JP2007227508A

JP2007227508A - 熱電変換モジュールおよびその製造方法

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Publication number: JP2007227508A
Application number: JP2006044912A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Kawauchi; 康弘川内; Takanori Nakamura; 孝則中村
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-02-22
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-02-22
Also published as: US20090032080A1; WO2007097059A1; EP1988584A1; US8575469B2; CN101385153B; EP1988584A4; CN101385153A; JP3879769B1; US20120021551A1

Abstract

【課題】小型化かつ高性能化が可能な熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】多層回路基板の製造技術、特にビア導体の形成技術を用いて、複数の絶縁層２からなる積層体３の内部に、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５を形成する。対をなすｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とは、ｐｎ間接続導体１１によって互いに直列に電気的接続されて熱電変換素子対１０を構成し、複数の熱電変換素子対１０は、たとえば、直列配線導体１２によって直列に接続される。熱電半導体４，５の各々は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分２１〜２３および２４〜２６を有し、これら複数の部分は、積層体３の積層方向に分布する。
【選択図】図２

Description

この発明は、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関するもので、特に、熱電変換モジュールの小型化および高性能化を図るための改良に関するものである。

この発明にとって興味ある従来技術として、たとえば、特開平８−１５３８９９号公報（特許文献１）に記載されたもの、および特開平８−２２２７７０号公報（特許文献２）に記載されたものがある。

特許文献１では、間隔をあけて複数の透孔が設けられた絶縁性型枠を備える熱電変換モジュールが記載されている。上記透孔には、ｐ型またはｎ型化合物半導体素子が充填されるが、ｐ型半導体化合物素子が充填された透孔とｎ型半導体化合物素子が充填された透孔とが交互に並ぶようにされる。また、型枠の上下面には、対をなすｐ型半導体化合物素子とｎ型半導体化合物素子とを電気的に直列に接続する電極が設けられる。特許文献１では、型枠の材料として、ガラスまたはセラミックが開示されている。

上記の特許文献１に記載された熱電変換モジュールでは、ｐ型およびｎ型半導体化合物素子のそれぞれについて、１種類の半導体化合物材料を用いている。すなわち、１つの透孔には、１種類の半導体化合物材料が充填されているに過ぎない。したがって、性能指数がピークを示す温度が１つであるため、すなわち、変換ピークが１つであるため、熱電変換効率が比較的低い。

次に、特許文献２では、熱電変換モジュールの製造方法が記載されている。すなわち、板状のｎ型熱電半導体と絶縁体とを交互に積層し、これを積層面に直角に切断したｎ型積層体と、板状のｐ型熱電半導体と絶縁体とを交互に積層し、これを積層面に直角に切断したｐ型積層体とを作製し、これらｎ型積層体とｐ型積層体とを、絶縁体を挟みながら交互に積層し、さらに、隣り合うｎ型熱電半導体とｐ型熱電半導体とを直列に接続する配線導体を形成する、各工程を備える、熱電変換モジュールの製造方法が記載されている。上記絶縁体の材料として、特許文献２では、エポキシ樹脂が開示されている。

特許文献２に記載の製造方法では、ｎ型積層体とｐ型積層体とを交互に積層する際、これら積層体の位置がずれやすく、そのため、熱電半導体と配線導体とが適正に電気的接続されないことがある。その結果、電気的不導通を招いたり、電気的短絡を招いたりすることがある。
特開平８−１５３８９９号公報特開平８−２２２７７０号公報

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供しようとすることである。

上述した技術的課題を解決するため、この発明に係る熱電変換モジュールは、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体とを備えている。

上記積層体には、ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、およびｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなすｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられる。

上記第１および第２の収容穴は、特定の複数の絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられる。

そして、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分は、積層体の積層方向に分布していることを特徴としている。

この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有していることが好ましい。

また、積層体には、複数の熱電変換素子対が設けられていることが好ましい。この場合、積層体には、複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられたり、複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられたりする。

