(57)【要約】    【課題】  熱電素子と電極との間にチタン層またはチタン合金層を設けるときに、各層間の密着性を高めるための技術を提供する。    【解決手段】  Ｐ型またはＮ型の熱電素子５０，６０と、Ｐ型またはＮ型の熱電素子５０，６０と接合される電極７１，７２，７３と、Ｐ型またはＮ型の熱電素子５０，６０と電極７１，７２，７３との間に設けられた中間層とを備える。この中間層は、電極７１，７２，７３上に形成されたチタン層８３，８４，９３，９４またはチタン合金層と、チタン層８３，８４，９３，９４またはチタン合金層と熱電素子５０，６０との間に設けられたアルミニウム層８１，８２，９１，９２またはアルミニウム合金層とを備える。    【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型またはＮ型の熱電素子と、前記Ｐ型またはＮ型の熱電素子と接合される電極と、前記Ｐ型またはＮ型の熱電素子と前記電極との間に設けられた中間層とを備えた熱電モジュールであって、
前記中間層は、前記電極上に形成されたチタン層またはチタン合金層と、前記チタン層またはチタン合金層と前記熱電素子との間に設けられたアルミニウム層またはアルミニウム合金層とを備えたことを特徴とする熱電モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のＰ型またはＮ型の半導体熱電素子を電極に接合してなる、熱電変換を行うための熱電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換する熱電モジュールは、 トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等と呼ばれる熱電効果を利用した２種類の熱電素子を組み合わせて構成され、熱電対や電子冷却素子等もこれに該当する。熱電材料として半導体が用いられる場合には、Ｐ型とＮ型の熱電素子が組み合わされる。
【０００３】
熱電モジュールは、構造が簡単かつ取扱いが容易で安定な特性を維持できることから、広範囲にわたる利用が注目されている。特に、電子冷却素子としては、局所冷却や室温付近の精密な温度制御が可
能であることから、オプトエレクトロニクス用デバイスや半導体レーザ等の温度調節、並びに、小型冷蔵庫等への適用に向けて、広く研究開発が進められている。
【０００４】
ところで、このような熱電素子を用いた熱電モジュールを、例えば発電装置として用いる場合に、熱電モジュールに与えられる熱により、熱電モジュールの温度は、高温側において５００℃〜６００℃に達する場合がある。これにより、電極材料（例えば銅）が熱電素子内に拡散し、熱電素子の特性を変化させるという問題がある。
【０００５】
すなわち、一般に、熱電モジュールの製造工程において、Ｐ型素子とＮ型素子が、例えば銅製の電極と接合される。しかしながら、特に、上記のような高温域の環境においては、長い間には、電極に含まれる元素が熱電素子の内部に拡散してしまい、熱電素子の性能が低下してしまう。このため、熱電素子と電極との間には、拡散防止層が形成される。
【０００６】
そこで、特許文献１には、温度が５００℃周辺の高温域まで優れた特性を有するＮ型及びＰ型の熱電素子を用いた熱電モジュールにおいて、Ｎ型及びＰ型の熱電素子と電極との間の中間層としてチタン層又はチタン合金層を設けることにより、電極との間における元素の拡散を防止することが記載されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−３０９２９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、チタンまたはチタン合金は、熱電素子と直接接合させることが困難な場合がある。すなわち、例えば、チタンは融点が約１２００℃と高く、チタンまたはチタン合金をＰ型またはＮ型素子に接合させる場合には７００〜８００℃の温度が必要である。