JPS59167077A - 熱電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発電のための新しい改良された熱電デバイスに
関する。

エネルギー生産のための化石燃料の世界的供給が加速的
に使い尽されつつあることは良く認識されている。その
認識が石油危機をもたらし、それは世界経済に打撃を与
えただけでなく、世界の平和と安定をも脅している。エ
ネルギー危機の解決は、新しい燃料及びそれを利用する
一層効率的な技術の開発にかかつている。本発明は、そ
れに関連して、より多くの電力を提供する熱電デバイス
を開発することにより、エネルギー節約、発電、汚染、
及び新しい事業機会の創出、に寄与する。

持続的、経済的なエネルギー転換に関連したひとつの重
要な解決方策は、電力を熱によって発生させる熱電発電
の分野にある。我々の消費するエネルギーの３分の２以
上は、たとえば自動車の排気ガスや発電所からの廃熱の
形で、無駄になり、環境へ捨てられていると推定されて
いる。現在までのところ、この熱汚染による深刻な気候
的影響は現れていない。しかし、世界のエネルギー消費
が増えるにつれて、衆終的には熱汚染の影響によって極
地の冠水が一部融けて海面の上昇をひき起すと推定され
ている。

熱電デバイスの効率は、そのデバイスを構成している物
質の性能指数ｆＺＩによって表される。２を定義する式
は次のようになる： 八 ここで：２は、単位×１０３で表され Ｓは、ゼーベック係数、単位μＶ／’ＧＫは、熱伝導率
、単位ｒ′ｒ′ｒｗ／ｃＴＬ℃かつ、　　σは、導電率
、単位（Ω−ｃＩｒＬ）　　　、である。

上式から、ある物質が熱電ノ？ワー転換に適するもので
あるためには、熱電ゼーベック係数（Ｓ）の値が大きく
、導電率（σ）が大きく、熱伝導率（Ｋ）が小さくなけ
ればならないことが分る。さらに、熱伝導率（幻には２
つの成分がある：すなわち、格子成分ＫＱ１と、電子成
分、Ｋｅ、とである。非金属の場合、Ｋ２が支配的で、
それが主さしてＫの値を決定する。

別の言い方をすると、ある物質が効率的に熱電／Ｑワー
転換できるためには、高温接合部から低温接合部へ担体
を容易に拡散させることができ、同時に温度差を維持で
きるということが重要である。

したがって、熱伝導率が低いことと同時に導電率が高い
ことが必要である。

熱電、Ｑワ−転換は、これまで広く利用されていない。

その主たる理由は、従来の熱電材料で商業的用途にいく
らかでも適するものは結晶構造のものであったことであ
る。結晶固体は熱伝導率を低く抑えながら高い導電率を
達成することができない。最も重要なことは、結晶の対
称性のために熱伝導率を変性によってコントロールする
ことができないということである。

通常の多結晶による方法の場合、単結晶物質の問題が依
然として大きく残っている。しかし、多結晶の粒界によ
りこの種の物質は比較的導電率が低くなるので新たな問
題にもぶつかる。さらに、この種の物質の製造も、結晶
構造がより複雑なために制御することが困難である、こ
の種の物質の化学的変性又はドーピングは、上記の問題
があるために特に困難である。

今ある多結晶熱電物質で最もよく知られているものとし
ては、（Ｂｌ　、５ｂ）２Ｔｅ５、Ｐｂ’ｒｅ。

及び５ｉ−Ｇｅ、がある。（Ｂｉ、５ｂ）２Ｔｅ３は、
−１０℃から１５０℃の温度範囲の用途に最適で、その
最高の２は３０℃付近に現れる。

（Ｂｉ、５ｂ）２ＴＪは、Ｂｉ及びｓｂ　の相対竜が０
から１．０Ｏ１までにわたる連続固溶体システムである
。３ｉ−Ｇｅ　　は、６００℃から１００００Ｃ。

までの温度範囲の高温用途に最適で、満足すべき２の値
は７００℃より上で現れる。ｐｂ’ｒｅ　多結晶物質は
、３００℃から５００℃までの温度範囲でその性能指数
が最高になる。これらの物質はいずれも１００℃から３
００℃の温度範囲の用途にあまり適さない。これは実際
残念なことであって、多様な廃熱応用が見出されるのは
この温度範囲なのである。このような応用としては、地
熱廃熱や、たとえばトラック、パス、及び乗用車などの
内燃機関からの廃熱、があげられる。この棟の応用が重
要なのは、その熱が真に無駄な熱だからである。

もつと高い温度範囲では熱は他の燃料によって意図的に
発生させなければならないものであり、したがって真の
意味の廃熱ではない。

前述の温度範囲で使用する新しい改良された熱電合金物
質が発見されている。これらの物質はこの中のデバイス
に使用できる。これらの物質は単−相の結晶物質ではな
く、無秩序物質である。さらに、これらの物質は、アモ
ーファス相と複数の結晶相を有する多相物質である。こ
の種の物質は熱の良い絶縁体である。これらの物質は、
いろいろな遷移相の粒界を含み、その組成は、マトリッ
クス結晶の組成から粒界のいろいろな相の組成まで変化
している。粒界はきわめて無秩序で、遷移相は熱伝導に
対して高い抵抗を示す熱伝導率の低い相を含んでいる。

