(57)【要約】【課題】基板と金属層の設置界面に発生する応力を分散させることにより、長期安定性に優れた熱電変換モジュール用基板及び熱電変換モジュール及び冷却装置及び発電装置を提供する。【解決手段】複数の熱電変換素子を実装し、金属層を両面に形成してなる絶縁基板であって、両面の金属層の投影した際の中心位置及び／又は形状及び／又は面積が異なることを特徴とする。【選択図】図３
2006013200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層を両面に形成してなる絶縁基板であって、両面の金属層を投影した際の中心位置及び／又は平面形状及び／又は面積が異なることを特徴とする熱電変換モジュール用基板。
【請求項２】
前記絶縁基板における両面の金属層の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール用基板。
【請求項３】
前記絶縁基板の厚さが０．３〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電変換モジュール用基板。
【請求項４】
前記絶縁基板がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱電変換モジュール用基板。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れかに記載の熱電変換モジュール用基板を支持基板として熱電変換素子を備えたことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項６】
請求項１乃至４の何れかに記載の前記熱電変換モジュール用基板を支持基板とし、該支持基板と熱電変換素子を交互に積み重ねて多段構造としたことを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項７】
請求項５または６に記載の熱電変換モジュールを冷却手段としたことを特徴とする冷却装置。
【請求項８】
請求項５または６に記載の熱電変換モジュールを発電手段としたことを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度制御用、保冷用、発電用として好適に使用される熱電変換モジュール用基板及びそれを用いた熱電変換モジュール及び冷却装置及び発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とからなるＰＮ接合対に電流を流すと一端が発熱するとともに他端が吸熱するというペルチェ効果を利用したもので、これをモジュール化した熱電変換モジュールは、精密な温度制御が可能であり、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。
【０００３】
また、逆に熱電変換素子の両端に温度差をつけると、電位差が生ずる特徴を有しており、排熱回収発電などへの利用が期待されている。
【０００４】
熱電モジュールの構造は、例えば図１に示したように、支持基板１ａ、１ｂの表面に、それぞれ金属層３ａ、３ｂが形成され、さらにＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂからなる複数の熱電変換素子２が挟持されるように、接合材６で接合されている。
【０００５】
そして、これらの熱電変換素子２は、電気的に直列になるように金属層３ａ、３ｂで接続し、さらに外部接続端子４に接続されている。この外部接続端子４には、接合材６によってリード線５が接続し、外部と電気的に接続し、熱電変換モジュール７が形成される。
【０００６】
支持基板１ａ、１ｂの熱電変換素子２の接続側と反対面にも、熱応力緩和のため金属層３ｃ、３ｄ（３ｄは不図示）が形成される。
【０００７】
また、より低温まで冷却したい場合、あるいはより高温の熱源を利用して発電効率を高めたい場合、例えば図２に示したように、２段以上の熱電変換素子２を積層した構造にすることができる。この場合、中間の支持基板１ｃの両面には、熱電変換素子２の接続のための金属層３ｅ、３ｆ（３ｆは不図示）が形成される。
【０００８】
室温付近で使用される冷却用熱電モジュールには、冷却特性が優れるという観点からＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）からなる熱電変換素子２が一般的に用いられている。
【０００９】
Ｎ型熱電変換素子２ａにはＢｉ２Ｔｅ３とＳｂ２Ｔｅ３との固溶体が、Ｐ型熱電変換素子２ｂにはＢｉ２Ｔｅ３とＢｉ２Ｓｅ３との固溶体が特に優れた性能を示すことから、このＡ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉ及び／又はＳｂ、ＢはＴｅ及び／又はＳｅ）が熱電変換素子２に広く用いられている。
【００１０】
また発電用途には、２００〜３００℃までは冷却用途と同様、Ｂｉ−Ｔｅ系が主に使用され、さらにそれ以上の温度域では、Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｍｇ−Ｓｉ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、ＴＡＧＳ系（ＧｅＴｅ−ＡｇＳｂＴｅ）、Ｚｎ−Ｓｂ系、スクッテルダイト系などが熱電変換素子２に使用される。
