JP2007109942A - Thermoelectric module and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電モジュール及び熱電モジュールの製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric module and a method for manufacturing a thermoelectric module.
従来、熱エネルギーと電気エネルギーとの相互変換が可能な熱電変換素子が知られている。この熱電変換素子は、P型及びN型の二種類の熱電変換材料(熱電素子)を用いて構成されており、この二種類の熱電変換材料を電気的に直列に接続し、熱的に並列に配置した構成とされている。この熱電変換素子は、両端子間に電圧を印加すれば、正孔の移動及び電子の移動が起こり、両面間に温度差が発生する(ペルチェ効果)。また、この熱電変換素子は、両面間に温度差を与えれば、やはり正孔の移動及び電子の移動が起こり、両端子間に起電力が発生する(ゼーベック効果)。 Conventionally, thermoelectric conversion elements capable of mutual conversion between thermal energy and electrical energy are known. This thermoelectric conversion element is configured by using two types of thermoelectric conversion materials (thermoelectric elements) of P type and N type, and these two types of thermoelectric conversion materials are electrically connected in series and thermally parallel. It is set as the arrangement arranged in. In this thermoelectric conversion element, when a voltage is applied between both terminals, movement of holes and movement of electrons occur, and a temperature difference occurs between both surfaces (Peltier effect). Moreover, if this thermoelectric conversion element gives a temperature difference between both surfaces, a hole movement and an electron movement will also occur, and an electromotive force will be generated between both terminals (Seebeck effect).
1個の熱電変換素子では発生する温度差や起電力が小さいため、図4(a)に示すように、複数のP型の熱電素子52と、複数のN型の熱電素子53とが電気的に直列に接続された熱電モジュール51として使用されている。また、熱電モジュール51がコンパクトとなるように、熱電素子52,53は複数列に配置されている。
Since one thermoelectric conversion element has a small temperature difference and electromotive force, the plurality of P-type
熱電変換素子と電極との接合には、半田やろう材を介在させる方法と、固相接合による方法とがある。
熱電変換素子と電極との接合を固相接合で行う熱電モジュール51の製造方法として、図4(b)に示すように、熱電素子52,53と電極54とを熱電モジュール製造用治具55に所定のレイアウトで収容保持させ、放電プラズマ焼結装置により一括して接合する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
There are two methods for joining the thermoelectric conversion element and the electrode: a method in which solder or brazing material is interposed, and a method by solid phase bonding.
As a method of manufacturing the
また、Si基熱電変換材料からなるP型熱電半導体材料とN型熱電半導体材料の単数又は複数対を、線膨張係数が10ppm/K以下の材料からなる電極にて接合した熱電変換素子が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。特許文献2には、P型熱電半導体材料とN型熱電半導体材料とを電極で接合するに際して、使用温度範囲に応じて選定したろう材を介在させることで良好な接合特性が得られることが開示されている。例えば、800℃以上の高温で使用する場合は、Cu系ろう材、Ni系ろう材、Ti系ろう材が好ましく、中温度域の400〜600℃あるいは200℃以下の低温域で使用する場合は、Ag系ろう材、Au系ろう材、あるいはAu−Si、Al−Si等のろう材を用いることができるとしている。
特許文献1のように放電プラズマ焼結装置内で一度に複数の電極と複数の熱電素子とを直列接合した構成では、熱電素子は非常に脆いため熱電モジュールを取り扱う場合に壊れ易い。そのため、電極をアルミナや窒化アルミニウム等のセラミック基板上に接合して熱電モジュールを構成する必要がある。ところが、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミック基板は線膨張係数が金属に比較して小さい。そのため、単純に前記セラミック基板上に電極と熱電素子との直列接合構造を設けた場合、セラミック基板と電極との線膨張係数の違いに起因する熱応力により熱疲労破壊を受け易くなる。 In a configuration in which a plurality of electrodes and a plurality of thermoelectric elements are connected in series in a discharge plasma sintering apparatus as in Patent Document 1, the thermoelectric elements are very fragile, and are easily broken when handling a thermoelectric module. Therefore, it is necessary to form a thermoelectric module by joining electrodes on a ceramic substrate such as alumina or aluminum nitride. However, ceramic substrates such as alumina and aluminum nitride have a smaller coefficient of linear expansion than metals. For this reason, when a series-junction structure of an electrode and a thermoelectric element is simply provided on the ceramic substrate, it becomes susceptible to thermal fatigue failure due to thermal stress resulting from the difference in linear expansion coefficient between the ceramic substrate and the electrode.
地球温暖化防止対策の一環として排熱エネルギーを回収して電気エネルギーへ変換することが有効であり、熱電変換素子を利用することが考えられている。排熱エネルギーの温度は一般に600℃以下であるため、排熱エネルギーを有効に利用するためには、熱電変換素子を使用温度が500〜600℃程度の高温で熱電発電に使用することが好ましい。その場合は、200℃以下の低温で使用する場合に比較してより熱疲労破壊を受け易くなる。 It is effective to collect waste heat energy and convert it into electrical energy as part of measures to prevent global warming, and it is considered to use a thermoelectric conversion element. Since the temperature of the exhaust heat energy is generally 600 ° C. or less, in order to effectively use the exhaust heat energy, it is preferable to use the thermoelectric conversion element for thermoelectric power generation at a high temperature of about 500 to 600 ° C. In that case, it becomes more susceptible to thermal fatigue failure than when used at a low temperature of 200 ° C. or lower.
