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(CO)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CO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-temperature side electrode 5. And a low temperature side insulating plate (low temperature side substrate) 8 having a low temperature side electrode 6 and a high temperature side insulating plate (high temperature side substrate) 7 having a structure. The p-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 2 and the n-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 3 form a heat-electric direct conversion semiconductor pair 4 (semiconductor pair), and the entire conversion device is electrically and thermally. Many thermo-electric direct conversion semiconductor pairs are connected.

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 conversion semiconductor chip 2 and the n-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 3 are joined via the high-temperature side electrode 5 and the high-temperature side electrode-semiconductor chip junction 11, and further p-type heat-electric direct The conversion semiconductor chip 2 and the n-type thermal-electrical direct conversion semiconductor chip 3 are joined via the low temperature side electrode 6 and the low temperature side electrode-semiconductor chip junction 12.

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 heat flow 13 is supplied to the high temperature side electrode 5, the heat is directly converted to the p-type heat-electricity via the high temperature side electrode-semiconductor chip junction 11. The semiconductor carrier 2 and the n-type direct thermal-electric conversion semiconductor chip 3 are transferred to the semiconductor chip 2 and 3 and pass through the semiconductor chip 2, 3. The holes 16 and the electrons 17 which are semiconductor carriers inside the n-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 3 are transferred to the p-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 2 or the n-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 3 on the low temperature side. It moves toward the low temperature side electrode 6 joined via the electrode-semiconductor chip junction 12.

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 heat flow 14 that passes through the semiconductor chips 2 and 3 becomes a heat flow 15 that passes through the low temperature side electrode 6 and is released from the low temperature side electrode. Here, an appropriate electrical load 19 is connected to the electrode-current extraction means installed in the thermal-electrical direct conversion device 1 outside the thermal-electrical direct conversion device 1 and the current connected thereto. By being electrically connected to the thermal-electrical direct conversion device 1 via the extraction means 10, the movement of the semiconductor carrier is taken out of the thermal-electrical direct conversion device 1 as a current flow 18 and used. Can do.

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。
特開2004−119833号公報 「熱電変換工学−基礎と応用−」リアライズ社p.349−363(2001).
In this way, the thermal-electrical direct conversion device can convert the temperature difference between the high-temperature side electrode and the low-temperature side electrode directly into electricity using a thermal-electrical direct conversion semiconductor and take it out as power outside the device. However, heat can also be transferred from the low temperature side to the high temperature side or from the high temperature side to the low temperature side by applying an electric current from the outside not shown.
JP 2004-1119833 A "Thermoelectric conversion engineering-basics and applications-" Realize p. 349-363 (2001).

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 direct conversion device 1a according to the first embodiment, and FIG. 1B is a BB arrow of the heat-electric direct conversion device 1a shown in FIG. FIG.

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 direct conversion device 1a includes a plurality of thermal-electrical direct conversion semiconductor pairs (semiconductor pairs) 4 that directly convert thermal energy into electrical energy or electrical energy into thermal energy, An airtight housing 30 that shields the heat-electricity direct conversion semiconductor pair 4 from the outside air is configured.

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 hermetic casing 30 includes a metal lid 20 that covers the high temperature side substrate 7 that is thermally connected to the high temperature side ends of the plurality of heat-electric direct conversion semiconductor pairs 4, and the periphery of the plurality of heat-electric direct conversion semiconductor pairs 4. And a low temperature side substrate 22 that is thermally connected to the low temperature side ends of the plurality of direct thermal-electrical conversion semiconductor pairs 4. The hermetic casing 30 shields internal components including the plurality of direct heat-electric conversion semiconductor pairs 4 from the outside air, and holds the inside of the hermetic casing 30 in a vacuum or an inert gas atmosphere.

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 airtight housing 30 and deactivating the internal atmosphere, it is possible to effectively prevent deterioration of components such as semiconductor chips due to oxidation or the like, and high conversion over a long period of time. A direct heat-electric conversion device capable of maintaining efficiency is obtained.

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 direct conversion device 1a, it is preferable that the pressure of the inert gas atmosphere is set to be lower than the external pressure at normal temperature. By setting the pressure of the inert gas atmosphere in the hermetic casing 30 to be lower than the external pressure, it is possible to effectively prevent moisture from remaining in the inert gas atmosphere in the hermetic casing 30, and the semiconductor chip caused by moisture Degradation damage can be effectively suppressed. Furthermore, since the thermal conductivity in the gas atmosphere in the hermetic casing 30 is reduced, heat can be prevented from being dissipated from the semiconductor chip toward the metal frame, and the heat-electric conversion efficiency can be increased.

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 metal lid 20 and the metal frame 21 constituting the hermetic casing 30 are made of a heat-resistant metal or heat-resistant alloy such as a nickel-based alloy, for example. As the heat-resistant metal or heat-resistant alloy forming the metal lid 20 and the metal frame 21, in addition to a nickel-based alloy, an iron-based alloy selected from nickel, carbon steel, and stainless steel from the viewpoint of durability in a high temperature use environment, It is preferably selected from any one of an iron-based alloy containing chromium, an iron-based alloy containing silicon, an alloy containing cobalt, and an alloy containing copper.

