JPH07221352A

JPH07221352A - 積層型熱電変換装置，熱電発電用サブユニット，および発電システム

Info

Publication number: JPH07221352A
Application number: JP6009609A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kogo; 正▲徳▼ 古後; Yasunori Tanji; 雍典丹治; Takeshi Masumoto; 健増本; Yasuaki Nakagawa; 康昭中川; Takejiro Kaneko; 武次郎金子; Risaburo Sato; 利三郎佐藤; Minoru Kuboki; 實久保木
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1994-01-31
Publication date: 1995-08-18

Abstract

(57)【要約】【目的】熱歪みによる素子破壊の問題を解決する。【構成】高温熱伝達板（１２_H）、Ｎ型半導体素子
（１１ｎ）、低温熱伝達板（１２_L）、Ｐ型半導体素子
（１１ｐ）の順番に積層した熱電対群棒状積層体の両端
に一対の電極板（１３ｐ，１３ｃ）を設け、これら電極
板が互いに近接する方向に固定螺子（１４−１，１４−
２）で押圧する。高温熱伝達パイプ（１５_H）で高温熱
伝達板（１２_H）を加熱し、低温熱伝達パイプ（１
５_L）で低温熱伝達板（１２_L）から放熱する。これに
より、高温熱伝達板（１２_H）と低温熱伝達パイプ（１
５_L）との間に温度差を生じ、ゼーベック効果によりＮ
型半導体素子（１１ｎ）に負、Ｐ型半導体素子（１１
ｐ）に正の熱起電力が発生する。外部に負荷をつなぐと
熱電流が流れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層型熱電変換装置に関
し、特に、熱電発電用サブユニットに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧縮方式の冷凍冷蔵庫や空調機な
どの冷却システムに使用される冷却媒体として、クロロ
フルオロカーボン（ＣＦＣｓフロン「以下、フロンと略
称する」）が主に使用されている。しかしながら、クロ
ロフルオロカーボンは、オゾン層を破壊するということ
で、現在、地球的な社会問題となっている。このような
クロロフルオロカーボンによる地球環境への悪影響を考
慮して、１９９５年以降、クロロフルオロカーボンを製
造することを禁止することが国連会議において決定され
た。これに対処するため、冷凍冷蔵庫や空調機等を製造
する各メーカでは、上記フロンに代わる、いわゆる、地
球にやさしい代替フロンを開発したり、或いはフロンを
使用する圧縮方式の冷却システムに代わって、フロンを
使用しない新しい冷却システムを開発することが急務と
なっている。

【０００３】このようなフロンを使用しない冷却システ
ムとして、最近、熱電子冷却方式の冷却システムが、フ
ロンを使用する従来の圧縮方式の冷却システムの代替シ
ステムとして、非常に有望視されている。何故なら、熱
電子冷却方式の冷却システムは、フロンを使用しないの
で、環境に対して非常にクリーンであり、地球環境を汚
染するという心配がないからである。

【０００４】この熱電子冷却方式の冷却システムにおい
ては、熱と電気との間の変換を行う熱電材料として、
（Ｂｉ，Ｓｂ）₂（Ｔｅ，Ｓｅ）₃系半導体化合物など
の優れた熱電子冷却特性を示す材料が使用されている。
尚、この種の（Ｂｉ，Ｓｂ）₂（Ｔｅ，Ｓｅ）₃系半導
体化合物材としては、その焼結体または溶成材が使用さ
れている。

【０００５】熱電子冷却方式の冷却システムは、単独の
熱電気変換素子やそれを複数個組み合わせることによっ
て構成された熱電気変換モジュールをその主要部品とし
て含んでいる。ここで、熱電気変換素子とはゼーベック
効果またはペルチェ効果を利用した素子である。

【０００６】周知のように、ゼーベック効果とは、２つ
の異なる金属などの導電材料（または半導体材料）で回
路を作り、その二つの接続点の温度を異なった温度にす
ると、閉回路に起電力を生じ電流が流れる現象（すなわ
ち、熱的エネルギーが電気的エネルギーに変換される現
象）のことをいい、熱電効果とも呼ばれる。このとき流
れる電流は熱電流と呼ばれ、この１組の導電材料（また
は半導体材料）は熱電対と呼ばれる。このゼーベック効
果を利用したものが熱電発電である。

