(57)【要約】【課題】熱電素子の絶縁基板からの剥離や破壊を防止することにより、耐久性の向上が図れ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側絶縁基板１１と上側絶縁基板１２における対向する両面にそれぞれ下部電極１３と上部電極１５とを設け、その下部電極１３と上部電極１５とにそれぞれ熱電素子１６の端面を固定することにより熱電モジュール１０を形成した。そして、下側絶縁基板１１と上側絶縁基板１２の間に固定される複数の熱電素子１６を一定間隔を保って格子状に配置するとともに、下側絶縁基板１１と上側絶縁基板１２の四隅部分には熱電素子１６を配置しないようにした。【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四角板状の絶縁基板における対向する両面の所定箇所に電極を形成し、前記対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を固定することにより、前記一対の絶縁基板間に複数の熱電素子からなる熱電素子群を、その外周が前記絶縁基板の外周に沿うように配置して構成される熱電モジュールにおいて、
前記一対の絶縁基板の四隅部分には前記熱電素子を配置しない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、熱電気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、熱電気変換の一つである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いる（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構成されている。この場合、一対の絶縁基板は四角板状に形成され、熱電素子は、その一対の絶縁基板間で、複数の熱電素子からなる熱電素子群を、その外周が前記絶縁基板の外周に沿うように、例えば、左右前後に一定間隔を保って格子状に配列されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２３２０２８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した熱電モジュールでは、一対の絶縁基板のうちの一方の絶縁基板は加熱によって膨張し、他方の絶縁基板は冷却によって収縮する。このため、熱電モジュールには、熱応力による変形が発生し、電極と熱電素子との間で剥離が生じたり、熱電素子が破壊したりして熱電モジュールが機能しなくなることがある。
【０００５】
この問題を回避するために、従来の熱電モジュールでは、電極と熱電素子とを並列に接続して一部の熱電素子が破壊しても熱電モジュールが機能できるようにしたり、破壊されやすい部分に配置する熱電素子の太さを大きく設定して破壊し難くなるようにしたりしていた。しかしながら、これによると、熱電モジュールの設計や製造が煩雑になるという問題がある。
【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、簡単な方法で、熱電素子の絶縁基板からの剥離や破壊を防止することにより、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四角板状の絶縁基板における対向する両面の所定箇所に電極を形成し、対向する電極にそれぞれ熱電素子の端面を固定することにより、一対の絶縁基板間に複数の熱電素子からなる熱電素子群を、その外周が絶縁基板の外周に沿うように配置して構成される熱電モジュールにおいて、一対の絶縁基板の四隅部分には熱電素子を配置しないことにある。
【０００８】
本発明の熱電モジュールでは、四角板状に形成した一対の絶縁基板間に、複数の熱電素子からなる熱電素子群を、その外周が絶縁基板の外周に沿うように配置するとともに、一対の絶縁基板の四隅部分には、熱電素子を配置しないようにしている。熱電モジュールにおいては、絶縁基板の中心部から離れるに従って、一方の絶縁基板の膨張と他方の絶縁基板の収縮とから生じる応力が大きくなる。
【０００９】
このため、一対の絶縁基板の中心部から最も離れた四隅部分に配置された熱電素子が、他の熱電素子よりも絶縁基板からの剥離や破壊を生じやすく、熱電モジュールの耐久性は、この四隅部分に配置された熱電素子の破損状態によって決まることが多い。したがって、この四隅部分に熱電素子を配置しないことにより、最も剥離や破壊が生じ易い熱電素子がなくなり、熱電モジュールの耐久性の向上が図れる。この場合、一対の絶縁基板の四隅部分に配置しない熱電素子の数は、それぞれの角部に対して１個に限らず、複数個としてもよい。
【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（図１の正面図）は、本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、アルミナからなる四角板状の下側絶縁基板１１と上側絶縁基板１２とからなる一対の絶縁基板を備えている。そして、下側絶縁基板１１の上面に一定間隔を保って複数の下部電極１３，１４（図３参照）が取り付けられ、上側絶縁基板１２の下面に一定間隔を保って複数の上部電極１５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熱電素子１６が、それぞれ下端面を下部電極１３，１４にハンダ付けにより固定され、上端面を上部電極１５にハンダ付けにより固定されて下側絶縁基板１１と上側絶縁基板１２を一体的に連結している。
【００１２】
