JP5653455B2

JP5653455B2 - 熱電変換部材

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Publication number: JP5653455B2
Application number: JP2012551002A
Authority: JP
Inventors: 章雄湯口
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-01-14
Anticipated expiration: 2031-12-27
Also published as: JPWO2012091048A1; EP2660888A1; EP2660888A4; WO2012091048A1

Description

本発明は、熱電変換部材に関する。

従来より、熱エネルギーを電気エネルギーに変換、または電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための熱電変換部材が提案されている。熱電変換素子を用いることで、例えば自動車や船舶等の内燃機関からの排熱された熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。熱電変換部材には、両端に温度差をつけると電力を得ることができる熱電変換素子が用いられている。熱電変換部材を発電用途に用いる場合、安定した発電効率を維持するには、熱電変換素子の両端部の温度差をある一定の温度差以上に保つ必要がある。

例えば特許文献１（特開２０１０−２０５８８３号公報）には、一対の基板と、各基板の対向する面にそれぞれ設けられた複数の電極と、一端が一方の基板側の電極に電気的に接続されるとともに、他端が他方の基板側の電極に電気的に接続された複数のｎ型の熱電変換素子とを備えて構成された熱電変換部材が開示されている。特許文献１に開示された熱電変換部材では、複数のｎ型熱電変換素子を電気的に直列接続するための導電部材が、複数のｎ型熱電変換素子の間隙にそれぞれ配置されている。

特許文献１に開示されているような従来の熱電変換部材では、熱電変換素子の間隙に金属からなる導電部材が配置されており、熱電変換素子や電極が配置された基板からの輻射熱がこの導電部材に多く届くことになる。このため、導電部材自体が熱せられて、導電部材を介して低温側の電極に多量の熱が流入し、熱電変換素子の温度差が小さくなってしまう課題があった。このような導電部材の加熱の問題は、熱電変換部材全体の大きさが小さくなり、熱電変換素子間の間隙が小さくなるほどより顕著となり、熱電変換部材の小型化の制約となっていた。また、特許文献１に開示された熱電変換部材は、ｎ型熱電変換素子を直列に接続するための導電部材を、各熱電変換素子の間隙に配置するための手間が大きく、熱電変換部材を比較的低コストに製造することができなかった。本発明は、かかる課題を解決するためになされたものである。

本発明は、絶縁性を有する第１基板と、前記第１基板の一方主面に一方向に沿って１列に配置された複数の第１電極と、前記一方主面に対向する主面を備える、絶縁性を有する第２基板と、該第２基板の前記対向する主面に、複数の前記第１電極のそれぞれに対向して１列に配置された複数の第２電極と、前記第１基板と前記第２基板との間隙に配置されて前記第１電極と前記第２電極とにそれぞれ接合された、ｎ型半導体からなる複数の熱電変換素子と、前記一方向に沿って隣接する前記熱電変換素子に接合された一方の前記第１電極と他方の前記第２電極と接続し、隣接する前記熱電変換素子を電気的に直列接続する導電部とを備え、前記導電部は、自らが接続している前記第１電極に接合された一方の前記熱電変換素子と、自らが接続している前記第２電極に接合された他方の前記熱電変換素子との間隙領域の外側のみを通過しており、前記導電部の前記一方向に沿った方向の幅が、前記第１電極から前記第２電極に近づくにしたがって漸減していることを特徴とする熱電変換部材を提供する。

本発明によれば、熱電変換素子の間を比較的小さく、高密度に熱電変換素子を配置した場合であっても、熱電変換素子の両端の間の温度差を比較的良好に保つことができる。

本発明の熱電変換部材の第１の実施形態を説明する図であり、（ａ）は熱電変換部材１の斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ´線で示す平面で切断した断面図である。本発明の熱電変換部材の第２の実施形態について説明する図であり、（ａ）は熱電変換部材の概略斜視図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図、（ｄ）は（ｃ）のＡ−Ａ´線で示す平面で切断した断面図である。（ａ）は、本発明の熱電変換部材の第３の実施形態の側面図であり、図３（ｂ）は、本発明の熱電変換部材の第４の実施形態の正面図である。図１に示す熱電変換部材の製造方法の一例について説明する側面図である。図１に示す熱電変換部材の製造方法の一例について説明する上面図である。

