JP5134395B2 - 熱電モジュール、熱電モジュールを用いた熱電装置及び熱電モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度差を利用した発電、直流電圧を印加することによる冷却若しくは加熱が実現できる熱電モジュール、熱電モジュールを用いた熱電装置及び熱電モジュールの製造方法に関する。

図７に従来型の熱電モジュール３１の側断面図を示す。図７（ａ）は、図において上側の電極が高温とされ、下側の電極がそれに比べて低温とされた直後の状態の熱電モジュール３１を示し、図７（ｂ）は、その上下の電極を図７（ａ）と比べてより温度の高低差のある状態にして一定時間経過した後の熱電モジュール３１の状態を示す。

熱電モジュール３１は、低温となる側の電極３５に、例えばハンダ等によって熱電材料チップであるｎ型半導体３２が接合され、ｎ型半導体３２の反対側の端部と高温となる側の電極３４とが同じくハンダ等によって接合されている。更に同じ電極３４と熱電材料チップであるｐ型半導体３３とが接合され、ｐ型半導体３３の反対側の端部は別のｎ型半導体３２が接合された別の電極３５に接合されている。このような構成にすることによって電気的に直列に接続することができる。

電極３４が高温、電極３５がそれに比べて低温となるような環境に熱電モジュール３１を設置して端部の電極を電気回路等に接続すると、ゼーベック効果によって電圧が発生し、矢印で示すように、電極３５→ｎ型半導体３２→電極３４→ｐ型半導体３３と電流が流れる。これはつまり、ｎ型半導体３２内の電子が高温の電極３４から熱エネルギーを得て低温の電極３５へ移動してそこで熱エネルギーを放出し、それに対してｐ型半導体３３の正孔が高温の電極３４から熱エネルギーを得て低温の電極３５へ移動してそこで熱エネルギーを放出するという原理によって電流が流れる。

このような熱電モジュール３１の上下の電極３４及び３５の温度差を更に大きくすると、その温度差における熱電材料チップ及び電極間の熱膨張率の違いによって、接合界面付近で破壊３６が生じてしまうおそれがある（図７（ｂ））。

これを解決するために、弾性を有する網目状の金属細線網を低温側の低温側電極部材と熱電材料チップとの間に配置することにより、金属細線網の弾力が失われるのを防ぎ、また放熱側電極と熱電材料チップとのハンダ接合を不要とした技術が開示されている（特許文献１）。熱膨張率の違いは低温側電極部材又は熱電材料チップと金属細線網との間で摺動させることにより吸収する。更に、組み立て時の熱電材料チップの高さのバラツキを吸収することもできる。

また、穴を有する導電性の電極材料と熱電材料とが電極材料の穴を介して接合されていることを特徴とする技術が開示されている（特許文献２）。ここで、電極材料は金属製メッシュであることが開示されている。
特開２００５−２７７２０６号公報 特開２００６−２５３３４３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された熱電モジュールは低温側電極部材と熱電材料チップとの界面での電気抵抗及び熱抵抗が大きく、充分な性能を発揮することが困難であった。また、金属細線網は電極部材として用いられておらず、低温側電極部材と熱電材料チップとの間に配置され完全に接合されていないため、使用するに従って相対的な位置がずれてモジュール内で電気的に短絡するおそれがあった。

そして、特許文献２に開示された熱電モジュールは、高温下で且つ温度差が大きい環境で使用するときに、熱電材料と電極材料との接合部に応力が集中し、その接合部から破壊するおそれがあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、高い耐久性と高い性能とを両立できる熱電モジュール及びその製造方法を提供することを解決すべき課題とする。また、その熱電モジュールを用いた熱電装置を提供することも解決すべき課題とする。

