JPH05327033A

JPH05327033A - 熱電変換素子及び熱電発電装置

Info

Publication number: JPH05327033A
Application number: JP4123228A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shiono; 修塩野; Mitsuo Hayashibara; 光男林原; Asako Koyanagi; 阿佐子小柳; Masashi Oda; 将史小田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-05-15
Filing date: 1992-05-15
Publication date: 1993-12-10

Abstract

(57)【要約】【構成】基板表面１に形成した電気絶縁層５を介して、
その上の一方の表面にＰ型１０、一方の表面にＮ型半導
体１５をそれぞれ形成し、そのＰ型１０，Ｎ型半導体１
５を連結する連結電極２０またはそれぞれの半導体を用
いて作製したＰ−Ｎ接合を半導体の一端側に有し、半導
体１０，１５の他端側表面に一対の電力取り出し電極３
０を設け、この他端側の基板１の少なくとも一部を絶縁
層５及び半導体１０，１５より突出させる。【効果】熱電変換素子は従来よりも広範囲な用途で使用
でき、この素子を使用して構成された熱電発電装置は素
子の装着・脱着が容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱エネルギを電気エネ
ルギに変換する熱電変換素子及びその素子を備えた熱電
発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、例えば、特開昭59−22
2975号公報、図２に記載された熱電変換素子を図１７に
示す。これは素子の一端側にＰ−Ｎ接合８０を設け、他
端側に一対の電力取り出し電極３６を設けたものであ
る。この素子のＰ−Ｎ接合８０を加熱し、他端側を冷却
することにより、半導体に温度分布を形成し、素子に発
生した電力を一対の電力取り出し電極３６から得られ
る。

【０００３】また、蒸着法、あるいはスパッタリング法
等を用いて特開昭61−174780号公報、図１に記載される
様な薄膜アモルファス形状の素子も作られている。この
薄膜型熱電変換素子は基板と内部に流体の存在する管が
一体成形されており、基板上の電気的絶縁層を介して、
Ｐ型，Ｎ型半導体を形成し、この管に生じる温度分布
を、薄膜半導体に伝えて発電する。

【０００４】熱電変換素子の一つ当たりの熱起電力は現
状ではまだ小さいが、この素子を複数使用して図１８に
示す様な熱電発電装置を構成すれば、容易に大きな熱起
電力を得ることができる。この熱電発電装置は、例え
ば、電子技術総合研究所調査報告第２０８号、に記載の
様に、となり合う素子同士を直列接続し、その上に電気
的絶縁層９を形成したものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１７の様な
従来形状の熱電変換素子は、電流が流れる方向に対して
垂直方向、つまり、図において横方向から力が加わると
機械的強度に弱く、熱電素子の製造過程及び発電装置へ
の実装時に素子が破損し易い。

【０００６】また、薄膜素子は冷却源となる管と基板と
が一体成形されているので用途が極く限られたものにな
り、汎用性に問題がある。そして、基板と管を別々に構
成して密着させる手法も具体的な手段が明示されるには
至っていない。

【０００７】さらに、熱電変換素子を複数使用して構成
される図１８の様な熱電発電装置では素子が破損あるい
は劣化した場合、その交換作業が非常に困難である。

【０００８】以上の点をふまえて、本発明の第１の目的
は、機械的強度及び広範囲の用途で使用可能な熱電変換
素子を提供することにある。

【０００９】第２の目的は、劣化が生じにくい熱電変換
素子を提供することにある。

【００１０】第３の目的は、冷却源となる管を使用し
て、有効に温度差を得られる熱電変換素子を提供するこ
とにある。

【００１１】第４の目的は、交換作業が容易な、第１の
目的の効果を持つ熱電発電装置を提供することにある。

【００１２】第５の目的は、ソケットケースを交換する
だけで、素子の直列・並列接続を容易に変更できる熱電
発電装置を提供することにある。

【００１３】第６の目的は、ソケットケースに設ける配
線パターンを簡略化できる熱電発電装置を提供すること
にある。

【００１４】第７の目的は、ソケットケースを交換せず
に素子の取り付け方によって、第５の目的の効果を持つ
熱電発電装置を提供することにある。

【００１５】第８の目的は、素子とソケットケースに設
けたそれぞれの電極同士の電気的接触に優れた熱電発電
装置を提供することにある。

【００１６】第９の目的は、素子，ソケットケース，冷
却源となる管の取付部の熱伝導性が良好な熱電変換素子
を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
る手段は、素子を構成する基板の一部を突出させ、素子
に突出部を設けることにある。

