(57)【要約】【課題】  サイズが大型化しても効率的に加熱冷却や発電の機能を発揮できる熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】  絶縁性基板３０の複数の素子嵌合孔３に、各々Ｐ型とＮ型の対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合し、この貫通方向の一端側と他端側に設けられた電極２を介して対応する熱電変換素子５を電気的に接続し、熱電変換素子５の回路を形成する。絶縁性基板３０の基板面を上下両側から挟む態様で上下に熱伝導プレート６，７を設け、上下の熱伝導プレート６，７の外周端部側はプレート固定ねじ１０によって互いに固定する。絶縁性基板３０の面内領域の少なくとも１箇所に、絶縁性基板３０を熱伝導プレート６，７に固定する基板固定ねじ９の挿入孔４を貫通形成し、この挿入孔４に基板固定ねじ９を挿入して上下の熱伝導プレート６，７に固定し、熱伝導プレート６，７と電極２とを絶縁性熱伝導シート８を介して密着する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側に設けられた電極を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されている熱電変換モジュールであって、前記絶縁性基板の面内領域の少なくとも１箇所には該絶縁性基板を熱電変換モジュール内の固定箇所に固定する基板固定部材の挿入孔が貫通形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
絶縁性基板の基板面を上下両側から挟む態様で、前記絶縁性基板に配設されたＰ型とＮ型の熱電変換素子および電極を直接または絶縁性熱伝導部材を介して挟む熱伝導プレートを有し、該上下の熱伝導プレートの外周端部側はプレート固定部材によって互いに固定され、前記絶縁性基板に形成された基板固定部材の挿入孔には基板固定部材が挿入されて該基板固定部材が前記上下の熱伝導プレートに固定され、該熱伝導プレートと電極とが直接または前記絶縁性熱伝導部材を介して密着されていることを特徴とする請求項１記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光通信用部品、理化学機器、携帯用クーラ、半導体プロセス中でのプロセス温度管理等に用いられて冷却や加熱を行う熱電変換モジュールや、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ペルチェモジュール等の熱電変換モジュールが、光通信分野等の様々な分野に用いられており、様々な熱電変換モジュールの構成が提案されている。図４には、代表的な熱電変換モジュールの構造の一例が示されている。この熱電変換モジュール１はペルチェモジュールであり、複数の素子嵌合孔３を有する絶縁性基板（絶縁支持板）３０の素子嵌合孔３に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を貫通嵌合して形成されている（例えば特許文献１、２、参照。）。
【０００３】
ペルチェモジュールの熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、ペルチェ素子として一般的に知られており、Ｐ型半導体により形成されたＰ型（ｐ型）の熱電変換素子５ａと、Ｎ型半導体により形成されたＮ型（ｎ型）の熱電変換素子５ｂとを有する。Ｐ型およびＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、例えば長さが０．５〜３．０ｍｍ程度のビスマス・テルル等の半導体単結晶で構成されている。
【０００４】
前記絶縁性基板３０は、例えば厚さが０．２〜１．０ｍｍ程度の電気絶縁物の板、例えばガラスエポキシ板により構成されており、この絶縁性基板３０の上下側に、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が、例えば０．１〜１．６ｍｍ程度突出するように、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂが、それぞれ、対応する素子嵌合孔３に貫通嵌合されて交互に配置されている。
【０００５】
Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側（ここでは上側）と他端側（ここでは下側）には、それぞれ電極２が配置されている。これらの電極２はいずれも半田付け等により熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）に接合されており、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）は、対応する電極２を介して電気的に直列に接続されて熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路（ＰＮ素子対）が形成されている。なお、図に半田は図示されていない。また、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路は、図示されていないリード端子とリード線を介して電源回路等に接続されている。