【００１１】
このようなＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂを対にしたものを複数直列に電気的に接続する。
【００１２】
ここで熱電変換モジュール７は、温度差、熱サイクルによる熱膨張差から支持基板１や熱電変換素子２にクラックが発生する、あるいは破損する場合があったため絶縁層を有する金属基板に凹凸をつけ、応力を緩和することが提唱されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１６４９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら特許文献１の金属基板は、熱膨張が大きいため、変形や伸縮が大きく接合部や熱電変換素子が破損する場合があり、不十分であった。
【００１４】
また熱膨張が小さく、耐熱性、絶縁性に優れるセラミック基板においても、基板上に設置された裏表の金属層との収縮差によって、破損する場合があった。本発明者は、この現象を鋭意調査分析した結果、絶縁基板の表裏両面に設置してある金属層の投影図が一致する場合に破損しやすいことを見出した。
【００１５】
従って、本発明の目的は、基板と金属層の設置界面に発生する応力を分散させることにより、長期安定性に優れた熱電変換モジュール用基板及び熱電変換モジュール及び冷却装置及び発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記に鑑みて本発明は、複数の熱電変換素子を実装し、金属層を両面に形成してなる支持基板であって、両面の金属層の投影した際の中心位置及び／又は形状及び／又は面積が異なることを特徴とするものである。
【００１７】
また支持基板における両面の金属層の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることを特徴とするものである。
【００１８】
また支持基板の厚さが０．３〜３ｍｍであることを特徴とするものである。
【００１９】
また支持基板がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことを特徴とするものである。
【００２０】
また上記熱電変換モジュール用基板を支持基板として熱電変換素子を備えたことを特徴とする。
【００２１】
また上記熱電変換モジュール用基板を支持基板とし、該支持基板と熱電変換素子を交互に積み重ねて多段構造としたことを特徴とする。
【００２２】
また前記熱電変換モジュールを冷却手段としたことを特徴とする。
【００２３】
また前記熱電変換モジュールを発電手段としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、金属層を両面に形成してなる支持基板において、両面の金属層の投影した際の中心位置及び／又は形状及び／又は面積が異なることにより、金属層と基板の接合界面に発生する熱応力を分散させることができるため、長期安定性に優れた熱電変換モジュール用基板を提供することができる。
【００２５】
また本発明は、前記基板における両面の金属層の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることにより、表裏の熱膨張差による破損を低減し、より安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。
【００２６】
また本発明は、支持基板の厚さが０．３〜３ｍｍであることにより、長期使用に十分耐えうる強度を有し、かつ熱伝導性にも優れているため、より安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。
【００２７】
また本発明は、支持基板がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことにより、長期使用に十分耐えうる強度を有し、かつ熱伝導性にも優れているため、より安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。
【００２８】
また本発明は、前記熱電変換モジュール用基板を支持基板としたことにより、長期安定性に優れた熱電変換モジュールを提供することができる。
【００２９】
また本発明は、前記熱電変換モジュールを冷却手段としたことにより、長期安定性に優れた冷却装置を提供することができる。
【００３０】
また本発明は、前記熱電変換モジュールを発電手段としたことにより、長期安定性に優れた発電装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明を、以下の実施形態を基に説明する。
【００３２】
図３は、本発明の熱電モジュール用基板の実施の形態を示す。
【００３３】
この図によれば、支持基板１の両面に金属層３が設けられている。その上に熱電変換素子２が設けられ電気的に直列に接続して、熱電変換モジュールを形成する。
【００３４】
