(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子の対である熱電変換素子対が複数個、絶縁層に埋め込まれており、前記絶縁層の表面および裏面が伝熱面として機能する熱電変換モジュールにおいて、
前記絶縁層が、山部と谷部とが交互に繰り返される波板状の形状を有していること
を特徴とする熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記絶縁層の、山部および谷部を構成する各傾斜面に、複数の前記熱電変換素子対が配設されてい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。
【請求項３】
前記複数の前記熱電変換素子対が、前記絶縁層の内部において所定の態様で電気的に接続されていることを特徴とする、請求項１または２記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子の対である熱電変換素子対が複数個、絶縁層に埋め込まれており、前記絶縁層の表面および裏面が伝熱面として機能する熱電変換モジュールの製造方法であって、
(ａ)絶縁層用のグリーンシートに複数の貫通孔を形成する工程と、
(ｂ)複数の前記貫通孔のうち対応する貫通孔に、Ｐ型熱電変換材料またはＮ型熱電変換材料を充填する工程と、
(ｃ)複数枚の前記グリーンシートを積層する工程を経て、複数の熱電変換素子対が埋め込まれ、かつ、各熱電変換素子対が所定の順序で電気的に接続された構造を有する未焼成積層体を形成する工程と、
(ｄ)前記未焼成積層体を波板状に成形する工程と
を具備す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５】
山部と谷部とが繰り返し形成された金型を用いてプレス加工することにより、前記未焼成積層体を波板状の形状に成形することを特徴とする、請求項４記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【請求項６】
前記未焼成積層体を形成する工程において、表裏の両面側に、前記Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子と導通する電極の配設されていない未焼成積層体を形成することを特徴とする、請求項４または５記載の熱電変換モジュールの製造方法。
【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およびその製造方法に関し、詳しくは、単位面積あたりの出力を高くすることを可能にした熱電変換モジュールおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化防止のため、二酸化炭素の削減が重要な課題となるに至り、熱を直接電気に変換することが可能な熱電変換素子が、有効な廃熱利用技術の一つとして着目されている。
【０００３】
そして、これらの熱電変換素子の一つに、Ｐ型熱電半導体およびＮ型熱電半導体と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層体に形成された、複数の第１の収容穴にＰ型熱電半導体を収容するとともに、複数の第２の収容穴にＮ型熱電半導体を収容し、これらのＰ型熱電半導体とＮ型熱電半導体から形成された複数の熱電変換素子対を、配線導体によって任意に電気的に接続することができるようにした熱電変換モジュールが提案されている（特許文献１参照）。
【０００４】
そして、この熱電変換モジュールによれば、複数の熱電変換素子対を、積層体に設けられる配線導体によって任意に電気的に接続することが可能で、比較的高い自由度をもって、熱電変換モジュールの設計を行なうことができるため、種々の特性を有する熱電変換モジュールを実現することが容易になるという作用効果が得られる。
【０００５】
ところで、熱電変換素子の発電能力は、材料の熱電変換特性や素子に与える温度差によって決まるが、熱電変換材料の占有率（熱電変換素子に生じる温度差の方向に対し、垂直な面における熱電変換材料部が占める面積の割合）の影響も大きく、熱電変換材料の占有率を大きくすることにより、熱電変換素子の単位面積当りの発電能力を高めることができる。
