JPH09260730A

JPH09260730A - 熱電モジュールの製造方法及び熱電モジュール

Info

Publication number: JPH09260730A
Application number: JP8062422A
Authority: JP
Inventors: Shuzo Kagawa; 修三香川
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】熱電モジュールの製造方法において、工程の
簡素化を図ることを目的とする。【解決手段】上下に電極板を付けて一体形成したｐ型
熱電素子16とｎ型熱電素子18を、所定隙間を存して交互
に配置して並べ、ｐ型熱電素子16とｎ型熱電素子18を電
気的に直列に接続してサブモジュール14を形成する。次
に、各々のサブモジュールをｐ型熱電素子16どうし又は
ｎ型熱電素子18どうしが隣り合わないように平行に並べ
て、サブモジュールとサブモジュールを電気的に直列接
続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電モジュール及
びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電モジュールとは、ｐ型熱電素子とｎ
型熱電素子が電極板を介して電気的に直列接続となるよ
うに接合されたもので、ｐｎ素子対の接合部間に温度差
を与えると電位差が発生し、また接合部間に電流を流す
と、その電流の向きにより吸熱又は発熱する性質を有す
る。前者の性質はゼーベック効果と呼ばれ、例えばごみ
焼却炉の廃熱による発電の如き熱電発電用に開発されて
おり、後者の性質はペルチェ効果と呼ばれ、例えば半導
体製造プロセスにおける恒温装置、エレクトロニクスデ
バイスの冷却等の熱電冷却に幅広く利用されている。

【０００３】このような熱電モジュールの従来の製造法
を、図１１を参照して説明する。まず、ｐ型及びｎ型熱
電材料を石英アンプル内で一旦溶解し、一方向から徐々
に結晶化したインゴットを、適当な大きさ(例えば、数
ミリ角)に切断加工して、図示の如く、ｐ型熱電材料成
形体(90)とｎ型熱電材料成形体(91)が得られる。熱電材
料成形体(90)(91)の両面には接合性を高めるためのＮｉ
メッキ層(92)(92)が施され、Ｎｉメッキ層の上には半田
メッキ層(94)(94)がさらに施される。次に、電極(98)
は、電気絶縁材としての役割を果たすセラミック基板(9
6)の上にＣｕのパターニングを直接施して形成される。
セラミック基板(96)のＣｕ電極(98)の上に、そのパター
ニング位置に対応してｐ型熱電材料成形体(90)とｎ型熱
電材料成形体(91)が交互に配置された後、熱電材料成形
体(90)(91)の上に、Ｃｕ電極(98)のパターニングが施さ
れたセラミック基板(96)が載せられる。これを加熱器の
中に入れて加熱すると、半田(94)(94)が溶融し、成形体
(90)(91)のＮｉメッキ層(92)(92)と、セラミック基板(9
6)(96)のＣｕ電極(98)(98)とが接合される。なお、図１
１では、熱電材料成形体(90)(91)はｐ型とｎ型を１つず
つしか示していないが、通常は、熱電モジュールの要求
性能にもよるが多数存在する。

【０００４】従来の製造法では、ｐ型及びｎ型熱電材料
成形体と、電極との接合は、熱電モジュールの組立時に
半田付けにより行なっていたため、小さな熱電材料成形
体をパターニング位置に正しく配置する作業、半田付け
工程等に多大の工数を要していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、熱電モジュ
ールの製造工程の簡素化を図るために、熱電モジュール
の新規な製造方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決する為の手段】本発明にかかる熱電モジュ
ールの製造方法は、対向する第１及び第２の電極板の間
に熱電部材が接合されたｐ型とｎ型の熱電素子を複数個
準備し、隣り合うｐ型とｎ型の熱電素子の間に所定の隙
間が形成され、かつ夫々の第１電極板が同一平面、夫々
の第２電極板が同一平面に位置するように、ｐ型熱電素
子とｎ型熱電素子を交互に配置し、隙間を挟んで隣り合
う第１電極板どうし及び第２電極板どうしを交互にロー
付けして、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子が電気的に直列
接続することにより形成される。

【０００７】熱電モジュール作製後、電気的直列回路の
基端となる電極板と終端となる電極板に、夫々接続用端
子を接続することにより、他の熱電モジュール等と接続
できる。

