JP2873961B1 - Thermoelectric converter - Google Patents
Thermoelectric converterInfo
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Abstract
【要約】
【課題】 構造の簡潔化、部品点数の減少をはかり、か
つ熱電変換効率を高める。
【解決手段】 相対向する金属セグメント４１〜４３間
に、熱電変換材料よりなる熱電変換素子３１が挟み込ま
れ、これら金属セグメントと熱電変換素子３１とが、固
定ねじ３４によって結合された構成とされる。そして、
相対向する一方の金属セグメントには、固定ねじの貫通
孔が形成され、熱電変換素子には、その中央部に、固定
ねじ３４の貫通孔３５が形成され、更に、他方の金属セ
グメントには、固定ねじ３４の先端と螺合するねじ孔３
７が形成される。そして、その固定ねじ３４を、一方の
金属セグメントの貫通孔と、熱電変換素子の貫通孔に挿
入し、その先端部をセグメントのねじ孔３７に螺合させ
て、上記相対向する金属セグメントとの間において熱電
変換素子３１を配置結合する構成とする。Abstract: PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify a structure, reduce the number of parts, and increase thermoelectric conversion efficiency. SOLUTION: A thermoelectric conversion element 31 made of a thermoelectric conversion material is sandwiched between opposed metal segments 41 to 43, and these metal segments and the thermoelectric conversion element 31 are connected by a fixing screw 34. . And
In one of the metal segments facing each other, a through hole for a fixing screw is formed, and in the thermoelectric conversion element, a through hole 35 for a fixing screw 34 is formed in the center thereof, and further, in the other metal segment, Screw hole 3 screwed with the tip of the fixing screw 34
7 is formed. Then, the fixing screw 34 is inserted into the through-hole of one of the metal segments and the through-hole of the thermoelectric conversion element, and the front end thereof is screwed into the screw hole 37 of the segment. The configuration is such that the thermoelectric conversion elements 31 are arranged and coupled between them.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーを電
気エネルギーに変換する熱電変換装置に関わる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric converter for converting heat energy into electric energy.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年、傾斜機能技術、スクリーン印刷等
の周辺技術発展に伴い、熱電変換装置の発展が著しい。
図７および図８は、それぞれ従来のいわゆるπ型の熱電
変換装置の概略拡大断面図およびその分解断面図を示す
もので、この熱電変換装置は、ｐ型およびｎ型の対の半
導体熱電変換素子１が、平面的に配置された第１および
第２の金属セグメント１１および１２と、これらに差し
渡って共通に対向して配置された第３の金属セグメント
１３との間に挟み込まれて一体に結合されてπ字型に構
成されてなる。2. Description of the Related Art In recent years, the development of thermoelectric conversion devices has been remarkable with the development of peripheral functions such as gradient function technology and screen printing.
FIGS. 7 and 8 are a schematic enlarged sectional view and an exploded sectional view, respectively, of a conventional so-called π-type thermoelectric conversion device. The thermoelectric conversion device includes a pair of p-type and n-type semiconductor thermoelectric conversion elements. 1 is sandwiched and integrally formed between the first and second metal segments 11 and 12 arranged in a plane and the third metal segment 13 arranged in common and opposed to the first and second metal segments 11 and 12. They are combined to form a π-shape.
【０００３】これら対の熱電変換素子１は、それぞれｐ
型およびｎ型の半導体熱電変換材料よりなり、両端面に
低温側電極３と高温側電極４とが被着形成され、中央に
固定ねじ５の貫通孔６が穿設されて成る。また、各金属
セグメント１１、１２および１３には、対の熱電変換素
子１を並置して挟み込んだ状態で、各貫通孔６と一致す
る位置にそれぞれ固定ねじの貫通孔７が穿設される。そ
して、対の固定ねじ５を、第１および第２の金属セグメ
ント１１および１２の各貫通孔７、対の熱電変換素子１
の各貫通孔６、第３の金属セグメント１３の対応する各
貫通孔７に挿通し、それぞれその先端に、ナット８を螺
合させる。ここで各固定ねじ５は、ナット８の螺合先端
側とは反対側にドライバー溝を有する大径の頭部が形成
されて、これら頭部とナット８との間で各熱電変換素子
と金属セグメントとが保持されてこれらが結合一体化さ
れて、π型熱電変換装置９が構成される。[0003] Each of these thermoelectric conversion elements 1 has p
A low-temperature side electrode 3 and a high-temperature side electrode 4 are formed on both end surfaces of the thermoelectric conversion material, and a through hole 6 for a fixing screw 5 is formed at the center. In each of the metal segments 11, 12, and 13, a through hole 7 of a fixing screw is formed at a position corresponding to each through hole 6 in a state where the thermoelectric conversion elements 1 of the pair are juxtaposed and sandwiched. Then, the pair of fixing screws 5 are connected to the respective through holes 7 of the first and second metal segments 11 and 12 and the pair of thermoelectric conversion elements 1.
Of the third metal segment 13 and a nut 8 is screwed to the tip of each of the through holes 6. Here, each fixing screw 5 has a large-diameter head having a driver groove on the side opposite to the screwing tip side of the nut 8, and each thermoelectric conversion element and metal The π-type thermoelectric converter 9 is configured by holding the segments and combining and integrating them.
【０００４】このような構成によるπ型熱電変換装置９
は、図９にその平面図を示し、図１０にそのＡ−Ａ線上
の断面図を示すように、多数個相互に連結して平面的に
配列して、大出力の熱電変換装置を構成する。図１１お
よび図１２はその要部の断面図および分解断面図であ
る。この場合、１つのπ型熱電変換装置９の第１および
第２の金属セグメント１１および１２が、それぞれ隣り
合う他のπ型熱電変換装置の第３の金属セグメント１３
として機能させるようにする。このようにして、金属セ
グメント１１、１２および１３によって電気的には、多
数の熱電変換素子１が、順次ｎ型−ｐ型ーｎ型ーｐ型・
・・をもって直列に接続するようにし、熱的には並列に
配置されるようにする。A π-type thermoelectric converter 9 having such a configuration
9 shows a plan view thereof, and FIG. 10 shows a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 9. . FIG. 11 and FIG. 12 are a sectional view and an exploded sectional view of a main part thereof. In this case, the first and second metal segments 11 and 12 of one π-type thermoelectric conversion device 9 are replaced with the third metal segment 13 of another adjacent π-type thermoelectric conversion device.
To function as In this manner, a large number of thermoelectric conversion elements 1 are sequentially electrically n-type-p-type-n-type-p-type by the metal segments 11, 12 and 13.
····················· を も っ て 直列 を も っ て 、 、 、 、 、 、 熱 熱 熱 熱 熱.
【０００５】そして、このように多数の熱電変換素子が
配列された低温側電極３側に位置する金属セグメントに
絶縁シート１４を介して低温側の熱伝達基板となるモジ
ュール基板１５を配置し、反対側に耐熱性絶縁シート１
６を介して高温側の熱伝達基板１７を配置する。これら
低温側のモジュール基板１５および高温側の熱伝達基板
１７には、固定ねじ５の大径頭部とナット８とをそれぞ
れ挿入する透孔１８および１９が形成され、透孔１８側
からそれぞれ固定ねじ５を挿通して、その各先端をナッ
ト８に螺合してモジュール基板１５と高温側熱電変換伝
達板１７との間に、複数組のπ型熱電変換装置９、した
がって、多数の熱電変換変換素子１が配列されてなる大
出力の熱電変換装置を構成する。このようにして、多数
の熱電変換素子が直列に接続されて成る熱電変換装置に
おいて、その両端の熱電変換素子から、それぞれ出力が
取り出される端子板１８および１９が導出される。[0005] Then, a module substrate 15 serving as a low-temperature-side heat transfer substrate is disposed on the metal segment located on the low-temperature-side electrode 3 side where a large number of thermoelectric conversion elements are arranged, with an insulating sheet 14 interposed therebetween. Heat-resistant insulation sheet 1 on the side
The heat transfer board 17 on the high temperature side is arranged via 6. Through holes 18 and 19 for inserting the large-diameter head of the fixing screw 5 and the nut 8 are formed in the module board 15 on the low temperature side and the heat transfer board 17 on the high temperature side, respectively. A plurality of sets of π-type thermoelectric converters 9, and thus a large number of thermoelectric converters 9, are inserted between the module board 15 and the high-temperature-side thermoelectric conversion transmission plate 17 by inserting the screws 5 and screwing the respective ends thereof to the nuts 8. A high-output thermoelectric conversion device in which the conversion elements 1 are arranged is configured. In this way, in the thermoelectric conversion device in which a large number of thermoelectric conversion elements are connected in series, the terminal plates 18 and 19 from which outputs are respectively taken out are derived from the thermoelectric conversion elements at both ends.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところが、このよう
に、部品点数が大で、組み立てが煩雑であることから、
量産性を阻むのみならず、高温側に熱伝達板が配置され
ることによって、熱電変換素子への熱の伝達効率を低下
させてしまう。However, since the number of parts is large and the assembly is complicated,
Not only does this hinder mass productivity, but the heat transfer plate located on the high temperature side lowers the efficiency of heat transfer to the thermoelectric conversion elements.