この発明は、また、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体とを備え、積層体には、ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、およびｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなすｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられ、第１および第２の収容穴が、特定の複数の絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられている、熱電変換モジュールを製造する方法にも向けられる。

この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、前記絶縁層となるべき複数の絶縁性シートを準備する工程と、前記ｐ型熱電半導体のためのｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体のためのｎ型熱電半導体材料を準備する、半導体材料準備工程と、特定の絶縁性シートに前記第１および第２の貫通孔を設ける工程と、第１の貫通孔および第２の貫通孔に、それぞれ、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料を充填する、充填工程と、特定の絶縁性シート上に前記ｐｎ間接続導体を形成する工程と、前記積層体を得るように、複数の絶縁性シートを積層する、積層工程とを備えることを特徴としている。

この発明に係る製造方法によって製造される熱電変換モジュールは、前述したような、この発明に係る熱電変換モジュールには限定されない。すなわち、前述した「ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分は、積層体の積層方向に分布している」という構成を備えない熱電変換モジュールの製造に対しても、この発明に係る製造方法を適用することができる。しかしながら、この発明に係る製造方法は、前述した、この発明に係る熱電変換モジュールの製造において特に有利に適用される。

したがって、好ましい実施態様では、上記半導体材料準備工程は、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料の少なくとも一方について、性能指数のピーク温度が互いに異なる熱電半導体のための複数種類の熱電半導体材料を用意する工程を備え、上記充填工程は、複数種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔に熱電半導体材料を充填する工程を備え、上記積層工程は、貫通孔に異なる種類の熱電半導体材料が充填された複数種類の絶縁性シートを同じ積層体内で混ぜて積層する工程を備えている。

熱電変換モジュールが、積層体に、複数の熱電変換素子対を備え、かつ複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられているものである場合には、特定の絶縁性シート上に直列配線導体を形成する工程がさらに実施される。

また、熱電変換モジュールが、積層体に、複数の熱電変換素子対を備え、かつ複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられているものである場合、特定の絶縁性シート上に並列配線導体を形成する工程がさらに実施される。

この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法において、絶縁性シートは、セラミックグリーンシートであることが好ましい。この場合、前記積層工程の後、積層体を焼成する工程がさらに実施される。

この発明に係る熱電変換モジュールによれば、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の少なくとも一方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分が、積層体の積層方向に分布しているので、いわゆるカスケード構造を実現でき、特定の温度領域にわたって熱電変換効率を高めることができる。

上述のように、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有する構成が、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の双方について採用されていると、熱電変換効率をより高めることができる。

積層体に複数の熱電変換素子対が設けられている場合には、これら複数の熱電変換素子対を、積層体に設けられる配線導体によって任意に電気的に接続することができ、比較的高い自由度をもって、熱電変換モジュールの設計を行なうことができ、その結果、種々の特性を有する熱電変換モジュールを実現することが容易になる。たとえば、熱電変換モジュールが発電装置として用いられる場合、積層体に、複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられていると、高い電圧を得ることができる。他方、複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられていると、大きな電流を許容することができる。

次に、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、多層回路基板の製造方法と実質的同様の基本的工程を備えている。すなわち、熱電変換モジュールに備える積層体が多層回路基板に対応し、熱電半導体がビア導体に対応し、ｐｎ間接続導体あるいは直列および並列配線導体が積層体を構成する複数の絶縁層間に形成される導体膜に対応している。

したがって、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法によれば、積層体に、高い配置密度をもってビア導体に対応する熱電半導体を設けることができ、熱電変換モジュールの小型化および高性能化を容易に図ることができる。

また、多層回路基板の場合と同様、配線導体の設計の自由度が比較的高く、また、熱電変換素子の配置についても設計の自由度が高いため、要望される特性を満足する熱電変換モジュールを容易に提供することができる。

