JP3007904U

JP3007904U - 熱電池

Info

Publication number: JP3007904U
Application number: JP1994011184U
Authority: JP
Inventors: イヴァノヴィッチアナティチュクルキャン
Original assignee: 有限会社サーモエレクトリックディベロップメント
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1994-08-17
Publication date: 1995-02-28
Anticipated expiration: 2000-08-17

Abstract

(57)【要約】【目的】性能の信頼性が高く、コストの低廉な熱電池
を提供する。【構成】この考案の熱電池はｎ型半導体素子１とｐ型
半導体素子２と、前記素子１、２に接続したニッケル製
の拡散防止層７と、前記素子１、２を電気回路に接続す
る接合板４とから成っていて、接合板４を銅またはアル
ミニューム製とし、前記接合板を前記半導体素子１、２
に接合する面の裏面にアルミナまたはセラミックス、あ
るいは有機フィルム、たとえばポリマイドまたはフルオ
ロフォーム製の電気絶縁層１３が形成してある。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

この考案は熱電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来の熱電池を図１から図５までに示す。図１に示す熱電池はｎ型半導体素子１とｐ型半導体素子２と、外部回路への電気出力部材３と、前記ｎ型半導体素子１とｐ型半導体素子２とに接続してあって電気回路を形成する導電性接合板４と、２枚の放熱セラミックス板５、６とから成り、このセラミックス板５と６との間にこれらのセラミックス板５、６に接続した接合板４とｎ型半導体素子１とｐ型半導体素子２とが配してある。通常ニッケル製の拡散防止層７がｎ型半導体素子１とｐ型半導体素子２に隣接して配置してある。拡散防止層７と接合板４との間は半田層８となっている。

【０００３】この形式の熱電池はアメリカ特許第５０６４４７６号、英国特許公開第２２４７３４８Ａ号、欧州特許公開第０４５０５１Ａ２号、アメリカ特許第５１７１３７２号およびアメリカのマルロー・コンパニー（ＭａｒｌｏｗＣｏｍｐａｎｙ）、およびメルカー・コンパニー（ＭｅｌｃｏｒＣｏｍｐａｎｙ）のカタログおよび小冊子に記載されている。

【０００４】セラミックス板を使用していない熱電池もまた従来公知である。これはいわゆるセレン型のモジュールであって、１９７９年に発行のエル・アナチュック（Ｌ．Ａｎａｔｙｃｈｕｋ）、キイブ（Ｋｉｅｖ）、ナウコヴァ・ヂュムカ（ＮａｕｋｏｖａＤｕｍｋａ）著「サーモエレメンツ・アンド・サーモエレクトリック・デバイセス」（Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｄｅｖｉｃｅｓ）第７６９頁に記載されており、また日本のサーモボニック社製のモジュール製品があり、同社のカタログにも記載されている。

【０００５】図２はこの形式の熱電池の略図である。この熱電池はｎ型半導体素子１とｐ型半導体素子２と、接合板４と、拡散防止層７と、半田層８とから成っている。半導体素子と接合板との空間には低熱伝導性の物質を充填するものもある。熱電池を熱電装置の金属部材の間に組み込むときには、接合板と熱電装置の金属部材とが電気的に接続しないようにするために、絶縁板を使用することが必要である。

【０００６】接合板４を（半田付けまたは溶接して）接続した２枚の平行なセラミックス板を備える熱電池は、セラミックス板の温度が異なると、相当に大きな機械的ストレスを生ずるという不利益がある。

【０００７】図３は機械的ストレスで湾曲したｎおよびｐ型半導体１、２と、機械的ストレスで湾曲した接合板４と、機械的ストレスで湾曲したセラミックス板５、６と、拡散防止層７と半田層８とを示すものである。

