JPH08153898A

JPH08153898A - 熱電素子

Info

Publication number: JPH08153898A
Application number: JP6293323A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakagiri; 康司中桐; Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Akiko Miyake; 章子三宅
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1994-11-28
Filing date: 1994-11-28
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は熱を電気に変換する熱電素子に関す
るもので、歩留りを高くし熱電素子の製造コストを低減
することを目的とする。【構成】膜形状のＰ型およびＮ型半導体が表面に形成
されている少なくとも一枚以上の電気絶縁性基板９と、
少なくとも二枚以上の断熱性板８が、それぞれ交互に積
層されている熱電素子である。絶縁性基板の間に板状の
断熱材が設置されているので、高温部から低温部への熱
の伝導を押さえて、高温部と低温部の温度差も確保する
ことが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ペルチェ効果を利用し
電気的に冷却もしくは加熱を行う、あるいはゼーベック
効果により温度差を用いて発電を行う装置等に有用な熱
電素子、特に膜形状熱電半導体を用いた熱電素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱を電気に変換、あるいは電気を
熱に変換する熱電素子は、図６の従来例に示すように金
属板１および金属板２によってＮ型半導体エレメント３
およびＰ型半導体エレメント４を挟み込み、交互に電気
的に直列して配列されており、両端部に電極端子５、６
が設置されている。そして、金属板１または２、もしく
はその両方に電気絶縁性基板７を張り付けて熱電素子を
保持するといった構成を有していた。上記の構成におい
て、電極端子５と電極端子６間に直流電流を通ずること
により、金属板と半導体エレメントの接触する面で吸熱
または発熱が起こり、金属板の一方が冷却され他方が加
熱され、熱電素子の表裏に温度差をつけていた。また、
逆に両側の金属板に温度差を与えることにより発電を行
っていた。

【０００３】これと関連する技術でエッチングスハウゼ
ン素子というものもあり、この素子に電流と磁場を直交
させて与えた場合に、電流方向と磁場方向の両方向に垂
直な方向に温度差が発生し、また逆に、温度差と磁場を
直交させて与えた場合に、両方向に垂直な方向に電場が
発生するものである。

【０００４】このような熱電素子の製造方法は以下のよ
うに行われている。

【０００５】まず、Ｐ型およびＮ型半導体エレメントを
製造するために、２種類または３種類の金属または半金
属にドープ元素を混入し、溶製法または焼結法を用い
て、所定の形状に成形する。このようにして得られた半
導体エレメント３または４の両面に金属板１および２を
一つ一つ半田付けし、交互に直列的に配列することによ
って製造されている。その後、セラミック等の電気絶縁
性基板７の上に装着することにより、機械的強度を保っ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の構成および製造方法では、多数の半導体エレ
メントや金属板を単独で用意し、それぞれ一つ一つ金属
片に半田付け等で組み合わせて製造することになり、し
かもその場合にＰ型及びＮ型の半導体エレメントを交互
に誤りなく一定間隔を保って整列させなければならず、
このような組立作業が煩雑であり、なおかつ、非常に時
間がかかる。このため生産性が低く量産化が出来ないた
め、熱電素子の製造コストが高くなるという課題を有し
ていた。

【０００７】また、量産性をあげるために、印刷法等の
手段により膜形状の熱電半導体を作製する製造方法を用
いた場合に、単に膜を重ねるだけでは、熱伝導性が高く
なり、伝熱面積も小さくなるので、高温部と低温部の温
度差を確保できないといった課題もあった。

【０００８】本発明は、上記従来の熱電素子の問題点を
考慮し、膜形状の熱電半導体が表面に形成されている絶
縁性基板と板状の断熱材を交互に積層するような構成を
とることにより、熱電素子の製造コストを大幅に低減
し、併せて高温部と低温部の温度差も確保することがで
きる新規な熱電素子を提供することを目的とするもので
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による熱電素子
は、膜形状の熱電半導体が表面に形成されている絶縁性
基板と板状の断熱材を交互に積層するように配置された
構成を備えるものである。

