JP6390546B2 - 熱電変換モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱を電気に変換する熱電変換モジュールおよびその製造技術に関する。

本技術分野の背景技術として、特開２００４−１５３１２８号公報（特許文献１）がある。この公報には、「一対の基板と、この基板の間に配接される複数の熱電素子と、基板上に間隔を空けて設けられた熱電素子を連結する電極とからなり、基板の少なくとも電極が配接されていない部分に弛み部分を設けた熱電モジュール」が記載されている。

特開２００４−１５３１２８号公報

近年、例えば溶鉱炉、焼却炉などの工業炉の配管または自動車の排気管に取り付けて、その廃熱温度を利用する熱電変換モジュールが開発されている。対象となる廃熱温度は、２００〜９００℃程度の高温であり、熱電変換モジュールの性能を最大限に発揮するためには、熱源体の熱を効率よく熱電変換モジュールに伝える必要がある。

また、熱電変換モジュールの設置場所は必ずしも平坦ではなく、例えば円筒形の配管または曲面を有する排気管などに設置される場合がある。このため、熱源体の熱を効率良く熱電変換モジュールに伝えるには、熱源体の表面形状に倣うように熱電変換モジュールを設置し、熱電変換モジュールと熱源体との間に極力隙間をなくすことが重要である。

上記課題を解決するために、本発明による熱電変換モジュールは、一つのＰ型熱電変換素子につき上面側および下面側にそれぞれ独立の高温側支持板および低温側支持板が接合され、一つのＮ型熱電変換素子につき上面側および下面側にそれぞれ独立の高温側支持板および低温側支持板が接合されている。そして、Ｐ型熱電変換素子の上面とＮ型熱電変換素子の上面とに亘って配置された高温側金属箔、およびＰ型熱電変換素子の下面とＮ型熱電変換素子の下面とに亘って配置された低温側金属箔によって、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とは交互に直列に接合されている。

本発明によれば、熱源体の熱を効率よく電気に変換することのできる熱電変換モジュールを提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

実施例１による熱電変換モジュールの構造の一例を示す斜視図である。 実施例１による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す側面図である。 実施例１による熱電変換モジュールの製造工程を示す素子接合構造の一部の上面図である。 実施例１による熱電変換モジュールの製造工程を示す素子接合構造の一部の断面図（図３に示すＡ−Ａ線に沿った断面図）である。 図３および図４に続く、熱電変換モジュールの製造工程を示す素子接合構造の一部の上面図である。 図３および図４に続く、熱電変換モジュールの製造工程を示す素子接合構造の一部の断面図（図５に示すＡ−Ａ線に沿った断面図）である。 実施例２による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す上面図である。 実施例２による熱電変換モジュールの素子接合構造の変形例の一部を示す上面図である。 実施例３による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す上面図である。 実施例３による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す側面図である。 本発明者らが比較例として事前検討した熱電変換モジュールの構造の一例を示す斜視図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。

また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

≪熱電変換モジュールの構造≫
本実施例１による熱電変換モジュールの構造を図１および図２を用いて説明する。図１は、本実施例１による熱電変換モジュールの構造の一例を示す斜視図である。図２は、本実施例１による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す側面図である。

図１に示す本実施例１によ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型熱電変換素子と言う。）３およびＮ型半導体からなる熱電変換素子（以下、Ｎ型熱電変換素子と言う。）４の各々の上下面に温度差を与えることによって電子が移動して電流を発生するゼーベック効果を利用している。熱電変換モジュール１００は、この電子の移動により、熱を電気に変換する機能を有する。

Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを交互に直列に接合することによって、電気的な回路が形成される。このように直列に接続したＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを平面状（格子状）、ライン状または筒状などに配置することにより熱電変換モジュール１００は構成される。

さらに、熱電変換モジュール１００の構成を、図１および図２を用いて詳しく説明する。図２は、上面を高温に、下面を低温にした場合の熱電変換モジュール１００の素子接合構造の一部を拡大して示す側面図である。各Ｐ型熱電変換素子３には、上面である高温側に高温側金属箔１３を挟んで高温側支持板１が接合され、下面である低温側に低温側金属箔１７を挟んで低温側支持板２が接合されている。すなわち、一つのＰ型熱電変換素子３につき上面側および下面側にそれぞれ独立の高温側支持板１および低温側支持板２が接合されている。