また、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法によれば、絶縁性シートに貫通孔を設け、貫通孔に熱電半導体材料を充填し、複数の絶縁性シートを積層することによって、熱電半導体の形態を得るようにしているので、ある熱電半導体と他の熱電半導体との間での位置ずれが生じにくい。したがって、得られた熱電変換モジュールにおいて、電気的不導通や電気的短絡を生じにくくすることができる。

熱電半導体が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分が積層体の積層方向に分布している、熱電変換モジュールの製造に対して、この発明に係る製造方法が適用される場合には、複数種類の熱電半導体材料を用意し、複数種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔に熱電半導体材料を充填する工程を実施し、貫通孔に異なる種類の熱電半導体材料が充填された複数種類の絶縁性シートを同じ積層体内で混ぜて積層するようにすれば、上述したような構造の熱電変換モジュールを容易に製造することができる。

この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法において、絶縁性シートがセラミックグリーンシートであり、積層工程の後、積層体を焼成する工程がさらに実施される場合には、従来からすでに確立している多層セラミック配線基板の製造方法と実質的に同様の工程を採用しながら、熱電変換モジュールを製造することができる。したがって、製造設備の共通化などにより、熱電変換モジュールの製造コストの低減を期待することができる。

図１ないし図８は、この発明の第１の実施形態による熱電変換モジュール１を説明するためのものである。ここで、図１は、熱電変換モジュール１の外観を示す平面図であり、図２は、図１の線Ｓ２−Ｓ２に沿う断面図である。図３〜図８は、それぞれ、図２の線Ｓ３〜線Ｓ８に沿う切断面を示す平面図である。

熱電変換モジュール１は、電気絶縁性を有する複数の絶縁層２の積層構造を有する積層体３を備えている。絶縁層２は、たとえば、ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック材料やＺｎＯ−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス材料などのアルミナを主成分とする材料から構成される。熱電変換モジュール１は、積層体３の内部に配置される各々複数のｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５を備えている。ｐ型熱電半導体４は、たとえばクロメルから構成され、ｎ型熱電半導体５は、たとえばコンスタンタンから構成される。ｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とは、図２および図５〜図７に示されているように、縦方向および横方向の各々に関して交互に配置されている。

積層体３には、ｐ型熱電半導体４を収容する複数の第１の収容穴６、およびｎ型熱電半導体５を収容する複数の第２の収容穴７が設けられている。これら第１および第２の収容穴６および７は、特定の複数の絶縁層２を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔８および９によってそれぞれ与えられる。

積層体３には、１対のｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とからなる熱電変換素子対１０を形成するように、対をなすｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体１１が設けられている。ｐｎ間接続導体１１は、図２および図８に示されるように、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。

この実施形態では、複数の熱電変換素子対１０は、直列に接続され、高い出力電圧が得られるように構成されている。そのため、積層体３には、複数の熱電変換素子対１０を直列に順次接続するための直列配線導体１２が設けられている。直列配線導体１２は、図２および図４に示されているように、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。

熱電変換モジュール１は、積層体３を挟むように配置される１対の外層１３および１４を備えている。外層１３および１４は、熱電半導体４および５の熱接点および冷接点に接触するもので、電気絶縁性を有しかつ熱伝導性が比較的良好な材料から構成されることが好ましい。外層１３および１４は、たとえば、絶縁層２と同じ材料から構成される。

熱電変換モジュール１は、直列接続された複数の熱電変換素子対１０を電気的に外部へ引出すための引出し導体膜１５および１６、引出しビア導体１７および１８ならびに端子電極１９および２０を備えている。引出し導体膜１５および１６は、図２および図８に示されるように、ｐｎ間接続導体１１と同様、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。引出しビア導体１７および１８は、それぞれ、その一方端が引出し導体膜１５および１６に電気的に接続されながら、積層体３および一方の外層１３を厚み方向に貫通するように設けられ、外層１３の外方に向く面上に形成された端子電極１９および２０に電気的に接続される。

これら引出し導体膜１５および１６、引出しビア導体１７および１８ならびに端子電極１９および２０、さらには前述したｐｎ間接続導体１１および直列配線導体１２は、たとえばＣｕを導電成分とする導電材料から構成される。

