(57)【要約】  【課題】  熱電変換モジュールの高効率化・高出力化を実現することのできる熱電変換モジュールの製造方法を提供する。  【解決手段】  熱電変換モジュール１の製造方法は、焼結ダイ１０に、（１）金属層６、（２）ＦｅＳｉ2粉末、（３）金属層６を、（１）〜（３）の順に充填し、放電プラズマ焼結法にて焼結を行うことにより、ｐ型素子３とｎ型素子４をそれぞれ個別に作製する工程と、作製したｐ型素子３とｎ型素子４について、（１）金属層６および／または（３）金属層６を切削することにより、ｐ型素子３とｎ型素子４の高さを揃える工程と、高さを揃えたｐ型素子３とｎ型素子４の両端面に金属材７を塗布し、金属材７を介してｐ型素子３とｎ型素子４の両端面を金属電極５に接合する工程を含んでいる。ｐ型素子３とｎ型素子４をそれぞれ個別に作製する工程において、（１）金属層６および／または（３）金属層６の厚さは０．０５ｍｍ以上である。【選択図】  図１
2015050372.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のｐ型素子とｎ型素子を接合して熱電変換モジュールを製造する熱電変換モジュールの製造方法であって、
前記製造方法は、
焼結ダイに、（１）金属層、（２）ＦｅＳｉ2粉末、（３）金属層を、前記（１）〜（３）の順に充填し、放電プラズマ焼結法にて焼結を行うことにより、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程と、
作製した前記ｐ型素子と前記ｎ型素子について、前記（１）金属層および／または前記（３）金属層を切削することにより、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の高さを揃える工程と、
高さを揃えた前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の両端面に金属材を塗布し、前記金属材を介して前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の両端面を金属電極に接合する工程と、
を含み、
前記ｐ型素子と前記ｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程において、前記（１）金属層および／または前記（３）金属層の厚さが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項２】
前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の高さを揃える工程において、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の高さ方向のバラツキＲが０．０１以下である、請求項１に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項３】
前記ｐ型素子と前記ｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程において、前記（１）金属層および／または前記（３）金属層の厚さが０．５ｍｍ以上である、請求項１または請求項２に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項４】
複数のｐ型素子とｎ型素子が接合された熱電変換モジュールであって、
前記ｐ型素子と前記ｎ型素子は、焼結ダイに、（１）金属層、（２）ＦｅＳｉ2粉末、（３）金属層を、前記（１）〜（３）の順に充填し、放電プラズマ焼結法にて焼結を行うことにより、それぞれ個別に作製され、
作製された前記ｐ型素子と前記ｎ型素子について、前記（１）金属層および／または前記（３）金属層を切削することにより、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の高さが揃えられ、
高さが揃えられた前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の両端面に金属材が塗布され、前記金属材を介して前記ｐ型素子と前記ｎ型素子の両端面が金属電極に接合され、
前記ｐ型素子と前記ｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程において、前記（１）金属層および／または前記（３）金属層の厚さが０．０５ｍｍ以上であることを特徴とする熱電変換モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のｐ型素子とｎ型素子を接合して熱電変換モジュールを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールが知られている。熱電変換モジュールは、一般に、セラミックス基板上にｐ型半導体からなる熱電変換素子（ｐ型素子）とｎ型半導体からなる熱電変換素子（ｎ型素子）を交互に配列し、それらのｐ型素子とｎ型素子を電極で直列に接続した構造を有している。
【０００３】
