JPH02198179A - 熱電素子および熱電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はペルチェ効果を利用し、電気的に冷房もしくは
暖房を行う空調装置、もしくはゼーベック効果により温
度差を用いて発電を行う発電装置等に用いる熱電素子及
びの熱電素子の製造方法に間する。

従来の技術 従来、熱を電気に変換し、もしくは電気を熱に変換する
熱電素子は、第４図の従来例に示す様に金属板１、及び
金属板２によってＰ型半導体４、もしくはＮ型の半導体
３を挟み込む構成を有し、両側の金属板の温度差により
発電を行い、もしくは両側の金属板に電位を与え電流を
通ずることにより冷却を行うものである。

例えば、第４図の従来例はＮ型の半導体３とＰ型の半導
体４を交互に直列的に配列した熱電素子であり端子５と
端子６間に電位を与えると、金属板の一方が冷却され、
他方が加熱される。このような従来の熱電素子は焼成に
より半一体３．４が形成されているために非常に脆く冷
却側もしくは加熱側の少なくても一方は基板７により固
定されている。

発明が解決しようとする課題 このような従来の熱電装置では、第４図にみられるよう
に半導体３．４が焼成した結晶体により作られているた
め非常に脆く、基板７がないと振動や衝撃によって容易
に崩れるため、一般には金属板１または２、もしくはそ
の両方にセラミックを張り付けて熱電素子を保持してい
る。しかし、これらの基板は熱抵抗となり熱電素子の加
熱側と冷却側の温度差を増加させるため、熱電素子の性
能を著しく低下させる。またこれらの基板は熱電素子の
剛性を増すが、曲げられないため、曲面等の冷却や加熱
には接触性が悪くなり接触抵抗による効率の低下を来す
という課題がある。また、半導体と金属板が半田付けに
より保持されているので接合が弱く、崩れやすく、大面
積化が困難であり、重量もかさばるという課題もあった
。

本発明は、これらの従来技術の課題に鑑み、ペルチェ効
果を生じる薄膜材料を用いて、性能が高く、フレキシブ
ルで軽量な熱電素子及びその製造方法を提供することを
目的とするものである。

課題を解決するための手段 本発明による熱電素子は上記の課題を解決するために、
ペルチェ効果を生じる半導体と金属を薄い板状もしくは
膜状にして基板を設けることなく接合するという手段、
またその半導体と金属を直列的に接合すると共に、金属
を湾曲させ、コルゲート状にするという手段、およびそ
のコルゲート状の熱電素子を電気的に絶縁され、かつ熱
的に接触した放熱板によって挟み込むと共に、前記放熱
板間を真空とする手段を用いる。

また本発明による熱電素子を作製するための方法として
、基板上にペルチェ効果を生じる半導体と金属を薄い板
状もしくは膜状にして形成させ、しかる後前記基板を溶
出または蒸発または燃焼させる製造方法を用いる。

作用 上記のような構成もしくは手段によって、得られる作用
は次の通りである。

１、基板を用いず熱電素子を構成しているため外部のヒ
ートシンクとの間の熱抵抗が少なく、効率を向上させる
ことができる。

２、基板を用いず、薄い板もしくは薄膜で構成している
ためにフレキシブルで軽いばかりでなく半導体の使用量
も少なく材料費を低減できる。

３、半導体と金属を直列的に接合すると共に、金属を湾
曲させ、コルゲート状にしているために薄い板もしくは
膜状であるにも係わらず圧縮に強く、変形しにくいが、
曲面等への形状変形が容易であり、自由度が高い。

４、変形が容易な金属部を湾曲させてコルゲート状にし
ているため製作が容易であり、放熱量の調整が容易であ
り、またフィン効率の高い放熱フィンとすることができ
る。

５、コルゲート状の熱電素子を電気的に絶縁され、かつ
熱的に接触した放熱板によって挟み込むと共に、放熱板
間を真空としているために放熱側から、冷却側への漏れ
熱量が少なくなり、総合的な冷却もしくは加熱性能が向
上する。

６、基板上にペルチェ効果を生じる半導体と金属を薄い
板状もしくは膜状にして形成させ、しかる後前記基板を
溶出または蒸発または燃焼させる製造方法を用いている
ので、行程が簡単であり作成が容易である。

