[发明专利]热电转换元件的制造装置及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电转换元件的制造装置及制造方法。

背景技术

热电转换元件使用的是利用了珀尔帖效应(Peltier Effect)或塞贝克效应(Seeback Effect)的元件。由于该热电转换元件构造简单且容易处理并能够维持稳定的特性，所以近年来，其大范围的利用备受瞩目。特别是作为电子冷却元件使用时，能够进行局部冷却及室温附近的精密的温度控制，所以面向光电、半导体激光等的恒温化等而在进行广泛的研究。

如图7所示，上述的电子冷却元件或用于热电发电的热电模块的结构为，经由连接电极(金属电极)7将p型热电转换元件(p型半导体)5和n型热电转换元件(n型半导体)6连接而形成pn元件对，并且串行排列多个该pn元件对。此时，根据流过pn元件对的电流方向，使p型热电转换元件5及n型热电转换元件6的一端部发热，同时使另一端部冷却。在图7中，8、9是外部连接端子，10是陶瓷制的基板，H是表示热的流向的箭头。

该热电转换元件的材料使用在该元件的利用温度区域内，由物质固有的常数即塞贝克(Seebeck)系数α、电阻率ρ及热导率K表示的性能指数Z(＝α²/ρK)大的材料。作为热电转换元件通常使用的结晶材料是Bi₂Te₃类材料，但已知存在下述问题，即，这些结晶具有显著的劈开性，在经过用于从结晶块(ingot)获得热电转换元件的切片、切割步骤等后，由于破裂或缺损，成品率极低。

为了解决该问题，试验了通过下述各步骤制作热电转换元件模块的方法，其包括：加热步骤，将材料粉末混合以具有所期望的组成，并将其加热熔化；凝固步骤，形成具有菱形结构(六面晶体结构)的热电转换材料的固溶体晶块；粉碎步骤，将固溶体晶块粉碎而形成固溶体粉末；造粒步骤，使固溶体粉末的粒径均一；烧结步骤，对粒径均一的固溶体粉末进行加压烧结；以及热镦锻锻造步骤，通过使该粉末烧结体热间塑性变形并延展，从而使粉末烧结组织的结晶粒取向性能指数优异的结晶方位。(例如，参照专利文献1)。

另外，作为现有的热电转换元件模块的制造方法已知有下述制造方法，其包括：制造合金锭的步骤；在氧气浓度为100ppm以下的真空或惰性气体的环境气体下将合金锭粉碎，粉碎为平均粉末粒径为0.1μm以上而小于1μm的原料粉末；以及烧结步骤，对该原料粉末施加压力，同时通过电阻加热将所述原料粉末烧结。在所述烧结步骤中，流过脉冲状电流，通过其焦耳热对原料粉末进行烧结，并在烧结中对原料粉末施加100kg/cm²以上且1000kg/cm²以下(9.8MPa以上且98.1MPa以下)的压力。通过该制造方法，制造出结晶粒径细微且加工性优异的热电转换材料(例如，参照专利文献2)。

另外，作为现有的热电转换元件模块的制造方法已知有下述方法，即，在收纳溶化了的热电转换材料的坩埚内收纳由耐热性绝缘材料构成的整个管子，通过对溶化了的热电转换材料进行加压而填充所述管子(例如，参照专利文献3～6)。进而，作为热电转换元件的制造方法已知有下述方法，即，将玻璃细管的一端插入溶化了的热电转换材料，吸升所述热电转换材料，使热电转换材料凝固，并切断所述细管而获得热电转换元件(例如，参照专利文献7)。

专利文献1：(日本)特开平11-261119号公报

专利文献2：(日本)特开2003-298122号公报

专利文献3：(日本)特开平10-290030号公报

专利文献4：(日本)特开平5-152616号公报

专利文献5：(日本)特开平8-228027号公报

专利文献6：(日本)特开2007-281070号公报

专利文献7：(日本)特开昭61-201484号公报

然而，热电转换元件模块需要在高温侧/低温侧的温度差，所以由于起因于温度差的热膨胀的差，在热电转换元件和连接电极产生热应力。因此，若为了获得大电位差而提高温度差，则热电转换元件和连接电极之间的连接部分的应力变大。在现有的热电转换元件模块中，连接电极仅与热电转换元件连接。因此，针对所述应力的所述连接部分的可靠性不高。另外、由于将热电转换元件一个个地单独安装而制作现有的热电转换元件模块，所以存在难以高密度排列热电转换元件，取出的输出小的问题。

另外，例如，在专利文献1所示的制造方法及装置中，存在下述问题，即难以在多个热电转换元件之间形成绝缘层，无法实现上述的热电转换元件的高密度排列。