(57)【要約】【課題】熱電変換素子を交互に配列させる作業を簡易にし、且つ発電効率の低下を防ぐことで、発電量あたりのモジュール価格が安価な熱電変換モジュール及びその製造方法を提供すること。【解決手段】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型熱電変換素子からなる熱電変換モジュールにおいて、複数の熱電変換素子で囲まれる空間に、スペーサ部材を配置した熱電変換モジュールとすることで解決できる。【選択図】図１
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【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型熱電変換素子からなる熱電変換モジュールにおいて、
複数の熱電変換素子で囲まれる空間に、スペーサ部材を配置したこと、
を特徴とする、熱電変換モジュール。
【請求項２】
前記複数の熱電変換素子で囲まれる空間は、接着剤が充填されてなる、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
【請求項３】
前記スペーサ部材は、絶縁体からなる、請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
【請求項４】
前記絶縁体は棒状のガラスである、請求項３記載の熱電変換モジュール。
【請求項５】
隣り合う２つの熱電変換素子とスペーサ部材との間には空隙部を有する、請求項１〜４の何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項６】
前記スペーサ部材は、円柱形状である、請求項１〜５の何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項７】
１つのスペーサ部材に近接する熱電変換素子の数は４つである、請求項１〜６の何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項８】
１つのスペーサ部材に近接する熱電変換素子の数は３つである、請求項１〜６の何れか一項に記載の熱電変換モジュール。
【請求項９】
熱電変換素子を配列するための治具を準備し、前記治具の内部にＰ型とＮ型の熱電変換素子を交互に配列させる第１工程と、
前記複数の熱電変換素子とで形成される凹部にスペーサ部材を配列させる第２工程と、
前記スペーサ部材の表面に接着剤を塗布する第３工程と、
所定の配列数になるまで前記第２及び第３工程を繰り返した後、前記接着剤を硬化させブロックとする第４工程と、
前記ブロックをスライスし、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が順次直列に接続するように、配線を形成する第５工程と、からなること、
を特徴とする、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とその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換モジュールは、ペルチェ効果を利用した温調と、ゼーベック効果を利用した発電の２通りに応用される。前者は温度調節に使用され、可搬用温冷蔵庫のほか、光通信の普及により、レーザー発振子の冷却用としては必要不可欠なものとなってきている。反面、後者のゼーベック効果を利用した発電素子については、産業排熱を利用した数Ｗ〜数十Ｗクラスの発電システムの検討がなされているが、発電量あたりのモジュールが高価であるなどの問題があり、実用化に至っていないのが現状である。
【０００３】
従来の熱電変換モジュール１００の製造方法としては、図４に示すように、絶縁性基板４０１にＰ型及びＮ型の熱電変換素子１０１の外径よりも大きめの素子嵌合孔４０２を複数配列して形成し、これら各々の素子嵌合孔４０２に熱電変換素子１０１を交互にそれぞれ貫通嵌合させて配置する。
【０００４】
次いで、絶縁性基板４０１の素子嵌合孔４０２に貫通嵌合された熱電変換素子１０１の配列位置に対応する位置に素子貫通孔４０３を形成した支持シート４０４を用いて、この支持シート４０４の素子貫通孔４０３に熱電変換素子１０１を圧入、貫通させながら絶縁性基板４０１の上側から被せるように設ける。
【０００５】
このように、熱電変換素子１０１を絶縁性基板４０１に支持固定させ、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子１０１の素子嵌合孔４０２への貫通方向の一端側と他端側にそれぞれ互いに間隔を存して複数の電極４０５を設けて熱電変換素子１０１を電気的に接続するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、上述のような製造方法では、絶縁性基板４０１に配列形成された素子嵌合孔４０２にＰ型及びＮ型の熱電変換素子１０１を交互に貫通嵌合させる必要がある。また、絶縁性基板４０１の上側から被せられた支持シート４０４に有する素子貫通孔４０３に熱電変換素子１０１を圧入し貫通させて支持固定する必要もある。そのため、作業に多くの手間と時間がかかり、量産に適さないばかりでなく、発電量あたりのモジュール価格が高くなるという問題を有していた。
【０００７】
この問題を解消するための製造方法として、図５に示すように、棒状のＰ型及びＮ型の熱電変換素子１０１を複数本交互に且つ熱電変換素子相互間に一定の間隙が存するように配列した後、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子１０１の相互間に存する間隙に樹脂を充填して、全体が一体化されたブロック３０２とする。そして、このブロック３０２を所定の厚さに切断して得られるブロック片の切断面に、Ｐ型及びＮ型熱電変換素子間を交互に電気的に直列接続するための電極４０５をそれぞれ形成する。
