JP2000196154A - 熱電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 インダクタンスの部品兼用化を容易にする熱
電素子を提供する。 【解決手段】 Ｐ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメ
ントを配列してこれらＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電
エレメントの端面を交互に直列に接続してなる熱電素子
において前記Ｐ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメン
トの配置をＰ型熱電エレメントとＮ型熱電エレメントの
対を交互に替えることで各熱電エレメントを通過する螺
旋状に流れる電流で生成される磁力線が互いに打ち消さ
ないようにしてインダクタンスを確保するように配置し
接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は温度差による発電、
または、電流を流すことによる冷却及び発熱を行うこと
ができる熱電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子は金属等の導電性電極を介して
Ｐ型熱電材料とＮ型熱電材料とを接合してＰＮ接合対を
形成することにより作成される。この熱電素子はＰＮ接
合対間に温度差を与えることによりゼーベック効果に基
づく起電力を発生する事から温度差を利用した発電装置
としての用途がある。また、素子に電流を流すことによ
り接合部の一方で冷却、他方の接合部で発熱が起こるペ
ルチェ効果を利用した冷却装置、加熱装置等としての用
途がある。

【０００３】このような熱電素子はその性能を向上する
ために複数個の素子が直列につながれた熱電モジュール
として用いられる。この熱電モジュールの構造は一辺が
数百μｍから数ｍｍの直方体の形状をしたＰ型熱電エレ
メント及びＮ型熱電エレメントが２枚のアルミナや窒化
アルミニュウムなどの電気絶縁性基板で挟持され、Ｐ型
熱電エレメント及びＮ型熱電エレメントがこの基板上で
金属などの導電性物質からなる電極で接合されると同時
にこの接合により各熱電エレメントが直列に繋がれてい
る。また、複数の柱状のＰ型熱電エレメント及びＮ型熱
電エレメントは製造上の容易さから配置においてＰ型熱
電エレメントの列の隣にＮ型熱電エレメントを配置しモ
ジュールにする場合これらの配置の繰り返しになりＰ型
熱電エレメント及びＮ型熱電エレメントを流れる電流で
生成される磁界はＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレ
メントを１つのコイルと見なした場合磁場の方向が全て
一致し隣接するＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメ
ントを１つのコイル同士で磁界を打ち消し合い全体でイ
ンダクタンスに寄与する磁界はモジュール全体の両端の
Ｐ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメントのコイルだ
けとなってしまう。

【０００４】このような熱電素子の例を図６に示す。こ
の熱電素子は、複数の柱状のＰ型熱電エレメント４及び
Ｎ型熱電エレメント３を配列したものを交互に直列に且
つ空間的にも直線的に接続パターン２及び接続パターン
５で接続、配置したものである。複数の柱状のＰ型熱電
エレメント４及びＮ型熱電エレメント３の中を流れる電
流６は冷却素子や加熱素子で使用される場合には端子１
から供給され、また発電素子として使用される場合には
端子１から起電流の形で出力されるが、図のように流れ
この電流により磁界が発生しその磁力線７の向きはフレ
ミングの右手則により図のようになり、隣合う磁力線の
向きが同じため結果として打ち消し合い全体で寄与する
磁力線は熱電素子全体の両端のものだけとなり大きなイ
ンダクタンス量を得ることが難しくなる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが上述したよう
なＰＮ接合を形成する熱電モジュールにおいて小型機器
に使用する熱発電装置としての熱電モジュールではその
起電力がごく僅かであり何らかの方法で昇圧する必要が
あり、昇圧回路にインダクタンスが必要になる。また、
消費電力を低減するために冷却装置叉は加熱装置である
熱電モジュールを駆動する信号をパルス化することがあ
るが何らかの方法で駆動電流を平均化する必要がありこ
の時にインダクタンスが必要となる。小型機器の場合、
機器全体の大きさの制限から部品点数を減らして実装面
積を削減し小型化を実現する必要がある。一般にインダ
クタンスは、磁性体材料の周辺に導体となる銅やアルミ
をコイル状に配置したもので形成されるため小型化が困
難である。

【０００６】本発明はこのような問題を解決するもので
あって部品兼用化を容易にする熱電素子を提供すること
を課題とする。

【０００７】

【発明が解決するための手段】前記課題を解決する本発
明の第一の態様はＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレ
メントを配列してこれらＰ型熱電エレメント及びＮ型熱
電エレメントの端面を交互に直列に接続してなる熱電素
子において前記Ｐ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメ
ントの配置をＰ型熱電エレメントとＮ型熱電エレメント
の対としたとき次の配置においてはＮ型熱電エレメント
とＰ型熱電エレメントの対として、さらに次の配置では
逆のＰ型熱電エレメントとＮ型熱電エレメントの対とし
て交互に配置していくことで各熱電エレメントを通過す
る電流が螺旋状になるように配置しさらに隣合うＰ型熱
電エレメント及びＮ型熱電エレメントでつくられるコイ
ルの磁界の方向が互いに逆になるようして磁界の打ち消
し合うことを回避しインダクタンス量を増加させるよう
にＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメントを配置・
配線したことを特徴とする熱電素子にある。

