(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
隣接する熱電素子間を電極によって交互に接続することで複数個の熱電素子を複数個の電極で電気的に直列に接続しているπ型の熱電素子モジュールであって、各熱電素子の側面を有機性樹脂からなる被覆層で被覆するとともに、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設け、隣接する２つの熱電素子の被覆層同士を、熱電素子の一方の電極側の端部において結合してブリッジを形成していることを特徴とする熱電素子モジュール。
【請求項２】
熱電素子として円柱状のものを用いることを特徴とする請求項１記載の熱電素子モジュール。
【請求項３】
熱電素子と被覆層との間にポリイミド層を設けていることを特徴とする請求項１〜２のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。
【請求項４】
被覆層を気泡含有樹脂で形成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。
【請求項５】
電極は、熱電素子との接合部の厚みが両接合部をつないでいるブリッジ部の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。
【請求項６】
電極は、金属製の微細ボールを含有する半田で熱電素子に接合されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。
【請求項７】
電極は、その表面が絶縁性有機膜で被覆されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。
【請求項８】
電極と熱電素子との接合部を樹脂で被覆していることを特徴とする請求項１〜７のいずれかの項に記載の熱電素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はｐ型とｎ型の熱電素子を電気的に接続して構成した熱電素子モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電素子モジュールは、ｐ型とｎ型の熱電素子を金属電極で順次接続するにあたり、π型直列回路を構成して、外部と電気的に接続できるように、直列配列の終端からリード線を引き出したものとして構成され、電極の外側にはモジュールの構造維持及び外部との熱輸送のためにセラミック基板が配されたものが一般的である。
【０００３】
しかし、この構造のモジュールでは、熱電素子が脆弱なことと、熱電素子とセラミック基板との線膨張係数が異なるために、使用時に素子に加わる熱応力によって素子が破壊してしまうことが多く、信頼性に問題があった。
【０００４】
このために、セラミック基板を設けていないタイプの熱電素子モジュールも存在しているが、この場合、π型構造で直列に配列されているということは、モジュール自体が蛇腹構造となり、ハンドリングが困難であるという問題がある。
【０００５】
ここにおいて、特開平１０−５１０３９号公報には、熱電素子間に樹脂を充填することで、熱電素子の補強を図るとともにモジュールに柔軟性を与えることを図ったものが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、樹脂でモジュール全体を固着してしまう上記公報に開示のものでは、熱が樹脂を伝わって放熱側から冷却側に移動するために熱リークが大きく、モジュールの冷却効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは冷却効率を低下させることなく信頼性を向上させることができる熱電素子モジュールを提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、隣接する熱電素子間を電極によって交互に接続することで複数個の熱電素子を複数個の電極で電気的に直列に接続しているπ型の熱電素子モジュールであって、各熱電素子の側面を有機性樹脂からなる被覆層で被覆するとともに、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設け、隣接する２つの熱電素子の被覆層同士を、熱電素子の一方の電極側の端部において結合してブリッジを形成していることに特徴を有している。
【０００９】
