JPH08255935A - Semiconductor thermoelectric element and module - Google Patents
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- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体熱電素子及びそ
れを複数個使用して構成される半導体熱電モジュールに
関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor thermoelectric element and a semiconductor thermoelectric module constructed by using a plurality of semiconductor thermoelectric elements.
【０００２】[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）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。2. Description of the Related Art Conventionally, chlorofluorocarbons (CFCs Freon) have been mainly used as a cooling medium used in a cooling system such as a compression type refrigerator / freezer or an air conditioner. However, chlorofluorocarbons are currently a global social problem because they destroy the ozone layer. Considering the adverse effects of chlorofluorocarbons on the global environment, it has been decided at the United Nations Conference to prohibit the production of chlorofluorocarbons since 1995. In order to deal with this, in each manufacturer that manufactures refrigerators, freezers, air conditioners, etc., in place of the above-mentioned CFCs, so-called, an earth-friendly alternative CFCs have been developed, or instead of a compression type cooling system using CFCs, There is an urgent need to develop new cooling systems that do not use CFCs.
【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。As a cooling system that does not use chlorofluorocarbon, a thermoelectric cooling type cooling system has recently been very promising as an alternative system to the conventional compression type cooling system that uses chlorofluorocarbon. This is because the thermionic cooling type cooling system does not use CFCs, is very clean with respect to the environment, and does not worry about polluting the global environment.
【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。
この（Ｂｉ，Ｓｂ）2 （Ｔｅ，Ｓｅ）3 系半導体化合物
の単結晶材が低温度領域において優れた熱電特性をもつ
ことは、古くから知られている。しかしながら、この単
結晶材は、その結晶のＣ面内の結合力が弱く、劈開し易
いという欠陥をもっている。それ故に、（Ｂｉ，Ｓｂ）
2 （Ｔｅ，Ｓｅ）3 系半導体化合物の実用材としては、
溶成材や粉末焼結材が使用されている。In this thermoelectric cooling type cooling system, as a thermoelectric material for converting between heat and electricity,
Materials exhibiting excellent thermoelectron cooling characteristics such as (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 based semiconductor compounds are used.
It has long been known that the single crystal material of the (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 based semiconductor compound has excellent thermoelectric properties in a low temperature region. However, this single crystal material has a defect that the bonding force in the C plane of the crystal is weak and the cleavage is easy. Therefore, (Bi, Sb)
Practical materials for 2 (Te, Se) 3 based semiconductor compounds include
Fused materials and powder sintered materials are used.
【０００５】熱電子冷却方式の冷却システムは、単独の
半導体熱電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、半導体熱電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。The thermoelectric cooling type cooling system includes a single semiconductor thermoelectric element and a thermoelectric conversion module constituted by combining a plurality of semiconductor thermoelectric elements as main components. Here, the semiconductor thermoelectric element is an element utilizing the Seebeck effect or the Peltier effect.
【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。As is well known, the Seebeck effect is an electromotive force generated in a closed circuit when a circuit is made of two different conductive materials (or semiconductor materials) such as metals and the temperatures at the two connection points are set to different temperatures. Is a phenomenon in which a current flows (that is, a phenomenon in which thermal energy is converted into electrical energy) and is also called a thermoelectric effect. The current flowing at this time is called a thermal current, and this set of conductive materials (or semiconductor materials) is called a thermocouple. Thermoelectric power generation utilizes this Seebeck effect.
【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。On the other hand, the Peltier effect is a phenomenon opposite to the thermoelectric effect. When an electric current is applied from the outside in the direction in which the thermal current flows,
When hot current flows, heat is absorbed at hot contacts and heat is generated at cold contacts (ie,
Phenomenon in which electrical energy is converted to thermal energy)
I mean. Thermoelectric cooling utilizes this Peltier effect.
【０００８】近年、傾斜機能技術、スクリーン印刷等の
周辺技術の発展に伴い、半導体熱電素子及び熱電変換モ
ジュールの製造技術は著しく発展してきている。In recent years, with the development of the functional gradient technology and the peripheral technology such as screen printing, the manufacturing technology of the semiconductor thermoelectric element and the thermoelectric conversion module has been remarkably developed.
【０００９】図１５に従来の熱電変換モジュールの構成
を示す。図示の熱電変換モジュールは、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。FIG. 15 shows the structure of a conventional thermoelectric conversion module. The illustrated thermoelectric conversion module has a chip layer 31 in which a plurality of semiconductor element material chips are arranged on a plane. More specifically, the illustrated chip layer 31 includes 49 (only 5 in the drawing are shown) N-type semiconductor element material chips 31n and 49 (only 5 in the drawing is shown) P layers.
Type semiconductor element material chips 31p, which are alternately arranged at a predetermined distance in the left-right direction and the front depth direction of the drawing, and are arranged in a lattice shape when viewed from above in the drawing. However,
Two of the four corners are used as a pair of electrodes (not shown) for supplying electric power to the outside or flowing a direct current from the outside, so that there is no semiconductor element material chip at these positions. .
【００１０】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。The upper surface and the lower surface of the chip layer 31 are formed by the upper solder layer 32u and the lower solder layer 32d, respectively.
An upper metal layer 33u made of 9 (only 5 shown in the drawings) upper metal segments and a lower metal layer 33 made of 50 (only 6 shown in the drawings) lower metal segments
It is joined to d. Here, when the thermoelectric conversion module is used for thermoelectric power generation, the upper metal layer 33u on the upper surface side of the chip layer 31 is called a high temperature side bonding metal layer because it is heated to a high temperature by a high heat source (not shown). The lower metal layer 33d on the lower surface side is called a low-temperature-side bonding metal layer because it is heated to a low temperature by a low heat source (not shown).
【００１１】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１５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。また、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の各々は、
熱電変換用基本素子と呼ばれる。A pair of N-type semiconductor element material chips 31n and P sandwiched between the upper metal layer 33u and the lower metal layer 33d.
One thermocouple (thermoelectric conversion element) is constituted by the die semiconductor element material chip 31p. As is clear from FIG. 15, each thermocouple (thermoelectric conversion element) has a π-shaped structure. Therefore, the illustrated thermoelectric conversion module is composed of 49 thermocouples (thermoelectric conversion elements) each having a π-shaped structure as a basic structure. Further, each of the N-type semiconductor element material chip 31n and the P-type semiconductor element material chip 31p is
It is called a basic element for thermoelectric conversion.
【００１２】図１５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、傾斜機能技術等により銀ろう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、傾斜機能技術等により銀ろう３４ｄを介し
て下絶縁薄板３５ｄが固着されている。熱電変換モジュ
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３５ｄ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、熱電変換モジュールは平板状に
組み立てられる。As shown in FIG. 15, these 49 thermocouples are electrically connected in series through 49 upper metal segments and 50 lower metal segments.
Further, since the upper metal layer (high temperature side bonding metal layer) 33u is arranged on the upper surface side of the chip layer 31 and the lower metal layer (low temperature side bonding metal layer) 33d is arranged on the lower surface side thereof, these 49 thermocouples are Are arranged in parallel. An upper insulating thin plate 35u is fixed to the upper surface of the upper metal layer 33u through a silver brazing 34u by a gradient function technique or the like. Similarly, the lower metal layer 33d
A lower insulating thin plate 35d is fixed to the lower surface of the above through a silver brazing material 34d by a tilt function technology or the like. When the thermoelectric conversion module is used for thermoelectric power generation, for the same reason as described above, the upper insulating thin plate 35u and the lower insulating thin plate 35d are
They are called the high temperature side insulating thin plate and the low temperature side insulating thin plate, respectively. In this way, the thermoelectric conversion module is assembled in a flat plate shape.
