(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一組の対向する配線基板の間に、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子を複数対組み合わせて前記配線基板を介して直列に接続するとともに線状又は面状に配列してなる熱電変換モジュールであって、前記線状又は面状の配列の外側端部に、前記Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子のうち、強度が高い熱電素子が配置されており、
前記強度が高い熱電素子の熱膨張係数は、前記強度が低い熱電素子の熱膨張係数より小さく、前記強度が低い熱電素子における前記配線基板の対向方向に沿う長さは、前記強度が高い熱電素子より短く、
前記強度が低い熱電素子と前記配線基板との間に、前記熱電素子より軟質材からなる導電性スペーサが設けられており、
前記軟質材は、純度９９．９９％以上の高純度アルミニウム、グラファイト、銀、導電性樹脂のいずれかであることを特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記Ｐ型熱電素子はマンガンシリサイドであり、前記Ｎ型熱電素子はマグネシウムシリサイドであることを特徴とする請求項１記載の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型熱電素子とＮ型熱電素子とを組み合わせて配列した熱電変換モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールは、一組の配線基板の間に、一対のＰ型熱電素子とＮ型熱電素子とを電極で接続状態に組み合わせたものを、Ｐ，Ｎ，Ｐ，Ｎの順に交互に配置されるように、電気的に直列に接続した構成とされ、両端を直流電源に接続して、ペルチェ効果により各熱電素子中で熱を移動させる（Ｐ形では電流と同方向、Ｎ形では電流と逆方向に移動させる）、あるいは、両配線基板間に温度差を付与して各熱電素子にゼーベック効果により起電力を生じさせるもので、冷却、加熱、あるいは、発電としての利用が可能である。
【０００３】
ところで、Ｐ型、Ｎ型の各熱電素子の熱電変換性能は、ＺＴと呼ばれる無次元の性能指数で表わされ、素子選定の目安になるが、同じ母材を用いたとしても、同じ使用温度環境でもＰ型とＮ型では必ずしも同じ熱電変換性能が出ない場合が多く、調整が必要である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、通常は横断面正方形の角柱状に形成される素子を、横断面長方形状に形成するとともに、Ｐ形、Ｎ形それぞれのキャリア濃度に応じて、双方で異なる形で形成することが記載されている。
特許文献２には、反りが生じた基板に熱電変換素子をはんだ付けする際に、基板と素子との間の距離に応じてはんだ層の厚さを異ならせることが記載されている。
【０００５】
同じ使用温度環境においてより近い熱電変換性能（ＺＴ）を得るために、Ｐ形及びＮ形の熱電素子を異種の母材により選択することも考えられるが、異種材料では素子結晶の強度、熱膨張係数なども異なるため、強度の低い素子のダメージが大きくなる（割れ等が優先的に発生する）。
【０００６】
そこで、特許文献３には、熱電素子と低温側あるいは高温側との間に、圧縮性の熱伝導層を介在させることが記載されている。
また、特許文献４には、熱電素子の結晶の配向を制御することにより、耐荷重強度を向上させることが記載されている。
しかしながら、いずれの場合でも、素子の割れ等を防止するには不十分である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−１２５７１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１５７３４８号公報
【特許文献３】特開２０１４−５０８４０４号公報
【特許文献２】特開２０１１−２９５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、強度の低い素子の割れ等の発生を防止し、異なる材質からなるＰ形、Ｎ形の熱電素子の使用を可能にして、安定した熱電変換性能を有する熱電変換モジュールを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の熱電変換モジュールは、一組の対向する配線基板の間に、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子を複数対組み合わせて前記配線基板を介して直列に接続するとともに線状又は面状に配列してなる熱電変換モジュールであって、前記線状又は面状の配列の外側端部に、前記Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子のうち、強度が高い熱電素子が配置されており、前記強度が高い熱電素子の熱膨張係数は、前記強度が低い熱電素子の熱膨張係数より小さく、前記強度が低い熱電素子における前記配線基板の対向方向に沿う長さは、前記強度が高い熱電素子より短く、前記強度が低い熱電素子と前記配線基板との間に、前記熱電素子より軟質材からなる導電性スペーサが設けられており、前記軟質材は、純度９９．９９％以上の高純度アルミニウム、グラファイト、銀、導電性樹脂のいずれかである。
