WO2005124883A1

WO2005124883A1 - 熱電素子

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Publication number: WO2005124883A1
Application number: PCT/JP2005/009910
Authority: WO
Inventors: Koh Takahashi
Original assignee: Aruze Corp.
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2005-05-30
Publication date: 2005-12-29
Also published as: CN101425558B; EP1780808A4; JPWO2005124883A1; EP1780808A1; US20070240751A1; CN1969400B; US8013235B2; CN101425558A; JP5197954B2; CN1969400A

Abstract

　生産性が高く、比較的原材料コストが低く、環境負荷が小さい熱電素子、中間体、モジュールおよびそれらの製造方法を提供する。Ｐ型およびＮ型材料からなる１又はそれ以上のＰおよびＮピースが絶縁層を挟んで交互に配置されたブロック体であって、互いに対向する端面で隣合う前記ＰピースおよびＮピースの境界部が互い違いに溶接接合されて、該ブロック体のＰピースおよびＮピースが電気的にジグザグに直列結合されているブロック体を複数並べて、電極で隣合うブロック体に橋かけをして、更に電気的な直列結合を延ばした熱電素子、その熱電素子を用いた中間体、その中間体を用いた熱電モジュールを提供する。このとき、Ｐ型およびＮ型材料として、通常の熱電対に用いられる材料を用いるとより好ましい。隣合うＰおよびＮピースは、その境界部で一部電気的に接合される。

Description

明細書

熱電素子

技術分野

[0001] 本発明は、熱電素子 (熱電変換素子を含む)及びその製造方法に関し、 P型材料及び N型材料を用いた熱電素子及びその製造方法に関する。より詳しくは、 P型及び N型材料カゝらなる P型及び N型ピースを備え、ゼーベック効果による温度差発電（熱発電)や、ペルチェ効果による電子冷却'発熱を可能とする熱電素子、及びその製造方法に関する。

背景技術

[0002] 一般に、熱電素子は、 P型熱電半導体と N型熱電半導体とを、金属電極を介して接合し、 PN接合対を形成する。この PN接合対間に温度差を与えることによりゼ一べック効果に基づく電力を発生するので発電装置として機能し、また、素子に電流を流すことにより接合部の一方で冷却、他方で発熱が起こるいわゆるペルチェ効果を利用した温度制御装置として用いられる。

[0003] この熱電素子は、数十力も数百個といった複数個の PN接合対 (熱電素子)を直列に形成したサーモモジュールに組み込まれて使用されるのが一般的である。このサ一モモジュールとしての熱電素子は、構造体としての形を維持するとともに、 PN接合対を形成するための金属電極を有する 2枚の基板と、その間に挟まれた複数個の P 型及び N型熱電半導体と、 P型及び N型エレメントと金属電極を接合するための接合材から構成されている。

[0004] ここで、 P型及び N型熱電半導体材料としては、例えば、 Bi— Te系材料、 Fe— Si 系材料、 Si— Ge系材料、 Co— Sb系材料などが挙げられる力特に、 Bi— Te系材料が好ましく用いられる。

[0005] 以上のように、熱電素子は、 P型及び N型の熱電半導体 2種類を接続することにより π型 (パイ型)素子とし、このような素子を多数直列に接続して熱電素子集合体を形成し、熱電変換モジュールを構成している。熱電半導体材料としては、上述のように Bi Te系が主に用いられている力原料コストが高ぐ高温安定性に欠け、加工性が乏しぐ環境負荷も大きいと考えられている。また、 PN接合が、リード板を介して行われるときは、リード板との接触抵抗が大きくなり、材料本来の性能を十分発揮することができないおそれがある。一方、安価で高温安定性に優れる金属系材料はゼ一べック係数が小さいため、十分な電圧を得るには PN接合対を多量に直列に接続することが特に好ましい。

[0006] このような多数の直列接続された PN接合対は、例えば、 2つの基板の間にこれらの π型素子を複数配置したものがある（特許文献 1)。

特許文献 1：特開平 11― 251649号公報（図 1)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] し力しながら、 Bi Te系材料からなる P型及び N型熱電半導体は、加工性が悪ぐ

