JP5670989B2 - 熱電モジュールの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋳造法を適用した熱電モジュールの製造方法と、この製造方法によって製造された熱電モジュールに関するものである。

熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換できる熱電変換技術は、これまで利用されてこなかった廃熱を回収して利用する技術の一つとして近年注目されている。熱電変換を実現する手段として、ゼーベック効果を利用する熱電モジュールが知られている。熱電モジュールとは、２種類の金属又は半導体等からなる熱電材料を交互に配置し、これを複数組まとめた集合体である。最も一般的な熱電モジュールの構造は、Ｐ型半導体とＮ型半導体からなる熱電材料を交互に二次元で配列し、これらの熱電材料を電極を介して電気的に直列でありかつ熱的に並列になるように接続したものであって、一般にπ型構造と呼ばれる。π型構造の熱電モジュールは、上側と下側で温度差がある場合、高温側から低温側へと流れる熱流に伴って電荷を運ぶキャリアが拡散するが、キャリアの極性が異なる材料が交互に配置されているために、負荷を接続するなど閉回路にした場合には電流が一定の方向に流れて、電力を取り出すことができる。

π型構造を有する熱電モジュールの製造方法として、ホットプレス法などによって熱電材料のインゴットを作成し、このインゴットから熱電変換素子を切り出して基板上に配置し、はんだ付けや溶射などにより電極を形成する方法が知られている。特許文献１（特開２００５−２１７０５５号公報）には、支持基板上の配線導体上に半田ペーストを印刷し、複数のＮ型熱電素子とＰ型熱電素子とを治具の上に配列して半田ペースト上に転写して加熱することにより、半田ペーストと熱電素子とを接着する技術が開示されている。

また特許文献２（特開２０１０−１３５４５５号公報）には、Ｂｉ，Ｓｂからなる群から選択される少なくとも１種の元素と、Ｔｅ，Ｓｅからなる群から選択される少なくとも１種の元素との合金を原料として熱電変換モジュールを製造する技術が開示されている。特許文献２に開示される熱電変換モジュールの製造方法では、一旦原料を溶解してインゴットとした後に再度インゴットを加熱して溶解し、これを液体急冷法によって冷却して粉末としている。得られた粉末は、金型にセットされ、アルゴンガス雰囲気内で加熱して押出処理されることで、必要な強度を有する熱電材料となる。得られた熱電材料は、加工されて熱電モジュールとなる。

特開２００５−２１７０５５号公報（第００３３段落〜第００４７段落） 特開２０１０−１３５４５５号公報（実施例１、図１）

従来の熱電材料の製造方法では、ＢｉやＴｅ等を含む熱電材料の原料を溶解してインゴットを作製したあと、再度加熱してこのインゴットを溶解し、単ロール法、双ロール法、ガスアトマイズ法、回転ディスク法などの方法によって冷却して粉末を作成し、押出処理を行って強度の高い熱電材料を製造していた。しかしながら、この製造方法では溶解工程を２回行う必要があり、エネルギー消費量が大きいという問題があった。また従来の熱電モジュールの製造方法では、押出処理した熱電材料の切り出しに、スライシング、ダイシングなどの加工が必要であり、加工代が多いため歩留りが低下するという問題があった。さらに、熱電素子を配置する工程で多数の熱電素子を基板上に正確に位置決めして配置する必要があるため、量産性が低く、製造コストが増大するという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、熱電材料を必要な形状に加工する熱電素子の切り出し工程と、熱電素子の基板上への配置工程と、熱電素子電間に電極を成型する成型工程と、を行う必要のない熱電モジュールの製造方法の提供を解決すべき課題としてなされたものである。本発明は、より少ない工程数からなる新たな熱電モジュールの製造方法を提供することによって、形状の自由度の高い熱電モジュールを低コストで製造する技術を提供することを目的としている。