上記課題を解決するための請求項１に係る熱電モジュールの発明の構成上の特徴は、複数の低温側電極部材及び高温側電極部材と、前記低温側電極部材及び前記高温側電極部材の間に設けられ一端側を前記高温電極部材に接触するとともに他端側を前記低温側電極部材に接触して電気的に配列される複数の熱電材料チップと、を有し、一端側と他端側との温度差により電気エネルギーに変換し又は電気エネルギーを温度差に変換する熱電モジュールであって、
前記低温側電極部材は、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材であり、前記熱電材料チップとの接触部分が接合部材により固着されていることである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材が前記電極部材の熱膨張方向に対して斜めに編み込まれていることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１又は２において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材の布状体が２枚以上重ねられて構成されていることである。

そして上記課題を解決するための請求項４に係る熱電装置の発明の構成上の特徴は、低温側基板と、
前記低温側基板に対向する高温側基板と、
前記低温側基板及び前記高温側基板の各対向面に接合部材で接触又は固着するように配置された複数の低温側電極部材及び高温側電極部材と、前記低温側電極部材及び前記高温側電極部材の間に設けられ一端側を前記高温電極部材に固着するとともに他端側を前記低温側電極部材に固着して電気的に配列される複数の熱電材料チップと、をもち、一端側と他端側との温度差により電気エネルギーに変換し又は電気エネルギーを温度差に変換する熱電モジュールと、
を有する熱電装置であって、
前記低温側電極部材は、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材であることである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、前記低温側電極部材は前記繊維状部材が前記電極部材の熱膨張方向に対して斜めに編み込まれていることである。

また請求項６に係る発明の構成上の特徴は、請求項４又は５において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材の布状体が２枚以上重ねられて構成されていることである。

更に上記課題を解決するための請求項７に係る熱電モジュールの製造方法の発明の構成上の特徴は、複数の高温側電極部材の一面側と複数の熱電材料チップの一端側とを接合する高温側電極接合操作と、
前記熱電材料チップの他端側と複数の低温側電極部材の一面側とを接合部材を介して固着する低温側電極固着操作と、を含み、
前記低温側電極部材は、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材であることである。

また請求項８に係る発明の構成上の特徴は、請求項７において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材が前記電極部材の熱膨張方向に対して斜めに編み込まれていることである。

また請求項９に係る発明の構成上の特徴は、請求項７又は８において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材の布状体が２枚以上重ねられて構成されていることである。

請求項１に係る発明においては、熱電モジュールの低温側電極部材として、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材を採用していることから、熱電モジュールの一端側と他端側との間に加えた温度差により発生する変形が生じても、低温側電極部材に採用した繊維状部材が伸縮することによって応力が緩和されるため、熱電材料チップ、電極部材、そしてそれらの間の接合部分において応力集中が抑制され耐久性が向上できる。

そして、低温側電極部材は伸縮可能な部材を用いた上で、熱電材料チップとの接触部分を固着する構成を採用しているから、電極部材がずれるなどの理由による電気的な短絡が抑制できると共に、熱電材料チップと電極部材との間の電気的且つ熱的接続を十分に確保できる。また、この接触部分の固着は接合部材により実現しているため、熱電モジュールを構成する熱電材料チップ、電極部材などの高さのバラツキを吸収して性能のバラツキの発生を少なくできると共に、充分な熱的接続が実現できる。

請求項２に係る発明においては、低温側電極部材に採用する繊維状部材がその電極部材の熱膨張が相対的に大きな方向に対して斜めに編み込まれている構成を採用することにより、熱膨張により電極部材に生じる変形を効果的に吸収することができる。つまり、電極部材に生じる変形は、斜めに編み込まれた繊維状部材の角度の変化に置き換えられることにより、応力の集中が更に低減される。

請求項３に係る発明においては、低温側電極部材に採用した繊維状部材として、布状体が２枚以上重ねられている部材を採用することにより、熱膨張により生じる変形が大きくなっても重ねられた布状体の部材の間でずれることにより、その変形を吸収することができる。重ねられた布状体は元々一体的な部材であるため、発生するずれの大きさには限界があり、隣接する電極部材などとの間における短絡発生のおそれを最小限にすることができる。ここで、本明細書における「布状体が２枚以上重ねられている」というのは、もともと一体的に形成されている布状体を折り曲げて形成したり、繊維状部材を編み込むときに筒状の一体的な部材として形成することを意味する。