【０００７】一方、ペルチェ効果は、熱電効果とは逆の
現象で、熱電流が流れる方向に外部から電流を流すと、
熱電流が流れるときの高温の接点では熱の吸収が起こ
り、低温の接点では熱の発生が起きる現象（すなわち、
電気的エネルギーが熱的エネルギーに変換される現象）
のことをいう。このペルチェ効果を利用したものが熱電
冷却である。

【０００８】図３に従来の熱電気変換モジュールの構成
を示す。図示の熱電気変換モジュールは、複数の半導体
素子材チップが平面上に配列されたチップ層３１を有す
る。詳細に説明すると、図示のチップ層３１は４９個
（図面では５個のみ図示する）のＮ型半導体素子材チッ
プ３１ｎと、４９個（図面では５個のみ図示する）のＰ
型半導体素子材チップ３１ｐとを有し、これらは図面の
左右および手前奥行き方向に交互に所定距離離れて、図
面の上方から見たとき格子状に配置されている。但し、
４隅の内の２つは、外部に電力を供給したりあるいは外
部から直流を流すための一対の電極（図示せず）として
使用されるので、これらの位置には半導体素子材チップ
が存在しない。

【０００９】チップ層３１の上面および下面は、それぞ
れ、上半田層３２ｕおよび下半田層３２ｄによって、４
９枚（図面では５枚のみ図示する）の上金属セグメント
から成る上金属層３３ｕおよび５０枚（図面では６枚の
み図示する）の下金属セグメントから成る下金属層３３
ｄに接合されている。ここで、熱電気変換モジュールを
熱電発電に使用する場合、チップ層３１の上面側の上金
属層３３ｕは、図示しない高熱源によって高温にされる
ので高温側接合金属層と呼ばれ、チップ層３１の下面側
の下金属層３３ｄは、図示しない低熱源によって低温に
されるので、低温側接合金属層と呼ばれる。

【００１０】上金属層３３ｕおよび下金属層３３ｄ間に
挟まれた一対のＮ型半導体素子材チップ３１ｎおよびＰ
型半導体素子材チップ３１ｐによって、１個の熱電対
（熱電気変換素子）が構成される。図３から明らかなよ
うに、各熱電対（熱電気変換素子）は、π字型の構造を
している。従って、図示の熱電気変換モジュールは各々
がπ字型構造を基本構造とした４９個の熱電対（熱電気
変換素子）から成る。

【００１１】図３に示されるように、これら４９個の熱
電対は４９枚の上金属セグメントおよび５０枚の下金属
セグメントを介して電気的に直列に接続されている。ま
た、チップ層３１の上面側に上金属層（高温側接合金属
層）３３ｕが、下面側に下金属層（低温側接合金属層）
３３ｄが配置されるので、これら４９個の熱電対は熱的
に並列に配列されている。上金属層３３ｕの上面には、
銀ろう３４ｕを介して上絶縁薄板３５ｕが固着されてい
る。同様に、下金属層３３ｄの下面には、銀ろう３４ｄ
を介して下絶縁薄板３５ｄが固着されている。熱電気変
換モジュールを熱電発電に使用する場合、上述したのと
同じ理由により、上絶縁薄板３５ｕおよび下絶縁薄板３
５ｄは、それぞれ、高温側絶縁薄板および低温側絶縁薄
板と呼ばれる。このようにして、熱電気変換モジュール
は平板状に組み立てられる。

【００１２】尚、後述するように、この熱電気変換モジ
ュールを熱電発電に使用する場合には、下絶縁薄板（低
温側絶縁薄板）３５ｄを低温に保つ必要があり、また、
熱電気変換モジュールを熱電冷却に使用する場合には、
下絶縁薄板３５ｄから発熱させる必要がある。そのた
め、図３に示すように、一般的に、下絶縁薄板３５ｄの
下面に、グリース３６を介して放熱板３７が固着され
る。