そして、従来から、熱電変換モジュールで高い出力（発電出力）を得ることができるように、様々な提案がなされてきた。例えば、従来、金属熱源の温度勾配を少なくし、金属熱源とセラミックス基板との接触面積を増大させて、金属熱源から熱電変換モジュールへの入熱効果を上げ、高い発電出力を得ることができる熱電変換装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２３５８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の熱電変換装置では、金属熱源とセラミックス基板との接触面積（すなわち、熱電変換モジュール以外の構成）について高出力化のための工夫がされているものの、熱電変換モジュール自体の高出力化・高効率化については何らの工夫もされていなかった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、熱電変換モジュールの高出力化・高効率化をすることのできる熱電変換モジュールの製造方法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】
【０００７】
本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、複数のｐ型素子とｎ型素子を接合して熱電変換モジュールを製造する熱電変換モジュールの製造方法であって、製造方法は、焼結ダイに、（１）金属層、（２）ＦｅＳｉ2粉末、（３）金属層を、（１）〜（３）の順に充填し、放電プラズマ焼結法にて焼結を行うことにより、ｐ型素子とｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程と、作製したｐ型素子とｎ型素子について、（１）金属層および／または（３）金属層を切削することにより、ｐ型素子とｎ型素子の高さを揃える工程と、高さを揃えたｐ型素子とｎ型素子の両端面に金属材を塗布し、金属材を介してｐ型素子とｎ型素子の両端面を金属電極に接合する工程と、を含み、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程において、前記（１）金属層および／または前記（３）金属層の厚さが０．０５ｍｍ以上である。
【０００８】
これにより、複数のｐ型素子とｎ型素子を接合して間接接合型の熱電変換モジュールが製造される。この場合、ｐ型素子とｎ型素子の両端面に形成される（１）金属層と（３）金属層の一方または両方を切削することにより、ｐ型素子とｎ型素子の高さが揃えられる。そして、高さを揃えたｐ型素子とｎ型素子の両端面が金属材を介して金属電極に接合される。本発明によれば、ｐ型素子とｎ型素子の高さ方向のバラツキが抑えられるので、金属電極と熱源が密着するようになり、熱電変換モジュールの高効率化・高出力化が可能になる。さらに、ｐ型素子とｎ型素子を個別に作製する際に（１）金属層および／または（３）金属層の厚さが確保されるので、その（１）金属層および／または（３）金属層を切削してｐ型素子とｎ型素子の高さを揃える工程が容易になる。
【０００９】
また、本発明の熱電変換モジュール製造方法では、ｐ型素子とｎ型素子の高さを揃える工程において、ｐ型素子とｎ型素子の高さ方向のバラツキＲ が０．０１以下であってもよい。
【００１０】
これにより、ｐ型素子とｎ型素子の高さ方向のバラツキＲ（＝最大値−最小値）が０．０１以下に抑えられる。これにより、金属電極に素子全体が好適に密着するようになり、熱電変換モジュールの高効率化・高出力化が可能になる。
【００１１】
また、本発明の熱電変換モジュール製造方法では、ｐ型素子とｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程において、（１）金属層および／または（３）金属層の厚さが０．５ｍｍ以上であってもよい。
【００１２】
これにより、ｐ型素子とｎ型素子を個別に作製する際に（１）金属層および／または（３）金属層の厚さが十分に確保されるので、その（１）金属層および／または（３）金属層を切削してｐ型素子とｎ型素子の高さを揃える工程が容易になる。
【００１３】
本発明の熱電変換モジュールは、複数のｐ型素子とｎ型素子が接合された熱電変換モジュールであって、ｐ型素子とｎ型素子は、焼結ダイに、（１）金属層、（２）ＦｅＳｉ2粉末、（３）金属層を、（１）〜（３）の順に充填し、放電プラズマ焼結法にて焼結を行うことにより、それぞれ個別に作製され、作製されたｐ型素子とｎ型素子について、（１）金属層および／または（３）金属層を切削することにより、ｐ型素子とｎ型素子の高さが揃えられ、高さが揃えられたｐ型素子とｎ型素子の両端面に金属材が塗布され、金属材を介してｐ型素子とｎ型素子の両端面が金属電極に接合され、前記ｐ型素子と前記ｎ型素子をそれぞれ個別に作製する工程において、前記（１）金属層および／または前記（３）金属層の厚さが０．０５ｍｍ以上である。
【００１４】