図３は、下部電極１３，１４と熱電素子１６とが取り付けられた下側絶縁基板１１を上方から見た状態を示しており、図示のように、下部電極１３は長方形に形成され、下部電極１４はＬ形に形成されている。そして、下側絶縁基板１１の四隅の角のうちの２箇所にＬ形の下部電極１４が角に沿って取り付けられ、その他の部分には長方形の下部電極１３が取り付けられている。
【００１３】
また、四隅の角の残りの２個所に設けられた下部電極１３の一方の端部には、リード線１７ａ，１７ｂが取り付けられ、外部から通電可能になっている。そして、下側絶縁基板１１の角部に取り付けられた下部電極１３の他方の端部には、１個の熱電素子１６（１６ａ）の下端面が接合され、その他の下部電極１３には、それぞれ２個の熱電素子１６の下端面が接合されている。
【００１４】
また、上部電極１５は、すべて下部電極１３と同形の長方形に形成されており、それぞれ下部電極１３に対して熱電素子１６の略１個分に等しい距離をずらして上側絶縁基板１２に取り付けられている。そして、熱電素子１６の上端面は、各熱電素子１６、下部電極１３，１４および上部電極１５が直列に接続されるようにして、各上部電極１５に２個づつ接合されている。すなわち、図３における熱電素子１６ａ，１６ｂの上端面が、１個の上部電極１５に接合され、つぎの熱電素子１６ｃ，１６ｄの上端面が、隣の上部電極１５に接合されるといったように順次、隣り合った熱電素子１６が１個置きに上部電極１５に接合されている。
【００１５】
また、熱電素子１６（熱電素子１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄを含む。）は、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子とで構成されており、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。Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子ではＢｉやＴｅを含むことは同じであるが若干組成は異なる。ただし、図３に示したように、下側絶縁基板１１（および上側絶縁基板１２）の四隅の角部には、熱電素子１６は設けられていない。なお、熱電モジュール１０は、縦横の長さがそれぞれ１２ｍｍで、高さが１．６５ｍｍに設定され、熱電素子１６は、上下の端面における縦横の幅がともに、０．８ｍｍに設定され、高さが１ｍｍに設定されている。また、この熱電素子１６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、３０対で構成されている。
【００１６】
つぎに、以上のように構成した熱電モジュール１０と、図４に示した比較例による熱電モジュール２０と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４は、下部電極２３と熱電素子２６とが取り付けられた下側絶縁基板２１を上方から見た状態を示しており、この熱電モジュール２０においては、下側絶縁基板２１の下部電極２３および上側絶縁基板の上部電極（図示せず）がすべて長方形に形成されている。そして、下部電極２３と、上側絶縁基板の上部電極とは、それぞれ熱電素子２６の略１個分に等しい距離をずらして取り付けられている。
【００１７】
また、リード線２７ａ，２７ｂが接続された下部電極２３には、熱電素子２６が１個だけ接合され、それ以外の下部電極２３および上部電極には、２個の熱電素子２６の下端面または上端面が接合されている。また、この熱電モジュール２０では、リード線２７ａ，２７ｂが接続された下部電極２３が位置する下側絶縁基板２１および上側絶縁基板の角部には熱電素子２６が配置されてなく、熱電素子２６は、３１対で構成されている。
【００１８】
また、熱電モジュール２０の各部分の長さは、熱電モジュール１０の対応する各部分と同じ長さに設定されており、熱電モジュール２０は、縦横の長さが１２ｍｍで、高さが１．６５ｍｍに設定され、熱電素子２６は、上下の端面における縦横の幅がともに、０．８ｍｍで、高さが１ｍｍに設定されている。また、下側絶縁基板２１および上側絶縁基板は、アルミナからなる板で構成され、熱電素子２６は、直方体に形成されたビスマス・テルル系の合金で構成されている。
【００１９】
パワーサイクルテストは、図５に示すように、熱電モジュール１０（または２０）を、表面にグリスを塗布した銅製の台部２８上に設置し、台部２８の温度を加熱装置（図示せず）の加熱制御によって８０℃に保持した状態で行った。そして、その際、熱電モジュール１０，２０に、熱電モジュール１０，２０の最大電流である３アンペアの電流を、１．５分間流したのちに、４．５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の電気抵抗変化率を比較した。
【００２０】
その結果、熱電モジュール１０の電気抵抗変化率が、２．４％であったのに対し、熱電モジュール２０の電気抵抗変化率は、３．８％であった。この結果から、四隅のすべての部分に熱電素子１６を設けなかった熱電モジュール１０の方が、四隅の２個所の部分にだけ熱電素子２６を設けなかった熱電モジュール２０よりも耐久性が高いことがわかる。なお、熱電モジュール１０等の電気抵抗は、初期の段階から、使用や高温加熱等による劣化にしたがって高くなるように変化していく。したがって、長時間の使用によっても、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。
【００２１】
