JP2636119B2 - 熱電素子シートとその製造方法 - Google Patents

熱電素子シートとその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、熱電半導体発電、或
はペルチェ効果を用いた冷却等に使用する熱電素子シー
トとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】温熱を電力に変換するための熱電半導体
発電素子としては、所定の熱流長（高温源・低温源に挟
まれた熱電半導体厚さ）のｐ型、ｎ型の一対の熱電半導
体の一端を電極で接続した単位構造を接続用電極で接続
して構成された熱電素子が使用されている。
【０００３】温熱を電力に変換する熱電発電素子に対
し、電力を冷熱に変換するのがペルチェ効果素子である
が、温度の適用範囲が異なっていることを除けば、熱電
発電素子とペルチェ効果素子とは、同じ原理に基づくも
のであり、上記同様の素子が使用される。
【０００４】従来これらの素子の製造はｐ型、ｎ型熱電
半導体セラミックスの塊を、プレス乃至燒結などによ
り、所定の熱流長の塊に成形し、更にこれらを電極でつ
ないだ単位構造の２以上を接続用電極で接続することに
より行われていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら熱電素
子を使用した発電、例えば高温源と低温源との温度差が
700 ℃程度と大きい宇宙用発電においては、熱電半導体
の熱流長は30mm程度を必要とする。
【０００６】このような熱流長の長い熱電半導体を使用
する場合には、熱電半導体の隙間からの放射・対流によ
る熱損失が大きく、また熱電半導体の隙間に充填材を充
填した場合は、充填材の伝導による熱損失が大きく、従
来の熱電素子の構造ではこれらの熱損失を小さくするこ
とができなかった。
【０００７】一方、海洋の温度差を利用した熱電半導体
発電においては、高温源と低温源との温度差が10℃程度
と小さいが、実用的システムの規模が大きいため、信頼
性を向上させると共に、材料のコストを下げることが必
要である。
【０００８】このような低い温度差の発電システムで
は、熱流長が小さいので、使用する熱電半導体の厚さと
幅は小さくすることができ、資源の節約、コストの低下
を図ることができるが、その反面熱電半導体の幅を小さ
くすると、隙間から放射熱が逃げるため、これによる熱
損失を抑えることができない等の不都合を生ずる。
【０００９】また、その他これらの素子に要求される特
性として、伝熱部の接触を良くして熱抵抗を下げること
を挙げることができるが、従来技術では熱電半導体は脆
性の高いセラミックの塊で構成されるため、伝熱部との
接触を一様に良くすることは困難であり、更に熱応力や
使用時の重力による歪みにより伝熱接触部分に隙間が生
じ、伝熱部の熱抵抗が、大きくなり易かった。
【００１０】また、熱電半導体がセラミックの塊で構成
されているため、脆く、劈開し易い等の問題点がある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、この発明では所定の熱流長の一対の熱電半導体の一
端を電極で接続した単位構造を接続用電極で接続してな
る熱電素子を電気的に絶縁したシート材間に介在させて
構成されたシート層を積層してなる熱電素子シートとそ
の製造方法を提案するものである。
【００１２】この発明においては、シート材料は使用温
度に応じて、表面を酸化等により電気的絶縁体とした
銅、アルミニウム等の金属箔や、熱に強いフッ素樹脂を
初めとするプラスチック等の薄膜を使用することができ
る。
【００１３】また、電極の材質としては、銀、金、ハン
ダ・アルミ、或はSnO2・ITO などの導電性物質を使用す
ることができる。
【００１４】この発明に係る熱電素子シートの製造例と
しては、例えば一方のシート材の表面に複数の接続用電
極をマスクによるスプレー、スクリーン印刷、バブルジ