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 temperature side electrode 5 is joined to a high temperature side end portion (upper end portion in FIG. 1) of the thermoelectric direct conversion semiconductor pair 4 via a high temperature side electrode-semiconductor chip junction 11. The high temperature side electrode 5 is provided in a patch shape at the high temperature side end portion of all the heat-electric direct conversion semiconductor pairs 4 (see FIG. 2), and the high temperature side electrodes of the adjacent heat-electric direct conversion semiconductor pairs 4 5 is separated and electrically insulated.

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 metal plate member 27 as a heat conductive member is provided on the upper side of the high temperature side electrode 5 in FIG. The first metal plate member 27 is formed of a metal plate having high thermal conductivity such as copper.

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 metal plate member 27 is provided in a patch shape having substantially the same size and shape as the high temperature side electrode 5, and is adjacent to the adjacent heat-electric direct conversion semiconductor pair in the same manner as the high temperature side electrode 5. 4 is electrically insulated.

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(Al)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 metal plate member 27, a high temperature side substrate (high temperature side insulating plate) 7 is provided so as to almost entirely cover the plurality of heat-electric direct conversion semiconductor pairs 4. The high temperature side substrate 7 is formed of a ceramic substrate having electrical insulation and high thermal conductivity such as alumina (Al 2 O 3 ).

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 temperature side substrate 7 is in contact with the inner surface of the metal lid 20 and is thermally connected to the metal lid 20. Moreover, the high temperature side board | substrate 7 is fixing all the 1st metal plate-shaped members 27 via the 1st metal plate-shaped member fixing material 27a.

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 conversion semiconductor pair 4 is thermally connected to the low temperature side substrate 22.

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 temperature side substrate 22 includes the low temperature side electrode 6, the low temperature side insulating plate 8, and a heat release portion 24 to the low temperature side system.

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-temperature side electrode 6 is connected to the p-type thermal-electrical direct conversion semiconductor chip 2 or the n-type thermal-electrical direct-conversion semiconductor chip constituting the thermal-electrical direct conversion semiconductor pair 4 via the low-temperature side electrode-semiconductor chip junction 12. 3 and the n-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 3 or the p-type heat-electric direct conversion semiconductor chip 2 of the adjacent heat-electric direct conversion semiconductor pair 4 are electrically connected.

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 temperature side electrode 6 is thermally connected to the low temperature side insulating plate 8 through the low temperature side electrode-low temperature side insulating plate junction 23.

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 temperature side substrate 22 is integrally formed by bonding metal plates to both surfaces of the low temperature side insulating plate 8 made of a ceramic plate. Among these, the low temperature side electrode 6 is formed by the metal plate bonded to the upper surface in FIG. 1 of the low temperature side insulating plate 8, while the metal plate bonded to the lower surface in FIG. The heat release part 24 is formed.

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-temperature side substrate 22 is integrally formed on the surface of the low-temperature-side insulating plate 8 in advance by joining the low-temperature-side electrode 6 and the heat-dissipating portion 24 to the low-temperature-side system, thereby directly forming the low-temperature side substrate 22. The assembly work of 1a is simplified. Further, since the bonding strength between the low temperature side insulating plate 8 and the low temperature side electrode 6 and the heat release part 24 to the low temperature side system is high and the degree of adhesion between them can be high, the heat-electricity direct conversion device having excellent durability. 1a is obtained.

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 temperature side electrode 6 and the heat release portion 24 to the low temperature side system, from the viewpoint of heat resistance and electrical conductivity or thermal conductivity, copper, silver, aluminum, tin, iron-based alloy, It is preferably composed of at least one selected from nickel, nickel-base alloy, titanium, and titanium-base alloy.

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 side insulating plate 8 includes alumina or a ceramic containing alumina, a metal containing alumina powder dispersedly, silicon nitride or silicon nitride from the viewpoint of stability of insulation resistance. At least one selected from ceramics, ceramics containing aluminum nitride or aluminum nitride, ceramics containing zirconia or zirconia, ceramics containing yttria or yttria, ceramics containing silica or silica, ceramics containing beryllia or beryllia It is preferable that it is comprised.

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 metal lid 20 and the metal frame 21 are joined by welding. In addition, the metal lid 20 and the metal frame 21 may be integrally formed. By integrally forming the metal lid 20 and the metal frame 21, the number of parts is reduced and the assembling work is simplified.

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 metal frame 21 and the low temperature side substrate 22 is not particularly limited, but is joined by welding, soldering, brazing, diffusion joining, or an adhesive from the viewpoint of joining strength. Is preferred.

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 direct conversion device 1a configured as described above, in order to convert heat energy into electric energy, a high-temperature system (not shown) is thermally connected to the metal lid 20 of the heat-electricity direct conversion device 1a. The low temperature system (not shown) is thermally connected to the heat release unit 24 to the low temperature system.

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 conversion semiconductor pair 4 is generated, and a current based on the flow of holes and electrons is generated in the thermo-electric direct conversion semiconductor pair 4. The sum of the currents of all the thermo-electric direct conversion semiconductor pairs 4 is taken out from the current extraction means 10 and can supply power to the external load.

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 metal lid 20 and the like of the heat-electricity direct conversion device 1a at a high temperature condition, for example, about 500 ° C.

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 direct conversion device 1a is operated under a high temperature condition in the atmosphere, components such as electrodes and semiconductor chips are easily oxidized and nitrided, so that deterioration easily proceeds. In order to suppress the progress of deterioration of these constituent members, to suppress a decrease in conversion efficiency from heat to electricity or from electricity to heat, and to ensure good conversion performance over a long period of time, this embodiment is used. As shown, it is effective to use an airtight housing 30 that shields the thermal-electrical direct conversion device from outside air.

