JPS58199578A - 熱電気デバイスを製造する為の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発電の為の新規で改良された熱電気デバイス及
びその製法に関する。

エネルギー生産の為の化石燃料の供給は世界的にま−ｊ
ます枯渇しつつある。これによって世界経済が衝撃を受
けるのみならず世界の平和と安定を脅かしている。この
エネルギー危機の解決は新しい燃料とそれを効率的に利
用する技術の開発にかかつている。この目的の為に本発
明はエネルギー保存、電力、生成、環境汚染の問題及び
より多くの電力を供給する新しい熱電気デバイスの開発
により新しい事業の機会を生み出すことに関連している
。

恒久的で経済的なエネルギー変換技術の開発に関する問
題の解決の重要な部分は電力が熱によって生成される熱
電気デバイスの分野にかかっている。例えば自動車の排
気や発電所から我々の全エネルギーの１以上が廃棄され
環境に放出されている。

今日に至るまでこの熱汚染から来る深刻な気候的影響は
生じていない。しかし世界のエネルギー消費が増大する
に従いこの熱汚染によって海面上昇を伴うような極短水
の部分的融解が生ずる事態にまで至るであろうことが予
測されている。

熱電気デバイスの効率はデバイスを形成する材料につい
てのメリット数Ｚ　（ｆｉｇｕｒｅ　ｏｆ　ｍｅｒｉｔ
）を用いて表わされ、このＺは次式で与えられる。

Ｓ２σ ２＝− に ここで　　Ｚ：単位（ｕｎｉｔ）　Ｘ　１０３Ｓ；Ｖ／
℃で表わしたゼーベック係数 に：ｍＷ／ｃｍ、℃で表わした熱伝導率σ；（９，ｍ）
−”で表わした導電率 上記の関係から判るようにある材料が熱電気電力変換の
目的に適している為には熱電気電力のゼーベック係数（
Ｓ）が大きく、導電率（σ）が高く、そして熱伝導率（
６）が低くなければならない。更に熱伝導率■には２つ
の成分がある。即ち、格子成分Ｋｔと電気的成分に８で
ある。非金属の場合にはＫｔが支配的であ５にの値を主
として支配するのはこの成分である。

言い換えればある材料が熱電気電力変換の目的に適して
いる為には温度差を保持したままでキャリアーが高温側
接合部から低温側に容易に拡散することか重要である。

従って低い熱伝導率と共に高い導電率が要求される。

これまで熱電気電力変換に広い用途は見い出されていな
かった。その主な理由は商業的に応用することに非常に
適しているこのまでの熱電気材料は結晶質構造のもので
あったことによる。結晶質の固体では低い熱伝導率を保
持したままで大きな導電率を得ることはできない。最つ
も重要なことは結晶性故の対称性の為熱伝導率が改質に
よって制御できないということである。

従来の多結晶質材料の技術を用いても単結晶質材料の使
用の際の問題が依然として顕著なままである。そればか
りかこれら材料に相対的に低い導電率をもたらす多結晶
粒境界の為に新しい問題にも遭遇する。更にこれら材料
の製造に際してはそのより複合した結晶構造の結果とし
て制御がやはり難しい。これら材料に対する化学的改質
あるいはドーピングは上述の問題によって特に困難であ
るＯ 現在最つも良く知られている多結晶質熱電気材料の中に
（Ｂｉ　）　５ｂ）２Ｔｅ３＋　ｐｂＴｅ、及び５ｉ−
Ｇｅがあるｏ　（Ｂｉ＋５ｂ）２Ｔｅ３の材料は一１０
℃〜＋１５０℃の領域で使用するに適しており、Ｚの最
良値は３０℃付近で得られる０　（Ｂ　ｉ＋　ｓｂ　）
２Ｔｅ　３はＢｉとｓｂ　の量が０％〜１００％の間で
連続的に固溶体の系を示す。５ｉ−Ｇｅ　　材料は６０
０℃〜１０００℃の高温領域での使用に最つも適してお
り、７００℃以上で満足すべきＺの値が得られる。

ｐｂＴｅ多結晶材料は６００℃〜５００℃の領域で最良
のＺの値を示す。いずれの材料も１００℃〜３００℃の
領域での使用に適していない。これは実に不都合なこと
である。何故ならば巾広く種々の廃熱利用が見出される
のはこの領域だからである。これら廃熱利用の中で地熱
の廃熱及び例えばトラック、バスや自動車の内燃機関か
らの廃熱がある。この種の利用はその熱が真に廃熱であ
る故に重要である。高温領域の熱は他の燃料を用いて意
図的に作り出さなければならず、従って真の廃熱ではな
い。

上述の温度領域での使用する為の新規で改良さ旧） れた熱電気合金材料が発見されている。これらの材料は
Ｔｕｍｋｕｒ　Ｓ、　ＪａｙａｄｅｖとＯｎ　Ｖａｎ　
Ｎｇｕｙｅｎに係るＮＥＷ　ＭＴＪＬＴＩＰＨＡＳＥ　
ＴＨＥＲＭＯＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＯＹＳ　ＡＮＤ　
ＭＥＴＨＯＤ　ＯＦ　ＭＡＫＩＮＧ　ＳＡＭＥなる発明
として１９８２年１月２２日米国特許出願１３４１，８
６４号中に開示されている。上記発明は本発明の譲受人
に譲受られており、ここに参考文献として上げておく。

