JP3450397B2 - 熱電変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、鉄硅化物（ＦｅＳｉ
₂）を主体とするＰ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ接合
した構成からなる熱電変換素子の改良に係り、ＰＮ接合
部をチタン（Ｔｉ）又はチタン（Ｔｉ）合金からなる熱
伝導用金属板を介在させ銅（Ｃｕ）系ろう材にてろう付
け形成し、発電能力（変換効率）を向上させるとともに
製造を容易にした熱電変換素子に関する。 【０００２】 【従来の技術】熱電変換素子は、最近の産業界において
要求の高い、熱エネルギーの有効活用の観点から実用化
が期待されているデバイスであり、例えば、排熱を利用
し電気エネルギーに変換するシステムや、屋外で簡単に
電気を得るための小型携帯用発電装置、ガス機器の炎セ
ンサー等、非常に広範囲の用途が検討されている。しか
し、いままでに知られている熱電変換素子は、一般に熱
電変換素子を構成する半導体の価格が高く、そのわりに
使用温度範囲が狭く、また、変換効率が低いことや製造
方法が煩雑である等の理由から汎用されるに至っていな
い。 【０００３】これらの問題点を解決する熱電変換素子と
して、鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ型半導体
とＮ型半導体とをＰＮ接合した構成からなる熱電変換素
子が提案されており、半導体が比較的安価な材料からな
ることや、使用温度範囲が広く、耐熱性も〜９００℃程
度と高い等のことから注目されている。 【０００４】この熱電変換素子は、通常、図１０に示す
如く、鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）にマンガン（Ｍｎ）また
はコバルト（Ｃｏ）等の適性不純物を添加したＰ型半導
体２とＮ型半導体３とを一端側でＰＮ接合して形成した
Ｕ字型の形状からなる。このような構成からなる熱電変
換素子１において、前記ＰＮ接合部４を加熱すると、該
ＰＮ接合部４に熱エネルギーが供給されゼーベック効果
によって各々の半導体２，３の解放端側（低温端側）に
プラス（＋）及びマイナス（−）の電圧が発生し、該解
放端から電力が取り出せるのである。 【０００５】また、このＵ字型の形状からなる熱電変換
素子１は、以下に説明する如き工程によって製造される
ことが知られている。すなわち、 １）Ｆｅ_1-XＭｎ_XＳｉ₂及びＦｅ_1-YＣｏ_YＳｉ₂の所定組
成を有するＰ型半導体用合金及びＮ型半導体用合金を溶
解鋳造にて得る。 ２）上記各々半導体用合金をスタンプミル、ボールミル
等の粉砕機によって所定の粒径（１．５μｍ程度）に粉
砕する。 ３）所定量のバインダー（ＰＶＡ）を混錬して造粒す
る。 ４）上記各々の半導体用合金粉末を、Ｕ字型の貫通孔を
有するダイス内に充填する。ただし、合金粉末を充填す
る際には、予めダイス内に下パンチを配置するととも
に、ＰＮ接合部となる箇所に仕切り板を配置しておき、
各々の半導体用合金粉末を所定量充填した後に、該仕切
り板を取り除き、互いの半導体用合金粉末同志がＰＮ接
合部にて接触するようにする。 ５）上記ダイス内に配置される上パンチと下パンチとで
加圧圧縮成形しＵ字型の形状からなる成形体を得る。 ６）上記成形体に大気中にて脱バインダー処理を施した
後、真空中で所定温度にて焼結する（例えば、１１５０
℃×３時間）。 ７）上記焼結体に大気中で所定温度にて半導体化熱処理
を施す（例えば、７５０℃×５０〜２００時間）。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】先に説明した製造方法
によって得られる鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とする
Ｐ型半導体２とＮ型半導体３とをＰＮ接合を形成して接
合したＵ字型熱電変換素子１は、従来から知られる他の
熱電変換素子に比べて、価格、耐熱性等の点において優
れているが、その反面、ＰＮ接合構成、製造方法等に起
因して以下の問題点を有している。図１０に示す構成に
おいて、ＰＮ接合部４を加熱すると、該ＰＮ接合部４に
熱エネルギーが供給され電流の発生源となる電子正孔対
が発生するが、同時にこの電子正孔対発生時には、熱エ
ネルギーを奪う所謂ペルチェ効果のためＰＮ接合部４の
温度が低下し、その結果、電子正孔対の発生頻度が減少
し、各々の半導体２，３の解放端側（低温端側）から取
り出せる電力が減少することとなり、要求される発電能