請求項４に係る発明においては、熱電モジュールの低温側電極部材として、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材を採用していることから、熱電モジュールの一端側と他端側との間に加えた温度差により発生する変形が生じても、低温側電極部材に採用した繊維状部材が伸縮することによって応力が緩和されるため、熱電材料チップ、電極部材、そしてそれらの間の接合部分において応力集中が抑制され耐久性が向上できる。

そして、低温側電極部材は伸縮可能な部材を用いた上で、熱電材料チップとの接触部分を固着する構成を採用しているから、電極部材がずれるなどの理由による電気的な短絡が防止できると共に、熱電材料チップと電極部材との間の電気的且つ熱的接続を十分に確保できる。また、この接触部分の固着は接合部材により実現しているため、熱電モジュールを構成する熱電材料チップ、電極部材などの高さのバラツキを吸収して性能のバラツキの発生を少なくできると共に、充分な熱的接続が実現できる。

請求項５に係る発明においては、低温側電極部材に採用する繊維状部材がその電極部材の熱膨張が相対的に大きな方向に対して斜めに編み込まれている構成を採用することにより、熱膨張により電極部材に生じる変形を効果的に吸収することができる。つまり、電極部材に生じる変形は、斜めに編み込まれた繊維状部材の角度の変化に置き換えられることにより、応力の集中が更に低減される。

請求項６に係る発明においては、低温側電極部材に採用した繊維状部材として、布状体が２枚以上重ねられている部材を採用することにより、熱膨張により生じる変形が大きくなっても重ねられた布状体の部材の間でずれることにより、その変形を吸収することができる。重ねられた布状体は元々一体的な部材であるため、発生するずれの大きさには限界があり、隣接する電極部材などとの間における短絡発生のおそれを最小限にすることができる。

請求項７に係る発明においては、熱電モジュールの低温側電極部材として、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材を採用していることから、熱電モジュールの一端側と他端側との間に加えた温度差により発生する変形が生じても、低温側電極部材に採用した繊維状部材が伸縮することによって応力が緩和されるため、熱電材料チップ、電極部材、そしてそれらの間の接合部分において応力集中が抑制され耐久性が向上できる。

そして、低温側電極部材は伸縮可能な部材を用いた上で、熱電材料チップとの接触部分を固着する構成を採用しているから、電極部材がずれるなどの理由による電気的な短絡が防止できると共に、熱電材料チップと電極部材との間の電気的且つ熱的接続を十分に確保できる。また、この接触部分の固着は接合部材により実現しているため、熱電モジュールを構成する熱電材料チップ、電極部材などの高さのバラツキを吸収して性能のバラツキの発生を少なくできると共に、充分な熱的接続が実現できる。

請求項８に係る発明においては、低温側電極部材に採用する繊維状部材がその電極部材の熱膨張が相対的に大きな方向に対して斜めに編み込まれている構成を採用することにより、熱膨張により電極部材に生じる変形を効果的に吸収することができる。つまり、電極部材に生じる変形は、斜めに編み込まれた繊維状部材の角度の変化に置き換えられることにより、応力の集中が更に低減される。

請求項９に係る発明においては、低温側電極部材に採用した繊維状部材として、布状体が２枚以上重ねられている部材を採用することにより、熱膨張により生じる変形が大きくなっても重ねられた布状体の間でずれることにより、その変形を吸収することができる。重ねられた布状体は元々一体的な部材であるため、発生するずれの大きさには限界があり、隣接する電極部材などとの間における短絡発生のおそれを最小限にすることができる。

