JPH11163424A - 熱電モジュールの作製方法 - Google Patents

熱電モジュールの作製方法

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JPH11163424A
JPH11163424A JP9327443A JP32744397A JPH11163424A JP H11163424 A JPH11163424 A JP H11163424A JP 9327443 A JP9327443 A JP 9327443A JP 32744397 A JP32744397 A JP 32744397A JP H11163424 A JPH11163424 A JP H11163424A
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JP
Japan
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thermoelectric
thermoelectric element
heat
type thermoelectric
type
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Withdrawn
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JP9327443A
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Shuzo Kagawa
修三 香川
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Kubota Corp
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Kubota Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電モジュールの作製工程の簡素化と品質の
安定化を図る。また、取り付けられるべき熱交換機器と
の熱伝達効率の向上を達成する。 【解決手段】 対向する一対の電極板18、18の間に
p型熱電材料16が接合されたp型熱電素子21と、対
向する一対の電極板の間にn型熱電材料17が接合され
たn型熱電素子22を、所定の間隔を存して交互に格子
状に配置し、各熱電素子の熱電材料部分のみを、電気絶
縁性かつ耐熱性の材料を用いて互いに接合することによ
り、熱電素子の支持体11を形成し、p型熱電素子とn
型熱電素子が電気的に直列となるように、隣り合う上側
電極板どうし、下側電極板どうしを交互にロー付けす
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、熱電モジュールの
作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】熱電モジュールは、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】
【発明が解決しようとする課題】熱電モジュールの典型
例として、図11に示すように、対向するセラミック基
板(96)(96)の間にて、p型熱電材料(90)とn型熱電材料
(91)が電極板(98)を介して電気的に直列に接続された構
造のものがある。この熱電モジュールの作製法について
説明すると、図12に示すように、p型熱電材料(90)と
n型熱電材料(91)の両面に、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、電気絶縁性のセラミック基板(96)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(90)とn型熱電材料(91)が交互に配置さ
れた後、これら熱電材料(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。これを加熱装置の中に入れて加熱すると、半田(9
4)(94)が溶融し、熱電材料(90)(91)のNiメッキ層(92)
(92)と、セラミック基板(96)(96)のCu電極(98)(98)と
が接合される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の作製法では、p
型及びn型の熱電材料と、電極との接合を、熱電モジュ
ールの組立て時に半田付けにより行なっていたため、熱
電材料の大きさ、表面状態に不揃いがあると、熱電素子
と半田との接合不良又は導電不良を生じたり、熱電モジ
ュールの平坦度が損なわれる等の不都合があった。この
場合、熱電素子と半田との接合不良があると、部分的な
補修は不可能であるから、折角組み立てられた熱電モジ
ュールを廃棄せねばならなかった。また、熱電素子をセ
ラミック板で挟んだ構造の熱電モジュールの場合、セラ
ミック板は、熱電モジュールとしての剛性を確保するの
に十分な厚さにせねばならず、熱電モジュールと、該熱
電モジュールが取り付けられるべき熱交換機器の吸熱ブ
ロック及び放熱ブロックとの熱伝達効率が低下する不都
合があった。
【0005】本発明の目的は、熱電材料と電極板を予め
一体に接合した熱電素子を用いることにより、上記不都
合を解消した熱電モジュールの作製方法を提供すること
である。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載された本
発明の熱電モジュール作製方法は、対向する一対の電極
板の間にp型熱電材料が接合されたp型熱電素子と、対
向する一対の電極板の間にn型熱電材料が接合されたn
