JP4888491B2 - 熱電素子および熱電モジュール - Google Patents

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Description

本発明は、熱エネルギと電気エネルギとの間でエネルギを直接変換する熱電素子およびそれを複数用いた熱電モジュールに関する。
熱電モジュールは、ゼーベック効果により温度差に応じた熱起電力を発生する2種類の極性の異なる半導体素子(熱電素子)、すなわちN型熱電素子およびP型熱電素子を高熱側の集熱部と低温側の放熱部との間に複数個配置し、これらの熱電素子の端部同士を電極を介して交互に直列に接続したものであり、熱エネルギを電気エネルギに直接変換することができる(例えば特開2005−322848号公報参照)。
ここで、熱電モジュールの発電量を増やすためには、熱電素子の素子長(高さ)を短くして熱電素子に流れる熱量を増大することが好ましい。しかし、発電量を増やすためにアスペクト比(素子の高さと幅との比)が小さい熱電素子を使用する場合、熱電素子の幅方向における剛性が高くなるため、熱電素子の高温側端部と低温側端部との熱膨張差により生じる熱電素子の幅方向の応力によって熱電素子が破壊されるおそれがある。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、熱応力による破壊を防止することができる熱電素子およびそれを複数用いた熱電モジュールを提供することを目的とする。
すなわち、本発明に係る熱電素子は、熱エネルギと電気エネルギとの間でエネルギを変換する素子と、前記素子の両端部に接続される一対の電極と、を備え、前記素子は、前記両端部の温度差により生ずる応力を緩和する応力緩和部が設けられて構成されている。
熱電素子を用いて発電を行うときには、一方の電極が設けられた一端部が高温にされ、他方の電極が設けられた他端部が低温にされる。その際に、熱電素子の高温側は膨張し、低温側は収縮する。その結果、熱電素子には熱応力が作用する。ここで、本発明に係る熱電素子によれば、素子に両端部の温度差により生ずる応力を緩和する応力緩和部が設けられていることによって、高温側の端部と低温側の端部の温度差により生じる熱応力を緩和することができる。このため、熱応力による素子の破壊を抑制でき、アスペクト比の小さい素子を用いて発電量を向上させることができる。
また本発明に係る熱電素子において、前記応力緩和部は、前記素子の端部から端部の方向へ向けて形成される間隙部であることが好ましい。
この発明によれば、素子にその端部から端部の方向へ向けて間隙部を形成することにより、素子と電極の接続面と平行な方向に変形しやくすなり、その方向への素子の剛性を低下させることができる。このため、素子の高温側の端部と低温側の端部の温度差により生じた場合、その熱応力を緩和することができる。従って、熱応力による素子の破壊を抑制でき、アスペクト比の小さい素子を用いて発電量を向上させることができる。
また本発明に係る熱電素子は、熱エネルギと電気エネルギとの間でエネルギを変換する素子と、該素子の両端部に設けられた一対の電極とを備え、素子の少なくとも一部が、電極との接合面に対して略垂直な方向に複数の部分に分けられていることを特徴とする。
熱電素子を用いて発電を行うときには、一方の電極が設けられた一端部が高温にされ、他方の電極が設けられた他端部が低温にされる。その際に、熱電素子の高温側は膨張し、低温側は収縮する。その結果、熱電素子には熱応力が作用する。ここで、本発明に係る熱電素子によれば、素子の少なくとも一部が電極との接合面に対して略垂直な方向に複数の部分に分けられることによって、分けられた各部分のアスペクト比が大きくなり、該部分の曲げ変形に対する剛性が低下する。そのため、熱電素子の両端の温度差により生じる熱応力を素子の変形によって緩和することができる。その結果、熱応力による素子の破壊を防止することが可能となる。
ここで、一方の電極と他方の電極との間に形成された複数のスリットによって、上記素子を複数の部分に分けることが好ましい。
また、本発明に係る熱電素子では、上記複数の部分の一端が、素子のいずれかの一端と一致していることが好ましい。このようにすれば、熱応力が大きくなる素子端部の剛性を低減することができる。そのため、該端部に作用する熱応力を素子端部の変形によって緩和することができる。その結果、熱応力による素子端部の破壊を効果的に防止することが可能となる。
