JP2008147323A - 熱電変換モジュールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、高性能化および高信頼性化が可能な熱電変換モジュールを提供する。
【解決手段】多層回路基板の製造技術、特にビア導体の形成技術を用いて、複数の絶縁層２からなる積層体３の内部に、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５を形成する。対をなすｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とは、ｐｎ間接続導体１１によって互いに直列に電気的接続されて熱電変換素子対１０を構成し、複数の熱電変換素子対１０は、たとえば、直列配線導体１２によって直列に接続される。絶縁層２の互いの間の界面には、熱電半導体４または５からなりかつ貫通孔８または９の断面積より大きい面積を有する半導体膜２７および２８がその輪郭内に貫通孔８または９を位置させるように形成される。
【選択図】図２

Description

この発明は、熱電変換モジュールおよびその製造方法に関するもので、特に、熱電変換モジュールの小型化、高性能化および高信頼性化を図るための改良に関するものである。

この発明にとって興味ある従来技術として、たとえば、特開平８−２２２７７０号公報（特許文献１）に記載されたものがある。

特許文献１では、熱電変換モジュールの製造方法が記載されている。すなわち、板状のｎ型熱電半導体と絶縁体とを交互に積層し、これを積層面に直角に切断したｎ型積層体と、板状のｐ型熱電半導体と絶縁体とを交互に積層し、これを積層面に直角に切断したｐ型積層体とを作製し、これらｎ型積層体とｐ型積層体とを、絶縁体を挟みながら交互に積層し、さらに、隣り合うｎ型熱電半導体とｐ型熱電半導体とを直列に接続する配線導体を形成する、各工程を備える、熱電変換モジュールの製造方法が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、ｎ型積層体とｐ型積層体とを交互に積み重ねる際、これら積層体の位置が互いにずれることがある。このような積み重ね時の位置ずれは、たとえば熱電半導体と配線導体との間での電気的接続の不良といった電気的接続に関する問題を引き起こすことがある。
特開平８−２２２７７０号公報

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決しながら、より小型化およびより高性能化を図り得る、熱電変換モジュールおよびその製造方法を提供しようとすることである。

上述した技術的課題を解決するため、この発明に係る熱電変換モジュールは、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体とを備えている。

上記積層体には、ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、およびｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなすｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられる。

上記第１および第２の収容穴は、特定の複数の絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられる。

そして、第１の貫通孔がそれぞれ設けられた複数の絶縁層の互いの間の界面には、ｐ型熱電半導体からなりかつ第１の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜がその輪郭内に第１の貫通孔を位置させるように形成され、他方、第２の貫通孔がそれぞれ設けられた複数の絶縁層の互いの間の界面には、ｎ型熱電半導体からなりかつ第２の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜がその輪郭内に第２の貫通孔を位置させるように形成されていることを特徴としている。

この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分は、積層体の積層方向に分布していることが好ましい。

また、積層体には、複数の熱電変換素子対が設けられていることが好ましい。

この発明は、また、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体とを備え、積層体には、ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、およびｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対のｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなすｐ型熱電半導体とｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられ、第１および第２の収容穴が、特定の複数の絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられている、熱電変換モジュールを製造する方法にも向けられる。

この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、前記絶縁層となるべき複数の絶縁性シートを準備する工程と、前記ｐ型熱電半導体のためのｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体のためのｎ型熱電半導体材料を準備する、半導体材料準備工程と、特定の絶縁性シートに前記第１および第２の貫通孔を設ける工程と、第１の貫通孔および第２の貫通孔に、それぞれ、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料を充填する、充填工程と、第１の貫通孔が設けられた絶縁性シート上に、ｐ型熱電半導体材料からなりかつ第１の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜をその輪郭内に第１の貫通孔を位置させるように形成するとともに、第２の貫通孔が設けられた絶縁性シート上に、ｎ型熱電半導体材料からなりかつ第２の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜をその輪郭内に第２の貫通孔を位置させるように形成する工程と、特定の絶縁性シート上に前記ｐｎ間接続導体を形成する工程と、前記積層体を得るように、複数の絶縁性シートを積層する、積層工程とを備えることを特徴としている。

