JP2003234515A - Thermoelectric module - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の熱電素子が
電気的に接続されて成る熱電モジュールに関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a thermoelectric module in which a plurality of thermoelectric elements are electrically connected.
【0002】[0002]
【従来の技術】例えば、半導体製造設備や、光通信用レ
ーザダイオードの温度調節装置における加熱/冷却手
段、あるいは熱電発電装置における発電手段として、図
6に示す如き熱電モジュールが採用されている。2. Description of the Related Art For example, a thermoelectric module as shown in FIG. 6 is adopted as a heating / cooling means in a semiconductor manufacturing facility, a temperature adjusting device for a laser diode for optical communication, or a power generating means in a thermoelectric generator.
【0003】この熱電モジュールAは、多数の熱電素子
(P型熱電素子)Epと熱電素子(N型熱電素子)Enと
を交互に分散して配置すると共に、隣り合う熱電素子E
pと熱電素子Enとを、良導電性材料であるCu(銅)等
から成る電極板D、D・・・を介し、互いに電気的に接
続することによって構成されている。In this thermoelectric module A, a large number of thermoelectric elements (P type thermoelectric elements) Ep and thermoelectric elements (N type thermoelectric elements) En are alternately dispersed and arranged, and adjacent thermoelectric elements E are arranged.
The p and the thermoelectric element En are electrically connected to each other via electrode plates D, D ... Which are made of Cu (copper) which is a highly conductive material.
【0004】そして熱電素子Ep、En・・・は、所望
の電気的接続部外で隣合う熱電素子と互いに電気的に接
触することがないように、間隙部を設けて配置される
か、絶縁材料によって作製され隣合う熱電素子同士を仕
切ることのできる熱電素子ホルダーに収容される。The thermoelectric elements Ep, En, ... Are arranged with a gap or insulated so that they do not come into electrical contact with adjacent thermoelectric elements outside the desired electrical connection. It is housed in a thermoelectric element holder that is made of a material and can partition adjacent thermoelectric elements.
【0005】また、上記各電極板D、D・・・は、各熱
電素子Ep、EnとはんだFによってろう接されている
と共に、熱電素子とは反対側の外部熱交換部材(図示せ
ず)との接触面では熱電素子及び電極と外部熱交換部材
との間の電気的絶縁のためにセラミックスの板材B、B
とろう材又ははんだCによってろう接されている。The electrode plates D, D ... Are brazed to the thermoelectric elements Ep, En by solder F, and an external heat exchange member (not shown) on the opposite side of the thermoelectric elements. On the contact surface with the ceramic plate materials B, B for electrical insulation between the thermoelectric elements and electrodes and the external heat exchange member.
It is brazed with a brazing material or solder C.
【0006】上記各熱電素子Ep、Enには、該熱電素子
内へのはんだ成分の拡散防止を目的として、Ni(ニッ
ケル)のメッキ等による拡散防止層(中間層)Gが形成
されている。On each of the thermoelectric elements Ep and En, a diffusion prevention layer (intermediate layer) G is formed by Ni (nickel) plating or the like for the purpose of preventing the diffusion of the solder component into the thermoelectric elements.
【0007】ここで、上述した各電極板D、D・・・
は、隣り合う熱電素子Ep、Enを互いに電気的に接続す
ると共に、隣り合う熱電素子Ep、Enを互いに機械的に
接続する接合体としても機能していることは言うまでも
ない。Here, the above-mentioned electrode plates D, D ...
Needless to say, it also functions as a bonded body that electrically connects the adjacent thermoelectric elements Ep and En to each other and mechanically connects the adjacent thermoelectric elements Ep and En to each other.
【0008】また、絶縁材料B、B・・・を上述した如
く上記各電極板D、D・・・に接合しない熱電モジュー
ルにおいては、例えばセラミックスの板材や雲母の箔な
どの絶縁材料を、上記各電極板D、D・・・と外部熱交
換部材との間に挟んだ状態で使用するようにしている。Further, in the thermoelectric module in which the insulating materials B, B ... Are not joined to the electrode plates D, D ... As described above, an insulating material such as a ceramic plate material or a mica foil is used as described above. It is used in a state of being sandwiched between the electrode plates D, D ... And the external heat exchange member.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の熱電モジュールAでは、絶縁材料としてセラミック
スの板材を用いる場合、セラミックスは脆いのでその強
度を持たせるために、板材の厚みを厚くする必要があ
る。たとえば、安価で絶縁性、熱伝導性、耐熱性が高い
アルミナセラミックスを、熱電モジュールの電極に接合
して用いる場合、あるいは熱電モジュールの電極と外部
熱交換部材との間に介在させて用いる場合、通常、アル
ミナセラミックスの板材の厚みは、その強度を考慮して
0.5mm以上の厚さが必要である。By the way, in the above-mentioned conventional thermoelectric module A, when a ceramic plate material is used as the insulating material, since the ceramic material is brittle, it is necessary to increase the thickness of the plate material in order to give it strength. is there. For example, when inexpensive and highly insulating, thermally conductive, and highly heat-resistant alumina ceramics are used by being joined to the electrodes of the thermoelectric module, or when being used between the electrodes of the thermoelectric module and the external heat exchange member, Usually, the thickness of the alumina ceramic plate material needs to be 0.5 mm or more in consideration of its strength.
【0010】しかしながら、上記アルミナセラミックス
の厚みが厚いと熱電モジュールあるいは熱電モジュール
の電極と外部熱交換部材との間の絶縁材料部分の熱抵抗
が高くなってしまい、このため熱電素子と外部熱交換部
材との間の伝熱性が低下し好ましくない。However, if the thickness of the alumina ceramics is large, the thermal resistance of the insulating material portion between the thermoelectric module or the electrodes of the thermoelectric module and the external heat exchange member becomes high, and therefore the thermoelectric element and the external heat exchange member. It is not preferable because the heat transfer property between and is lowered.
【0011】一方、雲母は、アルミナセラミックスと比
較して薄く形成することができるものの、その厚みの低
減効果以上に熱伝導率が大幅に低く、伝熱性が悪い。On the other hand, although mica can be formed thinner than alumina ceramics, its thermal conductivity is much lower than the effect of reducing its thickness, and its thermal conductivity is poor.
