JP2017143111A - Thermoelectric conversion module and method for manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion module and a manufacturing method thereof.
熱電デバイスの技術が、特開２０１２−１９１０４３号公報（特許文献１）に開示されている。この公報には、「熱伝達装置は、第１熱伝達面を有するアルミ製熱伝達板と熱伝達の対象となる熱電デバイスのうちアルミ製熱伝達板の第１熱伝達面に対向する面である第２熱伝達面と第１熱伝達面との間に配置された液体金属と、液体金属に接触すると共にアルミ製熱伝達板の第１熱伝達面に形成された第１グラファイト層と、を備えて構成する」ことが記載されている。 The technology of the thermoelectric device is disclosed in JP 2012-191043 A (Patent Document 1). This publication states that “the heat transfer device is a surface facing the first heat transfer surface of the aluminum heat transfer plate among the aluminum heat transfer plate having the first heat transfer surface and the thermoelectric device targeted for heat transfer. A liquid metal disposed between a second heat transfer surface and a first heat transfer surface; a first graphite layer that is in contact with the liquid metal and formed on the first heat transfer surface of the aluminum heat transfer plate; It is described that it is configured to include.
熱電変換モジュールでは、熱電変換素子または熱電変換素子と接続する電極に高さバラツキがあると、熱電変換モジュールの組立時の接合性が低下し、これと合わせて、熱電変換モジュールに熱源体からの熱が均一に伝わり難くなり、発電性能が低下することが懸念される。また、熱電変換素子と電極との熱膨張差により、熱電変換素子内や熱電変換素子と電極の接合部に熱応力が発生する。そのため、この熱応力に起因して熱電変換素子や接合部の破壊が懸念される。さらに、この熱応力に振動または衝撃が加わることにより、接合部または熱電変換素子自体の破壊はさらに深刻なものとなる。 In the thermoelectric conversion module, if the thermoelectric conversion element or the electrode connected to the thermoelectric conversion element has a height variation, the bonding property at the time of assembly of the thermoelectric conversion module is lowered. There is a concern that heat will not be transmitted uniformly and power generation performance will be reduced. Further, due to the difference in thermal expansion between the thermoelectric conversion element and the electrode, thermal stress is generated in the thermoelectric conversion element or at the junction between the thermoelectric conversion element and the electrode. Therefore, there is a concern about destruction of the thermoelectric conversion element and the joint due to this thermal stress. Furthermore, vibrations or impacts are applied to the thermal stress, so that the destruction of the joint portion or the thermoelectric conversion element itself becomes more serious.
本発明の目的は、熱電変換モジュールにおける発電性能を向上させる技術を提供することにある。 The objective of this invention is providing the technique which improves the electric power generation performance in a thermoelectric conversion module.
本発明の上記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。 Of the inventions disclosed in this application, the outline of typical ones will be briefly described as follows.
本発明による熱電変換モジュールは、Ｐ型熱電変換素子と、上記Ｐ型熱電変換素子と電気的に接続されるＮ型熱電変換素子と、上記Ｐ型熱電変換素子と上記Ｎ型熱電変換素子とを交互に接続する電極と、上記Ｐ型熱電変換素子および上記Ｎ型熱電変換素子と上記電極とをそれぞれ電気的に接続する接合材と、上記接合材に埋め込まれたグラファイト材と、を有するものである。 A thermoelectric conversion module according to the present invention includes a P-type thermoelectric conversion element, an N-type thermoelectric conversion element electrically connected to the P-type thermoelectric conversion element, the P-type thermoelectric conversion element, and the N-type thermoelectric conversion element. It has electrodes that are alternately connected, a bonding material that electrically connects the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element and the electrode, and a graphite material embedded in the bonding material. is there.
また、本発明による他の熱電変換モジュールは、Ｐ型熱電変換素子と、上記Ｐ型熱電変換素子と電気的に接続されるＮ型熱電変換素子と、上記Ｐ型熱電変換素子と上記Ｎ型熱電変換素子とを交互に直列に接続する低温側電極と、上記Ｐ型熱電変換素子と上記Ｎ型熱電変換素子とを交互に直列に接続する高温側電極と、を有する。 Another thermoelectric conversion module according to the present invention includes a P-type thermoelectric conversion element, an N-type thermoelectric conversion element electrically connected to the P-type thermoelectric conversion element, the P-type thermoelectric conversion element, and the N-type thermoelectric conversion element. A low-temperature side electrode that alternately connects the conversion elements in series; and a high-temperature side electrode that alternately connects the P-type thermoelectric conversion elements and the N-type thermoelectric conversion elements in series.
さらに、上記Ｐ型熱電変換素子および上記Ｎ型熱電変換素子と上記低温側電極とをそれぞれ電気的に接続する第１接合材と、上記Ｐ型熱電変換素子および上記Ｎ型熱電変換素子と上記高温側電極とをそれぞれ電気的に接続する第２接合材と、上記第１接合材および上記第２接合材のうちの少なくとも何れか一方に埋め込まれたグラファイト材と、を有するものである。 Further, a first bonding material that electrically connects the P-type thermoelectric conversion element, the N-type thermoelectric conversion element, and the low-temperature side electrode, the P-type thermoelectric conversion element, the N-type thermoelectric conversion element, and the high temperature, respectively. A second bonding material that electrically connects the side electrodes, and a graphite material embedded in at least one of the first bonding material and the second bonding material.
また、本発明による熱電変換モジュールの製造方法は、（ａ）第１ブロックと第２ブロックとによって接合材とグラファイト材を加圧および加熱して、上記接合材に上記グラファイト材を埋め込む工程、（ｂ）第３ブロック上において、Ｐ型熱電変換素子およびＮ型熱電変換素子と電極との間に、それぞれ上記グラファイト材が埋め込まれた上記接合材を配置する工程、を有する。さらに、（ｃ）上記Ｐ型熱電変換素子および上記Ｎ型熱電変換素子と電極との間に、それぞれ上記グラファイト材が埋め込まれた上記接合材が配置された状態で、上記第３ブロックと第４ブロックとによってそれぞれの上記熱電変換素子と上記グラファイト材が埋め込まれた上記接合材とを加圧し、かつ上記接合材を加熱する工程、を有する。さらに、上記グラファイト材が埋め込まれた上記接合材および上記電極を介して、上記Ｐ型熱電変換素子と上記Ｎ型熱電変換素子と、を交互に電気的に接続するものである。 In addition, the method for manufacturing a thermoelectric conversion module according to the present invention includes (a) pressurizing and heating a joining material and a graphite material by a first block and a second block, and embedding the graphite material in the joining material. b) On the third block, a step of disposing the bonding material in which the graphite material is embedded, between the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element and the electrode, respectively. Further, (c) the third block and the fourth block in a state where the bonding material in which the graphite material is embedded is disposed between the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element and the electrode, respectively. Pressurizing each thermoelectric conversion element and the bonding material in which the graphite material is embedded with a block, and heating the bonding material. Further, the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element are electrically connected alternately via the bonding material in which the graphite material is embedded and the electrode.
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。 Of the inventions disclosed in the present application, effects obtained by typical ones will be briefly described as follows.
熱電変換モジュールの発電性能を向上させることができる。 The power generation performance of the thermoelectric conversion module can be improved.
