JP5197954B2

JP5197954B2 - 熱電素子

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Description

本発明は、熱電素子（熱電変換素子を含む）及びその製造方法に関し、Ｐ型材料及びＮ型材料を用いた熱電素子及びその製造方法に関する。より詳しくは、Ｐ型及びＮ型材料からなるＰ型及びＮ型ピースを備え、ゼーベック効果による温度差発電（熱発電）や、ペルチェ効果による電子冷却・発熱を可能とする熱電素子、及びその製造方法に関する。

一般に、熱電素子は、Ｐ型熱電半導体とＮ型熱電半導体とを、金属電極を介して接合し、ＰＮ接合対を形成する。このＰＮ接合対間に温度差を与えることによりゼーベック効果に基づく電力を発生するので発電装置として機能し、また、素子に電流を流すことにより接合部の一方で冷却、他方で発熱が起こるいわゆるぺルチェ効果を利用した温度制御装置として用いられる。

この熱電素子は、数十から数百個といった複数個のＰＮ接合対（熱電素子）を直列に形成したサーモモジュールに組み込まれて使用されるのが一般的である。このサーモモジュールとしての熱電素子は、構造体としての形を維持するとともに、ＰＮ接合対を形成するための金属電極を有する２枚の基板と、その間に挟まれた複数個のＰ型及びＮ型熱電半導体と、Ｐ型及びＮ型エレメントと金属電極を接合するための接合材から構成されている。

ここで、Ｐ型及びＮ型熱電半導体材料としては、例えば、Ｂｉ−Ｔｅ系材料、Ｆｅ−Ｓｉ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料、Ｃｏ−Ｓｂ系材料などが挙げられるが、特に、Ｂｉ−Ｔｅ系材料が好ましく用いられる。

以上のように、熱電素子は、Ｐ型及びＮ型の熱電半導体２種類を接続することによりπ型（パイ型）素子とし、このような素子を多数直列に接続して熱電素子集合体を形成し、熱電変換モジュールを構成している。熱電半導体材料としては、上述のようにＢｉ_２Ｔｅ_３系が主に用いられているが、原料コストが高く、高温安定性に欠け、加工性が乏しく、環境負荷も大きいと考えられている。また、ＰＮ接合が、リード板を介して行われるときは、リード板との接触抵抗が大きくなり、材料本来の性能を十分発揮することができないおそれがある。一方、安価で高温安定性に優れる金属系材料はゼーベック係数が小さいため、十分な電圧を得るにはＰＮ接合対を多量に直列に接続することが特に好ましい。

このような多数の直列接続されたＰＮ接合対は、例えば、２つの基板の間にこれらのπ型素子を複数配置したものがある（特許文献１）。
特開平１１−２５１６４９号公報（図１）

しかしながら、Ｂｉ_２Ｔｅ_３系材料からなるＰ型及びＮ型熱電半導体は、加工性が悪く、大量に製造する場合は、特に生産性が低くなりがちである。また、原料コストが高く、環境負荷が大きいことに鑑みて、大量に製造することには必ずしも向くものとは限らない。

本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、大量に生産しても生産性が高く、比較的原材料コストが低く、環境負荷が小さい熱電素子及びその製造方法を提供することを目的とする。

Ｐ型及びＮ型材料に、通常熱電対として用いられる材料を用いることにより、生産性を維持しつつ、コストや環境負荷をコントロールすることができる。また、通常熱電対として用いられる材料の特性に合わせた製造方法とすることで、生産性の向上が期待される。

通常熱電対として用いられる材料は、通常Ｋタイプとして知られるクロメル−アルメル、Ｒタイプとして知られる白金-白金ロジウム、Ｔタイプとして知られる銅-コンスタンタン、ＡＦタイプとして知られる金・鉄-クロメル、Ｅタイプとして知られるクロメル−コンスタンタン、Ｓタイプとして知られる白金−白金1０％ロジウム、Ｇタイプとして知られるタングステン−タングステン２６％レニウム等を含むことができる。これらのうち、クロメル−アルメルがその使いやすさと価格から特に好ましく用いられ得る。

より具体的には、本発明は、以下のようなものを提供する。

（１）Ｐ型材料からなる１又はそれ以上のＰピースと、Ｎ型材料からなる１又はそれ以上のＮピースとを備えた熱電ブロック体であって、前記Ｐピースと前記Ｎピースとは、絶縁層を挟んで交互に配置され、前記熱電ブロック体は、該交互配置方向に延びており、前記熱電ブロック体の第１の外表面では、第１の境界部に溶接が施されており、前記第１の境界部は、前記Ｐピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｎピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｐピース及び前記Ｎピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第１の境界部において、前記Ｐピース及び前記Ｎピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記絶縁層は、隣り合う前記Ｐピースと前記Ｎピースの間全体に設けられており、前記熱電ブロック体の第２の外表面では、第２の境界部に溶接が施されており、前記第２の境界部は、前記第１の境界部に含まれる前記Ｐピース及び前記Ｎピースを挟んで、前記第１の境界部の反対側に位置し、前記Ｎピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｐピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｎピース及び前記Ｐピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第２の境界部において、前記Ｎピース及び前記Ｐピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記第１の外表面及び前記第２の外表面は、前記交互配置方向に実質的に平行であり、前記第１の境界部及び前記第２の境界部が溶接接合されて、該熱電ブロック体の前記Ｐピース及びＮピースが電気的にジグザグに直列結合されており、前記溶接接合は、微細溶接によるものである熱電ブロック体。

