JPH06342940A

JPH06342940A - 熱発電器およびその製造方法

Info

Publication number: JPH06342940A
Application number: JP5154299A
Authority: JP
Inventors: Masashi Komabayashi; 正士駒林; Makoto Shimizu; 真清水
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1993-05-31
Filing date: 1993-05-31
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】大電流を流すことができるとともに、冷却効
率も高めた熱発電器およびその製造方法を提供する。【構成】この熱発電器は、アルミニウム製の水冷管１
と、この水冷管１にハンダ２およびニッケルメッキ層３
を介して積層されたアルミニウム製の薄板４と、この薄
板４にろう材５を介して積層されたＡｌＮ基板６と、こ
のＡｌＮ基板６にろう材７，７を介してそれぞれ積層さ
れ隔離されたアルミニウム製の電極８，８と、これらの
電極８，８にニッケルメッキ層９，９およびハンダ１
０，１０を介してそれぞれ積層された熱発電素子１１
ａ，１１ｂと、これらの熱発電素子１１ａ，１１ｂをニ
ッケルメッキ層１２，１２およびハンダ１３，１３を介
して接合したアルミニウム製の被加熱部１４と、を有す
るものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電効果を利用して、
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱発電器およ
びその製造方法に関し、特に、自動車の排熱回収に利用
されるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の熱発電器は、図１１に示すよう
に、アルミナ製絶縁板２２上に、ハンダ層２３，２３を
介して、互いに離間して一対のメタライズ層２４，２４
を積層している。これらのメタライズ層２４，２４上
に、ハンダ層２３，２３を介して、Ｐ型熱発電素子片
（Ｐ型ＦｅＳｉ₂）２６ａおよびＮ型熱発電素子片２６
ｂ（Ｎ型ＦｅＳｉ₂）を積層している。この一対の熱発
電素子片２６ａ，２６ｂの他端同士は、ハンダ層２７，
２７を介して、橋渡されて接合されて被加熱部２８とな
っている。また、上記アルミナ製絶縁板２２の下面に
は、熱伝導性樹脂２１により１本のアルミニウム製の水
冷管２０が固着されている。そして、熱源によって被加
熱部２８を加熱するとともに、水冷管２０によってメタ
ライズ層２４，２４を冷却すると、これらのメタライズ
層２４，２４（電極）間に電流が流れるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の熱発電器にあっては、各熱発電素子の電極２
４，２４をセラミックス絶縁板２２を介して水冷管２０
に接続しており、また、熱伝導性樹脂２１により、この
セラミックス絶縁板２２に水冷管２０を接着している。
また、薄いメタライズ層２４，２４に電流を流す構造で
あったため、大電流を流すことができなかった。さら
に、高温の被加熱部２８と水冷管２０との間に、セラミ
ックス絶縁板２２および樹脂２１を介在させているた
め、熱伝導率が悪く、冷却効率が低いという課題もあっ
た。これに加えて、樹脂２１の接着面に気泡が発生し易
く、メタライズ層２４，２４からの放熱性が大幅に低下
していた。すなわち、これらの結果、メタライズ層２
４，２４の温度が下がり難く、被加熱部２８との温度差
が大きくならず、メタライズ層２４，２４間に３０Ａ以
上の大電流を発生させることができなかったものであ
る。また、水冷管２０とセラミックス絶縁板２２とをＡ
ｌ−Ｓｉ系ろう剤で接合することも考えられるが、その
時の接合温度が６６０℃とアルミニウムの融点に近いた
め、水冷管２０が変形し、セラミックス基板２２と水冷
間との接着強度が低減するおそれもある。

【０００４】そこで、本発明は、大電流を発生すること
ができるとともに、冷却効率も高めた熱発電器およびそ
の製造方法を提供することを、その目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、金属製の冷却部と、この冷却部に第１接合層を介し
て積層され、該冷却部と同じ金属を含む介在部と、この
介在部に第２接合層を介して積層された絶縁部と、この
絶縁部に搭載された熱発電素子部と、を有する熱発電器
である。