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 conversion semiconductor chip 2 and an n-type thermal-electrical direct conversion semiconductor chip 3. The low temperature side end of the direct conversion semiconductor pair 4 is bonded to the low temperature side substrate 22, while the high temperature side end is the high temperature side electrode-semiconductor chip bonding portion 11, the high temperature side electrode 5, and the first metal plate member. 27, mechanically and thermally connected to a high temperature side substrate (high temperature side insulating plate) 7.

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 direct conversion device 1a directly converts the temperature difference between the metal lid 20 on the side to which heat is supplied and the low-temperature side substrate 22 into electricity and takes it out of the device as power, or from the outside to the device input end Current is supplied to the heat source to cause heat transfer from the low temperature side system to the high temperature side system. Since the portion in contact with the metal lid 20 to which heat is supplied becomes high temperature, it is necessary to protect the conversion element such as a semiconductor chip and the electrode from oxidation under a high temperature environment.

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 metal lid 20, the metal frame 21, and the low-temperature side substrate 22 are integrally bonded and fixed, and an airtight housing 30 is formed.

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 side insulating plate 8. 6 is tightly connected, and the airtightness of the airtight housing 30 is maintained.

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-electric conversion device 1a according to the present embodiment, the inside of the hermetic casing 30 in which constituent members such as the thermal-electrical direct conversion semiconductor pair 4, the high temperature side electrode 5, and the low temperature side electrode 6 are accommodated is hermetically sealed. And the inside can be maintained in a vacuum or an inert gas atmosphere. As a result, even when operated in a high temperature environment, it is possible to effectively suppress the progress of deterioration due to oxidation or nitridation of the component members installed in the hermetic casing 30 of the thermal-electrical direct conversion device 1a. It becomes possible.

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 metal lid 20 and the metal frame 21 constituting the hermetic casing 30 are made of a heat-resistant metal or a heat-resistant alloy such as a nickel base alloy from the viewpoint of durability in a high temperature use environment. These refractory metals or alloys have a certain thermal conductivity. For this reason, a part of the heat applied to the metal lid 20 flows from the metal lid 20 through the metal frame 21 to the low temperature side substrate 22 and finally flows to a low temperature system (not shown). The so-called heat side current flowing through the metal frame 21 does not contribute to thermoelectric conversion at all.

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 metal lid 20 becomes a so-called main flow that flows inside the thermo-electric direct conversion semiconductor pair 4. In reality, the thermoelectric conversion efficiency is reduced by the side current of the heat flowing through the metal frame 21.

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 metal frame 21 and concentrate the reduced heat flow on the main flow flowing through the thermo-electric direct conversion semiconductor pair 4. In order to achieve this, the thermal resistance of the path from the metal lid 20 through the metal frame 21 to the low temperature side substrate 22 is increased to make it difficult for the heat flow to flow. It is effective to reduce the thermal resistance of the path through 4 to the low temperature side substrate 22 to facilitate the flow of heat.

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 direct conversion device 1a according to the present embodiment provides a first metal plate member 27, which is a heat conductive member, between the high temperature side substrate 7 and the high temperature side electrode 5, thereby removing the metal lid 20 from the metal lid 20. It is possible to reduce the thermal resistance of the path leading to the thermal-electrical direct conversion semiconductor pair 4.

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 direct conversion device 1a, the metal lid 20 and the low temperature side substrate 22 are appropriately connected to each other by a high temperature system (not shown) that contacts the metal lid 20 and a low temperature system (not shown) that contacts the low temperature side substrate 22. It is pressed by pressing. At this time, if the first metal plate member 27 does not exist, the high temperature side substrate (high temperature side insulating plate) 7 formed of a ceramic plate and the high temperature side electrode 5 are in direct contact. The entire contact surface between the high temperature side substrate 7 and the high temperature side electrode 5 is not necessarily an ideal perfect plane due to restrictions such as processing accuracy. Further, the thermo-electric direct conversion semiconductor pair 4 itself has a manufacturing error in the height direction between individuals. For this reason, even if the high temperature side substrate 7 and the high temperature side electrode 5 are pressed with an appropriate pressure, the high temperature side substrate 7 and the high temperature side electrode 5 are completely formed over the entire thermo-electric direct conversion semiconductor pair 4. There may be cases where they do not touch.

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 metal plate member 27 formed of a metal having a high thermal conductivity such as copper is present between the high temperature side substrate 7 and the high temperature side electrode 5, the first metal The plate-shaped member 27 is deformed by being pressed from the high temperature side substrate 7 and the high temperature side electrode 5, and an error caused by the roughness of the contact surface between the high temperature side substrate 7 and the high temperature side electrode 5, or the thermo-electric direct conversion semiconductor pair It becomes possible to absorb manufacturing errors in the height direction between the four individuals. For this reason, it becomes possible to reduce the contact thermal resistance of the path | route from the metal cover 20 to the high temperature side electrode 5 of all the thermoelectric direct conversion semiconductor pairs 4. FIG.

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 metal lid 20, the ratio of flowing through the heat-electric direct conversion semiconductor pair 4 is increased, the ratio of the heat flow flowing through the metal frame 21 is decreased, and the thermoelectric conversion efficiency is improved. .

