JP2013021048A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板の歪み及び補強部材を介した熱伝導を抑えることができるとともに、作動時に熱電素子に過大な応力が発生することを防止する等の応力の調整ができる熱電変換装置を提供すること。
【解決手段】熱電変換装置１１は、一端が接合層Ｓを介して第１絶縁基板１５ａに接合されるとともに他端が接合層Ｓを介して第２絶縁基板２６ａに接合される補強部材３０を有する。補強部材３０は、第１補強部材３１と第２補強部材３２を一体化した２層構造であり、第１補強部材３１は第２補強部材３２より低熱伝導性の材料で形成されている。また、第２補強部材３２が熱膨張により変位する変位量を第１補強部材３１より大きくした。
【選択図】図５

Description

本発明は、一端が接合層を介して第１の基板に接合されるとともに他端が接合層を介して第２の基板に接合された補強部材を有する熱電変換装置に関する。

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素子を用いた熱電変換装置は、一般に、対向する一対の基板と、各基板に半田等により接合された熱電素子と、からなる。このような熱電変換装置においては、熱変形等による基板の歪みによって接合部や熱電素子が損傷を受けたりする虞がある。そこで、基板の歪みに起因した接合部や熱電素子の損傷を回避するための構成を備えた熱電変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

図８に示すように、特許文献１の熱電変換装置８０は、低温側板８１と、この低温側板８１に対向する高温側板８２と、低温側板８１及び高温側板８２の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材８３及び高温側電極部材８４とを備える。また、熱電変換装置８０は、低温側電極部材８３と高温側電極部材８４との間に設けられる複数の半導体素子（熱電素子）８６を備え、それら半導体素子８６は一端が低温側電極部材８３に接触するとともに他端が高温側電極部材８４に接触して電気的に直列配列されている。さらに、熱電変換装置８０は、低温側板８１と高温側板８２の相対位置を保持する結合部材８７とを備える。そして、低温側板８１と高温側板８２との間には半導体素子８６の軸方向に圧縮圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材８７によって保持されている。また、結合部材８７は、高温側電極部材８４が高温になったとき、その熱が結合部材８７を介して低温側電極部材８３に伝わりにくくするために、熱伝導性の低い材料で形成されている。

そして、熱電変換装置８０では、半導体素子８６の端面と各電極部材８３，８４とは自由度の高い接触構造となっており、固着された剛体構造ではない。したがって、各部材の線膨張係数の違いによって熱変形が生じても、低温側、高温側ともに各半導体素子８６と各電極部材８３，８４との間で滑りが生じ、接触部や半導体素子８６が損傷しにくくなる。

特開２００７−３５９７４号公報

しかし、特許文献１の熱電変換装置８０においては、結合部材８７は半導体素子８６の軸方向に圧縮圧力を保持するために設けられ、この圧縮圧力を保持するため、結合部材８７は、半導体素子８６よりも線膨張係数が小さい材質で形成されている。このため、結合部材８７及び半導体素子８６がそれぞれ熱膨張すると、半導体素子８６の線膨張による変位量に対し、結合部材８７の線膨張による変位量が小さくなり、半導体素子８６より結合部材８７が低くなってしまう。その結果、結合部材８７によって低温側板８１と高温側板８２の相対位置が保持されていることから、両側板８１，８２に挟まれた半導体素子８６に過大な応力が発生してしまう。

本発明は、上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、基板の歪み及び補強部材を介した熱伝導を抑えることができるとともに、作動時に熱電素子に過大な応力が発生することを防止する等の応力の調整ができる熱電変換装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、第１の基板と、該第１の基板に対向配置された第２の基板と、一端が接合層を介して前記第１の基板の電極層に接合されるとともに他端が接合層を介して前記第２の基板の電極層に接合された熱電素子と、一端が接合層を介して前記第１の基板に接合されるとともに他端が接合層を介して前記第２の基板に接合される補強部材と、を有する熱電変換装置に関する。熱電変換装置において、前記補強部材を、両基板の連結方向の一部をその他の部位より低熱伝導性とした多層構造とした。さらに、前記補強部材のその他の部位が熱膨張により変位する変位量を低熱伝導性の一部より大きくした。