【００１３】尚、後述するように、この熱電変換モジュ
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
１５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。As will be described later, when this thermoelectric conversion module is used for thermoelectric power generation, it is necessary to keep the lower insulating thin plate (low temperature side insulating thin plate) 35d at a low temperature, and the thermoelectric conversion module is thermoelectrically cooled. When it is used for the above, it is necessary to generate heat from the lower insulating thin plate 35d. Therefore, as shown in FIG. 15, generally, the heat dissipation plate 37 is fixed to the lower surface of the lower insulating thin plate 35d through the grease 36.
【００１４】このような構造の熱電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）３５
ｄから放熱させる。これにより、高温側絶縁薄板３５ｕ
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１５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。When the thermoelectric conversion module having such a structure is used for thermoelectric power generation, a high heat source heats the upper insulating thin plate (high temperature side insulating thin plate) 35u and a low heat source and / or a heat radiating plate 37 lower insulating thin plate ( Low temperature side insulation thin plate) 35
Dissipate heat from d. As a result, the high temperature side insulating thin plate 35u
A large temperature difference between the low temperature side insulating thin plate 35d and the low temperature side insulating thin plate 35d to obtain a power generation function (Seebeck effect). At this time, by connecting a load to the pair of electrodes, a thermal current flows from the right side to the left side in FIG. 15 in each of the upper metal segment and the lower metal segment, and power can be supplied to the load. .
【００１５】逆に、熱電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。On the contrary, when the thermoelectric conversion module is used for thermoelectric cooling, a direct current is supplied from one electrode to the other electrode from the outside in the same direction as the direction in which the thermal current flows. Then
The upper insulating thin plate 35u absorbs heat from the surroundings to cool the surroundings, and the lower insulating thin plate 35d generates heat around the surroundings to heat the surroundings. In this way, a cooling function (Peltier effect) can be obtained by generating a temperature difference between the upper insulating thin plate 35u and the lower insulating thin plate 35d.
【００１６】[0016]
【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、上述したように半導
体熱電素子の両側（図１５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。However, the conventional thermoelectric conversion module structurally has the following drawbacks. That is, the chip layer 31 and the upper metal layer 3
There is a problem that 3u and the lower metal layer 33d are joined by the upper solder layer 32u and the lower solder layer 32d. Originally, solder bonding is designed to perform its bonding function near room temperature after the solder is once solidified. However, in the structure of the conventional thermoelectric conversion module, when used for thermoelectric power generation, as described above, between the high temperature side insulating thin plate 35u and the low temperature side insulating thin plate 35d on both sides (upper and lower sides of FIG. 15) of the semiconductor thermoelectric element. When a power generation function (Seebeck effect) is obtained by giving a large temperature difference or used for thermoelectric cooling, as described above, a direct current is applied to 49 thermocouples to cause the upper insulating thin plate 35u and the lower insulating thin plate 35u to flow.
A cooling function (Peltier effect) is obtained by generating a temperature difference between d.
【００１７】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。ところが、上記構造の熱電変換
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３２ｄ
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３２ｕ
または下半田層３３ｄの層状組織の変化は、チップ層３
１を構成する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と上金属層３３ｕ及び下金属
層３３ｄを構成する金属セグメントと間の半田接合層
（上半田層３２ｕおよび下半田層３２ｄ）に不均一な熱
剪断応力を加えることになる。これが、熱電変換用基本
素子の劈開及び破壊の原因をつくることなり、熱電特性
に影響を与えてしまう。As is well known, the solder used for the upper solder layer 32u and the lower solder layer 32d includes lead (Pb) and tin (S).
n) as a main component, and its eutectic point (tin 63% by weight, lead 37
(% By weight), and they have a finely dispersed layered structure. However, in the thermoelectric conversion module having the above structure, the upper solder layer 32u on the high temperature side joining metal 33u side is used for thermoelectric power generation, and the lower solder layer 32d side on the lower metal layer 33d side is used for thermoelectric cooling.
However, there is a case where the temperature is maintained just below the melting point (about 183 ° C.) of the solder for a long time. In such a case, the layered structure of the solder held at that temperature is coarsened and the shape of the solder is deformed, which can be sufficiently considered from the state diagram showing the characteristics of the solder. An upper solder layer 32u formed in each bonding layer between the chip layer 31 and the upper metal layer 33u or the lower metal layer 33d.
Alternatively, the change in the layered structure of the lower solder layer 33d is caused by the chip layer 3
1 between the N-type semiconductor element material chip 31n and the P-type semiconductor element material chip 31p and the metal segment forming the upper metal layer 33u and the lower metal layer 33d (upper solder layer 32u and lower solder layer 32d). ), A non-uniform thermal shear stress is applied. This creates the cause of cleavage and destruction of the basic element for thermoelectric conversion, which affects the thermoelectric characteristics.
【００１８】本発明の課題は、半導体素子材チップの材
料として、溶成材や粉末焼結材ばかりでなく単結晶や一
方向凝固材をも使用できる半導体熱電素子を提供するこ
とである。An object of the present invention is to provide a semiconductor thermoelectric element which can use not only a melted material or a powder sintered material but also a single crystal or a directionally solidified material as a material for a semiconductor element material chip.
【００１９】本発明の他の課題は、劈開しても、室温近
傍で最も優れた熱電特性を有し、（Ｂｉ，Ｓｂ）2 （Ｔ
ｅ，Ｓｅ）3 化合物単結晶材の使用を可能にする半導体
熱電モジュールを提供することである。Another object of the present invention is that even after cleavage, it has the best thermoelectric properties near room temperature, and has (Bi, Sb) 2 (T
The object is to provide a semiconductor thermoelectric module that enables the use of a single crystal material of e, Se) 3 compound.
【００２０】[0020]
【課題を解決するための手段】本発明によれば、螺子孔
を有する第１の金属セグメント上にＮ型熱電素子及びＰ
型熱電素子を接合し、前記Ｎ型熱電素子及び前記Ｐ型熱
電素子の上に螺子孔を有する金属ブロックを接合して形
成されてなる半導体熱電素子が得られる。According to the present invention, an N-type thermoelectric element and a P element are provided on a first metal segment having a screw hole.
A semiconductor thermoelectric element is obtained by joining a mold thermoelectric element and joining a metal block having a screw hole on the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element.
【００２１】又、本発明によれば、螺子孔を有する第１
の金属セグメント上にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を
接合し、前記Ｎ型熱電素子及び前記Ｐ型熱電素子の上に
螺子孔を有する金属ブロックを接合してなる半導体熱電
素子を複数個と、該複数個の半導体熱電素子を互いに電
気的に結合する複数枚の第２の金属セグメントと、前記
金属ブロックの螺子孔に螺合して、前記複数個の半導体
熱電素子を前記複数枚の第２の金属セグメントに固定す
るための固定螺子とを有し、複数枚の前記第２の金属セ
グメントの各々には前記固定螺子を通すための貫通孔が
空けられている半導体熱電モジュールが得られる。Further, according to the present invention, the first member having a screw hole is provided.
A plurality of semiconductor thermoelectric elements are formed by joining N-type thermoelectric elements and P-type thermoelectric elements on the metal segment, and joining metal blocks having screw holes on the N-type thermoelectric elements and P-type thermoelectric elements. A plurality of second metal segments electrically connecting the plurality of semiconductor thermoelectric elements to each other and screwed into screw holes of the metal block to form the plurality of semiconductor thermoelectric elements into a plurality of the plurality of semiconductor thermoelectric elements. A semiconductor thermoelectric module having a fixing screw for fixing to the second metal segment, and a through hole for passing the fixing screw is formed in each of the plurality of second metal segments.