ここで、上記複数の部分を構成する各部分の短手方向の幅は、素子に生じる応力および素子の破壊靱性に基づいて設定されることが好ましい。このように、素子に作用する応力および素子の破壊靱性を考慮して当該部分の幅を設定することにより、素子と電極との接合部の熱応力に対する強度を確保することができ、該接合部の破壊を防止することが可能となる。
さらに、本発明に係る熱電素子では、上記素子の少なくともいずれかの電極との接合部に、該接合部を上記複数の部分よりも細かい微細部分に分ける切り込みが形成されていることが好ましい。このようにすれば、素子と電極との接合部の熱応力に対する強度を向上することができ、該接合部の破壊を防止することが可能となる。
ここで、切り込みにより分けられた上記微細部分の短手方向の幅は、素子に生じる応力および素子の破壊靱性に基づいて設定されることが好ましい。このように、素子に作用する応力および素子の破壊靱性を考慮して当該微細部分の幅を設定することにより、素子と電極との接合部の熱応力に対する強度を確保することができ、該接合部の破壊を防止することが可能となる。
本発明に係る熱電素子は、上記微細部分に分けられた素子の接合部に導電性の接合材が充填されることにより、素子と電極とが接合されていることが好ましい。このようにすれば、素子と電極との接合部での接触面積を大きくすることができ、該接合部の電気抵抗、すなわち熱電素子の電気抵抗を低減することが可能となる。
一方、電極の素子との接合部を素子に形成された切り込みに嵌まるように形成し、電極の接合部と素子の切り込みとを嵌め合わせることにより素子と電極とを接合する構成によっても素子と電極との接合部での接触面積を大きくすることができる。したがって、このようにしても、該接合部の電気抵抗、すなわち熱電素子の電気抵抗を低減することが可能となる。
ここで、上記微細部分の短手方向の幅は、接合界面の電気抵抗と素子の電気抵抗率との比に基づいて設定されることが好ましい。このように接合界面の電気抵抗と素子の電気抵抗率との比を考慮して当該微細部分の幅を設定することにより、素子と電極との接合部の電気抵抗、すなわち熱電素子の電気抵抗をより適切に低減することが可能となる。
また、素子と電極との接合箇所の深さは、接合界面の電気抵抗と前記素子の電気抵抗率との比および上記微細部分の短手方向の幅に基づいて設定されることが好ましい。このようにすれば、素子と電極との接合箇所における各微細部分の長手方向の電流密度分布を考慮して該接合箇所の深さを設定することができる。そのため、素子と電極との接合部の電気抵抗、すなわち熱電素子の電気抵抗をより効果的に低減することが可能となる。
本発明に係る熱電モジュールは、上述したいずれかの熱電素子が複数接続されて構成されていることを特徴とする。本発明に係る熱電モジュールによれば、上述したいずれかの熱電素子が複数接続されて構成されることにより、熱電モジュールの両端の温度差によって生じる熱応力による熱電モジュールの破壊を防止することが可能となる。
本発明によれば、素子に両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和部が設けられていることによって、高温側の端部と低温側の端部の温度差により生じる熱応力を緩和することができる。従って、熱応力による素子の破壊を抑制することができる。
図1は、第1実施形態に係る熱電素子の断面図である。
図2は、素子と電極との界面における剪断応力を説明するための図である。
図3は、微細部分の幅の設定方法を説明するための図である。
図4は、素子と電極との接合部を示す断面図である。
図5は、素子と電極との接合部の他の例を示す断面図である。
図6は、素子と電極との接合部における微細部分の長手方向の電位勾配および電流密度分布を説明するための図である。
図7は、熱電素子に作用する熱応力による曲げ変形を示す断面図である。
図8は、第2実施形態に係る熱電素子の斜視図である。
図9は、第3実施形態に係る熱電素子を構成する半導体素子の斜視図である。
図10は、図9に示された半導体素子の平面図である。
図11は、第3実施形態に係る熱電素子により構成された熱電モジュールを備える熱発電装置の断面図である。
図12は、図11に示された熱発電装置における熱電素子と伝熱フィン側電極、モジュール冷却部材側電極との接合方法を説明するための要部断面図である。
図13は、第4実施形態に係る熱電素子の説明図である。
