JPH10229223A

JPH10229223A - 熱電素子

Info

Publication number: JPH10229223A
Application number: JP9031765A
Authority: JP
Inventors: Toyokichi Yoshioka; 豊吉吉岡
Original assignee: TEKUNISUKO KK
Current assignee: TEKUNISUKO KK
Priority date: 1997-02-17
Filing date: 1997-02-17
Publication date: 1998-08-25

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】ペルチェ効果による吸熱、放熱の機能を有する
サーモモジュールを構成する熱電素子の溶接状態を強固
とし、更に、ハンダ等のはみ出しを防止することによ
り、サーモモジュールの性能を高める。【解決手段】略直方体形状に形成される熱電素子と電気
導通部との接合面１１，１２に所定の非平面部１３を設
けることにより、溶接面積を広げて溶接状態を強固とす
ると共に、ハンダ等のはみ出しを減少させて、隣接する
熱電素子との短絡を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、サーモモジュール
に用いられる熱電素子に関し、詳しくは、熱電素子の基
板との接合面の面積を広げることにより、溶接部の強度
を増すようにした熱電素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に知られているサーモモジュールと
しては、例えば、図１４に示した構成のものが一例とし
て周知である。このサーモモジュール６０は、上下の基
板６１、６２間に多数の熱電素子（ペルチェ素子）６３
を所定の配列をもってサンドイッチ状に介在させ、熱電
素子６３の上下端をそれぞれをハンダ付け等の溶接手段
により溶着させて一体に形成したものである。

【０００３】この場合に使用される上下の基板６１、６
２は、図１５（Ａ）、（Ｂ）に示したように、その溶接
面側に電気導通部６４ａ、６４ｂがそれぞれ形成されて
いる。上部の基板６１に形成されている電気導通部６４
ａと下部の基板６２に形成されている電気導通部６４ｂ
とは、配列方向が若干違っており、ハンダ付けされた多
数の熱電素子６３が、両電極６５、６６間において直列
にされるようになっている。

【０００４】ここで使用されている多数の熱電素子６３
は、Ｐ型半導体またはＮ型半導体により構成され、図１
６に示すように、それぞれが直方体形状に形成されてい
る。そして、このように形成された熱電素子６３の平面
状の上面６７及び下面６８が接合面となって、上下の基
板６１、６２に設けた電気導通部６４ａ、６４ｂにハン
ダ付けされ、前記したように全部が直列に接続されてい
る。

【０００５】また、多数の熱電素子６３の接続において
は、図１７に示したように、Ｐ型半導体とＮ型半導体と
が交互に配設され、上部の基板６１及び下部の基板６２
にそれぞれ設けられた電気導通部６４ａ、６４ｂを介し
てＰ型及びＮ型の熱電素子６３が交互に直列に接続され
ている。

【０００６】この状態で両電極６５、６６間に所定の電
圧を印加すると、ペルチェ効果により、Ｐ型半導体とＮ
型半導体との間を流れる電流によって、熱の発生又は吸
収が起こり、片方の基板は吸熱し、もう片方の基板は放
熱する。また、印加する電圧の極性を逆にすることによ
り、吸熱する基板と放熱する基板とは逆になる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように、熱電素子
によって構成されたサーモモジュールにおいて、吸熱側
の基板と放熱側の基板との間に熱膨張の差が生じると、
この差によって熱歪みが生じ、これが原因となって、溶
接部位に剥離等が生じるという問題点がある。このよう
に溶接部位に剥離等が生じると、ペルチェ効果による基
板における吸熱、放熱の動作に支障をきたすという不都
合が生じる。

【０００８】更に、熱歪みに起因する場合のみならず、
振動が生じやすい場所にサーモモジュールが配設される
場合においても、振動により溶接部位に剥離等が生じる
という問題点がある。

【０００９】また、上記の剥離を免れるためにハンダを
厚く付けた場合には、図１８に示すようにハンダ３９が
接合面の横に大幅にはみ出すことになり、このはみ出し
たハンダ６９により剥離は防止できるが、その反面はみ
出したハンダ６９が隣接する熱電素子間または電気導通
部間が短絡するようになり、働かない熱電素子が生じて
吸熱、放熱が正常に行われなくなるという問題点が生じ
る。

