JP4585892B2 - Thermoelectric conversion device and cooling device - Google Patents
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Description
この発明は、高温体を冷却する際に放散すべき熱を電力に変換する熱電変換装置、及び、この熱電変換装置を備えた冷却装置に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion device that converts heat to be dissipated when cooling a high-temperature body into electric power, and a cooling device including the thermoelectric conversion device.
従来より、異種の導体又は半導体の接合部に温度差を与え、高温側と低温側との間にゼーベック効果によって生じた電力を取り出す熱電変換装置が知られている。この熱電変換装置では、高温側と低温側との温度差が大きいほど、得られる電力も大きい。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a thermoelectric conversion device that gives a temperature difference to a junction of different kinds of conductors or semiconductors and extracts electric power generated by the Seebeck effect between a high temperature side and a low temperature side. In this thermoelectric conversion device, the greater the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side, the greater the power that can be obtained.
このため、従来の熱電変換装置は、焼却炉や溶融炉等の工業炉の炉壁に取り付けられている。工業炉では、炉内の温度を高温に維持する必要があることから、炉壁は断熱壁によって構成されている。熱電変換装置は、断熱壁の厚みの一部又は全部を貫通して設けられる場合や断熱壁の外側に設けられる場合がある(例えば、特許文献1及び2参照。)。
しかしながら、特許文献1及び2に記載された従来の熱電変換装置は、高温状態を維持すべき工業炉に適用されるものであるため断熱壁の存在を前提としており、外部に放出すべき熱を効率的に利用することができない問題があった。 However, since the conventional thermoelectric conversion devices described in Patent Documents 1 and 2 are applied to industrial furnaces that should maintain a high temperature state, they are premised on the existence of heat insulating walls, and heat to be released to the outside. There was a problem that it could not be used efficiently.
例えば、連続炉では、熱処理後における高温のワークが装置から搬出される前に十分に低温状態になっている必要があり、ワークを冷却するための冷却室を備えている。冷却室は、内部に収納したワークをできるだけ早く冷却するために、断熱壁ではなくウォータジャケット等の冷却体からなる壁面で覆われている。 For example, a continuous furnace needs to be in a sufficiently low temperature state before a high-temperature work after heat treatment is carried out of the apparatus, and includes a cooling chamber for cooling the work. The cooling chamber is covered with a wall surface made of a cooling body such as a water jacket, not a heat insulating wall, in order to cool the work housed therein as quickly as possible.
このため、断熱壁の存在を前提として構成された従来の熱電変換装置では、冷却室に収納されたワークから冷却体によって外部に放出される熱を有効に活用することができず、冷却室から放出される熱によって十分な電力を得ることができないだけでなく、冷却室におけるワークの冷却性能を低下させることになる。 For this reason, in a conventional thermoelectric conversion device configured on the premise of the presence of a heat insulating wall, it is not possible to effectively utilize the heat released from the work housed in the cooling chamber to the outside by the cooling body, and from the cooling chamber. In addition to not being able to obtain sufficient power due to the released heat, the cooling performance of the work in the cooling chamber is reduced.
この発明の目的は、冷却室に収納されたワークから冷却体によって外部に放出される熱を有効に活用することができ、冷却室におけるワークの冷却効率を低下させることなく、冷却室から放出される熱によって十分な電力を得ることができる熱電変換装置、及び、この熱電変換装置を備えた冷却装置を提供することにある。 An object of the present invention is to effectively utilize the heat released from the work housed in the cooling chamber to the outside by the cooling body, and is released from the cooling chamber without reducing the cooling efficiency of the work in the cooling chamber. Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion device capable of obtaining sufficient electric power by the heat generated, and a cooling device provided with the thermoelectric conversion device.
上記の課題を解決するために、この発明の熱電変換装置及び冷却装置は、互いに平行に配置された熱良導体からなる複数の絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を平面状に配列し、外部に露出した2つの絶縁層のうち一方の絶縁層であって熱処理後の高温ワークに対向する側となる絶縁層に光吸収体を密着させ、他方の絶縁層に熱処理後の高温ワークを冷却するための冷却体を密着させ、熱処理後の高温ワークを収納して冷却するための冷却部に設け、前記多数の熱電変換素子の起電力を出力することを特徴とする。 In order to solve the above problems, a thermoelectric conversion device and a cooling device according to the present invention have a large number of thermoelectric conversion elements arranged in a plane between each of a plurality of insulating layers made of good thermal conductors arranged in parallel to each other. , are brought into close contact with the light absorber in the insulating layer to be a side facing the hot workpiece after the heat treatment a one insulating layer of the two insulating layer exposed to the outside, the hot workpiece after heat treatment to the other insulating layer A cooling body for cooling is closely attached , provided in a cooling section for storing and cooling the high-temperature work after heat treatment, and the electromotive force of the multiple thermoelectric conversion elements is output .