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。
(第1実施形態)
まず、図1を用いて、第1実施形態に係る熱電素子の構造について説明する。図1は、第1実施形態に係る熱電素子1の断面図である。なお、本明細書においては、図1に示される矢印H方向、すなわち一方の電極と他方の電極とを結ぶ方向を熱電素子の高さ方向とし、矢印C方向、すなわち電極に平行な方向を熱電素子の幅方向とする。
熱電素子1は、熱エネルギと電気エネルギとの間でエネルギを直接変換するN型またはP型の半導体素子11と、この半導体素子11の両端面に設けられた一対の電極20,21とを備えている。ここで、半導体素子11は、特許請求の範囲に記載の素子に相当する。
半導体素子11は、略直方体形状をした素子である。この半導体素子11には、半導体素子11の側面に対して平行に、一方の電極20との接合面から他方の電極21との接合面へ向けて複数(図1の例では3つ)のスリット11sが形成されている。スリット11sの一端は半導体素子11の一方の電極20との接合面に達している。一方、スリット11sの他端は半導体素子11の他方の電極21との接合面には達していない。
半導体素子11には、図1に示される断面と直交する側面にも同様のスリット11sが形成されている。すなわち、スリット11sは、半導体素子11を平面視したときに格子状に形成されている。これらのスリット11sによって、半導体素子11の一部は、複数の部分(図1の例では16(4×4)の部分、以下「分割部分」という)11dに分けられる。なお、図1の例ではスリットの数を「3×3」としたが、スリット11sの数がこれに限られないことは言うまでもない。
また、半導体素子11の電極20との接合部には、上述したスリット11sによって分けられた当該接合部をさらに細かい微細部分11mに分ける複数の切り込み11cが形成されている。切り込み11cは、スリット11sと平行に形成されている。また、スリット11sと同様に、切り込み11cは、図1に示される断面と直交する側面にも形成されている。すなわち、切り込み11cは、半導体素子11を平面視したときに、上述したスリット11sにより画成される格子よりも細かい格子状に形成されている。この切り込みの数は、微細部分11mの設定幅に応じて定められる。スリット11s及び切り込み11cは、半導体素子11の一方の端部から他方の端部の方向へ向けて形成される間隙部であり、半導体素子11の両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和部として機能するものである。
そこで、続いて、図2および図3を併せて参照しつつ、微細部分11mの幅の設定方法について説明する。図2は、半導体素子と電極との界面における剪断応力を説明するための図である。また、図3は、微細部分11mの幅の設定方法を説明するための図である。
図2に示されるように、一般的に、熱膨張率が異なる半導体素子と電極とを接合すると、温度が変化することによって熱応力が発生する。なお、図2に示した例は、半導体素子の線膨張係数が電極の線膨張係数よりも小さく、ΔTが正(加熱した状態)の場合を表している。ここで、半導体素子の接合面中央部付近に生じる引張り応力の平均値σs(Pa)は次式(1)により求められる。
σs={(αs−αm)・ΔT・Es}/{1+(Es/Em)} ・・・(1)
ただし、αsは半導体素子の線膨張係数(/℃)、αmは電極材料の線膨張係数(/℃)、ΔTは接合時の温度との温度差(℃)、Esは半導体素子の弾性率(Pa)、Emは電極材料の弾性率(Pa)である。
この引張り応力σsによって、図2に示されるように、半導体素子の接合面端部には無限大に発散する界面の剪断応力が発生する。この剪断応力による破壊は線形理論では値が発散するため、応力理論(ある応力を超えると壊れるとする理論)では温度差がゼロの状態でこわれてしまい破壊の予測ができない。しかし、応力が発散する領域は端部の小さな領域に限られており、破壊力学による取り扱いが可能である。そこで、端部の応力発散領域を破壊力学で扱う微少クラック(ひび割れ)とみなし、引張り応力σsが作用する半導体素子に微少クラックが発生した状態でのクラックの進展、すなわち破壊するか否かの判定を行う。
破壊力学によれば、引張り応力σsが作用する半導体素子に長さL(m)の微少クラックが発生した状態で、クラックが進展(破壊)しない条件は次式(2)で表される。
