JPH1117235A - 熱電モジュールの製造方法 - Google Patents

熱電モジュールの製造方法

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JPH1117235A
JPH1117235A JP9163650A JP16365097A JPH1117235A JP H1117235 A JPH1117235 A JP H1117235A JP 9163650 A JP9163650 A JP 9163650A JP 16365097 A JP16365097 A JP 16365097A JP H1117235 A JPH1117235 A JP H1117235A
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JP
Japan
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electrode plate
thermoelectric
thermoelectric elements
elements
bottomed
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JP9163650A
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Takao Kida
隆夫 木田
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Kubota Corp
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Kubota Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電モジュールの製造工程の簡素化を図るた
めに、熱電モジュールの新規な製造方法を提供する。 【解決手段】 熱電モジュール10は、片側面に有底溝
22,32が所定のパターンで開設され、有底溝間に熱
電素子12,14を配置するためのセクション24,3
4が形成された第1電極板20と第2電極板30を、有
底溝の開設された面どうしが対向するように配置し、対
向するセクション24,34の間に熱電素子12,14
を挟んで、電極板と熱電素子を接合した後、電極板の外
側の表面を有底溝が露出するまで夫々削り取ることによ
って作製される。得られた熱電モジュール10は、電極
板が各セクション毎に電気的に分離され、p型熱電素子
12とn型熱電素子14がセクション24,34を介し
て電気的に直列に接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、熱電モジュールの
製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】熱電モジュールとは、p型熱電素子とn
型熱電素子が電極板を介して電気的に直列接続となるよ
うに接合されたもので、pn素子対の接合部間に温度差
を与えると電位差が発生し、また接合部間に電流を流す
と、その電流の向きにより吸熱又は発熱する性質を有す
る。前者の性質はゼーベック効果と呼ばれ、例えばごみ
焼却炉の廃熱による発電の如き熱電発電用に開発されて
おり、後者の性質はペルチェ効果と呼ばれ、例えば半導
体製造プロセスにおける恒温装置、エレクトロニクスデ
バイスの冷却等の熱電冷却に幅広く利用されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような熱電モジュ
ールの従来の製造法を、図6を参照して説明する。ま
ず、p型及びn型熱電材料を石英アンプル内で一旦溶解
し、一方向から徐々に結晶化したインゴットを、適当な
大きさ(例えば、数ミリ角)に切断加工して、図示の如
く、p型熱電素子(90)とn型熱電素子(91)が得られる。
熱電素子(90)(91)の両面には接合性を高めるためのNi
メッキ層(92)(92)が施され、Niメッキ層の上には半田
メッキ層(94)(94)がさらに施される。また、電極(98)
は、電気絶縁材としての役割を果たすセラミック基板(9
6)の上にパターニングを直接施して形成される。セラミ
ック基板(96)の電極(98)の上に、そのパターニング位置
に対応してp型熱電素子(90)とn型熱電素子(91)を交互
に配置した後、熱電素子(90)(91)の上に、電極(98)のパ
ターニングされたセラミック基板(96)が載せられる。こ