以下、実施形態を用いて本発明を具体的に説明する。
（実施形態１）
本実施形態の熱電発電モジュール（熱電モジュール）１０の構成及び製造工程を図１に示す。

本実施形態の熱電発電モジュール１０は、全体として所定の長さと所定の幅とをもつ平板状の外観をもつ部材であり、Ｔｉ−Ｃｕ合金から形成された平板状の部材である高温側電極部材１と、高さが同一の角柱状部材であるｐ型熱電材料チップ２ａ及びｎ型熱電材料チップ２ｂと、低温側電極部材５とを有する。低温側電極部材５は金属製の繊維状部材を編み込んだ平編銅線電極から形成されており、電気伝導性をもつと共に伸縮可能な部材である。低温側電極部材５は筒状の外観をもち、繊維状部材から形成される。繊維状部材は平編みにより電極部材を形成しており、低温側電極部材５の長さ方向及び幅方向に対して繊維状部材は斜め方向に編み込まれている。なお、場合によっては、低温側電極部材５は不織布あるいは組物の一種である丸打紐とすることもできる。高温側電極部材１は熱電材料チップ２ａ及び２ｂの間を跨ぐように設けられており、加熱されることにより熱電材料チップ２ａ及び２ｂの間隔が開く方向に熱膨張するため、低温側電極部材５はその熱膨張により発生する変形（応力）を吸収するように熱電材料チップ２ａ及び２ｂを結ぶ方向（低温側電極部材５の長さ方向）に伸縮できるように長さ方向に対して斜めに繊維状部材を編み込んでいる。

高温側電極部材１は熱電発電モジュール１０の一面側に表れており、低温側電極部材５は他面側に表れている。熱電材料チップ２ａ及び２ｂは一端側が熱電発電モジュール１０の一面側に向き、他端側が他面側に向くように並設されている。

熱電材料チップ２ａ及び２ｂはそれぞれ複数個かつ同数存在しており、一端側で高温側電極部材１の一面側に電気的に接続され、他端側で低温側電極部材５に電気的に接続されている。これらの熱電材料チップ２ａ及び２ｂは、それぞれ１つずつ組み合わせ、それらの一端側を高温側電極部材１の一面側に接合し、全体としてコ字状となるように組み合わせて接合した部材（組部材）を形成している（高温側電極接合操作：図１（ａ）及び（ｂ））。つまり、組部材内において、熱電材料チップ２ａ及び２ｂは一端側と他端側とがなす方向（角柱の高さ方向）が所定間隔で平行に並ぶように並設されている。この接合は拡散接合によって行うことができる。

このように組部材について、高温側電極部材１が同一平面に並ぶように並設する。組部材の並べ方としては、所定の長さになるように、所定数の組部材を連ねて並設して形成した列を所定の幅になるように、所定列だけ並べて、全体として、所定の長さ及び所定の幅をもつ平板状の外観をもつ部材を形成して本実施形態の熱電発電モジュール１０としている。隣接した組部材間ではｐ型熱電材料チップ２ａとｎ型熱電材料チップ２ｂとが隣接するようにし、熱電材料チップ２ａ及び２ｂそれぞれの他端側に低温側電極部材５の一面側を接続することにより、その間を電気的に接続する。この接続は熱電材料チップ２ａ及び２ｂの他端側に対してメッキ処理を行い（図１（ｃ））、メッキ層３を形成した後、低温側電極部材５との間に形成した接合部材としてのハンダ層４により接合する。ハンダ層４の形成は、まず低温側電極部材５の一面側にハンダをスクリーン印刷することにより行う。各々の低温側電極部材５上に形成するハンダ層の厚み及び面積は、スクリーン印刷に使用するマスクの厚みと開口部面積で管理する。その後、組部材がもつ熱電材料チップ２ａ及び２ｂの他端側のメッキ層３を低温側電極部材５の一面側に形成したハンダ層４に接触させた状態で加熱することにより接合すること（低温側電極固着操作：図１（ｄ）及び（ｅ））で、本実施形態の熱電発電モジュール１０が得られる。ハンダにより接合するときにリード線取り出し部６も同時に接合する。

