JP2008186974A - 熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】配線基板上へのＰ型およびＮ型熱電変換素子の配置の自由度が高く、かつ高出力の熱電変換モジュールを得る。
【解決手段】熱電変換モジュールは、第１および第２の多層配線基板（１４、１５）と、前記第１および第２の多層配線基板（１４、１５）間に整列させた複数のＰ型（１２）およびＮ型熱電変換素子（１１）と、を備え、前記第１および第２の多層配線基板（１４、１５）は、前記Ｐ型（１２）およびＮ型熱電変換素子（１１）に個々に接続する複数の表面電極（２４、３０）と、前記個々の熱電変換素子を所定の回路パターンに従って接続するための多層の内部配線パターン（１６、１７）を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子を上下の配線基板間に多数整列させて構成される、熱電変換モジュールに関する。

熱電変換モジュールは、一般に、π型構造に接続した１対のＮ型熱電変換素子とＰ型熱電変換素子を、上下の配線基板間に多数配置して構成される。この熱電変換モジュールの出力の大きさ、即ち吸熱量は、基板間に形成されるＮ型熱電変換素子とＰ型熱電変換素子の対の数によって決定される。従って、１個の熱電変換モジュールにおける熱電変換効率は、基板の単位面積当たりに如何に多くの熱電変換素子対を形成するかに依存している。このために、例えば特許文献１に記載の発明では、断面が多角形あるいは円である柱状熱電変換素子を基板上に最密充填する形で配置し、熱電変換効率の向上を図っている。

また、通常の熱電変換モジュールは、基板上に多数の熱電変換素子対を直列接続して形成されているため、そのうちの１個が破壊などによって動作を停止すると、モジュール全体が動作を停止するようになる。さらに、多数の熱電変換素子対を接続したモジュールでは、このモジュールを低出力で動作させる場合であっても全ての熱電変換素子を駆動させる必要があるため、出力効率が低下する問題点を有している。

このような問題点を解決するために、特許文献２に記載の発明では、１個の熱電変換モジュールに対して複数の駆動系統を設け、低出力の場合と大出力の場合で異なる駆動系統を選択できるようにしている。また、特許文献３に記載の発明では、基板上に複数個の熱電変換対を含む複数の並列回路を設けることによって、一部の熱電変換素子が動作不良を起こしても、その素子を含まない他の回路で熱電変換が行われるようにしている。しかしながら、従来の熱電変換モジュールでは、表面配線基板を用いているため、複数の駆動系を設けること、あるいは並列回路を構成するなどの複雑な回路構成をとる場合、基板表面で配線の占める面積率が高くなり、熱電材料の実装密度が低下して熱電出力を低下させることとなる。

特開２００５−２２３１４０ 特開２００３−３４７６０４ 特許第３６１３２３７号

上記特許文献１乃至３に記載するような従来の熱電変換モジュールでは、基本的に、断面積が同じＮ型熱電変換素子とＰ型熱電変換素子とを対にして、熱電変換モジュールを構成している。このような熱電変換モジュールでは、Ｐ型およびＮ型材料の熱電変換性能に大きな差がない場合に、その熱電変換出力を最大とすることができる。ところが、熱電変換素子材料として最近注目されているクラスレート化合物などでは、Ｐ型およびＮ型の場合でその熱伝導率や比抵抗に大きな差があり、そのために両者の熱電変換性能が大きく相違する。この様な材料に上記の素子配列方法を適用すると、Ｐ型あるいはＮ型の一方からしか出力が得られないため、反対に熱電変換出力が低下する結果となる。

Ｐ型およびＮ型で熱電変換性能が大きく異なる場合に熱電変換出力を最大とするためには、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の断面積を変えてそれらの熱電変換出力を同じものとすること、あるいは、１個のＰ型あるいはＮ型熱電変換素子に対して、熱電変換出力の差を補償することができる個数の反対導電型の熱電変換素子を組み合わせること、が必要である。ところが、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の断面積を変えることによって、基板面積に対する熱電変換素子面積の比、即ち、建蔽率が低下し、熱電変換出力密度が低下する。また、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の個数を変える場合には、並列回路を構成する必要があるため、回路が複雑となり、基板面積に対して配線の占める面積が増加し、建蔽率が低下する。その結果、出力密度が低下する。