以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。 In the following embodiments, when necessary for the sake of convenience, the description will be divided into a plurality of sections or embodiments. However, unless otherwise specified, they are not irrelevant to each other, and one is the other. There are some or all of the modifications, details, supplementary explanations, and the like.
また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。 Further, in the following embodiments, when referring to the number of elements (including the number, numerical value, quantity, range, etc.), especially when clearly indicated and when clearly limited to a specific number in principle, etc. Except, it is not limited to the specific number, and may be more or less than the specific number.
また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。 Further, in the following embodiments, the constituent elements (including element steps) are not necessarily indispensable unless otherwise specified and clearly considered essential in principle. Needless to say.
また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。 In addition, when referring to “consisting of A”, “consisting of A”, “having A”, and “including A”, other elements are excluded unless specifically indicated that only that element is included. It goes without saying that it is not what you do. Similarly, in the following embodiments, when referring to the shapes, positional relationships, etc. of the components, etc., the shapes are substantially the same unless otherwise specified, or otherwise apparent in principle. And the like are included. The same applies to the above numerical values and ranges.
また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Further, in the drawings used in the following embodiments, hatching may be added to make the drawings easy to see even if they are plan views. In all the drawings for explaining the following embodiments, components having the same function are denoted by the same reference numerals in principle, and repeated description thereof is omitted. Hereinafter, the present embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
（実施の形態１）
ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換モジュールは、駆動部がない、構造が単純およびメンテナンスが不要などの特徴を有するが、これまではエネルギー変換効率が低いという理由から、宇宙用電源などの限られた製品のみで使用されてきた。
(Embodiment 1)
The thermoelectric conversion module that converts thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect has features such as no drive unit, simple structure and no maintenance, but until now, because of its low energy conversion efficiency, It has been used only in limited products such as space power supplies.
しかし、近年、環境調和型社会の実現に向けて、排熱を回収し、これを熱エネルギーとして有効利用する手法が注目を浴びている。 However, in recent years, methods for recovering exhaust heat and effectively using it as thermal energy have attracted attention for the realization of an environmentally harmonious society.
現在検討が進んでいる熱電変換モジュールは、ビスマス−テルル系が主であり、使用温度域が３００℃以下と低温に限られる。排熱をさらに有効利用するためには、ビスマス−テルル系よりも高温で高い変換効率を有するシリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、マグネシウムシリサイド系、マンガンシリサイド系、スクッテルダイト系、ハーフホイスラー系などを用いた中高温用の熱電変換モジュールが必要となる。 The thermoelectric conversion modules that are currently under investigation are mainly bismuth-tellurium, and the operating temperature range is limited to 300 ° C. or lower and low temperatures. In order to make more effective use of exhaust heat, silicon-germanium, iron-silicon, magnesium silicide, manganese silicide, skutterudite, and half-Heusler systems have higher conversion efficiency at higher temperatures than bismuth-tellurium. Therefore, a thermoelectric conversion module for medium and high temperatures using the above is required.
ところで、熱電変換モジュールでは熱電変換素子または熱電変換素子が接続する電極に高さバラツキがあると、熱電変換モジュールの組立時の接合性が低下し、これと合わせて熱電変換モジュールに熱源体からの熱が均一に伝わり難くなり、発電性能が低下するという課題が生じる。 By the way, in the thermoelectric conversion module, when the thermoelectric conversion element or the electrode to which the thermoelectric conversion element is connected varies in height, the bonding property at the time of assembly of the thermoelectric conversion module is lowered. There is a problem in that heat is not easily transmitted uniformly and power generation performance is reduced.
さらに組立時の接合性が低下することで機械的信頼性の低下も懸念される。また、熱電変換素子と上記電極とを接合する接合材として、主に金属からなる接合材が使用される。熱電変換素子と電極の接合時に接合材が溶融することで、熱電変換素子や電極の高さバラツキを吸収することも可能であるが、接合材溶融時の接合材の厚さを制御することは困難である。そのため、接合後に各々の熱電変換素子が接合された部分の高さにバラツキが生じるため、結果として、熱電変換モジュールに高さバラツキが生じて、発電性能が低下する。 Furthermore, there is a concern that the mechanical reliability may be lowered due to the deterioration of the bonding property during assembly. Moreover, as a bonding material for bonding the thermoelectric conversion element and the electrode, a bonding material mainly made of metal is used. It is possible to absorb the variation in the height of the thermoelectric conversion element and the electrode by melting the bonding material when the thermoelectric conversion element and the electrode are bonded, but it is possible to control the thickness of the bonding material when the bonding material is melted. Have difficulty. Therefore, since the height of the portion where each thermoelectric conversion element is joined after joining occurs, as a result, height variation occurs in the thermoelectric conversion module, and the power generation performance decreases.
加えて、熱電変換モジュールは熱電変換素子内に温度差を与えることにより、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。そのため、熱電変換モジュールの稼働環境下において、熱電変換素子と電極との熱膨張差により、熱電変換素子内や熱電変換素子と電極との接合部に熱応力が発生し、熱電変換素子自体や接合部が破壊する懸念がある。 In addition, the thermoelectric conversion module converts thermal energy into electrical energy by providing a temperature difference in the thermoelectric conversion element. Therefore, in the operating environment of the thermoelectric conversion module, thermal stress is generated in the thermoelectric conversion element or in the junction between the thermoelectric conversion element and the electrode due to the difference in thermal expansion between the thermoelectric conversion element and the electrode, and the thermoelectric conversion element itself or the bonding There is concern that the department will be destroyed.
発生する熱応力は使用環境温度が高いほど、または、熱電変換素子と接合材もしくは電極との線膨張係数差が大きいほど高くなる。特に、３００℃以上の環境温度で使用が想定される中高温用の熱電変換モジュールでは熱応力の低減が大きな課題となっている。 The generated thermal stress increases as the use environment temperature increases or as the difference in linear expansion coefficient between the thermoelectric conversion element and the bonding material or electrode increases. In particular, in a thermoelectric conversion module for medium and high temperatures which is assumed to be used at an environmental temperature of 300 ° C. or higher, reduction of thermal stress is a major issue.
さらに、熱電変換モジュールの設置箇所によっては、振動または衝撃を伴う可能性もあり、熱電変換モジュールに生じる熱応力に振動または衝撃が加わることで熱電変換素子や接合部の破壊がより深刻となる。熱電変換素子と電極との接合材には、硬ろう、またははんだなどの軟ろうが用いられることが多い。 Furthermore, depending on the installation location of the thermoelectric conversion module, there is a possibility of accompanying vibration or impact, and the vibration or impact is added to the thermal stress generated in the thermoelectric conversion module, and the destruction of the thermoelectric conversion element or the joint becomes more serious. A hard solder or a soft solder such as solder is often used as a bonding material between the thermoelectric conversion element and the electrode.
しかし、硬ろうの場合は、接合温度が４５０〜１０００℃程度と高く、接合プロセスの冷却過程で接合部に熱応力が発生しやすい。このため、熱電変換モジュールには、この熱応力を低減する構造が必要となる。 However, in the case of a hard solder, the joining temperature is as high as about 450 to 1000 ° C., and thermal stress is likely to occur at the joint during the cooling process of the joining process. For this reason, the thermoelectric conversion module requires a structure for reducing this thermal stress.
