热电模块的制作方法

1.本发明涉及热电模块。


背景技术：

2.在专利文献1中，已经公开一种利用珀尔帖效应对波长可变激光元件进行温度调节的温度调节器。该技术中，具有：下基板、在下基板的上表面隔着规定的距离而在不同区域设置的多个热电转换元件、以及在该不同区域设置的多个热电转换元件各自的上表面设置的多个上基板。在多个上基板各自的上表面设有波长可变激光元件。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：(日本)特开2019-140306号公报


技术实现要素：

6.发明所要解决的技术问题
7.在专利文献1的说明中，在一对基板之间配置的热电转换元件的形状及材料相同。在对多个温度调节对象进行温度调节的情况下，需要在多个温度调节器配置一个以上的温度调节对象，或在一个温度调节器配置所有的温度调节对象。在配置多个温度调节器的情况下，配件数增加。在一个温度调节器配置所有的温度调节对象的情况下，因为热电转换元件相同，所以可能无法优化温度调节器的功耗及吸热能力。
8.本发明提供一种能够适当地对温度调节对象进行温度调节的热电模块。
9.用于解决技术问题的技术方案
10.根据本发明的方式，能够提供一种热电模块，该热电模块具有：一对基板、以及在所述一对基板之间配置且由形状及材料至少一个规定的类型不同的多个热电转换元件。
11.发明的效果
12.根据本发明的方式，能够提供可适当地对温度调节对象进行温度调节的热电模块。
附图说明
13.图1是表示实施方式的热电模块的一个例子的概要图。
14.图2是说明热电转换元件的选择方法的图。
15.图3是表示现有的热电模块的一个例子的概要图。
具体实施方式
16.下面，参照附图，针对本公开的实施方式进行说明，但本公开不限于此。如下说明的实施方式的结构主要部件可以适当组合。另外，也可能不使用一部分结构主要部件。
17.在实施方式中，使用“左”、“右”、“前”、“后”、“上”以及“下”等术语对各部的位置关
系进行说明。上述术语表示以热电模块1的中心为基准的相对位置或者方向。左右方向、前后方向、以及上下方向正交。
18.(实施方式)
19.[热电模块]
[0020]
图1是表示实施方式的热电模块的一个例子的概要图。热电模块1利用珀尔帖效应吸热或者发热。通过热电模块1吸热或者发热，对温度调节对象的温度进行调整。在实施方式中，将热电模块1作为例如对光学元件等多个温度调节对象进行温度调节的热电冷却器进行说明。
[0021]
热电模块1具有：一对基板即第一基板11及第二基板12、多个类型的热电转换元件、第一电极31、以及第二电极32。在实施方式中，将多个类型的热电转换元件作为两种热电转换元件21与热电转换元件22进行说明。多个类型的热电转换元件不限于此。
[0022]
第一基板11及第二基板12是板状的基板。在实施方式中，第一基板11及第二基板12形成为长方形状。第一基板11及第二基板12例如由陶瓷等电绝缘材料形成。第一基板11及第二基板12由导热性高的材料形成。
[0023]
第一基板11配置在下侧。第一基板11具有：与第二基板12相对配置的面11a、以及面向与面11a相反一侧而配置的面11b。面11a与面11b平行。
[0024]
第二基板12在与第一基板11相对的状态下，隔着间隔进行配置。第二基板12与第一基板11平行。在图1中，第二基板12配置在比第一基板11更靠近上侧。第二基板12具有：与第一基板11相对配置的面12a、以及面向与面12a相反一侧而配置的面12b。面12a与面12b平行。在第二基板12的面12b上配置有温度调节对象。在实施方式中，利用珀尔帖效应，从第二基板12吸热。由此，对在面12b上配置的温度调节对象进行冷却。
[0025]
在第一基板11的面11a与第二基板12的面12a之间分别配置有多个热电转换元件21及热电转换元件22。热电转换元件21及热电转换元件22的数量可以相同，也可以不同。将多个热电转换元件21称为热电转换元件21组。将多个热电转换元件22称为热电转换元件22组。热电转换元件21组及热电转换元件22组在第一基板11的面11a与第二基板12的面12a之间的不同区域进行配置。热电转换元件21组与热电转换元件22组也可以隔着间隔进行配置。通过隔着间隔，能够抑制热电转换元件21组的热量与热电转换元件22组的热量相互干扰。
[0026]
热电转换元件21及热电转换元件22利用珀尔帖效应吸热或发热。热电转换元件21及热电转换元件22是轴向的剖面为长方形状的棱柱形状。
[0027]
热电转换元件133由热电材料形成。热电转换元件21及热电转换元件22例如包括以铋(bi)、锑(sb)、碲(te)以及硒(se)中的至少两种元素为主组分的热电材料以及作为掺杂剂的材料而构成。热电转换元件21及热电转换元件22例如由bi-te系、bi-se系、sb-te系、bi-sb系、sb-se系的热电材料形成。
