JP2006073632A - 熱電変換装置および熱電変換装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３００℃以上の高温環境下でも使用可能な熱電変換装置およびその製造方法を提供する。
【解決手段】第２基板４における電極５とこれに対応する各熱電素子１０，１１の一端部とを金を用いて接合することで、はんだを不要にする。また、金を用いて接合されていない方の第１基板１４における電極１３と各熱電素子１０，１１の他端部との間には各熱電素子の伸縮を吸収可能な導電性部材６を設けるとともに、第２基板４の外側に第２基板４を覆うように蓋部２を配置し、第１基板１４との間に圧力が加えられるにように蓋部２と第１基板１４とを結合することで、第２基板４、電極５、導電性部材６を保持する。これにより、はんだで電極と熱電素子を接合した場合のように熱変形によって熱電素子が損傷することを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱を電気へ変換可能あるいは電気を熱に変換可能な熱電変換装置、およびこの熱電変換装置の製造方法に関する。

熱電変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果等の熱電効果を利用した装置であり、電気を熱に変換する温度調整ユニットとしては既に量産化されている。また、熱を電気に変換する発電ユニットとしても研究開発が進められている。発電ユニットとしての熱電変換装置は、複数の熱電素子が、電気的には直列に熱的には並列になるように、電極を有する２枚の絶縁基板に挟まれて配置されている。

熱電変換装置の発電効率を熱電素子自体の発電効率に近づけるためには、熱電素子の一端部への熱供給と熱電素子の他端部からの放熱がスムーズに行われる必要がある。このため、各絶縁基板には熱伝導に優れたセラミックス基板が使用される。さらに、熱電素子の端部に配置される電極は、電気抵抗の低い材料によって構成される。各電極と熱電変換素子は、はんだで接合される。

発電ユニットとしての熱電変換装置は、加熱されることにより動作するので、動作時には各構成部材は常温時に比して熱膨張している。このとき、各構成部材の線膨張係数の違いや、吸熱側と放熱側との温度差により、各構成部材で変形量が異なる。この変形量の違いにより、熱電素子の接合部分や熱電素子自体が損傷し易くなる場合があった。

そこで、放熱側の電極と熱電素子とをはんだで接合する一方、吸熱側の電極と熱電素子の間には弾性を有する導電性部材を配置するとともに、導電性部材は固着せず接触させるのみにして熱電素子等の損傷を防止することが考えられる。

しかしながら、放熱側の電極と熱電素子を接合するはんだの融点は１５０〜３００℃程度であるため、熱電変換装置の耐熱が１５０〜３００℃程度となり、装置を使用可能な温度範囲が限定され、３００℃以上の高温の環境下では装置を使用できない問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、３００℃以上の高温環境下でも使用可能な熱電変換装置およびその製造方法を提供することを課題とする。

第１の本発明に係る熱電変換装置は、複数の電極を備えた第１基板および第２基板と、一端部が第１基板の電極に、他端部が第２基板の電極にそれぞれ対応するように第１基板と第２基板との間に配置される複数の熱電素子とを備え、第１基板又は第２基板の一方における電極とこれに対応する熱電素子の端部とが金を用いて接合されることを特徴とする
本発明にあっては、第１基板又は第２基板の一方における電極とこれに対応する熱電素子の端部とを金を用いて接合したことで、はんだが不要となり、金の融点に達するまでは熱電変換装置を使用することが可能になる。

上記熱電変換装置は、金を用いて接合されていない方の基板における電極とこれに対応する位置の熱電素子の端部との間に配置され、熱電素子の伸縮を吸収可能な導電性部材と、第２基板の外側に配置され、第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合される蓋部と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、金を用いて接合されていない方の基板における電極と熱電素子の端部との間に熱電素子の伸縮を吸収可能な導電性部材を設けるとともに、蓋部を第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合することにより導電性部材を保持することで、熱電素子の変形や移動が吸収されるので、電極と熱電素子の端部とをはんだで接合した場合と比べて熱電素子等の損傷を防ぐことが可能となる。

