JP2014049713A - 熱電変換モジュールおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高温用熱電変換モジュールの熱電変換素子と電極とを接合する構造において、高温環境下でも熱電変換素子および電極間の接合信頼性の低下を抑制し、外周温度を効率よく熱電変換素子へ伝えることができるようにする。
【解決手段】複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子とを高温側の面と低温側の面とをそろえて交互に並べて配置されて電気的に直列に接続して形成された熱電変換モジュールを、p型熱電変換素子とn型熱電変換素子との間には接合金属材料が挟まれており、この接合金属材料との間に合金層が形成されて互いに電気的に接続されており、交互に並べて配置されて電気的に直列に接続された複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子との高温側の面と低温側の面とが熱伝導性が良い絶縁材で覆われるように構成した。
【選択図】 図1
Description
(1)はんだ接合
現在主流となっている鉛フリーはんだの場合は、はんだの融点がおおよそ220〜230℃であり、高温系鉛フリーはんだにおいても融点は400℃以下であり、使用環境下で再溶融する可能性が高い。
(2)硬ろう材による接合
硬ろう材は融点が概ね600〜800℃とはんだ材よりも高く、300度以上の高温環境下で接合材として使用可能である。Agを主成分としたAgろうやAuを主成分としたAuろう等があるが、ろう材は接合強度が5〜25MPa程度であるため、接合強度が低い。さらに大気環境下では、接合部の酸化による劣化が著しく、接合信頼性の低下が懸念される。
(3)加圧による接触接続
熱電変換素子と電極の接続形態が接触であるため、接触界面の接触熱抵抗により、熱電変換モジュールの変換効率の低下が懸念される。さらに、一括加圧方式の場合は各素子間における加圧力のばらつきが素子ごとの温度ばらつきとなり、特性が低下することも考えられる。また、接触熱抵抗を低下させるために加圧力を高めた場合、熱電変換素子内へのクラックや欠けが懸念される。
(4)中間層を挟んだ接合
特許文献3及び4には、熱電変換素子と電極との間にAl又はAl合金を挟んで熱電変換素子と電極を接合することが示されている。しかし、特許文献3に記載の方法では、接合時525℃〜575℃に加熱した状態で300kg/cm2〜700 kg/cm2の圧力をかけており、熱電変換素子や接合部にクラックを発生させる恐れがある。また、特許文献4に記載されている方法でも、接合時600〜700℃に加熱した状態で数十MPaの圧力をかけており、熱電変換素子や接合部にクラックを発生させる恐れがある。
第2の実施例においては、図6に示すように、サンプル支持具201の形状が、第1の実施例において図2で説明したサンプル支持用治具20と異なっている。
Claims (9)
- 複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子とを高温側の面と低温側の面とをそろえて交互に並べて配置されて電気的に直列に接続して形成された熱電変換モジュールであって、
前記複数のp型の熱電変換素子と前記複数のn型の熱電変換素子との間には接合金属材料が挟まれており、該接合金属材料との間に合金層が形成されて互いに電気的に接続されており、
前記交互に並べて配置されて電気的に直列に接続された複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子との前記高温側の面と前記低温側の面とが熱伝導性が良い絶縁材で覆われている
ことを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、前記熱伝導性が良い絶縁材の外側は金属ケースで覆われており、前記熱伝導性が良い絶縁材と前記複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子との高温側の面と低温側の面とは、接触により接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。
- 請求項1記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記p型熱電変換素子と前記n型熱電変換素子とは、間に挟まれた接合金属材料との間に複数の合金層を形成して互いに電気的に接続されていることを特徴とする熱電変換モジュール。 - 請求項1又は3記載の熱電変換モジュールにおいて、
前記p型熱電変換素子と前記n型熱電変換素子との間には、アルミニウム又はアルミニウム合金が挟まれており、該アルミニウム又はアルミニウム合金との間に複数の合金層が形成されて互いに電気的に接続されていることを特徴とした熱電変換モジュール。 - 熱電変換モジュールの製造方法であって、
複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子とを高温側の面と低温側の面とをそろえて交互に並べて配置し、
該交互に並べて配置した前記複数のp型熱電変換素子と前記複数のn型熱電変換素子とを接合金属材料で接合して前記複数のp型熱電変換素子と前記複数のn型熱電変換素子とを電気的に直列に接続し、
前記電気的に直列に接続した複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子との高温側の面と低温側の面とを熱伝導性が良い絶縁材で覆う
ことを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。 - 請求項5記載の熱電変換モジュールの製造方法であって、前記熱伝導性が良い絶縁材は金属ケースに取り付けられており、前記複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子との高温側の面と低温側の面とを前記熱伝導性が良い絶縁材で覆うことが、前記金属ケースに取り付けられた前記熱伝導性が良い絶縁材で覆うことであり、前記複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子との高温側の面と低温側の面とは、接触により前記熱伝導性が良い絶縁材と接続していることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
- 請求項5記載の熱電変換モジュールの製造方法であって、前記p型熱電変換素子と前記n型熱電変換素子とを電気的に直列に接続することを、前記接合金属材料を加熱溶融させて前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子との間に合金層を形成することにより互いに電気的に接続することを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
- 請求項5又は7に記載の熱電変換モジュールの製造方法であって、前記p型熱電変換素子と前記n型熱電変換素子とを電気的に直列に接続することを、アルミニウム又はアルミニウム合金を加熱溶融させて前記p型熱電変換素子及び前記n型熱電変換素子との間に複数の合金層を形成して互いに電気的に接続されていることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
- 請求項5記載の熱電変換モジュールの製造方法であって、前記接合金属材料は、前記複数のp型熱電変換素子と複数のn型熱電変換素子との高温側の面と低温側の面とに金属箔を供給し、この金属箔を加熱して溶融させて形成したものであることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
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