(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、電極面と平行な平面で切ったＰ型及びＮ型熱電素子の断面積比を、Ｐ型及びＮ型熱電素子の電気抵抗値の平均値と熱伝導度の平均値との積が最小付近になるようにしているとともに、少なくとも断面積の大きい方の熱電素子は電極面と平行な平面で切った形状が円形状となっていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、熱電素子は熱電材の結晶材粉末を押し出してプレス等の圧粉工程で製造されたものであり、電極面と平行な平面で切ったＰ型及びＮ型熱電素子の断面積をＰ型熱電素子の方を大きくして両者の断面積比を１．５〜２．９の範囲としているとともに、少なくとも断面積の大きい方の熱電素子は電極面と平行な平面で切った形状が円形状となっていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項３】
少なくとも断面積が小さい方の熱電素子が中空形状であるとともに、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とはほぼ同じ外形寸法であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
互いに隣り合う円柱形状のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子との間が絶縁材で埋められているとともに、任意の熱電素子の中心からその熱電素子に電気的に隣り合う２つの熱電素子の中心までの直線同士が１３２〜１５８°の角度をなす配列で両種熱電素子が配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
絶縁材は気泡を含有していることを特徴とする請求項４記載の熱電モジュール。
【請求項６】
絶縁材は電極面と垂直な方向に貫通する貫通穴を備えていることを特徴とする請求項４記載の熱電モジュール。
【請求項７】
絶縁材は電極面と垂直な方向の長さが熱電素子の長さよりも短いことを特徴とする請求項４記載の熱電モジュ―ル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多数の熱電素子を配列させた熱電モジュールに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電モジュールは、Ｐ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とを接続して形成されるが、この時、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の各上下の電極面を電極に接続して上下に対向する基板間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを配したものが一般的に用いられている。
【０００３】
ところで、熱電モジュールに用いる熱電素子は、ゾーンメルト法により製造された結晶材を機械的に加工することによって得たものと、結晶材を粉砕した粉末を押出しやプレス等により圧粉加工し、その後４００℃程度の熱をかけて焼結して得たものとがある。前者のものであれば、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の電気的・熱的物性に大きな差はないが、後者のものであると、粉砕した粉の末粒径に熱電素子の電気的・熱的物性が影響をうける。たとえば結晶材の性能として、Ｐ型熱電材料に物性値が電気抵抗率０．９５〜０．７３Ωｍ、熱伝導率１．６５〜１．４１Ｗ／ｍＫ、ゼーベック係数１９７〜１８３Ｖ／ｍＫのものを用いるとともに、Ｎ型熱電材料に電気抵抗率１．０５×０．７７Ωｍ、熱伝導率１．７２〜１．５２Ｗ／ｍＫ、ゼーベック係数２０８〜１８２Ｖ／ｍＫのものを用いた場合、Ｐ型熱電素子では粉末の粒径が０．１ｍｍ程度の時に素子としての性能が最大（電気抵抗率が約１．０７〜２．３×１０−５Ωｍ、熱伝導率が約０．７５〜１．２Ｗ／ｍＫ）となり、Ｎ型熱電素子では０．１ｍｍ程度の時に性能最大（電気抵抗率約１．０×１０−５Ωｍ、熱伝導率約１．２〜１．３０Ｗ／ｍＫ）となる。
【０００４】
