(57)【要約】  【課題】  放熱性を良好にし、冷却性能の優れた熱電モジュールを提供することにある。  【解決手段】  熱電モジュール１０は、互いに対向する領域を有する一対の支持基板１１、１２と、一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体２１、２２と、一対の支持基板１１、１２の一方主面間に配置された複数の熱電素子３と、一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１に設けられた突出部１１１と、突出部１１１の一方主面上において端部が配線導体２１と接合されたリード部材４とを備えている。リード部材４は、芯線４１と、芯線４１の少なくとも端部を除く側周面を覆う被覆層４２とを含んでいる。そして、突出部１１１の一方主面とリード部材４の被覆層４２とが熱伝導性部材５で接続されている。【選択図】  図２
2018032687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた突出部と、該突出部の一方主面上において端部が前記配線導体と接合されたリード部材とを備え、
該リード部材は、芯線と、該芯線の少なくとも端部を除く側周面を覆う被覆層とを含み、前記突出部の一方主面と前記リード部材の前記被覆層とが熱伝導性部材で接続されていることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記突出部の他方主面と前記リード部材の前記被覆層も熱伝導性部材で接続されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記被覆層の一部が前記突出部に当接していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記熱伝導性部材が前記リード部材の先端部および前記被覆層の一部を覆っていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちのいずれかに記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記熱伝導性部材は、前記突出部の一方主面上の全域にわたって設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば、恒温槽、冷蔵庫、自動車用のシートクーラー、半導体製造装置、レーザーダイオードもしくは燃料電池、電池等の温度調節に使用される熱電モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電モジュールは、熱電素子に電力を供給することによって、一方の主面と他方の主面との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、一方の主面と他方の主面との間に温度差を与えることによって、熱電素子によって電力を生じさせることができる。これらの性質を活かして、熱電モジュールは温度調節または熱電発電等に用いられる。
【０００３】
このような熱電モジュールとして、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、配線導体に接合されたリード部材とを備えたものが知られている（例えば特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１８３１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱電モジュールは、一対の支持基板のうちの一方の支持基板（高温側支持基板）から放熱される。ここで、熱電モジュールを温度調節用途として使用する場合、冷却性能を十分に発揮するには高温側支持基板からの放熱を十分に行う必要がある。この為、例えばフィン形状のヒートシンクを高温側支持基板の外面に設け、このヒートシンクにファンで空気を流して放熱することも行われている。しかしながら、さらなる放熱性の良好な熱電モジュールが求められている。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、放熱性を良好にし、冷却性能の優れた熱電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】
【０００７】
本開示の熱電モジュールは、互いに対向する領域を有する一対の支持基板と、該一対の支持基板の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体と、前記一対の支持基板の一方主面間に配置された複数の熱電素子と、前記一対の支持基板のうちの一方の支持基板に設けられた突出部と、該突出部の一方主面上において前記配線導体と接合されたリード部材とを備え、該リード部材は、芯線と、該芯線が露出する先端部よりも後端側で前記芯線の側周面を覆う被覆層とを含み、前記突出部の一方主面と前記リード部材の前記被覆層とが熱伝導性部材で接続されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の熱電モジュールによれば、一方の支持基板（高温側支持基板）に設けられた突出部とリード部材の芯線の側周面を覆う被覆層とを接続する熱伝導性部材をとおして、一方の支持基板の熱が外部へ放出されるので、放熱性を良好にして冷却性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】熱電モジュールの一例の概略斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示す熱電モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）に示す熱電モジュールの側面図、（ｃ）は（ａ）に示すｃ−ｃ線で切断した断面図である。
