(57)【要約】【課題】製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制して効果的な熱の移動を支援する。【解決手段】熱電変換装置は、基材と、基材に配置された熱電変換素子と、熱電変換素子を互いに電気的に接続する電極と、熱電変換素子の熱を放熱する放熱部材と、放熱部材に向けて熱を伝導する熱伝導材と、を備える。基材は、熱電変換素子を実装する実装面と、実装面の裏側とを貫通する貫通孔を有する。電極は、実装面において貫通孔を塞ぐように配置される。熱伝導材は、貫通孔に充填されて電極と放熱部材とを熱的に接続し、電極を介して熱電変換素子から放熱部材に向けて熱を移動させる。【選択図】図２
2020161591.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材に配置された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を互いに電気的に接続する電極と、
前記熱電変換素子の熱を放熱する放熱部材と、
前記放熱部材に向けて熱を伝導する熱伝導材と、を備え、
前記基材は、前記熱電変換素子を実装する実装面と、前記実装面の裏側とを貫通する貫通孔を有し、
前記電極は、前記実装面において前記貫通孔を塞ぐように配置され、
前記熱伝導材は、前記貫通孔に充填されて前記電極と前記放熱部材とを熱的に接続し、前記電極を介して前記熱電変換素子から前記放熱部材に向けて熱を移動させる、
熱電変換装置。
【請求項２】
基材と、
前記基材に配置された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子を互いに電気的に接続する電極と、
前記熱電変換素子に向かわせる熱を吸熱する吸熱部材と、
前記熱電変換素子に向けて熱を伝導する熱伝導材と、を備え、
前記基材は、前記熱電変換素子を実装する実装面と、前記実装面の裏側とを貫通する貫通孔を有し、
前記電極は、前記実装面において前記貫通孔を塞ぐように配置され、
前記熱伝導材は、前記貫通孔に充填されて前記電極と前記吸熱部材とを熱的に接続し、前記電極を介して前記吸熱部材から前記熱電変換素子に向けて熱を移動させる、
熱電変換装置。
【請求項３】
前記熱伝導材は、前記基材と前記放熱部材との間に充填され、
前記貫通孔は、前記基材と前記放熱部材との境界領域にテーパ形状を有する、
請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記熱伝導材は、前記基材と前記吸熱部材との間に充填され、
前記貫通孔は、前記基材と前記吸熱部材との境界領域にテーパ形状を有する、
請求項２に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記熱電変換素子は、前記基材の実装面に接する面の一部分が、前記電極を介して前記熱伝導材と対向する、
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記熱電変換素子は、前記基材の実装面に接する面の全領域が、前記電極を介して前記熱伝導材と対向する、
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記電極は、一対の前記熱電変換素子を電気的に接続し、
前記一対の熱電変換素子は、前記基材の実装面に接する面の全領域が、前記電極を介して一つの前記貫通孔と対向する、
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記熱伝導材の熱伝導率は、前記基材の熱伝導率よりも大きい、
請求項１〜７のうちいずれか一項に記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、素子の温度上昇を抑制する放熱性能を向上するための放熱構造が知られている。例えば特許文献１には、上述した素子の放熱構造として、基板に実装され、基板側の面に素子放熱部が露呈するよう設けられた素子と、実装面と実装面の裏側とを貫通する貫通穴が、素子の素子放熱部を実装面の裏側に露呈させるように設けられた基板と、貫通穴を貫通して素子の素子放熱部に熱伝導材を介して面接する突出部が設けられ、且つ放熱面積を大きくする放熱フィンが設けられた放熱器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４１２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示の素子の放熱構造では、放熱器の突出部の上面に、熱伝導材が取り付けられる。熱伝導材には、例えば、接着性のあるシート状のものが用いられる。このため、素子放熱部と放熱器の突出部との間に、熱的なロスが発生する可能性があった。一方、熱伝導率の高いシリコン基板を挟んで素子放熱部と放熱器とを設けることも考えられるが、高価なシリコン基板を用いることから製品コストが高くなるという懸念がある。
