(57)【要約】      （修正有）【課題】Ｐ型ＦｅＳｉ２半導体とｎ型ＦｅＳｉ２半導体の接合部の信頼性が高く、生産に要する工数が従来より小さいＦｅＳｉ２系熱電変換モジュールを提供する。【解決手段】ＦｅＳｉ２の焼結時に、Ｐ型ＦｅＳｉ２粉末６とｎ型ＦｅＳｉ２粉末を、交互に焼結用ダイに充填し、焼結することで粉末の焼結と、Ｐ型ＦｅＳｉ２素子１２とｎ型ＦｅＳｉ２素子１３の接合を同時に行うことで、効率的で信頼性の高い積層型のモジュールを特徴とする。【選択図】図６
2017050519.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦｅＳｉ２系熱電発電モジュールにおいて、ｐ型素子とｎ型素子が積層構造をもつもの。
【請求項２】
請求項１においてｐ型素子とｎ型素子の接合を放電プラズマ焼結法により行うもの。
【請求項３】
請求項１において放電プラズマ焼結法によりｐ型素子とｎ型素子それぞれの焼結と素子同士の接合を同時に行うもの。
【請求項４】
請求項１において、ｐ型素子とｎ型素子の界面部にスリット構造を持つもの。
【請求項５】
請求項１において、両端面に電極（銅線）を接合しやすくするための、金属層を持つもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は温度差を利用して発電する熱電発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールが知られており、熱電変換モジュールは一般的にセラミックス基板上にｐ型半導体からなる熱電変換素子（ｐ型素子）とｎ型半導体からなる熱電変換素子（ｎ型素子）を交互配置し、それらのｐ型素子とｎ型素子を電極で直列に接続した構造を有している。【０００３】ＦｅＳｉ２系熱電変換素子は、環境負荷の小さい材料として知られている。【０００４】素子間の接続を極力電気抵抗の小さい状態で行うための方法が提案されている。【０００５】  通常ｐ型素子とｎ型素子は、導電ペーストやろう付けなどにより金属製の電極を介して、接合されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかし熱電換材料は半導体である場合が多く、モジュールを構成するための金属電極と半導体素子の接合は一般的に困難である。【０００７】  ｐ型素子とｎ型素子をそれぞれ作製した後、接合しているため、作製に要する工数が大きい問題がある。【０００８】  また導電ペーストやロウ付けによる接合は、接合部の信頼性が低い問題がある。特に高温にさらされる側の接合部には高い信頼性が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】ｐ型素子およびｎ型素子の創成と、ｐ型素子とｎ型素子の接合を同時に行い積層構造のモジュールを作製することにより、接合工程を削除し、また接合部の信頼性を向上させる。【００１０】グラファイト型にｐ型ＦｅＳｉ２粉末と、ｎ型ＦｅＳｉ２粉末を交互に充填し、放電プラズマ焼結装置にて焼結する。
ｐ型ＦｅＳｉ２粉末はＦｅＳｉ２にＣｒを添加した粉末であり、ｎ型ＦｅＳｉ２粉末はＦｅＳｉ２にＣｏＣｒを添加した粉末である。【００１１】焼結後得られた焼結体を六面体形状に加工した後、効率的に温度をつける目的で溝加工を行う。【００１２】素子と電極（あるいは導線）の接合を容易にするために、粉末の最上面と最下面に金属板を挿入して焼結した。【００１３】ｐ型粉末とｎ型粉末の間に、それぞれの添加元素の相互拡散を防ぐ目的で金属板を挿入しても良い。
【発明の効果】
【００１４】  本発明によれば、従来ｐ型素子とｎ型素子を個別に加工し、その後金属ペーストや半田などで接合していたものが、素子の焼結と同時に接合が完了するので、接合工程が不要になり、製作工程の短縮が可能になる。【００１５】  また金属ペーストや半田は信頼性に問題がある。特に半田は例えば６００℃などの高温には耐えられないなどの問題もあるが、本発明によれば、接合部の耐熱性は素子の耐熱性と同等であることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の方法による発電モジュール（２対の例）
【図２】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（粉末充填時の断面図）
【図３】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（焼結体）
【図４】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（６面体加工工程）