【図３】熱電モジュールの他の例の概略斜視図である。
【図４】（ａ）は図３に示す熱電モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）に示す熱電モジュールの側面図、（ｃ）は（ａ）に示すｃ−ｃ線で切断した断面図である。
【図５】（ａ）は熱電モジュールの他の例の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す熱電モジュールの側面図、（ｃ）は（ａ）に示すｃ−ｃ線で切断した断面図である。
【図６】（ａ）は熱電モジュールの他の例の平面図、（ｂ）は（ａ）に示す熱電モジュールの側面図、（ｃ）は（ａ）に示すｃ−ｃ線で切断した断面図である。
【図７】熱電モジュールの他の例の概略斜視図である。
【図８】（ａ）は図７に示す熱電モジュールの平面図、（ｂ）は（ａ）に示す熱電モジュールの側面図、（ｃ）は（ａ）に示すｃ−ｃ線で切断した断面図である。
【図９】熱電モジュールの他の例の概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本実施形態に係る熱電モジュールの一例について、図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は熱電モジュールの一例の概略斜視図であり、図２（ａ）は図１に示す熱電モジュールの平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）に示す熱電モジュールの側面図、図２（ｃ）は図２（ａ）に示すｃ−ｃ線で切断した断面図である。
【００１２】
図１および図２に示す熱電モジュール１０は、互いに対向する領域を有する一対の支持基板１１、１２と、一対の支持基板１１、１２の対向する一方主面にそれぞれ設けられた配線導体２１、２２と、一対の支持基板１１、１２の一方主面間に配置された複数の熱電素子３と、一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１に設けられた突出部１１１と、突出部１１１の一方主面上において端部が配線導体２１と接合されたリード部材４とを備えている。リード部材４は、芯線４１と、芯線４１の少なくとも端部を除く側周面を覆う被覆層４２とを含んでいる。そして、突出部１１１の一方主面とリード部材４の被覆層４２とが熱伝導性部材５で接続されている。
【００１３】
一対の支持基板１１、１２は、複数の熱電素子３を挟んで支持している。支持基板１１および支持基板１２は、突出部１１１を除いて、例えば矩形状の互いに対向する領域を有している。この矩形状の互いに対向する領域を平面視したときの寸法は、例えば、縦４０〜８０ｍｍ、横２０〜４０ｍｍに設定することができる。
【００１４】
支持基板１１は上面が支持基板１２に対向する一方主面となるように配置され、支持基板１２は下面が支持基板１１に対向する一方主面となるように配置されている。ここで、支持基板１１が相対的に高温となる高温側支持基板であり、支持基板１２が相対的に低温となる低温側支持基板である。
【００１５】
支持基板１１は、上面に配線導体２１が設けられることから、少なくとも上面側は絶縁材料からなる。支持基板１１としては、例えば、アルミナフィラーを添加してなるエポキシ樹脂板、アルミナまたは窒化アルミニウムからなるセラミック板などの絶縁性基板を用いることができ、さらにこの絶縁性基板の下面に、外部への伝熱または放熱用の銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。例えば、エポキシ樹脂板の厚みは５０〜２００μｍとされ、銅板の厚みは５０〜５００μｍとされる。
【００１６】
その他、支持基板１１として、銅板、銀板または銀−パラジウム板の上面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナまたは窒化アルミニウム等からなる絶縁層を設けた基板を用いることもできる。
【００１７】
また、支持基板１２は、下面に配線導体２２が設けられることから、少なくとも下面側は絶縁材料からなる。支持基板１２としては、第１支持基板１１に用いられる上述の部材と同様の部材を用い、これを支持基板１１とは対称に配置した構成にしたものとすることができる。
【００１８】