この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法において、好ましくは、上記半導体材料準備工程は、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料の少なくとも一方について、性能指数のピーク温度が互いに異なる熱電半導体のための複数種類の熱電半導体材料を用意する工程を備え、上記充填工程は、複数種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔に熱電半導体材料を充填する工程を備え、上記積層工程は、貫通孔に異なる種類の熱電半導体材料が充填された複数種類の絶縁性シートを同じ積層体内で混ぜて積層する工程を備えている。

この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法において、絶縁性シートは、セラミックグリーンシートであることが好ましい。この場合、前記積層工程の後、積層体を焼成する工程がさらに実施される。

この発明に係る熱電変換モジュールは、基本的に、多層回路基板の製造の場合と実質的に同様の工程を経て製造することができる。したがって、複数の絶縁層の各々を貫通し、かつ連接するように設けられる複数の貫通孔の互いの間での位置ずれは大きく生じることがなく、そのため、ある熱電半導体と他の熱電半導体との間での位置ずれについても大きく生じることがない。

さらに、この発明に係る熱電変換モジュールによれば、複数の絶縁層の互いの間の界面に、熱電半導体からなりかつ貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜がその輪郭内に貫通孔を位置させるように形成されているので、上述した位置ずれがたとえ生じたとしても、ある熱電半導体と他の熱電半導体との間での接触面積が減少し、抵抗が増大するといった不都合を回避することができる。

この発明に係る熱電変換モジュールにおいて、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の少なくとも一方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分が、積層体の積層方向に分布していると、いわゆるカスケード構造を実現でき、特定の温度領域にわたって熱電変換効率を高めることができる。また、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有する構成が、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の双方について採用されていると、熱電変換効率をより高めることができる。

積層体に複数の熱電変換素子対が設けられている場合には、これら複数の熱電変換素子対を、積層体に設けられる配線導体によって任意に電気的に接続することができ、比較的高い自由度をもって、熱電変換モジュールの設計を行なうことができ、その結果、種々の特性を有する熱電変換モジュールを実現することが容易になる。たとえば、熱電変換モジュールが発電装置として用いられる場合、複数の熱電変換素子対を直列に接続すると、高い電圧を得ることができる。他方、複数の熱電変換素子対を並列に接続すると、大きな電流を許容することができる。

次に、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法は、多層回路基板の製造方法と実質的同様の基本的工程を備えている。すなわち、熱電変換モジュールに備える積層体が多層回路基板に対応し、熱電半導体がビア導体に対応し、ｐｎ間接続導体あるいは直列および並列配線導体が積層体を構成する複数の絶縁層間に形成される導体膜に対応している。

したがって、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法によれば、積層体に、高い配置密度をもってビア導体に対応する熱電半導体を設けることができ、熱電変換モジュールの小型化および高性能化を容易に図ることができる。

また、多層回路基板の場合と同様、配線導体の設計の自由度が比較的高く、また、熱電変換素子の配置についても設計の自由度が高いため、要望される特性を満足する熱電変換モジュールを容易に提供することができる。

また、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法によれば、絶縁性シートに貫通孔を設け、貫通孔に熱電半導体材料を充填し、複数の絶縁性シートを積層することによって、熱電半導体の形態を得るようにしているので、ある熱電半導体と他の熱電半導体との間での位置ずれが大きく生じることがない。したがって、得られた熱電変換モジュールにおいて、電気的不導通や電気的短絡を生じにくくすることができる。

さらに、この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法によれば、絶縁性シート上に、熱電半導体材料からなりかつ貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜をその輪郭内に貫通孔を位置させるように形成する工程を備えているので、上述した位置ずれがたとえ生じたとしても、ある熱電半導体と他の熱電半導体との間での接触面積が減少し、抵抗が増大することを防止することができる。

熱電半導体が、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、これら複数の部分が積層体の積層方向に分布している、熱電変換モジュールの製造に対して、この発明に係る製造方法が適用される場合には、複数種類の熱電半導体材料を用意し、複数種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔に熱電半導体材料を充填する工程を実施し、貫通孔に異なる種類の熱電半導体材料が充填された複数種類の絶縁性シートを同じ積層体内で混ぜて積層するようにすれば、上述したような構造の熱電変換モジュールを容易に製造することができる。

