(57)【要約】【課題】熱電変換モジュールの駆動時に熱電素子に発生する応力を緩和することができる熱電変換モジュールを提供すること。【解決手段】第１の基板１０と第２の基板２０は対向配置されている。第１の基板１０は、第１絶縁基板１１と第１絶縁基板１１に接合された第１電極層１２とからなる。また、第２の基板２０は、第２絶縁基板２１と第２絶縁基板２１に接合された第２電極層２２とからなる。第１電極層１２には、Ｎ型熱電素子３１及びＰ型熱電素子３２の一端が接合されるとともに、第２電極層２２には、Ｎ型熱電素子３１及びＰ型熱電素子３２の他端が接合されている。第１電極層１２及び第２電極層２２において、各熱電素子３１，３２と対向しない部分には、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極層を備える第１の基板と、
第２電極層を備えるとともに、該第２電極層が前記第１電極層に向き合って配置された第２の基板と、
一端が前記第１電極層に接合されるとともに他端が前記第２電極層に接合される熱電素子と、を備えた熱電変換モジュールであって、
前記第１電極層及び前記第２電極層の少なくともいずれか一方において、少なくとも前記熱電素子と対向しない部分には切欠部が形成されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記切欠部は、前記電極層において該電極層に接合される複数の熱電素子と対向する部分に挟まれる位置に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一端が第１電極層に接合されるとともに他端が第２電極層に接合される熱電素子と、を備えた熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーと電気エネルギーとの相互変換が可能な熱電素子を用いた熱電変換モジュールは、一般に、対向する一対の基板と、各基板に半田等により接合された熱電素子と、からなる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図２に示すように特許文献１の熱電装置１００は、対向するように配置された放熱側電極１０１と、吸熱側電極１０２と、両電極１０１，１０２間で直列接続されるように接合された複数の熱電素子１０３とから構成されている。放熱側電極１０１には、放熱側熱交換器１０４が接合されるとともに、吸熱側電極１０２には、吸熱側熱交換器１０５が接合されている。そして、熱電装置１００への通電に伴い吸熱側電極１０２が冷却されるとともに放熱側電極１０１が加熱される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１８８０８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、熱電装置１００が駆動されると、吸熱側電極１０２は冷却される一方で、放熱側電極１０１は加熱される。そして、吸熱側電極１０２は冷却されることにより収縮する一方で、放熱側電極１０１は加熱されることで膨張する。このため、熱電装置１００が駆動されると、熱電素子１０３の吸熱側電極１０２側と、放熱側電極１０１側とで、逆方向への力が作用し、熱電素子１０３に応力が発生する。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電変換モジュールの駆動時に熱電素子に発生する応力を緩和することができる熱電変換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】
【０００７】
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、第１電極層を備える第１の基板と、第２電極層を備えるとともに、該第２電極層が前記第１電極層に向き合って配置された第２の基板と、一端が前記第１電極層に接合されるとともに他端が前記第２電極層に接合される熱電素子と、を備えた熱電変換モジュールであって、前記第１電極層及び前記第２電極層の少なくともいずれか一方において、少なくとも前記熱電素子と対向しない部分には切欠部が形成されていることを要旨とする。
【０００８】
これによれば、切欠部が形成された電極層の剛性は低下する。第１電極層及び第２電極層の一方が吸熱を行い、第１電極層及び第２電極層の他方が放熱を行うように熱電変換モジュールに通電を行うと、一方の電極層が冷却されるとともに、他方の電極層は加熱される。このとき、一方の電極層は収縮し、他方の電極層は膨張するが、電極層の剛性の低下に伴い電極層が収縮及び膨張に追従して変形しやすくなっている。このため、電極層が変形してもその応力を電極層が受け持ち、熱電素子に発生する応力は緩和される。したがって、熱電変換モジュールの駆動時に熱電素子に発生する応力を緩和することができる。
