(57)【要約】【課題】熱源から熱電素子までの熱抵抗、熱電素子から放熱部材までの熱抵抗を低減して、吸熱効率および放熱効率を向上させるとともに、熱応力が緩和できる構造を採用して、熱電モジュールの破壊を防止し、信頼性が向上した熱電装置を提供する。【解決手段】本発明の熱電装置１０は、放熱側電極１３の熱電素子１７が接合された面とは反対側の面に高熱伝導性を有する第１絶縁性樹脂層１２を介して放熱側熱交換器１１が接合されているとともに、吸熱側電極１６の熱電素子１７が接合された面とは反対側の面に高熱伝導性を有する第２絶縁性樹脂層１５を介して吸熱側熱交換器１４が接合されている。第１絶縁性樹脂層１２には第１樹脂層を貫通する間隙が形成されているとともに、この間隙に対応する放熱側熱交換器１１の表面部位に溝部１１ｂが形成されている。【選択図】  図１
2009188088.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放熱側電極と、吸熱側電極と、これらの両電極間で直列接続されるように接合金属により接合された複数の熱電素子とからなる熱電モジュールを備え、当該熱電モジュールの放熱側に放熱側熱交換器が配置されているとともに吸熱側に吸熱側熱交換器が配置された熱電装置であって、
前記放熱側熱交換器に高熱伝導性を有する第１絶縁性樹脂層を介して前記放熱側電極が接合されており、
前記吸熱側熱交換器に高熱伝導性を有する第２絶縁性樹脂層を介して前記吸熱側電極が接合されており、
前記放熱側熱交換器の前記放熱側電極との接合側あるいは前記吸熱側熱交換器の前記吸熱側電極との接合側の少なくとも一方の前記放熱側電極の電極パターン間あるいは前記吸熱側電極の電極パターン間に対応する位置に溝部が形成されていることを特徴とする熱電装置。
【請求項２】
前記放熱側電極および前記吸熱側電極は銅または銅合金により形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電装置。
【請求項３】
前記高熱伝導性を有する第１絶縁性樹脂層および第２絶縁性樹脂層はポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂のいずれかから形成されるいることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電装置。
【請求項４】
前記放熱側熱交換器および前記吸熱側熱交換器は銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の熱電装置。
【請求項５】
前記放熱側熱交換器および前記吸熱側熱交換器の少なくとも一方はフィンを備えていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱電装置。
【請求項６】
前記放熱側熱交換器および前記吸熱側熱交換器の少なくとも一方は水冷ジャケットからなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の熱電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱側電極と、吸熱側電極と、これらの両電極間で直列接続されるように接合金属により接合された複数の熱電素子とからなる熱電モジュールを備え、この熱電モジュールの放熱側に放熱側熱交換器が配置されているとともに吸熱側に吸熱側熱交換器が配置された熱電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、Ｐ型半導体からなる熱電素子とＮ型半導体からなる熱電素子を隣り合わせて交互に配列し、これらの各熱電素子が互いに直列に導電接続されるように、放熱側電極と吸熱側電極との間にハンダなどからなる接合金属により接合して構成された熱電モジュールは広く知られている。ところで、この種の熱電モジュールにおいては、放熱効率を向上させるために放熱側電極や放熱側基板に熱交換器を接合し、吸熱効率を向上させるために吸熱側電極や吸熱側基板に熱交換器を接合して用いることが特許文献１〜３にて提案されるようになった。
【０００３】
ここで、例えば、特許文献１（特許第３４０４８４１号公報）にて提案された熱電変換装置３０においては、図３（ａ）に示すように、吸熱側にアルミナ基板３１を配置し、放熱側に良熱伝導性の基板３２を配置したり、あるいは図３（ｂ）に示すように、放熱側には基板を配置することなく直接電極３１ａを配置し、吸熱側のみに良熱伝導性の基板３２を配置している。そして、両電極３１ａ，３２ａ間に熱電素子３３が接合された両側を放熱側熱交換器３４と吸熱側熱交換器３５により挟持することが提案されている。
【０００４】
この場合、良熱伝導性の基板３２と吸熱側電極３２ｂとの間には絶縁性樹脂層３２ａを介在させるようにしている。また、アルミナ基板３１と放熱側熱交換器３４との間（アルミナ基板を用いない場合は、放熱側電極３１ａと放熱側熱交換器３４との間）には熱伝導性グリース３４ａを介在させ、良熱伝導性の基板３２と吸熱側熱交換器３５との間には熱伝導性グリース３５ａを介在させるようにしている。なお、この熱電変換装置３０においては、外周部を断熱材３６で包囲するようにしている。
【０００５】
また、特許文献２（特開平９−１３９５２５号公報）にて提案された熱電装置４０においては、図４に示すように、吸熱側のみに金属製基板（具体的にはアルミニウム基板）４２を配設し、放熱側に放熱側熱交換器４１を設けることが提案されている。この場合、放熱側電極４１ｂは絶縁性樹脂層（具体的には絶縁性無機物を充填した熱硬化型接着剤）４１ａを介して放熱側熱交換器４１に接着されている。また、金属製基板（具体的にはアルミニウム基板）４２と吸熱側電極４２ｂとの間には絶縁性樹脂層４２ａを介在させるようにしている。そして、これらの放熱側電極４１ｂと吸熱側電極４２ｂとの間に熱電素子４３を接合して熱電装置としている。