この構成においては、光吸収体と冷却体との間に、熱良導体からなる複数の絶縁層が、それぞれの間に多数の熱電変換素子を挟んだ状態で、光吸収体及び冷却体に密着して配置される。光吸収体を高温物体に対向して配置すると、高温物体から放出された熱が光吸収体及び複数の熱良導体を介して冷却体に向かって流れ、高温物体の放熱が促される。このとき、高温側の光吸収体と低温側の冷却体との温度差により、複数の絶縁層のそれぞれに挟まれた熱電変換素子に電力を生じる。したがって、高温物体の冷却機能を発揮しつつ、高温物体から放出される熱が電力に変換される。 In this configuration, a plurality of insulating layers made of a good thermal conductor are in close contact with the light absorber and the cooling body, with a large number of thermoelectric conversion elements sandwiched between them. Arranged. When the light absorber is disposed so as to face the high temperature object, the heat released from the high temperature object flows toward the cooling body through the light absorber and the plurality of heat good conductors, and the heat dissipation of the high temperature object is promoted. At this time, electric power is generated in the thermoelectric conversion element sandwiched between each of the plurality of insulating layers due to a temperature difference between the light absorber on the high temperature side and the cooling body on the low temperature side. Therefore, the heat released from the high temperature object is converted into electric power while exhibiting the cooling function of the high temperature object.
また、前記複数の絶縁層が、3以上の絶縁層であることを特徴とする。 Further, the plurality of insulating layers are three or more insulating layers.
この構成においては、光吸収体と冷却体との間に、熱良導体からなる3以上の絶縁層が、それぞれの間に多数の熱電変換素子を挟んだ状態で、光吸収体及び冷却体に密着して配置される。したがって、複数の層状の熱電変換素子が、光吸収体と冷却体との間に配置され、互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生する。 In this configuration, three or more insulating layers made of a good thermal conductor are in close contact with the light absorber and the cooling body, with a large number of thermoelectric conversion elements sandwiched between them. Arranged. Therefore, a plurality of layered thermoelectric conversion elements are disposed between the light absorber and the cooling body, and generate electric power from heat in different temperature ranges.
さらに、3以上の絶縁層のそれぞれの間について異なる材質の熱電変換素子を平面状に配列したことを特徴とする。 Furthermore, the thermoelectric conversion elements of different materials are arranged in a plane between each of the three or more insulating layers.
この構成においては、光吸収体と冷却体との間に配置されて互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生する複数の層状の熱電変換素子が、互いに異なる材質で構成される。したがって、隣接する2つの絶縁層間における温度差に応じてこれらの絶縁層間に配置される熱電変換素子の材質を適宜選択することにより、各熱電変換素子層において熱が効率的に電力に変換される。 In this configuration, a plurality of layered thermoelectric conversion elements that are arranged between the light absorber and the cooling body and generate electric power from heat in different temperature ranges are made of different materials. Therefore, heat is efficiently converted into electric power in each thermoelectric conversion element layer by appropriately selecting the material of the thermoelectric conversion element arranged between these two insulating layers in accordance with the temperature difference between the two adjacent insulating layers. .
この発明の熱電変換装置及び冷却装置によれば、熱良導体からなる複数の絶縁層を光吸収体及び冷却体に密着して配置するとともに、絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を配置することにより、光吸収体に対向して配置された高温物体の放熱を促進しつつ、高温物体から放出される熱を電力に変換することができる。 According to the thermoelectric conversion device and the cooling device of the present invention, a plurality of insulating layers made of a good thermal conductor are arranged in close contact with the light absorber and the cooling body, and a large number of thermoelectric conversion elements are arranged between the insulating layers. By doing so, the heat released from the high temperature object can be converted into electric power while promoting the heat dissipation of the high temperature object arranged facing the light absorber.