力（変換効率）を実現するに至っていない。 【０００７】また、先に説明した製造方法において、Ｕ
字型熱電変換素子の成形体を得るためには、１つのダイ
ス内にＰ型半導体用合金粉末とＮ型半導体用合金粉末か
らなる２種類の粉末を混合することなく同時に充填する
必要があることから、その充填作業は非常に煩雑なもの
となる。さらに、このような２種類の粉末を加圧圧縮成
形、焼結によって一体化する構成であることから、成形
体の形状も必然的に限定され、この熱電変換素子の用途
拡大を妨げる要因にもなっている。 【０００８】さらにまた、上記の充填作業時に細心の注
意を払ったとしても、互いの半導体用合金粉末の接合部
において、粉末の混合を完全に防ぐことは困難であり、
その接合状態に応じて良好なＰＮ接合が得られず、電気
的な特性劣化やバラツキを招く要因となっている。 【０００９】この発明は、上記の問題点を解決し、鉄硅
化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ型半導体とＮ型半導
体とをＰＮ接合した構成からなる熱電変換素子におい
て、その発電能力（変換効率）の向上を可能とするとと
もに製造方法が容易な構成を提供し、該熱電変換素子の
用途範囲を大幅に拡大することを目的とするものであ
る。 【００１０】 【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために種々の検討を繰り返した結果、予め鉄
硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ型半導体とＮ型半
導体とを別個に作成したのち、これらの各々半導体を銅
（Ｃｕ）系ろう材にてチタン（Ｔｉ）又はチタン（Ｔ
ｉ）合金等の熱伝導用金属板にろう付け一体化すること
によって目的が達成できることを知見し、提案するもの
である。 【００１１】すなわち、本願発明者は製造を容易にする
とともに、ＰＮ接合部における各々半導体用合金粉末の
混合を完全に防ぎ、さらに各々半導体の形状を任意に選
定可能とするためには、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを別
個に作成することが不可欠であると判断した。また、本
願発明者は、ペルチェ効果による電子正孔対の発生の減
少を防止するためにＰＮ接合部に熱エネルギーを効率良
く供給するには、ＰＮ接合部を直接加熱する従来の構成
ではＰＮ接合部の形状等の点から限界があり、熱源から
の熱エネルギーをＰＮ接合部に効率良く伝導することが
可能な熱伝導用金属板を各々半導体の接合部に配置する
ことが有効であり、特に、熱伝導用金属板として、高温
加熱による酸化を防止するために、耐酸化性に優れたチ
タン（Ｔｉ）又はチタン（Ｔｉ）合金が有効であること
を確認した。 【００１２】さらに、これらの別個に作成された半導体
と熱伝導用金属板を接合一体化する手段を種々検討した
ところ、従来から知られる半田では、接合一体化は可能
であっても融点が低いことから高温度での使用が困難で
あり、低温度で使用した場合は鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）
を主体とする半導体が本来有する特徴を十分発現するこ
とができず、目的とする出力電力を得ることができなか
った。 【００１３】従来からろう材として多用されている銀
（Ａｇ）ろうでは、各々半導体の表面に形成されている
酸化膜（ＳｉＯ₂）との馴染みが悪いことから接合強度
が低く、特に高温雰囲気での使用に耐えるような接合強
度が得られなく、さらに酸化膜（ＳｉＯ₂）を除去した
後、銀（Ａｇ）ろうにてろう付けをすると、各々半導体
の内部に銀（Ａｇ）が拡散し、半導体の電気的特性を低
下させることのみならず機械的特性をも低下させてしま
う（脆くなる）ことが確認された。 【００１４】そこで、前記各々の半導体とチタン（Ｔ
ｉ）又はチタン（Ｔｉ）合金とのろう付け一体化を種々
検討した結果、銅（Ｃｕ）を主成分（Ｃｕの含有量が５
０ａｔ％以上）とする銅（Ｃｕ）系ろう材を用いて接合
一体化したところ、半導体表面の酸化膜（ＳｉＯ₂）を
除去することなく極めて良好な接合を得ることができ
た。 【００１５】以上に説明するような種々の知見に基づき
完成されたこの発明は、要するに、鉄硅化物（ＦｅＳｉ
₂）を主体とするＰ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ接合
した構成からなる熱電変換素子において、前記一対の半
導体間にチタン（Ｔｉ）又はチタン（Ｔｉ）合金からな