この発明に係る熱電変換モジュールの製造方法において、絶縁性シートがセラミックグリーンシートであり、積層工程の後、積層体を焼成する工程がさらに実施される場合には、従来からすでに確立している多層セラミック配線基板の製造方法と実質的に同様の工程を採用しながら、熱電変換モジュールを製造することができる。したがって、製造設備の共通化などにより、熱電変換モジュールの製造コストの低減を期待することができる。

図１ないし図８は、この発明の一実施形態による熱電変換モジュール１を説明するためのものである。ここで、図１は、熱電変換モジュール１の外観を示す平面図であり、図２は、図１の線Ｓ２−Ｓ２に沿う断面図である。図３〜図８は、それぞれ、図２の線Ｓ３〜線Ｓ８に沿う切断面を示す平面図である。

熱電変換モジュール１は、電気絶縁性を有する複数の絶縁層２の積層構造を有する積層体３を備えている。絶縁層２は、たとえば、ＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック材料やＺｎＯ−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系ガラス材料などのアルミナを主成分とする材料から構成される。熱電変換モジュール１は、積層体３の内部に配置される各々複数のｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５を備えている。ｐ型熱電半導体４は、たとえばクロメルから構成され、ｎ型熱電半導体５は、たとえばコンスタンタンから構成される。ｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とは、図２および図５〜図７に示されているように、縦方向および横方向の各々に関して交互に配置されている。

積層体３には、ｐ型熱電半導体４を収容する複数の第１の収容穴６、およびｎ型熱電半導体５を収容する複数の第２の収容穴７が設けられている。これら第１および第２の収容穴６および７は、特定の複数の絶縁層２を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔８および９によってそれぞれ与えられる。

積層体３には、１対のｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とからなる熱電変換素子対１０を形成するように、対をなすｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体１１が設けられている。ｐｎ間接続導体１１は、図２および図８に示されるように、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。

この実施形態では、複数の熱電変換素子対１０は、直列に接続され、高い出力電圧が得られるように構成されている。そのため、積層体３には、複数の熱電変換素子対１０を直列に順次接続するための直列配線導体１２が設けられている。直列配線導体１２は、図２および図４に示されているように、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。

熱電変換モジュール１は、積層体３を挟むように配置される１対の外層１３および１４を備えている。外層１３および１４は、熱電半導体４および５の熱接点および冷接点に接触するもので、電気絶縁性を有しかつ熱伝導性が比較的良好な材料から構成されることが好ましい。外層１３および１４は、たとえば、絶縁層２と同じ材料から構成される。

熱電変換モジュール１は、直列接続された複数の熱電変換素子対１０を電気的に外部へ引出すための引出し導体膜１５および１６、引出しビア導体１７および１８ならびに端子電極１９および２０を備えている。引出し導体膜１５および１６は、図２および図８に示されるように、ｐｎ間接続導体１１と同様、積層体３の最も外側に位置する絶縁層２の外方に向く面上に形成されている。引出しビア導体１７および１８は、それぞれ、その一方端が引出し導体膜１５および１６に電気的に接続されながら、積層体３および一方の外層１３を厚み方向に貫通するように設けられ、外層１３の外方に向く面上に形成された端子電極１９および２０に電気的に接続される。

これら引出し導体膜１５および１６、引出しビア導体１７および１８ならびに端子電極１９および２０、さらには前述したｐｎ間接続導体１１および直列配線導体１２は、たとえばＣｕを導電成分とする導電材料から構成される。

以上のような熱電変換モジュール１において、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有している。より具体的には、ｐ型熱電半導体４は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分２１、中程度の中ピーク温度部分２２および比較的高い高ピーク温度部分２３を有している。他方、ｎ型熱電半導体５は、ピーク温度が比較的低い低ピーク温度部分２４、中程度の中ピーク温度部分２５および比較的高い高ピーク温度部分２６を有している。

低ピーク温度部分２１および２４が、図５に示すように、図２の切断面Ｓ５上に表われ、中ピーク温度部分２２および２５が、図６に示すように、図２の切断面Ｓ６上に表われ、高ピーク温度部分２３および２６が、図７に示すように、図２の切断面Ｓ７上に表われていることからわかるように、これら複数の部分２１〜２３ならびに２４〜２６は、積層体３の積層方向に分布している。