【００１３】このような構造の熱電気変換モジュールを
熱電発電に使用する場合、高熱源によって上絶縁薄板
（高温側絶縁薄板）３５ｕを加熱し、かつ低熱源及び／
又は放熱板３７によって下絶縁薄板（低温側絶縁薄板）
３５ｄから放熱させる。これにより、高温側絶縁薄板３
５ｕと低温側絶縁薄板３５ｄとの間に大きな温度差を与
えて発電機能（ゼーベック効果）を得る。このとき、上
記一対の電極に負荷を接続することにより、上金属セグ
メントおよび下金属セグメントの各々では、図３におい
て、右側から左側の方向に熱電流が流れ、負荷に電力を
供給することができる。

【００１４】逆に、熱電気変換モジュールを熱電冷却に
使用する場合、上記熱電流が流れる方向と同じ方向に外
部から一方の電極から他方の電極に直流を流す。する
と、上絶縁薄板３５ｕはその周囲から熱を吸収すること
によりその周囲を冷却し、下絶縁薄板３５ｄはその周囲
に熱を発生してその周囲を加熱する。このように、上絶
縁薄板３５ｕと下絶縁薄板３５ｄとの間に温度差を発生
させることにより冷却機能（ペルチェ効果）を得ること
ができる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱電気変換モジュールは、構造的に、次に述べる様な欠
点をもっている。すなわち、チップ層３１と上金属層３
３ｕおよび下金属層３３ｄとが上半田層３２ｕおよび下
半田層３２ｄによって接合されていることに問題があ
る。本来、半田接合は、一旦、半田を凝固させた後は室
温近傍で、その接合機能を果たすように設計されてい
る。しかるに、上記従来の熱電気変換モジュールの構造
では、熱電発電として使用する場合、上述したように熱
電気変換素子の両側（図３の上下側）にある高温側絶縁
薄板３５ｕ及び低温側絶縁薄板３５ｄ間に大きな温度差
を与えて発電機能（ゼーベック効果）を得、或いは熱電
冷却として使用する場合、上述したように４９個の熱電
対に直流を流して上絶縁薄板３５ｕ及び下絶縁薄板３５
ｄ間に温度差を発生させることにより冷却機能（ペルチ
ェ効果）を得ている。

【００１６】周知のように、上半田層３２ｕおよび下半
田層３２ｄに使用される半田は、鉛（Ｐｂ）及び錫（Ｓ
ｎ）を主成分とし、その共晶点（錫６３重量％，鉛３７
重量％）近傍の組成を持ち、それらが細かく分散された
層状組織をもっている。とことが、上記構造の熱電気変
換モジュールでは、熱電発電として使用する場合には高
温側接合金属３３ｕ側の上半田層３２ｕが、熱電冷却と
して使用する場合には下金属層３３ｄ側の下半田層３２
ｄが、長時間、半田の融点（約１８３℃）直下温度に保
持される場合がある。このような場合、その温度に保持
された半田の層状組織は粗大化し、その半田の形状が変
形することは、半田の特性を示す状態図からみて十分に
考えられ得る。チップ層３１と上金属層３３ｕ又は下金
属層３３ｄとの間の個々の接合層で生じる上半田層３２
ｕまたは下半田層３３ｄの層状組織の変化は、チップ層
３１と上金属層３３ｕ及び下金属層３３ｄと間の接合点
における幾つかの箇所に対して、不均一な剪断応力を与
えることになる。それによって、上記幾つかの箇所の内
の一部の箇所に応力集中が起こる。このような応力集中
は、熱電気変換素子を破壊させる原因となる。

【００１７】一般に、熱電気変換モジュールを構成する
熱電気変換素子の個数をｎ個とすると、熱電気変換モジ
ュール内の各熱電気変換素子の自由度は１／（２ｎ）と
なる。その結果、熱電気変換モジュールを構成する熱電
気変換素子の個数が多くなればなる程、熱電気変換素子
が破壊する確率が高くなる。従来の熱電気変換モジュー
ルの構造のように、多くの半田接合層をもつ構造では、
このような欠点を避けることはできない。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、熱歪み
による素子破壊を避けることによって、製品寿命を著し
く延ばすことができる積層型熱電気変換装置を提供する
ことにある。

