JP2006253545A

JP2006253545A - 熱電変換装置及び冷却装置

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Publication number: JP2006253545A
Application number: JP2005070636A
Authority: JP
Inventors: Sohei Tsuji; 荘平辻
Original assignee: Koyo Thermo Systems Co Ltd
Current assignee: JTEKT Thermo Systems Corp
Priority date: 2005-03-14
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: JP4585892B2

Abstract

【課題】冷却室に収納されたワークから冷却体によって外部に放出される熱を有効に活用することができ、冷却室におけるワークの冷却効率を低下させることなく、冷却室から放出される熱によって十分な電力を得ることができるようにする。
【解決手段】光吸収体１１によって構成された中空の冷却室１２と、冷却室１２の外表面を覆う冷却ジャケット１３と、光吸収体１１及び冷却ジャケット１３の間に配置される熱電変換モジュール１４と、を備えた。熱電変換モジュール１４は、互いに平行にして所定の間隙を設けて配置された熱良導体からなる平板状の絶縁層３１，３２を備え、これらの間に、熱電変換素子３３及び熱電変換素子３４を交互に繰り返して平面状に配列した。絶縁層３１は光吸収体１１の外側面に密着し、絶縁層３２は冷却ジャケット１３の内側面に密着する。
【選択図】図２

Description

この発明は、高温体を冷却する際に放散すべき熱を電力に変換する熱電変換装置、及び、この熱電変換装置を備えた冷却装置に関する。

従来より、異種の導体又は半導体の接合部に温度差を与え、高温側と低温側との間にゼーベック効果によって生じた電力を取り出す熱電変換装置が知られている。この熱電変換装置では、高温側と低温側との温度差が大きいほど、得られる電力も大きい。

このため、従来の熱電変換装置は、焼却炉や溶融炉等の工業炉の炉壁に取り付けられている。工業炉では、炉内の温度を高温に維持する必要があることから、炉壁は断熱壁によって構成されている。熱電変換装置は、断熱壁の厚みの一部又は全部を貫通して設けられる場合や断熱壁の外側に設けられる場合がある（例えば、特許文献１及び２参照。）。
特開平１０−１９００７３号公報特開２００２−１７１７７６号公報

しかしながら、特許文献１及び２に記載された従来の熱電変換装置は、高温状態を維持すべき工業炉に適用されるものであるため断熱壁の存在を前提としており、外部に放出すべき熱を効率的に利用することができない問題があった。

例えば、連続炉では、熱処理後における高温のワークが装置から搬出される前に十分に低温状態になっている必要があり、ワークを冷却するための冷却室を備えている。冷却室は、内部に収納したワークをできるだけ早く冷却するために、断熱壁ではなくウォータジャケット等の冷却体からなる壁面で覆われている。

このため、断熱壁の存在を前提として構成された従来の熱電変換装置では、冷却室に収納されたワークから冷却体によって外部に放出される熱を有効に活用することができず、冷却室から放出される熱によって十分な電力を得ることができないだけでなく、冷却室におけるワークの冷却性能を低下させることになる。

この発明の目的は、冷却室に収納されたワークから冷却体によって外部に放出される熱を有効に活用することができ、冷却室におけるワークの冷却効率を低下させることなく、冷却室から放出される熱によって十分な電力を得ることができる熱電変換装置、及び、この熱電変換装置を備えた冷却装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、この発明の熱電変換装置及び冷却装置は、
互いに平行に配置された熱良導体からなる複数の絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を平面状に配列し、外部に露出した２つの絶縁層のうち一方の絶縁層に光吸収体を密着させ、他方の絶縁層に冷却体を密着させたことを特徴とする。

この構成においては、光吸収体と冷却体との間に、熱良導体からなる複数の絶縁層が、それぞれの間に多数の熱電変換素子を挟んだ状態で、光吸収体及び冷却体に密着して配置される。光吸収体を高温物体に対向して配置すると、高温物体から放出された熱が光吸収体及び複数の熱良導体を介して冷却体に向かって流れ、高温物体の放熱が促される。このとき、高温側の光吸収体と低温側の冷却体との温度差により、複数の絶縁層のそれぞれに挟まれた熱電変換素子に電力を生じる。したがって、高温物体の冷却機能を発揮しつつ、高温物体から放出される熱が電力に変換される。