本発明の熱電変換モジュール用基板は、図３における支持基板１の両面に設けられた金属層３からなり、両面の金属層３のパターンを投影した際の中心位置及び／又は形状及び／又は面積が異なることが重要である。これにより支持基板１を挟んで両面に設けられた金属層３と支持基板１の界面に発生する、熱膨張差に起因する応力を分散させることができ、よって繰り返しの熱サイクルに対し長期的に安定した支持基板１を得ることができる。
【００３５】
また支持基板１両面の金属層３の占有する面積の割合の差が、７０％以下であることが好ましい。７０％を超えた場合、支持基板１両面の熱膨張差に起因する変形、歪により、金属層の剥離やクラックが発生する場合がある。７０％以下にすることにより、支持基板１両面の熱膨張差を低減でき、よってより長期的に安定した支持基板１を得ることができる。好ましくは５０％以下、さらに好ましくは４０％以下が望ましい。
【００３６】
また支持基板１の厚さが０．３〜３ｍｍであることが好ましい。これにより、支持基板１が長期使用に耐えうる十分な強度を有し、かつ熱伝導性にも優れているため、長期的に安定しかつ性能に優れた熱電変換モジュール用基板を提供することができる。厚さが０．３ｍｍより薄いと強度が不足するため、熱応力により破損しやすくなる。また厚さが３ｍｍより厚いと強度的には十分であるが、熱抵抗が大きくなるため、性能が劣化する。よって好ましくは０．５〜２ｍｍ、さらに好ましくは０．７〜１．５ｍｍが望ましい。
【００３７】
また支持基板１がＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｃから選ばれる一種以上の元素を含むことが好ましい。これらの元素は、共有結合あるいはイオン結合により強固に結合するため、長期使用に十分耐えうる強度を有し、かつ熱伝導性にも優れてた基板を得ることができる。
【００３８】
これにより長期的に安定した熱電変換モジュール用基板を提供することができる。
【００３９】
また前記熱電変換モジュール用基板を支持基板としたことにより、長期安定性に優れた熱電変換モジュールを提供することができる。
【００４０】
熱電変換モジュールは、図１に示したように、下部支持基板１ａ、上部支持基板１ｂの表面に、それぞれ金属層３ａ、３ｂが形成され、さらにＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂからなる複数の熱電変換素子２が金属層３ａ、３ｂによって挟持されるように配置し、接合材６で接合されている。また下部支持基板１ａ、上部支持基板１ｂの背面にも、それぞれ金属層３ｃ、３ｄ（３ｃは不図示）が形成されている。
【００４１】
熱電変換素子２はＮ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂの２種からなり、下部支持基板１ａの一方の主面上にマトリックス状に配列されている。Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂは、Ｎ型、Ｐ型、Ｎ型、Ｐ型と交互に、且つ電気的に直列になるように金属層３ａ、３ｂで接続し、一つの電気回路を形成する。冷却用途及び３００℃以下での発電用途では熱電変換素子２は、常温付近で最も優れた熱電変換性能を有しているＢｉ−Ｔｅ系が好ましい。これにより良好な冷却効果を得ることができる。Ｐ型としてＢｉ０．４Ｓｂ１．６Ｔｅ３、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ３など、Ｎ型としてＢｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５、Ｂｉ２Ｔｅ２．９Ｓｅ０．１などが好適に使用される。
【００４２】
また図２に示すように、より低温まで冷却したい場合、あるいはより高温の熱源を利用して発電効率を高めたい場合、２段以上熱電変換素子２を積層した構造にすることができる。この場合、中間の支持基板１ｃの両面には、熱電変換素子２の接続のための金属層３ｅ、３ｆ（３ｆは不図示）が形成し、電気的に接続される。
【００４３】
次に、本発明の熱電モジュールの製造方法について、図１の熱電モジュール７の製造方法を例として説明する。
【００４４】
まず、熱電変換素子２を準備する。本発明によれば、熱電変換素子２は周知の方法によって得られるものを用いることができる。即ち、焼結法、単結晶法、溶製法、薄膜法のいずれかによって得られた結晶を使用することが可能である。
【００４５】
次いで、支持基板１として、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ダイヤモンド等のセラミックスを準備する。基板形状に加工した後、表面にＺｎ、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｔｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ及びＭｇ等の導電性材料を用いて金属層３及び外部接続端子４を、メッキ法、メタライズ法、ＤＢＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｂｏｎｄｉｎｇ  Ｃｏｐｐｅｒ）法、チップ接合法、溶射法、ロウ付け法などの手法を用いて形成する。
