JP4345279B2

JP4345279B2 - 熱電変換装置の製造方法

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Publication number: JP4345279B2
Application number: JP2002267508A
Authority: JP
Inventors: 正樹折橋; 茂樹本山
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Current assignee: Sony Corp
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Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2009-10-14
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱電冷却素子（ペルチェ冷却素子）もしくは熱電発電素子（ゼーベック発電素子）等の熱電変換素子を用いた熱電変換装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、ペルチェ効果を利用したペルチェ冷却素子は、熱電（変換）半導体を利用したヒートポンプの一種として知られており、直流電流を通電することにより、素子の一方の面において熱を吸収し、他方の面において熱を放出するという特徴を持っている。簡単な構造で冷却作用が得られるため、半導体プロセス用恒温プレート、保温庫及びＣＰＵ（Central Processing Unit；中央演算ユニット）クーラー等への応用が拡大している。このペルチェ冷却素子は、吸熱側と発熱側との温度差が小さいほど、冷却効果が高くなる。
【０００３】
一方、ゼーベック効果を利用したゼーベック発電素子も知られており、素子の片面に熱を加え、素子の一方の面と他方の面との間に温度差を設けることにより、効率は低いが発電することができる。この原理は、体温と気温との差を利用して発電する発電式の腕時計等に活用されている。このゼーベック発電素子は、素子の高温部と低温部との温度差が大きくなるほど、発生する起電力（熱起電力）が大きくなる。
【０００４】
ここで、上記のペルチェ効果及びゼーベック効果等を総称して熱電変換効果と称し、これらの効果を利用したペルチェ冷却素子及びゼーベック発電素子を熱電変換素子と称する。
【０００５】
上記のペルチェ冷却素子を用いた熱電変換装置とゼーベック発電素子を用いた熱電変換装置とは、動作方法は異なるが、全く同じ構造を有している。以下、図１０を用いて、従来の一般的な熱電変換装置７０の構造を説明する。
【０００６】
図１０の熱電変換装置７０においては、アルミナ、窒化アルミニウム等からなる一対のセラミックス基板６７及び６８に、それぞれ、板状の金属電極６３及び６４（図示されていない）が設けられている。そして、セラミックス基板６７及び６８の間に、ｐ型熱電半導体エレメント６１とｎ型熱電半導体エレメント６２とが交互に配列されている。
【０００７】
ｐ型熱電半導体エレメント６１及びｎ型熱電半導体エレメント６２は、金属電極６３及び６４にはんだ付けされ、交互に直列に接続されて熱電変換素子６９を形成している。熱電変換素子６９の両端の電極６３には、リード線６５と６６とが接続されている。
【０００８】
例えば、熱電変換装置７０をペルチェ冷却装置として動作させる場合には、吸熱側のセラミックス基板６８が、冷却しようとする発熱体６０、例えば半導体発熱部品等にできるだけ緊密に熱的に接触するように配置し、他方のセラミックス基板６７は、大気等にすみやかに放熱する構造とする。
【０００９】
そして、吸熱側のセラミックス基板６８上では、ｎ型熱電半導体エレメント６２からｐ型熱電半導体エレメント６１へ電流が流れて吸熱が行われ、放熱側の基板面６７上では、ｐ型熱電半導体エレメント６１からｎ型熱電半導体エレメント６２へ電流が流れて発熱が行われるように、リード線６５及び６６を電源に接続する。
【００１０】
ここで、ｐ型熱電半導体エレメント６１及びｎ型熱電半導体エレメント６２として用いられる熱電半導体材料としては、一般に、下記の式で表される性能指数Ｚが大きい材料が望ましい。
【００１１】
Ｚ＝α²・σ／κ
（但し、αは、ゼーベック係数と呼ばれ、熱電半導体材料の両端に１Ｋ（ケルビン）の温度差がある時に、この両端間に発生する起電力のことである。また、σは熱電半導体材料の電気伝導率を表し、κは熱電半導体材料の熱伝導率
を表す。）
【００１２】
上式から、性能指数Ｚの値を大きくするには、電気的な性能を表すα²・σの値を大きくするだけでなく、熱伝導率κの値を小さくしなければならない。
【００１３】
しかし、一般に、熱電半導体材料においては、σの値が大きくなると、αの値が小さくなる傾向がある。
【００１４】
現在、ペルチェ冷却素子には、一般に、ｐ型熱電半導体エレメント６１としてＳｂ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｔｅ₃合金等が用いられ、ｎ型熱電半導体エレメント６２としてＳｂ₂Ｔｅ₃−Ｂｉ₂Ｔｅ₃合金等が用いられ、これらＢｉ₂Ｔｅ₃系の材料の性能指数Ｚは、２．５〜３．０×１０^-3Ｋ^-1程度である。
【００１５】
