(57)【要約】【課題】高出力と信頼性の確保を容易に実現できる熱電変換素子及び熱電変換素子モジュールを提供すること。【解決手段】ｐ型の熱電変換材料で構成され、内部に中空構造を有するｐ型熱電変換素子と、ｎ型の熱電変換材料で構成され、内部に中空構造を有するｎ型熱電変換素子とが配置され、前記ｐ型の熱電変換素子及び前記ｎ型の熱電変換素子とが電気的に接続されることで、上述のような、高出力でかつ信頼性の確保を容易に実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空状の耐熱性絶縁材の内壁にｐ型の熱電変換材料が配置され、内部に中空構造を有するｐ型熱電変換素子と、
中空状の耐熱性絶縁材の内壁にｎ型の熱電変換材料が配置され、内部に中空構造を有するｎ型熱電変換素子と、が設けられ、
前記ｐ型熱電変換素子及びｎ型熱電変換素子が電気的に接続されてなること、
を特徴とする熱電変換素子モジュール。
【請求項２】
前記ｐ型熱電変換素子および前記ｎ型熱電変換素子がそれぞれ複数配置されることで、各々、ｐ型熱電変換素子群及びｎ型熱電変換素子群をなし、
前記ｐ型熱電変換素子群と前記ｎ型熱電変換素子群とが配列されてなる、
請求項１記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項３】
前記ｐ型熱電変換素子群と前記ｎ型熱電変換素子群とは交互に配置されてなる、
請求項２記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項４】
前記ｐ型熱電変換素子群と前記ｎ型熱電変換素子群とは隣接して配置されてなる、
請求項１〜３の何れか一項に記載の熱電変換素子モジュール。
【請求項５】
中空状の耐熱性絶縁材の内壁にｐ型又はｎ型の熱電変換材料が配置され、かつ、内部に中空構造を有すること、
を特徴とする熱電変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換素子及び熱電変換素子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、或いはゼーベック効果を利用した素子が用いられる。熱電変換素子は、一般に、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は、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ことから、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モジュールは、図４に示すように、ｐ型素子５（ｐ型半導体）とｎ型素子６（ｎ型半導体）とを接合電極（金属電極）７を介して接合することでｐｎ素子対を形成し、該ｐｎ素子対を複数個直列に配列して構成される。このとき、接合部を流れる電流の方向によって、一方の端部が発熱せしめられると共に他方の端部が冷却せしめられるように構成されている。
【０００４】
熱電素子の材料としては、その利用温度域で、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によって表わされる性能指数Ｚ（＝α２  ／ρＫ）が大きな材料が用いられる。熱電変換素子として一般に用いられる結晶材は、Ｂｉ２Ｔｅ３系材料であるが、これら結晶は著しい劈開性を有しており、インゴットから熱電素子を得るためのスライシング、ダイシング工程等を経ると、割れや欠けのために歩留りが極めて低くなるという問題が生じることが知られている。
【０００５】
これを解決するために、所望の組成を有するように材料粉末を混合し、加熱溶融せしめる加熱工程と、菱面体構造（六方晶構造）を有する熱電半導体材料の固溶インゴットを形成する凝固工程と、固溶体インゴットを粉砕して固溶体粉末を形成する粉砕工程と、固溶体粉末の粒径を均一化する整粒工程と、粒径の均一となった固溶体粉末を加圧焼結せしめる焼結工程とを有する。更に、この粉末焼結体を熱間で塑性変形させて展延することで、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せしめる熱間すえこみ鍛造工程と、を経て、熱電変換モジュールを作製する方法が試みられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、従来の熱電変換モジュールの製造方法として、合金インゴットを製造する工程と、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する粉砕工程と、その原料粉末に圧力を加えながら抵抗加熱により焼結する焼結工程と、を経た製造工程が知られている。この焼結工程がパルス状の電流を流し、そのジュール熱により焼結し、１００Ｋｇ／ｃｍ2以上１０００Ｋｇ／ｃｍ2以下の圧力を焼結中に原料粉末に加えることにより、結晶粒径が微細で加工性に優れた熱電変換材料の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
これらの工程を経て形成された熱電変換素子は、セラミックスからなる支持基板と、該支持基板上に配列された複数の熱電変換素子と、前記支持基板に形成され前記熱電変換素子間を電気的に接続する複数の配線導体とを具備する熱電変換モジュールに組み立てられ、実用に供される（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２６１１１９号公報
【特許文献２】特開２００３−２９８１２２号公報
