JPH1070316A - 熱電素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱電素子の特性を変更可能とすると共に、熱
を効率的に電気エネルギーに変換する。 【解決手段】 ｐ型半導体２Ａとｎ型半導体２Ｂとを長
手方向中央部で接合し、接合部以外の部分に絶縁層２
Ｃ，２Ｃ′を形成して積層し、両端部に電極３Ａ，３
Ａ′，３Ｂ，３Ｂ′を設けてなる熱電素子。 【効果】 中央部のｐ−ｎ接合部と両端の電極形成部と
の温度差で起電力を発生し、これを電極から取り出すこ
とができる。本発明の熱電素子は、これを長手方向に１
／２に切断した大きさの熱電素子を２個並列又は直列に
接続したものと同等の抵抗を示すことから、同一寸法で
一端にのみｐ−ｎ接合部を持つ従来の熱電素子に比べて
約４倍の出力を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱エネルギーを電
気エネルギーに変換する特徴を生かし、可動部のないジ
ェネレータとして、或いは温度センサーとして利用され
る熱電素子に係り、特に、熱を効率的に電気エネルギー
変換することができる熱電素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般的な熱電素子は、ｐ型半導体のブロ
ック体とｎ型半導体のブロック体とをその一端側におい
て金属を介してｐ−ｎ接合（π型接合）したものであ
る。このｐ−ｎ接合端を熱すると、ゼーベック効果によ
り、接合端とその反対側の半導体端部との温度差に比例
した起電力を発生する。

【０００３】従来、熱電素子はこのような特性を生かし
て、ジェネレータとして、或いは温度センサーとして利
用されている。

【０００４】図２は、このような用途に用いられる熱電
素子の構成を示す断面図（長手方向に沿う断面図）であ
り、長尺板状のｐ型半導体２Ａとｎ型半導体２Ｂとが積
層されると共に、その長手方向の一端で接合され、この
接合部以外の層間部に絶縁層２Ｃが形成されている。そ
して、接合部と反対側の端部の熱電素子素体１の板面に
は端子電極３Ａ，３Ｂが形成されている。なお、この端
子電極３Ａ，３Ｂは、ニッケルめっき膜３ａ上に半田め
っき膜３ｂを形成したものである。

【０００５】このような熱電素子の半導体材料として
は、遷移金属珪化物（遷移金属としては鉄、マンガン、
コバルト、クロム等）やＧｅ−Ｓｉ等が知られており、
コールドプレス法やホットプレス法などのいわゆる粉末
冶金的な手法、グリーンシートを用いたシート積層法に
より作製されるのが一般的である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の熱電素子の
うち、遷移金属珪化物系のものは、モジュール化されて
使用されることは少なく、多くの場合、１素子単体で使
用される。この場合、図２の示すような従来の熱電素子
構造では、その形状によって特性が決定されてしまい、
更なる特性の向上が見込めない。

【０００７】本発明は上記従来の問題点を解決し、配線
を変更することで特性を変更することができ、熱電変換
特性を向上できる熱電素子を提供することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の熱電素子は、そ
れぞれ一方向に長いｐ型半導体とｎ型半導体とが積層さ
れ、該ｐ型半導体とｎ型半導体とは、長手方向の中央部
で接合されると共に、該中央部以外の部分では絶縁さ
れ、該ｐ型半導体及びｎ型半導体の長手方向の両端部に
それぞれ電極が設けられていることを特徴とする。

【０００９】かかる本発明の熱電素子では、長手方向の
中央部にｐ−ｎ接合部が形成され、両端部に電極が設け
られているため、中央部のｐ−ｎ接合部と両端の電極形
成部との温度差で起電力を発生させ、これを電極から取
り出すことができる。

【００１０】この場合、両端の電極の配線を変更するこ
とで、熱電素子自体の内部抵抗や熱起電力を変えること
ができる。しかも、後述の実施例１と比較例１の結果か
らも明らかなように、中央にｐ−ｎ接合部を持ち、両端
に電極が形成された本発明の熱電素子は、これを長手方
向に１／２に切断した大きさの従来型の熱電素子を２個
並列又は直列に接続したものと同等の抵抗を示すものと
なるため、同一寸法で一端にのみｐ−ｎ接合部を持つ従
来の熱電素子に比べて約４倍の出力を得ることができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。