【０００７】本発明は、上述した欠点を回避することが
できるようにした熱電変換装置を提供する。[0007] The present invention provides a thermoelectric conversion device capable of avoiding the above-mentioned disadvantages.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明による熱電変換装
置は、相対向する金属セグメント間に、熱電変換材料よ
りなる熱電変換素子が挟み込まれ、これら金属セグメン
トと熱電変換素子とが、固定ねじによって結合された構
成とされる。そして、一方の金属セグメントには、固定
ねじの貫通孔が形成され、熱電変換素子には、その中央
部に、固定ねじの貫通孔が形成され、更に、他方の金属
セグメントには、固定ねじの先端と螺合するねじ孔が形
成される。そして、その固定ねじを、一方の金属セグメ
ントの貫通孔と、熱電変換素子の貫通孔に挿入し、その
先端部をセグメントのねじ孔に螺合させて、上記相対向
する金属セグメントとの間において熱電変換素子を配置
した状態で結合する構成とする。In the thermoelectric conversion device according to the present invention, a thermoelectric conversion element made of a thermoelectric conversion material is sandwiched between metal segments facing each other, and these metal segments and the thermoelectric conversion element are fixed by fixing screws. The configuration is combined. A through hole for a fixing screw is formed in one metal segment, a through hole for a fixing screw is formed in the center of the thermoelectric conversion element, and a through hole for the fixing screw is formed in the other metal segment. A screw hole for screwing with the tip is formed. Then, the fixing screw is inserted into the through-hole of one of the metal segments and the through-hole of the thermoelectric conversion element, and its tip is screwed into the screw hole of the segment, so that the metal screw is inserted between the metal segments facing each other. The configuration is such that the thermoelectric conversion elements are coupled in a state where they are arranged.
【０００９】また、本発明は、複数の熱電変換素子を配
列して熱電変換装置を構成するいわゆるモジュール型構
成とする熱電変換装置において、熱電変換素子の低温側
にのみ熱伝達板となるモジュール基板を配置した構成と
する。このモジュール基板には、固定ねじを挿通する透
孔を穿設して、このモジュール基板と、熱電変換素子
と、金属セグメントとを固定ねじによって結合する構成
とする。Further, the present invention relates to a thermoelectric conversion device having a so-called module type configuration in which a plurality of thermoelectric conversion devices are arranged to constitute a thermoelectric conversion device, wherein a module substrate serving as a heat transfer plate only on the low temperature side of the thermoelectric conversion device is provided. Are arranged. A through-hole through which a fixing screw is inserted is formed in the module substrate, and the module substrate, the thermoelectric conversion element, and the metal segment are connected by the fixing screw.
【００１０】また、本発明による熱電変換装置は、対の
熱電変換素子によっていわゆるπ型熱電変換モジュール
構成とすることができる。この場合、第１および第２の
金属セグメントと、これら第１および第２の金属セグメ
ントに差し渡って対向する第３の金属セグメントとを有
し、これら互いに対向する第１および第３の金属セグメ
ント間と、第２および第３の金属セグメント間とに、そ
れぞれ互いに導電型を異にする半導体熱電変換材料より
なる対の第１および第２の熱電変換素子が挟み込まれ、
これら第１の熱電変換素子と、これを挟み込む第１およ
び第３の金属セグメントとが第１の固定ねじによって結
合され、第２の熱電変換素子と、これを挟み込む第２お
よび第３の金属セグメントとが第２の固定ねじによって
結合された構成とする。そして、この構成において、そ
の第１および第２の金属セグメント、あるいは第３の金
属セグメントに、それぞれ第１および第２の固定ねじの
貫通孔を形成し、他方の第３の金属セグメント、あるい
は第１および第２の金属セグメントに、第１および第２
の固定ねじの先端と螺合するねじ孔を形成する。また、
第１および第２の熱電変換素子の各中央部に、第１およ
び第２の固定ねじの貫通孔を形成する。そして、第１お
よび第２の固定ねじを、それぞれ対応する金属セグメン
トの貫通孔と、熱電変換素子の貫通孔に挿通し、先端部
を金属セグメントの対応するねじ孔に螺合させることに
よって、対向する第１および第３の金属セグメントとこ
れら間の第１の熱電変換素子とを結合すると共に、対向
する第２および第３の金属セグメントとこれら間の第２
の熱電変換素子とを結合する。Further, the thermoelectric conversion device according to the present invention can be configured as a so-called π-type thermoelectric conversion module by using a pair of thermoelectric conversion elements. In this case, there are first and second metal segments, and third metal segments facing across the first and second metal segments, and the first and third metal segments facing each other. A pair of first and second thermoelectric conversion elements made of a semiconductor thermoelectric conversion material having different conductivity types from each other, and between the second and third metal segments,
The first thermoelectric conversion element and the first and third metal segments sandwiching the first thermoelectric conversion element are coupled by a first fixing screw, and the second thermoelectric conversion element and the second and third metal segments sandwiching the first thermoelectric conversion element Are connected by a second fixing screw. In this configuration, the through holes of the first and second fixing screws are formed in the first and second metal segments or the third metal segment, respectively, and the other third metal segment or the third metal segment is formed. The first and second metal segments have first and second metal segments.
A screw hole to be screwed with the tip of the fixing screw is formed. Also,
Through holes for the first and second fixing screws are formed in the respective central portions of the first and second thermoelectric conversion elements. Then, the first and second fixing screws are inserted into the through-holes of the corresponding metal segments and the through-holes of the thermoelectric conversion element, respectively, and the leading ends are screwed into the corresponding screw holes of the metal segment, thereby opposing each other. The first and third metal segments are coupled to the first thermoelectric conversion element therebetween, and the opposing second and third metal segments and the second
With the thermoelectric conversion element.
【００１１】更に、本発明による熱電変換装置は、第１
および第２の金属セグメントと、これら第１および第２
のセグメントに差し渡って対向する第３の金属セグメン
トとを有し、これら互いに対向する第１および第３の金
属セグメント間と、第２および第３の金属セグメント間
とに、それぞれ互いに導電型を異にする半導体熱電変換
材料よりなる対の第１および第２の熱電変換素子が挟み
込まれて構成される熱電変換装置の、低温側にのみ熱伝
達板となるモジュール基板が配置された構成とする。そ
して、この場合、モジュール基板と、第１の熱電変換素
子と、これを挟み込む第１および第３の金属セグメント
とが第１の固定ねじによって結合されるとともに、モジ
ュール基板と、第２の熱電変換素子と、これを挟み込む
第２および第３の金属セグメントとが第２の固定ねじに
よって結合された構成とする。モジュール基板と、この
モジュール基板側に配置された金属セグメントと、これ
とは反対側に配置された金属セグメントとの、いずれか
一方に、第１および第２の固定ねじの貫通孔を、他方に
第１および第２の固定ねじの先端部と螺合するねじ溝を
形成する。また、第１および第２の熱電変換素子の各中
央部には、それぞれ第１および第２の固定ねじの貫通孔
を形成する。そして、第１および第２の固定ねじを、金
属セグメントの貫通孔と、熱電変換素子の貫通孔を通じ
て、各先端部を金属セグメントのねじ孔に螺合させて、
第１の固定ねじによって対向する第１および第３の金属
セグメントとこれら間の第１の熱電変換素子とを結合す
ると共に、第２の固定ねじによって対向する第２および
第３の金属セグメントとこれら間の第２の熱電変換素子
とを結合する。Further, the thermoelectric converter according to the present invention has a first
And the second metal segment and the first and second metal segments.