【０００５】
本開示は、上記従来の事情に鑑みて案出され、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制して効果的な熱の移動を支援する熱電変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示は、基材と、前記基材に配置された熱電変換素子と、前記熱電変換素子を互いに電気的に接続する電極と、前記熱電変換素子の熱を放熱する放熱部材と、前記放熱部材に向けて熱を伝導する熱伝導材と、を備え、前記基材は、前記熱電変換素子を実装する実装面と、前記実装面の裏側とを貫通する貫通孔を有し、前記電極は、前記実装面において前記貫通孔を塞ぐように配置され、前記熱伝導材は、前記貫通孔に充填されて前記電極と前記放熱部材とを熱的に接続し、前記電極を介して前記熱電変換素子から前記放熱部材に向けて熱を移動させる、熱電変換装置を提供する。
【０００７】
また、本開示は、基材と、前記基材に配置された熱電変換素子と、前記熱電変換素子を互いに電気的に接続する電極と、前記熱電変換素子に向かわせる熱を吸熱する吸熱部材と、前記熱電変換素子に向けて熱を伝導する熱伝導材と、を備え、前記基材は、前記熱電変換素子を実装する実装面と、前記実装面の裏側とを貫通する貫通孔を有し、前記電極は、前記実装面において前記貫通孔を塞ぐように配置され、前記熱伝導材は、前記貫通孔に充填されて前記電極と前記吸熱部材とを熱的に接続し、前記電極を介して前記吸熱部材から前記熱電変換素子に向けて熱を移動させる、熱電変換装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制して効果的な熱の移動を支援できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る熱電変換装置を曲げた状態の斜視図
【図２】図１に示した熱電変換装置の曲げ中心軸に垂直な面による要部断面図
【図３】実施の形態１に係る熱電変換装置の平らな状態の斜視図
【図４】図３に示した熱電変換装置の一部を省略した要部拡大斜視図
【図５】基材に放熱部材が熱的に接続される構成例の要部拡大断面図
【図６】基材に吸熱部材が熱的に接続される構成例の要部拡大断面図
【図７】熱電変換素子が貫通孔よりも大きい場合の熱電変換素子と貫通孔の配置関係を表す模式図
【図８】一対の熱電変換素子を跨いで貫通孔が連続する場合の熱電変換素子と貫通孔の配置関係を表す模式図
【図９】熱電変換素子が貫通孔よりも小さい場合の熱電変換素子と貫通孔の配置関係を表す模式図
【図１０】一対の熱電変換素子を包含して貫通孔が連続する場合の熱電変換素子と貫通孔の配置関係を表す模式図
【図１１】機械加工によりポリイミド基板へ貫通孔を加工する場合の加工手順を表す工程図
【図１２】ポリイミドエッチングによりポリイミド基板へ貫通孔を加工する場合の加工手順を表す工程図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係る熱電変換装置の構成および作用を具体的に開示した実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
【００１１】
図１は、実施の形態１に係る熱電変換装置１１を曲げた状態の斜視図である。実施の形態１に係る熱電変換装置１１は、基材１３と、熱電変換素子１５（図２参照）と、電極１７と、放熱部材１９（図２参照）または吸熱部材２１（図６参照）のうちいずれか一方と、熱伝導材２３（図２参照）と、を主要な構成として有する。
【００１２】
熱電変換装置１１は、略直方体形状のＰ型の熱電変換素子１５と略直方体形状のＮ型の熱電変換素子１５とが交互に離間して直線状の列となって並ぶ。熱電変換装置１１には、ｎ個（図１あるいは図３の例では１７個）の列が僅かに離間して平行に並ぶ。それぞれの列の熱電変換素子１５は、列に沿う方向で隣接する熱電変換素子１５の下面（図３の下面）同士が一対ずつ電極１７により接続される。一方、列に沿う方向で隣接する一対の熱電変換素子１５の上面同士は、下面同士を接続する電極１７に対して、列方向に素子１個分ずれた電極１７により一対ずつが接続される。これにより、Ｐ型の熱電変換素子１５とＮ型の熱電変換素子１５とは、各列で直列に接続されている（図４参照）。
【００１３】
また、各列は、隣接列の列端同士における一対の熱電変換素子１５が列の両端で交互に橋架電極２５で接続されることにより、実装された全てのＰ型の熱電変換素子１５とＮ型の熱電変換素子１５とが直列に接続されている。全てが直列に接続された熱電変換素子１５の始端と終端には、例えば、雄コネクタ２７、雌コネクタ２９を有したリード線３１が接続される。
【００１４】
複数の熱電変換素子１５を縦横に配列した熱電変換装置１１は、列に平行な曲げ中心軸３３の周りに曲げ可能となって構成されている。
