(57)【要約】【課題】機械的強度を向上させることにより、熱電素子の絶縁基板からの剥離や破壊が防止され耐久性が向上する熱電モジュールを提供すること。【解決手段】対向させて配置した下部絶縁基板１１と、上部絶縁基板１２における対向する両面の所定箇所にそれぞれ電極１４ａ，１６ｂを形成し、対向する電極１４ａ，１６ｂにそれぞれ熱電素子の端面を固定して形成される熱電モジュール１０の熱電素子を、下段熱電素子１５と上段熱電素子１７とで構成した。そして、下段熱電素子１５と上段熱電素子１７の間に補強用の補強板１３を、電極１４ｂ，１６ａを介して配設した。また、熱電モジュール１０の最大温度差ΔＴｍａｘが、熱電モジュール２０，３０の最大温度差ΔＴｍａｘよりも小さくなるようにした【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向させて配置した一対の絶縁基板間に補強用の絶縁基板を配設し、前記一対の絶縁基板と前記補強用の絶縁基板とのそれぞれ対向する面の所定箇所に電極を形成し、前記各面に形成された電極の相対向する部分にそれぞれ熱電素子の端面を固定することにより、各絶縁基板間に複数の熱電素子を配設して、これらの熱電素子を電気的に接続することにより、前記一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板を加熱側にするとともに他方の絶縁基板を冷却側にすることのできる熱電モジュールであって、
前記熱電素子の加熱側の端部の温度を一定に保って、前記熱電モジュールに通電したときの前記温度と、前記熱電素子の冷却側の端部の温度の最低温度との最大温度差ΔＴｍａｘが、前記熱電モジュールから補強用の絶縁基板およびそれが備える電極を取り除くとともに、対応する上下の熱電素子をそれぞれ連結した状態の高さの高い熱電素子を備えて構成される熱電モジュールにおける最大温度差ΔＴｍａｘよりも小さくなるようにしたことを特徴とする熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ペルチェ効果を利用して熱変換を行う熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ペルチェ効果を利用して熱変換を行う熱電モジュールが加熱・冷却装置等に用いられており、この熱電モジュールの中に、強度を高めるための補強部材を備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。この熱電モジュールは、一対の絶縁基板における相対向する内側の面の所定箇所に複数の電極を形成し、この相対向する電極にそれぞれ熱電素子の上下の端面をハンダ付けすることにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子を固定している。そして、各熱電素子間に棒状の成形品からなる補強部材を配設して構成されている。
【０００３】
一方、温度差を大きくとるという要請により、熱電モジュールを多段型にすることで加熱側と冷却側との間の温度差を大きくしたものがある（例えば、特許文献２）。この熱電モジュールでは、一対の絶縁基板の上に、さらに絶縁基板を設け、３個で構成される絶縁基板の各間にそれぞれ熱電素子を取り付けている。この場合、下段の熱電素子群と上段の熱電素子群との配置や形状はそれぞれ異なるように構成されている。このようにすることにより、多段型にした熱電モジュールにおける加熱側の絶縁基板の温度Ｔｈを一定に保ったときの温度Ｔｈと、冷却側の温度の最低温度Ｔｃとの温度差ΔＴｍａｘを、１段型の熱電素子の温度差ΔＴｍａｘよりも大きくすることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２１０８８０号公報
【特許文献２】
