JP4490765B2 - Direct heat-electric converter - Google Patents
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Description
本発明は熱−電気直接変換装置に係り、特に変換装置の構成部材の酸化等による劣化の進行を抑止し、長期にわたって変換効率を良好に維持できる熱−電気直接変換装置に関する。 The present invention relates to a thermal-electrical direct conversion device, and more particularly to a thermal-electrical direct conversion device capable of suppressing the progress of deterioration due to oxidation or the like of components of the conversion device and maintaining good conversion efficiency over a long period of time.
近年、人類が消費するエネルギ量が歴史的に例を見ない速度で急増した結果、炭酸ガス(CO2)などの温室効果ガスによる地球温暖化の問題が浮上しており、地球環境を保全するためにCO2発生を可及的に抑制可能なエネルギ源の開発が全世界的に渇望されている。このような状況の中で、主として省エネルギの観点から、大規模な廃熱の利用が従来から進行し、現在では中小規模の廃熱まで、その再利用が注目されつつある。 In recent years, the amount of energy consumed by mankind has rapidly increased at an unprecedented rate. As a result, the problem of global warming due to greenhouse gases such as carbon dioxide (CO 2 ) has emerged, and the global environment is preserved. Therefore, development of an energy source capable of suppressing CO 2 generation as much as possible is craved all over the world. Under such circumstances, mainly from the viewpoint of energy saving, the use of large-scale waste heat has been progressing conventionally, and at present, the reuse of medium-scale waste heat has been attracting attention.
ところが、中小規模廃熱については、たとえその廃熱の質が高くとも、熱量規模自体が比較的小さいことから、たとえば蒸気タービンなどの大規模廃熱用の発電装置では、熱量に対して大掛りな装置が必要となる結果、発電効率が極めて低く、既存設備の改造や保守・補修コストに見合う電気量が得られないという問題があった。 However, with regard to medium- and small-scale waste heat, even if the quality of the waste heat is high, the amount of heat itself is relatively small. For example, in a power generator for large-scale waste heat such as a steam turbine, the amount of heat is large. As a result, the power generation efficiency is extremely low, and there is a problem that the amount of electricity corresponding to the modification of existing facilities and the maintenance / repair cost cannot be obtained.
また、その熱量規模が小さいことから、温水利用などの熱利用も見送られている場合が多く、全世界的に中小規模廃熱の利用は進捗し難い状況にある。そのため、これら中小規模の廃熱のエネルギから電気エネルギを簡易かつ小型の装置システムで変換できる熱−電気直接変換装置の開発実用化が待望されている。 In addition, due to the small amount of heat, the use of heat, such as the use of hot water, is often forgotten, and the use of medium- and small-scale waste heat is difficult to progress worldwide. Therefore, the development and practical application of a direct heat-electricity conversion device that can convert electric energy from the energy of waste heat of medium and small scales with a simple and small device system is awaited.
このような技術的要請に対処するため、半導体を用いて熱エネルギを直接電気エネルギに変換する熱−電気直接変換装置の開発が従来から進められている(例えば特許文献1及び非特許文献1参照)。 In order to cope with such technical demands, development of a direct thermal-electric conversion device that converts thermal energy directly into electrical energy using a semiconductor has been in progress (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). ).
一般に、この種の熱−電気直接変換装置は、トムソン効果、ペルチェ効果、ゼーベック効果などの熱電効果を利用したp型およびn型の熱−電気直接変換半導体(熱伝変換素子)を組み合わせて構成される。一般的な構造を図2に示す。すなわち、従来の熱−電気直接変換装置1は、p型熱−電気直接変換半導体チップ(p型半導体)2およびn型熱−電気直接変換半導体チップ(n型半導体)3が、高温側電極5を有する高温側絶縁板(高温側基板)7と、低温側電極6を有する低温側絶縁板(低温側基板)8に挟まれた構造を有する。上記p型熱−電気直接変換半導体チップ2およびn型熱−電気直接変換半導体チップ3は、熱−電気直接変換半導体対4(半導体対)を形成し、変換装置全体では電気的及び熱的に多くの熱−電気直接変換半導体対が接続される。
In general, this type of direct heat-electric conversion device is composed of a combination of p-type and n-type direct heat-electric conversion semiconductors (thermoconduction elements) that use thermoelectric effects such as the Thomson effect, Peltier effect, and Seebeck effect. Is done. A general structure is shown in FIG. In other words, the conventional thermo-electric direct conversion device 1 includes a p-type thermo-electric direct conversion semiconductor chip (p-type semiconductor) 2 and an n-type thermo-electric direct conversion semiconductor chip (n-type semiconductor) 3 with a high-
p型熱−電気直接変換半導体チップ2およびn型熱−電気直接変換半導体チップ3は、高温側電極5と高温側電極−半導体チップ接合部11を介して接合され、さらにp型熱−電気直接変換半導体チップ2およびn型熱−電気直接変換半導体チップ3は、低温側電極6と低温側電極−半導体チップ接合部12を介して接合されている。
The p-type heat-electric direct
上記のように構成された熱−電気直接変換装置1において、高温側電極5に熱流13が供給されると、熱は高温側電極−半導体チップ接合部11を介してp型熱−電気直接変換半導体チップ2およびn型熱−電気直接変換半導体チップ3に伝達され、半導体チップ2,3を通過する熱流14に沿って、p型熱−電気直接変換半導体チップ2の内部では半導体キャリアである正孔16が、またn型熱−電気直接変換半導体チップ3の内部では半導体キャリアである電子17が、p型熱−電気直接変換半導体チップ2あるいはn型熱−電気直接変換半導体チップ3に低温側電極−半導体チップ接合部12を介して接合されている低温側電極6に向かって移動する。
In the heat-electrical direct conversion device 1 configured as described above, when the
一方半導体チップ2,3を通過する熱流14は、低温側電極6を通過して低温側電極から放出される熱流15となる。ここで熱−電気直接変換装置1の外部に、適当な電気的負荷19が、熱−電気直接変換装置1に設置されている電極−電流取出手段との接続手段9と、それに接続された電流取出手段10とを介して、熱−電気直接変換装置1に電気的に接続されることにより、前記半導体キャリアの移動は電流の流れ18として熱−電気直接変換装置1の外部に取出し利用することができる。
On the other hand, the
このように熱-電気直接変換装置は、高温側電極と低温側電極との温度差を、熱−電気直接変換半導体を用いて、直接電気に変換し装置外部に電力として取出すことができるものであるが、図示していない外部から電流を与えることにより、低温側から高温側あるいは高温側から低温側に熱の移動を行うこともできる。
このように、熱−電気直接変換装置に温度差を加えて熱を電気に変換する際には、熱−電気直接変換装置の高温側電極温度は高いほど、また低温側電極温度は低いほど、すなわち電極間の温度差が大きいほど、熱の変換効率は大きい。また熱−電気直接変換装置に電流を加え、電気を熱に変換する際にも、熱−電気直接変換装置の高温側温度と低温側温度との温度差は、印加する電流が大きいほど大きくなる。このため、図2に示した構成を有する従来の熱−電気直接変換装置では、大気中で使用していると、電極や半導体チップなどの構成部材が酸化や窒化などにより劣化し易く、熱から電気へ、あるいは電気から熱への変換効率が経時的に低下し、長期間に亘って良好な変換効率を確保することが困難であるという問題があった。 Thus, when a heat difference is added to the thermo-electric direct conversion device to convert heat into electricity, the higher the high temperature side electrode temperature and the lower the low temperature side electrode temperature of the thermo-electric direct conversion device, That is, the greater the temperature difference between the electrodes, the greater the heat conversion efficiency. In addition, when an electric current is applied to the heat-electric direct conversion device to convert electricity into heat, the temperature difference between the high temperature side temperature and the low temperature side temperature of the heat-electric direct conversion device increases as the applied current increases. . For this reason, in the conventional thermal-electrical direct conversion device having the configuration shown in FIG. 2, when used in the atmosphere, components such as electrodes and semiconductor chips are likely to deteriorate due to oxidation, nitridation, etc. There was a problem that the conversion efficiency from electricity to electricity or from electricity to heat decreased with time, and it was difficult to ensure good conversion efficiency over a long period of time.
