JP6235437B2

JP6235437B2 - 熱電モジュール

Info

Publication number: JP6235437B2
Application number: JP2014182832A
Authority: JP
Inventors: 賢一赤羽
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2017-11-22
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: JP2016058503A

Description

本発明は、温度調節、特に自動車用シートクーラーに使用される、あるいは燃料電池等の温度調節に使用される熱電モジュールに関するものである。

熱電モジュールは、例えば、熱電素子に電力を供給することによって、一方の主面と他方の主面側との間に温度差を生じさせることができる。また、熱電モジュールは、例えば、一方の主面と他方の主面との間に温度差を与えることによって、熱電素子によって電力を生じさせることができる。これらの性質を活かして、熱電モジュールは温度調節または熱電発電等に用いられる。

このような熱電モジュールとして、例えば特許文献１に開示された熱電モジュールが挙げられる。特許文献１に開示された熱電モジュールは、複数の熱電素子と、複数の熱電素子を接続する電極と、電極を挟んで保持する一対の基板とを備えている。そして、熱電モジュールは、熱電素子が基板の中央部で疎に、周辺部で密になるように配置されている。熱電モジュールは、例えば、一対の基板の少なくとも一方の外側の主面が、流体の流れる流路に面するようにして用いられる。流路としては、例えば外部装置の通風管等が挙げられる。

熱電モジュールを温度調節に用いる場合には、例えばブロアから発せられた流体（風）を流路に通すことで、風を冷風または温風に変化させることができる。この冷風または温風を用いて温度調節を行なう。

特開２０１２−２４３８７９号公報

ここで、流路を流れる流体の速度は、流路の幅方向において異なる。すなわち、流路の中央部側においては流体は速く流れるが、流路の端部側においては流体は遅く流れる。そのため、熱電モジュールの外側の主面を流路に面するようにして用いた場合には、流路の中央部側においては熱電モジュールから発せられた熱（熱気または冷気）を流体を通じて効率よく取り出すことができる。しかしながら、端部側においては熱電モジュールから発せられた熱が流体に伝わったとしても、この流体の流れが遅いことによって熱電モジュールの外部に速やかに熱を取り出すことが困難になる場合があった。そのため、熱電モジュール中に熱が籠ってしまうおそれがあった。その結果、電力の無駄が生じてしまうことによって、熱電変換効率が低下してしまうという問題点があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱電変換効率が向上した熱電モジュールを提供することにある。

本発明の一態様の熱電モジュールは、第１支持基板と、該第１支持基板に一方の主面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１支持基板および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子とを備えており、前記第２支持基板の他方の主面が流体の流れる流路に面しているとともに、該流路の幅方向で見たときに、前記熱電素子が前記流路
の端部側よりも中央部側において密度が高くなるように配列されていることを特徴とする。

本発明の一態様の熱電モジュールによれば、第１支持基板と、流路の幅方向で見たときに、熱電素子が流路の端部側よりも中央部側において密度が高くなるように配列されている。すなわち、熱を効率よく取り出すことができる中央部側において熱電素子が多く配置されているとともに、中央部側と比較して熱を取り出しにくい端部側において熱電素子が少なく配置されている。これにより、中央部側で熱を良好に取り出しつつ、端部側で熱が籠ってしまうおそれを低減できる。その結果、電力の無駄が生じることを低減できるので、熱電モジュールの熱電変換効率を向上できる。

本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの分解斜視図である。図１に示す熱電モジュールを通風管に配置したときの模式図（断面図）である。図１に示す熱電モジュールにおける熱電素子の配置を示す配置図（断面図）である。本発明の熱電モジュールの変形例における熱電素子の配置を示す配置図（断面図）である。

以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュールについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態の熱電モジュール１０は、第１支持基板１と、第１支持基板１に対向するように設けられた第２支持基板２と、第１支持基板１の主面および第２支持基板２の主面の間に設けられた熱電素子３とを備えている。なお、図１においては、説明の都合上、熱電モジュール１０を一部分解して示している。

第１支持基板１は、主に、第２支持基板２と共に複数の熱電素子３を支持するための部材である。図１に示すように、第１支持基板１は、四角形状の部材であって、第２支持基板２と対向する主面（以下、上面ともいう）を有する。

本実施形態の熱電モジュール１０の第１支持基板１１の寸法は、例えば、縦を４０〜５０ｍｍに、横を２０〜３０ｍｍに、厚さを０．２５〜０．３５ｍｍに設定することができる。

