(57)【要約】【課題】９００℃のような高温環境下でも動作し、信頼性に優れる熱電変換装置およびその製造方法を提供すること。【解決手段】熱電変換装置１は、複数の電極１０及び蓋部接続用電極１２を備えた絶縁性の第１基板９と複数の電極４を備えた絶縁性の第２基板３と、複数のｐ型熱電素子７及びｎ型熱電素子８と、各熱電素子の位置を規定する規定部材１１と、蓋部２とを備える。規定部材１１は、各熱電素子７，８の位置を規定するために、第１基板９上に配置される。また、蓋部２は、第２基板３の外側に配置され、第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように蓋部２の端を延出した部分６の先端を第１基板９に蓋部接続用電極１２を介して結合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電極を備えた第１基板および第２基板と、
一端部が第１基板の各電極に対応し、他端部が第２基板の各電極に対応するように第１基板と第２基板との間に配置される複数の熱電素子と、
各熱電素子の位置を規定する規定部材と、
第２基板の外側に配置され、第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合される蓋部と、
を備えることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記蓋部の端を延出した部分の先端を、当該部分によって前記規定部材が保持されるように第１基板に結合することを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記蓋部の端を延出した部分の幅は、蓋部の端辺の長さよりも短いことを特徴とする請求項２記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記規定部材は、各熱電素子に対応する位置に当該熱電素子の位置を規定する貫通孔を有した絶縁基板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱電変換装置。
【請求項５】
複数の電極を備えた第１基板上に、当該各電極に対応するように各熱電素子の一端部の位置を規定する規定部材を配置する工程と、
前記第１基板上の規定部材によって規定される位置に複数の熱電素子を配置する工程と、
複数の電極を備えた第２基板を、当該各電極が各熱電素子の他端部に対応するように第１基板に対向配置する工程と、
前記第２基板の外側に蓋部を配置し、当該蓋部を第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合する工程と、
を有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
【請求項６】
前記結合する工程では、前記蓋部の端を延出した部分の先端を、当該部分によって前記規定部材が保持されるように第１基板に結合することを特徴とする請求項５記載の熱電変換装置の製造方法。
【請求項７】
前記蓋部の端を延出した部分の幅は、蓋部の端辺の長さよりも短く加工されたものを使用することを特徴とする請求項６記載の熱電変換装置の製造方法。
【請求項８】
前記規定部材は、各熱電素子に対応する位置に当該熱電素子の位置を規定する貫通孔が設けられた絶縁基板を使用することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の熱電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を電気に変換可能あるいは電気を熱に変換可能な熱電変換装置及び熱電変換装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用した熱電素子を組み合わせて構成され、温度調整ユニットとしては、既に量産化されている。また、熱を電気に変換する発電ユニットとしても研究開発が進められている。
【０００３】
図８は、発電ユニットとしての一般的な熱電変換装置の構造を示す断面図である。同図の熱電変換装置は、両端に温度差を与えることにより起電力を発生する複数のｐ型熱電素子２７及びｎ型熱電素子２８が、複数の電極２４を有する第１基板２３と複数の電極３０を有する第２基板２９とに挟まれた構造であり、全ての熱電素子が電気的に直列に接続されるように、各熱電素子の一端部は電極２４に、他端部は電極３０に、はんだ３１を介して接続される。また、これらの熱電素子は、熱的には並列に配置されている。
