(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の内面と第１の外面を有する第１の支持基板と、前記第１の内面に対向する第２の内面と第２の外面を有する第２の支持基板と、前記第１の内面と前記第２の内面の間に設けられた複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子とを含み、前記第１の内面に形成された第１の接続電極と前記第２の内面に形成された第２の接続電極とによって前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子が交互に接続された熱電モジュールにおいて、
前記第１の内面と前記第２の内面の間に密閉空間を作るシール材を設け、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子のうちの少なくとも一部が前記密閉空間内に設けられており、
前記第１及び第２の支持基板は、略長方形であり、
前記第１及び第２の支持基板の長辺に対応して設けられた前記シール材の硬度が、短辺に対応して設けられた前記シール材の硬度より低いことを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】
前記密閉空間内の第１内面に、温度検出素子を設けた請求項１に記載の熱電モジュール。
【請求項３】
前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子の一部が、前記密閉空間内に配置された請求項１又は２に記載の熱電モジュール。
【請求項４】
前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子の全てが、前記密閉空間内に配置された請求項１又は２に記載の熱電モジュール。
【請求項５】
前記シール材は、前記密閉空間内に含まれるＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子のうち、最も外側に位置するＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子に接するように設けられた請求項３に記載の熱電モジュール。
【請求項６】
前記シール材は、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子のうち、最も外周に位置するＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子に接するように設けられている請求項５に記載の熱電モジュール。
【請求項７】
前記シール材は、隣り合うＰ型熱電素子間、Ｎ型熱電素子間、又はＰ型とＮ型熱電素子間を埋めるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱電モジュール。
【請求項８】
前記シール材は、最も外側に位置して隣り合うＰ型熱電素子間、Ｎ型熱電素子間、又は
Ｐ型とＮ型熱電素子間を埋めるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱電モジュール。
【請求項９】
前記シール材は、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子に接することなく離れて設けられた請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
【請求項１０】
前記シール材は、前記複数の熱電素子のうち、最も外周に位置する熱電素子より外側に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の熱電モジュール。
【請求項１１】
前記シール材の内側に、前記シール材に接して保護層が形成された請求項９に記載の熱電モジュール。
【請求項１２】
前記密閉空間内に、乾燥ガスが封入された請求項１乃至１１のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
【請求項１３】
前記密閉空間内は、減圧されていることを請求項１乃至１２のうちのいずれか１つに記載の熱電モジュール。
【請求項１４】
前記シール材が、硬化性樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至１３のうちのいずれか１つ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、空調機、冷温庫、半導体等の発熱体の冷却等に好適に使用される熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ペルチェ効果を利用した熱電素子は、電流を流すことにより一端が発熱するとともに他端が吸熱するため、冷却用の熱電素子として用いられている。特に、熱電モジュールとしてレーザーダイオードの温度制御、小型で構造が簡単でありフロンレスの冷却装置、冷蔵庫、恒温槽、光検出素子、半導体製造装置等の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等への幅広い利用が期待されている。
【０００３】
例えば、レーザーダイオードなどの電子部品は温度を調整して使用するため、レーザーダイオード付近の温度をサーミスタなどの温度検出素子で温度を検知して、それを熱電モジュールの電源へフィードバックさせて温度調整を行っている（例えば特許文献１参照）。また、冷蔵庫や恒温槽は庫内の温度を熱電対などの温度検出素子を用いて温度を検知して、それを熱電モジュールの電源にフィードバックさせて温度調整を行っている。具体的には、図２０に示すようにレーザーダイオード等の電子部品を被処理物として、それを冷却・温度制御するための熱電モジュールの上に配置して、熱電モジュールの発熱した熱を放熱するための熱交換器の上に上記熱電モジュールを配置する。そして被処理物の温度上昇を抑え、一定温度になるように制御したり、冷却したりするために熱電モジュールに電流を流して被処理物側を冷却する。その際に、熱電モジュールから発生する熱は熱交換器に水や空気などの流体を流して放熱させる。これらの熱電モジュールでは、被処理物側の温度が冷却しすぎると熱電モジュールに流している電流を抑えたり、熱電モジュールに逆向きに電流を流して発熱させたりして、温度調整を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−７８０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の装置では、温度検出素子が被処理物の温度を測定しており、熱電素子と被処理物の間には距離があるため、吸発熱部から温度検出素子に温度が伝わるまで時間差が生じていた。さらに、冷蔵庫などは空気が被処理物であるため、空気の温度伝達が遅く、時間差が大きくなっていた。そのため、熱電モジュールに取り付けられた熱交換器に流れる水や空気が停止した場合には、熱電素子の発熱によりモジュール全体の温度が急激に上昇してしまい、熱電素子が酸化したり、熱電素子と支持基板を接合している半田が溶融することがあった。このため、熱電モジュールの冷却性能が劣化したり、熱電素子が支持基板から外れて断線してしまうという問題があった。かかる場合、被処理物の温度を上昇してしまい、被処理物の性能を劣化させたり、被処理物に接続しているはんだや樹脂などにダメージを与えるという問題があった。
【０００６】
また、従来の熱電モジュールでは、熱電素子及びそれを接続する電極部分が結露した場合、電流リークが生じて破壊されることがあるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、耐久性の優れた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】
【０００８】
