JPH098363A - 熱電変換素子及び熱電変換素子モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電極の大きさが大きくなるのを防止しなが
ら、熱電変換効率を向上する。 【構成】 ｐ型又はｎ型の半導体からなる塊状体２に面
接触する一対の電極３Ａ，３Ｂを備え、前記一対の電極
３Ａ，３Ｂのうちの一方の電極３Ａの形成側を高温状態
とし、且つ、他方の電極３Ｂの形成側を低温状態とする
ことによって、前記一対の電極間に起電力を生じる熱電
変換素子において、前記電極３Ａ，３Ｂの厚さが、その
電極３Ａ，３Ｂ内における電流量の多い箇所ほど厚くな
るように形成してある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ｐ型又はｎ型の半導体
からなる塊状体に面接触する一対の電極を備え、前記一
対の電極のうちの一方の電極の形成側を高温状態とし、
且つ、他方の電極の形成側を低温状態とすることによっ
て、前記一対の電極間に起電力を生じる熱電変換素子、
及び、その熱電変換素子を複数個接続した熱電変換素子
モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】かかる熱電変換素子は、ｐ型又はｎ型の
半導体からなる塊状体に備えた一対の電極の一方を高温
状態とし、他方を低温状態とすると、塊状体における高
温状態側箇所において発生した正孔又は電子が低温状態
側に移動するため、一対の電極間に起電力が生じるいわ
ゆるゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する素子である。この熱電変換素子の素
子構成としては、一対の電極夫々を板状に形成し、一対
の電極でｐ型又はｎ型の半導体からなる塊状体を挟持す
る構成とするのが一般的である。この電極をセラミック
等の電気的絶縁板上に板状に形成し、この板上に交互に
ｐ，ｎ夫々の塊状体を配置し、熱電交換素子を構成す
る。従来、板状の電極の厚さは、所定の強度を有する範
囲内で、材料コストの面から極力薄く設定されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本願発
明の発明者は、熱電変換素子の熱変換効率は、塊状体の
材質に依存するのはもちろんであるが、更に、塊状体の
電極にも依存することを見出した。つまり、電極の電気
抵抗成分により発生するジュール熱等によっても熱電変
換効率が影響を受け、熱電変換素子の大きさ（特に面
積）がある程度大きくなると、電極の電気抵抗が低いほ
ど熱電変換効率が向上するのである。従って、熱電変換
効率を向上させるには、電極の厚さを厚くして電気抵抗
を低くすれば良いが、電極の材料コストが高くなるう
え、熱電変換素子が大型化してしまうものとなる。本発
明は、上記実情に鑑みたものであって、その目的は、電
極の大きさが大きくなるのを防止しながら、熱電変換効
率を向上する点にある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の熱電変換素子
は、ｐ型又はｎ型の半導体からなる塊状体に面接触する
一対の電極を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極
の形成側を高温状態とし、且つ、他方の電極の形成側を
低温状態とすることによって、前記一対の電極間に起電
力を生じるものであって、その第１特徴構成は、前記電
極の厚さが、その電極内における電流量の多い箇所ほど
厚くなるように形成してある点にある。本発明の熱電変
換素子の第２特徴構成は、上記熱電変換素子の第１特徴
構成において、前記一対の電極が楔状に形成され、且
つ、楔状の先端部分の向きが交互となる状態で対向配置
され、前記塊状体が、板状に形成され、且つ、前記一対
の電極の間に、前記一対の電極と密着する状態で配置さ
れている点にある。本発明の熱電変換素子の第３特徴構
成は、上記熱電変換素子の第１又は第２特徴構成におい
て、全体形状が、直方体形状に形成されている点にあ
る。

【０００５】本発明の熱電変換素子モジュールの第１特
徴構成は、上記熱電変換素子の第２又は第３特徴構成を
備えた熱電変換素子が、ｐ型の半導体からなる塊状体を
備えた熱電変換素子と、ｎ型の半導体からなる塊状体を
備えた熱電変換素子とが交互となる状態で配列され、且
つ、隣合う熱電変換素子における前記楔状の電極の厚さ
の厚い側の端部同士を導電状態に接続して構成されてい
る点にある。本発明の熱電変換素子モジュールの第２特
徴構成は、上記熱電変換素子モジュールの第１特徴構成
において、前記熱電変換素子の複数個が、平板状となる
ように接続されている点にある。