特許文献2では、線膨張係数が10ppm/K以下の材料からなる電極を使用しているため、特許文献2の構成の熱電素子をセラミック基板上に設けた場合は、セラミック基板と電極との線膨張係数の違いに起因する熱応力による熱疲労破壊は特許文献1の構成の熱電素子をセラミック基板上に設けた場合に比較して抑制される。しかし、P型の熱電素子とN型の熱電素子では熱電素子の材質によっては線膨張係数が大きく異なる場合があり、線膨張係数が10ppm/K以下の材料で電極を形成した場合、一方の熱電素子との線膨張係数の差は熱応力を発生し難くても、他方の熱電素子との線膨張係数の差は熱応力を発生し易くなる場合が生じる。また、電極と熱電素子との接合に好適な温度は、熱電素子の種類によって異なる場合があり、同一温度で電極と熱電素子との接合を行うとP型及びN型の熱電素子の両方に適正な温度にすることが難しいという問題がある。 In Patent Literature 2, since an electrode made of a material having a linear expansion coefficient of 10 ppm / K or less is used, when the thermoelectric element having the configuration of Patent Literature 2 is provided on the ceramic substrate, the wire between the ceramic substrate and the electrode is used. Thermal fatigue failure due to thermal stress caused by the difference in expansion coefficient is suppressed as compared with the case where the thermoelectric element having the configuration of Patent Document 1 is provided on a ceramic substrate. However, the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element may have different linear expansion coefficients depending on the material of the thermoelectric element. When an electrode is formed of a material having a linear expansion coefficient of 10 ppm / K or less, one of the thermoelectric elements Even if the difference in linear expansion coefficient from the element hardly generates thermal stress, the difference in linear expansion coefficient from the other thermoelectric element may easily generate thermal stress. In addition, the temperature suitable for joining the electrode and the thermoelectric element may vary depending on the type of the thermoelectric element. If the electrode and the thermoelectric element are joined at the same temperature, it is appropriate for both the P-type and N-type thermoelectric elements. There is a problem that it is difficult to achieve a proper temperature.
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱電発電に使用されるような高温においても熱疲労破壊を抑制することができるとともにモジュール全体としての電気抵抗を従来よりも低くすることができる熱電モジュール及び熱電モジュールの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and its purpose is to suppress thermal fatigue failure even at high temperatures such as those used for thermoelectric power generation and to reduce the electrical resistance of the entire module. An object of the present invention is to provide a thermoelectric module that can be made lower than before and a method for manufacturing the thermoelectric module.
前記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、絶縁性のセラミック基板上に複数のP型の熱電素子と複数のN型の熱電素子とが電極を介して接合され、前記P型の熱電素子及び前記N型の熱電素子は異なる線膨張係数を有し、前記各熱電素子と前記電極との間に応力緩和層が接合されている。前記P型の熱電素子と前記電極との間の応力緩和層と、前記N型の熱電素子と前記電極との間の応力緩和層とはそれぞれ異なる線膨張係数を有する。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a plurality of P-type thermoelectric elements and a plurality of N-type thermoelectric elements are joined via an electrode on an insulating ceramic substrate, The P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element have different linear expansion coefficients, and a stress relaxation layer is bonded between each thermoelectric element and the electrode. The stress relaxation layer between the P-type thermoelectric element and the electrode and the stress relaxation layer between the N-type thermoelectric element and the electrode have different linear expansion coefficients.
この発明の熱電モジュールは、セラミック基板上にP型及びN型の熱電素子が電極を介して接合されてモジュールが構成されているため、単にP型及びN型の熱電素子が電極を介して接合された構成のモジュールと異なり、熱電素子や電極に触れずにセラミック基板を持って取り扱うことができる。熱電素子と電極の接合部や熱電素子は脆いため、熱電モジュールを取り扱う際に熱電素子や電極に触れると熱電モジュールが破損し易く、取り扱いが難しいが、セラミック基板を持って取り扱うことにより、取り扱いが容易になる。 In the thermoelectric module of the present invention, the P-type and N-type thermoelectric elements are joined on the ceramic substrate via the electrodes, so that the module is configured. Therefore, the P-type and N-type thermoelectric elements are simply joined via the electrodes. Unlike the module having the above-described configuration, the ceramic substrate can be handled without touching the thermoelectric elements and electrodes. Because the thermoelectric element and electrode joints and thermoelectric elements are fragile, touching the thermoelectric module or electrode when handling the thermoelectric module can easily damage the thermoelectric module, making it difficult to handle. It becomes easy.