【０００８】セラミックス板５と６の間の温度差が大きくなり、これらセラミックス板の大きさが増加すると前記の機械的ストレスが増加する。セラミックス板の大きさを制限しなければならないことは大規模な熱電池を設計するのに妨げとなる。通常、セラミックス板５、６は４０Ｘ４０乃至５０Ｘ５０ｍｍ²までの大きさの四角形または長方形のものである。セラミックス板５、６を熱電池の支持部材とするようにした場合には、その板の厚みは０．７ｍｍ（０．５ｍｍとすることは希である）乃至１ｍｍである。セラミックスの熱伝導性は概して高くなく、そのために熱電モジュールの効率を低下するのである。セラミックス板５、６を具備する熱電池の周期的温度変化によって周期的な機械的ストレスを招き、熱電池の品質を低下させ、熱電池を作動不能に陥らせる。

【０００９】機械的ストレスはセラミックス板の温度差ばかりでなく、セラミックス板の熱膨張係数（通常３−５１０^-6Ｋ^-1）とビスマス・テルル（Ｂｉ₂Ｔｅ₃）系の熱電物質の熱膨張係数（１３−１８１０^-6Ｋ^-1）との大きな差異に起因するのである。

【００１０】セラミックス板の厚さが比較的厚いものであると、熱電池の大きさも大きくなる。これは熱電池を小型化しようとすることに逆行する。従って、半導体素子が０．５乃至１．５ｍｍの大きさのものであると、セラミックス板の厚さがモジュールの厚さ大部分を占めるものとなる。一方、セラミックス板が薄ければ、モジュールの機械的強度が弱くなる。セラミックス板の厚みが０．５乃至０．７ｍｍ以下の場合には、熱電池を組立てるときやその作動時に壊れやすい。

【００１１】熱電池にセラミックス製の支持板を使用しないですめば、それに越したことはない。そのようなモジュールは値段が安く、小型となり、さらに、高温側と低温側の接合板の温度差によって生ずる機械的ストレスが減少することから、信頼度が向上する。

【００１２】図４は英国特許第２２４７３４８号に記載の熱電池の略図で、その構造はこの考案の熱電池の構造に極めて類似するものである。図４において、符号１と２とはｎ型半導体素子とｐ型半導体素子を示し、４は接合板、７は拡散防止層、８は半田層、９は遷移層（たとえば、熱伝導性のペースト）である。この熱電池には接合板４に接続する２枚のセラミックス板が存在しない。したがって、この熱電池を冷却装置に使用するには、中間に熱電池を取り付ける部品の表面１０、１１にアルミナあるいは他のセラミックスか有機フィルムで製したセラミックス層１２を造る必要がある。

【００１３】しかし、この熱電池には重大な欠点がある。その主な欠点は、熱電池の代わりにセラミックスまたは有機フィルム製の電気絶縁層を備えた装置を使用する必要があるということである。このことが、この種の熱電池の用途の範囲を極めて狭くしているのであって、とくに、使用者がこのような電気絶縁層や装置を製造するための特殊の技術を会得していない場合や、このような装置を取り付ける設計ができない場合には、これを使用することができない。

【００１４】またこの熱電池は、図５に示すように、ヒートシンク１０、１１と熱電池との間にセラミックス板５、６を取り付ける必要があるという不利益がある。なお、図５において、符号１、２はｎおよびｐ型半導体素子で、４は接合板、５は電気絶縁層（セラミックスまたは有機層）であり、７は拡散防止層、８は半田層、９、１２は遷移層である。この場合においては、セラミックスと接合板との間に遷移層（層９）が、そしてセラミックスとヒートシンクとの間に遷移層（層１２）、つまり２つの遷移層ができる。これらの遷移層９、１２があると、温度差の損失となり、熱電エネルギーの転換率を軽減することになる。

【００１５】

【考案の目的】

この考案の目的はセラミックス板を使用することなく、しかも前述した不利益のない熱電池を提供することにある。

【００１６】

【考案の概要】

この考案によれば、ｎ型およびｐ型半導体素子と、これらの素子に接続した拡散防止層と、電気回路に構成した半導体素子で接合板とから成る熱電池において、その熱電池の信頼性を高め、製造費用を軽減するために、電気絶縁層を各接合板の素子を接続する面と反対側の表面に構成するものであって、従来技術の熱電池とは全く異なる構造のものである。

【００１７】この考案の実施態様においては、接合板をアルミニューム製とし、電気絶縁層をアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）としている。

