JPH07147434A - 熱電気変換装置及び熱電子冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 化合物半導体の優れた特性を生かし，しかも
その欠点である機械的強度の弱さを補強したモジュール
と，このモジュール複数個をコンパクトに纏めた中間ユ
ニットを開発し，カセット化して大型熱電発電用システ
ム構築のための基本技術を確立する。 【構成】 Ｎ型又はＰ型半導体チップを複数個を有する
半導体素子板１，２を低温及び高温熱流管６，５間に挟
み込んだ基本極性モジュール１０と，高温及び低温熱流
管６，５を連絡するメインパイプとを備え，基本極性モ
ジュール１０を電気的に接続した基本ユニット及びその
両端に設けられた接合電極を有し，接合電極を電気的に
直列に結合し，メインパイプの夫々を並列に配管した。
また，熱電子冷却装置は，基本ユニット及びその両端に
設けられた接合電極を備え，高温熱流は一方のメインパ
イプから並列に，低温熱流は，他方のメインパイプから
直列に供給され，その冷却能力を順次高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，耐熱性絶縁板上にＮ型
及びＰ型半導体対を形成させ，これを基本モジュールと
し，熱エネルギーを電気エネルギーに（ゼーベック効
果）又は，電気エネルギーを熱エネルギーに変換する
（ペルチェ効果）装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在，地球上の化石エネルギー次第に枯
渇する方向に向かっている。実際に，将来この枯渇状態
が地球上に訪れてくるとき，世界の社会経済機構に根本
的な変革が起こるであろうことは，十分に予測され得
る。今後，この将来のエネルギー問題を解決するために
は，新しいエネルギー源の開発と，これを効率的に利用
する技術の開発が不可欠である。

【０００３】他方，自動車や発電所等に使用される燃料
エネルギーの２／３以上は，仕事以外の廃熱として環境
に放出されている。そればかりか，これら廃熱による熱
汚染は，地球規模の異常気象を引き起こす原因となって
いる。その意味から，地球環境に対してクリーンな電力
源としての熱電気変換方式による発電システムの開発
が，特に，局地発電源としてのシステム開発が注目され
ようになってきた。

【０００４】一方，冷凍方式の分野において，圧縮方式
の冷凍冷蔵庫，空調機等の冷却媒体として，クロロフロ
ロカーボン（ＣＦＣｓフロン）の製造は，１９９５年以
降，禁止されることが国連会議で決定された。その結
果，冷凍冷蔵空調機等の業界は，上記フロンに代わる新
しい冷却媒体，或いは又新しいシステムの開発を余儀無
くされている。このような状況下で，熱電子冷却方式に
よる冷却装置は，環境に対して非常にクリーンであり，
地球環境を汚染しないということから，最近フロンを使
用する圧縮方式による電気冷蔵庫，空調装置等の代替品
の一つとして，非常に有望視されている。

【０００５】ここで，良く知られている熱と電気との間
の変換を行う熱電材料として，（Ｂｉ，Ｓｂ）₂ （Ｔ
ｅ，Ｓｅ）₃ ，ＰｂＴｅ，ＳｉＧｅ及びＳｉＦｅ系半導
体化合物等の溶成材及び焼結材が挙げられる。Ｂｉ₂ Ｔ
ｅ₃ 系熱電材料は，−１０〜１５０℃の領域で使用する
のに適しており，その性能指数Ｚの最良値は３０℃近傍
で得られる。

【０００６】また，ＰｂＴｅ系熱電材料は，３００〜５
００℃の領域で，又はＳｉＧｅ及びＳｉＦｅ系材は６０
０〜１０００℃の領域での夫々の使用に適している。そ
の中で，（Ｂｉ，Ｓｂ）₂ （Ｔｅ，Ｓｅ）₃ 系熱電素子
材料は，低温廃熱の温度領域での利用材として特に注目
されている。

