(57)【要約】  【課題】  周囲の高温がサーミスタに与える影響による熱電モジュールの誤動作の発生を低減する。  【解決手段】  本発明の熱電モジュール１０は、第１領域１２ａおよび第１領域１３ａに隣接する第２領域１３ｂを有する上面を備えた第１支持基板１３と、第１領域１３ａに下面が対向するように設けられた第２支持基板１４と、第１領域１３ａおよび第２支持基板１４の間に複数配列された熱電素子１５，１６と、第２領域１３ｂに金属製の接合材１２によって固定されて実装された直方体状の正温度係数サーミスタ１１とを備えており、接合材１２は、正温度係数サーミスタ１１の少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着している。これによって、外部の高温の影響によるサーミスタ１１の誤動作の発生を低減し、熱電モジュール１０の温度調節時の信頼性が向上する。【選択図】  図１
2015142058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１領域および該第１領域に隣接する第２領域を有する上面を備えた第１支持基板と、前記第１領域に下面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１領域および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第２領域に金属製の接合材によって固定されて実装された直方体状の正温度係数サーミスタとを備えており、前記接合材は、前記正温度係数サーミスタの少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着していることを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記接合材が、前記正温度係数サーミスタにおける下面側の角部と前記第１支持基板の上面との間に入り込んで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】
前記正温度係数サーミスタが前記接合材とともに樹脂によって覆わ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度調節、特に自動車用シートクーラーおよび燃料電池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】
熱電モジュールとして、例えば、特許文献１に記載の熱電モジュールが知られている。特許文献１に記載の熱電モジュールは、複数の熱電素子と、複数の熱電素子を接続する熱電素子用配線パターンと、基板に一体形成された、温度測定または温度制御を行ない必要に応じて過電流を検出遮断するためのサーミスタとを備えている。熱電モジュールは、例えば、熱電素子に電力を供給することによって、その熱電素子の一端側と他端側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、例えば、熱電素子の一端側と他端側との間に温度差を与えることによって、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２７０７６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の熱電モジュールにおいては、冷却用として使用中に周囲が高温になるとその影響で正温度係数サーミスタの抵抗が増大し、熱電素子に過電流が流れていないにも関わらず電流を遮断してしまう誤動作が生じるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたものであり、サーミスタの誤動作による電流遮断の発生を防止しつつ冷却用として冷却性能を維持することができる熱電モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様の熱電モジュールは、第１領域および該第１領域に隣接する第２領域を有する上面を備えた第１支持基板と、前記第１領域に下面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１領域および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子と、前記第２領域に金属製の接合材によって固定されて実装された直方体状の正温度係数サーミスタとを備えており、前記接合材は、前記正温度係数サーミスタの少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着していることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の一態様の熱電モジュールによれば、接合材が正温度係数サーミスタの少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着していることから、正温度係数サーミスタから接合材へ良好に放熱できるようになるので、使用中に周囲の高温の影響で正温度係数サーミスタの温度が上昇して抵抗が増大するのを抑制することができ、誤動作によって電流を遮断することを抑制できる。その結果、熱電モジュールの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態の熱電モジュールの要部を示す、（ａ）は部分側面図であり、（ｂ）は部分平面図である。
