JP2007123530A

JP2007123530A - 熱電変換装置およびその装置の製造方法

Info

Publication number: JP2007123530A
Application number: JP2005313360A
Authority: JP
Inventors: Akio Matsuoka; 彰夫松岡; Yasuhiko Niimi; 康彦新美; Akinosuke Tera; 亮之介寺
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】熱電素子収容室への外部から湿気の侵入を防止することができる熱電変換装置およびその装置の製造方法を実現する。
【解決手段】一対の熱電素子１２、１３と電極部材１６とが電気的に直列接続されることで複数の熱交換部材２５が吸熱側と放熱側とに区画して配設される熱電変換装置において、絶縁基板１４に複数の電極部材１６を一対の熱電素子１２、１３の配列状態に対応する所定の配列形状に配列にしてなる一対の電極素子基板１５が設けられ、この一対の電極素子基板１５との間に熱電素子基板１０が積層された状態において、一対の電極素子基板１５および熱交換部材２５の外表面には、無機材料からなる防湿、絶縁層１７が形成されている。これにより、外部から湿気の侵入を防止することができる。
【選択図】図７

Description

本発明は、Ｎ型熱電素子、Ｐ型熱電素子からなる直列回路に直流電流を通電させることで吸熱、放熱が得られる熱電変換装置およびその装置の製造方法に関するものであり、特に、第１保持板に所定の配列形状に配設される熱電素子の防水性に関する。

従来、この種の熱電変換装置として、例えば、特許文献１のように、Ｎ型熱電素子およびＰ型熱電素子を含む複数の熱電素子を交互に、かつ並列に配列させた直列接続するために電極素子としてプリント基板に配設パターンを形成している。

そして、これら熱電素子の一方の側、および他方の側をそれぞれプリント基板の配線パターンと電気的に接合してあるとともに、プリント基板の所定位置に形成したスルーホールに熱交換部材の電極部を収容するとともに、熱交換部材の電極部を配線パターンと熱的に接合している装置が知られている。

この装置によれば、複数の熱電素子を収容する熱電素子収容室と複数の熱交換素子を収容する熱交換部収容室とが一対のプリント基板によって仕切られている。

また、例えば、特許文献２のように、可撓性を有するポリアミドからなる樹脂フィルム基板に電極素子を一体に形成して熱電素子の一方の側、および他方の側をそれぞれ樹脂フィルム基板の熱電素子に電気的に接合している装置が知られている。

この装置によれば、複数の熱電素子を収容する熱電素子収容室と複数の熱交換素子を収容する熱交換部収容室とが一対の樹脂フィルム基板によって仕切られている。
特開２０００−９１６４８号公報特開２００２−２０８７４１号公報

しかしながら、例えば、熱交換部収容室が上方に吸熱側、下方に放熱側となるように通電されると、吸熱側の熱交換部収容室内で生じた結露水が発生する。上記特許文献１および特許文献２では、熱電素子と熱交換素子とがプリント基板もしくは樹脂フィルム基板によって仕切られているため、吸熱側の結露水が直接熱電素子収容室側に漏れることがない。

ところが、プリント基板に用いられるガラス繊維入りエポキシ樹脂、積層板、紙フェノール、紙エポキシ、あるいは樹脂フィルム基板に用いられるポリアミドなどの樹脂材料は、透湿性があるため周囲の水蒸気（湿気）がこれらの樹脂基板を透過して熱電素子収容室側に結露を発生させることがある。つまり、電極素子と熱電素子との接合部、および熱電素子が結露してマイグレーションを引き起こす問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる熱電変換装置およびその装置の製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項１４に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、複数のＰ型熱電素子（１２）と複数のＮ型熱電素子（１３）を所定の配列形状に配列にしてなる熱電素子組立体（１０）と、熱電素子組立体（１０）に隣接する一対の熱電素子（１２、１３）のそれぞれを電気的に直列接続する複数の電極素子（１６）とを備え、一対の熱電素子（１２、１３）のそれぞれと複数の電極素子（１６）のそれぞれとが電気的に直列接続されることで複数の電極素子（１６）が吸熱側と放熱側とに区画して配設される熱電変換装置において、
絶縁基板（１４）に複数の電極素子（１６）を一対の熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列形状に配列にしてなる一対の電極素子組立体（１５）が設けられ、この一対の電極素子組立体（１５）との間に熱電素子組立体（１０）が積層された状態において、一対の電極素子組立体（１５）の外表面には、無機材料からなる防湿、絶縁層（１７）が形成されていることを特徴としている。

この発明によれば、絶縁基板（１４）の外表面に防湿、絶縁層（１７）が形成されることで絶縁基板（１４）の透湿性の改善が図れる。これにより、一対の電極素子組立体（１５）により仕切られた熱電素子収納室内に外部からの湿気の侵入を防止することができる。

なお、熱電素子（１２、１３）は周囲の湿気により結露した水が凍結すると、凍結割れを発生する可能性があるため、熱電素子収納室内に湿気を侵入させないことによって、熱電素子（１２、１３）に保護膜等の耐水処理を必要としない。

また、一対の電極素子組立体（１５）には吸熱側と放熱側との温度差により電極素子（１６）に熱応力が作用するが、フィルム状の絶縁基板（１４）は可撓性を有するため熱応力を吸収することができる。

請求項２に記載の発明では、複数の電極素子（１６）のそれぞれには、電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）が設けられ、防湿、絶縁層（１７）は、電極素子（１６）に電極部（２５ａ）が接合される前に形成していることを特徴としている。

