JP6524406B2 - 熱電変換モジュール - Google Patents

Description

本発明は、各種電子機器に使用される熱電変換モジュールに関するものである。

以下、従来の熱電変換モジュールについて図面を用いて説明する。図７は従来の熱電変換モジュールの構成を示した分解斜視図であり、図８は従来の熱電変換モジュールの外観図である。熱電変換モジュール１は、複数の熱電変換素子２が縦横に配置されて、第１基板３と第２基板４とのそれぞれに実装されることによって構成されている。ここで、熱電変換素子２は第１基板３に設けられた配線パターン５と第２基板に設けられた配線パターン５とによって交互に直列に接続されている。そして、第一端の熱電変換素子６および第二端の熱電変換素子７は、引き出しリード線８、９に接続されている。
そして、図８に示すように熱電変換モジュール１は、発熱体１０に接触配置されることによって発熱体１０で生じた熱を電力へと変換して、引き出しリード線８、９から熱電変換モジュール１の外部へと熱電変換後の電力を出力している。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

特開２０１４−８２４０３号公報

しかしながら、従来の熱電変換モジュール１では、熱電変換モジュール１が発熱体１０の上に配置されて発熱体１０からの熱を受けた際に、発熱体１０と接触する熱電変換モジュール１における第１基板３の温度は上昇するものの、その温度分布はムラを有する。この温度分布のムラは、熱電変換モジュール１の側面などの露出部分が周囲環境に対して熱を放射することによって生じるものである。このため、第１基板３において破線によって示された概ね閉じた形状の等温度線は、熱電変換モジュールの中央側に向かうにつれて高い温度を示す。

つまり、熱電変換モジュール１の外周縁部１ａと中央部１ｂ付近とでは生じる温度が異なることから、個々の伝熱変換素子２によって生じる電力にも差が生じる。この結果として熱電変換モジュール１は、発熱体１０から熱電変換素子２へと伝えられる熱が高い効率で電力へと変換され難いという課題を有するものであった。

そこで本発明は、熱から電力へ高い効率によって変換することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、第１基板と、第２基板と、前記第１基板と前記第２基板との間に実装配置されて、かつ、それぞれが複数の熱電変換素子を有する、外周縁側熱電変換素子群と中央側熱電変換素子群とを備え、前記外周縁側熱電変換素子群は、前記第１基板および前記第２基板における外周縁側に配置され、前記中央側熱電変換素子群は、前記外周縁側熱電変換素子群よりも前記第１基板および前記第２基板における中央側に配置され、かつ、前記外周縁側熱電変換素子群よりも高密度で実装配置され、前記中央側熱電変換素子群における熱電変換素子の断面積は、前記外周縁側熱電変換素子群における熱電変換素子の断面積よりも小さくした、ことを特徴としたものである。

本発明によれば、熱電変換モジュールは熱から電力へ高い効率によって変換することができるものである。

本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成を示す分解斜視図 本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの外観斜視図 本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成の一部を示す詳細図 本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの温度分布を示す特性図 本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第１の上面図 本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第２の上面図 従来の熱電変換モジュールの分解斜視図 従来の熱電変換モジュールの外観図

以下、本発明の実施の形態の一例について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成を示す分解斜視図であり、図２は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの外観斜視図である。熱電変換モジュール１１は、第１基板１２と、第２基板１３と、外周縁側熱電変換素子群１４と、中央側熱電変換素子群１５とを含む。

そして、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは、第１基板１２と第２基板１３との間に実装配置されている。また、外周縁側熱電変換素子群１４および、中央側熱電変換素子群１５は、それぞれが複数の熱電変換素子１６を有する。

ここで、外周縁側熱電変換素子群１４は、第１基板１２および第２基板１３における外周縁側に配置されている。そして、中央側熱電変換素子群１５は、外周縁側熱電変換素子群１４よりも第１基板１２および第２基板１３における中央側に配置されている。そしてさらに、中央側熱電変換素子群１５における複数の熱電変換素子１６は、外周縁側熱電変換素子群１４における複数の熱電変換素子１６よりも高密度で実装配置されている。

以上の構成によって、発熱体１７によって発生した熱は熱電変換モジュール１１に伝達されるとともに、熱電変換モジュール１１の外周縁部１１ａに比較して温度が高くなった熱電変換モジュール１１の中央部１１ｂの熱は、中央側熱電変換素子群１５によって高い効率で電力へと変換される。

つまり、温度が高くなる熱電変換モジュール１１の中央部１１ｂは、複数の熱電変換素子１６が外周縁部１１ａに比較して高密度で実装された中央側熱電変換素子群１５が配置されている部分でもある。したがって、大きな熱エネルギーが多くの熱電変換素子１６によって熱電変換されるので、発熱体１７によって発生した熱は少ない損失で効率よく電力に変換される。