熱電変換装置では、直列に接続されている、ｐ型熱電半導体エレメント６１及びｎ型熱電半導体エレメント６２のエレメント本数が多いほど、ペルチェ冷却素子としては吸熱量が大きくなり、ゼーベック発電素子としては発生起電力が大きくなる。そのため、単位面積あたりに配置されるエレメント本数をできるだけ多くするように、エレメントの断面積が決められる。なお、現状の細いエレメントのサイズは０．５ｍｍ×０．５ｍｍ×１．０ｍｍ程度である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０のような従来の熱電変換装置７０等には、主として２つの問題点がある。
【００１７】
第１は、構造上の問題点で、熱電変換素子６９と外部との熱の授受が、セラミックス基板６７及び６８を介して行われる構造になっているため、熱伝導率の低いセラミックス基板６７及び６８によって熱電変換性能が低下することである。
【００１８】
また、セラミックス基板６７及び６８の低い熱伝導性の結果、発熱体６０に接触している部分と接触していない部分の間に温度の不均一が生じると、熱膨張の違いによる歪みがセラミックス基板６７及び６８に生じ、熱電半導体エレメント６１及び６２や電極６３及び６４が破損する恐れが生じる。これらの部品は直列に接続されているため、これらのうちの１つでも破断すると、熱電変換素子６９全体が使用不可能になる。
【００１９】
そこで、図１１に示すようにセラミックス基板を除き、基板温度の不均一による部品の破損を防止し、且つ、熱電変換素子６９ａと外部との熱の授受をセラミックス基板を介さずに行うことで、発熱体６０に対する熱電変換素子６９ａの熱吸収効率を高め得るように、スケルトン構造の熱電変換装置７０ａが提案されている。
【００２０】
図１１の熱電変換装置７０ａでは、各６個のｐ型熱電半導体エレメント６１及びｎ型熱電半導体エレメント６２が図１０の熱電変換装置７０と同様に配置され、蛇行状に直列接続されている。下部電極６３ａ及び上部電極６４ａは、それぞれ、図１０のセラミックス基板６７及び６８上の電極６３及び６４と同じパターンで配置されている。
【００２１】
しかし、熱電変換装置７０ａは、ｐ型熱電半導体エレメント６１及びｎ型熱電半導体エレメント６２を支持する支持体が無いため、強度的に脆弱となる問題点がある。
【００２２】
第２の問題点は、製造に関するものである。図１０のような熱電変換装置を製造するには、図１２（ａ）に示すように、金属電極６３が形成された下部セラミックス基板６７に、ｐ型熱電半導体エレメント６１及びｎ型熱電半導体エレメント６２を手作業もしくはロボットを用いて配置し、加圧しながらはんだを溶融して各エレメントを電極６３に接合した後、上部セラミックス基板６８を配置してはんだを溶融し、各エレメントをセラミックス基板６８上の電極６４に接合する。
【００２３】
この構造は、電極６３及び６４をセラミックス基板６７及び６８上にメタライゼイション等によって形成する必要があるため、コストアップの要因となっている。
【００２４】
また、ｐ型熱電半導体エレメント６１及びｎ型熱電半導体エレメント６２の基板６７上への配列は、穴あき治具を用いたマニュアル組み立てや振動振込み治具やロボット等を用いた機械組み立てで行われるが、この時、図１２（ｂ）に示すように、エレメントの浮き、割れ、欠けやずれ及びロボットアーム７２がエレメントに激突することによるエレメントの欠け等が起こる等の品質上の問題が生じる。熱電変換素子６９では、各エレメント及び各電極が直列に接続されているため、一つでも破断すると使用不可能になる。これも、熱電変換装置のコスト上昇の原因となる。
【００２５】
本発明の目的は、上記のような実情に鑑み、外部との熱交換効率に優れ、熱歪みで破損しにくく、十分な物理的強度を有する熱電変換装置を簡便で、能率的で、低コストに製造する方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法によって製造される熱電変換装置は、複数種の熱電変換エレメントが支持体の一方の面に交互に配列され、この配列方向と交差する方向における前記複数種の熱電変換エレメントの端部間が接続され、外部との熱の授受が少なくとも前記端部を介して行われる熱電変換装置である。
【００２７】
又、複数種の長手状熱電変換エレメントが支持体の一方の面に交互に配列され、この配列方向と交差する方向における前記複数種の長手状熱電変換エレメントの端部間が接続されている熱電変換装置も製造できる。
【００２８】
即ち、本発明は、複数種の熱電変換エレメントが支持体の一方の面に交互に配列され、この配列方向と交差する方向における前記複数種の熱電変換エレメントの端部間が接続され、外部との熱の授受が少なくとも前記端部を介して行われる熱電変換装置の製造方法であって、
電極が形成された第１の支持体上に、前記複数種の熱電変換エレメントのうちの第１の熱電変換エレメントを配列する工程と、
電極が形成された第２の支持体上に、第２の熱電変換エレメントを配列する工程と、
前記第１の熱電変換エレメントを配列した前記第１の支持体と、前記第２の熱電変換エレメントを配列した前記第２の支持体とを繰り出し、前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメント同士を互いに嵌め合せて前記第１の熱電変換エレメント間に前記第２の熱電変換エレメントを配列する工程と、
前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメントを前記端部間で前記電極を介して接続する工程と
