JP2018037485A - 熱電変換モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】均一な高さの熱変換モジュールを製造することができる熱変換モジュールの製造方法の提供。【解決手段】少なくとも一対のｐ型及びｎ型熱電半導体１，２と、ｐ型熱半導体１とｎ型熱半導体２とを直列に接続する電極板３，４と、を備えた熱電変換モジュールを製造する方法であって、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２と電極板３，４との間に、塑性変形可能な緩衝シート５を配置する配置工程と、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２と電極板３，４とによって緩衝シート５が押し潰される方向に、緩衝シート５を押圧して、緩衝シート５を塑性変形させる押圧工程とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換システムを構成する熱電変換モジュールの製造方法に関し、より詳細には、均一な高さの熱電変換モジュールを製造する方法に関する。

従来の熱電変換システムの一例が、下記の特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の熱電変換システムは、互いに対向配置された高温側基板と低温側基板とで熱電変換モジュールの上下を挟んだ構造を有する。

また、熱電変換モジュールは、一般に、複数のｐ型熱電半導体及び複数のｎ型熱電半導体の各々が高温側電極と低温側電極とで挟まれた構造を有する。互いに離間して交互に配列されたｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とは、高温側電極と低温側電極によって互いに違いに接続され、これにより、複数のｐ型熱電半導体と複数のｎ型熱電半導体とが電極を介して交互に直列接続されている。そして、高温側基板と低温側基板によって各熱電半導体の高温電極側と低温電極側との間に温度差を生じさせ、この温度差によって各熱電半導体にゼーベック効果による熱起電力を発生させ、電極から直流電流を取り出している。

特開平９−２９３９０６号公報

ところで、熱電変換モジュールを構成する各熱電半導体の高さ（電極と接続される互いに平行な両端面間の距離）や電極の厚みには、熱電半導体や電極の加工精度上ばらつきが生じてしまう。このため、熱電半導体と電極とを積層した高さに、例えば１０μｍを超える大きなばらつきが生じることがあり、熱電変換モジュールの高さ（低温側電極の外面から高温側電極の外面までの距離）が不均一となることがあった。
また、熱電半導体と電極とをろう材で接合すれば、ある程度ばらつきを吸収することはできるが、ろう材だけでは大きなばらつきを十分に吸収することは困難であった。

そして、熱電変換モジュールの高さが不均一となると、熱電変換モジュールと熱源としての高温側及び低温側基板との密着性が低下し、密着面での熱抵抗が高くなり、熱電変換システムの発電性能が低下してしまうという問題が生ずる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、均一な高さの熱変換モジュールを製造することができる熱変換モジュールの製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明は、少なくとも一対の熱電半導体と、前記一対の熱電半導体を直列に接続する電極板とを備えた熱電変換モジュールを製造する方法であって、前記一対の熱電半導体と前記電極板との間に、塑性変形可能な緩衝部材を配置する配置工程と、前記一対の熱電半導体と前記電極とによって前記緩衝部材が押し潰される方向に、前記緩衝部材を押圧して、前記緩衝部材を塑性変形させる押圧工程とを有することを特徴としている。

このように、本発明の熱電変換モジュールの製造方法によれば、熱電半導体と電極板との間に緩衝シートを配置して押圧することにより、緩衝シートが塑性変形し、熱電半導体ごとの高さのばらつきが吸収される。これにより、本発明によれば、均一な高さの熱変換モジュールを製造することができる。

本発明の第１実施形態に係る熱電変換モジュールの断面模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は、押圧工程における緩衝シートの可塑変形を説明する断面模式図である。 本発明の第２実施形態に係る熱電変換モジュールの断面模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第２実施形態における電極板の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第２実施形態における位置決め構造を説明する断面模式図である。 （ａ）〜（ｃ）は、第３実施形態における電極板の斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第３実施形態における位置決め構造を説明する断面模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の熱電変換モジュールの製造方法の実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態の製造方法により製造された熱電変換モジュールの要部断面図である。
熱電変換モジュール１００は、ｐ型半導体からなる熱電変換素子（以下、「ｐ型熱電半導体」ともいう）１と、ｎ型半導体からなる熱電変換素子（以下、「ｎ型熱電半導体」ともいう）２とを互いに離間して、それぞれ交互に複数配列し、これらの上下両端面側に、シート状の緩衝部材（以下、「緩衝シート」ともいう）５を介して、高温側電極板３と低温側電極板４によって互いに違いに積層して構成されている。これにより、交互に配列されたｐ型熱電半導体１とｎ型熱電半導体２とが、高温電極板３と低温電極板４とによって直列に接続されている。