【００１９】本発明の他の目的は、発電能力の優れた熱
電発電用サブユニットを提供することにある。

【００２０】本発明のさらに他の目的は、コンパクトな
発電システムを提供することにある。

【００２１】本発明によれば、中心がほぼ中心軸に一致
するように、中心軸に沿って所定間隔で配置された複数
枚のＮ型半導体素子と、各々が隣接する２枚のＮ型半導
体素子のほぼ中間に位置するように、中心軸に沿って所
定間隔で配置された複数枚のＰ型半導体素子と、複数枚
のＮ型半導体素子と複数枚のＰ型半導体素子との隙間
に、所定間隔で配置された複数枚の高温熱伝達板と、複
数枚のＮ型半導体素子と複数枚のＰ型半導体素子との残
りの隙間に、所定間隔で配置された複数枚の低温熱伝達
板と、両端にある高温熱伝達板又は低温熱伝達板の２枚
の端熱伝達板に設けられた１対の電極とを備えたことを
特徴とする積層型熱電変換装置が得られる。

【００２２】

【作用】素子直列型積層構造を採用することによって、
従来のモジュール構造で避けることの出来なかった欠点
の一つである熱歪みによる素子破壊の問題を解決でき
る。

【００２３】

【実施例】次に、本発明について実施例に基づいて説明
する。

【００２４】図１に本発明の一実施例による積層型熱電
変換装置の概略構成を示す。図示の積層型熱電変換装置
は、主に、熱電発電用サブユニット１０として使用され
ることを前提としているので、以下では、図示の積層型
熱電変換装置が熱電発電用サブユニット１０であるとし
て説明する。図１において、（ａ）は熱電発電用サブユ
ニット１０の正面図、（ｂ）は熱電発電用サブユニット
１０の上面図である。

【００２５】図示の熱電発電用サブユニット１０は、図
１（ａ）に示されるように、上下方向に延びる中心軸Ｃ
をもち、複数枚（本例では２０枚）の円板状のＮ型半導
体素子１１ｎと、複数枚（本例では２０枚）の円板状の
Ｐ型半導体素子１１ｐとを備えている。２０枚のＮ型半
導体素子１１ｎは、各々の中心がほぼ中心軸Ｃに一致す
るように、中心軸Ｃに沿って所定間隔Ｇで配置されてい
る。同様に、２０枚のＰ型半導体素子１１ｐは、各々が
隣接する２枚のＮ型半導体素子１１ｎのほぼ中間に位置
するように、中心軸Ｃに沿って所定間隔Ｇで配置されて
いる。すなわち、２０枚のＮ型半導体素子１１ｎと２０
枚のＰ型半導体素子１１ｐとは、中心軸Ｃに沿って交互
に直線状に配列されている。Ｎ型半導体素子１１ｎおよ
びＰ型半導体素子１１ｐの各々は、板状をしているの
で、単に板状素子とも呼ばれる。これら２０枚のＮ型半
導体素子１１ｎと２０枚のＰ型半導体素子１１ｐとの間
には、複数枚（本例では２１枚）の高温熱伝達板１２_H
と複数枚（本例では２０枚）の低温熱伝達板１２_Lとが
交互に挟み込まれている。以下では、この構造体を熱電
対群棒状積層体と呼ぶことにする。この熱電対群棒状積
層体の長手方向両端にある２枚の高温熱伝達板１２_Hに
は、それぞれ、一対の電極板１３ｐおよび１３ｃが設け
られている。本例では、電極板１３ｐが陽極板であり、
電極板１３ｃが陰極板である。

【００２６】陽極板１３ｐと陰極板１３ｃとの間に挟ま
れた上記熱電対群棒状積層体は、陽極板１３ｐと陰極板
１３ｃとが互いに接近する方向に、固定螺子１４−１お
よび１４−２によって、適当な圧力でもって圧接されて
いる。すなわち、固定螺子１４−１および１４−２は、
後述するフレームと協働して、一対の電極板１３ｐおよ
び１３ｃが互いに近接する方向に押圧する押圧手段とし
て作用する。

