特開 2023-176496 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】P2023176496

(43)【公開日】2023-12-13

(54)【発明の名称】熱電モジュール

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/17 20230101AFI20231206BHJP

【ＦＩ】

H01L35/32 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022088800

(22)【出願日】2022-05-31

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】阿部 洸大

(57)【要約】

【課題】 熱電モジュールの耐久性を高める。
【解決手段】 支持基板と、熱電素子と、配線導体と、側壁部材を備えている。支持基板は、対向して位置する第１基板および第２基板を有する。配線導体は、それぞれ第１基板上および第２基板上に位置する。熱電素子は、対向する配線導体のそれぞれに接して位置する。第１基板は、熱電素子が位置する第１領域を有し、第１領域に続いて位置する第２領域を有する。第１領域から第２領域に向かう方向を第１方向、第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、側壁部材は、第２方向において対向し、それぞれ第１基板および第２基板に接しており、それぞれの少なくとも一部が第１領域から第２領域にわたって位置する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

支持基板と、
配線導体と、
熱電素子と、を備え、
前記支持基板は、対向して位置する第１基板および第２基板を有し、
前記配線導体は、それぞれ前記第１基板上および前記第２基板上に位置し、
前記熱電素子は、対向する前記配線導体のそれぞれに接して位置し、
前記第１基板は、前記熱電素子が位置する第１領域と、該第１領域に続いて位置する第２領域とを有しており、
さらに側壁部材を備え、
前記第１領域から前記第２領域に向かう方向を第１方向、該第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、
前記側壁部材は、前記第２方向において対向し、それぞれ前記第１基板および前記第２基板に接しており、それぞれの少なくとも一部が前記第１領域から前記第２領域にわたって位置している、
熱電モジュール。

【請求項2】

前記側壁部材は、前記第１基板と前記第２基板における前記第１方向を塞いで位置する、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項3】

前記側壁部材は、
前記第１基板の上面に接して位置する、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項4】

前記側壁部材は、
前記第２方向における前記第１基板のそれぞれの端部よりも内側に位置する、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項5】

前記側壁部材は、
前記第２基板の側面に接して位置する、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項6】

前記側壁部材は、
対向する前記第１領域の前記第１方向および前記第２方向を塞いでいる、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項7】

前記側壁部材は、
前記第１領域と前記第２領域との境界から前記第１領域から離れる方向に向かって高さが低くなっている、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項8】

前記側壁部材は、
前記第２領域上において側面視形状が波状である、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【請求項9】

前記第１基板は、前記第２領域の反対の位置に格子状のスリットを有する、
請求項１に記載の熱電モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、温度調節、例えば自動車のシートクーラーまたは燃料電池，リチウムイオン電池など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。

【背景技術】

【0002】

熱電モジュールとして、例えば、特許文献１に記載の熱電変換装置が知られている。特許文献１に記載されている熱電変換装置は、互いに対向して配置された一対の基板と、一対の基板の対向する面にそれぞれ位置する電極と、一対の基板の対向する面の間に電極によって導通されるように複数配列された熱電素子とを備えており、一方の基板には、熱電素子の位置する部分に続いて、電極供給用のリード線や柱状の導電体が位置する引出部分を有している。引出部分において、配線基板と、リード線および柱状の導電体とが導通している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】国際公開２００９／０６６６２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

このような熱電変換装置において、引出部分は、電極供給用のリード線や柱状の導電体が位置する部分であり、基板における端部に位置する。熱電変換装置は、電流を流すと、対向する一方の基板は吸熱により冷却され、他方の基板は発熱により加熱される。このような構成において、どちらの基板に引出部分が存在したとしても、引出部分における熱電素子に近い部分と、引出部分における熱電素子から遠い部分（基板の端）とでは、温度が異なる。そのため、引出部分における熱電素子に近い部分と、複数の熱電素子が位置する部分との境界には、熱による変形度合の違いによって応力が掛かるものとなる。今般、熱電変換装置は、薄型化や小型化が進んでいることから、境界部分に掛かる応力によって基板にクラックが生じたりするおそれの少ない優れた耐久性が求められている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の熱電モジュールは、支持基板と、熱電素子と、配線導体と、側壁部材を備えている。支持基板は、対向して位置する第１基板および第２基板を有する。配線導体は、それぞれ第１基板上および第２基板上に位置する。熱電素子は、対向する配線導体のそれぞれに接して位置する。第１基板および第２基板は、熱電素子が位置する第１領域を有し、第１基板は、前記第１領域に続いて位置する第２領域を有する。第１領域から第２領域に向かう方向を第１方向、第１方向に直交する方向を第２方向としたとき、側壁部材は、第２方向において対向し、それぞれ第１基板および第２基板に接しており、それぞれの少なくとも一部が第１領域から第２領域にわたって位置する。