2 3

大量に製造する場合は、特に生産性が低くなりがちである。また、原料コストが高ぐ環境負荷が大きいことに鑑みて、大量に製造することには必ずしも向くものとは限らない。

[0008] 本発明は、上述したような課題に鑑みてなされたものであり、大量に生産しても生産性が高ぐ比較的原材料コストが低ぐ環境負荷が小さい熱電素子及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

[0009] P型及び N型材料に、通常熱電対として用いられる材料を用いることにより、生産性を維持しつつ、コストや環境負荷をコントロールすることができる。また、通常熱電対として用いられる材料の特性に合わせた製造方法とすることで、生産性の向上が期待される。

[0010] 通常熱電対として用いられる材料は、通常 Kタイプとして知られるクロメルアルメル、 Rタイプとして知られる白金-白金ロジウム、 Tタイプとして知られる銅-コンスタンタン、 AFタイプとして知られる金 ·鉄-クロメル、 Eタイプとして知られるクロメル一コンスタンタン、 Sタイプとして知られる白金白金 10%ロジウム、 Gタイプとして知られるタンダステン一タングステン 26%レニウム等を含むことができる。これらのうち、クロメルアルメルがその使、やすさと価格力特に好ましく用いられ得る。 [0011] より具体的には、本発明は、以下のようなものを提供する。

[0012] (1) P型材料力もなる 1又はそれ以上の Pピース及び N型材料力もなる 1又はそれ以上の Nピースが絶縁層を挟んで交互に配置される、該交互配置方向に延びる熱電ブロック体であって、該熱電ブロック体の外面を構成する端面のうち、前記交互配置方向に実質的に平行な 2つの互いに対向する端面で、隣合う前記 Pピース及び Nピースの境界部が互、違いに溶接接合されて、該熱電ブロック体の前記 Pピース及び Nピースが電気的にジグザグに直列結合されている熱電ブロック体。

[0013] ここで、 Pピース又は Nピースとは、 P型又は N型材料力も構成される、 PN熱電素子の構成要素になり得るものであって、所定の大きさを有するものである。この所定の大きさは、特に限定するものではないが、絶縁層を挟んで交互に配置できるような大きさと形状を有するものである。例えば、各ピースが六面体である場合、縦が 0. 5〜5m m、横が 0. 5〜5mm、高さが l〜20mmであってよぐより好ましくは、縦が l〜5mm 、横が l〜5mm、高さが 2〜： LOmmであってよぐ更に好ましくは、縦が l〜3mm、横力^〜 3mm、高さが 3〜7mmであってよい。このとき、 P及び Nピース間に挟まれる絶縁層のそれぞれの当接面は、ほぼ同一形状であることが好ましい。尚、 P型又は N型材料は、一般に熱電素子に用いられる材料を含むことができる。これらの材料は、以下に述べるような力卩ェに適することが更に好ましい。

[0014] 絶縁層は、この絶縁層がなければ隣合う Pピース及び Nピースが当接する面に施すことができる。このような絶縁層は、これらの Pピース及び Z又は Nピースの表面に被覆されたものでもよく、また、例えば、 Pピース及び Nピースの間に挟まれる絶縁フィルムでもよい。また、ここでいう絶縁層は、固体に限らず、液体や気体を含むことができる。従って、 Pピース及び Nピースの間に空間を設ける場合を含むことができる。ここで、絶縁層は、熱電素子がその機能を発揮するのに十分な電気的絶縁効果を有していれば十分である。

[0015] また、 Pピース及び Nピースが交互に配置される状態は、 Pピースの隣に Nピースが配置され、その隣に Pピースが、その更に隣に、 Nピースが配置されるような状態であつてよい。従って、この交互配置方向は、 P及び Nピースを積層して延びてゆく方向に相当する。交互配置方向に延びるため、熱電ブロック体は結果として幅狭の棒形状をして!/、てもよ!/、。この交互配置方向に実質的に平行な熱電ブロック体を規定する外面のうち 2つの対向する端面は、当該熱電ブロック体を構成する複数の PN熱電素子の放熱側面若しくは吸熱側面、又は、高温側面若しくは低温側面をそれぞれに含むことができる。例えば、角棒状の熱電ブロック体が、サイコロ状の Pピース及び Nピースを交互配勾方向（即ち、角棒の軸方向）に交互に配置するとすれば、角棒の 4つの側面の内、互いに対向する 2つの側面力ここでいう 2つの対向する端面に相当すると考えられる。尚、このとき 2種類の互いに対向する側面がある力互いに対向する側面 (Pピース及び Nピースを規定する端面にも相当）において、隣合う Pピース及び Nピースを互い違いに溶接する溶接部を含み得る 2つの対向する側面が相当する。