また、前記複数の絶縁層が、３以上の絶縁層であることを特徴とする。

この構成においては、光吸収体と冷却体との間に、熱良導体からなる３以上の絶縁層が、それぞれの間に多数の熱電変換素子を挟んだ状態で、光吸収体及び冷却体に密着して配置される。したがって、複数の層状の熱電変換素子が、光吸収体と冷却体との間に配置され、互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生する。

さらに、３以上の絶縁層のそれぞれの間について異なる材質の熱電変換素子を平面状に配列したことを特徴とする。

この構成においては、光吸収体と冷却体との間に配置されて互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生する複数の層状の熱電変換素子が、互いに異なる材質で構成される。したがって、隣接する２つの絶縁層間における温度差に応じてこれらの絶縁層間に配置される熱電変換素子の材質を適宜選択することにより、各熱電変換素子層において熱が効率的に電力に変換される。

この発明の熱電変換装置及び冷却装置によれば、熱良導体からなる複数の絶縁層を光吸収体及び冷却体に密着して配置するとともに、絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を配置することにより、光吸収体に対向して配置された高温物体の放熱を促進しつつ、高温物体から放出される熱を電力に変換することができる。

また、熱良導体からなる３以上の絶縁層を光吸収体及び冷却体に密着して配置するとともに、絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を配置することにより、光吸収体と冷却体との間に配置された複数の層状の熱電変換素子のそれぞれによって、互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生させることができる。これによって、熱電変換素子の性能指数曲線により追従した状態で熱電変換を行うことができ、熱電変換効率を向上させることができる。

さらに、光吸収体と冷却体との間に配置されて互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生する複数の層状の熱電変換素子を、互いに異なる材質で構成することにより、隣接する２つの絶縁層間における温度差に応じてこれらの絶縁層間に配置される熱電変換素子の材質を適宜選択することができ、各熱電変換素子層における熱電変換効率をより向上させることができる。

図１は、この発明の実施形態に係る熱電変換装置を適用した冷却装置１０の構成を示す断面図である。冷却装置１０は、半導体の製造時における熱処理後に炉から搬出された半導体基板の冷却に使用される。冷却装置１０は、光吸収体１１によって構成された中空の冷却室１２と、冷却室１２の外表面を覆う冷却ジャケット１３と、光吸収体１１及び冷却ジャケット１３の間に配置される熱電変換モジュール１４と、を備えている。

光吸収体１１は、例えば黒鉛によって構成された平板状を呈し、互いに直交する３方向のそれぞれにおいて対向する計６面に配置され、内部に中空の冷却室１２を構成している。冷却室１２には、図示しない炉から搬出された高温物体である半導体基板２１が収納される。光吸収体１１の内側面は、冷却室１２内に収納された半導体基板２１に対向し、半導体基板２１が放出する熱を吸収する。

冷却ジャケット１３は、この発明の冷却体であり、冷却室１２を構成する光吸収体１１の外表面を被覆するように配置されている。冷却ジャケット１３は、例えば、冷却水の流路となる中空管によって形成されており、中空管内を流通する冷却水によって光吸収体１１の外側面を冷却する。

光吸収体１１において、半導体基板２１に対向する内側面と冷却ジャケット１３に被覆された外側面との間には温度差が生じる。光吸収体１１の内側面で吸収された熱は、光吸収体１１の内部を光吸収体１１の外側面に向かって伝播し、冷却ジャケット１３の冷却水に吸収される。この結果、光吸収体１１の内側面から冷却ジャケット１３に向かう方向の熱流が形成され、半導体基板２１の冷却が促進される。

熱電変換モジュール１４は、光吸収体１１の外側面の少なくとも一部において、冷却ジャケット１３との間に配置される。熱電変換モジュール１４は、内側面を光吸収体１１の外側面に密着させ外側面を冷却ジャケット１３の内側面に密着させている。図１に示す例では、半導体基板２１からの熱流方向を考慮して、熱電変換モジュール１４を冷却室１２の上面側及び假面側に配置している。熱電変換モジュール１４は、特に、冷却室１２内にボートに載置された多数の半導体基板を収納する場合には、６面の光吸収体１１の外側面の全面に配置することもできる。

熱電変換モジュール１４は、光吸収体１１及び冷却ジャケット１３とともにこの発明の熱電変換装置を構成している。冷却ジャケット１３に代えて、別の冷却体を備えることもできる。