本発明に係る熱電モジュールは、第１の内面と第１の外面を有する第１の支持基板と、前記第１の内面に対向する第２の内面と第２の外面を有する第２の支持基板と、前記第１の内面と前記第２の内面の間に設けられた複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子とを含み、前記第１の内面に形成された第１の接続電極と前記第２の内面に形成された第２の接続電極とによって前記Ｐ型熱電素子と前記Ｎ型熱電素子が交互に接続された熱電モジュールにおいて、前記第１の内面と前記第２の内面の間に密閉空間を作るシール材を設け、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子のうちの少なくとも一部が前記密閉空間内に設けられており、前記第１及び第２の支持基板は、略長方形であり、前記第１及び第２の支持基板の長辺に対応して設けられた前記シール材の硬度が、短辺に対応して設けられた前記シール材の硬度より低いことを特徴とする。
【０００９】
前記熱電モジュールにおいて、前記密閉空間内の第１内面に温度検出素子を設けることが好ましい。
【００１０】
前記熱電モジュールにおいて、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子の一部が前記密閉空間内に配置されていてもよい。
【００１１】
前記熱電モジュールにおいて、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子の全てが、前記密閉空間内に配置されていることが好ましい。
【００１２】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材は、前記密閉空間内に含まれるＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子のうち、最も外側に位置するＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子に接するように設けられていてもよい。
【００１３】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材は、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子のうち、最も外周に位置するＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子に接するように設けられていてもよい。
【００１４】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材は、隣り合うＰ型熱電素子間、Ｎ型熱電素子間、又はＰ型とＮ型熱電素子間を埋めるように形成されていてもよい。
【００１５】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材は、最も外側に位置して隣り合うＰ型熱電素子間、Ｎ型熱電素子間、又はＰ型とＮ型熱電素子間を埋めるように形成されていてもよい。
【００１６】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材は、前記複数のＰ型熱電素子及び複数のＮ型熱電素子に接することなく離れて設けられていてもよい。
【００１７】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材は、前記複数の熱電素子のうち、最も外周に位置する熱電素子より外側に形成されていてもよい。
【００１８】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材の内側に、前記シール材に接して保護層が形成されていることが好ましい。
【００２２】
前記熱電モジュールにおいて、前記密閉空間内に、乾燥ガスが封入されていることが好ましい。
【００２３】
前記熱電モジュールにおいて、前記密閉空間内は減圧されていることが好ましい。
【００２４】
前記熱電モジュールにおいて、前記シール材は硬化性樹脂からなっていてもよい。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る熱電モジュールでは、熱電素子及びそれを接続する電極部分の結露を防止でき、熱電モジュールの劣化や故障を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施の形態１の熱電モジュールの概略構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１の熱電モジュールを第１の支持基板上から見た透視図であり、熱電素子と第１の支持基板に形成された構成要素を実線で示し、第１の支持基板に形成された構成要素を破線で示している。
【図３】図２における、Ａ−Ａ’線についての断面図である。
【図４】実施の形態１に係る第１の変形例の熱電モジュールの第１の支持基板上から見た透視図である。
【図５】図４における、Ｂ−Ｂ’線についての断面図（１）である。
【図６】図４における、Ｂ−Ｂ’線についての断面図（２）である。
【図７】実施の形態１に係る第２の変形例の熱電モジュールの第１の支持基板上から見た透視図である。
【図８】実施の形態１に係る第３の変形例の熱電モジュールの第１の支持基板上から見た透視図である。
【図９】実施の形態１に係る第４の変形例の熱電モジュールの構成を示す断面図である。
【図１０】本発明に係る実施の形態２の熱電モジュールを第１の支持基板上から見た透視図である。
【図１１】図１０における、Ｄ−Ｄ’線についての断面図（１）である。
【図１２】図１０における、Ｄ−Ｄ’線についての断面図（２）である。
【図１３】実施の形態２に係る第１の変形例の熱電モジュールを第１の支持基板上から見た透視図である。
【図１４】図１３における、Ｅ−Ｅ’線についての断面図（１）である。
【図１５】図１３における、Ｅ−Ｅ’線についての断面図（２）である。
【図１６】実施の形態２に係る第２の変形例の熱電モジュールを第１の支持基板上から見た透視図である。
【図１７】図１６における、Ｆ−Ｆ’線についての断面図である。
【図１８】実施の形態２に係る第３の変形例の熱電モジュールを第１の支持基板上から見た透視図である。
【図１９】図１６における、Ｇ−Ｇ’線についての断面図である。
【図２０】従来の熱電モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら本発明に係る実施の形態の熱電モジュールについて説明する
。尚、本明細書において、Ｎ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１を区別しないでいうときには、単に熱電素子という。また、第１の支持基板１３と第２の支持基板２３とを特に区別しないでいうときには、単に、支持基板という。
【００２８】
実施の形態１
実施の形態１の熱電モジュールは、複数の熱電素子と、熱電素子を電気的に連結する電極を備えた支持基板とを有してなり、複数の熱電素子と温度検出素子とを支持基板に取り付けたものである。すなわち、実施の形態１の熱電モジュールの基本構造は、図１に示すように、第１の支持基板１３と第２の支持基板２３の間に、Ｎ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１とが交互に配列されており、第１の支持基板１３の内面に形成された第１の接続電極１２と第２の支持基板２３の内面に形成された第２の接続電極２２によって隣接するＮ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１間が接続されている。そして、図１に示すように、第１の支持基板１３の内面に温度検出素子１４を設け、熱電モジュールにおけるＮ型熱電素子１１又はＰ型熱電素子２１の近傍の異常な温度変化を速やかに検出することができるようにしたことにより、熱電モジュールの劣化や故障を防ぐことができる。
【００２９】
尚、図１は、実施の形態１の基本構成を示す断面図であり、１５の符号を付して示す部分は、被処理物であり、１６の符号を付して示す部分は熱交換器である。また、１０の符号を付して示す部分は、２つの第１と第２の支持基板とＮ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１からなる吸発熱部である。
【００３０】
