熱電変換装置
【課題】熱電変換装置が加熱され熱変形しても、熱電半導体チップの接合部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくい、信頼性に優れた熱電変換装置とその製造方法とを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明の熱電変換装置１は、低温側板１２と、この低温側板１２に対向する高温側板１７と、低温側板および高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材１３および高温側電極部材１６と、これらの低温側電極部材と高温側電極部材との間に設けられ一端側を低温側電極部材に接触するとともに他端側を高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップ１４、１５と、低温側板と高温側板の相対位置を保持する結合部材１８とを備え、低温側板と高温側板との間には熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材１８によって保持されていることを特徴とする。
【解決手段】本発明の熱電変換装置１は、低温側板１２と、この低温側板１２に対向する高温側板１７と、低温側板および高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材１３および高温側電極部材１６と、これらの低温側電極部材と高温側電極部材との間に設けられ一端側を低温側電極部材に接触するとともに他端側を高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップ１４、１５と、低温側板と高温側板の相対位置を保持する結合部材１８とを備え、低温側板と高温側板との間には熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材１８によって保持されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の熱電半導体チップの吸熱面に吸熱側電極を取り付けるとともに、各熱電半導体チップの放熱面に放熱側電極を取り付け、全ての熱電半導体チップと電気的に直列に、熱的に並列接続してなる熱電変換装置に係わり、特に、製造性がよく、優れた信頼性を有する熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果などの熱電変換効果を利用した熱電半導体チップを組み合わせて構成され、電気を熱に変換する温度調整ユニットとしては、すでに量産化されている。また、発電ユニットとしても研究開発が進められている。
【０００３】
発電ユニットとしての熱電変換装置は、複数の熱電半導体チップが電極を有する絶縁基板に挟まれて配列され、電気的に直列に、熱的に並列に接続されている。
【０００４】
熱電変換装置の発電効率を熱電半導体チップ自体の発電効率に近づけるためには、熱電半導体チップの一端部への熱供給と熱電半導体チップの他端部からの放熱がスムースに行われる必要がある。そのため、熱電変換装置を構成する基板には、熱伝導に優れたセラミックス基板が使用されている。さらに、熱電半導体チップ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ている。
【０００５】
このような熱電変換装置においては、各熱電半導体チップの両端の温度差を直接電気エネルギに変換するため、高温側と低温側との熱膨張差により熱変形が生じる。このため、各構成部材の接合部や熱電半導体チップが破損したり、接合部分に隙間ができて熱伝導効率が低下し、熱電変換性能が低下するなどという問題があった。また、高温環境下で各電極や熱電半導体チップなどが酸化して信頼性が低下するという問題も生じていた。
【０００６】
これらの問題を解決するために、従来から多くの提案がなされている。例えば、配線基板に形成された複数の電極に熱電半導体チップの一端面を固着し、その熱電半導体チップの他端面には接触するように複数の電極を配置し、熱電半導体チップの一端面から他端面方向に圧力を加えて構成した熱電変換装置が開示されている（特許文献１参照）。そして、この構造により、熱電変換装置が加熱されて熱変形しても、各熱電半導体チップと接触配置された電極面ですべりが生じるので、熱電半導体チップの接合部や熱電半導体自身が損傷しにくく、信頼性の高い熱電変換装置であるとしている。
【０００７】
しかし、上記の従来技術になる熱電変換装置では、熱電半導体チップの高さのバラツキを吸収するために熱電半導体チップの一端面はハンダで固着された構造である。このため、固着されている接合部には熱電半導体チップと電極（固着部材）の熱変形量の違いによって応力が発生したり、あるいは、熱電半導体チップ自身に内部応力が発生したりする。これらの発生応力は接合部や熱電半導体チップ自身の損傷に繋がるため、信頼性面でなお課題がある。
【０００８】
また、熱電半導体チップと電極が接合材料を用いて接合された構造で、密閉容器を具備し、密閉容器内の湿度を極小に保持して熱電変換装置の劣化による発電効率の低下の少ない熱電変換装置が知られている（特許文献２参照）。
【０００９】
しかし、この熱電変換装置においても、熱電半導体チップと電極とが接合材料を用いて接合された構造であり、熱電半導体チップと電極とが固着されている。それゆえ特許文献１に記載の熱電変換装置と同様に信頼性面で課題がある。
【特許文献１】特開２００５−６４４５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決し、熱電変換装置が加熱され熱変形しても、熱電半導体チップの接合部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくい、信頼性に優れた熱電変換装置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】
【００１１】
本発明の熱電変換装置は、低温側板と、この低温側板に対向する高温側板と、低温側板および高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材および高温側電極部材と、これらの低温側電極部材と高温側電極部材との間に設けられ一端側を低温側電極部材に接触するとともに他端側を高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップと、低温側板と高温側板の相対位置を保持する結合部材とを備え、低温側板と高温側板との間には熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材によって保持されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の熱電変換装置において、低温側板および高温側板の少なくとも一方は、低温側電極部材および高温側電極部材の位置を規制する位置規制部位を有することが望ましい。
【００１３】
また、本発明の熱電変換装置において、低温側板および高温側板の少なくとも一方は、低温側電極部材および高温側電極部材の位置と熱電半導体チップの位置とを規制する位置規制部位を有することが望ましい。
【００１４】
本発明の熱電変換装置において、低温側電極部材及び高温側電極部材の少なくとも一方は、熱電半導体チップの位置を規制する位置規制部位を有することが望ましい。
【００１５】
本発明の熱電変換装置において、熱電半導体チップと低温側電極部材との間および熱電半導体チップと高温側電極部材との間の少なくとも一方に、導電性の変形可能な弾性構造部材を有することができる。
【００１６】
また、本発明の熱電変換装置において、低温側板と低温側電極部材との間および高温側板と高温側電極部材との間の少なくとも一方に、熱伝導性のよい変形可能な弾性構造部材を有することが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明の熱電変換装置において、低温側電極部材および高温側電極部材の少なくとも一方は、導電性の変形可能な弾性構造部材であってもよい。