【００４６】
次いで、金属層３の上に、熱電変換素子２を配置する。なお、熱電変換素子２は、Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂが交互に並ぶように配列し、且つ電気的に直列に配列され、熱電変換モジュールを形成する。
【００４７】
このようにして、本発明の長期安定性に優れた熱電変換モジュール用基板及び熱電変換モジュールを提供することができる。
【実施例】
【００４８】
出発原料には、Ｂｉ２Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５系焼結体からなる熱電変換素子２を準備し、形状は四角柱で、寸法は縦１ｍｍ、横１ｍｍ、高さ２ｍｍであった。
【００４９】
また、支持基板１として、大きさが４０ｍｍ×４０ｍｍのアルミナを用意した。支持基板１は、テープ成形法、プレス法、鋳込み法、排泥法などの成形法、常圧焼成、加圧焼成、ＨＩＰ焼成、ホットプレス焼成などの焼成法などのアルミナ、窒化アルミを製造する通常の製造方法で作製した。金属層３の形成は、メタライズ法、メッキ法、溶射法、ロウ付け法などの常法が適応できる。
【００５０】
支持基板１の裏表両面上に、メタライズ法によりＣｕの金属層３を作製した。
【００５１】
下部支持基板１ａの３ａ上に、Ａｕ−Ｓｎなどの接合材６からなる半田ペーストを印刷し、その上に熱電変換素子２を並べ、下部支持基板１ａの反対面から加熱し、熱電変換素子２を固定した。熱電変換素子２の数は、Ｎ型熱電変換素子２ａ及びＰ型熱電変換素子２ｂを同数とした。
【００５２】
同様にしてもう一面の上部支持基板１ｂと熱電変換素子２を固定して熱電モジュール７が得られる。
【００５３】
得られた熱電変換モジュール７の外部接続端子４上に、接合材６を供給しつつ、ソフトビームなどにより加熱し、リード線５を接続した。
【００５４】
このようにして得られた熱電変換モジュール７の下面をヒートシンクに冷却水を流すことによって冷却し、また上面はヒータを取り付け、加熱することにより、熱電変換モジュール７の上下面に温度差をつけた（△Ｔ）。加熱、冷却することにより支持基板１、熱電変換素子２、金属層３などが膨張、収縮し、各々の差によって支持基板１に応力が発生するため高強度の材料が好ましい。
【００５５】
また支持基板１は効率的に熱電変換素子２に熱を伝える必要があるため高熱伝導率の材料が好ましい。
【００５６】
ヒータに流す電流をＯＮ−ＯＦＦすることにより温度差サイクル試験を行い、３０００サイクル後の熱電変換モジュールの抵抗変化率を測定し、△Ｒ＜５％をＯＫとした。
【表１】
2006013200.tif 000003
【００５７】
実施例として本発明の試料Ｎｏ．２〜２２、２４〜４６は、温度サイクル試験後の△Ｒが５％より小さく良好であった。
【００５８】
これに対し、比較例として本発明以外の試料Ｎｏ．１及び２３は、温度サイクル試験後の△Ｒが５％より大きく、本発明の試料に比べて明らかに劣っていた。
【００５９】
尚、以下に各試料の結果を個別に説明する。
【００６０】
試料Ｎｏ.５、２８のように金属層の占有する面積の割合の差が７０％までは、△Ｒが２％程度だが、試料Ｎｏ.５、２８のように金属層の占有する面積の割合の差が７０％を超えると、△Ｒが倍になってしまう。
【００６１】
試料Ｎｏ.９、３２では基板の厚さが薄いため、熱抵抗が少なく効率が高い反面、温度サイクル試験後の抵抗変化が、若干大きかった。
【００６２】
逆に試料Ｎｏ.１３、３６では基板の厚さが厚いため強度が高く、温度サイクル試験後の抵抗変化小さかったが、熱抵抗が大きいため、効率が若干下がった。
【００６３】
試料Ｎｏ.１９、４２では基板にジルコニアを使用したが、他のセラミック製基板に比べ熱伝導率が低いため、若干効率が下がった。
【００６４】
試料Ｎｏ.２０、４３では基板にＳＵＳを使用したが、セラミック製基板に比べ熱膨張が大きいため、若干温度サイクル試験後の抵抗変化が大きかった。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態の熱電変換モジュールの斜視透視図である。
【図２】本発明の一実施形態の２段熱電変換モジュールの斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態の熱電変換モジュール用支持基板の平面透視図である。
【符号の説明】
【００６６】
１・・・支持基板
１ａ・・・（下部）支持基板
１ｂ・・・（上部）支持基板
１ｃ・・・（中間）支持基板
２・・・熱電変換素子
２ａ・・・Ｎ型熱電変換素子
２ｂ・・・Ｐ型熱電変換素子
３・・・金属層
３ａ・・・（下部内側）金属層
３ｂ・・・（上部内側）金属層
３ｃ・・・（下部外側）金属層
３ｄ・・・（上部外側）金属層
３ｅ・・・（中間部上側）金属層
３ｆ・・・（中間部下側）金属層
４・・・外部接続端子
５・・・リード線
６・・・接合材
７・・・熱電変換モジュール
【図１】
2006013200.tif 000004
【図２】
2006013200.tif 000005
【図３】
2006013200.tif 000006