【０００６】
さらに、特許文献３（特開２００６−８０３２６号公報）にて提案された熱電装置５０においては、図５（ａ）に示すように、一方面に電極パターンが形成された絶縁基板（具体的には、アルミナ製）５１を電極５１ａと熱電素子５３との接続状態を維持したまま分割して複数の分割基板５１とし、この分割基板５１の他方面と対向する面の分割部に対応する位置に溝部５４ａが形成されたヒートシンク５４を接合材５１ｂを介して分割基板５４の他方面に接合することが提案されている。
【０００７】
この場合、図５（ａ）に示すように、溝部５４ａが形成されたヒートシンク５４を放熱側のみに配置したり、また、図５（ｂ）に示すように、放熱側のヒートシンク５４に溝部５４ａを形成するとともに、吸熱側のヒートシンク５５にも溝部５５ａを形成したものが提案されている。さらに、図５（ｃ）に示すように、ヒートシンク５４，５５を貫通するように溝部５４ｂ，５５ｂを形成したものも提案されている。
【特許文献１】特許第３４０４８４１号公報
【特許文献２】特開平９−１３９５２５号公報
【特許文献３】特開２００６−８０３２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した特許文献１にて提案された熱電変換装置３０においては、放熱側または吸熱側の少なくとも一方には必ず基板が存在するとともに、熱伝導性グリースを介して各熱交換器に熱伝導するようになされている。このため、これらの基板や熱伝導性グリースが熱抵抗となるため、吸熱効率を低下させたり放熱効率を低下させるという問題を生じた。また、放熱側または吸熱側の少なくとも一方には剛性を有する基板を設ける必要があるため、この剛性を有する基板の熱応力により、熱電モジュールに亀裂が生じたり、破壊されたりして、熱応力負荷に対する信頼性が低下するという問題も生じた。
【０００９】
また、上述した特許文献２にて提案された熱電装置４０においては、放熱側電極は絶縁性樹脂層を介して放熱側熱交換器に接着されているとともに、金属製基板と吸熱側電極との間には絶縁性樹脂層を介在させているので、これらの絶縁性樹脂層が熱抵抗となる。このため、吸熱効率を低下させたり放熱効率を低下させるという問題を生じた。また、放熱側熱交換器として放熱用フィンを用いている。この場合、この放熱用フィンの剛性が大きいため、熱電モジュールが通電されて放熱側と吸熱側との間に温度差が生じた際の熱応力により、熱電モジュールに亀裂が生じたり、破壊されたりして、熱応力負荷に対する信頼性が低下するという問題も生じた。
【００１０】
さらに、上述した特許文献３にて提案された熱電装置５０においては、電極とヒートシンクとの間に絶縁層と接合層（接着剤の層）との二層が介在するため、熱抵抗が高くなって吸熱効率を低下させたり放熱効率を低下させるという問題を生じた。
そこで、本発明は上記の如き問題点を解消するためになされたものであって、熱源から熱電素子までの熱抵抗および熱電素子から放熱部材までの熱抵抗を低減させて、吸熱効率および放熱効率を向上させる。さらに、熱応力が緩和できる構造を採用して、熱電モジュールに亀裂や破壊が生じるのが防止し、熱応力負荷に対する信頼性が向上した熱電モジュールを提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の熱電装置は、放熱側電極と、吸熱側電極と、これらの両電極間で直列接続されるように接合金属により接合された複数の熱電素子とからなる熱電モジュールを備え、この熱電モジュールの放熱側に放熱側熱交換器が配置されているとともに吸熱側に吸熱側熱交換器が配置されている。そして、上記目的を達成するため、放熱側熱交換器に高熱伝導性を有する第１絶縁性樹脂層を介して放熱側電極が接合されており、吸熱側熱交換器に高熱伝導性を有する第２絶縁性樹脂層を介して吸熱側電極が接合されており、放熱側熱交換器の放熱側電極との接合側あるいは吸熱側熱交換器の吸熱側電極との接合側の少なくとも一方の放熱側電極の電極パターン間あるいは吸熱側電極の電極パターン間に対応する位置に溝部が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
ここで、放熱側熱交換器に高熱伝導性を有する第１絶縁性樹脂層を介して放熱側電極が接合されることとなるので、放熱側熱交換器が放熱側基板として機能する。また、吸熱側熱交換器に高熱伝導性を有する第２絶縁性樹脂層を介して吸熱側電極が接合されることとなるので、吸熱側熱交換器が吸熱側基板として機能する。これにより、熱源（吸熱側熱交換器）から熱電素子までの熱抵抗、および熱電素子から放熱部材（放熱側熱交換器）までの熱抵抗を低減させることが可能となる。このように熱源（吸熱側熱交換器）から放熱部材（放熱側熱交換器）までの熱抵抗が低減すると、吸熱効率および放熱効率を向上させることが可能となって、吸熱効率および放熱効率が向上した熱電装置を得ることが可能となる。
【００１３】
また、放熱側熱交換器が放熱側基板として機能し、吸熱側熱交換器が吸熱側基板として機能すると、基板という別部材を用いる必要がなくなる。これにより、この種の熱電装置の組立工程も簡単、容易になるとともに、部品点数も減少することから、部材費も低減できてコストダウンを達成することが可能となる。また、各熱交換器に直接、各電極を形成するようにすると、高さ方向の寸法精度のずれを発生させることがなくなる。これにより、寸法精度に優れた熱電装置を得ることが可能となる。また、第１絶縁性樹脂層および第２絶縁性樹脂層は絶縁層と接着層とを兼用させることが可能であるので、これらの絶縁性樹脂層をそれぞれ１層ずつ形成するだけでよいこととなる。この結果、熱抵抗をさらに低減させることが可能となって、熱電装置にとって必須の性能となる最大熱吸熱量（Ｑｍａｘ）を向上させることが可能となる。