なお、低ピーク温度部分２１および２４、中ピーク温度部分２２および２５、ならびに高ピーク温度部分２３および２６の配置順序、厚み（積層方向での寸法）等については、任意に変更することができる。

上述のように、熱電半導体４および５が性能指数のピーク温度の互いに異なる部分２１〜２３および２４〜２６を有するカスケード構造によれば、熱電変換モジュール１を、特定の温度領域にわたって熱電変換効率の高いものとすることができる。

さらに、熱電変換モジュール１は、この発明の特徴となる次のような構成を備えている。

まず、複数の絶縁層２の互いの間の界面には、ｐ型熱電半導体４からなる半導体膜２７がその輪郭内に第１の貫通孔８を位置させるように形成される。半導体膜２７は、第１の貫通孔８の断面積より大きい面積を有している。また、同様に、複数の絶縁層２の互いの間の界面には、ｎ型熱電半導体５からなり、かつ第２の貫通孔９の断面積より大きい面積を有する半導体膜２８がその輪郭内に第２の貫通孔９を位置させるように形成される。この実施形態では、絶縁層２のすべてに第１および第２の貫通孔８および９の双方が設けられているので、絶縁層２間のすべての界面に半導体膜２７および２８の双方が形成される。

半導体膜２７の各々は、ｐ型熱電半導体４の低ピーク温度部分２１、中ピーク温度部分２２および高ピーク温度部分２３のいずれかのうち、各半導体膜２７に隣接する第１の貫通孔８内に充填されるものと同じ材料で構成されることが好ましい。同様に、半導体膜２８の各々は、ｎ型熱電半導体５の低ピーク温度部分２４、中ピーク温度部分２５および高ピーク温度部分２６のいずれかのうち、各半導体膜２８に隣接する第２の貫通孔９内に充填されるものと同じ材料から構成されることが好ましい。

引出しビア導体１７および１８においても、上述した半導体膜２７および２８と同様の態様で、導体膜２９および３０が設けられることが好ましい。すなわち、絶縁層２の互いの間の界面ならびに最も上の絶縁層２と外層１３との間の界面には、引出しビア導体１７および１８の各々の断面積より大きい面積を有する導体膜２９および３０がその輪郭内に引出しビア導体１７および１８の各断面を位置させるように形成される。

さらに、ｐｎ間接続導体１１、直列配線導体１２、引出し導体膜１５および１６ならびに端子電極１９および２０についても、各々の面積が大きくされ、各々の輪郭内にｐ型熱電半導体４、ｎ型熱電半導体５ならびに引出しビア導体１７および１８の各断面が位置するようにされることが好ましい。

次に、熱電変換モジュール１の好ましい製造方法について説明する。

まず、絶縁層２となるべき複数の絶縁性シートが準備される。絶縁性シートとしては、好ましくは、たとえばＢａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系セラミック材料を含む複数のセラミックグリーンシートが準備される。次いで、特定のセラミックグリーンシートには、前述した第１および第２の貫通孔８および９が、たとえばレーザを用いて設けられる。また、上述した絶縁層２となるべき絶縁性シートと同様の組成をもって、外層１３および１４の各々となるべき絶縁性シートも用意される。

他方、ｐ型熱電半導体４のためのｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体５のためのｎ型熱電半導体材料が準備される。ｐ型熱電半導体材料としては、たとえば、クロメル粉末に有機ビヒクルを加えてペースト化したものが準備される。ｎ型熱電半導体材料としては、たとえば、コンスタンタン粉末に有機ビヒクルを加えてペースト化したものが準備される。なお、ｐ型熱電半導体材料としては、前述した低ピーク温度部分２１、中ピーク温度部分２２および高ピーク温度部分２３にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる３種類のｐ型熱電半導体材料が準備され、ｎ型熱電半導体材料としては、前述した低ピーク温度部分２４、中ピーク温度部分２５および高ピーク温度部分２６にそれぞれ対応して、性能指数のピーク温度が互いに異なる３種類のｎ型熱電半導体材料が準備される。