本発明は、従来の熱電変換モジュールにおける上記のような欠点を解決する目的でなされたものであり、Ｐ型およびＮ型の熱電変換材料に性能差がある場合でも、最大出力を得ることが可能な、新規な構造の熱電変換モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明では、第１および第２の多層配線基板と、前記第１および第２の多層配線基板間に整列させた複数のＰ型およびＮ型熱電変換素子と、を備え、前記第１および第２の多層配線基板は、前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子に個々に接続する複数の表面電極と、前記個々の熱電変換素子を所定の回路パターンに従って接続するための多層の内部配線パターンを有する、熱電変換モジュールを構成する。

更に、上記本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子が異なる熱電変換性能を有しかつ同じ断面積を有する場合、前記多層の内部配線パターンは、Ｐ型又はＮ型のいずれか一方の熱電変換素子を複数個並列に接続した並列回路に対して１個の反対導電型の熱電変換素子を直列接続して熱電変換ユニットを構成するとともに、複数の前記熱電変換ユニットを直列又は並列、あるいは直並列に接続するための形状を有するようにする。

更に、上記本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子が相互に異なる熱電変換性能を有する場合、前記熱電変換性能の相違を補償するために前記Ｐ型およびＮ型熱電変換の断面積を相違させて形成し、かつ、前記複数のＰ型およびＮ型熱電変換素子はその整列時における前記断面積の相違に基づく間隙を最小とするように配列されるようにする。

更に、上記本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子が同じ断面積と同じ熱電変換性能を有する場合、前記第１および第２の多層配線基板間で前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子を交互にかつマトリックス状に整列させ、さらに、前記多層の内部配線パターンは、任意の個数のＰ型およびＮ型熱電変換素子からなるＰＮ直列回路を複数個並列に接続する形状を有するように構成する。

更に、上記本発明の熱電変換モジュールにおいて、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子の前記表面電極に対する接合温度が異なる場合、前記第１および第２の多層配線基板間で前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを異なる領域に分離して整列させる。

なお、上記熱電変換性能は、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の熱伝導率および比抵抗に基づいて決定されるものである。

本発明の熱電変換モジュールでは、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子を整列させるための基板として、従来の表面配線基板に変わって多層配線基板を用いている。この多層配線基板は、Ｐ型およびＮ型素子を直接接続するための表面電極に加えて、多層に形成された内部配線パターンを有している。そのため、隣接しない熱電変換素子間を、内部配線パターンを介して接続することが可能となり、熱電変換出力を最大化するための複雑な回路構成が容易となる。更に、このような複雑な回路を構成しても配線が基板表面に形成されないので、熱電変換材料が基板の全表面積に占める割合、即ち、建蔽率が低下しない。

この結果、Ｐ型およびＮ型で熱電変換性能に大きな差がある材料を用いたために、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の断面積を変えること、あるいはそれらの個数を変えることが必要な場合であっても、出力密度を低下させずに熱電変換モジュールを構成することが可能となる。

更に、前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子の前記表面電極に対する接合温度が異なる場合、全てのＰ型熱電変換素子と全てのＮ型熱電変換素子とを異なる領域に分離して整列させることによって、温度制御によりこれらの領域をそれぞれの接合温度に保持することが可能となる。そのため、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子を一回の加熱工程により、多層配線基板に接合させることができ、製造工程が簡略化され、生産性が向上する。

本発明の実施形態に係る熱電変換モジュールの構造を説明する前に、熱電変換性能が異なるＰ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子の対において、どのようにすれば熱電変換を最も効率的に行うことができるかについて、簡単に説明する。

熱電変換素子のＰＮ対において、熱電変換の効率を最大とするためには、各素子のサイズを以下の式に示す関係に従って決定すればよいことが知られている（「熱電半導体とその応用」ｐ３５、上村欣一、西田勲夫（１９８８年）、日刊工業新聞社）。ただし、ここでは、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子の長さ方向の温度分布は同じで、幅方向の温度分布は考えないものとする。