また、熱電素子は脆いため、電極の線膨張係数の値と熱電素子の線膨張係数の値との差が大きいと、使用時に熱応力で熱電素子と電極との界面で破壊が生じる。しかし、電極の線膨張係数の値と熱電素子の線膨張係数の値との差が大きいばあいでも、電極と熱電素子との間に線膨張係数の値が適切な応力緩和層をそれぞれ接合することにより、熱電素子に過大な熱応力が作用することが防止される。 Further, since the thermoelectric element is fragile, if the difference between the value of the linear expansion coefficient of the electrode and the value of the linear expansion coefficient of the thermoelectric element is large, the interface between the thermoelectric element and the electrode is broken due to thermal stress during use. However, even when the difference between the value of the linear expansion coefficient of the electrode and the value of the linear expansion coefficient of the thermoelectric element is large, a stress relaxation layer having an appropriate value of the linear expansion coefficient is bonded between the electrode and the thermoelectric element. This prevents an excessive thermal stress from acting on the thermoelectric element.
また、熱電素子と電極との線膨張係数だけでなく接合性も考慮して材質を選択すると好ましい。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記応力緩和層は、固相接合により前記熱電素子及び前記電極に接合されている。従って、この発明では、応力緩和層が半田やろう材を介して熱電素子及び電極に接合された構成に比較して、接合界面の接触抵抗を低減させ易い。
Moreover, it is preferable to select a material in consideration of not only the linear expansion coefficient between the thermoelectric element and the electrode but also the bonding property.
The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the stress relaxation layer is joined to the thermoelectric element and the electrode by solid phase joining. Therefore, in the present invention, it is easy to reduce the contact resistance at the bonding interface as compared with the configuration in which the stress relaxation layer is bonded to the thermoelectric element and the electrode via the solder or the brazing material.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記P型の熱電素子及び前記N型の熱電素子は、シリサイド系熱電素子である。ここで、「シリサイド系熱電素子」とは、熱電素子をP型あるいはN型とする際に添加元素としてSi(ケイ素)を含むのではなく、熱電素子を構成する主な元素としてSiを含むものを意味する。 The invention described in claim 3 is the invention described in claim 1 or 2, wherein the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element are silicide-based thermoelectric elements. Here, the “silicide-based thermoelectric element” does not include Si (silicon) as an additive element when the thermoelectric element is P-type or N-type, but includes Si as a main element constituting the thermoelectric element. Means.
熱電モジュールを熱電発電に使用する場合、熱源として排熱エネルギーを使用すれば、排熱の有効利用の範囲が拡がるとともに地球温暖化抑制対策としても有効になる。排熱エネルギーの温度は一般に600℃以下であるため、排熱エネルギーを有効に利用するためには、熱電変換素子を使用温度が500〜600℃程度の高温で熱電発電に使用することが好ましい。この発明では、P型及びN型の熱電素子にシリサイド系熱電素子が使用されているため、500〜600℃程度の高温で使用可能な熱電素子の入手が容易である。 When the thermoelectric module is used for thermoelectric power generation, if exhaust heat energy is used as a heat source, the range of effective use of exhaust heat is expanded and effective as a measure against global warming. Since the temperature of the exhaust heat energy is generally 600 ° C. or less, in order to effectively use the exhaust heat energy, it is preferable to use the thermoelectric conversion element for thermoelectric power generation at a high temperature of about 500 to 600 ° C. In this invention, since silicide-based thermoelectric elements are used for P-type and N-type thermoelectric elements, it is easy to obtain thermoelectric elements that can be used at high temperatures of about 500 to 600 ° C.
請求項4に記載の発明は、P型の熱電素子及びN型の熱電素子それぞれに適した線膨張係数を有する応力緩和層を前記P型の熱電素子及び前記N型の熱電素子それぞれとの接合に適した温度において前記P型の熱電素子及び前記N型の熱電素子それぞれに接合する応力緩和層接合工程と、絶縁性のセラミック基板上に、熱電素子間を電気的に接続する電極と、応力緩和層が接合された熱電素子とを予め設定された位置に仮止めする仮止め工程と、前記仮止めされたセラミック基板、電極及び熱電素子を加熱加圧して接合する加熱加圧工程とを備えている。 According to a fourth aspect of the present invention, a stress relaxation layer having a linear expansion coefficient suitable for each of a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element is bonded to each of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element. A stress relaxation layer bonding step for bonding to each of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element at a temperature suitable for heating, an electrode for electrically connecting the thermoelectric elements on an insulating ceramic substrate, and stress A temporary fixing step of temporarily fixing the thermoelectric element to which the relaxation layer is bonded to a predetermined position; and a heating and pressing step of heating and pressing the temporarily fixed ceramic substrate, electrode, and thermoelectric element. ing.