図１を参照して、本発明の熱電変換部材の第１実施形態を説明する。図１（ａ）は、本発明の熱電変換部材の第１実施形態の斜視図、図１（ｂ）は正面図、図１（ｃ）は側面図、図１（ｄ）は図１（ｃ）のＡ−Ａ´線で示す平面で切断した断面図である。熱電変換部材１は、絶縁性を有する第１基板１１と、第１基板１１の一方主面１１Ａに、一方向に沿って一列に配置された第１電極３１と、一方主面１１Ａと対向する主面１２Ａを備える、絶縁性を有する第２基板１２と、主面１２Ａの、複数の第１電極３１それぞれに対向する位置に配置された、複数の第２電極３２と、第１基板１１と第２基板１２との間隙に配置されて、第１電極３１と第２電極３２とにそれぞれ接合された、ｎ型半導体からなる複数の熱電変換素子２と、上記一方向に沿って隣接する熱電変換素子２に接合された一方の第１電極３１と他方の第２電極３２と接続し、隣接する熱電変換素子２を電気的に直列接続する導電部３３とを備えている（以降、上記一方向を、素子配列方向とする）。熱電変換部材１では、導電部３３が、自らが接続した第１電極３１に接合した熱電変換素子２と、自らが接続した第２電極３２に接合した熱電変換素子２との間隙領域の、外側のみに配置されている。

基板１１はアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とするセラミックス基板であり、第１電極３１と第２電極３２と導電部３３とは銅（Ｃｕ）からなる。第１電極３１と第２電極３２と導電部材３３とは、１枚の銅板が折り曲げられて形成されている。アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）は安価で、絶縁性に優れている点で好ましく、銅（Ｃｕ）は、安価で電気抵抗が低い点で好ましい。熱電変換部材において、絶縁基板および電極、導電部の材質については、特に限定されない。

本実施形態の熱電変換素子２は、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とするｎ型の熱電変換素子である。従来、熱電変換素子の材料としては、ＢｉＴｅ、ＰｂＴｅ、ＣｏＳｂのものが使用されているが、これらの熱電変換素子は比較的高価である。これらに対してＭｇ_２Ｓｉは比較的安価であり、また環境への負荷も小さい。また、Ｍｇ_２Ｓｉは比較的比重が軽いため、Ｍｇ_２Ｓｉを主成分とする熱電変換素子２を用いることができ、比較的軽量な熱電変換部材１を形成することができる。これらの点で、熱電変換素子は、Ｍｇ_２Ｓｉ製を主成分とすることが好ましい。

熱電変換素子２は、一端２２ａが第１電極３１に接合され、他端２２ｂが第２電極３２に接合されている。接合方法としては、半田付、ろう付、あるいは銀ペースト等の導電性接着剤による接着を用いることができ、熱電変換部材の用途等に応じて適宜選択して接合すればよい。ろう付により接合する場合には、ろう材を熱電変換素子２の両端部に予めペースト状にして塗布しておいてもよい。熱電変換素子２の表面は細かい凹凸を有する面となっているが、ろう材や銀ペースト等で表面の凹凸を覆うことによって平滑な面とすることができ、これにより、熱電変換素子２と第１電極３１および第２電極３２との接合状態が良好となり、優れた導電性を確保できる。

熱電変換部材１の第２基板１２を熱源に取り付け、基板１１を熱源よりも低い温度に維持すると、複数の熱電変換素子２それぞれの両端で温度差が生じ、ゼーベック効果によって電流が流れる。複数の第１電極３１と第２電極３２と導電部材３３とによって、熱電変換素子２は電気的に直列に接続されており、第１電極３１や第２電極３２を介して外部に電流を取り出すことができる。このように、熱電変換部材１は、外部回路に電流を出力する発電器として機能する。例えば、高集積ＩＣ回路基板の裏面や、自動車や船舶のエンジン等の内燃機関の筐体の表面など、余剰の熱エネルギーが放出される機器の放熱部分に、例えば第２基板１２を当接させ、第１基板１１を第２基板１２よりも低温度の位置に配置することで、熱電変換部材１を発電器として動作させることができる。

このような熱電変換部材を用いて効率良く発電し続けるためには、熱電変換素子２の両端で、ある程度の大きさの温度差が維持され続ける必要がある。本実施形態では、熱電変換素子２の材料として熱伝導率の小さいＭｇ_２Ｓｉを用いており、温度差を比較的良好に維持することができる。