なお、同図では、熱電変換モジュールを構成する複数のｐ型熱電半導体１及び複数のｎ型熱電半導体２のうち、一対のｐ型熱電半導体１及びｎ型熱電半導体２を代表して示す。また、図１では、緩衝シート５を熱電変換素子１，２の上下両端面側に介在させているが、少なくともいずれか一方の端面側に介在させればよい。

ｐ型熱電半導体１及びｎ型熱電半導体２は、それぞれ上側端面１ａ，１ｂと下側端面２ａ，２ｂとを有する一定の高さ（例えば、１〜５ｍｍ）の角柱状のチップである。これらの材料としては、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、ビスマス−テルル系、鉛−テルル系、鉄−バナジウム−アルミニウム系等の材料が挙げられる。

高温側電極３と低温側電極４は、一定の厚さ（例えば、０．３〜２ｍｍ）の平板状の電極材である。これらの材料としては、例えば、銅、モリブデン、ニッケル、鉄、アルミニウム、タングステン、銀、チタン、ステンレス鋼等が挙げられる。

緩衝シート５は、例えば、塑性変形可能な金属シート、多孔質金属シート、又は金属メッシュシートの形態をとることができる。これらの材料としては、例えば、高い熱伝導性及び電気伝導性を有し、かつ、塑性変形が容易な銅、アルミニウム、ニッケル、モリブデンを挙げることができる。

多孔質金属シートは、例えば、金属粉末、バインダ、スペーサ及び水を混合、混練したシートを成形し、スペーサ及びバインダを除去したものを焼結することにより作成される。多孔質金属シートの気孔率は、例えば、５０〜９５％であることが好ましい。また、金属メッシュシートは、例えば、直径１〜１００μｍの金属繊維を網目状に組み合わせた構成を有する。

（配置工程）
熱電変換モジュールの製造にあたっては、まず、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２と高温側及び低温側電極板３，４との間に、塑性変形可能な緩衝シート５を配置する。例えば、低温側電極板４上に、緩衝シート５、ｐ型又はｎ型熱電半導体１又は２、緩衝シート５、及び高温側電極板５を順次に積層する。

塑性変形前の緩衝シート５の厚さは、１０〜１０００μｍであることが望ましい。かかる厚さの範囲内であれば、塑性変形により高さのばらつきを吸収しつつ、高熱抵抗化を回避することができる。

（押圧工程）
次に、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２と電極板３，４とによって緩衝シート５が押し潰される方向（即ち、図１における上下方向）に、緩衝シー５トを押圧して、緩衝シート５を塑性変形させる。
押圧工程では、例えば、熱電変換モジュールをプレス装置（図示せず）の平行平板で挟み、例えば１〜１００ＭＰａの圧力を印加してプレスする。

図２に、金属板の緩衝シート５の押圧前後の断面を示す。図２（ａ）は、押圧前の緩衝シート５の断面を示し、図２（ｂ）は、押圧後の緩衝シート５の断面を示す。図２（ｂ）に示すように、金属板の緩衝シート５は、体積一定で塑性変形するため、厚さ方向に潰れるとともに、面方向に広がる。ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２と高温側及び低温側電極３，４の高さの合計が小さいほど緩衝シート５の塑性変形量が大きくなり、一方、この合計が大きいほど緩衝シート５の塑性変形量が小さくなることにより、高さのばらつきが吸収される。
なお、図２では、ｐ型熱電半導体１と低温側電極板４との間に介在する緩衝シート５が塑性変形する様子を示したが、他の部分に配置された緩衝シート５も同様に塑性変形する。

緩衝シート５の面積は、ｐ型及びｎ型熱電半導体１及び２の端面１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂの面積の例えば９０％〜１１０％であることが望ましい。かかる面積比の範囲内であれば、緩衝シート５の面積が狭すぎることによる高熱抵抗化を回避しつつ、緩衝シート５の面積が広がりすぎることによるショート発生の危険性を回避することができる。

また、緩衝シート５が、多孔質金属シート又は金属メッシュシートである場合においても、緩衝シート５は、押圧により、高さのばらつきを吸収しながら緩衝シート５内部の空隙が潰されて塑性変形する。