しかし、Ｎ型の熱電素子として広く用いられているＭｇ−Ｓｉ系化合物は７００℃以上になるとＭｇが分解してしまうことがあり、その場合には、チタン層を良好に接合することができず、熱電モジュールの性能に影響を与える。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、熱電素子と電極との間にチタン層またはチタン合金層を設けるときに、各層間の密着性を高めるための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一つの実施態様に従う熱電モジュールは、Ｐ型またはＮ型の熱電素子と、前記Ｐ型またはＮ型の熱電素子と接合される電極と、前記Ｐ型またはＮ型の熱電素子と前記電極との間に設けられた中間層とを備えた熱電モジュールである。前記中間層は、前記電極上に形成されたチタン層またはチタン合金層と、前記チタン層またはチタン合金層と前記熱電素子との間に設けられたアルミニウム層またはアルミニウム合金層とを備える。
【００１１】
本発明の一つの実施態様に従う熱電モジュールの製造方法は、Ｐ型またはＮ型の熱電素子と、電極上のチタン層またはチタン合金層とを接合するときに、前記Ｐ型またはＮ型の熱電素子と前記チタン層またはチタン合金層との間にアルミニウム層またはアルミニウム合金層を設け、真空中または不活性ガス中でアルミニウム接合に必要な温度及び圧力に加温及び加圧する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施形態に係る熱電モジュールについて説明する。図１は、本実施形態に係る熱電モジュールの概要を示す。熱電モジュール１は、熱交換基板として２枚の絶縁板３０、４０と、２枚の絶縁板３０、４０の間に２次元的に交互に配列された多数の熱電素子であるＰ型素子（Ｐ型半導体熱電素子）５０とＮ型素子（Ｎ型半導体熱電素子）６０とを備える。Ｐ型素子５０及びＮ型素子６０は、絶縁板３０，４０の表面上に配列された多数の電極７０によって電気的に直列に接合される。一つの電極７０には一つのＰ型素子と一つのＮ型素子が接続されており、以下、これをＰＮ素子対と呼ぶ。
【００１３】
このようなＰＮ素子対の一方の端のＮ型素子と、他方の端のＰ型素子には、リード線８０が接続されている。絶縁板４０側を冷却水等で冷やし、絶縁板３０側に熱を加えると、起電力が発生して、２本のリード線間に電気抵抗負荷を与えると、図１に示すように電流が流れる。即ち、熱電モジュール１の両側（図中の上下）に温度差をつけることにより、電力を取り出すことができる。
【００１４】
あるいは、ＰＮ素子対に電流を流すと、電流の方向により定まる一方の側の絶縁板で吸熱が生じ、他方の側の絶縁板で放熱が生じる。
【００１５】
次に、ＰＮ素子対の構成について、図２〜図４を用いて説明する。図２は、第１の実施形態に係るＰＮ素子対の構成を示す図である。図２では、図面の上側が絶縁板３０側、図面の下側が絶縁板４０側である。すなわち、熱電モジュール１の動作時には、図面の上側が高温（例えば５００℃）になる側であり、図面の下側が低温（例えば３０℃）になる側である。
【００１６】
第１の実施形態では、Ｐ型素子５０及びＮ型素子６０のそれぞれの高温側には、銅製ないしはニッケル製の電極７１との間に中間層として、Ｐ型またはＮ型素子５０，６０の側からアルミニウム層８１，８２とチタン層８３，８４とが形成されている。また、Ｐ型素子５０及びＮ型素子６０のそれぞれの低温側にも、銅製ないしはニッケル製の電極７２，７３との間に中間層として、Ｐ型またはＮ型素子５０，６０の側からアルミニウム層９１，９２とチタン層９３，９４とが形成されている。
【００１７】
上記のようなＰＮ素子対は、例えば、Ｐ型素子５０及びＮ型素子６０に、それぞれアルミニウム箔、チタン箔、および銅またはニッケルの電極材料を重ね合わせ、６００〜７００℃、数十ＭＰａ程度の温度及び圧力で、真空中または不活性ガス中で加圧することにより製造される。
【００１８】
ここで、以下の第１から第３の実施形態においては、Ｐ型素子５０の材料としてＭｎ−Ｓｉ系の化合物を用い、Ｎ型素子６０の材料としてＭｇ−Ｓｉ系の化合物を用いる。
【００１９】