本発明は、熱電モジュールの製造方法に関する。本発明の熱電モジュールの製造方法は、Ｐ型熱電素子又はＮ型熱電素子である第一の熱電素子を所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第一の熱電素子の模型部と、当該第一の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第一のワックス模型を作成する工程と、第一のワックス模型を鋳型材料に埋め込んだ状態で当該鋳型材料を固化し、第一のワックス模型を溶かし出して第一の鋳型を造型する第一の造型工程と、第一の鋳型に第一の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、所定のパターンで配列した第一の熱電素子群を得る第一の鋳造工程と、を備えている。これに加えて本発明の熱電モジュールの製造方法は、第一の熱電素子と接続して熱電モジュールを形成するＮ型熱電素子又はＰ型熱電素子である第二の熱電素子を、第一の熱電素子と接合可能な所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第二の熱電素子の模型部と、当該第二の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第二のワックス模型を作成する工程と、第二のワックス模型を鋳型材料に埋め込んだ状態で鋳型材料を固化し、第二のワックス模型を溶かし出して第二の鋳型を造型する第二の造型工程と、第二の鋳型に第二の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、所定のパターンで配列した第二の熱電素子群を得る第二の鋳造工程と、第一の熱電素子群と第二の熱電素子群とを電気的に直列になるように接合する接合工程と、を備えていることを特徴とする。

尚、ここで言うＰ型熱電素子とは、電荷を運ぶ「キャリア」として正孔と呼ばれる電子の欠落が使われる材料を用いた熱電素子である。またＮ型熱電素子とは、電荷を運ぶ「キャリア」として自由電子が使われる材料を用いた熱電素子である。

本発明の熱電モジュールの製造方法は、ワックス模型の中の前記湯道の模型を熱電材料の溶湯の流入経路である湯口・湯道の模型と接続し、この湯口・湯道の模型に複数のワックス模型がツリー状に接続されたワックス模型組立体を形成するワックス模型の接続工程をさらに備えることが好ましい。このワックス模型組立体から造型された鋳型を用いて一度の鋳造工程によって同時に複数の熱電素子群を鋳造することができる。

本発明の熱電モジュールの製造方法は、ワックス模型によって再現されている熱電素子の底面を所定の曲面に沿うように形成し、鋳造された熱電素子群が所定の曲面に接して配置可能とすることができる。

本発明は、熱電モジュールの更なる製造方法を提供する。本発明の熱電モジュールの製造方法は、Ｐ型熱電素子又はＮ型熱電素子である第一の熱電素子を所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第一の熱電素子の模型部と、当該第一の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第一のワックス模型を作成する工程と、第一のワックス模型を鋳型材料に埋め込んだ状態で鋳型材料を固化し、第一のワックス模型を溶かし出して第一の鋳型を造型する第一の造型工程と、第一の鋳型に第一の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、所定のパターンで配列した第一の熱電素子群を得る第一の鋳造工程と、を備えている。さらに本発明の熱電モジュールの製造方法は、第一の熱電素子と接続して熱電モジュールを形成するＮ型熱電素子又はＰ型熱電素子である第二の熱電素子を、第一の熱電素子と電気的に直列に接合する所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第二の熱電素子の模型部と、当該第二の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第二のワックス模型を作成する工程と、第一の熱電素子群と第二のワックス模型とを接合する工程と、接合された第一の熱電素子群と第二のワックス模型とを鋳型材料に埋め込んだ状態でこの鋳型材料を固化し、第二のワックス模型を溶かし出して第一の熱電素子群と接合している第二の鋳型を造型する第二の造型工程と、第二の鋳型に第二の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、第一の熱電素子群と第二の熱電素子群とが接合している熱電モジュールを鋳造する第二の鋳造工程と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、熱電モジュールを鋳造法で製造することで、従来の原料粉末化工程、熱電材料の切り出し工程、熱電素子の配置、及び接合工程を集約することが可能であり、この結果、設備の簡略化及び製造コストの削減が可能となる。また、精密鋳造に用いられるワックス模型は、任意の形状の熱電素子を再現することができるので、熱電モジュールの形状設計の自由度を向上させる。