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 metal plate member 27 is formed in a patch shape having substantially the same shape and the same dimensions as the high temperature side electrode 5, and is insulated from the high temperature side electrode 5 of the adjacent thermoelectric direct conversion semiconductor pair 4. Is secured. For this reason, it is not necessary to provide an insulating sheet separately.

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-like member 27 is fixed integrally with the high-temperature side substrate 7 via the first metal plate-like member fixing member 27a, and the assembly workability of the thermal-electrical direct conversion device 1a is also improved. It is good.

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 direct conversion device 1a according to the first embodiment, the airtight casing 30 can suppress the progress of deterioration due to oxidation or the like of the internal components, and can maintain good conversion efficiency over a long period of time. At the same time, the contact heat resistance is reduced by the first metal plate-like member 27, and it is easy to concentrate the heat flow on all the heat-electrical direct conversion semiconductor pairs 4, thereby ensuring high conversion efficiency.

(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 thermoelectric conversion device 1b according to the present invention. The external appearance of the thermal-electrical direct conversion device 1b is the same as that of the thermal-electrical direct conversion device 1a according to the first embodiment, and FIG. 3 shows a cross-sectional view taken along the line BB corresponding to FIG. It is a thing.

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 direct conversion device 1b according to the second embodiment and the thermoelectric direct conversion device 1a according to the first embodiment is that a second metal plate member 28 is added. It is in.

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 direct conversion device 1 b has a configuration in which a second metal plate member 28 is further provided as a heat conductive member between the high temperature side substrate 7 and the metal lid 20. Yes.

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 metal plate member 28 is disposed on the surface opposite to the surface of the high temperature side substrate 7 to which the first metal plate member 27 is bonded via the second metal plate member fixing material 28a. Bonding is performed over almost the entire surface of the high temperature side substrate 7. Similarly to the first metal plate member 27, the second metal plate member 28 is formed of a metal plate having a high thermal conductivity such as copper.

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 metal lid 20 and the surface of the high temperature side substrate 7 formed of a ceramic plate are in direct contact with each other. For this reason, depending on the processing accuracy of the inner surface of the metal lid 20 and the surface of the high-temperature side substrate 7, there is a possibility that a region where both surfaces do not completely come into contact may be generated. For this reason, the contact thermal resistance increases by decreasing the contact area between the metal lid 20 and the high temperature side substrate 7, and the heat applied to the metal lid 20 is sufficient in the direction of the heat-electric direct conversion semiconductor pair 4. It is conceivable that the metal does not flow but escapes toward the metal frame 21, resulting in a decrease in thermoelectric conversion efficiency.

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 metal plate member 28 is deformed by a pressure pressed from a high-temperature system and a low-temperature system (not shown), resulting from the processing accuracy of the inner surface of the metal lid 20 or the surface of the high-temperature side substrate 7. It is possible to absorb errors that occur. For this reason, the metal lid 20 and the high temperature side substrate 7 are ensured in good contact over the entire area, and the contact thermal resistance is reduced. As a result, the heat applied to the metal lid 20 does not flow to the metal frame 21, but is concentrated on the heat-electric direct conversion semiconductor pair 4 and the thermoelectric conversion efficiency of the heat-electric direct conversion device 1b is improved. To do.

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 metal plate member 28 is integrally joined to the high temperature side substrate 7 via the second metal plate member fixing material 28a, similarly to the first metal plate member 27, A new assembling work does not occur when assembling the thermal-electrical direct conversion device 1b, and high working efficiency is maintained.

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 metal plate member 28 and the first metal plate member 27, for example, copper, substantially the same layer can be formed on both surfaces of the high temperature side substrate 7. Therefore, there is also an effect of preventing deformation due to warping of the high temperature side substrate 7. This effect can further reduce the contact thermal resistance.

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 direct conversion device 1b according to the second embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the contact thermal resistance can be further reduced, and heat with high thermoelectric conversion efficiency can be achieved. The electric direct conversion device 1b can be realized.

(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 thermoelectric conversion device 1c according to the present invention. The external appearance of the thermal-electrical direct conversion device 1c is the same as that of the thermal-electrical direct conversion device 1a according to the first embodiment, and FIG. 4 shows a cross-sectional view taken along line BB corresponding to FIG. It is a thing.

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-electric conversion device 1c according to the third embodiment has the shape of the low-temperature side substrate 22 of the thermal-electrical direct conversion device 1b according to the second embodiment as viewed from the outside (lower side in FIG. 4). It is formed so as to have a convex shape. Other parts are the same as those in the second embodiment.

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 temperature side substrate 22 of the thermal-electrical direct conversion device 1c is formed to be gently curved in a convex shape toward the outside so as to form a part of a spherical surface as a whole.

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-temperature side substrate 22 is as small as 1 mm or less, for example. Amount.

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 direct conversion device 1c, the metal lid 20 and the low temperature side substrate 22 are pressed with appropriate pressure by a high temperature system and a low temperature system (not shown).

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 temperature side substrate 22 is deformed so as to be substantially flat. At the same time, a strong pressing force is generated at the center of the thermal-electrical direct conversion device 1c. This pressing force is larger than that when the low temperature side substrate 22 is originally flat (first or second embodiment). By this pressing force, the contact thermal resistance of the heat flow path flowing through the thermoelectric direct conversion semiconductor pair 4 is reduced, and the amount of heat flow flowing through the thermoelectric direct conversion semiconductor pair 4 is increased.