ここで、各数値は以下の表に示すものを意味している。

熱電変換モジュールでは材料の長さＬ_ｐおよびＬ_Ｎは同じため、上記の式より、Ｎ型とＰ型における比抵抗および熱伝導率の積ρκの値がほぼ同じ材料の場合は、Ｐ型熱電変換素子とＮ型熱電変換素子とを同じ断面積とすることによって、出力を最大化できることが理解される。ところが、クラスレート化合物のように、ρκ値がＰ型およびＮ型で大きく異なる場合は、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の断面形状を上記の式に基づいて最適化し、出力密度を向上させる必要がある。

図１の（ａ）は、例えば、特許文献１に記載の方法に基づいて、出力密度が最大となるようにＰ型、Ｎ型熱電変換素子をマトリックス状に配置した例を示す。この配置例では、Ｐ型熱電変換素子１とＮ型熱電変換素子２の性能がほぼ同じ場合に、最大の出力密度が得られる。ところが、熱電変換材料がＰ型である時とＮ型である時の性能差、特に熱伝導率の差が大きい場合は、上記の式に基づく議論に従ってＰ型とＮ型の熱電変換素子の断面積を調整しなければならない。

図１の（ｂ）は、このような調整を行った場合の素子配列を示す。図１の（ｂ）は、材料がＮ型、Ｐ型である場合のρκ比、即ち、ρκ（Ｎ／Ｐ）＝１／５とした時の素子配列を示している。ρκ比が１／５であるために、出力密度を最大とするためには、図示するように、Ｐ型熱電変換素子１の断面積をＮ型熱電変換素子２の断面積のほぼ１／５とする必要がある。ところが、このように、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子間で断面積を変えると、基板面積に対する熱電変換材料の割合、即ち建蔽率が低下し、結果としてモジュールの出力密度が低下することになる。

以下に、図面を参照して本発明の種々の実施形態を説明する。なお、以下の各図面において、同一の符号は同一あるいは類似の構成要素を示すので、重複した説明は行わない。

（１）第１の実施形態
図２は、本発明の第１の実施形態に係る熱電変換モジュール１０を示す概略図である。図２（ａ）は、熱電変換モジュール１０の素子配列を示す図であって、上部配線基板を取り去った状態のモジュールの平面図を示している。図２（ｂ）は図（ａ）のＸ−Ｘ線上断面図である。図２において、１１はＮ型熱電変換素子を示し、１２はＰ型熱電変換素子を示す。１３（１）、１３（２）・・・は、５個のＮ型熱電変換素子１１（１Ｎ１、１Ｎ２、１Ｎ３、１Ｎ４、１Ｎ５）と１個のＰ型熱電変換素子１２（１Ｐ）で構成される１個の熱電変換ユニットを示す。

本実施形態では、Ｎ型熱電変換素子１１のρκ値とＰ型熱電変換素子１２のρκ値の比率を１／５に想定しているので、５個のＮ型熱電変換素子１１を並列接続したものと１個のＰ型熱電変換素子１２とを直列に接続して、１個の熱電変換ユニットを形成している。熱電変換モジュール１０上には、このような熱電変換ユニット１３（１）、１３（２）・・・が複数個形成される。各ユニット間は直列に接続されていても、並列に接続されていても、あるいは直列と並列を適宜組み合わせて接続されていてもよい。これらの接続は、多層配線基板１４、１５に設けた配線パターン１６、１７を介して行われる。

図２（ｂ）に示すように、Ｎ型およびＰ型熱電変換素子１１、１２は、上下に設けた多層配線基板１４、１５によって挟持されている。多層配線基板１４、１５は、例えば、アルミナ等の絶縁材料で形成された複数の基板１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ中に、銅、アルミニウム、金等を材料とする配線パターン１６、１７を埋め込んで形成されている。

なお、多層配線基板１４、１５は、半導体集積回路等を形成する場合に使用される一般的な配線基板を使用することが可能であり、また基板１４、１５中に埋め込まれる多層の配線パターン１６、１７も同様に、通常の半導体集積回路製造技術を利用して任意に設計することが可能である。従って、多層配線基板１４、１５の積層数は、任意に選択することが可能である。図２（ａ）の１９、２０は、熱電変換出力を取り出すための取出し電極を示している。図示の例では、取出し電極を２個設けているが、設計に応じて更に複数の取出し電極を設けてもよい。