一実施形態に従う第一の熱電素子群を再現した第一のワックス模型１０の斜視図である。 一実施形態に従う第二の熱電素子群を再現した第二のワックス模型２０の斜視図である。 鋳造された第一の熱電素子群と鋳造された第二の熱電素子群とが接合されている状態を示す斜視図である。 第一の熱電素子１と第二の熱電素子４とが接合している状態を示す正面図である。 他の実施形態に従う第一の熱電素子群を再現した第一のワックス模型５０の斜視図である。 底面が円筒に沿う形状で鋳造された熱電素子群６０を模式的に示す正面図である。 複数のワックス模型３０がツリー状に接続されたワックス模型組立体３５の斜視図である。 他の実施形態による第一の熱電素子４１と第二の熱電素子４２とが接合している状態を示す正面図である。 一実施形態に従う熱電モジュールの製造工程を示すフローチャートである。 他の実施形態に従う熱電モジュールの製造工程を示すフローチャートである。 更なる他の実施形態に従う熱電モジュールの製造工程を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である熱電モジュールの製造方法とこの製造方法によって製造される熱電モジュールを説明する。併せて、本発明の他の実施形態及び好ましい態様についても言及する。

図９に、本実施形態の熱電モジュールの製造工程を示すフローチャートを示す。本実施形態において、熱電モジュールは、精密鋳造法の中のロストワックス法を応用して製造される。本実施形態の熱電モジュールの製造方法は、ワックス模型作成工程と、鋳型の造型工程と、鋳造工程とを備えている。ワックス模型作成工程では、熱電素子本体と湯道や湯口などの付属物を一体化した模型をワックス（ろう）で作成する。鋳型の造型工程では、作成されたワックス模型を耐熱性の金属容器の中に固定し、そこに鋳型となるスラリー状の充填材を流し込んで固化する。引き続き、固化した鋳型材料を加熱して中のワックスを溶かし出す「脱ろう」を行い、さらに高温で焼成して鋳型を造型する。鋳造工程では、完成した鋳型に溶融した金属を注湯して冷却する。最後に、鋳型を壊して鋳造品を得る。本実施形態では、このような精密鋳造法によって第一の熱電素子群と第二の熱電素子群とをそれぞれ鋳造し、これらを接合する工程を備えている。

以下、熱電モジュールの製造方法の各工程について、更に詳細に説明する。第一のワックス模型作成工程（Ｓ１）では、複数の第一の熱電素子を所定の数の行と列からなる二次元のパターンで配列した状態を再現した、第一のワックス模型１０を作成する。本実施形態で再現される第一の熱電素子１を、図４に示す。第一の熱電素子１は、四角柱型の本体部２の上部に、第二の熱電素子４の上部との接合部３ａが突出しており、その先端に平坦な接合面が設けられている。本体部２の下部には第二の熱電素子４の下部との接合部３ｂが突出しており、その先端に平坦な接合面が設けられている。接合部３ａと接合部３ｂの突出する方向は、互いに９０°又は１８０°異なっており、接合部３ａと接合部３ｂとがそれぞれ異なる第二の熱電素子と接合するように構成されている。

図１に、第一のワックス模型作成工程（Ｓ１）で作成された第一のワックス模型１０の斜視図を示す。本実施形態において製造される熱電モジュールは、第一の熱電素子と第二の熱電素子とが交互に複数の行と列からなる二次元のパターンで配置される。そのため第一の熱電素子の模型部１１は、第一の熱電素子が、前後左右に第二の熱電素子１個分の空間が設けられている状態で、複数の行と列からなる二次元のパターンで配列されている。第一の熱電素子の本体部２は、本体部模型１２として再現されている。接合部３ａ、３ｂは、接合部模型１３ａ、１３ｂとして再現されている。更に第一のワックス模型１０の上部には、熱電材料の溶湯を導入するための複数の湯道の模型１４が付属品として配置されており、全ての第一の熱電素子の模型部１１の上部が湯道１４の底面に接続されて一体化している。全ての湯道の模型１４はさらに、湯道の模型１５を介して湯道の模型１６に接続されている。なお、湯道の模型１６には、その上部に図示しない湯口の模型が接続されるようになっている。