[0016] これらの PN熱電素子は、一般に、対向する端面に電気的接続部を有し、それぞれ放熱側若しくは吸熱側、又は、高温側若しくは低温側を形成する。従って、これらの端面がそれぞれ 1つの平面上に並ぶことにより放熱側面若しくは吸熱側面、又は、高温側面若しくは低温側面を構成することがより好まヽ。このような対向するそれぞれの端面の隣合う P及び Nピースの境界部は溶接され電気的に接続されている。隣合う P及び Nピースの間には絶縁層が配置されて、るため、端面近傍では相互に絶縁されているが、この溶接により、絶縁層の一部破断若しくは絶縁層を超えたブリッジができ得る。この溶接は、互いに対向する端面において、上記交互配置方向に関して、互い違いに溶接'接続されているため、いわゆる π接続が、この交互配置方向に沿つて、ジグザグしながら直列に接続 (連鎖）されていくことになる。

[0017] 上記熱電ブロック体は、 Ρピース又は Νピースのどちらからでも開始することができ、それぞれ交互配置され、どちらでも終了することができる。このような熱電ブロック体が位相を異にして並設されるとは、すぐ横に隣合う熱電ブロック体の ΡΝ半導体の交互配置が、そろっていないことを意味することができる。例えば、隣合う 2つの熱電ブロック体が、それぞれの交互配置方向をほぼ平行にそろえるように、相互に近接して配置された場合、例えば、第 1の熱電ブロック体の Ρピースが第 2の熱電ブロック体の Νピースと隣合うような関係を意味することができる。

[0018] 電極は、電極板やリード線を含んでよい。電極板は、一般には、リードとも呼ばれ、熱電素子からなる熱電ブロック体に電源を供給等するために用いられてよ！ヽ。電極板には、通常電極として用いられる如何なる材料も適用することができる。熱電ブロック体の端部は、上述の交互配置方向において端の方となる部分を意味することができ、全くの端を含んでよい。同一の対向関係とは、上述の互いに対向する 2つの面の関係であって、その位置が放熱側若しくは吸熱側 (又は、高温側若しくは低温側）のいずれかで一致していることを意味してよい。例えば、 2つの端面が同一の対向関係にあるとした場合、それらの端面は、共に放熱側であるか、共に吸熱側であることとなる。また、同一の対向関係にある 2つの端面は、ときには、共に上面に位置し、又は、共に下面に位置する。

[0019] (2)前記 Pピースが熱電対の負極材料力なり、前記 Nピースが該熱電対の正極材料力もなることを特徴とする（1)記載の熱電ブロック体。

[0020] (3)前記 Pピースがアルメル力なり、前記 Nピースがクロメルからなることを特徴とする（2)記載の熱電ブロック体。

[0021] (4)前記溶接接合は、微細溶接によるものであることを特徴とする上記（1)から（3) V、ずれか記載の熱電ブロック体。

[0022] 本発明の溶接接合には、半田やロウ材を用いたロウ付け等の種々の公知の如何なる溶接技術も適用可能であるが、微細溶接によるものであることがより好ましい。このような微細溶接には、電気抵抗溶接、 TIG溶接、スポット溶接、電子ビーム溶接、レ一ザ溶接等の種々の溶接技術を適用することができる。 COレ YAGレ