Ｎ型熱電変換素子１１およびＰ型熱電変換素子１２間に、例えば絶縁性の樹脂１８を充填して、各素子を電気的に分離しかつ固定している。なお、図２（ｂ）において、熱電変換素子１１、１２、多層配線基板１４、１５、樹脂層１８等は全て断面を示しているが、図面を簡略化するために、配線パターンのみに斜線を付して示している。

図３に、Ｎ型あるいはＰ型熱電変換素子１１又は１２と、多層配線基板１４、１５との接合部の構造を示す。熱電変換素子１１又は１２は、例えばＢａ−Ｇａ−Ｇｅ系のクラスレート化合物を材料とする矩形あるいは円形の柱体で構成される。一例では、Ｐ型熱電変換素子１２をＢａ_８Ｇａ_１８Ｇｅ_２８によって構成する。この材料の熱伝導率は２．７Ｗ／ｍ／Ｋ、比抵抗ρは６０μΩｍである。Ｎ型熱電変換素子１１は、Ｂａ_８Ｇａ_１５Ｇｅ_３１で構成し、その熱伝導率は２．０Ｗ／ｍ／Ｋ、比抵抗ρは１５μΩｍである。

クラスレート材料の高温端と多層配線基板１４又は１５とは、クラスレート材料（１１又は１２）の高温端にスパッタ等によって形成したＴｉ−Ｃｕ合金膜２２と、多層配線基板１４又は１５上の表面電極を構成するＡｕ電極膜２４とを、銀ろうシート材２６を介して対向配置し、銀ろうシート材２６を加熱溶融することによって両者を接合する。クラスレート材料の低温端と多層配線基板１４又は１５とは、クラスレート材料（１１又は１２）の低温端に形成したＡｕ／Ｎｉメッキ層２８と、多層配線基板１４又は１５上の表面電極であるＡｕ電極膜３０とをクリーム半田層３２を介して対向配置し半田付けを行うことによって接合する。

この場合、銀ろうシート材２６の方がクリーム半田層３２よりも加熱溶融に高温を要するため、基板１４、１５と熱電変換素子との接合は、通常、クラスレート材料の高温端を多層配線基板に接合した後、低温端の接合処理を行うことによって実施される。なお、図３において、３４、３６はアルミナ多層基板中に形成されたＷ（タングステン）配線を示している。

第１の実施形態に係る熱電変換モジュールでは、上記のように、断面積が同じＰ型およびＮ型熱電変換素子を多層配線基板上に近接してマトリックス状に配置した構成であるため、配線基板に対する熱電変換材料の建蔽率を高く維持することができる。一方で、５個のＮ型熱電変換素子を並列接続することにより、１個のＰ型熱電変換素子に対して出力を均衡させている。そのため、５個のＮ型熱電変換素子の並列回路と１個のＰ型熱電変換素子とを直列接続することにより構成した１対のＰＮ熱電変換ユニットでは、その熱電変換出力を最大とすることができる。したがって、このようなＰＮ熱電変換ユニットを複数個直列あるいは直列と並列を組み合わせて接続することにより、出力密度の高い熱電変換モジュールを得ることができる。

（２）第２の実施形態
図４に、本発明の第２の実施形態に係る熱電変換モジュール１００の構成を示す。本実施形態の熱電変換モジュールでは、第１の実施形態の場合と同様に、Ｎ型熱電変換素子１１とＰ型熱電変換素子１２との性能差（ρκ比）を１／５としているため、並列に接続された５個のＮ型熱電変換素子１１と、この並列回路に直列に接続された１個のＰ型熱電変換素子１２とで１個の熱電変換ユニット１３が構成されている。しかしながら、第１の実施形態の場合とは異なって、１個の熱電変換ユニット１３を構成する全ての熱電変換素子を、基板上で一列に配列した構造を有する。

即ち、熱電変換ユニット１３（１）は、Ｎ型の熱電変換素子１Ｎ１、１Ｎ２、１Ｎ３、１Ｎ４および１Ｎ５と、１個のＰ型熱電変換素子１Ｐとで構成されている。同様に、熱電変換ユニット１３（２）は、Ｎ型の熱電変換素子２Ｎ１、２Ｎ２、２Ｎ３、２Ｎ４および２Ｎ５と、１個のＰ型熱電変換素子２Ｐで構成されている。以下、同様に、熱電変換ユニット１３（ｎ＋ｎ）は、Ｎ型の熱電変換素子（ｎ＋ｎ）Ｎ１、（ｎ＋ｎ）Ｎ２、（ｎ＋ｎ）Ｎ３、（ｎ＋ｎ）Ｎ４および（ｎ＋ｎ）Ｎ５と、１個のＰ型熱電変換素子（ｎ＋ｎ）Ｐで構成されている。各熱電変換ユニット内の全てのＮ型熱電変換素子は並列に接続され、この並列回路が１個のＰ型熱電変換素子と直列に接続されている。