【０００７】更に，この（Ｂｉ，Ｓｂ）₂ （Ｔｅ，Ｓ
ｅ）₃ 半導体化合物は，最も優れた熱電子冷却特性を有
する。ここ４０年間近く，室温近傍で，これを凌駕する
特性を持つ材料は，今だ発見されていない。現在も，上
記化合物組成をもつ，この素子材チップが熱電子冷却モ
ジュールに使用されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したように，（Ｂ
ｉ，Ｓｂ）₂ （Ｔｅ，Ｓｅ）₃ 半導体化合物の単結晶材
料は，ｃ面内に結晶軸を持つ方位の熱電特性は，特に優
れていることも既に知られている。しかしながら，この
単結晶は，結晶構造上，Ｃ面間結合力が弱く，Ｃ面で碧
開しやすいという欠陥を併せもっている。そのために，
熱電素子材として，使用される場合に，この単結晶材料
は，熱電素子間の接合面で，或いは又素子自体において
破壊され易く，それに伴って，熱電特性の劣化が生じ易
い。

【０００９】以上の理由から，上記半導体化合物の単結
晶材は優れた熱電特性もしくは熱冷却特性を有しながら
も，実用材としての利用は敬遠されてきた。勿論，従来
から使用されている上記化合物の溶成材及び焼結材の場
合にも，接合面での熱歪みによる破壊に対するモジュー
ル構造上優れた防御策は，未だ見出されていない。

【００１０】また，小さなＮ型及びＰ型半導体化合物素
子材チップが平面的に配列され，絶縁薄板に金属電極板
と共に固定された従来のモジュール構造の中で，その上
下両面から与えられる熱歪みによる上記素子材チップの
破壊に対する防御策を立てることは，構造上かなり難し
い。この問題を解決する為には，モジュールの基本構造
から考え直して行かなければならない。

【００１１】従来の冷却モジュールは，熱流をモジュー
ル素子に対して並列に吸収させる構造を持っている。そ
して，そのモジュールの高温発生側に表面積の大きい放
熱板を取り付けたり，素子を重ねて，カスケード方式に
より冷却能力を高めるべく工夫されている。この場合，
カスケードの数は，物理的に限定される。従って，これ
による冷却能力にもかなりの限界がある。

【００１２】そこで，本発明の第１の技術的課題は，上
記半導体化合物の単結晶及び一方向凝固材の優れた特性
を生かし，しかもその欠点である素子材の機械的強度の
弱さ（熱歪みによる素子破壊，半田接合点での剥離等）
を補強する事のできる基本極性モジュールを提供するこ
とにある。

【００１３】また，本発明の第２の技術的課題は，上記
モジュールを複数個結合し，これをコンパクトに纏めた
中間ユニット（サブユニット）を開発し，これをカセッ
ト化して単純な構造の大型熱電発電用システム構築のた
めの基本技術を確立することにある。

【００１４】更に，本発明の第３の技術的課題は，従来
の冷却限度を乗り越えることができる新しい基本極性モ
ジュールとそれを用いた熱電子冷却ユニットと，この熱
電子冷却ユニットを用いた冷凍庫を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】一般に，ｎ個の半導体素
子対からなる熱電気変換モジュールを使用する発電シス
テムによって発生される電力Ｐは次式で与えられる。

【００１６】

【数１】

【００１７】ここにおいて，Ｅ_L ＝負荷電圧，Ｉ_L ＝負
荷電流，α＝素子材のゼーベック係数，σ＝電気伝導
率，ｍ＝Ｒ_L ／ｎＲ_i （負荷抵抗と素子内部抵抗との
比），Ａ（＝Ｓ／２Ｌ）＝素子形状比（素子の断面積Ｓ
と素子脚Ｌとの比），ΔＴ＝素子両端の温度差である。

【００１８】上記数１式から明らかなように，電力Ｐの
発生条件は，物性定数α及びσによって定まる項と，モ
ジュールＡ及び任意に外的条件として与えられる項ΔＴ
及びｍとの３項によって決定される。

【００１９】また，このような発電システムにおいて，
電力Ｐ及び上記のその他の条件が適当に与えられる時，
ｎは自ずと定まる。

【００２０】ここにおいて，素子材の組成が決定される
時，上記第１の条件である物質の物性定数α及びσの最
も大きな値を持つ条件を選択すれば良い。

【００２１】即ち，上記した半導体化合物の場合，上記
単結晶素子材の機械的強度の弱さの補強を考慮しつつ，
Ｃ面内の特性を生かせば良い。その上で，第２の条件と
してのΔＴ及びＡを大きく採り得るようなモジュール構
造を設計すれば良い。