πLσs<Kc ・・・(2)
ただし、Kcは半導体素子のモード2破壊靱性(Pa・m1/2)である。
上記式(1)(2)より、クラックが進展(破壊)しない、すなわち上記式(2)を満たすクラック長さLの臨界値(最大値)Lcが次式(3)により求められる。
Lc=Kc{1+(Es/Em)}/{π(αs−αm)・ΔT・Es} ・・・(3)
ここで、例えば、半導体素子と電極材料の物性および使用条件(ΔT)を次のように仮定する。すなわち、Kc=0.4×10(Pa・m1/2)、Es=70×10(Pa)、Em=100×10(Pa)、αs−αm=4×10−6(/℃)、ΔT=300(℃)と仮定する。このように仮定した場合には、上記式(3)より、臨界クラック長さLcは21×10−6(m)となる。
ここで、クラック長さLは仮想的なクラック長さであり、界面の剪断応力が高くなる領域をクラックとみなしているが、この値が半導体素子の幅を超えられないことは明らかである。したがって、半導体素子の幅を臨界クラック長さLcの数倍程度以下とすることにより、高温でも壊れない接合を実現することができる。
よって、図3に示されるように、本実施形態では、半導体素子11の微細部分11mの幅dを臨界クラック長さLcの数倍以下となるように設定した。
続いて、図4を参照しつつ、半導体素子11と各電極20,21との接合部の構造について、半導体素子11と一方の電極20との接合部を例にして説明する。図4は、半導体素子11と一方の電極20との接合部を拡大して示す断面図である。図4に示されるように、半導体素子11と電極20とは、所謂ロウ付けによって接合されている。より詳細には、半導体素子11の微細部分11mと電極20との間に、溶解した導電性の接合材(ロウ材)22が流し込まれて充填されることにより、半導体素子11と電極20とが接合される。
また、半導体素子11の微細部分11mと電極20との結合部の他の好ましい構造例を図5に示す。この構造では、半導体素子11の結合部の凹凸(すなわち、切り込み11cおよび微細部分11mにより形成される凹凸)に嵌るように、電極20の接合部が断面櫛型形状に形成されており、半導体素子11側の結合部の凹凸と電極20側の接合部の凹凸が嵌め合わされることによって、半導体素子11と電極20が結合される。
ここで、半導体素子11と電極20との結合部の電気抵抗を低減する観点から、微細部分11mの幅d、および微細部分11mと電極20との結合深度D(図4,5参照)は、それぞれ次式(4)(5)を満足するように設定される。
d<<δ/σ ・・・(4)
D≧(δ・d/σ)1/2 ・・・(5)
ただし、δは接合界面の電気抵抗(接合面の面積当たりの電気抵抗)(Ω・m)であり、σは半導体素子11の電気抵抗率(体積抵抗率)(Ω・m)である。
ここで、上記式(4)(5)の根拠について、図6を参照しつつ詳細に説明する。なお、図6は、半導体素子11と電極20との接合部における微細部分11mの電位勾配および電流密度分布を説明するための図(電流解析モデル)である。
角柱状に形成された微細部分11mの先端部が良導電体である電極20に包まれていると仮定した場合、微細部分11m中に流れる電流Iは微細部分11m中の電位Uの勾配によって定まり、次式(6)によって求められる。
I=−(1/σ)(dU/dx) ・・・(6)
一方、微細部分11mから電極20に流れる電流iは、微細部分11mの電位Uと電極20の電位との電位差および接合界面の電気抵抗δで定まり、電極20の電位をゼロとした場合には、次式(7)によって求められる。
i=U/δ ・・・(7)
ここで、電荷の保存則から、微細部分11m中の電流Iと微細部分11mから電極20に流れる電流iとの間には、次式(8)の関係が成立する。
dI/dx=−i/d ・・・(8)
上記式(7)および式(8)より次式(9)が導き出される。
dI/dx=−U/δd ・・・(9)
さらに、上記式(6)および式(9)より次式(10)が導出される。
U/dx=(σ/δd)U ・・・(10)
そして、上記式(10)を解くことによって、次の解(次式(11)(12))が得られる。
U=Uexp(−k・x) ・・・(11)
k=(δd/σ)1/2 ・・・(12)
ここで、半導体素子11と電極20との接触面積が増大することで界面の電気抵抗が小さくなるためには、「k<<d」となる必要があり、その条件が、上記式(4)となる。また、微細部分11mと電極20との結合深度Dは、「1/k」以上必要であることから、上記式(5)が導き出される。