【０００４】
熱を電気に変換する際の熱電変換装置の発電効率を熱電素子自体の発電効率に近づけるためには、熱電素子の一端部への熱供給と熱電素子の他端部からの放熱がスムーズに行われる必要がある。このため、熱電変換装置を構成する第１基板２３及び第２基板２９には、熱伝導に優れたセラミックス基板が使用される。また、熱電素子が接続される電極２４及び電極３０は、電気抵抗の低い銅などの導電性材料が使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、はんだの融点は１５０〜３００℃程度であるため、はんだを使用した熱電変換装置を、９００℃のような高温の環境下で動作させる場合には、はんだが溶けてしまい動作上の信頼性が損なわれるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑み、９００℃のような高温環境下でも動作し、信頼性に優れる熱電変換装置及び熱電変換装置の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の本発明に係る熱電変換装置は、複数の電極を備えた第１基板および第２基板と、一端部が第１基板の各電極に対応し、他端部が第２基板の各電極に対応するように第１基板と第２基板との間に配置される複数の熱電素子と、各熱電素子の位置を規定する規定部材と、第２基板の外側に配置され、第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合される蓋部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、各熱電素子の位置を規定する規定部材を備えたことで、従来各熱電素子を接続していたはんだが不要となる。また、各熱電素子の高さ方向に加わる圧力によって各熱電素子を保持することができるので、熱電変換装置が加熱され熱変形した場合であっても、各熱電素子と各電極の接触面ですべりが生じ、素子の破損等を防ぐことが可能となる。
【０００９】
上記熱電変換装置は、蓋部の端を延出した部分の先端を、この部分によって規定部材を保持されるように第１基板に結合することを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、蓋部の端を延出した部分の先端を第１基板に結合することで、別の部材を設けることなく規定部材を保持することが可能となる。また、蓋部の端を延出した部分を用いることで、規定部材の第１基板に対する位置合わせが容易となる。
【００１１】
上記熱電変換装置において、蓋部の端を延出した部分の幅は、蓋部の端辺の長さよりも短いことを特徴とする。
【００１２】
本発明にあっては、蓋部の端を延出した部分の幅を、蓋部の端辺の長さよりも短くしたことで、蓋部に熱を供給した場合に、蓋部の端を延出した部分の熱抵抗が大きくなるようにし、この部分を介して第１基板側に流出してしまう熱量を減少させることが可能となる。
【００１３】
上記熱電変換装置において、規定部材は、各熱電素子に対応する位置にこの熱電素子の位置を規定する貫通孔を有した絶縁基板であることを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、規定部材を、各熱電素子に対応する位置に貫通孔を有した絶縁基板としたことで、高い温度環境の下においても、熱電素子が互いに電気的に影響を与えることなく各熱電素子の位置を規定することができる。
【００１５】
第２の本発明に係る熱電変換装置の製造方法は、複数の電極を備えた第１基板上に、この各電極に対応するように各熱電素子の一端部の位置を規定する規定部材を配置する工程と、第１基板上の規定部材によって規定される位置に複数の熱電素子を配置する工程と、複数の電極を備えた第２基板を、この各電極が各熱電素子の他端部に対応するように第１基板に対向配置する工程と、第２基板の外側に蓋部を配置し、この蓋部を第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合する工程とを有することを特徴とする。
【００１６】