この発明によれば、電極素子（１６）と電極部（２５ａ）との間に防湿、絶縁層（１７）が形成されることになるが、無機材料で形成される成膜は薄く形成することができるため、接合部の熱抵抗が上昇することはない。

請求項３に記載の発明では、複数の熱交換素子（２５）のそれぞれは、複数の電極素子（１６）のそれぞれの一端面に形成された防湿、絶縁層（１７）上に形成された第２電極部（１９）を介して電極部（２５ａ）を半田により接合されていることを特徴としている。

この発明によれば、より具体的には、例えば、銅を主成分とする導電性ペーストを印刷し、加熱乾燥することで防湿、絶縁層（１７）上に第２電極部（１９）を形成できる。これにより、接合部の熱抵抗を小さくすることができる。

請求項４に記載の発明では、複数の電極素子（１６）のそれぞれには、電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）が設けられ、
防湿、絶縁層（１７）は、電極素子（１６）に電極部（２５ａ）が接合された後に複数の熱交換素子（２５）の外表面も含めて形成していることを特徴としている。

この発明によれば、この場合には、複数の熱交換素子（２５）のそれぞれに電位が掛かることになる。しかし、複数の熱交換素子（２５）のそれぞれが絶縁されることで隣り合う熱交換素子（２５）相互間でのショートの発生を防止することができる。

また、複数の熱交換素子（２５）およびその電極部（２５ａ）に結露水が付着することでマイグレーションが生ずるが、防湿、絶縁層（１７）によりマイグレーションの発生を抑制することができる。

請求項５に記載の発明では、防湿、絶縁層（１７）は、アルミナ、チタニアもしくは酸化ケイ素のいずれか１種以上の無機材料を用いることを特徴としている。この発明によれば、これらの無機材料を用いることで防湿、絶縁層（１７）の被膜厚さを薄くすることができるとともに、接合部の熱抵抗が上昇することはない。

請求項６に記載の発明では、防湿、絶縁層（１７）は、成膜方法としてＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成していることを特徴としている。

この発明によれば、この方法では外表面が複雑な形状に構成していても容易に防湿、絶縁層（１７）の形成が可能である。また、隈なく防湿、絶縁層（１７）の形成ができることで、絶縁基板（１４）からの熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる。

請求項７に記載の発明では、絶縁基板（１４）同士が接着剤もしくは熱溶着のいずれかにより封止されていることを特徴としている。この発明によれば、絶縁基板（１４）の端部から熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる。

請求項８に記載の発明では、絶縁基板（１４）はポリイミドからなる樹脂材で形成されていることを特徴としている。この発明によれば、絶縁基板（１４）に可撓性を備えることができる。また、無機材料との成膜性が良好である。

請求項９に記載の発明では、複数のＰ型熱電素子（１２）と複数のＮ型熱電素子（１３）を所定の配列形状に配列する熱電素子組立体（１０）の熱電素子配列工程と、
熱電素子組立体（１０）に隣接する一対の熱電素子（１２、１３）のそれぞれを電気的に直列接続する複数の電極素子（１６）を備え、絶縁基板（１４）に複数の電極素子（１６）を一対の熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列形状に配列する電極素子組立体（１５）の電極素子形成工程と、
一対の電極素子組立体（１５）との間に熱電素子組立体（１０）が積層された状態において、一対の電極素子組立体（１５）の外表面に、無機材料からなる防湿、絶縁層（１７）を形成する防湿、絶縁層形成工程と、
一対の電極素子組立体（１５）との間に熱電素子組立体（１０）が積層された状態において、一対の熱電素子（１２、１３）の端面に電極素子（１６）を接合する電極素子接合工程とを具備することを特徴としている。

この発明によれば、防湿、絶縁層形成工程により絶縁基板（１４）の外表面に無機材料の被膜を形成することで、絶縁基板（１４）の透湿性が改善されることで熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる。

請求項１０に記載の発明では、電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）を備え、電極素子組立体（１５）に形成された複数の電極素子（１６）のそれぞれに電極部（２５ａ）を半田により接合する熱交換素子接合工程を有し、防湿、絶縁層形成工程は、熱交換素子接合工程の前に行うことを特徴としている。

この発明によれば、熱交換素子接合工程のときに、電極素子（１６）と電極部（２５ａ）との間に防湿、絶縁層（１７）が形成されることになるが、無機材料で形成される被膜は薄く形成することができるため、接合部の熱抵抗が上昇することはない。

請求項１１に記載の発明では、防湿、絶縁層形成工程により複数の電極素子（１６）の一方面に形成された防湿、絶縁層（１７）上に第２電極部（１９）を形成する第２電極部形成工程を有し、熱交換素子接合工程は、第２電極部形成工程を行った後に複数の電極素子（１６）のそれぞれに電極部（２５ａ）を接合することを特徴としている。

この発明によれば、例えば、銅を主成分とする導電性ペーストを印刷し、加熱乾燥することによって防湿、絶縁層（１７）上に第２電極部（１９）を複数の接続部に容易、かつ確実に所定の位置に形成することができる。これにより、生産性の向上が図れる。

請求項１２に記載の発明では、電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）を備え、電極素子組立体（１５）に形成された複数の電極素子（１６）のそれぞれに電極部（２５ａ）を半田により接合する熱交換素子接合工程を有し、防湿、絶縁層形成工程は、熱交換素子接合工程を行った後に、複数の熱交換素子（２５）の外表面も含めて一対の電極素子組立体（１５）の外表面に防湿、絶縁層（１７）を形成することを特徴としている。