上記出願中に開示されている熱電気材料は本発明のデバ
イス中に利用できる。これら材料は単相の結晶質材料で
はなく無秩序化された材料である。

更にこれら材料はアモルファス相と多結晶相の両方を有
する多相材料である。この型の材料は良好な熱絶縁体で
ある。それらは基質の結晶質組織から種々の相に至るい
ろいろな遷移相を持つ粒界を粒境界領域中に含んでいる
。この粒境界は高い熱抵抗の相を含む遷移相によって高
度に無秩序化されており、熱伝導に対して高い抵抗を与
えることになる。従来の材料とは異なってこの材料は、
粒境界が、実質的に熱伝導率に影響を与えることな（１
２） く導電率を増大させる為にバルク材料を貫いて多数の導
電路を含む領域を定めるよう設計される。

要するに望捷しい程度に低い熱伝導率と結晶質バルクの
ゼーベック特性を有する点でこれらの材料は多結晶質材
料の長所のすべてを備えている。しかし、従来の多結晶
質材料とは違ってこれら無秩序化された多相材料は望ま
しい程度に高い導電率をも有している。従って前述の引
用された特許出願中に開示されているように熱電気電力
変換の為に望寸しい程歴に低い熱伝導率の状態でこれら
材料のメリット数についてのＳσ積を独立に増大させる
ことができる。

最高の無秩序性を示すアモルファス材料が熱電気的応用
の為に製造されている。それら材料とその製法は例えば
５ｔａｎｆｏｒｄ　Ｒ，０ｖｓｈｉｎｓｋｙ　　による
米国特許第４，１７７，４７３号、同第４，１７７．４
７４号中に十分に開示されている。これら特許に開示さ
れた材料は広域性の秩序よりも局所性の秩序を有する構
造上の構成と、１つのエネルギーヤヤツゾと１つの電気
的励起エネルギーとを有する電気的構成とを持ったアモ
ルファスな主基質中に形成される。このアモルファスな
主基質にエネルギーギャップ内に電子状態を形成する為
にそれら自身間だけでなくアモルファスな主基質とも相
互作用する軌道を有する改質剤が加えられる。この相互
作用によりアモルファスな主基質の電気的構成を改質し
励起エネルギーを減じ、従って材料の導電率を実質的に
増加させる。得られる導電率は主基質に加えられる改質
剤の量によって制御できる。

アモルファスな主基質は通常の真性状の導電型を持ち、
改質された材料はこれを非真性状の導電型に変える。

ｔｉ更に開示されている様にアモルファスな主基質は軌
道を持った孤立電子対を持つことができ、そしてこの改
質剤の軌道はそれら孤立電子対の軌道と相互作用しエネ
ルギーヤヤッフ０内に新しい電子状態を形成する。別の
形においては主基質は主として四面体結合を持つことが
でき、この場合改質剤物質がその主基質と相互作用する
軌道と共に主として非置換的に加えられる。ホウ素や炭
素と同様にｄ及びｆバンドを持つ物質は多重軌道を伺加
する可能性を有し、エネルギーギャップ内に新しい電子
状態を形成する為の改質剤として使用できる。

上述のことからこれらアモルファスな熱電気材料は実質
的に増大された導電率を有することに々る。しかしなが
ら改質後もアモルファスなｉｔなので熱伝導率を保ち、
従ってそれら材料を熱電気的な応用、特に４００℃以上
の温度領域での使用に良く適合したものにする。

これら材料はそれらの原子的構成をこれまでに述べてき
た独立に導電率を増大させるように実質的に変えて原子
的乃至微視的なレベルで改質される。これとは対照的に
前出の引用特許出願において開示された材料においては
原子的な改質は行われない。むして、それらは微視的レ
ベルで材料内に無秩序性を持ちこむやり方で製造される
。この無秩序性により導電性の相を含む種々の相が、残
りの相中の無秩序性が低い熱伝導率を与える一方で制御
された高い導電率を与える為に改質と同じやり方で原子
的にアモルファス相材料としてその材料中に導入される
ことが許される。それ故これら材料は熱伝導率について
アモルファス材料と多結晶材料の中間にある。

熱電気デバイスはそこに含捷れた材料を横切って温度差
が確立されることによって発電を行う。

この熱電気デバイスは一般にｐ型及びｎ型の材料の両方
からなる素子を含む。ｐ型材料中では温度差によって正
に帯電したキャリアーが素子の高温側から低温側へ動か
し、一方ｎ型材料中では温度差によって負に帯電したオ
アリアが素子の高温側から低温側へ動かされる０ 過去において熱電気電力変換が幅広い用途を見出さなか
った理由は材料」二の制限だけでなくディパス上の制限
にもよっている。これらのデバイスによって示される重
大な制限の１つは相対的に厚いセラミック基板を使用し
た結果である。これら基板はその熱膨張係数の為に製造
中及びこれに続く使用中に湾曲あるいはゆがみを起丁。

