変換装
置の変形がその周方向では実質的に均一なものとなり、
絶縁基板と電極、電極と熱電素子との間の接合部におけ
る剥離を防止することができる。更に、Ｏリングが絶縁
基板間に介装されたり、絶縁基板の外表面上に配置され
た場合にも、Ｏリングの耐久性の劣化を防止することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱電変換装置を示す模
式図である。

【図２】変形した本発明の実施例に係る熱電変換装置
を示す模式図である。

【図３】６角形板状の絶縁基板が使用された実施例に
係る熱電変換装置を示す模式図である。

【図４】従来の熱電変換装置を示す模式図である。

【図５】変形した従来の熱電変換装置を示す図であっ
て、（ａ）は模式図、（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１ａ、１１ａ、２１ａ；吸熱側絶縁基板、１ｂ、１１
ｂ、２１ｂ；放熱側絶縁基板、２ａ、１２ａ；ｐ型熱
電素子、２ｂ、１２ｂ；ｎ型熱電素子、３ａ、１３
ａ；上部電極、３ｂ、１３ｂ；下部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ペルチェ効果を有する複数個のペルチェ
素子と、このペルチェ素子の放熱側に配置された円板状
の放熱側絶縁基板と、前記ペルチェ素子の吸熱側に配置
された円板状の吸熱側絶縁基板とを有することを特徴と
する熱電変換装置。
【請求項２】ペルチェ効果を有する複数個のペルチェ
素子と、このペルチェ素子の放熱側に配置され角数が６
以上の多角形板状の放熱側絶縁基板と、前記ペルチェ素
子の吸熱側に配置され角数が６以上の多角形板状の吸熱
側絶縁基板とを有することを特徴とする熱電変換装置。
【請求項３】ペルチェ効果を有する複数個のペルチェ
素子と、このペルチェ素子の放熱側に配置された放熱側
絶縁基板と、前記ペルチェ素子の吸熱側に配置された吸
熱側絶縁基板とを有する熱電変換装置において、前記放
熱側絶縁基板及び前記吸熱側絶縁基板のうち一方は円板
状であり、他方は角数が６以上の多角形板状であること
を特徴とする熱電変換装置。
【請求項４】前記多角形板は、正多角形板であること
を特徴とする請求項２又は３に記載の熱電変換装置。