【００１８】
本発明の熱電変換装置において、結合部材と低温側板および高温側板とは溶接またはろう材によって結合されて、熱電半導体チップおよび電極部材を収容する密閉容器を形成することが望ましい。そして、このような密閉容器内の雰囲気は減圧雰囲気、窒素雰囲気および不活性ガス雰囲気の少なくとも１つから選ばれることが好ましい。
【００１９】
また、熱電変換装置の低温側板または高温側板のいずれかを変形可能な部材として、外部からの圧縮圧力を利用して熱電半導体チップと電極部材との密着を確保するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップの端面と各電極面とは自由度の高い接触構造となっており、固着された剛体構造ではない。従って、各部材の線膨張係数の違いによって異なる熱変形量が生じても、低温側、高温側ともに各熱電半導体チップと各電極面で滑りが生じるので、接触部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくい。従って、信頼性の高い熱電変換装置を提供することができる。
【００２１】
また、接合用のハンダを用いていないため、熱電変換装置の耐熱性がハンダの溶融温度によって左右されない。従って、耐熱性に優れた熱電変換装置を提供することができる。
【００２２】
さらに、複数の電極部材も他部材に固定しない独立させた構造であるため、従来ハンダ材を用いて吸収していた５０μｍ程度の熱電半導体チップの高さバラツキがあっても、個々の電極部材が変形することでこの程度の高さバラツキを吸収することができる。
【００２３】
本発明の熱電変換装置は、低温側板や高温側板などに低温側電極や熱電半導体チップの位置を規制する部位を有している。このため、熱電変換装置に過度の衝撃が加わった場合にも、各部材の相対位置を保持して各部材間の絶縁性を確保することができる。また、製造時には従来必須であった各部材を整列させる組み付け治具を必要とせず、直接各部材を組み付けることができるので簡単に熱電変換装置を製造することができる。
【００２４】
また、本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップと各電極との間に弾性構造部材を備えている。このため、吸収できる熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造部材の弾性量分向上し、より一層信頼性を高めることができる。
【００２５】
さらに、本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップが減圧雰囲気又は不活性ガス雰囲気内に密閉して配置される。このため、熱電変換装置が高温に加熱されても、酸化や腐食による熱電半導体チップなどの劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の熱電変換装置について実施例によって図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は、実施例１の熱電変換装置１の構成を示す断面概要図である。
【００２８】
熱電変換装置１は、低温側板１２と、この低温側板１２に接触するように配置される複数の低温側電極部材１３と、複数の高温側電極部材１６と、この高温側電極部材１６と接触するように配置される高温側板１７と、一端面で低温側電極部材１３に接触し、他端面で高温側電極部材１６と接触するとともに電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップ１４、１５と、低温側板１２と高温側板１７との相対位置を保持する結合部材１８とを備えている。そして、低温側板１２と高温側板１７との間には熱電半導体チップ１４、１５の軸方向に圧縮するように圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材１８によって保持されている。
【００２９】
ここで、低温側板１２は絶縁性のアルミナセラミックスであり低温側板１２と低温側電極部材１３とを絶縁している。また、低温側板１２には、位置規制部位である凹部１２ａと凸部１２ｂとが形成されており、凹部１２ａに所定の低温側電極部材１３を嵌着することで複数の各低温側電極部材１３の位置を規制すると同時に、凸部１２ｂで複数の低温側電極部材１３同士を絶縁している。また、高温側板１７は絶縁性のアルミナセラミックスであり高温側板１７と高温側電極部材１６とを絶縁している。この高温側板１７には凹部１７ａと凸部１７ｂとが形成されており、凹部１７ａに所定の高温側電極部材１６を嵌着することで複数の各高温側電極部材１６の位置を規制すると同時に、凸部１７ｂで複数の高温側電極部材１６同士を絶縁している。ここで、本明細書において「嵌着」とは、一方の部材が他方の部材に対してある程度の相対的変位が可能なように保持される形態を意味する。また、「嵌入」も同様に互いの部材が相対変位可能に保持される形態を意味する。
【００３０】
低温側電極部材１３は、低温側板１２とともに熱電半導体チップ１４、１５の位置を規制する凹部（位置規制部位）１３ａを有しており、所定の熱電半導体チップを嵌挿することで、複数の熱電半導体チップの各々の相対位置を規制することができる。また、高温側電極部材１６は高温側板１７の凹部１７ａに嵌入するバスタブ形状であり、バスタブの側壁に沿って熱電半導体チップ１４、１５を配置することでそれらの相対位置を規制することができる。電極部材は、良好な導電性を有するとともに、圧縮圧力で熱電半導体チップと密着接触できる変形可能な材料であることが望ましく、銅やアルミニウムあるいは銀などを好適に用いることができる。
【００３１】
以上のように熱電変換装置１は、各部材（絶縁板、電極部材、熱電半導体チップ）が相互に所定の位置規制部位により位置決めされており、また各部材はそれぞれ固着されていないので、圧縮圧力により密着接触できるように変形に対する自由度を持った接触構造となっている。
【００３２】
熱電半導体チップは複数のＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とからなり、各々は一端面で低温側電極部材１３に接触し、他端面で高温側電極部材１６と接触して交互に配置されており、各電極部材を介して電気的に直列配列されている。
【００３３】
低温側板１２の周縁部と高温側板１７の側面部と、これらに対向する枠１８の対向面にはメタライズ２１が施され、低温側板１２と高温側板１７とはろう材２２で枠１８に接合されている。
【００３４】
枠１８はステンレス鋼や鉄・ニッケル・コバルト合金（例えば、商品名：コバール）などの金属材料からなり、低温側板１２と高温側板１７とともに、熱電半導体チップ１４、１５や低温側電極部材１３、高温側電極部材１６などを収容して周囲環境から密閉封止する密封構造を形成する。この密封構造の内部は酸化や腐食防止のために減圧雰囲気となっており、所望によりヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスや窒素ガスなどが充填される。
【００３５】
次に、熱電変換装置１の作用を説明する。熱電変換装置１には、図１に示すように複数の熱電半導体チップ１４、１５が電気的に直列配置されている。熱電変換装置１の高温側板１７に熱源などからの高温、例えば、４００℃〜８００℃の放射熱が吸熱される。この放射熱は高温側板１７および高温側電極部材１６などを経て熱電半導体チップ１４、１５に熱伝導され、熱電半導体チップ１４、１５を高温側から低温側に熱流となって流れ、その間にゼーベック効果により起電力が生じる。発生した電力は電気的に直列配列された各熱電半導体チップ１４、１５からリード線１９を介して外部へ取り出される。
【００３６】
各熱電半導体チップ１４、１５により熱エネルギが電気エネルギに変換されることにより温度降下した熱流は、低温側電極部材１３から低温側板１２を経て熱伝導され外部へ放熱される。
【００３７】