本実施形態では、導電部材３３が、複数の熱電変換素子２同士の間隙の外側部分のみに配置されており、熱電変換素子２からの輻射熱が比較的届き難く、導電部材３３自体が加熱されることが抑制されており、熱電変換素子２の両端で所定の温度差を維持することができる。

熱電変換部材１は、第１基板１１の一方主面１１Ａと第２基板１２の対向する主面１２Ａとが平行に対向している。また、熱電変換素子２は、第１基板１１の一方主面１１Ａに垂直で、かつ素子配列方向に平行な一対の第１側面２αと、第１基板１１の一方主面１１Ａに垂直で、かつ素子配列方向に垂直な一対の第２側面２βとを備える直方体形状である。このような直方体形状の熱電変換素子２は、配列方向に沿って高密度に配置することができる。

導電部３３は、熱電変換素子２の第１側面２αの一部と平行に対向する主面３３αを有する板状部３５を備える。板状部３５は、第１基板１１と第２基板１２との間隔を所定の大きさに維持する支持部材としても機能し、第１基板１１または第２基板１２から熱電変換素子２に余分な応力が伝わることを抑制している。

また、熱電変換部材１では、板状部３５は、素子配列方向に沿った方向の幅Ｗ０が、第１基板１１側の端部から第２基板１２側の端部まで同一である。板状部３５は、図１（ｂ）に示す側面視において平行四辺形状である。板状部３５は、表面積が比較的広く、高温側から伝わった熱は板状部３５の表面から効率的に放熱され、熱電変換素子２における第１基板１１側の端部の温度と、第２基板１２側の端部の温度の差が比較的大きく保たれる。

導電部３３は、板状部３５の第１基板１１側の端部と第１電極３１とに連なる、板状部３５から第１電極３１に向けて屈曲した第１の屈曲部４１と、板状部３５の第２基板１２側の端部と第２電極３２とに連なる、板状部３５から第２電極３２に向けて屈曲した第２の屈曲部４２とを備えている。第１の屈曲部４１の素子配列方向に沿った幅Ｗ１は、第１電極３１および板状部３５の第１基板１１側の端部のいずれよりも小さく、第２の屈曲部４２の素子配列方向に沿った幅Ｗ２も、第２電極３２および板状部３５の第２基板１２側の端部のいずれよりも小さい。屈曲部４１および屈曲部４２の素子配列方向に沿った幅Ｗ１および幅Ｗ２が小さいことで、第１電極３１と板状部３５との間の熱伝導、および第２電極３２と板状部３５との間の熱伝導は抑制されており、板状部３５からの効率的な放熱と相俟って、第１電極３５と第２電極３２との間の温度差が比較的大きく保たれている。

図２は、本発明の熱電変換部材の第２の実施形態５１について説明する図である。図２（ａ）は、熱電変換部材５１の概略斜視図、図２（ｂ）は正面図、図２（ｃ）は側面図、図２（ｄ）は図２（ｃ）のＡ−Ａ線で示す平面で切断した断面図である。図２では、図１に示す第１の実施形態と同様の構成については、図１と同じ符号を用いて示している。

図２に示す第２の実施形態では、導電部材３３は、第１基板１１と第２基板１２との間隙の外側にのみ配置されている。このため、特に高温側の第２基板１２からの輻射熱が、導電部材３３に比較的届き難く、導電部材３３の温度上昇による導電部材３３の抵抗値の上昇を抑制することができる。また、本実施形態では、第１電極３１の、素子配列方向に沿った長さ、および第２電極３２の素子配列方向に沿った長さの双方に対して、導電部材３３の素子配列方向に沿った方向の幅が、小さくされている。このため、高温側の第２電極３２からの熱が、導電部材３３を介して低温側の第１電極３１に到達することが抑制され、熱電変換素子２の両端で所定の温度差を良好に維持している。第２の実施形態は、高温側の温度が著しく高く、低温側への熱伝導を抑制したい場合など、好適に用いることができる。

図３（ａ）は、本発明の熱電変換部材の第３の実施形態の側面図であり、図３（ｂ）は、本発明の熱電変換部材の第４の実施形態の正面図である。図３および図４においても、図１に示す第１の実施形態と同様の構成については、図１と同じ符号を用いて示している。

