(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の長軸方向の側面であって、前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の一方の端部側に配置された、複数の放熱フィンを含み、
前記複数の放熱フィンは、前記ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子の長軸方向に交差し、かつ前記ｐ型熱電変換素子と前記ｎ熱電変換素子とを連結しており、
前記ｐ型熱電変換素子は、管状の耐熱性絶縁材と、前記管状の耐熱性絶縁材の内部に充填されたｐ型熱電変換材料とを含み、かつ
前記ｎ型熱電変換素子は、管状の耐熱性絶縁材と、前記管状の耐熱性絶縁材の内部に充填されたｎ型熱電変換材料とを含む、熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記一方の端部は、前記熱電変換モジュールの起電中に冷却される端部である、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記放熱フィンは金属板である、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記放熱フィンはアルミニウム又は銅からなる、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、
前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の長軸方向の側面であって、前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の一方の端部側に配置された、複数の放熱フィンを含み、
前記複数の放熱フィンは、前記ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子の長軸方向に交差し、かつ前記ｐ型熱電変換素子と前記ｎ熱電変換素子とを連結しており、
前記放熱フィンは、複数の貫通孔を有する金属板であって、
前記複数の貫通孔のそれぞれに、前記ｐ型熱電変換素子又は前記ｎ型熱電変換素子が差し込まれている、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、熱電変換モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換素子は、ペルチェ効果、あるいはゼーベック効果を利用して、熱と電力とを変換する素子である。熱電変換素子は、構造が簡単で、かつ取扱いが容易で安定な特性を維持できることから、近年、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用いたとき、局所冷却および室温付近の精密な温度制御が可能である。そのため、オプトエレクトロニクス、半導体レーザなどの恒温化などに向けて広く研究が進められている。
【０００３】
前述のような電子冷却素子、或いは、熱電発電に用いる熱電変換モジュールは、図３に示すような構造を有する。図３に示される熱電変換モジュールは、ｐ型熱電変換素子（ｐ型半導体）５とｎ型熱電変換素子（ｎ型半導体）６とを接続電極（金属電極）７を介して接続したｐｎ素子対を、複数個直列に配列して構成されている。また、図３において、８、９は外部接続端子であり、１０はセラミック製の基板であり、Ｈは熱の流れる向きを示す矢印である（例えば、特許文献１参照）。ｐ型熱電変換素子５及びｎ型熱電変換素子６の一方の端部が加熱され、かつ他方の端部が冷却されることで、ｐｎ素子対を電流が流れる。
【０００４】
熱電変換素子の熱電変換材料は、当該素子の利用温度域で、物質固有の定数であるゼーベック係数αと比抵抗ρと熱伝導率Ｋによって表される性能指数Ｚ（＝α２／ρＫ）が大きな材料であることが好ましい。熱電変換材料として一般に用いられる結晶材の例には、Ｂｉ２Ｔｅ３系材料があるが、これら結晶材は著しい劈開性を有している。そのため、熱電変換素子を得るために、インゴットをスライシングしたり、ダイシングしたりすると、割れや欠けが生じる。そのために、熱電変換素子の製造歩留りが極めて低くなるという問題があることが知られている。
【０００５】
これを解決するために、１）所望の組成を有するように混合した材料粉末を加熱溶融し、２）加熱溶融物から、菱面体構造（六方晶構造）を有する熱電変換材料の固溶体インゴットを形成し、３）固溶体インゴットを粉砕して固溶体粉末を得て、４）固溶体粉末の粒径を均一化し、５）粒径を均一とした固溶体粉末を加圧焼結して、６）粉末焼結体を熱間で塑性変形させて展延することで、熱電変換素子を作製する方法が試みられている（例えば、特許文献２参照）。得られる熱電変換素子は、粉末焼結組織の結晶粒が性能指数の優れた結晶方位に配向されている。
【０００６】