７、薄い板状もしくは膜状の半導体と金属を基板上で直
列的に接合し、前記金属を基板と共に湾曲させてコルゲ
ート状にした後基板材料を溶出もしくは蒸発もしくは燃
焼させて取り除くという工法を用いているので、湾曲部
の破れ、半導体の破損のない安定な製造が期待できる。

実施例 以下に本発明による実施例を図面により説明する。

第１図は本発明によろ熱電素子の一実施例であるコルゲ
ート熱電素子の概略構成を示したものである。

第１図において、薄膜状のＰ型半導体８とＮ型半導体９
は真空蒸着、溶射等の方法で製膜され、薄い銅板１０と
接続されている。銅板１０はそのほぼ中央部が湾曲する
構造となっており、熱電素子全体としてはコルゲート状
になっている。このコルゲート状の熱電素子は絶縁［１
１を介して放熱板１２および放熱フィン１３と熱的に接
合されている。またこの放熱板１２と放熱フィン１３は
その端面にて溶接されておりその内部は真空状態に保つ
ようにしている。

このような素子構成をとることによる作用効果には、次
のようなものがある。まず基板のない鋼板ｌＯと半導体
薄膜８．９のみにより熱電素子部を構成しているので、
素子の高温側から低温側への熱損失が少なく素子効率が
高い。また余分な樹脂等を用いないのでガス発生が少な
く、真空状態の経時的な劣化が少なく、熱電素子外部の
熱源からの熱損失は非常に少ない。そのため冷却もしく
は加熱効率は著しく向上する。また銅板１０と半導体８
．９をコルゲート状にして熱電素子構成しているので圧
縮応力に強いため、放熱板１２を薄くしても大気圧に十
分耐えうろことができ、放熱板による熱抵抗も小さくで
きる。本実施例では放熱フィンの熱電素子と接する面の
形状を平面としているか熱電素子はフレキシブルである
ため曲面とすることも可能であり、放熱フィンの形状に
応じた自由度の高い構成とできる。つまり本発明によっ
て非常に効率が高く、形状の自由度の高い冷却もしくは
加熱素子を実現できる。この熱電素子はもちろん放熱板
１２と放熱フィン１３のない状態でも使用することがで
きる。その場合には銅板１０を放熱用のフィンとするこ
とができる。その場合、冷却側と加熱側の放熱量に応じ
て、鋼板ｌＯの長さを変化させれば、より経済的で、軽
く、効率の高い熱電素子となる。また本実施例では熱電
素子を放熱板１２にパターニングした電極の上に接続す
るという構成をとっているので非常に製造が容易であり
負荷による設計変更も容易である。

もちろん本発明によるこの構成を有する熱電素子はゼー
ベック効果によって熱源の熱を電気に変換する際にも使
用が可能であり、その場合にも同様な効果を生じること
は言うまでもない。

第２図は第１図の熱電素子の製造方法の概略を示したも
のである。工程は（ａ）、　（ｂ）、　　（Ｃ）とすす
む。まず樹脂製の基板１４の上部に膜吠の銅１０を真空
蒸着により間隙１５をおいて製膜する（ａ）。もちろん
この膜ｌＯはメツキまたは溶射等の方法により製膜して
もよい。次に間隙１５に半導体８．９を真空蒸着もしく
は溶射によって製膜し電気的に銅１０と接触させる（Ｉ
））。つぎに銅１０を折り曲げてコルゲート状にし、そ
ののち、基板１４を溶出、もしくは蒸発、もしくは燃焼
させて取り除き（Ｃ）に示した基板のないコルゲート状
の熱電素子とするものである。この工程によって銅１０
のプレスによる曲げ加工時の引っ張りによる半導体８．
９の剥がれがなくなり、銅１０の破れも少なくなる。

第３図は本発明の一実施例の積層型熱電素子とその製造
過程を示すものである。この形状は第４図に示した従来
の熱電素子と構成的にはほぼ同じである。ただ、この実
施例においては銅膜１６．１６゛半導体１７．１８が薄
膜で作られかつ真空蒸着によっているため、製膜時に、
必ず基板２０が必要であり、熱電素子のパターンを作り
出すときのレジスト１９が残ってしまう点が異なってい
る。