【００２７】したがって、２０枚のＮ型半導体素子１１
ｎと、２０枚のＰ型半導体素子１１ｐと、２１枚の高温
熱伝達板１２_Hと、２０枚の低温熱伝達板１２_Lとは、
一対の電極板１３ｐおよび１３ｃ間に電気的に直列に接
続される。半導体素子１１ｎおよび１１ｐと熱伝達板１
２_Hおよび１２_Lとの電気的結合を良くするために、そ
れらの間にペースト状のＩｎＧａを塗布することが好ま
しい。

【００２８】図１に示されるように、高温熱伝達板１２
_Hの各々は、Ｎ型半導体素子１１ｎとＰ型半導体素子１
１ｐとの間に挟まれる高温胴体部１２_H−１と、この高
温胴体部１２_H−１から中心軸Ｃ方向と直交する方向
（図面の左方向）に延在した一対の高温脚部１２_H−２
とを有し、一対の高温脚部１２_H−２は互いに所定距離
離れている。同様に、低温熱伝達板１２_Lの各々は、Ｎ
型半導体素子１１ｎとＰ型半導体素子１１ｐとの間に挟
まれる低温胴体部１２_L−１と、この低温胴体部１２_L
−１から高温脚部１２_H−２とは逆方向（図面の右方
向）に延在した一対の低温脚部１２_L−２とを有し、一
対の低温脚部１２_L−２は互いに所定距離離れている。

【００２９】中心軸方向に延在する高温熱伝達パイプ１
５_Hが、２１枚の高温熱伝達板１２_Hの一対の高温脚部
１２_H−２間に嵌合された状態で、熱電対群棒状積層体
と平行に設けられている。同様に、中心軸方向に延在す
る低温熱伝達パイプ１５_Lが、２０枚の低温熱伝達板１
２_Lの低温脚部１２_L−２間に嵌合された状態で、熱電
対群棒状積層体と平行に設けられている。

【００３０】熱電対群棒状積層体の下上両端には、それ
ぞれ、陽極板１３ｐおよび陰極板１３ｃを介して、固定
板１６−１，１６−２が設けらている。固定板１６−
１，１６−２には、高温熱伝達パイプ１５_Hおよび低温
熱伝達パイプ１５_Lが貫通する貫通孔が空けられている
と共に、それぞれ、上記固定螺子１４−１および１４−
２による螺合を可能とする捩子孔が空けられている。更
に、固定板１６−１，１６−２の四隅には、中心軸Ｃ方
向に延在し、かつ両端に雄捩子の切られた４本のフレー
ム固定螺子１７の貫通を許す貫通孔が空けられている。
固定板１６−１，１６−２は、４本のフレーム固定螺子
１７と８個のナット１８とによって、Ｈ字形状の螺子固
定板１９−１，１９−２を介して固定される。すなわ
ち、固定板１６−１，１６−２と、４本のフレーム固定
螺子１７と、８個のナット１８と、螺子固定板１９−
１，１９−２とによってフレームが構成されている。

【００３１】尚、陽極板１３ｐは、中心軸ｃと直交し、
かつ高温脚部１２_H−２及び低温脚部１２_L−２の延在
方向と直交する方向（図１（ａ）の手前方向）に延在し
た舌部（図示せず）を有し、この舌部は図１（ａ）の手
前側に設置されるだろう熱電発電用サブユニットの陰極
板として使用される。同様に、陰極板１３ｃも、上記陽
極板１３ｐの舌部とは逆方向（図１（ａ）の奥行き方
向）に延在した舌部１３ｃ−１を有し、この舌部１３ｃ
−１は図１（ｂ）の２点鎖線で示した別の熱電発電用サ
ブユニット１０´の陽極板１３ｐ´として使用される。

【００３２】尚、高温熱伝達パイプ１５_Hおよび低温熱
伝達パイプ１５_Lは、それぞれ、図１（ａ）の上下にお
いて紙面に対して直交する方向に延在して並設された高
温用メインパイプおよび低温用メインパイプと周知のカ
セット式配管構造によって結合されている。すなわち、
このカセット式配管構造によって、熱伝達パイプ１５_H
および１５_Lとメインパイプとをワンタッチで結合する
ことができる。また、上述したように、図１に示す熱電
発電用サブユニットを適当な個数だけ電気的に直列に接
続することによって、コンパクトな発電システムを提供
できる。また、素子断面積の大きい上記板状素子を用い
ることによって、従来の熱電気変換モジュールを使用し
た発電システムよりも、構造を単純化し、小型化するこ
とができる。板状素子の断面積が大きく、その抵抗が著
しく小さいので、本熱電発電用サブユニット１０を複数
個使用した発電システムは、大電力型熱発電装置とし
て、特にその能力を遺憾なく発揮するだろう。

