(57)【要約】【課題】熱電素子の設置密度の低下を招くことなく、枠部と基板との接合強度および装置内部の気密性を向上させる。【解決手段】熱電変換装置１において、枠部４の一端部を第１基板９の電極８が設けられていない方の面に接合する。これにより、第１基板９の電極８に接合される熱電素子５，６の設置密度の向上を図るとともに、枠部４の一端部と第１基板９との接合面積をより広く確保することを可能とし、枠部４と第１基板９との接合強度の向上および装置内部の気密性の向上を図る。【選択図】図１
2006135259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に複数の電極をそれぞれ備えた第１基板および第２基板と、
一端部が第１基板の電極に、他端部が第２基板の電極にそれぞれ対応するように第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、
第２基板の電極を備えていない方の面側に配置される蓋部と、
蓋部と第１基板との間に圧力が加えられるように、一端部が第１基板の電極が設けられていない方の面に接合され、他端部が蓋部に接合された枠部と、
を有することを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
第１基板の電極が設けられていない方の面には第１金属箔が配置され、
前記枠部の一端部は第２金属箔を介して第１基板に接合されたものであって、
前記枠部の一端部と第２金属箔を合わせた厚さを第１金属箔の厚さよりも薄くした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】
第１基板上の複数の電極の上に複数の熱電素子を接合するためのはんだを配置する工程と、
前記複数の電極の上に対応する熱電素子の一端部をはんだ付けする工程と、
枠部の一端部を第１基板の電極が設けられていない方の面に接合する工程と、
第２基板上の複数の電極が複数の熱電素子の他端部にそれぞれ対応するように第２基板を配置する工程と、
第２基板の外側に蓋部を配置し、第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように枠部の他端部と蓋部とを接合する工程と、
を有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を電気へ変換可能あるいは電気を熱に変換可能な熱電変換装置、およびこの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装置であり、電気を熱に変換する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。発電ユニットとしての熱電変換装置は、複数の熱電素子が、電気的には直列に熱的には並列となるように電極を有する２枚の絶縁基板に挟まれた状態で配置される。
【０００３】
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、各絶縁基板には熱伝導に優れたセラミックス基板が使用される。さらに、熱電素子の端部に配置される電極は、電気抵抗の低い材料によって構成される。各電極と熱電変換素子は、はんだで接合される。
【０００４】
広い分野で排熱発電を利用できるようにするためには、熱電変換装置の使用可能温度を高く設計することが考えられる。しかし、使用可能温度を上げるためには、熱電素子の酸化防止が必要となり、例えば、使用環境を非酸化雰囲気にしたり、熱電変換装置を気密封止構造にするなどの対策が必要である。
【０００５】
そこで、従来は、一方の基板の外側に蓋部を設けるとともに、この蓋部に枠部の一端部を接合し、枠部の他端部を他方の基板の電極が設けられた方の面に接合し、内部を気密にすることで、気密封止構造を実現していた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、従来は、枠部の端部を基板の電極が設けられた側の面に接合していたため、この接合部分には熱電素子を配置することができなかった。