【００２２】本発明においては，焼結材及び溶成材料か
ら切断加工されたＮ型及びＰ型半導体チップを夫々有す
るＮ型半導体素子板及びＰ型半導体素子板，あるいは複
数個の小さなセルを持つハニカムストレーナーのセル中
で，Ｎ型半導体化合物又はＰ型半導体化合物を凝固さ
せ，結晶成長させ，そして適当な板厚に切断加工したＮ
型半導体素子板及びＰ型半導体素子板を用い，このＮ型
半導体素子板及びＰ型半導体素子板を平行に対向させ，
それらＮ型及びＰ型を一対とする半導体素子板とその間
に設けられた低温熱流管と高温熱流管とからなる構成を
基本極性モジュールとした。

【００２３】ここにおいて，上記半導体素子板の撓み応
力に対する補強手段として，半導体素子板の両面に金属
膜，例えば，Ｎｉメッキ膜等を形成することが好まし
い。同様の目的の為に，金属薄膜の代わりに金属薄板を
その両面に張り付けても良い。

【００２４】これらの処置を施すことによって，本発明
では，従来の基本極性モジュールの最大の弱点である機
械的強度の弱さに対して補強はもとより，従来，実用材
として実現し得なかった半導体素子板からなる基本極性
モジュールを使用した熱電気変換システムを初めて実現
可能ならしめた。

【００２５】また，本発明において，この基本極性モジ
ュール構造を採ることにより，上記素子形状比Ａの値
を，従来のそれに比較して１０〜１００倍にとることも
可能になった。

【００２６】また，本発明において，上記基本極性モジ
ュールまたは従来のＮ型，Ｐ型双方の半導体チップを有
する基本極性モジュールを複数個，電気的に直列に結合
させ，メインパイプからサブパイプを通して，それぞれ
の基本極性モジュール中の高温及び低温熱流管に，高温
及び低温熱流が並列的に供給され構造を持つユニットを
中間ユニット（サブユニット）とした。ここで，熱流を
構成する熱媒体は，フロン以外のクリーンな熱媒体，例
えば，アルコール，又はこの水溶液，水等ならば，気
体，液体でも，この混合状態でも良く，用途に応じて逐
次選択される。

【００２７】さらに，本発明において，上記サブユニッ
トをカセット方式にて適当な数だけ電気的に直列に結合
することによって，熱電気変換システムの構造を単純化
し，装置の小型化を可能ならしめた。このように構造を
単純化することによって，従来のように基本極性モジュ
ールを連続的に結合する発電システム構造よりも，大型
電力を得ることが可能になった。

【００２８】また，本発明においては，Ｎ型及びＰ型の
半導体素子板を複数個交互に規則的にＮ型，Ｐ型，Ｎ
型，Ｐ型…の順に配置して，その間に交互に高温熱流管
及び低温熱流管とを備え，それらを電気的に直列に結合
させ，高温熱流はメインパイプから，サブパイプへ並列
に，低温熱流は，メインパイプからサブパイプへ直列に
供給されるような構造を採る。このような構成によっ
て，低温熱流を一度に冷却するのではなく，低温熱流が
直列に配列された上記低温熱流管を移動するに従って，
その冷却能力を順次高める様にする。この様に冷却能力
を順次高める構造をもつ熱電冷却装置はこれまでにな
い。

【００２９】ところで，一般に，ｎ個の半導体素子対か
らなる熱電子冷却モジュールを使用する冷却システムに
おいて，素子の表面から最大吸熱量Ｑc _max は，次の数
２式で与えられる。

【００３０】

【数２】

【００３１】ここにおいて，α＝素子材のゼーベック係
数，κ＝熱伝導率，σ＝電気伝導率，Ａ（＝Ｓ／２Ｌ）
＝素子形状比（素子の断面積Ｓと素子脚Ｌとの比），Δ
Ｔ＝素子両端の温度差，Ｔ_cj＝素子対の低温側表面温
度，ｎ＝素子対の数である。

【００３２】上記数２式から明らかなように，素子対表
面からの最大吸熱量Ｑc _max は物性定数α，κ，及びσ
によって定まる項と，モジュール構造によって定まる項
Ａ及びｎと任意の外的条件として与えられる項ΔＴ及び
Ａを大きく採り得る様なモジュール構造の環境を設計す
れば良い。