【００１５】
図２は、図１に示した熱電変換装置１１の曲げ中心軸３３に垂直な面による要部断面図である。実施の形態１において、基材１３は、例えば安価なポリイミドにより形成される。熱電変換装置１１は、基材１３にポリイミドを用いることにより、製品コストを抑制しつつ、可撓性を有している。
【００１６】
基材１３は、熱電変換素子１５を実装するための実装面３５を有する。実装面３５は、基材１３の表面に銅箔による電極１７がパターンエッチングにより形成されてなる。これら基材１３と電極１７とは、基板３７を構成する。実装面３５に形成される電極１７は、列方向で隣接する略直方体形状となった一対の熱電変換素子同士を接続するため、列方向に長い矩形状となる。熱電変換素子１５は、この一枚の電極１７の上に半田付けによりＰ型とＮ型の一対（図２の紙面垂直方向の一対）が実装される。
【００１７】
基材１３は、実装面３５と、実装面３５の裏側とを貫通するための貫通孔３９を有する。実施の形態１において、貫通孔３９は、それぞれの熱電変換素子１５に応じて穿設される。従って、一つの電極１７に一対の熱電変換素子１５が実装されるので、一つの電極１７の下には、２つの貫通孔３９が穿設されている。
【００１８】
図３は、熱電変換装置１１の平らな状態の斜視図である。熱電変換装置１１は、もちろん平坦状にして用いることもできる。なお、図３に示した熱電変換装置１１は、右端列の手前を始端の熱電変換素子１５とした場合、２列目および３列目、並びに（ｎ−１）列目および（ｎ−２）列目の熱電変換素子１５が、他の列よりも２個少なく配列されている。従って、橋架電極２５も、熱電変換素子２個分、列方向にずれて設けられている。このように、熱電変換装置１１は、全ての熱電変換素子１５が直列に接続されれば、配列パターンは限定されない。図３に示す変形例の配列パターンによれば、リード線３１の引き出し位置の自由度を高めることができる。
【００１９】
図４は、図３に示した熱電変換装置１１の一部を省略した要部拡大斜視図である。図４に示すように、電極１７の形成された基材１３の実装面３５には、それぞれの電極１７に、Ｐ型の熱電変換素子１５とＮ型の熱電変換素子１５との下面が半田４１により電気的に接続される。これら一対の熱電変換装置１１の上面は、列方向に隣接する他の一対の電極１７のそれぞれに接続される。それぞれの熱電変換素子１５は、上下面が電極１７に半田４１により固定されることで、列方向には連鎖体となって剛性を有する。
【００２０】
また、図４に示すように、基材１３に形成されない電極１７の厚みは、基材１３に形成される電極１７の厚みより厚い。具体的には、基板３７に形成されない電極１７の厚みを０．２ｍｍ程度、基板３７に形成される電極１７の厚みを０．１０５ｍｍ程度、基材１３の厚みを０．０２５ｍｍ程度とする。基材１３に形成される電極１７は、基材１３に保持されているため、基材１３に形成されない電極１７と比較して強度を必要としない。一方、基板３７に形成されない電極１７は、電極１７が単独で存在する領域（言い換えると、熱電変換素子１５の上面に半田４１による固定がされていない領域）を有するため、強度を必要とするためである。図４に示す構成にすることで、熱電変換装置１１の全高を抑えつつ、基板３７に形成されない電極１７、および基板３７に形成される電極１７の強度を確保および維持することができる。
【００２１】
図５は、基材１３に放熱部材１９が熱的に接続される構成例の要部拡大断面図である。図５に示すように、電極１７は、実装面３５において、基材１３に穿設された貫通孔３９を塞ぐように配置される。基材１３には、実装面３５と反対側の面に、放熱部材１９が設けられる。放熱部材１９は、熱電変換素子１５の熱を放熱する。貫通孔３９は、実装面側の孔開口が電極１７により塞がれる。また、貫通孔３９は、実装面３５と反対側の孔開口が放熱部材１９により塞がれている。これにより、貫通孔３９は、密閉空間を画成している。この密閉空間には、熱伝導材２３が充填されている。
【００２２】
熱伝導材２３は、熱伝導率が、基材１３の熱伝導率よりも大きい。
【００２３】
実施の形態１において、熱伝導材２３には、例えばグリスが用いられる。熱伝導材２３は、流動性を有することにより、貫通孔３９への充填が可能となる。熱伝導材２３は、基材１３よりも熱伝導率が大きく、且つ安価であればグリスに限定されない。
【００２４】
図５に示す熱電変換装置１１は、貫通孔３９に充填された熱伝導材２３が、電極１７と放熱部材１９とを熱的に接続する。従って、熱伝導材２３は、電極１７を介して熱電変換素子１５から放熱部材１９に向けて熱Ｑを移動させる。この場合、熱電変換素子１５を挟んで基材１３と反対側には、例えば吸熱部材２１が電極１７に接して設けられる。
【００２５】