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 metal frame 21 corresponding to the end of the thermal-electrical direct conversion device 1c is smaller than when the shape of the low-temperature side substrate 22 is originally flat. For this reason, the contact thermal resistance of the path from the metal lid 20 to the low temperature side substrate 22 via the metal frame 21 increases, and the amount of heat flow flowing through the metal frame 21 decreases.

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 direct conversion device 1c is further improved.

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 thermoelectric conversion device 1c according to the third embodiment, in addition to the effects of the first and second embodiments, the thermoelectric conversion efficiency can be further improved.

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 temperature side substrate 22 is not limited to the substantially spherical shape shown in FIG. 4, and various shapes are possible.

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 thermoelectric conversion device 1c according to the third embodiment. The difference between FIGS. 5A to 5D with respect to FIG. The specific shape of the convex shape is different.

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-temperature side substrate 22 is kept substantially flat while the end portion is curved.

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 temperature side substrate 22 in a mortar shape with the center portion recessed.

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 temperature side substrate 22 is maintained substantially flat.

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-temperature side substrate 22 in a substantially flat shape.

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 direct conversion device 1c shown in FIG. The thermoelectric conversion efficiency is improved by increasing the heat flow and concentrating on the central thermo-electric direct conversion semiconductor pair 4.

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 temperature side substrate 22 in FIG. 5 is illustrated with the degree of curvature extremely exaggerated for convenience of explanation, as in FIG.

(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 side insulating plate 7 of the metal lid 20 of the thermal-electrical direct conversion device is higher than the other portions in the second embodiment. 1 shows an embodiment of a direct heat-electric conversion device in which the amount of heat passing through a metal frame 21 is reduced and conversion performance is improved.

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 metal lid 20 is at least a portion facing the high-temperature side substrate 7 built in the airtight housing 30. Is formed so as to protrude in the heat input direction higher than the peripheral portion.

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 metal lid 20 to the low temperature side substrate 22 via the metal frame 21 is opposed to the high temperature side insulating plate 7 of the metal lid 20. Compared to the case where the height of the other portion is equal to the height of the other portion, the length can be made longer, and the heat supplied to the apparatus can be received intensively at the central portion of the metal lid 20, so that the heat-electricity direct Heat can be intensively introduced into the conversion semiconductor pair 4 and the thermoelectric conversion efficiency can be further increased. In particular, since the heat transfer path can be lengthened and the heat transfer resistance of this path can be relatively increased, the low temperature side substrate is connected from the metal lid 20 via the thermo-electric direct semiconductor pair 4. Therefore, it is possible to increase the amount of heat that reaches 22 and improve the performance of the direct heat-electric conversion device.

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 metal lid 20 to the low temperature side substrate 22 via the metal frame 21 is provided with a step-shaped path 31 at the periphery of the metal lid 20 as shown in FIGS. 6 and 9A. It is not limited only to the provided form. For example, as shown in FIG. 9B, a structure in which an arc-shaped path 32 is provided at the peripheral edge of the metal lid 20, a structure in which the arc-shaped path is formed in multiple stages, or a structure shown in FIG. 9C. Thus, it is also possible to adopt a structure in which the bent portion 33 having a V-shaped cross section is formed on the peripheral portion of the metal lid 20 or a structure in which the bent portions 34 are formed in multiple stages as shown in FIG. . The step-shaped path 31, the arc-shaped path 32, and the bent portions 33, 34 are also a thermal stress absorbing mechanism that absorbs the displacement and suppresses the generation of thermal stress even when the metal lid 20 is thermally expanded. Useful because it works.

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 metal lid 20 itself and a portion thereof not connected to the high temperature side insulating plate (high temperature side substrate) 7 of the metal lid 20 of the thermal-electrical direct conversion device. 1 shows an embodiment of a direct heat-electric conversion device provided with a mechanism for relaxing thermal stress generated in the metal lid 20 and the metal frame 21 by further comprising means for absorbing the thermal expansion of the metal frame 21.

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-temperature side substrate 7 built in the hermetic casing 30 among the metal lid 20. A portion that is not opposed is provided with a thermal expansion absorbing means 35 that absorbs thermal expansion of the metal lid 20 itself and the metal frame 21 connected thereto.

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 metal lid 20 and the metal frame 21 connected to the metal lid 20 and the stress generated in other parts due to those stresses. The metal lid 20 and the metal frame 21 connected to the metal lid 20 are generated by providing the thermal expansion absorbing means 35 having a V-shaped cross section at a portion of the metal lid 20 not facing the high temperature side insulating plate 7. Thermal expansion and thermal deformation can be absorbed.

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 expansion absorbing means 35 has an arc-shaped cross section as shown in FIG. Or a V-shaped cross section formed in two or more stages as shown in FIG. 9 (d) can be adopted, both of which are effective for thermal expansion and thermal deformation of the constituent members. Can be absorbed.

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 metal lid 20 of the thermo-electric direct conversion device to the low temperature side substrate 22 through the metal frame 21 in the second embodiment. An embodiment of a direct heat-electricity conversion device that suppresses a heat passage amount in 21 and suppresses a decrease in the heat passage amount of the heat-electric direct semiconductor pair due to the provision of the metal frame 21 and improves thermoelectric conversion performance. Show.

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 metal lid 20 to the low temperature side substrate via the metal frame 21 in addition to the configuration of the second embodiment. A lengthening flange mechanism 36 is provided on at least one of the metal lid 20 and the metal frame 21.

