JP2021057383A - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子との熱膨張率差によって、基板や熱電変換素子の一部に破壊が発生することが抑制された熱電変換装置を提供する。【解決手段】一の方向Ｚにおいて互いに対向する第１の基材２及び第２の基材３と、第１の基材２と第２の基材３との間に配置されたｎ型熱電変換素子４及びｐ型熱電変換素子５とを備え、ｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５とのうち、何れか一方の熱電変換素子５は、何れか他方の熱電変換素子４よりも一の方向Ｚにおける熱膨張率が相対的に高くなっており、なお且つ、一の方向Ｚとは交差する方向Ｘに複数の半導体層２０が積層された構造を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、熱電変換装置に関する。

例えば、内燃機関や燃焼装置などからの排熱は、利用されないまま消失している。このため、省エネルギー化の観点から、この排熱の利用が近年着目されている。特に、熱から電気への変換を可能とする熱電変換装置の研究が盛んに行われている（例えば、特許文献１，２を参照。）。

熱電変換装置では、一対の基板の間に、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とを配置し、一方の基板側に設けられた第１の電極と他方の基板側に設けられた第２の電極とを介して、これらｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とを電気的に直列に接続したπ形構造を有している。

このような熱電変換装置では、一方の基板を高温（加熱）側に配置し、他方の基板を低温（放熱／冷却）側に配置することによって、各熱電変換素子の第１の電極と第２の電極との間に温度差が発生する。これにより、各熱電変換素子の第１の電極と第２の電極との間に電荷（キャリア）の移動が起こる。すなわち、各熱電変換素子の第１の電極と第２の電極との間には、ゼーベック効果による起電力（電圧）が発生する。

ここで、１つの熱電変換素子で発生する起電力（電圧）は小さいものの、一対の端子の間で、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子とを交互に直列に接続することによって、これら一対の端子の間からは、その総和の起電力として、比較的高い電力（電圧）を取り出すことが可能である。

特開２０１７−１５２７１５号公報 特開２０１８−１５７１３６号公報

ところで、上述した従来の熱電変換装置では、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子との間に熱電変換材料の違いによる熱膨張率差がある。このため、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子との間で熱膨張時に発生する変形（歪み）に差が生じることによって、基板や熱電変換素子の一部に破壊が発生してしまうことがあった。

特に、熱電変換装置では、温度変化により熱電変換素子が膨張と収縮とを繰り返すことによって、上述した破壊の発生率が上昇することになる。

本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子との熱膨張率差によって、基板や熱電変換素子の一部に破壊が発生することが抑制された熱電変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
（１） 一の方向において互いに対向する第１の基材及び第２の基材と、
前記第１の基材と前記第２の基材との間に配置されたｎ型熱電変換素子及びｐ型熱電変換素子とを備え、
前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子とのうち、何れか一方の熱電変換素子は、何れか他方の熱電変換素子よりも前記一の方向における熱膨張率が相対的に高くなっており、
なお且つ、前記一の方向とは交差する方向に複数の半導体層が積層された構造を有することを特徴とする熱電変換装置。
（２） 前記一方の熱電変換素子は、箔状の前記半導体層が前記一の方向とは交差する方向に積層された構造を有することを特徴とする前記（１）に記載の熱電変換装置。
（３） 前記半導体層は、熱膨張時に前記一の方向とは交差する方向に撓み変形可能に設けられていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の熱電変換装置。

以上のように、本発明によれば、ｎ型熱電変換素子とｐ型熱電変換素子との熱膨張率差によって、基板や熱電変換素子の一部に破壊が発生することが抑制された熱電変換装置を提供することが可能である。

本発明の一実施形態に係る熱電変換装置の構成を示す透視平面図である。 図１中に示す線分Ａ−Ａによる熱電変換装置の断面図である。 図２に示す熱電変換装置の各熱電変換素子が熱膨張により変形した状態を示す要部断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