以上のような熱電変換モジュール１において、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有している。より具体的には、ｐ型熱電半導体４は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分２１、中程度の中ピーク温度部分２２および比較的高い高ピーク温度部分２３を有している。他方、ｎ型熱電半導体５は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分２４、中程度の中ピーク温度部分２５および比較的高い高ピーク温度部分２６を有している。低ピーク温度部分２１および２４が、図５に示すように、図２の切断面Ｓ５上に表われ、中ピーク温度部分２２および２５が、図６に示すように、図２の切断面Ｓ６上に表われ、高ピーク温度部分２３および２６が、図７に示すように、図２の切断面Ｓ７上に表われていることからわかるように、これら複数の部分２１〜２３ならびに２４〜２６は、積層体３の積層方向に分布している。

なお、低ピーク温度部分２１および２４、中ピーク温度部分２２および２５、ならびに高ピーク温度部分２３および２６の配置順序、厚み（積層方向での寸法）等については、任意に変更することができる。

上述のように、熱電半導体４および５が性能指数のピーク温度の互いに異なる部分２１〜２３および２４〜２６を有するカスケード構造によれば、熱電変換モジュール１を、特定の温度領域にわたって熱電変換効率の高いものとすることができる。

次に、熱電変換モジュール１の好ましい製造方法について説明する。

まず、絶縁層２となるべき複数の絶縁性シートが準備される。絶縁性シートとしては、好ましくは、たとえばＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック材料を含む複数のセラミックグリーンシートが準備される。次いで、特定のセラミックグリーンシートには、前述した第１および第２の貫通孔８および９が、たとえばレーザを用いて設けられる。また、上述した絶縁層２となるべき絶縁性シートと同様の組成をもって、外層１３および１４の各々となるべき絶縁性シートも用意される。

他方、ｐ型熱電半導体４のためのｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体５のためのｎ型熱電半導体材料が準備される。ｐ型熱電半導体材料としては、たとえば、クロメル粉末に有機ビヒクルを加えてペースト化したものが準備される。ｎ型熱電半導体材料としては、たとえば、コンスタンタン粉末に有機ビヒクルを加えてペースト化したものが準備される。なお、ｐ型熱電半導体材料としては、前述した低ピーク温度部分２１、中ピーク温度部分２２および高ピーク温度部分２３にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる３種類のｐ型熱電半導体材料が準備され、ｎ型熱電半導体材料としては、前述した低ピーク温度部分２４、中ピーク温度部分２５および高ピーク温度部分２６にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる３種類のｎ型熱電半導体材料が準備される。

次に、第１の貫通孔８および第２の貫通孔９に、それぞれ、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料が充填される。この充填工程では、たとえば、第２の貫通孔９をマスキングしながら、第１の貫通孔８にｐ型熱電半導体材料を充填し、次いで、第１の貫通孔８をマスキングしながら、第２の貫通孔９にｎ型熱電半導体材料を充填することが行なわれる。この場合、スクリーン印刷を適用すれば、熱電半導体材料を充填すべき貫通孔以外の貫通孔はマスキングされた状態となっているので、特別にマスキングするためのマスキング部材およびマスキング工程が不要であるので好ましい。充填工程では、前述した低ピーク温度部分２１および２４、中ピーク温度部分２２および２５ならびに高ピーク温度部分２３および２６の各々に対応して、３種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔８および９に対応の熱電半導体材料を充填する工程が実施される。

他方、前述した引出しビア導体１７および１８を形成するため、絶縁性シートに貫通孔が設けられ、各貫通孔に、たとえばＣｕを含む導電性ペーストが充填される。

次に、特定の絶縁性シート上に、前述したｐｎ間接続導体１１ならびに引出し導体膜１５および１６が形成され、また、他の特定の絶縁性シート上に前述した直列配線導体１２が形成される。これらｐｎ間接続導体１１、直列配線導体１２ならびに引出し導体膜１５および１６の形成には、たとえば、Ｃｕを含む導電性ペーストのスクリーン印刷が適用される。