上記問題点を解決するために、本発明者らは例えば図2に示す構成を有する従来の熱−電気直接変換装置をそのまま金属やセラミックスから成る筐体に封じ込めることにより、大気から遮断でき装置構成部品の酸化による劣化を防止できる構成を実現している。 In order to solve the above problems, the present inventors can shut off the conventional heat-electric direct conversion device having the structure shown in FIG. 2, for example, from the atmosphere by enclosing it in a casing made of metal or ceramic as it is. A configuration that can prevent deterioration of parts due to oxidation is realized.
しかしながら、装置に供給される熱流は半導体チップだけでなく、筐体をも通過することになるので変換の対象となる熱の割合が減少し、熱から電気へ、あるいは電気から熱への変換効率が低下することが予測される。 However, since the heat flow supplied to the device passes not only through the semiconductor chip but also through the housing, the rate of heat to be converted is reduced, and conversion efficiency from heat to electricity or from electricity to heat is reduced. Is expected to decline.
本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、構成部材の酸化等による劣化の進行を抑止し長期にわたって変換効率を良好に維持できるとともに、半導体チップに熱流を集中的に流すことを容易にし高い変換効率を確保できる熱−電気直接変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and can suppress the progress of deterioration due to oxidation or the like of constituent members, maintain good conversion efficiency over a long period of time, and allow a heat flow to flow intensively over a semiconductor chip. It is an object of the present invention to provide a direct thermal-electric conversion device that can facilitate the process and ensure high conversion efficiency.
上記課題を解決するため、本発明に係る熱−電気直接変換装置は、熱エネルギを電気エネルギに、或いは電気エネルギを熱エネルギに直接変換する熱−電気直接変換半導体と、熱−電気直接変換半導体の高温側端部に熱的に接続される高温側基板と、熱−電気直接変換半導体の低温側端部に熱的に接続される低温側基板と、高温側基板を覆う金属蓋、前記熱−電気直接変換半導体の周囲を取り囲む金属枠、および前記低温側基板とから構成され、前記熱−電気直接変換半導体を外気から遮断するとともに内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する気密筐体と、前記熱−電気直接変換半導体の高温側端部と前記金属蓋との間に設けられる熱伝導性部材と、を備え、前記熱−電気直接変換半導体は、p型半導体とn型半導体とからなり双方の高温側端部がパッチ状の高温側電極で電気的に接続された半導体対を複数備えて形成され、前記熱伝導性部材は、前記パッチ状の高温側電極を覆い、隣接する半導体対の高温側電極とは電気的に絶縁されるように形成され、前記高温側電極と略同一形状をなす金属板状部材であり、前記熱伝導性部材は、前記高温側基板と一体的に固定され、前記低温側基板は、(1)その全体が球面の一部をなすように外部に向かって凸形状に湾曲した形状、(2)すり鉢状に中央部を窪ませた形状、(3)端部を平面状に維持しつつ、中央部に球面状の凸部をもたせた形状、または(4)端部を平面状に維持しつつ、中央部にすり鉢状の凸部をもたせた形状、として形成される、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, a thermal-electric direct conversion device according to the present invention includes a thermal-electric direct conversion semiconductor that directly converts thermal energy into electrical energy or electrical energy into thermal energy, and a thermal-electric direct conversion semiconductor. A high-temperature side substrate thermally connected to the high-temperature side end, a low-temperature side substrate thermally connected to the low-temperature side end of the thermo-electric direct conversion semiconductor, a metal lid covering the high-temperature side substrate, and the heat An airtight housing configured of a metal frame surrounding the periphery of the electrical direct conversion semiconductor and the low-temperature side substrate, which shields the thermal direct electrical conversion semiconductor from outside air and holds the interior in a vacuum or an inert gas atmosphere. A heat conductive member provided between a high temperature side end of the thermo-electric direct conversion semiconductor and the metal lid, and the thermo-electric direct conversion semiconductor comprises a p-type semiconductor and an n-type semiconductor. Both sides The high temperature side end is formed with a plurality of semiconductor pairs electrically connected by patch-like high-temperature side electrodes, and the thermal conductive member covers the patch-like high-temperature side electrodes and the high temperature of adjacent semiconductor pairs The side electrode is a metal plate-like member that is formed to be electrically insulated and has substantially the same shape as the high-temperature side electrode, and the thermally conductive member is fixed integrally with the high-temperature side substrate , The low-temperature side substrate has (1) a shape curved in a convex shape toward the outside so as to form a part of a spherical surface, (2) a shape in which a central portion is recessed in a mortar shape, and (3) an end portion. A shape with a spherical convex part at the center while maintaining a flat shape, or (4) a shape with a mortar-shaped convex part at the center while keeping the end flat. It is characterized by that.
本発明に係る熱−電気直接変換装置によれば、構成部材の酸化等による劣化の進行を抑止し長期にわたって変換効率を良好に維持できるとともに、半導体チップに熱流を集中的に流すことを容易にし高い変換効率を確保できる。 According to the thermal-electrical direct conversion device according to the present invention, the progress of deterioration due to oxidation or the like of the constituent members can be suppressed and the conversion efficiency can be satisfactorily maintained over a long period of time, and the heat flow can be easily flowed through the semiconductor chip. High conversion efficiency can be secured.