【発明の効果】

【0006】

本開示の一形態の熱電モジュールは、優れた耐久性を有する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】熱電モジュールの一例を示す斜視図である。

【図2】図１に示す熱電モジュールの側面図である。

【図3】熱電モジュールの他の例を示す斜視図である。

【図4】図３に示す熱電モジュールの側面図である。

【図5】図４に示す熱電モジュールの矢印の方向から見たときの側面図である。

【図6】熱電モジュールの他の例を示す平面図である。

【図7】熱電モジュールの他の例を示す斜視図である。

【図8】熱電モジュールの他の例を示す側面図である。

【図9】熱電モジュールの他の例を示す側面図である。

【図10】熱電モジュールの他の例を示す底面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

熱電モジュール１０について詳細に説明する。

【0009】

図１は、熱電モジュール１０の一例を示す斜視図、図２は、図１に示す熱電モジュール１０の側面図である。熱電モジュール１０は、図１に示すように、支持基板１と、熱電素子２と、配線導体３と、側壁部材４と、リード部材５と、を備えている。

【0010】

支持基板１は、第１基板１１および第２基板１２を有している。図１および図２に示すように、下方に位置している基板が第１基板１１であり、上方に位置している基板が第２基板１２である。

【0011】

第１基板１１は、熱電素子２が位置する第１領域１１１と、第１領域１１１に続いて位置する第２領域１１２を有する。さらに、第１領域１１１から第２領域１１２に向かう方向を第１方向（Ｘ）、第１方向に直交する方向を第２方向（Ｙ）としたとき、側壁部材４は、第２方向において対向し、それぞれ第１基板１１および第２基板１２に接しており、それぞれの少なくとも一部が第１領域１１１から第２領域１１２にわたって位置している。

【0012】

第１基板１１および第２基板１２の形状は、例えば矩形状である。また、第１基板１１および第２基板１２の材料としては、例えば、アルミナフィラーを添加したエポキシ樹脂材料やアルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミック材料からなる絶縁基板本体の外側の主面に銅などの金属板を張り合わせた構成である。また、銀や銅などの導電性材料からなる基板本体の内側の主面に絶縁材料を設けた構成であってもよい。

【0013】

支持基板１は、ペルチェ効果によって第１基板１１において吸熱（冷却）、第２基板１２において発熱（加熱）させることができる。また一方で、第１基板１１において発熱（加熱）、第２基板１２において吸熱（冷却）させることができる。

【0014】

熱電素子２は、配線導体３によって電気的に接続されるように、複数配置されている。複数の熱電素子２は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子である。熱電素子２は、例えば熱電素子２の直径の０．１倍～２倍の間隔で縦横の並びに複数配列され、はんだで配線導体３に接合されている。熱電素子２は、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が隣接して交互に配置されている。熱電素子２の形状は、例えば、円柱状である。その他の形状として角柱状がある。

【0015】

配線導体３は、第１基板１１および第２基板１２の対向している部分にそれぞれ接して位置している。熱電素子２の配置に応じて配線導体３の形状は、適宜調整が可能である。配線導体３の材料としては、銅に限られず、例えば銀、銀－パラジウムなどの材料でもよい。

【0016】

側壁部材４は、例えば、エポキシ、アクリル、シリコーンなどからなる樹脂材料で構成されている。図１に示すように、側壁部材４は、第１領域１１１から第２領域１１２に向かう方向を第１方向（Ｘ）、第１方向（Ｘ）に直交する方向を第２方向（Ｙ）としたとき
、側壁部材４は、第２方向（Ｙ）において対向し、それぞれ第１基板１１および第２基板１２に接しており、それぞれの少なくとも一部が第１領域１１１から第２領域１１２にわたって位置している。

