(57)【要約】【課題】熱電変換材料の形状や材質によって熱電変換材料自体の抵抗が熱電変換材料と電極との間の界面抵抗より大きくても、これに関係なく、熱電変換材料が過熱されることなく安定して確実に熱電変換材料と電極とを接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる熱電変換素子の製造方法及び装置を提供する。【解決手段】対向して配された導電材料からなる加圧部材２の内面に絶縁層６を形成し、該絶縁層６の内面に電極４を配し、該電極４間に複数個の熱電変換材料７を介装し、前記加圧部材２に通電して前記加圧部材２を加熱しながら、前記加圧部材２を内側方向に加圧して、前記電極４と前記熱電変換材料３とを接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向して配された導電材料からなる加圧部材の内面に絶縁層を形成し、
該絶縁層の内面に電極を配し、
該電極間に複数個の熱電変換材料を介装し、
前記加圧部材に通電して前記加圧部材を加熱しながら、
前記加圧部材を内側方向に加圧して、前記電極と前記熱電変換材料とを接合することを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記加圧部材の外周部には、耐熱導電部材が加圧方向に摺接しながら挿通されていて、
該耐熱導電部材に通電することにより前記加圧部材を加熱しながら、
前記加圧部材は、前記耐熱導電部材に対して摺動させて内側方向に加圧されることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記耐熱導電部材は、棒状であり、複数本挿通されることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記絶縁層として、弾性材を用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁層と電極との間に、変形可能な中間層を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記中間層は、Ｃｕ又はＮｉの金属粉体からなることを特徴とする請求項５に記載の熱電変換素子の製造方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置であって、
対向して配された加圧部材と、
該加圧部材の外周部に摺動可能に挿通された耐熱導電部材とを備えたことを特徴とする熱電変換素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子の製造方法に関し、より詳しくは、熱電特性の安定した熱電変換素子の製造に適した熱電変換素子の製造方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能である。この性質を利用し、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、熱電変換素子は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。
このような熱電変換素子は、一般的に、複数個の熱電変換材料（ｐ型及びｎ型）を電極で接合して構成される。熱電変換材料は、焼結材料を左右のダイス、及び上下のパンチで形成される空間に充填し、これをパンチで上下からプレスしながら直接電流を加えること（パルス通電）により製造される。このように、焼結炉を温めるのではなく、電流を流すことによってジュール発熱させるので、狭い範囲のみの加熱で行うことができ、焼結時間が短くなり、温度ムラが少なくなる。
【０００３】
このようなパルス通電焼結は、例えば特許文献１に開示されている。そして、熱電変換材料を電極で接合して製造する方法は、例えば特許文献２に開示されている（特に特許文献２の図１４参照）。