れを加熱器の中に入れて加熱すると、半田(94)(94)が溶
融し、熱電素子(90)(91)のNiメッキ層(92)(92)と、セ
ラミック基板(96)(96)の電極(98)(98)とが接合される。
なお、図6では、熱電素子(90)(91)はp型とn型を1つ
ずつしか示していないが、熱電モジュールの要求性能に
もよるが、通常は多数存在する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】セラミック基板の上
に、電極を形成するためには、電極のコーティング、マ
スキング、エッチングなどの多くの工程が必要であり、
セラミック基板の材料コストも含めて、製造コストの上
昇を招いていた。そこで、基板材料自体のコストの低減
を含めた製造コストの低減と、製造工程の簡素化が強く
望まれてる。
【0005】本発明は、熱電モジュールの製造工程の簡
素化を図るために、熱電モジュールの新規な製造方法を
提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の熱電モジュール
(10)は、片側面に有底溝(22)(32)が所定のパターンで開
設され、有底溝間に熱電素子(12)(14)を配置するための
セクション(24)(34)が形成された第1電極板(20)と第2
電極板(30)を、有底溝の開設された面どうしが対向する
ように配置し、対向するセクション(24)(34)の間に熱電
素子(12)(14)を挟んで、電極板(20)(30)と熱電素子(12)
(14)とを接合した後、電極板(20)(30)の外側の表面を、
有底溝が露出するまで夫々削り取ることによって作製さ
れる。得られた熱電モジュール(10)は、電極板が各セク
ション(24)(34)毎に電気的に分離され、p型熱電素子(1
2)とn型熱電素子(14)がセクション(24)(34)を介して電
気的に直列に接続される。なお、有底溝の開設パターン
については以下で説明する。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、本発明の熱電モジュールの
製造方法について説明する。熱電素子 熱電素子を形成する熱電材料は、特に限定されるもので
なく、公知の材料を用いることができる。例えば、p型
熱電材料として、(Bi2Te3)1-x(Sb2Te3)xであっ
てxが0.70〜0.85のものを挙げることができ、n
型熱電材料として、(Bi2Te3)1-x(Bi2Se3)xであ
ってxが0.05〜0.15のものを挙げることができ
る。熱電素子(12)(14)は、熱電材料の粉末を焼結するこ
とによって得ることができる。熱電素子(12)(14)の形状
は、立方体形状又は直方体形状とすることが望ましく、
例えば、図1に示すごとく、底面形状が幅W1、長さL
1であって、高さがH1の直方体形状とすることができ
る。熱電素子(12)(14)と電極板を半田などの導電性接合
剤によって接合する場合には、熱電素子と半田との濡れ
性を高めて接合性を向上させるために、熱電素子の表面
にNiメッキ(44)などを施しておき、その上から半田層
(42)を施すことが望ましい。
【0008】電極板 電極板は、Cu、Cu合金、Al、Al合金の板などを
使用することができる。電極板の形状は、必要とされる
熱電素子の個数によって適宜選択することができる。電
極板(20)(30)の片側面には、所定間隔毎に有底溝(22)(3
2)を開設する。電極板(20)(30)の厚さTは、図1に示す
ように、最終的に必要となる厚さT1に、後の工程にて
削り取られる厚さ分T2を加えた厚さとする。電極板(2
0)(30)の片側面には、深さT1、幅Wの有底溝(22)(32)
を所定間隔L毎に開設する。有底溝(22)(32)の開設間隔
Lは熱電素子を2個並べた長さ(幅W1×2)に、有底溝
の幅Wを加えた長さとする。なお、有底溝の深さはT1
よりも少し深くなるように形成してもよい。図1に一列
型の熱電モジュール(10)の有底溝の開設パターンを示し
ている。以下では、図1における下側の電極板を第1電
極板(20)、上側の電極板を第2電極板(30)と称する。第
1電極板(20)の場合、平行な有底溝(22)(22)に挟まれた
部分が、熱電素子(12)(14)の配置されるセクション(24)
となり、同じように第2電極板(30)では、平行な有底溝
(32)(32)に挟まれた部分が、セクション(34)となる。図
を参照すると容易に理解されるように、第1電極板(20)
と第2電極板(30)のセクション(24)(34)は、開設間隔が