脆性材料である熱電素子を被覆層で被覆することで素子の補強を行い、また、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設けることで、被覆層を通じた熱伝導を抑えることができるようにしたものである。
【００１０】
上記熱電素子としては、円柱状のものを好適に用いることができる。
【００１２】
熱電素子と被覆層との間にポリイミド層を設けることも好ましい。
【００１３】
被覆層を気泡含有樹脂で形成してもよい。
【００１４】
電極は、熱電素子との接合部の厚みが両接合部をつないでいるブリッジ部の厚みよりも厚いものを好適に用いることができ、また金属製の微細ボールを含有する半田で熱電素子に接合しておくことが好ましい。
【００１５】
電極は、その表面が絶縁性有機膜で被覆されているものであってもよく、電極と熱電素子との接合部を樹脂で被覆していてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１に示すように、ｎ型の熱電素子１とｐ型の熱電素子１とを交互に電極２によって接続するとともに、π型配置とすることで、これら熱電素子１を直列接続し、終端から外部接続用のリード線２８を導出している点で従来の熱電素子モジュールと変わりはないが、ここでは両端が電極２，２に接合されている熱電素子１の側面を、厚み５〜２０μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂からなる被覆層３で被覆している。なお、図に示す熱電素子モジュールはセラミック基板を配していないタイプ（スケルトンタイプ）であるが、片面にセラミック基板４を配したもの、あるいは両面にセラミック基板４，４を配したものであってもよい。
【００１７】
いずれにしても、脆性材料である熱電素子１の側面を被覆層３で被覆して熱電素子１を補強していることから、熱応力で熱電素子１にクラックが発生してしまうおそれを低減することができる。また、被覆層３はその厚みが薄くて隣接する熱電素子１との間に空間が存在しており、被覆層３を通じた熱伝導は殆どなく、従って熱リークによるところの熱電変換効率の低下がないものである。
【００１８】
この時、図２に示すように、熱電素子１として円柱形のものを用いて、該熱電素子１の外周面に被覆層３を被覆するならば、角型断面を有している熱電素子１を用いる場合に比して、熱電素子１そのものにおける応力集中部が分散することになるために、熱電素子モジュールとしての信頼性がさらに高くなる。
【００１９】
熱電素子モジュールとしてのハンドリングの点を改善するために、隣接する熱電素子１、１の被覆層３，３同士を結合するブリッジ３０を設けてもよい。ブリッジ３０は被覆層３を形成している樹脂と同じ樹脂で形成するが、被覆層３及びブリッジ３０は、厚み５〜１０００μｍのエポキシ樹脂を好適に用いることができる。
【００２０】
本発明では図１に示すように、一方の電極２側に全てのブリッジ３０を形成することで、柔軟性を確保しつつハンドリング性を高めることができる。また、柔軟性の故に熱電素子モジュールの熱応力に対する信頼性が高くなる。
【００２２】
被覆層３をエポキシ樹脂で形成する場合は、図３に示すように、熱電素子１に厚み５〜２０μｍのポリイミド樹脂からなる内層３１を被覆した後、被覆層３を厚み５〜１０００μｍで設けるとよい。内層３１の存在により、エポキシ樹脂である被覆層３と熱電素子１との密着力が向上して、被覆層３によるところの熱電素子１の補強効果が向上する。
【００２３】
被覆層３は図４に示すように、気泡３３を含有する樹脂で形成してもよい。たとえば、直径１〜１００μｍの気泡を含有するエポキシ樹脂で厚み５〜１０００μｍの被覆層３を形成するのである。気泡３３が存在するために、被覆層３は熱伝導率が低くなっており、被覆層３によるところの熱輸送を下げることができるために、熱電素子モジュールの性能向上を得ることができる。なお、図３及び図４はスケルトンタイプのものを示しているが、片面にセラミック基板４を配したものや、両面にセラミック基板４，４を配したものであってもよいのはもちろんである。
【００２４】
少なくとも片面にセラミック基板４を配したものでは、セラミック基板４と熱電素子１との線膨張差による熱応力が問題となるが、この点は図５に示すように、銅からなる電極２における熱電素子１との接合部２０の厚みを、両接合部２０，２０をつないでいるブリッジ部２１の厚みよりも厚いものとすることで緩和することができる。たとえばブリッジ部２１の厚みが０．２〜２ｍｍである場合、接合部２０の厚みは０．５〜３ｍｍとする。金属製の電極２が有する弾性を利用して、セラミック基板４と熱電素子１との線膨張差によって生ずる熱応力を緩和するのである。