【0012】また、セラミックス板を熱電モジュールの
電極にはんだ又はろう材によってろう接するためには、
セラミックス板表面に予め電極パターン状のメタライズ
処理などを行う工程が必要である。また、セラミックス
板を熱電モジュールに接合した場合、電極部材のCu等
と比べてセラミックの線膨張係数が小さいことから、セ
ラミックス板の厚みに応じて温度変化に伴い熱電モジュ
ール内部に大きな熱応力が発生するおそれがあり、その
緩和対策も講ずる必要がある。In order to braze the ceramic plate to the electrodes of the thermoelectric module with solder or brazing material,
It is necessary to perform a step of previously performing metallization treatment of an electrode pattern on the surface of the ceramic plate. Further, when the ceramic plate is joined to the thermoelectric module, since the linear expansion coefficient of the ceramic is smaller than that of Cu or the like of the electrode member, a large thermal stress is generated inside the thermoelectric module according to the temperature change depending on the thickness of the ceramic plate. Therefore, it is necessary to take mitigation measures.
【0013】さらに、電極と絶縁材料とは線膨張係数が
異なる。そのため、セラミックス板等の絶縁材料を熱電
モジュールの電極と外部熱交換部材との間に挟んで用い
る場合には、温度変化に伴って電極と絶縁材料との間に
異なる変形が生じ、電極と絶縁材料との間の熱接触面積
が小さくなり伝熱性が低下してしまう。Further, the linear expansion coefficient of the electrode is different from that of the insulating material. Therefore, when an insulating material such as a ceramic plate is used by sandwiching it between the electrode of the thermoelectric module and the external heat exchange member, different deformation occurs between the electrode and the insulating material due to temperature change, and the insulating material The heat contact area with the material is reduced, and the heat transfer property is reduced.
【0014】本発明は、上記実状に鑑みてなされたもの
であり、熱電素子に絶縁材料が接合された熱電モジュー
ルであって、容易に製作及び取扱いができて諸作業の作
業性を向上させられ、しかも熱電素子と外部熱交換部材
との間の絶縁部分の熱抵抗を低減すると共に熱電素子と
絶縁材料との間の熱接触を向上させることで熱効率を向
上させる熱電モジュールを提供することを第1の目的と
する。The present invention has been made in view of the above circumstances, and is a thermoelectric module in which an insulating material is joined to a thermoelectric element, which can be easily manufactured and handled, and the workability of various operations can be improved. Moreover, it is possible to provide a thermoelectric module that reduces thermal resistance of an insulating portion between the thermoelectric element and an external heat exchange member and improves thermal contact between the thermoelectric element and an insulating material to improve thermal efficiency. The purpose of 1.
【0015】また、熱電モジュールは高い熱電特性を有
することが好ましい。熱電特性を向上させる方法の一つ
に、熱電素子を高密度に配置し、熱電素子と電極との接
触面積を可能な限り大きくすることが考えられる。しか
し熱電素子を高密度に配置すると隣合う熱電素子同士が
接触するおそれがある。熱電特性を向上させることより
も各熱電素子同士の絶縁を確保することが優先されるた
め、各熱電素子間には適度な間隙部が設けられ、または
適度な厚みのあるホルダーによって各熱電素子が仕切ら
れている。したがって熱電モジュールの熱電特性には外
形寸法に応じた限界がある。Further, the thermoelectric module preferably has high thermoelectric characteristics. One of the methods for improving the thermoelectric properties is to arrange the thermoelectric elements at a high density so that the contact area between the thermoelectric elements and the electrodes is as large as possible. However, if the thermoelectric elements are arranged at a high density, there is a risk that adjacent thermoelectric elements will contact each other. Since securing insulation between thermoelectric elements is prioritized over improving thermoelectric characteristics, an appropriate gap is provided between each thermoelectric element, or a holder with an appropriate thickness allows each thermoelectric element to It is partitioned. Therefore, the thermoelectric characteristics of the thermoelectric module have a limit according to the external dimensions.
【0016】本発明は、上記実状に鑑みてなされたもの
であり、熱電素子を高密度に配置することが可能で外形
寸法に対する熱電特性を向上させることができる熱電モ
ジュールを提供することを第2の目的とする。The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is a second object of the present invention to provide a thermoelectric module in which thermoelectric elements can be arranged at high density and thermoelectric characteristics with respect to external dimensions can be improved. The purpose of.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段および効果】そこで、第1
発明は、複数の熱電素子が電気的に接続されて成る熱電
モジュールであって、前記熱電素子のうち少なくとも一
部に、絶縁材料の溶射により形成された皮膜を有するこ
とを特徴とする。[Means and Effects for Solving the Problems] Then, the first
The invention is a thermoelectric module in which a plurality of thermoelectric elements are electrically connected to each other, wherein at least a part of the thermoelectric elements has a film formed by thermal spraying of an insulating material.
【0018】また、第2発明は、第1発明において、前
記熱電素子のうち外部熱交換部材と対向する面に、絶縁
材料の溶射により形成された皮膜を有することを特徴と
する。A second invention is characterized in that, in the first invention, a surface of the thermoelectric element facing the external heat exchange member has a film formed by thermal spraying of an insulating material.
【0019】かかる第1、第2の発明によれば、隣合う
熱電素子同士が接続され外部熱交換部材との接触面に絶
縁材料が接合された熱電モジュールであって、絶縁材料
にメタライズ処理等を施すことなく溶射により絶縁材料
と熱電モジュールとを直接接合して容易に作製すること
ができる熱電モジュールを得ることができる。また、熱
電素子と絶縁材料とが一体化されるため熱電モジュール
と絶縁材料の取扱いが容易になり諸作業の作業性を向上
することができる熱電モジュールを得ることができる。
さらに、溶射により所望の厚みをもつ絶縁材料の皮膜を
形成できるため、絶縁材料の厚みを薄くすることで外部
熱交換部材との間の絶縁材料部分の熱抵抗を低減でき、
さらに熱電素子と絶縁皮膜とが直接接合されるので熱電
素子と絶縁材料との間の熱接触が向上し、これらにより
熱電素子と外部熱電交換部材との間の伝熱性を向上する
ことができる熱電モジュールを得ることができる。ま
た、所望の厚みをもつ絶縁材料の皮膜を得られるため、
適切な厚みを選ぶことで温度変化に伴って熱電モジュー
ル内部に発生する熱応力を最小限に抑制できる。したが
って、熱応力に起因する損傷を未然に防止し耐熱性及び
耐久性が向上する熱電モジュールを得ることができる。According to the first and second aspects of the invention, the thermoelectric module has adjacent thermoelectric elements connected to each other and the insulating material is joined to the contact surface with the external heat exchange member. It is possible to obtain a thermoelectric module that can be easily manufactured by directly bonding the insulating material and the thermoelectric module by thermal spraying without performing the above. Further, since the thermoelectric element and the insulating material are integrated, the thermoelectric module and the insulating material can be easily handled, and a thermoelectric module that can improve workability of various operations can be obtained.