この発明によれば、複数の熱交換素子（２５）およびその接合部のそれぞれが絶縁されることで隣り合う熱交換素子（２５）相互間でのショートの発生を防止することができる。さらに、複数の熱交換素子（２５）およびその電極部（２５ａ）に結露水が付着することでマイグレーションが生ずるが、防湿、絶縁層（１７）によりマイグレーションの発生を抑制することができる。

請求項１３に記載の発明では、防湿、絶縁層形成工程は、無機材料としてアルミナ、チタニアもしくは酸化ケイ素のいずれかの２種以上を用いるとともに、成膜方法として、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により防湿、絶縁層（１７）を形成していることを特徴としている。

この発明によれば、これらの無機材料を用いることで防湿、絶縁層（１７）の被膜厚さを薄くすることができる。これにより、接合部の熱抵抗が上昇することはない。また、この方法によれば、外表面が複雑な形状に構成していても容易に防湿、絶縁層（１７）の形成が可能である。さらに、隈なく防湿、絶縁層（１７）の形成ができることで、絶縁基板（１４）からの熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる。

請求項１３に記載の発明では、電極素子接合工程を行った後に、絶縁基板（１４）同士もしくは一対の絶縁基板（１４）の一方のいずれかで接着剤もしくは熱溶着のいずれかにより封止する封止工程を有することを特徴としている。この発明によれば、絶縁基板（１４）の端部からの熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態における熱電変換装置を図１ないし図８に基づいて説明する。図１は吸熱側に配設される熱交換部材２５の配列形態を示す平面図、図２は放熱側に配設される熱交換部材２５の配列形態を示す下面図である。図３は図１に示すＡ−Ａ断面図であって、熱電変換装置の全体構成を示している。

また、図４は図３に示すＣ−Ｃ断面図、図５は図３に示すＤ−Ｄ断面図である。図６は熱電変換装置の全体構成を示す分解模式図である。また、図７は図１に示すＢ−Ｂ断面図、図８は熱電変換装置の製造工程の流れを示す説明図である。

本実施形態の熱電変換装置は、車両に搭載される冷却装置もしくは加熱装置に適用させた熱電変換装置であり、例えば、車両用のシートの着座部内と背当部内とにそれぞれ熱電変換装置を配設し、その熱電変換装置により冷却された冷風をシート表面から吹き出すシート空調装置に適用させている。

従って、本実施形態の熱電変換装置は、設置空間の狭い車両用のシート内に搭載できるように熱電変換装置の小型化を図っている。

本実施形態の熱電変換装置は、図３および図６に示すように、複数のＰ型、Ｎ型の熱電素子１２、１３を配列した熱電素子組立体である熱電素子基板１０、電極素子である電極部材１６を所定の配列形状に配列した電極素子組立体である一対の電極素子基板１５、その電極部材１６のそれぞれに伝熱可能に結合する熱交換素子である複数の熱交換部材２５、およびケース部材２８から構成している。

熱電素子組立体である熱電素子基板１０は、図４および図５に示すように、熱電素子１２、１３の保持板である第１保持板１１と、Ｐ型、Ｎ型からなる複数の熱電素子１２、１３とから一体に構成している。

具体的には、平板状の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、ＬＣＰ樹脂もしくはＰＥＴ樹脂など）からなる第１保持板１１に、Ｐ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３とを交互に複数対配列してなる熱電素子群を列設して略碁盤目状に配列している。

そして、Ｐ型熱電素子１２はＢｉ−Ｔｅ系化合物からなるＰ型半導体により構成され、Ｎ型熱電素子１２はＢｉ−Ｔｅ系化合物からなるＮ型半導体により構成された極小部品である。ここで、Ｐ型熱電素子１２およびＮ型熱電素子１３は、その上端面、下端面が第１保持板１１の表面よりも突き出すように形成している。

そして、図中に示す左右上端に配設する熱電素子１２、１３には、それぞれ端子２４ａ、２４ｂが設けられ、その端子２４ａ、２４ｂには、図示しない直流電源の正側端子を端子２４ａに接続し、負側端子を端子２４ｂに接続するようにしている。

電極素子組立体である電極素子基板１５は、図３ないし図６に示すように、フィルム状からなる絶縁基板１４に複数の電極部材１６を一対の熱電素子１２、１３の配列状態に対応する位置に所定の配列形状に配列にして一体に構成している。

より具体的には、絶縁基板１４を、例えば、ポリアミドからなる樹脂材で薄膜のフィルム状（例えば、板厚が１０〜２５μｍ程度）に形成し、その片面に銅材からなる銅箔層（例えば、１８〜３００μｍ）などの導電性金属を積層させて、例えば、その銅箔層をエッチング加工により、一対の熱電素子１２、１３の配列状態に対応する位置に所定の形状の電極部材１６を形成している。

電極部材１６は、複数の熱電素子１２、１３を電気的に直列接続する電極であり、熱電素子基板１０に配列された熱電素子群のうち、隣接するＰ型熱電素子１２の一方の端面とＮ型熱電素子１３の一方の端面とを電気的に接続している。より具体的には、図３に示すように、上方に配置される電極部材１６は、隣接するＮ型熱電素子１３からＰ型熱電素子１２に向けて電流を流すための電極であり、下方に配置される電極部材１６は、隣接するＰ型熱電素子１２からＮ型熱電素子１３に電流を流すための電極である。

なお、それぞれの電極部材１６は、熱電素子１２、１３の端面に予めペーストハンダなどをスクリーン印刷で薄く均一に塗っておいてから半田で接合される。また、電極部材１６における所定の形状とは、隣接する一対の熱電素子１２、１３の端面を覆う程度の平面面積を有する略矩形状であり、全てが同一形状に形成している。