上記熱電変換装置は、前記導電性部材が第１基板の電極と熱電素子の端部との間に配置されることを特徴とする。

本発明にあっては、導電性部材を第１基板の電極と熱電素子の端部との間に配置したことで、蓋部を通じて熱が第２基板側に供給されてくる場合に、第１基板は放熱側として作用し第２基板よりも低温となるので、導電性部材を第２基板の電極と熱電素子との間に配置した場合に比べて導電性部材の弾性の劣化を防ぐことが可能となる。

上記熱電変換装置は、前記蓋部の端部を延出した部分が第１基板に結合されることを特徴とする。

本発明にあっては、蓋部の端部を延出した部分を第１基板に結合したことで、蓋部と第１基板とを結合する結合部材を別に設ける必要がなく、製造工程の簡素化および製造コストの低減を図ることが可能となる。

上記熱電変換装置は、前記導電性部材が、電極毎に２箇所以上の位置で電極に溶接されることを特徴とする。

本発明にあっては、導電性部材を電極毎に２箇所以上の位置で溶接したことで、導電性部材を電極に接触させるのみとした場合と比べて導電性部材が移動しなくなるので、製造性が向上し、装置間の性能バラツキを防止することが可能となる。

上記熱電変換装置は、前記導電性部材の溶接される位置が、電極上の熱電素子が配置されない位置であることを特徴とする。

本発明にあっては、導電性部材を電極上の熱電素子が配置されない位置に溶接したことで、溶接した部分の形状変形に起因して熱電素子と導電性部材との接触面積が低減し、熱効率が低減することを防止可能となる。

第２の本発明に係る熱電変換装置の製造方法は、複数の熱電素子のそれぞれの一端部に金を配置する工程と、第１基板又は第２基板における複数の電極に金を配置する工程と、熱電素子における金と基板上の電極における金とを接合する工程と、熱電素子が接合された基板と他方の基板とを熱電素子を挟むように対向配置する工程と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、複数の熱電素子の一端部に金を配置するとともに複数の電極にも金を配置したことで、金と金の固相拡散接合が可能になる。

上記熱電変換装置の製造方法においては、前記他方の基板における電極とこれに対応する位置の熱電素子との間に熱電素子の伸縮を吸収可能な導電性部材を配置する工程と、第２基板の外側に蓋部を配置し、第１基板との間に圧力が加えられるように蓋部を第１基板に結合する工程と、を有することが望ましい。

また、前記蓋部を第１基板に結合する工程では、蓋部の結合部分を第１基板上で全電極を囲むように配置された溶接用の金属パターンに金属箔を介して溶接することが望ましい。

また、前記導電性部材を配置する工程では、導電性部材を電極毎に２箇所以上の位置で溶接することが望ましい。この導電性部材を溶接する位置は、電極上の熱電素子が配置されない位置であることが望ましい。

本発明によれば、３００℃以上の高温環境下でも使用可能であり、動作温度範囲が広い熱電変換装置を提供することができる。

以下、一実施の形態における熱電変換装置について図面を用いて説明する。

図１は、本実施形態の熱電変換装置１の構成を示す断面図である。同図に示すように、熱電変換装置１は、複数の電極１３を備えた第１基板１４と、複数の電極５を備えた第２基板４と、これらの基板の間に配置された複数のｐ型熱電素子１０および複数のｎ型熱電素子１１を有する。各熱電素子１０，１１は、一端部が第１基板１４の電極１３に、他端部が第２基板４の電極５にそれぞれ対応するように配置される。電極５，１３は、全ての熱電素子１０，１１が電気的に直列接続されるように配列される。また、各熱電素子１０，１１は、熱的には並列に配置されている。

第１基板１４又は第２基板４における電極上と各熱電素子の一端部とには、それぞれメッキにより金が配置される。本実施形態では、一例として、第２基板４における電極５の表面に金７を配置するとともに、各熱電素子１０，１１の端部に金１２を配置する。そして、電極５における金７と熱電素子１０，１１における金１２とを固相拡散により接合する。