る熱伝導用金属板を介在させ銅（Ｃｕ）系ろう材にてろ
う付けしＰＮ接合部を形成したことを特徴とする熱電変
換素子である。 【００１６】 【作用】図１は、この発明の熱電変換素子の一実施例を
示す概要説明図である。すなわち、鉄硅化物（ＦｅＳｉ
₂）を主体とするＰ型半導体１１とＮ型半導体１２とを
チタン（Ｔｉ）からなる熱伝導用金属板１３を介してＰ
Ｎ接合を形成して接合すべく、前記各々半導体１１，１
２と熱伝導用金属板１３とを銅（Ｃｕ）系ろう材１４，
１４にてろう付け一体化した構成からなる熱電変換素子
１０である。１５，１５は各々半導体１１，１２の開放
端側に接合され、電極板と放熱板とを兼ねる銅（Ｃｕ）
板であり、該接合部の温度はＰＮ接合部に比べて低温度
であるため銅（Ｃｕ）系ろう材を使用することなく亜鉛
−錫（Ｚｎ−Ｓｎ）半田等の融点の低いろう材１６，１
６にて接合一体化しても目的とする特性の熱電変換素子
１０を得ることができる。 【００１７】以上の構成において、チタン（Ｔｉ）から
なる熱伝導用金属板１３を熱源（図示せず）に近づける
と、熱源からの熱エネルギーが熱伝導用金属板１３を介
して鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ型半導体１
１とＮ型半導体１２とに伝導、供給され、先に説明した
ようにゼーべック効果によって各々の半導体１１，１２
の開放端側（低温端側）にプラス（＋）及びマイナス
（−）の電圧が発生し、該開放端から電力が取り出せる
のである。 【００１８】この構成においては、各々の半導体１１，
１２の接合部に熱エネルギー供給源としてチタン（Ｔ
ｉ）からなる熱伝導用金属板１３が配置され、各々の半
導体１１，１２の外部に位置する熱源（図示せず）から
たえず熱エネルギーが効率良く供給されることから、ペ
ルチェ効果による電子正孔対の発生の減少を防止するこ
とができ、発電効率を高めることができる。また、Ｐ型
半導体１１とＮ型半導体１２とが別個に製造され熱伝導
用金属板１３を介して接合されていることからＰＮ接合
部における各々半導体用合金粉末の混合等が生じること
なく安定した電力が取り出せる。 【００１９】さらに、各々半導体１１，１２の開放端側
に銅（Ｃｕ）板からなる放熱板を接合することによって
各々半導体１１，１２の加熱部（ＰＮ接合部）と解放端
との温度差を拡大することが可能となり、発電効率の一
層の向上が達成される。各々半導体１１，１２の感温部
も実質的に熱伝導用金属板１３との接合部分だけとなる
ことから、該各々半導体１１，１２の全長（Ｌ）を短く
することができ、各々半導体１１，１２が有する電気抵
抗をも低減することができ、発電効率の向上に寄与する
こととなる。その他、この発明の熱電変換素子１０は種
々の特徴を有するが、それらの具体的な特徴は後述する
他の実施例とをあわせて詳細に説明する。 【００２０】以下に、この発明の熱電変換素子１０を構
成する各々の部材について一層詳細に説明する。熱電変
換素子１０を構成する各々半導体１１，１２は、これら
を各々別個に所定形状からなる成形空間（貫通孔）を有
するダイス内に充填して加圧圧縮成形する以外は先に説
明した従来の製造方法と実質的には同様方法にて得られ
る。すなわち、溶解鋳造にて得られるＦｅ_1-XＭｎ_XＳｉ
₂及びＦｅ_1-YＣｏ_YＳｉ₂の所定組成を有するＰ型半導体
用合金及びＮ型半導体用合金を粉砕、造粒した後、別個
に所定形状からなる成形空間（貫通孔）を有するダイス
内に充填し、さらに、加圧圧縮成形、脱バインダー処
理、焼結の各工程を経て、各々独立した単体品としてＰ
型半導体１１とＮ型半導体１２とを得るのである。 【００２１】なお、この発明の熱電変換素子において
は、銅（Ｃｕ）系ろう材による熱伝導用金属板１３と半
導体１１，１２とのろう付け温度が、通常８００℃〜９
００℃程度にて実施されるため、半導体化熱処理は、該
ろう付け作業の工程終了後に行う。すなわち、半導体化
熱処理後に該熱処理温度以上に加熱することは、半導体
として有する本来の特性が損なわれ、目的とする発電作
用が得られなくなるからである。 【００２２】Ｐ型半導体１１とＮ型半導体１２との接合
部に配置する熱伝導用金属板１３は、熱源からの熱エネ
ルギーを各々半導体に効率よく伝導、供給できるととも
に、該材料の表面に加熱による酸化を防止するためチタ
ン（Ｔｉ）又はチタン（Ｔｉ）合金のいずれかを選定し
て用いるが、特にチタン（Ｔｉ）合金を用いる場合は、
目的とする耐酸化性や銅（Ｃｕ）系ろう材１４との馴染
み等の観点から、合金中のチタン（Ｔｉ）含有量を７０
ａｔ％以上とすることが好ましい。例えば、Ｔｉ−Ｎ