チタン層８３，８４，９３，９４の厚さは、１０〜７０μｍ程度が好ましい。中間層にチタン層８３，８４，９３，９４を備えることにより、電極７１，７２，７３の銅またはニッケルがＰ型素子５０及びＮ型素子６０へ拡散することが防止される。特に、Ｎ型素子であるＭｇ−Ｓｉ系の化合物に対して銅が拡散すると、Ｎ型としての性質が弱められるので好ましくない。
【００２０】
アルミニウム層８１，８２，９１，９２は、チタン層８３，８４，９３，９４とＰ型素子５０及びＮ型素子６０との接合を容易化し、高い密着度を得ることができる。アルミニウム層８１，８２，９１，９２の厚さは、５０μｍ以下が好ましい。
【００２１】
ここで、チタンは融点が約１２００℃と高く、チタン層をＰ型またはＮ型素子に接合させる場合には７００〜８００℃の温度が必要である。Ｎ型素子であるＭｇ−Ｓｉ系化合物は７００℃以上になるとＭｇが分解してしまうことがあり、その場合には、チタン層を良好に接合することができない。そこで、この場合にはチタン層とＭｇ−Ｓｉ系化合物との間にアルミニウム層を設けると、特に好ましい。アルミニウム層は、６００〜７００℃位でチタン層と良好に接合する。
【００２２】
なお、アルミニウムがＰ型素子のＭｎ−Ｓｉ系の化合物に拡散した場合、Ｐ型としての性質を強めることになる。また、アルミニウムがＮ型素子のＭｇ−Ｓｉ系の化合物に拡散した場合には、Ｎ型としての性質を強めることになる。従って、いずれの場合にもそれほど大きな影響はない。
【００２３】
ところで、ＰＮ素子対を使用するときに３００℃以上になる高温側は、電極７１の銅またはニッケルが拡散するのを押さえるため、チタン層８３，８４が形成されていた方が好ましい。しかし、使用時の温度が３００℃に満たない低温側では、チタン層９３，９４を省略することが可能である。そこで、図３に示す第２の実施形態では、第１の実施形態から低温側のチタン層９３，９４が省略された構成になっている。
【００２４】
この実施形態では、低温側でもアルミニウム層９１，９２により電極７２，７３の銅またはニッケルがＰ型またはＮ型素子５０，６０へ拡散することを防止できる。なお、アルミニウムの拡散による影響は、上述の通りである。
【００２５】
さらに、低温側については、電極７２，７３の銅またはニッケルの拡散がそれほど問題にならない場合もあり、アルミニウム層９１，９２さえ省略することも考えられる。また、Ｐ型のＭｎ−Ｓｉ系化合物は、チタン層と良好に接合可能であるから、この場合には高温側のアルミニウム層８１を省略することが可能である。そこで、図４に示す第３の実施形態では、第２の実施形態からさらに低温側のアルミニウム層９１，９２が省略され、Ｍｎ−Ｓｉ系化合物の高温側のアルミニウム層８１も省略された構成になっている。
【００２６】
上述した本発明の実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
【００２７】
例えば、Ｐ型素子としてＭｎ−Ｓｉ系化合物以外のＰ型素子を用いてもよいし、Ｎ型素子としてＭｇ−Ｓｉ系化合物以外のＮ型素子を用いることもできる。
【００２８】
また、チタンの代わりにチタン合金を用いてもよいし、アルミニウムの代わりにアルミニウム合金を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱電モジュールを示す図である。
【図２】ＰＮ素子対の第１の実施形態を示す図である。
【図３】ＰＮ素子対の第２の実施形態を示す図である。
【図４】ＰＮ素子対の第３の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…熱電モジュール、３０，４０…絶縁板、５０…Ｐ型素子、６０…Ｎ型素子、７０，７１，７２，７３…電極、８１，８２，９１，９２…アルミニウム層、８３，８４，９３，９４…チタン層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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