そして、熱電素子基板１０の一方側（図４参照）に配設する電極部材１６は、熱電素子群の外端に隣接する熱電素子１２、１３に配設する場合と、熱電素子群の外端より内側に隣接する熱電素子１２、１３に配設する場合とは、配設方向が異なる方向に配設している。

つまり、熱電素子群の外端に隣接する熱電素子１２、１３に配設するときは、熱電素子群に直交する方向に配設し、熱電素子群の外端より内側に隣接する熱電素子１２、１３に配設するときは、熱電素子群に沿う方向に配設している。一方、熱電素子基板１０の他方側（図５参照）に配設する電極部材１６は、全て熱電素子群に沿う方向に配設している。

ところで、電極部材１６と一体に形成される絶縁基板１４には、この電極部材１６に対向する位置に、電極部材１６の平面面積よりも小さい開口面積を有する開口孔１４ａを形成している。つまり、電極部材１６の外縁が開口孔１４ａの外周縁に密着された状態で開口孔１４ａを形成している。

これにより、電極部材１６を絶縁基板１４に一体に形成することができる。なお、この開口孔１４ａは、詳しくは後述するが、電極部材１６と熱交換部材２５の電極部２５ａとで接合部を形成する空間であって、この空間に半田１８が盛られて熱交換部材２５と電極部材１６とが接合される。

さらに、絶縁基板１４は、図３に示すように、一対の電極素子基板１５の間に熱電素子基板１０が積層状態において、下側に配置される絶縁基板１４の末端が第１保持板１１の端部に接するように形成するとともに、上側に配置される絶縁基板１４の末端が下側の絶縁基板１４の末端に接するように形成している。

そして、第１保持板１１の端部と下側の絶縁基板１４の末端面との間に、接着剤で第１保持板１１の外周端を封止するように接着するとともに、下側の絶縁基板１４の末端面と上側の絶縁基板１４の末端面との間に接着剤で熱電素子収容室内を封止するように接着している。これは、一対の電極素子基板１５によって区切られた熱電素子収容室内に外部から湿気が侵入しないように第１保持板１１の外周端を封止構造となるように構成したものである。

なお、このときに、一対の絶縁基板１４の外周端にも接着剤で封止するように接着する。これにより、絶縁基板１４の外周端から熱電素子収容室内に湿気が侵入しない。従って、熱電素子収容室内に配設される第１保持板１１、熱電素子１２、１３および電極部材１６のマイグレーションによる劣化の防止が図れる。

次に、熱交換素子である複数の熱交換部材２５は、銅材などの導電性金属からなる薄肉の板材を用いて、図７に示すように、断面が略Ｕ字状からなり底部に平面状の電極部２５ａを形成し、その電極部２５ａの両端辺から外方に向けて立ち上げて延出された板状のフィン状部位を形成している。

このフィン状部位は、その多くの部位が熱交換媒体としての空気と熱交換するべく送風通路に突き出して配置されている。その平面には、熱交換を促進するために、ルーバー状の熱交換部２５ｂが形成されている。この熱交換部２５ｂは、電極部２５ａから伝熱される熱を吸熱、放熱するためのフィン部材であり、切り起こしなどの成形加工により電極部２５ａと一体に形成している。

また、電極部２５ａは、その平面の形状が電極部材１６と略同等の大きさとなる略矩形状に形成している。そして、複数の熱交換部材２５は、それらの平面状の電極部２５ａが電極素子基板１５に配列された電極部材１６の配列状態に対応する所定の位置に配置して接合される。

具体的には、図７に示すように、一対の熱電素子１２、１３の端面と電極部材１６の一方面とが半田１８で接合されるとともに、電極素子基板１５に形成された開口孔１４ａに半田１８が盛られて電極部２５ａと電極部材１６とが接合される。

なお、複数の熱交換部材２５は、電極素子基板１５に電極部２５ａおよび熱交換部２５ｂが風の流れに沿う方向に同一方向となるように配設している。より具体的には、電極素子基板１５の一方側（図１参照）に配設する熱交換部材２５は、熱電素子群の外端に配設する場合と熱電素子群の外端の内側に配設する場合とは異なる形状で形成して所定の位置に配設している。

なお、電極素子基板１５の他方側（図２参照）に配設する熱交換部材２５は、上述した熱電素子群の外端の内側に配設する場合と同一形状のものを４列配設している。

ところで、ポリアミドからなる絶縁基板１４は、透湿性が劣ることで、絶縁基板１４の外表面、および端部から周囲の水蒸気（湿気）が透過して内部の熱電素子収容室側に結露を発生させる問題がある。

そこで、本実施形態の熱電変換装置では、一対の電極素子基板１５の間に熱電素子基板１０を積層状態に組みつけるとともに、それぞれの電極素子基板１５の外方に複数の熱交換部材２５を接合した後に、電極素子基板１５の外表面全体を図７に示すように、符号１７で示された二点鎖線に渡って無機材料による成膜処理を行っている。

この成膜処理の成膜方法として、例えば、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて成膜処理を行っている。この方法は、化学気相成長法の一種であり、２種類以上の材料（元素もしくは化合物）を交互に供給して、絶縁基板１４表面の吸着反応、材料と目的生成物との蒸気圧の差を利用することにより１原子層または１分子層ずつ結晶成長する方法である。

