JP3920403B2 - 熱電変換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子冷却装置あるいは発電装置などとして用いる熱電変換装置に係り、特に熱サイクルを繰り返しても性能劣化が少ない、動作信頼性に優れ、耐用寿命の長い熱電変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１は、従来の熱電変換装置の断面図である。図中、符号１００はセラミック製の吸熱側基板、１０１は同じくセラミック製の放熱側基板、１０２は銅製の吸熱側電極、１０３は同じく銅製の放熱側電極、１０４はＮ型半導体層、１０５はＰ型半導体層である。
【０００３】
図に示すように、Ｎ型半導体層１０４並びにＰ型半導体層１０５が半田層（図示せず）を介して吸熱側電極１０２並びに放熱側電極１０３と一体に接合されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体層と電極は熱膨張係数が大きく異なるため、使用を繰り返しているうちに、熱膨張係数の差により、接合面の水平方向（図１１の両矢印Ａ方向）にずれ（応力）を生じ、接合強度（密着性）が低下し、甚だしいときには接合の一部が剥がれることがある。このように半導体層と電極の接合部の一部が剥がれると、接合部の熱抵抗が高くなり、熱電変換特性が極端に低下するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、半導体層と電極の熱膨張係数の違いを吸収し、接合強度を常に保持することにより、熱サイクルを繰り返しても性能劣化が少ない、動作信頼性に優れ、耐用寿命の長い熱電変換装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明は、吸熱側電極と、放熱側電極と、前記吸熱側電極と放熱側電極の間に並列に配置されてその吸熱側電極と放熱側電極により電気的に直列に接続されたＰ型半導体層とＮ型半導体層を有する熱電変換装置において、
前記吸熱側電極ならびに放熱側電極のうちの少なくとも一方の電極が、両端部付近に前記Ｐ型半導体層ならびにＮ型半導体層と接合する半導体接合領域をそれぞれ有し、
その２つの半導体接合領域の間に、当該電極の一方の側端縁から他方の側端縁に向けて当該電極の中心点Ｏ付近を通過するように切り込まれた第１の切欠部と、当該電極の他方の側端縁から一方の側端縁に向けて当該電極の中心点Ｏ付近を通過するように切り込まれた第２の切欠部とを設けて、
平面上において前記電極の一方の側端縁上における第１の切欠部の中心と前記電極の他方の側端縁上における第２の切欠部の中心とが互いにずれており、その第１の切欠部と第２の切欠部の間に幅狭の通電部が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図とともに説明する。図１ないし図４は第１の実施の形態を説明するための図で、図１は例えば電子冷蔵庫などの電子冷却装置として用いる熱電変換装置の断面図、図２はその熱電変換装置に使用される第１放熱側枠体の底面図、図３はリード線の取り出し構造を示す一部拡大断面図、図４は素子ブロックの要部拡大断面図である。
【０００８】
図１に示すように熱電変換装置は、例えば冷蔵庫の庫内などの被冷却側に配置される箱状の吸熱部材１と、吸熱側熱交換基体２と、熱電変換素子群３と、放熱側熱交換基体４と、第１放熱側枠体６−１と、第２放熱側枠体６−２と、分散部材７とから主に構成されている。
【０００９】
前記吸熱部材１は広い面積を有するフィンベースからなり多数の吸熱フィン（図示せず）を付設し、必要に応じて近傍にファンを設けることができる。吸熱部材１は吸熱フィンと一体でもよいし、また吸熱フィンがない場合もある。
【００１０】