【００１４】
この場合、第１絶縁性樹脂層および第２絶縁性樹脂層は熱応力に対する応力緩和層としても機能する。このため、熱電装置の使用時に熱電素子間に温度差が生じて熱応力が発生しても、これらの絶縁性樹脂層により熱に起因する応力（熱応力）が吸収されることとなる。これにより、熱応力により熱電素子が破壊に至るという事態が生じるのを未然に防止でき、高信頼性を有する熱電装置を提供することが可能となる。また、放熱側熱交換器の放熱側電極との接合側あるいは吸熱側熱交換器の吸熱側電極との接合側の少なくとも一方の放熱側電極の電極パターン間あるいは吸熱側電極の電極パターン間に対応する位置に溝部が形成されていると、この溝部は熱応力に対する応力緩和の効果を生じさせるので、さらに信頼性が向上した熱電装置を提供することが可能となる。
【００１５】
なお、電気伝導性および熱伝導性を考慮すると、放熱側電極および吸熱側電極は銅または銅合金により形成されているのが望ましい。また、高熱伝導性を有する第１絶縁性樹脂層および第２絶縁性樹脂層はポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂のいずれかにより形成されているのが望ましい。また、熱伝導性を考慮すると、放熱側熱交換器および吸熱側熱交換器は銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されているのが望ましい。さらに、放熱性を考慮すると、放熱側熱交換器および吸熱側熱交換器はフィンを備えているか、あるいは水冷ジャケットからなるのが望ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の熱電装置においては、放熱側熱交換器が放熱側基板として機能し、吸熱側熱交換器が吸熱側基板として機能するので、基板が必要でなくなり、熱抵抗が低減するとともに部材費も低減できてコストダウンが可能となる。また、第１絶縁性樹脂層および第２絶縁性樹脂層は絶縁層および接着層の両機能を備えているので、熱抵抗をさらに低減させることが可能になる。さらに、放熱側熱交換器の放熱側電極との接合側あるいは吸熱側熱交換器の吸熱側電極との接合側の少なくとも一方の放熱側電極の電極パターン間あるいは吸熱側電極の電極パターン間に対応する位置に形成された溝部は、それぞれ熱応力に対する応力緩和層として機能するので、さらに信頼性が向上した熱電装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の熱電装置の実施の形態を以下に説明するが、本発明はこの実施の形態に何ら限定されるものでなく、本発明の目的を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。なお、図１は第１実施形態の熱電装置を模式的に示す図であり、図１（ａ）は熱電装置の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す放熱側熱交換器の下面に形成された放熱側電極および溝部を模式的に示す下面図である。図２は第２実施形態の熱電装置を模式的に示す図であり、図２（ａ）は熱電装置の概略構成を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す放熱側熱交換器の下面に形成された放熱側電極および溝部を模式的に示す下面図である。
【００１８】
１．第１実施形態
本第１実施形態の熱電装置１０は、図１に示すように、放熱側熱交換器１１と、この放熱側熱交換器１１の下面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層（第１絶縁性樹脂層）１２を介して接合された放熱側電極１３と、吸熱側熱交換器１４と、この吸熱側熱交換器１４の上面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層（第２絶縁性樹脂層）１５を介して接合された吸熱側電極１６と、これらの両電極１３，１６間でハンダ接合層（接合金属）１７ａにより電気的に直列接続された多数の熱電素子１７とから構成されている。なお、吸熱側電極１６の一端部にはリード線１８，１８を接続するための一対の端子部１６ａ，１６ａが形成されている。この場合、放熱側電極１３と、吸熱側電極１６と、これらの両電極１３，１６間で直列接続されるように接合金属１７ａにより接合された複数の熱電素子１７とで熱電モジュールが構成されることとなる。
【００１９】
ここで、放熱側熱交換器１１は、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、その放熱側には多数のフィン１１ａが基底部から突出するようにして形成されている。また、放熱側熱交換器１１の下面（放熱側電極１３の形成面側）には、後述する放熱側電極１３の電極パターン間に対応する位置に所定の幅（電極パターン間の間隔以下の幅で、例えば５０μｍ〜３００μｍ）で所定の深さ（例えば３ｍｍ〜６ｍｍ）の溝部１１ｂが形成されている。
【００２０】
一方、吸熱側熱交換器１４も放熱側熱交換器１１と同様に、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されている。この場合、吸熱側熱交換器１４には溝部やフィンは形成されていないが、放熱側熱交換器１１と同様に、溝部をその上面（吸熱側電極１５の形成面側）に設けるとともに、それとは反対側の面にフィンを設けるようにしてもよい。