本発明に係る熱−電気直接変換装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。 An embodiment of a direct thermal-electric conversion device according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
(1)第1の実施形態
図1は半導体チップを外気から遮断する気密筐体を用いた本発明に係る熱−電気直接変換装置の第1の実施形態を示す図であり、図1(a)は第1の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1aの構成を示す斜視図であり、図1(b)は図1(a)に示す熱−電気直接変換装置1aのB-B矢視断面図である。
(1) First Embodiment FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a direct thermal-electric conversion device according to the present invention using an airtight housing that blocks a semiconductor chip from the outside air. ) Is a perspective view showing the configuration of the heat-electric
図1に示すように、熱-電気直接変換装置1aは、熱エネルギを電気エネルギに、あるいは電気エネルギを熱エネルギに直接変換する複数の熱−電気直接変換半導体対(半導体対)4と、その熱−電気直接変換半導体対4を外気から遮断する気密筐体30とを備えて構成される。
As shown in FIG. 1, a thermal-electrical
気密筐体30は複数の熱−電気直接変換半導体対4の高温側端部に熱的に接続される高温側基板7を覆う金属蓋20と、複数の熱−電気直接変換半導体対4の周囲を取り囲む金属枠21と、複数の熱−電気直接変換半導体対4の低温側端部に熱的に接続される低温側基板22とから構成されている。気密筐体30は、複数の熱−電気直接変換半導体対4等からなる内部構成品を外気から遮断するとともに、気密筐体30の内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する。
The
不活性ガスとしては、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンから選択される少なくとも一種の気体からなることが好ましい。これらの非酸化性の気体を気密筐体30内に封入し、内部雰囲気を非活性とすることにより、半導体チップ等の構成部品が酸化等により劣化することが効果的に防止でき長期にわたって高い変換効率を維持できる熱−電気直接変換装置が得られる。
The inert gas is preferably composed of at least one gas selected from nitrogen, helium, neon, argon, krypton, and xenon. By encapsulating these non-oxidizing gases in the
また、熱−電気直接変換装置1aにおいて、不活性ガス雰囲気の圧力が、常温で外気圧より低く設定されていることが好ましい。気密筐体30内の不活性ガス雰囲気の圧力を外気圧より低く設定することにより、気密筐体30内の不活性ガス雰囲気中に水分が残留することが効果的に防止でき、水分による半導体チップの劣化損傷を効果的に抑止できる。さらに、気密筐体30内のガス雰囲気における熱伝導性が低下するために、半導体チップから金属枠方向に熱が放散することが防止でき、熱-電気変換効率を高めることができる。
Moreover, in the thermal-electrical
気密筐体30を構成する金属蓋20および金属枠21は、例えばニッケル基合金等のような耐熱金属もしくは耐熱合金から形成される。金属蓋20および金属枠21を形成する耐熱金属もしくは耐熱合金としては、高温度使用環境における耐久性の点から、ニッケル基合金の他、ニッケル、炭素鋼、ステンレス鋼から選択される鉄基合金、クロムを含む鉄基合金、シリコンを含む鉄基合金、コバルトを含有する合金、銅を含有する合金のいずれかより選択されることが好ましい。
The
図1(b)に示したように、熱−電気直接変換半導体対(半導体対)4は、p型熱−電気直接変換半導体チップ2(p型半導体)とn型熱−電気直接変換半導体チップ3(n型半導体)とから構成されている。 As shown in FIG. 1B, the thermal-electrical direct conversion semiconductor pair (semiconductor pair) 4 includes a p-type thermal-electrical direct conversion semiconductor chip 2 (p-type semiconductor) and an n-type thermal-electrical direct conversion semiconductor chip. 3 (n-type semiconductor).
これら半導体は、熱電変換効率の観点から、および良好な熱電効果を長期間維持することができるという観点から、希土類元素、アクチノイド、コバルト、鉄、ロジウム、ルテニウム、パラジウム、白金、ニッケル、アンチモン、チタン、ジルコニウム、ハフニウム、ニッケル、錫、コバルト、シリコン、マンガン、亜鉛、ボロン、炭素、窒素、ガリウム、ゲルマニウム、インジウム、バナジウム、ニオブ、バリウム、マグネシウムから選択される少なくとも3種の元素から構成される熱−電気直接変換半導体であることが好ましい。 These semiconductors are rare earth elements, actinoids, cobalt, iron, rhodium, ruthenium, palladium, platinum, nickel, antimony, titanium from the viewpoint of thermoelectric conversion efficiency and the ability to maintain a good thermoelectric effect for a long period of time. Heat composed of at least three elements selected from zirconium, hafnium, nickel, tin, cobalt, silicon, manganese, zinc, boron, carbon, nitrogen, gallium, germanium, indium, vanadium, niobium, barium, magnesium -It is preferably an electrical direct conversion semiconductor.
また、これらの半導体の結晶構造は、良好な熱電効果の観点から、スクッテルダイト構造、充填スクッテルダイト構造、ホイスラー構造、ハーフホイスラー構造、クラスレート構造のうちのいずれかであることが好ましい。 The crystal structure of these semiconductors is preferably any of a skutterudite structure, a filled skutterudite structure, a Heusler structure, a half-Heusler structure, and a clathrate structure from the viewpoint of a good thermoelectric effect.
熱−電気直接変換半導体対4の高温側端部(図1において上側の端部)には、高温側電極5が、高温側電極−半導体チップ接合部11を介して接合されている。高温側電極5は、総ての熱−電気直接変換半導体対4の高温側端部にパッチ状に設けられており(図2参照)、隣接する熱−電気直接変換半導体対4の高温側電極5とは切り離されて電気的に絶縁されている。
A high
高温側電極5の図1において上側には、熱伝導性部材としての第1の金属板状部材27が高温側電極5と熱的に接続されて設けられている。第1の金属板状部材27は、例えば銅等の熱伝導率の高い金属板で形成される。
A first
第1の金属板状部材27は、高温側電極5とほぼ同一の大きさ、形状を有してパッチ状に設けられており、高温側電極5と同様に隣接する熱−電気直接変換半導体対4とは電気的に絶縁されている。
The first
第1の金属板状部材27の図1においてさらに上側には、高温側基板(高温側絶縁板)7が複数の熱−電気直接変換半導体対4の全体をほぼ覆うように設けられている。高温側基板7は、例えばアルミナ(Al2O3)等のように電気的絶縁性を有しかつ熱伝導率の高いセラミック基板で形成されている。
On the further upper side in FIG. 1 of the first
高温側基板7は、金属蓋20の内面に接し、金属蓋20と熱的に接続されている。また、高温側基板7は、第1の金属板状部材固定材27aを介して総ての第1の金属板状部材27を固定している。
The high
一方、熱−電気直接変換半導体対4の低温側端部は低温側基板22に熱的に接続されている。
On the other hand, the low temperature side end of the thermoelectric direct
低温側基板22は、低温側電極6、低温側絶縁板8および低温側系統への熱放出部24を備えて構成される。
The low
低温側電極6は、低温側電極−半導体チップ接合部12を介して、熱−電気直接変換半導体対4を構成するp型熱−電気直接変換半導体チップ2或いはn型熱−電気直接変換半導体チップ3と、隣接する熱−電気直接変換半導体対4のn型熱−電気直接変換半導体チップ3或いはp型熱−電気直接変換半導体チップ2との間を電気的に接続する。
