WO2007097059A1

WO2007097059A1 - 熱電変換モジュールおよびその製造方法

Info

Publication number: WO2007097059A1
Application number: PCT/JP2006/318116
Authority: WO
Inventors: Yasuhiro Kawauchi; Takanori Nakamura
Original assignee: Murata Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2007-08-30
Also published as: JP3879769B1; US20120021551A1; EP1988584A1; US8575469B2; US20090032080A1; EP1988584A4; CN101385153A; JP2007227508A; CN101385153B

Abstract

　小型化かつ高性能化が可能な熱電変換モジュールを提供する。　多層回路基板の製造技術、特にビア導体の形成技術を用いて、複数の絶縁層（２）からなる積層体（３）の内部に、ｐ型熱電半導体（４）およびｎ型熱電半導体（５）を形成する。対をなすｐ型熱電半導体（４）とｎ型熱電半導体（５）とは、ｐｎ間接続導体（１１）によって互いに直列に電気的接続されて熱電変換素子対（１０）を構成し、複数の熱電変換素子対（１０）は、たとえば、直列配線導体（１２）によって直列に接続される。熱電半導体（４，５）の各々は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分（２１～２３および２４～２６）を有し、これら複数の部分は、積層体（３）の積層方向に分布する。

Description

明細書

熱電変換モジュールおよびその製造方法

技術分野

[0001] この発明は、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関するもので、特に、熱電変換モジュールの小型化および高性能化を図るための改良に関するものである。背景技術

[0002] この発明にとって興味ある従来技術として、たとえば、特開平 8— 153899号公報（特許文献 1)に記載されたもの、および特開平 8— 222770号公報 (特許文献 2)に記載されたものがある。

[0003] 特許文献 1では、間隔をあけて複数の透孔が設けられた絶縁性型枠を備える熱電変換モジュールが記載されている。上記透孔には、 p型または n型化合物半導体素子が充填されるが、 P型半導体ィ匕合物素子が充填された透孔と n型半導体ィ匕合物素子が充填された透孔とが交互に並ぶようにされる。また、型枠の上下面には、対をなす P型半導体化合物素子と n型半導体化合物素子とを電気的に直列に接続する電極が設けられる。特許文献 1では、型枠の材料として、ガラスまたはセラミックが開示されている。

[0004] 上記の特許文献 1に記載された熱電変換モジュールでは、 p型および n型半導体化合物素子のそれぞれについて、 1種類の半導体ィ匕合物材料を用いている。すなわち、 1つの透孔には、 1種類の半導体ィ匕合物材料が充填されているに過ぎない。したがって、性能指数がピークを示す温度力^つであるため、すなわち、変換ピークが 1 つであるため、熱電変換効率が比較的低い。

[0005] 次に、特許文献 2では、熱電変換モジュールの製造方法が記載されて、る。すなわち、板状の n型熱電半導体と絶縁体とを交互に積層し、これを積層面に直角に切断した n型積層体と、板状の p型熱電半導体と絶縁体とを交互に積層し、これを積層面に直角に切断した p型積層体とを作製し、これら n型積層体と p型積層体とを、絶縁体を挟みながら交互に積層し、さらに、隣り合う n型熱電半導体と p型熱電半導体とを直列に接続する配線導体を形成する、各工程を備える、熱電変換モジュールの製造方法が記載されている。上記絶縁体の材料として、特許文献 2では、エポキシ榭脂が開示されている。

[0006] 特許文献 2に記載の製造方法では、 n型積層体と p型積層体とを交互に積層する際、これら積層体の位置がずれやすぐそのため、熱電半導体と配線導体とが適正に電気的接続されないことがある。その結果、電気的不導通を招いたり、電気的短絡を招いたりすることがある。

特許文献 1：特開平 8— 153899号公報

特許文献 2：特開平 8 - 222770号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得る、熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供しょうとすることである。

課題を解決するための手段

[0008] 上述した技術的課題を解決するため、この発明に係る熱電変換モジュールは、 p型熱電半導体および n型熱電半導体と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体とを備えて、る。