Furthermore, since a film of an insulating material having a desired thickness can be formed by thermal spraying, reducing the thickness of the insulating material can reduce the thermal resistance of the insulating material portion between the external heat exchange member and
Further, since the thermoelectric element and the insulating film are directly joined, the thermal contact between the thermoelectric element and the insulating material is improved, and these can improve the heat transfer between the thermoelectric element and the external thermoelectric exchange member. You can get the module. Also, since a film of an insulating material having a desired thickness can be obtained,
By selecting an appropriate thickness, the thermal stress generated inside the thermoelectric module due to temperature changes can be suppressed to a minimum. Therefore, it is possible to obtain a thermoelectric module in which damage due to thermal stress is prevented and heat resistance and durability are improved.
【0020】また、第3発明は、第1発明において、前
記熱電素子のうち隣の熱電素子と対向する面に、絶縁材
料の溶射により形成された皮膜を有することを特徴とす
る。A third invention is characterized in that, in the first invention, a surface of the thermoelectric element facing the adjacent thermoelectric element has a film formed by thermal spraying of an insulating material.
【0021】かかる第1、第3の発明によれば、隣合う
熱電素子の対向面に絶縁材料の皮膜が形成されるため間
隙部を設けずに複数の熱電素子を配置しても、熱電素子
が所望の電気的接続部外で互いに電気的に接触すること
を防止でき、これにより熱電素子ホルダーを作製するこ
となく容易に製作でき、さらに熱電素子モジュールを高
密度に配置することが可能で外形寸法に対する熱電特性
を向上させるこのできる熱電モジュールを得ることがで
きる。According to the first and third aspects of the invention, since the coating film of the insulating material is formed on the opposing surfaces of the adjacent thermoelectric elements, even if a plurality of thermoelectric elements are arranged without providing a gap portion, the thermoelectric elements can be arranged. Can be prevented from making electrical contact with each other outside the desired electrical connection part, which makes it easy to manufacture without making a thermoelectric element holder, and allows the thermoelectric element modules to be arranged in high density. It is possible to obtain a thermoelectric module capable of improving thermoelectric characteristics with respect to dimensions.
【0022】[0022]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面を参照して説明する。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
【0023】本発明は溶射の容易性及び溶射によって形
成される皮膜の有用性に着目したものである。そこで本
発明の参考となる技術について第1の実施形態として説
明する。The present invention focuses on the ease of thermal spraying and the usefulness of a coating formed by thermal spraying. Therefore, a technique as a reference of the present invention will be described as a first embodiment.
【0024】[参考技術]図1は本発明に係る熱電モジ
ュールの第1の実施形態であり、この熱電モジュール1
0は、多数の熱電素子(P型熱電素子)Epと熱電素子
(N型熱電素子)Enとを交互に分散して配置するとと
もに、隣り合う熱電素子Epと熱電素子Enとを電極板1
1を介して、互いに電気的かつ機械的に接続されて成っ
ている。[Reference Technology] FIG. 1 shows a thermoelectric module according to a first embodiment of the present invention.
In No. 0, a large number of thermoelectric elements (P-type thermoelectric elements) Ep and thermoelectric elements (N-type thermoelectric elements) En are alternately dispersed and arranged, and adjacent thermoelectric elements Ep and thermoelectric elements En are arranged in the electrode plate 1.
1 electrically and mechanically connected to each other.
【0025】上記各熱電素子Ep、Enには、該熱電素子
内への、当該熱電素子と電極板11とを接合するための
はんだ12の成分の拡散防止を目的として、Ni(ニッ
ケル)のメッキによる拡散防止層14が形成されてい
る。Each of the thermoelectric elements Ep and En is plated with Ni (nickel) for the purpose of preventing diffusion of the components of the solder 12 for joining the thermoelectric element and the electrode plate 11 into the thermoelectric element. The diffusion prevention layer 14 is formed.
【0026】因みに、熱電素子Ep(P型熱電素子)
は、Sb−Te(アンチモン−テルル)系の熱電素子で
ある。また、熱電素子En(N型熱電素子)は、Bi−
Te(ビスマス−テルル)系の熱電素子である。Incidentally, the thermoelectric element Ep (P-type thermoelectric element)
Is an Sb-Te (antimony-tellurium) -based thermoelectric element. Further, the thermoelectric element En (N-type thermoelectric element) is Bi-
It is a Te (bismuth-tellurium) -based thermoelectric element.
【0027】上記各電極板11は、Cu(銅)から形成
されており、上記各電極板11における外部熱交換部材
(図示せず)との接触面側には、絶縁材料を溶射するこ
とにより皮膜13が形成されている。Each of the electrode plates 11 is made of Cu (copper), and an insulating material is sprayed on the contact surface side of each of the electrode plates 11 with the external heat exchange member (not shown). The film 13 is formed.
【0028】絶縁皮膜13を構成する絶縁材料として
は、アルミナセラミックス等の熱伝導性の高いものが好
ましい。As the insulating material forming the insulating film 13, a material having high thermal conductivity such as alumina ceramics is preferable.
【0029】因みに、溶射による絶縁材料の皮膜13に
おいては、約0.05(mm)程度の厚さまで薄く形成
することが可能であり、この約0.05(mm)程度の
厚さが、皮膜として成立するための必要最小限の厚さで
ある。しかし、当然のように、絶縁材料の皮膜13は、
絶縁性の観点からは、熱電素子Ep、Enに印加される又
は発生する最大の電圧に耐えうる厚さに形成する必要が
ある。Incidentally, the insulating material film 13 formed by thermal spraying can be thinly formed to a thickness of about 0.05 (mm). Is the minimum thickness necessary to be satisfied as. However, as a matter of course, the insulating material film 13 is
From the viewpoint of insulation, it is necessary to form the thermoelectric elements Ep and En to a thickness that can withstand the maximum voltage applied or generated.