を有し、前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメントの前記嵌め合せ工程後に所定寸法に切断して熱電変換装置を製造する、熱電変換装置の製造方法に係わるものである。
【００２９】
本発明の方法によって製造される熱電変換装置によれば、前記複数種の熱電変換エレメントは前記支持体の一方の面側において支持され、前記複数種の熱電変換エレメントの接続部（熱電変換による熱の吸収または発生が行われる場所）が、前記熱電変換エレメントの配列方向と交差する方向における端部に設けられている。この端部は、外部に対して露出させると、この部分を通過する熱の流れを遮るものがない。
【００３０】
このため、前記支持体により十分な物理的強度を保ちながら、外部との熱の授受においては、スケルトン構造と同様の高い効率を実現できる。
【００３１】
また、長手状の形状を有する熱電変換エレメントを用いて、上記と同じ構造の熱電変換装置を構成すると、結果として、本発明の特徴を最も良く発揮させうる熱電変換装置を実現できる。
【００３２】
本発明の製造方法では、前記支持体上に第１の熱電変換エレメントを配列する工程と、前記第１の熱電変換エレメント間に第２の熱電変換エレメントを配列する工程とが独立しているため、熱電変換装置を能率良く、歩留まりよく、低コストで製造できる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
本発明において、前記複数種の熱電変換エレメントの支持方法としては、その端部を前記支持体に設けた電極に接合するのがよく、この場合、前記熱電変換エレメントが長手状であるのが好都合である。
【００３４】
また、前記支持体が可撓性の高分子支持体であるのがよい。セラミックス基板を支持体として用いると、熱電変換素子が外部からの衝撃等から保護される反面、熱電変換素子の可撓性や柔軟性が損なわれる。また、セラミックス基板に温度の不均一が生じると、熱膨張の違いによる歪みが生じ、それに接合されている熱電半導体エレメントや電極が破損する心配がある。高分子シートは、適度な強度と可撓性を併せ持っているので、このような問題は生じない。
【００３５】
また、前記支持体がシート状の前記高分子支持体である場合には、電極を印刷等の方法で形成できるため、電極がメタライゼイション等により形成されるセラミックス基板を用いる場合より、製造コストを抑えることが可能となる。
【００３６】
また、前記支持体がシート状の前記高分子支持体である場合には、その上に作製された熱電変換素子もシート状の形状を有するものになるので、ロール状に巻き取ることができ、大量生産には好都合である。使用時には、必要な寸法だけ切断して使用することも可能となる。
【００３７】
また、前記支持体に可撓性があると、後述のように、重ねたり巻きつけたりなどして、前記複数種の熱電変換エレメントの配列体を様々な形状に集合体化することができる。
【００３８】
また、前記高分子支持体が前記複数種の熱電変換エレメントの、且つ、外部との熱の授受を阻害しないためには、前記高分子支持体の幅に亘って、前記熱電変換エレメントが延びているのがよい。
【００３９】
また、前記支持体は、片側から前記複数種の熱電変換エレメントの配列体を支持するだけでもよい。しかし、より強力に前記複数種の熱電変換エレメントの配列体を保護し、前記電極に接続するには、一対の前記支持体が前記複数種の熱電変換エレメントの配列体を両側から挟み込む構造になっているのがよい。
【００４０】
また、前記複数種の熱電変換エレメントが、電気的に直列に接続されているのがよい。直列に接続されている前記複数種の熱電変換エレメントの本数を増加させるほど、ペルチェ冷却素子としての吸熱量若しくはゼーベック発電素子としての起電力を大きくとることができる。
【００４１】
具体的には、前記支持体上に配列された前記複数種の熱電変換エレメントの配列体が平面形状である場合には、複数段に積層し、この積層方向にて前記配列体間を直列に電気的に接続するのがよい。
【００４２】
前記複数種の熱電変換エレメントの配列体が前記高分子支持体のような可撓性の前記支持体上に配列されている場合には、前記支持体の折り返しによって蛇行形状としたり、ロール状に巻き重ねた形状にするのがよい。
【００４３】
前記複数種の熱電変換エレメントが、ｐ型及びｎ型の熱電半導体からなるのがよい。
【００４４】
また、前記熱電変換エレメントがペルチェ素子又はゼーベック発電素子を構成するのがよい。
【００４５】
また、熱電変換素子の性能や変形時の強度を向上し、更には、隣接する前記熱電変換エレメント間の絶縁性を向上させるために、互いに隣接する前記熱電変換エレメント間に、熱伝導率の低い絶縁材が充填されているのがよい。
【００４６】
本発明に係わる熱電変換装置の製造方法においては、電極が形成された第１の支持体上に、前記複数種の熱電変換エレメントのうちの第１の熱電変換エレメントを配列する工程と、電極が形成された第２の支持体上に、第２の熱電変換エレメントを配列する工程と、前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメントを前記端部間で前記電極を介して接続する工程と、前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメント同士を互いに嵌め合せる工程とを有する。
【００４７】