The low-
併せて、低温側電極6は、低温側電極−低温側絶縁板接合部23を介して、低温側絶縁板8と熱的に接続される。
In addition, the low
低温側基板22は、セラミック板からなる低温側絶縁板8の両面に金属板を接合して一体的に形成される。このうち低温側絶縁板8の図1において上側の面に接合される金属板によって低温側電極6を形成し、一方、図1において下側の面に接合される金属板が低温側系統への熱放出部24を形成する。
The low
このように低温側絶縁板8の表面に予め低温側電極6と低温側系統への熱放出部24とを接合させて低温側基板22を一体的に形成することにより、熱−電気直接変換装置1aの組み立て作業が簡素化される。さらに、低温側絶縁板8と低温側電極6および低温側系統への熱放出部24との接合強度が高くまた両者の密着度も高く形成できるため、耐久性に優れた熱−電気直接変換装置1aが得られる。
In this way, the low-
低温側電極6および低温側系統への熱放出部24を形成する金属板の材料としては、耐熱性及び電気伝導性あるいは熱伝導性の点から、銅、銀、アルミニウム、錫、鉄基合金、ニッケル、ニッケル基合金、チタン、チタン基合金から選択される少なくとも1種から成ることが好ましい。
As a material of the metal plate forming the low
また、低温側絶縁板8を形成するセラミック板の材料としては、絶縁耐性の安定性の点から、アルミナもしくはアルミナを含有するセラミック、アルミナ粉末を分散含有する金属、窒化珪素もしくは窒化珪素を含有するセラミック、窒化アルミニウムもしくは窒化アルミニウムを含有するセラミック、ジルコニアもしくはジルコニアを含有するセラミック、イットリアもしくはイットリアを含有するセラミック、シリカあるいはシリカを含有するセラミック、ベリリアもしくはベリリアを含有するセラミックから選択される少なくとも1種から構成されることが好ましい。
Further, the material of the ceramic plate forming the low-temperature
金属蓋20と金属枠21とは溶接によって接合される。この他、金属蓋20と金属枠21とを一体的に成形する形態でもよい。金属蓋20と金属枠21とを一体成形することによって部品点数が減り組立作業が簡素化される。
The
金属枠21と低温側基板22との接合方法は、特に限定されるものではないが、接合強度の点から、溶接、ハンダ付け、もしくはロウ付け、拡散接合、あるいは接着剤により接合されていることが好ましい。
The joining method of the
上記のように構成された熱−電気直接変換装置1aにおいて、熱エネルギから電気エネルギに変換するには、図示しない高温系統を熱−電気直接変換装置1aの金属蓋20に熱的に接続するとともに、図示しない低温系統を低温側系統への熱放出部24に熱的に接続する。
In the heat-electricity
この結果、熱−電気直接変換半導体対4を高温側端部から低温側端部に向かって流れる熱流が発生し、熱−電気直接変換半導体対4に正孔および電子の流れに基づく電流が生じ、総ての熱−電気直接変換半導体対4の電流の総和が電流取出手段10から取り出され、外部負荷に対して電力を供給することができる。
As a result, a heat flow that flows from the high-temperature side end to the low-temperature side end of the thermo-electric direct
この際、高温系統と低温系統との温度差が大きい程、熱−電気の変換効率を高めることができる。例えば、低温系統の温度が室温とすると、高温系統の温度が高い程熱−電気の変換効率は高くなる。 At this time, the greater the temperature difference between the high-temperature system and the low-temperature system, the higher the thermal-electric conversion efficiency. For example, if the temperature of the low temperature system is room temperature, the higher the temperature of the high temperature system, the higher the heat-electric conversion efficiency.
このように、熱―電気の変換効率を高めるためには、熱−電気直接変換装置1aの金属蓋20等の温度を高温度条件下、例えば500℃程度で運転することが有効である。
Thus, in order to increase the heat-electricity conversion efficiency, it is effective to operate the temperature of the
しかしながら、熱−電気直接変換装置1aを大気中の高温度条件下で運転した場合には、電極や半導体チップなどの構成部材が酸化されたり窒化されたりして劣化が進行し易い。これらの構成部材の劣化進行を抑止し、熱から電気へ、あるいは電気から熱への変換効率の低下を抑止し、長期間に亘って良好な変換性能を確保するためには、本実施形態に示すように熱−電気直接変換装置を外気から遮断する気密筐体30を用いることが有効である。
However, when the thermal-electrical
図1に示すように、本実施形態に係る熱−電気直接変換装置においては、p型熱-電気直接変換半導体チップ2とn型熱-電気直接変換半導体チップ3とから成る複数の熱−電気直接変換半導体対4の低温側端部が、低温側基板22に接合される一方、その高温側端部が高温側電極−半導体チップ接合部11、高温側電極5および第1の金属板状部材27を介して高温側基板(高温側絶縁板)7に機械的、熱的に接続されている。
As shown in FIG. 1, in the thermal-electric direct conversion device according to the present embodiment, a plurality of thermal-electrical units each including a p-type thermal-electrical direct
熱−電気直接変換装置1aは、熱が供給される側の金属蓋20と低温側基板22との温度差を直接電気に変換し装置外部に電力として取り出したり、または、外部から装置入力端部に電流を供給し低温側系統から高温側系統に熱の移動を生起させたりする。熱が供給される金属蓋20に接する部分は高温度となるために高温環境下での酸化から半導体チップ等の変換素子及び電極を保護することが必要になる。
The thermal-electrical
そこで、本実施形態では装置内部に窒素等の耐酸化ガスを充填し装置内部を封止するために、金属蓋20、金属枠21および低温側基板22を一体に接合固定して、気密筐体30を形成している。
Therefore, in this embodiment, in order to fill the inside of the apparatus with an oxidation-resistant gas such as nitrogen and seal the inside of the apparatus, the
また、発生した電力を外部へ供給するための電流取出手段10も、図1に示したように、低温側絶縁板8を貫通する電極−電流取出手段との接続手段9を介して低温側電極6と密に接続されており、気密筐体30の気密性を維持する形態となっている。
Further, as shown in FIG. 1, the current extraction means 10 for supplying the generated electric power to the outside is also connected to the low temperature side electrode via the electrode-current extraction means 9 that penetrates the low temperature
本実施形態に係る熱−電気直接変換装置1aによれば、熱−電気直接変換半導体対4、高温側電極5、低温側電極6等の構成部材が収容されている気密筐体30内部を気密に保持し、内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に維持することが可能になる。この結果、高温環境下で運転された場合においても、熱−電気直接変換装置1aの気密筐体30内部に設置された構成部材の酸化や窒化などによる劣化の進行を効果的に抑止することが可能となる。
According to the direct thermal-
ところで、気密筐体30を構成する金属蓋20や金属枠21は、高温度使用環境における耐久性の点から例えばニッケル基合金等のような耐熱金属もしくは耐熱合金から形成される。これらの耐熱金属もしくは耐熱合金は一定の熱伝導性を有する。このため、金属蓋20に印加された熱の一部は、金属蓋20から金属枠21を流れて低温側基板22へ至り、最終的には図示しない低温系統へ流れる。この金属枠21を流れるいわば熱の傍流は、熱電変換にまったく寄与しない。
By the way, the
理想的には、金属蓋20に印可された熱の総てが熱−電気直接変換半導体対4の内部を流れるいわば本流となることによって最も高い熱電変換効率を実現できる。現実には金属枠21を流れる熱の傍流によって熱電変換効率は低下する。
Ideally, the highest thermoelectric conversion efficiency can be realized by the fact that all of the heat applied to the