【００１０】従って、従来例においては、ハンダのはみ
出しによる熱電素子同士または電気導通部同士の短絡を
生じることなく、熱電素子と電気導通部との溶接強度を
高め、剥離等が生じないようにすることに課題を有して
いる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の具体的手段として本発明は、両端を吸熱及び放熱可能
な２枚の基板の所定位置に溶接されて、前記２枚の基板
間に挟持される熱電素子であって、溶接される溶接面に
は、溶接強度を増大させるための非平面部を設けたこと
を特徴とする熱電素子を提供するものであり、好ましく
は、非平面部は、溶接面の外周を面取りして形成したテ
ーパー面であること、非平面部は、溶接面の任意の位置
において形成した溝であることを特徴とするものであ
る。

【００１２】このように、熱電素子に溶接強度を増大さ
せるための非平面部を設けたことにより、基板との接合
面積が広がるため、溶接部位の溶接強度が増し、剥離等
が生じにくくなって熱ひずみや振動に耐えうると共に、
ハンダ等の横へのはみだしを減少させることができるの
で、隣接する熱電素子同士、電気導通部同士の短絡を防
止することができる。

【００１３】また、非平面部は、溶接面の外周を面取り
して形成したテーパー面であること、非平面部は、溶接
面の任意の位置において形成した溝であることにより、
接合面積が広がると共に、ハンダ等の浸透性が良好とな
り、熱電素子の接合面と基板の電気導通部との間に生じ
るボイド（空洞）が減少し、密着性が良好となる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、本発明のいくつかの実施の
形態について、図面を参照して詳細に説明する。まず、
図１〜３に示す第一の実施の形態について説明する。

【００１５】Ｐ型またはＮ型半導体からなる熱電素子１
０は、全体的に直方体を呈し、上下の接合面１１、１２
を平坦面に形成すると共に、その平坦面の一部、即ち、
外周面をテーパー状に面取りし、非平面部１３を形成し
たものである。

【００１６】非平面部１３を形成することにより、熱電
素子１０としての接合面における表面積が実質的に広が
ることになり、それによって接合の強度を増大させるこ
とができる。

【００１７】Ｐ型半導体またはＮ型半導体からなる熱電
素子１０は、図４（Ａ）に示すように、例えば厚さ２〜
５ミリメートル、縦横３０ミリメートル四方の熱電素材
２０を縦横に２〜５ミリメートル角程度に切削すること
により形成される。

【００１８】この熱電素材２０は、プレート２１上にワ
ックスダウンと称する手法によりワックス２２を介して
固定され、適宜の手段により切削される。また、側面に
は、切削位置を示す基準線２３が形成されている。

【００１９】切削時は、先ず図４（Ｂ）に示す先端がＶ
字型のＶ溝ブレード２４によって、熱電素材２０の表面
において、基準線２３が形成された位置に切り口を入
れ、予めＶ溝を形成する。このＶ溝は、全ての基準線２
３の位置において形成しておく。

【００２０】表面において全ての基準線２３の位置にＶ
溝を形成した後は、次に、ワックスを溶かして熱電素材
２０とプレート２１との固定状態を解き、熱電素子２０
を裏返して再度ワックスダウンにより熱電素子２０を固
定させる。

【００２１】そして、熱電素材２０の裏面についても同
様にＶ溝ブレード２４によって、全ての基準線２３の位
置においてＶ溝を形成する。

【００２２】このようにして熱電素材２０の表面及び裏
面についてＶ溝が形成された後は、図４（Ｃ）に示すよ
うに、Ｖ溝の最も窪んだ部分に、切削用ブレード２５を
位置付け、全ての基準線２３に沿って切削を遂行するこ
とにより、個々の熱電素子１０が形成される。

【００２３】なお、熱電素材２０の端部を切削してでき
たものについては、外周の一部がテーパー面となってお
らず、また、大きさも不揃いであることがあるため、こ
のようなものについては廃棄してもよい。