第１支持基板１は、上面に第１電極４が設けられることから、少なくとも上面側は絶縁材料から成る。第１支持基板１としては、例えば、アルミナフィラーを添加して成るエポキシ樹脂板または酸化アルミニウム質焼結体あるいは窒化アルミニウム質焼結体等のセラミック板の下面側の主面に外部への伝熱または放熱用の銅板を貼り合わせた基板を用いることができる。また、第１支持基板１の他の例としては、銅板、銀板または銀−パラジウム板の上面にエポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、アルミナセラミックスまたは窒化アルミニウムセラミックス等から成る絶縁性の層を設けた基板を用いることができる。

第１電極４は、熱電素子３に電力を与えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。第１電極４は、第１支持基板１の上面に設けられている。第１電極４は、第２の支持基板の下面に設けられている第２電極（図示せず）とともに、複数の熱電素子３を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素
子３１およびｎ型熱電素子３２を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子３が直列に接続されている。第１電極４は、例えば銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第１電極４は、例えば、第１支持基板１の上面に銅板を貼り付けておき、これに対して第１電極４となる部分にマスキングを施して、マスキングを施した領域以外の領域をエッチングで取り除くことによって形成される。また、打ち抜き加工によって第１電極４の形状に成形した銅板を第１支持基板１に貼り付けることによって第１電極４を形成してもよい。

第２支持基板２は、主に第１支持基板１と共に複数の熱電素子３を挟んで支持するための部材である。第２支持基板２は、第１支持基板１に一方の主面（以下、下面ともいう）が対向するように設けられている。第２支持基板２の下面と第１支持基板１の上面とによって、複数の熱電素子３が挟まれて保持されている。第２支持基板２は、例えば四角形状である。第２支持基板２の寸法は、第１支持基板１と共に複数の熱電素子３を保持できるように設定される。具体的には、第２支持基板２の形状が四角形状である場合には、例えば縦を４０〜５０ｍｍに、横を２０〜３０ｍｍに、厚さを０．２５〜０．３５に設定することができる。本実施形態の熱電モジュール１０においては、第２支持基板２は、平面視したときに全体が第１支持基板１に重なっている。これにより、熱電モジュール１０に上下方向の力が加わった際の耐久性が向上している。

第２支持基板２は、第１支持基板１に対向する主面（下面）に第２電極が設けられることから、少なくとも下面側は絶縁材料から成る。第２支持基板２としては、第１支持基板１に用いることができる上述の部材と同様の部材を用いることができる。

第２電極は、熱電素子３に電力を与えるため、または熱電素子３で生じた電力を取り出すための部材である。第２電極は、第２支持基板２の下面に設けられている。第２電極は、第１電極４と共に、複数の熱電素子３を電気的に接続するように設けられている。具体的には、隣接するｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２を交互に直列に電気的に接続しており、全ての熱電素子３が直列に接続されている。第２電極は、例えば銅、銀または銀−パラジウム等によって形成される。第２電極は、例えば、第２支持基板２の下面に銅板を貼り付けておき、この銅板の第２電極となる部分にマスキングをして、マスクした領域以外の領域をエッチングすることによって形成される。また、打ち抜き加工によって第２電極の形状に成形した銅板を第２支持基板２の下面に貼り付けることによって第２電極を形成してもよい。

熱電素子３は、ペルチェ効果によって温度調節を行なうため、またはゼーベック効果によって発電を行なうための部材である。熱電素子３は、第１支持基板１の主面および第２支持基板２の主面の間に複数配列されている。熱電素子３は、熱電素子３の直径の０．５〜２倍の間隔で縦横の並びに複数設けられる。これら複数の熱電素子３は、第１電極４と同様のパターンに塗布された半田によって第１電極４に接合されている。そして、複数の熱電素子３は第１電極４および第２電極によって全体が直列に電気的に接続されている。

熱電素子３は、ｐ型熱電素子３１とｎ型熱電素子３２とに分類される。熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）は、Ａ_２Ｂ_３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）から成る熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）またはＴｅ（テルル）系の熱電材料で本体部が形成されている。具体的には、ｐ型熱電素子３１は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｔｅ_３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成される。また、ｎ型熱電素子３２は、例えば、Ｂｉ_２Ｔｅ_３（テルル化ビスマス）とＳｂ_２Ｓｅ_３（セレン化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で形成される。