And a third metal segment opposing across the segment. The first and third metal segments opposing each other and the second and third metal segments each have a conductive type. A thermoelectric conversion device configured by sandwiching a pair of first and second thermoelectric conversion elements made of different semiconductor thermoelectric conversion materials has a configuration in which a module substrate serving as a heat transfer plate is disposed only on a low temperature side. . In this case, the module substrate, the first thermoelectric conversion element, and the first and third metal segments sandwiching the module substrate are connected by the first fixing screw, and the module substrate and the second thermoelectric conversion element are connected to each other. The element and the second and third metal segments sandwiching the element are connected by a second fixing screw. One of the module substrate, the metal segment disposed on the module substrate side, and the metal segment disposed on the opposite side is provided with through holes of the first and second fixing screws, and A screw groove is formed for screwing with the tip of the first and second fixing screws. Further, through-holes for the first and second fixing screws are formed at respective central portions of the first and second thermoelectric conversion elements. Then, each of the first and second fixing screws is screwed into the screw hole of the metal segment through the through hole of the metal segment and the through hole of the thermoelectric conversion element,
The first and third metal segments facing each other are connected to the first thermoelectric conversion element therebetween by the first fixing screw, and the second and third metal segments facing each other are connected by the second fixing screw. And the second thermoelectric conversion element between them.
【００１２】また、本発明による熱電変換装置は、上述
したモジュール基板上に熱電変換素子等が配置された熱
電変換装置において、そのモジュール基板の配置側とは
反対側、すなわち高温側に耐熱性薄膜を被着した構成と
する。Further, according to the thermoelectric conversion device of the present invention, in the thermoelectric conversion device in which the thermoelectric conversion elements and the like are arranged on the above-mentioned module substrate, the heat-resistant thin film is provided on the side opposite to the side where the module substrate is arranged, that is, on the high temperature side. Is attached.
【００１３】更にまた、本発明は、上述した各熱電変換
装置において、低温側と高温側との間に発生する間隙部
に耐熱性断熱材を充填する構成とすることができる。Further, according to the present invention, in each of the above-described thermoelectric conversion devices, a gap formed between the low temperature side and the high temperature side may be filled with a heat resistant heat insulating material.
【００１４】また、本発明は、上述した各熱電変換装置
において、熱電変換素子と金属セグメントとの間に、金
属ペーストを介在させた構成とすることができる。Further, the present invention may be configured such that in each of the thermoelectric conversion devices described above, a metal paste is interposed between the thermoelectric conversion element and the metal segment.
【００１５】その金属ペーストは、室温から熱電変換装
置の使用温度までの範囲において、液相金属と固相金属
とが常に２層共存相を有する金属によって構成する。こ
の金属ペーストとしては、ＧａX Ｉｎ1-X と、ＭA およ
びＭB の少なくとも一方とを含む組成を有する。ここ
で、ｘは原子比で、０．１≦ｘ≦０．２に選定され、Ｍ
A は、Ａｕ，Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｕのうちの少なくとも１種
以上で、金属ペーストの全量に対して０〜５５重量％添
加され、ＭB は、ＳｎおよびＺｎのうちの少なくとも１
種以上で、金属ペーストの全量に対して０〜１００重量
％添加された構成とする。The metal paste is composed of a metal in which a liquid phase metal and a solid phase metal always have a two-layer coexisting phase in the range from room temperature to the operating temperature of the thermoelectric converter. As the metal paste has a composition comprising the Ga X In 1-X, and at least one of M A and M B. Here, x is an atomic ratio, and 0.1 ≦ x ≦ 0.2 is selected.
A is Au, Al, Bi, of at least one or more of Cu, are added 0 to 55% by weight relative to the total amount of the metal paste, M B is at least one of Sn and Zn
More than the seeds, the composition is such that 0 to 100% by weight is added to the total amount of the metal paste.
【００１６】上述した本発明による各熱電変換素子およ
び熱電変換装置においては、相対向する金属セグメント
と、これら金属セグメント間に配置する熱電変換素子と
を固定ねじによって結合する構成を採るものであるが、
本発明構成においては、この固定ねじの結合を、従来に
おけるように、ナットによる締めつけによらず、金属セ
グメントあるいはモジュール基板に形成したねじ孔を設
け、これに固定ねじを螺合して合体するようにしたこと
から、部品点数の減少をはかることができる。In each of the thermoelectric conversion elements and thermoelectric conversion devices according to the present invention described above, a configuration is adopted in which metal segments facing each other and thermoelectric conversion elements arranged between these metal segments are connected by fixing screws. ,
In the configuration of the present invention, the connection of the fixing screws is performed by providing a screw hole formed in the metal segment or the module substrate and fastening the fixing screw to the screw hole, without using a nut as in the related art. Therefore, the number of parts can be reduced.
【００１７】また、ナットの配置を回避したことによっ
てこのナットの存在による表面の凹凸が回避され、金属
セグメントの外面自体で平坦化をはかることができるこ
とから、図１０〜図１２で示したようなナットが挿入さ
れる透孔を有する高温側の熱伝達板の配置を回避でき
る。このため、低温側にのみ各部を一体化するためのモ
ジュール基板を配置するのみであるので、より構造が簡
潔化され、また、熱エネルギーを有効に熱電変換素子に
伝達することができる。Also, by avoiding the arrangement of the nuts, the unevenness of the surface due to the presence of the nuts is avoided, and the outer surface itself of the metal segment can be flattened. Therefore, as shown in FIGS. The arrangement of the high-temperature side heat transfer plate having the through hole into which the nut is inserted can be avoided. For this reason, since only the module substrate for integrating each part is arranged only on the low temperature side, the structure is simplified, and heat energy can be effectively transmitted to the thermoelectric conversion element.
【００１８】また、熱電変換装置において、その高温側
と低温側との間に発生する間隙部に耐熱性断熱材を充填
した構成とするものにおいては、この間隙における対流
を低下すことができることから、熱エネルギーが、直接
的に、低温側に抜けることが回避できることから熱電変
換効率を高めることができる。Further, in the thermoelectric conversion device in which the gap formed between the high temperature side and the low temperature side is filled with a heat resistant heat insulating material, the convection in this gap can be reduced. In addition, since the heat energy can be prevented from directly flowing to the low temperature side, the thermoelectric conversion efficiency can be increased.
【００１９】また、本発明装置においては、金属セグメ
ントと熱電変換素子との結合を、固定ねじによって結合
合体するものであるが、この場合において、熱電変換素
子に形成する固定ねじの貫通孔を、固定ねじの直径より
幾分大きいいわゆるバカ孔として置くことにより、金属
セグメントと熱電変換素子との熱膨張率の差や、温度の
相違による熱膨張量の相違が生じた場合においても、両
者の結合面にずれ、すなわち移動が生じるようにするこ
とができるので、この結合面が固着された場合において
生じる剪断応力の発生、これによる特性の低下、熱電変
換素子の破壊等を回避できる。Further, in the device of the present invention, the connection between the metal segment and the thermoelectric conversion element is joined and fixed by a fixing screw. In this case, the through hole of the fixing screw formed in the thermoelectric conversion element is By placing it as a so-called stupid hole that is slightly larger than the diameter of the fixing screw, even if the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal segment and the thermoelectric conversion element or the difference in the amount of thermal expansion due to the difference in temperature occurs, the two can be connected. Since it is possible to cause the surface to shift, that is, to move, it is possible to avoid generation of shear stress that occurs when the connection surface is fixed, deterioration of characteristics due to the shear stress, and destruction of the thermoelectric conversion element.
【００２０】さらに、熱電変換素子と金属セグメントと
の間に、金属ペーストを介在させるときは、これら熱電
変換素子と金属セグメントとの間の熱的、電気的結合を
高めることができ、これによってこれら間の結合（接
合）面における熱的抵抗および電気的コンタクト抵抗の
低減化をはかることができる。そして、この金属ペース
トは、固相−液相の２相共存の金属によることから、上
述した金属セグメントと熱電変換素子との間の移動を阻
害することがなく、熱膨張量の相違に基く剪断応力の発
生、これによる特性の低下、熱電変換素子の破壊等を回
避できる。Further, when a metal paste is interposed between the thermoelectric conversion element and the metal segment, the thermal and electrical coupling between the thermoelectric conversion element and the metal segment can be enhanced, whereby It is possible to reduce the thermal resistance and the electrical contact resistance at the connection (junction) surface between them. And since this metal paste is made of a metal which coexists in two phases of a solid phase and a liquid phase, it does not hinder the movement between the above-mentioned metal segment and the thermoelectric conversion element, and the shearing based on the difference in the amount of thermal expansion. It is possible to avoid generation of stress, deterioration of characteristics due to the stress, breakage of the thermoelectric conversion element, and the like.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】本発明装置の例を図１〜図６を参
照して説明するが、本発明は、これらの例に限定される
ものではない。図１は、本発明装置の一例の拡大断面図
を示し、図２は、その分解断面図を示す。この例におい
ては、対の熱電変換素子３１によってπ型構成による熱
電変換装置を構成した場合である。本発明装置の基本構
成は、熱電変換材料よりなる熱電変換素子３１が、相対
向する対の金属セグメント、例えば図１において、金属
セグメント４１および４３間に挟み込まれて、固定ねじ
３４によって結合された構成とされ、一方の金属セグメ
ント側を高温側として外部から熱エネルギーが与えられ
る構成とされる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An example of the apparatus of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 6, but the present invention is not limited to these examples. FIG. 1 shows an enlarged sectional view of an example of the device of the present invention, and FIG. 2 shows an exploded sectional view thereof. In this example, a thermoelectric conversion device having a π-type configuration is configured by a pair of thermoelectric conversion elements 31. The basic configuration of the device of the present invention is such that a thermoelectric conversion element 31 made of a thermoelectric conversion material is sandwiched between a pair of metal segments opposed to each other, for example, metal segments 41 and 43 in FIG. One of the metal segments is set to the high temperature side, and heat energy is externally applied.