例えば、Ｈ_２ＯとＡｌＣｌ_３を交互に供給することによって、置換反応によりＡＬ_２Ｏ_３を成膜することができる。つまり、原子層レベルで成膜する手法で、複雑構造物にも容易に成膜できる特徴があるため電極素子基板１５の外表面全体に成膜することが可能である。より具体的には、絶縁基板１４、および熱交換部材２５の外表面に、無機材料を用いてＡＬＤ法により防湿、絶縁層１７を形成している。

なお、成膜する材料として、アルミナ、チタニア、酸化ケイ素のいずれかの無機材料を用いている。また、ＡＬＤ法によれば、防湿、絶縁層１７の膜厚が一層あたり数ｎｍで有って、全体の膜厚が５０〜２５０ｎｍ程度に積層させることができる。

これにより、電極素子基板１５の外表面全体に防水性、透過性の優れる防水、防湿膜を形成するとともに、無機材料による電気絶縁性の優れる絶縁層を形成することができる。従って、ポリアミドからなる絶縁基板１４の透湿性の改善が図れるとともに、熱交換部材２５の外表面に防湿、絶縁層１７が形成されることで、隣り合う熱交換部材２５同士に電位が掛かっているがそれぞれが電気的に絶縁されることになる。

また、絶縁基板１４、および熱交換部材２５の外表面の他に、電極部２５ａ周りの半田１８にも防湿、絶縁層１７が形成できることで、特に、吸熱側で発生する結露水の付着による半田１８のマイグレーションの防止を図ることができる。

ここで、以上の構成による本実施形態の熱電変換装置では、端子２４ａから入力された直流電源は、図３に示すように、図中に示す左端のＰ型熱電素子１２の上端に配設された電極部材１６からＰ型熱電素子１２に流れ、下側の電極部材１６を介して右隣のＮ型熱電素子１３に直列的に流れ、次に、このＮ型熱電素子１３から上方の電極部材１６を介して右隣のＰ型熱電素子１２に直列的に流れるようになっている。

このときに、ＮＰ接合部を構成する上方の電極部材１６は、ペルチェ効果によって低温の状態となり、ＰＮ接合部を構成する下方の電極部材１６は高温の状態となる。つまり、上方に配設された熱交換部２５ｂは吸熱部である吸熱熱交換部を形成して低温の熱が伝熱されて冷却流体が接触され、下方に配設された熱交換部２５ｂは放熱部である放熱熱交換部を形成して高温の熱が伝熱されて被冷却流体が接触される。

言い換えれば、図３に示すように、一対の電極素子基板１５を区画壁として、電極素子基板１５の両側にケース部材２８で送風通路を形成して、その送風通路に空気を流通することで、熱交換部２５ｂと空気とが熱交換され、電極素子基板１５を区画壁として、上方の熱交換部２５ｂで空気を冷却することができ、下方の熱交換部２５ｂで空気を加熱することができる。

なお、本実施形態では、直流電源の正側端子を端子２４ａ側に接続し、負側端子を端子２４ｂ側に接続して端子２４ａに直流電源を入力させたが、これに限らず、直流電源の正側端子を端子２４ｂ側に接続し、負側端子を端子２４ａ側に接続して端子２４ｂに直流電源を入力させても良い。ただし、このときには、上方の熱交換部２５ｂが放熱熱交換部を形成し、下方の熱交換部２５ｂが吸熱熱交換部を形成する。

また、一対の電極素子基板１５を区画壁として、複数の熱電素子１２、１３が収容される空間に熱電素子収容室が形成される。従って、一対の電極素子基板１５により、外部からの湿気が熱電素子収容室内に浸入することはない。

次に、以上の構成による熱電変換装置の製造方法について説明する。まず、複数の熱電素子１２、１３は、第１保持板１１に形成された図示しない基板穴にＰ型、Ｎ型を交互に略碁盤目状の所定の配列形状に配列する。これにより、複数の熱電素子１２、１３が第１保持板１１に一体に構成する。これを請求項で熱電素子配列工程と称する。

なお、このときに、複数の熱電素子１２、１３を第１保持板１１に配置するために、半導体、電子部品などを制御基板に組み付けるための製造装置であるマウンター装置を用いて製造してもよい。以上の工程を熱電素子基板１０の熱電素子配列工程と請求項で称する。

次に、絶縁基板１４に複数の電極部材１６を一体に形成する。より具体的には、図８（ａ）ないし図８（ｃ）に基づいて説明する。図８（ａ）に示すように、例えば、ポリイミドからなる樹脂材で薄膜のフィルム状（例えば、板厚が１０〜２５μｍ程度）の絶縁基板１４を形成するとともに、その絶縁基板１４のいずれか一方の片面に銅材からなる銅箔層（例えば、１８〜３００μｍ）１６ａを積層させて一体に形成する。

そして、図８（ｂ）に示すように、その片面の銅箔層１６ａを、例えば、エッチング加工により、一対の熱電素子１２、１３の配列状態に対応する位置に所定の形状の電極部材１６を複数個形成する。

そして、図８（ｃ）に示すように、絶縁基板１４の電極部材１６に対向する位置に、例えば、エッチング加工により開口孔１４ａを形成する。このときの開口孔１４ａの開口面積は電極部材１６よりも小さく形成する。これにより、電極部材１６の外縁と開口孔１４ａの外周縁とが密着されていることで絶縁基板１４に電極部材１６を一体に構成することができる。

また、電極部材１６が絶縁基板１４に密着されていることにより、吸熱側の熱交換部材２５で結露した結露水が開口孔１４ａから絶縁基板１４の裏側に漏れることはない。なお、絶縁基板１４に電極部材１６を一体に構成されたものが電極素子組立体である電極素子基板１５である。以上の工程を電極素子基板１５の電極素子形成工程と請求項で称する。

