JP2006049736A - 熱電モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】 熱電素子と電極との間にチタン層またはチタン合金層を設けるときに、各層間の密着性を高めるための技術を提供する。
【解決手段】
P型またはN型の熱電素子50,60と、P型またはN型の熱電素子50,60と接合される電極71,72,73と、P型またはN型の熱電素子50,60と電極71,72,73との間に設けられた中間層とを備える。この中間層は、電極71,72,73上に形成されたチタン層83,84,93,94またはチタン合金層と、チタン層83,84,93,94またはチタン合金層と熱電素子50,60との間に設けられたアルミニウム層81,82,91,92またはアルミニウム合金層とを備える。
【選択図】 図2
【解決手段】
P型またはN型の熱電素子50,60と、P型またはN型の熱電素子50,60と接合される電極71,72,73と、P型またはN型の熱電素子50,60と電極71,72,73との間に設けられた中間層とを備える。この中間層は、電極71,72,73上に形成されたチタン層83,84,93,94またはチタン合金層と、チタン層83,84,93,94またはチタン合金層と熱電素子50,60との間に設けられたアルミニウム層81,82,91,92またはアルミニウム合金層とを備える。
【選択図】 図2
Description
本発明は、複数のP型またはN型の半導体熱電素子を電極に接合してなる、熱電変換を行うための熱電モジュールに関する。
熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する熱電モジュールは、 トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等と呼ばれる熱電効果を利用した2種類の熱電素子を組み合わせて構成され、熱電対や電子冷却素子等もこれに該当する。熱電材料として半導体が用いられる場合には、P型とN型の熱電素子が組み合わされる。
熱電モジュールは、構造が簡単かつ取扱いが容易で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、電子冷却素子としては、局所冷却や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用デバイスや半導体レーザ等の温度調節、並びに、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。
能であることから、オプトエレクトロニクス用デバイスや半導体レーザ等の温度調節、並びに、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。
ところで、このような熱電素子を用いた熱電モジュールを、例えば発電装置として用いる場合に、熱電モジュールに与えられる熱により、熱電モジュールの温度は、高温側において500℃〜600℃に達する場合がある。これにより、電極材料(例えば銅)が熱電素子内に拡散し、熱電素子の特性を変化させるという問題がある。
すなわち、一般に、熱電モジュールの製造工程において、P型素子とN型素子が、例えば銅製の電極と接合される。しかしながら、特に、上記のような高温域の環境においては、長い間には、電極に含まれる元素が熱電素子の内部に拡散してしまい、熱電素子の性能が低下してしまう。このため、熱電素子と電極との間には、拡散防止層が形成される。
そこで、特許文献1には、温度が500℃周辺の高温域まで優れた特性を有するN型及びP型の熱電素子を用いた熱電モジュールにおいて、N型及びP型の熱電素子と電極との間の中間層としてチタン層又はチタン合金層を設けることにより、電極との間における元素の拡散を防止することが記載されている。
しかしながら、チタンまたはチタン合金は、熱電素子と直接接合させることが困難な場合がある。すなわち、例えば、チタンは融点が約1200℃と高く、チタンまたはチタン合金をP型またはN型素子に接合させる場合には700〜800℃の温度が必要である。しかし、N型の熱電素子として広く用いられているMg−Si系化合物は700℃以上になるとMgが分解してしまうことがあり、その場合には、チタン層を良好に接合することができず、熱電モジュールの性能に影響を与える。
そこで、本発明の目的は、熱電素子と電極との間にチタン層またはチタン合金層を設けるときに、各層間の密着性を高めるための技術を提供することである。
本発明の一つの実施態様に従う熱電モジュールは、P型またはN型の熱電素子と、前記P型またはN型の熱電素子と接合される電極と、前記P型またはN型の熱電素子と前記電極との間に設けられた中間層とを備えた熱電モジュールである。前記中間層は、前記電極上に形成されたチタン層またはチタン合金層と、前記チタン層またはチタン合金層と前記熱電素子との間に設けられたアルミニウム層またはアルミニウム合金層とを備える。
本発明の一つの実施態様に従う熱電モジュールの製造方法は、P型またはN型の熱電素子と、電極上のチタン層またはチタン合金層とを接合するときに、前記P型またはN型の熱電素子と前記チタン層またはチタン合金層との間にアルミニウム層またはアルミニウム合金層を設け、真空中または不活性ガス中でアルミニウム接合に必要な温度及び圧力に加温及び加圧する。
以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュールについて説明する。図1は、本実施形態に係る熱電モジュールの概要を示す。熱電モジュール1は、熱交換基板として2枚の絶縁板30、40と、2枚の絶縁板30、40の間に2次元的に交互に配列された多数の熱電素子であるP型素子(P型半導体熱電素子)50とN型素子(N型半導体熱電素子)60とを備える。P型素子50及びN型素子60は、絶縁板30,40の表面上に配列された多数の電極70によって電気的に直列に接合される。一つの電極70には一つのP型素子と一つのN型素子が接続されており、以下、これをPN素子対と呼ぶ。
