JP2002009350A

JP2002009350A - 熱電モジュール及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002009350A
Application number: JP2000185626A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Kajiwara; 健梶原; Katsushi Fukuda; 克史福田
Original assignee: Komatsu Ltd; Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp; Komatsu Ltd
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】性能指数が高くて、製品歩留りの良い、微小
な熱電モジュールを提供する。【解決手段】Ｐ型の球状粉末熱電材料１０及びＮ型の
球状粉末熱電材料２０と、第１の熱交換基板３０及び第
２の熱交換基板４０と、第１及び第２の熱交換基板上に
それぞれ形成され、隣接するＰ型及びＮ型の球状粉末熱
電材料をそれぞれ接続する複数の第１の電極５０及び第
２の電極６０とを具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーと電
気エネルギーとの間の変換を行う熱電モジュール、及び
その製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電現象とは、ゼーベック現象、ペルチ
ェ現象、トムソン現象の総称であり、この現象を利用し
た素子を、熱電素子、熱電対、電子冷却素子等と言う。
熱電現象は、元来、異種の金属間で発見された現象であ
るが、近年、半導体の熱電材料が得られるようになり、
金属材料では見られなかった変換効率が得られるように
なった。熱電半導体材料を利用した素子は、構造が簡単
で取り扱いが容易であり、安定な特性を維持できること
から、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、室
温付近の精密な温度制御が可能であることから、オプト
エレクトロニクスや半導体レーザ等の温度調節、また、
局所冷却や小型冷蔵庫等への適用に向けて、広く研究開
発が進められている。

【０００３】図４は、従来の熱電モジュールを示す図で
ある。図４に示すように、２枚のセラミック基板３と４
との間で、Ｐ型素子（Ｐ型半導体）５とＮ型素子（Ｎ型
半導体）６とを電極７を介して接続することによりＰＮ
素子対を形成し、さらに、複数のＰＮ素子対を直列に接
続したものである。このようなＰＮ素子対の直列回路の
一方の端のＮ型素子には電流導入端子（正極）８が接続
され、他方の端のＰ型素子には電流導入端子（負極）９
が接続されている。これらの電流導入端子８、９の間に
電圧を印加することにより、電流導入端子（正極）８か
らＰＮ素子対の直列回路を経て電流導入端子（負極）９
に向けて電流を流すと、セラミック基板３側が冷却され
てセラミック基板４側が加熱される。その結果、図中の
矢印に示すような熱の流れが発生する。

【０００４】従来、熱電モジュールにおいて用いる熱電
素子の製造においては、原材料を所望の組成に秤量し、
加熱溶解して凝固し、さらにその材料を粉末化した後焼
結し、それをスライス、ダイシングするという方法が採
られていた。この方法によると、工程が多いため、必要
とする時間が長く、その間に材料が汚染される可能性も
高かった。特に、粉末の熱電材料を作製する工程では、
固体材料を粉砕するため粉末が鱗片状になり、整粒工程
においてふるいの目詰まりを生じさせたり、粉末を圧縮
する工程において金型への充填率の低下を招いたりして
いた。ところで、日本国特許出願公開（特開）平４−２
９３２７６号公報には、熱電素子の製造に用いる球状粉
末熱電材料の製造方法が掲載されている。上記の工程に
おける、粉砕及び整粒する工程における問題点は、球状
粉末熱電材料を用いることにより改善される。

【０００５】そこで、上記の点に鑑み、本発明は、性能
指数が高くて歩留りの良い、微小な熱電モジュールを提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明に係る熱電モジュールの製造方法は、第１の
熱交換基板上に複数の第１の電極を形成する工程（ａ）
と、第２の熱交換基板上に複数の第２の電極を形成する
工程（ｂ）と、Ｐ型の複数の球状粉末熱電材料とＮ型の
複数の球状粉末熱電材料とを交互に配列する工程であっ
て、隣接するＰ型及びＮ型の球状粉末熱電材料を第１及
び第２の電極によってそれぞれ接続する工程（ｃ）とを
具備する。また、本発明に係る熱電モジュールの製造方
法は、上記工程（ａ）の前に、球状粉末熱電材料の粒径
を均一化する工程（ｄ）をさらに含んでも良い。

【０００７】また、本発明に係る熱電モジュールは、Ｐ
型の球状粉末熱電材料及びＮ型の球状粉末熱電材料と、
第１及び第２の熱交換基板と、第１の熱交換基板上に形
成され、隣接するＰ型及びＮ型の球状粉末熱電材料をそ
れぞれ接続する複数の第１の電極と、第２の熱交換基板
上に形成され、隣接するＰ型及びＮ型の球状粉末熱電材
料をそれぞれ接続する複数の第２の電極とを具備する。