【特許文献１】特許第３８７９７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、積層構造を有する平坦な絶縁体（積層体）中に熱電変換素子対を配設した構造を有する上記従来の熱電変換モジュールの場合、熱電変換素子対を積層体にいかに高密度に配設したとしても、熱電変換素子対の配設密度を高めるのには制約がある。すなわち、平坦な絶縁体（積層体）に、平面的にいくら高密度に熱電変換素子対を配設したとしても、配設密度の向上には、平面面積上の限界がある。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、従来の熱電変換モジュールに比べて、単位平面面積あたりの熱電変換素子対の配設密度を高めることが可能で、単位面積あたりの出力をさらに向上させることが可能な熱電変換モジュールおよびそ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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の熱電変換モジュールは、
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子の対である熱電変換素子対が複数個、絶縁層に埋め込まれており、前記絶縁層の表面および裏面が伝熱面として機能する熱電変換モジュールにおいて、
前記絶縁層が、山部と谷部とが交互に繰り返される波板状の形状を有していること
を特徴としている。
【０００９】
本発明の熱電変換モジュールにおいては、前記絶縁層の、山部および谷部を構成する各傾斜面に、複数の前記熱電変換素子対が配設されていることが望ましい。
【００１０】
また、前記複数の前記熱電変換素子対は、前記複数の前記熱電変換素子対が、前記絶縁層の内部において所定の態様で電気的に接続されていることが望ましい。
【００１１】
また、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子の対である熱電変換素子対が複数個、絶縁層に埋め込まれており、前記絶縁層の表面および裏面が伝熱面として機能する熱電変換モジュールの製造方法であって、
(ａ)絶縁層用のグリーンシートに複数の貫通孔を形成する工程と、
(ｂ)複数の前記貫通孔のうち対応する貫通孔に、Ｐ型熱電変換材料またはＮ型熱電変換材料を充填する工程と、
(ｃ)複数枚の前記グリーンシートを積層する工程を経て、複数の熱電変換素子対が埋め込まれ、かつ、各熱電変換素子対が所定の順序で電気的に接続された構造を有する未焼成積層体を形成する工程と、
(ｄ)前記未焼成積層体を波板状に成形する工程と
を具備することを特徴としている。
【００１２】
また、本発明においては、山部と谷部とが繰り返し形成された金型を用いてプレス加工することにより、前記未焼成積層体を波板状の形状に成型することが望ましい。
【００１３】
また、前記未焼成積層体を形成する工程において、表裏の両面側に、前記Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子と導通する電極の配設されていない未焼成積層体を形成することが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子からなる複数の熱電変換素子対が埋め込まれた絶縁層を、山部と谷部とが交互に繰り返される波板状の形状とすることにより、絶縁層が平坦な構造を有している場合に比べて、単位平面面積あたりの熱電変換素子対の配設密度を高めることが可能になるとともに、平面面積に対する熱電変換面積（伝熱面の面積）の割合を高めることが可能になる。その結果、単位面積あたりの出力の大きい熱電変換モジュールを提供することが可能になる。
【００１５】
また、絶縁層の、山部または谷部を構成する各傾斜面に、複数の熱電変換素子対を配設するようにした場合、例えば、主として山部や谷部に熱電変換素子対を配設するようにした場合に比べて、確実に熱電変換素子を高密度に配置することが可能になり、本発明をより実効あらしめることができる。
【００１６】
また、複数の熱電変換素子対が、絶縁層の内部において所定の態様で電気的に接続された構造とすることにより、例えば、導体と接するように配設することも可能な、使用環境に対する制約の少ない熱電変換モジュールを提供することが可能になる。
【００１７】
また、本発明の熱電変換モジュールの製造方法のように、絶縁層用のグリーンシートに複数の貫通孔を形成し、対応する貫通孔に、Ｐ型熱電変換材料およびＮ型熱電変換材料を充填した後、複数枚のグリーンシートを積層する工程を経て、複数の熱電変換素子対が埋め込まれ、かつ、各熱電変換素子対が所定の順序で電気的に接続された構造を有する未焼成積層体を形成し、この未焼成積層体を波板状に成形することにより、波板状の絶縁層と、絶縁層に埋め込まれた複数の熱電変換素子対とを備え、絶縁層の表面および裏面が伝熱面として機能する熱電変換モジュールを効率よく製造することが可能になる。