前記吸熱側熱交換基体２と放熱側熱交換基体４は共にアルミニウムなどの熱伝導性の良好な金属からなり、熱電変換素子群３と接する側の表面にアルマイトなどの電気絶縁膜３３（図４参照）が形成されている。陽極酸化法によりアルマイトの絶縁膜３３を形成する場合、その絶縁膜３３に封孔処理しない方が、後述する薄膜３８を介しての熱電変換素子群３との接合性が良好である。絶縁膜３３は、この他に溶射などで形成することも可能である。図１に示すように吸熱側熱交換基体２は、良好な冷却状態を確保するため肉厚のブロック体から構成されている。
【００１１】
前記熱電変換素子群３は、図４に示すように吸熱側電極３４と、放熱側電極３７と、両電極３４，３７間に多数配置されたＰ型半導体層３５とＮ型半導体層３６とから主に構成されている。Ｐ型半導体層３５とＮ型半導体層３６は構造的ならびに熱的に並列に配置されているが、電気的には前記電極３４，３７を介して直列に接続されている。
【００１２】
前記第１吸熱側枠体６−１は図１に示されているように、放熱側熱交換基体４から吸熱側熱交換基体２側にかけて配置されている。そして上方ならびに下方が開口した中空状のもので、基端部６−１ａとその基端部６−１ａの内周部から下方に向けて延びた延設部６−１ｂとを有し断面形状がほぼ階段状をしている。基端部６−１ａは、例えば接着剤あるいはＯリングと接着剤の併用などにより放熱側熱交換基体４の下面周辺部に液密に接合されている。
【００１３】
前述のように吸熱側熱交換基体２は肉厚のブロック体からなり、従ってその外周部は吸熱側熱交換基体２−熱電変換素子群３−放熱側熱交換基体４の積層方向にほぼ沿って延びた延設部２ａを構成している。この吸熱側熱交換基体２の延設部２ａと第１吸熱側枠体６−１の延設部６−１ｂはほぼ平行に対向しており、両者の間に注入された接着剤１４により吸熱側熱交換基体２と第１吸熱側枠体６−１が一体に接合されている。接着剤１４としては、エポキシ系やアクリル系のような硬化型接着剤、あるいはホットメルト系のような融着型接着剤などが適用可能である。
【００１４】
前記延設部２ａと延設部６−１ｂの間には複数本の位置決めピン２６が挿通されて、接着剤１４が完全に硬化する前の吸熱側熱交換基体２と第１吸熱側枠体６−１との相対的に位置ずれを防止している。図２に示されている６−１ｄが、延設部６−１ｂに形成されたピン挿通孔である。
【００１５】
延設部６−１ｂの外側には、基端部６−１ａ側に延びた補強リブ６−１ｃが一体に複数個（本実施の形態では４個）設けられている。図１に示されているように第１吸熱側枠体６−１は吸熱側熱交換基体２と放熱側熱交換基体４を跨ぐように配置されているため、第１吸熱側枠体６−１を伝わっての熱の戻りがある。この熱の戻りを可及的に少なくするため、第１吸熱側枠体６−１は比較的肉薄に成形する方がよいが、肉薄成形だと第１吸熱側枠体６−１の機械的強度が低下する。そのために本実施の形態では、基端部６−１ａと延設部６−１ｂの間に複数個の補強リブ６−１ｃを設けて第１吸熱側枠体６−１の剛直性を維持している。
【００１６】
また、基端部６−１ａと延設部６−１ｂの間を階段状、すなわち非直線状にすることにより、第１吸熱側枠体６−１の吸熱側熱交換基体２から放熱側熱交換基体４までの沿面距離を長く確保して、第１吸熱側枠体６−１を伝わっての熱の戻りを少くしている。
【００１７】
図２ならびに図３に示すように、基端部６−１ａの所定位置にはリード線取出溝６−１ｅが形成されて、熱電変換素子群３の電極３４に接続されたリード線１９がこの取出溝６−１ｅから引き出され、取出溝６−１ｅとリード線１９の間はシール剤２７で気液密にシールされている。
【００１８】
前記第２放熱側枠体６−２は放熱側熱交換基体４の上側に配置され、上方がほぼ塞がれ下方が開口した中空状のもので、下方開口部がＯリング８を介して放熱側熱交換基体４の上面周辺部に液密に接着されている。第２放熱側枠体６−２のほぼ中央部に給水管部９が、周縁近くに排水管部１０が設けられている。
【００１９】
分散部材７は周壁７ａと、周壁７ａの下端に連設した底壁７ｂと、底壁７ｂから放熱側熱交換基体４側に延びた多数本のノズル部７ｅとが設けられ、前記ノズル部７ｅに分散孔７ｄが形成されている。
【００２０】