【0030】そこで、本実施形態では、熱電素子Ep、
Enに最大の電圧が印加された又は発生した場合であっ
ても、皮膜13が絶縁材料として機能する厚さとなるよ
うに、上述した絶縁材料を溶射するようにしている。Therefore, in this embodiment, the thermoelectric element Ep,
Even when the maximum voltage is applied to En or generated, the above-mentioned insulating material is sprayed so that the film 13 has a thickness that functions as an insulating material.
【0031】このように電圧値に応じて絶縁材料の皮膜
13の厚さを変更することができるのは、(1)電極板
11の上面(外部熱交換部材との接触面)に絶縁材料を
溶射して皮膜を形成するようにした点と、(2)溶射に
よる絶縁材料の皮膜13は電極板11と一体化された状
態で形成され電極に支持されるので、単一のセラミック
ス板の場合と比較して機械的強度も大幅に向上し、これ
により絶縁耐圧に対応する皮膜の厚さまで薄くして形成
するようにした点にある。As described above, the thickness of the insulating material film 13 can be changed according to the voltage value. (1) The insulating material is provided on the upper surface of the electrode plate 11 (contact surface with the external heat exchange member). In the case of a single ceramic plate, the point that the film is formed by thermal spraying and (2) the film 13 of the insulating material by thermal spraying is formed integrally with the electrode plate 11 and supported by the electrode. The mechanical strength is also greatly improved compared to the above, and as a result, the film is thinned to the thickness corresponding to the withstand voltage.
【0032】したがって、例えば、印加される又は発生
する電圧の最大電圧値VをV1(V)、V2(V)と
し、それぞれの電圧値に対応する絶縁材料の皮膜の厚さ
tは0.1(mm)、0.2(mm)でよいものとした
とき、本実施形態では、溶射による絶縁材料の皮膜の厚
さtを、電圧値VがV1(V)の電圧で用いる熱電モジ
ュールにおいては0.1(mm)とすることができ、一
方、電圧値VがV2(V)の電圧で用いる熱電モジュー
ルでは0.2(mm)とすることができる。Therefore, for example, the maximum voltage value V of the applied or generated voltage is set to V1 (V) and V2 (V), and the thickness t of the film of the insulating material corresponding to each voltage value is 0.1. (Mm) and 0.2 (mm), in the present embodiment, in the thermoelectric module in which the voltage value V is V1 (V), the thickness t of the film of the insulating material formed by thermal spraying is used. It can be set to 0.1 (mm), while it can be set to 0.2 (mm) in the thermoelectric module used when the voltage value V is V2 (V).
【0033】これに対し、上述した従来技術の場合で
は、単一のセラミックス板を用いるので、絶縁性の観点
から、たとえば、電圧値VがV1(V)の電圧で用いる
熱電モジュールでは0.1(mm)の厚さのセラミック
ス板、また、電圧値VがV2(V)の電圧で用いる熱電
モジュールでは0.2(mm)の厚さのセラミックス板
で良い場合であっても、機械的強度の観点から(材質的
に脆いので)、0.5(mm)以上の厚さのセラミック
ス板を用いる必要があった。On the other hand, in the case of the above-mentioned prior art, since a single ceramic plate is used, from the viewpoint of insulation, for example, in the thermoelectric module used at a voltage value V of V1 (V), 0.1 is used. (Mm) thickness ceramic plate, and in the case of a thermoelectric module used at a voltage value V of V2 (V), even if the ceramic plate thickness of 0.2 (mm) is good, the mechanical strength From the viewpoint (because the material is fragile), it was necessary to use a ceramic plate having a thickness of 0.5 (mm) or more.
【0034】なお、上述した実施形態では、熱電モジュ
ールの高温側および低温側(図1中の上方側と下方側)
の何れの電極板11にも、絶縁材料の皮膜13を形成す
るようにしたが、本発明はこれに限定されることなく、
高温側又は低温側の何れかのみに対して絶縁材料の皮膜
13を形成するようにしても良い(後述する第2乃至第
4の実施形態においても同様とする)。In the above embodiment, the high temperature side and the low temperature side of the thermoelectric module (upper side and lower side in FIG. 1).
Although the coating 13 of the insulating material is formed on any of the electrode plates 11 of the above, the present invention is not limited to this.
The insulating material film 13 may be formed only on either the high temperature side or the low temperature side (the same applies to the second to fourth embodiments described later).
【0035】以上説明したように本実施形態によれば、
熱電モジュール10における電圧値に応じた所望の厚さ
の(従来と比較して厚さの薄い)絶縁材料の皮膜13を
形成することができるので、熱電モジュール10の電極
板11と外部熱交換部材との間の絶縁材料部分の熱抵抗
を低減でき、熱電素子と外部熱交換部材との間の伝熱性
を向上させることができる。As described above, according to this embodiment,
Since it is possible to form the film 13 of the insulating material having a desired thickness (thinner compared to the conventional one) according to the voltage value in the thermoelectric module 10, the electrode plate 11 of the thermoelectric module 10 and the external heat exchange member. It is possible to reduce the thermal resistance of the insulating material portion between and, and to improve the heat conductivity between the thermoelectric element and the external heat exchange member.
【0036】また、電極板11と絶縁材料の皮膜13と
が一体化されるので、電極板11と絶縁材料の皮膜13
との間の熱接触を向上させることができ、熱電素子と外
部熱交換部材との間の伝熱性を向上させることができ
る。Since the electrode plate 11 and the insulating material film 13 are integrated, the electrode plate 11 and the insulating material film 13 are integrated.
It is possible to improve the thermal contact between the thermoelectric element and the external heat exchanging member.
【0037】さらに、絶縁材料を溶射することにより電
極板11と一体化された絶縁材料の皮膜13を形成する
ようにしているので、従来技術の如く「セラミックスに
メタライズ処理などを施す工程」、を熱電モジュールを
製作する工程に組み入れる必要がなく、熱電モジュール
を容易に製作する(作業効率の向上を図る)ことができ
る。Furthermore, since the coating 13 of the insulating material integrated with the electrode plate 11 is formed by spraying the insulating material, the "step of subjecting ceramics to metallizing treatment" as in the prior art is performed. The thermoelectric module can be easily manufactured (improvement of working efficiency) without having to be incorporated in the process of manufacturing the thermoelectric module.
【0038】なお、本発明は、上述した熱電素子材料、
拡散防止層材料、拡散防止層の形成方法、電極材料、電
極と熱電素子又は拡散防止層との接合方法等に限定され
ない。例えば、電極板11と絶縁材料の皮膜13との間
に両者の線膨張係数の中間の線膨張係数を有する材料の
層を設ける。すると、絶縁材料の皮膜13を電極板11
に直接形成する場合よりも、温度変化に伴って熱電モジ
ュールに発生する熱応力を抑制することができる。(後
述する第2乃至第4の実施形態においても同様とす
る)。The present invention is based on the above-mentioned thermoelectric element material,
It is not limited to the diffusion prevention layer material, the method for forming the diffusion prevention layer, the electrode material, the method for joining the electrode and the thermoelectric element or the diffusion prevention layer, and the like. For example, a layer of a material having a linear expansion coefficient intermediate between those of the electrode plate 11 and the insulating material film 13 is provided. Then, the film 13 of the insulating material is applied to the electrode plate 11.
It is possible to suppress the thermal stress generated in the thermoelectric module due to the temperature change, as compared with the case where the thermal stress is directly formed. (The same applies to the second to fourth embodiments described later).
【0039】なお熱電モジュールの電極に絶縁材料を溶
射する技術は、「熱電変換シンポジウム2000(TEC2
000)論文集(熱電変換研究会)、第50頁〜51頁」
に記載されている。The technique of spraying an insulating material onto the electrodes of a thermoelectric module is described in "Thermoelectric Conversion Symposium 2000 (TEC2
000) Proceedings (Thermoelectric conversion research group), pp. 50-51 "
It is described in.
【0040】[第2の実施の形態]図2は、本発明に係
る熱電モジュールの第2の実施形態を示す側面概念図を
示している。[Second Embodiment] FIG. 2 is a schematic side view showing a second embodiment of the thermoelectric module according to the present invention.
【0041】同図2において、熱電モジュール20は、
多数の熱電素子(P型熱電素子)Epと熱電素子(N型
熱電素子)Enとを交互に分散して配置するとともに、
隣り合う熱電素子Epと熱電素子Enとを直接に、互いに
電気的に接続している。In FIG. 2, the thermoelectric module 20 is
A large number of thermoelectric elements (P-type thermoelectric elements) Ep and thermoelectric elements (N-type thermoelectric elements) En are alternately dispersed and arranged, and
Adjacent thermoelectric elements Ep and En are directly electrically connected to each other.
【0042】なお、熱電素子Ep(P型熱電素子)およ
び熱電素子En(N型熱電素子)は、それぞれ上記第1
の実施形態の場合と同様の熱電素子とするが、本発明は
これに限定されるものではない。The thermoelectric element Ep (P type thermoelectric element) and the thermoelectric element En (N type thermoelectric element) are respectively the above-mentioned first
The thermoelectric element is the same as that in the above embodiment, but the present invention is not limited to this.
【0043】ところで、熱電素子Ep、Enは例えば次
のようにして互いに直接に接合される。まず、金型にP
型熱電素子材料の粉末を一定の量だけ表面が平らになる
ように入れる。その上にN型熱電素子材料の粉末を一定
の量だけ表面が平らになるように入れる。これを交互に
繰り返し積層して所望の積層数となったら、そのまま全
体をホットプレス焼結する。こうして作製されたP型熱
電素子材料とN型熱電素子材料の積層体を、熱電モジュ
ールにおける熱電素子部の幅と高さに合わせて切断す
る。最後に、積層体のP型熱電材料部分とN型熱電材料
部分に互い違いに切り欠き部22を設ける。このように
してL次型のP型熱電素子とN型の熱電素子が互いに接
合された形となる。By the way, the thermoelectric elements Ep and En are directly bonded to each other as follows, for example. First, P on the mold
A certain amount of the thermoelectric element material powder is put in such a manner that the surface becomes flat. On top of that, a certain amount of N-type thermoelectric element material powder is put so that the surface becomes flat. This is alternately and repeatedly laminated, and when the desired number of layers is obtained, the whole is directly hot pressed and sintered. The laminate of the P-type thermoelectric element material and the N-type thermoelectric element material thus produced is cut according to the width and height of the thermoelectric element portion in the thermoelectric module. Finally, the cutouts 22 are provided alternately in the P-type thermoelectric material portion and the N-type thermoelectric material portion of the laminated body. In this way, the L-type P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are joined together.
【0044】また、上記各熱電素子Ep、Enは、L字型
に形成するようにしているが、本発明はこれに限定され
ることなく、隣り合う熱電素子Epと熱電素子Enとを互
いに電気的に接続し、かつ外部熱交換部材(図示せず)
との間で熱的に接続する面が十分確保できる程度に形成
するようにしたものであれば、その形状は問わない。Further, each of the thermoelectric elements Ep and En is formed in an L shape, but the present invention is not limited to this, and adjacent thermoelectric elements Ep and En are electrically connected to each other. External heat exchange member (not shown)
The shape thereof does not matter as long as it is formed so as to sufficiently secure a surface that is thermally connected to and.
【0045】この第2の実施形態においても、熱電素子
Ep、Enにおける外部熱交換部材との接触面側には、上
記第1の実施形態の場合と同様に、絶縁材料を溶射する
ことにより絶縁材料の皮膜21が形成されている。この
絶縁材料の皮膜21を構成する絶縁材料としては、アル
ミナセラミックス等の熱伝導性の高いものが好ましい。Also in the second embodiment, the contact surface side of the thermoelectric elements Ep, En with the external heat exchange member is insulated by spraying an insulating material, as in the case of the first embodiment. A material film 21 is formed. As the insulating material forming the film 21 of the insulating material, a material having high thermal conductivity such as alumina ceramics is preferable.
【0046】かかる熱電モジュール20の構成では、熱
電素子Ep、Enと外部熱交換部材との間には、絶縁材料
の皮膜21のみが介在し、上記第1の実施形態の場合に
おいて介在していた電極は介在していない。このため、
熱電素子Ep、Enと外部熱交換部材との間の距離は、上
記第1の実施形態の場合と比較して短くなっている。In the structure of such a thermoelectric module 20, only the film 21 of the insulating material is interposed between the thermoelectric elements Ep and En and the external heat exchange member, and in the case of the first embodiment described above. No electrodes are interposed. For this reason,
The distance between the thermoelectric elements Ep and En and the external heat exchange member is shorter than that in the case of the first embodiment.
【0047】なお、上述した第2の実施形態では、熱電
モジュールの高温側および低温側(図2中の上方側と下
方側)の何れの熱電素子Ep、Enにも、絶縁材料の皮
膜21を形成するようにしたが、本発明はこれに限定さ
れることなく、高温側又は低温側の何れかのみに対して
絶縁材料の皮膜21を形成するようにしても良い以上説
明したように、第2の実施形態によれば、熱電素子と外
部熱交換部材との間に電極を介在させないため、上記第
1の実施形態の場合と比較して、熱電素子Ep、Enと外
部熱交換部材との間の距離を短くすることができる。こ
のため、第2の実施形態では、下記のような作用効果を
奏する。In the second embodiment described above, the coating 21 of the insulating material is formed on both the thermoelectric elements Ep and En on the high temperature side and the low temperature side (the upper side and the lower side in FIG. 2) of the thermoelectric module. However, the present invention is not limited to this, and the insulating material film 21 may be formed only on either the high temperature side or the low temperature side, as described above. According to the second embodiment, since no electrode is interposed between the thermoelectric element and the external heat exchange member, the thermoelectric elements Ep, En and the external heat exchange member are different from each other as compared with the case of the first embodiment. The distance between them can be shortened. Therefore, in the second embodiment, the following operational effects are exhibited.
【0048】すなわち、上記第1の実施形態の場合と比
較して、より一層、熱電モジュール20の熱電素子E
p、Enと外部熱交換部材との間の熱抵抗を低減でき、熱
電素子と外部熱交換部材との間の伝熱性を向上させるこ
とができる。That is, as compared with the case of the first embodiment, the thermoelectric element E of the thermoelectric module 20 is further enhanced.
The thermal resistance between p and En and the external heat exchange member can be reduced, and the heat transfer between the thermoelectric element and the external heat exchange member can be improved.
【0049】また、絶縁材料を溶射することにより熱電
モジュール20と一体化された絶縁材料の皮膜21を形
成するため、従来技術の如くセラミックスにメタライズ
処理等を施す工程を熱電モジュールの製作工程に組み入
れる必要がなく、熱電モジュールを容易に製作する(作
業効率の向上を図る)ことができる。Further, since the insulating material film 21 integrated with the thermoelectric module 20 is formed by spraying the insulating material, a step of metallizing the ceramics as in the prior art is incorporated into the manufacturing step of the thermoelectric module. There is no need, and the thermoelectric module can be easily manufactured (work efficiency can be improved).
【0050】さらに、熱電素子と外部熱交換部材との間
の絶縁材料と熱電モジュールとが一体化されるため、熱
電モジュールと絶縁材料の取扱いが容易になり諸作業の
作業性を向上することができる熱電モジュールが得られ
る。Furthermore, since the insulating material between the thermoelectric element and the external heat exchange member and the thermoelectric module are integrated, the thermoelectric module and the insulating material can be easily handled and the workability of various operations can be improved. A thermoelectric module can be obtained.
【0051】[第3の実施の形態]図3は、本発明に係
る熱電モジュールの第3の実施形態を示す側面概念図を
示している。[Third Embodiment] FIG. 3 is a side view showing a thermoelectric module according to a third embodiment of the present invention.
【0052】同図3に示す熱電モジュール30は、図1
に示した第1の実施形態の熱電モジュール10の構成に
おいて、皮膜31を追加した構成になっている。また、
第2の実施形態の熱電モジュール20の構成の構成にお
いて、皮膜31を追加した構成にしてもよい。なお、同
図3において、図1に示した構成要素と同様の機能を果
たす部分には同一の符号を付すものとする。The thermoelectric module 30 shown in FIG.
In the configuration of the thermoelectric module 10 of the first embodiment shown in (1), the coating 31 is added. Also,
The coating 31 may be added to the configuration of the thermoelectric module 20 of the second embodiment. Note that, in FIG. 3, parts having the same functions as those of the constituent elements shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals.
【0053】皮膜31は、絶縁材料の溶射により生成さ
れた皮膜13の上面つまり熱電素子とは反対側の外部熱
交換部材(図示せず)との接触面側に、さらにろう接用
の下地としての材料(ろう接が容易な材料)を溶射する
ことにより形成されている。この溶射により形成された
皮膜31は外部熱交換部材とろう接される。なお、ろう
接が容易な材料(下地としての材料)としては、銅(C
u)、ニッケル(Ni)等がある。The coating film 31 is formed on the upper surface of the coating film 13 formed by thermal spraying of the insulating material, that is, on the contact surface side with the external heat exchange member (not shown) on the side opposite to the thermoelectric element, and as a base for brazing. It is formed by spraying the material (material that is easy to braze). The film 31 formed by this thermal spraying is brazed to the external heat exchange member. Note that copper (C
u), nickel (Ni) and the like.
【0054】ここで、ろう接とは、450℃を超える高
温でのろう付けと、450℃以下の低温でのはんだ付け
とを含むものとする。Here, the brazing includes brazing at a high temperature exceeding 450 ° C. and soldering at a low temperature below 450 ° C.
【0055】以上説明したように第3の実施形態によれ
ば、上述した第1の実施形態と同様の作用効果を奏す
る。As described above, according to the third embodiment, the same operational effect as that of the above-described first embodiment can be obtained.
【0056】また、第3の実施形態では、溶射により形
成された絶縁材料の皮膜13の上面にろう接用の下地と
しての材料を溶射することにより形成された皮膜31と
外部熱交換部材とをろう接することによって、上記第1
の実施形態の場合と比較して、より一層、皮膜31と外
部熱交換部材との間の熱接触すなわち、絶縁材料の皮膜
13と外部熱交換部材との間の熱接触を向上させること
ができる。Further, in the third embodiment, the coating 31 formed by spraying a material as a base for brazing on the upper surface of the coating 13 of the insulating material formed by thermal spraying and the external heat exchange member. The first by brazing
The thermal contact between the film 31 and the external heat exchange member, that is, the thermal contact between the film 13 of the insulating material and the external heat exchange member can be further improved as compared with the case of the embodiment. .
【0057】なお、絶縁材料の皮膜13と同じように、
熱電モジュールの高温側又は低温側の何れかのみに対し
て絶縁材料の皮膜31を形成するようにしても良い。As in the case of the insulating material film 13,
The insulating material film 31 may be formed only on either the high temperature side or the low temperature side of the thermoelectric module.
【0058】[第4の実施の形態]図4は、本発明に係
る熱電モジュールの第4の実施形態を示す側面概念図を
示している。[Fourth Embodiment] FIG. 4 is a side view showing a thermoelectric module according to a fourth embodiment of the present invention.
【0059】同図4に示す熱電モジュール40は、図1
に示した第1の実施形態の熱電モジュール10の構成に
おいて、皮膜41を追加した構成になっている。第2の
実施形態の熱電モジュール20の構成の構成において、
皮膜41を追加した構成にしてもよい。なお、同図4に
おいて、図1に示した構成要素と同様の機能を果たす部
分には同一の符号を付すものとする。The thermoelectric module 40 shown in FIG.
In the configuration of the thermoelectric module 10 of the first embodiment shown in, the coating 41 is added. In the configuration of the thermoelectric module 20 of the second embodiment,
You may make it the structure which added the film 41. Note that, in FIG. 4, parts that perform the same functions as the components shown in FIG. 1 are given the same reference numerals.
【0060】皮膜41は、絶縁材料の溶射により生成さ
れた皮膜13の上面つまり熱電素子とは反対側の外部熱
交換部材(図示せず)との接触面側に、さらに、絶縁材
料つまり皮膜13よりも線膨張係数の大きい熱応力緩和
用の材料を溶射することにより形成されている。なお、
熱応力緩和用材料としては銅(Cu)、ニッケル(N
i)、アルミニウム(Al)等が考えられる。The coating film 41 is formed on the upper surface of the coating film 13 formed by thermal spraying of the insulating material, that is, on the contact surface side with the external heat exchange member (not shown) on the side opposite to the thermoelectric element, and further, the insulating material, that is, the coating film 13. It is formed by thermal spraying a material for thermal stress relaxation having a larger linear expansion coefficient. In addition,
Copper (Cu), nickel (N
i), aluminum (Al), etc. are considered.
【0061】以上説明したように第4の実施形態によれ
ば、上述した第1の実施形態と同様の作用効果を奏す
る。As described above, according to the fourth embodiment, the same operational effect as that of the above-described first embodiment can be obtained.
【0062】第4の実施形態では、絶縁材料の線膨張係
数が電極材料等に対して比較的小さい。そのため、電極
材料の熱膨張及び熱収縮に伴って絶縁材料が反り、大き
な熱応力が生じやすい。しかし、溶射により生成された
絶縁皮膜13の上面に熱応力緩和用材料を溶射すること
により、温度変化に伴って熱電モジュール内部に発生す
る熱応力を抑制でき、熱応力による損傷を未然に防止し
熱電モジュールの耐熱性及び耐久性を向上させることが
できる。In the fourth embodiment, the linear expansion coefficient of the insulating material is relatively smaller than that of the electrode material and the like. Therefore, the insulating material warps due to the thermal expansion and thermal contraction of the electrode material, and a large thermal stress is likely to occur. However, by spraying the thermal stress relaxation material on the upper surface of the insulating film 13 generated by thermal spraying, the thermal stress generated inside the thermoelectric module due to temperature change can be suppressed, and damage due to thermal stress can be prevented in advance. The heat resistance and durability of the thermoelectric module can be improved.
【0063】ところで、上述した第3及び第4の実施形
態では、多数の熱電素子Epと熱電素子Enに対して、
隣合う熱電素子Epと熱電素子Enを電極板11を用い
て互いに電気的かつ機械的に接続するようにしている
が、本発明はこれに限定されることなく、上述した第2
の実施形態の場合と同様に、隣合う熱電素子Epと熱電
素子Enとを直接に、互いに電気的に接続するようにし
ても良い。By the way, in the above-mentioned third and fourth embodiments, for many thermoelectric elements Ep and En,
The adjacent thermoelectric element Ep and thermoelectric element En are electrically and mechanically connected to each other by using the electrode plate 11, but the present invention is not limited to this, and the above-described second
As in the case of the above embodiment, adjacent thermoelectric elements Ep and En may be directly and electrically connected to each other.
【0064】すなわち、第3の実施形態では絶縁材料の
皮膜21の上に皮膜31が形成され、また、第4の実施
形態では絶縁材料の皮膜21の上に皮膜41が形成され
ることとなる。That is, in the third embodiment, the film 31 is formed on the insulating material film 21, and in the fourth embodiment, the film 41 is formed on the insulating material film 21. .
【0065】このように隣合う熱電素子Epと熱電素子
Enとを直接に、互いに電気的に接続するようにした場
合には、上述した第3及び第4の実施形態においては、
各々の作用効果に加えて、上述した第2の実施形態と同
様の作用効果を奏することになる。When the adjacent thermoelectric elements Ep and En are electrically connected directly to each other as described above, in the above-described third and fourth embodiments,
In addition to the respective operational effects, the operational effects similar to those of the above-described second embodiment are exhibited.
【0066】[第5の実施の形態]図5は本発明に係る
熱電モジュールの第5の実施形態を示す側面概念図を示
している。[Fifth Embodiment] FIG. 5 is a schematic side view showing a fifth embodiment of a thermoelectric module according to the present invention.
【0067】同図5に示す熱電モジュール50は、図6
に示した従来の熱電モジュールAの構成において、さら
に熱電素子Ep、Enに絶縁材料の皮膜51を有してい
る。なお、同図5において、図6に示した構成要素と同
様の機能を果たす部分には同一の符号を付すものとす
る。The thermoelectric module 50 shown in FIG.