【０００８】本発明によれば、加熱溶融した材料を飛散
又は噴霧により微小球状化し、急冷して球状粉末熱電材
料を作製することにより、真球度が高く、粒径が小さ
く、且つ結晶粒の小さい球状粉末熱電材料を得る。そし
て、そのような球状粉末熱電材料をそのまま用いて熱電
モジュールを製造するので、性能指数が高くて、製品歩
留りの良い、微小な熱電モジュールを実現することがで
きる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態について説明する。なお、同一の構成要素には
同一の参照番号を付して、説明を省略する。図１は、本
発明の一実施形態に係る熱電モジュールの製造方法を示
すフローチャートである。

【００１０】まず、ステップＳ１において、Ｐ型又はＮ
型の熱電材料を作製するための所定の組成を有する原料
を秤量して容器内に封入する。熱電材料の原材料として
は、例えば、Ｖ族元素であるアンチモン（Ｓｂ）やビス
マス（Ｂｉ）を、ＶＩ族元素であるセレン（Ｓｅ）やテ
ルル（Ｔｅ）を用いる。Ｖ族とＶＩ族の固溶体は、六方
晶構造を有するため、Ｂｉ、Ｔｅ、Ｓｂ、Ｓｅの内、少
なくとも２種類以上の元素を原料として用いる。熱電材
料の具体的な組成については、Ｐ型素子の材料として、
テルル化ビスマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）とテルル化アンチモン
（Ｓｂ₂Ｔｅ₃）との混晶系固溶体にＰ型のドーパントを
添加して用いたり、Ｎ型素子の材料として、テルル化ビ
スマス（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）とセレン化ビスマス（Ｂｉ₂Ｓ
ｅ₃）との混晶系固溶体にＮ型のドーパントを添加して
用いることができる。

【００１１】次に、ステップＳ２において、原材料を加
熱溶融する。次に、ステップＳ４において、加熱溶融し
た材料から球状粉末熱電材料を作製する。なお、ステッ
プＳ４においては、秤量した原材料を溶融したものをそ
のまま球状粉末熱電材料作製に用いても良いし、さらに
均一に混合するために、秤量した原材料を一度冷却して
インゴットを作製し（ステップＳ３）、それを再び溶融
して用いても良い。

【００１２】ここで、球状粉末熱電材料の作製工程（ス
テップＳ４）について、詳しく説明する。図２は、球状
粉末熱電材料を作製する装置の原理図である。図２にお
いて、球状粉末熱電材料作製装置は、原材料を加熱溶融
し、これを滴下させるチャンバ１００と、滴下してきた
液滴を微小球状化し凝固させるチャンバ１３０とから大
略構成される。

【００１３】まず、所定の組成を有する原材料、又は、
一度溶融した原材料を凝固させた固溶体インゴットをチ
ャンバ１００に入れて溶融する。チャンバ１００は、周
囲に取り付けられた高周波コイル又はヒータ１０２によ
り、高温に加熱される。また、チャンバ１００は、例え
ば不活性ガスで満たされている。

【００１４】ディスク１０４は、例えば高純度のカーボ
ンディスクであり、モータ機構１０５により回転してい
る。材料の液滴１０７は、このディスク上に滴下し、飛
散される。このとき、液滴１０７は、表面張力により真
球に近い形状となる。

【００１５】チャンバ１３０は、例えば、酸化を防ぐた
めに、アルゴン（Ａｒ）ガス、窒素（Ｎ₂）ガス等の不
活性ガスで満たされている。また、例えば、冷却速度を
速くするために、ヘリウム（Ｈｅ）ガス等の空気よりも
熱容量の大きいガス雰囲気でも良い。冷却部１２０は、
液体窒素タンク１２１とリング１２２とを含んでいる。
図２においては、リング１２２を切断して示している。
リング１２２の下部には開口が多数形成されており、液
体窒素タンク１２１より供給される液体窒素１０８をシ
ャワーとしてチャンバ１３０内に降らせる。ディスク１
０４により飛散され球状化した液滴は、この液体窒素の
シャワーに触れ、急冷され、粉末として集積される。こ
の粉末が、球状粉末熱電材料となる。急冷することによ
り、球状粉末の真球度（ｒ_max／ｒ_mim）を１〜１．２程
度とすることができる。また、粒径を約２００μｍ以
下、望ましくは１００μｍ程度とすることができる。

【００１６】再び図１を参照すると、ステップＳ５にお
いて、球状粉末熱電材料を整粒する。例えば、この粉末
をふるいにかけ、粒径を２００μｍ以下、望ましくは１
００μｍ程度に揃える。次に、ステップＳ６において、
球状粉末熱電材料の表面に形成された酸化膜を除くため
に、水素還元又はプラズマ処理による表面処理を行う。