また、枠部と基板との接合強度を高め、装置内部の気密性を向上させようとすると、この接合部分を広くする必要があり、熱電素子の設置密度が低下することになる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、熱電素子の設置密度の低下を招くことなく、枠部と基板との接合強度および装置内部の気密性を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の本発明に係る熱電変換装置は、表面に複数の電極をそれぞれ備えた第１基板および第２基板と、一端部が第１基板の電極に、他端部が第２基板の電極にそれぞれ対応するように第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、第２基板の電極を備えていない方の面側に配置される蓋部と、蓋部と第１基板との間に圧力が加えられるように、一端部が第１基板の電極が設けられていない方の面に接合され、他端部が蓋部に接合された枠部と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明にあっては、枠部の一端部を第１基板の電極が設けられていない方の面に接合したことで、第１基板の電極に接合される熱電素子の設置密度の向上を図る。また、枠部の端部と第１基板との接合面積をより広くすることを可能とし、この接合部分の接合強度の向上および装置内部の気密性の向上を図る。
【００１０】
上記熱電変換装置は、第１基板の電極が設けられていない方の面には第１金属箔が配置され、前記枠部の一端部は第２金属箔を介して接合されたものであって、前記枠部の一端部と第２金属箔を合わせた厚さを第１金属箔の厚さよりも薄くしたことを特徴とする。
【００１１】
本発明にあっては、枠部の一端部と第２金属箔を合わせた厚さを第１金属箔の厚さよりも薄くしたことで、第１金属箔が接触する外部に対して、枠部の一端部が接触しないようにして、枠部内に流れる熱量の増加を防ぐ。
【００１２】
第２の本発明に係る熱電変換装置の製造方法は、第１基板上の複数の電極の上に複数の熱電素子を接合するためのはんだを配置する工程と、前記複数の電極の上に対応する熱電素子の一端部をはんだ付けする工程と、枠部の一端部を第１基板の電極が設けられていない方の面に接合する工程と、第２基板上の複数の電極が複数の熱電素子の他端部にそれぞれ対応するように第２基板を配置する工程と、第２基板の外側に蓋部を配置し、第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように枠部の他端部と蓋部とを接合する工程と、を有することを特徴とする。
【００１３】
本発明にあっては、複数の電極の上に対応する熱電素子の一端部をはんだ付けした後に、枠部の一端部を第１基板の電極が設けられていない方の面に接合することで、はんだ付けの際に枠部が邪魔にならないようにして、熱電素子をはんだ付けする際に、はんだ印刷を適用可能にする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱電変換装置における熱電素子の設置密度の低下を招くことなく、枠部と基板との接合強度および装置内部の気密性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、一実施の形態における熱電変換装置について図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、熱電変換装置１の概略的な構成を示す断面図であり、図２は、熱電変換装置１を下から見た斜視断面図である。図１は、図２のＡ−Ａ部の概略的な構成を示している。
【００１７】
熱電変換装置１は、複数の電極８を表面に備えた第１基板９と、同じく複数の電極１４を表面に備えた第２基板１５と、これらの基板の間に配置された複数のｐ型熱電素子５および複数のｎ型熱電素子６を有する。各熱電素子５，６は、一端部が第１基板９の電極８に、他端部が第２基板１５の電極１４にそれぞれ対応するように配置される。そして、第２基板１５の電極１４が設けられていない方の面側に蓋部２が配置され、蓋部２と第１基板９との間に圧力が加えられるように、枠部４の一端部が第１基板９の電極８が設けられていない方の面に接合され、枠部４の他端部が蓋部２に接合される。電極８，１４は、全ての熱電素子５，６が電気的に直列接続されるように配列される。また、各熱電素子５，６は、熱的には並列に配置される。なお、説明の便宜上、図１では、熱電素子５，６の数を減らした状態を示しており、図２では、蓋部、第２基板１５、電極１４等を省略して示してある。
【００１８】