【００３３】本発明において，焼結材及び溶成材から切
断加工されたＮ型半導体チップ及びＰ型半導体チップの
いずれか一方を備えたＮ型半導体素子板及びＰ型半導体
素子板，あるいは複数個の小さなセルをもつハニカムス
トレーナーのセル中で，Ｎ型及びＰ型半導体化合物をそ
れぞれ凝固させ，結晶成長させ，そして適当な板厚に切
断加工したＮ型半導体素子板及びＰ型半導体素子板を用
い，これらのＮ型半導体素子板及びＰ型半導体素子板を
平行に対向させ，それらＮ型及びＰ型を一対とする半導
体素子板とその間に設けられた低温熱流管と高温熱流管
とからなる構成を基本極性モジュールとした。

【００３４】また，本発明においては，従来において用
いられた複数のＮ型及びＰ型半導体チップを有する半導
体素子板の複数を用いて，それらの半導体素子板とその
間に設けられた低温熱流管と高温熱流管とからなる基本
極性モジュールを同様に構成することもできる。

【００３５】この基本極性モジュール構造によって，上
記Ａの値を十分に大きく採ることができ，熱歪みによる
素子材に破壊を防ぐことができる。又，ここにおいて，
上記半導体薄板の撓み応力に対する補強手段として薄板
の両面に金属膜（例えば，Ｎｉ）をメッキ等で形成させ
ることが好ましい。同様の目的の為に，金属薄板をその
両面に張り付けてもよい。

【００３６】本発明では，上記の処置を施すことによっ
て，従来の基本極性モジュールの最大の弱点である機械
的強度の弱さに対して補強はもとより，従来，実用材と
して実現し得なかった基本極性モジュールを使用した熱
電気変換システムを初めて実現可能ならしめた。このモ
ジュール構造を採ることにより，上記素子形状比Ａの値
を従来のそれに比して１０〜１００倍に採ることも可能
になった。

【００３７】また，本発明においては，上記基本極性モ
ジュールを複数個，電気的に直列に結合させ，高温熱流
はメインパイプからサブパイプへ並列的に，低温熱流管
は，直列的に配管する。

【００３８】更に，本発明では，上記のような構造を持
つユニットのそれぞれのモジュール中に高温及び低温熱
流が供給され，その両端の接合電極に電流を流すとき，
低温熱流管の中を流れる冷却媒体は，第１熱流管，第２
熱流管，第３熱流管…と通過するにしたがって，次第に
冷却度を増し，最終熱流管を通過する時には，その冷却
媒体は最も熱の奪われた状態にある。ここで，低温熱流
に用いる熱媒体は，フロン以外の−３０℃以下の凝固点
を有する熱媒体であるならば，例えば，アルコールと水
の混合物等でもよく，その液体又は気体状態には，限定
されるものではない。

【００３９】本発明では，この熱媒体を断熱管を通して
断熱室に移動させてその断熱室の熱を奪い冷凍冷蔵庫と
しての機能を果たさせる。このように，順次冷却媒体を
冷却していく機構を持つ熱電子冷却装置は，この装置が
初めてであり，これまでにない新しい機構である。

【００４０】

【実施例】以下，本発明の実施例について，図面を参照
して説明する。

【００４１】（第１実施例）

【表１】

【００４２】既に良く知られている上記表１で示される
Ｂｉ₂ Ｔｅ₃ 系化合物を原料とし，それぞれ１ｋｇ秤量
して石英管中に真空封入した。これらの横型電気抵抗炉
中で溶解凝固させた。その鋳塊を改めて平底石英管ルツ
ボの中にハニカムストレーナーとともに挿入し，真空封
入し，これを立型抵抗炉の中にセットし，加熱溶解し
た。上記ハニカムストレーナーの中で溶解された溶湯を
４２℃／ｃｍの温度勾配を持つ上記立型電気抵抗炉の中
を２ｍｍ／Ｈの凝固速度を持って凝固させ，上記セルの
深さの方向に上記化合物結晶をＣ面に沿って成長させ
た。上記ハニカムストレーナーには，直径４０ｍｍ，長
さ１００ｍｍ，セルの断面形状は縦１ｍｍ×横１ｍｍ，
その個数は４００の物が用いられた。これらのセル中で
成長させた化合物は，セルの長手方向に結晶Ｃ面がほぼ
平行に成長している事はＸ線的に確かめられた。