熱電変換効率を向上させるためには、金属枠21を流れる熱の傍流を減らし、減らした熱流を逆に熱−電気直接変換半導体対4を流れる本流に集中させる必要がある。これを実現するためには、金属蓋20から金属枠21を通って低温側基板22にいたる経路の熱抵抗を高めて熱流を流れにくくし、逆に金属蓋20から熱−電気直接変換半導体対4を通って低温側基板22へ至る経路の熱抵抗を低減して熱流を流れやすくすることが有効である。
In order to improve the thermoelectric conversion efficiency, it is necessary to reduce the side current of the heat flowing through the
本実施形態に係る熱−電気直接変換装置1aは、高温側基板7と高温側電極5との間に熱伝導性部材である第1の金属板状部材27を設けることによって、金属蓋20から熱−電気直接変換半導体対4へ至る経路の熱抵抗の低減を可能としている。
The thermal-electrical
熱−電気直接変換装置1aの運用に際しては、金属蓋20に接触する図示しない高温系統と、低温側基板22に接触する図示しない低温系統とによって金属蓋20と低温側基板22とは相互に適宜の押圧で押し付けられる。この際、仮に第1の金属板状部材27が存在しないとすると、セラミック板で形成される高温側基板(高温側絶縁板)7と高温側電極5とが直接接触することになる。高温側基板7と高温側電極5との接触面は、加工精度等の制約により、必ずしも全面が理想的な完全平面とはならない。また、熱−電気直接変換半導体対4自体も個体間に高さ方向の製造誤差が存在する。このため、高温側基板7と高温側電極5とが適宜の押圧で押し付けられたとしても、熱−電気直接変換半導体対4の総てにわたって高温側基板7と高温側電極5とが完全には接触しない場合が生じうる。
In the operation of the thermal-electrical
これに対して、高温側基板7と高温側電極5との間に例えば銅等の熱伝導率の高い金属で形成された第1の金属板状部材27が存在する場合は、第1の金属板状部材27が高温側基板7と高温側電極5から押し付けられることにより変形し、高温側基板7と高温側電極5の接触面の粗さに因る誤差や、熱−電気直接変換半導体対4の個体間の高さ方向の製造誤差を吸収することが可能となる。このため、金属蓋20から総ての熱−電気直接変換半導体対4の高温側電極5へ至る経路の接触熱抵抗を低減することが可能となる。
On the other hand, when the first
この結果、金属蓋20に印可される熱のうち、熱−電気直接変換半導体対4を流れる比率は増加し、金属枠21を流れる熱流の比率は低減することになり、熱電変換効率が向上する。
As a result, of the heat applied to the
なお、第1の金属板状部材27は、高温側電極5とほぼ同一形状、同一寸法のパッチ状に形成されており、隣接する熱−電気直接変換半導体対4の高温側電極5とは絶縁が確保されている。このため、絶縁性シート等を別途設ける必要はない。
The first
また、第1の金属板状部材27は、第1の金属板状部材固定材27aを介して高温側基板7と一体的に固定されており、熱−電気直接変換装置1aの組立作業性も良好である。
The first metal plate-
このように、第1の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1aによれば、気密筐体30によって内部の構成部材の酸化等による劣化の進行を抑止し長期にわたって変換効率を良好に維持できるとともに、第1の金属板状部材27によって接触熱抵抗が低減され、総ての熱−電気直接変換半導体対4に熱流を集中的に流すことを容易にし高い変換効率を確保できる。
Thus, according to the thermal-electrical
(2)第2の実施形態
図3は、本発明に係る熱−電気直接変換装置1bの第2の実施形態を示したものである。熱−電気直接変換装置1bの外観は第1の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1aと同様であり、図3は、図1(b)に対応するB-B矢視断面図を示したものである。
(2) Second Embodiment FIG. 3 shows a second embodiment of the direct
第2の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1bと、第1の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1aとの相違点は、第2の金属板状部材28を付加している点にある。
The difference between the thermoelectric
熱−電気直接変換装置1bは、図3に示したように、高温側基板7と金属蓋20との間に、熱伝導性部材として、第2の金属板状部材28をさらに設けた形態としている。
As shown in FIG. 3, the thermal-electrical
第2の金属板状部材28は、第1の金属板状部材27が接合されている高温側基板7の面と反対側の面に、第2の金属板状部材固定材28aを介して、高温側基板7のほぼ全面にわたって接合されている。第2の金属板状部材28も第1の金属板状部材27と同様に、銅等の熱伝導率の高い金属板で形成されている。
The second
第1の実施形態では、金属蓋20の内面とセラミック板で形成される高温側基板7の表面とは直接接触する形態となっている。このため、金属蓋20の内面や高温側基板7の表面の加工精度によっては両面が完全に接触しない領域が生じる虞がある。このため、金属蓋20と高温側基板7との間の接触面積が低下することによって接触熱抵抗が増加し、金属蓋20に印可された熱が熱−電気直接変換半導体対4の方向に十分流れず、金属枠21の方へ逃げてしまい、その結果として熱電変換効率が低下する場合も考えられる。
In the first embodiment, the inner surface of the
第2の実施形態によれば、図示しない高温系統および低温系統から押し付けられる押圧によって第2の金属板状部材28が変形し、金属蓋20の内面或いは高温側基板7の表面の加工精度に起因する誤差を吸収することが可能となる。このため、金属蓋20と高温側基板7とは全面積にわたって良好な接触が確保され、接触熱抵抗が低減される。この結果、金属蓋20に付加された熱は金属枠21に流れることなく、熱−電気直接変換半導体対4に集中してながれることになり、熱−電気直接変換装置1bの熱電変換効率が向上する。
According to the second embodiment, the second
また、第2の金属板状部材28は、第1の金属板状部材27と同様に、第2の金属板状部材固定材28aを介して高温側基板7に一体的に接合されており、熱−電気直接変換装置1bの組立に際して新たな組立作業が発生することがなく、高い作業効率が維持される。
Further, the second
さらに、第2の金属板状部材28と第1の金属板状部材27との金属材料を同一、例えば銅とすることにより、高温側基板7の両面にほぼ同一の層を形成することができるため、高温側基板7の反りによる変形を防止する効果もある。この効果によって接触熱抵抗をさらに低減することができる。
Furthermore, by using the same metal material for the second
このように、第2の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1bによれば、第1の実施形態による効果に加えてさらに接触熱抵抗を低減することができ、熱電変換効率の高い熱−電気直接変換装置1bが実現できる。
Thus, according to the thermo-electrical
(3)第3の実施形態
図4は、本発明に係る熱−電気直接変換装置1cの第3の実施形態を示したものである。熱−電気直接変換装置1cの外観は第1の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1aと同様であり、図4は、図1(b)に対応するB-B矢視断面図を示したものである。
(3) Third Embodiment FIG. 4 shows a third embodiment of the direct
第3の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1cは、第2の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1bの低温側基板22の形状を、外部に対して(図4において下側)凸形状となるように形成したものである。その他の部位については第2の実施形態と同一である。
The direct thermal-
熱−電気直接変換装置1cの低温側基板22は、全体がほぼ球面の一部をなすように緩やかに外部に向かって凸形状に湾曲して形成されている。
The low
図4は、説明の便宜上、湾曲の程度を極端に誇張して図示したものであり、実際には低温側基板22の中央部と端部の高さ方向の変位量は、例えば1mm以下の微小量である。
FIG. 4 shows the degree of curvature extremely exaggerated for convenience of explanation. In practice, the amount of displacement in the height direction of the central portion and the end portion of the low-
熱−電気直接変換装置1cの運用時には、図示しない高温系統と低温系統とによって金属蓋20と低温側基板22とが適宜の押圧で押し付けられる。
During operation of the heat-electrical
この結果、低温側基板22の湾曲はほぼ平面状となるように変形される。同時に、熱−電気直接変換装置1cの中央において強い押付力が発生する。この押付力は、低温側基板22の形状が元々平面状であった場合(第1或いは第2の実施形態)に比べて大きなものとなる。この押付力によって熱−電気直接変換半導体対4を流れる熱流経路の接触熱抵抗が低減され、熱−電気直接変換半導体対4を流れる熱流の量が増加する。