本発明に係る実施の形態１の熱電モジュールでは、対向するように設けられた第１の支持基板１３と、第２の支持基板２３の間に、Ｎ型熱電素子１３とＰ型熱電素子２３が隣接して配置されるように、複数のＮ型熱電素子１１及び複数のＰ型熱電素子２１が所定の配列で配置されている。そして、図２等に示すように、第１の支持基板１３の内面に形成された第１の接続電極１２によって隣接するＰ型熱電素子２１とＮ型熱電素子１１が接続され、第２の支持基板２３の内面に形成された第２の接続電極２２によって隣接するＮ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１が接続される。このようにして、実施の形態１の熱電モジュールでは、Ｎ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１が交互に接続された直列回路（Ｎ型熱電素子１１―第２の接続電極２２―Ｐ型熱電素子２１―第１の接続電極１２―Ｎ型熱電素子１１―第２の接続電極２２―Ｐ型熱電素子２１―第１の接続電極・・・・）が第１の支持基板１３と第２の支持基板２３の間に構成される。ここで、熱電素子と接続電極は、例えば、はんだで接合されている。
【００３１】
支持基板として対向して配置した第１と第２の支持基板１３、２３を用いているので、上下のどちらの支持基板にでも温度検出素子１４を取り付けることが可能になり、汎用性が広がる。さらには、熱交換器１６及び被処理物の取り付けが容易になるため、性能の信頼性が向上させることができるようになる。
【００３２】
以上のように構成された直列回路に電流を流すと、第１の接続電極１２及び第２の接続電極２２の一方は、Ｎ型熱電素子１１からＰ型熱電素子２１に電流が流れて冷却側となり、他方は、Ｐ型熱電素子２１からＮ型熱電素子１１に電流が流れて発熱側となる。
【００３３】
そして、実施の形態１の熱電モジュールでは、図２及び図３に示すように、第１の支持基板１３の内面において、第１の接続電極１２に近接して、配線パターン１７を形成して、温度検出素子１４を設けている。これにより、第１の支持基板１３の内面における温度変化が速やかに温度検出素子１４に伝達され、第１の支持基板１３の内面の異常な吸熱又は発熱現象が発生するとすぐに温度検出素子１４によって検出される。
【００３４】
尚、実施の形態１の熱電モジュールでは、温度検出素子１４及び配線パターン１７を被
覆材１９で覆って保護している。
【００３５】
以下、本実施の形態１の各構成要素について詳細に説明する。
＜熱電素子＞
本実施の形態１において、上述したように、第１の支持基板と第２の支持基板の間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子が交互に配置されている。熱電素子は、支持基板上において縦横に規則的に配列されていることが好ましい。例えば、第１の支持基板１３の上面から透視した平面図である図２等に示すように、碁盤の目状に、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子が交互に配置された縦の列および横の列がそれぞれ構成される。
＜支持基板＞
支持基板は、図１に示すように、対向して配置された一対の第１の支持基板１３と第２の支持基板２３で構成することが好ましいが、ひとつの支持基板で構成してもよく、その場合その１つの支持基板の接続電極を形成した面に温度検出素子を配置する。ひとつの支持基板とした場合、支持基板の反対側の熱電素子間は、銅チップ等を用いて接続する。
【００３６】
前記支持基板として、対向して配置された一対の支持基板を用いると、両方の支持基板に温度検出素子を設けることもでき、これにより、吸熱側及び発熱側に両方で異常な温度変化を検出できる。また、一対の支持基板を用いると、被処理物や熱交換器を固定するための、はんだやグリースがたれ込むことを防止することができる。
【００３７】
一対の支持基板を用いると、上述したように、一方が、通電時に低温となり、他方が通電時に高温となる。
【００３８】
通電時に低温となる方の支持基板に前記温度検出素子が取り付けられることにより、熱電素子近傍の温度をコントロールできるので、被処理物温度のオーバーシュートを抑えることができ、被処理物の耐久性が向上できると共に熱電モジュールの負荷を軽減できるために熱電モジュールの耐久性を向上させることができる。
【００３９】
また、逆に、通電時に高温となる方の支持基板に前記温度検出素子が取り付けられることにより、温度検出素子および該素子からの導電線の部分及びその周りの雰囲気が乾燥して結露し難くなるので短絡しにくくなり、配線部分の耐久性を向上させることができる。これにより、熱電モジュールの温度検出の信頼性を向上させることが可能になる。また、熱電モジュールが熱交換器を有している場合、熱交換器の水や空気が止まり、熱電モジュールが発熱してしまった場合、熱交換器が止まったことをすぐに検知できる。これにより、熱電モジュールの耐久性を上げることも可能である。
【００４０】
一対の支持基板面において、温度検出素子を取り付ける位置は、支持基板の裏面であってもよいが、このようにすると、熱交換器や被処理物を設置する際の接触が少なくなり、温度検出素子１４の性能低下が生じる。したがって、本発明では、対向する内面の少なくとも一方に温度検出素子が取り付けられていることが好ましく、これにより、組み立ての歩留まりを向上させることもできる。なお、内面とは、熱電素子が配置された支持基板の面のことをいい、裏面とは、熱電素子が配置されていない支持基板の面のことをいう。
【００４１】
支持基板の裏面に銅などのはんだに濡れる金属を配置すると、熱交換器１６や被処理物１５を支持基板にはんだ付けすることが可能になる。支持基板として、例えば、アルミナや窒化アルミなどのセラミック、エポキシ・ポリイミドなどの樹脂基板、またエポキシ・ポリイミドの樹脂にセラミックのフィラーを入れて熱伝導を向上させたものなどを用いることができる。
【００４２】
支持基板の周縁部は、図４及び図５に示すように、シール材２８によって塞がれている
ことが好ましい。そうすることで、熱電モジュール回路の結露を防止でき、その結果、熱電モジュールの電流のリークによる被処理物の破壊や漏電を防止することができる。シール材２８を設ける部分は、支持基板の周縁部に限られるものではなく、基板の外周であってもよい。
【００４３】
シール材２８として、低硬度の接着剤を用いることが好ましく、例えば、硬度が軟らかく弾性を有するシリコーン接着剤がより好ましい。シール材２８として低硬度の接着剤を用いると、高温側の支持基板と低温側の支持基板の間で発生する熱応力を緩和することができる。
【００４４】
シール材２８の塗布方法として、例えば、ディスペンサーなどを使用して適量の接着剤を塗布して側面をシールする方法があげられる。
【００４５】
シール材２８として、少なくとも硬度の異なる２種類以上のシール材を用いることが好ましい。このような少なくとも硬度の異なる２種類以上からなるシール材としては、低硬度のシール材と高硬度のシール材とからなることがより好ましい。ここで、低硬度のシール材としては、シリコーン系材料を主成分とするものが挙げられ、高硬度のシール材としては、エポキシ系材料を主成分とするものが挙げられる。
【００４６】
シール材をつける位置として、組み立て時にぶつけて破損し易かったり、熱電モジュールに給電するリード線をつける作業性を考慮して周縁部につけることが好ましい。上下の基板の端面を組み立て時にぶつけたりすると外周部のペルチェ素子が破損するおそれがあり、外周部につけることで、基板の強度を高めることができる。
またペルチェモジュールに給電用のリード線を設ける際に外周に設ける方が製造しやすい。外周に設ける際には、はんだごてが接触したり、はんだごての熱によりペルチェ素子に応力が発生するので、シール材をつけることで、強度を高めて応力による割れを防止することができる。
また、ペルチェは片面が冷却、片面が加熱されるため、熱膨張差により、基板を湾曲させるように熱応力が発生する。その熱応力による力は外周が最大となるが、支持基板に対して垂直に高硬度なシール材を設けて第１の支持基板と第２の支持基板とを外周部で連結すると、その外周部が固定された状態で変形しようとするために、素子が多く強度の強い基板中央部に最大応力箇所を移行して熱応力による力を分散させることができる。
【００４７】
前記周縁部をシール材２８により塞いだ支持基板間には、乾燥ガスが封入されていることが好ましい。そうすることにより、低い温度で使用するときでも、結露を防止できるようになるため温度検出の信頼性を向上できる。