【００２２】[0022]
【作用】本発明では、半導体素子材チップをその両端面
で一対の金属ブロックで挟み接合してなる半導体熱電素
子（以下、これをダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子と呼ぶ）を使用する。ダブル・ハンバーガー型基本素
子構造を採ることによって、半導体素子材チップの材料
として、劈開し易いが優れた熱電特性をもつ単結晶およ
び一方向凝固材も、溶成材および粉末焼結材と同様に、
使用する事が可能になる。金属ブロックを半導体素子材
チップに接合することによって、半導体素子材チップの
機械的強度の弱さを補強できる。従って、たとえ半導体
熱電素子が面に直角に劈開しても、半導体素子材チップ
の断面積に変化がなく、熱電特性に影響を及ぼすことが
ない。According to the present invention, a semiconductor thermoelectric element (hereinafter referred to as a double hamburger type semiconductor thermoelectric element) is used in which a semiconductor element material chip is sandwiched between a pair of metal blocks at both end surfaces and joined. By adopting the double hamburger type basic element structure, as the material of the semiconductor element material chip, the single crystal and the unidirectionally solidified material having excellent thermoelectric characteristics which are easy to cleave, like the welded material and the powder sintered material,
It can be used. By bonding the metal block to the semiconductor element material chip, the weak mechanical strength of the semiconductor element material chip can be reinforced. Therefore, even if the semiconductor thermoelectric element is cleaved at right angles to the surface, the cross-sectional area of the semiconductor element material chip does not change and the thermoelectric characteristics are not affected.
【００２３】又、本発明では、前記ダブル・ハンバーガ
ー型半導体熱電素子の他に、螺子孔を有する金属セグメ
ント上にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を接合し、前記
Ｎ型熱電素子及び前記Ｐ型熱電素子の上に螺子孔を有す
る金属ブロックを接合して形成されてなる半導体熱電素
子（以下、これをツイン・ハンバーガー型半導体熱電素
子と呼ぶ）を使用する。この場合も前記ダブル・ハンバ
ーガー型半導体熱電素子の場合と同様に、たとえ半導体
熱電素子が面に直角に劈開しても、半導体素子材チップ
の断面積に変化がなく、熱電特性に影響を及ぼすことが
ない。Further, in the present invention, in addition to the double hamburger type semiconductor thermoelectric element, an N type thermoelectric element and a P type thermoelectric element are joined on a metal segment having a screw hole, and the N type thermoelectric element and the P type thermoelectric element are joined. A semiconductor thermoelectric element (hereinafter referred to as a twin hamburger type semiconductor thermoelectric element) formed by joining a metal block having a screw hole on the die thermoelectric element is used. Also in this case, as in the case of the double hamburger type semiconductor thermoelectric element, even if the semiconductor thermoelectric element is cleaved at a right angle to the surface, there is no change in the cross-sectional area of the semiconductor element material chip, which affects the thermoelectric characteristics. There is no.
【００２４】前記ダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子と金属セグメントとの間の結合を螺子止めにし、その
間隙にペースト状金属を塗布することによって形成され
る半導体熱電モジュール（以下、ダブル・ハンバーガー
型半導体熱電モジュールと呼ぶ）によれば、従来の熱電
特性の効果を保ちつつ、熱剪断応力の緩和を可能ならし
め、従来のπ字型半導体熱電素子及びそれを使用するモ
ジュール構造の欠陥を回避することができる。A semiconductor thermoelectric module (hereinafter referred to as a double hamburger type semiconductor thermoelectric module) formed by screwing the connection between the double hamburger type semiconductor thermoelectric element and the metal segment and applying a paste-like metal to the gap. According to the module), it is possible to alleviate thermal shear stress while maintaining the effect of conventional thermoelectric characteristics, and avoid defects of the conventional π-shaped semiconductor thermoelectric element and the module structure using the same. it can.
【００２５】又、複数個のツイン・ハンバーガー型半導
体熱電素子と複数枚の金属セグメントとが、固定螺子で
金属ブロックの螺子孔に螺合することによって固定され
て形成される半導体熱電モジュール（以下、ツイン・ハ
ンバーガー型半導体熱電モジュールと呼ぶ）の場合も上
記同様、従来の熱電特性の効果を保ちつつ、熱剪断応力
の緩和を可能ならしめ、従来のπ字型半導体熱電素子及
びそれを使用するモジュール構造の欠陥を回避すること
ができる。A semiconductor thermoelectric module (hereinafter referred to as a semiconductor thermoelectric module) formed by fixing a plurality of twin hamburger type semiconductor thermoelectric elements and a plurality of metal segments by screwing them into screw holes of a metal block with fixing screws. Also in the case of twin hamburger type semiconductor thermoelectric module), similar to the above, the conventional π-shaped semiconductor thermoelectric element and the module using the same can be used to alleviate thermal shear stress while maintaining the effect of conventional thermoelectric characteristics. Structural defects can be avoided.
【００２６】本発明の半導体熱電モジュールでは、半導
体熱電素子と金属セグメントとを螺子を用いて固定する
ので、従来のような固定基板（上下にある絶縁薄板）を
必ずしも必要としない。また、モジュール内の熱の伝達
を、金属製熱伝達板と金属セグメントとの間に挟まれた
絶縁シートを通して行うので、熱の伝達効率を著しく向
上させることができる。In the semiconductor thermoelectric module of the present invention, since the semiconductor thermoelectric element and the metal segment are fixed by using the screw, a fixed substrate (upper and lower insulating thin plates) as in the prior art is not necessarily required. Further, the heat transfer in the module is performed through the insulating sheet sandwiched between the metal heat transfer plate and the metal segment, so that the heat transfer efficiency can be significantly improved.
【００２７】[0027]
【実施例】本発明の実施例を図１〜図７を参照して説明
する。図１に本発明の第１の実施例による半導体熱電素
子１０の概略構成を示す。図示された半導体熱電素子１
０は、半導体素子材チップとしての円板形状をしたＮ型
熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐと、このＮ型熱
電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐの両端面を挟む一
対の金属ブロック１２とを有し、これらを接合した構造
をもつ。Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐ
は、１以下の形状因子Ａ（素子材の板厚／断面積）をも
つことが好ましい。本実施例では、各金属ブロック１２
は、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐのほぼ
中心軸に沿って空けられた螺子孔１２ａをもつ。このよ
うなダブル・ハンバーガー型半導体熱電素子構造では、
前記半導体素子材チップの機械的強度の弱さを金属ブロ
ック１２によって補強することができる。したがって、
たとえ前記半導体素子材チップの面に直角に劈開した
り、又は亀裂が入ったとしても、その半導体素子材チッ
プの断面積に変化は生じない。それ故、半導体熱電素子
１０の電気抵抗は変化せず、ゼーベック効果に基づく熱
電特性にも影響を与えることはない。Embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a schematic configuration of a semiconductor thermoelectric element 10 according to the first embodiment of the present invention. Illustrated semiconductor thermoelectric element 1
Reference numeral 0 denotes a disk-shaped N-type thermoelectric element 11n and a P-type thermoelectric element 11p as semiconductor element material chips, and a pair of metal blocks 12 sandwiching both end surfaces of the N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p. And has a structure in which these are joined. N-type thermoelectric element 11n and P-type thermoelectric element 11p
Preferably has a form factor A (plate thickness of element material / cross-sectional area) of 1 or less. In this embodiment, each metal block 12
Has a screw hole 12a formed substantially along the central axis of the N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p. In such a double hamburger type semiconductor thermoelectric element structure,
The weak mechanical strength of the semiconductor element material chip can be reinforced by the metal block 12. Therefore,
Even if the surface of the semiconductor element material chip is cleaved or cracked at a right angle, the cross-sectional area of the semiconductor element material chip does not change. Therefore, the electric resistance of the semiconductor thermoelectric element 10 does not change and does not affect the thermoelectric characteristics based on the Seebeck effect.