【００１２】図１は本発明の熱電素子の一実施例を示
す、熱電素子の長手方向に沿う断面図、図３（ａ），
（ｂ）は図１に示す熱電素子の配線例を示す断面図であ
る。図１，３において、図２に示す部材と同一機能を奏
する部材には、同一符号を付してある。

【００１３】本発明の熱電素子は、長尺板状のｐ型半導
体２Ａとｎ型半導体２Ｂとをその長手方向の中央部で接
合し、このｐ−ｎ接合部４以外の部分に絶縁層２Ｃ，２
Ｃ′を介在させて積層一体化してなる熱電素子素体１Ａ
の長手方向の両端部のｐ型半導体２Ａ及びｎ型半導体２
Ｂに各々電極３Ａ及び３Ａ′，３Ｂ及び３Ｂ′を形成し
たものである。なお、この熱電素子において、ｐ型半導
体２Ａ側は正、ｎ型半導体２Ｂ側は負となる。

【００１４】このような熱電素子は、図３（ａ）に示す
如く、ｐ型半導体２Ａ側の電極３Ａ，３Ａ′同士及びｎ
型半導体２Ｂ側の電極３Ｂ，３Ｂ′同士を接続すれば並
列接続となり、図３（ｂ）に示す如く、ｐ型半導体２Ａ
側の電極３Ａ，３Ａ′とｎ型半導体２Ｂ側の電極３Ｂ，
３Ｂ′とをそれぞれ接続すれば直列接続となり、後述の
実施例の結果からも明らかなように異なる特性を示すも
のとなる。

【００１５】本発明の熱電素子は、ｐ−ｎ接合部を熱電
素子素体の長手方向の中央部に設け、電極をその長手方
向の両端部に形成すること以外は、常法に従って製造す
ることができ、ｐ型半導体及びｎ型半導体の材料や製造
条件等に何ら制限を受けることはない。

【００１６】なお、本発明において、中央にｐ−ｎ接合
部を設け、両端に電極を形成したことによる熱電変換効
率の向上及び素子のコンパクト化という本発明の効果を
有効に得るためには、本発明の熱電素子は、特にその長
手方向の長さが３５〜６０ｍｍであることが好ましい。

【００１７】

【実施例】以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明を
より具体的に説明する。

【００１８】実施例１，比較例１ 以下に示す方法により、図１に示す本発明の熱電素子及
び図２に示す従来の熱電素子を製作した。

【００１９】まず、ＦｅＳｉ₂ 系熱電素子素体をシート
積層法により作製した。

【００２０】ｐ型鉄珪化物系半導体材料としてＦｅＳｉ
₂ にＣｒＳｉ₂ を２モル％添加したものを、また、ｎ型
鉄珪化物系半導体材料としてＦｅＳｉ₂ にＣｏＳｉ₂ を
２モル％添加したものを用いた。また、絶縁材料として
ＺｒＯ₂ 粉にガラス粉（組成（重量％）：ＳｉＯ₂ ＝６
０，Ｂ₂ Ｏ₃ ＝１５，Ａｌ₂ Ｏ₃ ＝１０，アルカリ土類
金属酸化物＝１５）を４０重量％加えたものを用いた。
上記３種類の材料に、各々、結合剤としてポリビニルブ
チラール、可塑剤としてフタル酸ジブチル、分散剤とし
てエーテル型非イオン界面活性剤「ＧＡＦＡＣ」（東邦
化学社製商品名）、溶剤としてエタノール及びトルエン
を加えてスラリー化し、ドクターブレード法によりグリ
ーンシート化した。

【００２１】実施例１では、これらをｐ型鉄珪化物系半
導体シート、絶縁シート、ｎ型鉄珪化物系半導体シート
の順に中央がｐ−ｎ接合となるように積層後、７０℃、
１００ｋｇ／ｃｍ² で熱圧着した。