また、以下に示す図面では、ＸＹＺ直交座標系を設定し、Ｘ軸方向を熱電変換装置の特定の面内における第１の方向Ｘとし、Ｙ軸方向を熱電変換装置の特定の面内における第２の方向Ｙとし、Ｚ軸方向を熱電変換装置の特定の面内に対して直交する第３の方向Ｚとして、それぞれ示すものとする。

本発明の一実施形態として、例えば図１〜図３に示す熱電変換装置１について説明する。なお、図１は、熱電変換装置１の構成を示す透視平面図である。図２は、図１中に示す線分Ａ−Ａによる熱電変換装置１の断面図である。図３は、熱電変換装置１の各熱電変換素子４，５が熱膨張により変形した状態を示す要部断面図である。

本実施形態の熱電変換装置１は、図１及び図２に示すように、第３の方向Ｚにおいて互いに対向する一方側（本実施形態では上側）の第１の基板（第１の基材）２と、他方側（本実施形態では下側）の第２の基板（第２の基材）３と、第１の基板２と第２の基板３との間に配置された複数（本実施形態では３２個）のｎ型熱電変換素子４及び複数（本実施形態では３２個）のｐ型熱電変換素子５とを備えている。すなわち、本実施形態では、一の方向が第３の方向Ｚであり、第３の方向Ｚは、第１の基板２及び第２の基板３の厚み方向と同じ方向となっている。

第１の基板２及び第２の基板３は、矩形平板状に形成された絶縁性の基材からなる。また、第２の基板３は、平面視で第１の基板２と第３の方向Ｚにおいて重なる範囲よりも外側（本実施形態では−Ｘ側）にはみ出している。

第１及び第２の基板２，３としては、例えばアルミナ(Ａｌ_２Ｏ_３)基板などの絶縁性が高く温度に対して安定な基板を用いることができる。また、第１及び第２の基板２，３としては、高熱伝導性の観点から、例えば窒化アルミニウム(ＡｌＮ)基板やシート抵抗が１０Ω以上となる高抵抗シリコン(Ｓｉ)基板を用いることもできる。第１及び第２の基板２，３のシート抵抗が１０Ω以上となることで、ｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５の間で電気的な短絡が生じるのを防止することが可能である。

また、第１及び第２の基板２，３としては、上述した基板の他にも、例えば、基板内に酸化絶縁層を有するＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板や、その他のセラミック基板、その他の高抵抗単結晶基板などを用いることができる。さらに、第１及び第２の基板２，３としては、シート抵抗が１０Ω以下となる低抵抗基板であっても、この低抵抗基板と熱電変換素子との間に高抵抗材料を配置したものを用いることができる。

複数のｎ型熱電変換素子４及び複数のｐ型熱電変換素子５は、第１の基板２と第２の基板３との間に挟み込まれた状態で、特定の面内においてマトリックス状に並んで配置されている。

また、ｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５とは、特定の面内において互いに交差（本実施形態では直交）する第１の方向Ｘと第２の方向Ｙとに交互に並んで配置されている。すなわち、これらｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５とは、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに互い違いに並んで配置されている。

なお、本実施形態では、第１の方向Ｘにおいて４個のｎ型熱電変換素子４と４個のｐ型熱電変換素子５とが交互に並んで配置され、第２の方向Ｙにおいて４個のｎ型熱電変換素子４と４個のｐ型熱電変換素子５とが交互に並んで配置されている。

ｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５は、互いに同じ大きさ及び厚みを有して、平面視で矩形状（本実施形態では正方形状）に形成されている。なお、ｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５とは、互いに同じ大きさ（形状）を有するものに限らず、互いに異なる大きさ（形状）を有するものであってもよい。

ｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５には、それぞれの導電型を有する熱電変換材料（半導体材料）からなる。熱電変換材料としては、例えば、シリコン−ゲルマニウム(Ｓｉ−Ｇｅ)系合金や、ビスマス−テルル(Ｂｉ−Ｔｅ)系合金、ビスマス−アンチモン−テルル(Ｂｉ−Ｓｂ−Ｔｅ)系合金、ビスマス−テルル−セレン(Ｂｉ−Ｔｅ−Ｓｅ)系合金、シリコン−鉄−アルミニウム(Ｓｉ−Ｆｅ−Ａｌ)系合金、鉄−バナジウム−アルミニウム(Ｆｅ−Ｖ−Ａｌ)系合金などを用いることができる。