通常の物質と異なり、この物質は、粒界がその中で導電
相を含む領域を有し、それがバルクの物質中で多数の導
電路を作り出し、熱伝導率には実質的に影響を及ぼすこ
となく導電率を高めるにうになっている。本質的に、こ
れらの物質は、望ましいほど低い熱伝導率と結晶のバル
クのゼーベック係数という多結晶物質の全ての利点を備
えている。しかも、通常の多結晶物質と異なり、この無
秩序多相物質はまた、望ましい高い導電率を有する。し
たがって、これらの物質の性能指数で（Ｊ５熱電発電に
望ましいほど熱伝導率を低く抑えたま＼、Ｓ２σという
積を独立にできるだけ大きくすることができる。

最高度の無秩序を表すアモルファス物質が熱電的応用の
ために開発された。この物質とその製法は、たとえばス
タンフォードＲ，オプシンスキーの名前で出された米国
特許第４，１７７，４７３号、第４．１７　’／、４７
４号、第４，１７７，４７５号、に十に開示され、特許
請求の範囲が示されている。これらの特許において開示
された物質は、長距離秩序はないが局部秩序を有し、エ
ネルギー　ギャップと活性化エネルギーをもつ゛電子構
造を有する固体アモルファス・ホスト・マトリックスに
作られる。このアモーファス、ホスト・マトリックスに
、アモルファス・ホスト・マトリクス及び自分自身と相
互作用してエネルギー・ギャップに電子準位を作り出す
変性物質が添加される。この相互作用はアモルファス・
ホスト・マトリクスの電子構造を実質的に変化させ、活
性化エネルギーを実質的に減少させ、その結果、物質の
導電率を実質的に高める。こうして得られる導電率はホ
スト・マトリクスに加える変性物質の量によって制御で
きる。

アモルファス・ホスト・マトリクスは普通真性タイプの
伝導形であり、変性物質はそれを外因性タイプの伝導形
に変える。

上記特許で開示されているように、アモルファス・ホス
ト・マトリクスが非共有電子対を有し、その軌過と変性
物質の軌道が相互作用井てエネルギー・ギャップに電子
準位を作り出す可能性がある。別の形では、ホスト・マ
トリックスが主に四面体的な結合ボン、ドを有し、そこ
に変性物質が非置換的な仕方で添加されることもあり得
る。エネルギー・ギャップに新しい電子準位を作り出す
変性物質としては、ホウ素と炭素の他にｄ−バンド及び
ｆ−パンＦ物質が、多軌道の可能性を与えるものとして
利用できる。

前述のことにより、これらのアモルファス・熱電物質は
実質的に導電率が高くなる。しかし、変性後もこれらの
物質は依然としてアモルファスなので、その熱伝導率は
低いままであり、その結果熱電的応用に、とくに４００
℃より高い温度領域において、好適となる。

これらの物質は原子レベル又はミクロスコピック、レベ
ルで変性され、その原子構造が実質的に変化して上記独
立な導電率の増加をもたらす。それと対照的に、上で論
じた熱電合金物質は原子的には変形されない。それらは
、物質中にマクロスコピツク・レベルで無秩序を導入す
るような仕方で製造される。この無秩序は、丁度純アモ
ーファス相物質の原子的変性と同様に、物質中の導電相
を含むいろいろな相を導入して制御される高い導電率を
与え、同時に他の相の無秩序により熱伝導率を低く抑え
ることを可能にする。したがって、これらの物質は、そ
の熱伝導に関してはアモルファス物質と通常の多結晶物
質の中間にある。

熱電デバイスは、その中の物質の両端間に温度差を確立
することにより発電する。一般に熱電デバイスはｐ−型
物質及びｎ−型物質の両方のエレメントを含む。ｐ−型
物質では、温度差により正荷電の担体がエレメントの高
温側から低温側へ動かされ、一方ｎ−型物質では、温度
差により負荷電の担体がエレメントの高温側から低温側
へ動かされる。

熱電／Ｑクワ−換が従来広く利用されなかったのは、物
質の制約によるだけでなく、デバイスの制約もその理由
であった。デバイスの制約としては、デ、６イス基板の
歪み、熱電システムで用いられるときのデバイスと熱交
換器の間の広い面積にわたる接触が失われるこか及び基
板での熱損失、がある。