ここにおいて、従来の熱電モジュールでは、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とは同一形状のものを用いていたのであるが、上記のようにＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とに電気的・熱的特性に差がある場合、夫々の熱電素子の性能を最大に引き出す電流値（最適電流）に差が生じることから、両種熱電素子の両方の性能を最大に引き出すことができない。
【０００５】
このために、特開平６−３１０７６５号公報には、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子との長さを異ならせることで両種熱電素子の最適電流を等しくすることが示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、両種熱電素子の長さを異ならせた場合、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の各上下の電極面を電極に接続して上下に対向する基板間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを配した構造のものにおいては、長さが短い方の熱電素子と基板との間に長さの差の分を埋めるために別途銅層等を設けなくてはならず、このような銅層等の存在は、そこで発生するジュール熱や熱抵抗によってモジュールの性能低下を引き起こす要因となる。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とに電気的特性や熱的特性で差がある場合でも、両種熱電素子の両方の性能を最大に引き出すことができる上に、構造的な性能低下要因を新たに生じてしまうこともない熱電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、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、電極面と平行な平面で切ったＰ型及びＮ型熱電素子の断面積比を、Ｐ型及びＮ型熱電素子の電気抵抗値の平均値と熱伝導度の平均値との積が最小付近になるようにしていることに特徴を有している。
【０００９】
Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子との電気的・熱的特性の差を断面積で調整することによって、両種熱電素子の長さを同じとすることができる。
熱電素子が熱電材の結晶材粉末を押し出してプレス等の圧粉工程で製造されたものである場合、電極面と平行な平面で切ったＰ型及びＮ型熱電素子の断面積をＰ型熱電素子の方を大きくするとともに、両者の断面積比を１．５〜２．９の範囲とするのが好ましい。
【００１０】
いずれの場合も、少なくとも断面積の大きい方の熱電素子は電極面と平行な平面で切った形状が円形状としておくことで、熱応力がよりかかりやすくなる断面積の大きい方の熱電素子に応力集中しにくくなる。
少なくとも断面積が小さい方の熱電素子が中空形状であり、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とはほぼ同じ外形寸法であると、やはり一方の熱電素子への応力集中を避けることができる。
【００１１】
互いに隣り合う円柱形状のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子との間を絶縁材で埋めれば、絶縁材による衝撃強度の向上効果を得ることができ、任意の熱電素子の中心からその熱電素子に電気的に隣り合う２つの熱電素子の中心までの直線同士が１３２〜１５８°の角度をなす配列で両種熱電素子を配設した時には、絶縁材の量を少なくすることができるために、絶縁材からの熱リーク量を減少させることができる。
【００１２】
上記絶縁材は気泡を含有したものや、電極面と垂直な方向に貫通する貫通穴を備えたもの、あるいは電極面と垂直な方向の長さが熱電素子の長さよりも短いものが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について説明すると、図１において、上下に対抗する対のセラミック製（たとえばＡｌ２  Ｏ３  やＴｉＡｌ製）基板３，３間には複数のＰ型熱電素子１ｐとＮ型熱電素子１ｎとを配設するとともに、これらのＰ型熱電素子１ｐとＮ型熱電素子１ｎの上下の電極面に銅やアルミニウムまたは導電性接着剤等の導電体からなる電極４が接合されて、Ｐ型熱電素子１ｐとＮ型熱電素子１ｎとが交互に且つ直列に接続されている。
【００１４】