ェット印刷等で形成した後、低温で乾燥又は燒結して安
定化させる。
【００１５】次に、接続用電極の所定箇所に、所定の熱
流長を有するｐ型、ｎ型の一対の熱電半導体からなる複
数の熱電半導体を上記同様な方法で形成する。
【００１６】更に、熱電半導体の隙間を熱伝導度の小さ
な熱絶縁材料で充填した後、ｐ型、ｎ型の一対の熱電半
導体の上端面を接続するように電極を上記同様な方法で
形成し、この上に他のシート材を配置してシート層を製
造し、これらのシート層を積層して熱電素子シートとす
る方法を挙げることができる。
【００１７】この発明に係る熱電素子シートの他の製造
例としては、一方のシート材の表面に上記同様にして接
続用電極と熱電半導体を形成し、また他方のシート材の
裏面に電極を形成し、この２枚のシート材の表裏を接合
してシート層を製造し、これらのシート層を積層して熱
電素子シートとする方法を挙げることができる。
【００１８】後者の方法は、工程が少なく簡単に熱電素
子シートが製造でき、しかも熱電半導体の隙間が熱絶縁
材料で充填されていないので、気体乃至真空状態に保つ
ことができ、したがって伝熱による熱損失を防ぐことが
できる等の利点があるが、その反面一方のシート材の表
面に形成した熱電半導体と他方のシート材の裏面に形成
した電極とが適切に接続され難い等の難点がある。
【００１９】これを回避するためには、他方のシート材
の裏面に形成する電極を、シート材の裏面に所定間隔で
電極をずらして配列した帯状の電極をＸ軸方向に沿って
列設したり、或は所定間隔でずらして配列した帯状の電
極をＹ軸方向に沿って列設する方法を採用することがで
きる。
【００２０】このように他方のシート裏面に所定間隔で
電極をずらして配列した帯状の電極をＸ軸方向或はＹ軸
方向に沿って列設することにより、帯状電極のうち少な
くとも１つの電極は一方のシート材の表面に形成された
一対の熱電半導体の上端面と適切に接続される。
【００２１】また、以上のようにシート面に帯状の電極
を配列することにより、熱電半導体の隙間の放射熱がこ
の電極表面で反射されるので、放射による熱損失を防ぐ
ことができる。
【００２２】
【作用】この発明に係る熱電素子シートは所定の熱流長
の一対の熱電半導体の一端を電極で接続した単位構造を
接続用電極で接続してなる熱電素子を電気的に絶縁され
たシート材間に介在させて構成されたシート層を積層し
た構造であるため、熱電半導体の隙間の熱が対流、伝
導、放射によって損失するのを防ぐことができる。
【００２３】即ち、対流による熱損失は熱電半導体の隙
間の両端にはシート材が設けられ、しかもその長さは実
用上1mm 以下であるので、無視することができる。
【００２４】また、伝導による熱損失は上述のように熱
電半導体の隙間に熱伝導率の小さな熱絶縁材を充填せ
ず、気体或は真空状態とした場合には、この部分を通る
伝導を無視することができる。
【００２５】また、放射による熱損失はシート材として
金属製のものを使用した場合には、放射熱の大部分がシ
ート材の表面で反射され、シート材が金属製でない場合
にも、積層されたシート層内を通過する放射熱は各層内
に存在する電極面でその大部分が反射される。
【００２６】ちなみに、波長が1.5 μm 以上の赤外線で
あれば、アルミ、銅のような金属では、その薄い蒸着膜
によってさえも、その95% 以上が反射されることが知ら
れているが、この発明に使用するシート乃至電極は実用
上その厚さが1 μm 以上であるから、その部分に当たっ
た放射熱は完全に反射される。
【００２７】また、シート材が金属製でない場合におい
ては、各シート層内に配置された電極面で放射熱を効率
的に反射させるためには、各シート層内に配置される電
極が放射熱の通過方向に対して完全に重なり合わないよ
うに、意識的にずらして配置されることが好ましい。
【００２８】なお、この発明に係る熱電素子シートを巻
装して使用する場合には、各シート層内の電極は自然に
ずれるため、意識的にずらす必要がない。