それゆえこのレジストと基板を燃焼させると共にその熱
によって、半導体１７．１８をアニーリングすることで
結晶性を増し性能向上を図っている。

第３図（ｂ）は、レジスト１９と基板２０を燃焼させた
後の構成を示しており、薄膜であるため非常に柔軟であ
りかつ、曲げに強い。また半導体１７、ｌ８と銅膜１６
．１Ｂ’とはいわゆる金属間接合をしているため電気抵
抗が低く、かつ機械的に強固である。

以上説明したように、本発明による熱電素子は、ペルチ
ェ効果を生じる半導体と金属を薄い板状もしくは膜状に
して基板を設けることなく接合するという構成を基礎に
して、その半導体と金属を直列的に接合すると共に、金
属を湾曲させ、コルゲート状にするという構成、および
そのコルゲート状の熱電素子を電気的に絶縁され、かつ
熱的に接触した放熱板によって挟み込むと共に、前記放
熱板間を真空とする構成を用いたものであり、その熱電
素子を作製するための方法として、基板上にペルチェ効
果を生じる半導体と金属を薄い板状もしくは膜状にして
形成させ、しかる後前記基板を溶出または蒸発または燃
焼させる製造方法を用いたために、次のような効果を奏
する。

即ち、１．熱電素子を薄膜もしくは薄い板で構成し、基
板をもちいていないために外部のヒートシンクとの間の
熱損失が少なく効率が高い。２．非常にフレキシブルで
軽く材料費も安価ある。３．またコルゲート状にしてい
るため、圧縮に強く、かつフレキシブルである。４．真
空中に熱電素子を封入したため、放熱側から、冷却側へ
の漏れ熱量が少なくなり、総合的な冷却もしくは加熱性
能が向上する。また製造法に関しては、５．基板上に半
導体と金属を薄い板状もしくは膜状にして形成させ、し
かる後前記基板を溶出または蒸発または燃焼さする製造
方法を用いているので、行程が簡単であり作成が容易で
あるばかりでなく、歩留りよく製造できる。

発明の効果 このように、本発明は、性能が高く、フレキシブルで軽
量な熱電素子を安定に歩留りよく生産することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の熱電素子の斜視図、第２図
は第１図の熱電素子の製造方法の実施例の概略工程図、
第３図は本発明の他の実施例である積層型熱電素子の製
造方法を示す工程図、第４図は従来の熱電素子の斜視図
である。 ３．４．８．９・・・半導体、１３・・・放熱フィン、
７．２０・・・基板、　１５・・・熱電素子。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝はか１名硼１１　鳳　
を矛コ 馬 ■ 第 図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）ペルチェ効果を生じる半導体と金属が薄い板状も
   しくは膜状にされて、基板を設けることなく接合された
   ことを特徴とする熱電素子。
2. （２）ペルチェ効果を生じる薄い板状もしくは膜状の半
   導体と金属が直列的に接合されると共に、前記金属が湾
   曲され、コルゲート状にされたことを特徴とする請求項
   １記載の熱電素子。
3. （３）ペルチェ効果を生じるごとく接合した薄い板状も
   しくは膜状の半導体と金属が、電気的に絶縁され、かつ
   熱的に接触した放熱板によって挟み込まれると共に、前
   記放熱板間が真空とされたことを特徴とする熱電素子。
4. （４）溶剤により溶出可能な基板上にペルチェ効果を生
   じる半導体と金属を薄い板状もしくは膜状にして形成し
   、しかる後前記基板を溶出消去させることを特徴とする
   熱電素子の製造方法。
5. （５）蒸発もしくは燃焼可能な基板上にペルチェ効果を
   生じる半導体と金属を薄い板状もしくは膜状にして形成
   させ、しかる後前記基板を蒸発もしくは燃焼させて取り
   除くことを特徴とする熱電素子の製造方法。
6. （６）ペルチェ効果を生じる薄い板状もしくは膜状の半
   導体と金属を基板上で直列的に接合し、前記金属を基板
   と共に湾曲させてコルゲート状にした後基板材料を溶出
   もしくは蒸発もしくは燃焼させて取り除くことを特徴と
   する熱電素子の製造方法。