[0028]
热电转换元件21包括：由p型半导体热电材料形成的p型元件、以及由n型半导体热电材料形成的n型元件。作为构成p型元件的bi-te系热电材料，例如可以例举含有bi、te及sb的热电材料。作为构成n型元件的bi-te系热电材料，例如可以例举含有bi、te及se的热电材料。p型元件及n型元件各自在规定面内配置有多个。在前后方向上，p型元件与n型元件交替地配置。在左右方向上，p型元件与n型元件交替地配置。
[0029]
热电转换元件22包括p型元件与n型元件。在热电转换元件22中，p型元件与n型元件也交替地配置。
[0030]
热电转换元件21与热电转换元件22在形状及材料的至少一个方面不同。热电转换元件21及热电转换元件22的类型由形状及材料至少一个规定。比较热电转换元件21及热电转换元件22，将形状及材料的至少一个方面不同的情况视为“类型不同”。更详细地说，比较热电转换元件21及热电转换元件22，将轴向的长度、与轴向垂直的剖面上一边的长度、另一边的长度中的至少一个长度具有例如0.01mm以上不同的情况视为“类型不同”。比较热电转换元件21及热电转换元件22，将热电转换元件21及热电转换元件22的材料不同的情况视为“类型不同”。
[0031]
类型不同的热电转换元件21与热电转换元件22在由相同的驱动电流驱动时的功耗及吸热能力不同。
[0032]
第一电极31及第二电极32例如由导电性及导热性高的金属构成。作为形成第一电极31及第二电极32的金属，可以例示铜(cu)、含铜的合金、镍(ni)、含镍的合金、铝(al)、含铝的合金、钯(pd)、含钯的合金、金(au)、以及含金的合金。另外，第一电极31及第二电极32的结构可以为将cu、al、ni、pd、au之中的两个或三个进行组合的两层或三层结构。上述第一电极31及第二电极32的表面也可以由镍膜覆盖。
[0033]
第一电极31设置在第一基板11的面11a上。多个第一电极31排列在与第一基板11的面11a平行的规定面内。第二电极32设置在第二基板12的面12a上。多个第二电极32排列在与第二基板12的面12a平行的规定面内。第一电极31及第二电极32在上下方向的观察中一部分重合地错开位置且相互分离、对置而配置。
[0034]
在第一电极31与第二电极32之间配置有热电转换元件21组及热电转换元件22组。更详细地说，第一电极31和第二电极32与邻接的一对p型元件及n型元件分别连接。这样，p型元件及n型元件经由第一电极31或第二电极32而电连接，构成pn元件对。未图示的引线经由第二电极32，与在回路的始端配置的n型元件电连接。未图示的引线经由第二电极32，与在回路的末端配置的p型元件电连接。
[0035]
热电转换元件21组的多个pn元件对串联、并联、或部分并联地连接，构成串联回路、并联回路、或部分并联回路。热电转换元件22组的多个pn元件对串联、并联、或部分并联地连接，构成串联回路、并联回路、或部分并联回路。换言之，类型相同的热电转换元件21、22全部串联、全部并联、或者部分并联地电连接。
[0036]
此外，热电转换元件21组与热电转换元件22组串联地连接。由此，热电转换元件21组与热电转换元件22组由相同的电流驱动。
[0037]
热电转换元件21与第一电极31、热电转换元件21与第二电极32、热电转换元件22与第一电极31、以及热电转换元件22与第二电极32由焊锡进行接合。在热电转换元件21及热电转换元件22的轴向长度不同的情况下，调节焊锡的厚度或电极的厚度。由此，能够将轴向长度不同的热电转换元件21及热电转换元件22配置在一对第一基板11及第二基板12之间。
[0038]
[热电模块的使用方法及作用]
[0039]
这样构成的热电模块1在向热电元件组施加电力时，由于热电转换元件21及热电转换元件22的珀尔帖效应，热电模块1的第二基板12被冷却，第一基板11被加热。因为热电
转换元件21及热电转换元件22的类型不同，所以，能够将配置有热电转换元件21的、位于第二基板12的区域121的面12b与配置有热电转换元件22的、位于第二基板12的区域122的面12b调整为各不相同的温度。
[0040]
在位于区域121的面12b上配置由热电转换元件21进行温度调节的第一温度调节对象。在位于区域122的面12b上配置由热电转换元件22进行温度调节的第二温度调节对象。
[0041]
[热电转换元件的选择方法]
[0042]
接着，针对在热电模块1中配置在一对基板即第一基板11与第二基板12之间的热电转换元件的选择方法的一个例子进行说明。基于包括冷却侧温度、散热侧温度、吸热量、散热侧热阻、以及冷却侧热阻的至少其中之一，使功耗减小地选择热电转换元件的类型及对数。对数是热电转换元件的pn元件对的对数。