【００４８】
また、前記周縁部をシール材２８により塞いだ支持基板間は、減圧されていることが好ましい。そうすることにより、真空断熱により、上下基板の温度対流を遮断できるため、熱電モジュールの冷却性能向上と長期信頼性が確保できる。
【００４９】
周縁部のシール材２８は、図５に示すように熱電素子から離れて形成されていてもよいし、図６に示すように、熱電素子に接して形成されていてもよい。
【００５０】
シール材２８が熱電素子から離れて形成されている場合、ペルチェ素子からシール材への熱引けを抑えることができるため、冷却性能低下及び精度低下を抑えることができる。
【００５１】
また、熱電素子に接して形成されている場合、シール部の強度を向上させることができるため、シール内外の気圧差によるシール部の破損を抑えることができる。
＜温度検出素子＞
温度検出素子としては、熱電対や抵抗測温体、サーミスタやサーモスイッチなどあげられるが、その中でもサーミスタは、温度により電気抵抗が変化する素子で配線等がないため取り扱いやすく、さらに、小型で熱容量も小さくできるため、吸熱量の小さい熱電モジュールで使っても、吸発熱性能に影響を与えることがない。したがって、温度検出素子としてサーミスタが最も好ましい。
【００５２】
図面において温度検出素子は１つしか描かれていないが、温度検出素子は、支持基板の内面に複数取り付けられていることが好ましい。そうすることにより、平均的な温度を測定できるようになる。また、温度検出素子は、とくに、同じ支持基板において複数取り付けられていることが好ましい。そうすることにより、１つの温度検出素子が故障しても他の温度検出素子により正常に温度検出が可能になる。
【００５３】
複数の熱電素子が支持基板に縦横に規則的に配列されている場合、温度検出素子１４は、図７に示すように、少なくとも２つの熱電素子に隣り合うように配置されることが好ましい。そのように配置されることで、より熱電素子に近い位置で温度を検出することができ、より速やかに異常な温度変化を検出でき、また、周縁部の熱電素子によって風の流れなどの雰囲気の影響を受け難くなるので、常に正確な温度測定が可能とできるようになる。ここで、温度検出素子が少なくとも２つの熱電素子に隣り合うように配置されるとは、温度検出素子が熱電素子と熱電素子の間に挟まれて配置されること、また、支持基板上における複数の熱電素子による縦横の規則的な配列のうち、該配列の隅角に温度検出素子が配置されることをいう。
【００５４】
また、複数の熱電素子が支持基板に縦横に規則的に配列されている場合、温度検出素子は、図７に示すように、少なくとも三方が熱電素子により囲まれた位置に配置されることがより好ましく、よりいっそう好ましくは、４に示すように四方が熱電素子により囲まれた位置に配置する。このように、温度検出素子を熱電素子により囲まれた位置に配置されることにより、雰囲気の影響が更に小さくでき、更に正確な温度測定が可能になる。
【００５５】
図７に示す具体例では、熱電素子の配置に対応して規則的（マトリクス状）に形成された第１の接続電極２１のうち、最も外側にある１つの第１の接続電極２１を形成しないようにして、その位置に温度検出素子１４を設けるようにしている。この際、温度検出素子１４の両側に位置するＮ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１は、第２の支持基板に形成された接続電極２２ａによって接続される。
【００５６】
図８に示す具体例では、熱電素子の配置に対応して規則的（マトリクス状）に形成された第１の接続電極２１のうち、最も外側を除く内側にある１つの第１の接続電極２１を形成しないようにして、その位置に温度検出素子１４を設けている。この際、温度検出素子１４の両側に位置するＮ型熱電素子１１とＰ型熱電素子２１は、第２の支持基板に形成された接続電極２２ｂによって接続される。
【００５７】
ここで、図７及び図８では、シール材２８を形成した構成において、温度検出素子１４を三方又は四方を熱電素子により囲まれた位置に配置した例を示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、シール材２８を備えていない構成において、温度検出素子１４を三方又は四方を熱電素子に囲まれた位置に配置しても同様の効果が得られる。尚、シール材２８を形成した構成において温度検出素子１４を三方又は四方を熱電素子に囲まれた位置でかつシール材２８の内部に配置すると、図７及び図８に示すように、温度検出素子１４を被覆材よって覆うことなく、温度検出素子１４を保護することができる。
【００５８】
このように、図７や図８のように、温度検出素子を熱電素子により囲まれた位置に配置し、さらに、支持基板の周縁部をシール材により塞ぐことにより、熱電モジュールの電極
及び熱電素子の結露を防止できて熱電モジュールの電流のリークを防止すると同時に結露による温度検出素子及び配線パターンのショートを防ぐことが可能になるので温度検出の信頼性も向上させることができる。
＜配線パターン＞
配線パターン１７は、図２〜４のように温度検出素子に接続されるものである。
【００５９】
配線パターン１７は、支持基板の表面に形成されていることが好ましい。支持基板表面に熱電素子の電極を形成するエッチング工程で、前記配線パターンを同時に形成することにより工程を簡略化でき、温度検出素子の取り付けを非常に容易にすることが可能となる。
【００６０】
例えば、図２において、温度検出素子１４は、第１の支持基板１３の内面に形成された配線パターン１７上の温度検出素子配置部にはんだや導電性接着剤で接続される。温度検出素子１４の末端部分には電気給電部があり、この電気給電部にリード線が接合されるが、このようにリード線と温度検出素子１４の位置を離すことにより、リード線を介する熱引けが小さくなり、測温のばらつきを小さくすることができる。
【００６１】
図２及び図３に示すように、シール材２８の外側にある温度検出素子１４及び配線パターン１７は、絶縁性および耐湿性を有する被覆材１９により被覆されていることが好ましい。絶縁性および耐湿性を有する被覆材料として、エポキシ樹脂やシリコーン樹脂、アクリル樹脂等があげられる。絶縁性および耐湿性を有する材料による被覆は、図２に示すように、配線パターンのうち支持基板から露出している箇所を覆うことをいう。
【００６２】
また、温度検出素子がサーミスタやサーモスイッチなどの場合は支持基板に配置された配線パターンと温度検出素子とを電気的な接続する必要がある。その電気接続部には、はんだや導電性接着剤を用いることができる。その接続部分も配線パターン及び温度検出素子を被覆材１９で被覆する際に同時に被覆する。例えば、図１の場合には、電気接続部は温度検出素子１４と支持基板３との界面にある。
【００６３】
被覆材により配線パターンが被覆されることにより、結露による温度検出素子２４及び配線パターンのショートを防ぐことができ、温度検出差素子１４の正しい抵抗値が検出できるので、正確な温度を検出できる。結露すると正しく温度測定ができなくなるのは、温度検出素子２４及び配線パターンに結露による水が付着するとサーミスタなどの抵抗を正しく測定できないなるためである。
【００６４】
被覆材料による配線パターンの被覆方法として、温度検出素子２４を接続した後に接着性を有する樹脂をディスペンサーなどで塗布して樹脂を硬化させること方法などがあげられる。
【００６５】
前記被覆は、配線パターンのみならず、温度検出素子に対してもおこなうことが好ましい。
【００６６】
本発明の熱電モジュールは、前記熱電素子、支持基板、温度検出素子および配線パターンのほかに、一対の支持基板のうちの少なくとも一方の外面に、流体を所定方向に流すことにより熱交換を行う熱交換器が取り付けられていることが好ましい。
【００６７】
図１には、吸発熱部１０の第２の支持基板２３の外面に、熱交換器１６を設けた例を示している。また、本発明において、温度検出素子１４は、流体の出口側に取り付けられていることが好ましい。
【００６８】
熱電素子の異常発熱は流体の温度にも現れるため、このように、出口側に温度検出素子１４を取り付けると、温度検知精度を向上させることができる。
【００６９】