得られた熱電発電モジュール１０においては、ｐ型熱電材料チップ２ａ、高温側電極部材１、ｎ型熱電材料チップ２ｂ、低温側電極部材５、ｐ型熱電材料チップ２ａ・・・の順に、ｐ型熱電材料チップ２ａとｎ型熱電材料チップ２ｂとが交互に連続して接続される。ｐ型熱電材料チップ２ａとｎ型熱電材料チップ２ｂとの組み合わせで、所定の起電力に対応しており、必要な起電力に応じて直列に接続される。

この熱電発電モジュール１０は、図２に示すように、一面側に高温側基板２０が配設され、他面側に低温側基板２１が配設されることで熱電発電装置（熱電装置）を形成する。低温側基板２１と高温側基板２０とは、それらの厚み方向に熱電発電モジュール１０の厚みに対応する所定間隔を開けて並設されている。低温側基板２１及び高温側基板２０と熱電発電モジュール１０とはそれぞれ熱交換器であり、外部の高温源と及び低温源にそれぞれ接続される。例えば、高温源としては車両の排気ガスが通過するマフラー、低温源としては冷却材料が流れるパイプ状の部材である。低温側基板２１及び高温側基板２０と熱電発電モジュール１０との間は十分な熱伝導性を発揮できるように接続される。例えば、熱伝導性グリースなどを介して接触した状態で接続したり、拡散接合、溶接、ハンダ付けなどを用いて一体的に固着した状態で接続することもできる。一体的に固着する場合には固着する部材間の熱膨張率が近似していることが望ましい。本実施形態では高温側電極部材１と高温側基板２０との間は耐熱性接着剤からなる接着層８、低温側電極部材５と低温側基板２１との間は熱伝導性グリースからなる接合層９を介して接続される。本実施形態においては熱伝導性グリースは低温側電極部材５の内部にまで浸透、充填されることにより、接触面積が増加して熱伝導性が向上すると共に、熱伝導性グリースが使用により外部に流出して熱伝導性が低下するおそれが少なくなる。

本実施形態の熱電発電モジュール１０は、以上の構成を有することから、以下の作用効果を発揮する。

すなわち、熱電発電装置に対して、低温側基板２１を低温源に接触させ、高温側基板２０を高温源に接触させることにより、それぞれ低温側電極部材５及び高温側電極部材１を介して熱電材料チップ２ａ及び２ｂの一端側と他端側との間に温度差を生じさせることになる。発生した温度差によって、ｐ型熱電材料チップ２ａではホールがｎ型熱電材料チップ２ｂでは電子がそれぞれ低温側電極部材５方向に移動して起電力が生じることになる。

このように生じた温度差によって、高温側電極部材１と低温側電極部材５とでは熱膨張の大きさが異なるものになる。特に、熱電発電モジュール１０の広がり方向における伸びが一面側と他面側とにおいて異なるものになる。具体的には高温側電極部材１が配置されて高温にされる一面側の平面広がり方向における伸びが、低温側電極部材５が配置されて低温にされる他面側の平面広がり方向における伸びよりも大きくなる。この場合に、低温側電極部材５は筒状の部材である平編銅線部材から構成されているため伸縮性に優れており、自身に由来する熱膨張の大きさにかかわらず、高温側電極部材１の伸びに従って伸縮する。特に、図３に示すように、低温側電極部材５は図面上下方向において、独立して移動できるため、熱膨張の大きさの相違を低温側電極部材５が吸収することになり、その他の部位（例えば、熱電材料チップ２ａ及び２ｂと、高温側電極部材１又は低温側電極部材５との間）に対して加わる歪みが小さくなって不都合の発生が抑制される。例えば、図３において、高温側電極部材１の熱膨張に由来して、熱電材料チップ２ａ及び２ｂと低温側電極部材５とに対し、紙面表裏方向にずれる方向に応力が加わる場合には、低温側電極部材５の図面上側（Ｉ）と図面下側（ＩＩ）とがずれることにより加えられる応力を吸収することができる。また、高温側電極部材１の熱膨張に由来して、熱電材料チップ２ａ及び２ｂと低温側電極部材５とに対し、紙面左右方向にずれる方向に応力が加わる場合には、図４に示すように、低温側電極部材５の図面上側（Ｉ）と図面下側（ＩＩ）とが矢印Ｌ、矢印Ｒ方向にずれることにより加えられる応力を吸収することができる。この場合に、低温側電極部材５は筒状の部材であり、図３及び４における幅方向の両端部分においてそれぞれの部分（Ｉ及びＩＩ）が連結されているため、バラバラになったり、熱電材料チップ２ａ及び２ｂが低温側電極部材５や低温側基板２１からずれることにより、隣接する熱電材料チップ２ａ及び２ｂなどとの間で接触・短絡するおそれが少なくなる。