なお、半導体基板２１は、必ずしも１枚である必要はなく、例えばボートに搭載された複数の半導体基板であってもよい。

図２は、熱電変換モジュール１４の断面図である。熱電変換モジュール１４は、互いに平行にして所定の間隙を設けて配置された少なくとも２つの平板状の絶縁層３１，３２を備えている。絶縁層３１，３２は、窒化珪素膜や酸化膜等の薄膜を含む熱良導体によって構成されている。

絶縁層３１と絶縁層３２との間は、例えば、Ｐ型半導体素子３３及びＮ型半導体素子３４が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層３７にされている。Ｐ型半導体素子３３及びＮ型半導体素子３４は、ＰＮ接合されて１つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体３５，３６によって互いに直列に接続されている。

熱電変換モジュール１４において、一方の絶縁層３１は光吸収体１１の外側面に密着しており、他方の絶縁層３２は冷却ジャケット１３の内側面に密着している。冷却装置１０において、熱電変換モジュール１４が配置されている部分では、半導体基板２１から放出された熱は、光吸収体１１の内側面で吸収された後、熱電変換モジュール１４の一方の絶縁層３１、熱電変換層３７及び他方の絶縁層３２を経由して冷却ジャケット１３内の冷却水に奪われる。

したがって、熱電変換モジュール１４において、一方の絶縁層３１と他方の絶縁層３２との間に温度差が生じ、熱電変換層３７で両端部の温度差に応じた電力を発生する。所定数の熱電変換素子は互いに直列に接続されているため、熱電変換モジュール１４から所定数の熱電変換素子のそれぞれの起電力の和として実用レベルの電力が出力される。

絶縁層３１，３２は熱良導体で構成されており、半導体基板２１から放出された熱は熱電変換モジュール１４を円滑に通過して冷却ジャケット１３に達する。また、熱電変換モジュール１４に伝播した熱は、一部が熱電変換層３７において電力に変換されて冷却ジャケット１３に伝達される。このため、光吸収体１１と冷却ジャケット１３との間に熱電変換モジュール１４が配置されることによっては、冷却装置１０において光吸収体１１と冷却ジャケット１３との間の熱電導性に悪影響を与えることがなく、冷却装置１０の冷却効率を低下させることがない。

図３は、この発明の別の実施形態に係る熱電変換装置を構成する熱電変換モジュール４０の断面図である。この実施形態に係る熱電変換装置４０は、３つの平板状の絶縁層４１，４２，４３を互いに平行にして所定の間隙を設けて配置している。絶縁層４１，４２，４３は、窒化珪素膜や酸化膜等の薄膜を含む熱良導体によって構成されている。

絶縁層４１と絶縁層４２との間は、例えば、Ｐ型半導体素子４４及びＮ型半導体素子４５が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層６１にされている。Ｐ型半導体素子４４及びＮ型半導体素子４５は、ＰＮ接合されて１つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体４６，４７によって互いに直列に接続されている。

また、絶縁層４２と絶縁層４３との間は、例えば、Ｐ型半導体素子４８及びＮ型半導体素子４９が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層６２にされている。Ｐ型半導体素子４８及びＮ型半導体素子４９は、ＰＮ接合されて１つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体５０，５１によって互いに直列に接続されている。

図４は、上記熱電変換モジュール４０の第１の実施例における性能指数Ｚと温度Ｔとの関係を示す図である。第１の実施例に係る熱電変換モジュール４０は、第１の熱電変換層６１と第２の熱電変換層６２とを同一材料によって構成したものである。

熱電変換素子は材料に応じて、適用すべき温度範囲、及び、熱電変換能力を表す性能指数Ｚが異なる。また、同一材料であっても温度に応じて性能指数が変化する場合が多い。このような場合に、熱電変換モジュール４０に複数の熱電変換層を構成することにより、熱流方向の距離（熱の伝播距離）の増加や熱流方向における多層化等による影響を無視すれば、熱電変換効率が向上する。

例えば、熱電変換素子に使用する材料の性能指数Ｚが温度に応じて図４に実線で示すように変化する場合、高温側（光吸収体１１側）の温度をＴ_Hとし、低温側（冷却ジャケット１３側）の温度をＴ_Cとして、熱電変換層を単層で構成した場合に得られる電力Ｚ１は、
Ｚ１∝｛（Ｚ（Ｔ_H）＋Ｚ（Ｔ_C））／２｝×（Ｔ_H−Ｔ_C）
となり、図４中の台形ＡＢＣＤの面積に比例する。