【００２４】こうして形成された熱電素子１０の接合面
１１、１２を、ハンダ付けにより上下の基板３０、３１
に設けられた電気導通部３２ａ、３２ｂにそれぞれ溶接
すると、従来の接合面に非平面部を設けていない熱電素
子を溶接した場合と比較して、図５に示したように、ハ
ンダの横へのはみ出し３３が少なくなる。従って、隣接
する熱電素子間、電気導通部間の短絡の発生を防止する
ことができる。

【００２５】また、非平面部１３を設けたことによっ
て、非平面部１３を設けない場合よりも表面積、即ち接
合面積が広くなるため、その分溶接強度が増し、剥離等
が発生することがなくなる。

【００２６】次に、図６〜８に示す第二の実施の形態に
ついて説明する。Ｐ型またはＮ型半導体からなる熱電素
子４０は、全体的に直方体を呈し、上下の接合面４１、
４２を平坦面に形成すると共に、その平坦面の一部、即
ち、外周面を面取りしてテーパー面４３を設けた点にお
いては、図１〜３に示した熱電素子１０と同様である。

【００２７】第二の実施の形態の熱電素子４０では、更
に、接合面４１、４２の中央部に十字状のＶ溝である十
字溝４４を設け、この十字溝４４とテーパー面４３とか
らなる非平面部を形成している。

【００２８】この熱電素子４０を形成する際は、第一の
実施の形態で示した熱電素子１０と同様に、平型の略直
方体形状の熱電素材をワックスを介してプレート上に固
定し、側面に設けた基準線に沿って、先ずＶ溝ブレード
を用いてＶ溝の切り口を入れる。

【００２９】そして更に、既に形成されているＶ溝とＶ
溝との中間に、更にもう１本Ｖ溝ブレードを用いてＶ溝
を入れていく。以上の工程を、熱電素材の表面及び裏面
について行い、表面及び裏面に全てのＶ溝が形成された
後は、最初に基準線に沿って切り口を入れたＶ溝の先端
を切削用ブレードによって縦横に切削することによっ
て、個別の熱電素子４０が形成される。

【００３０】このように形成された熱電素子４０の接合
面４１、４２を、ハンダ付けにより上下の基板３０、３
１に設けられた電気導通部３２ａ、３２ｂにそれぞれ溶
接すると、図９に示したように、十字溝４４にもハンダ
が流れ込むので、その分接合面積が広がり、溶接強度が
増大する。また、十字溝４４及びテーパー面４３からな
る非平面部にハンダが流れ込んだ分、ハンダの横へのは
みだし４５が減少するので、隣接する熱電素子間、電気
導通部間の短絡の発生をより高い確率で防止することが
できる。

【００３１】なお、非平面部は、必ずしもテーパー面４
３及び十字溝４４により構成されている必要はなく、十
字溝４４のみでもよい。また、溝はＶ溝でなくてもよ
く、また、十字状に形成しなくてもよい。

【００３２】次に、図１０〜１２に示す第三の実施の形
態について説明する。Ｐ型またはＮ型半導体からなる熱
電素子５０は、全体的に直方体を呈し、上下の接合面５
１、５２を平坦面に形成した点は、図１〜３、図６〜８
で示した熱電素子１０、４０と同様である。

【００３３】熱電素子５０では、外周をテーパー面とは
しておらず、溝５３を３本ずつ縦横に設けて非平面部を
形成している。また、非平面部を構成する溝５３は、Ｖ
溝ではなく、断面が四角形状の溝となっている。

【００３４】このような形状の熱電素子５０を形成する
際は、第一、第二の実施の形態で示した熱電素子１０、
４０と同様に、平型の略直方体形状の熱電素材をワック
スを介してプレート上に固定する。

【００３５】次に、切削ブレードを用いて、断面が四角
の溝５３を一定間隔毎に形成していく。そして、全ての
溝５３を形成した後に、切削ブレードを用いて基準線に
沿って切削していく。全ての基準線に沿って切削が終了
すると。個々の熱電素子５０は、図１０〜１２に示した
形状となる。