上記熱電変換装置の製造方法において、前記結合する工程では、蓋部の端を延出した部分の先端を、この部分によって規定部材が保持されるように第１基板に結合することが望ましい。
【００１７】
また、第２基板の外側に蓋部を配置し、この蓋部を第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合する工程では、蓋部の端を延出した部分の幅は、蓋部の端辺の長さよりも短く加工されたものを使用することが望ましい。
【００１８】
上記熱電変換装置の製造方法において、規定部材は、各熱電素子に対応する位置にこの熱電素子の位置を規定する貫通孔が設けられた絶縁基板を使用することが望ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の熱電変換装置及び熱電変換装置の製造方法によれば、高い温度領域においても安定動作が可能であり信頼性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２１】
図１は、一実施の形態における熱電変換装置の構成を示す断面図である。同図の熱電変換装置１は、複数の電極１０及び蓋部接続用電極１２を備えた絶縁性の第１基板９と複数の電極４を備えた絶縁性の第２基板３と、複数のｐ型熱電素子７及びｎ型熱電素子８と、各熱電素子の位置を規定する規定部材１１と、蓋部２とを備える。電極１０は第１基板９上に、電極４は第２基板３上に、全ての熱電素子が電気的に直列接続されるように配置されている。ここでは、一例として第１基板９及び第２基板３にはＳｉＮ基材のセラミックスを、電極４及び電極１０には抵抗性のよい銅をそれぞれ使用する。
【００２２】
複数のｐ型熱電素子７およびｎ型熱電素子８は、一端部が第１基板９の電極１０に対応し、他端部が第２基板３の電極４に対応するように、第１基板９と第２基板３との間に規則正しく配置される。ここでは一例として、ｐ型熱電素子７及びｎ型熱電素子８には、耐熱性の高いハーフホイッスラー構造を有したものを使用する。
【００２３】
各熱電素子７、８と各電極４、１０との間には、銅製の金属細線が編まれて形成された弾性金属片５がそれぞれ配置され、この弾性金属片５は、各電極４、１０に抵抗溶接で固定されている。弾性金属片５は、弾性変形する性質を有しているので、この構成により、高温環境下において熱電素子７，８が熱変形した場合に、高さ方向の伸縮を吸収する。また、弾性金属片５は熱電素子７、８の製造時における高さばらつきや、第１基板９及び第２基板３の反りなどに起因する組立時におけるばらつきを吸収する。
【００２４】
規定部材１１は、各熱電素子７，８の位置を規定するために、第１基板９上に配置されている。また、蓋部２は、第２基板３の外側に配置され、第２基板３と第１基板９との間に圧力が加えられるように蓋部２の端を延出した部分６の先端が第１基板９に蓋部接続用電極１２を介して結合される。これら規定部材１１、蓋部２の構成の詳細については後述する。
【００２５】
熱電変換装置１は、蓋部２から第１基板９側に供給される熱及び第２基板３側に供給される熱により、熱電素子７，８の両端に生じる温度差を電気に変換して動作する。例えば、第２基板３側の使用温度は９００℃に、第１基板９側の使用温度は９００℃よりも低い温度に設定される。ここでは、蓋部２と第２基板３との間に熱伝導率の良い金属膜１４を形成し、第１基板９の外側にも同様に金属膜１５を形成することで外部との熱の流れをスムーズにし、熱効率を高めている。
【００２６】
次に、規定部材１１について図２、図３を用いて説明する。
【００２７】
図２は、本熱電変換装置の構成を示す斜視図である。同図において、規定部材１１は、第１基板９上に、蓋部２及び第１基板９と平行に配置されている。
【００２８】
図３は、この規定部材１１の構成を示す斜視図である。同図のように、規定部材１１は、各熱電素子に対応する位置に熱電素子の位置を規定する貫通孔１３を有した絶縁基板である。図２に示すように、各熱電素子７，８の一端部は、規定部材１１の貫通孔１３に挿入され、電極４，１０に接触する。ここでは、規定部材１１には各熱電素子に接触すること、及び使用温度を考慮して絶縁性、耐熱性の高いセラミックス製を使用する。このように規定部材１１にセラミックス製を使用することで、高い温度環境の下においても、熱電素子が互いに電気的に影響を与えないようにしている。
【００２９】