【００３３】以下、図１に示す熱電発電用サブユニット
１０の動作について説明する。高温用メインパイプから
高温熱伝達パイプ１５_H中に熱水などの高温媒体を流す
と共に、低温用メインパイプから低温熱伝達パイプ１５
_L中に冷水などの低温媒体を流す。すなわち、図１
（ａ）の右側を加熱し、左側から放熱する。これによ
り、熱が、高温熱伝達板１２_H→Ｎ型半導体素子１１ｎ
→低温熱伝達板１２_Lの経路および高温熱伝達板１２_H
→Ｐ型半導体素子１１ｐ→低温熱伝達板１２_Lの経路を
通って伝導する。これにより、２１枚の高温熱伝達板１
２_Hと２０枚の低温熱伝達板１２_Lとの間に温度差を生
じ、ゼーベック効果によりＮ型半導体素子１１ｎに負、
Ｐ型半導体素子１１ｐに正の熱起電力が発生する。した
がって、陽極板１３ｐと陰極板１３ｃとの間に負荷を接
続すると、図１（ａ）の上方（陰極板１３ｃ）から下方
（陽極板１３ｐ）へ熱電流が流れる。

【００３４】Ｎ型半導体素子１１ｎおよびＰ型半導体素
子１１ｐを構成する熱電材料としては、溶成材、粉末焼
結材、及び複合材などを使用できるが、上述したよう
に、（Ｂｉ，Ｓｂ）₂（Ｔｅ，Ｓｅ）₃系半導体化合物
を使用するのが好ましい。

【００３５】次に、Ｎ型半導体素子１１ｎの熱電材料と
してＢｉ₂（Ｔｅ，Ｓｅ）₃を主成分とするＮ型半導体
化合物を、Ｐ型半導体素子１１ｐの熱電材料として（Ｂ
ｉ，Ｓｂ）₂Ｔｅ₃を主成分とするＰ型半導化合物を、
それぞれ使用した場合のＮ型半導体素子１１ｎおよびＰ
型半導体素子１１ｐの製造方法について説明する。ここ
では、Ｎ型半導体化合物およびＰ型半導化合物として、
それぞれ、下記の化学式１および化学式２で表される原
料を使用した。

【００３６】

【化１】

【００３７】

【化２】

【００３８】これらＮ型半導体化合物およびＰ型半導化
合物の原料を、それぞれ、１ｋｇ秤量し、石英管中に真
空封入した。これらを横型電気抵抗炉中で溶解、凝固さ
せた。このようにして得られた２個の鋳塊を平底石英管
るつぼの中に、それぞれ、別の２つのセラミック材とと
もに挿入し、真空封入した。ここで、セラミック材とし
て、外形が直径３０φで長さ１００ｍｍの円柱形状であ
り、長手方向に延在したセルと呼ばれる空腔が多数ハニ
カム状に形成されたものを使用した。各セルは、１ｍｍ
×１ｍｍの断面形状をもつ。このような構造をもつセラ
ミック材は、ハニカムストレーナーと呼ばれる。これら
を、立型電気抵抗炉の中にセットし、加熱溶解した。上
記平底石英管るつぼを降下速度２ｍｍ／時間をもって降
下させ、ハニカムストレーナーの個々のセルの中で溶解
された溶湯を、凝固面で４２℃／ｃｍの温度勾配をもっ
て凝固させた。これによって、各セルの中で、断面積１
×１ｍｍ²の化合物単結晶が得られた。この化合物単結
晶をそれぞれのセルの長手方向に結晶Ｃ面に略平行に成
長させ、Ｎ型およびＰ型の２つの複合素子材を得た。