特開３−６０８２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱電モジュールの耐久性を左右する熱電素子の損傷の多くは、冷却側の絶縁基板の収縮と、加熱側の絶縁基板の膨張との差から生じる歪みに起因する。このため、前述した熱電モジュールのうちの前者のように、熱電モジュールの熱電素子間に棒状の補強部材を配設するだけでは、直接歪みを解消することができず大きな強度の向上は期待できない。また、この熱電モジュールでは、製造工程が複雑になるという問題がある。また、後者の熱電モジュールでは、加熱側と冷却側の温度差が大きくなるため、損傷の原因となる歪みが大きく発生して、強度の向上はできない。
【０００６】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、機械的強度を向上させることにより、熱電素子の絶縁基板からの剥離や破壊が防止され耐久性が向上する熱電モジュールを提供することである。
【０００７】
上記の目的を達成するため、本発明にかかる熱電モジュールの構成上の特徴は、対向させて配置した一対の絶縁基板間に補強用の絶縁基板を配設し、一対の絶縁基板と補強用の絶縁基板とのそれぞれ対向する面の所定箇所に電極を形成し、各面に形成された電極の相対向する部分にそれぞれ熱電素子の端面を固定することにより、各絶縁基板間に複数の熱電素子を配設して、これらの熱電素子を電気的に接続することにより、一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板を加熱側にするとともに他方の絶縁基板を冷却側にすることのできる熱電モジュールであって、熱電素子の加熱側の端部の温度を一定に保って熱電モジュールに通電したときの温度と、熱電素子の冷却側の端部の温度の最低温度との最大温度差ΔＴｍａｘが、熱電モジュールから補強用の絶縁基板およびそれが備える電極を取り除くとともに、対応する上下の熱電素子をそれぞれ連結した状態の高さの高い熱電素子を備えて構成される熱電モジュールにおける最大温度差ΔＴｍａｘよりも小さくなるようにしたことにある。
【０００８】
本発明にかかる熱電モジュールでは、一対の絶縁基板間に補強用の絶縁基板を配設して、各絶縁基板間に複数の熱電素子を設けている。すなわち、１段型の熱電モジュールにおける各熱電素子を上下に分割して、その分割した下段の熱電素子と、上段の熱電素子との間に補強用の絶縁基板を設けた構造になっている。このため、冷却側の絶縁基板の収縮と加熱側の絶縁基板の膨張の差が補強用の絶縁基板によって、緩衝され、各熱電素子に付加される熱応力が下段の熱電素子と上段の熱電素子とに分散される。
【０００９】
この結果、熱電素子の絶縁基板からの剥離や破壊が生じにくくなり、熱電モジュールの耐久性の向上が図れる。また、補強用の絶縁基板を設けることにより、機械的強度が強くなり、衝撃等にも強くなる。また、本発明では、熱電モジュールの最大温度差ΔＴｍａｘが、１段型の熱電モジュールにおける最大温度差ΔＴｍａｘよりも小さくなるようにしている。これによって、損傷の原因となる歪みを小さくすることができ、耐久性の向上が図れる。この場合の条件に副う最大温度差ΔＴｍａｘを得るためには、熱電モジュールの下段と上段との熱電素子の構成をそれぞれ好ましい状態にすることが必要で、例えば、下段と上段との熱電素子の構成を同一にすることによって可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。図１および図２は、同実施形態による熱電モジュール１０を示している。熱電モジュール１０は、対向して平行に設置されたアルミナからなる四角板状の下部絶縁基板１１と上部絶縁基板１２とからなる一対の絶縁基板と、下部絶縁基板１１と上部絶縁基板１２の間に設けられた本発明の補強用の絶縁基板としての補強板１３とを備えている。補強板１３は、下部絶縁基板１１等と同形同質のアルミナで構成されている。そして、下部絶縁基板１１の上面に一定間隔を保って複数の下段下部電極１４ａが取り付けられ、補強板１３の下面に一定間隔を保って複数の下段上部電極１４ｂが取り付けられている。
【００１１】