同様に、各Ｎ型熱電変換素子４には、上面である高温側に高温側金属箔１３を挟んで高温側支持板１が接合され、下面である低温側に低温側金属箔１７を挟んで低温側支持板２が接合されている。すなわち、一つのＮ型熱電変換素子４につき上面側および下面側にそれぞれ独立の高温側支持板１および低温側支持板２が接合されている。

従って、複数のＰ型熱電変換素子３および複数のＮ型熱電変換素子４が、図１に示すように、例えば格子状に配置されている場合には、複数の高温側支持板１および複数の低温側支持板２は、格子状に配置された複数のＰ型熱電変換素子３および複数のＮ型熱電変換素子４に対応して、それぞれ格子状に配置される。

高温側支持板１は、高温側支持板接合材１１、高温側金属箔１３および高温側素子接合材１２を介してＰ型熱電変換素子３の上面およびＮ型熱電変換素子４の上面に接合されている。低温側支持板２は、低温側支持板接合材１５、低温側金属箔１７および低温側素子接合材１６を介してＰ型熱電変換素子３の下面およびＮ型熱電変換素子４の下面に接合されている。

そして、Ｐ型熱電変換素子３の上面とＮ型熱電変換素子４の上面とに亘って配置された高温側金属箔１３、およびＰ型熱電変換素子３の下面とＮ型熱電変換素子４の下面とに亘って配置された低温側金属箔１７によって、互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とは交互に直列に接合されている。すなわち、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７を電気導通経路として、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが直列に接続されている。言い換えると、複数のＰ型熱電変換素子３と複数のＮ型熱電変換素子４とが、交互に一筆書き（一続き）のように直列に繋がっている。

Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４は、熱電変換モジュール１００を使用する環境温度により最適な材料が異なる。熱電材料としては、例えばシリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、ビスマス−アンチモン系、ホイスラー合金系またはハーフホイスラー合金系などがある。Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４は、これらの材料のうちの何れかの組合せからなることが好ましい。

高温側支持板接合材１１および高温側素子接合材１２を、熱電変換モジュール１００の作製時に溶融させることにより、高温側支持板１と高温側金属箔１３とを高温側支持板接合材１１を介して接合し、高温側金属箔１３とＰ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４とを高温側素子接合材１２を介して接合する。これにより、高温側支持板１とＰ型熱電変換素子３および高温側支持板１とＮ型熱電変換素子４とが高温側金属箔１３を挟んで接合される。

同様に、低温側支持板接合材１５および低温側素子接合材１６を、熱電変換モジュール１００の作製時に溶融させることにより、低温側支持板２と低温側金属箔１７とを低温側支持板接合材１５を介して接合し、低温側金属箔１７とＰ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４とを低温側素子接合材１６を介して接合する。これにより、低温側支持板２とＰ型熱電変換素子３および低温側支持板２とＮ型熱電変換素子４とが低温側金属箔１７を挟んで接合される。

ところで、熱電変換モジュール１００では、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４に熱源体の熱を損失なく伝搬することが重要である。しかし、一般的に、高温側支持板１とＰ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４との間および低温側支持板２とＰ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４との間に、電極と接合材が介在することによって、熱抵抗が上がり、熱源体の熱がＰ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４に伝わりにくくなる。

しかし、本実施例１では、熱電変換モジュール１００の製造時に、２種類以上の異なる金属を圧延接合により貼りあわせたクラッド材が準備される。すなわち、高温側金属箔１３を挟んで高温側支持板接合材１１と高温側素子接合材１２とが接合された高温側クラッド材１０が準備される。また、低温側金属箔１７を挟んで低温側支持板接合材１５と低温側素子接合材１６とが接合された低温側クラッド材１４が準備される。