【図２】本発明の変形例１の熱電モジュールの要部を示す、（ａ）は部分側面図であり、（ｂ）は部分平面図である。
【図３】本発明の変形例２の熱電モジュールの要部を示す、（ａ）は部分側面図であり、（ｂ）は部分平面図である。
【図４】従来の熱電モジュールの一例の要部を示す、（ａ）は部分側面図であり、（ｂ）は部分平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。
【００１０】
図１は本発明の一実施形態の熱電モジュール１０の要部を示す図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。なお、図１（ａ）および（ｂ）はいずれも支持基板の端部における正温度係数サーミスタの近傍のみを部分的に示している。図１（ａ）および（ｂ）はいずれも断面図ではないが、部材を把握しやすくするために適宜にハッチングなどを施している。また、図１（ｂ）においては、構成を把握しやすくするために第２支持基板１４を除いた状態で示している。
【００１１】
図１に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０においては、第１領域１３ａおよびこの第１領域１３ａに隣接する第２領域１３ｂを有する上面を備えた第１支持基板１３と、第１領域１３ａに下面が対向するように設けられた第２支持基板１４と、第１領域１３ａおよび第２支持基板１４の間に複数配列された熱電素子１５，１６と、第２領域１３ｂに金属製の接合材１２によって固定されて実装された直方体状の正温度係数サーミスタ１１とを備えている。そして、接合材１２は、正温度係数サーミスタ１１の少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着している。なお、本実施形態は、熱電モジュール１０を温度調節のために例えば冷却用として使用する場合の例で説明する。そのため、第１支持基板１３および第２支持基板１４にはそれぞれ外側に放熱用のフィン１８が接合されており、例えばブロアの風をこのフィン１８に通すことで、温風または冷風を得て温度調節に利用している。温度調節の対象物としては、例えばシートクーラーや燃料電池等が挙げられる。
【００１２】
＜第１支持基板１３および第２支持基板１４＞
第１支持基板１３および第２支持基板１４は熱電素子１５，１６および正温度係数サーミスタ１１を支持するための部材である。第１および第２支持基板１３，１４には熱電素子１５、１６および正温度係数サーミスタ１１に電力を供給するための電極１７が設けられることから、第１および第２支持基板１３，１４の少なくとも電極１７側は絶縁材料からなる。第１および第２支持基板１３，１４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または酸化アルミニウム質焼結体もしくは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の熱電素子１５，１６と反対側の主面に、外部への伝熱または放熱用の銅板（図示せず）を貼り合わせた基板を用いることができる。また、第１および第２支持基板１３，１４の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の熱電素子１５，１６側の主面に、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、酸化アルミニウム質焼結体または窒化アルミニウム質焼結体等からなる絶縁性のセラミック層を設けた基板を用いることができる。
【００１３】
第１および第２支持基板１３，１４は、平面視したときの形状が、例えば四角形状または多角形状等である。形状が四角形状である場合には、寸法は、例えば縦を４０〜７０ｍｍ、横を４０〜７０ｍｍ、厚さを０．０５〜３ｍｍに設定することができる。
【００１４】
＜電極１７＞
電極１７は、熱電素子１５，１６に電力を供給するため、または熱電素子１５，１６で生じた電力を取り出すための部材である。電極１７は複数の熱電素子１５，１６および正温度係数サーミスタ１１を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６を順に直列に電気的に接続し、さらに正温度係数サーミスタ１１をこれらに直列に電気的に接続している。電極１７は、例えば、銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。電極１７は、例えば、第１および第２支持基板１３，１４の熱電素子１５，１６側の主面に銅板を貼り付けておき、これを所望のパターンにエッチングすることによって形成される。また、打ち抜き加工によって成形した銅板を第１および第２支持基板１３，１４の熱電素子１５，１６側の主面に貼り付けてもよい。