次に、図８（ｄ）に示すように、まず、熱電素子基板１０に配列された複数の熱電素子１２、１３の両端面にペーストハンダなどをスクリーン印刷で薄く均一に塗っておく。そして、熱電素子基板１０の上方に一方の電極素子基板１５を重ねる。このとき、それぞれの電極部材１６が一対の熱電素子１２、１３の配列状態に対応する所定の位置に配列された状態で両者が対向して配置される。

そして、熱電素子１２、１３と電極部材１６との間に半田１８を用いて接合する。このときには、複数の熱電素子１２、１３と複数の電極部材１６とが一斉に接合される。そして、熱電素子基板１０と一方の電極素子基板１５との接合体を反転させる。そして、この接合体の上方に他方の電極素子基板１５を重ねて、上記同様に電極部材１６と一対の熱電素子１２、１３とが対向して配置される。

そして、熱電素子１２、１３と電極部材１６との間に半田１８を用いて接合する。これにより、一対の電極素子基板１５との間に電極素子基板１５が積層される。以上の工程を電極素子接合工程と請求項で称する。

そして、一対の電極素子基板１５との間に熱電素子基板１０が積層され状態において、図８（ｅ）に示すように、第１保持板１１の端部と下側の絶縁基板１４の末端面との間に接着剤２１により接着するとともに、下側の絶縁基板１４の末端面と上側の絶縁基板１４の末端面との間に接着剤２１で接着する。

なお、このときに、上側および下側の絶縁基板１４の端部にも接着剤２１で封止する。これにより、一対の電極素子基板１５によって仕切られた熱電素子収容室と外部とが封止される。従って、熱電素子基板１０の外周端から熱電素子収容室内に空気が侵入することはない。以上の工程を封止工程と請求項で称する。

なお、本実施形態では、外部と熱電素子収容室とを封止するために接着剤２１を用いて封止させたが、これに限らず、絶縁基板１４同士、もしくは第１保持板１１と絶縁基板１４との熱溶着で第１保持板１１の端部を封止させても良い。

次に、図８（ｆ）に示すように、一対の電極素子基板１５との間に熱電素子基板１０が積層された状態において、電極素子基板１５に形成された開口孔１４ａにペーストハンダなどをスクリーン印刷で薄く均一に塗っておく。

そして、一方の電極素子基板１５に形成された開口孔１４ａそれぞれの上方に熱交換部材２５の電極部２５ａを配置させる。そして、電極部２５ａと電極部材１６との間に半田１８を用いて接合する。このときには、複数の熱交換部材２５と複数の電極部材１６とが一斉に接合される。

そして、接合体を反転させて他方の電極素子基板１５に形成された開口孔１４ａそれぞれの上方に熱交換部材２５の電極部２５ａを配置させる。そして、電極部２５ａと電極部材１６との間に半田１８を用いて接合する。これにより、複数の熱交換部材２５が電極素子基板１５の外方に配設される。

また、電極部２５ａと電極部材１６との接合部は、電極部材１６が電極部２５ａよりも小さく形成しても良いし、大きく形成しても良い。以上の工程を熱交換素子接合工程と請求項で称する。

次に、図８（ｇ）に示すように、一対の電極素子基板１５との間に熱電素子基板１０が積層された状態において、電極素子基板１５および熱交換部材２５の外表面全体に無機材料を用いてＡＬＤ法により原子層を成膜させて防湿、絶縁層１７を形成している。

このときの材料として、アルミナ、チタニア、酸化ケイ素のいずれか１種類もしくは２種類以上を積層した無機材料を成膜させて、全体の膜厚が５０〜２５０ｎｍ程度の防湿、絶縁層１７を形成している。

これにより、電極素子基板１５の外表面全体に防水性、透過性の優れる防水、防湿膜を形成するとともに、無機材料による電気絶縁性の優れる絶縁層を形成することができる。以上の工程を防湿、絶縁層形成工程と請求項で称する。

そして、一方の電極素子基板１５の上方側、他方の電極素子基板１５の下方側を、図３に示すように、ケース部材２８により送風経路を形成するように組み付けることで、上方側に吸熱熱交換部が形成され、下方側に放熱熱交換部が形成されて、これに空気を流通させることで冷風、温風を得ることが可能となる。

以上の第１実施形態による熱電変換装置によれば、フィルム状からなる絶縁基板１４に複数の電極素子１６を一対の熱電素子１２、１３の配列状態に対応する所定の配列形状に配列にしてなる一対の電極素子基板１５が設けられ、この一対の電極素子基板１５との間に熱電素子基板１０が積層された状態において、一対の電極素子基板１５、および複数の熱交換部材２５の外表面には、無機材料からなる防湿、絶縁層１７が形成されている。

これによれば、絶縁基板１４の外表面に防湿、絶縁層１７が形成されることで絶縁基板１４の透湿性の改善が図れる。これにより、一対の電極素子基板１５により仕切られた熱電素子収納室内に外部からの湿気の侵入を防止することができる。

なお、熱電素子１２、１３は周囲の湿気により結露した水が凍結すると、凍結割れを発生する可能性があるため、熱電素子収納室内に湿気を侵入させないことによって、熱電素子１２、１３に保護膜等の耐水処理を必要としない。

また、一対の電極素子基板１５には吸熱側と放熱側との温度差により電極部材１６に熱応力が作用するが、フィルム状の絶縁基板１４は可撓性を有するため熱応力を吸収することができる。