例えば、熱電モジュールの片側又は両側に熱交換フィンを取り付け、側面より空気を流して空気を冷却するシステムにおいて、支持基板の流体の出口側に対応する位置に温度検出素子を取り付けることで冷却した空気の温度検知精度を向上させることができる。
＜熱交換器＞
本発明の好ましい例では、前記一対の支持基板のうちの少なくとも一方の外面側には、例えば、冷媒となる流体が流れる流路を有し、流体を所定方向に流して熱交換を行うための熱交換器が取り付けられている。
【００７０】
このように、熱交換器は、一対の支持基板のうちの少なくとも一方に具えられるものであり、水や空気などの媒体で熱電モジュールの発熱分を放熱して熱電モジュールの片方の支持基板１３温度を一定に保つはたらきをする。この熱交換器としては、銅やアルミなどの高熱伝導の金属の中に流路を設けて、そこへ水などの冷媒を流して放熱するものと、銅やアルミなどの高熱伝導の金属を蛇腹のように折り曲げたり、複雑なリブを設けて、そこへ空気などの気体を吹き付けて放熱させるものがある。
【００７１】
一対の支持基板のうちの一方に熱交換器が設けられた場合、図１に示すように、他方の支持基板に、冷却又は温度コントロールされるべき被処理物１５が設けられる。
【００７２】
また、図９に示すように、本発明では、一対の支持基板の両側に熱交換器を設けることもできる。具体的には、熱電モジュールの両側に熱交換器として、例えば、波形のフィンを取り付け、側面から空気を流しつつ熱電モジュールに通電すると片面に冷たい風、片面に暖かい風が発生する。この冷たい風を利用して冷却するシステムにおいて、支持基板５３の流体の出口側に温度検出素子１４を取り付けると、冷却された風の温度を正確に測定できるので、風の温度コントロールが容易になる。また、熱電素子により外部環境の影響をうけにくくなるので、外気温の影響を受けることなく、冷却した空気のみに基づく温度を検知できる。
【００７３】
以上のように、実施の形態１の熱電モジュールは、少なくとも一方の支持基板の熱電素子が取り付けられる面に、温度検出素子１４を取り付けて、熱電素子の異常発熱や異常吸熱を速やかに検出して異常に対処できるようにして、耐久性を向上させている。
【００７４】
しかしながら、本発明では、以下の実施の形態で説明するようにして耐久性を向上させるようにしてもよい。
【００７５】
実施の形態２
本発明に係る実施の形態２の熱電モジュールは、図１０に示すように、温度検出素子を取り付けることなく、支持基板の周りをシール材２８によって塞ぐことにより耐久性を高めたものである。すなわち、図１０に示す熱電モジュールでは、支持基板の周りをシール材２８によって塞ぐことにより熱電モジュール回路の結露を防止して、熱電モジュールの電流のリークによる破壊や漏電を防止することができる。尚、本発明では、シール材２８を設ける部分は、支持基板の周縁部に限られるものではなく、基板の外周であってもよいし、詳細後述するように、熱電素子の一部を密封するように形成してもよい。
【００７６】
シール材２８として、低硬度の接着剤を用いることが好ましく、例えば、硬度が軟らく弾性を有するシリコーン接着剤がより好ましい。シール材２８として低硬度の接着剤を用いると、高温側の支持基板と低温側の支持基板の間で発生する熱応力を緩和することができる。
【００７７】
シール材２８の塗布方法として、例えば、ディスペンサーなどを使用して適量の接着剤を塗布して側面をシールする方法があげられる。
【００７８】
シール材２８として、少なくとも硬度の異なる２種類以上のシール材を用いることが好ましい。この硬度の異なる２種類以上からなるシール材としては、低硬度のシール材と高硬度のシール材とからなることがより好ましい。ここで、低硬度のシール材としては、シリコーン系材料を主成分とするものが挙げられ、高硬度のシール材としては、エポキシ系材料を主成分とするものが挙げられる。
【００７９】
なお、上記硬度は、シヨア硬度を指すものであり、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３に基づいてデュロメータ硬さ試験機を用いて、所定形状の押針を一定荷重によるバネの力で樹脂に押し付けた時の押針の押込み深さから算出する。
【００８０】
本実施の形態２において、周縁部をシール材２８により塞いだ支持基板間の密閉空間には、乾燥ガスが封入されていることが好ましい。そうすることにより、低い温度で使用するときでも、結露を防止できるようになるため温度検出の信頼性を向上できる。
【００８１】
また、シール材２８により塞いだ支持基板間の密閉空間は、減圧されていることが好ましい。そうすることにより、真空断熱により、上下基板の温度対流を遮断できるため、熱電モジュールの冷却性能向上と長期信頼性が確保できる。
【００８２】
周縁部のシール材２８は、図１１に示すように熱電素子から離れて形成されていてもよいし、熱電素子に接して形成されていてもよい。
【００８３】
また、本発明では、図１２に示すように、シール材２８の内側にシール材を保護する保護層２９を形成することが好ましい。
【００８４】
これにより、シール材と素子との接触を抑えることにより素子から熱引けの精度劣化を抑えることができる。また、保護層によりシール材の強度が向上するため、シール内外の気圧差によるシール部の破損を抑えることができる。
【００８５】
また、本発明では、複数のＰ型熱電素子と複数のＮ型熱電素子の一部が、シール材２８によって構成された密閉空間内に配置されるようにしてもよい。図１３には、その一例として、最も外側に設けられた熱電素子を除いた内側の熱電素子が、密閉空間内に配置されるようにシール材２８を設けている。
【００８６】
このようにすると、温度検出したい場所を素子の中央部に限定したい場合に有効となる。特に、温度検出素子を中に含んでいる場合はサーミスタ等の素子を重点的に抑えて、シール材への熱引けを最小限にすることができる。
【００８７】
尚、図１３に示す例では、図１４（図１３におけるＥ−Ｅ’線についての断面図）に示すように、シール材２８を熱電素子に接することがないように設けているが、本発明はこれに限られるものではなく、シール材２８を熱電素子に接するように設けてもよい。
【００８８】
その際、シール材２８は内側にある熱電素子に接するように形成してもよいし、外側の熱電素子に接するように形成してもよい。さらに、シール材２８は内側にある熱電素子と外側にある熱電素子の両方に接するように形成してもよい。
【００８９】
また、本発明では、図１５に示すように、シール材２８の内側及び／又は外側に、保護
層２９を形成するようにしてもよい。
【００９０】
さらに、本発明の熱電モジュールにおいて、シール材２８は、隣り合うＰ型熱電素子間、Ｎ型熱電素子間、又はＰ型とＮ型熱電素子間を埋めるように形成されていてもよい。
【００９１】
図１６及び図１６の断面図である図１７には、その一例として、最も外側に位置して隣り合うＰ型とＮ型熱電素子間を埋めるようにシール材２８を形成した熱電モジュールを示している。
【００９２】
また、図１８及び図１８の断面図である図１９には、他の例として、内側の熱電素子間（Ｐ型とＮ型熱電素子間）を埋めるようにシール材２８を形成した熱電モジュールを示している。尚、図１８に示す熱電モジュールでは、外側から２番目に位置して隣り合うＰ型とＮ型熱電素子間を埋めるようにシール材２８を形成しているが、さらに内側ある熱電素子間にシール材２８を形成するようにしてもよい。
【００９３】
また、図１６又は図１８に示す熱電素子において、シール材２８として、硬度の異なる２以上のシール材を用いる。
【００９４】
さらに、図１６又は図１８に示す熱電モジュールにおいて、シール材２８として、支持基板の辺に対応して硬度が異なる樹脂を用いてもよい。
【００９５】
また、第１及び第２の支持基板が略長方形である熱電モジュールでは、第１及び第２の支持基板の長辺に対応して設けられたシール材の硬度が、短辺に対応して設けられたシール材の硬度より低い。
【００９６】
さらに、図１６又は図１８に示す熱電モジュールにおいても、密閉空間内に乾燥ガスが封入されるか、または密閉空間内が減圧されていることが好ましい。
【実施例】
【００９７】
実施例にもとづいて本発明を説明するが、本発明は該実施例に限定されるものではない。
【００９８】
以下に、実施例において使用したＮｏ．１〜１０の支持基板についての説明を行う。
（Ｎｏ．１〜１０の支持基板）