ｉ、Ｔｉ−Ｚｒ等の組成が利用できる。 【００２３】また、上記熱伝導用金属板１３は、その機
械的強度とともに各々半導体と熱源との距離等を考慮し
て形状、寸法を選定するのが好ましい。例えば、熱源と
しては自動車やボイラーの排熱、ストーブの余熱等の内
燃、外燃機器のエネルギーのほか、地熱や太陽熱などの
自然エネルギーなどの種々の熱源が想定できるが、まず
熱源からの熱エネルギーを効率よく集熱する装置や治具
を使用する場合、これらの装置や治具からの熱エネルギ
ーを各々半導体に効率よく伝導、供給するため、装置や
治具等に応じて、あるいはこれらと一体化するため熱伝
導用金属板の材質、形状などが適宜選定されるため、熱
伝導用金属板は様々な形態を取り得る。当然、熱電変換
素子そのものを集熱装置等に適合させるよう構成する場
合においても熱伝導用金属板は様々な形態を取り得る。 【００２４】各々半導体１１，１２と前記熱伝導用金属
板１３とを接合一体化する銅（Ｃｕ）系ろう材１４とし
ては、銅（Ｃｕ）又は銅（Ｃｕ）を５０ａｔ％以上含有
する銅（Ｃｕ）系合金（例えば、Ｃｕ−Ｎｉ合金、Ｃｕ
−Ｎｉ−Ｚｒ合金等）を圧延や液体急冷法等によって箔
帯とした所謂箔帯ろう材、銅（Ｃｕ）を芯材としてその
両主面にニッケル（Ｎｉ）またニッケル−銅（Ｎｉ−Ｃ
ｕ）合金箔等を圧接してなる所謂３層複合箔ろう材、銅
（Ｃｕ）粉末又は銅（Ｃｕ）を主成分とする合金粉末か
らなる所謂粉末状ろう材、これら粉末と有機バインダー
を用いてペースト状にした所謂ペースト状ろう材等公知
の種々の形態からなる銅（Ｃｕ）系ろう材の使用が可能
である。いずれにしても、銅（Ｃｕ）系ろう材１４は、
Ｐ型半導体１１とＮ型半導体１２及び熱伝導用金属板１
３との馴染みを良好にし、高温度での使用に耐える接合
強度を得るためには、上記種々の形態からなるろう材が
溶融した時点で、前記熱伝導用金属板１３との互いの溶
融・拡散によってろう材としての機能が発現されること
が必要であり、特に互いの溶融・拡散を効果的に実現す
るためには介装時の銅（Ｃｕ）系ろう材１４の厚さを
０．１ｍｍ以下とすることが望ましい。 【００２５】図２から図８に示す熱電変換素子は、この
発明の他の実施例を示す概略説明図である。この発明の
熱電変換素子においては、熱電変換素子を構成する各々
半導体が個別に独立して製造されることから、それらを
種々の形状とすることが可能であることを先に説明し
た。図１には、各々の半導体を略角柱状として、熱伝導
用金属板を介して接合することによって略Ｕ字型の熱電
変換素子とする構成が示されたが、図２から図５では立
方体または直方体（略立方体）からなる半導体を配置し
て構成した熱電変換素子を示している。 【００２６】図２は直方体からなる鉄硅化物（ＦｅＳｉ
₂）を主体とするＰ型半導体２１とＮ型半導体２２とを
チタン（Ｔｉ）板からなる熱伝導用金属板２３を介して
ＰＮ接合を形成して接合して熱電変換素子２０を構成し
ている。２５，２５はそれぞれＰ型半導体とＮ型半導体
との低温端側に接合し、放熱板の役割を兼ねる銅（Ｃ
ｕ）板からなる電極板である。この電極板２５，２５は
後述する図３、図４に示す実施例の如く熱電変換素子２
０を複数接続する構成において電気的接続を容易にする
ために、それぞれ所定の角度をもって開放端部が開くよ
う接合されている。この熱電変換素子２０においては、
Ｐ型半導体２１およびＮ型半導体２２と熱伝導用金属板
２３とが銅（Ｃｕ）系ろう材２４にてろう付け一体化さ
れており、その発電のメカニズムは図１に示した熱電変
換素子１０の場合と同様である。なお、Ｐ型半導体２１
およびＮ型半導体２２と電極板２５，２５との接合に際
しては、図１に示す構成に比べ該接合部がＰＮ接合部に
近く温度が比較的高温になるため、例えば、公知のチタ
ン（Ｔｉ）系活性ろう材２６，２６等が用いられる。 【００２７】熱源が比較的広範囲におよぶ場合は、この
熱電変換素子２０を複数直列または並列接続することに
よって、一層大きな電力を得ることができる。例えば、
図３に示す構成では、図２に示す構成と同様な構成から
なる熱電変換素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃを水平方向に
所謂横並びに接続し、熱源（図示せず）に近接または接
触する各々熱伝導用金属板２３ａ，２３ｂ，２３ｃから
伝導、供給される熱エネルギーの総和に相当する電力を
電極板２５ａと２５ｃの両端部から取り出すことができ
る。図中２６は熱電変換素子２０ａ，２０ｂ，２０ｃの
各々電極板２５ａ，２５ｂ，２５ｃを電気的に接続する
リベット等の接続部材である。 【００２８】図４に示す構成では、図２に示す構成と同
