JP2022013376A - 熱電発電モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】封止性を向上すること。【解決手段】熱電発電モジュール１は、一対の第１基板１１及び第２基板１２と、第１基板１１及び第２基板１２の上に配置された複数の第１電極２２及び第２電極２３と、一対の第１電極２２及び第２電極２３の間に配置された熱電変換素子２１と、第２電極２３に接続されたターミナルピン５１と、を備え、第２基板１２は、電気絶縁性を有する材料で形成された絶縁体層１２１と、絶縁体層１２１を貫通して形成されてターミナルピン５１を挿通する貫通孔２４と、貫通孔２４の周縁部に配置された環状の金属層１２３ｃとを有し、ターミナルピン５１と貫通孔２４との間の隙間は、半田によって封止される。【選択図】図１

Description

本開示は、熱電発電モジュールに関する。

熱電変換素子を利用した熱電発電モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。熱電発電モジュールは、一対の基板の間に熱電変換素子が配置されている。熱電発電モジュールは、基板間に温度差が与えられることにより、ゼーベック効果により発電する。

特開２０１７－１５２７１５号公報

熱電発電モジュールで発生した電力を外部に取り出すために端子が配置される。また、熱電発電モジュールでは、基板間に温度差が与えられるので、低温側の基板の表面に水滴を生じるおそれがある。そのため、端子を介して、熱電発電モジュールの内部に水滴が侵入しないように封止性を向上することが望まれる。

本開示は、封止性を向上することを目的とする。

本開示に従えば、一対の基板と、前記基板の上に配置された複数の電極と、一対の前記電極の間に配置された熱電変換素子と、前記電極に接続された端子と、を備え、前記基板は、電気絶縁性を有する材料で形成された絶縁体層と、前記絶縁体層を貫通して形成されて前記端子を挿通する貫通孔と、前記貫通孔の周縁部に配置された環状の金属層とを有し、前記端子と前記貫通孔との間の隙間は、半田によって封止される、熱電発電モジュールが提供される。

本開示によれば、封止性を向上することができる。

図１は、実施形態に係る熱電発電モジュールを示す断面図である。 図２は、実施形態に係る熱電発電モジュールの第２基板及びターミナルピンを示す拡大断面図である。 図３は、実施形態に係る熱電発電モジュールの第２基板を示す平面図であり、下面の平面図である。 図４は、実施形態に係る熱電発電モジュールの第２基板を示す平面図であり、上面の平面図である。 図５は、実施形態に係る熱電発電モジュールのターミナルピンを示す正面図である。 図６は、実施形態に係る熱電発電モジュールのターミナルピン及び半田を示す拡大断面図である。 図７は、実施形態に係る熱電発電モジュールのターミナルピン及び半田を示す写真である。 図８は、従来の熱電発電モジュールの第２基板及びターミナルピンを示す拡大断面図である。 図９は、図８の部分拡大図である。 図１０は、従来の熱電発電モジュールのターミナルピン及び半田を示す拡大断面図である。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照しながら説明するが、本開示は実施形態に限定されない。以下で説明する複数の実施形態の構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、一部の構成要素を用いない場合もある。

実施形態においては、「左」、「右」、「前」、「後」、「上」、及び「下」の用語を用いて各部の位置関係について説明する。これらの用語は、熱電発電モジュール１の中心を基準とした相対位置又は方向を示す。左右方向と前後方向と上下方向とは直交する。

［熱電発電モジュール］
図１は、実施形態に係る熱電発電モジュールを示す断面図である。熱電発電モジュール１は、熱源側の高温側プレート２と、冷却側の低温側プレート４とで挟まれる。熱電発電モジュール１は、高温側プレート２と低温側プレート４とによって両側（図中の上下）に温度差を与えることによって、ゼーベック効果により発電する。

高温側プレート２は、熱源からの熱を受けて、熱電発電モジュール１に伝達する。高温側プレート２は、アルミニウム又は銅のような金属材料によって板状に形成される。高温側プレート２は、カーボンシート３を介して、熱電発電モジュール１の下面１ｂと接触して配置されている。