本実施例では、低温側電極部材１３と熱電半導体チップ１４、１５および高温側電極部材１６と熱電半導体チップ１４、１５とはハンダなどの接合によって固定される剛体構造ではなく、熱膨張に対する自由度の高い接触構造となっている。このため、線膨張係数の違いによって各部材に異なる熱変形量が生じても、低温側、高温側ともに各熱電半導体チップ１４、１５と各電極面１３、１６との間で滑りを生じて熱変形量の差を吸収することができる。従って、電極部材と熱電半導体チップとの接触部や熱電半導体チップ１４、１５自身が損傷しにくく、信頼性の高い熱電変換装置１を提供することができる。
【００３８】
本実施形態の熱電変換装置１は例えば、以下のような工程により製造する。
【００３９】
まず第１工程では、図２に示すように低温側板１２と枠１８とのメタライズ２１が施されている接合部を、ろう材２２を用いて接合する。ここで、低温側板１２は絶縁性を有しかつ熱伝導が良好な例えば、窒化珪素セラミックス、窒化アルミセラミックス、高純度のアルミナセラミックスであることが望ましい。また、低温側板１２は２層からなる多層構造とし、熱電変換された電力を外部に取り出すための内部配線１９を備え、この内部配線１９と外部配線２０とをろう材２２によって接合する。なお、上記のように枠１８と低温側板１２とをろう付けする構造ではなく、低温側板１２をバスタブ状の箱形の構造体として枠１８を用いない構造としてもよい。
【００４０】
第２工程では、低温側板１２の凹部１２ａに所定の低温側電極部材１３を嵌着する。低温側電極部材１３及び高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５は、加圧されて接触される構造である。従って、加圧力を保持するために枠１８はＰ型熱電半導体チップ１４やＮ型熱電半導体チップ１５よりも線膨張係数が小さくかつ熱伝導性の低い材質であることが好ましく、例えば、ステンレス鋼や鉄・ニッケル・コバルト合金（例えば、商品名：コバール）などの金属材料、あるいはジルコニア、アルミナ、ムライトなどのセラミックスが望ましい。
【００４１】
次に、第３工程では、図３に示すように低温側板１２と低温側電極部材１３によって形成される凹部１３ａにＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とを嵌挿する。Ｐ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とは低温側電極部材１３上に交互に配置されるので、第４工程では、図４のようにバスタブ形状の箱形の高温側電極部材１６を隣り合う一対のＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５の高温側端面の上に跨設する。この時、高温側電極部材１６をすでに配置されている低温側電極部材１３と交互にジグザグ状に配置して、全ての熱電半導体チップ１４、１５が電気的に直列に、また、熱的には並列に配置されるようにする。
【００４２】
第５工程では、図５に示すように高温側電極部材１６を位置決めする凹部１７ａを備えた高温側板１７を高温側電極部材１６上に嵌合載置して、複数の高温側電極部材１６同士を絶縁するとともに、各々の相対位置を維持するようにする。
【００４３】
続いて、第６工程では、図６に示すように減圧雰囲気２３中で低温側板１２と高温側板１７に上下に圧力を加えながら、高温側板１７と枠１８とをろう材２２を用いて密閉接合する。なお、高温側板１７の側面と対向する枠１８の接合部には、ろう付けを容易にするために上記のように銅薄膜などのメタライズ２１を施しておく。
【００４４】
上記の熱電変換装置１では、低温側、高温側ともに熱電半導体チップと電極部材とが加圧接触するように配置された構造であり、各熱電半導体チップと各電極部材との間ですべりを生じることで各部材の熱膨張量の差を吸収することができる。このため、接触部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくく、熱電変換装置の信頼性が大幅に向上するという優れた効果がある。また、複数の電極部材が他の部材に固着されることなく容易に変形可能な独立した構造であるため、熱電半導体チップの高さにバラツキがあっても独立した複数の電極部材が個々に変形して、その高さバラツキを吸収することができる。また、接合用のハンダや変形可能な導電性部材を必要としないので、従来技術による熱電変換装置に比べて、部品点数と工数の低減が可能となる。さらに、従来技術では、製造時に熱電半導体チップや電極部材を整列させるための治具が必要であるのに対して、本実施例ではこのような整列用の治具を使用することなく、電極部材や熱電半導体チップなどを予め形成されている所定の位置へ嵌着することができ、簡単に熱電変換装置を製造することができる。
【実施例２】
【００４５】
実施例２の熱電変換装置２は図７の断面概要図に示すように、実施例１のアルミナセラミックからなる高温側板１７を絶縁材２５をコーティングした導電性板２４とし、アルミナセラミックの枠１８を導電性板２４と溶接しやすい同種の金属材料の枠１８’とした以外は、実施例１と同様の部材を用いて同様のの構成としたものである。なお、図７で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】
熱電変換装置２では、導電性板２４と枠１８’には金属材料である鉄・ニッケル・コバルト合金（コバール）を用い、また、絶縁材２５としてはアルミナセラミックスを用いた。枠１８’と導電性板２４とは同種の金属材料であるのでレーザ溶接により容易に接合することができ、実施例１と同様に減圧雰囲気中で圧縮圧力を加えながら密閉接合する。
【００４７】
このようにして形成された熱電変換装置２は、高温側板２４に実施例１で用いたセラミックスよりも耐衝撃性が高い金属を用いているので、高温側板２４の耐衝撃性が向上し、熱電変換装置２の耐衝撃性を向上することができる。このような熱電変換装置２は、設備の駆動部分など耐衝撃性や耐振動性を必要とする部位に装着する熱電変換装置として好適である。
【実施例３】
【００４８】
図８に実施例３の熱電変換装置３の断面構造を示す。熱電変換装置３は実施例１の熱電変換装置１の高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５との間に弾性構造体２７を介挿し、その他の構成は実施例１と同様としたものである。図８で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
弾性構造体２７はＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とを電気的に接続するために導電性の材質からなる構造体が必要である。ここでは厚さ方向に弾性変形する銅細線からなる金属細線網を用いた。なお、この他に銅、アルミニウム、あるいは銀などからなる金属製の板ばねを用いてもよい。
【００５０】
このような熱電変換装置３は、弾性構造体２７を使用する構造であるため、熱電半導体チップの高さバラツキをこの弾性構造体２７によっても吸収することができ、さらに安定した導通を得ることが可能になる。つまり、熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造体２７の弾性変形量分向上するという優れた効果がある。
【実施例４】
【００５１】
実施例４の熱電変換装置４は、図９に断面構造を示すように実施例１の高温側電極部材１６と高温側板１７との間に弾性構造体２７を介挿し、その他の構成は実施例１と同様としたものである。なお、図９で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
ここで、弾性構造体２７は熱抵抗を少なくするために高熱伝導性材料からなる構造体が望ましい。ここでは、上記の実施例３と同様の金属細線網を用いた。この他にシリコン系などの熱伝導性シートを用いてもよい。また、介挿する弾性構造体２７が銅や銀などのように高い導電性を有する材料であれば、電気抵抗を低減することもできるのでさらに好適である。
【００５３】
このような熱電変換装置４は、上記の実施例３と同様に弾性構造体２７を使用する構造であるため、吸収できる熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造体の弾性変形量分向上するという優れた効果がある。