【００１５】
電極１７の形状および寸法は、電極１７によって接続する熱電素子１５，１６および計温度係数サーミスタ１１の形状、配列および寸法に応じて適宜に設定すればよい。
【００１６】
＜熱電素子１５，１６＞
熱電素子１５，１６は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうため、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。本実施形態においては、熱電素子１５をｐ型とし、熱電素子１６をｎ型としている。これらｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６は、例えば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）またはＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、ｐ型熱電素子１５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形成される。また、ｎ型熱電素子１６は、例えばＢｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｓｅ３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で形成されている。
【００１７】
ここで、ｐ型熱電素子１５となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるｐ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、ｎ型熱電素子１６となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるｎ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。
【００１８】
これらの棒状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０．３〜５ｍｍの長さに切断する。次いで、切断面のみに電解メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。ｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６の形状は、例えば、円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子１５，１６に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子１５，１６を円柱状に形成する場合には、寸法は、例えば直径が１〜３ｍｍに設定される。
【００１９】
熱電素子１５，１６は、第１支持基板１３の上面の第１領域１３ａおよびこれに対向する第２支持基板１４の下面の間に、熱電素子１５，１６の直径の０．５〜２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１５，１６は、電極１７にこの電極１７と同様のパターンに塗布された半田によって、電極１７に接合されている。複数の熱電素子１５，１６は、隣接するｐ型熱電素子１５とｎ型熱電素子１６とが電極１７によって交互に直列に接続されて、全体として直列に電気的に接続されている。
【００２０】
＜正温度係数サーミスタ１１＞
正温度係数サーミスタ１１は、熱電素子１５，１６および電極１７とともに構成する回路に過電流が流れた際に、その過電流によって発生するジュール発熱でこの正温度係数サ
ーミスタ１１の抵抗が上昇することで、過電流を低減または遮断して回路を保護するための部材である。正温度係数サーミスタ１１は、熱電素子１５，１６に対して電気的に直列に接続するように設けられて直流回路を構成している。正温度係数サーミスタ１１の材質としては、例えばチタン酸バリウムに代表されるセラミックスに、またはポリエチレンなどの結晶性ポリマーにカーボンブラックなどの導電性粒子を分散させたものが用いられるが、これに限られず、温度の上昇に対する抵抗の上昇が大きい素材であれば使用可能である。正温度係数サーミスタ１１は、平面視したときの形状が、例えば四角形状または多角形状である。形状が四角形状である場合には、寸法は、例えば縦を１〜８ｍｍ、横を１〜８ｍｍ、高さを０．５〜３ｍｍに設定することができる。この正温度係数サーミスタ１１の側面には、その周りの面にも一部が回り込むように、電極１７に接続される側面電極を有している。この側面にキャスタレーションと呼ばれる上下方向の窪みを設け、このキャスタレーションにも側面電極を形成することで、接合材１２として半田を用いて側面電極を電極１７に半田付けする際に、正温度係数サーミスタ１１の下面側の電極１７との間だけでなく、キャスタレーションの下部にも半田が這い上がるようにして側面電極を電極１７に接合させることができ、電極１７への接合をより強固にすることができる。