カーボンシート３は、熱伝導性及び電気絶縁性を有する材料である。カーボンシート３は、高温側プレート２の上面２ａと熱電発電モジュール１の下面１ｂとの間に介在している。本実施形態では、カーボンシート３は、高温側プレート２の上面２ａの一部と接触している。カーボンシート３は、高温側プレート２の熱を熱電発電モジュール１の下面１ｂに伝達する。

低温側プレート４は、熱電発電モジュール１から熱を奪う。低温側プレート４は、冷却されている。低温側プレート４は、アルミニウムのような金属材料によって板状に形成される。低温側プレート４は、カーボンシート５を介して、熱電発電モジュール１の上面１ａに接触して配置される。

カーボンシート５は、熱伝導性及び電気絶縁性を有する材料である。カーボンシート５は、低温側プレート４の下面４ｂと熱電発電モジュール１の上面１ａとの間に介在している。本実施形態では、カーボンシート５は、低温側プレート４の下面４ｂの全面と接触している。カーボンシート５は、低温側プレート４の熱を奪い、外部に排熱する。

熱電発電モジュール１は、一対の第１基板（基板）１１及び第２基板（基板）１２と、第１基板（基板）１１及び第２基板（基板）１２の上に配置された第１電極（電極）２２及び第２電極（電極）２３と、一対の第１電極２２及び第２電極２３の間に配置される熱電変換素子２１と、封止部３０と、ターミナルピン５１とを備える。

第１基板１１及び第２基板１２は、矩形状に形成されている。本実施形態では、第１基板１１及び第２基板１２の厚さは２．５μｍである。

第１基板１１と第２基板１２とは、間隙を介して向かい合う。実施形態において、第２基板１２は、第１基板１１よりも上方に配置される。

第１基板１１は、電気絶縁材料によって形成される。実施形態において、第１基板１１は、絶縁体層１１１と、絶縁体層１１１の下面に形成された金属層１１２と、絶縁体層１１１の上面に形成された金属層１１３との３層構造を有する。金属層１１２及び金属層１１３は、金属箔で形成されている。

図２は、実施形態に係る熱電発電モジュールの第２基板及びターミナルピンを示す拡大断面図である。第２基板１２は、電気絶縁材料によって形成される。実施形態において、第２基板１２は、ポリイミドシートで形成された絶縁体層１２１と、絶縁体層１２１の下面に形成された金属層１２２、絶縁体層１２１の上面に形成された金属層１２３との３層構造を有する。金属層１２２及び金属層１２３は、金属箔で形成されている。金属層１２３の上面１２３ａに、電極保護層であるニッケルメッキ層１２４が形成されている。

第２基板１２は、電気絶縁性を有する材料で形成された絶縁体層１２１と、絶縁体層１２１を貫通して形成されてターミナルピン５１を挿通する貫通孔２４と、貫通孔２４の周縁部に配置された環状の金属層１２３ｃとを有する。

絶縁体層１１１及び絶縁体層１２１を形成する絶縁材料としては、ポリイミド、フッ素、及びエポキシ樹脂のいずれか１つを含む絶縁体シートが例示される。

金属層１１２、金属層１１３、金属層１２２及び金属層１２３を形成する金属材料として、銅（Ｃｕ）、銅を含む合金、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケルを含む合金、ステンレス（ＳＵＳ）、ステンレスを含む合金、アルミニウム（Ａｌ）、及びアルミニウムを含む合金の少なくともいずれか１つが例示される。

本実施形態では、絶縁体層１１１及び絶縁体層１２１の厚さは２５μｍである。本実施形態では、金属層１１２及び金属層１２３の厚さは３００μｍである。本実施形態では、金属層１１３及び金属層１２２の厚さは１８μｍである。

熱電変換素子２１は、第１基板１１の上面と第２基板１２の下面との間に１つ以上配置される。複数の熱電変換素子２１は、第１電極２２及び第２電極２３によって接続される。

熱電変換素子２１に電流が供給されることにより、熱電発電モジュール１がペルチェ効果により吸熱又は発熱する。第１基板１１と第２基板１２との間に温度差が与えられることにより、熱電発電モジュール１は、ゼーベック効果により発電する。