【００１８】上記第２の目的を達成する手段は、熱電半
導体及び半導体連結部の表面部分に電気的絶縁層を形成
することにある。

【００１９】上記第３の目的を達成する手段は、冷却源
となる管を前記突出部に密着させて半導体表面に温度分
布を形成することにある。

【００２０】上記第４の目的を達成する手段は、ソケッ
トケースに前記熱電変換素子を一つ以上装着して熱電発
電装置を構成することにある。

【００２１】上記第５の目的を達成する手段は、ソケッ
トケースの素子挿入穴の一部とケース表面の一部に挿入
穴同士を結線する配線パターンを形成して、熱電発電装
置を構成することにある。

【００２２】上記第６の目的を達成する手段は、となり
合う素子の電力取り出し電極を密着させ、複数個のまと
まった状態で素子を挿入できるソケットケースの穴の一
部に電極を設けて、熱電発電装置を構成することにあ
る。

【００２３】上記第７の目的を達成する手段は、ソケッ
トケースの素子挿入穴を二つに分離し、その分離した表
面に電気的絶縁層を形成した、ソケットケースを複数個
使用して、熱電発電装置を構成することにある。

【００２４】上記第８の目的を達成する手段は、ソケッ
トケースの素子挿入穴の一部に弾力性のある導電性材料
で形成した電極を設けることにある。

【００２５】上記第９の目的を達成する手段は、管表
面，ソケットケース，熱電変換素子のそれぞれの取付部
間に、熱伝導性のあるペースト材またはシート材を用い
ることにある。

【００２６】

【作用】本発明の熱電変換素子は第１の手段により、基
板に機械的及び熱的強度の強い物質を選択すれば構造的
に、先に示した横方向からの力が加わっても素子が破壊
することは少なく、基板と管を切り離したので、簡便性
及び汎用性に優れた単体素子として市場に供給できる。

【００２７】第２の手段により、半導体及び電極の化学
的反応を抑えることができるので、素子特性の劣化を防
ぐこともできる。

【００２８】第３の手段により、自然冷却に比べて効率
よく冷却でき、半導体表面に温度分布を形成することが
できる。

【００２９】この熱電変換素子を組み合わせた熱電発電
装置は第４の手段により、ソケットケースの素子挿入穴
に素子の突出部を差し込む構造なので、個々の素子の交
換がしやすく、点検，修繕等が非常に容易にできる。

【００３０】第５〜７の手段により、発電装置内の熱電
変換素子の出力を容易に直列または並列接続型に変える
ことができる。

【００３１】第８の手段により、熱電変換素子とソケッ
トケースに設けたそれぞれの電極同士の接触を良好に
し、電気的開放状態を防ぐことができる。

【００３２】第９の手段により、取付部間で熱抵抗を低
減し、効率よく熱を伝達できる。

【００３３】

【実施例】図１，２または３は本発明の第１実施例であ
る。図１において、基板１は熱伝導率の高い金属，セラ
ミックス等の物質であれば良い。この基板１の表面に絶
縁層５を蒸着法やスパッタリング法等を用いて堆積させ
る。この絶縁層はＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃等、電気絶縁性の
物質を用いる。さらに、絶縁層５の表面にＰ型半導体１
０とＮ型半導体１５を堆積させ、その上の一端側に連結
電極２０を堆積させＰ−Ｎ接合部とする。この堆積させ
る半導体は薄膜，厚膜等の膜状でもバルク状でも良い。
他端側には電力取り出し電極３０を設ける。この電極は
熱電材料とオーミックに接触する物質を選択する。半導
体他端側の基板１は半導体１０，１５及び絶縁層５より
突出している。この突出部を冷接点，連結電極側を温接
点とする。このとき、熱電変換素子は基板１の温度分布
を半導体に伝えてこの半導体に生じる温度差により熱起
電力を生じる。