ここで、Ｐピース又はＮピースとは、Ｐ型又はＮ型材料から構成される、ＰＮ熱電素子の構成要素になり得るものであって、所定の大きさを有するものである。この所定の大きさは、特に限定するものではないが、絶縁層を挟んで交互に配置できるような大きさと形状を有するものである。例えば、各ピースが六面体である場合、縦が０．５〜５ｍｍ、横が０．５〜５ｍｍ、高さが１〜２０ｍｍであってよく、より好ましくは、縦が１〜５ｍｍ、横が１〜５ｍｍ、高さが２〜１０ｍｍであってよく、更に好ましくは、縦が１〜３ｍｍ、横が１〜３ｍｍ、高さが３〜７ｍｍであってよい。このとき、Ｐ及びＮピース間に挟まれる絶縁層のそれぞれの当接面は、ほぼ同一形状であることが好ましい。尚、Ｐ型又はＮ型材料は、一般に熱電素子に用いられる材料を含むことができる。これらの材料は、以下に述べるような加工に適することが更に好ましい。

絶縁層は、この絶縁層がなければ隣合うＰピース及びＮピースが当接する面に施すことができる。このような絶縁層は、これらのＰピース及び／又はＮピースの表面に被覆されたものでもよく、また、例えば、Ｐピース及びＮピースの間に挟まれる絶縁フィルムでもよい。また、ここでいう絶縁層は、固体に限らず、液体や気体を含むことができる。従って、Ｐピース及びＮピースの間に空間を設ける場合を含むことができる。ここで、絶縁層は、熱電素子がその機能を発揮するのに十分な電気的絶縁効果を有していれば十分である。

また、Ｐピース及びＮピースが交互に配置される状態は、Ｐピースの隣にＮピースが配置され、その隣にＰピースが、その更に隣に、Ｎピースが配置されるような状態であってよい。従って、この交互配置方向は、Ｐ及びＮピースを積層して延びてゆく方向に相当する。交互配置方向に延びるため、熱電ブロック体は結果として幅狭の棒形状をしていてもよい。この交互配置方向に実質的に平行な熱電ブロック体を規定する外面のうち２つの対向する端面は、当該熱電ブロック体を構成する複数のＰＮ熱電素子の放熱側面若しくは吸熱側面、又は、高温側面若しくは低温側面をそれぞれに含むことができる。例えば、角棒状の熱電ブロック体が、サイコロ状のＰピース及びＮピースを交互配勾方向（即ち、角棒の軸方向）に交互に配置するとすれば、角棒の４つの側面の内、互いに対向する２つの側面が、ここでいう２つの対向する端面に相当すると考えられる。尚、このとき２種類の互いに対向する側面があるが、互いに対向する側面（Ｐピース及びＮピースを規定する端面にも相当）において、隣合うＰピース及びＮピースを互い違いに溶接する溶接部を含み得る２つの対向する側面が相当する。

これらのＰＮ熱電素子は、一般に、対向する端面に電気的接続部を有し、それぞれ放熱側若しくは吸熱側、又は、高温側若しくは低温側を形成する。従って、これらの端面がそれぞれ１つの平面上に並ぶことにより放熱側面若しくは吸熱側面、又は、高温側面若しくは低温側面を構成することがより好ましい。このような対向するそれぞれの端面の隣合うＰ及びＮピースの境界部は溶接され電気的に接続されている。隣合うＰ及びＮピースの間には絶縁層が配置されているため、端面近傍では相互に絶縁されているが、この溶接により、絶縁層の一部破断若しくは絶縁層を超えたブリッジができ得る。この溶接は、互いに対向する端面において、上記交互配置方向に関して、互い違いに溶接・接続されているため、いわゆるπ接続が、この交互配置方向に沿って、ジグザグしながら直列に接続（連鎖）されていくことになる。

上記熱電ブロック体は、Ｐピース又はＮピースのどちらからでも開始することができ、それぞれ交互配置され、どちらでも終了することができる。このような熱電ブロック体が位相を異にして並設されるとは、すぐ横に隣合う熱電ブロック体のＰＮ半導体の交互配置が、そろっていないことを意味することができる。例えば、隣合う２つの熱電ブロック体が、それぞれの交互配置方向をほぼ平行にそろえるように、相互に近接して配置された場合、例えば、第１の熱電ブロック体のＰピースが第２の熱電ブロック体のＮピースと隣合うような関係を意味することができる。