以下、熱電変換モジュール１１の詳しい構成および動作について説明する。外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは、第１基板１２と第２基板１３との間に実装配置されることで第１基板１２と第２基板１３へ電気的に接続されている。そしてさらに、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは、第１基板１２と第２基板１３との間に配置された接着剤などからなる樹脂層１８によって第１基板１２および第２基板１３へ機械的に固着されている。

また、図３の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの構成の一部を示す詳細図のように、第１基板１２に設けられた配線パターン１９ａは、Ｐ型半導体あるいはＮ型半導体である個々の熱電変換素子１６を直列に接続している。ここでは省略しているが実際には図面中の上側に、配線パターン１９ｂが設けられた第２基板１３が配置されている。ここで、第１基板１２および第２基板１３は、銅などの高い熱伝導性を有する材質を用いることが望ましい。また、ここでは図示していないが、第１基板１２および第２基板１３における熱電変換素子１６の実装面にはポリイミド樹脂などの薄く、かつ、絶縁性に優れた樹脂層が形成されたうえで、配線パターン１９ａ、１９ｂが設けられるとよい。これにより、第１基板１２から熱電変換素子１６への熱伝導性を低下させることなく、あるいは、第２基板１３から熱電変換素子１６への熱伝導性を低下させることなく、熱電変換素子１６と第１基板１２あるいは第２基板１３との絶縁性が確保できる。

また、複数が直列に接続された熱電変換素子１６における最も端部に配置された端部熱電変換素子１６ａ、１６ｂにはぞれぞれ、引き出しリード線２０ａ、２０ｂが接続されている。

図３では、複数の熱電変換素子１６が単一の群を形成しているが、先にも述べたように、本発明の実施の形態では複数の熱電変換素子１６によって、複数の外周縁側熱電変換素子群１４および中央側熱電変換素子群１５が形成されている。また、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは、引き出しリード線２０ａ、２０ｂによって接続されてもよく、あるいは、群間接続配線パターン（図示せず）によって接続されてもよい。また図１では、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは空間を介して第１基板１２に配置されているが、これは便宜上のためであり、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは密接して配置されていても構わない。また、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは互いに一部が混在した境界領域を有しても構わない。

ここで、熱電変換モジュール１１内では、全て同等特性のＮ型の熱電変換素子１６ならびに、全て同等特性のＰ型の熱電変換素子１６が用いられている。また、個々の熱電変換素子１６が有する熱から電力への変換特性も同等であるとともに、この変換特性は熱電変換素子１６が有する固有の定数と、熱電変換素子１６の両端に存在する温度差に依存する。この温度差は、概ね第１基板１２と第２基板１３との温度差に相当する。

しかし、個々の熱電変換素子１６が熱を電力へと変換するにあたっては、変換量あるいは変換効率に限界が存在する。このため、熱容量やあるいは温度差が大きな部位には、個々の能力を向上させた熱電変換素子１６としてではなく、熱電変換素子１６を配置密度が大きな群として熱電変換素子群が配置されるとよい。この一方で、熱容量やあるいは温度差が小さな部位には、配置密度を小さくした熱電変換素子群が配置されるとよい。

ここでは、図４の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの温度分布を示す特性図のように、熱電変換モジュール１１における発熱体１７と接する第１基板１２と第２基板１３とでは温度分布が異なる。

発熱体１７に対して直接に接触している第１基板１２は、特に外部環境へ露出しない中央部１１ｂの温度は発熱体１７の温度に対応して上昇し易く、この一方で外部環境へ一部が露出している外周縁部１１ａの温度は中央部１１ｂに比較して上昇し難い特性を有する。

また、発熱体１７に対して直接に接触していない第２基板１３は、第１基板１２の温度特性の曲線に比較して、外周縁部１１ａと中央部１１ｂとで温度の差は生じ難い。これは、第２基板１３は、発熱体１７とは反対面が全て外部環境へ露出することに起因するものである。

このため、熱電変換モジュール１１の、外周縁部１１ａにおける第１基板１２と第２基板１３との温度差△Ｔａと、中央部１１ｂにおける第１基板１２と第２基板１３との温度差△Ｔｂとの間では、△Ｔｂは△Ｔａよりも大きくなるという関係が常に成立する。そして、中央部１１ｂにおける温度差△Ｔｂは大きい値となるため、個々の熱電変換素子１６によって生じる電力は大きくなるものの、同時に第１基板１２の中央部１１ｂにおける熱容量も大きくなっているため、効率よく熱電変換を行うために中央部１１ｂの近傍には大きな熱容量に対応した熱電変換素子群が必要となる。