【００３４】本実施例に示す熱電変換素子の特徴は、こ
の突出部にある。第４実施例以降で述べる熱電発電装置
において、この突出部をソケットケースに差し込むこと
により素子を取り付けることができる。また、素子のど
れか一つでも壊れてしまったり、特性が劣化した場合
等、修理，修繕時の素子交換作業を容易に行うことがで
きる。そして、素子単体として市場に供給することもで
きる。さらに、この素子は基板上に半導体を形成させた
ものなので、基板に機械的及び熱的強度の強い材料を選
択することにより、素子に電流が流れる方向に対して垂
直、つまり図で上下方向からの力に対して強度を増すこ
とができる。

【００３５】図２は図１の連結電極２０を設ける代わり
に、連結部をＰ−Ｎ接合で代用したものである。連結電
極２０を使用せずに連結部を形成できるので製造工程を
簡略化することができる。さらに、金属−半導体接触に
よる接触抵抗や接合による障壁形成に関して考慮する必
要がない。また、図３は図１の素子で、基板１の最も大
きな面に温接点となる接合部を形成させたものである。
この構造は、Ｒ＝ρＬ／Ｓ（Ｒ：電気抵抗、ρ：電気抵抗率、Ｌ：電流が流れる方
向の素子の長さ、Ｓ：電流が流れる方向の素子の断面
積）の関係において、Ｌを小さく、Ｓを大きくした形で
あるため内部抵抗が低減され、大電流低電圧型の負荷に
好適な出力を得ることができる。

【００３６】図４に第２実施例を示す。これは図１にお
いて、半導体１０，１５表面及び半導体連結部を電気的
絶縁性のある物質７で被覆したものである。この絶縁層
は前述同様ＳｉＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃等を蒸着法やスパッタリ
ング法等を用いて堆積させるか、樹脂系材料を塗って形
成させる。この構造は半導体が高温で酸化反応を起こし
たり、構成元素が気化して抜けることにより格子欠陥を
生じる材料に対して有効である。すなわち、絶縁層７で
素子表面を保護することにより、素子特性の劣化を防止
できる。また、何らかの原因により素子同士が接触した
場合に、電気回路的な短絡防止にもつながる。

【００３７】図５に第３実施例を示す。これは図４で、
素子６０の突出部を、低温流体が存在する管５０に密着
させ、連結部側を温接点として基板に温度差を形成し、
その温度差を半導体表面に伝えて発電するものである。

【００３８】本実施例は、自然冷却に比べて冷却効率が
良く、直に電力取り出し電極部を冷やさないので、電極
表面は錆，腐食等による劣化を生じない。

【００３９】この図では素子突出部に冷却管５０を複数
個密着させたり、螺旋状にして巻き付けているが、本実
施例は図７のように突出部先端を冷却管５１に密着させ
た構成も含む。この管と突出部を密着させる手段には接
着剤，溶接等を用いた物理的方法やねじ，取付金具等を
用いた機械的方法があるが、汎用性に優れている機械的
方法を第４実施例として示す。

【００４０】次に、図６及び図７に第４実施例を示す。
この図中にはソケットケース４０内の配線は示していな
い。配線方法については第５及び第６実施例で示す。

【００４１】図６において、ソケットケース４０は少な
くとも図１ないし図４に示した素子の電力取り出し電極
３０及び３１まで全部入る凹部とさらにその凹部に素子
の突出部が入る凹部で構成される素子挿入穴５５を有す
る。ソケットケース４０の材質は熱伝導率の高い物質で
あれば良く、基板１と同様に金属，セラミックス等が挙
げられる。また、この例ではソケットケース４０の素子
挿入穴５５を取付管５１の長さ方向に対して垂直に並べ
てあるが、本実施例はこの穴部を平行に並べた構造も含
む。この凹部に、図７に示す様に熱電変換素子６１を取
り付け熱電発電装置を構成する。この熱電発電装置はソ
ケットケース４０に素子６１を差し込んだだけの簡単な
構造なので、素子が壊れたり、または、素子特性が劣化
したとき等、素子を容易に取り替えることができる。ソ
ケットケース４０と冷却源となる管５１の取付けは、ソ
ケットケース４０に素子６１を取り付けた側とは反対側
の表面を管５１に密着させる。このとき、ソケットケー
ス４０と管５１の固定には数本のねじ７５で簡単に取り
付けることができる。また熱源が振動を伴うものであっ
ても図に示すように一本のねじ７６でソケットケース４
０と素子６１を取り付けることができる。