【０００８】本発明の第二の態様は熱電素子においてそ
の中心からその周辺に向かって螺旋状にＰ型熱電エレメ
ント及びＮ型熱電エレメントを交互に配置し平面的なコ
イルでインダクタンスを形成すること特徴とした熱電素
子である。本発明の第三の態様は第一の態様または第二
の態様において各熱電エレメントを通過する電流により
生成された磁力線が効率よく磁気回路を形成できるよう
にＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメントが作る磁
場に磁性体材料を配置して磁力線が磁性体材料を通過す
ることで磁束の漏れだしを抑制することを特徴とする熱
電素子にある。

【０００９】本発明の第四の態様は第一の態様または第
二の態様において各熱電エレメントを通過する電流によ
り生成された磁力線が効率よく閉磁気回路を形成できる
ようにＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメントが作
る空間を磁性体材料で充填し磁束の漏れだしを抑制する
ことを特徴とする熱電素子にある。本発明の第五の態様
は第一の態様または第二の態様において各熱電エレメン
トを保持しているシリコン基板にシリコンで形成される
抵抗体でインダクタンスを形成し熱電素子と直列に接続
することで熱電素子だけで得られるインダクタンス量を
補うことを特徴とする熱電素子にある。

【００１０】本発明の第六の態様は第五の態様において
各熱電エレメントを保持しているシリコン基板にシリコ
ンで形成される抵抗体の代わりにアルミ配線でインダク
タンスを形成し熱電素子と直列に接続することで熱電素
子だけで得られるインダクタンス量を補うことを特徴と
する熱電素子にある。本発明の第七の態様は第四の態様
および第六の態様において各熱電エレメントを保持して
いるシリコン基板を使用する代わりに磁性体材料を使用
して各熱電エレメントを通過する電流により生成された
磁力線が効率よく閉磁気回路を形成できるようにして磁
束の漏れだしを抑制することを特徴とする熱電素子にあ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を基づいて本発明の形
態を詳細に説明する。図１に本発明の第一実施形態の熱
電素子の組立図を示す。図１にあるようにＰ型熱電エレ
メント４とＮ型熱電エレメント３は、エレメントの上部
同士を接続する接続パターン２とエレメントの下部同士
を接続するパターン５により、上は上で下は下で独立し
て接続されるようになっている。このためＰ型熱電エレ
メント４とＮ型熱電エレメント３を通過する電流６は螺
旋状に流れ、この電流６において発生する磁力線７，８
は磁場を形成し、隣合う磁力線７と８の向きはＰ型熱電
エレメント４とＮ型熱電エレメント３の配置がＰ型熱電
エレメント４とＮ型熱電エレメント３の対で交互に逆と
なっているために互いに強め合い、この磁場により、電
気回路的により大きなインダクタンス量を保持するイン
ダクタンスを形成することになる。本発明の第一実施形
態の熱電素子では、一般に使われている空心コイルに相
当するインダクタンスを形成している。

【００１２】図２に本発明の第二実施形態の熱電素子の
組立図を示す。図２にあるようにＰ型熱電エレメント４
とＮ型熱電エレメント３は、エレメントの上部同士を接
続する接続パターン２とエレメントの下部同士を接続す
るパターン５により、上は上で下は下で独立して接続さ
れるようになっている。このためＰ型熱電エレメント４
とＮ型熱電エレメント３を通過する電流は平面的に螺旋
状に流れ、この電流において発生する磁力線は磁場を形
成し、この磁場により、電気回路的にインダクタンスを
形成することになる。本発明の第二実施形態の熱電素子
では、一般に使われている空心平面コイルに相当するイ
ンダクタンスを形成している。

【００１３】図３は、本発明の第三実施形態の熱電素子
の組立図で図１との差異はＰ型熱電エレメント４とＮ型
熱電エレメント３を保持している上下のシリコン基板９
の表面に磁性体材料１０を張り付け空間に逃げるＰ型熱
電エレメント４とＮ型熱電エレメント３を通過する螺旋
状に流れる電流６で発生する磁力線７，８を集めること
でインダクタンス量を増加せている。

【００１４】図４は、本発明の第四実施形態の熱電素子
の組立図で図１との差異はＰ型熱電エレメント４とＮ型
熱電エレメント３の間の空間を磁性体材料１１で充填し
て空間に逃げるＰ型熱電エレメント４とＮ型熱電エレメ
ント５を通過する螺旋状に流れる電流６で発生する磁力
線７，８を集めることでインダクタンス量を増加せてい
る。

【００１５】図５は、本発明の第五実施形態及び第六実
施形態の熱電素子で使用されるＰ型熱電エレメント４と
Ｎ型熱電エレメント３を保持している上下のシリコン基
板９の表面の形状を示している。本発明の第五実施形態
ではパターン１２はシリコンの抵抗体で形成されてい
て、本発明の第五実施形態ではパターン１２はアルミ配
線で形成されている。当然のことながら本発明の第二の
実施形態にこの形態を付加する場合、各熱電エレメント
により生成される磁力線の向きとパターン１２で生成さ
れる磁力線の向きとが一致していることが必要とされ
る。