一方、熱電変換層を２層で構成した場合に得られる電力Ｚ２は、中間部（中央の絶縁層４２）の温度をＴ_Mとして、
Ｚ２∝｛（Ｚ（Ｔ_H）＋Ｚ（Ｔ_M））／２｝×（Ｔ_H−Ｔ_M）
＋｛（Ｚ（Ｔ_M）＋Ｚ（Ｔ_C））／２｝×（Ｔ_M−Ｔ_C）
となり、図４中の台形ＡＥＦＤの面積とに台形ＥＢＣＦの面積との和に比例し、熱電変換層を単層で構成した場合に得られる電力Ｚ１よりも大きくなる。

図５は、上記熱電変換モジュール４０の第２の実施例における性能指数Ｚと温度Ｔとの関係を示す図である。第２の実施例に係る熱電変換モジュール４０は、第１の熱電変換層６１と第２の熱電変換層６２とを異なる材料によって構成したものである。

図５中一点鎖線で示す曲線７１のように高温側の温度Ｔ_Hと中間部の温度Ｔ_Mとの間で性能指数が最も高い材料によって第１の熱電変換層６１を構成し、図５中二点鎖線で示す曲線７２のように中間部の温度Ｔ_Mと低温側の温度Ｔ_Cとの間で性能指数が最も高い材料によって第２の熱電変換層６２を構成することにより、第１の熱電変換層６１と第２の熱電変換層６２とを同一材料によって構成した場合に比較して得られる電力が大きくなり、熱電変換効率がさらに向上する。

なお、第１及び第２の実施例において、理論的には、熱電変換層の層数が増加するにしたがって得られる電力は大きくなるが、熱の伝播距離の増加や熱流方向における多層化等による影響によって熱電変換効率及び冷却効率が低下する可能性がある。このため、熱電変換モジュール４０の使用状況に応じて最適な熱電変換層の層数を決定することができる。

また、複数の熱電変換層の間は、動作温度条件、熱電変換材料の種類及び構成、並びに、所望電力値等の条件に応じて、直列接続とするか並列接続とするかを選択することができる。

さらに、上記の実施形態では、この発明の熱電変換装置を半導体の製造に使用される炉に備えられる冷却装置に適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、高温物体を冷却する他の冷却装置についても、同様にこの発明の熱電変換装置を適用することができる。

この発明の実施形態に係る熱電変換装置を適用した冷却装置の構成を示す断面図である。同熱電変換装置を構成する熱電変換モジュールの断面図である。この発明の別の実施形態に係る熱電変換装置を構成する熱電変換モジュールの断面図である。上記熱電変換モジュールの第１の実施例における性能指数と温度との関係を示す図である。上記熱電変換モジュールの第２の実施例における性能指数と温度との関係を示す図である。

符号の説明

１０冷却装置
１１光吸収体
１２冷却室
１３冷却ジャケット
１４熱電変換モジュール
３１，３２絶縁層
３３Ｐ型半導体素子
３４Ｎ型半導体素子
３５，３６導電体

Claims

互いに平行に配置された熱良導体からなる複数の絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を平面状に配列し、外部に露出した２つの絶縁層のうち一方の絶縁層に光吸収体を密着させ、他方の絶縁層に冷却体を密着させたことを特徴とする熱電変換装置。
前記複数の絶縁層が、３以上の絶縁層であることを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
前記３以上の絶縁層のそれぞれの間について異なる材質の熱電変換素子を平面状に配列したことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
内側面が光吸収体によって構成された中空の冷却室と、冷却室の外表面を覆う冷却ジャケットと、互いに平行に配置された熱良導体からなる複数の絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を平面状に配列し外部に露出した２つの絶縁層のうち一方の絶縁層を前記光吸収体の外側面に密着させ他方の絶縁層を前記冷却ジャケットの内側面に密着させた熱電変換モジュールと、を備えたことを特徴とする冷却装置。
前記複数の絶縁層が、３以上の絶縁層であることを特徴とする請求項４に記載の熱電変換装置。
前記３以上の絶縁層のそれぞれの間について異なる材質の熱電変換素子を平面状に配列したことを特徴とする請求項５に記載の熱電変換装置。