なお、図４では、複数の熱電変換素子の配列方法を明示するために、上部多層基板を取り除いた状態の熱電変換モジュール１００の平面図のみを示しているが、本実施形態の熱電変換モジュールも、図２（ａ）、（ｂ）に示す第１の実施形態の熱電変換モジュール１０と同様に、熱電変換素子の上部および下部に表面電極層を有する多層配線基板１４、１５を備え、この多層配線基板内で、所定の配線パターン１６、１７によって１熱電変換ユニット内の接続および各熱電変換ユニット間の接続が実行されている。

第１の実施形態の説明の項でも述べたように、本発明の熱電変換モジュールは、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子間の接続を、内部に多層の配線パターン１６、１７を形成した多層配線基板１４、１５を用いて行っているので、表面配線基板を用いた従来の熱電変換モジュールとは異なって、Ｎ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子を接続のために必ずしも隣接して配置しなくてもよい。

図５は、上記第１および第２の実施形態の熱電変換モジュール１０、１００における、各熱電変換ユニットの接続例を示す図である。図５の（ａ）に示すように、本実施形態では、各熱電変換ユニット１３内の全てのＮ型熱電変換素子を並列に接続することで、１個のＰ型熱電変換素子との出力の均衡を図っている。従って、この並列回路と１個のＰ型熱電変換素子を直列に接続して、１個のＰＮ対、即ち１個の熱電変換ユニットを形成する。熱電変換モジュール１０、１００に用いる材料のＰ型およびＮ型における性能比が、第１、第２の実施形態とは異なって、例えばＮ／Ｐ＝３であれば、３個のＰ型熱電変換素子を並列に接続し、この並列回路に対して１個のＮ型熱電変換素子を直列に接続すれば良い。

図５（ａ）は、上記のようにして構成された複数のユニット１３（１）、１３（２）・・・１３（ｎ＋ｎ）を全て直列に接続した場合を示している。一方、図５（ｂ）では、ユニット１３（１）からユニット１３（ｎ）までを直列に接続し、同様にユニット１３（ｎ＋１）からユニット１３（ｎ＋ｎ）までを直列に接続し、更にこれら２個の直列回路を取り出し端子１９、２０間で並列に接続することによって、熱電変換モジュールを構成している。この構成により、一方の直列回路の１個の熱電変換素子が故障して動作を停止しても、他方の直列回路が正常に駆動されるので、熱電変換モジュール中の１個の素子の故障によってモジュール全体の動作が停止する事態を避けることができる。

なお、図５（ｂ）の構成において、各直列回路におけるユニット数は任意に設定することができる。全ての熱電変換ユニットを並列に接続することも可能である。また、１対の取出し電極１９、２０の他に、回路設計の目的に応じて更に別の取出し電極を設けてもよい。

（３）第３の実施形態
図６に、本発明の第３の実施形態に係る熱電変換モジュールの構成を示す。図６（ａ）は本熱電変換モジュールの平面図を示しているが、図２（ａ）と同様に、上部の多層配線基板を取り去った状態を示している。図２（ｂ）は図（ａ）のＸ−Ｘ線上断面図である。本実施形態のＮ型熱電変換素子１１およびＰ型熱電変換素子１２は、第１、第２の実施形態の場合と同様に、性能差（Ｎ型対Ｐ型のρκ比）を１／５としている。この性能差に基づいて、１対のＰＮユニットから最大の出力を得るためには、Ｎ型熱電変換素子１１の断面積を図示するようにＰ型熱電変換素子１２の断面積のほぼ５倍にする必要がある。