以上の構成において、熱電素子1を用いて発電を行う時には、一方の電極20側面が高温にされ、他方の電極21側面が低温にされる。その際に、高温側が膨張し、低温側が収縮して、熱電素子1には高温側と低温側との熱膨張差により生じる熱応力が作用する。
ここで、本実施形態では、スリット11sにより熱電素子1を構成する半導体素子11が複数の分割部分11dに分けられることによって、該分割部分11dのアスペクト比(高さL/幅W)が増大され、熱電素子1の幅方向の剛性が低下されている。そのため、高温側と低温側との熱膨張差により生じた熱応力が熱電素子1に作用した場合、図7に示されるように、熱電素子1(半導体素子11)が全体的に変形する。
このように、本実施形態によれば、容易に変形可能な構造とされているため、熱膨張差により生じる熱応力を熱電素子1の変形によって適切に緩和することができる。その結果、熱電素子1の熱応力による破壊を防止することが可能となる。
また、本実施形態に係る熱電素子1では、スリット11sの一端が、電極20との接合面まで達しているため、熱応力が大きくなる半導体素子11端部の剛性を効果的に低減することができる。そのため、該端部に作用する熱応力を半導体素子11端部が変形することによって適切に緩和することができる。その結果、熱応力による半導体素子11端部の破壊を効果的に防止することが可能となる。
熱膨張率が異なる半導体素子11と電極20とを接合すると、温度が変化することによって熱応力が発生する。例えば、半導体素子11の線膨張係数が電極20の線膨張係数よりも小さく、電極20が加熱された場合には、半導体素子11の接合面中央部付近に引張り応力が作用し、この引張り応力によって、半導体素子11の接合面端部には剪断応力が発生する。
本実施形態に係る熱電素子1では、半導体素子11の電極20との接合部が複数の切り込み11cによって微細部分11mに分けられており、かつ、該微細部分11mの幅dが、半導体素子11に生じる引張り応力および半導体素子11の破壊靱性に基づいて定められる臨界クラック長さLcの数倍以下となるように設定されている。そのため、半導体素子11と電極20との接合部の熱応力に対する強度を確保することができ、例えば半導体素子11と電極20とが剛的に接合された場合であっても、該接合部の破壊を防止することが可能となる。
本実施形態に係る熱電素子1では、微細部分11mに分けられた半導体素子11の接合部に導電性のロウ材22が充填されることにより、半導体素子11と電極20とが接合されているため、半導体素子11と電極20との接合部での接触面積を大きく取ることができ、該接合部の電気抵抗、すなわち熱電素子1の電気抵抗を低減することが可能となる。
また、上述した所謂ロウ付けに代えて、半導体素子11の結合部の凹凸(すなわち、切り込み11cおよび微細部分11mにより形成される凹凸)に嵌るように、電極20の接合部を断面櫛型形状に形成し、半導体素子11側の結合部の凹凸と電極20側の接合部の凹凸を嵌め合せることよって、半導体素子11と電極20とを結合してもよい。このような構成とした場合も、半導体素子11と電極20との接合部での接触面積を大きくすることができ、該接合部の電気抵抗を低減することが可能となる。
さらに、本実施形態では、微細部分11mの幅dが、接合界面の電気抵抗δと半導体素子11の電気抵抗率σとの比に基づいて(上記式(4)を満足するように)設定されるため、半導体素子11と電極20との接合部の電気抵抗、すなわち熱電素子1の電気抵抗をより適切に低減することが可能となる。
また、本実施形態では、半導体素子11と電極20との接合箇所の深さDが、接合界面の電気抵抗δと前記素子の電気抵抗率σとの比および微細部分11mの幅dに基づいて(上記式(5)を満足するように)設定されるため、半導体素子11と電極20との接合部の電気抵抗、すなわち熱電素子1の電気抵抗をより効果的に低減することが可能となる。
(第2実施形態)