【００１０】

【作用】本発明は、上記のような構成のために、膜形状
材料製造方法による熱電半導体の一括製膜といった簡便
な製造方法を用いることができるので歩留りを高くする
ことができる。また、絶縁性基板の間に板状の断熱材が
設置されているので、高温部から低温部への熱の伝導を
押さえることができ、高温部と低温部の温度差も確保す
ることが可能となるといった作用を有する。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明による熱電素子の実施例を図
面により説明する。

【００１２】（実施例１）図１は本発明による熱電素子
の一実施例の斜視図である。

【００１３】断熱性板８の間には、電気絶縁性基板９が
挟まれている。断熱性板８には発泡スチロールを用い、
電気絶縁性基板９にはポリイミド基板を使用した。ポリ
イミド基板は折り曲げることができるので、この実施例
では一枚の基板を折り曲げて一枚の基板中の複数部分を
断熱性板８の間に挟み込む構造とした。電気絶縁性基板
９の両端には、金属電極１０および金属電極１１が設置
されている。電気絶縁性基板９の表面には、膜形状熱電
半導体が形成されている。

【００１４】電気絶縁性基板９の構造を図２で示す。図
２は電気絶縁性基板９の展開平面図である。電気絶縁性
基板９の両端には金属電極１０、１１がそれぞれ設置さ
れている。電気絶縁性基板９の表面には、Ｐ型半導体膜
１２とＮ型半導体膜１３が、直接的に付着されている。
Ｐ型半導体膜１２およびＮ型半導体膜１３はそれぞれ端
部で重なり合って電気的に接触しており、電気的に直列
接続をするように配置されている。この場合の熱電半導
体膜の材料および製造方法としては、（Ｂｉ，Ｓｂ）−
（Ｔｅ，Ｓｅ）系材料をそれぞれＰ型、Ｎ型半導体とな
るように所定の組成比で混合したものを、組成を変化さ
せずに蒸着するフラッシュ蒸着法を使用した。

【００１５】このような構成において、図１における金
属電極１０と金属電極１１の間に直流電流を流すことに
より、Ｐ型半導体膜１２とＮ型半導体膜１３の接触して
いる界面で吸熱または発熱が起こる。

【００１６】つまり、このような構成で膜形状の熱電半
導体を用いることにより、熱電素子の表裏に温度差を与
えることが可能となる。もちろん、逆に熱電素子の表裏
に温度差をつけることにより発電を行うことも可能であ
る。

【００１７】上記のような構成を採用しているので、以
下のような製造方法を用いることができる。まず、電気
絶縁性基板１０の表面にＰ型（もしくはＮ型）半導体の
みをマスク蒸着し、続いて、その上にＮ型（もしくはＰ
型）半導体薄膜のみをマスク蒸着するといった製造方法
である。

【００１８】すなわち、Ｐ型、Ｎ型の設置ミスを避ける
ことができ、熱電半導体を一つづつ半田付けするという
ような煩雑な手間が不必要となり、一括で必要な部分に
Ｐ型およびＮ型半導体を設置することができる簡便な製
造方法を用いることができるといった効果がある。さら
に、この方式は一度に大量の素子をつくる量産も可能と
なるといった効果も有している。

【００１９】また、単に、膜形状熱電半導体を形成した
電気絶縁性基板を重ねただけでは、高温部から低温部へ
の熱伝導を押さえることができず、伝熱面積も小さいの
で、高温部と低温部の温度差を確保することができな
い。しかし、上記のような構成では、電気絶縁性基板の
間に板状の断熱材を設置しているので、高温側から低温
側への熱の伝導を低くすることができ、温度差を確保す
ることができる。さらに、素子の強度を確保することも
できる。