【図５】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（溝加工）
【発明を実施するための形態】
【００１６】以下本発明の実施の形態の熱電発電モジュールについて、図面を用いて説明する。比較として従来の方法によるモジュールの例を図１に示す。
【００１７】ｐ型素子１およびｎ型素子２は、それぞれ焼結した後、所定の形状に加工したものである。加工されたｐ型素子１およびｎ型素子は金属ペースト３により銅製の電極４と接合する。この図は２対の例を示している。その後上下をセラミックスの絶縁板５により挟み込み熱電発電モジュールとして使用される。
【００１８】図２は本発明での、素子の焼結と接合を同時に行うための粉末充填状態を断面図で示したものである。ｐ型ＦｅＳｉ２粉末６とｎ型ＦｅＳｉ２粉末７を、交互に５層ずつ、内径φ２０のグラファイト製のダイ８とグラファイト製下パンチ９で構成される空間に充填した。粉末量は各層が焼結後およそ３．５ｍｍとなると推測される量とした。
【００１９】この時ｐ型素子およびｎ型素子と電力を取り出すための導線などを接合しやすくするための、金属層を設ける目的で最上面と最下面に銀板１０を充填した。
【００２０】その後上パンチ１１を挿入して、放電プラズマ焼結機により焼結した。焼結を行なうときの温度は、たとえば７５０℃で、上下パンチへの加圧は、たとえば７０ＭＰａである。
【００２１】焼結体を図３に示す。直径が２０ｍｍ、高さが約３５ｍｍの焼結体が得られた。
【００２２】図３に示す焼結体を、φ２０の面を１５ｍｍ×１１ｍｍに寸法に加工を行ったものを図４に示す。１５ｍｍ×１１ｍｍ×３５ｍｍの６面体を得た。
【００２３】図４の６面体に図５に示すように、１５ｍｍ方向に交互に、ｐ型素子とｎ型素子の界面にそって幅１ｍｍ、深さ１０ｍｍの溝加工１４を行った。
【００２４】図５で得られた加工体に導線１５を半田接合して、セラミックス製絶縁板５で挟み込み、図６に示すモジュールとした。この時導線とＡｇ層は容易に半田付可能であり、低温側で接合するため耐熱性の問題はない。
【符号の説明】１  ｐ型素子
２  ｎ型素子
３  導電ペースト、ろう材など
４  電極
５  絶縁用セラミックス
６  ｐ型ＦｅＳｉ２粉末
７  ｎ型ＦｅＳｉ２粉末
８  グラファイト製ダイ
９  グラファイト製下パンチ
１０  銀板
１１  グラファイト製上パンチ
１２  ｐ型ＦｅＳｉ２素子
１３  ｎ型ＦｅＳｉ２素子
１４  溝加工
１５  導線
【図１】
2017050519.tif 000003
【図２】
2017050519.tif 000004
【図３】
2017050519.tif 000005
【図４】
2017050519.tif 000006
【図５】
2017050519.tif 000007
【図６】
2017050519.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月20日(2015.10.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は温度差を利用して発電する熱電発電モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】ゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールが知られており、熱電変換モジュールは一般的にセラミックス基板上にｐ型半導体からなる熱電変換素子（ｐ型素子）とｎ型半導体からなる熱電変換素子（ｎ型素子）を交互配置し、それらのｐ型素子とｎ型素子を電極で直列に接続した構造を有している。【０００３】ＦｅＳｉ２系熱電変換素子は、環境負荷の小さい材料として知られている。【０００４】素子間の接続を極力電気抵抗の小さい状態で行うための方法が提案されている。【０００５】  通常ｐ型素子とｎ型素子は、導電ペーストやろう付けなどにより金属製の電極を介して、接合されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  しかし熱電換材料は半導体である場合が多く、モジュールを構成するための金属電極と半導体素子の接合は一般的に困難である。【０００７】  ｐ型素子とｎ型素子をそれぞれ作製した後、接合しているため、作製に要する工数が大きい問題がある。【０００８】  また導電ペーストやロウ付けによる接合は、接合部の信頼性が低い問題がある。特に高温にさらされる側の接合部には高い信頼性が要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】ｐ型素子およびｎ型素子の創成と、ｐ型素子とｎ型素子の接合を同時に行い積層構造のモジュールを作製することにより、接合工程を削除し、また接合部の信頼性を向上させる。【００１０】グラファイト型にｐ型ＦｅＳｉ２粉末と、ｎ型ＦｅＳｉ２粉末を交互に充填し、放電プラズマ焼結装置にて焼結する。
