JP2010251692A - 熱電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、熱電素子に関するものである。
【解決手段】具体的に、本発明の一実施形態は、金属層を介してｎ型及びｐ型熱電半導体が互いに接合されて形成された複数のｐｎ接合及び前記ｎ型及びｐ型熱電半導体とそれぞれ電気的に連結された第１及び第２電極を含み、前記複数のｐｎ接合は絶縁層を介して積層されるが、それぞれは互いに電気的に並列連結されたことを特徴とする熱電素子を提供する。本発明によると、一部の構成要素が電気的に作動されなくても、全体の素子の作動には影響を与えないので、熱電素子の安全性を向上することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、安全性と熱電効率が向上した熱電素子に関するものである。

化石エネルギーの使用が急増するにつれて地球温暖化及びエネルギー枯渇の問題が取り上げられており、これによって熱電素子（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｅｌｅｍｅｎｔ）に対する関心が高まっている。熱電素子は、大気汚染を引き起こす原因物質の１つであるフロンガスなどに代わって冷却手段として活用されており、且つゼーベック效果（Ｓｅｅｂｅｃｋ ｅｆｆｅｃｔ）による小型発電機としても広く使用されている素子である。特に、半導体（熱電半導体）を媒介として、金属が相互接地されて形成されたルーフに電流を流すと、フェルミエネルギーの差によって電位差が発生するようになり、電子が一方の金属面から他方に移動するために必要なエネルギーを持って進行する（吸熱）ことによって冷却が発生する。一方、他の金属面は上記電子が持ってきたエネルギーだけの熱エネルギーを出す（放熱）ことによって加熱が発生する。これがペルチェ効果（Ｐｅｌｔｉｅｒ ｅｆｆｅｃｔ）であり、熱電素子による冷却装置の作動原理となる。この際、上記半導体の種類と、電流の流れ方向によって吸熱と放熱の位置が決定され、材質によってその効果にも差が発生する。

図１は、一般的な構造の熱電素子を示す概略的な断面図である。通常の熱電素子１０は、ｎ型熱電半導体１１とｐ型熱電半導体１２が金属層１５により電気的に連結され、ここに直流電流が加えられると、熱吸収層１３では吸熱が、熱放出層１４では放熱が発生する。この場合、上述したように、電流の方向によって吸熱と放熱の位置は変更されることができる。上記ｎ型及びｐ型熱電半導体１１、１２は、それぞれ複数個備えられて互いに交代に配列され、電気的には互いに直列に連結される。このような直列連結方式の場合、ある１つの熱電半導体または金属層に問題が発生すると、素子の全体が作動できなくなるという問題が生じる。

本発明の一目的は、一部の構成要素が電気的に作動しなくても全体の素子の作動には影響を与えないので、高い安全性とともに熱電効率を向上することができる熱電素子を提供するものである。

上記した目的を達成するため、本発明の一実施形態は、金属層を介してｎ型及びｐ型熱電半導体が互いに接合されて形成された複数のｐｎ接合及び上記ｎ型及びｐ型熱電半導体とそれぞれ電気的に連結された第１及び第２電極を含み、上記複数のｐｎ接合は絶縁層を介して積層されるが、それぞれは互いに電気的に並列連結されたことを特徴とする熱電素子を提供する。

本発明の一実施例において、上記複数のｐｎ接合のうち少なくとも１つは、これに備えられたｎ型及びｐ型熱電半導体をなす物質の熱伝導度が、他のｐｎ接合に備えられたものの熱伝導度とは異なるものであることができる。この場合、上記複数のｐｎ接合は上記積層方向を基準として上部から下部に行くほどこれに備えられたｎ型及びｐ型熱電半導体をなす物質の熱伝導度が高くなることが好ましい。

本発明の一実施例において、上記複数のｐｎ接合の積層方向は、上記熱電素子の熱伝達方向と同一であることができる。本発明の一実施例において、上記金属層は、上記第１及び第２電極と同一の物質からなることができる。

本発明の一実施例において、上記第１電極は、上記複数のｐｎ接合にそれぞれ備えられたｎ型熱電半導体層に対する共通電極であることができる。本発明の一実施例において、上記第２電極は、上記複数のｐｎ接合にそれぞれ備えられたｐ型熱電半導体層に対する共通電極であることができる。本発明の一実施例において、上記第１及び第２電極は、上記複数のｐｎ接合がなす構造物の側方向に配置されることができる。この場合、上記第１及び第２電極は、互いに対向して配置されたことが好ましい。