Ｎｏ．１の支持基板は従来例であり、高温側及び低温側の支持基板の主面には熱電モジュールの電極のみが設けられている。
【００９９】
Ｎｏ．２の支持基板において、高温側となる第１の支持基板１３の主面（内面）には、熱電モジュールの第１の接続電極１２、その電極の１つに近接するサーミスタ配置部（図２等参照）、およびサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられており、低温側の第２の支持基板２３の主面（内面）には熱電モジュールの第２の接続電極２２が設けられている。
【０１００】
Ｎｏ．３の支持基板において、高温側となる第２の支持基板２３の主面（内面）には、熱電モジュールの第２の接続電極２２が設けられており、低温側となる第１の支持基板１３の主面（内面）には、熱電モジュールの第１の接続電極１２、第１の接続電極１２の１つに近接するサーミスタ配置部（図２参照）、およびサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられている。
【０１０１】
Ｎｏ．４の支持基板において、高温側となる第２の支持基板の主面には、熱電モジュー
ルの電極が設けられており、低温側となる第１の支持基板の主面には、熱電モジュールの電極が設けられ、支持基板の裏面には、サーミスタ配置部及びサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられている。
【０１０２】
Ｎｏ．５の支持基板において、高温側となる第１の支持基板１３の主面（内面）には、熱電モジュールの第１の接続電極１２、その第１の接続電極１２の１つと近接するサーミスタ配置部（図２参照）、およびサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられており、低温側となる第２の支持基板の主面（内面）にも熱電モジュールの第２の接続電極２２、その第２の接続電極のうちの１つに近接するサーミスタ配置部、およびサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられている。
【０１０３】
Ｎｏ．６の支持基板において、高温側となる第２の支持基板２３の主面には、熱電モジュールの第２の接続電極が設けられており、低温側となる第１の支持基板１３の主面には、熱電モジュールの第１の接続電極、およびその第１の接続電極のうちの１つに近接するサーミスタ配置部が設けられている。
【０１０４】
Ｎｏ．７の支持基板において、高温側となる第２の支持基板２３の主面には、熱電モジュールの第２の接続電極２２が設けられており、低温側となる第１の支持基板１３の主面には、熱電モジュールの第１の接続電極、およびその第１の接続電極のうちの１つに近接する熱電対配置部が設けられている。
【０１０５】
Ｎｏ．８の支持基板において、高温側となる第２の支持基板２３の主面には、熱電モジュールの第２の接続電極２２が設けられており、低温側となる第１の支持基板１３の主面には、熱電モジュールの第１の接続電極１２、その第１の接続電極のうちの２つに近接するサーミスタ配置部、およびサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられている。
【０１０６】
Ｎｏ．９の支持基板において、高温側となる第２の支持基板２３の主面には、熱電モジュールの第２の接続電極が設けられており、低温側の第１となる支持基板の主面には、熱電モジュールの第１の接続電極、その第１の接続電極のうちの３つに近接するサーミスタ配置部（図７参照）、およびサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられている。
【０１０７】
Ｎｏ．１０の支持基板において、高温側となる第２の支持基板の主面には、熱電モジュールの第２の接続電極が設けられており、低温側となる第１の支持基板の主面には、熱電モジュールの第１の接続電極、その第１の接続電極のうちの４つに近接するサーミスタ配置部（図８参照）、およびサーミスタ配置部に連結する配線パターンが設けられている。（Ｎｏ．１〜１０の熱電モジュールの作製）
上記したＮｏ．１〜１０の支持基板を用いて、Ｎｏ．１〜１０の熱電モジュールを作製した。
【０１０８】
まず、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、ならびに、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、断面が一辺１．６ｍｍ正方形の棒状のＮ型熱電材料及びＰ型熱電材料を準備した。それらの側面に、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のち、ワイヤーソーにて１．４ｍｍ幅で切断し、Ｎ型熱電素子及びＰ型熱電素子を得た。得られたＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子に電解メッキで切断面のみにニッケル層を形成し、その上にＡｕ層を配設し、レジストを溶解液で剥離してＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を得た。
【０１０９】
高温側支持基板と低温側支持基板の電極及びサーミスタの配置部に、メタルマスクを用いて９５Ｓｎ−５Ｓbの半田ペーストを塗布した。この半田ペースト上に、Ｎ型熱電素子
及びＰ型熱電素子が電気的に直列になるようにパーツフィーダーを使用して各熱電素子を配設した。また、サーミスタ配置部にはパーツフィーダーを使用してサーミスタを配置した。
【０１１０】
上記のように配列させたＮ型熱電素子とＰ型熱電素子を２枚の支持基板で挟み込むようにし、上下面に圧力をかけながらリフロー炉で加熱処理した。この熱電素子と支持基板が接合されたモジュールを洗浄液に浸積して熱電素子及び支持基板に付着しているはんだペーストに含まれていたフラックスを洗浄した。その後、熱電素子の周縁部全面に対して、シリコーン樹脂によるシールを行い、熱電モジュールに電流を流すためのリード線及びサーミスタと電気的な接続をとるためのリード線を取り付け、Ｎｏ．１〜１０の熱電モジュールを作製した。なお、Ｎｏ．１〜１０の熱電モジュールにおいて、温度検出素子は直方体状のものを用いた。
【０１１１】
上記モジュールを用いて以下の手順にしたがってテスト１および２を行った。
（テスト１）
まず、評価ケースの中に熱交換器を配置して、両面に熱伝導グリースを塗布した熱電モジュールを準備し、その熱電モジュールの高温側の支持基板に、熱伝導グリースを用いて熱交換器を取り付けた。また、低温側の支持基板に、熱伝導グリースを用いて、被処理物として熱電モジュールと同じ大きさで厚みが５ｍｍのアルミ製の金属ブロックを配置した。前記熱交換器は内部に水が流れる流路が設けてあり、その流路に２５℃の水を流すことによって熱電モジュールの高温側の支持基板を一定温度に維持するものである。上記評価ケースを閉じて窒素ガスをフローして評価ケース内が結露しない環境にして、熱電モジュールのＩｍａｘの電流を流して、被処理物の冷却を行った。なお、従来例であるＮｏ．１では、被処理物の上にサーミスタを接着剤で固定し、そのサーミスタの温度を測定し、Ｎｏ．２〜１０では、支持基板に取り付けたサーミスタや熱電対の温度検出素子で支持基板の温度を測定した。
【０１１２】
これらの温度検出素子で測定した温度が、Ｉｍａｘを流して冷却していた温度より３０℃高くなった場合に熱電モジュールの電流が遮断されるように安全回路を設定しておき、熱電モジュールが取り付けられている熱交換器の水を遮断した時に安全回路で熱電モジュールの電流を遮断するテストを行った。そして、熱電モジュールの初期抵抗値を測定しておき、上記テストを１０回繰り返した後の熱電モジュールの抵抗値を測定してそのテスト前後の抵抗変化率を求めた。抵抗変化率の合格の上限を０．５％以内と設定して、本発明の熱電モジュールの有効性を確認した。試料は各５個使用して結果はそれらの平均値で評価を行った。表１の「テスト１での抵抗変化率」に結果を示す。
（テスト２）