第一のワックス模型作成工程では、このような第一の熱電素子群と付属品の形状を、射出成型法又はラピッドプロトタイピング法を適用することで正確に再現する。あるいは３Ｄプリンタを用いることによって、第一の熱電素子１の形状をワックスで再現する。

次に、本実施形態の熱電モジュールの製造方法では、第一の鋳型の造型工程（Ｓ２）を行う。造型工程では、第一のワックス模型１０を耐熱性の金属容器の中に固定し、そこに鋳型材料であるスラリー状の充填材を流し込む。鋳型材料である充填材は、第一のワックス模型１０の湯口の模型に対応する箇所の周囲が充填材で満たされる状態まで流し込まれることが好ましい。充填材としては、鋳造する金属の溶湯温度を考慮して、例えば石膏又はシリカ系充填材を使用することができる。尚、造型工程を、予め充填材を投入してある容器の中にワックス模型を投入して行うことも可能である。充填材を流し込んだあと、鋳型に付着している気泡などを除去するために、超音波や振動を与えて気泡などを除去して、乾燥を行い、充填材を固化して鋳型とする。なお、真空手段又は減圧手段を用いて気泡などを除去してもよい。引き続き、湯口１６が下側となるように金属容器全体を回転させた状態で、固化した充填材をワックスの溶解温度よりも高温に加熱してワックスを溶かして排出する。さらに、高温で焼成することで、鋳型が完成する。ワックスが排出されたのち、鋳型の内部には、第一の熱電素子群と湯道の模型１４，１５，１６及び湯口の模型の形状に対応する空洞が形成される。

完成した鋳型を用いて、第一の鋳造工程（Ｓ３）を行う。第一の鋳造工程とは、第一の熱電材料を、大気中、真空、又は不活性ガス雰囲気で溶解して溶湯とし、形成された湯口からこの溶湯を注入して固化し、鋳造品を得る工程である。本工程では、溶湯の湯流れ性が悪い場合には、加圧鋳造法、減圧鋳造法を適用することで、湯流れ性を改善することで、さまざまな特性の溶湯に対応することができる。また、ワックス模型１０の作成時に、湯道の形状、場所、数を適宜変更することによって、湯流れ性を改善し、特性の異なる熱電材料に対応することができる。

鋳造工程において、第一の熱電材料が固化温度に到達した後は、直ちに金属性容器を水中に投入し、全体を急冷することによって、充填材から、完成した鋳造品を容易に取り出すことができる。急冷を行わない場合には、鋳造品全体を充分に冷却してから取り出し、ショットブラスト、研磨などにより鋳造品から充填材を取り除くことができる。このようにして完成した鋳造品は、第一の熱電材料によって形成されており、配列された第一の熱電素子１と湯口・湯道で固化した熱電材料からなる付属物９とが一体化した形状のものである。

第一のワックス模型作成工程から独立して、第二のワックス模型作成工程（Ｓ４）を行うことができる。第二のワックス模型作成工程では、第二のワックス模型２０を作成する。第二のワックス模型２０は、第一の熱電素子と電気的に直列に接合可能であるように、所定の二次元のパターンで配列されている、一群の第二の熱電素子を再現する。本実施形態で再現される第二の熱電素子４（図４参照）は、四角柱型の本体部５の上部に、第一の熱電素子１の上部と接合する接合部６ａが突出しており、その先端に平坦な接合面が設けられている。本体部５の下部には第一の熱電素子１の下部と接合する接合部６ｂが突出しており、その先端に平坦な接合面が設けられている。