【００２１】
そして、図１（ａ）に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０においては、接合材１２を正温度係数サーミスタ１１の下面側および側面のキャスタレーションの下部だけではなく、キャスタレーションの上部にまで半田を這い上がらせることによって、正温度係数サーミスタ１１の側面の一部において接合材１２を下端から上端にまで付着させて電極１７に接合している。これにより、正温度係数サーミスタ１１から接合材１２へ良好に放熱できるようになるので、使用中に周囲の高温の影響で正温度係数サーミスタ１１の温度が上昇して抵抗が増大するのを抑制することができ、誤動作によって電流を遮断することを抑制できる。その結果、熱電モジュール１０の信頼性が向上する。
【００２２】
＜接合材１２＞
接合材１２は、正温度係数サーミスタ１１を電極１７に接合し、正温度係数サーミスタ１１と電極１７とを電気的に接続するための部材である。接合材１２には、例えばＳｎ−Ｐｂ合金やＳｂ−Ｓｎ合金などのろう材または半田、あるいはＡｇやＡｕなどの金属微粒子をエポキシ樹脂などに分散させた導電性接着剤が用いられる。
【００２３】
本発明の一実施形態の熱電モジュール１０においては、正温度係数サーミスタ１１を第１支持基板１３の第２領域１３ｂの電極１７の上に配置し、例えば自動機によって半田ごてを正温度係数サーミスタ１１の電極１７上の側面に配置し、半田ごての温度を接合材１２の融点よりも１０〜１００℃高くしておいて接合材１２として糸状の半田を正温度係数サーミスタ１１の側面と半田ごてとの間に上端から流し込むことによって、半田ごてと接触して溶融した接合材１２が正温度係数サーミスタ１１の側面の上端から下端にまで流れ、さらに下面側まで流れ込む。これによって、図１に示す構造で接合材１２を付着させることができる。また、これに限らず、接合材１２としてペースト状の半田または導電性接着剤を正温度係数サーミスタ１１の側面の上端から下端を経て下面側に至るまで塗布し、加熱などの処理で接合材１２を溶融または硬化させる方法を採用することもできる。
【００２４】
接合材１２が正温度係数サーミスタ１１の少なくとも１つの側面の少なくとも一部において下端から上端にまで付着していることで、正温度係数サーミスタ１１から接合材１２への放熱が良好になる。その結果、周囲の高温で正温度係数サーミスタ１１の温度が上昇して、過電流が流れていないにもかかわらず電流を低減・遮断してしまうという誤作動の発生を抑えることができるので、熱電モジュール１０の信頼性が向上する。
【００２５】
＜フィン１８＞
図１において簡略に示したフィン１８は、これを通過する気体に、電力を供給した熱電
素子１５，１６の一端側と他端側との間に発生した温度差を効率よく伝えるため、またはこれを通過する気体の熱を熱電素子１５，１６に効率よく伝えて熱電素子１５，１６の一端側と他端側に温度差を発生させることによって電力を生じさせるための部材である。フィン１８は、熱伝導率の高い、例えば銅、銀またはアルミニウム等によって形成される。また、フィン１８の形状および寸法などは、フィン１８を通過する気体と第１および第２支持基板１３，１４を介した熱電素子１５，１６との間で効率よく所望の熱交換ができるように、熱電モジュール１０の仕様に応じて適宜設定すればよい。
【００２６】
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、上述の熱電モジュール１０は、温度調節のために用いる例を示したが、これに限られない。具体的には、熱電発電のために用いられてもよい。
【００２７】
＜変形例１＞
次に、本発明の他の実施形態である変形例１の熱電モジュールについて説明する。
【００２８】
図２は本発明の変形例１の熱電モジュール２０の要部を示す図１と同様の図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。図２に示す熱電モジュール２０は基本的に図１に示す熱電モジュール１０と同じ構成であるが、熱電モジュール２０においては、接合材２２が正温度係数サーミスタ２１における下面側の角部と第１支持基板２３の上面との間に入り込んでいる。すなわち、図２（ａ）に示すように、この熱電モジュール２０においては、接合材２２を正温度係数サーミスタ２１の側面の一部において下端から上端にまで付着しているとともに、キャスタレーションの下部および正温度係数サーミスタ２１の下面側に加えて下面側の角部にまで広がっている。そして、接合材２２が正温度係数サーミスタ２１における下面側の角部と第１支持基板２３の上面に形成された電極２７との間に入り込んでいる。これにより、熱電素子２５，２６の一端側と他端側との温度差に伴う熱膨張差によって発生する電極２７の反りによって正温度係数サーミスタ２１の下側の角部に応力が加わり、そのために正温度係数サーミスタ２１が破損するのを、下面側の角部と第１支持基板１３の上面との間に入り込んでいる接合材２２が正温度係数サーミスタ２１の下面側の角部を保護することから、それを抑制して熱電モジュール２０の耐久性を向上させることができる。