【００１０】
この場合、配列の外側端部とは、線状配列の場合は両端であり、面状配列の場合は少なくとも周縁部の周方向に間隔をおいた複数箇所であって、均等位置であるのが好ましい。この熱電変換モジュールを金属や樹脂等でパッケージ化する際に圧縮荷重が作用するが、配列の外側に強度が高い熱電素子を配置したことにより、その荷重をこれら強度が高い熱電素子が配列の外側端部で支え、強度の低い熱電素子への負担を軽減して割れ等の発生を防止することができる。したがって、Ｐ型熱電素子及びＮ型熱電素子を異なる材質で形成するなど、材料の選択肢が広がり、両熱電素子の性能を揃えて安定した性能の熱電変換モジュールを得ることができる。
【００１２】
両熱電素子の熱膨張係数が異なると、膨張収縮量の違いにより、配線基板に貼り付けている熱電素子が剥がれる場合や、熱電素子にクラックが生じる場合がある。熱電素子が剥がれた場合や熱電素子にクラックが生じた場合には、電気が流れなくなったり、電気伝導度が大幅に低下して、モジュールが動作不能になったり、動作不能に至らなくても発電量が大幅に低下するという問題がある。
【００１３】
本発明においては、強度が高い熱電素子の熱膨張係数が強度の低い熱電素子の熱膨張係数よりも小さい場合には、強度の低い熱電素子の長さを強度が高い熱電素子よりも短くすることにより、使用環境での最高温度時に熱膨張が生じた場合に、予め長く設定された強度が高い熱電素子の熱膨張は小さいのに対して、それより短く強度が低い熱電素子の方が熱膨張が大きくなるので、強度が高い熱電素子の熱膨張により強度が低い熱電素子に引張応力が作用することを少なくすることができる。両者の熱電素子の長さが同じ場合には、温度の上昇とともに、熱膨張係数が大きく強度の低い熱電素子は圧縮応力を受け、圧縮応力が大きくなるとクラックが生じ、熱電素子が割れるおそれがある。
両熱電素子の長さの差は、使用環境での最高温度における両熱電素子の熱膨張差に合せるとよい。
【００１４】
前記強度が低い熱電素子の長さを前記強度が高い熱電素子より短く設定しているので、前記強度が低い熱電素子と前記配線基板との間に、前記熱電素子より軟質材からなる導電性スペーサが設けられている。
この熱電変換モジュールにおいて、前記Ｐ型熱電素子はマンガンシリサイドであり、前記Ｎ型熱電素子はマグネシウムシリサイドであるとよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の熱電変換モジュールによれば、強度の低い熱電素子の割れや配線基板との間の剥離等の発生を防止することができるので、異なる材質からなるＰ形、Ｎ形の熱電素子を組み合わせるなど、材料の選択肢が広がり、両熱電素子の性能を揃えて安定した熱電変換モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態の熱電変換モジュールの縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線の矢視方向の平断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ線に矢視方向の平断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態の熱電変換モジュールの図２同様の平断面図である。
【図５】第２実施形態の図３同様の平断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
第１実施形態の熱電変換モジュール１は、図１〜図３に示すように、一組の対向した配線基板２Ａ，２Ｂの間に、Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４を線状（一次元）に配列した構成である。簡便にするため、図１〜図３には、Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４が二対で配列された例を示しており、合計４個の熱電素子３，４が一列に並んで設けられる。この熱電変換モジュール１は、全体がケース５内に収容され、高温ガスが流れる高温側流路６と、冷却水が流れる低温側流路７との間に介在するように取り付けられる。
【００１８】