[0009] 上記積層体には、 p型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 1の収容穴、および n型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 2の収容穴が設けられるとともに、 1 対の P型熱電半導体と n型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす P型熱電半導体と n型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続する pn間接続導体が設けられる。

[0010] 上記第 1および第 2の収容穴は、特定の複数の絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第 1および第 2の貫通孔によってそれぞれ与えられる。

[0011] そして、 p型熱電半導体および n型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分は、積層体の積層方向に分布して、ることを特徴として、る。

[0012] この発明に係る熱電変換モジュールにお!/、て、 p型熱電半導体および n型熱電半導体の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有していることが好ましい。

[0013] また、積層体には、複数の熱電変換素子対が設けられて、ることが好ま U、。この場合、積層体には、複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられたり、複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられたりする。

[0014] この発明は、また、 p型熱電半導体および n型熱電半導体と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体とを備え、積層体には、 p型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 1の収容穴、および n型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 2の収容穴が設けられるとともに、 1対の p型熱電半導体と n型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす p型熱電半導体と n型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続する pn間接続導体が設けられ、第 1および第 2の収容穴が、特定の複数の絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた複数の第 1および第 2の貫通孔によってそれぞれ与えられている、熱電変換モジュールを製造する方法にも向けられる。

[0015] この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、前記絶縁層となるべき複数の絶縁性シートを準備する工程と、前記 p型熱電半導体のための p型熱電半導体材料および前記 n型熱電半導体のための n型熱電半導体材料を準備する、半導体材料準備工程と、特定の絶縁性シートに前記第 1および第 2の貫通孔を設ける工程と、第 1の貫通孔および第 2の貫通孔に、それぞれ、 p型熱電半導体材料および n型熱電半導体材料を充填する、充填工程と、特定の絶縁性シート上に前記 pn間接続導体を形成する工程と、前記積層体を得るように、複数の絶縁性シートを積層する、積層工程とを備えることを特徴としてヽる。

[0016] この発明に係る製造方法によって製造される熱電変換モジュールは、前述したような、この発明に係る熱電変換モジュールには限定されない。すなわち、前述した型熱電半導体および n型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分は、積層体の積層方向に分布している」という構成を備えない熱電変換モジュールの製造に対しても、この発明に係る製造方法を適用することができる。しかしながら、この発明に係る製造方法は、前述した、この発明に係る熱電変換モジュールの製造において特に有利に適用される。

[0017] したがって、好ま Uヽ実施態様では、上記半導体材料準備工程は、 p型熱電半導体材料および n型熱電半導体材料の少なくとも一方につヽて、性能指数のピーク温度が互いに異なる熱電半導体のための複数種類の熱電半導体材料を用意する工程を備え、上記充填工程は、複数種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔に熱電半導体材料を充填する工程を備え、上記積層工程は、貫通孔に異なる種類の熱電半導体材料が充填された複数種類の絶縁性シートを同じ積層体内で混ぜて積層する工程を備えて、る。

[0018] 熱電変換モジュールが、積層体に、複数の熱電変換素子対を備え、かつ複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられているものである場合には、特定の絶縁性シート上に直列配線導体を形成する工程がさらに実施される。

[0019] また、熱電変換モジュールが、積層体に、複数の熱電変換素子対を備え、かつ複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられているものである場合、特定の絶縁性シート上に並列配線導体を形成する工程がさらに実施される。

[0020] この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法にぉ、て、絶縁性シートは、セラミックグリーンシートであることが好ましい。この場合、前記積層工程の後、積層体を焼成する工程がさらに実施される。

発明の効果

[0021] この発明に係る熱電変換モジュールによれば、 p型熱電半導体および n型熱電半導体の少なくとも一方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分が、積層体の積層方向に分布しているので、いわゆるカスケード構造を実現でき、特定の温度領域にわたって熱電変換効率を高めることができる。