ここで、ｐ型熱電素子３１となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、アンチモンおよびテルルからなるｐ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。また、ｎ型熱電素子３２となる熱電材料は、一度溶融させてから固化させたビスマス、テルルおよびセレンからなるｎ型の形成材料を、ブリッジマン法によって一方向に凝固させて棒状にしたものである。

これらの棒状の熱電材料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後、ワイヤーソーを用いて、例えば０．３〜５ｍｍの長さに切断する。次いで、切断面のみに電気メッキを用いてニッケル層および錫層を順次形成する。最後に、溶解液でレジストを除去することによって、熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）を得ることができる。

熱電素子３（ｐ型熱電素子３１およびｎ型熱電素子３２）の形状は、例えば円柱状、四角柱状または多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子３の形状を円柱状にすることが好ましい。これにより、ヒートサイクル下において熱電素子３に生じる熱応力の影響を低減できる。熱電素子３を円柱状に形成する場合には、寸法は、例えば直径が１〜３ｍｍに設定される。

さらに、熱電モジュール１０は、第２支持基板２の他方の主面（上面）が流体の流れる流路６に面して用いられる。具体的には、図２に示すように、熱電モジュール１０は、外部装置の通風管５に嵌めこまれて用いられる。図２に示す通風管５においては、流体は空気等の気体であって、右から左に向かって風が流れている。図２、３においては、流体の流れる方向を破線の白抜き矢印で示している。本実施形態においては、流路６の幅方向の全体にわたって熱電モジュール１０が設けられている。すなわち、流路６の幅と熱電モジュール１０の幅とが等しい。

そして、図３に示すように、熱電モジュール１０は、流路６の幅方向（図３における上下方向）で見たときに、熱電素子３が流路６の端部側よりも中央部側において密度が高くなるように配列されている。これにより、熱を効率よく取り出すことができる中央部側において熱電素子３が多く配置されているとともに、中央部側と比較して熱を取り出しにくい端部側において熱電素子３が少なく配置されている。これにより、流路６の中央部側で熱電モジュール１０から熱を良好に取り出しつつ、流路６の端部側で熱電モジュール１０に熱が籠ってしまうおそれを低減できる。その結果、電力の無駄が生じることを低減できるので、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上できる。なお、図３においては、熱電モジュール１０は、通風管５に嵌めこまれている。

図１、２に示すように、さらに、本実施形態においては第２支持基板２の上面にはフィン７２が設けられている。フィン７２は、図２において右から左に風が流れたときに、風の流れを阻害しないようにしつつ、熱電モジュール１０から発せられた熱を効率よく取り出すことができるように設けられている。本実施形態の熱電モジュール１０においては、第２支持基板２の上面よりも上方の空間はフィン７２によって複数の領域に分割されているが、これらは１つの流路６として考えることができる。なお、本実施形態においては、第１支持基板１の下面にも同様のフィン７１が設けられている。

さらに、図３に示すように、第２支持基板２の他方の主面が流体の流れる流路６に面しているとともに、流路６の幅方向で見たときに、流路６の端部側から中央部側に近付くにつれて熱電素子３の密度が高くなるように配列されていることが好ましい。一般的に、流体の流れる速度は流路６の幅方向で見たときに、端部側から中央部側に近付くにつれて大きくなる。熱電素子３の密度もこれに合わせて端部側から中央部側に近付くにつれて大きくなることによって、電力の無駄が生じることをさらに低減できる。その結果、熱電モジ
ュール１０の熱電変換効率を向上できる。熱電素子３の中心間の距離は、例えば熱電素子３の直径の１．３〜２倍になるように配置されており、流路６の幅方向の中心から離れるにつれて中心間の距離が広がっていくように配置されている。

具体的には、図３において破線で囲った領域Ａに示すように、流路６の幅方向に８つの熱電素子３が配置されている場合には、熱電素子３の中心間の距離は、最も中央側に位置している熱電素子３ａと３ｂとの間の中心間距離を、直径の１．３倍に、熱電素子３ｂと熱電素子３ｂに隣接する熱電素子３ｃとの間の中心間距離を直径の１．５倍に、熱電素子３ｃと熱電素子３ｃに隣接する熱電素子３ｄとの間の中心間距離を直径の１．５倍に、熱電素子３ｄと熱電素子３ｄに隣接する熱電素子３ｅとの間の中心間距離を直径の２倍に設定できる。