（加熱工程）
次に、上記の押圧工程中、又は押圧工程後に、緩衝シート５を例えば、４００〜７００℃で加熱して、緩衝シート５をｐ型及びｎ型熱電半導体１，２及び高温側及び低温側電極３，４と接合させる。
接合の方法としては、例えば、拡散接合、固相拡散接合、液相拡散接合が挙げられる。これらの接合により、異種金属間でも容易に冶金的に面接合ができるため、接合界面に起因する熱抵抗の上昇を抑制することができる。

さらに、本実施形態では、加熱工程において、緩衝シート５にろう材を含浸させる。ろう材は、はんだ等の軟ろう材でもよいし、銀ろう等の硬ろう材でもよい。緩衝シート５にろう材を含浸させることにより、特に、緩衝シート５が多孔質金属シートや金属メッシュシートである場合に、緩衝シート５内部の空隙が埋められる。これにより、緩衝シート５の密度が向上し、緩衝シート５の熱抵抗を低減することができる。

このように、本実施形態の熱電変換モジュールを製造によれば、緩衝シート５が塑性変形し、高さのばらつきが吸収されるため、均一な高さの熱変換モジュールを製造することができる。

さらに、このようにして製造した熱電変換モジュールの上下を、互いに対向配置された高温側基板（図示せず）と低温側基板（図示せず）とで挟むことにより、熱電変換システムが製造される。本実施形態で製造した熱変換モジュールは均一な高さを有するため、高温側電極３の上面側に高温側基板を良好に密着させるとともに、低温側電極４の下面側に低温側基板を良好に密着させることができる。これにより、熱電変換モジュールと熱源との間の熱伝導性を高めることでき、熱電変換システムの発電性能の向上を図ることができる。

また、熱電変換モジュール製造の加熱工程において、及び、熱電変換モジュールを組み込んだ熱電変換システムの発電時において、緩衝シート５により熱電半導体に対する熱応力の影響を低減することができる。

［第２実施形態］
図３に、第２実施形態の製造方法により製造された熱電変換モジュールの断面図を示す。なお、同図においても、熱電変換モジュールを構成する複数のｐ型熱電半導体１及び複数のｎ型熱電半導体２のうち、一対のｐ型熱電半導体１及びｎ型熱電半導体２を代表して示す。

本実施形態では、高温側電極板３０及び低温側電極板４０の表面３１及び４１に、それぞれ位置合わせ用の凹部３２及び４２が形成されている点を除いて、上述した第１実施形態と同じ方法により熱電変換モジュールを製造する。このため、本実施形態では、電極板以外の説明は省略する。

図４（ａ）に、図３に示した低温側電極板４０の斜視図を示す。図４（ａ）に示すように、低温側電極板４０（以下、単に電極板４０ともいう。）の表面４１には、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２及び緩衝シート５の位置を規定する位置合わせ構造としての凹部４２が形成されている。凹部４２は、例えば、５０〜５００μｍの深さを有する。このような凹部４２は、例えば、プレス加工、ローレット加工、フライス加工、ダイシング加工によって形成することができる。
なお、図３に示した高温側電極板３０も、低温側電極板４０と同一の構造を有する。また、位置合わせ構造は、高温側電極板及び低温側電極板の一方にのみ形成してもよい。

凹部４２は、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂ及び緩衝シート５が配置されるべき平坦な底面領域４２ａを有し、底面領域４２ａの周囲は、垂直な側壁４２ｂで囲まれている。本実施形態では、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂが正方形であるため、底面領域４２ａもこれに合わせて正方形に形成されている。また、底面領域４２ａは、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂの面積の１００〜１２０％の面積を有することが好ましい。

図４（ｂ）に、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂが円形であるときの電極板５０を変形例として示す。同図に示すように、電極板５０の表面５１に形成された凹部４２は、円形の外周を有する平坦な底面領域５２ａを有し、底面領域５２ａの周囲は、垂直な側壁５２ｂで囲まれている。

図５（ａ）に、図４（ａ）に示した凹部４２に嵌め込まれたｐ型熱電半導体１及び緩衝シート５の断面を示す。なお、凹部４２にｎ型半導体２を嵌め込んだ場合も同様な構造となる。図５（ａ）に示すように、電極板４０に、位置決め構造としての凹部４２を形成したことにより、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂ及び緩衝シート５を適所に容易に位置決めすることができる。これにより、配置工程において、熱変換モジュールを組み上げる作業性（ハンドリング性）を向上させることができる。