後述するように、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の厚さは、例えば０．５ｍｍ以下であり、また、高温側支持板接合材１１、高温側素子接合材１２、低温側支持板接合材１５および低温側素子接合材１６の厚さは、例えば５０μｍ以下である。このように、高温側支持板１とＰ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４との間にある層の厚さが薄いので、熱抵抗が下がり、高温側支持板１の熱がＰ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４に伝わりやすくなる。同様に、低温側支持板２とＰ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４との間にある層の厚さが薄いので、熱抵抗が下がり、低温側支持板２の熱がＰ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４に伝わりやすくなる。従って、熱源体から高温側支持板１または低温側支持板２に伝わった熱は、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４に効率よく伝わり、その熱は、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４において、効率よく電気に変換される。

高温側支持板接合材１１、高温側素子接合材１２、低温側支持板接合材１５および低温側素子接合材１６の材質としては、錫、インジウム、ビスマス、亜鉛またはアルミニウムのいずれかを主成分とする金属材料、銀ろうまたはアルミニウムろうなどのろう材、銀ペースト、銅ペーストあるいは酸化金属ナノ粒子（銀、銅など）が好ましい。はんだ付けを行なう場合は、はんだのぬれ性を確保するために、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４の接合面、並びに高温側支持板１および低温側支持板２の接合面にぬれ性を確保するニッケル、金または銅などの金属箔を形成することも可能である。

高温側金属箔１３および低温側金属箔１７は電気を導通する配線としての機能を有するため、電気抵抗の小さい金属、例えば銅、アルミニウム、ニッケルまたは金などが望ましい。さらに、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７には、フレキシブル性を持たせることにより、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４が、熱電変換モジュール１００の高さバラつき、並びに熱源体表面の凹凸、曲面および段差形状に倣うことができるようにする。

一般的に、熱源体と熱電変換モジュール１００との間にはグリースまたは熱伝導シートなどを介することが多いが、グリースまたは熱伝導シートは金属に比べて熱抵抗が非常に高いため、熱源体と熱電変換モジュール１００との間の間隙が広くなるほどグリースまたは熱伝導シートが厚くなり、熱源体の熱を熱電変換モジュール１００に伝えづらくなる。このため、上記間隙が広くなると熱電変換モジュール１００の特性を十分に発揮することができない。

しかし、本実施例１による熱電変換モジュール１００では、一つのＰ型熱電変換素子３につき上面側および下面側にそれぞれ独立の高温側支持板１および低温側支持板２が接合され、一つのＮ型熱電変換素子４につき上面側および下面側にそれぞれ独立の高温側支持板１および低温側支持板２が接合される。また、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の厚さを、例えば０．５ｍｍ以下とすることにより、これらにフレキシブル性を持たせることができる。このように、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４がフレキシブルに上下動できる構造とすることで、熱源体への追従性が向上するので、熱電変換モジュール１００の特性を十分に発揮することが可能となる。

さらに、工業炉および自動車の使用環境は２００〜９００℃程度が想定されているため、熱電変換モジュール１００の使用時と非使用時との温度差が非常に大きくなる。温度変化幅が広い場合、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４と電極との線膨張係数差により接合界面に応力またはひずみが集中し、接続部が破断する懸念がある。しかし、本実施例１では、電極に高温側金属箔１３および低温側金属箔１７を用いていることから、これらがフレキシブルに変形することにより、温度差に起因する応力またはひずみを緩和することができる。これにより、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４と電極との接合部の長期信頼性を向上することができる。

高温側金属箔１３および低温側金属箔１７はフレキシブル性を確保する必要があるため、その厚さは０．５ｍｍ以下であることが望ましい。一方、耐久性および製造性の観点から、その厚さは０．００１ｍｍ以上であることが望ましい。また、これらの値に限らずフレキシブル性を有するものであれば、他の厚み、例えば１．０ｍｍ以下であっても実施可能である。

また、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４の上下方向の追従性が高いことから構成部材の厚さ方向のバラつきを吸収することができる。これにより、構成部材の厚さ方向の仕様を厳しくする必要がなく、特殊な検査および加工も不要であることから費用対効果の高い熱電変換モジュール１００を提供することができる。