しかしながら、ｐ型及びｎ型の熱電変換材料を電極に接合して設ける場合に、熱電変換材料自体の形状が細いと通電時の抵抗値が大きくなる。あるいはその材質により、電気抵抗が大きい材料であると、やはり抵抗値が大きくなる。抵抗値が大きくなることは、ジュール発熱が大きくなることを意味する。本来、熱電変換材料と電極との間の界面抵抗の大きさを利用して、界面を発熱させ、拡散接合させているが、上記のように界面以外の部分である熱電変換材料自体の抵抗値が大きくなると、熱電変換材料が顕著に発熱されてしまう。このような熱電変換材料の過熱は、熱電変換材料の破損や破裂を招くことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−４６１４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２２１４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術を考慮したものであって、熱電変換材料の形状や材質によって熱電変換材料自体の抵抗が熱電変換材料と電極との間の界面抵抗より大きくても、これに関係なく、熱電変換材料が過熱されることなく安定して確実に熱電変換材料と電極とを接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる熱電変換素子の製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、請求項１の発明では、対向して配された導電材料からなる加圧部材の内面に絶縁層を形成し、該絶縁層の内面に電極を配し、該電極間に複数個の熱電変換材料を介装し、前記加圧部材に通電して前記加圧部材を加熱しながら、前記加圧部材を内側方向に加圧して、前記電極と前記熱電変換材料とを接合することを特徴とする熱電変換素子の製造方法を提供する。
【０００７】
請求項２の発明では、前記加圧部材の外周部には、耐熱導電部材が加圧方向に摺接しながら挿通されていて、該耐熱導電部材に通電することにより前記加圧部材を加熱しながら、前記加圧部材は、前記耐熱導電部材に対して摺動させて内側方向に加圧されることを特徴としている。
請求項３の発明では、請求項２の発明において、前記耐熱導電部材は、棒状であり、複数本挿通されることを特徴としている。
【０００８】
請求項４の発明では、請求項１〜３の発明において、前記絶縁層として、弾性材を用いたことを特徴としている。
また、請求項５の発明では、請求項１〜４の発明において、前記絶縁層と電極との間に、変形可能な中間層を備えたことを特徴としている。
請求項６の発明では、請求項５の発明において、前記中間層は、Ｃｕ又はＮｉの金属粉体からなることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項７の発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置であって、対向して配された加圧部材と、該加圧部材の外周部に摺動可能に挿通された耐熱導電部材とを備えたことを特徴とする熱電変換素子の製造装置を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、加圧部材と電極との間に絶縁層が形成されるので、加圧部材を通電しても電流が電極方向に伝わることはない。このとき、加圧部材を通電することにより、加圧部材が加熱され、この熱を利用して熱電変換材料と電極が接合される。したがって、熱電変換材料自体の抵抗が高い場合に、これに関係なく、熱電変換材料が過熱されることなく安定して確実に熱電変換材料と電極とを接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、加圧部材の外周部に耐熱導電部材を挿通し、これに摺動させて内側方向に加圧部材を加圧するので、耐熱導電部材に通電するとその電流は加圧部材にも伝わり、電極及び熱電変換材料を配した空間の周りを発熱させることができ、空間内の電極及び熱電変換材料を加熱・加圧して拡散接合することができる。このとき、加圧部材の内面には絶縁層が形成されているので、耐熱導電部材に通電してもこの電流が電極及び熱電変換材料に伝わることはない。したがって、熱電変換材料の形状や材質によって熱電変換材料自体の抵抗が熱電変換材料と電極との間の界面抵抗より大きくても、これに関係なく、通電によって熱電変換材料が過熱されることなく安定して確実に熱電変換材料と電極とを接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる。
【００１２】
請求項３の発明によれば、耐熱導電部材を棒状とすることにより、加圧部材に対して挿通するための貫通孔形成加工が簡便になり、作業性が向上する。また、耐熱導電部材を複数本挿通することにより、加圧部材間の電極及び熱電変換材料が配された空間を周りから効率よく加熱することができ、拡散接合の際の接合効率が向上する。
請求項４の発明によれば、複数個の熱電変換材料に高さバラツキがあっても、絶縁層がその隙間の大きさに応じて変形してこれを吸収する。したがって、全ての熱電変換材料に対し、均一に電極と加圧することができるので、安定した熱電特性を備えた熱電素子を得ることができる。