【００２１】
絶縁樹脂層（第１絶縁性樹脂層）１２および絶縁樹脂層（第２絶縁性樹脂層）１５は、高熱伝導性（熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ〜８Ｗ／ｍＫのものが望ましい）で接着性を有し、かつ電気絶縁性を有する厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂により形成されている。この場合、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の熱伝導性を向上させるために、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化カルシウム（ＣａＯ）などの平均粒径が１５μｍ以下の粉末からなるフィラーが分散して添加されている。なお、放熱側熱交換器１１の下面に形成された溝部１１ｂに対応する部位の絶縁樹脂層１２には、この絶縁樹脂層１２を貫通する空隙１２ａが形成されている。
【００２２】
放熱側電極１３および吸熱側電極１６は厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜からなり、両電極１３，１６間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子１７が配置、接合されている。この場合、熱電素子１７はＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるものである。そして、これらがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎ・・・の順に電気的に直列に接続されるように、電極１３と電極１６にそれぞれＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けされて、接合面にハンダ接合層１７ａ，１７ａが形成されている。なお、各熱電素子１７の両端部のハンダ付け面にはニッケルめっきが施されている。
【００２３】
熱電素子１７としては、室温で高い性能が発揮されるＢｉ-Ｔｅ（ビスマスーテルル）系の熱電材料からなる焼結体を用いるのが望ましく、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅの３元素からなる材料を用い、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｓｅの４元素からなる材料を用いるのが好ましい。具体的には、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3と表される組成のものを使用し、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4と表される組成のものを使用し、ホットプレス焼結法に形成されたものを用いるようにしている。
【００２４】
〈熱電装置の作製例〉
上述のような構成となる熱電装置１０の作製例を以下に説明する。まず、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、その放熱側には多数のフィン１１ａが基底部から突出するようにして形成され、その反対側にポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層（第１絶縁樹脂層；厚みは１０〜１００μｍ）１２を介して銅膜あるいは銅合金膜からなる放熱側電極１３が接合された放熱側熱交換器１１を用意する。この場合、放熱側電極１３の電極パターン間に対応する位置の放熱側熱交換器１１の下面には、予め、所定の幅（電極パターン間の間隔以下の幅で、例えば５０μｍ〜３００μｍ）で所定の深さ（例えば３ｍｍ〜６ｍｍ）の溝部１１ｂが形成されている。また、放熱側熱交換器１１の下面に形成された溝部１１ｂに対応する部位の絶縁樹脂層１２には、この絶縁樹脂層１２を貫通する空隙１２ａが形成されている。
【００２５】
また、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂からなる絶縁樹脂層（第２絶縁樹脂層；厚みは１０〜１００μｍ）１５を介して銅膜あるいは銅合金膜からなる吸熱側電極１６が接合された吸熱側熱交換器１４を用意する。さらに、複数のＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子１７を用意する。
【００２６】
ここで、銅膜あるいは銅合金膜からなる放熱側電極１３および吸熱側電極１６は、例えば、ＤＢＣ（ダイレクトボンディングカッパー）などにより、所定の厚み（例えば、７０〜２００μｍ）で所定の電極パターンとなるように形成されている。さらに、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子の先端部（長さ方向の両端部）にはハンダ付けが容易になるようにニッケルメッキが施されている。
【００２７】
ついで、吸熱側熱交換器１４に形成された銅膜あるいは銅合金膜からなる吸熱側電極１６の上に、Ｐ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子１７を交互に配列するとともに、これらの熱電素子１７の上に、銅膜あるいは銅合金膜からなる放熱側電極１３が形成された放熱側熱交換器１１を配置する。そして、放熱側電極１３と、これらの下に配置された多数のＰ型半導体化合物素子およびＮ型半導体化合物素子からなる熱電素子１７とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けするとともに、これらの多数の熱電素子１７と吸熱側電極１６とをＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けする。