熱電素子に応力緩和層を接合するのに適正な温度と、電極に応力緩和層を接合するのに適正な温度と、電極に熱電素子を加熱加圧により接合するのに適正な温度とは一般に異なる。従って、電極と熱電素子とを加熱加圧により接合する際に、電極と熱電素子の間に応力緩和層を構成する材料(例えば、金属箔)を介在させて加熱加圧を行うと、接合することができても、適切でない条件で接合される部分が生じるため、接合部の信頼性が低くなる。しかし、この発明では、P型及びN型の熱電素子への応力緩和層の接合がそれぞれ接合に適した温度において、セラミック基板、電極及び熱電素子を加熱加圧して接合する工程とは別に行われる。従って、応力緩和層と熱電素子との接合、電極と熱電素子との接合及び電極とセラミック基板との接合を適正な温度で行うことができる。 Generally, the proper temperature for joining the stress relaxation layer to the thermoelectric element, the proper temperature for joining the stress relaxation layer to the electrode, and the proper temperature for joining the thermoelectric element to the electrode by heating and pressing are generally Different. Therefore, when the electrode and the thermoelectric element are bonded by heating and pressing, bonding is performed when heating and pressing are performed with a material (for example, metal foil) constituting the stress relaxation layer interposed between the electrode and the thermoelectric element. Even if it can be performed, a portion to be bonded is generated under an inappropriate condition, so that the reliability of the bonded portion is lowered. However, in the present invention, the joining of the stress relaxation layer to the P-type and N-type thermoelectric elements is performed separately from the process of heating and pressing the ceramic substrate, the electrodes, and the thermoelectric elements at temperatures suitable for bonding. . Therefore, the bonding between the stress relaxation layer and the thermoelectric element, the bonding between the electrode and the thermoelectric element, and the bonding between the electrode and the ceramic substrate can be performed at an appropriate temperature.
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記セラミック基板の前記電極を接合する箇所に、該セラミック基板の線膨張係数より大きく前記電極の線膨張係数より小さな線膨張係数の材料で形成された層を電極接合部として予め設けておき、前記電極接合部上に電極及び熱電素子を仮止めする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the linear expansion coefficient that is larger than the linear expansion coefficient of the ceramic substrate and smaller than the linear expansion coefficient of the ceramic substrate at a position where the electrode of the ceramic substrate is joined. A layer formed of the above material is provided in advance as an electrode joint, and the electrode and the thermoelectric element are temporarily fixed on the electrode joint.
電極が直接セラミック基板に固相接合された構成では、電極とセラミック基板との熱膨張の差でセラミック基板に過大な熱応力が作用し易いため、電極とセラミック基板との間に、セラミック基板及び電極の中間の線膨張係数の材料で形成された層を電極接合部として設けることが好ましい。その際、セラミック基板、電極及び熱電素子を加熱加圧して接合する加熱加圧工程において、電極とセラミック基板との間に前記層となる材料を配置して加熱加圧を行う方法も考えられる。しかし、セラミック基板上に予め前記層を設けておく方が、セラミック基板と前記層の材料との接合を適正な条件で行うことができ、熱電モジュールの耐久性が向上する。 In the configuration in which the electrode is directly solid-phase bonded to the ceramic substrate, an excessive thermal stress is likely to act on the ceramic substrate due to the difference in thermal expansion between the electrode and the ceramic substrate. It is preferable to provide a layer formed of a material having a linear expansion coefficient in the middle of the electrode as an electrode joint. In that case, in the heating and pressurizing step in which the ceramic substrate, the electrode, and the thermoelectric element are joined by heating and pressing, a method of placing the material to be the layer between the electrode and the ceramic substrate to perform heating and pressing is also conceivable. However, if the layer is provided in advance on the ceramic substrate, the ceramic substrate and the material of the layer can be bonded under appropriate conditions, and the durability of the thermoelectric module is improved.
請求項6に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記電極にクラッド材が使用されている。電極は、線膨張係数の値がセラミック基板の線膨張係数の値に近く、熱電モジュールの使用温度における導電性が大きいものが好ましい。しかし、単一材料でこの条件を満足する材料は入手し難い。この発明では、電極にクラッド材が使用されているため、前記条件を満足できる材料を入手することが容易になる。 The invention described in claim 6 is the invention described in claim 1 or 2, wherein a clad material is used for the electrode. The electrode preferably has a linear expansion coefficient close to that of the ceramic substrate and high conductivity at the use temperature of the thermoelectric module. However, it is difficult to obtain a single material that satisfies this condition. In this invention, since the clad material is used for the electrode, it becomes easy to obtain a material that satisfies the above conditions.
本発明によれば、熱電発電に使用されるような高温においても熱疲労破壊を抑制することができるとともにモジュール全体としての電気抵抗を従来よりも低くすることができる熱電モジュールを提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the thermoelectric module which can suppress thermal fatigue destruction also at high temperature used for thermoelectric power generation, and can make electrical resistance as the whole module lower than before can be provided. .
以下、本発明を具体化した一実施形態を図1〜図3に従って説明する。なお、図示の都合上、図面において各部の厚さ、長さ、幅等の寸法の比を実際のものと異なる状態で表している。 Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS. For the convenience of illustration, the ratio of dimensions such as thickness, length, width, etc. of each part is shown in a different state from the actual one.