一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面には、それぞれ配線導体２１、２２が設けられている。この配線導体２１、２２は、複数の熱電素子３およびリード部材４を電気的に接続するものである。例えば支持基板１１、１２の対向する一方主面に銅板を貼り付けておき、配線導体２１、２２となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって得ることができる。また、打ち抜き加工によって配線導体２１、２２の形状に成形した銅板を支持基板１１および支持基板１２に貼り付けることによって配線導体２１、２２を設けてもよい。配線導体２１、２２を構成する材料としては、銅に限られず、例えば銀、銀−パラジウムなどの材料でもよい。
【００１９】
一対の支持基板１１、１２の対向する内側の一方主面間には、配線導体２１、２２によって電気的に接続されるように、複数の熱電素子３（ｐ型熱電素子３１及びｎ型熱電素子３２）が配置されている。熱電素子３は、例えばペルチェ効果によって温度調節を行なうための部材である。熱電素子３は、熱電素子３の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられ、配線導体２１、２２とはんだ（図示せず）で接合されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２が隣接して交互に配置され、配線導体２１、２２およびはんだを介して直列に電気的に接続され、全ての熱電素子３が直列に接続されている。
【００２０】
複数の熱電素子３は、Ａ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）およびＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が構成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１は、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｔｅ３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で構成される。また、ｎ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＢｉ２Ｓｅ３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で構成される。
【００２１】
ここで、ｐ型熱電素子３１となる熱電材料は一度溶融させて固化したＢｉ、ＳｂおよびＴｅからなるｐ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径０．５〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させて固化したＢｉ、ＴｅおよびＳｅからなるｎ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、例えば直径０．５〜３ｍｍの断面円形の棒状体としたものである。
【００２２】
必要により、これらの熱電材料の側面にメッキが付着することを防止するレジストをコーティングした後、ワイヤーソーを用いて例えば０．３〜５．０ｍｍの長さ（厚さ）に切断する。ついで、必要により、切断面のみに、例えば電気メッキでＮｉ層を形成し、その上にＳｎ層を形成し、熱電素子３（ｐ型熱電素子３１、ｎ型熱電素子３２）を得ることができる。
【００２３】
熱電素子３の形状は、例えば円柱状、四角柱状、多角柱状等にすることができる。特に
、熱電素子３の形状を円柱状にすることにより、ヒートサイクル下において熱電素子３に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３を円柱状とする場合には、寸法は、例えば直径が０．５〜３ｍｍ、高さが０．３〜５ｍｍに設定される。
【００２４】
この熱電素子３が、例えば０．５〜３ｍｍ、熱電素子サイズ（直径）の０．５〜２．０倍の間隔で縦横の並びに複数配列される。そして、熱電素子３は、配線導体２１、２２と同様のパターンに塗布されたはんだペーストにより配線導体２１、２２と接合され、複数配列された熱電素子３は配線導体２１、２２により電気的接続される。
【００２５】
なお、支持基板１１と支持基板１２との間に配置された複数の熱電素子３の周囲には、必要により、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂などの樹脂からなるシール材（図示せず）を設けてもよい。外周側は支持基板１１と支持基板１２との間の温度差による変形が大きいが、一対の支持基板１１、１２の一方主面間における外周側に配置された複数の熱電素子３の隙間を埋めるようにシール材を設けることで、これが補強材となり、熱電素子３と支持基板１１、１２との間の剥離を抑制できる。
【００２６】
一対の支持基板１１、１２のうちの一方の支持基板１１（高温側支持基板）には、突出部１１１が設けられている。ここで、突出部１１１とは、平面視したときに支持基板１１における支持基板１２と対向する領域よりもはみ出た領域のことであり、図２（ｂ）において二点鎖線よりも左側の部分のことである。
【００２７】
ここで、突出部１１１の突出量（突出距離）が例えば１〜５ｍｍとされ、突出部１１１の支持基板１１の辺に沿った方向の幅は例えば５ｍｍ〜４０ｍｍ（短い辺の全域）とされる。
【００２８】