また、熱交換部材２５の外表面に防湿、絶縁層１７が形成されることで、隣り合う熱交換部材２５同士に電位が掛かっているがそれぞれが電気的に絶縁されることになる。さらに、これら隣り合う熱交換部材２５同士との空間は非常に狭く設定していることで、送風通路に異物が混入されるとショートの恐れがあるが、成膜処理によりショートの発生を防止することができる。

防湿、絶縁層１７は、アルミナ、チタニアもしくは酸化ケイ素のいずれかの無機材料を用いて、ＡＬＤ法による成膜処理することにより、外表面が複雑な形状に構成していても容易に防湿、絶縁層１７の形成が可能である。

また、隈なく防湿、絶縁層１７の形成ができることで、絶縁基板１４からの熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる。さらに、これらの無機材料を用いることで防湿、絶縁層１７の膜厚を薄く形成することができる。

また、第１保持板１１は、その端部が一対の絶縁基板１４同士もしくは一対の絶縁基板１４の一方のいずれかで接着剤もしくは熱溶着により封止されていることにより、第１保持板１１の端部から熱電素子収容室への湿気の侵入を防止することができる。

（第２実施形態）
以上の第１実施形態では、電極素子基板１５および熱交換部材２５の外表面に防湿、絶縁層１７を形成するように構成したが、これに限らず、熱交換部材２５を電極素子基板１５に接合する前の状態で防湿、絶縁層１７を形成するように構成しても良い。

具体的には、図９（ｅ）に示す封止工程の後に、防湿、絶縁層形成工程を行うように構成している。より具体的には、図９（ｆ）ないし図９（ｈ）に示す製造工程の流れに基づいて説明する。ここで、図９（ａ）ないし図９（ｅ）までの製造工程は、第１実施形態と同じ工程であるため説明を省略する。

従って、図９（ｅ）に示す封止工程の後に、図９（ｆ）に示す防湿、絶縁層形成工程を行うようにしている。より具体的には、図９（ｆ）に示すように、一対の電極素子基板１５との間に熱電素子基板１０を積層させた状態において、第１保持板１１の外周端を絶縁基板１４で封止させた後に、一対の電極素子基板１５の外表面に図中に２点鎖線で示す防湿、絶縁層１７を形成している。

これにより、ポリアミドからなる絶縁基板１４の透湿性の改善が図れることで、一対の電極素子基板１５により仕切られた熱電素子収納室内に外部からの湿気の侵入を防止することができる。以上の工程を防湿、絶縁層形成工程と請求項で称する。

次に、図９（ｇ）に示すように、一対の電極素子基板１５との間に熱電素子基板１０が積層された状態において、電極素子基板１５に形成された開口孔１４ａに銅などを主成分とする導電性ペーストをスクリーン印刷で薄く均一に塗布し、加熱乾燥させて防湿、絶縁層１７上に第２電極部１９を形成する。これにより、防湿、絶縁層１７上に接触抵抗の小さい状態の第２電極部１９が形成できる。以上の工程を第２電極部形成工程と請求項で称する。

次に、図９（ｈ）に示すように、一方の電極素子基板１５に形成された開口孔１４ａそれぞれの上方に熱交換部材２５の電極部２５ａを配置させる。そして、電極部２５ａと電極部材１６との間に半田１８を用いて接合する。

以上の第２実施形態による熱電変換装置によれば、熱交換部材２５の電極部２５ａと接合される電極部材１６に防湿、絶縁層１７が形成され、その上方に第２電極部１９が形成されるが、無機材料で形成される防湿、絶縁層１７は、膜厚が薄く形成することができるため、接合部の熱抵抗が小さい。

また、防湿、絶縁層１７の表面に形成された防湿、絶縁層１７を介して電極部２５ａと電極部材１６とを半田１８で接合するため熱抵抗をより小さくすることができる。これにより、電極部２５ａと電極部材１６とを半田１８で直接接合したときと同等の熱電変換性能が得られる。

（他の実施形態）
以上の実施形態では、電極部材１６を絶縁基板１４に一体に形成して熱電素子１２、１３の端面に接合するように構成したが、これに限らず、電極部材１６を平板状に形成して絶縁基板１４に接着により一体に構成しても良い。

また、以上の実施形態では、絶縁基板１４を薄膜のフィルム状で形成したが、これに限らず、ガラスエポキシ樹脂などの絶縁基板１４で形成し、その絶縁基板１４に平板状からなる電極部材１６を一体に構成しても良い。

また、以上の実施形態では、熱交換部材２５の熱交換部２５ｂをルーバー状に形成したが、これに限らず、熱交換部２５ｂの形状をオフセット状に形成しても良い。

本発明の第１実施形態における吸熱側に配設される熱交換部材２５の配列形態を示す平面図である。本発明の第１実施形態における放熱側に配設される熱交換部材２５の配列形態を示す下面図である。図１に示すＡ−Ａ断面図である。図３に示すＣ−Ｃ断面図である。図３に示すＤ−Ｄ断面図である。本発明の第１実施形態における熱電変換装置の全体構成を示す分解模式図である。図１に示すＢ−Ｂ断面図である。（ａ）ないし（ｇ）は本発明の第１実施形態における熱電変換装置の製造工程の流れを示す説明図である。（ａ）ないし（ｈ）は本発明の第２実施形態における熱電変換装置の製造工程の流れを示す説明図である。