2 ーザ、ーザ、半導体レーザ等のレーザ溶接技術を適用することがより好ましい。

[0023] (5) P型材料力もなる 1又はそれ以上の Pピース及び N型材料力もなる 1又はそれ以上の Nピースが絶縁層を挟んで交互に配置されることにより交互配置方向に延びる第 1の熱電ブロック体にお!、て、該第 1の熱電ブロック体の外面を構成する端面のうち、前記交互配置方向に実質的に平行な 2つの互いに対向する端面で、隣合う前記 Pピース及び Nピースの境界部が互ヽ違いに溶接接合されて、該第 1の熱電ブロック体の前記 Pピース及び Nピースが電気的にジグザグに直列結合されている第 1の熱電ブロック体と、 P型材料力なる 1又はそれ以上の Pピース及び N型材料力なる 1 又はそれ以上の Nピースが絶縁層を挟んで交互に配置されことにより交互配置方向に延びる第 2の熱電ブロック体にお、て、該第 2の熱電ブロック体の外面を構成する端面のうち、前記交互配置方向に実質的に平行な 2つの互いに対向する端面で、隣合う前記 Pピース及び Nピースの境界部が互、違いに溶接接合されて、該第 2の熱電ブロック体の前記 pピース及び Nピースが電気的にジグザグに直列結合されている第 2の熱電ブロック体であって、前記第 1の熱電ブロック体と位相を異にして、前記第 1及び第 2の熱電ブロック体それぞれの前記交互配置方向がほぼ平行となるように並設されている該第 2の熱電ブロック体と、前記第 1及び第 2の熱電ブロック体の間に渡される電極であって、前記第 1及び第 2の熱電ブロック体のそれぞれの前記交互配置方向において同様にほぼ端部に位置し同一の対向関係にあるそれぞれの Pピースの端面及び Nピースの端面に、当接されることにより当該 P及び Nピース間を導通させて前記第 1及び第 2の熱電ブロック体を電気的に接続する電極と、からなる熱電モジュール。

[0024] (6)前記 Pピースが熱電対の負極材料力なり、前記 Nピースが該熱電対の正極材料力なることを特徴とする上記（5)記載の熱電モジュール。

[0025] (7)前記 Pピースがアルメル力なり、前記 Nピースがクロメルからなることを特徴とする上記（5)記載の熱電モジュール。

[0026] (8)前記溶接接合は、微細溶接によるものであることを特徴とする（5)から（7)いずれか記載の熱電モジュール。

[0027] (9)第 1の材料力なる第 1シート部材及び第 2の材料力なる第 2シート部材を積層して積層体を得る積層工程と、前記積層体を切断し、前記第 1及び第 2材料の縞模様シート部材を得る第 1の切断工程と、前記縞模様シート部材の一方の面において、 1つおきの境界部を溶接する第 1の溶接工程と、前記縞模様シート部材の他方の面において、前記第 1の溶接工程の溶接とは位相を異にして 1つおきの境界部を溶接し、前記一方の面及び他方の面での接合により、互い違いのジグザグ結合となる溶接縞模様シート部材を得る前記第 2の溶接工程と、前記溶接縞模様シート部材を切断して短冊状の熱電ブロック体を得る短冊切断工程と、複数の前記短冊状の熱電ブロック体を並設する並設工程と、隣り合う前記短冊状の熱電ブロック体に電極板により橋かけを行う橋かけ工程と、からなる熱電ブロック集合体の製造方法。

[0028] (10)上記（9)記載の方法で製造した熱電ブロック集合体を用いて、熱電素子モジユールを製造する方法。

[0029] この発明によれば、熱電素子を生産性を高く維持しつつ大量に製造でき、原材料コストや環境負荷をコントロールしゃすい熱電素子及びその製造方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0030] [図 1]本発明の 1実施例である熱電モジュールを示す部分破断斜視図である。