【００３９】Ｎ型複合素子材およびＰ型複合素子材の各
々は、直径３０φで長さ１００ｍｍの円柱形状をしてい
る。Ｎ型複合素子材を板厚２ｍｍに切断して、５０枚の
切断薄板（Ｎ型熱電半導体薄膜層）を得、これら切断薄
板の表面を各々研磨して後、Ｎｉメッキ（導電性薄膜）
を施した。このようにして、５０枚のＮ型複合素子板が
得た。この得られたＮ型複合素子板の各々がＮ型半導体
素子１１ｎである。同様に、Ｐ型複合素子材を板厚２ｍ
ｍに切断して、５０枚の切断薄板（Ｐ型熱電半導体薄膜
層）を得、これら切断薄板の表面を各々研磨して後、Ｎ
ｉメッキ（導電性薄膜）を施した。このようにして、５
０枚のＰ型複合素子板を得た。この得られたＰ型複合素
子板の各々がＰ型半導体素子１１ｐである。

【００４０】本発明者等は、このようにして製造したＮ
型半導体素子１１ｎおよびＰ型半導体素子１１ｐが、測
定の結果、下記の表１で表される熱電特性をもっている
ことを確認した。

【００４１】

【表１】

【００４２】図２に熱電発電用サブユニット１０を構成
する高温熱伝達板１２_Hおよび低温熱伝達板１２_Lの代
わりに使用される熱伝達部材１２ａを示す。図２におい
て、中央部に熱伝達部材１２ａの平面図を、上部にＡ−
Ａ断面図を、左側にＢ−Ｂ断面図を、下部にＣ−Ｃ断面
部を示す。この熱伝達部材１２ａは対流伝達機構をもっ
ている。

【００４３】詳細に説明すると、熱伝達部材１２ａは、
形状が高温熱伝達板１２_H（低温熱伝達板１２_L）と同
一で、互いに所定距離離れて対向配置された上板１２ａ
−１および下板１２ａ−２と、これら上板１２ａ−１お
よび下板１２ａ−２の外周縁を覆って熱伝達部材１２ａ
内に空洞を形成するフレーム枠１２ａ−３と、上板１２
ａ−１および下板１２ａ−２間に挟まれて胴体部の中央
に設けられた円板１２ａ−４と、脚部の空洞に詰め込ま
れた充填物１２ａ−５とを有する。このような構成によ
り、熱伝達部材１２ａの胴体部には環状の中空部１２ａ
−６が形成される。このため、図２の矢印に示すよう
に、環状の中空部１２ａ−６において熱を対流伝達する
ことができる。ここで、充填物１２ａ−５や中空部１２
ａ−６に熱伝達特性の良好な物や流体を収納することが
好ましい。

【００４４】本発明は上記実施例に限定せず、本発明の
趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更・変形が可能なの
は勿論である。例えば、上記熱電発電用サブユニット１
０において、高温熱伝達パイプ１５_Hおよび低温熱伝達
パイプ１５_Lに熱水や冷水を流す代わりに、熱電流の流
れる方向に外部から直流を流すことにより、高温熱伝達
パイプ１５_H中を流れる水を冷やしたり、低温熱伝達パ
イプ１５_L中を流れる水を温めたりすることができる。
すなわち、冷温水供給サブユニットとしても使用するこ
とができる。

【００４５】

【発明の効果】このように本発明は、素子直列型積層構
造を採用することによって、従来のモジュール構造で避
けることの出来なかった欠点の一つである熱歪みによる
素子破壊の問題を解決できる。また、対流伝達機構をも
つ熱伝達部材及び薄膜層をもつ新型素子を用いる事によ
って、発電能力を下げずに、サブユニットをより小型に
することが可能である。素子破壊を避けることによっ
て、製品寿命を著しく延ばすことができる。また、カセ
ット式サブユニットを用いることによって、よりコンパ
クトな発電システムを組み立てることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による積層型熱電変換装置
（熱電発電用サブユニット）の構造を示した図で、
（ａ）は正面図、（ｂ）は上面図である。