しかしながら、このような面積差のある熱電変換素子を基板上に交互に配置すれば、図１の（ｂ）に示したように建蔽率が低下するので、本実施形態では、断面積の小さなＰ型熱電変換素子１２を２個、縦方向に並べて配置することにより、建蔽率の改善を図っている。この実施形態では、１個のＮ型熱電変換素子１１と、Ｎ型熱電変換素子に対して断面積が１／５の１個のＰ型熱電変換素子１２とが１個の熱電変換ユニットを構成することにより、ＰＮ素子間の出力の均衡を保ち、出力の最大化を図っている。
素子１Ｎと素子１Ｐで構成される熱電変換ユニット１３（１）と、素子Ｎ２と素子Ｐ２とで構成される熱電変換ユニット１３（２）と、更に以下同様にして、素子１６Ｎと素子１６Ｐによって構成される熱電変換ユニット１３（１６）とは、取出し電極１９、２０間で全てを直列に接続しても、あるいは、複数個の熱電変換ユニットを直列に接続し、更にこの直列回路を複数個、並列に接続するようにしてもよい。本実施形態の熱電変換モジュールも、図６（ｂ）に示すように多層配線基板１４、１５を用いているので、素子間の配線の自由度が大きく、複雑な回路設計に対して充分対応することができる。

（４）第４の実施形態
図７は、本発明の第４の実施形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す図である。図７（ａ）は、本実施形態に係る熱電変換モジュールの平面図であるが、図２（ａ）および図６（ａ）と同様に、上部配線基板１４を取り除いて示してある。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸ−Ｘ線上断面図である。本実施形態の熱電変換モジュールでは、Ｎ型熱電変換素子１１とＰ型熱電変換素子１２の熱電変換性能を同じとしているため、同じ断面積を有するＮ型熱電変換素子１１とＰ型熱電変換素子１２を基板上に交互に、かつマトリックス状に配置している。

しかしながら、図７（ｂ）に示すように、素子配列の上下に多層配線基板を用いているので、素子間の接続の自由度が大幅に向上している。そのため、例えば、取り出し電極１９および２０間で、図８（ａ）に示すような直列回路、図８（ｂ）に示すような並列回路、図８（ｃ）に示すような直並列回路を構成することが容易である。

（５）第５の実施形態
図９は、本発明の第５の実施形態に係る熱電変換モジュール１１０の構造を示す図であり、特に、第１、第２の多層配線基板間における熱電変換素子の配列構造を示している。本実施形態の素子配列は、第１、第２の多層配線基板１４、１５を２つの領域１１２、１１４に分け、領域１１２に全てのＮ型熱電変換素子１１を配置し、領域１１４に全てのＰ型熱電変換素子１２を配置している。図示の例では、Ｎ型熱電変換素子１１とＰ型熱電変換素子１２の断面積を同じとしているが、両者の断面積は異なっていてもよい。本発明では、熱電変換素子を挟持する基板として多層配線基板を用いているので、図９に示すような素子配列であっても、Ｐ、Ｎ熱電変換素子間の任意の接続が容易である。

本実施形態の構造は、Ｎ型熱電変換素子１１上の電極膜と多層配線基板上の表面電極との接合温度Ｔｎが、Ｐ型熱電変換素子１２上の電極膜と多層配線基板上の表面電極との接合温度Ｔｐと大きく異なる場合に適している。例えば、Ｐ型熱電変換素子がクラスレート化合物であって、電極膜および表面電極がＴｉ_２Ｃｕ_３／Ａｕで構成され、接合温度（拡散接合）が７５０℃であるものと、Ｎ型熱電変換素子がハーフホイスラー化合物であって、電極膜および表面電極がＡｕを材料とし、接合温度（ろう付け）が９８０℃、ろう材がＮｉろう（ＪＩＳ＝ＢＮｉ１）である場合を考える。

このようなＮ型およびＰ型熱電変換素子の場合、図７に示したような素子配列であれば、まずＮ型熱電変換素子と電極を９８０℃でろう付けした後に、Ｐ型熱電変換素子を基板上に配置し、７５０℃で拡散接合しなければならない。したがって、熱電変換素子の基板上への配置と接合のプロセスをそれぞれ２回行う必要があり、製造工程が煩雑化し、生産性が低下する。