このようなPN素子対の一方の端のN型素子と、他方の端のP型素子には、リード線80が接続されている。絶縁板40側を冷却水等で冷やし、絶縁板30側に熱を加えると、起電力が発生して、2本のリード線間に電気抵抗負荷を与えると、図1に示すように電流が流れる。即ち、熱電モジュール1の両側(図中の上下)に温度差をつけることにより、電力を取り出すことができる。
あるいは、PN素子対に電流を流すと、電流の方向により定まる一方の側の絶縁板で吸熱が生じ、他方の側の絶縁板で放熱が生じる。
次に、PN素子対の構成について、図2〜図4を用いて説明する。図2は、第1の実施形態に係るPN素子対の構成を示す図である。図2では、図面の上側が絶縁板30側、図面の下側が絶縁板40側である。すなわち、熱電モジュール1の動作時には、図面の上側が高温(例えば500℃)になる側であり、図面の下側が低温(例えば30℃)になる側である。
第1の実施形態では、P型素子50及びN型素子60のそれぞれの高温側には、銅製ないしはニッケル製の電極71との間に中間層として、P型またはN型素子50,60の側からアルミニウム層81,82とチタン層83,84とが形成されている。また、P型素子50及びN型素子60のそれぞれの低温側にも、銅製ないしはニッケル製の電極72,73との間に中間層として、P型またはN型素子50,60の側からアルミニウム層91,92とチタン層93,94とが形成されている。
上記のようなPN素子対は、例えば、P型素子50及びN型素子60に、それぞれアルミニウム箔、チタン箔、および銅またはニッケルの電極材料を重ね合わせ、600〜700℃、数十MPa程度の温度及び圧力で、真空中または不活性ガス中で加圧することにより製造される。
ここで、以下の第1から第3の実施形態においては、P型素子50の材料としてMn−Si系の化合物を用い、N型素子60の材料としてMg−Si系の化合物を用いる。
チタン層83,84,93,94の厚さは、10〜70μm程度が好ましい。中間層にチタン層83,84,93,94を備えることにより、電極71,72,73の銅またはニッケルがP型素子50及びN型素子60へ拡散することが防止される。特に、N型素子であるMg−Si系の化合物に対して銅が拡散すると、N型としての性質が弱められるので好ましくない。
アルミニウム層81,82,91,92は、チタン層83,84,93,94とP型素子50及びN型素子60との接合を容易化し、高い密着度を得ることができる。アルミニウム層81,82,91,92の厚さは、50μm以下が好ましい。
ここで、チタンは融点が約1200℃と高く、チタン層をP型またはN型素子に接合させる場合には700〜800℃の温度が必要である。N型素子であるMg−Si系化合物は700℃以上になるとMgが分解してしまうことがあり、その場合には、チタン層を良好に接合することができない。そこで、この場合にはチタン層とMg−Si系化合物との間にアルミニウム層を設けると、特に好ましい。アルミニウム層は、600〜700℃位でチタン層と良好に接合する。
なお、アルミニウムがP型素子のMn−Si系の化合物に拡散した場合、P型としての性質を強めることになる。また、アルミニウムがN型素子のMg−Si系の化合物に拡散した場合には、N型としての性質を強めることになる。従って、いずれの場合にもそれほど大きな影響はない。
ところで、PN素子対を使用するときに300℃以上になる高温側は、電極71の銅またはニッケルが拡散するのを押さえるため、チタン層83,84が形成されていた方が好ましい。しかし、使用時の温度が300℃に満たない低温側では、チタン層93,94を省略することが可能である。そこで、図3に示す第2の実施形態では、第1の実施形態から低温側のチタン層93,94が省略された構成になっている。
この実施形態では、低温側でもアルミニウム層91,92により電極72,73の銅またはニッケルがP型またはN型素子50,60へ拡散することを防止できる。なお、アルミニウムの拡散による影響は、上述の通りである。
さらに、低温側については、電極72,73の銅またはニッケルの拡散がそれほど問題にならない場合もあり、アルミニウム層91,92さえ省略することも考えられる。また、P型のMn−Si系化合物は、チタン層と良好に接合可能であるから、この場合には高温側のアルミニウム層81を省略することが可能である。そこで、図4に示す第3の実施形態では、第2の実施形態からさらに低温側のアルミニウム層91,92が省略され、Mn−Si系化合物の高温側のアルミニウム層81も省略された構成になっている。
上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
例えば、P型素子としてMn−Si系化合物以外のP型素子を用いてもよいし、N型素子としてMg−Si系化合物以外のN型素子を用いることもできる。
また、チタンの代わりにチタン合金を用いてもよいし、アルミニウムの代わりにアルミニウム合金を用いてもよい。
1…熱電モジュール、30,40…絶縁板、50…P型素子、60…N型素子、70,71,72,73…電極、81,82,91,92…アルミニウム層、83,84,93,94…チタン層。
Claims (1)
- P型またはN型の熱電素子と、前記P型またはN型の熱電素子と接合される電極と、前記P型またはN型の熱電素子と前記電極との間に設けられた中間層とを備えた熱電モジュールであって、
前記中間層は、前記電極上に形成されたチタン層またはチタン合金層と、前記チタン層またはチタン合金層と前記熱電素子との間に設けられたアルミニウム層またはアルミニウム合金層とを備えたことを特徴とする熱電モジュール。
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