また、さらに他の絶縁性シートに、引出しビア導体１７および１８の各一部ならびに端子電極１９および２０が形成される。なお、端子電極１９および２０については、後述する焼成工程の後に形成するようにしてもよい。

次に、積層体３を得るように、絶縁層２となるべき複数の絶縁性シートが積層されるとともに、外層１３および１４となるべき絶縁性シートが積層され、圧着され、必要に応じてカットされ、次いで、焼成される。この焼成の結果、絶縁性シートが焼結した絶縁層２ならびに外層１３および１４となり、同時に、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料がそれぞれ焼結したｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５となり、さらに、ｐｎ間接続導体１１、直列配線導体１２、引出し導体膜１５および１６ならびに引出しビア導体１７および１８においても焼結した状態となり、熱電変換モジュール１が完成される。

上述の積層工程では、貫通孔８および９に異なる種類の熱電半導体材料が充填された３種類の絶縁性シートを同じ積層体３内で混ぜて積層することが行なわれ、その結果、積層体３には、図２に示すようなカスケード構造が実現される。

図１ないし図８に示した第１の実施形態による熱電変換モジュール１について、ｐ型熱電半導体４の材料としてクロメルを用い、ｎ型熱電半導体５の材料としてコンスタンタンを用い、積層体３の焼成前の厚みを３００μｍとし、収容穴６および７の直径を２００μｍとし、熱電半導体４および５の配列ピッチを４００μｍとし、１ｃｍ^２あたり２２８個の熱電変換素子対１０を設けたものを試料とし、熱電半導体４および５の一方端側をヒータで加熱し、他方端側をファンによって空冷することによって、１対の絶縁板１３および１４間に２５０Ｋの温度差を与えたとき、１．４Ｗ／ｃｍ^２の出力が得られた。

図９ないし図１８は、この発明の第２の実施形態による熱電変換モジュール３１を説明するためのものである。ここで、図９は、熱電変換モジュール３１の外観を示す平面図であり、図１０は、図９の線Ｓ１１−Ｓ１１に沿う断面図である。図１１〜図１８は、それぞれ、図１０の線Ｓ１２〜線Ｓ１９に沿う切断面を示す平面図である。図９ないし図１８において、図１ないし図８に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

第２の実施形態による熱電変換モジュール３１は、簡単に言えば、複数の熱電変換素子対１０が並列に接続されていることを特徴としている。そのため、図１２ないし図１４に示すような並列配線導体３２〜３７が積層体３に設けられている。図１２には、絶縁層２に沿って設けられる並列配線導体としての並列配線導体膜３２および３３が示され、図１３には、絶縁層２の厚み方向に貫通するように設けられる並列配線導体としての並列配線ビア導体３４および３５が示され、図１４には、絶縁層２に沿って設けられる並列配線導体としての並列配線導体膜３６および３７が示されている。

図１５〜図１７と図１８とを対比すればわかるように、前述の第１の実施形態の場合と同様、対をなすｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とは、ｐｎ間接続導体１１によって互いに直列に電気的に接続され、それによって、熱電変換素子対１０が構成されている。

図１４と図１５〜図１７とを対比すればわかるように、複数の熱電変換素子対１０の各端部は、図１５〜図１７において縦方向に並ぶものの間で、並列配線導体膜３６および３７によって並列にそれぞれ接続されている。ここで、熱電変換素子対１０の一方端部に接続される並列配線導体膜３６と他方端部に接続される並列配線導体膜３７とは交互に配置されている。

図１２〜図１４を参照すればわかるように、一方のグループの並列配線導体膜３６は、並列配線ビア導体３４を介して並列配線導体膜３２に接続され、他方のグループの並列配線導体膜３７は、並列配線ビア導体３５を介して並列配線導体膜３３に接続されている。