【0017】

図２に示すように、側壁部材４は、第１領域１１１および第２領域１１２に位置しており、特に第１領域１１１および第２領域１１２の境界Ａには少なくとも位置している。図２には、理解し易さのために、第１領域１１１および第２領域１１２の境界Ａに仮想線（２点鎖線）を設けている。

【0018】

リード部材５は、外部の電源とリード部材５を介して導通している。リード部材５の材料としては、銅、鉄、アルミニウム等の金属部材からなる材料で構成されている。リード部材５の形状は、図１では、円棒状の形状をしているが、他にも設計上の観点から板状など様々な形状を採用できる。また、リード部材５は、半田によって接合されている。

【0019】

本実施形態における熱電モジュール１０は、図１および図２に示すように、側壁部材４を備えている。

【0020】

熱電モジュール１０に電流が流れた際、第１基板１１の反りによって境界Ａには応力が掛かるが、本開示の熱電モジュール１０は、側壁部材４が配置されていることによって、この掛かる応力が小さいため、境界Ａにクラックが生じることが少ない。その結果、本開示の熱電モジュール１０は、耐久性に優れる。

【0021】

図４では、側面視した場合に熱電素子２および配線導体３は見えないため、破線で示している。

【0022】

また、図３および図４に示すように、側壁部材４は、第１基板１１と第２基板１２における第１方向を塞いで位置していてもよい。具体的には、側壁部材４が第１領域１１１の第１方向に沿って延びていてよい。そのため、境界Ａに掛かる応力がより小さくなる。これにより、境界Ａにクラックが生じることがより少ない。その結果、本開示の熱電モジュール１０は、耐久性に優れる。

【0023】

また、図５は図４の矢印の方向から見たときの側面図を示している。図５に記載のＢの部分が示すように、側壁部材４は、第１基板１１の上面に接して位置していてもよい。これにより、側壁部材４が第１基板１１の側面に接して位置しているときと比較して、第１基板１１の側壁部材４と第１基板１１の外周との間に、隙間を有することができる。この隙間によって複数の熱電モジュール１０を並べて搭載した際に、隣同士に位置する熱電モジュール１０が熱を伝播させて影響を与えるおそれを低減できる。その結果、本開示の熱電モジュール１０は、信頼性に優れる。

【0024】

また、図５に記載のＣの部分が示すように、側壁部材４は、第２基板１２の側面に接して位置していてもよい。これにより、第２基板１２の上面に加えて側面からも加熱および吸熱することができる。そのため、より多くの部分で外部の部材を加熱および吸熱することができる。その結果、本開示の熱電モジュール１０は、信頼性に優れる。

【0025】

また、図５に記載のＣの部分が示すように、側壁部材４は、第２基板１２の側面に接している端部については、丸みを帯びていてもよい。これにより、丸みを帯びていない角部を有するような場合と比較して、応力を分散させることができ、端部でのクラックの発生を低減できる。その結果、本開示の熱電モジュール１０は高い耐久性を保持する。

【0026】

また、図６に示すように、側壁部材４は、第２方向における第１基板１１のそれぞれの
端部よりも内側に位置していてもよい。ここでいう「内側」とは、熱電モジュール１０を平面視したときに、第１基板１１の縁の部分と側壁部材４との間に、第１基板１１が露出する部分を有していることを意味する。これにより、上記に記載の隙間をより大きくすることができる。そのため、隣同士に位置する熱電モジュール１０が熱を伝播させて影響を与えるおそれを低減できる。

【0027】

また、図７に示すように、側壁部材４は、対向する第１領域１１１の第１方向および第２方向を塞いでいてもよい。これにより、熱電素子２を囲むことができるため、熱電素子２が外気に触れにくくなり、酸化によってクラックが生じるおそれを低減できる。その結果、熱電モジュール１０は、耐久性に優れる。