一方、軟ろうの場合は、接合温度が３００℃以下と低く、接合部に発生する熱応力は低減できる。しかし、融点も低いため低温用の熱電変換モジュールだけに用途が限られてしまう。 On the other hand, in the case of soft solder, the joining temperature is as low as 300 ° C. or lower, and the thermal stress generated at the joint can be reduced. However, since the melting point is low, the use is limited only to the thermoelectric conversion module for low temperature.
そこで、本実施の形態１による熱電変換モジュールは、熱電変換素子と電極とを接合する接合部（接合材）の構造に特徴を有するものである。 Therefore, the thermoelectric conversion module according to the first embodiment has a feature in the structure of a bonding portion (bonding material) that bonds the thermoelectric conversion element and the electrode.
＜熱電変換モジュールの構造＞
図１は、本発明の実施の形態１による熱電変換モジュールの構造の一例を示す斜視図である。
<Structure of thermoelectric conversion module>
FIG. 1 is a perspective view showing an example of the structure of a thermoelectric conversion module according to Embodiment 1 of the present invention.
本実施の形態１の熱電変換モジュールの構造について説明する。図１に示す熱電変換モジュール１００は、複数のＰ型熱電変換素子１１と複数のＮ型熱電変換素子１２とを備えている。そして、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２は、電極２１に接合されている。
The structure of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment will be described. A
熱電変換モジュール１００は、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２のそれぞれの上面に形成された電極２１とそれぞれの下面に形成された電極２１とから、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２に温度差を与えることにより、温度差に応じた起電力が生じるモジュールである。
The
Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２のそれぞれの上面およびそれぞれの下面に与えた温度差により、熱電変換モジュール１００には電流が生じる。
A current is generated in the
電流は、Ｐ型熱電変換素子１１では高温側から低温側に、Ｎ型熱電変換素子１２では低温側から高温側に流れる。したがって、Ｐ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２とを交互に直列に接合することにより電気的な回路が形成される。
The current flows from the high temperature side to the low temperature side in the P-type
このように直列に接続したＰ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２とを複数接合することでモジュール化している。
A plurality of P-type
熱電変換モジュール１００では、熱電変換モジュール１００が有するＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の全ての素子が一続きで電気的に直列で接続される関係が望ましい。
In the
この場合は、大きな起電力を得ることが可能となる。なお、取り出す電力によっては、一部並列と組み合わせてもよい。この場合、１回路あたりで得られる電力は低くなるが並列であるため冗長化させて、一部の系列が断線しても、他の系列が接続されていることにより、全体としての電流の切断を防ぐことができる。 In this case, a large electromotive force can be obtained. Depending on the power to be extracted, a part of the power may be combined in parallel. In this case, the power obtained per circuit is low, but since it is parallel, it is made redundant so that even if some series are disconnected, other series are connected so that the current is cut as a whole. Can be prevented.
熱電変換モジュール１００は、ケースなどに封入して使用しても良いし、図１に示す構造（ケースなどに封入されていない構造）のまま使用しても良い。
The
また、図１では、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２を四角柱として表したが、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の形状は四角柱、三角柱、多角柱、円柱または楕円柱など、柱状であればよい。
Further, in FIG. 1, the P-type
次に、図１に示す熱電変換モジュール１００の要部の断面構造について説明する。図２は、実施の形態１による熱電変換モジュールの一部を拡大して示す要部断面図である。
Next, the cross-sectional structure of the main part of the
一般的に、ろう材だけを使用した接合では、接合時に接合材が溶融することで、接合部の厚さを制御することは困難である。そこで、本実施の形態１の熱電変換モジュール１００では、図２に示すように、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２と電極２１とを接合する接合材３２にグラファイト材３１が埋め込まれた（包埋された）状態で、接合時に接合材３２だけが溶融する。
In general, in the joining using only the brazing material, it is difficult to control the thickness of the joining portion because the joining material melts at the time of joining. Therefore, in the
そのため、グラファイト材３１がスペーサの役割をすることで接合部の厚さを制御することが可能となり、モジュールの高さバラツキを軽減することができる。すなわち、熱源からの熱のロスを抑えることで発電性能に優れる熱電変換モジュールを提供できる。
Therefore, when the
加えて、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２と電極２１との間に可とう性を有するグラファイト材３１を備えた構造となるため、熱応力を緩和し、さらに振動または衝撃をグラファイト材３１の部分で吸収することが可能になる。
In addition, since it has a structure including a
次に、本実施の形態１による熱電変換モジュール１００の特徴部分の詳細構造を、図１および図２を用いて説明する。本実施の形態１では、図２に示す熱電変換モジュール１００において、一例として、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２それぞれの下方側を低温側とし、一方、上方側を高温側として説明する。
Next, the detailed structure of the characteristic part of the
熱電変換モジュール１００は、Ｐ型熱電変換素子１１と、Ｐ型熱電変換素子１１と電気的に接続されるＮ型熱電変換素子１２と、Ｐ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２とを交互に直列に接続する低温側の電極２１である低温側電極２１ａと、Ｐ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２とを交互に直列に接続する高温側の電極２１である高温側電極２１ｂと、を有している。
The
さらに、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２と低温側電極２１ａとをそれぞれ電気的に接続する第１接合材３２ａと、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２と高温側電極２１ｂとをそれぞれ電気的に接続する第２接合材３２ｂと、第１接合材３２ａおよび第２接合材３２ｂのうちの少なくとも何れか一方に埋め込まれたグラファイト材３１材と、を有している。
Further, the
図２に示す例では、低温側の第１接合材３２ａと高温側の第２接合材３２ｂの両方の接合材３２にグラファイト材３１が埋め込まれている（包埋されている）構造が示されている。
In the example illustrated in FIG. 2, a structure in which the
すなわち、Ｐ型熱電変換素子１１は、その低温側において、グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１を介して低温側電極２１ａに電気的に接続され、一方、高温側において、グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１を介して高温側電極２１ｂに電気的に接続されている。
That is, the P-type
また、同様に、Ｎ型熱電変換素子１２も、その低温側において、グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１を介して低温側電極２１ａに電気的に接続され、一方、高温側において、グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１を介して高温側電極２１ｂに電気的に接続されている。
Similarly, the N-type
なお、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２のそれぞれの接合材３２との接合面には、金属層５１が形成されている。さらに、図２に示す構造では、グラファイト材３１は、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２それぞれに対応して素子ごとに分かれて接合材３２内に埋め込まれている。
A
ここで、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２は、例えば、シリコン−ゲルマニウム系、鉄−シリコン系、ビスマス−テルル系、マグネシウム−シリコン系、マンガン−シリコン系、鉛−テルル系、コバルト−アンチモン等のスクッテルダイト系、ビスマス−アンチモン系、ホイスラー合金系、ハーフホイスラー合金系などのいずれかの組み合わせからなる熱電変換素子が望ましい。本実施の形態１では３００〜６００℃での使用を想定し、上記温度域で変換効率が高いコバルト−アンチモン系とした。
Here, the P-type
また、電極２１は、例えば、ニッケル、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン、銅からなる金属、あるいはこれらの金属のうち、いずれかを主成分とする。ここで主成分とは、複数の元素を含有する部材において、含有率が一番多い成分をいう。
In addition, the
また、本実施の形態１においての主成分とは、部材に含有される複数の元素のうち、主成分とされる元素の合計値が他の元素より多い場合も含む概念である。 In addition, the main component in the first embodiment is a concept including a case where the total value of the main component among the plurality of elements contained in the member is larger than that of other elements.