1/2ずれるようなパターンで有底溝(22)(32)が開設さ
れている。これは、電極板の各セクション間に設けられ
る全ての熱電素子を電気的に直列に接続させるためであ
る。
【0009】複数列型の熱電モジュールを作製する場合
も同様に、セクションに配置される隣り合う熱電素子ど
うしが電気的に直列に接続されるように有底溝を開設す
ればよい。例えば、図4に示すように、第1電極板(20)
(図中A)に格子状の開設パターンで有底溝(22)を開設し
た場合、第1電極板に対向する第2電極板(30)(図中B)
には、電極板間に熱電素子を挟んだときに、隣り合う熱
電素子の列どうしが電気的に直列に接続されるように、
横向きのセクション(35)を第2電極板の両端に形成する
パターンで有底溝(32)を開設する。また、図5に示すよ
うに、第1電極板(20)(図中A)の一方の端部、第2電極
板(30)(図中B)では反対側の端部に、横向きのセクショ
ン(25)(35)を形成して、隣り合う熱電素子の列どうしが
電気的に直列に接続されるようにしてもよい。いずれの
場合も、すべての熱電素子が電気的に直列接続される。
【0010】熱電素子と電極板との接合に半田を用いる
場合、後記する有底溝(22)(32)を開設する工程の前に、
電極板(20)(30)の表面に半田層(40)を施してもよいし、
有底溝(22)(32)を開設した後に半田層(40)を施してもよ
い。
【0011】熱電モジュールの製造 上述の熱電素子(12)(14)と電極板(20)(30)から熱電モジ
ュール(10)を作製する。まず、第1電極板(20)を有底溝
(22)が上向きとなるように置く(図1参照)。つぎに、熱
電素子を並べて配置するために、格子状に貫通孔が開設
された並べ用治具(図示せず)を用いて、各有底溝間のセ
クション(24)に夫々p型熱電素子(12)とn型熱電素子(1
4)を一対ずつ、素子間に幅Wの隙間(16)を存して配置す
る。つぎに、熱電素子並べ用治具を外して、第2電極板
(30)の有底溝(32)を、素子間に形成された隙間(16)のう
ち、第1電極板(20)のセクション(24)の中央部に位置す
る隙間(16)に直面するように配置する(図2参照)。これ
により、熱電素子(12)(14)が電極板(20)(30)の間に挟ま
れたアッセンブリ(18)が得られる。得られたアッセンブ
リ(18)は、ホットプレスされて、半田が溶融し、熱電素
子(12)(14)と電極板(20)(30)が接合される。温度と圧力
は、導電性接合剤によって異なるが、接合剤として半田
を用いた場合、温度は200〜350℃、圧力は0.1
〜1kg/cm2とすることが望ましい。
【0012】なお、上記例では、電極板(20)(30)で熱電
素子(12)(14)を挟んでから加熱と加圧を行なって、電極
板と熱電素子を接合させたが、第1電極板(20)に熱電素
子(12)(14)を並べて配置した後、並べ用治具を取り付け
たまま加熱を行なって、予め第1電極板(20)と熱電素子
(12)(14)を接合させておいてもよい。この場合、第1電
極板と熱電素子を接合させた後、並べ用治具を取り外し
て、第2電極板(30)を配置し、再度加熱を行なって、第
2電極板と熱電素子とを接合させることにより、アッセ
ンブリ(16)が作製される。
【0013】加熱と加圧によって一体に接合されたアッ
センブリ(16)の電極板(20)(30)の外側表面を、図2に一
点鎖線で示す位置で削り取り、有底溝(22)(32)の溝底を
露出させる。これにより、隣り合う熱電素子(12)(14)が
セクション(24)(34)によって電気的に接続された一列型
の熱電モジュール(10)を得ることができる(図3参照)。
【0014】作製された熱電モジュールの電気的な接続
端部となるセクション(50)(図3参照)には、必要に応じ
て夫々端子(図示せず)を取り付けることもできる。ま
た、得られた複数の熱電モジュールを端子を介して電気
的に直列接続して、さらに熱電素子数の多い熱電モジュ
ールを作製できる。さらに、作製された熱電モジュール
の周囲を、電気絶縁性や耐熱性を有する樹脂などで被覆
することもできる。
【0015】上記説明では、熱電素子を挟む一対の電極
板を、第1電極板と第2電極板と称しているが、これは
説明をわかりやすくさせるためであって、これら電極板
を区別するためのものではない。
【0016】
【発明の効果】電極板の片側面に有底溝を所定のパター
ンで開設することによってセクションを形成し、有底溝
に達するまで電極板を削ってセクションを分離するだけ
で、熱電素子どうしを電気的に直列に接続することがで