【００２２】そして、図１および図２で示すπ型の熱電
変換装置３０においては、対の熱電変換素子３１（第１
および第２の熱電変換素子３１１および３１２）によっ
て構成されるが、この場合、一方の熱電変換素子、例え
ば第１の熱電変換素子３１１がｐ型の半導体熱電変換材
料による熱電変換素子、他方の熱電変換素子３１２がｎ
型の半導体熱電変換材料による熱電変換素子によって構
成される。これら熱電変換素子３１は、それぞれ断面
が、円形、正方形等をなす柱状に形成することができ
る。また、これら、熱電変換素子３１を構成する熱電変
換材料は、例えば低温域熱電変換材料としては、ＢｉＴ
ｅ系、ＢｉＳｂＴｅ系等、中温域熱電変換材料として
は、ＰｂＴｅ系、ＧｅＴｅ系等、高温域熱電変換材料と
しては、ＳｉＧｅ系等を用いることができる。各熱電変
換素子３１の両端には、例えばＮｉメッキによる金属電
極３２および３３が被着形成される。In the π-type thermoelectric conversion device 30 shown in FIGS. 1 and 2, a pair of thermoelectric conversion elements 31 (first
And second thermoelectric conversion elements 311 and 312). In this case, one of the thermoelectric conversion elements, for example, the first thermoelectric conversion element 311 is a thermoelectric conversion element made of a p-type semiconductor thermoelectric conversion material, and the other thermoelectric conversion element is The conversion element 312 is n
It is composed of a thermoelectric conversion element made of a semiconductor thermoelectric conversion material of the type. Each of the thermoelectric conversion elements 31 can be formed in a columnar shape having a circular or square cross section. The thermoelectric conversion material constituting the thermoelectric conversion element 31 is, for example, BiT
e-based, BiSbTe-based, etc., medium-temperature-range thermoelectric conversion materials such as PbTe-based and GeTe-based materials, and high-temperature-range thermoelectric conversion materials such as SiGe-based materials. Metal electrodes 32 and 33 are formed on both ends of each thermoelectric conversion element 31 by, for example, Ni plating.
【００２３】そして、このπ型熱電変換装置において
は、第３の金属セグメント４３を共通にして、これに対
して第１および第２の金属セグメント４１および４２が
対向するようになされ、これら互いに対向する金属セグ
メント４１および４３間と、金属セグメント４２および
４３間とに、それぞれ第１および第２の熱電変換素子３
１１および３１２が挟み込まれるようになされる。これ
ら金属セグメント４１〜４３は、Ｆｅによる金属板によ
って構成することができる。In the π-type thermoelectric converter, the third metal segment 43 is common, and the first and second metal segments 41 and 42 are opposed to the third metal segment 43. The first and second thermoelectric conversion elements 3 are provided between the metal segments 41 and 43 and between the metal segments 42 and 43, respectively.
11 and 312 are sandwiched. These metal segments 41 to 43 can be constituted by metal plates made of Fe.
【００２４】そして、これら互いに対向する第１および
第３の金属セグメント４１および４３と、第２および第
３の金属セグメント間４２および４３と、これら間にそ
れぞれ配置された第１および第２の熱電変換素子３１１
および３１２を、それぞれドライバ溝を有する大径頭部
を有する固定ねじ３４（第１および第２の固定ねじ３４
１および３４２）によって固定する。これら固定ねじ３
４は、耐熱性にすぐれた絶縁性樹脂、セラミック等によ
って構成することもできるし、表面に耐熱性絶縁材を被
覆させて構成することできる。The first and third metal segments 41 and 43 facing each other, the second and third metal segments 42 and 43, and the first and second thermoelectric elements disposed therebetween, respectively. Conversion element 311
And 312 are fixed to a fixing screw 34 having a large diameter head having a driver groove (first and second fixing screws 34, respectively).
1 and 342). These fixing screws 3
4 can be made of an insulating resin, ceramic or the like having excellent heat resistance, or can be made by coating the surface with a heat-resistant insulating material.
【００２５】各熱電変換素子３１には、それぞれその中
心軸上に、固定ねじ３４を緩く貫通することのできるい
わゆるバカ孔構成による貫通孔３５が形成される。この
貫通孔３５の形成は、素子３１の成形の後に穿孔するこ
ともできるし、熱電変換素子３１の成形時に同時に穿設
することもできる。Each thermoelectric conversion element 31 has a through-hole 35 in the so-called stupid hole configuration through which the fixing screw 34 can be loosely penetrated on the center axis thereof. The through hole 35 can be formed after the element 31 is formed, or can be formed at the same time when the thermoelectric conversion element 31 is formed.
【００２６】そして、第１および第２の金属セグメント
４１および４２と、第３の金属セグメント４３とのいず
れか、図示の例では第１および第２の金属セグメント４
１および４２に、それぞれ両熱電変換素子３１（第１お
よび第２の熱電変換素子３１１および３１２）の各貫通
孔３５と同心軸上に、各固定ねじ３４（第１および第２
の固定ねじ３４１および３４２）を貫通する貫通孔３５
が形成され、他方すなわち図示の例では第３の金属セグ
メント４３に、各固定ねじ３４（第１および第２の固定
ねじ３４１および３４２）の先端と螺合するねじ孔３７
が形成される。Then, one of the first and second metal segments 41 and 42 and the third metal segment 43, in the illustrated example, the first and second metal segments 4
1 and 42, each fixing screw 34 (first and second thermoelectric conversion elements 31, 311 and 312) is coaxial with the respective through hole 35.
Hole 35 passing through fixing screws 341 and 342)
Is formed on the other side, that is, in the illustrated example, the third metal segment 43 is provided with a screw hole 37 which is screwed with the tip of each of the fixing screws 34 (first and second fixing screws 341 and 342).
Is formed.
【００２７】そして、第１および第２の固定ねじ３４１
および３４２を、対応する上記貫通孔３６および３５に
それぞれ挿通し、各先端部を対応するねじ孔３７に螺合
させて、金属セグメント４１と第１の熱電変換素子３１
１と第３の金属セグメント４３とを結合し、金属セグメ
ント４２と第１の熱電変換素子３１２と第３の金属セグ
メント４３とを結合する。Then, the first and second fixing screws 341
And 342 are inserted into the corresponding through holes 36 and 35, respectively, and the respective tips are screwed into the corresponding screw holes 37, so that the metal segment 41 and the first thermoelectric conversion element 31
The first and third metal segments 43 are connected, and the metal segment 42, the first thermoelectric conversion element 312, and the third metal segment 43 are connected.
【００２８】図示の例では、固定ねじ３４の大径頭部
が、外端に向かって漸次その径が大となるテーパーを有
する形状とし、貫通孔３６においても、このテーパーに
対応する内形状を有する断面とすることによって、これ
らテーパー部における衝合と、その先端のねじ孔３７と
の螺合によって、上述した各金属セグメントと熱電変換
素子との結合を行うことができるようになされる。In the illustrated example, the large-diameter head of the fixing screw 34 has a taper whose diameter gradually increases toward the outer end, and the inner shape corresponding to this taper is also formed in the through hole 36. With such a cross section, the connection between each metal segment and the thermoelectric conversion element can be performed by the abutment at the tapered portion and the screwing with the screw hole 37 at the tip thereof.