【００１８】
また、本発明においては、山部と谷部とが繰り返し形成された金型を用いて未焼成積層体をプレス加工することにより、容易に波板状の絶縁層を備えた本発明の熱電変換モジュールを製造することができる。
【００１９】
また、未焼成積層体を形成するにあたって、表裏の両面側に、Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子と導通する電極の配設されていない未焼成積層体を形成することにより、例えば、導体と接するように配設することも可能な、使用環境に対する制約の少ない熱電変換モジュールを得ることが可能になり、有意義である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に本発明の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。
【実施例】
【００２１】
図１は、本発明の一実施例にかかる熱電変換モジュールの構成を模式的に示す平面図、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
【００２２】
この熱電変換モジュール１０は、図１および図２に示すように、絶縁層１と、絶縁層１に埋め込まれた、Ｐ型熱電変換素子２１とＮ型熱電変換素子２２からなる複数の熱電変換素子対２０とを備えている。また、絶縁層１の表面２および裏面３が伝熱面として機能するように構成されている。
【００２３】
そして、絶縁層１は、山部１１と谷部１２とが交互に繰り返される波板状の形状に構成されている。また、絶縁層１の、山部１１、谷部１２を構成する各傾斜面１３（図２）には、複数の熱電変換素子対２０が配設されている。
【００２４】
さらに、絶縁層１に配設された複数の熱電変換素子対２０は、絶縁層１の内部において電極３０により直列接続になるように電気的に接続されている。
また、図１，２には特に示していないが、絶縁層１の両端面の所定の位置には内部電極が引き出され、露出した内部電極と導通するように外部電極が配設されている。
【００２５】
上述のように構成されたこの実施例１の熱電変換モジュール１０は、Ｐ型熱電変換素子２１とＮ型熱電変換素子２２からなる複数の熱電変換素子対２０が埋め込まれた絶縁層１が、山部１１と谷部１２とが交互に繰り返される波板状の形状を有しているので、絶縁層１が平坦な構造を有している場合に比べて、単位平面面積あたりの熱電変換素子対２０の配設割合が高くなるとともに、平面面積に対する熱電変換面積（伝熱面の面積）の割合が高くなる。そのため、単位面積あたりの出力の大きい熱電変換モジュールを得ることができる。
【００２６】
また、絶縁層１の、山部１１または谷部１２を構成する各傾斜面１３に、複数の熱電変換素子対２０が配設されているため、絶縁層１が平坦な構造を有している場合はもとより、主として山部１１や谷部１２に熱電変換素子対２０を配設するようにした場合に比べても、熱電変換素子対２０を高密度に配置することが可能で、単位面積あたりの出力の向上を実現することができる。
【００２７】
また、この実施例の熱電変換モジュールの場合、熱電変換素子対２０が、絶縁層１の内部において電極３０により直列接続になるように電気的に接続されており、表裏の両面側に、Ｐ型熱電変換素子２１およびＮ型熱電変換素子２２と導通する電極が配設されていないため、例えば、熱電変換モジュールを導体と接するように配設することが可能で、使用環境に対する制約の少ない熱電変換モジュール１０を提供することができる。
【００２８】
次に、この実施例の熱電変換モジュールの製造方法について説明する。
この実施例では、上記熱電変換モジュールを製造するにあたり、まず、
ａ)Ｐ型熱電変換材料としてＣｕの粉末材料、
ｂ)Ｎ型熱電材料としてコンスタンタンの粉末材料、
ｃ)電極としてＣｕ電極材料、
ｄ)絶縁層を構成する絶縁材料としてアルミナなどを主成分とする絶縁性セラミックグリーンシート
をそれぞれ用意した。
【００２９】
そして、上記の絶縁性セラミックグリーンシートに、レーザー加工法により、Ｐ型熱電変換材料およびＮ型熱電変換材料を充填するためのビアホール（貫通孔）をそれぞれ所定個数形成した。
【００３０】
次いで、Ｐ型熱電変換材料粉末を用いて作製したペーストおよびＮ型熱電変換材料粉末を用いて作製したペーストを所定のビアホールに充填した。
なお、この実施例では、Ｐ型およびＮ型熱電変換材料を充填するためのビアホールを形成するにあたって、ビアホールの直径を０．４ｍｍ、ビアホールのピッチ（中心間隔）を０．７ｍｍとした。