As a result, the low
一方、逆に、熱−電気直接変換装置1cの端部にあたる金属枠21に対する押付力は、低温側基板22の形状が元々平面状であった場合に比べて小さなものとなる。このため、金属蓋20から金属枠21を経由し低温側基板22へ至る経路の接触熱抵抗が増大し、金属枠21を流れる熱流の量は低下する。
On the other hand, the pressing force against the
この結果、熱−電気直接変換装置1cの熱電変換効率はさらに向上する。
As a result, the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric
第3の実施形態にかかる熱−電気直接変換装置1cによれば、第1および第2の実施形態の効果に加えて、さらに熱電変換効率を向上させることができる。
According to the direct
なお、低温側基板22の凸形状は、図4に示した略球面状の形状に限定されるものではなく、種々の形状の形態が可能である。
Note that the convex shape of the low
図5は、第3の実施形態に係る熱−電気直接変換装置1cの変形例を示したものであり、図4に対する図5(a)ないし(d)の相違点は、低温側基板22の凸形状の具体的な形状が異なる点にある。
FIG. 5 shows a modification of the direct
図5(a)は、低温側基板22の中央部はほぼ平面状に維持しつつ、端部に湾曲を持たせた形状ものである。
FIG. 5A shows a shape in which the central portion of the low-
図5(b)は、低温側基板22をすり鉢状に中央部を窪ませた形状としたものである。
FIG. 5 (b) shows the low
図5(c)は、低温側基板22の端部をほぼ平面状に維持しつつ、中央部に球面状の凸部をもたせた形状としている。
FIG. 5C shows a shape in which a spherical convex portion is provided at the center while the end of the low
図5(d)は、低温側基板22の端部をほぼ平面状に維持しつつ、中央部にすり鉢状の凸部をもたせた形状としている。
FIG. 5D shows a shape in which a mortar-shaped convex portion is provided at the central portion while maintaining the end portion of the low-
図5(a)ないし(d)のいずれの変形例も、図4に示した熱−電気直接変換装置1cと同様に中央部の接触熱抵抗が低減されると同時に端部の接触熱抵抗が高まり、熱流が中央の熱−電気直接変換半導体対4に集中することによって熱電変換効率が向上する。
5 (a) to 5 (d), the contact thermal resistance at the central portion is reduced at the same time as the thermal-electrical
なお、図5における低温側基板22の形状は、図4と同様に、説明の便宜上、湾曲の程度を極端に誇張して図示したものである。
The shape of the low
(4)その他の実施形態
図6は、第2の実施形態に対して、熱−電気直接変換装置の金属蓋20の高温側絶縁板7と対向する部分を他の部分より高くすることにより、金属枠21を通過する熱量を低減し、変換性能を向上させた熱−電気直接変換装置の実施形態を示すものである。
(4) Other Embodiments FIG. 6 shows that the portion facing the high temperature
すなわち、本実施形態に係る熱−電気直接変換装置は、第2の実施形態の構成に加えて、金属蓋20は、少なくとも前記気密筐体30に内蔵されている高温側基板7と対向する部分が周縁部分より高く入熱方向に突出するように形成されている。
That is, in the thermal-electrical direct conversion device according to this embodiment, in addition to the configuration of the second embodiment, the
本実施形態に係る熱−電気直接変換装置によれば、金属蓋20から金属枠21を経由して低温側基板22に至るまでの熱伝達経路を、金属蓋20の高温側絶縁板7と対向する部分を他の部分の高さと同等とした場合に比較して、長くすることができると共に、装置に供給する熱を金属蓋20の中央部で集中的に受けることができ、熱−電気直接変換半導体対4に熱を集中的に導入することが可能となり、熱電変換効率をさらに高めることができる。特に、上記熱伝達経路を長くでき、この経路の伝熱抵抗を相対的に増加させることができる構造であるために、金属蓋20から熱−電気直接半導体対4とを経由して低温側基板22に至る熱の通過量を多くでき、熱−電気直接変換装置の性能を向上させることが可能となる。
According to the thermal-electrical direct conversion device according to the present embodiment, the heat transfer path from the
なお、上記金属蓋20から金属枠21を経由して低温側基板22に至る熱伝達経路は、図6および図9(a)に示すように金属蓋20の周縁部に段差状の経路31を設けた形態のみに限定されるものではない。例えば、図9(b)に示すように、金属蓋20の周縁部に円弧状の経路32を設けた構造や、その円弧状の経路を多段に形成した構造や、図9(c)に示すように、金属蓋20の周縁部にV字形断面を有する曲折部33を形成した構造や、図9(d)に示すように多段に曲折部34を形成した構造を採用することも可能である。上記段差状の経路31、円弧状の経路32および曲折部33、34は、金属蓋20が熱膨張した場合においても、その変位を吸収して熱応力の発生を抑制する熱応力吸収機構としても働くので有用である。
The heat transfer path from the
図7は、第2の実施形態に対して、熱−電気直接変換装置の金属蓋20の高温側絶縁板(高温側基板)7と対向していない部分に、金属蓋20自体やそれに接続されている金属枠21の熱膨張を吸収する手段をさらに備えたことにより、金属蓋20および金属枠21に発生する熱応力を緩和する機構を設けた熱−電気直接変換装置の実施形態を示す。
FIG. 7 shows the
すなわち、図7に示す実施形態に係る熱−電気直接変換装置は、第2の実施形態の構成に加えて、さらに金属蓋20のうち、気密筐体30に内蔵されている高温側基板7と対向していない部分に、金属蓋20自体およびそれに接続されている金属枠21の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段35を備えて構成される。
That is, the thermal-electrical direct conversion device according to the embodiment shown in FIG. 7 includes, in addition to the configuration of the second embodiment, the high-
本実施形態に係る熱−電気直接変換装置では、金属蓋20ならびに金属蓋20に接続されている金属枠21に発生する熱応力やそれらの応力によって他の部位に発生する応力を緩和するために、金属蓋20の高温側絶縁板7と対向していない部分にV字形断面を有する熱膨張吸収手段35を設けることにより、金属蓋20ならびに金属蓋20に接続されている金属枠21に発生する熱膨張および熱変形の吸収が可能になる。
In the thermal-electrical direct conversion device according to this embodiment, in order to relieve the thermal stress generated in the
なお、熱膨張吸収手段35の断面形状は、図7および図9(c)に示すV字形断面を有するものの他に、図9(b)に示すように円弧状断面を有するものやそれを多段に形成したもの、または図9(d)に示すようにV字形断面を2段以上に多段に形成したものを採用することが可能であり、いずれも構成部材の熱膨張および熱変形を効果的に吸収できる。
In addition to the V-shaped cross section shown in FIGS. 7 and 9C, the cross-sectional shape of the thermal
図8は、第2の実施形態に対して、熱−電気直接変換装置の金属蓋20から金属枠21を経由して低温側基板22に至る熱伝達経路を長くする手段を備えることにより金属枠21における熱通過量を抑止し、金属枠21を設けたことによる熱−電気直接半導体対の熱通過量の低下を抑止し、熱電変換性能を向上させた熱−電気直接変換装置の実施形態を示す。
FIG. 8 shows a metal frame provided with means for lengthening the heat transfer path from the
すなわち、図8に示す実施形態に係る熱−電気直接変換装置は、第2の実施形態の構成に加えて、さらに金属蓋20から金属枠21を経由して低温側基板に至る熱伝達経路を長くするフランジ機構36を金属蓋20および金属枠21の少なくとも一方に配設して構成される。
That is, the heat-electrical direct conversion device according to the embodiment shown in FIG. 8 has a heat transfer path from the
