JP3598660B2

JP3598660B2 - Thermoelectric unit

Info

Publication number: JP3598660B2
Application number: JP15767696A
Authority: JP
Inventors: 展輝前川; 浩明岡田; 通正津崎; 優里坂井; 勝義下田; 照明小松; 慎也村瀬; 宏之井上; 昌幸佐川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-05-28
Filing date: 1996-05-28
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2016-05-28
Also published as: JPH09321355A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱電モジュールを用いた熱電ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
熱電モジュールを用いた熱電ユニットは、一対の電極プレート間に複数個の熱電素子（ペルチェ素子）を並置配設するとともに各電極プレートに設けた接合電極に熱電素子を接合することで各熱電素子を電気的に直列に且つＰ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とを交互に接続するとともに、これら熱電素子が熱的には並列になるように接続配置したものとして構成された熱電モジュールと、通電時に一方の電極プレートを吸熱側、他方の電極プレートを放熱側として作用する該熱電モジュールの吸熱側に吸熱部材を、放熱側に放熱部材を取り付けたものとなっている。
【０００３】
この時、電極プレート間に配する熱電素子は上述のようにＰ型のものとＮ型のものとがあり、これらを電気的に交互に直列接続すると同時に熱的に並列にしなくてはならないわけであるが、熱電ユニットの効率を高めるために実装密度の点から従来はＰ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とを順に並べることのみに留意していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このために、配置の折り返し部分の関係でＰ型の熱電素子とＮ型の熱電素子とはｍ行×ｎ列の並びのなかで行において交互に並ぶとともに列においても交互に並ぶものとなっており、これ故に製造に際して両種熱電素子の配置に非常に手間取るものとなっていた。
【０００５】
本発明はこのような点に鑑み為されたものであり、その目的とするところは製造に際しての手間を削減することができる熱電ユニットを提供するにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明に係る熱電ユニットは、熱電素子が接合される接合電極を多数備えた導電性金属板からなるとともに所要のパターンで配列されている接合電極が隣接する接合電極に電気的接続用ブリッジによって接続された２枚の金属パターンプレート間に熱電素子を介在させた熱電モジュールを、放熱部材と吸熱部材との間に挟んだ熱電ユニットであり、２枚の金属パターンプレート間にＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とが接合電極に接合されて交互に配設されている上記熱電モジュールは、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子が相互の金属パターンプレートの接合電極による電気的接続方向と交叉する方向に夫々列をなしているとともに、これらＰ型熱電素子の列とＮ型熱電素子の列とが交互に並んでおり、放熱部材側に取り付けられた金属パターンプレートはその接合電極間に樹脂が充填されて放熱部材の受熱側表面に貼り付けられていることに特徴を有している。
【０００７】
上記放熱部材と吸熱部材とは相互に接近する方向にばね付勢されて熱電モジュールはこのばね圧を受けたものとしておくことが好ましく、この時のばね加圧には皿ばね型ワッシャを好適に用いることができる。
【０００８】
また熱電モジュールにおける放熱部材乃至吸熱部材が取り付けられる面の表面積よりも、熱電モジュールと放熱部材乃至吸熱部材との接触面の面積を小としていることが好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について説明すると、図１〜図４に本発明において用いる熱電モジュールＭの一例を示す。ペルチェ素子である熱電素子１を一対の電極プレート２，２間に多数配置するとともに、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを電極プレート２，２の対向面に夫々設けた接合電極３０によって交互に接続することで、全熱電素子１を電気的に直列に且つ熱的に並列に接続したもので、電極プレート２における接合電極３０と熱電素子１とで構成される上記直列回路の両端は、各電極プレート２の対向面に形成されているとともに外部接続用の端子部３６，３６を介してリード線３８，３８に接続されている。また上記両電極プレート２，２間には筒状のシール枠４も配されており、両端が電極プレート２，２に接合されるとともに上記の全熱電素子１の配置部を囲んでいるシール枠４と電極プレート２，２とによって、熱電素子１の配置空間が密閉されている。
【００１０】
ここにおいて、上記熱電素子１は、図１から明らかなように、格子状に整列配置されているのであるが、図１における列（縦方向）においては、図２に示すようにＰ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とが交互に並び、図１における行（横方向）においては図３に示すように、Ｎ型の熱電素子１のみが、あるいはＰ型の熱電素子１のみが並ぶようにその配置が定められている。
【００１１】
Ｐ型熱電素子１及びＮ型熱電素子１の配置をこのようにしているのは、次に述べるように、各熱電素子１の接合電極３０への接合を個々に行うのではなく、棒状のＰ型熱電素子材及びＮ型熱電素子材を夫々複数の接合電極３０に跨がるものとして取り付けた後、棒状の熱電素子材を切断して各接合電極３０上の熱電素子１に切り離しているからである。
【００１２】
上記熱電モジュールＭをその製造手順に従って説明する。まず電極プレート２から説明すると、ここで用いている電極プレート２には、接合電極３０を有する金属プレート３をセラミック系の基板２０の表面に接合したものを用いている。図４〜図７にセラミック系基板２０への接合前の金属プレート３を示す。接合電極３０は各行（横方向）において機械的接続専用ブリッジ３２によって相互に接続されており、各列（縦方向）において一つおきに電気的接続用ブリッジ３１によって接続されるとともに隣接する行においては電気的接続用ブリッジ３１の位置がずらされて略格子状のパターンを有するものとなっており、これらブリッジ３１，３２によって全接合電極３０は一体につながったものとなっている。なお、熱電素子１の電気的な接続パターンの関係で、図中上下両端の行では接合電極３０が間引かれている上に、電気的接続用ブリッジ３１が横方向にも延びるものとなっている。
【００１３】
ここで上記両ブリッジ３１，３２は、図８に示すようにその厚みが接合電極３０部分の厚みの半分以下とされており、しかも機械的接続専用ブリッジ３２は接合電極３０における熱電素子１が接合される表面側に、電気的接続用ブリッジ３１は背面側に設けられており、また接合電極３０表面と機械的接続専用ブリッジ３２表面とが面一に、接合電極３０裏面と電気的接続用ブリッジ３１裏面とが面一に形成されている。さらに機械的接続専用ブリッジ３２は上述のように厚みが薄くなっていることに加えて、孔３３または溝が設けられることでその断面積が小さくされている。
【００１４】
上記電気的接続用ブリッジ３１は、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを交互に接続するためのものであるのに対して、機械的接続専用ブリッジ３２は、基板２０への接合前の状態での各接合電極３０の位置を保つためのものであって熱電素子１間の電気的接続には関与しておらず、基板２０に接合されることで各接合電極３０の位置が基板２０によって保たれるようになった後は不要な存在であり、従って機械的接続専用ブリッジ３２は金属プレート３の基板２０への接合後には切除してしまうものである。
【００１５】
さらに金属プレート３は、電気的接続用ブリッジ３１及び機械的接続専用ブリッジ３２によって一体につながっている全接合電極３０を囲む外周電極３５を一体に備えるとともに、この外周電極３５の外側に前記外部接続用の端子部３６と、センサー接続用端子部３７とを一体に備えたものとなっている。そして一つおきの行の左右両端に位置する接合電極３０，３０と外周電極３５との間が細幅の機械的接続専用ブリッジ３２によって接続され、また一角にある接合電極３０が電気的接続用ブリッジ３１と外周電極３５とを介して端子部３６に接続されている。
【００１６】
なお、機械的接続専用ブリッジ３２で接合電極３０同士が前述のように横方向に連結されているのであるが、上下両端の行を除く他の行においては、左右方向中央部において機械的接続専用ブリッジ３２による接続は行わず、複数のブロックに区画している。これは機械的接続専用ブリッジ３２に孔３３を設けて断面積を小さくしているのと同様に、基板２０への接合時における熱応力吸収をして反りを防ぐためである。また銅あるいは銅合金のような導電性金属板からなる金属プレート３は、全接合電極３０の高さを揃えて熱電素子１の接合を隙間なく行うことができるようにするために一枚の金属板に対するエッチング処理で図に示す形態のものにされており、両ブリッジ３１，３２も金属板に対する表裏からのハーフエッチングで形成しているが、他の加工法、たとえばプレスや打ち抜きなどによって形成されたものであってもよい。いずれにしても酸化防止のためのＮｉめっきや、半田ぬれ性向上のためのＳｎ，Ａｕめっきを設けておくとよい。