【０００６】
上記熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の回路に電流を流すと、Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂに電極２を介して電流が流れて、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）と電極２との接合部（界面）で冷却・加熱効果が生じる。つまり、前記接合部を流れる電流の方向によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるいわゆるペルチェ効果が生じる。
【０００７】
このペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一方の端部、例えば上端部が発熱せしめられると、この熱がペルチェモジュールの上側に設けられた部材に伝えられ、この部材の加熱が行われる。また、その逆に、ペルチェ効果によって熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の例えば上端部が冷却せしめられると、ペルチェモジュールの上側に設けられた部材の冷却（吸熱）が行われる。
【０００８】
【特許文献１】特開平９−１８１３６２号公報
【特許文献２】特開平１０−１７８２１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記のような熱電変換モジュールの使い勝手をより良くするために、図５に示すような構成を備えた熱電変換モジュール１が提案され、適用されるようになった。
【００１０】
この熱電変換モジュール１は、図４に示した熱電変換モジュールの上下に熱伝導プレート６，７を設けており、絶縁性基板３０および該絶縁性基板３０に配設されたＰ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）および電極２を熱伝導プレート６，７により挟む態様と成している。熱伝導プレート６，７と電極２との間には絶縁性熱伝導シート８が介設され、上下の熱伝導プレート６，７の外周端部側（例えば、熱伝導プレート６，７の外周端部の４角）はプレート固定ねじ１０によって互いに固定されている。
【００１１】
しかしながら、最近では、大容量の熱電変換モジュールの検討が行われるようになり、熱電変換モジュールの大型化に伴い、絶縁性基板３０の面積を大きくすることが試みられるようになり、図５に示した構成の熱電変換モジュール１を面積が大きい絶縁性基板３０を有するモジュールにしようとすると、例えば図６に示すように、熱伝導プレート６，７が撓み、熱伝導プレート６，７と電極２との間に隙間が生じてしまうといった問題があった。なお、図６は、絶縁性熱伝導シート８を省略して示している。
【００１２】
熱伝導プレート６，７と電極２との間に隙間が生じると、熱電変換モジュール１がペルチェモジュールの場合、熱電変換モジュール１によって加熱や冷却をしようとしても、熱伝導プレート６，７を介しての熱伝導が良好に行われないため、加熱や冷却の効率が低下してしまう。また、発電を行う熱電変換モジュール１の場合も、同様に、熱伝導プレート６，７を介しての熱伝導が良好に行われないため、発電効率が低下してしまう。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、サイズが大型化しても効率的に加熱冷却や発電の機能を発揮できる熱電変換モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明は次のような構成をもって課題を解決するための手段としている。すなわち、第１の発明は、複数の素子嵌合孔を形成した絶縁性基板を有し、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が前記絶縁性基板の対応する素子嵌合孔にそれぞれ貫通嵌合されており、前記熱電変換素子の素子嵌合孔への貫通方向の一端側と他端側に設けられた電極を介して対応する前記Ｐ型の熱電変換素子とＮ型の熱電変換素子とが電気的に接続されて熱電変換素子の回路が形成されている熱電変換モジュールであって、前記絶縁性基板の面内領域の少なくとも１箇所には該絶縁性基板を熱電変換モジュール内の固定箇所に固定する基板固定部材の挿入孔が貫通形成されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【００１５】
また、第２の発明は、上記第１の発明の構成に加え、前記絶縁性基板の基板面を上下両側から挟む態様で、前記絶縁性基板に配設されたＰ型とＮ型の熱電変換素子および電極を直接または絶縁性熱伝導部材を介して挟む熱伝導プレートを有し、該上下の熱伝導プレートの外周端部側はプレート固定部材によって互いに固定され、前記絶縁性基板に形成された基板固定部材の挿入孔には基板固定部材が挿入されて該基板固定部材が前記上下の熱伝導プレートに固定され、該熱伝導プレートと電極とが直接または前記絶縁性熱伝導部材を介して密着されている構成をもって課題を解決する手段としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、複数の素子嵌合孔のそれぞれに対応するＰ型とＮ型の熱電変換素子が配設された絶縁性基板を、熱電変換モジュール内の固定箇所に固定する基板固定部材の挿入孔が、絶縁性基板の面内領域の少なくとも１箇所に貫通形成されているので、基板固定部材の挿入孔に基板固定部材を挿入し、絶縁性基板を熱電変換モジュール内の固定箇所に固定することができる。