上述した第1実施形態では、半導体素子11をスリット11sによって比較的大きな分割部分11dに分割するとともに、半導体素子11の電極20との接合部を切り込み11cによって微細部分11mに分割したが、図8に示されるように、スリットを形成することなく、一方の電極20との接合面から他方の電極21との接合面まで切り込み12cを入れ、半導体素子12全体を細長い微細部分12mに分割した構成、すなわち、繊維状の半導体素子12mを束ねて電極20,21に接合した構成としてもよい。なお、図8は、一対のN型半導体素子12nとP型半導体素子12pとが電極20によって電気的に直列(熱的には並列)に接続された熱電素子2の斜視図である。この場合、切り込み12cは、半導体素子12の端部から端部の方向へ向けて形成される間隙部であり、半導体素子12の両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和部として機能する。
その他の構成、特に微細部分12mの幅d、電極20,21との接合方法、接合深度Dなどは、上述した第1実施形態と同一または同様であるので、ここでは説明を省略する。
以上の構成において、熱電素子2を用いて発電を行う時には、一方の電極20側面が高温にされ、他方の電極21側面が低温にされる。その際に、高温側が膨張し、低温側が収縮して、熱電素子2には高温側と低温側との熱膨張差により生じる熱応力が作用する。
ここで、本実施形態では、熱電素子2を構成する半導体素子12n,12pが複数の微細部分12mに分けられることによって、該微細部分12mのアスペクト比が増大され、熱電素子2の幅方向の剛性がより低下されている。そのため、高温側と低温側との熱膨張差により生じた熱応力が熱電素子2に作用した場合、熱電素子2(半導体素子12)が全体的により容易に変形する。
このように、本実施形態によれば、より容易に変形可能な構造とされているため、熱膨張差により生じる熱応力を熱電素子2の変形によって適切に緩和することができる。その結果、熱電素子2の熱応力による破壊を防止することが可能となる。その他、本実施形態によっても、上述した第1実施形態と同一または同様の効果を奏することができる。
(第3実施形態)
続いて、図9および図10を用いて、第3実施形態に係る熱電素子の構成について説明する。図9は、第3実施形態に係る熱電素子を構成する半導体素子13の斜視図である。また、図10は、図9に示された半導体素子13の平面図であり、スリットの形成方法を説明するための図である。
本実施形態に係る熱電素子は、図9に示されるように、該熱電素子を構成する半導体素子13に、一方の電極(図示省略)との接合面から他方の電極(図示省略)との接合面へ向けて形成された複数のスリット13sに加えて、他方の電極(図示省略)との接合面から一方の電極(図示省略)との接合面へ向けて複数のスリット13suが形成されている点で、上述した第1実施形態と異なっている。この場合、スリット13suは、半導体素子13の端部から端部の方向へ向けて形成される間隙部であり、半導体素子13の両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和部として機能する。
ここで、図10に示されるように、スリット13sによって画成される格子(図10の実線参照)とスリット13suによって画成される格子(図10の破線参照)とは、半導体素子13を平面視したときに、格子幅の半幅分前後左右にずれるように、すなわちそれぞれ互い違いになるように配置される。したがって、側面から見たときには、インターディジタル構造となるように配置されている。
また、本実施形態に係る熱電素子は、半導体素子13の他方の電極との接合部にも、上述したスリット13suによって複数の分割部分13dに分けられた当該接合部をさらに細かい微細部分13mに分ける複数の切り込み13cが形成されている点で、上述した第1実施形態と異なっている。その他の構成は、上述した第1実施形態と同一または同様であるので、ここでは説明を省略する。
以上の構成において、本実施形態に係る熱電素子を用いて発電を行う時には、一方の電極側面が高温にされ、他方の電極側面が低温にされる。その際に、高温側が膨張し、低温側が収縮して、熱電素子には高温側と低温側との熱膨張差により生じる熱応力が作用する。
ここで、本実施形態では、熱電素子を構成する半導体素子13が両端面から互い違いに形成されたスリット13s,13suによって、各分割部分13dのアスペクト比がより増大され、熱電素子の幅方向の剛性がより低下されている。そのため、高温側と低温側との熱膨張差により生じた熱応力が熱電素子に作用した場合、熱電素子が全体的により容易に変形する。