なお、本実施形態では、ｎ型熱電変換素子４にビスマス(Ｂｉ)の一部がアンチモン(Ｓｂ)で置換されたＢｉ−Ｔｅ合金（熱膨張率：１４〜１５×１０^−６［１／Ｋ］）を用い、ｐ型熱電変換素子５にテルル(Ｔｅ)の一部がセレン(Ｓｅ)で置換されたＢｉ−Ｔｅ合金（熱膨張率：１５〜１７×１０^−６［１／Ｋ］）を用いている。これにより、ｐ型熱電変換素子５は、ｎ型熱電変換素子４よりも第３の方向Ｚにおける熱膨張率が高くなっている。

本実施形態の熱電変換装置１は、第１の基板２の第２の基板３と対向する面（以下、「第１の対向面」という。）２ａ側に配置された複数（本実施形態では３２個）の第１の電極６と、第２の基板３の第１の基板２と対向する面（以下、「第２の対向面」という。）３ａ側に配置された複数（本実施形態では３１個）の第２の電極７と、第２の基板３の第２の対向面３ａ側に配置された一対の端子８ａ，８ｂとを備えている。

ｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５は、それぞれの第３の方向Ｚの一端（本実施形態では上端）側が第１の電極６を介して第１の基板２と熱的に接合され、それぞれの第３の方向Ｚの他端（本実施形態では下端）側が第２の電極７を介して第２の基板３と熱的に接合されている。

複数の第１の電極６は、第１の基板２の第１の対向面２ａ上に、平面視で矩形平板状（本実施形態では長方形状）に形成されている。複数の第２の電極７は、第２の基板３の第２の対向面３ａ上に、平面視で矩形平板状（本実施形態では長方形状）に形成されている。一対の端子８ａ，８ｂは、第２の基板３の第２の対向面３ａ上に、第１の基板２と第３の方向Ｚにおいて重なる範囲よりも外側（本実施形態では−Ｘ側）に位置して、平面視で矩形平板状（本実施形態では長方形状）に形成されている。

第１の電極６、第２の電極７及び端子８ａ，８ｂには、導電性及び熱伝導性が高く、且つ、形状加工がし易い、例えば、銅(Ｃｕ)や金(Ａｕ)などを好適に用いることができる。また、ｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５と第１及び第２の電極６，７との接合には、導電性及び熱伝導性が高く、且つ、接合強度に優れた、例えば、Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ系合金やＳｎ−Ｂｉ−Ａｇ系合金などのはんだ合金等を用いることができる。

本実施形態の熱電変換装置１では、一対の端子４ａ，４ｂの間で、複数のｎ型熱電変換素子３と複数のｐ型熱電変換素子４とが複数の第１の電極６及び複数の第２の電極７を介して電気的に直列に接続されたπ形構造を有している。

具体的に、複数の第１の電極６は、面内方向において隣り合うｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との組毎に、それぞれｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との間を電気的に接続している。

本実施形態では、複数の第１の電極６が、第１の方向Ｘにおいて隣り合うｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との組毎に、それぞれｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との間を電気的に接続している。

これにより、第１の方向Ｘに並ぶ４個の第１の電極６を介して４組のｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５が電気的に接続され、第２の方向Ｙに並ぶ８個の第１の電極６を介して８組のｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５が電気的に接続されている。

一方、複数の第２の電極７は、面内方向において隣り合う組同士の間で、それぞれｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との間を電気的に接続している。

本実施形態では、複数の第２の電極７のうち、第１の方向Ｘの最も一端側（−Ｘ側）と最も他端側（＋Ｘ側）との間に配置された複数（本実施形態では２４個）の第２の電極７が、第１の方向Ｘにおいて隣り合う組同士の間で、それぞれｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との間を電気的に接続している。