高温側支持板１および低温側支持板２は、金属材料またはセラミック材料などの剛性の高い材料が好ましい。高温側支持板１および低温側支持板２を金属材料とした場合は、熱伝導率が高いため、熱源体の熱を熱抵抗低く熱電変換モジュール１００に伝播することができる。一方、高温側支持板１および低温側支持板２をセラミック材料とした場合は、絶縁材料であるため、熱源体との接触部が金属であった場合でも絶縁層を介さずに設置することが可能になる。高温側支持板１および低温側支持板２の形状は熱源体の外周形状を考慮して決定することができる。例えば高温側支持板１および低温側支持板２の上面視における形状は、円形、四角形または多角形である。

図１に示す引き出し配線５は、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４において発生する電力を外部に取り出すものであり、銅、銅合金、アルミニウムまたはアルミニウム合金などの導電性材料であればよく、低温側金属箔１７との接合は、はんだ付け、超音波接合、拡散接合または導電性ペーストなど、使用環境下で接合が保たれる構造であればどのような方法でもよい。さらに、本実施例１による熱電変換モジュール１００では、引き出し配線５を低温側金属箔１７に結線して低温側から電力を取り出しているが、高温側金属箔１３に結線して高温側から電力を取り出してもよい。

本発明者らが比較例として事前検討した熱電変換モジュールの構造の一例を、図１１を用いて説明する。図１１に示す熱電変換モジュール２００では、Ｐ型熱電変換素子３の上面とＮ型熱電変換素子４の上面、およびＰ型熱電変換素子３の下面とＮ型熱電変換素子４の下面とがそれぞれ剛体である電極１８によって接合されている。このため、熱電変換モジュール２００では、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４がそれぞれ一つずつでの移動、特に上下方向の移動が非常に困難である。

≪熱電変換モジュールの製造方法≫
次に、本実施例１による熱電変換モジュールの製造方法の一例を、図３〜図６を用いて説明する。図３および図４はそれぞれ、本実施例１による熱電変換モジュールの製造工程を示す素子接合構造の一部の上面図および断面図である。図５および図６はそれぞれ、図３および図４に続く、熱電変換モジュールの製造工程を示す素子接合構造の一部の上面図および断面図である。なお、図５では、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４には斜め掛けのハッチングを付しており、高温側クラッド材１０には網掛けのハッチングを付している。

以下に説明する組立例では、高温側支持板接合材１１、高温側金属箔１３および高温側素子接合材１２として、銅箔の両側にアルミニウム箔を形成したアルミニウム／銅／アルミニウム積層構造の高温側クラッド材１０を用いる。同様に、低温側支持板接合材１５、低温側金属箔１７および低温側素子接合材１６として、銅箔の両側にアルミニウム箔を形成したアルミニウム／銅／アルミニウム積層構造の低温側クラッド材１４を用いる。

まず、図３および図４に示すように、低温側支持板２が整列して配置できるように、格子状に複数の窪み２０を設けた治具１９を準備する。その後、治具１９に設けた複数の窪み２０に自動機または手動振込機などにより低温側支持板２を配置する。治具１９に形成する窪み２０の深さは低温側支持板２の厚さ以下にすることが望ましい。

次に、隣り合う２つの低温側支持板２と重なるように、アルミニウム（低温側支持板接合材１５）／銅（低温側金属箔１７）／アルミニウム（低温側素子接合材１６）積層構造の低温側クラッド材１４を設置する。銅箔の厚さは、例えば０．１ｍｍ程度であり、アルミニウム箔の厚さは、例えば２０〜５０μｍ程度である。

次に、図５および図６に示すように、低温側支持板２の直上に位置するように、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４を低温側クラッド材１４上に搭載する。

次に、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを接続する直列配線となるように、Ｐ型熱電変換素子３上およびＮ型熱電変換素子４上に、アルミニウム（高温側支持板接合材１１）／銅（高温側金属箔１３）／アルミニウム（高温側素子接合材１２）積層構造の高温側クラッド材１０を設置する。銅箔の厚さは、例えば０．１ｍｍ程度であり、アルミニウム箔の厚さは、例えば２０〜５０μｍ程度である。