【００２９】このようにして、本発明構成においては、
ナットを使用することなく、熱電変換装置、図１および
図２の例では、対のｐ型およびｎ型半導体熱電変換素子
３１によるπ型の熱電変換装置３０が構成される。そし
て、このπ型熱電変換装置３０の一方の面側、例えば第
１および第２の金属セグメント４１および４２、あるい
は第３の金属セグメント４３側に外部から熱エネルギー
を与える。Thus, in the configuration of the present invention,
1 and 2, a π-type thermoelectric conversion device 30 including a pair of p-type and n-type semiconductor thermoelectric conversion elements 31 is configured without using a nut. Then, heat energy is externally applied to one surface side of the π-type thermoelectric conversion device 30, for example, the first and second metal segments 41 and 42 or the third metal segment 43 side.
【００３０】また、本発明装置においては、π型の熱電
変換装置３０を複数個配列した構成とすることによって
大出力の熱電変換装置、すなわち熱電変換モジュールを
構成することができる。この場合の一例を、図３にその
平面図を示し、図４に図３のＡ−Ａ線上の断面図を示
し、また図５にその要部の断面図を示し、図６に要部の
分解断面図を示す。これら図３〜図６において、図１お
よび図２に対応する部分には同一符号を付して重複説明
を省略する。In the apparatus of the present invention, a large-output thermoelectric converter, that is, a thermoelectric conversion module can be formed by arranging a plurality of π-type thermoelectric converters 30. FIG. 3 is a plan view of an example of this case, FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 3, FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part, and FIG. FIG. In FIGS. 3 to 6, portions corresponding to FIGS. 1 and 2 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
【００３１】この場合においては、図１および図２に示
したπ型の熱電変換装置３０の、各第１および第２の金
属セグメント４１および４２を、それぞれ隣り合うπ型
の熱電変換装置３０の一方の熱電変換素子３１における
各第１および第２の金属セグメント４１および４２と共
通に用いられる構成とすることによって、隣り合う各π
型の熱電変換装置３０が相互に連結されて平面的に配列
されるようにする。このようにして、金属セグメント４
１、４２および４３によって電気的には、多数の熱電変
換素子３１が、順次ｎ型−ｐ型ーｎ型ーｐ型・・・をも
って直列に接続するようにし、熱的には並列に配置され
るようにする。In this case, each of the first and second metal segments 41 and 42 of the π-type thermoelectric converter 30 shown in FIGS. 1 and 2 is connected to the adjacent π-type thermoelectric converter 30. By adopting a configuration commonly used for each of the first and second metal segments 41 and 42 in one thermoelectric conversion element 31, each adjacent π
The thermoelectric conversion devices 30 are connected to each other and arranged in a plane. Thus, the metal segment 4
1, 42, and 43 electrically connect a large number of thermoelectric conversion elements 31 in series with n-type, p-type, n-type, and p-type, and are thermally arranged in parallel. So that
【００３２】そして、このように多数の熱電変換素子が
配列された低温側のみに関して、この低温側の金属セグ
メントの外面に、絶縁シート３８を介して、熱伝導性に
すぐれた低温側熱伝達板となり、かつ複数の熱電変換素
子、この例ではπ型熱電変換装置３０を、機械的に一体
化するモジュール基板３９に結合する。この場合におい
ては、モジュール基板３９に、各固定ねじ３４を貫通す
る貫通孔５０が形成される。そして、この場合において
は、このモジュール基板３９側に位置する金属セグメン
トに形成される貫通孔３６は、テーパーのない筒状貫通
孔とし、モジュール基板３９に、固定ねじ３４の頭部の
テーパー形状に対応する内形状の貫通孔５０を形成し、
このテーパー部における衝合と、その先端のねじ孔３７
との螺合によって、上述した各熱電変換装置３０におけ
る各金属セグメント４１〜４３と熱電変換素子３１との
結合とともに、これら熱電変換装置３０を絶縁シート３
８を介してモジュール基板３９によって並置配列して一
体化された熱電変換装置７０が構成される。As for only the low-temperature side where a large number of thermoelectric conversion elements are arranged in this manner, the low-temperature-side heat transfer plate having excellent heat conductivity is provided on the outer surface of the metal segment on the low-temperature side via the insulating sheet 38. And a plurality of thermoelectric conversion elements, in this example, the π-type thermoelectric conversion device 30, are coupled to a module substrate 39 that is mechanically integrated. In this case, a through-hole 50 that penetrates each fixing screw 34 is formed in the module board 39. In this case, the through hole 36 formed in the metal segment located on the module substrate 39 side is a cylindrical through hole without taper, and the module substrate 39 has a tapered shape of the head of the fixing screw 34. Forming a corresponding inner shape through hole 50,
The abutment at this tapered portion and the screw hole 37 at the tip thereof
And the connection between the metal segments 41 to 43 and the thermoelectric conversion elements 31 in each of the thermoelectric conversion devices 30 described above, and the thermoelectric conversion devices 30 are attached to the insulating sheet 3.
The thermoelectric conversion device 70 is arranged side by side and integrated by the module substrate 39 through the intermediary 8.
【００３３】ここで、モジュール基板３９は、熱伝導性
にすぐれたＡｌ，Ｃｕ等の金属基板によって形成するこ
とが望ましい。このようにモジュール基板３９を導電性
を有する基板によって形成する場合は、金属セグメント
との間に絶縁シート３８を介在させるか、モジュール基
板３９の表面に絶縁層を被着させる。Here, it is desirable that the module substrate 39 be formed of a metal substrate made of Al, Cu or the like having excellent thermal conductivity. When the module substrate 39 is formed of a conductive substrate in this manner, an insulating sheet 38 is interposed between the module substrate 39 and a metal segment, or an insulating layer is applied to the surface of the module substrate 39.
【００３４】このようにして、多数の熱電変換素子３１
が直列に接続されて成る熱電変換装置７０において、そ
の両端の熱電変換素子から、それぞれ出力が取り出され
る端子板５０および５１が導出される。Thus, a large number of thermoelectric conversion elements 31
Are connected in series, terminal boards 50 and 51 from which outputs are respectively taken out are derived from the thermoelectric conversion elements at both ends thereof.
【００３５】また、この熱電変換装置７０においては、
そのモジュール基板３９の配置側とは反対側、すなわち
高温側に例えば水ガラス、セラミックス、いわゆる瀬戸
引きによる絶縁性の耐熱性薄膜６２を被覆する。この薄
膜６２は、その厚さが薄く選定されることによって熱の
伝達が阻害されることがない構成とされる。Further, in the thermoelectric conversion device 70,
The side opposite to the side where the module substrate 39 is arranged, that is, the high-temperature side is coated with, for example, water glass, ceramics, or an insulating heat-resistant thin film 62 made by so-called Seto draw. The thin film 62 is configured such that heat transmission is not hindered by selecting a thin thickness.
【００３６】この熱電変換装置７０においても、ナット
を使用することなく、対のｐ型およびｎ型半導体熱電変
換素子によるπ型の熱電変換装置３０が構成されると共
に、これらが平面的に配置されて構成される。Also in this thermoelectric conversion device 70, a π-type thermoelectric conversion device 30 composed of a pair of p-type and n-type semiconductor thermoelectric conversion elements is formed without using a nut, and these are arranged in a plane. It is composed.
【００３７】また、本発明による熱電変換装置７０にお
いて、その低温側と高温側との間に発生する間隙部、す
なわち各熱電変換素子３１間および周辺部には、図４に
示すように、耐熱性断熱材７１の水ガラス、あるいは耐
熱性樹脂等を充填することができる。In the thermoelectric conversion device 70 according to the present invention, the gap formed between the low-temperature side and the high-temperature side, that is, between the thermoelectric conversion elements 31 and the peripheral portion, as shown in FIG. The insulating glass 71 may be filled with water glass or a heat-resistant resin.
【００３８】また、本発明による各熱電変換装置におい
て、その熱電変換子３１と、各金属セグメント４１〜４
３との結合面（接合面）間に、金属ペースト７２を介在
させることができる。In each thermoelectric converter according to the present invention, the thermoelectric converter 31 and each of the metal segments 41 to 4
The metal paste 72 can be interposed between the bonding surfaces (bonding surfaces) with the metal paste 3.