また、従来の熱電変換素子モジュールの製造方法として、１）合金インゴットを製造し、２）合金インゴットを酸素濃度が１００ｐｐｍ以下の真空または不活性ガスの雰囲気で粉砕して、平均粉末粒径が０．１μｍ以上１μｍ未満である原料粉末とし、３）原料粉末に圧力を加えながら抵抗加熱により前記原料粉末を焼結させる方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。前記焼結では、パルス状の電流を流し、そのジュール熱により前記原料粉末を焼結し、１００ｋｇ／ｃｍ２以上１，０００ｋｇ／ｃｍ２以下（９．８ＭＰａ以上９８．１ＭＰａ以下）の圧力を焼結中に原料粉末に加える。この製造方法により、結晶粒径が微細で加工性に優れた熱電変換材料が製造される。
【０００７】
また、熱電変換モジュールには、放熱部材が設けられることがある（例えば、特許文献４〜１１を参照）。例えば、特許文献６，７および文献１０，１１には、熱電変換素子の端面（起電時に冷却される側の端面）に放熱フィンを設ける構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−００９４０５号公報
【特許文献２】特開平１１−２６１１１９号公報
【特許文献３】特開２００３−２９８１２２号公報
【特許文献４】特開２００５−２９４６９４号公報
【特許文献５】米国特許公報第２００５／０２１７７１４号
【特許文献６】国際公開第２００４／００１８６５号
【特許文献７】米国特許公報第２００５／０１７２９８１号
【特許文献８】特開平１１−４０８６４号公報
【特許文献９】特開２００６−９３４４０号公報
【特許文献１０】特開平９−９７９３０号公報
【特許文献１１】米国特許第５７２４８１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
熱電変換素子モジュールは、起電するために熱電変換素子に加熱部（高温部）と冷却部（低温部）とが必要であり、両者間の温度差を設ける必要がある。しかしながら、熱電変換素子の加熱部と冷却部とで温度差が生じると、熱膨張の差により、熱電変換素子と接続電極とに熱応力が発生する。そのため、大きな電位差を得ようとして加熱部と冷却部との温度差を高めると、熱電変換素子と接続電極との接合部分での応力が大きくなり、その接合信頼性が低下する。
【００１０】
本発明者は、熱電変換モジュールの冷却部またはその近傍に放熱フィンを配置することで、冷却部に蓄熱された熱を効率的に外部環境（たとえば外気）に放熱することを検討した。つまり、冷却部に近い部位に放熱フィンを設けて冷却部からの熱効率を高めることを検討した。
【００１１】
さらに、放熱フィンを複数設けることで、熱電変換モジュールの加熱部から冷却部への温度プロファイルを制御した。また、放熱フィンを補強材として、熱電変換モジュールの構造的強度を高めることを検討した。特に、構造的強度を高めることで配線部における応力（配線材と熱電変換素子との間に生じる応力）を抑制することを検討した。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明は、交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の長軸方向の側面であって、前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の一方の端部側に配置された、複数の放熱フィンを含む熱電変換モジュールを提供する。前記複数の放熱フィンは、前記ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子の長軸方向に交差し、かつ前記ｐ型熱電変換素子と前記ｎ熱電変換素子とを連結しており、前記ｐ型熱電変換素子は、管状の耐熱性絶縁材と、前記管状の耐熱性絶縁材の内部に充填されたｐ型熱電変換材料とを含み、かつ前記ｎ型熱電変換素子は、管状の耐熱性絶縁材と、前記管状の耐熱性絶縁材の内部に充填されたｎ型熱電変換材料とを含む。また、本発明は、交互に配列し、電気的に直列に接続される複数のｐ型熱電変換素子及び複数のｎ型熱電変換素子を含む熱電変換モジュールであって、前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の長軸方向の側面であって、前記複数のｐ型熱電変換素子と前記複数のｎ型熱電変換素子の一方の端部側に配置された、複数の放熱フィンを含み、前記複数の放熱フィンは、前記ｐ型熱電変換素子およびｎ型熱電変換素子の長軸方向に交差し、かつ前記ｐ型熱電変換素子と前記ｎ熱電変換素子とを連結しており、前記放熱フィンは、複数の貫通孔を有する金属板であって、前記複数の貫通孔のそれぞれに、前記ｐ型熱電変換素子又は前記ｎ型熱電変換素子が差し込まれている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱電変換モジュールによれば、起電中における熱電変換素子と接続電極との応力を緩和することで、接続信頼性の高い熱電変換モジュールを提供することができる。また、放熱フィンを、熱電変換モジュールを構成する熱電変換素子の位置決め部材とすることで、熱電変換モジュールの構造的強度を高めて、熱電変換素子の配列密度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱電変換モジュールの模式図
