JP2007329349A - 熱電変換装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２との接合において、熱電素子１２、１３の性能低下を抑えつつ信頼性を向上させる。
【解決手段】熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２との接触面積が、熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａの面積よりも小さくしている。
これによれば、熱電素子１２、１３と、吸放熱電極部２５、３５を有する吸放熱電極部材２２、３２との接合において、接触面積を小さくすることにより、吸放熱電極部２５、３５の成分である銅（Ｃｕ）の分子が熱電素子１２、１３内部に拡散してしまうことによる熱電素子１２、１３の性能低下を抑えることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、Ｐ型熱電素子、Ｎ型熱電素子からなる直列回路に直流電流を流通させることで吸熱、放熱が得られる熱電変換装置およびその製造方法に関するものであり、特に、熱電素子と吸放熱電極部材との接合に関するものである。

従来、この種の熱電変換装置として、下記の特許文献１には、２個の素子を電極で接合するうえで、電極の接合部間に凹部を設けることを特徴とする熱電冷却装置が示されている。また、下記の特許文献２には、フィルム状素子を、熱伝導板を介してコルゲートフィンに接合して熱交換させる熱電装置が示されている。
特開平１０−３０３４７０号公報 特開平６−１５１９７９号公報

しかしながら、上記特許文献１のような構造とした場合、素子と電極とは平面同士にて広い面積で接触するため、電極の成分である銅（Ｃｕ）の分子が多量に素子内部に拡散してしまい、素子の特性が大幅に劣化するという問題がある。従来、素子の接合面には、拡散防止のためにニッケル（Ｎｉ）メッキなどが施されているが、それでも拡散が防止できていない。

また、素子と電極とを押し付けて接合すると、素子と電極との間の隙間が無くなって半田が押し出されてしまうため、充分な接合強度が得られないという問題がある。これを防止するためには、素子と電極との間の隙間（ギャップ）を所定寸法に管理する必要があるが、組み立てが難しいものとなってしまう。また逆に、この隙間が大きくなり過ぎると、素子と電極とを接合できずに導通不良となってしまう。

また、上記特許文献２のような構造とした場合、フィルム状素子とコルゲートフィンとの間に介在させる熱伝導板は絶縁性を有する必要があり、その熱抵抗による性能低下が避けられないという問題がある。

本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目して成されたものであり、その目的は、素子と電極との接合において、素子の性能低下を抑えつつ信頼性を向上させることのできる熱電変換装置およびその製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項８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）と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、
隣接して配列されたＰ型熱電素子（１２）とＮ型熱電素子（１３）とを電気的に接続する電極部（２５、３５）を有する複数の熱交換素子（２２、３２）とこれら複数の熱交換素子（２２、３２）を保持する保持部材（２１、３１）とを備え、複数の熱交換素子（２２、３２）を熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる熱交換素子組立体（２０、３０）と、
熱電素子組立体（１０）と熱交換素子組立体（２０、３０）とが積層された状態において、熱電素子組立体（１０）と熱交換素子組立体（２０、３０）との間の複数の接合箇所を一斉に接合する接合部材（Ｈ）とを備え、
熱電素子（１２、１３）と熱交換素子（２２、３２）との接触面積が、熱電素子（１２、１３）の接合面（１２ａ、１３ａ）の面積よりも小さいことを特徴としている。

この請求項１に記載の発明によれば、熱電素子（１２、１３）と、電極部（２５、３５）を有する熱交換素子（２２、３２）との接合において、接触面積を小さくすることにより、電極部（２５、３５）の成分である銅（Ｃｕ）の分子が熱電素子（１２、１３）内部に拡散してしまうことによる熱電素子（１２、１３）の性能低下を抑えることができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の熱電変換装置において、電極部（２５、３５）の接触部面積が、接合面（１２ａ、１３ａ）の面積よりも小さいことを特徴としている。この請求項２に記載の発明によれば、熱交換素子（２２、３２）を形成する際、電極部（２５、３５）の接触部面積を小さく形成することより、請求項１に記載の効果の実現が容易である。

また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の熱電変換装置において、電極部（２５、３５）に接触部として、接合面（１２ａ、１３ａ）側に突出した凸部（Ｔ）を設けたことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、より具体的には電極部（２５、３５）に接触部としての凸部（Ｔ）を設けることにより、熱電素子（１２、１３）と電極部（２５、３５）との接触面積を小さくできる。