このように、本実施形態によれば、両端面から互い違いにスリット13s,13suが入れられることによって、各分割部分13dがばらばらに分離されることを防ぎつつ、各分割部分13dのアスペクト比を大きく取ることができる。そのため、熱電素子の製造工程などを比較的複雑にすることなく、より効果的に熱電素子の剛性を低下させることができる。その結果、熱膨張差により生じる熱応力を熱電素子の変形によって適切に緩和することができ、熱電素子の熱応力による破壊を防止することが可能となる。
また、本実施形態によれば、一方の電極との接続部のみならず、他方の電極との接続部も微細部分13mに分けられているので、該接合部の強度をも高めることができる。その他、本実施形態によっても、上述した第1実施形態と同一または同様の効果を奏することができる。
続いて、図11および図12を参照しつつ、第3実施形態に係る熱電素子3が複数接続されて構成された熱電モジュール90の構成について説明する。ここで、図11は、第3実施形態に係る熱電素子3により構成された熱電モジュール90を備える熱電発電装置100の断面図である。また、図12は、図11に示された熱電発電装置100における熱電素子3と伝熱フィン側電極102、モジュール冷却部材側電極104との接合方法を説明するための要部断面図である。
図11に示されるように、熱電発電装置100は、高温側の受熱部を構成する絶縁セラミックス製の伝熱フィン101と、低温側の放熱部を構成する絶縁セラミックス製のモジュール冷却部材103との間に、上述した第3実施形態に係るN型熱電素子3nとP型熱電素子3pとが電極20,21を介して交互に直列に接続された熱電モジュール90が配置されて構成されている。また、モジュール冷却部材103には複数の冷却水通路105が形成されている。この冷却水通路105には、冷却水配管(図示省略)が接続されており、冷却液が循環供給されることにより、モジュール冷却部材103が冷却される。
伝熱フィン101の熱電モジュール90との結合部には伝熱フィン側電極102が取り付けられている。伝熱フィン101および伝熱フィン側電極102それぞれには、断面櫛型形状の凹凸が形成されており、伝熱フィン101側の凹凸と伝熱フィン側電極102側の凹凸が嵌め合わされることによって、伝熱フィン101と伝熱フィン側電極102が結合されている。
また、モジュール冷却部材103の熱電モジュール90との結合部にはモジュール冷却部材側電極104が取り付けられている。モジュール冷却部材103およびモジュール冷却部材側電極104それぞれには、断面櫛型形状の凹凸が形成されており、モジュール冷却部材103側の凹凸とモジュール冷却部材側電極104側の凹凸が嵌め合わされることによって、モジュール冷却部材103とモジュール冷却部材側電極104が結合されている。
さらに、図12に示されるように、熱電モジュール90と、伝熱フィン側電極102およびモジュール冷却部材側電極104それぞれとが、高温で圧着接合されることによって結合されている。
このような構造を有する本実施形態に係る熱電発電装置100は、例えば、自動車の排気系の熱を回収して発電するように、伝熱フィン101が排気ガスの流通経路に臨んで設置される。そして、伝熱フィン101によって回収された排気ガスの熱が伝熱フィン側電極102を介して熱電モジュール90の一端の電極20に伝熱され、熱電モジュール90の他端の電極21からモジュール冷却部材側電極104を介してモジュール冷却部材103へ放熱されることにより、熱電モジュール90を構成する複数のN型熱電素子3nおよびP型熱電素子3pが起電力を発生して発電する。
本実施形態に係る熱電モジュール90によれば、上述した第3実施形態に係る熱電素子3により構成されることにより、熱電モジュール90の両端の温度差によって生じる熱応力による熱電モジュール90の破壊を防止することが可能となる。
また、熱電モジュール90によれば、電極20、伝熱フィン側電極102と伝熱フィン101との熱膨張率違いによる熱応力、および、電極21、モジュール冷却部材側電極104とモジュール冷却部材103との熱膨張率違いによる熱応力に対しても耐えることができる。
(第4実施形態)
続いて、第4実施形態に係る熱電素子の構成について説明する。図13(a)は、第4実施形態に係る熱電素子の正面図、図13(b)及び図13(c)は図13(a)のXIII−XIIIにおける半導体素子の断面図である。
本実施形態に係る熱電素子は、図13に示されるように、熱電素子を構成する半導体素子14にその端部から端部の方向へ向けて形成される間隙部14aを形成したものである。この間隙部14aは、半導体素子14の両端部の温度差による生ずる応力を緩和する応力緩和部として機能する。