図２に、第二の熱電素子群を再現した第二のワックス模型２０の斜視図を示す。第二の熱電素子の模型部２４は、第一の熱電素子１の配置と相補的となるパターンで配列されている。第二の熱電素子４の本体部５は、本体部模型２５として再現されている。接合部６ａ、６ｂは、接合部模型２６ａ、２６ｂとして再現されている。これに加えて、第二のワックス模型２０の下部には、第二の熱電材料の溶湯を導入するための複数の湯道の模型２７が配置されており、全ての第二の熱電素子の模型部２４の底面が湯道の模型２７の上面に接続されて一体化している。全ての湯道の模型２７はさらに図示されない湯口の模型を備えた湯道の模型２８に接続されている。第二のワックス模型作成工程は、第一のワックス模型作成工程と同様に、射出成型法又はラピッドプロトタイピング法の適用、あるいは３Ｄプリンタによって、第二の熱電素子４の形状をワックスで正確に再現する。

第二の鋳型の造型工程（Ｓ５）は、第一の鋳型の造型工程（Ｓ２）と同様の実施形態で行うことができる。第二の鋳造工程（Ｓ６）は、第一の鋳造工程（Ｓ３）と同様の実施形態で行うことができる。鋳造工程（Ｓ６）によって完成する鋳造品は、第二の熱電材料によって形成されており、配列された複数の第二の熱電素子４と付属物９とが一体化した形状を有している。

接合工程（Ｓ７）は、図３に示すように、第一の熱電素子１の接合部３ａの先端の接合面と、第二の熱電素子４の接合部６ａの先端の接合面とを位置合わせし、同時に第一の熱電素子１の接合部３ｂの先端の接合面と第二の熱電素子４の接合部６ｂの先端の接合面とを位置合わせした状態で接合する工程である。このときの接合方法としては、拡散接合、常温圧接、溶融接合などを好適に用いることができる。接合が完了したとき、全ての第一の熱電素子１と第二の熱電素子４とは、交互に、電気的に直列に接続される。

付属物除去工程（Ｓ８）では、第一の熱電素子１と第二の熱電素子４以外の付属物９を切削又は研磨して除去する。付属物９が除去されたことで、第一の熱電素子と第二の熱電素子とが交互に直列に配置された熱電モジュールが完成する。

以上説明したように、本実施形態の熱電モジュールの製造方法は、それぞれの熱電材料を一度溶解して鋳造することで熱電素子を得ることができ、従来よりも製造時のエネルギー消費量を少なくすることが可能である。また従来の熱電モジュールの製造方法で必要とされた熱電材料の切り出し加工が不要であるため原料の歩留りが高いという効果が得られる。さらに、熱電素子は、所定のパターンで配列された状態で一体化して鋳造されるために、完成した熱電素子を基板上に正確に位置決めして配置する必要がなく、より量産性に優れている。

［より好ましい熱電モジュールの製造方法］
一度の鋳造工程で複数の熱電素子群を作成し、熱電モジュールの製造効率をより向上することができる好ましい製造方法について以下に説明する。本実施形態は、複数のワックス模型をツリー状に接続して一体化したワックス模型組立体を用いて、複数の熱電素子群を作成することを特長とする。尚、上述した実施形態と同一の内容の工程については、詳細な説明を割愛する。

本実施形態で行われる熱電モジュールの製造方法のフローチャートを図１０に示す。本実施形態における第一の熱電素子の製造工程と第二の熱電素子の製造工程とは、ワックス模型作成工程から鋳造品の分割工程までがそれぞれ独立して行われる。それぞれのワックス模型作成工程（Ｓ１１、Ｓ１６）では、第一のワックス模型と第二のワックス模型とがそれぞれ複数個作成される。ここで作成される模型は、所定のパターンで配列された一群の本体部模型３１と横方向に延在する湯道の模型３２とが一体化している部分の模型であって、これは図７の符号３０で示される部分に対応している。本実施形態では、次に、作成されたワックス模型の接続工程（Ｓ１２，Ｓ１７）を行う。ワックス模型接続工程（Ｓ１２，Ｓ１７）では、ワックス模型３０の中の湯道の模型３２を中央に配置された支柱状の湯口・湯道の模型３３に接続することで、複数のワックス模型３０をツリー状に接続して一体化する。湯道の模型３２と湯口・湯道の模型３３の接続は、両方のワックス模型の接続箇所を、ワックスが軟化する温度である約１００℃に加熱することで行われる。第一のワックス模型接続工程（Ｓ１２）により、複数の第一のワックス模型３０がツリー状に接続されている第一のワックス模型組立体３５が形成される。またワックス模型接続工程（Ｓ１７）により、複数の第二のワックス模型がツリー状に接続されている第二のワックス模型組立体が形成される。