ゆがみは熱交換器との間の広い面接触を妨げるのでデバ
イスとそれらに関連した熱交換器との間の熱輸送に損失
をもたらす。捷たこれら基板はデバイスの熱電気素子と
直列に相当の熱抵抗を加え更に熱輸送の損失が増大する
。

上記のデバイスの制限を克服する新規で改良された熱電
気デバイスが発見されている。このデバイス及びその製
法は出願中の米国特許出願第３７．２．、！Ｓ８８号：
　Ｃａ５ｅ　１０８８　（１９８２年４月２８日出願、
発明者：　Ｄｅｒ−Ｊｅｏｕ　Ｃｈｏｕ、発明の名称Ｉ
ＭＰＲＶＥＤ　ＴＨＥ瓢／ｌ０ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＥＶ
ＩＣＥ　ＡＮＤＭＥＴＨＯＤ　ＯＦ　ＭＡＫＩＮＧ　Ｓ
ハエ）中に開示され、特許請求の範囲に記載されている
。ここに参照文献として記した。

そこに開示されているように製造中及び使用中にデバイ
スの湾曲あるいはゆがみが防止される。

このデバイスの構造によりセラミック基板の必要性が無
くされるだけでなく、デバイス全体の熱膨張を分散させ
ると共に吸収することによって他のデバイス構成部分の
熱膨張の効果を最小にする。

こうしてデバイスと熱交換器との間の広い面接触が、デ
バイスの熱電気システム中での使用中に容易に維持され
る。そこに開示されたデバイスはセラミック基板を持た
ないのでデバイス素子の直列の熱抵抗もまた低減され熱
電気素子を横切ってのより大きな温度差の存在が可能と
なり、与えられた全温度差に対して得られる電力出力が
増大する。

熱電気パワー変換の費用対効果及びその市場受容性は効
率的な熱電気材料付記で議論したようなデバイスによっ
てだけでなく、市場性のある費用対効果を持った規模で
デバイスを生産できる能力によって影響を受ける。本発
明は市場性のある費用対効果を持った規模で熱電気デバ
イスを大量生産する為の方法と装置を提供する、 本発明は熱電気デバイスを製造する為の新規で改良され
た方法及び装置を提供する。本発明の装置はデバイスの
製造中に複数の平坦な導電性ストリップと複数の熱電気
素子を受は入れそれらの正しい重ね合わせを維持するに
適した固定具手段を含む。この固定具手段は平坦な導電
性ストリップを１つのパターンに配置させて熱電気素子
を熱的には並列で電気的には直列に結合するように配列
される。この新規な装置は生産時間と生産コストを減ら
し、その一方で高品質で効率的な発電用熱電気デバイス
を提供する。この新規な装置と方法はまた容易に市場性
ある規模で熱電気デバイスを大量生産する道に容易につ
ながるものである。

本発明の装置は６つの固定具又は治具と１つのＵ字形部
材を含む。固定具のうちの２つは銅板セグメントを受は
入れるに適した四部を含む。これらの固定具は銅板セグ
メントを、その際に処理中でない方の銅板セグメント面
に固定具を通して真空を作用させることによって前記凹
部内に保持する。この２つの固定具はその周縁の４分の
６程度にわたる垂下肩部を含む。

製造工程の一部において第６の固定具は第１の固定具と
相補的である。第３の固定具は熱電気素子を、それが例
えば半田付けによって銅板セグメントへ結合される間圧
しい位置に保持する為に利用される。第１及び第６の固
定具の相補的配置は第１の固定具の垂下肩部とかみ合う
第６の固定具の周縁の一部の上の７ランジによって達成
される。

この配列により半田付は工程中に素子が第１の固定具の
銅板セグメントに関して正確に重ね合わされる。熱電気
素子が第１の固定具のセグメントに半田付けされるとた
だちに第６の固定具は除去される。

第１の固定具、第２の固定具及びＵ字形部材は次で正し
い位置に重ね合わされ素子の、第２の固定具の銅板セグ
メントへの結合を容易にする。２つの固定具の各々上の
垂下肩部はＵ字形部材がそれらの中間に位置した時Ｕ字
形部材と共に相補的な配列をとる。このＵ字形部材は１
つの固定具を他方の固定具と正確に重ね合わせる働きを
有し、それにより銅板セグメントの露出面ば熱電気素子
がそれらの間に来るような間隔を持たせられる。

第２の固定具の銅板セグメントは次いで熱電素子へ半田
付けされる。これら２つの固定具及びＵ字形部材は、銅
板セグメントが１つのパターンに配置され熱電気素子が
電気的には直列で熱的には並列に結合されるように配列
される。

半田付は操作が終了した後にセラミックの熱硬化性充て
ん材がセグメントと素子の周辺に導入される。この操作
は２つの固定具及びＵ字形部材によって正しい重ね合せ
、そこへ充てん材を導入することを可能にする為のセグ
メントと素子の囲いの確定について容易となる。この２
つの固定具のうちの一方は他方及びＵ字形部材より長く
１対のセグメントが一部包囲体又は囲いを越えて延びる
ようにする。この構成により熱電気デバイスの結合の為
の電気的接触が提供される。充てん材が乾燥丁ればデバ
イスは完成される。