そのうえ、凸部（Ｔ）によって熱電素子（１２、１３）の接合面（１２ａ、１３ａ）と電極部（２５、３５）との間に適正な隙間（Ｓ）を容易に確保できるようになることより、導通不良とすることなく充分な接合強度を確保することができる。また、組み立ても熱電素子（１２、１３）と熱交換素子（２２、３２）とを押し付けて接合するだけで難しくすることがない。

また、請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の熱電変換装置において、凸部（Ｔ）を複数設けたことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、熱交換素子（２２、３２）が傾いて接合されるのを防ぐことができる。

また、請求項５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）と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、
隣接して配列されたＰ型熱電素子（１２）とＮ型熱電素子（１３）とを電気的に接続する電極部（２５、３５）を有する複数の熱交換素子（２２、３２）とこれら複数の熱交換素子（２２、３２）を保持する保持部材（２１、３１）とを備え、複数の熱交換素子（２２、３２）を熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる熱交換素子組立体（２０、３０）と、
熱電素子組立体（１０）と熱交換素子組立体（２０、３０）とが積層された状態において、熱電素子組立体（１０）と熱交換素子組立体（２０、３０）との間の複数の接合箇所を一斉に接合する接合部材（Ｈ）とを備えた熱電変換装置の製造方法であり、
電極部（２５、３５）に、接合する熱電素子（１２、１３）の接合面（１２ａ、１３ａ）側に突出させた凸部（Ｔ）を設け、その凸部（Ｔ）を接合面（１２ａ、１３ａ）に接触させた状態で接合することを特徴としている。

この請求項５に記載の発明によれば、熱電素子（１２、１３）と熱交換素子（２２、３２）とを押し付けて接合するだけで充分な接合強度を確保することのできる簡単な製造方法とすることができる。すなわち、熱電素子（１２、１３）と熱交換素子（２２、３２）とを押し付けて冶具で固定し、半田付けすれば良く、接合部間の隙間（Ｓ）の寸法管理の必要がないため、簡単な冶具で容易に組み立てが可能となる。

また、請求項６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）と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、
隣接して配列されたＰ型熱電素子（１２）とＮ型熱電素子（１３）とを電気的に接続する電極部（２５、３５）を有する複数の熱交換素子（２２、３２）と、これら複数の熱交換素子（２２、３２）を保持する保持部材（２１、３１）とを備え、複数の熱交換素子（２２、３２）を熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる熱交換素子組立体（２０、３０）と、
熱電素子組立体（１０）と熱交換素子組立体（２０、３０）とが積層された状態において、熱電素子組立体（１０）と熱交換素子組立体（２０、３０）との間の複数の接合箇所を一斉に接合する接合部材（Ｈ）とを備えた熱電変換装置の製造方法であり、
熱電素子（１２、１３）と電極部（２５、３５）との間に隙間保持部材（ＳＨ）を介在させた状態で接合することを特徴としている。

この請求項６に記載の発明によれば、隙間保持部材（ＳＨ）によって熱電素子（１２、１３）の接合面（１２ａ、１３ａ）と電極部（２５、３５）との間に適正な隙間（Ｓ）を容易に確保できるようになる。このことより、電極部（２５、３５）の成分である銅（Ｃｕ）の分子が熱電素子（１２、１３）内部に拡散してしまうことによる熱電素子（１２、１３）の性能低下を防止することができるうえ、導通不良とすることなく充分な接合強度を確保することができる。

また、請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の熱電変換装置の製造方法において、隙間保持部材（ＳＨ）として、所定の大きさの粒体を用いたことを特徴としている。この請求項７に記載の発明によれば、適正な隙間（Ｓ）を容易に確保することができる。なお、このような隙間保持部材（ＳＨ）としては、熱電素子（１２、１３）内部に拡散しにくい、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などの材質が望ましく、形状もできるだけ球体が望ましく、大きさは具体的に数十〜百μｍ程度が望ましい。