従来の熱電ジノ９イスは、銅リード・パタンをセラミッ
ク基板につけたものを用いて、それに熱電エレメントを
取付ける。このデバイスの製造では、別の銅リード・／
Ｑメタン有する第２のセラミック基板がこの熱雷エレメ
ントに溶接される。溶接プロセスでは、はんだ又はろう
付は合金の層が、たとえば粒状ペーストを型紙で印刷す
るといった方法で接合するメンバーに塗布され、組立て
たものを熱してはんだ又はろう付は合金を融かしてエレ
メントを接合させるに十分な高温にする。セラミック基
板と銅リード・パタンの熱膨張係数の差により、この溶
接作業のさい基板に歪みが発生し、それに関連していく
つかの問題が生じる。

第一に、基板の歪みのため、エレメントと基板の銅リー
ド・ｌ々タンとの良好な熱的結合を実現することが、不
可能ではないとしても、困難である。

さらに、セラミック基板はもろいので、歪みが太きいと
基板のひびわれその他のジノ９イスの物理的劣化が生ず
る。さらに、熱電システムで用いるためには、基板の外
面は熱交換器と広い面にわたる密接な接触をしていなけ
ればならない。基板の歪みは、デノ々イスと熱交換器の
正しい結合を困難にする。

これらの問題を克服するために、銅リード、Ｑタンとセ
ラミック基板の熱膨張係数の差によって基板に加わる力
を、このリード・ノ９タンと実質的に同一な銅の、Ｑタ
ンを基板の反対側にもつけて平衡させる。残念ながら、
余分な銅はデバイスの材料費を増加させ、製造に余分な
工程を付加える。その上、このプロセスによって得られ
る熱応力の軽減の程度は、まだ満足できるものではない
。

熱電デバイスが動作するときは、デバイスの両面間に温
度差を設けて電力を発生させる。基板と熱電エレメント
の熱膨張係数の差によって、熱電システムで使用する場
合、デバイスと熱交換器の間の広い表面接触が失われる
。広い表面接触が失われると熱伝達が低下し、その結果
デバイスの両面間の温度差が小さくなりデバイスの効率
が低下する。

また、セラミック基板で実質的な温度降下が起っている
ことが見出されている。熱電エレメントの電圧出力及び
電流は、エレメント両端間の温度差に比例する。したが
って、電力は温度差の二乗に比例し、エレメントの両端
間の温度差の変化は、デバイスの電力出力に実質的な影
響を及ぼす。したがって基板での温度降下は、電力発生
にエレメントが利用できたはずの温度差を減少させる。

さらに、歪みの問題を克服するために余分に鋼を使用す
ることは、基板での温度降下をさらに大きくする。この
降下は熱電エレメントでの温度差をデバイスの両面間で
利用できる温度差より減少させ、デバイスの電力出力を
低下させる。

これらの問題があるため、従来の熱電デバイスは、しば
しば動作中に、熱電エレメントのひびわれ、電気的及び
熱的結合のゆるみ、及び基板の破壊、により故障するこ
とが多い。さらに、歪み及び広い表面接触の減少は熱伝
達を低下させ、それはデバイスでの温度差の減少となり
、全体の効率低下となる。

これらの問題を克服しようとして基板なしのデバイスが
提案された。このデバイスは、基板がなく、補償エレメ
ントもない。したがって、通常これらのコンポーネント
から生ずる熱損失はなくなる。さらに、熱電発電エレメ
ントは複数個の連結メンバーと、エレメントの間の空所
を埋める充填コンノミランドによりたわみ易い形で保持
されるので、デバイスの熱応力は小さくなる。この構造
は、高度の柔軟性を備えたデバイスを与える。このデバ
イスの効率は高いが、いろいろな状況における性能には
、まだ直すべき点が多々ある。残念ながう、連結メンバ
ーとエレメント間の充填コンノミランドだけでは、デバ
イスは構造的に完全ではなく、したがって状況によって
は、取扱、設置、又は使用のさいの機械的振動に耐えら
れるほど丈夫でなく、そのことは当然デ／ζイスの有用
性を狭めてしまう。

したがって、構造の信頼性と高い効率の両方を備えてい
る熱電デバイスが要求される。もつと具体的に言うと、
内燃機関など振動又は機械的ショックが激しいシステム
で使用した場合に生ずる機械的応力に耐えられる熱電デ
バイス、温度勾配がかかった時の熱応力が小さく、した
がって損傷や熱伝達の低下という問題のない熱電デ、ｅ
イス、熱損失が小さく、したがって前述した新しい改良
された熱雷１物質の効率をフルに利用できる熱′亀デフ
ζイスが要求されている。

以下で説明するように本発明の熱電デ／々イスはこの要
求をみたすものである。本発明のひとつの実施態様であ
るデバイスは、剛性基板を含み、そこに熱電エレメント
やその連結手段が剛性的に取付けられて、単一の頑丈な
構造となっている。さらに、このデバイスは熱応力を緩
和する手段を含んでおり、基板の歪みとそれに伴う熱伝
達の低下やデバイスの故障が回避される。さらに、応力
緩和手段を用いることで、従来の応力補償用の銅片の必
要がなく、このコンポーネントに関連する効率低下を避
けられる。本発明の別の実施態様では、も・５１枚の基
板は完全になくして、それによって熱損失をさらに減ら
し、効率を高めることができる。