【００２５】
上記熱応力は、図６に示すように、電極２と熱電素子１との接合用の半田５として、直径０．０５〜１ｍｍの銅製のボール５０を含んだものを用いても緩和することができる。微細なボール５０を多数含んだ半田５は、応力緩和層として機能するだけの厚み（０．１ｍｍ以上）を持つことになるからである。
【００２６】
電極２に関しては、その表面を絶縁性有機膜２４で覆っておくことも好ましい。たとえばパリレンやポリイミドを蒸着して厚み５〜２５μｍの絶縁性有機膜２４を電極２における熱電素子１との接合面を除く部分に形成しておけば、熱電素子モジュールを放熱板や冷却板と組み合わせてユニット化するにあたり、電極２間の絶縁信頼性が向上する。なお、この絶縁性有機膜２４の形成は、上記の各例において、セラミック基板４を配さない全てのものに適用することができる。
【００２７】
図８は電極２と熱電素子１との半田による接合部をエポキシ系の樹脂６で被覆したものを示している。この樹脂６は、電極２と熱電素子１との接合部を補強する上に、収縮応力によって接合部に対して電極２と熱電素子１との接触圧を高める方向の圧縮力を常時加えるために、接合部の信頼性を高くする。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、隣接する熱電素子間を電極によって交互に接続することで複数個の熱電素子を複数個の電極で電気的に直列に接続しているπ型の熱電素子モジュールであって、各熱電素子の側面を有機性樹脂からなる被覆層で被覆するとともに、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設けているために、脆性材料である熱電素子は被覆層による被覆で補強されたことになり、熱応力によるところの破壊が生じにくくなるものであり、また、隣接する熱電素子の被覆層間に空間を設けるために、被覆層を通じた熱伝導を抑えることができ、被覆層の存在が熱電変換効率の低下を招くことがないものであり、更に、隣接する２つの熱電素子の被覆層同士を、熱電素子の一方の電極側の端部において結合してブリッジを形成したことで柔軟性を確保しつつハンドリング性の向上を図ることができる。
【００２９】
そして、熱電素子として円柱状のもの用いれば、熱電素子そのものにおける応力集中を分散させることができるために、熱電素子の破壊のおそれが更に少なくなる。
【００３２】
熱電素子と被覆層との間にポリイミド層を設けることも好ましい。被覆層と熱電素子との密着力を高めて、熱電素子の補強効果を向上させることができる。
【００３３】
被覆層を気泡含有樹脂で形成しておけば、被覆層の熱伝導率を下げることができるために、被覆層によるところの熱伝導をさらに抑えることができる。
【００３４】
電極には、熱電素子との接合部の厚みが両接合部をつないでいるブリッジ部の厚みよりも厚いものを用いると、セラミック基板を配したものにおいても、熱電素子にかかる熱応力を緩和させることができる。また、金属製の微細ボールを含有する半田で熱電素子に接合しておいても、やはり熱電素子にかかる熱応力を緩和することができ、熱電素子の破壊を防ぐことができる。
【００３５】
電極の表面を絶縁性有機膜で被覆しておけば、ユニット化に際しての絶縁信頼性が向上する。
【００３６】
さらに電極と熱電素子との接合部を樹脂で被覆しておくと、電極と熱電素子との接合部の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態の一例を示すもので、 (a)は断面図、(b)は構造説明図である。
【図２】  他例の熱電素子及び被覆層の斜視図である。
【図３】  他例の断面図である。
【図４】  さらに他例の断面図である。
【図５】 (a)(b)は共に別の例の断面図である。
【図６】 (a)(b)は共にさらに別の例の断面図である。
【図７】 (a)(b)は共に他の例の断面図である。
【図８】  別の例の断面図である。
【符号の説明】
１  熱電素子
２  電極
３  被覆層
【図１】
0003724262.tif 000002
【図２】
0003724262.tif 000003
【図３】
0003724262.tif 000004
【図４】
0003724262.tif 000005
【図５】
0003724262.tif 000006
【図６】
0003724262.tif 000007
【図７】
0003724262.tif 000008
【図８】
0003724262.tif 000009