【０００６】また、請求項２に記載の発明は、絶縁部に
熱発電素子部を搭載する第１工程と、この絶縁部に第２
接合層を介して介在部を接合する第２工程と、金属製の
冷却部に第１接合層を介して該冷却部と同じ金属を含む
上記介在部を接合する第３工程と、を含む熱発電器の製
造方法であって、上記第２工程の後、上記第３工程を行
うものである。なお、上記第１工程は、上記第２工程の
前に行うことに限定されるものではない。

【０００７】

【作用】請求項１の発明に係る熱発電器にあっては、絶
縁部と金属製の冷却部との間に、この冷却部と同じ金属
を含む介在部が積層されている。この介在部によって、
熱発電素子部が伝播する熱に対して、冷却部と介在部と
の熱膨張がそれぞれ同じになる。この結果、その際に生
じる反りがなくなる。したがって、絶縁部と冷却部との
接合強度が向上するものである。よって、絶縁部を介し
て冷却部が熱発電素子部の所定部を冷却する能力が向上
する。熱発電素子部の効率が高くなる。すなわち、熱発
電素子部に大電流を発生させることができるものであ
る。

【０００８】また、請求項２の発明に係る熱発電器の製
造方法にあっては、第２工程の後第３工程が行われてい
る。このため、絶縁部にろう材を介して冷却部を接合さ
せるときより低温で、冷却部を絶縁部に接合することが
できる。したがって、冷却部が変形することもない。よ
って、絶縁部と冷却部との接合強度が向上するものであ
る。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１は、本発明の一実施例に係る熱発電器の断面
図である。

【００１０】この熱発電器は、アルミニウム製の水冷管
１と、この水冷管１にハンダ２およびニッケルメッキ層
３を介して積層されたアルミニウム製の薄板４と、この
薄板４にろう材５を介して積層されたＡｌＮ基板６と、
このＡｌＮ基板６にろう材７，７を介してそれぞれ積層
され隔離されたアルミニウム製の電極８，８と、これら
の電極８，８にニッケルメッキ層９，９およびハンダ１
０，１０を介してそれぞれ積層された熱発電素子片１１
ａ，１１ｂと、これらの熱発電素子片１１ａ，１１ｂを
ニッケルメッキ層１２，１２およびハンダ１３，１３を
介して、橋渡されて接合されたアルミニウム製の被加熱
部１４と、を有するものである。例えば、自動車の排気
管等の熱源に、接触または近接して、この被加熱部１４
は配設されている。ニッケルメッキ層３，９は、はんだ
付け性を高めるものである。ハンダ２，１３として電気
伝導度の高いものを使用する。

【００１１】このアルミニウム製の薄板４によって、熱
発電素子片１１ａ，１１ｂが伝播する熱に対して、水冷
管１と薄板４との熱膨張がそれぞれ同じになる。この結
果、その際に生じる反りがなくなる。したがって、Ａｌ
Ｎ基板６と水冷管１との接合強度が向上するものであ
る。よって、ＡｌＮ基板６を介して水冷管１が熱発電素
子片１１ａ，１１ｂに接合された電極８，８を冷却する
能力が向上する。熱発電素子部８，１１ａ，１４，１１
ｂ，８の発電効率が高くなる。すなわち、熱発電素子１
１ａ，１１ｂに連結された電極８，８間に発生する電流
が大きくなるものである。