また、請求項８に記載の発明では、請求項６または請求項７に記載の熱電変換装置の製造方法において、接合部材（Ｈ）はペースト状であり、隙間保持部材（ＳＨ）を接合部材（Ｈ）に混入させて用いることを特徴としている。この請求項８に記載の発明によれば、接合時に新たな作業を加えることなく、容易に熱電素子（１２、１３）と電極部（２５、３５）との間に隙間保持部材（ＳＨ）を配置することができる。

なお、上記各手段および特許請求の範囲に記載の各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（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５に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係わる熱電変換装置の全体構成を示す模式図であり、図２は図１に示す熱電変換装置の主要部の構成を示す分解構成図である。また、図３は図１中に示すＡ−Ａ断面図であり、図４は図１に示す熱電変換装置の全体構成を示す側面図である。そして、図５は本発明の第１実施形態における要部の部分拡大図である。

本実施形態の熱電変換装置は、図１ないし図５に示すように、熱電素子組立体としての熱電素子基板１０、熱交換素子組立体としての吸熱電極基板２０と放熱電極基板３０、および一対のケース部材２８、３８などから構成されている。そして、熱電素子基板１０は、図２および図３に示すように、Ｐ型とＮ型とからなる熱電素子１２、１３を所定の配列形状に配列し、保持板である第１絶縁基板１１によって一体に構成している。

より具体的に、第１絶縁基板１１は平板状の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、フェノール樹脂、ＬＣＰ樹脂もしくはＰＥＴ樹脂など）からなり、Ｐ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３とを交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して一体に構成している。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１３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。

これらＰ型、Ｎ型熱電素子１２、１３を第１絶縁基板１１に略碁盤目状に配列して接着剤等により固定している。なお、Ｐ型、Ｎ型熱電素子１２、１３は、上端面と下端面がそれぞれ接合面１２ａ、１３ａとなっており、第１絶縁基板１１よりも突き出すように固定されている。また、熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａには、Ｃｕ拡散防止のためのバリヤ層として、３〜６μ程度のＮｉメッキが施されており、さらには半田付け性向上のため、Ｎｉメッキの上にＳｎ−Ｂｉなどの半田メッキが施こされている。

そして、これら隣接する熱電素子１２、１３は、本実施形態では熱交換素子としての吸熱電極部材２２と放熱電極部材３２とを介して接続されるようになっている。つまり、これら吸放熱電極部材２２、３２はそれぞれ電極部２５、３５を有しており、図１および図２に示すように、上側に配置される吸熱電極部材２２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電気的に接続する電極部材となり、下側に配置される放熱電極部材３２は、隣接するＰ型熱電素子１２からＮ型熱電素子１３に向けて電流を流すため電気的に接続する電極部材となる。

そして、この吸放熱電極部材２２、３２は、熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａに予め接合部材としてのＳｎ−Ｓｂなどのペースト半田Ｈ（図５参照）をスクリーン印刷で薄く均一に塗布しておき、組み立て後に全体を加熱することで半田付けにて接合される。なお、吸放熱電極部材２２、３２の電極部２５、３５は、熱電素子１２、１３を流れる電流に基づいて断面積が設定されるが、本実施形態では吸放熱電極部材２２、３２の吸放熱部２６、３６と同じ板厚、より具体的には約０．２〜０．５ｍｍ程度としている。

次に、吸熱電極基板２０は、図１および図２に示すように、複数個の熱交換素子である吸熱電極部材２２を平板あるいはフィルム状の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、フェノール樹脂、ＬＣＰ樹脂もしくはＰＥＴ樹脂など）からなる保持板としての第２絶縁基板２１に一体構成している。同様に、放熱電極基板３０は、複数個の熱交換素子である放熱電極部材３２を平板あるいはフィルム状の絶縁材料（例えば、ガラスエポキシ、ＰＰＳ樹脂、フェノール樹脂、ＬＣＰ樹脂もしくはＰＥＴ樹脂など）からなる保持板としての第３絶縁基板３１に一体構成している。

そして、吸放熱電極部材２２、３２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４に示すように、断面が略Ｕ字状となっており、Ｕ字状底部に平面状の吸放熱電極部２５、３５を形成し、その電極部２５、３５から外方に延出された平面に吸放熱部としてのルーバー２６、３６を形成している。