図６は、基材１３に吸熱部材２１が熱的に接続される構成例の要部拡大断面図である。図６に示すように、熱電変換装置１１は、熱の移動方向が逆方向となる場合にも用いることができる。この場合、図５に示した放熱部材１９と吸熱部材２１とが逆に配置された構成となる。その他は、図５の構成と同一である。図６に示す熱電変換装置１１では、吸熱部材２１が、熱電変換素子１５に向かわせる熱Ｑを吸熱する。熱伝導材２３は、熱電変換素子１５に向けて熱を伝導する。即ち、熱伝導材２３は、貫通孔３９に充填されて、電極１７と吸熱部材２１とを熱的に接続する。従って、熱伝導材２３は、電極１７を介して吸熱部材２１から熱電変換素子１５に向けて熱Ｑを移動させる。
【００２６】
熱電変換素子１５は、ゼーベック効果、ペルチェ効果またはトムソン効果などの熱電効果を利用することにより、熱と電気の変換を可逆的に可能とする。ここで、熱電変換素子１５における熱電変換の効率は、熱電変換素子１５の材料の性能指数Ｚ＝Ｓ2σ／κで決定される。但し、Ｓはゼーベック係数、σは電気伝導率、κは熱伝導率とする。高い熱電変換性能を実現するためには、高い温度差を維持するため熱が伝わり難い性質（低い熱伝導率κ）とし、また発電した電力を取り出すためには電気が流れやすい性質（高い電気伝導率σ）とする必要がある。これらの相反関係にある熱電変換材料としては、一般的なＢｉＴｅ系（Ｂｉ：ビスマス、Ｔｅ：テルル）に加え、例えばＭｇ３（Ｓｂ,Ｂｉ）２（Ｍｇ：マグネシウム、Ｓｂ：アンチモン）、およびＺｒ３Ｎｉ３Ｓｂ４（Ｚｒ：ジルコニウム、Ｎｉ：ニッケル）を挙げることができる。
【００２７】
熱電変換装置１１の全体としては、熱電変換素子１５と放熱部材１９との間の熱抵抗および熱電変換素子１５と吸熱部材２１との間の熱抵抗を小さくすることが、熱電変換素子１５における高い温度差の維持に有利となる。このため、熱伝導材２３の熱伝導率は、高いほどよい。
【００２８】
熱電変換装置１１は、図５あるいは図６に示すように、貫通孔３９が、基材１３と放熱部材１９との境界領域に、テーパ形状を有する。貫通孔３９は、同一内径で形成される。テーパ形状は、貫通孔３９の孔開口を例えば面取りすることにより、貫通孔３９に向かって徐々に縮径して、貫通孔３９と同一径となって接続する。面取りは、例えばＣ面取り４３となる。Ｃ面取り４３は、貫通孔３９の中心線に対して４５度の角度で傾斜するが、角度はこれに限定されない。なお、面取りは、貫通孔３９の中心線に対して円弧状の曲線により徐々に縮径するＲ面取りであってもよい。
【００２９】
テーパ形状は、図６に示す貫通孔３９における基材１３と吸熱部材２１との境界領域にも上記と同様にして設けることができる。
【００３０】
図７は、熱電変換素子１５が貫通孔３９よりも大きい場合の熱電変換素子１５と貫通孔３９の配置関係を表す模式図である。熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に接する面の一部分が、例えば電極１７を介して熱伝導材２３と対向するように配置される。この配置パターンによれば、電極１７が薄く、強度が低くても、熱電変換素子１５の支持が可能となる。
【００３１】
図８は、一対の熱電変換素子１５を跨いで貫通孔３９が連続する場合の熱電変換素子１５と貫通孔３９の配置関係を表す模式図である。貫通孔３９は、同一の電極１７に実装される一対の熱電変換素子１５に対向し、且つ一対の熱電変換素子１５を跨いで連続する一つの孔としてもよい。この貫通孔３９によれば、電極１７と熱伝導材２３との接触面積を大きく確保することができる。この配置パターンによれば、電極１７が薄く、強度が低くても、熱電変換素子１５の支持が可能となる。また、電極１７と熱伝導材２３との接触面積を大きく確保できるので、熱抵抗を低減できる。
【００３２】
図９は、熱電変換素子１５が貫通孔３９よりも小さい場合の熱電変換素子１５と貫通孔３９の配置関係を表す模式図である。また、熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に接する面の全領域が、電極１７を介して熱伝導材２３と対向するように配置されてもよい。この配置パターンでは、貫通孔３９が、それぞれの熱電変換素子１５に応じて配置される。この場合、各貫通孔３９は、熱電変換素子１５の投影面を包含する大きさで形成される。この配置パターンは、電極１７が厚く、強度が高い場合に可能となる。この配置パターンによれば、貫通孔３９が熱電変換素子１５よりも小さい配置パターンに比べ、電極１７と熱伝導材２３との接触面積を大きく確保できるので、熱抵抗を低減できる。
【００３３】