【００２９】
また、変形例１の熱電モジュール２０においては、電極２７のパターンについて、図２（ｂ）に示すように、正温度係数サーミスタ２１から熱電素子２５，２６に至る電極２７の幅をそれぞれ途中で狭めている。このような電極形状によれば、正温度係数サーミスタ２１の半田接合時に半田ごてに接触して溶融した接合材２２が正温度係数サーミスタ２１側面の上端から下端まで流れて、さらに下面側まで流れ込む際に、熱電素子２５，２６に向かう接合材２２の塗れ広がりが電極２７の狭い部分で抑えられることになる。その結果、正温度係数サーミスタ２１の下面側の接合材２２量が増加し、正温度係数サーミスタ２１の下面側の角部に接合材２２が回り込むことで、図２に示す構造で接合材２２を付着させることができる。また、これに限らず、接合材２２としてペースト状の半田または導電性接着剤を正温度係数サーミスタ２１の側面の上端から下端を経て下面側および角部に至るまで塗布し、加熱などの処理で接合材２２を溶融または硬化させる方法を採用することもできる。
【００３０】
この熱電モジュール２０によれば、接合材２２が正温度係数サーミスタ２１における下面側の角部と第１支持基板２３の上面の電極２７との間に入り込んでいることから、熱電素子２５，２６の一端側と他端側の温度差に伴う熱膨張差によって電極２７の反りが発生し、これによって正温度係数サーミスタ２１の下側の角部に応力が加わるために正温度係数サーミスタ２１が破損するという不具合を、角部まで接合された接合材２２が正温度係
数サーミスタ２１の角部を保護するので、正温度係数サーミスタ２１の破壊を抑制して熱電モジュール２０の耐久性を向上させることができる。
【００３１】
さらに、熱電モジュール１０および熱電モジュール２０において、正温度係数サーミスタ２１の両端を電極２７に接合している接合材２２について、フィン２８を通過する気体の出口側における接合材２２の量を入口側の接合材２２の量よりも多くすることが好ましい。
【００３２】
フィン２８に気体を通過させることによってその影響で正温度係数サーミスタ２１内にも温度勾配が生じ、それに伴う熱応力が生じているが、正温度係数サーミスタ２１の両端を電極２７に接合している接合材２２について、フィン２８を通過する気体の出口側における接合材２２の量を入口側の接合材２２の量よりも多くすることで、正温度係数サーミスタ２１からの気体の出口側の接合材２２への放熱を気体の入口側の接合材２２への放熱よりも良好に行なうことができる。すなわち、正温度係数サーミスタ２１からの気体の出口側の接合材２２への放熱を気体の入口側の接合材２２への放熱よりも良好に行なえるようになるので、フィン２８での気体の通過によって正温度係数サーミスタ２１の一端側から他端側へ生じている温度勾配を効率よく低減して熱応力を低減することができ、熱膨張差に起因する熱応力を小さくすることによって、熱電モジュール２０の耐久性を向上させることができる。
【００３３】
また、これに限らず、フィン２８を通過する気体の出口側における接合材２２の熱伝導率が入口側の接合材２２の熱伝導率よりも高くなるように接合材２２の材質・密度を変えることでも同様の効果を得ることができる。
【００３４】
＜変形例２＞
次に、本発明のさらに他の実施形態である変形例２の熱電モジュールについて説明する。
【００３５】
図３は本発明の変形例２の熱電モジュール３０の要部を示す図１と同様の図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。図３に示す熱電モジュール３０においては、正温度係数サーミスタ３１が接合材３２とともに樹脂３９によって覆われている。なお、図３においては、樹脂３９によって覆われている正温度係数サーミスタ３１および接合材３２を破線で示している。正温度係数サーミスタ３１が接合材３２とともに樹脂３９によって覆われていることにより、熱電素子１５，１６を通して正温度係数サーミスタ３１に過電流が通電した時の正温度係数サーミスタ３１における発熱が外部に放熱しにくくなるので、過電流に対する正温度係数サーミスタ３１の感度を向上させることができる。また、樹脂３９に覆われていることによって周囲の高温が正温度係数サーミスタ３１に伝わりにくくなるので、使用中の周囲の高温の影響で正温度係数サーミスタ３１の抵抗が増大して温度が上昇するのを抑制することができ、誤動作によって電流を遮断することが抑制できる。その結果、熱電モジュール３０の信頼性が向上する。
【００３６】