上述の新規で改良された装置は本発明の方法に従って、
熱電気デバイスを製造する為に用いることができる。こ
の方法はまず複数の銅板セグメントを２つの固定具の各
々の中に置くことで開始される。各銅板セグメントの外
表面は次いで絶縁材料で被覆され、乾燥されそして焼成
される。銅板セグメントは次いで固定具内で裏返され反
対側のセグメントの未被覆面が露出される。銅板セグメ
ントのこの絶縁材未被覆の面は次で半田ペーストで被咎
され、乾燥される。１方の固定具中のセグメントは他方
の固定具のセグメント上に被覆された半田ペーストより
も高い温度で再同化（リフロー、ｒｅｆｌｏｗ）　　す
る半田ペーストで被覆される。

第３の固定具はより高い温度で再固化する半田ペースト
を有する銅板セグメントを保持した第１の固定具と正確
に重ね合わされる。素子が第６の固定具中に装荷されよ
り高い温度で再同化することによって第１の固定具のセ
グメントに結合される。第３の固定具は除去され第１の
固定具の銅板セグメントに結合した素子が後に残される
６２つの固定具及びＵ字形部材は次いで熱電気素子をよ
り低い温度で再固化する半田をその上に有するセグメン
トに関して位置決めする為に正確に重ね合わされて組み
合わされる。低温再固化半田は再固化され素子を第２の
固定具の銅板セグメントに結合する。Ｕ字形部材による
２つの固定具の正確な重ね合せによって、銅板セグメン
トが熱電気素子を熱的には並列で電気的には直列に接続
するような１つのパターンが定められる。

熱電気素子が第２の固定具内のセグメントに結合される
と次にセラミックの熱硬化性光てん材がセグメント間と
素子周辺に注入される。このセラミック熱硬化性光てん
材の注入は、２つの固定具と共に素子とセグメントの周
辺に三辺の包囲体を形成するＵ字形部材によって容易と
なる。次でセラミック熱硬化性光てん材が乾燥される。

これら２つの固定具とＵ字形部材は次で除去され、完成
した熱電気デバイスは与えられた温度差に応答して発電
を行う為にそのま＼使用できる。

従って本発明の第１の目的は；実質的に平坦な導電性ス
）　ＩＪツブの第１及び第２の組を与える段階と；少な
くとも２つの熱電気素子を与える段階と；前記素子を電
気的には直列で熱的には並列に結合する為に前記導電性
ス）　ＩＪツゾの第１及び第２の組を１つのパターンに
配列すると共に前記素子を前記導電性ストリップの第１
の組と第２の組との間に配置する段階と；前記素子を前
記ストリップへ固定する段階と；絶縁材料を前記素子と
前記ストリップの間に注入する段階とによって特徴付け
られる熱電気デバイスの製法を提供することである。

本発明の第２の目的は；少なくとも２つの固定具を与え
る段階と；複数の実質的に平坦な導電性ストリップを与
える段階と；複数の実質的に平坦な導電性ス）　ＩＪツ
ゾを２つの固定具の各々の中に置く段階と；導電性スト
リップの露出された各面を絶縁材で被覆する段階と；こ
の被覆された面と平行な面を露出する為に固定具中のス
）　ＩＪッグを裏返す段階と；複数の熱電気素子を与え
る段階と；固定具の一方を他方の上に正確に重ね合わせ
素子を半田ペーストで被覆された面の間に配置する段階
と；素子を導電性ストリップへ固定する段階と；第２の
絶縁材を素子と固定具の間に注入する段階とによって特
徴付けられる熱電気デバイスの製法を提供することにあ
る。

本発明の第３の目的は；複数の実質的に平坦な導電性ス
トリップを受は入れるに適した固定手段を備え；該固定
手段は処理中にストリップをその位置に保っておく為の
保持手段を含み；該固定手段は更に複数の熱電気素子を
受は入れるに適しており；該固定手段は導電性ストリッ
プを１つのパターンに配置し熱電気素子を熱的には並列
で電気的には直列に結合するように配列されていること
を特徴とする熱電気デバイスを製造する為の装置を提供
することにある。

本発明の好ましい実施例について以下添付された図面を
参照しつつ説明する。

以下図面を参照して本発明に従った新規で改良された、
熱電気デバイスの製造の為の装置及び方法が説明される
。

第１図は参照文献として記した前述の出願中の米国特許
出願第３７２．６８８号の発明を具体化した無基板熱電
気デバイスを示している。デバイス１０はそれを横切っ
て温度差を確立することによって発電を行う。この温度
差はｐ型及びｎ型の熱電気素子１２及び１４を貫くキャ
リア束を駆動する。ｎ型素子１４内ではこの温度差は負
のキャリアを高温側から低温側へ動かす。ｐ型素子中で
はこの温度差は正のキャリアを高温側から低温側へ動か
す。これが発電を行う正、負キャリアの運動である。