【０００８】
しかる後、電極相互間に存する間隙に耐熱接着剤を塗布してなる熱電変換モジュール１００の製造方法において、電極の相互間に存する間隙に塗布される耐熱接着剤の高さは、前記電極表面より低くし、熱電変換モジュール１００の使用時に該モジュールの熱源との接触面と塗布した耐熱接着剤との間に空隙層が形成されるようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−０３２８４９号公報
【特許文献２】特開２００９−０７６６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述従来の構成では、熱電変換モジュールにより排熱を利用して発電する際、熱源との接触面と塗布した耐熱接着剤との間に空隙層が形成されるようにしているものの、熱源の一部が電極間に存する樹脂部分を通るため、その分発電効率が落ちるという課題を有することになる。
【００１１】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、Ｐ型及びＮ型の熱電変換素子を交互に配列させる作業を簡易にし、且つ、電極間に存する樹脂部分による発電効率の低下を防ぐことで、発電量あたりのモジュール価格が安価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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の熱電変換モジュールは、以下の構成に特徴を有する。
【００１３】
〔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型熱電変換素子からなる熱電変換モジュールにおいて、複数の熱電変換素子で囲まれる空間に、スペーサ部材を配置したこと。
【００１４】
〔２〕上記〔１〕において、前記複数の熱電変換素子で囲まれる空間は、接着剤が充填されてなること。
【００１５】
〔３〕上記〔１〕または〔２〕において、前記スペーサ部材は、絶縁体からなること。
【００１６】
〔４〕上記〔３〕において、前記絶縁体は棒状のガラスであること。
【００１７】
〔５〕上記〔１〕〜〔４〕において、隣り合う２つの熱電変換素子とスペーサ部材との間には空隙部を有すること。
【００１８】
〔６〕上記〔１〕〜〔５〕において、前記スペーサ部材は、円柱形状であること。
【００１９】
〔７〕上記〔１〕〜〔６〕において、１つのスペーサ部材に近接する熱電変換素子の数は４つであること。
【００２０】
〔８〕上記〔１〕〜〔６〕において、１つのスペーサ部材に近接する熱電変換素子の数は３つであること。
【００２１】
また、本発明の熱電変換モジュールの製造方法は、以下の工程を特徴として有する。
【００２２】
〔９〕熱電変換素子を配列するための治具を準備し、前記治具の内部にＰ型とＮ型の熱電変換素子を交互に配列させる第１工程と、
前記複数の熱電変換素子とで形成される凹部にスペーサ部材を配列させる第２工程と、
前記スペーサ部材の表面に接着剤を塗布する第３工程と、
所定の配列数になるまで前記第２及び第３工程を繰り返した後、前記接着剤を硬化させブロックとする第４工程と、
前記ブロックをスライスし、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子が順次直列に接続するように、配線を形成する第５工程と、からなること。
【発明の効果】
【００２３】
以上のように、本発明の熱電変換モジュールおよびその製造方法によれば、熱電変換素子を交互に配列させる作業が簡易で、且つ発電効率の低下を防ぐことにより、発電量あたりのモジュール価格が安価な熱電変換モジュールを提供することができる。また、スペーサが存在することで、強度が大きく、長期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。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの横断面図
【図２】本発明の実施の形態におけるスペーサ付近の拡大図
【図３】本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの製造方法を示す図
【図４】特許文献１に記載された従来の熱電変換モジュールの断面図
【図５】特許文献２に記載された従来の熱電変換モジュールの製造方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図１は本発明の実施の形態における熱電変換モジュールの横断面図、図２は図１のスペーサ付近の拡大図である。
【００２７】
図１、図２において、熱電変換素子１０１は円筒状の絶縁体１０２に囲まれた円柱状の熱電変換材料１０３からなっている。絶縁体１０２としては、例えばガラス管が用いることができる。その中でも軟化点が高いことからパイレックス（登録商標）ガラス管を用いることが好ましい。また、熱電変換材料１０３としては、例えばＢｉ−Ｔｅ系合金を用いることができる。
【００２８】
また、近接する４つの熱電変換素子１０１に囲まれる位置には、熱電変換素子１０１同士を接着する機能をもつスペーサ１０４が存在する。スペーサ１０４としては、図２（ａ）に示すように、その表面に接着剤１０５を被覆した絶縁体１０６や、図２（ｂ）のように、棒状の接着剤を用いることができる。また、表面に接着剤を被覆する絶縁体１０６としては、高温でも軟化しない無機材料等を用いることにより、熱電変換モジュール１００の使用時の変形を防ぐことができ、長期信頼性が向上する。