次に、蓋部２について図２を用いて説明する。
【００３０】
同図では、蓋部２の端を延出した部分６の先端は、この部分６によって規定部材１１が保持されるように第１基板９に結合される。蓋部２の端を延出した部分６により規定部材１１を保持することで、規定部材１１を保持するための別の部材を設けることを不要としている。このように蓋部２の端を延出した部分６と第１基板９により規定部材１１を保持することで、規定部材１１の位置が定まり、第１基板９との位置合わせが容易となる。この結合部分は、より具体的には、蓋部２の端を延出した部分６の先端は、第１基板９上の蓋部接続用電極１２を介して結合される。例えば、第１基板９側の使用温度を９００℃よりも低い温度と設定した場合には、蓋部接続用電極１２には、溶接可能な金属箔を使用し、蓋部２の端を延出した部分６と蓋部接続用電極１２とをレーザ溶接により接合する。さらに蓋部２には、耐熱および、第１基板９との熱変形差を小さくするために、蓋部接続用電極１２である金属箔とレーザ溶接可能なコバールを使用する。
【００３１】
さらに同図では、蓋部２の端を延出した部分６の幅Ｌ２は、蓋部の端辺の長さＬ１よりも短くなっている。これにより、蓋部２の端を延出した部分６の熱抵抗を大きくすることができ、蓋部２の端を延出した部分６を介して第１基板９側に流入する熱量の減少を図る。また、本実施の形態では、蓋部２の端を延出した部分６を蓋部２の一端辺毎に２本設けた。それにより蓋部２の安定性を確保する。
【００３２】
本発明の熱電変換装置は、例えば、以下のような製造工程を用いて実現できる。
【００３３】
第１の製造工程では、まず、図４に示すように、第１基板９上に複数の電極１０及び蓋部接続用電極１２を配置し、各電極１０に対応するように、金属細線が編まれて形成された弾性金属片５を抵抗溶接により固定する。第１基板９の外側には導電性の良い金属膜１５を形成する。続いて図５に示すように、第１基板９上に各熱電素子の一端部の位置を規定する規定部材１１を配置する。
【００３４】
第２の製造工程では、図６に示すように規定部材１１によって規定される位置に複数の熱電素子７，８を配置する。これにより接合部材を使用することなく各熱電素子７，８の位置を規定する。
【００３５】
第３の製造工程では、図７に示すように、複数の電極４を配置した第２基板３を、この各電極４が各熱電素子の一端部に対応するように第１基板９に対向配置する。なお、第２基板としては、あらかじめ各電極４に対応した位置に金属細線が編まれて形成された弾性金属片５が固定され、第２基板３の複数の電極４を配置した面と対向する面に金属膜１４を形成したものを用いる。
【００３６】
最後に、図１に示すように第２基板３の外側に蓋部２を配置し、この蓋部２を第２基板３と第１基板９との間に圧力が加えられるように第１基板９に結合する。また、このとき蓋部２の端を延出した部分６の先端を、この部分６によって規定部材１１が保持されるように第１基板９に結合する。結合に際しては、蓋部２の端を延出した部分６と第１基板９上の蓋部接続用電極１２とを溶接する。以上の工程により、各熱電素子７、８が第１基板９と第２基板３とにより保持され、熱電変換装置１が得られる。ここでは、蓋部２の端を延出した部分６の幅Ｌ２には、図２に示したように蓋部の端辺の長さＬ１よりも短く加工されたものを使用する。このように蓋部２の端を延出した部分６と第１基板９により規定部材１１を保持することで、規定部材１１の位置が定まり、第１基板９との位置合わせが容易となる。また、第２基板３と各熱電素素子との位置合わせも容易となり、熱電変換装置１の組立性が向上する。
【００３７】
したがって、本実施の形態によれば、規定部材により各熱電素子の位置を規定したことで、従来各熱電素子を電極に接続していたはんだが不要となり、９００℃の高温環境下でも信頼性に優れた動作をさせることができる。
【００３８】
また、本実施の形態によれば、規定部材には、貫通孔が設けられた絶縁基板を使用したことで、熱電素子が互いに電気的に影響を与えることなく各熱電素子の位置を規定することができる。
【００３９】
さらに、本実施の形態によれば、第２基板の外側に配置された蓋部により、各熱電素子の高さ方向に加えられる圧力によって各熱電素子を保持することで、熱電変装置が加熱され熱変形した場合であっても、各熱電素子と各電極の接触面ですべりが生じ、素子の破損等を防ぐことができ、９００℃の高い温度領域においても安定動作が可能であり信頼性を高めることができる。