これにより、上記と同様、ｐ型素子とｎ型素子の両端面に形成される（１）金属層と（３）金属層の一方または両方を切削することにより、ｐ型素子とｎ型素子の高さが揃えられている。そして、高さを揃えたｐ型素子とｎ型素子の両端面が金属材を介して金属電極に接合されている。本発明によれば、ｐ型素子とｎ型素子の高さ方向のバラツキが抑えられているので、金属電極と熱源が密着するようになり、熱電変換モジュールの高効率化・高出力化が可能になる。さらに、ｐ型素子とｎ型素子を個別に作製する際に（１）金属層および／または（３）金属層の厚さが確保されるので、その（１）金属層および／または（３）金属層を切削してｐ型素子とｎ型素子の高さを揃える工程が容易になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ｐ型素子とｎ型素子の高さ方向のバラツキが抑えられているので、金属電極と熱源が密着するようになり、熱電変換モジュールの高効率化・高出力化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの説明図
【図２】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法（カーボンペーパーの設置工程）の説明図
【図３】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法（ＦｅＳｉ2粉末の充填工程）の説明図
【図４】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法（金属層の挿入工程）の説明図
【図５】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法（ＳＰＳ法による焼結工程）の説明図
【図６】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法（熱電変換素子の切出し工程）の説明図
【図７】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの出力測定方法の説明図
【図８】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの出力測定結果
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態の熱電変換モジュールについて、図面を用いて説明する。本実施の形態では、発電装置等に用いられる熱電変換モジュールの場合を例示する。
【００１８】
＜熱電変換モジュール＞
本発明の実施の形態の熱電変換モジュールの構成を、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態の熱電変換モジュールの説明図である。図１に示すように、熱電変換モジュール１は、上下一対のセラミックス板２と、セラミックス板２（例えば、アルミナ板など）上に交互に配列される複数の熱電変換素子（ｐ型素子３とｎ型素子４）を備えている。ｐ型素子３とｎ型素子４は、金属電極５（例えば、Ｃｕ電極など）を介して直列に接続されている。
【００１９】
この場合、ｐ型素子３とｎ型素子４の両端面（図１における上下面）には、金属層６が設けられており、ｐ型素子３とｎ型素子４の金属層６と金属電極５との間には、金属材７が介在している。金属層６としては、例えば、銅、ニッケル、金、白金などの金属を材料とした、金属箔または金属板を用いることが可能である。また、金属材７としては、例えば銀ペースト、はんだ、ろう材などを用いることが可能である。このように、ｐ型素子３とｎ型素子４は、金属層６と金属ペースト７を介して、金属電極５に接合されている。なお、金属層６の厚さは、０．０５ｍｍ以上であることが望ましく、０．５ｍｍ以上であることが更に望ましい。
【００２０】
なお、図１では、説明の便宜のため、２個のｐ型素子３と２個のｎ型素子４のみしか図示されていないが、ｐ型素子３とｎ型素子４の数は、これに限定されず、それぞれ複数（２個以上）であればよい。例えば、熱電変換モジュール１は、８個のｐ型素子３と８個のｎ型素子４（８対の熱電変換素子）で構成することができる。
【００２１】
＜製造方法＞
次に、図２〜図６を参照して、熱電変換モジュール１の製造方法について説明する。図２に示すように、まず、円柱型のキャビティを有する焼結ダイ１０を用意し、焼結ダイ１０のキャビティの内周面にカーボンペーパー１１を設置する。
【００２２】
つづいて、図３に示すように、キャビティの下側から下部パンチ１２を挿入し、キャビティ内に熱電変換素子の材料となるＦｅＳｉ2粉末を充填する。この場合、ｐ型素子３とｎ型素子４は、それぞれ個別に作製される。ｐ型素子３の材料としては、ＦｅＳｉ2−４．１重量％Ｃｒを用い、ｎ型素子４の材料として、ＦｅＳｉ2−２．４重量％Ｃｏを用いた。その後、キャビティの上側から上部パンチ１３を挿入し、充填したＦｅＳｉ2粉末を軽く押し固める。ＦｅＳｉ2粉末を軽く押し固めるときの圧力は、例えば、０．１Ｍｐａ程度である。
【００２３】
つぎに、図４に示すように、上部パンチ１３をキャビティから取り外し、上側の金属層６とカーボンペーパー１４をキャビティ内に挿入し、その上側から上部パンチ１３をキャビティ内に挿入する。同様に、下部パンチ１２をキャビティから取り外し、下側の金属層６とカーボンペーパー１４をキャビティ内に挿入し、その下側から下部パンチ１２をキャビティ内に挿入する（図５参照）。
【００２４】
