特許 7595457 熱電発電モジュール実装基板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-28

(45)【発行日】2024-12-06

(54)【発明の名称】熱電発電モジュール実装基板

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/13 20230101AFI20241129BHJP

   H10N 10/17 20230101ALI20241129BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20241129BHJP

【ＦＩ】

H10N10/13

H10N10/17 Z

H02N11/00 A

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020215672

(22)【出願日】2020-12-24

(65)【公開番号】P2022101219

(43)【公開日】2022-07-06

【審査請求日】2023-11-15

(73)【特許権者】

【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】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】村田 知紀

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２７６５６６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－００７３７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１６０６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０９９５４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０８２２５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／１３

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを貫通する伝熱スルーホール２２を有し、前記第２面で筐体と接触するプリント基板２０と、
前記第１面に接触して前記プリント基板に実装された熱電発電モジュール１０と、を備え、
前記熱電発電モジュールは、
第１基板１１と、
間隙を介して前記第１基板に対向する第２基板１２と、
前記第１基板の前記第２基板が配置された側の面に配置された複数の第１電極１４と、
前記第２基板の前記第１基板が配置された側の面に配置された複数の第２電極１５と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、前記第１電極及び前記第２電極を介して直接に接続された熱電変換素子１３と、
前記第１基板の前記第１電極が配置された側の面とは逆の面に配置され、前記伝熱スルーホールと接続された第１熱伝導層１６と、を有し、
前記第１面には、前記伝熱スルーホールが接続される伝熱パッド２１Ａが設けられ、
前記第１熱伝導層１６は、前記伝熱パッド２１Ａに固定され、
前記第１熱伝導層１６は、前記熱電変換素子１３、前記第１電極１４、及び前記第２電極１５に対して、電気的に絶縁される、
熱電発電モジュール実装基板。

【請求項2】

前記伝熱パッドは、前記第１熱伝導層に半田３０によって固定される、
請求項１に記載の熱電発電モジュール実装基板。

【請求項3】

前記熱電発電モジュールは、
前記第１基板を貫通しかつ前記熱電変換素子の端部に配置された熱電変換素子に接続された前記第１電極に接続する電極スルーホール１８と、
前記第１基板の前記第１電極が配置された側の面とは逆の面に配置されかつ前記電極スルーホールの他端に接続されるとともに前記プリント基板の電子回路と電気的に接続された第２導電層１７と、を備える、
請求項１又は２に記載の熱電発電モジュール実装基板。

【請求項4】

前記電極スルーホールは、前記第１面に設けられる電極パッドに接続し、
前記電極パッドは、前記第２導電層に半田によって固定される、
請求項３に記載の熱電発電モジュール実装基板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱電発電モジュール実装基板に関する。

【背景技術】

【0002】

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。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。

【0003】

例えば、特許文献１には、セラミック基板等に形成されたスルーホールを介して、外側基板の外表面上に形成された電力供給用の導電層に接続し、プリント基板等に実装する工程にいて生産効率の向上を可能にする熱電モジュールが開示されている。また、特許文献２には、プリント基板の配線パターンに熱電変換素子が半田により接合され、その配線パターンにプリント基板のスルーホールに収容された放熱部材を半田で接合することで放熱能力の低下を大幅に抑制するペルチェモジュールが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００１－１６０６３２号公報

【文献】特開２０００－０９１６４８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、熱電発電モジュールをプリント基板に実装する場合、発熱する機器等に設置する際には、熱電発電に必要な発熱部からの伝熱を確保する必要がある。しかしながら、特許文献１の熱電モジュールは、プリント基板の表面への実装が可能であるが、プリント基板の熱抵抗により放熱効率が抑制されてしまう可能性がある。また、特許文献２のペルチェモジュールは、熱電変換素子をプリント基板上に直接半田で接合するため、熱電モジュール自体を表面実装部品として扱うことができず、組立が困難であるという問題がある。

【0006】

本開示は、伝熱を促進することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示に従えば、第１面と前記第１面とは反対側の第２面とを貫通する伝熱スルーホールを有し、前記第２面で筐体と接触するプリント基板と、前記第１面に接触して前記プリント基板に実装された熱電発電モジュールと、を備える、熱電発電モジュール実装基板が提供される。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、伝熱を促進することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態に係る熱電発電モジュール実装基板を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、実施形態に係る熱電発電モジュールを模式的に示す斜視図である。