電極は、電極板やリード線を含んでよい。電極板は、一般には、リードとも呼ばれ、熱電素子からなる熱電ブロック体に電源を供給等するために用いられてよい。電極板には、通常電極として用いられる如何なる材料も適用することができる。熱電ブロック体の端部は、上述の交互配置方向において端の方となる部分を意味することができ、全くの端を含んでよい。同一の対向関係とは、上述の互いに対向する２つの面の関係であって、その位置が放熱側若しくは吸熱側（又は、高温側若しくは低温側）のいずれかで一致していることを意味してよい。例えば、２つの端面が同一の対向関係にあるとした場合、それらの端面は、共に放熱側であるか、共に吸熱側であることとなる。また、同一の対向関係にある２つの端面は、ときには、共に上面に位置し、又は、共に下面に位置する。

（２）前記Ｐピースが熱電対の負極材料からなり、前記Ｎピースが該熱電対の正極材料からなることを特徴とする（１）記載の熱電ブロック体。

（３）前記Ｐピースがアルメルからなり、前記Ｎピースがクロメルからなることを特徴とする（２）記載の熱電ブロック体。

本発明の溶接接合には、半田やロウ材を用いたロウ付け等の種々の公知の如何なる溶接技術も適用可能であるが、微細溶接によるものであることがより好ましい。このような微細溶接には、電気抵抗溶接、ＴＩＧ溶接、スポット溶接、電子ビーム溶接、レーザ溶接等の種々の溶接技術を適用することができる。ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等のレーザ溶接技術を適用することがより好ましい。

（４）Ｐ型材料からなる１又はそれ以上のＰピースと、Ｎ型材料からなる１又はそれ以上のＮピースとを備え、前記Ｐピースと前記Ｎピースとは、絶縁層を挟んで第１の方向に向けて交互に配置され、前記第１の方向に延びている、第１の熱電ブロック体と、Ｐ型材料からなる１又はそれ以上のＰピースと、Ｎ型材料からなる１又はそれ以上のＮピースとを備え、前記Ｐピースと前記Ｎピースとは、絶縁層を挟んで第２の方向に向けて交互に配置され、前記第２の方向に延びている、第２の熱電ブロック体と、前記第１及び第２の熱電ブロック体の間に渡される電極であって、前記第１及び第２の熱電ブロック体のそれぞれの前記第１の方向及び前記第２の方向において同様にほぼ端部に位置し同一の対向関係にあるそれぞれのＰピースの端面及びＮピースの端面に、当接されることにより当該Ｐ及びＮピース間を導通させて前記第１及び第２の熱電ブロック体を電気的に接続する電極と、からなり、前記第１の熱電ブロック体の第１の外表面では、第１の境界部に溶接が施されており、前記第１の熱電ブロック体において、前記第１の境界部は、前記Ｐピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｎピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｐピース及び前記Ｎピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第１の境界部において、前記Ｐピース及び前記Ｎピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記絶縁層は、隣り合う前記Ｐピースと前記Ｎピースの間全体に設けられており、前記第１の熱電ブロック体の第２の外表面では、第２の境界部に溶接が施されており、前記第１の熱電ブロック体において、前記第２の境界部は、前記第１の境界部に含まれる前記Ｐピース及び前記Ｎピースを挟んで、前記第１の境界部の反対側に位置し、前記Ｎピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｐピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｎピース及び前記Ｐピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第２の境界部において、前記Ｎピース及び前記Ｐピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記第１の熱電ブロック体において、前記第１の外表面及び前記第２の外表面は、前記交互配置方向に実質的に平行であり、前記第１の境界部及び前記第２の境界部が溶接接合されて、該第１の熱電ブロック体の前記Ｐピース及びＮピースが電気的にジグザグに直列結合されており、前記第２の熱電ブロック体の第１の外表面では、第１の境界部に溶接が施されており、前記第２の熱電ブロック体において、前記第１の境界部は、前記Ｐピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｎピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｐピース及び前記Ｎピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第１の境界部において、前記Ｐピース及び前記Ｎピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記絶縁層は、隣り合う前記Ｐピースと前記Ｎピースの間全体に設けられており、前記第２の熱電ブロック体の第２の外表面では、第２の境界部に溶接が施されており、前記第２の熱電ブロック体において、前記第２の境界部は、前記第１の境界部に含まれる前記Ｐピース及び前記Ｎピースを挟んで、前記第１の境界部の反対側に位置し、前記Ｎピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｐピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｎピース及び前記Ｐピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第２の境界部において、前記Ｎピース及び前記Ｐピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記第２の熱電ブロック体において、前記第１の外表面及び前記第２の外表面は、前記交互配置方向に実質的に平行であり、前記第１の境界部及び前記第２の境界部が溶接接合されて、該第１の熱電ブロック体の前記Ｐピース及びＮピースが電気的にジグザグに直列結合されており、前記第１の熱電ブロック体と前記第２の熱電ブロック体とは、前記Ｎピース及び前記Ｐピースの配置パターンが交互にズレ且つ前記第１の方向と前記第２の方向とが実質的に平行になるように、隣り合わせに配置され、前記溶接接合は、微細溶接によるものである熱電モジュール。