【００２０】このときの断熱材は、発泡スチロール等の
有機発泡材料を使用した。有機発泡材料は、熱伝導率が
低いので熱電素子には有効であるが、高温には耐えられ
ないので、有機発泡材料を電気絶縁性基板として使用し
て、熱電材料膜を直接付着させることは難しい。しか
し、このように別々に設置すれば有機発泡材料を使用す
ることができる。さらに、断熱材の熱伝導率、厚さを変
えることにより、熱電素子の性能と温度差に合わせた設
計をすることが可能となる。結果的に、素子自身の性能
を高めることが可能となるといった効果を備えているこ
とになる。

【００２１】なお、本実施例では、一枚の電気絶縁性基
板を折り曲げて使用したが、多数枚の電気絶縁性基板を
断熱性板で挟み込み、その後、それぞれを直列接続をし
ても構わない。

【００２２】また、本実施例では、Ｐ型半導体とＮ型半
導体を直接接続したが、その部分に金属薄膜を付着させ
て、金属薄膜を介してＰ型半導体とＮ型半導体を接続し
ても同様の効果が得られる。

【００２３】次に、本発明による熱電素子の他の実施例
を図面により説明する。

【００２４】（実施例２）図３は、本発明による熱電素
子の他の実施例の斜視図である。

【００２５】断熱性板１４の間には、電気絶縁性基板１
５が挟まれている。電気絶縁性基板１５の両端には、電
極端子１６および電極端子１７が設置されている。さら
に、熱電素子の両端部には、磁石１８、１９が電流の流
れる方向と垂直な方向に磁場ができるように設置されて
いる。電気絶縁性基板１４の表面には、膜形状エッチン
グスハウゼン材料が形成されている。

【００２６】電気絶縁性基板１４の構造を図４で示す。
図４は、電気絶縁性基板１５の平面図である。電気絶縁
性基板１５の両端には金属電極２０、２１がそれぞれ設
置されている。電気絶縁性基板１５の表面には、エッチ
ングスハウゼン膜２２が、直接的に付着されている。エ
ッチングスハウゼン膜２２は両端部が金属電極２０、２
１と電気的に接触するように配置している。この場合の
エッチングスハウゼン材料としては、Ｂｉ₈₈Ｓｂ₁₂を使
用した。また、金属電極２０、２１は、電極端子１６、
１７とそれぞれ電気的に接続するように設置されてい
る。

【００２７】上記のような構成において、金属電極１６
と金属電極１７の間に直流電流を流すことにより、エッ
チングスハウゼン効果により、電流と磁場の両方に垂直
な方向に温度差が発生する。すなわち結果的に実施例１
の場合と同様の方向で、熱電素子の表裏に温度差を与え
ることができる。もちろん、温度差を与えることによ
り、発電を行なうことも可能である。

【００２８】上記のような構成では、第１の実施例で述
べた効果に加えて、準備する半導体が１種類でよいとい
ったような効果がある。すなわち、製造工程の短縮、材
料の選択ミスの排除などで、さらに製造コストの低減を
行なうことが可能となるといった効果も有している。

【００２９】次に、本発明による熱電素子の他の実施例
を図面により説明する。

【００３０】（実施例３）図５は、本発明による熱電素
子の他の実施例の斜視図である。断熱性板２３の間に
は、電気絶縁性基板２４が挟まれている。さらに、磁石
板２５が電流の流れる方向と垂直な方向に磁場ができる
ように断熱性板２３および電気絶縁性基板２４を挟み込
むように設置されている。電気絶縁性基板２４の両端に
は、電極端子２６および電極端子２７が設置されてい
る。磁石板２５は、この電極２６、２７によって電流が
通ずることはない。電気絶縁性基板２４の表面には、図
４で示したのと同様のエッチングスハウゼン膜が形成さ
れている。