以下で実証されるように、本発明の新しい改良された熱
電発電デバイスは、従来あった問題点を克服している。

機械的な強度は保たれ、他方デバイスの歪みをなくすこ
とにより効率的な熱伝達と優れた熱的接触を実現して高
い効率とノ９ワー出力が得られる。

本発明は、発電用の新しい改良された熱電デバイスを提
供する。このデバイスは、構造的完全性を有し、熱サイ
クルによる温度差がデバイスに印加されても、デノ’＝
イスの応力は小さい。この新しい熱電デバイスは、複数
個の熱−１発電エレメントと、この熱電エレメントの対
向するそれぞれの側にあって定められた／ｅメタン従っ
てエレメントを連結する第１及び第２の結合手段と、第
１の結合手段に熱電エレメントと反対の側で固定されて
デバイスに構造的完全性を与える剛性基板とを含む。

このデバイスはまた、第２の結合手段と連結した応力緩
和手段を含み、これによって熱電エレメント、基板、及
び結合手段が、デバイスの熱サイクルに応答して膨張及
び収縮することが可能になる。

本発明のひとつの実施態様では、応力緩和手段は、熱電
エレメントな電気的に連結する手段の一部としての役目
もする１つ以上のたわみ導電メンバーから成る。別の実
施態様では、熱応力緩和手段は、第２の結合手段を第２
の剛性基板に結合する可撓的熱良導ジヨイントから成る
。本発明のさらにもうひとつの実施態様では、応力緩和
手段は第２の電気的結合手段の表面の電気的に絶縁性の
、熱の良導物質の層から成る。この層を用いることによ
り、第２の剛性基板は不用になり、それにより熱伝達の
効率は増大し、第２の基板の膨張及び収縮から生ずる熱
応力がなくなる。

本発明の熱電発電デバイスは、熱的に発生する応力に対
してきわめて強く、熱電エレメントの損傷あるいはデバ
イスと熱交換器との熱的接触の不良、したがってまた効
率の低下につながるような歪みを生じにくい。剛性的に
取付けられた基板があるので、荷酷な使用条件の下での
デバイスの耐久性が保証される。本発明は、くり返され
る熱サイクルによっても損傷又は劣化しない頑丈な、信
頼できる高効率の熱電デバイスに対するずっと前からの
要求をみたすものである。

したがって、本発明の第１の目的は、構造的完全性を備
え、熱サイクルによってデバイスに温度差が印加されて
も応力を緩和できる新しい改良された熱電デノ々イスを
提、供することである。このジノζイスは、複数個の熱
電エレメントと、定められた／Ｑメタンエレメ、ントを
連結するため熱電エレメントの対向するそれぞれの側に
ある第１及び第２の結合手段と、第１の結合手段に熱電
エレメントと反対側でとりつけられて構造的完全性を与
える第１の剛性基板と、第２の結合手段に関連してエレ
メント、基板、及び結合手段がデバイスの熱サイクルに
応答して膨張及び収縮できるようにしている応力緩和手
段とによって特徴ずけられる。

本発明の第２の目的は、構造的完全性を備え、熱サイク
ルによってデバイスに温度差が印加されても応力を緩和
できる新しい改良された熱電デバイスを提供することで
ある。このデバイスは、複数個の熱電エレメントと、熱
電エレメントの第１の側に剛性的に結合された第１の結
合手段と、′第１の結合手段に熱電エレメントと反対側
で固定されて構造的完全性を与える剛性基板と、熱電エ
レメントの選ばれた対に第１の結合手段と反対側で電気
的に結合されて第１の結合手段と協同して熱電エレメン
トを定められたノ９タンで電気的に連結するたわみ導電
メンバーと、たわみメンバーに熱電エレメントと反対側
で熱良導性グリースの薄い層により取付けられた第２の
基板とにより特徴ずけられる。

次に、本発明の好ましい実施態様を、添付の図面を参照
しながら実例によって説明しよう。

まず第１図について説明する。同図は、本発明による構
造の熱電デバイス１５を示す。デバイス１５は、複数個
のそれぞれｐ−型及びｎ−型態゛１氏エレメント４及び
６を、第１の剛性電気的連結１０の組と第２のたわみ電
気的連結１８の總とにより電気的に連結した形で含んで
いる。デバイス１５は、さらに２つの電気的に絶縁性の
基板１４とあを含む。

デバイス１５のｐ−型エレメント４及びｎ−型エレメン
ト６は同数で、第２図に最も良く示されているように全
体にわたって交互をこ配置されている。第２図は、１例
として、デバイス１５が３２個のｐ−型エレメント４と
３２個のｎ　−型エレメント６を含むことを示している
が、ｐ−型及びｎ−型エレメントは等しい個数何個であ
ってもよい。