一方、第１の方向Ｘの最も他端側（＋Ｘ側）に配置された複数（本実施形態では４個）の第２の電極７が、第２の方向Ｙにおいて隣り合う組同士の間で、それぞれｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との間を電気的に接続している。

一方、第１の方向Ｘの最も一端側（−Ｘ側）に配置された複数（本実施形態では３個）の第２の電極７が、第２の方向Ｙの最も一端側（−Ｙ側）及び他端側（＋Ｙ側）に位置する組を除く、第２の方向Ｙにおいて隣り合う組同士の間で、それぞれｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との間を電気的に接続している。

これにより、第１の電極６を介して電気的に接続されたｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５の組同士が第２の電極７を介して電気的に直列に接続されている。

一対の端子８ａ，８ｂのうち、一方の端子８ａは、第１の方向Ｘの最も一端側（−Ｘ側）、且つ、第２の方向Ｙの最も一端側（−Ｙ側）に位置するｐ型熱電変換素子４Ａと電気的に接続されている。すなわち、一方の端子８ａは、第１の方向Ｘの他端側（＋Ｘ側）に向けて延長された第３の電極９ａを有している。ｐ型熱電変換素子４Ａは、第３の電極９ａと電気的に接続されると共に、この第３の電極９ａを介して第３の方向Ｚの他端側が第２の基板３と熱的に接合されている。

これに対して、他方の端子８ｂは、第１の方向Ｘの最も一端側（−Ｘ側）、且つ、第２の方向Ｙの最も他端側（＋Ｙ側）に位置するｎ型熱電変換素子３Ａと電気的に接続されている。すなわち、他方の端子８ｂは、第１の方向Ｘの他端側（＋Ｘ側）に向けて延長された第３の電極９ｂを有している。ｎ型熱電変換素子３Ａは、第３の電極９ｂと電気的に接続されると共に、この第３の電極９ｂを介して第３の方向Ｚの他端側が第２の基板３と熱的に接合されている。

以上のような構成を有する本実施形態の熱電変換装置１では、一方の基板（本実施形態では第１の基板２）を高温（加熱）側に配置し、他方の基板（本実施形態では第２の基板３）を低温（放熱／冷却）側に配置する。これにより、各熱電変換素子４，５の第１の電極６と第２の電極７（又は第３の電極９ａ，９ｂ）との間に温度差が発生する。

このとき、各熱電変換素子４，５の第１の電極６と第２及び第３の電極７，９ａ，９ｂとの間に電荷（キャリア）の移動が起こる。すなわち、各熱電変換素子４，５の第１の電極６と第２及び第３の電極７，９ａ，９ｂとの間には、ゼーベック効果による起電力（電圧）が発生する。

このうち、ｎ型熱電変換素子４には、冷接点側電極となる第２及び第３の電極７，９ａ，９ｂ側から温接点側電極となる第１の電極６側に向けて電流が流れる。一方、ｐ型熱電変換素子５には、温接点側電極となる第１の電極６側から冷接点側電極となる第２及び第３の電極７，９ａ，９ｂ側に向けて電流が流れる。

なお、図１では、各熱電変換素子４，５に流れる電流の方向を、それぞれ矢先（紙面の手前に向かう方向）又は矢尻（紙面の奥に向かう方向）の記号で表している。また、図２では、各熱電変換素子４，５に流れる電流の方向を、それぞれ矢印の向きで表している。

ここで、１つの熱電変換素子４，５で発生する起電力（電圧）は小さいものの、一対の端子８ａ，８ｂの間で、複数のｎ型熱電変換素子４と複数のｐ型熱電変換素子５とを交互に直列に接続することによって、これら一対の端子８ａ，８ｂの間からは、その総和の起電力として、比較的高い電力（電圧）を取り出すことが可能である。また、一方の端子４ａ側（＋）から他方の端子４ｂ側（−）に向けて電流を流すことが可能である。