上記の熱電変換装置の製造方法では、第１の熱電変換エレメント及び第２の熱電変換エレメントは、前記支持体及び前記第２の支持体上に別々に配置された後、一体化される。そのため、ｐ型熱電半導体エレメント１とｎ型熱電半導体エレメント２とを混同して配置する誤りがなくなる。
【００４８】
また、各支持体上での熱電半導体エレメントのピッチは２倍に拡大するので、配置作業が容易になり、配置作業に伴う熱電半導体エレメントの破損等が少なくなり、より高密度配置が可能になる。
【００４９】
また、前記熱電変換装置を大量に能率良く製造するには、前記熱電変換エレメントを配列した支持体を繰り出し、前記嵌め合せ工程後に所定寸法に切断する。
【００５０】
次に、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的に説明する。
【００５１】
実施の形態１
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に基づく熱電変換装置５０の概略斜視図である。支持体として電気絶縁性で可撓性のある一対のフレキシブルな高分子シート７及び８を用いる。各シートの横方向の端部には、板状の金属などで、高分子シート７上に電極３が設けられ、高分子シート８上に電極４が設けられている。そして、２枚の高分子シート７及び８の間に、高分子シートの幅とほぼ同じ長さの棒状のｐ型熱電半導体エレメント１及びｎ型熱電半導体エレメント２が交互に配列され、各エレメントは、その端部２１及び２２の側面で電極３及び４にはんだ付けされ、直列に接続されている。この接続位置は、端部２１及び２２の側面間で行うのが望ましいが、端面２３及び／又は２４の間で行ってもよい。
【００５２】
ｐ型熱電半導体エレメント１とｎ型熱電半導体エレメント２との接合部に直流電流を流すと、ｎ型からｐ型に流れる接合部では熱が吸収され、ｐ型からｎ型に流れる接合部では熱が放出される。
【００５３】
従って、図１（ａ）の熱電変換装置５０をペルチェ冷却装置として用いる場合、例えばリード線５を直流電源の正極に接続し、リード線６を直流電源の負極に接続し、図の矢印の方向に直流電流を流したとすると、熱電半導体エレメント１及び２と電極４との接合部で熱が吸収され（吸熱部１０）、熱電半導体エレメント１及び２と電極３との接合部で熱が放出される（発熱部９）。
【００５４】
吸熱部１０において、電極４は、高分子シート８上に設けられているものの、高分子シート８の熱伝導性は低い。一方、熱電半導体エレメント１及び２の端面２４は、外部に対して露出していて、端面２４を通過する熱の流れを遮るものがない。従って、冷却しようとする物、例えばＣＰＵ（中央演算ユニット）等の発熱体から熱電変換装置５０が熱を吸収する効率は、高分子シート８を通過する経路よりも、熱電半導体エレメント１及び２の端面２４を通過する経路の方が高い。そこで、熱電変換装置５０では、端面２４が冷却しようとする物に熱的に密着するように配置する。
【００５５】
このように、熱電変換装置５０と外部との間で行われる熱の授受が、主として、従来の支持体を通過する経路ではなく、支持体上に配列された熱電半導体エレメントの配列方向から見た側面（端面２４）で行われること、又、それを可能にするように熱電変換エレメントの接合部が側部に露出するように熱電変換エレメント１及び２が支持体７及び８上に配列されていることが、本実施の形態１に基づく熱電変換装置５０の特徴である。
【００５６】
この結果、本実施の形態１に基づく熱電変換装置では、十分な物理的強度を保ちながら、外部との熱の授受においては、スケルトン構造の熱電変換装置と同様の高い効率を実現できる。
【００５７】
また、発熱部９には、放熱特性（熱伝達効率）をより向上させるために、ヒートシンクやヒートパイプ等を設けるのが望ましい。これらの放熱手段は、吸熱部１０と同じ理由で、熱電変換エレメント１及び２の発熱側の端面２３に熱的に密着するように配置する。
【００５８】
本実施の形態に用いられる熱電半導体エレメントとしては、チップ状のものでもよいが、製造上は、長手状の形状を有するものが好都合である。図１（ａ）には、断面が方形の角棒状の熱電半導体エレメント１、２を用いる例を示したが、図１（ｂ）に示すように、断面が円形の丸棒状の熱電半導体エレメント１１、１２を用いてもよい。
【００５９】
熱電半導体エレメントの材質は、特に限定されるものではなく、その目的や用途に応じて選択すればよい。例えば、ペルチェ材料の代表的な例として知られるＳｂ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｔｅ_３合金、Ｂｉ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｓｅ_３合金等のペルチェ材料や、Ｓｉ−Ｇｅ合金、ＹｂＡｌ_３系合金、Ｆｅ−Ａｌ系合金、酸化物熱電変換材料および有機物熱電変換材料等を挙げることができる。
【００６０】
但し、Ｓｂ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｔｅ_３合金、Ｂｉ_２Ｔｅ_３−Ｂｉ_２Ｓｅ_３合金等の結晶は、結晶のどの方向に電流が流れるかによって熱電性能が変化する方向性(異方性)を有する。よって、長手形状の熱電半導体エレメントを作製する場合には、長手方向が熱電性能が良い結晶の方向と一致するように結晶を加工することが望ましい（図１（ｃ））。
【００６１】