[0022] 上述のように、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有する構成が、 P型熱電半導体および n型熱電半導体の双方について採用されていると、熱電変換効率をより高めることができる。 [0023] 積層体に複数の熱電変換素子対が設けられて!/、る場合には、これら複数の熱電変換素子対を、積層体に設けられる配線導体によって任意に電気的に接続することができ、比較的高い自由度をもって、熱電変換モジュールの設計を行なうことができ、その結果、種々の特性を有する熱電変換モジュールを実現することが容易になる。たとえば、熱電変換モジュールが発電装置として用いられる場合、積層体に、複数の熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられていると、高い電圧を得ることができる。他方、複数の熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられて、ると、大きな電流を許容することができる。

[0024] 次に、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、多層回路基板の製造方法と実質的同様の基本的工程を備えている。すなわち、熱電変換モジュールに備える積層体が多層回路基板に対応し、熱電半導体がビア導体に対応し、 pn間接続導体あるいは直列および並列配線導体が積層体を構成する複数の絶縁層間に形成される導体膜に対応している。

[0025] したがって、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法によれば、積層体に、高!ヽ配置密度をもってビア導体に対応する熱電半導体を設けることができ、熱電変換モジュールの小型化および高性能化を容易に図ることができる。

[0026] また、多層回路基板の場合と同様、配線導体の設計の自由度が比較的高ぐまた、熱電変換素子の配置についても設計の自由度が高いため、要望される特性を満足する熱電変換モジュールを容易に提供することができる。

[0027] また、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法によれば、絶縁性シートに貫通孔を設け、貫通孔に熱電半導体材料を充填し、複数の絶縁性シートを積層することによって、熱電半導体の形態を得るようにしているので、ある熱電半導体と他の熱電半導体との間での位置ずれが生じにくい。したがって、得られた熱電変換モジユールにおいて、電気的不導通や電気的短絡を生じにくくすることができる。

[0028] 熱電半導体が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分が積層体の積層方向に分布している、熱電変換モジュールの製造に対して、この発明に係る製造方法が適用される場合には、複数種類の熱電半導体材料を用意し、複数種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔に熱電半導体材料を充填する工程を実施し、貫通孔に異なる種類の熱電半導体材料が充填された複数種類の絶縁性シートを同じ積層体内で混ぜて積層するようにすれば、上述したような構造の熱電変換モジュールを容易に製造することができる。

[0029] この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法において、絶縁性シートがセラミツクグリーンシートであり、積層工程の後、積層体を焼成する工程がさらに実施される場合には、従来力すでに確立している多層セラミック配線基板の製造方法と実質的に同様の工程を採用しながら、熱電変換モジュールを製造することができる。したがつて、製造設備の共通化などにより、熱電変換モジュールの製造コストの低減を期待することができる。

