JPH0697514A - Thermoelectric conversion device - Google Patents
Thermoelectric conversion deviceInfo
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- JPH0697514A JPH0697514A JP3290136A JP29013691A JPH0697514A JP H0697514 A JPH0697514 A JP H0697514A JP 3290136 A JP3290136 A JP 3290136A JP 29013691 A JP29013691 A JP 29013691A JP H0697514 A JPH0697514 A JP H0697514A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は，Ｎ型及びＰ型の極性ユ
ニットを基本ユニットとし，ゼーベック効果によって熱
的エネルギーを電気的エネルギーに，又は，ペルチェ効
果によって電気的エネルギーを熱的エネルギーに変換す
る熱電気変換装置に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention uses N-type and P-type polar units as basic units and converts thermal energy into electric energy by the Seebeck effect or electric energy into thermal energy by the Peltier effect. The present invention relates to a thermoelectric conversion device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ゼーベック及びペルチェ効果を原理とす
る熱電変換素子及びそれによって構成されるモジュール
の開発は古くからなされている。既に，開発されている
従来のモジュールは，それなりにコンパクトに纏ってい
る。その後，現在に至るまで，その基本的構造は，殆ど
変化していない。このモジュールは，平板的であり，熱
的には並列に，電気的には直列的に結合されている。2. Description of the Related Art The thermoelectric conversion element based on the Seebeck and Peltier effect and a module constituted by the same have been developed for a long time. The existing modules that have already been developed are compact as they are. Since then, its basic structure has hardly changed. The module is flat and thermally coupled in parallel and electrically coupled in series.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】モジュールがこのよう
な構造を採るとき，モジュールの厚みが薄い為に，素子
対の両端で，大きな温度差を取ることは難しい。これを
可能ならしめる為には，本体モジュールの数倍から数十
倍も大きな体積を持つ放熱板を，素子対の低熱源側に取
り付けなければならない。この場合，モジュールの高温
側及び低温側の両面間に大きな熱歪みを生じせしめる。
この歪みは，モジュールに使用されている素子材チップ
の破壊の避けることのできない大きな原因の一つになっ
ている。以上の構造上の欠陥を改善しない限り，この熱
電気変換効率を飛躍的に向上させることはできない。When the module has such a structure, it is difficult to obtain a large temperature difference between both ends of the element pair because the module is thin. In order to make this possible, a heat sink with a volume that is several to several tens of times larger than the body module must be attached to the low heat source side of the element pair. In this case, a large thermal strain is caused between the high temperature side and the low temperature side of the module.
This distortion is one of the unavoidable major causes of destruction of the element material chips used in the module. Unless the above structural defects are improved, this thermoelectric conversion efficiency cannot be dramatically improved.
【０００４】ところで，本発明者らは，先に複数の孔を
有する耐熱絶縁材のなかで，単結晶を成長させたＮ型及
びＰ型極性ユニットを提案している（特願平３−１８５
３１８号，以下，参考文献１と呼ぶ）。この極性ユニッ
トに単結晶材チップを用いるとき，素子材チップの有効
断面積が大きくなり，その内部抵抗は，従来の素子材の
内部抵抗よりも小さくなるので，ユニットには，低電圧
で，大電流が流れる。従って，この極性ユニットは，大
型装置の中で使用する場合には，大変好都合である。し
かし，小型装置で使用する場合には，このユニットの中
を流れる電流は非常に大きく，更に，電圧が非常に低い
為に，その取り扱い，又はその設計が難しいという欠点
を有する。By the way, the present inventors have previously proposed N-type and P-type polar units in which a single crystal is grown among heat-resistant insulating materials having a plurality of holes (Japanese Patent Application No. 3-185).
No. 318, hereinafter referred to as Reference Document 1). When a single crystal material chip is used for this polarity unit, the effective cross-sectional area of the element material chip becomes large and its internal resistance becomes smaller than the internal resistance of the conventional element material. An electric current flows. Therefore, this polar unit is very convenient when used in large equipment. However, when used in a small device, the current flowing through the unit is very large, and further, the voltage is very low, which makes it difficult to handle or design.