この樹脂３９としては、絶縁性であり、正温度係数サーミスタ３１、接合材３２および電極３７に対して化学的に反応しない、例えばシリコーン樹脂、エポキシ樹脂またはウレタン樹脂等を用いるとよい。樹脂３９は、例えばディスペンサー、スプレーまたはディップ法等で正温度係数サーミスタ３１、接合材３２および電極３７を覆うように塗布し、経時または加熱によって硬化させることで形成することができる。樹脂３９は、正温度係数サーミスタ３１の全体およびそれとともに接合材３２の一部できれば全体を覆う寸法にするのが望ましく、厚さは例えば０．１〜２ｍｍに設定される。また、樹脂３９は、正温度係数サーミスタ３１の熱膨張係数が大きい場合には、その熱膨張を阻害しないように、適度な弾力性を有することが好ましい。また、樹脂３９を発泡させ、または気相を含む多層
構造にすることで、樹脂３９の熱伝導率を低くして、正温度係数サーミスタ３１の感度および信頼性をより向上させることもできる。
【実施例】
【００３７】
＜実施例１＞
上述の本発明の実施形態の熱電モジュール１０を以下のようにして作製した。
【００３８】
まず、ｐ型熱電素子１５として、Ｂｉ０．５Ｓｂ１．５Ｔｅ２．９１Ｓｅ０．０９組成のインゴットを準備し、アルゴン雰囲気中で溶融させたインゴットをφ１ｍｍの穴が空いたカーボン型に流し込み、徐々に冷却することでφ１ｍｍの棒状インゴットとした。これを長さ方向に０．８ｍｍ間隔でスライスすることにより、φ１ｍｍ、高さ０．８ｍｍのｐ型熱電素子１５を作製した。
【００３９】
同様に、ｎ型熱電素子１６として、Ｂｉ２．０Ｔｅ２．８５Ｓｅ０．１５組成に０．０２質量％のＳｂＩ３粉末と０．０４質量％のＳｂＢｒ３粉末とを添加したインゴットを準備し、アルゴン雰囲気中で溶融させたインゴットをφ１ｍｍの穴が空いたカーボン型に流し込み、徐々に冷却することでφ１ｍｍの棒状のインゴットとした。これを長さ方向に０．８ｍｍ間隔でスライスすることにより、φ１ｍｍ、高さ０．８ｍｍのｎ型熱電素子１６を作製した。
【００４０】
次に、第１支持基板１３として、縦２２ｍｍ、横５５ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの寸法のＣｕ／エポキシ樹脂／Ｃｕ基板を準備した。この第１支持基板１３の上面のＣｕを、第１領域１３ａにおいて複数配列する熱電素子１５，１６を直列に電気的に接続するように順次接合し、途中の熱電素子１５，１６に正温度係数サーミスタ１１を直列に電気的に接続するように第２領域１３ｂにおいて接合する電極パターンになるようにエッチング処理して、電極１７を形成した。同様に、第２支持基板１４として、縦２２ｍｍ、横５０ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの寸法のＣｕ／エポキシ樹脂／Ｃｕ基板を準備し、この第２支持基板１４の下面のＣｕを、第１領域１３ａにおいて複数配列する熱電素子１５，１６を直列に電気的に接続するように順次接合する電極パターンになるようにエッチング処理して、電極１７を形成した。
【００４１】
次に、ｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６が配置される電極１７上にＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを塗布し、ｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６を、互いに間隔をあけて第１支持基板１３の電極１７の上に交互に複数配列し、それらｐ型熱電素子１５およびｎ型熱電素子１６の上に電極１７を介して第２支持基板１４を配置した後、加熱してＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを溶融させ、熱電素子１５，１６と電極１７とを半田で接合した。
【００４２】
次に、第１支持基板１３の下面および第２支持基板１４の上面にＳｎ−Ｂｉ半田ペーストを塗布し、それぞれにフィン１８を配置して、加熱してＳｎ−Ｂｉ半田ペーストを溶融させ、第１および第２支持基板１３，１４にフィン１８を接合した。このフィン１８には、表面積を十分広く確保するために、幅２２ｍｍのＣｕ箔を高さ１１ｍｍになるように規則正しく折りたたんだものを使用した。
【００４３】
次に、正温度係数サーミスタ１１としてカーボンブラック系のポリマーＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタを準備し、第１支持基板１３の第２領域１３ｂの電極１７の上に、この正温度係数サーミスタ１１を配置した。そして、自動機によって半田ゴテを正温度係数サーミスタ１１の電極１７上の側面に配置し、この側面の上端から金属製の接合材１２としてＳｂ−Ｓｎ半田を流し込むことで、正温度係数サーミスタ１１の両端の側面の下端から上端にまで、より具体的にはキャスタレーション部、側面の下端および正温度係数サーミスタ１１の下面の電極と電極１７との間にまで接合材１２を付着
させて、熱電モジュール１０を作製した。
【００４４】
