JP3198399B2 - 半導体熱電モジュール - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体熱電素子を複数
個使用して構成される半導体熱電モジュールに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧縮方式の冷凍冷蔵庫や空調機な
どの冷却システムに使用される冷却媒体として、クロロ
フルオロカーボン（ＣＦＣｓフロン）が主に使用されて
いる。しかしながら、クロロフルオロカーボンは、オゾ
ン層を破壊するということで、現在、地球的な社会問題
となっている。このようなクロロフルオロカーボンによ
る地球環境への悪影響を考慮して、１９９５年以降、ク
ロロフルオロカーボンを製造することを禁止することが
国連会議において決定された。これに対処するため、冷
凍冷蔵庫や空調機等を製造する各メーカでは、上記フロ
ンに代わる、いわゆる、地球にやさしい代替フロンを開
発したり、或いはフロンを使用する圧縮方式の冷却シス
テムに代わって、フロンを使用しない新しい冷却システ
ムを開発することが急務となっている。

【０００３】このようなフロンを使用しない冷却システ
ムとして、最近、熱電子冷却方式の冷却システムが、フ
ロンを使用する従来の圧縮方式の冷却システムの代替シ
ステムとして、非常に有望視されている。何故なら、熱
電子冷却方式の冷却システムは、フロンを使用しないの
で、環境に対して非常にクリーンであり、地球環境を汚
染するという心配がないからである。

【０００４】この熱電子冷却方式の冷却システムにおい
ては、熱と電気との間の変換を行う熱電材料として、
（Ｂｉ，Ｓｂ）₂ （Ｔｅ，Ｓｅ）₃ 系半導体化合物など
の優れた熱電子冷却特性を示す材料が使用されている。
この（Ｂｉ，Ｓｂ）₂ （Ｔｅ，Ｓｅ）₃ 系半導体化合物
の単結晶材が低温度領域において優れた熱電特性をもつ
ことは、古くから知られている。しかしながら、この単
結晶材は、その結晶のＣ面内の結合力が弱く、劈開し易
いという欠陥をもっている。それ故に、（Ｂｉ，Ｓｂ）
₂ （Ｔｅ，Ｓｅ）₃ 系半導体化合物の実用材としては、
溶成材や粉末焼結材が使用されている。

【０００５】熱電子冷却方式の冷却システムは、単独の
半導体熱電素子やそれを複数個組み合わせることによっ
て構成された熱電変換モジュールをその主要部品として
含んでいる。ここで、半導体熱電素子とはゼーベック効
果またはペルチェ効果を利用した素子である。

【０００６】周知のように、ゼーベック効果とは、２つ
の異なる金属などの導電材料（または半導体材料）で回
路を作り、その二つの接続点の温度を異なった温度にす
ると、閉回路に起電力を生じ電流が流れる現象（すなわ
ち、熱的エネルギーが電気的エネルギーに変換される現
象）のことをいい、熱電効果とも呼ばれる。このとき流
れる電流は熱電流と呼ばれ、この１組の導電材料（また
は半導体材料）は熱電対と呼ばれる。このゼーベック効
果を利用したものが熱電発電である。

【０００７】一方、ペルチェ効果は、熱電効果とは逆の
現象で、熱電流が流れる方向に外部から電流を流すと、
熱電流が流れるときの高温の接点では熱の吸収が起こ
り、低温の接点では熱の発生が起きる現象（すなわち、
電気的エネルギーが熱的エネルギーに変換される現象）
のことをいう。このペルチェ効果を利用したものが熱電
冷却である。

【０００８】近年、傾斜機能技術、スクリーン印刷等の
周辺技術の発展に伴い、半導体熱電素子及び熱電変換モ
ジュールの製造技術は著しく発展してきている。

【０００９】図１５に従来の熱電変換モジュールの構成
を示す。図示の熱電変換モジュールは、複数の半導体素
子材チップが平面上に配列されたチップ層３１を有す
る。詳細に説明すると、図示のチップ層３１は４９個
（図面では５個のみ図示する）のＮ型半導体素子材チッ
プ３１ｎと、４９個（図面では５個のみ図示する）のＰ
型半導体素子材チップ３１ｐとを有し、これらは図面の
左右および手前奥行き方向に交互に所定距離離れて、図
面の上方から見たとき格子状に配置されている。但し、
４隅の内の２つは、外部に電力を供給したりあるいは外
部から直流を流すための一対の電極（図示せず）として
使用されるので、これらの位置には半導体素子材チップ
が存在しない。