【００１７】
そして上記金属プレート３は図９に示すようにアルミナやベリリアなどの絶縁性を有するとともに熱伝導性能の良いセラミック系の基板２０の表面に接合固定されて電極プレート２が構成される。この時、各接合電極３０の裏面や電気的接続用ブリッジ３１の裏面、外周電極３５の裏面、端子部３６，３７の裏面が基板２０に接触接合され、機械的接続専用ブリッジ３２は基板２０の表面から浮いた状態となる。
【００１８】
上記接合には基板２０がアルミナであり且つ金属プレート３が銅板である場合、ＤＢＣ法と称されている共晶を形成することによる接合方法を好適に用いることができる。接合時に金属プレート３が１０００℃以上の高温になることから硬度が低下し、熱電素子１を柔らかく支持することになるために熱電素子１への応力緩和の効果を期待することができるからである。ちなみに通常１％程度の歪みで使用されるので、この時の銅の応力は焼純前の１／２近くに低減しており、これは実用上ヤング率が１／２の材料で指示することにほぼ等しい。なお、上記のような温度となるために金属プレート３と基板２０との熱膨張率の差が接合後に基板２０に反りを生じさせてしまうことになるが、前述の応力緩和部の存在がこの反りを低減させている。金属プレート３と基板２０との接合はＤＢＣ法に限定するものではなく、ろう付けなどによって接合してもよい。
【００１９】
次いで一方の電極プレート２の接合電極３０に棒状のＰ型熱電素子材１ａと棒状のＮ型熱電素子材１ｂとを接合する。この時、接合電極３０の各行に図１０に示すように両熱電素子材１ａ，１ｂを交互に接合する。接合には半田付けが好適であり、このために熱電素子材１ａ，１ｂにおける接合面にはめっきや蒸着によって電極を形成しておくことが好ましい。
【００２０】
また熱電素子材１ａ，１ｂには、図１１にも示すように、その幅Ｘが接合電極３０の幅Ｙと同じかやや小さいものを用いる。熱電素子１で発生する熱量を接合電極３０を通じて基板２０側に確実に逃がすことができるようにすることで性能低下を避けるためであり、もし熱電素子１の幅Ｘの方が接合電極Ｙの幅よりも大きい場合には、熱電素子１における接合電極３０に接していない部分で熱疲労が生じて素子破壊が生じてしまうからである。
【００２１】
なお、熱電素子材１ａと熱電素子材１ｂとは同じ幅でなくともよい。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１の材料特性を完全に合わせることはできないので、両熱電素子材１ａ，１ｂの幅を変えることが最も効率のよい状態を得ることについての有効な方策となるからである。両熱電素子材１ａ，１ｂの高さが異なっていてもよい。この場合は接合電極３０の高さを行によって変えることで応じることができる。
【００２２】
一方の基板２０への熱電素子材１ａ，１ｂの接合装着が完了すれば、次いで棒状の熱電素子材１ａ，１ｂの切断を行う。この切断はたとえば図１２及び図１３に示すように、砥石（ダイシング・ソウ）１５を用いて行う。ここで示した実施の形態のものにおいては、熱電素子材１ａ，１ｂの各切断部が直線状に並ぶように接合電極３０の配置パターンを決めており、全熱電素子材１ａ，１ｂをまとめて直線状に切断すれば、各接合電極３０上に熱電素子１を個々に分離された状態で残るようにしていることから、切断も容易であり、また図示例のように、複数の砥石１５で必要箇所をまとめて切断することで切断作業に要する時間の短縮も図ることができる。棒状の熱電素子材１ａ，１ｂを接合した後に切断することは、各熱電素子１の劈開面を揃えることができることにもなり、耐久性のばらつきを少なくすることができる。
【００２３】
また、ここでは熱電素子材１ａ，１ｂの切断にあたり、図１３からも明らかなように、機械的接続専用ブリッジ３２の切断も同時に行うようにしている。つまり熱電素子材１ａ，１ｂの切断をその切断箇所の下方に位置している機械的接続専用ブリッジ３２ごと切断することで行うのである。機械的接続専用ブリッジ３２は基板２０から浮いた状態にあるために、また外周電極３５や電気的接続用ブリッジ３１はその厚みが薄くて基板２０側に寄っているために、砥石１５が基板２０に接してしまう状態を招いたり外周電極３５や両端の行の電気的接続用ブリッジ３１まで切断したりしてしまう状態を招くことなく上記の切断を行うことができる。
【００２４】
なお、両端の行では、前述のように接合電極３０が間引かれている上に、他の行では接合電極３０が位置する部分が厚みの薄い電気的接続用ブリッジ３１の存在部分となっているために、上記切断によって接合電極３０上にのみ熱電素子１が残り、熱電素子材１ａの電気的接続用ブリッジ３１の上方にあった部分は取り除かれることになる。
【００２５】
図１４にこうして切断作業を行った後の状態を、図１５に切除部分をハッチングで示したものを示す。接合電極３０の図中左右方向は、一端の行の中央部の接合電極３０，３０間が電気的接続用ブリッジ３１でつながっているだけで、完全に分離されており、また外周電極３５との接続も端子部３６との接続のための電気的接続用ブリッジ３１でつながっただけとなる。なお上記切断に際しては、端子部３６と端子部３７との間の切り離しや外周電極３５と端子部３７との切り離しもなされる。また、端子部３６，３７に設けた電気的接続用ブリッジ３１、つまり金属プレート３の裏面側に寄った厚みの薄い部分は、接合電極３０部分とほぼ同じ厚みに形成された端子部３６，３７に砥石１５の通過部を形成するために設けたものであり、このために接合電極３０を接続している機械的接続専用ブリッジ３２と同じ並びで設けてある。したがって切断線の目安ともなっている。
【００２６】
熱電素子材１ａ，１ｂの接合の後、まず熱電素子材１ａ，１ｂのみを切断し、次いで機械的接続専用ブリッジ３２の切断を行うようにしてもよい。この場合、熱電素子材１ａ，１ｂの切断と機械的接続専用ブリッジ３２の切断に夫々適した切断部材を用いることができ、また幅の異なる切断部材を用いることで熱電素子１の幅と接合電極１の幅とを夫々好ましい値に設定することができる。
【００２７】
電極プレート２の金属プレート３における機械的接続専用ブリッジ３２の切断を予め行っておき、その後に熱電素子材１ａ，１ｂの接合とその切断を行ってもよい。この場合も熱電素子材１ａ，１ｂの切断を機械的接続専用ブリッジ３２の切断負荷が加わらない状態で行うことができて、熱電素子材１ａ，１ｂの切断を的確に行うことができる。もちろん切断作業の手間の点においては、熱電素子材１ａ，１ｂの切断時に機械的接続専用ブリッジ３２も同時に切断することが最も好ましい。
【００２８】
切断線が直線となるように接合電極３０の配置と電気的接続用ブリッジ３１による電気的接続のパターンを決定しているものを示したが、回路パターンは後述のように各種設定が可能である上に切断線が直線となるようにしなくてはならないものではない。しかし切断線が直線となるようにしておくことが切断作業性の点で最も優れたものとなる上に、複数の切断線を同時に切断して切断に要する時間の削減を図ることにも容易に応ずることができることになる。砥石１５に代えてレーザーや高圧水ジェット等を用いて切断を行ってもよい。
【００２９】
他方の電極プレート２については、上記電極プレート２の金属プレート３と同一のものを基板２０に接合して、その機械的接続専用ブリッジ３２の切断を行っておく。図１６にこの切断を行った後の電極プレート２を示す。切断箇所は上記一方の電極プレート３で切断したところと同じである。
切断が完了すれば、図１７に示すように、矩形筒状のシール枠４の接合取付を一方の電極プレート２に対して行った後、上記他方の電極プレート２を被せて他方の電極プレート２側の接合電極３０と熱電素子１との接合及びシール枠４と他方の電極プレート２との接合を行う。シール枠４は前述のように熱電素子１の配置部分を密封するためのもので、両端開口縁が各電極プレート２，２の金属プレート３，３における閉ループとなった外周電極３５部分に機械的及び電気的に接合されることで、電極プレート２，２と併せて全熱電素子１の配置空間を密閉する。閉ループとなった外周電極３５部分に接合することと、端子部３６を外周電極３５を介して引き出していることから、熱電素子１までの電源路を上記密封状態を維持しつつ確保することができるものである。外周電極３５の内側に配する場合、外周電極３５から内側に伸びた機械的接続専用ブリッジ３２の切断残りの部分についてはシール枠４の該等部分に溝を設けてこれを避ける。
【００３０】
ここでシール枠４と外周電極３５との接合は、図１９に示すように非金属製シール枠４における外周電極３５との接合に供する両端開口縁の部分に予め銅、ニッケル、錫等の金属膜４４をメッキや溶射などにより形成しておき、そして外周電極３５に半田付け４８やろう付けで接合している。これは長期的に見れば水分の侵入を許しやすい接着剤の使用を避けて防湿性を高めるためである。なお、各外周電極３５が端子部３６に接続されている関係上、上記金属膜４４は両端開口縁に個々に設けて電気的に接続されないようにしておく。またシール枠４は外周電極３５の内側で電極プレート２に直接接する部分を有する図１８及び図１９に示すような断面形状のものとしておくことで、電極プレート２，２間の間隔を規制することができるものとしておくことが好ましい。この場合、半田付けやろう付け部分を見ることができるためにその良否の判別が容易である。金属膜４４を設けていない部分や半田疲労時のクラックからの湿気侵入防止については接着剤４９の塗布の併用が好ましい。なお、ここにおけるシール枠４は電極プレート２，２の対向方向における荷重を担うものともなっている。