（５）前記Ｐピースが熱電対の負極材料からなり、前記Ｎピースが該熱電対の正極材料
からなることを特徴とする上記（４）記載の熱電モジュール。

（６）前記Ｐピースがアルメルからなり、前記Ｎピースがクロメルからなることを特徴
とする上記（４）記載の熱電モジュール。

（７）導電性の第１の材料からなる第１シート部材、及び導電性の第２の材料からなる第２シート部材を、各前記第１シート部材及び前記第２シート部材の間の全域に絶縁層が位置するように積層し、前記第１シート部材及び前記第２シート部材が絶縁された状態の積層体を得、前記絶縁層は、積層前から前記第１シート部材又は前記第２シート部材のいずれかの表面に形成されている積層工程と、前記積層体を切断し、前記第１及び第２材料の縞模様シート部材を得る第１の切断工程と、前記縞模様シート部材の一方の面において、１つおきの第１の境界部を溶接する第１の溶接工程と、前記縞模様シート部材の他方の面において、前記第１の溶接工程の溶接とは位相を異にして１つおきの第２の境界部を溶接し、前記一方の面及び他方の面での接合により、互い違いのジグザグ結合となる溶接縞模様シート部材を得る前記第２の溶接工程と、前記溶接縞模様シート部材を切断して短冊状の熱電ブロック体を得る短冊切断工程と、複数の前記短冊状の熱電ブロック体を並設する並設工程と、隣り合う前記短冊状の熱電ブロック体に電極板により橋かけを行う橋かけ工程とからなり、前記第１の境界部は、前記第１シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の一方の面に包含される端面と、前記第２シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の一方の面に包含される端面と、前記第１シート部材及び前記第２シート部材の間の絶縁層とを含み、前記第２の境界部は、前記第１シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の他方の面に包含される端面と、前記第２シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の他方の面に包含される端面と、前記第１シート部材及び前記第２シート部材の間の絶縁層とを含み、前記第１の溶接工程及び前記第２の溶接工程において溶接が行われることにより、前記絶縁層によって絶縁されていた前記第１材料と前記第２材料とを導通させる熱電ブロック集合体の製造方法。

（８）上記（７）記載の方法で製造した熱電ブロック集合体を用いて、熱電素子モジ
ュールを製造する方法。

この発明によれば、熱電素子を生産性を高く維持しつつ大量に製造でき、原材料コストや環境負荷をコントロールしやすい熱電素子及びその製造方法を提供することができる。

本発明の１実施例である熱電モジュールを示す部分破断斜視図である。図１の熱電モジュールの作成にあたり、２種類の材料からなる薄板を積層して積層体を得るようすを示す斜視図である。図２で得た積層体を板状に切断するようすを示す斜視図である。図３Ａで得た板の表面にレーザ溶接をするようすを示す斜視図である。図３Ｂで得た板の裏面にレーザ溶接をするようすを示す斜視図である。図３Ａ−Ｃで溶接した薄板を短冊状に切断して熱電ブロック体を得るようすを示す斜視図である。図４で得た熱電ブロック体を並設するようすを示す斜視図である。図４で並べた熱電ブロック体を接続するようすを示す斜視図である。図６で並べられ接続された熱電ブロック体の集合体をアセンブルして熱電モジュールを得るようすを示す斜視図である。本発明の別の実施例である熱電モジュールの作成において、２種類の箔を積層するようすを示す側面図である。図８で積層した積層体の側面にレーザ溶接を行って得た積層体の側面を示す図である。図８で積層した積層体の側面にレーザ溶接を行うようすを示す拡大図である。図９Ａ及びＢで溶接した積層体を細切りするようすを示す図である。図１０で得た細切り積層体を並設し、全体として直列に接続するようすを示す図である。図１１で得た直列接続された集合体を基板上に配置したようすを示す図である。本発明の実施例である熱電モジュールを作成する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１０、１１０熱電モジュール
１２、１４熱伝導板
１６熱電ブロック体
１８Ｐピース
２０Ｎピース
２２、１２２絶縁層
２４、２６、１２４、１２６電極
３４積層体
３６積層板
４０レーザ装置
４２、４８、１４２溶接部
１１２、１１４アルミナ板
１１６熱電対アレイ
１１８アルメル
１２０クロメル