図５（ｂ）に、変形例として電極板４０ａを示す。同図に示すように、電極板４０ａに形成された凹部４３は、平坦な底面領域４３ａを有し、本変形例では、底面領域４３ａの周囲は、電極板の表面上方に向いた傾斜面４３ｂで囲まれている。配置工程において、傾斜面４３ｂによってｐ型熱電半導体１及び緩衝シート５が所定位置へガイドされることにより、配置工程におけるハンドリング性を一層向上させることができる。
なお、傾斜面４３ｂによってｎ型熱電半導体２及び緩衝シート５も同様に所定位置へガイドすることができる。

図５（ｃ）に、更なる変形例として電極板４０ｂを示す。同図に示すように、電極板４０ｂに形成された凹部４４は、平坦な底面領域４４ａの周囲に溝部４４ｃを有する。

ところで、各緩衝シート５は、高さのばらつきを吸収するように塑性変形するため、塑性変形後の緩衝シート５に含浸されるろう材の最適量も、緩衝シート５ごとに異なっている。例えば、塑性変形量が大きい緩衝シート５におけるろう材の最適な含浸量は、塑性変形量が小さい緩衝シート５では少なすぎる。このため、緩衝シート５が多孔質金属シートや金属メッシュシートの場合、緩衝シート５内の空隙を十分に埋めることができない。一方、塑性変形量が小さい緩衝シート５におけるろう材の最適な含浸量は、塑性変形量が大きい緩衝シート５では多すぎる。このため、緩衝シート５からろう材が溢れ出してしまう。溢れたろう材は、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２を這い上がって、ショート等の不具合を引き起こすおそれがある。

そこで、本変形例のように、溝部４４ｃを形成した電極板４０ｂを使用すれば、溢れたろう材を溝部４４ｃに溜めることができるため、ろう材の這い上がりを防止することができる。これにより、緩衝シート５の塑性変形量が小さい場合に最適な多めの含浸量のろう材を各緩衝シート５に含浸させることができる。

［第３実施形態］
図６（ａ）に、第３実施形態の熱電変換モジュールの製造方法に使用する電極板６０の斜視図を示す。本実施形態では、電極板６０の表面６１に、位置合わせ用のリブ部６２が形成されている点を除いて、上述した第１実施形態と同じ方法により熱電変換モジュールを製造する。このため、本実施形態では、電極板以外の説明は省略する。

図６（ａ）に示すように、電極板６０の表面６１には、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２及び緩衝シート５の位置を規定する位置合わせ構造としてのリブ部６２が形成されている。リブ部６２は、例えば、５０〜５００μｍの高さを有する。このようなリブ部６２は、例えば、プレス加工、ローレット加工、フライス加工、ダイシング加工によって形成することができる。

リブ部６２は、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂ及び緩衝シート５が配置されるべき配置領域６１ａを囲む位置に形成され、リブ部６２は、配置領域６１ａ側に、電極板６０の表面上方に向かって傾斜した傾斜面６２ａを有する。

また、本実施形態では、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂが正方形であるため、配置領域６１ａもこれに合わせて正方形に形成されている。配置領域６１ａは、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂの面積の１００〜１２０％の面積を有することが好ましい。

図６（ｂ）に、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の端面１ｂ，２ｂが円形であるときの電極板７０を変形例として示す。同図に示すように、電極板７０の表面７１に形成されたリブ部７２は、円形の外周を有する配置領域７１ａを囲むように形成され、リブ部７２の配置領域７１ａ側には、電極板７０の表面上方に向いた傾斜面７２ａが形成されている。

また、図６（ｃ）に、変形例として電極板８０を示す。同図に示すように、電極板８０に形成されたリム部８２は、平坦な底面領域８１ａの周囲の一部のコーナー部だけに形成されている。

図７（ａ）に、図６（ａ）に示したリブ部６２に囲まれた配置領域６１ａに配置したｐ型熱電半導体１及び緩衝シート５の断面を示す。なお、配置領域６１ａにｎ型半導体２を配置した場合も同様の構造となる。図７（ａ）に示すように、電極板６０に、位置決め構造としてのリブ部６２を形成したことにより、リブ部６２の傾斜面６２ａによってｐ型熱電半導体１及び緩衝シート５が所定位置へガイドされる。これにより、配置工程におけるハンドリング性を向上させることができる。

図７（ｂ）に、更なる変形例として電極板６０ａを示す。同図に示すように、電極板６０ａには、リブ部６２と配置領域６１ａとの間に溝部６３が形成されている。溝部６３は、配置領域６１ａの周囲を囲むように形成されている。