【００３１】
他方の電極プレート２側の接合電極３０と熱電素子１との接合は、シール枠４と他方の電極プレート２との接合と同時に行うことになるが、これは次の点においても好ましいものとなる。すなわちシール枠４によって両電極プレート２，２間の間隔を規制すると熱電素子１の高さのばらつきは半田付けの半田の厚さで調節されることになるとともに、電極プレート２にかかる荷重はシール枠４の剛性と熱電素子１の剛性とにより分担されることになり、熱電素子１にかかる荷重を低減することができるからである。
【００３２】
このように構成された熱電モジュールＭは、全熱電素子１が両電極プレート２，２の金属プレート３における接合電極３０と電気的接続用ブリッジ３１とによって電気的に直列に接続されるものであり、またＰ型熱電素子１とＮ型熱電素子１との組が熱的に並列に接続され、一方の電極プレート２側の端子部３６と他方の電極プレート２側の端子部３６とを通じて電源に接続される。
【００３３】
ここで上端の行と下端の行とで熱電素子１を間引いた状態としているのは、両電極プレート２，２で同一の金属プレート３を用いることができるようにすると同時に、Ｐ型熱電素子１同士あるいはＮ型熱電素子１同士が連続して接続されることを避けるためである。もっとも一端の行の中央部においては、２つのＰ型熱電素子１，１を連続して接続している。このような同型熱電素子１の連続は若干の効率低下を招くのであるが、敢えてこのようにしているのは接合電極３０及び熱電素子１の行数を奇数としたものにおいて、上記のように同一の金属プレート３を両電極プレート２，２で用いることができるようにするためと、前述の熱応力緩和のために金属プレート３を左右二つのブロックに分けることをできるようにするためである。衝撃荷重の点からは全く間引かないようにしてもよい。
【００３４】
接合電極３０及び熱電素子１の行数を奇数としているのは、両端の行にＰ型の熱電素子１を配置するためである。Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１とを比較した場合、Ｐ型のものの方が特性が良くて管理しやすく、コストも安い。従ってＮ型熱電素子材１ｂをＰ型熱電素子材１ａよりも１本少なくできることと、上述のように両端の行においては棒状の熱電素子材１ａを使用するにもかかわらず、熱電素子１を間引いて配置するために切除部分が多くなることに鑑み、両端の行にＰ型のものを配置している。
【００３５】
電極プレート２としては、セラミック系の基板２０を有するもののほか、接合電極３０間の空隙を熱特性が良好である絶縁性樹脂２５で埋めた図２０及び図２１に示すものを電極プレート２として用いることができる。射出成形あるいは注型によって得ることができるこのタイプの電極プレート２は、その裏面を接合電極３０の裏面と面一とするか凹面としておくことで、接合電極３０の裏面を直接放熱部材や吸熱部材に接触させることができるためにセラミック系のものに比して放熱特性が良好であり、このために放熱側に用いると好適な結果を得ることができる。金属パターンプレート３の表側については、接合電極３０の表面より絶縁性樹脂２５が少し高くなるようにしてもよい。半田付け時の異電極とのショートを防ぐことができる。なお、図２０及び図２１に示した電極プレート２を用いる場合、棒状熱電素子材１ａ，１ｂ及び金属プレート３の機械的接続専用ブリッジ３２の切断は、絶縁性樹脂２５も同時に切削することで行う。
【００３６】
また上記タイプの金属プレート３では、その表裏において絶縁性樹脂２５の金属プレート３に対する比率がほぼ同じとなるようにしておくことが反りの防止の点で好ましく、また金属プレート３との化学結合性を有するとともに熱膨張係数が金属プレート３に近似した材質のものが好ましい。水蒸気の透過を防ぐことができるとともに隙間が生じにくくなるからである。さらには金属プレート３よりも十分に低いヤング率の材質であることが好ましい。これらの条件を満足するものとしては、金属プレート３が銅または銅合金であるならば、エポキシ樹脂、特にＳｉＯ２を添加したものが好適である。そして、図２０及び図２１に示す電極プレート２を２枚用いた熱電モジュールＭとしてもよいのはもちろんである。
【００３７】
２枚の電極プレート２，２の接合電極３０，３０による熱電素子１，１の接続の回路パターンは、Ｐ型の熱電素子１とＮ型の熱電素子１との列が交互に並ぶという条件を保つ状態で、図２２及び図２３に示すような各種のパターンを構成することができる。図２２（ａ）は上記の金属プレート３を用いた場合の回路パターンを示している。図２４に示すようなパターンも可能である。なお図２４中の２本線による接続は一方の電極プレート２による接続を、１本線による接続は他方の電極プレート２による接続を示している。
【００３８】
Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｂ−Ｓｅを主成分とする熱電素子１の接合電極３０への接合は前述のように半田付けで行っているが、熱電素子１側の接合面に図２５に示すようにＭｏ層１７及びＮｉ層１８をバリア層として設けて電極１１とすることが拡散防止の点で好ましい。また図２５に示すものでは、Ｎｉ層１８の上に更にＳｎ，Ｂｉ，Ａｇ，Ａｕの中から選択した材料からなる層、たとえばＳｎ＋Ｂｉ層１９を設けている。この層１９はＮｉ層１８の酸化防止と半田付け性を良くするためである。なおＮｉ層１８は１μ以上の厚みとし、Ｍｏ層１７はこれより薄くしておくことが望ましい。たとえばＭｏ層１７を０．２μｍ、Ｎｉ層１８を２μｍ、Ｓｎ＋Ｂｉ層１９を２μｍとする。
【００３９】
熱電素子材１ａ，１ｂとして接合電極３０の行の並びの全長にわたるものを用いていたが、図２６に示すように、１行について複数本の熱電素子材１ａ，１ｂを用いるようにしてもよい。熱電素子材１ａ，１ｂとして長さの短いものを用いることができるために熱電素子材１ａ，１ｂの材料利用効率が高くなる上に、接合電極３０への接合後の電極プレート２の反りによる熱電素子材１ａ，１ｂへのストレスを低減させることができる。
【００４０】
金属プレート３における接合電極３０と外周電極３５とを接続する電気的接続用ブリッジ３１は、複数設けておいてもよい。異なる接合電極３０が外周電極３５に電気的接続用ブリッジ３１によって接続されているようにしておくのである。もちろん最終的にはいずれかの電気的接続用ブリッジ３１によっていずれかの接合電極３１のみが外周電極３５に接続されるように、他の電気的接続用ブリッジ３１は切除してしまうのであるが、どの電気的接続用ブリッジ３１を残すかによって、同じ金属プレート３を用いても、熱電素子１の実装数の異なるもの、つまり熱電モジュールの性能の異なるものを選択して得ることができる。
【００４１】
もっとも、電気的接続用ブリッジ３５による接合電極３０と外周電極３５との接続箇所が増えると、基板２０への接合の際に反りを生じさせやすくなることから、図４〜図７に示した金属プレート３においては、いくつかの接合電極３０から外周電極３５に向けて延長片を延出しており、どの延長片を外周電極３５に接続するかによって外周電極３５を通じて端子部３６に接続する接合電極３０（回路パターンの一端となる接合電極３０）を選択することができるようにしてある。
【００４２】
上記のような熱電モジュールＭは、図２７あるいは図２８に示すように、片側の電極プレート２の外面に吸熱部材５、他側の電極プレート２の外面に放熱部材６が取り付けられて実用のための熱電ユニットが構成される。この時、電極プレート２と吸熱部材５または放熱部材６との間の熱的結合のために、吸熱部材５と放熱部材６とで熱電モジュールＭを挟持して熱的結合面に所要の荷重を加えるのであるが、図に示すようなコイルばねや皿ばねのようなばね７によって上記荷重を加えることが好ましい。図中７０は吸熱部材５と放熱部材６とを連結するビスであり、ばね７はビス７０の頭部とこのビス７０が挿通される部材５との間に配されている。ビス７０，７１には熱伝導率の低い材質のものが用いられる。
【００４３】
図２９、図３０及び図３１により具体的な吸熱部材５及び放熱部材６を示す。放熱部材６は多数の放熱フィン６０を有している。図中７１は両部材５，６間の連結用であり且つこのブロックの取付用を兼ねたビスである。吸熱部材５及び放熱部材６の熱電モジュールＭとの接触面の面積を熱電モジュールＭの表面積より小さくしているが、これは熱漏れを低減するためである。
【００４４】
吸熱部材５及び放熱部材６には熱伝導率が高くて加工が容易であるアルミニウムやその合金を用いており、その表面には腐食防止や絶縁のためにアルマイト層が設けられている。アルミニウムに炭素繊維を入れたものや銅合金などで形成してもよい。吸熱部材５の表面は冷却対象となる部材への取付面とするためにビス７０，７１の頭部はこの面より突出しないようにしてある。
【００４５】
ここにおいて、熱電モジュールＭと吸熱部材５との接触面及び熱電モジュールＭと放熱部材６との接触面には通常数μｍの厚みとなるシリコングリースを介在させることで熱抵抗を低減させるのであるが、この熱抵抗は荷重が大きくなるにつれて低下し、図３２に示すように１０００〜１５００Ｎの荷重でほぼ安定する。図中ΔＴは電極間温度差である。一方、熱電素子１そのものは図３３に示すように荷重が増大すれば耐久性が低下するものであり、また電極間温度差ΔＴを高くするにつれてこの温度差によって生じるところの剪断力が作用するために耐久性が低下する。接触熱抵抗を低減して性能を上げるには取付荷重を大きくすればよいのであるが、民生用として使用されている熱電素子１では、取付荷重を上げると信頼性が低下してしまうわけである。