【図２】本発明の実施の形態１に係る熱電変換モジュールの製造工程の概略を示す図
【図３】従来の熱電変換モジュールを示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態１における熱電変換モジュールの模式図である。図１において、熱電変換モジュール１００は、ｐ型熱電変換素子２０４ｐとｎ型熱電変換素子２０４ｎと、均熱板１０３と、放熱フィン１０４と、配線材１０５、配線板２０８とを有する。
【００１７】
ｐ型熱電変換素子２０４ｐは、ｐ型熱電変換材料１０１ｐと、管状の耐熱性絶縁材１０２とを有する。ｎ型熱電変換素子２０４ｎは、ｎ型熱電変換材料１０１ｎと、管状の耐熱性絶縁材１０２とを有する。配線材１０５は、ｐ型熱電変換素子２０４ｐのｐ型熱電変換材料１０１ｐと、ｎ型熱電変換素子２０４ｎのｎ型熱電変換材料１０１ｎとを電気的に接続する。
【００１８】
このように、熱電変換素子２０４（２０４ｐおよび２０４ｎ）は、熱電変換材料１０１（１０１ｐと１０１ｎ）と管状の耐熱性絶縁材１０２とから構成され；配線材１０５は、熱電変換材料１０１の端面のみならず、管状の耐熱性絶縁材１０２の端面とも接合している。そのため、配線材１０５が熱電変換材料１０１とのみ接合している場合と比べて、配線材１０５と熱電変換素子２０４との接合力が強い。その結果、熱電変換素子２０４と配線材１０５との接合部分の信頼性が高まる。
【００１９】
また、熱電変換素子２０４は、熱電変換材料１０１と管状の耐熱性絶縁材１０２とから構成されているので、熱電変換モジュール１００において互いに密着した状態で配置されていても、互いに電気絶縁される。そのため、熱電変換モジュール１００における熱電変換素子２０４を高密度に配列しやすい。
【００２０】
一方で、耐熱性絶縁材で覆われていない熱電変換材料からなる熱電変換素子は、互いに接触すると電気導通してしまうため、確実に離間させなければならない。そのため、熱電変換材料からなる熱電変換素子は高密度に配列させにくく、取り出せる出力が小さくなる。
【００２１】
ただし、本発明の熱電変換モジュールにおける熱電変換素子２０４は、互いに離間していることが好ましい。熱電変換素子２０４に発生した熱を効率的に放熱するためである。互いに離間して配置された熱電変換素子２０４は、放熱フィン１０４で連結されている。
【００２２】
均熱板１０３は、熱伝導性の高い絶縁材料からなる板部材であればよい。熱伝導性の高い絶縁材料とは、セラミックまたは放熱フィラーを含むゴムなどでありうる。均熱板１０３には、配線材１０５が配置されていることが好ましい。均熱板１０３と配線材１０５とは、耐熱性の接着剤で接合されていてもよいし、均熱板１０３に成膜した金属膜をエッチングするなどして、配線材１０５をパターニング成形してもよい。
【００２３】
均熱板１０３は、熱電変換モジュール１００の起電時に高温部に接触して加熱される部位である。均熱板１０３は、熱電変換モジュール１００の高温部との接触部の温度を均一化する。高温部との接触部の温度を均一化することで、熱電変換モジュール１００に含まれる熱電変換素子２０４の起電力および熱輸送能力を均一にすることができる。
【００２４】
放熱フィン１０４は、熱伝導性の高い板であることが好ましく、例えば金属板である。放熱性の高い金属の例には、アルミニウム、銅などが含まれる。放熱フィン１０４は、熱電変換素子（２０４ｐおよび２０４ｎ）の両端部のうち、一方の端部側（図中右側）に配置される。
【００２５】
放熱フィン１０４を構成する放熱板は複数の貫通孔を有していることが好ましく（図２（ｅ）参照）、各貫通孔に、ｐ型熱電変換素子２０４ｐまたはｎ型熱電変換素子２０４ｎが差し込まれていることが好ましい。つまり、放熱フィン１０４は、熱電変換素子２０４の長軸方向と交差している。
【００２６】
また、熱電変換モジュール１００は、複数枚の放熱フィン１０４を有することが好ましい。放熱の効率を高めるためである。また、複数枚の放熱フィン１０４は、熱電変換モジュール１００の熱の流れ（図１中、右側から左側へ）に沿って、配列されていることが好ましい。熱電変換モジュール素子（２０４ｐおよび２０４ｎ）の温度プロフィールを最適化するためである。また、複数枚の放熱フィン１０４を設けることで、モジュールとしての構造的強度を高め、特に、配線材１０５と熱電変換素子２０４との間の応力によって生じる配線ずれを抑制することができる。
【００２７】