そこで、熱電変換モジュール１１において、発熱体１７から供給される熱が蓄積され易く熱容量が大きくなる部位である中央部１１ｂには、高密度に熱電変換素子１６が実装配置された、中央側熱電変換素子群１５が対応するように配置されるとよい。この一方で、発熱体１７から供給される熱が蓄積され難く熱容量が比較のうえで中央部１１ｂよりも小さな部位である外周縁部１１ａには、中央側熱電変換素子群１５に比較して低密度で熱電変換素子１６が実装配置された外周縁側熱電変換素子群１４が対応するように配置されるとよい。

これにより、熱電変換モジュール１１が発熱体１７から受ける熱容量が大きな部位では、高密度に配置された多くの熱電変換素子１６が熱電変換を行う。この結果、熱電変換モジュール１１における熱電変換は効率が向上する。

図１における説明では、概ね矩形の列状とした外周縁側熱電変換素子群１４および中央側熱電変換素子群１５を一例とし、両端側に配置された外周縁側熱電変換素子群１４によって中央側熱電変換素子群１５が挟まれた位置関係としている。しかしながら、外周縁側熱電変換素子群１４および中央側熱電変換素子群１５の配置は、図５の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第１の上面図に示すように、第１基板１２へ枠状に配置した外周縁側熱電変換素子群１４の内側に中央側熱電変換素子群１５が配置されても構わない。またあるいは、ドーナツ状に配置した外周縁側熱電変換素子群１４の内側に中央側熱電変換素子群１５が配置され、同心円状に外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とが配置されても構わない。

また、図６の本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの第２の上面図に示すように、第１基板１２へ配置した外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とでは、それぞれの内部における熱電変換素子１６の接続状態が異なった形態としてもよい。例えば、中央側熱電変換素子群１５において配置される熱電変換素子１６の数量が、外周縁側熱電変換素子群１４において配置される熱電変換素子１６の２倍であると仮定する。ここで、外周縁側熱電変換素子群１４では全ての熱電変換素子１６が直列に接続され、中央側熱電変換素子群１５では２等分で直列接続された熱電変換素子１６が並列に配置されてもよい。

これにより、引き出しリード線２０ａ、２０ｂ間の電圧は、全てが直列接続であった場合に比較して１／２倍となるが、供給可能な電流は全てが直列接続であった場合に比較して２倍とすることができる。つまり、出力に必要な電圧値あるいは電流値に応じて外周縁側熱電変換素子群１４や中央側熱電変換素子群１５の内部の接続状態が、配線パターン１９ａ、１９ｂによって変化させられるとよい。当然ながら、引き出しリード線２０ａ、２０ｂ間の抵抗値も上記のように外周縁側熱電変換素子群１４や中央側熱電変換素子群１５の内部の接続状態によって変化させることができる。

図６に示す例では、中央側熱電変換素子群１５において２等分されて概ね同数によって直列接続された熱電変換素子１６が並列に配置されている。ここで、熱電変換素子１６は双方の直列接続部１５ａで電力が生じる。よって、双方の直列接続部１５ａによる起電力が不平衡となることに起因する循環電流が生じないように、双方の直列接続部１５ａにおける起電力が平衡状態とされていることが望ましい。

また、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とは近似したインピーダンスを有することが望ましい。ここでは外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とのそれぞれにおける両端のインピーダンスはＲとしている。これにより、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とにおいて生じる電力損失は概ね均等となり、特定の領域で電力損失が大きくなることに起因した発電電力の低下は生じない。

また図４に示すように、中央部１１ｂにおいて第１基板１２と第２基板１３とでは、先にも説明したように温度の絶対値や熱容量が大きくなるのみならず、温度差△Ｔｂもまた他の領域に比較して大きくなる。この領域では、第１基板１２と第２基板１３との間に中央側熱電変換素子群１５として複数の熱電変換素子１６が高密度で配置されている。そして温度差△Ｔｂが大きくなること、および熱電変換素子１６が多く存在することによって、中央側熱電変換素子群１５における発生電力が大きくなる。しかしこの一方で、温度差△Ｔｂが大きくなることによって第１基板１２から第２基板１３への熱電変換素子１６を介しての熱伝導が多く発生する。そして、この熱伝導が第１基板１２と第２基板１３との温度差△Ｔｂを縮小させる。さらにこの結果として、上記の熱伝導が熱電変換素子１６における発生電力を大きくする妨げとなる可能性が生じてしまう。