本実施の形態では、枠部４の一端部を第１基板９の電極８が設けられていない方の面に接合したことで、すなわち熱電素子が接合されている主面とは異なる他方の主面に設けられた接合領域において接合するように構成したことによって、第１基板９の電極８に接合される熱電素子５，６の設置密度の向上を図っている。また、第１基板９の電極８が設けられていない方の面であれば、枠部４の一端部と第１基板９との接合面積をより広くすることが可能となるので、接合強度および装置内部の気密性を向上させるのに十分な接合面積を確保することができる。
【００１９】
熱電素子５，６の設置密度の向上により、熱電変換装置１の単位面積当りの発電性能が向上する。すなわち、従来の装置に比べて、設置面積が同等であれば発電出力をより大きくでき、また、発電出力が同等であればサイズをより小さくすることができる。
【００２０】
蓋部２と第１基板９は、それぞれ熱的に外部と接触する部材であり、外部との熱の輸送を可能にするものである。例えば、図１に示す蓋部２を吸熱側、第１基板９を放熱側とした場合には、外部から供給されてきた熱が蓋部２を通じて各熱電素子５，６に与えられる。各熱電素子５，６で熱を電気に変換し、熱は第１基板９の電極８が設けられていない方の面（裏面）に配置された金属箔１０（第１金属箔）を介して、金属箔１０が接触する外部部材（図示せず）に流出される。
【００２１】
電気的に直列に接続された熱電素子のうち最先端のものは、第１基板９に設けられたスルーホール（図示せず）を介して、第１基板９の裏面に配置された金属箔１８に接続されており、また最終端のものは第１基板９に設けられたスルーホール（図示せず）を介して第１基板９の裏面に配置された金属箔１９（図示せず）に接続されており、各熱電素子５，６が発生した電気は、この金属箔１８および１９を介して外部に取り出される。
【００２２】
図３は、図１に示す本熱電変換装置１の右下部分の拡大図である。同図に示すように、枠部４の一端部は、第１基板９の電極８が設けられていない方の面（裏面）に金属箔１１（第２金属箔）を介して接合される。この金属箔１１は、第１基板９にロウ材２０によりロウ付けされる。そして、枠部４の一端部はこの金属箔１１に対して同図の矢印方向から照射されたレーザにより溶接される。このように枠部４の一端部を第１基板９の裏面に接合することで、金属箔１１の第１基板９に対する接合面積を広くすることが可能となり、ロウ付けによる接合強度を高めることができる。
【００２３】
なお、図３では、枠部４の先端における折返し部の幅を金属箔１１の幅とほぼ同じ長さで示したが、これに限られるものではない。例えば、図４の拡大図に示すように、枠部４の折返し部の幅を金属箔１１の幅の１／２とすることが望ましい。枠部４の折返し部の幅は、レーザ溶接により枠部４と金属箔１１とが溶接されたときの剥がれにくさを考慮しながら定めることが望ましい。
【００２４】
ところで、熱電変換装置１の発電効率を上げるためには、蓋部２から各熱電素子５，６に与えられる熱量を増やし、蓋部２から枠部４へ流出する熱量を抑制する必要がある。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、枠部４の一端部と金属箔１１の合計の厚さを金属箔１０の厚さよりも薄く設定する。これにより、蓋部２と第１基板９とを直接つなぐ枠部４が、金属箔１０のように外部に接触することがないので、枠部内を流れる熱量の増加を抑制することが可能となる。また、蓋部２から枠部４への熱の流出量を減らすためには、枠部全体の厚さや幅を短くして熱抵抗を大きくすることが効果的である。
【００２６】
本熱電変換装置１では、高温側の使用温度は、例えば６００℃に設定される。この温度に耐えられるように、熱電素子５，６には、スクッテルダイト構造を有するｐ型およびｎ型の熱電素子を使用するとともに、６００℃の大気雰囲気での熱電素子５，６の酸化を防止するために、本装置を蓋部２、枠部４、第１基板９による気密封止構造とする。
【００２７】
蓋部２と枠部４の材質は、両者の接合を容易かつ確実なものとするためには、同一金属とすることが望ましい。ここでは、一例としてコバールとする。また、金属箔１０，１１，１８としては、例えば銅製のものを用いる。
【００２８】
次に、本熱電変換装置１について図１を用いて更に詳細に説明する。各熱電素子５，６の一端部は、はんだ７により、第１基板９上の対応する電極８に接合される。一方、各熱電素子５，６の他端部とこれらに対応する第２基板１５の下面に配置された各電極１４との間には、熱電素子５，６の伸縮を吸収可能な導電性部材１２が配置される。導電性部材１２としては、例えば厚さ方向に変形が可能となるように金属細線を網目状に編んだ金属片を用いる。この変形は弾性変形でも塑性変形でもよい。金属細線としては例えば銅製のものを用いる。
【００２９】
