特開 2022-98288 熱電モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022098288

(43)【公開日】2022-07-01

(54)【発明の名称】熱電モジュール

(51)【国際特許分類】

   H01L 35/32 20060101AFI20220624BHJP

【ＦＩ】

H01L35/32 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020211745

(22)【出願日】2020-12-21

(71)【出願人】

【識別番号】590000835

【氏名又は名称】株式会社ＫＥＬＫ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】矢崎 穣

(57)【要約】

【課題】温調対象を適切に温度調節可能な熱電モジュールを提供する。
【解決手段】熱電モジュール１は、一対の基板である第１基板１１及び第２基板１２と、一対のである第１基板１１及び第２基板１２の間に配置された、形状及び材料の少なくともどちらかによって規定される種類が異なる複数の熱電変換素子と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の基板と、
前記一対の基板の間に配置された、形状及び材料の少なくともどちらかによって規定される種類が異なる複数の熱電変換素子と、
を備える、熱電モジュール。

【請求項2】

前記種類が同じ前記熱電変換素子は、すべてが直列、すべてが並列、又は、一部が並列に電気的に接続されている、請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項3】

前記種類が同じ複数の前記熱電変換素子を熱電変換素子群として、
すべての前記熱電変換素子群は、すべてが直列、すべてが並列、又は、一部が並列に電気的に接続されている、請求項１又は２に記載の熱電モジュール。

【請求項4】

前記熱電変換素子は、冷却側温度、放熱側温度、吸熱量、放熱側熱抵抗、及び、冷却側熱抵抗との少なくともいずれかに基づいて、消費電力が小さい種類及び対数で配置されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱電モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、波長可変レーザ素子をペルチェ効果によって温度調節する温度調節器が開示されている。この技術は、下基板と、下基板の上面に所定の距離だけ空けて異なる領域に設けられた複数の熱電変換素子と、この異なる領域に設けられた複数の熱電変換素子の各々の上面に設けられた複数の上基板と、を有する。複数の上基板の各々の上面に、波長可変レーザ素子を設ける。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１４０３０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載では、一対の基板の間に配置される熱電変換素子は、形状及び材料が同じものである。複数の温調対象を温度調節する場合、複数の温度調節器に１つ以上の温調対象を配置するか、１つの温度調節器にすべての温調対象を配置する必要がある。複数の温度調節器を配置する場合、部品数が増加する。１つの温度調節器にすべての温調対象を配置する場合、熱電変換素子は同じであるので、温度調節器の消費電力及び吸熱能力が最適化されないおそれがある。

【0005】

本発明は、温調対象を適切に温度調節可能な熱電モジュールを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の態様に従えば、一対の基板と、前記一対の基板の間に配置された、形状及び材料の少なくともどちらかによって規定される種類が異なる複数の熱電変換素子と、を備える熱電モジュールが提供される。

【発明の効果】

【0007】

本発明の態様に従えば、温調対象を適切に温度調節可能な熱電モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係る熱電モジュールの一例を示す概略図である。

【図2】図２は、熱電変換素子の選択方法を説明する図である。

【図3】図３は、従来の熱電モジュールの一例を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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、本開示はこれに限定されない。以下で説明する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。

【0010】

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。

【0011】

（実施形態）
［熱電モジュール］
図１は、実施形態に係る熱電モジュールの一例を示す概略図である。熱電モジュール１は、ペルチェ効果により、吸熱又は発熱する。熱電モジュール１が吸熱又は発熱することにより、温調対象の温度が調整される。実施形態では、熱電モジュール１は、例えば光学素子などの複数の温調対象を温調する熱電冷却器として説明する。

【0012】

熱電モジュール１は、一対の基板である第１基板１１及び第２基板１２と、複数の種類の熱電変換素子と、第１電極３１と、第２電極３２とを備える。実施形態では、複数の種類の熱電変換素子が、２種類の熱電変換素子２１と熱電変換素子２２とであるとして説明する。複数の種類の熱電変換素子は、これに限定されない。

【0013】

第１基板１１及び第２基板１２は、板状の基板である。実施形態では、第１基板１１及び第２基板１２は、矩形状に形成されている。第１基板１１及び第２基板１２は、例えばセラミックスなどの電気絶縁材料で形成される。第１基板１１及び第２基板１２は、熱伝導性が高い材料で形成される。

【0014】

第１基板１１は、下側に配置されている。第１基板１１は、第２基板１２と向かい合って配置された面１１ａと、面１１ａと反対側を向いて配置された面１１ｂとを有する。面１１ａと面１１ｂとは平行である。