【０００９】
また、前記切欠部は、前記電極層において該電極層に接合される複数の熱電素子と対向する部分に挟まれる位置に形成されたことを要旨とする。
これによれば、電極層において熱電素子と対向する部分に挟まれた位置に切欠部が形成される。電極層において複数の熱電素子と対向する部分に挟まれた部分は、複数の熱電素子から収縮又は膨張による影響を受け、応力が発生しやすい部分である。この部分に切欠部が形成されるため、熱電変換モジュールの駆動時に熱電素子に発生する応力を適切に緩和することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱電変換モジュールの駆動時に熱電素子に発生する応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は実施形態における熱電変換モジュールの側面図、（ｂ）は実施形態における熱電変換モジュールの一部を破断して示す分解斜視図。
【図２】背景技術を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した実施形態を図１にしたがって説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、熱電変換モジュール１の第１の基板１０は、セラミックス等の絶縁材料製の矩形状をなす第１絶縁基板１１と、第１絶縁基板１１の一面（図中下面）に形成されたアルミニウム製の平面視正方形状をなす第１電極層１２とからなる。第１電極層１２には、交互に配置されたＮ型熱電素子３１及びＰ型熱電素子３２の一端が半田よりなる接合層Ｈを介して接合されている。これにより、Ｎ型熱電素子３１及びＰ型熱電素子３２の一端と第１電極層１２は、接合層Ｈを介して電気的に接続されている。また、第１電極層１２において、対向する一対の縁部には、第１切欠部１３が形成されている。第１切欠部１３は、第１電極層１２の厚みを、熱電素子３１，３２が接合される面から第１絶縁基板１１が接合される面に向かって薄くなるようにすることで形成されている。
【００１３】
また、各第１電極層１２においてＮ型熱電素子３１に対向する部分とＰ型熱電素子３２に対向する部分に挟まれた位置（隣り合う熱電素子３１、３２に対向する部分の間）には、第２切欠部１４が形成されている。第２切欠部１４は、第１電極層１２の厚みが、熱電素子３１，３２が接合される面から第１絶縁基板１１が接合される面に向かって薄くなるように形成されている。なお、ここでいう「対向する部分」とは、第１電極層１２において熱電素子３１，３２が接合された部分である。
【００１４】
第１切欠部１３及び第２切欠部１４は、各熱電素子３１，３２の接合されていない部分に形成されている。すなわち、第１切欠部１３及び第２切欠部１４は、第１電極層１２において各熱電素子３１，３２と対向する部分には形成されていない。各熱電素子３１，３２の端面は、接合層Ｈを介して第１電極層１２と接合されている。ここで、第１電極層１２において接合層Ｈが接合された面の延長線Ｌ１と、第１切欠部１３及び第２切欠部１４の傾斜面との間に形成される角度をΘとすると、本実施形態では、Θを決定する第１切欠部１３及び第２切欠部１４の傾斜面は、各熱電素子３１，３２が発する熱の伝熱経路に沿うように形成されている。なお、ここでいう伝熱経路とは、熱電変換モジュール１の駆動時に、熱電素子３１，３２から第１電極層１２に向けて拡散していく熱の経路である。
【００１５】
Ｎ型熱電素子３１及びＰ型熱電素子３２の他端には、半田よりなる接合層Ｈを介して第２の基板２０の第２電極層２２が接合されている。これにより、Ｎ型熱電素子３１及びＰ型熱電素子３２の他端と第２電極層２２は、接合層Ｈを介して電気的に接続されている。第２の基板２０は、セラミックス等の絶縁材料製の矩形状をなす第２絶縁基板２１と、この第２絶縁基板２１の一面（図中上面）に形成されたアルミニウム製の平面視正方形状をなす第２電極層２２とからなる。第１の基板１０と第２の基板２０は、対向するように配置されており、第１の基板１０と第２の基板２０により各熱電素子３１，３２が挟持されるように接合されている。そして、各熱電素子３１，３２は、第１電極層１２及び第２電極層２２を介して、直列接続されている。
【００１６】