これによれば、補強部材により第１の基板と第２の基板が連結されているため、両基板が温度変化等しても補強部材によって両基板に歪みが発生することを抑えることができる。また、補強部材の連結方向の一部が低熱伝導性とされているため、熱電素子に接続された電極層のうちの一方の電極層が発熱したとき、その熱が補強部材を介して冷却側の他方の電極層に伝わりにくくすることができる。

そして、補強部材の各層それぞれが線膨張したときの変位量を調整した。熱電素子の線膨張による変位量は温度に対し一義的に決まるが、補強部材は多層構造であるため、各層の線膨張係数を選定し、組み合わせることで補強部材の変位量を任意に設定することができる。よって、補強部材を多層構造とすることで、熱電素子の線膨張による変位量に対し、補強部材の線膨張による変位量を調整することが可能になる。したがって、補強部材の全てが単一の低熱伝導性部材で形成される場合に比べて、熱膨張時における熱電素子と補強部材との熱膨張による変位量の差を調整することができ、熱電素子に加わる過大な応力を防止する等の応力の調整ができる。

また、前記熱電素子の作動温度以上で前記補強部材の各層それぞれが線膨張したときの前記補強部材の変位量を調整し、前記熱電素子と前記補強部材の高さが一致するようにしてもよい。

これによれば、熱電素子と補強部材が線膨張したとき、熱電素子と補強部材の高さを一致させることができ、熱電素子と補強部材の高さの違いによって、第１及び第２の基板が互いに離間する方向又は近付く方向に付勢されることが防止される。その結果、両基板に接合された熱電素子に各方向への応力、すなわち、引張り応力又は圧縮応力が発生することが防止できる。

また、前記変位量は、前記補強部材の各層の長さを選定して調整されるものであってもよい。
これによれば、各層の線膨張係数は一義的に決まるため、各層の線膨張係数を基に各層の長さを調整することで、補強部材の線膨張による変位量を適宜設定することができる。よって、熱電素子の材料が変更され、線膨張による変位量が変更しても、各層の長さを調整することで、補強部材の変位量を熱電素子の変位量に合わせることができる。

また、前記熱電素子及び前記補強部材は、常温時の高さが一致する。
これによれば、熱電素子及び補強部材が収縮しても熱電素子と補強部材の高さが同じになり、補強部材によって第１及び第２の基板が熱電素子に対し離間する方向又は近付く方向へ付勢されることがない。したがって、常温時に、熱電素子に引張り応力及び圧縮応力が発生することが防止できる。

本発明によれば、基板の歪み及び補強部材を介した熱伝導を抑えることができるとともに、作動時に熱電素子に過大な応力が発生することを防止する等の応力の調整ができる。

実施形態の熱電変換装置を示す分解斜視図。 熱電変換装置の第１の基板上を示す平面図。 熱電変換装置を示す側断面図。 熱電変換装置を示す正断面図。 （ａ）は接合時の熱電変換装置を示す部分拡大図、（ｂ）は常温時の熱電変換装置を示す部分拡大図、（ｃ）は熱電変換装置を示す説明図。 （ａ）〜（ｃ）は補強部材の別例を示す部分拡大図。 （ａ）〜（ｃ）は補強部材の配置の別例を示す平面図。 背景技術を示す断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
図１〜図４に示すように、熱電変換装置１１の第１の熱交換部材１２は、セラミックスなどの絶縁材料（非導電性材料）からなり、本実施形態の第１の熱交換部材１２は窒化アルミニウムから形成されている。この第１の熱交換部材１２は、矩形平板状をなす基部１２ａに対して、複数のフィン１２ｂを一定の間隔をおいて並設して形成されている。