例えば、金属層５１が銅とニッケルとアルミニウムとの合金である場合に、銅が３４％、ニッケルが３３％、アルミニウムが３３％であれば、銅が主成分といえる。
For example, when the
さらに、金属層５１が複数の成分からなる場合、主成分はそのうちの１つに限定されずに２つ以上の成分を指す場合も含むものとする。
Furthermore, when the
なお、合金または接合後の構造であっても主成分の概念は同様である。本実施の形態１では金属の中でも熱伝導率が高い銅を電極２１として使用した。
Note that the concept of the main component is the same even in the case of an alloy or a structure after bonding. In the first embodiment, copper having a high thermal conductivity among the metals is used as the
グラファイト材３１は、黒鉛を主成分とし、黒鉛粒子を成形加工して可とう性を有するシート形状とした。主成分が黒鉛のため、耐熱性に優れていることに加えて、シート形状にすることで、熱電変換モジュール組立時の高さバラツキを調整することが可能であり、さらに振動や衝撃、熱応力を吸収することができる。
The
また、グラファイト材３１は熱伝導性および電気伝導性に優れているため、熱電素子の発電性能を最大限に発揮させることが可能である。主成分の定義は電極２１で記載した内容と同様である。
Moreover, since the
また、グラファイト材３１の厚さは１０μｍ〜５００μｍであることが望ましい。使用する素子の高さバラツキは最低で±５μｍであり、グラファイト材３１の厚さが１０μｍより薄いと、接合時の高さバラツキをグラファイト材３１の部分によって調整できず、発明の効果を発揮することができない。
Further, the thickness of the
加えて、グラファイト材３１の厚さが薄いことで振動や衝撃、熱応力をグラファイト材３１で吸収し難く、接合信頼性に影響を及ぼす。逆にグラファイト材３１の厚さが５００μｍを超えると、電極２１とＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２との距離が長くなることで、熱的および電気的損失が生じ、発電性能が低下する恐れがある。
In addition, since the thickness of the
そこで、本実施の形態１では、素子の高さバラツキを吸収し、さらに熱的および電気的損失を極力小さくするために、グラファイト材３１を３８０μｍ厚のグラファイトシートとした。
Therefore, in the first embodiment, the
なお、グラファイト材３１は、電極側に配置される第１面３１ａと、素子側に配置される第２面３１ｂと、第１面３１ａと第２面３１ｂの間に位置する側面３１ｃと、を有している。そして、熱電変換モジュール１００において、グラファイト材３１は、少なくとも側面３１ｃが接合材３２によって覆われている。
The
ただし、図２に示す構造では、グラファイト材３１は、その第１面３１ａ、第２面３１ｂおよび側面３１ｃが接合材３２によって覆われており、グラファイト材３１は、全体（全周）が接合材３２によって覆われていることが望ましい。
However, in the structure shown in FIG. 2, the
ここで、接合材３２は、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、錫（Ｓｎ）、亜鉛（Ｚｎ）、インジウム（Ｉｎ）、ビスマス（Ｂｉ）、コバルト（Ｃｏ）、マグネシウム（Ｍｇ）、アンチモン（Ｓｂ）、マンガン（Ｍｎ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）および白金（Ｐｔ）によって形成されることが望ましい。あるいは上述の金属を主成分とする合金もしくは化合物で構成されることが望ましい。
Here, the
ただし、これらの成分に限定されるものではない。接合材３２の主成分の定義は電極２１で記載した内容と同様である。接合材３２を形成する材料は、選択する電極２１およびＰ型熱電変換素子１１、Ｎ型熱電変換素子１２の材料により、種々の組み合わせが可能である。本実施の形態１では銀（Ａｇ）と銅（Ｃｕ）を主成分とするＡｇ−Ｃｕろうを接合材３２とした。
However, it is not limited to these components. The definition of the main component of the
また、金属層５１は、ニッケル、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン、パラジウム、クロム、金、銀、銅または錫からなる金属層、あるいはこれらの金属のうちのいずれかを主成分とする。
The
金属層５１の主成分の定義は電極２１で記載した内容と同様である。金属層５１は、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の少なくとも電極２１と接合する表面に形成される。
The definition of the main component of the
金属層５１を形成することで、接合性を向上できると共に接合材３２および電極２１の成分がＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２に拡散することを防止できる。すなわち、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の熱電性能の低下を防止することができる。
By forming the
また、図２において金属層５１は単層として表記しているが、主成分の異なる層を複数層形成する場合も金属層５１に含まれる。
Although the
例えば、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の表面からチタンを主成分とする層と、ニッケルを主成分とする層と、銅を主成分とする層と、の合計３層が形成されている場合は、３層含めて金属層５１とする。
For example, a total of three layers of a layer mainly composed of titanium, a layer mainly composed of nickel, and a layer mainly composed of copper from the surfaces of the P-type
本実施の形態１では、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２のそれぞれの表面側からニッケルおよび銅の計２層からなる金属層５１とした。
In the first embodiment, the
金属層５１の厚さは、１μｍ〜５００μｍ程度の範囲が望ましい。金属層５１の厚さが薄すぎると拡散防止層としての効果を得がたい。すなわち、接合材３２の成分がＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２内に拡散することで、熱電性能が低下する恐れがある。
The thickness of the
逆に金属層５１の厚さが厚すぎると、金属層５１をＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２それぞれの表面に形成する過程で膜応力の影響が大きくなり、熱電変換素子の割れや、熱電変換素子と金属層５１との界面で剥離が生じる可能性がある。
On the contrary, if the
そのため、本実施の形態１ではニッケル部を５μｍ、銅部を１００μｍとし、金属層５１の総厚を１０５μｍとした。金属層５１の形成方法としては、クラッド法、めっき法、エアロゾルデポジション法、溶射法、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法または同時一体焼結法等であればよい。
Therefore, in the first embodiment, the nickel portion is 5 μm, the copper portion is 100 μm, and the total thickness of the
以上のように、本実施の形態１の熱電変換モジュール１００によれば、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２が、それぞれグラファイト材３１が埋め込まれた接合部３０１を介して電極２１に接合されている。
As described above, according to the
これにより、熱電変換モジュール１００の組立て時の高さバラツキを減少させることができ、その結果、熱源体から発生する熱を伝え易くすることができる。
Thereby, the height variation at the time of the assembly of the
これにより、熱電変換モジュール１００の発電性能を向上させることができる。
Thereby, the power generation performance of the
また、熱応力が発生する環境下、および振動もしくは衝撃が負荷される環境下においても、信頼性を確保することができる。すなわち、信頼性が優れた熱電変換モジュール１００を提供することができる。
Further, reliability can be ensured even in an environment where thermal stress occurs and in an environment where vibration or impact is applied. That is, the
言い換えると、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２が、それぞれグラファイト材３１が埋め込まれた接合部３０１を介して電極２１に接合されていることにより、熱電変換モジュール１００の高さバラツキを抑制することができるため、発電性能を損なうことなく、熱応力、さらに振動または衝撃に対する耐性も高めた信頼性の高い熱電変換モジュール１００を実現することができる。
In other words, the P-type
また、熱電変換モジュール１００において、グラファイト材３１は、少なくともその側面３１ｃが接合材３２によって覆われていることにより、側面３１ｃからのグラファイト材３１の剥落を防ぐことができる。これにより、熱電変換モジュール１００の実装後に、剥落したグラファイト材３１によって短絡（電気的ショート）が発生することを防止できる。
Moreover, in the
さらに、グラファイト材３１の少なくとも側面３１ｃが金属からなる接合材３２によって覆われていることにより、グラファイト材３１の側面側からも熱を伝えることができるため、熱伝導を向上させることができる。
Furthermore, since at least the
なお、図２に示す構造のように、グラファイト材３１の第１面３１ａ、第２面３１ｂおよび側面３１ｃが接合材３２によって覆われていることにより、グラファイト材３１の剥落による短絡防止効果や熱伝導の向上の効果をさらに高めることができる。すなわち、グラファイト材３１はその全体が接合材３２によって覆われていることが望ましい。
2, the
次に、本実施の形態１の変形例について説明する。図３は実施の形態１による熱電変換モジュールの第１変形例の一部を拡大して示す要部断面図、図４は実施の形態１による熱電変換モジュールの第２変形例の一部を拡大して示す要部断面図である。 Next, a modification of the first embodiment will be described. FIG. 3 is an essential part cross-sectional view showing an enlarged part of a first modification of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment, and FIG. 4 is an enlarged view of a part of the second modification of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment. It is principal part sectional drawing shown.