【００４６】
上記特性から、一般に取付荷重はほぼ１０００Ｎを最適荷重としてこの最適荷重となるように取り付けを行っているのであるが、ビス７０の締付力によってこの値に取付荷重を設定することは困難である。しかし、上述のようにばね７によって取付荷重を設定していることから、最適荷重への設定が容易となっている。しかも、ここで用いている熱電モジュールＭは、シール枠４が取付荷重を分担することによって熱電素子１にかかる荷重を低減していることから、シール枠４の荷重分担比を１／２としているならば、熱抵抗を軽減して性能を向上させるために取付荷重を１０００〜１７００Ｎにセットしても、熱電素子１にかかる荷重は５００〜８５０Ｎとなり、高い耐久性を得ることができる。図３４にシール枠４がある場合Ａと無い場合Ｂとにおける熱電素子１の変形量と取付荷重との関係（シール枠４の荷重分担比は１／２）を示す。
【００４７】
接合電極３０を備えた金属パターンプレート３を基板２０に接合したものと、金属パターンプレート３の隙間に絶縁性樹脂２５を充填したものとのいずれを電極プレート２とする場合にも、基板２０または絶縁性樹脂２５と吸熱・放熱部材５，６とを一体として電極プレート２が吸熱・放熱部材５，６を兼ねるようにしてもよい。つまりは吸熱部材５や放熱部材６に金属パターンプレート３が接合されたものとするのである。部品点数の削減を図ることができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように本発明における熱電ユニットは、放熱部材と吸熱部材との間に挟んだ熱電モジュールにおけるＰ型熱電素子及びＮ型熱電素子を相互の金属パターンプレートの接合電極による電気的接続方向と交叉する方向に夫々列をなすものとするとともに、これらＰ型熱電素子の列とＮ型熱電素子の列とを交互に並べていることから、その製造に際してのＰ型熱電素子とＮ型熱電素子との配置が容易なものであり、棒状の熱電素子材を複数の接合電極に跨がるように取り付けてから切断するという製造法に応ずることもできるものであって、製造に際しての手間を削減することができ、コストの低減にも寄与するものであり、また、放熱部材側に取り付けられた金属パターンプレートはその接合電極間に樹脂が充填されて放熱部材の受熱側表面に貼り付けられているために、放熱特性が良好なものである。
【００４９】
そして上記放熱部材と吸熱部材とは相互に接近する方向にばね付勢されて熱電モジュールはこのばね圧を受けたものとしておくと、適切な荷重の設定を容易に行うことができて、歩留まりの向上を図ることができる。この時のばね加圧には皿ばね型ワッシャを好適に用いることができる。
【００５０】
さらに熱電モジュールにおける放熱部材乃至吸熱部材が取り付けられる面の表面積よりも、熱電モジュールと放熱部材乃至吸熱部材との接触面の面積を小としていると、熱漏洩を少なくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示す破断平面図である。
【図２】同上の縦断面図である。
【図３】同上の横断面図である。
【図４】同上に用いる金属プレートの平面図である。
【図５】同上に用いる金属プレートの斜視図である。
【図６】同上に用いる金属プレートの背面図である。
【図７】同上に用いる金属プレートの背面側を示す斜視図である。
【図８】同上に用いる金属プレートの断面を示しており、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
【図９】同上に用いる電極プレートの加工前状態を示す斜視図である。
【図１０】同上に用いる電極プレートの熱電素子材の接合後の斜視図である。
【図１１】同上の接合電極と熱電素子材との断面図である。
【図１２】同上の熱電素子材の切断を示す斜視図である。
【図１３】同上の熱電素子材の切断を示す断面図である。
【図１４】同上の熱電素子材の切断後の状態を示す斜視図である。
【図１５】同上の熱電素子材の切断部分を示す平面図である。
【図１６】他方の電極プレートの斜視図である。
【図１７】同上のシール枠の取付状態を示す斜視図である。
【図１８】同上のシール枠を示すもので、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。
【図１９】同上のシール枠の固定部分を示す拡大断面図である。
【図２０】他の電極プレートの斜視図である。
【図２１】同上の電極プレートの背面側を示す斜視図である。
【図２２】（ａ）〜（ｆ）は回路パターン例の説明図である。
【図２３】（ａ）〜（ｆ）は回路パターン例の説明図である。
【図２４】別の回路パターンの説明図である。
【図２５】同上の熱電素子材の断面図である。
【図２６】電極プレートへの熱電素子材の接合の他例を示す斜視図である。
【図２７】吸熱部材及び放熱部材の装着例を示す断面図である。
【図２８】吸熱部材及び放熱部材の他の装着例を示す断面図である。
【図２９】吸熱部材及び放熱部材の別の装着例を示す断面図である。
【図３０】同上の放熱部材の平面図である。
【図３１】同上の吸熱部材の平面図である。
【図３２】熱電素子の特性を示す説明図である。
【図３３】熱電素子の他の特性を示す説明図である。
【図３４】シール枠の有無による熱電ユニットの特性を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｍ熱電モジュール
１熱電素子
２電極プレート
３金属パターンプレート
３０接合電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a thermoelectric unit using a thermoelectric module.
[0002]
[Prior art]
In a thermoelectric unit using a thermoelectric module, a plurality of thermoelectric elements (Peltier elements) are juxtaposed between a pair of electrode plates, and each thermoelectric element is joined to a joining electrode provided on each electrode plate. A thermoelectric module configured to electrically connect the P-type thermoelectric elements and the N-type thermoelectric elements alternately in series and to connect and arrange these thermoelectric elements so as to be thermally parallel; A heat absorbing member is attached to the heat absorbing side of the thermoelectric module, and a heat radiating member is attached to the heat radiating side, in which one electrode plate acts as a heat absorbing side and the other electrode plate acts as a heat radiating side when electricity is supplied.
[0003]
At this time, the thermoelectric elements disposed between the electrode plates include the P-type and the N-type as described above, and these must be electrically connected in series alternately and simultaneously in parallel thermally. However, in order to enhance the efficiency of the thermoelectric unit, attention has conventionally been paid only to arranging a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element in order from the viewpoint of mounting density.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
For this reason, the P-type thermoelectric elements and the N-type thermoelectric elements are alternately arranged in rows and also alternately in columns in the arrangement of m rows × n columns due to the folded portion of the arrangement. Therefore, it has been very time-consuming to dispose both types of thermoelectric elements in manufacturing.