【００１２】以下、図２〜図１０を用いて、本実施例の
熱発電器の製造方法を説明する。

【００１３】まず、絶縁板として、窒化アルミニウム系
焼結体であるとともに、その厚さが０．６ｍｍのＡｌＮ
基板６を使用する（図１）。詳しくは、このＡｌＮ基板
６の両面は酸化処理されてアルミナ層が形成され、さら
にこのアルミナ層の表面に二酸化ケイ素層が形成されて
いる。なお、上記アルミナ層は、０．２〜２０μｍの厚
さに、上記二酸化ケイ素層は０．０１〜１０μｍの厚さ
に、それぞれ形成されるものとする。そして、この二酸
化ケイ素の層としては酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、
酸化チタン（ＴｉＯ₂）を含むこともできる。また、窒
化アルミニウム系焼結体としては、窒化アルミニウム基
板をそのまま（Ｙ₂Ｏ₃を焼結助剤として５〜１０％含む
もの）使用することもでき、また、窒化アルミニウムの
表面を酸化処理したのみのもの、窒化アルミニウムの表
面にＳｉＣを被覆したものなどをも使用することができ
る。さらに、このような絶縁板としては９６％のアルミ
ナ基板を使用することもできる。

【００１４】次に、このＡｌＮ基板６の上面には、純度
９９.９９％のアルミニウム製であって、その厚さが
０．１ｍｍのＡｌ電極８，８が、ろう材７，７によりそ
れぞれ接着されて隔離されている。さらに、ＡｌＮ基板
６の下面には、同じく純度９９.９９％のアルミニウム
製の厚さ０．１ｍｍの薄板４がろう材５により接着され
ている（図２、図３）。詳しくは、ろう材５，７は、Ａ
ｌ−１３％（重量％、以下同じ）Ｓｉ合金、Ａｌ−７．
５％Ｓｉ合金、Ａｌ−９．５％Ｓｉ−１％Ｍｇ合金、Ａ
ｌ−７．５％Ｓｉ−１０％Ｇｅ合金などのＡｌ−Ｓｉ系
合金、または、Ａｌ−１５％Ｇｅ合金などのＡｌ−Ｇｅ
系合金である。電極８および薄板４としては、純アルミ
ニウムの他にも、例えばＡｌ−２.５％Ｍｇ−０.２％Ｃ
ｒ合金、Ａｌ−１％Ｍｎ合金、Ａｌ−０.０２％Ｎｉ合
金、Ａｌ−０.００５％Ｂ合金等を用いることができ
る。

【００１５】これらの接着は、ろう材５，７を電極８と
薄板４との圧延加工時に３０μｍの厚さにクラッドし
て、それぞれろう付け板材（ブレージングシート）と
し、これらの材料を積み重ねた状態で、ろう材５，７に
適合した４３０〜６１０℃の温度範囲内に真空中で１０
分間保持した条件でろう付けして積層接合体とし、３５
０℃で３０分間の熱処理後室温まで徐冷することによっ
て行っている。

【００１６】次いで、電極８，８の上面および薄板４の
下面に、例えばポリシング等の機械的研磨を施すことに
より、これらの表面上の酸化膜をそれぞれ除去する。そ
して、電極８，８の上面および薄板４の下面に、化学的
研磨を施すことにより、ニッケルとの接合強度をそれぞ
れ向上させる。この化学的研磨は、５０〜９０℃の温度
範囲で、リン酸２０〜６０％、硝酸２〜４０％に、硫酸
２０〜６０％を添加した液中に、数秒〜数分間浸積させ
るものである。この化学的研磨により、機械的研磨によ
り生じた凸部を化学的に溶解させ平滑にするものであ
る。

【００１７】次に、化学研磨されている面、すなわち電
極８，８の上面に厚さ５μｍのニッケルメッキ層９，９
を通常の無電解メッキ法によりそれぞれ被着する。さら
に、薄板４の下面にも厚さ５μｍのニッケルメッキ層３
を同じ無電解メッキ法により被着する（図５）。そし
て、ニッケルメッキ層９，９にＰｂ−Ｓｎ製のハンダ１
０，１０をそれぞれ被着する。さらに、ニッケルメッキ
層３に同じＰｂ−Ｓｎ製のハンダ２を被着する。（図
６）。