[0043]
使热电模块1的第二基板12的温度即冷却侧温度为tc，使第一基板11的温度即散热侧温度为th。使热电模块1的吸热量为qc。使第一基板11的热阻即散热侧热阻为θh。使第二基板12的热阻即冷却侧热阻为θc。冷却侧温度tc、散热侧温度th、吸热量qc、散热侧热阻θh、以及冷却侧热阻θc基于与热电模块1的温度调节对象对应的冷却能力进行设定。
[0044]
利用图2，针对热电转换元件的选择方法详细地进行说明。图2是说明热电转换元件的选择方法的图。在图2(1)及图2(3)中，横轴为热电转换元件的pn元件对的对数，纵轴为驱动电流(a)。在图2(2)及图2(4)中，横轴为热电转换元件的pn元件对的对数，纵轴为功耗(w)。图2(1)及图2(2)表示第一条件例。图2(3)及图2(4)表示第二条件例。第一条件例及第二条件例都将类型a、类型b、类型c以及类型d四个类型的热电转换元件作为候选。
[0045]
在具有多个温度调节对象的情况下，对应于各温度调节对象，设定包括冷却侧温度tc、散热侧温度th、吸热量qc、散热侧热阻θh、以及冷却侧热阻θc的至少其中之一的条件。在此，针对分别选择对应于两个温度调节对象、且适用于第一条件例与第二条件例的热电转换元件的情况进行说明。另外，在第一条件例与第二条件例中，驱动电流相同。
[0046]
第一条件例中，使tc＝tc1(℃)、th＝th1(℃)、qc＝qc1(w)。另外，假设由电流i1(a)进行驱动。在第一条件例中，根据图2(1)，在电流i1时，可以选择类型a、类型c、类型d的热电转换元件。类型b的热电转换元件未被驱动，在范围之外。而且，根据图2(2)，在类型a、类型c、类型d的热电转换元件之中，功耗最小的是类型d的热电转换元件。这样，在第一条件例中，可以选择类型d的热电转换元件。另外，根据图2(1)及图2(2)，也确定了第一条件例中类型d的热电转换元件的pn元件对的对数。
[0047]
第二条件例中，使tc＝tc2(℃)(tc2＞tc1)、th＝th2(℃)(th2＝th1)、qc＝qc2(w)(qc2＞qc1)。另外，与第一条件例相同，假设以电流i1(a)进行驱动。在第二条件例中，根据图2(3)，可以选择类型a、类型b、类型c、类型d的热电转换元件。而且，根据图2(4)，在类型a、类型b、类型c、类型d的热电转换元件之中，功耗最小的是类型b的热电转换元件。这样，在第二条件例中，可以选择类型b的热电转换元件。另外，根据图2(3)及图2(4)，也确定了该情况下的类型b的热电转换元件的pn元件对的对数。
[0048]
这样，对于多个温度调节对象，可以基于冷却侧温度、散热侧温度、吸热量、散热侧热阻、以及冷却侧热阻的至少其中之一，使功耗较小地分别选择适当的热电转换元件的类型与对数。
[0049]
[效果]
[0050]
在实施方式中，能够在一对基板即第一基板11与第二基板12之间配置不同类型的热电转换元件。根据实施方式，能够适当地对温度调节对象进行温度调节。
[0051]
在实施方式中，因为温度调节对象的接地面为第二基板12的面12b的一个面，所以，能够提高接地面的平面度及平行度。由此，在实施方式中，例如在设置光学元件即温度调节对象时，能够减小光轴偏移的影响。此外，实施方式能够减少配件数，降低成本。
[0052]
在实施方式中，对于多个温度调节对象，能够选择各自具有最佳功耗及吸热能力的热电转换元件的类型及对数。根据实施方式，能够适当地对多个温度调节对象进行温度调节，这样，根据实施方式，能够降低功耗。
[0053]
为了进行比较，针对现有的热电模块1x进行说明。图3是表示现有的热电模块的一个例子的概要图。现有的热电模块1x中，热电转换元件22经由第一电极31与第二电极32x，配置在第一基板11与第二基板12x之间。热电元件23经由第一电极31与第二电极33x，配置在第一基板11与第二基板13x之间。现有的热电模块1x中，在第二基板12x及第二基板13x分别配置有温度调节对象。因为第二基板12x及第二基板13x为不同的部件，所以，接地面即面12xb与面13xb未在同一平面上。由此，例如在设置光学元件即温度调节对象时，在光轴的调整上需要花费功夫及时间。此外，配件数增加。
[0054]
上面，针对应用在包括例如用于通信等中的光学元件的光学设备的温度调节中的情况进行了说明，但实施方式也可以应用在热电发电装置中。
[0055]
附图标记说明
[0056]
1热电模块；11第一基板；11a面；11b面；12第二基板；12a面；12b面；21热电转换元件；22热电转换元件；31第一电极；32第二电极。