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 metal lid 20 to the low temperature side substrate 22 via the metal frame 21. This is an example when 36 is provided. In the present embodiment, a flange mechanism 36 is formed by combining a flange 36 a extending outward from the outer peripheral edge of the metal lid 20 and a flange 36 b extending outward from the upper end of the metal frame 21. Then, the flange 36b provided on the metal frame 21 and the flange 36a provided on the metal lid 20 are sealed and welded so that the joining portion is on the outer peripheral side of the flange, whereby the heat transfer path between the metal lid 20 and the metal frame 21 is achieved. The length is increased by an amount corresponding to the distance (width) of the flange.

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 metal lid 20 to the low temperature side substrate 22 via the metal frame 21 is increased, and the heat transfer resistance is increased to make it difficult for heat to propagate. The amount of heat passing through the heat transfer path from the heat-electric direct semiconductor pair 4 to the low-temperature side substrate 22 can be relatively increased, and the thermoelectric conversion performance in the heat-electric direct conversion device is further improved. Can do.

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 metal lid 20 is an arc as shown in FIG. 9B, a structure in which the arc-shaped path is multi-staged, By adopting a path structure having a V-shaped cross section as shown in FIG. 9C and a structure in which a path having a V-shaped cross section is formed in multiple stages as shown in FIG. 9D, the heat transfer path is made longer. Is also possible.

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 metal frame 21 may be a metal frame 21 having a bent portion whose section is bent in a V shape as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 11B, a metal frame 21 in which a bent portion whose section is refracted in a V shape is formed in two or more stages may be adopted. Further, as shown in FIG. 11C, a metal frame 21 provided with a bent portion having an arc-shaped cross section may be employed. Moreover, as shown in FIG.11 (d), you may employ | adopt the metal frame 21 which formed the bending part which has an arc-shaped cross section in two or more steps | paragraphs. Furthermore, a metal frame 21 provided with a bent portion having an S-shaped cross section as shown in FIG. In either case, it is possible to ensure a long heat transfer path.

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 metal frame 21 into a curved shape in order to reduce the amount of heat passing through the metal frame 21. is there.

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 metal frame 21 is formed in a curved shape. It is characterized by that.

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 metal lid 20, the metal frame 21, and the low temperature side substrate 22 are integrally joined to form an airtight casing 30. Has been. However, with respect to the cross-sectional shape of the metal frame 21, from the state of the metal frame 21 having a conventional general rectangular cross section as shown on the left side of FIG. The metal frame 21 subjected to (R processing) is used.

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 metal frame 21 can be reduced as compared with a conventional metal frame having a rectangular cross section without a curved surface portion, and heat passage in the metal frame 21 is achieved. Since the amount can be reduced, the amount of heat passing from the metal lid 20 to the low-temperature side substrate 22 via the heat-electric direct semiconductor pair 4 can be relatively increased, and direct heat-electric conversion. The thermoelectric conversion performance in the apparatus can be further improved.

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 metal frame 21, it is possible to perform chamfering at four corners in the cross section. Moreover, you may reduce the cross-sectional area of the metal frame 21 by processing so that it may have the curved surface which a curvature changes continuously instead of the curved surface which has a fixed curvature.

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 metal frame 21 of the heat-electrical direct conversion device and provided with a mechanism for relaxing the thermal stress generated in the metal lid 20 and the metal frame 21. The form is shown in FIG.

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 metal frame 21 in the height direction of the metal frame 21 in addition to the configuration of the second embodiment. 37 is provided.

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 metal lid 20 and the metal frame 21 connected to the metal lid 20, the metal frame 21 has a V-shaped cross section as shown in FIG. A bent portion is provided as the thermal expansion absorbing means 37. The thermal expansion absorbing means 37 having a bent portion having a V-shaped cross section easily absorbs thermal expansion and thermal deformation generated in the metal lid 20 and the metal frame 21 connected to the metal lid 20. The cross-sectional shape of the thermal expansion absorbing means 37 may have a structure in which V-shaped bent portions are provided in two or more stages as shown in FIG. Moreover, as shown in FIG.11 (c), it can also be set as the structure which provided the circular-arc-shaped bending part. Furthermore, as shown in FIG. 11D and FIG. 11E, a structure in which arc-shaped bent portions are provided in multiple stages may be employed.

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 metal lid 20 and the metal frame 21 and an example of a joining structure between the metal frame 21 and the low temperature side substrate 22. FIG. 12A shows a state in which the metal lid 20 and the metal frame 21 are joined by welding. FIG. 12B shows an embodiment in which the metal lid 20 and the metal frame 21 are integrally formed. On the other hand, the metal frame 21 and the low temperature side substrate 22 are bonded via a low temperature substrate-metal frame bonding portion 25. The joining is performed by welding, soldering or brazing, diffusion joining, or a joining method using an adhesive.

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.