【実施例５】
【００５４】
実施例５の熱電変換装置５は、低温側板１２と高温側板１７との相対位置を保持する結合部材に、実施例１の枠１８に代えてボルト２８とナット３０とを用いたものである。図１０に熱電変換装置５の断面構造を示す。
【００５５】
熱電変換装置５においては、ボルト２８とナット３０との締結によって低温側板１２’と高温側板１７’とに加圧力を負荷すると同時に、加圧力を保持する。なお、本実施例ではボルト２８は一本であるが複数本用いてもよい。
【００５６】
熱電変換装置５では、ボルト締結により各部材の相対的位置を保持している。従って、低温側板１２’と高温側板１７’とは、例えば、鋼、モリブデン、タングステン、あるいはタングステンカーバイドなどの剛性の高い、かつ相対的に板厚の厚い材料で構成されている。それゆえ、低温側板１２と低温側電極部材１３及び高温側板１７と高温側電極部材１６との間に窒化珪素セラミックの絶縁部材３１を介装することで、各部材間の絶縁を図った。
【００５７】
このような熱電変換装置５は、ナットの回転量で締結力を調整することができるので、加圧力が所望の圧縮力となるように容易に管理することができる。
【００５８】
なお、本発明の熱電変換装置は上記の実施例１〜５に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することができる。
【００５９】
例えば、上記の実施例では、熱電変換装置の組み立て時に熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力を加えて枠などの結合部材でこの圧縮圧力を保持するようにしたが、熱電変換装置を所定の位置へ取り付ける時の締結力などの外部からの圧力を必要な圧縮圧力として利用してもよい。
【００６０】
図１１は熱電変換装置６の断面構造を示すもので、高温側板１７を周縁部にＶ字溝３２を形成した変形可能な高温側部材３３としている。なお、図示はしないが、高温側部材３３と高温側電極部材１６及び低温側板１２と低温側電極部材１３及び複数の電極部材１３，１６同士は適宜の方法で絶縁されている。また、外部からの圧力を利用して加圧を行うために熱電半導体チップ１４、１５には圧力は負荷されておらず、空隙ｄがある状態で低温側板１２と高温側部材３３とを接合している。しかし、あえて空隙ｄを設けて熱電半導体チップに圧力を加えない構造とする必要はなく、熱電半導体チップの両端面を各電極部材に接触させて仮圧力をかける構造としてもよい。
【００６１】
図１２は熱電変換装置６を高温廃熱管などの所定の部位に装着した状態を示す。熱電変換装置６は、低温側取付部材３４と高温側取付部材３５とに挟持され、ボルトＢ、Ｂの締結の圧力を利用することで、熱電変換装置６に必要な圧縮圧力が負荷されている。なお、この時に高温側部材３３が変形して各部材の接触を可能にしている。このような熱電変換装置６は、高温側部材３３を変形させる構造であるので、高温側部材３３を薄くして熱抵抗を減少することで発電効率を向上させることができる。
【００６２】
また、実施例３では図８において高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５との間に弾性構造体２７を介挿したが、弾性構造体２７は導電性材料からなっているので高温側電極部材１６を設けることなく弾性構造体２７で高温側電極部材１６に代替してもよい。高温側電極部材１６を弾性構造体２７で代替することで部品点数を削減しながら実施例３と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、本実施形態においては、熱電変換装置として、低温側板と高温側板との間の熱量の差に基づいて起電力を生じるゼーベック素子について説明したが、熱電半導体チップに電流を通電して高温側板と低温側板との間に温度差を生じさせるペルチェ素子にも本発明を採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の熱電変換装置は、従来の熱電変換装置のように各部材をハンダなどで接合する剛体構造ではなく、加圧力により各部材の相対位置を保持すると同時に電気の導通を確保する自由度の高い接触構造になっている。従って、熱膨張に対する自由度が大きく、熱膨張量差による熱電半導体の変形を吸収することができる。例えば、高温側は６００℃で、低温側が１００℃といった温度差の大きな熱電変換装置であっても熱電半導体やその電極部材との接触部が損傷しにくく、長期間にわたって高い信頼性を維持することができる。
【００６５】
このような特性を有する本発明の熱電変換装置は、工場などの廃熱回収装置として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１の熱電変換装置１の主要構成を示す断面概要図である。
【図２】熱電変換装置１を製造する第１工程を説明する断面概要図である。
【図３】熱電変換装置１を製造する第２工程を説明する断面概要図である。
【図４】熱電変換装置１を製造する第３工程を説明する断面概要図である。
【図５】熱電変換装置１を製造する第４工程を説明する断面概要図である。
【図６】熱電変換装置１を製造する第５工程を説明する断面概要図である。
【図７】実施例２の熱電変換装置２の主要構成を示す断面概要図である。
【図８】実施例３の熱電変換装置３の主要構成を示す断面概要図である。
【図９】実施例４の熱電変換装置４の主要構成を示す断面概要図である。
【図１０】実施例５の熱電変換装置５の主要構成を示す断面概要図である。
【図１１】その他の例の熱電変換装置６の主要構成を示す断面概要図である。
【図１２】熱電変換装置６を高温廃熱管の所定の部位に介装した状態を示す断面概要図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：熱電変換装置 １２：低温側板 １３：低温側電極部材 １４：Ｐ型熱電半導体チップ １５：Ｎ型熱電半導体チップ １６：高温側電極部材 １７：高温側板 １８：枠（結合部材）２４：導電性板 ２５：絶縁材 ２７：弾性構造体３１：絶縁部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の熱電半導体チップの吸熱面に吸熱側電極を取り付けるとともに、各熱電半導体チップの放熱面に放熱側電極を取り付け、全ての熱電半導体チップと電気的に直列に、熱的に並列接続してなる熱電変換装置に係わり、特に、製造性がよく、優れた信頼性を有する熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果などの熱電変換効果を利用した熱電半導体チップを組み合わせて構成され、電気を熱に変換する温度調整ユニットとしては、すでに量産化されている。また、発電ユニットとしても研究開発が進められている。
【０００３】
発電ユニットとしての熱電変換装置は、複数の熱電半導体チップが電極を有する絶縁基板に挟まれて配列され、電気的に直列に、熱的に並列に接続されている。
【０００４】
熱電変換装置の発電効率を熱電半導体チップ自体の発電効率に近づけるためには、熱電半導体チップの一端部への熱供給と熱電半導体チップの他端部からの放熱がスムースに行われる必要がある。そのため、熱電変換装置を構成する基板には、熱伝導に優れたセラミックス基板が使用されている。さらに、熱電半導体チップ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ている。
【０００５】
このような熱電変換装置においては、各熱電半導体チップの両端の温度差を直接電気エネルギに変換するため、高温側と低温側との熱膨張差により熱変形が生じる。このため、各構成部材の接合部や熱電半導体チップが破損したり、接合部分に隙間ができて熱伝導効率が低下し、熱電変換性能が低下するなどという問題があった。また、高温環境下で各電極や熱電半導体チップなどが酸化して信頼性が低下するという問題も生じていた。
【０００６】