【００４３】上記半導体化合物をセルの中で成長させた
ハニカムストレーナーは，夫々板厚さ約２ｍｍに切断さ
れた。表面加工及びＮｉメッキを施した後，それらのＰ
型及びＮ型半導体を半導体素子板とした。半導体素子を
形成する素子材チップの測定結果は次の表２の通りであ
る。

【００４４】

【表２】

【００４５】上記のように作製したＰ型及びＮ型半導体
素子板を用いて，基本極性モジュールを作製した。

【００４６】図１は，本発明の第１実施例に係る熱電気
変換装置の基本極性モジュールを示す図で，（ａ）は正
面図，（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。

【００４７】図１で示すように，上記のように作製した
円形状に無数の半導体チップが形成され，その両面にＮ
ｉメッキを施したＮ型及びＰ型半導体素子板１，２を素
子支持板３，４内の円形孔３ａ，４ａに挿入し，この素
子支持板３，４の一面で，この素子支持板３，４と略同
寸法の中空四角板状の高温熱流管５を挟み込み，更に素
子支持板３，４の他面を，この素子支持板３，４と同寸
法で且つ高温熱流管５とも同じ寸法の中空四角板状の低
温熱流管６，６で挟み込んで形成されている。ここで，
高温熱流管５及び低温熱流管６は，夫々の両側に，内部
とを連絡する一対のサブパイプ７，８が夫々設けられて
いる。このような構成の基本極性モジュールにおいて，
これらのサブパイプ７，８の開口が互いに逆方向になる
ように高温熱流管５及び低温熱流管６は，重ね合わされ
る。各サブパイプ７，８の開口から流入する熱媒体は，
例えば高温熱流は，矢印９で示されるように，サブパイ
プ８のうちの一つから流入し，高温熱流管５を通り，他
方のサブパイプ８の開口から流出する。低温熱流も同様
に，低温熱流管６の一対のサブパイプ７のうちの一つか
ら流入して，内部を通り，他方のサブパイプ７から流出
する。

【００４８】尚，本発明の第１実施例に係る基本極性モ
ジュールは，Ｎ型，Ｐ型半導体素子板を用いたが，図７
で示すように，多孔質の耐熱絶縁板９１に，交互に並ぶ
ように収容されたＮ型，Ｐ型半導体チップ１０１，１０
２を交互に導体１０６で接続し，金属薄板１０７で挟み
込んだ従来の基本極性モジュールも適用できることはい
うまでもない。

【００４９】図２は，図１の基本極性モジュールを用い
たサブユニットを示す図で，（ａ）は正面図，（ｂ）は
側面断面図である。図２（ａ）で示すように，基本極性
モジュールは，その４つの端面をフレーム板１１，１２
によって囲まれて固定されている。このフレーム板１
１，１１をサブパイプ７及び８がそれぞれ貫通孔１１ａ
を貫通して突出し，この突出端に第１のサブパイプコネ
クタ１５が夫々設けられている。また，この高温熱流側
メインパイプ１８及び低温熱流側メインパイプ１９にそ
れぞれ対応した第２のサブパイプコネクタ１７が夫々設
けられている。

【００５０】これら第１のサブパイプコネクタ１５は，
接合パイプ１６を介して，第２のサブパイプコネクタ１
７，１７に接続されている。即ち，この第１のサブパイ
プコネクタ１５は，高温熱流側は，高温熱流側メインパ
イプ１８，低温熱流側は，低温熱流側メインパイプ１９
に夫々接続されている。

【００５１】図２（ｂ）で示すように，基本極性モジュ
ールは，一端から低温熱流管６，Ｎ型素子支持板３，高
温熱流管５，Ｐ型素子支持板４，低温熱流管６，Ｎ型素
子支持板３…と順次繰り返されて積層され，各熱流管
５，６は，夫々対応する熱流メインパイプ１８，１９
に，サブパイプコネクタ１５，接合パイプ１６，及びサ
ブパイプコネクタ１７を介して接続されている。

【００５２】この基本極性モジュール積層体を積層方向
両端から基本極性モジュールと同じ寸法の接合電極１
４，１４で挟み込んで固定し，サブユニットの完成とな
る。

【００５３】このサブユニットにおいて，高温熱流管
５，低温熱流管６は，交互にＰ型，Ｎ型半導体素子の接
合面に挿入されているので，これらの接合電極１４，１
４を一対の電極端子として，任意の電圧を取り出すこと
ができる。