【００４２】また、第３実施例で示したようにソケット
ケース４０の素子突出部を挿入する凹部を貫通させ、冷
却源となる管５１に熱電変換素子を直に密着させても良
い。このとき素子の突出部断面部は取付管５１の形状に
合わせて、完全に密着する様な形状にしておく。熱電発
電装置では、取付管５１にソケットケース４０を、ソケ
ットケース４０に素子６１を取り付ける際に、２カ所で
熱抵抗を考慮する必要があった。しかし、この構造をと
ると取付管５１に素子６１を直に接触できるので熱抵抗
を小さくすることができる。

【００４３】この熱電発電装置の具体的な用途は、自動
車の排気口に連結部側を挿入または密着させ、ラジエー
タ水の流れる管表面に突出部側を取り付けて使用する。
この熱電発電装置の特徴は取り付ける対象物の仕様に依
存せず、素子形状を用途に合わせて自由に変えることが
できるので、素子を取り付ける場所も仕様に合わせて自
由に選べる。

【００４４】図８及び図９に第５実施例を示す。図８は
素子６２の熱起電力を直列に接続するソケットケース４
１と素子６２で構成される熱電発電装置である。これは
ソケットケース４１上の凹部上下面に電極部３２を形成
させ、一方の凹部の下面と他方の凹部の上面同士がそれ
ぞれ電気的に接触するようにソケットケース４１表面に
電極２２を形成させたものである。ただし、電気回路的
な短絡を防ぐため、これ以外の凹面内や電極を形成した
ソケットケース表面は、電気絶縁性の物質で被覆してあ
る。尚、ソケットケース４１が導電性の物質であれば、
まずソケットケース表面と挿入穴を電気的絶縁層で被覆
してから電極部３２，２２を形成させる。また、ソケッ
トケース４１が導電性のない物質であれば、ケース表面
に配線パターンを作る代わりに、一方の凹部の下面と他
方の凹部の上面が貫通する穴を設け、その穴に導電性の
ある物質を入れてそれぞれの凹部同士が電気的に接触す
る様な構造でも良い。この素子挿入穴５６に熱電変換素
子６２をＰＮ，ＰＮまたはＮＰ，ＮＰの様に極性の向き
を常に同じにして取り付ける。

【００４５】次に、図９は素子６２の熱起電力を並列に
接続するソケットケース４２と素子６３で構成される熱
電発電装置である。これはソケットケース４２上の凹部
左面と下面、また、凹部右面と上面がそれぞれ電気的に
接触するように電極部を形成させ、一方の凹部の左下面
と他方の凹部の左下面同士、また、一方の凹部の右上面
と他方の凹部の右上面同士がそれぞれ電気的に接触する
ようにソケットケース表面に電極２８を形成させたもの
である。ただし左下面と右上面は電気的に接触しないよ
うに、また電極を形成したソケットケース表面は電気絶
縁性の物質で被覆してある。なお、並列接続の場合も前
述と同様に熱電変換素子６２をＰＮ，ＰＮまたはＮＰ，
ＮＰの様に極性の向きを常に同じにして取り付ける。

