JPH03295281A - 熱電装置及びその製造方法 - 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 本発明はベ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有用な熱電装置及
びその製造方法に関する。

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（よ　第７図に示すように金属板１および金属
板２によってＮ型半導体３、もしくはＰ型半導体４を挟
み込へ　金属板１または２、もしくはその両方に基板７
を張り付けて熱電素子を保持する構成を有しており、両
側の金属板に温度差を与えることにより発電を行う力＼
　もしくは電圧差を与え電流を通ずることにより加熱と
冷却を行うものであ４ 特番へ　第７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装置であり、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
　他方が加熱されも第８図は　従来の熱電装置を冷暖房
用に使用した場合の例を示したものであム　このような
熱電装置（よ　中央に第７図に示したような熱電素子８
を配置Ｌ　２個のファン９、ファン１０によって外気１
１、１２を熱電素子表面に導いている。グリッド１３、
１４（戴　熱電素子８の表面と熱的に接触して熱電素子
８と外気１１、１２との伝熱面積を確保していも　外気
１１、１２ｆ！　　グリッド１３、１４より、加熱もし
くは冷却されて吹き出すものである。

また　このような熱電装置の製造方法は以下のように行
われていも　まず、半導体の製造は２種類または３種類
の金属または半金属へ　Ｐ型およびＮ型を形成するドー
プ元素を混入し　所定の形状に焼結成形を行う。このよ
うにして得られた半導体３または４の両面に金属板１お
よび２を半田付けし　交互に直列的に配列することによ
って製造されていも 発明が解決しようとする課題 しかしなが収　このような従来の熱電装置及びその製造
方法でζよ　半導体３または４はＢｉ、Ｔｅ等の元素か
らなり溶融　焼成等の手段を用いてバルクの状態で作ら
れ　半導体３または４と金属板１および２が半田付けに
より保持されており、セラミック等を用いた基板７カ（
張り付けられていも　そのため （ａ）希少金属を大量に使用するた数　材料コストが高
くなり、熱電装置の重量および容積が太きく　な２５゜ （ｂ）半導体素子や金属板を単独で用意し　それぞれを
一つづつ組み合わせなければならないので生産性が低し
も （ｃ）半導体と金属板との接合面が機械的に弱く、崩れ
やすく、大面積化が困難であり、重量もかさばる。

（ｄ）非常に脆く、たわみによって破損し易１．％（ｅ
）半導体と金属板との接合面において半Ｒろう等を使用
しているので、　ジュール熱による損失が大きい。

（ｆ）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ム　熱電素子の性能を著しく低下
させる。

（ｇ）半導体の断面積が大きいた数　加熱部から冷却部
への熱流が大きく、熱電装置の効率が低下する。

（ｈ）外気との熱交換面積を確保するグリッドと熱電素
子との接触熱抵抗が太き（〜 （１）熱電素子金属板から集中して発生する大量の熱を
空気と交換するたム　グリッドの伝熱面積を大きくする
必要があり、グリッドの長さが長くなりフィン効率が低
下し　金属板と外気との温度差を大きくとる必要があり
、効率が低下する。

等の課題があった 本発明は　上記問題点に基づき、半導体と金属の接合性
を改善して接触抵抗及び半導体内の熱流を抑える事が可
能で、その結果熱電素子のコストを大幅に低減すると共
に熱電性能を向上させることの出来る新規な構造の熱電
装置とその製造方法を提供するものである。

課題を解決するための手段 本発明による熱電装置（よ　絶縁性円筒状基板の外表面
上に　Ｐ型（またはＮ型）半導体薄膜　金属ａ、Ｎ型（
またはＰ型）半導体薄膜そして金属部の順の繰り返しで
、螺旋帯状に各半導体と金属部が電気的に導通するよう
に形成するという構成を有する。