図1に示すように、熱電モジュール11は、絶縁性のセラミック基板12上に複数のP型の熱電素子13と複数のN型の熱電素子14とが電極15を介して接合された構成である。複数のP型の熱電素子13と複数のN型の熱電素子14とは、交互に間隔をおいて配置されるとともに、隣接するP型の熱電素子13とN型の熱電素子14とが電極15によって電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置されている。この実施形態では熱電素子13,14は一列ではなく複数列に、かつP型の熱電素子13とN型の熱電素子14とが互いに隣接するように配置され、電極15は隣接する電極15の中心を結ぶ線が蛇行するように配置されている。
As shown in FIG. 1, the
セラミック基板12は電極15と直接接合されておらず、セラミック基板12と電極15との間にはセラミック基板12の線膨張係数より大きく電極15の線膨張係数より小さな線膨張係数の材料で形成された層が電極接合部16として設けられている。この実施形態ではセラミック基板12にはアルミナ基板が使用され、電極接合部16にはTi(チタン)箔が使用されている。アルミナ基板の線膨張係数は6.5×10−6/℃であり、Ti箔の線膨張係数は8.5×10−6/℃である。
The
電極15にはクラッド材が使用されている。この実施形態では、クラッド材として銅とインバー(Invar)から成るクラッド材が使用されている。クラッド材は、銅とインバーの複合部を挟んで両面に銅層が配置された構成になっている。インバー(Invar)とは、Ni(ニッケル)が36重量%で残りが実質的にFe(鉄)の合金である。また、銅とインバーの複合部とは、銅層とインバー層が単に積層された構成ではなく、同一層中に銅の領域とインバーの領域とが存在し、インバーの領域は連続しており、銅の領域は多数の領域に分割されている構成のものを意味する。そのため、銅とインバーの複合部は、その線膨張係数及び熱伝導率が銅の領域とインバーの領域との面積比によって変化し、クラッド材全体としての線膨張係数も変化する。このクラッド材は、例えば、インバーで形成されたエキスパンドメタル又はパンチングメタルを銅板の間に挟んだ状態で圧延・接合することにより形成される。この実施形態では線膨張係数が12×10−6/℃であるクラッド材が使用されている。
A clad material is used for the
P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14は異なる線膨張係数を有し、各熱電素子13,14と電極15との間に、それぞれ異なる線膨張係数を有する応力緩和層17,18が接合されている。応力緩和層17,18は、固相接合により熱電素子13,14及び電極15に接合されている。P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14は、シリサイド系熱電素子である。
The P-type
応力緩和層17,18は、熱電素子13,14と電極15との間の熱膨張の差によって生じる熱応力で接合界面が破壊されるのを防止する役割を果たすため、熱電素子13,14及び電極15の線膨張率の中間の線膨張率を有する必要がある。応力緩和層17,18の線膨張率の値は、使用される熱電素子13,14の材料によってその脆さが異なることと、熱電素子13,14及び電極15の大きさによって熱膨張の大きさが異なることにより、共通の数値を挙げることはできない。従って、予め試験で熱電素子13,14と応力緩和層17,18との接合界面が破壊されない適正な線膨張率であることを確認するのが好ましい。また、熱電素子13,14と電極15の材質に応じて、接合性のよい材質を選択するのが好ましい。
Since the stress relaxation layers 17 and 18 serve to prevent the bonding interface from being destroyed by thermal stress generated by the difference in thermal expansion between the
この実施形態ではP型の熱電素子13としてMnSi1.73が使用されており、その線膨張係数は11.2×10−6/℃である。N型の熱電素子14としてMg2Si(マグネシウムシリサイド)が使用されており、その線膨張係数は17.9×10−6/℃である。P型の熱電素子13の応力緩和層17にはNi箔が使用され、N型の熱電素子14の応力緩和層18には銅箔が使用されている。Ni箔の線膨張係数は13.3×10−6/℃であり、銅箔の線膨張係数は17×10−6/℃である。
In this embodiment, MnSi 1.73 is used as the P-type
セラミック基板12を厚さが2mm、熱電素子13,14を長さ(高さ)が4mm、電極15を厚さが1mmで長さが13mm、電極接合部16を厚さが50μm、応力緩和層17,18を厚さが50μmに設定して、8組の熱電素子13,14を電極15で直列に接続した熱電モジュール11を製造して抵抗値を測定した。素子のみで20.3mΩに対して熱電モジュール11の抵抗値は24.5mΩで、抵抗値の増加割合は2割程度と小さかった。
The
次に熱電モジュール11の製造方法を図3に従って説明する。図3(a)〜(e)は製造工程を示す模式図である。
熱電モジュール11の製造方法は、熱電素子ブロック製造工程、応力緩和層接合工程、素子切出し工程と、電極接合部接合工程及び電極接合工程を備えている。
Next, the manufacturing method of the
The manufacturing method of the
熱電素子ブロック製造工程では、P型の熱電素子ブロックを製造するP型熱電素子ブロック製造工程と、N型の熱電素子ブロックを製造するN型熱電素子ブロック製造工程とがある。P型熱電素子ブロック製造工程及びN型熱電素子ブロック製造工程はそれぞれ独立して行われる。P型熱電素子ブロック及びN型熱電素子ブロックは、放電プラズマ燒結(SPS)装置を使用して放電プラズマ燒結法により製造される。P型熱電素子ブロックは燒結温度980℃で製造され、N型熱電素子ブロックは燒結温度860℃で製造される。そして、図3(a)に示すように、P型熱電素子ブロック19及びN型熱電素子ブロック20が製造される。P型熱電素子ブロック19及びN型熱電素子ブロック20は、熱電素子を構成する材料にもよるが、その形状は偏平な円柱状あるいは偏平な角柱状である。
The thermoelectric element block manufacturing process includes a P-type thermoelectric element block manufacturing process for manufacturing a P-type thermoelectric element block and an N-type thermoelectric element block manufacturing process for manufacturing an N-type thermoelectric element block. The P-type thermoelectric element block manufacturing process and the N-type thermoelectric element block manufacturing process are performed independently. The P-type thermoelectric element block and the N-type thermoelectric element block are manufactured by a discharge plasma sintering method using a discharge plasma sintering (SPS) apparatus. The P-type thermoelectric element block is manufactured at a sintering temperature of 980 ° C., and the N-type thermoelectric element block is manufactured at a sintering temperature of 860 ° C. Then, as shown in FIG. 3A, the P-type