【図3】図３は、実施形態に係る熱電変換素子及び第１電極の配置を説明する説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。

【0011】

実施形態においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。所定面内のＸ軸と平行な方向をＸ軸方向、所定面内においてＸ軸と直交するＹ軸と平行な方向をＹ軸方向、所定面と直交するＺ軸と平行な方向をＺ軸方向とする。Ｘ軸及びＹ軸を含むＸＹ平面は、所定面と平行である。

【0012】

（実施形態）
図１は、実施形態に係る熱電発電モジュール実装基板１を模式的に示す断面図である。図２は、実施形態に係る熱電発電モジュール１０を模式的に示す斜視図である。図３は、実施形態に係る熱電変換素子１３及び第１電極１４の配置を説明する説明図である。熱電発電モジュール実装基板１は、筐体１００に設置される。筐体１００は、例えば工場のような産業施設に設けられる機器の筐体１００である。筐体１００は、熱伝導性を有する金属材料で設けられる。熱電発電モジュール実装基板１は、ねじ１０１によって筐体１００に固定される。

【0013】

図１に示すように、熱電発電モジュール実装基板１は、熱電発電モジュール１０と、熱電発電モジュール１０が実装されるプリント基板２０と、を含む。

【0014】

熱電発電モジュール１０は、ゼーベック効果を利用して電力を発生する。筐体１００は、熱電発電モジュール１０の熱源として機能する。熱電発電モジュール１０の－Ｚ側の端面が加熱され、熱電発電モジュール１０の－Ｚ側の端面と＋Ｚ側の端面との間に温度差が与えられることによって、熱電発電モジュール１０は電力を発生する。図１及び図２に示すように、熱電発電モジュール１０は、第１基板１１と、第２基板１２と、熱電変換素子１３と、第１電極１４と、第２電極１５と、第１導電層１６と、第２導電層１７と、電極スルーホール１８と、を有する。

【0015】

第１基板１１及び第２基板１２は、電気絶縁材料で形成される。実施形態において、第１基板１１及び第２基板１２は、セラミック基板である。第１基板１１及び第２基板１２は、酸化物セラミック又は窒化物セラミックによって形成される。酸化物セラミックとして、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）又は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）が例示される。窒化物セラミックとして、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）又は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が例示される。

【0016】

第１基板１１は、間隙を介してプリント基板２０に対向する。第１基板１１は、＋Ｚ方向を向く第１面１１Ａと、－Ｚ方向を向く第２面１１Ｂとを有する。第１面１１Ａは、第１基板１１と第２基板１２との間の空間に面する。すなわち、第１面１１Ａは、熱電変換素子１３が存在する空間に面する。第２面１１Ｂは、プリント基板２０が存在する空間に面する。第１面１１Ａ及び第２面１１Ｂのそれぞれは、ＸＹ平面と実質的に平行である。

【0017】

第２基板１２は、間隙を介して第１基板１１に対向する。第２基板１２は、＋Ｚ方向を向く第１面１２Ａと、－Ｚ方向を向く第２面１２Ｂとを有する。第１面１２Ａは、大気空間に面する。第２面１１Ｂは、第１基板１１と第２基板１２との間の空間に面する。すなわち、第２面１１Ｂは、熱電変換素子１３が存在する空間に面する。第１面１２Ａ及び第２面１２Ｂのそれぞれは、ＸＹ平面と実質的に平行である。

【0018】

熱電変換素子１３は、第１基板１１と第２基板１２との間の空間に配置される。熱電変換素子１３は、ｎ型熱電半導体素子である第１熱電変換素子１３Ｎと、ｐ型熱電半導体素子である第２熱電変換素子１３Ｐとを含む。第１熱電変換素子１３Ｎ及び第２熱電変換素子１３Ｐのそれぞれは、ＸＹ平面内に複数配置される。Ｘ軸方向において、第１熱電変換素子１３Ｎと第２熱電変換素子１３Ｐとは交互に配置される。Ｙ軸方向において、第１熱電変換素子１３Ｎと第２熱電変換素子１３Ｐとは交互に配置される。第１熱電変換素子１３Ｎ及び第２熱電変換素子１３Ｐの下面は、第１電極１４に接続される。第１熱電変換素子１３Ｎ及び第２熱電変換素子１３Ｐの上面は、第２電極１５に接続される。