そして、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなる複数の下段熱電素子１５が、それぞれ下端面を下段下部電極１４ａにハンダ付けにより固定され、上端面を下段上部電極１４ｂにハンダ付けにより固定されて下部絶縁基板１１と補強板１３とを連結している。また、補強板１３の上面に一定間隔を保って複数の上段下部電極１６ａが取り付けられ、上部絶縁基板１２の下面に一定間隔を保って複数の上段上部電極１６ｂが取り付けられている。そして、下段熱電素子１５と同形同質の上段熱電素子１７が、それぞれ下端面を上段下部電極１６ａにハンダ付けにより固定され、上端面を上段上部電極１６ｂにハンダ付けにより固定されて補強板１３と上部絶縁基板１２を連結している。
【００１２】
各電極１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂは、それぞれ２個の下段熱電素子１５または上段熱電素子１７の端面を一定間隔を保って接合できる大きさの長方形またはＬ形に形成されている。そして、下部絶縁基板１１における図示の前側両端に取り付けられた下段下部電極１４ａにはそれぞれ１個の下段熱電素子１５が接合され、それ以外の各電極１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂには、それぞれ２個の下段熱電素子１５または上段熱電素子１７が一定間隔を保って接合されている。また、１個の下段熱電素子１５が接合された下段下部電極１４ａのそれぞれ下部絶縁基板１１の角部側の端部には、リード線１８ａ，１８ｂが取り付けられ、外部から通電可能になっている。
【００１３】
下段下部電極１４ａと下段上部電極１４ｂおよび上段下部電極１６ａと上段上部電極１６ｂとは、それぞれ下段熱電素子１５または上段熱電素子１７の略１個分の設置幅に等しい距離をずらして下部絶縁基板１１、上部絶縁基板１２および補強板１３に取り付けられている。これによって、下段下部電極１４ａ、下段上部電極１４ｂおよび下段熱電素子１５は、一部の不連続部を除いて電気的に直列に接続され、上段下部電極１６ａ、上段上部電極１６ｂおよび上段熱電素子１７は、電気的に直列に接続されている。
【００１４】
そして、補強板１３の所定箇所には挿通穴（図示せず）が設けられ、この挿通穴をリード線が挿通して、対応する下段上部電極１４ｂと上段下部電極１６ａとを接続している。これによって、下段の下段上部電極１４ｂにおける不連続部分は、上段の上段下部電極１６ａに接続され、すべての電極１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂ、下段熱電素子１５および上段熱電素子１７は、電気的に直列に接続されている。
【００１５】
また、下段熱電素子１５および上段熱電素子１７は、それぞれＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とで構成されており、熱電モジュール１０の下段および上段にそれぞれＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが交互に配置されている。図３は、熱電モジュール１０の側面を示しており、図４は、下部絶縁基板１１に取り付けられた下段熱電素子１５の配置を示し、図５は、補強板１３に取り付けられた上段熱電素子１７の配置を示している。
【００１６】
熱電モジュール１０は、図３ないし図５に示した幅が１５．０ｍｍ、長さが３０．０ｍｍ、高さが２．２ｍｍに設定され、下部絶縁基板１１、上部絶縁基板１２および補強板１３の高さ（厚み）は、それぞれ０．３ｍｍに設定されている。また、下段熱電素子１５および上段熱電素子１７は、ともに、上下の端面における縦横の幅がともに、１．０ｍｍに設定され、高さが０．５ｍｍに設定されている。
【００１７】
また、この下段熱電素子１５および上段熱電素子１７は、隣り合った１個のＰ型熱電素子と１個のＮ型熱電素子とを１対として、それぞれ９９対で構成されている。すなわち、下段熱電素子１５と上段熱電素子１７とは、同一の配置になるように構成されている。この熱電モジュール１０の最大温度差を測定したところ、その最大温度差ΔＴｍａｘは、９５℃であった。この最大温度差ΔＴｍａｘは、下部絶縁基板１１を加熱側とし、上部絶縁基板１２を冷却側として、下部絶縁基板１１（ホット）側の熱電素子端部の温度Ｔｈを所定温度に固定し、上部絶縁基板１２（コールド）側の熱電素子端部の温度Ｔｃを最も低くしたときの熱電素子の両端の温度差を意味している。