図３（ａ）に示す第３の実施形態の熱電変換部材６１は、第１基板１１と第２基板１２との間隙に、断熱材５が配置されている点で、第１の実施形態および第２の実施形態と異なっている。第３の実施形態では、この断熱材５により、高温側の熱が空気中に発散するのを抑制している。第３の実施形態では、高温側の温度が周囲の雰囲気に比べてそれほど高くない場合に、第２基板１２の温度低下を抑制することができ、第１基板１１と第２基板１２の間の温度差をより適切に確保することができる。断熱材５としては、酸化シリコンやアルミナの多孔質体を用いることが好ましいが、他の材料を用いてもよい。また、導電部材３３が熱電変換素子２の間隙の外側に配置されているので、第１基板１１と第２基板１２との間隙と、各熱電変換素子の間隙の全体に、断熱部材５を配置することが可能であり、断熱材５によって熱の発散を効果的に抑制することができる。

図３（ｂ）に示す第４の実施形態の熱電変換部材７１は、導電部材３３の、熱電変換素子２の配列方向に沿った幅が、第１電極３１から第２電極３２に近づくにしたがって、短くなっている点で、第１の実施形態と相違している。導電部材３３は、高温側である第２基板１２からの熱が伝達する経路であると同時に、この熱が放熱される部位でもある。第４の実施形態では、高温側の第２基板１２側の断面積が小さく、第２基板１２から第１基板１１への熱の伝達が抑制されているとともに、第１基板１１側の表面積が大きく、余分な熱が比較的良好に放出される。第３の実施形態では、周囲の雰囲気温度に比べて高温側の温度が著しく高い場合など、導電部３３に流入する熱量を抑制することで、第１基板１１と第２基板１２との間の温度差をより適切に確保することができる。

本発明の熱電変換部材では、導電部材３３が熱電変換素子２の間隙の外側に配置されており、導電部材３３の形状の設計自由度が高く、第１の実施形態から第４の実施形態に至る各構成を容易に実現することができる。なお、図示は省略しているが、導電部材３３の表面に放熱フィンを形成して、導電部３３からの放熱をより良好にしても構わない。導電部３３の大きさや形状は、導電部３３の電気抵抗や、導電部３３の熱伝導に影響する。導電部３３の形状や大きさは、熱電変換部材１が配置される環境や使用条件、熱電変換素子２の形状や大きさ等に応じて、所望の特性が得られる形状やサイズを選択すればよく、導電部３３の形状やサイズについては特に限定されない。

次に、図４および図５を参照して、熱電変換部材１の製造方法の一例について説明しておく。図４は側面図、図５は上面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする絶縁性の基板１００を準備する。絶縁性基板１００の図４中の下側の主面には、断面が三角形状の切り込み部１０２が設けられている。

次に、図４（ｂ）に示すように、基板１００に、接合層１０４を介して銅板１０６を接合する。接合層１０４は、公知のろう材を用いればよい。図４（ｂ）の状態で、公知のフォトリソグラフィー法を用い、図４（ｃ）に示すように、銅板１０６を所定の形状に加工する。図５（ａ）は、図４（ｃ）のエッチング後の形状に対応する上面図である。

このエッチング工程では、例えば、レジスト等からなるエッチングマスクを選択的に塗布した後、エッチング剤（エッチャント）である塩化第２鉄溶液に全体を浸漬する。このエッチングでは、銅板が選択的にエッチングされる。

エッチング後、図４（ｄ）に示すように、基板１００の一部を除去する。上述のように、基板１００には予め切り込み部１０２が設けられており、機械的圧力を加えることで、切り込み部１０２に挟まれた領域が除去可能となっている。なお、切り込み部１０２を設けることなく、ダイシング装置等によって基板１００の一部を切断して除去してもよい。除去後の形状は、図４（ｄ）および図５（ｂ）に示すように、基板１００の残留部１１１と１１２との表面に、それぞれ複数の第１電極対応部１３１と複数の第２電極対応部１３２とが接合し、第１電極対応部１３１と第２電極対応部１３２とが、導電部材対応部１３３を介して連結した構成となっている。導電部対応部１３３と第１電極対応部１３１との間には第１屈曲部対応部１４１が配置され、導電部対応部１３３と第２電極対応部１３１との間には第２屈曲部対応部１４２が配置されている。

次に、基板１００の残留部分１１１の図４における上側の主面と、残留部分１１２の図４における上側の主面とを対向させるように、第１屈曲部対応部１４１と第２屈曲部対応部１４２とを屈曲させるとともに、第１電極対応部１３１と複数の第２電極対応部１３２との間隙に熱電変換素子２を配置し、例えば銀ペースト等の導電性接着剤により、熱電変換素子２の各端部を第１電極対応部１３１と複数の第２電極対応部１３２とに接合する。このようにして、図４（ｅ）に示すような、第１の実施形態の熱電変換部材１を作製することができる。本実施形態の製造方法によれば、低コストで比較的容易に、熱電変換部材を作製することができる。