そして、本実施形態においては、流体の進行方向における熱電素子３の中心間の距離が、熱電素子３の直径の１．３倍になるように配置されている。そのため、例えば、中心側の熱電素子３ａ、３ｂ、３ｆ、３ｇのそれぞれの中心を結んだ四角形の領域Ｂの面積を１とすると、端部側の熱電素子３ｄ、３ｅ、３ｈ、３ｉの中心を結んだ四角形の領域Ｃの面積は１．５となる。領域Ｂよりも領域Ｃの方が面積が大きく、また領域Ｂおよび領域Ｃともに熱電素子３が４つ配置されているので、領域Ｂの方が領域Ｃよりも密度が高くなるように熱電素子３が配置されているとみなすことができる。

また、図４に示すように、熱電素子３が、流路６の下流側よりも上流側において密度が高くなるように配列されていることが好ましい。例えば、第２支持基板２の上面から熱（熱気）を取り出す場合には、流体は上流側から下流側に向かうにつれて、温度が高くなっていく。そのため、流体は、第２支持基板２の上面のうち上流側から下流側に向かうにつれて、熱を取り出しにくくなっていく。そこで、熱を効率よく取り出すことができる上流側において熱電素子３を多く配置しておき、上流側と比較して熱を取り出しにくい下流側において熱電素子３を少なく配置しておくことによって、上流側で熱を良好に取り出しつつ、下流側で熱が籠ってしまうおそれを低減できる。その結果、電力の無駄が生じることを低減できるので、熱電モジュール１０の熱電変換効率を向上できる。流体の進行方向における熱電素子３の中心間の距離は、例えば、熱電素子３の直径の１．３〜２倍になるように配置されており、上流側から下流側に向かうにつれて中心間の距離が広がるように配置されている。

具体的には、図４において破線で囲った領域Ｄに示すように、流路６の上流側から下流側に向かって６つの熱電素子３が配置されている場合には、熱電素子３の中心間の距離は、上流側に位置している熱電素子３ｊと熱電素子３ｊに隣接する熱電素子３ｋとの間の中心間距離を直径の１．３倍に、熱電素子３ｋと熱電素子３ｋに隣接する熱電素子３ｌとの間の中心間距離を直径の１．３倍に、熱電素子３ｌと熱電素子３ｌに隣接する熱電素子３ｈとの間の中心間距離を直径の１．３倍に、熱電素子３ｈと熱電素子３ｈに隣接する熱電素子３ｄとの間の中心間距離を直径の１．５倍に、熱電素子３ｄと熱電素子３ｄに隣接する熱電素子３ｍとの間の中心間距離を直径の２倍に設定できる。

なお、本実施形態においては、流路６の幅と熱電モジュール１０の幅とがほぼ等しいが、これに限られるものではない。具体的には、流路６の幅よりも熱電モジュール１０の幅が小さくてもよい。このような場合であっても、流路６の幅方向における中央部側において熱電素子３が高い密度で配置されていればよい。そのため、熱電モジュール１０の幅方向の中央部側と、流路６の幅方向の中央部側とが一致しない場合も考えられる。

また、流路６の幅よりも熱電モジュール１０の幅が大きくてもよい。このような場合には、熱電モジュール１０の少なくとも一部が流路６に面しているとともに、流路６に面し
ている部分において、流路６の幅方向における中央部側において熱電素子３が高い密度で配置されていればよい。

１：第１支持基板
２：第２支持基板
３：熱電素子
３１：ｐ型熱電素子
３２：ｎ型熱電素子
４：第１電極
５：通風管
６：流路
７１，７２：フィン
１０：熱電モジュール

Claims

第１支持基板と、該第１支持基板に一方の主面が対向するように設けられた第２支持基板と、前記第１支持基板および前記第２支持基板の間に複数配列された熱電素子とを備えており、
前記第２支持基板の他方の主面が流体の流れる流路に面しているとともに、該流路の幅方向で見たときに、前記熱電素子が前記流路の端部側よりも中央部側において密度が高くなるように配列されていることを特徴とする熱電モジュール。
前記熱電素子が、前記流路の端部側から中央部側に近付くにつれて密度が高くなるように配列されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。
前記熱電素子が、前記流路の下流側よりも上流側において密度が高くなるように配列されていることを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュール。