| 【発明の名称】 |
熱電モジュール |
| 【発明者】 |
【氏名】尾上 勝彦
【氏名】星 俊治
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| 【要約】 |
【課題】温度の上昇に伴う性能低下を抑止することにより、高効率の熱電モジュールを提供すること。
【解決手段】一対あるいは複数対の熱電チップ１と、前記熱電チップ１を電気的に直列接続するために前記熱電チップ１の両端にそれぞれ配置された電極２とを備え、前記電極２のいずれか一方の電極側が吸熱側であり、他方の電極側が放熱側である熱電モジュールにおいて、前記熱電チップ１の端面の面積は、吸熱側と比較して放熱側が大きいものとする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 一対あるいは複数対の熱電チップと、前記熱電チップを電気的に直列接続するために前記熱電チップの両端にそれぞれ配置された電極とを備え、前記電極のいずれか一方の電極側が吸熱側であり、他方の電極側が放熱側である熱電モジュールにおいて、前記熱電チップの端面の面積は、吸熱側と比較して放熱側が大きいことを特徴とする熱電モジュール。
【請求項２】 一対あるいは複数対の熱電チップと、前記熱電チップを電気的に直列接続するために前記熱電チップの両端にそれぞれ配置された電極とを備え、前記電極のいずれか一方の電極側が吸熱側であり、他方の電極側が放熱側である熱電モジュールにおいて、前記熱電チップの断面積が最大となる部分は、前記熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側に位置することを特徴とする熱電モジュール。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電モジュールに関し、特に、温度の上昇に伴う性能低下を抑止することにより、消費電力を低減した熱電モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】図６は、従来の熱電モジュールの一例の要部を示した断面図である。この熱電モジュールは、複数の熱電チップ１０、１０と、熱電チップ１０、１０を電気的に直列接続するために熱電チップ１０、１０の両端にそれぞれ配置された電極２と、電極２を介して複数の熱電チップ１０、１０を狭持するように配置された吸熱側基板３および放熱側基板４とからなるものである。この熱電モジュールにおいて、熱電チップ１０、１０の形状は、柱状であり、熱電チップ１０、１０の吸熱側基板３側の端面と放熱側基板４側の端面の面積は、同じとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】このような熱電モジュールの性能を示す性能指数Ｚは、ゼーベック係数をα、比抵抗をρ、熱伝導率をκとしたとき、下記の数式（ｉ）で示される。
Ｚ＝α2／ρκ ・・・（ｉ）
ゼーベック係数、比抵抗、熱伝導率の値は、温度特性をもつ。すなわち、一般に温度が高くなると、ゼーベック係数は上昇し、比抵抗は大きく上昇し、熱伝導率はやや減少する。中でも、比抵抗の増大が著しい。その結果、一般的に性能指数は、室温（２５℃）付近で最も大きくなる。したがって、このような熱電モジュールでは、温度が高い場所で使用する場合など、温度が高くなると性能指数Ｚが低下してしまうことが問題となっていた。
【０００４】本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、このような問題を解決し、温度の上昇に伴う性能低下を抑止することにより、高効率の熱電モジュールを提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】前記課題は、一対あるいは複数対の熱電チップと、前記熱電チップを電気的に直列接続するために前記熱電チップの両端にそれぞれ配置された電極とを備え、前記電極のいずれか一方の電極側が吸熱側であり、他方の電極側が放熱側である熱電モジュールにおいて、前記熱電チップの端面の面積は、吸熱側（低温側）と比較して放熱側（高温側）が大きいことを特徴とする熱電モジュールによって解決できる。
【０００６】また、前記課題は、一対あるいは複数対の熱電チップと、前記熱電チップを電気的に直列接続するために前記熱電チップの両端にそれぞれ配置された電極とを備え、前記電極のいずれか一方の電極側が吸熱側であり、他方の電極側が放熱側である熱電モジュールにおいて、前記熱電チップの断面積が最大となる部分は、前記熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側（高温側）に位置することを特徴とする熱電モジュールによって解決できる。
【０００７】図５は、熱電モジュール内における熱電チップの高さと熱電チップ内の温度との関係を示したグラフである。図５に示すように、熱電チップ内の温度は、吸熱側と比較して放熱側で高くなっている。また、熱電チップ内の温度は、熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側の位置で最も高温となっている。この熱電チップ内の温度が高温である位置では、比抵抗が大きくなり、性能指数が小さくなる。