本発明の一実施例において、上記第１及び第２電極にそれぞれ接続された上記ｎ型及びｐ型熱電半導体は、上記第２電極及び第１電極とはそれぞれ離隔配置されることができる。この場合、上記ｎ型熱電半導体及び上記第２電極の間と上記ｐ型熱電半導体及び上記第１電極の間のそれぞれに形成された絶縁物質をさらに含むことができる。

本発明の一実施例において、上記複数のｐｎ接合のうち上記積層方向を基準として最上部に位置したものの上面に順次に形成されたセラミックス層及び熱吸収層をさらに含むことができる。この場合、上記セラミックス層に備えられたセラミックス物質はアルミナであることが好ましい。

本発明の一実施例において、上記複数のｐｎ接合のうち上記積層方向を基準として最下部に位置したものの下面に形成されたヒートシンクをさらに含むことができる。

本発明の一実施例において、上記第１及び第２電極と連結されて回路を構成する電源をさらに含み、上記電源により上記複数のｐｎ接合に電流が流れることによって、上記複数のｐｎ接合の一側から吸収された熱を上記積層方向に沿って伝達するものであることができる。

本発明の一実施例において、上記第１及び第２電極と連結されて回路を構成する抵抗素子をさらに含み、上記複数のｐｎ接合の一側から吸収された熱により上記複数のｐｎ接合及び上記抵抗素子に電流が流れるものであることができる。

本発明の一実施例において、上記絶縁層はセラミックスからなることが好ましい。

本発明によると、一部の構成要素が電気的に作動しなくても全体の素子の作動には影響を与えないので、熱電素子の安全性を向上することができる。
さらに、本発明による熱電素子を使用することによって印加電圧に対する依存度を低減することができ、熱電効率も従来より向上することができる。

一般的な構造の熱電素子を示す概略的な断面図である。 本発明の一実施形態による熱電素子を示す概略的な断面図である。 図２の実施形態においてｐｎ接合の並列連結構造を概略的に示したものである。 図２の実施形態の熱電素子を熱電冷却機として使用した例を概略的に示したものである。 図２の実施形態の熱電素子を熱電発電機として使用した例を概略的に示たものである。 図２の実施形態において変形された実施形態で採用できるｐｎ接合を示す概略的な断面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。

しかし、本発明の実施形態は様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲が以下で説明される実施形態により限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当業界において平均の知識を有する者に本発明をさらに完全に説明するために提供されるものである。従って、図面に図示された構成要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のため誇張することがあり、図面上において同一の符号で示される構成要素は同一の構成要素である。

図２は、本発明の一実施形態による熱電素子を示す概略的な断面図である。本実施形態による熱電素子１００は、金属層１０３が間に介在されてｐｎ接合を形成するｎ型熱電半導体１０１及びｐ型熱電半導体１０２、上記ｐｎ接合を並列連結するために上記ｐｎ接合の間に配置された絶縁層１０４、第１及び第２電極１０５、１０６、セラミックス層１０７、１０９、熱吸収層１０８、及びヒートシンク１１０を備えて構成される。

上記ｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２は、当該技術分野において通常に使われる物質、例えばＢｉＴｅ系物質、ＰｂＴｅ系物質などの熱電材料を適切にドーピングして使用することができる。上記金属層１０３は、電流の流れが円滑に行われるように、銅のように電気伝導性に優れた材料を使用することができる。上記ｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２に電圧を印加して発生した電流の流れにより、熱を一側から他側に流れるようにすることができ、これを熱電冷却機に使用することができる。また、上記ｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２を備える構造物の一側と他側の温度を異にする場合は、これによって発生したエネルギーを用いて電流を発生させることができる。

上記ｎ型熱電半導体１０１、金属層１０３及びｐ型熱電半導体１０２は、熱電機能を行う１つの単位構造に該当し、以下ではこのような１つの単位構造をｐｎ接合と称する。上記ｐｎ接合は複数個備えられて積層され、特に、本実施形態の場合、１つのｐｎ接合は他のｐｎ接合と電気的に並列連結される。これは、従来のｐｎ接合が互いに直列に連結されるものとは異なり、図３はｐｎ接合の並列連結構造を概略的に示している。このような並列連結構造は、一部のｐｎ接合に問題が生じても全体の素子の作動には影響を与えない長所を提供する。並列連結のために、上記ｐｎ接合の間には絶縁層１０４が介在され、上記絶縁層１０４はアルミナのようなセラミックス物質で形成することができる。