【００３１】
その後、熱電変換材料を充填した絶縁性セラミックグリーンシートを６００μｍ厚さまで積層し、さらに、積層された絶縁性セラミックグリーンシートと対向する面側に所定の回路パターンが形成された、厚みが２００μｍの絶縁性セラミックグリーンシートを配設した後、所定の圧力で圧着して未焼成積層体を得た。
なお、上記回路パターンは、Ｐ型熱電変換材料（素子）とＮ型熱電変換材料（素子）を接続するとともに、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子からなる熱電変換素子対を直列接続する電極として機能するものである。この実施例では、Ｃｕペーストを絶縁性セラミックグリーンシートの表面にスクリーン印刷することにより上記の回路パターンを形成した。
【００３２】
次に、この積層体を所定の大きさに切り出し、平坦なプレート状の未焼成積層体を得た。それから、伝熱方向の垂線に対し、３０°の角度となる傾斜面を有する山部と谷部を備えた金型を用いて一軸加圧（プレス加工）を行い、図３，図４に示すような、波板状の未焼成熱電変換モジュール１０ａを作製した。なお、この未焼成熱電変換モジュール１０ａは、伝熱方向の垂線Ｌに対し、θ＝３０°の角度となる傾斜面を有する山部１１ａと谷部１２ａを備えており、未焼成絶縁層（絶縁性セラミックグリーンシートの積層体）１ａの、山部１１ａ、谷部１２ａを構成する各傾斜面１３ａ（図３，４）には、複数の未焼成の熱電変換素子対２０ａが配設された構造を有している。
【００３３】
また、同様に、伝熱方向の垂線に対し、４５°の角度となる傾斜面を有する山部と谷部を備えた金型とを用いて一軸加圧し、図５，図６に示すような、波板状の未焼成熱電変換モジュール１０ａを作製した。なお、この未焼成熱電変換モジュール１０ａは、伝熱方向の垂線Ｌに対し、θ＝４５°の角度となる傾斜面を有する山部１１ａと谷部１２ａを備えており、未焼成絶縁層（絶縁性セラミックグリーンシートの積層体）１ａの、山部１１ａ、谷部１２ａを構成する各傾斜面１３ａ（図５，６）には、複数の熱電変換素子対２０ａが配設された構造を有している。
【００３４】
なお、この実施例では、図３，４、および図５，６に示す未焼成熱電変換モジュールとして、伝熱方向に平行な方向からみた寸法（平面視寸法）が、３０ｍｍ×３０ｍｍのものを作製した。
【００３５】
次に、未焼成熱電変換モジュール（積層体）の両端面に露出した電極（内部電極）と導通するように、外部電極形成用のＣｕペーストを塗布した後、還元雰囲気中９００〜９９０℃で焼成することにより、
１)伝熱方向の垂線Ｌに対し、θ＝３０°の角度となる傾斜面１３を有する山部１１と谷部１２を備えた熱電変換モジュール（実施例の試料１）（図１，２参照）と、
２)伝熱方向の垂線Ｌに対し、θ＝４５°の角度となる傾斜面を有する山部と谷部を備えた熱電変換モジュール（実施例の試料２（図５，６参照））
を作製した。
なお、上述のように、未焼成の段階で平面視寸法が、３０ｍｍ×３０ｍｍの未焼成熱電変換モジュールを焼成することにより得られた、上記試料１および２の波板状の形状を有する熱電変換モジュールの平面視寸法は、ほぼ２５ｍｍ×２５ｍｍであった。
【００３６】
また、比較のため、図７，図８に示すように、平面型（傾斜角度０゜）の未焼成熱電変換モジュール（積層体）（平面視寸法：３０ｍｍ×３０ｍｍ）１０ａを作製した。そして、両端面に露出した電極（内部電極）と導通するように、外部電極形成用のＣｕペーストを塗布した後、還元雰囲気中９００〜９９０℃で焼成することにより、平面視寸法がほぼ２５ｍｍ×２５ｍｍの熱電変換モジュール（比較例の試料）を作製した。
なお、図７，８において、図３〜図６と同一符号を付した部分は同一または相当する部分を示している。
【００３７】
なお、上述のようにして作製した各熱電変換モジュール（平面視寸法：２５ｍｍ×２５ｍｍ）を構成する絶縁層に形成されたビアホールの数（すなわち、熱電変換素子の数）は以下の通りである。
（実施例の試料１）
図３のＸ方向：４０個，図３のＹ方向：５６個、全体で２２４０個
（実施例の試料２）
図５のＸ方向：４０個，図５のＹ方向：４４個、全体で１７６０個
（比較例の試料）
図７のＸ方向：４０個，図７のＹ方向：４０個、全体で１６００個
【００３８】
［特性の評価］
上述のようにして作製した実施例１，２の試料と、比較例の試料（熱電変換モジュール）の上面と下面に温度差を与え、起電力（出力電圧）と出力電力を測定した。ここで、熱電変換モジュールの上面と下面に温度差を与えるにあたって、高温部はヒーターによる加熱、低温部はファンによる空冷を実施した。