【００２８】
これにより、放熱側電極１３と吸熱側電極１６との間にＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなる熱電素子１７がハンダ接合層１７ａ，１７ａを介して交互に直列接続されることとなる。この後、吸熱側熱交換器１４長辺側の一端部に形成された一対の端子部１６ａ，１６ａにリード線１８，１８をハンダ付けにより接続することにより、熱電装置１０が作製されることとなる。
【００２９】
ついで、上述のような構成となる熱電装置１０の具体的な実施例について以下に説明する。
（実施例）
本実施例の熱電装置１０においては、放熱側熱交換器１１はアルミニウム合金により形成し、９０ｍｍ（長さ）×９０ｍｍ（幅さ）×３０ｍｍ（高さ：ピンフィンの高さを含む）のサイズのピンフィン構造のものとした。なお、放熱側熱交換器１１の下面（ピンフィンの形成面の反対側）に形成された溝部１１ｂは、幅が１００μｍで、深さが５ｍｍになるように形成した。吸熱側熱交換器１４は９０ｍｍ（長さ）×９０ｍｍ（幅さ）×２０ｍｍ（高さ）のサイズのアルミニウム合金板とした。放熱側電極１３および吸熱側電極１６は厚みが１５０μｍとなる銅膜とした。この場合、熱電素子部の放熱側が４０ｍｍ（長さ）×４０ｍｍ（幅さ）のサイズになり、吸熱側が４５ｍｍ（長さ）×４０ｍｍ（幅さ）のサイズになるように形成した。
【００３０】
絶縁樹脂層（第１絶縁樹脂層）１２および絶縁樹脂層（第２絶縁樹脂層）１５は厚みが２０μｍとなるエポキシ系樹脂膜とした。なお、熱伝導性を向上させるために、この樹脂膜内に平均粒径が１５μｍ以下のアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末からなるフィラーを分散して添加した。熱電素子１７は、粉末焼結法により形成されたものを１３０対にして用いるとともに、１．８ｍｍ（長さ）×１．８ｍｍ（幅さ）×５００μｍ（高さ）のサイズのものを用いた。なお、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3と表される組成のものを使用し、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4と表される組成のものを使用した。このような構成となる熱電装置１０を実施例の熱電装置Ａとした。
【００３１】
（比較例）
図５（ａ）に示す構造のものを比較例の熱電装置５０とした。この場合、放熱側熱交換器５４はアルミニウム合金により形成し、９０ｍｍ（長さ）×９０ｍｍ（幅さ）×３０ｍｍ（高さ）のアルミニウム合金板とした。なお、放熱側熱交換器５４の下面に形成された溝部５４ａは、幅が１００μｍで、深さが５５ｍｍになるように形成した。吸熱側熱交換器５５は９０ｍｍ（長さ）×９０ｍｍ（幅さ）×２０ｍｍ（高さ）のサイズのアルミニウム合金板とした。放熱側の絶縁基板５１は厚みが０．６ｍｍのアルミナ板とし、４０ｍｍ（長さ）×４０ｍｍ（幅さ）のサイズになるように形成した。また、吸熱側の絶縁基板５２は厚みが０．６ｍｍのアルミナ板とし、４５ｍｍ（長さ）×４０ｍｍ（幅さ）のサイズになるように形成した。
【００３２】
放熱側電極５１ａおよび吸熱側電極５２ａは厚みが１５０μｍとなる銅膜とした。接着樹脂層５１ｂおよび接着樹脂層５２ｂは厚みが２０μｍとなるエポキシ系樹脂を用いた。熱電素子５３は、粉末焼結法により形成されたものを１３０対にして用いるとともに、１．８ｍｍ（長さ）×１．８ｍｍ（幅さ）×５００μｍ（高さ）のサイズのものを用いた。なお、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3と表される組成のものを使用し、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4と表される組成のものを使用した。このような構成となる熱電装置５０を比較例の熱電装置Ｘとした。
【００３３】
（熱電装置の性能評価、信頼性の評価）
上述のように構成された熱電装置Ａ，Ｘの性能評価の指標となる最大温度差（ΔＴｍａｘ）と最大吸熱量（Ｑｍａｘ）をそれぞれ真空中で求めると下記の表１に示すような結果が得られた。なお、最大温度差（ΔＴｍａｘ）の測定時、吸熱側の温度が２７℃の一定温度になるように維持した。
【００３４】
また、これらの各熱電装置Ａ，Ｘの信頼性（応力緩和）の指標となるＡＣＲ変化率（交流抵抗の変化率）を以下のようにして求めた。この場合、まず、湿度が９５％で、温度が３０℃の環境下で、各熱電装置Ａ，Ｘの上部と下部を１０Ｋから９０Ｋまで２分間で昇温させ、この温度を１分間保持した後、９０Ｋから１０Ｋまで３分間で降温させるという温度サイクルを６００００サイクル繰り返して行う。ついで、６００００サイクル後に、各熱電装置Ａ，Ｘの交流抵抗値（ＡＣＲ）を測定し、温度サイクル前のＡＣＲとの比率（変化率）を求めると下記の表１に示すような結果が得られた。そして、得られたＡＣＲとの比率（ＡＣＲ変化率）を信頼性（応力緩和）の指標として評価とした。
【表１】
2009188088.tif 000003
【００３５】