【００４６】この様に素子自身の仕様及び形状を変えな
くても、ソケットケースのみを代えることより容易に素
子の熱起電力を直並列接続に構成することができる。

【００４７】図１０に第６実施例を示す。これは図８の
素子挿入穴５６同士を密着させて素子６３単体同士のと
なり合う電力取り出し電極を密着させて、複数個のまと
まった状態で素子を挿入できる凹部を有するソケットケ
ース４３で構成した熱電発電装置である。尚、熱電変換
素子６３は第２実施例で示した素子を用いる。また、ソ
ケットケースの電極３２は素子６３の電力取り出し電極
を挿入する凹部の上端及び下端側に設ける。ソケットケ
ース４３の材質は同様に導電性のある物質であれば、ソ
ケットケース全体を電気的絶縁層で被覆した後に電極を
形成する。

【００４８】ソケットケース４３に素子６３を取り付け
ると各々の素子の電力取り出し電極同士が接触し合い、
電気回路的には図８と同様に素子の熱起電力を直列にし
たものとなる。これは図８と異なり、素子自身で直列接
続を形成しているのでソケットケースに施す配線パター
ンが簡略化される。

【００４９】図１１ないし図１４に第７実施例を示す。
図１１は前述した第５実施例の熱電発電装置、図８で、
ソケットケース４１の素子挿入穴５６を二つに分離でき
る様にしたものである。ソケットケース４１の材質には
導電性のある物質を用いる。そして、この分離した面の
表面、管に取り付ける側の表面及び素子突出部挿入穴表
面には電気的絶縁層８を形成してある。

【００５０】図１２は冷却源となる管５１にこのソケッ
トケース４４を取り付けたものである。ただし、管とソ
ケットケース及び個々のソケットケースが互いに接触し
ない様に取り付ける。例えば、取付ねじが導電性を示さ
ない物質で形成されていたり、導電性を示さない物質ま
たは表面に電気的絶縁層を形成したもので両者をくくり
付ける等である。このソケットケースの素子挿入穴５７
に素子の極性の向きをＰＮ，ＰＮまたはＮＰ，ＮＰと常
に同じになる様に取り付ければ、ソケットケース自身が
配線パターンの役目をし、素子の接続は電気回路的に直
列接続となり、熱起電力を得ることができる。

【００５１】また、図１３の様にソケットケース上に開
いている穴６５にケースと同じ材質、または電気伝導性
のある物質でできている図１４の様なパイプ状導電体７
０を取付け、そして素子の極性の向きをＰＮ，ＮＰまた
はＮＰ，ＰＮと常に互い違いに取り付ければ、一方のパ
イプがＰ型用，他方がＮ型用の電力取り出し電極とな
り、素子の接続を並列接続にすることができる。

【００５２】この様に、この熱電発電装置は素子挿入穴
を二つに分離できるソケットケース１組だけあれば、電
極や配線パターンを設ける必要がなく、熱電変換素子の
極性の向きを変えて取り付けるだけで直並列接続兼用の
使い方ができ、さらに、挿入穴の穴の数も取り付ける管
の仕様や使用者の利用の仕方等により自由に変えられる
ので汎用性が大幅に向上する。

【００５３】図１５及び図１６に第８実施例を示す。図
１５は第４ないし第７実施例における熱電発電装置にお
いて、ソケットケース４５に形成する電極３４を弾力性
のある導電性材料で形成したものである。この図に示し
た電極３４は家庭用電気コンセントケースに使用されて
いるものを想定したが、本実施例は図１７に示すばね状
電極３５も含む。

【００５４】この様な形状の電極をソケットケースに形
成することにより、熱収縮及び熱膨張や機械的作用によ
る変形によって、ソケットケースと素子の取付部間に数
ミリ程度の隙間が生じても電極間の電気的接触を保持す
ることができる。

【００５５】最後に、第９実施例を示す。

【００５６】本実施例は、例えば、図７で、取付管５１
にソケットケース４０を、ソケットケース４０に素子６
１を、または取付管５１に素子６１を取り付ける際に、
その取付部間に熱伝導の良好なペースト材やシート材を
挿入したものである。ペースト材及びシート材には熱伝
導度の高いＡｇ，Ｃｕ，Ａｌ系化合物等を用いる。これ
は先に示した第４実施例と比べて、簡単に熱抵抗を低減
することができる。また、実施例の熱電発電装置と併合
して使用すれば、さらに熱抵抗を低減することができ
る。尚、熱収縮や変形によって取付部に隙間ができる可
能性があるならば、ペースト材は、ある程度粘性のある
物質，シート材は弾力性のある物質を使用する。