【0019】

熱電変換素子１３は、例えばビスマステルル系化合物（Ｂｉ－Ｔｅ）のような熱電材料によって形成される。熱電変換素子１３を形成する熱電材料として、ビスマス（Ｂｉ）、ビスマステルル系化合物（Ｂｉ－Ｔｅ）、ビスマスアンチモン系化合物（Ｂｉ－Ｓｂ）、鉛テルル系化合物（Ｐｂ－Ｔｅ）、コバルトアンチモン系化合物（Ｃｏ－Ｓｂ）、イリジウムアンチモン系化合物（Ｉｒ－Ｓｂ）、コバルト砒素系化合物（Ｃｏ－Ａｓ）、シリコンゲルマニウム系化合物（Ｓｉ－Ｇｅ）、銅セレン系化合物（Ｃｕ－Ｓｅ）、ガドリウムセレン系化合物（Ｇｄ－Ｓｅ）、炭化ホウ素系化合物、テルル系ペロブスカイト酸化物、希土類硫化物、ＴＡＧＳ系化合物（ＧｅＴｅ－ＡｇＳｂＴｅ_２）、ホイスラー型ＴｉＮｉＳｎ、ＦｅＮｂＳｂ、ＴｉＣｏＳｂ系物質等が例示される。

【0020】

第１電極１４及び第２電極１５は、熱電変換素子１３に電力を与える。第１電極１４は、第１基板１１の第１面１１Ａに接続される。第１電極１４は、第１基板１１の第１面１１Ａに複数設けられる。第１電極１４は、隣接する第１熱電変換素子１３Ｎ及び第２熱電変換素子１３Ｐのそれぞれに接続される。第２電極１５は、第２基板１２の第２面１２Ｂに接続される。第２電極１５は、第１熱電変換素子１３Ｎ及び第２熱電変換素子１３Ｐのそれぞれに接続される。第２電極１５は、隣接する第１熱電変換素子１３Ｎ及び第２熱電変換素子１３Ｐのそれぞれに接続される。

【0021】

図２に示すように、第１熱電変換素子１３Ｎと第２熱電変換素子１３Ｐとは、第１電極１４及び第２電極１５を介して直列に接続される。図２及び図３に示すように、実施形態において、直接に接続された熱電変換素子１３の端部に配置される熱電変換素子１３に接続される第１電極１４を、第１電極１４Ａとする。

【0022】

図１及び図２に示すように、第１導電層１６は、第１基板１１の第２面１１Ｂ側に設けられる。第１導電層１６は、第１基板１１の第２面１１Ｂの一部分に設けられる。第１導電層１６の上面は、第１基板１１の第２面１１Ｂ側に接続される。第１導電層１６は、金属等の導電材料で形成される。第１導電層１６は、後述の電極スルーホール１８が形成されない位置に設けられる。すなわち、第１導電層１６は、熱電変換素子１３、第１電極１４、第２電極１５、第２導電層１７及び電極スルーホール１８に対して、電気的に絶縁される。

【0023】

第２導電層１７は、第１基板１１の第２面１１Ｂ側に設けられる。第２導電層１７は、第１基板１１の第２面１１Ｂの一部分に設けられる。第２導電層１７の上面は、第１基板１１の第２面１１Ｂ側に接続される。第２導電層１７は、金属等の導電材料で形成される。第２導電層１７は、電極スルーホール１８を介して、端部に位置する熱電変換素子１３に接続される第１電極１４Ａに接続される。第２導電層１７は、第１導電層１６に対して、電気的に絶縁される。

【0024】

電極スルーホール１８は、第１基板１１の第１面１１Ａと第２面１１Ｂとを貫通する貫通孔である。電極スルーホール１８の内周面には、銅めっきが施される。電極スルーホール１８は、第１基板１１の第１面１１Ａ側で、第１電極１４Ａに接する。電極スルーホール１８は、第１基板１１の第２面１１Ｂ側で第２導電層１７に接する。これにより、電極スルーホール１８は、第１基板１１の第１面１１Ａに設けられる第１電極１４Ａと、第２面１１Ｂに設けられる第２導電層１７とを電気的に導電させている。電極スルーホール１８は、内部に導電材料が充填されてもよい。