【０００８】また、熱電素子間の隙間に被覆材を充填す
ることにより、熱電モジュールの強度を高めることがで
きる。被覆材として、樹脂、セラミック、せっこう又は
セメント等を挙げることができる。被覆材の隙間への充
填は、熱電モジュールの全体を被覆することにより行な
うことが望ましい。外周全部を覆った後、所定の厚さに
なるまで電極板を平面研削することにより、精度よくコ
ントロールした平面を出すことができる。これにより複
数の熱電モジュールを接続して使用する際に、熱電モジ
ュールどうしの厚さを一定にそろえることができる。な
お、樹脂、セラミック、せっこう、セメントは電気絶縁
作用を有することから、被覆材を同時に絶縁材として使
用したい場合、被覆層は熱伝達作用に影響を及ぼさない
程度の厚さにして電極表面に存在させることもできる。
被覆材は熱電モジュールの側方に張り出すように成形す
れば、その張出し部に熱交換器取付け用の取付孔等を開
設することができる。

【０００９】本発明にかかる他の熱電モジュールの製造
方法として、対向する細長い第１及び第２の電極板の間
に熱電部材が接合されたｐ型とｎ型の熱電素子を同個数
準備し、隣り合うｐ型とｎ型の熱電素子の間に所定の隙
間が形成され、かつ夫々の第１電極板が同一平面、夫々
の第２電極板が同一平面に位置するように、ｐ型熱電素
子とｎ型熱電素子を交互に配置し、隙間を挟んで隣り合
う第１電極板どうし及び第２電極板どうしを交互にロー
付けして、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を電気的に直列
接続し、熱電素子を長手方向の所定間隔位置で切断する
ことにより、ｐ型とｎ型の熱電素子が電気的に直列接続
されたサブモジュールを複数列形成し、サブモジュール
を１列おきに左右位置を入れ替えて、隣り合うサブモジ
ュールが所定の隙間を存するように配置し、複数列のサ
ブモジュールが電気的に直列に接続されるように、隣り
合うサブモジュールの端部位置にあるｐ型熱電素子とｎ
型熱電素子の電極板をロー付けすることにより形成する
こともできる。代表的なロー材として、半田を挙げるこ
とができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。熱電部材を形成する熱電材料は、特に限定
されるものでなく、公知の材料を用いることができる。
その一例として、ｐ型熱電材料として、(Ｂｉ₂Ｔｅ₃)
_1-x(Ｓｂ₂Ｔｅ₃)_xであってｘが０.７０〜０.８５のもの
を挙げることができ、ｎ型熱電材料として、(Ｂｉ₂Ｔｅ
₃)_1-x(Ｂｉ₂Ｓｅ₃)_xであってｘが０.０５〜０.１５のも
のを挙げることができる。

【００１１】ｐ型熱電素子(16)、ｎ型熱電素子(18)は、
図１に示す如く、対向する第１の電極板(26)と第２の電
極板(28)との間に、ｐ型熱電部材(20)、ｎ型熱電部材(2
2)を夫々挟んで接合した素子である。図示の熱電素子
は、細長い角型形状であるが、この形状に限定されるも
のでなく、四角形の板状体、立方体なども勿論可能であ
る。ｐ型及びｎ型の熱電素子(16)(18)は、予め熱電部材
(20)(22)の成形体を作製し、成形体の両面にＮｉメッキ
を施した後、各面に第１電極板(26)と第２電極板(28)を
半田等のロー材(図示せず)にて接合することにより得る
ことができる。或はまた、図９に示す如く、金型(50)の
中に、第１電極板(26)、熱電材料粉末(24)、第２電極板
(28)を順に積層した後、熱電材料粉末(24)を積層方向に
加圧焼結する際、熱電材料の両面に電極板(26)(28)を同
時に接合して得ることもできる。この場合、図１に示す
細長い熱電素子を得るには、四角形の板状成形体を形成
した後、図１０に示す如く、一の側辺と平行に切断すれ
ばよい。