第１の熱交換部材１２の基部１２ａにおいて、フィン１２ｂの並設面と反対側の面には、第１の基板１５が蝋付けによって接合されている。この第１の基板１５は、セラミックス等の絶縁材料製の第１絶縁基板１５ａと、この第１絶縁基板１５ａに形成されたアルミニウム製の第１電極層１４とからなる。なお、第１電極層１４は、第１絶縁基板１５ａに形成したアルミニウム層をエッチングして形成されている。そして、第１の基板１５は、第１絶縁基板１５ａが蝋付けによって基部１２ａに接合されるとともに、基部１２ａへの接合面と反対側に第１電極層１４が形成されている。各第１電極層１４には、交互に配置されたｎ型熱電素子２２ｎ及びｐ型熱電素子２２ｐの一端がそれぞれ半田よりなる接合層Ｈを介して接合されている。

なお、ｎ型熱電素子２２ｎ及びｐ型熱電素子２２ｐは、Ｂｉ_２Ｔｅ_３よりなり、線膨張係数が１６×１０^−６／℃である。また、図３及び図４に示すように、各熱電素子２２ｎ，２２ｐの他端には、半田よりなる接合層Ｈを介して第２の基板２６の第２電極層２４が接合されている。なお、第２の基板２６は、セラミックス等の絶縁材料製の第２絶縁基板２６ａと、この第２絶縁基板２６ａに形成されたアルミニウム製の第２電極層２４とからなる。また、第２電極層２４は、第２絶縁基板２６ａに形成したアルミニウム層をエッチングして形成されている。そして、本実施形態において、ｎ型熱電素子２２ｎ及びｐ型熱電素子２２ｐは、第１電極層１４と第２電極層２４によって電気的に直列に接続されている。

また、第２の基板２６は、第１の基板１５に対向配置されている。第２の基板２６において、第２電極層２４が形成された面と反対側には第２の熱交換部材２５が接合されている。第２の熱交換部材２５は、第１の熱交換部材１２と同様に、基部２５ａに複数のフィン２５ｂを並設した構成とされている。そして、ｎ型熱電素子２２ｎ及びｐ型熱電素子２２ｐからなる複数の熱電素子２２は、第１電極層１４と第２電極層２４を介して第１の基板１５と第２の基板２６の間に介装される。なお、第１の基板１５及び第２の基板２６において、図２に示すように、ｎ型熱電素子２２ｎとｐ型熱電素子２２ｐが、第１電極層１４及び第２電極層２４によって直列に接続される方向を第１方向Ｙ１とし、この第１方向Ｙ１と直交する方向を第２方向Ｙ２とする。

図１〜図４に示すように、第１の基板１５と第２の基板２６の間には、矩形板状の補強部材３０が複数介在するとともに、第１の基板１５と第２の基板２６は、複数の補強部材３０によって連結されている。詳細には、補強部材３０の一端は、半田よりなる接合層Ｓを介して第１絶縁基板１５ａに接合されるとともに、補強部材３０の他端は、半田よりなる接合層Ｓを介して第２絶縁基板２６ａに接合され、第１の基板１５と第２の基板２６は補強部材３０によって連結されている。なお、補強部材３０は、第１及び第２電極層１４，２４に対し電気的に絶縁されている。

また、補強部材３０は、その長さ方向が、第１及び第２の基板１５，２６の第１方向Ｙ１に延びるとともに、長さ方向に直交する短辺方向が両基板１５，２６間で延びるように、両基板１５，２６に接合されている。補強部材３０は、第２方向Ｙ２に複数設けられ、第１方向Ｙ１に延びる熱電素子２２の列同士の間に１つずつ配置されている。なお、第１及び第２の基板１５，２６は、第２方向Ｙ２の縁側ほど歪みやすい（反りが大きくなりやすい）ため、その歪みを抑えるために、第２方向Ｙ２に複数配列された補強部材３０のうち両縁側の補強部材３０は、それらの内側の補強部材３０より厚くなっている。