ｐ−型エレメント４の代表的組成は、約１０−２０チの
ビスマス、約２０−３０％のアンチモン、約６０％のテ
ルル、及び１チ未満の銀を含むＯｎ−型エレメントは約
４０％のビスマス、約５４％のテルル、及び約６％のセ
レンから成るものでよい。

再び第１図に戻って、ｐ−型及びｎ−型熱電エレメント
４及び６は、第１及び第２の電気的連結手段によって、
直列に電気的に連結されている。

第１の連結手段は、熱電エレメントの選ばれた対を結合
するいくつかの剛性電気的連結メンバー１０である０こ
の連結メンバーとして好ましい材料は、銅、アルミニウ
ム、銀などの金属である。この電気的連結メンバー１０
は、伝熱及び導電性ジヨイント１２によって、熱電エレ
メント４及び６にがっちりと固定されている。このジヨ
イントは、はんだ又は導電性接着剤を用いて作ることが
できる。

生産工程では、連結メンバー１０の内側の面にはんだペ
ーストの網目を印刷しておいて、溶接はんだ付けにより
エレメントをそれに熱的及び電気的に結合させることが
できる。

本発明のこの実施態様では、熱電エレメント４及び６の
宵１気的連結は、以下で詳しく説明する複数個のたわみ
導電メンバー１８によって完成される。これらのたわみ
メンバーは、熱電エレメント４及び６の選ばれた対を電
気的に結合し、剛性連結メンバー１０と協同してデバイ
ス１５の熱電エレメントをある定められたノ（タンで連
結する役目をする。

ｐ−型及びｎ−型の・、６電エレメント、及びたわみ連
結メンバー１８の配置が第２図に示されている。ｐ−型
態　電ｆレメント４とｎ−型熱電エレメント６のそれぞ
れ最初の対がたわみ連結メンバー１８によって連結され
ている。

次に第３図について説明する。同図には、剛性連結メン
バー１０に対する熱電エレメントの配置が示されている
。デバイス１５のこの部分では、ｐ−型熱電エレメント
４とｎ−型熱電エレメント６のそれぞれ第２の対が剛性
連結メンバー１０によって連結されている。たわみ連結
メンバー１８と剛性連結メン／ζ−１０が、熱電エレメ
ント４及び６の反対側に接続される位置にあれば、直列
タイプの電流径路が、熱電エレメントによって、ｐ−型
及びｎ−型エレメントが全体にわたって交互につながる
形で実現されることが分るであろう。図示した実施態様
はこのように直列結合を示しているが、場合によって、
仕上りのデバイスに望まれる出力電圧及び電流により、
熱電エレメントを並列配置又は直列−並列の組合された
配置、で結合するのが望ましいこともある。

次に第４図について説明する。同図は、本発明のひとつ
の実施態様に従った構造のたわみ電気的連結部１８を示
している。連結メンバー１８は、２つの剛性導電部分２
０を、たわみ導電コネクタ２２で結合したものである。

たとえば、剛性部分２０は２つの中実銅メンバーで、た
わみコネクタ２２は平形編組ケーブル２３とすることが
できる。

ひとつの実施態様としては、ケーブル２３を、中実銅メ
ンバーに、各メンバーの一端をケーブル２３に圧着して
とりつける。別の実施態様ではケーブル２３をメンバー
２０にはんだ付けする。

第５図は、本発明に従ったさらに別の構造のたわみ導電
連結メンバー１８を示す。第５図の連結部１８は、中央
部分にたわみ易いばねのような部分２４が形成されてい
るひと続きの金属片である。

このたわみ易い部分２４は標準的な金属加工方法、たと
えばスタンピング、コイニング及び熱処理、などによっ
て作るととができる。

第１図に示された熱電デバイス１５において、たわみ電
気的連結部１８は、一般に剛性連結メンバー１０を熱電
ニレメン１−１０に結合するのに用いられるものと同様
な伝熱及び導電性ジヨイントにより熱電エレメント４及
び６に結合される。このジヨイント１２を作るのに使用
できる材料のひとつははんだである。はんだは各エレメ
ントにつ・けて各ジヨイントを別々に作ってもよいし、
又は複数個のジヨイントを同時に作れるように、はんだ
ペーストを用いてパッチ溶接プロセスを採用してもよい
。伝熱及び導電性接着剤が、このジヨイント１２に、は
んだの代りに使用できる。

熱電エレメント４及び６を、外部環境から電気的に隔離
し機械的強度を与えるために、第１図に示された熱電デ
バイスは、また、２枚の基板１４及び２６を備えている
。第１の基板１４は、剛性連結メンバー１０に、熱電エ
レメントに取付けられているのと反対側に剛性的に固定
される。この基板１４は、熱電デバイスのエレメント４
及び６を外部環境から電気的に隔離してデバイスの短絡
を防止する。剛性的に取付けられた基板１４は、さらに
、でき上った熱電デバイス１５に機械的耐久性を与える
。この基板１４は電気的絶縁体で、熱の良導体で耐久性
の高いものであることが望ましい。たとえば、アルミナ
などのセラミックはその種の性質を備えており、基板１
４を作るのに使用できる。基板を作るのに使用できる材
料としては、その他に、少くとも１面に絶縁被膜を施し
た金属もある。たとえば、基板をアルミニウム酸化物の
層が表面にあるアルミニウム板から作ってもよい。