【００２２】比較例１では、一端がｐ−ｎ接合となるよ
うにしたこと以外は同様にして積層、熱圧着した。

【００２３】これを、各々、所望の素子形状に切断後、
大気中で４００℃、２時間の脱脂工程により結合剤、可
塑剤、分散剤及び溶剤を除去し、その後、真空中で１２
００℃、４時間の焼結工程、大気中で８５０℃、５０時
間のアニール工程を行った。次に、実施例１では素子の
両端部に、それぞれ電極として電気めっき法によりニッ
ケルめっき膜を０．５〜１μｍ程度の厚さに形成した
後、同様に電気めっき法で半田めっき膜を０．５〜１μ
ｍ程度の厚さに形成した。比較例１では、ｐ−ｎ接合部
の反対側の端部に同様にして電極を形成した。

【００２４】このようにして得られた素子の大きさは、
実施例１及び比較例１ともに５ｍｍ（幅）×３８ｍｍ
（長さ）×２ｍｍ（厚さ）であった。

【００２５】得られた熱電素子について、各々、温度差
に対する熱起電力と内部抵抗の関係を調べた。

【００２６】なお、実施例１では、図３（ａ），（ｂ）
に示す如く、配線方法を変えて各々測定を行い、結果を
図４（ａ），（ｂ）に示した。また、比較例１の結果は
図５に示した。

【００２７】図４（ａ）と図５との比較より次のことが
明らかである。

【００２８】即ち、実施例１の熱電素子（並列配線）と
比較例１の熱電素子の発生電圧はほぼ同等であるのに対
し、内部抵抗については、実施例１の熱電素子は比較例
１の熱電素子の約１／４の値を示している。これは本発
明の熱電素子は、その長手方向に１／２に切断した大き
さ、即ち、５ｍｍ（幅）×１９ｍｍ（長さ）×２ｍｍ
（厚さ）の形状の熱電素子を２個並列に接続した場合と
同様と考えられるためである。

【００２９】また、図４（ｂ）と図５との比較より次の
ことが明らかである。

【００３０】即ち、実施例１の熱電素子（直列配線）と
比較例１の熱電素子の内部抵抗はほぼ同等であるのに対
し、発生電圧については、実施例１の熱電素子は比較例
１の熱電素子の約２の値を示している。これは本発明の
熱電素子は、その長手方向に１／２に切断した大きさ、
即ち、５ｍｍ（幅）×１９ｍｍ（長さ）×２ｍｍ（厚
さ）の形状の熱電素子を２個直列に接続した場合と同様
と考えられるためである。

【００３１】一般に、素子の最大出力Ｐ_max は Ｐ_max ＝Ｖ² ／４／Ｒ （Ｖ：熱起電力、Ｒ：内部抵
抗） で表わされる。従って、本発明の熱電素子は、並列配線
の場合も直列配線の場合も、同寸法の従来の素子に比べ
約４倍の出力を生じることになる。

【００３２】この結果から、本発明の熱電素子は、スペ
ースロスがなく、効率良く熱電変換を行うことができる
ことがわかる。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の熱電素子に
よれば、配線方法により特性を変えることができる上
に、体積当りの熱電変換効率を増大させて、効率良く熱
電変換することが可能となり、同寸法の従来型素子に比
べ、非常に大きな出力を得ることができる。

【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断面図であ
る。

【図２】従来の熱電素子を示す断面図である。

【図３】図１に示す熱電素子の配線方法を示す断面図で
ある。

【図４】実施例１で製造した熱電素子の温度差に対する
熱起電力と内部抵抗の関係を示すグラフであり、各々、
図４（ａ）は並列配線の場合、図４（ｂ）は直列配線の
場合を示す。

【図５】比較例１で製造した熱電素子の温度差に対する
熱起電力と内部抵抗の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１，１Ａ 熱電素子素体 ２Ａ ｐ型半導体 ２Ｂ ｎ型半導体 ２Ｃ，２Ｃ′ 絶縁層 ３Ａ，３Ａ′，３Ｂ，３Ｂ′ 電極 ３ａ ニッケルめっき膜 ３ｂ 半田めっき膜 ４，４Ａ，４Ｂ ｐ−ｎ接合部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ一方向に長いｐ型半導体とｎ型
   半導体とが積層され、 該ｐ型半導体とｎ型半導体とは、長手方向の中央部で接
   合されると共に、該中央部以外の部分では絶縁され、 該ｐ型半導体及びｎ型半導体の長手方向の両端部分にそ
   れぞれ電極が設けられていることを特徴とする熱電素
   子。