【0015】

第２基板１２は、第１基板１１と向かい合った状態で、間隔を空けて配置されている。第２基板１２は、第１基板１１と平行である。第２基板１２は、図１において、第１基板１１より上側に配置されている。第２基板１２は、第１基板１１と向かい合って配置された面１２ａと、面１２ａと反対側を向いて配置された面１２ｂとを有する。面１２ａと面１２ｂとは平行である。第２基板１２は、面１２ｂ上に温調対象が配置される。実施形態では、ペルチェ効果により、第２基板１２から熱が奪われる。これにより、面１２ｂ上に配置された温調対象が冷却される。

【0016】

熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２は、第１基板１１の面１１ａと第２基板１２の面１２ａとの間にそれぞれ複数配置される。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２の数は、同じでも異なってもよい。複数の熱電変換素子２１を、熱電変換素子２１群という。複数の熱電変換素子２２を、熱電変換素子２２群という。熱電変換素子２１群及び熱電変換素子２２群は、第１基板１１の面１１ａと第２基板１２の面１２ａとの間の異なる領域に配置される。熱電変換素子２１群と熱電変換素子２２群とは、間隔を空けて配置してもよい。間隔を空けることにより、熱電変換素子２１群の熱と熱電変換素子２２群の熱とが互いに干渉することが抑制される。

【0017】

熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２は、ペルチェ効果により、吸熱または発熱する。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２は、軸方向の断面が矩形状の角柱形状である。

【0018】

熱電変換素子１３３は、熱電材料によって形成される。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２は、例えばビスマス（Ｂｉ）、アンチモン（Ｓｂ）、テルル（Ｔｅ）及びセレン（Ｓｅ）の少なくとも２種の元素を主成分とする熱電材料とドーパントとなる材料とを含んで構成される。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２は、例えばＢｉ－Ｔｅ系、Ｂｉ－Ｓｅ系、Ｓｂ－Ｔｅ系、Ｂｉ－Ｓｂ系、Ｓｂ－Ｓｅ系の熱電材料で形成される。

【0019】

熱電変換素子２１は、ｐ型の半導体熱電材料で形成されたｐ型素子と、ｎ型の半導体熱電材料で形成されたｎ型素子とを含む。ｐ型素子を構成するＢｉ－Ｔｅ系熱電材料としては、例えば、Ｂｉ、Ｔｅ及びＳｂを含む熱電材料が挙げられる。ｎ型素子を構成するＢｉ－Ｔｅ系熱電材料としては、例えば、Ｂｉ、Ｔｅ及びＳｅを含む熱電材料が挙げられる。ｐ型素子及びｎ型素子のそれぞれは、所定面内に複数配置される。前後方向において、ｐ型素子とｎ型素子とは交互に配置される。左右方向において、ｐ型素子とｎ型素子とは交互に配置される。

【0020】

熱電変換素子２２は、ｐ型素子とｎ型素子とを含む。熱電変換素子２２においても、ｐ型素子とｎ型素子とは、交互に配置される。

【0021】

熱電変換素子２１と熱電変換素子２２は、形状及び材料の少なくともどちらかが異なる。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２の種類は、形状及び材料の少なくともどちらかによって規定される。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２を比較して、形状及び材料の少なくともどちらかが異なる場合を、「種類が異なる」とする。より詳しくは、熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２を比較して、軸方向の長さ、軸方向と垂直な断面における一方の辺の長さ、他方の辺の長さの少なくともいずれかが、例えば０．０１ｍｍ以上異なる場合を、「種類が異なる」とする。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２を比較して、熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２の材料が異なる場合を、「種類が異なる」とする。

【0022】

種類が異なる熱電変換素子２１と熱電変換素子２２とは、同じ駆動電流で駆動させた際の消費電力及び吸熱能力が異なる。

【0023】

第１電極３１及び第２電極３２は、例えば、電気伝導性及び熱伝導性の高い金属で構成される。第１電極３１及び第２電極３２を形成する金属として、銅（Ｃｕ）、銅を含む合金、ニッケル（Ｎｉ）、ニッケルを含む合金、アルミニウム（Ａｌ）、及びアルミニウムを含む合金、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウムを含む合金、金（Ａｕ）、金を含む合金が例示される。また、第１電極３１及び第２電極３２の構造は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ａｕのうち２つ又は３つを組み合わせた２層又は３層構造でもよい。これらの第１電極３１及び第２電極３２の表面がニッケル膜で覆われてもよい。

【0024】

第１電極３１は、第１基板１１の面１１ａ上に設けられる。第１電極３１は、第１基板１１の面１１ａと平行な所定面内に複数が整列されている。第２電極３２は、第２基板１２の面１２ａ上に設けられる。第２電極３２は、第２基板１２の面１２ａと平行な所定面内に複数が整列されている。第１電極３１及び第２電極３２は、上下方向視において一部が重なるように位置をずらしながら互いに離間して対向して配置される。