なお、電極３及び４に薄い銅箔等の金属箔を用いることにより、電極部分での可撓性を確保することができる。フレキシブルな電極として、銅箔等の金属箔電極にかえて、導電性ペーストを塗布したものを用いてもよい。
【００６２】
熱電半導体エレメントとして丸棒状のエレメント１１、１２を用いる場合には、図１（ｃ）に示すように、電極１３に断面円弧状の凹部を設け、エレメント１１、１２をこの凹部にはめ込むことによって、平板電極に接続する場合に比べてエレメントをより安定に支持し、十分高い強度を保つことができる。
【００６３】
そして、図１（ｄ）に示すように、電極１３を２重構造にして、円弧状の凹部をもつエレメント保持部１５とフレキシブルな銅箔などの金属箔電極１６とで構成することにより、角柱形のエレメントを平板電極に接続する場合に比べ、エレメントと電極とをより剥離しにくく、且つ電極部をフレキシブルにすることができる。
【００６４】
また、ｐ型熱電半導体エレメント１又は１１及びｎ型熱電半導体エレメント２又は１２とはんだ１７との濡れ性が良くない場合には、各エレメントに、例えば、ニッケル等を蒸着法やめっき法等の被着方法により、予めコーティングしておくのがよい。
【００６５】
また、銅などの電極材料とエレメントの反応を防ぐため、また銅などの酸化を防ぐために、エレメントもしくは電極にニッケルや金などをめっきしてもよい。
【００６６】
高分子シート７及び８の材質は、耐熱性があって適当な機械的強度があればよく、特に限定されるものではなく、その目的や用途に応じて選択すればよい。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）等を挙げることができる。
【００６７】
セラミックス基板を支持体として用いると、熱電変換素子が外部からの衝撃等から保護される反面、熱電変換素子の可撓性や柔軟性が損なわれる。また、セラミックス基板に温度の不均一が生じると、熱膨張の違いによる歪みが生じ、それに接合されている熱電半導体エレメントや電極が破損する心配がある。高分子シートは、適度な強度と可撓性を併せ持っているので、このような問題は生じない。
【００６８】
支持体がシート状の形状をもつので、その上に作製された熱電変換素子もシート状の形状を有するものになる。これは、何千、何万という個数の熱電半導体エレメントを扱う大量生産には好都合である。シート状の形状をもつため、次のようなことも容易に行うことができる
【００６９】
例えば、熱電変換素子の製造時には、ロール状に巻かれた長い高分子シートを連続して少しずつ繰り出し、その上に自動機械によって熱電半導体エレメントを順次、配列して接続する。作製された、シート状に連続した熱電変換素子は、できた分だけロール状に巻き取っていく。使用時には、ロール状に巻き取られて保存されていた、長大なシート状の熱電変換素子から、必要な長さだけ切り出して使えばよい。
【００７０】
なお、このような作製、保存及び使用の方法を適用するには、図３（ａ）に示すように、シートの両端に規則的に穴が開けられた側部７ａがシートの両端にあると、好都合である。この規則的に開けられた穴を用いて、シートの繰り出し、保持、位置決め、巻き上げ等を容易に確実に行うことができる。そして、装置への熱電変換素子の組み込みが終わり、不要になれば、この側部７ａは切り落としてしまえばよい。
【００７１】
また、図２に示すように、熱電半導体エレメント間の隙間を通じて起こる好ましくない熱伝導を抑え、熱電変換素子の変形時の強度を向上し、隣接する前記熱電変換エレメント間の絶縁性を向上させるために、互いに隣接する熱電変換エレメント間に、熱伝導率の低い絶縁材を充填してもよい。この絶縁性断熱材としては、例えば、シリコーン系樹脂２５、ゴム系の多孔質絶縁材料２６、中空のボール状セラミックス２７等を用いることができる。
【００７２】
図３（ｂ）は、図１の熱電変換装置５０の変形例の１つで、高分子シート７及び８の両方に電極３及び４を設け、上下から電極で熱電半導体エレメント１及び２を挟み込む構造にした例である。この装置では、電極部においてエレメント１、２を強力に保持して、接合部での接触抵抗を減らすことができる。
【００７３】
図４も、図１の熱電変換装置５０の変形例の１つで、ｐ型熱電半導体エレメント１とｎ型熱電半導体エレメント２とが、電極を介さず、直接接触することにより、電気的に接続されている例である。接続部以外の部分は、断熱材２８により絶縁されていて、断熱材２８としては、ガラス、マイカ（雲母）、アルミナ等のセラミックスなどを用いることができる。
【００７４】
実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２として、図１（ａ）の熱電変換装置を作製する工程を、図５を参照しながら工程順に説明する。
【００７５】
予め、高分子シート７及び８には、それぞれ、電極３及び４を印刷等の方法で形成しておく。まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、一方の高分子シート７上の電極３上にはんだクリーム１７（図示せず）を塗布し、その上にｐ型熱電半導体エレメント１のみを所定の位置に配置して、ｐ型熱電半導体エレメント配列体３１を作製する。
【００７６】
同様に、他方の高分子シート８上の電極４上にはんだクリーム１７（図示せず）を塗布し、その上にｎ型熱電半導体エレメント２のみを所定の位置に配置して、ｎ型熱電半導体エレメント配列体３２を作製する。
【００７７】