【０００５】そこで，本発明の技術的課題は，熱歪みに
対しても強く，小型で且つ設計の容易である極性ユニッ
トとそれを用いた熱電気変換装置を提供することにあ
る。Therefore, a technical object of the present invention is to provide a polar unit which is strong against thermal strain, small in size, and easy in design, and a thermoelectric conversion device using the polar unit.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】本発明では，先に出願さ
れた参考文献１の極性ユニットに使用された単結晶素子
チップの有効面積を小さくするために，多孔性耐熱絶縁
材の孔の中で単結晶素子材膜を形成させるか，或いは
又，素子材チップをこの孔の中に挿入せずに，この孔の
内壁に上記素子材膜を形成させている。即ち，その孔の
内壁にＮ型及びＰ型半導体膜を形成し，これを極性ユニ
ットとしている。以上のようにして，構成された極性ユ
ニットと，高温及び低温熱伝達管及びシステム連結帯を
もって，基本ユニットを構成している。According to the present invention, in order to reduce the effective area of the single crystal element chip used in the polar unit of the previously-referenced reference 1, the inside of the holes of the porous heat-resistant insulating material is reduced. Or the element material chip is not inserted into the hole, but the element material film is formed on the inner wall of the hole. That is, N-type and P-type semiconductor films are formed on the inner walls of the holes, and these are used as polar units. The polar unit constructed as described above, the high-temperature and low-temperature heat transfer tubes, and the system connecting band form a basic unit.
【０００７】本発明によれば，耐熱絶縁体に設けられた
複数の貫通孔の内壁をＮ型又はＰ型半導体化合物膜で被
覆したことを特徴とする熱電気変換装置用極性ユニット
が得られる。According to the present invention, it is possible to obtain a polar unit for a thermoelectric conversion device, characterized in that the inner walls of a plurality of through holes provided in the heat resistant insulator are coated with an N-type or P-type semiconductor compound film.
【０００８】本発明によれば，前記熱電気変換装置用極
性ユニットにおいて，前記耐熱絶縁体の貫通孔が，テー
パ状内壁面を有することを特徴とする熱電気変換装置用
極性ユニットが得られる。According to the present invention, in the polar unit for thermoelectric converter, the polar unit for thermoelectric converter characterized in that the through hole of the heat-resistant insulator has a tapered inner wall surface.
【０００９】本発明によれば，前記したいずれかの熱電
気変換装置用極性ユニットのうちＮ型半導体化合物膜を
有するＮ型半導体ユニット及びＮ型半導体化合物膜を有
するＰ型半導体ユニットと，前記Ｎ型半導体ユニット及
びＰ型半導体ユニット間に交互に配された高温熱流伝達
管及び低温熱流伝達管と，少なくとも前記Ｎ型半導体ユ
ニット及びＰ型半導体ユニットを覆うシステム連結帯と
から構成されることを特徴とする熱電気変換装置が得ら
れる。According to the present invention, an N-type semiconductor unit having an N-type semiconductor compound film and a P-type semiconductor unit having an N-type semiconductor compound film among the above-mentioned polar units for thermoelectric converters, and the N-type semiconductor compound film, Type semiconductor units and P type semiconductor units are alternately arranged between the high temperature heat transfer pipes and the low temperature heat flow transfer pipes, and a system connection band covering at least the N type semiconductor unit and the P type semiconductor unit. A thermoelectric conversion device is obtained.
【００１０】ここで，本発明の基本ユニットは，装置設
計の仕様に応じて，複数個直列に連結していく。このＮ
型及びＰ型半導体膜の形成をするために，スパッタリン
グ等が使用されるとき，上記孔は，円錐状の又末広がり
的形状を持つ方が，膜の形成は容易である。Here, a plurality of basic units of the present invention are connected in series according to the specifications of the device design. This N
When sputtering or the like is used to form the p-type and p-type semiconductor films, it is easier to form the film if the holes have a conical or divergent shape.
【００１１】[0011]
【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
説明する。図１は本発明の一実施例に係る熱電気変換装
置の極性ユニットを示す図である。図２（ａ），（ｂ）
は図１の極性ユニットに用いる耐熱絶縁体を示す断面図
及び正面図である。図１，図２（ａ）及び（ｂ）を参照
して，複数の円柱状の貫通孔ａ，１ａ…を有する板状の
耐熱絶縁体１の内壁面にＰ型半導体化合物膜２を形成
し，このＰ型半導体化合物膜２が形成された耐絶縁体１
の両面を金属接合板３，４で覆い，Ｐ型半導体ユニット
２０を形成している。Embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a polar unit of a thermoelectric converter according to an embodiment of the present invention. 2 (a), (b)
2A and 2B are a sectional view and a front view showing a heat resistant insulator used in the polar unit of FIG. Referring to FIGS. 1, 2A and 2B, a P-type semiconductor compound film 2 is formed on the inner wall surface of a plate-shaped heat-resistant insulator 1 having a plurality of cylindrical through holes a, 1a. , Insulator 1 having this P-type semiconductor compound film 2 formed
Both surfaces are covered with metal bonding plates 3 and 4 to form a P-type semiconductor unit 20.