【００１８】
すなわち、下部絶縁基板１１をホットプレートの上に載置する等によって一定温度に保つことにより、下部絶縁基板１１（ホット）側の熱電素子端部の温度Ｔｈを一定温度に保たせた状態で、熱電モジュールに通電し、その電流を徐々に大きくしていくと、初期の段階では、上部絶縁基板１２（コールド）側の熱電素子端部の温度Ｔｃは電流の増加にしたがって低下していく。そして、電流値が所定値に達したところで温度Ｔｃは最低値Ｔｃｍｉｎになる。このときの電流値がＩｍａｘである。そして、さらに電流値を上げると、その後は電流の増加に従って温度Ｔｃは上昇していく。上部絶縁基板１２（コールド）側の熱電素子端部の温度が、最低値であるＴｃｍｉｎになったときの熱電素子の両端の温度差Ｔｈ―Ｔｃｍｉｎを最大温度差ΔＴｍａｘ（１段の場合）とする。
【００１９】
つぎに、熱電モジュール１０のように２段型の熱電モジュールの場合について説明する。ここでは、下段モジュールの下部絶縁基板１１（ホット）側の熱電素子端部の温度Ｔｈ１を所定温度に固定し、上段モジュールの上部絶縁基板１２（コールド）側の熱電素子端部の温度Ｔｃを最も低くしたときの熱電素子の両端の温度差を意味している。すなわち、一段モジュールのときと同様に、下段モジュールの下部絶縁基板１１（ホット）側の熱電素子端部の温度Ｔｈ１を一定温度に保たせた状態で、熱電モジュール１０に通電し、その電流を徐々に大きくしていくと、初期の段階では、上段モジュールの上部絶縁基板１２（コールド）側の熱電素子端部の温度Ｔｃ２は電流の増加にしたがって低下していく。
【００２０】
そして、電流値が所定値に達したところで温度Ｔｃ２は最低値Ｔｃ２ｍｉｎになる。このときの電流値がＩ２ｍａｘである。そして、さらに電流値を上げると、その後は電流の増加に従って温度Ｔｃ２は上昇していく。上段モジュールの上部絶縁基板１２（コールド）側の熱電素子端部の温度が、最低値であるＴｃ２ｍｉｎになったときの、上段モジュールの熱電素子の両端の温度差（Ｔｈ２―Ｔｃ２ｍｉｎ）と下段モジュールの熱電素子の両端の温度差（Ｔｈ１―Ｔｃ１）の和である（Ｔｈ１―Ｔｃ１）＋（Ｔｈ２―Ｔｃ２ｍｉｎ）を最大温度差ΔＴｍａｘ（２段の場合）とする。
【００２１】
つぎに、以上のように構成した熱電モジュール１０と、図６および図７に示した従来例による１段型の熱電モジュール２０、および図８ないし図１０に示した従来例による多段型の熱電モジュール３０に対してパワーサイクルテストを行った結果について説明する。図６は、熱電モジュール２０の側面を示しており、図７は、熱電モジュール２０の下部絶縁基板２１に取り付けられた熱電素子２５の配置を示している。この熱電モジュール２０は、下部絶縁基板２１と、上部絶縁基板２２とからなる一対の絶縁基板の間に、下部電極および上部電極（図示せず）を介して熱電素子２５が設けられた１段の構成になっている。
【００２２】
また、下部絶縁基板２１の前側（図６および図７では右側）両端の下部電極にはそれぞれリード線２８ａ，２８ｂが接続されており、この熱電モジュール２０における熱電素子２５およびリード線２８ａ，２８ｂの配置は、熱電モジュール１０の下部絶縁基板１１に取り付けられた下段熱電素子１５およびリード線１８ａ，１８ｂの配置と同一になっている。この熱電モジュール２０の熱電素子２５も、９９対で構成されている。
【００２３】
また、熱電モジュール２０の各部分の長さは、幅が１５．０ｍｍ、長さが３０．０ｍｍ、高さが２．２ｍｍに設定され、下部絶縁基板２１および上部絶縁基板２２の高さ（厚み）は、それぞれ０．３ｍｍに設定されている。また、熱電素子２５は、上下の端面における縦横の幅がともに、１．０ｍｍに設定され、高さが１．４ｍｍに設定されている。熱電モジュール２０の最大温度差ΔＴｍａｘは、１００℃であった。また、下部絶縁基板２１および上部絶縁基板２２は、アルミナからなる板で構成され、熱電素子２５は、ビスマス・テルル系の合金で構成されている。