【０００６】

【作用】本発明の熱電変換素子の第１特徴構成によれ
ば、塊状体を挟持する電極の厚さを、電極内における電
流の多い箇所ほど厚くしている。つまり、熱電変換効率
の向上のために、電極の厚さを一様に厚くしてしまうの
ではなく、電流量が多く、ジュール熱の影響が出やすい
箇所ほど電極を厚くして電気抵抗を低くするようにして
いるのである。本発明の熱電変換素子の第２特徴構成に
よれば、塊状体を挟持する一対の電極を楔状に形成して
厚さを変化させて、電流量の多少に対応しながら、楔状
の先端部分の向きが交互となる状態で対向配置した電極
の間に塊状体を位置させて、熱電変換素子全体としての
厚みを極力均一にし、部分的に厚くなり過ぎるのを防止
している。本発明の熱電変換素子の第３特徴構成によれ
ば、熱電変換素子の全体形状が直方体形状に形成されて
いる、つまり、楔状の先端部分の向きが互いに交互とな
る状態で対向配置させているので、電極及び塊状体で形
成される熱電変換素子の全体形状を直方体形状とするこ
とができるのである。

【０００７】本発明の熱電変換素子モジュールの第１特
徴構成によれば、上記熱電変換素子の第２又は第３特徴
構成を備えた熱電変換素子が、ｐ型の半導体からなる塊
状体を備えた熱電変換素子と、ｎ型の半導体からなる塊
状体を備えた熱電変換素子とが交互となる状態で配列さ
れ、このように配列された熱電変換素子は、楔状の電極
の厚さの厚い側の端部同士が導電状態で接続されてい
る。従って、配列される熱電変換素子の電極面で構成さ
れる熱電変換素子モジュールの一方の面を高温状態と
し、他方の面を低温状態とすると、全ての熱電変換素子
の起電力の方向が一致して、各熱電変換素子の起電力の
総和の起電力を取り出すことができる。しかも、上記の
ように電極を接続することで、電流量の多い箇所ほど電
極が厚くなる配置となっており、更に、熱電変換素子間
の接続強度を十分に確保できる。本発明の熱電変換素子
モジュールの第２特徴構成によれば、上記熱電変換素子
モジュールの第１特徴構成のように配列された複数個の
熱電変換素子が、平板状に形成されている、つまり、楔
状の先端部分の向きが互いに交互となる状態で対向配置
させているので、配列された複数個の熱電変換素子の全
体形状を平板状とすることができるのである。

【０００８】

【発明の効果】上記熱電変換素子の第１特徴構成によれ
ば、電流量が多く、ジュール熱の影響が出やすい箇所ほ
ど電極を厚くして電気抵抗を低くするようにしているの
で、電極の厚さを全体的に厚くしてしまうのに較べて、
電極の大きさが大きくなるのを防止しながら、熱電変換
効率の向上を図ることができる。上記熱電変換素子の第
２特徴構成によれば、上記熱電変換素子の第１特徴構成
による効果に加え、熱電変換素子全体としての厚みを極
力均一にし、部分的に厚くなり過ぎるのを防止できるの
で、熱電変換素子を設置する場合等において、熱電変換
素子を取扱い易いものとできる。上記熱電変換素子の第
３特徴構成によれば、上記熱電変換素子の第１又は第２
特徴構成による効果に加え、熱電変換素子の全体形状を
直方体形状とするので、熱電変換素子を設置する場合等
において、更に、熱電変換素子を取扱い易いものとでき
る。