図１０は、一対の熱電変換素子１５を包含して貫通孔３９が連続する場合の熱電変換素子１５と貫通孔３９の配置関係を表す模式図である。また、一対の熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に接する面の全領域が、電極１７を介して一つの貫通孔３９と対向するように配置されてもよい。この配置パターンでは、貫通孔３９は、一対の熱電変換素子１５を跨いで配置される。この場合、貫通孔３９は、一対の熱電変換素子１５の投影面を包含する大きさで形成される。この配置パターンは、電極１７が厚く、強度が高い場合に可能となる。この配置パターンによれば、一対の熱電変換素子１５の投影面を包含する大きさで貫通孔３９が形成されるので、電極１７と熱伝導材２３との接触面積を最も大きく確保でき、熱抵抗を最も低減できる。
【００３４】
次に、ポリイミド基板への貫通孔３９の加工方法を説明する。
【００３５】
図１１は、機械加工によりポリイミド基板へ貫通孔３９を加工する場合の加工手順を表す工程図である。なお、図１１中、右端図は左図のＡ−Ａ断面を示す。ポリイミド基板への貫通孔３９の加工は、例えば機械加工により行うことができる。この場合、先ず、ポリイミドシート４５に孔加工を行う。孔加工は、例えばポンチを用いたプレス加工により行うことができる。
【００３６】
次いで、孔加工の施されたポリイミドシート４５と銅箔４７とを貼り合わせる。ポリイミドシート４５に張り合わされた銅箔４７を、所定の形状にパターンエッチングして電極１７を形成する。電極１７は、一対の熱電変換素子１５が離間して実装できる例えば矩形状に形成される。
【００３７】
図１２は、ポリイミドエッチングによりポリイミド基板へ貫通孔３９を加工する場合の加工手順を表す工程図である。また、ポリイミド基板への貫通孔３９の加工は、ポリイミドエッチングにより行うこともできる。この場合、先ず、ポリイミドシート４５と銅箔４７とを貼り合わせる。
【００３８】
次いで、ポリイミドエッチングによりポリイミドシート４５に貫通孔３９を形成する。次いで、一対の貫通孔３９を塞ぐ位置に電極１７が形成されるように、銅箔４７をパターンエッチングする。電極１７は、一対の熱電変換素子１５が離間して実装できる例えば矩形状に形成される。
【００３９】
次に、実施の形態１に係る熱電変換装置１１の作用を説明する。
【００４０】
熱電変換装置１１は、基材１３と、基材１３に配置された熱電変換素子１５と、熱電変換素子１５を互いに電気的に接続する電極１７と、熱電変換素子１５の熱を放熱する放熱部材１９と、放熱部材１９に向けて熱を伝導する熱伝導材２３と、を備える。基材１３は、熱電変換素子１５を実装する実装面３５と、実装面３５の裏側とを貫通する貫通孔３９を有する。電極１７は、実装面３５において貫通孔３９を塞ぐように配置される。熱伝導材２３は、貫通孔３９に充填されて電極１７と放熱部材１９とを熱的に接続し、電極１７を介して熱電変換素子１５から放熱部材１９に向けて熱を移動させる。
【００４１】
このように、熱電変換装置１１では、基材１３に、熱電変換素子１５が実装される。基材１３としては、例えばポリイミドを挙げることができる。熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に設けられた電極１７を介して基材１３に実装される。電極１７は、多数が交互に並ぶＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子のうち隣接する２つの熱電変換素子１５を互いに接続する。電極１７は、薄厚の銅箔４７などからなり、基材１３の実装面３５に例えば矩形状の回路パターンとして形成される。基材１３には、実装面３５から、実装面３５の裏側へと貫通する貫通孔３９が穿設される。この貫通孔３９は、実装面３５に設けられた上記の電極１７により塞がれる。つまり、貫通孔３９の一方の孔開口は、電極１７の外形（輪郭）の内側に配置される。貫通孔３９には、熱伝導材２３が充填される。熱伝導材２３としては、例えば半固体または半流動性を持つグリスを挙げることができる。なお、充填される熱伝導材２３は、熱硬化、湿気硬化などにより硬化するタイプのものでも良い。
【００４２】
グリスの種類としては、電極１７と、放熱部材１９や吸熱部材２１とを熱的に接続するため、一般的なシリコン系グリスに加え、例えば軟質金属（銅）や耐熱性の高い固体潤滑剤である二硫化モリブデン、グラファイトなどを配合した高温用グリスや、増ちょう剤にリチウム石けんを含んだポリオレフィン系の低温用グリスなどを用いることができる。
【００４３】
また、グリスは、良好な塗布が可能となる混和ちょう度を有することが好ましい。
【００４４】
一方、電極１７と反対側の貫通孔３９は、放熱部材１９により密閉される。ここで、「密閉される」とは、放熱部材１９が、基材１３の裏面に密着することを要件としない。即ち、放熱部材１９は、基材１３の裏側に密閉空間を形成してもよい（図２参照）。この場合、熱伝導材２３は、貫通孔３９および密閉空間に充填される。もちろん、放熱部材１９は、基材１３の裏面に密着していてもよい（図５参照）。この場合、熱伝導材２３は、実装面３５が電極１７に塞がれ、実装面３５の裏面が放熱部材１９により塞がれた密閉状態の貫通孔３９のみに充填される。
【００４５】