[0005]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric unit that can reduce labor in manufacturing.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
Thus, the thermoelectric unit according to the present invention comprises a conductive metal plate having a large number of bonding electrodes to which thermoelectric elements are bonded, and the bonding electrodes arranged in a required pattern are electrically connected to adjacent bonding electrodes by a bridge for electrical connection. Is a thermoelectric module in which a thermoelectric module having a thermoelectric element interposed between two metal pattern plates connected by a thermoelectric element is interposed between a heat radiating member and a heat absorbing member, and a P-type thermoelectric element is provided between the two metal pattern plates. In the thermoelectric module, the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are alternately arranged so as to be joined to the joining electrode, wherein the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element intersect with the electrical connection direction of the mutual metal pattern plate by the joining electrode. And the rows of the P-type thermoelectric elements and the rows of the N-type thermoelectric elements are alternately arranged.The metal pattern plate attached to the heat dissipating member side is filled with resin between the joint electrodes and is attached to the heat receiving side surface of the heat dissipating member.It has special features.
[0007]
It is preferable that the heat dissipating member and the heat absorbing member are spring-biased in a direction approaching each other so that the thermoelectric module receives the spring pressure, and a disc spring type washer is preferably used for applying the spring pressure at this time. Can be usedit can.
[0008]
AlsoThe area of the contact surface between the thermoelectric module and the heat radiating member or heat absorbing member is smaller than the surface area of the surface on which the heat radiating member or heat absorbing member is mounted in the thermoelectric module.Is preferred.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An example of an embodiment of the present invention will be described. FIGS. 1 to 4 show an example of a thermoelectric module M used in the present invention. A large number of thermoelectric elements 1 as Peltier elements are arranged between a pair of electrode plates 2, 2, and a junction in which a P-type thermoelectric element 1 and an N-type thermoelectric element 1 are provided on opposing surfaces of the electrode plates 2, 2. By connecting the thermoelectric elements 1 electrically in series and thermally in parallel by alternately connecting the electrodes 30, the above-described series circuit composed of the bonding electrodes 30 and the thermoelectric elements 1 in the electrode plate 2. Are formed on opposing surfaces of the respective electrode plates 2 and are connected to lead wires 38, 38 via terminal portions 36, 36 for external connection. A cylindrical seal frame 4 is also disposed between the two electrode plates 2, 2. Both ends are joined to the electrode plates 2, 2 and the seal frame surrounds the arrangement portion of the thermoelectric element 1. 4 and the electrode plates 2 and 2 seal the space in which the thermoelectric element 1 is arranged.
[0010]
Here, the thermoelectric elements 1 are arranged in a grid pattern as is clear from FIG. 1, but in the row (vertical direction) in FIG. 1, as shown in FIG. The elements 1 and the N-type thermoelectric elements 1 are alternately arranged. In the row (horizontal direction) in FIG. 1, only the N-type thermoelectric elements 1 or only the P-type thermoelectric elements 1 are provided, as shown in FIG. The arrangement is determined so as to line up.
[0011]
The arrangement of the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 in this manner is different from that described below in that each thermoelectric element 1 is not individually joined to the joint electrode 30 but is a rod-shaped P-type thermoelectric element 1. After attaching the type thermoelectric element material and the N-type thermoelectric element material so as to straddle the plurality of bonding electrodes 30, respectively, the rod-shaped thermoelectric element material is cut and cut into the thermoelectric elements 1 on each bonding electrode 30. It is.
[0012]
The thermoelectric module M will be described according to its manufacturing procedure. First, the electrode plate 2 will be described. As the electrode plate 2 used here, a metal plate 3 having a bonding electrode 30 bonded to the surface of a ceramic substrate 20 is used. FIGS. 4 to 7 show the metal plate 3 before being joined to the ceramic substrate 20. The bonding electrodes 30 are interconnected in each row (horizontal direction) by a bridge 32 exclusively for mechanical connection, and in each column (vertical direction), they are connected by every other bridge 31 for electrical connection and in adjacent rows. Have a substantially lattice-like pattern in which the positions of the electrical connection bridges 31 are shifted, and all the bonding electrodes 30 are integrally connected by these bridges 31 and 32. Note that, due to the electrical connection pattern of the thermoelectric element 1, the bonding electrodes 30 are thinned out in the upper and lower rows in the figure, and the electrical connection bridge 31 also extends in the horizontal direction. I have.
[0013]
As shown in FIG. 8, the thickness of each of the two bridges 31 and 32 is less than half the thickness of the junction electrode 30. The bridge 32 dedicated to mechanical connection is used for joining the thermoelectric element 1 of the junction electrode 30. The electrical connection bridge 31 is provided on the rear side on the front surface side, and the surface of the bonding electrode 30 and the surface of the bridge 32 exclusively for mechanical connection are flush with each other, and the back surface of the bonding electrode 30 and the electrical connection bridge are provided. 31 is formed flush with the back surface. Further, in addition to the reduced thickness as described above, the cross-sectional area of the bridge 32 dedicated to mechanical connection is reduced by providing holes 33 or grooves.
[0014]
The electrical connection bridge 31 is for alternately connecting the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1, whereas the mechanical connection dedicated bridge 32 is for connecting to the substrate 20. This is for maintaining the position of each bonding electrode 30 in a state before bonding, and is not involved in the electrical connection between the thermoelectric elements 1. Is unnecessary after being held by the substrate 20, and therefore, the bridge 32 dedicated to mechanical connection is to be cut off after the metal plate 3 is joined to the substrate 20.
[0015]
Further, the metal plate 3 integrally includes an outer peripheral electrode 35 surrounding the entire joint electrode 30 which is integrally connected by a bridge 31 for electrical connection and a bridge 32 exclusively for mechanical connection. Terminal part 36 and a sensor connection terminal part 37 are integrally provided. The bonding electrodes 30, 30 located at the left and right ends of every other row and the outer peripheral electrode 35 are connected by a narrow mechanical connection bridge 32, and the bonding electrodes 30 at one corner are used for electrical connection. It is connected to the terminal section 36 via the bridge 31 and the outer peripheral electrode 35.
[0016]
The bonding electrodes 30 are connected to each other in the lateral direction by the bridge 32 exclusively for mechanical connection as described above. The connection by the bridge 32 is not performed, and it is divided into a plurality of blocks. This is to prevent the warpage by absorbing the thermal stress at the time of joining to the substrate 20 in the same manner as the hole 33 is provided in the bridge 32 exclusively for mechanical connection to reduce the cross-sectional area. The metal plate 3 made of a conductive metal plate such as copper or a copper alloy is made of one metal so that the height of all the bonding electrodes 30 can be uniform and the thermoelectric element 1 can be bonded without gaps. Although the bridge is formed by half etching from the front and back of the metal plate, the bridges 31 and 32 are formed by other processing methods, for example, pressing or punching. May be used. In any case, Ni plating for preventing oxidation and Sn, Au plating for improving solder wettability may be provided.
[0017]
As shown in FIG. 9, the metal plate 3 is bonded and fixed to the surface of a ceramic-based substrate 20 having an insulating property such as alumina or beryllia and having good heat conduction performance, to form the electrode plate 2. At this time, the back surface of each bonding electrode 30, the back surface of the electrical connection bridge 31, the back surface of the outer peripheral electrode 35, and the back surfaces of the terminal portions 36 and 37 are contact-bonded to the substrate 20. Floating from the surface.
[0018]
When the substrate 20 is made of alumina and the metal plate 3 is made of a copper plate, a joining method called a DBC method by forming a eutectic crystal can be suitably used for the joining. This is because the metal plate 3 has a high temperature of 1000 ° C. or more at the time of joining, and the hardness is reduced, and the thermoelectric element 1 is softly supported. Therefore, the effect of relaxing the stress on the thermoelectric element 1 can be expected. . By the way, since it is usually used with a strain of about 1%, the stress of copper at this time is reduced to almost half of that before pre-sintering, and this should be indicated with a material whose Young's modulus is 1/2 in practical use. Is approximately equal to Since the temperature is as described above, the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal plate 3 and the substrate 20 causes the substrate 20 to warp after bonding. Warpage is reduced. The bonding between the metal plate 3 and the substrate 20 is not limited to the DBC method, but may be performed by brazing or the like.