その後、Ｐ型熱電変換素子３の直上およびＮ型熱電変換素子４の直上にそれぞれ位置するように、高温側支持板１を高温側クラッド材１０上に搭載する。

このように組み立てた状態で、高温の炉に組み立て体を通して高温側クラッド材１０および低温側クラッド材１４のそれぞれのアルミニウム箔を溶融させて、高温側クラッド材１０を構成する銅箔（高温側金属箔１３）および低温側クラッド材１４を構成する銅箔（低温側金属箔１７）を介したＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との直列接続を完成する。ここで、高温側クラッド材１０および低温側クラッド材１４をそれぞれ構成するアルミニウム箔は、溶融することにより、当初の厚さ（例えば２０〜５０μｍ）よりもさらに薄くなる。また、溶融したアルミニウム箔は、高温側支持板１とＰ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４との間、および低温側支持板２とＰ型熱電変換素子３またはＮ型熱電変換素子４との間へ移動する。

これにより、銅箔（高温側金属箔１３および低温側金属箔１７）を介してＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とが交互に電気的に接続された熱電変換モジュール１００を組み立てることができる。

このように、本実施例１によれば、熱源体の熱を効率よく電気に変換することのできる熱電変換モジュール１００を提供することができる。また、フレキシブル性に優れた熱電変換モジュール１００を提供することができる。これにより、熱電変換モジュール１００を、２００℃以上の高温の環境下においても、例えば溶鉱炉、焼却炉などの工業炉の配管または自動車の排気管などに取り付けて、発電に用いることができる。

≪熱電変換モジュールの構造≫
本実施例２による熱電変換モジュールの構造を図７および図８を用いて説明する。図７は、本実施例２による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す上面図である。図８は、本実施例２による熱電変換モジュールの素子接合構造の変形例の一部を示す上面図である。なお、図７および図８では、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４には斜め掛けのハッチングを付しており、高温側金属箔１３には網掛けのハッチングを付している。ここでは、前述の実施例１による熱電変換モジュール１００と相違する点について説明する。

前述の実施例１による熱電変換モジュール１００との相違点は、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の構造である。

図７に示すように、本実施例２による熱電変換モジュールは、前述の実施例１の特徴に加えて、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の一部を細くすることによって、熱電変換モジュール全体のねじり方向の変形への追従性を向上した点に特徴がある。

前述の実施例１では、互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とにおいて、これら上面を互いに接続する高温側金属箔１３の平面形状は四角形（長方形）である。すなわち、第１方向に互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを接続する高温側金属箔１３の第１方向と直交する第２方向の幅は、ほぼ一定である。

同様に、前述の実施例１では、互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とにおいて、これら下面を互いに接続する低温側金属箔１７の平面形状は四角形（長方形）である。すなわち、第１方向に互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とを接続する低温側金属箔１７の第１方向と直交する第２方向の幅は、ほぼ一定である。

これに対して、本実施例２では、第１方向に互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とにおいて、これら上面は高温側金属箔１３によって互いに接続されており、上面視において高温側金属箔１３の高温側支持板１と重ならない部分の第１方向と直交する第２方向の幅が、高温側金属箔１３の高温側支持板１と重なる他の部分の第２方向の幅よりも狭くなっている。

同様に、第１方向に互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とにおいて、これら下面は低温側金属箔１７によって互いに接続されており、上面視において低温側金属箔１７の低温側支持板２と重ならない部分の第１方向と直交する第２方向の幅が、低温側金属箔１７の低温側支持板２と重なる他の部分の第２方向の幅よりも狭くなっている。

このように、互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間に位置し、上面視において高温側金属箔１３の高温側支持板１と重ならない部分および上面視において低温側金属箔１７の低温側支持板２と重ならない部分の第２方向の幅を他の部分の第２方向の幅よりも狭くする。これにより、熱電変換モジュール全体にねじり方向の負荷が発生した場合に、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７が容易に変形することで変形能を高めることができる。