【００１８】さらにこの考案においては、電気絶縁層を有機フィルム、たとえば、ポリマイドまたはフルオロフォームで製する。

【００１９】なお、この電気絶縁層をセラミックスとすることもできる。

【００２０】接合板に電気絶縁層を形成したことによって、支持セラミックス板を不要のものにし、熱電池の作動時における機械的ストレスを最小限度のものとし、その製造費用を軽減すると共に、信頼度を高めるものである。

【００２１】

【実施例】

この考案の熱電池は図６に示すように構成する。すなわち、ｎ型半導体素子１とｐ型半導体素子２と、これらの素子に接続したニッケル製の１乃至５μｍの厚さの拡散防止層７とから成っている。これらの素子１、２は拡散防止層７と接合板４との間に配した半田８で接合板４に接続してある。熱電池の作動温度によって、共晶のＢｉ−Ｓｎ、Ｐｂ−Ｓｎ、あるいはスズ、ビスマスおよび白金のいずれかを半田として使用する。この考案の熱電池において接合板の外面に電気絶縁層１３が接続してあると言うことは、従来技術の周知の熱電池と比べて相当に異なる点である。この考案の実施態様においては、多くの場合、厚さ５乃至５０μ ｍの電気絶縁層１３を使用する。電気絶縁層１３はアルミナ製とし、アルミニューム製の接合板４にこれを付着させるのが最も好ましい。そのためには、接合板４の外面を電流を通した電解液に浸漬して製造する。この層の厚みは電解液の組成、層の面積、電力量、層の形成時間によって異なる。

【００２２】この考案の一実施態様においては、この電気絶縁層１３を有機フィルム、たとえばポリマイドまたはフルオロホルムの形式のものとする。

【００２３】熱電池の耐久性を向上するには、半導体素子の相互の空所に熱伝導率の低い熱安定プラスチックを充填する。電気絶縁層の厚さは熱電池の設計に応じて最小限１０乃至５００μｍとしなければならない。熱電冷却モジュールを作るには、通常、Ｂｉ₂Ｔｅ₃−とＢｉ₂Ｓｅ₃−を主体とする材料を使用する。前記モジュールの一番末端の接合板の端部に接続した熱電池の出力部材３によって電気回路に配置する。

【００２４】熱電池を冷却装置に使用する場合には、図７に示すように、熱電池をヒートシンク１０と１１との間に配置する。熱電池の外面である電気絶縁層１３は冷却装置のヒートシンクの該当面と熱的に接触している。熱接触による熱抵抗はこれを最小限度のものとしなければならない。そこで、その熱接触として厚さ数μｍの熱伝導製ペーストの薄層を利用するのである。

【００２５】

【考案の作用と効果】

冷却効果を達成するために、底部のヒートシンク１１から熱を除去し、頂部のヒートシンク１２を冷却物体と完全に熱接触させる。熱電池に電流を加えると、ペルチェ効果によって熱電池の頂部の接合部に熱が吸収され、この熱が底部ヒートシンク１１へと半導体素子を経て移動する。したがって、頂部のヒートシンクの温度が降下し、それに応じてその大きさが縮小する。この過程においては、熱電池は熱伝導性のペーストを介して冷却物体に接続されていて、接合板４に付着している電気絶縁層がペースト層に沿って滑動するために、機械的ストレスは殆ど発生しない。さらに、接合板４の大きさは、通常、３ｘ６乃至５ｘ１０ｍｍ² 以内のものである。なお、半導体の線膨張係数は１３−１９１０^-6Ｋ^-1であり、アルミニュームの線膨張係数は２３１０^-6 Ｋ^-1であるために、半導体の線膨張係数とアルミニュームの線膨張係数の差に基ずく機械的ストレスは発生しない。このような比較的低いストレスをなくすために、ニッケルの拡散防止層７とアルミニュームの接合板４との間に半田８が用いられているのである。このように機械的ストレスを除去した熱電池構造によって、熱電池の信頼性が一段と向上するのである。約５０００時間の稼動時間中に、「オン」−「オフ」を５００００回繰り返した場合において、考案の熱電池の故障する危険性は従来の熱電池よりも１．５乃至１０倍少ない。

