(57)【要約】【課題】熱電変換装置において、熱電変換素子と電極との間の接合面の熱応力による破壊を防ぐ。【解決手段】第一の熱電変換素子と、第二の熱電変換素子と、前記第一の熱電変換素子及び第二の熱電変換素子が接合材料で接合された電極とを備えた熱電変換装置において、前記第一の熱電変換素子が前記電極に接合される部位と前記第二の熱電変換素子が前記電極に接合される部位の間の電極表面に凹部が設けられ、この凹部に多孔質材料が充填されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の熱電変換素子と、第二の熱電変換素子と、前記第一の熱電変換素子及び第二の熱電変換素子が接合材料で接合された電極とを備えた熱電変換装置において、前記第一の熱電変換素子が前記電極に接合される部位と前記第二の熱電変換素子が前記電極に接合される部位の間の電極表面に凹部が設けられ、この凹部に多孔質材料が充填されていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記多孔質材料が、空孔率（Ｖｍ）０超、０．９０未満かつヤング率６０ＭＰａ以下である材料である、請求項１記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電機エネルギーと熱エネルギーを変換する熱電変換素子を用いた熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に、従来の熱電変換装置の構成を示す。この熱電変換装置１は、対向して配置された絶縁基板２及び３を備え、基板上には、所定形状にパターニングされた電極４及び５が配置されている。この電極の間に、半田等の接合材料６によって接合された第一の熱電変換素子７と第二の熱電変換素子８が配置され、両電極４及び５を導通させている。
【０００３】
通常、第一の熱電変換素子７としてはＰ型熱電変換素子が用いられ、第二の熱電変換素子８としてはＮ型熱電変換素子が用いられ、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が交互に直列に接続されている。外部端子に直流電圧を印加すると、電流がＰ型熱電変換素子７中では絶縁基板２から絶縁基板３に向かって流れ、Ｎ型熱電変換素子８中では、絶縁基板３から絶縁基板２に向かって流れる。ここで、Ｐ型の熱電変換素子７内では正孔が多数キャリアであり、一方、Ｎ型の熱電変換素子８内では電子が多数キャリアである。この電流を担う粒子の移動はともに絶縁基板２から３に向かう方向に起こる。一方、この電流を担う正孔及び電子のキャリアは熱の移動を伴うものである。そのため、Ｐ型熱電変換素子７中とＮ型熱電変換素子８中とにおいて、電流は互いに反対方向に向かって流れるのに対し、熱の流れは常に一方向に向かって生ずることになる。このため、熱電変換装置の一方の基板側では冷却が、他方の基板側では放熱が生ずることになる。
【０００４】
このような熱電変換装置において、熱電変換素子の間には、この熱電変換素子を電極に接合させるために用いた接合材料の余剰分が溜まることがある。この接合材料の溜まり部が大きくなると、熱電変換装置に通電した際に熱電変換素子間において接合材料溜まり部が、放熱側では熱膨張し、熱応力によって熱電変換素子を押し広げ、一方冷却側では収縮し熱電変換素子を引き付け、その結果熱電変換素子の接合面が破壊するおそれがある。
【０００５】
これを解決するため、特許文献１では、熱電変換素子間の接合材料溜まり部の高さを所定の高さに制御することにより、接合材料が熱電変換素子を押し広げる力を抑制することが報告されている。また特許文献２では、熱電変換素子間の電極部に凹部を設けることにより、余剰の接合材料を流し込み、接合材料溜まり部の高さを制御することが報告されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３０３０１７号公報
【特許文献２】特開平１０−３０３４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記のように、熱電変換素子を押し広げるのは熱応力によるものであるが、この熱応力は接合材料のヤング率に比例する。近年、環境負荷を低減させるため、接合材料として鉛の濃度の低い、あるいは鉛をまったく含まない半田を使用する傾向にある。しかしながら、このような鉛含有率の低い半田はヤング率が高く、熱応力が高くなってしまうため、上記のような従来の方法では、熱電変換素子の接合面の破壊を防ぐには十分ではない可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明によれば、第一の熱電変換素子と、第二の熱電変換素子と、前記第一の熱電変換素子及び第二の熱電変換素子が接合材料で接合された電極とを備えた熱電変換装置において、前記第一の熱電変換素子が前記電極に接合される部位と前記第二の熱電変換素子が前記電極に接合される部位の間の電極表面に凹部が設けられ、この凹部に多孔質材料が充填されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の熱電変換装置では、熱電変換素子間に凹部が設けられ、この凹部に多孔質材料が充填されていることによる、余剰の接合材料がこの多孔質材料に流れ込むことによって接合材料溜まり部の高さが過剰になることを防ぎ、多孔質材料が存在することによって熱電変換素子間の熱応力を緩和し、結果として熱電変換素子の接合面の破壊を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来の熱電変換装置の模式的構成図である。