図8に示す実施形態に係る熱−電気直接変換装置では、熱伝達経路を長くとる手段として、金属蓋20から金属枠21を経由して低温側基板22に至る熱伝達経路の途中にフランジ機構36を設けた場合の例である。本実施形態では、金属蓋20の外周縁から外方に延出するフランジ36aと金属枠21の上端から外方に延出するフランジ36bとを組み合わせてフランジ機構36としている。そして、金属枠21に設けたフランジ36bと、金属蓋20に設けたフランジ36aとをシール溶接し接合部位をフランジの外周側とすることにより、金属蓋20と金属枠21の間の熱伝達経路長をフランジの距離(幅)に相当する分だけ増加させている。
In the direct heat-electric conversion device according to the embodiment shown in FIG. 8, as a means for taking a long heat transfer path, a flange mechanism is provided in the middle of the heat transfer path from the
この構造を用いることにより、金属蓋20から金属枠21を経由して低温側基板22に至る熱伝達経路長が長くなり、伝熱抵抗が増加して熱が伝播しにくくなる一方、金属蓋20から熱−電気直接半導体対4を経由して低温側基板22に至る熱伝達経路の熱通過量を相対的に増加させることができ、熱−電気直接変換装置における熱電変換性能をさらに向上させることができる。
By using this structure, the heat transfer path length from the
なお、上記熱伝達経路を長く確保する他の手段として、金属蓋20の周縁部の形状を図9(b)に示すように円弧状にした構造、その円弧状の経路を多段にした構造、図9(c)に示すようにV字形断面を有する経路構造、図9(d)に示すようにV字形断面を有する経路を多段に形成した構造を採用することにより熱伝達経路を長くとることも可能である。
In addition, as another means for ensuring the heat transfer path long, a structure in which the shape of the peripheral edge of the
また、熱伝達経路を長く確保するその他の手段として、金属枠21を図11(a)に示すように断面がV字状に屈折した屈曲部を形成した金属枠21を採用しても良い。また、図11(b)に示すように、断面がV字状に屈折した屈曲部を2段以上に多段に形成した金属枠21を採用しても良い。さらに、図11(c)に示すように、円弧状の断面を有する屈曲部を設けた金属枠21を採用しても良い。また、図11(d)に示すように、円弧状の断面を有する屈曲部を2段以上に多段に形成した金属枠21を採用しても良い。さらに、図11(e)に示すようにS字状の断面を有する屈曲部を設けた金属枠21を採用しても良い。上記いずれの場合においても、熱伝達経路を長く確保することが可能である。
In addition, as another means for ensuring a long heat transfer path, the
図10は、金属枠21における通過熱量を少なくするために、金属枠21の横断面における四隅部を曲面状に形成して断面積を低減した熱−電気直接変換装置の実施形態を示すものである。
FIG. 10 shows an embodiment of a direct heat-electric conversion device in which the cross-sectional area is reduced by forming the four corners of the cross section of the
すなわち、図10に示す実施形態に係る熱−電気直接変換装置は、第1ないし第3の実施形態の構成に加えて、金属枠21の外周面の少なくとも一部が曲面状に形成されていることを特徴とする。
That is, in the thermal-electrical direct conversion device according to the embodiment shown in FIG. 10, in addition to the configurations of the first to third embodiments, at least a part of the outer peripheral surface of the
本実施形態に係る熱−電気直接変換装置においては、図10(a)に示すように、金属蓋20と金属枠21と低温側基板22とが一体的に接合されて気密筐体30が形成されている。しかしながら、金属枠21の断面形状については図10(b)左側に示すような従来一般的な矩形断面を有する金属枠21の状態から、同図右側に示すように4つの隅部に曲面加工(R加工)を施した金属枠21を使用している。
In the thermal-electrical direct conversion device according to the present embodiment, as shown in FIG. 10A, the
本実施形態に係る熱−電気直接変換装置によれば、曲面部がない矩形断面を有する従来の金属枠と比較して金属枠21の断面積を小さくすることができ、金属枠21における熱通過量を減少させることが可能となるので、金属蓋20から熱−電気直接半導体対4を経由して低温側基板22に至る熱通過量を相対的に増加させることができ、熱−電気直接変換装置における熱電変換性能をさらに向上させることができる。
According to the direct thermal-electric conversion device according to the present embodiment, the cross-sectional area of the
金属枠21の横断面の断面積を低減する他の手段として、横断面における4つの隅部に面取り加工を実施することも可能である。また、一定の曲率を有する曲面ではなく、曲率が連続的に変化する曲面を有するように加工することによって金属枠21の断面積を低減しても良い。
As another means for reducing the cross-sectional area of the cross section of the
次に、熱−電気直接変換装置の金属枠21の熱膨張を吸収する手段を備え、金属蓋20および金属枠21に発生する熱応力を緩和する機構を設けた熱−電気直接変換装置の実施形態を図11に示す。
Next, the implementation of the direct heat-electricity conversion device provided with means for absorbing the thermal expansion of the
すなわち、図11に示す実施形態に係る熱−電気直接変換装置は、第2の実施形態の構成に加えて、金属枠21の高さ方向に金属枠21の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段37を備えていることを特徴とする。
That is, the thermal-electrical direct conversion device according to the embodiment shown in FIG. 11 is a thermal expansion absorption unit that absorbs thermal expansion of the
本実施形態では、金属蓋20ならびに金属蓋20に接続されている金属枠21に発生する熱応力を緩和するために、図11(a)に示すように金属枠21に断面がV字状の屈曲部を設け熱膨張吸収手段37としている。この断面がV字状の屈曲部を有する熱膨張吸収手段37により、金属蓋20ならびに金属蓋20に接続されている金属枠21に発生する熱膨張および熱変形が容易に吸収される。上記熱膨張吸収手段37の断面形状は、図11(b)に示すようにV字状の屈曲部を二段以上に多段に設けた構造としてもよい。また、図11(c)に示すように円弧状の屈曲部を設けた構造とすることもできる。さらに、図11(d)および図11(e)に示すように円弧状の屈曲部を多段に設けた構造としても良い。
In this embodiment, in order to relieve the thermal stress generated in the
図12は、金属蓋20と金属枠21との接合構造例および金属枠21と低温側基板22との接合構造例を示したものである。図12(a)は、金属蓋20と金属枠21とを溶接により接合した状態を示している。また、図12(b)は金属蓋20と金属枠21とを一体成形した実施形態を示している。一方、金属枠21と低温側基板22とは、低温基板−金属枠接合部25を介して接合される。接合は、溶接、ハンダ付け、もしくはロウ付け、拡散接合、あるいは接着剤による接合方法で実施される。
FIG. 12 shows an example of a joining structure between the
上記接合方法によれば、接合操作が簡略な上に十分な接合強度が得られる。特に、金属蓋と金属枠とを一体に成形することにより、装置部品点数が減少し装置の組立てが容易になる。 According to the above joining method, the joining operation is simple and sufficient joining strength can be obtained. In particular, by integrally molding the metal lid and the metal frame, the number of device parts is reduced and the device can be easily assembled.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, the constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1、1a、1b、1c 熱−電気直接変換装置
2 p型熱−電気直接変換半導体チップ(p型半導体)