つぎに、熱電モジュール１０，２０の寸法を変更して、熱電モジュール１０，２０の縦横の長さを８ｍｍに、高さを１．６５ｍｍに設定し、熱電素子１６，２６の上下の端面における縦横の幅をともに、０．６ｍｍに、高さを０．８ｍｍに設定した。すなわち、熱電モジュール１０，２０の高さだけを、前述したパワーサイクルテストで使用した試験サンプルと同じに設定し、その他の部分の寸法は、すべて小さく設定した。そして、この両熱電モジュール１０，２０を試験サンプルとして前述したパワーサイクルテストを行った。
【００２２】
その結果、熱電モジュール１０の電気抵抗変化率が２．２％で、熱電モジュール２０の電気抵抗変化率が２．６％であった。この結果から、熱電モジュール１０の方が、比較例による熱電モジュール２０よりも耐久性が高いことがわかる。また、熱電モジュール１０，２０の寸法を小さくすることにより、ともに耐久性が向上することもわかる。
【００２３】
つぎに、熱電モジュール１０，２０の寸法をさらに変更して、熱電モジュール１０，２０の縦横の長さを８ｍｍに、高さを１．４ｍｍに設定し、熱電素子１６，２６の上下の端面における縦横の幅をともに、０．６ｍｍに、高さを０．６ｍｍに設定した。すなわち、前述した２回目のパワーサイクルテストで使用した試験サンプルよりも熱電モジュール１０，２０の高さと熱電素子１６，２６の高さを小さく設定し、その他の部分の寸法は、同じに設定した。そして、この熱電モジュール１０，２０を試験サンプルとして前述したパワーサイクルテストと同様のパワーサイクルテストを行った。
【００２４】
その結果、熱電モジュール１０の電気抵抗変化率が２．８％で、熱電モジュール２０の電気抵抗変化率が４．８％であった。この結果からも、熱電モジュール１０の方が、比較例による熱電モジュール２０よりも耐久性が高いことがわかる。また、熱電モジュール１０の厚みと熱電素子１６，２６の高さを小さく設定することにより、ともに耐久性が悪くなることがわかる。
【００２５】
このように、この実施形態にかかる熱電モジュール１０では、下側絶縁基板１１および上側絶縁基板１２の四隅のいずれの角部にも熱電素子１６を設けていない。したがって、熱電モジュール１０の中で最も熱応力により剥離や破壊が生じ易い四隅部分の熱電素子１６がなくなり、熱電モジュール１０の耐久性が向上する。すなわち、最も剥離や破壊が生じ易い熱電素子１６がなくなったため、つぎに剥離や破壊が生じ易い熱電素子１６によって熱電モジュール１０の耐久性がきまる。また、この熱電モジュール１０は、例えば、一辺の長さが１２ｍｍ以上の大型の熱電モジュール、あるいはモジュールの高さが１．４ｍｍ程度の薄型の熱電モジュールで、特に大きな効果を奏する。
【００２６】
図６は、本発明の他の実施形態による熱電モジュール３０の下側絶縁基板３１に取り付けられた下部電極３３と熱電素子３６とを上方から見た状態を示している。この熱電モジュール３０においては、下側絶縁基板３１の下部電極３３がすべて長方形に形成され、下側絶縁基板３１の四隅を除く部分に一定間隔で取り付けられている。そして、上側絶縁基板（図示せず）には、下部電極３３と同形の長方形の上部電極３４とＬ形の上部電極３５（ともに二点鎖線で図示）が一定間隔で設けられている。下部電極３３と、上部電極３４，３５とは、それぞれ熱電素子３６の略１個分に等しい距離をずらして取り付けられている。
【００２７】
また、リード線３７ａ，３７ｂが接続された下部電極３３には、熱電素子３６が１個だけ接合され、それ以外の下部電極３３および上部電極３４，３５には、２個の熱電素子３６の下端面または上端面が接合されている。また、この熱電モジュール３０では、下側絶縁基板３１および上側絶縁基板の四隅の部分に、それぞれ熱電素子３６を３個配置できるスペースに熱電素子３６が配置されてなく、熱電素子３６は、２６対で構成されている。
【００２８】
また、熱電モジュール３０は、縦横の長さが１２ｍｍで、高さが１．６５ｍｍに設定され、熱電素子３６は、上下の端面における縦横の幅がともに、０．８ｍｍで、高さが１ｍｍに設定されている。また、下側絶縁基板３１および上側絶縁基板は、窒化アルミからなる板で構成され、熱電素子３６は、ビスマス・テルル系の合金で構成されている。この熱電モジュール３０のそれ以外の部分の構成については、前述した熱電モジュール１０と同様である。
【００２９】
このように構成したため、さらに剥離や破壊が生じ易い熱電素子３６がなくなって、より熱電モジュール３０の耐久性が向上する。この熱電モジュール３０のそれ以外の作用効果については、前述した熱電モジュール１０と同様である。また、前述した各実施形態での基板は、アルミナや窒化アルミに限定されず、絶縁基板であれば、炭化珪素、窒化珪素、表面が絶縁処理されたアルミニウムなどの金属基板等で構成してもよい。
【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下側絶縁基板に下部電極と熱電素子を取り付けた状態を示す平面図である。
【図４】比較例による熱電モジュールの下側絶縁基板に下部電極と熱電素子を取り付けた状態を示す平面図である。
【図５】熱電モジュールを台部の上に乗せてパワーサイクルテストを行う状態を示す正面図である。
【図６】本発明の他の実施形態によるよる熱電モジュールの下側絶縁基板に下部電極と熱電素子を取り付けた状態を示す平面図である。
【符号の説明】
１０，３０…熱電モジュール、１１，３１…下側絶縁基板、１２…上側絶縁基板、１３，１４，３３…下部電極、１５，３４，３５…上部電極、１６，３６…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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