次に、図５（ｃ）及び（ｄ）に示すように、ｐ型熱電半導体エレメント配列体３１にｎ型熱電半導体エレメント配列体３２を嵌め合せ、各エレメントを所定の位置で電極に接合して、結果として、ｐ型熱電半導体エレメント配列体３１とｎ型熱電半導体エレメント配列体３２とを一体化する。
【００７８】
上記の作業を通じて、規則的に穴のあいた高分子シート側部７ａ及び８ａは、高分子シート７及び８の位置決めや送りに有効に使われる。次に、不要になった高分子シート側部７ａ及び８ａを切り落とし、電極３にリード線５及び６を設けて、熱電変換装置５０を完成する。
【００７９】
実施の形態２による熱電変換装置５０の製造方法では、ｐ型熱電半導体エレメント１及びｎ型熱電半導体エレメント２は、別々の高分子シート７及び８上に予め配置された後、一体化される。そのため、ｐ型熱電半導体エレメント１とｎ型熱電半導体エレメント２とを混同して配置する誤りがなくなる。
【００８０】
また、高分子シート７及び８それぞれでの熱電半導体エレメント間のピッチは２倍に拡大するので、配置作業が容易になり、配置作業に伴う熱電半導体エレメントの破損等が少なくなり、より高密度配置が可能になる。
【００８１】
図６は、図５の方法を大量生産に適するようにした製造方法の一工程を示すものである。この方法では、多数の熱電半導体エレメントを配置した、ｐ型及びｎ型熱電半導体エレメント配列体３１及び３２を予め製造して、それぞれ、巻き取り機３４及び３５に巻き取っておく。そして、両者を一体化する工程を、巻き取り機３４及び３５に巻き取っておいたｐ型及びｎ型熱電半導体エレメント配列体３１及び３２を、それぞれ、少しずつ繰り出しながら加圧機３６で加圧して行う。図６は、この一体化の工程の状態を示す概略斜視図である。
【００８２】
煩雑になるので、図６では図示を省略したが、このような工程でこそ、規則的に穴のあいた上記の高分子シート側部７ａ及び８ａは、効果的に活用されることは言うまでもない。
【００８３】
実施の形態３〜５
上記のようにして作製されたシート状の熱電変換素子を、積層したり、コンデンサのように巻いていくことで、簡便に様々な形態の熱電変換素子集合体からなる熱電変換装置を作製することができる。以下、その例を説明する。
【００８４】
実施の形態３
原理的には、平面状の熱電変換素子を重ね合わせ直列接続することにより，任意の大きさの熱電変換素子集合体を得ることができる。先述のように、直列に接続されるエレメントの本数を増加させるほど、ペルチェ冷却素子としての吸熱量若しくはゼーベック発電素子としての起電力を大きくとることができる。
【００８５】
例えば１００μｍ以下の厚さのポリイミドからなる柔軟な絶縁シートの片側に８０μｍ以下の厚さの電極を印刷し、０．４×０．４×１．０ｍｍのｐ型熱電半導体エレメント１及びｎ型熱電半導体エレメント２を配列し、１層が３対の熱電変換素子シートとする。図７（ａ）では、これを６層積層し、層と層の間を横電極４１で接続している。これにより、１８対のエレメントを持つ５．０×５．０×１．０ｍｍの熱電変換素子を作製できる。
【００８６】
図７（ａ）及び（ｂ）は、このようにして作製された熱電変換素子に、電源と接続するための外部接続電極４５及び４６を設けた、本発明の実施の形態３に基づく熱電変換装置５１の概略斜視図（ａ）と発熱部側から見た側面図（ｂ）とである。ここで、下から数えて奇数番目の層では、ｐ型熱電半導体エレメント１及びｎ型熱電半導体エレメント２は、図１に示した実施の形態１に基づく熱電変換装置と同様に配列され、偶数番目の層では、エレメント１及びエレメント２が逆順に配列されている。
【００８７】
熱電変換素子の導通試験を行って、ある場所で断線していた場合、これまでは素子を破棄するしかなかったが、このような構造をとる場合、断線しているシートのみを交換することで対処できるので、歩留まりがよくなる。
【００８８】
熱電変換素子の強度を保つためにエレメント間の隙間に熱伝導率の低い多孔質、発泡性の柔軟な絶縁性材料やシリコーンなどのゴム系の材料や中が空洞である球状のセラミックスなどを注入しても良い。そのことにより、エレメントの強度が増し、曲げに対しての衝撃吸収材となる。
【００８９】
なお、発熱体の面積次第で、エレメントの数や寸法、接続の仕方などを変えてもよい。
【００９０】
熱電変換装置５１では、図１（ａ）の熱電変換装置５０と同様に、熱電半導体エレメント１及び２の端面２３及び２４は、装置の側面部９及び１０において外部に対して露出していて、支持体等によって端面２３及び２４を通過する熱の流れが遮られることがない。従って、熱電変換装置５１と熱の授受を行う物体は、端面２３及び２４に熱的に密着するように配置し、端面２３及び２４を通じて、主たる熱交換が行われるようにする。
【００９１】
例えば、図７（ａ）のように外部接続電極を電源に接続して熱電変換装置５１をペルチエ冷却装置として機能させる場合、端面２４が位置する左側側面が吸熱部１０、端面２３が位置する右側側面が発熱部９になる。
【００９２】
図７（ｃ）は、そのときの使用形態を表す配置図である。吸熱部１０が冷却しようとする発熱体６０、例えば半導体発熱部品等にできるだけ緊密に熱的に接触するように配置する。発熱部９には、絶縁性を考慮したヒートシンク５８等を接続するのもよい。熱電変換装置５１は、主たる熱の授受が行われる側面９及び１０にセラミックス基板等の支持体が無く、熱電半導体エレメントの端面２３及び２４が露出しているので、発熱体６０から熱を吸収する効率並びにヒートシンク５８等に熱を放出する効率に優れている。