【００４０】
さらに、本実施の形態によれば、蓋部の端を延出した部分の先端を第１基板に結合することで、別の部材を設けることなく規定部材を保持することができ、製造コストが増大するのを抑制することが可能となる。また、蓋部の端を延出した部分を用いることで、規定部材の第１基板に対する位置合わせが容易となる。
【００４１】
さらに、本実施の形態によれば、蓋部の端を延出した部分の幅を、蓋部の端辺の長さよりも短くしたことで、蓋部に熱を供給した場合に、蓋部の端を延出した部分の熱抵抗が大きくなるようにし、この部分を介して第１基板側に流出してしまう熱量を減少させることが可能となる。この結果として、熱量流出に起因する発電効率の低下を抑制することが可能となる。
【００４２】
なお、上記の実施の形態においては、各熱電素子と各電極との間の部材には、金属細線が編まれて形成された銅製の弾性金属片を使用したが、これに限られるものではない。弾性変形する性質を有しているもので、各熱電素子の高さ方向のばらつきを吸収できるような作用を有する部材であれば、例えば金属製の板ばねやつるまきばねであってもよい。また、材質に関しては、抵抗および熱伝導率の観点から、銅を使用したが、これに限られるものではなく、使用温度がさらに上昇する場合には耐熱性の高いステンレス製であってもよい。
【００４３】
なお、上記の実施の形態においては、蓋部には、耐熱および、第１基板との熱変形差を小さくするために、蓋部接続用電極である金属箔とレーザ溶接可能なコバールを選定したが、これに限られるものではなく、熱電変換装置の発電効率を低下させるものでなければ、材質は特に限定されるものではない。
【００４４】
なお、上記の実施の形態においては、蓋部の端を延出した部分を蓋部の一端辺毎に２本設けたが、これに限られるものではない。例えば、１本とした場合には、蓋部に熱を供給した場合に、蓋部の端を延出した部分の熱抵抗がより大きくなり、この部分を介して第１基板側に流出してしまう熱量をさらに抑制することが可能となる。一方、３本または４本とした場合には、蓋部によって保持される規定部材の位置の安定性をさらに確保することができる。
【００４５】
なお、上記の実施の形態においては、温度差により発電を行う場合について記載したが、積極的に通電させることによって熱移動を行わせるペルチェ素子として使用することも可能である。この際、高熱を発する部材に対しては蓋部を当接させて使用する。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】一実施の形態における熱電変換装置の構成を示す断面図である。
【図２】一実施の形態における熱電変換装置の構成を示す斜視図である。
【図３】一実施の形態における熱電変換装置の規定部材の斜視図である。
【図４】一実施の形態における熱電変換装置の第１の製造工程の一部を示す断面図である。
【図５】一実施の形態における熱電変換装置の第１の製造工程の一部を示す断面図である。
【図６】一実施の形態における熱電変換装置の第２の製造工程を示す断面図である。
【図７】一実施の形態における熱電変換装置の第３の製造工程を示す断面図である。
【図８】一般的な熱電変換装置の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…熱電変換装置，２…蓋部，３…第２基板，４…第２基板側の電極，５…金属細線が編まれて形成された弾性金属片，６…蓋部２の端を延出した部分，７…ｐ型熱電素子，８…ｎ型熱電素子，９…第１基板，１０…第１基板側の電極，１１…規定部材，１２…蓋部接続用電極，１３…規定部材の貫通孔，１４…第２基板側の金属膜，１５…第１基板側の金属膜，２３…第１基板，２４…第１基板側の電極，２７…ｐ型熱電素子，２８…ｎ型熱電素子，２９…第２基板，３０…第２基板側の電極，３１…はんだ
【図１】
2006073633.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006073633.tif 000007
【図６】
2006073633.tif 000008
【図７】
2006073633.tif 000009
【図８】
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