分散部材７を第２放熱側枠体６−２内に固定することにより、分散部材７の給水管部９側に扁平状の第１空間１１が形成され、分散部材７の放熱側熱交換基体４側に扁平状の第２空間１３が形成されるとともに、この第２空間１３と排水管部１０を連通する排水路１２が形成される。
【００２１】
図１に示すように熱移動媒体である水１５を中央の給水管部９から供給すると第１空間部１１で一斉に拡がり、各ノズル部７ｅ（分散孔７ｄ）から放熱側熱交換基体４の上面に向けて勢いよく噴射する。放熱側熱交換基体４に衝突して放熱側熱交換基体４の熱を奪った水１５は隙間の狭い第２空間部１３で拡散し、排水路１２を経て排水管部１０から系外へ排出される。排出された水１５は図示しないラジェタ−または自然放冷で冷却され、強制循環系統を通り再利用される。
【００２２】
図１に示した２８は断熱材で、第１放熱側枠体６−１、放熱側熱交換基体４ならびに第２放熱側枠体６−２の外周部を覆うように設置されている。
【００２３】
この実施の形態においては、第１放熱側枠体６−１と第２放熱側枠体６−２を別体としたが、第１放熱側枠体６−１と第２放熱側枠体６−２を一体に形成したり、あるいは放熱側熱交換基体４と第２放熱側枠体６−２を一体に形成することも可能である。
【００２４】
図４は、熱交換素子群３の要部斜視図である。同図に示すように、吸熱側熱交換基体２の上に電気絶縁膜３３が形成され、その上に薄膜３８を介してまたは介さずして吸熱側電極３４が接合される。さらにこの吸熱側電極３４の上にＰ型半導体層３５ならびにＮ型半導体層３６が接合され、その上に放熱側電極３７が接合される。
【００２５】
この放熱側電極３７の両側にはＰ型半導体層３５ならびにＮ型半導体層３６と接合する半導体接合領域４０、４０を有し、この領域４０、４０の間には電極３７の一方の側端縁３７ａから他方の側端縁３７ｂに向けて延びた１本の切込み溝状の第１の切欠部５０ａと、反対に電極３７の他方の側端縁３７ｂから一方の側端縁３７ａに向けて延びかつ前記第１の切欠部５０ａよりずれた位置に形成された１本の切込み溝状の第２の切欠部５０ｂが平行に設けられている。そしてこの第１の切欠部５０ａと第２の切欠部５０ｂの間に幅狭の通電部５１が形成されて、吸熱側電極３７の平面形状がほぼＳ字状をしている。
【００２６】
これら半導体接合領域４０，４０、切欠部５０ａ，５０ｂならびに通電部５１は、電極３７の中心点Ｏを中心にして左右対称位置に設けられている。そして電極の３７一方の側端縁３７ａから他方の側端縁３７ｂまでの幅をＬ１、前記第１の切欠部５０ａならびに第２の切欠部５０ｂの長さをＬ２とした場合、Ｌ１＞Ｌ２の関係にあり、第１の切欠部５０ａと第２の切欠部５０ｂは中心点Ｏ付近においてオーバーラップしている。
【００２７】
このように領域４０、４０の間に互いに若干位置をずらせて対向するように第１の切欠部５０ａと第２の切欠部５０ｂを設けてＳ字状にすることにより、同図に矢印で示す水平方向の応力を効率よく吸収することができる。
【００２８】
図５は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。この実施の形態で前記第１の実施の形態と相違する点は、電極３７の両側にＺ字状あるいはＵ字状（本実施の形態ではＺ字状）に折り曲げた折曲部３９を形成した点である。このような形状にすれば、熱サイクルの繰り返しによる垂直方向ならびに水平方向の両方の応力を有効に吸収して、熱電変換素子群３へのダメージを極力回避することができる。
【００２９】
なお、前記実施の形態では、放熱側電極３７に第１、第２の切欠部５０ａ、５０ｂを形成したが、吸熱側電極３４にも同様に第１、第２の切欠部５０ａ、５０ｂを形成することもできる。
【００３０】
前記実施の形態では電子冷却装置の場合について説明したが、本発明は発電装置にも適用可能である。図６ないし図９は本発明の第３の実施の形態を説明するための図であり、図６は発電装置の分解断面図、図７はその発電装置に用いる素子ブロックの断面図、図８はその素子ブロックに用いるバリア金属層の断面図、図９はその発電装置に用いる電極の平面図である。
