JP2517103B2

JP2517103B2 - 薄膜熱電素子

Info

Publication number: JP2517103B2
Application number: JP1059915A
Authority: JP
Inventors: 康司中桐; 博由田中; 義明山本; 文俊西脇
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1989-03-13
Filing date: 1989-03-13
Publication date: 1996-07-24
Anticipated expiration: 2011-07-24
Also published as: JPH02238681A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は熱電変換素子、特に薄膜状の熱電素子を用い
ることと、エッチングハウゼン効果を利用することによ
り、電気的に冷房もしくは暖房を行なう空調装置、また
は冷蔵庫等に用いる熱電変換素子に関する。

従来の技術磁場をかけて電気を熱に変換、もしくはその逆を行う
エッチングハウゼン素子の従来例を、第５図に示す。エ
ッチングハウゼン効果は、金属または半導体１に電流Ix
をＸ方向に流し、その方向と垂直なＹ方向に永久磁石２
のＮ極とＳ極を向かい合って設置して磁束密度Byの磁場
をかけると、Ｚ方向に温度勾配が生じるものである。

一般に、効率を高めるために、冷却部の面積が狭く高
温部の面積が広く側面を曲面とした形状を持つ金属また
は半導体からなる素子１が用いられている。このような
従来のエッチングハウゼン素子は、半導体材料としてBi
元素やBi−Sb合金等からなり、溶融、焼成等の手段を用
いてバルクの状態で作られていた。

発明が解決しようとする課題しかしながら、この場合、低温部と高温部の温度差を
大きくするために、第５図の素子１を並列に複数個並べ
て積層する方法（カスケード方式）を取ると、厚みが増
加してデバイスが大型化してしまう、また、上記方法の
実施にともない、磁石（Ｎ極）と磁石（Ｓ極）の間隔が
広くなり、磁場の強さが弱くなってしまう、さらに、半
導体材料にとって最も性能を高くできるように、半導体
結晶の結晶軸と磁場の方向をそろえることが困難であ
る、また、希少金属を大量に使用するため材料コストが
高い等の課題があった。

そこで本発明はこれらの課題を解決するために、薄膜
状のエッチングハウゼン素子と磁石とを交互に積層する
ことによって、新規な熱電素子を提供しようとするもの
である。

課題を解決するための手段本発明による薄膜熱電素子は、電気絶縁層を設けた磁
石の上に直接的に付着させるか、もしくは樹脂フィルム
上に付着させて作製した薄膜状の半導体と、平面状の磁
石を交互に積層して構成し、エッチングハウゼン効果に
より熱電変換を行うことを特徴とするものである。

作用上記のような構成もしくは手段によって、得られる作
用は次の通りである。

（１）薄膜状の半導体と平面状の永久磁石を交互に積層
した構成であるため、デバイスを小型にすることが出来
る。また、半導体の両端面に温度差をつけるので、低温
部と高温部の間に距離を確保することが出来て、温度差
を有効にとることが出来る。

（２）半導体を薄膜で作製しているので、磁石間の距離
が短くなり、磁場の強さが強くなり、熱電効果を高める
ことが出来る。

（３）Ｐ型、Ｎ型の半導体薄膜を繰り返しで積層し、直
列で接続することにより電流値に対して電圧値を大きく
取ることができる。

（４）薄膜熱電素子を樹脂フィルム状に形成し、平面状
の磁石を挟み込むようにすると、それぞれを別々に大量
に製造することができる。

（５）薄膜製造プロセス中に、基板に対する薄膜の結晶
成長方向を制御することにより、磁場に対して最も熱電
効果が高くなる結晶面を優先的に配向させることが可能
である。

実施例以下に本発明による実施例を図面により説明する。第
１図は本発明による薄膜熱電素子の一実施例であり、
（ａ）は斜視図で、（ｂ）は第１図（ａ）のＸ−Ｙ断面
図である。

電気絶縁層で覆われている（図示せず）磁石４に、Bi
₈₈Sb₁₂5を菱面対型結晶格子のバイセクトリクス（bisec
trix）軸が基板面に対して垂直になるように結晶成長面
を優先的に配向させて直接的に付着させそれを積層して
構成している。この場合、平面状磁石４の上面はＮ極下
面はＳ極に統一している。積層した素子の両端面に電極
６を導電性ペースト７で接着している。そして、電極６
の接着されていない両端面には、放熱板８が熱伝導性の
良い接着剤９で接着されて素子全体が固定されている。

そして、電極間に電流を流すことにより、２枚の放熱
板間に温度差が生じ、高温部と低温部ができる。この温
度差を用いて電気的に冷却や加熱を行なうことが可能と
なる。

この実施例における効果は、次の通りである。

（１）真空プロセスを用いて、金属材料を直接的に平面
状磁石に付着させているので、製造プロセスが簡便であ
る。

（２）平面状磁石と合金薄膜の積層された構成に電極を
導電性ペーストで接着しているので、電極の接合が簡便
である。

（３）薄膜状の合金を用いているので、デバイスの小型
化が容易である。

（４）製膜条件を制御し、Bi₈₈Sb₁₂における菱面体型結
晶格子のバイセクトリクス（bisectrix）軸を基板面に
対して垂直になるように結晶成長面を優先的に配向させ
ているので、磁気ゼーベック係数が高くなり、高効率の
出力が得られる。