発明を実施するための形態

以下に、本発明に好適な実施形態について図面に基づいて説明する。

図１に本発明の１つの実施例となる熱電モジュール１０の部分破断見取り図を示す。

上側にある高温側（又は低温側）の熱伝導板１２と下側にある低温側（又は高温側）の熱伝導板１４の間に、複数の熱電ブロック１６が並設されており、前記高温側及び低温側熱伝導板１２、１４に伝熱可能な状態で狭持されている。各熱電ブロック体１６はその側面方向に相互に離されており、電気的な絶縁等を担保している。また、各熱電ブロック体１６は、それぞれ、Ｐ型材料からなるＰピース１８及びＮ型材料からなるＮピース２０が交互に接続配置されて、棒状に延びている。これらの隣合うＰ及びＮピースの境界には、電気的絶縁のため、いわゆる絶縁層２２が配置されている。

隣合う熱電ブロック体１６は、相互に位相がずれてＰ及びＮピースを交互配置しているため、側面方向直近のピース（例えばＮピース）は、異なる種類のピース（例えばＰピース）となっている。例えば、ある熱電ブロック体１６のＰピース１８の側面方向直近のピースであって、隣の熱電ブロック体１６のピースは、Ｎピースとなっている。

隣合う熱電ブロック体１６は、上記交互配置方向の端部（同じ向き）において、電極２４で橋かけがされており、熱電ブロック体１６間の電気的導電が担保されている。この交互配置方向の他方の端部は、同様に電極により、上記隣の熱電ブロック体１６とは反対側で隣合う熱電ブロック体１６と橋かけ接続が行われ、複数の熱電ブロック体１６において、１つの直列接合された多数の熱電ピースによる結合を形成している。

熱電モジュール１０の左側端及び右側端にある熱電ブロック体１６には、リード電極２６がそれぞれ接続されており、外部電源からの電力の供給、又は、熱電効果による発電した電気の送電を行うことができる。

尚、上述では、Ｐ型及びＮ型半導体として記載しているが、熱電対の通常の負極材料及び正極材料と置き換えて記述することができる。例えば、クロメル・アルメル熱電対材料を用いた場合、Ｐ型半導体としてはアルメルを、Ｎ型半導体としてはクロメルを用いることとなる。熱電対の一般的な材料としては、以下の表を参照されたい。

図２から７において、上記熱電モジュール１０を製造する方法を模式的に示す。

図２は、薄いアルメル板３０の片面３１に絶縁処理を施したものと、薄いクロメル板３２の片面３３に絶縁処理を施したものとを交互に積層する様子を示している。アルメル板３０の板厚ｔ１は約２ｍｍで、クロメル板３２の板厚ｔ２は約２ｍｍである。絶縁処理により、それぞれの面３１、３３には、絶縁のための有機フィルムが施されており、交互積層に伴って、接着剤的役割を果たすことができる。このような積層を所望の層数だけ行い、目的とする積層体３４を得る。

図３Ａは、積層体３４を切断面ＡＡにおいて、薄板に切断する工程を示している。切断は、通常のファインカッター等で行うことが可能である。矢印Ｂのように分離されたアルメルとクロメルとからなる縞模様の薄板３６の板厚Ｈ１は、２ｍｍである。

図３Ｂでは、得られた縞模様の薄板３６を２つの大きな板面の一方を下に、他方を上に向けて静置し、上面３８のアルメル層１８及びクロメル層２０が境界の絶縁層２２を挟んで配置されているようすがわかる。上面３８に顔を出している絶縁層２２は、アルメル及びクロメルの境界部となり、このままでは、電気的に接続されていない。そこで、この境界部（図中では、左右に延びる線として表現）をレーザ装置４０によるレーザビーム４１により加熱し、アルメル層１８及びクロメル層２０の上面３８での電気的接続を矢印Ｃに従って連続的に行う。この溶接部４２では、アルメル層１８及びクロメル層２０の上面３８での電気的接続が行われていることとなる。このレーザ溶接は、上記アルメル層１８及びクロメル層２０の境界部である左右に延びる線部を手前から奥へと、１つおきに行っていく。

次に、矢印Ｄに従って、縞模様の薄板３６を反転させて、先程の上面３８を下側にして、静置し直す（図３Ｃ）。図３Ｂにおいて溶接された溶接部４２は、この図では下側に配置されている。ここでは、他方の面４６において、上述と同様のレーザ溶接を行い、アルメル層１８及びクロメル層２０を他方の面４６において溶接・接合を矢印Ｅのように連続的に行う。これにより、溶接部４８により、アルメル層１８及びクロメル層２０を他方の面４６において電気的に接続することができる。この溶接は、１つおきに行うが、上述の上面３８とは互い違いになるように行う。このことにより、アルメル層１８及びクロメル層２０は、手前から奥へとジグザグしながら直列に電気的に接続されていることとなる。