これらの問題を解決するために、従来から多くの提案がなされている。例えば、配線基板に形成された複数の電極に熱電半導体チップの一端面を固着し、その熱電半導体チップの他端面には接触するように複数の電極を配置し、熱電半導体チップの一端面から他端面方向に圧力を加えて構成した熱電変換装置が開示されている（特許文献１参照）。そして、この構造により、熱電変換装置が加熱されて熱変形しても、各熱電半導体チップと接触配置された電極面ですべりが生じるので、熱電半導体チップの接合部や熱電半導体自身が損傷しにくく、信頼性の高い熱電変換装置であるとしている。
【０００７】
しかし、上記の従来技術になる熱電変換装置では、熱電半導体チップの高さのバラツキを吸収するために熱電半導体チップの一端面はハンダで固着された構造である。このため、固着されている接合部には熱電半導体チップと電極（固着部材）の熱変形量の違いによって応力が発生したり、あるいは、熱電半導体チップ自身に内部応力が発生したりする。これらの発生応力は接合部や熱電半導体チップ自身の損傷に繋がるため、信頼性面でなお課題がある。
【０００８】
また、熱電半導体チップと電極が接合材料を用いて接合された構造で、密閉容器を具備し、密閉容器内の湿度を極小に保持して熱電変換装置の劣化による発電効率の低下の少ない熱電変換装置が知られている（特許文献２参照）。
【０００９】
しかし、この熱電変換装置においても、熱電半導体チップと電極とが接合材料を用いて接合された構造であり、熱電半導体チップと電極とが固着されている。それゆえ特許文献１に記載の熱電変換装置と同様に信頼性面で課題がある。
【特許文献１】特開２００５−６４４５７号公報
【特許文献２】特開２００４−１７２４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決し、熱電変換装置が加熱され熱変形しても、熱電半導体チップの接合部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくい、信頼性に優れた熱電変換装置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】
【００１１】
本発明の熱電変換装置は、低温側板と、この低温側板に対向する高温側板と、低温側板および高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材および高温側電極部材と、これらの低温側電極部材と高温側電極部材との間に設けられ一端側を低温側電極部材に接触するとともに他端側を高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップと、低温側板と高温側板の相対位置を保持する結合部材とを備え、低温側板と高温側板との間には熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材によって保持されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の熱電変換装置において、低温側板および高温側板の少なくとも一方は、低温側電極部材および高温側電極部材の位置を規制する位置規制部位を有することが望ましい。
【００１３】
また、本発明の熱電変換装置において、低温側板および高温側板の少なくとも一方は、低温側電極部材および高温側電極部材の位置と熱電半導体チップの位置とを規制する位置規制部位を有することが望ましい。
【００１４】
本発明の熱電変換装置において、低温側電極部材及び高温側電極部材の少なくとも一方は、熱電半導体チップの位置を規制する位置規制部位を有することが望ましい。
【００１５】
本発明の熱電変換装置において、熱電半導体チップと低温側電極部材との間および熱電半導体チップと高温側電極部材との間の少なくとも一方に、導電性の変形可能な弾性構造部材を有することができる。
【００１６】
また、本発明の熱電変換装置において、低温側板と低温側電極部材との間および高温側板と高温側電極部材との間の少なくとも一方に、熱伝導性のよい変形可能な弾性構造部材を有することが好ましい。
【００１７】
さらに、本発明の熱電変換装置において、低温側電極部材および高温側電極部材の少なくとも一方は、導電性の変形可能な弾性構造部材であってもよい。
【００１８】
本発明の熱電変換装置において、結合部材と低温側板および高温側板とは溶接またはろう材によって結合されて、熱電半導体チップおよび電極部材を収容する密閉容器を形成することが望ましい。そして、このような密閉容器内の雰囲気は減圧雰囲気、窒素雰囲気および不活性ガス雰囲気の少なくとも１つから選ばれることが好ましい。
【００１９】
また、熱電変換装置の低温側板または高温側板のいずれかを変形可能な部材として、外部からの圧縮圧力を利用して熱電半導体チップと電極部材との密着を確保するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップの端面と各電極面とは自由度の高い接触構造となっており、固着された剛体構造ではない。従って、各部材の線膨張係数の違いによって異なる熱変形量が生じても、低温側、高温側ともに各熱電半導体チップと各電極面で滑りが生じるので、接触部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくい。従って、信頼性の高い熱電変換装置を提供することができる。
【００２１】
また、接合用のハンダを用いていないため、熱電変換装置の耐熱性がハンダの溶融温度によって左右されない。従って、耐熱性に優れた熱電変換装置を提供することができる。
【００２２】
さらに、複数の電極部材も他部材に固定しない独立させた構造であるため、従来ハンダ材を用いて吸収していた５０μｍ程度の熱電半導体チップの高さバラツキがあっても、個々の電極部材が変形することでこの程度の高さバラツキを吸収することができる。
【００２３】
本発明の熱電変換装置は、低温側板や高温側板などに低温側電極や熱電半導体チップの位置を規制する部位を有している。このため、熱電変換装置に過度の衝撃が加わった場合にも、各部材の相対位置を保持して各部材間の絶縁性を確保することができる。また、製造時には従来必須であった各部材を整列させる組み付け治具を必要とせず、直接各部材を組み付けることができるので簡単に熱電変換装置を製造することができる。
【００２４】
また、本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップと各電極との間に弾性構造部材を備えている。このため、吸収できる熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造部材の弾性量分向上し、より一層信頼性を高めることができる。
【００２５】
さらに、本発明の熱電変換装置は、熱電半導体チップが減圧雰囲気又は不活性ガス雰囲気内に密閉して配置される。このため、熱電変換装置が高温に加熱されても、酸化や腐食による熱電半導体チップなどの劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の熱電変換装置について実施例によって図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００２７】
図１は、実施例１の熱電変換装置１の構成を示す断面概要図である。
【００２８】
熱電変換装置１は、低温側板１２と、この低温側板１２に接触するように配置される複数の低温側電極部材１３と、複数の高温側電極部材１６と、この高温側電極部材１６と接触するように配置される高温側板１７と、一端面で低温側電極部材１３に接触し、他端面で高温側電極部材１６と接触するとともに電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップ１４、１５と、低温側板１２と高温側板１７との相対位置を保持する結合部材１８とを備えている。そして、低温側板１２と高温側板１７との間には熱電半導体チップ１４、１５の軸方向に圧縮するように圧力が加えられており、この圧縮圧力が結合部材１８によって保持されている。
【００２９】