第1の実施形態に係る熱−電気直接変換装置の構成を示し、(a)は装置の外観を示す斜視図であり、(b)は図1(a)におけるB−B矢視断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The structure of the thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on 1st Embodiment is shown, (a) is a perspective view which shows the external appearance of an apparatus, (b) is BB arrow sectional drawing in Fig.1 (a). 従来の熱−電気直接変換装置の構成例を示す斜視図および要部を拡大して示す模式図。The perspective view which shows the structural example of the conventional thermoelectric direct conversion apparatus, and the schematic diagram which expands and shows the principal part. 第2の実施形態に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図。Sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第3の実施形態に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図。Sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態の変形例に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図。Sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on the modification of 3rd Embodiment. 第2の実施形態に係る金属蓋に段差形状を付加した実施形態における熱−電気直接変換装置の要部の断面図。Sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus in embodiment which added the level | step difference shape to the metal cover which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る金属蓋に熱膨張吸収手段を付加した実施形態における熱−電気直接変換装置の要部の断面図。Sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus in embodiment which added the thermal expansion absorption means to the metal cover which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る金属蓋に段差形状およびフランジ機構を付加した実施形態における熱−電気直接変換装置の要部の断面図。Sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus in embodiment which added the level | step difference shape and the flange mechanism to the metal lid which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に対して熱膨張吸収手段を付加した実施形態に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図であり、(a)は段差状の経路を設けた構成例を示し、(b)は円弧状の経路を設けた構成例を示し、(c)は曲折部を設けた構成例を示し、(d)は曲折部を多段に設けた構成例を示す断面図。It is sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on embodiment which added the thermal expansion absorption means with respect to 2nd Embodiment, (a) shows the structural example which provided the step-shaped path | route, (B) shows the structural example which provided the circular arc-shaped path | route, (c) shows the structural example which provided the bending part, (d) is sectional drawing which shows the structural example which provided the bending part in multiple steps. 金属枠の外周面を曲面状に形成した実施形態に係る熱−電気直接変換装置を示し、(a)は装置の外観を示す斜視図であり、(b)は金属枠の断面形状を示す平断面図。The thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on embodiment which formed the outer peripheral surface of the metal frame in the shape of a curved surface is shown, (a) is a perspective view which shows the external appearance of an apparatus, (b) is a plane which shows the cross-sectional shape of a metal frame. Sectional drawing. 第2の実施形態に係る金属枠に熱膨張吸収手段を設けた実施形態に係る熱−電気直接変換装置の要部の断面図であり、(a)はV字状断面を有する曲折部を熱膨張吸収手段として金属枠に形成した構成例を示し、(b)は曲折部を多段に形成した熱膨張吸収手段を金属枠に形成した構成例を示し、(c)は円弧状の断面を有する曲折部を熱膨張吸収手段として金属枠に形成した構成例を示し、(d)は円弧状の断面を有する曲折部を2段に形成して熱膨張吸収手段とした構成例を示し、(e)は円弧状の断面を有する曲折部をS字状に結合して熱膨張吸収手段とした構成例を示す断面図。It is sectional drawing of the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on embodiment which provided the thermal expansion absorption means in the metal frame which concerns on 2nd Embodiment, (a) heats the bending part which has a V-shaped cross section. The structural example formed in the metal frame as an expansion | swelling absorption means is shown, (b) shows the structural example which formed the thermal expansion absorption means in which the bending part was formed in multiple steps in the metal frame, (c) has an arc-shaped cross section. An example of a configuration in which a bent portion is formed as a thermal expansion absorbing means on a metal frame is shown. (D) shows an example of a configuration in which a bent portion having an arc-shaped cross section is formed in two stages to be a thermal expansion absorbing means. ) Is a cross-sectional view showing a configuration example in which a bent portion having an arc-shaped cross section is coupled in an S shape to form a thermal expansion absorbing means. 第2の実施形態に係る熱−電気直接変換装置の要部を示す断面図であり、(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す断面図であり、(b)は金属蓋20と金属枠21とを一体成形した実施例を示す断面図。It is sectional drawing which shows the principal part of the thermoelectric direct conversion apparatus which concerns on 2nd Embodiment, (a) is sectional drawing which shows the state which joined the metal cover 20 and the metal frame 21 by welding, ( b) is a sectional view showing an embodiment in which a metal lid 20 and a metal frame 21 are integrally formed.

符号の説明Explanation of symbols

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 temperature side electrode 6 Low temperature side electrode 7 High temperature side substrate (high temperature side insulating plate)
8 Low temperature side insulating plate 9 Connection means 10 with electrode-current extraction means 10 Current extraction means 11 High temperature side electrode-semiconductor chip junction 12 Low temperature side electrode-semiconductor chip junction 13 Heat flow 14 supplied to high temperature side electrode Passing heat flow 15 Heat flow emitted from the low temperature side electrode 16 Hole 17 Electron 18 Current flow 19 Electrical load 20 Metal lid 21 Metal frame 22 Low temperature side substrate 23 Low temperature side electrode-low temperature side insulating plate junction 24 Low temperature side system Heat release part 25 Low temperature substrate-metal frame joint part 26 Current extraction part insulation means 27 First metal plate member (thermally conductive member)
27a First metal plate member fixing material 28 Second metal plate member (heat conductive member)
28a 2nd metal plate-shaped member fixing material 30 Airtight housing 31 Step-like path 32 Arc-shaped path 33 Bent part 34 Multi-stage bent part 35 Thermal expansion absorbing means 36 Flange mechanism 36a, 36b Flange 37 Thermal expansion absorbing means

Claims (16)