起電力（出力電圧）と出力電力の測定結果を表１に示す。
【００３９】
【表１】
0005126518.tif 000002
【００４０】
表１に示すように、平面型の比較例の試料（熱電変換モジュール）の場合、平面視寸法が２５ｍｍ×２５ｍｍで、熱電素子数が１６００個であったが、絶縁層を波板状の形状に加工した実施例の試料１の場合、平面視寸法２５ｍｍ×２５ｍｍで、熱電素子数を２２４０個にまで増加させることが可能であった。
【００４１】
また、実施例の試料２の場合でも、平面視寸法２５ｍｍ×２５ｍｍで、熱電素子数を１７６０個にまで増加させることが可能であった。
また、実施例の試料１および２の場合、表１に示すように、起電力（出力電圧）、出力電極についても、比較例の試料に比べて、特性が向上することが確認された。
【００４２】
なお、上記実施例では、絶縁層の構成材料として、セラミック系材料を用いているが、場合によっては樹脂を含む材料などを用いることも可能である。
【００４３】
本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、Ｐ型熱電変換材料およびＮ型熱電変換材料の組成やその原料、熱電変換モジュールを構成する絶縁層の具体的な構造、絶縁層を波板状に成形する際の具体的な条件、絶縁層に埋め込む熱電変換素子の数などに関し、発明の範囲内において、種々の応用、変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
上述のように、本発明によれば、単位面積あたりの熱電変換素子対の配設密度を高めることが可能で、単位面積あたりの出力を大幅に向上させることができる。
したがって、本発明は、単位面積あたりの熱電変換素子対の配設割合を高くして、高出力が得られるようにすることが求められる熱電変換モジュールの技術分野に広く適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施形態１にかかる熱電変換モジュールを示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】本発明の実施例にかかる熱電変換モジュールの製造方法の一工程で作製した未焼成熱電変換モジュールを示す斜視図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】本発明の実施例にかかる熱電変換モジュールの製造方法の一工程で作製した他の未焼成熱電変換モジュールを示す斜視図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ線断面図である。
【図７】比較例にかかる熱電変換モジュールの製造工程で作製した未焼成熱電変換モジュールを示す斜視図である。
【図８】図７のＤ−Ｄ線断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１                  絶縁層
１ａ                未焼成絶縁層
２                  絶縁層の表面
３                  絶縁層の裏面
１０                熱電変換モジュール
１１                山部
１２                谷部
１３                山部、谷部を構成する傾斜面
２０                熱電変換素子対
２１                Ｐ型熱電変換素子
２２                Ｎ型熱電変換素子
３０                電極
１０ａ              未焼成熱電変換モジュール
１１ａ              未焼成熱電変換モジュールの山部
１２ａ              未焼成熱電変換モジュールの谷部
１３ａ              未焼成絶縁層の山部、谷部を構成する傾斜面
２０ａ              未焼成熱電変換モジュールの熱電変換素子対
【図１】
0005126518.tif 000003
【図２】
0005126518.tif 000004
【図３】
0005126518.tif 000005
【図４】
0005126518.tif 000006
【図５】
0005126518.tif 000007
【図６】
0005126518.tif 000008
【図７】
0005126518.tif 000009
【図８】
0005126518.tif 000010