【００２４】
すなわち、この熱電モジュール２０は、熱電モジュール１０と比較して、全体の幅、長さおよび高さは同じに設定されている。そして、熱電モジュール２０の熱電素子２５と上下の電極との合計高さが、熱電モジュール１０の補強板１３、下段熱電素子１５、上段熱電素子１７および各電極１４ａ，１４ｂ，１６ａ，１６ｂの合計高さと同じに設定されている。
【００２５】
図８ないし図１０は、従来の２段式の熱電モジュール３０を示している。図８は、熱電モジュール３０の側面を示しており、図９は、熱電モジュール３０の下部絶縁基板３１に取り付けられた下段熱電素子３５の配置を、図１０は、熱電モジュール３０の補強板３３に取り付けられた上段熱電素子３７の配置をそれぞれ示している。
【００２６】
この熱電モジュール３０は、アルミナからなる四角板状の下部絶縁基板３１と上部絶縁基板３２とからなる一対の絶縁基板と、下部絶縁基板３１と上部絶縁基板３２の間に設けられた中絶縁基板３３とを備えている。そして、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金からなる複数の下段熱電素子３５が、下部絶縁基板３１と中絶縁基板３３との間に電極（図示せず）を介して設けられ、上段熱電素子３７が、中絶縁基板３３と上部絶縁基板３２との間に設けられて２段の構成になっている。
【００２７】
また、下部絶縁基板３１の前側（図８および図９では右側）両端の下部電極にはそれぞれリード線３８ａ，３８ｂが接続されて、外部から通電可能になっている。この熱電モジュール３０では、下段熱電素子３５が、４９対で構成され、上段熱電素子３６が、下段熱電素子３５の略１／２に近い２５対で構成されている。そして、この熱電モジュール３０においても、中絶縁基板３３の所定箇所にリード線を挿通させるための挿通穴（図示せず）が設けられて、この挿通穴を挿通するリード線によって、対応する下段上部電極と上段下部電極とが接続されている。これによって、すべての電極、下段熱電素子３５および上段熱電素子３７は、電気的に直列に接続されている。
【００２８】
なお、熱電モジュール３０は、図８ないし図１０に示した幅が１５．０ｍｍで、長さが１５．０ｍｍに設定され、高さが２．２ｍｍに設定されている。そして、下部絶縁基板３１、上部絶縁基板３２および中絶縁基板３３の高さは、それぞれ０．３ｍｍに設定されている。また、下段熱電素子３５および上段熱電素子３７は、ともに上下の端面における縦横の幅が、１．０ｍｍに設定され、高さが０．５ｍｍに設定されている。また、この熱電モジュール３０の最大温度差ΔＴｍａｘは１２０℃であった。
【００２９】
パワーサイクルテストに際しては、まず、各熱電モジュール１０，２０，３０の上下面に、厚みが１ｍｍのＣｕＷプレートをハンダ付けした。そして、下部絶縁基板１１，２１，３１を加熱側として、下部絶縁基板１１，２１，３１側のＣｕＷプレートの温度を６０℃に保持した状態で行った。そして、熱電モジュール１０に５．０アンペア、熱電モジュール２０に３．６アンペア、熱電モジュール３０に６．７アンペアの電流を、それぞれ１分間流したのちに、４分間電流を停止させる操作を、２万回繰り返し、そのパワーサイクルテストの前後での熱電モジュール１０，２０，３０の電気抵抗変化率を比較した。
【００３０】
熱電モジュール１０，２０，３０の電気抵抗は、使用や高温加熱等による劣化にしたがって大きくなるように変化していく。したがって、長時間の使用や過酷な条件による使用によっても、電気抵抗に変化が生じない、または変化の少ない熱電モジュールほど耐久性の優れたものである。
【００３１】
この場合、テスト後の電気抵抗変化率が５％未満のものを良品、５％以上のものを不良品として、それぞれ２２個のサンプルについてパワーサイクルテストを行った。その結果、熱電モジュール１０については不良品が０であったのに対し、熱電モジュール２０では不良品は７個発生し、熱電モジュール３０では不良品は２個発生した。この結果から、熱電モジュール１０の方が、熱電モジュール２０，３０よりも耐久性が高いことがわかる。