図３に示す第１変形例は、金属層５１の形成位置に関するものであり、金属層５１は必ずしもＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の表面に形成しなくてもよい。図３に示す例では、電極２１に金属層５１を形成している。
The first modification shown in FIG. 3 relates to the formation position of the
電極２１は高熱伝導である銅が望ましいが、接合材３２との組み合わせ次第で接合後に破壊靭性に乏しい化合物層または合金層を形成する場合がある。つまり、破壊靭性に乏しい化合物層または合金層が形成されることで接合信頼性の低い接合部を形成する恐れがある。
The
加えて、化合物層または合金層の種類によっては電気伝導や熱伝導の阻害要因となる場合があり、発電性能を低下させる懸念がある。 In addition, depending on the type of the compound layer or the alloy layer, it may become an obstruction factor for electric conduction and heat conduction, and there is a concern that power generation performance is reduced.
すなわち、接合材３２に対して、破壊靭性に乏しい化合物層または合金層、電気伝導および熱伝導を阻害する化合物層または合金層を形成しない金属層５１を電極２１上に形成することで、本実施の形態１と同等の効果を発揮することが可能である。
That is, the present embodiment is achieved by forming, on the
なお、金属層５１は熱電変換素子の接合面側および電極２１の接合面側に必ずしも形成しなくてもよい。
The
そこで、図４に示す第２変形例は、図３に示す金属層５１を形成しない場合の例を示すものである。この場合には、Ｐ型熱電変換素子１１、Ｎ型熱電変換素子１２、接合材３２、電極２１の組み合わせ次第で接合後に破壊靭性に乏しい化合物層または合金層、電気伝導および熱伝導を阻害する化合物層、合金層を形成しないことが可能である。
Therefore, the second modification shown in FIG. 4 shows an example in which the
また、図３、図４の説明で化合物層または合金層を形成しないと記載したが、部分的に化合物層または合金層が形成されていてもよい。すなわち、Ｐ型熱電変換素子１１、Ｎ型熱電変換素子１２、接合材３２、電極２１の組み合わせ次第で化合物層または合金層の形成を抑制することが可能である。
Moreover, although it described that the compound layer or alloy layer was not formed in description of FIG. 3, FIG. 4, the compound layer or alloy layer may be formed partially. That is, the formation of the compound layer or the alloy layer can be suppressed depending on the combination of the P-type
化合物層または合金層の形成を抑制することで、本実施の形態１と同等の効果を発揮することが可能である。例えば、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の接合面側に化合物層または合金層が形成されるのみで電極２1側の接合面側には化合物層または合金層が形成されない場合は本実施の形態１と同等の効果を発揮することが可能である。
By suppressing the formation of the compound layer or the alloy layer, it is possible to exert the same effect as in the first embodiment. For example, when a compound layer or an alloy layer is only formed on the bonding surface side of the P-type
＜熱電変換モジュールの製造方法＞
次に、本実施の形態１による熱電変換モジュールの製造方法について説明する。図５は実施の形態１による熱電変換モジュールに組み込まれるグラファイト材を金属材で包埋する工程を示す要部断面図、図６は実施の形態１による熱電変換モジュールに組み込まれるグラファイト材を金属材で包埋する工程を示す要部断面図、図７は実施の形態１による熱電変換モジュールに組み込まれるグラファイト材を金属材で包埋する工程を示す要部断面図である。
<Method for manufacturing thermoelectric conversion module>
Next, the manufacturing method of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view of an essential part showing a process of embedding a graphite material incorporated in the thermoelectric conversion module according to the first embodiment with a metal material, and FIG. FIG. 7 is a fragmentary cross-sectional view showing the step of embedding the graphite material incorporated in the thermoelectric conversion module according to Embodiment 1 with a metal material.
さらに、図８は実施の形態１による熱電変換モジュールに組み込まれるグラファイト材を金属材で包埋する工程を示す要部断面図、図９は実施の形態１の熱電変換モジュールの製造工程を示す概略図、図１０は実施の形態１の熱電変換モジュールの製造工程を示す概略図、図１１は実施の形態１の熱電変換モジュールの製造工程を示す概略図である。 Further, FIG. 8 is a cross-sectional view of a main part showing a process of embedding a graphite material incorporated in the thermoelectric conversion module according to the first embodiment with a metal material, and FIG. 9 is a schematic view showing a manufacturing process of the thermoelectric conversion module of the first embodiment. FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment, and FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a manufacturing process of the thermoelectric conversion module according to the first embodiment.