また、第２電極層２２において、対向する一対の縁部には、第１切欠部２３が形成されている。第１切欠部２３は、第２電極層２２の厚みを、熱電素子３１，３２が接合される面から第２絶縁基板２１が接合される面に向かって薄くなるようにすることで形成されている。
【００１７】
各第２電極層２２においてＮ型熱電素子３１と対向する部分とＰ型熱電素子３２と対向する部分に挟まれた位置には、第２切欠部２４が形成されている。第２切欠部２４は、第２電極層２２の厚みが、熱電素子３１，３２が接合される面から第２絶縁基板２１が接合される面に向かって薄くなるように形成されている。なお、ここでいう「対向する部分」とは、第２電極層２２において、熱電素子３１，３２が接合された部分である。
【００１８】
第１切欠部２３及び第２切欠部２４は、各熱電素子３１，３２の接合されていない部分に形成されている。すなわち、第１切欠部２３及び第２切欠部２４は、第２電極層２２において各熱電素子３１，３２と対向する部分には形成されていない。各熱電素子３１，３２の端面は、接合層Ｈを介して第２電極層２２と接合されている。ここで、第１切欠部２３及び第２切欠部２４の傾斜面は、第１電極層１２に形成された第１切欠部１３及び第２切欠部１４の場合と同様に、各熱電素子３１，３２が発する熱の伝熱経路に沿うように形成されている。なお、ここでいう伝熱経路とは、熱電変換モジュール１の駆動時に、熱電素子３１，３２から第２電極層２２に向けて拡散していく熱の経路である。
【００１９】
各電極層１２，２２に形成される第１切欠部１３，２３は各電極層１２，２２の厚み方向への深さが、各絶縁基板１１，２１に達するように形成されている。つまり、熱電素子３１が接合層Ｈを介して接合される第１電極層１２と、この第１電極層１２と隣り合う熱電素子３２が接合層Ｈを介して接合される第１電極層１２とが連結されていない。また、熱電素子３１が接合層Ｈを介して接合される第２電極層２２と、この第２電極層２２と隣り合う熱電素子３２が接合層Ｈを介して接合される第２電極層２２とが連結されていない。一方で、第２切欠部１４，２４が形成される部分は、隣り合う熱電素子３１，３２同士を電気的に接続する接続部として機能しているため、その厚み方向への深さは、各絶縁基板１１，２１に達しない範囲内で形成する必要がある。
【００２０】
上記のように構成された熱電変換モジュール１は、通電の極性に応じて第１電極層１２と第２電極層２２が吸熱及び放熱の反する作用を行う。そして、第１絶縁基板１１及び第２絶縁基板２１を介して冷却対象や加熱対象（例えば、熱交換媒体）を冷却したり加熱したりすることができる。
【００２１】
次に、熱電変換モジュール１の作用について説明する。
第１電極層１２が吸熱を行い、第２電極層２２が放熱を行うように熱電変換モジュール１に通電を行うと、第１電極層１２は冷却される一方で第２電極層２２は加熱される。これに伴い、第１電極層１２は収縮する一方で、第２電極層２２は膨張する。第１電極層１２及び第２電極層２２には、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４が形成されているため、第１電極層１２及び第２電極層２２の剛性は低下している。このため、第１電極層１２は、その収縮に追従して変形し、第２電極層２２は、その膨張に追従して変形する。同様に、第１電極層１２が放熱を行い、第２電極層２２が吸熱を行う場合には、第１電極層１２は膨張に追従して変形し、第２電極層２２は収縮に追従して変形する。なお、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成することにより、電流が流れる向きの電流経路面積（各電極層１２，２２における厚み方向への断面積）は小さくなるが、通電に必要な電流経路面積は小さいので、熱電変換モジュール１の性能にはほとんど影響しない。
【００２２】
したがって、上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）各電極層１２，２２に第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成した。このため、各電極層１２，２２の剛性は低減されている。したがって、熱電変換モジュール１を駆動したときに、各電極層１２，２２が収縮及び膨張するが、各電極層１２，２２が変形しやすいため、各熱電素子３１，３２にかかる応力を緩和することができる。したがって、応力による各熱電素子３１，３２の破壊や、各電極層１２，２２にクラックが生じることが防止される。
【００２３】