【0028】

また、図８に示すように、側壁部材４は、第１領域１１１と第２領域１１２との境界Ａから第１領域１１１から離れる方向に向かって高さが低くなっていてもよい。これにより、側壁部材４が第１領域１１１と第２領域１１２との境界Ａから第１領域１１１から離れる方向に向かって、高さが変わらない場合と比較して角部を有さなくなるので、クラックを生じることを防ぐことができる。その結果、本開示の熱電モジュール１０は、耐久性に優れる。なお、図８では、側壁部材４の高さが低くなることを理解し易くするために、第１基板１１に、並行して延びた場合の２本の仮想線（点線）を加えている。

【0029】

また、図９に示すように、側壁部材４は、第２領域１１２上において側面視形状が波状であってもよい。ここでいう「波状」は、熱電モジュール１０を側面視したときに、図９のように側壁部材４の輪郭が波状であることを意味する。これにより、側壁部材４が境界Ａから第１領域１１１から離れる方向に向かって、高さが一定で変わらない場合と比較して輪郭を変えることができて、表面積を増やすことができるので、高い放熱性を有する。そのため、加熱および冷却の温度変化のサイクルを長期間繰り返すことによる側壁部材４の劣化が少ない。その結果、本開示の熱電モジュール１０は耐久性に優れる。なお、図９では、輪郭が波状であることを理解し易くするために、第１基板１１に、並行して延びた場合の２本の仮想線（点線）を加えている。

【0030】

また、図９に示すように、側壁部材４は、第１基板１１の第２領域１１２の側面にかけて位置していてもよい。これにより、第１基板１１が第２基板１２と対向する部分にのみ位置する場合と比較して、第１基板１１上に側壁部材４の有する部分を増やすことができるため、より広範な範囲で支持基板１に応力が生じても緩和しやすくなる。その結果、本開示の熱電モジュール１０は耐久性に優れる。

【0031】

また、側壁部材４は、第１基板１１の側面にかけて位置していてもよい。これにより、第１基板１１が第２基板１２と対向する部分にのみ位置する場合と比較して、第１基板１１上に側壁部材４の有する部分を増やすことができるため、より広範な範囲で支持基板１に応力が生じても緩和しやすくなる。その結果、本開示の熱電モジュール１０は耐久性に優れる。

【0032】

また、図１０に示すように、第１基板１１は、第２領域１１２の反対の位置に格子状のスリット６を有していてもよい。スリット６を有することで、第２領域１１２が変形しやすくなり、境界Ａに掛かる応力がより小さくなる。その結果、本開示の熱電モジュール１０は、耐久性に優れる。

【0033】

ここでいうスリットとは、図６に示すような細い切れ込みを意味する。

【0034】

スリット６のパターンの一例として、以下、記載する。図１０に示すように、第２領域１１２の反対側にＹ方向に延びる２本のスリット６と、その２本のスリット６の間に格子
状に延びるスリット６を設ける。このとき、Ｘ方向およびＹ方向に対し４５度の向きになるようにスリット６を設けると、境界Ａに掛かる応力がより小さくなりやすい。

【0035】

また、格子状のスリット６の終端が、Ｙ方向に延びる２本のスリット６に位置して、スリット６同士が繋がることで、境界Ａに生じる応力を最も緩和することができる。格子の間隔は等間隔にすると、境界Ａに掛かる応力がより小さくなりやすい。

【0036】

なお、スリット６は、図１０に示すように、第２領域１１２の内側に位置していてもよい。図１０では、境界Ａを２点鎖線で示している。また、図１０には、理解し易さのため、第１基板１１のスリット６を有していない部分（Ｄ－Ｄ’）と、スリット６を有している部分（Ｅ－Ｅ’）との２つの部分についての断面図を記載している。

【0037】

次に、熱電モジュール１０を構成する部材の寸法について説明する。

【0038】

第１基板１１および第２基板１２の第１領域１１１が位置する範囲は、第１方向（Ｘ）に延びる縦の長さが４～２００ｍｍ、第２方向（Ｙ）に延びる横の長さが４～２００ｍｍである。

【0039】

また、第１基板１１は、第１領域１１１に続いて第２領域１１２を有する。第２領域１１２が位置する範囲は、第１方向（Ｘ）に延びる縦の長さが１～３０ｍｍ、第２方向（Ｙ）に延びる横の長さが４～２００ｍｍである。第１基板１１および第２基板１２の厚みは０．１～５ｍｍである。