【００５７】

【発明の効果】本発明の熱電変換素子は従来に比べて、
汎用性に優れ、この熱電変換素子を使用して構成された
熱電発電装置は簡便性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の要部を示す斜視図。

【図２】本発明の第一実施例の断面図。

【図３】本発明の第一実施例の断面図。

【図４】本発明の第２実施例の要部を示す斜視図。

【図５】本発明の第３実施例の要部を示す断面図。

【図６】本発明の第４実施例を示す要部を示す正面図。

【図７】側面図。

【図８】本発明の第５実施例の直列接続時の要部を示す
断面図。

【図９】並列接続時の正面図。

【図１０】本発明の第６実施例を示す要部の断面図。

【図１１】本発明の第７実施例を示す要部の断面図。

【図１２】直列接続時の要部を示す正面図。

【図１３】並列接続時の正面図。

【図１４】図１３で並列接続を可能にするパイプ状導電
体の説明図。

【図１５】本発明の第８実施例を示すソケットケース凹
部の電極形状を示す断面図。

【図１６】本発明の第８実施例を示すソケットケース凹
部の電極形状を示す断面図。

【図１７】一般の熱電変換素子を説明する斜視図。

【図１８】従来例を示す断面図。

【符号の説明】

１…基板、５…電気的絶縁層、１０…Ｐ型半導体、１５
…Ｎ型半導体、２０…連結電極、３０…電力取出し電
極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小田将史茨城県日立市森山町1168番地株式会社日立製作所エネルギー研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板表面に形成した電気絶縁層を介して、
その上の一方の表面にＰ型，他方の表面にＮ型半導体を
それぞれ形成し、前記Ｐ型，前記Ｎ型半導体を連結する
連結電極、または、それぞれの前記半導体を用いて作製
したＰ−Ｎ接合を前記半導体の一端側に有し、前記半導
体の他端側表面に一対の電力取り出し電極を設け、この
他端側の基板の少なくとも一部を前記電気絶縁層及び前
記半導体より突出させたことを特徴とする熱電変換素
子。
【請求項２】請求項１において、前記Ｐ型，前記Ｎ型半
導体及び前記半導体連結部の表面部分に電気絶縁層を形
成させた熱電変換素子。
【請求項３】請求項１または２において、冷却源として
水または空気等の低温流体が内部に存在する管を前記突
出部に密着させて使用する熱電変換素子。
【請求項４】請求項１または２の前記熱電変換素子にお
ける一対の電力取り出し電極を挿入する凹部と、前記凹
部に前記突出部を挿入する１組以上の凹部を有するソケ
ットケースに前記熱電変換素子を装着した熱電発電装
置。
【請求項５】請求項４において、前記ソケットケースの
各々の前記凹部内面の一方側及び他方側の表面に電極を
それぞれ設け、前記ソケットケースの表面の一部に一つ
の凹部と他の凹部を結線する配線パターンを形成した熱
電発電装置。
【請求項６】請求項４において、となり合う素子の電力
取り出し電極を密着させ、複数個の素子を挿入できる凹
部を設け、前記凹部内面の一方側及び他方側の表面に電
極を形成し、前記凹部に複数個の前記突出部を挿入する
凹部を設けた熱電発電装置。
【請求項７】請求項４において、前記熱電変換素子の突
出部を挿入する前記ソケットケースの凹部を二つに分離
し、その分離した表面に電気的絶縁層を形成した熱電発
電装置。
【請求項８】請求項４，５，６または７において、前記
熱電変換素子における一対の電力取り出し電極を挿入す
る凹部に設けた電極を弾力性のある導電性材料で形成し
た熱電発電装置。
【請求項９】請求項４，５，６，７または８において、
前記管表面とソケットケース、またはソケットケースと
熱電変換素子、または前記管表面と前記熱電変換素子の
取付部間に、熱伝導性のあるペースト材またはシート材
を装着した熱電発電装置。