【００２８】尚、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子
１１ｐは、それぞれ金属ブロック１２に半田付けによっ
て接合される。したがって、金属ブロック１２に空けら
れた螺子孔１２ａは、図示したように貫通孔でもよい
し、途中まで螺刻された凹状の孔であってもよい。The N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p are joined to the metal block 12 by soldering. Therefore, the screw hole 12a formed in the metal block 12 may be a through hole as shown in the drawing or may be a concave hole screwed halfway.
【００２９】図２を参照すると、本発明の第２の実施例
による半導体熱電素子１０Ａは、金属ブロック１２の螺
子孔１２ａの各々に螺子１３が螺合されている点を除い
て、図１に示した半導体熱電素子１０と同様の構成を有
する。このような構造をもつ半導体熱電素子１０Ａも、
図１に示した半導体熱電素子１０と同様の作用効果を有
することは明白である。尚、本実施例では、金属ブロッ
ク１２と螺子１３とが別体であるが、これらを一体に構
成しても良いのは勿論である。Referring to FIG. 2, a semiconductor thermoelectric device 10A according to a second embodiment of the present invention is similar to that of FIG. 1 except that a screw 13 is screwed into each screw hole 12a of a metal block 12. It has the same configuration as the semiconductor thermoelectric element 10 shown. The semiconductor thermoelectric element 10A having such a structure also
It is obvious that the semiconductor thermoelectric device 10 shown in FIG. In this embodiment, the metal block 12 and the screw 13 are separate bodies, but it goes without saying that these may be integrally formed.
【００３０】図３に図１に示した半導体熱電素子１０を
２個使用して構成した半導体熱電素子を示す。図示の半
導体熱電素子は図１に示した半導体熱電素子１０を２個
有する。これら２個の半導体熱電素子１０を間に挟んで
３枚の金属セグメント１４が設けられている。各金属セ
グメント１４には、その両端側に金属ブロック１２に空
けられた螺子孔１２ａに対応する２つの貫通孔１４ａが
空けられている。２個の半導体熱電素子１０と３枚の金
属セグメント１４とは、螺子孔１２ａと貫通孔１４ａと
の位置を合わせた状態で、４個の固定螺子１５によって
固定される。半導体熱電素子１０（金属ブロック１２）
と金属セグメント１４との接合面には、接触抵抗を低減
する為に、ペースト状のＩｎＧａ合金が塗布されてい
る。FIG. 3 shows a semiconductor thermoelectric device constructed by using two semiconductor thermoelectric devices 10 shown in FIG. The illustrated semiconductor thermoelectric element has two semiconductor thermoelectric elements 10 shown in FIG. Three metal segments 14 are provided with the two semiconductor thermoelectric elements 10 interposed therebetween. Two through holes 14a corresponding to the screw holes 12a formed in the metal block 12 are formed on each end of each metal segment 14. The two semiconductor thermoelectric elements 10 and the three metal segments 14 are fixed by the four fixing screws 15 in a state where the screw holes 12a and the through holes 14a are aligned. Semiconductor thermoelectric element 10 (metal block 12)
A paste-like InGa alloy is applied to the joint surface between the metal segment 14 and the metal segment 14 in order to reduce the contact resistance.
【００３１】このように、半導体熱電素子１０と金属セ
グメント１４との結合を螺子止めにし、それらの間の間
隙にペースト状金属を塗布しているので、従来の熱電特
性の効果を保ちつつ、熱剪断応力を緩和させることがで
きる。これにより、従来のπ字型半導体熱電素子および
それを使用したモジュール構造の欠陥を回避することが
できる。また、半導体熱電素子１０と金属セグメント１
４とを固定螺子１５を用いて固定しているので、従来の
半導体熱電素子において必要であった固定基板を省くこ
ともできる。As described above, the semiconductor thermoelectric element 10 and the metal segment 14 are screwed to each other and the paste-like metal is applied to the gap between them, so that the conventional thermoelectric characteristics can be maintained and the thermal effect can be maintained. Shear stress can be relaxed. This makes it possible to avoid defects in the conventional π-shaped semiconductor thermoelectric element and the module structure using the same. In addition, the semiconductor thermoelectric element 10 and the metal segment 1
Since 4 and 4 are fixed by using the fixing screw 15, the fixed substrate which is necessary in the conventional semiconductor thermoelectric element can be omitted.
【００３２】図４に図２に示した半導体熱電素子１０Ａ
を２個使用して構成した半導体熱電素子を示す。これら
２個の半導体熱電素子１０Ａを間に挟んで３枚の金属セ
グメント１４が設けられている。各金属セグメント１４
には、その両端側に金属ブロック１２に設けられた螺子
１３を貫通可能とする２つの貫通孔１４ａが空けられて
いる。２個の半導体熱電素子１０Ａと３枚の金属セグメ
ント１４とは、貫通孔１４ａに螺子１３を貫通させた状
態で、４個のナット１５Ａによって固定される。半導体
熱電素子１０Ａ（金属ブロック１２）と金属セグメント
１４との接合面には、接触抵抗を低減する為に、ペース
ト状のＩｎＧａ合金が塗布されている。FIG. 4 shows the semiconductor thermoelectric element 10A shown in FIG.
The semiconductor thermoelectric element constituted by using two is shown. Three metal segments 14 are provided with the two semiconductor thermoelectric elements 10A interposed therebetween. Each metal segment 14
Two through holes 14a are formed on both ends of the metal block 12 so that the screws 13 provided on the metal block 12 can penetrate therethrough. The two semiconductor thermoelectric elements 10A and the three metal segments 14 are fixed by the four nuts 15A with the screw 13 penetrating the through hole 14a. A paste-like InGa alloy is applied to the joint surface between the semiconductor thermoelectric element 10A (metal block 12) and the metal segment 14 in order to reduce the contact resistance.
【００３３】このような構造を有する半導体熱電素子
も、図３に示したものと同様の作用効果を奏することは
明らかである。It is clear that the semiconductor thermoelectric element having such a structure also has the same effects as those shown in FIG.
【００３４】図５乃至図７を参照して、図３に示したよ
うな半導体熱電素子を複数個使用して構成した半導体熱
電モジュールと一対の熱伝達板とを結合する方法につい
て説明する。With reference to FIGS. 5 to 7, a method of connecting a semiconductor thermoelectric module composed of a plurality of semiconductor thermoelectric elements as shown in FIG. 3 and a pair of heat transfer plates will be described.
【００３５】図５に示す結合方法では、一対の熱伝達板
１６として、固定螺子１５の頭部を収容可能な凹部１６
ａと、この凹部１６ａから連続して固定螺子１５の螺子
部を貫通可能な貫通孔１６ｂとを有するものを使用して
いる。一対の熱伝達板１６間に半導体熱電モジュールを
挟んだ状態で、半導体熱電モジュールと熱伝達板１６と
が固定螺子１５によって同時に固定されている。金属セ
グメント１４と熱伝達板１６との間に絶縁シート１７が
挟まれている。また、この例では、固定螺子１５としし
て絶縁性のものが使用されている。絶縁シート１７は薄
板または膜から成るが、可能な限り薄い方が好ましい。
この結合方法は、半導体熱電モジュールと一対の熱伝達
板とを固定螺子１５によって固定するので、螺子固定方
法と呼ばれる。In the coupling method shown in FIG. 5, the pair of heat transfer plates 16 are recesses 16 capable of accommodating the heads of the fixing screws 15.