ｐ型及びｎ型の熱電気素子の数は相等しく全体を通して
交互に並んでいる。ｐ型素子１２として利用される代表
的な組成は約１０％から２０％のビスマス、約２０チか
ら３０％のアンチモン、約６０％のテルル及び１％未満
の銀からなるものである。この材料及び他のｐ型素子を
形成し得る材料については、参照文献として記した”Ｎ
ｅｗＭｕｌｔｉｐｈａｓｅ　Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒ
ｉｃ　Ａ１１ｏｙｓａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｍ
ａｋｉｎｇ　Ｓａｍｅ”　なる発明に係る出願中の前述
の米国特許ｆＫ３４１，８６４号、１９８２年１月２２
日出願）中に開示されまた特許請求の範囲に記載されて
いる。ｎ型素子は約４０％のビスマス、約５４％のテル
ル及び約６係のセレンからなる。

第１図を参照すると無基板熱電気デバイス１０のｐ型及
びｎ型の素子１２及び１４は相互に離れた第１及び第２
の組の銅板セダメン）２２．１８の内表面に各々熱的関
係をもって固定されている。

銅板セグメント１８及び２２の内表面上には素子１２．
１４を銅板セグメント１８．２２へ各々熱的にも電気的
にも結合する為の半田１６及び２４がある。銅板セグメ
ント１８及び２２は索子１２゜１４を電気的には直列で
熱的には並列に接続する為の１つのリードパターンを定
める。

例えばＡｒｅｍｃｏ　５５４あるいはこれと類似のセラ
ミック熱硬化性充てん材３０が素子１２．１４と銅板セ
グメン）１８．２２の間の空所を満たちセラミック熱硬
化性充てん材３０は素子を絶縁し、それらを汚染から防
護する為に高い電気的抵抗と熱的抵抗を有する性質を持
つ。セラミック熱硬化性充てん材６０はまたデバイスの
使用中熱膨張を吸収する働きを有する。銅板セグメント
１８．２０は′！た例えばＥｌｅｃｔｒｏ−８ｃｉｅｎ
ｃｅ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒ−ｔｅａ。

Ｉｎｃ製のＥＳＬ　Ｍ４９０６　　あるいはこれと類似
の厚膜セラミック２０の層をその外表面のうちで半田ペ
ース）１６．２４とは反対側の面上に持つ。

厚膜セラミック２０はそれが熱交換器と共に用いられた
時に、銅板セグメン）１８．２２を熱交換器から電気的
に絶縁する為に高い電気抵抗を有すると共に素子１２．
１４を横切っての温度差を最大とする為に高い熱伝導率
を有している。従って、厚膜セラミック２０は熱電気デ
バイス１０の電気的絶縁を行う一方で発電の為に熱電気
システム中で利用された時デバイス１０を熱交換器に熱
的に結合する鋤きもするという２つの機能を併有する。

本発明に従った製法に従って熱電気デバイス１０を製造
する場合には実質的に平坦な銅板セグメントの第１及び
第２組が用意される。この銅板セグメント１８．２２の
厚さは約０．０２０インチである。

厚１１ＪＪセラミックペースト２０が各銅板セグメント
の反対側にスクリーン印刷される。厚膜セラミックペー
スト２０は良好な電気の絶縁体であると共に良好な熱伝
導体である特性を有し、例えばＥＳＬ　Ｍ４９０６ある
いはこれと類似のものとして１ 良い。厚膜セラミックは１２５℃で１５分間乾燥され、
９００℃で６０分間焼かれる。この厚膜が焼成された後
で半田ペースト１６及び２４が銅板セグメント１８及び
２２上に各々スクリーン印刷される。上に半田ペースト
を載せた銅板セグメントは次で約１２０℃で１５分間乾
燥される。

２組の銅板セグメントは第１の組及び第２の組の半田ペ
ーストで被覆された面が間隔を置いて並ぶように配列さ
れる。各組の銅板セグメントはそれらの間に配置された
熱電気素子を電気的に直列に結合する為の１つのパター
ンをなすように相互に配列される。

ｐ型及びｎ型素子１２．１４は例えば約３５０℃のもと
て窒素の如きガスの減圧雰囲気下で半田ペースト２４を
再固化することによって同数づつ全体を通して交互に接
続される。ｐ型及びｎ型素子１２．１４はその上に銅板
セグメント２２を載せて次で半田ペースト１６が素子に
接触するように銅板セグメント１８上へ置かれる。半田
ペースト１６は次で素子１２．１４を銅板セグメント１
８へ接続する為に約３００℃あるいはそれ以下の減圧雰
囲気内で再固化される。

半田ペースト１６は半田ペースト２４よりも低融点のも
のを選ぶ。これにより銅板セグメント１８　、２２を先
に再固化された半田２４を溶かすことなく熱電気素子１
２．１４と組み立てるのが容易となる。

セラミック熱硬化性充てん材６０は銅板セグメント１８
．２２と素子１２．１４の間に注入される。このセラミ
ック熱硬化性充てん材は熱的にも電気的にも高い抵抗を
示すもので、例えばＡｒｅｍｃ。

５５４あるいはこれと類似のものとすることができる。

セラミック熱硬化性充てん材６０は９０℃で２４時間乾
燥される。素子とセグメントとの間の広い面接触を維持
する為に充てん材は使用中のデバイスの熱膨張を吸収す
る働きをする。更にこの充てん材６０は素子１２．１４
を外界及びそこから侵入し得る汚染から防護する。