配線基板２Ａ，２Ｂは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、カーボン板、グラファイト板上に成膜したダイヤモンド薄膜基板等の熱伝導性の高い絶縁性セラミックス基板が用いられる。
Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４の材料としては、シリサイド系材料、酸化物系材料、スクッテルダイト（遷移金属とプニクトゲンの金属間化合物）、ハーフホイッスラー等を用いることができ、例えば、表１に示す組合せのものが用いられる。
【００１９】
【表１】
0006507745.tif 000002
【００２０】
これらの材料のうち、環境への影響が少なく、資源埋蔵量も豊富なシリサイド系材料が注目されており、本実施形態でもシリサイド系材料を用いて説明する。
シリサイド系材料であるマンガンシリサイド（ＭｎＳｉ1.73）、及びマグネシウムシリサイド（Ｍｇ２Ｓｉ）は、それぞれ母合金を作製して、ボールミルにて例えば粒径７５μｍ以下に粉砕後、プラズマ放電焼結、ホットプレス、熱間等方圧加圧法により例えば円盤状、角板状のバルク材を作製し、これを例えば角柱状に切断して熱電素子３，４とし、両端面にニッケルめっき等からなる端面電極（図示略）を形成する。
【００２１】
そして、セラミックス基板からなる一組の配線基板２Ａ，２Ｂの間に、マンガンシリサイドから構成されたＰ型熱電素子３と、マグネシウムシリサイドから構成されたＮ型熱電素子４とを並べて接続する。この場合、マンガンシリサイド（Ｐ型熱電素子３）と、マグネシウムシリサイド（Ｎ型熱電素子４）とでは、その圧縮強度が異なり、マンガンシリサイドが例えば室温で２３００ＭＰａ（５００℃で１２００ＭＰａ）であるのに対して、マグネシウムシリサイドは例えば室温で１０００ＭＰａ（５００℃で２６０ＭＰａ）である。そこで、両熱電素子３，４を線状に配列した第１実施形態では、両熱電素子３，４のうち、強度が高いＰ型熱電素子３を列の両端部に配置し、両配線基板２Ａ，２Ｂの間に、一端（図１の左端）からＰ型熱電素子３、Ｎ型熱電素子４、Ｎ型熱電素子４、Ｐ型熱電素子３の順に配列する。
【００２２】
また、これら熱電素子３，４は、例えば横断面が正方形（例えば、一辺が１ｍｍ〜８ｍｍ）の角柱状に形成されるが、Ｐ型熱電素子３を構成するマンガンシリサイドとＮ型熱電素子４を構成するマグネシウムシリサイドとで熱膨張係数が異なるため、両熱電素子３，４の長さ（配線基板２Ａ，２Ｂの対向方向に沿う長さ）は、使用環境温度において両熱電素子３，４がほぼ同じ長さになるように、熱膨張係数が大きいＮ型熱電素子４の長さはＰ型熱電素子３の長さよりも短く設定される。本実施形態において、Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４の長さは、約６ｍｍに設定されるが、両熱電素子３，４の熱膨張係数の差及び使用環境温度に応じて長さに若干の差が設定される。例えば、マンガンシリサイド（Ｐ型熱電素子３）の熱膨張係数が１０．８×１０−６／Ｋで、マグネシウムシリサイド（Ｎ型熱電素子４）の熱膨張係数が１２．５×１０−６／Ｋであり、使用環境での最高温度が５００℃の場合、約０．００８ｍｍの差で形成される。
【００２３】
これら両熱電素子３，４を直列に接続するため、一方の配線基板である図１の上側の第１配線基板２Ａには、図２に示すように、隣合うＰ型熱電素子３とＮ型熱電素子４との二つの対ごとにそれぞれ接続する平面視長方形状の２個の電極部１１が形成され、他方の配線基板である図１の下側の第２配線基板２Ｂには、図３に示すように、各熱電素子３，４の個々に接続される平面視正方形状の４個の電極部１２と、第１配線基板２Ａの電極部１１により接続状態となる各対の両熱電素子３，４のうち、一方の対のＮ型熱電素子４と他方の対のＰ型熱電素子３とを接続状態とする内部配線部１３と、一方の対のＰ型熱電素子３及び他方の対のＮ型熱電素子４をそれぞれ外部に接続するための外部配線部１４Ａ，１４Ｂとが形成されている。
【００２４】
これら電極部１１，１２は、銅、アルミニウム、あるいはこれらの積層板が配線基板２Ａ，２Ｂに接合されることにより形成されている。電極部１１，１２の大きさは、熱電素子３，４の大きさに応じて適宜設定される。本実施形態では、４ｍｍ四方の横断面の熱電素子３，４に対して、電極部１１が５ｍｍ×１０ｍｍの長方形、電極部１２が４．５ｍｍ四方の正方形に形成されている。電極部１１，１２の厚さは、０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲とすることができ、本実施形態では、厚さが０．３ｍｍに形成される。なお、配線基板２Ａ，２Ｂは、各電極部１１，１２の間、及び周囲に幅２ｍｍ以上のスペースを確保できる程度の平面形状に形成され、厚さは、例えば、窒化アルミニウム、アルミナの場合は０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲で、窒化ケイ素の場合は０．０５ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲とすることができる。本実施形態では、配線基板２Ａ，２Ｂとして窒化アルミニウムからなるセラミックス板を用い、大きさは３０ｍｍ×１２．５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍで形成されている。