また、熱交換部であるルーバー２６、３６は、吸放熱電極部２５、３５から伝熱される熱を吸放熱するためのフィンであり、切り起こしなどの成形加工により電極部２５、３５と一体に形成している。そして、その吸放熱電極部２５、３５の一端面が熱電素子１２、１３に接合するように、第２、第３絶縁基板２１、３１にて一体で構成している。

なお、吸放熱電極部材２２、３２は、第２、第３絶縁基板２１、３１の一端面に、その吸放熱電極部２５、３５の一端面が僅かに突き出す程度の位置に一体で構成している。つまり、電極部２５、３５の一端面が熱電素子基板１０に設けられた熱電素子１２、１３に接合したときに、その吸熱電極部材２２および放熱電極部材３２の吸放熱部が熱電素子１２、１３側にはみ出さないように構成している。

さらに、互いに隣り合う吸熱電極部材２２および放熱電極部材３２同士は、互いに電気的に絶縁するように、所定の隙間を設けて複数個碁盤目状に第２、第３絶縁基板２１、３１に配設されている。そして、熱電素子１２、１３の上側の接合面１２ａ、１３ａに吸熱電極部材２２の吸熱電極部２５を接合するように配置し、熱電素子１２、１３の下側の接合面１２ａ、１３ａに放熱電極部材３２の放熱電極部３５を接合するように配置している。

なお、図１および図２に示す左右端に配設される熱電素子１２、１３の末端には、それぞれ端子２４ａ、２４ｂが設けられ、この端子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。これにより、上方側に配設される吸熱電極部材２２は、隣接するＮ型熱電素子１３からＰ型熱電素子１２に電気的に接続するように複数個配設され、下方側に配設される放熱電極部材３２は、隣接するＰ型熱電素子１２からＮ型熱電素子１３に電気的に接続するように複数個配設されている。

ちなみに、端子２４ａから入力された直流電源は、図１に示す左端のＰ型熱電素子１２から下方に配設された放熱電極部材３２を介して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から上方に配設された吸熱電極部材２２を介してＰ型熱電素子１２に直列的に流れるように構成している。つまり、熱電素子１２、１３の両端に直流電流が直列的に流れるように接続される。

このときに、ＰＮ接合部を構成する下方に配設された放熱電極部材３２は、ペルチェ効果によって高温の状態となり、ＮＰ接合部を構成する上方に配設された吸熱電極部材２２は低温の状態となる。つまり、上方側に形成されたルーバー２６は吸熱部である吸熱熱交換部を形成して低温の状態の熱が伝熱されて被冷却流体が接触され、下方側に形成されたルーバー３６は放熱部である放熱熱交換部を形成して高温の状態の熱が伝熱されて冷却流体が接触される。

つまり、図１に示すように、熱電素子基板１０を区画壁として、ケース部材２８、３８により、熱電素子基板１０の両側に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、ルーバー２６、３６と空気とが熱交換され、熱電素子基板１０を区画壁として、上側のルーバー２６で空気を冷却することができ、下側のルーバー３６で空気を加熱することができる。

本実施形態では、熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２とが直接接合されているため、熱抵抗がなく、大きな吸放熱量、ＣＯＰ（成績係数）が可能になる。なお、吸放熱電極部材２２、３２を複数個別体で形成して、それぞれを第２、第３絶縁基板２１、３１に一体構成させたが、これに限らず、少なくとも列ごとに配列される熱電素子群を複数個連結させてコルゲート状に形成して、第２、第３絶縁基板２１、３１に結合させた後に、吸放熱電極部２５、３５のそれぞれが互いに電気的に絶縁されるように連結部を切断して形成しても良い。

これによれば、吸放熱電極部材２２、３２がローラ成形などの簡素な治具で成型加工を行なうことができるとともに、吸放熱電極基板２０、３０を構成するときに、複数個となる吸放熱電極部材２２、３２が少なくとも熱電素子群単位にコルゲート状に一体で形成できることで、吸放熱電極部材２２、３２の第２、第３絶縁基板２１、３１への組付作業が容易にできる。

また、本実施形態では、吸放熱電極部材２２、３２を薄肉の板材を用いて形成したが、より具体的には、板材の板厚を約０．２〜０．５ｍｍ程度であれば、図に示すように、熱交換部としてのルーバー２６、３６を成形するにあたり、加工性の向上が図れるため望ましい。なお、ルーバー２６、３６は、形状がルーバー状のみでなくオフセット状に形成しても良い。