図５〜図８を用いて熱電変換モジュール１００の製造方法について説明する。まず、図５に示すように、第１支持治具（第１ブロック）６１、第１加圧治具６２、接合材３２を準備し、第１支持治具６１と第１加圧治具６２との間にシート状の接合材３２を配置する。第１支持治具６１、第１加圧治具６２はグラファイト材からなる。
The manufacturing method of the
本実施の形態１では、第１支持治具６１および第１加圧治具６２をグラファイト材により形成したが、セラミックスまたは金属などであってもよい。すなわち、第１支持治具６１および第１加圧治具６２は、後述する加圧加熱工程において溶融しない材料で、かつ、接合材３２と反応しない材料から構成されていればよい。
In the first embodiment, the
または、第１支持治具６１および第１加圧治具６２は、後述する加圧加熱工程において溶融しない材料で、かつ、表面に接合材３２との反応が抑制できる層が形成された構成であってもよい。接合材３２は、例えば、厚さ５０μｍのＡｇ−Ｃｕろう箔である。第１支持治具６１と第１加圧治具６２は、相互が一対の凹凸形状になっている。
Alternatively, the
次に、図６に示すように、第１支持治具６１と第１加圧治具６２とによって接合材３２を挟持しながら非酸化雰囲気にて６００℃の温度で１０ＭＰａの圧力を加えながら接合材３２を加熱する。
Next, as shown in FIG. 6, bonding is performed while applying a pressure of 10 MPa at a temperature of 600 ° C. in a non-oxidizing atmosphere while holding the
これにより、第１支持治具６１と第１加圧治具６２の凹凸形状に沿って、接合材３２が変形する。この時、接合温度および圧力は上記条件に限定されず、接合温度２００〜７５０℃、圧力１〜５０ＭＰａの範囲で接合材３２を変形させることが可能である。
Thereby, the
次に、第１加圧治具６２を取り外した後、図７に示すように、第１支持治具（第１ブロック）６１の凹部６１ａおよび接合材３２の窪みにグラファイト材３１を積置（配置）し、さらに接合材３２を積置（配置）して、第１支持治具６１に対向するように第２加圧治具６３を設置する。
Next, after removing the first
ここでは、グラファイト材３１の表裏両面に接合材３２を配置し、この状態で、接合材３２とグラファイト材３１を加圧および加熱する。グラファイト材３１の表裏両面に接合材３２を配置することで、グラファイト材３１の略全体を接合材３２によって覆うことができる。なお、凹部６１ａは、第２加圧治具６３側に形成されていてもよい。
Here, the
その後、図８に示すように第１支持治具（第１ブロック）６１と第２加圧治具（第２ブロック）６３とによってグラファイト材３１および接合材３２を挟持しながら、非酸化雰囲気にて７００℃の温度で５０ＭＰａの圧力を加えながら加熱する。
Thereafter, as shown in FIG. 8, the
これにより、グラファイト材３１が封入された状態の接合部３０１を形成する。すなわち、接合材３２にグラファイト材３１を埋め込む（グラファイト材３１を接合材３２によって包埋する）。なお、接合温度および圧力は上記条件に限定されず、接合温度３００〜７５０℃、圧力１０〜１００ＭＰａの範囲で設定することが可能である。
Thereby, the joining
上記製造工程によって形成した、グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１を第１支持治具６１および第２加圧治具６３から取り外す。そして、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２と、電極２１とを接合する際は接合部３０１をワイヤーソー、またはダイシングソー等で個片に切り出すことで接合することができる。
The joining
次に、図９に示すように、第３支持治具（第３ブロック）６４上に電極２１（低温側電極２１ａ）を載置する。その後、図５〜図８に示す方法で形成された接合部３０１（グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２）を載置する。
Next, as shown in FIG. 9, the electrode 21 (low
続いて、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２をそれぞれ位置合わせし、載置する。次にＰ型熱電変換素子１１上およびＮ型熱電変換素子１２上に接合部３０１を載置し、続いて、接合部３０１上に電極２１（高温側電極２１ｂ）を載置する。
Subsequently, the P-type
すなわち、第３支持治具（第３ブロック）６４上において、Ｐ型熱電変換素子１１と電極２１との間、およびＮ型熱電変換素子１２と電極２１との間に、それぞれグラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１を配置する。
That is, on the third support jig (third block) 64, the
なお、電極２１、接合部３０１、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２の載置は、治具を用いて一括で行ってもよく、個別に行ってもよい。また、一括でなくとも、一方を予め接合した後、他方を接合してもよく、方法は問わない。
The
例えば第３支持治具６４上に電極２１、接合部３０１並びにＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２を設置し、加熱する。これにより、第３支持治具６４側の電極２１とＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２とを仮に接合した後、Ｐ型熱電変換素子１１上およびＮ型熱電変換素子１２上に接合部３０１および電極２１を載置してもよい。
For example, the
次に、図１０に示すように、上方（高温側の電極２１側）から第４加圧治具（第４ブロック）６５により加圧を行うとともに、第３支持治具（第３ブロック）６４および第４加圧治具（第４ブロック）６５を介して、接合部３０１中の接合材３２が溶融する温度まで加熱する。
Next, as shown in FIG. 10, pressure is applied from above (on the high
つまり、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２と、電極２１との間に、それぞれグラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１が配置された状態で、第３支持治具６４と、第３支持治具６４と対向する第４加圧治具６５とによってそれぞれのＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２と、接合部３０１とをそれぞれ加圧する。
That is, the third support is performed in a state in which the
さらに、それぞれの接合部３０１における接合材３２が溶融する温度まで接合部３０１を加熱する。
Further, the
なお、グラファイト材３１は、図２に示すように、電極側に配置される第１面３１ａと、素子側に配置される第２面３１ｂと、第１面３１ａと第２面３１ｂの間に位置する側面３１ｃと、を備えており、接合部３０１を加熱した後、接合材３２は、少なくともグラファイト材３１の側面３１ｃを覆っていなければならない。
As shown in FIG. 2, the
ただし、グラファイト材３１の全体が接合材３２によって覆われている方が望ましいことは言うまでもない。
However, it is needless to say that the
グラファイト材３１において、少なくともその側面３１ｃが接合材３２によって覆われていることにより、側面３１ｃからグラファイト材３１が欠け落ちるのを防ぐことができ、これにより、熱電変換モジュール１００の実装後に、欠け落ちたグラファイト材３１によって短絡（電気的ショート）が発生することを防止できる。
Since at least the
さらに、グラファイト材３１の少なくとも側面３１ｃが接合材３２によって覆われていることにより、グラファイト材３１の側面側からも熱が伝わるため、熱伝導を良くすることができる。
Further, since at least the
以上により、グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１および電極２１を介して、Ｐ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２と、が交互に直列に電気的に接続される。
As described above, the P-type
接合後、第３支持治具６４および第４加圧治具６５を取り外すことにより、図１１に示す熱電変換モジュール１００が製造される。
After joining, the
（実施の形態２）
＜熱電変換モジュールの構造＞
本実施の形態２による熱電変換モジュールの構造を図１２を用いて説明する。図１２は実施の形態２による熱電変換モジュールの一部を拡大して示す要部断面図である。
(Embodiment 2)
<Structure of thermoelectric conversion module>
The structure of the thermoelectric conversion module according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is an essential part cross-sectional view showing an enlarged part of the thermoelectric conversion module according to the second embodiment.
図１２に示す構造では、グラファイト材３１が埋め込まれた接合材３２である接合部３０１が、低温側において、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２に跨がって接合された構造となっている。
In the structure shown in FIG. 12, a
すなわち、低温側において、グラファイト材３１が、Ｐ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２とに跨がった位置に一体で設けられているものであり、グラファイト材３１の大きさが大きいため、グラファイト材３１を包む接合部３０１の面積も大きくなる。つまり、接合部３０１の接合面積が図２の構造に比べて広くなっている。
That is, on the low temperature side, the
このように接合部３０１の接合面積を広くすることで、電極２１からの熱をＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２に対してより伝えやすくすることができ、その結果、熱電変換モジュール１００の発電性能を向上させることができる。
Thus, by enlarging the bonding area of the
次に、本実施の形態２の変形例について説明する。図１３は実施の形態２による熱電変換モジュールの第１変形例の一部を拡大して示す要部断面図、図１４は実施の形態２による熱電変換モジュールの第２変形例の一部を拡大して示す要部断面図である。 Next, a modification of the second embodiment will be described. FIG. 13 is an enlarged cross-sectional view showing a part of a first modification of the thermoelectric conversion module according to the second embodiment. FIG. 14 is an enlarged view of a part of the second modification of the thermoelectric conversion module according to the second embodiment. It is principal part sectional drawing shown.