[図 2]図 1の熱電モジュールの作成にあたり、 2種類の材料からなる薄板を積層して積層体を得るようすを示す斜視図である。

[図 3A]図 2で得た積層体を板状に切断するようすを示す斜視図である。

[図 3B]図 3Aで得た板の表面にレーザ溶接をするようすを示す斜視図である。

[図 3C]図 3Bで得た板の裏面にレーザ溶接をするようすを示す斜視図である。

[図 4]図 3A— Cで溶接した薄板を短冊状に切断して熱電ブロック体を得るようすを示す斜視図である。

[図 5]図 4で得た熱電ブロック体を並設するようすを示す斜視図である。

[図 6]図 4で並べた熱電ブロック体を接続するようすを示す斜視図である。

[図 7]図 6で並べられ接続された熱電ブロック体の集合体をアセンブルして熱電モジユールを得るようすを示す斜視図である。

[図 8]本発明の別の実施例である熱電モジュールの作成にぉ、て、 2種類の箔を積層するようすを示す側面図である。

[図 9A]図 8で積層した積層体の側面にレーザ溶接を行って得た積層体の側面を示す図である。

[図 9B]図 8で積層した積層体の側面にレーザ溶接を行うようすを示す拡大図である。

[図 10]図 9A及び Bで溶接した積層体を細切りするようすを示す図である。

[図 11]図 10で得た細切り積層体を並設し、全体として直列に接続するようすを示す図である。

[図 12]図 11で得た直列接続された集合体を基板上に配置したようすを示す図である [図 13]本発明の実施例である熱電モジュールを作成する方法を示すフローチャートである。

符号の説明

[0031] 10、 110 熱電モジュール

12、 14 熱伝導板

16 熱電ブロック体

18 Pピース

20 Nピース

22、 122 絶縁層

24、 26、 124、 126 電極

34 積層体

36 積層板

40 レーザ装置

42、 48、 142 溶接部

112、 114 アルミナ板

116 熱電対アレイ

118 アルメル

120 クロメノレ

発明を実施するための形態

[0032] 以下に、本発明に好適な実施形態について図面に基づいて説明する。

[0033] 図 1に本発明の 1つの実施例となる熱電モジュール 10の部分破断見取り図を示す

[0034] 上側にある高温側（又は低温側）の熱伝導板 12と下側にある低温側（又は高温側）の熱伝導板 14の間に、複数の熱電ブロック 16が並設されており、前記高温側及び低温側熱伝導板 12、 14に伝熱可能な状態で狭持されている。各熱電ブロック体 16 はその側面方向に相互に離されており、電気的な絶縁等を担保している。また、各熱電ブロック体 16は、それぞれ、 P型材料力なる Pピース 18及び N型材料力なる N ピース 20が交互に接続配置されて、棒状に延びている。これらの隣合う P及び Nピースの境界には、電気的絶縁のため、いわゆる絶縁層 22が配置されている。 [0035] 隣合う熱電ブロック体 16は、相互に位相がずれて P及び Nピースを交互配置しているため、側面方向直近のピース (例えば Nピース）は、異なる種類のピース (例えば P ピース）となっている。例えば、ある熱電ブロック体 16の Pピース 18の側面方向直近のピースであって、隣の熱電ブロック体 16のピースは、 Nピースとなっている。

[0036] 隣合う熱電ブロック体 16は、上記交互配置方向の端部（同じ向き）において、電極 24で橋かけがされており、熱電ブロック体 16間の電気的導電が担保されている。この交互配置方向の他方の端部は、同様に電極により、上記隣の熱電ブロック体 16とは反対側で隣合う熱電ブロック体 16と橋かけ接続が行われ、複数の熱電ブロック体 1 6において、 1つの直列接合された多数の熱電ピースによる結合を形成している。

[0037] 熱電モジュール 10の左側端及び右側端にある熱電ブロック体 16には、リード電極 26がそれぞれ接続されており、外部電源からの電力の供給、又は、熱電効果による発電した電気の送電を行うことができる。

[0038] 尚、上述では、 P型及び N型半導体として記載している力熱電対の通常の負極材料及び正極材料と置き換えて記述することができる。例えば、クロメル'アルメル熱電対材料を用いた場合、 P型半導体としてはアルメルを、 N型半導体としてはクロメルを用いることとなる。熱電対の一般的な材料としては、以下の表を参照されたい。

[0039] [表 1]

* JIS 規格外

過熱使用限度とは、必要上やむを得ない場合に、短時間使用できる温度の限度をいう。

[0040] 図 2から 7において、上記熱電モジュール 10を製造する方法を模式的に示す。

[0041] 図 2は、薄いアルメル板 30の片面 31に絶縁処理を施したものと、薄いクロメル板 32 の片面 33に絶縁処理を施したものとを交互に積層する様子を示している。アルメル板 30の板厚 tlは約 2mmで、クロメル板 32の板厚 t2は約 2mmである。絶縁処理により、それぞれの面 31、 33には、絶縁のための有機フィルムが施されており、交互積層に伴って、接着剤的役割を果たすことができる。このような積層を所望の層数だけ行い、目的とする積層体 34を得る。