このように、本熱電変換装置では、電極と熱電素子との間に配置されている金を用いて接合することで、はんだを不要とする。なお、ここで用いる金としては、純金のほか、不純物が混入した金を用いてもよいし、金合金を用いるようにしてもよい。

金を用いて接合されていない方の第１基板１４上の電極１３とこれに対応する位置の熱電素子１０，１１の端部との間には、熱電素子１０，１１の伸縮を吸収可能な導電性部材６が配置される。この導電性部材６としては、例えば厚さ方向に変形が可能となるように金属細線を網目状に編んだ金属片を用いる。なお、この変形は弾性変形でも塑性変形でもよい。

そして、第２基板４の外側に第２基板４を覆うように配置された蓋部２が、第１基板１４との間に圧力が加えられるように第１基板１４に結合される。このように、蓋部２と第１基板１４とは熱電素子１０，１１を挟んで対向配置され、第２基板４、第２基板４上の電極５、導電性部材６は、蓋部２と第１基板１４とにより熱電素子１０，１１の長手方向、すなわち起電力の発生に伴い電流が流れる方向に圧力が加えられて保持される。

本熱電変換装置では、導電性部材６を用いることで、高温環境下での動作時における各熱電素子１０，１１の移動や変形を導電性部材６で吸収し、熱電素子１０，１１の損傷を防止する。また、導電性部材６により各熱電素子１０，１１の高さのバラツキも吸収されるので、高さごとの選別や検定などの工程を削減することが可能となる。

熱電変換装置１は、蓋部２に供給されてきた熱を熱電素子１０，１１により電気に変換することが可能であり、蓋部２と第２基板４との間に金属膜４０を形成することで、吸熱効率を高めている。

また、導電性部材６を、熱が供給されてくる高温側の第２基板４における電極５と熱電素子１０，１１の端部との間ではなく、放熱側として作用する低温側の第１基板１４における電極１３と熱電素子１０，１１の端部との間に配置したことで、導電性部材６の高温環境下での弾性劣化を抑制する。

熱電変換装置１は、蓋部２、第１基板１４、蓋部２と第１基板１４とを結合する結合部材９により密閉された箱型構造体となっている。箱型構造体の内部は、大きな温度変化が加えられても構造体に変形・破壊が生じ難いように、減圧雰囲気に設定されており、この雰囲気を維持するために箱型構造体は気密封止される。

結合部材９は、第１基板１４上の溶接用の金属パターン３１に金属箔３０を介して溶接される。これにより、蓋部２の第１基板１４に対する結合部分を第１基板１４にロウ付けすることを不要とし、製造工程において９００℃でロウ付けした後の冷却時にロウ付けした部分が損傷することを防止する。

図２の平面図に示すように、溶接用の金属パターン３１は、第１基板１４上の全電極１３を囲むように配置される。結合部材９は、この金属パターン３１に対応して全熱電素子１０，１１を囲む形状となっており、箱型構造体の枠として作用する。

図３の平面図に示すように、導電性部材６は、電極１３毎に２箇所以上の位置２１で抵抗溶接により電極１３に固着される。これによって、導電性部材６を単に電極１３に接触させただけの場合と比べて導電性部材が移動しないようにして、製造性の向上を図り、装置間の性能バラツキを防止する。

また、導電性部材６が抵抗溶接により固着される位置を、電極１３上の熱電素子１０，１１が配置されない位置とする。特に望ましくは、図３に示すように、各熱電素子１０，１１間の間隙における２箇所であって、これらの箇所を結ぶ線分が熱電素子１０，１１の配列方向に対して直交するような２箇所で抵抗溶接する。このような位置で抵抗溶接することで、抵抗溶接による導電性部材の形状変形に起因して熱電素子と導電性部材との接触面積が低減し、熱効率が低下することを防止する。