応力緩和層接合工程は、P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14それぞれに適した応力緩和層17,18を熱電素子との接合に適した温度において接合する工程である。この実施形態ではP型熱電素子ブロック19及びN型熱電素子ブロック20の状態で応力緩和層17,18の接合が行われる。P型熱電素子ブロック19の場合は、SPS装置にNi箔でP型熱電素子ブロック19を挟む状態でセットして、700℃でNi箔をP型熱電素子ブロック19に固相接合させる。N型熱電素子ブロック20の場合は、SPS装置に銅箔でN型熱電素子ブロック20を挟む状態でセットして、630℃で銅箔をN型熱電素子ブロック20に固相接合させる。そして、図3(b)に示すように、両端面に応力緩和層17が接合されたP型熱電素子ブロック19及び両端面に応力緩和層18が接合されたN型熱電素子ブロック20が製造される。
The stress relaxation layer bonding step is a step of bonding the stress relaxation layers 17 and 18 suitable for the P-type
素子切出し工程には、応力緩和層17が接合されたP型熱電素子ブロック19からP型の熱電素子13を切り出すP型素子切出し工程と、応力緩和層18が接合されたN型熱電素子ブロック20からN型の熱電素子14を切り出すN型素子切出し工程とがある。この実施形態では、P型素子切出し工程及びN型素子切出し工程において、図3(c)に示すように、P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14は、それぞれ単純な角柱状に切り出される。P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14の切り出しは、例えば、ダイシングソーやワイヤーソーにより行われる。
The element cutting step includes a P-type element cutting step of cutting the P-type
電極接合部接合工程は、セラミック基板12の電極15を接合する箇所に、該セラミック基板12の線膨張係数より大きく電極15の線膨張係数より小さな線膨張係数の材料で形成された層を電極接合部16として予め設ける工程である。この実施形態では、SPS装置にセラミック基板12の所定位置にTi箔を載置した状態でセットして、950℃でTi箔をセラミック基板12に固相接合させる。そして、図3(d)に示すように、片面の所定位置に電極接合部16が接合されたセラミック基板12が準備される。
In the electrode bonding portion bonding step, a layer formed of a material having a linear expansion coefficient larger than the linear expansion coefficient of the
電極接合工程は、SPS装置に電極接合部16が接合されたセラミック基板12、素子切出し工程で切り出された複数のP型の熱電素子13及びN型の熱電素子14及び電極15を、各P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14が電気的に直列に接続され、かつ熱的に並列に配置された状態に電極15を介して接合する工程である。
In the electrode bonding step, the
この工程においては、熱電モジュール11を構成する複数のP型の熱電素子13及びN型の熱電素子14を交互に隣接するように複数列に配置する。このとき、熱電素子13,14及び電極15を単に載置しただけでは不安定で、所定の位置に正しく配置された状態で加熱加圧することが難しい。その不具合を解消するため、この実施形態では、セラミック基板12上に、電極15と、熱電素子13,14とを予め設定された位置にAg(銀)ペーストを介して仮止めする仮止め工程を備えている。また、図3(e)に示すように、仮止めされたセラミック基板12、電極15及び熱電素子13,14を加熱加圧して接合する加熱加圧工程とを備えている。そして、加熱加圧工程が完了すると、熱電モジュール11の製造が完了する。
In this step, a plurality of P-type
前記のように構成された熱電モジュール11を熱電発電に使用する場合は、図2に示すように、熱電素子13,14に対してセラミック基板12側を低温側とし、セラミック基板12と反対側に位置する電極15側を熱源側とする。そして、直列に接続された両端部の熱電素子13,14に接続された電極15を端子として、負荷30が配線31を介して各端子に接続される。例えば、熱電モジュール11は、冷却水が流れる冷却部32にセラミック基板12が接触し、排熱などが発生する加熱部33に熱源側の電極15が接触する状態に配置される。
When the
この状態で熱源側と低温側との温度差により発電が行われ、直列に接続された熱電素子13,14のうちのP型の熱電素子13に接続された電極15の端子がプラス側になり、N型の熱電素子14に接続された電極15の端子がマイナス側になって回路に電流が流れて負荷30で使用される。負荷30に代えて蓄電池を接続すれば、発電された電力が蓄電池に充電される。
In this state, power is generated by the temperature difference between the heat source side and the low temperature side, and the terminal of the
この実施形態では以下の効果を有する。
(1)熱電モジュール11は、絶縁性のセラミック基板12上に複数のP型の熱電素子13と複数のN型の熱電素子14とが電極15を介して接合された構成である。そして、P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14は異なる線膨張係数を有し、各熱電素子13,14と電極15との間に、それぞれ異なる線膨張係数を有する応力緩和層17,18が接合されている。従って、単にP型の熱電素子13及びN型の熱電素子14が電極15を介して接合された構成のモジュールと異なり、熱電素子13,14や電極15に触れずにセラミック基板12を持って取り扱うことができ、取り扱いが容易になる。また、電極15と熱電素子13,14との間に線膨張係数の値が適切な応力緩和層17,18がそれぞれ接合されることにより、熱電素子13,14に過大な熱応力が作用することが防止される。
This embodiment has the following effects.