[0019]
Next, the rod-shaped P-type thermoelectric element material 1a and the rod-shaped N-type thermoelectric element material 1b are joined to the joining electrode 30 of one electrode plate 2. At this time, the thermoelectric element materials 1a and 1b are alternately joined to each row of the joining electrode 30 as shown in FIG. Soldering is suitable for joining, and therefore, it is preferable to form electrodes on the joining surfaces of the thermoelectric element materials 1a and 1b by plating or vapor deposition.
[0020]
As shown in FIG. 11, the thermoelectric element materials 1a and 1b have a width X equal to or slightly smaller than the width Y of the bonding electrode 30. This is to prevent the performance from deteriorating by reliably releasing the amount of heat generated in the thermoelectric element 1 to the substrate 20 through the bonding electrode 30. If the width X of the thermoelectric element 1 is larger than the width of the bonding electrode Y, If it is larger than this, thermal fatigue occurs in a portion of the thermoelectric element 1 that is not in contact with the bonding electrode 30 and element destruction occurs.
[0021]
Note that the thermoelectric element material 1a and the thermoelectric element material 1b do not have to have the same width. Since the material properties of the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 cannot be completely matched, changing the width of both thermoelectric element materials 1a, 1b is effective for obtaining the most efficient state. This is because it is a measure. The heights of the thermoelectric element materials 1a and 1b may be different. In this case, the height can be changed by changing the height of the bonding electrode 30 depending on the row.
[0022]
When the bonding and attachment of the thermoelectric element materials 1a and 1b to one substrate 20 are completed, the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b are then cut. This cutting is performed using a grindstone (dicing saw) 15, for example, as shown in FIGS. In the embodiment shown here, the arrangement pattern of the bonding electrodes 30 is determined so that the cut portions of the thermoelectric element materials 1a and 1b are arranged in a straight line, and all the thermoelectric element materials 1a and 1b are put together. When the thermoelectric elements 1 are cut straight, the thermoelectric elements 1 are left separately on each of the bonding electrodes 30, so that the thermoelectric elements 1 can be easily cut. The time required for the cutting operation can be shortened by cutting the necessary portions all together. Cutting the rod-shaped thermoelectric element materials 1a and 1b after joining them can also make the cleavage planes of the thermoelectric elements 1 uniform, thereby reducing variation in durability.
[0023]
Further, in this case, when the thermoelectric element materials 1a and 1b are cut, the bridge 32 dedicated to mechanical connection is also cut at the same time as is clear from FIG. That is, the thermoelectric element materials 1a and 1b are cut by cutting the entire bridge 32 dedicated to mechanical connection located below the cut point. Since the bridge 32 dedicated to mechanical connection is floating from the substrate 20, and the peripheral electrode 35 and the bridge 31 for electrical connection are thin and close to the substrate 20, the grinding stone 15 The above-described cutting can be performed without inviting a state of contacting the outer electrode 35 or cutting off the outer peripheral electrodes 35 and the electrical connection bridges 31 in both rows.
[0024]
In the rows at both ends, the bonding electrodes 30 are thinned out as described above, and in other rows, the portions where the bonding electrodes 30 are located are the portions where the thin electrical connection bridges 31 exist. As a result, the thermoelectric element 1 remains only on the bonding electrode 30 due to the above cutting, and the portion of the thermoelectric element material 1a above the electrical connection bridge 31 is removed.
[0025]
FIG. 14 shows a state after the cutting operation is performed, and FIG. 15 shows a cutout portion shown by hatching. In the left-right direction of the bonding electrode 30 in the figure, the bonding electrodes 30 at the center of the row at one end are connected only by the electrical connection bridge 31, and are completely separated from each other. The connection is also made only by the electrical connection bridge 31 for connection to the terminal portion 36. At the time of the above cutting, separation between the terminal portion 36 and the terminal portion 37 and separation between the outer peripheral electrode 35 and the terminal portion 37 are also performed. The electrical connection bridges 31 provided on the terminal portions 36 and 37, that is, the thinner portions closer to the back surface side of the metal plate 3 are connected to the terminal portions 36 and 37 formed to have substantially the same thickness as the bonding electrode 30. This is provided to form a passage portion for the grindstone 15, and for this purpose, it is provided in the same arrangement as the bridge 32 dedicated to mechanical connection that connects the bonding electrodes 30. Therefore, it is also an indication of the cutting line.
[0026]
After joining the thermoelectric element materials 1a and 1b, only the thermoelectric element materials 1a and 1b may be cut first, and then the bridge 32 exclusively for mechanical connection may be cut. In this case, a cutting member suitable for cutting the thermoelectric element materials 1a and 1b and a cutting for the bridge 32 dedicated to mechanical connection can be used, respectively, and by using cutting members having different widths, the width of the thermoelectric element 1 and the joining electrode can be reduced. The width of 1 can be set to a preferable value.
[0027]
The bridge 32 dedicated to mechanical connection in the metal plate 3 of the electrode plate 2 may be cut in advance, and then the thermoelectric element materials 1a and 1b may be joined and cut. Also in this case, the thermoelectric element materials 1a and 1b can be cut without applying a cutting load of the bridge 32 exclusively for mechanical connection, and the thermoelectric element materials 1a and 1b can be cut accurately. Of course, it is most preferable to cut the bridge 32 exclusively for mechanical connection at the time of cutting the thermoelectric element materials 1a and 1b at the same time in terms of cutting work.
[0028]
Although the arrangement of the bonding electrode 30 and the pattern of the electrical connection by the electrical connection bridge 31 are determined so that the cutting line becomes a straight line, various settings can be made for the circuit pattern as described later. It is not necessary that the cutting line be straight at the top. However, making the cutting line straight is the best in terms of cutting workability, and it is also easy to cut multiple cutting lines at the same time to reduce the time required for cutting. You can respond. Cutting may be performed using a laser, a high-pressure water jet, or the like instead of the grindstone 15.
[0029]
As for the other electrode plate 2, the same electrode plate 2 as the metal plate 3 is joined to the substrate 20, and the bridge 32 dedicated to mechanical connection is cut. FIG. 16 shows the electrode plate 2 after this cutting. The cut location is the same as that cut with the one electrode plate 3.
When the cutting is completed, as shown in FIG. 17, a rectangular cylindrical seal frame 4 is joined and attached to one of the electrode plates 2, and then the other electrode plate 2 is covered with the other electrode plate 2. The bonding between the bonding electrode 30 on the side and the thermoelectric element 1 and the bonding between the seal frame 4 and the other electrode plate 2 are performed. As described above, the seal frame 4 is for sealing the portion where the thermoelectric element 1 is disposed. And, by being electrically joined, the arrangement space of all the thermoelectric elements 1 is sealed together with the electrode plates 2 and 2. Since the outer peripheral electrode 35 is joined to the closed loop and the terminal portion 36 is drawn out through the outer peripheral electrode 35, the power supply path to the thermoelectric element 1 can be secured while maintaining the above-mentioned sealed state. Things. In the case of disposing inside the outer peripheral electrode 35, a groove is provided in the same portion of the seal frame 4 as to the remaining portion of the bridge for exclusive use for mechanical connection 32 extending inward from the outer peripheral electrode 35, to avoid this.
[0030]
Here, as shown in FIG. 19, the seal frame 4 and the outer peripheral electrode 35 are bonded to the non-metallic seal frame 4 at the edges of the openings at both ends provided for bonding to the outer peripheral electrode 35 in advance by using a metal such as copper, nickel, or tin. The film 44 is formed by plating or thermal spraying, and is joined to the outer peripheral electrode 35 by soldering 48 or brazing. This is to avoid the use of an adhesive that easily allows moisture to enter in the long term and to improve the moisture resistance. In addition, since the respective outer peripheral electrodes 35 are connected to the terminal portions 36, the metal films 44 are individually provided at the opening edges of both ends so as not to be electrically connected. The gap between the electrode plates 2 and 2 is regulated by forming the seal frame 4 having a cross-sectional shape as shown in FIGS. 18 and 19 having a portion directly in contact with the electrode plate 2 inside the outer peripheral electrode 35. Preferably. In this case, since the soldered or brazed portion can be seen, it is easy to determine the quality. In order to prevent moisture from penetrating from a portion where the metal film 44 is not provided or from cracks during solder fatigue, it is preferable to use an adhesive 49 in combination. Here, the seal frame 4 also bears a load in the direction in which the electrode plates 2 and 2 face each other.