ここで、低温側板１２は絶縁性のアルミナセラミックスであり低温側板１２と低温側電極部材１３とを絶縁している。また、低温側板１２には、位置規制部位である凹部１２ａと凸部１２ｂとが形成されており、凹部１２ａに所定の低温側電極部材１３を嵌着することで複数の各低温側電極部材１３の位置を規制すると同時に、凸部１２ｂで複数の低温側電極部材１３同士を絶縁している。また、高温側板１７は絶縁性のアルミナセラミックスであり高温側板１７と高温側電極部材１６とを絶縁している。この高温側板１７には凹部１７ａと凸部１７ｂとが形成されており、凹部１７ａに所定の高温側電極部材１６を嵌着することで複数の各高温側電極部材１６の位置を規制すると同時に、凸部１７ｂで複数の高温側電極部材１６同士を絶縁している。ここで、本明細書において「嵌着」とは、一方の部材が他方の部材に対してある程度の相対的変位が可能なように保持される形態を意味する。また、「嵌入」も同様に互いの部材が相対変位可能に保持される形態を意味する。
【００３０】
低温側電極部材１３は、低温側板１２とともに熱電半導体チップ１４、１５の位置を規制する凹部（位置規制部位）１３ａを有しており、所定の熱電半導体チップを嵌挿することで、複数の熱電半導体チップの各々の相対位置を規制することができる。また、高温側電極部材１６は高温側板１７の凹部１７ａに嵌入するバスタブ形状であり、バスタブの側壁に沿って熱電半導体チップ１４、１５を配置することでそれらの相対位置を規制することができる。電極部材は、良好な導電性を有するとともに、圧縮圧力で熱電半導体チップと密着接触できる変形可能な材料であることが望ましく、銅やアルミニウムあるいは銀などを好適に用いることができる。
【００３１】
以上のように熱電変換装置１は、各部材（絶縁板、電極部材、熱電半導体チップ）が相互に所定の位置規制部位により位置決めされており、また各部材はそれぞれ固着されていないので、圧縮圧力により密着接触できるように変形に対する自由度を持った接触構造となっている。
【００３２】
熱電半導体チップは複数のＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とからなり、各々は一端面で低温側電極部材１３に接触し、他端面で高温側電極部材１６と接触して交互に配置されており、各電極部材を介して電気的に直列配列されている。
【００３３】
低温側板１２の周縁部と高温側板１７の側面部と、これらに対向する枠１８の対向面にはメタライズ２１が施され、低温側板１２と高温側板１７とはろう材２２で枠１８に接合されている。
【００３４】
枠１８はステンレス鋼や鉄・ニッケル・コバルト合金（例えば、商品名：コバール）などの金属材料からなり、低温側板１２と高温側板１７とともに、熱電半導体チップ１４、１５や低温側電極部材１３、高温側電極部材１６などを収容して周囲環境から密閉封止する密封構造を形成する。この密封構造の内部は酸化や腐食防止のために減圧雰囲気となっており、所望によりヘリウムやアルゴンなどの不活性ガスや窒素ガスなどが充填される。
【００３５】
次に、熱電変換装置１の作用を説明する。熱電変換装置１には、図１に示すように複数の熱電半導体チップ１４、１５が電気的に直列配置されている。熱電変換装置１の高温側板１７に熱源などからの高温、例えば、４００℃〜８００℃の放射熱が吸熱される。この放射熱は高温側板１７および高温側電極部材１６などを経て熱電半導体チップ１４、１５に熱伝導され、熱電半導体チップ１４、１５を高温側から低温側に熱流となって流れ、その間にゼーベック効果により起電力が生じる。発生した電力は電気的に直列配列された各熱電半導体チップ１４、１５からリード線１９を介して外部へ取り出される。
【００３６】
各熱電半導体チップ１４、１５により熱エネルギが電気エネルギに変換されることにより温度降下した熱流は、低温側電極部材１３から低温側板１２を経て熱伝導され外部へ放熱される。
【００３７】
本実施例では、低温側電極部材１３と熱電半導体チップ１４、１５および高温側電極部材１６と熱電半導体チップ１４、１５とはハンダなどの接合によって固定される剛体構造ではなく、熱膨張に対する自由度の高い接触構造となっている。このため、線膨張係数の違いによって各部材に異なる熱変形量が生じても、低温側、高温側ともに各熱電半導体チップ１４、１５と各電極面１３、１６との間で滑りを生じて熱変形量の差を吸収することができる。従って、電極部材と熱電半導体チップとの接触部や熱電半導体チップ１４、１５自身が損傷しにくく、信頼性の高い熱電変換装置１を提供することができる。
【００３８】
本実施形態の熱電変換装置１は例えば、以下のような工程により製造する。
【００３９】
まず第１工程では、図２に示すように低温側板１２と枠１８とのメタライズ２１が施されている接合部を、ろう材２２を用いて接合する。ここで、低温側板１２は絶縁性を有しかつ熱伝導が良好な例えば、窒化珪素セラミックス、窒化アルミセラミックス、高純度のアルミナセラミックスであることが望ましい。また、低温側板１２は２層からなる多層構造とし、熱電変換された電力を外部に取り出すための内部配線１９を備え、この内部配線１９と外部配線２０とをろう材２２によって接合する。なお、上記のように枠１８と低温側板１２とをろう付けする構造ではなく、低温側板１２をバスタブ状の箱形の構造体として枠１８を用いない構造としてもよい。
【００４０】
第２工程では、低温側板１２の凹部１２ａに所定の低温側電極部材１３を嵌着する。低温側電極部材１３及び高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５は、加圧されて接触される構造である。従って、加圧力を保持するために枠１８はＰ型熱電半導体チップ１４やＮ型熱電半導体チップ１５よりも線膨張係数が小さくかつ熱伝導性の低い材質であることが好ましく、例えば、ステンレス鋼や鉄・ニッケル・コバルト合金（例えば、商品名：コバール）などの金属材料、あるいはジルコニア、アルミナ、ムライトなどのセラミックスが望ましい。
【００４１】
次に、第３工程では、図３に示すように低温側板１２と低温側電極部材１３によって形成される凹部１３ａにＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とを嵌挿する。Ｐ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とは低温側電極部材１３上に交互に配置されるので、第４工程では、図４のようにバスタブ形状の箱形の高温側電極部材１６を隣り合う一対のＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５の高温側端面の上に跨設する。この時、高温側電極部材１６をすでに配置されている低温側電極部材１３と交互にジグザグ状に配置して、全ての熱電半導体チップ１４、１５が電気的に直列に、また、熱的には並列に配置されるようにする。
【００４２】
第５工程では、図５に示すように高温側電極部材１６を位置決めする凹部１７ａを備えた高温側板１７を高温側電極部材１６上に嵌合載置して、複数の高温側電極部材１６同士を絶縁するとともに、各々の相対位置を維持するようにする。
【００４３】
続いて、第６工程では、図６に示すように減圧雰囲気２３中で低温側板１２と高温側板１７に上下に圧力を加えながら、高温側板１７と枠１８とをろう材２２を用いて密閉接合する。なお、高温側板１７の側面と対向する枠１８の接合部には、ろう付けを容易にするために上記のように銅薄膜などのメタライズ２１を施しておく。
【００４４】
上記の熱電変換装置１では、低温側、高温側ともに熱電半導体チップと電極部材とが加圧接触するように配置された構造であり、各熱電半導体チップと各電極部材との間ですべりを生じることで各部材の熱膨張量の差を吸収することができる。このため、接触部や熱電半導体チップ自身が損傷しにくく、熱電変換装置の信頼性が大幅に向上するという優れた効果がある。また、複数の電極部材が他の部材に固着されることなく容易に変形可能な独立した構造であるため、熱電半導体チップの高さにバラツキがあっても独立した複数の電極部材が個々に変形して、その高さバラツキを吸収することができる。また、接合用のハンダや変形可能な導電性部材を必要としないので、従来技術による熱電変換装置に比べて、部品点数と工数の低減が可能となる。さらに、従来技術では、製造時に熱電半導体チップや電極部材を整列させるための治具が必要であるのに対して、本実施例ではこのような整列用の治具を使用することなく、電極部材や熱電半導体チップなどを予め形成されている所定の位置へ嵌着することができ、簡単に熱電変換装置を製造することができる。