【００１２】尚，Ｎ型半導体ユニットも，Ｐ型半導体ユ
ニットと同様に貫通孔内の内壁面にＮ型半導体化合物膜
２を形成して構成されている。The N-type semiconductor unit is also constructed by forming the N-type semiconductor compound film 2 on the inner wall surface in the through hole similarly to the P-type semiconductor unit.
【００１３】また，耐熱絶縁体の孔内に形成する半導体
化合物膜の膜厚を適当に制御することによって，上記素
子材チップの内部抵抗を調整することができ，その制御
によって，任意の出力電圧を設計することが可能であ
る。Further, by appropriately controlling the film thickness of the semiconductor compound film formed in the hole of the heat resistant insulator, the internal resistance of the element material chip can be adjusted. It is possible to design
【００１４】図３は本発明の他の実施例に係る熱電気変
換装置の極性ユニットを示す図である。図４（ａ），
（ｂ）は図３の極性ユニットに用いる熱電変換装置の極
性ユニットを示す断面図である。尚，図３及び図４
（ａ），（ｂ）において，図１及び図２（ａ），（ｂ）
中のものと同じ名称は，同じ符号で示してある。図３及
び図４（ａ），（ｂ）を参照して，複数の円錐台状の貫
通孔１ｂ，１ｂ…を有する板状の耐熱絶縁体１の内壁面
に，Ｐ型半導体化合物膜２を形成し，このＰ型半導体化
合物膜が形成された耐熱絶縁体１の両面を導電性の金属
接合板３，４で覆い，Ｐ型半導体ユニットを形成してい
る。尚，Ｎ型半導体ユニットもこのＰ型半導体ユニット
と同様に貫通孔の内壁面にＮ型の半導体化合物膜２を形
成して構成されている。このように，円錐台状の貫通孔
の内壁面を半導体化合物膜を形成した耐熱絶縁材をこの
ユニットとして使用することによって，素子対から発生
する熱の伝達，特にペルチェ効果によって発生する高熱
をより効率的に放散させることが可能である。FIG. 3 is a view showing a polar unit of a thermoelectric converter according to another embodiment of the present invention. 4 (a),
(B) is sectional drawing which shows the polar unit of the thermoelectric converter used for the polar unit of FIG. 3 and 4
1 (a) and (b), FIG. 1 and FIG. 2 (a), (b)
The same names as those in the middle are indicated by the same symbols. 3 and 4A and 4B, a P-type semiconductor compound film 2 is formed on the inner wall surface of a plate-shaped heat-resistant insulator 1 having a plurality of truncated cone-shaped through holes 1b, 1b. The heat-resistant insulator 1 on which the P-type semiconductor compound film is formed is covered with conductive metal bonding plates 3 and 4 to form a P-type semiconductor unit. The N-type semiconductor unit is also constructed by forming the N-type semiconductor compound film 2 on the inner wall surface of the through hole similarly to the P-type semiconductor unit. In this way, by using the heat-resistant insulating material in which the semiconductor compound film is formed on the inner wall surface of the truncated cone-shaped through hole as this unit, the heat transfer from the element pair, especially the high heat generated by the Peltier effect, is further improved. It is possible to dissipate efficiently.
【００１５】図５は本発明の実施例に係る熱電気変換装
置の基本ユニットを示す図である。図５において，基本
ユニットは，Ｐ型半導体ユニット６とＮ型半導体ユニッ
ト８とこれに介在する低温熱流伝達管７と，Ｐ型及びＮ
型半導体ユニット６，８の低温熱流伝達管７に接する一
面に対向する夫々の他面に接する高温流熱伝達管５，５
と，ユニット８の一対を断熱材１１，１１…を介して低
熱流伝達管及び高熱流伝達管のＰ型半導体ユニット６及
びＮ型半導体ユニットに接する端を含むように覆う。ま
た，低熱流伝達管は，一端７ａのシステム連結帯７と断
熱壁１０を貫通して突出している。FIG. 5 is a view showing a basic unit of the thermoelectric conversion device according to the embodiment of the present invention. In FIG. 5, the basic unit includes a P-type semiconductor unit 6, an N-type semiconductor unit 8, a low temperature heat transfer pipe 7 interposed therebetween, a P-type and an N-type semiconductor unit 8.