【００３９】この金属ペーストは、室温から熱電変換装
置の使用温度までの範囲において、液相金属と固相金属
とが常に２層共存相を有する金属によって構成する。こ
のような金属ペーストとしては、ＧａX Ｉｎ1-X と、Ｍ
A およびＭB の少なくとも一方とを含む組成（ｘは原子
比）で、０．１≦ｘ≦０．２に選定され、ＭA は、Ａ
ｕ，Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｕのうちの少なくとも１種以上で、
このＭA が金属ペーストの全量に対して０〜５５重量％
添加され、ＭB は、ＳｎおよびＺｎのうちの少なくとも
１種以上で、金属ペーストの全量に対して０〜１００重
量％添加された構成とする。This metal paste is composed of a metal in which a liquid phase metal and a solid phase metal always have a two-layer coexisting phase in the range from room temperature to the operating temperature of the thermoelectric converter. As such a metal paste, Ga X In 1-X , M
A composition containing at least one of A and M B (x is an atomic ratio) and is selected to be 0.1 ≦ x ≦ 0.2, and M A is A
at least one of u, Al, Bi, and Cu;
The M A is the total amount of the metal paste 0-55 wt%
It is added, M B is at least one or more of Sn and Zn, and added configurations 0-100 wt% based on the total amount of the metal paste.
【００４０】上述したように、本発明装置によれば、固
定ねじ３４を、ナットによらず、金属セグメント４１〜
４３あるいはモジュール基板３９に形成したねじ孔に固
定ねじを螺合によって結合するようにしたことから、部
品点数の減少をはかることができる。As described above, according to the device of the present invention, the fixing screws 34 are not used for the metal segments 41 to 41 regardless of the nuts.
Since the fixing screw is screwed into the screw hole 43 or the screw hole formed in the module board 39, the number of components can be reduced.
【００４１】また、ナットの配置を回避したことによっ
てこのナットの存在による表面の凹凸が回避され、金属
セグメントの外面自体で平坦化をはかることができるこ
とから、高温側の熱伝達板の配置を回避でき、より構造
が簡潔化され、また、熱エネルギーを有効に熱電変換素
子に伝達することができる。Also, by avoiding the arrangement of the nuts, the unevenness of the surface due to the presence of the nuts is avoided, and the outer surfaces of the metal segments can be flattened, so that the arrangement of the heat transfer plate on the high temperature side is avoided. Thus, the structure can be simplified, and the thermal energy can be effectively transmitted to the thermoelectric conversion element.
【００４２】また、熱電変換装置において、その高温側
と低温側との間に発生する間隙部に耐熱性断熱材を充填
した構成とするものにおいては、この間隙における対流
を低下すことができることから、対流の発生や、熱エネ
ルギーが直接的に低温側に抜けることが回避することが
できることから熱電変換効率を高めることができる。In a thermoelectric converter in which a heat-insulating material is filled in a gap formed between the high-temperature side and the low-temperature side, convection in this gap can be reduced. Since the generation of convection and the escape of thermal energy to the low temperature side can be avoided, the thermoelectric conversion efficiency can be increased.
【００４３】また、本発明装置においては、金属セグメ
ントと熱電変換素子との結合を、固定ねじによって結合
合体するようにするものであるが、この場合において、
熱電変換素子に形成する固定ねじの貫通孔を、固定ねじ
の直径より幾分大きいいわゆるバカ孔として置くことに
より、金属セグメントと熱電変換素子との熱膨張率の差
や、温度の相違による熱膨張量の相違が生じた場合にお
いても、両者の結合部にずれ、すなわち移動が生じるよ
うにすることができるので、この結合部が固着された場
合において生じる剪断応力の発生、これによる特性の低
下、熱電変換素子の破壊等を回避できる。Further, in the device of the present invention, the connection between the metal segment and the thermoelectric conversion element is made to be combined by a fixing screw.
By placing the through hole of the fixing screw formed in the thermoelectric conversion element as a so-called stupid hole that is slightly larger than the diameter of the fixing screw, the difference in the thermal expansion coefficient between the metal segment and the thermoelectric conversion element and the thermal expansion due to the temperature difference Even in the case of a difference in the amount, it is possible to cause a shift, that is, a movement, at the joint portion of both, so that the occurrence of shear stress generated when this joint portion is fixed, the deterioration of characteristics due to this, Destruction of the thermoelectric conversion element can be avoided.
【００４４】さらに、熱電変換素子と金属セグメントと
の間に、金属ペーストを介在させるときは、これら熱電
変換素子と金属セグメントとの間の熱的、電気的結合を
高めることができ、これによってこれら間の結合（接
合）面における熱的抵抗および電気的コンタクト抵抗の
低減化をはかることができる。Further, when a metal paste is interposed between the thermoelectric conversion element and the metal segment, the thermal and electrical coupling between the thermoelectric conversion element and the metal segment can be enhanced, whereby It is possible to reduce the thermal resistance and the electrical contact resistance at the connection (junction) surface between them.
【００４５】そして、この金属ペーストは、固相−液相
の２相共存の金属によることから、上述した金属セグメ
ントと熱電変換素子との間の移動を阻害することがな
く、熱膨張量の相違に基く剪断応力の発生、これによる
特性の低下、熱電変換素子の破壊等を回避できる。Since the metal paste is made of a metal having two phases, ie, a solid phase and a liquid phase, the metal paste does not hinder the movement between the metal segment and the thermoelectric conversion element. , A decrease in the characteristics, a breakage of the thermoelectric conversion element, and the like can be avoided.
【００４６】尚、本発明装置は、図示の例に限られるも
のではなく、使用態様、配置状態によって種々の変形変
更を行うことができることは言うまでもない。The apparatus of the present invention is not limited to the illustrated example, and it is needless to say that various modifications can be made depending on the use mode and arrangement.
【００４７】[0047]
【発明の効果】上述したように、本発明装置によれば、
固定ねじを、金属セグメントもしくはモジュール基板に
形成したねじ孔に固定ねじを螺合するようにしたことに
より、また、低温側にのみ、いわば熱伝達板となるモジ
ュール基板を形成して、高温側には熱伝達板を設けない
構成とすることができるようにしたので、部品点数の減
少をはかることができ、組み立ての簡易化、したがっ
て、量産性、コストの低減化をはかることができる。As described above, according to the device of the present invention,
By fixing the fixing screw to the screw hole formed in the metal segment or the module substrate, and also forming the module substrate that becomes a heat transfer plate, so to speak, only on the low temperature side, and on the high temperature side Can be configured without a heat transfer plate, so that the number of components can be reduced, and assembly can be simplified, and thus mass productivity and cost can be reduced.
【００４８】そして、このように高温側の熱伝達板を排
除できることから、高温側から与えられる熱エネルギー
を効果的に熱電変換素子に伝達することができ、効率の
高い熱電変換を行うことができる。Since the heat transfer plate on the high temperature side can be eliminated in this way, the heat energy given from the high temperature side can be effectively transmitted to the thermoelectric conversion element, and the thermoelectric conversion with high efficiency can be performed. .
【００４９】さらに、高温側と低温側との間に発生する
間隙部に耐熱性断熱材を充填した構成とすることによ
り、この間隙における対流を低下すことができることか
ら、熱エネルギーが、直接的に、低温側に抜けることが
回避することができて、より熱電変換効率を高めること
ができる。Furthermore, since the gap formed between the high-temperature side and the low-temperature side is filled with a heat-resistant heat insulating material, convection in this gap can be reduced. In addition, it is possible to prevent the liquid from going to the low temperature side, and it is possible to further increase the thermoelectric conversion efficiency.
【００５０】また、本発明装置においては、金属セグメ
ントと熱電変換素子との結合を、固定ねじによって結合
合体するものであるが、この場合において、熱電変換素
子に形成する固定ねじの貫通孔を、固定ねじの直径より
幾分大きいいわゆるバカ孔として置くことにより、金属
セグメントと熱電変換素子との熱膨張率の差や、温度の
相違による熱膨張量の相違が生じた場合においても、両
者の結合部にずれ、すなわち移動が生じるようにするこ
とができるので、この結合部が固着された場合において
生じる剪断応力の発生、これによる特性の低下、熱電変
換素子の破壊等を回避できる。Further, in the device of the present invention, the connection between the metal segment and the thermoelectric conversion element is joined and fixed by a fixing screw. In this case, a through hole of the fixing screw formed in the thermoelectric conversion element is provided. By placing it as a so-called stupid hole that is slightly larger than the diameter of the fixing screw, even if the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal segment and the thermoelectric conversion element or the difference in the amount of thermal expansion due to the difference in temperature occurs, the two can be connected. Since the displacement, that is, the movement can occur in the portion, it is possible to avoid the occurrence of shear stress that occurs when the connection portion is fixed, the deterioration of characteristics due to this, the destruction of the thermoelectric conversion element, and the like.