次に、作製した熱電モジュール１０についての種々の評価を行なった。この熱電モジュール１０の評価は、全てフィン１８にブロアによって一定風量の気体を通過させた状態で行なった。冷却性能は、一定電圧を印加した際に熱電素子１５，１６の一端側と他端側との間に生じる温度差を求めることによって評価した。また、耐久性は、繰り返し反転通電試験を行なった前後での熱電モジュール１０の抵抗変化率を求めることによって評価した。また、過電流に対する感度は、室温で熱電素子１５，１６への印加電流を徐々に増加し、電流が遮断された電流値を求めることで評価した。また、高温における信頼性は、熱電素子１５，１６に一定電圧を印加した状態で周囲の温度を徐々に高め、電流が遮断された時の温度を求めることで評価した。
【００４５】
具体的には、冷却性能の評価は、ブロア電圧１１．１５Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０に８Ｖの電圧を印加し、熱電素子１５，１６の一端側と他端側との間に生じた温度差を求めた。その結果、冷却性能は平均５．４２℃であった。
【００４６】
また、耐久性の評価は、ブロア電圧１０Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０に１４．５Ｖの電圧を印加し、１５秒毎に印加電圧を反転させて、これを５００サイクル行ない、試験前後の抵抗変化率を求めた。その結果、この耐久試験における抵抗変化率は平均０．８８％であった。
【００４７】
また、高温における信頼性の評価は、５０℃から９０℃まで５℃刻みで行なった。恒温槽内においてブロア電圧１０Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０に１４．５Ｖの電圧を印加し、５０℃から９０℃まで５℃ずつ温度を上昇させて、印加電圧が遮断される(５Ｖ以下になる)温度を求めた。その結果、平均８３．０℃で、熱電素子１５，１６への過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。
【００４８】
また、過電流に対する感度の評価は、２５±２℃の恒温槽内においてブロア電圧１０Ｖでフィン１８に送風した状態で、熱電モジュール１０の熱電素子１５，１６に電流を０Ａから０．５Ａずつ上昇させながら印加し、印加電流が遮断される(１Ａ以下になる)電流を求めた。その結果、平均４．９０Ａで電流が遮断された。
【００４９】
＜実施例２＞
上記と同様にして、本発明の変形例１の熱電モジュール２０を作製した。ここでは、第１支持基板２３の上面の第２領域２３ｂにおいてＣｕをエッチング処理して電極パターンを形成する際に、図２（ｂ）に示すように、正温度係数サーミスタ２１から熱電素子２５，２６に至る電極２７の幅をそれぞれ途中で狭めて形成した。この第１支持基板２３上の第１領域２３ａの電極２７の上に熱電素子２５，２６を交互に複数配列し、それら熱電素子２５，２６の上に電極２７を介して第２支持基板２４を配置して、熱電素子２５，２６と電極２７とをＳｂ−Ｓｎ半田で接合した。
【００５０】
次に、第１および第２支持基板２３，２４にフィン２８をＳｎ−Ｂｉ半田で接合した。次に、第１支持基板２３の第２領域２３ｂの電極２７の上に正温度係数サーミスタ２１を配置した。そして、自動機によって半田ゴテを正温度係数サーミスタ２１の電極２７上の側面に配置し、この側面の上端から金属製の接合材２２としてＳｂ−Ｓｎ半田を流し込むことで、正温度係数サーミスタ２１の側面の下端から上端にまで、より具体的には両端の側面の上端、キャスタレーション部、側面の下端、および正温度係数サーミスタ２１の下面の電極と電極２７との間にまで接合材２２を付着させた。その際、正温度係数サーミスタ２１から熱電素子２５，２６に至る電極２７の幅を途中で狭めて形成したことで、電極２７の上面における接合材２２の塗れ広がりを抑え、接合材２２が正温度係数サーミスタ
２１における下面側の角部にまで付着した構造を形成し、熱電モジュール２０を作製した。
【００５１】
この熱電モジュール２０について熱電モジュール１０と同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．３８℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．２０％であった。また、平均８３．５℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均４．９５Ａで電流が遮断された。
【００５２】
また、同様に、フィン２８の気体出口側の接合材２２量を意図的に増やして接合した熱電モジュール２０も作製した。
【００５３】
この熱電モジュール２０についても同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．４０℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．１４％であった。また、平均８４．０℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均４．８０Ａで電流が遮断された。
【００５４】
＜実施例３＞