【００１０】チップ層３１の上面および下面は、それぞ
れ、上半田層３２ｕおよび下半田層３２ｄによって、４
９枚（図面では５枚のみ図示する）の上金属セグメント
から成る上金属層３３ｕおよび５０枚（図面では６枚の
み図示する）の下金属セグメントから成る下金属層３３
ｄに接合されている。ここで、熱電変換モジュールを熱
電発電に使用する場合、チップ層３１の上面側の上金属
層３３ｕは、図示しない高熱源によって高温にされるの
で高温側接合金属層と呼ばれ、チップ層３１の下面側の
下金属層３３ｄは、図示しない低熱源によって低温にさ
れるので、低温側接合金属層と呼ばれる。

【００１１】上金属層３３ｕおよび下金属層３３ｄ間に
挟まれた一対のＮ型半導体素子材チップ３１ｎおよびＰ
型半導体素子材チップ３１ｐによって、１個の熱電対
（熱電気変換素子）が構成される。図１５から明らかな
ように、各熱電対（熱電気変換素子）は、π字型の構造
をしている。従って、図示の熱電気変換モジュールは各
々がπ字型構造を基本構造とした４９個の熱電対（熱電
気変換素子）から成る。また、Ｎ型半導体素子材チップ
３１ｎおよびＰ型半導体素子材チップ３１ｐの各々は、
熱電変換用基本素子と呼ばれる。

【００１２】図１５に示されるように、これら４９個の
熱電対は４９枚の上金属セグメントおよび５０枚の下金
属セグメントを介して電気的に直列に接続されている。
また、チップ層３１の上面側に上金属層（高温側接合金
属層）３３ｕが、下面側に下金属層（低温側接合金属
層）３３ｄが配置されるので、これら４９個の熱電対は
熱的に並列に配列されている。上金属層３３ｕの上面に
は、傾斜機能技術等により銀ろう３４ｕを介して上絶縁
薄板３５ｕが固着されている。同様に、下金属層３３ｄ
の下面には、傾斜機能技術等により銀ろう３４ｄを介し
て下絶縁薄板３５ｄが固着されている。熱電変換モジュ
ールを熱電発電に使用する場合、上述したのと同じ理由
により、上絶縁薄板３５ｕおよび下絶縁薄板３５ｄは、
それぞれ、高温側絶縁薄板および低温側絶縁薄板と呼ば
れる。このようにして、熱電変換モジュールは平板状に
組み立てられる。

【００１３】尚、後述するように、この熱電変換モジュ
ールを熱電発電に使用する場合には、下絶縁薄板（低温
側絶縁薄板）３５ｄを低温に保つ必要があり、また、熱
電変換モジュールを熱電冷却に使用する場合には、下絶
縁薄板３５ｄから発熱させる必要がある。そのため、図
１５に示すように、一般的に、下絶縁薄板３５ｄの下面
に、グリース３６を介して放熱板３７が固着される。

【００１４】このような構造の熱電変換モジュールを熱
電発電に使用する場合、高熱源によって上絶縁薄板（高
温側絶縁薄板）３５ｕを加熱し、かつ低熱源及び／又は
放熱板３７によって下絶縁薄板（低温側絶縁薄板）３５
ｄから放熱させる。これにより、高温側絶縁薄板３５ｕ
と低温側絶縁薄板３５ｄとの間に大きな温度差を与えて
発電機能（ゼーベック効果）を得る。このとき、上記一
対の電極に負荷を接続することにより、上金属セグメン
トおよび下金属セグメントの各々では、図１５におい
て、右側から左側の方向に熱電流が流れ、負荷に電力を
供給することができる。

【００１５】逆に、熱電変換モジュールを熱電冷却に使
用する場合、上記熱電流が流れる方向と同じ方向に外部
から一方の電極から他方の電極に直流を流す。すると、
上絶縁薄板３５ｕはその周囲から熱を吸収することによ
りその周囲を冷却し、下絶縁薄板３５ｄはその周囲に熱
を発生してその周囲を加熱する。このように、上絶縁薄
板３５ｕと下絶縁薄板３５ｄとの間に温度差を発生させ
ることにより冷却機能（ペルチェ効果）を得ることがで
きる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱電気変換モジュールは、構造的に、次に述べる様な欠
点をもっている。すなわち、チップ層３１と上金属層３
３ｕおよび下金属層３３ｄとが上半田層３２ｕおよび下
半田層３２ｄによって接合されていることに問題があ
る。本来、半田接合は、一旦、半田を凝固させた後は室
温近傍で、その接合機能を果たすように設計されてい
る。しかるに、上記従来の熱電変換モジュールの構造で
は、熱電発電として使用する場合、上述したように半導
体熱電素子の両側（図１５の上下側）にある高温側絶縁
薄板３５ｕ及び低温側絶縁薄板３５ｄ間に大きな温度差
を与えて発電機能（ゼーベック効果）を得、或いは熱電
冷却として使用する場合、上述したように４９個の熱電
対に直流を流して上絶縁薄板３５ｕ及び下絶縁薄板３５
ｄ間に温度差を発生させることにより冷却機能（ペルチ
ェ効果）を得ている。