様な構成からなる熱電変換素子２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ
を垂直方向に所謂縦並びに接続し、熱源（図示せず）に
近接または接触する各々熱伝導用金属板２３ｄ，２３
ｅ，２３ｆから伝導、供給される熱エネルギーの総和に
相当する電力を電極板２５ｄと２５ｆの両端部から取り
出すことができる。 【００２９】図５に示す構成の熱電変換素子５０は、い
ままで説明した熱電変換素子がいずれもＰ型半導体およ
びＮ型半導体が熱伝導用金属板を挟んで垂直方向に積層
するよう接合配置した構成であるのに対し、一枚の熱伝
導用金属板の同一平面上にそれぞれＰ型半導体およびＮ
型半導体を接合配置した構成であり、いままで説明した
この発明の熱電変換素子と同様な作用効果を得ることが
できる。すなわち、一枚の熱伝導用金属板５３の一方端
は、熱源（図示せず）に効率よく近接または接触するた
めに狭幅の長方形状となっており、またＰ型半導体５１
およびＮ型半導体５２を接合配置する他方端は広幅の正
方形状となっており、さらにそれぞれＰ型半導体５１と
Ｎ型半導体５２との低温端側（図面上面）には放熱板の
役割を兼ねる銅（Ｃｕ）板からなる電極板５５，５５を
接合配置している。 【００３０】この熱電変換素子５０においても、図２の
構成と同様にＰ型半導体５１およびＮ型半導体５２と熱
伝導用金属板５３との接合には銅（Ｃｕ）系ろう材５４
を用い、また、Ｐ型半導体５１およびＮ型半導体５２と
電極板５５，５５との接合には公知のチタン（Ｔｉ）系
活性ろう材５６，５６を用いてろう付け一体化されてい
る。熱源（図示せず）から供給される熱エネルギーは、
熱伝導用金属板５３を介してそれぞれＰ型半導体５１と
Ｎ型半導体５２に伝導、供給される。この時、互いの半
導体５１，５２は熱伝導用金属板５３の同一平面上に接
合配置しているが、該熱伝導用金属板５３を介してＰＮ
接合を形成して接合されていることから、各々半導体５
１，５２の低温端側（図面上面）から電力を取り出すこ
とが可能となる。 【００３１】図２から図５のいずれの構成においても、
半導体の低温端側に接合する電極板の面積を比較的大型
化して放熱板の役割を兼ねる構成したが、これらは図１
の構成における電極板１５と同様に、各々半導体の加熱
部（ＰＮ接合部）と開放端との温度差を拡大し、発電効
率の向上を目的としたものである。さらに、これらの電
極板に強制冷却手段を配置することによって、その効果
を一層向上することが可能となる。なお、図２から図５
の構成においては、各々半導体と電極板との接続にチタ
ン（Ｔｉ）系活性ろう材を用いた例にて説明したが、上
記電極板の配置効果によって各々半導体の開放端側の温
度が十分に低い場合は、図１の構成と同様に亜鉛−錫
（Ｚｎ−Ｓｎ）半田等の融点の低いろう材を用いてもよ
い。 【００３２】図６に示す構成の熱電変換素子６０は、リ
ング状からなる鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ
型半導体６１ａ，６１ｂ，６１ｃとＮ型半導体６２ａ，
６２ｂ，６２ｃとをそれぞれの内周部および外周部に交
互に配置されるリング状のチタン（Ｔｉ）板からなる熱
伝導用金属板６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６３ｅ
を介してＰＮ接合を形成して接合し、全体として円筒状
の熱電変換素子を構成している。図中６４ａ，６４ｂ，
６４ｃ，６４ｄ，６４ｅはそれぞれ半導体と熱伝導金用
属板とを接合する銅（Ｃｕ）系ろう材である。また、６
５，６５はそれぞれ上端部に位置するＰ型半導体６１
ａ、下端部に位置するＮ型半導体６２ｃにチタン（Ｔ
ｉ）系活性ろう材６６によって接合される電極部材であ
る。 【００３３】このような構成からなる円筒状の熱電変換
素子６０において、その内周に配置される円筒部材６７
（例えば、表面を酸化処理して電気絶縁性を高めたアル
ミ（Ａｌ）管）内を通過する排ガス等の温度を熱源と
し、該円筒部材６７の外周面に接触するリング状熱伝導
用金属板６３ａ，６３ｂ，６３ｃからＰ型半導体６１
ａ，６１ｂ，６１ｃ及びＮ型半導体６２ａ，６２ｂ，６
２ｃに伝導、供給される熱エネルギーに応じて電力を発
生し、電極部材６５，６５から電力を取り出すことがで
きる。この構成において、リング状熱伝導用金属板６３
ｄ，６３ｅは各々半導体への熱エネルギー供給には直接
寄与していないが、各々半導体にて発生する電力を電気
的に直列接続する役割を果たす。 【００３４】図７に示す構成の熱電変換素子７０は、矩