【００１２】電極板(26)(28)は、Ｂｉ−Ｔｅ系合金の熱
電材料に対しては、Ｎｉ板を使用するか、又はＣｕ板に
Ｎｉをメッキした板を使用することが望ましく、Ｎｉメ
ッキ層の厚さは約２０μm以上にすることが望ましい。
これ以外にも、モリブデン(Ｍｏ)或いはチタン(Ｔｉ)を
蒸着したＣｕ板を使用してもよい。

【００１３】熱電素子を、図９に示すホットプレス法に
より作製する場合、電極板(26)(28)は、板面を貫く貫通
孔を形成したものを使用することが望ましい。これは、
貫通孔にも熱電材料粉末が充満して加圧焼結されること
により、特に電極板の板面方向の密着強度が高められる
だけでなく、図１に示す如く、例えばｐ型熱電素子(16)
の電極板は円形孔(30)、ｎ型熱電素子(18)の電極板は四
角孔(32)というように決めておけば、熱電素子の識別マ
ークにもなるからである。

【００１４】作製される熱電モジュールの形態として、
図２又は図３に示す如く、ｐ型熱電素子(16)とｎ型熱電
素子(18)が電極板を介して電気的に直列接続された一列
構造の熱電モジュール(10)を挙げることができる。ま
た、図５に示す如く、ｐ型熱電素子(16)とｎ型熱電素子
(18)が電極板を介して電気的に直列接続された一列構造
の熱電モジュールをサブモジュール(14)とし、このサブ
モジュール(14)が複数列に電気的に直列接続された熱電
モジュール(12)を挙げることができる。

【００１５】まず、図２、図３に示す一列構造の熱電モ
ジュールの製造方法について説明する。対向する細長い
第１及び第２の電極板(26)(28)の間に熱電部材が夫々接
合されたｐ型とｎ型熱電素子(16)(18)を、図１に示す如
く、第１の電極板(26)が夫々同一平面に位置し、第２の
電極板(28)が夫々同一平面に位置し、ｐ型とｎ型の熱電
素子が互い違いとなるように配置する。熱電素子の個数
は、必要に応じて適宜決めればよい。なお、図示の実施
例では、ｐ型熱電素子(16)の電極板(26)(28)には丸孔(3
0)、ｎ型熱電素子(18)の電極板(26)(28)には四角孔(32)
が形成されている。

【００１６】図４に示す如く、隣り合うｐ型熱電素子(1
6)とｎ型熱電素子(18)との間に、エポキシ樹脂等で形成
された板状のスペーサ(36)を挿入し、隣り合う電極板間
に平行な隙間(42)(44)を形成する。スペーサ(36)は、熱
電素子どうしを所定間隔に平行に整列させると共に、電
極どうしのロー付けの際に、ロー材が必要以外の部分に
付着するのを防止する。

【００１７】次に、スペーサ(36)によって形成された奇
数番目の隙間を挟んで隣り合う第１電極板(26)(26)どう
し、偶数番目の隙間を挟んで隣り合う第２電極板(28)(2
8)どうしを交互に半田等のロー材(34)にて接合し、電極
板どうしを電気的に接続する。図４を参照してより具体
的に説明すると、図４の最も左側(奇数番目)の隙間(42)
を挟む第１電極板(26)(26)どうしをロー付けした場合、
次は、その隣(偶数番目)の隙間(44)を挟む電極板(28)(2
8)どうしをロー付けする。その次は、左側から３番目
(奇数番目)の隙間(42)を挟む第１の電極板(26)(26)どう
し、という順にロー付けを繰り返すのである。なお、ロ
ー付けは、端から交互に行なってもよいし、片面ずつま
たは両面同時に処理してもよい。作業性の観点からは、
一方の面を処理した後、裏返して他方の面を処理するこ
とが望ましい。スペーサ(36)を取り除くと、図２に示す
如く、ｐ型熱電素子(16)とｎ型熱電素子(18)が電気的に
直列接続された熱電モジュールが形成される。

【００１８】ロー材(34)によって接続された熱電素子
を、図４の一点鎖線(51)(52)に示す如く、熱電素子の長
手方向の所定間隔位置で切断した後、スペーサ(36)を取
り除くと、図３に示す如き、細長い熱電モジュール(10)
を作製することができる。熱電モジュール(10)には、電
気的直列回路の基端となる電極板(27)と、終端となる電
極板(29)に、夫々端子(40a)(40b)が取り付けられる。