【００５４】（第２実施例）第１実施例と同様の半導体
素子板を用意して，第２実施例に係る熱電子冷却装置の
基本極性モジュールを作製した。

【００５５】図３は本発明の第２実施例に係る基本極性
モジュールを示す図で，（ａ）は正面図，（ｂ）はＢ−
Ｂ線断面図である。図３で示すように，円形状に無数の
半導体化合物が形成され，その両端にＮｉメッキが施さ
れＮ型及びＰ型半導体素子板１，２を素子支持板３，４
内の円形孔３ａ，４ａに挿入し，この素子支持板３，４
の一面で，この素子板３，４と略同寸法の中空四角板状
の低温熱流管６を挟み込み，更に素子支持板３，４の他
面を，この素子支持板３，４と同寸法で且つ低温熱流管
６とも同じ寸法の中空四角板状の高温熱流管５，５で挟
み込んで形成されている。ここで，高温熱流管５及び低
温熱流管６は，夫々の両側に，内部と連絡する一対のサ
ブパイプ７，７，及び８，８が夫々設けられている。こ
のような基本極性モジュールにおいて，これらのサブパ
イプ７，８の開口が，夫々互いに逆方向になるように高
温熱流管５及び低温熱流管６は，重ね合わされる。各サ
ブパイプ７，８の開口から流入する熱媒体は，例えば低
い温熱流は，矢印９´で示されるように，一対のサブパ
イプ８のうちの一つから流入し，低温熱流管６を通り，
他方のサブパイプ８の開口から流出する。高温熱流も同
様に，高温熱流管５の一対のサブパイプ７のうちの一つ
から流入して，内部を通り，他方のサブパイプ７から流
出する。

【００５６】図４は図３で示す基本極性モジュールを用
いたサブユニットを示す図で，（ａ）は正面図，（ｂ）
はＣ−Ｃ線断面図である。また，図５は，図４（ａ），
（ｂ）のサブユニットを示す上面図及び下面図である。

【００５７】図４（ａ）で示すように，基本極性モジュ
ールは，フレーム板１１，１２により，周囲を固定され
ている。高温熱流管５からのサブパイプ７，７は，フレ
ーム板１１の貫通孔１１ａを貫通して，上端部に突出
し，サブパイプコネクタ２０，２０に夫々接続されてい
る。また，低温熱流管６からのサブパイプ８，８は，下
端のフレーム板を貫通して，下端のフレーム板を貫通し
て下端部に突出し，同様にサブパイプコネクタ２１，２
１に接続されている。

【００５８】図４（ｂ）で示すように，基本極性モジュ
ールは，高温熱流管５，Ｎ型半導体体素子支持板３，低
温熱流管６，Ｐ型半導体素子支持板４，高温熱流管５…
と順に繰り返して積層され，高温熱流管５で終止してい
る。更に，この積層体の両端部には，接合電極１４，１
４が圧接されている。

【００５９】上方のフレーム板１１から上端に突出した
サブパイプ７に設けられたサブパイプコネクタ２０は，
互いに隣接するもの同士，接続パイプ２５ａで連結さ
れ，高温熱流メインパイプ２５を形成している。

【００６０】一方，下方のフレーム板１１の下端に突出
したサブパイプ８に設けられた一側のサブパイプコネク
タ２１は，後述するように，１つづつ端部寄りにずれた
他側のサブパイプコネクタ２１に接合サブパイプ２６ａ
によって斜めに連結されて低温熱流メインパイプ２６を
形成している。

【００６１】図５（ａ）で示すように，サブユニットの
上面側の高温熱流サブパイプに設けられたコネクタ２０
は，接合サブパイプ２５ａによって，両側ともに一列に
連結されて，二列の高温熱流メインパイプ２５を形成し
ている。これらの高温熱流メインパイプ２５に熱媒体は
互いに逆方向に流れ込み，夫々高温熱流管は，互いに並
列な熱的結合となる。