【００１７】
この固定によって、絶縁性基板を上記固定箇所に確実に固定できるので、例えば、第２の発明のように、上記固定箇所を、絶縁性基板の基板面を上下両側から挟む態様でＰ型とＮ型の熱電変換素子および電極を挟む熱伝導プレートとすれば、たとえ熱電変換モジュールのサイズが大きくても、熱伝導プレートが歪むことを抑制でき、熱伝導プレートと電極とを密着させることができる。なお、熱伝導プレートと電極とを絶縁性熱伝導部材を介して密着するようにしてもよいし、熱伝導プレートの基板対向側の面に絶縁処理を施す等すれば、熱伝導プレートと電極とを直接密着するようにできる。
【００１８】
このように、本発明は、例えば熱伝導プレートと電極とを直接または絶縁性熱伝導部材を介して密着させることができるので、熱伝導プレートを介しての熱伝導を良好に行うことができ、熱電変換モジュールをペルチェモジュール等とした場合に、加熱や冷却の効率を良好にすることができるし、熱電変換モジュールを発電モジュールとした場合に、発電効率を良好にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本実施形態例の説明において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、その重複説明は省略又は簡略化する。
【００２０】
図１（ａ）には、本発明に係る熱電変換モジュールの一実施形態例が模式的な断面図により示されている。この図に示すように、本実施形態例の熱電変換モジュール１も、従来例の熱電変換モジュールと同様に、例えばガラス繊維強化のエポキシ樹脂により形成された絶縁性基板３０を有しており、該絶縁性基板３０には、互いに間隔を介して複数の素子嵌合孔３が形成されている。
【００２１】
また、本実施形態例でも、従来例と同様に、それぞれの素子嵌合孔３には、対応する熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）が貫通嵌合固定され、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の素子嵌合孔３への貫通方向の一端側と他端側に設けられた複数の電極２を介し、対応する前記Ｐ型の熱電変換素子５ａとＮ型の熱電変換素子５ｂとが電気的に接続されて熱電変換素子５の回路が形成されている。
【００２２】
なお、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の一端側に配置された電極２と他端側に配置された電極２とは、互いに位置をずらして配設されており、前記熱電変換素子５の回路は、図１（ｂ）に示すリード端子１１と図示されていないリード線を介して電源回路等の電気回路に接続されている。
【００２３】
本実施形態例の熱電変換モジュール１は、絶縁性基板３０の面内領域の少なくとも１箇所（ここでは絶縁性基板３０の中央部の１箇所）に、該絶縁性基板３０を熱電変換モジュール１内の固定箇所に固定する基板固定部材の挿入孔４が貫通形成されていることを特徴とする。
【００２４】
また、本実施形態例の熱電変換モジュール１は、図５に示した提案例と同様に、絶縁性基板３０の基板面を上下両側から挟む態様で、絶縁性基板３０に配設されたＰ型とＮ型の熱電変換素５（５ａ，５ｂ）および電極２を挟む熱伝導プレート６，７を有している。熱伝導プレート６，７と電極２との間には絶縁性熱伝導部材としての絶縁性熱伝導シート８が介設されている。
【００２５】
図１（ｂ）は、本実施形態例の熱電変換モジュール１を下部側から見た状態を、下側の熱伝導プレート７と下側の絶縁性熱伝導シート８とを透かして示す図であり、この図に示すように、上下の熱伝導プレート６，７の外周端部側は、外周端側の４角のねじ挿入部１２に設けられた、プレート固定部材としてのプレート固定ねじ１０によって、互いに固定されている。
【００２６】
そして、本実施形態例の熱電変換モジュール１は、前記絶縁性基板３０に形成された基板固定部材の挿入孔４に基板固定部材としての基板固定ねじ９が挿入されて、基板固定ねじ９が前記上下の熱伝導プレート６，７に固定され、該熱伝導プレート６，７と電極２とが絶縁性熱伝導シート８を介して密着されていることを特徴とする。
【００２７】
なお、図２には、本実施形態例の熱電変換モジュール１の回路構成が、絶縁性基板３０を上側から見た平面図を用いて模式的に示されており、この図に示すように、絶縁性基板３０の表面側の電極２の配設パターンは、図１（ｂ）に示す絶縁性基板３０の裏面側の電極２の配設パターンと異なっている。なお、図中、１３は電極２の接続状態を示す線である。
【００２８】
本実施形態例の熱電変換モジュール１は以上のように構成されており、絶縁性基板３０の面内領域に基板固定ねじ９の挿入孔４を貫通形成しているので、挿入孔４に基板固定ねじ９を挿入し、絶縁性基板３０を、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）および電極２を挟む上下の熱伝導プレート６，７に固定することができる。