【００２９】
また、表面に接着剤を被覆した絶縁体１０６として、熱電変換素子１０１の円筒状の絶縁体１０２と同じ材料を用いると、熱電変換モジュール１００を使用する際に、円筒状の絶縁体１０２との熱膨張差が生じないため、熱電変換モジュール１００が破壊しにくく、更に長期信頼性が向上する。
【００３０】
１つのスペーサ１０４には、最近接する４つの熱電変換素子１０１が存在するが、４つの熱電変換素子１０１のうち、隣り合う少なくとも２つの熱電変換素子１０１とスペーサ１０４との間には、接着剤等が存在しない空間２０１（「空隙」と称する場合もある。）を有する。これにより熱電変換モジュール１００を使用する際に、熱電変換モジュール１００の熱源と接する面（高温面）から低温面への熱伝導を抑制でき、発電効率の低下を抑制することができる。
【００３１】
次に、本実施の形態の熱電変換モジュール１００の製造方法の一例について、図３を参照して説明する。
【００３２】
まず、円筒状の絶縁体１０２に、熱電変換材料１０３を充填させ、円柱状の熱電変換素子１０１を形成する（図示せず）。充填する方法としては、固体の熱電変換材料１０３を円筒状の絶縁体１０２に入れ加熱溶融させる方法や、溶融した熱電変換材料１０３を円筒状の絶縁体１０２に流入させる方法などがある。他に円柱状の熱電変換材料１０３を形成した後、円筒状の絶縁体１０２を取り外しても良い。しかし、円筒状の絶縁体１０２が熱電変換材料１０３の周囲に存在したままの方が、熱電変換素子１０１同士が接触した際に導通して熱電変換モジュール１００の発電能力が低下するのを防ぐことができるので好ましい。
【００３３】
次に、図３（ａ）に示すように、熱電変換素子１０１を配列するための治具３０１を用い、複数の熱電変換素子１０１をＰ型、Ｎ型交互に配列させる。一列配列させた後、図３（ｂ）に示すように、配列させた複数の熱電変換素子１０１の上であり、２つの熱電変換素子１０１が形成する凹部に、スペーサ１０４を配列させる。また、スペーサ１０４として表面に接着剤を被覆した絶縁体を用いる場合には、配列前に絶縁体に接着剤を塗布してから配列させる。
【００３４】
そして、図３（ｃ）に示すように、熱電変換モジュール１００として要求される熱電変換素子１０１の数になるまで、これらを繰り返す。その後、加熱などにより、配列させた熱電変換素子１０１とスペーサ１０４を接着させる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、熱電変換素子１０１とスペーサ１０４の接着剤の硬化方法として加熱を用いたが、減圧や室温放置、紫外線硬化、及びこれらを組み合わせた方法を用いてもよい。また、本実施の形態では、スペーサ１０４として、表面に接着剤１０５を被覆した絶縁体１０６を用いたが、スペーサ１０４自体が、接着剤や樹脂で形成されていても良い。これにより、絶縁体１０６表面へ接着剤１０５を被覆する工程を省くことができる。
【００３６】
その後、図３（ｄ）に示すように、治具３０１を取り外し、熱電変換素子１０１とスペーサ１０４とが接着されたブロック３０２を、所望の厚みに切断（スライス）する。その後、Ｐ型とＮ型の熱電変換素子１０１が順次直列に接続するように、配線を形成する（図示せず）。配線の形成方法としては、導電材料をはんだ付けする方法、溶射、配線形成された絶縁基板をはんだ付けする方法などを用いることができる。導電材料及び溶射材料としては、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ及びこれらを含む合金を用いることができる。
【００３７】
スペーサ１０４が存在することで、熱電変換モジュール１００の形状が保持され、また、強度が向上するため、絶縁基板無しの熱電変換モジュール１００を形成することができる。通常の熱電変換モジュールでは絶縁基板として高価なアルミナ基板が用いられるため、絶縁基板を用いないことで、コストを大幅に削減することができる。
【００３８】
本実施の形態では、１つのスペーサ１０４に近接する熱電変換素子１０１の数が４つの場合について説明したが、３つでもよい。
【００３９】
なお、４つの場合は、図３に示すように、複数の熱電変換素子１０１を配列させる際に、スペーサ１０４無しでは配列が崩れるため、スペーサ１０４によって、熱電変換素子１０１を配列させる作業が簡易になる。他方、３つの場合は、単位面積当たりの熱電変換素子１０１の数が多くなるため、同じ熱電変換モジュール１００の大きさで高出力を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
以上のように、本発明によれば、発電量あたりのモジュール価格が安価で、強度が大きく、長期信頼性の高い熱電変換モジュール並びにそれらの製造方法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、温調や、熱からの発電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】
【００４１】
１００  熱電変換モジュール
１０１  熱電変換素子
１０２  絶縁体
１０３  熱電変換材料
１０４  スペーサ
１０５  接着剤
１０６  絶縁体
３０１  治具
３０２  ブロック
４０１  絶縁性基板
４０２  素子嵌合孔
４０３  素子貫通孔
４０４  支持シート
４０５  電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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