Type heat transfer tubes 5, 5 facing one surface of the semiconductor units 6, 8 facing the low temperature heat transfer tube 7 and contacting the other surface
And a pair of units 8 are covered so as to include the ends of the low heat flow transfer pipe and the high heat flow transfer pipe which are in contact with the P-type semiconductor unit 6 and the N-type semiconductor unit via the heat insulating materials 11, 11. Further, the low heat flow transfer pipe penetrates through the system connection band 7 at the one end 7a and the heat insulating wall 10 and projects.
【００１６】次に，本発明の実施例に係る極性ユニット
の具体的な製造方法及び特性について説明する。Next, a specific manufacturing method and characteristics of the polar unit according to the embodiment of the present invention will be described.
【００１７】下記表１に示すＢｉ2 Ｔｅ3 系化合物膜を
スパッタリング法で，複数の整列した内径１乃至３ｍｍ
の貫通孔を有するアルミナ基板の上に形成し，図１又は
図３に示すような極性ユニットを作製した。この極性ユ
ニットが発電効果のあることを確かめた。その測定結果
を表２に示す。A Bi 2 Te 3 compound film shown in Table 1 below was formed by sputtering to form a plurality of aligned inner diameters of 1 to 3 mm.
Was formed on an alumina substrate having a through-hole, and a polar unit as shown in FIG. 1 or 3 was produced. It was confirmed that this polarity unit has a power generation effect. The measurement results are shown in Table 2.
【００１８】[0018]
【表１】 [Table 1]
【００１９】[0019]
【表２】 [Table 2]
【００２０】[0020]
【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
形成する膜厚を適当に制御することによって，素子材チ
ップの内部抵抗を調整することができ，その制御によっ
て，任意の出力電圧を設計することができる極性ユニッ
トを提供することができる。更に，この極性ユニットを
使用して小型及び中型の熱電気変換装置を提供すること
ができる。As described above, according to the present invention,
By appropriately controlling the film thickness to be formed, the internal resistance of the element material chip can be adjusted, and by such control, it is possible to provide a polarity unit capable of designing an arbitrary output voltage. Further, the polar unit can be used to provide a small-sized and medium-sized thermoelectric conversion device.
【００２１】また，本発明によれば，平行でない内壁の
貫通孔を有する耐熱絶縁材をこのユニットとして使用す
ることによって，素子対から発生する熱の伝達，特にペ
ルチェ効果によって発生する高熱をより効率的に放散さ
せることができる極性ユニットとそれを用いた熱電気変
換装置を提供することができる。Further, according to the present invention, by using a heat-resistant insulating material having through-holes of inner walls which are not parallel to each other, it is possible to more efficiently transfer heat generated from the element pair, particularly high heat generated by the Peltier effect. It is possible to provide a polar unit that can be diffused selectively and a thermoelectric converter using the polar unit.
【００２２】更に，本発明によれば，熱電気変換素子と
して，半導体化合物薄膜を使用する事によって，熱の伝
達を制御し，高熱源と低熱源間との温度差をより大きく
取ることが，比較的容易にすることができる極性ユニッ
トを提供することができ，このため大型の放熱装置を必
要としない熱電気変換装置を提供することができる。Further, according to the present invention, by using a semiconductor compound thin film as a thermoelectric conversion element, it is possible to control heat transfer and obtain a larger temperature difference between the high heat source and the low heat source. It is possible to provide a polar unit that can be made relatively easy, and thus it is possible to provide a thermoelectric conversion device that does not require a large heat dissipation device.
【００２３】更にまた，本発明によれば，耐熱絶縁材を
用いることによって，機械的衝撃及び熱的歪みによる素
子膜の破壊を防御することができる極性ユニットをそれ
を用いた熱電気変換装置を提供することができる。Furthermore, according to the present invention, by using a heat resistant insulating material, a polar unit capable of protecting the element film from destruction due to mechanical shock and thermal strain is provided. Can be provided.
【００２４】本発明によれば，極性ユニット及び基本シ
ステムは，その構造が，従来のものよりも非常に単純化
され，製品製造の自動化がより容易になり製品化するに
当り，大幅にコストダウンすることができる熱電気変換
装置を提供することができる。According to the present invention, the structure of the polar unit and the basic system is much simpler than that of the conventional one, and it is easier to automate the production of the product, resulting in a significant cost reduction. It is possible to provide a thermoelectric conversion device that can do so.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明による極性ユニットの一例を示す図であ
る。FIG. 1 shows an example of a polar unit according to the invention.