上記表１の結果から明らかなように、セラミック（アルミナ）製の放熱側基板５１（吸熱側基板５２）を用い、これらの基板５１（５２）に放熱側電極５１ａ（吸熱側電極５２ａ）を形成し、これらの電極５１ａ，５２ａ間で熱電素子５３を直列接続するとともに、放熱側基板５１（吸熱側基板５２）に絶縁樹脂層５１ｂ（５２ｂ）を介して放熱側熱交換器５４（吸熱側熱交換器５５）を接合して形成した熱電装置Ｘは、吸熱側熱交換器５５から熱電素子５３までの熱抵抗、および熱電素子５３から放熱側熱交換器５４までの熱抵抗が大きくなるため、Ｑｍａｘが劣り温度サイクルが増大するに伴ってＡＣＲ変化率が上昇するようになることが分かる。
【００３６】
これは、以下のような理由に基づくものと推測される。即ち、熱電装置Ｘにおいては、熱電素子５３が各電極５１ａ，５２ａにハンダ付けされて接合面にハンダ接合層５３ａ，５３ａが形成された際に、熱電素子５３の両端部のハンダ接合層５３ａ，５３ａの近傍に微小なクラックが形成される。この場合、アルミナからなるセラミック製基板５１，５２は剛性があるため、温度サイクルが繰り返されるに伴って、熱電素子５３に熱応力が繰り返して付与されることとなる。このような熱応力が付与されると、ハンダ接合層５３ａ，５３ａの近傍に形成された微小なクラックが成長するようになり、クラックの成長に伴って接触抵抗が徐々に大きくなる。このため、温度サイクルが増大するに伴って、ＡＣＲ変化率が上昇するようになったと考えられる。
【００３７】
一方、基板を用いることなく、直接、放熱側熱交換器１１（吸熱側熱交換器１４）に絶縁樹脂層１２（１５）を介して放熱側電極１３（吸熱側電極１６）を形成し、これらの電極１３，１６間で熱電素子１７を直列接続して形成した熱電装置Ａは、基板を用いていないため、吸熱側熱交換器１４から熱電素子１７までの熱抵抗、および熱電素子１７から放熱側熱交換器１１までの熱抵抗が低減し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上したと考えられる。また、熱電装置Ａは温度サイクルが増大しても４００００サイクルに達するまでは、ＡＣＲ変化率が上昇することがない。
【００３８】
これは、熱電装置Ａにおいては、基板を用いていることなく放熱側電極１３が放熱側熱交換器１１に接合された絶縁樹脂層１２に接着されている。そして、エポキシ樹脂やポリイミド樹脂からなる絶縁樹脂層１２は弾性を有するため、熱応力を緩和するように作用する。このため、上述のような温度サイクルが繰り返されて熱電素子１７に熱応力が付与されるようになっても、ハンダ接合層１７ａ，１７ａの近傍に形成された微小なクラックが成長することがない。これにより、温度サイクルが４００００サイクルに達するまでは、ＡＣＲ変化率が上昇せず、６００００サイクルでも０．５％と非常に小さな値に抑えられたと考えられる。
【００３９】
２．第２実施形態
本第２実施形態の熱電装置２０は、図２に示すように、放熱側熱交換器２１と、この放熱側熱交換器２１の下面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層（第１絶縁樹脂層）２２を介して接合された放熱側電極２３と、吸熱側熱交換器２４と、この吸熱側熱交換器２４の上面に高熱伝導性で接着性を有する絶縁樹脂層（第２絶縁樹脂層）２５を介して接合された吸熱側電極２６と、これらの両電極２３，２６間でハンダ接合層（接合金属）２７ａにより電気的に直列接続された多数の熱電素子２７とから構成されている。なお、吸熱側電極２６の一端部にはリード線２８，２８を接続するための一対の端子部２６ａ，２６ａが形成されている。この場合、放熱側電極２３と、吸熱側電極２６と、これらの両電極２３，２６間で直列接続されるように接合金属２７ａにより接合された複数の熱電素子２７とで熱電モジュールが構成されることとなる。
【００４０】
ここで、放熱側熱交換器２１は、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、その中心部に長さ方向に延出し、冷却水の通路となる配水管２１ａが配設されていて水冷ジャケットとなされている。また、放熱側熱交換器２１の下面（放熱側電極２３の形成面側）には、後述する放熱側電極２３の電極パターン間に対応する位置に所定の幅（電極パターン間の間隔以下の幅で、例えば５０μｍ〜３００μｍ）で所定の深さ（例えば３ｍｍ〜６ｍｍ）の溝部２１ｂが形成されている。
【００４１】
一方、吸熱側熱交換器２４も放熱側熱交換器２１と同様に、銅または銅合金あるいはアルミニウムまたはアルミニウム合金から形成されていて、その中心部に長さ方向に延出し、温水の通路となるする配水管２４ａが配設されていて水冷ジャケットとなされている。この場合、吸熱側熱交換器２４には溝部が形成されていないが、放熱側熱交換器２１と同様の溝部をその上面（吸熱側電極２３の形成面側）に設けるようにしてもよい。
【００４２】
絶縁樹脂層（第１絶縁樹脂層）２２および絶縁樹脂層（第２絶縁樹脂層）２５は、高熱伝導性（熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ〜８Ｗ／ｍＫのものが望ましい）で接着性を有し、かつ電気絶縁性を有する厚みが１０〜１００μｍのポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂により形成されている。この場合、ポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂の熱伝導性を向上させるために、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化カルシウム（ＣａＯ）などの平均粒径が１５μｍ以下の粉末からなるフィラーが分散して添加されている。なお、放熱側熱交換器２１の下面に形成された溝部２１ｂに対応する部位の絶縁樹脂層２２には、この絶縁樹脂層２２を貫通する空隙２２ａが形成されている。