テスト２として、テスト１と同じくＮｏ．１〜１０のモジュールをもちいて評価ケースの中に熱交換器を配置して、両面に熱伝導グリースを塗布した熱電モジュールを準備し、その熱電モジュールの高温側の支持基板を熱交換器に熱伝導グリースを用いて取り付け、低温側の支持基板側に被処理物として、熱電モジュールと同じ大きさで厚みが５ｍｍのアルミ製の金属ブロックを、熱伝導グリースを用いて配置した。その被処理物の上にサーミスタを接着剤で固定して被処理物の温度を測定できるようにした。この熱交換器は内部に水が流れる流路が設けてあり、その流路に２５℃の水を流すことによって熱電モジュールの高温側の支持基板を一定温度に保つようになっている。上記評価ケースを閉じて窒素ガスをフローして評価ケース内が結露しない環境にして、被処理物の温度が−３０℃になるように被処理物側に設けたサーミスタの温度で熱電モジュールの制御を行い、−３０℃を約１分間キープして、１分間電流をＯＦＦする通電試験を１００００サイクル行った。支持基板側に温度検出素子を設けた本発明品は被処理物の温度を検出すると同時に基板側に
配置した温度検出素子の温度も電源にフィードバックさせて、被処理物の温度のオーバーシュートをできるだけ少なくなるような制御を行った。熱電モジュールの初期抵抗値を測定しておき、上記テストを１００００サイクル行った後の熱電モジュールの抵抗値を測定してそのテスト前後の抵抗変化率を求めた。抵抗変化率の合格の上限を０．６％以内と設定して、本発明の熱電モジュールの有効性を確認した。試料は各５個使用して結果はその平均値で評価を行った。表１の「テスト２での抵抗変化率」に結果を示す。
【０１１３】
また、上記評価で設定値−３０℃のオーバーシュート分を測定ばらつきとして、基板に設けた温度検出素子の温度検出精度を比較した。結果は表１の「テスト２での測定温度の（測温）ばらつき」に示す。
【０１１４】
【表１】
0005312565.tif 000002
【０１１５】
（テスト１および２の試験結果）
表１において、被処理物に温度検出素子を設けた従来例のＮｏ．１の抵抗変化率（テスト１）は２０％と大きいものであるのに対して、支持基板の内面に温度検出素子を配置した本発明品の試料であるＮｏ．２、３、５〜１０の抵抗変化率（テスト１）は０．５％以下と良好なものであった。これは、本発明の温度検出素子の温度検知速度が速いためであると推測される。
【０１１６】
また、同様に表１において、Ｎｏ．１の抵抗変化率（テスト２）は１０％と大きいものであるのに対して、支持基板の内面に温度検出素子を配置した本発明品の試料であるＮｏ．２、３、５〜１０（テスト２）は０．６％以下と良好であった。これは、支持基板に配置している温度検出素子からの温度を熱電モジュールの制御にフィードバックさせることにより、設定温度を越えるオーバーシュートが小さくなるため、熱電モジュールの負荷が小さくなるためであると推測される。
【０１１７】
支持基板の裏面にサーミスタを配置したＮｏ．４と主面に配置したＮｏ．３とを比較すると、主面に配置したＮｏ．３の方がテスト１及びテスト２の抵抗変化率において小さくなっている。これは裏面にサーミスタを配置したＮｏ．４の熱電モジュールの中に、被処理物との組み付け時の接触によりサーミスタが少し破損したものが含まれており、５個の試料の中の結果がばらついていたため、平均の抵抗変化率が悪くなっていたものと推測される。それに対して主面にサーミスタを付けたものはサーミスタに全く破損がなかったため、全てが正常に機能していた。その結果、５個の試料のほとんどが０．２％前後であり良好な結果を示していた。
【０１１８】
高温側の支持基板の主面にサーミスタを配置したＮｏ．２と低温側の支持基板の主面に配置したＮｏ．３を比較すると、テスト２において、低温側に配置したＮｏ．３の方が、小さな抵抗変化率を示すものであった。これは被処理物を急激に冷やす際に被処理物の手前の温度を測定して熱電モジュールの電源にフィードバックをかけるため、熱電モジュールに対する負荷が小さくなるため、抵抗変化率が小さくなっていると思われる。しかし、
テスト１においては、高温側にサーミスタを配置したＮｏ．２の方が、わずかに小さな抵抗変化率を示しており、これは熱交換器に近いため、温度検知速度が最も早かったためと考えられる。
【０１１９】
両側の支持基板にサーミスタを設けたＮｏ．５では、テスト１の抵抗変化率もテスト２の抵抗変化率も小さい結果となっている。
【０１２０】
熱電素子と１面近接するサーミスタ配置部のＮｏ．３、熱電素子と２面近接するサーミスタ配置部のＮｏ．８、熱電素子と３面近接するサーミスタ配置部のＮｏ．９、および熱電素子と４面近接するサーミスタ配置部のＮｏ．１０を比較すると、熱電素子と近接する面が増加するにしたがい、テスト２の抵抗変化率が小さくなっている。これは測温ばらつきの結果と一致しており、これにより熱電素子に囲まれている面が多い方が周縁部の温度の影響を受けないため、温度検出精度が向上する。なお、前記のように熱電子素子と温度検出素子とが１面で近接するとは直方体の４つの側面のうちの１側面と向かい合っていることをいい、熱電子素子と温度検出素子とが２面で近接するとは直方体の４つの側面のうちの２側面と向かい合っていることをいい、熱電子素子と温度検出素子とが３面で近接するとは直方体の４つの側面のうちの３側面と向かい合っていることをいい、熱電子素子と温度検出素子とが４面で近接するとは直方体の４つの側面のうちの４側面全てと向かい合っていることをいう。
【０１２１】
温度検出素子にサーミスタを使用したＮｏ．６と温度検出素子に熱電対を使用したＮｏ．７とを比較すると、サーミスタを使用したＮｏ．６の方が、テスト１及び２の両方において良好な結果を示すものであった。これは熱電対では、熱引けが大きく、周縁部の温度の影響を受けやすいためであるのに対して、サーミスタは小型で熱容量が小さいため、温度の安定に優れていると考えられる。
【０１２２】
サーミスタの配線パターンを設けたＮｏ．３と、配線パターンを設けていないＮｏ．６とを比較すると、Ｎｏ．３の方が、テスト１及び２において良好な結果が得られており、この理由としても、サーミスタとサーミスタに電気的な接続をとるリード線の位置を離すことにより、リード線の熱引けが小さくなるためと考えられる。
【０１２３】
以上のように、本発明の熱電モジュールを使用することで熱電モジュールの耐久性及び測温精度を向上させることができる。
（Ｎｏ．１１〜１７の熱電モジュールの作製）
上記Ｎｏ．３で用いた支持基板（図２参照）を用いてＮｏ．１１〜１３の試料を作製し、また、Ｎｏ．１０で用いた支持基板（図８参照）を用いて、Ｎｏ．１４〜１７の試料を作製した。なお、（Ｎｏ．１〜１０の熱電モジュールの作製）で説明した作製方法とは、前記実施例と接合にてモジュールを作製して洗浄を行う工程までの作製方法と同じであり、サーミスタの被覆及び外周シール方法が以下のように個々の試料で異なる。
【０１２４】
Ｎｏ．１１では、素子周縁部のシール材はなく、サーミスタ及びサーミスタの配線パターン上にも絶縁被覆を行っていないものとした。
【０１２５】
Ｎｏ．１２では、素子周縁部のシールはなく、サーミスタ及びサーミスタの配線パターン上にエポキシ系の紫外線硬化接着剤をディスペンサーを用いて塗布して、紫外線硬化を行い、絶縁被覆を行ったものとした。
【０１２６】
Ｎｏ．１３では、素子周縁部のシール材は、湿度４０〜６０％の大気中でディスペンサーを用いてシリコーン樹脂を素子周縁部全面に塗布して室温で硬化させて作製し、サーミスタ及びサーミスタの配線パターン上にエポキシ系の紫外線硬化接着剤をディスペンサー
を用いて塗布して、紫外線硬化を行い、絶縁被覆を行ったものとした。
【０１２７】
Ｎｏ．１４では、素子周縁部のシールは湿度４０〜６０％の大気中でディスペンサーを用いてシリコーン樹脂を塗布して室温で硬化させて作製した。
【０１２８】
Ｎｏ．１５では、素子周縁部のシールはディスペンサーを用いてシリコーン樹脂を塗布して室温硬化させた後、前記シリコーン樹脂に小さな管を入れてそれを用いて露点−４０℃の乾燥空気をシール内部にフローさせて、再度シリコーン接着剤でシールして作製した。
【０１２９】
Ｎｏ．１６では、素子周縁部のシールはディスペンサーを用いてシリコーン樹脂を塗布して室温硬化させた後、前記シリコーン樹脂に小さな管を入れてそれを用いてそこから真空引きを行い、前記小さな管の周辺に粘度が高いシリコーン接着剤を塗布した後にゆっくり引き抜くことで管の周辺部のシリコーン樹脂が管の開けた穴に入りシールを行い作製した。
【０１３０】