従って、熱電変換素子１５の温度が高く、放熱部材１９の温度が低いことにより温度差があるとき、熱電変換素子１５からの熱が電極１７、熱伝導材２３を介して放熱部材１９へ伝わる熱伝導（Heat Conduction）が生じる。なお、厳密には、熱電変換素子１５から放熱部材１９への熱は、熱輻射（Heat Radiation）や、粘度の低下した熱伝導材２３に生じる熱対流（Heat Convection）を含む熱伝達（Heat Transfer）により伝わる。しかし、これら熱輻射や熱対流は、熱電変換装置１１においては極めて小さい値となることからここでは無視する。
【００４６】
このように、熱電変換装置１１では、熱電変換素子１５からの熱が薄厚の銅箔４７である電極１７と、ポリイミドに比べ熱伝導率（thermal conductivity）の大きいグリスである熱伝導材２３を介して放熱部材１９へ伝わる。このため、素子と放熱部材１９の間に、接着性のあるシート状の熱伝導材が取り付けられる構成に比べ、熱的なロスを低減することができる。つまり、熱抵抗を小さくして、従来構成に比べ熱電変換素子１５から放熱部材１９に向かう熱移動効率を高めることができる。従って、実施の形態１に係る熱電変換装置１１によれば、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制でき、効果的な熱の移動を支援できる。
【００４７】
また、基材１３には、高価なシリコンに比べ、安価なポリイミドを用いることができる。本実施の形態に係る構成もシリコン基板に比べ安価となる。更に、グリスの封止材には、既存の電極１７（銅箔４７）を蓋材として用いるので、蓋材には新たな部材を必要としない。これにより、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下（小さくなること）を抑制できる。即ち、シリコン基板よりも安価にでき、ポリイミド基板よりも熱移動効率を大きくできる。さらに、既存の電極１７（銅箔４７）が蓋材として機能するので、基材１３の実装面３５側に配置された熱電変換素子１５の側面（実装面３５に対して垂直な面）に熱伝導材２３が付着することを防止して、熱電変換素子１５から放熱部材１９に向かう熱移動効率の低下を抑制できる。
【００４８】
これに加え、熱電変換装置１１は、基材１３の主材料にポリイミドを用いることができるので、可撓性を付与することが可能となる。これにより、種々の形状の設置面に基材１３を円滑に沿わせることが可能となり、放熱部材１９との空隙を減らして、熱抵抗を低減することができる。これによっても、熱電変換素子１５から放熱部材１９に向かう熱移動効率を高めることができる。
【００４９】
また、熱電変換装置１１は、基材１３と、基材１３に配置された熱電変換素子１５と、熱電変換素子１５を互いに電気的に接続する電極１７と、熱電変換素子１５に向かわせる熱を吸熱する吸熱部材２１と、熱電変換素子１５に向けて熱を伝導する熱伝導材２３と、を備える。基材１３は、熱電変換素子１５を実装する実装面３５と、実装面３５の裏側とを貫通する貫通孔３９を有する。電極１７は、実装面３５において貫通孔３９を塞ぐように配置される。熱伝導材２３は、貫通孔３９に充填されて電極１７と吸熱部材２１とを熱的に接続し、電極１７を介して吸熱部材２１から熱電変換素子１５に向けて熱を移動させる。
【００５０】
このように、熱電変換装置１１では、基材１３に、熱電変換素子１５が実装される。基材１３としては、例えばポリイミドを挙げることができる。熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に設けられた電極１７を介して基材１３に実装される。電極１７は、多数が交互に並ぶＰ型熱電素子およびＮ型熱電素子のうち隣接する２つの熱電変換素子１５を互いに接続する。電極１７は、薄厚の銅箔４７などからなり、基材１３の実装面３５に例えば矩形状の回路パターンとして形成される。基材１３には、実装面３５から、実装面３５の裏側へと貫通する貫通孔３９が穿設される。この貫通孔３９は、実装面３５に設けられた上記の電極１７により塞がれる。つまり、貫通孔３９の一方の孔開口は、電極１７の外形（輪郭）の内側に配置される。貫通孔３９には、熱伝導材２３が充填される。熱伝導材２３としては、例えば半固体または半流動性を持つグリスを挙げることができる。
【００５１】
グリスの種類としては、電極１７と、放熱部材１９や吸熱部材２１とを熱的に接続するため、一般的なシリコン系グリスに加え、例えば軟質金属（銅）や耐熱性の高い固体潤滑剤である二硫化モリブデン、グラファイトなどを配合した高温用グリスや、増ちょう剤にリチウム石けんを含んだポリオレフィン系の低温用グリスなどを用いることができる。
【００５２】
また、グリスは、良好な塗布が可能となる混和ちょう度を有することが好ましい。
【００５３】