ここで、Ｐ型熱電素子１ｐとＮ型熱電素子１ｎとは電極面と垂直な方向の長さがほぼ等しいが、電極面と平行な平面で切断した断面積は，図２から明らかなように、Ｎ型熱電素子１ｎの断面積ＡＮよりも、Ｐ型熱電素子１ｐの断面積ＡＰの方が大きくなっている。
今、  例えばＰ型熱電素子として、ゼーベック係数２００×１０−６Ｖ／Ｋ、電気抵抗率２．３×１０−５Ωｍ、熱伝導率０．７５Ｗ／ｍＫのものを用いるとともに、Ｎ型熱電素子としてゼーベック係数２００×１０−６Ｖ／Ｋ、電気抵抗率１．０×ｌ０−５Ωｍ、熱伝導率１．３０Ｗ／ｍＫのものを用いた場合、両種熱電素子１ｐ，１ｎの断面積比ＡＰ／ＡＮと１．５〜２．９とすると、Ｐ型熱電素子１ｐ及びＮ型熱電素子１ｎの夫々の性能を最大に引き出すことが可能となる。なお、図３から明らかなように、両種熱電素子１ｐ，１ｎの断面積比ＡＰ／ＡＮを２．１にすると、両熱電素子１ｐ，１ｎが同形状である場合に比較して、ほぼ１２％の性能向上を図ることができる。
【００１５】
図３で縦軸に示している性能指数は、熱電モジュールの性能を表す指数であり、熱電素子のゼーベック係数に比例し、電気抵抗（単位：Ω）と熱伝導度（単位：Ｗ／Ｋ）に反比例する指数であるために、電気抵抗×熱伝導度を小さな値になるように熱電素子の断面積比を決定することにより、モジュールの性能を向上させることができることになる。
【００１６】
Ｐ型熱電素子１ｐとＮ型熱電素子１ｎの断面形状は図１及び図２に示したような正方形状とするのではなく、特に断面積が大きい方の熱電素子１ｐについては、断面形状が円形のものを用いるのが好ましい。図４及び図５に両熱電素子１ｐ，１ｎの断面形状を円形としたものを示す。
熱電素子１ｐ，１ｎの断面形状が四角形のように角部をもったものであると、ヒートサイクルをかけたときにその角部に応力の集中が生じ、そこから熱電素子にクラック等が発生し、熱電モジュールの寿命低下の要因となる。両種熱電素子１ｐ，１ｎの断面積を異ならせたものでは、断面積が大きい方の熱電素子１ｐに特に大きな熱応力が加わってしまう。しかし、断面形状を円形としておけば、応力集中しやすい角部をもたないので、ヒートサイクル時に熱電素子にクラックが発生することを防止することができ、熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
【００１７】
図６及び図７に示すように、少なくとも断面積の小さい方の熱電素子（Ｎ型熱電素子１ｎ）を中空形状として、断面積の大きい方の熱電素子（Ｐ型熱電素子１ｐ）の断面外形と同じくすれば、Ｐ型熱電素子１ｐとＮ型熱電素子１ｎとの外形状が異なるために生じるヒートサイクル時の熱応力の偏りを緩和することができるために、やはり熱電素子にクラック等が発生することを防止し、熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
【００１８】
図８及び図９に示すように、Ｐ型熱電素子１ｐとＮ型熱電素子１ｎとの間の空間に、セラミック、ガラス、エポキシ、フェノ―ル等の絶縁材５を充填してもよい。熱電モジュールの耐衝撃強度が絶縁材５によって高くなる。もっとも絶縁材５を配することは、絶縁材５からの熱リーク量が問題となるのであるが、Ｎ型熱電素子１ｎに電気的に隣接して電気的に接続される２つのＰ型熱電素子１ｐ，１ｐの配置について、これらの各中心を結ぶ線Ｌ１，Ｌ２とがなす角度を、１３２〜１５８°とすると、絶縁材５の断面積を減少させることができるために、ヒートサイクル時の絶縁材５の熱リ―ク量を減少させて熱電モジュールの性能を向上させることができる。なお、熱電素子１ｐ，１ｎの断面積比ＡＰ／ＡＮが１．５の場合は１３２°、断面積比ＡＰ／ＡＮが２．１の場合は図１０に示すように１４２°、断面積比ＡＰ／ＡＮが２．９の場合は１５８°が最適である。
【００１９】
上記絶縁材５として、窒素、フッ素、空気等の独立気泡を含有したものを用いると、ヒートサイクル時に絶縁材５の熱抵抗を増加させることができるために、使用時の絶縁材５の熱リ―ク量を減少させることができ、熱電モジュールの性能向上を図ることができる。
絶縁材５に熱電素子１ｐ，１ｎの電極面と垂直な方向に貫通穴を設けてもよい。レーザ照射やドリルによる穴開け（機械的加工）、あるいは絶縁材中に予めピン等を熱電素子と共に埋め込んでおき、その後にピンだけ射抜く方法等により貫通穴を設けておけば、絶縁材の断面積が減少するために、ヒートサイクル時の絶縁材の熱リーク量を減少させることが可能となり、熱電モジュールの性能を向上させることができる。
【００２０】