In the configuration of the conventional thermoelectric module A shown in (1), the thermoelectric elements Ep and En further have a film 51 of an insulating material. Note that, in FIG. 5, parts having the same functions as those of the components shown in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
【0068】絶縁材料の皮膜51は、熱電素子と電極と
の接合工程の前に、熱電素子の電極との電気的接続部と
ならない面に絶縁材料を溶射することによって形成され
る。熱電素子に絶縁材料を溶射する際には、熱電素子の
電極との電気的接続部には予めマスキング処理などを施
しておき絶縁材料が付着しないようにする。The insulating material film 51 is formed by spraying an insulating material on the surface of the thermoelectric element which is not to be electrically connected to the electrode before the step of joining the thermoelectric element and the electrode. When the insulating material is sprayed on the thermoelectric element, a masking process or the like is performed in advance on the electrical connection portion with the electrode of the thermoelectric element to prevent the insulating material from adhering.
【0069】溶射による絶縁材料の皮膜においては約
0.05mm程度の厚さまで薄く形成することが可能で
ある。溶射で皮膜の形成が可能で熱電素子に印加される
又は発生する電圧に対し耐えうる最小の厚さの皮膜を形
成すれば、絶縁材料の皮膜が形成された熱電素子と隣合
う熱電素子は絶縁材料部分で接触しても電気的には接続
しない。そのため熱電モジュールにおいて複数の熱電素
子を高密度に配置することが可能で外形寸法に対する熱
電特性を向上させることができる。熱電素子に溶射する
絶縁材料には、その部分を伝わる熱流の損失分を抑制し
効率的に熱電素子部に温度差をつけられるようにジルコ
ニアセラミックス等の熱伝導性の低いものが好ましい。The insulating material film formed by thermal spraying can be formed as thin as about 0.05 mm. If a film with the minimum thickness that can form a film by thermal spraying and can withstand the voltage applied to or generated by the thermoelectric element is formed, the thermoelectric element adjacent to the thermoelectric element formed with the insulating material film will be insulated. Even if the material parts come into contact with each other, they are not electrically connected. Therefore, a plurality of thermoelectric elements can be arranged at high density in the thermoelectric module, and the thermoelectric characteristics with respect to the external dimensions can be improved. The insulating material sprayed on the thermoelectric element is preferably a material having low thermal conductivity such as zirconia ceramics so that the loss of the heat flow transmitted through the portion can be suppressed and a temperature difference can be efficiently provided in the thermoelectric element portion.
【0070】以上説明したように第5の実施形態によれ
ば、熱電モジュールにおいて複数の熱電素子を高密度に
配置することが可能で外形寸法に対する熱電特性を向上
させる熱電モジュールを提供することができる。As described above, according to the fifth embodiment, it is possible to provide a thermoelectric module in which a plurality of thermoelectric elements can be arranged in high density in the thermoelectric module and which improves the thermoelectric characteristics with respect to the outer dimensions. .
【0071】なお、上述した第5の実施形態では、熱電
素子と外部熱交換部材との間の絶縁については従来の熱
電モジュールの構成に基づいているが、本発明はこれに
限定されるものではなく、上述した第1乃至第4の実施
形態のうち何れかの実施形態と同様の構成をも有してい
ても良い。その場合は当該実施形態と同様の作用効果も
同時に奏することになる。In the fifth embodiment described above, the insulation between the thermoelectric element and the external heat exchange member is based on the structure of the conventional thermoelectric module, but the present invention is not limited to this. Alternatively, the configuration may be the same as that of any one of the first to fourth embodiments described above. In that case, the same effect as that of the embodiment can be obtained at the same time.
【図1】本発明に係る熱電モジュールの第1の実施形態
を示す側面概念図。FIG. 1 is a side conceptual view showing a first embodiment of a thermoelectric module according to the present invention.
【図2】本発明に係る熱電モジュールの第2の実施形態
を示す側面概念図。FIG. 2 is a side view conceptual diagram showing a second embodiment of a thermoelectric module according to the present invention.
【図3】本発明に係る熱電モジュールの第3の実施形態
を示す側面概念図。FIG. 3 is a side conceptual view showing a third embodiment of a thermoelectric module according to the present invention.
【図4】本発明に係る熱電モジュールの第4の実施形態
を示す側面概念図。FIG. 4 is a side conceptual view showing a fourth embodiment of a thermoelectric module according to the present invention.
【図5】本発明に係る熱電モジュールの第5の実施形態
を示す側面概念図。FIG. 5 is a side conceptual view showing a fifth embodiment of a thermoelectric module according to the present invention.
【図6】従来の熱電モジュールを示す側面概念図。FIG. 6 is a side view conceptual diagram showing a conventional thermoelectric module.
10,20,30,40,50,A 熱電モジュール、 11,D 電極板、 12,F はんだ 13,21,51 絶縁皮膜、 14,G 拡散防止層、 31,41 皮膜、 Ep,En 熱電素子 C はんだ又はろう材 B セラミックス板 10, 20, 30, 40, 50, A thermoelectric module, 11, D electrode plate, 12, F solder 13,21,51 insulation film, 14, G diffusion prevention layer, 31,41 film, Ep, En thermoelectric element C Solder or brazing material B Ceramics plate
Claims (3)
る熱電モジュールであって、 前記熱電素子のうち少なくとも一部に、絶縁材料の溶射
により形成された皮膜を有することを特徴とする熱電モ
ジュール。1. A thermoelectric module comprising a plurality of thermoelectric elements electrically connected to each other, wherein at least a part of the thermoelectric elements has a film formed by thermal spraying of an insulating material. module.
向する面に、絶縁材料の溶射により形成された皮膜を有
することを特徴とする請求項1記載の熱電モジュール。2. The thermoelectric module according to claim 1, wherein a surface of the thermoelectric element facing the external heat exchange member has a film formed by thermal spraying of an insulating material.
する面に、絶縁材料の溶射により形成された皮膜を有す
ることを特徴とする請求項1記載の熱電モジュール。3. The thermoelectric module according to claim 1, wherein a surface of the thermoelectric element facing the adjacent thermoelectric element has a film formed by thermal spraying of an insulating material.
Priority Applications (1)
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