また、配線部１３，１４Ａ，１４Ｂは、例えば、銅やアルミニウムからなる線材により形成される。幅は０．３ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲とされ、厚さは０．０５ｍｍから４．０ｍｍの範囲のものを用いることできる。本実施形態では、銅からなる幅１ｍｍ、厚さ２ｍｍの線材を用いた。
【００２５】
そして、両配線基板２Ａ，２Ｂの間に熱電素子３，４を接続することにより、両外部配線部１４Ａ，１４Ｂの間で各熱電素子３，４が直列に接続されるようになっている。
【００２６】
また、前述したように、使用温度環境での熱膨張差に応じて、Ｐ型熱電素子３とＮ型熱電素子４との長さに差を設けたので、長さが短いＮ型熱電素子４と一方の配線基板（例えば第１配線基板２Ａ）の電極部１１との間には、図１に示すように、その隙間を埋める導電性材料スペーサ１５が設けられる。この導電性スペーサ１５は、純度９９．９９％以上の高純度アルミニウム、グラファイト、銀等からなるものが用いられ、使用環境温度が低い場合には導電性樹脂等も用いられる。熱膨張時の応力緩和のために、熱電素子３，４より軟質材である高純度アルミニウムやグラファイト等で形成するのが好ましい。
【００２７】
そして、両配線基板２Ａ，２Ｂが相互に平行に配置され、その間で各電極部１１，１２間に熱電素子３，４が銀接合材等を用いて接合され、ステンレス鋼等により形成したケース５内に気密に収容され、内部を真空又は減圧状態に保持してパッケージ化され熱電変換モジュール１が製出される。
このパッケージ化の際に、各熱電素子３，４に圧縮荷重が作用するが、本実施形態では、強度が高いＰ型熱電３を列の両端部に配置したことにより、強度が高い熱電素子３が、配列の両端位置で荷重を支え、強度の低い熱電素子４への荷重の負荷を軽減して割れ等の発生を防止することができる。なお、外部配線部１４Ａ，１４Ｂは、ケース５に対して絶縁状態で外部に引き出される。
【００２８】
このように構成した熱電変換モジュール１は、両配線基板２Ａ，２Ｂのうちの一方の配線基板２Ａ側に外部の熱源として図示例の場合には内燃機関の排ガス等の高温流体が矢印で示すように流通する高温側流路６が接触され、他方の配線基板２Ｂ側に熱媒体として冷却水が流通する低温側流路７が接触される。これにより、各熱電素子３，４に両配線基板２Ａ，２Ｂの温度差に応じた起電力が発生し、配列の両端の外部配線部１４Ａ，１４Ｂ間に、各熱電素子３，４に生じる起電力の総和の電位差を得ることができる。なお、高温側流路６内には、棒状の放熱フィン８ａを有するヒートシンク８が設けられ、この放熱フィンを配線基板２Ａに向けて押圧するバネ等の弾性部材９が設けられている。
【００２９】
この使用環境において、両熱電素子３，４の熱膨張に差が生じるが、その熱膨張差に応じて、予め、熱膨張係数が大きいＮ型熱電素子４の長さがＰ型熱電素子３の長さよりも短く設定されているので、使用環境温度においては両熱電素子３，４の長さがほぼ等しくなり、したがって、強度が低いＮ型熱電素子４にＰ型熱電素子３の熱膨張に起因する引張応力が作用することを抑制することができ、熱電素子の割れや配線基板２Ａ，２Ｂとの間の剥離等の発生を防止することができる。
【００３０】
図４及び図５は、Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４を面状（二次元）に配列した第２実施形態の熱電変換モジュール２１を示している。この第２実施形態において、第１実施形態の図１に相当する図面は省略するが、縦断面構造は図１とほぼ同様であり、必要に応じて、図１も参照しながら説明する。
【００３１】
この熱電変換モジュール２１は、一組の配線基板２２Ａ，２２Ｂの間に、Ｐ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４が合計８対設けられており、４列×４行の正方形の平面配置とされている。そして、その正方形の四隅に強度が高いＰ型熱電素子３が配置されるように配列されている。この図４及び図５に示す例では、正方形の中央部にもＰ型熱電素子３が集合して配置されているが、四隅にＰ型熱電素子３が配置されていれば、中央部については、この図の配置に限定されるものではない。
【００３２】