次に、第１の貫通孔８および第２の貫通孔９に、それぞれ、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料が充填される。この充填工程では、たとえば、第２の貫通孔９をマスキングしながら、第１の貫通孔８にｐ型熱電半導体材料を充填し、次いで、第１の貫通孔８をマスキングしながら、第２の貫通孔９にｎ型熱電半導体材料を充填することが行なわれる。この場合、スクリーン印刷を適用すれば、熱電半導体材料を充填すべき貫通孔以外の貫通孔はマスキングされた状態となっているので、特別にマスキングするためのマスキング部材およびマスキング工程が不要であるので好ましい。充填工程では、前述した低ピーク温度部分２１および２４、中ピーク温度部分２２および２５ならびに高ピーク温度部分２３および２６の各々に対応して、３種類の熱電半導体材料の各々について、別の絶縁性シートの貫通孔８および９に対応の熱電半導体材料を充填する工程が実施される。

次に、上述のように充填工程が実施された各絶縁性シート上に、ｐ型熱電半導体材料からなりかつ第１の貫通孔８の断面積より大きい面積を有する半導体膜２７がその輪郭内に第１の貫通孔８を位置させるように形成される。同様に、各絶縁性シート上に、ｎ型熱電半導体材料からなりかつ第２の貫通孔９の断面積より大きい面積を有する半導体膜２８がその輪郭内に第２の貫通孔９を位置させるように形成される。これら半導体膜２８および２９の形成には、通常、スクリーン印刷のような印刷法が適用されるが、その他、蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などの薄膜形成法が適用されてもよい。

なお、熱電半導体材料がペースト状のもので提供される場合には、第１の貫通孔８へのｐ型熱電半導体材料の充填工程と半導体膜２７の形成工程とが、同時に実施されてもよい。同様に、第２の貫通孔９へのｎ型熱電半導体材料の充填工程と半導体膜２８の形成工程とについても、同時に実施されてもよい。

他方、前述した引出しビア導体１７および１８を形成するため、絶縁性シートに貫通孔が設けられ、各貫通孔に、たとえばＣｕを含む導電性ペーストが充填される。そして、これらビア導体１７および１８が形成されるべき絶縁性シート上に、導体膜２９および３０が、たとえばＣｕを含む導電性ペーストをスクリーン印刷することによって形成される。

また、特定の絶縁性シート上に、前述したｐｎ間接続導体１１ならびに引出し導体膜１５および１６が形成され、また、他の特定の絶縁性シート上に前述した直列配線導体１２が形成される。これらｐｎ間接続導体１１、直列配線導体１２ならびに引出し導体膜１５および１６の形成には、たとえば、Ｃｕを含む導電性ペーストのスクリーン印刷が適用される。

また、さらに他の絶縁性シートに、引出しビア導体１７および１８の各一部ならびに端子電極１９および２０が形成される。なお、端子電極１９および２０については、後述する焼成工程の後に形成するようにしてもよい。

次に、積層体３を得るように、絶縁層２となるべき複数の絶縁性シートが積層されるとともに、外層１３および１４となるべき絶縁性シートが積層され、圧着され、必要に応じてカットされ、次いで、焼成される。この焼成の結果、絶縁性シートが焼結した絶縁層２ならびに外層１３および１４となり、同時に、ｐ型熱電半導体材料およびｎ型熱電半導体材料がそれぞれ焼結したｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５となり、さらに、ｐｎ間接続導体１１、直列配線導体１２、引出し導体膜１５および１６ならびに引出しビア導体１７および１８においても焼結した状態となり、熱電変換モジュール１が完成される。

上述の積層工程では、貫通孔８および９に異なる種類の熱電半導体材料が充填された３種類の絶縁性シートを同じ積層体３内で混ぜて積層することが行なわれ、その結果、積層体３には、図２に示すようなカスケード構造が実現される。

以上、この発明に係る熱電変換モジュールを、図示した実施形態に関連して説明したが、その他種々の変形例が可能である。

たとえば、熱電変換モジュールが複数の熱電変換素子対を備える場合、これら熱電変換素子対の接続態様については、図示したもの以外にも種々のものがある。また、熱電変換素子対の数についても、任意に変更することができ、たとえ１個の熱電変換素子対のみを備える場合であっても、この発明を適用することができる。