形板状からなる鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ
型半導体７１ａ，７１ｂ，７１ｃとＮ型半導体７２ａ，
７２ｂ，７２ｃとをそれぞれの対向位置にある両端部に
交互に配置される矩形板状のチタン（Ｔｉ）板からなる
熱伝導用金属板７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ，７３
ｅを介してＰＮ接合を形成して接合し、全体として直方
体状の熱電変換素子を構成している。図中７４ａ，７４
ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅはそれぞれ半導体と熱伝導
用金属板とを接合する銅（Ｃｕ）系ろう材である。ま
た、７５，７５はそれぞれ上端部に位置するＰ型半導体
７１ａ、下端部に位置するＮ型半導体７２ｃにチタン
（Ｔｉ）系活性ろう材７６によって接合される電極部材
である。 【００３５】このような構成からなる直方体状の熱電変
換素子７０においては、該熱電変換素子７０の一外周面
側（図においては熱電変換素子７０の右側）に位置する
熱源（図示せず）からの熱エネルギーを熱伝導用金属板
７３ａ，７３ｂ，７３ｃからＰ型半導体７１ａ、７１
ｂ，７１ｃ及びＮ型半導体７２ａ，７２ｂ，７２ｃに伝
導、供給し、該熱エネルギーに応じて電力を発生し、電
極板７５，７５から電力を取り出すことができる。この
構成において、熱伝導用金属板７３ｄ，７３ｅは各々半
導体への熱エネルギー供給には直接寄与していないが、
各々半導体にて発生する電力を電気的に直列接続する役
割を果たす。 【００３６】図８に示すこの熱電変換素子８０は、基本
的に図１に示す構成からなる熱電変換素子１０を複数個
並列配置した構成からなっている。すなわち、複数の鉄
硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ型半導体８１ａ，
……８１ｚとＮ型半導体８２ａ，……８２ｚとをそれぞ
れチタン（Ｔｉ）板からなる熱伝導用金属板８３ａ……
８３ｚを介してＰＮ接合を形成して接合し、それらを放
熱板８６と受熱板８７とによって固定し、全体として平
板状の熱電変換素子を構成している。図中８４ａ……８
４ｚはそれぞれ半導体と熱伝導用金属板とを接合する銅
（Ｃｕ）系ろう材である。また、８５，８５は放熱板８
６の端部に亜鉛−錫（Ｚｎ−Ｓｎ）半田にて接合一体化
された銅（Ｃｕ）板からなる電極部材である。さらに、
図中８９は各々のＰ型半導体８１ａ，……８１ｚとＮ型
半導体８２ａ，……８２ｚとを電気的に直列接続する導
線である。 【００３７】この熱電変換素子８０を構成する放熱板８
６は、各々Ｐ型半導体８１ａ，……８１ｚとＮ型半導体
８２ａ，……８２ｚとの加熱部（ＰＮ接合部）側と開放
端側との温度差を拡大して発電効率を向上するととも
に、各々Ｐ型半導体８１ａ，……８１ｚとＮ型半導体８
２ａ，……８２ｚを所定位置に配置して固定する機能を
有しており、例えば、Ａｌ板等の熱伝導性の良好な材料
に電気的絶縁性や耐熱性等を考慮してアルマイト処理を
施したものを使用する。また、受熱板８７は、熱源（図
示せず）から供給される熱エネルギーを効率よく熱伝導
用金属板８３ａ……８３ｚに作用させるとともに、該熱
伝導用金属板８３ａ……８３ｚを介して、各々Ｐ型半導
体８１ａ，……８１ｚとＮ型半導体８２ａ，……８２ｚ
を所定位置に配置して固定する機能を有しており、例え
ば、電気的絶縁性や耐熱性等を考慮して所定のセラミッ
クス板等を使用する。特に、放熱板８６と受熱板８７と
の間に形成される空間部８８は、空気の流通を良好にす
ることで受熱部（熱伝導用金属板８３ａ……８３ｚの先
端部）とＰＮ接合部との温度差を大きくすることがで
き、発電効率の向上を可能とする。必要に応じて、該空
間部８８に公知の冷媒を通過させることも可能である。 【００３８】以上に説明した熱電変換素子８０において
も、熱源（図示せず）から供給される熱エネルギーは、
熱伝導用金属板８３ａ……８３ｚを介してそれぞれＰ型
半導体８１ａ，……８１ｚとＮ型半導体８２ａ，……８
２ｚに伝導、供給され、各々Ｐ型半導体８１ａ，……８
１ｚとＮ型半導体８２ａ，……８２ｚの低温端側（図面
上面）から電力を取り出すことが可能となる。この熱電
変換素子８０は多くのＰ型半導体８１ａ，……８１ｚと
Ｎ型半導体８２ａ，……８２ｚを電気的に直列接続して
いることから比較的大きな電力を取り出すことが可能で
あり、例えば、ゴミ処理用の煙突等の壁面や自動車のマ
フラー等に配置することで、この発明の構成を有効に活
用することができる。 【００３９】 【実施例】図１に示すこの発明の熱電変換素子１０と、