[0042] 図 3Aは、積層体 34を切断面 AAにおいて、薄板に切断する工程を示している。切断は、通常のファインカッター等で行うことが可能である。矢印 Bのように分離されたアルメルとクロメルとからなる縞模様の薄板 36の板厚 HIは、 2mmである。

[0043] 図 3Bでは、得られた縞模様の薄板 36を 2つの大きな板面の一方を下に、他方を上に向けて静置し、上面 38のアルメル層 18及びクロメル層 20が境界の絶縁層 22を挟んで配置されているようすがわかる。上面 38に顔を出している絶縁層 22は、アルメル及びクロメルの境界部となり、このままでは、電気的に接続されていない。そこで、この境界部（図中では、左右に延びる線として表現)をレーザ装置 40によるレーザビーム 41によりカロ熱し、アルメル層 18及びクロメル層 20の上面 38での電気的接続を矢印 Cに従って連続的に行う。この溶接部 42では、アルメル層 18及びクロメル層 20の上面 38での電気的接続が行われていることとなる。このレーザ溶接は、上記アルメル層 18及びクロメル層 20の境界部である左右に延びる線部を手前から奥へと、 1つおきに行っていく。

[0044] 次に、矢印 Dに従って、縞模様の薄板 36を反転させて、先程の上面 38を下側にして、静置し直す（図 3C)。図 3Bにおいて溶接された溶接部 42は、この図では下側に配置されている。ここでは、他方の面 46において、上述と同様のレーザ溶接を行い、アルメル層 18及びクロメル層 20を他方の面 46にお!/、て溶接 ·接合を矢印 Eのように連続的に行う。これにより、溶接部 48により、アルメル層 18及びクロメル層 20を他方の面 46において電気的に接続することができる。この溶接は、 1つおきに行うが、上述の上面 38とは互い違いになるように行う。このことにより、アルメル層 18及びクロメル層 20は、手前から奥へとジグザグしながら直列に電気的に接続されていることとなる。

[0045] 図 4は、レーザ溶接をその両面において互い違いに行った縞模様の薄板 36を切断する工程を示している。切断はファインカッターで行うことができ、矢印 Gのように切り離され、熱電ブロック体 16を形成する。この熱電ブロック体 16の高さ HIは、縞模様の薄板 36の板厚と一致し、幅 D1はこの工程での切断幅 D1に一致する。ここでは、 HI及び D1共に 2mmとする。

[0046] 図 5は、図 4で切り出した熱電ブロック体 16a、 b、 cを左力も順に幅 D2の間隔をあけて並設したようすを示している。熱電ブロック体は、溶接部 42、 48を介して、 PN接合が直列に交互配置方向に沿ってジグザグしながら接続されていることがわかる。このとき、各熱電ブロック体 16a、 b、 cの高さ HIが揃っていることが好ましい。各熱電ブロック体 16a、 b、 cの上面及び下面が放熱側若しくは吸熱側、又は、高温側若しくは低温側となるところ、熱伝導板 12、 14への熱伝達を均一に行うことが好ましいからである。また、熱伝導板 12、 14の面内での均一な温度が好ましい。

[0047] 図 6は、上述のようにして所定数の熱電ブロック体 16を並べたものに、リード電極 26 及び電極 24を取り付け (矢印 H)、 P型及び N型半導体を全体として直列に接続するようすをしめしている。各熱電ブロック体 16の端部において、電極 24を互い違いに接続することにより、各熱電ブロック体 16を全て直列に並べることができる。図 7は、このようにして接続された熱電ブロック体 16の集合体を上下の熱伝導板 12、 14で挟む（矢印 J)ようすを示している。このようにして、図 1の熱電モジュールを製作することができる。