また、図示の実施形態では、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５の双方が、性能指数のピーク温度が互いに異なる３つの部分を有していたが、性能指数のピーク温度が互いに異なる部分の数は任意に変更することができる。また、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有しているのは、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体のいずれか一方のみであってもよい。さらに、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体のいずれもが性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有していない場合にも、この発明を適用できる。

また、図示の実施形態では、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分が、ｐ型熱電半導体４とｎ型熱電半導体５とで互いに同じ分布態様をもって配置されている。言い換えると、積層体３内の１つの絶縁層２について見れば、ｐ型熱電半導体４およびｎ型熱電半導体５の各々について、性能指数のピーク温度が互いに同じものが複数の貫通孔８および９の各々に充填されている。しかしながら、ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体の少なくとも一方については、１つの絶縁層に設けられる複数の貫通孔に、性能指数のピーク温度が互いに異なるものがそれぞれ充填されてもよい。

また、熱電変換モジュールにおいて、温度差による熱応力を緩和するため、熱電半導体および／または絶縁層に関して、その材料自身を変えたり、熱膨張率が互いに異なる材料からそれぞれなる複数の部分を組み合わせたりするといった工夫が図られてもよい。たとえば、絶縁層は、セラミックやガラスに限らず、樹脂などから構成されてもよい。

また、図示した熱電変換モジュール１では、複数の熱電変換素子対１０が直列に接続されていたが、この発明は、複数の熱電変換素子対が並列に接続される熱電変換モジュールに対しても適用することができる。

次に、この発明の特徴となる、半導体膜が複数の絶縁層の互いの間の界面に沿って形成される構成による効果を確認するために実施した実験例について説明する。

この実験例では、図１ないし図８に示すような半導体膜を備える熱電変換モジュールをこの発明の範囲内の実施例として作製し、半導体膜が形成されない熱電変換モジュールを比較例として作製した。

これら実施例および比較例の各々に係る熱電変換モジュールを作製するに当たり、ｐ型熱電半導体材料としてクロメルを用い、ｎ型熱電半導体材料としてコンスタンタンを用いた。

また、第１および第２の貫通孔の直径を２００μｍとし、隣り合う貫通孔の中心間距離を２．４ｍｍとした。そして、これら第１および第２の貫通孔に、それぞれ、ｐ型およびｎ型熱電半導体材料を充填した。また、実施例に係る熱電変換モジュールについては、熱電半導体材料が充填された貫通孔をその輪郭内に位置させるように、直径５００μｍの円形の半導体膜を形成した。

その後、上述のように熱電半導体材料が付与された絶縁層となるべき絶縁性シートを４層積層し、合計８００μｍの厚みとするとともに、これを挟むように、回路形成した絶縁性シートを積層し、圧着、カットおよび焼成の各工程を経て、各試料に係る熱電変換モジュールを得た。

なお、貫通孔の数が増加するに従い、不良個数が増加するであろうとの推測の下、貫通孔の合計数が５０個、１００個、２５０個および５００個とそれぞれなる熱電変換モジュールを実施例および比較例について作製した。

このようにして得られた各試料に係る熱電変換モジュールについて、端子電極間の抵抗を測定し、材料物性より求めた計算値と比較し、計算値の１５０％以上の抵抗測定値を示すものを不良品と判定した。その結果が表１に示されている。

表１からわかるように、比較例では、熱電半導体が充填された貫通孔の数が増加するに従い、不良個数が増加し、貫通孔の形成位置のずれまたは絶縁性シートの積み重ねずれによる抵抗の増加が認められたが、この発明の範囲内にある実施例によれば、不良個数が飛躍的に減少し、安定した特性をもって熱電変換モジュールを製造できることがわかる。

この発明の一実施形態による熱電変換モジュール１の外観を示す平面図である。 図１の線Ｓ２−Ｓ２に沿う断面図である。 図２の線Ｓ３に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ４に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ５に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ６に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ７に沿う切断面を示す平面図である。 図２の線Ｓ８に沿う切断面を示す平面図である。