Ｎｏ．１７では、素子周縁部のシールは対向する２面を熱硬化性のエポキシ接着剤をディスペンサーで塗布して１２０℃の温度で熱硬化させ、残りの２面を湿度４０〜６０％の大気中でディスペンサーを用いてシリコーン樹脂を塗布して室温で硬化させて作製した。
【０１３１】
以上のように、上記Ｎｏ．１１〜１７までの熱電モジュールに電流を流すためのリード線及びサーミスタと電気的な接続をとるためのリード線を取り付け、熱電モジュールを作製した。
【０１３２】
上記モジュールを用いて以下の手順にしたがってテスト３を行った。
（テスト３）
評価ケースの中に熱交換器を配置して、両面に熱伝導グリースを塗布した熱電モジュールを準備し、その熱電モジュールの高温側の支持基板を熱交換器に熱伝導グリースを用いて取り付け、低温側の支持基板側に被処理物として熱電モジュールと同じ大きさで厚みが５ｍｍのアルミ製の金属ブロックを、熱伝導グリースを用いて配置した。その被処理物の上にサーミスタを接着剤で固定して被処理物の温度を測定できるようにした。この熱交換器は内部に水が流れる流路が設けてあり、その流路に２５℃の水を流すことによって熱電モジュールの高温側の支持基板を一定温度に保つようになっている。上記評価ケースを閉じて、湿度３０〜６０％の大気中で評価ケース内を故意に結露する環境にして、被処理物の温度が−３０℃になるように被処理物側に設けたサーミスタの温度で熱電モジュールの制御を行い、−３０℃を約１分間キープして、１分間電流をＯＦＦする通電試験を１００００サイクル行った。支持基板側に温度検出素子を設けた本発明品は、被処理物の温度を検出すると同時に基板側に配置した温度検出素子の温度も電源にフィードバックさせて、被処理物の温度のオーバーシュートをできるだけ少なくなるような制御を行った。熱電モジュールの初期抵抗値を測定しておき、上記テストを１００００サイクル行った後の熱電モジュールの抵抗値を測定してそのテスト前後の抵抗変化率を求めた。試料は各５個使用し、結果はその平均値で評価を行った。表２の「テスト３での抵抗変化率」に結果を示す。
【０１３３】
また、上記評価で、設定値−３０℃のオーバーシュート分を測定ばらつきとして、基板に設けた温度検出素子の温度検出精度を比較した。結果は表２の「テスト３での測温ばらつき」に示す。
【０１３４】
さらに、このテストでの熱電モジュールの電圧と電流値の積により消費電力を算出して、消費電力が小さくなることで熱電モジュールの冷却性能が向上したと判断した。
【０１３５】
以上の結果を表２に示す。
【０１３６】
【表２】
0005312565.tif 000003
【０１３７】
表２において、サーミスタ及びサーミスタの配線パターン上にも絶縁被覆を行っていないＮｏ．１１とサーミスタ及びサーミスタの配線パターン上にも絶縁被覆を行っているＮｏ．１２を比較すると、Ｎｏ．１２の方が、測温ばらつきがかなり軽減している。Ｎｏ．１１は結露する環境でテストしたことにより、サーミスタ及びその配線パターンが結露してしまい、正確な温度を熱電モジュールの電源側にフィードバックできなかったため、測温ばらつきが大きいのに対して、Ｎｏ．１２はサーミスタ及びその配線パターンを絶縁被覆していたため、正確な温度を熱電モジュールの電源側にフィードバックできたため、測温ばらつきの軽減に繋がったと推測される。
【０１３８】
Ｎｏ．１１及び１２は、熱電素子の周縁部がシールされていなかったため、結露する環境においては熱電モジュール電極から漏電が発生してしまい、途中でテストは中断した。その一方で、熱電素子の周縁部にシールを施したＮｏ．１３は漏電せずに１００００サイクル達成でき、抵抗変化率も１％以下を達成できた。
【０１３９】
次に、熱電素子の周縁部をシールしてその外側にサーミスタを配置しているＮｏ．１３（図２参照）と、熱電素子の周縁部をシールしてその内側にサーミスタを配置しているＮｏ．１４（図８参照）とを比較すると、Ｎｏ．１４では、Ｎｏ．１３よりも１００００サイクル後の抵抗変化率も測温ばらつきも平均消費電力も全て軽減している。これは、サーミスタが熱電素子に囲まれた空間に配置されていることにより、周縁部の温度の影響を受けにくくなったために、測温ばらつきが小さくなり、正解に温度を熱電モジュールの電源にフィードバックをかけられるようになったため熱電モジュールの負荷の軽減に繋がり、抵抗変化率と消費電力が軽減されたためであると推測される。
【０１４０】
熱電素子周縁部のシール内の雰囲気が湿度４０〜６０％であるＮｏ．１４と、シール内の雰囲気が露点−４０℃の乾燥空気であるＮｏ．１５とを比較すると、Ｎｏ．１５では、Ｎｏ．１４よりも測温ばらつきが軽減されている。これは、シール内部に乾燥空気を導入した方が、より結露しにくくなっているためであると推測される。
【０１４１】
また、Ｎｏ．１４およびＮｏ．１５と、シール内を真空にしたＮｏ．１６とを比較すると、Ｎｏ．１６のほうが、冷却性能も向上して消費電力が軽減されていた。
【０１４２】
最後に、素子周縁部のシールが４面ともシリコーン接着剤であるＮｏ．１４と、素子周縁部のシールが対向する２面エポキシ接着剤と対向する別な２面をシリコーン接着剤としたＮｏ．１７とを比較すると、Ｎｏ．１７では、Ｎｏ．１４よりも抵抗変化率が軽減されている。これは、対向する２面を硬度の硬いエポキシすることにより最も熱応力の大きい支持基板外周が保持され、且つ対向する別な２面をシリコーン接着剤にすることにより熱応力を変形にすることにより逃がすことも可能になるため、抵抗変化率が小さくなったと考えられる。
【０１４３】
以上のように、本発明の熱電モジュールを使用することで大気中でも結露の影響を受けずに測温でき、熱電モジュールの耐久性及び測定温度の精度を向上させることができる。（サーミスタ位置の検討）
熱電モジュールの両側に熱交換器として、銅製の波形フィンをＳｎ５８−Ｂｉ４２はんだを用いて接合したものを作製した。この熱電モジュールの波形フィンに対して空気が通り抜けられるように側面より空気を流した状態で熱電モジュールに通電することで冷却側の支持基板に接続している波形フィンを通って流れる空気は冷風になる。この冷風の温度制御のために支持基板に温度検出素子を設けるが、その温度検出素子の位置は波形フィンに対する入り口側、中央、出口側の３箇所に設置して測温を行った。また、波形フィンより出てくる冷風の温度を３点測温してその平均温度も同時に測定した。
【０１４４】
支持基板に設置したサーミスタ温度と冷風の温度差を比較して、冷風を制御するために最も適したサーミスタ位置がどの位置であるか調査を行った。
【０１４５】
結果を表３に示す。
【０１４６】
【表３】
0005312565.tif 000004
【０１４７】
表３より、支持基板に配置するサーミスタは出口側に設けることで冷風の温度と非常に近くなり、冷風の温度を制御することができる。
【符号の説明】
【０１４８】
１０  吸発熱部
１１  Ｎ型熱電素子
２１  Ｐ型熱電素子
１３  第１の支持基板
２３  第２の支持基板
１２  第１の接続電極
２２  第２の接続電極
１４  温度検出素子
１５  被処理物
１６、５６  熱交換器
１７  配線パターン
２８  シール材
２９  被覆材
【図１】
0005312565.tif 000005
【図２】
0005312565.tif 000006
【図３】
0005312565.tif 000007
【図４】
0005312565.tif 000008
【図５】
0005312565.tif 000009
【図６】
0005312565.tif 000010
【図７】
0005312565.tif 000011
【図８】
0005312565.tif 000012
【図９】
0005312565.tif 000013
【図１０】
0005312565.tif 000014
【図１１】
0005312565.tif 000015
【図１２】
0005312565.tif 000016
【図１３】
0005312565.tif 000017
【図１４】
0005312565.tif 000018
【図１５】
0005312565.tif 000019
【図１６】
0005312565.tif 000020
【図１７】
0005312565.tif 000021
【図１８】
0005312565.tif 000022
【図１９】
0005312565.tif 000023
【図２０】
0005312565.tif 000024