まｔ二　本発明による熱電装置の製造方法（よ　絶縁性
円筒状基板の外表面に螺旋帯の一部となるように金属部
を形成し　前記絶縁性円筒状基板を円筒軸方向への並進
と軸周りの回転を同時に行いなが収　前記金属部の間に
マスクを通してＰ型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜を交互
に螺旋帯状に各半導体と金属部が電気的に導通するよう
に製膜すると言う構成を有すム 作用 上記手段による作用は次の通りであａ （ａ）熱電装置の加熱部と冷却部を離して設置すること
ができ、また半導体の断面積を小さくすることができる
た数　加熱部から冷却部へ半導体部を流れる熱流を減少
させることが可能となム（ｂ）熱電装置の半導体と金属
の接合面に半田等を使用せず、直接接合する構成として
いるた取接合面での電気抵抗によるジュール熱の発生を
抑えることができも （ｃ）基板上の薄膜は蒸着等によって成形できるので、
基板に種々の形状　材質のものを用いることが可能とな
ム （ｄ）基板を回転移動させながら連続的に半導体と金属
の接合を行っていく製造方法をとっているので生産性を
高くすることが出来も （ｅ）薄膜で熱電装置を構成しているので、熱電装置に
使用する金属の量も非常にわずかて済仏以上のことか収
　熱電装置の性能向上を図り、非常に高い生産性で、熱
電装置を作製することが出来も 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。

（実施例１） 本発明の熱電装置の実施例１の正面図を第１図へ　その
側面図を第２図に示す。

絶縁性円筒状基板１５にζ友　基板外周面の一部をくり
抜いて埋め込まれた　又はエツチング等で形成された金
属電極部１６と金属部１７が螺旋帯の一部を形成し　半
円周期で上下に分かれて配置されていも　金属電極部１
６は絶縁性円筒状基板１５の両端に設置されていも 絶縁性円筒状基板１５の外表面にｔＬ　　Ｐ型半導体薄
膜１８とＮ型半導体薄膜１９力丈　それぞれが螺旋帯の
一部を形成しながら交互に金属部と電気的導通を確保し
ながら製膜されている（図屯　破断線で示す半導体薄膜
１８間ζよ　このパターンが繰り返し形成されている）
。そして、金属電極部１６、Ｐ型半導体薄膜１８、金属
部１７そしてＮ型半導体薄膜１９が直列に連結していも
　（本実施例装置の製造方法については後述する）第１
図および第２図のような構成において金属電極部１６ａ
、１６ｂ間に電圧を加えることにより、−列に並んでい
る電極部１７と、Ｐ型半導体薄膜１８およびＮ型半導体
薄膜１９との接触部分へ　加熱もしくは冷却を行うこと
が出来も　あるいζよ　−列に並んでいる金属部１７と
、Ｐ型半導体薄膜１８およびＮ型半導体薄膜１９との接
触部分を加熱もしくは冷却することにより、金属電極部
１６ａ、　１６ｂ間に電圧を発生させることができも なおここで用いる絶縁性円筒状基板１５は　必ずしも正
確な円筒形状である必要はな（〜　またその材質に関し
てはできるだけ熱伝導率の低いものが望ましく− 本実施例でｃ友　　従来例と比較して、半導体と金属の
接合を容易にしかも確実にとることができるた教　金属
と半導体との接合面でのジュール熱による熱損失が減少
させることができる。また加熱部と冷却部を離して構成
し　しかも加熱部と冷却部の間に熱絶縁性物質を挿入す
ることも可能であるので、低温部と高温部の温度差を確
保することができも　以上の事か収　熱電装置の性能向
上を図ることができも　また使用する金属の量が非常に
わずかで済むという効果も有する。

（実施例２） 第３図は本発明の他の実施例を示したものであム 絶縁性円筒状基板２０の上下部分に（表　第２図で示し
た金属電極部１６と金属部１７と同様の位置に金属薄膜
２１が付着されており、絶縁性円筒状基板２０の両端に
は金属電極部２２が紙面に対して垂直方向に引き出され
ていも　そして、Ｐ型半導体薄膜１８およびＮ型半導体
薄膜１９が絶縁性円筒状基板２０の外表面上に金属薄膜
２１と電気的な導通を確保しながら螺旋帯の一部を形成
するようにそれぞれ交互に付着されていも金属薄膜２１
ζよ　真空蒸着、スパッタ等の方法により付着されてお
り、金属電極部２２、Ｐ型半導体薄膜１８、金属薄膜２
１そしてＮ型半導体薄膜１９が直列で互いに接続されて
いも このように本実施例では　従来例と比較して、金属部の
作製や、半導体部の作製が薄膜形成プロセスを用いて行
うことが出来るので、熱電装置の作製手順が簡便となる
。また　真空装置の中で連続的に金属と半導体の接合を
容易にしかも確実に行し＼　また加熱部と冷却部を離し
て構成しているので、金属と半導体との接合面でのジュ
ール熱による熱損失が減少し　低温部と高温部との温度
差を確保することができるなど、本実施例においても実
施例１と同様の効果を得ることが可能である。