符号の説明

１０…熱電素子基板（熱電素子組立体）
１２…Ｐ型熱電素子、熱電素子
１３…Ｎ型熱電素子、熱電素子
１４…絶縁基板
１４ａ…開口孔
１５…電極素子基板（電極素子組立体）
１６…電極部材（電極素子）
１７…防湿、絶縁層
１９…第２電極部
２５…熱交換部材（熱交換素子）
２５ａ…電極部
２５ｂ…熱交換部

Claims

複数のＰ型熱電素子（１２）と複数のＮ型熱電素子（１３）を所定の配列形状に配列にしてなる熱電素子組立体（１０）と、
前記熱電素子組立体（１０）に隣接する一対の熱電素子（１２、１３）のそれぞれを電気的に直列接続する複数の電極素子（１６）とを備え、
前記一対の熱電素子（１２、１３）のそれぞれと前記複数の電極素子（１６）のそれぞれとが電気的に直列接続されることで前記複数の電極素子（１６）が吸熱側と放熱側とに区画して配設される熱電変換装置において、
絶縁基板（１４）に前記複数の電極素子（１６）を前記一対の熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列形状に配列にしてなる一対の電極素子組立体（１５）が設けられ、
前記一対の電極素子組立体（１５）との間に前記熱電素子組立体（１０）が積層された状態において、前記一対の電極素子組立体（１５）の外表面には、無機材料からなる防湿、絶縁層（１７）が形成されていることを特徴とする熱電変換装置。
前記複数の電極素子（１６）のそれぞれには、前記電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）が設けられ、
前記防湿、絶縁層（１７）は、前記電極素子（１６）に前記電極部（２５ａ）が接合される前に形成していることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
前記複数の熱交換素子（２５）のそれぞれは、前記複数の電極素子（１６）のそれぞれの一端面に形成された前記防湿、絶縁層（１７）上に形成された第２電極部（１９）を介して前記電極部（２５ａ）を半田により接合されていることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
前記複数の電極素子（１６）のそれぞれには、前記電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）が設けられ、
前記防湿、絶縁層（１７）は、前記電極素子（１６）に前記電極部（２５ａ）が接合された後に前記複数の熱交換素子（２５）の外表面も含めて形成していることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
前記防湿、絶縁層（１７）は、アルミナ、チタニアもしくは酸化ケイ素のいずれか２種以上の無機材料を用いることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記防湿、絶縁層（１７）は、成膜方法としてＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成していることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記絶縁基板（１４）同士が接着剤もしくは熱溶着のいずれかにより封止されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
前記絶縁基板（１４）はポリイミドからなる樹脂材で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の熱電変換装置。
複数のＰ型熱電素子（１２）と複数のＮ型熱電素子（１３）を所定の配列形状に配列する熱電素子組立体（１０）の熱電素子配列工程と、
前記熱電素子組立体（１０）に隣接する一対の熱電素子（１２、１３）のそれぞれを電気的に直列接続する複数の電極素子（１６）を備え、絶縁基板（１４）に前記複数の電極素子（１６）を前記一対の熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列形状に配列する電極素子組立体（１５）の電極素子形成工程と、
前記一対の電極素子組立体（１５）との間に前記熱電素子組立体（１０）が積層された状態において、前記一対の電極素子組立体（１５）の外表面に、無機材料からなる防湿、絶縁層（１７）を形成する防湿、絶縁層形成工程と、
前記一対の電極素子組立体（１５）との間に前記熱電素子組立体（１０）が積層された状態において、前記一対の熱電素子（１２、１３）の端面に前記電極素子（１６）を接合する電極素子接合工程とを具備することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
前記電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）を備え、前記電極素子組立体（１５）に形成された前記複数の電極素子（１６）のそれぞれに前記電極部（２５ａ）を半田により接合する熱交換素子接合工程を有し、
前記防湿、絶縁層形成工程は、前記熱交換素子接合工程の前に行うことを特徴とする請求項９に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記防湿、絶縁層形成工程により前記複数の電極素子（１６）の一方面に形成された前記防湿、絶縁層（１７）上に第２電極部（１９）を形成する第２電極部形成工程を有し、
前記熱交換素子接合工程は、前記第２電極部形成工程を行った後に前記複数の電極素子（１６）のそれぞれに前記電極部（２５ａ）を接合することを特徴とする請求項１０に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記電極素子（１６）に伝熱可能に接合される電極部（２５ａ）と、その電極部（２５ａ）より伝熱される熱を熱交換する熱交換部（２５ｂ）とを有する複数の熱交換素子（２５）を備え、前記電極素子組立体（１５）に形成された前記複数の電極素子（１６）のそれぞれに前記電極部（２５ａ）を半田により接合する熱交換素子接合工程を有し、
前記防湿、絶縁層形成工程は、前記熱交換素子接合工程を行った後に、前記複数の熱交換素子（２５）の外表面も含めて前記一対の電極素子組立体（１５）の外表面に防湿、絶縁層（１７）を形成することを特徴とする請求項９に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記防湿、絶縁層形成工程は、無機材料としてアルミナ、チタニアもしくは酸化ケイ素のいずれかの１種以上を用いるとともに、成膜方法として、ＡＬＤ（ＡｔｏｍｉｃＬａｙｅｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により前記防湿、絶縁層（１７）を形成していることを特徴とする請求項９ないし請求項１２のいずれか一項に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記電極素子接合工程を行った後に、前記絶縁基板（１４）同士もしくは前記一対の絶縁基板（１４）の一方のいずれかで接着剤もしくは熱溶着のいずれかにより封止する封止工程を有することを特徴とする請求項９ないし請求項１３のいずれか一項に記載の熱電変換装置の製造方法。