熱電デバイス１５を機械的に頑丈なものにするため、前
述のように第１の基板１４は剛性連結メンバー１０に剛
性的に取付けられる。これは、はんだ又は接着剤から作
られる強い伝熱性ジヨイント１６によって実現される。

本発明のひとつの実施態様では、基板１４に、真空蒸着
、エレクトロレスめつき、スクリーゾ印１刷、などの方
法による金属被膜領域が作られる。次にこの金属被膜領
域と剛性連結メンバー１０の間にはんだジヨイントが作
られる。第１図には示されていないが、従来のデバイス
で用いられている補償バーを、第１の基板の剛性連結メ
ンバー１０が取付けられているのと反対側の面に取付け
てもよい。補償パーを用いるとさらに応力緩和になるが
、熱伝達は多少阻害される。

熱電デバイス１５の第２の基板２６は、たわみ連結メン
バー１８に、熱電エレメント４及び６と反対側で、たわ
みジヨイント２８によって取付けられる。このたわみジ
ヨイント２８は基板２６をたわみ連結メンバー１８と良
好な熱的接触状態に保ちながら、同時に、デバイス１５
がその熱サイクリングに応答して膨張したり収縮したり
できるようにする。これは”浮き基板”と呼ばれる。こ
のたわみジヨイント２８は熱の良導体であり、かつ連結
メンバーが基板２６に対してスライドして熱応力を緩和
することができるようをこ十分な動き易さを備えている
ことが望ましい。この種のたわみジヨイントは、たとえ
ばＡＲＥＭＣＯが製造している”サーモダクトナ５７４
”などの伝熱性グリースの薄膜を用いて作ることができ
る。

動作時には、２枚の基板１４と２６の間に温度差が設定
されると、熱電デバイス１５が電力を発生し、熱電エレ
メント４及び６を通って流れる。

ｎ−型エレメント６では、温度差によって負の担体が高
温側から低温側へ駆動され、ｐ−型エレメント４では、
温度差によって正の担体が筒温側から低温側へ駆動され
る。この種のデバイスで電力を発生するのは、この正及
び負の担体の移動である。電流は、前述のように、この
デバイス１５のｐ−型エレメントを直列に流れ、第３図
に示されているような剛性連結延長部１０ａ及び１０ｂ
から成るデバイス端子から引出される。

熱電デバイスに温度勾配を印加すると、デバイスのコン
ポーネントの熱膨張率の差によってデバイスに歪みが発
生する。第１図のデバイス１５においては、これらの応
力及び歪みはたわみ連結メンバー１８と浮き基板２６に
よって吸収され緩和される。この結果、デバイスが動作
条件下で反る傾向が非常に小さくなり、したがって熱交
換器との良好な熱的接触も良く保たれる。熱的に発生し
た応力が緩和されるので、デバイス１５がこの応力によ
って破壊されることが防がれ、デバイスの信頼性が高ま
る。

第１図に示されているデバイス１５は、小さな熱応力の
熱電デバイスを作り出すのにたわみ連結メンバーと浮き
基板を使用しているが、本発明のこの２つの要素をいっ
しょに使用する必要はない。

つまり、２枚の剛性的に取付けられた基板を有するデバ
イスでたわみ電気的連結部を用いることもできるし、あ
るいは全部が剛性的な連結部を有するデバイスに浮き基
板を使用することもできる。

用途によっては熱応力を減らすためにこの両方の手段を
用いることが有利なこともあるが、一方又は他方だけで
十分である。

第６図は、本発明の実施態様であるもうひとつの熱電デ
ノ々イス３０を示す。デバイス３０は、一般に第１図の
デバイス１５と同様である。したがつて、対応するコン
ポーネントには対応する参照ナンバーが用いられている
。デバイス３０は、ｐ−型４及びｎ−型６の熱電エレメ
ントを定められた連結バタンで連結したものを含んでい
る。これらのエレメント４及び６は、剛性連結メンバー
１０に剛性的に取付けられ、この剛性連結メンバー１０
は基板１４に剛性的に取付けられている。第１図のデバ
イスと同様に、たわみ電気的連結メンバー１８が第２の
連結手段として用いられている。このたわみ連結メンバ
ーは、一般的に第１図のデバイスにおけるものと同じで
、同様な方法で取付けられている。第４図のデバイスが
第１図のデバイスと違う点は、第２の基板２６が完全に
除かれているということである。基板２６が無いので、
たわみ連結部１８を外部環境から電気的に隔離すること
は、本発明のこの実施態様では、電気的に絶縁体の伝熱
性物質の層３２を、たわみ連結部に熱電エレメントが接
着されている面と反対側にデポジットすることによって
行われる。この層３２は、熱エネルギーがエレメント４
及び６へ伝わることは許すが、電気的には隔離する役目
をする。