本実施例２による熱電変換モジュールは、前述の実施例１による熱電変換モジュールと同様に製造することができる。すなわち、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の形状を上記形状とした場合であっても、前述の実施例１で示した組み立て工程と同様の組み立て工程を用いて、熱電変換モジュールを製造することができる。すなわち、本実施例２による熱電変換モジュールの組み立て工程では、前述の実施例１による熱電変換モジュールの組み立て工程に加わえて、新たに必要となる工程はない。

また、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の形状は、図７に示した形状に限定されるものではない。

例えば図８に示すように、互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間に位置し、上面視において高温側支持板１と重ならない高温側金属箔１３の部分に、複数の開口部を設けてもよい。同様に、互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間に位置し、上面視において低温側支持板２と重ならない低温側金属箔１７の部分に、複数の開口部を設けてもよい。

≪熱電変換モジュールの構造≫
本実施例３による熱電変換モジュールの構造を図９および図１０を用いて説明する。図９は、本実施例３による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す上面図である。図１０は、本実施例３による熱電変換モジュールの素子接合構造の一部を示す側面図である。なお、図９では、Ｐ型熱電変換素子３およびＮ型熱電変換素子４には斜め掛けのハッチングを付しており、高温側金属箔１３には網掛けのハッチングを付している。ここでは、前述の実施例１による熱電変換モジュール１００と相違する点について説明する。

前述の実施例１による熱電変換モジュール１００との相違点は、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の構造である。

図９および図１０に示すように、本実施例３による熱電変換モジュールは、前述の実施例１の特徴に加えて、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の一部を細くし、さらにこの部分を第１方向に向かって１回転させることによって、熱電変換モジュール全体のねじり方向の変形への追従性および水平方向の変形能を向上した点に特徴がある。

本実施例３では、第１方向に互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とにおいて、これら上面は高温側金属箔１３によって互いに接続されており、上面視において高温側金属箔１３の高温側支持板１と重ならない部分の幅が、高温側金属箔１３の高温側支持板１と重なる他の部分の幅よりも狭くなっている。さらに、この第１方向に向かって、上面視において高温側支持板１と重ならない高温側金属箔１３の部分が第１方向に向かって１回転している。

すなわち、高温側支持板１とＰ型熱電変換素子３とに挟まれた高温側金属箔１３と、高温側支持板１とＮ型熱電変換素子４とに挟まれた高温側金属箔１３とを結んだ直線とは異なる位置に（本実施例３では、この直線よりも低温側支持板２側に）高温側金属箔１３の一部がある。言い換えれば、Ｐ型熱電変換素子３の外周端部上に位置する高温側金属箔１３とＮ型熱電変換素子４の外周端部上に位置する高温側金属箔１３とを結んだ直線とは異なる位置に（本実施例３では、この直線よりも低温側支持板２側に）高温側金属箔１３の一部がある。

同様に、第１方向に互いに隣り合うＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４とにおいて、これら下面は低温側金属箔１７によって互いに接続されており、上面視において低温側金属箔１７の低温側支持板２と重ならない部分の幅が、低温側金属箔１７の低温側支持板２と重なる他の部分の幅よりも狭くなっている。さらに、この第１方向に向かって、上面視において低温側支持板２と重ならない低温側金属箔１７の部分が第１方向に向かって１回転している（図示は省略）。

すなわち、低温側支持板２とＰ型熱電変換素子３とに挟まれた低温側金属箔１７と、低温側支持板２とＮ型熱電変換素子４とに挟まれた低温側金属箔１７とを結んだ直線とは異なる位置に（本実施例３では、この直線よりも高温側支持板１側に）低温側金属箔１７の一部がある。言い換えれば、Ｐ型熱電変換素子３の外周端部下に位置する低温側金属箔１７とＮ型熱電変換素子４の外周端部下に位置する低温側金属箔１７とを結んだ直線とは異なる位置に（本実施例３では、この直線よりも高温側支持板１側）低温側金属箔１７の一部がある。

このように、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の一部を細くし、さらにこの部分を第１方向に向かって１回転させることによって、例えば前述の実施例１に記載したように、平板からなる高温側金属箔１３および低温側金属箔１７を用いた場合よりも、Ｐ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４との間の移動距離を確保することができる。これにより、熱電変換モジュールの面内方向（水平方向とする）の変形と、熱電変換モジュール全体のねじり方向の変形に対して、容易に追従することができる。