【0025】

第１電極３１と第２電極３２とに間に、熱電変換素子２１群及び熱電変換素子２２群が配置されている。より詳しくは、第１電極３１と第２電極３２は、隣接する一対のｐ型素子及びｎ型素子のそれぞれに接続される。このようにして、ｐ型素子及びｎ型素子が、第１電極３１または第２電極３２を介して電気的に接続されてｐｎ素子対が構成される。回路の始端に配置されたｎ型素子には、第２電極３２を介して図示しないリード線が電気的に接続される。回路の終端に配置されたｐ型素子には、第２電極３２を介して図示しないリード線が電気的に接続される。

【0026】

熱電変換素子２１群の複数のｐｎ素子対は、直列、並列、または一部が並列に接続されて直列回路、並列回路、または一部に並列回路が構成される。熱電変換素子２２群の複数のｐｎ素子対は、直列、並列、または一部が並列に接続されて直列回路、並列回路、または一部に並列回路が構成される。言い換えると、種類が同じ熱電変換素子２１、２２は、すべてが直列、すべてが並列、又は、一部が並列に電気的に接続されている。

【0027】

さらに、熱電変換素子２１群と熱電変換素子２２群とは、直列に接続される。これにより、熱電変換素子２１群と熱電変換素子２２群とは、同じ電流によって駆動される。

【0028】

熱電変換素子２１と第１電極３１、熱電変換素子２１と第２電極３２、熱電変換素子２２と第１電極３１、熱電変換素子２２と第２電極３２は、半田によって接合されている。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２の軸方向の長さが異なる場合、半田の厚さまたは電極の厚さを調節する。これにより、軸方向の長さが異なる熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２を一対の第１基板１１及び第２基板１２の間に配置可能である。

【0029】

［熱電モジュールの使用方法及び作用］
このように構成された熱電モジュール１は、熱電素子群に電力を加えると、熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２のペルチェ効果によって、熱電モジュール１の第２基板１２が冷却され、第１基板１１が加熱される。熱電変換素子２１及び熱電変換素子２２は種類が異なるので、熱電変換素子２１が配置されている第２基板１２の領域１２１に位置する面１２ｂと、熱電変換素子２２が配置されている第２基板１２の領域１２２に位置する面１２ｂとは、それぞれ異なる温度に調整される。

【0030】

領域１２１に位置する面１２ｂ上には、熱電変換素子２１によって温調する第１温調対象を配置する。領域１２２に位置する面１２ｂ上には、熱電変換素子２２によって温調する第２温調対象を配置する。

【0031】

［熱電変換素子の選択方法］
次に、熱電モジュール１において、一対の基板である第１基板１１と第２基板１２との間に配置する熱電変換素子の選択方法の一例について説明する。熱電変換素子は、冷却側温度、放熱側温度、吸熱量、放熱側熱抵抗、及び、冷却側熱抵抗との少なくともいずれかを含む条件に基づいて、消費電力が小さくなるように種類及び対数が選択される。対数とは、熱電変換素子のｐｎ素子対の対数である。

【0032】

熱電モジュール１の第２基板１２の温度である冷却側温度をＴｃ、第１基板１１の温度である放熱側温度をＴｈとする。熱電モジュール１の吸熱量をＱｃとする。第１基板１１の熱抵抗である放熱側熱抵抗をθｈとする。第２基板１２の熱抵抗である冷却側熱抵抗をθｃとする。冷却側温度Ｔｃ、放熱側温度Ｔｈ、吸熱量Ｑｃ、放熱側熱抵抗θｈ、及び冷却側熱抵抗θｃは、熱電モジュール１の温調対象に応じた冷却能力に基づいて設定される。

【0033】

図２を用いて、熱電変換素子の選択方法について詳しく説明する。図２は、熱電変換素子の選択方法を説明する図である。図２（１）及び図２（３）は、横軸が熱電変換素子のｐｎ素子対の対数、縦軸が駆動電流（Ａ）である。図２（２）及び図２（４）は、横軸が熱電変換素子のｐｎ素子対の対数、縦軸が消費電力（Ｗ）である。図２（１）及び図２（２）は、条件例１を示す。図２（３）及び図２（４）は、条件例２を示す。条件例１及び条件例２ともに、種類Ａ、種類Ｂ、種類Ｃ及び種類Ｄの４種類の熱電変換素子を候補とする。

【0034】

複数の温調対象がある場合、それぞれの温調対象に応じて、冷却側温度Ｔｃ、放熱側温度Ｔｈ、吸熱量Ｑｃ、放熱側熱抵抗θｈ、及び冷却側熱抵抗θｃを少なくともいずれかを含む条件が設定される。ここでは、２つの温調対象に応じた条件例１と条件例２とに適した熱電変換素子をそれぞれ選択する場合について説明する。また、条件例１と条件例２とにおいては、駆動電流は同じとする。