補強部材３０は、第１の基板１５と第２の基板２６の連結方向に多層構造（２層構造）になっており、第１の基板１５側の第１補強部材３１と、第２の基板２６側の第２補強部材３２とを一体化して形成されている。補強部材３０の連結方向の一部を形成する第１補強部材３１は、連結方向その他の第２補強部材３２の材料より低熱伝導の材料で形成されている。また、第１補強部材３１は、線膨張係数が第２補強部材３２より小さい材料で形成されている。本実施形態では、第１補強部材３１は、フェライト系ＳＵＳにより形成され、このフェライト系ＳＵＳの線膨張係数は１０×１０^−６／℃である。一方、第２補強部材３２は、フェライト系ＳＵＳより熱伝導率の高い黄銅より形成され、この黄銅の線膨張係数は２０×１０^−６／℃である。

なお、第１補強部材３１の材料としては、フェライト系ＳＵＳの他に、線膨張係数及び熱伝導率の低い材料としてジルコニア（線膨張係数９．５×１０^−６／℃）、チタン（線膨張係数８．４×１０^−６／℃）、アルミナ（線膨張係数７×１０^−６／℃）、窒化アルミ（線膨張係数４．５×１０^−６／℃）等が挙げられる。一方、第２補強部材３２の材料としては、線膨張係数及び熱伝導率の高い材料として、黄銅の他に、亜鉛（線膨張係数３３×１０^−６／℃）、アルミニウム（線膨張係数２３×１０^−６／℃）、ジュラルミン（線膨張係数２３×１０^−６／℃）等が挙げられる。

よって、第１補強部材３１及び第２補強部材３２のうちの第１補強部材３１の線膨張係数（１０×１０^−６／℃）が、熱電素子２２の線膨張係数（１６×１０^−６／℃）より小さくなっている。すなわち、低熱伝導性を有する第１補強部材３１よりも第２補強部材３２の方が熱膨張により変位する変位量が大きくされている。

また、熱電素子２２と補強部材３０は、熱電素子２２の作動時の温度（作動温度）Ｔ以上では熱膨張する。このとき、熱電素子２２と補強部材３０の高さが一致するように、第１補強部材３１と第２補強部材３２の長さ（高さ）Ｌａ，Ｌｂが調整されている。ここで、図５（ｃ）に示すように、熱電素子２２の長さ（高さ）をＬ（１．０ｍｍ）、線膨張係数をＸ（１６×１０^−６／℃）、第１補強部材３１の長さ（高さ）をＬａ、線膨張係数をＸａ（１０×１０^−６／℃）、第２補強部材３２の長さ（高さ）をＬｂ、線膨張係数をＸｂ（２０×１０^−６／℃）とする。また、熱電素子２２の線膨張係数Ｘと、第１補強部材３１の線膨張係数Ｘａと、第２補強部材３２の線膨張係数Ｘｂとは、Ｘｂ＞Ｘ＞Ｘａの関係にある。この場合、温度Ｔで、熱電素子２２と補強部材３０の線膨張による変位量が一致するときは、各長さ及び線膨張係数の関係は以下の式（１）で表記される。

Ｘ・Ｌ・Ｔ＝Ｘｂ・Ｌｂ・Ｔ＋Ｘａ・（Ｌ−Ｌｂ）・Ｔ…式（１）
そして、式（１）は式（２）のように変換され、
Ｌｂ＝Ｌ（Ｘ−Ｘａ）／（Ｘｂ−Ｘａ）…式（２）
本実施形態の線膨張係数を式（２）に代入すると、
Ｌｂ＝１．０・（１６−１０）／（２０−１０）＝０．６
となる。

よって、第１補強部材３１の長さＬａが０．４ｍｍ、第２補強部材３２の長さＬｂが０．６ｍｍに設定されると、温度Ｔで熱電素子２２及び補強部材３０が熱膨張したとき、熱電素子２２と補強部材３０の線膨張による変位量が一致し、熱電素子２２と補強部材３０の高さが一致するようになっている。また、常温時では、第１補強部材３１と第２補強部材３２の合計長さが１．０ｍｍとなり、補強部材３０と熱電素子２２の高さが一致している。

次に、熱電変換装置１１の製造方法について説明する。
最初に、第１の基板１５に第１の熱交換部材１２を蝋付けにより接合するとともに、第２の基板２６に第２の熱交換部材２５を蝋付けにより接合する接合工程を行う。