【図２】（ａ），（ｂ）は図１の極性ユニットに用いる
耐熱絶縁材を示す断面図及び正面図である。2 (a) and 2 (b) are a cross-sectional view and a front view showing a heat-resistant insulating material used in the polar unit of FIG.
【図３】本発明による極性ユニットの他の例を示す図で
ある。FIG. 3 is a diagram showing another example of the polar unit according to the present invention.
【図４】（ａ），（ｂ）は図１の極性ユニットに用いる
耐熱絶縁材を示す断面図及び正面図である。4 (a) and 4 (b) are a sectional view and a front view showing a heat-resistant insulating material used in the polar unit of FIG.
【図５】本発明による電気変換装置の基本システムの概
略の一例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an example of an outline of a basic system of an electric conversion device according to the present invention.
１ 多孔性耐熱絶縁体 ２ Ｐ型導体ユニット ３，４ 金属接合板 ５ 高温熱伝達管 ６ Ｐ型半導体ユニット ７ 低温熱流伝達管 ８ Ｎ型半導体ユニット ９ システム連結帯 １０ 断熱材 １１ 断熱壁 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Porous heat-resistant insulator 2 P-type conductor unit 3,4 Metal joining plate 5 High temperature heat transfer tube 6 P-type semiconductor unit 7 Low temperature heat transfer tube 8 N-type semiconductor unit 9 System connection zone 10 Insulation material 11 Insulation wall
フロントページの続き (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉三丁目８番22号 (72)発明者 森田 博昭 宮城県仙台市泉区加茂一丁目34番２号Front page continued (72) Inventor Ken Masumoto 3-8-22 Uesugi, Aoba-ku, Sendai-shi, Miyagi (72) Inventor Hiroaki Morita 1-24-2 Kamo, Izumi-ku, Sendai-shi, Miyagi
Claims (3)
内壁をＮ型又はＰ型半導体化合物膜で被覆したことを特
徴とする熱電気変換装置用極性ユニット。1. A polar unit for a thermoelectric conversion device, characterized in that the inner walls of a plurality of through-holes provided in a heat resistant insulator are coated with an N-type or P-type semiconductor compound film.
ニットにおいて，前記耐熱絶縁体の貫通孔が，テーパ状
内壁面を有することを特徴とする熱電気変換装置用極性
ユニット。2. The polar unit for a thermoelectric converter according to claim 1, wherein the through hole of the heat resistant insulator has a tapered inner wall surface.
極性ユニットのうちＮ型半導体化合物膜を有するＮ型半
導体ユニット及びＮ型半導体化合物膜を有するＰ型半導
体ユニットと，前記Ｎ型半導体ユニット及びＰ型半導体
ユニット間に交互に配された高温熱流伝達管及び低温熱
流伝達管と，少なくとも前記Ｎ型半導体ユニット及びＰ
型半導体ユニットを覆うシステム連結帯とから構成され
ることを特徴とする熱電気変換装置。3. The N-type semiconductor unit having an N-type semiconductor compound film and the P-type semiconductor unit having an N-type semiconductor compound film among the polar units for a thermoelectric converter according to claim 1, and the N-type semiconductor. A high temperature heat transfer pipe and a low temperature heat transfer pipe alternately arranged between the unit and the P type semiconductor unit, and at least the N type semiconductor unit and the P type semiconductor unit.
A thermoelectric conversion device, comprising: a system coupling band that covers the semiconductor device unit.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290136A JPH0697514A (en) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | Thermoelectric conversion device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3290136A JPH0697514A (en) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | Thermoelectric conversion device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0697514A true JPH0697514A (en) | 1994-04-08 |
Family
ID=17752261
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3290136A Withdrawn JPH0697514A (en) | 1991-11-06 | 1991-11-06 | Thermoelectric conversion device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0697514A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013214715A (en) * | 2012-03-07 | 2013-10-17 | Panasonic Corp | Thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion device |
-
1991
- 1991-11-06 JP JP3290136A patent/JPH0697514A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2013214715A (en) * | 2012-03-07 | 2013-10-17 | Panasonic Corp | Thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion device |
| US10032974B2 (en) | 2012-03-07 | 2018-07-24 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Thermoelectric conversion module and thermoelectric conversion apparatus |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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