【0025】

プリント基板２０は、電気絶縁材料で形成される。実施形態において、プリント基板２０は、ガラスエポキシ基板である。プリント基板２０は、パッド２１と、伝熱スルーホール２２とを有する。

【0026】

プリント基板２０は、熱電発電モジュール１０に対向する。プリント基板２０は、ねじ１０１によって筐体１００に固定される。プリント基板２０は、＋Ｚ方向を向く第１面２０Ａと、－Ｚ方向を向く第２面２０Ｂとを有する。第１面２０Ａは、熱電発電モジュール１０が設置される側の空間に面する。第２面２０Ｂは、筐体１００の上面に面する。第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂのそれぞれは、ＸＹ平面と実質的に平行である。

【0027】

パッド２１は、プリント基板２０に熱電発電モジュール１０のような表面実装部品を実装するための半田付け用銅箔である。パッド２１は、プリント基板２０の第１面２０Ａ側に複数設けられる。熱電発電モジュール１０は、半田３０によって固定されることによって、プリント基板２０上に実装される。実施形態において、パッド２１は、伝熱パッド２１Ａと、電極パッド２１Ｂと、を含む。熱電発電モジュール１０は、第１導電層１６が伝熱パッド２１Ａに半田３０によって固定される。熱電発電モジュール１０は、第２導電層１７が電極パッド２１Ｂに半田３０によって固定される。

【0028】

伝熱スルーホール２２は、プリント基板２０の第１面２０Ａと第２面２０Ｂとを貫通する複数の貫通孔である。伝熱スルーホール２２の内周面には、銅めっきが施される。伝熱スルーホール２２は、プリント基板２０の第１面２０Ａ側で、第１導電層１６に半田３０を介して接続されるパッド２１に接続する。伝熱スルーホール２２は、プリント基板２０の第２面２０Ｂ側で、筐体１００の上面に接する。

【0029】

これにより、伝熱スルーホール２２は、熱電発電モジュール１０の第１基板１１の第２面１１Ｂに設けられる第１導電層１６と、筐体１００とで熱の授受が可能である。伝熱スルーホール２２は、伝熱性を向上させるために、１つ辺りの伝熱スルーホール２２の直径を小さくすると共に伝熱スルーホール２２の数を多くして、面積当たりのスルーホール密度を大きくすることが好ましい。

【0030】

上記のような構成の熱電発電モジュール実装基板１において、筐体１００が発熱すると、伝熱スルーホール２２、パッド２１、半田３０及び第１導電層１６を介して、筐体１００の上面から第１基板１１に伝熱し、熱電発電モジュール１０の第１基板１１が加熱される。

【0031】

熱電発電モジュール１０では、第１基板１１が加熱されることによって、第１熱電変換素子１３Ｎ及び第２熱電変換素子１３Ｐのそれぞれの＋Ｚ側の端部と－Ｚ側の端部との間に温度差が与えられる。第１熱電変換素子１３Ｎの＋Ｚ側の端部と－Ｚ側の端部との間に温度差が与えられると、第１熱電変換素子１３Ｎにおいて電子が移動する。第２熱電変換素子１３Ｐの＋Ｚ側の端部と－Ｚ側の端部との間に温度差が与えられると、第２熱電変換素子１３Ｐにおいて正孔が移動する。電子と正孔とによって第１電極１４と第２電極１５との間に電位差が発生する。第１電極１４と第２電極１５との間に電位差が発生することにより、熱電発電モジュール１０は電力を発生する。

【0032】

熱電発電モジュール１０は、直接に接続された熱電変換素子１３の端部に配置される熱電変換素子１３に接続される第１電極１４Ａから電極スルーホール１８及び第２導電層１７を介して電力を出力する。これにより、熱電発電モジュール１０から出力された電力が、半田３０及びパッド２１を介して、プリント基板２０の電子回路に供給される。

【0033】

［効果］
以上説明したように、実施形態によれば、プリント基板２０が第１面２０Ａと第２面２０Ｂとを貫通する伝熱スルーホール２２を有する。プリント基板２０の第２面２０Ｂは筐体１００と接触する。プリント基板２０は、第１面２０Ａ側に熱電発電モジュール１０が実装される。プリント基板２０は、筐体１００が発熱すると、第２面２０Ｂから筐体１００の熱を受け取り、伝熱スルーホール２２を介して熱電発電モジュール１０へ伝熱させる。これにより、熱電発電モジュール１０は、筐体１００の熱によって電力を発生する。