【００１７】周知のように、上半田層３２ｕおよび下半
田層３２ｄに使用される半田は、鉛（Ｐｂ）及び錫（Ｓ
ｎ）を主成分とし、その共晶点（錫６３重量％，鉛３７
重量％）近傍の組成を持ち、それらが細かく分散された
層状組織をもっている。ところが、上記構造の熱電変換
モジュールでは、熱電発電として使用する場合には高温
側接合金属３３ｕ側の上半田層３２ｕが、熱電冷却とし
て使用する場合には下金属層３３ｄ側の下半田層３２ｄ
が、長時間、半田の融点（約１８３℃）直下温度に保持
される場合がある。このような場合、その温度に保持さ
れた半田の層状組織は粗大化し、その半田の形状が変形
することは、半田の特性を示す状態図からみて十分に考
えられ得る。チップ層３１と上金属層３３ｕ又は下金属
層３３ｄとの間の個々の接合層で生じる上半田層３２ｕ
または下半田層３３ｄの層状組織の変化は、チップ層３
１を構成するＮ型半導体素子材チップ３１ｎおよびＰ型
半導体素子材チップ３１ｐと上金属層３３ｕ及び下金属
層３３ｄを構成する金属セグメントと間の半田接合層
（上半田層３２ｕおよび下半田層３２ｄ）に不均一な熱
剪断応力を加えることになる。これが、熱電変換用基本
素子の劈開及び破壊の原因をつくることなり、熱電特性
に影響を与えてしまう。

【００１８】本発明の課題は、半導体素子材チップの材
料として、溶成材や粉末焼結材ばかりでなく単結晶や一
方向凝固材をも使用できる半導体熱電素子を有する半導
体熱電モジュールを提供し、劈開しても、室温近傍で最
も優れた熱電特性を有し、（Ｂｉ，Ｓｂ）2 （Ｔｅ，Ｓ
ｅ）3 化合物単結晶材の使用を可能にする半導体熱電モ
ジュールを提供することである。

【００１９】

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、螺子孔
を有する第１の金属セグメント上にＮ型熱電素子及びＰ
型熱電素子を接合し、前記Ｎ型熱電素子及び前記Ｐ型熱
電素子の上に螺子孔を有する金属ブロックを接合してな
る半導体熱電素子を複数個と、該複数個の半導体熱電素
子を互いに電気的に結合する複数枚の第２の金属セグメ
ントと、前記金属ブロックの螺子孔に螺合して、前記複
数個の半導体熱電素子を前記複数枚の第２の金属セグメ
ントに固定するための固定螺子とを有し、複数枚の前記
第２の金属セグメントの各々には前記固定螺子を通すた
めの貫通孔が空けられている半導体熱電モジュールが得
られる。

【００２１】

【００２２】

【作用】本発明では、半導体素子材チップをその両端面
で一対の金属ブロックで挟み接合してなる半導体熱電素
子（以下、これをダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子と呼ぶ）を使用する。ダブル・ハンバーガー型基本素
子構造を採ることによって、半導体素子材チップの材料
として、劈開し易いが優れた熱電特性をもつ単結晶およ
び一方向凝固材も、溶成材および粉末焼結材と同様に、
使用する事が可能になる。金属ブロックを半導体素子材
チップに接合することによって、半導体素子材チップの
機械的強度の弱さを補強できる。従って、たとえ半導体
熱電素子が面に直角に劈開しても、半導体素子材チップ
の断面積に変化がなく、熱電特性に影響を及ぼすことが
ない。

【００２３】又、本発明では、前記ダブル・ハンバーガ
ー型半導体熱電素子の他に、螺子孔を有する金属セグメ
ント上にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を接合し、前記
Ｎ型熱電素子及び前記Ｐ型熱電素子の上に螺子孔を有す
る金属ブロックを接合して形成されてなる半導体熱電素
子（以下、これをツイン・ハンバーガー型半導体熱電素
子と呼ぶ）を使用する。この場合も前記ダブル・ハンバ
ーガー型半導体熱電素子の場合と同様に、たとえ半導体
熱電素子が面に直角に劈開しても、半導体素子材チップ
の断面積に変化がなく、熱電特性に影響を及ぼすことが
ない。