型熱電素子を、所定の間隔を存して交互に格子状に配置
し、各熱電素子の熱電材料部分を、電気絶縁性かつ耐熱
性の材料を用いて互いに接合することにより、熱電素子
の支持体を形成し、p型熱電素子とn型熱電素子が全体
として電気的に直列となるように、隣り合う上側電極板
どうし、下側電極板どうしを交互にロー付けする工程か
らなることを特徴としている。
【0007】請求項2に記載された本発明の熱電モジュ
ールの作製方法は、熱電素子の電極板の表面に、平面研
削又は切削を施す工程をさらに含むことを特徴としてい
る。
【0008】請求項3に記載された本発明の熱電モジュ
ールの作製方法は、ロー付け後、熱電モジュールの全体
を、電気絶縁性かつ耐熱性の材料を以て被覆し、被覆さ
れた電気絶縁性かつ耐熱性の材料の表面に平面研削又は
切削を施すことにより、熱電素子の電極板の表面を露出
させる工程をさらに含むことを特徴としている。
【0009】
【作用及び効果】請求項1に記載された発明では、熱電
材料と電極板を予め一体に接合した熱電素子を用いるの
で、熱電モジュールの作製工程における作業性が著しく
向上する。また、電気的直列回路を形成するためのロー
付け工程の前に、熱電素子の熱電材料の部分を、電気絶
縁性かつ耐熱性の材料を以て被覆しているから、ロー付
け工程時、ロー材と熱電材料が接触する虞れは全くな
く、ロー材との接触に起因する熱電材料の熱電特性劣化
を起こすことはない。
【0010】請求項2に記載された発明では、平面研削
又は切削により、電極板の表面の平滑度及び平坦度を向
上させることができるから、電気絶縁部材を介して取り
付けられるべき熱交換機器の吸熱ブロック及び放熱ブロ
ックとの密着度を向上させることが可能となり、熱電素
子と、吸熱及び放熱用の熱伝導部材との熱伝達効率を向
上させることが可能となる。
【0011】請求項3に記載された発明では、露出した
電極板の外周部が、電気絶縁性かつ耐熱性の材料で被覆
されるから、熱電モジュール全体の機械的強度を高める
ことができる。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る熱電モジュー
ルの作製方法について説明する。本発明の方法では、熱
電材料と電極板が予め一体に接合された熱電素子を使用
する。p型熱電素子(21)は、対向する一対の電極板(18)
(18)の間にp型熱電材料(16)が予め接合されており、n
型熱電素子(22)は、対向する一対の電極板(18)(18)の間
にn型熱電材料(17)が予め接合されている。これら熱電
素子は、金型の中に、電極板を入れ、その上に熱電材料
粉末を充填した後、再び電極板を載せて、ホットプレス
することにより作製される。p型熱電材料の例として、
(Bi2Te3)1-x(Sb2Te3)xであってxが0.70〜
0.85のもの、n型熱電材料の例として、(Bi2
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が、これらに限定されるもの
でない。なお、組成比は原子数比である。電極板(18)は
Cu板が使用されるが、熱電材料(16)(17)との接合性を
向上させるために、熱電材料と接触する側の面に、Ni
メッキを施したり、又はMo若しくはTiを蒸着したも
のを使用することがより望ましい。
【0013】前述したp型及びn型熱電素子(21)(22)
を、所定の間隔を存して交互に格子状に配置するための
治具として、図3に示すような型枠(40)を使用する。図
示の型枠(40)は、可撓性の弾性樹脂材料(例えば、シリ
コーン樹脂)から形成され、矩形ベース部(42)の周囲に
側板(46)が連設されており、ベース部(42)には、p型及
びn型熱電素子(21)(22)の電極板(18)が隙間なく密着し
て嵌まる大きさの電極板収容部(44)が、所定の間隔をあ
けて縦横に凹設されている。電極板収容部(44)の深さ
は、電極板(18)の厚さに相当する寸法である。形成され
る電極板収容部の個数は、所望される発電容量に応じた
熱電素子の個数に基づいて設定されるものであって、図
示の実施例に限定されないことは理解されるべきであ
る。
【0014】型枠(40)の電極板収容部(44)の中へ、p型
及びn型熱電素子(21)(22)のそれぞれの電極板(18)(18)
の片側を交互に入れていく(図4参照)。
【0015】次に、セラミック、セメント、石膏などの
電気絶縁性かつ耐熱性の材料を半液状にし、この半液状
体を熱電材料(16)(17)が隠れる深さまで注ぐ(図5参
照)。なお、各熱電素子の下側の電極板(18)は、型枠(4
0)の弾性を利用して、電極板収容部(44)の周囲と密着状
態で収容されているから、半液状体が、電極板収容部(4
4)の中へ進入することはない。
【0016】電気絶縁性かつ耐熱性の材料が凝固する
と、型枠(40)を撓ませて、型枠(40)を取り除く(図6参
照)。
【0017】次に、半田等のロー材(25)を用いて、隣り
合う上側電極板(18)(18)どうし、下側電極板(18)(18)ど
うしが交互にロー付けされ(図7及び図8参照)、熱電モ
ジュールが作製される。ロー付けは、XY自動ステージ
にて半田ロー材を溶融した後凝固させる。ロー付け工程
時、熱電材料は、電気絶縁性かつ耐熱性の材料で被覆さ
れているから、ロー材と熱電材料が接触する虞れは全く
なく、ロー材との接触に起因して熱電材料の熱電特性劣
化を起こすことはないなお、図1を参照すると、符号
で示す位置のp型熱電素子(21)が電気的直列の基端であ
り、紙面の下側の列から上側の列に向けてジグザグ状に
電気的に直列となるように接続され、符号で示す位置
のn型熱電素子(22)が電気的直列の終端となっている。
電気的直列の基端と終端となる熱電素子の各電極板に