図面の簡単な説明

[0030] [図 1]図 1は、この発明の第 1の実施形態による熱電変換モジュール 1の外観を示す平面図である。

[図 2]図 2は、図 1の線 S2— S2に沿う断面図である。

[図 3]図 3は、 2の線 S3に沿う切断面を示す平面図である。

[図 4]図 4は、図 2の線 S4に沿う切断面を示す平面図である。

[図 5]図 5は、図 2の線 S5に沿う切断面を示す平面図である。

[図 6]図 6は、図 2の線 S6に沿う切断面を示す平面図である。

[図 7]図 7は、図 2の線 S7に沿う切断面を示す平面図である。

[図 8]図 8は、図 2の線 S8に沿う切断面を示す平面図である。

[図 9]図 9は、この発明の第 2の実施形態による熱電変換モジュール 31の外観を示す平面図である。

[図 10]図 10は、図 9の線 S11— S11に沿う断面図である。

[図 11]図 11は、図 10の線 S12に切断面を示す平面図である。

[図 12]図 12は、図 10の線 S13に切断面を示す平面図である。

[図 13]図 13は、図 10の線 S14に切断面を示す平面図である。

[図 14]図 14は、図 10の線 S15に切断面を示す平面図である。

[図 15]図 15は、 10の線 S16に切断面を示す平面図である。

[図 16]図 16は、図 10の線 S17に切断面を示す平面図である。 [図 17]図 17は、図 10の線 S18に切断面を示す平面図である。

[図 18]図 18は、図 10の線 S19に切断面を示す平面図である。

[図 19]図 19は、この発明の第 3の実施形態による熱電変換モジュール 51を示す、図

2または図 10に相当する断面図である。

符号の説明

[0031] 1, 31, 51 熱電変換モジュール

2 絶縁層

3 積層体

4 p型熱電半導体

5 n型熱電半導体

6 第 1の収容穴

7 第 2の収容穴

8 第 1の貫通孔

9 第 2の貫通孔

10 熱電変換素子対

11 pn間接続導体

12 直列配線導体

13, 14 外層

15, 16 引出し導体膜

17, 18, 38, 39 引出しビア導体

19, 20, 40, 41 端子電極

21, 24 低ピーク温度部分

22, 25 中ピーク温度部分

23， 26 高ピーク温度部分

32, 33, 36， 37 並列配線導体膜

34, 35 並列配線ビア導体

発明を実施するための最良の形態

[0032] 図 1ないし図 8は、この発明の第 1の実施形態による熱電変換モジュール 1を説明するためのものである。ここで、図 1は、熱電変換モジュール 1の外観を示す平面図であり、図 2は、図 1の線 S2— S2に沿う断面図である。図 3〜図 8は、それぞれ、図 2の線 S3〜線 S8に沿う切断面を示す平面図である。

[0033] 熱電変換モジュール 1は、電気絶縁性を有する複数の絶縁層 2の積層構造を有する積層体 3を備えている。絶縁層 2は、たとえば、 BaO-Al O— SiO系セラミック材

2 3 2

料や ZnO— MgO— Al O SiO系ガラス材料などのアルミナを主成分とする材料

2 3 2

力も構成される。熱電変換モジュール 1は、積層体 3の内部に配置される各々複数の P型熱電半導体 4および n型熱電半導体 5を備えている。 p型熱電半導体 4は、たとえばクロメルから構成され、 n型熱電半導体 5は、たとえばコンスタンタンから構成される。 p型熱電半導体 4と n型熱電半導体 5とは、図 2および図 5〜図 7に示されているように、縦方向および横方向の各々に関して交互に配置されている。

[0034] 積層体 3には、 p型熱電半導体 4を収容する複数の第 1の収容穴 6、および n型熱電半導体 5を収容する複数の第 2の収容穴 7が設けられている。これら第 1および第 2の収容穴 6および 7は、特定の複数の絶縁層 2を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第 1および第 2の貫通孔 8および 9によってそれぞれ与えられる。

[0035] 積層体 3には、 1対の p型熱電半導体 4と n型熱電半導体 5とからなる熱電変換素子対 10を形成するように、対をなす p型熱電半導体 4と n型熱電半導体 5とを互いに直列に電気的接続する pn間接続導体 11が設けられている。 pn間接続導体 11は、図 2 および図 8に示されるように、積層体 3の最も外側に位置する絶縁層 2の外方に向く面上に形成されている。

[0036] この実施形態では、複数の熱電変換素子対 10は、直列に接続され、高い出力電圧が得られるように構成されている。そのため、積層体 3には、複数の熱電変換素子対 10を直列に順次接続するための直列配線導体 12が設けられている。直列配線導体 12は、図 2および図 4に示されているように、積層体 3の最も外側に位置する絶縁層 2の外方に向く面上に形成されている。

[0037] 熱電変換モジュール 1は、積層体 3を挟むように配置される 1対の外層 13および 14 を備えている。外層 13および 14は、熱電半導体 4および 5の熱接点および冷接点に接触するもので、電気絶縁性を有しかつ熱伝導性が比較的良好な材料から構成されることが好ましい。外層 13および 14は、たとえば、絶縁層 2と同じ材料カゝら構成される。

[0038] 熱電変換モジュール 1は、直列接続された複数の熱電変換素子対 10を電気的に外部へ引出すための引出し導体膜 15および 16、引出しビア導体 17および 18ならびに端子電極 19および 20を備えている。引出し導体膜 15および 16は、図 2および図 8に示されるように、 pn間接続導体 11と同様、積層体 3の最も外側に位置する絶縁層 2の外方に向く面上に形成されている。引出しビア導体 17および 18は、それぞれ、その一方端が引出し導体膜 15および 16に電気的に接続されながら、積層体 3 および一方の外層 13を厚み方向に貫通するように設けられ、外層 13の外方に向く面上に形成された端子電極 19および 20に電気的に接続される。