【００２９】
そして、この固定によって、たとえ熱電変換モジュールのサイズが大きくても、熱伝導プレート６，７が歪むことを抑制でき、熱伝導プレート６，７と電極２とを、絶縁性熱伝導シート８を介して密着させることができるので、本実施形態例の熱電変換モジュール１は、熱伝導プレート６，７を介しての熱伝導を良好に行うことができる。したがって、熱電変換モジュール１をペルチェモジュール等とした場合に、加熱や冷却の効率を良好にすることができるし、熱電変換モジュール１を発電モジュールとした場合に、発電効率を良好にすることができる。
【００３０】
なお、本発明は上記実施形態例に限定されることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば上記実施形態例では、熱伝導プレート６，７と電極２との間に絶縁性熱伝導シート８を介設したが、熱伝導プレート６，７の基板対向側の面に、適宜の厚みの絶縁膜を形成する等の絶縁処理を施せば、絶縁性熱伝導シート８を省略し、熱伝導プレート６，７と電極２とを直接密着するようにしてもよい。
【００３１】
なお、絶縁膜は、例えばセラミック薄膜等の薄膜により形成することができる。また、絶縁膜は、ＣＶＤ（化学蒸着）によりポリパラキシリデン等をコーティングして形成してもよい。
【００３２】
また、上記実施形態例では、絶縁性基板３０の面内領域の中央部１箇所に、基板固定ねじ９の挿入孔４を形成したが、例えば図３（ａ）に示すように、挿入孔４は絶縁性基板３０の面内領域の複数箇所に形成してもよい。
【００３３】
さらに、上記実施形態例では、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）を断面形状が矩形状の素子としたが、熱電変換素子５（５ａ，５ｂ）の形状は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものであり、例えば、その断面形状が円形状の素子としてもよいし、他の形状の素子としてもよい。
【００３４】
さらに、上記実施形態例では、熱電変換モジュール１は、平面形状を略正方形状に形成したが、平面形状が略長方形状の熱電変換モジュール１としてもよいし、平面形状が略円形状や略楕円形状の熱電変換モジュール１としてもよい。
【００３５】
例えば、図３（ｂ）には、平面形状が略長方形状の熱電変換モジュール１に適用される絶縁性基板３０の平面図が模式的に示されており、この例では、絶縁性基板３０の面内領域の２箇所に基板固定ねじ９の挿入孔４を形成している。このように、基板固定ねじ９の挿入孔４は、熱伝導プレート６，７の歪みを抑制できるような箇所に適宜設けることにより、上記実施形態例のような効果を効率的に発揮できる。
【００３６】
さらに、基板固定ねじ９の挿入孔４の形状は特に限定されるものでなく、適宜設定されるものである。
【００３７】
さらに、上記実施形態例では、基板固定部材を基板固定ねじ９とし、プレート固定部材はプレート固定ねじ１０としたが、基板固定部材やプレート固定部材は、ねじではなくピンとしてもよく、ピン以外の固定部材としてもよい。また、プレート固定部材の配設数や配設箇所も、上記実施形態例のように、熱伝導プレート６，７の４角とは限らず、適宜設定されるものである。
【００３８】
さらに、上記実施形態例では、絶縁性基板３０の基板面を上下両側から挟む態様で、熱伝導プレート６，７を設けたが、熱伝導プレート６，７のうち、少なくとも一方を省略してもよい。つまり、熱電変換モジュール１の絶縁性基板の面内領域に基板固定部材の挿入孔４を形成すれば、例えば、熱電変換モジュール１によって加熱または冷却する部材がプレート状の部位を有している場合に、図１の熱伝導プレート６を省略した態様の熱電変換モジュール１を、基板固定部材を介して前記プレート状の部位に直接固定することもできる。
【００３９】
さらに、上記説明は熱電変換モジュールとしてのペルチェモジュールの構造について例を挙げて説明したが、本発明の熱電変換モジュールの構造は、ゼーベック効果を利用して発電を行う熱電変換モジュールの構造にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る熱電変換モジュールの一実施形態例を模式的に示す説明図である。
【図２】上記実施形態例の熱電変換モジュールに形成された熱電変換素子の回路の説明図である。
【図３】本発明に係る熱電変換モジュールの他の実施形態例に適用されている絶縁性基板の一例を、素子嵌合孔を省略して示す説明図である。
【図４】従来の熱電変換モジュールの一例を側面図により示す説明図である。
【図５】図４に示すタイプの熱電変換モジュールを熱伝導プレートで挟んで形成される熱電変換モジュールの説明図である。
【図６】図５に示した熱電変換モジュールの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  熱電変換モジュール
２  電極
５，５ａ，５ｂ  熱電変換素子
６，７  熱伝導プレート
８  絶縁性熱伝導シート
９  基板固定ねじ
１０  プレート固定ねじ
３０  絶縁性基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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