図９に示す従来の熱電変換素子１との負荷特性を測定す
ることによって、この発明の熱電変換素子１０が優れて
いることを確認した。図１に示すこの発明の熱電変換素
子１０を得るために、以下の構成部材を準備した。 鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ型半導体１１用
焼結体およびＮ型半導体１２用焼結体 組成（ｗｔ％）：Ｐ型→Ｆｅ_43.5Ｍｎ₄Ｓｉ_52.5 Ｎ
型→Ｆｅ_44.5Ｃｏ_3.5Ｓｉ_51.5 寸法：高さ４ｍｍ×幅４ｍｍ×長さ２０ｍｍ 熱伝導用金属板１３ 材質：チタン（Ｔｉ）板 寸法：厚さ０．５ｍｍ×幅５ｍｍ×長さ１０ｍｍ 銅（Ｃｕ）系ろう材１４ 構成：Ｃｕ 寸法：厚さ０．０８ｍｍ×幅３ｍｍ×長さ５ｍｍ 融点：９００℃ 電極板１５ 材質：銅（Ｃｕ）板 寸法：厚さ０．５ｍｍ×幅３ｍｍ×長さ１０ｍｍ 【００４０】上記の各々半導体１１，１２用焼結体と熱
伝導用金属板１３とを銅（Ｃｕ）系ろう材１４を介し、
所定の圧力を加えて位置決めした状態にて、大気中、９
００℃×１５ｍｉｎの条件にてろう付けして一体化し
た。その後、これら構成体に所定温度（７５０℃×１０
０ｈｒ）にて半導体化処理を施し、さらに冷却後、電極
板１５をＺｎ−Ｓｎ半田にて２５０℃で接合し、この発
明の熱電変換素子１０を得た。 【００４１】従来の熱電変換素子１は、一対の半導体
が、この発明の熱電変換素子１０と同組成でほぼ同寸法
になるよう従来の粉末冶金法にて一体成形したものを使
用した。それぞれの熱電変換素子１０，１に図１および
図１０に示すように電流計５、電圧計６、可変抵抗７を
接続し、この発明の熱電変換素子１０においては熱伝導
用金属板１３を、また、従来の熱電変換素子１において
は半導体のＰＮ接合部をトーチにて加熱（約８００℃）
することによって、それぞれの負荷特性を測定したとこ
ろ、図９に示すような特性を得た。図９よりこの発明の
熱電変換素子１０の負荷特性が従来の熱電変換素子１の
負荷特性に比べて優れていることが明らかであり、この
発明の熱電変換素子１０の発電能力（変換効率）が高い
ことが確認できた。 【００４２】 【発明の効果】この発明の熱電変換素子においては、鉄
硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ型半導体およびＮ
型半導体の接合部に熱エネルギー供給源としてチタン
（Ｔｉ）又はチタン（Ｔｉ）合金からなる熱伝導用金属
板が配置され、各々の半導体の外部に位置する熱源から
絶えず熱エネルギーが効率良く供給されることから、ペ
ルチェ効果による電子正孔対の発生の減少を防止するこ
とができ、発電効率を高めることができる。従来の直熱
式の場合、接合部以外が熱せられるので、冷接点部を離
すために素子が長くなり、内部抵抗が増加するが、この
発明の熱電変換素子においては、熱が熱伝導用金属板を
熱することにより供給されて、ＰＮ接合部のみが加熱さ
れるので、冷接点部近くにも温度差が得られ、内部抵抗
が小さくなり、発電能力が著しく向上する。 【００４３】また、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが別個に
製造され熱伝導用金属板を介して接合されていることか
ら従来構成の如きＰＮ接合部における各々半導体用合金
粉末の混合等が生じることなく、該ＰＮ接合部にて特性
劣化が生じたり電気的特性にバラツキ生じたりすること
がなく安定した電力が取り出せる。さらに、Ｐ型半導体
とＮ型半導体とを別個に製造することが可能になったこ
とにより、製造方法（充填−成形工程）が容易になり、
量産性に優れた構成となった。また、Ｐ型半導体とＮ型
半導体との個々の形状を用途に応じて任意に製造するこ
とが可能となったことより、実施例に示すような種々な
構成からなる熱電変換素子の提供が実現でき、これら熱
電変換素子の用途を一層広げることができる。 【００４４】この発明の熱電変換素子においては、特に
各々半導体の低温端側に銅（Ｃｕ）板等からなる放熱板
を接合することによって各々半導体の加熱部（ＰＮ接合
部）と低温端側との温度差を拡大することが可能とな
り、発電効率の一層の向上が達成される。熱電変換素子
を構成する各々部材を比較的融点の高い銅（Ｃｕ）系ろ
う材にて接合一体化するため、高温度雰囲気での使用に
も耐え、鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とする半導体が
本来有する耐熱特性を有効に活用することができること
も大きな効果の一つであり、特に４００℃〜９００℃の