3 n型熱−電気直接変換半導体チップ(n型半導体)
4 熱−電気直接変換半導体対(半導体対)
5 高温側電極
6 低温側電極
7 高温側基板(高温側絶縁板)
8 低温側絶縁板
9 電極−電流取出手段との接続手段
10 電流取出手段
11 高温側電極−半導体チップ接合部
12 低温側電極−半導体チップ接合部
13 高温側電極に供給される熱流
14 半導体チップを通過する熱流
15 低温側電極から放出される熱流
16 正孔
17 電子
18 電流の流れ
19 電気的負荷
20 金属蓋
21 金属枠
22 低温側基板
23 低温側電極−低温側絶縁板接合部
24 低温側系統への熱放出部
25 低温基板−金属枠接合部
26 電流取出部絶縁手段
27 第1の金属板状部材(熱伝導性部材)
27a 第1の金属板状部材固定材
28 第2の金属板状部材(熱伝導性部材)
28a 第2の金属板状部材固定材
30 気密筐体
31 段差状経路
32 円弧状経路
33 曲折部
34 多段曲折部
35 熱膨張吸収手段
36 フランジ機構
36a、36b フランジ
37 熱膨張吸収手段
1, 1a, 1b, 1c Thermal-electrical direct conversion device 2 p-type thermal-electrical direct conversion semiconductor chip (p-type semiconductor)
3 n-type direct thermal-electric conversion semiconductor chip (n-type semiconductor)
4 Thermal-electric direct conversion semiconductor pair (semiconductor pair)
5 High
8 Low temperature
27a First metal plate
28a 2nd metal plate-shaped
Claims (16)
前記熱−電気直接変換半導体の高温側端部に熱的に接続される高温側基板と、
前記熱−電気直接変換半導体の低温側端部に熱的に接続される低温側基板と、
前記高温側基板を覆う金属蓋、前記熱−電気直接変換半導体の周囲を取り囲む金属枠、および前記低温側基板とから構成され、前記熱−電気直接変換半導体を外気から遮断するとともに内部を真空もしくは不活性ガス雰囲気に保持する気密筐体と、
前記熱−電気直接変換半導体の高温側端部と前記金属蓋との間に設けられる熱伝導性部材と、
を備え、
前記熱−電気直接変換半導体は、p型半導体とn型半導体とからなり双方の高温側端部がパッチ状の高温側電極で電気的に接続された半導体対を複数備えて形成され、
前記熱伝導性部材は、前記パッチ状の高温側電極を覆い、隣接する半導体対の高温側電極とは電気的に絶縁されるように形成され、前記高温側電極と略同一形状をなす金属板状部材であり、
前記熱伝導性部材は、前記高温側基板と一体的に固定され、
前記低温側基板は、(1)その全体が球面の一部をなすように外部に向かって凸形状に湾曲した形状、(2)すり鉢状に中央部を窪ませた形状、(3)端部を平面状に維持しつつ、中央部に球面状の凸部をもたせた形状、または(4)端部を平面状に維持しつつ、中央部にすり鉢状の凸部をもたせた形状、として形成される、
ことを特徴とする熱−電気直接変換装置。 A thermal-electric direct conversion semiconductor that directly converts thermal energy into electrical energy or electrical energy into thermal energy;
A high temperature side substrate thermally connected to a high temperature side end of the thermoelectric direct conversion semiconductor;
A low temperature side substrate thermally connected to a low temperature side end of the thermo-electric direct conversion semiconductor;
The metal lid that covers the high-temperature side substrate, a metal frame that surrounds the periphery of the thermal-electrical direct conversion semiconductor, and the low-temperature side substrate, blocks the thermal-electrical direct conversion semiconductor from the outside air, An airtight housing that maintains an inert gas atmosphere;
A heat conductive member provided between the high-temperature side end of the thermoelectric direct conversion semiconductor and the metal lid;
With
The thermal-electrical direct conversion semiconductor is formed by including a plurality of semiconductor pairs, each of which is composed of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and whose high-temperature side ends are electrically connected by patch-like high-temperature side electrodes,
The heat conductive member covers the patch-like high temperature side electrode, is formed so as to be electrically insulated from the high temperature side electrode of the adjacent semiconductor pair, and has a substantially identical shape to the high temperature side electrode. Shaped member,
The thermally conductive member is fixed integrally with the high temperature side substrate ,
The low-temperature side substrate has (1) a shape curved in a convex shape toward the outside so as to form a part of a spherical surface, (2) a shape in which a central portion is recessed in a mortar shape, and (3) an end portion. A shape with a spherical convex part at the center while maintaining a flat shape, or (4) a shape with a mortar-shaped convex part at the center while keeping the end flat. To be
A direct heat-electric conversion device.
前記パッチ状の高温側電極を覆い、隣接する半導体対の高温側電極とは電気的に絶縁されるように形成され、前記高温側電極と略同一形状をなす第1の金属板状部材と、
前記第1の金属板状部材を覆い電気的絶縁性を有する前記高温側基板と前記金属蓋との間に設けられた第2の金属板状部材と、からなり、
前記第1及び第2の金属板状部材は、前記高温側基板の表面及び裏面に夫々一体的に接合される、
ことを特徴とする請求項1に記載の熱−電気直接変換装置。 The thermally conductive member is
A first metal plate member that covers the patch-like high-temperature side electrode and is formed to be electrically insulated from the high-temperature side electrode of an adjacent semiconductor pair, and has substantially the same shape as the high-temperature side electrode;
A second metal plate member provided between the high temperature side substrate and the metal lid that covers the first metal plate member and has electrical insulation,
Said first and second metal plate member is respectively integrally joined to the front and back surfaces of the high temperature side substrate,
The thermal-electrical direct conversion device according to claim 1.
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