[0031]
The bonding between the bonding electrode 30 on the other electrode plate 2 side and the thermoelectric element 1 is performed simultaneously with the bonding between the seal frame 4 and the other electrode plate 2, but this is also preferable in the following respects. . That is, if the distance between the two electrode plates 2 and 2 is regulated by the seal frame 4, the variation in the height of the thermoelectric element 1 is adjusted by the thickness of the solder for soldering, and the load applied to the electrode plate 2 is reduced by the seal. This is because the rigidity of the frame 4 and the rigidity of the thermoelectric element 1 are shared, and the load on the thermoelectric element 1 can be reduced.
[0032]
In the thermoelectric module M configured as described above, all the thermoelectric elements 1 are electrically connected in series by the bonding electrode 30 and the electrical connection bridge 31 on the metal plate 3 of the two electrode plates 2. A pair of the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 is thermally connected in parallel, and is connected to a power supply through a terminal 36 on one electrode plate 2 and a terminal 36 on the other electrode plate 2. Connected.
[0033]
The reason why the thermoelectric elements 1 are thinned out in the upper row and the lower row is that the same metal plate 3 can be used for both the electrode plates 2 and 2, and at the same time, the P-type thermoelectric element 1 is used. This is for avoiding that the two or the N-type thermoelectric elements 1 are continuously connected. At the center of the row at one end, the two P-type thermoelectric elements 1 and 1 are continuously connected. Such continuation of the thermoelectric elements 1 of the same type causes a slight reduction in efficiency. However, the reason for this is that the number of rows of the bonding electrodes 30 and the thermoelectric elements 1 is odd, and the same This is because the metal plate 3 can be used for the two electrode plates 2 and 2 and the metal plate 3 can be divided into two blocks on the left and right for the purpose of relaxing the thermal stress. It may not be thinned at all in terms of impact load.
[0034]
The reason why the number of rows of the bonding electrodes 30 and the thermoelectric elements 1 is odd is that the P-type thermoelectric elements 1 are arranged in the rows at both ends. When the P-type thermoelectric element 1 and the N-type thermoelectric element 1 are compared, the P-type thermoelectric element 1 has better characteristics, is easier to manage, and has a lower cost. Therefore, the number of the N-type thermoelectric element materials 1b can be reduced by one compared with the P-type thermoelectric element material 1a, and the thermoelectric elements 1 are thinned out in the rows at both ends despite the use of the rod-shaped thermoelectric element materials 1a as described above. In view of the increased number of cut portions to be arranged, P-shaped ones are arranged in the rows at both ends.
[0035]
As the electrode plate 2, in addition to the one having the ceramic substrate 20, the one shown in FIGS. 20 and 21 in which the gap between the bonding electrodes 30 is filled with an insulating resin 25 having good thermal characteristics is used as the electrode plate 2. be able to. The electrode plate 2 of this type, which can be obtained by injection molding or casting, has its back surface flush or concave with the back surface of the bonding electrode 30 so that the back surface of the bonding electrode 30 can be directly radiated or heat-absorbing. Therefore, the heat radiation characteristics are better than those of the ceramic type, so that a favorable result can be obtained when used on the heat radiation side. On the front side of the metal pattern plate 3, the insulating resin 25 may be slightly higher than the surface of the bonding electrode 30. It is possible to prevent a short circuit with the different electrode at the time of soldering. When the electrode plate 2 shown in FIGS. 20 and 21 is used, the bridge 32 dedicated to mechanical connection between the rod-shaped thermoelectric element materials 1 a and 1 b and the metal plate 3 is cut by simultaneously cutting the insulating resin 25. .
[0036]
In the metal plate 3 of the type described above, it is preferable that the ratio of the insulating resin 25 to the metal plate 3 on the front and back sides is substantially the same from the viewpoint of preventing warpage. And a material having a thermal expansion coefficient close to that of the metal plate 3 is preferable. This is because water vapor can be prevented from permeating and a gap is hardly generated. Further, it is preferable that the material is a material having a sufficiently lower Young's modulus than the metal plate 3. When the metal plate 3 is made of copper or a copper alloy, it is preferable that the epoxy resin, particularly, the one to which SiO 2 is added is satisfied if these conditions are satisfied. And it goes without saying that a thermoelectric module M using two electrode plates 2 shown in FIGS. 20 and 21 may be used.
[0037]
The circuit pattern of the connection of the thermoelectric elements 1 and 1 by the bonding electrodes 30 and 30 of the two electrode plates 2 and 2 is based on the condition that the rows of the P-type thermoelectric elements 1 and the N-type thermoelectric elements 1 are alternately arranged. Various patterns as shown in FIG. 22 and FIG. 23 can be formed in the state of keeping. FIG. 22A shows a circuit pattern when the above-described metal plate 3 is used. A pattern as shown in FIG. 24 is also possible. In FIG. 24, connection by two wires indicates connection by one electrode plate 2, and connection by one wire indicates connection by the other electrode plate 2.
[0038]
The bonding of the thermoelectric element 1 mainly composed of Bi-Te-Sb-Se to the bonding electrode 30 is performed by soldering as described above. It is preferable to form the electrode 11 by providing the layer 17 and the Ni layer 18 as barrier layers from the viewpoint of preventing diffusion. 25, a layer made of a material selected from Sn, Bi, Ag, and Au, for example, a Sn + Bi layer 19 is further provided on the Ni layer 18. This layer 19 is for preventing oxidation of the Ni layer 18 and improving solderability. Preferably, the Ni layer 18 has a thickness of 1 μ or more, and the Mo layer 17 has a smaller thickness. For example, the Mo layer 17 is 0.2 μm, the Ni layer 18 is 2 μm, and the Sn + Bi layer 19 is 2 μm.
[0039]
Although the thermoelectric element materials 1a and 1b are used over the entire length of the row of the bonding electrodes 30, a plurality of thermoelectric element materials 1a and 1b may be used for one row as shown in FIG. . Since the thermoelectric element materials 1a and 1b can be short in length, the material use efficiency of the thermoelectric element materials 1a and 1b is increased, and the thermoelectric element due to the warpage of the electrode plate 2 after joining to the joining electrode 30 is increased. Stress on the element materials 1a and 1b can be reduced.
[0040]
A plurality of electrical connection bridges 31 for connecting the bonding electrode 30 and the outer peripheral electrode 35 in the metal plate 3 may be provided. The different bonding electrodes 30 are connected to the outer peripheral electrode 35 by the electrical connection bridge 31. Of course, the other electrical connection bridges 31 are cut off so that any one of the bonding electrodes 31 is finally connected to the outer peripheral electrode 35 by any one of the electrical connection bridges 31. Depending on which electrical connection bridge 31 is left, even if the same metal plate 3 is used, it is possible to select and obtain one having a different number of thermoelectric elements 1 mounted, that is, one having a different performance of the thermoelectric module.
[0041]
However, if the number of connection points between the bonding electrode 30 and the outer peripheral electrode 35 by the electrical connection bridge 35 increases, warpage is likely to occur at the time of bonding to the substrate 20, so that the metal shown in FIGS. In the plate 3, extension pieces extend from some of the joining electrodes 30 toward the outer peripheral electrode 35, and the joining electrode is connected to the terminal portion 36 through the outer peripheral electrode 35 depending on which extension piece is connected to the outer peripheral electrode 35. 30 (the bonding electrode 30 which is one end of the circuit pattern) can be selected.
[0042]
In the thermoelectric module M as described above, as shown in FIG. 27 or FIG. 28, a heat absorbing member 5 is attached to the outer surface of one electrode plate 2 and a heat radiating member 6 is attached to the outer surface of the other electrode plate 2 for practical use. Is constituted. At this time, for the thermal connection between the electrode plate 2 and the heat absorbing member 5 or the heat radiating member 6, the thermoelectric module M is sandwiched between the heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6, and a required load is applied to the thermal connection surface. It is preferable to apply the load by a spring 7 such as a coil spring or a disc spring as shown in the figure. In the figure, reference numeral 70 denotes a screw connecting the heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6, and the spring 7 is disposed between the head of the screw 70 and the member 5 through which the screw 70 is inserted. The screws 70 and 71 are made of a material having low thermal conductivity.
[0043]
29, 30, and 31 show specific heat absorbing members 5 and heat radiating members 6. FIG. The heat radiating member 6 has a large number of heat radiating fins 60. In the drawing, reference numeral 71 denotes a screw for connecting the members 5 and 6 and also for mounting the block. The area of the contact surface between the heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6 with the thermoelectric module M is made smaller than the surface area of the thermoelectric module M, in order to reduce heat leakage.