（実施例３） 第４図は本発明による熱電装置の他の実施例を示したも
のであも 断熱壁２３を第１図および第２図で示した熱電装置の上
下金属部分を遮断するように２等分して設置してあム このような構成において、金属電極部１６ａ。

１６ｂ間にに電圧を加えることにより、空気流２４、２
５をファン（図示せず）により円筒軸に沿って、それぞ
れ反対方向に流すことにより、暖房及び冷房を行うこと
が可能となａ 本実施例で（よ　従来例と比較して、金属部と半導体部
の接合が脆いということがなく、半導体部で熱電装置を
機械的に支える必要もなｔ〜　また金属部の加熱部と冷
却部に直接外気を当てることが可能であり、加熱部と冷
却部を離して構成しである。この結果　熱電装置全体が
機械的に弱いことはなく、また外気を熱損失を少なくし
て加熱冷却することができ、低温部と高温部の温度差を
確保することができるた取　熱電装置の性能向上を図る
ことができも （実施例６） 第５図は本発明による熱電装置の他の実施例を示したも
のであム 第４図で示した熱電装置を断熱壁２６を共用しながら接
続して複数組　直列的に並べたものである。

このような構成において、電流を通じておいて加熱冷却
を行い空気流２７、２８を円筒軸に垂直な方向に沿って
、それぞれ反対方向に流すことにより、暖房及び冷房を
行うことが可能となる。

本実施例で（よ　第４図の場合と比較して、並列した金
属部に直接しかも長い距離にわたって外気を加熱冷却す
ることが出来るので、外気を熱損失をより少なく加熱冷
却することになり、熱電装置の性能向上を図ることがで
きる。

（実施例７） 第６図は本発明による熱電装置の製造方法の一実施例に
おける概略図を示したものであａ基板の外周面の一部を
くり抜いて埋め込んだ金属部を絶縁性円筒状基板２９上
に螺旋帯の一部を形成するように配置する（この金属部
はエツチング等で形成してもよい）。絶縁性円筒状基板
２９は　シャフト３０に固定されており、シャフト駆動
部３１によりシャフト軸に沿った前進とシャフト軸周り
の回転を同時に行いながら移動できる。

またＰ型土導体材ＫＮ型半導体材料がそれぞれ充填され
た坩堝３２、３３が加熱され（加熱手段は図示せず）、
絶縁性円筒状基板２９方向に蒸着か行えるようになって
いる。坩堝３２、３３（よ回転台３４の上に設置されて
おり、回転台駆動部３５により回転を行いながらマスク
３６により蒸着粒子の遮断が行われ　マスク３６中のス
リット部分を通して、それぞれ別々に交互に絶縁性円筒
状基板２９に蒸着が行える。マスク３６の下部にはシャ
ッター３７が設置されており、絶縁性円筒状基板２９を
蒸着粒子から完全に遮断することが出来る。シャフト駆
動部３１、回転台駆動部３５とシャッター３７は制御系
３８によりそれぞれが同期して作動するように制御を受
けている。

このような構成において、まず絶縁性円筒状基板２９の
一端の電極部分をマスク３６中のスリット部分の所に合
わせて停止させ、回転台３４を停止させ、シャッター３
７を閉じておいて坩堝３２、坩堝３３の加熱を行う。坩
堝３２、坩堝３３が蒸着の行える所定温度まで加熱され
た仮　シャッター３７を開き、シャフト３０の駆動を行
い絶縁性円筒状基板２９の移動を開始す＆Ｎ型またはＰ
型半導体の蒸発粒子をマスク３６中のスリット部分を通
して電極部　絶縁服　次の金属部へ螺旋状に蒸着を行っ
た後、シャッター３７を閉じ回転台３４を回転し坩堝を
交換すム　その阪　絶縁性円筒状基板２９の金属部にＰ
型半導体薄膜とＮ型半導体薄膜力（半導体同士が接触す
ることなく金属部と接続するように制御系３８により制
御を行う。