また、熱良導体からなる3以上の絶縁層を光吸収体及び冷却体に密着して配置するとともに、絶縁層のそれぞれの間に多数の熱電変換素子を配置することにより、光吸収体と冷却体との間に配置された複数の層状の熱電変換素子のそれぞれによって、互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生させることができる。これによって、熱電変換素子の性能指数曲線により追従した状態で熱電変換を行うことができ、熱電変換効率を向上させることができる。 Further, by arranging three or more insulating layers made of a good heat conductor in close contact with the light absorber and the cooling body, and arranging a large number of thermoelectric conversion elements between the insulating layers, the light absorber and the cooling body are arranged. Each of the plurality of layered thermoelectric conversion elements arranged between the two can generate electric power from heat in different temperature ranges. Thereby, thermoelectric conversion can be performed in a state following the performance index curve of the thermoelectric conversion element, and thermoelectric conversion efficiency can be improved.
さらに、光吸収体と冷却体との間に配置されて互いに異なる温度範囲の熱から電力を発生する複数の層状の熱電変換素子を、互いに異なる材質で構成することにより、隣接する2つの絶縁層間における温度差に応じてこれらの絶縁層間に配置される熱電変換素子の材質を適宜選択することができ、各熱電変換素子層における熱電変換効率をより向上させることができる。 In addition, a plurality of layered thermoelectric conversion elements that are arranged between the light absorber and the cooling body and generate electric power from heat in different temperature ranges are made of different materials, so that two adjacent insulating layers The material of the thermoelectric conversion element disposed between these insulating layers can be appropriately selected according to the temperature difference in the above, and the thermoelectric conversion efficiency in each thermoelectric conversion element layer can be further improved.
図1は、この発明の実施形態に係る熱電変換装置を適用した冷却装置10の構成を示す断面図である。冷却装置10は、半導体の製造時における熱処理後に炉から搬出された半導体基板の冷却に使用される。冷却装置10は、光吸収体11によって構成された中空の冷却室12と、冷却室12の外表面を覆う冷却ジャケット13と、光吸収体11及び冷却ジャケット13の間に配置される熱電変換モジュール14と、を備えている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a
光吸収体11は、例えば黒鉛によって構成された平板状を呈し、互いに直交する3方向のそれぞれにおいて対向する計6面に配置され、内部に中空の冷却室12を構成している。冷却室12には、図示しない炉から搬出された高温物体である半導体基板21が収納される。光吸収体11の内側面は、冷却室12内に収納された半導体基板21に対向し、半導体基板21が放出する熱を吸収する。
The light absorber 11 has a flat plate shape made of, for example, graphite, and is disposed on a total of six faces facing each other in three directions orthogonal to each other, and forms a
冷却ジャケット13は、この発明の冷却体であり、冷却室12を構成する光吸収体11の外表面を被覆するように配置されている。冷却ジャケット13は、例えば、冷却水の流路となる中空管によって形成されており、中空管内を流通する冷却水によって光吸収体11の外側面を冷却する。
The
光吸収体11において、半導体基板21に対向する内側面と冷却ジャケット13に被覆された外側面との間には温度差が生じる。光吸収体11の内側面で吸収された熱は、光吸収体11の内部を光吸収体11の外側面に向かって伝播し、冷却ジャケット13の冷却水に吸収される。この結果、光吸収体11の内側面から冷却ジャケット13に向かう方向の熱流が形成され、半導体基板21の冷却が促進される。
In the light absorber 11, a temperature difference is generated between the inner surface facing the
熱電変換モジュール14は、光吸収体11の外側面の少なくとも一部において、冷却ジャケット13との間に配置される。熱電変換モジュール14は、内側面を光吸収体11の外側面に密着させ外側面を冷却ジャケット13の内側面に密着させている。図1に示す例では、半導体基板21からの熱流方向を考慮して、熱電変換モジュール14を冷却室12の上面側及び假面側に配置している。熱電変換モジュール14は、特に、冷却室12内にボートに載置された多数の半導体基板を収納する場合には、6面の光吸収体11の外側面の全面に配置することもできる。
The
熱電変換モジュール14は、光吸収体11及び冷却ジャケット13とともにこの発明の熱電変換装置を構成している。冷却ジャケット13に代えて、別の冷却体を備えることもできる。
The
なお、半導体基板21は、必ずしも1枚である必要はなく、例えばボートに搭載された複数の半導体基板であってもよい。
Note that the number of
