(57)【要約】【課題】本発明の目的は、基板と熱電変換材料間の熱の移動量を小さくし、電極間の温度差を保つことが可能な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、絶縁性の基板１２、基板１２の上に熱電変換材料を薄膜状に形成した熱電変換部１４、および熱電変換部１４の上に形成された一対の電極１６ａ，１６ｂを備える。本発明の構造は、電極間の距離が、熱電変換部１４における電極１６ａ，１６ｂが並べられた方向の長さの１／２以下である。【選択図】図１
2011091137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性の基板と、
前記基板上に熱電変換材料を薄膜状態で形成した熱電変換部と、
前記熱電変換部上の一対の電極と、
を備えた熱電モジュールであって、
前記電極間の距離が、熱電変換材料における電極の並べられた方向の長さの１／２以下である熱電モジュール。
【請求項２】
前記熱電変換部の厚みが０．１ｍｍ以下である請求項１の熱電モジュール。
【請求項３】
前記電極間の距離が１ｍｍ以下である請求項１または２の熱電モジュール。
【請求項４】
前記熱電変換材料の熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下である請求項１から３のいずれかの熱電モジュール。
【請求項５】
前記基板の熱伝導率が熱電変換部の熱伝導率よりも高い請求項１から４のいずれかの熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換材料を利用した熱電モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ペルチェ効果（Peltier effect）は、異なる金属を接合して電圧を印加したとき、接合部で発熱や吸熱が生じる現象である。発熱と吸熱は電流の流れる方向で決定される。このペルチェ効果を利用した熱電モジュールが開発されている。
【０００３】
図６（ａ）、（ｂ）に示す従来の熱電モジュール５０は、基板１２、基板１２の上の熱電変換部１４、熱電変換部１４の両端に接続された一対の電極１６ａ，１６ｂを備える。基板１２は絶縁基板である。熱電変換部１４は、ペルチェ効果の大きい金属や熱電半導体を薄膜状にした熱電変換材料が挙げられ、例えばＢｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系の材料が挙げられる。電極１６ａ，１６ｂは、金属で形成された正極と負極である。
【０００４】
熱電モジュール５０の熱電変換部１４がＰ型の半導体材料であるとする。この場合、矢印方向に電流Ｉが流れれば、電極１６ａと熱電変換部１４の接合部で吸熱され、電極１６ｂと熱電変換部１４の接合部で発熱される。冷却をおこないたい箇所に電極１６ａを直接的または間接的に接触させることによって、接触された箇所が冷却される。このような熱電モジュール５０は、電子機器の局所冷却に使用したりすることができる。なお、熱電変換部１４がＮ型の半導体材料であれば、発熱と吸熱が逆になる。
【０００５】
しかし、電極１６ａと電極１６ｂの間の距離が短い場合、熱電変換部１４及び基板１２の熱伝導によって電極１６ｂから電極１６ａに熱が移動する。電極１６ａやその付近が暖められ、局所冷却をおこなうことができない。
【０００６】
下記の特許文献１には、基板が２箇所に分割された熱電モジュールが開示されている。基板を介して熱の移動が生じない。しかし、基板が分割されたことによって、熱電変換部の中心で亀裂が生じやすい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１８８４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、基板と熱電変換部間の熱の移動量を小さくし、電極間の温度差を保つことが可能な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】
【０００９】
熱電モジュールは、絶縁性の基板と、前記基板上に薄膜状態で形成された熱電変換部と、前記熱電変換部上に形成され、熱電変換部の一の方向に並べられた一対の電極とを備える。また、電極間の距離は、熱電変換部における一の方向の長さの１／２以下である。電極間距離を熱電変換部の長さの１／２以下にし、電極間の熱の移動を小さくする。
【００１０】
熱電変換部の厚みは０．１ｍｍ以下である。また、電極間の距離は１ｍｍ以下である。さらに、熱電変換部の熱伝導率は１Ｗ／ｍＫ以下である。上記構成にすることにより、電極間の熱の移動を小さくする。
【００１１】
基板と電極との間に熱電変換部があり、基板を介して熱が移動しにくい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、上記構成にすることにより、電極と熱電変換材料の接合部、つまり吸熱及び発熱する部位が従来の構成とは異なり、熱の移動が小さくなる。従来の構成では電極間の温度差を大きく保てなかったが、電極間隔などを上記の構成にすることによって、電極間の温度差が大きく保てる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の熱電モジュールの構造を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【図２】本発明の熱電モジュールの他の構造を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【図３】シミュレーション結果１における長さの比と温度の減少率の関係を示すグラフである。
【図４】シミュレーション結果２における熱電変換部の厚みと温度差の減少率の関係を示すグラフである。
【図５】シミュレーション結果３における電極間隔と温度差の減少率の関係を示すグラフである。
【図６】従来の熱電モジュールの構造を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の熱電モジュールについて図面を用いて説明する。
【００１５】