ところが、図９に示したような素子の配置構造では、Ｎ型熱電変換素子の配置領域１１２とＰ型熱電変換素子の配置領域１１４との間に温度差を設けることで、Ｎ型熱電変換素子およびＰ型熱電変換素子と電極間の接合を同時に行うことができる。両領域１１２と１１４間に温度差を設ける方法としては、（Ａ）熱電変換モジュール１１０全体を７５０℃の炉に入れ、Ｎ型熱電変換素子の配置領域１１２のみ小型のヒータで９８０℃まで加熱する方法、（Ｂ）熱電変換モジュール１１０全体を９８０℃の炉内に入れ、Ｐ型熱電変換素子の配置領域１１４のみ断熱し又はヒートシンクに接触させることにより、７５０℃に制御する方法、などが挙げられる。

なお、熱電変換モジュール１１０における各熱電変換素子の接続方法は、他の実施形態の場合と同様に、図８に示すような直列接続であっても、直列と並列接続の組み合わせであってもよく、モジュール形成の目的に応じて任意に選択することが可能である。また、上記各実施形態において、各熱電変換素子の断面形状を４角形で示しているが、それ以外の多角形でもよくあるいは円形でもよい。

従来の熱電変換モジュールにおけるＰ型およびＮ型熱電変換素子の配列例を示す図。 本発明の第１の実施形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す図。 図２に示す熱電変換素子と多層配線基板との接合部の構造を示す図。 本発明の第２の実施形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す図。 熱電変換ユニットの接続例を示す図。 本発明の第３の実施形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す図。 本発明の第４の実施形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す図。 図７に示す熱電変換モジュールにおける接続例を示す図。 本発明の第５の実施形態に係る熱電変換モジュールの構造を示す図。

符号の説明

１０ 熱電変換モジュール
１１ Ｎ型熱電変換素子
１２ Ｐ型熱電変換素子
１３（１）、１３（２） 熱電変換ユニット
１４ 第１の多層配線基板
１５ 第２の多層配線基板
１６、１７ 内部配線パターン
１８ 樹脂
１９、２０ 取出し電極
２４、３０ 表面電極

Claims (6)

1. 第１および第２の多層配線基板と、
   前記第１および第２の多層配線基板間に整列させた複数のＰ型およびＮ型熱電変換素子と、を備え、
   前記第１および第２の多層配線基板は、前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子に個々に接続する複数の表面電極と、前記個々の熱電変換素子を所定の回路パターンに従って接続するための多層の内部配線パターンを有することを特徴とする、熱電変換モジュール。
2. 請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子が異なる熱電変換性能を有しかつ同じ断面積を有する場合、前記多層の内部配線パターンは、Ｐ型又はＮ型のいずれか一方の熱電変換素子を複数個並列に接続した並列回路に対して１個の反対導電型の熱電変換素子を直列接続して熱電変換ユニットを構成するとともに、複数の前記熱電変換ユニットを直列又は並列、あるいは直並列に接続するための形状を有することを特徴とする、熱電変換モジュール。
3. 請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子が相互に異なる熱電変換性能を有する場合、前記熱電変換性能の相違を補償するために前記Ｐ型およびＮ型熱電変換の断面積を相違させて形成し、かつ、前記複数のＰ型およびＮ型熱電変換素子はその整列時における前記断面積の相違に基づく間隙を最小とするように配列されていることを特徴とする、熱電変換モジュール。
4. 請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子が同じ断面積と同じ熱電変換性能を有する場合、前記第１および第２の多層配線基板間で前記Ｐ型およびＮ型熱電変換素子を交互にかつマトリックス状に整列させ、さらに、前記多層の内部配線パターンは、任意の個数のＰ型およびＮ型熱電変換素子からなるＰＮ直列回路を複数個並列に接続する形状を有していることを特徴とする、熱電変換モジュール。
5. 請求項１に記載の熱電変換モジュールにおいて、
   前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子の前記表面電極に対する接合温度が異なる場合、前記第１および第２の多層配線基板間で前記Ｐ型熱電変換素子と前記Ｎ型熱電変換素子とを異なる領域に分離して整列させることを特徴とする、熱電変換モジュール。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の熱電変換モジュールにおいて、前記熱電変換性能は、Ｐ型およびＮ型熱電変換素子の熱伝導率および比抵抗に基づいて決定されることを特徴とする、熱電変換モジュール。

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