【００２４】前記ダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子と金属セグメントとの間の結合を螺子止めにし、その
間隙にペースト状金属を塗布することによって形成され
る半導体熱電モジュール（以下、ダブル・ハンバーガー
型半導体熱電モジュールと呼ぶ）によれば、従来の熱電
特性の効果を保ちつつ、熱剪断応力の緩和を可能ならし
め、従来のπ字型半導体熱電素子を使用するモジュール
構造の欠陥を回避することができる。

【００２５】又、複数個のツイン・ハンバーガー型半導
体熱電素子と複数枚の金属セグメントとが、固定螺子で
金属ブロックの螺子孔に螺合することによって固定され
て形成される半導体熱電モジュール（以下、ツイン・ハ
ンバーガー型半導体熱電モジュールと呼ぶ）の場合も上
記同様、従来の熱電特性の効果を保ちつつ、熱剪断応力
の緩和を可能ならしめ、従来のπ字型半導体熱電素子を
使用するモジュール構造の欠陥を回避することができ
る。

【００２６】本発明の半導体熱電モジュールでは、半導
体熱電素子と金属セグメントとを螺子を用いて固定する
ので、従来のような固定基板（上下にある絶縁薄板）を
必ずしも必要としない。また、モジュール内の熱の伝達
を、金属製熱伝達板と金属セグメントとの間に挟まれた
絶縁シートを通して行うので、熱の伝達効率を著しく向
上させることができる。

【００２７】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図７を参照して説
明する。図５〜図７は、図１及び図３に示された半導体
熱電素子を有する本発明の半導体熱電モジュールの構造
を示し、図６及び図７は図５の半導体熱電モジュールの
変形例である。図１に示された半導体熱電素子１０は、
半導体素子材チップとしての円板形状をしたＮ型熱電素
子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐと、このＮ型熱電素子
１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐの両端面を挟む一対の金
属ブロック１２とを有し、これらを接合した構造をも
つ。Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐは、１
以下の形状因子Ａ（素子材の板厚／断面積）をもつこと
が好ましい。本実施例では、各金属ブロック１２は、Ｎ
型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐのほぼ中心軸
に沿って空けられた螺子孔１２ａをもつ。このようなダ
ブル・ハンバーガー型半導体熱電素子構造では、前記半
導体素子材チップの機械的強度の弱さを金属ブロック１
２によって補強することができる。したがって、たとえ
前記半導体素子材チップの面に直角に劈開したり、又は
亀裂が入ったとしても、その半導体素子材チップの断面
積に変化は生じない。それ故、半導体熱電素子１０の電
気抵抗は変化せず、ゼーベック効果に基づく熱電特性に
も影響を与えることはない。

【００２８】尚、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子
１１ｐは、それぞれ金属ブロック１２に半田付けによっ
て接合される。したがって、金属ブロック１２に空けら
れた螺子孔１２ａは、図示したように貫通孔でもよい
し、途中まで螺刻された凹状の孔であってもよい。

【００２９】図２に、本実施例の半導体熱電モジュール
に使用される半導体熱電素子の他の実施例を示す。図示
されたように、半導体熱電素子１０Ａは、金属ブロック
１２の螺子孔１２ａの各々に螺子１３が螺合されている
点を除いて、図１に示した半導体熱電素子１０と同様の
構成を有する。このような構造をもつ半導体熱電素子１
０Ａも、図１に示した半導体熱電素子１０と同様の作用
効果を有することは明白である。尚、本実施例では、金
属ブロック１２と螺子１３とが別体であるが、これらを
一体に構成しても良いのは勿論である。

【００３０】図３に図１に示した半導体熱電素子１０を
２個使用して構成した半導体熱電素子を示す。図示の半
導体熱電素子は図１に示した半導体熱電素子１０を２個
有する。これら２個の半導体熱電素子１０を間に挟んで
３枚の金属セグメント１４が設けられている。各金属セ
グメント１４には、その両端側に金属ブロック１２に空
けられた螺子孔１２ａに対応する２つの貫通孔１４ａが
空けられている。２個の半導体熱電素子１０と３枚の金
属セグメント１４とは、螺子孔１２ａと貫通孔１４ａと
の位置を合わせた状態で、４個の固定螺子１５によって
固定される。半導体熱電素子１０（金属ブロック１２）
と金属セグメント１４との接合面には、接触抵抗を低減
する為に、ペースト状のＩｎＧａ合金が塗布されてい
る。