【００３１】このような構成において、実施例２の場合
と同様の動作により、温度差の発生、発電を行うことが
できる。

【００３２】この実施例の場合は、実施例１、２の効果
に加えて、各エッチングスハウゼン膜に適切で大きな磁
場を与えることができるといった効果を有している。

【００３３】なお、本実施例１、２、３では、熱電素子
単体の構造しか示していないが、放熱部、吸熱部に対し
てそれぞれフィンを設置しても構わない。

【００３４】また、本実施例では、断熱性板を複数枚重
ねた構成をとったが、大きな断熱材に線状の切り込みを
いれて、膜形状の熱電材料が付着している電気絶縁性基
板を埋め込む構成をとっても構わない。

【００３５】また、今回の実施例では、熱電半導体とし
て（Ｂｉ，Ｓｂ）−（Ｔｅ，Ｓｅ）系材料、そして、エ
ッチングスハウゼン材料としてＢｉ₈₈Ｓｂ₁₂を使用した
が、もちろんその他の熱電半導体材料、例えばＺｎ−Ｓ
ｂ系材料、Ｓｉ−Ｇｅ系材料、違う割合のＢｉ−Ｓｂ系
材料、金属珪化物等の材料を使用しても同様の効果が得
られることはいうまでもない。また、膜形状材料の製造
方法としても、今回使用したフラッシュ蒸着方法のみな
らず多元素同時蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の真空
蒸着法や、印刷、常圧ＣＶＤ等の常圧製膜といった他の
製造方法を使用しても今回の発明の効果に対しては、何
等変わることはない。

【００３６】また、断熱材料としても有機発泡剤にこだ
わることなく、低熱伝導性のものならば無機材料やその
他の材料を用いても構わない。

【００３７】

【発明の効果】以上のように本発明による熱電素子を用
いることにより、簡便な製造方法を用いて歩留まりや生
産性が高くなり、製造コストを低減することができる。

【００３８】また、熱ロスを避けて熱電素子の性能向上
が図れるという効果も得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱電素子の一実施例を示す斜視図であ
る。

【図２】本発明の熱電素子の一実施例の一部を構成する
電気絶縁性基板を示す平面図である。

【図３】本発明の熱電素子の他の実施例を示す斜視図で
ある。

【図４】本発明の熱電素子の他の実施例の一部を構成す
る電気絶縁性基板を示す平面図である。

【図５】本発明の熱電素子の他の実施例を示す斜視図で
ある。

【図６】従来の熱電素子の斜視図である。

【符号の説明】

８、１４、２３断熱性板９、１５、２４電気絶縁性基板１０、１１、２０、２１金属電極１６、１７、２６、２７電極端子１２Ｐ型半導体薄膜１３Ｎ型半導体薄膜１８、１９、２５磁石板２２エッチングスハウゼン膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膜形状のＰ型およびＮ型半導体が表面に
形成されている少なくとも一枚以上の電気絶縁性基板
と、少なくとも二枚以上の断熱性板が、それぞれ交互に
積層されている熱電素子。
【請求項２】膜形状のエッチングスハウゼン材料が表
面に形成されている少なくとも一枚以上の絶縁性基板
と、少なくとも二枚以上の断熱性板が、それぞれ交互に
積層し、前記エッチングスハウゼン材料に流す電流の方
向と実質上垂直に磁場が発生するように両端部に一対の
磁石を設置した熱電素子。
【請求項３】膜形状のエッチングスハウゼン材料が表
面に形成されている少なくとも一枚以上の絶縁性基板
と、少なくとも二枚以上の断熱性板と、前記エッチング
スハウゼン材料に流す電流の方向と実質上垂直に磁場が
発生するように設置した少なくとも二枚以上の磁石板と
が、それぞれ相互に積層されている熱電素子。
【請求項４】絶縁性基板として有機フィルムを用いる
ことを特徴とする請求項１、２または３記載の熱電素
子。
【請求項５】積層部の表裏に放熱または冷却を行なう
ためのフィンを取り付けたことを特徴とする請求項１、
２、３または４記載の熱電素子。