[0039] これら引出し導体膜 15および 16、引出しビア導体 17および 18ならびに端子電極 1 9および 20、さらには前述した pn間接続導体 11および直列配線導体 12は、たとえば Cuを導電成分とする導電材料から構成される。

[0040] 以上のような熱電変換モジュール 1にお、て、 p型熱電半導体 4および n型熱電半導体 5は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有している。より具体的には、 p型熱電半導体 4は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分 21、中程度の中ピーク温度部分 22および比較的高、高ピーク温度部分 23を有して、る。他方、 n型熱電半導体 5は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分 24、中程度の中ピーク温度部分 25および比較的高、高ピーク温度部分 26を有して、る。低ピーク温度部分 21および 24力図 5に示すように、図 2の切断面 S5上に表われ、中ピーク温度部分 22および 25が、図 6に示すように、図 2の切断面 S6上に表われ、高ピーク温度部分 23および 26が、図 7に示すように、図 2の切断面 S7上に表われていることからわかるように、これら複数の部分 21〜23ならびに 24〜26は、積層体 3の積層方向に分布している。

[0041] なお、低ピーク温度部分 21および 24、中ピーク温度部分 22および 25、ならびに高ピーク温度部分 23および 26の配置順序、厚み (積層方向での寸法)等については、任意に変更することができる。 [0042] 上述のように、熱電半導体 4および 5が性能指数のピーク温度の互いに異なる部分 21〜23および 24〜26を有するカスケード構造によれば、熱電変換モジュール 1を、特定の温度領域にわたって熱電変換効率の高いものとすることができる。

[0043] 次に、熱電変換モジュール 1の好ましい製造方法について説明する。

[0044] まず、絶縁層 2となるべき複数の絶縁性シートが準備される。絶縁性シートとしては、好ましくは、たとえば BaO— Al O— SiO系セラミック材料を含む複数のセラミック

2 3 2

グリーンシートが準備される。次いで、特定のセラミックグリーンシートには、前述した第 1および第 2の貫通孔 8および 9が、たとえばレーザを用いて設けられる。また、上述した絶縁層 2となるべき絶縁性シートと同様の組成をもって、外層 13および 14の各々となるべき絶縁性シートも用意される。

[0045] 他方、 p型熱電半導体 4のための p型熱電半導体材料および n型熱電半導体 5のための n型熱電半導体材料が準備される。 p型熱電半導体材料としては、たとえば、クロメル粉末に有機ビヒクルを加えてペーストイ匕したものが準備される。 n型熱電半導体材料としては、たとえば、コンスタンタン粉末に有機ビヒクノレをカ卩えてペーストイ匕したものが準備される。なお、 p型熱電半導体材料としては、前述した低ピーク温度部分 21 、中ピーク温度部分 22および高ピーク温度部分 23にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる 3種類の p型熱電半導体材料が準備され、 n型熱電半導体材料としては、前述した低ピーク温度部分 24、中ピーク温度部分 25および高ピーク温度部分 26にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる 3種類の n型熱電半導体材料が準備される。

[0046] 次に、第 1の貫通孔 8および第 2の貫通孔 9に、それぞれ、 p型熱電半導体材料および n型熱電半導体材料が充填される。この充填工程では、たとえば、第 2の貫通孔 9 をマスキングしながら、第 1の貫通孔 8に p型熱電半導体材料を充填し、次いで、第 1 の貫通孔 8をマスキングしながら、第 2の貫通孔 9に n型熱電半導体材料を充填することが行なわれる。この場合、スクリーン印刷を適用すれば、熱電半導体材料を充填すべき貫通孔以外の貫通孔はマスキングされた状態となっているので、特別にマスキングするためのマスキング部材およびマスキング工程が不要であるので好ましい。充填工程では、前述した低ピーク温度部分 21および 24、中ピーク温度部分 22および 25ならびに高ピーク温度部分 23および 26の各々に対応して、 3種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔 8および 9に対応の熱電半導体材料を充填する工程が実施される。