【０００８】本発明の熱電モジュールは、熱電チップの端面の面積が、吸熱側と比較して放熱側が大きいものであるため、熱電チップ内の温度が高温となる放熱側の電気抵抗を小さくすることができ、ジュール発熱を抑えることができるので、熱電モジュールの熱効率を向上させることができる。また、本発明の熱電モジュールは、熱電チップの断面積が最大となる部分が、前記熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側に位置するものであるため、熱電チップ内の温度が高温となる熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側の位置での電気抵抗を小さくすることができ、ジュール発熱を抑えることができるので、熱電モジュールの熱効率を向上させることができる。このとき、熱電チップの断面積が最大となる部分を、熱電チップ内の温度が最も高くなる位置にすると、最も大きな効果が得られる。このような熱電モジュールは、熱効率に優れているため、消費電力を低減することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して詳しく説明する。図１は、本発明の熱電モジュールの一例の要部を示した断面図である。この熱電モジュールは、複数の熱電チップ１、１と、熱電チップ１、１を電気的に直列接続するために熱電チップ１、１の両端にそれぞれ配置された電極２と、電極２を介して複数の熱電チップ１、１を狭持するように配置された吸熱側基板３および放熱側基板４とからなるものである。この熱電モジュールでは、吸熱側基板３側が吸熱側、放熱側基板４側が放熱側となっている。
【００１０】図２は、図１に示した熱電モジュールに備えられている熱電チップを示した図である。この熱電チップ１の形状は、図２（Ａ）に示すように台形状であり、図２（Ｂ）に示す吸熱側（図示上側）の端面１ａの面積と比較して、図２（Ｃ）に示す放熱側（図示下側）の端面１ｂの面積が大きくなっている。また、熱電チップ１の側面から見た形状は、図２（Ｄ）に示すように、長方形となっている。
【００１１】このような熱電モジュールは、熱電チップ１が、吸熱側の端面１ａの面積と比較して、放熱側の端面１ｂの面積が大きいものであるため、熱電チップ１内の温度が高温となる放熱側では、比抵抗は大きくなるが、熱電チップ１の電気抵抗を小さくすることができるので、図３に示す従来の熱電モジュールと比較して放熱側でのジュール発熱を抑えることができる。また、放熱面積が大きいため、放熱効率を向上させることができる。このような熱電モジュールは、高効率であるため、消費電力を低減することが可能となる。
【００１２】図３は、本発明の熱電モジュールの他の例の要部を示した断面図である。この熱電モジュールは、複数の熱電チップ１１、１１と、熱電チップ１１、１１を電気的に直列接続するために熱電チップ１１、１１の両端にそれぞれ配置された電極２と、電極２を介して複数の熱電チップ１１、１１を狭持するように配置された吸熱側基板３および放熱側基板４とからなるものである。
【００１３】図４は、図３に示した熱電モジュールに備えられている熱電チップを示した図である。この熱電チップ１１の断面積は、熱電チップ１１の高さＬの半分の高さＬ／２よりも放熱側の位置で最大となっている。すなわち、この熱電チップ１の形状は、図４（Ａ）に示すように、熱電チップ１１の高さＬの半分の高さＬ／２よりも放熱側の位置が広がった形状となっている。また、図４（Ｂ）に示す吸熱側（図示上側）の端面１１ａの面積と比較して、図４（Ｃ）に示す放熱側（図示下側）の端面１１ｂの面積が大きくなっている。また、熱電チップ１１の側面から見た形状は、図４（Ｄ）に示すように、長方形となっている。
【００１４】このような熱電モジュールは、熱電チップ１１の断面積を、熱電チップ１１の高さＬの半分の高さＬ／２よりも放熱側の位置で最大とし、なおかつ、熱電チップ１１の吸熱側の端面１１ａの面積と比較して、放熱側の端面１１ｂの面積が大きいものであるため、熱電チップ１１内の温度が高温となる部分での電気抵抗を非常に小さくすることができ、ジュール発熱を抑えることができる。また、放熱面積が大きいため、放熱効率を向上させることができる。このような熱電モジュールは、高効率であるため、消費電力を低減することが可能となる。
【００１５】本発明の熱電モジュールにおいては、上述した例に示したように、吸熱側基板３および放熱側基板４を有するものとすることができるが、吸熱側基板３または放熱側基板４のいずれか一方のみを有するものとしてもよいし、いずれの基板もないスケルトン型素子としてもよく、用途などに合わせて決定することができ、とくに限定されない。また、基板を形成する材料も、とくに限定されるものではなく、例えば、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮなどのセラミクスや、Ａｌ、Ｃｕなどの金属板などが挙げられる。