このように導電性部材１２を用いることで、高温環境下での動作時における各熱電素子５，６の変形や移動を導電性部材１２で吸収し、熱電素子５，６の損傷を防止することが可能となる。また、導電性部材１２により各熱電素子５，６の高さのバラツキが吸収されるので、高さごとの選別や検定などの工程を削減することも可能となる。
【００３０】
第２基板１５に配置される電極１４と導電性部材１２との間に配置された電極部材１３は、導電性部材１２を覆うように形成されたバスタブ状の箱型構造となっている。電極部材１３をバスタブ状に構成することで、導電性部材１２や熱電素子５，６が電極部材１３から離脱することを防止するとともに、電極部材１３の平面をなす底面部を第２基板１５に配置される電極１４と対向させているので、網目構造の導電性部材１２を第２基板１５に配置される電極１４に直接接触させる場合に比して、接触面積を増大させることが可能となり、吸熱効率を増大させることができる。
【００３１】
蓋部２には、枠部４との接合部分の内側に、圧力が加えられる方向に折れ曲がる折曲部を設ける。この折曲部により蓋部２に弾性を持たせることで、蓋部２を第２基板１５に押し付けながら枠部４に溶接する際の組立が容易になる。
【００３２】
また、枠部４と蓋部２との接合の作業性を向上させるために、枠部４の蓋部２に接合される部分に外側へ折れ返す折返部を設ける。この折返部により蓋部２と枠部４との接合面積を確保する。さらに、蓋部２と第２基板１５との間に金属膜１６を形成することで、蓋部２に外部から供給されてきた熱を熱電素子５，６で吸収する吸熱効率を高める。
【００３３】
続いて、熱電変換装置１の製造工程の一例について説明する。
【００３４】
まず、図５の第１工程図に示すように、所定数の熱電素子５，６を冶具基板３０上に所定間隔で配置し、仮固定する。仮固定の仕方としては、例えば、冶具基板３０に熱電素子を嵌め込むための溝を設けたり、あるいは冶具基板３０の表面に粘着物質を設けるようにする。また、マウンターを使用することにより、熱電素子５，６を容易に配置することが可能となる。
【００３５】
次に、図６の第２工程図に示すように、一方の面に複数の電極８が配置され、他方の面に金属箔１０，１８，１１がそれぞれ配置された第１基板９を用意し、各電極表面の熱電素子が配置される位置にペースト状のはんだを印刷する。はんだ印刷は、例えば、熱電素子が配置される部分に、対応する穴が設けられているマスクを電極上に配置し、このマスクの上からはんだを供給することで行う。このように、電極上の熱電素子に対応する位置にはんだを一つずつ供給するのではなく、はんだ印刷を用いることで、はんだ供給の効率を向上させる。ただし、はんだの供給方法については特に限定するものではない。
【００３６】
次に、図７の第３工程図に示すように、図６のはんだ供給後の第１基板９を反転させ、これを図５の状態にある冶具基板３０上に配置された各熱電素子５，６の上に、各はんだが対応する各熱電素子に接するように配置する。そして、この状態のものをリフロー炉等に投入して加熱することによりはんだを溶融し、その後、冷却させて熱電素子５，６と各電極８とをはんだで固定する。そして、十分にはんだが凝固したところで冶具基板３０を排除する。
【００３７】
次に、図８の第４工程図に示すように、全体を反転させ、枠部４の一端部を第１基板９の電極８が設けられていない方の面に接合する。この接合に際しては、接合部分にレーザを照射することで枠部４の一端部を金属箔１１に溶接する。この溶接には、例えばレーザ溶接を用いる。各部材の材質としては、例えば、金属箔１１には銅、枠部４にはコバールをそれぞれ用いるものとする。この場合の枠部４の一端部と金属箔１１との溶接に際しては、両者の間にニッケル箔を挟んだ状態でレーザ溶接する。
【００３８】
第１基板９と枠部４との接合にレーザ溶接を用いた場合には次のような利点がある。例えば第１基板９と枠部４とをロウ付けにより接合した場合には、はんだ付けよりも高温に全体を加熱することになるので、ロウ付けの前にはんだ付けをしてしまうと、そのはんだが全て溶融してしまう。このため、枠部４をロウ付けした後に各熱電素子５，６をはんだ付けすることが必要となるので、はんだ付けの際に枠部４が邪魔となってはんだ印刷ができなくなり、はんだ供給の効率が低下することになる。この点、第１基板９と枠部４との接合にレーザ溶接を適用した場合には接合部分を局所的に加熱できるので、熱電素子５，６をはんだ付けした後に第１基板９と枠部４とを接合することができる。この結果、熱電素子５，６のはんだ付け工程にはんだ印刷を用いることができ、作業効率を向上させることができる。