ここで、中央側熱電変換素子群１５として配置されている複数の熱電変換素子１６における第１基板１２から第２基板１３へと向かう方向に関する断面積が、外周縁側熱電変換素子群１４として配置されている複数の熱電変換素子１６における同方向の断面積よりも小さくされるとよい。これによって、第１基板１２から第２基板１３への熱電変換素子１６を介しての熱伝導が低下する。この結果として、第１基板１２と第２基板１３との温度差△Ｔｂの縮小は抑制され、中央側熱電変換素子群１５での熱電変換効率は向上するとともに、発電量が大きくなる。

しかしながら、個々の熱電変換素子１６の断面積を小さくすると、個々の熱電変換素子１６の抵抗値は大きくなる。これは熱電変換素子１６における発生電力を大きくする妨げとなる。一般的にここの熱電変換素子１６の発電量Ｐは、ゼーベック係数Ｓ、熱電変換素子１６の内部抵抗Ｒｉとすると、
Ｐ＝（Ｓ２・△Ｔｂ２）／（４・Ｒｉ）
として求められる。したがって、発電量Ｐが大きくなるために、熱電変換素子１６の断面積を小さくした前後における、温度差△Ｔｂを２乗した値の増加率が内部抵抗Ｒｉの増加率よりも大きくすればよい。

例えば、外周縁側熱電変換素子群１４における熱電変換素子１６で縮小前の断面積での内部抵抗をＲｅ、中央側熱電変換素子群１５で縮小後の断面積での内部抵抗をＲｃ、外周縁側熱電変換素子群１４と中央側熱電変換素子群１５とで同一の熱電変換素子１６を適用したときの中央部１１ｂの温度差を△Ｔｂ１、中央側熱電変換素子群１５の熱電変換素子１６の断面積を縮小したときの中央部１１ｂの温度差を△Ｔｂ２とすると、
（（Ｒｃ−Ｒｅ）／Ｒｅ）＜（（△Ｔｂ２−△Ｔｂ１）２／△Ｔｂ１２）
の関係が成立すればよい。
これにより、熱電変換素子１６の断面積を小さくすることで、中央側熱電変換素子群１５での熱電変換効率は向上する。

また、ここでは個々の熱電変換素子１６の断面積が小さくされることに加えて、第１基板１２と第２基板１３との温度差△Ｔｂが維持されるように、中央側熱電変換素子群１５が設けられている。しかしながら、中央側熱電変換素子群１５における複数の熱電変換素子１６は、外周縁側熱電変換素子群１４における複数の熱電変換素子１６よりも高密度で実装配置されている。このため先にも述べたように、第１基板１２から第２基板１３への熱電変換素子１６を介しての熱伝導は、中央側熱電変換素子群１５の方が外周縁側熱電変換素子群１４よりも大きい。よって、中央側熱電変換素子群１５と外周縁側熱電変換素子群１４とで複数の熱電変換素子１６が同等の密度で実装配置されている場合に比較して、△Ｔａと△Ｔｂとの差は拡大方向となることを抑制する、あるいは縮小方向となる。

したがって、第１基板１２に生じる歪みや反りは低減され、熱電変換素子１６に加わる機械的応力も低減される。この結果、熱電変換モジュール１１の信頼性が向上することにもなる。

本発明の熱電変換モジュールは、熱から電力へ高い効率によって変換することができるという効果を有し、各種電子機器において有用である。

１１ 熱電変換モジュール
１１ａ 外周縁部
１１ｂ 中央部
１２ 第１基板
１３ 第２基板
１４ 外周縁側熱電変換素子群
１５ 中央側熱電変換素子群
１６ 熱電変換素子
１７ 発熱体
１８ 樹脂層
１９ａ、１９ｂ 配線パターン
２０ａ、２０ｂ 引き出しリード線

Claims (1)

1. 第１基板と、
   第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に実装配置されて、かつ、それぞれが複数の熱電変換素子を有する、外周縁側熱電変換素子群と中央側熱電変換素子群とを備え、
   前記外周縁側熱電変換素子群は、前記第１基板および前記第２基板における外周縁側に配置され、
   前記中央側熱電変換素子群は、前記外周縁側熱電変換素子群よりも前記第１基板および前記第２基板における中央側に配置され、
   前記中央側熱電変換素子群における前記複数の熱電変換素子は、前記外周縁側熱電変換素子群における前記複数の熱電変換素子よりも高密度で実装配置され、
   前記中央側熱電変換素子群における熱電変換素子の断面積は、
   前記外周縁側熱電変換素子群における熱電変換素子の断面積よりも小さくした、
   熱電変換モジュール。

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