一方、電極１７と反対側の貫通孔３９は、吸熱部材２１により密閉される。ここで、「密閉される」とは、吸熱部材２１が、基材１３の裏面に密着することを要件としない。即ち、吸熱部材２１は、基材１３の裏側に密閉空間を形成してもよい（図２）。この場合、熱伝導材２３は、貫通孔３９および密閉空間に充填される。勿論、吸熱部材２１は、基材１３の裏面に密着していてもよい（図６）。この場合、熱伝導材２３は、実装面３５が電極１７に塞がれ、実装面３５の裏面が吸熱部材２１により塞がれた密閉状態の貫通孔３９のみに充填される。
【００５４】
従って、熱電変換素子１５の温度が低く、吸熱部材２１の温度が高いことにより温度差があるとき、吸熱部材２１からの熱が熱伝導材２３、電極１７を介して熱電変換素子１５へ伝わる熱伝導（Heat Conduction）が生じる。なお、厳密には、吸熱部材２１から熱電変換素子１５への熱は、熱輻射（Heat Radiation）や、粘度の低下した熱伝導材２３に生じる熱対流（Heat Convection）を含む熱伝達（Heat Transfer）により伝わる。しかし、これら熱輻射や熱対流は、熱電変換装置１１においては極めて小さい値となることからここでは無視する。
【００５５】
このように、熱電変換装置１１では、吸熱部材２１からの熱がポリイミドに比べ熱伝導率の大きいグリスである熱伝導材２３と、薄厚の銅箔４７である電極１７を介して熱電変換素子１５へ伝わる。即ち、基材１３の実装面３５の裏側から熱電変換素子１５が配置された基板３７の実装面３５に熱を移動させる。このため、素子と吸熱部材２１の間に、接着性のあるシート状の熱伝導材が取り付けられる構成に比べ、熱的なロスを低減することができる。つまり、熱抵抗を小さくして、従来構成に比べ吸熱部材２１から熱電変換素子１５に向かう熱移動効率を高めることができる。従って、実施の形態１に係る熱電変換装置１１によれば、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制でき、効果的な熱の移動を支援できる。
【００５６】
また、基材１３には、高価なシリコンに比べ、安価なポリイミドを用いることができる。ポリイミド基板に穿設した貫通孔３９に充填されるグリスもシリコン基板に比べ安価となる。更に、グリスの封止材には、既存の電極１７（銅箔４７）を蓋材として用いるので、蓋材には新たな部材を必要としない。これにより、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制できる。即ち、シリコン基板よりも安価にでき、ポリイミド基板よりも熱移動効率を大きくできる。さらに、既存の電極１７（銅箔４７）が蓋材として機能するので、基材１３の実装面３５側に配置された熱電変換素子１５の側面（実装面３５に対して垂直な面）に熱伝導材２３が付着することを防止して、熱電変換素子１５から放熱部材１９に向かう熱移動効率の低下を抑制できる。
【００５７】
これに加え、熱電変換装置１１は、基材１３の主材料にポリイミドを用いることができるので、可撓性を付与することが可能となる。これにより、種々の形状の設置面に基材１３を円滑に沿わせることが可能となり、吸熱部材２１との空隙を減らして、熱抵抗を低減することができる。これによっても、吸熱部材２１から熱電変換素子１５に向かう熱移動効率を高めることができる。
【００５８】
また、熱電変換装置１１において、熱伝導材２３は、基材１３と放熱部材１９との間に充填され、貫通孔３９は、基材１３と放熱部材１９との境界領域にテーパ形状を有する。
【００５９】
この熱電変換装置１１では、基板３７の貫通孔３９に加え、基板３７と放熱部材１９との間に熱伝導材２３を充填する際に、熱伝導材２３の充填を容易にすることができる。基材１３と放熱部材１９との境界領域にテーパ形状がない場合、貫通孔３９は、孔開口の縁がエッジとなる。孔開口にテーパ形状を有した貫通孔３９は、エッジの存在する貫通孔３９に比べ、半流動性を有する熱伝導材２３の流入抵抗を低減し、充填性を高めることができる。
【００６０】
また、熱電変換装置１１において、熱伝導材２３は、基材１３と吸熱部材２１との間に充填され、貫通孔３９は、基材１３と吸熱部材２１との境界領域にテーパ形状を有する。
【００６１】
この熱電変換装置１１では、基板３７の貫通孔３９に加え、基板３７と吸熱部材２１との間に熱伝導材２３を充填する際に、熱伝導材２３の充填を容易にすることができる。基材１３と吸熱部材２１との境界領域にテーパ形状がない場合、貫通孔３９は、孔開口の縁がエッジとなる。孔開口にテーパ形状を有した貫通孔３９は、エッジの存在する貫通孔３９に比べ、半流動性を有する熱伝導材２３の流入抵抗を低減し、充填性を高めることができる。
【００６２】
また、熱電変換装置１１において、熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に接する面の一部分が、電極１７を介して熱伝導材２３と対向する。