【実施例２】
【００４５】
実施例２の熱電変換装置２は図７の断面概要図に示すように、実施例１のアルミナセラミックからなる高温側板１７を絶縁材２５をコーティングした導電性板２４とし、アルミナセラミックの枠１８を導電性板２４と溶接しやすい同種の金属材料の枠１８’とした以外は、実施例１と同様の部材を用いて同様のの構成としたものである。なお、図７で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４６】
熱電変換装置２では、導電性板２４と枠１８’には金属材料である鉄・ニッケル・コバルト合金（コバール）を用い、また、絶縁材２５としてはアルミナセラミックスを用いた。枠１８’と導電性板２４とは同種の金属材料であるのでレーザ溶接により容易に接合することができ、実施例１と同様に減圧雰囲気中で圧縮圧力を加えながら密閉接合する。
【００４７】
このようにして形成された熱電変換装置２は、高温側板２４に実施例１で用いたセラミックスよりも耐衝撃性が高い金属を用いているので、高温側板２４の耐衝撃性が向上し、熱電変換装置２の耐衝撃性を向上することができる。このような熱電変換装置２は、設備の駆動部分など耐衝撃性や耐振動性を必要とする部位に装着する熱電変換装置として好適である。
【実施例３】
【００４８】
図８に実施例３の熱電変換装置３の断面構造を示す。熱電変換装置３は実施例１の熱電変換装置１の高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５との間に弾性構造体２７を介挿し、その他の構成は実施例１と同様としたものである。図８で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
弾性構造体２７はＰ型熱電半導体チップ１４とＮ型熱電半導体チップ１５とを電気的に接続するために導電性の材質からなる構造体が必要である。ここでは厚さ方向に弾性変形する銅細線からなる金属細線網を用いた。なお、この他に銅、アルミニウム、あるいは銀などからなる金属製の板ばねを用いてもよい。
【００５０】
このような熱電変換装置３は、弾性構造体２７を使用する構造であるため、熱電半導体チップの高さバラツキをこの弾性構造体２７によっても吸収することができ、さらに安定した導通を得ることが可能になる。つまり、熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造体２７の弾性変形量分向上するという優れた効果がある。
【実施例４】
【００５１】
実施例４の熱電変換装置４は、図９に断面構造を示すように実施例１の高温側電極部材１６と高温側板１７との間に弾性構造体２７を介挿し、その他の構成は実施例１と同様としたものである。なお、図９で実施例１と同様の箇所については同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
ここで、弾性構造体２７は熱抵抗を少なくするために高熱伝導性材料からなる構造体が望ましい。ここでは、上記の実施例３と同様の金属細線網を用いた。この他にシリコン系などの熱伝導性シートを用いてもよい。また、介挿する弾性構造体２７が銅や銀などのように高い導電性を有する材料であれば、電気抵抗を低減することもできるのでさらに好適である。
【００５３】
このような熱電変換装置４は、上記の実施例３と同様に弾性構造体２７を使用する構造であるため、吸収できる熱電半導体チップの高さバラツキの大きさが弾性構造体の弾性変形量分向上するという優れた効果がある。
【実施例５】
【００５４】
実施例５の熱電変換装置５は、低温側板１２と高温側板１７との相対位置を保持する結合部材に、実施例１の枠１８に代えてボルト２８とナット３０とを用いたものである。図１０に熱電変換装置５の断面構造を示す。
【００５５】
熱電変換装置５においては、ボルト２８とナット３０との締結によって低温側板１２’と高温側板１７’とに加圧力を負荷すると同時に、加圧力を保持する。なお、本実施例ではボルト２８は一本であるが複数本用いてもよい。
【００５６】
熱電変換装置５では、ボルト締結により各部材の相対的位置を保持している。従って、低温側板１２’と高温側板１７’とは、例えば、鋼、モリブデン、タングステン、あるいはタングステンカーバイドなどの剛性の高い、かつ相対的に板厚の厚い材料で構成されている。それゆえ、低温側板１２と低温側電極部材１３及び高温側板１７と高温側電極部材１６との間に窒化珪素セラミックの絶縁部材３１を介装することで、各部材間の絶縁を図った。
【００５７】
このような熱電変換装置５は、ナットの回転量で締結力を調整することができるので、加圧力が所望の圧縮力となるように容易に管理することができる。
【００５８】
なお、本発明の熱電変換装置は上記の実施例１〜５に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変更することができる。
【００５９】
例えば、上記の実施例では、熱電変換装置の組み立て時に熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力を加えて枠などの結合部材でこの圧縮圧力を保持するようにしたが、熱電変換装置を所定の位置へ取り付ける時の締結力などの外部からの圧力を必要な圧縮圧力として利用してもよい。
【００６０】
図１１は熱電変換装置６の断面構造を示すもので、高温側板１７を周縁部にＶ字溝３２を形成した変形可能な高温側部材３３としている。なお、図示はしないが、高温側部材３３と高温側電極部材１６及び低温側板１２と低温側電極部材１３及び複数の電極部材１３，１６同士は適宜の方法で絶縁されている。また、外部からの圧力を利用して加圧を行うために熱電半導体チップ１４、１５には圧力は負荷されておらず、空隙ｄがある状態で低温側板１２と高温側部材３３とを接合している。しかし、あえて空隙ｄを設けて熱電半導体チップに圧力を加えない構造とする必要はなく、熱電半導体チップの両端面を各電極部材に接触させて仮圧力をかける構造としてもよい。
【００６１】
図１２は熱電変換装置６を高温廃熱管などの所定の部位に装着した状態を示す。熱電変換装置６は、低温側取付部材３４と高温側取付部材３５とに挟持され、ボルトＢ、Ｂの締結の圧力を利用することで、熱電変換装置６に必要な圧縮圧力が負荷されている。なお、この時に高温側部材３３が変形して各部材の接触を可能にしている。このような熱電変換装置６は、高温側部材３３を変形させる構造であるので、高温側部材３３を薄くして熱抵抗を減少することで発電効率を向上させることができる。
【００６２】
また、実施例３では図８において高温側電極部材１６とＰ型熱電半導体チップ１４およびＮ型熱電半導体チップ１５との間に弾性構造体２７を介挿したが、弾性構造体２７は導電性材料からなっているので高温側電極部材１６を設けることなく弾性構造体２７で高温側電極部材１６に代替してもよい。高温側電極部材１６を弾性構造体２７で代替することで部品点数を削減しながら実施例３と同様の効果を得ることができる。
【００６３】
なお、本実施形態においては、熱電変換装置として、低温側板と高温側板との間の熱量の差に基づいて起電力を生じるゼーベック素子について説明したが、熱電半導体チップに電流を通電して高温側板と低温側板との間に温度差を生じさせるペルチェ素子にも本発明を採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の熱電変換装置は、従来の熱電変換装置のように各部材をハンダなどで接合する剛体構造ではなく、加圧力により各部材の相対位置を保持すると同時に電気の導通を確保する自由度の高い接触構造になっている。従って、熱膨張に対する自由度が大きく、熱膨張量差による熱電半導体の変形を吸収することができる。例えば、高温側は６００℃で、低温側が１００℃といった温度差の大きな熱電変換装置であっても熱電半導体やその電極部材との接触部が損傷しにくく、長期間にわたって高い信頼性を維持することができる。
【００６５】