次に、本実施形態における本発明の要部を、図５を用いて説明する。本実施形態では熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２との接触面積が、熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａの面積よりも小さくなるようにしている。具体的には、吸放熱電極部２５、３５に接触部として、接合面１２ａ、１３ａ側に突出した凸部Ｔを設けて、吸放熱電極部２５、３５の接触部面積が、接合面１２ａ、１３ａの面積よりも小さくなるようにしている。

この凸部Ｔは、吸放熱電極部材２２、３２の吸放熱電極部２５、３５を部分的に突出するように形成したものである。この凸部Ｔを熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａに接触させた状態で接合することにより、凸部Ｔの先端以外の部位は接合面１２ａ、１３ａに接触せず、接合に適正な隙間Ｓが形成され、この隙間Ｓに半田Ｈが充填されて適正な半田層厚さが確保されて接合が成される。

より具体的には、吸放熱電極部２５、３５と接合面１２ａ、１３ａとの隙間Ｓが数十〜百μｍ程度となるようにしている。これにより、吸放熱電極部２５、３５のＣｕ成分が熱電素子１２、１３の内部に拡散するのを抑えることができるうえ、充分な接合強度を確保することができる。なお、この凸部Ｔによる接触は、点接触であっても良いし、線接触であっても良い。

次に、以上の構成による熱電変換装置の製造方法と組み付け方法について説明する。図２に示すように、まず、熱電素子１２、１３は、第１絶縁基板１１に設けられた基板穴にＰ型とＮ型とを交互に略碁盤目状に複数個配列し、これらを接着剤で固定して熱電素子基板１０を一体に構成する。なお、熱電素子１２、１３は、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良い。

吸熱電極基板２０は、吸熱電極部材２２を第２絶縁基板２１に設けられた基板穴に略碁盤目状に複数個配列し、これらを固定して一体に構成する。ここで、吸熱電極部材２２は、第２絶縁基板２１の一端面より吸熱電極部２５の一端面がわずかに突出するように第２絶縁基板２１に一体に構成する。

一方の放熱電極基板３０は、放熱電極部材３２を第３絶縁基板３１に設けられた基板穴に略碁盤目状に複数個配列し、これらを固定して一体に構成する。ここで、放熱電極部材３２は、第３絶縁基板３１の一端面より放熱電極部３５の一端面がわずかに突出するように第３絶縁基板３１に一体に構成する。

熱電素子基板１０の熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａには、Ｓｎ−Ｓｂなどのペースト半田Ｈ（図５参照）をスクリーン印刷で薄く均一に塗布する。そして、吸熱電極基板２０と放熱電極基板３０との間に、熱電素子基板１０を挟み込み、吸放熱電極部材２２、３２の吸放熱電極部２５、３５に設けた凸部Ｔが熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａに接触させた状態に組み立てる。この組立体をリフロー炉などに入れて全体を昇温し、塗布したペースト半田Ｈを溶かしてこれら全体を一体に半田接合させて熱電変換装置を形成するものである。

これにより、上方側に配設される吸熱電極基板２０は、吸熱電極部２５が隣接するＰ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３とを直列的に接続するとともに、下方側に配設される放熱電極基板３０は、放熱電極部３５が隣接するＮ型熱電素子１３とＰ型熱電素子１２とを直列的に接続する。そして、吸放熱電極部２５、３５との接合面１２ａ、１３ａとを半田付けにより接合される。

そして、図４に示すように、少なくとも、吸熱電極部材２２の外郭と第２絶縁基板２１との隙間、および吸熱電極部２５の背面側に樹脂材料からなるシール材を用いてポッティング処理をして、吸熱による結露が発生したときに、接合面１２ａ側に結露水が洩れないように気密としている。そして、上方側、下方側をケース部材２８、３８により空気流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。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。まず、複数のＰ型熱電素子１２と複数のＮ型熱電素子１３とを所定の配列形状に配列にしてなる熱電素子基板１０と、隣接して配列されたＰ型熱電素子１２とＮ型熱電素子１３とを電気的に接続する吸放熱電極部２５、３５を有する複数の吸放熱電極部材２２、３２とこれら複数の吸放熱電極部材２２、３２を保持する第２、第３絶縁基板２１、３１とを備え、複数の吸放熱電極部材２２、３２を熱電素子１２、１３の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる吸放熱電極基板２０、３０と、熱電素子基板１０と吸放熱電極基板２０、３０とが積層された状態において、熱電素子基板１０と吸放熱電極基板２０、３０との間の複数の接合箇所を一斉に接合する接合部材Ｈとを備え、
熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２との接触面積が、熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａの面積よりも小さくしている。