（２）各電極層１２，２２において、熱電素子３１が接合層Ｈを介して接合される部分と、熱電素子３２が接合層Ｈを介して接合される部分とに挟まれた位置に第２切欠部１４，２４を形成した。電極層１２，２２において熱電素子３１，３２と対向する部分に挟まれた部分は、複数の熱電素子３１，３２から収縮又は膨張による影響を受け、応力が発生しやすい部分である。この部分に第２切欠部１４，２４が形成されるため、熱電変換モジュール１の駆動時に熱電素子３１，３２に発生する応力を適切に緩和することができる。
【００２４】
（３）各電極層１２，２２において、対向する一対の縁部に第１切欠部１３，２３を形成した。また、各電極層１２，２２において熱電素子３１，３２と対向する部分に挟まれた位置に第２切欠部１４，２４を形成した。このため、熱電変換モジュール１を製造するときに、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を目印にして各熱電素子３１，３２を各電極層１２，２２に配置することができる。このため、熱電変換モジュール１の製造時において各熱電素子３１，３２を各電極層１２，２２に配置しやすい。
【００２５】
（４）また、熱電変換モジュール１の製造時には、各電極層１２，２２に配置された半田上に各熱電素子３１，３２を配置するとともに、半田を溶融、凝固させることにより各熱電素子３１，３２を接合する。第２切欠部１４，２４により、溶融した半田の濡れ広がりが抑制されるため、半田の濡れ広がりに伴う各熱電素子３１，３２の位置ずれが抑制される。したがって、適切な位置に各熱電素子３１，３２を接合することができる。
【００２６】
（５）各第１切欠部１３，２３及び各第２切欠部１４，２４の傾斜面は、各熱電素子３１，３２が発する熱の伝熱経路に沿うように形成されている。このため、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成しても、熱伝導率の低下が少なく、熱電変換モジュール１の熱電変換効率の低下が抑止される。
【００２７】
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○  実施形態において、各電極層１２，２２には、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成したが、第１切欠部１３，２３と第２切欠部１４，２４のいずれか一方のみを形成してもよい。
【００２８】
○  実施形態において、各電極層１２，２２には、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成したが、第１電極層１２又は第２電極層２２のいずれか一方のみに第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成してもよい。
【００２９】
○  実施形態において、接合層Ｈを半田により形成したが、蝋材により形成してもよい。
○  実施形態において、各電極層１２，２２は、アルミニウム製としたが、熱伝導率の高い他の材料製であってもよい。例えば、銅製であってもよい。
【００３０】
○  実施形態において、各電極層１２，２２は、平面視正方形状に形成したが、五角形状などの多角形状や、円形状など、どのような形状であってもよい。
○  実施形態において、各熱電素子３１，３２と対向する部分には、第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成していないが、各熱電素子３１，３２と各電極層１２，２２との電気的接続が維持できる範囲内で熱電素子３１，３２と対向する部分に第１切欠部１３，２３及び第２切欠部１４，２４を形成してもよい。
【００３１】
○  実施形態において、各電極層１２，２２において、対向する一対の縁部に第１切欠部１３，２３を形成したが、対向する縁部のうち、いずれか一方の縁部にのみ第１切欠部１３，２３を形成してもよいし、全ての縁部に第１切欠部１３，２３を形成してもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１…熱電変換モジュール、１０…第１の基板、１２…第１電極層、１３，２３…第１切欠部、１４，２４…第２切欠部、２０…第２の基板、２２…第２電極層、３１…Ｎ型熱電素子、３２…Ｐ型熱電素子。
【図１】
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【図２】
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