図４は、レーザ溶接をその両面において互い違いに行った縞模様の薄板３６を切断する工程を示している。切断はファインカッターで行うことができ、矢印Ｇのように切り離され、熱電ブロック体１６を形成する。この熱電ブロック体１６の高さＨ１は、縞模様の薄板３６の板厚と一致し、幅Ｄ１はこの工程での切断幅Ｄ１に一致する。ここでは、Ｈ１及びＤ１共に２ｍｍとする。

図５は、図４で切り出した熱電ブロック体１６ａ、ｂ、ｃを左から順に幅Ｄ２の間隔をあけて並設したようすを示している。熱電ブロック体は、溶接部４２、４８を介して、ＰＮ接合が直列に交互配置方向に沿ってジグザグしながら接続されていることがわかる。このとき、各熱電ブロック体１６ａ、ｂ、ｃの高さＨ１が揃っていることが好ましい。各熱電ブロック体１６ａ、ｂ、ｃの上面及び下面が放熱側若しくは吸熱側、又は、高温側若しくは低温側となるところ、熱伝導板１２、１４への熱伝達を均一に行うことが好ましいからである。また、熱伝導板１２、１４の面内での均一な温度が好ましい。

図６は、上述のようにして所定数の熱電ブロック体１６を並べたものに、リード電極２６及び電極２４を取り付け（矢印Ｈ）、Ｐ型及びＮ型半導体を全体として直列に接続するようすをしめしている。各熱電ブロック体１６の端部において、電極２４を互い違いに接続することにより、各熱電ブロック体１６を全て直列に並べることができる。図７は、このようにして接続された熱電ブロック体１６の集合体を上下の熱伝導板１２、１４で挟む（矢印Ｊ）ようすを示している。このようにして、図１の熱電モジュールを製作することができる。

図８から１２は、本発明のもう１つの実施例を示すものである。

図８は、面内を絶縁化処理した１００ｍｍ×５ｍｍ×２ｍｍのアルメル板１１８を２５枚と、同じサイズの同数のクロメル板１２０を交互に積層し、積層板１３６とするようすを示している。絶縁化処理は、アルメル板１１８の上面１３１及びクロメル板１２０の上面１３２に行っている。これにより、アルメル板１１８及びクロメル板１２０間に絶縁層１２２が形成されることとなる。

図９Ａ及びＢは、積層板１３６の面内にアルメル板１１８とクロメル板１２０の接触部を１つ置きに線状に溶接するようす（図９Ｂ）及び溶接後の積層板１３６（図９Ａ）を示している。この面の溶接部１４２は、アルメル板１１８とクロメル板１２０の左から右へと向う境界線を上下方向１つ置きに溶接することにより形成されている。ここに示されている面に対して反対側の面は、溶接位置がずれるように溶接が行われる。

図１０は、溶接後の積層板１３６を切断線Ｆ−Ｆに沿ってファインカッターで幅２ｍｍの短冊状に切断して熱電ブロック体１１６ａ、ｂ、ｃ、ｄに分離（矢印Ｇ’）するようすを示している。ここで、幅を２ｍｍとしたのは、幅をより広く（例えば４ｍｍ）すると、単位面積あたりに並べることのできる熱電ブロック体１１６の数が少なくなってしまうため、温度差により生じる電位が低くなり、より幅を狭くすると取扱いがより煩雑になるからである。しかしながら、この幅は固定的なものではなく、用途に応じて適宜選択されるものであることはいうまでもない。このようにして、棒状のアルメル−クロメル熱電対を２５対有する熱電対アレイとする。

図１１及び１２に示すように、この熱電対アレイ（又は熱電ブロック体）１１６を５０個、１２０ｍｍ×１２０ｍｍ×２ｍｍの熱伝導板としてのアルミナ板１１４上に直列に接続し、配置・固定する。各熱電ブロック体１１６の間は、リード線１２４を各熱電ブロック体１１６それぞれの端部で溶接することにより行う。また、外部端子１２６を直列に接続した複数の熱電ブロック体１１６の両端に溶接によって接続する。更に上面からアルミナ板（図示せず）をビスにより固定することで、アルメル−クロメル熱電対が１２５０対集積された熱電モジュールとする。