【００２９】このように、放射熱は金属製シート材面乃
至電極面で反射されて、熱電半導体に吸収されるので、
熱が無駄になることがない。
【００３０】また、この発明に係る熱電素子シートはシ
ート層が柔軟であるため、伝熱部との接触が良くなり、
熱抵抗を低下させることができる。
【００３１】具体的には、（ａ）高温（低温）源が、平
面または曲面で構成されている場合には、その面に沿っ
て熱電素子シートを重ねれば良い。（ｂ）高温（低温）
媒体がパイプ内を通るような場合には、パイプの外側に
熱電素子シートを巻装すれば良く、この場合パイプの外
表面に直接設置すれば、媒体とシート内の熱電半導体間
の熱抵抗を最小にすることができる。
【００３２】更に、この発明に係る熱電素子シートは脆
性の高いセラミックスで構成される熱電半導体が多数の
シート材間に介在されているため、熱電半導体の脆さが
これら多数のシート材により補強されると同時に、重力
・熱などに起因する応力がシートに加わったような場合
においても、これらの応力の大部分は伸縮性のあるシー
ト材に吸収・緩和されるため、熱電半導体がこれらの応
力により破壊されることなく、したがって熱電半導体の
信頼性を高めることができる。
【００３３】
【実施例】以下、この発明を図示の実施例に基づいて詳
細に説明する。図１はこの発明に係る熱電素子シートの
一例を示すものであり、２、２' 、２”はアルミフォイ
ルの表面を陽極酸化により電気絶縁体とした上下のシー
ト材、３は単位構造の接続用電極、４はｐ型、ｎ型の一
対の熱電半導体５、６を接続する電極、７、８は熱電半
導体５、６の隙間、９は隙間７、８を充填する熱絶縁材
料である。
【００３４】この熱電素子シートの製造は、シート材２
の表面にはマスクによるスプレー印刷で複数の接続用電
極３を所定間隔で形成し、その後燒結させて安定化させ
る。次に、所定の熱流長を有するｐ型、ｎ型の一対の熱
電半導体５、６を上記同様な方法で形成する。
【００３５】更に、熱電半導体の隙間７、８を熱伝導度
の小さな熱絶縁材料９で充填した後、ｐ型、ｎ型の一対
の熱電半導体５、６の上端面を接続するように電極４を
上記同様な方法で形成し、単位シート層10を作る。
【００３６】これら複数の単位シート層10は平面・パイ
プ面など伝熱部の形状に応じて重ね合わせて積層化し、
必要に応じて電極４の外部への接続を行い、その後乾
燥、燒結して安定化させて、この発明に係る熱電素子シ
ート11とする。
【００３７】図２は、熱電半導体の隙間７、８に熱絶縁
材料９が充填されていない熱電素子シートを示すもので
あり、この場合の製造としてはシート材２の表面に上記
同様にして接続用電極３と熱電半導体５、６を形成し、
また上段のシート材２’の裏面に電極４を形成して、単
位シート層10を製造し、これらの単位シート層10を積層
して熱電素子シート11とする。
【００３８】なお、図１の実施例では下段のシート材２
の表面に形成された熱電半導体５、６の上端面に電極４
が形成されるために、熱電半導体５、６と電極４の位置
関係のずれは実用上無視できるが、図２のようにシート
材２の表面に熱電半導体５、６を形成し、上段のシート
材２’の裏面に電極４を形成してシート２、２’を重ね
合わせる方法であると、平面状に重ね合わせる場合に
も、巻装状に重ね合わせる場合にもシート材２の熱電半
導体５、６とシート材２’の電極４との位置関係にはず
れが生ずることが予想される。
【００３９】このようなずれが生ずる虞がある場合にお
いても、上段のシート材２’の電極４を確実に下段のシ
ート材２の熱電半導体５、６のｐｎ部分に接続させるた
めにはシート材裏面の電極４の配置を図３のようにすれ
ば良い。
【００４０】図３は、シート材２’の裏面に形成される
電極4a,4b とシート材２の表面に形成される一対のｐ型
熱電半導体５とｎ型熱電半導体６との位置関係を示す平
面図であるが、この実施例ではシート材２’の面内で一
対のｐ型熱電半導体５とｎ型熱電半導体６の接続が繰り