【００１３】
請求項５の発明によれば、絶縁層と電極との間に、変形可能な中間層が備わるため、複数個の熱電変換材料に高さバラツキがあっても、電極と絶縁層との間の隙間間隔に応じて中間層が変形してこれを補い、全ての熱電変換材料を電極に対して均一に接合させることができる。したがって、安定した熱電特性を備えた熱電素子を得ることができる。
請求項６の発明によれば、中間層は、Ｃｕ（銅）又はＮｉ（ニッケル）の金属粉体からなるため、これらの金属は拡散性が高く、したがって拡散接合による接合強度の向上を図ることができる。
【００１４】
請求項７の発明によれば、熱電変換材料と電極との拡散接合の際、加圧部材の外周部に耐熱導電部材を挿通し、これに摺動させて内側方向に加圧部材を加圧するので、耐熱導電部材に通電するとその電流は加圧部材にも伝わり、電極及び熱電変換材料を配した空間の周りを発熱させることができ、空間内の電極及び熱電変換材料を加熱・加圧して拡散接合することができる。このとき、加圧部材の内面に絶縁層を設けて使用すれば、耐熱導電部材に通電してもこの電流が電極及び熱電変換材料に伝わることはない。したがって、熱電変換材料の形状や材質によって熱電変換材料自体の抵抗が熱電変換材料と電極との間の界面抵抗より大きくても、これに関係なく、通電によって熱電変換材料が過熱されることなく安定して確実に熱電変換材料と電極とを接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる。すなわち、耐熱導電部材を設けることにより、絶縁状態で電極と熱電変換材料を接合するのに適したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置の概略正面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図１のＢ部拡大図である。
【図４】本発明に係る別の熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明に係る熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置の概略正面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。また、図３は図１のＢ部拡大図である。
図示したように、熱電変換素子の製造装置１は、上下に配設された加圧部材たるパンチ２を含む。パンチ２は、導電性を有する材料（例えば黒鉛）によって構成される。また、パンチ２は、例えば３５ｍｍ角〜４０ｍｍ角で、厚さが５ｍｍ〜６ｍｍである。パンチ２の外周部には、複数本（図では８本）の棒状の耐熱導電部材７が挿通される。パンチ２は、この耐熱導電部材７に沿って摺動可能である。すなわち、パンチ２は、耐熱導電部材７に沿って内側方向に加圧される。
【００１７】
このパンチ２の間に、熱電変換材料３が複数個配設される（図１では６個の熱電変換材料３）。この際、熱電変換材料３はｐ型とｎ型が交互になるように配設される。なお、ｐｎ接合構造を有する熱電変換材料の場合は、電極４を介した熱電変換材料がｐｎの順番で、すなわち異なる熱電的性質が隣り合うように連結されるように配設される。熱電変換材料３は、例えば２φの長さが５ｍｍ〜１０ｍｍであり、これが５×５の計２５個並べられて配設される（図２では６×６の計３６個を表示）。
【００１８】
これら複数個の熱電変換材料３は、それぞれ隣り合う熱電変換材料３と電極４を介して連結されている。この連結は、熱電変換材料３が直列に接続されるように、熱電変換材料３の上下で交互に連結される。電極４としては、例えば銅が用いられる。
パンチ２と電極４との間に絶縁層６が形成される。この絶縁層６は、耐熱性を有する絶縁材料（例えばアルミナ（酸化アルミ）、ＡｌＮ（窒化アルミ）等）で構成される。
【００１９】
以上のように、パンチ２の内面に絶縁層６を、その内面に電極４を、その内面に熱電変換材料３をセットして挟持して、本発明に係る熱電変換素子の製造方法の準備が完了する。この後、耐熱導電部材７に通電することによりパンチ２を加熱しながら、パンチ２を耐熱導電部材７に対して摺動させて内側方向に加圧して、電極４と前記熱電変換材料３とを拡散接合する。このように、パンチ２の外周部に耐熱導電部材７を挿通し、これに摺動させてパンチ２を内側方向に加圧するので、パンチ２で挟まれた空間全体に対して発熱させて加熱することができる。したがって、絶縁層６によって電極４が絶縁状態でも、電極４と熱電変換材料３を加熱・加圧して拡散接合することができる。これにより、熱電変換材料３の形状や材質によって熱電変換材料３自体の抵抗が熱電変換材料３と電極４との間の界面抵抗より大きくても、これに関係なく、通電によって熱電変換材料３が過熱されることなく安定して確実に熱電変換材料３と電極４とを接合することができ、結果として熱電特性の安定した熱電変換素子を得ることができる。この通電加圧は、真空、窒素ガス又は不活性ガス雰囲気のチャンバ（不図示）内で行われる。