【０００９】上記熱電変換素子モジュールの第１特徴構
成によれば、楔状の電極を用いながらも隣合う熱電変換
素子が十分な強度で接続されることを可能とし、配列さ
れる熱電変換素子を電気的に直列に接続して起電力の増
大を図ることができるので、熱電変換素子モジュール全
体として、電極の大きさが大きくなるのを防止しなが
ら、熱電変換効率の向上を図ることができる。上記熱電
変換素子モジュールの第２特徴構成によれば、上記熱電
変換素子モジュールの第１特徴構成による効果に加え、
配列された複数個の熱電変換素子の全体形状を平板状と
することができるので、熱電変換素子を設置する場合等
において、その取扱いが容易のものとなる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の熱電変換素子及び熱電変換素
子モジュールの実施例を図面に基づいて説明する。熱電
変換素子モジュールＴＭは、図１及び図２に示すよう
に、複数個の熱電変換素子１が電気的に直列に接続され
て構成されている。熱電変換素子１は、ＢｉＴｅＳｂＳ
ｅ系の半導体を組成及び不純物を調整する等により、ｐ
型の半導体からなる塊状体２とｎ型の半導体からなる塊
状体２とを夫々形成し、その塊状体２夫々を一対の電極
３Ａ，３Ｂにて挟持する構成としてある。ｐ型の半導体
からなる塊状体２を備えた熱電変換素子１と、ｎ型の半
導体からなる塊状体２を備えた熱電変換素子１との配置
は、ｐ型のものとｎ型のものとが交互に電気的に直列と
なるように接続されている。

【００１１】一対の電極３Ａ，３Ｂは、図１及び図２に
示すように、夫々略楔状に形成されて、一つの熱電変換
素子１の中では、楔状の先端部分の向きが交互となる状
態で対向配置され、塊状体２は、そのように配置された
一対の電極３Ａ，３Ｂと密着状態で挟持されている。一
対の電極３Ａ，３Ｂの厚さは、最も厚い楔形状の基端側
端部で約９ｍｍ、最も薄い楔形状の先端側端部で約１ｍ
ｍとしてあり、塊状体２の厚さは、約３ｍｍとしてあ
る。又、一つの熱電変換素子１は、厚さが約１３ｍｍで
縦横が５０ｍｍ×５０ｍｍの直方体形状として形成して
ある。尚、電極３Ａ，３Ｂの材質は、本実施例では銅で
あるが、銀等の他の材質でも良い。この熱電変換素子１
を、隣接する熱電変換素子１間で、楔状の電極３Ａ，３
Ｂの厚さの厚い側の端部同士を半田等により導電状態に
接続してあり、その導電状態に接続してある部分以外の
熱電変換素子１間の隙間部分は絶縁物ＩＳを充填してあ
る。

【００１２】熱電変換素子モジュールＴＭは、図２に示
すように、この直方体形状の熱電変換素子１を平面的に
配列しており、全体として平板状としてある。又、熱電
変換素子１をこのような配列としながら、電気的に直列
に接続するために、楔状の電極３Ｂの厚さの厚い側の端
部間を導電状態で連結する連結電極４が備えられ、直列
に接続された計１６個の熱電変換素子１の端部に位置す
る熱電変換素子１における楔状の電極３Ｂの厚さの厚い
側の端部に、熱電変換モジュールＴＭの起電力を取り出
すための端部電極５が備えられている。上記の如く構成
した熱電変換素子モジュールＴＭを、電極３Ａ側を高温
状態とし、電極３Ｂ側を低温状態として、適当な外部負
荷ＬＯを接続すると、その温度差により生じた起電力に
より、概略図１において矢印Ａで示す方向に、又、概略
図２において矢印Ｂで示す方向に、夫々電流が流れる。
この電流の流れは、一つの熱電変換素子１についての電
流の流れを矢印Ｃで概略的に示した図４の如くであり、
電流量の多い箇所ほど電極３Ａ，３Ｂの厚さが厚くなる
ようにしてある。