【００５１】さらに、熱電変換素子と金属セグメントと
の間に、金属ペーストを介在させることにより、これら
熱電変換素子と金属セグメントとの間の熱的、電気的結
合を高めることができ、これによってこれら間の結合
（接合）面における熱的抵抗および電気的コンタクト抵
抗の低減化をはかることができ、より熱電変換効率を高
めることができる。Further, by interposing a metal paste between the thermoelectric conversion element and the metal segment, the thermal and electrical coupling between the thermoelectric conversion element and the metal segment can be enhanced. It is possible to reduce the thermal resistance and the electrical contact resistance at the bonding (junction) surface between them, and it is possible to further increase the thermoelectric conversion efficiency.
【００５２】そして、この金属ペーストは、固相−液相
の２相共存の金属によることから、上述した金属セグメ
ントと熱電変換素子との間の移動を阻害することがな
く、熱膨張量の相違に基く剪断応力の発生、これによる
特性の低下、熱電変換素子の破壊等を回避できる。Since the metal paste is made of a metal having two phases, ie, a solid phase and a liquid phase, the metal paste does not hinder the movement between the metal segment and the thermoelectric conversion element, and the difference in the amount of thermal expansion does not occur. , A decrease in the characteristics, a breakage of the thermoelectric conversion element, and the like can be avoided.
【図１】本発明による熱電変換素子を用いた本発明によ
る熱電変換装置の一例の断面図である。FIG. 1 is a sectional view of an example of a thermoelectric conversion device according to the present invention using a thermoelectric conversion element according to the present invention.
【図２】図１に示した熱電変換装置の分解断面図であ
る。FIG. 2 is an exploded sectional view of the thermoelectric converter shown in FIG.
【図３】本発明による熱電変換装置の一例の概略平面図
である。FIG. 3 is a schematic plan view of an example of a thermoelectric conversion device according to the present invention.
【図４】図３のＡ−Ａ線上の断面図である。FIG. 4 is a sectional view taken on line AA of FIG. 3;
【図５】本発明による熱電変換装置の一例の断面図であ
る。FIG. 5 is a sectional view of an example of a thermoelectric conversion device according to the present invention.
【図６】図５に示した熱電変換装置の分解断面図であ
る。6 is an exploded sectional view of the thermoelectric converter shown in FIG.
【図７】従来の熱電変換装置の断面図である。FIG. 7 is a sectional view of a conventional thermoelectric conversion device.
【図８】図７に示した熱電変換装置の分解断面図であ
る。8 is an exploded cross-sectional view of the thermoelectric converter shown in FIG.
【図９】従来の熱電変換装置の一部の平面図である。FIG. 9 is a plan view of a part of a conventional thermoelectric converter.
【図１０】図９に示した熱電変換装置のＡ−Ａ線上の分
解断面図である。FIG. 10 is an exploded cross-sectional view of the thermoelectric converter shown in FIG. 9 taken along line AA.
【図１１】図９および図１０で示した熱電変換装置の要
部の断面図である。FIG. 11 is a sectional view of a main part of the thermoelectric conversion device shown in FIGS. 9 and 10;
【図１２】図９および図１０で示した熱電変換装置の要
部の分解断面図である。FIG. 12 is an exploded sectional view of a main part of the thermoelectric conversion device shown in FIGS. 9 and 10;
１，３１・・・熱電変換素子、、３・・・低温側電極、
４・・・高温側電極、５，３４・・・固定ねじ、６、７
・・・貫通孔、８・・・ナット、９，３０・・・π型熱
電変換装置、１１，４１・・・第１の金属セグメント、
１２，４２・・・第２の金属セグメント、１３，４３・
・・第３の金属セグメント、１４・・・絶縁シート、１
５，３９・・・モジュール基板、１６・・・耐熱性絶縁
シート、１７・・・高温側熱伝達板、１８，１９・・・
透孔、２０，２１，５０，５１・・・端子板、３１１・
・・第１の熱電変換素子、３１２・・・第２の熱電変換
素子、３２，３３・・・金属電極、３４１・・・第１の
固定ねじ、３４２・・・第２の固定ねじ、３５，３６貫
通孔、３７・・・ねじ孔、３８・・・絶縁シート、７０
・・・熱電変換装置、７１・・・断熱材1, 31 ... thermoelectric conversion element, 3 ... low temperature side electrode,
4: High-temperature side electrode, 5, 34: Fixing screw, 6, 7
... through-hole, 8 ... nut, 9, 30 ... π-type thermoelectric converter, 11, 41 ... first metal segment,
12, 42... Second metal segment, 13, 43.
..Third metal segments, 14,... Insulating sheets, 1
5, 39: module substrate, 16: heat-resistant insulating sheet, 17: high-temperature side heat transfer plate, 18, 19 ...
Through holes, 20, 21, 50, 51 ... terminal plate, 311
..First thermoelectric conversion element, 312... Second thermoelectric conversion element, 32, 33... Metal electrode, 341... First fixing screw, 342. , 36 through holes, 37 ... screw holes, 38 ... insulating sheet, 70
... thermoelectric conversion device, 71 ... heat insulating material
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新野 正之 宮城県角田市君萱字小金沢１ 科学技術 庁航空宇宙研究所 角田宇宙推進技術研 究センター内 (72)発明者 熊谷 達夫 宮城県角田市君萱字小金沢１ 科学技術 庁航空宇宙研究所 角田宇宙推進技術研 究センター内 (72)発明者 木皿 且人 宮城県角田市君萱字小金沢１ 科学技術 庁航空宇宙研究所 角田宇宙推進技術研 究センター内 (56)参考文献 特開 平８−306965（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−306968（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−255935（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 35/32 H01L 35/06 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Masayuki Niino 1 Koganezawa, Kunaya, Kakuta-shi, Miyagi Japan Science and Technology Agency, Aerospace Research Institute Kakuda Space Propulsion Research Center (72) Inventor Tatsuo Kumagai-kun, Kakuta-shi, Miyagi Kagaya-ji Koganezawa 1 Science and Technology Agency Aerospace Research Institute Kakuda Space Propulsion Research Center (72) Inventor Katsutoshi Kisara Katsugaya character Kakugaya-shi Koganezawa 1 Science and Technology Agency Aerospace Research Institute Kakuda Space Propulsion Research Center (56) References JP-A-8-306965 (JP, A) JP-A-8-306968 (JP, A) JP-A-8-255935 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 35/32 H01L 35/06
Claims (10)
換材料よりなる熱電変換素子が挟み込まれ、これら金属
セグメントと熱電変換素子とが、固定ねじによって結合
されて成り、 一方の金属セグメントに、上記固定ねじの貫通孔が形成
され、 上記熱電変換素子の中央部に、上記固定ねじの貫通孔が
形成され、 他方の金属セグメントは、上記固定ねじの先端と螺合す
るねじ孔が形成され、 上記固定ねじを、上記一方の金属セグメントの貫通孔
と、上記熱電変換素子の貫通孔を通じて、上記固定ねじ
の先端部を上記他方のセグメントのねじ孔に螺合させ
て、上記両金属セグメントと上記熱電変換素子とを結合
して成ることを特徴とする熱電変換装置。1. A thermoelectric conversion element made of a thermoelectric conversion material is sandwiched between metal segments facing each other, and these metal segments and the thermoelectric conversion element are connected by a fixing screw. A through hole for the fixing screw is formed, a through hole for the fixing screw is formed at the center of the thermoelectric conversion element, and a screw hole for screwing with the tip of the fixing screw is formed on the other metal segment. A fixing screw is screwed into a screw hole of the other segment through a through-hole of the one metal segment and a through-hole of the thermoelectric conversion element, so that the two metal segments and the thermoelectric element are screwed together. A thermoelectric conversion device characterized by being combined with a conversion element.
換材料よりなる熱電変換素子体が挟み込まれ、低温側に
のみ熱伝達板となるモジュール基板が配置されて成り、 該モジュール基板と、上記熱電変換素子と、上記金属セ
グメントが固定ねじによって結合され、 上記モジュール基板と、上記熱電変換素子の低温側の金
属セグメントとに、上記固定ねじの貫通孔が形成され、 上記熱電変換素子の中央部に、上記固定ねじの貫通孔が
形成され、 上記熱電変換素子の高温側の金属セグメントに、上記固
定ねじの先端と螺合するねじ孔が形成され、 上記固定ねじを、上記モジュール基板の貫通孔と、上記
金属セグメントの貫通孔と、上記熱電変換素子の貫通孔
を通じて、その先端部を上記他方のセグメントのねじ孔
に螺合させて、上記モジュール基板と、上記両金属セグ
メントと上記熱電変換素子とを結合して成ることを特徴
とする熱電変換装置。2. A thermoelectric conversion element body made of a thermoelectric conversion material is sandwiched between metal segments facing each other, and a module substrate serving as a heat transfer plate is disposed only on the low temperature side. The conversion element and the metal segment are coupled by a fixing screw, and the module substrate and the metal segment on the low-temperature side of the thermoelectric conversion element are formed with through holes for the fixing screw. A through hole for the fixing screw is formed, and a screw hole for screwing with a tip of the fixing screw is formed in the high-temperature side metal segment of the thermoelectric conversion element. Through the through-hole of the metal segment and the through-hole of the thermoelectric conversion element, and screw the tip end thereof into the screw hole of the other segment to form the module. Thermoelectric conversion device comprising a plate, that formed by combining the above two metallic segments and the thermoelectric conversion element.