【００１７】次に、ステップＳ７において、熱電モジュ
ールの組み立てを行う。第１の熱交換基板及び第２の熱
交換基板上に、第１の電極及び第２の電極をそれぞれ形
成する。この第１の電極上に、ステップＳ６において表
面処理を行ったＰ型の球状粉末熱電材料とＮ型の球状粉
末熱電材料とを交互に配列する。その上に第２の熱交換
基板を配置することにより、隣接するＰ型及びＮ型の球
状粉末熱電材料を第１及び第２の電極によってそれぞれ
接続する。球場粉末熱電材料と電極との接続は、導電性
ペースト塗布や半田付けにより行う。

【００１８】次に、本発明の第１の実施形態に係る熱電
モジュールの構造について、図３を参照しながら説明す
る。図３は、本実施形態に係る熱電モジュールの構造を
示す断面図である。この熱電モジュールは、小型発電機
として使用することができる。図３において、セラミッ
ク等の２枚の熱交換基板３０、４０上には電極５０、６
０がそれぞれ形成されている。隣接するＰ型球状粉末熱
電材料１０とＮ型球状粉末熱電材料２０は、電極５０又
は６０によって接続され、ＰＮ素子対を形成する。ＰＮ
素子対による直列回路の一方の端には端子６１が接続さ
れ、他方の端には端子６２が接続されている。さらに、
端子６１と６２に負荷７０が接続されることにより、発
電機としての熱電モジュールと負荷７０とが回路を形成
する。ここで、熱交換基板３０を温度Ｔ₁に、熱交換基
板４０を温度Ｔ₀に保つことにより（Ｔ₁＞Ｔ₀）、２枚
の熱交換基板間に温度差を与えると、ゼーベック効果に
より端子６１と６２の間に電位差が生じ、図３に示す矢
印の向きに電流が流れる。このようにして、熱電モジュ
ールを小型発電機として使用することができる。

【００１９】本実施形態に係る熱電モジュールを使用し
た小型発電機は、セラミック基板３０と４０の間の温度
差（Ｔ₁−Ｔ₀）が１℃あれば、１つのＰＮ素子対につい
て、４００μＶ程度の起電力を生じさせることができ
る。したがって、微小なＰＮ素子対を１０００個直列に
接続すれば、１℃の温度差で０．４Ｖの起電力を生ず
る。これは、例えば小型の時計を駆動させるには十分な
値である。

【００２０】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、加熱
溶融した材料を飛散又は噴霧により微小球状化し、急冷
して作製した球状粉末熱電材料をそのまま用いて熱電モ
ジュールを製造するので、性能指数が高くて、製品歩留
りの良い、微小な熱電モジュールを実現することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの製
造方法を示すフローチャートである。

【図２】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールの製
造方法において使用する球状粉末製造装置を示す図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施形態に係る熱電モジュール
の構造を示す断面図である。

【図４】従来の熱電モジュールを示す図である。

【符号の説明】

１０Ｐ型球状粉末熱電材料２０Ｎ型球状粉末熱電材料３０、４０熱交換基板５０、６０電極６１、６２端子７０負荷１００、１３０チャンバ１０２高周波コイル／ヒータ１０３漏斗１０４ディスク１０５モータ１０６溶融された原料１０７原料の液滴１０８液体窒素１２０冷却部１２１液体窒素タンク１２２リング

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の熱交換基板上に複数の第１の電極
を形成する工程（ａ）と、第２の熱交換基板上に複数の第２の電極を形成する工程
（ｂ）と、Ｐ型の複数の球状粉末熱電材料とＮ型の複数の球状粉末
熱電材料とを交互に配列する工程であって、隣接するＰ
型及びＮ型の球状粉末熱電材料を第１及び第２の電極に
よってそれぞれ接続する工程（ｃ）と、を具備する熱電
モジュールの製造方法。
【請求項２】前記工程（ａ）の前に、球状粉末熱電材
料の粒径を均一化する工程（ｄ）をさらに具備する請求
項１記載の熱電モジュールの製造方法。
【請求項３】Ｐ型の球状粉末熱電材料及びＮ型の球状
粉末熱電材料と、第１及び第２の熱交換基板と、前記第１の熱交換基板上に形成され、隣接するＰ型及び
Ｎ型の球状粉末熱電材料をそれぞれ接続する複数の第１
の電極と、前記第２の熱交換基板上に形成され、隣接するＰ型及び
Ｎ型の球状粉末熱電材料をそれぞれ接続する複数の第２
の電極と、を具備する熱電モジュール。
【請求項４】前記球状粉末熱電材料は、真球度が１〜
１．２で粒径が２００μｍ以下であることを特徴とする
請求項３記載の熱電モジュール。