【特許文献３】特開２０１１−００９４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成では、熱電変換素子の内部の熱伝導が大きいため、温度差を確保することが困難であり、該素子の内部の熱伝導を低下させるために、密度を低下させたり、粒界を大きくしたりする。すると振動などによるワレや欠けが発生し、信頼性を低下させることになる。その結果、取り出し電力が大きく出来ないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前述の従来の課題を解決するものであり、高出力が容易で信頼性の高い、熱電変換素子及び熱電変換素子モジュール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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の熱電変換素子モジュールは、ｐ型の熱電変換材料で構成され、内部に中空構造を有するｐ型熱電変換素子と、ｎ型の熱電変換材料で構成され、内部に中空構造を有するｎ型熱電変換素子とが配置され、前記ｐ型及びｎ型熱電変換素子とが電気的に接続されてなることで容易に温度差を形成でき、出力が高く信頼性の高い熱電変換素子モジュールを実現することが出来る。
【００１２】
上記本構成によって、起電力の高い熱電変換素子と高出力が容易な製造方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように、本発明の熱電変換素子及び熱電変換素子モジュールによれば、高出力が容易で信頼性の高い熱電変換モジュールを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る熱電変換素子の断面を示す図
【図２】本発明の実施の形態に係る熱電変換素子の製造装置を示す図
【図３】本発明の実施の形態に係る熱電変換素子モジュールの概略を示す図
【図４】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における熱電変換素子１００であり、図１（ａ）は側面図、図１（ｂ）は断面図になる。
【００１７】
同図において、１０１は熱電変換材料、１０２は耐熱性絶縁材料であり、熱電変換材料１０１と耐熱性絶縁材料１０２とは密着した状態で構成され、熱電変換材料の中央部には中空部１０３が存在している。
【００１８】
図１の熱電変換素子１００を作製する工程について、図２を参照して説明する。
【００１９】
まず、中空筒状に構成された耐熱性絶縁材料１０２を準備する。耐熱性絶縁材料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）を使用した。耐熱ガラスで一般に知られるのは、コーニング社製のパイレックス（登録商標）ガラスがある。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料１０２を使用した。
【００２０】
次に、耐熱性絶縁材料１０２の一端を配管を介して、減圧装置２０１に接続する。
【００２１】
予め非酸化雰囲気に置換された融解炉２０２内の坩堝２０４を所定の温度まで加熱し、熱電変換材料１０１を溶融状態にする。熱電変換材料１０１は、コイル２０３から発せられる磁界の作用で誘導加熱され、外周部と内周部の温度差及び融液上下での温度差により対流が発生し、坩堝２０４内の融液は均質なものに攪拌されていることになる。
【００２２】
更に、融解炉２０２の上部より挿入された耐熱性絶縁材料１０２を、所定の温度に保持された予備加熱領域２０５にて所定の時間保持する。その後、耐熱性絶縁材料１０２の一端を溶融した耐熱性絶縁材料１０２の入っている坩堝２０４へ浸漬し、減圧装置２０１によって負圧を発生させ耐熱性絶縁材料１０２の内部へ溶融した熱電変換材料１０１を導入する。本実施の形態では、熱電変換材料１０１は、Ｂｉ2Ｔｅ3系材料としている。
【００２３】
耐熱性絶縁材料１０２内への熱電変換材料１０１の充填後、耐熱性絶縁材料１０２の予備加熱された温度に応じて熱電変換材料１０１が固化し、結晶状態を決定することになる。熱電変換材料１０１の固化は耐熱性絶縁材料１０２の温度によって決定するが、結晶構造によって、優先成長方向が耐熱性絶縁材料１０２の内壁面に垂直な方向となって形成されるように働く。しかしながら、溶融状態から冷却されつつ吸引されることによって、優先成長方向が冷却と吸引による流動の合成ベクトル方向に強制的に配向される。そのため、吸引速度と冷却速度を任意の状態で制御することで、結晶性にかかわる熱電変換特性を制御することが可能となる。
【００２４】
吸い上げられた熱電変換材料１０１は、耐熱性絶縁材料１０２の中心部に近いほど高温となり、流動が抑制されないから、吸い上げる速度を早くすると中心部は空洞となり、中空状の熱電変換素子を形成することができる。
【００２５】
図３はこれらの熱電変換素子を用いて作成した熱電変換モジュールの概略図である。
【００２６】
図３に示される空隙部４０１が熱の移動を制限する空間部となり、空隙部４０１が温度差を形成する上下面に対して熱流束を制限する機能をもつため、熱電変換材料１０１の熱伝導を制限せずに熱流束を抑制することができ、結果的に出力を上昇させることが出来るようになる。このため、熱電変換材料１０１は強度を損なうことなく、信頼性を確保できることになる。
【００２７】
以上のような、熱電変換素子及び熱電変換素子モジュールの構造により、温度差を容易に確保することができると共に、振動などの外力によって熱電変換素子を損なうことなく信頼性を向上させることが可能な、熱電変換素子モジュール構造を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明によれば、高出力が可能となり、信頼性の高い素子特性を有する熱電変換素子及び熱電変換素子モジュールを得ることが可能になる。従って、本発明は、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】
【００２９】
１００  熱電変換素子
１０１  熱電変換材料
１０２  耐熱性絶縁材料
１０３  中空部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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