[0047] 他方、前述した引出しビア導体 17および 18を形成するため、絶縁性シートに貫通孔が設けられ、各貫通孔に、たとえば Cuを含む導電性ペーストが充填される。

[0048] 次に、特定の絶縁性シート上に、前述した pn間接続導体 11ならびに引出し導体膜 15および 16が形成され、また、他の特定の絶縁性シート上に前述した直列配線導体 12が形成される。これら pn間接続導体 11、直列配線導体 12ならびに引出し導体膜 15および 16の形成には、たとえば、 Cuを含む導電性ペーストのスクリーン印刷が適用される。

[0049] また、さらに他の絶縁性シートに、引出しビア導体 17および 18の各一部ならびに端子電極 19および 20が形成される。なお、端子電極 19および 20については、後述する焼成工程の後に形成するようにしてもよ!、。

[0050] 次に、積層体 3を得るように、絶縁層 2となるべき複数の絶縁性シートが積層されるとともに、外層 13および 14となるべき絶縁性シートが積層され、圧着され、必要に応じてカットされ、次いで、焼成される。この焼成の結果、絶縁性シートが焼結した絶縁層 2ならびに外層 13および 14となり、同時に、 p型熱電半導体材料および n型熱電半導体材料がそれぞれ焼結した p型熱電半導体 4および n型熱電半導体 5となり、さらに、 pn間接続導体 11、直列配線導体 12、引出し導体膜 15および 16ならびに引出しビア導体 17および 18においても焼結した状態となり、熱電変換モジュール 1が完成される。

[0051] 上述の積層工程では、貫通孔 8および 9に異なる種類の熱電半導体材料が充填された 3種類の絶縁性シートを同じ積層体 3内で混ぜて積層することが行なわれ、その結果、積層体 3には、図 2に示すようなカスケード構造が実現される。

[0052] 図 1ないし図 8に示した第 1の実施形態による熱電変換モジュール 1について、 p型熱電半導体 4の材料としてクロメルを用い、 n型熱電半導体 5の材料としてコンスタンタンを用い、積層体 3の焼成前の厚みを 300 mとし、収容穴 6および 7の直径を 20 0 μ mとし、熱電半導体 4および 5の配列ピッチを 400 μ mとし、 1cm²あたり 228個の熱電変換素子対 10を設けたものを試料とし、熱電半導体 4および 5の一方端側をヒータで加熱し、他方端側をファンによって空冷することによって、 1対の絶縁板 13および 14間に 250Kの温度差を与えたとき、 1. 4WZcm²の出力が得られた。

[0053] 図 9ないし図 18は、この発明の第 2の実施形態による熱電変換モジュール 31を説明するためのものである。ここで、図 9は、熱電変換モジュール 31の外観を示す平面図であり、図 10は、図 9の線 S11— S11〖こ沿う断面図である。図 11〜図 18は、それぞれ、図 10の線 S12〜線 S19に沿う切断面を示す平面図である。図 9ないし図 18において、図 1ないし図 8に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

[0054] 第 2の実施形態による熱電変換モジュール 31は、簡単に言えば、複数の熱電変換素子対 10が並列に接続されていることを特徴としている。そのため、図 12ないし図 1 4に示すような並列配線導体 32〜37が積層体 3に設けられている。図 12には、絶縁層 2に沿って設けられる並列配線導体としての並列配線導体膜 32および 33が示され、図 13には、絶縁層 2の厚み方向に貫通するように設けられる並列配線導体としての並列配線ビア導体 34および 35が示され、図 14には、絶縁層 2に沿って設けられる並列配線導体としての並列配線導体膜 36および 37が示されている。

[0055] 図 15〜図 17と図 18とを対比すればわ力るように、前述の第 1の実施形態の場合と同様、対をなす p型熱電半導体 4と n型熱電半導体 5とは、 pn間接続導体 11によって互いに直列に電気的に接続され、それによつて、熱電変換素子対 10が構成されている。