図１に示す熱電モジュール１０は、絶縁性の基板１２、基板１２の上に熱電変換材料を薄膜状に形成した熱電変換部１４、および熱電変換部１４の上に形成された一対の電極１６ａ，１６ｂを備える。
【００１６】
基板１２は、ガラス基板、セラミック基板、または樹脂基板が挙げられる。熱電変換部１４はペルチェ効果が利用できるものである。具体的には、熱電半導体を薄膜状にしたものであり、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系、またはＳｉ−Ｇｅ系の材料が挙げられる。電極１６ａ，１６ｂは、正極と負極であり、銅や銅合金などの金属で形成される。熱電変換部１４の一の方向に電極１６ａ，１６ｂが並べられる。図１であれば、ｘ軸方向に電極１６ａ，１６ｂが並べられているが、ｙ軸方向に並べられても良い。
【００１７】
また、図２のように、電極１６ａ，１６ｂの一部が基板１２に接するようにしても良い。それぞれ電極１６ａ，１６ｂの基板に接している部分の距離が十分離れていれば、基板１２を介して熱の移動が生じにくくなっている。
【００１８】
その他、電極間に電流Ｉが流れるように電源を備え、電源と電極１６ａ，１６ｂとが接続される。吸熱側の電極１６ａ（または１６ｂ）は、局所冷却をおこないたい箇所に直接または間接的に接触される。
【００１９】
次に本発明の熱電モジュール１０の発熱と吸熱について、種々の計算結果を説明する。図２の熱電モジュール１０をモデルとして計算に使用した。熱電変換部１４の熱伝導率は０．５Ｗ／ｍＫ、基板１２の厚みは０．０５ｍｍ、基板１２の熱伝導率は１．０Ｗ／ｍＫ、電極１６ａ，１６ｂは銅、電極１６ａ，１６ｂの厚みは０．０１ｍｍ、熱電モジュール１０のｘ方向は０．５ｍｍ、ｙ方向は３ｍｍである。
【００２０】
シミュレーション結果１
熱電変換材料１４の長さをｗｔ、電極間隔の長さをｗｇ、長さの比をｗｔ／ｗｇとし、長さの比を変化させた場合のシミュレーション結果を表１に示す。最高温度は発熱している電極１６ａ（または１６ｂ）の最高温度、最低温度は吸熱している電極１６ｂ（または１６ａ）の最低温度である。減少率は、長さの比が５の場合を基準とした温度差の変化を示すものである。長さの比と温度の減少率をグラフにすると図３のようになる。電極間隔と熱電変換部１４の長さが同一の場合は、従来の熱電モジュール５０と同じ構成である。
【００２１】
【表１】
2011091137.tif 000003
【００２２】
表１より、長さの比が２より小さくなると急激に温度差の減少率（長さの比が５の場合の温度差との比較）が大きくなる。発熱の電極１６ａ（１６ｂ）と吸熱の電極１６ｂ（１６ａ）とで温度差が小さくなっていることより、両電極間で熱の移動が生じていることが分かる。電極１６ａ，１６ｂが基板１２に接することによって、基板１２を介して熱の移動が生じている。反対に長さの比が２より大きくなると温度の減少率が小さくなる。両電極間で熱の移動が小さいことが分かる。したがって、熱電変換部１４の上に電極１６ａ，１６ｂを形成することが好ましく、特に電極間の距離が、熱電変換部１４のｘ軸方向の長さの１／２以下、特に１／５〜１／２が好ましいことが分かる。
【００２３】
シミュレーション結果２
２種の長さの比（ｗｔ／ｗｇ）が１及び３において、熱電変換部１４の厚みを変化させた場合のシミュレーション結果を表２に示す。長さの比が１の場合、従来の熱電モジュール５０であり、長さの比が３の場合、本願の熱電モジュール１０である。また、減少率は、熱電変換部１４の同じ厚みにおける、長さの比１及び３の温度差の変化である。熱電変換部１４の厚みと温度差の減少率の関係をグラフにすると図４のようになる。
【００２４】
【表２】
2011091137.tif 000004
【００２５】
表２より、熱電変換部１４の厚みが厚くなると熱電変換部１４によって電極１６ａ，１６ｂから基板１２に熱が伝わりにくく、本願と従来とで温度差の変化（減少率）が小さくなる。すなわち、本願と従来との差が無くなる。本発明の構成であれば、熱電変換部１４の厚みが０．１ｍｍ以下、特に０．０１〜０．１ｍｍにすることによって、従来の構成よりも温度差が大きくなり、本発明の構成の効果が発揮される。
【００２６】
シミュレーション結果３
２種の長さの比（ｗｔ／ｗｇ）が１及び３において、電極間隔を変化させた場合のシミュレーション結果を表３に示す。長さの比が１の場合、従来の熱電モジュール５０であり、長さの比が３の場合、本願の熱電モジュール１０である。また、減少率は、同じ電極間隔における、長さの比１及び３温度差の変化である。電極間隔と温度差の減少率の関係をグラフにすると図５のようになる。
【００２７】
【表３】
2011091137.tif 000005
【００２８】
表３より、電極間隔が長くなれば電極間を熱が移動しにくくなり、本願と従来とで温度差の変化（減少率）が小さくなる。すなわち、図１のように熱電変換部１４の上に電極１６ａ，１６ｂを形成する必要が無くなる。したがって、本発明の構成は電極間隔が１ｍｍ以下、特に０．１〜１ｍｍとすることよって、熱電変換部１４の上に電極１６ａ，１６ｂを形成する効果が生じる。
【００２９】
さらに、本発明の構成は、基板１２の熱伝導率が熱電変換部１４の熱伝導率よりも高い場合に効果的であるが、基板１２の熱伝導率が熱電変換部１４の熱伝導率よりも低い場合であっても、電極１６ａ，１６ｂから基板１２までの間に熱電変換部１４を介することとなる。したがって、電極間の熱移動を小さくすることができる。
【００３０】
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。
【符号の説明】
【００３１】
１０：熱電モジュール
１２：基板
１４：熱電変換部
１６ａ，１６ｂ：電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011091137.tif 000008
【図４】
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【図５】
2011091137.tif 000010
【図６】
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