【００２６】この考案の熱電池は従来技術の周知の熱電池よりもコストが低廉である。支持用のセラミックス板を具備する周知の熱電池に比べると、この考案の熱電池は凡そ２０％から５０％以上安価である。それは接合金属をセラミックス板に焼き付ける費用と、熱電池のコストの総額の２０％乃至３０％に相当する比較的高価なセラミックス板を用いないことによるものである。同様に、モジュール組立体のコストも可成り（１０％乃至２０％）軽減する。組立時に弱まった熱電池も容易に復原することができるので、製造過程において、完璧に作動する熱電池の生産能力が増加する。これは、また熱電池のコストを５％乃至１５％引き下げる効果がある。ペルチェ効果はセラミックス板に用いられることなく、セラミックス板の冷却パラメータに損失がないため専ら熱電池について合理的に用いられる。それ故、同一の温度差を得るために、半導体素子の性能指数Ｚが低い材料を使用することができる。たとえば、Ｚ値がＺ＝２．９１０^-3Ｋ^-1 の熱電材料を使用する代わりにＺ＝２．６−２．８１０^-3Ｋ^-1の熱電材料を使用することができる。

【００２７】したがって、ゾーン再結晶法によって製した材料の代わりに押出法で製した材料を使用することができる。このように材料を変更することができることは、さらに熱電池のコストを２０％乃至３０％引き下げることになる。熱電材料の製造過程における熱電材料の浪費は１．５乃至２倍以下に減少する。熱電池の製造に際して安価な材料を使用してその経費を削減することは、熱電池のコストをさらに１０％乃至３０％低下するものとなる。それによって、経費の総額が５０％、すなわち、熱電池のコストが２分の１になる。つまりは、熱電冷却の応用範囲を拡張することになる。それ故、この考案は非常に信頼性の高く、安価な熱電池を提供することになる。

【００２８】熱電池を熱電加熱あるいは電気エネルギー源に使用する場合においても、以上に述べた理由によって熱電池の信頼性を高め、そのコストを軽減する。

【図面の簡単な説明】

【図１】２枚のセラミックス板を有する従来の熱電池を
示す略図である。

【図２】セラミックス板を使用しない従来の熱電池を示
す略図である。

【図３】２枚のセラミックス板を有する従来の熱電池の
セラミックス板がそれぞれ温度の違う場合に生ずる機械
的ストレスを説明する略図である。

【図４】セラミックス板を使用しない従来の熱電池にヒ
ートシンクを設け、電気絶縁体をヒートシンクに挿入
し、遷移層を電気絶縁体と接合板との間に設けたものを
示す略図である。

【図５】ヒートシンクと絶縁セラミックス板とを具備
し、遷移層をヒートシンクとセラミックス板、およびセ
ラミックス板と接合板との間に設けた従来の熱電池を示
す略図である。

【図６】この考案の熱電池を示す略図である。

【図７】ヒートシンクを組み込んだこの考案の熱電池の
略図である。

【符号の説明】

１ｎ型半導体素子２ｐ型半導体素子３電気出力部材４接合板５、６セラミックス板７拡散防止層８半田層９遷移層１０、１１ヒートシンク１２遷移層１３電気絶縁層

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】ｎ型半導体素子とｐ型半導体素子と、前
記素子に取り付けたニッケル製の拡散防止層と、前記ｎ
型半導体素子とｐ型半導体素子とを電気回路に接続する
接合板とから成る熱電池において、前記接合板を前記素
子に接合する部位と反対側の接合板の各々に電気絶縁層
を形成したことを特徴とする熱電池。
【請求項２】接合板をアルミニューム製とし、電気絶
縁層をアルミナ製としたことを特徴とする請求項１に記
載の熱電池。
【請求項３】電気絶縁層を有機フィルムの形に構成し
たことを特徴とする請求項１に記載の熱電池。
【請求項４】前記有機フィルムをポリマイド製とした
ことを特徴とする請求項３に記載の熱電池。
【請求項５】前記有機フィルムをフルオロフォーム製
としたことを特徴とする請求項３に記載の熱電池。
【請求項６】前記熱電気絶縁層をセラミックス製とし
たことを特徴とする請求項１に記載の熱電池。