(1) The
(2)応力緩和層17,18は、固相接合により熱電素子13,14及び電極15に接合されている。従って、応力緩和層17,18が半田やろう材を介して熱電素子13,14及び電極15に接合された構成に比較して、接合界面の接触抵抗を低減させ易い。
(2) The stress relaxation layers 17 and 18 are bonded to the
(3)P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14は、シリサイド系熱電素子であるため、500〜600℃程度の高温で使用可能な熱電素子の入手が容易である。従って、熱源として排熱エネルギーを使用するとともに、排熱エネルギーを有効に利用するために、熱電変換素子を使用温度が500〜600℃程度の高温で使用することができる。
(3) Since the P-type
(4)電極15にクラッド材が使用されている。従って、線膨張係数の値がセラミック基板12の線膨張係数の値に近く、熱電モジュール11の使用温度における導電性が大きいという条件を満足できる材料を入手することが容易になる。
(4) A clad material is used for the
(5)クラッド材として銅とインバーの複合部を挟んで両面に銅層が配置された構成のものを使用している。従って、電極15の線膨張係数を小さくして、500〜600℃程度の高温で使用する際の電極15の電気抵抗の値を線膨張係数が10×10−6/℃以下のMo(モリブデン)、W(タングステン)、インバー等より小さくできる。
(5) A clad material having a structure in which a copper layer is disposed on both sides of a composite part of copper and invar is used. Accordingly, the linear expansion coefficient of the
(6)熱電モジュール11の製造方法は、P型の熱電素子13及びN型の熱電素子14それぞれに適した応力緩和層17,18を熱電素子13,14との接合に適した温度において接合する応力緩和層接合工程を備えている。従って、応力緩和層17,18と熱電素子13,14との接合を適正な温度で行うことができる。
(6) In the method of manufacturing the
(7)セラミック基板12上に、熱電素子13,14間を電気的に接続する電極15と、熱電素子13,14とを予め設定された位置に仮止めした状態でセラミック基板12、電極15及び熱電素子13,14を加熱加圧して固相接合する。従って、電極15、熱電素子13,14を所定の位置に正しく配置された状態で固相接合することが容易になる。
(7) The
(8)セラミック基板12の電極15を接合する箇所に、該セラミック基板12の線膨張係数より大きく電極15の線膨張係数より小さな線膨張係数の材料で形成される層を電極接合部16として予め設けておき、電極接合部16上に電極15を接合する。従って、電極15をセラミック基板12上に直接接合する場合に比較して、電極15とセラミック基板12との熱膨張差でセラミック基板12が割れるのを防止することができる。
(8) A layer formed of a material having a linear expansion coefficient that is larger than the linear expansion coefficient of the
(9)応力緩和層17が接合されたP型の熱電素子13及び応力緩和層18が接合されたN型の熱電素子14は、各応力緩和層17,18が接合されたP型熱電素子ブロック19及びN型熱電素子ブロック20から切り出されて形成される。従って、各熱電素子13,14を最初から製品形状に焼結して製造する場合に比較して効率よく製造することができる。
(9) The P-type
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ 応力緩和層17,18と熱電素子13,14との接合は固相接合に限らず、例えば、熱電素子13,14にメッキや溶射で応力緩和層17,18を設けてもよい。
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
The bonding between the stress relaxation layers 17 and 18 and the
○ セラミック基板12に設ける電極接合部16も金属箔を固相接合して設けるのではなく、セラミック基板12に金属のメッキや溶射で設けてもよい。
○ セラミック基板12と電極15との間に電極接合部16を設けずに電極15を直接セラミック基板12に接合してもよい。例えば、電極15をセラミック基板12上にDBC法(銅と酸化銅の共晶温度以上で銅の融点以下の温度に加熱して、ろう材を用いずに直接接合する方法)で接合する。
The electrode joint 16 provided on the
The
○ セラミック基板12と電極15との接合あるいは熱電素子13,14と電極15との接合を固相接合ではなく、ろう材を介した接合としてもよい。この場合、熱電モジュール11の使用温度範囲に応じてろう材を選定する必要がある。例えば、熱電発電に使用する場合は、Cu系ろう材、Ni系ろう材、Ti系ろう材が好ましい。
The bonding between the
○ 電極15はクラッド材に限らず、単層の金属又は合金で形成してもよい。例えば、P型の熱電素子13としてMnSi1.73が使用されており、N型の熱電素子14としてMg2Siが使用されている場合に、電極15をMo(モリブデン)で形成してもよい。しかし、銅−インバークラッド材の方がセラミック基板12との接合が容易である。
The
○ セラミック基板12上に、電極15及び熱電素子13,14を予め設定された位置に仮止めした状態で加熱加圧して固相接合する際、仮止めに使用する仮止め材は、Agペーストに限らず他の金属ペーストや樹脂製の粘着材あるいは接着剤であってもよい。
○ When the
○ 熱電素子13,14を構成するシリサイド系熱電素子としてCrSi2を使用してもよい。また、熱電素子13,14をシリサイド系熱電素子以外の熱電素子で構成してもよい。
O CrSi 2 may be used as a silicide-based thermoelectric element constituting the
○ セラミック基板12上に、電極15及び熱電素子13,14を予め設定された位置に加熱加圧により固相接合する際、仮止めを行わずに加熱加圧を行ってもよい。しかし、仮止めを行うことにより、電極15及び熱電素子13,14を所定の位置に正確に固相接合することが容易になる。
When the
○ セラミック基板12上に、電極15及び熱電素子13,14を予め設定された位置に加熱加圧により固相接合する際、SPS装置を使用した加熱加圧に限らず、通常のホットプレスにより加熱加圧を行ってもよい。
○ When the
○ 熱電モジュール11を製造する際、P型熱電素子ブロック19及びN型熱電素子ブロック20を市販品の購入あるいは製造委託により入手し、応力緩和層接合工程から始めてもよい。また、両端面に応力緩和層17,18が形成された所望形状の熱電素子13,14を製造委託により入手し、セラミック基板12上に、電極15及び熱電素子13,14を予め設定された位置に加熱加圧により固相接合したり、ろう材を介して接合したりする工程のみを行うようにしてもよい。