What has a and the through hole 16b which can penetrate the screw part of the fixed screw 15 continuously from this recessed part 16a is used. With the semiconductor thermoelectric module sandwiched between the pair of heat transfer plates 16, the semiconductor thermoelectric module and the heat transfer plate 16 are simultaneously fixed by the fixing screw 15. An insulating sheet 17 is sandwiched between the metal segment 14 and the heat transfer plate 16. Further, in this example, the fixing screw 15 is made of an insulating material. The insulating sheet 17 is made of a thin plate or a film, but is preferably as thin as possible.
This coupling method is called a screw fixing method because the semiconductor thermoelectric module and the pair of heat transfer plates are fixed by the fixing screws 15.
【００３６】図６に示す結合方法では、一対の熱伝達板
１６Ａとして、固定螺子１５の頭部を貫通可能な貫通孔
１６Ａａを有するものを使用している。この結合方法で
は、一対の熱伝達板１６Ａに半導体熱電モジュールを固
定するのではなく、嵌め込み方法を採用している。すな
わち、固定螺子１５の頭部が貫通孔１６Ａａ内に収容さ
れた状態で、一対の熱伝達板１６Ａ間に半導体熱電モジ
ュールを挟み、一対の熱伝達板１６Ａが互いに近接する
方向に一対の熱伝達板１６Ａを加圧して半導体熱電モジ
ュールに密着させる。したがって、この結合方法は加圧
密着方法と呼ばれる。In the coupling method shown in FIG. 6, a pair of heat transfer plates 16A having a through hole 16Aa capable of penetrating the head of the fixed screw 15 is used. In this coupling method, a fitting method is adopted instead of fixing the semiconductor thermoelectric module to the pair of heat transfer plates 16A. That is, with the head of the fixing screw 15 housed in the through hole 16Aa, the semiconductor thermoelectric module is sandwiched between the pair of heat transfer plates 16A, and the pair of heat transfer plates 16A are arranged in a direction in which they approach each other. The plate 16A is pressed and brought into close contact with the semiconductor thermoelectric module. Therefore, this bonding method is called a pressure contact method.
【００３７】図７に示す結合方法では、一対の熱伝達板
として図５に示した熱伝達板１６と図６に示した熱伝達
板１６Ａを使用している。熱伝達板１６は半導体熱電モ
ジュールに固定螺子１５で固定され、熱伝達板１６Ａは
半導体熱電モジュールに加圧密着される。したがって、
この結合方法は螺子固定／加圧密着方法と呼ばれる。In the joining method shown in FIG. 7, the heat transfer plate 16 shown in FIG. 5 and the heat transfer plate 16A shown in FIG. 6 are used as a pair of heat transfer plates. The heat transfer plate 16 is fixed to the semiconductor thermoelectric module with the fixing screw 15, and the heat transfer plate 16A is pressed and closely attached to the semiconductor thermoelectric module. Therefore,
This joining method is called a screw fixing / pressure contact method.
【００３８】上述したような構造によると、半導体熱電
モジュール内の熱伝達が、熱伝達板１６と金属セグメン
ト１４との間の絶縁シート１７を通して行われるので、
熱の伝達効率を著しく向上させることができる。尚、図
５乃至図７に示したいずれの結合方法においても、絶縁
シート１７と金属セグメント１４との表面に熱伝導性の
良いグリースを塗布することが好ましい。また、上記結
合方法では、半導体熱電モジュールを構成する半導体熱
電素子として図３に示すものを使用しているが、図４に
示す半導体熱電素子を使用しても良いのは勿論である。According to the structure as described above, the heat transfer in the semiconductor thermoelectric module is performed through the insulating sheet 17 between the heat transfer plate 16 and the metal segment 14,
The heat transfer efficiency can be significantly improved. In any of the joining methods shown in FIGS. 5 to 7, it is preferable to apply grease having good thermal conductivity to the surfaces of the insulating sheet 17 and the metal segment 14. Further, in the above coupling method, the semiconductor thermoelectric element forming the semiconductor thermoelectric module shown in FIG. 3 is used, but it goes without saying that the semiconductor thermoelectric element shown in FIG. 4 may be used.
【００３９】次に、本発明の他の実施例を図８〜図１４
を参照して説明する。図８に本発明の第３の実施例によ
る半導体熱電素子２０の概略構成を示す。半導体熱電素
子２０は、螺子孔１２ａを有する金属セグメント１４上
にＮ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐを接合
し、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐの上に
それぞれ金属ブロック１２を接合して形成されている。
Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐは、１以下
の形状因子Ａ（素子材の板厚／断面積）をもつことが好
ましい。本実施例では、各金属ブロック１２は、Ｎ型熱
電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子１１ｐのほぼ中心軸に沿
って空けられた螺子孔１２ａをもつ。このようなツイン
・ハンバーガー型半導体熱電素子構造では、上述のダブ
ル・ハンバーガー型半導体熱電素子構造と同様に、前記
半導体素子材チップの機械的強度の弱さを金属ブロック
１２によって補強することができる。したがって、たと
え前記半導体素子材チップの面に直角に劈開したり、又
は亀裂が入ったとしても、その半導体素子材チップの断
面積に変化は生じない。それ故、半導体熱電素子１０の
電気抵抗は変化せず、ゼーベック効果に基づく熱電特性
にも影響を与えることはない。Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
Will be described with reference to. FIG. 8 shows a schematic configuration of a semiconductor thermoelectric element 20 according to the third embodiment of the present invention. In the semiconductor thermoelectric element 20, the N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p are joined on the metal segment 14 having the screw hole 12a, and the metal block 12 is placed on the N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p, respectively. It is formed by joining.
It is preferable that the N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p have a form factor A (plate thickness of element material / cross-sectional area) of 1 or less. In the present embodiment, each metal block 12 has a screw hole 12a formed along substantially the central axis of the N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p. In such a twin hamburger type semiconductor thermoelectric element structure, the weak mechanical strength of the semiconductor element material chip can be reinforced by the metal block 12 as in the double hamburger type semiconductor thermoelectric element structure described above. Therefore, even if the surface of the semiconductor element material chip is cleaved or cracked at a right angle, the cross-sectional area of the semiconductor element material chip does not change. Therefore, the electric resistance of the semiconductor thermoelectric element 10 does not change and does not affect the thermoelectric characteristics based on the Seebeck effect.
【００４０】尚、Ｎ型熱電素子１１ｎ及びＰ型熱電素子
１１ｐは、それぞれ金属ブロック１２に半田付けによっ
て接合される。したがって、金属ブロック１２に空けら
れた螺子孔１２ａは、図示したように貫通孔でもよい
し、途中まで螺刻された凹状の孔であってもよい。The N-type thermoelectric element 11n and the P-type thermoelectric element 11p are joined to the metal block 12 by soldering. Therefore, the screw hole 12a formed in the metal block 12 may be a through hole as shown in the drawing or may be a concave hole screwed halfway.