【００１６】本発明の熱電モジュールにおいては、上述した例に示したように、熱電チップを図２および図４に示す形状とすることができるが、吸熱側の端面の面積と比較して放熱側の端面の面積を大きくした形状、あるいは、熱電チップの最大断面積を熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側に位置するものとした形状であれば、例えば、吸熱側および放熱側の端面形状を円形としたものとしてもよく、用途などに合わせて決定することができ、とくに限定されない。
【００１７】
【実施例】以下、本発明を実施例を示して詳しく説明する。
（実施例１）高さＬ１．６ｍｍ、奥行きＷｄ１．４ｍｍ、吸熱側の幅Ｗｃ１．１ｍｍ、放熱側の幅Ｗｈ１．７ｍｍの図２に示す熱電チップ１を７１対使用し、熱電チップ１の両端に電極２をそれぞれ配置したのち、電極２を介して熱電チップ１を狭持するように縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基板を吸熱側基板３および放熱側基板４として配置して図１に示す熱電モジュールを形成し、これを試験体とした。
【００１８】（実施例２）実施例１で使用した熱電チップ１の吸熱側の幅Ｗｃを１．２ｍｍ、放熱側の幅Ｗｈを１．６ｍｍとした熱電チップを使用して、実施例１と同様にして熱電モジュールを形成し、これを試験体とした。
【００１９】（実施例３）実施例１で使用した熱電チップ１の吸熱側の幅Ｗｃを１．３ｍｍ、放熱側の幅Ｗｈを１．５ｍｍとした熱電チップを使用して、実施例１と同様にして熱電モジュールを形成し、これを試験体とした。
【００２０】（実施例４）高さＬ１．６ｍｍ、奥行きＷｄ１．４ｍｍ、吸熱側の幅Ｗｃ１．１ｍｍ、放熱側の幅Ｗｈ１．６ｍｍ、最大の幅（放熱側端面から２ｍｍ吸熱側の位置の幅）Ｗｍ１．７ｍｍとした図４に示す熱電チップ１１を７１対使用し、熱電チップ１１の両端に実施例１と同様の電極２をそれぞれ配置したのち、電極２を介して熱電チップ１１を狭持するように、実施例１と同様の基板を吸熱側基板３および放熱側基板４として配置して図３に示す熱電モジュールを形成し、これを試験体とした。
【００２１】（従来例１）高さＬ１．６ｍｍ、奥行きＷｄ１．４ｍｍ、吸熱側の幅Ｗｃ１．４ｍｍ、放熱側の幅Ｗｈ１．４の熱電チップ１０を７１対使用し、熱電チップ１０の両端に実施例１と同様の電極２をそれぞれ配置したのち、電極２を介して熱電チップ１０を狭持するように、実施例１と同様の基板を吸熱側基板３および放熱側基板４として配置して図６に示す熱電モジュールを形成し、これを試験体とした。
【００２２】このようにして得られた実施例１〜実施例４および従来例１の熱電モジュールそれぞれに対し、吸熱側の温度Ｔｃを２５℃、放熱側の温度Ｔｈを９０℃、吸熱量Ｑｃを１０Ｗとした条件下での消費電力を調べた。結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】
【００２４】表１より、実施例１〜実施例４の熱電モジュールは、従来例１の熱電モジュールと比較して、消費電力が少ないという結果となった。とくに、熱電チップ１１の吸熱側の端面１１ａの面積と比較して、放熱側の端面１１ｂの面積が大きく、なおかつ、熱電チップ１１の断面積が最大となる部分が、熱電チップ１１の高さＬの半分の高さＬ／２よりも放熱側の位置である実施例４では、より一層消費電力が少ないという結果となった。
【００２５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱電モジュールは、熱電チップの端面の面積が、吸熱側と比較して放熱側が大きいものであるため、熱電チップ内の温度が高温となる放熱側の電気抵抗を小さくすることができ、ジュール発熱を抑えることができるので、熱電モジュールの熱効率を向上させることができる。また、本発明の熱電モジュールは、熱電チップの断面積が最大となる部分が、前記熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側に位置するものであるため、熱電チップ内の温度が高温となる熱電チップの高さの半分の高さよりも放熱側の位置での電気抵抗を小さくすることができ、ジュール発熱を抑えることができるので、熱電モジュールの熱効率を向上させることができる。このような熱電モジュールは、高効率であるため、消費電力を低減することが可能となる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４０７５
【氏名又は名称】ヤマハ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１１年４月７日（１９９９．４．７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−２９２０２６（Ｐ２０００−２９２０２６Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年１０月２０日（２０００．１０．２０） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１００６５０ |
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