新規で改良された本発明に従った上記の製法に利用され
る装置が第２図〜第９図に示されている。

この装置は６つの固定具又は治具３２，３４゜６６及び
Ｕ字形部材３７から構成されている。特に第２図と第６
図を参照すると固定具６２は凹部３８に１つの銅板セグ
メントの組を受は入れるのに適している。この凹部６８
は銅板セグメントとほぼ同寸法であり銅板セグメントの
処理中にそれを正しい位置に保持する。セグメントの移
動はセグメントの処理中でない方の面に対して真空を作
用させるとただちに防止される。真空は各セグメントの
凹部３８に対して導管４０を介して作用させられる。こ
の導管４０は谷凹部６８を真空マニホールド４２へ接続
し、これにより固定具６２に対する真空の印加が容易と
なる。固定具３２は更にその周縁のほぼ−にわたる垂下
肩部５０を含む。

第４図及び第５図を参照すると、固定具６４もやはりそ
の凹部４３に１組の銅板セグメントを受は入れるのに適
している。このセグメントは四部４６を真空マニホール
ド４６へ接続する導管４４を介してセグメントの処理中
でない方の面に真空を作用させることによって正しい位
置に保持される。固定具３４もまたその周縁のほぼ７に
わたる垂下肩部４８を有する。

固定具３２は固定具３４及びＵ字形部材３７よりわずか
に長い。従って固定具３２．３４がＵ字形部材６７と正
確な重なり合い関係にあれば固定具６２の２つの凹部３
８は形成される空洞内に位置しない。この構成により空
洞を満たすセラミック熱硬化性光てん材から銅板セグメ
ントが免れることができ熱電気デバイスの結合の為の電
気的接触体として機能する。

新規で改良された装置は捷た第６図、第７図に示すよう
に第３の固定具又は治具３６を含む。この第３の固定具
３６は全体にわたって予め定められたパターンに配列さ
れた切欠又は開口５１を有する。これら切欠は交互にな
らぶ同数のｐ型及びｎ型の素子を受は入れ、それらが１
方の銅板セグメントの組に結合される間その位置に保持
する。

第６の固定具３６はまたその縁部の一部を取り巻く７ラ
ンシ５２を含む。このフランジ５２は垂下肩部４８又は
５０の各一方と相補的な関係にあり、素子がセグメント
の１組に結合される間銅板セグメントに対して熱電気素
子を正しく配向させる。

固定具６４の垂下肩部４８は固定具６２の垂下肩部５０
と相補的関係にあるＵ字形部材６７と相補的関係にある
。雨垂下唇部４８．５０は固定具３２．３４をＵ字形部
材６８をその間にはさんで置かれたとき、２つの固定具
３２．３４の正確な重ね合わせ関係を与え、銅板セグメ
ントを相互に間隔を置いた関係に配置させる。垂下肩部
４８゜５０とＵ字形部材３７はまた熱電気素子を熱的に
は並列で電気的には直列に結合する為に銅板セグメント
と共に素子に正しい配向を与える、最後に、垂下肩部４
８，５０はＵ字形部材３７と共に、セグメントと素子の
間にセラミック熱硬化性光てん材を注入することを容易
にする為にセグメントと素子の周辺に１つの空洞を形成
するよう組み合わされて機能する。

第８図及び第９図によれば、新規で改良された本発明の
装置は前述の新規で改良された方法を実施するため有用
なものである。銅板セグメント２２は固定具６２により
その凹部３８へ受は入れられ、銅板セグメント１８は固
定具６４によってその凹部４６へ受は入れられる。セグ
メント１８゜２０をその処理中にその位置に保持する為
に各真空マニホルド４２，４６、導管４０．４４を介し
て各固定具に真空が印加される、絶縁材料２０が処理中
のセグメント面へスクリーン印刷され約１２５℃で約１
５分間乾燥され、次で約９００℃で約３０分間焼成され
る。次に真空が解除されセグメントがその絶縁材料とは
反対側が処理にさらされるよう裏返される。これは最つ
も好ましくはその中にセグメントを保持した固定具を相
似な固定具の真上に置き、真空を解除し、セグメントが
その相似な固定具の凹部内にその未処理側を露出させる
ため落下できるようにすることによって達成される。

この後で真空がセグメントに印加され、セグメント２２
と１８の露出面には半田ペースト２４゜１６が各々スク
リーン印刷され、そして約１２０℃で約１５分間乾燥さ
れる。半田ペースト２４は半田ペースト１６よりも高温
で再同化するので熱電気素子１２．１４のセグメン）２
２．．１８への結合が容易となる。

固定具６６は次いで固定具６２上方に正しく重ね合わさ
れる。この正しい重なり合いは相補的関係にある固定具
３乙のフランジ５２と固定具６２の垂下患部５０によっ
て自動的に達成される。ｐ型及びｎ型の熱電気素子が同
数づつ全を通して交互に固定具６６の切欠５１中に置か
れる。素子は約６５０℃の減圧雰囲気下で半田ペースト
２４を再同化することによって固定具６２内のセグメン
ト２２に結合される。素子がセグメント２２に結合され
るとただちに固定具３６は取り除かれる。