【００３２】
このように、本実施形態にかかる熱電モジュール１０では、熱電素子を下段熱電素子１５と上段熱電素子１７とで構成し、下段熱電素子１５と上段熱電素子１７との間に補強板１３を設けている。したがって、熱電モジュール１０に通電した際に、下部絶縁基板１１に膨張が生じ、上部絶縁基板１２に収縮が生じても、補強板１３がその膨張と収縮の差を緩和させて、各下段熱電素子１５および上段熱電素子１７に付加される応力が小さくなる。これによって、熱電モジュール１０の機械的強度および耐久性が向上する。
【００３３】
また、熱電モジュール３０は、補強目的でなく、最大温度差ΔＴｍａｘを大きくするために中絶縁基板３３を設けて２段式に構成されており、大きな最大温度差ΔＴｍａｘが要求される装置等に使用される。これに対し、本発明の熱電モジュール１０は、熱電モジュール２０と同様、さほど大きな最大温度差ΔＴｍａｘが要求されない装置に使用されるもので、補強板１３を設けることにより、機械的強度を高めて、耐久性を向上させている。
【００３４】
つぎに、熱電モジュール１０，２０，３０に対して衝撃テストを行った結果について説明する。衝撃テストに際しては、まず、各熱電モジュール１０，２０，３０の下部絶縁基板１１，２１，３１を加熱側としてその各面に、厚みが３ｍｍのＣｕＷプレートをハンダ付けした。そして、上部絶縁基板１２，２２，３２を冷却側としてその各面に、荷重が１０ｇのＣｕＷブロックをハンダ付けした。そして、下部絶縁基板１１，２１，３１側のＣｕＷプレートを試験台に固定して、熱電モジュール１０，２０，３０の各面に対して直交する３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）からそれぞれ１５００Ｇの加速度を各面に対して５回ずつ付与した。そして、衝撃テストの前後での熱電モジュール１０，２０，３０の電気抵抗変化率を比較した。
【００３５】
この場合も、テスト後の電気抵抗変化率が５％未満のものを良品、５％以上のものを不良品として、それぞれ２２個のサンプルについて衝撃テストを行った。その結果、熱電モジュール１０については不良品が０であったのに対し、熱電モジュール２０では不良品は２個発生し、熱電モジュール３０では不良品は２個発生した。この結果から、熱電モジュール１０の方が、熱電モジュール２０，３０よりも耐衝撃性が高いことがわかる。このように本実施形態による熱電モジュール１０は耐久性、耐衝撃性ともに、従来の熱電モジュール２０，３０よりも優れている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による熱電モジュールを示す一部切欠き斜視図である。
【図２】図１に示した熱電モジュールの正面図である。
【図３】図１に示した熱電モジュールの熱電素子の配置を示す側面図である。
【図４】図１に示した熱電モジュールの下部絶縁基板に取り付けられた下段熱電素子の配置を示す平面図である。
【図５】図１に示した熱電モジュールの補強板に取り付けられた上段熱電素子の配置を示す平面図である。
【図６】従来例による熱電モジュールの熱電素子の配置を示す側面図である。
【図７】図６に示した熱電モジュールの下部絶縁基板に取り付けられた熱電素子の配置を示す平面図である。
【図８】他の従来例による熱電モジュールの熱電素子の配置を示す側面図である。
【図９】図８に示した熱電モジュールの下部絶縁基板に取り付けられた下段熱電素子の配置を示す平面図である。
【図１０】図８に示した熱電モジュールの中絶縁基板に取り付けられた上段熱電素子の配置を示す平面図である。
【符号の説明】
１０…熱電モジュール、１１…下部絶縁基板、１２…上部絶縁基板、１３…補強板、１４ａ…下段下部電極、１４ｂ…下段上部電極、１５…下段熱電素子、１６ａ…上段下部電極、１６ｂ…上段上部電極、１７…上段熱電素子。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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