また、本実施形態では、低温側電極部材５と熱電材料チップ２ａ及び２ｂとの間を接合するハンダ層４が低温側電極部材５図面上側部分（Ｉ）の更に表面近傍に局在しているため、低温側電極部材５内において絡み合っている繊維状部材間の相対移動をハンダ層４によって阻害することがなくなり、低温側電極部材５の伸縮性が十分に発揮できている。すなわち、低温側電極部材５は繊維状部材を編み込んで形成した部材であるため、接合部材が内部に浸透可能であるが、内部深くにまで接合部材が浸透して固着させると低温側電極部材５の伸縮性が十分でなくなる場合が想定できるためできるだけ表面近傍の接触部分にのみ接合部材を配設して固着を行うことが望ましい。従って、低温側電極部材５と熱電材料チップの他端側との間の固着はその接触部分のみで行うことが望ましい。

（変形態様）
・前述の低温側電極部材５として、繊維状部材が編み込まれた布状体が２枚以上重ねられている部材を採用することができる。低温側電極部材５に替えて布状体を２枚以上重ねた構成を採用することにより、低温側電極部材の伸縮性を向上することができる。例えば、低温側電極部材の他面側を低温側基板２１に固着させた態様を採用しても、２枚以上重ねた低温側電極部材内で滑ることができるため、低温側基板２１の熱膨張の大きさにかかわらず熱電発電モジュール１０の低温側電極部材を独立して伸縮させることができる。特に、１枚の布状体を折り曲げた部材を採用することにより、繊維状部材を筒状に編み込んだ筒状の一体的な部材として形成した実施形態１と同様に、重ね合わせた部材間がバラバラになり難いという利点がある。

また、低温側電極部材としては複数の繊維状部材から構成される集合部材を平形に組み合わせた平打ち組み物を採用することもできる。そして、その表面近傍にハンダ層４を設けて熱電材料チップ２ａ及び２ｂに接合することにより、低温側電極部材の一面側と他面側との間での相対移動や伸縮性を付与した柔軟な部材とすることができる。
・高温側電極部材と熱電材料チップとの間の接合は拡散接合で行っているが、想定される使用温度における耐久性が保持できる限度において、その他の接合方法、例えば、ハンダ付け、ロウ付けなどを採用することもできる。また、高温側電極部材についても上述した低温側電極部材のような平編銅線電極から形成される部材を採用することもできる。

（実施形態２）
本実施形態の熱電発電モジュール１１の構成を図５に示す。

本実施形態の熱電発電モジュール１１は、実施形態１における低温側電極部材５に替えて低温側電極部材５’を採用した以外は先述した熱電発電モジュール１０と同様の構成を有している。

