JPH11204842A - 熱電モジュールの作製方法 - Google Patents

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と
共に、半田を用いることなく熱電モジュールを作製する
ことのできる方法を提供する。 【解決手段】 電極２０が形成される部分に電極厚さに
ほぼ相当する深さの切込部３０が形成された格子状ホル
ダー３２に、ｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１２を交
互に格子状に配置し、格子状ホルダー３２と熱電素子対
１０，１２によって形成される夫々の空間４０に、電極
材料を電気メッキすることによって電極２０を形成し
て、熱電モジュール５０を作製するものである。

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
作製方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電モジュールは、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熱電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】熱電モジュールの典型例として、図４に示
すように、対向するセラミック基板(96)(96)の間にて、
ｐ型熱電素子(90)とｎ型熱電素子(91)が電極板(98)を介
して電気的に直列接続されたものがある。この熱電モジ
ュールの作製法について、図５を用いて説明する。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)を得る。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、半田メッ
キ層(94)(94)がさらに施される。次に、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(96)の上
にＣｕの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Ｃｕ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)が
交互に配置された後、熱電素子(90)(91)の上に、Ｃｕ電
極(98)のパターニングが施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Ｃｕ電極(98)(9
8)とが接合される。配列された熱電素子(90)(91)の電気
的直列接続の基端、終端となる電極には、配線(99)(99)
が接続される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の製造法では、ｐ
型及びｎ型熱電素子と、電極との接合は、熱電モジュー
ルの組立時に半田付けにより行なっていたため、小さな
熱電素子をパターニング位置に正しく配置する作業、半
田付け工程等に多大の工数を要していた。

【０００５】また、熱電発電において、効率よく発電を
行なうには、熱電モジュールに対して大きな温度差を与
えることが好ましく、低温側を常温、高温側を３００℃
を越える温度で作動させることもある。しかしながら、
半田の融点は一般的に３００℃以下であるため、半田を
用いた熱電モジュールの場合、このような高温下で使用
すると、半田が溶融して十分な電気的接続を得ることが
できない。このため、半田を用いずに作製できる熱電モ
ジュールの開発が求められている。

【０００６】本発明は、熱電モジュールの製造工程の簡
素化を図ると共に、半田を用いることなく熱電モジュー
ルを作製することのできる方法を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、電極(20)が形成される部分に電極厚さに
ほぼ相当する深さの切込部(30)が形成された格子状ホル
ダー(32)に、ｐ型熱電素子(10)とｎ型熱電素子(12)を交
互に格子状に配置し、格子状ホルダー(32)と熱電素子対
(10)(12)によって形成される夫々の空間(40)に、電極材
料を電気メッキすることにより電極(20)を形成して、熱
電モジュール(50)を作製することを特徴としている。格
子状ホルダー(32)は、電気絶縁性且つ耐熱性を有する材
料から構成することが望ましく、電極(20)を形成した後
は、取り除いてもよいし、そのまま残してもよい。格子
状ホルダー(32)を取り除いた場合、必要に応じて、熱電
素子の間に電気絶縁性且つ耐熱性を有する樹脂、セラミ
ックなどの材料を充満させることが望ましい。

【０００８】電極材料として、Ｃｕを例示できる。電極
材料と熱電素子材料が相互拡散する場合には、電極(20)
を形成する前に、熱電素子材料と電極材料との相互拡散
を防止するためのバリア層(22)を形成すればよい。バリ
ア層(22)の材料として、Ｎｉ、Ｍｏなどを例示でき、バ
リア層(22)は、溶射などによって形成できる。電極(20)
又はバリア層(22)を形成する前に、熱電素子(10)(12)の
表面にブラスト処理を施して、熱電素子(10)(12)の表面
を粗くしておき、熱電素子(10)(12)と電極(20)又はバリ
ア層(22)との接合強度を高めるようにしてもよい。ブラ
スト材として、アルミナを例示できる。