【００１３】上記構成の熱電変換素子１の製造方法とし
ては、粉末状のＢｉＴｅＳｂＳｅ系の半導体をホットプ
レス法やＨＩＰ法にて焼結して塊状体２を形成した後、
その塊状体２に図１及び図２に示す電極３Ａ，３Ｂを半
田付け等により取り付けるか、あるいは、粉末状のＢｉ
ＴｅＳｂＳｅ系の半導体を、電極３Ａ，３Ｂと塊状体２
との結合を強固にするための接合材を適宜使用しなが
ら、図１及び図２に示す電極３Ａ，３Ｂで挟み、それに
高温高圧をかけて熱電変換素子１を形成するようにして
も良い。

【００１４】尚、図３に、上記構成の熱電変換素子１に
より生じる電力の電力密度（図中「楔状電極」として示
す）を、上記構成の熱電変換素子１と塊状体２の厚さ及
び外形寸法を同じとして、一対の電極を厚さ５ｍｍの平
行平板としたものにより生じる電力の電力密度（図中
「平板電極」として示す）とを比較したものを示す。図
３において、横軸の「長さ」は、図２中矢印Ｂで示す電
流の流れ方向視の熱電変換素子１の長さであり、横幅は
単位長さとしている。図３に示す通り、電極の形状以外
をほぼ同じ条件として、平行平板の電極を有するものと
比較すると、電力密度が大きく熱電変換効率が高いこと
を示している。

【００１５】〔別実施例〕以下、別実施例を列記する。 上記実施例では、一つの熱電変換素子１の全体形状
が直方体形状に形成されているが、図１と同一方向視の
図５に示すように、断面視で平行四辺形となるように形
成しても良い。 上記実施例では、塊状体２を構成する材料としてＢ
ｉＴｅＳｂＳｅ系の半導体を例示しているが、ＰｂＴｅ
系等種々の半導体材料に変更可能である。

【００１６】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするために符号を記すが、該記入により本発明は
添付図面の構造に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例にかかる要部構成図

【図２】本発明の実施例にかかる熱電変換素子モジュー
ルの全体構成を示す斜視図

【図３】本発明の実施例にかかる熱電変換素子の特性図

【図４】本発明の実施例にかかる動作説明図

【図５】本発明の別実施例にかかる要部構成図

【符号の説明】

１ 熱電変換素子 ２ 塊状体 ３Ａ，３Ｂ 電極

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型又はｎ型の半導体からなる塊状体
   （２）に面接触する一対の電極（３Ａ），（３Ｂ）を備
   え、 前記一対の電極（３Ａ），（３Ｂ）のうちの一方の電極
   （３Ａ）の形成側を高温状態とし、且つ、他方の電極
   （３Ｂ）の形成側を低温状態とすることによって、前記
   一対の電極間に起電力を生じる熱電変換素子であって、 前記電極（３Ａ），（３Ｂ）の厚さが、その電極（３
   Ａ），（３Ｂ）内における電流量の多い箇所ほど厚くな
   るように形成してある熱電変換素子。
2. 【請求項２】 前記一対の電極（３Ａ），（３Ｂ）が楔
   状に形成され、且つ、楔状の先端部分の向きが交互とな
   る状態で対向配置され、 前記塊状体（２）が、板状に形成され、且つ、前記一対
   の電極（３Ａ），（３Ｂ）の間に、前記一対の電極（３
   Ａ），（３Ｂ）と密着する状態で配置されている請求項
   １記載の熱電変換素子。
3. 【請求項３】 全体形状が、直方体形状に形成されてい
   る請求項１又は２記載の熱電変換素子。
4. 【請求項４】 請求項２又は３記載の熱電変換素子
   （１）が、ｐ型の半導体からなる塊状体（２）を備えた
   熱電変換素子（１）と、ｎ型の半導体からなる塊状体
   （２）を備えた熱電変換素子（１）とが交互となる状態
   で配列され、且つ、隣合う熱電変換素子（１）における
   前記楔状の電極（３Ａ），（３Ｂ）の厚さの厚い側の端
   部同士を導電状態に接続して構成されている熱電変換素
   子モジュール。
5. 【請求項５】 前記熱電変換素子（１）の複数個が、平
   板状となるように接続されている請求項４記載の熱電変
   換素子モジュール。