[0048] 図 8力ら 12は、本発明のもう 1つの実施例を示すものである。

[0049] 図 8は、面内を絶縁ィ匕処理した 100mm X 5mm X 2mmのアルメル板 118を 25枚と、同じサイズの同数のクロメル板 120を交互に積層し、積層板 136とするようすを示している。絶縁化処理は、アルメル板 118の上面 131及びクロメル板 120の上面 132に行っている。これにより、アルメル板 118及びクロメル板 120間に絶縁層 122が形成されることとなる。

[0050] 図 9A及び Bは、積層板 136の面内にアルメル板 118とクロメル板 120の接触部を 1 つ置きに線状に溶接するようす（図 9B)及び溶接後の積層板 136 (図 9A)を示している。この面の溶接部 142は、アルメル板 118とクロメル板 120の左から右へと向う境界線を上下方向 1つ置きに溶接することにより形成されて、る。ここに示されて、る面に対して反対側の面は、溶接位置がずれるように溶接が行われる。

[0051] 図 10は、溶接後の積層板 136を切断線 F—Fに沿ってファインカッターで幅 2mm の短冊状に切断して熱電ブロック体 116a、 b、 c、 dに分離 (矢印 G' )するようすを示している。ここで、幅を 2mmとしたのは、幅をより広く（例えば 4mm)すると、単位面積あたりに並べることのできる熱電ブロック体 116の数が少なくなつてしまうため、温度差により生じる電位が低くなり、より幅を狭くすると取扱いがより煩雑になるからである。し力しながら、この幅は固定的なものではなぐ用途に応じて適宜選択されるものであることはいうまでもない。このようにして、棒状のアルメルクロメル熱電対を 25対有する熱電対アレイとする。

[0052] 図 11及び 12に示すように、この熱電対アレイ（又は熱電ブロック体） 116を 50個、 1 20mm X 120mm X 2mmの熱伝導板としてのアルミナ板 114上に直列に接続し、配置'固定する。各熱電ブロック体 116の間は、リード線 124を各熱電ブロック体 116それぞれの端部で溶接することにより行う。また、外部端子 126を直列に接続した複数の熱電ブロック体 116の両端に溶接によって接続する。更に上面からアルミナ板（図示せず)をビスにより固定することで、アルメル—クロメル熱電対が 1250対集積された熱電モジュールとする。

[0053] 図 13にこれまで説明した熱電モジュールの製造方法をフローチャートで示す。まず、熱電素子として用いる 2種類の箔八、 Bそれぞれの片面（両面であってもよい）の絶縁化処理を行う（S 110)。次に、この 2種類の箔八、 Bを積層し、積層体とする（S120 )。得られた Α·Β積層体を必要に薄板状に切断する（S130)。積層体の幅が十分狭い場合は、この切断工程は省略することができる。次に、薄板となった AB積層体薄板の両端面において、 AB境界を 1つ置きに溶接する（S140)。このとき、裏面と表面は、互い違いに溶接される。溶接した AB積層薄板を短冊状に切断する（S 150)。 A B積層体の短冊状の熱電ブロック体 (アレイとも言う）を分離し、平面上に並設して配置する（S160)。位置が固定された熱電ブロック体の端部で、互い違いにリード接続を行う（S 170)。最後に、熱伝導板を上述の配置された熱電ブロック体の集合体の上面及び下面に付けて、熱電素子モジュールを組み立てる（S180)。

[0054] [実験例] 図 8力ら 12に示すように、また、図 13のフローに従って作成した熱電モジュールの下面をヒーターで加熱し、上面を冷却することで、上下面に約 175Kの温度差を与えたところ、開放電圧 8. 75V、最大出力 10. 1Wが得られた。また、この熱電モジユールに 8Aの電流を流したところ 59Wの冷却量が得られた。

以上のように P型及び N型の材料 (半導体、金属薄板等を含む)を交互に積層させた後、両端部の PN界面を交互に溶接した後、積層面に対し垂直に裁断することにより、容易に積層枚数に応じた PN接合アレイを作成することができる。更に、 PN接合アレイを複数個直列につなぐことで、多量の PN接合を有する熱電変換モジュールを得ることができる。

Claims

請求の範囲

[1] P型材料力もなる 1又はそれ以上の Pピース及び N型材料力もなる 1又はそれ以上の Nピースが絶縁層を挟んで交互に配置される、該交互配置方向に延びる熱電ブロック体であって、