【0035】

条件例１は、Ｔｃ＝Ｔｃ_１（℃）、Ｔｈ＝Ｔｈ_１（℃）、Ｑｃ＝Ｑｃ_１（Ｗ）とする。また、電流Ｉ_１（Ａ）で駆動させるとする。条件例１においては、図２（１）より、電流Ｉ_１では、種類Ａ、種類Ｃ、種類Ｄの熱電変換素子が選択可能である。種類Ｂの熱電変換素子は駆動されず対象外である。そして、図２（２）より、種類Ａ、種類Ｃ、種類Ｄの熱電変換素子のうち、消費電力が最小であるのは種類Ｄの熱電変換素子である。このようにして、条件例１では、種類Ｄの熱電変換素子が選択される。また、図２（１）及び図２（２）より、条件例１における種類Ｄの熱電変換素子のｐｎ素子対の対数も定まる。

【0036】

条件例２は、Ｔｃ＝Ｔｃ_２（℃）（Ｔｃ_２＞Ｔｃ_１）、Ｔｈ＝Ｔｈ_２（℃）（Ｔｈ_２＝Ｔｈ_１）、Ｑｃ＝Ｑｃ_２（Ｗ）（Ｑｃ_２＞Ｑｃ_１）とする。また、条件例１と同じ電流Ｉ_１（Ａ）で駆動させるとする。条件例２においては、図２（３）より、種類Ａ、種類Ｂ、種類Ｃ、種類Ｄの熱電変換素子が選択可能である。そして、図２（４）より、種類Ａ、種類Ｂ、種類Ｃ、種類Ｄの熱電変換素子のうち、消費電力が最小であるのは種類Ｂの熱電変換素子である。このようにして、条件例２では、種類Ｂの熱電変換素子が選択される。また、図２（３）及び図２（４）より、この場合の種類Ｂの熱電変換素子のｐｎ素子対の対数も定まる。

【0037】

このようにして、複数の温調対象に対して、冷却側温度、放熱側温度、吸熱量、放熱側熱抵抗、及び、冷却側熱抵抗との少なくともいずれかに基づいて、消費電力が小さくなるようにそれぞれ適切な熱電変換素子の種類と対数とを選択可能である。

【0038】

［効果］
実施形態は、一対の基板である第１基板１１と第２基板１２との間に、異なる種類の熱電変換素子を配置することができる。実施形態によれば、温調対象を適切に温度調節することができる。

【0039】

実施形態は、温調対象の接地面が第２基板１２の面１２ｂの１面となるので、接地面の平面度及び平行度を向上することができる。これにより、実施形態は、例えば光学素子である温調対象の設置時に、光軸ずれの影響を小さくすることができる。さらに、実施形態は、部品点数を削減して、コストを低減することができる。

【0040】

実施形態は、複数の温調対象に対して、それぞれ最適な消費電力及び吸熱能力を有する熱電変換素子の種類及び対数を選択することができる。実施形態によれば、複数の温調対象を適切に温度調節することができる、このように、実施形態によれば、消費電力を低減することができる。

【0041】

比較のために、従来の熱電モジュール１Ｘについて説明する。図３は、従来の熱電モジュールの一例を示す概略図である。従来の熱電モジュール１Ｘは、熱電変換素子２２が、第１電極３１と第２電極３２Ｘとを介して、第１基板１１と第２基板１２Ｘとの間に配置されている。熱電素子２３が、第１電極３１と第２電極３３Ｘとを介して、第１基板１１と第２基板１３Ｘとの間に配置されている。従来の熱電モジュール１Ｘは、第２基板１２Ｘ及び第２基板１３Ｘに、温調対象がそれぞれ配置される。第２基板１２Ｘ及び第２基板１３Ｘとは別部材であるので、接地面である面１２Ｘｂと面１３Ｘｂとは同一平面上ではない。これにより、例えば光学素子である温調対象の設置時に、光軸の調整に手間及び時間を要する。さらに、部品点数が増加する。

【0042】

上記では、例えば通信などに用いられる光学素子を含む光学機器の温調に用いる場合について説明したが、実施形態は、熱電発電装置にも適用可能である。

【符号の説明】

【0043】

１…熱電モジュール、１１…第１基板、１１ａ…面、１１ｂ…面、１２…第２基板、１２ａ…面、１２ｂ…面、２１…熱電変換素子、２２…熱電変換素子、３１…第１電極、３２…第２電極。

【図1】

【図2】

【図3】