【００３１】このように、半導体熱電素子１０と金属セ
グメント１４との結合を螺子止めにし、それらの間の間
隙にペースト状金属を塗布しているので、従来の熱電特
性の効果を保ちつつ、熱剪断応力を緩和させることがで
きる。これにより、従来のπ字型半導体熱電素子および
それを使用したモジュール構造の欠陥を回避することが
できる。また、半導体熱電素子１０と金属セグメント１
４とを固定螺子１５を用いて固定しているので、従来の
半導体熱電素子において必要であった固定基板を省くこ
ともできる。

【００３２】図４に図２に示した半導体熱電素子１０Ａ
を２個使用して構成した半導体熱電素子を示す。これら
２個の半導体熱電素子１０Ａを間に挟んで３枚の金属セ
グメント１４が設けられている。各金属セグメント１４
には、その両端側に金属ブロック１２に設けられた螺子
１３を貫通可能とする２つの貫通孔１４ａが空けられて
いる。２個の半導体熱電素子１０Ａと３枚の金属セグメ
ント１４とは、貫通孔１４ａに螺子１３を貫通させた状
態で、４個のナット１５Ａによって固定される。半導体
熱電素子１０Ａ（金属ブロック１２）と金属セグメント
１４との接合面には、接触抵抗を低減する為に、ペース
ト状のＩｎＧａ合金が塗布されている。

【００３３】このような構造を有する半導体熱電素子
も、図３に示したものと同様の作用効果を奏することは
明らかである。

【００３４】図５乃至図７を参照して、図３に示したよ
うな半導体熱電素子を複数個使用して構成した半導体熱
電モジュールと一対の熱伝達板とを結合する方法につい
て説明する。

【００３５】図５に示す結合方法では、一対の熱伝達板
１６として、固定螺子１５の頭部を収容可能な凹部１６
ａと、この凹部１６ａから連続して固定螺子１５の螺子
部を貫通可能な貫通孔１６ｂとを有するものを使用して
いる。一対の熱伝達板１６間に半導体熱電モジュールを
挟んだ状態で、半導体熱電モジュールと熱伝達板１６と
が固定螺子１５によって同時に固定されている。金属セ
グメント１４と熱伝達板１６との間に絶縁シート１７が
挟まれている。また、この例では、固定螺子１５としし
て絶縁性のものが使用されている。絶縁シート１７は薄
板または膜から成るが、可能な限り薄い方が好ましい。
この結合方法は、半導体熱電モジュールと一対の熱伝達
板とを固定螺子１５によって固定するので、螺子固定方
法と呼ばれる。

【００３６】図６に示す結合方法では、一対の熱伝達板
１６Ａとして、固定螺子１５の頭部を貫通可能な貫通孔
１６Ａａを有するものを使用している。この結合方法で
は、一対の熱伝達板１６Ａに半導体熱電モジュールを固
定するのではなく、嵌め込み方法を採用している。すな
わち、固定螺子１５の頭部が貫通孔１６Ａａ内に収容さ
れた状態で、一対の熱伝達板１６Ａ間に半導体熱電モジ
ュールを挟み、一対の熱伝達板１６Ａが互いに近接する
方向に一対の熱伝達板１６Ａを加圧して半導体熱電モジ
ュールに密着させる。したがって、この結合方法は加圧
密着方法と呼ばれる。

【００３７】図７に示す結合方法では、一対の熱伝達板
として図５に示した熱伝達板１６と図６に示した熱伝達
板１６Ａを使用している。熱伝達板１６は半導体熱電モ
ジュールに固定螺子１５で固定され、熱伝達板１６Ａは
半導体熱電モジュールに加圧密着される。したがって、
この結合方法は螺子固定／加圧密着方法と呼ばれる。

【００３８】上述したような構造によると、半導体熱電
モジュール内の熱伝達が、熱伝達板１６と金属セグメン
ト１４との間の絶縁シート１７を通して行われるので、
熱の伝達効率を著しく向上させることができる。尚、図
５乃至図７に示したいずれの結合方法においても、絶縁
シート１７と金属セグメント１４との表面に熱伝導性の
良いグリースを塗布することが好ましい。また、上記結
合方法では、半導体熱電モジュールを構成する半導体熱
電素子として図３に示すものを使用しているが、図４に
示す半導体熱電素子を使用しても良いのは勿論である。