熱電素子１０，１１において生じた起電力は、第１基板１４に形成されたスルーホール１６によって外部に取り出される。熱電素子１０，１１に電気的に接続されている電極１３は、このスルーホール１６を通じて第１基板１４の外部に露出しており、この露出部分が、第１基板１４の外部に配置された絶縁樹脂１９の表面上における金属配線１８にはんだで接続される。このように、熱電変換装置１の電極から取り出す配線をスルーホール１６を通じて行うことで、熱電変換装置の気密性の向上を図る。また、第１基板１４の外部表面には金属膜１５を形成することで放熱性を向上させる。

なお、本実施の形態において、熱電素子のｐ型、ｎ型とは、熱電素子の端部に熱を加えたときの電流の流れる方向が互いに逆向きとなるような関係に構成されたものをいう。熱電変換装置１では、ｐ型熱電素子１０、ｎ型熱電素子１１を第１基板１４における電極１３と第２基板４における電極５とによって電気的に直列に接続することによって、起電力の電圧を上昇させている。すなわち、各熱電素子に流れる電流は、ｐ型熱電素子１０とｎ型熱電素子１１とを交互に通過した後に金属配線１８から取り出される。

次に、熱電変換装置１の製造工程の一例について説明する。まず、図４の工程図に示すように、複数の電極１３と全ての電極１３を囲むようにした溶接用の金属パターン３１とが形成された第１基板１４を用意する。この第１基板１４の電極１３と対向する側の面に金属膜１５を形成する。また、第１基板１４の電極１３が設けられた側に対向する外側に、金属配線１８が表面に形成された絶縁樹脂１９を配置し、電極１３を第１基板１４に設けられたスルーホール１６を通じてこの金属配線１８に接続する。本実施の形態では、一例として第１基板１４にはＳｉ_３Ｎ_４基材のセラミックスを、電極１３には銅をそれぞれ使用する。

続いて、図５の工程図に示すように、導電性部材６を抵抗溶接により電極１３に固着する。導電性部材６の抵抗溶接は、電極１３毎に２箇所以上の位置で行う。導電性部材６としては直径０．６ｍｍの銅線を網目状に編んだものを用いる。

続いて、図６の工程図に示すように、結合部材９を金属箔３０を介して溶接用の金属パターン３１に溶接する。この溶接はレーザ溶接あるいは抵抗溶接とする。結合部材９には、金属パターン３１に対応して全ての電極を囲む形状のものを用い、その材質には例えばコバールを用いる。金属箔３０にはニッケルを用いる。

続いて、図７に示すように、複数の電極５が平面状の表面に形成された第２基板４を用意する。この第２基板における各電極５の表面に金７を配置する。第２基板４の電極５に対向する側の表面には金属膜４０を形成する。

続いて、図８に示すように、熱電素子１０，１１の一端部に金１２を配置する。次に、熱電素子における金と第２基板４上の電極５における金とを固相拡散により接合する。この接合には超音波を用いるようにしてもよい。

続いて、図９に示すように、熱電素子１０，１１が電極５に接合された第２基板４と、導電性部材６が電極１３に固着された第１基板１４とを、各熱電素子１０，１１を挟むように対向配置させる。

続いて、図１０に示すように、表裏を連通する開口による封止孔３が設けられている蓋部２を第２基板４の外側に第２基板４を覆うように配置し、蓋部２と結合部材９とを、蓋部２と第１基板との間に圧力が加えられるように溶接することで、蓋部２を第１基板１４に結合する。蓋部２の素材にはＳＵＳ３０４を用いる。

最後に、熱電変換装置１を減圧雰囲気の中に放置し、封止孔３をレーザにより溶融して塞ぐことにより、図１に示した気密封止構造の熱電変換装置を得る。

したがって、本実施の形態によれば、第２基板４における電極５とこれに対応する熱電素子１０，１１の端部とを金を用いて接合したことで、はんだが不要となり、金の融点に達するまでは熱電変換装置を使用することが可能になり、使用温度範囲を広げることができる。

本実施の形態によれば、金を用いて接合されていない方の第１基板１４における電極１３と熱電素子１０，１１の端部との間に、各熱電素子１０，１１の伸縮を吸収可能な導電性部材６を設けるとともに、蓋部２を第１基板１４との間に圧力が加えられるように第１基板１４に結合することにより導電性部材６を保持することで、各熱電素子１０，１１の変形や移動が吸収されるので、電極１３と各熱電素子１０，１１の端部とをはんだで接合した場合と比べて熱電素子等の損傷を防ぐことができる。