【００３６】このように形成された熱電素子５０の接合
面５１、５２を、ハンダ付けにより上下の基板３０、３
１に設けられた電気導通部３２ａ、３２ｂにそれぞれ溶
接すると、図１３に示したように、溝５３にハンダが流
れ込むので、その分接合面積が広がり、溶接強度が増大
する。また、溝５３にハンダが流れ込んだ分、ハンダの
横へのはみだし５４が減少するので、隣接する熱電素子
間、電気導通部間の短絡の発生をより高い確率で防止す
ることができる。

【００３７】なお、非平面部は、必ずしも縦横に設けた
溝５３により構成されている必要はなく、縦のみ、横の
みのものであってもよいし、本数は何本であってもよ
い。また、溝はＶ溝でなくてもよく、また、斜めに形成
してもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、熱電素子
に溶接強度を増大させるための非平面部を設けたことに
より、サーモモジュールを構成する上下の基板に設けた
電気導通部との接合面積が広がるため、溶接部位の溶接
強度が増し、剥離等が生じにくくなって熱ひずみや振動
に耐えうると共に、ハンダ等の横へのはみだしを減少さ
せることができる。従って、隣接する熱電素子同士、電
気導通部同士の短絡を防止することができ、サーモモジ
ュールの吸熱、放熱の動作の性能を向上させることがで
きる。

【００３９】また、非平面部は、溶接面の外周を面取り
して形成したテーパー面であること、非平面部は、溶接
面の任意の位置において形成した溝であることにより、
接合面積が広がると共に、ハンダ等の浸透性が良好とな
り、熱電素子の接合面と基板の電気導通部との間に生じ
るボイド（空洞）が減少し、密着性が良好となるため、
更に、サーモモジュールの性能の向上を図ることができ
る。

【００４０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱電素子の第一の実施の形態を示
す斜視図である。

【図２】同熱電素子の第一の実施の形態を示す平面図で
ある。

【図３】同熱電素子の第一の実施の形態を示す側面図で
ある。

【図４】同熱電素子の切削前の形状を示した説明図であ
る。

【図５】同熱電素子の第一の実施の形態における電気導
通部との溶接状態を示す説明図である。

【図６】同熱電素子の第二の実施の形態を示す斜視図で
ある。

【図７】同熱電素子の第二の実施の形態を示す平面図で
ある。

【図８】同熱電素子の第二の実施の形態を示す側面図で
ある。

【図９】同熱電素子の第二の実施の形態における電気導
通部との溶接状態を示す説明図である。

【図１０】同熱電素子の第三の実施の形態を示す斜視図
である。

【図１１】同熱電素子の第三の実施の形態を示す平面図
である。

【図１２】同熱電素子の第三の実施の形態を示す側面図
である。

【図１３】同熱電素子の第三の実施の形態における電気
導通部との溶接状態を示す説明図である。

【図１４】従来のサーモモジュールを示す説明図であ
る。

【図１５】従来のサーモモジュールを構成する基板を示
す説明図である。

【図１６】従来のサーモモジュールを構成する熱電素子
の形状を示す斜視図である。

【図１７】従来のサーモモジュールの接続状態を示す説
明図である。

【図１８】従来のサーモモジュールの熱電素子と電気導
通部との接続状態を示す説明図である。

【符号の説明】

１０：熱電素子１１、１２：接合面１３：非平面部２０：熱電素材２１：プレート２２：ワックス２
３：基準線２４：Ｖ溝ブレード２５：切削用ブレード３０、３１：基板３２ａ、３２ｂ：電気導通部３
３：はみ出し４０：熱電素子４１、４２：接合面４３：テーパー
面４４：十字溝４５：はみ出し５０：熱電素子５１、５２：接合面５３：溝５
４：はみ出し

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】両端を吸熱及び放熱可能な２枚の基板の所
定位置に溶接されて、前記２枚の基板間に挟持される熱
電素子であって、溶接される溶接面には、溶接強度を増
大させるための非平面部を設けたことを特徴とする熱電
素子。
【請求項２】非平面部は、溶接面の外周を面取りして形
成したテーパー面であることを特徴とする請求項１に記
載の熱電素子。
【請求項３】非平面部は、溶接面の任意の位置において
形成した溝であることを特徴とする請求項１または２に
記載の熱電素子。