【００４１】図９を参照すると、本発明の第４の実施例
による半導体熱電素子２０Ａは、金属ブロック１２の螺
子孔１２ａの各々に螺子１３が螺合されている点を除い
て、図８に示した半導体熱電素子１０と同様の構成を有
する。このような構造をもつ半導体熱電素子２０Ａも、
図８に示した半導体熱電素子２０と同様の作用効果を有
することは明白である。尚、本実施例では、金属ブロッ
ク１２と螺子１３とが別体であるが、これらを一体に構
成しても良いのは勿論である。Referring to FIG. 9, a semiconductor thermoelectric device 20A according to a fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. 8 except that a screw 13 is screwed into each screw hole 12a of the metal block 12. It has the same configuration as the semiconductor thermoelectric element 10 shown. The semiconductor thermoelectric element 20A having such a structure also
It is obvious that the semiconductor thermoelectric device 20 shown in FIG. In this embodiment, the metal block 12 and the screw 13 are separate bodies, but it goes without saying that these may be integrally formed.
【００４２】図１０に図８に示した半導体熱電素子２０
を２個使用して構成した半導体熱電素子を示す。図示の
半導体熱電素子は、図８に示した半導体熱電素子２０の
２つの金属ブロック１２上にそれぞれ金属セグメント１
４を接合して形成されている。各金属セグメント１４に
は、その両端側に金属ブロック１２に空けられた螺子孔
１２ａに対応する２つの貫通孔１４ａが空けられてい
る。半導体熱電素子２０と３枚の金属セグメント１４と
は、螺子孔１２ａと貫通孔１４ａとの位置を合わせた状
態で、４個の固定螺子１５によって固定される。半導体
熱電素子２０（金属ブロック１２）と金属セグメント１
４との接合面には、接触抵抗を低減する為に、ペースト
状のＩｎＧａ合金が塗布されている。FIG. 10 shows the semiconductor thermoelectric element 20 shown in FIG.
The semiconductor thermoelectric element constituted by using two is shown. The illustrated semiconductor thermoelectric element has a metal segment 1 on each of the two metal blocks 12 of the semiconductor thermoelectric element 20 shown in FIG.
4 are joined together. Two through holes 14a corresponding to the screw holes 12a formed in the metal block 12 are formed on each end of each metal segment 14. The semiconductor thermoelectric element 20 and the three metal segments 14 are fixed by four fixing screws 15 with the screw holes 12a and the through holes 14a aligned with each other. Semiconductor thermoelectric element 20 (metal block 12) and metal segment 1
A paste-like InGa alloy is applied to the joint surface with 4 in order to reduce the contact resistance.
【００４３】このように、半導体熱電素子２０と金属セ
グメント１４との結合を螺子止めにし、それらの間の間
隙にペースト状金属を塗布しているので、従来の熱電特
性の効果を保ちつつ、熱剪断応力を緩和させることがで
きる。これにより、従来のπ字型半導体熱電素子および
それを使用したモジュール構造の欠陥を回避することが
できる。また、半導体熱電素子２０と金属セグメント１
４とを固定螺子１５を用いて固定しているので、従来の
半導体熱電素子において必要であった固定基板を省くこ
ともできる。As described above, the semiconductor thermoelectric element 20 and the metal segment 14 are screwed to each other and the paste-like metal is applied to the gap between them, so that the conventional thermoelectric characteristics can be maintained and the thermal effect can be maintained. Shear stress can be relaxed. This makes it possible to avoid defects in the conventional π-shaped semiconductor thermoelectric element and the module structure using the same. In addition, the semiconductor thermoelectric element 20 and the metal segment 1
Since 4 and 4 are fixed by using the fixing screw 15, the fixed substrate which is necessary in the conventional semiconductor thermoelectric element can be omitted.
【００４４】図１１に図９に示した半導体熱電素子２０
Ａを使用して構成した半導体熱電素子を示す。半導体熱
電素子２０Ａを間に挟んで３枚の金属セグメント１４が
設けられている。各金属セグメント１４には、その両端
側に金属ブロック１２に設けられた螺子１３を貫通可能
とする２つの貫通孔１４ａが空けられている。２個の半
導体熱電素子１０Ａと３枚の金属セグメント１４とは、
貫通孔１４ａに螺子１３を貫通させた状態で、４個のナ
ット１５Ａによって固定される。半導体熱電素子２０Ａ
（金属ブロック１２）と金属セグメント１４との接合面
には、接触抵抗を低減する為に、ペースト状のＩｎＧａ
合金が塗布されている。FIG. 11 shows the semiconductor thermoelectric element 20 shown in FIG.
1 shows a semiconductor thermoelectric element configured using A. Three metal segments 14 are provided with the semiconductor thermoelectric element 20A interposed therebetween. Each metal segment 14 is provided with two through holes 14a at both ends thereof so that the screw 13 provided in the metal block 12 can penetrate therethrough. The two semiconductor thermoelectric elements 10A and the three metal segments 14 are
It is fixed by four nuts 15A with the screw 13 penetrating the through hole 14a. Semiconductor thermoelectric element 20A
In order to reduce the contact resistance, a paste-like InGa is formed on the joint surface between the (metal block 12) and the metal segment 14.
Alloy is applied.
【００４５】このような構造を有する半導体熱電素子
も、図３に示したものと同様の作用効果を奏することは
明らかである。It is clear that the semiconductor thermoelectric element having such a structure also has the same effects as those shown in FIG.
【００４６】図１２乃至図１４を参照して、図１０に示
したような半導体熱電素子を複数個使用して構成した半
導体熱電モジュールと一対の熱伝達板とを結合する方法
について説明する。With reference to FIGS. 12 to 14, a method of connecting a semiconductor thermoelectric module composed of a plurality of semiconductor thermoelectric elements as shown in FIG. 10 and a pair of heat transfer plates will be described.
【００４７】図１２に示す結合方法では、一対の熱伝達
板１６として、固定螺子１５の頭部を収容可能な凹部１
６ａと、この凹部１６ａから連続して固定螺子１５の螺
子部を貫通可能な貫通孔１６ｂとを有するものを使用し
ている。一対の熱伝達板１６間に半導体熱電モジュール
を挟んだ状態で、半導体熱電モジュールと熱伝達板１６
とが固定螺子１５によって同時に固定されている。金属
セグメント１４と熱伝達板１６との間に絶縁シート１７
が挟まれている。また、この例では、固定螺子１５とし
して絶縁性のものが使用されている。絶縁シート１７は
薄板または膜から成るが、可能な限り薄い方が好まし
い。この結合方法は、半導体熱電モジュールと一対の熱
伝達板とを固定螺子１５によって固定するので、螺子固
定方法と呼ばれる。In the coupling method shown in FIG. 12, the recesses 1 capable of accommodating the heads of the fixing screws 15 are used as the pair of heat transfer plates 16.
6a and a through hole 16b that can penetrate the screw portion of the fixed screw 15 continuously from the recess 16a are used. With the semiconductor thermoelectric module sandwiched between the pair of heat transfer plates 16, the semiconductor thermoelectric module and the heat transfer plate 16
And are simultaneously fixed by the fixing screw 15. An insulating sheet 17 is provided between the metal segment 14 and the heat transfer plate 16.
Is sandwiched between. Further, in this example, the fixing screw 15 is made of an insulating material. The insulating sheet 17 is made of a thin plate or a film, but is preferably as thin as possible. This coupling method is called a screw fixing method because the semiconductor thermoelectric module and the pair of heat transfer plates are fixed by the fixing screws 15.