固定具３２はセグメント２２に結合された素子と共に、
Ｕ字形部材６７をその間にはさんで固定具６４に対して
正しい重なり合い関係に置かれる。

この正しい重なり合い関係はＵ字形部材６７と相補的に
配列された固定具６２と３４の垂下患部４８．５０によ
って自動的に与えられる。この配列により、素子のセグ
メントへの結合は、素子が熱的には並列で電気的には直
列に接続されるように行われる。素子は次いで約６００
℃の減圧雰囲気下で半田ペースト１６を再固化させるこ
とによってセグメント１８に結合される。

素子のセグメントへの結合が行われた後で、固定具３２
．３４及びＵ字形部材３７を正確な重なり合い関係に保
ったままで、第９図に最も良く示されているようにセラ
ミック熱硬化性光てん材６０が素子とセグメントの間に
注入される。これら固定具３２．３４及びＵ字形部材３
７は素子及びセグメントの周辺に１つの空洞を形成する
ことによって充てん材３０の注入を容易にする。充てん
材３０が９０℃で２４時間乾燥されると保合を解かれ完
成された熱電気デバイス１０を取り出すことができる。

本発明の装置と方法は熱電気デバイスの所要製造時間と
製造コス、トの低減、自動化された高速の市場性のある
規模での熱電気デバイスの大量生産に適合できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置及び方法によって製造され得る型
の熱電気デバイスの側面図。 第２図は本発明に従って１つの予め定められたパターン
をなしている第１の銅板セグメントの組を受は入れるに
適した、装置の第１の固定具を真上からみた平面図。 第６図は第２図中の線６−６に沿った断面図。 第４図は本発明に従って１つの予め定められたパターン
をなしている第２の銅板セグメントの組を受は入れるに
適した、装置の第２の固定具を真上からみた平面図Ｏ 第５図は第４図中の線５−５に沿った断面図。 第６図は本発明に従って１つの予め定められたパターン
をなしている熱電気素子を受は入れるに適した、装置の
第６の固定具を真上からみた平面図。・ 第７図は第６図の線６−６に沿った断面図。 第８図は本発明に従って正確に重ね合わされた装置の第
１の固定具、第２の固定具及びＵ字形部材の様子を示す
破断図。 第９図は本発明に従って正しく重ね合わされて組合わさ
れた、装置の第１の固定具と第２の固定具とＵ字形部材
の側面図である。 １０　・・・・・・・・・　熱電気デバイス１２　・・
・・・・・・・　ｐ型態電気素子１４　・・・・・・・
・・　ｎ型熱電気素子１６．２４・・・　半田ペースト １８．２２・・・　銅板セグメント ２０　・・・・・・・・・　厚膜セラミックろ２　・・
・・・・・・・　第１の固定具又は治具３４　・・・・
・・・・・　第２の固定具又は治具６６　・・・・・・
・・・　第３の固定具又は治具３７　・・・・・・・・
・　Ｕ字形部材６８・・・・・・・・・凹部 ４０．４４・・・導管 ４８．５０・・・　垂下患部 特許用Ｍ１１人　　　エナージー・コンバージョンΦデ
バイセス・インコーボレーテッド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実質的に平坦な導電性ストリップの第１及び第２の
   組を提供する段階と；少なくとも２つの熱電気素子を提
   供する段階と；前記素子を電気的には直列で熱的には並
   列に結合する為に前記導電性ス）　ＩＪツゾの第１及び
   第２の組を１つのパターンに配列すると共に前記素子を
   前記導電性ストリップの第１の組と第２の組との間に配
   置する段階と；前記素子を前記ストリップへ固定する段
   階と；絶縁材料を前記素子と前記ストリップの間に注入
   する段階と：によって特徴付けられる熱電気デバイスの
   製法。 ２、特許請求の範囲の第１項に記載された方法において
   更に、第１段階として前記ストリップの外表面を第２の
   絶縁材料で被覆する段階を有し、前記第２の絶縁体材料
   は高い熱伝導率と低い導電率を持つことを特徴とする前
   記方法。 ３、特許請求の範囲の第２項に記載された方法において
   更に、前記第２の絶縁材料が厚膜セラミックであること
   を特徴とする前記方法。 ４、特許請求の範囲の第１項から同第６項までのいずれ
   か１項に記載された方法において更に、前記絶縁材料が
   充てん用熱硬化性セラミックであることを特徴とする前
   記方法。 ５、特許請求の範囲の第１項から同第４項までのいずれ
   か１項に記載された方法において、前記素子を前記導電
   性ストリップの第１の組と第２の組の間に前記素子を配
   置するに先立って前記導電性ストリップの内表面に半田
   ペーストをスクリーン印刷するとともに、前記半田を再
   固化せしめることによって前記素子を前記ストリップに
   固定する為の段階を付加したことを特徴とする前記方法
   。　　　”６、特許請求の範囲の第１項から同５項まで
   のいずれか１項に記載された方法において更に、少なく
   とも２つの固定具を提供する段階と；前記複数の実質的
   に平坦な導電性ス）　ＩＪシッフを前記２つの固定具の
   谷々の中に置く段階と；前記ストリップの外表面を被覆