【００６２】また，図５（ｂ）で示すように，サブユニ
ット下面側の低温熱流サブパイプに設けられたコネクタ
２１は，反対側の最寄りのサブパイプコネクタ２１に互
いに一つづつずれて，斜めに接合サブパイプ２６ａによ
って接続され，低温熱流メインパイプ２６を形成してい
る。これらの接続によって，夫々の低温熱流管５は，直
列に熱媒体が流れ込む結合となり，熱的に直列結合とな
る。

【００６３】図６は，図４（ａ），（ｂ）及び図５
（ａ），（ｂ）のサブユニットを用いた冷凍庫を示す図
で，（ａ）は側面断面図，（ｂ）は，後壁を取り除いた
背面図である。

【００６４】図６（ａ）で示すように，背面に開口５２
を有する箱体５１は，仕切り壁５３によって，アイスボ
ックス５４と冷却システム収納部５５とが画成されてい
る。

【００６５】アイスボックス５４は，内壁部に板状の断
熱材５６が設けられ，庫内空間を形成している。また，
正面には，把手５７が設けられた扉５８が形成され，こ
の扉は，側面との縁部に設けられた蝶番５８によって図
６（ａ）においては，後ろ側に向う方向に開閉可能に形
成されている。

【００６６】また，アイスボックスの底部には，霜取り
タンク５９が設けられている。

【００６７】アイスボックス５４の後壁をなす断熱材５
６上には，冷却フィン６１を有するラジエータ本体６２
とこのラジエータ本体６２の上下端部から断熱材５６及
び仕切り壁５３を貫通して，冷却システム収納部５５に
至る流出管６３及び流入管６４が夫々設けられている。
冷却システム収納部５５内の仕切り壁には，バンド６５
によって，冷却装置７０が３列に並んで固定されてい
る。この冷却装置７０は，図４及び図５で示したサブユ
ニットを箱体に収容して，各メインパイプを箱体外に突
出されたものである。

【００６８】この冷却装置７０は，上下方向に低温熱流
メインパイプ２６が突出しており，一方，後方（図６
（ｂ）では，手前に）には，一対の高温熱流メインパイ
プ２６が突出している。

【００６９】上下の低温熱流メインパイプ２６は，Ｌ字
状のパイプ連結管６５，６６により，ラジエータの流出
管６３，流入管６４に夫々接続されている。この高温熱
流メインパイプには，図で示すように，熱媒体，例え
ば，水が導入される。一方，低温熱流メインパイプに
は，アルコール水溶液等の熱媒体が導入される。この熱
媒体の冷却されたものは，その密度差から下方に流れ，
流入管６４からラジエータ６０内に導入される。導入さ
れた熱媒体は，冷却フィン６１から庫内の熱を吸収し
て，一部気体状態となり，その密度を上昇させ上方に移
動し，流出管６４を経て再び冷却装置７０のサブユニッ
ト内に導入され，一部凝縮して密度が大きくなり，以上
の過程を繰り返して，庫内空間を冷却する。

【００７０】尚，本発明の第２実施例においては，低温
熱流は，自然対流によって循環させる構成であるが，ポ
ンプを用いて強制的に循環させても良く，また，熱媒体
として気体，液体，又は気液混合物のように，密度差の
顕著に変化するものも熱媒体として利用することがで
き，これらは，必要に応じて適宜選択される。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように，本発明によれば，
従来のモジュール構造で避けることのできなかった欠点
の一つである熱歪みによる半導体素子の破壊，及び半田
接合点での剥離を防止することができる。

【００７２】また，本発明によれば，従来の半導体チッ
プ材の切断，半田接合等の複雑な工程を省略することに
よって，安価な熱電気変換装置及び熱電子冷却装置に用
いる基本極性モジュールを提供することができる。

【００７３】また，本発明によれば，溶解・凝固過程
で，上記チップを単結晶ライクの一方向凝固させること
によって，半導体素子の性能指数を著しく向上させるこ
とが可能になり，熱電気変換効率の高められた熱電気変
換装置及び熱電子冷却装置に用いる基本極性モジュール
を提供することができる。