絶縁物質３２は、たわみ連結部１８を熱電エレメント４
及び６に取付ける前でも又は後でもこれに塗布でき、こ
の絶縁物質は、たとえば、ペンサラケン、Ｎ、Ｊ、、の
エレクトロサイエンス・ラボラトリ−製造のＥＳＬ　　
Ｍ４９０６、などの厚い膜のセラミック・ペーストから
成るものでよい。

この厚膜セラミックをこの連結部に塗布し、１２５０Ｃ
で１５分間乾燥し、その後９００℃で３０分間焼いて絶
縁層を作る。セラミックの代りに、ポリフェニレンある
いはオルガノ−シリコンなどの高温有機高分子もこの絶
縁層３２を作るのに使用できる。

絶縁層３２を作るさらにもう１つの好ましい方法は、電
気的に絶縁性の、伝熱性コン、Ｑランドをたわみ連結部
１８に、スフ９ツタリング、蒸発、化学的蒸気デポジシ
ョン、などの真空デポジション法によってデポジットす
ることであろう。窒化ホウ素、窒化シリコン、酸化シリ
コン、などの物質をこのようにデポジットさせて層を作
ることができる。さらに別の好ましい実施態様では、絶
縁層３２が直接に陽極処理などの方法によってたわみ連
結部１８に作られる。たわみ連結部１８がアルミニウム
で作られている場合、陽極処理によって丈夫な、しつか
り付着した、電気的に絶縁性の伝熱性アルミナ皮膜が生
成される。

第６図の熱電発電機３０は、剛性基板１４があり、それ
に熱電発電機のエレメントが剛性的に取付けられている
ため機械的な安定性と耐久性を備えている。デバイス３
０はまた、たわみ電気的連結メンバー１８を用いて熱的
に発生する応力を緩和できる。さらにこのデバイスは第
２の基板を使用しないので、第２の基板で生ずるはずの
熱損失がなくなり、効率が高くなっている。第１図のデ
バイス１５に比べて、第６図のデバイス３０には、さら
に従来のデバイスで用いられていた補償パーを含めても
この発明の精神から逸脱したことにならないであろう。

場合によって、充填コンノＲウンドで熱電エレメントを
埋めてしまうことが望ましい。充填コンノ？ウンドは、
高熱抵抗、高電気抵抗の性質を示し、デバイスの信頼性
と効率をさらに高めるものでなければならない。充填コ
ン、ｌ！ラウンド、熱電発電エレメント、連結メンバー
、そしてデバイスの基板（単数又は複数）の間のスペー
スを埋めるのに用いる。充填コン／ラウンドは、熱電エ
レメントを電気的及び熱的に分離し、さらにそれらが熱
応力や機械的歪みで損傷するのを防ぐ。この種のデバイ
スに充填するのに好ましい物質としては、アレムコ÷５
５４という名前で売られているセラミック・コンノｑウ
ンドがある。オルガノ−シリコン・コンノ９ウンドや熱
に安定な高分子も好ましい充填コン／（ランドである。

上述のことから、本発明は、高度の頑丈さ及び信頼性と
共に高い効率を示す熱電デバイスを提供することが分る
。剛性基板を用いてそれにエレメントを剛性的に取付け
るので、機械的な外傷に耐えられる頑丈なデバイスがで
き、他方たわみ連結部や浮き基板などの応力緩和手段に
より、熱伝達の低下や時にはデ、ｚイスの破壊をひき起
す熱応力が緩和される。第２の基板を用いないと、熱伝
達と応力緩和がさらに改善され、その結果デバイスの効
率が向上する。