【００２０】
なお、図では棒状の耐熱導電部材７を示したが、パンチ２の外周部を挿通してこれが摺動可能であれば特に棒状に限定されるものではない。棒状とすれば、パンチ２に対して挿通するための貫通孔形成加工が簡便になり、作業性が向上する。また、耐熱導電部材７を複数本挿通する構成とすれば、パンチ２間の電極４及び熱電変換材料３が配された空間を周りから効率よく加熱することができ、拡散接合の際の接合効率が向上する。すなわち、耐熱導電部材７としては、パンチ２間の空間を囲むような形状であれば、どのようなものでもよい。
【００２１】
また、絶縁層６として弾性材を用いれば、複数個の熱電変換材料３に高さバラツキがあっても、絶縁層６がその隙間の大きさに応じて変形してこれを吸収する。したがって、全ての熱電変換材料３に対し、均一に電極と加圧することができるので、安定した熱電特性を備えた熱電素子を得ることができる。
図４は本発明に係る別の熱電変換素子の製造方法に用いる熱電変換素子の製造装置の要部拡大図である。
【００２２】
絶縁層６と電極４との間に、さらに中間層５が設けられる。中間層５は、変形可能な状態に形成される。したがって、パンチ２の加圧によりその形状がつぶれるように変化させることができる。なお、中間層５の厚さは１０μｍ程度である。
この中間層５を形成した状態で、両側のパンチ２を熱電変換材料３方向に加圧しながら、耐熱導電部材７に電流を流すことにより、上記電極４と熱電変換材料３との接合とともに、絶縁層６と電極４とが拡散接合される。このように中間層５を設けても、熱電変換素子が製造される。中間層５を設けることにより、複数個の熱電変換材料３に高さバラツキがあったとしても、電極４と絶縁層６との間の隙間間隔に応じて中間層が変形してこれを補う。これにより、中間層５を介して熱電変換材料３の全てが均一に電極４に接合され、安定した熱電特性を有する熱電変換素子を得ることができる。なお、中間層５は熱電変換材料３の両側に配してもよいし、片側のみに配してもよい。
【００２３】
このように、中間層５を設けて電極４と絶縁層６を拡散接合して接合状態とすることにより、熱伝導率の観点から、熱電変換素子の高温部、低温部に熱が伝わることになり、温度差を大きくすることができる。
さらに、中間層５を、拡散性の高い金属粉体であるＣｕ（銅）又はＮｉ（ニッケル）で形成すれば、電極４と絶縁層６の接合強度を向上させることができる。すなわち、絶縁層６と電極４の界面で互いに成分拡散を起こさせて合金化して接合する際に、拡散性が高ければ高いほど、接合強度が向上することになる。
【００２４】
この場合、中間層５を金属粉体で形成する方法としては、粉体のままで形成する方法と、ペースト状にして形成する方法がある。粉体のまま形成する場合は、任意の型の中に粉体を入れ、これを電極４と絶縁層６との間に挟持させる。これにより、拡散性が高く、且つ、変形可能な中間層５を形成できるので、熱電変換材料３の高さバラツキの吸収と拡散接合強度の向上の双方の効果を得ることができる。
【００２５】
さらに、中間層５をペースト状にして形成する場合は、金属粉体に対してメチルカルビトールやブチルカルビトール等を溶媒とし、ペースト状とする。これによっても、粉体のまま中間層を形成したのと同様に、熱電変換材料３の高さバラツキの吸収と拡散接合強度の向上の双方の効果を得ることができる。また、ペースト状中間層５を塗布するだけですむので、取り扱い性が向上する。
【００２６】
なお、中間層５と同様の成分、構成からなる層を電極４と熱電変換材料３との間に設けてもよい。これにより、熱電変換材料３の高さバラツキを吸収することが可能になり、さらにＣｕやＮｉを加えれば、拡散性を高めてその接合を強固にすることができる。
【符号の説明】
【００２７】
１  熱電変換素子の製造装置
２  パンチ
３  熱電変換材料
４  電極
５  中間層
６  絶縁層
７  耐熱導電部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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