支持基板１１の一方主面（上面）上にある配線導体２１は突出部１１１まで設けられていて、突出部１１１の一方主面上に設けられた配線導体２１にリード部材４の端部がはんだ等の接合部材６で接合されている。なお、配線導体２１とリード部材４との接合には、はんだの他、レーザーを用いた溶接であってもよい。
【００２９】
リード部材４は、熱電モジュール１０と外部回路とを電気的に接続するもので、熱電素子３に電力を与えるか、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。このリード部材４は、芯線４１と、芯線４１の少なくとも端部を除く側周面を覆う被覆層４２とを含んでいる。
【００３０】
芯線４１は、例えば、銅からなり、直径が０．１５〜０．３０ｍｍの金属線を複数本（例えば１５〜３０本）束ねてなるものである。
【００３１】
芯線４１の配線導体２１と電気的に接続される少なくとも先端部を除き、芯線４１の側周面には被覆層４２が設けられている。被覆層４２は、例えば塩化ビニル、ポリエチレンなどからなり、厚み０．２〜０．４ｍｍとされる。
【００３２】
そして、突出部１１１の一方主面（上面）とリード部材４の被覆層４２とが熱伝導性部材５で接続されている。熱伝導性部材５の材質としては、絶縁体であり、室温での加工性に優れ、かつ硬化が容易な樹脂で熱伝導率が比較的高いエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。さらに、これらの樹脂に、当該樹脂よりも熱伝導率の大きなフィラー、例えば窒化アルミニウムなどのセラミックス、金属などの粒子を含む構成としてもよい。
【００３３】
熱伝導性部材５の厚みとしては、一対の支持基板１１、１２の間隔および熱電素子３の高さと同じ程度の厚みとすることができる。
【００３４】
この構成によれば、支持基板１１の熱が熱伝導性部材５を通じて被覆層４２を含むリード部材４に伝わるとともに熱伝導性部材５の表面から放熱されるため、熱電モジュール１０の冷却性能を向上させることができる。
【００３５】
ここで、図３および図４に示すように、突出部１１１の他方主面（下面）とリード部材４の被覆層４２も熱伝導性部材５で接続されている構成とすることができる。この構成によれば、熱伝導性部材５と支持基板１１との接着面積および熱伝導性部材５の表面積が増えるため、放熱量がより多くなり、冷却性能がより向上する。また、突出部１１１の一方主面と他方主面とに熱伝導性部材５が接着されることで、リード部材４の接合強度も向上する。
【００３６】
また、被覆層４２の一部が突出部１１１に当接している構成とすることもできる。図５に示す熱電モジュール１０は、被覆層４２が突出部１１１の一方主面上に位置しており、被覆層４２の先端が配線導体２１に接触しているものである。また、図６に示す熱電モジュール１０は、被覆層４２の先端が突出部１１１の側面に接触しているものである。これらの構成によっても、突出部１１１から熱が被覆層４２に直接伝わることで、放熱量が多くなり、冷却性能が向上する。
【００３７】
また、図１および図２は、リード部材４の先端部（芯線４１）の一部が熱伝導性部材５で覆われていない構成を示しているが、図７および図８に示すように、熱伝導性部材５がリード部材４の先端部（芯線４１）および被覆層４２の一部を覆っている構成とすることもできる。なお、熱伝導性部材５がリード部材４の先端部（芯線４１）を覆っているとは、接合部材６で覆われている芯線４１を接合部材６の外側から熱伝導性部材５が覆っていることも含む意味である。
【００３８】
この構成によれば、リード部材４の先端部が熱伝導性部材５で覆われているとともに、被覆層４２の先端側の一部が熱伝導性部材５で覆われていることで、支持基板１１の熱が熱伝導率の大きな芯線４１にもよく伝わるとともに熱伝導性部材５の表面積も増えるため、放熱量が多くなり、冷却性能が向上する。また、リード部材４の接合強度も向上する。
【００３９】
また、図９に示すように、熱伝導性部材５は、突出部１１１の一方主面上の全域にわたって設けられている構成とすることができる。図９に示す例では、支持基板１１の短い辺の全域にかけて突出するように突出部１１１が設けられている。そして、この突出部１１の一方主面上の全域にわたって熱伝導性部材５が設けられている。この構成によれば、熱伝導性部材５と支持基板１１との接着面積および熱伝導性部材５の表面積がさらに増えるため、さらに熱放出量が多くなり、さらに冷却性能が向上する。
【符号の説明】
【００４０】
１０：熱電モジュール
１１、１２：支持基板
１１１：突出部
２１、２２：配線導体
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４：リード部材
４１：芯線
４２：被覆層
５  ：熱伝導性部材
６  ：接合部材
【図１】
2018032687.tif 000003
【図２】
2018032687.tif 000004
【図３】
2018032687.tif 000005
【図４】
2018032687.tif 000006
【図５】
2018032687.tif 000007
【図６】
2018032687.tif 000008
【図７】
2018032687.tif 000009
【図８】
2018032687.tif 000010
【図９】
2018032687.tif 000011