これによれば、熱電素子１２、１３と、吸放熱電極部２５、３５を有する吸放熱電極部材２２、３２との接合において、接触面積を小さくすることにより、吸放熱電極部２５、３５の成分である銅（Ｃｕ）の分子が熱電素子１２、１３内部に拡散してしまうことによる熱電素子１２、１３の性能低下を抑えることができる。

また、吸放熱電極部２５、３５の接触部面積が、接合面１２ａ、１３ａの面積よりも小さくしている。これによれば、吸放熱電極部材２２、３２を形成する際、吸放熱電極部２５、３５の接触部面積を小さく形成することより、上記の効果の実現が容易である。また、吸放熱電極部２５、３５に接触部として、接合面１２ａ、１３ａ側に突出した凸部Ｔを設けている。これによれば、より具体的には吸放熱電極部２５、３５に接触部としての凸部Ｔを設けることにより、熱電素子１２、１３と吸放熱電極部２５、３５との接触面積を小さくできる。

そのうえ、凸部Ｔによって熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａと吸放熱電極部２５、３５との間に適正な隙間Ｓを容易に確保できるようになることより、適正な半田フィレット形状を容易に実現でき、導通不良とすることなく充分な接合強度を確保することができ、半田接合部の信頼性を向上することができる。また、組み立ても熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２とを押し付けて接合するだけで難しくすることがない。

また、複数のＰ型熱電素子１２と複数のＮ型熱電素子１３とを所定の配列形状に配列にしてなる熱電素子基板１０と、隣接して配列されたＰ型熱電素子１２とＮ型熱電素子（３とを電気的に接続する吸放熱電極部２５、３５を有する複数の吸放熱電極部材２２、３２とこれら複数の吸放熱電極部材２２、３２を保持する第２、第３絶縁基板２１、３１とを備え、複数の吸放熱電極部材２２、３２を熱電素子１２、１３の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる吸放熱電極基板２０、３０と、熱電素子基板１０と吸放熱電極基板２０、３０とが積層された状態において、熱電素子基板１０と吸放熱電極基板２０、３０との間の複数の接合箇所を一斉に接合するペースト半田Ｈとを備えた熱電変換装置の製造方法であり、
吸放熱電極部２５、３５に、接合する熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａ側に突出させた凸部Ｔを設け、その凸部Ｔを接合面１２ａ、１３ａに接触させた状態で接合するようにしている。これによれば、熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２とを押し付けて接合するだけで充分な接合強度を確保することのできる簡単な製造方法とすることができる。すなわち、熱電素子１２、１３と吸放熱電極部材２２、３２とを押し付けて冶具で固定し、半田付けすれば良く、接合部間の隙間Ｓの寸法管理が必要ないため、簡単な冶具で容易に組み立てが可能となる。

（変形例）
図６は、図５の第１実施形態の変形例を示す部分拡大図である。上述の第１実施形態では、吸放熱電極部２５、３５の略中央部に、接触部として接合面１２ａ、１３ａ側に突出した凸部Ｔを設けたが、吸放熱電極部２５、３５全体を接合面１２ａ、１３ａ側に突出したＲ形状の凸部Ｔとしても良い。このＲ形状の凸部Ｔは、半球状であっても良いし、半円筒状であっても良い。

（第２実施形態）
図７は、本発明の第２実施形態における要部の部分拡大図である。上述した第１実施形態と異なる特徴部分を説明する。本実施形態では、吸放熱電極部２５、３５に形成する接触部としての凸部Ｔを複数設けている。これによれば、吸放熱電極部材２２、３２が広い面ではなく、複数の点で接合面１２ａ、１３ａと接触することにより、Ｃｕ成分の拡散を抑えつつ、吸放熱電極部材２２、３２が傾いて接合されるのを防ぐことができる。