本実施例３による熱電変換モジュールは、前述の実施例１による熱電変換モジュールと同様に製造することができる。すなわち、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の形状を上記形状とした場合であっても、前述の実施例１で示した組み立て工程と同様の組み立て工程を用いて、熱電変換モジュールを製造することができる。すなわち、本実施例３による熱電変換モジュールの組み立て工程では、前述の実施例１による熱電変換モジュールの組み立て工程に加えて、新たに必要となる工程はない。

また、高温側金属箔１３および低温側金属箔１７の形状は、図９および図１０に示した形状に限定されるものではない。

本願明細書においては、代表して高温側金属箔１３および低温側金属箔１７のように金属箔として説明したが、厳密に金属箔でなければならないものではなく、可撓性を有する部材であれば実施できる。

また、金属箔は、厚みや製造方法によって金属薄または金属薄膜とも呼ばれることがあるが、できるだけ薄く可撓性を有する部材であれば実施可能である。そのため、本願明細書においては、例えば、金属膜、金属薄膜、金属箔体、金属薄体等であっても上述の部材であれば金属箔の概念に含まれる。

このような本願発明の構成によって、仮に、高温側金属箔１３に接続されるＰ型熱電変換素子３とＮ型熱電変換素子４がねじれるように接続、すなわち、２つの熱電素子の端面が同一平面を構成せずに接続されたものであっても、高温側金属箔１３が可撓性を有することによってねじれを吸収することができる。

また、高温側金属箔１３が切断されない限りは、引張り応力に対しても有効である。図１０等に記載されるように１回転させた構成とすると、円状に構成された部分が伸びるため、引張りに対して特に有効である。

以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。

１ 高温側支持板
２ 低温側支持板
３ Ｐ型熱電変換素子
４ Ｎ型熱電変換素子
５ 引き出し配線
１０ 高温側クラッド材
１１ 高温側支持板接合材
１２ 高温側素子接合材
１３ 高温側金属箔
１４ 低温側クラッド材
１５ 低温側支持板接合材
１６ 低温側素子接合材
１７ 低温側金属箔
１８ 電極
１９ 治具
２０ 窪み
１００ 熱電変換モジュール
２００ 熱電変換モジュール

Claims (13)