きる。それゆえ、従来のように、コーティング、マスキ
ングなどの処理を施したセラミック基板を必要とせず、
作業工程の簡素化と材料コストの低減を図ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の熱電モジュールの組み立て前の分解図
である。
【図2】電極板間に熱電素子を挟んだ状態を示す側面図
である。
【図3】本発明の熱電モジュールの側面図である。
【図4】複数列型熱電モジュール用の電極板の正面図で
ある。
【図5】複数列型熱電モジュール用の電極板の異なる実
施例を示す正面図である。
【図6】従来の熱電モジュールのpn素子対を示す断面
図である。
【符号の説明】
(10) 熱電モジュール (12) p型熱電素子 (14) n型熱電素子 (20) 第1電極板 (22) 有底溝 (24) セクション (30) 第2電極板 (32) 有底溝 (34) セクション

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 複数のp型熱電素子とn型熱電素子を、
    対向する電極板の間に挟んで電気的に直列接続した熱電
    モジュールを製造する方法であって、 片側面に有底溝(22)(32)が夫々所定のパターンで開設さ
    れ、有底溝間に熱電素子を配置するためのセクション(2
    4)(34)が夫々形成された第1電極板(20)と第2電極板(3
    0)を、有底溝の開設された面どうしが対向するように配
    置し、対向するセクション(24)(34)の間に熱電素子(12)
    (14)を挟んで、電極板と熱電素子を接合するステップ、 電極板(20)(30)の外側の表面を、有底溝(22)(32)が露出
    するまで削り取り、電極板をセクション毎に電気的に分
    離するステップ、を有しており、p型熱電素子(12)とn
    型熱電素子(14)が、セクション(24)(34)を介して電気的
    に直列に接続されるようにしたことを特徴とする熱電モ
    ジュールの製造方法。
  2. 【請求項2】 複数のp型熱電素子とn型熱電素子を、
    対向する電極板の間に挟んで電気的に直列接続した熱電
    モジュールを製造する方法であって、 片側面に有底溝(22)を所定間隔毎に平行に開設した第1
    電極板(20)と、片側面に前記第1電極板の有底溝とほぼ
    同じ間隔で有底溝(32)を平行に開設した第2電極板(30)
    と、複数のp型熱電素子(12)と、複数のn型熱電素子(1
    4)を準備するステップ、 第1電極板(20)の各々の有底溝(22)(22)の間に、一対の
    p型熱電素子(12)とn型熱電素子(14)を、第2電極板(3
    0)の有底溝(32)の幅寸法Wに相当する隙間(16)を存して
    配置するステップ、 第2電極板(30)の有底溝(32)が前記隙間(16)と一致する
    ように、且つ各熱電素子(12)(14)が第1電極板(20)との
    間に挟まれるように、第2電極板(30)を配置するステッ
    プ、 このように配置された第1電極板(20)と第2電極板(30)
    の外側表面を、各有底溝(22)(32)が露出するまで削り取
    って、各電極板を有底溝毎に分離するステップからな
    り、 隣り合うすべてのp型熱電素子(12)とn型熱電素子(14)
    が、分離された各電極板によって電気的に直列接続され
    るようにしたことを特徴とする熱電モジュールの製造方
    法。
  3. 【請求項3】 第1電極板(20)と第2電極板(30)の有底
    溝(22)(32)の開設された面と、各熱電素子(12)(14)の電
    極板(20)(30)との対向面の少なくとも一方には、予め導
    電性接合剤(40)(42)を施しておき、第1電極板(20)と第
    2電極板(30)との間に熱電素子(12)(14)を挟んだ後、加
    熱及び加圧することにより、各熱電素子と電極板を接合
    することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の熱
    電モジュールの製造方法。
  4. 【請求項4】 熱電素子(12)(14)には、少なくとも電極
    板(20)(30)と対向する側の面に、Niメッキ(44)が予め
    施されている請求項3に記載の熱電モジュールの製造方
    法。
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