このような特性を有する本発明の熱電変換装置は、工場などの廃熱回収装置として好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】実施例１の熱電変換装置１の主要構成を示す断面概要図である。
【図２】熱電変換装置１を製造する第１工程を説明する断面概要図である。
【図３】熱電変換装置１を製造する第２工程を説明する断面概要図である。
【図４】熱電変換装置１を製造する第３工程を説明する断面概要図である。
【図５】熱電変換装置１を製造する第４工程を説明する断面概要図である。
【図６】熱電変換装置１を製造する第５工程を説明する断面概要図である。
【図７】実施例２の熱電変換装置２の主要構成を示す断面概要図である。
【図８】実施例３の熱電変換装置３の主要構成を示す断面概要図である。
【図９】実施例４の熱電変換装置４の主要構成を示す断面概要図である。
【図１０】実施例５の熱電変換装置５の主要構成を示す断面概要図である。
【図１１】その他の例の熱電変換装置６の主要構成を示す断面概要図である。
【図１２】熱電変換装置６を高温廃熱管の所定の部位に介装した状態を示す断面概要図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：熱電変換装置 １２：低温側板 １３：低温側電極部材 １４：Ｐ型熱電半導体チップ １５：Ｎ型熱電半導体チップ １６：高温側電極部材 １７：高温側板 １８：枠（結合部材）２４：導電性板 ２５：絶縁材 ２７：弾性構造体３１：絶縁部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温側板と、該低温側板に対向する高温側板と、
前記低温側板および前記高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材および高温側電極部材と、
前記低温側電極部材と前記高温側電極部材との間に設けられ一端側を前記低温側電極部材に接触するとともに他端側を前記高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップと、
前記低温側板と前記高温側板の相対位置を保持する結合部材とを備え、
前記低温側板と前記高温側板との間には前記熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、該圧縮圧力が前記結合部材によって保持されていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記低温側板および前記高温側板の少なくとも一方は、前記低温側電極部材および前記高温側電極部材の位置を規制する位置規制部位を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記低温側板および前記高温側板の少なくとも一方は、前記低温側電極部材および前記高温側電極部材の位置と前記熱電半導体チップの位置とを規制する位置規制部位を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記低温側電極部材及び前記高温側電極部材の少なくとも一方は、前記熱電半導体チップの位置を規制する位置規制部位を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記熱電半導体チップと前記低温側電極部材との間および前記熱電半導体チップと前記高温側電極部材との間の少なくとも一方に、導電性の変形可能な弾性構造部材を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記低温側電極部材および前記高温側電極部材の少なくとも一方は、導電性の変形可能な弾性構造部材である請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記低温側板と前記低温側電極部材との間および前記高温側板と前記高温側電極部材との間の少なくとも一方に、熱伝導性のよい変形可能な弾性構造部材を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記結合部材と前記低温側板および前記高温側板とは溶接またはろう材によって結合されて前記熱電半導体チップおよび前記電極部材を収容する密閉容器を形成する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記密閉容器内の雰囲気は減圧雰囲気、窒素雰囲気および不活性ガス雰囲気の少なくとも１つから選ばれる請求項８に記載の熱電変換装置。
【請求項１】
低温側板と、該低温側板に対向する高温側板と、
前記低温側板および前記高温側板の各対向面に接触するように配置される複数の低温側電極部材および高温側電極部材と、
前記低温側電極部材と前記高温側電極部材との間に設けられ一端側を前記低温側電極部材に接触するとともに他端側を前記高温側電極部材に接触して電気的に直列配列される複数の熱電半導体チップと、
前記低温側板と前記高温側板の相対位置を保持する結合部材とを備え、
前記低温側板と前記高温側板との間には前記熱電半導体チップの軸方向に圧縮圧力が加えられており、該圧縮圧力が前記結合部材によって保持されていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記低温側板および前記高温側板の少なくとも一方は、前記低温側電極部材および前記高温側電極部材の位置を規制する位置規制部位を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記低温側板および前記高温側板の少なくとも一方は、前記低温側電極部材および前記高温側電極部材の位置と前記熱電半導体チップの位置とを規制する位置規制部位を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記低温側電極部材及び前記高温側電極部材の少なくとも一方は、前記熱電半導体チップの位置を規制する位置規制部位を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記熱電半導体チップと前記低温側電極部材との間および前記熱電半導体チップと前記高温側電極部材との間の少なくとも一方に、導電性の変形可能な弾性構造部材を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記低温側電極部材および前記高温側電極部材の少なくとも一方は、導電性の変形可能な弾性構造部材である請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記低温側板と前記低温側電極部材との間および前記高温側板と前記高温側電極部材との間の少なくとも一方に、熱伝導性のよい変形可能な弾性構造部材を有する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項８】
前記結合部材と前記低温側板および前記高温側板とは溶接またはろう材によって結合されて前記熱電半導体チップおよび前記電極部材を収容する密閉容器を形成する請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記密閉容器内の雰囲気は減圧雰囲気、窒素雰囲気および不活性ガス雰囲気の少なくとも１つから選ばれる請求項８に記載の熱電変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−３５９７４（Ｐ２００７−３５９７４Ａ）
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２１８０２８（Ｐ２００５−２１８０２８）
【出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
【公開日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月２７日（２００５．７．２７）
【出願人】（０００００００１１）アイシン精機株式会社 (5,421)
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