該熱電ブロック体の外面を構成する端面のうち、前記交互配置方向に実質的に平行な 2つの互いに対向する端面で、隣合う前記 Pピース及び Nピースの境界部が互 V、違いに溶接接合されて、該熱電ブロック体の前記 Pピース及び Nピースが電気的にジグザグに直列結合されている熱電ブロック体。

[2] 前記 Pピースが熱電対の負極材料力なり、前記 Nピースが該熱電対の正極材料力なる、請求項 1記載の熱電ブロック体。

[3] 前記 Pピースがアルメル力もなり、前記 Nピースがクロメルカもなる、請求項 2記載の熱電ブロック体。

[4] 前記溶接接合は、微細溶接によるものである、請求項 1から 3いずれか記載の熱電ブロック体。

[5] P型材料力もなる 1又はそれ以上の Pピース及び N型材料力もなる 1又はそれ以上の Nピースが絶縁層を挟んで交互に配置されることにより交互配置方向に延びる第 1 の熱電ブロック体にぉヽて、該第 1の熱電ブロック体の外面を構成する端面のうち、前記交互配置方向に実質的に平行な 2つの互いに対向する端面で、隣合う前記 Pピース及び Nピースの境界部が互、違いに溶接接合されて、該第 1の熱電ブロック体の前記 Pピース及び Nピースが電気的にジグザグに直列結合されている第 1の熱電ブロック体と、

P型材料力なる 1又はそれ以上の Pピース及び N型材料力なる 1又はそれ以上の Nピースが絶縁層を挟んで交互に配置されことにより交互配置方向に延びる第 2 の熱電ブロック体において、該第 2の熱電ブロック体の外面を構成する端面のうち、前記交互配置方向に実質的に平行な 2つの互いに対向する端面で、隣合う前記 Pピース及び Nピースの境界部が互、違いに溶接接合されて、該第 2の熱電ブロック体の前記 Pピース及び Nピースが電気的にジグザグに直列結合されている第 2の熱電ブロック体であって、前記第 1の熱電ブロック体と位相を異にして、前記第 1及び第 2 の熱電ブロック体それぞれの前記交互配置方向がほぼ平行となるように並設されて

V、る該第 2の熱電ブロック体と、

前記第 1及び第 2の熱電ブロック体の間に渡される電極であって、前記第 1及び第

2の熱電ブロック体のそれぞれの前記交互配置方向において同様にほぼ端部に位置し同一の対向関係にあるそれぞれの Pピースの端面及び Nピースの端面に、当接されることにより当該 P及び Nピース間を導通させて前記第 1及び第 2の熱電ブロック体を電気的に接続する電極と、からなる熱電モジュール。

[6] 前記 Pピースが熱電対の負極材料力なり、前記 Nピースが該熱電対の正極材料力なる、請求項 5記載の熱電モジュール。

[7] 前記 Pピースがアルメル力もなり、前記 Nピースがクロメルカもなる、請求項 5記載の熱電モジュール。

[8] 前記溶接接合は、微細溶接によるものである、請求項 5から 7いずれか記載の熱電モジユーノレ。

[9] 第 1の材料力もなる第 1シート部材及び第 2の材料力もなる第 2シート部材を積層して積層体を得る積層工程と、

前記積層体を切断し、前記第 1及び第 2材料の縞模様シート部材を得る第 1の切断工程と、

前記縞模様シート部材の一方の面において、 1つおきの境界部を溶接する第 1の溶接工程と、

前記縞模様シート部材の他方の面にぉ、て、前記第 1の溶接工程の溶接とは位相を異にして 1つおきの境界部を溶接し、前記一方の面及び他方の面での接合により、互、違、のジグザグ結合となる溶接縞模様シート部材を得る前記第 2の溶接工程と前記溶接縞模様シート部材を切断して短冊状の熱電ブロック体を得る短冊切断ェ程と、

複数の前記短冊状の熱電ブロック体を並設する並設工程と、

隣り合う前記短冊状の熱電ブロック体に電極板により橋かけを行う橋かけ工程とからなる熱電ブロック集合体の製造方法。請求項 9記載の方法で製造した熱電ブロック集合体を用いて、熱電素子モジュルを製造する方法。