【００３９】次に、本発明の他の実施例を図８〜図１４
を参照して説明する。図１２〜図１４は、図８及び図１
０に示された半導体熱電素子を有する本発明の半導体熱
電モジュールの構造を示し、図１３及び図１４は図１２
の半導体熱電モジュールの変形例である。図８に示され
た半導体熱電素子２０は、螺子孔１２ａを有する金属セ
グメント１４上にＮ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子
１１ｐを接合し、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子
１１ｐの上にそれぞれ金属ブロック１２を接合して形成
されている。Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１
ｐは、１以下の形状因子Ａ（素子材の板厚／断面積）を
もつことが好ましい。本実施例では、各金属ブロック１
２は、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐのほ
ぼ中心軸に沿って空けられた螺子孔１２ａをもつ。この
ようなツイン・ハンバーガー型半導体熱電素子構造で
は、上述のダブル・ハンバーガー型半導体熱電素子構造
と同様に、前記半導体素子材チップの機械的強度の弱さ
を金属ブロック１２によって補強することができる。し
たがって、たとえ前記半導体素子材チップの面に直角に
劈開したり、又は亀裂が入ったとしても、その半導体素
子材チップの断面積に変化は生じない。それ故、半導体
熱電素子１０の電気抵抗は変化せず、ゼーベック効果に
基づく熱電特性にも影響を与えることはない。

【００４０】尚、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子
１１ｐは、それぞれ金属ブロック１２に半田付けによっ
て接合される。したがって、金属ブロック１２に空けら
れた螺子孔１２ａは、図示したように貫通孔でもよい
し、途中まで螺刻された凹状の孔であってもよい。

【００４１】図９に、本実施例に係る半導体熱電モジュ
ールに使用される半導体熱電素子の他の実施例を示す。
図示されたように、半導体熱電素子２０Ａは、金属ブロ
ック１２の螺子孔１２ａの各々に螺子１３が螺合されて
いる点を除いて、図８に示した半導体熱電素子１０と同
様の構成を有する。このような構造をもつ半導体熱電素
子２０Ａも、図８に示した半導体熱電素子２０と同様の
作用効果を有することは明白である。尚、本実施例で
は、金属ブロック１２と螺子１３とが別体であるが、こ
れらを一体に構成しても良いのは勿論である。

【００４２】図１０に図８に示した半導体熱電素子２０
を２個使用して構成した半導体熱電素子を示す。図示の
半導体熱電素子は、図８に示した半導体熱電素子２０の
２つの金属ブロック１２上にそれぞれ金属セグメント１
４を接合して形成されている。各金属セグメント１４に
は、その両端側に金属ブロック１２に空けられた螺子孔
１２ａに対応する２つの貫通孔１４ａが空けられてい
る。半導体熱電素子２０と３枚の金属セグメント１４と
は、螺子孔１２ａと貫通孔１４ａとの位置を合わせた状
態で、４個の固定螺子１５によって固定される。半導体
熱電素子２０（金属ブロック１２）と金属セグメント１
４との接合面には、接触抵抗を低減する為に、ペースト
状のＩｎＧａ合金が塗布されている。

【００４３】このように、半導体熱電素子２０と金属セ
グメント１４との結合を螺子止めにし、それらの間の間
隙にペースト状金属を塗布しているので、従来の熱電特
性の効果を保ちつつ、熱剪断応力を緩和させることがで
きる。これにより、従来のπ字型半導体熱電素子および
それを使用したモジュール構造の欠陥を回避することが
できる。また、半導体熱電素子２０と金属セグメント１
４とを固定螺子１５を用いて固定しているので、従来の
半導体熱電素子において必要であった固定基板を省くこ
ともできる。

【００４４】図１１に図９に示した半導体熱電素子２０
Ａを使用して構成した半導体熱電素子を示す。半導体熱
電素子２０Ａを間に挟んで３枚の金属セグメント１４が
設けられている。各金属セグメント１４には、その両端
側に金属ブロック１２に設けられた螺子１３を貫通可能
とする２つの貫通孔１４ａが空けられている。２個の半
導体熱電素子１０Ａと３枚の金属セグメント１４とは、
貫通孔１４ａに螺子１３を貫通させた状態で、４個のナ
ット１５Ａによって固定される。半導体熱電素子２０Ａ
（金属ブロック１２）と金属セグメント１４との接合面
には、接触抵抗を低減する為に、ペースト状のＩｎＧａ
合金が塗布されている。

【００４５】このような構造を有する半導体熱電素子
も、図３に示したものと同様の作用効果を奏することは
明らかである。

【００４６】図１２乃至図１４を参照して、図１０に示
したような半導体熱電素子を複数個使用して構成した半
導体熱電モジュールと一対の熱伝達板とを結合する方法
について説明する。