れら第１および第２のセグメントに差し渡って対向する
第３の金属セグメントとを有し、これら互いに対向する
上記第１および第３の金属セグメント間と、上記第２お
よび第３の金属セグメント間とに、それぞれ互いに導電
型を異にする半導体熱電変換材料よりなる対の第１およ
び第２の熱電変換素子が挟み込まれ、これら第１の熱電
変換素子と、これを挟み込む上記第１および第３の金属
セグメントとが第１の固定ねじによって結合され、第２
の熱電変換素子と、これを挟み込む上記第２および第３
の金属セグメントとが第２の固定ねじによって結合さ
れ、 上記第１および第２の金属セグメントと、第３の金属セ
グメントとの、いずれか一方に、上記第１および第２の
固定ねじの貫通孔が形成され、他方に上記第１および第
２の固定ねじの先端と螺合するねじ孔が形成され、 上記第１および第２の熱電変換素子の各中央部に、上記
固定ねじの貫通孔が形成され、 上記第１および第２の固定ねじを、対応する上記貫通孔
に挿通し、各先端部を対応する上記ねじ孔に螺合させ
て、上記対向する第１および第３の金属セグメントとこ
れら間の上記第１の熱電変換素子とを結合すると共に、
上記対向する第２および第３の金属セグメントとこれら
間の上記第２の熱電変換素子とを結合して成ることを特
徴とする熱電変換装置。3. A semiconductor device comprising: a first and a second metal segment; and a third metal segment opposed across the first and second segments, wherein the first and third metal segments face each other. A pair of first and second thermoelectric conversion elements made of semiconductor thermoelectric conversion materials having different conductivity types are sandwiched between the metal segments and between the second and third metal segments, respectively. And the first and third metal segments sandwiching the thermoelectric conversion element are connected by a first fixing screw,
Thermoelectric conversion element, and the second and third
Are fixed to each other by a second fixing screw, and a through hole of the first and second fixing screws is provided in one of the first and second metal segments and the third metal segment. Is formed on the other side, and a screw hole to be screwed with a tip of the first and second fixing screws is formed. A through hole of the fixing screw is formed at each central portion of the first and second thermoelectric conversion elements. The first and second fixing screws are inserted into the corresponding through-holes, and each end is screwed into the corresponding screw hole to form the first and third metal segments with the opposing first and third metal segments. While connecting the first thermoelectric conversion element between them,
A thermoelectric conversion device comprising the opposed second and third metal segments and the second thermoelectric conversion element therebetween.
れら第１および第２のセグメントに差し渡って対向する
第３の金属セグメントとを有し、これら互いに対向する
上記第１および第３の金属セグメント間と、上記第２お
よび第３の金属セグメント間とに、それぞれ互いに導電
型を異にする半導体熱電変換材料よりなる対の第１およ
び第２の熱電変換素子が挟み込まれて構成される熱電変
換装置の、低温側にのみ熱伝達板となるモジュール基板
が配置されて成り、 該モジュール基板と、上記第１の熱電変換素子と、これ
を挟み込む上記第１および第３の金属セグメントとが第
１の固定ねじによって結合されるとともに、上記モジュ
ール基板と、上記第２の熱電変換素子と、これを挟み込
む上記第２および第３の金属セグメントとが第２の固定
ねじによって結合され、 上記モジュール基板および該モジュール基板側に配置さ
れた金属セグメントと、これとは反対側に配置された金
属セグメントとのいずれか一方に上記第１および第２の
固定ねじの貫通孔が形成され、他方に上記第１および第
２の固定ねじと螺合するねじ溝が形成され、 上記第１および第２の熱電変換素子の各中央部に、それ
ぞれ上記第１および第２の固定ねじの貫通孔が形成さ
れ、 上記第１および第２の固定ねじを、対応する貫通孔に挿
通し、各先端部を対応する上記ねじ孔に螺合させて、上
記第１の固定ねじによって上記対向する第１および第３
の金属セグメントとこれら間の上記第１の熱電変換素子
とを結合すると共に、上記第２の固定ねじによって上記
対向する第２および第３の金属セグメントとこれら間の
上記第２の熱電変換素子とを結合して成ることを特徴と
する熱電変換装置。4. A semiconductor device comprising: a first and a second metal segment; and a third metal segment facing across the first and second segments, wherein the first and third metal segments face each other. A pair of first and second thermoelectric conversion elements made of a semiconductor thermoelectric conversion material having different conductivity types is sandwiched between metal segments and between the second and third metal segments. A module substrate serving as a heat transfer plate is disposed only on the low-temperature side of the thermoelectric conversion device. The module substrate, the first thermoelectric conversion element, and the first and third metal segments sandwiching the module are provided. The module substrate, the second thermoelectric conversion element, and the second and third metal segments sandwiching the module substrate are connected to each other by a first fixing screw. Through holes for the first and second fixing screws are provided in one of the module substrate, the metal segment disposed on the module substrate side, and the metal segment disposed on the opposite side. Is formed on the other side, and a screw groove to be screwed with the first and second fixing screws is formed. The first and second fixing members are respectively provided at the central portions of the first and second thermoelectric conversion elements. A through hole for a screw is formed, and the first and second fixing screws are inserted into the corresponding through holes, and each tip is screwed into the corresponding screw hole, and the first fixing screw is used for the first and second fixing screws. Opposing first and third
And the first thermoelectric conversion element therebetween and the second thermoelectric conversion element between the opposing second and third metal segments and the second thermoelectric conversion element therebetween. And a thermoelectric conversion device.
において、 高温側に耐熱性薄膜が被着されたことを特徴とする熱電
変換装置。5. The thermoelectric conversion device according to claim 2, wherein a heat-resistant thin film is applied on a high temperature side.
に耐熱性断熱材を充填したことを特徴とする請求項２、
３、４または５に記載の熱電変換装置。6. A heat-resistant insulating material is filled in a gap formed between a low-temperature side and a high-temperature side.
The thermoelectric conversion device according to 3, 4, or 5.
を特徴とする請求項６に記載の熱電変換装置。7. The thermoelectric conversion device according to claim 6, wherein the heat-resistant heat insulating material is water glass.
との間に、金属ペーストを介在させたことを特徴とする
請求項１、２、３、４、５、６または７に記載の熱電変
換装置。8. The thermoelectric conversion device according to claim 1, wherein a metal paste is interposed between the thermoelectric conversion element and the metal segment. .
装置の使用温度までの範囲において、液相金属と固相金
属とが常に２相共存相を有する金属によって構成されて
なることを特徴とする請求項８に記載の熱電変換装置。9. The metal paste according to claim 1, wherein the liquid metal and the solid metal always have a two-phase coexisting phase in a range from room temperature to a use temperature of the thermoelectric converter. The thermoelectric conversion device according to claim 8.
と、ＭA およびＭB の少なくとも一方とを含む組成を有
し、 前記ｘは原子比で、０．１≦ｘ≦０．２に選定され、 前記ＭA は、Ａｕ，Ａｌ，Ｂｉ，Ｃｕのうちの少なくと
も１種以上で、前記金属ペーストの全量に対して０〜５
５重量％添加され、 前記ＭB は、ＳｎおよびＺｎのうちの少なくとも１種以
上で、前記金属ペーストの全量に対して０〜１００重量
％添加されて成ることを特徴とする請求項８に記載の熱
電変換装置。10. The method according to claim 1, wherein the metal paste is Ga X In 1 -X.
And a composition containing at least one of M A and M B , wherein x is an atomic ratio and 0.1 ≦ x ≦ 0.2, and M A is Au, Al, Bi, Cu Of at least one of the above, from 0 to 5 with respect to the total amount of the metal paste.
5 is added% by weight, wherein M B is defined in claim 8, characterized in that at least one or more of Sn and Zn, formed by addition of 0-100% by weight based on the total amount of the metal paste Thermoelectric converter.
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