1. 交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とを有する熱電変換モジュールであって、
   前記Ｐ型熱電変換素子の上面および下面にそれぞれ第１支持板および第２支持板が配置され、
   前記Ｎ型熱電変換素子の上面および下面にそれぞれ第３支持板および第４支持板が配置され、
   前記Ｐ型熱電変換素子の上面と前記第１支持板との間および前記Ｎ型熱電変換素子の上面と前記第３支持板との間に挟まれた第１金属箔によって、互いに隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが電気的に接続され、
   前記Ｐ型熱電変換素子の下面と前記第２支持板との間および前記Ｎ型熱電変換素子の下面と前記第４支持板との間に挟まれた第２金属箔によって、互いに隣り合う前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とが電気的に接続された、熱電変換モジュール。
2. 請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記第１金属箔および前記第２金属箔の厚さが、０．００１ｍｍ以上、かつ０．５ｍｍ以下である、熱電変換モジュール。
3. 請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記第１支持板および前記第２支持板はそれぞれ、前記Ｐ型熱電変換素子に対して、１対１で形成され、
   前記第３支持板および前記第４支持板はそれぞれ、前記Ｎ型熱電変換素子に対して、１対１で形成されている、熱電変換モジュール。
4. 請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記第１支持板、前記第２支持板、前記第３支持板および前記第４支持板の平面形状は、円形、四角形または多角形である、熱電変換モジュール。
5. 請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子は、柱状である、熱電変換モジュール。
6. 請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子は、シリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン系、ビスマス−アンチモン系、ホイスラー合金系またはハーフホイスラー合金系の材料のいずれかの組合せからなる、熱電変換モジュール。
7. 請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記第１金属箔および前記第２金属箔は、銅、アルミニウム、ニッケルまたは金からなる、熱電変換モジュール。
8. 請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記第１金属箔と前記Ｐ型熱電変換素子の上面および前記Ｎ型熱電変換素子の上面とは第１接合材により接合され、
   前記第１金属箔と前記第１支持板および前記第２支持板とは第２接合材により接合され、
   前記第２金属箔と前記Ｐ型熱電変換素子の下面および前記Ｎ型熱電変換素子の下面とは第３接合材により接合され、
   前記第２金属箔と前記第３支持板および前記第４支持板とは第４接合材により接合され、
   前記第１接合材、前記第２接合材、前記第３接合材および前記第４接合材は、錫、インジウム、ビスマス、亜鉛またはアルミニウムのいずれかを主成分とする、熱電変換モジュール。
9. 請求項１記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記第１支持板、前記第２支持板、前記第３支持板および前記第４支持板は、金属またはセラミックからなる、熱電変換モジュール。
10. 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、第１方向に互いに離間して配置されており、
    上面視において前記第１支持板および前記第３支持板と重ならない前記第１金属箔の前記第１方向と直交する第２方向の幅が、上面視において前記第１支持板および前記第３支持板と重なる前記第１金属箔の前記第２方向の幅よりも狭く、
    上面視において前記第２支持板および前記第４支持板と重ならない前記第２金属箔の前記第２方向の幅が、上面視において前記第２支持板および前記第４支持板と重なる前記第２金属箔の前記第２方向の幅よりも狭い、熱電変換モジュール。
11. 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、互いに離間して配置されており、
    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、前記Ｐ型熱電変換素子の上面と前記第１支持板とに挟まれた前記第１金属箔の第１部分と、前記Ｎ型熱電変換素子の上面と前記第３支持板とに挟まれた前記第１金属箔の第２部分とを結んだ線よりも前記第２金属箔側に位置する、前記第１金属箔の第３部分があり、
    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、前記Ｐ型熱電変換素子の下面と前記第２支持板とに挟まれた前記第２金属箔の第１部分と、前記Ｎ型熱電変換素子の下面と前記第４支持板とに挟まれた前記第２金属箔の第２部分とを結んだ線よりも前記第１金属箔側に位置する、前記第２金属箔の第３部分がある、熱電変換モジュール。
12. 交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のＰ型熱電変換素子と複数のＮ型熱電変換素子とを有する熱電変換モジュールの製造方法であって、
    （ａ）複数の第１支持板を互いに離間して配置する工程、
    （ｂ）複数の第１クラッド材のそれぞれを、互いに隣り合う一対の前記第１支持板上にわたるように配置する工程、
    （ｃ）前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子を、前記第１支持板の上方にそれぞれ位置するように、複数の前記第１クラッド材のそれぞれ上に配置する工程、
    （ｄ）複数の第２クラッド材のそれぞれを、互いに隣り合う前記第１クラッド材の一方の前記第１クラッド材上に配置された前記Ｐ型熱電変換素子上と、互いに隣り合う前記第１クラッド材の他方の前記第１クラッド材上に配置された前記Ｎ型熱電変換素子上とにわたるように配置する工程、
    （ｅ）複数の第２支持板を、前記Ｐ型熱電変換素子の上方および前記Ｎ型熱電変換素子の上方にそれぞれ位置するように、複数の前記第２クラッド材のそれぞれ上に配置する工程、
    （ｆ）加熱により、前記第１支持板と、前記第１クラッド材と、前記Ｐ型熱電変換素子と、前記第２クラッド材と、前記第２支持板とを接合し、前記第１支持板と、前記第１クラッド材と、前記Ｎ型熱電変換素子と、前記第２クラッド材と、前記第２支持板とを接合する工程、
    を有する熱電変換モジュールの製造方法。
13. 請求項１２記載の熱電変換モジュールの製造方法において、
    前記第１クラッド材および前記第２クラッド材は、金属箔と、前記金属箔の両面にそれぞれ形成された接合材とからなり、
    前記金属箔の厚さが、０．００１ｍｍ以上、かつ０．５ｍｍ以下である、熱電変換モジュールの製造方法。

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