[0056] 図 14と図 15〜図 17とを対比すればわ力るように、複数の熱電変換素子対 10の各端部は、図 15〜図 17において縦方向に並ぶものの間で、並列配線導体膜 36および 37によって並列にそれぞれ接続されている。ここで、熱電変換素子対 10の一方端部に接続される並列配線導体膜 36と他方端部に接続される並列配線導体膜 37とは交互に配置されている。

[0057] 図 12〜図 14を参照すればわかるように、一方のグループの並列配線導体膜 36は、並列配線ビア導体 34を介して並列配線導体膜 32に接続され、他方のグループの並列配線導体膜 37は、並列配線ビア導体 35を介して並列配線導体膜 33に接続されている。

[0058] また、図 11に示すように、外層 13には、引出しビア導体 38および 39が厚み方向に貫通するように設けられ、その外方に向く面上には、端子電極 40および 41が設けられている。したがって、図 9、図 11および図 12を参照すればわ力るように、端子電極 40は、引出しビア導体 38を介して並列配線導体膜 32に接続され、端子電極 41は、引出しビア導体 39を介して並列配線導体膜 33に接続される。

[0059] このようにして、 1対の端子電極 40および 41の間で、複数の熱電変換素子対 10が並列に接続された、熱電変換モジュール 31が構成される。

[0060] このような熱電変換モジュール 31は、並列配線導体としての並列配線導体膜 32および 33、並列配線ビア導体 34および 35ならびに並列配線導体膜 36および 37を、特定の絶縁性シート上に形成する工程を備えることを除いて、前述した熱電変換モジュール 1と実質的に同様の製造方法を適用して製造することができる。

[0061] 図 19は、この発明の第 3の実施形態による熱電変換モジュール 51を示す、図 2または図 10に相当する断面図である。図 19において、図 2または図 10に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

[0062] 第 3の実施形態による熱電変換モジュール 51は、簡単に言えば、複数の熱電変換素子対 10が直列に接続されている、図 2に示した熱電変換モジュール 1を複数個組み合わせて、それらを並列に接続した構造を有している。

[0063] より具体的には、図 2の熱電変換モジュール 1に相当する複数の構造物の各々に備える引出しビア導体 17および 18 (引出しビア導体 17については、図 19に図示されない。）が互いに電気的に接続され、それによつて、図 2の熱電変換モジュール 1 に相当する複数の構造物が並列に電気的接続されて、る。

[0064] なお、図 19に示した熱電変換モジュール 51は、図 2の熱電変換モジュール 1に相当する構造物を 2個備えるものであった力必要に応じて、 3個以上の構造物を備えるように変更されてもよい。

[0065] 以上、この発明に係る熱電変換モジュールを、図示した実施形態に関連して説明したが、その他種々の変形例が可能である。

[0066] たとえば、熱電変換モジュールが複数の熱電変換素子対を備える場合、これら熱電変換素子対の接続態様については、図示したもの以外にも種々のものがある。また、熱電変換素子対の数についても、任意に変更することができ、たとえ 1個の熱電変換素子対のみを備える場合であっても、この発明を適用することができる。

[0067] また、図示の実施形態では、 p型熱電半導体 4および n型熱電半導体 5の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる 3つの部分を有して、たが、性能指数のピーク温度が互いに異なる部分の数は任意に変更することができる。また、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有しているのは、 p型熱電半導体および n型熱電半導体の、ずれか一方のみであってもよ、。

[0068] また、図示の実施形態では、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分が、p型熱電半導体 4と n型熱電半導体 5とで互いに同じ分布態様をもって配置されている。言い換えると、積層体 3内の 1つの絶縁層 2について見れば、 p型熱電半導体 4 および n型熱電半導体 5の各々について、性能指数のピーク温度が互いに同じものが複数の貫通孔 8および 9の各々に充填されている。し力しながら、 p型熱電半導体および n型熱電半導体の少なくとも一方については、 1つの絶縁層に設けられる複数の貫通孔に、性能指数のピーク温度が互いに異なるものがそれぞれ充填されてもよい。

[0069] また、熱電変換モジュールにお、て、温度差による熱応力を緩和するため、熱電半導体および Zまたは絶縁層に関して、その材料自身を変えたり、熱膨張率が互いに異なる材料力もそれぞれなる複数の部分を組み合わせたりするといつた工夫が図られてもよい。たとえば、絶縁層は、セラミックやガラスに限らず、榭脂などカゝら構成されてもよい。