次に、図５（ａ）に示すように、第２の基板２６の第２電極層２４と、第１の基板１５の第１電極層１４とで、各熱電素子２２ｎ，２２ｐ及び補強部材３０を挟持するように積層する（積層工程）。また、積層工程では、第１電極層１４と各熱電素子２２ｎ，２２ｐの一端との間、第２電極層２４と各熱電素子２２ｎ，２２ｐの他端との間に、半田Ｒを介在させる。さらに、第１の基板１５と各補強部材３０（第１補強部材３１）の一端との間、及び第２の基板２６と各補強部材３０（第２補強部材３２）の他端との間に、半田Ｒを介在させる。

次に、半田Ｒの融点まで加熱する加熱工程を行い、半田Ｒを溶融させると、各熱電素子２２及び各補強部材３０は加熱によって連結方向へ熱膨張する。なお、加熱工程の温度は、熱電素子２２の作動温度より高い。そして、各熱電素子２２及び各補強部材３０が熱膨張すると、各熱電素子２２と各補強部材３０の線膨張による変位量が一致するため、各熱電素子２２と、各補強部材３０とが同じ高さになる。

なお、半田Ｒを介して各熱電素子２２と各補強部材３０に支持される第２の基板２６が、一定の高さで傾かないようにするため、半田Ｒの厚みが、予め調整されている。本実施形態では、各補強部材３０と第１及び第２の基板１５，２６との間には第１及び第２電極層１４，２４が介在されていないため、補強部材３０と各基板１５，２６との間の半田Ｒの厚みが、各熱電素子２２ｎ，２２ｐと各基板１５，２６との間の半田Ｒの厚みより厚くなっている。

そして、半田Ｒの融点で、補強部材３０及び熱電素子２２が同じ高さとなった状態で、半田Ｒを融点より低い温度まで冷却する冷却工程を行う。すると、図５（ｂ）に示すように、半田Ｒが固体化して接合層Ｈ，Ｓとなり、接合層Ｈによって各熱電素子２２が第１及び第２電極層１４，２４に接合されるとともに、接合層Ｓによって各補強部材３０が第１及び第２絶縁基板１５ａ，２６ａに接合され、熱電変換装置１１が製造される。また、各熱電素子２２及び各補強部材３０は、冷却工程によって熱膨張状態から収縮する。

熱電変換装置１１において、各熱電素子２２と、各補強部材３０とは、線膨張による変位量が同じに設定されているため、各補強部材３０及び各熱電素子２２が収縮しても、高さが一致する。よって、熱電素子２２には、引張り方向及び圧縮方向への応力が発生しない。

上記のように製造された熱電変換装置１１においては、各熱電素子２２ｎ，２２ｐに通電することで生じるペルチェ効果により、第１電極層１４及び第２電極層２４のうち、いずれか一方の電極層を発熱（加熱）側電極層とする一方で、他方の電極層を吸熱（冷却）側電極層とすることができる。よって、第１及び第２の熱交換部材１２，２５のうち、一方の熱交換部材によって図示しない熱交換媒体を加熱することができ、他方の熱交換部材によって図示しない熱交換媒体を冷却することができる。

次に、熱電変換装置１１の作用について説明する。
さて、熱電変換装置１１において、各熱電素子２２が作動し、温度上昇すると、熱電素子２２付近の各補強部材３０も熱電素子２２からの熱を受けて温度上昇し、熱電素子２２及び補強部材３０共に熱膨張する。このとき、補強部材３０と熱電素子２２の線膨張による変位量が同じに設定されているため、補強部材３０と熱電素子２２が同じ高さになり、各熱電素子２２に応力が発生することがない。