本実施の形態によれば、導電性部材６を第１基板１４の電極１３と各熱電素子１０，１１の端部との間に配置したことで、蓋部２を通じて熱が第２基板４に供給されてくる場合に、第１基板１４は放熱側として作用し第２基板４よりも低温となるので、導電性部材６を高温側の第２基板４と熱電素子との間に配置した場合に比べて導電性部材６の弾性の劣化を防ぐことができる。

本実施の形態によれば、蓋部２を第１基板１４に結合する結合部分を、第１基板１４上の全電極１３を囲むように配置された溶接用の金属パターン３１に金属箔３０を介して溶接したことで、結合部分を第１基板にロウ付けする必要がなくなるので、製造工程において９００℃でロウ付けした後に冷却する時にロウ付けした部分が損傷することを防止することができる。これにより、第１基板１４の信頼性が向上し、ひいては完成した熱電変換装置の信頼性を向上させることができる。

本実施の形態によれば、導電性部材６を電極１３毎に２箇所以上の位置で溶接したことで、導電性部材６を電極１３に接触させるのみとした場合と比べて導電性部材６が移動しなくなるので、製造性が向上し、装置間の性能バラツキを防止することができる。

本実施の形態によれば、導電性部材６を電極１３上の熱電素子１０，１１が配置されない位置に溶接したことで、溶接した部分の形状変形に起因して熱電素子１０，１１と導電性部材６との接触面積が低減し、熱効率が低下することを防止できる。

なお、本実施の形態においては、蓋部２の素材にＳＵＳ３０４、金属箔３０にニッケル、第１基板１４における電極１３に銅を使用したが、これらの材質は、溶接箇所の気密性、蓋部２の加工性等の本熱電変換装置の効果が得られるものであれば特に限定されるものではない。また、金属箔３０は、溶接箇所の気密性が得られるのであれば省いてもよい。また、各溶接方法も、本発明の効果が得られるものであれば、レーザ溶接や抵抗溶接などに特に限定されるものではない。

また、本実施の形態においては、第２基板４上の電極５と各熱電素子１０，１１の端部とを金を用いて接合し、第１基板１４上の電極１３と各熱電素子１０，１１の端部との間に導電性部材６を配置することとしたが、これとは逆に第１基板１４上の電極１３と各熱電素子１０，１１の端部とを金を用いて接合し、第２基板４上の電極５と各熱電素子１０，１１の端部との間に導電性部材６を配置してもよい。

また、本実施の形態においては、蓋部２の第１基板１４との結合部分を、溶接用の金属パターン３１に金属箔３０を介して溶接することとしたが、金属箔３０に限られるものではない。金属箔３０に代えて、例えばろう材を金属パターン３１上にメッキするようにしてもよい。

次に、別の実施の形態における熱電変換装置について図１１を用いて説明する。図１１の断面図に示すように、本熱電変換装置は、蓋部２の端部を延出した部分が第１基板１４に結合された構成である。すなわち、蓋部２と結合部材は、同一部材によって一体的に形成される。蓋部２および蓋部を延出した部分の材質には、例えばＳＵＳあるいはコバールといった一つ以上の金属を用いる。結合手法としては、蓋部２を延出した部分を、第１基板１４の表面に配置された溶接用の金属パターン３１にレーザ溶接あるいは抵抗溶接により接合する。その他、図１乃至図３を用いて説明した熱電変換装置と同一物には同一の符号を付すこととして、ここでは重複した説明は省略する。また、本熱電変換装置の製造方法も、図４乃至図１０を用いて説明した製造方法と基本的には同様であるので、ここでは説明を省略する。

本実施の形態によれば、蓋部２の端部を延出した部分を第１基板１４に結合したことで、蓋部２と第１基板１４とを結合する結合部材を別に設ける必要がなく、製造工程の簡素化および製造コストの低減を図ることができる。