【００９３】
室温から１００℃以下でこの素子が使われる場合、発熱体と熱電変換素子の間の熱抵抗を下げるため、シリコーンゴムなどにアルミナなど熱伝導率が高いフィラーが分散した吸熱スペーサ５９を挿入してもよい。発熱体６０が導電体の場合は、このスペーサ５９の存在により、熱電変換素子が短絡することを防ぐことができる。
【００９４】
実施の形態４
図８（ａ）は、１枚の高分子シート７上にｐ型熱電半導体エレメント１及びｎ型熱電半導体エレメント２が交互に配置された熱電半導体エレメント配列体の、エレメント側から見た平面図である。電極３及び４のうち、エレメントに接合される部分（点線で示した部分）は、エレメントに隠れて見えない。
【００９５】
図８（ｂ）は、このシート状の熱電半導体エレメント配列体を蛇行状に折り返して熱電変換素子ブロックを作製し、これに外部接続電極４５及び４６を設けた熱電変換装置５２の概略斜視図である。同ブロックの左右及び手前側の面には、高分子シートの裏面が配置されている。
【００９６】
こうした構造により、吸熱面積及び放熱面積を広くすることができ、熱電変換効率が向上する。なお、折り返し部分の電極４２は他の電極より長く取ってやることが必要である。
【００９７】
上記のように、シート上に配列された熱電半導体エレメントの１次元的な配列体から、シートを折り返すという簡単な操作で、熱電半導体エレメントの２次元的な配列体を作製できる。これは、１次元の配列体を製造する容易さで２次元の配列体を製造することを可能にするもので、歩留まり良く、低コストに熱電変換装置を製造方法として極めて有効である。
【００９８】
実施の形態５
図９（ａ）は、１枚の高分子シート７上にｐ型熱電半導体エレメント１及びｎ型熱電半導体エレメント２が交互に配置された熱電半導体エレメント配列体の、エレメント側から見た平面図であり、図９（ｂ）は、その側面図（ｂ）である。図９（ａ）では、電極３及び４のうち、エレメントに接合される部分（点線で示した部分）は、エレメント１及び２に隠れて見えない。
【００９９】
図９（ｃ）は、このシート状の熱電半導体エレメント配列体を、高分子シート７を外側にして円柱状に巻いて熱電変換素子ブロックを作製し、これに外部接続電極４５及び４６を設けた熱電変換装置５３の概略斜視図である。中心部のエレメントから外部へ電極を出すために、電極４５は、高分子シート７の裏面を長く這わせて外部に出す構造とする。
【０１００】
円柱状に巻いた状態でエレメント同士が接触しないように、熱電変換素子ブロックの中心部を形成するエレメントは、高分子シート７上ではエレメント間の間隔が大きくなるように高分子シート７上に配置されている（図９（ａ））。エレメント間の絶縁性を確保し、熱電変換装置の強度を向上させるために、エレメント間に熱伝導率の低い絶縁材を充填してもよい。この絶縁性断熱材としては、例えば、シリコーン系樹脂２５、ゴム系の多孔質絶縁材料２６、中空のボール状セラミックス２７等を用いることができる。
【０１０１】
なお、図９（ｄ）のように、エレメント装着面側を外側にしてシート状の熱電半導体エレメント配列体を巻けば、エレメント同士の接近の問題は緩和される。但し、外側に何らかの保護材が必要になる。
【０１０２】
こうした構造とするにより、吸熱面積及び放熱面積を広くすることができ、熱電変換効率が向上するとともに、コンパクトにして円形の冷却面をもつペルチェ冷却装置等を作製できる。
【０１０３】
上記のように、シート上に配列された熱電半導体エレメントの１次元的な配列体から、シートを巻き重ねるという簡単な操作で、熱電半導体エレメントの２次元的な配列体を作製できる。これは、１次元の配列体を製造する容易さで２次元の配列体を製造することを可能にするもので、歩留まり良く、低コストに熱電変換装置を製造方法として極めて有効である。
【０１０４】
【発明の作用効果】
本発明の方法によって製造される熱電変換装置によれば、複数種の熱電変換エレメントは支持体の一方の面側において支持され、複数種の熱電変換エレメントの接続部（熱電変換による熱の吸収または発生が行われる場所）が、熱電変換エレメントの配列方向と交差する方向における端部に設けられている。この端部は、外部に対して露出させると、この部分を通過する熱の流れを遮るものがない。
【０１０５】
このため、支持体によって支えられ十分な物理的強度を保ちながら、外部との熱の授受においては、スケルトン構造の熱電変換装置と同様の高い効率を実現できる。
【０１０６】
また、長手状の形状を有する熱電変換エレメントを用いて、上記と同じ構造の熱電変換装置を構成すると、結果として、本発明の特徴を最も良く発揮させうる熱電変換装置を実現できる。
【０１０７】
本発明の製造方法では、前記支持体上に第１の熱電変換エレメントを配列する工程と、前記第１の熱電変換エレメント間に第２の熱電変換エレメントを配列する工程とが独立しているため、熱電変換装置を能率良く、歩留まりよく、低コストで製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に基づく熱電変換装置の概略斜視図（ａ）、（ｂ）及び電極部の概略断面図（ｃ）、（ｄ）である。
【図２】同、熱電変換装置の他の例の概略断面図である。
【図３】同、熱電変換装置の他の例の概略斜視図である。
【図４】同、熱電変換装置の他の例の要部平面図である。
【図５】本発明の実施の形態２に基づく熱電変換装置の製造方法を示す概略斜視図である。