符号の説明

１ 熱電変換モジュール
２ 絶縁層
３ 積層体
４ ｐ型熱電半導体
５ ｎ型熱電半導体
６ 第１の収容穴
７ 第２の収容穴
８ 第１の貫通孔
９ 第２の貫通孔
１０ 熱電変換素子対
１１ ｐｎ間接続導体
２１，２４ 低ピーク温度部分
２２，２５ 中ピーク温度部分
２３，２６ 高ピーク温度部分
２７，２８ 半導体膜

Claims (6)

1. ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、
   電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体と
   を備え、
   前記積層体には、前記ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、および前記ｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対の前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられ、
   前記第１および第２の収容穴は、特定の複数の前記絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた、各々複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられ、
   前記第１の貫通孔がそれぞれ設けられた複数の前記絶縁層の互いの間の界面には、前記ｐ型熱電半導体からなりかつ前記第１の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜がその輪郭内に前記第１の貫通孔を位置させるように形成され、
   前記第２の貫通孔がそれぞれ設けられた複数の前記絶縁層の互いの間の界面には、前記ｎ型熱電半導体からなりかつ前記第２の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜がその輪郭内に前記第２の貫通孔を位置させるように形成されている、
   熱電変換モジュール。
2. 前記ｐ型熱電半導体および前記ｎ型熱電半導体の少なくとも一方は、性能指数のピーク温度が互いに異なる複数の部分を有し、前記複数の部分は、前記積層体の積層方向に分布している、請求項１に記載の熱電変換モジュール。
3. 前記積層体には、複数の前記熱電変換素子対が設けられている、請求項１または２に記載の熱電変換モジュール。
4. ｐ型熱電半導体およびｎ型熱電半導体と、
   電気絶縁性を有する複数の絶縁層の積層構造を有する積層体と
   を備え、
   前記積層体には、前記ｐ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第１の収容穴、および前記ｎ型熱電半導体を収容する少なくとも１つの第２の収容穴が設けられるとともに、１対の前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とからなる熱電変換素子対を形成するように、対をなす前記ｐ型熱電半導体と前記ｎ型熱電半導体とを互いに直列に電気的接続するｐｎ間接続導体が設けられ、
   前記第１および第２の収容穴が、特定の複数の前記絶縁層を厚み方向にそれぞれ貫通しかつ連接するように設けられた複数の第１および第２の貫通孔によってそれぞれ与えられている、
   熱電変換モジュールを製造する方法であって、
   前記絶縁層となるべき複数の絶縁性シートを準備する工程と、
   前記ｐ型熱電半導体のためのｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体のためのｎ型熱電半導体材料を準備する、半導体材料準備工程と、
   特定の前記絶縁性シートに前記第１および第２の貫通孔を設ける工程と、
   前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔に、それぞれ、前記ｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体材料を充填する、充填工程と、
   前記第１の貫通孔が設けられた前記絶縁性シート上に、前記ｐ型熱電半導体材料からなりかつ前記第１の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜をその輪郭内に前記第１の貫通孔を位置させるように形成するとともに、前記第２の貫通孔が設けられた前記絶縁性シート上に、前記ｎ型熱電半導体材料からなりかつ前記第２の貫通孔の断面積より大きい面積を有する半導体膜をその輪郭内に前記第２の貫通孔を位置させるように形成する工程と、
   特定の前記絶縁性シート上に前記ｐｎ間接続導体を形成する工程と、
   前記積層体を得るように、複数の前記絶縁性シートを積層する、積層工程と
   を備える、熱電変換モジュールの製造方法。
5. 前記半導体材料準備工程は、前記ｐ型熱電半導体材料および前記ｎ型熱電半導体材料の少なくとも一方について、性能指数のピーク温度が互いに異なる熱電半導体のための複数種類の熱電半導体材料を用意する工程を備え、
   前記充填工程は、複数種類の前記熱電半導体材料の各々について、別の前記絶縁性シートの前記貫通孔に前記熱電半導体材料を充填する工程を備え、
   前記積層工程は、前記貫通孔に異なる種類の前記熱電半導体材料が充填された複数種類の前記絶縁性シートを同じ前記積層体内で混ぜて積層する工程を備える、
   請求項４に記載の熱電変換モジュールの製造方法。
6. 前記絶縁性シートは、セラミックグリーンシートであり、前記積層工程の後、前記積層体を焼成する工程をさらに備える、請求項４または５に記載の熱電変換モジュールの製造方法。

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