第２実施形態において上述したように、各緩衝シート５は、高さのばらつきを吸収するように塑性変形するため、塑性変形後の緩衝シート５に含浸されるろう材の最適量も緩衝シート５ごとに異なっている。そこで、本変形例のように、溝部６３を形成した電極板６０ａを使用すれば、溢れたろう材を溝部６３に溜めることができ、ろう材の這い上がりを防止することができる。これにより、緩衝シート５の塑性変形量が小さい場合に最適な多めの含浸量のろう材を各緩衝シート５に含浸させることができる。

以上、本発明について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、ｐ型及びｎ型熱電半導体１，２の両端部に緩衝シート５を配置した例を説明したが、本発明では、両端部の一方にのみ緩衝シートを配置してもよい。また、上述した第２及び第３実施形態では、高温側電極板及び低温側電極板の両方に位置決め構造を形成した例を説明したが、本発明では、一方の電極板にのみ位置決め構造を形成してもよい。
なお、説明を省略したが、高温側電極又は低温側電極及び高温側基材又は低温側基材は適宜絶縁されていて、モジュールの短絡を防ぐ構造のものを含んでいる。

本発明は、ごみ焼却炉やコージェネレーションシステム等の廃熱源を利用した小規模分散型の発電システムを構成する熱電変換モジュールの製造や、自動車等の輸送機器の排気ガスの熱を利用した車載用発電システムを構成する熱電変換モジュールの製造に好適に適用することができる。

１ ｐ型熱電半導体
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ 端面
２ ｎ型熱電半導体
３，４，３０，４０，４０ａ，４０ｂ，５０，５０，６０，６０ａ，８０ 電極板
５ 緩衝シート
４２，４４，５２ 凹部
６２，７２，８２ リブ部
４４ｃ，６３ 溝部
１００，１０１ 熱電変換モジュール

Claims (12)

1. 少なくとも一対の熱電半導体と、前記一対の熱電半導体を直列に接続する電極板とを備えた熱電変換モジュールを製造する方法であって、
   前記一対の熱電半導体と前記電極板との間に、塑性変形可能な緩衝シートを配置する配置工程と、
   前記一対の熱電半導体と前記電極板とによって前記緩衝部材が押し潰される方向に、前記緩衝部材を押圧して、前記緩衝部材を塑性変形させる押圧工程と
   を有することを特徴とする、熱電変換モジュールの製造方法。
2. 前記緩衝部材は、塑性変形可能な金属シート、多孔質金属シート又は金属メッシュシートである
   ことを特徴とする、請求項１記載の熱電変換モジュールの製造方法。
3. 前記配置工程において、前記緩衝部材は、前記熱電半導体が前記緩衝部材と接する端面の面積の９０％〜１１０％の面積を有する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載の熱電変換モジュールの製造方法。
4. 前記押圧工程中、又は前記押圧工程後に、前記緩衝部材を加熱して、前記緩衝部材を前記熱電半導体及び前記電極の少なくとも一方と接合させる加熱工程を有する
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
5. 前記加熱工程において、前記緩衝部材にろう材を含浸させる
   ことを特徴とする、請求項４記載の熱変換モジュールの製造方法。
6. 前記電極板は、前記熱電半導体及び前記緩衝部材の一方又は双方の当該電極板上における位置を規定する位置合わせ構造を表面に有する
   ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。
7. 前記電極板は、前記位置合わせ構造として、前記熱電半導体又は前記緩衝部材が配置されるべき平坦な底面領域を有する凹部を有する
   ことを特徴とする、請求項６記載の熱電変換モジュールの製造方法。
8. 前記凹部は、前記底面領域の周囲に、前記電極板の表面上方に向いた傾斜面を有する
   ことを特徴とする、請求項７記載の熱電変換モジュールの製造方法。
9. 前記凹部は、前記底面領域の周囲の少なくとも一部に溝部を有する
   ことを特徴とする、請求項７又は８記載の熱電変換モジュールの製造方法。
10. 前記電極板は、前記位置合わせ構造として、前記熱電半導体又は前記緩衝部材が配置されるべき配置領域の少なくとも一部を囲むリブ部を有する
    ことを特徴とする、請求項６記載の熱電変換モジュールの製造方法。
11. 前記リブ部は、前記配置領域側に、前記電極板の表面上方に向いた傾斜面を有する
    ことを特徴とする、請求項１０記載の熱電変換モジュールの製造方法。
12. 前記電極板は、前記リブ部と前記配置領域との間に溝部を有する
    ことを特徴とする、請求項１０又は１１記載の熱電変換モジュールの製造方法。

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