【０００９】電極(20)を形成した後、作製された熱電モ
ジュール(50)に対して平面研削加工を行ない、平坦度を
高めることが望ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の熱電モジュール(50)は、
図１に示すような格子状ホルダー(32)を用いて作製する
ことができる。以下では、熱電素子を６×６個配置した
熱電モジュールについて説明を行なうが、配置される熱
電素子の数はこれに限定されるものではない。格子状ホ
ルダー(32)は、耐熱性且つ非導電性の材料から構成さ
れ、図１に示すように、格子状に熱電素子収容用のスペ
ース(34)が、仕切板(36)によって６×６個に区画されて
いる。なお、仕切板(36)により区画されたスペース(34)
に熱電素子(10)(12)を収容したときに、図１中最も手前
に位置するスペース(34a)に収容される熱電素子(10)(1
2)を電気的な直列接続の基端、図１中左端に位置するス
ペース(34b)に収容される熱電素子を電気的な直列接続
の終端として、全ての熱電素子が電気的に直列に接続さ
れるようにする必要がある。それゆえ、仕切板(36)の上
下交互には、形成されるべき電極板の厚さにほぼ相当す
る深さの切込部(30)が形成されている。また、基端及び
終端となるスペース(34a)(34b)には、配線を接続するた
めの切込部(30a)(30b)が形成されている。

【００１１】上記構成の格子状ホルダー(32)の中へ、ｐ
型熱電素子(10)とｎ型熱電素子(12)を収容する。なお、
ｐ型熱電素子の材料として、(Ｂｉ₂Ｔｅ₃)_1-x(Ｓｂ₂Ｔ
ｅ₃)_xであってｘが０.７０〜０.８５のものを挙げるこ
とができ、ｎ型熱電素子の材料として、(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が、これらに限定されるものでは
ない。

【００１２】図２(ａ)は、格子状ホルダー(32)の図１の
線II−IIに沿う断面図である。格子状ホルダー(32)に
は、格子状の仕切板(36)によって形成された熱電素子(1
0)(12)の収容スペース(34)が設けられている。該スペー
ス(34)に収容される熱電素子(10)(12)は、格子状ホルダ
ー(32)の仕切板(36)の高さから上下の切込部(30)を除い
た高さにほぼ相当する厚さＤとなるように略立方体形状
に形成されている。格子状ホルダー(32)を、図２(ｂ)に
示すように切込部(30)とほぼ同じ高さの突部(60)を有す
る配列用治具(62)の上に置いて、後述する電極(20)を形
成するための空間を残した状態で、略立方体形状のｐ型
熱電素子(10)とｎ型熱電素子(12)を、格子状ホルダー(3
2)のスペース(34)に交互に収容する。

【００１３】図２(ｃ)に示すように、配列用治具(62)を
用いて熱電素子(10)(12)を格子状ホルダー(32)のスペー
ス(34)にすべて収容した後、熱電素子対(10)(12)の上面
に、ブラスト処理を施す。ブラスト処理は、熱電素子(1
0)(12)の表面を粗くすることにより、熱電素子対(10)(1
2)と後述するバリア層(22)との接合強度を高めるために
行なうものであり、必要に応じて実施すればよい。ブラ
スト処理は、熱電素子の上面にアルミナグリットをブラ
ストすることによって実施することができる。

【００１４】熱電素子(10)(12)の上面にブラスト処理を
施した後、図２(ｄ)に示すように、熱電素子(10)(12)の
上面と切込部(30)の上面にバリア層(22)を形成する。バ
リア層(22)は、電極材料となるＣｕと熱電素子材料との
相互拡散を防止するために形成される層であり、溶射に
よって厚さ１００〜２００μｍ程度に形成することが望
ましい。なお、電極材料が、熱電素子材料と相互拡散し
ない場合には、バリア層を設ける必要はない。溶射方法
として、ガスワイヤ溶射を挙げることができる。また、
バリア層(22)の材料として、Ｎｉ以外にＭｏなどを用い
ることもできる。