そして、両配線基板２２Ａ，２２Ｂのうちの第１配線基板２２Ａには、図４に示すように、隣合うＰ型熱電素子３とＮ型熱電素子４との対ごとにそれぞれ接続する合計８個の平面視長方形状の電極部１１が形成されている。一方、第２配線基板２２Ｂには、図５に示すように、１個のＰ型熱電素子３又はＮ型熱電素子４を単独で接続する平面視正方形状の電極部１２が８個形成されるとともに、第１配線基板２２Ａとは異なる対の２個のＰ型熱電素子３及びＮ型熱電素子４を接続状態とする平面視長方形状の電極部２３が４個形成されている。また、平面視正方形状の８個の電極部１２のうち、６個の電極部１２は、２個ずつ対になって内部配線部２４によって斜めに接続されており、第１配線基板２２Ａの電極部１１により接続状態となる対の熱電素子とは異なる組み合わせでＰ型熱電素子３とＮ型熱電素子４とが接続されるようになっている。
【００３３】
また、第２配線基板２２Ｂの単独で設けられている残る２個の電極部１２には、外部配線部２５Ａ，２５Ｂが形成され、両配線基板２２Ａ，２２Ｂ間に熱電素子３，４を接続することにより、両外部配線部２５Ａ，２５Ｂ間に各熱電素子３，４が直列に接続されるようになっている。
なお、両配線基板２２Ａ，２２Ｂは、各熱電素子３，４が第１実施形態と同じ諸寸法の場合、例えば３０ｍｍ四方の正方形に形成される。また、四隅にＰ型熱電素子３が配置されていれば、各電極部の形状、接続順序等の具体的接続形態は、図示例のものに限るものではない。
【００３４】
また、Ｐ型熱電素子３とＮ型熱電素子４とは第１実施形態の場合と同じ材質のもので形成されており、これら熱電素子３，４の熱膨張係数の差及び使用環境温度に応じて、Ｎ型熱電素子４がＰ型熱電素子４よりも長さが短く設定され、Ｐ型熱電素子３と電極部との間に、第１実施形態の場合と同様、その隙間を埋める導電性スペーサ（図４及び図５では略、図１参照）が設けられる。
【００３５】
両配線基板２２Ａ，２２Ｂが相互に平行に配置され、その間で電極部１１と、電極部１２，２３，２４との間に熱電素子３，４が銀接合材等を用いて接合され、ステンレス鋼等により形成したケース内に気密に収容され（図１参照）、内部を真空又は減圧状態に保持して熱電変換モジュール２１が構成される。そして、図１の場合と同様、両配線基板２２Ａ，２２Ｂのうちの一方の配線基板２２Ａ側に外部の高温側流路が接続され、他方の配線基板２２Ｂ側に冷却側流路が接触されることにより、外部配線部２５Ａ，２５Ｂ間に、各熱電素子３，４に生じる起電力の総和の電位差を得ることができる。
【００３６】
この第２実施形態の熱電変換モジュール２１においても、強度が高いＰ型熱電素子３が、四隅で荷重を支え、強度の低いＮ型熱電素子４への荷重の負荷を軽減しているので、その割れ等の発生を防止することができる。また、熱膨張係数が大きいＮ型熱電素子４の長さがＰ型熱電素子３の長さよりも短く設定されているので、使用温度環境においては両熱電素子３，４の長さがほぼ等しくなり、強度が低いＮ型熱電素子４に割れや配線基板２２Ａ，２２Ｂとの間の剥離等の発生を防止することができる。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記以外の種々の変更を加えることも可能である。
両熱電素子を面状に配列する場合、平面視正方形となる配置だけでなく、平面視が長方形、円形等となる配置としてもよい。その場合、周縁部における周方向に適宜の間隔をおいた複数箇所に強度が高い熱電素子が配置されればよく、均等に配置するのが好ましい。
また、各熱電素子の横断面形状も正方形としたが、長方形、円形等に形成してもよい。
【００３８】
さらに、強度の高い熱電素子の熱膨張係数が強度の低い熱電素子の熱膨張係数より小さい場合について説明したが、逆に、強度の高い熱電素子の熱膨張係数が強度の低い熱電素子の熱膨張係数より大きい場合は、両熱電素子の長さを同じに設定しておいてもよい。
また、両配線基板を高温側流路又は低温側流路に接触させたが、必ずしも流路構成のものに限らず、熱源と冷却媒体とに接するものであればよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  熱電変換モジュール
２Ａ，２Ｂ  配線基板
３  Ｐ型熱電素子
４  Ｎ型熱電素子
５  ケース
６  高温側流路
７  低温側流路
８  ヒートシンク
８ａ  放熱フィン
９  弾性部材
１１，１２  電極部
１３  内部配線部
１４Ａ，１４Ｂ  外部配線部
１５  導電性スペーサ
２１  熱電変換モジュール
２２Ａ，２２Ｂ  配線基板
２３，２４  電極部
２４ａ  個別電極部
２４ｂ  内部配線部
【図１】
0006507745.tif 000003
【図２】
0006507745.tif 000004
【図３】
0006507745.tif 000005
【図４】
0006507745.tif 000006
【図５】
0006507745.tif 000007