【図２】本発明の熱電変換装置の模式的構成図である。
【図３】凹部に多孔質材料を配置した際の、半田溜まり部におけるヤング率の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の熱電変換装置の構成を図２に示す。本発明の熱電変換装置の基本構成は、図１に示す従来の熱電変換装置の構成と同じである。すなわち、本発明の熱電変換装置２０は、対向して配置された絶縁基板２及び３を備え、基板上には、所定形状にパターニングされた電極４及び５が配置されている。基板２及び３としては、主にセラミックス製（例えばアルミナ）の基板が用いられる。電極４及び５は、銅等の導電性材料より形成されている。電極４と電極５は部分的に対向しており、この対向部分に第一の熱電変換素子７及び第二の熱電変換素子８が配置され、接合材料６、例えば半田によって電極４及び５と接合されている。
【００１２】
熱電変換素子７及び８は、熱電変換材料（例えばＢｉ−Ｔｅ系合金）の焼結体を板状、ウェハー状、棒状等の形状に加工したものが用いられ、そのサイズは適宜選択することができる。第一の熱電変換素子にはＰ型半導体（例えばＢｉ−Ｔｅ−Ｓｂ系）が用いられ、第二の熱電変換素子にはＮ型半導体（例えばＢｉ−Ｔｅ−Ｓｅ系）が用いられ、この両者の熱電変換素子が交互に配列され、電極において直列に電気的に接続されている。
【００１３】
本発明の熱電変換装置においては、第一の熱電変換素子７が電極４及び５に接合される部位と第二の熱電変換素子８が電極４及び５に接合される部位の間の電極４及び５の表面に凹部９が設けられ、この凹部９に多孔質材料１０が充填されていることを特徴とする。本発明の熱電変換装置においては、このように熱電変換素子の間の電極上に凹部が形成されているため、熱電変換素子を電極に接合する際における余分な接合材料がこの凹部に流れ込み、接合材料溜まり部の高さが過剰になることを防ぐ。さらに、この凹部に多孔質材料を充填していることにより、熱電変換素子間に発生する熱応力を緩和することができる。
【００１４】
この凹部の形状及びサイズは任意に選択することができ、電極の熱電変換素子側から基材側に貫通していてもよい。多孔質材料としては、溶融した接合材料が流れ込んだ場合に溶融しない材料を用いることが好ましく、例えば各種の金属あるいは合金（例えばマグネシウム合金）を用いることができる。また、この多孔質材料は、十分な効果を達成するため、空孔率（Ｖｍ）が０超、０．９０未満であり、かつヤング率が接合材料より低いこと、例えば半田を接合材料として用いる場合、６０ＭＰａ以下であることが好ましい。なお、この空孔率は、多孔質材料の密度（質量／体積）と多孔質材料に用いた材料そのものの密度の比から算出する。またヤング率は、公知の引張り試験により測定した値を意味する。
【００１５】
この熱電変換材料は、例えば以下の方法によって製造することができる。まず、周知の方法で電極が任意にパターニングされた基板を作成する。次に、電極上にプレス法によって凹部を形成する。あるいは、レジスト法により電極の凹部を形成しない部分にレジストインクを塗布し、周知の方法でエッチング処理を施し、その後レジストインクを除去することによっても凹部を形成することができる。同様に、もう一方の基板にも電極をパターニングし、電極上に凹部を形成する。この凹部に、マグネシウム合金等の多孔質材料を充填し、各電極の凹部以外の部位に、例えばスクリーン印刷によって接合材料としてクリーム半田を塗布し、熱電変換素子を電極上に配置する。そして熱電変換素子を両側から電極で挟んだ状態で加熱手段により加熱し、半田を溶融させる。この状態で冷却し、半田を固化させ、熱電変換装置が得られる。
【００１６】
半田として金−錫半田を使用し、凹部に多孔質材料として空孔率０．５であるマグネシウム合金を用いて製造した熱電変換材料（本発明品）と、同一の構成で、但し凹部に半田を満たした熱電変換材料（従来技術品）について、半田溜まり部のヤング率を測定した結果を図３に示す。凹部に多孔質材料を配置することによりヤング率が低下し、熱応力を緩和することができると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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