鋳型の造型工程（Ｓ１３，Ｓ１８）では、得られたそれぞれのワックス模型組立体３５を金属性の容器に固定し、そこに充填材を流し込んで鋳型を造型する。得られた鋳型に対して、熱電材料の溶湯を注入して鋳造工程（Ｓ１４，Ｓ１９）を行うことで、一度の鋳造工程によって同時に複数の熱電素子群を鋳造することが可能である。完成した鋳造品は、一群の熱電素子ごとに分割する（Ｓ１５，Ｓ２０）。分割された第一の熱電素子群と第二の熱電素子群とを接合する工程（Ｓ２１）と、付属物を除去する工程（Ｓ２２）とを行うことで、熱電モジュールを構成することができる。本実施形態の熱電モジュールの製造方法によれば、一度に複数の熱電素子群を得ることができるため、一層製造の効率を向上させて、より安価に熱電モジュールの製造を行うことができる。

［他の実施形態による熱電モジュールの製造方法］
本発明の他の実施形態による熱電モジュールの製造方法のフローチャートを図１１に示し、その各工程を以下に説明する。本実施形態では、始めに、第一のワックス模型作成工程（Ｓ３１）と、第一の鋳型の造型工程（Ｓ３２）と、第一の鋳造工程（Ｓ３３）とを順次行って、第一の熱電素子群と付属物とが一体化した第一の鋳造品を作成する。次に、第二の熱電素子群のワックス模型を作成する（Ｓ３４）。この第二の熱電素子群のワックス模型は、第一の熱電素子と電気的に直列に接合するように所定のパターンで配列した、第二の熱電素子群の配置と形状とを再現している。次に、第一の鋳造品の熱電素子の接合面と第二のワックス模型の熱電素子模型の接合面とを位置あわせした状態で配置する（Ｓ３５）。この接合は、第一の鋳造品と第二のワックス模型とを位置決めして固定した状態で、第二のワックス模型の熱電素子模型との接合面のワックスを加温して行われる。なお、逆に、第一の鋳造品の熱電素子の接合面を加温して行ってもよい。次に、第一の鋳造品の接合面と第二のワックス模型の接合面とが接触した状態である中間組立体を、鋳型材料である充填材に埋め込み、固化した後に鋳型を加温して第二のワックス模型を溶かし出す。これにより、前記第一の熱電素子群と電気的に直列に接続する所定の位置に、第二の熱電素子群に対応する第二の鋳型が造型される（Ｓ３６）。この第二の鋳型に、第二の熱電材料の溶湯を注湯して固化することで、第一の熱電素子群の鋳造品に第二の熱電材料の溶湯が接触し、所定の二次元のパターンで第一の熱電素子と第二の熱電素子とが交互に配列し接合している熱電モジュールを鋳造することができる（Ｓ３７）。本実施形態の熱電モジュールの製造方法によって、上記の実施形態で説明した接合工程を省略することが可能となる。

［本発明に係る熱電モジュール］
本発明に係る製造方法によって製造される熱電モジュールの材料としては、通常、合金が用いられる。熱電材料に適した材料として、例えば鉄系ホイスラー合金型の材料が使用される。しかしながら、溶解して金属溶湯とすることのできる熱電材料であれば、本実施形態の製造方法に適用が可能である。ただし、熱電モジュールとして機能するために、第一の熱電素子群がＰ型熱電材料で形成されたＰ型熱電素子であるときは、第二の熱電素子群は、Ｎ型熱電材料で形成されたＮ型熱電素子であり、第一の熱電素子と第二の熱電素子とは直列に接続される必要がある。第一の熱電素子群がＮ型熱電材料で形成されたＮ型熱電素子であるときは、第二の熱電素子群は、Ｐ型熱電材料で形成されたＰ型熱電素子であり、第一の熱電素子と第二の熱電素子とは直列に接続される必要がある。特に好ましくは、第一の熱電素子がＰ型半導体またはＮ型半導体のいずれか一方で形成されており、第二の熱電素子が第一の熱電素子とは異なる型の半導体で形成されている。