ｐ型ＦｅＳｉ２粉末はＦｅＳｉ２にＣｒを添加した粉末であり、ｎ型ＦｅＳｉ２粉末はＦｅＳｉ２にＣｏＣｒを添加した粉末である。【００１１】焼結後得られた焼結体を六面体形状に加工した後、効率的に温度をつける目的で溝加工を行う。【００１２】素子と電極（あるいは導線）の接合を容易にするために、粉末の最上面と最下面に金属板を挿入して焼結した。【００１３】ｐ型粉末とｎ型粉末の間に、それぞれの添加元素の相互拡散を防ぐ目的で金属板を挿入しても良い。
【発明の効果】
【００１４】  本発明によれば、従来ｐ型素子とｎ型素子を個別に加工し、その後金属ペーストや半田などで接合していたものが、素子の焼結と同時に接合が完了するので、接合工程が不要になり、製作工程の短縮が可能になる。【００１５】  また金属ペーストや半田は信頼性に問題がある。特に半田は例えば６００℃などの高温には耐えられないなどの問題もあるが、本発明によれば、接合部の耐熱性は素子の耐熱性と同等であることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来の方法による発電モジュール（２対の例）
【図２】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（粉末充填時の断面図）
【図３】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（焼結体）
【図４】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（６面体加工工程）
【図５】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（溝加工）
【図６】本発明の実施形態における熱電変換モジュールの製造方法（完成図）
【発明を実施するための形態】
【００１７】以下本発明の実施の形態の熱電発電モジュールについて、図面を用いて説明する。比較として従来の方法によるモジュールの例を図１に示す。
【００１８】ｐ型素子１およびｎ型素子２は、それぞれ焼結した後、所定の形状に加工したものである。加工されたｐ型素子１およびｎ型素子は金属ペースト３により銅製の電極４と接合する。この図は２対の例を示している。その後上下をセラミックスの絶縁板５により挟み込み熱電発電モジュールとして使用される。
【００１９】図２は本発明での、素子の焼結と接合を同時に行うための粉末充填状態を断面図で示したものである。ｐ型ＦｅＳｉ２粉末６とｎ型ＦｅＳｉ２粉末７を、交互に５層ずつ、内径φ２０のグラファイト製のダイ８とグラファイト製下パンチ９で構成される空間に充填した。粉末量は各層が焼結後およそ３．５ｍｍとなると推測される量とした。
【００２０】この時ｐ型素子およびｎ型素子と電力を取り出すための導線などを接合しやすくするための、金属層を設ける目的で最上面と最下面に銀板１０を充填した。
【００２１】その後上パンチ１１を挿入して、放電プラズマ焼結機により焼結した。焼結を行なうときの温度は、たとえば７５０℃で、上下パンチへの加圧は、たとえば７０ＭＰａである。
【００２２】焼結体を図３に示す。直径が２０ｍｍ、高さが約３５ｍｍの焼結体が得られた。
【００２３】図３に示す焼結体を、φ２０の面を１５ｍｍ×１１ｍｍに寸法に加工を行ったものを図４に示す。１５ｍｍ×１１ｍｍ×３５ｍｍの６面体を得た。
【００２４】図４の６面体に図５に示すように、１５ｍｍ方向に交互に、ｐ型素子とｎ型素子の界面にそって幅１ｍｍ、深さ１０ｍｍの溝加工１４を行った。
【００２５】図５で得られた加工体に導線１５を半田接合して、セラミックス製絶縁板５で挟み込み、図６に示すモジュールとした。この時導線とＡｇ層は容易に半田付可能であり、低温側で接合するため耐熱性の問題はない。
【符号の説明】１  ｐ型素子
２  ｎ型素子
３  導電ペースト、ろう材など
４  電極
５  絶縁用セラミックス
６  ｐ型ＦｅＳｉ２粉末
７  ｎ型ＦｅＳｉ２粉末
８  グラファイト製ダイ
９  グラファイト製下パンチ
１０  銀板
１１  グラファイト製上パンチ
１２  ｐ型ＦｅＳｉ２素子
１３  ｎ型ＦｅＳｉ２素子
１４  溝加工
１５  導線