低温側電極部材５’は低温側電極部材５と同じく、平編銅線電極から形成されている。この低温側電極部材５’は、熱電材料チップ２ａ及び２ｂの他端側に接合される部分を構成する繊維状部材の間がパーカッション溶接、抵抗溶接、超音波溶接などの溶接により接合されて一体化されているものである。パーカッション溶接は、図６に示すように、繊維状部材を編み込んで形成した伸縮可能な部材である平編銅線電極Ａに対して、上型５０及び下型６０によって押圧することにより、その押圧した部分における繊維状部材間を溶接接合する操作である。上型５０及び下型６０の間には押圧前に所定量の電力が蓄電されたコンデンサが接続されており、上型５０及び下型６０による押圧と同時に放電し、そのとき発生するアーク熱のエネルギーで接合が完了するものである。従って、放電と押圧とが同時に起こるため、繊維状部材間を瞬間的に接合することができる。処理した平編銅線電極Ｂを所定長さに切断することにより低温側電極部材５’を得ることができる。この低温側電極部材５’は熱電材料チップ２ａ及び２ｂと固着される部分５’ａについては繊維状部材間が接合されて一体化していることにより、接合工程時や使用時において低温側電極部材５’が分解することを防止できるため、作業性、歩留まり、耐久性などを向上できる。そして、その固着部分５’ａを繋ぐ間の部分５’ｂは平編がなされた状態を保っているため、繊維状部材間での相対的移動が制限されず、伸縮性を保持しているから、高温側電極部材１の熱膨張に応じて伸縮することが可能になって応力の集中を防止できる。

（実施例）
・評価用熱電発電モジュールの製造
前述した実施形態１に開示した製造方法により、熱電発電モジュールを製造して評価用の熱電発電モジュールとした。使用した熱電材料チップ２ａ及び２ｂは四角柱であり、一辺が４ｍｍの立方体であった。そして、Ｔｉ−Ｃｕ合金からなる高温側電極部材１のサイズは４ｍｍ×９ｍｍ×厚み１ｍｍ、平編銅線電極（双葉電線株式会社製平編銅線、ＪＣＳの１２３６：２００１準拠、繊維状部材の素線径０．０８ｍｍ）からなる低温側電極部材５のサイズは４ｍｍ×９ｍｍ×厚み０．６ｍｍであった。これらを各１７個（低温側電極部材５のみ１８個）使用し、一辺が３０ｍｍの正方形の平板状の熱電発電モジュール１０を製造した。

それぞれの熱電材料チップ２ａ及び２ｂの他面側とそれぞれの低温側電極部材５の一面側との接合はハンダ付けによって行った。接合に用いるハンダの量を変化させることにより接合状態を制御した。ハンダの量の制御は、低温側電極部材５の一面側にハンダ層を印刷により形成する際に用いるハンダ印刷板の厚みとその開口部の一辺の大きさとを変化させることにより行い、実施例１及び比較例１〜３の熱電発電モジュールを製造した。実際の値は表１に示す。

製造した熱電発電モジュールの両面を低温側基板２１及び高温側基板２０にて挟持して対応する各実施例及び比較例の熱電発電装置を製造した。低温側電極部材５と低温側基板２１との間は熱伝導性グリース（シリコングリース：ＫＳ６１３、信越化学工業株式会社製）にて接合し、高温側電極部材１と高温側基板２０との間は耐熱性接着剤にて接着した。
・評価試験
各実施例及び比較例の熱電発電装置について、熱電発電モジュールの高温側電極部材の温度を６００℃、低温側電極部材の温度を１００℃に保持し、保持前後に室温で測定した内部抵抗の大きさの変化率を評価した。結果を表１に示す。ここで、内部抵抗の変化率が１０％未満であるものを良品とした。また、低温側電極部材と熱電材料チップの他端側との接合状態を目視により評価した。

表１から明らかなように、実施例１の装置は内部抵抗の変化率が４％であって、十分な性能を示すのに対し、比較例１〜３の装置はいずれも内部抵抗の変化率が大きく十分な性能を発揮することができないことが分かった。特に比較例１の装置では内部抵抗の測定も困難であった。

そして、低温側電極部材と熱電材料チップとの間の接合状態は、実施例１、比較例２及び３の装置について十分な状態であった。但し、実施例１の装置では、塗布したハンダが低温側電極部材と熱電材料チップとの接合界面のみに留まるため低温側電極部材は十分な伸縮性及び柔軟性を保っていたが、比較例２及び３の装置は、ハンダの量が多く、平編銅線電極から形成される低温側電極部材の内部にまでハンダが含浸されてしまって柔軟性が損なわれてしまった。