熱電変換素子２１は、熱電材料によって形成される。熱電変換素子２１を形成する熱電材料として、マンガンケイ化物系化合物（Ｍｎ－Ｓｉ）、マグネシウムケイ化物系化合物（Ｍｇ－Ｓｉ－Ｓｎ）、スクッテルダイト系化合物（Ｃｏ－Ｓｂ）、ハーフホイスラ系化合物（Ｚｒ－Ｎｉ－Ｓｎ）、及びビスマステルル系化合物（Ｂｉ－Ｔｅ）が例示される。熱電変換素子２１は、マンガンケイ化物系化合物、マグネシウムケイ化物系化合物、スクッテルダイト系化合物、ハーフホイスラ系化合物、又はビスマステルル系化合物から選択される１つの化合物により構成されてもよいし、少なくとも２つの化合物の組み合わせにより構成されてもよい。

熱電変換素子２１は、ｐ型素子２１Ｐと、ｎ型素子２１Ｎとを含む。ｐ型素子２１Ｐ及びｎ型素子２１Ｎのそれぞれは、所定面内に複数配置される。前後方向において、ｐ型素子２１Ｐとｎ型素子２１Ｎとは交互に配置される。左右方向において、ｐ型素子２１Ｐとｎ型素子２１Ｎとは交互に配置される。

第１電極２２は、第１基板１１の上面に設けられる。第１電極２２は、第１基板１１の上面と平行な所定面内において複数設けられる。第１電極２２は、第１基板１１の熱電発電モジュール１の内側に面した金属層１１３の上面１１３ａをパターンエッチングして形成される。第１基板１１に配置される第１電極２２の下面は、熱電発電モジュール１の冷却面である。

第２電極２３は、第２基板１２の下面に設けられる。第２電極２３は、第２基板１２の下面と平行な所定面内において複数設けられる。第２電極２３は、第２基板１２の熱電発電モジュール１の内側に面した金属層１２２の下面１２２ｂをパターンエッチングして形成される。第２基板１２に配置される第２電極２３の上面は、熱電発電モジュール１の加熱面である。

第１電極２２及び第２電極２３に熱電変換素子２１が半田接合されている。より詳しくは、第１電極２２及び第２電極２３は、隣接する一対のｐ型素子２１Ｐ及びｎ型素子２１Ｎのそれぞれに接続される。

第１電極２２及び第２電極２３は、複数の熱電変換素子２１を直列に接続する。第１電極２２及び第２電極２３により複数の熱電変換素子２１が直列に接続された直列回路が形成される。ｐ型素子２１Ｐ及びｎ型素子２１Ｎが第１電極２２及び第２電極２３を介して電気的に接続されることにより、ｐｎ素子対が構成される。複数のｐｎ素子対が第１電極２２及び第２電極２３を介して直列に接続されることにより、複数の熱電変換素子２１を含む直列回路が構成される。

図３は、実施形態に係る熱電発電モジュールの第２基板を示す平面図であり、下面の平面図である。図４は、実施形態に係る熱電発電モジュールの第２基板を示す平面図であり、上面の平面図である。熱電変換素子２１を配列した際の両端の正極、負極にあたる第２電極２３に、ターミナルピン（端子）５１を挿通する貫通孔２４が配置される。貫通孔２４は、両端の正極、負極にあたる第２電極２３が配置された第２基板１２を上下方向に貫通して形成されている。

図５は、実施形態に係る熱電発電モジュールのターミナルピンを示す正面図である。ターミナルピン５１は、柱状に形成された本体部５２と、本体部５２の軸方向の一方の端部に配置された頭部５３と、本体部５２の軸方向の他方の端部に配置された雌ねじ部５４とを有する。本体部５２は、円柱状または角柱状に形成されている。本実施形態では、本体部５２は、円柱状に形成されている。頭部５３は、円板状に形成されている。頭部５３の径は、本体部５２の径より大きい。

本実施形態では、ターミナルピン５１の本体部５２の径は、例えば４ｍｍである。本実施形態では、ターミナルピン５１の頭部５３の径は、例えば６ｍｍである。本実施形態では、ターミナルピン５１の頭部５３の厚さは、例えば１ｍｍである。