上述したように、上記ｐｎ接合が積層された積層構造（以下、積層構造とする）により、熱電素子１００は一側で熱を吸収してこれを他側に放出することができる。このため、上記積層構造に熱吸収層１０８とヒートシンク１１０を適切に接合させて熱電機能を行うことができる。具体的に、図２を基準とする時、上記積層構造のうち最上部に位置したｐｎ接合の上面に熱吸収層１０８を形成し、最下部に位置したｐｎ接合の下面にヒートシンク１１０を形成することができ、ｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２とそれぞれ接触する第１及び第２電極１０５、１０６に電源または抵抗素子などが連結されることができる。この場合、上記熱吸収層１０８及びヒートシンク１１０は、熱伝導率の良い金属で形成されることができ、図２に示したように、それぞれセラミックス層１０７、１０９によって上記積層構造と連結されることができる。上記セラミックス層１０７、１０９は、アルミナなどの物質を備え、本発明において必須の要素ではないので、実施形態によって除外されることもできる。

また、本実施形態のように、ｐｎ接合を一方向に積層して使用することによって熱の流れを上記ｐｎ接合の積層方向に誘導することができる。即ち、上記ｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２にそれぞれ（＋）極性及び（−）極性の電極を連結する場合、電流の流れにより、上記熱吸収層１０８の熱は上記ｐｎ接合を経て上記ヒートシンク１１０に放出されることができる。これは、本実施形態において上記ｐｎ接合は、熱的には直列、電気的には並列に連結されたものとすることができ、従来の熱電素子が熱的には並列、電気的には直列に連結された方式とは反対の方式に該当する。

この場合、熱の流れが上記積層方向に形成されることを考慮して、本実施形態のような積層方式の熱電素子では、積層方向によって他の物質で上記ｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２を形成することができる。具体的に、高温部側に位置したｐｎ接合を、低温部側に位置したｐｎ接合よりも高温用熱電材料、例えば熱伝導度が低い物質で形成する場合、より効率的な熱電性能を得ることができる。即ち、図２を基準とする時、上部及び下部をそれぞれ高温部及び低温部とする場合、上部のｐｎ接合から下部のｐｎ接合に行くほど、それに備えられたｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２をなす物質の熱伝導度を高くすることが好ましい。

このように、ｐｎ接合の熱伝導度を異にして積層する場合、上記積層構造内部の高温部から低温部までの温度は互いに異なる傾きを持って分布する。これとは異なって、従来のような方式の熱電素子では、高温部から低温部までの温度が大体一定の傾きを示す。有限要素解釈法（ＦＥＭ）を用いて並列設計方式（熱伝導度を異にしてｐｎ接合を積層した構造）と直列設計方式（図１の構造）の熱伝達性能を比べた結果、並列設計方式の熱伝達性能がより優れていることが確認できた。即ち、１００Ｗ／ｍ^２の熱量を加えた時、並列設計方式における高温部と低温部の温度差が０．１℃程度大きいという結果となった。このような結果から、ｐｎ接合を並列連結することによって電気的安全性を得ることができ、熱伝達方向に沿ってｐｎ接合を積層し、熱電物質を適切に選択することによって熱電性能が向上できることが分かった。

一方、上記第１及び第２電極１０５、１０６は、それぞれｎ型及びｐ型熱電半導体１０１、１０２と接触して、上記金属層１０３と同一の物質で形成することができる。この場合、効率的な接触構造を得るために、上記第１及び第２電極１０５、１０６は上記ｐｎ接合の積層構造の側方向に互いに対向するように配置されることができる。上記第１電極１０５は上記ｐ型熱電半導体１０２とは連結されないように互いに離隔されて配置され、同様に、上記第２電極１０６は上記ｎ型熱電半導体１０１とは連結されないように互いに離隔されて配置される。この場合、図６に図示された構造のように、上記ｎ型熱電半導体１０１及び上記第２電極１０６の間と、上記ｐ型熱電半導体１０２及び上記第１電極１０５の間にそれぞれ絶縁物質１１１を介在させることができる。上述のように第１電極１０５はｐ型半導体１０２と連結されないように互いに離隔されて配置され、第２電極１０６はｎ型半導体１０１と連結されないように離隔配置されています。上記ｐｎ接合が複数の場合、第１電極１０５はｎ型半導体１０１の共通電極であり、第２電極１０６はｐ型半導体の共通電極であることができる。