以上の結果から、低温側電極部材として繊維状部材を編み込んで伸縮自在に形成した部材である平編銅線電極を採用し、その伸縮性を損なうことなく用いることにより、熱電発電モジュール及びその熱電発電モジュールを採用した熱電発電装置の耐久性を向上できることが分かった。平編銅線電極の伸縮性を保持する方法としては、熱電材料チップとの接合を行うハンダを平編銅線電極の接合界面である表面近傍に限定することにより達成できることが分かった。

本実施形態１の熱電発電モジュール１０の構成及びその製造工程を示す図である。 本実施形態１の熱電発電装置の構成を示す側面図である。 本実施形態１の熱電発電装置の熱電材料チップ、電極部材及び基板の接合部分の断面を模式的に表した模式図である。 本実施形態１の熱電発電装置の熱電材料チップ、電極部材及び基板の接合部分の断面を模式的に表した模式図である。 本実施形態２の熱電発電モジュール１１の構成及びその製造工程を示す図で ある。 本実施形態２の熱電発電モジュール１１の低温側電極部材５’の製造工程を示す図である。 従来の熱電発電モジュールの側断面図である。

１：高温側電極部材、１０，１１：熱電発電モジュール、
２０：低温側基板、２１：高温側基板、２ａ：ｐ型熱電材料チップ、２ｂ：ｎ型熱電材料チップ、
３：メッキ層、
４：ハンダ層、
５，５’：低温側電極部材、
６：リード線取り出し部、
８：接着層、
９：接合層、
３１：熱電発電モジュール、３２：ｎ型半導体、３３：ｐ型半導体、３４，３５：電極、３６：破壊。

Claims (9)

1. 複数の低温側電極部材及び高温側電極部材と、前記低温側電極部材及び前記高温側電極部材の間に設けられ一端側を前記高温電極部材に接触するとともに他端側を前記低温側電極部材に接触して電気的に配列される複数の熱電材料チップと、を有し、一端側と他端側との温度差により電気エネルギーに変換し又は電気エネルギーを温度差に変換する熱電モジュールであって、
   前記低温側電極部材は、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材であり、前記熱電材料チップとの接触部分が接合部材により固着されていることを特徴とする熱電モジュール。
2. 請求項１において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材が前記電極部材の熱膨張方向に対して斜めに編み込まれていることを特徴とする熱電モジュール。
3. 請求項１又は２において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材の布状体が２枚以上重ねられて構成されていることを特徴とする熱電モジュール。
4. 低温側基板と、
   前記低温側基板に対向する高温側基板と、
   前記低温側基板及び前記高温側基板の各対向面に接合部材で接触又は固着するように配置された複数の低温側電極部材及び高温側電極部材と、前記低温側電極部材及び前記高温側電極部材の間に設けられ一端側を前記高温電極部材に固着するとともに他端側を前記低温側電極部材に固着して電気的に配列される複数の熱電材料チップと、をもち、一端側と他端側との温度差により電気エネルギーに変換し又は電気エネルギーを温度差に変換する熱電モジュールと、
   を有し、
   前記低温側電極部材は、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材であることを特徴とする熱電モジュールを用いた熱電装置。
5. 請求項４において、前記低温側電極部材は前記繊維状部材が前記電極部材の熱膨張方向に対して斜めに編み込まれていることを特徴とする熱電装置。
6. 請求項４又は５において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材の布状体が２枚以上重ねられて構成されていることを特徴とする熱電モジュールを用いた熱電装置。
7. 複数の高温側電極部材の一面側と複数の熱電材料チップの一端側とを接合する高温側電極接合操作と、
   前記熱電材料チップの他端側と複数の低温側電極部材の一面側とを接合部材を介して固着する低温側電極固着操作と、を含み、
   前記低温側電極部材は、電気伝導性をもつ伸縮可能な繊維状部材であることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
8. 請求項７において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材が前記電極部材の熱膨張方向に対して斜めに編み込まれていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
9. 請求項７又は８において、前記低温側電極部材は、前記繊維状部材の布状体が２枚以上重ねられて構成されていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。