上記のやり方に照らして見ると、本発明の種々の変更や
変形が可能である。したがって、特許請求の範囲内で本
発明はここで具体的に説明されたものと違う仕方で実施
できると理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のひとつの実施態様である熱電デバイ
スの側面図； 第２図は、第１図の線２−２に沿って取った断面図； 第３図は、第１図の線３−３に治って取った断面図； 第４図は、本発明のひとつの実施態様による構造のたわ
み連結部の斜視図； 第５図は、本発明の第２の実施態様による構造のたわみ
連結部の斜視図； 第６図は、本発明の別の実施態様による構造゛の熱電デ
バイスの側面図、である。 １５・・・・・・熱電デバイス、 ４．６・・・・・・熱電エレメント、 １０・・・・・・第１の結合手段、 １４・・・・・・第１の剛性基板、 １８・・・・・・第２の結合手段、 ２６・・・・・・第２の剛性基板、 ２２．２８・・・・・・応力緩和手段、２８・・・・・
・たわみジヨイント、 ３２・・・・・・Ｉｎ、気的絶縁皮膜。 ２４・・・・・・たわみ中央部分。 代理人弁理士今　　村　　　元 図面の浄書（内容に変更なし） Ｆ／Ｇｉ Ｆ／６３ ＦＩ６．４ Ｆ／Ｇ、５゜ Ｆ／６６ °゛ｒ−続ネｆｌ）　、＋−Ｅ己４ 昭和５９年３ＪＪ３０１Ｊ 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事件の表示　　　昭和５９年特許願第３５８６９号
２、発明の名称　　　改良された熱電デバイス３、補正
を一す−る者 事件との関係　　特許出願人 名　称　　　　エナージー・コンバージョン・デバイセ
ス・インコーホレーテッド ７、補正の対象　　　願書中、出願人の代表者の欄、図
面及び委任状 εう、補正の内容 （１）願出中、出願人の代表省を別紙の通り補充づる。 （２）正式図面を別紙の通り補充する。 （内容に変更なし） （３）委任状及び同訳文を別紙の通り補充する。 致しました。。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ａ　　複数個の熱電エレメントと；ｂ　前記熱電
   エレメントの対向する各側において前記熱電エレメント
   を定められた。Ｑタンで連結するための第１及び第２の
   結合手段と； Ｃ前記第１の結合手段に前記熱電エレメントと反対の側
   において固定されて構造的に完全な形を与える第１の剛
   性基板と； ｄ　前記第２の結合手段に連結され、前記エレメント、
   前記基板、及び前記結合手段が熱サイクリングに応答し
   て膨張及び収縮できるようにする応力緩和手段と； によって特徴プ゛けられる、構造的完全性を有し、かつ
   熱サイクルによる温度差がデバイスに印加されても応力
   を緩和できる新しい改良された熱′的デバイス。 （２）　　さらに、前記エレメントの、前記剛性基板と
   反対の側に第２の剛性基板があり、前記応力緩和手段が
   前記第２の結合手段を前記＠２の剛性基板に結合するた
   わみジヨイントを、前記熱電エレメントに対向するその
   側に含むことで特徴η゛けられる、特許請求の範囲第（
   １）項に記載の熱電デバイス。 （３）さらに、前記たわみジヨイントが、前記第２の結
   合手段と前記第２の基板の間にはさまれた熱良導グリー
   スの薄層を含むことにより特徴ブけられる、１特許請求
   の範囲第（２）項に記載の熱電デバイス。 （４）　　さらに、前記応力緩和手段が、少くとも１つ
   のたわみ導電メンバーを含むことにより特徴１パけられ
   る、特許請求の範囲第（１）項乃至（３）項のいずれか
   に記載の熱電デバイス。 （５）　　さらに、前記たわみ導電メンバーが、前記熱
   電ニレメン−十の各々に接合される形の２つの剛性金属
   板と、前記２つの板を結合するたわみ導電ケーブルから
   成ることにより特徴′７゛。 けられる、特許請求の範囲第（４）項に記載の熱電デバ
   イス。 （６）さらに、前記たわみ導電メンバーが、薄いたわみ
   易い中央部分を有する固体金属メンバーから成ることに
   より特徴フ１゛けられる、特許請求の範囲第（４）項に
   記載の熱電デバイス。 （力　さらに、前記第２の結合手段が複数個の導電メン
   バーを含み、前記導電メンバーの各々が前記熱電エレメ
   ントの各対を連結し、前記導電メンバーの前記熱電エレ
   メントの反対側に電気的絶縁被膜があることにより特徴
   −プ゛けられる、特許請求の範囲第（１）項乃至（６）
   項のいずれかに記載の熱電デバイス。 （８）さらに、前記電気的絶縁被膜がセラミック材料か
   ら成ることにより特徴ずけられる、特許請求の範囲第（
   力項に記載の熱電デバイス。 （９）さらに、前記型、気的絶縁被膜がアルミニウム、
   ゲルマニウム、ジルコニウム、及びシリコン、の酸化物
   から成るグループから選ばれることにより特徴プ゛けら
   れる、特許請求の範囲第（力項に記載の熱電デバイス。 （ｌ　さらに、前記導電メンバーがたわみ易いことによ
   って特徴ブけられる、特許請求の範囲第（７）項に記載
   の一熱電デバイス。 ＋１１）　　ａ　　複数個の熱電エレメントと；ｂ　前
   記熱電エレメントの第１の側に剛性的に結合された第１
   の結合手段と； Ｃ前記第１の結合手段に前記熱電エレメントキ反対の側
   において固定されて構造的に完全な形を与える剛性基板
   と； ｄ　前記熱電エレメントの選ばれた対に、前記第１の結
   合手段と反対の側において′ｆＬ気的に結合され、前記
   第１の結合手段と協同して前記熱電エレメントを定めら
   れたノ９タンで電気的に連結する複数個のたわみ導電メ
   ンバ９−と： ｅ　＠記たわみメン／ζ−に前記熱電エレメントと反対
   の側において熱良導グリースによって取付けられた第２
   の基板と； によって特徴イけられる、構造的完全性を有し、かつ熱
   サイクルによる温度差がデバイスに印加されても応力を
   緩和できる新しい改良された熱電デフ？イス。