本発明の熱電モジュールに使用される熱電素子は、精密鋳造によって製造されていることを特長としている。このため、従来よりも形状自由度が高く、種々の外観形状を提供することができる。一実施形態として、図８に示すように、第一の熱電素子４１を本体部４１ａとその上部に延在する接合部４１ｂとからなる形状とし、第二の熱電素子４２を本体部４２ａとその下部に延在する接合部４２ｂとからなる形状とすることが可能である。第一の熱電素子４１の接合部４１ｂは、接合される第二の熱電素子４２の本体部の上面全体と接合するために必要な長さで形成することができる。同様に、第二の熱電素子４２の接合部４２ｂは、接合される第一の熱電素子４１の本体部の下面全体と接合するために必要な長さで形成することができる。本実施形態の熱電素子４１，４２は、接合部４１ｂ，４２ｂをより長く形成することで互いの接合面積がより広くなり、安定した接合強度を得るという特長がある。また接合部の長い熱電素子を複数配置したワックス模型を作る場合、湯道をより少なくして鋳型を作ることが可能となる。図５に、複数の第一の熱電素子４１を所定のパターンで配列した状態を再現した第一のワックス模型５０の斜視図を示す。第一の熱電素子４１の形状は、第一の熱電素子の模型部５１として再現されており、本体部４１ａが本体部模型５１ａとして再現され、接合部４１ｂが接合部模型５１ｂとして再現されている。隣り合う接合部模型５１ｂ、５１ｂ・・・との間には、湯道の模型５２，５２，・・・が配置されている。本実施形態のワックス模型５０では、その全長に亘って設けられている湯道の模型は中央の湯道の模型５３のみであるが、接合部に対応した型の部分を溶湯が通過することで、充分な湯流れの特性が得られる。図５に示したワックス模型５０を使用して一群の熱電素子を製造することにより、湯道が少ないために鋳造工程での熱電材料の歩留りをより高くできるという効果が得られる。

本発明の製造方法によって製造される熱電モジュールの他の形態を以下に示す。本実施形態の一群の熱電素子は、所定の二次元のパターンで配列されたときに、全ての熱電素子の底面が所定の曲面に接するように、その配置と底面の形状が予め規定された鋳型を用いて鋳造されている。図６に、底面が円筒に沿う形状で鋳造された一群の熱電素子６０の配置を模式的に示す正面図を示す。図６に示した底面を有する熱電素子６０は、対応するワックス模型の底面を、円筒所定の曲面に沿うように形成することで製造される。ワックス模型の底面は、射出成型法又はラピッドプロトタイピング法を適用することで曲面の形状を正確に再現可能である。あるいは３Ｄプリンタを用いることによって、曲面の形状を正確に再現可能である。

［その他の変更例］
本実施形態で説明した熱電素子の形状および配置は、適宜変更が可能である。例えば、図４では、本体部が四角柱状に形成された熱電素子について説明したが、円柱状あるいは断面が多角形の柱状とすることが可能である。さらに、隣り合う熱電素子との間隔及び接合部の形状は、熱電素子を構成する材料の加工特性と電気的特性・熱特性によって適宜変更が可能である。

本発明の製造方法によって製造された熱電モジュールは、必要な配線を行ってアルミナ等の絶縁材料で被覆することで、自動車の排気系部品や工場等の温水配管及び高温排気管等に設置し、温度差による発電を行うことができる。特に、底面が円筒に沿う形状で形成された熱電モジュールは、熱源としてパイプ等の配管や排気管の外面に適用することが容易である。