【００４３】
放熱側電極２３および吸熱側電極２６は厚みが７０〜２００μｍの銅膜あるいは銅合金膜からなり、両電極２３，２６間で電気的に直列接続されるように多数の熱電素子２７が配置、接合されている。この場合、熱電素子２７はＰ型半導体化合物素子とＮ型半導体化合物素子とからなるものである。そして、これらがＰ，Ｎ，Ｐ，Ｎ・・・の順に電気的に直列に接続されるように、電極２３と電極２６にそれぞれＳｎＳｂ合金やＳｎＡｕ合金やＳｎＡｇＣｕ合金からなるハンダによりハンダ付けされて、接合面にハンダ接合層２７ａ，２７ａが形成されている。なお、各熱電素子２７の両端部のハンダ付け面にはニッケルめっきが施されている。
【００４４】
熱電素子２７としては、室温で高い性能が発揮されるＢｉ-Ｔｅ（ビスマスーテルル）系の熱電材料からなる焼結体を用いるのが望ましく、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅの３元素からなる材料を用い、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ−Ｓｅの４元素からなる材料を用いるのが好ましい。具体的には、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3と表される組成のものを使用し、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4と表される組成のものを使用し、ホットプレス焼結法に形成されたものを用いるようにしている。
【００４５】
なお、上述のような構成となる熱電装置２０は熱交換器として水冷ジャケットを用いること以外は、上述した第１実施形態の熱電装置１０の作製法と同様であるので、作製法についての説明は省略することとする。
ついで、上述のような構成となる熱電装置２０の具体的な実施例について以下に説明する。
【００４６】
（実施例）
本実施例の熱電装置２０においては、放熱側熱交換器２１および吸熱側熱交換器２４は真鍮（銅合金）により形成されものを用いた。この場合、１００ｍｍ（長さ）×５０ｍｍ（幅さ）×４０ｍｍ（厚み）のサイズで、その中心部の長さ方向に直径が略２０ｍｍの配水管が配設された水冷ジャケット構造のものとした。なお、放熱側熱交換器２１の下面（放熱側電極２３の形成面側）に形成された溝部２１ｂは、幅が２００μｍで、深さが５ｍｍになるように形成した。放熱側電極２３および吸熱側電極２６は厚みが１５０μｍとなる銅膜とした。この場合、熱電素子部の放熱側が４０ｍｍ（長さ）×４０ｍｍ（幅さ）のサイズになり、吸熱側が４５ｍｍ（長さ）×４０ｍｍ（幅さ）のサイズになるように形成した。
【００４７】
絶縁樹脂層（第１絶縁樹脂層）２２および絶縁樹脂層（第２絶縁樹脂層）２５は厚みが２０μｍとなるエポキシ系樹脂膜とした。なお、熱伝導性を向上させるために、この樹脂膜内に平均粒径が１５μｍ以下のアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）粉末からなるフィラーを分散して添加した。熱電素子２７は、粉末焼結法により形成されたものを２００対にして用いるとともに、１．４ｍｍ（長さ）×１．４ｍｍ（幅さ）×５００μｍ（高さ）のサイズのものを用いた。なお、Ｐ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ0.5Ｓｂ1.5Ｔｅ3と表される組成のものを使用し、Ｎ型半導体化合物素子としては、Ｂｉ1.9Ｓｂ0.1Ｔｅ2.6Ｓｅ0.4と表される組成のものを使用した。このような構成となる熱電装置２０を実施例の熱電装置Ｂとした。
【００４８】
（比較例）
下面（放熱側電極２３の形成面側）に溝部を形成していない放熱側熱交換器２１を用いたこと以外は、上述した実施例の熱電装置２０と同様に構成し、比較例の熱電装置Ｙとした。
【００４９】
ついで、これらの熱電装置Ｂ，Ｙの信頼性（応力緩和）の指標となるＡＣＲ変化率（交流抵抗の変化率）を上述と同様にして求めると下記の表２に示すような結果が得られた。そして、得られたＡＣＲとの比率（ＡＣＲ変化率）を信頼性（応力緩和）の指標として評価とした。
【表２】
2009188088.tif 000004
【００５０】
上記表２の結果から明らかなように、溝部が形成されていない放熱側熱交換器２１を用いた熱電装置Ｙは、温度サイクルが増大するに伴ってＡＣＲ変化率が上昇し、６００００サイクルに達すると熱電素子２７が破壊に至ったことが分かる。これは、以下のような理由に基づくものと推測される。即ち、熱電装置Ｙにおいては、溝部が形成されていない放熱側熱交換器２１を用い、その表面に絶縁樹脂層を２２を介して放熱側電極２３が接着されている。
【００５１】
この場合、放熱側熱交換器２１は剛性があるため、温度サイクルが繰り返されるに伴って、熱電素子２７に熱応力が繰り返して付与されることとなる。このような熱応力が付与されると、ハンダ接合層２７ａ，２７ａの近傍に形成された微小なクラックが成長するようになり、クラックの成長に伴って接触抵抗が徐々に大きくなる。このため、温度サイクルが増大するに伴って、ＡＣＲ変化率が上昇するようになったと考えられる。そして、温度サイクルが６００００サイクルに達すると、さらにクラックが成長してやがては熱電素子２７が破壊に至ったと考えられる。
【００５２】