【0034】

プリント基板２０に熱電発電モジュール１０を実装して一体にすることによって、熱電発電モジュール１０の発熱部材（筐体１００）へのグリスでの固定が不要になる。また、熱電発電モジュール１０は、プリント基板２０を筐体１００へねじ等で固定することによって、筐体１００に固定できるため、位置決めが容易になる。

【0035】

熱電発電モジュール１０を設置する際には、筐体１００からの伝熱性を向上させる必要がある。実施形態によれば、伝熱スルーホール２２によって、筐体１００に接する第２面２０Ｂと熱電発電モジュール１０に接続する第１面２０Ａとの間で熱を授受するので、プリント基板２０の基材の熱抵抗による伝熱効率の低下を抑制できる。

【0036】

実施形態において、熱電発電モジュール１０は、第１基板１１の第２面１１Ｂに配置され、伝熱スルーホール２２と接続された第１導電層１６を備える。第１導電層１６は、第１電極１４及び第２電極１５と絶縁される。これにより、熱電発電モジュール１０は、プリント基板２０の基材の熱抵抗による伝熱効率の低下を抑制しつつ、第１導電層１６及び伝熱スルーホール２２を介して筐体１００から熱を受け取ることができる。

【0037】

実施形態において、伝熱スルーホール２２は、プリント基板２０の第１面２０Ａに設けられる伝熱パッド２１Ａに接続する。伝熱パッド２１Ａは、熱電発電モジュール１０の第１導電層１６に半田３０によって固定される。これにより、熱電発電モジュール１０は、プリント基板２０の基材の熱抵抗による伝熱効率の低下を抑制しつつ、第１導電層１６及び伝熱スルーホール２２を介して筐体１００から熱を受け取ることができる。

【0038】

実施形態において、熱電発電モジュール１０は、第１基板１１を貫通する電極スルーホール１８と、第１基板１１の第２面１１Ｂに配置され、プリント基板２０の電子回路と電気的に接続された第２導電層１７とを備える。電極スルーホール１８は、第１基板１１の第１面１１Ａに配置された第１電極１４Ａと第２導電層１７とを電気的に接続する。これにより、熱電発電モジュール１０で発生した電力をプリント基板２０の電子回路に供給するための配線が不要であるので、製造時の工数を削減できるとともに、リード線又はワイヤーの断線による不良リスクを回避できる。

【0039】

実施形態において、プリント基板２０は、第１面２０Ａに設けられる電極パッド２１Ｂを有する。電極パッド２１Ｂは、熱電発電モジュール１０の第２導電層１７に半田３０によって固定される。これにより、プリント基板２０と熱電発電モジュール１０との間を電気的に接続するためのリード線又はワイヤー等の配線が不要であるので、製造時の工数を削減できるとともに、リード線又はワイヤーの断線による不良リスクを回避できる。

【0040】

［その他の実施形態］
なお、上述の実施形態においては、第１基板１１設けた電極スルーホール１８によって、熱電発電モジュール１０が発電した電力をプリント基板２０の電子回路に出力することとした。熱電発電モジュール１０は、第１基板１１の第１電極１４Ａとプリント基板２０の電極パッド２１Ｂとを接続するように設けられるリード線又はリード線を介して電力を出力してもよい。

【符号の説明】

【0041】

１…熱電発電モジュール実装基板、１０…熱電発電モジュール、１１…第１基板、１１Ａ…第１面、１１Ｂ…第２面、１２…第２基板、１２Ａ…第１面、１２Ｂ…第２面、１３…熱電変換素子、１３Ｎ…第１熱電変換素子、１３Ｐ…第２熱電変換素子、１４、１４Ａ…第１電極、１５…第２電極、１６…第１導電層、１７…第２導電層、１８…電極スルーホール、２０…プリント基板、２０Ａ…第１面、２０Ｂ…第２面、２１…パッド、２１Ａ…伝熱パッド、２１Ｂ…電極パッド、２２…伝熱スルーホール、３０…半田、１００…筐体、１０１…ねじ。

【図1】

【図2】

【図3】