また、図１１に示すように、外層１３には、引出しビア導体３８および３９が厚み方向に貫通するように設けられ、その外方に向く面上には、端子電極４０および４１が設けられている。したがって、図９、図１１および図１２を参照すればわかるように、端子電極４０は、引出しビア導体３８を介して並列配線導体膜３２に接続され、端子電極４１は、引出しビア導体３９を介して並列配線導体膜３３に接続される。

このようにして、１対の端子電極４０および４１の間で、複数の熱電変換素子対１０が並列に接続された、熱電変換モジュール３１が構成される。

このような熱電変換モジュール３１は、並列配線導体としての並列配線導体膜３２および３３、並列配線ビア導体３４および３５ならびに並列配線導体膜３６および３７を、特定の絶縁性シート上に形成する工程を備えることを除いて、前述した熱電変換モジュール１と実質的に同様の製造方法を適用して製造することができる。

図１９は、この発明の第３の実施形態による熱電変換モジュール５１を示す、図２または図１０に相当する断面図である。図１９において、図２または図１０に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

第３の実施形態による熱電変換モジュール５１は、簡単に言えば、複数の熱電変換素子対１０が直列に接続されている、図２に示した熱電変換モジュール１を複数個組み合わせて、それらを並列に接続した構造を有している。

より具体的には、図２の熱電変換モジュール１に相当する複数の構造物の各々に備える引出しビア導体１７および１８（引出しビア導体１７については、図１９に図示されない。）が互いに電気的に接続され、それによって、図２の熱電変換モジュール１に相当する複数の構造物が並列に電気的接続されている。

なお、図１９に示した熱電変換モジュール５１は、図２の熱電変換モジュール１に相当する構造物を２個備えるものであったが、必要に応じて、３個以上の構造物を備えるように変更されてもよい。

以上、この発明に係る熱電変換モジュールを、図示した実施形態に関連して説明したが、その他種々の変形例が可能である。

たとえば、熱電変換モジュールが複数の熱電変換素子対を備える場合、これら熱電変換素子対の接続態様については、図示したもの以外にも種々のものがある。また、熱電変換素子対の数についても、任意に変更することができ、たとえ１個の熱電変換素子対のみを備える場合であっても、この発明を適用することができる。

また、図示の実施形態では、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる３つの部分を有していたが、性能指数のピーク温度が互いに異なる部分の数は任意に変更することができる。また、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有しているのは、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体のいずれか一方のみであってもよい。

また、図示の実施形態では、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分が、ｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とで互いに同じ分布態様をもって配置されている。言い換えると、積層体３内の１つの絶縁層２について見れば、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５の各々について、性能指数のピーク温度が互いに同じものが複数の貫通孔８および９の各々に充填されている。しかしながら、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の少なくとも一方については、１つの絶縁層に設けられる複数の貫通孔に、性能指数のピーク温度が互いに異なるものがそれぞれ充填されてもよい。

また、熱電変換モジュールにおいて、温度差による熱応力を緩和するため、熱電半導体および／または絶縁層に関して、その材料自身を変えたり、熱膨張率が互いに異なる材料からそれぞれなる複数の部分を組み合わせたりするといった工夫が図られてもよい。たとえば、絶縁層は、セラミックやガラスに限らず、樹脂などから構成されてもよい。