そして、図５に示すように、ハンドプレス機を用いて、上部パンチ１３と下部パンチ１２に圧力をかけて型締めを行う。そして、放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）により焼結を行う。型締めを行うときの圧力は、例えば、７０Ｍｐａであり、焼結を行うときの温度は、例えば、１０２３Ｋ（７５０℃）である。
【００２５】
このようにして、図６（左図）に示すような、円柱状の熱電変換素子（例えば、直径２０ｍｍ、高さ約５ｍｍ）が作製される。そして、低速精密カッターを用いて、円柱状の熱電変換素子から、図６（右図）に示すような、角柱状の熱電変換素子（例えば、縦３ｍｍ、横３ｍｍ、高さ５ｍｍ）が切り出される。
【００２６】
本実施の形態では、例えば、８対の熱電変換素子（８個のｐ型素子３と８個のｎ型素子４）が作製されるが、このとき、熱電変換素子の両端面の金属層６の一方または両方を切削することにより、８対の熱電変換素子の高さが精度良く揃えられる。金属層６としては、例えば、銀箔（厚さ０．０５ｍｍ）や銀板（厚さ０．５ｍｍ）が用いられる。そして、図１に示すように、セラミックス板２の上に金属電極５を接合し、熱電変換素子の両端面に金属材７を塗布して、金属材７を介して熱電変換素子と金属電極５を接合する。金属材７としては、例えば、銀ペーストが用いられる。
【００２７】
＜発電出力の測定＞
上記のように製造した熱電変換モジュール１（実施例）の発電出力を測定した。熱電変換モジュール１では、上下のセラミック基板に温度差が与えられると、ゼーベック効果により、その温度差が電圧に変換される（起電力が生じる）。そこで、本実施の形態では、図７に示すように、ヒーター２０と冷却プレート２１の間に熱電変換モジュール１を接合し、冷却装置（冷水循環装置）２２にて冷却プレート２１を冷やすとともに、ヒーター２０の電源２３を入れて電熱線２４に１００ｍＡの電流を流した。
【００２８】
このようにして、上下のセラミック基板に温度差を与えた状態で、熱電変換モジュール１に外部負荷抵抗（図視せず）をつけて、負荷抵抗を変化させたときの電流・電圧を測定し、最大電力量を求めた。図８には、その測定結果が示される。なお、バラツキＲは、以下の式により算出される。
バラツキＲ＝最大値−最小値
【００２９】
本実施例の熱電変換モジュール１は、上記のように、それぞれ個別に作製したｐ型素子３とｎ型素子４を接合した「間接接合型」である。図８には、実施例１として、金属層６として銀板（厚さ０．５ｍｍ）を用いた場合の熱電変換モジュールの測定結果を示し、実施例２として、金属層６として銀箔（厚さ０．０５ｍｍ）を用いた場合の熱電変換モジュールの測定結果を示した。この測定結果から、高さ寸法のバラツキＲを抑えたほうが、より高い最大電力量を得られることがわかる。
【００３０】
このように、本実施の形態の熱電変換モジュール１の製造方法によれば、ｐ型素子３とｎ型素子４の両端面に形成される金属層６の一方または両方を切削することにより、ｐ型素子３とｎ型素子４の高さが揃えられる。そして、高さを揃えたｐ型素子３とｎ型素子４の両端面が金属材７を介して金属電極５に接合される。本実施の形態によれば、ｐ型素子３とｎ型素子４の高さ方向のバラツキが抑えられるので、金属電極５に素子全体が密着するようになり、熱電変換モジュール１の高効率化・高出力化が可能になる。
【００３１】
また、本実施の形態では、ｐ型素子３とｎ型素子４の高さ方向のバラツキＲが０．０１以下に抑えられる。これにより、金属電極５に素子全体が好適に密着するようになり、熱電変換モジュール１の高効率化・高出力化が可能になる。
【００３２】
また、本実施の形態では、ｐ型素子３とｎ型素子４を個別に作製する際に金属層６の十分な厚さが確保されるので、その金属層６を切削してｐ型素子３とｎ型素子４の高さを揃える工程が容易になる。
【００３３】
以上、本発明の実施の形態を例示により説明したが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではなく、請求項に記載された範囲内において目的に応じて変更・変形することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
以上のように、本発明にかかる熱電変換モジュールの製造方法は、熱電変換モジュールの高効率化・高出力化を実現することができるという効果を有し、発電装置等の製造に用いられ、有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１  熱電変換モジュール
２  セラミックス板
３  ｐ型素子
４  ｎ型素子
５  金属電極
６  金属層（銀板）
７  金属材（銀ペースト）
１０  焼結ダイ
１１  カーボンペーパー
１２  下部パンチ
１３  上部パンチ
１４  カーボンペーパー
２０  ヒーター
２１  冷却プレート
２２  冷却装置（冷水循環装置）
２３  電源
２４  電熱線
【図１】
2015050372.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015050372.tif 000009
【図８】
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