１，４１ 第一の熱電素子
２ 第一の熱電素子の本体部
３ａ，３ｂ，４１ａ 第一の熱電素子の接合部
４，４２ 第二の熱電素子
５ 第二の熱電素子の本体部
６ａ，６ｂ 第二の熱電素子の接合部
９ 付属物
１０，３１，５０ 第一のワックス模型
１１，５１ 第一の熱電素子の模型部、
１２，５１ａ 第一の熱電素子の本体部模型
３ａ，３ｂ，５１ａ 第一の熱電素子の接合部模型
１４，１５，１６，５２，５３ 湯道の模型
２０ 第二のワックス模型
３０ ワックス模型
３５ ワックス模型組立体

Claims (4)

1. Ｐ型熱電素子又はＮ型熱電素子である第一の熱電素子を所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第一の熱電素子の模型部と、当該第一の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第一のワックス模型を作成する工程と、
   前記第一のワックス模型を鋳型材料に埋め込んだ状態で当該鋳型材料を固化し、前記第一のワックス模型を溶かし出して、第一の鋳型を造型する第一の造型工程と、
   前記第一の鋳型に第一の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、所定のパターンで配列した第一の熱電素子群を得る第一の鋳造工程と、
   前記第一の熱電素子と接続して熱電モジュールを形成するＮ型熱電素子又はＰ型熱電素子である第二の熱電素子を、第一の熱電素子と接合可能な所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第二の熱電素子の模型部と、当該第二の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第二のワックス模型を作成する工程と、
   前記第二のワックス模型を鋳型材料に埋め込んだ状態で当該鋳型材料を固化し、前記第二のワックス模型を溶かし出して、第二の鋳型を造型する第二の造型工程と、
   前記第二の鋳型に第二の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、所定のパターンで配列した第二の熱電素子群を得る第二の鋳造工程と、
   第一の熱電素子群と第二の熱電素子群とを電気的に直列になるように接合する接合工程と、
   を備えていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
2. 前記ワックス模型の中の前記湯道の模型を熱電材料の溶湯の流入経路である湯口・湯道の模型に接続することで、前記湯口・湯道の模型に複数のワックス模型がツリー状に接続しているワックス模型組立体を形成するワックス模型の接続工程をさらに備えており、
   前記ワックス模型組立体から造型された鋳型を用いて、一度の鋳造工程によって同時に複数の熱電素子群を鋳造することを特徴とする請求項１に記載の熱電モジュールの製造方法。
3. 前記ワックス模型によって再現されている熱電素子は、底面が所定の曲面に沿うように形成されており、鋳造された熱電素子群が所定の曲面に接して配置可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電モジュールの製造方法。
4. Ｐ型熱電素子又はＮ型熱電素子である第一の熱電素子を所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第一の熱電素子の模型部と、当該第一の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第一のワックス模型を作成する工程と、
   前記第一のワックス模型を鋳型材料に埋め込んだ状態で前記鋳型材料を固化し、前記第一のワックス模型を溶かし出して第一の鋳型を造型する第一の造型工程と、
   前記第一の鋳型に、第一の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、所定のパターンで配列した第一の熱電素子群を得る第一の鋳造工程と、
   前記第一の熱電素子と接続して熱電モジュールを形成するＮ型熱電素子又はＰ型熱電素子である第二の熱電素子を、第一の熱電素子と電気的に直列に接合する所定のパターンで配列した状態を再現している複数の第二の熱電素子の模型部と、当該第二の熱電素子の模型部に接続された湯道の模型とが一体化している第二のワックス模型を作成する工程と、
   前記第一の熱電素子群と前記第二のワックス模型とを接合する工程と、
   接合された前記第一の熱電素子群と前記第二のワックス模型とを鋳型材料に埋め込んだ状態で当該鋳型材料を固化し、前記第二のワックス模型を溶かし出して前記第一の熱電素子群と接合している第二の鋳型を造型する第二の造型工程と、
   前記第二の鋳型に、第二の熱電材料の溶湯を注湯して固化し、前記第一の熱電素子群と前記第二の熱電素子群とが接合している熱電モジュールを鋳造する第二の鋳造工程と、
   を備えていることを特徴とする熱電モジュールの製造方法。
   

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