[0044]
The heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6 are made of aluminum or an alloy thereof which has a high thermal conductivity and is easy to process, and has an alumite layer on its surface for corrosion prevention and insulation. It may be formed of aluminum containing carbon fiber, copper alloy, or the like. In order to make the surface of the heat absorbing member 5 a mounting surface to a member to be cooled, the heads of the screws 70 and 71 do not protrude from this surface.
[0045]
Here, thermal resistance is reduced by interposing silicon grease having a thickness of several μm on the contact surface between the thermoelectric module M and the heat absorbing member 5 and the contact surface between the thermoelectric module M and the heat radiating member 6. The thermal resistance decreases as the load increases, and becomes almost stable at a load of 1000 to 1500 N as shown in FIG. In the figure, ΔT is a temperature difference between the electrodes. On the other hand, the durability of the thermoelectric element 1 itself decreases as the load increases, as shown in FIG. 33. Further, as the temperature difference ΔT between the electrodes increases, the shear force generated by the temperature difference acts. The durability decreases. In order to improve the performance by reducing the contact thermal resistance, it is sufficient to increase the mounting load. However, in the thermoelectric element 1 used for consumer use, the reliability decreases when the mounting load is increased. .
[0046]
From the above characteristics, the mounting load is generally set to be approximately 1000 N as the optimum load so that the optimum load is obtained. However, it is difficult to set the mounting load to this value by the tightening force of the screw 70. . However, since the mounting load is set by the spring 7 as described above, setting to the optimum load is easy. Moreover, in the thermoelectric module M used here, the load applied to the thermoelectric element 1 is reduced by the sealing frame 4 sharing the mounting load, so that the load sharing ratio of the sealing frame 4 is set to 1/2. Then, even if the mounting load is set to 1000 to 1700 N to reduce the thermal resistance and improve the performance, the load applied to the thermoelectric element 1 becomes 500 to 850 N, and high durability can be obtained. FIG. 34 shows the relationship between the amount of deformation of the thermoelectric element 1 and the mounting load (the load sharing ratio of the seal frame 4 is 1/2) in the case A with the seal frame 4 and the case B without it.
[0047]
Regardless of whether the metal pattern plate 3 having the bonding electrodes 30 is bonded to the substrate 20 or the metal pattern plate 3 in which the gap between the metal pattern plates 3 is filled with the insulating resin 25 is used as the electrode plate 2, the substrate 20 or The electrode plate 2 may also serve as the heat absorbing / radiating members 5 and 6 by integrating the insulating resin 25 and the heat absorbing / radiating members 5 and 6. That is, the metal pattern plate 3 is joined to the heat absorbing member 5 and the heat radiating member 6. The number of parts can be reduced.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, in the thermoelectric unit of the present invention, the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element in the thermoelectric module sandwiched between the heat radiating member and the heat absorbing member intersect with the electrical connection direction of the mutual electrode of the metal pattern plate. And the rows of P-type thermoelectric elements and the rows of N-type thermoelectric elements are alternately arranged, so that the P-type and N-type It is easy to dispose, and it can respond to the manufacturing method of attaching and cutting a rod-shaped thermoelectric element material so as to straddle a plurality of bonding electrodes, thereby reducing the time and effort for manufacturing. And contribute to cost reduction.In addition, the metal pattern plate attached to the heat radiating member has good heat radiating characteristics because the resin is filled between the joining electrodes and is attached to the heat receiving side surface of the heat radiating member.You.
[0049]
When the heat dissipating member and the heat absorbing member are spring-biased in a direction approaching each other and the thermoelectric module receives the spring pressure, an appropriate load can be easily set, and the yield can be reduced. Improvement can be achieved. A disc spring-type washer is preferably used for spring pressure at this time.it can.
[0050]
furtherWhen the area of the contact surface between the thermoelectric module and the heat radiating member or the heat absorbing member is smaller than the surface area of the surface on which the heat radiating member or the heat absorbing member is attached in the thermoelectric module,Heat leakage can be reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cutaway plan view showing an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the same.
FIG. 3 is a transverse sectional view of the same.
FIG. 4 is a plan view of a metal plate used in the embodiment.
FIG. 5 is a perspective view of a metal plate used in the same.
FIG. 6 is a rear view of the metal plate used in the embodiment.
FIG. 7 is a perspective view showing the back side of the metal plate used in the above.
FIGS. 8A and 8B show cross sections of the metal plate used in the above, wherein FIG. 8A is a cross-sectional view and FIG.
FIG. 9 is a perspective view showing a state before processing of the electrode plate used in the same.
FIG. 10 is a perspective view after the thermoelectric element material of the electrode plate used in the first embodiment is joined.
FIG. 11 is a sectional view of a bonding electrode and a thermoelectric element material according to the third embodiment.
FIG. 12 is a perspective view showing cutting of the thermoelectric element material according to the first embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing the cutting of the thermoelectric element material according to the third embodiment.
FIG. 14 is a perspective view showing a state after the thermoelectric element material is cut.
FIG. 15 is a plan view showing a cut portion of the thermoelectric element material according to the embodiment.
FIG. 16 is a perspective view of the other electrode plate.
FIG. 17 is a perspective view showing an attached state of the seal frame according to the third embodiment.
FIGS. 18A and 18B show the same seal frame, in which FIG. 18A is a perspective view and FIG. 18B is a sectional view.
FIG. 19 is an enlarged sectional view showing a fixed portion of the seal frame according to the third embodiment.
FIG. 20 is a perspective view of another electrode plate.
FIG. 21 is a perspective view showing the back side of the electrode plate of the above.
FIGS. 22A to 22F are explanatory diagrams of circuit pattern examples.
FIGS. 23A to 23F are explanatory diagrams of circuit pattern examples.
FIG. 24 is an explanatory diagram of another circuit pattern.
FIG. 25 is a cross-sectional view of the thermoelectric element material according to the third embodiment.
FIG. 26 is a perspective view showing another example of joining a thermoelectric element material to an electrode plate.
FIG. 27 is a cross-sectional view showing a mounting example of a heat absorbing member and a heat radiating member.
FIG. 28 is a cross-sectional view showing another mounting example of the heat absorbing member and the heat radiating member.
FIG. 29 is a cross-sectional view showing another mounting example of the heat absorbing member and the heat radiating member.
FIG. 30 is a plan view of the heat dissipation member.
FIG. 31 is a plan view of the above heat absorbing member.
FIG. 32 is an explanatory diagram showing characteristics of a thermoelectric element.
FIG. 33 is an explanatory diagram showing other characteristics of the thermoelectric element.
FIG. 34 is an explanatory diagram showing characteristics of a thermoelectric unit depending on the presence or absence of a seal frame.
[Explanation of symbols]
M thermoelectric module
1 thermoelectric element
2 electrode plate
3 Metal pattern plate
30 bonding electrodes

Claims

Two metal pattern plates comprising a conductive metal plate provided with a large number of bonding electrodes to which thermoelectric elements are bonded and having bonding electrodes arranged in a required pattern connected to adjacent bonding electrodes by an electrical connection bridge. A thermoelectric module in which a thermoelectric module with a thermoelectric element interposed is sandwiched between a heat radiating member and a heat absorbing member, and a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element serve as bonding electrodes between two metal pattern plates. The thermoelectric modules, which are joined and arranged alternately, are arranged such that the P-type thermoelectric elements and the N-type thermoelectric elements are respectively arranged in a row in a direction intersecting with the direction of electrical connection by the joining electrodes of the mutual metal pattern plates. , are arranged alternately with rows of columns and N-type thermoelectric element of the P-type thermoelectric element, a metal pattern plate attached to the heat radiating member side resin between the bonding electrode Thermoelectric unit, characterized in that affixed to the heat receiving surface of the filled heat radiating member.

The thermoelectric unit according to claim 1, wherein the heat radiating member and the heat absorbing member are spring-biased in a direction approaching each other, and the thermoelectric module receives the spring pressure.

The thermoelectric unit according to claim 2, wherein the spring pressure is applied by a disc spring type washer.

2. The thermoelectric unit according to claim 1, wherein an area of a contact surface between the thermoelectric module and the heat radiating member or the heat absorbing member is smaller than a surface area of a surface of the thermoelectric module to which the heat radiating member or the heat absorbing member is attached .