貫通孔２４は、両端の正極、負極にあたる第２電極２３が配置された金属層１２２と、絶縁体層１２１と、金属層１２３とを貫通している。貫通孔２４は、金属層１２２に形成された貫通孔２４２と、絶縁体層１２１に形成された貫通孔２４１と、金属層１２３に形成された貫通孔２４３とを有する。貫通孔２４には環状の金属層１２３ｃが残されている。より詳しくは、絶縁体層１２１の上面であって、貫通孔２４３の内側に、貫通孔２４の周りを囲んで環状の金属層１２３ｃが配置されている。

環状の金属層１２３ｃは、貫通孔２４の周囲の全周を囲んで配置されている。本実施形態では、環状の金属層１２３ｃは、貫通孔２４の周りにおいて、金属層１２３を環状のパターンで残すことによって形成されている。

貫通孔２４１及び貫通孔２４２は、ターミナルピン５１の径と同じ径を有する。貫通孔２４３は、ターミナルピン５１の外形より大きい径を有する。これにより、貫通孔２４から、貫通孔２４の周囲の絶縁体層１２１及び環状の金属層１２３ｃが露出する。貫通孔２４１及び貫通孔２４２の径は、例えば４ｍｍである。貫通孔２４３の径は、例えば９ｍｍである。環状の金属層１２３ｃの内径は、例えば４ｍｍであり、外径は、例えば６ｍｍである。

ターミナルピン５１と貫通孔２４との間の隙間Ｓは、半田６１によって封止される。貫通孔２４へ下側からターミナルピン５１を通し、第２電極２３とターミナルピン５１を半田６１によって半田接合している。より詳しくは、第２電極２３に、貫通孔２４に挿通されたターミナルピン５１の頭部５３の上面５３ａを半田６１によって半田接合している。

第２基板１２において、ターミナルピン５１の貫通孔２４の周りに環状の金属層１２３ｃが残っていることにより、ターミナルピン５１の周りに濡れた半田６１の一部が環状の金属層１２３ｃの上へ濡れ広がる。半田６１は、ターミナルピン５１の周面と環状の金属層１２３ｃとにおいて、フィレット形状を形成する。半田６１がフィレット形状を形成することによって、熱電発電モジュール１の外部と内部とを連通する貫通孔２４とターミナルピン５１との隙間Ｓが塞がれる。

第１基板１１及び第２基板１２の外周には封止用の枠である封止部３０を配置して熱電変換素子２１を密閉空間内に配列する。

図３に示すように、封止部３０は、枠形状に形成されている。封止部３０は、上下方向視において、面方向に整列された複数のｐｎ素子対の周囲を囲んで配置される。図１に示すように、封止部３０は、第１基板１１の上面と第２基板１２の下面との間に配置され、第１基板１１の上面の周縁部と、第２基板１２の下面の周縁部とを封止する。封止部３０は、第１基板１１の上面と第２基板１２の下面とに図示しない半田によって固定される。

封止部３０は、枠部３１と、枠部３１の中央部に形成された開口部３２とを有する。

枠部３１は、矩形の外形を有する。枠部３１は、上面３１ａと下面３１ｂとを有する。枠部３１の上面３１ａは、第２基板１２の絶縁体層１２１の下面１２１ｂと向かい合う。枠部３１の下面３１ｂは、第１基板１１の絶縁体層１１１の上面１１１ａと向かい合う。

本実施形態では、枠部３１の厚さは１．２ｍｍである。

開口部３２は、枠部３１の中央部に矩形状に形成された開口である。開口部３２には、熱電変換素子２１が配置される。

第１基板１１及び第２基板１２は、面方向に整列された複数のｐｎ素子対および封止部３０を上下方向に挟んで配置される。第１基板１１と第２基板１２は、第１電極２２、第２電極２３および封止部３０を覆う大きさを有している。

このように構成された熱電発電モジュール１は、第２基板１２の側に熱を加え、第１基板１１の側を冷却水等で冷やすと温度差によって起電力が発生して、図示しない１対のリード線の間に負荷（図示略）を接続したときに電流が流れる。すなわち、熱電発電モジュール１の両側（図中の上下）に温度差を与えることによって、電力が取り出せる。