【0040】

熱電素子２は、複数の熱電素子２を円柱状とする場合には、寸法は、例えば直径が０．２ｍｍ～５ｍｍ、高さが０．１ｍｍ～１０ｍｍに設定される。

【0041】

配線導体３は、第１基板１１および第２基板１２に位置しているため、支持基板１の全長４～２００ｍｍの範囲に配置され、厚みは０．０１～０．５ｍｍである。

【0042】

図１に示すような場合、第１基板１１および第２基板１２の幅に相当する側壁部材４の高さは、０．１～１０ｍｍである。また、側壁部材４が接する第１基板１１および第２基板１２の第２方向（Ｙ）に延びる横の長さは、０．３～８ｍｍである。

【0043】

次に、本実施形態の熱電モジュール１０の一例の側壁部材４の固定方法および製造方法について説明する。

【0044】

棒状のｐ型熱電材料およびｎ型熱電材料を所定の高さになるように、ワイヤーソーにて切断し、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子を製造する。ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子は、電解メッキで切断面にニッケル層を形成する。

【0045】

次に、第１基板１１および第２基板１２の互いに対向する面に、配線導体３となる金属板を貼り付け、マスキングを施した後に、配線導体３になる部分以外をエッチングで取り除くことで形成される。

【0046】

さらに、この配線導体３の上に、はんだペーストを印刷する。そして、その上に、ｐ型熱電素子およびｎ型熱電素子が電気的に直列になるようにマウンターを使用して各熱電素子を配設した。上記のように配列されたｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とを一対の支持基板１で挟み込むようにし、上下面に圧力をかけながらリフロー炉で加熱し、配線導体３と熱電素子２とをはんだで接合した。

【0047】

次に、エア式ディスペンサを用いて、第１基板１１の上に、側壁部材４のもととなるエポキシ、アクリル、シリコーンからなる樹脂を上面側（第２基板１２側）から塗布をした。

【0048】

得られた熱電モジュール１０に電流を通電するためのリード部材５をはんだからなる導電性接合材で接合した。

【0049】

以上の方法により、本実施形態の熱電モジュール１０が作製される。

【0050】

次に、熱電素子２を配置する方法について説明する。

【0051】

複数の熱電素子２は、（Ａ２Ｂ３型結晶（ＡはＢｉおよび／またはＳｂ、ＢはＴｅおよび／またはＳｅ）からなる熱電材料、好ましくはＢｉ（ビスマス）およびＴｅ（テルル）系）の熱電材料で本体部が構成されている。具体的には、ｐ型熱電素子は、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＳｂ２Ｔｅ３（テルル化アンチモン）との固溶体からなる熱電材料で構成される。また、ｎ型熱電素子は、例えば、Ｂｉ２Ｔｅ３（テルル化ビスマス）とＢｉ２Ｓｅ３（セレン化ビスマス）との固溶体からなる熱電材料で構成される。

【0052】

熱電素子２の形状は、例えば円柱状、四角柱状、多角柱状等にすることができる。特に、熱電素子２の形状を円柱状にすることにより、使用時のヒートサイクル下において熱電素子２に生じる熱応力の影響を低減できる。

【0053】

ｐ型熱電素子となる熱電材料は一度溶融させて固化したＢｉ、ＳｂおよびＴｅからなるｐ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、断面円形の棒状体としたものである。また、ｎ型熱電素子となる熱電材料は、一度溶融させて固化したＢｉ、ＴｅおよびＳｅからなるｎ型の熱電材料を、ブリッジマン法により一方向に凝固させ、断面円形の棒状体としたものである。

【0054】

スリット６の形成方法について説明する。ダイヤモンド砥石によるダイシングや、ケミカルエッチング、またはスパッタ等のドライエッチングなどいかなる方法でも良い。例えば、銅貼りした基板をエッチングしてスリット６を設けることができるが、その場合、銅貼り基板の母材となる基板部分にもスリット６が形成されていると望ましい。

【符号の説明】

【0055】

１：支持基板
１１：第１基板
１１１：第１領域
１１２：第２領域
１２：第２基板
２：熱電素子
３：配線導体
４：側壁部材
５：リード部材
６：スリット
１０：熱電モジュール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】