【００１６】これらの第一実施形態から第七実施形態を
複合することでさらにインダクタンス量を増加する事が
可能である。

【００１７】

【発明の効果】以上、実施形態において詳細に説明した
ように本発明によれば熱電素子と熱電素子を使用して発
電する場合の昇圧回路に使用されるインダクタンス、ま
たは、冷却及び加熱する場合の熱電素子駆動回路で使わ
れる駆動パルスの平滑回路に使用されるインダクタンス
を特別に外部で用意せずに熱電素子そのもので構成する
ことにより、従来大きなインダクタンスとしてのコイル
を外部で用意、接続していたものを省略することで汎用
性があり、小型化することが容易な熱電素子を提供する
ことが可能で熱電素子を使用した機器のコスト低減、小
型化に寄与する事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施形態に係わる熱電素子の組立
図で上から見たである。

【図２】本発明の第一実施形態に係わる熱電素子の組立
図で横から見たである。

【図３】本発明の第二実施形態に係わる熱電素子の組立
図である。

【図４】本発明の第三実施形態に係わる熱電素子の組立
図である。

【図５】本発明の第四実施形態に係わる熱電素子の組立
図である。

【図６】本発明の第五実施形態及び第六実施形態に係わ
る熱電素子の組立図で上から見たである。

【図７】本発明の第五実施形態及び第六実施形態に係わ
る熱電素子の組立図で横から見たである。

【図８】従来の熱電素子の組立図で上から見たである。

【図９】従来の熱電素子の組立図で横から見たである。

【符号の説明】

１． 端子 ２． 熱電エレメント上部の接続パターン ３． Ｎ型熱電エレメント ４． Ｐ型熱電エレメント ５． 熱電エレメント下部の接続パターン ６． 熱電エレメント内部を流れる電流 ７． ６で生成された磁力線 ８． ６で生成された磁力線 ９． シリコン基板 １０． 磁性体材料 １１． 磁性体材料 １２． パターンで形成された付随するインダクタンス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉田 宜史 千葉県千葉市美浜区中瀬１丁目８番地 株 式会社エスアイアイ・アールディセンター 内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 柱状の複数のＰ型熱電エレメント及びＮ
   型熱電エレメントの端面を交互に直列に接続してなる熱
   電素子において前記Ｐ型熱電エレメント及びＰ型熱電エ
   レメントの配置、接続においてＰ型熱電エレメント及び
   Ｎ型熱電エレメントを対とした場合、隣合う熱電エレメ
   ントの対の並び方を逆のＮ型熱電エレメント及びＰ型熱
   電エレメントとし更にこれに隣合う熱電エレメントの対
   の並び方を逆のＰ型熱電エレメント及びＮ型熱電エレメ
   ントというように配置して構成し以後これらの繰り返し
   の配列でそれぞれＰ型熱電エレメントだけで構成される
   二つの列とＮ型熱電エレメントだけで構成される二つの
   列とが隣接するＮ型熱電エレメントとＰ型熱電エレメン
   トを通過する電流で生成された磁界の向きが互いに逆の
   向きになり、更に隣合うＮ型熱電エレメントとＰ型熱電
   エレメントを通過する電流で生成された磁界の向きとが
   逆になるように配置・接続することでインダクタンスを
   形成することを特徴とする熱電素子。
2. 【請求項２】 柱状の複数のＰ型熱電エレメント及びＮ
   型熱電エレメントの端面を交互に直列に接続してなる熱
   電素子において、前記Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エ
   レメントを熱電素子の中心から素子の外側に向かって螺
   旋状に配置・接続してインダクタンスを形成することを
   特徴とする熱電素子。
3. 【請求項３】 前記Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エレ
   メントを保持しているシリコン基板の各々の熱電エレメ
   ントが保持されていない表面に磁性体材料をはりつけて
   いることを特徴とする請求項１または２に記載の熱電素
   子。
4. 【請求項４】 前記Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エレ
   メントの端面以外の部分が電気的絶縁性の材料を使用し
   て被覆されていて熱電エレメント間の空隙に磁性体材料
   を充填されていること、あるいは、電気絶縁性を磁性体
   材料が充填されていることを特徴とする請求項１または
   ２に記載の熱電素子。
5. 【請求項５】 前記Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エレ
   メントを保持しているシリコンの基板に抵抗でインダク
   タンスを形成して熱電素子と直列に接続して不足するイ
   ンダクタンス量を補うことを特徴とする請求項１または
   ２に記載の熱電素子。
6. 【請求項６】 前記Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エレ
   メントを保持しているシリコンの基板に形成するインダ
   クタンスを抵抗の代わりにアルミ配線で形成して熱電素
   子と直列に接続して不足するインダクタンス量を補うこ
   とを特徴とする請求項４に記載の熱電素子。
7. 【請求項７】 前記Ｐ型熱電エレメントとＮ型熱電エレ
   メントを保持しているシリコンの基板の代わりに磁性体
   材料を使用することを特徴とする請求項１または２に記
   載の熱電素子。