［半田による封止方法及び作用］
次に、半田６１による、ターミナルピン５１と貫通孔２４との封止方法及び作用について説明する。貫通孔２４へ下側からターミナルピン５１を通し、第２電極２３とターミナルピン５１を半田６１によって半田接合する。より詳しくは、貫通孔２４に挿通されたターミナルピン５１の頭部５３の上面５３ａを第２電極２３に接触させる。ターミナルピン５１の頭部５３の上面５３ａには半田６１が塗布されている。この状態で焼成処理して、第２電極２３とターミナルピン５１を半田接合する。熱電変換素子２１を半田接合している第２基板１２の上面側はターミナルピン５１の貫通孔２４のみ円形に開口している。これにより、第２基板１２の上面側において、正極と負極との短絡が規制される。

図６は、実施形態に係る熱電発電モジュールのターミナルピン及び半田を示す拡大断面図である。図７は、実施形態に係る熱電発電モジュールのターミナルピン及び半田を示す写真である。図６、図７に示すように、第２基板１２において、ターミナルピン５１の貫通孔２４の周りに環状の金属層１２３ｃが残されている。第２基板１２において、ターミナルピン５１の周りに濡れた半田６１の一部が環状の金属層１２３ｃの上へ濡れ広がる。これにより、半田６１が、ターミナルピン５１の周面と環状の金属層１２３ｃとにおいてフィレット形状を形成する。フィレット形状の半田６１によって、ターミナルピン５１と貫通孔２４との隙間Ｓを覆うように、環状の金属層１２３ｃとターミナルピン５１とが半田接合される。ターミナルピン５１の周りに濡れた半田６１の残部は、ターミナルピン５１の周りに沿って濡れ広がる。このように、フィレット形状の半田６１によって、熱電発電モジュール１の外部と内部とを連通する貫通孔２４とターミナルピン５１との隙間Ｓを塞がれて封止性が高められる。

［効果］
以上説明したように、本実施形態では、絶縁体層１２１を貫通して形成されてターミナルピン５１を挿通する貫通孔２４と、貫通孔２４の周縁部に配置された環状の金属層１２３ｃとを有する。本実施形態では、ターミナルピン５１の貫通孔２４の周りに環状の金属層１２３ｃのパターンが残されている。本実施形態では、ターミナルピン５１と貫通孔２４との間の隙間Ｓは、半田６１によって封止される。本実施形態では、絶縁体層１２１の上に環状の金属層１２３ｃが残されている。本実施形態は、環状の金属層１２３ｃの上に半田６１が濡れ広がるので、絶縁体層１２１において貫通孔２４の周縁部に半田６１を濡れ広がらせることができる。これらにより、本実施形態によれば、ターミナルピン５１と貫通孔２４との隙間Ｓを覆うように、金属層１２３とターミナルピン５１とを半田６１によって半田接合することができる。本実施形態は、熱電発電モジュール１の外部と内部とを連通する貫通孔２４とターミナルピン５１との隙間Ｓを塞ぐことができる。このように、本実施形態は、熱電発電モジュール１からのターミナルピン５１の引き出し部において、封止性を向上することができる。

本実施形態は、熱電変換素子２１を半田接合している第２基板１２の上面側はターミナルピン５１の貫通孔２４のみ円形に開口している。本実施形態によれば、第２基板１２の上面側において、正極と負極との短絡を規制することができる。

本実施形態は、半田６１がフィレット形状を形成する。本実施形態によれば、半田フラックスの抜け穴が隙間Ｓを通して熱電発電モジュール１の外部と内部とを連通することを抑制できる。本実施形態によれば、ターミナルピン５１の貫通孔２４の封止性を向上することができる。

本実施形態では、絶縁体層１２１は、ポリイミド、フッ素、及びエポキシ樹脂の少なくとも１つを含む材料で形成される。本実施形態は、半田６１が濡れ広がることがない絶縁体層１２１の上に、環状の金属層１２３ｃを介して、半田６１を濡れ広げることができる。