【図２】図１に示す熱電発電用サブユニットを構成する
熱伝達板の代わりに使用される熱伝達部材の構造を示す
図である。

【図３】従来の熱電気変換モジュールの構成を示す断面
図である。

【符号の説明】

１０積層型熱電変換装置（熱電発電用サブユニッ
ト）１１ｎＮ型半導体素子１１ｐＰ型半導体素子１２_H 高温熱伝達板１２_L 低温熱伝達板１３ｐ，１３ｃ電極板１４−１，１４−２固定螺子１５H 高温熱伝達パイプ１５L 低温熱伝達パイプ１６−１，１６−２固定板１７フレーム固定螺子１８ナット１９−１，１９−２螺子固定板

───────────────────────────────────────────────────── 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番22号 (72)発明者中川康昭宮城県仙台市青葉区八幡４丁目８番６号 (72)発明者金子武次郎宮城県仙台市青葉区旭ヶ丘３丁目13番８号 (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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】中心がほぼ中心軸に一致するように、前
記中心軸に沿って所定間隔で配置された複数枚のＮ型半
導体素子（１１ｎ）と、各々が隣接する２枚の前記Ｎ型半導体素子のほぼ中間に
位置するように、前記中心軸に沿って前記所定間隔で配
置された複数枚のＰ型半導体素子（１１ｐ）と、前記複数枚のＮ型半導体素子と前記複数枚のＰ型半導体
素子との隙間に、前記所定間隔で配置された複数枚の高
温熱伝達板（１２_H）と、前記複数枚のＮ型半導体素子と前記複数枚のＰ型半導体
素子との残りの隙間に、前記所定間隔で配置された複数
枚の低温熱伝達板（１２_L）と、両端にある高温熱伝達板又は低温熱伝達板の２枚の端熱
伝達板に設けられた一対の電極板（１３ｐ，１３ｃ）と
を備えたことを特徴とする積層型熱電変換装置。
【請求項２】前記一対の電極が互いに近接する方向に
押圧する押圧手段（１４−１，１４−２）を有する請求
項１記載の積層型熱電変換装置。
【請求項３】前記Ｎ型半導体素子の各々が、Ｎ型熱電
半導体薄膜層と、該Ｎ型熱電半導体薄膜層の表面を覆う
導電性薄膜とから成り、前記Ｐ型半導体素子の各々が、
Ｐ型熱電半導体薄膜層と、該Ｐ型熱電半導体薄膜層の表
面を覆う導電性薄膜とから成る請求項１又は２記載の積
層型熱電変換装置。
【請求項４】前記高温熱伝達板（１２_H）の各々が、
前記Ｎ型半導体素子と前記Ｐ型半導体素子との間に挟ま
れる高温胴体部（１２_H−１）と、該高温胴体部から前
記中心軸方向と直交する方向に延在し、かつ互いに所定
離れた一対の高温脚部（１２_H−２）とを有し、前記低温熱伝達板（１２_L）の各々が、前記Ｎ型半導体
素子と前記Ｐ型半導体素子との間に挟まれる低温胴体部
（１２_L−１）と、該低温胴体部から前記高温脚部とは
逆方向に延在し、かつ互いに所定離れた一対の低温脚部
（１２_L−２）とを有する請求項１又は２記載の積層型
熱電変換装置。
【請求項５】前記高温胴体部および前記低温胴体部の
各々が、環状の中空部（１２ａ−６）を有する請求項４
記載の積層型熱電変換装置。
【請求項６】前記複数の高温熱伝達板の前記一対の高
温脚部間に嵌合された高温熱伝達パイプ（１５_H）と、
前記複数の低温熱伝達板の前記一対の低温脚部間に嵌合
された低温熱伝達パイプ（１５_L）とを有する請求項４
又は５記載の積層型熱電変換装置。
【請求項７】請求項６に記載した積層型熱電変換装置
において、前記高温熱伝達パイプ（１５_H）および前記
低温熱伝達パイプ（１５_L）にそれぞれ高温媒体および
低温媒体を流して発電を行う熱電発電用サブユニット。
【請求項８】請求項７に記載した熱電発電用サブユニ
ットを複数個、電気的に直列に接続し、前記高温熱伝達
パイプおよび前記低温熱伝達パイプをメインパイプにカ
セット式配管構造を介して結合してなる発電システム。