なお、上記各実施の形態においては、蓋部２に供給されてきた熱を電気に変換する熱電変換装置を例に説明したが、本発明は電気を熱に変換する熱電変換装置にも適用可能である。

一実施の形態における熱電変換装置の構成を示す断面図である。 第１基板上における電極および溶接用の金属パターンを示す平面図である。 一電極上における導電性部材の抵抗溶接の位置を示す平面図である。 上記熱電変換装置を製造する際の第１工程を示す図である。 上記熱電変換装置を製造する際の第２工程を示す図である。 上記熱電変換装置を製造する際の第３工程を示す図である。 上記熱電変換装置を製造する際の第４工程を示す図である。 上記熱電変換装置を製造する際の第５工程を示す図である。 上記熱電変換装置を製造する際の第６工程を示す図である。 上記熱電変換装置を製造する際の第７工程を示す図である。 別の実施の形態における熱電変換装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１…熱電変換装置，２…蓋部，３…封止孔，４…第２基板，５，１３…電極，６…導電性部材，７，１２…金，９…結合部材，１０…ｐ型熱電素子，１１…ｎ型熱電素子，１４…第１基板，１５…金属膜，１６…スルーホール，１８…金属配線，１９…絶縁樹脂，３０…金属箔，３１…金属パターン，４０…金属膜

Claims (11)

1. 複数の電極を備えた第１基板および第２基板と、
   一端部が第１基板の電極に、他端部が第２基板の電極にそれぞれ対応するように第１基板と第２基板との間に配置される複数の熱電素子とを備え、
   第１基板又は第２基板の一方における電極とこれに対応する熱電素子の端部とが金を用いて接合されることを特徴とする熱電変換装置。
2. 金を用いて接合されていない方の基板における電極とこれに対応する位置の熱電素子の端部との間に配置され、熱電素子の伸縮を吸収可能な導電性部材と、
   第２基板の外側に配置され、第２基板と第１基板との間に圧力が加えられるように第１基板に結合される蓋部と、
   を有することを特徴とする請求項１記載の熱電変換装置。
3. 前記導電性部材は、第１基板の電極とこれに対応する熱電素子の端部との間に配置されることを特徴とする請求項２記載の熱電変換装置。
4. 前記蓋部は、その端部を延出した部分が第１基板に結合されることを特徴とする請求項２又は３記載の熱電変換装置。
5. 前記導電性部材は、電極毎に２箇所以上の位置で電極に溶接されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の熱電変換装置。
6. 前記導電性部材が溶接される位置は、電極上の熱電素子が配置されない位置であることを特徴とする請求項５記載の熱電変換装置。
7. 複数の熱電素子のそれぞれの一端部に金を配置する工程と、
   第１基板又は第２基板における複数の電極に金を配置する工程と、
   熱電素子における金と基板上の電極における金とを接合する工程と、
   熱電素子が接合された基板と他方の基板とを熱電素子を挟むように対向配置する工程と、
   を有することを特徴とする熱電変換装置の製造方法。
8. 前記他方の基板上の電極とこれに対応する位置の熱電素子との間に熱電素子の伸縮を吸収可能な導電性部材を配置する工程と、
   第２基板の外側に蓋部を配置し、第１基板との間に圧力が加えられるように蓋部を第１基板に結合する工程と、
   を有することを特徴とする請求項７記載の熱電変換装置の製造方法。
9. 前記蓋部を第１基板に結合する工程では、蓋部の結合部分を第１基板上で全電極を囲むように配置された溶接用の金属パターンに金属箔を介して溶接することを特徴とする請求項８記載の熱電変換装置の製造方法。
10. 前記導電性部材を配置する工程では、導電性部材を電極毎に２箇所以上の位置で溶接することを特徴とする請求項８又は９記載の熱電変換装置の製造方法。
11. 前記導電性部材を溶接する位置は、電極上の熱電素子が配置されない位置であることを特徴とする請求項１０記載の熱電変換装置の製造方法。
    

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