図１３に示す本実施の形態２の第１変形例は、低温側の接合部３０１を構成するグラファイト材３１において、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２が接合される部分に貫通孔３１ｄが形成されているものである。
In the first modification of the second embodiment shown in FIG. 13, the
貫通孔３１ｄは、グラファイト材３１の第１面３１ａおよび第２面３１ｂに開口している。そして、貫通孔３１ｄ内に接合材３２が充填された構造となっている。
The through
これにより、電極２１からＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２に熱が伝わる過程で、貫通孔３１ｄ内に充填された熱伝導率の高い接合材３２が熱伝導を助長することができる。すなわち、伝熱の経路を増やすことができる。その結果、熱電変換モジュール１００の発電性能を向上させることができる。
Thereby, in the process in which heat is transferred from the
次に、図１４に示す本実施の形態２の第２変形例の構造について説明する。図１３に示す第１変形例では、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２のそれぞれの片側（例えば、図１３では低温側）に接合される接合材３２に埋め込まれたグラファイト材３１に貫通孔３１ｄを設けて、この貫通孔３１ｄに接合材３２を充填する構造を示した。
Next, the structure of the second modification of the second embodiment shown in FIG. 14 will be described. In the first modification shown in FIG. 13, a
これに対して、図１４に示す本実施の形態２の第２変形例の構造では、熱電変換素子の両面（低温側と高温側）に接合される接合材３２に埋め込まれたグラファイト材３１それぞれに貫通孔３１ｄを設け、これらのグラファイト材３１の各貫通孔３１ｄに接合材３２を充填する構造としている。
On the other hand, in the structure of the second modification of the second embodiment shown in FIG. 14, each of the
これにより、低温側および高温側のそれぞれにおいて、電極２１からＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２に熱が伝わる過程で、貫通孔３１ｄ内に充填された熱伝導率の高い接合材３２が熱伝導を助長することができる。
As a result, in the process of transferring heat from the
その結果、熱電変換モジュール１００の発電性能をさらに向上させることができる。
As a result, the power generation performance of the
次に、図１５は実施の形態２による熱電変換モジュールの第３変形例の一部を拡大して示す要部断面図、図１６は実施の形態２による熱電変換モジュールの第４変形例の一部を拡大して示す要部断面図、図１７は実施の形態２による熱電変換モジュールの第５変形例の一部を拡大して示す要部断面図である。 Next, FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of a third modification of the thermoelectric conversion module according to the second embodiment, and FIG. 16 shows a fourth modification of the thermoelectric conversion module according to the second embodiment. FIG. 17 is an essential part cross-sectional view showing an enlarged part of a fifth modification of the thermoelectric conversion module according to the second embodiment.
図１５、図１６、図１７に示すように、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２のそれぞれの低温側と高温側のうちの何れか片側の接合材３２だけにグラファイト材３１を有する接合部３０１を形成してもよい。
As shown in FIGS. 15, 16, and 17, the
図１５に示す第３変形例の構造では、各熱電変換素子の下方側（例えば、低温側）だけに個片化されたグラファイト材３１がそれぞれの熱電変換素子に接合する接合材３２に埋め込まれている。
In the structure of the third modified example shown in FIG. 15, the
また、図１６に示す第４変形例の構造では、各熱電変換素子の下方側（例えば、低温側）において、Ｐ型熱電変換素子１１とＮ型熱電変換素子１２とに跨がった一体構造のグラファイト材３１が接合材３２に埋め込まれた構造となっている。
In the structure of the fourth modified example shown in FIG. 16, an integrated structure straddling the P-type
さらに、図１７に示す第５変形例の構造は、図１６の第４変形例の構造と同様の構造において、各熱電変換素子に跨がった一体構造のグラファイト材３１のＰ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２それぞれに対応した位置に貫通孔３１ｄが形成され、これらの貫通孔３１ｄに接合材３２が充填されているものである。
Further, the structure of the fifth modification shown in FIG. 17 is the same structure as the structure of the fourth modification of FIG. 16, and is a P-type thermoelectric conversion element of
図１５〜図１７に示すような各熱電変換素子の下方側（例えば、低温側）だけにグラファイト材３１が配置された熱電変換モジュール１００においても、実施の形態１の熱電変換モジュール１００と同様の効果を得ることができる。
The
また、熱電変換モジュール１００の製造方法に関しても、実施の形態１で示した製造方法と同様の製造方法により、本実施の形態２の熱電変換モジュール１００を製造することが可能である。
In addition, regarding the method for manufacturing the
以上、本発明者によってなされた発明を発明の実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記発明の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments of the invention. However, the present invention is not limited to the embodiments of the invention, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. It goes without saying that it is possible.
なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。 In addition, this invention is not limited to above-described embodiment, Various modifications are included. For example, the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the present invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。 Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. . In addition, it is possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
なお、図面に記載した各部材や相対的なサイズは、本発明を分かりやすく説明するため簡素化・理想化しており、実装上はより複雑な形状となる。 In addition, each member and relative size which were described in drawing are simplified and idealized in order to demonstrate this invention clearly, and it becomes a more complicated shape on mounting.
さらに、上記実施の形態１および２では、熱電変換モジュール１００において、Ｐ型熱電変換素子１１およびＮ型熱電変換素子１２それぞれの下方側を低温側とし、一方、上方側を高温側として説明したが、熱電変換モジュール１００では、各熱電変換素子の下方側を高温側とし、上方側を低温側としてもよい。
Further, in the first and second embodiments, in the
また、上記実施の形態１および２で用いられるグラファイト材３１は、グラスファイバー材などを編み込んだシート状のものであってもよい。この場合、敢えて貫通孔を形成しなくても多数の小さな隙間が形成されるため、上記隙間によって貫通孔を形成した場合と同様の効果を得ることができる。
Further, the
また、グラファイト材３１は、シート状であることが望ましいが、シート状に限定されるものではなく、例えば、直方体や立方体などの形状であってもよい。
The
１１ Ｐ型熱電変換素子
１２ Ｎ型熱電変換素子
２１ 電極
３１ グラファイト材
３１ｃ 側面
３１ｄ 貫通孔
３２ 接合材
３０１ 接合部
６１ 第１支持治具（第１ブロック）
６１ａ 凹部
６３ 第２加圧治具（第２ブロック）
６４ 第３支持治具（第３ブロック）
６５ 第４加圧治具（第４ブロック）
１００ 熱電変換モジュール
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 P-type thermoelectric conversion element 12 N-type
64 Third support jig (third block)
65 Fourth pressurizing jig (fourth block)
100 Thermoelectric conversion module
Claims (14)
前記Ｐ型熱電変換素子と電気的に接続されるＮ型熱電変換素子と、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子と、を交互に接続する電極と、
前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子と前記電極と、をそれぞれ電気的に接続する接合材と、
前記接合材に埋め込まれたグラファイト材と、
を有する、熱電変換モジュール。 A P-type thermoelectric conversion element;
An N-type thermoelectric conversion element electrically connected to the P-type thermoelectric conversion element;
Electrodes that alternately connect the P-type thermoelectric conversion elements and the N-type thermoelectric conversion elements;
A bonding material for electrically connecting the P-type thermoelectric conversion element, the N-type thermoelectric conversion element, and the electrode;
A graphite material embedded in the bonding material;
A thermoelectric conversion module.