【００４８】図１３に示す結合方法では、一対の熱伝達
板１６Ａとして、固定螺子１５の頭部を貫通可能な貫通
孔１６Ａａを有するものを使用している。この結合方法
では、一対の熱伝達板１６Ａに半導体熱電モジュールを
固定するのではなく、嵌め込み方法を採用している。す
なわち、固定螺子１５の頭部が貫通孔１６Ａａ内に収容
された状態で、一対の熱伝達板１６Ａ間に半導体熱電モ
ジュールを挟み、一対の熱伝達板１６Ａが互いに近接す
る方向に一対の熱伝達板１６Ａを加圧して半導体熱電モ
ジュールに密着させる。したがって、この結合方法は加
圧密着方法と呼ばれる。In the coupling method shown in FIG. 13, a pair of heat transfer plates 16A having a through hole 16Aa capable of penetrating the head of the fixing screw 15 is used. In this coupling method, a fitting method is adopted instead of fixing the semiconductor thermoelectric module to the pair of heat transfer plates 16A. That is, with the head of the fixing screw 15 housed in the through hole 16Aa, the semiconductor thermoelectric module is sandwiched between the pair of heat transfer plates 16A, and the pair of heat transfer plates 16A are arranged in a direction in which they approach each other. The plate 16A is pressed and brought into close contact with the semiconductor thermoelectric module. Therefore, this bonding method is called a pressure contact method.
【００４９】図１４に示す結合方法では、一対の熱伝達
板として図１２に示した熱伝達板１６と図１３に示した
熱伝達板１６Ａを使用している。熱伝達板１６は半導体
熱電モジュールに固定螺子１５で固定され、熱伝達板１
６Ａは半導体熱電モジュールにに加圧密着される。した
がって、この結合方法は螺子固定／加圧密着方法と呼ば
れる。In the coupling method shown in FIG. 14, the heat transfer plate 16 shown in FIG. 12 and the heat transfer plate 16A shown in FIG. 13 are used as a pair of heat transfer plates. The heat transfer plate 16 is fixed to the semiconductor thermoelectric module with the fixing screw 15, and the heat transfer plate 1
6A is pressed and closely attached to the semiconductor thermoelectric module. Therefore, this joining method is referred to as a screw fixing / pressure contact method.
【００５０】上述したような構造によると、半導体熱電
モジュール内の熱伝達が、熱伝達板１６と金属セグメン
ト１４との間の絶縁シート１７を通して行われるので、
熱の伝達効率を著しく向上させることができる。尚、図
１２乃至図１４に示したいずれの結合方法においても、
絶縁シート１７と金属セグメント１４との表面に熱伝導
性の良いグリースを塗布することが好ましい。また、上
記結合方法では、半導体熱電モジュールを構成する半導
体熱電素子として図１０に示すものを使用しているが、
図１１に示す半導体熱電素子を使用しても良いのは勿論
である。According to the structure as described above, the heat transfer in the semiconductor thermoelectric module is performed through the insulating sheet 17 between the heat transfer plate 16 and the metal segment 14.
The heat transfer efficiency can be significantly improved. In any of the coupling methods shown in FIGS. 12 to 14,
It is preferable to apply grease having good thermal conductivity to the surfaces of the insulating sheet 17 and the metal segments 14. In the above coupling method, the semiconductor thermoelectric element forming the semiconductor thermoelectric module shown in FIG. 10 is used.
Of course, the semiconductor thermoelectric element shown in FIG. 11 may be used.
【００５１】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、上記ダブル・ハンバーガー型
半導体熱電素子及び上記ツイン・ハンバーガー型半導体
熱電素子を有した半導体熱電モジュールにおいて、熱電
素子の両端に金属ブロックを接合せずに直接金属セグメ
ントを接合してもよい。この場合は、金属ブロックがな
い分機械的強度はなくなるが、熱伝達効率は向上する。The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and it goes without saying that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in a semiconductor thermoelectric module having the double hamburger type semiconductor thermoelectric element and the twin hamburger type semiconductor thermoelectric element, metal segments may be directly joined without joining metal blocks to both ends of the thermoelectric element. In this case, the mechanical strength is eliminated because the metal block is not provided, but the heat transfer efficiency is improved.
【００５２】[0052]
【発明の効果】このように本発明は、金属セグメントへ
の固定を螺子で行うことが可能な半導体熱電素子を提供
することができる。したがって、従来のような、熱電素
子と金属セグメントとの接合を半田接合層によって行う
場合に生ずる熱電素子の劈開及び破壊を防止することが
できる。また、熱電素子と金属セグメントとの間隙にペ
ースト状金属を塗布することによって、それらの間の接
触抵抗を低減させることができる。As described above, the present invention can provide a semiconductor thermoelectric element which can be fixed to a metal segment with a screw. Therefore, it is possible to prevent cleavage and breakage of the thermoelectric element that would occur when the thermoelectric element and the metal segment are joined by the solder joint layer as in the conventional case. Further, by applying the paste-like metal to the gap between the thermoelectric element and the metal segment, the contact resistance between them can be reduced.
【００５３】又、個々の熱電素子の熱電特性が劣化した
とき、従来ではモジュールごと廃棄してしまっていた
が、本発明によれば、金属セグメントへの固定を螺子で
行っているので、どの素子が不良なのかをチェックし、
その不良素子のみを取り替えることが容易となり、製品
寿命の向上を図ることができる。Further, when the thermoelectric characteristics of the individual thermoelectric elements deteriorate, the modules are conventionally discarded, but according to the present invention, since they are fixed to the metal segment by screws, which element is used? Check if is bad,
It becomes easy to replace only the defective element, and the product life can be improved.
【００５４】又、ダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子においては、利用温度の異なる２種類以上の組成から
構成されるＮ型素子又はＰ型素子を重ね合わせることに
よって、大きな温度差を素子の両端面に与えることが可
能となる。Further, in the double hamburger type semiconductor thermoelectric element, a large temperature difference is applied to both end surfaces of the element by superposing N-type element or P-type element composed of two or more kinds of compositions having different use temperatures. It is possible to give.
【００５５】又、ダブル・ハンバーガー型半導体熱電素
子においては、利用温度の異なる２種類以上の組成から
構成されるＮ型素子とＰ型素子が重ね合わさって形成さ
れているので、大きな温度差を素子の両端面に与えるこ
とが可能となる。In the double hamburger type semiconductor thermoelectric element, the N-type element and the P-type element, which are composed of two or more kinds of compositions having different use temperatures, are formed so as to overlap with each other. It is possible to give to both end surfaces of.
【００５６】又、ツイン・ハンバーガー型半導体熱電素
子においては、金属セグメントが固定基板と熱伝達基板
の両方を兼用した構造を採っていることにより、熱伝達
効率を向上させ、半導体熱電モジュールのコストも削減
することができる。In the twin hamburger type semiconductor thermoelectric element, the metal segment has a structure in which it serves as both a fixed substrate and a heat transfer substrate, thereby improving the heat transfer efficiency and reducing the cost of the semiconductor thermoelectric module. Can be reduced.
【図１】本発明の第１の実施例による半導体熱電素子の
構造を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a semiconductor thermoelectric device according to a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第２の実施例による半導体熱電素子の
構造を示す断面図である。FIG. 2 is a sectional view showing the structure of a semiconductor thermoelectric device according to a second embodiment of the present invention.
【図３】図１に示した半導体熱電素子と金属セグメント
との基本結合を示す断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view showing basic coupling between the semiconductor thermoelectric element shown in FIG. 1 and a metal segment.
【図４】図２に示した半導体熱電素子と金属セグメント
との基本結合を示す断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view showing basic coupling between the semiconductor thermoelectric element shown in FIG. 2 and a metal segment.
【図５】図１に示した半導体熱電素子を複数個使用して
構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方法
の一例を示す断面図である。5 is a cross-sectional view showing an example of a method of connecting a semiconductor thermoelectric module configured by using a plurality of semiconductor thermoelectric elements shown in FIG. 1 and a heat transfer plate.