【００１５】バリア層(22)を形成した後、バリア層(22)
の上面に対して脱脂と酸洗い処理を施し、図２(ｅ)に示
すように、電極材料であるＣｕをバリア層(22)の上面に
電気メッキして、厚さ約１.５ｍｍの電極(20)を形成す
る。Ｃｕ電極を電気メッキによって形成するのは、Ｃｕ
は融点が高いため、溶射によってＣｕ電極を形成する
と、熱電素子材料の組成が破壊されてる虞れがあるから
である

【００１６】格子状ホルダー(32)の片面に電極(20)を形
成した後、図２(ｆ)に示すように、格子状ホルダー(32)
を配列用治具(62)から取り外して裏返し、反対側の面に
上記と同じ処理(ブラスト処理、バリア層形成、脱脂と
酸洗い処理、電気メッキ処理)を施す。

【００１７】熱電素子の両面に電極を形成することによ
り、ｐ型熱電素子(10)とｎ型熱電素子(12)が、電極(20)
によって電気的に直列接続された熱電モジュール(50)
(図３参照)が作製される。

【００１８】なお、熱電モジュールに、熱交換器などと
の密着性を高める必要があり、平坦度及び平滑度が要求
される場合には、熱電モジュール(50)に平面研削又は切
削処理を施せばよい。

【００１９】上記実施例では、熱電素子(10)(12)の片面
にバリア層(22)及び電極(20)を形成した後、反対側の面
にバリア層(22)及び電極(20)を形成したが、熱電素子(1
0)(12)の両面にバリア層(22)を形成してから、各面に電
極(20)を形成できることは勿論である。

【００２０】

【発明の効果】本発明の熱電モジュールの作製方法によ
れば、半田を用いることなく熱電素子に電極を形成する
ことができるため、作製された熱電モジュールは、高温
側を半田の融点よりも高い温度まで加熱することがで
き、熱電モジュールの温度差を大きくすることができ、
高効率の発電を行なうことができる。また、本発明の熱
電モジュールの作製方法によれば、電極の形成と同時に
熱電素子と電極との接合を行なうことができるため、作
業工程の簡略化を図ることができる。さらに、電気メッ
キやガスワイヤ溶射は、それぞれ安価な方法として産業
分野で広く使われている方法であり、また、格子状ホル
ダーを利用して電極を所定の形状に形成することができ
るため、製造工程の簡略化、製造コストの低減を達成で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】格子状ホルダーの斜視図である。

【図２】本発明の熱電モジュールの作製方法を説明する
図である。

【図３】本発明の熱電モジュールの斜視図である。

【図４】従来の熱電モジュールの分解斜視図である。

【図５】従来の熱電モジュールの作製方法を説明する図
である。

【符号の説明】

(10) ｐ型熱電素子 (12) ｎ型熱電素子 (20) 電極 (22) バリア層 (30) 切込部 (32) 格子状ホルダー (36) 仕切板 (50) 熱電モジュール

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型熱電素子(10)とｎ型熱電素子(12)
   を、所定の間隔を存して交互に格子状に配置し、ｐ型熱
   電素子とｎ型熱電素子が全体として電気的に直列となる
   ように、隣り合う熱電素子を電極(20)を用いて接続する
   ことにより熱電モジュールを作製する方法において、 電極(20)が形成される部分に電極厚さにほぼ相当する深
   さの切込部(30)が形成された格子状ホルダー(32)に、ｐ
   型熱電素子(10)とｎ型熱電素子(12)を交互に格子状に配
   置し、 格子状ホルダー(32)と熱電素子対(10)(12)によって形成
   される夫々の空間(40)に、電極材料を電気メッキするこ
   とによって電極(20)を形成することを特徴とする熱電モ
   ジュールの作製方法。
2. 【請求項２】 電極(20)を形成する前に、熱電素子材料
   と電極材料との相互拡散を防止するためのバリア層(22)
   を形成する工程を含んでいる請求項１に記載の熱電モジ
   ュールの作製方法。
3. 【請求項３】 電極(20)又はバリア層(22)を形成する前
   に、熱電素子(10)(12)の表面にブラスト処理を施す工程
   を含んでいる請求項１又は請求項２に記載の熱電モジュ
   ールの作製方法。