また、第１及び第２の熱交換部材１２，２５のうち、一方の熱交換部材によって図示しない熱交換媒体が加熱され、他方の熱交換部材によって図示しない熱交換媒体が冷却される。このとき、補強部材３０の第１補強部材３１が低熱伝導材料よりなるため、加熱側の熱を、補強部材３０を介して冷却側に伝わりにくくすることができる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）熱電変換装置１１において、補強部材３０の第１補強部材３１及び第２補強部材３２それぞれが線膨張したときの補強部材３０の変位量を調整した。すなわち、第２補強部材３２が熱膨張により変位する変位量を第１補強部材３１より大きくした。そして、第１補強部材３１及び第２補強部材３２の線膨張係数に合わせて長さＬａ，Ｌｂを選定することで補強部材３０の変位量が、熱電素子２２の変位量と一致するようにした。補強部材３０を多層構造とすることで、熱電素子２２の線膨張による変位量に対し、補強部材３０の線膨張による変位量を合わせることが可能になる。したがって、熱電素子２２の作動温度以上で熱電素子２２及び補強部材３０が熱膨張したとき、それら熱電素子２２と補強部材３０の高さを一致させることができる。このため、熱電素子２２の作動時に、熱電素子２２及び補強部材３０が熱膨張しても、熱電素子２２と補強部材３０の高さの違いによって第１及び第２の基板１５，２６が互いに離間する方向又は近付く方向に付勢されることが防止される。その結果、熱電素子２２に対し、両基板１５，２６からの引張り応力又は圧縮応力が発生することが防止される。

（２）熱電変換装置１１において、第１の基板１５と第２の基板２６を補強部材３０で連結した。このため、第１及び第２の基板１５，２６に温度変位が生じたとき、補強部材３０によって両基板１５，２６の歪みを抑えることができ、その歪みによって熱電素子２２に応力が発生することを防止することができる。

（３）補強部材３０を第１補強部材３１と第２補強部材３２の２層構造とするとともに、第１補強部材３１を第２補強部材３２よりも低熱伝導性の材料で形成した。このため、第１及び第２電極層１４，２４のうちの一方の電極層が加熱されたとき、その熱を補強部材３０を介して冷却側の他方の電極層に伝わりにくくすることができる。

（４）熱電素子２２と補強部材３０の線膨張による変位量を一致させるため、第１補強部材３１と第２補強部材３２の長さＬａ，Ｌｂを選定した。第１補強部材３１及び第２補強部材３２の線膨張係数は一義的に決まっているため、第１補強部材３１及び第２補強部材３２の長さＬａ，Ｌｂを調整することで、補強部材３０の線膨張による変位量を所望する値に設定することができる。そして、熱電素子２２の材料が変更され、線膨張係数が変更された場合には、第１補強部材３１及び第２補強部材３２の長さを調整することで、補強部材３０の変位量を熱電素子２２の変位量に合わせることができる。したがって、補強部材３０を多層構造とすることにより、熱電素子２２の線膨張による変位量に対し、補強部材３０の変位量を簡単に合わせることができる。

（５）常温時での、熱電素子２２と補強部材３０の高さを一致させた。このため、常温時に、熱電素子２２及び補強部材３０が収縮しても熱電素子２２と補強部材３０の高さが同じになり、補強部材３０によって第１及び第２の基板１５，２６が熱電素子２２に対し離間する方向又は近付く方向へ付勢されることがない。したがって、常温時に、熱電素子２２に引張り応力及び圧縮応力が発生することが防止できる。また、熱電素子２２及び補強部材３０の熱膨張時には、熱電素子２２と補強部材３０は同じ高さから熱膨張し、結果として同じ高さになるため、熱電素子２２に各応力が発生することが防止される。

（６）第１の基板１５及び第２の基板２６の第２方向Ｙ２に複数配列された補強部材３０のうち、両縁側の補強部材３０は、それらの内側の補強部材３０より厚くなっている。このため、補強部材３０によって第１及び第２の基板１５，２６の第２方向Ｙ２の縁側が大きく反ることを抑制することができる。