熱電変換モジュール１００を起電させるには、均熱板１０３を加熱すればよい。均熱板１０３を加熱することで、熱電変換素子（２０４ｐおよび２０４ｎ）の両端部のうち、他方の端部（図中左側）が加熱され；他方の端部と一方の端部（図中右側）との間に温度差が生じる。また、放熱フィン１０４は、一方の端部を冷却することができるので、より大きい温度差が生じ、熱電変換素子を流れる熱量が増大する。その結果、熱電変換モジュール１００の起電力が高まる。
【００２８】
このような構成を有する熱電変換モジュールは、高温部と低温部との温度差を大きくしやすく、高い起電力を有するだけでなく、温度差に起因する熱電変換素子と配線材との応力を緩和することができ、しかも熱電変換モジュールの機械的強度（構造的強度）が増大する。
【００２９】
図１の熱電変換モジュール１００を作製する方法の例を、図２を参照して説明する。まず、図２（ａ）に示される、中空筒状に構成された耐熱性絶縁材１０２を準備する。耐熱性絶縁材１０２はガラス、特に耐熱ガラス（ＳｉＯ２とＢ２Ｏ３を混合したホウケイ酸ガラスの一種で、熱膨張率は約３×１０−６／Ｋ程度の材料）であることが好ましい。一般に知られる耐熱ガラスの例には、コーニング社製のパイレックス（登録商標）ガラスが含まれる。本実施の形態では、全長Ｌが１５０ｍｍ、内径ｄ１と外径ｄ２がそれぞれ、１．８ｍｍ、３ｍｍである耐熱性絶縁材１０２を使用する。
【００３０】
次に、図２（ａ）の耐熱性絶縁材１０２の一端を真空ポンプ２０１と接続し、耐熱性絶縁材１０２の他端を、誘導コイル２０２によって加熱されたカーボン坩堝２０３内に配置する。カーボン坩堝２０３内には、溶融している熱電変換材料１０１が配置されている。本実施の形態における熱電変換材料１０１は、Ｂｉ２Ｔｅ３系材料とする。カーボン坩堝２０３は誘導コイル２０２によって加熱され、カーボン坩堝２０３の温度を、熱電変換材料１０１の融点よりも高い６００〜７００℃程度の温度領域に維持する。
【００３１】
耐熱性絶縁材１０２の他端から、カーボン坩堝２０３内で溶融している熱電変換材料１０１を吸引し、耐熱性絶縁材１０２の中空空間に充満させる。熱電変換材料１０１の吸引は、真空ポンプ２０１で耐熱性絶縁材１０２の中空空間を減圧することにより行われる。減圧の程度は、耐熱性絶縁材１０２の形状などによって異なるが、およそ−５０〜−１００ｋＰａの間で調整することが好ましい。
【００３２】
上述のように、耐熱性絶縁材１０２の中空空間中に熱電変換材料１０１を充満させることで、図２（ｃ）に示すような熱電変換素子２０４が形成される。
【００３３】
熱電変換材料１０１を吸い上げる条件によっては、熱電変換素子２０４の中空空間に熱電変換材料１０１を十分に充填されていない箇所が発生したり、熱電変換材料１０１の結晶性の不良となる箇所が発生したりする。そのため、必要に応じてこれを除去し、図２（ｄ）に示す形態の熱電変換素子２０４を得る。
【００３４】
ｐ型熱電変換材料１０１ｐとｎ型熱電変換材料１０１ｎとを用意して、それぞれカーボン坩堝２０３内に配置することで、ｐ型熱電変換素子２０４ｐとｎ型熱電変換素子２０４ｎとをそれぞれ得ることができる。
【００３５】
次に、図２（ｅ）に示されるように、複数の貫通孔を有する金属板（放熱フィン１０４となる）を複数枚用意する。その後、所定数のｐ型熱電変換素子２０４ｐとｎ型熱電変換素子２０４ｎとを交互に配列させる。このとき、放熱板の貫通孔に、ｐ型熱電変換素子２０４ｐとｎ型熱電変換素子２０４ｎとを差し込む。それにより、図２（ｆ）に示すように、熱電変換素子２０４の位置が決めされて固定される。
【００３６】
続いて、図２（ｇ）に示すように、均熱板１０３に形成された配線材１０５と、熱電変換素子２０４とを電気的に接続させる。更に、配線板２０８に形成された配線材１０５と、熱電変換素子２０４とを同様に接続することで、熱電変換モジュール１００を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
以上のように、本発明によれば、高密度な配列が可能となり、接続信頼性の高い素子特性を有する熱電変換モジュールを得ることが可能になる。従って、本発明の熱電変換モジュールは、種々の技術分野で、熱を直接電気に変換することが必要になる場合に広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１００  熱電変換モジュール
１０１  熱電変換材料
１０１ｐ  ｐ型熱電変換材料
１０１ｎ  ｎ型熱電変換材料
１０２  耐熱性絶縁材
１０３  均熱板
１０４  放熱フィン
１０５  配線材
２０１  真空ポンプ
２０２  誘導コイル
２０３  カーボン坩堝
２０４  熱電変換素子
２０４ｐ  ｐ型熱電変換素子
２０４ｎ  ｎ型熱電変換素子
２０８  配線板
【図１】
0005650770.tif 000002
【図２】
0005650770.tif 000003
【図３】
0005650770.tif 000004