は、機器接続用リード線(32)(32)がそれぞれ接続され
る。
【0018】前述の要領にて作製された熱電モジュール
は、必要に応じて、その全体を電気絶縁性かつ耐熱性の
材料で被覆した後(図9参照)、平面研削又は切削を施す
ことにより、熱電素子の電極板の表面を均一に露出させ
ることもできる(図10参照)。図示はしないが、最終的
に所定の矩形サイズとなるように、それぞれの側辺は、
スライシングマシンによりカットされる。
【0019】この追加の工程により、図1に示されるよ
うに電極板の露出した外周部が、図2に示されるように
電気絶縁性かつ耐熱性の材料で被覆されることになり、
熱電モジュールの機械的強度を向上させることができ
る。また、平面研削又は切削により、電極板表面の平滑
度及び平坦度を向上させることができ、電気絶縁部材を
介して取り付けられるべき熱交換機器の吸熱ブロック及
び放熱ブロックとの密着度が向上し、熱電モジュールの
熱伝達効率を向上させることができる。なお、前記の平
面研削又は切削工程は、図7及び図8に示すロー付け
後、直ちに実施してもよいことは勿論である。
【0020】本発明は、上記実施例の構成に限定される
ものでなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で種々の変
形が可能であることは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】組み立てられた熱電モジュールの一実施例を示
す斜視図である。
【図2】組み立てられた熱電モジュールの他の実施例を
示す斜視図である。
【図3】型枠の電極板収容部に熱電素子を配置する工程
の説明図である。
【図4】型枠の電極板収容部へ熱電素子が配置された状
態を示す図である。
【図5】半液状の電気絶縁性かつ耐熱性材料を型枠の中
に注いで、熱電素子の熱電材料部分を接合する工程を説
明する図である。
【図6】半液状の電気絶縁性かつ耐熱性材料が凝固した
後、型枠を取り外した状態を示す図である。
【図7】ロー付け工程の説明図である。
【図8】ロー付け工程の説明図である。
【図9】熱電モジュールを、電気絶縁性かつ耐熱性の材
料で被覆した状態を示す図である。
【図10】熱電モジュールに対し平面研削又は切削加工
を施す工程の説明図である。
【図11】従来の熱電モジュールの分解斜視図である。
【図12】従来の熱電モジュールの作製方法を説明する
図である。
【符号の説明】
(11) 支持体 (16) p型熱電材料 (17) n型熱電材料 (18) 電極板 (21) p型熱電素子 (22) n型熱電素子 (25) ロー材 (40) 型枠 (44) 電極板収容部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 p型熱電素子とn型熱電素子とが電気的
    直列に接続された熱電モジュールを作製する方法におい
    て:対向する一対の電極板(18)(18)の間にp型熱電材料
    (16)が接合されたp型熱電素子(21)と、対向する一対の
    電極板(18)(18)の間にn型熱電材料(17)が接合されたn
    型熱電素子(22)を、所定の間隔を存して交互に格子状に
    配置し;各熱電素子(21)(22)の熱電材料(17)(17)の部分
    を、電気絶縁性かつ耐熱性の材料を用いて互いに接合す
    ることにより、熱電素子の支持体(11)を形成し;p型熱
    電素子(21)とn型熱電素子(22)が全体として電気的に直
    列となるように、隣り合う上側電極板どうし、下側電極
    板どうしを交互にロー付けする;工程を有することを特
    徴とする熱電モジュールの作製方法。
  2. 【請求項2】 熱電素子の電極板の表面に、平面研削又
    は切削を施すことを特徴とする請求項1に記載の熱電モ
    ジュールの作製方法。
  3. 【請求項3】 ロー付け後、熱電モジュールの全体を、
    電気絶縁性かつ耐熱性の材料を以て被覆し;被覆された
    電気絶縁性かつ耐熱性の材料の表面に平面研削又は切削
    を施すことにより、熱電素子の電極板の表面を露出させ
    る;工程をさらに有している請求項1に記載の熱電モジ
    ュールの作製方法。
JP9327443A 1997-11-28 1997-11-28 熱電モジュールの作製方法 Withdrawn JPH11163424A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015518650A (ja) * 2012-03-29 2015-07-02 エボニック インダストリーズ アクチエンゲゼルシャフトEvonik Industries AG 熱電素子の粉末冶金製造
JP2019513303A (ja) * 2016-03-22 2019-05-23 ジェンサーム インコーポレイテッドGentherm Incorporated 不均一な熱伝達特性による分散型サーモエレクトリクス
US11056633B2 (en) 2016-01-21 2021-07-06 Evonik Operations Gmbh Rational method for the powder metallurgical production of thermoelectric components
CN113285009A (zh) * 2021-05-26 2021-08-20 杭州大和热磁电子有限公司 一种通过沉积金锡焊料组装的tec及制备方法

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Effective date: 20050201