【図６】同、熱電変換装置の他の製造方法の一工程を示す概略斜視図である。
【図７】本発明の実施の形態３に基づく熱電変換装置の概略斜視図（ａ）、側面図（ｂ）、使用形態である。
【図８】本発明の実施の形態４に基づく熱電変換装置の概略斜視図である。
【図９】本発明の実施の形態５に基づく熱電変換装置の概略斜視図である。
【図１０】従来の一般的な熱電変換装置の構造を示す概略斜視図である。
【図１１】従来の一般的な熱電変換装置の構造を示す概略斜視図（ａ）、側面図（ｂ）及び平面図（ｃ）である。
【図１２】従来の一般的な熱電変換装置の製造方法を示す概略斜視図（ａ）及び側面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１…ｐ型熱電半導体エレメント（角棒）、
２…ｎ型熱電半導体エレメント（角棒）、
３…電極（発熱側）、４…電極（吸熱側）、５…リード線（正極側）、
６…リード線（負極側）、7、8…高分子シート、９…発熱部、１０…吸熱部、
１１…ｐ型熱電半導体エレメント（丸棒）、
１２…ｎ型熱電半導体エレメント（丸棒）、１３…電極（発熱側）、
１４…電極（吸熱側）、１５…エレメント保持部、１６…金属箔電極、
１７…はんだ、２１…端部（発熱側）、２２…端部（吸熱側）、
２３…端面（発熱側）、２４…端面（吸熱側）、２５…シリコーン系樹脂、
２６…多孔質絶縁材料、２７…中空のボール状セラミックス、２８…断熱材、
３１…ｐ型熱電半導体エレメント配列体、
３２…ｎ型熱電半導体エレメント配列体、３３…熱電半導体エレメント配列体、
３４…ｐ型熱電半導体エレメント配列体巻き取り機、
３５…ｎ型熱電半導体エレメント配列体巻き取り機、３６…加圧機、
４１…横電極、４５…外部接続電極（正極側）、
４６…外部接続電極（負極側）、５０、５１…熱電変換装置、
５８…ヒートシンク、５９…吸熱スペーサ、６０…発熱体、
６１…ｐ型熱電半導体エレメント、６２…ｎ型熱電半導体エレメント、
６３、６４…金属電極、６３ａ、６４ａ…金属電極（スケルトン構造）、
６５、６６…リード線、６７、６８…セラミックス基板、６９…熱電変換素子、
７０…熱電変換装置、７１…はんだ、７２…ロボットアーム

Claims

複数種の熱電変換エレメントが支持体の一方の面に交互に配列され、この配列方向と交差する方向における前記複数種の熱電変換エレメントの端部間が接続され、外部との熱の授受が少なくとも前記端部を介して行われる熱電変換装置の製造方法であって、
電極が形成された第１の支持体上に、前記複数種の熱電変換エレメントのうちの第１の熱電変換エレメントを配列する工程と、
電極が形成された第２の支持体上に、第２の熱電変換エレメントを配列する工程と、
前記第１の熱電変換エレメントを配列した前記第１の支持体と、前記第２の熱電変換エレメントを配列した前記第２の支持体とを繰り出し、前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメント同士を互いに嵌め合せて前記第１の熱電変換エレメント間に前記第２の熱電変換エレメントを配列する工程と、
前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメントを前記端部間で前記電極を介して接続する工程と
を有し、前記第１の熱電変換エレメント及び前記第２の熱電変換エレメントの前記嵌め合せ工程後に所定寸法に切断して熱電変換装置を製造する、熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の熱電変換エレメントを長手状とし、これらの長手状エレメントの前記端部間を接続する、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の支持体を可撓性の高分子支持体とし、これらの高分子支持体の幅に亘って、前記第１及び第２の熱電変換エレメントをそれぞれ配列する、請求項２に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の熱電変換エレメントを、電気的に直列に接続する、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の支持体上に配列された前記第１及び第２の熱電変換エレメントの配列体を複数段に積層し、この積層方向にて前記配列体間を直列に電気的に接続する、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の熱電変換エレメントの配列体を前記第１及び第２の支持体の折り返しによって蛇行形状に形成する、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の熱電変換エレメントの配列体をロール状に巻き重ねる、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の熱電変換エレメントをそれぞれ、ｐ型及びｎ型の熱電半導体で形成する、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。
前記第１及び第２の熱電変換エレメントによりペルチェ素子又はゼーベック発電素子を構成する、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。
互いに隣接する前記第１及び第２の熱電変換エレメント間に断熱材を充填する、請求項１に記載の熱電変換装置の製造方法。