返される方向をＸ方向、これと直角な方向をＹ方向と
し、電極4a,4b で接続すべき一対のｐ型熱電半導体５と
ｎ型熱電半導体６との距離をＡ、接続用電極３で接続す
べき隣の組のｎ型熱電半導体６とｐ型熱電半導体５との
距離をＢ、電極4a,4b の長さをＣとする時、Ｃの値を、
Ａ＜Ｃ＜Ｂと取り、かつ電極4a,4b を少しずらしてＹ方
向に沿って帯状に形成し、この帯状電極をＸ方向に沿っ
て列設すれば、電極4a,4b のうち何れかひとつは一対の
ｐ型熱電半導体５とｎ型熱電半導体６に適切に接続され
る。図３においては、4aは熱電半導体の接続に寄与した
もの、4bは熱電半導体の接続に寄与しないものを示す。
【００４１】電極4a,4b をシート材２’の裏面に配置す
ることにより、Ｘ方向の電極4a,4b位置をシート材２の
熱電半導体５、６と厳密に合わせることなく、シート材
２’とシート材２を平行に保って両シートを重ね合わせ
るだけで、電極4a,4b のうち何れかと一対の熱電半導体
５、６の接続を確保することができる。
【００４２】また、このように電極4a,4b をシート材
２’の裏面に配置することは、単位シート層10を巻装し
て重ね合わせ、シート材の厚さにより電極4a,4b の位置
が少しづつずれるような場合に特に有効である。
【００４３】更に、シート材として金属製のものを使用
しない場合には、放射熱を電極面で反射することが必要
となるが、この実施例のように電極4a,4b をずらして帯
状電極を形成すれば、放射熱は電極4a,4b の面で効果的
に反射される。
【００４４】なお、単位シート層10を巻装して使用する
場合、巻装方向としては図３のＸ、Ｙ何れの方向も可能
であるが、熱電半導体５、６の厚さが大きく、Ｙ方向に
曲げにくい場合には、Ｘ方向に巻装すれば良い。
【００４５】図４は、中心冷媒型の海洋温度差発電に、
この発明に係る熱電素子シートを使用する例を示すもの
であり、この実施例で12は冷水側パイプ、13は温水側パ
イプ、14は絶縁被覆された出力用電極線であって、冷水
側パイプ12の外表面にはこの発明に係る熱電素子シート
11を直接巻装し、熱電素子シート11と温水側パイプ13と
の間には熱電素子シート11を変質させず、電気絶縁体で
ある熱媒体15を密封し、冷水である深層海水ａは冷水側
パイプ12内を通過させ、温水である表層海水ｂは温水側
パイプ13の外側全体を覆い、この実施例での接触部の温
度差は10℃程度である。
【００４６】従来の海洋温度差発電では、温水、冷水の
伝熱管に露出部分があり、熱損失の原因となったが、こ
の実施例では冷水ａの流れる冷却側パイプ12の全体が熱
媒体15を介して温水ｂで覆われているため、露出部分か
らの冷熱の放射損失がなく、したがってこの実施例では
従来の熱損失の大部分を占める熱放射を抑えることがで
きる。
【００４７】更に、熱電半導体と伝熱管の直接接触は、
伝熱管の加工残留歪みのため、従来は実施が困難であっ
たが、この実施例ではシート材の柔軟性を利用して冷却
側パイプ12の外表面に直接熱電素子シート11を巻装する
ことができる。
【００４８】なお、温水側パイプ13は、破損を防止する
ために、大型の水槽に入れるか、防護網を被せるだけで
よい。
【００４９】図５は、中心温媒型のペルチェ効果による
冷却に、この発明に係る熱電素子シートを使用する例を
示すものであり、この実施例で16は温媒側パイプ、17は
冷媒側パイプ、18は絶縁被覆された入力用電極線であっ
て、温媒側パイプ16の外表面にはこの発明に係る熱電素
子シート11を直接巻装し、熱電素子シート11と冷媒側パ
イプ17との間には熱電素子シート11を変質させず、電気
絶縁体である熱媒体15を密封し、温媒ｃは温媒側パイプ
16内を通過させ、冷媒である空気層ｄは冷媒側パイプ17
の外側全体を覆い、この実施例での接触部の温度差は30
℃程度である。
【００５０】なお、冷却システム内で機械的な接触のな
い場合には、熱媒体15と温媒側パイプ16を省略して熱電
素子シート11を冷却システム内に露出させることができ