絶縁材５の長さ（厚さ）を熱電素子１ｐ，１ｎよりも短くしておいてもよい。レーザ照射や機械的加工、または化学的エッチング等により絶縁材５を除去することで、熱電素子１ｐ，１ｎの上面と絶縁材５の上面間に距離をもたせれば、熱電素子１ｐ，１ｎと電極４との接合部で生じている温度差により発生する絶縁材５での熱リ―ク量を減少させることが可能となり、熱電モジュールの性能を向上させることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子の各上下の電極面が電極に接続されて上下に対向する基板間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが配されている熱電モジュールにおいて、電極面と平行な平面で切ったＰ型及びＮ型熱電素子の断面積比を、Ｐ型及びＮ型熱電素子の電気抵抗値の平均値と熱伝導度の平均値との積が最小付近になるようにしているために、電気的・熱的特性の異なるＰ，Ｎ型熱電素子をモジュール化したときにおいても、特性が異なるために生じる性能劣化を無くすことができ、素子性能を最大限活かすことが可能となる。
【００２３】
熱電素子が熱電材の結晶材粉末を押し出してプレス等の圧粉工程で製造されたものである場合、電極面と平行な平面で切ったＰ型及びＮ型熱電素子の断面積をＰ型熱電素子の方を大きくするとともに、両者の断面積比を１．５〜２．９の範囲とするのが素子性能を活かす点において最良の結果を得ることができる。
そして少なくとも断面積の大きい方の熱電素子の電極面と平行な平面で切った形状を円形状としていることから、熱応力がよりかかりやすくなる断面積の大きい方の熱電素子に応力集中しにくくなるために、熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
【００２４】
少なくとも断面積が小さい方の熱電素子を中空形状とし、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とをほぼ同じ外形寸法とすると、一方の熱電素子への応力集中を避けることができ、やはり熱電モジュールの寿命を向上させることができる。
互いに隣り合う円柱形状のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子との間を絶縁材で埋めれば、絶縁材による衝撃強度の向上効果を得ることができるものであり、しかも任意の熱電素子の中心からその熱電素子に電気的に隣り合う２つの熱電素子の中心までの直線同士が１３２〜１５８°の角度をなす配列で両種熱電素子を配設しておけば、絶縁材の量を少なくすることができるために、絶縁材からの熱リーク量を減少させることができるて性能を向上させることができる。
【００２５】
上記絶縁材は気泡を含有したものとしたり、電極面と垂直な方向に貫通する貫通穴を備えたものとしたり、あるいは電極面と垂直な方向の長さが熱電素子の長さよりも短いものとしておくと、熱リーク量を少なくすることができるために性能向上を図ることができる。
【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)は斜視図、(b)は基板を外した状態の斜視図、(c)は電極も外した状態の斜視図である。
【図２】同上の水平断面図である。
【図３】同上の特性図である。
【図４】他例を示すもので、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図５】(a)は同上の電極の配置を示す平面図、(b)は同上の熱電素子の水平断面図である。
【図６】さらに他例を示すもので、(a)は平面図、(b)は断面図である。
【図７】(a)は同上の電極の配置を示す平面図、(b)は同上の熱電素子の水平断面図である。
【図８】別の例を示すもので、(a)は基板を外した状態の平面図、(b)は基板を外した状態の断面図である。
【図９】同上の水平断面図である。
【図１０】同上の特性図である。
【符号の説明】
１ｐ  Ｐ型熱電素子
１ｎ  Ｎ型熱電素子
３  基板
４  電極
【図１】
0003598802.tif 000002
【図２】
0003598802.tif 000003
【図３】
0003598802.tif 000004
【図４】
0003598802.tif 000005
【図５】
0003598802.tif 000006
【図６】
0003598802.tif 000007
【図７】
0003598802.tif 000008
【図８】
0003598802.tif 000009
【図９】
0003598802.tif 000010
【図１０】
0003598802.tif 000011