（７）補強部材３０を第１補強部材３１と第２補強部材３２の２層構造とするとともに、第１補強部材３１を第２補強部材３２よりも低熱伝導性の材料で形成した。このため、例えば、補強部材３０を３層以上の構成とする場合と比べると、簡単な構成で補強部材３０を介した熱伝導を抑えることができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 実施形態では、常温時での熱電素子２２と補強部材３０の高さを一致させるとともに、熱電素子２２の作動温度以上での熱電素子２２と補強部材３０の高さが一致するように、第１補強部材３１と第２補強部材３２の長さＬａ，Ｌｂを設定したが、これに限らない。例えば、常温時での熱電素子２２と補強部材３０の高さを不一致としておき、熱電素子２２の作動温度以上で熱電素子２２と補強部材３０の高さが一致するように、第１補強部材３１と第２補強部材３２の高さＬａ，Ｌｂを設定してもよい。

○ 実施形態では、熱電素子２２の作動温度以上での熱電素子２２と補強部材３０の高さが一致するように、第１補強部材３１と第２補強部材３２の長さＬａ，Ｌｂを設定したが、これに限らない。例えば、熱電素子２２の作動温度以上での熱電素子２２と補強部材３０の高さが一致するように、第１補強部材３１及び第２補強部材３２の線膨張係数を適宜選定し、その線膨張係数の材料で第１補強部材３１及び第２補強部材３２を形成してもよい。この場合、第１補強部材３１と第２補強部材３２の長さＬａ，Ｌｂは線膨張係数に依存して変更され、長さＬａ，Ｌｂが同じになる場合もあれば、異なる場合もある。

○ 実施形態では、補強部材３０を２層に形成したが、補強部材３０を高さ方向に３層以上とするとともに、その補強部材３０を低熱伝導材料の層と、それ以外の層とで形成し、低熱伝導材料の層を２層以上としてもよい。そして、熱電素子２２の作動温度以上で補強部材３０の各層それぞれが線膨張したときの補強部材３０の変位量を調整し、熱電素子２２と補強部材３０の高さが一致するようにしてもよい。

例えば、図６（ａ）に示すように、補強部材３０を、その連結方向の中央に設けられた第１補強部材３１と、この第１補強部材３１を挟むように設けられた第２補強部材３２とから、３層構造としてもよい。

また、図６（ｂ）に示すように、補強部材３０の連結方向両端を第１補強部材３１とするとともに、この第１補強部材３１の間に第２補強部材３２を介在させて、３層構造としてもよい。

さらに、図６（ｃ）に示すように、第１補強部材３１を３層とするとともに、連結方向における第１補強部材３１同士の間に第２補強部材３２を設け、補強部材３０を５層構造としてもよい。

○ 実施形態では、補強部材３０を矩形板状に形成し、その長さ方向が第１及び第２の基板１５，２６の第１方向Ｙ１に延びるように配置したが、補強部材の配置、及び形状は任意に変更してもよい。

例えば、図７（ａ）に示すように、補強部材６０を棒状とし、熱電素子２２の列の外側及び列間に第１方向Ｙ１及び第２方向Ｙ２それぞれに等間隔おきに配置してもよい。
又は、図７（ｂ）に示すように、棒状の補強部材６０を熱電素子２２の列の間に第１方向Ｙ１及び第２方向Ｙ２それぞれに等間隔おきに配置してもよい。

又は、図７（ｃ）に示すように、第１の基板１５及び第２の基板２６の四つの側縁部に沿って矩形板状の補強部材６１を配置するとともに、棒状の補強部材６０を熱電素子２２の列の間に第１方向Ｙ１及び第２方向Ｙ２それぞれに等間隔おきに配置してもよい。

○ 実施形態において、補強部材３０の線膨張係数を、熱電素子２２の線膨張係数より大きくしてもよい。このとき、熱電変換装置１１の常温時は、補強部材３０の高さが、熱電素子２２の高さより低くなっているのが好ましい。さらには、熱電変換装置１１の製造時、半田Ｒを加熱溶融して第１の基板１５及び第２の基板２６に対し熱電素子２２及び補強部材３０を接合する際には、補強部材３０の高さと熱電素子２２の高さが一致しているのが好ましい。