ところで、本実施形態の熱電変換装置１では、ｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５とのうち、何れか一方の熱電変換素子（本実施形態ではｐ型熱電変換素子５）が、何れか他方の熱電変換素子（本実施形態ではｎ型熱電変換素子４）よりも、第３の方向Ｚにおける熱膨張率が相対的に高くなっている。

また、一方の熱電変換素子となるｐ型熱電変換素子５は、図２に示すように、複数の半導体層２０が積層された構造を有している。

各半導体層２０は、上述した熱電変換材料（半導体材料）が箔状に形成されたものからなる。複数の半導体層２０は、第３の方向Ｚとは交差する方向（本実施形態では第１の方向Ｘ）に積層されることによって、ｐ型熱電変換素子５を構成している。

複数の半導体層２０は、それぞれの第３の方向Ｚにおける両端部のうち、一方の端部が第１の電極６に接合され、他方の端部が第２の電極７又は第３の電極９ａ，９ｂに接合されている。一方、隣り合う半導体層２０の間は、少なくとも一部において接合されておらず、互いに重ね合わされた状態となっている。複数の半導体層２０は、熱膨張時に半導体層２０同士が少なくとも一部において離間するように撓み変形可能となっている。これにより、複数の半導体層２０は、熱膨張時に第３の方向Ｚとは交差する方向（本実施形態では第１の方向Ｘ）に撓み変形可能に設けられている。なお、半導体層２０の１層の厚みは、１〜２μｍ程度である。

本実施形態の熱電変換装置１では、図３に拡大して示すように、ｐ型熱電変換素子５がｎ型熱電変換素子４よりも第３の方向Ｚにおける熱膨張率が高いため、熱膨張時にｐ型熱電変換素子５がｎ型熱電変換素子４よりも第３の方向Ｚに膨張しようとする。

このとき、ｐ型熱電変換素子５を構成する複数の半導体層２０がその積層方向（第１の方向Ｘ）に撓み変形することで、ｐ型熱電変換素子５に発生する変形（歪み）を半導体層２０の積層方向に緩和させる。これにより、ｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との間で第３の方向Ｚに発生する変形（歪み）の差を縮小することが可能である。

したがって、本実施形態の熱電変換装置１では、上述したｎ型熱電変換素子４とｐ型熱電変換素子５との熱膨張率差によって、第１及び第２の基板２，３やｎ型及びｐ型熱電変換素子４，５の一部に破壊が発生することを抑制することが可能である。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記熱電変換装置１では、第１の基板２を高温（熱源）側に配置し、第２の基板３を低温（放熱／冷却）側に配置した場合を例示しているが、第２の基板３を高温（熱源）側に配置し、第１の基板２を低温（放熱／冷却）側に配置することも可能である。この場合、各熱電変換素子４，５に流れる電流の方向が図１に示す場合とは逆向きとなる。

１…熱電変換装置 ２…第１の基板（第１の基材） ３…第２の基板（第２の基材） ４…ｎ型熱電変換素子 ５…ｐ型熱電変換素子 ６…第１の電極 ７…第２の電極 ８ａ，８ｂ…一対の端子 ９ａ，９ｂ…第３の電極 ２０…半導体層

Claims (3)

1. 一の方向において互いに対向する第１の基材及び第２の基材と、
   前記第１の基材と前記第２の基材との間に配置されたｎ型熱電変換素子及びｐ型熱電変換素子とを備え、
   前記ｎ型熱電変換素子と前記ｐ型熱電変換素子とのうち、何れか一方の熱電変換素子は、何れか他方の熱電変換素子よりも前記一の方向における熱膨張率が相対的に高くなっており、
   なお且つ、前記一の方向とは交差する方向に複数の半導体層が積層された構造を有することを特徴とする熱電変換装置。
2. 前記一方の熱電変換素子は、箔状の前記半導体層が前記一の方向とは交差する方向に積層された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
3. 前記半導体層は、熱膨張時に前記一の方向とは交差する方向に撓み変形可能に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電変換装置。

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