【００１９】上記熱電モジュール(10)を補強するため
に、スペーサ(36)を取り除いた後の空間に樹脂(38)を充
満させることが望ましい。また、樹脂(38)は、電極板の
表面に被覆されると、熱電モジュール(10)の電気絶縁材
として機能することもできる。このため、スペーサ(36)
を取り除き、端子(40)を取り付けた後、図５に示すよう
に、樹脂(38)を流し込んで熱電モジュール(10)の全体を
被覆する。樹脂(38)で熱電モジュール(10)を被覆する場
合、スペーサ(36)は必ずしも取り除く必要はなく、スペ
ーサの上から樹脂を流し込んでも構わない。この後、平
面研削又は切削により、図５の二点鎖線(52)(52)で示す
ように、電極板表面が露出するまで樹脂(38)を取り除
く。この工程により熱電モジュールの平滑度を上げ、熱
電モジュールの厚さを精度よく調整することができる。
樹脂(38)に絶縁材として作用させる必要がある場合に
は、熱伝達作用に悪影響を及ぼさない厚さまで、必要に
応じて、樹脂表面の平面研削又は切削を行なう。また樹
脂は、熱電モジュールの側方に張り出すように成形すれ
ば、その張出し部に熱交換器取付け用の取付孔(39)(図
５及び図８参照)を開設することができる。樹脂に代え
て、セラミックを使用することもできる。この場合、セ
ラミックの粉末を溶剤に溶かしたものを熱電モジュール
の型に流し込んだ後、乾燥させればよい。熱電モジュー
ルを高温で使用する場合、耐熱性にすぐれるセラミック
を用いるのが望ましい。

【００２０】次に、図６に示す複数列構造の熱電モジュ
ール(12)の製造方法について説明する。図４に示すよう
に、半田付けされた細長いｐ型とｎ型の熱電素子を一点
鎖線(51)に沿って複数列に切断する。切断された各列の
熱電モジュールを、以下では「サブモジュール(14)」と
称する。１個のサブモジュール(14)は、図３に示す熱電
モジュール(10)において端子(40a)(40b)を取り付ける前
の形状と同じである。

【００２１】図６を参照すると、複数列に並べられたサ
ブモジュール(14)のうち、偶数列に位置するサブモジュ
ールの左右位置を入れ替える。隣り合うサブモジュール
とサブモジュールの間に、前記と同様、樹脂等で形成さ
れた板状のスペーサを挿入し、隣り合うサブモジュール
の間に平行な隙間(46)を存するように配置する。サブモ
ジュール(14)は、奇数列を入れ替えるようにしてもよ
い。

【００２２】次に、隣り合うサブモジュール(14)(14)の
一端の電極板どうしを半田(34)により電気的に直列に接
続して、全体として全てのサブモジュール(14)を電気的
に直列接続することにより、図６に示す複数列構造の熱
電モジュール(12)を作製することができる。隣り合うサ
ブモジュールの半田(34)による接続位置をより具体的に
説明すると、前方から第１列と第２列は右側端部(図６
参照)、第２列と第３列は左側端部(図８参照)で接続さ
れ、第３列と第４列は再び右側端部(図６参照)で接続さ
れ、このように右側と左側の交互の端部で接続される。
このようにして熱電モジュール(12)が作製されると、図
２又は図３の熱電モジュールの製造方法の場合と同じよ
うに、電気的直列回路の基端となる電極板(27)(図７及
び図８参照)と、終端となる電極板(29)(図８参照)に夫
々、端子(40a)(40b)を取り付け、樹脂(38)またはセラミ
ックで熱電モジュール全体を被覆するのが望ましい。被
覆後は、適宜の切断加工と、必要に応じて電極板表面の
露出加工を行ない、図７及び図８に示す如く複数列の熱
電モジュールが得られる。また、樹脂(38)の張出し部に
は、前記の実施例と同様、熱交換器への取付孔(39)を適
宜設けることができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の熱電モジュールの製法によれ
ば、工程の簡素化を図ることができる。特に、図７及び
図８に示すいわゆる複数列構造の熱電モジュールを作製
する場合、最終組立ての完了まで、熱電素子を細長い形
状のまま取り扱うことができるため、作業性が極めて良
好である。