【００３９】
次に、図９の第５工程図に示すように、複数の電極１４が表面に設けられた第２基板１５を用意し、この第２基板１５上の各電極１４が各熱電素子５，６の他端部にそれぞれ対応するように第２基板１５を各熱電素子５，６上に配置する。各熱電素子５，６は、第１基板９に設けられた電極８と第２基板１５に設けられた電極１４とにより挟まれ、電気的に直列に接続された状態になる。このとき、各電極１４と、各熱電素子５，６の他端部との間に導電性部材１２および電極部材１３を挟み込むようにする。
【００４０】
次に、第６工程で、第２基板１５の電極１４が設けられていない面側に第２基板１５を外側から覆うように蓋部２を配置し、第２基板１５と第１基板９との間に圧力が加えられるように枠部４の他端部と蓋部２とを接合する。この接合には、例えばレーザ溶接を用いる。このようにして、図１に示した箱型構造とする。
【００４１】
そして最後に、減圧雰囲気の中に放置し、蓋部２に予め設けておいた貫通孔をレーザにより溶融して塞ぐことにより、気密封止構造の熱電変換装置を得る。
【００４２】
したがって、本実施の形態によれば、枠部４の一端部を第１基板９の電極８が設けられていない方の面に接合したことで、この電極８に接合される熱電素子５，６の設置密度を向上させることができる。また、枠部４の一端部と第１基板９との接合面積をより広くすることが可能となるので、枠部４と第１基板９との接合強度を高めることができ、装置内部の気密性を向上させることができる。さらに、第２金属箔１１と第１基板９との接合面積も広く確保することが可能となるので、第２金属箔１１と第１基板９とのロウ付けの強度を高めることができ、これによっても装置内部の気密性を向上させることができる。
【００４３】
本実施の形態によれば、枠部４の一端部と第２金属箔１１とを合わせた厚さを第１金属箔１０の厚さよりも薄くしたことで、第１金属箔１０が接触する外部に対して枠部４の一端部が接触しないようになるので、蓋部２から枠部４に流出する熱量の増加を防くことができ、もって熱電変換効率の低下を防止することができる。
【００４４】
本実施の形態によれば、複数の電極８の上にそれぞれ対応する熱電素子５，６の一端部をはんだ付けした後に、枠部４の一端部を第１基板９の電極８が設けられていない方の面に接合することで、はんだ付けの際に枠部４が邪魔にならないので、はんだ印刷を適用することができ、はんだの供給効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、上記各実施の形態においては、蓋部２に供給されてきた熱を電気に変換する熱電変換装置を例に説明したが、本発明は電気を熱に変換する熱電変換装置にも適用可能である。
【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】上記熱電変換装置を下から見たときの斜視断面図である。
【図３】上記熱電変換装置の図１における右下部の詳細な構成を示す拡大図である。
【図４】上記熱電変換装置の図１における右下部の別の構成を示す拡大図である。
【図５】上記熱電変換装置を製造する際の第１工程を示す図である。
【図６】上記熱電変換装置を製造する際の第２工程を示す図である。
【図７】上記熱電変換装置を製造する際の第３工程を示す図である。
【図８】上記熱電変換装置を製造する際の第４工程を示す図である。
【図９】上記熱電変換装置を製造する際の第５工程を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…熱電変換装置，２…蓋部，４…枠部，５…ｐ型熱電素子，６…ｎ型熱電素子，８…電極，９…第１基板，１０…第１金属箔，１１…第２金属箔，１２…導電性部材，１３…電極部材，１４…電極，１５…第２基板，１６…金属膜，１８…金属箔，２０…ロウ材，３０…冶具基板
【図１】
2006135259.tif 000003
【図２】
2006135259.tif 000004
【図３】
2006135259.tif 000005
【図４】
2006135259.tif 000006
【図５】
2006135259.tif 000007
【図６】
2006135259.tif 000008
【図７】
2006135259.tif 000009
【図８】
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【図９】
2006135259.tif 000011