図４は、図２の実施形態の熱電素子を熱電冷却機として使用した例を概略的に示したものである。また、図５は、図２の実施形態の熱電素子を熱電発電機として使用した例を概略的に示したものである。従って、具体的な構造は省略したが、図４及び図５の熱電素子１００は、図２の構造を有するものと理解することができる。図４に示したように、上記熱電素子１００に電源を連結して電流の流れを発生させる場合、上部（高温部）の熱を下部（低温部）に放出させることができることによって熱電冷却機として利用することができ、電源の極性を異にして熱の流れを反対方向にすることもできる。これに類似した原理で、高温の熱エネルギーは電流を発生させることができ、図５に示された熱電発電機でも明らかなように、電流によって熱は高温部から低温部に放出されることができる（上記熱電素子１００には抵抗素子が連結されている）。

本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求の範囲によって限定する。従って、請求の範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有する者には自明であり、これも本発明の範囲に属する。

１０１ ｎ型熱電半導体
１０２ ｐ型熱電半導体
１０３ 金属層
１０４ 絶縁層
１０５、１０６ 第１及び第２電極
１０７、１０９ セラミックス層
１０８ 熱吸収層
１１０ ヒートシンク
１１１ 絶縁物質

Claims (17)

1. 金属層を介してｎ型及びｐ型熱電半導体が互いに接合されて形成された複数のｐｎ接合と、
   前記ｎ型及びｐ型熱電半導体とそれぞれ電気的に連結された第１及び第２電極と、を含み、
   前記複数のｐｎ接合は絶縁層を介して積層されるが、それぞれは互いに電気的に並列連結されたことを特徴とする熱電素子。
2. 前記複数のｐｎ接合のうち少なくとも１つは、これに備えられたｎ型及びｐ型熱電半導体をなす物質の熱伝導度が、他のｐｎ接合に備えられたものの熱伝導度とは異なることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
3. 前記複数のｐｎ接合は、前記積層方向を基準として上部から下部に行くほどこれに備えられたｎ型及びｐ型熱電半導体をなす物質の熱伝導度が高くなることを特徴とする請求項２に記載の熱電素子。
4. 前記複数のｐｎ接合の積層方向は、前記熱電素子の熱伝達方向と同一であることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
5. 前記金属層は、前記第１及び第２電極と同一の物質からなることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
6. 前記第１電極は、前記複数のｐｎ接合にそれぞれ備えられたｎ型熱電半導体層に対する共通電極であることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
7. 前記第２電極は、前記複数のｐｎ接合にそれぞれ備えられたｐ型熱電半導体層に対する共通電極であることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
8. 前記第１及び第２電極は、前記複数のｐｎ接合がなす構造物の側方向に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
9. 前記第１及び第２電極は、互いに対向して配置されたことを特徴とする請求項８に記載の熱電素子。
10. 前記第１及び第２電極にそれぞれ接続された前記ｎ型及びｐ型熱電半導体は、前記第２電極及び第１電極とはそれぞれ離隔配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
11. 前記ｎ型熱電半導体及び前記第２電極の間と、前記ｐ型熱電半導体及び前記第１電極の間のそれぞれに形成された絶縁物質をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の熱電素子。
12. 前記複数のｐｎ接合のうち前記積層方向を基準として最上部に位置したものの上面に順次に形成されたセラミックス層及び熱吸収層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
13. 前記セラミックス層に備えられたセラミックス物質は、アルミナであることを特徴とする請求項１２に記載の熱電素子。
14. 前記複数のｐｎ接合のうち前記積層方向を基準として最下部に位置したものの下面に形成されたヒートシンクをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
15. 前記第１及び第２電極と連結されて回路を構成する電源をさらに含み、前記電源により前記複数のｐｎ接合に電流が流れることによって、前記複数のｐｎ接合の一側から吸収された熱を前記積層方向に沿って伝達することを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
16. 前記第１及び第２電極と連結されて回路を構成する抵抗素子をさらに含み、前記複数のｐｎ接合の一側から吸収された熱により前記複数のｐｎ接合及び前記抵抗素子に電流が流れることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。
17. 前記絶縁層は、セラミックスからなることを特徴とする請求項１に記載の熱電素子。

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