【図面の簡単な説明】

【図１】ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を交互に配置した
ときの斜視図である。

【図２】隣接する熱電素子にスペーサを挟んで、ロー付
けを行なったときの斜視図である。

【図３】図２の一点鎖線に沿って切断して得られた熱電
モジュールの斜視図である。

【図４】図２及び図３に示す熱電モジュールの製造方法
の説明図である。

【図５】樹脂で被覆された熱電モジュールの断面図であ
る。

【図６】サブモジュールを並べて配置し、ロー付けした
複数列構造の熱電モジュールの斜視図である。

【図７】樹脂で被覆した後、余分箇所の切断及び、電極
板上面の研削又は切削を行なった複数列構造の熱電モジ
ュールの斜視図である。

【図８】図７に示す熱電モジュールを、図７とは異なる
位置から観察したときの斜視図である。

【図９】電極板と熱電材料粉末を収容したホットプレス
用金型の断面図である。

【図１０】ホットプレスにより焼結された熱電素子の斜
視図である。

【図１１】従来の熱電モジュールのｐｎ素子対を示す断
面図である。

【符号の説明】

(10) 一列構造の熱電モジュール (12) 複数列構造の熱電モジュール (14) サブモジュール (16) ｐ型熱電素子 (18) ｎ型熱電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが電気的
に直列接続された熱電モジュールを製造する方法であっ
て、対向する第１及び第２の電極板の間に熱電部材が接合さ
れたｐ型とｎ型の熱電素子を複数個準備し、隣り合うｐ
型とｎ型の熱電素子の間に所定の隙間が形成され、かつ
夫々の第１電極板が同一平面、夫々の第２電極板が同一
平面に位置するように、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を
交互に平行に配置し、隙間を挟んで隣り合う第１電極板どうし及び第２電極板
どうしを交互にロー付けして、ｐ型熱電素子とｎ型熱電
素子が電気的に直列接続された熱電モジュールを形成す
ることを特徴とする、熱電モジュールの製造方法。
【請求項２】ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子とが電気的
に直列接続された熱電モジュールを製造する方法であっ
て、対向する細長い第１及び第２の電極板の間に熱電部材が
接合されたｐ型とｎ型の熱電素子を同個数準備し、隣り
合うｐ型とｎ型の熱電素子の間に所定の隙間が形成さ
れ、かつ夫々の第１電極板が同一平面、夫々の第２電極
板が同一平面に位置するように、ｐ型熱電素子とｎ型熱
電素子を交互に平行に配置し、隙間を挟んで隣り合う第１電極板どうし及び第２電極板
どうしを交互にロー付けして、ｐ型熱電素子とｎ型熱電
素子を電気的に直列接続し、熱電素子を長手方向の所定間隔位置で切断することによ
り、ｐ型とｎ型の熱電素子が電気的に直列接続されたサ
ブモジュールを複数列形成し、サブモジュールを１列おきに左右位置を入れ替えて、隣
り合うサブモジュールが所定の隙間を存するように配置
し、複数列のサブモジュールが電気的に直列に接続されるよ
うに、隣り合うサブモジュールの端部位置にあるｐ型熱
電素子とｎ型熱電素子の電極板をロー付けして熱電モジ
ュールを形成することを特徴とする、熱電モジュールの
製造方法。
【請求項３】熱電モジュールを、被覆材で被覆するこ
とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱電モ
ジュールの製造方法。
【請求項４】熱電モジュールを被覆材で被覆した後、
電極板が臨出し、熱電モジュールが所定の厚さとなるま
で平面研削を行なうことを特徴とする請求項３に記載の
熱電モジュールの製造方法。
【請求項５】対向する第１及び第２の電極板の間に熱
電部材が接合された１対または複数対のｐ型とｎ型の熱
電素子が、ｐ型とｎ型の熱電素子の夫々の第１電極板が
同一平面、夫々の第２電極板が同一平面に位置するよう
に交互に平行に配置され、ｐ型熱電素子とｎ型熱電素子
が電気的に直列接続されるように、隣り合う第１電極板
どうし及び第２電極板どうしが交互にロー材で接合され
た熱電モジュール。