温度範囲における熱センサーとして、また電源として有
効である。 【００４５】以上に説明するように、この発明の熱電変
換素子は多くの長所を有しており、例えばストーブやコ
ンロの近傍に配置することによって、これらの作動に基
づきファンモーターを回転させたり、自動車の排熱エネ
ルギーを利用してリニアアクチュエーターを作動して各
種部品を駆動させたり、例えば、熱電変換された電力を
電池などに蓄電して電池を電源として、あるいは発電さ
れたものを直接使用して電子機器を作動させたり、多く
の用途への活用が考えられる。また、熱源も自動車やボ
イラーの排熱、ストーブの余熱のほか、地熱や太陽熱な
どの自然エネルギーの活用も可能で、種々の集熱治具や
装置を利用して高熱をこの発明の熱電変換素子の高熱伝
導金属板に伝熱することにより、多くの電子機器を作動
させることが可能になる。

【図面の簡単な説明】 【図１】この発明の熱電変換素子の一構成例を示す縦断
説明図である。 【図２】この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す説
明図であり、ａは上面説明図、ｂは縦断説明図である。 【図３】この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す上
面説明図である。 【図４】この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す縦
断説明図である。 【図５】この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す説
明図であり、ａは上面説明図、ｂは縦断説明図である。 【図６】この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す横
断説明図である 【図７】この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す縦
断説明図である。 【図８】この発明の熱電変換素子の他の構成例を示す説
明図であり、ａは上面説明図、ｂは縦断説明図である。 【図９】この発明の熱電変換素子と従来の熱電変換素子
との負荷特性を測定した結果を示す負荷特性曲線図であ
る。 【図１０】従来の熱電変換素子の概要説明図である。 【符号の説明】 １，１０，２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ，２
０ｅ，２０ｆ，５０，６０，７０，８０ 熱電変換素子 ２，１１，２１，５１，６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，７１
ａ，７１ｂ，７１ｃ，８１ａ Ｐ型半導体 ３，１２，２２，５２，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，７２
ａ，７２ｂ，７２ｃ，８２ａ Ｎ型半導体 ４ ＰＮ接合部 ５ 電流計 ６ 電圧計 ７ 可変抵抗 １３，２３，２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３
ｅ，２３ｆ，５３，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，
６３ｅ，７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ，７３ｅ，８
３ａ 熱伝導用金属板 １４，２４，５４，６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ，
６４ｅ，７４，７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４
ｅ，８４ａ 銅（Ｃｕ）系ろう材 １５，２５，２５ａ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｆ，５５，
６５，７５，８５ 電極板 １６，２６，５６，６６，７６ ろう材 ２６ 接続部材 ６７ 円筒部材 ８６ 放熱板 ８７ 受熱板 ８８ 空間部

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 鉄硅化物（ＦｅＳｉ₂）を主体とするＰ
   型半導体とＮ型半導体とをＰＮ接合した構成からなる熱
   電変換素子において、前記一対の半導体間にチタン（Ｔ
   ｉ）又はチタン（Ｔｉ）合金からなる熱伝導用金属板を
   介在させ銅（Ｃｕ）系ろう材にてろう付けしＰＮ接合部
   を形成したことを特徴とする熱電変換素子。