図2は、熱電変換モジュール14の断面図である。熱電変換モジュール14は、互いに平行にして所定の間隙を設けて配置された少なくとも2つの平板状の絶縁層31,32を備えている。絶縁層31,32は、窒化珪素膜や酸化膜等の薄膜を含む熱良導体によって構成されている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
絶縁層31と絶縁層32との間は、例えば、P型半導体素子33及びN型半導体素子34が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層37にされている。P型半導体素子33及びN型半導体素子34は、PN接合されて1つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体35,36によって互いに直列に接続されている。
Between the
熱電変換モジュール14において、一方の絶縁層31は光吸収体11の外側面に密着しており、他方の絶縁層32は冷却ジャケット13の内側面に密着している。冷却装置10において、熱電変換モジュール14が配置されている部分では、半導体基板21から放出された熱は、光吸収体11の内側面で吸収された後、熱電変換モジュール14の一方の絶縁層31、熱電変換層37及び他方の絶縁層32を経由して冷却ジャケット13内の冷却水に奪われる。
In the
したがって、熱電変換モジュール14において、一方の絶縁層31と他方の絶縁層32との間に温度差が生じ、熱電変換層37で両端部の温度差に応じた電力を発生する。所定数の熱電変換素子は互いに直列に接続されているため、熱電変換モジュール14から所定数の熱電変換素子のそれぞれの起電力の和として実用レベルの電力が出力される。
Therefore, in the
絶縁層31,32は熱良導体で構成されており、半導体基板21から放出された熱は熱電変換モジュール14を円滑に通過して冷却ジャケット13に達する。また、熱電変換モジュール14に伝播した熱は、一部が熱電変換層37において電力に変換されて冷却ジャケット13に伝達される。このため、光吸収体11と冷却ジャケット13との間に熱電変換モジュール14が配置されることによっては、冷却装置10において光吸収体11と冷却ジャケット13との間の熱電導性に悪影響を与えることがなく、冷却装置10の冷却効率を低下させることがない。
The insulating layers 31 and 32 are made of a good thermal conductor, and the heat released from the
図3は、この発明の別の実施形態に係る熱電変換装置を構成する熱電変換モジュール40の断面図である。この実施形態に係る熱電変換装置40は、3つの平板状の絶縁層41,42,43を互いに平行にして所定の間隙を設けて配置している。絶縁層41,42,43は、窒化珪素膜や酸化膜等の薄膜を含む熱良導体によって構成されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of a
絶縁層41と絶縁層42との間は、例えば、P型半導体素子44及びN型半導体素子45が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層61にされている。P型半導体素子44及びN型半導体素子45は、PN接合されて1つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体46,47によって互いに直列に接続されている。
Between the insulating
また、絶縁層42と絶縁層43との間は、例えば、P型半導体素子48及びN型半導体素子49が交互に繰り返して平面状に配列した熱電変換層62にされている。P型半導体素子48及びN型半導体素子49は、PN接合されて1つの熱電変換素子を構成している。これらのうちの所定数の熱電変換素子が、金属薄膜の導電体50,51によって互いに直列に接続されている。
Further, between the insulating
図4は、上記熱電変換モジュール40の第1の実施例における性能指数Zと温度Tとの関係を示す図である。第1の実施例に係る熱電変換モジュール40は、第1の熱電変換層61と第2の熱電変換層62とを同一材料によって構成したものである。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the figure of merit Z and the temperature T in the first embodiment of the
熱電変換素子は材料に応じて、適用すべき温度範囲、及び、熱電変換能力を表す性能指数Zが異なる。また、同一材料であっても温度に応じて性能指数が変化する場合が多い。このような場合に、熱電変換モジュール40に複数の熱電変換層を構成することにより、熱流方向の距離(熱の伝播距離)の増加や熱流方向における多層化等による影響を無視すれば、熱電変換効率が向上する。
The thermoelectric conversion element differs in the figure of merit Z representing the temperature range to be applied and the thermoelectric conversion capability depending on the material. Moreover, even if it is the same material, a figure of merit changes with temperature in many cases. In such a case, by configuring a plurality of thermoelectric conversion layers in the
例えば、熱電変換素子に使用する材料の性能指数Zが温度に応じて図4に実線で示すように変化する場合、高温側(光吸収体11側)の温度をTH とし、低温側(冷却ジャケット13側)の温度をTC として、熱電変換層を単層で構成した場合に得られる電力Z1は、
Z1∝{(Z(TH )+Z(TC ))/2}×(TH −TC )
となり、図4中の台形ABCDの面積に比例する。
For example, when the figure of merit Z of the material used for the thermoelectric conversion element changes as shown by a solid line in FIG. 4 according to the temperature, the temperature on the high temperature side (
Z1∝ {(Z (T H ) + Z (T C )) / 2} × (T H −T C )
And is proportional to the area of the trapezoid ABCD in FIG.