【００１８】次いで、このハンダ１０，１０を介して、
Ｐ型のケイ化鉄製の熱発電素子片１１ａおよびＮ型のケ
イ化鉄製の熱発電素子片１１ｂを実装しそれぞれ固定す
る。さらに、薄板４と同じ材料の水冷管１をハンダ２を
介して基板に接合する（図７）。この熱発電素子片１１
としては、Ｂｉ₂Ｔｅ₃、（Ｂｉ−Ｓｂ）₂Ｔｅ₃、Ｂｉ₂
（Ｔｅ−Ｓｅ）₃、（ＡｇＳｂＴｅ）_0.1（ＣｅＴｅ）
_0.9、ゲルマニウム・シリコン合金、アルカリメタル
（ベータアルミナ）、テルル化鉛、テルル化ビスマス、
セレン化鉛などのカルコゲン化合物等の異種の半導体ま
たは導体を利用できる。

【００１９】上記水冷管１としては、純アルミニウムの
他にも、例えばＡｌ−２．５％Ｍｇ−０．２％Ｃｒ合
金、Ａｌ−１％Ｍｎ合金、Ａｌ−２０〜４０％Ｓｉ合金
等を用いることができる。なお、Ａｌ−Ｓｉ合金は、超
急冷Ａｌ粉末にＳｉ粉末を加え、熱間押出加工または熱
間鍛造加工により、Ｓｉ含有重量が例えば４０％となる
ように所定の形状に製造した。なお、水冷管１としてＡ
ｌ−４０％Ｓｉ合金を用いたときは、その熱膨張率が純
アルミニウムより小さいので、本実施例の熱発電器に生
じる熱応力による反りをさらに低減できる。例えば、純
アルミニウムの熱膨張率は２３．１３×１０^-6／Ｋであ
り、Ａｌ−４０％Ｓｉの熱膨張率は１４．１１×１０^-6
Ｋである。

【００２０】次に、各熱発電素子片１１ａ，１１ｂの上
面にニッケルメッキ層１２を無電解メッキ法によりそれ
ぞれ被着する（図８）。そして、このニッケルメッキ層
１２上にＰｂ−Ｓｎ製のハンダ１３を被着する（図
９）。このハンダ１３を介して、アルミニウム製の被加
熱部１４が固定される（図１０）。

【００２１】例えば、この熱発電器を自動車の排熱回収
に利用すると、５００Ｗ以上の容量で、３０Ａ以上の電
流が発生できるものである。

【００２２】さらに、ＡｌＮ基板６に薄板４を接合させ
た後、この薄板４に水冷管１を接合させているため、６
６０℃より低温である６００℃にて、水冷管１をＡｌＮ
基板６に接合することができる。したがって、水冷管１
がその接合の際に変形することもない。よって、ＡｌＮ
基板６と水冷管１との接合強度が向上するものである。

【００２３】なお、水冷管１はＣｕ製でもまたはＳＵＳ
製でもよい。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、大電流を発生すること
ができるとともに、冷却効率も高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る熱発電器を示す断面図
である。

【図２】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図３】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図４】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図５】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図６】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図７】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図８】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図９】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法を
示す一工程図である。

【図１０】本発明の一実施例に係る熱発電器の製造方法
を示す一工程図である。

【図１１】従来例に係る熱発電器を示す断面図である。

【符号の説明】

１水冷管（冷却部）２ハンダ（第１接合層）４薄板（介在部）５ろう材（第２接合層）６ＡｌＮ基板（絶縁部）８電極（熱発電素子部）１１ａＰ型熱発電素子（熱発電素子部）１１ｂＮ型熱発電素子（熱発電素子部）１４被加熱部（熱発電素子部）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属製の冷却部と、この冷却部に第１接合層を介して積層され、該冷却部と
同じ金属を含む介在部と、この介在部に第２接合層を介して積層された絶縁部と、この絶縁部に搭載された熱発電素子部と、を有することを特徴とする熱発電器。
【請求項２】絶縁部に熱発電素子部を搭載する第１工
程と、この絶縁部に第２接合層を介して介在部を接合する第２
工程と、金属製の冷却部に第１接合層を介して該冷却部と同じ金
属を含む上記介在部を接合する第３工程と、を含む熱発
電器の製造方法であって、上記第２工程の後、上記第３工程を行うことを特徴とす
る熱発電器の製造方法。