【００７４】また，本発明によれば，上記基本極性モジ
ュールをサブユニット化することによって，実用型の大
型熱発電システムを提供することができる。

【００７５】さらに，本発明によれば，低温熱流管を直
列に配管するスクリュウ型冷却方式の新しい構造を採用
することによって，冷却媒体の冷却能力を．使用する素
子の冷却能力の限界まで上げることが可能になり，この
構造をとることによって，熱電子冷却方式による実用型
の大型冷凍冷蔵庫を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る熱電気変換装置の基
本極性モジュールを示す図で，（ａ）は正面図，（ｂ）
は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【図２】図１の基本極性モジュールを用いたサブユニッ
トを示す図で，（ａ）は正面図，（ｂ）は（ａ）のＢ−
Ｂ線側面断面図である。

【図３】本発明の第２実施例に係る基本極性モジュール
を示す図で，（ａ）は正面図，（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ
線断面図である。

【図４】図３で示す基本極性モジュールを用いたサブユ
ニットを示す図で，（ａ）は正面図，（ｂ）は（ａ）の
Ｄ−Ｄ線断面図である。

【図５】図４（ａ），（ｂ）のサブユニットを示す上面
図及び下面図である。

【図６】図４のサブユニットを用いた冷凍庫の構成を示
す図で，（ａ）は側面断面図，（ｂ）は背面図で，後板
を取り除いてある。

【図７】従来の半導体素子板の一例を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１ Ｎ型半導体素子板 ２ Ｐ型半導体素子板 ３，４ 素子支持板 ５ 高温熱流管 ６ 低温熱流管 ７，８ サブパイプ １１，１２ フレーム板 １４ 接合電極 １５ 第１のサブパイプコネクタ １６ 接合パイプ １７ 第２のサブパイプコネクタ １８ 高温熱流側メインパイプ １９ 低温熱流側メインパイプ ２０，２１ サブパイプコネクタ ２５ 高温熱流メインパイプ ２６ 低温熱流メインパイプ ５１ 箱体 ５２ 開口 ５３ 仕切り壁 ５４ アイスボックス ５５ 冷却システム収納部 ５６ 断熱材 ５７ 把手 ５８ 扉 ５９ 霜取りタンク ６０ ラジエータ ６１ 冷却フィン ６２ ラジエータ本体 ６３ 流出管 ６４ 流入管 ６５，６６ Ｌ字状のパイプ連結管 ７０ 冷却装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丹治 雍典 宮城県仙台市太白区郡山六丁目７番１号 株式会社トーキン内 (72)発明者 増本 健 宮城県仙台市青葉区上杉三丁目８−22 (72)発明者 佐藤 利三郎 宮城県仙台市青葉区八幡３丁目７−15 (72)発明者 久保木 實 宮城県仙台市泉区加茂４丁目６番３号 (72)発明者 井門 秀秋 宮城県仙台市宮城野区鶴ヶ谷３丁目20番９ 号

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Ｎ型及びＰ型半導体チップのうちの少な
   くとも一種を複数個を有する半導体素子板を低温熱流管
   と高温熱流管との間に挟み込んだことを特徴とする基本
   極性モジュール。
2. 【請求項２】 請求項１記載の基本極性モジュールにお
   いて，前記半導体素子板は，耐熱絶縁板に設けられた複
   数の小さなセルの中にＮ型及びＰ型半導体化合物のうち
   の少なくとも一種を凝固させ，結晶成長させ半導体チッ
   プを形成したものであることを特徴とする特徴とする基
   本極性モジュール。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の基本極性モジュー
   ルにおいて，前記半導体素子板のうちの隣合う一対のう
   ちの一方の半導体チップは，Ｎ型のみであり，前記一対
   のうちの他方の半導体チップは，Ｐ型のみであることを
   特徴とする基本極性モジュール。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の内のいずれか記載の基
   本極性モジュールと，前記基本極性モジュールの高熱流
   管及び低熱流管を夫々連絡するメインパイプとを備え，
   前記基本極性モジュールを電気的に接続したことを特徴
   とする基本ユニット。
5. 【請求項５】 請求項４記載の基本ユニットと，前記基
   本ユニットの両端に設けられた接合電極とを備え，前記
   接合電極を電気的に直列に結合し，前記メインパイプの
   夫々を並列に配管したことを特徴とする熱電気変換装
   置。
6. 【請求項６】 請求項４記載の基本ユニットと，前記基
   本ユニットの両端に設けられた接合電極とを備え，高温
   熱流は前記一方のメインパイプから並列に，低温熱流
   は，前記他方のメインパイプから直列に供給され，その
   冷却能力を順次高めることを特徴とする熱電子冷却装
   置。