【００４７】図１２に示す結合方法では、一対の熱伝達
板１６として、固定螺子１５の頭部を収容可能な凹部１
６ａと、この凹部１６ａから連続して固定螺子１５の螺
子部を貫通可能な貫通孔１６ｂとを有するものを使用し
ている。一対の熱伝達板１６間に半導体熱電モジュール
を挟んだ状態で、半導体熱電モジュールと熱伝達板１６
とが固定螺子１５によって同時に固定されている。金属
セグメント１４と熱伝達板１６との間に絶縁シート１７
が挟まれている。また、この例では、固定螺子１５とし
して絶縁性のものが使用されている。絶縁シート１７は
薄板または膜から成るが、可能な限り薄い方が好まし
い。この結合方法は、半導体熱電モジュールと一対の熱
伝達板とを固定螺子１５によって固定するので、螺子固
定方法と呼ばれる。

【００４８】図１３に示す結合方法では、一対の熱伝達
板１６Ａとして、固定螺子１５の頭部を貫通可能な貫通
孔１６Ａａを有するものを使用している。この結合方法
では、一対の熱伝達板１６Ａに半導体熱電モジュールを
固定するのではなく、嵌め込み方法を採用している。す
なわち、固定螺子１５の頭部が貫通孔１６Ａａ内に収容
された状態で、一対の熱伝達板１６Ａ間に半導体熱電モ
ジュールを挟み、一対の熱伝達板１６Ａが互いに近接す
る方向に一対の熱伝達板１６Ａを加圧して半導体熱電モ
ジュールに密着させる。したがって、この結合方法は加
圧密着方法と呼ばれる。

【００４９】図１４に示す結合方法では、一対の熱伝達
板として図１２に示した熱伝達板１６と図１３に示した
熱伝達板１６Ａを使用している。熱伝達板１６は半導体
熱電モジュールに固定螺子１５で固定され、熱伝達板１
６Ａは半導体熱電モジュールにに加圧密着される。した
がって、この結合方法は螺子固定／加圧密着方法と呼ば
れる。

【００５０】上述したような構造によると、半導体熱電
モジュール内の熱伝達が、熱伝達板１６と金属セグメン
ト１４との間の絶縁シート１７を通して行われるので、
熱の伝達効率を著しく向上させることができる。尚、図
１２乃至図１４に示したいずれの結合方法においても、
絶縁シート１７と金属セグメント１４との表面に熱伝導
性の良いグリースを塗布することが好ましい。また、上
記結合方法では、半導体熱電モジュールを構成する半導
体熱電素子として図１０に示すものを使用しているが、
図１１に示す半導体熱電素子を使用しても良いのは勿論
である。

【００５１】本発明は、上記実施例に限定せず、本発明
の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可能な
のは勿論である。例えば、上記ダブル・ハンバーガー型
半導体熱電素子及び上記ツイン・ハンバーガー型半導体
熱電素子を有した半導体熱電モジュールにおいて、熱電
素子の両端に金属ブロックを接合せずに直接金属セグメ
ントを接合してもよい。この場合は、金属ブロックがな
い分機械的強度はなくなるが、熱伝達効率は向上する。

【００５２】

【発明の効果】このように本発明によれば、金属セグメ
ントへの固定を螺子で行うことが可能な半導体熱電素子
を有する半導体熱電モジュールを提供することができ
る。したがって、従来のような、熱電素子と金属セグメ
ントとの接合を半田接合層によって行う場合に生ずる熱
電素子の劈開及び破壊を防止することができる。また、
熱電素子と金属セグメントとの間隙にペースト状金属を
塗布することによって、それらの間の接触抵抗を低減さ
せることができる。

【００５３】又、個々の熱電素子の熱電特性が劣化した
とき、従来ではモジュールごと廃棄してしまっていた
が、本発明によれば、金属セグメントへの固定を螺子で
行っているので、どの素子が不良なのかをチェックし、
その不良素子のみを取り替えることが容易となり、製品
寿命の向上を図ることができる。

【００５４】又、ダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子を有する半導体熱電モジュールにおいては、利用温度
の異なる２種類以上の組成から構成されるＮ型素子又は
Ｐ型素子を重ね合わせることによって、大きな温度差を
素子の両端面に与えることが可能となる。

【００５５】又、ダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子を有する半導体熱電モジュールにおいては、利用温度
の異なる２種類以上の組成から構成されるＮ型素子とＰ
型素子が重ね合わさって形成されているので、大きな温
度差を素子の両端面に与えることが可能となる。

【００５６】又、ツイン・ハンバーガー型半導体熱電素
子を有する半導体熱電モジュールにおいては、金属セグ
メントが固定基板と熱伝達基板の両方を兼用した構造を
採っていることにより、熱伝達効率を向上させ、半導体
熱電モジュールのコストも削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体熱電モジュール
に使用される半導体熱電素子の構造の一実施例を示す断
面図である。