（５）使用する金属材料の量は非常に少なくできる。

第２図は、本発明による薄膜熱電素子の他の実施例の
斜視図であり、第３図は、その詳細図である。

第２図では、平面状磁石13と薄膜半導体15、16の積層
構造の両端面に、放熱板10が、熱伝導性の良い接着剤11
で接着し、密着固定している。素子の上部と下部には、
電極12が接合されている。

第３図（ａ）および（ｂ）は磁石13と金属14と薄膜半
導体15、16とからなる要素素子の断面図を示しており、
（ｃ）は第２図のＸ−Ｙ断面を示している。第３図
（ａ）では、絶縁層17で覆われている平面状磁石13の一
端に、金属14が接合されており、この磁石上にＮ型半導
体薄膜15を直接的に付着している。この場合の平面状磁
石基板13は、上面がＮ極下面がＳ極に統一している。ま
た、接合されている金属の位置が逆になっている同様の
平面状磁石基板にＰ型半導体薄膜16を直接的に付着した
ものが第３図（ｂ）である。第３図（ｃ）は、（ａ）と
（ｂ）か交互に積層された構造を示す。最下面の（ａ）
には、Ｐ型半導体16が直接的に付着してある。そして最
上面と最下面には電極12が接続されている。

この実施例における効果は、次の通りである。

（１）Ｎ型とＰ型の半導体薄膜を交互に使用することに
より、素子に直列に電流を流すことが出来、電流値を低
くし、ジュール熱の発生を抑えることが可能となる。

（２）真空プロセスを用いて、半導体材料を直接的に平
面状磁石に付着させているので、製造プロセスが簡便で
ある。

（３）薄膜状の半導体を用いているので、デバイスの小
型化が容易である。

（４）使用する半導体の量は非常に少なくできる。

第４図は本発明による他の実施例であり、（ａ）は基
板フィルムの断面図で、（ｂ）は薄膜熱電素子の斜視図
である。（ａ）では、絶縁性の樹脂フィルム基板18上
に、Ｎ型半導体薄膜19とＰ型半導体薄膜20を間隔を開け
て交互に付着し、その間を埋めて、各々の半導体と重な
りが出来るように金属薄膜21を蒸着している。（ｂ）
は、（ａ）のフィルムを折り曲げて、Ｎ型半導体とＰ型
半導体が交互に平面状磁石22で挟み込まれて積層した構
成の薄膜熱電素子である。

この実施例における効果は、次の通りである。

（１）真空プロセスを用いて製膜を行っているため、ポ
リイミド等の樹脂フィルム上にも容易に熱電素子を構成
できる。

（２）半導体薄膜および金属薄膜を連続的に大量に基板
フィルムに付着させることが出来るので、製造方法が簡
便である。

（３）半導体薄膜と平面状磁石が分離した構成となって
いるので、各々の準備が容易であり、容易である。

（４）薄膜状の半導体を用いているので、デバイスの小
型化が容易である。

（５）使用する半導体の量は非常に少なくできる。

なお、平面状の磁石は金属や焼結体を用いた板状のも
のだけでなく、真空蒸着法や、スパッタリング法で作製
するアモルファス等の薄膜状のものでもよい。

発明の効果以上のように本発明による熱電素子は、平面状の磁石
と、薄膜状の半導体を交互に積層させる構成をとってい
るため、次のような効果が得られる。

（１）デバイスの小型化が可能である。

（２）低温部と高温部の間に距離をとることが出来るの
で、温度差を有効にとることが出来る。

（３）半導体薄膜の結晶成長面を、薄膜製造プロセスの
条件を変えることによって制御することが出来る。

（４）磁石間の距離を短くすることにより、磁場の強さ
を強くできる。

（５）使用する金属または、半導体の使用量を少なくす
ることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の一実施例の熱電素子の斜視図、
第１図（ｂ）は（ａ）の断面図、第２図は本発明の他の
実施例の熱電素子の斜視図、第３図（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）は第２図の詳細図、第４図（ａ）は本発明の他の
実施例の熱電素子のフィルム基板の断面図、第４図
（ｂ）は（ａ）に示す熱電素子を積層した熱電素子の斜
視図、第５図は従来例のエッチングハウゼン素子の斜視
図である。５、15、16、19、20……半導体薄膜、６、12、17……電
極、14、21……金属、２、４、13、22……磁石、８、10
……放熱板。

フロントページの続き (72)発明者西脇文俊大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献特開昭63−315924（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−257282（ＪＰ，Ａ) 特開平１−260865（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】平面状の磁石と薄膜状の半導体を交互に積
層し、前記磁石による磁場を前記薄膜状の半導体にか
け、エッチングハウゼン効果により熱電変換を行うこと
を特徴とする薄膜熱電素子。
【請求項２】電気絶縁層を設けた磁石の上へ半導体を直
接的に付着させ、その要素素子を積層させた請求項１記
載の薄膜熱電素子。
【請求項３】半導体膜が交互にＰ型、Ｎ型の繰り返しで
積層された請求項１記載の薄膜熱電素子。
【請求項４】半導体膜を樹脂フィルム上に形成した後、
平面状の磁石で挟み込んだ請求項１記載の薄膜熱電素
子。
【請求項５】半導体薄膜形成の製膜条件を制御して、基
板面に対してある特定の結晶面を優先的に配向させた請
求項１記載の薄膜熱電素子。