一方、熱電変換層を2層で構成した場合に得られる電力Z2は、中間部(中央の絶縁層42)の温度をTM として、
Z2∝{(Z(TH )+Z(TM ))/2}×(TH −TM )
+{(Z(TM )+Z(TC ))/2}×(TM −TC )
となり、図4中の台形AEFDの面積とに台形EBCFの面積との和に比例し、熱電変換層を単層で構成した場合に得られる電力Z1よりも大きくなる。
On the other hand, the electric power Z2 obtained when the thermoelectric conversion layer is composed of two layers is obtained by setting the temperature of the intermediate portion (central insulating layer 42) as T M.
Z2∝ {(Z (T H ) + Z (T M )) / 2} × (T H −T M )
+ {(Z (T M) + Z (T C)) / 2} × (T M -T C)
Thus, it is proportional to the sum of the area of the trapezoid AEFD in FIG. 4 and the area of the trapezoid EBCF, and is larger than the electric power Z1 obtained when the thermoelectric conversion layer is formed of a single layer.
図5は、上記熱電変換モジュール40の第2の実施例における性能指数Zと温度Tとの関係を示す図である。第2の実施例に係る熱電変換モジュール40は、第1の熱電変換層61と第2の熱電変換層62とを異なる材料によって構成したものである。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the figure of merit Z and the temperature T in the second embodiment of the
図5中一点鎖線で示す曲線71のように高温側の温度TH と中間部の温度TM との間で性能指数が最も高い材料によって第1の熱電変換層61を構成し、図5中二点鎖線で示す曲線72のように中間部の温度TM と低温側の温度TC との間で性能指数が最も高い材料によって第2の熱電変換層62を構成することにより、第1の熱電変換層61と第2の熱電変換層62とを同一材料によって構成した場合に比較して得られる電力が大きくなり、熱電変換効率がさらに向上する。
The first
なお、第1及び第2の実施例において、理論的には、熱電変換層の層数が増加するにしたがって得られる電力は大きくなるが、熱の伝播距離の増加や熱流方向における多層化等による影響によって熱電変換効率及び冷却効率が低下する可能性がある。このため、熱電変換モジュール40の使用状況に応じて最適な熱電変換層の層数を決定することができる。
Theoretically, in the first and second embodiments, the electric power obtained increases as the number of thermoelectric conversion layers increases, but due to an increase in heat propagation distance, multilayering in the heat flow direction, and the like. Thermoelectric conversion efficiency and cooling efficiency may be reduced due to the influence. For this reason, the optimal number of thermoelectric conversion layers can be determined according to the use situation of the
また、複数の熱電変換層の間は、動作温度条件、熱電変換材料の種類及び構成、並びに、所望電力値等の条件に応じて、直列接続とするか並列接続とするかを選択することができる。 Further, between the plurality of thermoelectric conversion layers, it is possible to select whether to connect in series or in parallel depending on conditions such as operating temperature conditions, types and configurations of thermoelectric conversion materials, and desired power values. it can.
さらに、上記の実施形態では、この発明の熱電変換装置を半導体の製造に使用される炉に備えられる冷却装置に適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、高温物体を冷却する他の冷却装置についても、同様にこの発明の熱電変換装置を適用することができる。 Furthermore, in the above embodiment, the case where the thermoelectric conversion device of the present invention is applied to a cooling device provided in a furnace used for manufacturing a semiconductor has been described as an example, but the present invention is not limited thereto. The thermoelectric conversion device of the present invention can be similarly applied to other cooling devices that cool high-temperature objects.
10 冷却装置
11 光吸収体
12 冷却室
13 冷却ジャケット
14 熱電変換モジュール
31,32 絶縁層
33 P型半導体素子
34 N型半導体素子
35,36 導電体
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