【図２】本発明の一実施例による半導体熱電モジュール
に使用される半導体熱電素子の構造の他の実施例を示す
断面図である。

【図３】図１に示した半導体熱電素子と金属セグメント
との基本結合を示す断面図である。

【図４】図２に示した半導体熱電素子と金属セグメント
との基本結合を示す断面図である。

【図５】図１に示した半導体熱電素子を複数個使用して
構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方法
の一例を示す断面図である。

【図６】図１に示した半導体熱電素子を複数個使用して
構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方法
の他の一例を示す断面図である。

【図７】図１に示した半導体熱電素子を複数個使用して
構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方法
の更に他の一例を示す断面図である。

【図８】本発明の他の実施例による半導体熱電モジュー
ルに使用される半導体熱電素子の構造の一実施例を示す
断面図である。

【図９】本発明の他の実施例による半導体熱電モジュー
ルに使用される半導体熱電素子の構造の他の実施例を示
す断面図である。

【図１０】図８に示した半導体熱電素子と金属セグメン
トとの基本結合を示す断面図である。

【図１１】図９に示した半導体熱電素子と金属セグメン
トとの基本結合を示す断面図である。

【図１２】図８に示した半導体熱電素子を複数個使用し
て構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方
法の一例を示す断面図である。

【図１３】図８に示した半導体熱電素子を複数個使用し
て構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方
法の他の一例を示す断面図である。

【図１４】図８に示した半導体熱電素子を複数個使用し
て構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方
法の更に他の一例を示す断面図である。

【図１５】従来の半導体熱電モジュールの構成を示す断
面図である。

【符号の説明】

１０，１０Ａ，２０，２０Ａ 半導体熱電素子 １１ｎ Ｎ型熱電素子 １１ｐ Ｐ型熱電素子 １２ 金属ブロック １２ａ 螺子孔 １３ 螺子 １４ 金属セグメント １５ 固定螺子 １５Ａ ナット １６，１６Ａ 熱伝達板 １６ａ 凹部 １６ｂ 貫通孔 １６Ａａ 貫通孔 １７ 絶縁性薄板（絶縁膜、絶縁シート）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 利三郎 宮城県仙台市青葉区八幡３丁目７番15号 (72)発明者 久保木 實 宮城県仙台市泉区加茂４丁目６番３号 (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉三丁目８番22号 (72)発明者 金子 武次郎 宮城県仙台市青葉区旭ヶ丘３丁目13番８ 号 (72)発明者 中川 康昭 宮城県仙台市青葉区八幡４丁目８番６号 (56)参考文献 特開 平４−114485（ＪＰ，Ａ) 実公 昭42−7862（ＪＰ，Ｙ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/32

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 螺子孔を有する第１の金属セグメント上
   にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を接合し、前記Ｎ型熱
   電素子及び前記Ｐ型熱電素子の上に螺子孔を有する金属
   ブロックを接合してなる半導体熱電素子を複数個と、該
   複数個の半導体熱電素子を互いに電気的に結合する複数
   枚の第２の金属セグメントと、前記金属ブロックの螺子
   孔に螺合して、前記複数個の半導体熱電素子を前記複数
   枚の第２の金属セグメントに固定するための固定螺子と
   を有し、複数枚の前記第２の金属セグメントの各々には
   前記固定螺子を通すための貫通孔が空けられている半導
   体熱電モジュール。
2. 【請求項２】 螺子孔を有する第１の金属セグメント上
   に間隔をおいて、Ｐ型熱電素子とＮ型熱電素子が載置接
   合され、前記Ｐ型熱電素子及び前記Ｎ型熱電素子の上に
   螺子孔を有する金属ブロックを接合してなる半導体熱電
   素子を複数個と、該複数個の半導体熱電素子を互いに電
   気的に結合する複数枚の第２の金属セグメントと、前記
   金属ブロックの螺子孔に螺合して、前記複数個の半導体
   熱電素子を前記複数枚の第２の金属セグメントに固定す
   るための固定螺子とを有し、複数枚の前記第２の金属セ
   グメントの各々には前記固定螺子を通すための貫通孔が
   空けられている半導体熱電モジュール。
3. 【請求項３】 前記複数個の半導体熱電素子と前記複数
   個の第１の金属セグメントとの間隙にペースト状金属が
   塗布されている請求項１又は２記載の半導体熱電モジュ
   ール。
4. 【請求項４】 前記複数個の半導体熱電素子と前記複数
   個の第２の金属セグメントとの間隙にペースト状金属が
   塗布されている請求項１又は２記載の半導体熱電モジュ
   ール。