Claims

請求の範囲

[1] p型熱電半導体および n型熱電半導体と、

電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体と

を備え、

前記積層体には、前記 P型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 1の収容穴、および前記 n型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 2の収容穴が設けられるとともに、 1対の前記 p型熱電半導体と前記 n型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす前記 p型熱電半導体と前記 n型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続する pn間接続導体が設けられ、

前記第 1および第 2の収容穴は、特定の複数の前記絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第 1および第 2の貫通孔によってそれぞれ与えられ、

前記 P型熱電半導体および前記 n型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、前記複数の部分は、前記積層体の積層方向に分布している、

熱電変換モジュール。

[2] 前記 p型熱電半導体および前記 n型熱電半導体の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる前記複数の部分を有して、る、請求項 1に記載の熱電変換モジユール。

[3] 前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対が設けられて!/、る、請求項 1に記載の熱電変換モジュール。

[4] 前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられて、る、請求項 3に記載の熱電変換モジュール。

[5] 前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられて、る、請求項 3に記載の熱電変換モジュール。

[6] p型熱電半導体および n型熱電半導体と、

を備え、前記積層体には、前記 p型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 1の収容穴、および前記 n型熱電半導体を収容する少なくとも 1つの第 2の収容穴が設けられるとともに、 1対の前記 p型熱電半導体と前記 n型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす前記 p型熱電半導体と前記 n型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続する pn間接続導体が設けられ、

前記第 1および第 2の収容穴が、特定の複数の前記絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた複数の第 1および第 2の貫通孔によってそれぞれ与えられている、

熱電変換モジュールを製造する方法であって、

前記絶縁層となるべき複数の絶縁性シートを準備する工程と、

前記 P型熱電半導体のための P型熱電半導体材料および前記 n型熱電半導体のための n型熱電半導体材料を準備する、半導体材料準備工程と、

特定の前記絶縁性シートに前記第 1および第 2の貫通孔を設ける工程と、前記第 1の貫通孔および前記第 2の貫通孔に、それぞれ、前記 p型熱電半導体材料および前記 n型熱電半導体材料を充填する、充填工程と、

特定の前記絶縁性シート上に前記 pn間接続導体を形成する工程と、

前記積層体を得るように、複数の前記絶縁性シートを積層する、積層工程とを備える、熱電変換モジュールの製造方法。

[7] 前記半導体材料準備工程は、前記 p型熱電半導体材料および前記 n型熱電半導体材料の少なくとも一方について、性能指数のピーク温度が互いに異なる熱電半導体のための複数種類の熱電半導体材料を用意する工程を備え、

前記充填工程は、複数種類の前記熱電半導体材料の各々について、別の前記絶縁性シートの前記貫通孔に前記熱電半導体材料充填する工程を備え、

前記積層工程は、前記貫通孔に異なる種類の前記熱電半導体材料が充填された複数種類の前記絶縁性シートを同じ前記積層体内で混ぜて積層する工程を備える、請求項 6に記載の熱電変換モジュールの製造方法。

[8] 前記熱電変換モジュールは、前記積層体に、複数の前記熱電変換素子対を備え、かつ複数の前記熱電変換素子対を直列に接続するための直列配線導体が設けられて!、るものであり、特定の前記絶縁性シート上に前記直列配線導体を形成する工程をさらに備える、請求項 6に記載の熱電変換モジュールの製造方法。

[9] 前記熱電変換モジュールは、前記積層体に、複数の前記熱電変換素子対を備え、かつ複数の前記熱電変換素子対を並列に接続するための並列配線導体が設けられて!、るものであり、特定の前記絶縁性シート上に前記並列配線導体を形成する工程をさらに備える、請求項 6に記載の熱電変換モジュールの製造方法。

[10] 前記絶縁性シートは、セラミックグリーンシートであり、前記積層工程の後、前記積層体を焼成する工程をさらに備える、請求項 6ないし 9のいずれかに記載の熱電変換モジュールの製造方法。