上述の各実施形態の熱電変換素子２は、直方体形状のものを示したが、熱電変換素子の形状はこのような直方体形状に限らず、他の形状、例えば、円柱状としてもよい。熱電変換素子の形状や本数、高さ、導電部材３３の大きさ、厚さについては、熱電変換素子２の温度差の確保、高温側からの輻射熱、熱伝導、熱電変換素子２自体の機械的強度等を鑑みて、適宜に選択すればよい。

また、本実施形態においては、熱電変換素子２をＭｇ_２Ｓｉで成形しているが、これに限られない。例えば、Ｓｂ−Ｔｅ系およびＢｉ−Ｓｅ系を含めたＢｉ−Ｔｅ系、Ｓｎ−Ｔｅ系およびＧｅ−Ｔｅ系を含めたＰｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｔｅ系、Ａｇ−Ｓｂ−Ｇｅ−Ｔｅ系、Ｓｉ−Ｇｅ系、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｍｎ−Ｓｉ系、Ｚｎ−Ｓｂ系、カルコゲナイト、スクッテルダイト、フィルドスクッテルダイト、炭化ホウ素、層状コバルト酸化物等の任意の熱電変換材料を用いることができる。また、熱電変換素子２はｎ型に限らず、ｐ型のものを用いてもよい。また、Ｍｇ_２Ｓｉは、高純度である必要はなく、例えば、研削・研磨加工時に排出される廃シリコーンスラッジを利用して得られるものであってもよい。

また、電極もＣｕに限定されず、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｗ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｐｄ等、およびこれらからなる合金、または遷移金属シリサイド、ＴｉＮ、ＡｉＴｉＮ等の任意の電極材料用いることができる。

また、上述の各実施形態においては、ゼーベック効果を用いた発電用の熱電変換部材１に用いられる熱電変換素子２を説明したが、本発明の熱電変換素子はペルチェ効果を用いて冷却又は加熱する熱電変換部材にも同様に用いることができる。

１熱電変換部材
２熱電変換素子
２α 第１側面
２β 第２側面
１１第１基板
１１Ａ一方主面
１２第２基板
１２Ａ主面
２２ａ一端
２２ｂ他端
３１第１電極
３２第２電極
３３導電部
３５板状部
１００基板
１０２切り込み部
１０４接合層
１０６銅板
１１１、１１２残留部分
１３１第１電極対応部
１３２第２電極対応部１３２

Claims

絶縁性を有する第１基板と、
前記第１基板の一方主面に一方向に沿って１列に配置された複数の第１電極と、
前記一方主面に対向する主面を備える、絶縁性を有する第２基板と、
該第２基板の前記対向する主面に、複数の前記第１電極のそれぞれに対向して１列に配置された複数の第２電極と、
前記第１基板と前記第２基板との間隙に配置されて前記第１電極と前記第２電極とにそれぞれ接合された、ｎ型半導体からなる複数の熱電変換素子と、
前記一方向に沿って隣接する前記熱電変換素子に接合された一方の前記第１電極と他方の前記第２電極と接続し、隣接する前記熱電変換素子を電気的に直列接続する導電部とを備え、
前記導電部は、自らが接続している前記第１電極に接合された一方の前記熱電変換素子と、自らが接続している前記第２電極に接合された他方の前記熱電変換素子との間隙領域の外側のみを通過しており、
前記導電部の前記一方向に沿った方向の幅が、前記第１電極から前記第２電極に近づくにしたがって漸減していることを特徴とする熱電変換部材。
前記第１基板の前記一方主面と前記第２基板の前記対向する主面とは平行に対向し、
前記熱電変換素子は、前記第１基板の前記一方主面に垂直で、かつ前記一方向に平行な一対の第１側面と、前記第１基板の前記一方主面に垂直で、かつ前記一方向に垂直な一対の第２側面とを備える直方体形状であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換部材。
前記導電部は、前記熱電変換素子の２つの前記第１側面のうち一方の前記第１側面の一部と平行に対向する主面を有する板状部を備えることを特徴とする請求項２記載の熱電変換部材。
前記導電部が、前記第１基板と前記第２基板との間隙の外側部分を経由してい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部材。