前記グラファイト材は、前記電極側に配置される第１面と、素子側に配置される第２面と、前記第１面と前記第２面の間に位置する側面と、を備え、
前記グラファイト材は、少なくとも前記側面が前記接合材によって覆われている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The graphite material includes a first surface disposed on the electrode side, a second surface disposed on the element side, and a side surface located between the first surface and the second surface,
The graphite material is a thermoelectric conversion module in which at least the side surface is covered with the bonding material.
前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子それぞれの低温側電極または高温側電極と接続される前記接合材のうちの少なくとも何れか一方に前記グラファイト材が埋め込まれている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
A thermoelectric conversion module, wherein the graphite material is embedded in at least one of the bonding materials connected to a low temperature side electrode or a high temperature side electrode of each of the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element.
前記グラファイト材は、前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子それぞれに対応して素子ごとに前記接合材内に埋め込まれている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The graphite material is a thermoelectric conversion module embedded in the bonding material for each element corresponding to the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element.
前記グラファイト材は、前記Ｐ型熱電変換素子と、前記Ｎ型熱電変換素子と、に跨がった位置に一体で設けられている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The graphite material is a thermoelectric conversion module provided integrally at a position straddling the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element.
前記グラファイト材に、前記第１面および前記第２面に開口する貫通孔が形成されている、熱電変換モジュール。 In the thermoelectric conversion module according to claim 2,
A thermoelectric conversion module, wherein the graphite material is formed with through-holes opened in the first surface and the second surface.
前記貫通孔に前記接合材が充填されている、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 6, wherein
A thermoelectric conversion module in which the bonding material is filled in the through hole.
前記接合材は、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｓｎ、Ｚｎ、Ｉｎ、Ｂｉ、Ｃｏ、Ｍｇ、Ｓｂ、Ｍｎ、Ｔｉ、Ｗ、Ａｕ、ＰｄおよびＰｔの何れか、またはこれらの金属のうちの少なくとも１つを含む合金もしくは化合物によって構成される、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The bonding material is Al, Ag, Cu, Sn, Zn, In, Bi, Co, Mg, Sb, Mn, Ti, W, Au, Pd, and Pt, or at least one of these metals Thermoelectric conversion module composed of an alloy or compound containing
前記グラファイト材の厚みは、１０〜５００μｍである、熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 1,
The thickness of the said graphite material is a thermoelectric conversion module which is 10-500 micrometers.
前記Ｐ型熱電変換素子と電気的に接続されるＮ型熱電変換素子と、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子と、を交互に直列に接続する低温側電極と、
前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子と、を交互に直列に接続する高温側電極と、
前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子と前記低温側電極と、をそれぞれ電気的に接続する第１接合材と、
前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子と前記高温側電極と、をそれぞれ電気的に接続する第２接合材と、
前記第１接合材および前記第２接合材のうちの少なくとも何れか一方に埋め込まれたグラファイト材と、
を有する、熱電変換モジュール。 A P-type thermoelectric conversion element;
An N-type thermoelectric conversion element electrically connected to the P-type thermoelectric conversion element;
A low temperature side electrode that alternately connects the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element in series;
A high temperature side electrode that alternately connects the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element in series;
A first bonding material that electrically connects the P-type thermoelectric conversion element, the N-type thermoelectric conversion element, and the low-temperature side electrode;
A second bonding material that electrically connects the P-type thermoelectric conversion element, the N-type thermoelectric conversion element, and the high-temperature side electrode;
A graphite material embedded in at least one of the first bonding material and the second bonding material;
A thermoelectric conversion module.
（ａ）第１ブロックと、前記第１ブロックと対向する第２ブロックとによって、接合材とグラファイト材を加圧および加熱して、前記接合材に前記グラファイト材を埋め込む工程、
（ｂ）第３ブロック上において、前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子と電極との間に、それぞれ前記グラファイト材が埋め込まれた前記接合材を配置する工程、
（ｃ）前記Ｐ型熱電変換素子および前記Ｎ型熱電変換素子と電極との間に、それぞれ前記グラファイト材が埋め込まれた前記接合材が配置された状態で、前記第３ブロックと、前記第３ブロックと対向する第４ブロックとによって、それぞれの前記熱電変換素子と前記グラファイト材が埋め込まれた前記接合材とを加圧し、かつ前記接合材を加熱する工程、
を有し、
前記グラファイト材が埋め込まれた前記接合材および前記電極を介して、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子と、を交互に電気的に接続する、熱電変換モジュールの製造方法。 A method of manufacturing a thermoelectric conversion module including a P-type thermoelectric conversion element and an N-type thermoelectric conversion element,
(A) Pressurizing and heating the joining material and the graphite material by the first block and the second block facing the first block, and embedding the graphite material in the joining material;
(B) On the third block, placing the bonding material in which the graphite material is embedded between the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element and the electrode,
(C) In the state where the bonding material in which the graphite material is embedded is disposed between the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element and the electrode, the third block, the third block, Pressurizing each of the thermoelectric conversion elements and the bonding material embedded with the graphite material by a fourth block facing the block, and heating the bonding material;
Have
A method of manufacturing a thermoelectric conversion module, wherein the P-type thermoelectric conversion element and the N-type thermoelectric conversion element are electrically connected alternately via the bonding material in which the graphite material is embedded and the electrode.
前記（ａ）工程で、前記グラファイト材の表裏に前記接合材を配置した状態で、前記第１ブロックと前記第２ブロックとによって、前記接合材と前記グラファイト材とを加圧および加熱する、熱電変換モジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the thermoelectric conversion module according to claim 11,
In the step (a), the bonding material and the graphite material are pressurized and heated by the first block and the second block in a state where the bonding material is disposed on the front and back of the graphite material. A method for manufacturing a conversion module.
前記（ａ）工程で、前記第１ブロックもしくは前記第２ブロックの何れかに形成された凹部に、前記グラファイト材および前記接合材を配置した状態で、前記第１ブロックと前記第２ブロックとによって、前記接合材と前記グラファイト材とを加圧および加熱する、熱電変換モジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the thermoelectric conversion module according to claim 12,
In the step (a), in the state where the graphite material and the bonding material are disposed in the recess formed in either the first block or the second block, the first block and the second block A method for manufacturing a thermoelectric conversion module, wherein the bonding material and the graphite material are pressurized and heated.
前記グラファイト材は、前記電極側に配置される第１面と、素子側に配置される第２面と、前記第１面と前記第２面の間に位置する側面と、を備え、
前記（ｃ）工程の後、前記接合材は、少なくとも前記グラファイト材の前記側面を覆う、熱電変換モジュールの製造方法。 In the manufacturing method of the thermoelectric conversion module according to claim 13,
The graphite material includes a first surface disposed on the electrode side, a second surface disposed on the element side, and a side surface located between the first surface and the second surface,
The method for manufacturing a thermoelectric conversion module, wherein the bonding material covers at least the side surface of the graphite material after the step (c).
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