JP5026733B2 - 熱電変換素子 - Google Patents
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また、本発明の熱電変換素子においては、傾斜角θは4.5°〜12.5°であることが好ましい。本発明の熱電変換素子は、電極間に熱電変換半導体材料を有するが、熱電変換半導体材料における、一方の面が前記電極の一方と接合する接合面と他方の面が前記電極の他方と接合する接合面とがともに傾斜平面である態様が好ましい。
本発明の熱電変換素子の第1実施形態を図1〜図6を参照して説明する。本実施形態の熱電変換素子は、チップ形状が4mm×4mm×4mmの立方体であるP型熱電材料チップおよびN型熱電材料チップの各一面並びに、電極のチップ接合領域に高さバラツキを吸収するための傾斜を形成して、P型熱電材料チップおよびN型熱電材料チップの対を17対並べて30mm×30mmの熱電変換素子としたものである。
本実施形態では、電極にTiCu合金(Ti3Cu4)電極を用い、N型熱電変換材料としてクラスレート化合物であるBa8Ga15Ge31を、P型熱電変換材料としてクラスレート化合物であるBa8Ga18Ge28を用いた場合を中心に説明する。
なお、線膨張係数は、TMA8140(理学電気(株)製)を用いて測定されるものである。
ΔT = ΔDtanθ (ΔD=D−w)
例えば、T=1mm、D=4.5mm、w=4mmのとき、吸収量ΔTは図4に斜線で示す領域となる。すなわち、傾斜角θ=4.5°〜12.5°の範囲で40〜110μm(=ΔT)の範囲で高さバラツキを吸収することができる。
まず、大サイズのP型の熱電変換半導体材料とN型の熱電変換半導体材料とを用意し、各熱電変換半導体材料を、図5−(a)に示すように、角度5°(θ)の傾斜を持つ試料台に載置して固定し、切断刃で切断することにより所定サイズ(幅w:4mm、厚みt:4mm)の材料片を形成する(ダイシング)。熱電変換半導体材料の切断は、公知の精密切断機、ワイヤーカッターなどを用いて行なうことができる。例えば、精密切断機による場合には、回転数3,500r.p.m.、送り速度0.05mm/minの条件にて行なえる。また、切断角度を精密に制御して切断する場合には、切断角度を制御するための専用治具を用いることができる。
本実施形態では、P型熱電材料チップとN型熱電材料チップとの対を17対とするので、それぞれ17個用意する。
本発明の熱電変換素子の第2実施形態を図7〜図12を参照して説明する。本実施形態は、電極および熱電材料チップのそれぞれに2面の傾斜面を設け、熱電材料チップを電極対で挟んだときに電極対の各々の側において高さバラツキの調整が可能なようにしたものである。
なお、図9は、第1電極23の傾斜面の傾斜方向を示す概念図であり、図10は、第2電極の傾斜面の傾斜方向を示す概念図である。
例えば、N型熱電材料チップ22は、N型熱電材料チップ22の一方の傾斜面において、図3に示す場合と同様にして、第1電極23に形成された傾斜面d2(図7および図11−(d)参照)と第1電極23の一端からの距離ΔDを残して接合すると共に、N型熱電材料チップ22の他方の傾斜面において、第2電極24aに形成された傾斜面a2(図7および図11−(a)参照)と第1電極23の一端からの距離ΔDを残して接合されており、傾斜面を互いに滑らせることによりΔT分の高さバラツキを吸収できるようになっている。
ΔT = 2ΔDtanθ (ΔD=D−w)
上記のように、第1実施形態との比較では、電極および熱電材料チップの高さバラツキの吸収能力を2倍に高めることができる。
本発明の熱電変換素子の第3実施形態を図13〜図17を参照して説明する。本実施形態は、電極および熱電材料チップの1面もしくは2面の傾斜面を設け、熱電材料チップを電極対で挟んだときに電極対の各々の側において高さバラツキの調整が可能なようにしたものである。
なお、図15は、第1電極33の傾斜面の傾斜方向を示す概念図であり、図16は、第2電極34a、34bの傾斜面の傾斜方向を示す概念図である。
例えば、P型熱電材料チップ31Paは、P型熱電材料チップ31Paの傾斜面α1(上面)において、図3に示す場合と同様にして、第1電極33に形成された傾斜面(例えばd2;図11−(d)参照)と第1電極33の一端からの距離ΔDを残して接合すると共に、P型熱電材料チップ31Paの傾斜面α1と反対側の傾斜面α2(下面)において、第2電極34aに形成された傾斜面(例えばd1;図11−(d)参照)と第1電極34aの一端からの距離ΔDを残して接合されており、傾斜面を互いに滑らせることによりΔT分の高さバラツキを吸収できるようになっている。
接合は、拡散接合により好適に行なえ、拡散接合については既述の通りである。
本発明の熱電変換素子の第4実施形態を図18〜図21を参照して説明する。本実施形態は、電極面に傾斜面を有する凹状の溝部を設けると共に、熱電材料チップ側には傾斜面を有する凸状の突部を設けて嵌込型の構造にし、高さバラツキの調整と接合時の横ズレ防止とが行なえるようにしたものである。
12,22,32Na,32Nb,32Nc,42…N型熱電材料チップ
13,23,33,43…第1電極
14,24a,24b,24c,34a,34b,44…第2電極
θ…傾斜角
Claims (7)
- 電極間に熱電変換半導体材料を有する熱電変換素子において、
P型の熱電変換半導体材料とN型の熱電変換半導体材料との単数対又は複数対を含み、前記熱電変換半導体材料と前記電極とが接合する接合面の少なくとも一方面が、前記電極の厚み方向に直交する電極面と傾斜角θをなす傾斜平面であり、該傾斜平面に沿って前記電極の厚み方向における熱電変換半導体材料の長さが調節された熱電変換素子。 - 前記P型の熱電変換半導体材料と第1の電極との接合面の少なくとも一方面および前記N型の熱電変換半導体材料と第2の電極との接合面の少なくとも一方面が傾斜平面である、P型の熱電変換半導体材料とN型の熱電変換半導体材料との単数対を含むことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換素子。
- 前記電極と接合された両端の各接合面の少なくとも一方面が前記電極面に対して傾斜する傾斜平面である熱電変換半導体材料を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電変換素子。
- 熱電変換半導体材料の前記電極と接合された両端の前記傾斜平面の一方の傾斜方向と他方の傾斜方向とが同一平面上でなす角度が90°であることを特徴とする請求項3に記載の熱電変換素子。
- 前記電極が、該電極の厚み方向に直交する電極面と傾斜角θをなす傾斜平面を有する凹状の溝部を備え、前記熱電変換半導体材料が前記溝部に嵌着して前記傾斜平面で接合されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 前記傾斜角θが、4.5°〜12.5°である請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 前記熱電変換半導体材料における、一方の面が前記電極の一方と接合する接合面、及び他方の面が前記電極の他方と接合する接合面がともに傾斜平面である請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
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