（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態における要部の部分拡大図である。上述した各実施形態と異なる特徴部分を説明する。本実施形態は、図１ないし図４で説明した本発明に係わる熱電変換装置の前提構成における製造方法であり、上述の第１、第２実施形態で説明したように吸放熱電極部２５、３５に凸部Ｔを設けるのではなく、熱電素子１２、１３と吸放熱電極部２５、３５との間に隙間保持部材ＳＨを介在させた状態で接合するようにしたものである。

この隙間保持部材ＳＨとは、熱電素子１２、１３の内部に拡散しにくい、例えば、ニッケル（Ｎｉ）などの材質が望ましく、形状もできるだけ球体が望ましく、大きさは具体的に数十〜百μｍ程度が望ましい。そして、このニッケルの微細な粒体を、先の接合部材としてのペースト半田Ｈに混入させ、ペースト半田Ｈと一緒に塗布して用いるものである。

これによれば、隙間保持部材ＳＨによって熱電素子１２、１３の接合面１２ａ、１３ａと吸放熱電極部２５、３５との間に適正な隙間Ｓを容易に確保できるようになる。このことより、吸放熱電極部２５、３５の成分である銅（Ｃｕ）の分子が熱電素子１２、１３内部に拡散してしまうことによる熱電素子１２、１３の性能低下を防止することができるうえ、導通不良とすることなく充分な接合強度を確保することができる。

また、隙間保持部材ＳＨとして、所定の大きさの粒体を用いている。これによれば、適正な隙間Ｓを容易に確保することができる。また、接合部材Ｈはペースト状であり、隙間保持部材ＳＨを接合部材Ｈに混入させて用いる。これによれば、接合時に新たな作業を加えることなく、容易に熱電素子１２、１３と電極部２５、３５との間に隙間保持部材ＳＨを配置することができる。

（その他の実施形態）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、上述の実施形態の他に、極小部品である熱電素子１２、１３を第１絶縁基板１１に碁盤目状に複数個配列する組み付け方法として、熱電素子基板１０としての第１絶縁基板１１に熱電素子１２、１３を交互に略碁盤目状に配列するための複数個の係合孔１４を形成して、吸熱電極基板２０と放熱電極基板３０とを組み合わせるときに、例えば、ロボットを用いた組み付け工程により熱電素子１２、１３を係合孔１４に交互に複数個配列してなる熱電素子群を列設して構成しても良い。

また、上述の実施形態の他に、熱電素子基板１０、吸熱電極基板２０、放熱電極基板３０は、それぞれのいずれかを複数個に分割し、それらを組み合わせるように構成しても良い。また、別な実施例として、熱電素子基板１０を一つとして、他の基板２０、３０を複数個に分割してこれらを組み付けることでも良い。

さらに、それぞれの基板を複数個に分割し、これらを組み合わせることでも良い。これによれば、各基板１０、２０、３０を小さくすることで、隣接する熱電素子１２、１３の接続部で発生する熱によって熱ひずみが生ずるが、各基板１０、２０、３０を分割して形成することで、熱ひずみの低減が図れる。

また、以上の実施形態では、熱電素子１２、１３、吸放熱電極部２５、３５とからなる接合箇所において、接合部材として半田を用いて接合したが、これに限らず、熱的な接合を目的とする接着剤を用いても良い。また、この他に複数の接合箇所をひとまとめにして接合するように、例えば、一枚の板状の接着剤を用いても良い。

本発明に係わる熱電変換装置の全体構成を示す模式図である。 図１に示す熱電変換装置の主要部の構成を示す分解構成図である。 図１中に示すＡ−Ａ断面図である。 図１に示す熱電変換装置の全体構成を示す側面図である。 本発明の第１実施形態における要部の部分拡大図である。 図５の第１実施形態の変形例を示す部分拡大図である。 本発明の第２実施形態における要部の部分拡大図である。 本発明の第３実施形態における要部の部分拡大図である。