図１３にこれまで説明した熱電モジュールの製造方法をフローチャートで示す。まず、熱電素子として用いる２種類の箔Ａ、Ｂそれぞれの片面（両面であってもよい）の絶縁化処理を行う（Ｓ１１０）。次に、この２種類の箔Ａ、Ｂを積層し、積層体とする（Ｓ１２０）。得られたＡ・Ｂ積層体を必要に薄板状に切断する（Ｓ１３０）。積層体の幅が十分狭い場合は、この切断工程は省略することができる。次に、薄板となったＡＢ積層体薄板の両端面において、ＡＢ境界を１つ置きに溶接する（Ｓ１４０）。このとき、裏面と表面は、互い違いに溶接される。溶接したＡＢ積層薄板を短冊状に切断する（Ｓ１５０）。ＡＢ積層体の短冊状の熱電ブロック体（アレイとも言う）を分離し、平面上に並設して配置する（Ｓ１６０）。位置が固定された熱電ブロック体の端部で、互い違いにリード接続を行う（Ｓ１７０）。最後に、熱伝導板を上述の配置された熱電ブロック体の集合体の上面及び下面に付けて、熱電素子モジュールを組み立てる（Ｓ１８０）。

［実験例］
図８から１２に示すように、また、図１３のフローに従って作成した熱電モジュールの下面をヒーターで加熱し、上面を冷却することで、上下面に約１７５Ｋの温度差を与えたところ、開放電圧８．７５Ｖ、最大出力１０．１Ｗが得られた。また、この熱電モジュールに８Ａの電流を流したところ５９Ｗの冷却量が得られた。

以上のようにＰ型及びＮ型の材料（半導体、金属薄板等を含む）を交互に積層させた後、両端部のＰＮ界面を交互に溶接した後、積層面に対し垂直に裁断することにより、容易に積層枚数に応じたＰＮ接合アレイを作成することができる。更に、ＰＮ接合アレイを複数個直列につなぐことで、多量のＰＮ接合を有する熱電変換モジュールを得ることができる。