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、
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.
前記金属蓋は、少なくとも前記気密筐体に内蔵されている高温側基板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 metal lid of claim 1, characterized in that it is formed as a portion facing the high temperature side substrate built in at least said hermetic housing projects higher heat input direction from the peripheral portion Thermal-electric direct conversion device. 前記金属蓋のうち、前記気密筐体に内蔵されている高温側基板と対向していない部分に、金属蓋自体およびそれに接続されている金属枠の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を備えてい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。 Of the metal lid, a thermal expansion absorbing means for absorbing thermal expansion of the metal lid itself and a metal frame connected to the metal lid itself is provided in a portion not facing the high temperature side substrate built in the hermetic casing. The thermal-electrical direct conversion device according to claim 1, wherein 前記金属蓋から前記金属枠を経由して前記低温側基板へ至る熱伝達経路を長くするフランジ機構を前記金属蓋および前記金属枠の少なくとも一方に配設した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。 According to claim 1, characterized in that disposed flange mechanism to increase the heat transfer path through the metal frame of the metal lid to the low temperature side substrate to at least one of the metal lid and said metal frame Direct heat-electric conversion device. 前記金属枠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請求項1に記載の熱−電気直接変換装置。 2. The thermal-electrical direct conversion device according to claim 1, wherein at least a part of the outer peripheral surface of the metal frame is formed in a curved shape. 前記金属枠の高さ方向に金属枠の熱膨張を吸収する熱膨張吸収手段を備えてい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 thermal-electrical direct conversion device according to claim 1, further comprising thermal expansion absorption means for absorbing thermal expansion of the metal frame in a height direction of the metal frame. 前記金属蓋と金属枠とは溶接されているか、あるいは一体に成形されている一方、前記低温側基板と前記金属枠とは溶接、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り接合されてい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 metal lid and the metal frame are welded or integrally formed, while the low-temperature side substrate and the metal frame are bonded by welding, soldering, brazing, diffusion bonding, or an adhesive. The thermal-electrical direct conversion device according to claim 1, wherein 前記不活性ガス雰囲気は、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1種の気体から成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。 2. The direct thermal-electric conversion device according to claim 1, wherein the inert gas atmosphere is made of at least one gas selected from nitrogen, helium, neon, argon, krypton, and xenon. 前記不活性ガス雰囲気の圧力は、常温で外気圧より低く設定されてい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。 2. The direct thermal-electric conversion device according to claim 1, wherein the pressure of the inert gas atmosphere is set to be lower than the external atmospheric pressure at normal temperature. 前記金属蓋および金属枠は熱−電気直接変換装置の高温側温度に耐えられる耐熱金属もしくは耐熱合金から構成されてい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。 2. The direct heat-electric conversion device according to claim 1, wherein the metal lid and the metal frame are made of a heat-resistant metal or heat-resistant alloy that can withstand a high temperature side temperature of the heat-electric direct conversion device. 前記耐熱合金は、ニッケルもしくはニッケル基合金、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であることを特徴とする請求項11に記載の熱−電気直接変換装置。 The heat-resistant alloy is an iron-based alloy selected from nickel or a nickel-based alloy, carbon steel, and stainless steel, an iron-based alloy containing chromium, an iron-based alloy containing silicon, an alloy containing cobalt, and an alloy containing copper. It is either, The thermal-electrical direct conversion apparatus of Claim 11 characterized by the above-mentioned. 前記低温側基板はセラミック板と、このセラミック板の少なくとも一方の表面に接合された金属板とから成り、この金属板は銅、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種から成ることを特徴とする請求項1に記載の熱−電気直接変換装置。 The low-temperature side substrate comprises a ceramic plate and a metal plate bonded to at least one surface of the ceramic plate. The metal plate is copper, silver, aluminum, tin, iron-base alloy, nickel, nickel-base alloy, titanium. The thermo-electric direct conversion device according to claim 1 , characterized in that it comprises at least one selected from titanium-based alloys. 前記低温側基板に使用されているセラミック板は、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種から成ることを特徴とする請求項13に記載の熱−電気直接変換装置。 The ceramic plate used for the low temperature side substrate is alumina or a ceramic containing alumina, a metal containing alumina powder dispersedly, a ceramic containing silicon nitride or silicon nitride, a ceramic containing aluminum nitride or aluminum nitride, zirconia or ceramic containing zirconia, a ceramic containing yttria or yttria ceramic containing silica or silica according to claim 13, characterized in that it consists of at least one selected from ceramic containing beryllia or beryllia Thermal-electric direct conversion device. 前記熱−電気直接変換半導体はp型の半導体とn型の半導体とから成り、これら半導体は、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を特徴とする請求項1に記載の熱−電気直接変換装置。 The thermal-electrical direct conversion semiconductor comprises a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, and these semiconductors are rare earth elements, actinoids, cobalt, iron, rhodium, ruthenium, palladium, platinum, nickel, antimony, titanium, zirconium, Thermo-electric direct composed of at least three elements selected from hafnium, nickel, tin, cobalt, silicon, manganese, zinc, boron, carbon, nitrogen, gallium, germanium, indium, vanadium, niobium, barium, magnesium 2. The thermal-electrical direct conversion device according to claim 1, which is a conversion semiconductor. 前記p型もしくはn型の熱−電気直接変換半導体の結晶構造が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を特徴とする請求項15に記載の熱−電気直接変換装置。 The crystal structure of the p-type or n-type direct thermal-electric conversion semiconductor is any one of a skutterudite structure, a filled skutterudite structure, a Heusler structure, a half-Heusler structure, and a clathrate structure. The thermal-electrical direct conversion device according to claim 15 .
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