O When manufacturing the
○ 熱電モジュール11は複数のP型の熱電素子13及びN型の熱電素子14が複数列に配置され、各熱電素子13,14を接続する電極15が蛇行するように配置された構成に限らない。例えば、複数列に配置された各熱電素子13,14を接続する電極15が、ほぼ渦巻き状に配置された構成や、複数の熱電素子13及び熱電素子14が一列に配置された構成にしてもよい。
The
○ 熱電モジュール11を構成する熱電素子13,14や電極15等の要素の材質、数、寸法等は前記実施形態で述べたものに限らず、熱電モジュール11の使用目的に応じて適宜変更してもよい。
○ The materials, number, dimensions, etc. of the elements such as the
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
(1)請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記セラミック基板と前記電極との間には前記セラミック基板の線膨張係数より大きく前記電極の線膨張係数より小さな線膨張係数の材料で形成された層が設けられている。
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1) In the invention according to any one of claims 1 to 3, the line between the ceramic substrate and the electrode is larger than the linear expansion coefficient of the ceramic substrate and smaller than the linear expansion coefficient of the electrode. A layer formed of a material having an expansion coefficient is provided.
(2)請求項6に記載の発明において、前記クラッド材として銅とインバーの複合部を挟んで両面に銅層が配置された構成のものが使用される。 (2) In the invention according to claim 6, the clad material having a structure in which a copper layer is disposed on both sides with a composite portion of copper and invar interposed therebetween is used.
11…熱電モジュール、12…セラミック基板、13,14…熱電素子、15…電極、16…電極接合部、17,18…応力緩和層。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記P型の熱電素子及び前記N型の熱電素子は異なる線膨張係数を有し、
前記各熱電素子と前記電極との間に応力緩和層が接合され、
前記P型の熱電素子と前記電極との間の応力緩和層と、前記N型の熱電素子と前記電極との間の応力緩和層とはそれぞれ異なる線膨張係数を有する熱電モジュール。 A plurality of P-type thermoelectric elements and a plurality of N-type thermoelectric elements are joined to each other on an insulating ceramic substrate through electrodes.
The P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element have different linear expansion coefficients,
A stress relaxation layer is joined between each thermoelectric element and the electrode,
A thermoelectric module in which the stress relaxation layer between the P-type thermoelectric element and the electrode and the stress relaxation layer between the N-type thermoelectric element and the electrode have different linear expansion coefficients.
絶縁性のセラミック基板上に、熱電素子間を電気的に接続する電極と、応力緩和層が接合された熱電素子とを予め設定された位置に仮止めする仮止め工程と、
前記仮止めされたセラミック基板、電極及び熱電素子を加熱加圧して接合する加熱加圧工程とを備える熱電モジュールの製造方法。 A stress relaxation layer having a linear expansion coefficient suitable for each of the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element is formed at a temperature suitable for joining the P-type thermoelectric element and the N-type thermoelectric element. A stress relaxation layer bonding step for bonding to each of the thermoelectric element and the N-type thermoelectric element;
A temporary fixing step of temporarily fixing an electrode for electrically connecting the thermoelectric elements on the insulating ceramic substrate and a thermoelectric element to which the stress relaxation layer is bonded to a predetermined position;
A method of manufacturing a thermoelectric module, comprising: a heat-pressing step in which the temporarily fixed ceramic substrate, the electrode, and the thermoelectric element are heated and pressed to join them.
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