この発明の第１の実施形態による熱電変換モジュール１の外観を示す平面図である。図１の線Ｓ２−Ｓ２に沿う断面図である。図２の線Ｓ３に沿う切断面を示す平面図である。図２の線Ｓ４に沿う切断面を示す平面図である。図２の線Ｓ５に沿う切断面を示す平面図である。図２の線Ｓ６に沿う切断面を示す平面図である。図２の線Ｓ７に沿う切断面を示す平面図である。図２の線Ｓ８に沿う切断面を示す平面図である。この発明の第２の実施形態による熱電変換モジュール３１の外観を示す平面図である。図９の線Ｓ１１−Ｓ１１に沿う断面図である。図１０の線Ｓ１２に切断面を示す平面図である。図１０の線Ｓ１３に切断面を示す平面図である。図１０の線Ｓ１４に切断面を示す平面図である。図１０の線Ｓ１５に切断面を示す平面図である。図１０の線Ｓ１６に切断面を示す平面図である。図１０の線Ｓ１７に切断面を示す平面図である。図１０の線Ｓ１８に切断面を示す平面図である。図１０の線Ｓ１９に切断面を示す平面図である。この発明の第３の実施形態による熱電変換モジュール５１を示す、図２または図１０に相当する断面図である。

符号の説明

１，３１，５１熱電変換モジュール
２絶縁層
３積層体
４ｐ型熱電半導体
５ｎ型熱電半導体
６第１の収容穴
７第２の収容穴
８第１の貫通孔
９第２の貫通孔
１０熱電変換素子対
１１ｐｎ間接続導体
１２直列配線導体
１３，１４外層
１５，１６引出し導体膜
１７，１８，３８，３９引出しビア導体
１９，２０，４０，４１端子電極
２１，２４低ピーク温度部分
２２，２５中ピーク温度部分
２３，２６高ピーク温度部分
３２，３３，３６，３７並列配線導体膜
３４，３５並列配線ビア導体

Claims

ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、
電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体と
を備え、
前記積層体には、前記ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、および前記ｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対の前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられ、
前記第１および第２の収容穴は、特定の複数の前記絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられ、
前記ｐ型熱電半導体および前記ｎ型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、前記複数の部分は、前記積層体の積層方向に分布している、
熱電変換モジュール。
前記ｐ型熱電半導体および前記ｎ型熱電半導体の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる前記複数の部分を有している、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対が設けられている、請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられている、請求項３に記載の熱電変換モジュール。
前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられている、請求項３または４に記載の熱電変換モジュール。
ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、
電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体と
を備え、
前記積層体には、前記ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、および前記ｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対の前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられ、
前記第１および第２の収容穴が、特定の複数の前記絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられている、
熱電変換モジュールを製造する方法であって、
前記絶縁層となるべき複数の絶縁性シートを準備する工程と、
前記ｐ型熱電半導体のためのｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体のためのｎ型熱電半導体材料を準備する、半導体材料準備工程と、
特定の前記絶縁性シートに前記第１および第２の貫通孔を設ける工程と、
前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔に、それぞれ、前記ｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体材料を充填する、充填工程と、
特定の前記絶縁性シート上に前記ｐｎ間接続導体を形成する工程と、
前記積層体を得るように、複数の前記絶縁性シートを積層する、積層工程と
を備える、熱電変換モジュールの製造方法。
前記半導体材料準備工程は、前記ｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体材料の少なくとも一方について、性能指数のピーク温度が互いに異なる熱電半導体のための複数種類の熱電半導体材料を用意する工程を備え、
前記充填工程は、複数種類の前記熱電半導体材料の各々について、別の前記絶縁性シートの前記貫通孔に前記熱電半導体材料充填する工程を備え、
前記積層工程は、前記貫通孔に異なる種類の前記熱電半導体材料が充填された複数種類の前記絶縁性シートを同じ前記積層体内で混ぜて積層する工程を備える、
請求項６に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
前記熱電変換モジュールは、前記積層体に、複数の前記熱電変換素子対を備え、かつ複数の前記熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられているものであり、特定の前記絶縁性シート上に前記直列配線導体を形成する工程をさらに備える、請求項６または７に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
前記熱電変換モジュールは、前記積層体に、複数の前記熱電変換素子対を備え、かつ複数の前記熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられているものであり、特定の前記絶縁性シート上に前記並列配線導体を形成する工程をさらに備える、請求項６ないし８のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
前記絶縁性シートは、セラミックグリーンシートであり、前記積層工程の後、前記積層体を焼成する工程をさらに備える、請求項６ないし９のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。