このように構成すると、常温時は、補強部材３０が熱電素子２２より大きく収縮することにより、第１の基板１５と第２の基板２６の間隔が狭まり、熱電素子２２に圧縮方向の応力を発生させることができる。そして、熱電素子２２が作動し、熱電素子２２及び補強部材３０が熱膨張すると、補強部材３０が熱電素子２２より大きく膨張し、熱電素子２２の圧縮方向の応力が軽減される。

○ 実施形態では、接合層Ｈ，Ｓを半田により形成したが、蝋材により形成してもよい。また、接合層Ｈ，Ｓを接着剤で形成してもよい。
○ 実施形態では、補強部材３０を第１及び第２の基板１５，２６の第１及び第２絶縁基板１５ａ，２６ａに接合したが、これに限らない。例えば、第１及び第２の基板１５，２６の第１及び第２電極層１４，２４において、熱電素子２２と接合される部位に対し、絶縁された位置に補強部材３０の接合部を形成する。そして、この接合部と補強部材３０とを接合層Ｓで接合してもよい。この場合、第１及び第２電極層１４，２４と接合部とは同一平面上にあるため、加熱工程時に、熱電素子２２と補強部材３０の高さを一致させつつ、熱電素子２２用の接合層Ｈと、補強部材３０用の接合層Ｓとを同じ厚さとすることができる。

○ 実施形態において、熱電素子２２と補強部材３０の高さを一致させなくてもよい。この場合、熱電素子２２に対し圧縮又は引っ張り応力をどちらにどの程度発生させるかを適宜調整できる。

次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記補強部材は、前記第１の基板に接合される第１補強部材と、前記第２の基板に接合される第２補強部材を積層して形成されている請求項１〜請求項４のうちいずれか一項に記載の熱電変換装置。

（ロ）第１の基板と、該第１の基板に対向配置された第２の基板と、一端が接合層を介して前記第１の基板の電極層に接合されるとともに他端が接合層を介して前記第２の基板の電極層に接合された熱電素子と、一端が接合層を介して前記第１の基板に接合されるとともに他端が接合層を介して前記第２の基板に接合される補強部材と、を有する熱電変換装置の製造方法であって、前記補強部材を、両基板の連結方向の一部をその他より低熱伝導材料で形成した多層構造とするとともに、前記補強部材のその他の部位が熱膨張により変位する変位量を低熱伝導性の一部より大きくし、前記接合層の材料を加熱溶融して両基板と前記補強部材及び熱電素子を接合する際、前記補強部材の高さを前記熱電素子の高さと一致させる熱電変換装置の製造方法。

Ｌａ，Ｌｂ…長さ、Ｈ，Ｓ…接合層、１１…熱電変換装置、１５…第１の基板、１４…第１電極層、２２…熱電素子、２４…第２電極層、２６…第２の基板、３０，６０，６１…補強部材、３１…低熱伝導性の一部である第１補強部材、３２…その他の部位である第２補強部材。

Claims (4)

1. 第１の基板と、
   該第１の基板に対向配置された第２の基板と、
   一端が接合層を介して前記第１の基板の電極層に接合されるとともに他端が接合層を介して前記第２の基板の電極層に接合された熱電素子と、
   一端が接合層を介して前記第１の基板に接合されるとともに他端が接合層を介して前記第２の基板に接合される補強部材と、を有する熱電変換装置であって、
   前記補強部材を、両基板の連結方向の一部をその他の部位より低熱伝導性とした多層構造とするとともに、
   前記補強部材のその他の部位が熱膨張により変位する変位量を低熱伝導性の一部より大きくしたことを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記熱電素子の作動温度以上で前記補強部材の各層それぞれが線膨張したときの前記補強部材の変位量を調整し、前記熱電素子と前記補強部材の高さが一致するようにした請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記変位量は、前記補強部材の各層の長さを選定して調整される請求項１又は請求項２に記載の熱電変換装置。
4. 前記熱電素子及び前記補強部材は、常温時の高さが一致する請求項１〜請求項３のうちいずれか一項に記載の熱電変換装置。

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