Claims

Ｐ型材料からなる１又はそれ以上のＰピースと、
Ｎ型材料からなる１又はそれ以上のＮピースと
を備えた熱電ブロック体であって、
前記Ｐピースと前記Ｎピースとは、絶縁層を挟んで交互に配置され、
前記熱電ブロック体は、該交互配置方向に延びており、
前記熱電ブロック体の第１の外表面では、第１の境界部に溶接が施されており、
前記第１の境界部は、前記Ｐピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｎピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｐピース及び前記Ｎピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第１の境界部において、前記Ｐピース及び前記Ｎピースは前記溶接によって導通が確保されており、
前記絶縁層は、隣り合う前記Ｐピースと前記Ｎピースの間全体に設けられており、
前記熱電ブロック体の第２の外表面では、第２の境界部に溶接が施されており、
前記第２の境界部は、前記第１の境界部に含まれる前記Ｐピース及び前記Ｎピースを挟んで、前記第１の境界部の反対側に位置し、前記Ｎピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｐピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｎピース及び前記Ｐピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第２の境界部において、前記Ｎピース及び前記Ｐピースは前記溶接によって導通が確保されており、
前記第１の外表面及び前記第２の外表面は、前記交互配置方向に実質的に平行であり、
前記第１の境界部及び前記第２の境界部が溶接接合されて、該熱電ブロック体の前記Ｐピース及びＮピースが電気的にジグザグに直列結合されており、
前記溶接接合は、微細溶接によるものである熱電ブロック体。
前記Ｐピースが熱電対の負極材料からなり、前記Ｎピースが該熱電対の正極材料からなる、請求項１記載の熱電ブロック体。
前記Ｐピースがアルメルからなり、前記Ｎピースがクロメルからなる、請求項２記載の熱電ブロック体。
Ｐ型材料からなる１又はそれ以上のＰピースと、Ｎ型材料からなる１又はそれ以上のＮピースとを備え、前記Ｐピースと前記Ｎピースとは、絶縁層を挟んで第１の方向に向けて交互に配置され、前記第１の方向に延びている、第１の熱電ブロック体と、
Ｐ型材料からなる１又はそれ以上のＰピースと、Ｎ型材料からなる１又はそれ以上のＮピースとを備え、前記Ｐピースと前記Ｎピースとは、絶縁層を挟んで第２の方向に向けて交互に配置され、前記第２の方向に延びている、第２の熱電ブロック体と、
前記第１及び第２の熱電ブロック体の間に渡される電極であって、前記第１及び第２の熱電ブロック体のそれぞれの前記第１の方向及び前記第２の方向において同様にほぼ端部に位置し同一の対向関係にあるそれぞれのＰピースの端面及びＮピースの端面に、当接されることにより当該Ｐ及びＮピース間を導通させて前記第１及び第２の熱電ブロック体を電気的に接続する電極と、からなり、
前記第１の熱電ブロック体の第１の外表面では、第１の境界部に溶接が施されており、
前記第１の熱電ブロック体において、前記第１の境界部は、前記Ｐピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｎピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｐピース及び前記Ｎピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第１の境界部において、前記Ｐピース及び前記Ｎピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記絶縁層は、隣り合う前記Ｐピースと前記Ｎピースの間全体に設けられており、
前記第１の熱電ブロック体の第２の外表面では、第２の境界部に溶接が施されており、
前記第１の熱電ブロック体において、前記第２の境界部は、前記第１の境界部に含まれる前記Ｐピース及び前記Ｎピースを挟んで、前記第１の境界部の反対側に位置し、前記Ｎピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｐピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｎピース及び前記Ｐピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第２の境界部において、前記Ｎピース及び前記Ｐピースは前記溶接によって導通が確保されており、
前記第１の熱電ブロック体において、前記第１の外表面及び前記第２の外表面は、前記交互配置方向に実質的に平行であり、前記第１の境界部及び前記第２の境界部が溶接接合されて、該第１の熱電ブロック体の前記Ｐピース及びＮピースが電気的にジグザグに直列結合されており、
前記第２の熱電ブロック体の第１の外表面では、第１の境界部に溶接が施されており、
前記第２の熱電ブロック体において、前記第１の境界部は、前記Ｐピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｎピースの前記第１の外表面に包含される端面と、前記Ｐピース及び前記Ｎピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第１の境界部において、前記Ｐピース及び前記Ｎピースは前記溶接によって導通が確保されており、前記絶縁層は、隣り合う前記Ｐピースと前記Ｎピースの間全体に設けられており、
前記第２の熱電ブロック体の第２の外表面では、第２の境界部に溶接が施されており、
前記第２の熱電ブロック体において、前記第２の境界部は、前記第１の境界部に含まれる前記Ｐピース及び前記Ｎピースを挟んで、前記第１の境界部の反対側に位置し、前記Ｎピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｐピースの前記第２の外表面に包含される端面と、前記Ｎピース及び前記Ｐピースに挟まれた絶縁層とを含んでおり、且つ前記第２の境界部において、前記Ｎピース及び前記Ｐピースは前記溶接によって導通が確保されており、
前記第２の熱電ブロック体において、前記第１の外表面及び前記第２の外表面は、前記交互配置方向に実質的に平行であり、前記第１の境界部及び前記第２の境界部が溶接接合されて、該第１の熱電ブロック体の前記Ｐピース及びＮピースが電気的にジグザグに直列結合されており、
前記第１の熱電ブロック体と前記第２の熱電ブロック体とは、前記Ｎピース及び前記Ｐピースの配置パターンが交互にズレ且つ前記第１の方向と前記第２の方向とが実質的に平行になるように、隣り合わせに配置され、
前記溶接接合は、微細溶接によるものである熱電モジュール。
前記Ｐピースが熱電対の負極材料からなり、前記Ｎピースが該熱電対の正極材料からなる、請求項４記載の熱電モジュール。
前記Ｐピースがアルメルからなり、前記Ｎピースがクロメルからなる、請求項４記載の熱電モジュール。
導電性の第１の材料からなる第１シート部材、及び導電性の第２の材料からなる第２シート部材を、各前記第１シート部材及び前記第２シート部材の間の全域に絶縁層が位置するように積層し、前記第１シート部材及び前記第２シート部材が絶縁された状態の積層体を得、前記絶縁層は、積層前から前記第１シート部材又は前記第２シート部材のいずれかの表面に形成されている積層工程と、
前記積層体を切断し、前記第１及び第２材料の縞模様シート部材を得る第１の切断工程と、
前記縞模様シート部材の一方の面において、１つおきの第１の境界部を溶接する第１の溶接工程と、
前記縞模様シート部材の他方の面において、前記第１の溶接工程の溶接とは位相を異にして１つおきの第２の境界部を溶接し、前記一方の面及び他方の面での接合により、互い違いのジグザグ結合となる溶接縞模様シート部材を得る前記第２の溶接工程と、
前記溶接縞模様シート部材を切断して短冊状の熱電ブロック体を得る短冊切断工程と、
複数の前記短冊状の熱電ブロック体を並設する並設工程と、
隣り合う前記短冊状の熱電ブロック体に電極板により橋かけを行う橋かけ工程とからなり、
前記第１の境界部は、前記第１シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の一方の面に包含される端面と、前記第２シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の一方の面に包含される端面と、前記第１シート部材及び前記第２シート部材の間の絶縁層とを含み、
前記第２の境界部は、前記第１シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の他方の面に包含される端面と、前記第２シート部材の端面のうち前記縞模様シート部材の他方の面に包含される端面と、前記第１シート部材及び前記第２シート部材の間の絶縁層とを含み、
前記第１の溶接工程及び前記第２の溶接工程において溶接が行われることにより、前記絶縁層によって絶縁されていた前記第１材料と前記第２材料とを導通させる熱電ブロック集合体の製造方法。
請求項７記載の方法で製造した熱電ブロック集合体を用いて、熱電素子モジュールを製造する方法。