【００３１】
図６において符号６０は銅からなる高温側熱導体で、下面に窒化アルミニウムからなる電気絶縁層６１が形成されている。６２は図７に示すようにπ型をしたスケルトンタイプの素子ブロックで、ニッケルメッキした銅板からなる高温側電極６３と、半田層６４ａと、ニッケルや鉄などの表面処理膜を形成したバリア金属層６５ａと、Ｐｂ−ＴｅからなるＰ型半導体層６６ならびにＮ型半導体層６２と、ニッケルや鉄などの表面処理膜を形成したバリア金属層６５ｂとから構成されている。この素子ブロック６２を構成する各部材は一体に焼結されたものである。
【００３２】
バリア金属層６５は図８に示すように、導体層６６（６７）と接する側に周壁突部６８と中央突部６９が設けられ、導体層６６（６７）との接合強度を高めている。なお、前記中央突部６９は必ずしも必要ではない。
【００３３】
前記バリア金属層６５ｂと低温側電極７０は、半田層６４ｂによって接合される。７１はシリコーンゲルからなる薄膜、７２はアルミニウムからなる低温側熱導体で、上面にアルマイトからなる電気絶縁層７３が形成されている。７４は薄膜７１を介して低温側熱導体と接合した水冷ベローズで、内側には冷却水７５が循環するシステムになっている。なお、前記電極６３とバリア金属層６５ａ、ならびにバリア金属層６５ｂと低温側電極７０が金属間結合する場合、半田層６４ａ，６４ｂは必ずしも必要ではない。
【００３４】
図９に示すように電極６３（７０）の両側にはＰ型半導体層６６ならびにＮ型半導体層６７と接合する半導体接合領域７６、７６が設けられ、この領域７６、７６の間には電極６３（７０）の一方の側端縁６３ａ（７０ａ）から他方の側端縁６３ｂ（７０ｂ）に向けて延びた１本の切込み溝状の第１の切欠部７７ａと、電極６３（７０）の他方の側端縁６３ｂ（７０ｂ）から一方の側端縁６３ａ（７０ａ）に向けて延びかつ前記第１の切欠部７７ａよりずれた位置に形成された１本の切込み溝状の第２の切欠部７７ｂが平行に設けられている。そしてこの第１の切欠部７７ａと第２の切欠部７７ｂの間に幅狭の通電部７８が形成されて、電極６３（７０）の平面形状がほぼＳ字状をしている。
【００３５】
これら半導体接合領域７６，７６、切欠部７７ａ，７７ｂならびに通電部７８は、電極６３（７０）の中心点Ｏを中心にして左右対称位置に設けられている。
【００３６】
図１０は、本発明の第４の実施の形態を示す図である。この実施の形態で前記実施の形態と相違する点は、切欠部７７ａを間にしてその両側に切欠部７７ｂが形成されている点である。この例の場合も半導体接合領域７６，７６、切欠部７７ａ，７７ｂならびに通電部７８は、電極６３（７０）の中心点Ｏを中心にして左右対称位置に設けられている。
【００３７】
図９ならびに図１０においても、Ｌ１＞Ｌ２の関係にあり、第１の切欠部７７ａと第２の切欠部７７ｂは中心点Ｏ付近においてオーバーラップしている。
【００３８】
【発明の効果】
図１２は、本発明の実施の形態に係る熱電変換装置と従来の熱電変換装置の
４０℃／９０℃の温度サイクル加速試験におけるサイクル数と素子の抵抗変化率との関係を示す特性図で、図中の曲線Ｉは本発明の実施の形態に係る熱電変換装置の特性曲線、曲線IIは従来の熱電変換装置の特性曲線である。
【００３９】
この図から明らかなように、従来の熱電変換装置は温度サイクルの繰り返しに伴い、半導体層と電極の接合部の抵抗変化率が極端に高くなっている。これに対して本発明の熱電変換装置は、電極の形状により半導体層と電極の熱膨張係数の違いを有効に吸収するから、抵抗変化率が少なく、性能的に安定している。
【００４０】
前述のように本発明は、電極が両端部付近に半導体接合領域を有し、その半導体接合領域の間に、電極の一方の側端縁から他方の側端縁に向けて延びた第１の切欠部と、電極の他方の側端縁から一方の側端縁に向けて延びかつ前記第１の切欠部よりずれた位置に形成された第２の切欠部とを設け、その第１の切欠部と第２の切欠部の間に幅狭の通電部が形成されている。
【００４１】