そして、絶縁性円筒状基板２９の他端の電極部まで連続
的に同様の蒸着を行う。

このような製造方法を用いることで金属と半導体を連続
的に生産性が高く接続できることが可能となも なお本実施例においては　半導体薄膜の作製方法を坩堝
の加熱蒸着とした力＜、ＥＢ加熱法　スパッタａ　　Ｉ
ＣＢ法等の方法を用いても構わな（−またＰ型およびＮ
形半導体薄膜を作製するためにそれぞれを２元以上の坩
堝の同時蒸着としても構わなり′Ｙｏ　　さらに坩堝部
は回転方式でなく、直線的に移動させる方法　また（友
　坩堝部を固定しシャッターを切り換える方法を用いて
も構わなＩ、％また　同様の製造方法を用いて、金属部
を金属薄膜で作製し　続いて連続的に半導体薄膜を蒸着
して熱電装置を製造する方法を用いても構わな（−本実
施例では　従来の製造方法と比較して、半導体薄膜を絶
縁性基板および金属部の表面に直接、連続的に蒸着する
製造方法としているので、基板に種々の種類を用いるこ
とができ、しかも準備が簡便で、また熱電装置完成まで
の工程も少なく、使用する金属の量も非常にわずかで済
ますことが可能となる。この結果　熱電装置の生産性を
大きく向上し　コストの低減を図ることが可能となる。

発明の効果 以上のように本発明の熱電装置は　絶縁性円筒状基板の
外表面上に　Ｐ型（またはＮ型）半導体薄膜　、金属部
、Ｎ型（またはＰ型）半導体薄膜そして金属部の順の繰
り返しで、螺旋帯状に各半導体と金属部が電気的に導通
するように構成されているので、使用する金属等の量は
非常にわずかであり、用途に合わせた形状の基板を用い
ることかでき、また熱電性能を向上することが出来ると
いう効果を有する。

また　本発明の熱電装置の製造方法によれば生産性が高
くなり、用いる材料も非常に少なくて済へ　コストが低
減できるという効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の熱電装置の正面１第２図は
第１図の装置の側面医　第３＠　第４皿第５図はそれぞ
れ本発明の熱電装置の他の実施例の構成医　第６図は本
発明の熱電装置の製造製造装置の概略斜視医　第７図は
従来の熱電装置の斜視医　第８図は従来の熱電装置の正
面図である。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性円筒状基板の外表面上に、Ｐ型（またはＮ
   型）半導体薄膜、金属部、Ｎ型（またはＰ型）半導体薄
   膜そして金属部の順の繰り返しで、螺旋帯状に各半導体
   と金属部が電気的に導通するように形成されていること
   を特徴とした熱電装置。
2. （２）金属部が螺旋帯の一部となるように周期的に配置
   されていることを特徴とする請求項１記載の熱電装置。
3. （３）半円周期で金属部列を形成した絶縁性円筒状基板
   の外表面上に、円筒軸を含む平面と並行に断熱壁を設置
   し、前期半円周期の金属部列を隔離していることを特徴
   とする請求項２記載の熱電装置。
4. （４）請求項３記載の熱電装置を断熱壁の部分を共用し
   て連結し、複数個並べたことを特徴とする熱電装置。
5. （５）絶縁性円筒状基板の外表面に螺旋帯の一部となる
   ように金属部を形成し、前記絶縁性円筒状基板を円筒軸
   方向への並進と軸周りの回転を同時に行いながら、前記
   金属部の間の絶縁部分に、マスクを通してＰ型半導体薄
   膜とＮ型半導体薄膜を交互に螺旋帯状で、各半導体と金
   属部が電気的に導通するように製膜することを特徴とす
   る熱電装置の製造方法。
6. （６）金属部を蒸着により金属薄膜として作製する請求
   項５記載の熱電装置の製造方法。