熱電素子を用いて発電を行うときには、一方の電極が設けられた一端部が高温にされ、他方の電極が設けられた他端部が低温にされる。その際に、半導体素子14の高温側は膨張し、低温側は収縮する。その結果、半導体素子14には熱応力が作用する。これに対し、間隙部14aを形成することにより、半導体素子14と電極20、21の接続面と平行な方向に半導体素子14が変形しやくすなり、その方向への半導体素子14の剛性を低下させることができる。このため、半導体素子14の高温側の端部と低温側の端部の温度差により生じた場合、その熱応力を緩和することができる。従って、熱応力による半導体素子14の破壊を抑制でき、アスペクト比の小さい半導体素子14を用いて発電量を向上させることができる。
間隙部14aの断面形状は、図13(b)に示すように、例えば円形とされる。この場合、複数の間隙部14aを形成し、所定の間隔で配置することが好ましい。また、間隙部14aの断面形状は、図13(c)に示すように、例えば十字型とされる。この場合も、複数の間隙部14aを形成し、所定の間隔で配置することが好ましい。
この間隙部14aは、半導体素子14の端部から端部まで貫通させて形成してもよいし、一方の端部から他方の端部まで達しない位置まで形成してもよい。
この本実施形態に係る熱電素子において、他の実施形態におけるスリット、切り込みを形成してもよい。また、第3実施形態のように熱電モジュールに適用してもよい。
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記第1実施形態では、スリット11sの他端は他方の電極21との接合面には達していなかったが、該接合面までスリット11sを入れることによって複数の分割部分に分離してもよい。
また、半導体素子11,12,13の形状や材質は上記実施形態に限られるものではない。例えば、半導体素子11,12,13の形状は円柱状などであってもよい。
また、上記実施形態では、熱電モジュール90を構成する熱電素子として、第3実施形態に係る熱電素子3を用いたが、熱電素子3に代えて、第1実施形態に係る熱電素子1や第2実施形態に係る熱電素子2を用いてもよい。
本発明は、熱電素子及び熱電モジュールにおいて、素子の両端部の温度差により生ずる応力を緩和して熱応力による素子の破壊を抑制することができる。

Claims (7)

  1. 熱エネルギと電気エネルギとの間でエネルギを変換する素子と、
    前記素子の両端部に接続される一対の電極と、
    を備え、
    前記素子は、前記両端部の温度差により生ずる応力を緩和する応力緩和部が形成され
    前記応力緩和部は、一方の電極から他方の電極に向けて形成される間隙部として、前記素子を複数の部分に分けるスリットと、前記複数の部分をさらに微細部分に分ける切り込みとを備え、
    前記切り込みにより分けられた前記微細部分の短手方向の幅は、前記素子に生じる応力および前記素子の破壊靱性に基づいて設定されること、
    を特徴とする熱電素子。
  2. 前記複数の部分の一端は、前記素子のいずれかの一端と一致していることを特徴とする請求項に記載の熱電素子。
  3. 前記複数の部分を構成する各部分の短手方向の幅は、前記素子に生じる応力および前記素子の破壊靱性に基づいて設定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電素子。
  4. 前記電極の前記素子との接合部は、前記素子に形成された前記切り込みに嵌まるように形成されており、前記電極の前記接合部と前記素子の前記切り込みとが嵌め合わされることにより、前記素子と前記電極とが接合されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱電素子。
  5. 前記微細部分の短手方向の幅は、接合界面の電気抵抗と前記素子の電気抵抗率との比に基づいて設定されることを特徴とする請求項4に記載の熱電素子。
  6. 前記素子と前記電極との接合の深さは、接合界面の電気抵抗と前記素子の電気抵抗率との比および前記微細部分の短手方向の幅に基づいて設定されることを特徴とする請求項5に記載の熱電素子。
  7. 請求1〜のいずれか1項に記載の熱電素子が複数接続されて構成されていることを特徴とする熱電モジュール。
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