一方、溝部２１ｂが形成された放熱側熱交換器２１を用いた熱電装置Ｂは温度サイクルが６００００サイクルに達しても、熱電素子２７が破壊に至るという事態が生じることはなく、熱電装置Ｙよりもはるかに優れていることが分かる。この場合、放熱側熱交換器２１に剛性があったとしても、その下面に溝部２１ｂが形成されていると、この溝部２１ｂは熱応力を緩和するように作用する。このため、上述のような温度サイクルが繰り返されて熱電素子２７に熱応力が付与されるようになっても、ハンダ接合層２７ａ，２７ａの近傍に形成された微小なクラックが成長することがない。これにより、温度サイクルが６００００サイクルに達しても熱電素子２７の破壊が防止できたと考えられる。
【００５３】
以上に述べたように、本発明の熱電装置１０（２０）においては、基板を用いることなく、直接、放熱側熱交換器１１（２１）に絶縁樹脂層（第１絶縁樹脂層）１２（２２）を介して放熱側電極１３（２３）を形成している。また、吸熱側熱交換器１４（２４）に絶縁樹脂層（第２絶縁樹脂層）１５（２５）を介して吸熱側電極１６（２６）を形成し、これらの電極１３（２３），１６（２６）間で熱電素子１７（２７）を直列接続している。この場合、基板を用いていないため、吸熱側熱交換器１４（２４）から熱電素子１７（２７）までの熱抵抗、および熱電素子１７（２７）から放熱側熱交換器１１（２１）までの熱抵抗が低減し、最大吸熱量（Ｑｍａｘ）が向上する。
【００５４】
さらに、放熱側熱交換器１１（２１）の下面に溝部１１ｂ（２１ｂ）が形成されていて、この溝部１１ｂ（２１ｂ）が熱応力を緩和するように作用する。このため、温度サイクルが繰り返されて熱電素子１７（２７）に熱応力が付与されるようになっても、溝部１１ｂ（２１ｂ）の熱応力緩和作用により熱電素子１７（２７）の破壊を防止できるようになる。これにより、信頼性が向上した熱電装置を提供することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
なお、上述した各実施の形態においては、放熱側熱交換器１１（２１）の下面に溝部１１ｂ（２１ｂ）を形成する例について説明したが、吸熱側熱交換器１４（２４）にも溝部を設けるようにしてもよい。この場合は、吸熱側熱交換器１４（２４）の上面（吸熱側電極１６（２６）形成面側）に設けるようにすればよい。
【００５６】
また、上述した各実施の形態においては、絶縁樹脂層１２，１５（２２，２５）の合成樹脂材料としてポリイミド樹脂あるいはエポキシ樹脂を用いる例について説明したが、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂以外のアラミド樹脂、ＢＴ樹脂（ビスマレイミド・トリアジン樹脂）などを用いるようにしても、上述と同様のことがいえる。
さらに、上述した各実施の形態においては、フィラー材料としてアルミナ粉末、窒化アルミニウム粉末、酸化マグネシウム粉末のいずれかを用いる例について説明したが、フィラー材料としてはこれらに限ることなく、熱伝導性が良好な材料であれば、カーボン粉末、炭化ケイ素、窒化ケイ素などを用いるようにしてもよい。また、フィラー材料は１種類だけでもよいが、これらの２種類以上を混合して用いるようにしてもよい。さらに、フィラーの形状は球状、針状またはこれらの混合でも効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】第１実施形態の熱電装置を模式的に示す図であり、図１（ａ）は熱電装置の概略構成を模式的に示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す放熱側熱交換器の下面に形成された放熱側電極および溝部を模式的に示す下面図である。
【図２】第２実施形態の熱電装置を模式的に示す図であり、図２（ａ）は熱電装置の概略構成を模式的に示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す放熱側熱交換器の下面に形成された放熱側電極および溝部を模式的に示す下面図である。
【図３】従来例の一例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は第１従来例の熱電装置を模式的に示す断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）の第１従来例の熱電装置の変形例を示す断面図である。
【図４】第２従来例の熱電装置を模式的に示す断面図である。
【図５】従来例の他の一例を模式的に示す図であり、図５（ａ）は第３従来例の熱電装置を模式的に示す断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）の第３従来例の熱電装置の変形例を示す断面図であり、図５（ｃ）は、図５（ａ）の第３従来例の熱電装置の他の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…第１実施形態の熱電装置、１１…放熱側熱交換器、１１ａ…フィン、１１ｂ…溝部、１２…第１絶縁樹脂層、１３…放熱側電極、１４…吸熱側熱交換器、１５…第２絶縁樹脂層、１６…吸熱側電極、１６ａ…端子部、１７…熱電素子、１７ａ…ハンダ接合層、１８…リード線、２０…第２実施形態の熱電装置、２１…放熱側熱交換器、２１ａ…配水管、２１ｂ…溝部、２２…第１絶縁樹脂層、２３…放熱側電極、２４…吸熱側熱交換器、２４ａ…配水管、２５…第２絶縁樹脂層、２６…吸熱側電極、２６ａ…端子部、２７…熱電素子、２７ａ…ハンダ接合層、２８…リード線
【図１】
2009188088.tif 000005
【図２】
2009188088.tif 000006
【図３】
2009188088.tif 000007
【図４】
2009188088.tif 000008
【図５】
2009188088.tif 000009