本実施形態では、環状の金属層１２３ｃを含む金属層１２３は、銅、ニッケル、ステンレス、アルミニウムの少なくとも１つを含む材料で形成される。本実施形態は、環状の金属層１２３ｃに、半田６１を濡れ広げることができる。

これに対して、図８ないし図１０を用いて、従来の熱電発電モジュールについて説明する。図８は、従来の熱電発電モジュールの第２基板及びターミナルピンを示す拡大断面図である。図９は、図８の部分拡大図である。図１０は、従来の熱電発電モジュールのターミナルピン及び半田を示す拡大断面図である。従来の熱電発電モジュールは、ターミナルピン５１の貫通孔２４Ｘの周りに環状の金属層１２３ｃが残されていない。貫通孔２４Ｘは、環状の金属層１２３ｃが残されていないため、貫通孔２４１と貫通孔２４２との２層構造を有する。金属層１２３Ｘに開口部１２５Ｘが設けられているので、第２基板１２Ｘは、ターミナルピン５１の周囲において、絶縁体層１２１と金属層１２２との２層になっている。ターミナルピン５１を第２電極２３に半田接合した場合、金属層１２２とターミナルピン５１は半田接合されるが、絶縁体層１２１とターミナルピン５１は半田接合されない。これにより、ターミナルピン５１の周囲に隙間Ｓが生成される。より詳しくは、第２基板１２Ｘにおいて、ターミナルピン５１の貫通孔２４Ｘの周りに環状の金属層１２３ｃが残っていないことで、ターミナルピン５１の周りに濡れた半田６１Ｘは、絶縁体層１２１の上に濡れ広がらずに、ターミナルピン５１に沿って濡れ広がる。これにより、半田６１Ｘがフィレット形状を形成しない。従来の熱電発電モジュールでは、半田６１Ｘが不均一でアリの巣状になることがある。このように、従来の熱電発電モジュールは、外部と内部とを連通する貫通孔２４の周囲の隙間Ｓが埋まらないおそれがあり、封止性に改善の余地がある。

１…熱電発電モジュール、１ａ…上面、１ｂ…下面、２…高温側プレート、２ａ…上面、３…カーボンシート、４…低温側プレート、４ｂ…下面、５…カーボンシート、１１…第１基板（基板）、１１１…絶縁体層、１１１ａ…上面、１１２…金属層、１１３…金属層、１１３ａ…上面、１２…第２基板（基板）、１２１…絶縁体層、１２１ｂ…下面、１２２…金属層、１２２ｂ…下面、１２３…金属層、１２３ａ…上面、１２３ｃ…環状の金属層、１２４…ニッケルメッキ層、２１…熱電変換素子、２１Ｐ…ｐ型素子、２１Ｎ…ｎ型素子、２２…第１電極（電極）、２３…第２電極（電極）、２４…貫通孔、２４１…貫通孔、２４２…貫通孔、２４３…貫通孔、３０…封止部、３１…枠部、３１ａ…上面、３１ｂ…下面、３２…開口部、５１…ターミナルピン（端子）、５２…本体部、５３…頭部、５３ａ…上面、５４…雌ねじ部、６１…半田。

Claims (4)

1. 一対の基板と、
   前記基板の上に配置された複数の電極と、
   一対の前記電極の間に配置された熱電変換素子と、
   前記電極に接続された端子と、
   を備え、
   前記基板は、電気絶縁性を有する材料で形成された絶縁体層と、前記絶縁体層を貫通して形成されて前記端子を挿通する貫通孔と、前記貫通孔の周縁部に配置された環状の金属層とを有し、
   前記端子と前記貫通孔との間の隙間は、半田によって封止される、
   熱電発電モジュール。
2. 前記半田は、前記端子の周面と前記金属層とにおいて、フィレット形状を形成した、
   請求項１に記載の熱電発電モジュール。
3. 前記絶縁体層は、ポリイミド、フッ素、及びエポキシ樹脂の少なくとも１つを含む材料で形成される、
   請求項１又は請求項２に記載の熱電発電モジュール。
4. 前記金属層は、銅、ニッケル、ステンレス、アルミニウムの少なくとも１つを含む材料で形成される、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱電発電モジュール。

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