そのため、半導体層と電極の熱膨張係数の違いを有効に吸収し、接合強度を保持することにより、熱サイクルを繰り返しても性能劣化が少ない、動作信頼性に優れ、耐用寿命の長い熱電変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る熱電変換装置の断面図である。
【図２】その熱電変換装置に使用する第１放熱側枠体の底面図である。
【図３】その熱電変換装置におけるリード線の取り出し構造を説明するための一部拡大断面図である。
【図４】その熱電変換装置における素子ブロックの要部斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る熱電変換装置に使用する電極の斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る熱電変換装置の分解断面図である。
【図７】その熱電変換装置の素子ブロックの断面図である。
【図８】その素子ブロックに用いるバリア金属層の平面図である。
【図９】その熱電変換装置に用いる電極の平面図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係る熱電変換装置に用いる電極の平面図である。
【図１１】従来の熱電変換装置の断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態に係る熱電変換装置と従来の熱電変換装置の温度サイクルの繰り返しに伴う抵抗変化率の特性図である。
【符号の説明】
１ 吸熱部材
２ 吸熱側熱交換基体
３ 熱電変換素子群
４ 放熱側熱交換基体
３４ 吸熱側電極
３５ Ｐ型半導体層
３６ Ｎ型半導体層
３７ 吸熱側電極
３７ａ 一方の側端縁
３７ｂ 他方の側端縁
４０ 半導体接合領域
５０ａ 第１の切欠部
５０ｂ 第２の切欠部
５１ 通電部
６０ 高温側熱導体
６２ 素子ブロック
６３ 高温側電極
６３ａ（７０ａ） 一方の側端縁
６３ｂ（７０ｂ） 他方の側端縁
６６ Ｐ型半導体層
６７ Ｎ型半導体層
７０ 低温側電極
７６ 半導体接合領域
７７ａ 第１の切欠部
７７ｂ 第２の切欠部
７８ 通電部
Ｏ 電極の中心
Ｌ１ 電極の幅
Ｌ２ 第１ならびに第２の切欠部の長さ

Claims (4)

1. 吸熱側電極と、放熱側電極と、前記吸熱側電極と放熱側電極の間に並列に配置されてその吸熱側電極と放熱側電極により電気的に直列に接続されたＰ型半導体層とＮ型半導体層を有する熱電変換装置において、
   前記吸熱側電極ならびに放熱側電極のうちの少なくとも一方の電極が、両端部付近に前記Ｐ型半導体層ならびにＮ型半導体層と接合する半導体接合領域をそれぞれ有し、
   その２つの半導体接合領域の間に、当該電極の一方の側端縁から他方の側端縁に向けて当該電極の中心点Ｏ付近を通過するように切り込まれた第１の切欠部と、当該電極の他方の側端縁から一方の側端縁に向けて当該電極の中心点Ｏ付近を通過するように切り込まれた第２の切欠部とを設けて、
   平面上において前記電極の一方の側端縁上における第１の切欠部の中心と前記電極の他方の側端縁上における第２の切欠部の中心とが互いにずれており、その第１の切欠部と第２の切欠部の間に幅狭の通電部が形成されていることを特徴とする熱電変換装置。
2. 請求項１記載において、前記半導体接合領域、切欠部ならびに通電部がそれぞれ電極の中心点を中心にして点対称位置に設けられていることを特徴とする熱電変換装置。
3. 請求項１または２記載において、前記半導体接合領域と切欠部と通電部により電極の平面形状がほぼＳ字状になっていることを特徴とする熱電変換装置。
4. 請求項１ないし３記載のいずれかにおいて、前記電極の一方の側端縁から他方の側端縁までの幅をＬ１、前記第１の切欠部ならびに第２の切欠部の長さをＬ２とした場合、Ｌ１＞Ｌ２の関係にあることを特徴とする熱電変換装置。

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