る。
【００５１】
【発明の効果】以上要するに、この発明によれば熱電半
導体の隙間の熱が対流、伝導、放射によって損失するの
を防ぐことができ、また熱電半導体と伝熱部との接触が
良くなり、熱抵抗を低下させることができ、更に熱電半
導体が柔軟なシート材間に介在されているため、重力・
熱などに起因する応力により熱電半導体が破壊されるこ
となく、したがって熱電半導体の効率と信頼性が保証さ
れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例を示す縦断側面図
【図２】この発明の他の実施例を示す縦断側面図
【図３】同上の実施例における一方のシート材の裏面に
形成される電極と他方のシート材の表面に形成される一
対のｐ型、ｎ型熱電半導体との位置関係を示す平面図
【図４】中心冷媒型の海洋温度差発電に、この発明に係
る熱電素子シートを使用する例を示す図
【図５】中心温媒型のペルチェ効果による冷却に、この
発明に係る熱電素子シートを使用する例を示す図
【符号の説明】
２、２’、２” シート材 ３ 単位構造の接続用電極 ４ 一対の熱電半導体を接続する電極 ５、６ ｐ型、ｎ型の一対の熱電半導体 ７、８ 熱電半導体の隙間 ９ 熱絶縁材料 10 単位シート層 11 熱電素子シート 12 冷水側パイプ 13 温水側パイプ 14 出力用電極線 15 熱媒体 16 温媒側パイプ 17 冷媒側パイプ 18 入力用電極線 Ａ 電極４で接続すべき一対のｐ型、ｎ型熱電半導体と
の距離 Ｂ 接続用電極３で接続すべき隣の組のｎ型とｐ型熱電
半導体との距離 Ｃ 電極４の長さ ａ 冷水である深層海水 ｂ 温水である表層海水 ｃ 温媒 ｄ 冷媒である空気層

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 所定の熱流長の一対の熱電半導体の一端
    を電極で接続した単位構造を接続用電極で接続してなる
    熱電素子を、その表面を酸化処理した金属箔で構成され
    るシート間に介在させて構成された柔軟なシート層を積
    層してなることを特徴とする熱電素子シート。
  2. 【請求項２】 その表面を酸化処理した金属箔で構成さ
    れる２枚のシートのうち一方のシート表面には一対の熱
    電半導体の複数組とこれらの組のうち隣り合う一対の熱
    電半導体を接続する接続用電極をＸ方向に列設し、一方
    他方のシートの裏面には、上記一対の熱電半導体間の距
    離をＡ、隣り合う一対の熱電半導体間の距離をＢとする
    と、Ｘ方向の長さＣの値をＡ＜Ｃ＜Ｂとした熱電素子を
    構成する複数個の電極をＸ方向に少しずつずらしながら
    Ｙ方向に沿って帯状に配置して帯状電極とすると共に、
    該帯状電極をＸ方向に沿って列設した後、上記２枚のシ
    ートの表面と裏面を接合することにより柔軟なシート層
    を形成するようにしたことを特徴とする熱電素子シート
    の製造方法。
JP4265402A 1992-09-08 1992-09-08 熱電素子シートとその製造方法 Expired - Lifetime JP2636119B2 (ja)

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DE4329816A DE4329816A1 (de) 1992-09-08 1993-09-03 Thermoelementplatte oder Flächenelement
US08/347,212 US5430322A (en) 1992-09-08 1994-11-21 Thermoelectric element sheet in which thermoelectric semiconductors are mounted between films

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