   する前記段階の後で、前記内表面上に前記半田をスクリ
   ーン印刷する段階を容易にするため、前記被覆された表
   面と平行な面を露出するように前記固定具中の前記スト
   リップを裏返す段階と；前記固定具の一方を他方の上に
   正確に重ね合わせると共に前記素子を前記半田ペースト
   を被覆された面の間に配置する段階と：を含むことを特
   徴とする前記方法。 ７、　特許請求の範囲の第６項に記載された方法におい
   て更に、前記固定具が正確に重なり合った時に前記熱電
   気素子を熱的に並列で電気的には直列に結合し１つのパ
   ターンとなるように前記導電性ストリップを受は入れて
   配置させるため前記固定具中に配列された平坦ストリッ
   プ受入れ手段を提供する段階によって特徴付けられる前
   記方法。 ８、特許請求の範囲の第７項に記載された方法において
   更に、前記導電性ストリップをその処理中に位置決めす
   る為に前記導電性ストリップに真空を作用させる段階に
   よって特徴付けられる前記方法。 ９、特許請求の範囲の第８項に記載された方法において
   更に、前記熱電気素子をその処理中に位置決めする為の
   、前記２つの固定具のうちの一方と正確に重なり合った
   １つの整列用固定具を提供する段階によって特徴付けら
   れる前記方法。 １０、特許請求の範囲の第６項から第９項までのいずれ
   か１項に記載された方法において更に、前記２つの固定
   具同士が正確に重なり合うように案内すると共に、前記
   導電性ストリップ及び熱電気素子の周辺に、前記第２の
   材料の注入を容易にする空洞を形成する為の空洞形成手
   段を提供する段階によって特徴付けられる前記方法。 １１　　複数の実質的に平坦な導電性ス）　ＩＪッゾを
   受は入れるに適した固定手段を備え；前記固定手段は処
   理中にストリップをその位置に保持する為の保持手段を
   含み；前記固定手段は更に複数の熱電気素子を受は入れ
   るに適しており；前記固定手段は前記導電性ストリップ
   ０を１つのパターンに配置し熱電気素子を熱的には並列
   で電気的には直列に結合するように配列されることを特
   徴とする、熱電気デバイスを製造する為に使用する装置
   。 １２、特許請求の範囲の第１１項に記載された装置にお
   いて更に、前記保持手段（４２，４６）が前記導電性ス
   トリップ（１８，２２）の処理中でない方の側に真空を
   作用させる為の手段（４２゜４６）を含んでいることを
   特徴とする前記装置。 １３、特許請求の範囲の第１２項又は同第１６項に記載
   された装置において更に、前記固定手段が２つの固定具
   （３２，３４）を含み； 前記固定具の各々は前記導電性ストリップ（１８，２２
   ）の表面間に間隔を保つように一方の固定具を他方の固
   定具と正確に重ね合わせる為の重ね合せ手段（４８，５
   ０）を含むことを特徴とする前記装置。 １４、特許請求の範囲の第１６項に記載された装置にお
   いて更に、前記固定手段が更に前記素子をその処理中に
   その位置に保持する為の、前記固定具（３２，３４）の
   一方から間隔を置かれた１つの整列用固定具（６６）を
   含むことを特徴とする前記装置。 １５　　特許請求の範囲の第１４項に記載された装置に
   おいて更に、前記整列用固定具（６６）は前記素子を前
   記導電性ストリップ（１８，２２）に関して正確に重ね
   合わせて保持する為の、前記固定具の各々の重ね合せ手
   段（４８，５０）と協働するフランジ手段（５２）を含
   んでいることを特徴とする前記装置。 １６、特許請求の範囲の第１６項から同第１５項までの
   いずれか１項に記載された装置において更に、前記固定
   手段（３２，３４）は前記２つの固定具（３２，３４）
   が当該空洞形成手段を間に挾んで相互に間隔をおいて配
   置された時、前記素子と前記ストリップの間に絶縁材（
   ３０）を注入することを容易にするように前記導電性ス
   トリップ（１８，２２）及び前記熱電気素子（１２，１
   ４）の周辺に１つの包囲体を与える為の空洞形成手段を
   含むことを特徴とする前記装置。 １７、特許請求の範囲の第１６項に記載された装置にお
   いて更に、前記空洞形成手段（６７）が２つの間隔をと
   って置かれた前記固定具（３２゜６４）の正確な重なり
   合いを与える為の前記重ね合わせ手段（４８，５０）と
   相補的関係にあることを％徴とする前記装置。 １８、特許請求の範囲の第１６項又は同１７項に記載さ
   れた装置において、前記素子と前記ストリップの間に絶
   縁材（６０）を注入することを容易にする為に前記２つ
   の固定具（３２，３４）が、それが正確な重なり合い関
   係にある時、前記導電性ストリツ７’（１８，２２）及
   び前記熱電気素子の周辺に三辺の包囲体を規定すること
   を特徴とする前記装置。 １９、特許請求の範囲の第１６項から同１８項のいずれ
   か１項に記載された装置において、前記固定具（３２）
   のうちの一方が他方の固定具（６４）及び前記空洞形成
   手段（３７）よりも長いことを特徴とする前記装置。