【００６３】
この熱電変換装置１１では、熱電変換素子１５が、基材１３の実装面３５に設けられた電極１７に実装（例えば半田付け）される。電極１７は、貫通孔３９を塞ぐ。貫通孔３９には、熱伝導材２３が充填されている。熱電変換素子１５は、電極１７に実装された面の一部分（例えば中央部分）が、電極１７を介して熱伝導材２３に対向する。熱伝導材２３に対向するのは一部分であるので、一部分以外の電極１７に実装された熱電変換素子１５の面は、貫通孔３９の周囲の基材１３に対向する。従って、熱電変換素子１５は、一部分を包囲する面が電極１７を介して基材１３に支持される。これにより、熱電変換装置１１は、熱電変換素子１５に加わる荷重を基材１３により支持することができる。
【００６４】
また、熱電変換装置１１において、熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に接する面の全領域が、電極１７を介して熱伝導材２３と対向する。
【００６５】
この熱電変換装置１１では、熱電変換素子１５が、基材１３の実装面３５に設けられた電極１７に実装（例えば半田付け）される。電極１７は、貫通孔３９を塞ぐ。貫通孔３９には、熱伝導材２３が充填されている。熱電変換素子１５は、電極１７に実装された面の全領域が、電極１７を介して熱伝導材２３に対向する。つまり、熱電変換素子１５の電極１７に接する面の全てが熱伝導材２３に対向する。これにより、貫通孔３９に充填された熱伝導材２３の効果を最大限に発揮できるので、熱電変換装置１１の熱伝導効率を更に向上させることができる。
【００６６】
また、熱電変換装置１１において、電極１７は、一対の熱電変換素子１５を電気的に接続し、一対の熱電変換素子１５は、基材１３の実装面３５に接する面の全領域が、電極１７を介して一つの貫通孔３９と対向する。
【００６７】
この熱電変換装置１１では、熱電変換素子１５が、基材１３の実装面３５に設けられた電極１７に実装（半田付け）される。電極１７は、貫通孔３９を塞ぐ。貫通孔３９には、熱伝導材２３が充填されている。熱電変換素子１５は、電極１７に実装された面の全領域が、電極１７を介して熱伝導材２３に対向する。貫通孔３９は、一つで形成される。即ち、貫通孔３９は、一対の熱電変換素子１５の双方に跨って穿設されている。従って、貫通孔３９は、離間する一対の熱電変換素子１５を包含する大きな孔開口面積を有する。これにより、貫通孔３９に充填された熱伝導材２３と電極１７との接触面積を各段に増やせるので、熱電変換装置１１の熱伝導効率を更に向上させることができる。この熱電変換装置１１では、貫通孔３９が一対の熱電変換素子１５の双方に跨って、離間する一対の熱電変換素子１５を包含する大きな孔開口面積を有するので、貫通孔３９に対する熱伝導材２３の充填を容易にすることができる。
【００６８】
また、熱電変換装置１１は、熱伝導材２３の熱伝導率が、基材１３の熱伝導率よりも大きい。
【００６９】
この熱電変換装置１１では、熱伝導材２３の熱伝導率が、基材１３の熱伝導率よりも大きい。ここで、熱伝導率λ（κ）は、グリスが約２Ｗ／ｍＫ、ポリイミドが約０．２〜０．３Ｗ／ｍＫ、銅が約４００Ｗ／ｍＫ、シリコンが約７Ｗ／ｍＫとなる。即ち、熱抵抗は、ポリイミド＞グリス＞シリコンの順で小さくなる。従って、ポリイミド基板の貫通孔３９にグリスを充填した熱電変換装置１１では、現行のシリコン基板を用いる熱電変換装置に比べ、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制できる。
【００７０】
以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各種の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本開示は、製品コストを低減しつつ、熱移動効率の低下を抑制して効果的な熱の移動を支援する熱電変換装置として有用である。
【符号の説明】
【００７２】
１１  熱電変換装置
１３  基材
１５  熱電変換素子
１７  電極
１９  放熱部材
２１  吸熱部材
２３  熱伝導材
３５  実装面
３９  貫通孔
【図１】
2020161591.tif 000003
【図２】
2020161591.tif 000004
【図３】
2020161591.tif 000005
【図４】
2020161591.tif 000006
【図５】
2020161591.tif 000007
【図６】
2020161591.tif 000008
【図７】
2020161591.tif 000009
【図８】
2020161591.tif 000010
【図９】
2020161591.tif 000011
【図１０】
2020161591.tif 000012
【図１１】
2020161591.tif 000013
【図１２】
2020161591.tif 000014