上記と同様にして、本発明の変形例２の熱電モジュール３０を作製した。ここでは、第１支持基板３３の上面の第１領域３３ａの電極３７の上に熱電素子３５，３６を交互に複数配列し、それら熱電素子３５，３６の上に電極３７を介して第２支持基板３４を配置して、熱電素子３５，３６と電極３７とをＳｂ−Ｓｎ半田で接合した。
【００５５】
次に、第１および第２支持基板３３，３４にフィン３８をＳｎ−Ｂｉ半田で接合した。次に、第１支持基板３３の第２領域３３ｂの電極３７の上に正温度係数サーミスタ３１を配置した。そして、自動機によって半田ゴテを正温度係数サーミスタ３１の電極３７上の側面に配置し、この側面の上端から金属製の接合材３２としてＳｂ−Ｓｎ半田を流し込むことで、正温度係数サーミスタ３１の側面の下端から上端にまで、より具体的には両端の側面の上端、キャスタレーション部、側面の下端、および正温度係数サーミスタ３１の下面の電極と電極３７との間にまで接合材３２を付着させた。その際、正温度係数サーミスタ３１から熱電素子３５，３６に至る電極３７の幅を途中で狭めて形成したことで、電極３７の上面における接合材３２の塗れ広がりを抑えて、接合材３２を正温度係数サーミスタ３１における下面側の角部にまで付着させた。
【００５６】
次に、樹脂３９としてシリコーン樹脂を準備し、正温度係数サーミスタ３１を側面に付着した接合材２２とともに、またその下の電極３７の一部も覆うように塗布して、これを６０分以上放置して硬化させることで、正温度係数サーミスタ３１が接合材３２とともに樹脂３９によって覆われている熱電モジュール３０を作製した。
【００５７】
この熱電モジュール３０について熱電モジュール１０と同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．４２℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．１５％であった。また、８６．５℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均４．６５Ａで電流が遮断された。
【００５８】
＜実施例４＞
上記と同様にして、本発明の比較例として、図４に示す従来の熱電モジュール４０を作製した。図４は従来の熱電モジュール４０の要部を示す図１と同様の図であり、（ａ）は部分側面図、（ｂ）は部分平面図である。図４に示す熱電モジュール４０は基本的には図１に示す熱電モジュール１０と同じ構成であるが、熱電モジュール４０においては、正温度係数サーミスタ４１の側面において、接合材４２が下端から側面の途中にまでしか付着していない。
【００５９】
この比較例においても同様に、第１支持基板４３の第１領域４３ａの電極４７の上に熱電素子４５，４６を交互に複数配列し、それら熱電素子４５，４６の上に電極４７を介して第２支持基板４４を配置して、熱電素子４５，４６と電極４７とをＳｂ−Ｓｎ半田で接合した。
【００６０】
次に、第１および第２支持基板４３，４４にフィン４８をＳｎ−Ｂｉ半田で接合した。次に、第１支持基板４３の第２領域４３ｂの電極４７の上に接合材４２としてＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを塗布し、この上に正温度係数サーミスタ４１を配置した。そして、リフロー炉を用いることでＳｂ−Ｓｎ半田ペーストを溶融させて電極４７に正温度係数サーミスタ４１を接合することで、正温度係数サーミスタ４１の側面の下端から途中までしか接合材４２が付着していない比較例の熱電モジュール４０を作製した。
【００６１】
この熱電モジュール４０についても熱電モジュール１０と同様の評価を行なった結果、冷却性能は平均５．３９℃であった。また、耐久試験における抵抗変化率は平均０．９０％であった。また、平均７６．５℃で、過電流でないにも関わらず電圧が遮断された。また、周囲の温度２５±２℃において、平均５．０５Ａで電流が遮断された。
【００６２】
以上の各実施例の結果から、本発明の熱電モジュール１０，２０，３０は、従来の熱電モジュール４０と比較して、冷却性能は良好に維持され、反転通電時の抵抗変化が小さい良好な耐久性を示し、電圧が遮断される温度が高いことで誤動作の発生が抑制され、より低い過電流で電流が遮断される良好な感度を示すことが確認できた。
【符号の説明】
【００６３】
１０、２０、３０、４０：熱電モジュール
１１、２１、３１、４１：正温度係数サーミスタ
１２、２２、３２、４２：接合材
１３、２３、３３、４３：第１支持基板
１３ａ、２３ａ、３３ａ、４３ａ：第１領域
１３ｂ、２３ｂ、３３ｂ、４３ｂ：第２領域
１４、２４、３４、４４：第２支持基板
１５、２５、３５、４５：熱電素子（ｐ型熱電素子）
１６、２６、３６、４６：熱電素子（ｎ型熱電素子）
１７、２７、３７、４７：電極
３９：樹脂
【図１】
2015142058.tif 000003
【図２】
2015142058.tif 000004
【図３】
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【図４】
2015142058.tif 000006