【図６】図１に示した半導体熱電素子を複数個使用して
構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方法
の他の一例を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing another example of a method of coupling a semiconductor thermoelectric module configured by using a plurality of semiconductor thermoelectric elements shown in FIG. 1 and a heat transfer plate.
【図７】図１に示した半導体熱電素子を複数個使用して
構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方法
の更に他の一例を示す断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view showing still another example of a method of coupling a semiconductor thermoelectric module configured by using a plurality of semiconductor thermoelectric elements shown in FIG. 1 and a heat transfer plate.
【図８】本発明の第３の実施例による半導体熱電素子の
構造を示す断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing the structure of a semiconductor thermoelectric device according to a third embodiment of the present invention.
【図９】本発明の第４の実施例による半導体熱電素子の
構造を示す断面図である。FIG. 9 is a sectional view showing a structure of a semiconductor thermoelectric device according to a fourth embodiment of the present invention.
【図１０】図８に示した半導体熱電素子と金属セグメン
トとの基本結合を示す断面図である。FIG. 10 is a cross-sectional view showing basic coupling between the semiconductor thermoelectric element shown in FIG. 8 and a metal segment.
【図１１】図９に示した半導体熱電素子と金属セグメン
トとの基本結合を示す断面図である。11 is a cross-sectional view showing a basic coupling between the semiconductor thermoelectric element shown in FIG. 9 and a metal segment.
【図１２】図８に示した半導体熱電素子を複数個使用し
て構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方
法の一例を示す断面図である。12 is a cross-sectional view showing an example of a method of connecting a semiconductor thermoelectric module configured by using a plurality of semiconductor thermoelectric elements shown in FIG. 8 and a heat transfer plate.
【図１３】図８に示した半導体熱電素子を複数個使用し
て構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方
法の他の一例を示す断面図である。13 is a cross-sectional view showing another example of a method of coupling a semiconductor thermoelectric module configured by using a plurality of semiconductor thermoelectric elements shown in FIG. 8 and a heat transfer plate.
【図１４】図８に示した半導体熱電素子を複数個使用し
て構成した半導体熱電モジュールと熱伝達板との結合方
法の更に他の一例を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing still another example of a method of coupling a semiconductor thermoelectric module configured by using a plurality of semiconductor thermoelectric elements shown in FIG. 8 and a heat transfer plate.
【図１５】従来の半導体熱電モジュールの構成を示す断
面図である。FIG. 15 is a sectional view showing a configuration of a conventional semiconductor thermoelectric module.
１０，１０Ａ，２０，２０Ａ 半導体熱電素子 １１ｎ Ｎ型熱電素子 １１ｐ Ｐ型熱電素子 １２ 金属ブロック １２ａ 螺子孔 １３ 螺子 １４ 金属セグメント １５ 固定螺子 １５Ａ ナット １６，１６Ａ 熱伝達板 １６ａ 凹部 １６ｂ 貫通孔 １６Ａａ 貫通孔 １７ 絶縁性薄板（絶縁膜、絶縁シート） 10, 10A, 20, 20A Semiconductor thermoelectric element 11n N-type thermoelectric element 11p P-type thermoelectric element 12 Metal block 12a Screw hole 13 Screw 14 Metal segment 15 Fixing screw 15A Nut 16, 16A Heat transfer plate 16a Recess 16b Through hole 16Aa Through hole 17 Insulating thin plate (insulating film, insulating sheet)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 利三郎 宮城県仙台市青葉区八幡３丁目７番15号 (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 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 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 中川 康昭 宮城県仙台市青葉区八幡４丁目８番６号 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Risaburo Sato 3-7-15 Hachiman, Aoba-ku, Sendai-shi, Miyagi (72) Inventor Minoru Kubogi 4-6-3 Kamo, Izumi-ku, Sendai-shi, Miyagi (72) ) Inventor Ken Masumoto 3-8-22 Uesugi, Aoba-ku, Sendai-shi, Miyagi (72) Inventor Takejiro Kaneko 3-13-8, Asahigaoka, Aoba-ku, Sendai-shi, Miyagi (72) Inventor Yasuaki Nakagawa Aoba, Sendai-shi, Miyagi 4-8-6, Hachiman-ku
Claims (6)
にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を接合し、前記Ｎ型熱
電素子及び前記Ｐ型熱電素子の上に螺子孔を有する金属
ブロックを接合して形成されてなる半導体熱電素子。1. An N-type thermoelectric element and a P-type thermoelectric element are bonded onto a first metal segment having a screw hole, and a metal block having a screw hole is provided on the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element. A semiconductor thermoelectric element formed by joining.
の形状因子Ａ（素子材の板厚／断面積）が１以下である
ことを特徴とする請求項１記載の半導体熱電素子。2. The semiconductor thermoelectric element according to claim 1, wherein the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element have a form factor A (plate thickness / cross-sectional area of the element material) of 1 or less.
にＮ型熱電素子及びＰ型熱電素子を接合し、前記Ｎ型熱
電素子及び前記Ｐ型熱電素子の上に螺子孔を有する金属
ブロックを接合してなる半導体熱電素子を複数個と、該
複数個の半導体熱電素子を互いに電気的に結合する複数
枚の第２の金属セグメントと、前記金属ブロックの螺子
孔に螺合して、前記複数個の半導体熱電素子を前記複数
枚の第２の金属セグメントに固定するための固定螺子と
を有し、複数枚の前記第２の金属セグメントの各々には
前記固定螺子を通すための貫通孔が空けられている半導
体熱電モジュール。3. An N-type thermoelectric element and a P-type thermoelectric element are bonded on a first metal segment having a screw hole, and a metal block having a screw hole is provided on the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element. A plurality of semiconductor thermoelectric elements bonded to each other, a plurality of second metal segments electrically connecting the plurality of semiconductor thermoelectric elements to each other, and screwed into screw holes of the metal block, Fixing screws for fixing the semiconductor thermoelectric elements to the plurality of second metal segments, each of the plurality of second metal segments having a through hole for passing the fixing screw. Empty semiconductor thermoelectric module.
個の第２の金属セグメントとの間隙にペースト状金属が
塗布されている請求項３記載の半導体熱電モジュール。4. The semiconductor thermoelectric module according to claim 3, wherein a paste-like metal is applied in a gap between the plurality of semiconductor thermoelectric elements and the plurality of second metal segments.
の形状因子Ａ（素子材の板厚／断面積）が１以下である
ことを特徴とする請求項５記載の半導体熱電素子。5. The semiconductor thermoelectric element according to claim 5, wherein the N-type thermoelectric element and the P-type thermoelectric element have a form factor A (plate thickness / cross-sectional area of element material) of 1 or less.
個の金属セグメントとの間隙にペースト状金属が塗布さ
れている請求項７記載の半導体熱電モジュール。6. The semiconductor thermoelectric module according to claim 7, wherein a paste-like metal is applied to a gap between the plurality of semiconductor thermoelectric elements and the plurality of metal segments.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05868095A JP3198399B2 (en) | 1995-03-17 | 1995-03-17 | Semiconductor thermoelectric module |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP05868095A JP3198399B2 (en) | 1995-03-17 | 1995-03-17 | Semiconductor thermoelectric module |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08255935A true JPH08255935A (en) | 1996-10-01 |
| JP3198399B2 JP3198399B2 (en) | 2001-08-13 |
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ID=13091288
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006278997A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Compound thermoelectric module |
-
1995
- 1995-03-17 JP JP05868095A patent/JP3198399B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006278997A (en) * | 2005-03-30 | 2006-10-12 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | Compound thermoelectric module |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3198399B2 (en) | 2001-08-13 |
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