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
１２ａ…接合面
１３…Ｎ型熱電素子
１３ａ…接合面
２０…吸熱電極基板（熱交換素子組立体）
２１…第２絶縁基板（保持板）
２２…吸熱電極部材（熱交換素子）
２５…電極部
３０…放熱電極基板（熱交換素子組立体）
３１…第３絶縁基板（保持板）
３２…放熱電極部材（熱交換素子）
３５…電極部
Ｈ…ペースト半田（接合部材）
ＳＨ…隙間保持部材
Ｔ…凸部

Claims (8)

1. 複数のＰ型熱電素子（１２）と複数のＮ型熱電素子（１３）と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、
   隣接して配列された前記Ｐ型熱電素子（１２）と前記Ｎ型熱電素子（１３）とを電気的に接続する電極部（２５、３５）を有する複数の熱交換素子（２２、３２）とこれら複数の熱交換素子（２２、３２）を保持する保持部材（２１、３１）とを備え、前記複数の熱交換素子（２２、３２）を前記熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる熱交換素子組立体（２０、３０）と、
   前記熱電素子組立体（１０）と前記熱交換素子組立体（２０、３０）とが積層された状態において、前記熱電素子組立体（１０）と前記熱交換素子組立体（２０、３０）との間の複数の接合箇所を一斉に接合する接合部材（Ｈ）とを備え、
   前記熱電素子（１２、１３）と前記熱交換素子（２２、３２）との接触面積が、前記熱電素子（１２、１３）の接合面（１２ａ、１３ａ）の面積よりも小さいことを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記電極部（２５、３５）の接触部面積が、前記接合面（１２ａ、１３ａ）の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記電極部（２５、３５）に接触部として、前記接合面（１２ａ、１３ａ）側に突出した凸部（Ｔ）を設けたことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
4. 前記凸部（Ｔ）を複数設けたことを特徴とする請求項３に記載の熱電変換装置。
5. 複数のＰ型熱電素子（１２）と複数のＮ型熱電素子（１３）と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、
   隣接して配列された前記Ｐ型熱電素子（１２）と前記Ｎ型熱電素子（１３）とを電気的に接続する電極部（２５、３５）を有する複数の熱交換素子（２２、３２）とこれら複数の熱交換素子（２２、３２）を保持する保持部材（２１、３１）とを備え、前記複数の熱交換素子（２２、３２）を前記熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる熱交換素子組立体（２０、３０）と、
   前記熱電素子組立体（１０）と前記熱交換素子組立体（２０、３０）とが積層された状態において、前記熱電素子組立体（１０）と前記熱交換素子組立体（２０、３０）との間の複数の接合箇所を一斉に接合する接合部材（Ｈ）とを備えた熱電変換装置の製造方法であり、
   前記電極部（２５、３５）に、接合する前記熱電素子（１２、１３）の接合面（１２ａ、１３ａ）側に突出させた凸部（Ｔ）を設け、その凸部（Ｔ）を前記接合面（１２ａ、１３ａ）に接触させた状態で接合することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
6. 複数のＰ型熱電素子（１２）と複数のＮ型熱電素子（１３）と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、
   隣接して配列された前記Ｐ型熱電素子（１２）と前記Ｎ型熱電素子（１３）とを電気的に接続する電極部（２５、３５）を有する複数の熱交換素子（２２、３２）と、これら複数の熱交換素子（２２、３２）を保持する保持部材（２１、３１）とを備え、前記複数の熱交換素子（２２、３２）を前記熱電素子（１２、１３）の配列状態に対応する所定の配列状態に保持してなる熱交換素子組立体（２０、３０）と、
   前記熱電素子組立体（１０）と前記熱交換素子組立体（２０、３０）とが積層された状態において、前記熱電素子組立体（１０）と前記熱交換素子組立体（２０、３０）との間の複数の接合箇所を一斉に接合する接合部材（Ｈ）とを備えた熱電変換装置の製造方法であり、
   前記熱電素子（１２、１３）と前記電極部（２５、３５）との間に隙間保持部材（ＳＨ）を介在させた状態で接合することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
7. 前記隙間保持部材（ＳＨ）として、所定の大きさの粒体を用いたことを特徴とする請求項６に記載の熱電変換装置の製造方法。
8. 前記接合部材（Ｈ）はペースト状であり、前記隙間保持部材（ＳＨ）を前記接合部材（Ｈ）に混入させて用いることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の熱電変換装置の製造方法。

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